Фланцевое соединение устьевого оборудования
WELLHEAD FLANGE CONNECTION

Изобретение относится к области горного дела, в частности к нефтегазодобывающей промышленности, и может быть использовано при ремонте скважин, при герметизации устья скважины с помощью фланцевых соединений устьевого оборудования.
Известны фланцевые соединения оборудования по ГОСТ 28919-91 "Типы и основные размеры", содержащие уплотнительные металлические кольца в канавках фланцев, при этом фланцы между собой стянуты шпилечным соединением.
Известно фланцевое соединение деталей (патент RU № 2150041, опубл. 27.05.2000), включающее стянутые между собой шпильками два фланца и уплотнительный элемент, выполненный из металлического кольца с двумя торцевыми пазами - канавками под эластичные, например полиуретановые, прокладки, установленные в камере, образованной кольцевыми канавками трапецеидального профиля на фланцах, соединенных между собой, причём уплотнительный элемент концевыми участками расположен в канавках фланцев таким образом, что половина концевых участков, включающая выступающую из кольца эластичную прокладку и часть кольца в зоне расположения паза, соответствует их форме, другая половина концевых участков выполнена с зазором, а средняя часть его, соединяющаяся с концевыми участками, имеет прямоугольный профиль.
Недостатками аналогов устройства являются:
- повреждение и перекос уплотнительного кольца в процессе крепления опорного и устьевого фланцев между собой, вследствие отсутствия центрирования как между самими опорным и устьевым фланцами, так и относительно уплотнительного кольца;
- низкий срок службы уплотнительного кольца, так как оно выступает не только как уплотнительный элемент, но и в качестве центратора, что приводит к его интенсивному износу в процессе эксплуатации;
- низкая герметичность фланцевого соединения устьевого оборудования, обусловленная тем, что шпильки в процессе крепления отклоняются от межцентрового диаметра отверстий опорного и устьевого фланцев, так как шпильки имеют радиальный зазор, например 2 мм, относительно отверстий опорного и устьевого фланцев. Это приводит к изменению зазора между нижним торцом устьевого фланца и верхним торцом опорного фланца, например от 7 мм до 9 мм по периметру фланцев, при их затягивании с помощью шпилек и гаек;
- длительность сборки фланцевого соединения устьевого оборудования при ремонте скважины, обусловленная необходимостью практически после каждой технологической операции (промывка, перфорация и т.д.) герметизировать устье скважины, т.е. производить фиксацию и крепление между собой устьевого и опорного фланцев с помощью 12 шпилек и 24 гаек.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является фланцевое соединение устьевого оборудования, содержащее устьевой и опорный фланцы, уплотнительное кольцо, установленное между фланцами в канавках с конусными поверхностями (патент RU № 2170807, опубл. 20.07.2001). Уплотнительное кольцо выполнено из упругого материала с припуском на деформацию, учитывающим наличие дополнительного кольца. Устьевой и опорный фланцы стянуты между собой шпильками, при этом дополнительное кольцо выполнено из металла, соединено с уплотнительным кольцом из упругого материала и имеет концентрические конусные симметричные буртики, расположенные на внутренней его части для центрирования канавок при контакте с их конусными поверхностями, при этом внешняя часть дополнительного кольца выполнена плоской для опоры за пределами канавок торцевых поверхностей фланцев и служит в качестве замыкающего размерного звена в элементах соединения.
Недостатками устройства являются:
- повреждение и перекос уплотнительного кольца в процессе крепления опорного и устьевого фланцев между собой, вследствие отсутствия центрирования как между самими опорным и устьевым фланцами, так и относительно уплотнительного кольца;
- низкий срок службы уплотнительного кольца, так как оно выступает не только как уплотнительный элемент, но и в качестве центратора, что приводит к его интенсивному износу в процессе эксплуатации;
- низкая герметичность фланцевого соединения устьевого оборудования, обусловленная тем, что шпильки в процессе крепления отклоняются от межцентрового диаметра отверстий опорного и устьевого фланцев, так как шпильки имеют радиальный зазор, например 2 мм, относительно отверстий опорного и устьевого фланцев.  Это приводит к изменению зазора между нижним торцом устьевого фланца и верхним торцом опорного фланца, например от 7 мм до 9 мм по периметру фланцев, при их затягивании с помощью шпилек и гаек;
- длительность сборки фланцевого соединения устьевого оборудования при ремонте скважины, обусловленная необходимостью практически после каждой технологической операции (промывка, перфорация и т.д.) герметизировать устье скважины, т.е. производить фиксацию и крепление между собой устьевого и опорного фланцев с помощью 12 шпилек и 24 гаек.
Техническими задачами изобретения являются исключение повреждения и перекоса уплотнительного кольца, продление срока службы уплотнительного кольца, повышение герметичности фланцевого соединения устьевого оборудования, сокращение продолжительности сборки фланцевого соединения устьевого оборудования без изменения конструкции существующих фланцев.
