РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ С УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫМИ ЭЛАСТИЧНЫМИ УПЛОТНИТЕЛЬНЫМИ КОЛЬЦАМИ
THREADED CONNECTION WITH IMPROVED ELASTIC SEAL RINGS

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к области резьбовых соединений, в частности к области трубных соединений фиксированной длины для изготовления колонн труб, используемых в углеводородной промышленности, в частности при изготовлении нефтегазопромысловых труб и труб для морских трубопроводов.
Уровень техники
Поиск нефти либо углеводородов в целом становится в последнее время все более трудоемким в части использования технических средств и устройств, так как месторождения и залежи нефти и газа располагаются глубоко под поверхностью земли либо в труднодоступных местах под морским дном. Поиск месторождений для дальнейшей разработки требует применения технических средств, более устойчивых к воздействиям окружающей среды, таким как высокие нагрузки и коррозия, нежели приборы, применяемые ранее.
Современные соединения большей частью имеют уплотнение типа металл-металл, которое достигается при соприкосновении двух поверхностей, расположенных обычно либо с одного, либо с обоих концов резьбовой части соединения. Две соприкасающиеся поверхности взаимодействуют в интервале модулей упругости для соответствующей величины напряжения. Однако в особых случаях возникает необходимость в эластичном уплотнении, заменяющем собой либо используемом совместно с металлическим уплотнением с целью предотвращения попадания жидкостей извне через зазоры между витками резьбы.
Таким образом, необходимым требованием к конструкции является способность уплотнения противостоять проникновению жидкостей извне либо, как минимум, предотвращать непрерывное взаимодействие уже проникшей жидкости с окружающей жидкостью с целью снижения скорости коррозии соединения.
Для решения вышеперечисленных проблем предлагались различные пути, один из которых состоит в использовании уплотнительного кольца, изготовленного из полимерного материала, например кольцевого уплотнения в крайней точке соединения рядом с резьбовой частью.
На практике широко используются кольцевые уплотнения, предварительно смонтированные на охватывающий конец трубы с внутренней резьбой (муфту), однако такой способ имеет серьезный недостаток: уплотнительные кольца могут получить повреждения во время монтажа кольца и/или во время сборки.
Будучи предварительно смонтированным на муфту, при сборке муфты уплотнение надевается вместе этой частью трубы на резьбу ниппеля (охватываемого элемента с наружной резьбой). Ввиду разности диаметров ниппеля и муфты и уплотнения, необходимой для надлежащей работы уплотнения, а также обеспечения геометрических параметров соединения, таких как профиль и шаг резьбы, угол конусности, угол стыковки и т.д., для перемещения уплотнений по резьбе ниппеля неизбежно прилагается усилие, что влечет за собой повреждение нижней поверхности уплотнений или постоянные деформации, что в последствии может негативно повлиять на эффективность уплотнения в ходе эксплуатации.
Для увеличения эффективности и предотвращения проникновения морской воды в зазоры соединения предлагалось также использовать уплотнительные кольца, имеющие более сложную форму, например кольца с поперечным сечением в форме «Н» или «U». Однако такие уплотнительные кольца подвержены воздействию нагрузок и неблагоприятных условий окружающей среды как во время первоначальной сборки, так и в ходе последующей эксплуатации, так что через какое-то время их эффективность заметно снижается. Хотя предварительный монтаж на ниппель был бы менее вредным для уплотнительных колец, некоторые виды применения требуют более простых уплотнительных колец, которые должны предварительно устанавливаться на муфту.
В документе US 655082 описано резьбовое соединение, содержащее уплотнение для предотвращения попадания воды, которое представляет собой самоуплотняющуюся эластомерную прокладку, помещаемую в канавку рядом с каждым концом соединения и образующую радиальное уплотнение между гладкой безрезьбовой зоной на каждом конце соединения и безрезьбовой цилиндрической зоной, прилегающей к каждому концу трубчатой секции.
Форма кольцевой секции не упрощает ее надевание на резьбу в ходе сборки. Острые углы, обусловленные формой, наталкиваются на вершины резьбы и могут застрять в резьбе. В случае вывинчивания резьбы очень легко повредить уплотнительное кольцо.
