РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ДЛЯ СТАЛЬНОЙ ТРУБЫ
THREADED CONNECTION FOR STEEL PIPE

[0001] Настоящее изобретение относится к резьбовому соединению, используемому для соединения стальных труб.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Стальные трубы, называемые трубными изделиями нефтепромыслового сортамента, используются, например, для разведки и добычи нефти или природного газа в нефтяных скважинах или скважинах для природного газа (далее совместно именуемые «нефтяная скважина»), в разработке нетрадиционных ресурсов, таких как нефтяной песок или сланцевый газ, извлечении или хранении двуокиси углерода (улавливание и хранение двуокиси углерода (CCS)), геотермальной выработке электроэнергии, или в горячих источниках. Для соединения стальных труб используется резьбовое соединение.
[0003] Такие резьбовые соединения для стальных труб обычно классифицируются как муфтового типа и интегрального типа. Соединение муфтового типа соединяет пару труб, одна из которых является стальной трубой, а другая является муфтой. В этом случае наружная резьба предусмотрена на внешней периферии каждого из концов стальной трубы, тогда как внутренняя резьба предусмотрена на внутренней периферии каждого из концов муфты. Затем наружная резьба стальной трубы ввинчивается во внутреннюю резьбу муфты таким образом, что они свинчиваются и соединяются. Соединение интегрального типа соединяет пару труб, которые обе являются стальными трубами, и не использует отдельную муфту. В этом случае, наружная резьба предусмотрена на внешней периферии одного конца стальной трубы, тогда как внутренняя резьба предусмотрена на внутренней периферии другого конца. Затем, наружная резьба одной стальной трубы ввинчивается во внутреннюю резьбу другой стальной трубы таким образом, что они свинчиваются и соединяются.
[0004] Соединительный участок конца трубы, на котором предусмотрена наружная резьба, включает элемент, который должен быть вставлен во внутреннюю резьбу, и таким образом, обычно называется «ниппелем». Соединительный участок конца трубы, на котором предусмотрена внутренняя резьба, включает элемент для приема наружной резьбы, и таким образом, обычно называется «муфтой». Ниппель и муфта образовывают концы труб и, таким образом, имеют трубчатую форму.
[0005] Нефтяная скважина пробуривается вдоль, в то время как ее боковая стенка укрепляется трубными изделиями нефтепромыслового сортамента для предотвращения боковой стенки от разрушения во время проходки, что приводит к тому, что несколько трубных изделий нефтепромыслового сортамента располагаются друг в друге. В последние годы, как наземные, так и морские скважины становятся все глубже и глубже; в таких средах, резьбовые соединения, в которых внутренний и наружный диаметры соединительных участков, как правило, совпадают с внутренним и наружным диаметрами стальных труб, часто используются для соединения трубных изделий нефтепромыслового сортамента с целью эффективного развития нефтяных скважин. Использование таких резьбовых соединений сводит к минимуму зазоры между трубными изделиями нефтепромыслового сортамента, расположенными друг в друге, что позволяет эффективно развивать глубокую нефтяную скважину без значительного увеличения диаметра скважины. Резьбовое соединение требуется для обеспечения хорошей уплотняющей характеристики по отношению к текучей среде под давлением с внутренней стороны (в дальнейшем также называемым «внутренним давлением») и текучей среды под давлением извне (далее также называемым «внешним давлением») согласно вышеописанным ограничениям на внутреннем и внешнем диаметрах.
[0006] В некоторых известных резьбовых соединениях, обеспечивающих достаточную уплотняющую характеристику, уплотнительный узел образован контактом металл-металл. Уплотнительный узел, образованный контактом металл-металл, используемый здесь, представляет собой узел, в котором диаметр уплотняющей поверхности ниппеля немного больше диаметра уплотняющей поверхности муфты (разница между этими диаметрами будет называться как взаимодействие), и когда резьбовое соединение свинчено таким образом, что уплотняющие поверхности соединяются вместе, взаимодействие уменьшает диаметр уплотняющей поверхности ниппеля и увеличивает диаметр уплотняющей поверхности муфты, так что уплотняющие поверхности пытаются возвращаться к своим первоначальным диаметрам силой упругого восстановления, которая создает контактное давление на уплотняющих поверхностях так, что они приходят в близкий контакт друг с другом по всей окружности, тем самым, проявляя уплотняющую характеристику.
[0007] Резьбовые соединения, в которых внутренний и наружный диаметры соединительных участков, как правило, такие же, как внутренний и наружный диаметры стальных труб, включают, например, утопленного типа, полу-утопленного типа, тонкого типа и специального зазорного типа соединения (в дальнейшем вместе называемые соединениями «тонкого типа»). В резьбовых соединениях тонкого типа внутренний и наружный диаметры строго ограничены, что означает небольшую толщину стенки концевого участка ниппеля, на котором предусмотрена уплотняющая поверхность для внутреннего давления (то есть внутренняя уплотняющая поверхность ниппеля) и, таким образом, сила упругого восстановления внутренней уплотняющей поверхности ниппеля не может быть достаточно увеличена.
[0008] Для увеличения уплотняющей характеристики против внутреннего давления, известным является обеспечение носовой части ближе к кончику ниппеля, чем внутренняя уплотняющая поверхность ниппеля. Например, Европейский патент №1836426 на фиг. 1 и патент США №4795200 на фигурах 1 и 2, каждый раскрывает резьбовое соединение с носовой частью, предусмотренной на кончике ниппеля.
[0009] Поскольку носовая часть не сталкивается с муфтой, она выполняет функцию усиления силы упругого восстановления внутренней уплотняющей поверхности ниппеля. То есть, носовая часть усиливает силу сцепления между внутренней уплотняющей поверхностью ниппеля и внутренней уплотняющей поверхностью муфты, тем самым, улучшая уплотняющую характеристику против внутреннего давления.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0010] Обеспечение носовой части на кончике ниппеля улучшает уплотняющую характеристику по отношению к внутреннему давлению. Однако в резьбовом соединении тонкого типа, толщина стенки носовой части является очень маленькой из-за ограничений по размеру, и может оказаться невозможным обеспечить достаточную уплотняющую характеристику против внутреннего давления. Если толщина стенки наконечника ниппеля является увеличенной для увеличения уплотняющей характеристики против внутреннего давления, все остальные участки ниппеля, то есть участок наружной резьбы и наружный уплотнительный участок, рассматриваемые ниже, имеют увеличенные диаметры и, в результате, ограничения по внешнему диаметру соединительного участка требуют меньших общих толщин стенки противоположных участков муфты, что означает уменьшение толщины стенки внешнего уплотнительного участка муфты, снижающее уплотняющую характеристику против внешнего давления.
[0011] Задачей настоящего раскрытия является обеспечение резьбового соединения для стальной трубы с улучшенными уплотняющими характеристиками против внутреннего давления, при этом уплотняющая характеристика против внешнего давления не уменьшается.
[0012] Резьбовое соединение для стальной трубы согласно настоящему изобретению включает трубчатый ниппель и трубчатую муфту. Муфта имеет внешний диаметр меньше чем 108% от внешнего диаметра тела стальной трубы. Муфта и ниппель выполнены так, что ниппель вставляется в муфту. Ниппель включает упорный выступ ниппеля, плечо ниппеля, наружную резьбу, и внешнюю уплотняющую поверхность ниппеля. Упорный выступ ниппеля включает внутреннюю уплотняющую поверхность и носовую часть. Внутренняя уплотняющая поверхность ниппеля предусмотрена на внешней периферии концевого участка ниппеля. Носовая часть расположена ближе к кончику ниппеля, чем внутренняя уплотняющая поверхность ниппеля. Носовая часть имеет внешнюю периферийную поверхность с диаметром меньше, чем диаметр внутренней периферийной поверхности муфты, обращенной к ниппелю. Внешняя периферийная поверхность носовой части, и внутренняя уплотняющая поверхность ниппеля образуют ступенчатую форму. Плечевая поверхность ниппеля предусмотрена на конце ниппеля, расположенном ближе к телу стальной трубы. Наружная резьба предусмотрена на внешней периферии ниппеля между упорным выступом ниппеля и плечевой поверхностью ниппеля. Наружная резьба представляет собой коническую резьбу типа ласточкин хвост. Внешняя уплотняющая поверхность ниппеля предусмотрена на внешней периферии ниппеля между упорным выступом ниппеля и плечевой поверхностью ниппеля. Муфта включает внутреннюю уплотняющую поверхность муфты, плечевую поверхность муфты, внутреннюю резьбу, и внешнюю уплотняющую поверхность муфты. Внутренняя уплотняющая поверхность муфты предусмотрена на внутренней периферии муфты так, чтобы соответствовать внутренней уплотняющей поверхности ниппеля. Внутренняя уплотняющая поверхность муфты находится в контакте с внутренней уплотняющей поверхностью ниппеля, когда соединение свинчено. Плечевая поверхность муфты предусмотрена на концевой стороне муфты так, чтобы соответствовать плечевой поверхности ниппеля. Плечевая поверхность муфты находится в контакте с плечевой поверхностью ниппеля, когда соединение свинчено. Внутренняя резьба предусмотрена на внутренней периферии муфты так, чтобы соответствовать наружной резьбе. Внутренняя резьба представляет собой коническую резьбу типа ласточкин хвост. Внутренняя резьба имеет стыковочную поверхность, обращенную к стыковочной поверхности наружной резьбы так, чтобы оставить зазор, когда соединение свинчено. Внешняя уплотняющая поверхность муфты предусмотрена на внутренней периферии муфты так, чтобы соответствовать внешней уплотняющей поверхности ниппеля. Внешняя уплотняющая поверхность муфты находится в контакте с внешней уплотняющей поверхностью ниппеля, когда соединение выполнено. Выполняются следующие уравнения (1)-(3):
D≥P×1,5 (1),
L>P (2), и
|D-L|≤P (3),
где D представляет собой расстояние между наружной резьбой и внутренней уплотняющей поверхностью ниппеля, измеренное в направлении оси трубы, L представляет собой длину носовой части, измеренную в направлении оси трубы, а P представляет собой шаг резьбы наружной резьбы.
