РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ С ВЫСОКИМИ РАДИАЛЬНЫМИ НАГРУЗКАМИ И ДИФФЕРЕНЦИРОВАННО ОБРАБОТАННЫМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ
THREADED CONNECTION WITH HIGH RADIAL LOADS AND SELECTIVELY PROCESSED SURFACES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к резьбовым соединениям и предназначено, в частности, для соединения труб заданной длины при создании колонн, которые используются в углеводородной промышленности, особенно в области труб нефтяного сортамента (OCTG) и в подводных трубопроводах.
Уровень техники
В последние годы поиск нефти, или в более широком смысле углеводородов, предъявляет более высокие требования к аппаратуре и оборудованию, т.к. газовые и нефтяные месторождения или пласты располагаются все глубже под поверхностью земли или в труднодоступных местах. Разведка и разработка углеводородных месторождений ниже уровня морского дна требует использования аппаратуры, более устойчивой к воздействию экологических факторов, таких как усталость материала и коррозия, которые в прошлом имели меньшее значение.
Для добычи нефти и газа из месторождений ниже уровня морского дна используются подводные платформы, которые закрепляются на морском дне, а также колонны, обычно называемые стояками.
Данные колонны погружены в море и испытывают на себе перемещения, вызываемые морскими течениями и движениями поверхностных волн. В силу этих постоянных и периодических движений моря колонны не являются неподвижными, и подвержены поперечным смещениям малой амплитуды, которые могут вызвать деформации некоторых частей соединений и должны выдерживать нагрузки, способные вызвать напряжения труб в усталостном цикле, в частности, в зоне резьбового соединения. Данные напряжения обычно вызывают разрушения в трубах рядом с резьбой, поэтому необходимо повысить усталостную прочность резьбовых соединений.
На настоящий момент в нефтегазодобывающую промышленность переносятся усталостные характеристики и конструкция резьбовых соединений, заимствованные из других конструкционных областей.
В настоящее время не существует конкретных стандартов или проектных/размерных нормативов. Основные понятия содержатся в Британском стандарте/коде BS7608 практики расчета усталостной прочности и оценки стальных конструкций и кривой усталости класса В Норвежского стандарта по технике безопасности (DNV).
В предшествующем уровне техники присутствуют решения проблемы увеличения усталостной стойкости резьбовых соединений.
Документ EP 1726861 описывает способ изготовления резьбового соединения для трубы нефтяной скважины, в отношении которой применяется микродробеструйная поверхностная обработка для повышения прочности к усталостному разрушению.
Описанный способ увеличивает усталостную стойкость благодаря проведению дробеструйного упрочнения резьбового соединения в особых условиях.
2
Давление распыления: 0,4 МПа. Дистанция распыления: 100-150 мм. Продолжительность распыления: прибл. 1 с/см. Материал частиц дроби: углеродистая сталь с содержанием С 0,8-1,0% С (твердость по шкале С Роквелла 60 или выше). Диаметр частиц выбирается в соответствии с Таблицей 4. Также используется сочетание методов науглероживания и азотирования, которые способны дополнительно улучшить прочность к усталостному разрушению.
Тем не менее, возможно и дальнейшее улучшение усталостной стойкости резьбового соединения.
Раскрытие изобретения
Таким образом, задачей настоящего изобретения является получение резьбового соединения, в котором бы были устранены указанные выше недостатки. Главной задачей настоящего изобретения является создание соединения с повышенной усталостной стойкостью.
Резьбовое соединение, содержащее трубу с наружной резьбой, определяемую как «ниппель», и трубу с внутренней резьбой, определяемую как «муфта», причем ниппель имеет первый опорный заплечик, а муфта имеет второй опорный заплечик, указанные первый и второй опорные заплечики имеют стыкующиеся размеры, ниппель выполнен с возможностью вворачивания в муфту; между канавками резьбы ниппеля или муфты и выступами резьбы ответного элемента имеется натяг, измеренный согласно номинальным размерам ниппеля и муфты, величина натяга составляет 1%-5% от средней толщины стенки трубы; радиус R профиля резьбы от канавки к опорной стороне профиля резьбы составляет приблизительно  высоты профиля резьбы, а поверхность соединения подвергнута обработке, включающей дробеструйное упрочнение начальной и конечной части резьбовой зоны ниппеля.
