Способ изготовления предохранительной детали для защиты внутренней и наружной поверхности концов трубы

Изобретение относится к трубному производству, а именно к способам изготовления предохранительных деталей для защиты внутренних и наружных концов труб, в том числе безрезьбовых и резьбовых концов труб нефтяного сортамента. Способ включает формирование корпуса полимерного материала методом инжекции расплавленного материала в пресс-форму, установленную на термопластавтомате горизонтального типа. В качестве полимерного материала используют композицию, состоящую из полиэтилена низкого давления (ПЭНД)≤50,0%; полиэтилена высокого давления (ПЭВД)≤50,0%; сэвйлена ≤8,0%; активатора ≤1,0%, с температурой размягчения - не менее 80°С; с температурой хрупкости - не более - 65°С; с удельной ударной вязкостью - не менее 2,0 Дж/см² и с коэффициентом теплового расширения, соответствующим коэффициенту линейного теплового расширения материала защищаемой трубы. Расплавление полимерного материала осуществляют в цилиндре пластикации термопластавтомата с распределением температур по четырем зонам нагрева: 1 зона: 120-160°С; 2 зона: 150-200°С; 3 зона: 150-200°С; 4 зона: 120-160°С, и охлаждают в пресс-форме в течение 20-90 с. Форму для формирования корпуса выполняют в виде пресс-формы с плоскостью разъема, перпендикулярной направлению усилия смыкания частей пресс-формы, и холодноканальной литниковой системой с использованием воды в виде охлаждающей жидкости с давлением не менее 2,5 МПа с перепадом температуры воды на входе и выходе из пресс-формы 8-10°С и диаметром охлаждающих каналов 8-20 мм. Технический результат - получение предохранительной детали, изготовленной из полимерного материала с коэффициентом линейного теплового расширения, соответствующего коэффициенту теплового расширения материала трубы. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к трубному производству, а именно к способам изготовления предохранительных деталей для защиты внутренних и наружных концов труб, в том числе безрезьбовых и резьбовых концов труб нефтяного сортамента.

Известен способ изготовления предохранительных деталей для защиты наружной конической резьбы труб нефтяного сортамента, включающий формирование защитного металлического корпуса, формирование неметаллического вкладыша, формирование плотного соединения защитного металлического корпуса с неметаллическим вкладышем и формирование резьбы (патент РФ №2353848, МПК⁽⁶⁾ F16L 57/00, опубл. 27.04.2009).

Недостатком известного способа является использование в качестве материала неметаллического вкладыша эластомера - полиэтилена высокого давления, который не отвечает в полной мере требованиям, предъявляемым стандартами API и ГОСТ, и имеет значительно больший коэффициент теплового расширения при изменении температуры, чем материал трубы, что приводит к выпадению предохранительной детали из трубы при транспортировке в условиях предельных температур.

Наиболее близким по своей технической сути и достигаемым результатам является устройство для защиты внутренней и наружной резьбы бурильных труб с приваренными замками, изготовленное из полимерного материала - полиэтилена высокого давления (ПЭВД) (патент РФ №2371629, МПК⁽⁶⁾ F16L 57/00, B65D 59/06, опубл. 27.10.2009).

Недостатком устройства по прототипу является использование при его изготовлении материала, характеристики которого не отвечают в полной мере требованиям стандартов API и ГОСТ и который имеет значительно больший коэффициент линейного теплового расширения при изменении температуры, чем материал трубы, что приводит к выпадению предохранительных деталей из труб при их транспортировке в условиях предельных температур. Для исключения выпадения используется защитный металлический корпус, наличие которого усложняет процесс изготовления и приводит к возрастанию себестоимости.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в уменьшении трудоемкости и себестоимости изготовления предохранительных деталей за счет исключения процесса изготовления защитного металлического корпуса, повышения надежности предохранительных деталей за счет применения полимерного материала с коэффициентом линейного теплового расширения, соответствующего коэффициенту теплового расширения материала трубы.

Решение технической задачи достигается тем, что в способе изготовления предохранительной детали для защиты внутренней и наружной поверхности концов труб, включающем формирование корпуса из полимерного материала, формирование корпуса осуществляют методом инжекции расплавленного полимерного материала в форму, установленную на термопластавтомате горизонтального типа, при этом полимерный материал представляет из себя композицию в составе, мас.%: полиэтилен низкого давления (ПЭНД) ≤50,0; полиэтилен высокого давления (ПЭВД) ≤50,0; сэвилен ≤8,0; активатор ≤1,0, а полимерный материал расплавляют в цилиндре пластикации термопластавтомата с распределением температур по четырем зонам нагрева:

1 зона: 120-160°C;

2 зона: 150-200°C;

3 зона: 150-200°C;

