РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ С САМОУПЛОТНЯЮЩИМСЯ УПЛОТНЕНИЕМ
THREADED CONNECTION WITH SELF SEALING

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к резьбовым соединениям, в частности к соединению труб определенной длины для создания колонн, применяемых в углеводородной промышленности специально для использования в области OCTG (трубы нефтегазового сортамента) и для трубопроводов для применения на буровых платформах.
Уровень техники
Поиск нефти и углеводородов в целом в последние годы предъявляет все более высокие требования к оборудованию и устройствам, поскольку нефтяные и газовые месторождения или резервуары располагаются на большей глубине, в труднодоступных местах или под морским дном. При разведке и эксплуатации месторождений углеводородов необходимо использовать оборудование, наиболее устойчивое к воздействиям среды, таким как нагрузка и коррозия, которые раньше имели меньшее значение.
Современные соединения конструируются, как правило, с уплотнениями «металл-металл», образуемыми контактом между двумя поверхностями, обычно на одном или обоих концах резьбовой части соединения, противодействующим значению соответствующей нагрузки в области упругих деформаций модуля упругости. Однако в отдельных случаях вместо металлических уплотнений или в сочетании с ними требуются эластичные уплотнения, чтобы предотвратить проникновение внешних жидкостей в зазор между нитями резьбы.
Поэтому требованием к конструкции является то, что уплотнение соединения должно препятствовать проникновению внешних или внутренних жидкостей или, как минимум, не допускать постоянный обмен жидкостями, уже проникшими вместе с окружающим жидкостями, чтобы уменьшить скорость коррозии.
Для решения вышеуказанных проблем предлагаются различные решения, одно из которых заключается в установке уплотнительного кольца, изготовленного из пластичного материала, в данном случае кольцевого уплотнения, в конце соединения, с внешней стороны резьбовой части.
Широко распространенной практикой является использование уплотнительных колец, предварительно установленных на охватывающей части, но у данной практики есть два недостатка: уплотнительные кольца могут быть повреждены во время установки кольца и/или во время сборки, кроме того, уплотнительные кольца, имеющие простое поперечное сечение, не могут обеспечить функцию избыточного уплотнения.
Для увеличения эффективности и предотвращения проникновения внешних жидкостей в зазоры между соединениями были предложены уплотнительные кольца, имеющие более сложную форму. Однако подобные уплотнительные кольца подвергаются большим нагрузкам и неблагоприятному воздействию внешней среды как во время первоначальной сборки, так и в процессе эксплуатации, поэтому их эффективность через некоторое время существенно снижается.
Еще одним недостатком подобных уплотнительных колец являются повреждения, вызванные действиями при сборке, поскольку операторы в полевых условиях могут допустить удары труб друг о друга. Уплотнительное кольцо при этом может быть сорвано или испытывать постоянные деформации, которые впоследствии во время эксплуатации могут поставить под угрозу эффективность уплотнения.
В документе WO 2004053376 описывается резьбовое соединение трубопроводов для углеводородных скважин с коническими охватываемым и охватывающим концами; рядом со свободным концом охватывающего элемента предусмотрен кольцевой корпус, в корпусе охватывающего элемента находится часть деформирующегося уплотнительного кольца, сжимаемого радиально, фиксирующая кромка кольца неподвижно удерживается в кольцевой канавке охватывающего элемента выступом охватываемого элемента. Таким образом, фиксирующая кромка является слабым и уязвимым элементом конструкции вследствие малого поперечного сечения, ее форма требует изготовления из материала, имеющего высокую скользящую способность. Кромка может легко порваться, в результате уплотнительное кольцо остается незакрепленным и имеет возможность перемещения в осевом направлении. Кроме того, уплотнительное кольцо, изготовленное из материала с низким коэффициентом трения, уменьшает возможный выбор применяемых для него материалов.
