РЕЗЬБОВОЕ ТРУБНОЕ СОЕДИНЕНИЕ, КОТОРОЕ ГЕРМЕТИЧНО ПРИ ВНУТРЕННИХ И ВНЕШНИХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ НАГРУЗКАХ, СОЗДАВАЕМЫХ ДАВЛЕНИЕМ
THREADED PIPE CONNECTION WHICH IS TIGHT AT INNER AND OUTER SERIES LOADS CREATED WITH PRESSURE

Настоящее изобретение относится к резьбовому трубному соединению, которое герметично при статических нагрузках, таких как осевое растяжение, осевое сжатие, плоский изгиб, внутреннее или внешнее давление и их сочетания.
Такие герметичные резьбовые трубные соединения, далее называемые соединениями, могут быть получены посредством сборки охватываемого элемента на конце первого трубного компонента, который может, например, представлять собой трубу большой длины, и охватывающего элемента на конце второго трубного компонента, который может, например, представлять собой трубу большой длины или соединительную муфту, при этом каждый из упомянутых элементов выполняют с металлической уплотняющей поверхностью и монтируют по посадке с натягом для взаимодействия в радиальном направлении с металлической уплотняющей поверхностью другого элемента.
Упомянутые соединения, в частности, используют для создания герметичных колонн обсадных труб или трубных колонн для углеводородных скважин либо для подобных скважин, например геотермальных скважин.
Металлические уплотняющие поверхности (или уплотнения поверхности металл-металл) охватываемого и охватывающего элементов таких соединений представляют собой чрезвычайно критичные зоны, которые обеспечивают уплотнительные характеристики соединения.
В скважинах для углеводородов такие соединения подвергают различным нагрузкам, например растяжению, сжатию, изгибу вдоль оси трубы или давлению. Эти разнообразные нагрузки могут изменяться по времени, например, при цементировании обсадных колонн (повышение внешнего давления) или в течение добычи (повышение внутреннего давления), а также в течение выполнения операций по техническому обслуживанию (остановка добычи с последующим пуском), при этом они могут действовать сами по себе или в сочетании.
От таких соединений ожидают, что они не только должны выдерживать указанные механические нагрузки, но и должны оставаться герметичными при приложении этих нагрузок.
По этой причине в настоящем изобретении сделана попытка улучшения таких соединений, чтобы повысить их характеристики уплотнения, в частности для оптимизации функции металлических уплотняющих поверхностей.
В известном уровне техники, относящемся к таким соединениям, предложены средства для улучшения характеристик уплотнения поверхностей, предназначенных для уплотнения металла по металлу, которые подвергают широкому разнообразию статических нагрузок, что, в частности, описано в патенте Франции FR 2359353 и в международной заявке на патент WO 2006/061577.
В патенте FR 2359353 раскрыто соединение, которое непроницаемо при перепадах давления, содержащее охватываемый элемент, имеющий охватываемую резьбовую нарезку, охватывающий элемент с сопрягающейся охватывающей резьбовой нарезкой, внешний упор, содержащий коническую кольцевую поверхность, расположенную на охватываемом элементе, и соответствующую фронтальную поверхность, расположенную на свободном конце охватывающего элемента, а также внешнее уплотнение металл-металл, содержащее первую металлическую уплотняющую поверхность, расположенную на охватывающем элементе, и вторую металлическую уплотняющую поверхность, расположенную на охватываемом элементе.
Когда это соединение подвергают внешнему перепаду давления, то есть избыточному внешнему давлению, металлические уплотняющие поверхности будут наложены друг на друга с еще большей силой, и, следовательно, соединение является самогерметизирующимся. В случае внутреннего перепада давления, то есть внутреннего избыточного давления, сильнее будут наложены друг на друга кольцевая и фронтальная внешние упорные поверхности.
