Устройство ультразвуковой обработки элементов труб для нефтяной и газовой промышленности

Полезная модель относится к обработке резьбовых элементов труб и может быть использована в нефтяной и газовой промышленности. Устройство содержит станину, узел зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси, ультразвуковую головку, включающую систему ее принудительного охлаждения, электроакустический преобразователь, концентратор, сменный резонансный волновод с резьбовым рабочим инструментом, который выполнен с резьбой, ответной восстанавливаемому резьбовому элементу. Система подвески ультразвуковой головки размещена в каретке, установленной на станине и содержит не менее четырех пружин. Из них не менее трех равнорасположены по углу и соединены с ультразвуковой головкой по периферии ее поперечного сечения. Не менее одной пружины расположено в другом сечении, отстоящем от первого не менее, чем на диаметр головки, а система принудительного охлаждения головки выполнена в виде узла охлаждения воздушным потоком активных элементов преобразователя.

Технический результат - повышение точности обработки резьбы при лучшей соосности первичной установки по вершинам резьбы инструмента в составе ультразвуковой колебательной системы и обрабатываемого резьбового элемента, снижение массы проточного бачка головки, а с этим облегчение соосной установки инструмента в ходе обработки с относительным вращением элементов, упрощение конструкции и повышение технологичности эксплуатации узла охлаждения ультразвуковой головки, особенно в суровых климатических условиях. 6 з.п. ф-лы, X илл.

Полезная модель может быть использована в нефтяной и газовой промышленности, как на ремонтных базах, так и в полевых условиях. Полезная модель предназначена ультразвуковой обработки, а конкретно - для упрочнения и/или восстановления резьбовых элементов труб, например, бурильных, обсадных и насосно-компрессорных и др., в процессе подготовки к эксплуатации, технического обслуживания и поддержания в надлежащем состоянии резьбовых элементов во время спуско-подъемных операций в процессе бурения и эксплуатации нефтегазовых и других скважин и т.п. Под резьбовыми элементами понимается муфта или ниппельный конец трубы, различные элементы конической резьбы, такие как вершина, вставная фронтальная грань, нагрузочная тыльная грань, соответственно, головки или ножек профиля резьбы трубы и т.п.

Известно восстановление труб, бывших в эксплуатации обновлением резьбовых элементов путем перенарезки резьбового профиля (SU 1563884). Однако восстановление перенарезкой часто сопряжено с отрезкой участков трубы, что ведет к повышению удельного расхода металла труб на тонну добываемой продукции. Повышенный удельный расход металла сопряжен также с необходимостью замены муфт с изношенной резьбой, т.к. последняя не подлежит перенарезке.

Восстановление резьбовых элементов указанным путем не учитывает особенностей распределения фактической площади контакта, напряжений и износа по длине резьбового элемента, что не использует резервов возможного увеличения его срока службы.

Известно устройство, реализующее способ безабразивной полировки поверхностей, способствующей увеличению фактической площади контакта и упрочнению поверхностей, содержащее ультразвуковую колебательную

систему продольно-крутильных колебаний, состоящую из магнитострикционного преобразователя, волновода со спиральными пазами и сменным элементом на торце (SU 546463).

К недостаткам известного устройства относится то, что оно не может быть использовано для усовершенствования технологии по восстановлению резьбовых соединений в связи с заклиниванием таких инструментов в конических соединениях.

Наиболее близким является устройство ультразвуковой обработки резьбовых элементов труб для нефтяной и газовой промышленности, содержащее станину, узел зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси, ультразвуковую головку, включающую систему ее принудительного охлаждения, выполненную в виде бачка с охлаждающей эмульсией, электроакустический преобразователь, концентратор, сменный резонансный волновод с резьбовым рабочим инструментом, ответным восстанавливаемому резьбовому элементу, размещенным на выходном участке волновода, обращенном к узлу зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси, систему подвески ультразвуковой головки, размещенную на каретке станины, узел позиционирования трубы в продольном направлении узел контроля крутящего момента сопротивления вращению и узел контроля качества резьбы (патент RU 2092291).

