Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ОБСАДНЫХ ТРУБ ПОД НАРЕЗКУ РЕЗЬБЫ НА ТРУБОПРОКАТНЫХ УСТАНОВКАХ С ПИЛИГРИМОВЫМИ СТАНАМИ

Изобретение относится к трубопрокатному производству, в частности к способу производства обсадных труб под нарезку резьбы, и может быть использовано на существующих трубопрокатных установках с пилигримовыми станами.

В трубной промышленности России известны способы производства обсадных бесшовных труб с треугольной резьбой диаметрами 114, 127, 140, 146, 168, 178, 194, 219, 245, 273, 299, 324, 340, 351, 377, 426, 473 и 508 мм с толщинами стенок от 5,2 до 16,7, с трапецеидальной резьбой (ОТТМ), которая соответствует термину "БАТРЕСС" (buttress) в стандартах ИСО и API 5СТ, диаметром от 114 до 340 мм с толщинами стенок от 5,2 до 15,4 и высокогерметичными соединениями (ОТТГ) диаметром от 114 до 273 мм с толщинами стенок от 5,2 до 16,5 мм групп прочности от Д до Т, которые производятся на трубопрокатных агрегатах с автоматическими станами (114-245) мм и на трубопрокатных агрегатах с пилигримовыми станами (219-508) мм (ГОСТ 632-80 "Трубы обсадные и муфты к ним", ТУ 14-3-1575-88 "Трубы обсадные наружным диаметром 351, 377, и 426 мм и муфты к ним", ТУ 14-158-121-2005 "Трубы обсадные с упорной резьбой и муфты к ним".

Недостатком данных способов является то, что ГОСТ 632-80, ТУ 14-3-1575-88 и ТУ 14-158-121-2005 для исполнения группы А устанавливают допуск по диаметру ±0,75%, по толщине стенки -12,5%, а плюсовое поле допуска ограничивается массой трубы -минус 1,75%, т.е предусматривают увеличение исходной толщины стенки труб за счет ее утонения в процессе нарезки резьбы на высоту исходного профиля, который для труб с треугольной резьбой равен 2,75 мм, а труб с трапецеидальной резьбой - 1,6 мм, которые ослабляют тело труб, а следовательно, и несущую способность колонн. Допуск по диаметру можно достичь за счет калибровки труб в калибровочных станах, а допуск по стенке -12,5%, а плюсовой допуск с ограничением по массе минус 1,75% для партии труб не менее 20 тонн на трубопрокатных установках получить проблематично. Для снижения разностенности труб необходимо увеличивать коэффициент полировки, т.е. снижать величину подачи гильз в очаг деформации, что приведет к увеличению машинного времени прокатки, а следовательно, к увеличению температурного интервала при прокатке, что приведет к снижению длины труб-плетей, а это в свою очередь приведет к потере производительности ТПУ с пилигримовыми станами и увеличению расходного коэффициента металла.

С целью экономии металла для производства труб в трубной промышленности пошли по пути увеличения групп прочности и нарезания упорных резьб с меньшей высотой профиля, а именно производство обсадных труб диаметром 114,30, 127,00, 139,70, 168,68, 177,80, 193,68, 219,08, 244,48, 273,05, 298,45, 339,72, 406,40, 473,08 и 508,00 мм с толщинами стенок от 5,21 до 16,13 мм с упорной резьбой "БАТРЕСС" стали марок Н40, К55 (J55), М65, L80 (С95), N80, T95d, PI 10 и Q125^d групп прочности Р, S, L, В и Е (Спецификация на обсадные и насосно-компрессорные трубы. Спецификации API 5СТ, восьмая редакция, май 2005. ISO 11960:2001, Нефтяная и газовая промышленности - Стальные трубы для исполнения в качестве обсадных и насосно-компрессорных труб для скважин и стандарт на резьбовые соединения обсадных, насосно-компрессорных труб и труб трубопроводов диаметром 114,3, 127,0, 139,7, 146,1, 177,8, 193,7, 219,1, 244,5, 273,0, 298,4, 323,9, 339,7, 406,4, 473,1 и 508,0, применяемых в нефтяной и газовой промышленности (ГОСТ Р 51906-2002 "Соединения резьбовые обсадных, насосно-компрессорных труб и трубопроводов и резьбовые калибры для них. Общие технические требования").

Недостатком данных способов является то, что они также предусматривают увеличение номинальных толщин стенок труб, которые из-за утонения стенки при нарезке резьбы снижают несущую способность труб, а следовательно, колонн, которые достигают длиной до 500 и более метров.

