ГЕРМЕТИЧНОЕ РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ

Полезная модель относится к области резьбовых соединений труб, которые могут быть использованы при строительстве нефтяных и газовых скважин. Наиболее эффективно использование предлагаемой полезной модели в высокогерметичных резьбовых соединениях обсадных, насосно-компрессорных и других видах технологических труб, которые применяются при обустройстве горизонтальных и наклонных нефтяных и газовых скважин в сложных геологических условиях.
В современных условиях происходит повышение требований к герметичности резьбового соединения обсадных труб, связанное с постоянным усложнением условий добычи. Недостаточная герметичность резьбового соединения зачастую приводит к преждевременному появлению коррозионного поражения металла в зоне резьбового соединения, течи и, в дальнейшем, к разрушению колонн. Одним из возможных путей повышения герметичности резьбового соединения является подбор оптимального соотношения геометрических параметров элементов резьбового соединения.
Из уровня техники известно герметичное резьбовое соединение нефтепромысловых труб, включающее охватываемую и охватывающую трубы с коническими резьбами и коническими опорными поверхностями, первые контактирующие между собой из которых выполнены соответственно на внешней поверхности торцевого участка охватываемой трубы в виде конической поверхности с конусностью в сторону оси этой трубы и на внутренней поверхности охватывающей трубы на участке между конической резьбой и телом трубы, а вторые контактирующие поверхности выполнены соответственно на охватываемой трубе в виде конической торцевой поверхности с углом конусности в направлении конической резьбы на этой трубе и ответной торцевой конической поверхности на охватывающей трубе, выполненной на участке перехода первой конической поверхности этой трубы к ее телу, (FR №2798716 A1, F16L 15/00, опубл. 23.03.2001).
Недостатком известного устройства является недостаточная герметичность резьбового соединения, обусловленная малым углом конусности опорных конических поверхностей, что не позволяет получить заданную величину натяга при малых осевых перемещениях ниппеля, что в свою очередь увеличивает период от первого контакта уплотнительных поверхностей до обеспечения заданного натяга.
Из уровня техники известно наиболее близкое по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату герметичное резьбовое соединение, образованное охватываемой и охватывающей трубами с упорными коническими резьбами с конусностью 1:16, при этом профиль упорной конической резьбы имеет вид неравнобедренной трапеции с упорной гранью витка, расположенной под большим углом к направлению действия нагрузки, охватываемая и охватывающая трубы контактируют между собой коническими опорными поверхностями, выполненными соответственно на внешней поверхности охватываемой трубы на участке между конической резьбой и торцом трубы в виде конической опорной поверхности, и на внутренней поверхности охватывающей трубы на участке между конической резьбой и телом трубы в виде конической опорной поверхности, и коническими упорными поверхностями, выполненными соответственно на торце охватываемой трубы в виде конической упорной торцевой поверхности под углом α от 15° до 25° к нормали оси резьбы и на внутренней поверхности охватывающей трубы на участке перехода конической опорной поверхности к телу трубы в виде конической упорной поверхности под углом α от 15° до 25° к нормали оси резьбы /Патент RU 74661 U1 «Герметичное резьбовое соединение» от 10.07.2008/.
В известном устройстве коническая опорная поверхность на охватываемой трубе и коническая опорная поверхность на охватывающей трубе выполнены под углом β от 10° до 25° к нормали оси резьбы
Недостатком известного устройства является недостаточная герметичность резьбового соединения, которая обусловлена углом, под которым выполнены конические упорные поверхности, и низкая технологичность при изготовлении уплотнительных элементов на охватывающей и охватываемой поверхностях.
Недостаточная герметичность резьбового соединения так же обусловлена вероятными повреждениями конической части уплотнительного элемента, которые могут возникать при сборке резьбового соединения как на заводе при изготовлении, так и при сборке обсадной колоны в процессе эксплуатации.
Низкая технологичность изготовления уплотнительных элементов на охватывающей и охватываемой поверхностях обусловлена сложностью выполнения проточки на охватывающей поверхность и последующего контроля ее качества, что в свою очередь так же приводит к снижению герметичности в случае отклонения геометрических параметров проточки от заданных.