[0013] Резьбовое соединение для стальной трубы согласно настоящему изобретению улучшает уплотняющую характеристику против внутреннего давления без снижения уплотняющей характеристики против внешнего давления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0014] Фиг. 1 представляет собой схематичное продольное сечение резьбового соединения для стальной трубы согласно варианту осуществления.
Фиг. 2 представляет собой увеличенный вид резьбы резьбового соединения, показанного на фиг. 1.
Фиг. 3 представляет собой увеличенный вид внутреннего концевого участка, определенного вдоль направления оси трубы, резьбового соединения, показанного на фиг. 1.
Фиг. 4 представляет собой увеличенный вид внутреннего уплотнительного узла резьбового соединения, показанного на фиг. 1.
Фиг. 5 представляет собой вид продольного сечения обычного резьбового соединения для стальной трубы.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0015] В резьбовом соединении для стальной трубы необходимо обеспечить достаточную уплотняющую характеристику против внутреннего и внешнего давлений, одновременно обеспечивая необходимые элементы, такие как резьба, уплотнительные участки и плечи, в пределах ограниченной толщины стенок. В частности, в резьбовом соединении тонкого типа ограничения по размерам являются очень жесткими, как отмечалось выше, и, следовательно, больше невозможно обеспечить высокую уплотняющую характеристику, как против внешнего, так и внутреннего давления посредством только одного уплотнительного узла. Принимая это во внимание, в резьбовом соединении тонкого типа для обеспечения как определенных уплотняющих характеристик против внешнего давления, так и определенных уплотняющих характеристик против внутреннего давления, необходимо отдельно предусмотреть внешний уплотнительный узел для обеспечения уплотняющей характеристики против внешнего давления, и внутренний уплотнительный узел для обеспечения уплотняющей характеристики против внутреннего давления.
[0016] Как правило, внутренний уплотнительный узел предусмотрен вблизи внутреннего конца резьбового соединения, как определено вдоль направления оси трубы. То есть внутренний уплотнительный узел обычно располагается внутрь от резьбы, как определено вдоль направления оси трубы. Внутренний уплотнительный узел состоит из внутренней уплотняющей поверхности ниппеля и внутренней уплотняющей поверхности муфты. Внутренняя уплотняющая поверхность ниппеля предусмотрена на внешней периферии упорного выступа ниппеля, который составляет кончик ниппеля. Это уменьшает толщину стенок упорного выступа ниппеля таким образом, что упорный выступ ниппеля может быть легко прижат против муфты посредством нагрузки внутреннего давления, действующего на внутреннюю периферийную поверхность упорного выступа ниппеля. Это усиливает силу сцепления между внутренней уплотняющей поверхностью ниппеля и внутренней уплотняющей поверхностью муфты, улучшая уплотняющую характеристику против внутреннего давления. Усиление силы сцепления посредством нагрузки внутреннего давления увеличивается за счет обеспечения достаточного расстояния между резьбой и внутренней уплотняющей поверхностью ниппеля.
[0017] Помимо усиления силы сцепления посредством нагрузки внутреннего давления, существуют другие причины, по которым предпочтительным является обеспечение внутреннего уплотнительного узла на внутреннем конце резьбового соединения, как определено вдоль направления оси трубы. Например, когда ниппель и муфта должны быть свинчены, смазка может быть нанесена на поверхности резьбы и/или на поверхности уплотнительного узла. Путем обеспечения внутреннего уплотнительного узла внутри от резьбы, как определено вдоль направления оси трубы, предотвращается вытекание смазки во внутреннюю часть стальной трубы во время свинчивания, или во время использования стальной трубы, которая была свинчена.
[0018] Дополнительно, обеспечение внутреннего уплотнительного узла внутрь от резьбы, как определено вдоль направления оси трубы, препятствует проникновению внутренней текучей среды, такой как сырая нефть или природный газ, от входа в резьбу. Это позволяет избежать ввода внутренней текучей среды между узкими зазорами между нитями резьбы, что может вызвать щелевую коррозию и, таким образом, создать отверстие в резьбе или привести к разрушению резьбы.
[0019] В резьбовом соединении тонкого типа, толщина стенки упорного выступа ниппеля, на которой предусмотрена внутренняя уплотняющая поверхность, является неизбежно очень малой. Таким образом, увеличение взаимодействия во внутреннем уплотнительном узле существенно не усиливает силу упругого восстановления внутренней уплотняющей поверхности ниппеля. Таким образом, в резьбовом соединении тонкого типа, даже с добавлением эффекта нагрузки внутреннего давления, действующего на внутреннюю периферийную поверхность упорного выступа ниппеля, сила сцепления внутренней уплотняющей поверхности ниппеля с внутренней уплотняющей поверхностью муфты не усиливается значительно и, следовательно, уплотняющая характеристика против внутреннего давления не может быть значительно улучшена.
[0020] Как используется здесь, уплотняющая характеристика против внутреннего давления не означает, что уплотняющая характеристика проявляется только при приложении нагрузки внутреннего давления. Скорее, уплотняющая характеристика против внутреннего давления означает проявление уплотняющей характеристики, когда в дополнение к нагрузке внутреннего давления, различные нагрузки, ожидаемые при реальном использовании, такие как натяжение и сжатие в направлении оси трубы, изгиб и нагрузка внешнего давления неоднократно применяются, или после применения таких нагрузок. Способы оценки уплотняющей характеристики резьбового соединения при повторных комбинированных нагрузках с использованием реальных образцов включают, например, эксперименты по оценке, указанные в API5C5 и ISO 13679.
[0021] Как отмечалось выше, в резьбовом соединении тонкого типа ограничения по размеру затрудняют обеспечение хорошей уплотняющей характеристики против внутреннего давления только посредством внутреннего уплотнительного узла. Для улучшения уплотняющей характеристики против внутреннего давления в резьбовом соединении тонкого типа, известным является обеспечение носовой части на упорном выступе ниппеля.
[0022] Носовая часть сконструирована так, чтобы не сталкиваться с муфтой. Таким образом, носовая часть имеет функцию усиления силы упругого восстановления, через которую внутренняя уплотняющая поверхность ниппеля после уменьшения его диаметра за счет его взаимодействия с внутренней уплотняющей поверхностью муфты, стремится вернуться к своему первоначальному диаметру. Это говорит о том, что обеспечение носовой части на упорном выступе ниппеля усиливает силу сцепления на внутреннем уплотнительном узле даже тогда, когда взаимодействие во внутреннем уплотнительном узле не увеличивается, тем самым, улучшая уплотняющую характеристику против внутреннего давления.
[0023] В действительности, однако, просто обеспечение носовой части на упорном выступе ниппеля существенно не усиливает силу сцепления во внутреннем уплотнительном узле, поскольку в резьбовом соединении тонкого типа ограничения по размеру делают толщину стенки носовой части очень маленькой.
[0024] Кроме того, поскольку носовая часть не сталкивается с муфтой, нагрузка внутреннего давления действует как на ее внутреннюю, так и на внешнюю периферийные поверхности. То есть, носовая часть стремится оставаться в своем положении, когда к ней прикладывается нагрузка внутреннего давления и, таким образом, не имеет эффекта усиления силы сцепления, получаемой от нагрузки внутреннего давления.
