Сполучний замок алієвих колони труб водопідіймальних установок

1. Замкове з’єднання колони водопідіймальних труб, що містить трубну свічку, ніпель, муфту, 3 вагове навантаження, збільшуються прикладенні крутні моменти при монтажі і демонтажі колони, різко ускладнюються процеси з'єднання трубних свічок між собою, її підйому, складування і транспортування від стапелів до устя свердловини. Тобто збільшення товщини труб колони лімітується вищезгаданими чинниками, у тому числі і економічними, такими, що призводять до різкого подорожчення водопідіймального комплексу. Крім того, збільшення статичного і динамічного навантаження зменшує запас міцності колони, особливо в місцях її підвішення, в зоні різьбових з'єднань, на ділянках перехідних галтелей, а також на ділянках підвищеної корозії і зносу. До таких ділянок, особливо схильних до зносу і корозії, слід віднести зону сполучної різі і поверхонь, що створюють натяг при згвинчуванні - тобто в місті основної площини різі. Тому як необхідність до таких сполучних елементів водопідіймальних колон висуваються особливі вимоги: при рівноміцності різі і трубних свічок повинна бути забезпечена можливість багаторазового використання різьбового з'єднання - до 1000 «згвинчувань-розгвинчувань», з мінімальним зносом контактуючих поверхонь. Причому необхідна міцність всієї колони повинна забезпечуватися без збільшення товщини стінок як власне замка., так і трубних свічок. Окрім вищезгаданих вимог, зміна геометрії профілю різі за рахунок зносу з'єднання виключає можливість створення натягу в основній площині, що часто призводить до важких аварій, обривів труб і втрати насосних агрегатів. При цьому із зростанням глибини відкачування текучого середовища при демонтажі колони водопідіймальних труб повинна бути забезпечена швидкість підйому і спуску агрегатів, що регламентована водоприплива осушуваного об'єкти, або умовами підтримки проектного рівня ґрунтових вод. Невиконання даної вимоги може привести до надзвичайних ситуацій або екологічних катастроф - затопленню близькорозташованних діючих гірничорудних і вугледобувних підприємств, житлових масивів, сільськогосподарських угідь, промислових об'єктів. Тому при виборі з'єднань трубних свічок для забезпечення їх надійності і довговічності, швидкорознімності і збірці повинна бути врахована і взаємопов'язана сукупність всіх вищезгаданих чинників. В даний час повсюлюдно для водопідіймальних колон водовідливних комплексів, що розміщуються у вертикальних свердловинах і стовбурах шахт, які закриваються, застосовуються труби обсадні і муфтові з'єднання до них ( ДГСГ 632-80 труби обсадні і муфтові з'єднання до них. Технічні умови. М.: 1980р.) У якості з'єднання в них використовуються трапецеїдальне різь ОТТМ або високогерметичне з'єднання ОТТГ, параметри профілю яких визначені ДГСГ 632-80 (див.вище). Досвід експлуатації водопідійманьних колон водовідливних комплексів в Україні і Росії показав неприпустимість застосування в них обсад 88051 4 них труб ДГСГ 632-80 з різзю ОТТМ і ОТТГ у якості сполучного елемента. Основним недоліком даного технічного рішення є те, що труби з таким з'єднанням не призначені для багаторазового використання при виконанні операцій «розбирання-збирання», що необхідне при експлуатації заглибних насосних агрегатів водовідливних комплексів. Такі з'єднання навіть не рекомендується повторно застосовувати без ремонту і опресування після кожного демонтажу (див. «Труби нафтового сортаменту». Довідник. Під загальною редакцією А.Е.Сарояна. М.: Надра, 1987. - с.282-284). Проблема полягає ще й в тому, що високонавантажене, рівноміцне, зносостійке і одночасно герметичне нарізне з'єднання може бути забезпечено тільки конусними формами різі, до яких відноситися всі види профілів замкової різі, а також і різі ОТТМ і ОТТГ. При такій формі виконання і формування геометрії профілю натяг створюється по основній площині різі, що забезпечує вищезгадані умови роботи з'єднання. Звідси зрозуміло, що знос профілю, через відомі причини не забезпечуючи натягу, одночасно порушує міцність і герметичність з'єднань по всій довжині колони, тим самим створюючи умови відвороту і обриву колони з відповідними наслідками. Крім того, застосування тонкостінних обсадних труб в сукупності з тонкостінними муфтами і різзю ОТТМ (ОТТГ) для формування водопідіймальної колони при демонтажі і монтажі призводить до деформацій і жолоблення поверхні вказаних елементів. Особливо цей факт виявляється при тривалій експлуатації колон в середовищі з підвищеною кислотністю, оскільки крутний момент від елементів затискних пристроїв ключів додається до поверхні, що піддається корозії та роз'їданню. Відомо рішення по з'єднанню стиків магістральних трубопроводів, складених з окремих труб, а також тонких деталей згідно з Патентом Російської Федерації RU №2251045 «Спосіб з'єднання труб», автори Столбов В.