Существенные потери точности конуса резьбы в процессах ультразвуковой обработки трубных изделий определяются отклонением от соосности первоначальной установки соединения - ультразвуковой колебательной системы, включающей инструмент, относительно обрабатываемого резьбового элемента.

Из-за несовершенной конструкции системы подвески и увеличенного веса ультразвуковой головки наблюдаются существенные отклонения от соосности первоначальной установки и во время обработки соединения, что приводит к потере симметрии сил реакции подвески и снижении точности ультразвуковой обработки резьбы.

Задача полезной модели состоит в устранении этих недостатков.

Технический результат предлагаемого устройства заключается в повышении соосности первоначальной установки соединения ультразвуковой колебательной системы, включающей инструмент, относительно обрабатываемого резьбового элемента, повышении за счет этого точности обработки и в дополнительном повышении точности обработки за счет уменьшения массы ультразвуковой головки.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве ультразвуковой обработки резьбовых элементов труб для нефтяной и газовой промышленности, содержащем станину, узел зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси, ультразвуковую головку, электроакустический преобразователь, концентратор, сменный резонансный волновод с резьбовым рабочим инструментом, ответным восстанавливаемому резьбовому элементу, размещенным на выходном участке волновода, обращенном к узлу зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси, систему подвески ультразвуковой головки, размещенную на подвижной вдоль станины каретке, узел позиционирования трубы в продольном направлении, узел охлаждения преобразователя, при этом система подвески ультразвуковой головки содержит не менее четырех пружин, в том числе, не менее трех, по углу равнорасположенных, соединенных с ультразвуковой головкой по периферии одного ее поперечного сечения, и не менее одной, расположенной в другом сечении, а система охлаждения ультразвуковой головки выполнена в виде узла охлаждения воздушным потоком.

Узел охлаждения головки воздушным потоком может быть выполнен в виде вентилятора, в виде узла подачи сжатого воздуха и т.п..

Предпочтительно, узел охлаждения головки воздушным потоком размещен с возможностью обдува непосредственно по активным элементам преобразователя, например, по пьезокольцам и токоподводящим шайбам стержневого резонансного составного пьезокерамического преобразователя Ланжевеновского типа.

Система подвески ультразвуковой головки может содержать не менее четырех пружин растяжения или не менее четырех пружин сжатия, или не менее четырех пластинчатых пружин изгиба.

Для обеспечения работы с различными трубами резьбовой рабочий инструмент, ответный восстанавливаемому резьбовому элементу, может быть выполнен с возможностью как навинчивания на восстанавливаемый резьбовой элемент, так и ввинчивания в восстанавливаемый резьбовой элемент.

Сменный резонансный волновод может быть выполнен трубчатым, в этом случае предпочтительно выполнение его соединения с концентратором резьбовым.

Могут быть использованы различные резонансные концентраторы, отличающиеся как по количеству элементов с различным профилем продольного сечения (простой, составной), так и по количеству последовательно соединенных резонансных концентраторов полуволновой длины (одно-, двух- и т.д. ступенчатый). Предпочтительно выполнение концентратора одноступенчатым стержневым или двухступенчатым составным стержневым.

В последнем случае соединение ступеней двухступенчатого составного стержневого концентратора, имеющих узловые фланцы, может быть выполнено с помощью резьбовой крепежной детали, например, шпильки.

Соединение сменного резонансного волновода с концентратором может иметь различное выполнение, например, в виде фланцевого соединения, посредством резьбовой крепежной детали, в виде фланцевого соединения и дополнительно посредством резьбовой крепежной детали. При этом резьбовая крепежная деталь может быть выполнена, например, в виде шпильки или винта.

Указанное фланцевое соединение может быть выполнено в виде байонетного замка с пружинным поджимом замка к узловому фланцу

концентратора или в виде байонетного замка с жестким поджимом замка шпильками к узловому фланцу концентратора.