Технические задачи решаются фланцевым соединением устьевого оборудования, содержащим опорный и устьевой фланцы с отверстиями для крепления, уплотнительное кольцо, установленное между фланцами в канавках с конусными поверхностями.
Новым является то, что сверху на устьевом фланце установлено кольцо-центратор с внутренней цилиндрической выборкой снизу и глухими резьбовыми отверстиями, причём диаметр внутренней цилиндрической выборки кольца-центратора определяют по следующей зависимости:
в
1
ф
D = k⋅D,
в
где D- диаметр внутренней цилиндрической выборки кольца-центратора, мм;
1
k - коэффициент, полученный опытным путём (1,004-1,006);
ф
D - наружный диаметр опорного и устьевого фланцев, мм,
при этом нижний торец внутренней цилиндрической выборки кольца-центратора расположен ниже верхнего торца опорного фланца, причем межцентровой диаметр, количество отверстий, а также центральный угол между отверстиями кольца-центратора равны межцентровым диаметрам, количеству отверстий, а также центральным углом между отверстиями для крепления, выполненным в опорном и устьевом фланцах, при этом в глухие резьбовые отверстия кольца-центратора ввернуты пальцы, оснащенные наружной резьбой, причем пальцы кольца-центратора имеют возможность размещения в отверстиях опорного и устьевого фланцев и крепления фланцевого соединения устьевого оборудования гайками.
На фиг. 1 схематично изображено фланцевое соединение устьевого оборудования.
На фиг. 2 изображен вид сверху - А фланцевого соединения устьевого оборудования.
На фиг. 3 изображен вид снизу - Б фланцевого соединения устьевого оборудования.
ф
ф
Фланцевое соединение устьевого оборудования содержит опорный 1 (см. фиг. 1 и 3) и устьевой 2 (см. фиг. 1 и 2) фланцы с отверстиями (на фиг. 1 показано условно) для крепления, установленное между фланцами в канавках с конусными поверхностями уплотнительное кольцо 3 (см. фиг. 1). Наружные диаметры (D) опорного 1 и устьевого 2 фланцев равны между собой и составляют, например, D= 380 мм.
к
к
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Сверху на устьевом фланце 2 установлено кольцо-центратор 4 (см. фиг. 1, 2) наружным диаметром - D, например, D= 450 мм с внутренней цилиндрической выборкой 5 снизу и с глухими резьбовыми отверстиями 6, например в количестве 12 штук (6; 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6).
мц
мц
мц
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Межцентровой диаметр (D), например D = 300 мм,  количество отверстий – 12 штук, а также центральный угол – α, например, α = 360°/12 отверстий = 30° между отверстиями 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6 кольца-центратора 4 равны межцентровым диаметрам - D, количеству отверстий (12 штук), а также с центральным углом α = 30° между отверстиями для крепления, выполненным в опорном 1 и устьевом 2 фланцах.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
В 12-ти отверстиях кольца-центратора 4 установлены и неподвижно закреплены соответственно 12 пальцев (7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7) (см. фиг. 1).
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Пальцы 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7 оснащены наружной резьбой.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Пальцы 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7 кольца-центратора 4 имеют возможность размещения в отверстиях опорного 1 и устьевого 2 фланцев и крепления фланцевого соединения устьевого оборудования соответствующими гайками 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8 (см. фиг. 1, 3).
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Докрепление и раскрепление пальцев 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7 в резьбовом отверстии кольца-центратора 4 производится с помощью контргайки (на фиг. 1-3 не показано).
Устройство работает следующим образом.
Перед сборкой устройства для решения поставленных технических задач по зависимостям, полученным опытным путём изготавливают кольцо – центратор 4, при этом определяют:
1. Диаметр внутренней цилиндрической выборки 5 кольца-центратора 4 по следующей зависимости:
в
1
ф
D = k⋅D, (1)
в
где D- диаметр внутренней цилиндрической выборки 5 кольца-центратора 4, мм;
1
k - коэффициент, полученный опытным путём (1,004-1,006);
ф
D - наружный диаметр опорного 1 и устьевого 2 фланцев, мм.
ф
Как указано выше D= 380 мм. Тогда подставляя в формулу (1) получим:
в
D = (1,004-1,006) ⋅ 380 мм = (381,52-382,28) мм.
в
Примем внутренний диаметр выборки: D= 382,0 мм.
2. Толщину кольца-центратора 4 определяют по следующей зависимости:
2
ф
0
b = k ⋅ (D⋅n/d),  (2)
где b - толщина фланца, мм;
2
k - коэффициент, полученный опытным путём (0,05-0,1), мм ;
ф
D - наружный диаметр опорного 1 и устьевого 2 фланцев, мм;
1
n
n - количество пальцев (6…6);
0
d - диаметр пальцев, мм.
