РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ДЛЯ СТАЛЬНЫХ ТРУБ
THREADED CONNECTION FOR STEEL PIPES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001]
Настоящее изобретение относится к резьбовому соединению, предназначенному для соединения стальных труб.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002]
В нефтяных скважинах, газовых скважинах и иных подобных объектах (далее совместно именуемых «нефтяными скважинами») для добычи подземных ресурсов применяют стальные трубы, называемые «трубами нефтепромыслового сортамента» (OCTG). Стальные трубы последовательно соединяются друг с другом. Для соединения стальных труб используют резьбовые соединения.
[0003]
Резьбовые соединения для стальных труб, по существу, делятся на два типа: резьбовые соединения муфтового и внутреннего (безмуфтового) типа. В случае муфтового резьбового соединения среди пары труб, являющихся объектами, подлежащими соединению друг с другом, одна из труб представляет собой стальную трубу, а другая труба является соединительной муфтой. В этом случае наружную резьбу выполняют на наружной окружности обоих концевых участков стальной трубы, а внутреннюю резьбу выполняют на внутренней окружности обоих концевых участков соединительной муфты. Таким образом стальную трубу и соединительную муфту соединяют друг с другом. В случае внутреннего резьбового соединения в паре труб, являющихся изделиями, подлежащими соединению друг с другом, каждая представляет собой стальную трубу, и отдельная соединительной муфта не используется. В этом случае участок с наружной резьбой формируют на наружной окружности одного концевого участка каждой стальной трубы, а участок с внутренней резьбой формируют на внутренней окружности другого концевого участка. Таким образом, одна стальная труба и другая стальная труба соединяются друг с другом.
[0004]
Соединительный участок на концевом участке трубы, на котором сформирован участок с наружной резьбой, называют «ниппелем», так как он содержит элемент, вставляемый в участок с внутренней резьбой. С другой стороны, соединительный участок на концевом участке трубы, на котором сформирован участок с внутренней резьбой, называют «муфтой», так как он содержит элемент, в который вставляют участок с внутренней резьбой. Как эти ниппели, так и муфты имеют трубчатую форму, потому что они представляют собой концевые участки трубчатых изделий.
[0005]
Резьба резьбового соединения для стальных труб (также называемая просто «резьбовым соединением») представляет собой коническую резьбу. Таким образом, ниппель содержит участок с конической наружной резьбой в качестве участка с наружной резьбой. В качестве участка с внутренней резьбой муфта содержит участок с конической внутренней резьбой, свинчивающийся с участком с конической наружной резьбой. Кроме того, резьба резьбового соединения представляет собой трапецеидальную резьбу, которая является типичным примером резьбы баттресс в соответствии со стандартами API. В трапецеидальной резьбе как участок с конической наружной резьбой (далее называемый просто «участком с наружной резьбой»), так и участок с конической внутренней резьбой (далее называемый просто «участком с внутренней резьбой») содержат четыре поверхности, а именно вершину, впадину, опорную сторону и закладную сторону, а также содержат угловые участки или переходные участки, в частности, дуги, соединяющие эти поверхности. Форма и назначение вершины, впадины, опорной стороны и закладной стороны однозначно отличаются друг от друга.
[0006]
Обычно, как ниппель, так и муфта содержат упорный участок. При ввинчивании ниппеля в муфту упорный участок ниппеля входит в контакт с упорным участком муфты. При продолжении ввинчивания ниппеля на предварительно заданное количество оборотов свинчивание ниппеля с муфтой завершается. В результате возникает осевое усилие затяжки, и опорные стороны ниппеля сильно прижимаются к опорным сторонам муфты. В состоянии, когда свинчивание завершено (далее называемом «состоянием свинчивания») впадины участка с наружной резьбой (далее также называемые «впадинами наружной резьбы») соприкасаются с вершинами участка с внутренней резьбой (далее также называемыми «вершинами внутренней резьбы»), взаимодействуя с вершинами внутренней резьбы. С другой стороны, формируется зазор между вершинами участка с наружной резьбой (далее также называемыми «вершинами наружной резьбы») и впадинами участка с внутренней резьбой (далее также называемыми «впадинами внутренней резьбы»).
[0007]
В некоторых случаях как ниппель, так и муфта имеет уплотнительную поверхность. В таком случае в свинченном положении уплотнительная поверхность ниппеля соприкасается с уплотнительной поверхностью муфты, взаимодействуя с уплотнительной поверхностью муфты, и формируется уплотнительный участок, осуществляющий уплотнение за счет контакта металла с металлом.
[0008]
Обычно при ввинчивании ниппеля в муфту для свинчивания ниппеля и муфты на резьбовые участки (участок с наружной резьбой и участок с внутренней резьбой) наносят консистентный смазочный состав, то есть смазку. В последнее время в целях соблюдения экологических требований и повышения эффективности операций свинчивания, вместо консистентного смазочного состава на поверхностях резьбовых частей предварительно формируется твердое смазочное покрытие (например, см. публикацию международной заявки № WO2007/042231 (патентный документ 1) и публикацию международной заявки № WO2009/072486 (патентный документ 2)).
[0009]
Твердое смазочное покрытие изначально представляет собой полутвердую смазку, обладающую текучими свойствами, которую наносят на поверхность резьбового участка кистью, распылительным устройством и т. п. Применяемая полутвердая смазка подвергается процессу отверждения (например, под действием охлаждения или УФ-облучения) и затвердевает, формируя твердое смазочное покрытие.
[0010]
Тем не менее, полутвердая смазка, нанесенная на резьбовой участок, сохраняет текучесть в течение периода от нанесения до затвердевания. В результате получают неоднородную толщину покрытия предварительно отвержденной смазки. В частности, как указано в публикации международной заявки № WO2015/182128 (патентный документ 3), толщина покрытия становится малой на угловом участке, соединяющем вершину с опорной стороной, и на угловом участке, соединяющем вершину с закладной стороной. На вершине толщина покрытия существенно увеличивается в центральной области. Такая неравномерность толщины покрытия сохраняется в том числе после затвердевания. Следовательно, толщина твердого смазочного покрытия становится неравномерной.