В случае поломки часть ниппеля в зоне сбега резьбы остается незащищенной от возможного воздействия коррозийно-активных жидкостей, так как противокоррозийное покрытие, используемое для смазки соединений, легко смывается проникающей наружной жидкостью.
В таких соединениях используются стандартные уплотнительные кольца, предлагаемые на рынке. Поэтому для разных соединений должны использоваться кольца одинаковой конструкции, эта конструкция не предусматривает индивидуальную адаптацию геометрии кольца к конической части ниппеля, углу конусности, высоте и шагу резьбы и т.д.
Полость между кромками делает корпус уплотнения более хрупким, ввиду чего он подвержен разрушению во время разборки соединения, когда нижняя часть корпуса проходит черед резьбовую часть ниппеля, вызывая сильную деформацию, которая может привести к поломке.
Неоднократно предпринимались попытки разработать улучшенную конфигурацию уплотнительных колец, размещаемых рядом с наконечником муфты, но все они не удовлетворяли повышенным требованиям, установленным для данного вида соединений.
В частности, в документе WO 02068854 (который может быть рассмотрен в качестве ближайшего аналога) описано резьбовое соединение, предусматривающее использование на ниппеле заранее изготовленных уплотнительных колец, одно из которых является эластомерным, а другое - металлическим. Однако такое металлическое кольцо необходимо приваривать к поверхности ниппеля, что усложняет процесс сборки соединения.
Раскрытие изобретения
Принимая во внимание вышеизложенное, целью настоящего изобретения является разработка конструкции резьбового соединения, не имеющего вышеперечисленных недостатков.
Основной целью изобретения является разработка конструкции замкового соединения, снабженного двумя усовершенствованными уплотнительными кольцами, обеспечивающими как простоту и надежность первоначальной сборки, так и высокую эффективность в процессе эксплуатации, в частности устойчивость к проникновению коррозийно-активных жидкостей извне.
Вышеупомянутая цель настоящего изобретения достигнута путем создания резьбового соединения, состоящего из трубы с наружной резьбой, определяемой как ниппель, трубы с внутренней резьбой, определяемой как муфта, причем ниппель сконструирован для ввинчивания в муфту, образуя общую продольную ось, первое и второе уплотнительные кольца, помещенные между ниппелем и муфтой и расположенные на участке поверхности муфты между концом резьбовой части и горловиной муфты, обеспечивая непроницаемое уплотнение посредством контакта наружной цилиндрической поверхности с одной стороны с внутренней поверхностью муфты, а также контакта внутренних цилиндрических поверхностей с наружной поверхностью ниппеля, при этом на внутренней поверхности муфты находится первое углубление, сделанное в непосредственной близости к горловине муфты для размещения первого уплотнительного кольца, и второе углубление для размещения второго уплотнительного кольца, располагающегося между первым углублением и резьбовой частью муфты. При этом отличительной особенностью данного соединения является изготовление первого уплотнительного кольца (30, 40, 60) из эластомерного материала и снабжение его армирующим кольцом (34, 43, 7, 25, 75), а также снабжение армирующим кольцом (7, 25, 75) второго (6, 21, 70) уплотнительного кольца.
Соединение по изобретению имеет два уплотнительных кольца инновационной конструкции, обеспечивающих оптимальную герметичность в неблагоприятных условиях эксплуатации: второе или внутреннее уплотнительное кольцо обеспечивает защиту резьбовой части соединения; первое или внешнее уплотнительное кольцо в свою очередь защищает второе уплотнительное кольцо, усиливая защиту соединения.
Возможность многократного использования уплотнительных колец обеспечивается благодаря форме соприкасающихся поверхностей уплотнительных колец, муфты и ниппеля.
