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 охлаждения, электроакустический, преобразователь, концентратор, сменный резонансный волновод с резьбовым рабочим инструментом, систему подвески ультразвуковой головки, узел позиционирования трубы в продольном направлении. Рабочий инструмент волновода выполнен с резьбой, ответной обрабатываемому резьбовому элементу и размещен на выходном участке волновода, обращенном к узлу зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси. 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. Устройство снабжено проточной системой жидкостного охлаждения ультразвуковой головки, которая выполнена в виде ветви, содержащей бачек ультразвуковой головки, подключенной к цепи циркуляционной системы охлаждения зоны обработки смазочно-охлаждающей жидкостью.

Технический результат - сужение диапазона отклонений от соосности инструмента ультразвуковой головки и обрабатываемого резьбового элемента, повышении точности обработки и надежности устройства с увеличением норматива длительности непрерывной его работы.

5 з.п. ф-лы.

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 ножки 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 функции 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 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 в каретке, установленной на станине, узел позиционирования трубы в продольном направлении, систему охлаждения преобразователя, включающую проточный бачек ультразвуковой головки и систему циркуляции смазочно-охлаждающей жидкости через зону обработки (RU 2092291).

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

Используемая в RU 2092291 система охлаждения преобразователя выполнена отдельной, независимой от системы циркуляции смазочно-охлаждающей жидкости, включающей локальную ванну, что удорожает и усложняет обслуживание устройства, а также не обеспечивает необходимой вариации степени охлаждения преобразователя. Это может приводить к

перегреву, снижению эффективности и преждевременному выходу из строя устройства.

Из-за несовершенной конструкции системы подвески ультразвуковой головки наблюдаются существенные отклонения от соосности первичной установки соединения, что сопровождается потерей симметрии сил реакции подвески и снижением точности ультразвуковой обработки резьбового элемента.

Задача полезной модели состоит в устранении этих недостатков.

Технический результат предлагаемого устройства заключается в сужении диапазона отклонений от соосности инструмента ультразвуковой головки и обрабатываемого резьбового элемента, повышении точности обработки и надежности устройства с увеличением норматива длительности непрерывной его работы.

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, включающую систему ее охлаждения, 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 в каретке, установленной на станине, узел позиционирования трубы в продольном направлении, систему охлаждения зоны обработки смазочно-охлаждающей жидкостью, 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 проточного жидкостного охлаждения ультразвуковой головки выполнена в

виде проточной ветви, содержащей бачек ультразвуковой головки, и подключенной к цепи циркуляционной системы охлаждения зоны обработки смазочно-охлаждающей жидкостью.

Предпочтительно, система охлаждения преобразователя смазочно-охлаждающей жидкостью снабжена подключенной в сериес к ней ветвью с бачком проточной системы жидкостного охлаждения ультразвуковой головки и регулятором интенсивности охлаждения преобразователя по скорости протока в общей напорной магистрали циркуляционной системы охлаждения смазочно-охлаждающей жидкостью, что обеспечивает более эффективную и стабильную работу устройства.

Наиболее предпочтительно, система охлаждения зоны обработки смазочно-охлаждающей жидкостью снабжена подключенной в шунт к ней ветвью с бачком проточной системы жидкостного охлаждения ультразвуковой головки и регулятором интенсивности охлаждения преобразователя по скорости протока в напорной магистрали шунтовой ветви системы охлаждения смазочно-охлаждающей жидкостью.

Система охлаждения зоны обработки и система охлаждения ультразвуковой головки могут быть выполнены, как циркуляционными, так и проточными на слив.

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 резьбовых шпилек.

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 стяжное 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°.

Установка каретки на станине может быть подвижной, при этом 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 магистрали гидромотора 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 выключателей с реакцией на стальные объекты, размещенные на станине, а также в виде электромагнитных бесконтактных выключателей 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.

Проведенные исследования показали, что предлагаемое устройство позволяет 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 неизбежно приводит к снижению потерь симметрии сил реакции подвески и повышению точности ультразвукового воздействия на участки наружного конуса обрабатываемого резьбового элемента.

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 необходимой 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, которые 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, чем одна пружина расположена в другом сечении - 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 в другом сечении, 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 удобства обслуживания и минимальной металлоемкости устройства.

