ТРУБА НАСОСНО-КОМПРЕССОРНАЯ С ВЫСОКОГЕРМЕТИЧНЫМ ГАЗОПЛОТНЫМ РЕЗЬБОВЫМ СОЕДИНЕНИЕМ "KSP-PREMIUM" (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к трубам нефтяного сортамента, применяемых в нефтяной, газовой промышленности при добыче нефти, газа и выполнении различных технологических операций в скважине.
Известна конструкция насосно-компрессорных труб (НКТ) высокогерметичных с трапецеидальной конической резьбовой НКМ (ГОСТ 633-80 «Трубы насосно-компрессорные и муфты к ним. Технические условия. Соединения гладких высокогерметичных труб - НКМ», п.2.14, черт.8; 9 и 10, таблицы 13, 14 и 15). Конусность и шаг резьбы НКМ для НКТ диаметром от 60 до 102 мм соответственно равны 1/12 и 4,23 мм, а для НКТ диаметром 114 мм - 1/16 и 5,08 мм.
Герметичность данного соединения обеспечивается за счет конического уплотнительного пояска на конце трубы, который при ввинчивании трубы в муфту с натягом входит в соответствующую коническую расточку в муфте. В этом случае металлический уплотнительный поясок выполняет функцию самоуплотняющейся манжеты. При плотном прилегании за счет радиального натяга наружной конической поверхности пояска к соответствующей внутренней конической расточке в муфте происходит первоначальная герметизация соединения. За счет давления жидкости или газа внутри трубы происходит дополнительное прижатие уплотнительного пояска к расточке в муфте.
Для НКТ диаметром от 60 до 102 мм высота профиля нитки наружной трапецеидальной резьбы в ниппеле (на конце трубы) равна 1,2 и внутренней резьбы в муфте - 1,3 мм.
Для НКТ диаметром 114 мм высота профиля нитки резьбы в ниппеле и в муфте одинаковая и равна 1,6 мм. Конусность конического уплотнительного пояска равна конусности соответствующей трапецеидальной резьбы.
С целью ограничения осевого перемещения ниппеля в муфте, и, как следствие, возникновения высоких контактных напряжений в конических уплотняющих элементах внутри муфты предусмотрен уступ, упорная поверхность которого перпендикулярна к оси резьбы. Ответный упорный торец в ниппеле выполнен также под прямым углом к оси резьбы. Длина уплотнительного пояска равна 20 мм, длина упорного уступа в муфте (вдоль оси трубы) равна 9 мм. Заход резьбы ниппеля в резьбу муфты без вращения для НКТ диаметром от 60 мм до 114 мм включительно равен 1,5-4,5 нитки.
К недостаткам данной конструкции высокогерметичного трубного соединения относятся:
- небольшая толщина стенки в торце уплотнительного пояска, что в сочетании с прямоугольной упорной поверхностью уступа в муфте приводит к загибу (деформации) уплотнительного пояска внутрь трубы;
- небольшой заход резьбы ниппеля в резьбу муфты без вращения, что не обеспечивает самоцентрирование их в начале свинчивания;
- небольшой угол уклона конического уплотнительного элемента, что приводит к значительному взаимному осевому перемещению контактирующих поверхностей, а это может вызывать задиры.
Известно «Соединение труб» по патенту РФ №629898, МПК E21B 17/042, опубл. 25.10.1978, содержащее обхватывающий и обхватываемый элементы, сопрягающиеся по резьбовой конической поверхности, и упор внутри обхватывающего элемента, контактная поверхность которого не перпендикулярна к оси резьбы, и имеет вогнутую форму под углом около 20° к перпендикуляру, направленному к оси резьбы. Поверхность радиального конического уплотнения направлена к оси резьбы под углом около 30°. Ответные контактные поверхности в ниппеле имеют выпуклую форму, с углами, соответствующими углам конических поверхностей в муфте. В интервале между контактными торцовыми поверхностями и резьбой имеется цилиндрический участок небольшой длины. Конструкция соединения предназначена для труб малого диаметра с небольшой толщиной стенки.