Подобное уплотнительное кольцо может рассматриваться как уплотнение, сочетающее несколько механизмов уплотнения, работающих как единое целое. Еще одним недостатком данного решения является необходимость в специально изготовленных машинным способом кольцевидных выступах и/или канавках на охватываемом и охватывающем элементе, служащих для фиксации уплотнительного кольца, что влечет за собой дорогие и длительные операции. Изготовление выступов и/или канавок требует высокоточной механообработки для определения их правильного осевого положения относительно передней части охватывающего элемента после сборки. Кроме того, уплотнительное кольцо имеет тенденцию к изгибу во время сборки, что дополнительно усложняет операцию.
Раскрытие изобретения
Главная задача настоящего изобретения состоит в создании резьбового соединения, свободного от вышеуказанных недостатков, содержащего инновационное уплотнительное кольцо, обеспечивающее простоту и надежность первоначальной сборки и высокую эффективность уплотнения во время эксплуатации.
Настоящее изобретение предлагает решение указанных задач путем создания резьбового соединения, определяющего продольную ось, включающего охватываемую трубу с наружной резьбой, определяемую как ниппель, и охватывающую трубу с внутренней резьбой, определяемую как муфта, а также уплотнительное кольцо, при этом ниппель входит в муфту, образуя первую поверхность уплотнения уплотнительного кольца, вторая сторона уплотнительного кольца, диаметрально противоположная первой поверхности уплотнения, имеет минимум два выступающих кольцевых выступа, расположенных под углом к оси второй поверхности уплотнения, причем наружная цилиндрическая поверхность уплотнительного кольца имеет минимум два кольцевых выступа, в уплотнительное кольцо частично встроено усиливающее кольцо, уплотнительное кольцо заключено между ниппелем и муфтой, располагаясь на участке поверхности ниппеля после конца резьбовой части ниппеля, и находится в плотном контакте с внутренней поверхностью кольцевой канавки муфты благодаря кольцевым выступам, а внутренняя поверхность уплотнительного кольца плотно контактирует с внешней поверхностью ниппеля.
Отличительная особенность инновационного сочетания, примененного в изобретении, способствующего улучшению резьбового соединения, заключается в V-образном сужении, обеспечивающем улучшенный контакт кромки кольца с поверхностями ниппеля и муфты при давлении, оказываемом внешней жидкостью. Наружные выступы обеспечивают повышенное удельное давление на ниппель и муфту, к которым они примыкают. Внутренняя поверхность уплотнения обеспечивает хорошую фиксацию и контакт в посадочной канавке кольца, сделанной в наружной поверхности ниппеля. Наличие усиливающего кольца обеспечивает плотное удержание уплотнительного кольца на ниппеле.
Уплотнительное кольцо, предлагаемое в изобретении, предварительно устанавливается на ниппель, таким образом предотвращается повреждение уплотнительного кольца при сборке. Кроме того, уплотнительное кольцо обеспечивает дополнительное уплотнение внахлест или избыточное уплотнение, что обеспечивает герметичность всего соединения даже в случае, если одна из зон уплотнения будет ослаблена внешней жидкостью. После завершения сборки уплотнительное кольцо удерживается в кольцевой канавке внутренней поверхностью муфты и наружной поверхностью ниппеля, на который может быть нанесен слой отделочного и грунтовочного покрытия. Канавка имеет геометрию, специально разработанную для сочетания с уплотнением. Покрытие защищает обработанную поверхность ниппеля и муфты.
Соединение, предлагаемое в изобретении, не требует дополнительной механообработки помимо стандартных операций по нарезке резьбы. Наличие усиливающего кольца, предпочтительно встроенного в уплотнительное кольцо, препятствует скручиванию кольца, облегчает операцию сборки и обеспечивает более простое обращение и сборку самого уплотнительного кольца.
Благодаря выступам на внешней поверхности уплотнительного кольца при наличии усилия сжатия, равного усилию, обычно применяемому для современных колец, обеспечивается концентрация нагрузок и повышенное локальное контактное давление, обусловленное сжатием уплотнительного кольца между ниппелем и муфтой, что повышает герметичность соединения.
Наличие покрытия на контактной поверхности уплотнительного кольца обеспечивает необходимую возможность скольжения для муфты, уплотнительное кольцо становится проще сжимать, продавливать или перемещать.
