Способ поверхностного упрочнения резьбовых соединений тонкостенных бурильных труб

Изобретение относится к способам поверхностного упрочнения резьб, посредством которых соединяются части бурильной колонны. Способ упрочнения резьбовой поверхности замкового соединения тонкостенной бурильной трубы содержит стадии: а) подготовка резьбовой поверхности замкового соединения, включающая предварительную очистку и обезжиривание резьбовой поверхности в щелочном растворе, промывка водой и подогрев замкового соединения с резьбовой поверхностью, б) химико-термическая обработка подогретого замкового соединения с резьбовой поверхностью методом жидкой карбонитрации в ванне, содержащей расплав солей - цианата и карбоната щелочного металла, и извлечение из ванны замкового соединения с резьбовой поверхностью, охлаждение на спокойном воздухе, промывка и сушка. Подогрев резьбовой поверхности замкового соединения перед погружением в ванну с расплавом солей проводят в расплаве нитратов щелочных металлов, содержащем 55% калиевой селитры KNO3 и 45% натриевой селитры NaNO3 при температуре 250-300°С в течение 15-20 минут. Упомянутую химико-термическую обработку осуществляют при температуре 540-580°С в течение 15-25 минут, при этом в качестве расплава солей цианата и карбоната щелочного металла используют расплав следующего состава: цианат калия KCNO 85-95%, калий углекислый (поташ) K2СО3 5-15%. Обеспечивается технологичное и экологически безопасное упрочнение резьбовой поверхности замкового соединения тонкостенной бурильной трубы. 1 ил.

 

Изобретение относится к способам обработки диффузией в твердом состоянии неметаллических элементов в металлическую поверхность, защищающей от износа поверхности резьб, посредством которых соединяются части бурильной колонны, предназначенной преимущественно для геологоразведки - получения керна с помощью специального керноприемного устройства, извлекаемого без подъема колонны труб. Особенностью таких труб является их гладкоствольность снаружи и внутри, резьба на таких трубах обычно слабоконическая, толщина стенки, исходя из необходимости размещения внутри трубы керноприемного устройства, - ограничена. Таким образом поверхностный износ резьбовых соединений тонкостенных бурильных труб приводит к их поломке и дорогостоящим операциям по подъему колонны с целью замены аварийной трубы.

Известны способы поверхностного упрочнения резьбовых поверхностей бурильных труб методом азотирования (см., например, патент RU 179924 U1, F16L 57/06, опубликован 29.05.2018) и нанесением двухслойного покрытия, первый слой которого нанесен методом термодиффузионного порошкового цинкования, а второй - методом фосфатирования (см., например, патент RU 68090 U1, F16L 15/08, опубликован 10.11.2007). Такие покрытия истираются при первых же циклах свинчивание-развинчивание, максимум после десяти циклов, далее начинает истираться металл самой резьбы, кроме того они нетехнологичны.

Наиболее близким, принятым за прототип, является Способ азотирования механических деталей из стали, сведения о котором содержатся в описании к патенту FR 2972459 B1, С23С 8/50, опубликован 12.04.2013 (также опубликован 10.07.2016, как RU 2590752 С2, С23С 8/50). Совокупность признаков, сгруппированных по стадиям способа и характеризующих прототип, следующая:

а) подготовка поверхностей, включающая следующие операции: предварительная очистка и обезжиривание поверхности в щелочном растворе, промывка водой и подогрев;

б) химико-термическая обработка подогретых деталей методом жидкой карбонитрации в ванне, содержащей расплав солей - цианата и карбоната щелочного металла;

в) заключительные операции - извлечение деталей из ванны, охлаждение на спокойном воздухе, промывка и сушка.

Основным недостатком данного способа является то, что в качестве щелочного металла, цианат и карбонат которого входят в состав расплава солей, указан натрий, что вредно с точки зрения экологии. Другим недостатком указанного способа является то, что подогрев деталей перед погружением в расплав солей происходит не в специальной жидкости, а на открытом воздухе, что неприемлемо с точки зрения технологии. Таким образом технической проблемой, не решаемой при использовании аналогов, является создание способа поверхностного упрочнения, который обеспечит долговременную износостойкость резьбовых соединений тонкостенных бурильных труб, будучи технологичным и экологически безопасным.

