РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ С УПЛОТНЕНИЕМ, ВЫДЕРЖИВАЮЩИМ ПОВЫШЕННОЕ ДАВЛЕНИЕ
THREADED JOINT WITH SEAL WITHSTANDING HIGH-PRESSURE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к резьбовым соединениям, в частности, к соединению труб для создания колонн, применяемых при добыче углеводородов, в частности, для использования в трубах нефтепромыслового сортамента и морских трубопроводов.
Уровень техники
В последние годы поиск нефти, или в более широком смысле, углеводородов, предъявляет более высокие требования к аппаратуре и оборудованию, т.к. газовые и нефтяные месторождения или пласты располагаются все глубже под поверхностью земли или в труднодоступных местах ниже уровня морского дна. Для поиска и разработки месторождений углеводородов необходимы технические средства и оборудование, более устойчивые к воздействию окружающей среды, таким как высокие нагрузки и коррозия, которые раньше не имели такого решающего значения.
В некоторых случаях применениях уплотнения резьбовых соединений могут деформироваться.
Современные соединения обычно имеют уплотнения типа металл-металл, образуемые контактом между двумя поверхностями, обычно на одном или двух концах резьбовой части соединения, расширяющиеся в диапазоне эластичности модуля эластичности, чтобы обеспечить соответствующую величину напряжения. Однако в некоторых ситуациях вместо металлических уплотнений или в комбинации с ними необходимо использовать эластичные уплотнения, чтобы исключить проникновение жидкости извне в зазоры резьбы.
Поэтому проектным требованием является такое уплотнение соединений, которое препятствует проникновению текучих сред или, по меньшей мере, не допускает длительного смешения уже проникших текучих сред с окружающей жидкой средой для снижения степени коррозии.
В настоящее время обычным техническим решением проблемы внешнего уплотнения резьбового соединения является установка кольцевых уплотнений или эластичных кольцевых уплотнений различных сечений, изготовленных из полимерных или композитных материалов.
Сложные эластичные кольцевые уплотнения и простые кольцевые уплотнения выполняют уплотнительную функцию, используя диаметральное геометрическое расширение между охватываемым и охватывающим элементами (так называемыми ниппелем и муфтой), которое предварительно определено в отношении как минимум к одному из элементов соединения. Упомянутое геометрическое расширение проявляется после свинчивания соединения и эластически деформирует кольцевое уплотнение, способствуя возникновению контактного давления между уплотнением и каждым ниппелем и муфтой и определяя механический барьер, уплотняющий соединение. Дополнительная передача энергии в кольцевое уплотнение осуществляется посредством давления внешней текучей среды, которое увеличивает деформацию и слипаемость с седлом, в которое установлено кольцевое уплотнение.
Пример кольцевого уплотнения раскрывается в патенте US 6173968, описывающем соединение между ниппелем и муфтой. Кольцевое уплотнение примыкает к опорному кольцу, имеющему в основном аналогичный диаметр. Опорное кольцо является разъемным, что обеспечивает возможность радиального расширения, а толщина опорного кольца по внешней периферии больше, чем по внутренней. Когда уплотняемое соединение находится под высоким давлением, уплотнительное кольцо вызывает расширение опорного кольца, которое закрывает любой зазор между уплотняемыми элементами, сохраняя уплотняющую способность даже в условиях высокой температуры и не допуская вдавливания уплотнительного кольца в зазор. Давление зависит от глубины моря, при этом эффективность уплотнения снижается, если на уплотнительное кольцо действует более низкое давление.
Согласно настоящему изобретению внешнее давление на соединение также определяет давление, действующее на кольцевое уплотнение. Когда для кольцевого уплотнения необходимо более высокое контактное давление, тогда между кольцевым уплотнением и элементами соединения требуется более высокое геометрическое расширение. Это может привести к разрушению уплотнения.
Другим способом повышения эффективности уплотняющей способности кольцевого уплотнения является увеличение геометрического расширения, которое достигается в большинстве случаев за счет большего радиуса кольцевого уплотнения по сравнению с его корпусом. Однако, чем больше кольцевое уплотнение, тем больше оно подвержено повреждению во время свинчивания, особенно, если оно предварительно монтировано в муфту и вжимается, преодолевая всю резьбовую часть ниппеля.