[0011]
Как было описано выше, в свинченном положении обеспечивается зазор между вершиной наружной резьбы и впадиной внутренней резьбы. То есть зазор между вершиной наружной резьбы и впадиной внутренней резьбы обеспечивается даже во время свинчивания. В этом случае, если твердое смазочное покрытие на вершине наружной резьбы имеет большую толщину, твердое смазочное покрытие во время свинчивания расслаивается. Расслоившаяся твердая смазка легко проходит через зазор между вершиной наружной резьбы и впадиной внутренней резьбы. Если количество твердой смазки, проходящей через зазор, увеличивается, плавное вкручивание ниппеля в муфту блокируется. В результате возникают проблемы со свинчиванием.
[0012]
Например, на графике крутящего момента возникает пик или высокий уступ. Резьбовые соединения, как правило, выполняются с регулированием крутящего момента. В случае возникновения пика или высокого уступа генерируется высокий крутящий момент независимо от того, является ли это положение промежуточным положением в процессе свинчивания. В этом случае свинчивание завершается в момент времени, который является промежуточным в процессе свинчивания. То есть свинчивание заканчивается в положении, в котором затяжка является недостаточной. Следовательно, возникает положение, в котором на уплотнительный участок не воздействует предварительно установленная величина натяга, в результате чего может возникнуть утечка, или возникает положение, в котором на резьбу не воздействует предварительно установленное осевое усилие затяжки, в результате чего может возникнуть ослабление. Таким образом, требуемые характеристики уплотнения и прочность соединения не достигаются.
[0013]
Что касается этой проблемы, то в резьбовом соединении, раскрытом в патентном документе 3, в центральной области вершины наружной резьбы предусмотрен неглубокий паз. Полутвердая смазка, нанесенная на вершину наружной резьбы, распространяется в направлении, в котором толщина покрытия уменьшается вследствие наличия паза. Таким образом, на вершине наружной резьбы толщина покрытия из полутвердой смазки становится равномерной, не увеличиваясь, равно как и толщина твердого смазочного покрытия. Таким образом, резьбовым соединением, согласно патентному документу 3, можно предотвратить возникновение проблем со свинчиванием.
СПИСОК ЦИТИРУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ
ПАТЕНТНАЯ ЛИТЕРАТУРА
[0014]
Патентный документ 1: Публикация международной заявки № WO2007/042231
Патентный документ 2: Публикация международной заявки № WO2009/072486
Патентный документ 3: Публикация международной заявки № WO2015/182128
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ТЕХНИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА
[0015]
В резьбовом соединении, описанном в патентном документе 3, для формирования паза на вершине наружной резьбы применяют специальный резьбонарезной инструмент, выпуклая форма которого соответствует пазу. Неудобство этого решения заключается в низком сроке службы инструмента и сокращения интервалов его замены. Также можно использовать специальный инструмент для нарезания пазов после выполнения обычной наружной резьбы без пазов. Недостаток этого варианта заключается в увеличении общей длительности обработки. В любом случае, неоспоримо снижение производительности по отношению к резьбовому соединению.
[0016]
Задачей настоящего изобретения является разработка резьбового соединения для стальных труб, содержащего твердое смазочное покрытие на поверхности участка с наружной резьбой и способного предотвратить проблемы со свинчиванием без потери производительности по отношению к резьбовому соединению.
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ
[0017]
Резьбовое соединение для стальных труб, согласно настоящему варианту осуществления, содержит трубчатый ниппель и трубчатую муфту. Ниппель содержит участок с конической наружной резьбой и упорную часть. Участок с конической наружной резьбой содержит вершины, впадины, закладные стороны резьбы и опорные стороны резьбы. Муфта содержит участок с конической внутренней резьбой, навинчивающийся на участок с конической наружной резьбой, и упорную часть, соответствующую упорной части ниппеля. Участок с конической внутренней резьбой содержит вершины, впадины, закладные стороны резьбы и опорные стороны резьбы. В свинченном состоянии, в котором упорная часть ниппеля соприкасается с упорной частью муфты, впадины на участке с конической наружной резьбой находятся в контакте с вершинами на участке с конической внутренней резьбой и взаимодействуют с вершинами на участке с конической внутренней резьбой, и между вершинами на участке с конической наружной резьбой и впадинами на участке с конической внутренней резьбой обеспечиваются зазоры.
[0018]
В продольном сечении, содержащем ось трубы вышеупомянутого резьбового соединения, вершины на участке с конической наружной резьбой соединяются с опорными сторонами на участке с конической наружной резьбой через первые угловые участки, выполненные в форме дуги. Вершины на участке с конической наружной резьбой соединяются с закладными сторонами на участке с конической наружной резьбой через вторые угловые участки, выполненные в форме дуги. Опорные стороны и закладные стороны на участке с конической наружной резьбой сформированы по прямой линии. Кроме того, угол наклона опорных сторон на участке с конической наружной резьбой является отрицательным углом. Кроме того, вершины на участке с конической наружной резьбой сформированы выпуклой кривой, соприкасающейся как с первым угловым участком, так и со вторым угловым участком. Кроме того, на поверхности участка с конической наружной резьбой вышеупомянутого резьбового соединения предусмотрено твердое смазочное покрытие.
ПОЛЕЗНЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0019]
Резьбовое соединение для стальных труб по одному из вариантов осуществления настоящего изобретения позволяет предотвратить проблемы со свинчиванием без потери производительности по отношению к резьбовому соединению даже в том случае, когда на поверхность наружной резьбы нанесено твердое смазочное покрытие.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0020]
[ФИГ. 1] На ФИГ. 1 изображено продольное сечение, иллюстрирующее типовой пример резьбового соединения для стальных труб согласно первому варианту осуществления.
