Патент на изобретение №2270978

(54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ СУММАРНОЙ СТЕПЕНИ ИЗНОСА РЕЗЬБЫ ДЕТАЛЕЙ КОНИЧЕСКОГО СОЕДИНЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Группа изобретений (варианты) относится к способам контроля суммарной степени износа резьбы деталей конических соединений. Способ (первый вариант) заключается в том, что совмещают резьбовые поверхности контролируемых муфтовой и ниппельной деталей, осуществляют их осевой прижим и поворот одной из них относительно другой в сторону развинчивания до скачкообразного осевого перемещения детали, измеряют установочное расстояние между торцом муфтовой детали и условной нормативной измерительной плоскостью резьбы ниппельной детали, определяют суммарную степень износа резьбы деталей соединения. При этом после измерения установочного расстояния дополнительно осуществляют контрольное свинчивание деталей до достижения нормативного крутящего момента, измеряют конечное контрольное расстояние между вышеуказанными элементами соединения, а суммарную степень износа резьбы деталей определяют по фактической разности между измеренными установочным и конечным контрольным расстояниями. Второй вариант заключается в том, что дополнительно, по крайней мере, один раз измеряют установочное и конечное контрольное расстояние для пары нормативные ниппель и муфта, определяют нормативную разность указанных расстояний, а суммарную степень износа резьбы деталей определяют по отличию фактической разности от нормативной. Технический результат – повышение качества и достоверности контроля состояния резьбы деталей резьбового соединения посредством учета степени недостачи до норматива величины среднего диаметра резьбы в дополнение к известному учету изменения диаметра резьбы по вершинам профиля; уточнение условий классификации состояния резьбы. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

Изобретение относится к способам контроля качества резьбового соединения в аспекте состояния по степени суммарного износа его деталей и может быть использовано для классификации, в том числе, по действующим нормативным документам, состояния муфтовой и ниппельной детали, преимущественно соединений нефтегазовых труб, причем как в вертикальной позиции при выполнении спускоподъемных операций на скважине, так и в горизонтальном положении при аттестации пар труб после восстановления в труборемонтном подразделении. Кроме того, изобретение позволяет оценить фактический резерв работоспособности контролируемого резьбового соединения.

Изобретение обеспечивает возможность контроля состояния резьбового соединения как не бывшего в эксплуатации, так и изношенного, по линейному критерию абсолютной недостачи до нормы рабочей высоты профиля, или по безразмерному критерию доли указанной недостачи, например в процентах. В последнем случае, дополнительная доля в процентах выражает фактический резерв работоспособности резьбы в процентах от нормативного для аналогичного соединения деталей в состоянии заводской поставки.

При эксплуатации резьбового соединения резерв работоспособности определяется рабочей высотой профиля резьбы, так как износу, в основном, подвергаются гребни выступов профиля резьбы, а наиболее распространенной мерой износа резьбы отдельной детали является линейная убыль высоты гребня как половины рабочей высоты профиля.

Известен способ контроля суммарной степени износа пары деталей конического соединения, включающий установку ниппеля в муфту с усилием, направленным в сторону муфты до сопряжения витков по вершинам профиля, после чего измеряют установочное расстояние между торцом муфты и уступом ниппеля как условными измерительными плоскостями соединения. О суммарной степени износа резьбы соединения судят количественно по соответствию установочного расстояния его нормативным табличным значениям для разных классов или качественно, считая, что чем больше отличие значения установочного расстояния от нормативного для первого класса, тем больше износ. Аттестация ниже третьего класса означает забракование муфтовой и ниппельной деталей соединения (Инструкция по эксплуатации бурильных труб РД39-2-061-083, таблица 34).

Недостаток способа – низкая точность классификации, так как случайное угловое положение ниппеля относительно муфты при установке обусловливает значительный разброс измеренных установочных расстояний, величина которого достигает шага резьбы.