В трубной промышленности известен способ производства бесшовных горячекатаных обсадных безмуфтовых раструбных труб - ТБО диаметром 127, 139,7,,146,1, 168,3, 177,8 и 193,7 мм с толщинами стенок от 8,5 до 15,1 мм (ГОСТ 632 - 80 "Трубы обсадные и муфты к ним"). Раструбную часть с одного конца трубы получают путем высадки с последующей нарезкой резьбы на внутренней части трубы, а на второй конец трубы резьбу наносят на наружную поверхность, т.е. таким же способом, как и на обсадные трубы с треугольной и трапецеидальной резьбами. Данное техническое решение имеет те же недостатки, т.к. на втором конце резьба нарезается по телу трубы и ослабляет ее несущую способность.

Наиболее близким техническим решением является способ производства обсадных труб под нарезку резьбы на ТПУ с пилигримовыми станами, включающий периодически уменьшающуюся в (n+1) раз деформацию по длине прокатываемых труб-плетей, где n - количество труб-кратов, шт, снижение деформации труб-плетей за счет разведения валков на величину, значение которой определяют из выражения Δ=(1,0-2,0) Н, где Н - высота исходного профиля резьбы, мм, прокатку труб-плетей на пилигримовых станах двух или трехкратной длины, уменьшение деформации на участках труб-плетей, длину которых определяют из выражения L=Lм+К, где Lм - длина муфты, мм; K=50-150 мм, коэффициент, учитывающий отходы и запас по длине труб-кратов при обработке торцов с утолщенной стенкой, мм, разрезку труб-плетей на трубы-краты по центру утолщенных участков, калибровку труб-кратов в калибровочном стане с уменьшением номинальных внутренних диаметров концевых частей труб-кратов, значение которых определяют из выражения Dвн=Dном-К₁, где Dном - номинальный внутренний диаметр трубы, мм; K₁ - коэффициент, учитывающий уменьшение внутреннего диаметра концов обсадных труб при калибровке, мм; К₁≤3 для труб с условным диаметром 245-340 мм и K₁≤4 для труб диаметром 351-508 мм, прокатку тела обсадных труб-кратов по стенке на 1-1,5 мм меньше соответствующей толщины по ГОСТ632-80, фиксирование при прошивке слитков и непрерывно-литых заготовок в гильзы наружных диаметров слитков, непрерывно-литых заготовок, наружных диаметров гильз и диаметров оправок прошивного стана, которые вносят в память ЭВМ и расчетным путем определяют геометрические размеры гильз, установившийся процесс прокатки на пилигримовом стане с фиксированной величиной подачи и вытяжки, введение в память ЭВМ моментов разведения и сведения валков пилигримового стана, значения оборотов валков пилигримового стана, величин подач и вытяжек и определение средних длины труб-кратов с учетом утолщенных концов, количество подач при затравке и прокатке переднего конца первой трубы-крата, ввод в память ЭВМ количество подач при установившемся процесс прокатки первой трубы-крата, докатке первой трубы-крата с увеличенным диаметром и начала прокатки второй трубы-крата с увеличенным диаметром, количество подач при установившемся процесс прокатки второй трубы-крата, докатке второй трубы-крата и начала прокатки третьей трубы-крата с увеличенным диаметром, количество подач при установившемся процессе прокатки третьей трубы-крата, докатке третьей трубы-крата и обкатке пилигримовой головки в память ЭВМ и расчетным путем определение их длины, отрезку затравочных концов пилой горячей резки, перемещение труб-плетей по рольгангу с остановкой для порезки на трубы-краты по центру утолщенных участков производят по данным ЭВМ (патент РФ №2301713, В21В 21/00 от 2007.06.27).

Недостатком данного способа является то, что его осуществление возможно только при коренной реконструкции или при строительстве новых трубопрокатных установок с пилигримовыми станами.

Задачей предложенного способа является производство обсадных труб под нарезку резьбы на существующих трубопрокатных установках с пилигримовыми станами без снижения их производительности за счет снижения поперечной разностенности концевых участков труб-кратов, порезки труб-плетей на мерные длины трубы-краты, калибровку труб-кратов и нанесение качественной резьбы на концевые участки труб без ослабления несущей способности труб и колонн.

