Приложение I (справочное). Испытание трибологических свойств

Приложение I
(справочное)

Испытание трибологических свойств

I.1 Общие положения

Изготовитель является ответственным за определение трибологических свойств резьбовой смазки.

I.2 Промышленные испытания

Институт API провел исследования резьбовых смазок (см. результаты исследований в стандарте [16]). В разделе 4 стандарта [16] "Разработка испытаний трибологических свойств на модельных образцах" кратко описана история развития методов определения трибологических свойств резьбовых смазок. В разделе 6 стандарта [16] приведено описание испытаний на полноразмерных образцах резьбовых соединений, которые включают оценку трибологических свойств резьбовых смазок для резьбовых соединений API. В стандарте [6] описана процедура испытаний любых резьбовых соединений.

I.3 Испытания на полноразмерных образцах соединений насосно-компрессорных, обсадных труб и труб для трубопроводов

Должны быть проведены, по меньшей мере, два испытания образцов различных резьбовых соединений. Одно испытание для насосно-компрессорных труб наружным диаметром 101,60 мм, другое испытание - для обсадных труб наружным диаметром 244,48 мм. Поскольку условный коэффициент трения системы резьбовая смазка - резьбовое соединение зависит от профиля резьбы, вида уплотнения, а также группы прочности металла и обработки поверхности, особое внимание должно быть уделено обеспечению единообразия переменных параметров образцов резьбовых соединений.

Примечание - При проведении испытаний API на полноразмерных образцах резьбовых соединений, которые упоминаются в некоторых разделах настоящего стандарта, было установлено определенное число оборотов после начального контрольного крутящего момента при свинчивании контрольных образцов с 8-ниточной резьбой. Результаты этих испытаний, проведенных в рамках исследовательского проекта API в 1997 году (см. стандарт [15]), показали, что в тех случаях, когда резьбовые смазки значительно различаются по трибологическим свойствам и (или) составу (например, используются твердые наполнители разных типов или разного размера, разное объемное содержание твердых наполнителей), после свинчивания с контрольным крутящим моментом может наблюдаться значительное различие (один полный оборот или более) в начальном положении свинчивания или натяге элементов испытуемого соединения. Эта разница в начальном натяге приводит к возникновению аналогичной разницы в положении при окончательном сопряжении. Важно, чтобы любые сравнительные испытания, будь то определение трибологических свойств или проверка уплотнительных свойств в жидких и газообразных средах, выполнялись до одинакового окончательного положения свинчивания резьбового соединения с учетом допустимых предельных отклонений. Такое требование связано с тем, что именно по положению свинчивания элементов соединения определяют как стойкость к смятию, так и герметичность соединения. В упомянутом выше исследовательском проекте начальный контрольный натяг устанавливался по эталонному образцу смазки (приложение B). Образец соединения для всех испытуемых резьбовых смазок сначала свинчивался до контрольного натяга с регистрацией крутящего момента, затем проводилось свинчивание на заданное число витков до окончательного положения свинчивания.

Более подробную информацию, включая сравнение характеристик резьбовой смазки с контрольным эталонным составом и модифицированной резьбовой смазки API с серийным составом, можно найти в итоговом отчете по результатам упомянутого исследовательского проекта.

I.4 Испытания на модельных образцах

I.4.1 Общие положения

Настоящая методика испытаний на модельных образцах, приведенная также в стандарте [13], была разработана и проверена для резьбовых смазок на металлической основе для соединений RSC, которые широко применялись в промысловых условиях в начале девяностых годов. Последующие промышленные программы испытаний с применением резьбовых смазок на неметаллической основе для таких соединений показали ограниченную корреляцию трибологических свойств резьбовых смазок, определенных при испытаниях на модельных образцах, с результатами испытаний на полноразмерных образцах соединений.