Сменный резонансный волновод с резьбовым рабочим инструментом может иметь различную конструкцию, например:

- в виде плашки с внутренней рабочей резьбой, ответной восстанавливаемому резьбовому элементу по параметрам шага, углов профиля и конусности, с пазами, пересекающими нитки резьбы параллельно ее оси,

- в виде плашки с внутренней рабочей резьбой, ответной восстанавливаемому резьбовому элементу по параметрам шага, углов профиля и конусности, с пазами, пересекающими нитки резьбы и имеющими левовинтовое направление пазов с углом их наклона к образующей не более 45°,

- в виде метчика с наружной рабочей резьбой, ответной восстанавливаемому резьбовому элементу по параметрам шага, углов профиля и конусности, с пазами, пересекающими нитки резьбы параллельно ее оси,

- в виде метчика с наружной рабочей резьбой, ответной восстанавливаемому резьбовому элементу по параметрам шага, углов профиля и конусности, с пазами, пересекающими нитки резьбы и имеющими правовинтовое направление пазов с углом их наклона к образующей не более 45°.

Каретка может устанавливаться подвижно на станине, привод каретки может быть выполнен электрическим с червячным механизмом осевой подачи, с реечным механизмом осевой подачи или с червячным и реечным механизмом осевой подачи.

Кроме того, привод каретки может быть выполнен в виде гидроцилиндра подачи.

Для обеспечения качественной работы устройства каретка может содержать ограничители вращения ультразвуковой головки по датчику-регулятору

давления в гидромагистрали мотора привода механизма вращения трубы вокруг продольной оси и/или ограничители вращения ультразвуковой головки по бесконтактным датчикам-регистраторам углового положения ультразвуковой головки в каретке.

Электроакустический преобразователь может быть выполнен в виде магнитнострикционного преобразователя, в виде стержневого резонансного составного пьезокерамического преобразователя, например, Ланжевеновского типа.

Возможно различное выполнение узла зажима и вращения трубы вокруг продольной оси:

- в виде передней бабки токарного станка,

- с приводом в виде асинхронного двигателя.

- с приводом в виде гидромотора.

- с механизмом зажима в виде кулачкового механизма с гидроцилиндром.

Датчики позиционирования в механизме вращения трубы вокруг продольной оси контролируют положение ультразвуковой колебательной системы относительно станины и могут быть выполнены в виде электромагнитных бесконтактных датчиков с реакцией на стальные объекты, размещенные на станине, а также в виде электромагнитных бесконтактных датчиков с реакцией на стальные объекты, которые размещены на каретке.

Электроакустический преобразователь и концентратор могут иметь различное соединение, в частности, спайкой или с помощью резьбовой крепежной детали, например, с помощью шпильки, в некоторых случаях соединение электроакустического преобразователя и концентратора может быть выполнено резьбовым.

Наиболее предпочтительной является система подвески ультразвуковой головки, содержащая не менее трех пружин, по углу равнорасположенных, соединенных с ультразвуковой головкой по периферии ее поперечного сечения, который проходит через ее центр масс.

В этом случае достигается большая надежность поддержания требуемой соосности даже при использовании трех пружин, по углу равнорасположенных, соединенных с ультразвуковой головкой по периферии ее поперечного сечения.

Практически система подвески ультразвуковой головки содержит две группы пружин, в каждой из групп пружины симметрично расположены относительно вертикали, проходящей через продольную ось головки.

В первой группе не менее трех пружин соединены с корпусом ультразвуковой головки на периферии ее поперечного сечения, расположенного на участке от торца корпуса, снабженного фланцем и обращенного к узлу зажима изделия, до центра масс головки включительно. Во второй группе не менее одна пружина расположена у противоположного конца ультразвуковой головки, при этом корпус ультразвуковой головки установлен параллельно направлению излучения ультразвуковой колебательной системы и соосно обрабатываемому резьбовому элементу.