Наиболее близким аналогом первого и второго вариантов заявленного изобретения является способ контроля суммарной степени износа резьбы обеих замковых деталей, включающий установку ниппеля в муфту, поворот верхней замковой детали (в сторону развинчивания) относительно нижней детали (например, с помощью машинного ключа) до момента, при котором происходит скачкообразное осевое перемещение ниппеля в муфту. После этого определяют установочное расстояние между торцом муфты и условной измерительной плоскостью уступа ниппельной детали замка, расположенной на нормативном расстоянии от основной плоскости резьбы ниппеля. Суммарную степень износа определяют количественно по соответствию критерия установочного расстояния его нормативным табличным значениям для разных классов, или качественно, считая, что, чем больше отличие значения критерия от норматива для 1-го класса, тем больше износ (Инструкция по эксплуатации бурильных труб РД39-013-90» ВНИИТнефть Куйбышев 1990 г., с.186-190. Таблица 3.12Б – прототип обоих вариантов изобретения).

В способе-прототипе через критерий Н установочного расстояния выявляется предельный износ резьбы пары деталей соединения, при котором дальнейшая эксплуатация соединения в данном классе становится невозможной ввиду снижения надежности стыка трубной колонны и обусловливается перевод пары деталей в другой класс. Критерий Н линейно связан с нормативным (*) параметром геометрии – рабочей высотой h*(N) профиля: h(i)=h₀+H(i)K*/2, где i=I, II, III – класс, h₀=P*K*/2, где Р* – шаг резьбы К* – конусность; H*(I)=[h*(N)-h₀]/(K*/2); H(II)*=0.7H(I)*; Н(III)*=0.5Н(1)*. В дальнейшем термин «нормативный параметр» означает «соответствующий номинальной его величине с допусками по нормативным документам; * – для справки.

При износе резьбы критерий Н пропорционально уменьшается, в частности, с уменьшением диаметра d1 выступов первого витка от захода в резьбу ниппеля.

Недостаток способа – низкая достоверность контроля, так как диапазоны изменения Н между классами широки, он не достаточно эффективно характеризует качество резьбового соединения и его ценность в аспекте резерва работоспособности низка, поскольку для оценки убыли высот гребней, как слагаемых рабочей высоты профиля, необходимо судить также об изменении среднего диаметра, по меньшей мере, первого витка контролируемой резьбы. Вероятность перебраковки одной из деталей забракованного соединения остается значительной.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности и снижение аварийности при эксплуатации колонн нефтегазовых труб путем повышения точности контроля состояния резьбового соединения в аспекте степени износа и резерва работоспособности как исходного, так и остаточного ресурса труб по количеству спускоподъемных операций, соответствующих требованиям нормативов.

Технический результат изобретения заключается в повышении качества и достоверности контроля состояния резьбы деталей резьбового соединения посредством учета степени недостачи до норматива величины среднего диаметра резьбы в дополнение к известному учету изменения диаметра резьбы по вершинам профиля. Кроме того, качество и достоверность контроля повышается за счет уточнения условий классификации состояния резьбы по действующим нормативным документам и анализа степени соответствия стандарту фактической рабочей высоты профиля соединения, или по степени соответствия нормативу ее слагаемых – высот гребня профиля соответственно у ниппельной и муфтовой детали соединения.

Указанный технический результат достигается тем (первый вариант изобретения), что в способе контроля суммарной степени износа резьбы деталей конического резьбового соединения, заключающемся в том, что совмещают резьбовые поверхности контролируемых муфтовой и ниппельной деталей, осуществляют их осевой прижим и поворот одной из них относительно другой в сторону развинчивания до скачкообразного осевого перемещения детали, измеряют установочное расстояние между торцом муфтовой детали и условной нормативной измерительной плоскостью резьбы ниппельной детали и определяют суммарную степень износа резьбы деталей соединения, согласно изобретению после измерения установочного расстояния дополнительно осуществляют контрольное свинчивание деталей до достижения нормативного крутящего момента, измеряют конечное контрольное расстояние между вышеуказанными элементами соединения, а суммарную степень износа деталей определяют по фактической разности между измеренными установочным и конечным расстояниями.