Коэффициент трения типичных резьбовых смазок для насосно-компрессорных и обсадных труб, определенный по стандарту [13], колеблется от 0,067 до 0,080. Однако при испытаниях полноразмерных образцов соединений API с 8-ниточной закругленной треугольной резьбой те же резьбовые смазки могут иметь коэффициент трения всего лишь от 0,02 до 0,04. Причиной такой разницы может быть меньшее поверхностное контактное давление между элементами резьбовых соединений при испытаниях на полноразмерных образцах, поскольку они "плавают" в толстом слое резьбовой смазки, а также значительное различие переменных, описанных выше. Поэтому определяют лишь условный коэффициент трения. Метод испытания должен быть выбран таким образом, чтобы учесть эти переменные, включая объем наносимой резьбовой смазки.

Примером испытаний на модельных образцах может служить методика, описанная в стандарте [13]. Для испытаний по этой методике применяют образец с упорными поверхностями и цилиндрической резьбой. Такой образец не задерживает резьбовую смазку, поэтому ее слой может быть очень тонким. Поверхностное контактное давление является относительно высоким и составляет от 200 до 425 МПа. Оно сопоставимо с давлением от 35 до 140 МПа в соединениях API обсадных, насосно-компрессорных труб и труб для трубопроводов.

I.4.2 Проведение испытаний

I.4.2.1 Назначение

Подраздел I.4 включает:

a) определение трибологического коэффициента резьбовых смазок для соединений RSC;

b) выполнение расчета момента свинчивания для соединений RSC;

c) рекомендуемую маркировку емкостей с резьбовой смазкой.

В подразделе I.4 описано определение трибологических характеристик резьбовой смазки, метод статистического анализа для оценки результатов испытаний и показано, как применять результаты испытаний. Применение результатов настоящего испытания не гарантирует безотказной работы соединений RSC в реальных условиях эксплуатации. Цель данной информации - помочь заказчику выбрать наиболее подходящий момент свинчивания для используемой резьбовой смазки.

I.4.2.2 Общее количество испытаний

Относительные трибологические свойства резьбовой смазки определяют на образце с резьбой, регистрируя крутящий момент в зависимости от угла поворота, как показано на рисунке I.1. Под одним циклом понимают однократное свинчивание и развинчивание образца резьбового соединения. Одна серия испытаний включает не менее восьми циклов как для резьбовой смазки контрольного эталонного состава, так и для испытуемой резьбовой смазки. Полное испытание состоит из трех серий испытаний:

a) калибровочная серия испытаний соединения RSC с применением резьбовой смазки контрольного эталонного состава;

b) серия испытаний с применением испытуемой резьбовой смазки;

c) повторная серия испытаний с применением резьбовой смазки контрольного эталонного состава.

Трибологический коэффициент резьбовой смазки определяют путем деления двукратного значения результата испытаний с применением испытуемой резьбовой смазки на сумму результатов двух испытаний с применением резьбовой смазки контрольного эталонного состава. Область применения настоящего испытания не охватывает другие свойства резьбовых смазок, такие как обеспечение стойкости резьбовых соединений к задирам и стойкости к довинчиванию резьбовых соединений в скважине.

I.4.2.3 Резьбовая смазка контрольного эталонного состава для соединений RSC

Для настоящих испытаний для одновременной калибровки образца, нагружающей установки и приспособлений применяют резьбовую смазку контрольного эталонного состава (таблица I.1). Этот состав представляет собой простую смесь обычных компонентов, которую легко приготовить на месте так, что она будет давать непротиворечивые результаты при испытаниях, описанных далее. Резьбовая смазка такого контрольного эталонного состава не предназначена для применения в качестве резьбовой смазки и применяется только как лабораторный калибровочный материал.

------------------------------

^a_{Прямую линию подбирают методом наименьших квадратов к кривой графика зависимости крутящего момента от угла поворота в интервале крутящих моментов от 270 до 408 .}

------------------------------

X - угол поворота в градусах; Y - крутящий момент,

1 - свинчивание; 2 - развинчивание

Рисунок I.1 - Типичный график зависимости крутящего момента от угла поворота

Таблица I.1 - Контрольный эталонный состав резьбовой смазки для соединений RSC

Наименование компонента	Массовая доля, %
Порошок свинца	60,0 1,0
Основа смазки	40,0 1,0
Всего	100,0

Порошок свинца должен соответствовать следующим требованиям.