В соответствии с изобретением, описанным в формуле изобретения, задача улучшения усталостной прочности резьбового соединения достигается за счет комбинированного действия нескольких характеристик, которые появляются по окончании свинчивания соединения соответствующей конструкции:
а) высокие радиальные нагрузки, так называемые окружные нагрузки, в зависимости от натяга профиля резьбы, для улучшения усталостной прочности;
б) высокие нагрузки на заплечик, для улучшения усталостной прочности;
в) увеличенный радиус R от канавки к боковой стороне профиля резьбы, понижающий концентрацию напряжения в канавках резьбы;
г) кроме того, соответствующая подготовка поверхности ниппеля и муфты, включающая в основном обработку дробеструйным упрочнением, дополнительно повышает усталостную прочность соединения.
Резьбовое соединение, рассматриваемое в настоящем изобретении, может монтироваться с помощью обычных присадок, жидких и густых смазок, систем, не содержащих присадки, и т.п.
Упомянутые характеристики соединения, которое рассматривается в изобретении, позволяют перенести растягивающие осевые нагрузки за счет обычного контакта боковых сторон резьбы, поскольку осевой натяг имеет нормативные стандартные значения, используемые в отрасли. С другой стороны, радиальные нагрузки в резьбовой части достигают повышенных значений по сравнению со стандартными, и это обеспечивает более высокую усталостную прочность и увеличивает срок службы соединения. Данные радиальные нагрузки на резьбу в основном зависят от радиального геометрического натяга, который обеспечивается за счет контроля различных диаметров и допусков, придающих конфигурацию резьбовому концу трубы.
Величина данного натяга, измеренная в соответствии с номинальными размерами ниппеля и муфты до свинчивания двух соединительных деталей, составляет не менее 1% средней толщины соединения, т.е. дополнение к средней толщине ниппеля и муфты для самого малого веса диапазона конструкций труб; и не более 5% средней толщины соединения, т.е. дополнение к средней толщине ниппеля и муфты для самого большого веса диапазона конструкций труб.
Данные значения натяга обеспечивают контроль уровня напряжений в соединении и исключают высокие коэффициенты концентрации напряжений. В таблице 1 ниже приведены примеры соответствующих значений натягов для двух труб различного диаметра и веса:
Таблица 1
Диаметр трубы в дюймах
Вес в фунт/фут
Натяг в %
Натяг в мкм
9 5/8
36
3%
370
13 3/8
98
2%
360
Однако другие параметры также обеспечивают необходимые радиальные нагрузки. К данным параметрам относятся диаметр и толщина трубы, тип резьбы, свойства материала, например модуль упругости, характеристики поверхности каждой детали соединения и т.п.
Краткое описание чертежей
Вышеупомянутые и другие задачи станут более ясными при рассмотрении следующего подробного описания и прилагаемых чертежей, на которых:
на Фиг.1 представлено сечение продольной осевой плоскости соединения в соответствии с настоящим изобретением;
на Фиг.2а и 2b представлен увеличенный вид элементов соединения на Фиг.1,
на Фиг.3 представлен график с кривыми, представляющими направление момента при свинчивании, прилагаемого к соединению настоящего изобретения,
на Фиг.4 представлен график сравнения результатов испытаний на усталость.
Осуществление изобретения
На чертежах изображено резьбовое соединение 1, соединяющее две трубы: трубу с наружной резьбой (ниппель) 2 с номинальным диаметром D, и трубу с внутренней резьбой (муфту) 3 с номинальным диаметром D1.
Ниппель 2 имеет резьбовую часть 4 с наружной резьбой соответствующего профиля, например трапециевидного, а муфта 3 имеет внутреннюю резьбовую часть 5 с внутренней резьбой соответствующей формы.
Общая ось трубы, ниппеля и муфты обозначена как А. Конструкция резьбы соединения основана на методе Тагучи, который использует теорию ортогональных матриц.