Технический результат достигается тем, что в известном способе производства обсадных труб под нарезку резьбы на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами, включающем посад слитков или непрерывно-литых заготовок (НЛЗ) в методические печи, нагрев их до температуры пластичности с равномерной кантовкой вдоль печи, выдачу слитков и НЛЗ из печи, центровку слитков и НЛЗ по оси, прошивку слитков и НЛЗ в гильзы, прокатку гильз на пилигримовом стане в трубы-плети с фиксированной подачей гильз в очаг деформации при установившемся процессе прокатки m_jуст, порезку труб-плетей на трубы кратной длины, подогрев труб в газовой роликовой печи, калибровку в пятиклетьевом калибровочном стане, правку, отбор образцов для механических испытаний, предварительную приемку, нарезку резьбы, навинчивание муфт и ниппелей, гидравлическое испытание и приемку труб, величину подачи по длине прокатываемых труб-плетей периодически меняют (2n+1) раз, где m_jycт. - фиксированная величина подачи гильз в очаг деформации при установившемся процессе прокатки труб j-го размера, мм; n - количество труб-кратов в трубах-плетях, шт., затравку при прокатке труб-плетей на длине, равной 1000-1200 мм, производят с подачей гильз в очаг деформации m_{j з}=(0,5-0,6)m_{j уст}, установившийся процесс прокатки на длине труб, равной 10250±250 мм, производят с подачей гильз в очаг деформации m_{j уст}, подачу на переходных участках труб-кратов на длине 1800-2000 мм снижают до m_{j п}=(0,6-0,7)m_{j уст}, а оставшуюся часть гильзы прокатывают с подачей в очаг деформации m_{j п.г}=(0,55-0,65)m_{j уст}, пилой горячей резки отрезают затравочные концы длиной 400-600 мм, большие значения которых относятся к трубам большего диаметра, трубы-плети разрезают на трубы-краты длиной 11800-12000 мм и остаток - пилигримовую головку.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ производства обсадных труб под нарезку резьбы на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами, включающий посад слитков или непрерывно-литых заготовок (НЛЗ) в методические печи, нагрев их до температуры пластичности с равномерной кантовкой вдоль печи, выдачу слитков и НЛЗ из печи, центровку слитков и НЛЗ по оси, прошивку слитков и НЛЗ в гильзы, прокатку гильз на пилигримовом стане в трубы-плети с фиксированной подачей гильз в очаг деформации при установившемся процессе прокатки m_{j уст}, порезку труб-плетей на трубы кратной длины, подогрев труб в газовой роликовой печи, калибровку в пятиклетьевом калибровочном стане, правку, отбор образцов для механических испытаний, предварительную приемку, нарезку резьбы, навинчивание муфт и ниппелей, гидравлическое испытание и приемку труб, отличается тем, что величину подачи по длине прокатываемых труб-плетей периодически меняют (2n+1) раз, где m_{j уст} - фиксированная величина подачи гильз в очаг деформации при установившемся процессе прокатки труб j-го размера, мм; n - количество труб-кратов в трубах-плетях, шт., затравку при прокатке труб-плетей на длине, равной 1000-1200 мм, производят с подачей гильз в очаг деформации m_jз=(0,5-0,6)m_{j уст}, установившийся процесс прокатки на длине труб, равной 10250±250 мм, производят с подачей гильз в очаг деформации m_{j уст}, подачу на переходных участках труб-кратов на длине 1800-2000 мм снижают до m_{j п}=(0,6-0,7)m_{j уст}, а оставшуюся часть гильзы прокатывают с подачей в очаг деформации m_{j п.г}=(0,55-0,65)m_{j уст}, пилой горячей резки отрезают затравочные концы длиной 400-600 мм, большие значения которых относятся к трубам большего диаметра, трубы-плети разрезают на трубы-краты длиной 11800-12000 мм и остаток - пилигримовую головку. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения ″изобретательский уровень″.

Сравнение заявленного способа не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники позволило выявить признаки, отличающие заявляемый способ от прототипа, что соответствует критерию патентоспособности ″изобретательский уровень″.

Калибровка труб с допуском по наружному диаметру ±0,75% и толщине стенки ±10% на концевых участков труб позволят исключить брак по черноте и неполному профилю резьбы, исключить отрезку концов труб по некачественной нарезке, повысить производительность нарезного оборудования, снизить расходный коэффициент металла, производить нарезку и сдачу труб по ГОСТ с сохранением несущей способности труб и колонн с более тонкими номинальными стенками.

