РЕЗЬБОВОЕ ЗАМКОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ДЛЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ ТРУБ
THREAD LOCK CONNECTION FOR OIL AND GAS PIPES

Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее изобретение относится к резьбовым замковым соединениям для нефтяных и газовых труб типа, содержащего резьбовую охватывающую часть и резьбовую охватываемую часть, например, соединение с ниппелем и муфтой или премиум-класса, которые специально разработаны для работы в тяжелых условиях в отношении как внутреннего, так и внешнего давления и которые больше известны в качестве замковых соединений премиум-класса.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
Замковые соединения премиум-класса содержат ниппель и муфту, оснащенные коническими резьбами, которые позволяют осуществить их скрепление путем обеспечения уплотняющей поверхности на взаимодействующих друг с другом конических поверхностях, где формируется уплотнение, и которые содержат носик ниппеля, упирающийся в буртик муфты, который действует в качестве стопорного устройства в соединении.
Уплотнение образуется плотным контактом металлических поверхностей, который должен выдерживать как внешние, так и внутренние давления, осевые нагрузки и изгибание.
В документах WO 2004/109173, US 2011/0241340 и US 2015/0001841 раскрыты основные признаки этих замковых соединений премиум-класса.
Детали сопряжения, в частности конструкция поверхностей, которые создают уплотнение во время соединения, являются очень важными, так как должна гарантироваться общая герметичность для любых условий, а именно внутреннего и внешнего давления, натяжения и сжатия, изгиба и их сочетания при любых рабочих температурах.
Ввиду этого в самых последних документах описываются очень специфичные решения, основанные на конкретных конструкциях поверхностей ниппеля и муфты для создания уплотнения.
В документе US 2011/0241340 раскрыты несколько решений на основе замковых соединений и замков с коническими поверхностями, которые основаны на наличии скругленной секции в одной из частей, а именно ниппеле или муфте, и цилиндрической секции в другой части. На фиг. 3A-3D настоящего документа изображены контуры уплотняющей поверхности муфты, которая образована чередующимися коническими и изогнутыми поверхностями. На фиг. 4 и 5 показаны образованные в результате уплотняющие замковые соединения. Все эти сочетания предназначены для образования единого замкового соединения, которое сконструировано таким образом, чтобы противостоять на своих проксимальной и дистальной сторонах внешнему и внутреннему давлению, соответственно. В контексте настоящего изобретения «дистальный» относится к частям, которые являются ближайшими к носику ниппеля (или буртику), и «проксимальный» относится к частям, которые являются наиболее удаленными от носика ниппеля, т.е. тем частям, которые расположены ближе к резьбе.
Кроме того, раскрыты замковые соединения премиум-класса, содержащие две уплотняющие поверхности вместо одной.
Некоторые из этих решений характеризуются наличием одного из уплотнений в конусовидной зоне ниппеля и муфты и другого уплотнения на продольной опорной поверхности, т.е. в области буртика/носика ниппеля.
Другие решения с двойным уплотнением характеризуются наличием обоих уплотнений в конусовидных областях, например решения, в которых область буртика выполняет только функцию опоры. Настоящее изобретение относится к решениям этого типа.
Пример таких двойных уплотнений раскрыт в документе DE 4446806 C1, который рассматривается в качестве ближайшего аналога настоящего изобретения.
В частности, на фиг. 1 документа DE 4446806 C1 изображено двойное уплотнение, основанное на двух скругленных секциях на конической поверхности. На фиг. 3 показано другое двойное уплотнение, где проксимальное уплотнение является уплотнением скругленная секция по конусу, а дистальное уплотнение является уплотнением конус по конусу.
Несмотря на то, что уплотнение обеспечивается в двух зонах, это решение не является оптимальным, так как два уплотнения являются идентичными, и не учитывается то, что они сталкиваются с различными условиями эксплуатации. Дистальное уплотнение предназначено для обеспечения уплотнения, на которое действует внутреннее давление, тогда как проксимальное уплотнение предусмотрено для обеспечения герметичности в отношении внешнего давления. Основным отличием в воздействии внутреннего и внешнего давлений является то, что внутреннее давление способствует обеспечению герметичности, поскольку оно стремиться расширить носик ниппеля, то есть ему присущ эффект самоуплотнения.