И., Петероитис С.Х., Чухарев А.В., заявлено 16.01.2003г., опубліковано 27.04.2005р.(аналог). Мета винаходу - збереження первинної структури і властивостей зовнішньої і внутрішньої труб при з'єднанні їх між собою в процесі виготовлення і стиків окремих готових труб при їх об'єднанні в магістральний трубопровід. Згідно з зазначеним патентом з'єднання зовнішньої силової труби із співісною встановленою, внутрішньою, податливою, тонкостінною здійснюється за допомогою затиску при пресовій посадці за рахунок охолоджування внутрішньої труби і нагріву зовнішньої, а в процесі об'єднання їх стиків - за допомогою бандажів. При цьому технічному рішенні вдається отримувати трубопроводи будь-якої довжини, що в експлуатаційнім відношенні володіють високою надійністю і довговічністю, різко знизити аварійність і екологічний збиток при аварії на трубопроводі. Крім того, згідно з даним технічним рішенням, таке з'єднання відрізняється від відомих високою міцністю і герметичністю, сполучати пресовою посадкою вдається 5 практично будь-які поєднання матеріалів, у тому числі і таких, зварюваність або поєднання яких між собою неможливе. Застосування бандажування при з'єднанні готових труб або колон дає можливість підсилити конструкцію, вмонтовувати на бандажі трубну арматуру і контрольновимірювальну апаратуру. До недоліків даного винаходу слід віднести застосування при запресовуванні внутрішньої труби спеціального оснащення, термоелементів для прогріву і охолоджування ділянок стику і неможливість розбирання трубопроводу. Останній чинник найбільш істотний для роботи і експлуатації колони водопідіймальних труб з заглибними засобами відкачування, оскільки навіть при їх надійній роботі профілактичне обстеження і ремонт агрегатів обов'язковий. І хоча для огляду, профілактики і ремонту заглибних засобів відкачування немає чітко встановлених термінів, в середньому потреба в підйомі, демонтажі з'єднань і відповідно операціях «згвинчуваннярозгвинчування» виникає протягом 500-1000 годин роботи комплексів. Згідно з описом Російського патенту RU №2251045 «Спосіб з'єднання труб», не дивлячись на високу надійність і експлуатаційновиправдану складність технічного рішення, застосування його у водовідливних комплексах шахт і копалень не виявляється можливим. Відомо технічне рішення задачі надійного і довговічного з'єднання трубних свічок водопідіймальної колони, що полягає в тому, що вузол замка уявляє собою циліндровий перехідник, що розділяється на ніпельну і муфтову частини, які сполучаються між собою замковою різзю (патент України 84137, 15.11.2005. «Замкове з'єднання колони водопідіймальних труб», авторів Алієва Н.А., Алієва Д.Н., прийняте за прототип). При цьому зовнішній діаметр замка виготовлений збільшеним щодо діаметр, труби, що сполучається, а кожний з елементів сполучення, у свою чергу, стикується з тонкостінною обсадною трубою за допомогою комбінованого нарізного з'єднання. Останнє являє собою з'єднання дрібномодульного або неповнопрофільного конусного нарізного перехідника з трубою за допомогою штифтів, що розташовуються на контактуючих поверхнях у шаховому порядку, і зварення. Згідно з винаходом по патенту України 84137 «Замкове з'єднання колони водопідіймальних труб», фіксація кожного з елементів здійснюється за допомогою дрібномодульної конічної різі з висотою профілю що менше обумовленої технічними умовами на дану різь, тобто неповнопрофільну. Від розвороту і сходження обох елементів з кінців труб при реверсивному русі після затягування ніпеля або муфти, по основній площині різі в шаховому порядку сформовані призонні отвори, осі яких перпендикулярні подовжній вісі обсадної труби з подальшим запресуванням в них циліндрових або конічних штифтів. Причому діаметр їх розрахований і підібраний так, щоб вони сприймали максимальні крутні моменти, прикладені від механізмів монтажу і демонтажу. Для виключення можливого випресування штифтів під наванта 88051 6 женням кожний з них приварений до корпусу ніпеля або муфти. Тим самим вирішена задача з'єднання тонкостінних труб, із забезпеченням герметичності нарізних з'єднань після багатократних операцій монтажу-демонтажу при спусках-підйомах колони з можливістю сприйняття всього спектру робочих