Износостойкое соединение обсадных или насосно-компрессорных труб
Предложено износостойкое соединение обсадных или насосно-компрессорных труб из сталей с содержанием хрома 3...20%, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одна из его сопрягаемых поверхностей имеет цинковое покрытие, нанесенное методом термодиффузионного порошкового цинкования, в состав покрытия входит хром в количестве 2...9% по массе, суммарная толщина покрытий на сопрягаемых деталях лежит в пределах 15...50 мкм при минимальной толщине покрытия 15 мкм. Износостойкость резьбовых соединений насосно-компрессорных труб с предложенным покрытием превышает 40 циклов свинчивание-развинчивание.
Полезная модель относится к буровой технике, точнее к насосно-компрессорным и обсадным трубам, изготовленным из легированных хромом коррозионностойких (нержавеющих) сталей, используемым в геологоразведочных, нефтяных или газовых скважинах с коррозионно-активной средой.
В буровой технике, среди прочих, существуют две важнейшие проблемы: обеспечение надежности и герметичности резьбовых соединений насосно-компрессорных и обсадных труб (далее - НКТ), а также повышение износостойкости, или долговечности, этих соединений по числу циклов свинчивание-развинчивание (далее - износостойкости). Критериями долговечности являются как степень износа соединения, так и его герметичность.
Далее термином «соединение» или «трубное соединение» - будет называться разборный узел, содержащий элемент с наружной резьбой, например, трубу или переходник, называемый далее «ниппелем», и элемент с внутренней резьбой, например, муфту или переходник, далее называемый «муфтой».
Термином «сопрягаемые поверхности» будут называться поверхности ниппеля и муфты, находящиеся в свинченном соединении в непосредственном контакте: резьбовые, уплотнительные и упорные.
Для обеспечения герметичности соединения большое значение имеет состояние сопрягаемых поверхностей, в частности чистота отделки резьбовых и уплотнительных поверхностей. Коррозия повышает трение в соединении, увеличивает вероятность образования задиров. Задиры, ускоряя износ резьбы, снижают долговечность соединения.
Коррозионностойкие легированные стали по своим механическим свойствам заметно отличаются от углеродистых сталей. В частности, им свойственны повышенная, по сравнению с углеродистыми, пластичность и склонность к задирам. В технике обычным приемом предотвращения износа является изготовление сопрягаемых элементов из существенно отличающихся по свойствам материалов. Например: стальная шпилька и латунная гайка или закаленная стальная шпилька и относительно мягкая стальная гайка. Но резьбовые соединения НКТ должны быть равнопрочными. Их изготовление из разнородных материалов проблематично.
Поэтому основополагающую роль в уменьшении износа играет смазка, одновременно служащая для уплотнения резьбы.
Известно резьбовое соединение НКТ, включающее в себя ниппель и муфту из углеродистой стали, в котором для повышения коррозионной стойкости, сопрягаемые поверхности муфты НКТ снабжены фосфатным покрытием толщиной несколько микрон нанесенным с целью повышения коррозионной стойкости [ГОСТ 633-80 «Трубы насосно-компрессорные и муфты к ним»].
Недостатком известного соединения является малая прочность покрытия. Оно выполняет свою задачу при хранении или транспортировании труб, но истирается и перестает быть полезным после первых же циклов. В последнее время увеличивается число скважин, осложненных коррозионными средами. Для таких скважин фосфатное покрытие как средство защиты от коррозии практически бесполезно.
Известно резьбовое соединение для стальных труб, как из углеродистой, так и из легированной хромом коррозионностойкой стали, содержащее ниппель и муфту, по меньшей мере, на одной из сопрягаемых поверхностей которых имеется пористое цинковое покрытие, поверх которого нанесено твердое смазочное покрытие, состоящее из связующего вещества (смолы или органического полимера) и смазочного порошка на основе дисульфида молибдена или вольфрама, или органических соединений молибдена, или графита, или нитрида бора, или политетрафторэтилена [патент РФ 
2258859 по кл. F16L 15/00].