На основе данного изобретения разработано большое количество идентичных конструкций НКТ (Проспект VAM Catalogue 11/3 - jan. 1977; Проспект INTERPIPE Oil and Gas Pipes, Ukraine, 49600, Dnepropetrovsk, Pisarzhevckogo str., 1-a; Проспект «Ukrainian Premium joint (URJ)», INTERPIPE, 24.02.2011, стр.4, 5, 6).
Во всех указанных источниках приведена конструкция НКТ с высокогерметичными резьбовыми соединениями, кинематически идентичными резьбовому соединению согласно патенту №629898, т.е. резьба трапецеидальной формы, плоскость упорной поверхности - под углом 20° к перпендикуляру, направленному к оси резьбы, угол между поверхностью радиального конического уплотнения и осью резьбы равен 30°. В интервале между коническими контактными торцовыми поверхностями и резьбой имеется цилиндрический участок небольшой длины. Трапецеидальная резьба типа tubing VAM со следующими параметрами: конусность - 1/16, шаг резьбы равен 3,175 мм, для НКТ диаметром 60 и 73 мм и равен 4,233 мм для НКТ диаметром 89÷114 мм, высота нитки резьбы в ниппеле и муфте - 1,016 мм, угол несущей поверхности витка резьбы 3°, угол упорной поверхности витка резьбы - 10°, длина упорного уступа в муфте 15-17 мм. Кроме того, в указанных конструкциях НКТ не оптимизирована глубина захода резьбы ниппеля в резьбу муфты без вращения. При оптимальной глубине захода облегчается свинчивание резьбы за счет самоцентрирования, особенно при ветре, когда талевая система отклоняет от центра верхнюю часть навинчиваемой трубы.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели по технической сущности является конструкция НКТ с газонепроницаемым резьбовым соединением (VAGT), описанная в проспекте VOEST ALPINE STAMLROHR KINDBERG GMDH&CoKG (A-8652 Kindberg, Alpines-trabe, 17), в которой использована трапецеидальная резьба tubing VAM с шагом, равным 3,175 мм, для труб диаметром 60 и 73 мм и с шагом, равным 4,233 мм, для труб диаметром 89÷114 мм, конусность резьбы - 1/16, высота нитки - 1,016 мм, угол упорной поверхности - 20°, угол поверхности радиального конического уплотнения - 30°, длина упорного уступа внутри муфты - 17 мм. Согласно иллюстрации радиус сопряжения конической уплотнительной поверхности (угол 30°) и упорной конической поверхности в муфте (угол 20°) и радиус сопряжения ответных конических поверхностей в ниппеле одинаковый. По крайней мере, никаких упоминаний о наличии зазоров в точке закругления указанных конических поверхностей и оптимизации размеров указанных радиусов сопряжения не имеется.
В конструкции НКТ с резьбовым соединением VAGT нет обоснования свободного захода резьбы ниппеля в резьбу муфты без вращения и обоснования длины упорного уступа в муфте.
В принципе, соединения с коническими герметизирующими элементами в технике широко применяются, например, различные конические пробки для баллонов, эллипсовидные металлические кольца, которые с натягом входят в соответствующие выточки во фланцах и стягиваются резьбовыми шпильками. Но применительно к горячекатаным НКТ с толщинами стенок 4,8-6,5 мм известные конические герметизирующие элементы трудно реализуются, и трубы, казалось бы с надежным узлом герметизации, не находят должного применения.
Например, широко распространенные НКТ диаметром 73 мм с толщиной стенки 5,5 мм, выпускаемые по ГОСТ 633, с резьбой НКМ и коническим уплотнением имеет номинальную толщину стенки в торце уплотнительного пояска ниппеля, равную всего 2,4 мм. С учетом нормативного допуска на толщину стенки (-12,5%) и на наружный диаметр трубы (±0,8 мм) толщина стенки в торце уплотнительного пояска может оказаться равной 1,35 мм. Такой поясок при силовом докреплении резьб в промысловых условиях неработоспособен.