В этом случае могут проявиться другие недостатки. Некоторые геометрические параметры, полученные во время производства, например овальность, нецентральность, шероховатость, вызывают неравномерность расширения по всей окружности уплотняющей поверхности, создавая неравномерные контактные давления и снижая уплотняющую способность.
На практике уплотняющая способность, вызванная геометрическим расширением, ограничена геометрией, в основном, радиальными размерами и длиной, эластичных элементов в отношении их способности к протаскиванию во время свинчивания через нитки резьбы и другие препятствующие поверхности без повреждения.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в создании резьбового соединения, которое бы устраняло недостатки, отмеченные здесь выше.
Основная задача настоящего изобретения заключается в создании инновационного кольцевого уплотнения, обеспечивающего как простое и надежное первичное свинчивание, так и высокую эффективность уплотнения во время эксплуатации.
Указанные выше задачи достигаются в соответствии с настоящим изобретением посредством резьбового трубного соединения, определяющего ось, включающее трубу с наружной резьбой, которая определена как «ниппель», и трубу с внутренней резьбой, которая определена как «муфта», при этом ниппель свинчивается с муфтой, кольцевое уплотнение, имеющее внешнюю цилиндрическую поверхность, внутреннюю поверхность, содержащее одно или несколько кольцевых ребер, выступающих из внутренней поверхности, первую опору, по меньшей мере часть которой выполнена в форме усеченного конуса, вторую опору, по меньшей мере часть которой выполнена в форме усеченного конуса, расположенную аксиально противоположно первой опоре, при этом первая и вторая опора наклонены в направлении оси, в которой внешняя поверхность шире внутренней поверхности, кольцевое уплотнение вставлено между ниппелем и муфтой в герметичном уплотняющем контакте с внутренней поверхностью кольцевой канавки муфты посредством внешней цилиндрической поверхности и в герметичном уплотняющем контакте с внешней поверхностью ниппеля посредством кольцевых ребер, резьбовое соединение снабжено гидравлическим устройством, приводящим в действие уплотнительное кольцо, способным прижимать уплотнительное кольцо к упомянутому ниппелю для обеспечения повышенной герметизируемости соединения.
В резьбовом соединении, раскрытом в настоящем изобретении, кольцевое уплотнение, находящееся в муфте, приводится в действие и получает энергию под давлением внешнего закачиваемого флюида, при этом закачка и нагнетание флюида осуществляется посредством невозвратного клапана, прикрепленного к муфте.
Корпус уплотнительного кольца представляет собой кольцевую канавку, проделанную в муфте резьбового соединения. Она вмещает в себя кольцевое уплотнение и защищает его от ударов до приведения его в действие создающим давление флюидом. Этот корпус имеет конфигурацию, которая обеспечивает вокруг кольцевого уплотнения полость, защищенную от флюида, и позволяет передачу энергии на кольцевое уплотнение.
Муфта резьбового соединения, включающее это уплотнение, изготовлена таким образом, что кольцевое уплотнение действует на цилиндрическую поверхность, преимущественно поверхность тела трубы, и, следовательно, необходимость в модификации муфты отсутствует. Таким образом, характеристики соединения при растягивающем усилии сохраняются неизменными.
Кольцевая канавка, невозвратный клапан и кольцевое уплотнение полностью содержатся в пределах толщины стенок муфты, преимущество чего заключается в том, что сохраняется конструкция и характеристики соединения, а также защищается система уплотнения. Разработка с применением анализа последствий отказов и полномасштабные испытания доказали оптимальное взаимодействие кольцевого уплотнения с кольцевой канавкой, поэтому резьбовое соединение, раскрытое в настоящем изобретении, может выдерживать высокие осевые нагрузки.
Краткое описание чертежей
Вышеуказанная задача и другие задачи иллюстрируются следующим подробным описанием и прилагающимися чертежами.