4 зона: 120-160°C,

и охлаждают в форме в течение 20-90 с., при этом форму для формирования корпуса выполняют в виде пресс-формы с плоскостью разъема, перпендикулярной направлению усилия смыкания частей пресс-формы и холодноканальной литниковой системой с использованием воды в виде охлаждающей жидкости с давлением не менее 2,5 МПа с перепадом температуры воды на входе и выходе из пресс-формы 8-10°C и диаметром охлаждающих каналов 8-20 мм.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Гранулированный полимерный материал, представляющий из себя композицию на основе полиолефина в составе, мас.%: полиэтилен низкого давления (ПЭНД) ≤50,0; полиэтилен высокого давления (ПЭВД) ≤50,0; сэвилен ≤8,0; активатор ≤1,0 загружают в бункер термопластавтомата горизонтального типа, откуда он поступает в цилиндр пластикации, захватывается вращающимся шнеком и транспортируется в мундштук, расположенный в головной части цилиндра в зоне дозирования в инжекционном узле. При этом гранулированный полимерный материал нагревают и уплотняют в пробку и под действием тепла от четырех наружных зонных нагревателей с распределением температур по 4-м зонам нагрева:

1-я зона - 120-160°C

2-я зона -150-200°C

3-я зона -150-200°C

4-я зона - 120-160°C

пластицируют, т.е расплавляют и накапливают в зоне дозирования цилиндра пластикации.

После накопления необходимого объема расплава с помощью рычажно-гидравлического механизма производят смыкание мундштука с литниковой втулкой и смыкание частей пресс-формы. Далее осевым движением шнека расплав инжектируют из цилиндра пластикации в пресс-форму, где он застывает с образованием твердого тела - корпуса предохранительной детали. В период формообразования корпуса предохранительной детали цилиндр пластикации отодвигают от узла пресс-формы для обеспечения съема готового изделия, а в инжекторном узле пластицируют и накапливают следующую дозу расплапа.

В зависимости от размеров корпуса предохранительной детали и от числа оформляющих гнезд пресс-форма может быть одно- или многогнездовой (до 20). Исходя из изменений состояний в течение цикла производства заявленного полимерного материала, применяют пресс-формы с холодноканальной литниковой системой, что означает, что во время формования (20-90 с) затвердевает весь объем поступившего в форму материала. Охлаждение пресс-формы в течение установленного времени осуществляют подачей охлаждающей воды с давлением не менее 2,5 МПа через систему каналов в подвижных частях пресс-формы диаметром 8-20 мм, с перепадом температуры воды на входе и выходе 8-10°C.

Основные требования к предохранительным деталям из полимерных материалов, содержащихся в стандартах API, включают следующие основные показатели:

1. Температура размягчения - не менее 66°C;

2. Температура хрупкости - не более - 46°C;

3. Удельная ударная вязкость - не менее 2,0 Дж/см².

При создании полимерной композиции, заявляемой в изобретении, за основу был взят полиэтилен высокого давления (ПЭВД), который, однако, не в полной мере отвечает требованиям стандартов API и ГОСТ, в том числе по температурам использования и по реологическим характеристикам. Для улучшения его свойств был выбран способ его модифицирования методом смешения с высоконаполненной жесткой композицией, которой является полиэтилен средней плотности низкого давления (ПЭНД). Для увеличения морозостойкости композиции в ее состав добавляют сэвилен, который позволяет улучшить реологические характеристики композиции и повысить показатель текучести раствора до 1,4-2,0 г/10 мин, что обеспечивает устойчивую работу термопластавтомата. Для улучшения физико-механических свойств (удельной ударной вязкости) композиции в ее состав вводят активатор, что также приводит к лучшей сохранности изделий в процессе эксплуатации в связи со способностью полимерной матрицы композиции к «самозалечиванию» возникших в процессе эксплуатации трещин.

Предлагаемую в изобретении полимерную композицию переводят из твердого состояния в расплавленное в три стадии, отражаемые размещением по наружной поверхности цилиндра пластикации четырех зонных кольцевых электронагревателей.

В 1-й зоне с температурой 120-160°C полимерный материал находится в твердом и размягченном состоянии. Под действием температуры и гидростатического давления, развиваемого вращающимся шнеком, частицы полимера размягчают и уплотняют и образуют в канале шнека так называемую «пробку», соприкасающуюся с поверхностью цилиндра.

Во 2-й и 3-й зонах с температурой 150-200°C в каждой происходит практически полный переход пробки размягченного полимерного материала в расплав. В связи с тем, что температурный интервал начала и завершения плавления достаточно велик, стадия плавления включает два зонных нагревателя.

В 4-й зоне с температурой 120-160°C происходит окончательное расплавление частиц пробки, перемешивание и гомогенизация расплава, который таким образом оказывается подготовленным к дальнейшему технологическому использованию - инжекции в форму. Высокая температура расплава приводит к понижению его вязкости. С целью повышения вязкости расплава композиции и обеспечения устойчивого процесса заполнения пресс-формы в этой зоне происходит снижение температуры в сравнении с предшествующей зоной.

