Резьбовое соединение насосно-компрессорных труб

Полезная модель относится к муфтовым резьбовым соединениям насосно-компрессорных труб и может быть использована для соединения элементов верхнего уровня колонн, применяемых для обустройства нефтяных скважин, а также проведения различных технологических операций.
Основная функция, которую выполняют насосно-компрессорные трубы, заключается в транспортировке извлекаемых из скважины или нагнетаемых в скважину газов и жидкостей. Кроме того, насосно-компрессорные трубы, помещенные в скважину, используют для обеспечения проведения внутри скважины спускоподъемных и ремонтных работ. Таким образом, насосно-компрессорные трубы и их соединения эксплуатируются в нефтяных и газовых скважинах при значительном переменном давлении и растягивающих нагрузках, создаваемых собственным весом колонны. При этом на верхних уровнях колонны величина растягивающих нагрузок невысока, и основными требованиями к соединениям таких насосно-компрессорных труб являются сохранение герметичности при воздействии значительного переменного давления и других механических нагрузок, а также обеспечение равнопроходности по внутренней поверхности трубы для беспрепятственного прохождения оборудования.
Из уровня техники известно резьбовое соединение насосно-компрессорных труб, содержащее ниппельный и муфтовый элементы, на концах которых на наружной и внутренней поверхностях, соответственно, выполнены конические резьбы с треугольным профилем витка, конусностью - 1:16, шагом резьбы - 3,175 мм, высотой профиля - 1,81 мм и углом наклона боковых граней профиля витка к нормали осевой линии резьбы, равным 29÷31° (патент РФ №192664, F16L 15/00, опубл. 25.09.2019), принятое в качестве ближайшего аналога заявляемого соединения.
К недостаткам данного резьбового соединения относятся невозможность восприятия соединением указанной конструкции крутящего момента, недостаточная герметичность соединения и неравнопроходность соединения по внутренней поверхности труб.
Техническая задача состоит в разработке муфтового резьбового соединения насосно-компрессорных труб, обладающего высокой степенью герметичностью (по жидкости) при воздействии на него значительного переменного давления и других механических нагрузок, воспринимающего при этом крутящий момент и являющегося равнопроходным по внутренней поверхности трубы.
Технический результат заключается в повышении герметичности резьбового соединения по жидкости при воздействии на него механических нагрузок и значительного переменного давления и восприятии соединением крутящего момента.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в резьбовом соединение насосно-компрессорных труб, содержащем первый и второй ниппельный элементы и муфтовый элемент, на концах которых выполнены, соответственно, внешняя и внутренняя конические резьбы с треугольным профилем витка, закругленным по впадинам и вершинам, и с зазорами, образованными по впадинам и вершинам профиля витка, с углами наклона боковых граней профиля витка к нормали осевой линии резьбы, составляющими 29÷31°, и выполненной на внутренней поверхности муфтового элемента круговой проточкой, согласно полезной модели, на первом и втором ниппельных элементах выполнены упорные торцевые поверхности с углом наклона 90° к осевой линии резьбы и с возможностью смыкания упорных торцевых поверхностей друг с другом при свинчивании соединения, а круговая проточка на внутренней поверхности муфтового элемента выполнена шириной 6÷10 мм и глубиной, превышающей высоту профиля резьбы не более чем на 0,5 мм.
В частном случае выполнения соединения конусность резьб ниппельных и муфтового элементов составляет 1:16.
В частном случае выполнения соединения шаг резьб ниппельных и муфтового элементов составляет 2,54 мм.
В частном случае выполнения соединения высота профиля витка резьб ниппельных и муфтового элементов составляет 1,3÷1,5 мм.
В частном случае выполнения соединения радиус закругления вершины профиля витка резьб ниппельных и муфтового элементов составляет 0,43÷0,48 мм.
В частном случае выполнения соединения радиус закругления впадины профиля витка резьб ниппельных и муфтового элементов составляет 0,31÷0,36 мм.
В частном случае выполнения соединения величина зазоров, образованных при свинчивании соединения, по вершинам и впадинам профиля витка резьб ниппельных и муфтового элементов составляет 0,07÷0,08 мм.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображено заявляемое резьбовое соединение насосно-компрессорных труб в собранном состоянии, на фиг. 2 показан профиль резьбы соединения насосно-компрессорных труб, на фиг. 3 изображена зона смыкания упорных торцевых поверхностей ниппельных элементов резьбового соединения насосно-компрессорных труб.