Увеличение количества пружин, как сверх трех по углу равнорасположенных, соединенных с ультразвуковой головкой по периферии ее поперечного сечения, так и сверх одной, расположенной вертикально, повышает надежность обеспечения соосности даже при размещении пружин, по углу равнорасположенных, соединенных с ультразвуковой головкой по периферии ее поперечного сечения, не проходящего через ее центр масс. Количество пружин определяется в каждом конкретном случае в зависимости от линейных размеров, массы и особенностей конструкции элементов ультразвуковой головки и прочих узлов, входящих в устройство, с учетом обеспечения простоты обслуживания и минимальной металлоемкости устройства.

Устройство состоит из станины, узла зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси, например, роликового механизма вращательно-поступательного перемещения труб, ультразвуковой головки, имеющей корпус, системы подачи сжатого воздуха, состоящей из компрессора,

системы подвески ультразвуковой головки, размещенной в каретке на станине, узла позиционирования трубы в продольном направлении и узла контроля качества резьбы по показателю натяг по калибру. Каретка имеет возможность возвратно-поступательного перемещения вдоль станины. В корпусе ультразвуковой головки закреплена колебательная система, включающая электроакустический преобразователь с обмоткой, подключаемой к ультразвуковому генератору, например, мод. УЗГЗ-4, концентратор, сменный резонансный волновод с резьбовым рабочим инструментом, ответным восстанавливаемому резьбовому элементу, размещенным на выходном четвертьволновом участке волновода, обращенном к узлу зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси. Как указано выше, электроакустический преобразователь и концентратор могут иметь различное соединение. В случае использования электроакустического преобразователя ПМС-15А-18 соединение может быть осуществлено с помощью резьбовой крепежной детали, например, с помощью шпильки. Ультразвуковой генератор имеет стабилизатор амплитуды ультразвуковых колебаний и блок автоматического поддержания резонанса.

Предлагаемое устройство может быть снабжено, по отдельности и вместе, датчиком момента свинчивания по давлению в магистрали гидромотора механизма вращения трубы в составе узла зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси; датчиком торца трубы, выполненным, например, в виде устанавливаемой пластины упора-фиксатора в конце хода загрузки труб в зону обработки их резьбового элемента в составе узла позиционирования трубы в продольном направлении; которые повышают точность аттестации и снижают вероятность перебраковки резьбы.

Кроме того, устройство может включать вместе или по отдельности узел контроля качества резьбовых участков по комплексным показателям «натяг гладкого калибра», «натяг резьбового калибра» и по параметру «рабочая высота профиля», который включает ультразвуковой рабочий инструмент, используемый в качестве контролирующего калибра- бракера,

датчик линейных перемещений, контролирующий положение инструмента в рабочей зоне в направлении оси обрабатываемого резьбового участка; установленный между ультразвуковым рабочим инструментом и торцом резьбового участка трубы разделительный элемент, выполненный по меньшей мере с двумя измерительными плоскопараллельными поверхностями и средством перемещения разделительного элемента, обеспечивающим возможность его установки в рабочей зоне между обращенными друг к другу торцами рабочего инструмента и обрабатываемого резьбового участка и удаления его из этой зоны. Узел контроля качества резьбовых участков, может быть выполнен в виде измерителя линейных перемещений с щупом-штоком, поджимаемым к торцу инструмента или элементу ультразвуковой головки.

Для работы устройства в полевых условиях в сочетании со спуско-подъемными операциями над трубными колоннами в общую схему дополнительно включаются следующие элементы: элеватор подъемно-транспортного механизма, ключ двустороннего действия, закрепляемый на корпусе ультразвуковой головки, водило приводного механизма относительного вращения резьбовых элементов, а также бесконтактный выключатель в качестве счетчика оборотов водила и акустический изолятор полуволновый с узловым опорным фланцем, соответствующий регулируемой частоте ультразвуковых колебаний.

Работа устройства может осуществляться следующим образом.

Трубу с обрабатываемым резьбовым элементом, например муфтовым, подводят посредством механизма относительного вращения резьбовых элементов труб к ультразвуковой головке, свинчивают с обрабатывающим трубным резьбовым элементом, при этом в зону свинчивания обильно подают смазочно-охлаждающую и пассивирующую эмульсию, а в зону работающего преобразователя сжатый воздух. Возможно как вращение ультразвуковой головки при неподвижной трубе с обрабатываемым

резьбовым элементом, так и вращение трубы при неподвижной ультразвуковой головке.