Более того, если два уплотнения относятся к одному типу, и при этом требуется увеличить герметичность на одной стороне относительно другой, такой подход может обеспечить надлежащую герметичность, но одно из уплотнений будет испытывать перегрузку, которая может ускорить возникновение пластической деформации контактных поверхностей, что является нежелательным.
Другим аспектом, который не является оптимальным в известных решениях, является то, что процесс сопряжения должен обеспечивать эффективное сопряжение и надлежащее образование двойного уплотнения во всех замковых соединениях всей трубы. Процесс сопряжения предусматривает относительное смещение между ниппелем и муфтой, при этом его результат может зависеть от условий, при которых осуществлялось сопряжение.
Кроме того, целью настоящего изобретения является обеспечение того, чтобы уплотнения образовывались при коротком относительном ходе между ниппелем и муфтой, и чтобы эпюры напряжений являлись идентичными для различных замковых соединений.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
Для преодоления недостатков, присущих уровню техники, настоящее изобретение предоставляет резьбовое замковое соединение для нефтяных или газовых труб, которое содержит охватывающую часть и охватываемую часть, причем заданы направление сопряжения между охватываемой частью и охватывающей частью и конфигурация сопряжения, причем охватывающая часть представляет собой трубчатое тело замкового соединения, содержащее соединительную секцию, внутренняя поверхность которой снабжена резьбой, и уплотняющую секцию, которая следует после соединительной секции в направлении сопряжения и характеризуется уменьшающимся диаметром в направлении сопряжения, при этом уплотняющая секция характеризуется наличием внутренней уплотняющей поверхности и буртика на конце уплотняющей секции для опоры конца охватываемой части в конфигурации сопряжения, и, причем охватываемая часть содержит трубчатое тело, которое содержит первую секцию, внешняя поверхность которой снабжена резьбой и которая является взаимодополняющей по отношению к резьбовой внутренней поверхности охватывающей части, и вторую уплотняющую секцию, содержащую уплотняющую поверхность, которая в конфигурации сопряжения взаимодействует с уплотняющей поверхностью охватывающей части для уплотнения замкового соединения, где:
- внутренняя уплотняющая поверхность охватывающей части состоит из конических секций;
- уплотняющая поверхность охватываемой части содержит два участка, при этом проксимальный участок расположен ближе к первой секции, а дистальный участок расположен ближе к концу охватываемой части;
- при этом проксимальный составной участок представляет собой коническую поверхность, которая образует в конфигурации сопряжения первое уплотнение с уплотняющей поверхностью охватывающей части;
- при этом дистальный участок характеризуется наличием выпуклой поверхности, которая образует в конфигурации сопряжения второе уплотнение с уплотняющей поверхностью охватывающей части.
Во всем описании под проксимальным уплотнением следует понимать уплотнение, которое расположено ближе к резьбе, а под дистальным уплотнением следует понимать уплотнение, которое расположено ближе к буртику.
Эта компоновка обеспечивает хорошие характеристики уплотнения во время сборки, так как возникающие при взаимодействии напряжения дополняют друг друга, обеспечивая оптимальную протяженность поверхности контакта уплотнения при полном свинчивании. Напряжения в области конического уплотнения во время начального контакта с местом уплотнения увеличиваются с гораздо большей интенсивностью по сравнению с напряжениями на выпуклой поверхности.
В частности, эта конфигурация обеспечивает асимметричную конфигурацию двойного уплотнения, что, в свою очередь, обеспечивает противодействие как внешнему давлению, так и внутреннему давлению, при этом внешнее давление является давлением, действующим из зазора между витками резьбы, и внутреннее давление является давлением, действующим из внутреннего пространства трубы/канала.
