Фланцевое соединение устьевого оборудования
WELLHEAD FLANGE CONNECTION

Изобретение относится к области горного дела, в частности к нефтегазодобывающей промышленности, и может быть использовано при ремонте скважин, при герметизации устья скважины с помощью фланцевых соединений устьевого оборудования.
Известны фланцевые соединения оборудования по ГОСТ 28919-91 "Типы и основные размеры", содержащие уплотнительные металлические кольца в канавках фланцев, при этом фланцы между собой стянуты шпилечным соединением.
Также известно фланцевое соединение деталей (патент RU № 2150041, опубл. 27.05.2000), включающее стянутые между собой шпильками два фланца и уплотнительный элемент, выполненный из металлического кольца с двумя торцевыми пазами - канавками под эластичные, например полиуретановые, прокладки, установленные в камере, образованной кольцевыми канавками трапецеидального профиля на фланцах, соединенных между собой, причём уплотнительный элемент концевыми участками расположен в канавках фланцев таким образом, что половина концевых участков, включающая выступающую из кольца эластичную прокладку и часть кольца в зоне расположения паза, соответствует их форме, другая половина концевых участков выполнена с зазором, а средняя часть его, соединяющаяся с концевыми участками, имеет прямоугольный профиль.
Недостатками обоих аналогов устройства являются:
- низкая герметичность фланцевого соединения устьевого оборудования, обусловленная неравномерным стягиванием уплотнительного кольца между устьевым и опорным фланцами вследствие того, что затягивание гаек шпилек  производят поочередно с разными крутящими моментами;
- длительность сборки фланцевого соединения устьевого оборудования при ремонте скважины, обусловленная необходимостью практически после каждой технологической операции (промывка, перфорация и т.д.) герметизировать устье скважины, т.е. производить фиксацию и крепление между собой устьевого и опорного фланцев с помощью 12 шпилек и 24 гаек;
- высокие затраты на изготовление устьевого и опорного фланцев, обусловленные необходимостью выполнения 12 отверстий под равными углами в каждом из фланцев.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является фланцевое соединение устьевого оборудования, содержащее устьевой и опорный фланцы, уплотнительное кольцо, установленное между фланцами в канавках с конусными поверхностями (патент RU № 2170807, опубл. 20.07.2001). Уплотнительное кольцо выполнено из упругого материала с припуском на деформацию, учитывающим наличие дополнительного кольца, причём устьевой и опорный фланцы стянуты между собой шпильками, при этом дополнительное кольцо выполнено из металла, соединено с уплотнительным кольцом из упругого материала и имеет концентрические конусные симметричные буртики, расположенные на внутренней его части для центрирования канавок при контакте с их конусными поверхностями, при этом внешняя часть дополнительного кольца выполнена плоской для опоры за пределами канавок торцевых поверхностей фланцев и служит в качестве замыкающего размерного звена в элементах соединения.
Недостатками устройства являются:
- низкая герметичность фланцевого соединения устьевого оборудования, обусловленная неравномерным стягиванием уплотнительного кольца между устьевым и  опорным фланцами вследствие того, что затягивание гаек шпилек  производят поочередно с разными крутящими моментами;
- длительность сборки фланцевого соединения устьевого оборудования при ремонте скважины, обусловленная необходимостью практически после каждой технологической операции (промывка, перфорация и т.д.) герметизировать устье скважины, т.е. производить фиксацию и крепление между собой устьевого и опорного фланцев с помощью 12 шпилек и 24 гаек;
- высокие затраты на изготовление устьевого и опорного фланцев, обусловленные необходимостью выполнения 12 отверстий под равными углами в каждом из фланцев.
Техническими задачами изобретения являются повышение герметичности фланцевого соединения устьевого оборудования, сокращение продолжительности сборки фланцевого соединения устьевого оборудования и снижение затрат на изготовление устьевого и опорного фланцев.
Поставленные технические задачи решаются фланцевым соединением устьевого оборудования, содержащим опорный и устьевой фланцы, уплотнительное кольцо, установленное между фланцами в канавках с конусными поверхностями.