В международной заявке на патент WO 2006/061577 описано соединение, выполненное с внешним уплотнением металл-металл, подвергаемое растягивающим или сжимающим нагрузкам. Такое резьбовое соединение включает в себя охватывающий элемент, содержащий упор, резьбовую нарезку и кольцевую канавку, расположенную между упором и резьбовой нарезкой. Кольцевая канавка, которая имеет прямоугольную конфигурацию и относительно малую длину, позволяет облегчить механическую обработку витков на охватывающем элементе по полной высоте, поскольку инструмент для нарезки резьбы можно легче отвести, чтобы создать соединение, которое является более прочным на растяжение вследствие большей длины резьбы, и сконцентрировать нагрузки по небольшой зоне у канавки, а не у упора. Согласно этому документу такая концентрация нагрузки по небольшой зоне у канавки позволяет локализовать максимальную величину нагрузки на этом уровне без пластификации упора.
Однако рабочие характеристики уплотнения таких известных соединений, которые последовательно подвергают внутренним и внешним нагрузкам, создаваемым давлением, не рассмотрены.
В частности, изобретателями было замечено, что такие соединения, которые описаны в патенте Франции FR 2359353, имели пониженные рабочие характеристики в отношении герметичности, когда они были последовательно подвергнуты приложению внутреннего давления и далее внешнего давления.
В настоящем изобретении сделана попытка повысить контактное давление при взаимодействии между поверхностями, обеспечивающими уплотнение металла о металл, охватываемого и охватывающего элементов соединения, подвергаемого последовательности нагрузок, создаваемых внутренним давлением и внешним давлением, путем устранения указанных выше недостатков.
Также сделана попытка получения соединения, которое удовлетворительно работает при разных нагрузочных режимах.
Кроме того, в частности, сделана попытка применения изобретения к соединениям, содержащим внешнее уплотнение, и, в частности, к соединениям с постоянным внешним диаметром (гладкие соединения) такого типа, которые описаны в патенте Франции FR 2359353, и к соединениям с почти постоянным внешним диаметром (полугладкие) такого типа, которые описаны в европейском патенте ЕР 0767335.
Согласно изобретению соединение содержит охватываемый элемент, расположенный на конце первого трубного компонента, содержащий охватываемую резьбовую нарезку, и охватывающий элемент, расположенный на конце второго трубного элемента, содержащий охватывающую резьбовую нарезку, соответствующую охватываемой резьбовой нарезке.
По меньшей мере, один из охватываемого или охватывающего элементов содержит выступ, расположенный между резьбовой нарезкой и свободным концом элемента, а другой элемент содержит углубление для выступа.
Упомянутый выступ содержит первую зону с периферийной поверхностью, которая повернута к другому элементу. На периферийной поверхности находится первая металлическая уплотняющая поверхность. Первая металлическая уплотняющая поверхность может быть смонтирована посадкой с натягом для взаимодействия в радиальном направлении со второй металлической уплотняющей поверхностью, которая соответствует уплотняющей поверхности на другом элементе.
Выступ имеет вторую зону, расположенную в осевом направлении между первой зоной и соответствующей резьбовой нарезкой.
Согласно принципиальной характеристике изобретения радиальная жесткость второй зоны меньше, чем радиальная жесткость первой зоны и третьей зоны, смежной со второй зоной в направлении резьбовой нарезки.
Согласно изобретению вторая зона может быть деформирована в радиальном направлении посредством оказываемого на нее давления.
Согласно еще одной принципиальной характеристике изобретения первая металлическая уплотняющая поверхность может быть введена в точечный контакт для взаимодействия с соответствующей второй металлической уплотняющей поверхностью, что можно наблюдать на продольном осевом виде в сечении.
Предпочтительно, чтобы вторая зона была смежной с резьбовой нарезкой.
В предпочтительном варианте осуществления конструкции вторая зона имеет длину в осевом направлении, находящуюся в диапазоне, составляющем 50-130% длины в осевом направлении первой зоны.
Также предпочтительно, чтобы вторая зона была утоньшена по отношению к первой зоне, что определено кольцевой канавкой, расположенной на периферийной поверхности утоньшенной зоны.