Для решения указанной технической проблемы предлагается в известном способе, содержащем стадии:

а) подготовка поверхностей, включающая следующие операции: предварительная очистка и обезжиривание поверхности в щелочном растворе, промывка водой и подогрев;

б) химико-термическая обработка подогретых деталей методом жидкой карбонитрации в ванне, содержащей расплав солей - цианата и карбоната щелочного металла;

в) заключительные операции - извлечение деталей из ванны, охлаждение на спокойном воздухе, промывка и сушка,

подогрев деталей перед погружением в ванну с расплавом солей производить в расплаве нитратов щелочных металлов, содержащем 55% калиевой селитры KNO3 и 45% натриевой селитры NaNO3 при температуре 250-300°С в течение 15-20 минут, в качестве щелочного металла в расплаве солей применять калий при следующем составе расплава:

цианата калия KCNO 85-95%
калия углекислого (поташа) K2CO3 5-15%

и обработку вести при температуре 540-580°С в течение 15-25 минут.

Собственными исследованиями заявителя установлено, что за 15-20 минут тонкостенные детали полностью прогреваются до срединной для термообработки температуры - в интервале 250-300°С, в котором лежит температура расплава смеси нитратов щелочных металлов, содержащем 55% калиевой селитры KNO3 и 45% натриевой селитры NaNO3, что обеспечивает минимизацию коробления и поводок деталей в процессе карбонитрации. При меньшей температуре не происходит качественного расплава смеси, большая температура нецелесообразна технологически. Изменение концентрации компонентов смеси приводит к сдвигу температуры расплава от оптимальной.

В диссертации одного из авторов заявляемого изобретения утверждается, что на основании анализа кинетики процесса карбонитрации и механических характеристик упрочняемых деталей выявлено влияние содержания в расплаве солей углекислого калия К2СО3 на долговечность работы резьб.

Само применение калия в качестве щелочного металла в расплаве солей является более технологичным и экологически безопасным в производстве по сравнению с известными из уровня техники другими веществами.

Исследованиями, отраженными в публикации: Степанчукова А.В. Закономерности формирования упрочненного слоя и оптимизация режимов обработки при карбонитрации замковых соединений бурильных труб из среднеуглеродистых легированных сталей - автореферат диссертации, Оренбург, 1918, установлено влияние концентрации K2CO3 на свойства карбонитрированного слоя. Результаты исследования приведены в таблице на фиг. 1. Выявлено, что при обработке в ванне с содержанием K2CO3 менее 15% твердость карбонитрированного слоя заметно выше, чем в случае известной из уровня техники концентрации K2CO3 из интервала 15-25%, а пористая зона отсутствует, что вкупе обеспечивает повышение износостойкости. При снижении концентрации K2CO3 ниже 5% эффект пропадает. Испытаниями в эксплуатации было установлено, что воздействие расплава солей указанной концентрации в интервале температур 540-580°С в течение 15-25 минут обеспечивает для резьбового соединения тонкостенных бурильных труб необходимого времени работы (износостойкости).

Изобретение иллюстрируется таблицей - результатами исследования влияния концентрации K2CO3 на свойства карбонитрированного слоя.

Заявляемый способ может быть осуществлен следующим образом:

- предварительная очистка и обезжиривание поверхности резьбовых соединений закрепленных в кассете бурильных труб в водном растворе едкого натра NaOH - 20 г/л, тринатрийфосфата Na3PO412H2O - 50 г/л, жидкого стекла - 5 г/л, остальное вода при температуре 80-90°С в течение 15-20 минут;

- промывка в проточной горячей воде в течение 5-10 минут при температуре воды 80-90°С;

- сушка на спокойном воздухе в течение 5-10 минут;

- подогрев в печь-ванне подогрева в расплаве нитратов щелочных металлов, содержащем 55% калиевой селитры KNO3 и 45% натриевой селитры NaNO3 при температуре 250-300°С в течение 15-20 минут;

- карбонитрирование в печь-ванне карбонитрации в расплаве солей из цианата калия KCNO 85-95% и калия углекислого К2СО3 5-15% в интервале температур 540-580°С и временем выдержки в насыщающей среде 20±5 минут;

- извлечение замковых соединений из ванны, охлаждение изделий на спокойном воздухе, последующая промывка и сушка.