Величину нормативного крутящего момента задают не менее момента свинчивания вручную, но не более минимального нормативного момента свинчивания соединения при эксплуатации.

Указанный технический результат достигается также тем (второй вариант изобретения), что в способе контроля суммарной степени износа резьбы деталей конического резьбового соединения, заключающемся в том, что совмещают резьбовые поверхности контролируемых муфтовой и ниппельной деталей, осуществляют их осевой прижим и поворот одной из них относительно другой в сторону развинчивания до скачкообразного осевого перемещения детали, измеряют установочное расстояние между торцом муфтовой детали и условной нормативной измерительной плоскостью резьбы ниппельной детали и определяют суммарную степень износа резьбы деталей соединения, согласно изобретению после измерения установочного расстояния дополнительно осуществляют контрольное свинчивание деталей до достижения нормативного крутящего момента, измеряют конечное контрольное расстояние между вышеуказанными элементами соединения, определяют фактическую разность между измеренными установочным и конечным контрольным расстояниями, по крайней мере один раз, измеряют установочное и конечное контрольное расстояние для пары нормативный ниппель – нормативная муфта, определяют нормативную разность указанных расстояний, а суммарную степень износа резьбы деталей соединения определяют по отличию фактической разности от нормативной.

Величину нормативного крутящего момента задают не менее момента свинчивания вручную, но не более минимального нормативного момента свинчивания соединения при эксплуатации.

Суммарную степень износа деталей конического соединения определяют количественно, устанавливая класс резьбы по расчетной зависимости:

где h(N)* – нормативная рабочая высота профиля по стандарту;

К* – нормативная конусность резьбы;

А_л – установочное расстояние между торцом муфты и условной нормативной измерительной плоскостью ниппеля (плоскостью сбега);

А – конечное контрольное расстояние между указанными элементами соединения;

A_л(N) – нормативное установочное расстояние, измеренное для пары нормативных деталей соединения;

A(N) – нормативное конечное контрольное расстояние, измеренное для той же пары нормативных деталей;

i-I, II или III – класс резьбы;

H(i)* – минимальный критерий износа для i-го класса по действующим нормативным документам.

Для повышения точности количественной оценки суммарной степени износа резьбы соединения определяют рабочую высоту профиля соединения по расчетной зависимости:

h_мн=h(N)*-{[А_л(N)-A(N)]-(A_л-A)}/(K*/2),

где h_мн – рабочая высота профиля соединения муфта-ниппель;

h(N)* – нормативная рабочая высота профиля резьбы по стандарту;

А_л – установочное расстояние между торцом муфтовой детали и торцом или условной нормативной измерительной плоскостью резьбы ниппельной детали;

А – конечное контрольное расстояние между указанными элементами соединения;

А_л(Н) – нормативное установочное расстояние, измеренное для пары нормативный ниппель – нормативная муфта;

A(N) – нормативное конечное контрольное расстояние, измеренное для пары нормативный ниппель – нормативная муфта;

К* – нормативная конусность резьбы.

Суммарную степень износа [=(100-),%] резьбы пары деталей конического соединения труб как потерю резерва работоспособности определяют, находя по расчетной зависимости:

где – относительный резерв работоспособности по рабочей высоте профиля, %;

h₁(N)* – номинальное по нормативу значение высоты профиля резьбы;

H(N)* – нормативная высота остроугольного профиля;

r₁(N)* – номинальное по нормативу значение радиуса закругления впадины треугольной резьбы или усечение впадины трапецеидальной резьбы;

А_л – установочное расстояние между условной измерительной плоскостью ниппеля и торцом муфтовой детали;

А – конечное контрольное расстояние между указанными элементами соединения;

A_л(N) – нормативное установочное расстояние, для пары нормативных деталей соединения;

A(N) – нормативное конечное контрольное расстояние для соединения контролируемого типа;

К* – нормативная конусность резьбы.