Предлагаемое устройство имеет типичную принципиальную схему, например, приведенную в патентах RU 2191097 и RU 2092291 и состоит из станины, узла зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси, роликового механизма вращательно-поступательного перемещения труб, ультразвуковой головки, имеющей корпус и размещенной в каретке,

установленной на станине, системы подвески ультразвуковой головки, узла позиционирования трубы в продольном направлении и датчика линейных перемещений. Каретка установлена на опорах и имеет возможность возвратно-поступательного перемещения вдоль станины. В корпусе-бачке проточного жидкостного охлаждения 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, расположенным, например, в зоне устанавливаемой пластины упора-фиксатора в конце хода загрузки труб в зону обработки их резьбового элемента в составе узла позиционирования трубы в продольном направлении; 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 зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси, которые повышают точность аттестации ниппеля и снижают вероятность перебраковки изделий.

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, 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.

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 трубный ручной 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 подачи резьбовых элементов труб к ультразвуковой головке, навинчивают на обрабатывающий трубный резьбовой элемент, при этом в локальную ванну корпуса головки обильно подают смазочно-охлаждающую и пассивирующую эмульсию. Возможно как вращательное перемещение ультразвуковой головки при неподвижной трубе

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

При замедлении относительного вращения в конце навинчивания, например, по сигналу крутильного акселерометра, установленного на корпусе головки, 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 тона собственных колебаний трубы, ближайшего к основному тону собственных колебаний обрабатываемой муфты (предпочтительно, 20±4 кГц). При этом амплитуда колебаний может иметь другие значения, исходя из выбранных критериев оптимизации режимов обработки. При этом, продолжая свинчивать резьбовые элементы, выполняют совмещенную обработку резьбы поверхностным пластическим деформированием и ультразвуковыми колебаниями, что обеспечивает очистку, поверхностное пластическое деформирование, восстанавливающее профиль резьбы, поверхностное упрочнение и химическую пассивацию резьбы. Соосность первичной установки по вершинам резьбового элемента инструмента вместе с ультразвуковой колебательной системой, обеспечиваемая предлагаемой конструкцией системы подвески ультразвуковой головки, позволяет проводить обработку резьбы с повышенной точностью. Навинчивание обрабатываемого резьбового элемента прерывают, отключая механизм относительного вращения резьбовых элементов, при достижении нормированной величины крутящего момента сопротивления, затем переходят к отвинчиванию обрабатываемого резьбового элемента. Начало отвинчивания облегчается присутствием ультразвуковых колебаний и, дополнительно, радиальными деформациями обрабатывающего резьбового элемента при приложении крутящего момента отвинчивания при наличии спиральных пазов на инструменте.

Чередование навинчивания и отвинчивания прерывают при достижении минимально необходимого по нормативам натяга, затем снова, при необходимости, переходят к навинчиванию. Операции проводят в один или более проходов до фиксации датчиком линейных перемещений достижения осевого натяга, соответствующего аттестации обрабатываемого резьбового элемента годным по калибру, после чего отвинчивание продолжают до разъединения резьбовых элементов и вращение прекращают окончательно.

Использование в устройстве вышеописанной системы охлаждения преобразователя значительно облегчает обслуживание устройства, а также обеспечивает возможность регулирования степени охлаждения преобразователя. Это снижает вероятность перегрева и увеличивает наработку на отказ устройства в 2 раза.

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, включающую систему ее охлаждения, электроакустический преобразователь, концентратор, сменный резонансный волновод с резьбовым рабочим инструментом, ответным обрабатываемому резьбовому элементу, размещенным на выходном участке волновода, обращенном к узлу зажима трубы и ее вращения вокруг продольной оси, систему подвески ультразвуковой головки, размещенную в каретке, установленной на станине, узел позиционирования трубы в продольном направлении и систему охлаждения зоны обработки смазочно-охлаждающей жидкостью, 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 охлаждения ультразвуковой головки выполнена в виде проточной ветви, содержащей бачок ультразвуковой головки и подключенной к цепи циркуляционной системы охлаждения зоны обработки смазочно-охлаждающей жидкостью.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система охлаждения зоны обработки смазочно-охлаждающей жидкостью снабжена подключенной в сериес к ней ветвью с бачком проточной системы жидкостного охлаждения ультразвуковой головки и регулятором интенсивности охлаждения преобразователя по скорости протока в общей напорной магистрали циркуляционной системы охлаждения смазочно-охлаждающей жидкостью.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система охлаждения зоны обработки смазочно-охлаждающей жидкостью снабжена подключенной в шунт к ней ветвью с бачком проточной системы жидкостного охлаждения ультразвуковой головки и регулятором интенсивности охлаждения преобразователя по скорости протока в напорной магистрали шунтовой ветви системы охлаждения смазочно-охлаждающей жидкостью.

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.



 

Наверх