Заявляемое резьбовое соединение насосно-компрессорных труб содержит первый (1) и второй (2) ниппельные элементы и муфтовый (3) элемент, на концах которых выполнены, соответственно, внутренняя (4) и внешняя (5) конические резьбы с треугольным профилем витка. Ниппельные элементы выполнены с упорными торцевыми поверхностями (6) и (7), профиль витка резьб (4) и (5) представляет собой равнобедренный треугольник с боковыми гранями (8), закругленный по вершинам (10) и впадинам (11). На внутренней поверхности муфтового элемента (3) выполнена круговая проточка (9).
Профиль витка резьб (4) и (5) представляет собой закругленный по вершинам (10) и впадинам (11) равнобедренный треугольник, боковые грани (8) которого выполнены с углами наклона 29÷31° к нормали осевой линии резьбы. Под нормалью осевой линии резьбы понимается перпендикуляр, проведенный к осевой линии резьбы. Закругление по вершинам профиля витка резьб (4) и (5) необходимо для предотвращения повреждений острыми вершинами треугольников профиля витка поверхностей резьб при свинчивании соединения.
Выполнение боковых граней (8) профиля витка резьб (4) и (5) в виде равнобедренного треугольника с одинаковыми углами наклона, равными 29÷31° к нормали осевой линии резьбы, предотвращает заклинивание соединения на начальном этапе свинчивания, обеспечивает его легкую свинчиваемость в целом и повышение герметичности соединения при воздействии на него механических нагрузок за счет контакта по обеим боковым граням (8) при свинчивании соединения.
Конусность резьб (4) и (5), выполненных, соответственно, на внутренней поверхности муфтового элемента (3) и на наружной поверхности первого (1) и второго (2) ниппельных элементов, обеспечивает оптимальное сочетание скорости свинчивания соединения и необходимой степени зацепления витков резьб для обеспечения герметичности соединения при воздействии значительного переменного давления, действующего во время эксплуатации соединения.
Зазоры по вершинам (10) и впадинам (11) профиля витка резьб (4) и (5) служат для выхода избытка смазки при свинчивании соединения, излишнее скопление которой на контактирующих поверхностях резьб снижает герметичность соединения. Кроме того, повышение герметичности соединения обеспечивается создаваемым в зазорах уплотнением резьбовой смазки при свинчивании.
Упорные торцевые поверхности (6) и (7) первого (1) и второго (2) ниппельных элементов имеют угол наклона 90° к осевой линии резьбы и выполнены с возможностью смыкания друг с другом при свинчивани соединения. Указанное расположение упорных торцевых поверхностей обеспечивает стойкость соединения при воздействии крутящего момента, возникающего при эксплуатации соединения. Также обеспечиваются четкое позиционирование ниппельных элементов относительно муфтового элемента, точное фиксирование заданной величины натяга и крутящего момента в процессе свинчивания соединения, повышенный момент свинчивания соединения и контроль свинчивания.
Кроме того, при свинчивании соединения, ниппельные элементы которого выполнены с упорными торцевыми поверхностями (6) и (7), перпендикулярными осевой линии резьбы, при их смыкании и дальнейшем затягивании соединения отсутствует вертикальная составляющая силы воздействия на резьбы (4) и (5), что предотвращает повреждение их поверхностей и образование на них задиров.
Смыкание упорных торцевых поверхностей (6) и (7) ниппельных элементов при свинчивании соединения также является дополнительным фактором повышения герметичности соединения по жидкости и обеспечивает равнопроходность по внутренней поверхности трубы. При этом равнопроходность является фактором, обеспечивающим улучшение технологичности резьбового соединения при его эксплуатации.
На внутренней поверхности муфтового элемента (3), при свинчивании соединения над местом смыкания упорных торцевых поверхностей (6) и (7) ниппельных элементов (1) и (2), выполнена круговая проточка (9) шириной 6÷10 мм и глубиной, превышающей высоту профиля резьбы не более чем на 0,5 мм.
