РЕЗЬБОВОЕ ТРУБЧАТОЕ СОЕДИНЕНИЕ, УСТОЙЧИВОЕ К ИЗГИБАЮЩИМ НАПРЯЖЕНИЯМ
TUBULAR THREADED CONNECTION RESISTANT TO BENDING STRESSES

Изобретение относится к резьбовому трубчатому соединению для последовательно соединенных труб, подвергающихся динамическим изгибающим нагрузкам, содержащему охватываемый трубчатый элемент, снабженный охватываемой резьбовой частью, и охватывающий трубчатый элемент, снабженный охватывающей резьбовой частью.
Этот тип резьбового соединения предназначен для создания обсадных колонн для перекачки углеводородного сырья или подобных скважин.
В дополнение к относительно постоянным осевым растягивающим нагрузкам, под действием волн, ветра, потоков и морских течений, обсадные колонны, соединяющие морскую платформу с морским дном, подвергаются переменным (динамическим) изгибающим нагрузкам. Вышеуказанные нагрузки передаются от одной трубы к следующей в обсадной колонне через резьбовые соединения.
На фиг.3 показана последняя резьба охватываемого элемента и охватывающего элемента, которые подвержены изгибающему моменту, передаваемому в дополнение ко всей осевой растягивающей нагрузке.
Это приводит к динамическим растягивающим нагрузкам, известным как многократно повторяющиеся нагрузки в основании последней резьбы, и особенно в последней охватываемой резьбе, которые инициируют усталостное разрушение в этом месте, что приводит к катастрофическому разрушению труб обсадных колонн.
Международные заявки на патент WO-A-01/75345 и WO-A-01/75346 раскрывают технические решения для уменьшения напряжений в основании вышеуказанных резьб, но усовершенствование может оказаться недостаточным.
Вышеуказанные динамические нагрузки также являются причиной трения между частями охватываемых и охватывающих элементов в соединении, ведущего к разрушению вследствие разъедающей усталости.
Когда один из трубчатых элементов имеет осевую опорную поверхность на свободном конце, который примыкает к другому трубчатому элементу, опора начинает амортизировать часть изгибающего момента. Однако, чтобы формировать такие опорные поверхности, необходимо выбрать более толстые трубы или увеличить их толщину в определенном месте ковкой (обжимкой), что приводит к увеличению затрат.
Задача изобретения заключается в том, чтобы преодолеть эти недостатки благодаря соответствующему распределению изгибающих нагрузок и произвольно растягивающих нагрузок.
Задачей изобретения также является обеспечение разделения консистентной смазки и обломков, образующихся при износе поверхностей при контакте.
Дополнительная задача заключается в том, чтобы обеспечить уплотнение поверхностей между резьбовыми частями и внешней стороной резьбового соединения, которое не является причиной разрушения в результате разъедающей усталости.
И последняя задача заключается в том, чтобы обеспечить множество уплотняющих поверхностей, которое обеспечивает возможность сохранения уплотнения в случае повреждения одной из них.
В частности, изобретение обеспечивает резьбовое соединение типа, описанного во введении, содержащее, по меньшей мере, одну зону перемещения, аксиально расположенную между вышеуказанными резьбовыми частями и свободным концом одного из трубчатых элементов, аксиально разделенного от резьбовых частей, для того чтобы переместить часть, по меньшей мере, 20%, предпочтительно, по меньшей мере, 30%, изгибающего момента, которому подвергается соединение, от одного элемента к другому, при этом охватываемые и охватывающие элементы имеют соответствующие поверхности перемещения во взаимном контакте с радиальным перекрытием с натягом в зоне перемещения, по меньшей мере, одна из перемещающихся поверхностей является волнистой, определяемой рядом кольцеобразных закругленных ребер, которые входят в перекрывающий контакт с противоположной поверхностью перемещения, причем точка максимального диаметра и точка минимального диаметра волнообразного профиля расположены на соответствующих закругленных частях профиля.