Критерий рекомендуется использовать преимущественно для оценки резерва работоспособности соединений, не бывших в эксплуатации.

Сущность изобретения заключается в том, что задачу повышения точности оценки суммарной степени износа резьбы деталей конического соединения предлагается решить тем, что совмещают резьбовые поверхности контролируемых муфтовой и ниппельной деталей, осуществляют их осевой прижим и поворот одной из них относительно другой в сторону развинчивания до скачкообразного осевого перемещения детали, измеряют установочное расстояние между торцом муфтовой детали и условной нормативной измерительной плоскостью резьбы ниппельной детали, определяют суммарную степень износа резьбы деталей соединения, согласно изобретению кроме измерения установочного расстояния дополнительно осуществляют контрольное свинчивание деталей до достижения нормативного крутящего момента, измеряют конечное контрольное расстояние между вышеуказанными элементами соединения, а суммарную степень износа деталей определяют по фактической разности между измеренными установочным и конечным контрольным расстояниями. Перечисленные действия могут выполняться как в вертикальной позиции на скважине в ходе выполнения спускоподъемных операций, так и в горизонтальном положении при аттестационном выходном контроле пар труб после их восстановления на труборемонтном подразделении. Как вариант, для повышения точности оценки путем корректировки показаний контрольного свинчивания по стандартным образцам деталей предварительно измеряют нормативные установочное и конечное контрольное расстояния для пары нормативный ниппель – нормативная муфта, определяют нормативную разность указанных расстояний, а суммарную степень износа резьбы деталей соединения определяют по отличию фактической разности от нормативной.

Конечное значение рабочей высоты h_мн профиля резьбы соединения после свинчивания от руки или с моментом, меньшим минимального нормативного, например по п.6.10 РД39-136-95, определяется, с учетом конечного контрольного расстояния А от торца муфты до условной измерительной плоскости сбега резьбы ниппеля соотношением:

h_мн=(А_л-А)К*/2+h₀=(А_л-А+Р*)К*/2.

При износе резьбы изменения шага Р и конусности К от нормативов Р* и К* не велики, т.е. точность контроля суммарной степени износа по остаточной суммарной рабочей высоте h_мн профиля может быть достаточно высокой, в соответствии с точностью измерений расстояний А_л и А (±0.05 мм), которая выше точности задания допусков на натяг А, например А±2.5 мм по нормативам стандарта на гладкие насосно-компрессорные трубы (НКТ гл.) ГОСТ633-80. То есть, точность контроля по изобретению превышает точность по способам-прототипам, например для вышеупомянутых насосно-компрессорных труб, более чем на порядок.

Изобретение поясняется чертежами, где

на фиг.1 представлена схема определения суммарной степени износа муфтовой и ниппельной деталей конического резьбового соединения и измерения установочного расстояния А_л для контроля суммарного износа пары деталей соединения;

на фиг.2 – схема измерения конечного расстояния А для вышеуказанной пары деталей.

Схема измерения на фиг.1 включает бывшие в эксплуатации муфту 1 и ниппель 2 в положении после относительного прижима и поворота их в сторону развинчивания до скачка ниппеля 2 в муфту 1, когда рабочая высота профиля h₀=PK/2.

Схема на фиг.2 включает муфту 1 и ниппель 2 в положении после их свинчивания до достижения нормативного крутящего момента сопротивления, который меньше минимального нормативного момента сборки при эксплуатации, когда рабочая высота профиля h_мн составляется суммой высот гребня муфты h_гм и ниппеля h_гн.

