ЗАМОК ДЛЯ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области горного дела, а именно к замкам для бурильных труб, навинчиваемых или привариваемых к ним по высадке их концов и служащих для соединения этих труб в колонны.
Наиболее слабым элементом замков, применяемых для всех типов бурильных труб, является их резьбовое соединение, прочность которого на кручение и усталостная прочность, в основном, слабее тела самих соединяемых ими бурильных труб. Поэтому в промышленном производстве используют конструкции замков для соединения бурильных труб с холодным упрочнением накаткой впадин их резьбы и оптимально сбалансированной по критерию  резьбой, где: Wм - момент сопротивления муфты замка, a Wн - момент сопротивления ниппеля замка.
Известны замки, применяемые для бурильных труб с высаженными концами по ГОСТ 631-75, содержащие связанные конической замковой резьбой ниппель и муфту, каждый со своим внутренним сквозным продольным отверстием, установочной резьбой для соединения замка с бурильными трубами и упорной поверхностью (ГОСТ 5286, введен 01.01.1978 г.).
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является замок приварной для бурильных труб, содержащий связанные конической замковой резьбой ниппель и муфту, каждый со своим внутренним сквозным продольным отверстием, установочным хвостовиком для сварки с трубой и упорной поверхностью (Стандарт API Spec. 7, раздел 6, разработан в 1007 г и введен 01.06.1998 г., а также ГОСТ 27834-95, введен 01.01.1997 г.).
Недостатком этого наиболее близкого к заявляемой полезной модели замка, также как и приведенного выше аналога, является его низкая усталостная прочность, обусловленная отсутствием на внутренней поверхности муфты замка зарезьбовых элементов, снижающих концентрацию усталостных напряжений, а также значительные местные гидравлические сопротивления потоку промывочной жидкости при бурении ввиду резкого изменения сечения внутреннего канала замка.
Полезной моделью решается задача создания долговечного, конструктивно простого замка для бурильных труб, экономящего расход энергии при бурении.
Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении эксплуатационной надежности и ресурса ремонтопригодности замка для бурильных труб за счет оптимальной сбалансированности по прочности на изгиб муфты и ниппеля замка, снятия усталостных напряжений в резьбе муфты при простоте ее конструкции и технологичности изготовления, а также, в снижении расхода энергии при бурении за счет снижения местного гидравлического сопротивления потоку промывочной жидкости.
Указанный технический результат достигается тем, что в замке для бурильных труб по первому варианту, содержащем связанные конической замковой резьбой ниппель и муфту, каждый со своим внутренним сквозным продольным отверстием, установочным хвостовиком и упорной поверхностью, причем муфта замка выполнена с зарезьбовой конической расточкой, сопряженной с одной стороны с внутренней поверхностью витков ее резьбы под одним углом уклона, а с другой стороны - с поверхностью внутреннего отверстия муфты, при этом, диаметр внутреннего отверстия муфты соответствует диаметру внутреннего отверстия ниппеля, а сама муфта и ниппель замка выполнены сбалансированными по прочности на изгиб в соответствии с критерием , ограниченным пределами:
2,3≤≤2,7, где:
Wм - момент сопротивления муфты замка,
Wн - момент сопротивления ниппеля замка.
Указанный технический результат достигается также тем, что в замке для бурильных труб по второму варианту, содержащем связанные конической замковой резьбой ниппель и муфту, каждый со своим внутренним сквозным продольным отверстием, установочным хвостовиком и упорной поверхностью, причем муфта замка выполнена с зарезьбовой конической расточкой, сопряженной с одной стороны с внутренней поверхностью витков ее резьбы под одним углом уклона, а с другой стороны - с поверхностью внутреннего отверстия муфты, при этом, диаметр внутреннего отверстия муфты превышает диаметр внутреннего отверстия ниппеля, а сама муфта и ниппель замка выполнены сбалансированными по прочности на изгиб в соответствии с критерием , ограниченным пределами:
2,3≤≤2,7, где:
Wм - момент сопротивления муфты замка,
Wн - момент сопротивления ниппеля замка.
3
3
Указанный технический результат достигается также и тем, что в замке для бурильных труб по третьему варианту, содержащем связанные конической замковой резьбой ниппель и муфту, каждый со своим внутренним сквозным продольным отверстием, установочным хвостовиком и упорной поверхностью, причем муфта замка выполнена с двумя следующими одна за другой коническими расточками: первая зарезьбовая расточка муфты сопряжена одной своей стороной с внутренней поверхностью витков ее резьбы под одним углом уклона и имеет длину не менее d/1,47, где d - наружный диаметр малого основания резьбы конуса ниппеля, а другая зарезьбовая расточка одной своей стороной плавно сопряжена с первой зарезьбовой расточкой по дуге окружности и другой своей стороной - с внутренним отверстием муфты под углом уклона не более 15°, при этом, диаметр внутреннего отверстия муфты соответствует диаметру внутреннего отверстия ниппеля, а сами и муфта и ниппель замка выполнены сбалансированными по прочности на изгиб в соответствии с критерием , ограниченным пределами:
2,3≤≤2,7, где:
Wм - момент сопротивления муфты замка,
Wн - момент сопротивления ниппеля замка.