Плоскость разъема пресс-формы, состоящей из матричной и пуансонной частей, перпендикулярна направлению смыкания частей пресс-формы. Матричная часть пресс-формы неподвижна, а пуансонную часть перемещают возвратно-поступательно, открывая (размыкая) и запирая (смыкая) пресс-форму. При отходе пуансонной части от матричной части пресс-форму размыкают и удаляют корпус предохранительной детали. Равномерное охлаждение пресс-формы в течение 20-90 с обеспечивает необходимое качество корпуса предохранительной детали с сохранением его эластичности, необходимой для съема готового изделия.

Подача охлаждающей воды с давлением не менее 2,5 МПа через систему охлаждающих каналов диаметром 8-20 мм, помимо равномерного охлаждения пресс-формы, обеспечивает короткое время цикла производства предохранительной детали, которое определяется 20-90 с. Указанное время является также показателем термостабильности расплава, так как за это время его вязкость не успевает измениться.

Заявляемый способ позволяет получить предохранительные детали, обеспечивающие надежную защиту внутренних и наружных концов труб, в том числе безрезьбовых и резьбовых концов труб нефтяного сортамента от повреждения и коррозии при их транспортировке и эксплуатации за счет использования полимерного материала, соответствующего API и ГОСТ, с коэффициентом линейного теплового расширения, соответствующим коэффициенту линейного теплового расширения материала трубы, и снижение себестоимости на 20-40% за счет исключения процесса изготовления защитного металлического корпуса.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, не были выявлены. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».

Способ прошел испытания в промышленных условиях.

Была подготовлена полимерная композиция предлагаемого состава, из которой заявленным способом были изготовлены предохранительные детали: кольцо и ниппель насосно-компрессорных труб ⌀73 мм - по 12 штук, кольцо и ниппель обсадных труб ⌀146 мм с резьбой «Батресс» - по 12 штук.

Полимерная композиция на основе полиолефина в составе, мас.%: полиэтилен низкого давления (ПЭНД) ≤50,0; полиэтилен высокого давления (ПЭВД) ≤50,0; сэвилен ≤8,0; активатор ≤1,0, расплавлялась в цилиндре пластикации термопластавтомата горизонтального типа с распределением температур по зонам нагрева:

1 зона: 135-140°C;

2 зона: 185-190°C;

3 зона: 185-190°C;

4 зона: 135-140°C.

Полученная полимерная композиция характеризуется показателями:

- температура размягчения - (84-90)°C;

- температура хрупкости - (-68-72)°C;

- удельная ударная вязкость - (2,2-2,7) Дж/см².

Полученные показатели полностью удовлетворяют требованиям стандартов API и ГОСТ.

Проведенные испытания показали, что при нагреве и охлаждении в условиях предельных температур предохранительные детали из предложенной композиции имеют незначительные колебания геометрических размеров в пределах 0,1-0,9%, что позволяет отказаться от защитного металлического корпуса. Полученные результаты свидетельствуют о том, что коэффициент линейного теплового расширения предохранительных деталей соответствует коэффициенту линейного теплового расширения материала защищаемой трубы.

1. Способ изготовления предохранительной детали для защиты внутренней и наружной поверхности концов трубы, включающий формирование корпуса полимерного материала, отличающийся тем, что формирование корпуса осуществляют методом инжекции расплавленного материала в пресс-форму, установленную на термопластавтомате горизонтального типа, при этом полимерный материал представляет из себя композицию в составе, мас.%: полиэтилен низкого давления (ПЭНД) ≤50,0; полиэтилен высокого давления (ПЭВД) ≤50,0; сэвилен ≤8,0; активатор ≤1,0, с температурой размягчения - не менее 80°С; с температурой хрупкости - не более - 65°С; с удельной ударной вязкостью - не менее 2,0 Дж/см² и с коэффициентом теплового расширения, соответствующим коэффициенту линейного теплового расширения материала защищаемой трубы, а полимерный материал расплавляют в цилиндре пластикации термопластавтомата с распределением температур по четырем зонам нагрева:
1 зона: 120-160°С;
2 зона: 150-200°С;
3 зона: 150-200°С;
4 зона: 120-160°С,
и охлаждают в пресс-форме в течение 20-90 с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что форму для формирования корпуса выполняют в виде пресс-формы с плоскостью разъема, перпендикулярной направлению усилия смыкания частей пресс-формы и холодноканальной литниковой системой с использованием воды в виде охлаждающей жидкости с давлением не менее 2,5 МПа с перепадом температуры воды на входе и выходе из пресс-формы 8-10°С и диаметром охлаждающих каналов 8-20 мм.