Известно, что способность соединений сохранять герметичность в различных условиях зависит от напряжения уплотнения и протяженности поверхности контакта уплотнения. Сочетание малой площади контакта/высокого напряжения (конического) и большой области контакта/низкого напряжения (тороидального) во время свинчивания снижает риск возникновения пластической деформации, обеспечивая при этом достаточную энергию упругой деформации в каждом уплотнении для различных сочетаний нагрузки. Пиковое коническое напряжение, возникающее от уплотнения конус по конусу, предотвращает проникновение внешнего давления, тогда как конструкция снижает риск нагрузок, вызванных расклинивающим действием. Конструкция и местоположение уплотнения также обеспечивают максимальную энергию упругой деформации при наиболее сложных сочетаниях, таких как натяжение с внешним давлением.
Нет необходимости в высоком напряжении на выпуклом уплотнении, так как внутреннее давление помогает контактному давлению уплотнения. Хотя напряжения на выпуклом или тороидальном уплотнении являются значительно ниже по сравнению с коническим уплотнением, контактному давлению уплотнения помогает внутреннее давление, действующее на конец охватываемой части.
Таким образом, расчетные концентрации напряжений, площадь контакта и местоположения уплотнения оптимизированы для противодействия пластической деформации и для любых условий нагрузки.
Согласно некоторым вариантам осуществления угол раскрыва конической поверхности проксимального составного участка охватываемой части и угол раскрыва проксимальной конической секции охватывающей части являются различными.
Согласно некоторым вариантам осуществления угол конической поверхности проксимального составного участка превышает угол проксимальной конической секции охватывающей части.
Другие варианты осуществления включают в себя компоновки, где угол конической поверхности проксимального составного участка меньше угла проксимальной конической секции охватывающей части.
Согласно некоторым конкретным вариантам осуществления угол, сформированный образующей и осью конической секции охватывающей части, находится в диапазоне от 10° до 20°, и угол, сформированный образующей и осью конической секции проксимальной секции охватываемой части, находится в диапазоне от 10° до 20°.
Согласно некоторым вариантам осуществления конические секции уплотняющей поверхности охватывающей части принадлежат одному и тому же конусу и, следовательно, характеризуются одним и тем же углом.
Согласно некоторым вариантам осуществления конические секции уплотняющей поверхности охватывающей части характеризуются различными углами.
Согласно некоторым вариантам осуществления выпуклая поверхность представляет собой тороидальную секцию, и предпочтительно радиус окружности, которая образует тороидальную секцию, составляет от 45 до 70 см и предпочтительно равняется 50 см.
Настоящее изобретение также относится к резьбовому замковому соединению для нефтяных и газовых труб, которое содержит охватывающую часть и ниппель, причем заданы направление сопряжения между охватываемой частью и охватывающей частью и конфигурация сопряжения, причем охватывающая часть представляет собой трубчатое тело замкового соединения, содержащее соединительную секцию, внутренняя поверхность которой снабжена резьбой, и уплотняющую секцию, которая следует после соединительной секции в направлении сопряжения и характеризуется уменьшающимся диаметром в направлении сопряжения, при этом уплотняющая секция характеризуется наличием внутренней уплотняющей поверхности и буртика на конце уплотняющей секции для опоры конца охватываемой части в конфигурации сопряжения, и причем охватываемая часть содержит трубчатое тело, которое содержит первую секцию, внешняя поверхность которой снабжена резьбой и которая является взаимодополняющей по отношению к резьбовой внутренней поверхности охватывающей части, и вторую уплотняющую секцию, содержащую уплотняющую поверхность, которая в конфигурации сопряжения взаимодействует с уплотняющей поверхностью охватывающей части для уплотнения замкового соединения, где:
- уплотняющая поверхность охватываемой части состоит из проксимальной конической секции, которая расположена ближе к резьбе, и дистальной секции, которая расположена ближе к концу охватываемой части;
- внутренняя уплотняющая поверхность охватывающей части содержит два участка: проксимальный составной участок, который расположен ближе к резьбе, и дистальный составной участок, который расположен ближе к буртику;
- при этом проксимальный составной участок охватывающей части представляет собой коническую поверхность, которая образует в конфигурации сопряжения первое уплотнение с проксимальной конической секцией ниппеля;
- при этом дистальный составной участок характеризуется наличием выпуклой поверхности, которая образует в конфигурации сопряжения второе уплотнение с дистальной секцией ниппеля.