[ФИГ. 2] На ФИГ. 2 изображено продольное сечение, показывающее увеличенный резьбовой участок резьбового соединения для стальных труб согласно первому варианту осуществления.
[ФИГ. 3] На ФИГ. 3 изображено продольное сечение, иллюстрирующее состояние до формирования твердого смазочного покрытия на участке с наружной резьбой, показанном на ФИГ. 2.
[ФИГ. 4] На ФИГ. 4 изображено продольное сечение участка с наружной резьбой, показанного на ФИГ. 2.
[ФИГ. 5] На ФИГ. 5 изображено продольное сечение, показывающее увеличенный резьбовой участок резьбового соединения для стальных труб согласно второму варианту осуществления.
[ФИГ. 6] На ФИГ. 6 изображено продольное сечение, показывающее увеличенный резьбовой участок резьбового соединения для стальных труб согласно третьему варианту осуществления.
[ФИГ. 7] На ФИГ. 7 изображено продольное сечение, иллюстрирующее состояние до образования твердого смазочного покрытия на участке с наружной резьбой, показанном на ФИГ. 6.
РАСКРЫТИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0021]
Резьбовое соединение для стальных труб, согласно настоящему варианту осуществления, содержит трубчатый ниппель и трубчатую муфту. Ниппель содержит участок с конической наружной резьбой и упорную часть. Участок с конической наружной резьбой содержит вершины, впадины, закладные стороны и опорные стороны резьбы. Муфта содержит участок с конической внутренней резьбой, навинчивающийся на участок с конической наружной резьбой, и упорную часть, соответствующую упорной части ниппеля. Участок с конической внутренней резьбой содержит вершины, впадины, закладные стороны и опорные стороны резьбы. В свинченном состоянии, в котором упорная часть ниппеля соприкасается с упорной частью муфты, впадины на участке с конической наружной резьбой входят в контакт с вершинами на участке с конической внутренней резьбой и взаимодействуют с вершинами на участке с конической внутренней резьбой, и между вершинами на участке с конической наружной резьбой и впадинами на участке с конической внутренней резьбой обеспечиваются зазоры.
[0022]
В продольном сечении, содержащем ось трубы вышеупомянутого резьбового соединения, вышеупомянутое резьбовое соединение имеет следующую конфигурацию. Вершины на участке с конической наружной резьбой соединяются с опорными сторонами на участке с конической наружной резьбой через первые угловые участки, выполненные в форме дуги. Вершины на участке с конической наружной резьбой соединяются с закладными сторонами на участке с конической наружной резьбой через вторые угловые участки, выполненные в форме дуги. Опорные стороны и закладные стороны на участке с конической наружной резьбой сформированы по прямой линии. Угол наклона опорных сторон на участке с конической наружной резьбой является отрицательным углом. Вершины на участке с конической наружной резьбой сформированы выпуклой кривой, соприкасающейся как с первым угловым участком, так и со вторым угловым участком. Кроме того, на поверхности участка с конической наружной резьбой вышеупомянутого резьбового соединения предусмотрено твердое смазочное покрытие.
[0023]
В резьбовом соединении, согласно данному варианту осуществления, вершина наружной резьбы в целом постепенно приподнимается. Таким образом, вершина наружной резьбы не имеет плоской формы, и на вершине наружной резьбы не предусмотрен паз. Поверхностное натяжение воздействует на полутвердую смазку, нанесенную на соответствующие вершины наружной резьбы. Обычно поверхностное натяжение действует в направлении, сводящем к минимуму поверхностную энергию объекта, и передает движущую силу, сводящую к минимуму площадь свободной поверхности жидкости на границе раздела газа и жидкости. Следовательно, полутвердая смазка, нанесенная на участке с малым радиусом кривизны, стекает на участок с большим радиусом кривизны. Чем больше разность радиусов кривизны между соседними поверхностями, тем более ощутимым становится это вышеупомянутое стекание.
[0024]
В обычной трапецеидальной резьбе, в которой радиус кривизны плоской вершины является бесконечно большим, разность радиусов кривизны между вершиной и угловым участком чрезвычайно велика. Это приводит к заметной неравномерности толщины покрытия вследствие существенного стекания полутвердой смазки. В резьбовом соединении, согласно данному варианту осуществления, в котором вершина наружной резьбы целиком постепенно приподнимается, разность радиусов кривизны между вершиной и угловым участком достаточно мала по сравнению с обычной трапецеидальной резьбой. Следовательно, появление непреднамеренного стекания полутвердой смазки также предотвращается. Таким образом, на вершине наружной резьбы толщина слоя полутвердой смазки становится равномерной, не увеличиваясь, равно как и толщина слоя твердой смазки. Соответственно, это позволяет предотвратить проблемы со свинчиванием. В результате достигаются требуемые характеристики уплотнения и прочность соединения.
[0025]
Резьбонарезной инструмент для формирования наружной резьбы имеет вогнутую форму, соответствующую постепенно поднимающейся вершине. При обработке резьбы нагрузка, принимаемая вогнутой частью существенно ниже нагрузки, принимаемой выпуклой частью. В результате срок службы инструмента существенно не сокращается. Соответственно, не снижается производительность в отношении резьбового соединения.
[0026]
В резьбовом соединении, согласно данному варианту осуществления, имеются плоские опорные стороны и плоские закладные стороны. Кроме того, угол наклона опорных сторон является отрицательным. То есть опорная сторона наклонена в форме крюка. В результате осевое усилие затяжки эффективно воздействует на опорную сторону. Таким образом, даже в условиях воздействия растягивающей силы появление расцепления резьбы затруднено. Таким образом соединение обладает высокой прочностью.