При любых обстоятельствах данное изобретение обеспечивает надежность эксплуатации в случаях отсутствия запасных кольцевых уплотнений. В отличие от соединений, снабженных уплотнениями, известными из уровня техники, такими как кольцевые уплотнения с круговым сечением, предлагаемое соединение не вызывает повреждений уплотнительных колец во время отвинчивания. Преимуществом также является тот факт, что одно и то же уплотнительное кольцо может использоваться многократно в ходе последующих свинчиваний.
Другое преимущество изобретения - это повышенная надежность резьбового соединения в реальных условиях эксплуатации, когда надежность является необходимым условием наряду со снижением стоимости эксплуатации в плане времени и выполняемых задач.
Первое уплотнительное кольцо, располагающееся ближе к наружному краю соединения, имеет форму сечения, максимально приспособленную для того, чтобы под воздействием давления окружающей жидкости кольцо, как клин, глубоко входило в пространство между наружной кромкой муфты и соответствующей наружной поверхностью ниппеля, усиливая таким образом уплотняющую способность кольца, а следовательно, и соединения.
Тот факт, что гнездо для первого уплотнительного кольца находится на внутренней поверхности муфты, имеющей форму усеченного конуса в той части, которая соприкасается с кольцом, с уклоном в направлении внутренней части муфты, усиливает прилегание первого уплотнительного кольца к металлическим поверхностям, а вместе с ним и его уплотняющую способность. Также при этом начиная с предельного давления обеспечивается полное соответствие уплотнительного кольца кольцевому пространству между кромкой муфты и лицевой внешней стенкой ниппеля.
Дополнительное преимущество обеспечивается включение в тело первого уплотнительного кольца армирующего кольца, предпочтительно металлического, с L-образным сечением. Это обеспечивает ограниченную и контролируемую деформацию первого уплотняющего кольца под действием внешнего давления жидкости.
Сечение первого уплотняющего кольца также может иметь U-образную форму, обеспечивая его вклинивание в коническое гнездо, таким образом поддерживая оптимальную уплотняющую способность.
В другом варианте выполнения первое уплотнительное кольцо снабжено кольцеобразным выступом вдоль края, наружная поверхность ниппеля в месте установки кольца перед свинчиванием снабжается соответствующим кольцеобразным углублением или уступом, для прочной установки кольца.
Гнездо для установки второго уплотнительного кольца, располагающееся ближе к внутренней части соединения, имеет конфигурацию, максимально совпадающую по форме со вторым уплотнительным кольцом, посредством чего второе уплотнительное кольцо работает синергически с гнездом как в процессе, так и после свинчивания.
Возможны различные варианты сечения второго уплотнительного кольца, выбираемые в зависимости от давления наружной жидкости, воздействующего на соединение.
В первом варианте выполнения второго уплотнительного кольца усиление уплотняющей способности достигается без повышения стоимости, так как гнездо для установки на соединение второго уплотнительного кольца легко вырезать и процесс изготовления деталей для соединения не является более сложным и дорогостоящим, нежели процесс изготовления деталей, используемых в настоящее время, имеющих канавки для стандартных кольцевых уплотнений с круговым сечением.
Во втором варианте выполнения второго уплотнительного кольца V-образное отверстие обеспечивает лучший контакт кольца с поверхностями ниппеля и муфты при воздействии давления наружной жидкости на участок между первым и вторым уплотнительными кольцами. Внешние выступающие кольцеобразные выступы, располагающиеся с одной или обеих сторон внутренней и внешней поверхностей, обеспечивают более сильное давление на единицу поверхности ниппеля и муфты, к которым примыкают. Внутренняя поверхность уплотнительного кольца обеспечивает устойчивое положение и контакт кольца с гнездом, располагающимся на наружной поверхности ниппеля. Наличие металлического армирующего кольца, расположенного ближе к внутренней части соединения, обеспечивает жесткую фиксацию второго уплотнительного кольца на ниппеле, создавая кольцевое напряжение.
В третьем варианте выполнения второго уплотнительного кольца армирующее кольцо плотно фиксируется в V-образном отверстии и имеет собственный кольцеобразный выступ, соответствующий форме края основания, вставляемый при свинчивании между внутренней поверхностью муфты, под фланцем, и наружной поверхностью ниппеля с целью повышения уплотняющей способности.
