РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ДЛЯ СТАЛЬНЫХ ТРУБ
THREADED CONNECTION FOR STEEL PIPES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001]
Настоящее изобретение относится к резьбовому соединению, предназначенному для соединения стальных труб.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002]
В нефтяных скважинах, газовых скважинах и иных подобных объектах (далее совместно именуемых «нефтяными скважинами») для добычи подземных ресурсов применяют стальные трубы, называемые трубами нефтепромыслового сортамента (OCTG). Стальные трубы соединяют последовательно. Для соединения стальных труб используют резьбовые соединения.
[0003]
Резьбовые соединения стальных труб по типу условно подразделяют на муфтовые соединения и внутренние (безмуфтовые) соединения. В случае резьбового соединения муфтового типа одна из соединяемых труб в паре является стальной трубой, а другая труба является соединительной муфтой. В этом случае участки с наружной резьбой формируют на наружной окружности обоих концевых участков стальной трубы, а участки с внутренней резьбой формируют на внутренней окружности обоих концевых участков соединительной муфты. После этого стальную трубу и соединительную муфту соединяют друг с другом. В случае резьбового соединения внутреннего типа обе соединяемые трубы представляют собой стальные трубы, и отдельные соединительные муфты не применяются. В этом случае участок с наружной резьбой формируют на наружной окружности одного концевого участка каждой стальной трубы, а участок с внутренней резьбой формируют на внутренней окружности другого концевого участка. После этого разные концы стальных труб соединяют друг с другом.
[0004]
Соединительная часть переднего концевого участка трубы, на котором сформирована наружная резьба, содержит элемент, вставляемый в участок с внутренней резьбой, и называется ниппелем. Напротив, соединительная часть переднего концевого участка трубы, на котором сформирована внутренняя резьба, содержит элемент, принимающий участок с наружной резьбой, и называется муфтой. Ниппель и муфта представляют собой концевые части трубы и, соответственно, имеют трубчатую форму.
[0005]
На ФИГ. 1 изображено продольное сечение, иллюстрирующее типовое, обычно используемое резьбовое соединение стальных труб. Резьбовое соединение, изображенное на ФИГ. 1, является резьбовым соединением муфтового типа и содержит ниппель 10 и муфту 20 (например, см. публикацию японской патентной заявки № 10-096489 (патентный документ 1)).
[0006]
Ниппель 10, по порядку от переднего конца ниппеля 10 к телу 11 трубы ниппеля 10, содержит кольцевую упорную поверхность 12, кольцевую уплотнительную поверхность 13 и участок 14 с наружной резьбой. На ниппеле 10 уплотнительная поверхность 13 расположена рядом с упорной поверхностью 12. Муфта 20, по порядку от тела 21 трубы муфты 20 к переднему концу муфты 20, содержит кольцевую упорную поверхность 22, кольцевую уплотнительную поверхность 23 и участок 24 с внутренней резьбой. В муфте 20 уплотнительная поверхность 23 расположена рядом с упорной поверхностью 22.
[0007]
Когда ниппель 10 и муфту 20 соединяют друг с другом посредством ввинчивания ниппеля 10 в муфту 20, упорная поверхность 12 ниппеля 10 соприкасается с упорной поверхностью 22 муфты 20. Когда вращение ниппеля 10 на предварительно заданное количество оборотов продолжается, возникает фиксирующее осевое усилие натяжения между участком 14 с наружной резьбой и участком 24 с внутренней резьбой, входящими в зацепление друг с другом, в результате чего свинчивание завершается. В состоянии, в котором свинчивание завершено (в дальнейшем называемом «свинченное состояние») уплотнительная поверхность 13 ниппеля 10 соприкасается с уплотнительной поверхностью 23 муфты 20, одновременно взаимодействуя с уплотнительной поверхностью 23 и формируя уплотняющую часть путем контакта с металлом. Эта уплотняющая часть обеспечивает герметизирующую способность резьбового соединения.
[0008]
В последнее время, по мере смещения нефтяных скважин на большие глубины и в ультраабиссальные зоны, параметры среды вокруг нефтяных скважин также смещаются в экстремальный диапазон с высокими значениями температуры и давления. В таких условиях нефтяных скважин сжимающая нагрузка, растягивающая нагрузка, давление снаружи (в дальнейшем называемое «внешним давлением») и изнутри (в дальнейшем называемое «внутренним давлением»), воздействующие на трубы нефтепромыслового сортамента, чрезвычайно велики. Поэтому, в частности, в качестве обсадных или насосно-компрессорных труб нефтепромыслового сортамента используют толстостенные стальные трубы. Если для соединения таких толстостенных стальных труб применяют резьбовое соединение, изображенное на ФИГ. 1, то требуется, чтобы такое резьбовое соединение имело прочность, сопоставимую с прочностью тела толстостенных стальных труб, и высокую герметизирующую способность. В частности, требуется герметизирующая способность, противодействующая внешнему давлению.