На Фиг.1 показана перспектива частичного разреза соединения в соответствии с настоящим изобретением;
На Фиг.2 показан разрез по осевой плоскости детали муфты соединения в соответствии с настоящим изобретением;
На Фиг.3 показан разрез по осевой плоскости предпочтительного воплощения элемента соединения в соответствии с настоящим изобретением;
На Фиг.4 показан разрез по осевой плоскости еще одного предпочтительного воплощения элемента соединения в соответствии с настоящим изобретением;
На Рис.5 показан разрез по осевой плоскости еще одного предпочтительного воплощения элемента соединения в соответствии с настоящим изобретением;
На Фиг.6 показан разрез увеличенной детали соединения в соответствии с настоящим изобретением на первой рабочей стадии;
На Фиг.7 показан разрез увеличенной детали соединения в соответствии с настоящим изобретением на второй рабочей стадии;
На Фиг.8 показан разрез по осевой плоскости еще одного предпочтительного воплощения муфты соединения в соответствии с настоящим изобретением.
Осуществление изобретения
На фигурах, в частности, показано резьбовое соединение, обозначенное цифрой 1, соединяющее две трубы: трубу с наружной резьбой, то есть ниппель 3, с номинальным наружным диаметром D, и трубу с внутренней резьбой, то есть муфту 2, с наружным диаметром D1.
Ниппель 3 имеет резьбовую часть 5 с наружной резьбой с соответствующим профилем, например трапецеидальным, а муфта 2 имеет резьбовую часть 4 с внутренней резьбой.
Общая ось трубы, ниппеля и муфты обозначена буквой А.
Муфта 2 заканчивается выступом 6. Участок 2 муфты вблизи выступа 6 имеет поверхность 7 без резьбы.
Предпочтительно, но не обязательно, соединение 1 имеет внутреннее уплотнение типа металл-металл между выступом ниппеля и заплечиком муфты (не показано на рисунке).
В отношении, в частности, предпочтительного варианта воплощения, показанного на Фиг.1, имеется обойма, выполненная в виде кольцевой канавки 10, которая проделана в этой части муфты 2 между концом резьбы 4 и выступом 6, в которой находится кольцо 11, представляющее собой внешнее уплотнение при свинчивании соединения 1.
В большинстве случаев кольцевое уплотнение 11 выполняет функцию внешнего уплотнения, находящегося между муфтой 2 и ниппелем 3 или телом трубы.
Кольцевое уплотнение 11 предотвращает утечку внешнего флюида в зону резьбы соединения 1. Однако кольцевое уплотнение 11 может использоваться на других участках резьбового соединения при необходимости.
Кольцевое уплотнение 11 приводится в действие, когда внешний флюид закачивается и нагнетается через клапан в корпус, и это давление, созданное в камере 13, действует на поверхность 25, деформируя и прижимая кольцевое уплотнение 11 как к сторонам 14, 15, 16, 17 обоймы 10, так и к ниппелю 3, создавая механический барьер, уплотняющий соединение 1.
Канавка (обойма) 10 удерживает, укрывает и защищает кольцевое уплотнение до закачки нагнетающего флюида, соответствуя положению, показанному на Фиг.6. Вместе с кольцевым уплотнением она представляет собой кольцевую камеру давления, защищенную от флюида, когда внешний флюид закачивается и нагнетается через клапан 20. Клапан 20 представляет собой невозвратный клапан и крепится к муфте 2, при этом упор клапана преимущественно находится в одной плоскости с поверхностью муфты, что исключает опасность повреждения клапана или травмы оператора. Закачка нагнетающего флюида и последующая передача энергии и приведение в действие системы уплотнения выполняется после приведения соединения 1 в конечное положение свинчивания.
Кольцевое уплотнение 11 действует на цилиндрическую поверхность муфты 3 или на тело трубы в зависимости от положения обоймы на муфте. Эта поверхность, на которой кольцевое уплотнение 11 соприкасается с муфтой 3, прокатана или обработана на станке и соответствует преимущественно, но не исключительно, зоне, включающей участок изнашивания резьбы. Таким образом, геометрия муфты не модифицируется, поэтому эффективность соединения относительно напряжения сохраняется без изменений.