[0025] Дополнительно, обеспечение носовой части увеличивает жесткость упорного выступа ниппеля, тем самым, предотвращая деформацию упорного выступа ниппеля. Авторы изобретения резьбового соединения согласно варианту осуществления обнаружили, что, если это имеет место, усиление силы сцепления посредством нагрузки внутреннего давления, которое получается путем обеспечения достаточного расстояния между резьбой и внутренней уплотняющей поверхностью ниппеля, уменьшается.
[0026] Таким образом, для эффективного усиления силы сцепления во внутреннем уплотнительном узле в резьбовом соединении тонкого типа, важен баланс между расстоянием между резьбой и внутренней уплотняющей поверхностью ниппеля, измеренным в направлении оси трубы, и длиной носовой части, измеренной в направлении оси трубы. Однако в обычных резьбовых соединениях тонкого типа такой баланс не учитывается.
[0027] Для улучшения уплотняющей характеристики в зависимости от внутреннего давления, также важно, чтобы внутренняя уплотняющая поверхность ниппеля и внутренняя уплотняющая поверхность муфты правильно контактировали друг с другом.
[0028] В резьбовом соединении тонкого типа, ограничения размеров требуют небольшой толщины стенки упорного выступа ниппеля. Таким образом, когда нагрузка внутреннего давления воздействует на внутреннюю поверхность упорного выступа ниппеля, его участок между резьбой и внутренней уплотняющей поверхностью расширяется к внешней периферии, заставляя внутреннюю уплотняющую поверхность ниппеля быть наклонной относительно внутренней уплотняющей поверхности муфты. Авторы изобретения обнаружили, что этот наклон внутренней уплотняющей поверхности ниппеля увеличивается по мере увеличения расстояния между резьбой и внутренней уплотняющей поверхностью ниппеля, измеренного в направлении оси трубы. Когда внутренняя уплотняющая поверхность ниппеля наклонена относительно внутренней уплотняющей поверхности муфты, положение контакта между внутренней уплотняющей поверхностью ниппеля и внутренней уплотняющей поверхностью муфты перемещается, дестабилизируя уплотняющую характеристику в зависимости от внутреннего давления. То есть, положение контакта между внутренней уплотняющей поверхностью ниппеля и внутренней уплотняющей поверхностью муфты является скользящим посредством их скольжения во время свинчивания, из положения, при котором они подошли для установки, увеличивая возможность утечки внутренней текучей среды.
[0029] Сжимающая нагрузка может также заставить положение контакта между внутренней уплотняющей поверхностью ниппеля и внутренней уплотняющей поверхностью муфты к перемещению, или заставить внутреннюю уплотняющую поверхность ниппеля и/или внутреннюю уплотняющую поверхность муфты быть скользящей в направлении оси трубы. Резьбовое соединение тонкого типа имеет относительно большой диаметр и относительно небольшую толщину стенки и, следовательно, относительное скольжение ниппеля из муфты, вызванное сжимающей нагрузкой, является большим, чем в резьбовых соединениях других типов. Для улучшения уплотняющей характеристики необходимо уменьшить относительное скольжение ниппеля из муфты.
[0030] Были изобретены резьбовые соединения с резьбой различного типа. Относительное проскальзывание ниппеля из муфты, вызванное сжимающей нагрузкой, является наименьшим с резьбой такого типа, при котором стыковочная поверхность наружной резьбы контактирует со стыковочной поверхностью внутренней резьбы при осуществлении соединения. С резьбами, имеющими стыковочные поверхности с отрицательными углами, то есть резьбами, где каждая стыковочная поверхность наклонена к кончику ниппеля относительно плоскости, перпендикулярной направлению оси трубы, относительное скольжение ниппеля из муфты может быть дополнительно уменьшено.
[0031] В частности, известные из таких резьб имеют ширину резьбы, которая постепенно изменяется вдоль направления хода и форму сечения типа ласточкин хвост (далее называемую резьбой типа ласточкин хвост). Резьба ласточкин хвост обычно производит эффект, известный как автоскрепление. Таким образом, резьбовое соединение с резьбой типа ласточкин хвост обычно не имеет плеча для ограничения ввинчивания ниппеля в муфту.
[0032] В резьбовом соединении с резьбой типа ласточкин хвост, стыковочные поверхности контактируют друг с другом, и опорные поверхности контактируют друг с другом, а наружная резьба и внутренняя резьба подходят друг к другу для полного свинчивания. В таком резьбовом соединении, положение, при котором свинчивание завершается, может быть значительно изменено посредством, например, ошибки подведения, погрешности угла между стыковочной поверхностью и/или опорной поверхностью, эллиптической ошибки, ошибки в ширине резьбы или т.п. Это затрудняет введение стабильного количества взаимодействий для уплотнительного узла, что дестабилизирует уплотняющую характеристику.
[0033] В отличие от резьб ласточкин хвост с автоскреплением, резьбы, которые имеют уменьшенное относительное скольжение ниппеля из муфты, включают в себя те, где форма сечения имеет ласточкин хвост, а зазор образовывается между стыковочной поверхностью наружной резьбы и стыковочной поверхностью внутренней резьбы, когда соединение свинчено. Авторы изобретения предположили, что если такие резьбы приняты в резьбовом соединении тонкого типа, относительное скольжение ниппеля из муфты, которое имеет тенденцию быть большим в тонких резьбовых соединениях, может быть уменьшено без возникновения проблемы, тем самым, обеспечивая стабильную уплотняющую характеристику.
[0034] Резьбовое соединение, в котором зазор образовывается между стыковочной поверхностью наружной резьбы и стыковочной поверхностью внутренней резьбы, когда соединение свинчено, не подвержено таким ошибкам, как указано выше. Кроме того, если плечи предусмотрены в таком резьбовом соединении, то положение завершения свинчивания может контролироваться плечами. Это предотвращает изменение положения завершения свинчивания, так что количество взаимодействий в уплотнительном узле является стабильным, тем самым, стабилизируя уплотняющую характеристику.
На основании этих заключений, авторы изобретения пришли к резьбовому соединению для стальной трубы с улучшенными уплотняющими характеристиками против внутреннего давления, где сохраняются уплотняющие характеристики против внешнего давления.
[0036] Резьбовое соединение для стальной трубы согласно настоящему изобретению включает трубчатый ниппель и трубчатую муфту. Муфта имеет внешний диаметр меньше чем 108% от внешнего диаметра тела стальной трубы. Муфта и ниппель выполнены так, что ниппель вставляется в муфту. Ниппель включает упорный выступ ниппеля, плечевую поверхность ниппеля, наружную резьбу, и внешнюю уплотняющую поверхность ниппеля. Упорный выступ ниппеля включает внутреннюю уплотняющую поверхность и носовую часть. Внутренняя уплотняющая поверхность ниппеля предусмотрена на внешней периферии концевого участка ниппеля. Носовая часть расположена ближе к кончику ниппеля, чем внутренняя уплотняющая поверхность ниппеля. Носовая часть имеет внешнюю периферийную поверхность с диаметром меньше, чем диаметр внутренней периферийной поверхности муфты, обращенной к ниппелю. Внешняя периферийная поверхность носовой части, и внутренняя уплотняющая поверхность ниппеля образуют ступенчатую форму. Плечевая поверхность ниппеля предусмотрена на конце ниппеля, расположенном ближе к телу стальной трубы. Наружная резьба предусмотрена на внешней периферии ниппеля между кончиком ниппеля и плечевой поверхностью ниппеля. Наружная резьба представляет собой коническую резьбу типа ласточкин хвост. Внешняя уплотняющая поверхность ниппеля предусмотрена на внешней периферии ниппеля между кончиком ниппеля и плечевой поверхностью ниппеля. Муфта включает внутреннюю уплотняющую поверхность муфты, плечевую поверхность муфты, внутреннюю резьбу, и внешнюю уплотняющую поверхность муфты. Внутренняя уплотняющая поверхность муфты предусмотрена на внутренней периферии муфты так, чтобы соответствовать внутренней уплотняющей поверхности ниппеля. Внутренняя уплотняющая поверхность муфты находится в контакте с внутренней уплотняющей поверхностью ниппеля, когда соединение свинчено. Плечевая поверхность муфты предусмотрена на концевой стороне муфты так, чтобы соответствовать плечевой поверхности ниппеля. Плечевая поверхность муфты находится в контакте с плечевой поверхностью ниппеля, когда соединение свинчено. Внутренняя резьба предусмотрена на внутренней периферии муфты, чтобы соответствовать наружной резьбе. Внутренняя резьба представляет собой коническую резьбу типа ласточкин хвост. Внутренняя резьба имеет направляющую поверхность, обращенную к направляющей поверхности наружной резьбы так, чтобы оставить зазор, когда соединение свинчено. Внешняя уплотняющая поверхность муфты предусмотрена на внутренней периферии муфты так, чтобы соответствовать внешней уплотняющей поверхности ниппеля. Внешняя уплотняющая поверхность муфты находится в контакте с внешней уплотняющей поверхностью ниппеля, когда соединение свинчено. Выполняются следующие уравнения (1)-(3):
D≥P×1,5 (1),
L>P (2), и
|D-L|≤P (3),
где D представляет собой расстояние между наружной резьбой и внутренней уплотняющей поверхностью ниппеля, измеренное в направлении оси трубы, L представляет собой длину носовой части, измеренную в направлении оси трубы, а P представляет собой шаг резьбы наружной резьбы (первое устройство).