[0009]
В данном случае сжимающая нагрузка воспринимается контактной поверхностью между упорной поверхностью 12 ниппеля 10 и упорной поверхностью 22 муфты 20 (в дальнейшем называемой «упорной контактной поверхностью»). Как показано на ФИГ. 1, в обычном резьбовом соединении для получения максимальной площади упорной контактной поверхности упорная поверхность 12 ниппеля 10 вступает в соприкосновение с упорной поверхностью 22 муфты 20 по всей их площади. В частности, диаметр Dpi внутренней окружной кромки упорной поверхности 12 ниппеля 10 в значительной степени совпадает с диаметром Dbi внутренней окружной кромки упорной поверхности 22 муфты 20.
СПИСОК ЦИТИРУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ
ПАТЕНТНАЯ ЛИТЕРАТУРА
[0010]
ПАТЕНТНЫЙ ДОКУМЕНТ 1: публикация японской патентной заявки № 10096489
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ТЕХНИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА
[0011]
Задачей настоящего изобретения является разработка резьбового соединения стальных труб, способного обеспечить достаточную герметизирующую способность по отношению к внешнему давлению даже при использовании толстостенной стальной трубы.
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ
[0012]
Резьбовое соединение для стальных труб согласно настоящему варианту осуществления содержит ниппель и муфту трубы. Ниппель, в порядке от переднего конца ниппеля к телу трубы ниппеля, содержит кольцевую упорную поверхность, кольцевую уплотнительную поверхность, примыкающую к упорной поверхности ниппеля, и участок с наружной резьбой. Муфта, в порядке от тела трубы муфты к переднему концу муфты, содержит кольцевую упорную поверхность, кольцевую уплотнительную поверхность, примыкающую к упорной поверхности муфты, и участок с внутренней резьбой. Упорная поверхность как ниппеля, так и муфты отклонена относительно плоскости, перпендикулярной оси трубы, в направлении ввинчивания ниппеля. Диаметр внутренней окружной кромки упорной поверхности ниппеля меньше диаметра внутренней окружной кромки упорной поверхности муфты.
ПОЛЕЗНЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0013]
Резьбовое соединение стальных труб согласно вариантам осуществления данного изобретения позволяет эффективно обеспечить герметизирующую способность относительно внешнего давления даже при использовании толстостенной стальной трубы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0014]
[ФИГ. 1] На ФИГ. 1 изображено продольное сечение, иллюстрирующее типовое, обычно используемое резьбовое соединение стальных труб.
[ФИГ. 2] На ФИГ. 2 изображено продольное сечение, иллюстрирующее резьбовое соединение стальных труб, предложенное настоящим изобретением.
[ФИГ. 3] На ФИГ. 3 изображено продольное сечение, иллюстрирующее область переднего конца ниппеля резьбового соединения, показанного на ФИГ. 2, в увеличенном виде.
[ФИГ. 4] На ФИГ. 4 изображено продольное сечение, иллюстрирующее область переднего конца ниппеля резьбового соединения, показанного на ФИГ. 2, в увеличенном виде.
РАСКРЫТИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0015]
Для решения поставленной задачи авторы изобретения провели различные расчеты и испытания, а также интенсивные исследования. В итоге были получены следующие результаты.
[0016]
Герметизирующую способность резьбового соединения толстостенных стальных труб можно повысить следующими способами. Первый способ, показанный на ФИГ. 1, предусматривает увеличение толщины стенки участка 15, содержащего уплотнительную поверхность 13 ниппеля 10 (в дальнейшем называемую «уплотняющей частью ниппеля»).
[0017]
Первый способ основан на следующем рассуждении. При большой толщине стенки уплотняющей части 15 ниппеля увеличивается жесткость уплотняющей части 15 ниппеля в радиальном направлении. Такая большая толщина стенок повышает способность к восстановлению формы и размеров уплотняющей части 15 ниппеля, что приводит к увеличению контактного усилия между уплотнительной поверхностью 13 ниппеля 10 и уплотнительной поверхностью 23 муфты 20 в свинченном состоянии (в дальнейшем называемого «контактное усилие уплотнения») и, тем самым, к повышению герметизирующей способности относительно внутреннего и внешнего давления. Кроме того, большая толщина стенок предотвращает радиальную сжимающую деформацию уплотняющей части 15 ниппеля при воздействии внешнего давления на ниппель 10. Поэтому можно свести к минимуму снижение контактного усилия уплотнения даже в условиях воздействия внешнего давления на ниппель 10. Поэтому можно сказать, что большая толщина стенки уплотняющей части 15 ниппеля может предотвратить снижение герметизирующей способности относительно внешнего давления.
[0018]
В первом способе увеличение толщины стенки уплотняющей части 15 ниппеля приводит к увеличению площади упорной поверхности 12 ниппеля 10. В обычном резьбовом соединении упорная поверхность 12 ниппеля 10 соприкасается с упорной поверхностью 22 муфты 20 по всей площади. Поэтому упорная поверхность 22 муфты 20 также имеет большую площадь. Иными словами, упорная контактная поверхность имеет большую площадь.
[0019]
Тем не менее, если упорная контактная поверхность имеет чрезмерно большую площадь, контактное усилие между упорной поверхностью 12 ниппеля 10 и упорной поверхностью 22 муфты 20 (в дальнейшем называемое контактным усилием упора) становится неравномерным на упорной контактной поверхности. Неравномерность контактного усилия упора значительно влияет на уплотняющую часть, примыкающую к упорной контактной поверхности. Поэтому контакт уплотняющей части становится, по существу, неравномерным, что приводит к снижению герметизирующей способности.