В основу настоящей полезной модели оставлена задача создания такого герметичного резьбового соединения, использование которого позволило бы повысить герметичность резьбового соединения и технологичность изготовления за счет выбора оптимальных геометрических параметров элементов, образующих герметическое резьбовое соединение.
Поставленная задача решается тем, что в герметичное резьбовое соединение, образованное охватываемой и охватывающей трубами с упорными коническими резьбами с конусностью 1:16, при этом профиль упорной конической резьбы имеет вид неравнобедренной трапеции с упорной гранью витка, расположенной под большим углом к направлению действия нагрузки, охватываемая и охватывающая трубы контактируют между собой коническими опорными поверхностями, выполненными соответственно на внешней поверхности охватываемой трубы на участке между конической резьбой и торцом трубы в виде конической опорной поверхности, и на внутренней поверхности охватывающей трубы на участке между конической резьбой и телом трубы в виде конической опорной поверхности, и коническими упорными поверхностями, выполненными соответственно на торце охватываемой трубы в виде конической упорной торцевой поверхности под углом α от 15° до 25° к нормали оси резьбы и на внутренней поверхности охватывающей трубы на участке перехода конической опорной поверхности к телу трубы в виде конической упорной поверхности под углом α от 15° до 25° к нормали оси резьбы, согласно полезной модели, коническая опорная поверхность на охватываемой трубе и коническая опорная поверхность на охватывающей трубе выполнены под углом β от 55° до 65° к нормали оси резьбы.
Дополнительно на охватываемой трубе выполнена цилиндрическая расточка, параллельная оси указанной трубы, а на охватывающей трубе выполнена цилиндрическая расточка, параллельная оси указанной трубы, при этом цилиндрические расточки выполнены таким образом, что при сборке резьбового соединения образуют полость, которая с одной стороны ограничена цилиндрической расточкой на охватываемой трубе, а с другой стороны цилиндрической расточкой на охватывающей трубе, причем длина цилиндрической расточки на охватываемой поверхности находится в интервале от
1.max
L=6-((⌀F-0,3)-⌀C+0,15)×tg 30°
до
1.min
L=5-((⌀F+0,1)-⌀С)×tg 30°
а длина цилиндрической расточки на охватывающей трубе находится в интервале от
2.max
6
1
7
L=L+1,2-L-(⌀Е-⌀А+0,3)×0,0625-(⌀А+0,3-⌀F)×tg 30°
до
2.min
6
1
7
L=L-0,6-L-(⌀E-⌀A)×0,0625-(⌀A-⌀F-0,15)×tg 30°,
1.max
1.min
где L и L - максимальная и минимальная длины цилиндрической расточки на охватываемой трубе;
2.max
2.min
L и L - максимальная и минимальная длины цилиндрической расточки на охватывающей трубе;
F - диаметр цилиндрической расточки на охватываемой трубе;
А - диаметр цилиндрической расточки в охватывающей трубе;
С - диаметр конусной конической опорной торцевой поверхности на охватываемой трубе;
7
E - средний диаметр конического соединения в основной плоскости;
1
L - расстояние от торца охватывающей трубы до основной плоскости;
6
L - расстояние от торца охватывающей трубы до расположенной на ней конической упорной торцевой поверхности.
Выполнение герметичного резьбового соединения таким образом, что коническая охватывающая поверхность на охватываемой трубе и коническая опорная поверхность на охватывающей выполнены под углом от 55° до 65° к нормали резьбы обеспечивает повышение герметичности резьбового соединения и технологичности его изготовления за счет упрощения конструкции, что, в свою очередь, исключает вероятность повреждения конической поверхности уплотнительного элемента в момент сборки резьбового соединения при изготовлении на заводе или в процессе эксплуатации при сборке обсадных колонн.
В дальнейшем полезная модель поясняется подробным описанием его выполнения со ссылками на чертежи, на которых изображено:
на фиг.1 - схема элементов охватываемой трубы;
на фиг.2 - схема элементов охватывающей трубы;
на фиг.3 - схема заявляемого герметичного резьбового соединения в сборе (вырез)
на фиг.4 - схема профиля трапециевидной резьбы;
на фиг.5 - диаграмма свинчивания герметичного резьбового соединения;
на фиг.6 - фазы свинчивания (сборки) герметичного резьбового соединения и распределение усилий в точках контакта элементов резьбового соединения;
на фиг.7 - схема разложения сил.