Первое уплотнительное кольцо описываемого соединения во всех вариантах выполнения предварительно устанавливается на ниппель во избежание повреждения уплотнительного кольца во время сборки.
Что касается второго уплотнительного кольца, во втором и третьем вариантах выполнения оно также предварительно монтируется на ниппель перед сборкой. Кроме того, в данном случае второе уплотнительное кольцо обеспечивает дополнительное уплотнение, усиливающее герметичность всего соединения, даже если одна из функций не выполняется под воздействием наружной жидкости.
В первом варианте выполнения второе уплотнительное кольцо предварительно монтируется в свое гнездо на внутренней стенке муфты.
После завершения свинчивания второе уплотнительное кольцо, вне зависимости от используемого варианта выполнения, остается в кольцеобразном гнезде на внутренней поверхности муфты и внешней поверхности ниппеля. Данное кольцеобразное гнездо также может быть снабжено отделочным (наружным) слоем покрытия. По своей геометрии гнездо специально рассчитано для данного уплотнительного кольца.
Помимо обычного нанесения резьбы предлагаемое соединение требует незначительной механической обработки.
Армирующее кольцо, наличие которого желательно в уплотнительных кольцах любой формы, препятствует скручиванию колец, упрощает процесс свинчивания и прочие операции в процессе установки, а также надевание самих уплотнительных колец.
На поверхности, соприкасающиеся со вторым уплотнительным кольцом, может быть нанесено наружное покрытие, с целью обеспечения защиты поверхности машинной обработки ниппеля вблизи зоны сбега резьбы соединения, которая подвержена контакту с наружными коррелирующими веществами.
Краткое описание чертежей
Для лучшего представления упомянутых выше и прочих объектов прилагается подробное описание и чертежи.
На Фиг.1 показано осевое сечение соединения по изобретению перед свинчиванием, с предварительно установленным одним уплотнительным кольцом.
На Фиг.2 показано осевое сечение соединения по изобретению после свинчивания, с установленными двумя уплотнительными кольцами.
На Фиг.3 изображено увеличенное сечение одного из уплотнительных колец соединения, изображенного на Фиг.1, в разгруженном положении.
На Фиг.4 изображено осевое сечение второго варианта выполнения соединения по изобретению, с двумя установленными уплотнительными кольцами.
На Фиг.5 и 6 соответственно изображены сечения двух оставшихся вариантов выполнения соединения, изображенного на Фиг.2 и 4, с одним уплотнительным кольцом.
На Фиг.7 изображено другое уплотнительное кольцо соединения, изображенного на Фиг.4, в разгруженном положении.
На Фиг.8 изображено осевое сечение соединения в третьем варианте выполнения, с двумя установленными уплотнительными кольцами.
На Фиг.9 изображено уплотнительное кольцо соединения, изображенного на Фиг.8, в разгруженном положении.
Осуществление изобретения
В настоящем описании поверхности различных элементов соединения названы внутренними или наружными относительно оси соединения А.
На Фиг.1-3 изображен первый вариант выполнения резьбового соединения, обозначенного везде номером позиции 1, при котором осуществляется соединение двух труб: с наружной резьбой, называемой также ниппелем 2, с номинальным наружным диаметром D, и с внутренней резьбой, называемой также муфтой 3, с номинальным наружным диаметром D1, равным или большим, чем D.
Ниппель 2 имеет наружную резьбовую часть 4 с наружной резьбой соответствующего профиля, например трапециевидной, муфта 3 имеет внутреннюю резьбовую часть 5 с внутренней резьбой профиля, соответствующего наружной резьбе.
Общая ось ниппеля 2 и муфты 3 обозначена буквой А. Муфта 3 оканчивается горловиной 15. Номером 16 обозначено внутреннее пространство, в котором находится ось А ниппеля и муфты и в которое попадает вещество, например углеводород, такой как природный газ или нефть, а номером 17 - наружное пространство, вступающее в контакт с различными веществами, такими как морская вода (в некоторых вариантах применения).