Другие возможные характеристики изобретения, которые могут быть добавлены к основным или заменить некоторые из них, приведены ниже:
- вышеуказанный свободный конец одного из трубчатых элементов имеет переднюю поверхность, которая свободна от контакта с другим трубчатым элементом;
- осевая длина зоны перемещения выбирается так, чтобы ограничить контактное давление, возникающее при перемещении изгибающего момента к части предела текучести материала, менее чем 1 и, предпочтительно, меньше, чем 0,5;
- охватываемые и охватывающие поверхности перемещения смазываются;
- противоположная поверхность перемещения выполнена гладкой;
- волнистая поверхность не контактирует с гладкой поверхностью между ребрами;
- две поверхности перемещения являются волнистыми;
- ребра одной поверхности перемещения расположены между ребрами противоположной поверхности перемещения;
- волнистая поверхность или поверхности имеет/имеют периодический профиль;
- периодический профиль является асимметричным;
- профиль образует часть охватываемой поверхности перемещения и определяется первой выпуклой закругленной частью, содержащей точку с максимальным диаметром профиля, второй вогнутой закругленной частью, содержащей точку с минимальным диаметром профиля и расположенной тангенциально к первой закругленной части, и третьей выпуклой закругленной частью, которая расположена тангенциально к первой и второй закругленным частям и имеет радиус, который, по существу, больше предыдущих;
- вторая закругленная часть имеет больший радиус, чем первая закругленная часть;
- начиная со свободного конца охватываемого элемента, осевое расстояние между точкой максимального диаметра профиля и точкой минимального диаметра следующего профиля меньше, чем осевое расстояние между точкой минимального диаметра профиля и точкой максимального диаметра следующего профиля;
- третий профиль расположен между точкой минимального диаметра профиля и точкой максимального диаметра следующего профиля;
- радиусы закругленных частей, содержащих точки максимального диаметра профиля и минимального диаметра профиля, по меньшей мере, равны 0,4 мм;
- осевое расстояние между двумя последовательно расположенными точками максимального диаметра профиля составляет, по меньшей мере, 1 мм, и осевое расстояние между двумя последовательно расположенными точками минимального диаметра профиля составляет, по меньшей мере, 1 мм;
- радиальное перекрытие с натягом, в основном, не изменяется от одного ребра к другому;
- радиальная посадка с натягом равна около 0,4 мм в диаметре для номинального резьбового элемента диаметром 177,8 мм;
- поверхности перемещения находятся во взаимном металл/металл уплотняющем контакте;
- уплотняющий материал в виде покрытия или дополнительного кольца размещается между металлическими поверхностями охватываемых и охватывающих элементов в зоне перемещения;
- охватываемая и охватывающая поверхности перемещения или их границы формируют часть конических поверхностей;
- поверхности перемещения или их границы наклонены относительно оси (А) соединения на угол от 0,5 до 5°;
- волнистая поверхность имеет шероховатость Ra≤3,2 микрометра;
- зона перемещения расположена аксиально между резьбовыми частями и свободным концом охватывающего элемента;
- охватываемая поверхность перемещения примыкает к основной части трубы большой длины на одном конце, на котором размещен охватываемый трубчатый элемент;
- волнистая поверхность и гладкая поверхность образуют часть охватываемого и охватывающего элементов соответственно;
- внешняя периферическая поверхность охватывающего элемента имеет углубление, которое в определенном месте уменьшает его наружный диаметр, обращенный к зоне перемещения;
- углубление имеет аксиально проходящий вогнутый криволинейный профиль, обращенный к зоне перемещения и в другую сторону от него, при этом наружный диаметр, по существу, минимальный при обращении к срединной точке зоны перемещения и постепенно увеличивается в любую сторону от этой точки;
- криволинейный вогнутый профиль связан с фаской, примыкающей к свободному концу охватывающего элемента;
zz
- минимальный внешний диаметр такой, что инерция изгиба охватывающего элемента в плоскости минимального диаметра равна, по меньшей мере, произведению изгибающей инерции I основной части трубы большой длины, конец которой представляет собой охватывающий трубчатый элемент, и части f передаваемого изгибающего момента;
- вогнутый криволинейный профиль имеет радиус кривизны, по меньшей мере, 50 мм и предпочтительно, по меньшей мере, 100 мм;
- охватывающий элемент образует часть короткого соединения, каждый конец которого снабжен охватывающим резьбовым элементом, который может стыковаться с охватываемым резьбовым элементом, образующим часть трубы большой длины для соединения двух труб.