Предпочтительно, чтобы кольцевая канавка содержала два наклоненных торца и дно, которое имеет цилиндрическую поверхность.
Предпочтительно, чтобы канавка имела асимметричный профиль; торец, находящийся со стороны первой зоны, наклонен меньше, чем торец, находящийся со стороны резьбовой нарезки.
Предпочтительно, чтобы цилиндрическая поверхность имела длину в осевом направлении, находящуюся в диапазоне 5-75% длины в осевом направлении второй зоны.
В предпочтительном варианте осуществления конструкции утоньшенная зона имеет минимальную толщину, находящуюся в диапазоне 50-90% толщины первой зоны, измеренной в точке контакта первой и второй металлических уплотняющих поверхностей.
Предпочтительно, чтобы торец канавки, находящийся со стороны первой зоны, представлял собой часть с конической поверхностью.
Предпочтительно, чтобы упомянутая часть с конической поверхностью составляла с осью соединения угол, находящийся в диапазоне от 5° до 50°.
Также предпочтительно, чтобы одна из первой и второй металлических уплотняющих поверхностей представляла собой часть с тороидальной поверхностью, в то время как другая металлическая уплотняющая поверхность представляла собой часть с конической поверхностью.
Предпочтительно, чтобы радиус части с тороидальной поверхностью находился в диапазоне от 10 до 100 мм, а более предпочтительно в диапазоне от 20 до 80 мм.
Предпочтительно, чтобы конусность другой конической металлической уплотняющей поверхности находилась в диапазоне от 5% до 50%.
Предпочтительно, чтобы часть в виде тороидальной поверхности была расположена на упомянутом выступе.
Также предпочтительно, чтобы выступ находился на охватывающем элементе.
Еще в одном варианте осуществления изобретения выступ расположен на охватываемом элементе.
Еще в одном варианте осуществления изобретения каждый из двух элементов содержит выступ с первой и второй зоной.
Другие преимущества и характеристики изобретения будут очевидны из приведенного ниже подробного описания и из прилагаемых фигур, которые не только могут служить для обеспечения лучшего понимания изобретения, но и содействуют его соответствующему формулированию.
На фиг.1а представлено продольное сечение известного соединения в собранном состоянии. На фиг.1b представлен фрагмент фиг.1а у свободного конца охватывающего элемента.
На фиг.2 представлен эллипс фон Мизеса, в котором оси характеризуют различные нагрузки, которым трубные компоненты и соединения этих компонентов могут быть подвергнуты в течение их использования.
На фиг.3 представлено продольное сечение собранного соединения согласно варианту осуществления изобретения.
На фиг.4 представлен фрагмент охватывающего элемента соединения согласно фиг.3 у охватывающего выступа соединения согласно изобретению.
На фиг.5 представлен фрагмент охватываемого элемента соединения согласно фиг.3 у углубления охватываемого элемента соединения согласно изобретению.
На фиг.6 представлено соединение согласно изобретению, подвергаемое воздействию внешнего давления.
На фиг.7 представлен график, демонстрирующий сравнительные измерения контактного давления, полученного посредством проведения анализа готовых элементов различных типов соединений, подвергнутых различным последовательным режимам нагрузок согласно точкам на фиг.2.
На фиг.8 представлено продольное сечение собранного соединения в другом варианте осуществления изобретения.
На фиг.1а представлено соединение, описанное в патенте Франции FR 2359353, которое включает в себя охватываемый элемент 1, расположенный на конце первого трубного компонента 1', содержащего охватываемую резьбовую нарезку 3, и охватывающий элемент 2, расположенный на конце второго трубного компонента 2', содержащего охватывающую резьбовую нарезку 4, соответствующую охватываемой резьбовой нарезке 3. Первый трубный компонент 1', например, представляет собой трубу относительно большой длины и в этом случае второй компонент представляет собой другую трубу, причем также большой длины, но может представлять собой соединительную муфту. Охватывающий элемент 2 содержит выступ 5, расположенный между охватывающей резьбовой нарезкой 4 и свободным концом охватывающего элемента. Охватываемый элемент 1 содержит охватываемое углубление 6 для упомянутого выступа 5, расположенное между охватываемой резьбовой нарезкой 3 и опорной частью охватываемого элемента.