Предложенный способ производства обсадных труб под нарезку резьбы на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами, включающий посад слитков или непрерывно-литых заготовок (НЛЗ) в методические печи, нагрев их до температуры пластичности с равномерной кантовкой вдоль печи, выдачу слитков и НЛЗ из печи, центровку слитков и НЛЗ по оси, прошивку слитков и НЛЗ в гильзы, прокатку гильз на пилигримовом стане в трубы-плети с фиксированной подачей гильз в очаг деформации при установившемся процессе прокатки m_{j уст}, порезку труб-плетей на трубы кратной длины, подогрев труб в газовой роликовой печи, калибровку в пятиклетьевом калибровочном стане, правку, отбор образцов для механических испытаний, предварительную приемку, нарезку резьбы, навинчивание муфт и ниппелей, гидравлическое испытание и приемку труб, заключается в том, что величину подачи по длине прокатываемых труб-плетей периодически меняют (2п+1) раз, где m_{j уст} - фиксированная величина подачи гильз в очаг деформации при установившемся процессе прокатки труб j-го размера, мм; n - количество труб-кратов в трубах-плетях, шт., затравку при прокатке труб-плетей на длине, равной 1000-1200 мм, производят с подачей гильз в очаг деформации m_{j з}=(0,5-0,6)m_{j уст}, установившийся процесс прокатки на длине труб, равной 10250±250 мм, производят с подачей гильз в очаг деформации m_{j уст}, подачу на переходных участках труб-кратов на длине 1800-2000 мм снижают до m_{j п}=(0,6-0,7)m_{j уст}, а оставшуюся часть гильзы прокатывают с подачей в очаг деформации m_{j п.г}=(0,55-0,65)m_{j уст}, пилой горячей резки отрезают затравочные концы длиной 400-600 мм, большие значения которых относятся к трубам большего диаметра, трубы-плети разрезают на трубы-краты длиной 11800-12000 мм и остаток - пилигримовую головку.

Способ был опробован на трубопрокатной установке 8-16″ с пилигримовыми станами ОАО ″ЧТПЗ″. По данному способу были впервые в 2010 г. прокатаны промышленные партии труб размером 426×11 мм из стали группы прочности Д и изготовлены трубы с треугольной резьбой.

На ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами ОАО ″ЧТПЗ″ была прокатана промышленная партия труб размером 426×11 мм из стали группы прочности Д для изготовления обсадных труб с треугольной резьбой по существующей и предлагаемой технологиям. В производство было задано по одной плавке бесприбыльных слитков стали группы прочности Д размером 585/540×1700 мм. Вес плавки, прокатанной по существующей технологии, составил 122,4 тонны (44 слитка), а вес плавки, прокатанной по предлагаемой технологии, - 122,8 тонны (44 слитка). По существующей технологии слитки были отремонтированы и приняты ОТК, нагреты в методической печи №2. Температура нагрева слитков составила 1280-1300°C, а продолжительность нагрева - от 9,3 до 10,45 часов. Слитки прошивали в прошивном стане на оправке диаметром 425 мм в гильзы размером 600×80×3200 мм. Гильзы прокатывали на пилигримовом стане при установившемся процессе прокатки с постоянной фиксированной величиной подачи в очаг деформации m_уст=16-17 мм в валках с калибром 432 мм на дорнах диаметром 409/410 мм в трубы в горячем состоянии размером 430×11×23500-24000 мм, которые были порезаны пилой горячей резки на две равные части длиной от 11,5 до 12,0 м. Трубы подогревали в проходной роликовой газовой печи до температуры 750±20°C и калибровали в пятиклетьевом калибровочном стане с номинальным наружным диаметром в холодном состоянии 426 мм. Из 88 труб в отделке было принято годными 86 трубы. Две трубы были забракованы по дефектам металла и проката (наружные и внутренние плены). 86 труб были направлены на нарезку резьбы. 82 трубы после нарезки приняты ОТК как годные. Забракованы 4 трубы. Некачественная нарезка была удалена на обрезных станках и на трубах вновь была нарезана резьба. После повторной нарезки две трубы были забракованы повторно. Затем были произведены замеры толщин стенок. От труб были отрезаны концы длиной 0,7 и 0,8 мм и снова была нарезана резьба. После третьей нарезки резьбы трубы были приняты. После навертки муфт трубы были подвергнуты гидравлическим испытаниям при давлении 17 МПа (177 кгс/см²) с выдержкой в течение 10 секунд. Из 86 труб выдержали испытания 82 трубы. Четыре трубы были забракованы по течам. На данных трубах повторно проводилась нарезка и гидравлические испытания. Таким образом, из 86 труб после нарезки резьбы принято годными с первого предъявления 76 труб или 88,4%. Общая длина сданных труб составила 731,5 м или 82,369 тонны. Средняя длина труб на сдаче составила 8,5 м. Расходный коэффициент металла по трубам данной партии составил 1,486. По предлагаемой технологии процесс изготовления труб производили по следующей технологии. Прокатку труб на пилигримовом стане производили на дорнах 409/410 мм. Затравку и обкатку передних концов на длине ~1000-1200 мм производили в валках с калибром 432 мм с подачей гильз в очаг деформации m_з=(0,5-0,6)m_уст=(0,5-0,6)(16-17), т.е. m_з=8-10 мм, затем подачу устанавливали равной 15-17 мм и прокатывали с данной подачей трубы длиной ~10250±250 мм (определяли по желобу пилигримового стана), затем подачу снижали до 8-10 мм и прокатывали трубу длиной ~1800-2000 мм, повторно увеличивали подачу до 15-17 мм и производили прокатку трубы длиной ~10250±250 мм, а оставшуюся часть гильзы прокатывали с подачей 9-11 мм, пилой горячей резки отрезали затравочные концы длиной ~500-600 мм, трубы-плети разрезали на трубы длиной 12000 мм и отрезали пилигримовые головки. Трубы после пилы горячей резки поступали в проходную роликовую газовую печь, нагревались до температуры 750±20°C и калибровались в пятиклетьевом калибровочном стане с номинальным наружным диаметром в холодном состоянии 426 мм. После калибровки трубы правились на шестивалковой правильной машине и поступали в отделку на предварительную приемку УТК. Из 88 труб УТК были приняты условно годными 86 труб, которые были направлены на нарезку резьбы. После нарезки резьбы УТК было принято годными 86 труб, одна труба была забракована по течи между муфтой и трубой. Выход годного по нарезке составил 98,8%.

