Резьбовой отверждаемый герметик

 

Использование: для смазки и герметизации резьб и резьбовых соединений. Сущность изобретения: герметик содержит, мас %: основа эпоксидного компаунда 30 - 60; отвердитель 2-15, мелкодисперсный политетрафторэтилен 30-60. 3 табл.

Изобретение относится к газовой, нефтяной и химической отраслям промышленности и может быть использовано для смазки и герметизации резьб и резьбовых соединений.

При сборке труб нефтяного сортамента используются различные смазки. Известен целый ряд резьбовых консистентных смазок на жировых основах. Среди них - P-402, P-416 и другие. Смазка P-113, например, помимо жировой основы содержит порошки свинца, окиси свинца и сернистого свинца. Соответственно жировая основа имеет в своем составе индустриальное масло, стеариновую кислоту, гидрат окиси лития, стеарат алюминия и силиконовую жидкость (см., например, ТУ 301-04-020-92).

Распространенная в промысловой практике смазка P-402 имеет в своем составе жировую основу, свинцовый порошок, цинковую пыль, медную пудру и графит.

За рубежом также широко применяются составы на жировой основе различных фирм. Проведенные нами на специальном стенде испытания резьбовых соединений натурных образцов труб диаметром 168 мм с резьбой ОТТМ и Баттресс (Buttress) показали, что утечки газа при герметизации смазками на жировой основе происходят при статическом давлении 10 МПа. Однако имеются составы как, например, "Bestolife-2000" фирмы Бестолайф, показавшие при испытаниях герметичность при давлениях до 50 МПа.

Известна герметизирующая композиция, содержащая порошок политетрафторэтилена (ПТФЭ) и рассчитанная на использование в резьбовых соединениях, работающих под давлением до 100 МПа [1].

В этой композиции смазывающие функции выполняют минеральные масла. Для повышения герметичности помимо ПТФЭ вводятся наполнители - карбонат кальция и др.

Принимая во внимание, что некоторые резьбовые составы на жировой основе могут обладать высокими герметизирующими свойствами (это подтверждается непродолжительными по времени стендовыми испытаниями),следует отметить основной недостаток этих и им подобных составов. Он заключается в том, что жировая основа известных композиций подвержена воздействию углеводородной среды, а сами композиции с течением времени могут постепенно выдавливаться из резьбовых соединений. Это в свою очередь приводит к возникновению утечек и перетоков газа.

Кроме того, эти смазки не исключают возможности появления задиров при свинчивании-развинчивании резьбовых соединений, а также содержат экологически вредные добавки (соединения свинца, порошкообразные свинец, цинк, медь и т.д.).

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому резьбовому отверждаемому герметику (РОГ) является состав УС-1, который взят в качестве прототипа [2] . Известный состав имеет следующее соотношение компонентов, мас.%: Компаунд К-153 - 55,5 Отвердитель - 11,1 Наполнители, мас.%: Графитовый порошок - 10,6 Свинцовый порошок - 14,6 Цинковая пыль - 6,1 Медная пудра - 2,1 Итого - 100 Недостатком данного состава является то, что применяемые для обеспечения смазывающей и герметизирующей способности металлические порошки требуют соблюдения особых мер безопасности. Очень токсичным является порошок свинца и его пыль. Моменты свинчивания при сборке резьб довольно высоки и не исключается возможность образования задиров. Если же возникает необходимость в раскреплении резьбового соединения, то появление задиров практически неизбежно. Кроме того, рассматриваемый состав подвержен расслоению при транспортировке и хранении, что ведет к дополнительным энергозатратам при подготовке состава к применению.

Для снижения энергозатрат при свинчивании резьбовых соединений, токсичности и расслаиваемости состава при транспортировке и хранении в предлагаемом резьбовом отвержденном герметике, включающем основу эпоксидного компаунда, отвердитель и антифрикционный, герметизирующий наполнитель, в качестве которого используют мелкодисперсный ПТФЭ при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Основа эпоксидного компаунда - 30 - 60
Отвердитель - 2 - 15
Наполнитель - 30 - 60
Кроме того, используемый наполнитель, представляющий собой мелкодисперсный фторопластовый порошок (продукт полимеризации тетрафторэтилена), выполняет одновременно противозадирную и уплотнительную функции и является нетоксичным материалом. Оптимальный интервал размера частиц наполнителя - 0,1 - 0,3 мм. Указанная дисперсность характерна для порошков, выпускаемых отечественной промышленностью, и соизмерима с зазорами, имеющимися в собранном резьбовом соединении. Согласно проведенным во ВНИИГАЗе расчетам площадь сечения канала (зазора) в резьбовом соединении составляет 0,25 мм² для треугольных резьб и 0,3 - 0,32 мм² для трапецеидальных резьб.