[0027]
Выбор твердого смазочного покрытия, используемого в резьбовом соединении, согласно данному варианту осуществления, по существу, не ограничен при условии, что твердое смазочное покрытие характеризуется текучестью во время нанесения и подвергается процессу затвердевания после нанесения и затвердевает. То есть твердые смазочные покрытия, не обладающие текучестью до затвердевания, в частности, нанесенные методом электролитического осаждения или сцепления под давлением, не относятся к твердым смазочным покрытиям, которые могут использоваться в данном варианте осуществления.
[0028]
В резьбовом соединении, согласно данному варианту осуществления, выбор формы впадин внутренней резьбы не ограничен при условии, что между вершинами наружной резьбы и впадинами внутренней резьбы в свинченном состоянии формируется зазор. Например, в продольном сечении резьбового соединения впадина внутренней резьбы сформирована прямой линией. В этом случае впадина внутренней резьбы целиком является плоской. Далее, в продольном сечении резьбового соединения впадина внутренней резьбы может быть сформирована в форме вогнутой кривой таким образом, чтобы соответствовать вершине наружной резьбы. В этом случае впадина внутренней резьбы целиком постепенно углубляется.
[0029]
В стандартном варианте как ниппель, так и муфта имеют уплотнительную поверхность. В таком случае в свинченном состоянии уплотнительная поверхность ниппеля соприкасается с уплотнительной поверхностью муфты, взаимодействуя с уплотнительной поверхностью муфты, и формируется уплотнительный участок, осуществляющий уплотнение за счет контакта металла с металлом. Тем не менее, уплотнительные поверхности не обязательны.
[0030]
Вышеупомянутое резьбовое соединение, предпочтительно, имеет следующую конфигурацию. Если в продольном сечении резьбового соединения провести воображаемую первую окружность, содержащую дугу, формирующую первый угловой участок, воображаемую вторую окружность, содержащую дугу, формирующую второй угловой участок, и воображаемую прямую линию, примыкающую к вершине участка с конической наружной резьбой и соприкасающуюся как с воображаемой первой окружностью, так и с воображаемой второй окружностью, то среди расстояний в направлении, перпендикулярном оси трубы, максимальное расстояние b между воображаемой прямой линией и кривой, формирующей вершину участка с конической наружной резьбой, будет составлять от 0,1 мм до 0,3 мм. Если максимальное расстояние b составляет 0,1 мм и более, толщина твердого смазочного покрытия становится, по существу, равномерной. Предпочтительно, максимальное расстояние b составляет 0,2 мм и более. С другой стороны, если максимальное расстояние b не превышает 0,3 мм, то высота опорной стороны эффективно фиксируется в направлении, перпендикулярном оси трубы, и отсутствует отрицательное воздействие на прочность соединения.
[0031]
В типичном примере в продольном сечении резьбового соединения кривая, формирующая вершину на участке с конической наружной резьбой, представляет собой дугу, эллиптическую дугу или параболу.
[0032]
Вышеупомянутое резьбовое соединение, предпочтительно, имеет следующую конфигурацию. В продольном сечении резьбового соединения высота LSH опорной стороны в направлении, перпендикулярном оси трубы (далее называемая «высотой опорной стороны») на участке с конической наружной резьбой составляет от 30 % до 70 % от высоты H конической наружной резьбы. Кроме того, высота SSH закладной стороны в направлении, перпендикулярном оси трубы (далее называемая «высотой закладной стороны») на участке с конической наружной резьбой составляет от 30 % до 70 % от высоты H резьбы конической наружной резьбы.
[0033]
Если высота LSH опорной стороны составляет 30 % и более от высоты H резьбы, отсутствует негативное влияние на прочность соединения. Предпочтительно, высота LSH опорной стороны составляет 40 % и более от высоты H резьбы. С другой стороны, если высота LSH опорной стороны составляет 70 % и менее от высоты H резьбы, то для описанных ниже угловых участков и переходных участков можно использовать дугу достаточного размера. В этом случае угловой участок во время свинчивания не повреждает поверхность ответного элемента, а также не влияет на задирный износ. Кроме того, нет никаких препятствий для получения максимального расстояния b. Кроме того, в этом случае можно избежать чрезмерной концентрации напряжений на переходном участке, отсутствует негативное воздействие на усталостную прочность и прочие подобные характеристики.
[0034]
Кроме того, если высота SSH закладной стороны составляет 30 % и более от высоты H резьбы, отсутствует негативное воздействие на сопротивление соединения сжатию. Предпочтительно, высота SSH закладной стороны составляет 40 % и более от высоты H резьбы. С другой стороны, если высота SSH закладной стороны составляет 70 % и менее от высоты H резьбы, то для описанных ниже угловых и переходных участков можно использовать дугу достаточного размера. В этом случае угловой участок во время свинчивания не повреждает поверхность ответного элемента, а также не влияет на задирный износ. Кроме того, нет никаких препятствий для обеспечения максимального расстояния b. Кроме того, в этом случае можно избежать чрезмерной концентрации напряжений на переходном участке, и отсутствует негативное воздействие на усталостную прочность или прочие подобные характеристики.
[0035]
В этом случае резьбовое соединение, предпочтительно, имеет следующую конфигурацию. В продольном сечении резьбового соединения впадины на участке с конической наружной резьбой соединены с опорными сторонами на участке с конической наружной резьбой через первые переходные участки, выполненные в форме дуги. Кроме того, впадины на участке с конической наружной резьбой соединены с закладными сторонами на участке с конической наружной резьбой через вторые переходные участки, выполненные в форме дуги. Кроме того, радиус R1 первого углового участка составляет от 5 % до 35 % от высоты H резьбы. Кроме того, радиус R2 второго углового участка составляет от 15 % до 50 % от высоты H резьбы. Кроме того, радиус R3 первого переходного участка составляет от 15 % до 50 % от высоты H резьбы. Кроме того, радиус R4 второго переходного участка составляет от 5 % до 35 % от высоты H резьбы.