Примеры реализации способа. Коническое резьбовое соединение насосно-компрессорных труб гладких по ГОСТ 633-80, бывшее в эксплуатации и состоящее из муфты 1 и ниппеля 2 (фиг.1), полностью развинчивали до скачкообразного осевого перемещения ниппеля в муфту под собственным весом трубы, или усилия осевого поджима на горизонтальном стенде, измеряли установочное расстояние А_л (17,2 мм) между торцом муфты и условной нормативной измерительной плоскостью ниппеля, проходящей через точку сбега резьбы ниппеля. Дополнительно проводили контрольное свинчивание вручную моментомерным ключом деталей 1 и 2 соединения с нормативным крутящим моментом (М_кр=50 Нм), который меньше минимального нормативного для эксплуатации соединений (М_мин=900 Нм, РД 39-136-95), измеряли конечное контрольное расстояние А (3,46 мм) (фиг.2) между вышеуказанными элементами соединения. Определяли фактическую разность расстояний (А_л-А)(13,74 мм). Результаты измерений приведены в 1-й строке Таблицы, где видно, что объект контроля по величине фактической разности (13.74 мм) не соответствует нормативам (32.5…37.5), что достаточно для забракования резьбы по степени износа.

В соответствии со вторым вариантом изобретения, по крайней мере один раз, для пары нормативный ниппель – нормативная муфта по той же схеме фиг.1, 2, измеряли нормативные установочное и конечное контрольное расстояния А_л(N)(40,1 мм) и A(N)(5,0 мм) и по отличию фактической разности (А_л-А)(13,74 мм) от нормативной разности [A_л(N)-A(N)](35,1) определяли суммарную степень износа деталей соединения, что в данном случае соответствовало оценке «брак». Чем больше отличие, тем больше степень износа резьбы. Подставляя вышеприведенные данные в зависимость по п.6 формулы изобретения, получили расчетную рабочую высоту профиля h_мн (0,67 мм). Сравнение последней с суммой высот гребня профиля резьбы для муфты h_грм (0,33 мм) и ниппеля h_грн (0,35 мм), измеренных оптическим методом, показывает совпадение с точностью до 0,01 мм, удовлетворительной по требованиям стандарта на контролируемые трубы по высоте профиля (+0,05…-0,10). Подстановка тех же данных в зависимость по п.7 формулы изобретения дает значение критерия относительного резерва работоспособности по рабочей высоте профиля на уровне 50%, что соответствует III-му классу резьбы по запасу прочности, согласно прототипу РД39-013-90 (см. Таблицу и примечания под ней о совпадающих по % сравнительных рамках классов при использовании критерия Н по прототипу или критерия относительного резерва работоспособности по предлагаемому способу). Однако сопоставление, соответственно прототипу, только установочного расстояния (А_л=Н=17,2 мм) с нормативным для 1-го класса [Н(1)=33 мм] показывает Н/Н(I)=43%, что меньше минимально допустимых 44,5% и соответственно прототипу по его Таблице 3.12Б, контролируемое соединение следовало забраковать. Однако это было бы необоснованной перебраковкой, поскольку запас прочности, лежащий в основе всех критериев классификации труб, замков и резьбы по прототипу, прямо пропорционален рабочей высоте профиля, учитываемой по предлагаемому способу. По аналогичной схеме проводили измерения для группы соединений. Например, для п.5 таблицы фактическая разность максимальна, а степень износа минимальна и близка к норме для неизношенного соединения (соответствует классу I). Итоги количественного анализа износа ряда соединений НКТ приведены в Таблице, откуда по строке 1, следует, что предлагаемый способ и во втором варианте изобретения имеет более высокую точность классификации износа резьбы, чем способ-прототип.

Формула изобретения

1. Способ контроля суммарной степени износа резьбы деталей конического соединения, заключающийся в том, что совмещают резьбовые поверхности контролируемых муфтовой и ниппельной деталей, осуществляют их осевой прижим и поворот одной из них относительно другой в сторону развинчивания до скачкообразного осевого перемещения детали, измеряют установочное расстояние между торцом муфтовой детали и условной нормативной измерительной плоскостью резьбы ниппельной детали, определяют суммарную степень износа резьбы деталей соединения, отличающийся тем, что после измерения установочного расстояния дополнительно осуществляют контрольное свинчивание деталей до достижения нормативного крутящего момента, измеряют конечное контрольное расстояние между вышеуказанными элементами соединения, а суммарную степень износа резьбы деталей определяют по фактической разности между измеренными установочным и конечным контрольным расстояниями.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину нормативного крутящего момента контрольного свинчивания деталей задают не менее момента свинчивания вручную, но не более минимального нормативного момента свинчивания соединения при эксплуатации.