Состав (по стандарту [25]), массовая доля, %:

- свободный металл - не менее 95;

- оксид свинца - не более 5.

Содержание частиц размером (по стандарту [31]), массовая доля, %:

- под ситом N 50 - не менее 100;

- на сите N 100 - не более 1;

- на сите N 200 - от 5 до 25 включ;

- под ситом N 325 - от 40 до 80 включ.

Примечания

1 На территории государств, входящих в Содружество Независимых Государств, определение размеров частиц также допускается проводить по ГОСТ 6613 (приложение ДД).

2 Соответствие номеров сит по [31] и номеров сеток по ГОСТ 6613 приведено в приложении ДБ, в котором установлены дополнительные ограничения размеров частиц.

Основа смазки должна соответствовать следующим требованиям:

- консистенция: пенетрация после 60 тактов перемешивания - от 265  10 ^-1 до 295  10 ^-1 мм.

Примечание - См. ISO 2137 или ГОСТ ISO 2137;

- загуститель: 12-гидроксистеарат лития (по [20]), массовая доля - от 7 % до 9 % включ.;

- базовое масло: нефтяное/несинтетическое масло с вязкостью:

- при 40 °C - от 115 до 170 сСт включ.;

- при 100 °C - от 9,5 до 14,0 сСт включ.

Примечание - См. [22] или ГОСТ 33 (приложение ДД).

Основа смазки не должна содержать присадок и добавок для повышения стойкости резьбовых соединений при предельном давлении, устойчивости к износу или любых других присадок и добавок, присутствие которых может повлиять на трибологические свойства резьбовой смазки контрольного эталонного состава для соединений RSC.

ВНИМАНИЕ - Свинец является токсичным веществом. Маркировку, хранение, учет и утилизацию резьбовых смазок контрольного эталонного состава для соединений RSC следует осуществлять в соответствии с федеральным, региональным и местным законодательством.

I.4.2.4 Образец для испытаний

Образец для испытаний показан на рисунке I.2. Резьба 1-8 UNC должна соответствовать требованиям, приведенным в [17] для типов 2A и 2B. Образцы должны быть изготовлены из прутка из стали AISI 4130 (UNSG 41300), закаленной и отпущенной, с твердостью в интервале от 285 до 341 единицы по Бринеллю, измеренной по поперечному сечению. Упорные поверхности и резьба каждого элемента резьбового соединения должны быть обработаны с одной установки, без переустановки детали в патроне, для обеспечения перпендикулярности оси упорного элемента к оси резьбы. Шероховатость сопрягаемых поверхностей Ra должна быть равна (0,8  0,4) мкм. Механически обработанные поверхности испытуемого образца не следует подвергать дополнительной обработке.

------------------------------

^a_{Размер для справки.}

------------------------------

1 - резьба 1-8 UNC 2В по [17]; 2 - резьба 1-8 UNC 2А по [17]

Рисунок I.2 - Образец для испытаний

I.4.2.5 Испытательная установка

Испытание резьбовой смазки проводят на установке, способной прикладывать к образцу равномерно возрастающий крутящий момент, регистрировать этот крутящий момент и скорость вращения. При определении трибологических свойств крутящий момент, прилагаемый к образцу, должен быть в интервале от 271 до 407 . Приборы для регистрации данных могут быть аналоговыми или цифровыми. При этом частотная характеристика системы любого типа должна позволять сбор соответствующих данных.

Пример механической установки показан на рисунке I.3. Она состоит из трех узлов. Первый узел установки - двигатель с редуктором, который обеспечивает вращение и приложение крутящего момента к образцу. Скорость вращения должна быть равна 1 мин ^-1  10 %. Установка должна обеспечивать приложение крутящего момента не менее 475  и должна быть оборудована реверсом. Второй узел установки - датчик крутящего момента, по вращению образца генерирует выходной сигнал, пропорциональный приложенному крутящему моменту. Такой датчик должен быть способен осуществлять измерения в интервале от 542 до 1085 . Третий узел установки - датчик угла поворота, генерирует выходной сигнал, пропорциональный углу поворота образца.

Регистрация сигналов датчика угла поворота и датчика крутящего момента должна обеспечивать взаимное однозначное соответствие точек измерения крутящего момента и угла поворота.