Около края муфты 3 располагается первое уплотнительное кольцо 30 из эластомерного материала. Уплотнительное кольцо 30 имеет форму усеченного конуса, и его наружная поверхность 31 сужается по направлению к внутренней части соединения 1. Наружная поверхность 31 уплотнительного кольца 30 соответствует внутренней поверхности 32 и кромке 33 муфты 3, которая также имеет соответствующую форму усеченного конуса нужной длины.
Именно такая форма под действием давления, производимым во время эксплуатации наружной жидкостью, позволяет уплотнительному кольцу 30 скользить вдоль ниппеля 2 из своего положения на момент монтажа до желаемого положения, определяемого величиной вышеуказанного давления и способностью уплотнительного кольца 30 сжиматься под воздействием противодавления жидкости, которая находится в кольцеобразном пространстве 50 между первым уплотнительным кольцом 30 и вторым уплотнительным кольцом 6.
На Фиг.5 изображено уплотнительное кольцо 30, снабженное встроенным армирующим кольцом 34. Армирующее кольцо 34 имеет осевое сечение L-образной формы и состоит из двух частей 35, 36, располагающихся перпендикулярно друг другу. Угол Ψ L-образной формы также может быть немного больше или меньше 90°, а две части 35, 36 - различной длины в зависимости от завертывающего воздействия на ниппель 2, величины давления наружной жидкости, воздействующего при эксплуатации соединения, и окончательного положения, которое должно занять кольцо после скольжения по направлению к внутренней части соединения под воздействием наружной жидкости.
Предпочтительным является расположение армирующего кольца 34, показанное на рисунках 2 и 4, то есть часть 35 располагается параллельно оси уплотнительного кольца 30, а часть 36 - перпендикулярно. Ось уплотнительного кольца 30 - это та же общая ось А ниппеля 2 и муфты 3.
На Фиг.6 изображено первое уплотнительное кольцо 40 во втором варианте выполнения, имеющее сечение U-образной формы с внешней частью 41, которая желательно должна быть более короткой, чем внутренняя часть 42. Армирующее кольцо 43, встроенное в уплотнительное кольцо 40, имеет L-образное осевое сечение и состоит из двух частей 44, 45, расположенных перпендикулярно друг другу. Угол Ψ L-образной формы также может быть немного больше или меньше 90°, а две части 44, 45 - различной длины. Часть 44 встроена во внешнюю часть 41 уплотнительного кольца 40 параллельно оси соединения 40, в то время как часть 45 встроена в уплотнительное кольцо 40 перпендикулярно оси соединения А.
Армирующее кольцо в обоих вариантах выполнения первого уплотнительного кольца может быть полностью вмонтированным в уплотнительное кольцо, либо одна из поверхностей может выступать на поверхность уплотнительного кольца, находясь либо вровень с основанием, либо выдаваться за его пределы.
Внутренняя поверхность 37, 47 первого уплотнительного кольца 30, 40 имеет форму усеченного конуса с очень слабым уклоном, угол Ф менее 10°.
Участок муфты 3 вблизи окончания резьбы 5 имеет кольцеобразное углубление (канавку) 18 между горловиной муфты 15 и окончанием резьбы. Углубление 18 является гнездом для второго уплотнительного кольца 6.
На Фиг.3, где изображено сечение через внутреннее или второе уплотнительное кольцо 6 в разгруженном положении, располагающееся в своем гнезде 18 в муфте 3, уплотнительное кольцо 6 имеет наружную поверхность с двумя кольцеобразными выступами 11, 12, разделенными кольцеобразной бороздой 13. Края выступов 11, 12 могут иметь закругленную либо другую соответствующую форму. При установке в гнездо 18 наружная поверхность второго уплотнительного кольца соприкасается с дном углубления. Дно желательно должно быть плоским в продольном направлении с целью упрощения обработки.
Борозда 13 и выступы 11, 12 имеют два основных преимущества:
- с одной стороны, борозда 13 работает как легкое, обеспечивая необходимую радиальную деформацию, облегчая сжатие внутренней поверхности второго уплотнительного кольца 6;
- с другой стороны, выступы 11, 12 вызывают концентрацию нагрузки, усиливая таким образом контакт и работая как два независимых герметизирующих барьера.