Д-р Тагучи разработал метод, основанный на экспериментах с «Ортогональной таблицей» и существенно снижающий отклонения для эксперимента и обеспечивающий оптимальные установки значений параметров управления. Данный метод использует преимущество имеющихся знаний о продукте/процессе. «Ортогональные таблицы» представляют набор сбалансированных (минимальных) экспериментов, а отношение сигнал/шум (с/ш) д-ра Тагучи служит целевой функцией при оптимизации и прогнозировании оптимальных результатов. Отношение сигнал/шум необходимо максимизировать, сводя к минимуму шумовые эффекты; уровень шума представлен в качестве погрешности, которая должна сохраняться на низком уровне, в противном случае в начале испытания считается, что выбор параметров не завершен, а сигнал не установлен должным образом.
Параметры для оценки с помощью методики были определены в двух возможных состояниях, см. ниже:
- радиусы профиля резьбы (0,2, 0,3 мм),
- натяг резьбы (0,9%, 4% от средней толщины соединения),
- поверхностная обработка (дробеструйное поверхностное упрочнение, без обработки),
- целевые значения момента на опорном заплечике (менее 12000 фут-фунт, более 18000 фут-фунт) в силу инерции трубных ключей для свинчивания.
По требованию методики Тагучи указанные выше параметры были скомбинированы при планировании эксперимента с помощью ортогональной матрицы L8 - восемь экспериментальных попыток. Эксперименты проводились при двух уровнях нагрузки на трубе с наружным диаметром 244 мм и толщиной 13,84 мм. Параметры сведены в таблице 2.
Таблица 2
Матрица Тагучи L8 и результаты тестирования
Номер испытания
Момент на заплечике (килофут-фунт-сила)
Натяг резьбы (% от диам.)
Радиус (мм)
Поверхностная обработка
1
<12
0,9%
0,3
дробеструйное
поверхностное
упрочнение
2
<12
0,9%
0,2
без обработки
3
<12
4%
0,2
без обработки
4
<12
4%
0,3
дробеструйное
поверхностное
упрочнение
5
>18
0,9%
0,3
без обработки
6
>18
0,9%
0,2
дробеструйное
поверхностное
упрочнение
7
>18
4%
0,2
дробеструйное
поверхностное
упрочнение
8
>18
4%
0,3
без обработки
На графике Фиг.4 представлено различие стандартного соединения и данных соединений, изготовленных в соответствии с таблицей выше и представляющих собой наиболее эффективную комбинацию применения большего натяга резьбы, более высокой энергии на заплечике, большего радиуса и поверхности, подвергнутой дробеструйному поверхностному упрочнению. Основные эффекты наблюдаются в области выше предела усталости материала ~90 МПа.
В соответствии с данной методологией конструкции, по сравнению с переносом растягивающих осевых нагрузок посредством обычного контакта между боковыми сторонами резьбы, что определяет осевой натяг в областях значений, которые используются в современных соединениях, радиальные нагрузки на витках резьбы соединения настоящего изобретения должны достигать значений, превышающих значения современного уровня техники, что улучшает усталостную прочность.
Величина данных радиальных нагрузок в основном зависит от радиального геометрического натяга, который достигается за счет соответствующей конфигурации различных диаметров и допусков ниппеля и муфты.
Предпочтительно увеличенный радиус R профиля резьбы от канавки к опорной стороне обеспечивает преимущество в усталостной прочности соединения.
Для должного выдерживания более высоких напряжений, возникающих в результате радиального натяга, в резьбе ниппеля и муфты радиус R профиля резьбы от канавки к опорной стороне должен иметь значение, превышающее изображенное, в частности, на Фиг.2б.
Испытание показало, что радиальный натяг по профилю резьбы соединения снижает концентрацию напряжений, обеспечивая в итоге больший радиус R.
Упомянутое высокое радиальное напряжение может возникать либо между выступами резьбы ниппеля и муфты, оставляя зазор между канавками резьбы ниппеля и выступами резьбы муфты (данный вариант конструкции не показан на рисунках), либо наоборот, как показано на Фиг.2б. Оба варианта могут также присутствовать одновременно на одном и том же соединении.
