Крепление фланцевого соединения шпильками с сегментными элементами
FASTENING FLANGE CONNECTION VIA STUDS WITH SEGMENT ELEMENTS

Изобретение относится к области горного дела, в частности к нефтегазодобывающей промышленности, и может быть использовано при ремонте скважин с целью крепления различного устьевого оборудования на опорном фланце скважины, а также для крепления устьевого фланца при эксплуатации скважины.
Известно крепление фланцевого соединения на устье скважины (патент RU №2763154, МПК Е21В 33/03, опубл. 27.12.2021), содержащее опорный и устьевой фланцы с отверстиями для крепления, уплотнительное кольцо, установленное между фланцами в канавках с конусными поверхностями, шпильки, гайки. Опорный и устьевой фланцы выполнены с шестью отверстиями для крепления, шесть шпилек выполнены с боковыми глухими отверстиями, на конце шпилек размещены шесть сегментных элементов с боковыми резьбовыми отверстиями, при этом сегментные элементы навернуты на шпильки и жестко зафиксированы c помощью винтов, ввернутых в боковые резьбовые отверстия сегментных элементов до упора в торцы боковых глухих отверстий, при этом в боковых резьбовых отверстиях сегментных элементов над ввернутыми винтами выполнены внутренние кольцевые проточки, в которые вставлены разрезные пружинные стопорные кольца, фиксирующие винты в боковых резьбовых отверстиях сегментных элементов от самопроизвольного отворота, причем шпильки с сегментными элементами и гайки выполнены из материала класса прочности 12.8 с шагом резьбы 2,5-4 мм, при этом шпильки с сегментными элементами снизу вставлены в отверстия для крепления опорного и устьевого фланцев и образуют кольцо, контактирующее с опорным фланцем, а гайки на шпильки завернуты сверху.
Недостатки устройства:
- во-первых, трудоемкость и длительность монтажа крепления фланцевого соединения шпильками с сегментными элементами. Это обусловлено тем, что с целью исключения проворота шпилек с сегментными элементами относительно друг друга торцы сегментных шпилек в плотную соприкасаются друг с другом. Это затрудняет установку шпилек с сегментными элементами в отверстия опорного и устьевого фланцев, поэтом приходится выравнивать шпильки с сегментными элементами относительно отверстий фланцев механически с помощью молотка;
- во-вторых, низкая надежность работы, обусловленная недостаточной герметичностью крепления фланцевого соединения при давлении свыше 20,0 МПа. Это обусловлено тем, что каждый сегментный элемент шпильки оказывает избирательную нагрузку на уплотнительное кольцо, находящееся между опорным и устьевым фланцами, как как усилия затяжки гаек на шпильках гаечным ключом на каждой шпильке разное, поэтому на одном участке, соединенных между собой опорного и устьевого фланцев уплотнительное кольцо дотянуто, а на другом участке фланцев - не дотянуто;
- в-третьих, высокая металлоемкость, обусловленная тем, что в сборе сегментные элементы в сечении представляют собой металлическое кольцо.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для крепления фланцевого соединения шпильками с сегментными элементами (патент RU №2760446, МПК Е21 В 33/038, опубл. 25.11.2021) содержащее опорный и устьевой фланцы, установленное между ними в канавках с конусными поверхностями металлическое уплотнительное кольцо, в опорном и устьевом фланцах выполнены отверстия для крепления под шпильки с гайками. Нижний ряд гаек выполнен в виде сегментных элементов, жестко соединенных со шпильками с помощью резьбового соединения и развальцовки нижнего конца шпильки, при этом сегментные головки шпилек нижними торцами по всей своей площади контактируют с опорным фланцем, причем шпильки и гайки имеют крупный шаг резьбы.
