Методи й засоби контролю різьбових з’єднань трубних колон

– з’єднання з трикутною (конічною та циліндричною) різьбою без додаткових елементів для підвищення міцності й герметичності. Якість таких з’єднань забезпечується завдяки натягу по гранях та наявності мастила в западинах різьби;

– з’єднання з трапецієвидною (конічною та циліндричною) різьбою без додаткових елементів для підвищення міцності й герметичності. Якість таких з’єднань забезпечується завдяки діаметральному (по внутрішньому або зовнішньому діаметру різьби) та осьовому (по боковій грані витка) натягу різьби;

– з’єднання з трикутною, трапецієвидною або замковою різьбою та додатковими елементами для підвищення міцності (в тому числі завдяки перерозподілу напружень в різьбі) й герметичності (завдяки щільному приляганню гладких поверхонь сумірної з розмірами з’єднання протяжності, вставним елементам і т. ін.). До цієї групи належать і замкові з’єднання, якість яких забезпечується діаметральним натягом по різьбі та осьовим натягом по упорних поверхнях.

Додаткові ущільнення типу “метал – метал” за конструктивним виконанням поділяються на два типи: діаметральні та торцеві. До першого типу належать конічні та циліндричні пояски, розташовані зі сторони зовнішньої, внутрішньої або й одночасно обох поверхонь труби, по яких під час згвинчування створюється певний діаметральний натяг. Другий тип – торцеві ущільнення (упорні торці, упорні виступи), які виконуються під прямим або гострим кутом і також збираються з певним рівнем напружень. Упорні поверхні цього типу можуть розташовуватись аналогічно попереднім.

За функціональним призначенням ущільнення типу “метал – метал” поділяються на призначені переважно для забезпечення герметичності та призначені переважно для забезпечення міцності. В першому випадку визначальним для якості з’єднання є неперервність поверхні спряження, в другому – ступінь напруженості з’єднання та рівень і характер розподілу напружень в спряжених елементах.

Таким чином, будь-яке з існуючих з’єднань трубних колон, використовуваних в нафтогазовій галузі, можна представити як комбінацію з означених конструктивних елементів певного функціонального призначення. Отже, є можливість перейти до розробки уніфікованих методик контролю однотипних елементів і застосувати агрегатування методик.

Дослідження особливостей поширення ультразвукових коливань в різьбових частинах труб з конусністю 2j дозволило одержати аналітичні залежності між геометричними характеристиками з’єднання та параметрами способів його акустичного контролю (кут падіння a, кут вводу b, відстань l між точками вводу та приймання або відбиття ультразвукових коливань) різними методами (рис. 1, 2) :

1) методами відбитого та прониклого випромінювання (див. рис. 1) – для n-ного відбиття відповідно від внутрішньої та зовнішньої поверхні (n – кількість відбиттів) :

 

2) луно-дзеркальним способом (тут Н – глибина залягання дефекту) :

 

Залежності (1), (2) дозволяють обчислювати параметри способу контролю для певної відомої або очікуваної орієнтації поверхні відбиття (дефекту, зони спряження, витка різьби тощо) без графічних побудов.

Виконання залежностей (3), (4) забезпечує мінімум втрат ультразвукової енергії завдяки найкращим умовам відбиття УЗК від площини дефекту і є основою для розробки способів контролю товстостінних труб, які неможливо контролювати іншим чином через значне затухання УЗК в товщі металу. На основі цих залежностей розроблений спосіб, який вперше дозволив здійснювати дефектоскопію замкових різьбових з’єднань ОБТ всіх типорозмірів в згвинченому стані.

Теоретичні дослідження фізичних процесів, що відбуваються в зоні спряження під час згвинчування, показали, що герметичність з’єднання характеризується неперервністю поверхні спряження, його несуча здатність – величиною та розподілом напружень в спряжених елементах, а наявність дефектів в різьбі призводить до перерозподілу напружень в торцевому ущільненні.

Третій розділ містить методики й результати експериментальних досліджень, що проводились для перевірки окремих теоретичних положень та висновків, одержаних в попередньому розділі, та уточнення параметрів способів контролю.

В залежності від поставлених задач, дослідження проводились на спеціальних зразках, що імітували елементи різьби та додаткових ущільнень і виготовлювались з фрагментів труб нафтового сортаменту, а також на натурних зразках різьбових частин обважнених, бурильних, обсадних та насосно-компресорних труб – вітчизняних та імпортних (фірми “Ніппон Стіл Корп. ”). Натурні зразки (за винятком окремо оговорених) виготовлювались з бездефектних різьбових пар, штучні дефекти визначених розмірів (в різьбі ОБТ, в зоні ущільнень типу “метал-метал”) наносились на фрезерному станку. Необхідний ступінь напружень в зоні додаткових ущільнень створювався шляхом селективного підбору різьбових пар за результатами інструментального контролю, розрахунку очікуваного натягу і згвинчування з’єднання з регламентованим крутним моментом.

При дослідженнях використовувалась, як правило, серійна контрольно-вимірювальна апаратура, атестована в органах Держстандарту, зокрема, серійні ультразвукові прилади та серійні і спеціально виготовлені (зі складу розроблених акустичних блоків) п’єзоперетворювачі. Параметри п’єзоперетворювачів перед проведенням експериментів перевірялись за стандартною методикою.

Для визначення інформативних параметрів, за якими можна оцінити якість різьбового з’єднання, проводились дослідження на зразках, що складались з двох спряжених частин і імітували елементи різьбового з’єднання, та на суцільному (монолітному) зразку. В результаті досліджень встановлений вплив і кореляційні зв’язки між питомим тиском на спряжених поверхнях та амплітудою УЗК, що пройшли через зону спряження, для різних умов контактування та частот УЗК, і встановлено, що навантаження суцільного зразка не впливає на амплітуду. Ці результати співпадають з одержаними в подальшому на натурних зразках і підтверджують дані теоретичних досліджень стосовно механізму формування напружень в додаткових ущільненнях типу “метал – метал”.

Залежності амплітуди сигналу, який пройшов через зону спряження, від