Герметичное резьбовое соединение (фиг.1-4) образовано охватываемой 1 (фиг.1) и охватывающей 2 трубами с упорными коническими резьбами 3 с конусностью 1:16. Профиль упорной конической резьбы 3 имеет вид неравнобедренной трапеции с опорной гранью витка 4 (фиг 4), расположенной под большим углом к направлению действия нагрузки.
Контактирующие между собой конические опорные поверхности выполнены на внешней поверхности охватываемой трубы 1 (фиг.1) на участке между конической резьбой 3 и торцом охватываемой трубы 1 в виде конической опорной поверхности 5 под углом β от 55° до 65° к нормали оси резьбы 3 и на внутренней поверхности охватывающей трубы 2 на участке между конической резьбой 3 и телом охватывающей трубы 2 в виде конической опорной поверхности 6 под углом β от 55° до 65° к нормали оси резьбы.
Контактирующие между собой конические упорные поверхности выполнены соответственно на торце охватываемой трубы 1 в виде конической упорной торцевой поверхности 7 с углом α конусности от 15° до 25° к нормали оси резьбы 3 и на внутренней поверхности охватывающей трубы 2 на участке перехода опорной конической поверхности 6 к телу охватывающей трубы 2 в виде конической упорной поверхности 8 с углом α конусности от 15° до 25°° к нормали оси резьбы 3.
На охватывающей 1 и охватываемой 2 трубах выполняется цилиндрические расточки 9 и 10 параллельные оси трубы 1 и 2, которые при сборке резьбового соединения образуют полость 11, которая с одной стороны ограничена цилиндрической расточкой 9 на охватываемой трубе 1, и, с другой стороны, цилиндрической расточкой 10 на охватывающей трубе 2.
Цилиндрическая расточка 9 и коническая опорная поверхность 5 образуют уплотнительный элемент на охватываемой трубе 1.
Цилиндрическая расточка 10 и коническая опорная поверхность 6 образуют уплотнительный элемент на охватывающей трубе 2.
1
Длина L цилиндрической расточки 9 на охватываемой трубе 1 находится в интервале от
1.max
L=6-((⌀F-0,3)-⌀С+0,15)×tg 30°
до
1.min
L=5-((⌀F+0,1)-⌀C)×tg 30°
2
а длина L цилиндрической расточки 10 на охватывающей трубе 2 находится в интервале от
2.mах
6
1
7
L=L+1,2-L-(⌀Е-⌀А+0,3)×0,0625-(⌀А+0,3-⌀F)×tg 30°
до
2.min
6
1
7
L=L-0,6-L-(⌀E-⌀A)×0,0625-(⌀A-⌀F-0,15)×tg 30°.
Диаметр А цилиндрической расточки охватывающей трубы 2 зависит от диаметра соединяемых труб и может находиться в интервале от 0.9 до 0,996 диаметра соединяемых труб.
Диаметр С конусной конической опорной торцевой поверхности на охватываемой трубе может находиться в интервале от 0.9 до 0,996 диаметра соединяемых труб;
1
Расстояние L от торца охватывающей трубы 2 до основной плоскости находится в интервале от 25 до 35 мм.
7
Расстояние L от торца охватываемой трубы 1 до основной плоскости находится в интервале от 20 до 80 мм.
6
Расстояние L от торца охватывающей трубы до расположенной на ней конической упорной торцевой поверхности в интервале от 1/2D до D (где D - номинального диаметра соединения до трубы).
Диаметр F цилиндрической расточки 9 в охватываемой трубе зависит от диаметра соединяемых труб и может находиться в интервале от 0.9 до 0,996 диаметра соединяемых труб.
7
1
7
Средний диаметр Е конической резьбы 3 в основной плоскости определяется на расстоянии L от торца охватываемой трубы 1 и на расстояния L от торца охватывающей трубы 2.
Охватывающая труба 2 может быть выполнена, как в виде трубы с раструбным элементом (на чертеже не показан), так и в виде муфты.
Работа герметичного резьбового соединения осуществляется следующим образом.