Таким образом, из 86 труб после нарезки резьбы принято годными с первого предъявления 100% труб. Одна труба была забраковано по течи между муфтой и трубой при гидравлическом испытании. Общая длина сданных труб составила 848,5 м или 95,490 тонн. Средняя длина труб на сдаче составила 9,86 м. Расходный коэффициент металла по трубам данной партии составил 1,286.

Данные по прокатке, нарезке резьбы, гидравлическим испытаниям и сдаче обсадных труб размером 426×11 мм группы прочности Д с треугольной резьбой, прокатанных на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами ОАО ″ЧТПЗ″ по существующей и предлагаемой технологиям приведены в таблице.

Из таблицы видно, что выход годного по обсадным трубам размером 426×11 мм группы прочности Д, прокатанным по существующей технологии, по геометрическим параметрам резьбы, отвечающей требованиям ГОСТ 632, составил 88,4%, а расходный коэффициент металла 1,486. По существующей технологии получено 731,5 метра труб. По предлагаемой технологии при прокатке труб размером 426×11 мм получено 848 метров труб. Выход годного по резьбе составил 98,8%, расходный коэффициент металла 1,286, а средняя длина труб 9,86 м, при одновременном увеличении коэффициента надежности резьбового соединения труб.

Таким образом, при прокатке бесшовных горячекатаных обсадных труб размером 426×11 мм группы прочности Д под нарезку треугольной резьбы, по предлагаемой технологии, получено снижение брака по геометрическим параметрам резьбы на 10,8%, расходного коэффициента металла на 13,45%, а увеличение средней длины труб на 16,0% при одновременном увеличении коэффициента надежности резьбового соединения труб за счет увеличения номинальной толщины стенки по впадинам на последней нитке винтовой нарезки.

Следовательно, результаты проведенного эксперимента подтвердили правомерность формулы изобретения ″Способ производства обсадных труб под нарезку резьбы на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами. Из таблицы видно, что трубы, прокатанные по предлагаемой технологии (способу), имеют наименьшее количество дефектов по резьбе и течам при гидравлических испытаниях, что приводит к снижению количества перерезов (отрезов) концов по некачественной резьбе, повышению производительности нарезного, отрезного оборудования и гидропресса, снижению расходного коэффициента металла при переделе слиток - обсадная передельная труба - обсадная труба с нарезанными концами и предохранительными элементами (муфта, предохранительное кольцо и ниппель), увеличению длины труб при сохранении или увеличении коэффициента надежности труб.

Использование предложенного способа производства обсадных труб под нарезку резьбы на ТПУ с пилигримовыми станами позволит освоить производство необходимых труб для нефтяной и газовой промышленности России с большим коэффициентом надежности резьбовых соединений, снизить расход металла за счет снижения дефектов резьбового соединения и снижения номинальной толщины стенки труб, повысить производительность нарезного, отрезного оборудования и гидропресса, а следовательно, снизить стоимость передела труб данного сортамента.