Новым является то, что устройство дополнительно снабжено верхним кольцом, а на периферии верхнего кольца выполнены два отверстия, расположенные под углом 180° по отношению друг к другу, также устройство снабжено двумя нижними полукольцами, а на периферии каждого нижнего полукольца выполнены два отверстия, расположенные под углом 180°, причем межцентровые диаметры отверстий верхнего кольца и нижних полуколец равны между собой, при этом отверстия верхнего кольцаи двух нижних полуколец выполнены с возможностью расположения друг под другом, а такжефиксации и стягивания двумя резьбовыми соединениями между собой верхнего кольца и нижних полуколец, что обеспечивает герметичность соединения устьевого и опорного фланцев с установленным между ними уплотнительным кольцом, при этом каждое резьбовое соединение состоит из болта, гайки и шплинта, под который в нижней части болта выполнено отверстие,  причем длина хода резьбы резьбового соединения больше высоты зазора между опорным и устьевым фланцами, а расстояние от нижнего торца гайки резьбового соединения до отверстия шплинта меньше внутренней высоты нижних колец.
На фиг. 1 схематично изображено фланцевое соединение устьевого оборудования.
На фиг. 2 изображен вид А фланцевого соединения устьевого оборудования.
На фиг. 3 изображено сечение Б-Б нижних полуколец  фланцевого соединения устьевого оборудования.
На фиг. 4 изображен разрез В-В нижних полуколец фланцевого соединения устьевого оборудования.
м1
м2
м3
м1
м2
м3
Фланцевое соединение устьевого оборудования содержит опорный 1 (см. фиг. 1 и 4) и устьевой 2 (см. фиг. 1 и 2) фланцы, установленное между фланцами в канавках с конусными поверхностями уплотнительное кольцо 3 (см. фиг. 1).Устройство снабжено верхним кольцом 4 (см. фиг. 1, 2, 3), а на периферии верхнего кольца выполнены два отверстия 5' (см. фиг. 1, 3, 4) и 5" (см. фиг. 1, 4), расположенные под углом 180˚ по отношению друг к другу. Также устройство снабжено двумя нижними полукольцами 6 (см. фиг. 1, 3, 4) и 7, а на периферии каждого нижнего полукольца выполнены два отверстия, расположенные под углом 180˚ 8' (см. фиг. 1, 3) и 8" (см. фиг. 1), а также 9' (см. фиг. 1, 3) и 9" (см. фиг. 1), соответственно. Межцентровой диаметр (D) отверстий 5' и 5"верхнего кольца 4,  межцентровой диаметр (D) отверстий 8' и 8" нижнего полукольца 6 и межцентровой диаметр (D) отверстий 9' и 9"  нижнего  полукольца 7 равны между собой (D= D = D).
Например, выполняют все отверстия 5' и 5" верхнего кольца 4 и отверстия 8' и 8" нижнего полукольца 6, а также отверстия 9' и 9" нижнего полукольца 7 диаметром d=20 мм.
Отверстия 5' и 5" верхнего кольца 4 и отверстия 8' и 8" нижнего полукольца 6, а также отверстия 9' и 9" нижнего полукольца 7  имеют возможность расположения друг под другом, а также фиксации и стягивания соответственно двумя резьбовыми соединениями 10' (см. фиг. 1, 3) и 10" (см. фиг. 1) между собой верхнего кольца 4 и нижних полуколец 6 и 7, что обеспечивает  герметичность  соединения устьевого 1 и опорного 2 фланцев с установленным между ними уплотнительным кольцом 3.
Края нижних полуколец 6 и 7 (см. фиг. 3) выполнены ступенчатыми и устанавливаются внахлест, благодаря чему при совмещении нижних полуколец 6 и 7 образуется кольцо высотой - H, например Н=40 мм.
Каждое резьбовое соединение 10' и 10" состоит, соответственно, из болта 11' (см. фиг. 1, 2, 3, 4) и 11" (см. фиг. 1, 2, 4), гайки 12' (см. фиг. 1, 3) и 12"(см. фиг. 1) и шплинта 13' (см. фиг. 1, 3) и 13" (см. фиг. 1), под который в нижней части болтов 11' и 11" выполнено соответствующие отверстие 14' (см. фиг. 1, 3) и 14" (см. фиг. 1). Длина хода резьбы – L резьбового соединения 10' и 10" больше высоты зазора - l между опорным 1 и устьевым 2 фланцами. Расстояние - а от нижнего торца гайки 12' и 12" резьбового соединения 10' и 10" до соответствующего отверстия 14' и 14" шплинта 13' и 13" меньше внутренней высоты - h нижних полуколец.