Это вторая альтернатива описанной выше конфигурации, но при этом выпуклая поверхность характеризуется противоположным положением, которое теперь находится на охватывающей части вместо ниппеля. Преимущества являются тем же, что и для описанной выше идеи изобретения.
Согласно некоторым вариантам осуществления этой второй альтернативы:
- угол конической поверхность проксимальной конической секции охватываемой части и угол проксимального составного участка охватывающей части являются различными, и предпочтительно угол конической поверхности проксимального составного участка охватывающей части превышает угол проксимальной конической секции ниппеля; или
- конические секции уплотняющей поверхности охватываемой части принадлежат одному и тому же конусу.
Для всех раскрытых вариантов осуществления предпочтительно, чтобы буртик характеризовался скругленным профилем, при этом выпуклая поверхность принадлежит ниппелю. Исходя из соображений механической обработки, также может быть рассмотрен прямой отрицательный угол буртика.
Благодаря использованию буртика со скругленным профилем, или отрицательным прямым профилем, или ступенькой, улучшается опора охватываемой части при возникновении внешнего давления.
Согласно некоторым вариантам осуществления носик содержит кольцевую канавку в уплотняющей поверхности для хранения смазки, причем канавка расположена между проксимальной секцией и дистальным участком.
Настоящее изобретение может быть применено в замковых соединениях со смазкой и без нее. В последнем случае смазку помешают между поверхностями в области контакта. В соответствии с настоящим изобретением образуются два уплотнения металл по металлу, и при осуществлении сопряжения в случае замковых соединений со смазкой может возникнуть такая ситуация, что во время образования первого уплотнения слишком много смазки протягивается вперед, в результате чего лишь небольшое количество смазки остается для второго уплотнения. Этот эффект может быть ослаблен при помощи кольцевой канавки.
Наконец, согласно особо предпочтительным вариантам осуществления охватывающая часть и охватываемая часть представляют собой, соответственно, муфту и ниппель соединения премиум-класса. Согласно другим вариантам осуществления охватываемая и охватывающая части принадлежат к соединению гладкопроходного типа.
Краткое описание фигур
Для более полного описания и обеспечения лучшего понимания изобретения предоставлен комплект фигур. Указанные фигуры образуют неотъемлемую часть описания и иллюстрируют вариант осуществления настоящего изобретения, который не должен интерпретироваться в качестве ограничивающего объем настоящего изобретения, а лишь в качестве примера того, как может быть выполнено замковое соединение согласно настоящему изобретению. Комплект фигур включает в себя следующие фигуры:
На фиг. 1 представлен разрез, показывающий различные части предлагаемого соединения премиум-класса в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления.
На фиг. 2 показано в схематической форме соединение с двойным уплотнением в соответствии с наиболее предпочтительным вариантом осуществления.
На фиг. 3 показан вариант осуществления, в котором скругленная поверхность расположена в муфте, при этом все уплотняющие поверхности ниппеля являются коническими.
На фиг. 4 и 5 показаны варианты осуществления, в которых часть (ниппель или муфта), содержащая конические поверхности, характеризуется наличием двух различных секций с различными углами раскрыва конуса.
На фиг. 6a-6h показано, как уплотнения приблизительно себя ведут во время свинчивания соединения премиум-класса.
Описание способа осуществления настоящего изобретения
Как показано на фиг. 1, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящее изобретение относится к резьбовому замковому соединению для нефтяных и газовых труб, которое содержит муфту 1 и ниппель 2. Хотя в настоящем разделе ссылка делается на замковое соединение с ниппелем и муфтой, очевидно, что настоящее изобретение может быть применено к гладкопроходному соединению, то есть соединению, где один конец трубного элемента содержит резьбовую охватывающую часть, а другой конец содержит резьбовую охватываемую часть, так что он может быть свинчен со следующим элементом.
Заданы направление сопряжения CD между ниппелем 2 и муфтой 1 и конфигурация сопряжения. Конфигурация сопряжения показана на фиг. 1-5 и на фиг. 6h. На других фигурах показан ход сопряжения.
Муфта 1 представляет собой трубчатое тело замкового соединения, содержащее соединительную секцию 11, внутренняя поверхность S11 которой снабжена резьбой.