[0020]
В отличие от первого способа, раскрытого выше, во втором способе может быть предусмотрено уменьшение толщины стенки уплотняющей части 15 ниппеля. В этом случае уменьшение толщины стенки уплотняющей части 15 ниппеля приводит к уменьшению площади упорной поверхности 12 ниппеля 10 и площади упорной поверхности 22 муфты 20. Поэтому упорная контактная поверхность имеет малую площадь. Таким образом, контактное усилие упора может быть равномерным.
[0021]
Тем не менее, во втором способе уменьшение толщины стенки уплотняющей части 15 ниппеля приводит к снижению жесткости уплотняющей части 15 ниппеля в радиальном направлении. Это делает уплотняющую часть 15 ниппеля подверженной радиальной сжимающей деформации при воздействии внешнего давления на ниппель 10. Поэтому герметизирующая способность относительно внешнего давления, по существу, снижается.
[0022]
Таким образом, ни первый, ни второй способ не позволяют обеспечить герметизирующую способность по отношению к  внешнему давлению.
[0023]
Таким образом, при решении проблем, присущих, как первому, так и второму способу, авторы изобретения обратили внимание на уплотняющую часть ниппеля и упорную контактную поверхность. В частности, толщина стенки уплотняющей части ниппеля была увеличена с одновременным уменьшением площади упорной контактной поверхности. Это привело к увеличению жесткости уплотняющей части ниппеля в радиальном направлении и равномерности контактного усилия упора на упорной контактной поверхности. Это позволило стабилизировать контакт уплотняющей части. Следовательно, стало возможным обеспечить герметизирующую способность по отношению к внешнему давлению.
[0024]
Резьбовое соединение для стальных труб согласно настоящему изобретению реализовано на основании вышеуказанных фактов.
[0025]
Резьбовое соединение для стальных труб согласно настоящему варианту осуществления содержит трубчатый ниппель и трубчатую муфту. Ниппель, в порядке от переднего конца ниппеля к телу трубы ниппеля, содержит кольцевую упорную поверхность, кольцевую уплотнительную поверхность, примыкающую к упорной поверхности ниппеля, и участок с наружной резьбой. Муфта, в порядке от тела трубы муфты к переднему концу муфты, содержит кольцевую упорную поверхность, кольцевую уплотнительную поверхность, примыкающую к упорной поверхности муфты, и участок с внутренней резьбой. Упорная поверхность как ниппеля, так и муфты отклонена относительно плоскости, перпендикулярной оси трубы, в направлении ввинчивания ниппеля. Диаметр внутренней окружной кромки упорной поверхности ниппеля меньше диаметра внутренней окружной кромки упорной поверхности муфты.
[0026]
В типовом примере резьбовое соединение согласно настоящему варианту осуществления используют для соединения толстостенных стальных труб, используемых в качестве обсадных или насосно-компрессорных труб. Толщина стенок толстостенных стальных труб превышает 1 дюйм (25,4 мм).
[0027]
В резьбовом соединении согласно настоящему варианту осуществления площадь упорной поверхности ниппеля является большой, а площадь упорной поверхности муфты является малой. Это обусловлено тем, что диаметр внутренней окружной кромки упорной поверхности ниппеля меньше диаметра внутренней окружной кромки упорной поверхности муфты. Это приводит к тому, что толщина стенки уплотняющей части ниппеля является большой, что приводит к увеличению жесткости уплотняющей части ниппеля в радиальном направлении. Кроме того, поскольку площадь упорной контактной поверхности мала, обеспечивается равномерность контактного усилия упора по всей площади упорной контактной поверхности.
[0028]
Кроме того, в резьбовом соединении согласно настоящему варианту осуществления, когда резьбовое соединение находится в свинченном состоянии, упорная поверхность ниппеля и упорная поверхность муфты находятся в прижимном контакте друг с другом  в форме крюкообразного зацепления. Это обусловлено тем, что упорная поверхность как ниппеля, так и муфты отклонена относительно плоскости, перпендикулярной оси трубы, в направлении ввинчивания ниппеля. В результате уплотняющая часть ниппеля постоянно воспринимает силу реакции в направлении радиального расширения уплотняющей части ниппеля. Таким образом, уплотняющая часть ниппеля противодействует радиальной сжимающей деформации при воздействии внешнего давления на ниппель.
[0029]
По вышеназванной причине контакт между уплотняющими частями стабилизируется, даже в случае использования толстостенной стальной трубы. Следовательно, можно в достаточной степени обеспечить герметизирующую способность по отношению к внешнему давлению.