На фиг.1b представлен фрагмент фиг.1а, демонстрирующий свободный конец охватывающего элемента и соответствующее охватываемое углубление 6.
Внешняя противоположная коническая кольцеобразная упорная поверхность 7 расположена на передней поверхности свободного конца охватывающего элемента и является смежной с первой конической металлической уплотняющей поверхностью 8, расположенной на периферийной поверхности выступа 5, повернутой к охватываемому элементу 1. Первую металлическую уплотняющую поверхность 8, составляющую угол b порядка 60° с плоскостью, перпендикулярной оси соединения, и имеющую весьма малую длину в осевом направлении, монтируют с заданной радиальной посадкой с натягом для взаимодействия с соответствующей второй конической металлической уплотняющей поверхностью 9, расположенной на периферийной поверхности охватываемого углубления 6 у его основания, чтобы сформировать внешнее уплотнение металла о металл.
Охватываемое углубление 6 соединяют с внешней периферийной поверхностью первого трубного компонента 1' через внешнюю противоположную коническую кольцевую упорную поверхность 10, имеющую возможность взаимодействия с соответствующей внешней упорной поверхностью охватывающего элемента 2. Угол а противоположного упора составляет, например, 15°.
Внешний упор обеспечивает возможность осевого расположения первой и второй уплотняющих поверхностей по отношению друг к другу и, следовательно, определяет их радиальную неподвижную посадку.
Рабочие характеристики соединения при различных осевых нагрузках определяют по рабочим характеристикам трубного компонента.
На фиг.2 представлена схема, определяемая двумя осями, относящимися соответственно к положительной и отрицательной оси абсцисс, указывающей нагрузки (кН) при растяжении и сжатии, и соответственно к положительной и отрицательной оси ординат, указывающей внутренние и внешние нагрузки (МРа), обусловленные действием давления. Указанные нагрузки представляют собой нагрузки, которым подвергают трубные компоненты и соединения в течение их использования в скважине.
Теория пластичности говорит о том, что предел сопротивления пластичности для трубного компонента, подвергаемого различным комбинированным нагрузкам, представляет собой эллипс (известный как эллипс фон Мизеса). Этот эллипс определен размерами и пределом текучести трубного компонента, который подвергают различным сочетаниям указанных выше нагрузок.
Для надлежащего выполнения соединение, подвергаемое таким же нагрузкам, как и трубный компонент, должно обладать стойкостью, которая по возможности наиболее близка к стойкости трубного компонента. Таким образом, поверхность эллипса для соединения должна охватывать поверхность эллипса трубного компонента, который по возможности является таким большим, чтобы соединение не было подвержено пластификации до трубного компонента.
В случае соединения согласно фиг.1 наличие наружного упора снижает предел прочности соединения при растяжении по сравнению с пределом прочности при растяжении трубного компонента, тем самым создавая для соединения эллипс с относительно небольшой площадью поверхности.
Соединение согласно изобретению при его эксплуатации должно быть герметичным, и, следовательно, его уплотнение должно быть проверено для различных сочетаний нагрузок, которым оно может быть подвергнуто в течение его использования в скважине.
Различные сочетания нагрузок, для которых обеспечивают соединение, соответствуют точкам, расположенным внутри эллипса трубного компонента А, формирующего эллипс соединения В, который показан на фиг.2.
Для проверки рабочих характеристик уплотнения соединения выполняют испытания на соответствие техническим условиям посредством приложения в виде циклов различных сочетаний нагрузок, находящихся внутри эллипса, относящегося к трубному компоненту. В частности, важно проверить, что после и в течение цикла воздействия внутреннего/внешнего давления уплотнение соединения остается неповрежденным.
Такие испытания определены, например, международным стандартом ISO 13679 (методики испытаний для соединений, предназначенных для обсадных и трубных колонн).