Недостатки устройства:
- во-первых, низкая надежность работы, обусловленная не достаточной герметичностью крепления фланцевого соединения при давлении свыше 20,0 МПа. Это обусловлено тем, что каждый сегментный элемент шпильки оказывает избирательную нагрузку на уплотнительное кольцо, находящееся между опорным и устьевым фланцами, так как усилие затяжки гаек на шпильках гаечным ключом на каждой шпильке разное, поэтому на одном участке, соединенных между собой опорного и устьевого фланцев уплотнительное кольцо дотянуто, а на другом участке фланцев - не дотянуто;
- во-вторых, трудоемкость и длительность монтажа (демонтажа) крепления фланцевого соединения шпильками с сегментными элементами. Это обусловлено тем, что с целью исключения проворота шпилек с сегментными элементами относительно друг друга торцы сегментных шпилек вплотную соприкасаются друг с другом. Это затрудняет установку шпилек с сегментными элементами в отверстия опорного и устьевого фланцев, поэтому приходится выравнивать шпильки с сегментными элементами относительно отверстий фланцев механически с помощью молотка;
- в-третьих, высокая металлоемкость, обусловленная тем, что в сборе сегментные элементы в сечении представляют собой металлическое кольцо.
Техническими задачами изобретения являются повышение надежности, снижение трудоемкости и длительности монтажа (демонтажа) крепления фланцевого соединения шпильками с сегментными элементами, а также снижение металлоемкости устройства.
Поставленные технические задачи решаются креплением фланцевого соединения шпильками с сегментными элементами, содержащим опорный и устьевой фланцы, установленное между ними в канавках с конусными поверхностями металлическое уплотнительное кольцо, отверстия в опорном и устьевом фланцах для крепления под шпильки с гайками, ряд гаек выполнен в виде сегментных элементов, жестко соединенных со шпильками с помощью резьбового соединения сегментные элементы шпилек нижними торцами по всей своей площади контактируют с фланцем, причем шпильки и гайки имеют крупный шаг резьбы.
Новым является то, что сегментные элементы, жестко соединенные со шпильками с помощью резьбового соединения, зафиксированы стопорными винтами, причем с одного торца сегментные элементы оснащены пазами, а на противоположных торцах сегментных элементов выполнены шипы, при этом шип сегментного элемента выполнен с возможностью взаимодействия с пазом последующего сегментного элемента, а паз сегментного элемента выполнен с возможностью взаимодействия с шипом предыдущего сегментного элемента, причем сегментные элементы шпилек выполнены с возможностью образования зазора между торцами сегментных элементов.
На фиг. 1 схематично изображено крепление фланцевого соединения шпильками с сегментными элементами.
На фиг. 2 схематично изображен вид А крепления фланцевого соединения шпильками с сегментными элементами.
На фиг. 3 схематично изображено сечение Б-Б крепления фланцевого соединения шпильками с сегментными элементами.
На фиг. 4 схематично изображен вид В крепление фланцевого соединения шпильками с сегментными элементами.
На фиг. 5 схематично изображен вид С крепление фланцевого соединения шпильками с сегментными элементами.
Устройство для крепления фланцевого соединения шпильками с сегментными элементами содержит опорный 1 (см. фиг. 1, 3, 5) и устьевой фланцы 2 (см. фиг. 1, 2, 3), установленное между ними в канавках с конусными поверхностями металлическое уплотнительное кольцо 3 (см. фиг. 1).
Наружные диаметры опорного 1 и устьевого 2 фланцев равны между собой и составляют, например Dф=380 мм.
мц
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
В опорном 1 и устьевом 2 фланцах на межцентровом диаметре - D, например равном 300 мм выполнены отверстия под шпильки 4(см. фиг. 1-5); 4(см. фиг. 2, 5); 4; 4(см. фиг. 1, 2, 5); 4(см. фиг. 2, 5); 4, например опорный 1 и устьевой фланец имеют по шесть отверстий диаметром 24 мм под шесть шпилек: 4; 4; 4; 4; 4; 4 диаметром d=22 мм, расположенных под углом α=60° (см. фиг. 2).
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
Ряд гаек, например верхний, выполнен в виде сегментных элементов: 5(см. фиг. 1-4); 5(см. фиг. 2); 5; 5(см. фиг. 1-4); 5(см. фиг. 2); 5, жестко соединенных с верхними концами шпилек 4; 4; 4; 4; 4; 4 с помощью резьбового соединения (на фиг. 1 показано условно) и стопорными винтами 6 (см. фиг. 1), что исключает взаимное проворачивание сегментных элементов 5; 5; 5; 5; 5; 5, относительно шпилек 4; 4; 4; 4; 4; 4.