[0036]
Значения, соответствующие конструкции, устанавливаются для радиусов R1, R2, R3 и R4 первого углового участка, второго углового участка, первого переходного участка и второго переходного участка соответственно. В частности, радиус R2 второго углового участка и радиус R3 первого переходного участка выбираются на основании следующего конструктивного принципа. Если радиус R2 второго углового участка слишком мал, посадочные характеристики снижаются. При этом термин «посадочные характеристики» означает характеристику того, как быстро достигается положение, при котором участок с наружной резьбой надежно входит в участок с внутренней резьбой и может быть начато вращение ниппеля, при введении ниппеля в муфту. Кроме того, в этом случае при введении ниппеля в муфту повреждается поверхность участка с внутренней резьбой, и стойкость к задирному износу снижается. Таким образом, выбирают большее значение радиуса R2 в допустимом диапазоне для данных расчетных условий. Если радиус R3 первого переходного участка слишком мал, во время свинчивания или при приложении растягивающей нагрузки будет возникать избыточная концентрация напряжений, а усталостная прочность будет снижаться. Поэтому выбирают большее значение радиуса R3 в допустимом диапазоне для данных расчетных условий. Условия, в частности, применяемые к радиусу R2 и радиусу R3, не применяются к радиусу R1 первого углового участка и радиусу R4 второго переходного участка. Поэтому радиус R1 и радиус R4 выбирают таким образом, чтобы можно было обеспечить вышеупомянутые высоту LSH опорной стороны и высоту SSH закладной стороны.
[0037]
Конкретные примеры резьбового соединения для стальных труб, согласно данному варианту осуществления, раскрыты ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи.
[0038]
(Первый вариант осуществления)
На ФИГ. 1 изображено продольное сечение, иллюстрирующее типичный пример резьбового соединения для стальных труб согласно первому варианту осуществления. На ФИГ. 2 изображено продольное сечение, показывающее увеличенный резьбовой участок резьбового соединения для стальных труб согласно первому варианту осуществления. На ФИГ. 3 и ФИГ. 4 изображены продольные сечения, иллюстрирующие участок с наружной резьбой, показанный на ФИГ. 2. На ФИГ. 3 показано состояние до формирования твердого смазочного покрытия. На ФИГ. 4 показано состояние, в котором твердое смазочное покрытие сформировано. На ФИГ. 2 - ФИГ. 4 направление продвижения при вкручивании ниппеля 10 в муфту 20 обозначено стрелкой. В данном описании под «продольным сечением» понимают сечение, включающее ось CL трубы резьбового соединения. При этом на ФИГ. 1 и ФИГ. 2 схематичное изображение твердого смазочного покрытия отсутствует.
[0039]
Резьбовое соединение, показанное на ФИГ. 1, представляет собой муфтовое резьбовое соединение. Как показано на ФИГ. 1, резьбовое соединение состоит из ниппеля 10 и муфты 20. Резьбовое соединение имеет коническую резьбу. Ниппель 10 содержит участок 11 с наружной резьбой и упорную часть 16. Упорная часть 16 предусмотрена на конце ниппеля 10. Муфта 20 содержит участок 21 с внутренней резьбой, соответствующий участку 11 с наружной резьбой ниппеля 10, и упорную часть 26, соответствующую упорной части 16 ниппеля 10. Кроме того, ниппель 10 содержит уплотнительную поверхность 17. Уплотнительная поверхность 17 предусмотрена между участком 11 с наружной резьбой и упорной частью 16. Муфта 20 содержит уплотнительную поверхность 27, соответствующую уплотнительной поверхности 17 ниппеля 10.
[0040]
Как показано на ФИГ. 1 и ФИГ. 2, участок 11 с наружной резьбой ниппеля 10 содержит вершины 12, впадины 13, опорные стороны 15 и закладные стороны 14. С другой стороны, участок 21 с внутренней резьбой муфты 20 содержит вершины 22, впадины 23, опорные стороны 25 и закладные стороны 24.
[0041]
Вершины 12 наружной резьбы обращены ко впадинам 23 внутренней резьбы. Как будет подробно описано ниже, в продольном сечении резьбового соединения каждая вершина 12 наружной резьбы сформирована выпуклой кривой. То есть вершины 12 наружной резьбы постепенно приподнимаются. В продольном сечении резьбового соединения каждая впадина 23 внутренней резьбы сформирована прямой линией. То есть впадины 23 внутренней резьбы имеют плоскую форму.
[0042]
Впадины 13 наружной резьбы обращены к вершинам 22 внутренней резьбы. В продольном сечении резьбового соединения каждая впадина 13 наружной резьбы сформирована прямой линией. То есть впадины 13 наружной резьбы имеют плоскую форму. В продольном сечении резьбового соединения каждая вершина 22 внутренней резьбы сформирована прямой линией. То есть вершины 22 внутренней резьбы имеют плоскую форму.
[0043]
В первом варианте осуществления в продольном сечении резьбового соединения впадины 13 наружной резьбы находятся на одной прямой линии по всей площади в продольном направлении (направлении оси CL трубы) участка 11 с наружной резьбой. Вершины 22 внутренней резьбы также находятся на одной прямой линии по всей площади в продольном направлении участка 21 с внутренней резьбой. Впадины 23 внутренней резьбы также находятся на одной прямой линии по всей площади в продольном направлении участка 21 с внутренней резьбой. Эти прямые линии наклонены под предварительно определенным углом конусности к оси CL трубы.
[0044]
Закладные стороны 14 на участке 11 с наружной резьбой обращены к закладным сторонам 24 на участке 21 с внутренней резьбой. В продольном сечении резьбового соединения каждая закладная сторона 14 на участке 11 с наружной резьбой сформирована прямой линией. То есть закладные стороны 14 на участке 11 с наружной резьбой имеют плоскую форму. В продольном сечении резьбового соединения каждая закладная сторона 24 на участке 21 с внутренней резьбой сформирована прямой линией. То есть закладные стороны 24 на участке 21 с внутренней резьбой имеют плоскую форму.