Приложение внутреннего давления к соединению согласно фиг.1 приводит к вздутию первого 1' и второго 2' трубного компонента, что вызывает деформацию первой и второй металлических уплотняющих поверхностей 8, 9.
У металлических уплотняющих поверхностей охватывающий элемент имеет меньшее сечение, чем сечение охватываемого элемента, и, следовательно, деформация внешней металлической уплотняющей поверхности охватывающего элемента будет больше, чем деформация внешней металлической уплотняющей поверхности охватываемого элемента.
Таким образом, когда внутреннее давление уменьшается, охватываемый и охватывающий элементы могут не возвратиться в их точные начальные относительные положения. Следовательно, начальное радиальное взаимодействие, обеспечивающее уплотнение соединения, может быть частично уменьшено, а вследствие высокого значения угла b и весьма малой длины конической конфигурации первой металлической уплотняющей поверхности 8 контактное давление может быть снижено в значительной степени.
Напротив, когда внешнее давление прилагают после приложения внутреннего давления, металлические уплотняющие поверхности, где контактное давление ослаблено, более не гарантируют достаточное уплотнение резьбового трубного соединения, которое в дальнейшем создает опасность утечек у внешней уплотняющей поверхности.
На фиг.3 представлено резьбовое трубное соединение согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, которое включает в себя охватываемый элемент 11, расположенный на конце первого трубного компонента 11', содержащего охватываемую резьбовую нарезку 13, и охватывающий элемент 12, расположенный на конце второго трубного компонента 12', содержащего охватывающую резьбовую нарезку 15, соответствующую охватываемой резьбовой нарезке 13.
Охватывающий элемент 12 содержит i) охватывающий выступ 16, расположенный между охватывающей резьбовой нарезкой 15 и свободным концом 17 охватывающего элемента, и ii) охватывающее углубление 19, противоположное охватывающему выступу 16.
Охватывающий выступ 16 содержит первую зону 20, имеющую периферийную поверхность, повернутую к охватываемому элементу 11, на которой находится первая металлическая уплотняющая поверхность 22, и вторую зону 21, расположенную в осевом направлении между первой металлической уплотняющей поверхностью 22 и охватывающей резьбовой нарезкой 15.
Первая уплотняющая поверхность 22 может входить в точечный контакт для плотного взаимодействия со второй металлической уплотняющей поверхностью 23, расположенной у основания охватываемого элемента 11.
Вторая зона 21, смежная с резьбовой нарезкой 15, определена зоной 24, которая утоньшена по отношению к первой зоне 20 и содержит внутреннюю периферийную поверхность, на которой создана канавка 25. Вследствие уменьшенной толщины, получаемой посредством канавки 25, вторая зона 21 обладает радиальной жесткостью, которая меньше, чем у первой зоны 20 и стенки охватывающего элемента за второй зоной 21, то есть в данном случае стенки резьбовой зоны 15.
Под радиальной жесткостью стенки резьбовой зоны 15 следует понимать радиальную жесткость стенки, оставляя резьбу вне рассмотрения, то есть в данном случае стенки, которая ограничена с одной стороны наружным диаметром охватывающего элемента и с другой стороны очертанием впадины профиля резьбы.
Понятие «жесткость» включает в себя собственные характеристики материала и его размерные характеристики.
Поскольку утоньшенная зона 24 расположена между двумя зонами с повышенной радиальной жесткостью, она предназначена для деформации в радиальном направлении, когда происходит приложение внешнего давления, и, следовательно, для обеспечения избытка контактной энергии для упругого взаимодействия между первой и второй металлическими уплотняющими поверхностями 22, 23.