ф
0
Например: D= 380 мм, n = 12: d= 24 мм. Тогда подставляя в формулу (2) получим:
b = (0,05-0,1) мм ⋅ (380 мм ⋅ 12/ 24 мм) = (0,05-0,1) мм ⋅ 190 = (9,5 - 19,0) мм.
Примем толщину кольца - центратора 4: b = 15 мм.
Данная зависимость позволяет подобрать оптимальную толщину кольца-центратора 4 для решения поставленных технических задач.
3. Высоту внутренней цилиндрической выборки 5 кольца-центратора 4 по следующей зависимости:
1
2
h = h+h, (3)
1
где h- высота устьевого фланца 2, мм;
2
h- высота уплотнительного кольца 3, мм;
1
2
Например: h = 35 мм; h= 12 мм.
Тогда подставляя в формулу (3) получим:
h = 35 мм + 12 мм = 47 мм.
Примем высоту фланца: h = 47 мм.
Благодаря выполнению зависимости (3) нижний торец внутренней цилиндрической выборки 5 кольца-центратора 4 расположен ниже верхнего торца опорного фланца 1. В канавку (на фиг. 1-3 показано условно) с конусной поверхностью опорного фланца 1 (см. фиг. 1) устанавливают уплотнительное кольцо 3. Затем сверху на уплотнительное кольцо 3 канавкой с конусной поверхностью устанавливают устьевой фланец 2. Далее вращением устьевого фланца 2 относительно опорного фланца 1 совмещают их отверстия для крепления.
к
в
ф
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
На устьевой фланец 2 сверху устанавливают  кольцо-центратор 4 наружным диаметром – D= 450 мм с пальцами 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7  направленными вниз. При этом пальцы 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7 размещаются в отверстиях опорного 1 и устьевого 2 фланцев и крепления фланцевого соединения, при этом нижняя часть пальцев 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7 оказывается под нижним торцом опорного фланца 1, а кольцо-центратор 4, имеющий диаметр внутренней цилиндрической выборкой 5: D = 382 мм, охватывает снаружи по периферии как опорный 1 так и устьевой 2 фланцы наружным диаметром D = 380 мм. Таким образом, благодаря диаметральному зазору: 382 мм -380 мм = 2 мм кольцо-центратор 4 центрирует опорный 1 и устьевой 2 фланцы как между собой, так и относительно уплотнительного кольца 3, что обеспечивает диаметрально симметричную посадку уплотнительного кольца в канавки опорного и устьевого фланцев. В результате исключаются повреждение и перекос уплотнительного кольца 3 при последующем креплении опорного 1 и устьевого 2 фланцев между собой.
мц
мц
мц
мц
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Так как межцентровой диаметр (D = 300 мм) отверстий 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6 ( см. фиг. 1 и 2) кольца-центратора 4 равен межцентровым диаметрам (D = 300 мм) отверстий для крепления, выполненным в опорном 1 и устьевом 2 фланцах, то пальцы 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7 (12 штук) находятся строго на межцентровом диаметре (D = 300 мм)  отверстий опорного 1 и устьевого 2 фланцев, при этом пальцы 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7  сами центрируются относительно межцентровых диаметров D опорного 1 и устьевого 2 фланцев. Это обеспечивает равный зазор, например 8 мм между нижним торцом устьевого фланца 2 и верхним торцом опорного фланца 1 по диаметру.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Далее поочередно закручивают гайки 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8 (см. фиг. 1 и 3) в количестве 12 штук в нижнюю резьбовую часть пальцев 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7 (12 штук) и протягивают их гаечным ключом (на фиг. 1-3 не показано).
Фланцевое соединение устьевого оборудования собрано. Далее производят технологическую операцию по ремонту скважины, например осуществляют промывку скважины. По окончании технологической операции по ремонту скважины производят разборку в обратной последовательности.
Увеличивается срок службы уплотнительного кольца, так как центрирование опорных и устьевых фланцев между собой обеспечивается внутренней цилиндрической выборкой кольца-центратора, а это снижает нагрузку на уплотнительное кольцо, и как следствие снижает износ уплотнительного кольца в процессе эксплуатации, исключает перекос и повреждение уплотнительного кольца.
В два раза сокращается продолжительность сборки фланцевого соединения устьевого оборудования при ремонте скважины для проведении технологической операции (промывка, перфорация и т.д.), так как для герметизации устья скважины необходимо завернуть 12 гаек, а не 24, как в прототипе.
Предлагаемое фланцевое соединение устьевого оборудования позволяет:
- исключить повреждение и перекос уплотнительного кольца;
- продлить срок службы уплотнительного кольца;
- повысить герметичность фланцевого соединения устьевого оборудования;
- сократить продолжительность сборки фланцевого соединения устьевого оборудования без изменения конструкции существующих фланцев.