[0045]
Опорные стороны 15 на участке 11 с наружной резьбой обращены к опорным сторонам 25 на участке 21 с внутренней резьбой. В продольном сечении резьбового соединения каждая опорная сторона 15 на участке 11 с наружной резьбой сформирована прямой линией. То есть опорные стороны 15 на участке 11 с наружной резьбой имеют плоскую форму. В продольном сечении резьбового соединения каждая опорная сторона 25 на участке 21 с внутренней резьбой сформирована прямой линией. То есть опорные стороны 25 на участке 21 с внутренней резьбой имеют плоскую форму. Кроме того, угол θ наклона опорных сторон 15 и 25 является отрицательным. То есть опорные стороны 15 и 25 наклонены в форме крюка.
[0046]
Участок 11 с наружной резьбой входит в зацепление с участком 21 с внутренней резьбой, когда ниппель 10 вкручивают в муфту 20. Упорная часть 16 ниппеля 10 соприкасается с упорной частью 26 муфты 20 (см. ФИГ. 1). В свинченном состоянии осевое усилие затяжки формируется упорными частями 16 и 26, и опорные стороны 15 ниппеля 10 с силой прижимаются к опорным сторонам 25 муфты 20. Кроме того, впадины 13 наружной резьбы соприкасаются с вершинами 22 внутренней резьбы, взаимодействуя с вершинами 22 внутренней резьбы. С другой стороны, обеспечивается зазор между вершинами 12 наружной резьбы и впадинами 23 внутренней резьбы. Зазор обеспечивается между закладными сторонами 14 на участке 11 с наружной резьбой и закладными сторонами 24 на участке 21 с внутренней резьбой. Кроме того, уплотнительная поверхность 17 ниппеля 10 соприкасается с уплотнительной поверхностью 27 муфты 20, взаимодействуя с уплотнительной поверхностью 27, в результате чего формируется уплотнительный участок, осуществляющая уплотнение за счет контакта металла с металлом (см. ФИГ. 1).
[0047]
Как показано на ФИГ. 3 и ФИГ. 4, в продольном сечении резьбового соединения вершина 12 наружной резьбы соединяется с опорной стороной 15 на участке 11 с наружной резьбой посредством первого углового участка 12а. Первый угловой участок 12a сформирован в виде дуги радиусом R1. Вершина 12 наружной резьбы соединена с закладной стороной 14 на участке 11 с наружной резьбой посредством второго углового участка 12b. Второй угловой участок 12b сформирован в виде дуги радиусом R2. Впадина 13 наружной резьбы соединена с опорной стороной 15 на участке 11 с наружной резьбой посредством первого переходного участка 13a. Первый переходный участок 13a сформирован в виде дуги радиусом R3. Впадина 13 наружной резьбы соединена с закладной стороной 14 на участке 11 с наружной резьбой посредством второго переходного участка 13b. Второй переходный участок 13b сформирован в виде дуги радиусом R4.
[0048]
Радиус R1 первого углового участка 12а составляет от 5 % до 35 % от высоты H резьбы. Радиус R2 второго углового участка 12b составляет от 15 % до 50 % от высоты H резьбы. Радиус R3 первого переходного участка 13а составляет от 15 % до 50 % от высоты H резьбы. Радиус R4 второго переходного участка 13b составляет от 5 % до 35 % от высоты H резьбы.
[0049]
Кроме того, высота LSH в направлении, перпендикулярном оси CL трубы, опорной стороны 15 на участке 11 с наружной резьбой, составляет от 30 % до 70 % от высоты H резьбы на участке 11 с наружной резьбой. Высота SSH в направлении, перпендикулярном оси CL трубы, закладной стороны 14 на участке 11 с наружной резьбой, составляет от 30 % до 70 % от высоты H резьбы на участке 11 с наружной резьбой. В данном случае термин «высота LSH опорной стороны» может быть заменен фразой «высота (расстояние) в радиальном направлении, когда опорная сторона 15 спроецирована на поверхность, перпендикулярную оси CL трубы». Термин «высота SSH закладной стороны» может быть заменен фразой «высота (расстояние) в радиальном направлении, когда закладная сторона 14 спроецирована на поверхность, перпендикулярную оси CL трубы».
[0050]
В продольном сечении резьбового соединения каждая вершина 12 наружной резьбы сформирована выпуклой кривой. Кривая проходит по касательной к воображаемой первой окружности C1, содержащей дугу радиусом R1, формирующую первый угловой участок 12a, и к воображаемой второй окружности C2, содержащей дугу радиусом R2, формирующую второй угловой участок 12b. На ФИГ. 3 и ФИГ. 4 изображен пример, в котором кривая, формирующая вершину 12, представляет собой дугу. В частности, как показано на ФИГ. 3, изображена воображаемая первая окружность C1, содержащая дугу, формирующую первый угловой участок 12a. Изображена воображаемая вторая окружность C2, содержащая дугу, формирующую второй угловой участок 12b. Кроме того, изображена воображаемая прямая линия C, примыкающая к вершине 12 наружной резьбы и соприкасающаяся как с воображаемой первой окружностью C1, так и с воображаемой второй окружностью C2. При этом максимальное расстояние b среди расстояний в направлении, перпендикулярном оси CL трубы, между воображаемой прямой С и кривой, образующей вершину 12 наружной резьбы, составляет от 0,1 мм до 0,3 мм.