Нагнетающий флюид может представлять собой текучую среду с высокой или низкой вязкостью, и являться, например, маслом, смазкой, смазывающим веществом, гелем и т.п. или полимером, затвердевающим после закачки, или действительно жидкостью, находящейся с внешней стороны соединения, то есть той же жидкостью, для предотвращения проникновения которой в соединение предназначено уплотнение.
Преимущество изобретения в том, что кольцевое уплотнение 11 защищено, так как оно остается укрытым во время свинчивания и не подвергается никаким повреждениям, и эта задача решена без ухудшения характеристик соединения.
Другим преимуществом изобретения является то, что контактные давления, которые создаются системой уплотнения, пропорциональны давлению нагнетающего флюида, а оно хорошо известно и определено в момент закачки и нагнетания флюида. С другой стороны величина нагнетающего давления совершенно независима от давления, которая создается флюидом внешним по отношению к соединению. Помимо этого, давления, которые создаются кольцевым уплотнением 11, также независимы от геометрических параметров самого соединения, например овальности, нецентральности, шероховатости, а также от типа соединения, и однородны по всей окружности соединения 1, так как геометрия, форма, длина как уплотнения, так и контактных областей являются параметрами, не зависящими от типа соединения.
Внутренняя поверхность кольцевого уплотнения 11 имеет несколько выступающих ребер 9, что повышает герметизируемость, так как примыкающие ребра 9 обеспечивают несколько последовательных барьеров для внешнего флюида, когда кольцевое уплотнение установлено. Если один или несколько барьеров протекают, последующие барьеры могут выдерживать внешнее давление и обеспечивать достаточную уплотняющую способность.
В первом предпочтительном варианте воплощения резьбового соединения 1, показанном на Фиг.2, геометрия кольцевой канавки имеет форму ласточкина хвоста или клиновидную форму в осевом разрезе, то есть ее форма такова, что ширина разреза, измеренная параллельно оси А, уменьшается в направлении оси, при этом две боковые поверхности 16, 17 наклонены друг к другу.
В этом варианте воплощения канавка также преимущественно имеет две кольцевые плоские поверхности 14, 15, противоположные и параллельные друг другу. Эта особенная форма канавки 10 при свинчивании соединения 1 приводит к тому, что кольцевое уплотнение 11 сжимается и получает энергию, когда прижимается нагнетающим флюидом к кольцевой камере 13.
Участок кольцевого уплотнения 11 на осевой плоскости предназначен для вставки в канавку 10 и имеет различные варианты формы (некоторые из которых показаны на Фиг.5), стыкующиеся с канавкой 10. Он имеет первую опору 26, часть которой выполнена в форме усеченного конуса, вторую опору 27, часть которой выполнена в форме усеченного конуса, аксиально противоположную первой опоре, при этом первая 26 и вторая 27 опора наклонены в направлении оси А так, что ее внешняя поверхность 25 шире внутренней поверхности кольцевого уплотнения с ребрами 9.
В альтернативном варианте воплощения канавки 10, показанном на Фиг.2а, канавка 10 имеет простой участок в форме ласточкина хвоста, а соответствующее кольцевое уплотнение 11 имеет преимущественно форму, аналогичную показанным на Фиг.3 и 4.
В вариантах воплощения, показанных на Фиг.3 и 5, кольцевое уплотнение 11 также имеет участок 28, 29 первой и второй опоры, которая имеет форму кольца.
Эти формы кольцевого уплотнения 11 обеспечивают оптимальные контактные поверхности и оптимальную деформацию кольцевого уплотнения.
Радиальная глубина канавки 10 и толщина кольцевого уплотнения 11 определяются в зависимости от толщины стенок муфты 2 и с учетом требования полного укрытия уплотнения в канавке 10, когда в камере 13 отсутствует давление.
Канавка 10 имеет ширину около 15 мм, а кольцевое уплотнение имеет похожую ширину, меньше, больше или равную ширине канавки, в зависимости от геометрии канавки, формы и материала кольцевого уплотнения, типа и давления нагнетающего флюида.