[0030]
В вышеуказанном резьбовом соединении угол подачи упорных поверхностей как ниппеля, так и муфты относительно плоскости, перпендикулярной оси трубы, составляет, предпочтительно, от 5° до 20°. Если угол подачи упорных поверхностей составляет 5° и более, упорная поверхность ниппеля и упорная поверхность муфты в свинченном состоянии находятся в надежном прижимном контакте друг с другом в форме крюкообразного зацепления. Угол подачи упорной поверхности составляет, предпочтительно, 10° и более. В то же время, если угол подачи упорной поверхности составляет 20° и менее, деформация упорной части муфты будет малой даже при многократном приложении сжимающей нагрузки. Это позволяет эффективно поддерживать прижимной контакт между упорными поверхностями в форме крюкообразного зацепления.
[0031]
В вышеупомянутом резьбовом соединении толщина tp кольцевой упорной области ниппеля, возникающей, когда упорную поверхность ниппеля проецируют на плоскость, перпендикулярную оси трубы, предпочтительно, составляет 60% и более от толщины t стенки тела трубы ниппеля. Если толщина tp упорной области ниппеля составляет 60% и более от толщины t стенки тела трубы ниппеля, толщина стенки уплотняющей части ниппеля будет, по существу, большой.
[0032]
Напротив, верхний предел толщины tp упорной области ниппеля не ограничивается определенным значением. Тем не менее, чрезмерно большая толщина tp упорной области ниппеля делает затрудненным обеспечение длины участка с наружной резьбой. Таким образом, толщина tp упорной области ниппеля, предпочтительно, составляет 80% и менее от толщины t стенки тела трубы ниппеля.
[0033]
В вышеупомянутом резьбовом соединении толщина tb кольцевой упорной области муфты, возникающей, когда упорную поверхность муфты проецируют на плоскость, перпендикулярную оси трубы, предпочтительно, составляет от 20% до 55% от толщины t стенки тела трубы ниппеля. Упорная область муфты эквивалентна кольцевой области контактной упорной поверхности, возникающей при проецировании контактной упорной поверхности на плоскость, перпендикулярную оси трубы.
[0034]
Если толщина tb упорной области муфты (область контактной упорной поверхности) составляет 20% и более от толщины t стенки тела трубы ниппеля, то в случае приложения чрезмерной сжимающей нагрузки к резьбовому соединению можно предотвратить пластическую деформацию упорной поверхности и уплотнительной поверхности, примыкающей к упорной поверхности, что позволит стабилизировать состояние контакта с уплотнительной поверхностью. Следовательно, можно обеспечить уплотняющее контактное усилие. В более предпочтительном варианте толщина tb упорной области муфты составляет 30% и более от толщины t стенки тела трубы ниппеля. Напротив, при толщине tb упорной области муфты, составляющей 55% и менее от толщины t стенки тела трубы ниппеля, площадь контактной упорной поверхности становится, по существу, малой. В более предпочтительном варианте толщина tb упорной области муфты составляет 45% и менее от толщины t стенки тела трубы ниппеля.
[0035]
Точнее говоря, между упорной поверхностью и уплотнительной поверхностью в продольном сечении ниппеля находится выпуклая угловая часть. Эта выпуклая угловая часть соединяет в единое целое упорную поверхность и уплотнительную поверхность ниппеля. Аналогичным образом, между упорной поверхностью и уплотнительной поверхностью в продольном сечении муфты находится вогнутая угловая часть. Эта вогнутая угловая часть соединяет в единое целое упорную поверхность и уплотнительную поверхность муфты. Радиусы этой выпуклой угловой части и вогнутой угловой части, видимые в продольном сечении, не превышают примерно 1,5 мм. В этом случае толщина tp упорной области ниппеля не включает область выпуклой угловой части. Аналогичным образом, толщина tb упорной области муфты не включает область вогнутой угловой части.
[0036]
Отдельный пример резьбового соединения для стальных труб согласно данному варианту осуществления будет раскрыт ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи.
[0037]
На ФИГ. 2 изображено продольное сечение, иллюстрирующее резьбовое соединение стальных труб, предложенное настоящим изобретением. На ФИГ. 3 и ФИГ. 4 изображены продольные сечения, каждое из которых иллюстрирует область переднего конца ниппеля резьбового соединения, показанного на ФИГ. 2, в увеличенном виде. На ФИГ. 3 показано свинченное состояние. На ФИГ. 4 показано состояние, в котором ниппель 10 отделен от муфты 20 для удобства раскрытия. Сплошные белые стрелки на ФИГ. 2 - ФИГ. 4 показывают направление ввинчивания ниппеля 10 относительно муфты 20. В настоящем описании под продольным сечением понимают сечение, включающее ось CL трубы резьбового соединения (см. ФИГ. 2).
[0038]
Как показано на ФИГ. 2-ФИГ. 4, резьбовое соединение в данном варианте осуществления является резьбовым соединением муфтового типа и содержит ниппель 10 и муфту 20. Ниппель 10 представляет собой толстостенную стальную трубу.
[0039]
Ниппель 10, в порядке от переднего конца ниппеля 10 к телу 11 трубы ниппеля 10, содержит кольцевую упорную поверхность 12, кольцевую уплотнительную поверхность 13 и участок 14 с наружной резьбой. Здесь и далее упорная поверхность 12 ниппеля 10 будет называться «упорной поверхностью ниппеля». Уплотнительная поверхность 13 ниппеля 10 будет называться «уплотнительной поверхностью ниппеля».