Выбор политетрафторэтилена в качестве наполнителя состава РОГ был обусловлен не только его известными антифрикционными свойствами (при некоторых условиях получено значение коэффициента трения до 0,02, величина которого не зависит от температуры,вплоть до температуры плавления кристаллической фазы (327^oC), но и стойкостью ко всем минеральным и органическим кислотам, щелочам, органическим растворителям, окислителям, газам и другим агрессивным средам.

Разрушение политетрафторэтилена наблюдается лишь при действии расплавленных щелочных металлов, элементарного фтора и трехфтористого хлора при повышенных температурах. Фторопласт, не смачивамый водой, выдерживает высокие температуры. Он может подвергаться непрерывной эксплуатации до 250^oC, а в некоторых случаях до температуры немного ниже 327^oC. При температурах выше 200^oC из полимера выделяется минимальное количество токсичных газов и лишь при 400^oC начинается его разложение (см. Синтетические полимеры и пластические массы на их основе. Л.: Химия, 1966, с. 282-299).

Исследования показали, что в качестве наполнителя в составе РОГ могут использоваться следующие разновидности политетрафторэтилена: фторопласт 4 (рыхлый волокнистый порошок марок А, Б и В), фторопласт 4Д (тонкодисперсный порошок с частицами размером 0,1-0,3 мкм), а также фторопласт 40 и 42.

Кроме того, использовались в качестве наполнителя порошки фторопластовые термообработанные ПФТ-200 и ПФТ-300 (ТУ 301-05-25-89), получаемые в результате переработки отходов фторопласта, которые накапливаются в процессе изготовления фторопластовых изделий. Эти порошки отличаются существенно большей величиной размера частиц,чем фторопласты 4 и 4Д. Однако при использовании в качестве наполнителя в составе РОГ этот размер частиц (0,1 - 0,3 мм) является оптимальным, что подтверждается результатами исследований.

При разработке состава использовался "Справочник по пластическим массам", под редакцией М.И. Гарбара и др. М.: Химия, 1969, т. 11, с. 89-108. В нем приведена следующая классификация компаундов:
- эпоксидно-полиэфирные;
- эпоксидно-тиокольные;
- эпоксидно-каучуковые эластичные;
- эпоксидно-кремнийорганические;
- эпоксидно-фурановые.

Как при разработке состава УС-1, так и при разработке РОГ были испытаны компаунды К-115, К-153, К-139, смола ТФЭ-9, смола 41-ФАЭД-10, относящиеся к разным, перечисленным выше подклассам. Также проведены испытания диановой смолы ЭД-6, полиэпоксидной смолы ЭТФ, алифатической эпоксидной смолы Э-181.

С инженерной точки зрения они все пригодны, т.к. забутовывают герметизируемое пространство (зазоры резьбы), полимеризуясь, укрепляют соединение, совместимы с наполнителями, химически стойки в углеводородных жидкостях и пластовых водах, не агрессивны по отношению к металлу трубы при подборе соответствующего отвердителя и т.д.

Требованиям (техническим, технологическим, организационным и т.п.) к герметикам основного типа скважин в наибольшей степени удовлетворяет компаунд К-153 из эпоксидно-тиокольного подкласса. Для скважин с повышенными температурами могут быть рекомендованы эпоксидно-кремнийорагнические, а для наклонного и горизонтального бурения, где резьбовое соединение подвергается большим изгибающим нагрузкам - эпоксидно-куачуковые эластичные и т.д. В объеме данного технического решения могут быть предложены составы, наиболее полно удовлетворяющие требованиям, предъявленным к конкретному объекту их использования.