Охватываемый элемент содержит i) охватываемый выступ 14, находящийся между охватываемой резьбовой нарезкой 13 и свободным концом 18 охватываемого элемента, содержащим третью металлическую уплотняющую поверхность 26, которая может входить в точечный контакт для взаимодействия с четвертой металлической уплотняющей поверхностью 27 у углубления 19 охватывающего элемента 12, и ii) противоположное охватываемому выступу 14 охватываемое углубление 28, определяемое не содержащей резьбовой нарезки внешней периферийной поверхностью, находящейся между охватываемой резьбовой нарезкой 13 и опорной частью охватываемого элемента 11, содержащей вторую металлическую уплотняющую поверхность 23, которая может входить в обеспечивающий взаимодействие точечный контакт с первой металлической уплотняющей поверхностью 22 охватывающего элемента 12.
На фиг.4 представлен предпочтительный вариант осуществления первой и второй зон 20, 21 охватывающего выступа 16, выполненного согласно изобретению.
Радиальная деформация второй зоны 21 приводит к повороту продольного участка первой зоны 20, на котором находится первая металлическая уплотняющая поверхность 22. Для улучшения эксплуатационного контакта со второй металлической уплотняющей поверхностью 23 в течение приложения внешнего давления первая зона 20 содержит часть с выпуклой тороидальной поверхностью 29, имеющей большой радиус, который может находиться в диапазоне от 10 мм до 100 мм, а предпочтительно в диапазоне от 20 мм до 80 мм, составляя, например, порядка 40 мм.
Упомянутая часть с тороидальной поверхностью 29, которая образует эффективную контактную зону, соединена с передней поверхностью свободного конца 17 охватывающего элемента через коническую поверхность 30, наклоненную примерно на 10° к оси, и с канавкой 25 посредством цилиндрической поверхности 31. Коническая 30 и цилиндрическая 31 поверхности тангенциально соединены с тороидальной поверхностью 29 и вместе с тороидальной поверхностью 29 формируют первую зону 20.
Длина первой зоны 20 соответствует сумме длин в осевом направлении конической 30, тороидальной 29 и цилиндрической 31 поверхностей.
Предпочтительно, чтобы вторая зона 21 имела длину, которая фактически равна 100% длины первой зоны 20, чтобы обеспечить возможность ее изгиба. Длина, составляющая менее 50%, приводит к меньшему изгибающему воздействию во второй зоне 21, что обеспечивает меньший контакт первой и второй металлических уплотняющих поверхностей 22, 23. Длина более 130% приводит к значительному изгибу второй зоны, который может вызвать чрезмерный поворот первой зоны 20 и опасность потери контакта между металлическими уплотняющими поверхностями 22, 23 (утечки).
Утоньшенная зона 24 содержит цилиндрическую поверхность 32.
Цилиндрическая поверхность 32 в большей степени расположена со стороны охватывающей резьбовой нарезки 15 и соединена с первой зоной 20 через первую коническую поверхность 33 с наклоном порядка 10° по отношению к оси соединения и с резьбовой нарезкой 15 через вторую коническую поверхность 34, которая имеет относительную крутизну с наклоном порядка 60° по отношению к оси соединения. Это означает, что профиль канавки 25 несимметричен. Наклон выбирают таким образом, чтобы оптимизировать распределение нагрузки в утоньшенной зоне 24.
Цилиндрическая поверхность 32 определяет зону с минимальной толщиной, длина которой в этом случае составляет 50% длины второй зоны 21 и толщина которой в этом случае составляет 70% толщины первой зоны 20.
Толщину первой зоны 20 определяют у первой металлической поверхности 22 на уровне точки контакта Р.
Длина цилиндрической поверхности 32, составляющая менее 5% или более 75% длины второй зоны 21, вероятно, приведет к ухудшению распределения нагрузки.
Толщина, составляющая менее 50% толщины первой зоны 20, может в значительной степени уменьшить жесткость второй зоны 21 и, следовательно, может вызвать пластификацию. Толщина, составляющая более 90% толщины первой зоны 20, может привести к весьма значительной жесткости второй зоны 21, которая не обеспечит деформацию второй зоны 21, и, следовательно, не будет создана дополнительная энергия контакта для взаимодействия между металлическими уплотняющими поверхностями 22, 23.