I.4.2.6 Условия испытания

Настоящее испытание резьбовой смазки контрольного эталонного состава и испытуемой резьбовой смазки должно быть проведено в интервале температур от 15,6 °C до 37,8 °C. Относительная влажность должна поддерживаться в интервале от 20 % до 95 % без образования конденсата. Установка, среда и испытуемые резьбовые смазки могут иметь разные температуры, но они должны быть в заданном интервале температур. Результаты испытаний, выполненных в условиях, отличающихся от описанных выше, должны иметь соответствующую отметку об этом.

1 - пульт управления; 2 - редуктор; 3 - датчик угла поворота; 4 - шестигранные гнезда; 5 - датчик крутящего момента; 6 - образец для испытания; 7 - двигатель

Рисунок I.3 - Установка для испытания резьбовой смазки

I.4.3 Проведение испытаний резьбовых смазок

I.4.3.1 Приработка нового образца

Перед началом испытаний каждый образец должен быть подвергнут 20 циклам свинчивания и развинчивания с применением резьбовой смазки контрольного эталонного состава. После этого образец должен быть очищен в соответствии со следующими рекомендациями.

I.4.3.2 Очистка образца

Образец очищают любым подходящим растворителем, затем проволочной щеткой и обезжиривают растворителем. Перед нанесением испытуемой резьбовой смазки образец должен быть высушен.

ВНИМАНИЕ - Растворители и обезжиривающие средства могут содержать опасные вещества. Информационные материалы по мерам безопасности должны быть доступны, прочитаны перед работой с такими веществами и соблюдаться.

I.4.3.3 Подготовка пробы резьбовой смазки к испытанию и ее хранение

Проба резьбовой смазки, предназначенной для испытаний, должна быть помещена в чистую, герметично закрытую емкость для предотвращения испарения летучих компонентов или возможного загрязнения смазки. Объем пробы должен быть равен приблизительно ¹⁾ 250 см ³. Проба должна храниться в интервале температур от 15,6 °C до 37,8 °C. Если проба хранится в емкости объемом приблизительно 4 л, то соответствующее количество смазки для испытания может быть помещено в меньшую емкость, соответствующую приведенным выше требованиям. Важно перемешать смазку перед перемещением из одной емкости в другую или перед испытанием, чтобы обеспечить однородность пробы. При перемешивании смазки необходимо следить за тем, чтобы в нее не попали частички материала со стенок емкости, что может загрязнить пробу и повлиять на результаты ее испытания.

------------------------------

¹⁾_{См. приложение ДЕ.}

------------------------------

I.4.3.4 Испытание под действием крутящего момента

Все сопрягаемые поверхности образца обильно покрывают слоем резьбовой смазки. Затем образец свинчивают вручную и помещают в испытательную установку. Начальный крутящий момент, т.е. момент ручного свинчивания, не должен превышать 14 . Затем, по мере повышения крутящего момента до (420  14) , регистрируют крутящий момент и угол поворота. Эти данные записывают, затем ослабляют свинчивание образца, для чего меняют направление крутящего момента и извлекают образец из испытательной установки. Обе детали образца развинчивают настолько, чтобы были видимы почти все витки резьбы за исключением двух-трех последних витков, и на сопрягаемые поверхности вновь наносят резьбовую смазку. Образец снова свинчивают вручную и помещают в установку. После этого записывают данные следующего цикла испытания. Такие циклы повторяют не менее восьми и не более десяти раз. Не менее восьми циклов образуют одну серию испытаний, данные этих циклов используют для расчетов, описанных в I.4.3.6. Если выполняют более восьми циклов, данные любого из 9 или 10 циклов могут быть отброшены.

I.4.3.5 Осмотр образца

После завершения серии испытаний образец очищают, как описано в I.4.3.2. В случае обнаружения на сопрягаемых поверхностях признаков задиров резьбовую смазку бракуют и испытание прекращают. Для выявления пластической деформации образца до и после каждого испытания измеряют диаметр цилиндрического участка образца с точностью до 0,025 мм, результаты измерений записывают. Такое измерение выполняют после очистки образца. Если изменение диаметра превышает 0,127 мм, то испытание признают недействительным.