Максимальное значение, которое может иметь радиус R, ограничивается только необходимостью поддерживать эффективность напряжения соединения, особенно в изношенной резьбе. Если радиус слишком большой, возникает тенденция разъединения.
Значение радиуса R задано в % относительно высоты профиля резьбы, и в зависимости от используемых размеров значение может составлять от 0,2 до 0,4 мм, а оптимальным значением является 0,3 мм. Как показывают результаты выполненных испытаний, данное значение обеспечивает оптимальные характеристики резьбового соединения. Кроме того, в отношении соединения применяется поверхностное упрочнение, например дробеструйное упрочнение, азотизация, науглероживание и холодная обработка. Это оказывает несколько видов воздействий.
Во-первых, это обеспечивает сжимающие предварительные микронагрузки, улучшающие усталостную прочность, согласно широкоизвестному анализу усталости. Поэтому в предпочтительном воплощении изобретения используется дробеструйное упрочнение, которое обеспечивает более высокие предварительные нагрузки.
Во-вторых, обработка поверхности повышает твердость поверхности. Как показано и уточнено в теориях холодной сварки, различие твердости и обработки двух различных поверхностей снижает поверхностное повреждение резьбы между ними. Применение подобной обработки в отношении ниппеля и муфты или в различной степени на различных деталях соединения для получения различных свойств поверхности или на отдельных участках самих ниппеля и муфты, желательно в резьбовой зоне, также способно снизить тенденцию поверхностного повреждения резьбы и предотвратить появление микротрещин в результате подобного поверхностного повреждения резьбы, которые могут ухудшить усталостные характеристики. Например, фосфатирование одной из поверхностей для того, чтобы она отличалась от другой, в значительной степени уменьшает поверхностное повреждение резьбы. Однако при наличии высоких нагрузок само по себе фосфатирование не эффективно, и его сочетание с процессом отвержения, например, с так называемым дробеструйным упрочнением, обеспечивает подобные свойства и повышает устойчивость соединения к высокому давлению в зоне контакта.
В предпочтительном варианте воплощения изобретения подобное поверхностное упрочнение применяется в отношении ниппеля, на который обычно приходится большая нагрузка, по сравнению со вторым отрезком трубы и, в частности, обрабатывается начало и конец резьбовой зоны, подверженные более высоким концентрациям напряжений. Это обеспечит более равномерное распределение напряжения по всей резьбе.
После проведения нескольких испытаний, в ходе которых были получены оптимальные результаты, были заданы правильные технологические параметры для дробеструйного упрочнения.
Один из основных технологических параметров - интенсивность дробеструйного упрочнения, которую можно измерить с помощью пробы Альмена, аттестованной по стандарту SAEJ442a. Согласно результатам проведенных испытаний, для целей изобретения подходят значения интенсивности Альмена от 006А до 015А.
Другим важным параметром является диаметр дроби (стальные или стеклянные частицы сферической формы), который необходимо определить в соответствии с геометрией деталей, предназначенных для обработки. Для целей настоящего изобретения подходит дробь диаметром 0,15 мм-0,35 мм.
Преимущество представленного резьбового соединения состоит в том, что оно может демонстрировать повышенную усталостную стойкость в ходе свинчивания, когда соединению придается дополнительное осевое возбуждение путем ввода высоких нагрузок в опорные заплечики 6 и 7 между ниппелем и муфтой.
Для этого соединению придается дополнительный момент свинчивания, что обеспечивает дополнительную нагрузку на опорный заплечик. Это дает поразительный результат ввиде повышенной усталостной прочности соединения.
Данная дополнительная нагрузка оказывает дополнительное сжимающее воздействие, создавая напряжение муфты 3 и сжимание ниппеля 2, улучшая, таким образом, устойчивость к усталостному напряжению. Это обеспечивается за счет уравновешивания распределения напряжений по всей протяженности соединения 1, в частности по ниппелю 2.