Изобретение также обеспечивает способ увеличения сопротивления усталости трубчатого резьбового соединения, подвергающегося динамическому изгибу, при этом соединение содержит охватываемый трубчатый элемент с охватываемой нарезной частью и охватывающий трубчатый элемент с охватывающей нарезной частью, отличающийся тем, что включает, по меньшей мере, зону перемещения, расположенную аксиально между резьбовыми частями и свободным концом одного из трубчатых элементов, аксиально расположенным на расстоянии от нарезных частей так, чтобы перемещать от одного элемента к другому элементу часть, по меньшей мере, равную 20% изгибающего момента, которому подвергается соединение, при этом охватываемый и охватывающий элементы имеют в зоне перемещения соответствующие поверхности перемещения, которые находятся во взаимном контакте и перекрываются радиально, по меньшей мере, одна из поверхностей перемещения имеет средства для разделения радиального контакта сечения, где нагрузки приложены к движущемуся соединению, в частности, в форме ряда закругленных кольцевых ребер.
Характеристики и преимущества изобретения будут описаны более детально в нижеследующем описании со ссылками на сопровождающие чертежи.
Фиг.1 - осевой полуразрез трубчатого резьбового соединения изобретения;
фиг.2 - частичный разрез по оси в большем масштабе охватываемого элемента резьбового соединения на фиг.1, показывающий часть охватываемой поверхности перемещения;
фиг.3 и 4 - поясняющие диаграммы, иллюстрирующие распределение изгибающих моментов вдоль охватываемого элемента и охватывающего элемента резьбового соединения предшествующего уровня и для резьбового соединения согласно изобретению соответственно.
Резьбовое трубчатое соединение, изображенное на фиг.1, содержит охватываемый трубчатый элемент 1 и охватывающий трубчатый элемент 2, снабженные соответствующими конусообразными резьбовыми частями 3, 4, которые предназначены для взаимной стыковки этих двух элементов. Элемент 1 находится на одном конце отрезка большой трубы 11 и элемент 2 находится в одном конце трубчатого соединения 12 для соединения двух труб, подобных 11. Множество труб, подобных 11, каждая из которых на концах имеет два резьбовых элемента, подобных 1, могут быть соединены вместе с помощью трубчатых соединений, подобных 12, каждое из которых на концах имеет два резьбовых элемента, подобных 2, для образования труб обсадной колонны, например, для нефтяной скважины.
В приведенном примере труба 11 имеет между двумя охватываемыми элементами, то есть над значительной частью отрезка трубы, называемой основной частью, одинаковый внешний диаметр ED, равный 177,8 мм (7 дюймов), который представляет собой номинальный диаметр резьбового соединения. Значения для измерений, приведенных ниже, учитывают этот номинальный диаметр и поэтому могут отличаться от него.
Согласно изобретению трубчатое резьбовое соединение имеет зону перемещения, которая аксиально определяется поперечными плоскостями P1 и P2, в которых охватываемый и охватывающий элементы находятся во взаимном контакте через соответствующие кольцевые поверхности 5, 6 перемещения при обороте вокруг оси A резьбовых частей; они имеют четко выраженные профили.