[0037] В первом устройстве, расстояние D между наружной резьбой и внутренней уплотняющей поверхностью ниппеля, измеренное в направлении оси трубы, в 1,5 раза превышает шаг Р резьбы наружной резьбы или больше. Длина L носовой части, измеренная в направлении оси трубы, больше, чем шаг Р резьбы. Разница между расстоянием D между наружной резьбой и внутренней уплотняющей поверхностью ниппеля и длиной L носовой части равна или меньше шага Р резьбы. Поскольку внутренняя уплотняющая поверхность и носовая часть ниппеля расположены на ниппеле с этим балансом, сила сцепления внутренней уплотняющей поверхности ниппеля с внутренней уплотняющей поверхностью муфты усиливается носовой частью и, в то же время, носовая часть предотвращается от понижения усиления силы сцепления при нагрузке внутреннего давления, которая зависит от расстояния между наружной резьбой и внутренней уплотняющей поверхностью ниппеля. Это эффективно усиливает силу сцепления между внутренней уплотняющей поверхностью ниппеля и внутренней уплотняющей поверхностью муфты.
[0038] В первом устройстве, упорный выступ ниппеля содержит носовую часть; таким образом, жесткость при изгибе упорного выступа ниппеля является большой, а упорный выступ ниппеля не может быть легко деформирован. Это препятствует тому, чтобы внутренняя уплотняющая поверхность ниппеля была наклонена под нагрузкой внутреннего давления относительно внутренней уплотняющей поверхности муфты. Это предотвращает перемещение положения контакта между внутренней уплотняющей поверхностью ниппеля и внутренней уплотняющей поверхностью муфты, что позволяет избежать снижения уплотняющей характеристики против внутреннего давления.
[0039] В первом устройстве, каждая из наружной и внутренней резьб образована конической резьбой типа ласточкин хвост. Зазор образован между стыковочной поверхностью наружной резьбы и стыковочной поверхностью внутренней резьбы, когда соединение свинчено, что делает резьбовое соединение менее восприимчивым к различным ошибкам. Дополнительно, поскольку плечевая поверхность ниппеля и плечевая поверхность муфты находятся в контакте друг с другом, когда соединение свинчено, положение завершения свинчивания стабилизируется. Таким образом, может быть обеспечено стабильное количество взаимодействий в уплотнительном узле, тем самым, стабилизируя уплотняющую характеристику против внутреннего и внешнего давлений.
[0040] Таким образом, в первом устройстве могут быть обеспечены высокие и стабильные уплотняющие характеристики против внутреннего давления без изменения элементов для обеспечения уплотняющей характеристики против внешнего давления. То есть уплотняющая характеристика против внутреннего давления может быть улучшена без снижения уплотняющей характеристики против внешнего давления.
[0041] Внутренняя уплотняющая поверхность ниппеля может быть выпуклой поверхностью, включающей в себя коническую поверхность, уменьшающую ее диаметр к кончику ниппеля, и дугообразные поверхности, каждая из которых непрерывно соединяется с соответствующим одним из краев конической поверхности. Внутренняя уплотняющая поверхность муфты может включать в себя коническую поверхность, имеющую большую длину, чем внутренняя уплотняющая поверхность ниппеля (второе устройство).
[0042] Как правило, внутренняя уплотняющая поверхность ниппеля образована одной дугообразной поверхностью, имеющей большой радиус кривизны. Такая форма внутренней уплотняющей поверхности ниппеля может привести к значительному перемещению положения контакта между внутренней уплотняющей поверхностью ниппеля и внутренней уплотняющей поверхностью муфты, когда внутренняя уплотняющая поверхность ниппеля будет наклонена относительно внутренней уплотняющей поверхности муфты из-за нагрузки внутреннего давления.
[0043] Напротив, во втором устройстве внутренняя уплотняющая поверхность ниппеля образована конической поверхностью и парой дугообразных поверхностей, каждая из которых непрерывно соединяется с соответствующим краем конической поверхности и имеет относительно небольшой радиус кривизны. В этом устройстве, коническая поверхность внутренней уплотняющей поверхности ниппеля скользит в контакте с конической поверхностью внутренней уплотняющей поверхности муфты во время большего процесса свинчивания и, в течение заключительной стадии свинчивания, и после завершения свинчивания, при этом дугообразная поверхность, которая находится ближе к телу стальной трубы, контактирует с конической поверхностью внутренней уплотняющей поверхности муфты. Таким образом, поскольку дугообразная поверхность с относительным малым радиусом кривизны находится в контакте с внутренней уплотняющей поверхностью муфты, величина перемещения положения контакта между внутренней уплотняющей поверхностью ниппеля и внутренней уплотняющей поверхностью муфты может быть незначительной, даже когда внутренняя уплотняющая поверхность ниппеля наклонена относительно внутренней уплотняющей поверхности муфты. Это стабилизирует уплотняющую характеристику против внутреннего давления.
[0044] Дугообразные поверхности могут иметь радиус кривизны от 3 мм до 30 мм (третье устройство).
[0045] Внешняя уплотняющая поверхность ниппеля может быть расположена на конце ниппеля, прилегающей к телу стальной трубы (четвертое устройство).
[0046] В четвертом устройстве, на концах соединения предусмотрен внутренний уплотняющий узел, состоящий из внутренней уплотняющей поверхности ниппеля и внутренней уплотняющей поверхности муфты, и наружный уплотняющий узел, состоящий из внешней уплотняющей поверхности ниппеля и внешней уплотняющей поверхности муфты, как определено вдоль направления оси трубы. Таким образом, резьбовой узел, состоящий из наружной резьбы и внутренней резьбы, расположен между внутренним уплотнительным узлом и внешним уплотнительным узлом, тем самым делая возможным, например, реализовать резьбовой узел, используя одноступенчатую резьбу. В таких реализациях, толщина стенки, которая может быть использована для резьбы, является относительно большой, обеспечивая тем самым достаточные идеальные области резьбы. Это предотвращает снижение прочности на растяжение резьбового соединения, тем самым, обеспечивая достаточную прочность соединения.
[0047] Расстояние D может быть в три раза больше шага P резьбы или меньше (пятое устройство).
[0048] В пятом устройстве, упорный выступ ниппеля не является чрезмерно длинным, что снижает стоимость материала и/или стоимость изготовления.
[0049] Резьбовой узел, состоящий из наружной резьбы и внутренней резьбы, может иметь ширину резьбы, изменяющуюся вдоль направления ввода (шестое устройство).
[0050] В шестом устройстве, зазор между стыковочной поверхностью наружной резьбы и стыковочной поверхностью внутренней резьбы является большим во время большей части процесса свинчивания, и этот зазор становится незначительным непосредственно перед завершением свинчивания. Таким образом, заедание является менее вероятным, чем при резьбовых соединениях с резьбой, имеющей постоянную ширину резьбы, где зазор между стыковочными поверхностями является малым даже во время свинчивания.
[0051] Зазор между стыковочной поверхностью наружной резьбы и стыковочной поверхностью внутренней резьбы может быть 100 мкм или меньше (седьмое устройство).
[0052] Резьбовой узел, состоящий из наружной резьбы и внутренней резьбы, может иметь форму однозаходной или двухзаходной резьбы (восьмое устройство).
[0053] [Варианты осуществления]
Далее будет описан вариант осуществления резьбового соединения для стальной трубы со ссылкой к чертежам. Одинаковые и соответствующие элементы на чертежах обозначены одинаковыми ссылочными символами, и одно и то же описание не будет повторяться.
[0054] Фиг. 1 представляет собой схематичный вид продольного сечения резьбового соединения 1 для стальной трубы согласно варианту осуществления. Резьбовое соединение 1 представляет собой резьбовое соединение интегрального типа. Следует отметить, что конструкция резьбового соединения 1 может быть применена к соединению стыковочного типа.