На фиг.5 показана предпочтительная форма углубления охватываемого элемента 28 соединения согласно изобретению, обеспечивающая возможность вхождения в контакт для взаимодействия с первой металлической уплотняющей поверхностью 22 первой зоны 20.
Начиная от опорной части охватываемого элемента 11, углубление 28 охватываемого элемента содержит коническую поверхность 35, наклон которой составляет порядка 3° по отношению к оси соединения, часть с вогнутой тороидальной поверхностью 36, имеющей большой радиус, и цилиндрическую поверхность 37. Часть 36 с тороидальной поверхностью создает тангенциальное соединение конической поверхности 35 и цилиндрической поверхности 37.
Принципиальная характеристика изобретения заключается в том, что радиальное взаимодействие, которое может быть частично потеряно после приложения внутреннего давления в соединении согласно фиг.1, в настоящем изобретении будет сохранено посредством радиальной деформации второй зоны 21 под действием внешнего давления, которое будет на нее воздействовать.
На фиг.6 представлено соединение согласно варианту осуществления изобретения, которое подвергают воздействию внешнего давления. Радиальная деформация второй зоны 21 вызывает поворот первой зоны 20 и создает обеспечивающую взаимодействие энергию контакта между первой и второй металлическими уплотняющими поверхностями 22, 23, которая позволяет сохранить достаточное контактное давление для гарантии характеристик уплотнения в зоне контакта между первой и второй металлическими уплотняющими поверхностями 22, 23.
Сочетание тороидальной поверхности 29 и конической поверхности 35 первой и второй металлических уплотняющих поверхностей 22, 23 обеспечивает наилучшее сохранение радиального взаимодействия между поверхностями несмотря на поворот первой зоны 20, вызываемый радиальной деформацией второй зоны 21.
График согласно фиг.7 позволяет провести сравнение площади контакта, далее называемой интегралом контактного давления, между первой и второй металлическими уплотняющими поверхностями нескольких соединений, подвергаемых циклу нагрузок, проходящих через эллиптический трубный компонент. Ось абсцисс представляет собой различные прилагаемые нагрузки, а ось ординат представляет собой интеграл контактного давления, получаемый вдоль контакта первой и второй металлических уплотняющих поверхностей (площадь контакта). Величину этого интеграла контактного давления получают путем анализа готовых элементов. Полученные значения представляют собой относительные значения, выраженные в процентах и нормализованные по отношению к первой и второй базовым металлическим уплотняющим поверхностям, а именно к поверхностям известного соединения согласно фиг.1.
Итак, были смоделированы интегралы контактного давления следующих соединений.
Пример А:
известное соединение согласно фиг.1, принятое за базовое соединение.
Пример В:
соединение согласно варианту осуществления изобретения, представленному на фиг.3.
Пример С
: соединение с тороидальной и конической металлическими уплотняющими поверхностями согласно варианту осуществления изобретения, показанному на фиг.3, но без утоньшенной зоны.
Пример С представляет собой сравнительный пример, который находится вне объема изобретения.
Различные нагрузки, которые соответствуют точкам, находящимся внутри эллипса, указаны на фиг.2. В приведенной ниже таблице 1 даны соответствующие разъяснения.
Что касается базового соединения (пример А), то можно видеть, что рабочая характеристика уплотнения соединения согласно фиг.3 (пример В) значительно лучше независимо от типа нагрузки, прилагаемой в течение цикла. Эта рабочая характеристика также лучше, чем у соединения согласно примеру 3, выполненного без канавки.
Можно видеть, что когда канавка отсутствует, характеристики уплотнения соединения падают сразу же после приложения растягивающего усилия, и характеристики уплотнения снижаются по отношению к базовому соединению, как только приложено внешнее давление (позиция 8 и далее), даже если абсолютные рабочие характеристики базового соединения не являются оптимальными.