I.4.3.6 Обработка данных

Результатом каждого отдельного испытания резьбовой смазки, при определении зависимости крутящего момента от угла поворота, является наклон прямой т, подобранный методом наименьших квадратов, в интервале крутящих моментов от 271 до 407 . Для этого должно быть использовано не менее двадцати пар данных.

Конечные наклоны m по результатам 8-10 циклов по I.4.3.4 подвергают статистическому анализу для определения среднего наклона и среднеквадратичного отклонения для восьми циклов испытаний при помощи следующих формул:

,

(I.1)

,

(I.2)

,

(I.3)

где A - измеренный угол поворота;

- среднее значение измеренных углов поворота;

T - измеренный крутящий момент;

- среднее значение измеренных крутящих моментов;

s - средний наклон;

m - наклон прямой;

N = 8.

I.4.3.7 Трибологический коэффициент

Трибологический коэффициент резьбовой смазки определяют по следующей формуле:

,

(I.4)

где S ₂ - средний наклон для серии испытаний с испытуемой резьбовой смазкой;

S ₁ - средний наклон для первой серии испытаний с резьбовой смазкой контрольного эталонного состава;

S ₃ - средний наклон для второй серии испытаний с резьбовой смазкой контрольного эталонного состава.

I.4.4 Применение трибологического коэффициента

Рекомендуемые значения крутящего момента свинчивания для соединений RSC, рассчитанные с использованием коэффициента трения 0,08, приведены в [14]. Коэффициент трения резьбовой смазки с трибологическим коэффициентом, отличным от 1,0 (не равным 0,08), и использование значений из таблицы без поправки может привести к неправильному свинчиванию резьбовых соединений.

Коэффициент трения резьбовой смазки применяют для коррекции момента свинчивания для элементов бурильных колонн.

Эксплуатационные характеристики резьбовой смазки определяют на основании испытаний, описанных в настоящем стандарте, а не только по значению трибологического коэффициента. Следует иметь в виду, что возможны такие условия бурения, при которых целесообразно использовать смазку с трибологическим коэффициентом больше или меньше 1,0.

Момент свинчивания может быть скорректирован путем умножения значения момента свинчивания по [14] на трибологический коэффициент резьбовой смазки.

Пример - Бурильная труба с замком, тело трубы наружным диаметром 127,00 мм, толщиной стенки 9,19 мм, группы прочности G, замок наружным диаметром 139,3 мм внутренним диаметром 82,6 мм с резьбовым соединением "Премиум" типа NC50:

- момент свинчивания по [14] - 29 715 ;

- трибологический коэффициент резьбовой смазки - 0,9;

- скорректированный момент свинчивания: 29 715 х 0,9 = 26744 .

I.4.5 Подтверждение испытаний и маркировка

I.4.5.1 Подтверждение испытаний

Изготовители резьбовых смазок, желающие выпускать продукцию, соответствующую требованиям настоящего стандарта, должны указать характерные данные по трибологическим свойствам выпускаемых резьбовых смазок в соответствии с указаниями I.4.3. Изготовитель резьбовой смазки должен предоставить, по требованию, заверенные копии результатов испытаний, полученных при применении методов и оборудования, описанных в настоящем стандарте. Результаты испытаний должны включать наименование изготовителя, наименование продукции, дату испытаний и наименование испытательной лаборатории.

I.4.5.2 Маркировка

Резьбовые смазки, испытанные в соответствии с настоящим стандартом, могут иметь на этикетке указание об этом. На этикетке указывают следующее:

a) обозначение настоящего стандарта;

b) трибологический коэффициент в виде записи "трибологический коэффициент = X,X" или "FF по ГОСТ ISO 13678 = X,X", указанный с одним десятичным знаком после запятой.

Примечание - Существуют такие условия бурения, когда более предпочтительным является трибологический коэффициент, отличный от 1,0, поэтому определение соответствия конкретной резьбовой смазки основано на методах испытаний, описанных в настоящем стандарте, а не только на конкретном значении трибологического коэффициента.