Приложение I. 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 АПИ 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 соединений, которые включают оценку трибологических свойств резьбовых смазок для соединений типа соединений АПИ. В стандарте [6] описана процедура испытаний любых резьбовых соединений.

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

Должно быть подготовлено, по меньшей мере, два протокола испытаний образцов различных соединений: один для насосно-компрессорных труб наружным диаметром 101,60 мм, другой для обсадных труб наружным диаметром 244,48 мм. Поскольку условный коэффициент трения системы резьбовая смазка-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 соединений.

Примечание - При проведении испытаний АПИ на полноразмерных образцах соединений, которые упоминаются в некоторых разделах настоящего стандарта, было установлено определенное число оборотов после начального контрольною крутящего момента при свинчивании контрольных образцов с 8-ниточной резьбой. Результаты этих испытаний, проведенных в рамках исследовательского проекта АПИ в 1997 году (см. стандарт [15]), показали, что в тех случаях, когда резьбовые смазки значительно различаются по трибологическим свойствах" и/или составу (например, используются твердые добавки разных типов или разного размера, разное объемное содержание твердых добавок), 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. Очень важно, чтобы любые сравнительные испытания, будь то определение трибологических свойств или проверка уплотнительных свойств в текучих средах, выполнялись до одинакового окончательного положения свинчивания 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 контрольному образцу. 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.

Болев подробную информацию, включая сравнение характеристик резьбовой смазки с контрольным эталонным составом и модифицированной резьбовой смазки АПИ 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 на резьбовых смазках 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 трибологичесхих 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 [11], колеблется от 0,067 до 0,08. Однако при испытаниях полноразмерных образцов соединений АПИ 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 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 [1]. 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 высоких, от 200 до 425 МПа. Оно сопоставимо с давлением от 35 до 140 МПа в соединениях АПИ обсадных, насосно-компрессорных и трубопроводных труб.

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 потребителю 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 рисунок I.1. Под одним циклом понимают однократное свинчивание и развинчивание образца 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 PSC 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 двух результатов испытаний с применением испытуемой резьбовой смазки на сумму двух результатов испытаний с применением резьбовой смазки контрольного эталонного состава. Область применения настоящего испытания не охватывает другие свойства резьбовых смазок, такие как обеспечение стойкости соединений к задирам и стойкости к довинчиванию соединений в скважине.

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

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. Этот состав представляет собой простую смесь обычных компонентов, которую легко приготовить на месте так, что ока 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.

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

Компонент	Массовая доля, %
Порошок свинца	60,01,0
Основа смазки	40,01,0
Всего	100,0

Порошок свинца должен соответствовать следующим требованиям:

- содержание свободного металла (по [25]) - не менее 95%;

- содержание окиси свинца (по [25]) - не более 5%;

- содержание частиц размером (по [31]);

- под ситом N 50 - не менее 100%;

- на сите N 100 - не более 1%;

- на сите N 200 - от 5 до 25% вкл.;

- под ситом 325 - от 40 до 80% вкл.

Примечание - Соответствие номеров сит по [31] и номеров сеток по [38] приведено в приложении ДА.

Основа смазки должна соответствовать следующим требованиям:

- консистенция, пенетрация после 60 тактов перемешивания

(см. АСТМ Д 217) - 265 - мм;

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

- масло основы, нефтяное несинтетическое масло с вязкостью (по [22]);

- при 40°С - от 115 сСт до 170 сСт вкл.;

- при 100°С - от 9,5 сСт до 14,0 сСт вкл.

Основа смазки не должна содержать присадок для повышения стойкости соединений при предельном давлении, устойчивости к износу или любых других присадок, присутствие которых может отрицательно сказаться на трибологических свойствах 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 2А и 2В. Образцы должны быть изготовлены из стали АИСИ 4130 (UNS G41300), закаленной и отпущенной, с твердостью в интервале от 285 до 341 единиц по Бринеллю, измеренной по поперечному сечению. Упорные поверхности и резьба каждого элемента 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 0,80,4 мкм. Механически обработанные поверхности испытуемого образца не следует подвергать дополнительной обработке.

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 должка позволять сбор соответствующих данных.

Пример механической установки показан на рисунке I.3. Она состоит из трех узлов. Первый узел установки - двигатель с редуктором, обеспечивает вращение и приложение крутящего момента к образцу. Скорость вращения должна быть равна 1 об/мин 10%. Установка должка обеспечивать приложение крутящего момента не менее 270 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 270 до 1085 . Третий узел установки - датчик поворота, генерирует выходной сигнал, пропорциональный углу поворота образца.

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

"Рисунок I.2 - Модельный образец для испытания"

"Рисунок I.3 - Установка для испытания резьбовой смазки"

I.4.2.6 Условия испытания

Настоящее испытание должно быть проведено при температуре установки, резьбовой смазки контрольного эталонного состава и испытуемой резьбовой смазки в интервале от 15,6°С до 37,8°С. 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.

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 удаляют мягкий металл покрытия и обезжиривают. 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.

1.4.3.3 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 250 мл. Проба должна храниться в интервале температур от 15,6°С до 37,8°С. Если проба хранится в емкости приблизительно 4 л, то соответствующее количество смазки для испытания может быть помещено в меньшую емкость, соответствующую приведенным выше требованиям. Очень 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.

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, то есть, момент ручного свинчивания не должен превышать 14 . Затем, по мере повышения крутящего момента до (42014) , 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 лишних циклов (9 или 10) 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. Таков 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 m прямой, подобранной методом наименьших квадратов к кривой графика зависимости крутящего момента от угла поворота, в интервале крутящих моментов от 271 до 407 . Для этого должно быть использовано не менее двадцати пар данных.

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

,

(I.1)

,

(I.2)

,

(I.3)

где А - измеренный угол поворота;

- среднее значение измеренных углов поворота;

- наклон прямой; N = 8;

s - средний наклон;

Т - измеренный крутящий момент;

- среднее значение измеренных крутящих моментов.

I.4.3.7 Трибологический коэффициент

Трибологический коэффициент резьбовой смазки определяют по следующей формуле:

.

(I.4)

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

- средний наклон для серии испытаний с испытуемой резьбовой смазкой:

- 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 соединений.

Трибологический коэффициент резьбовой смазки применяют для коррекции момента свинчивания для элементов бурильных колонн.

Эксплуатационные характеристики резьбовой смазки зависят от результатов испытаний, описанных в настоящем приложении, а не от конкретного трибологического коэффициента. Возможны такие условия бурения, в которых трибологический коэффициент более или менее 1,0 оказывает положительное действие.

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 NC 50:

- момент свинчивания по [14] - 29 715 ;

- трибологический коэффициент резьбовой смазки - 0,9;

- скорректированный момент свинчивания: 29 7150,9 = 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 = Х.Х" или "FF по ГОСТ Р ИСО 13678 = Х.Х", указанный с двумя или 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 на конкретном значении трибологического коэффициента.