При замедлении относительного вращения в конце свинчивания, например, по сигналу крутильного акселерометра включают обработку резьбы ультразвуковыми колебаниями, подключая преобразователь к ультразвуковому генератору со стабилизатором амплитуды ультразвуковых колебаний, например, на уровне 5±2 мкм, и блоком автоматического поддержания резонанса, при этом частоту ультразвуковых колебаний регулируют в соответствии с резонансом для одного из тонов собственных колебаний изделия, например, для основного тона собственных колебаний обрабатываемой муфты (предпочтительно, 20±4 кГц). При этом амплитуда колебаний может иметь другие значения, исходя из выбранного критерия оптимальности ультразвукового воздействия и времени обработки.

При этом, продолжая свинчивать резьбовые элементы, выполняют совмещенную обработку резьбы поверхностным пластическим деформированием и ультразвуковыми колебаниями, что обеспечивает также очистку и химическую пассивацию резьбы. Соосность ультразвуковой колебательной системы, обеспечиваемая предлагаемой конструкцией системы подвески ультразвуковой головки, позволяет проводить обработку резьбы с высокой точностью. Свинчивание резьбовых элементов прерывают, отключая механизм относительного вращения резьбовых элементов при достижении нормированной величины крутящего момента сопротивления, затем переходят к развинчиванию обрабатываемого резьбового элемента и обрабатывающего резьбового рабочего инструмента.

Развинчивание прерывают при достижении минимально необходимого натяга, затем снова, при необходимости, переходят к свинчиванию. Операции проводят в один или более переходов до достижения осевого натяга, фиксируемого узлом контроля качества, соответствующего аттестации обрабатываемого резьбового элемента годным по калибру, после чего свинчивание прекращают окончательно.

Проведенные исследования показали, что предлагаемое устройство позволяет облегчить вес головки, снизить дисперсию отклонений от соосности ультразвуковой колебательной системы по отношению к обрабатываемому резьбовому элементу трубы по сравнению с прототипом в 2 и более раза, что приводит к снижению потерь симметрии сил реакции подвески и повышению точности ультразвуковой обработки с увеличением на 10-20% стойкости резьбового элемента к повторному свинчиванию. При применении воздушной системы охлаждения головки существенно уменьшается ее масса (порядка 25-30%) за счет чего дополнительно увеличивается точность обработки, в результате чего на 3-4% снижается уровень перебраковки восстанавливаемых резьбовых элементов.

1. Устройство для ультразвуковой обработки резьбовых элементов труб для нефтяной и газовой промышленности, содержащее станину, узел зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси, ультразвуковую головку, систему ее принудительного охлаждения, электроакустический преобразователь, концентратор, сменный резонансный волновод с резьбовым рабочим инструментом, размещенным на выходном участке волновода, обращенном к узлу зажима трубы и ее вращения, систему подвески ультразвуковой головки, размещенную в каретке, установленной на станине, узел позиционирования трубы в продольном направлении, отличающееся тем, что система подвески ультразвуковой головки содержит не менее четырех пружин, в том числе, не менее трех, по углу равнорасположенных, соединенных с ультразвуковой головкой по периферии одного ее поперечного сечения, и не менее одной, расположенной в другом сечении, отстоящем от первого не менее чем на диаметр головки, а система принудительного охлаждения головки выполнена в виде узла охлаждения воздушным потоком.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел охлаждения ультразвуковой головки воздушным потоком выполнен в виде вентилятора или в виде узла подачи сжатого воздуха.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел охлаждения ультразвуковой головки воздушным потоком размещен с возможностью непосредственного обдува активных элементов электроакустического преобразователя и/или металлических радиаторных пластин, помещенных между ними.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система подвески ультразвуковой головки содержит не менее четырех пружин растяжения.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система подвески ультразвуковой головки содержит не менее четырех пружин сжатия.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система подвески ультразвуковой головки содержит не менее четырех пластинчатых пружин изгиба.