Способ изготовления насосно-компрессорных труб

Изобретение относится к области изготовления труб из конструкционных среднеуглеродистых или низколегированных сталей, а именно к способу изготовления насосно-компрессорных труб (НКТ) и может найти применение в нефтяной и газовой промышленности. Способ включает получение высокопрочной горячекатаной трубы и финишную обработку. После получения горячекатаной трубы ее внутреннюю поверхность очищают до металлического блеска и наносят на нее герметизирующий материал. Затем во внутреннюю полость горячекатаной трубы вводят трубу, обладающую антикоррозионными свойствами, наружную поверхность которой предварительно очищают до металлического блеска и наносят на нее герметизирующий материал. Трубы совместно обжимают, обеспечивая их скрепление за счет упругих напряжений, возникающих в процессе деформации, и осуществляют полимеризацию герметизирующего материала. Полученная данным способом биметаллическая НКТ имеет высокие прочностные характеристики.

 

Предлагаемое изобретение относится к области изготовления продукции из конструкционных среднеуглеродистых или низколегированных сталей, а именно к технике и технологии изготовления насосно-компрессорных труб, используемых в основном для добычи нефти и природного газа. Традиционный способ изготовления насосно-компрессорных труб (НКТ) хорошо известен и получил широкое применение практически во всех развитых в техническом отношении странах (Россия, США, Германия, Япония и т.д.).

Технические требования к качеству НКТ определяются условиями их эксплуатации и изложены в соответствующих отечественных и зарубежных стандартах, например ГОСТ 633-80 (Россия), нормаль (спецификация) API-5СТ (США).

Процесс изготовления НКТ по традиционной технологии подразделяется на два этапа. Первый из них является основным и предусматривает изготовление по традиционной технологии, включая термическую обработку (при необходимости) собственно горячекатаных труб с приданием им соответствующего качества. На втором этапе выполняются финишные операции, в том числе нарезка резьбы на концах труб, навертка муфт, контроль качества труб, шаблонирование, гидравлическое испытание, диагностирование физическими методами, упаковка труб в пакеты, транспортировка на склад готовой продукции.

Насосно-компрессорные трубы в зависимости от условий эксплуатации обычно подразделяют на три группы качества: обычное исполнение, исполнение в высокопрочном и коррозионно-стойком вариантах.

Из практики эксплуатации НКТ известно, что повышение давления добываемого продукта в насосно-компрессорной колонне и увеличение глубины опускания насоса увеличивают силовые нагрузки и напряжения, действующие на НКТ, что вызывает необходимость повышения прочностных характеристик труб.

Содержание в добываемом продукте сероводорода (SO₂), углекислого газа (CO₂), пластовой воды, солей натрия (Na), калия (К) и других агрессивных компонентов инициирует и ускоряет коррозию НКТ в процессе их эксплуатации. В этих условиях необходимо применять НКТ в коррозионно-стойком исполнении. Коррозионные процессы, вызываемые агрессивными компонентами, неоднозначны. Например, под воздействием сероводорода возникает процесс сульфидного коррозионного растрескивания (СКР) металла труб, а углекислый газ вызывает углекислотную коррозию НКТ, механизм которой существенно отличается от механизма СКР.

Различный характер воздействия силовых нагрузок и напряжений и/или коррозионных процессов на металл НКТ предопределяет и различный характер мер по обеспечению высокого уровня служебных свойств труб, обеспечивающих высокую надежность и долговечность НКТ в процессе эксплуатации.

Повышение прочностных характеристик НКТ обычно достигается увеличением содержания в стали углерода и марганца и/или термической обработкой труб по режиму: закалка + высокий отпуск.

Для полного или хотя бы частичного подавления процессов сульфидного коррозионного растрескивания металла необходимо уменьшать содержание в стали углерода и марганца. Наряду с этим необходимо вводить в химсостав стали хром, молибден, никель и уменьшать содержание серы и фосфора. Термическую обработку НКТ в этом случае осуществляют по режиму нормализация + отпуск с длительной выдержкой, что обеспечивает глобализацию зерен металла, снижение его твердости, уменьшение уровня внутренних напряжений - основных условий повышения коррозионной стойкости труб по механизму СКР.

Необходимо отметить, что никель усиливает коррозию металла по механизму СКР, а процессы углекислотной и общей коррозии труб существенно тормозит.

Резюмируя изложенное, отметим, что для обеспечения высокого уровня служебных свойств НКТ (прочностных характеристик) необходимо увеличивать в химсоставе металла содержание углерода (до 0,4-0,6%), марганца (до 1,0-1,8%), никеля (до 8-10%), а для придания коррозионной стойкости трубам по механизму СКР, содержание этих элементов необходимо уменьшать до уровней соответственно С=0,08-0,2%, Mn=0,4-0,8%, Ni=0,2-0,3%.

Изготовление НКТ по традиционной технологии осуществляется в монометаллическом варианте. Служебные свойства, приданные НКТ в результате выбранных технологии изготовления и химсостава металла (с учетом допускаемых отклонений по стандартам), одинаковы как по длине труб, так и по поперечному сечению.