[0051]
Например, на этапе проектирования определяют высоту H резьбы на участке 11 с наружной резьбой. В случае первого варианта осуществления впадина 13 наружной резьбы находится на линии А, наклоненной под предварительно определенным углом конусности к оси CL трубы. Линию A параллельно сдвигают на величину, соответствующую высоте H резьбы, в направлении от оси CL трубы. Выпуклая вершина 12 наружной резьбы соприкасается с линией В, полученной при параллельном сдвиге линии А. Линию В параллельно сдвигают на величину, соответствующую предварительно заданному расстоянию (максимальному расстоянию b) в направлении к оси CL трубы. Линия C, полученная при параллельном смещении линии B, представляет собой вышеупомянутую воображаемую прямую. В случае первого варианта осуществления воображаемая прямая С наклонена под предварительно заданным углом конусности к оси CL трубы. Окружность C1, соприкасающаяся как с прямой линией C, так и с опорной стороной 15, представляет собой вышеупомянутую воображаемую первую окружность. Окружность C2, соприкасающаяся как с прямой линией C, так и с закладной стороной 14, представляет собой вышеупомянутую воображаемую вторую окружность. Кроме того, вершину 12 определяют таким образом, чтобы она соприкасалась с линией B и проходила по касательной к первой окружности C1 и второй окружности C2. Кроме того, дуга первой окружности C1, соединяющая опорную сторону 15 с вершиной 12, служит первым угловым участком 12a. Дуга второй окружности C2, соединяющая закладную сторону 14 с вершиной 12, служит вторым угловым участком 12b.
[0052]
Как показано на ФИГ. 4, на поверхности участка 11 с наружной резьбой ниппеля 10 сформировано твердое смазочное покрытие 30. Твердое смазочное покрытие 30 представляет собой вещество, обладающее текучестью во время нанесения и подвергаемое затвердеванию после нанесения и затвердевающее. Перед затвердеванием твердого смазочного покрытия 30 предотвращается появление непреднамеренного стекания полутвердой смазки, нанесенной на вершины 12 наружной резьбы. Это обусловлено тем, что вершина 12 наружной резьбы в целом постепенно приподнимается и не имеет плоской формы, а также тем, что на полутвердую смазку воздействует поверхностное натяжение. Таким образом, на вершине 12 наружной резьбы толщина слоя полутвердой смазки становится равномерной, не увеличиваясь, вследствие чего толщина твердого смазочного покрытия 30 также становится равномерной.
[0053]
[Второй вариант осуществления]
На ФИГ. 5 изображено продольное сечение, показывающее увеличенный резьбовой участок резьбового соединения для стальных труб согласно второму варианту осуществления. Резьбовое соединение, согласно второму варианту осуществления, является разновидностью резьбового соединения, согласно первому варианту осуществления, описанному выше. В дальнейшем описание конфигурации, дублирующей конфигурацию резьбового соединении, согласно первому варианту осуществления, будет опущено. То же самое относится к третьему варианту осуществления, раскрытому ниже.
[0054]
Как показано на ФИГ. 5, в продольном сечении резьбового соединения впадина 23 внутренней резьбы сформирована в виде вогнутой кривой таким образом, чтобы она соответствовала вершине 12 наружной резьбы. То есть впадина 23 внутренней резьбы постепенно углубляется. Такая конфигурация дает те же преимущества, что и конфигурация в первом варианте осуществления.
[0055]
[Третий вариант осуществления]
На ФИГ. 6 изображено продольное сечение, показывающее увеличенный резьбовой участок резьбового соединения для стальных труб согласно третьему варианту осуществления. На ФИГ. 7 изображено продольное сечение, иллюстрирующее положение до формирования твердого смазочного покрытия на участке с наружной резьбой, показанном на ФИГ. 6.
[0056]
Как показано на ФИГ. 6 и ФИГ. 7, в продольном сечении резьбового соединения вершина 12 наружной резьбы сформирована в виде вогнутой кривой. Впадина 13 наружной резьбы, вершина 22 внутренней резьбы и впадина 23 внутренней резьбы сформированы в виде прямой линии соответственно. Тем не менее, в третьем варианте осуществления в продольном сечении резьбового соединения впадина 13 наружной резьбы параллельна оси CL трубы. Вершина 22 внутренней резьбы также параллельна оси CL трубы. Впадина 23 внутренней резьбы также параллельна оси CL трубы.
[0057]
Например, высоту HS резьбы на стороне закладной стороны 14 и высоту HL резьбы на стороне опорной стороны 15 на участке 11 с наружной резьбой определяют на этапе проектирования. В третьем варианте осуществления участок 11 с наружной резьбой проектируют исходя из высоты HS резьбы на стороне закладной стороны 14. Впадина 13 наружной резьбы находится на линии A', параллельной оси CL трубы. Линию A' параллельно сдвигают на величину, соответствующую высоте HS резьбы на стороне закладной стороны 14, в направлении от оси CL трубы. Выпуклая вершина 12 наружной резьбы соприкасается с линией B', полученной при параллельном смещении линии A'. Линию B' параллельно сдвигают на величину, соответствующую предварительно заданному расстоянию (максимальному расстоянию b) в направлении к оси CL трубы. Линия C', полученная при параллельном смещении линии B, представляет собой вышеупомянутую воображаемую прямую. В третьем варианте осуществления воображаемая прямая линия C' параллельна оси CL трубы. Окружность C1, соприкасающаяся как с прямой линией C', так и с опорной стороной 15, представляет собой вышеупомянутую воображаемую первую окружность. Окружность C2, соприкасающаяся как с прямой линией C', так и с закладной стороной 14, представляет собой вышеупомянутую воображаемую вторую окружность. Кроме того, вершину 12 определяют таким образом, чтобы она соприкасалась с линией B' и проходила по касательной к первой окружности C1 и второй окружности C2. Кроме того, дуга первой окружности C1, соединяющая опорную сторону 15 с вершиной 12, служит первым угловым участком 12a. Дуга второй окружности C2, соединяющая закладную сторону 14 с вершиной 12, служит вторым угловым участком 12b.
[0058]
Такая конфигурация дает те же преимущества, что и конфигурация в первом варианте осуществления. Следует отметить, что в продольном сечении резьбового соединения впадины 23 внутренней резьбы могут быть сформированы, как вогнутые кривые таким образом, чтобы они соответствовали вершинам 12 наружной резьбы согласно второму варианту осуществления.