3
3
Указанный технический результат достигается также тем, что в замке для бурильных труб по четвертому варианту, содержащем связанные конической замковой резьбой ниппель и муфту, каждый со своим внутренним сквозным продольным отверстием, установочным хвостовиком и упорной поверхностью, причем, муфта замка выполнена с двумя следующими одна за другой зарезьбовыми коническими расточками: первая зарезьбовая расточка муфты сопряжена одной своей стороной с внутренней поверхностью витков ее резьбы под одним углом уклона и имеет длину не менее d/1,47, где d - наружный диаметр малого основания резьбы конуса ниппеля, а другая зарезьбовая расточка одной своей стороной плавно сопряжена с первой зарезьбовой расточкой по дуге окружности и другой своей стороной - с внутренним отверстием муфты под углом уклона не более 15°, при этом, диаметр внутреннего отверстия муфты превышает диаметр внутреннего отверстия ниппеля, а сами и муфта и ниппель замка выполнены сбалансированными по прочности на изгиб в соответствии с критерием , ограниченным пределами:
2,3≤≤2,7, где:
Wм - момент сопротивления муфты замка,
Wн - момент сопротивления ниппеля замка.
Конструкцию замка для бурильных труб по третьему и четвертому вариантам используют в соединениях, в которых большая разность диаметров малого основания конуса резьбы муфты и диаметра внутреннего отверстия в ней обуславливает значительную глубину (длину) первой конической расточки, примыкающей к малому основанию резьбы муфты и выполненной под одним углом с внутренней поверхностью ее резьбы (в основном, длина первой расточки для указанных условий больше значения диаметра малого основания конуса резьбы ниппеля). Такая конструкция замка применима для соединения бурильных труб с большой внутренней высадкой концов, когда отношение площади сечения высадки к площади сечения тела трубы больше 1,7.
Замок для бурильных труб представлен на чертежах:
Фиг.1 - общий вид замка для бурильных труб (первый вариант);
Фиг.2 - общий вид замка для бурильных труб (второй вариант);
Фиг.3 - общий вид замка для бурильных труб (третий вариант);
Фиг.4 - общий вид ниппеля замка для бурильных труб;
Фиг.5 - общий вид замка для бурильных труб (четвертый вариант);
m
н
Замок для бурильных труб состоит из муфты 1 со своим сквозным продольным внутренним отверстием диаметром d (фиг.1, 2, 3, 5) со своей конической замковой резьбой 2, сопряженной с ней со стороны малого основания конуса зарезьбовой расточкой 3, своим хвостовиком 4 и своей упорной поверхностью 5, а также из ниппеля 6 со своим сквозным продольным внутренним отверстием диаметром d, ответной конической замковой резьбой 7, своим хвостовиком 8 и своей упорной поверхностью 9.
Хвостовики 4 и 8 муфты 1 и ниппеля 6 предназначены для осуществления работ по соединению их с высаженными концами бурильных труб и формирования колонны.
m
н
m
В первом варианте замка внутренние диаметры муфты 1 и ниппеля 6 одинаковы, т.е. d=d. Зарезьбовая расточка 3, примыкающая к резьбе 2 муфты 1 в этом варианте замка (фиг.1) сопряжена с ее внутренним отверстием d и выполнена под одним углом уклона (φ) с внутренней поверхностью витков ее резьбы, позволяющим конструктивно упростить муфту 1 замка, из-за устранения излишних переходов в ее теле и формировать заодно, с одной угловой установки, и внутреннюю поверхность витков ее резьбы 2 и ее зарезьбовую расточку 3 и, как следствие, упростить технологию изготовления самой муфты, а также упростить ремонтные работы по восстановлению ее резьбы без значительного укорачивания ее цилиндрической части.
По прочности на изгиб муфта и ниппель замка выполнены соответствующими критерию:
2,3≤≤2,7, где:
Wм - момент сопротивления муфты замка,
Wн - момент сопротивления ниппеля замка.
m
н
m
н
Замок для бурильных труб по второму варианту (фиг.2) отличается от замка по первому варианту конструктивно только тем, что диаметр внутреннего отверстия его муфты 1 превышает диаметр внутреннего отверстия его ниппеля 6 (d>d), что приводит к выравниванию циклических напряжений в замке при бурении. Так как жесткость муфты любого замка в ее цилиндрической части в 2-3 раза выше жесткости конуса ниппеля, то в условиях вращения с изгибом это приводит к усталостной перегрузке ниппеля. Поэтому уменьшение толщины стенки цилиндрической части муфты за счет увеличения размера ее внутреннего отверстия d по отношению к размеру внутреннему отверстию ниппеля d позволяет выравнить циклические напряжения в замке, а также снизить гидравлические сопротивления потоку промывочной жидкости.