Задачей настоящей полезной модели является создание насосно-компрессорных труб с высокогерметичным газоплотным резьбовым соединением «KSP-Premium», обеспечивающих надежность трубного соединения при многократном свинчивании развинчивании.
Задача, положенная в основу настоящей полезной модели, решается тем, что в трубе насосно-компрессорной с высокогерметичным газоплотным резьбовым соединением по первому варианту выполнения, включающей охватываемый элемент - ниппельную часть трубы с наружной конической резьбой трапецеидального профиля на обоих концах трубы и герметизирующими поверхностями с цилиндрической наружной поверхностью, расположенными между резьбой и торцами трубы, а также с двумя коническими поверхностями в торце, наружная из которых расположена под углом 30° к оси резьбы, а внутренняя - под 20° к перпендикуляру к оси резьбы, и охватывающий элемент - муфту, навинчивающуюся на один конец трубы, и имеющую ответные резьбу, герметизирующую цилиндрическую расточку и упорный уплотнительный уступ, взаимодействующие с резьбой и соответствующими герметизирующей и упорной поверхностями ниппельной части трубы, в точке пересечения конических поверхностей торца ниппеля выполнено закругление радиусом, равным 0,3 мм, а соответствующее закругление в муфте - радиусом, равным 0,2 мм, при этом величина свободного захода резьбы ниппельной части в резьбу муфты без вращения составляет, по меньшей мере, 6 ниток для труб, диаметром до 60 мм, и, по меньшей мере, 8 ниток для труб, диаметром более 60 мм.
Задача, положенная в основу настоящей полезной модели, решается также и тем, что в трубе насосно-компрессорной с высокогерметичным газоплотным резьбовым соединением по второму варианту выполнения, включающей охватываемый элемент - ниппельную часть трубы с наружной конической резьбой трапецеидального профиля на обоих концах трубы и герметизирующими поверхностями с цилиндрической наружной поверхностью, расположенными между резьбой и торцами трубы, а также с двумя коническими поверхностями в торце, наружная из которых расположена под углом 30° к оси резьбы, а внутренняя - под 20° к перпендикуляру к оси резьбы, и охватывающий элемент - муфту, навинчивающуюся на один конец трубы, и имеющую ответные резьбу, герметизирующую цилиндрическую расточку и упорный уплотнительный уступ, взаимодействующие с резьбой и соответствующими герметизирующей и упорной поверхностями ниппельной части трубы, в точке пересечения конических поверхностей торца ниппеля выполнено закругление радиусом, равным 0,3 мм, а в ответной впадине уступа муфты выполнена разгрузочная кольцевая канавка, по ширине соответствующая проекции хорды закругления вершины ниппеля на перпендикуляр к оси резьбы, при этом величина свободного захода резьбы ниппельной части в резьбу муфты без вращения составляет, по меньшей мере, 6 ниток для труб, диаметром до 60 мм, и, по меньшей мере, 8 ниток для труб, диаметром более 60 мм.
За счет применения уплотнения «металл по металлу» резьбовое соединение приобретает нефтегазогерметичность, способность работать при действии комбинированных нагрузок в агрессивных средах, в том числе, возникающих при строительстве наклонных скважин.
Применение конуса с углом уклона равным 30° по образующей, позволяет получить заданную величину натяга при малом осевом перемещении ниппеля, что снижает интервал от первого контакта уплотнительных поверхностей до обеспечения заданного натяга. Это обеспечивает большую износостойкость уплотнения при многократном свинчивании-развинчивании.
Угол уклона 20° в упорном конусе обеспечивает дополнительное "поджатие" радиального уплотнения.