Устройство работает следующим образом.
В  канавку (на фиг. 1-4 показано условно) с конусной поверхностью опорного фланца 1 (см. фиг. 1 и 2) устанавливают уплотнительное кольцо 3. Затем сверху на уплотнительное кольцо 3 канавкой с конусной поверхностью устанавливают устьевой фланец 2.Затем на устьевой фланец 2 сверху устанавливают верхнее кольцо 4. Далее снизу вплотную к нижней торцевой поверхности опорного фланца 1 одновременно с двух сторон устанавливают два полукольца 6 и 7.
В процессе установки нижних полуколец 6 и 7 вращением совмещают между собой с одной стороны отверстие 5' верхнего кольца 4, отверстие 8' нижнего полукольца 6 и отверстие 9' нижнего полукольца 7, при этом  с другой стороны (под углом 180˚) устьевого фланца 2 совмещаются между собой отверстия 5", 8" и 9", соответственно верхнего кольца 4, нижнего полукольца 6 и нижнего полукольца 7.  Далее производят фиксацию двумя резьбовыми соединениями 10' и 10" между собой верхнего кольца 4 (сверху) и нижних полуколец 6 и 7 (снизу).
Для этого вставляют в совмещенные отверстия 5', 8' и 9' болт 11' (см. фиг. 1 и 3), затем снизу на болт 11' продевают гайку 12' и шплинтуют резьбовое соединение 10' путем установки шплинта 13' в отверстие 14' болта 11'. Аналогично с другой стороны устьевого фланца 2 под углом 180˚ вставляют в совмещенные отверстия 5", 8" и 9" болт 11", затем снизу на болт 11" продевают гайку 12" и шплинтуют резьбовое соединение 10" путем установки шплинта 13" в отверстие 14" болта 11".
Благодаря тому, что расстояние - а от нижнего торца гайки 12' и 12"  резьбового соединения 10' и 10"  до соответствующего отверстия 14' и 14"  шплинта 13' и 13"  меньше внутренней высоты - h нижних колец  исключается выпадение нижних колец 6 и 7 под нижний торец опорного фланца 1. Это позволяет центрировать нижние полукольца 6 и 7 относительно опорного фланца 1 и упрощает процесс последующего стягивания резьбовых соединений 10' и 10''.
Далее производят стягивание двумя резьбовыми соединениями 10' и 10" между собой верхнего кольца 4 (сверху) и нижних полуколец 6 и 7 (снизу), например с помощью накидных механических ключей (на фиг. 1-4 не показано).
Для этого одновременно на одинаковое количество оборотов двумя механическими ключа затягивают гайки 12'(см. фиг. 1, 3) и 12'' (см. фиг. 1) на соответствующих болтах 11' и 11" резьбовых соединений 10' и 10". Благодаря тому, что длина хода резьбы - L  резьбового соединения 10' и 10" больше высоты зазора - l между опорным 1 и устьевым 2 фланцами и за счёт того, что гайки 12' и 12" на соответствующих болтах 11' и 11" резьбовых соединений 10' и 10" затягиваются одновременно на одинаковое количество оборотов, например пять оборотов, обеспечивается равномерное стягивание уплотнительного кольца 3 относительно взаимообращённых торцевых поверхностей опорного 1 и устьевого 2 фланцев, что повышает герметичность фланцевого соединения устьевого оборудования.
Фланцевое соединение устьевого оборудования собрано. Далее производят технологическую операцию по ремонту скважины, например осуществляют промывку скважины. По окончании технологической операции по ремонту скважины производят разборку в обратной последовательности.
Сокращается продолжительность сборки фланцевого соединения устьевого оборудования при ремонте скважины для проведения технологической операции (промывка, перфорация и т.д.), так как для герметизации устья скважины достаточно произвести фиксацию и крепление между собой устьевого и опорного фланцев с помощью двух болтовых соединений.
Снижаются затраты на изготовление устьевого и опорного фланцев, так как для крепления фланцев между собой нет необходимости выполнения 12 отверстий под равными углами в каждом из фланцев.
Предлагаемое фланцевое соединение устьевого оборудования позволяет:
- повысить герметичность фланцевого соединения устьевого оборудования;
- сократить продолжительность сборки фланцевого соединения устьевого оборудования;
- снизить затраты на изготовление устьевого и опорного фланцев.