Краткое описание чертежей
Вышеупомянутые и прочие предметы станут более понятными благодаря нижеследующему подробному описанию и приложенным чертежам, на которых:
Фиг.1 отображает сечение по продольной плоскости симметрии соединения в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.1a отображает сечение по продольной плоскости симметрии соединения варианта исполнения соединения в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.2a отображает увеличенное сечение варианта исполнения соединения, показанного на рисунке 1;
Фиг.2b отображает увеличенное сечение иного варианта исполнения соединения, показанного на рисунке 1;
Фиг.3 отображает увеличенное сечение иного варианта исполнения соединения, показанного на рисунке 1;
Фиг.4a, b, с отображают иные варианты исполнения соединения в соответствии с настоящим изобретением.
Осуществление изобретения
На рисунках отображено резьбовое соединение, показанное в целом с позиционным обозначением 1, соединяющее две трубы, охватываемую трубу, или «ниппель» 3, имеющую номинальный наружный диаметр D, и охватывающую трубу, или «муфту» 2, имеющую наружный диаметр D1.
Ниппель 3 имеет резьбовую часть 5 с наружной резьбой соответствующего профиля, в данном случае трапецеидальную резьбу, а муфта 2 имеет резьбовую часть 4 с внутренней резьбой.
Общая ось трубы, состоящей из ниппеля и муфты, обозначена A.
Часть муфты 2 вблизи своего конца 6 имеет поверхность без резьбы 7. Предпочтительно, но не обязательно, чтобы посадочная канавка в виде кольцевой канавки 10 была сделана на внутренней поверхности муфты 2, находясь между концом резьбы 4 и концом трубы 6. В данную посадочную канавку установлено уплотнительное кольцо 11. В варианте исполнения, показанном на рисунке 1, посадочная канавка, сделанная на внутренней поверхности муфты, имеет цилиндрическую поверхность.
Уплотнительное кольцо 11 имеет основной корпус, по краям которого находятся один или более выступов 18, разделенных кольцевыми канавками 17. На конце, расположенном ближе к резьбовым частям 4 и 5, уплотнительное кольцо 11 имеет поверхность уплотнения, имеющую преимущественно, но не исключительно, плоскую поверхность.
Рядом с основанием 21 уплотнения находится усиливающее кольцо 14, имеющее повышенную жесткость, изготовленное из иного материала, предпочтительно, но не исключительно, из металла, например алюминия, меди, серебра, никеля, стали или нержавеющей стали. Усиливающие кольца 14 могут иметь покрытие из кадмия, меди, никеля, серебра, золота или индия. Усиливающие кольца также могут проходить термообработку, подвергаться дисперсионному твердению или отжигу.
Усиливающее кольцо 14 может полностью встраиваться в уплотнительное кольцо 11, возможно также, что одна из его поверхностей выступает из уплотнительного кольца 11, располагается заподлицо к основанию 21 или выступает за него. Усиливающее кольцо может иметь различные формы сечения, например круглую 14', квадратную 14'', прямоугольную, многоугольную или Т-образную 14''', как показано на рисунках 4a, 4b, 4c. Предпочтительно, чтобы радиальная толщина усиливающего кольца 14 всегда была меньше радиальной толщины эластомерного уплотнительного кольца 11, чтобы обеспечить возможность деформации эластомера при сжатии в промежутке между ниппелем и муфтой.
На противоположном по продольной линии конце уплотнительного кольца 11 имеются два круговых выступа 15, 16, которые в ненагруженном положении соответственно выступают за периметр кольца 11 со смещением относительно оси A. В промежутке, определяемом двумя круговыми выступами 15 и 16, находится кольцевая канавка, которая в осевом сечении выглядит как клиновидное углубление 12.
Первый вариант исполнения внутренней поверхности уплотнительного кольца 11 показан на Фиг.1, поверхность имеет волнистость в осевом направлении и содержит множество круговых выступов 13, разделенных кольцевыми канавками 20, если смотреть на сечение по продольной плоскости симметрии.
В ином варианте исполнения внутренняя поверхность 19 уплотнительного кольца не имеет резких отклонений. В данном случае она имеет плоскоцилиндрическую форму, как показано на Фиг.2, или закругленную, тороидальную форму, или форму усеченного конуса. В данном варианте исполнения угол конусности бета поверхности 19 относительно оси А составляет около 3°. Это облегчает установку кольца на ниппель.