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
С одного торца сегментные элементы 5; 5; 5; 5; 5; 5, оснащены пазами 7(см. фиг. 2, 3, 4); 7(см. фиг. 2); 7; 7; 7; 7, а на противоположных торцах сегментных элементов 5; 5; 5; 5; 5; 5 выполнены шипы 8(см. фиг. 2, 3, 4); 8(см. фиг. 2); 8; 8; 8; 8.
1
1
2
2
При креплении фланцевого соединения шип 8 сегментного элемента 5взаимодействует с пазом 7 последующего сегментного элемента 5.
1
1
6
6
Паз 7 сегментного элемента 5 взаимодействует с шипом 8 предыдущего сегментного элемента 5.
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
Сегментные элементы 5; 5; 5; 5; 5; 5 шпилек 4; 4; 4; 4; 4; 4 выполняют с зазором - s между торцами сегментных элементов 5; 5; 5; 5; 5; 5 при креплении фланцевого соединения. Зазор s, например равен 5 мм. Благодаря данному зазору исключается контакт торцов сегментных элементов 5; 5; 5; 5; 5; 5 между собой.
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
Сегментные элементы 5; 5; 5; 5; 5; 5 шпилек 4; 4; 4; 4; 4; 4 нижними торцами по всей своей площади контактируют с устьевым фланцем 2.
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
На нижний конец шпилек 4; 4; 4; 4; 4; 4 при креплении фланцевого соединения наворачивают и затягивают гайки 9(см. фиг. 1, 3, 5); 9(см. фиг. 5); 9; 9(см. фиг. 1, 5); 9; 9, имеющих крупный шаг резьбы равный 2,5.
Устройство для реализации способа работает следующим образом.
В канавку (на фиг. 1 показано условно) с конусной поверхностью опорного фланца 1 (см. фиг. 1) устанавливают металлическое уплотнительное кольцо 3. Затем сверху на уплотнительное кольцо 3 канавкой с конусной поверхностью устанавливают устьевой фланец 2. После чего вращением устьевого фланца 2 относительно опорного фланца 1 совмещают их отверстия для крепления.
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
1
2
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
1
Далее в совмещенные отверстия опорного 1 и устьевого 2 фланцев сверху поочередно устанавливают шпильки 4; 4; 4; 4; 4; 4 (см. фиг. 1, 4, 5) с сегментными элементами 5; 5; 5; 5; 5; 5в количестве 6 штук. Торцы сегментных элементов собирают по принципу «шип в паз». Поэтому при креплении фланцевого соединения шип 8 сегментного элемента 5 взаимодействует с пазом 7 последующего сегментного элемента 5. Аналогично собирают остальные сегментные элементы: 5 и 5; 5 и 5; 5 и 5; 5 и 5; 5и 5.
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
Затем снизу наворачивают гайки 9; 9; 9; 9; 9; 9 на соответствующие шпильки 4; 4; 4; 4; 4; 4и гаечным ключом (на фиг. 1 - 5 не показано) затягивают гайки 9; 9; 9; 9; 9; 9 (см. фиг. 1 и 5) на соответствующих шпильках 4; 4; 4; 4; 4; 4.
Повышается надежность работы крепления, так как благодаря соединению «шип в пазе» повышается герметичностью фланцевого соединения при давлении свыше 20,0 МПа. Это обусловлено тем, что при затягивании гаек, каждый шип, находящийся в пазе, оказывает дополнительную нагрузку через устьевой фланец на уплотнительное кольцо, оказывая равномерное усилие стяжки по всему периметру уплотнительного кольца.
Снижается трудоемкость и в два раза сокращается длительность монтажа (как сборки, так и разборки) крепления фланцевого соединения шпильками с сегментными элементами благодаря наличию зазора между сегментными элементами шпилек, а также благодаря тому, что торцы сегментных элементов собираются по принципу «шип в паз».
Снижается металлоемкость, так как зазор -s между сегментными элементами позволяет сэкономить металл.
Крепление фланцевого соединения шпильками с сегментными элементами позволяет:
- повысить надежность работы;
- снизить трудоемкость и длительность монтажа (демонтажа) крепления фланцевого соединения;
- снизить металлоемкость крепления.