M
m
M
m
m
M
Профиль поверхности 5 показан на фиг.2. Профиль представляет собой волнистый периодический профиль, определенный повторением мотива, образованного тремя взаимно тангенциальными круговыми дугами, а именно первая дуга A1, которая выпуклая наружу, то есть вогнутость которой повернута к оси A, проходящей через точку P максимального диаметра профиля, вторая вогнутая дуга A2 (вогнутость которой радиально повернута наружу) проходит через точку P с минимальным диаметром профиля и третья выпуклая дуга A3, при этом в примере приведены радиусы вышеуказанных трех дуг, равные соответственно 0,8, 1,6 и 8 мм. Профиль поверхности 5 также асимметричен, осевое расстояние d1 между точкой P максимального диаметра профиля и последующей точкой P минимального диаметра профиля, начиная от свободного конца 7 охватываемого элемента, то есть справа на фиг.2, становится меньше, чем осевое расстояние d2 между точкой P и последующей точкой P′ максимального диаметра профиля. Расстояния d1 и d2 в этом случае равны приблизительно 1 мм и 2 мм соответственно.
Профиль поверхности 5 обычно наклонен относительно оси A, прямые линии L3 и L4 соответственно тангенциальны к набору дуг А1 и к набору дуг A2 и, таким образом, составляют внешние и внутренние границы профилей, наклоненных на 2° относительно вышеуказанных осей, к тому же увеличивающихся по мере приближения к свободному концу охватываемого элемента. Из-за этого наклона термины "точка максимального диаметра" и "точка минимального диаметра" относятся к максимальным и минимальным диаметрам, которые являются относительными, а не абсолютными. Амплитуда волн на поверхности 5, то есть радиальное расстояние  между линиями L3 и L4, составляет 0,2 мм.
Поверхность 6 охватывающего элемента, обращенная к поверхности 5, не показанная подробно, представляет собой конусообразную гладкую поверхность, наклон которой равен наклону линий L3 и L4 так, чтобы пики различных кольцевых ребер 7, определенных поверхностью 5, могли вступать в одновременный контакт с поверхностью 6 при завинчивании охватываемой резьбовой части 3 в охватывающую резьбовую часть 4. Преимущественно размеры поверхностей 5 и 6 таковы, что радиальный люфт возникает в конце завинчивания между пиками ребер и поверхностью 6, вышеуказанная радиальная посадка с натягом, то есть разность диаметров между охватываемым и охватывающим элементами, измеренная перед соединением в точках, которые будут вступать в плотное соприкосновение после закручивания, одинаковая от одного ребра к другому и преимущественно равна 0,4 мм.
Из-за волнистости профиля поверхности 5 поверхности контакта между гребнями ребер 7 и поверхностью 5 радиально удалены от сечения, расположенного между конусом, образующими которого являются L4 (внутренняя граница ребер) и противоположная периферическая поверхность (внутренняя) охватываемого элемента 1, где напряжения, приложенные к соединению, полностью проявляются (то есть когда они перемещаются), улучшая таким образом сопротивление усталости соединения, когда оно подвергается динамическим изгибающим нагрузкам.
Слишком малое осевое расстояние d1+d2 (соответствующее пикам ребер), например, менее чем 0,5 мм, не позволяет легко образовывать достаточную амплитуду волнистости рассматриваемых закругленных частей. По этой причине предпочтительно иметь осевое расстояние d1+d2 более чем 1 мм. Однако слишком большое осевое расстояние d1+d2 не позволяет занимать несколько ребер в зоне перемещения до тех пор, пока вышеуказанная зона перемещения не будет сильно увеличена, что удорожает производство.
Слишком малое отклонение (менее чем 0,5°) линий L3, L4 делает трудным скольжение поверхностей 5, 6 одна против другой при сборке элементов 1, 2, в особенности из-за предпочтительного перекрытия между поверхностями. Отклонение больше или равное 1° даже предпочтительнее. Отклонение более чем 5° нежелательно, поскольку это сильно уменьшает критическое сечение охватываемого элемента 1 (минимальное сечение элемента, при котором в соединении проявляются все осевые нагрузки) относительно сечения основной части трубы 11 и последующей эффективности соединения.