ТАБЛИЦА 1Пояснения, касающиеся прилагаемых нагрузок, и их позиция на эллипсе соединения
Позиция на эллипсе
Приложенная нагрузка (нагрузки)
1
Отсутствует
2
Растяжение
3
Растяжение + внутреннее давление
4
Конечное давление при закрытии
5
Внутреннее давление
6
Сжатие + внутреннее давление
7
Сжатие
8
Сжатие + внешнее давление
9
Внешнее давление
10
Растяжение + внешнее давление
11
Растяжение
12
Отсутствует
Таким образом, продемонстрировано преимущественное влияние канавки 25, обеспеченной на соединении согласно фиг.3 изобретения.
Одно из преимуществ настоящего изобретения заключается в получении у охватывающего выступа 16 зоны, которая может быть деформирована под действием внешнего давления, при этом энергию, полученную посредством деформации, используют для обеспечения дополнительного контактного давления у первой металлической уплотняющей поверхности 22.
Еще одно преимущество варианта осуществления настоящего изобретения, показанного на фиг.3, заключается в том, что начальный зазор между канавкой 25 и охватываемым углублением 28 обеспечивает возможность относительно большой деформации второй зоны 21.
Еще одно преимущество настоящего изобретения заключается в том, что оно может быть применено независимо от предела текучести трубного компонента.
Настоящее изобретение не ограничено вариантами осуществления конструкции, которые описаны выше в качестве примеров, не налагающих ограничений. Оно также относится ко всем другим вариантам, выполняемым в пределах квалификации опытных специалистов в контексте приведенных ниже пунктов формулы изобретения.
Обсужденный выше вариант осуществления конструкции предусматривает создание второй зоны на выступе охватывающего элемента с канавкой, находящейся со стороны, повернутой к охватываемому элементу.
Также можно предусмотреть расположение второй зоны на выступе охватывающего элемента с канавкой, повернутой в сторону, противоположную охватываемому элементу.
Однако этот вариант осуществления конструкции в меньшей степени обеспечивает возможность радиальной деформации утоньшенной зоны к охватываемому элементу.
Еще в одном варианте осуществления конструкции может быть предусмотрено, чтобы вторая зона была расположена на выступе охватываемого элемента и чтобы канавка была расположена со стороны, повернутой к охватывающему элементу, находясь в связи с внутренними металлическими уплотняющими поверхностями.
Также можно предусмотреть, чтобы два элемента 11, 12 содержали выступ 14, 16, первую зону 20, 38 и вторую зону 21, 39 с канавкой 25, 40, находящейся со стороны, повернутой к каждому из соответствующих элементов, как показано на фиг.8.
Также можно предусмотреть, чтобы вторая зона не была определена канавкой, а была выполнена из материала с иным модулем упругости, или чтобы она была подвергнута тепловой обработке для уменьшения ее жесткости и содействия ее деформации.
Вторая зона не должна быть смежной с резьбовой нарезкой, поскольку смежная зона в направлении резьбовой нарезки обладает радиальной жесткостью, которая больше, чем жесткость второй зоны.
Также можно предусмотреть такие формы первой и второй уплотняющих поверхностей, чтобы они находились в линейном контакте, а не в точечном контакте, например, посредством придания этим поверхностям конической формы с одной и той же конусностью, хотя этот вариант конструкции не будет оптимальным.
Вариант осуществления конструкции, показанный на фиг.3, соответствует соединению с почти постоянным внешним диаметром, которое называют гладким соединением и внешним примыканием.
Изобретение не затрагивает ни примыкание в функции соединения, подвергаемого внутреннему давлению, а далее внешнему давлению, ни изменений диаметра между охватываемым и охватывающим элементами.
При этом изобретение может быть применено к типам соединений, отличающимся от соединений гладкого типа, таким как полугладкие соединения (для которых внешний диаметр охватывающего элемента лишь незначительно больше, чем внешний диаметр охватываемого элемента), соединения с внутренним примыканием, с промежуточным примыканием между частями резьбовой нарезки или между двумя ступенями резьбовой нарезки либо без примыкания (например, соединения с последовательными осевыми взаимодействующими резьбовыми нарезками такого типа, которые описаны в документах USRe30647, USRe34467 или WO 2004/106797).