Давление в камере 13 может быть установлено на значение между 100 фунт/кв. дюйм (=6,89 бар) и 5000 фунт/кв. дюйм (=344,73 бар). Этот диапазон обеспечивает хорошую модель деформации кольцевого уплотнения, подходящую для расчетного диапазона рабочих условий, как в переходном, так и в стабильном состоянии, и оптимальное отношение деформация/напряжение в точках концентрации, необходимое для оценки сплошности уплотнения. Другое преимущество такой величины давления состоит в хорошей модели контакта между уплотнением и канавкой необходимого для оценки полости, защищенной от флюида, и контакта между уплотнением и ниппелем, необходимого для оценки уплотняющей способности соединения.
Нагнетающие флюиды для создания давления в кольцевом уплотнении 11 могут представлять собой текучую среду с высокой или низкой вязкостью и являться, например, маслом, смазкой, смазывающим веществом, гелем и т.п. или полимером, затвердевающим после закачки, или действительно жидкостью, находящейся с внешней стороны соединения, то есть, той же жидкостью, для предотвращения проникновения которой в соединение предназначено уплотнение.
Дополнительным преимуществом соединения 1 является то, что эффективность соединения относительно напряжения может быть повышена посредством этого кольцевого уплотнения 11. Оно устраняет необходимость в создании зоны изнашивания резьбы (то есть, ниток резьбы со скошенными вершинами) на краях резьбы для предотвращения повреждения кольцевого уплотнения во время предварительного монтажа на муфту, так как в этом случае кольцевое уплотнение должно быть протянуто через резьбу. Самое большое напряжение на уплотнение производится в последней зоне резьбы, которая имеет больший диаметр, чем выступ ниппеля, и поэтому нитки резьбы срезаны. Следовательно, в этом случае теряется полезная высота профиля резьбы для защиты кольцевого уплотнения 11. В отличие от этого случая соединение в соответствии с настоящим изобретением позволяет, если это требуется по конструкционным соображениям, удлинять резьбовую зону или избегать использования срезанных или исчезающих ниток резьбы, так как кольцевое уплотнение монтировано в канавке муфты, которая укрывает и защищает его внутри муфты.
В частности, на Фиг.9 показан еще один предпочтительный вариант воплощения соединения в соответствии с настоящим изобретением, которое имеет два кольцевых уплотнения 11, 11', установленных в две канавки 12, 12', проделанные в муфте 2. В этом варианте воплощения одно кольцевое уплотнение 11 установлено на участке муфты вблизи ее выступа 6, который после свинчивания обращен к участку ниппеля 3 после резьбового участка 5. Второе кольцевое уплотнение 11' установлено на участке муфты 2, лишенном резьбы, который после свинчивания обращен к переднему участку ниппеля 3 вблизи его выступа.
В этом варианте воплощения кольцевое уплотнение 11', как и кольцевое уплотнение 11, может иметь форму, соответствующую вариантам, описанным выше. В качестве альтернативы, если это способствует получению лучших уплотняющих результатов, кольцевые уплотнения 11 и 11' могут отличаться друг от друга по форме: первое кольцевое уплотнение в соответствии с одним вариантом из описанных выше, а второе - в соответствии с другим вариантом.
В некоторых особенных вариантах воплощения соединения два кольца могут приводиться в действие разными давлениями нагнетающего флюида так, что давление, прикладываемое одним кольцевым уплотнением, будет больше или меньше, чем другое.
В качестве альтернативы в другом варианте воплощения, не показанном на чертежах, соединение 1 может использоваться только с кольцевым уплотнением 11 в положении, указанном на Фиг.8, но без кольцевого уплотнения 11'. Этот вариант воплощения может использоваться (для примера, не обязательно) в комбинации с уплотнением типа металл-металл, расположенным вблизи выступа ниппеля 3.
Соединение, раскрытое в настоящем изобретении, в его различных предпочтительных вариантах воплощения может почти совершенно предотвращать утечку, обеспечивая полную герметичность.
Настоящее изобретение предназначено для использования в области труб нефтепромыслового сортамента и трубопроводов для нефтегазовой промышленности, особенно морских трубопроводов.