[0040]
Упорная поверхность 12 ниппеля представляет собой кольцевую поверхность, формирующую переднюю концевую поверхность ниппеля 10 и отклоненную относительно плоскости, перпендикулярной оси CL трубы, в направлении ввинчивания ниппеля 10. Это приводит к тому, что наружная окружная кромка 12b упорной поверхности 12 ниппеля (кромка, наиболее удаленная от оси CL трубы) выступает от внутренней окружной кромки 12a упорной поверхности 12 ниппеля (кромка, наиболее приближенная к оси CL трубы) в направлении ввинчивания ниппеля 10. Уплотнительная поверхность 13 ниппеля примыкает к упорной поверхности 12 ниппеля. Таким образом, уплотнительная поверхность 13 ниппеля соединяется с внешней окружной кромкой 12b упорной поверхности 12 ниппеля. Уплотнительная поверхность 13 ниппеля представляет собой конусообразную кольцевую поверхность. Следует отметить, что уплотнительная поверхность 13 ниппеля может иметь форму, сформированную объединением конусообразной кольцевой поверхности и поверхности, эквивалентной окружной поверхности тела вращения, полученной вращением кривой, в частности, дуги вокруг оси CL трубы. Диаметр уплотнительной поверхности 13 ниппеля уменьшается по мере того, как ниппель 10 простирается в направлении его передней концевой стороны (вплотную к упорной поверхности 12 ниппеля).
[0041]
Муфта 20, в порядке от тела 21 трубы муфты 20 к переднему концу муфты 20, содержит кольцевую упорную поверхность 22, кольцевую уплотнительную поверхность 23 и участок 24 с внутренней резьбой. Здесь и далее упорная поверхность 22 муфты 20 будет называться «упорной поверхностью муфты». Уплотнительная поверхность 23 муфты 20 будет называться «уплотнительной поверхностью муфты».
[0042]
Упорная поверхность 22 муфты представляет собой кольцевую поверхность, соответствующую упорной поверхности 12 ниппеля и отклоненную относительно плоскости, перпендикулярной оси CL трубы, в направлении ввинчивания ниппеля 10. Это приводит к тому, что внутренняя окружная кромка 22a упорной поверхности 22 муфты (кромка, наиболее приближенная к оси CL трубы) выступает от наружной окружной кромки 22b упорной поверхности 22 муфты (кромка, наиболее удаленная от оси CL трубы) в направлении, противоположном направлению ввинчивания ниппеля 10. Уплотнительная поверхность 23 муфты примыкает к упорной поверхности 22 муфты. Таким образом, уплотнительная поверхность 23 муфты соединяется с внешней окружной кромкой 22b упорной поверхности 22 муфты. Эта уплотнительная поверхность 23 муфты представляет собой конусообразную кольцевую поверхность, соответствующую уплотнительной поверхности 13 ниппеля. Следует отметить, что уплотнительная поверхность 23 муфты может иметь форму, сформированную объединением конусообразной кольцевой поверхности и поверхности, эквивалентной окружной поверхности тела вращения, полученной вращением кривой, в частности, дуги вокруг оси CL трубы.
[0043]
Участок 14 ниппеля 10 с наружной резьбой соответствует участку 24 муфты 20 с внутренней резьбой. Как участок 14 с наружной резьбой, так и участок 24 с внутренней резьбой содержит вершины, впадины, закладные стороны и опорные стороны резьбы.
[0044]
Согласно данному варианту осуществления, диаметр Dpi внутренней окружной кромки 12а упорной поверхности 12 ниппеля меньше диаметра Dbi внутренней окружной кромки 22а упорной поверхности 22 муфты. Упорная поверхность 12 ниппеля имеет большую площадь, а упорная поверхность 22 муфты – малую площадь. Поэтому контактная упорная поверхность 30 имеет малую площадь. Диаметр Dpi внутренней окружной кромки 12a упорной поверхности 12 ниппеля совпадает с внутренним диаметром тела 11 трубы ниппеля 10. Таким образом, внутренний диаметр ниппеля 10 является постоянным.
[0045]
В данном варианте осуществления углы подачи θp и θb упорной поверхности 12 ниппеля и упорной поверхности 22 муфты относительно поверхности, перпендикулярной оси CL трубы, составляют от 5° до 20°. Толщина tp кольцевой упорной области ниппеля, возникающей, когда упорную поверхность 12 ниппеля проецируют на плоскость, перпендикулярную оси CL трубы, составляет 60% и более от толщины t стенки тела 11 трубы ниппеля 10. Толщина tb кольцевой упорной области муфты, возникающей, когда упорную поверхность 22 муфты проецируют на плоскость, перпендикулярную оси CL трубы, составляет от 20% до 55% от толщины t стенки тела 11 трубы ниппеля 10.