Как будет отмечено далее, слишком низкая амплитуда волнистости, например, менее чем 0,5 мм, не позволяет расположить на расстоянии сечения места соприкосновения, где проявляются осевые напряжения, и не позволяет накапливаться продуктам износа соединения.
Слишком большая амплитуда волнистости понижает критическое сечение, что приводит к недостаткам, упомянутым выше.
Кроме того, из-за волнистости профиля между поверхностями 5 и 6, между двумя последовательными ребрами 7 находятся круговые зазоры, в которые могут забиваться консистентная смазка и/или обломки, образующиеся при износе резьбовых элементов при динамических нагрузках. Кроме того, каждое ребро 7 определяет кольцевую поверхность уплотняющего контакта с поверхностью 6, множественность уплотняющих поверхностей, понижающих риск потери уплотнения между резьбовой частью зоны 3, 4 и внешней части резьбового соединения. Такое уплотнение достигается при прямом контакте составляющих металлических материалов охватываемого и охватывающего элементов. В ряде случаев может быть использован уплотняющий материал типа эластомера или из более мягкого металла, чем металл охватываемого и охватывающего элементов (например, медь или сталь), который вставляется между материалами основания в форме уплотнения или добавочного кольца. В дальнейшем возможно подвергать одну и/или другую контактную поверхность поверхностной обработке, которая способствует уплотнению.
Слишком малое радиальное перекрытие между гребнями ребер и поверхностью 6 не позволяет разместить уплотнение между поверхностями 5 и 6. Слишком большое радиальное перекрытие приводит к риску истирания металла между поверхностями 5 и 6 при закручивании резьбы, такое истирание металла может спровоцировать усталость соединения и разрушение уплотнения между поверхностями 5 и 6.
Для получения хорошего уплотнения между поверхностями 5 и 6 предпочтительно выполнять эти поверхности шероховатыми. Шероховатость Ra должна быть не более 3,2 микрометра. Например, можно выбрать шероховатость Ra<1,6 микрометра.
Преимущества изобретения особенно хорошо проиллюстрированы на фиг.3 и 4, верхняя часть каждой показывает полуразрез охватываемого элемента резьбового трубчатого соединения и нижняя часть которых показывает кривые, представляющие собой колебания изгибающих моментов по оси A соединения, которые испытывают охватываемые и охватывающие элементы.
0
На фиг.3, которая относится к прототипу, резьбовая часть охватываемого элемента 3 проходит от поперечной плоскости P3 близко к свободному концу 8 охватываемого элемента 1 к поперечной плоскости P4, которая непосредственно следует за основной частью 21 трубы 11, которой принадлежит охватываемый элемент 1. Когда изгибающая нагрузка прикладывается к трубчатому соединению, частью которого является элемент 1, последний испытывает изгибающий момент, который изменяется вдоль оси A, по кривой С1, которая представляет собой прямую линию. Этот момент М имеет максимальное значение М в плоскости P4. Наоборот, изгибающий момент, испытываемый охватывающим элементом, не указанный на чертеже, следующий за кривой C2, представляет собой прямую линию. Этот момент равен 0 в плоскости P4 и прогрессивно увеличивается в направлении свободного конца 8.
0
1
1
0
На фиг.4, которая относится к изобретению, изгибающий момент M, испытываемый охватываемым элементом 1, имеет максимальное значение М в плоскости P2, которая разделяет поверхность 5 перемещения и основную часть 21 трубы 11. Изгибающий момент, испытываемый резьбовой частью 3, имеет максимальное значение М в плоскости P4, которая определяет резьбовую часть 3 противоположного свободного конца 8 охватываемого элемента. В дальнейшем зона перемещения поверхностей 5, 6 удалена от резьбовых частей 3, 4 и, в результате, от плоскости P2 и плоскости P4, значение М ниже относительно значения М.