навантажень і одночасним зменшенням деформації кінців труб. Проте область застосування прийнятого за прототип з'єднання обмежена унаслідок ряду істотних недоліків. Згідно з зазначеним рішенням, навантаження від крутних моментів, при монтажі і демонтажі тонкостінної труби з елементами замка-ніпелем і муфтою, а також розтягуюче навантаження сприймають штифти, встановлені в основній площині дрібномодульного конічного нарізного з'єднання. Проте із збільшенням глибин родовищ, шахт, свердловин збільшується і загальна довжина трубного ставу, і, відповідно, разом з цим зростає навантаження на елементи з'єднання трубних свічок і насосного агрегату. В процесі роботи насосного агрегату, унаслідок неврівноваженості ротора і деталей - муфт, що обертаються, підп'ятників тощо, на колону діють значні вібраційні навантаження, що особливо виявляються в моменти пуску і зупинки насосного агрегату. Слід зазначити, що пуск і зупинка насосного агрегату є елементами робочого циклу, що повторюється, і вони не являються початком або кінцем експлуатації агрегату. Періодичність пусків і зупинок залежить від водоприпливів в стовбурі шахти або свердловини. Відповідно навантаження на колону водопідіймальних труб носить циклічний, коливальний характер, обумовлений динамічною неврівноваженістю ротора заглибного насосу. Це пов'язано з наявністю в системі просторово розташованих, різних за величиною і непаралельних векторів - головного вектора і головного моменту дисбалансів, що розташовані в двох довільних площинах, які перпендикулярні вісі ротора( хрест дисбалансів). Зрозуміло, що при розробці сполучних елементів повинні бути, окрім статичного навантаження від масових сил колони, враховані динамічні складові, залежні від нестаціонарних процесів в трубопроводі, зміни водоприпливів і робочих характеристик в процесі експлуатації насосного агрегату. Коливання водопідіймальної колони в подовжньо-поперечному напрямі у вигляді вільного підвішення можуть проявляти себе як чинник порушення герметичності нарізного з'єднання в зоні стику труби з елементами замка. Оскільки дане з'єднання сформоване на основі дрібномодульной конічної різі з висотою профілю, що менше обумовлена технічними умовами на дану різь, тобто неповнопрофільну, то контактні, герметизуючі внутрішню порожнину поверхні зменшені. В процесі коливань кожний з витків ніпеля або муфти як елемента з'єднання що володіє більшою жорсткістю, буде повертатися навколо витка різі труби, як податливішої ділянки, що може призвести до розгерметизації робочої порожнини і вито 7 ку рідини по контактуючих нарізних поверхнях, зменшених по висоті. Порушенню герметизації робочої порожнини також можуть сприяти технологічна недосконалість, відхилення робочого профілю трубної різі від теоретичного, жолоблення кінцевої ділянки груби під навантаженням. Витіки через контактуючі поверхні, особливо в зоні високого тиску, призводять до розмивання, розширення каналів, що утворилися, внаслідок чого можливі обрив водопідіймальної колони, важкі аварії і навіть екологічні катастрофи. Збільшення висоти профілю різі проблематично, оскільки це призводить до зростання товщини водопідіймальних колон і, відповідно, вагового навантаження, обмеженого за несучою здатністю вантажопідйомних пристроїв і економічності комплексу. Зміна довжини посадочної поверхні труб в елементах з'єднання є паліативним рішенням, що до того ж достатньо сильно ускладнює технологію і складання вузла. Одним з недоліків зазначеного з'єднання також є установлення з натягом в призонних отворах циліндрових або конічних штифтів з фіксацією їх зваренням. Таке рішення не виправдано і не гарантує від випресування штифтів тиском перекачуваного середовища з втратою продуктивності і напору всієї насосної установки. Зокрема даний факт спричиняє обмеження у використанні з'єднання по висоті підйому і відповідно напору установки. Метою даного винаходу є створення надійного і довговічного з'єднання свічок колони водопідіймальних труб для водовідливних комплексів шахт, алмазних родовищ і копалень при застосуванні в них тонкостінних труб типу обсадних для під вішення заглибних засобів відкачування. В основі винаходу полягає завдання підвищення експлуатаційної надійності і довговічності колони водопідіймальних труб шляхом створення циліндричного перехідника, що розділяється на ніпельну і муфтову частину, які сполучаються між собою замковою різзю, елементи якого сполучаються з тонкостінною обсадною трубою за допомогою попередньо-напруженого комбінованого з'єднання. Поставлене завдання