Это означает, что трубы могут быть изготовлены либо в высокопрочном, либо в коррозионно-стойком исполнении. А условия эксплуатации НКТ все чаще и чаще требуют, чтобы трубы обладали высокими прочностными характеристиками и высокими коррозионными свойствами против любых видов коррозии - общей, углекислой, по механизму СКР и др. Такие НКТ, обладающие универсальными служебными свойствами, по традиционной технологии изготовить не представляется возможным. В реальной практике трубного производства обычно обеспечиваются наиболее востребованные служебные характеристики, а другие свойства обеспечиваются по мере возможности, исходя из выбранных технологических процессов. В конечном счете реальная практика изготовления НКТ не позволяет обеспечить требуемое разносторонне качество труб, что неизбежно увеличивает расход материальных и финансовых ресурсов в процессе эксплуатации НКТ.

Чтобы повысить качество НКТ, снизить затраты материальных и финансовых ресурсов, необходимо придать НКТ новый уровень служебных свойств - высокую прочность в сочетании с высокой коррозионной устойчивостью. Это достигается, если НКТ изготовлять в биметаллическом варианте. Например, корпус НКТ изготовляется с высокими прочностными характеристиками, а во внутреннюю полость корпуса на всю его длину вводится металлическая вставка в виде тонкостенной электросварной трубы с высокими антикоррозионными свойствами с учетом условий эксплуатации НКТ, что обеспечивается соответствующей технологией изготовления и химическим составом стали тонкостенной электросварной трубы (вставки).

Технологический процесс изготовления биметаллических НКТ осуществляется в следующей последовательности.

1. Изготовляется по традиционной технологии горячекатаная труба с приданием ей необходимых служебных свойств, например прочностных характеристик с учетом условий эксплуатации НКТ.

2. Изготовляется тонкостенная электросварная труба (вставка) по специальной технологии и соответствующего химсостава стали с приданием вставке необходимых служебных свойств, например высокой коррозионной стойкости, с учетом требований эксплуатации НКТ.

3. Осуществляется очистка (обработка дробью) до металлического блеска внутренней поверхности корпуса НКТ и наружной поверхности вставки (сопрягаемые поверхности).

4. На сопрягаемые поверхности корпуса НКТ и вставки наносится герметизирующий материал.

5. Вставка вводится в корпус НКТ и осуществляется их совместная деформация (обжатие) с таким расчетом, чтобы:

- был полностью выбран зазор между корпусом НКТ и вставкой;

- деформация вставки по диаметру была минимальной, обеспечивающей скрепление корпуса НКТ и вставки за счет упругих напряжений;

- размеры наружного диаметра корпуса НКТ полностью соответствовали требованиям стандарта на изготовление традиционных НКТ, например ГОСТ 633-80.

6. Обеспечивается полимеризация герметизирующего материала, введенного в межтрубный зазор между корпусом НКТ и вставкой до совместной деформации труб.

7. Производится обрезка концов труб.

Далее осуществляются финишные традиционные технологические операции изготовления НКТ в соответствии с требованиями ГОСТ 633-80 (правка, нарезка резьбы на концах труб, контроль качества и т.д.).

Технический результат от применения предлагаемого изобретения заключается в повышении служебных свойств НКТ (прочностных характеристик корпуса НКТ и высокой антикоррозионной стойкости внутренней поверхности биметаллической НКТ за счет вставки с высокими антикоррозионными свойствами), а экономический результат состоит в повышении надежности и долговечности НКТ в процессе их эксплуатации, что позволит сократить затраты материальных и финансовых ресурсов в процессе эксплуатации нефтяных и газовых скважин.

Предварительные исследования доступной патентной и научно-технической литературы по фонду ФГУП «ЦНИИчермет» г.Москвы показали, что совокупность осуществленных признаков предлагаемого изобретения является новой и ранее не использовалась на практике, что позволяет сделать заключение о соответствии технического решения критериям «новизна» и «изобретательный уровень», а его промышленную применимость целесообразна и технически осуществима, что вытекает из его описания.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Ф.А.Данилов, А.З.Глейберг, В.Г.Балакин. Производство стальных труб горячей прокатки. М.: Металлургиздат, 1954, 615 с.

1.1. Производство горячекатаных труб на установках с автоматическими станами, изложено на стр.121-254.

1.2. Производство горячекатаных труб на установках с непрерывными станами, изложено на стр.368-412.

1.3. Финишные операции изготовления насосно-компрессорных труб (нарезание резьбы, изготовление соединительных муфт и т.д.), изложено на стр.544-567.

2. Ю.Г.Крупман, Л.С.Яховецкий, О.А.Семенов и др. Современное состояние мирового производства труб. М.: Металлургиздат, 1992, 352 с.

2.1. Технология изготовления насосно-компрессорных труб, их качество (химический состав, механические свойства и т.д.), изложены на стр.13-20.

Способ изготовления насосно-компрессорных труб (НКТ), включающий получение высокопрочной горячекатаной трубы и финишную обработку, отличающийся тем, что после получения горячекатаной трубы ее внутреннюю поверхность очищают до металлического блеска, наносят на нее герметизирующий материал, затем во внутреннюю полость горячекатаной трубы вводят трубу, обладающую антикоррозионными свойствами, наружную поверхность которой предварительно очищают до металлического блеска и наносят на нее герметизирующий материал, трубы совместно обжимают, обеспечивая их скрепление за счет упругих напряжений, возникающих в процессе деформации, и осуществляют полимеризацию герметизирующего материала.