[0055] Резьбовое соединение 1 включает в себя трубчатый ниппель 10 и трубчатую муфту 20. Ниппель 10 вставляется в муфту 20 таким образом, что ниппель 10 и муфта свинчиваются.
[0056] Конструкция резьбового соединения 1 приспособлена к соединению узкого типа, где разница между внешним диаметром соединения и внешним диаметром стальной трубы является незначительной. Таким образом, внешний диаметр муфты 20 меньше 108% от внешнего диаметра тела стальной трубы для ниппеля 10. Внешний диаметр муфты 20 составляет 100% от внешнего диаметра тела стальной трубы для ниппеля 10 или больше. Внутренний диаметр ниппеля 10 больше проходного диаметра, указанного стандартом Американского Института Нефти (API).
Тело стальной трубы для ниппеля 10 согласно настоящему варианту осуществления представляет собой участок стальной трубы, включающий ниппель 10, который не располагается внутри муфты 20 после вставки. Для удобства объяснения направление к кончику ниппеля 10 может быть далее обозначено как «внутрь» или «внутреннее», как определено вдоль направления оси трубы, а направление к телу стальной трубы ниппеля 10 «внешним» или «внешне», как определено вдоль направления оси трубы.
[0058] Как представлено на фиг. 1, ниппель включает упорный выступ 11 ниппеля, плечевую поверхность 12 ниппеля, наружную резьбу 13, и внешнюю уплотняющую поверхность 14 ниппеля.
[0059] Упорный выступ 11 ниппеля представляет собой участок кончика ниппеля. Упорный выступ ниппеля включает внутреннюю уплотняющую поверхность 11а ниппеля, носовую часть 11b и основание 11с. Внутренняя уплотняющая поверхность 11а ниппеля предусмотрена на внешней периферии упорного выступа 11 ниппеля. Носовая часть 11b предусмотрена ближе к кончику ниппеля 10, чем находится внутренняя уплотняющая поверхность 11а ниппеля. То есть носовая часть 11b предусмотрена на самом кончике ниппеля 10. Основание 11c представляет собой участок упорного выступа 11 ниппеля, который находится ближе к наружной резьбе 13, чем внутренняя уплотняющая поверхность 11a ниппеля.
[0060] Плечевая поверхность 12 ниппеля предусмотрена на конце 10 ниппеля, прилегающем к телу стальной трубы. В настоящем варианте осуществления, плечевая поверхность 12 ниппеля представляет собой кольцевую поверхность, которая является, в целом, перпендикулярной оси CL трубы. Более конкретно, плечевая поверхность 12 ниппеля слегка наклонена так, что ее внешняя периферия далее направлена в направлении продвижения ввинчивания ниппеля 10, чем его внутренняя периферия.
[0061] Наружная резьба 13 предусмотрена на внешней периферии ниппеля 10 и расположена между упорным выступом 11 ниппеля и плечевой поверхностью 12 ниппеля. Наружная резьба 13 представляет собой коническую резьбу типа ласточкин хвост. В наружной резьбе 13 форма продольного сечения резьбы (в дальнейшем просто называемая формой резьбы) представляет собой ласточкин хвост.
[0062] Внешняя уплотняющая поверхность 14 ниппеля предусмотрена на внешней периферии ниппеля 10 и расположена между упорным выступом 11 ниппеля и плечевой поверхностью 12 ниппеля. Внешняя уплотняющая поверхность 14 ниппеля расположена наружу от наружной резьбы 13, как определено вдоль направления оси трубы.
[0063] Муфта 20 включает внутреннюю уплотняющую поверхность 21 муфты, плечевую поверхность 22 муфты, внутреннюю резьбу 23, и внешнюю уплотняющую поверхность 24 муфты.
[0064] Внутренняя уплотняющая поверхность 21 муфты предусмотрена на внутренней периферии муфты 20, чтобы соответствовать внутренней уплотняющей поверхности 11а ниппеля. Внутренняя уплотняющая поверхность 21 муфты находится в контакте с внутренней уплотняющей поверхностью 11а ниппеля, когда соединение свинчено.
[0065] Внутренняя уплотняющая поверхность 11а ниппеля и внутренняя уплотняющая поверхность 21 муфты имеют взаимодействие. То есть диаметр внутренней уплотняющей поверхности 11а ниппеля немного больше диаметра внутренней уплотняющей поверхности 21 муфты. По этой причине, когда ниппель 10 ввинчивается в муфту 20, внутренняя уплотняющая поверхность 11а ниппеля и внутренняя уплотняющая поверхность 21 муфты контактируют друг с другом и, когда соединение свинчено, имеют подходящее сцепление для достижения посадки с натягом. Таким образом, внутренняя уплотняющая поверхность 11а ниппеля и внутренняя уплотняющая поверхность 21 муфты образуют внутренний уплотнительный узел посредством контакта металл-металл.
[0066] Плечевая поверхность 22 муфты предусмотрена на внешнем конце муфты 20, как определено вдоль направления оси трубы, чтобы соответствовать плечевой поверхности 12 ниппеля. Плечевая поверхность 22 муфты представляет собой кольцевую поверхность, которая является, в целом, перпендикулярной оси CL трубы. Более конкретно, плечевая поверхность 22 муфты слегка наклонена так, что ее внешняя периферия далее направлена в направлении продвижения ввинчивания ниппеля 10, чем ее внутренняя периферия. Плечевая поверхность 22 муфты находится в контакте с плечевой поверхностью 12 ниппеля, когда соединение свинчено.
[0067] Когда ниппель 10 ввинчивается в муфту 20, плечевая поверхность 12 ниппеля и плечевая поверхность 22 муфты контактируют друг с другом и прижимаются друг к другу. Плечевая поверхность 12 ниппеля и плечевая поверхность 22 муфты образуют плечевой узел через этот пресс-контакт. Плечевая поверхность 12 ниппеля и плечевая поверхность 22 муфты функционируют как ограничитель для ограничения ввинчивания ниппеля 10. Плечевая поверхность 12 ниппеля и плечевая поверхность 22 муфты служат для создания осевого усилия затягивания резьбы в соединении.
[0068] Внутренняя резьба 23 предусмотрена на внутренней периферии муфты 20, чтобы соответствовать наружной резьбе 13. Внутренняя резьба 23 образована одноступенчатой конической резьбой, способной зацеплять коническую резьбу, составляющую наружную резьбу 13. Форма резьбы внутренней резьбы 23 представляет собой ласточкин хвост.
[0069] Ширина резьбы резьбового узла, состоящего из наружной резьбы 13 и внутренней резьбы 23, изменяется вдоль направления продвижения ввинчивания ниппеля 10. Более конкретно, ширина резьбы наружной резьбы 13 уменьшается сужающимся образом в направлении продвижения правой резьбы по спирали (или направлении хода) резьбы. Ширина канавки резьбы соответствующей внутренней резьбы 23 также уменьшается сужающимся образом в направлении продвижения правой резьбы по спирали резьбы. Резьбы имеют, предпочтительно, однозаходную или двухзаходную форму резьбы.
[0070] Внутренняя уплотняющая поверхность 24 муфты предусмотрена на внутренней периферии муфты 20, чтобы соответствовать внешней уплотняющей поверхности 14 ниппеля. Внешняя уплотняющая поверхность 24 муфты расположена наружу от внутренней резьбы 23, как определено вдоль направления оси трубы. Внешняя уплотняющая поверхность 24 муфты находится в контакте с внешней уплотняющей поверхностью 14 ниппеля, когда соединение свинчено.
[0071] Внешняя уплотняющая поверхность 14 ниппеля и внутренняя уплотняющая поверхность 24 муфты имеют взаимодействие. То есть, диаметр внешней уплотняющей поверхности 14 ниппеля немного больше диаметра внешней уплотняющей поверхности 24 муфты. По этой причине, когда ниппель 10 ввинчивается в муфту 20, внешняя уплотняющая поверхность 14 ниппеля и внешняя уплотняющая поверхность 24 муфты соприкасаются друг с другом и, когда соединение свинчено, имеют подходящее сцепление для достижения посадки с натягом. Таким образом, внешняя уплотняющая поверхность 14 ниппеля и внешняя уплотняющая поверхность 24 муфты образуют внешний уплотнительный узел посредством контакта металл-металл.
[0072] Фиг. 2 представляет собой частичный увеличенный вид по фиг. 1, который схематично показывает резьбы резьбового соединения 1.
[0073] Как показано на фиг. 2, наружная резьба 13 включает в себя, если смотреть на сечение, проходящее через ось CL трубы, множество вершин 13а резьбы, множество впадин 13b резьбы, множество стыковочных поверхностей 13c и множество опорных поверхностей 13d. Каждая стыковочная поверхность 13с является поверхностью, идущей впереди, когда ниппель 10 ввинчивается в муфту 20. Каждая опорная поверхность 13d является поверхностью, противоположной к стыковочной поверхности 13с.