В случае, показанном на фиг.4, максимальный диаметр поверхности 5 перемещения равен диаметру основной части 21 трубы 11.
Пример ниже иллюстрирует способ, с помощью которого может быть определено осевое положение зоны перемещения для получения эффекта действия данного изобретения.
max
Было вычислено расстояние d между центром зоны перемещения и центром резьбовых частей, чтобы передать отношение f=0,5 изгибающего момента, испытываемого при передаче от одного элемента к другому. Это расстояние определяется уравнением (1), в котором F - сила в зоне перемещения, полученная при изгибающем моменте, и М - максимальное значение изгибающего момента, который может быть приложен без остаточной деформации соединения:
max
zz
Значение М дается уравнением (2) (формула для прочности материала), в котором YS - предел текучести материала соединения, I - инерция в поперечном сечении соединения и OD - внешний диаметр основной части 21 трубы 11:
zz
I определяется из уравнения (3), в котором ID - внутренний диаметр резьбового соединения:
F равно произведению области S зоны перемещения и максимального напряжения давления, приложенного к этой зоне, которое равно пределу текучести YS, умноженному на отношение f', которое не должно быть превышено.
1
S - проекция на осевую плоскость поверхности контакта в зоне перемещения и выводится из уравнения (4) в случае конической зоны перемещения, где D - диаметр цилиндрической поверхности 17 (фиг.1) охватывающего элемента 2, соединяющий резьбовую часть 4 и область поверхности перемещения 6, и α - вершина полуугла конусной поверхности, содержащей поверхности 5, 6 перемещения и/или их границы:
Взяв следующие исходные данные:
OD=177,8 мм
ID=157,08 мм
1
D=175,95 мм
YS=551 МПа
f=0,5
f′=0,3
α=2°,
можно рассчитать следующие значения:
max
M=119×106 Н·мм
2
S=4685 мм
D=76,8 мм.
В примере, показанном на фиг.1, это расстояние представляет собой практически 150% осевой длины охватывающей резьбовой части, равной 51 мм, осевая длина зоны перемещения составляет 13,2 мм.
Более подробно, но не только в случае, показанном на фиг.1, где охватывающий элемент образует часть сцепления, в изобретении уменьшается толщина элемента в области, обращенной к контактным поверхностям 5 и 6 перемещения, увеличивая его гибкость. С этого конца углубление 13 образовано на внешней периферийной поверхности соединения 14, при этом вышеуказанное углубление имеет большой радиус окружности профиля вогнутой дуги (больше чем 50 мм), в данном случае равен 150 мм. Это углубление определяет минимум наружного диаметра Dm, повернутого к срединной точке P зоны перемещения поверхностей 5, 6, внешний диаметр равномерно увеличивается во всех направлениях в вышеуказанных точках. На противоположной стороне от свободного конца 15 элемента 2 углубление 13 соединяет цилиндрическую часть с максимальным диаметром с внешней поверхностью 14. На стороне свободного конца 15 углубление 13 соединяет фаску 16 с торцевой поверхностью 15. Преимущественно, минимальный диаметр вышеуказанной фаски, то есть диаметр элемента 2 в соединении между фаской 16 и торцевой поверхностью 15, является равным диаметру Dm дна углубления.
zz
Диаметр Dm также выбран так, чтобы инерция изгиба охватывающего элемента в соответствующей плоскости не была меньше, чем произведение инерции изгиба I основной части трубы 11 и части f перемещенного изгибающего момента.
В то время как зона перемещения изобретения была описана в комбинации с углублением на внешней поверхности соединения, зона перемещения может быть выполнена независимо от углубления, в особенности в случае соединения, которое называется интегральным соединением, в котором охватываемый и охватывающий элементы образуют часть трубы большой длины.