Способ упрочнения резьбовой поверхности замкового соединения тонкостенной бурильной трубы, содержащий стадии:

а) подготовка резьбовой поверхности замкового соединения, включающая предварительную очистку и обезжиривание резьбовой поверхности в щелочном растворе, промывка водой и подогрев упомянутого замкового соединения с резьбовой поверхностью,

б) химико-термическая обработка подогретого замкового соединения с резьбовой поверхностью методом жидкой карбонитрации в ванне, содержащей расплав солей - цианата и карбоната щелочного металла, и

в) извлечение из ванны упомянутого замкового соединения с резьбовой поверхностью, охлаждение на спокойном воздухе, промывка и сушка,

отличающийся тем, что подогрев замкового соединения с резьбовой поверхностью проводят в расплаве нитратов щелочных металлов, содержащем 55% калиевой селитры KNO3 и 45% натриевой селитры NaNO3 при температуре 250-300°С в течение 15-20 минут, а упомянутую химико-термическую обработку осуществляют при температуре 540-580°С в течение 15-25 минут, при этом в качестве расплава солей цианата и карбоната щелочного металла используют расплав следующего состава, %:

цианат калия KCNO 85-95
калий углекислый (поташ) K2СО3 5-15



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу и устройству для охлаждения металлических деталей, подвергнутых обработке азотированием/нитроцементацией в ванне с расплавленной солью, и детали, обработанной указанным способом.

Изобретение относится к способу поверхностного упрочнения изделия из нержавеющей стали, никелевого сплава, кобальтового сплава или материала на основе титана. Обеспечивается нагревательное устройство, имеющее первую зону нагрева ниже по ходу от второй зоны нагрева, впуск газа и выпуск газа для прохождения газа через нагревательное устройство, нагрев изделия в упомянутой первой зоне нагрева до первой температуры в диапазоне 185-500°С, нагрев по меньшей мере одного соединения N/C, содержащего азот и углерод, в упомянутой второй зоне нагрева до второй температуры 135-450°С, которая ниже, чем первая температура, для образования одного или более газообразных веществ.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к химико-термической обработке металлов или сплавов в жидких средах. Состав ванны для цианирования металлов и сплавов в жидких средах для насыщения азотом и углеродом содержит следующие компоненты, мас.%: карбамид (NH2)2CO - 40…45, углекислый натрий Na2CO3 - 35…40, хлористый натрий NaCl - 8…10 и едкий натр NaOH - остальное.
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к химико-термической обработке металлов и сплавов, и может быть использовано при изготовлении деталей. .
Изобретение относится к области упрочнения восстановленных поверхностей стальных деталей. .

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для упрочнения изделий, работающих в условиях интенсивного износа. .

Изобретение относится к способам поверхностного упрочнения резьб, посредством которых соединяются части бурильной колонны. Способ упрочнения резьбовой поверхности замкового соединения тонкостенной бурильной трубы содержит стадии: а) подготовка резьбовой поверхности замкового соединения, включающая предварительную очистку и обезжиривание резьбовой поверхности в щелочном растворе, промывка водой и подогрев замкового соединения с резьбовой поверхностью, б) химико-термическая обработка подогретого замкового соединения с резьбовой поверхностью методом жидкой карбонитрации в ванне, содержащей расплав солей - цианата и карбоната щелочного металла, и извлечение из ванны замкового соединения с резьбовой поверхностью, охлаждение на спокойном воздухе, промывка и сушка. Подогрев резьбовой поверхности замкового соединения перед погружением в ванну с расплавом солей проводят в расплаве нитратов щелочных металлов, содержащем 55 калиевой селитры KNO3 и 45 натриевой селитры NaNO3 при температуре 250-300°С в течение 15-20 минут. Упомянутую химико-термическую обработку осуществляют при температуре 540-580°С в течение 15-25 минут, при этом в качестве расплава солей цианата и карбоната щелочного металла используют расплав следующего состава: цианат калия KCNO 85-95, калий углекислый K2СО3 5-15. Обеспечивается технологичное и экологически безопасное упрочнение резьбовой поверхности замкового соединения тонкостенной бурильной трубы. 1 ил.

Наверх