[0046]
Если ниппель 10 и муфта 20 соединены друг с другом путем ввинчивания ниппеля 10 в муфту 20, участок 14 с наружной резьбой входит в зацепление с участком 24 с внутренней резьбой. Часть упорной поверхности 12 ниппеля соприкасается со всей упорной поверхностью 22 муфты. То есть упорная поверхность 12 ниппеля соприкасается с упорной поверхностью 22 муфты в пределах контактной упорной поверхности 30. Когда вращение ниппеля 10 продолжается на предварительно заданное количество оборотов часть упорной поверхности 12 ниппеля и вся площадь упорной поверхности 22 муфты находятся в прижимном контакте друг с другом в форме крюкообразного зацепления. В результате возникает фиксирующее осевое натяжение между участком 14 с наружной резьбой и участком 24 с внутренней резьбой, входящими в зацепление друг с другом, в результате чего свинчивание завершается. В свинченном состоянии уплотнительная поверхность 13 ниппеля соприкасается с уплотнительной поверхностью 23 муфты, взаимодействуя с уплотнительной поверхностью 23 и формируя уплотняющую часть путем контакта с металлом. Эта уплотняющая часть обеспечивает герметизирующую способность резьбового соединения.
[0047]
Как показано на ФИГ. 2-ФИГ. 4, в резьбовом соединении согласно настоящему варианту осуществления используется большая площадь упорной поверхности 12 ниппеля и малая площадь упорной поверхности 22 муфты. В результате увеличивается толщина стенки уплотняющей части 15 ниппеля, что приводит к увеличению жесткости уплотняющей части 15 ниппеля в радиальном направлении. Кроме того, малая площадь контактной упорной поверхности 30 обеспечивает равномерное контактное упорное усилие по всей площади контактной упорной поверхности 30.
[0048]
Кроме того, в резьбовом соединении согласно настоящему варианту осуществления, когда резьбовое соединение находится в свинченном состоянии, часть упорной поверхности 12 ниппеля и вся упорная поверхность 22 муфты находятся в прижимном контакте друг с другом в форме крюкообразного зацепления. В результате уплотняющая часть 15 ниппеля постоянно воспринимает силу реакции в направлении радиального расширения уплотняющей части ниппеля. Таким образом, уплотняющая часть 15 ниппеля противодействует радиальной сжимающей деформации при воздействии внешнего давления на ниппель 10.
[0049]
По этой причине контакт между уплотняющими частями стабилизируется, даже в случае использования толстостенной стальной трубы. Это позволяет эффективно обеспечить герметизирующую способность по отношению к внешнему давлению.
ПРИМЕРЫ
[0050]
Для подтверждения эффектов настоящего изобретения авторы изобретения выполнили численное моделирование и анализ с использованием метода упруго-пластичных конечных элементов (FEM-анализ).
[0051]
[Пример 1]
[Условия испытаний]
При анализе методом конечных элементов использовалась модель резьбового соединения муфтового типа, в которой диаметр Dpi внутренней окружной кромки упорной поверхности ниппеля и диаметр Dbi внутренней окружной кромки упорной поверхности муфты различным образом изменялись. Общие условия заключались в следующем.
- Размеры стальной трубы (тело ниппеля): 7-5/8 дюймов x 1,06 дюйма (наружный диаметр 193,7 мм, толщина стенки 27,0 мм).
2
- Марка стальной трубы: P110 по стандарту API (углеродистая сталь с номинальным пределом текучести 110 кфунт/дюйм).
- Диаметр Do внешней окружной кромки упорной поверхности (упорной поверхности ниппеля и упорной поверхности муфты): 179,9 мм.
- Угол подачи упорной поверхности: 15°.
- Шаг резьбы: 5,08 мм.
- Угол наклона опорной стороны: -3°.
- Угол наклона закладной стороны: 10°.
- Зазор на закладной стороне: 0,15 мм.
[0052]
Измененные размеры соответствовали приведенной ниже таблице 1.
[0053]
[Таблица 1]
ТАБЛИЦА 1
№
Dpi[мм]
Dbi[мм]
Dpi-Dbi[мм]
tp/t[%]
tb/t[%]
Герметизирующая способность [безразмерная величина]
Категория
Внешнее давление + сжимающая нагрузка
Только внешнее давление
1
146,67
154,32
-7,65
62
47
1,17
1,18
Пример согласно изобретению
2
146,67
146,67
0
62
63
1,00
1,00
Сравнительный пример(эталон)
3
146,67
150,20
-3,53
62
55
1,10
1,08
Пример согласно изобретению
4
146,67
158,45
-11,78
62
40
1,22
1,25
Пример согласно изобретению
5
146,67
162,58
-15,91
62
32
1,20
1,21
Пример согласно изобретению
6
146,67
166,71
-20,04
62
24
1,11
1,13
Пример согласно изобретению
7
150,20
150,20
0
55
56
0,95
0,70
Сравнительный пример
8
154,32
154,32
0
47
48
0,86
0,32
Сравнительный пример
9
158,45
158,45
0
40
41
0,70
0,00
Сравнительный пример
(Примечание) Значения обозначений в таблице 1 следующие.
Dpi: Диаметр внутренней окружной кромки упорной поверхности ниппеля [мм].
Dbi: Диаметр внутренней окружной кромки упорной поверхности муфты [мм].
tp: Толщина упорной области ниппеля [мм].
t: Толщина стенки тела трубы ниппеля [мм].
tb: Толщина упорной области муфты [мм].