Уплотняющая секция 12 следует после соединительной секции 11 в направлении сопряжения. Эта уплотняющая секция 12 характеризуется уменьшающимся диаметром в направлении сопряжения.
Уплотняющая секция 12 содержит внутреннюю уплотняющую поверхность S12 и буртик 13 на конце уплотняющей секции 12 для опоры носика 23 (или конца) ниппеля 2 в конфигурации сопряжения.
Ниппель 2 содержит трубчатое тело, которое содержит первую секцию 21, внешняя поверхность S21 которой снабжена резьбой и которая является взаимодополняющей по отношению к резьбовой внутренней уплотняющей поверхности S11 муфты 1, и вторую уплотняющую секцию 22, содержащую уплотняющую поверхность S22, которая в конфигурации сопряжения взаимодействует с внутренней уплотняющей поверхностью S12 муфты 1 для уплотнения замкового соединения.
В соответствии с настоящим изобретением:
- внутренняя уплотняющая поверхность S12 муфты 1 состоит из конических секций S121, S122;
- уплотняющая поверхность S22 ниппеля 2 содержит два участка S221, S222, при этом проксимальный участок S221 расположен ближе к первой секции 21, а дистальный участок S222 расположен ближе к носику 23;
- проксимальный участок S221 представляет собой коническую поверхность, которая образует в конфигурации сопряжения первое уплотнение PS (см. фиг. 6g) с внутренней уплотняющей поверхностью S12 муфты 1; и
- дистальный участок S222 характеризуется наличием выпуклой поверхности S223, которая образует в конфигурации сопряжения второе уплотнение DS (см. фиг. 6g) с внутренней уплотняющей поверхностью S12 муфты 1.
Как показано на фиг. 1, 2 и фиг. 6a-6h, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления угол конической поверхности проксимального участка S221 ниппеля превышает угол проксимальной конической секции S121 муфты. Кроме того, можно видеть, что в соответствии с этим предпочтительным вариантом осуществления конические поверхности S121, S122 муфты 2 характеризуется одинаковыми углами. Это также показано на схематическом изображении, представленном на фиг. 2, относительные размеры которого были увеличены, чтобы показать характеристические геометрические аспекты уплотнений PS, DS.
На фиг. 1 также показана пространственная эпюра напряжений для этих уплотнений. Эпюра напряжений является функцией, демонстрирующей зависимость напряжения от положения вдоль линии, которая образует уплотняющую поверхность. Эпюра напряжений проксимального уплотнения обозначена как DPS, а эпюра напряжений дистального уплотнения обозначена как DDS. Проксимальное уплотнение характеризуется наличием пика Р рядом с зоной резьбы, причем этот пик Р представляет собой максимум на эпюре напряжений (см. фиг. 1) и, следовательно, служит в качестве барьера для противостояния внешним давлениям, тогда как дистальное уплотнение является симметричным и характеризуется меньшим максимальным давлением. На фиг. 6h дополнительно показана эпюра напряжений для буртика 13, 23.
Согласно показанным вариантам осуществления угол, сформированный образующей и осью конической секции муфты, находится в диапазоне от 10° до 20°, и угол, сформированный образующей и осью конической секции проксимального участка S221 ниппеля 2, находится в диапазоне от 10° до 20°.
Далее будут раскрыты некоторые конкретные случаи со ссылкой на фиг. 2-5.
Коническая секция муфты является одиночной конусовидной зоной
В этом случае, показанном на фиг. 1, конические секции S121, S122 внутренней уплотняющей поверхности S12 муфты 1 принадлежат одному и тому же конусу и, следовательно, характеризуются одним и тем же углом.
Наличие одиночной конусовидной зоны в муфте предоставляет два главных преимущества.
1. Изготовление является довольно простым.
2. Калибровка конусовидной зоны муфты является простой.
Муфта имеет две различных конусовидных зоны с различными углами
В этом случае, показанном на фиг. 4, конические секции S121, S122 уплотняющей поверхности S12 муфты 1 характеризуются различными углами.