3. Способ контроля суммарной степени износа резьбы деталей конического соединения, заключающийся в том, что совмещают резьбовые поверхности контролируемых муфтовой и ниппельной деталей, осуществляют их осевой прижим и поворот одной из них относительно другой в сторону развинчивания до скачкообразного осевого перемещения детали, измеряют установочное расстояние между торцом муфтовой детали и условной нормативной измерительной плоскостью резьбы ниппельной детали, определяют суммарную степень износа резьбы деталей соединения, отличающийся тем, что после измерения установочного расстояния дополнительно осуществляют контрольное свинчивание деталей до достижения нормативного крутящего момента, измеряют конечное контрольное расстояние между вышеуказанными элементами соединения, определяют фактическую разность между измеренными установочным и конечным контрольным расстояниями, по крайней мере, один раз, измеряют установочное и конечное контрольное расстояние для пары нормативный ниппель – нормативная муфта, определяют нормативную разность указанных расстояний, а суммарную степень износа резьбы деталей определяют по отличию фактической разности от нормативной.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что величину нормативного крутящего момента контрольного свинчивания деталей задают не менее момента свинчивания вручную, но не более минимального нормативного момента свинчивания соединения при эксплуатации.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что суммарную степень износа резьбы деталей конического соединения определяют количественно, устанавливая класс резьбы по расчетной зависимости

где h(N)* – нормативная рабочая высота профиля по стандарту;

К* – конусность резьбы нормативная по стандарту;

А_л – установочное расстояние между торцом муфты и условной нормативной измерительной плоскостью ниппеля (плоскостью сбега);

А – конечное контрольное расстояние между указанными элементами соединения;

A_л(N) – нормативное установочное расстояние, измеренное для пары нормативных деталей соединения;

A(N) – нормативное конечное контрольное расстояние, измеренное для той же пары нормативных деталей;

i-I, II или III – класс резьбы;

H(i)* – минимальный критерий износа для i-того класса по нормативным документам.

6. Способ по п.3, отличающийся тем, что для повышения точности количественной оценки суммарной степени износа резьбы деталей конического соединения определяют рабочую высоту профиля соединения по расчетной зависимости

h_мн=h(N)*-{[A_л(N)-A(N)]-(A_л-A)}/(K*/2),

где h_мн – рабочая высота профиля соединения муфта-ниппель;

h(N)* – нормативная рабочая высота профиля резьбы по стандарту;

А_л – установочное расстояние между торцом муфтовой детали и торцом или условной нормативной измерительной плоскостью резьбы ниппельной детали;

А – конечное контрольное расстояние между указанными элементами соединения;

А_л(N) – нормативное установочное расстояние, измеренное для пары нормативный ниппель – нормативная муфта;

A(N) – нормативное конечное контрольное расстояние, измеренное для пары нормативный ниппель – нормативная муфта;

К* – нормативная конусность резьбы.

7. Способ по п.3, отличающийся тем, что суммарную степень износа резьбы деталей конического соединения определяют по расчетной зависимости

=(100-)%,

где

– относительный резерв работоспособности по рабочей высоте профиля, %;

h₁(N)* – номинальное по нормативу значение высоты профиля резьбы;

H(N)* – нормативная высота остроугольного профиля;

r₁(N)* – номинальное по нормативу значение радиуса закругления впадины треугольной резьбы или усечение впадины трапецеидальной резьбы;

А_л – установочное расстояние между условной измерительной плоскостью ниппеля и торцом муфтовой детали;

А – конечное контрольное расстояние между указанными элементами соединения;

A_л(N) – нормативное установочное расстояние, для пары нормативных деталей соединения;

A(N) – нормативное конечное контрольное расстояние для соединения контролируемого типа;

К* – конусность резьбы.

РИСУНКИ