В вариантах исполнения, показанных на Фиг.2a и 2b, внутренняя поверхность 19 отделена от кругового выступа 15 канавкой 19', имеющей определенный радиус.
С помощью усиливающего кольца 14 при всех вариантах выполнения уплотнительного кольца 11 оно оказывает сжимающее усилие, которое сдавливает внутреннюю поверхность относительно внешней поверхности ниппеля, таким образом улучшается уплотнение между уплотнительным кольцом 11 и внешней поверхностью ниппеля. Усилие сжатия, оказываемое уплотнительным кольцом 11, дополнительно усиливается после завершения сборки небольшой конусностью ниппеля на участке, предназначенном для кольца. Поверхность 26 ниппеля 3, на которой в установленном положении находится уплотнительное кольцо 11, имеет угол наклона относительно оси А альфа, который должен быть меньше 15°, предпочтительно - 3°. Его назначение - предотвратить соскальзывание уплотнительного кольца 11 во время эксплуатации вследствие приложения усилия, противодействующего усилию зажима. В этом случае уплотнительное кольцо 11 удерживается на месте усилием трения и кольцевым напряжением благодаря конической поверхности 26 ниппеля.
На Фиг.1a отображен вариант исполнения резьбового соединения, отличающийся тем, что участок поверхности 24, на которой при завершении сборки установлено уплотнительное кольцо 11, может иметь цилиндрическую форму. В данном варианте исполнения предусмотрена поверхность 25 в форме усеченного конуса, служащая для облегчения скольжения уплотнительного кольца 11 от поверхности начальной установки 27 рядом с резьбовой частью 5 в направлении положения окончательной установки на поверхности 24 вдоль ниппеля 3 во время сборки ниппеля 3 и муфты 2.
В данном варианте исполнения ниппель имеет поверхность в форме усеченного конуса 25 с конусностью менее 15°, находящуюся между двумя цилиндрическими поверхностями 24 и 27. В данном случае цилиндрическая поверхность 24 представляет собой опору уплотнительного кольца после сборки, уплотнительное кольцо удерживается в требуемом положении на поверхности 24 благодаря осевому усилию трения, обеспечиваемому постоянным кольцевым напряжением или усилием сжатия.
Внутренняя поверхность уплотнительного кольца также может представлять собой сочетание участка, имеющего цилиндрическую часть 19, и участка с одним или несколькими выступами 13, разделенными кольцевыми канавками 20, что обеспечивает повышение эффективности уплотнения, как показано на Фиг.3, отражающей альтернативный вариант выполнения.
Уплотнительное кольцо 11 может изготавливаться из различных эластомерных материалов, например: бутадиенакрилонитрильного каучука (NBR), карбоксилированного бутадиеннитрильного каучука (XNBR), этилен-акрилатного каучука (АЕМ), этиленпропиленового каучука (ЕРМ, EPDM), бутил-каучука (IIR), бутадиенового каучука (BR), хлорбутилового каучука (CIIR), хлоропренового каучука (CR), хлорсульфированного полиэтилена (CSM), эпихлоргидрин-каучука (CO, ECO), фторкаучука (FKM), фтористого метил-силиконового каучука (FVMQ), гидратированной нитриловой резины (HNBR), перфтороэластомера (FFKM), полиакрилового каучука (АСМ), полиуретана (AU, EU), силиконового каучука (Q, MQ, VMQ, PVMQ), бутадиенстирольного каучука (SBR), тетрафторэтилен-пропилена (AFLAS).
Соединение 1 определяет внутреннюю поверхность или канал 9, включающий ось А ниппеля 3 и муфты 2, в котором течет жидкость, например углеводородный материал, такой как природный газ, нефть или аналогичная жидкость, при этом наружная поверхность в специфичных вариантах применения может контактировать с различными жидкостями, например морской водой. Уплотнительное кольцо 11 обеспечивает дополнительную возможность уплотнения для соединения 1, предотвращая проникновение жидкости, присутствующей снаружи, в зазор 23 резьбы соединения.