[0074] Внутренняя резьба 23 включает в себя, если смотреть на сечение, проходящее через ось CL трубы, множество вершин 23а резьбы, множество впадин 23b резьбы, множество стыковочных поверхностей 23c и множество опорных поверхностей 23d. Каждая вершина 23а резьбы внутренней резьбы 23 обращена к соответствующей впадине 13b наружной резьбы 13. Каждая впадина 23b резьбы внутренней резьбы 23 обращена к соответствующей вершине 13а наружной резьбы 13. Каждая стыковочная поверхность 23с резьбы внутренней резьбы 23 обращена к соответствующей стыковочной поверхности 13с наружной резьбы 13. Каждая опорная поверхность 23d резьбы внутренней резьбы 23 обращена к соответствующей опорной поверхности 13d наружной резьбы 13.
[0075] Как отмечалось выше, форма наружной и внутренней резьбы 13 и 23 представляет собой ласточкин хвост. По этой причине, углы стыковочных поверхностей 13c и 23c являются отрицательными углами, меньшими 0°. Угол поверхности, используемый в настоящем варианте осуществления, означает угол, образованный плоскостью, перпендикулярной к оси CL трубы и поверхности. На фиг. 2 для углов поверхности стыковочных поверхностей 13c и 23c направление против часовой стрелки является положительным направлением. То есть, стыковочные поверхности 13c и 23c наклонены к кончику ниппеля 10, если смотреть на сечение, проходящее через ось CL трубы.
[0076] Углы поверхности опорных поверхностей 13d и 23d также являются отрицательными углами, меньшими 0°. На фиг. 2 для углов поверхности опорных поверхностей 13c и 23c, направление по часовой стрелке является положительным направлением. Если смотреть, глядя на сечение, проходящее через ось CL трубы, опорные поверхности 13d и 23d наклонены в направлении, противоположном стыковочным поверхностям 13c и 23c, то есть к телу стальной трубы ниппеля 10.
[0077] Когда соединение свинчено, каждая впадина 13b резьбы наружной резьбы 13 и соответствующая вершина 23а резьбы внутренней резьбы 23 находятся в контакте друг с другом. Опорные поверхности 13d и 23d наружной резьбы 13 и внутренней резьбы 23 находятся в контакте друг с другом. С другой стороны, каждая вершина 13а резьбы наружной резьбы 13 и соответствующая впадина 23b резьбы внутренней резьбы 23 не контактируют друг с другом. Стыковочные поверхности 13с и 23с наружной резьбы 13 и внутренней резьбы 23 не находятся в контакте друг с другом.
[0078] Когда соединение свинчено, каждая стыковочная поверхность 13c наружной резьбы 13 обращена к соответствующей стыковочной поверхности 23c внутренней резьбы 23 с зазором G, предусмотренным между ними. Зазор G между стыковочными поверхностями 13c и 23c представляет собой расстояние, измеренное в направлении оси трубы, между пересечением стыковочной поверхности 13c наружной резьбы 13 и линией PL шага резьбы, если смотреть на сечение, включающее линию PL шага и стыковочную поверхность 23c внутренней резьбы 23, обращенную к этой стыковочной поверхности 13c. Линия PL шага представляет собой линию на продольном сечении, включающем ось CL трубы, соединяющую точки, каждая из которых находится на опорной поверхности 13d наружной резьбы 13 и расположена на половине высоты опорной поверхности. Зазор G может быть определен надлежащим образом с учетом степени погрешности, например. Хотя это не является ограничением, зазор G, предпочтительно, равен или меньше 100 мкм.
[0079] Наружная резьба 13 имеет постоянный шаг Р резьбы. Шаг P резьбы представляет собой расстояние между опорными поверхностями 13d двух соседних витков резьбы. Более точно, если смотреть на сечение, включающее линию PL шага резьбы, шаг P резьбы представляет собой расстояние между пересечением опорной поверхности 13d резьбы и линии PL шага, и пересечением опорной поверхности 13d другого витка, расположенного смежно к этому витку, и линии PL шага. Короче говоря, шаг P резьбы представляет собой шаг опорных поверхностей наружной резьбы 13. В настоящем варианте осуществления, таким образом, шаг P резьбы наружной резьбы 13 определяется независимо от того, имеет ли резьба однозаходную или многозаходную форму резьбы.
[0080] Фиг. 3 представляет собой частичный увеличенный вид по фиг. 1, который схематично показывает внутренний конец резьбового соединения 1, как определено вдоль направления оси трубы.
[0081] Как показано на фиг. 3, внутренняя уплотняющая поверхность 11а ниппеля является выпуклой поверхностью, образованной на внешней периферии упорного выступа 11 ниппеля. Внутренняя уплотняющая поверхность 11а ниппеля и внешняя периферийная поверхность носовой части 11b образуют ступенчатую форму. Внутренняя уплотняющая поверхность 11а ниппеля и внешняя периферия основания 11с образуют ступенчатую форму. Таким образом, на внешней периферийной поверхности упорного выступа 11 ниппеля существует четкая граница между носовой частью 11b и внутренней уплотняющей поверхностью 11а ниппеля, и граница между внутренней уплотняющей поверхностью 11а ниппеля и основанием 11с. Носовая часть 11b является вогнутой к внутренней периферии ниппеля 10 относительно внутренней уплотняющей поверхности 11а ниппеля. Основание 11с является вогнутым к внутренней периферии ниппеля 10 относительно наружной резьбы 13 и внутренней уплотняющей поверхности 11а ниппеля.
[0082] Внешний диаметр носовой части 11b меньше диаметра внутренней периферийной поверхности участка муфты 20, который обращен к носовой части 11b. Таким образом, носовая часть 11b не зацепляется с муфтой 20 во время свинчивания и после свинчивания. То есть зазор всегда присутствует между внешней периферийной поверхностью носовой части 11b и внутренней периферийной поверхностью муфты 20.
[0083] В настоящем варианте осуществления, носовая часть 11b имеет форму цилиндра, имеющего, по существу, постоянный внешний диаметр. Однако носовая часть 11b не ограничивается определенной формой. Например, носовая часть 11b может иметь форму полого усеченного конуса.
[0084] Внешний диаметр основания 11с меньше диаметра внутренней периферийной поверхности участка муфты 20, который обращен к основанию 11с. Таким образом, аналогично носовой части 11b, основание 11с не зацепляется с муфтой 20 во время свинчивания и после свинчивания. Зазор также всегда присутствует между внешней периферийной поверхностью основания 11с и внутренней периферийной поверхностью муфты 20.
[0085] Ссылаясь к фигурам 2 и 3, длина основания 11c, измеренная в направлении оси трубы, то есть расстояние D между наружной резьбой 13 и внутренней уплотняющей поверхностью 11a ниппеля, измеренное в направлении оси трубы, определяется с учетом взаимосвязи между длиной L носовой части 11b, измеренной в направлении оси трубы, и шагом P резьбы наружной резьбы 13. Расстояние D между наружной резьбой 13 и внутренней уплотняющей поверхностью 11a ниппеля представляет собой расстояние между внутренним концом наружной резьбы 13 и границей между основанием 11c и внутренней уплотняющей поверхностью 11a ниппеля, как измерено в направлении оси трубы. В настоящем варианте осуществления, расстояние D представляет собой длину, измеренную в направлении оси трубы, участка внешней периферийной поверхности упорного выступа 11 ниппеля, который расположен между наружной резьбой 13 и внутренней уплотняющей поверхностью 11a ниппеля и не имеет, по существу, ступеньки. Длина L носовой части 11b представляет собой расстояние, измеренное в направлении оси трубы, между границей между внутренней уплотняющей поверхностью 11a ниппеля и носовой частью 11b и кончиком упорного выступа 11 ниппеля. В настоящем варианте осуществления, длина L представляет собой длину, измеренную в направлении оси трубы, участка внешней периферийной поверхности упорного выступа 11 ниппеля, который расположен между внутренним концом внутренней уплотняющей поверхности 11a ниппеля и кончиком упорного выступа 11, и который не имеет, по существу, ступеньки.
[0086] Расстояние D между наружной резьбой 13 и внутренней уплотняющей поверхностью 11a ниппеля в 1,5 раза больше шага P резьбы наружной резьбы 13 или больше. Длина L носовой части 11b больше, чем шаг P резьбы наружной резьбы 13. Разница между расстоянием D и длиной L равна или меньше, чем шаг Р резьбы. То есть расстояние D между наружной резьбой 13 и внутренней уплотняющей поверхностью 11a ниппеля, длина L носовой части 11b, и шаг Р резьбы наружной резьбы 13 решаются так, чтобы удовлетворять следующим уравнениям: уравнения (1)-(3):
D≥P×1,5 (1),
L>P (2), и
|D-L|≤P (3).