с
Выполнение закруглений выступа ниппеля и впадины в муфте по первому варианту радиусами различного размера (0,2 и 0,3 мм) будет препятствовать задиру металла в острых углах. Кроме того, выполнение закруглений с небольшими радиусами позволяет предотвратить резкое уменьшение длины lс контакта уплотняющих поверхностей Y в муфте и ниппеле. На фиг.2 показано, как увеличение радиуса Rн с 0,3 до 0,5 мм приводит к уменьшению длины l на 23%.
При выполнении узла герметизации НКТ по второму варианту, фиг.3, смазка из кольцевой разгрузочной канавки в процессе докрепления соединения будет выдавливаться вдоль поверхностей скольжения, предотвращая задиры. В промысловых условиях в данной канавке могут собираться загрязняющие фрагменты.
Профиль канавки показан на фиг.3, вид А. Ширина канавки h равна проекции хорды, соединяющей точки k и n дуги закругления конусов радиусом 0,3 мм, на перпендикуляр к оси резьбы. Радиус Rc закругления кольцевой канавки не контролируется.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, идентичных всем признакам заявляемого технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие предлагаемой полезной модели критерию охраноспособности «новизна».
Заявляемое техническое решение промышленно применимо, так как при его изготовлении использованы известные технологии, применяемые для изготовления резьбовых концов труб и не требует использования специальных технологий или специальной оснастки.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером выполнения высокогерметичного износостойкого резьбового соединения обсадных труб, который не является единственно возможным и наглядно демонстрирует возможность получения указанного технического результата. Допускаются различные модификации и улучшения, не выходящие за пределы области действия полезной модели, определенные прилагаемой формулой.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 изображена труба насосно-компрессорная с высокогерметичным газоплотным резьбовым соединением «KSP-Premium» с навинченной муфтой;
- на фиг.2 укрупнено, схематично изображен узел соединения герметизирующих и упорных поверхностей ниппельной части трубы и муфты;
- на фиг.3 - то же для второго варианта выполнения трубы насосно-компрессорной;
- на фиг.4 изображена ниппельная часть трубы насосно-компрессорной;
- на фиг.5 изображена муфта трубы насосно-компрессорной. Труба насосно-компрессорная с высокогерметичным газоплотным резьбовым соединением "KSP Premium" включает охватываемый элемент - ниппельную часть 1 трубы и охватывающий элемент - муфту 2, навинчивающуюся на один конец трубы с коническими резьбами 3 трапецеидального профиля с конусностью 1:16 и двумя парами конических поверхностей в торце, одна пара из которых выполнена соответственно на ниппельной части в виде упорной торцевой поверхности 4 и ответной упорной торцевой поверхности 5 на муфте, а другая - в виде упорных поверхностей 6 и 7. Упорные торцевые поверхности 4 и 5 расположены под углом 30° к оси резьбы, а упорные торцевые поверхности 6 и 7 - под 20° к перпендикуляру к оси резьбы. В точке пересечения конических поверхностей торца ниппеля выполнено закругление радиусом, равным 0,3 мм, а соответствующее закругление в муфте - радиусом, равным 0,2 мм, при этом величина свободного захода резьбы ниппельной части в резьбу муфты без вращения составляет, по меньшей мере, 6 ниток для труб, диаметром до 60 мм, и, по меньшей мере, 8 ниток для труб, диаметром более 60 мм.
В соединении применена резьбы tubing NEW VAM, которая в собранном виде по вершинам ниток ниппеля имеет зазор, равный 0,2 мм. Профиль нитки резьбы имеет вид неравнобедренной трапеции. Угол профиля - 13°, угол грани витка, воспринимающей растягивающую нагрузку - 3°; угол грани витка, воспринимающей сжимающую нагрузку - 10°; шаг резьбы равен 3,175 мм для НКТ-60 и 73 мм и шаг резьбы равен 4,233 мм для НКТ диаметром 89-114 мм.
В таблице 1 даны основные размеры резьбового соединения трубы насосно-компрессорной с высокогерметичным газоплотным резьбовым соединением "KSP Premium" - 89×6,45 мм.