ПРИМЕРЫ
[0059]
Для проверки преимуществ данного варианта осуществления было выполнено численное моделирование и анализ методом конечных элементов, а также исследование толщины покрытия из полутвердой смазки, нанесенной на участок с наружной резьбой.
[0060]
[Условия испытаний]
Для анализа методом конечных элементов (FEM) использовали модели участков с наружной резьбой, согласно первому варианту осуществления, показанные на ФИГ. 3, с разной высотой H резьбы. Модель испытания № 1 представляла собой сравнительный пример, в котором форма вершины наружной резьбы в продольном сечении соответствовала прямой линии. Испытания № 2 и 3 представляют собой примеры 1 и 2 соответственно, в которых форма вершины наружной резьбы в продольном сечении соответствовала простой дуге. Общие условия описаны ниже.
[0061]
• Шаг резьбы: 5 TPI (пять витков на дюйм);
• Ширина резьбы: 2,48 мм вдоль делительной линии;
• Конусность резьбы: 6,25 % (угол конусности: примерно 1,8°);
• Угол наклона опорной стороны: -3°
• Угол наклона закладной стороны: 10°
• Высота LSH опорной стороны: 0,82 мм
• Высота SSH закладной стороны: 0,86 мм
• Радиус R1 первого углового участка: 0,35 мм
• Радиус R2 второго углового участка: 0,76 мм
• Радиус R3 первого переходного участка: 0,35 мм
• Радиус R4 второго переходного участка: 0,15 мм
[0062]
-6
3
При анализе методом конечных элементов были использованы модели, в которых была смоделирована наружная резьба и предварительно отвержденная смазка с элементами плоской деформации. Участок с наружной резьбой был смоделирован в виде упругого тела с модулем Юнга 210 ГПа. Предварительно отвержденная смазка была смоделирована в виде вязкопластичной текучей среды, обладающей текучими свойствами. В частности, для предварительно отвержденной смазки коэффициент вязкости составил 200 сСт, массовая плотность - 1,0х10 кг/мм, поверхностное натяжение - 22 мН/м. Во всех испытаниях № 1-3 распылительным устройством наносили одинаковое количество вязкопластичной текучей среды, поддерживая равномерную начальную толщину покрытия. Первоначальная толщина покрытия составляла 0,1 мм. В этом состоянии был проведен анализ стекания под действием поверхностного натяжения и вязкости, а также толщины покрытия по истечении 100 секунд, когда на практике стекание практически остановилось. Следует отметить, что нижняя граница толщины покрытия, обеспечивающая отсутствие задиров на первом угловом участке и втором угловом участке, соединенных с вершиной наружной резьбы, была принята равной 0,012 мм.
[0063]
[Способ оценки]
Оценка проводилась на максимальной толщине покрытия на вершинах наружной резьбы. Кроме того, была оценена минимальная толщина покрытия на первом и втором угловом участке. После этого было рассчитано отношение (здесь и далее называемое «показателем толщины покрытия») максимальной толщины покрытия на вершинах наружной резьбы к минимальной толщине покрытия на двух угловых участках, и оценена равномерность толщины покрытия. Чем меньше значение показателя толщины покрытия, тем выше указанная степень равномерности толщины покрытия. Результаты сведены в таблицу 1 (см. ниже).
[0064]
[Таблица 1]
ТАБЛИЦА 1
№
Высота H резьбы [мм]
Максимальное расстояние b [мм]
Максимальная толщина покрытия вершин [мм]
Минимальная толщина покрытия угловых участков [мм]
Показатель толщины покрытия [-]
Классификация
1
1,58
0,0
0,149
0,014
10,30
Сравнительный пример
2
1,78
0,1
0,127
0,022
5,78
Пример 1
3
1,98
0,2
0,111
0,032
3,51
Пример 2
[0065]
[Результаты испытаний]
Результаты, приведенные в таблице 1, указывают на следующее. Показатели толщины покрытия в примерах 1 и 2 оказались меньше показателя толщины покрытия в сравнительном примере. Соответственно, толщина твердого смазочного покрытия оказалась равномерной в резьбовых соединениях в примерах 1 и 2. Кроме того, минимальная толщина покрытия на угловых участках в сравнительном примере оказалась равной нижнему пределу толщины покрытия для предотвращения появления задиров. Напротив, минимальная толщина покрытия на угловых участках в примерах 1 и 2 несколько превышала нижний предел толщины покрытия. Это означает, что количество наносимой смазки в примерах 1 и 2 можно уменьшить.
[0066]
Настоящее изобретение не ограничивается раскрытыми выше вариантами осуществления и может быть изменено и модифицировано без отступления от сущности и объема настоящего изобретения. Например, резьбовое соединение может относиться как к муфтовому, так и к безмуфтовому типу. Расположение, количество и другие характеристики упорной части, по существу, не ограничены. Если необходимо обеспечить уплотняющий участок, создающий уплотнение при контакте металла с металлом, расположение, количество и другие характеристики уплотняющего участка, по существу, не ограничены.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
[0067]
Резьбовое соединение, согласно настоящему изобретению, можно эффективно использовать для соединения стальных труб, используемых в качестве труб нефтепромыслового сортамента.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
[0068]
10: ниппель,
11: участок с наружной резьбой,
12: вершина,
12a: первый угловой участок,
12b: второй угловой участок,
13: впадина,
13a: первый переходный участок,
14b: второй переходный участок,
14: закладная сторона,
15: опорная сторона,
16: упорная часть,
17: уплотнительная поверхность,
20: муфта,
21: участок с внутренней резьбой,
22: вершина,
23: впадина,
24: закладная сторона,
25: опорная сторона,
26: упорная часть,
27: уплотнительная поверхность,
30: твердое смазочное покрытие,
CL: ось трубы.