[0087] Например, расстояние D может быть в три раза больше шага P резьбы или меньше с точки зрения материалов или затрат на производство. Однако верхний предел расстояния D особо не указывается. Аналогично, верхний предел длины L особо не указывается.
[0088] Фиг. 4 представляет собой частичный увеличенный вид по фиг. 1, который схематично показывает внутренний уплотнительный узел резьбового соединения 1.
[0089] Внутренняя уплотняющая поверхность 11а ниппеля является выпуклой поверхностью, включающей коническую поверхность 111 и дугообразные поверхности 112 и 113. Коническая поверхность 111 уменьшает ее диаметр до кончика ниппеля 10. Коническая поверхность 111 имеет форму, согласующуюся с частью периферийной поверхности усеченного конуса, в которой диаметры ближе к кончику являются меньше, чем диаметры ближе к телу стальной трубы. Дугообразные поверхности 112 и 113, имеющие маленькие радиусы кривизны, соединяются с краями конической поверхности 111.
[0090] Дугообразная поверхность 112 и внутренний край, как определено вдоль направления оси трубы, конической поверхности 111 образуют гладкую и непрерывную поверхность. Дугообразная поверхность 113 расположена на стороне конической поверхности, которая является противоположной дугообразной поверхности 112, и дугообразная поверхность 113 и внешний край, как определено вдоль направления оси трубы, конической поверхности 111 образуют гладкую и непрерывную поверхность. Каждая из дугообразных поверхностей 112 и 113 имеет форму, согласующуюся с частью периферийной поверхности тела вращения, которая получается путем вращения дуги вокруг оси CL трубы.
[0091] Радиусы кривизны дугообразных поверхностей 112 и 113 могут находиться в диапазоне, например, от R3 до R30 (от 3 мм до 30 мм). Однако радиусы кривизны дугообразных поверхностей 112 и 113 не ограничиваются этим диапазоном. Радиусы кривизны дугообразных поверхностей 112 и 113 могут быть соответственно решены с учетом наклона конической поверхности 111, например.
[0092] Внутренняя уплотнительная поверхность 21 муфты содержит коническую поверхность 211. Коническая поверхность 211 имеет большую длину, чем внутренняя уплотняющая поверхность 11a ниппеля. Например, когда соединение свинчено, коническая поверхность 211 продолжается в положение наружу от внутренней уплотняющей поверхности 11а ниппеля, как определено вдоль направления оси трубы. Коническая поверхность 211 имеет наклон, соответствующий наклону конической поверхности 111 внутренней уплотняющей поверхности 11а ниппеля.
[0093] [Преимущества вариантов осуществления]
В выше иллюстрированном варианте осуществления, расстояние D между наружной резьбой 13 и внутренней уплотняющей поверхностью 11a ниппеля, измеренное в направлении оси трубы, и длина L носовой части 11b, сбалансированы так, чтобы эффективно улучшить уплотняющую характеристику против внутреннего давления. То есть, расстояние D между наружной резьбой 13 и внутренней уплотняющей поверхностью 11a ниппеля в 1,5 раза превышает шаг P резьбы наружной резьбы 13 или больше, а длина L носовой части 11b больше, чем шаг P резьбы. Дополнительно, разница между расстоянием D и длиной L равна или меньше, чем шаг P резьбы. Это усиливает силу сцепления на внутреннем уплотнительном узле посредством носовой части 11b и в то же время, предотвращает усиление силы сцепления посредством нагрузки внутреннего давления, которая зависит от расстояния D от уменьшения носовой частью 11b. Это эффективно усилит силу сцепления во внутреннем уплотнительном узле.
[0094] В выше иллюстрированном варианте осуществления, упорный выступ 11 ниппеля включает в себя носовую часть 11b. Таким образом, упорный выступ 11 ниппеля имеет большую жесткость при изгибе и не может быть легко деформирован. Это предотвращает упорный выступ 11 ниппеля от расширения к внешней периферии посредством нагрузки внутреннего давления, тем самым предотвращая внутреннюю уплотняющую поверхность 11a от наклона относительно внутренней уплотняющей поверхности 21 муфты. Это предотвращает перемещение положения контакта между внутренней уплотняющей поверхностью 11а ниппеля и внутренней уплотняющей поверхностью 21 муфты, тем самым стабилизируя уплотняющую характеристику против внутреннего давления.
[0095] В резьбовом соединении 1 согласно вышеописанному варианту осуществления, зазор образован между стыковочной поверхностью 13с наружной резьбы 13 и стыковочной поверхностью 23с внутренней резьбы 23, когда соединение свинчено, так что соединение не подвержено различным ошибкам. Дополнительно, поскольку плечевая поверхность 12 ниппеля и плечевая поверхность 22 муфты находятся в контакте друг с другом, когда соединение свинчено, положение завершения свинчивания может быть отрегулировано. Это создает стабильное уплотнительное взаимодействие, тем самым, обеспечивая стабильные уплотняющие характеристики против внутреннего давления и внешнего давления.
[0096] Таким образом, в резьбовом соединении 1 согласно выше иллюстрированному варианту осуществления, сила сцепления во внутреннем уплотнительном узле может быть улучшена без увеличения взаимодействия во внутреннем уплотнительном узле, например, или для регулировки конструкции так, чтобы уменьшить уплотняющую характеристику внешнего уплотнительного узла. Это обеспечивает хорошие и стабильные уплотняющие характеристики против внутреннего давления, сохраняя при этом уплотняющие характеристики против внешнего давления.
[0097] Внутренняя уплотняющая поверхность 11а ниппеля является выпуклой поверхностью, состоящей из конической поверхности 111 и дугообразных поверхностей 112 и 113. Внутренняя уплотняющая поверхность 21 муфты имеет единственную коническую поверхность 211, имеющую большую длину, чем внутренняя уплотняющая поверхность 11а ниппеля. Эта конструкция гарантирует, что во время большей части процесса свинчивания, коническая поверхность 111 внутренней уплотняющей поверхности 11а ниппеля и коническая поверхность 211 внутренней уплотняющей поверхности 21 муфты скользят в контакте друг с другом, и на заключительной стадии свинчивания и после завершения свинчивания, дугообразная поверхность 113 внутренней уплотняющей поверхности 11а ниппеля находится в контакте с конической поверхностью 211 внутренней уплотняющей поверхности 21 муфты. Так как дугообразная поверхность 113 образует край внутренней уплотняющей поверхности 11а ниппеля, она имеет меньший радиус кривизны, чем обычная внутренняя уплотняющая поверхность ниппеля, которая полностью образована одной дугообразной поверхностью. Таким образом, даже если внутренняя уплотняющая поверхность 11а ниппеля наклонена относительно внутренней уплотняющей поверхности 21 муфты, величина перемещения положения контакта между внутренней уплотняющей поверхностью 11а ниппеля и внутренней уплотняющей поверхностью 21 муфты может быть сведена к минимуму. Это будет дополнительно стабилизировать уплотняющую характеристику против внутреннего давления.
[0098] В выше иллюстрированном варианте осуществления, внешняя уплотняющая поверхность 14 ниппеля расположена на конце ниппеля 10, прилегающем к телу стальной трубы. То есть резьбовой узел расположен между внутренним уплотнительным узлом и внешним уплотнительным узлом. Таким образом, резьбовой узел может быть образован одноступенчатыми резьбами, а толщина стенки, которая может быть использована для резьбы, может быть больше, чем в исполнениях, где резьбовой узел разделен на две ступени посредством внешнего уплотняющего узла. Это будет увеличивать идеальные участки резьбы и, таким образом, уменьшит снижение прочности на растяжение резьбового соединения, тем самым, обеспечивая достаточную прочность соединения.
[0099] В резьбовом соединении с резьбой, имеющей постоянную ширину резьбы, зазор между стыковочной поверхностью наружной резьбы и стыковочной поверхностью внутренней резьбы является незначительным во время свинчивания, так что может происходить заедание. Напротив, в выше иллюстрированном варианте осуществления, ширина нитей резьбы изменяется вдоль направления ввода. Таким образом, большая часть процесса свинчивания происходит, когда имеется большой зазор между опорной поверхностью 13d наружной резьбы 13 и опорной поверхностью 23d внутренней резьбы 23, и имеется большой зазор между стыковочной поверхностью 13c наружной резьбы 13 и стыковочной поверхностью 23с внутренней резьбы 23. Это будет предотвращать заедание.