[0054]
2
При анализе методом конечных элементов предполагается, что материал резьбового соединения представляет собой изотропно-упрочненное упруго-пластичное тело. Модуль упругости упруго-пластичного тела установлен равным 210 ГПа, а предел текучести упруго-пластичного тела в виде предела текучести 0,2% равным 110 кфунт/дюйм (758,3 МПа). Затягивание продолжали до соприкосновения упорной поверхности ниппеля с упорной поверхностью муфты и выполнения 1,0/100 оборота.
[0055]
Испытания № 1 и 3-6 относятся к примерам согласно настоящему изобретению, предназначенным для представления резьбовых соединений согласно данному варианту осуществления, причем в каждом из этих примеров диаметр Dpi внутренней окружной кромки упорной поверхности ниппеля был меньше диаметра Dbi внутренней окружной кромки упорной поверхности муфты. Испытание № 2 являлось сравнительным примером настоящего изобретения, предназначенным для представления обычного резьбового соединения, в котором диаметр Dpi внутренней окружной кромки упорной поверхности ниппеля совпадал с диаметром Dbi внутренней окружной кромки упорной поверхности муфты. Испытания № 7-9 относятся к сравнительным примерам настоящего изобретения, в каждом из которых диаметр Dpi внутренней окружной кромки упорной поверхности ниппеля совпадал с диаметром Dbi внутренней окружной кромки упорной поверхности муфты.
[0056]
[Способ оценки]
При анализе методом конечных элементов к модели в свинченном состоянии были применены этапы нагрузки (сочетания внутреннего давления, внешнего давления, растягивающей и сжимающей нагрузки), имитирующие испытание серии А согласно стандарту ISO13679 2011. Среди точек приложения нагрузки в цикле внешнего давления в истории этапов нагрузки внимание уделялось точке приложения нагрузки внешнего давления и сжимающей нагрузки и точке приложения нагрузки только внешнего давления, и в каждой точке приложения нагрузки оценивалась герметизирующая способность уплотняющей части. В данном случае исследовали контактное усилие уплотнения [Н/мм] в условиях внешнего давления и сжимающей нагрузки, а также контактное усилие уплотнения [Н/мм] только в условиях внешнего давления. Упомянутое здесь контактное усилие уплотнения имеет значение [среднее контактное межфазное давление между уплотнительными поверхностями] x [ширина контакта], при этом, чем выше это значение, тем лучше герметизирующая способность.
[0057]
В частности, оценка герметизирующей способности была выполнена по отношению к испытанию № 2. В частности, контактное усилие уплотнения в условиях внешнего давления и сжимающей нагрузки, а также контактное усилие уплотнения в условиях только внешнего давления в испытании № 2 считалось уровнем отсчета (1,00), и соотношение контактных усилий уплотнения в каждом испытании сравнивали с соответствующими контактными усилиями уплотнения в испытании № 2.
[0058]
[Результат испытаний]
Результаты испытаний сведены в вышеприведенную таблицу 1. Из результатов, приведенных в таблице 1, видно следующее. В каждом из испытаний № 1 и 3-6, являющихся примером согласно настоящему изобретению, герметизирующая способность была улучшена по сравнению с испытанием № 2, являющимся эталонным сравнительным примером. Это может быть связано с таким условием, что диаметр Dpi внутренней окружной кромки упорной поверхности ниппеля был меньше диаметра Dbi внутренней окружной кромки упорной поверхности муфты. В частности, в каждом из испытаний № 1 и 3-6 герметизирующая способность дополнительно улучшилась. Это может быть связано с таким условием, что толщина tp упорной области ниппеля составляла 60% и более от толщины t стенки тела трубы ниппеля, в результате чего толщина стенки уплотняющей части ниппеля была, по существу, большой. Кроме того, такое дополнительное улучшение герметизирующей способности может быть связано с таким условием, что толщина tb упорной области муфты составляла 55% и менее от толщины t стенки тела трубы ниппеля, в результате чего площадь контактной упорной поверхности была, по существу, малой.
[0059]
Напротив, в каждом из испытаний № 7-9, являющихся сравнительными примерами, герметизирующая способность была снижена по сравнению с эталонным испытанием № 2. Это может быть связано с таким условием, что диаметр Dpi внутренней окружной кромки упорной поверхности ниппеля совпадал с диаметром Dbi внутренней окружной кромки упорной поверхности муфты. В частности, такое снижение герметизирующей способности может также быть связано с таким условием, что толщина tp упорной области ниппеля не достигала 60% от толщины t стенки тела трубы ниппеля, в результате чего толщина стенки уплотняющей части ниппеля была малой.
[0060]
[Пример 2]
[Условия испытаний]
В примере 2 был выполнен тот же анализ методом конечных элементов, что и в вышеприведенном примере 1. В частности, в примере 2 угол подачи упорной поверхности установлен равным 5°. Прочие общие условия аналогичны приведенному выше примеру 1. Условия изменения размеров (диаметр Dpi внутренней окружной кромки упорной поверхности ниппеля и диаметр Dbi внутренней окружной кромки упорной поверхности муфты) соответствуют приведенной ниже таблице 2.