В процессе сборки и опускания колонны, изготовленных из труб с применением резьбового соединения, возникают их искривление, связанное с геологическими особенностями грунта. Такое искривление колонны может в свою очередь привести к потере герметизации вследствие возникновения зазоров при изгибе в местах контакта элементов резьбового соединения.
Одним из ключевых факторов сохранения герметичности резьбового соединения является взаимодействие всех элементов соединения таким образом, что бы возникающие в местах контакта напряжения находились в области упругих деформаций. Компенсация возникающих зазоров происходит за счет свойства материала принимать исходную форму (первоначальные геометрические параметры) при упругих деформациях.
В случае, если в элементах резьбового соединения возникают пластические деформации, то происходит изменение геометрических параметров элементов резьбового соединения, что в свою очередь приводит к низкой герметичности резьбового соединения в случае искривления буровой колоны.
Обеспечения нахождения напряжений элементов резьбового соединения в области упругих деформаций осуществляется за счет выбора необходимого усилия в процессе его свинчивания (сборки) на специальном оборудовании (муфтонаверточных станках).
Необходимое усилие для обеспечения герметичности соединения рассчитывается теоретически и его достижения в процессе свинчивания (сборки) контролируется по так называемой диаграмме свинчивания (см фиг.5), которое фиксирует оборудование для накрутки муфт (охватывающей трубы). Остановка оборудования для свинчивания происходит автоматически в момент достижения необходимого расчетного сопротивления усилию накрутки.
При выполнении операций свинчивания соединения первоначально осуществляется взаимодействие охватываемой 1 и охватывающей 2 труб с помощью конической резьбы 3. В процессе свинчивания происходит продвижение конической опорной поверхности 5 охватываемой трубы 1 вдоль конической опорной поверхности 6 охватывающей трубы 2 с одновременным образованием полости 11. Затем коническая опорная поверхность 6 взаимодействует с конической опорной поверхностью 5, при этом за счет возникающих диаметральных деформаций этих поверхностей создается уплотнительный узел "металл-металл".
При относительном перемещении труб 1 и 2 осуществляется силовой контакт конической упорной торцевой поверхности 7 охватываемой трубы 1 и конической упорной торцевой поверхности 8 охватывающей трубы 2, в результате чего на их поверхностях возникают контактные напряжения, величина которых должна находиться в области упругих деформаций. Уровень контактных напряжений, при всех равных условиях, определяется величиной контактирующих площадей конических упорных поверхностей 7 и 8.
Таким образом, работу устройства по заявке на полезную модель можно разделить на три фазы (фиг.6).
1-я фаза. Охватывающая и охватываемая трубы 1 и 2 (фиг.1 и 2) взаимодействует между собой по резьбе 3, при этом возникает так называемо «уплотнение по резьбе» (см. фиг 6-а).
2-я фаза. Взаимодействие уплотнительной (опорной) поверхности 6 на охватывающей трубе 2 с уплотнительной (опорной) поверхностью 5 на охватываемой трубе 1, при одновременном продолжении взаимодействия по резьбе 3. На данной фазе возникает так называемое «уплотнение металл-металл по опорным поверхностям» (см. фиг 6-6).
O
OX
OY
Особенностью силового взаимодействия деталей на данной фазе является то, что в месте контакта возникает усилие F, при этом его составляющая F направлена противоположно усилию свинчивания, а его составляющая F (направленная перпендикулярно оси соединяемых труб) вызывает отклонение торцевого участка охватываемой трубы 1, что в свою очередь может привести к возникновению зазоров, нарушающих герметичность резьбового соединения.
3-я фаза. Взаимодействие торца (упорной поверхности) 7 охватываемой трубы 1 и торца (упорной поверхности) 8 охватывающей трубы 2 с одновременным осевым перемещением соединяемых деталей до их окончательной остановки (см. фиг.6-в) при одновременном продолжении взаимодействия по резьбе 3 и опорным поверхностям 5 и 6.
У
УY
УY
При этом в месте контакта упорных поверхностей 7 и 8 возникает усилие F, вектор которого направлен перпендикулярно плоскости упорных поверхностей, при этом его составляющая F направлена противоположно усилию свинчивания охватывающей трубы, а составляющая F (перпендикулярная оси соединяемых труб) осуществляет «поджатие» торца охватываемой трубы 1. Такое «поджатие» препятствует возникновению зазоров, которые могут возникать в месте контакта опорных поверхностей 5 и 6 во второй фазе работы резьбового соединения.