[0100] [Варианты]
Хотя вариант осуществления был описан, настоящее изобретение не ограничено выше иллюстрированным вариантом осуществления, и возможны различные модификации без отклонения от сущности изобретения. Например, в выше иллюстрированном варианте осуществления, внешний уплотнительный узел предусмотрен наружу от резьбового узла, как определено вдоль направления оси трубы; альтернативно, внешний уплотнительный узел может быть предусмотрен в середине резьбового узла. В таких реализациях, резьбовой узел может состоять из множества ступеней резьбы.
[0101] Резьбовое соединение согласно выше иллюстрированному варианту осуществления включает в себя два уплотнительных узла (то есть внутренний уплотнительный узел и внешний уплотнительный узел). Однако может быть предусмотрено резьбовое соединение, включающее в себя три или более уплотнительных узла.
[0102] В выше иллюстрированном варианте осуществления, внутренняя уплотняющая поверхность ниппеля состоит из выпуклой поверхности, включающей сужающуюся поверхность, и двух дугообразных поверхностей. Однако, внутренняя уплотняющая поверхность ниппеля не ограничивается этой конструкцией. Например, внутренняя уплотняющая поверхность ниппеля может быть образована одной дугообразной поверхностью, как согласно общепринятому уровню техники. Внутренняя уплотняющая поверхность муфты, соответствующая внутренней уплотняющей поверхности ниппеля, не ограничивается конкретной конструкцией.
В выше иллюстрированном варианте осуществления, когда соединение свинчено, впадина резьбы наружной резьбы и вершина резьбы внутренней резьбы находятся в контакте друг с другом, а вершина резьбы наружной резьбы и впадина резьбы внутренней резьбы не контактируют друг с другом. Однако, когда соединение свинчено, впадина резьбы наружной резьбы и вершина резьбы внутренней резьбы могут не находиться в контакте друг с другом, а вершина резьбы наружной резьбы и впадина резьбы внутренней резьбы могут быть в контакте друг с другом.
ПРИМЕРЫ
[0104] Для подтверждения эффектов резьбового соединения для стальной трубы согласно настоящему изобретению, численный имитационный анализ проводился упругопластическим методом конечных элементов.
[0105] <Условия испытания>
В упругопластическом анализе методом конечных элементов, модель резьбового соединения, имеющая базовую конструкцию, показанная на фигурах 1-4 была использована для обеспечения контроля, патентоспособные примеры 1-1 и 1-2 и сравнительные примеры с 1-1 по 1-3. Условия испытаний, общие для контроля, патентоспособные примеры 1-1 и 1-2 и сравнительные примеры с 1-1 по 1-3, являются следующими:
Размеры стальных труб: внешний диаметр 355,6 мм и толщина стенки 20,6 мм;
2
Материал: углеродистая сталь Q125 в соответствии со спецификацией API (предел текучести 862 N/мм);
Форма соединения: резьбовое соединение полу утопленного типа, показанное на фиг. 1, имеющее одноступенчатые резьбы, внешний плечевой узел и два уплотнительных узла (внутренний и внешний уплотнительные узлы);
Форма и размеры резьбы: резьбы, показанные на фиг. 2, с изменяющейся шириной резьбы и сечением ласточкин хвост с высотой резьбы (высота опорной поверхности) 1,6 мм и шагом резьбы (шаг опорной поверхности) 8,5 мм;
Форма и размеры упорного выступа ниппеля: упорный выступ ниппеля, имеющий форму, показанную на фиг. 3, с толщиной упорного выступа 5,3 мм и толщиной носовой части 4,4 мм.
[0106] Таблица 1 показывает комбинации значений расстояния D между наружной резьбой и внутренней уплотняющей поверхностью ниппеля, измеренного в направлении оси трубы, и значений длины L носовой части, измеренной в направлении оси трубы. Патентоспособные примеры 1-1 и 1-2 использовали комбинации значений расстояния D и длины L, которые удовлетворяют всем уравнениям (1)-(3). Сравнительные примеры с 1-1 по 1-3 использовали комбинации значений расстояния D и длины L, которые не удовлетворяют, по меньшей мере, одному или нескольким уравнениям (1)-(3). Контроль осуществлялся с резьбовым соединением без носовой части, где длина L носовой части была равна нулю.
D≥P×1,5 (1),
L>P (2), и
|D-L|≤P (3).
[0107][Таблица 1]
D [мм]
L [мм]
D/P
L/P
|D-L| [мм]
Контроль
22
0
2,59
0
22
Патентоспособный пример 1-1
22
18
2,59
2,12
4
Патентоспособный пример 1-2
16
18
1,88
2,12
2
Сравнительный пример 1-1
16
6
1,88
0,71
10
Сравнительный пример 1-2
22
6
2,59
0,71
16
Сравнительный пример 1-3
28
6
3,29
0,71
22
Сравнительный пример 2
9,1
13,5
1,07
1,59
44
D: Расстояние между наружной резьбой и внутренней уплотняющей поверхностью ниппеля, измеренное в направлении оси трубы;
L: Длина носовой части, измеренная в направлении оси трубы;
P: Шаг резьбы наружной резьбы (8,5 mm)
[0108] Для обеспечения резьбового соединения согласно обычному уровню техники (сравнительный пример 2) для сравнения была создана модель резьбового соединения, показанного на фиг. 1 вышеупомянутого Европейского Патента №1836426. Шаг резьбы наружной резьбы составлял 8,5 мм, как в вышеописанных примерах, а расстояние D между наружной резьбой и внутренней уплотняющей поверхностью ниппеля и длина L носовой части в сравнительном примере 2 рассчитывалась по размеру отношения различных элементов, полученных на фиг. 1 Европейского Патента №1836426 (таблица 1). Толщина упорного выступа ниппеля, рассчитанная аналогичным образом, составляла 2,72 мм, а толщина носовой части составляла 1,53 мм. Другие условия испытаний были такими же, как в вышеописанных примерах.
[0109] В Европейском Патенте N 1836426 указано, что коническая поверхность на упорном выступе ниппеля (обозначенная символами TS на фиг. 5) представляет собой уплотняющую поверхность; на основании этого в сравнительном примере 2, длина цилиндрического участка, расположенного ближе к кончику, чем эта коническая поверхность TS, измеренная в направлении оси трубы, обрабатывалась как длина L носовой части. Дополнительно, расстояние D между наружной резьбой и внутренней уплотняющей поверхностью ниппеля определялось как длина цилиндрического участка между наружной резьбой и конической поверхностью TS (которая не имеет ступеньки на внешней периферии), как измерено в направлении оси трубы.
[0110] <Способ оценки>
В упругопластическом анализе методом конечных элементов, после того, как были образованы ниппель и муфта, были применены повторяющиеся комбинированные нагрузки, имитирующие тестовую серию А ISO 13679. Сравнивались минимальные значения контактной силы уплотнения во внутреннем уплотнительном узле во время этого анализа (минимальное давление на уплотняющую поверхность), значения были относительными значениями, где значение контроля составляло 1. Дополнительно, сравнивались значения угла наклона внутренней уплотняющей поверхности ниппеля при втором применении нагрузки внутреннего давления. Таблица 2 показывает результаты этого анализа/оценки.
[0111] [Таблица 2]
Минимальное уплотняющее поверхностное давление во время анализа (*1)
Угол наклона внутренней уплотняющей поверхности ниппеля при приложении нагрузки от простого внутреннего давления (*2) [град.]
Контроль
1,00
3,3
Патентоспособный пример. 1-1
2,14
2,7
Патентоспособный пример 1-2
2,24
2,4
Сравнительный пример 1-1
1,34
2,8
Сравнительный пример 1-2
1,21
3,4
Сравнительный пример 1-3
0,79
5,3
Сравнительный пример 2
0,78
3,6
*1: Относительные значения, для которых значение для контроля равно 1;
*2: Увеличение от угла перед свинчиванием
[0112] Из таблицы 2 ясно, что в резьбовых соединениях патентоспособных примеров 1-1 и 1-2, значения минимального давления на уплотняющую поверхность явно больше, чем в резьбовых соединениях контрольного и сравнительного примеров, что означает, что высокая контактная сила уплотнения сохраняется. Дополнительно, в резьбовых соединениях патентоспособных примеров 1-1 и 1-2, значения угла наклона внутренней уплотняющей поверхности ниппеля меньше, чем у резьбовых соединений контрольного и сравнительного примеров, что показывает, что наклон внутренней уплотняющей поверхности ниппеля минимизирован. Это показывает, что резьбовое соединение, которое удовлетворяет уравнениям (1)-(3), значительно улучшило и стабилизировало уплотнение против внутреннего давления.