Таблица
(размеры* в мм)
Труба
Муфта
Резьба ниппель НКТ
Резьба муфты НКТ
D
s
d
D<sub>м</sub>
L<sub>м</sub>
l<sub>y</sub>
A<sub>1</sub>
l<sub>k</sub>
d<sub>1</sub>
d<sub>2</sub>
d<sub>3</sub>
d<sub>вн</sub>
δ=d<sub>2</sub>-d<sub>3</sub>
l<sub>м</sub>
l<sub>p</sub>
d<sub>4</sub>
d<sub>м</sub>
88,9
6,4
76
108,0
180,0
20
80,1
6
86,4
84,6
77
87,1
3,8
79,8
72,8
89,2
76,6
* размеры округлены до десятых долей мм.
зах
Величина свободного захода l резьбы ниппеля в резьбу муфты без вращения для НКТ-89 равна:
зax
4
1
k
l=(d-d)/K-l,
4
где d - внутренний диаметр резьбы в плоскости торца муфты;
1
d - наружный диаметр резьбы в плоскости торца трубы;
К - конусность резьбы;
k
l - длина уплотнительного пояска ниппеля.
зах
Для НКТ-89 l равна:
;
Число контактирующих ниток n равно
зах
n=l/Р=38,8/4,233=9,2 шт.,
где Р - шаг резьбы.
Допускаются различные модификации и улучшения, не выходящие за пределы области действия изобретения, определенные прилагаемой формулой.
Высокогерметичное газоплотное резьбовое соединение "KSP Premium" насосно-компрессорой трубы работает следующим образом.
В процессе ввинчивания резьбы ниппеля трубы 1 в резьбу муфты 2, первоначально происходит соприкосновение упорных конических поверхностей 4 и 5 под углом 30° к оси резьбы, затем, при докреплении резьбы, происходит радиальное сжатие уплотнительного конуса и соприкосновение упорных поверхностей 6 и 7 под углом 20°. При дальнейшем довинчивании резко возрастает момент крепления резьбы, что подтверждает соответствующую стыковку уплотняющих элементов соединения.
Повышение эксплуатационной надежности соединения обеспечивается за счет увеличения контактирующих площадей торцов, что позволяет увеличить крутящий момент свинчивания при сохранении контактных напряжений на необходимом уровне в пределах упругой деформации. Конические поверхности упорных торцов выполнены таким образом, что при действии на них осевого усилия, возникающего при свинчивании резьб, поперечная составляющая этого усилия направлена от оси соединения к стенке трубы. Это исключает поперечную деформацию ниппеля, приводящую к уменьшению его диаметра в области упорных торцов, что делает соединение более устойчивым к превышению крутящего момента свинчивания.
Преимуществом заявляемой трубы насосно-компрессорной с высокогерметичным газоплотным резьбовым соединением "KSP Premium" по сравнению с прототипом является повышение надежности, герметичности, увеличение прочности трубного соединения при его сборке-разборке и эксплуатации, что позволит использовать данное соединение труб как для жидкостных, так и для газообразных сред.
Насосно-компрессорные трубы с высокогерметичным газоплотным резьбовым соединением «KSP-Premium» обладают повышенной надежностью, герметичностью, увеличенной прочностью соединения при сборке-разборке и эксплуатации.
Основными гарантиями уменьшения экологических рисков во время осложненной эксплуатации трубной колонны является ее повышенная герметичность. Это достигается за счет принятия значений радиусов закругления торцовой части уплотнительного пояска ниппеля, равного 0,3 мм, и радиуса закругления в конической расточки в муфте, равного 0,2 мм, что обеспечивает необходимую величину контактной поверхности и исключает задиры в острых углах.
В свою очередь надежность резьбовых соединений «KSP-Premium» значительно снижает риск обрыва колонны при тяжелых условиях эксплуатации.
Увеличенная прочность при сборке-разборке резьбовых соединений позволяет добиться долговечности при эксплуатации, что также немаловажно, как с экологической, так и с экономической точки зрения.