ГЕРМЕТИЧНОЕ РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ

Настоящая полезная модель относится к типам резьбового соединения труб, в частности к резьбовым соединениям обсадных колонн, участков нефте- и газопроводов, обеспечивающим герметичность за счет применения нескольких металл-металлических узлов уплотнения. Полезная модель может быть применена для непосредственного соединения труб без применения дополнительных муфт.
Известно техническое решение по патенту Российской Федерации на полезную модель №169118 «Резьбовое соединение ниппеля трубы с охватывающей его муфтой» (з-ль УК ООО "ТМС групп", заявка №2016143042 от 01.11.2016, публ. 03.03.2017, МПК F16L 15/04). Согласно формуле и описанию технического решения, резьбовое соединение ниппеля трубы с охватывающей его муфтой содержит выполненный на ниппеле резьбовой участок с конической резьбой, переходящий в уплотнительный участок с выпуклой тороидальной поверхностью, выполненной со стороны его торца, при этом на внутренней поверхности концевого участка муфты выполнена со стороны ее торца коническая резьба, переходящая в конический уплотнительный участок с кольцевым уступом на конце с возможностью образования герметичного соединения между конической и тороидальной поверхностями при резьбовом соединении концевых участков ниппеля и муфты, причем между тороидальным и резьбовым участками ниппеля на наружной поверхности выполнен переходной участок в виде вогнутой тороидальной поверхности.
Особенностями указанного технического решения является выполнение наружного носика ниппельного конца трубы имеющем форму тороидальной поверхности, причем внутренняя поверхность носика имеет расточку, а торец носика имеет внутренний скос (обратный угол). Указанные признаки влияют на относительно невысокую технологичность изделия. Так, по причине выполнения соединяемых элементов с изменяемой конусностью, при нарезании резьбы возникает необходимость использования трех различных резьбовых пластин. Также необходимо использовать сложный комплекс измерительного оборудования для точного нарезания резьбы.
Известно техническое решение по патенту Российской Федерации на изобретение №2134371 «Интегральное стыковое соединение для соединения двух труб» (з-ль Аджип С.п.А., заявка №94037593 от 18.10.1994, публ. 10.08.1999, МПК F16L15/04). Согласно описанию интегральное стыковое соединение для соединения двух труб, у которого от кольцевой кромки внешней трубы идет внутренний раструб уменьшающегося поперечного сечения, взаимодействующий с натягом с соответствующим внешним обратным раструбом. Внешний обратный раструб выполнен на концевой части внутренней трубы возле нависающего заднего буртика последней, чтобы образовать другое непроницаемое полностью металлическое уплотнение с натягом дополнительно к другому непроницаемому уплотнению, уже существующему на переднем конце концевой части внутренней трубы. Изобретение направлено на повышение герметичности соединения.
Недостатками приведенного решения является выполнение концевых частей соединяемых труб с внешней высадкой концов, что приводит к изменению наружного диаметра тела трубы. Кроме того, участок конической поверхности, свободный от резьбы, выполнен с конусностью 1:10, в то время как резьба нарезается с конусностью 1:12. Такая особенность выполнения приводит к усложнению технологического процесса производства труб.
Известно устройство по патенту США на изобретение №5788401 «Rod joint (соединение стержня)» (з-ль BLY IP Inc, з.№US08772860 от 1996-12-24, публ. 1998-08-04, МПК F16L 15/001, Е21В 17/042). Согласно формуле и описанию технического решения, предложена конструкция соединения стержней, состоящая из ниппельного и муфтового концов, содержащих, соответственно, участки с конической резьбой и два узла уплотнения, содержащие упорные кольцевые уступы и плотно прилегающие конические поверхности.
Недостатком указанного технического решения является стыковка уплотнительных узлов исключительно в торцевые упоры. Такая особенность не позволяет обеспечить достаточную герметизацию соединения.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство по патенту Российской Федерации на изобретение №2642922 «Резьбовое соединение для стальных труб» (з-ль Ниппон Стил Энд Сумитомо Метал Корпорейшн, Валлурек Ойл Энд Гэс Франс, з.№2016107380 от 04.09.2014, публ. 29.01.2018, МПК F16L 15/04). Согласно описанию технического решения, Изобретение относится к резьбовым соединениям для стальных труб. Резьбовое соединение для стальных труб содержит муфту, которая является открывающим концом второй трубы, и ниппель в форме усеченного конуса, который является концом первой трубы и вставлен в муфту. Ниппель содержит участок наружной резьбы, которая является конической резьбой, и уплотняющий участок, который содержит коническую поверхность, а муфта содержит участок внутренней резьбы, которая является конической резьбой, и уплотняющий участок, который содержит коническую поверхность, и в состояний перед свинчиванием ниппеля и муфты минимальный диаметр конической поверхности ниппеля меньше, чем максимальный диаметр конической поверхности муфты
Недостатком технического решения являются изменяемая конусность, приводящая к низкой технологичности изготовления.