Одной из целей создания такого соединения было предотвращение загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, вымываемыми из консистентных смазок в почву или океан. Однако, замена консистентной смазки твердой не предотвращает загрязнения, а лишь уменьшает его. Тяжелые металлы все равно остаются основой смазки. Известное соединение сложно в изготовлении, а потому дорого, производство необходимых для твердого покрытия связующих веществ само по себе также экологически вредно. Срок службы известного соединения достигает 20 циклов, что хотя и не плохо по сравнению с простейшими способами подготовки (6...7 циклов), но не превышает результаты, достигнутые с применением намного более простых и дешевых способов.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является износостойкое резьбовое соединение НКТ, включающее в себя ниппель и муфту из углеродистой стали, на резьбовых поверхностях которого выполнено диффузионное цинкование толщиной 
мкм, причем на всех остальных поверхностях муфты и переходника выполнено диффузионное порошковое
цинкование толщиной в интервале от 15 до 150 мкм [патент РФ на полезную модель 30913]. Износостойкость соединений НКТ из углеродистой стали с таким покрытием существенно превышает износостойкость соединений без покрытия. Однако такие покрытия на резьбовых частях соединений НКТ из коррозионностойких сталей, легированных хромом и используемых в особо агрессивных по коррозии условиях, до настоящего времени не применяются. Цинковые покрытия на деталях соединений НКТ из коррозионностойких сталей, легированных хромом, заявителю неизвестны.
Главной причиной неиспользования таких покрытий на резьбовых частях соединений из коррозионностойких сталей, легированных хромом, является неопределенность влияния наличия покрытия на износостойкость, или долговечность, соединения. Одни испытания подтверждают повышение износостойкости, другие же показывают очень незначительное улучшение, не оправдывающее затрат на нанесение покрытия, тем более, что коррозионная стойкость таких сталей считается достаточной и без цинкового покрытия. Для повышения износостойкости резьбовых соединений из легированных хромом коррозионностойких сталей считается достаточным применение смазывающее-уплотняющих составов.
Технической задачей настоящего предложения является повышение износостойкости соединений коррозионностойких насосно-компрессорных или обсадных труб из сталей с содержанием хрома 3...20%, без существенного удорожания соединения.
Указанная цель достигается тем, что в соединении насосно-компрессорных или обсадных труб из стали с содержанием хрома 3...20%, по меньшей мере, одна из сопрягаемых поверхностей имеет цинковое покрытие, нанесенное методом термодиффузионного порошкового цинкования, в состав которого входит хром в количестве 2...9% по массе при суммарной толщине покрытий на сопрягаемых деталях в пределах 15...50 мкм и минимальной толщине покрытия 15 мкм.
Благодаря наличию цинкового покрытия с содержанием хрома 2...9% по массе, по меньшей мере, на одной из сопрягаемых поверхностей соединения, износостойкость соединения резьбовых деталей из коррозионностойких сталей с содержанием хрома 3...20% повышается до 40 циклов свинчивание-развинчивание и более.
Благодаря тому, что минимальная толщина покрытия составляет 15 мкм, обеспечивается гарантированная сплошность покрытия и достижение эффекта повышения износостойкости соединения.
Благодаря тому, что максимальная суммарная толщина покрытий не превышает 50 мкм, соединение с покрытием можно собирать, руководствуясь указаниями стандартных нормативных документов, в частности, использовать установленные критерии натяга соединения для определения правильности свинчивания. Это устраняет возможные затруднения с внедрением предложенных резьбовых соединений.
Благодаря тому, что покрытие нанесено методом термодиффузионного цинкования, обеспечивается упрощение, удешевление и экологическая чистота процесса изготовления деталей соединения. Это достигается за счет того, что для цинкования используются обычные порошковые смеси, не содержащие хром, а хром, повышающий качество покрытия, поступает в него в результате термодиффузии из металла деталей.
Благодаря тому, что покрытие может быть нанесено только на одну из сопрягаемых деталей, упрощается и удешевляется технология нанесения покрытия, в частности, из-за того, что его можно наносить только на короткие муфты или переходники. Это не требует применения технологических установок большой длины.
Предложенное износостойкое соединение насосно-компрессорных или обсадных труб состоит из элемента (детали) с наружной резьбой - трубы, переходника, часто называемых общим термином «ниппель», и сопрягаемого (свинчиваемого) с ним элемента с внутренней резьбой - переходника или муфты, часто называемых общим термином «муфта». Детали соединения изготовлены из коррозионностойкой (нержавеющей) стали с содержанием хрома от 3 до 20% по массе.
