способ создания защитного диффузионного покрытия наружной и внутренней поверхности трубы и ее резьбовых участков и насосно-компрессорная труба

Формула изобретения

1. Способ получения защитного диффузионного покрытия на резьбовых участках стальной трубы и примыкающих к ним поверхностях, включающий обработку резьбовых участков и примыкающих к ним поверхностей трубы путем изотермической выдержки в диффузионной смеси, содержащей металлический порошок и порошок инертного наполнителя, и последующее охлаждение на воздухе, отличающийся тем, что используют диффузионную смесь, содержащую металлический порошок, состоящий из смеси порошков цинка, меди и алюминия зернистостью 0,1-0,5 мм, при следующем содержании компонентов в диффузионной смеси, мас.%: цинк 25-40, медь 0,045-0,075, алюминий 0,175-0,225, инертный наполнитель - остальное, изотермическую выдержку проводят в течение 1,0-3,0 ч при температуре 440±10°С с получением защитного покрытия толщиной 30-80 мкм, содержащего следующие компоненты, мас.%: железо 6-15, цинк 84,1-93,4, медь 0,4-0,6, алюминий 0,2-0,3, при этом покрытие имеет микротвердость, определенную по методу восстановленного отпечатка четырехгранной пирамиды в пределах 4500-5250 МПа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед помещением резьбовых участков трубы и примыкающих к ним поверхностей в диффузионную смесь, смесь перемешивают для придания ее частицам скатанной формы.

3. Насосно-компрессорная труба, содержащая корпус с по меньшей мере одним участком резьбы с защитным покрытием, отличающаяся тем, что защитное покрытие получено способом по п.1.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу изготовления и конструкции труб нефтяного сортамента, используемых преимущественно при обустройстве и эксплуатации нефтяных и газовых скважин, а именно насосно-компрессорных труб (НКТ) диаметром 60-114 мм, обсадных труб диаметром 114-508 мм и других.

Трубы нефтяного сортамента в трубной колонне должны отвечать требованиям высокой устойчивости против коррозии и условию хорошей многократной свинчиваемости.

Известно, что по трубам нефтяного сортамента транспортируется под большим давлением многокомпонентная нефтесодержащая среда, состоящая из нефти, газа, воды и различных примесей, в виде взвешенных твердых частиц, под действием которых происходит интенсивная коррозия и абразивный износ металла труб и муфт. При этом наиболее интенсивно идут процессы коррозии и эрозионного износа в зоне резьбовых соединений труб, что приводит к размыву резьбы, нарушению герметичности резьбового соединения «труба-муфта» и в конечном итоге к разгерметизации колонн труб и остановке скважин.

Известно применение оцинкованных труб, в которых резьбовые участки подвергают специальной термической обработке. В этом случае после термической обработки резьбовых участков образуется структурно-однородное цинковое покрытие, (см., например, Проскуркин Е.В., Горбунов Н.С. Диффузионные цинковые покрытия. М.: Металлургия, 1972, с.248).

Недостатком такой трубы является низкая твердость полученного цинкового покрытия, ведущая к быстрому износу резьбового соединения трубы.

Наиболее близким аналогом к предложенному способу является способ получения защитного диффузионного покрытия на резьбовых участках стальной трубы и примыкающих к ним поверхностях, включающий обработку резьбовых участков путем изотермической выдержки в диффузионной смеси, содержащей металлический порошок и порошок инертного наполнителя, и последующее охлаждение на воздухе (RU 2221898 С2, МПК 8 С 23 С 10/34, 20.01.2004, с.3, абзац 3, 5 снизу, формула).

Задачей изобретения является получение защитного покрытия на резьбовых участках насосно-компрессорных, бурильных и др. труб, обеспечивающего повышение коррозионной стойкости и герметичности резьбовых участков насосно-компрессорных труб.

Поставленная задача решается за счет того, что при осуществлении предлагаемого способа получения защитного диффузионного покрытия на резьбовых участках стальной трубы и примыкающих к ним поверхностях, включающего обработку резьбовых участков путем изотермической выдержки в диффузионной смеси, содержащей металлический порошок и порошок инертного наполнителя, и последующее охлаждение на воздухе. Согласно данному изобретению используют диффузионную смесь, содержащую металлический порошок, состоящий из смеси порошков цинка, меди и алюминия зернистостью 0,1-0,5 мм и инертный наполнитель, при следующем содержании компонентов в диффузионной смеси, мас.%: цинк 25-40, медь 0,045-0,075, алюминий 0,175-0,225, инертный наполнитель - остальное. В качестве инертного наполнителя используют глинозем или кварцевый песок с зернистостью 0,15-0,7 мм. Изотермическую выдержку проводят в течение 1,0-3,0 часов при температуре 440±10°С с получением защитного покрытия толщиной 30-80 мкм, содержащего следующие компоненты, мас.%: железо 6-15, цинк 84,1-93,4, медь 0,4-0,6, алюминий 0,2-0,3. Полученное покрытие имеет микротвердость, определенную по методу восстановленного отпечатка четырехгранной пирамиды (по Виккерсу), в пределах 4500-5250 МПа.

Кроме того, поставленная задача решается за счет того, что перед заполнением контейнера диффузионной смесью, смесь перемешивают для придания ее частицам скатанной формы. Это позволяет обеспечить надежный отвод газов при проведении процесса создания защитного диффузионного покрытия.