Уплотнительное кольцо 6 имеет два основания 8, 9, расположенные по осям противоположно друг другу. Одно либо оба основания 8, 9 являются в основном плоскими (но не всегда).
Внутренняя поверхность второго уплотнительного кольца 6 состоит из двух частей, образующих усеченный конус, называемых боковыми сторонами 19, 20, имеющими V-образную форму в продольном сечении. Угол уклона α поверхностей 19, 20 можно определить в виде функции параметров резьбы, т.е. уклон, угол свинчивания и т.д. Предпочтительным значением для угла α является 45°. Угол уклона поверхностей 19 и 20 может иметь различные значения α и γ. Данный вариант выполнения изображен, в частности, на Фиг.3.
В другом, преимущественном варианте выполнения соединения второе уплотнительное кольцо 6 имеет особые параметры сечения.
Толщина «t» уплотнительного кольца 6 в продольном направлении определяется шириной резьбы, причем толщина «t» уплотнительного кольца 6 больше, чем промежуток «b» (Фиг.1) между двумя вершинами резьбы. Это облегчает преодоление уплотнительным кольцом вершины 10 во время свинчивания.
Предпочтительная глубина «d» углубления 18 муфты 3 в радиальном направлении составляет 3-15 мм. Углубление 18 должно занимать приблизительно 75% толщины второго уплотнительного кольца 6 в радиальном направлении, когда последнее находится в разгруженном положении.
Углы уклона α и γ сторон 19 и 20 выбираются таким образом, чтобы возникало следующее отношение между углом свинчивания β и углом приложения нагрузки δ боковых сторон профиля резьбы: α>β и γ>δ.
Вершина 10 уплотнительного кольца 6, образующаяся в точке схождения двух поверхностей 19 и 20, в сечении имеет преимущественно закругленную форму. Второе уплотнительное кольцо 6 является простой, но эффективной модификацией традиционного кольцевого уплотнения, используемого в настоящее время. Основные преимущества - кольцеобразные поверхности 19, 20, образующие усеченный конус, сужающиеся по направлению к центру уплотнительного кольца и объединенные вершиной 10, что облегчает движение уплотнительного кольца по резьбе вперед и назад, не причиняя повреждений кольцу. Более того, внутренняя поверхность уплотнительного кольца 6 создает концентрацию нагрузки, усиливая тем самым контакт, а следовательно, и уплотнительную способность уплотнительного кольца 6 при свинчивании.
Данное уплотнительное кольцо 6 снабжено встроенным армирующим кольцом 7 различного сечения.
На Фиг.4, где одинаковые параметры в различных вариантах выполнения, описанных выше, обозначены одинаковыми цифрами, изображено соединение во втором варианте выполнения. Первое уплотнительное кольцо 30, установленное ближе к наружному краю соединения 1, соединено со вторым уплотнительным кольцом 21, расположенным ближе к внутренней части соединения. Форма сечения уплотнительного кольца 21 обеспечивает повышенную герметизацию.
Уплотнительное кольцо 21 имеет основную часть с одним или несколькими кольцеобразными выступами 22 с наружной стороны, разделенными кольцеобразными углублениями 22'. В той части, которая находится ближе к резьбовым частям 4, 5 ниппеля и муфты, уплотнительное кольцо 21 преимущественно (но не обязательно) имеет плоское основание 24.
Около основания 24 имеется армирующее кольцо 25, сделанное из другого, более жесткого материала, желательно металла, но не ограничиваясь этим.
Армирующее кольцо 25 может быть полностью вмонтировано в уплотнительное кольцо 21, либо одна из поверхностей может выступать на поверхность уплотнительного кольца 21, находясь либо вровень с основанием 24, либо выступая за ее пределы. Армирующее кольцо 25 может иметь сечения различной формы.