На резьбовой, уплотнительной и упорной поверхностях одной из сопрягаемых деталей или обеих деталей нанесено защитное покрытие. Назначение покрытия - повысить коррозионную стойкость резьбы, а также уплотнительных и упорных поверхностей как наиболее уязвимых участков деталей, а также повысить износостойкость соединения по числу циклов свинчивание-развинчивание. В случае нанесения покрытия только на одну из деталей, оно предпочтительно наносится на муфту, так как из-за ее сравнительно небольшой длины это технологически проще. Риск коррозии остающейся без покрытия второй, сопрягаемой, детали весьма невелик, поскольку в свинченном состоянии покрытие на одной из деталей, равномерно заполняя зазоры в резьбе, предохраняет от коррозии и вторую деталь. Вне воздействия агрессивной среды, то есть в развинченном состоянии, при хранении или транспортировке, детали из коррозионностойкой стали не коррозируют.Разница в износостойкости соединений, имеющих покрытие на одной или на обеих деталях, есть,
но она не настолько значительна, чтобы оправдать затраты по нанесению покрытия на длинномерную НКТ. Если же сопрягаемая с муфтой деталь имеет сравнительно небольшую длину, то покрытие можно наносить на обе детали.
Минимальная толщина покрытия на любой из деталей составляет 15 мкм. При меньшей толщине покрытие может оказаться не сплошным. Максимальная суммарная толщина покрытия не должна превышать 50 мкм, независимо от того, толщин на каждой из деталей. При суммарной толщине свыше 50 мкм и свинчивании соединения стандартным способом с приложением нормированного крутящего момента, резьбу, как правило, не удается дотянуть до состояния, которое нормативными документами определено как нормальное. Обычно критерием правильности сборки является совпадение плоскости торца муфты с выходом резьбы на ниппеле. Соединение, недотянутое нормированным крутящим моментом до указанного состояния, по принятым нормам считается бракованным.
Среднее массовое содержание хрома в покрытии должно находиться в пределах 2...9%. При меньшем содержании хрома износостойкость соединения по числу циклов свинчивание-развинчивание снижается в среднем на 20% за счет уменьшения его твердости и ускоренного истирания. Поэтому 2% хрома в покрытии было принято за нижний предел.
При содержании хрома свыше 9% долговечность соединения также снижается на 20% и более за счет повышения его хрупкости и частичного срыва с деталей при затяжке.
Хром располагается неравномерно по толщине покрытия, его наименьшая концентрация установлена вблизи открытой поверхности покрытия. Поэтому, говоря о массовом содержании хрома, всюду подразумевается его содержание, усредненное по всей толщине покрытия.
Предпочтительным способом нанесения вышеописанного хромсодержащего покрытия является стандартный процесс термодиффузионного порошкового цинкования, дополненный стадией выдержки уже нанесенного цинкового покрытия заданной толщины при повышенной температуре для того, чтобы в покрытие продиффундировало требуемое количество хрома из металла детали.
При практической реализации предложенного способа удается установить режимы, при которых время нанесения покрытия заявленной толщины и время достижения требуемой концентрации хрома в покрытии максимально совпадают. Параметры режима: время и температура процесса зависят от требуемой толщины покрытия и марки стали, из которой изготовлена деталь. Эти параметры определяются
для каждой толщины и марки экспериментально. Расчетное определение режима затруднено тем, что скорость достижения требуемой концентрации хрома в покрытии не пропорциональна процентному содержанию хрома в стали.
В результате стендовых испытаний соединений, изготовленных предложенным способом установлено, что их износостойкость превышает 40 циклов свинчивание-развинчивание. Герметичность соединений, проверенная после сорокового цикла испытаний, оставалась безупречной.
Результаты испытаний свидетельствуют о высокой долговечности предложенных соединений и эффективности предложенного способа изготовления износостойких соединений.
Осуществление предложенного способа не требует нового оборудования или переделок хорошо освоенного и широко применяемого оборудования для нанесения термодиффузионных цинковых покрытий.
Износостойкое соединение обсадных или насосно-компрессорных труб из сталей с содержанием хрома 3
20%, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одна из его сопрягаемых поверхностей имеет цинковое покрытие, нанесенное методом термодиффузионного порошкового цинкования, в состав покрытия входит хром в количестве 29% по массе, суммарная толщина покрытий на сопрягаемых деталях лежит в пределах 1550 мкм при минимальной толщине покрытия 15 мкм.