Задача по созданию насосно-компрессорной трубы с защитным покрытием, содержащей корпус с по меньшей мере одним участком резьбы с защитным покрытием, полученным способом, включающим обработку резьбовых участков и примыкающих к ним поверхностей путем изотермической выдержки в диффузионной смеси, содержащей металлический порошок и порошок инертного наполнителя, и последующее охлаждение на воздухе. Согласно данному изобретению используют диффузионную смесь, содержащую металлический порошок, состоящий из смеси порошков цинка, меди и алюминия зернистостью 0,1-0,5 мм и инертный наполнитель, при следующем содержании компонентов в диффузионной смеси, мас.%: цинк 25-40, медь 0,045-0,075, алюминий 0,175-0,225, инертный наполнитель - остальное. В качестве инертного наполнителя используют глинозем или кварцевый песок с зернистостью 0,15-0,7 мм. Изотермическую выдержку проводят в течение 1,0-3,0 часов при температуре 440±10°С с получением защитного покрытия толщиной 30-80 мкм, содержащего следующие компоненты, мас.%: железо 6-15, цинк 84,1-93,4, медь 0,4-0,6, алюминий 0,2-0,3. Полученное покрытие имеет микротвердость, определенную по методу восстановленного отпечатка четырехгранной пирамиды (по Виккерсу), в пределах 4500-5250 МПа.

Технический результат от применения предложенного способа нанесения защитного диффузионного покрытия на резьбовые участки и примыкающие к ним поверхности насосно-компрессорных и обсадных труб, а также от применения указанных труб с описанным защитным покрытием заключается в увеличении срока службы труб и, как следствие, в повышении производительности и снижении стоимости работ при газонефтедобыче.

Защитное покрытие с указанным выше составом не склонно к старению, что свойственно защитным слоям из полимерных материалов, растрескиванию, характерному для стеклоэмалевых и силикатных материалов, а также менее подвержено разрушению слоя за счет потери атомов цинка из-за возникновения гальванической пары Fe-Zn, чем при создании защитного железоцинкового покрытия, в эксплуатационных условиях играет роль твердой смазки для резьбовой пары «муфта-труба».

Для получения защитного покрытия на резьбовой поверхности стальной бурильной трубы резьбовые участки стальной трубы и примыкающие к ним поверхности помещают в контейнеры с диффузионной смесью. Диффузионная смесь состоит из смеси цинкового, медного и алюминиевого порошка зернистостью 0,1-0,5 мм и инертного наполнителя - кварцевого песка или глинозема зернистостью 0,15-0,70 мм.

Приготавливают диффузионную смесь, содержащую смесь металлических порошков и инертного наполнителя, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Цинк	25-40
Медь	0,045-0,075
Алюминий	0,175-0,225
Инертный наполнитель	остальное.

Сначала приготавливают смесь металлических порошков перемешиванием в мешалке для получения скатанной формы частиц и просеивают через сито с размером ячейки 0,5 мм. Инертный наполнитель перемешивают и просеивают отдельно через сито с размером ячейки 0,7 мм. Затем обе составляющие части диффузионной смеси объединяют и вновь перемешивают. Стальную трубу с резьбовыми концами и примыкающими к ним поверхностями, помещенными в контейнеры с диффузионной смесью, загружают в печь и производят покрытие защитным слоем путем изотермической выдержки при температуре 440±10°С в течение от 1,0 до 3,0 часов с последующим охлаждением на воздухе.

В зависимости от температуры, размеров трубы, времени выдержки и других параметров поверхность защитного покрытия будет содержать следующие компоненты, мас.%: железо 6-15, цинк 84,1-93,4, медь 0,4-0,6, алюминий 0,2-0,3. Толщина покрытия в зависимости от времени изотермической выдержки может быть получена в пределах от 30 до 80 мкм.

Содержание ингредиентов и режим выполнения процесса приведен в табл.1.

В таблице 2 приведены результаты измерения микротвердости поверхностного защитного слоя для различных материалов.

Измерение микротвердости проводили вдавливанием алмазных наконечников по ГОСТ 9450-76 «Измерение стандарт микротвердости вдавливанием алмазных наконечников». Настоящий стандарт определяет измерение микротвердости металлов и сплавов методом восстановленного отпечатка четырехгранной пирамидой с квадратным основанием (по Виккерсу). Этот метод является стандартным при измерении защитных слоев, в частности из железоцинкового покрытия. Нагрузка на индентор при измерении микротвердости составляла 10 г.

Таким образом, изготовленная в соответствии с предлагаемым способом насосно-компрессорная или бурильная труба позволяет получить заявленный технический результат, заключающийся в увеличении срока службы, производительности и снижении стоимости работ при нефтегазодобыче.

Таблица 1.
Параметры диффузионного покрытия						Образующийся слой защитного покрытия
Температура Обработки, °С		Продолжит. Обработки, час.	Содержание металл. ингредиентов в дифф. смеси, % (по массе)			Толщина, мкм.	Содержание ингредиентов в покрытии, % (по массе)					Твердость, МПа
			Zn	Cu	Al		Zn		Fe	Cu	Al
440±10		1,0	25-40	0,045-0,075	0,175-0,225	30,0	93,4		6,0	0,4	0,2	4500
440±10		3,0	25-40	0,045-0,075	0,175-0,225	80,0	84,1		15,0	0,6	0,3	5250
Таблица 2.
№п/п	Вид (тип) защитного слоя							Микротвердость защитного слоя, МПа
1.	Слой из цинкжелезомедноалюминиевого сплава							4500-5250
2.	Гальванический цинковый слой							300-380
3.	Металлизационный цинковый слой							200-280
4.	Фосфатный защитный слой							150-250
5.	Сталь 5СП							1422-470
6.	Сталь 20							2265-2540
7.	Сталь 22А «селект»							3138-3187