вирішується тим, що сформоване попередньо-напружене комбіноване з'єднання являє собою поєднання посадки з натягом елементів замка і тонкостінної обсадної труби, конічних болтів, встановлених з внутрішнього простору труби, в шаховому порядку в крізні призонні отвори, утворені в з'єднанні, що стягуються гайками, і приварювання торця кожного елемента до масиву труби. Здійснення зварення з одного торця кожного елемента викликає напругу, стиснення по шву, яке після прикладення осьового навантаження, компенсується напругою розтягування. Тобто за допомогою одностороннього зварення елементів замка створюється попередньо-напружене з'єднання, що розвантажується при роботі колони. Силове замикання системи здійснюється створенням в муфті і ніпелі внутрішнього кільця виточування, в якому, після всіх зазначених тех 88051 8 нологічних операцій, проводиться розвальцьовування торця трубної свічки. При необхідності в зоні кожного конічного болта формується зсередини фігурний паз, в якому міститься масив трубної свічки, що оточує призоний отвір, яке, створюючи додаткове зусилля, яке утримує з'єднання від руйнування. Таке технічне рішення замкового з'єднання дозволяє формувати його з двох елементів, технологічних при виготовленні, з можливістю проведення термічних, хіміко-термічних видів зміцнення, покриттів або напиленням різними зносостійкими матеріалами. Власне вузол сполучення утворюється нероз'ємним, з фіксацією кожного з елементів на кінці трубної свічки за допомогою посадки її з натягом в кільцеве розточування і конічних болтів, введених з внутрішньої порожнини труби в прізонні циліндричні отвори, сформовані в з'єднанні. Силове замикання з'єднання здійснюється затягуванням конічних болтів гайками до зовнішньої поверхні з'єднання, зваренням торця елемента до масиву трубної свічки і загортанням її кінця в кільцеве виточування. Тим самим вирішена задача підвищення експлуатаційної надійності з'єднання тонкостінних обсадних труб, вживаних як водопідіймальна колона, із забезпеченням герметичності нарізних з'єднань після багатократних операцій монтажудемонтажу при спусках і підйомах, з можливістю сприйняття робочих навантажень і одночасного зменшення деформації кінців труб. Наведені ознаки, що характеризують винахід, є істотними, оскільки в сукупності достатні для забезпечення працездатності і досягнення вирішуваної технічної задачі, а кожен окремо стає необхідним для ідентифікації і відмінності замкового з'єднання, що заявляється, від відомих в техніці аналогічних рішень. Таким чином, нова сукупність загальних (відомих) і відмітних (нових) від прототипу істотних ознак, якими характеризується нове замкове з'єднання, є достатньою у всіх випадках, на які розповсюджується об'єм правового захисту, оскільки вирішує поставлену задачу. Позначені ознаки, що характеризують винахід, на думку заявника, є кращими і не виключають можливості іншого конкретного еквівалентного виконання замкового з'єднання в межах вказаної суті винаходу. Причинно-наслідковий зв'язок відмітних (нових) ознак при їх взаємодії з відомими (загальними) ознаками в забезпеченні нових властивостей об’єкта винаходу, обумовлених поставленим технічним завданням, полягає в наступному. Оскільки замкове з'єднання містить в своєму складі додаткові елементи - ніпель і муфту, що сполучені між собою замковою різзю, в комбінації із зібраними в натяг кінцями трубної свічки і конічними болтами, встановленими в циліндрові отвори в шаховому порядку, розвальцованними краями труби в кільцеві виточки елементів замка і зваренням їх по торцю, то це дозволяє створити безщілинне попередньо-напружене монолітне нероз'ємне з'єднання. 9 Причому конічні болти, затягнуті гайками, втягуючись в призонні отвори, деформують площину роз'єму елемента замка і трубної свічки з відповідним заповненням конічного паза між тілом болта і отвором, що створюють напругу стиснення по з'єднанню. Після проведення операції зварення торці елементів стягується зварювальною напругою, ще додатково розклинюють вказаний вузол, тим самим створюючи попередньонапружену конструкцію, що частково розвантажується з вирівнюванням напруги при роботі колони під навантаженням. При прикладенні розтягуючого навантаження конструкція працює в межах номінальних або припустимих напруг. У запропонованому і реалізованому комбінованому з'єднанні вісь кінцевий масив трубної свічки як несучий елемент, включений в роботу по сприйняттю навантажень, характер яких визначає складнонапружений деформований стан вузла з'єднання. Крім того, диференціація з'єднання