Следует отметить, что эпоксидный компаунд может поставляться потребителю как с введенным в него отвердителем, так и без него. При этом срок использования компаунда с отвердителем составляет от нескольких часов до нескольких суток, после чего компаунд полностью полимеризуется и не может быть использован по назначению. Данное обстоятельство не может удовлетворять требованиям, предъявляемым к отверждаемому герметику РОГ. Срок использования состава РОГ должен быть значительно больше. Это обусловлено как удаленностью объектов применения (например нефтяные и газовые скважины районов Крайнего Севера), так и технологическими особенностями строительства скважин, коммуникаций и т.д.

Эпоксидный компаунд, поставляемый без отвердителя (например К-153, К-139 и т. д.), имеет срок хранения 6 месяцев и более, что, учитывая вышеизложенное, крайне важно.

Таким образом, резьбовой отверждаемый герметик РОГ должен поставляться потребителю в двухкомпонентном виде: эпоксидный компаунд в смеси с наполнителем - одна емкость и отвердитель - другая емкость, т.е. в нашем отвердитель является самостоятельным ингредиентом и вводится в герметик РОГ непосредственно перед применением.

Приведены примеры композиций заявленного герметика РОГ по всем пяти подклассам эпоксидных компаундов (см. "Справочник по пластическим массам", под ред. М.И. Гарбара и др. М.: Химия, 1969, т. 11, с. 89-108).

Эпоксидно-полиэфирные компаунды (отверждаются главным образом аминами).

Представитель данного подкласса - компаунд К-115.

Пример состава на его основе:
1) компаунд К-115 (СТУ 30-14148-63);
2) Отвердитель ПЭПА, также можно использовать ГМДА, МФДА, сложные амины, низкомолекулярные полиамиды Л-19 и Л-26;
3) наполнитель:
фторопласт 4 (ГОСТ 10007-62, марка А), а также могут быть использованы фторопласт 4 марок Б и В; фторопласт 4Д (марок А, Б и В); фторопласты 40П и 42П, фторопласты термообработанные ПФТ-200 и ПФТ-300.

Эпоксидно-тиокольные компаунды (отверждаются аминами и ангидридами двухосновных кислот).

Представитель данного подкласса - компаунд К-153.

Пример состава на его основе:
1) компаунд К-153 (СТУ 30-14161-64);
2) отвердитель УП-0633М (ТУ 6-05-1863-78), также могут быть использованы ПЭПА, ГМДА, малеиновый ангидрид, низкомолекулярные полиамидные смолы;
3) термообработанный фторопласт ПФТ-300 (ТУ 301-05-25-90), также могут быть использованы другие перечисленные выше порошкообразные фторопласты.

Эпоксидно-каучуковые эластичные компаунды (отверждаются аминами, низкомолекулярными полиамидами).

Представитель данного подкласса - компаунд К-139.

Пример состава на его основе:
1) компаунд К-139 (ТУ N П-313-62);
2) отвердитель ПЭПА, также могут быть использованы отвердители ДЭТА, Л-19, Л-20, Л-18, С-18, С-20);
3) фторопласт 4 (ГОСТ 10007-62, марка Б), также могут быть использованы фторопласт 4 (марка А и В) и другие вышеперечисленные порошкообразные фторопласты.

Эпоксидно-кремнийорганические компаунды.

Представитель данного подкласса - смола ТФЭ-9.

Пример состава на ее основе:
1) смола ТФЭ-9 (ТУ N П-536-67);
2) отвердитель Л-19, также могут быть использованы низкомолекулярный полиамид Л-20, ангидриды двухосновных кислот;
3) фторопласт 42П (ВТУ 208-62), также могут быть использованы фторопласт 40П и другие вышеперечисленные порошкообразные фторопласты.

Эпоксидно-фурановые компаунды.

Представитель данного подкласса - смола 41-ФАЭД-10.

Пример состава на ее основе:
1) смола 41-ФАЭД-10;
2) отвердитель ГМДА (либо другие амины);
3) фторопласт 4Д марка Б (МПТУ 6-05-942-64), также могут быть использованы фторопласт 4Д марок А и Б и другие вышеперечисленные порошкообразные фторопласты.

Количественное соотношение компонентов, представленных на примерах составов, определяется (компаунда и фторопластового наполнителя (политетрафторэтилена)) процентным соотношением, указанным в формуле изобретения, количество отвердителя определяется конкретным компаундом (в зависимости от эпоксидного числа).