Необходимым условием для осуществления такого «поджатая» является наличие цилиндрической расточки на охватываемой трубе 1, при этом такая расточка позволят получить часть ниток конической резьбы с неполным профилем. В случае отсутствия такой расточки последние витки резьбы все нитки резьбы будут иметь полный профиль, и вершины этих ниток будут препятствовать «поджатию» торца охватываемой трубы при контакте упорных поверхностей.
Максимальное осевое перемещение, которое может быть после первого контакта упорных поверхностей, не превышает длины малого катета прямоугольного треугольника, гипотенузой которого является упорная поверхность 8 охватывающей трубы 2.
Такое осевое перемещение в совокупности с «поджатием» торцевого участка охватываемой трубы 1 приводит к возникновению эффекта самоторможения и препятствует раскручиванию соединения.
OY
В случае уменьшения угла опорных поверхностей 5 и 6 ниже 55, возникающая при их контакте вертикальная составляющая F (перпендикулярная оси соединяемых труб) имеет значение, приводящее к возникновению пластических деформаций в зоне контакта опорных и упорных поверхностей (см рис 6-в), что в свою очередь приводит к возникновению зазоров, нарушающих герметичность резьбового соединения.
OX
Кроме этого, составляющая F усилия, возникающего на опорных поверхностях 5 и 6 может превысить значение момента, с которым производится накрутка муфты, что, в свою очередь, приводит к тому, что нет смыкания упорных поверхностей 7 и 8, что в свою очередь не позволяет обеспечить герметичность соединения
OY
В случае увеличения угла опорных поверхностей 5 и 6 свыше 65, возникающая при их контакте составляющая F (перпендикулярная оси соединяемых труб) имеет значение, не позволяющее получить достаточные упругие деформации, необходимые для обеспечения герметичности в зоне опорных поверхностей (см рис 6-в).
OX
YX
Кроме этого, суммарное значение составляющей F усилия, возникающего на опорных поверхностях 5 и 6, и составляющей F, возникающей на упорных поверхностях 7 и 8, может быть меньше, чем значение момента, с которым производится свинчивание соединения, что в свою очередь приводит к тому, что в зоне контакта упорных поверхностей 7 и 8 возникает пластическая деформация, которая приводит к разгерметизации соединения.
Конические упорные поверхности 7 и 8 выполнены таким образом, что при действии на них осевого усилия, возникающего при свинчивании резьбы, поперечная составляющая этого усилия направлена к оси соединения. Это исключает так называемое явление "разворачивания", т.е. поперечную деформацию с увеличением диаметра в области упорных торцов, что делает соединение менее критичным к превышению крутящего момента свинчивания и увеличивает его эксплуатационную надежность.
Высокогерметичное соединение может быть свинчено с использованием полимеризирующейся смазки, отвердевающей после сборки соединения резьбовой.
Кроме этого, выполнение на охватываемой 1 и охватывающей 2 трубах цилиндрических расточек 9 и 10 позволяет исключить влияние заусенец, которые возникают в процессе нарезания резьбы при отводе обрабатывающего инструмента на участках сбегания резьбы, на кромках ее вершин, по ее внутреннему диаметру на охватывающей детали, которые выступая в сторону оси соединения нарушают зацепление и влияют на режим уплотнения.
Таким образом, при свинчивании резьбового соединения участки схода резьбы всегда располагаются в зоне проточек, что исключает влияние поверхности резьбы на участке схода и на точность взаимодействия поверхностей охватываемой и охватывающей труб.
Преимуществами заявляемого резьбового соединения по сравнению с прототипом являются также повышение надежности, упрощение сборки, повышение прочности в процессе эксплуатации, а также улучшение возможности визуального контроля, что позволит использовать данное резьбовое соединение в трубах, предназначенных для транспортировки жидких и газообразных продуктов.
Заявляемое герметичное резьбовое соединение может быть изготовлено в условиях промышленного производства на стандартном оборудовании. Наибольший экономический эффект от использования заявляемой полезной модели достигается при его использовании в обсадных трубах.