Что касается графика на Фиг.3, он представляет собой график в декартовой системе координат, на котором по оси абсцисс откладывается количество оборотов свинчивания, а по оси ординат - величина момента. На графике изображены две кривые 10 и 11.
Кривая 10 отражает изменение момента для современного соединения в ходе свинчивания, в соответствии с общепринятой практикой. Точка «а» кривой 10 является начальной точкой свинчивания. На отрезке «а-b» кривой изображено постепенное увеличение момента в силу обычного радиального натяга, используемого во многих современных соединениях. На отрезке «b-с» кривой изображено увеличение величины момента в результате передачи энергии на опорные заплечики между ниппелем и муфтой.
Кривая 11 показывает изменение момента, прилагаемого к соединению в соответствии со способом настоящего изобретения. На отрезке «a-d» кривой изображено постепенное увеличение момента под более крутым углом, который обусловлен большим радиальным натягом между выступами и канавками резьбы ниппеля и муфты. На отрезке кривой «d-e» изображено резкое увеличение момента в результате передачи энергии на опорные заплечики 6 и 7 до величины, соответствующей свинчиванию в соответствии с общепринятой практикой известных методов свинчивания. На отрезке «e-f» изображен дополнительный момент, далее условно именуемый «Δ-момент» согласно методу свинчивания, который рассматривается в настоящем изобретении.
При анализе метода свинчивания, рассматриваемого в настоящем изобретении, внимания заслуживают две точки:
1) точка момента опорного заплечика «d», в которой наклон кривой резко увеличивается, показывает, что свинчивание достигло того положения на опорном заплечике, в котором заплечик 6 ниппеля 2 соединяется впритык с заплечиком 7 муфты 3. Данная точка «d» является окончанием первой части кривой 11, в которой натяг резьбы является единственным сопротивлением приложенному моменту,
2) от точки «d» до конечной точки момента «f», в которой свинчивание заканчивается, кривая становится практически вертикальной линией, так как значение момента резко увеличивается, за часть оборота, сравнимого с предыдущей частью кривой. Причина этого в том, что необходимо преодолеть осевой натяг, потребляющий соответствующую энергию момента, которая сохранится в виде эластической энергии в соединении.
Дополнительный момент прилагается в конце свинчивания ниппеля 2 на муфту 3.
Например, когда обычный процесс свинчивания достигает окончательного момента, который создает нагрузку около 50% предела текучести, «Δ-момент», прилагаемый по методу, рассматриваемому в изобретении, увеличивает нагрузки до 80% предела текучести.
Данные значения могут варьироваться в пределах всего возможного диапазона от 1% до 99%.
Для каждого типа технических соединений определены удельные оптимизированные значения, спроектированные, испытанные и утвержденные в соответствии со следующей схемой.
На первом этапе учитываются такие параметры соединения, как диаметр, толщина, марка стали, тип резьбы. Выполняется предварительная оценка, моделирование и имитация оптимальных параметров свинчивания.
На втором этапе значения проходят полномасштабное испытание, и первоначальный процесс повторяется в итерационном цикле.
На третьем и последнем этапе свинченное соединение проходит дополнительные проверочные испытания, имитирующие фактические условия эксплуатации с целью подтверждения и проверки соединения и процесса свинчивания на соответствие требованиям.
Вследствие сложности процесса параметры свинчивания не определены ввиде таких абсолютных параметров, как диаметр или толщина стенки соединения. Δ-момент или отрезок «e-f» кривой 11 определен в качестве дополнительного крутящего момента или приращения момента в сравнении с кривой оборота. Как правило, ни обычный момент, ни Δ-момент не превышают предела текучести материала в зоне заплечиков. Обычно величина «Δ-момента» составляет от 10% до 50% обычного момента или же имеет такую величину, при которой значение окончательного момента, т.е. сумма обычного момента и «Δ-момент» достигает или включает значение от 50% до 90% предела текучести стали. Обычный или максимальный номинальный момент свинчивания определяется производителями отдельно по каждому соединению.
Изобретение рекомендуется использовать в сфере нефтегазопромысловых труб и магистральных трубопроводов для нефтегазодобывающей промышленности, в частности в подводных трубопроводах.