В табл. 1 отражены примеры прошедших испытания композиций заявленного герметика РОГ с указанием количественного соотношения компонентов.

Сравнительные испытания РОГ и УС-1 подтверждены актом сравнительных испытаний.

Для экспериметальной проверки заявляемого состава на уплотнительную способность были подготовлены шесть смазок (см. табл. 2), которые испытали на резьбовых соединениях натурных образцов обсадных труб диаметром 168 мм и толщиной стенки 10,5 мм.

Испытания проводились на специальном стенде ВНИИГАЗа и заключались в создании природным газом давления внутри натурного образца (давление задается ступенчато) и выдерживании его в водяной бане, температура воды в которой стократно меняется от 16 - 20 до 90 - 95^oC. Переменность температуры газа внутри образца приводит к колебаниям внутреннего давления (на 15 - 20%) и соответственно осевого усилия, что значительно приближает испытания к реальным условиям в скважине. Опыты (количество ступеней и циклов) продолжались до момента нарушения герметичности соединения или до достижения давления испытания, соответствующего предельно допустимому для данного размера и марки стали трубы и равного 0,8 от давления, при котором напряжения в теле трубы достигают предела текучести.

Испытания проводились на следующих ступенях внутреннего давления газа: 10,0 - 25,0 - 35,0 - 45,0 - 55,0 - 65,0 - 70,0 МПа по 100 циклов на каждой, гидроопрессовку соответственно проводили при давлениях 12,0 - 26,0 - 40,0 - 50,0 - 61,0 - 71,0 - 77,0 МПа. Все соединения успешно выдержали испытания. Утечки отсутствовали.

В табл. 2 представлены результаты испытаний пределов плотности резьбовых соединений натурных образцов обсадных труб диаметра 168 мм. Анализ таблицы показывает, что при содержании наполнителя менее 30% ухудшаются герметизирующие свойства предлагаемого резьбового отверждаемого герметика. Увеличение содержания наполнителя более 60% также не способствует улучшению герметизирующих свойств состава.

Для лабораторных исследований вязкости состава РОГ были подготовлены 8 образцов смазок (см. табл. 3). Содержание наполнителя варьировало в пределах 25 - 65%. Вязкость фиксировали через 30 мин после смешивания всех компонентов испытуемого состава при 20^oC. Результаты исследований представлены в табл. 3. Анализ табличных данных свидетельствует о том, что при содержании наполнителя свыше 60% состав вследствие высоких величин вязкости теряет подвижность, представляя собой очень вязкую массу, что чрезвычайно осложняет возможность нанесения его на резьбу.

Таким образом, оптимальный интервал процентного содержания наполнителя (политетрафторэтилена) в заявляемом резьбовом отверждаемом герметике составляет 30 - 60 мас.%.

Введение в качестве наполнителя политетрафторэтилена приводит к существенному снижению энергозатрат при свинчивании резьбовых соединений, в частности к снижению величины крутящего момента при свинчивании. Испытания показали, что крутящий момент не превышал 6000 H·м, что на 10 - 15% ниже показателя при использовании смазки - прототипа. Вышеназванный наполнитель способствует предотвращению расслаиваемости резьбового отверждаемого герметика при транспортировке и хранении и резко улучшает экологичность состава в целом.

Для улучшения санитарных условий работы операторов вместо кубового остатка гексаметилендиамина (2-я категория опасности) можно использовать менее токсичный отвердитель УП-0633М (3-я категория опасности).

Таким образом, предлагаемое сочетание основы и наполнителя обеспечивает минимальные моменты свинчивания резьбовых соединений. Заполимеризовавшийся состав химически нейтрален практически во всех средах, в частности в среде пластовых флюидов (воды, углеводородов и т.п.).

Состав РОГ обеспечивает наивысшую из известных авторам резьбовых герметиков степень герметичности.

Формула изобретения

Резьбовой отверждаемый герметик (РОГ), включающий основу эпоксидного компаунда, антифрикционный герметизирующий наполнитель и отвердитель, отличающийся тем, что в качестве антифрикционного герметизирующего наполнителя содержит мелкодисперсный политетрафторэтилен при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Основа эпоксидного компаунда - 30 - 60
Отвердитель - 2 - 15
Наполнитель - 30 - 60

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2