При использовании двух различных углов может быть обеспечена лучшая оптимизация площади контакта уплотнения и контактного давления уплотнения.
Выпуклая поверхность расположена в муфте, а не в ниппеле
Как показано на фиг. 3 и 5, другие варианты осуществления заключаются в перестановке выпуклой/тороидальной поверхности между ниппелем 2 и муфтой 1. Хотя эти альтернативы являются несущественными с точки зрения изготовления, влияние расположения двух различных уплотнений будет таким же, как в предпочтительном варианте осуществления, раскрытом выше.
Имитация образования уплотнений
Далее со ссылками на фиг. 6a-6h будет описан способ формирования уплотнений в процессе сопряжения. Кроме того, будут описаны преимущественные эффекты, предоставляемые признаками в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления.
В частности, на этих фигурах показаны эпюры напряжений, которые сформированы в двух по существу кольцевых полосах, составляющих проксимальное уплотнение SP, т.е. уплотнение, которое расположено ближе к резьбе, и дистальное уплотнение SD, т.е. уплотнение, которое расположено ближе к буртику 13, 23.
Во время первого контакта между ниппелем 2 и муфтой 1 начинает формироваться дистальное уплотнение SD. Как показано, напряжения реакции, которые возникают между выпуклой изогнутой поверхностью S223 носика 23 ниппеля и дистальной (конусовидной) поверхностью S122 муфты 1, создают эпюру напряжений, которая является симметричной по оси, которая по существу перпендикулярна контактной поверхности. Как видно на протяжении всего хода сопряжения, эта эпюра является очень стабильной и сохраняет как свою величину, так и симметрию во время введения.
Однако контакт конус по конусу, соответствующий проксимальному уплотнению, характеризуется другой динамикой и другой эпюрой, если сравнивать с дистальным уплотнением DS. В частности, проксимальное уплотнение появляется только с момента, показанного на фиг. 6d.
Следует отметить, что на фиг. 6a-6h показаны последовательные положения с приблизительно регулярными интервалами.
Нарастание напряжений в проксимальном уплотнении обусловлено наличием контакта конус по конусу, а также тем, что контактные поверхности ниппеля 2 и муфты 1 наклонены относительно оси введения, т.е. направления перемещения поверхностей.
В конце процесса образования проксимального уплотнения PS можно сделать вывод, что диаграмма напряжений в зависимости от положения смещается в направлении резьбы, то есть диаграмма является асимметричной, причем основные напряжения больше со стороны резьбы, где давления, как правило, больше.
Таким образом, асимметрия, предоставляемая настоящим изобретением, позволяет концентрировать высокие напряжения там, где они необходимы, обеспечивая тем самым лучшую герметичность и меньшую пластическую деформацию во время процесса свинчивания по сравнению с известными из уровня техники решениями.
Более того, диаграммы напряжений показывают, что одновременное создание двух уплотнений является легко контролируемым, так как одно из них образуется в ходе процесса введения с небольшим отклонением, тогда как другое, проксимальное уплотнение PS, образуется в интервале, который обязательно перекрывается с образованием дистального уплотнения DS и пик которого образуется при контакте носика ниппеля с буртиком.
Наконец, следует отметить, что, несмотря на то, что образованное смещение является очень небольшим, смещение, вызванное силой сцепления в направлении разъединения, можно сделать еще меньше путем надлежащей регулировки допусков на резьбу, обеспечивая тем самым то, что при всех условиях нагрузки оба уплотнения будут эффективными.
В тексте настоящего документа термин «содержит» и его производные (такие как «содержащий» и т.п.) не следует интерпретировать в исключающем смысле, т.е. эти термины не должны интерпретироваться как исключающие возможность того, что описанное или определенное ими может включать в себя дополнительные элементы, стадии и т.п.
Очевидно, что настоящее изобретение не ограничивается конкретным(ми) вариантом(ами) осуществления, описанным(ми) в настоящем документе, но также включает в себя любые модификации, которые могут быть рассмотрены любым специалистом в данной области техники (например, в отношении выбора материалов, размеров, компонентов, конфигурации и т.п.) в рамках общего объема настоящего изобретения, определенного прилагаемой формулой изобретения.