3
3
Замок для бурильных труб по третьему варианту (фиг.3) отличается от замка по первому варианту конструктивно тем, что его муфта 1 содержит дополнительную коническую расточку 10, одной своей стороной плавно сопряженную по дуге окружности 11 с зарезьбовой расточкой 3, примыкающей к ее резьбе 2 со стороны малого основания ее конуса, а другой своей стороной сопряженную с поверхностью 12 внутреннего отверстия муфты 1 под углом уклона не более 15°. При этом зарезьбовая расточка 3 муфты 1, следующая непосредственно за ее резьбой, выполнена под одним углом уклона с внутренней поверхностью витков ее резьбы и имеет длину не менее d/1,47, где d - наружный диаметр малого основания резьбы конуса ниппеля (фиг.4).
Как показала практика, выбранная длина зарезьбовой расточки 3 муфты 1 является оптимальной. Наличие другой дополнительной конической расточки 10, сопрягаемой одной своей стороной по дуге окружности 11 с первой зарезьбовой расточкой 3, примыкающей к ее резьбе 2 со стороны малого основания ее конуса, а другой своей стороной сопрягаемой с поверхностью 12 внутреннего отверстия муфты 1, позволяет уменьшить длину зарезьбовой расточки 3, следующей непосредственно за резьбой 2, технологически упрощая изготовление длинных расточек в муфте 1 замка.
Плавное сопряжение дополнительной конической расточки 10 муфты 1 с ее зарезьбовой расточкой 3, способствует снижению концентрации напряжений на этом участке муфты 1.
m
σ
Сопряжение дополнительной конической расточки 10 с поверхностью 12 внутреннего отверстия d муфты 1, выполненное под углом β≤15°, обеспечивает по сравнению с прямоугольным сопряжением (β=90°), как показала практика, снижение коэффициента концентрации напряжений α в 1,71 раза. Дальнейшее уменьшения угла β дает незначительное снижение этого коэффициента.
Замок для бурильных труб по четвертому варианту (фиг.5) отличается от замка по третьему варианту конструктивно только тем, что диаметр внутреннего отверстия его муфты превышает диаметр внутреннего отверстия его ниппеля, что позволяет повысить усталостную прочность ниппеля и за счет этого выравнить циклические напряжения в замке, а также снизить местные гидравлические сопротивления потоку промывочной жидкости при бурении и, тем самым, снизить расход энергии при бурении.
Замок для бурильных труб изготавливают следующим образом.
Отдельно изготавливают муфту 1 и ниппель 6.
m
Для формирования внутренней поверхности муфты 1 замка для бурильных труб по первому и второму вариантам (фиг.1) растачивают ее внутреннюю поверхность до сопряжения с внутренним отверстием d, формируя, таким образом, заодно и внутреннюю поверхность витков ее резьбы 2 и примыкающую к ней со стороны малого основания ее конуса зарезьбовую расточку 3. После этого приступают к нарезанию на ней специальным профильным резцом конической резьбы 2 на длину l1. Таким образом, формирование расточки 3 и внутренней поверхности резьбы 2 муфты 1 производят с одной угловой установки инструмента.
3
m
При изготовлении муфты 1 замка для бурильных труб по третьему и четвертому вариантам дополнительно за первой зарезьбовой расточкой 3, длиной не менее d/1,47, формируют дополнительную коническую расточку 10 под углом уклона β≤15° до сопряжения с внутренним отверстием d муфты.
н
Ниппель 6 изготавливают таким образом: растачивают его внутреннее отверстие диаметром d, нарезают коническую замковую резьбу 7, формируют хвостовик 8 и упорную поверхность 9.
После инструментального контроля муфты и ниппеля замка и нанесения на них покрытий муфту 1 и ниппель 6 свинчивают, формируя замок, и упаковывают. Замок готов к реализации.
Таким образом, предлагаемая полезная модель за счет совокупности своих существенных признаков, характеризующихся оптимальной сбалансированностью по прочности на изгиб ниппеля и муфты, а также выполнением муфты замка с зарезьбовыми коническими расточками и с увеличенным диаметром ее внутреннего отверстия по сравнению с внутренним отверстием ниппеля, позволяет повысить усталостную прочность замка для бурильных труб, ресурс его ремонтопригодности, технологичность изготовления его муфты, и, как следствие, повысить его эксплуатационную надежность, срок службы, и создать долговечный, конструктивно простой замок для бурильных труб, экономящий расход энергии при бурении за счет снижения местного гидравлического сопротивления потоку промывочной жидкости.