Резьбовое соединение

Полезная модель относится к резьбовым соединениям труб и может быть использована для соединения, например, бурильных труб при проведении технологических операций на скважине, где требуется повышенная плотность соединения и его высокая надежность при частых спуско-подъемных операциях.
Известны резьбовые соединения деталей технологического замка с износостойким резьбовым соединением насосно-компрессорных труб (патент RU 111238 U1, МПК F16L 15/08 (2006.01), опубл. 2011 г.) и высокоресурсного технологического замка для насосно-компрессорных труб (патент RU 120478 U1, МПК F16L 15/00 (2006.01), опубл. 2012 г.), содержащие одну деталь с наружной, а вторую - с внутренней замковыми резьбами, имеющими равномерный азотированный слой.
Такие соединения не выдерживают большого количества циклов свинчивания - развинчивания с заданным моментом свинчивания, что объясняется низкой усталостной прочностью резьбового соединения из-за повышенной хрупкости азотированного слоя во впадине резьбы а также - повышенного износа упорного торца и смежных с ним витков резьбы при циклических знакопеременных нагрузках..
Известно соединение бурильных труб (патент RU 156817 U1, МПК F16L 15/08 (2006.01), опубл. 2011 г.) содержащее резьбовые поверхности с азотированным слоем, у которых впадины резьбы упрочнены поверхностно-пластическим деформированием.
Такое соединения позволяет несколько повысить эксплуатационную надежность за счет придания резьбовым поверхностям, как износостойкости, так и прочности.
Однако, такое соединение также не выдерживает большого количества циклов свинчивания-развинчивания с заданным моментом свинчивания, что объясняется низкой усталостной прочностью резьбового соединения из-за повышенного износа упорного торца и смежных с ним витков резьбы при циклических знакопеременных нагрузках.
Наиболее близким к заявляемому и принятым в качестве прототипа является резьбовое соединение (патент RU 161504 U1, МПК Е21В 17/042 (2006.01), опубл. 2016 г.), содержащее муфту на внутренней поверхности которой выполнена коническая резьба с упрочненным слоем на ее боковых поверхностях, упорный торец, ниппель с соответствующей упрочненной по боковым поверхностям резьбой на наружной поверхности и упорным торцом. Толщина азотированного слоя во впадине резьбы меньше толщины азотированного слоя на боковых поверхностях резьбы.
Такое резьбовое соединение имеет повышенную усталостную прочность за счет износостойкости боковых поверхностей резьбы, испытывающих трение при эксплуатации и снижения хрупкости во впадине резьбы.
Недостатком такого соединения является низкая усталостная прочность резьбового соединения из-за повышенного износа упорного торца и смежных с ним витков резьбы при циклических знакопеременных нагрузках.
Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение большого количества циклов свинчивания-развинчивания с заданным моментом свинчивания за счет повышения усталостной прочности резьбового соединения.
Поставленная задача решается за счет усовершенствования резьбового соединения, содержащего муфту, на внутренней поверхности которой выполнена коническая резьба с упрочненным слоем на ее боковых поверхностях, упорный торец, ниппель с соответствующей упрочненной по боковым поверхностям резьбой на наружной поверхности и упорным торцом.
Это усовершенствование заключается в том, что твердость и толщина упрочненных слоев уменьшаются от упорных торцев муфты и ниппеля соответственно уменьшению диаметра резьбы.
Такое выполнение соединения позволяет повысить его усталостную прочность и увеличить способность резьбы выдерживать большое количество циклов свинчивания - развинчивания с заданным моментом свинчивания за счет оптимального распределения напряжений при циклических знакопеременных нагрузках.
Такое конструктивное выполнение соединения позволяет получить резьбовое соединение с оптимальным распределением напряжений при циклических знакопеременных нагрузках.
Кроме того, упорный торец может иметь упрочненный слой с максимальными твердостью и толщиной, что повышает усталостную прочность соединения и увеличивает способность резьбы выдерживать большое количество циклов свинчивания - развинчивания с заданным моментом свинчивания за счет повышения износостойкости упорного торца.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором на фиг. 1 изображено заявляемое резьбовое соединение, на фиг. 2 - выносной элемент А фиг. 1 (для ясности чтения чертежа показан в увеличенном масштабе).
Резьбовое соединение содержит муфту 1, на внутренней поверхности 2 которой выполнена коническая резьба с упрочненным слоем 3 на ее боковых поверхностях 4, упорный торец 5, ниппель 6 с соответствующей упрочненной по боковым поверхностям 7 резьбой на наружной поверхности 8 и упорным торцом 9. Позицией 10 обозначен упрочненный слой на боковой поверхности 7, позицией 11 - упрочненный слой на упорном торце 9. Твердость и толщина h упрочненных слоев 3 и 10 уменьшаются от упорных торцев 5 муфты 1 и 9 ниппеля 6 соответственно уменьшению диаметра резьбы. Упорные торцы 5 и 9 имеют упрочненные слои 3 и 10 с максимальными твердостью и толщиной. Упрочненный слой может быть получен электромеханическим способом (обработка поверхностей резьбы воздействием электрического тока с нагревом и быстрым охлаждением при вращении упрочняемой детали с одновременным движением токопроводящего ролика по поверхности резьбы), лазерным термоупрочнением, химикотермическими способами.
В процессе свинчивания - развинчивания муфты 1 и ниппеля 6 и при эксплуатации соединения максимальные нагрузки в резьбовом соединении воспринимаются упорными торцами 5 и 9. За счет того, что твердость и толщина h упрочненных слоев 3 и 10 уменьшаются от упорных торцев 5 муфты 1 и 9 ниппеля 6 соответственно уменьшению диаметра резьбы, обеспечивается оптимальное распределение напряжений при циклических знакопеременных нагрузках и соединение выдерживает большое количество циклов свинчивания - развинчивания с заданным моментом свинчивания.
Изготовлено и опробовано резьбовое соединение муфты 1 и ниппеля 6 замковой резьбой 3-133 ГОСТ Р 50864-96. Твердость упрочненных слоев 3 и 10 (полученных электромеханическим упрочнением) на поверхности упорных торцев составляет 59HRC и толщина h=0,2 мм и уменьшаются от упорных торцев 5 муфты 1 и 9 ниппеля 6 соответственно уменьшению диаметра резьбы (со 130 мм до 114 мм). Опробование соединения показало увеличение количества циклов свинчивания - развинчивания с 756 циклов для обычного резьбового соединения (с упрочненным слоем толщиной 0,19 мм и твердостью 60HRC) до 878 циклов при обеспечении заданного момента свинчивания 45 кН × м.
Таким образом, использование предлагаемой полезной модели позволяет обеспечить оптимальное распределение напряжений при циклических знакопеременных нагрузках и за счет этого повысить усталостную прочность соединения и увеличить способность резьбы выдерживать большое количество циклов свинчивания - развинчивания с заданным моментом свинчивания.