Круговая проточка (9) является технологической и служит для выхода резьбонарезного инструмента. Кроме того, в нее могут выходить излишки смазки при свинчивании резьбового соединения, скопление которой на контактирующих поверхностях резьб (4) и (5) существенно влияет на герметичность соединения. Выполнение круговой проточки шириной 6÷10 мм и глубиной, превышающей высоту профиля резьб (4) и (5) не более чем на 0,5 мм, выбрано исходя из создаваемого проточкой внутреннего объема, необходимого для обеспечения выхода резьбонарезного инструмента и выхода излишек смазки без существенных потерь толщины муфтового элемента (3).
Заявляемое резьбовое соединение насосно-компрессорных труб работает следующим образом.
При выполнении операции свинчивания резьбового соединения первоначально осуществляется взаимодействие муфтового (3) элемента и первого ниппельного (1) элемента с помощью конических резьб (4) и (5) с закругленным треугольным профилем витка, выполненных, соответственно, на внутренней поверхности муфтового элемента (3) и наружной поверхности первого ниппельного элемента (1). Окончание процесса свинчивания первого ниппельного элемента (1) и муфтового элемента (3) осуществляется при силовом контактировании по обеим боковым граням (8) профиля витка резьб (5) и (4). Также контроль свинчивания первого ниппельного элемента (1) и муфтового элемента (3) осуществляется по меткам, нанесенным на наружную поверхность первого-ниппельного элемента (1).
Далее происходит взаимодействие второго ниппельного элемента (2) и муфтового элемента (3) с помощью конических резьб (5) и (4). Окончание процесса свинчивания второго ниппельного элемента (2) и муфтового элемента (3) осуществляется при силовом контактировании упорных торцевых поверхностей (6) и (7) ниппельных элементов (1) и (2), в результате чего на упорных торцевых поверхностях возникают контактные напряжения, величина которых находится в области упругих деформаций. Излишки смазки уходят в образовавшиеся при свинчивании зазоры по вершинам (10) и впадинам (11) профиля витка резьб (4) и (5), а также в проточку (9) на муфтовом элементе (3).
Пример осуществления полезной модели.
Для проведения испытаний резьбового соединения насосно-компрессорных труб был изготовлен образец резьбового соединения с конструктивными признаками предлагаемой полезной модели. Изготовлены ниппельные элементы и муфтовый элемент, на концы которых были нанесены наружная и внутренняя конические резьбы с закругленным треугольным профилем витка. Диаметр соединения - 89 мм, конусность резьб - 1:16, шаг резьбы - 2,54 мм, угол наклона боковых граней профиля витка резьб к нормали осевой линии резьбы составил 30°. По вершинам и впадинам профиля витка резьб образованы зазоры. Упорные торцевые поверхности первого и второго ниппельных элементов имеют угол наклона 90° к осевой линии резьбы и выполнены с возможностью смыкания торцевых поверхностей друг с другом при свинчивании соединения. На внутренней поверхности муфтового элемента, в месте смыкания упорных торцевых поверхностей ниппельных элементов, выполнена проточка, например шириной 8 мм и глубиной 1,9 мм (при высоте профиля резьбы 1,4 мм).
Также был изготовлен образец резьбового соединения с конструктивными признаками наиболее близкого аналога: ниппельные и муфтовый элементы резьбового соединения насосно-компрессорных труб, на концах которых соответственно на наружной и внутренней поверхностях выполнены конические резьбы с треугольным профилем витка. Диаметр соединения - 73 мм, конусность резьб - 1:16, шаг резьбы - 3,175 мм, высота профиля резьбы -1,81 мм, угол наклона боковых граней профиля витка резьб к нормали осевой линии резьбы равен 30°. На внутренней поверхности муфтового элемента выполнена проточка, например шириной 12 мм и глубиной 2,2 мм.
При испытании образцов оценивали количество выдерживаемых резьбовым соединением свинчиваний-развинчиваний при воздействии значительного крутящего момента и растягивающих нагрузок.
Испытания образцов заявляемого резьбового соединения показали повышение герметичности соединения по жидкости при воздействии на него крутящего момента, превышающего на 20% величину крутящего момента, приложенного к образцу, изготовленному по прототипу, а также равнопроходность по внутренней поверхности трубы.