[0061]
[Таблица 2]
ТАБЛИЦА 2
№
Dpi[мм]
Dbi[мм]
Dpi-Dbi[мм]
tp/t[%]
tb/t[%]
Герметизирующая способность [безразмерная величина]
Категория
Внешнее давление + сжимающая нагрузка
Только внешнее давление
10
146,67
154,32
-7,65
62
47
1,28
1,17
Пример согласно изобретению
11
146,67
146,67
0
62
63
1,00
1,00
Сравнительный пример (эталон)
12
146,67
150,20
-3,53
62
55
1,14
1,10
Пример согласно изобретению
13
146,67
158,45
-11,78
62
40
1,38
1,22
Пример согласно изобретению
14
146,67
162,58
-15,91
62
32
1,46
1,25
Пример согласно изобретению
15
146,67
166,71
-20,04
62
24
1,41
1,21
Пример согласно изобретению
16
150,20
150,20
0
55
56
0,91
0,69
Сравнительный пример
17
154,32
154,32
0
47
48
0,74
0,28
Сравнительный пример
18
158,45
158,45
0
40
41
0,52
0,00
Сравнительный пример
(Примечание) Значения обозначений в таблице 2 следующие.
Dpi: Диаметр внутренней окружной кромки упорной поверхности ниппеля [мм]
Dbi: Диаметр внутренней окружной кромки упорной поверхности муфты [мм]
tp: Толщина упорной области ниппеля [мм]
t: Толщина стенки тела трубы ниппеля [мм]
tb: Толщина упорной области муфты [мм]
[0062]
Испытания № 10 и 12-15 относятся к примерам согласно настоящему изобретению, предназначенным для представления резьбового соединения согласно данному варианту осуществления, причем в каждом из этих примеров диаметр Dpi внутренней окружной кромки упорной поверхности ниппеля был меньше диаметра Dbi внутренней окружной кромки упорной поверхности муфты. Испытание № 11 является сравнительным примером в качестве эталона, предназначенным для представления обычного резьбового соединения, в котором диаметр Dpi внутренней окружной кромки упорной поверхности ниппеля совпадал с диаметром Dbi внутренней окружной кромки упорной поверхности муфты. Испытания № 16-18 относятся к сравнительным примерам настоящего изобретения, в каждом из которых диаметр Dpi внутренней окружной кромки упорной поверхности ниппеля совпадал с диаметром Dbi внутренней окружной кромки упорной поверхности муфты.
[0063]
[Способ оценки]
Аналогично вышеприведенному примеру 1 выполнена оценка герметизирующей способности. В частности, оценка герметизирующей способности выполнена со ссылкой на испытание № 11. В частности, контактное усилие уплотнения в условиях внешнего давления и сжимающей нагрузки, а также контактное усилие уплотнения в условиях только внешнего давления в испытании № 11 считалась эталонной (1,00), и соотношения контактных усилий уплотнения в каждом испытании сравнивали с соответствующими контактными усилиями уплотнения в испытании № 11.
[0064]
[Результат испытаний]
Результаты испытаний собраны в вышеприведенную таблицу 2. Из результатов, приведенных в таблице 2, видно следующее. В каждом из испытаний № 10 и 12-15, являющихся примером согласно настоящему изобретению, герметизирующая способность была улучшена по сравнению с испытанием № 11, являющимся эталонным сравнительным примером. Это может быть связано с таким условием, что диаметр Dpi внутренней окружной кромки упорной поверхности ниппеля был меньше диаметра Dbi внутренней окружной кромки упорной поверхности муфты.
[0065]
Напротив, в каждом из испытаний № 16-18, являющихся сравнительными примерами, герметизирующая способность была снижена по сравнению с эталонным испытанием № 11. Это может быть связано с таким условием, что диаметр Dpi внутренней окружной кромки упорной поверхности ниппеля совпадал с диаметром Dbi внутренней окружной кромки упорной поверхности муфты.
[0066]
Настоящее изобретение не ограничивается раскрытыми выше вариантами осуществления и может быть соответствующим образом изменено и модифицировано без отступления от сущности и объема настоящего изобретения. Например, резьбовое соединение может относиться как к муфтовому, так и безмуфтовому типу.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
[0067]
Резьбовое соединение согласно настоящему изобретению можно эффективно использовать для соединения стальных труб, используемых в качестве труб нефтепромыслового сортамента.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
[0068]
1 ниппель
2 тело трубы
3 упорная поверхность
12a внутренняя окружная кромка
12b внешняя окружная кромка
4 уплотнительная поверхность
5 участок с наружной резьбой
6 уплотняющая часть ниппеля
1 муфта
2 тело трубы
3 упорная поверхность
22a внутренняя окружная кромка
22b внешняя окружная кромка
4 уплотнительная поверхность
5 участок с внутренней резьбой
30 контактная упорная поверхность
Do диаметр внешней окружной кромки упорной поверхности
Dpi диаметр внутренней окружной кромки упорной поверхности ниппеля
Dbi диаметр внутренней окружной кромки упорной поверхности муфты
tp толщина упорной области ниппеля
tb толщина упорной области муфты
t толщина стенки тела трубы ниппеля
CL ось трубы.