Номинальный наружный диаметр D трубы на участке, находящемся на удалении от области соединения между ниппелем 3 и муфтой 2, может быть меньше наружного диаметра D1 конца муфты 2, если используется муфтовое соединение, или может быть равен ему, если применяется соединение «гладкого» типа.
Как было указано ранее, уплотнительное кольцо 11 имеет несколько зон уплотнения. Одна из зон уплотнения обеспечивается кольцевой канавкой 12, расширяющейся в радиальном направлении под воздействием внешнего давления, образующей самоуплотняющееся уплотнение, которое, пропорционально реагируя на давление, увеличивает сцепление между внутренними и внешними выступами канавки 15 и 16 и поверхностями ниппеля 3 и муфты 2 соответственно.
Еще одна зона уплотнения обеспечивается расположенными радиально наружными кольцевыми выступами 18, которые ведут себя как несколько уплотнительных колец, что обеспечивает уплотнение между уплотнительным кольцом и внутренней поверхностью муфты 2.
Способ монтажа соединения с уплотнительным кольцом 11 в соответствии с изобретением следующий. Перед сборкой соединения уплотнительное кольцо 11 предварительно монтируется на ниппель 3 над резьбовым участком 5 и устанавливается на поверхность 27. Установка уплотнительного кольца на место препятствует повреждению уплотнительного кольца 11 при сборке, что является преимуществом способа перед большинством современных способов с использованием уплотнительных колец, которые предварительно устанавливаются на охватывающей трубе и затем с усилием протягиваются через резьбу охватываемой трубы. После установки уплотнительного кольца 11 на ниппеле выполняется стандартная процедура сборки.
Когда сборка подходит к концу, уплотнительное кольцо слегка подталкивается упором 28 муфты 2 на основании 21 до окончательного положения. На конечном этапе сборки уплотнительное кольцо 11 проталкивается до поверхности окончательной установки 24 или 26 в зависимости от варианта исполнения соединения, при этом постепенно увеличивается сцепление уплотнительного кольца 11 с ниппелем 3. На противоположной стороне уплотнительное кольцо 11 входит в посадочную канавку 10 в муфте, если она предусмотрена, что гарантирует, что кольцо не соскользнет в осевом направлении под воздействием внешнего или внутреннего давления.
После сборки соединения 1 уплотнительное кольцо 11 принимает окончательную геометрию и достигает окончательных расчетных значений напряжений и деформаций.
Кольцо 11 выполняет вышеуказанные функции уплотнения, достигает рабочего уровня после операции сборки и готово воспринимать деформации под воздействием давления жидкости.
Уплотнительное кольцо 11 представляет собой улучшенную альтернативу классическим кольцевым уплотнениям, которые обеспечивают лишь один уровень защиты. Оно обеспечивает следующие преимущества для резьбового соединения:
- способность предложить последовательность барьеров против течей благодаря нескольким зонам уплотнения, обеспечиваемым уплотнительным кольцом 11;
- дополнительное уплотнение внахлест или избыточное уплотнение благодаря сочетанию самоуплотняющейся круговой канавки, имеющей V-образную форму, внешним выступам 18 и усиливающему кольцу 14, полностью или частично встроенному в уплотнительное кольцо 11, что обеспечивает герметичность даже в случае отказа одного из элементов.
В ином варианте исполнения изобретения уплотнительное кольцо 11 может иметь полностью цилиндрическую внутреннюю поверхность 19, как показано на рисунке 2, или часть внутренней поверхности 19 может иметь выступы 13, выступающие внутрь.
Уплотнительное кольцо предпочтительно используется за пределами соединения между внутренней поверхностью муфты и наружной поверхностью ниппеля. Подобные соединения также могут иметь внутреннее уплотнение «металл-металл» вблизи конца ниппеля.
Благодаря этим особенностям соединение, предлагаемое в данном изобретении, может практически полностью блокировать течи и обеспечивать полную герметичность.
Изобретение предназначено для использования в области OCTG (трубы нефтегазового сортамента) и в соединениях труб для нефтяной и газовой промышленности, прежде всего на буровых платформах.