На противоположном относительно основания 24 конце в продольном направлении уплотнительное кольцо 21 имеет две кольцеобразные кромки 26, 27, выступающие за внешние границы кольца 21 под косым углом относительно оси А, находясь в разгруженном положении, как показано на Фиг.7. В промежутке между двумя кольцеобразными кромками 26 и 27 образуется кольцеобразное углубление, которое в продольном сечении имеет форму V-образного отверстия 28.
В первом варианте выполнения внутренняя поверхность 23 уплотнительного кольца 21, как показано на Фиг.7, имеет волнистую структуру в продольном направлении и имеет как минимум один кольцеобразный выступ 29, отделенный кольцеобразными углублениями 29', в осевом сечении.
В другом варианте выполнения (на чертежах отсутствует) внутренняя поверхность 23 уплотнительного кольца 21 не имеет ярко выраженных изменений. В данном случае она может иметь цилиндрическую форму, либо, в качестве варианта, круглую или тороидальную, а также форму усеченного конуса с углом конусности ζ поверхности 23 по отношению к оси А, равным приблизительно 3°. Это упрощает монтаж кольца 21 на ниппель 2. Благодаря армирующему кольцу 25, как и в предыдущих вариантах выполнения соединения, описанных выше, уплотнительное кольцо 21 оказывает заворачивающее воздействие, в результате которого его внутренняя поверхность оказывается прижатой к наружной поверхности ниппеля, тем самым увеличивая степень герметичности между уплотнительным кольцом 21 и внешней поверхностью ниппеля 2.
Заворачивающее воздействие, оказываемое уплотнительным кольцом 21, усиливается при меньшем уклоне поверхности ниппеля 2 на участке, предназначенном для второго уплотнительного кольца 21, после завершения свинчивания. Поверхность на данном участке может быть наклонена к оси А под углом ε менее 15°, предпочтительно 3°. Это необходимо для предотвращения смещения уплотнительного кольца 21 из своего положения во время эксплуатации благодаря более высокой силе зажима. В данном случае уплотнительное кольцо 21 удерживается на месте как силой трения, так и повышенным кольцевым напряжением, возникающим благодаря конусообразной поверхности ниппеля.
На Фиг.8, где одинаковые параметры в различных вариантах выполнения, описанных выше, обозначены одинаковыми цифрами, изображено соединение в третьем варианте выполнения.
На конце муфты 3 располагается первое уплотнительное кольцо 60, выполненное из эластомерного материала. Данное кольцо 60 имеет осевое сечение преимущественно прямоугольной формы и снабжено небольшим выступом 61, соответствующим вышеупомянутой форме сечения. Выступ 61 (Фиг.9) является частью кольцеобразной выпуклости, выступающей в продольном направлении.
Уплотнительное кольцо 60 также может иметь армирующее кольцо, например, имеющее сечение L-образной формы, полностью вмонтированное в уплотнительное кольцо, либо одна из поверхностей может выступать на поверхность уплотнительного кольца, находясь либо вровень с основанием, либо выступая за его пределы.
Внутренняя поверхность горловины 15 муфты 3 имеет цилиндрическую форму, соответствующую форме наружной поверхности уплотнительного кольца 60.
Наружная поверхность участка ниппеля 2, куда вышеупомянутое уплотнительное кольцо 60 устанавливается перед свинчиванием, также имеет цилиндрическую форму, но снабжена кольцеобразным углублением или уступом с целью фиксации выступа 61.
Также в данном варианте выполнения изобретения первое уплотнительное кольцо преимущественно устанавливается предварительно на ниппель 2 во избежание повреждения кольца в процессе свинчивания.
Что касается второго уплотнительного кольца 70, в третьем варианте выполнения изобретения оно также предварительно устанавливается на соединение в разгруженном положении (Фиг.9). Форма сечения уплотнительного кольца 70 обеспечивает повышенную герметизацию.
Герметизация обеспечивается за счет основания 74, упирающегося во фланец 80 муфты 3. На противоположном в продольном направлении конце относительно основания 74 уплотнительное кольцо 70 имеет две кольцеобразные кромки 76, 77, выступающие за внешние границы кольца 70 под косым углом к оси А, находясь в разгруженном положении, как показано на Фиг.9. В промежутке между двумя кольцеобразными кромками 76 и 77 образуется кольцеобразное углубление, которое в продольном сечении имеет форму V-образного отверстия.