на ніпель і муфту з вищезазначеними конструктивно-технологічними особливостями підвищує довговічність як всього з'єднання, так і всієї водопідіймальної колони ще й за рахунок виключення зіткнення тіла тонкостінної обсадної труби із захватними і утримуючими органами механізмів, що здійснюють монтаж-демонтаж колони. Надалі винахід пояснюється докладним описом прикладу конкретного виконання його кращого варіанту з посиланнями на креслення, що додаються. На Фіг.1 зображені замкове з'єднання колони водопідіймальних труб в складанні, загальний вигляд свічки з муфтою і ніпелем. Елементи замка-муфта і ніпель розташовані на кінцях тонкостінної обсадної труби і посаджені з натягом по зовнішній її поверхні. Краї трубної свічки розвальцьовані в кільцеві виточування, сформовані у внутрішніх порожнинах розточувань вказаних складових частин замка. Затягуванням гайками конічних болтів і зваренням торців муфти і ніпеля здійснюють силове замикання вузла з'єднання і формують свічку як складову частину водопідіймальної колони. На Фіг.2 зображений варіант виконання замкового з'єднання колони водопідіймальних труб, для якого в елементах замка-муфті і ніпелі, посаджених з натягом по зовнішній поверхні труби, сформовані фігурні пази у внутрішніх порожнинах розточувань зазначених складових частин замка. Конічні болти при затягуванні їх в отвори деформують ділянку труби, втягують її у фігурний паз і створюють додаткове зчеплення елементів замка з тонкостінною обсадною трубою. Зварення торців муфти і ніпеля і для даного виконання з'єднання здійснює силове замикання вузла з'єднання і формує свічку як складову частину водопідіймальної колони. Замкове з'єднання колони водопідіймальних труб (Фіг.1) містить в місці стику трубну свічку 1, ніпель 2, муфту 3, сполучених послідовно між собою за допомогою замкової різі 4 в натяг. 88051 10 Кінці трубної свічки 1 водопідіймальної колони зібрані відповідно із зовнішніми кінцями ніпеля і муфти за допомогою посадки з натягом. У місці посадки труби з елементами замка муфтою і ніпелем - по колу з'єднання, з рівномірним кроком сформовані циліндрові отвори, в які вставлені конічні болти 5 з внутрішньої порожнини елементів. Отвори розташовані в шаховому порядку, і при стягуванні гайками 6 конічних болтів 5 до масиву труби здійснюються повне перекриття їх зон впливу і додаткове кріплення кінця обсадної труби до елемента замка. Силове замикання вузла з'єднання і повне формування свічки як складової частини водопідіймальної колони здійснюються за допомогою зварення 7 торців муфти 3 і ніпеля 2, а також розвальцьовуванням торця 8 труби 1 у виточуванні 9, яке утворено у внутрішніх порожнинах муфти і ніпеля. Зварення проводиться по кільцевому контуру торців елементів замка і після охолоджування шва в з'єднанні створюється попередньонапружене з'єднання, що розвантажується при роботі колони. Замкове з'єднання колони водопідіймальних труб, що зображене на Фіг.2 є варіантам виконання, призначеним для з'єднання водопідіймальних трубних свічок при малих геодезичних висотах відкачування. При такому варіанті з'єднання в елементах замка - ніпелі 1, муфті 2, посаджених з натягом по зовнішній поверхні трубної свічки 1, сформовані фігурні пази 10 у внутрішніх порожнинах розточувань зазначених складових частин замка. Конічні болти 5 при затягуванні їх гайками 6 деформують ділянку 11 труби, втягуючи її у фігурний паз 10, і створюють додаткове зчеплення елементів замка з тонкостінною обсадною трубою. Таке технічне рішення замкового з'єднання дозволяє сформувати замкнуту силову конструкцію колони водопідіймальних труб, що здійснює у водовідливному комплексі гнучке під вішення заглибного засобу відкачування, транспортування рідини з можливістю багатократних операцій «згвинчувань-розгвинчувань» без порушення герметичності нарізних з'єднань і їх зносу. У сукупності це підвищує експлуатаційну надійність і довговічність з'єднання із зменшенням сумарних витрат на ремонт нарізних ділянок трубних свічок, з яких формується колона, відбракування і відповідно їх заміну. Винахід не обмежується описаними і зображеними на кресленнях варіантами реалізації, але може бути змінений, модифікований і доповнений в рамках обсягу, визначеного формулою винаходу. Винахід перевірений в процесі стендових випробувань, а також в шахтних умовах. Результати випробувань повністю підтвердили його технічну і економічну ефективність і доцільність широкого його використання. 11 Комп’ютерна верстка Т. Чепелева 88051 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601