В данном кольцеобразном углублении зафиксировано армирующее кольцо 75. Кольцо 75 предпочтительно имеет круглое сечение и изготовлено из материала, отличного от эластомера, но обладающего большей жесткостью, желательно (но не обязательно) металла.
Благодаря армирующему кольцу 75, как в предыдущих вариантах выполнения соединения, описанных выше, уплотнительное кольцо 70 оказывает заворачивающее воздействие, в результате которого его внутренняя поверхность оказывается прижатой к наружной поверхности ниппеля, тем самым увеличивая степень герметичности между уплотнительным кольцом 70 и внешней поверхностью ниппеля 2.
Второе уплотнительное кольцо 70 также имеет свой собственный кольцеобразный выступ 79, соответствующий форме края основания 74. Данный кольцеобразный выступ 79 в процессе свинчивания попадает между внутренней поверхностью муфты 3, под фланцем 80, и внешней поверхностью ниппеля 2, повышая герметичность.
На Фиг.8 и 9 как наружная, так и внутренняя поверхности уплотнительного кольца 70 изображены без ярко выраженных изменений. В данном случае они имеют цилиндрическую форму либо, как вариант, округлую или тороидальную, а также форму усеченного конуса.
Однако при других вариантах выполнения уплотнительное кольцо 70 может быть снабжено с наружной и/или внутренней стороны одним или более кольцеобразными выступами, разделенными кольцеобразными углублениями, как видно на осевом сечении фрагмента, изображенного на Фиг.7.
Оптимальная защита соединения 1 обеспечивается при комбинированном использовании одного из вариантов выполнения первого или наружного уплотнительного кольца 30, 40, 60 с одним из вариантов внутреннего или второго уплотнительного кольца 6, 21, 70. Как первое, так и второе уплотнительные кольца, расположенные с края муфты, сочетают свои герметизирующие функции, предотвращая тем самым попадания наружных жидкостей из пространства 17 в резьбовую часть соединения 1.
Описанные уплотнительные кольца могут быть изготовлены из эластомерных материалов, которые для данного применения должны содержать натуральный или синтетический материал, имеющий эластичные свойства, включая резину, пластик, полимеры и т.д.
Армирующие кольца, полностью или частично вмонтированные либо зафиксированные в кольцах уплотнения во всех вариантах выполнения, описанных выше, могут быть изготовлены из различных материалов, желательно металла, прочнее эластомерного материала, из которого изготовлены кольца уплотнения. Например, армирующие кольца могут быть сделаны из алюминия, меди, серебра, никеля, стали или нержавеющей стали. Некоторые армирующие кольца имеют покрытие из кадмия, меди, никеля, серебра, золота или иридия. Другие проходят термообработку, подвергаются дисперсионному твердению или отжигу. Предпочтительная радиальная толщина армирующих колец всегда меньше, чем радиальная толщина эластомерных уплотнительных колец, для обеспечения деформации эластомера при давлении, возникающем между ниппелем и муфтой.
Покрытие преимущественно наносится на те поверхности ниппеля и муфты, которые соприкасаются с первым и вторым уплотнительными кольцами в различных вариантах выполнения.
Резьбовое соединение, являющееся предметом изобретения, обеспечивает, таким образом, повышенную герметичность и защиту от повреждений при свинчивании и отвинчивании благодаря описанным выше характеристикам.
Соединение предназначено преимущественно для нефтегазопромысловых труб, а также трубных соединений, используемых в нефтегазовой промышленности, в особенности для морских трубопроводов. Соединение может быть использовано на глубине до 3500 м, на которой резьбовая часть остается защищенной от попадания воды извне.
На Фиг.2, 4 схематически изображено соединение с уплотнительными кольцами в нагруженном положении. Таким образом, форма уплотнительных колец может отличаться от изображенной на чертежах в зависимости от условий нагрузки.