Таким образом, имеющийся уровень техники не содержит сведений о технических решениях, решающих ряд технических проблем. Так, технической проблемой, решаемой предлагаемой полезной моделью является создание резьбового соединения, позволяющего обеспечить надежную изоляцию от внешней среды, при этом обладающего высокой технологичностью, выраженной в упрощении процесса производства компонентов изделия и обеспечении высоких эксплуатационных характеристик.
В соответствии с настоящей полезной моделью герметичное резьбовое соединение образованно выполненными в форме усеченного конуса ниппельным концом первой трубы, имеющим участок с наружной конической резьбой, и муфтовым концом второй трубы, имеющим участок с внутренней конической резьбой, которые при свинчивании образуют узлы уплотнения, сформированные свободными от резьбы участками конических поверхностей ниппельного и муфтового концов, упорным торцом муфтового конца и упорным уступом ниппельного конца, упорным торцом ниппельного конца и упорным уступом муфтового конца. Свободный от резьбы участок конической поверхности ниппельного конца содержит поясок, выполненный с возможностью взаимодействия с проточкой муфтового конца, выполненной на свободном от резьбы участке конической поверхности, причем свободные от резьбы участки конических поверхностей ниппельного и муфтового концов выполнены с конусностью, равной конусности резьбы, а сопрягаемые упорные поверхности выполнены, по существу, перпендикулярно оси резьбы.
Признаками, общими с известным техническим решением, являются выполнение концов трубы в форме усеченного конуса, с возможностью соединения, выполнением на ниппельном конце первой трубы участка с наружной конической резьбой, выполнением на муфтовом конце трубы участка с наружной конической резьбой. Устройства также характеризуются наличием узлов уплотнения, сформированных свободными от резьбы участками конических поверхностей ниппельного и муфтового концов, упорным торцом муфтового конца и упорным уступом ниппельного конца, упорным торцом ниппельного конца и упорным уступом муфтового конца.
Отличительными признаками предложенного технического решения являются наличие на свободном от резьбы участке конической поверхности ниппельного конца пояска, выполненного с возможностью взаимодействия с проточкой муфтового конца, выполненной на свободном от резьбы участке конической поверхности, свободные от резьбы участки конических поверхностей ниппельного и муфтового концов выполнены с конусностью, равной конусности резьбы, а сопрягаемые упорные поверхности выполнены, по существу, перпендикулярно оси резьбы.
В первом частном случае выполнения, резьбовое соединение, отличающееся от реализации в общем случае тем, что коническая резьба выполнена упорной.
В уточнение указанного частного случая, соединение дополнительно характеризуется тем, что шаг резьбы составляет 5,08 мм.
Во втором частном случае, соединение отличается от реализации в общем случае тем, что коническая резьба выполнена трапециевидной.
В уточнение указанного частного случая, соединение дополнительно характеризуется тем, что шаг резьбы составляет 4,233 мм.
В третьем частном случае, соединение дополнительно характеризуется тем, что соединяемые трубы выполнены с внутренней высадкой концов.
Также, в соответствии с четвертым частным случаем, целесообразно выполнение конической поверхности соединяемых труб с конусностью 1:16.
В соответствии с пятым частным случаем выполнения, шероховатость поверхностей, образующих узлы уплотнения составляет Rz=40 мкм. Целесообразно производить соединение концов труб в натяг.
Устройство в общем случае реализации состоит из пары соединяемых концевых частей труб. Ниппельный конец первой трубы ввинчивают в муфтовый конец второй трубы до сопряжения упорного торца ниппельного конца и упорного уступа муфтового конца.
Упорный торец муфтового конца и упорный уступ ниппельного конца также сопрягаются в результате свинчивания.
Внутренний диаметр участка муфты, содержащего расточку, позволяет поместить в него ниппельный конец, содержащий поясок до положения, при котором торцевая часть ниппеля взаимодействует с уступом муфты.
Таким образом, несколько узлов уплотнения помимо обеспечения герметичности соединения даже в условиях действия высоких внутреннего и наружного давлений выполняет также функцию устройства поддержания герметичности в случае, если произойдет повреждение обоих уплотнений, что может случиться во время операции свинчивания двух соединяемых труб.
При свинчивании трубы и муфты уплотнительная проточка муфты контактирует с уплотнительным пояском ниппельного конца. При полном свинчивании трубы и муфты торец трубы упирается в уплотнительный выступ муфты, образуя два узла уплотнения, в концевой части ниппеля. Выполнение пояска ниппеля, соединяемого с проточкой муфты, позволяет создать высокогерметичное уплотнение, способствующее за счет сопряжения прямых углов упорной проточки муфты и торца ниппеля трубы образованию узла уплотнения, элементы которого плотно прилегаю друг к другу. В процессе свинчивания такого соединения происходит нагрев сопрягаемых поверхностей, вследствие чего протекает процесс, близки по физической сущности к сварке трением.
Прямое сопряжение торца ниппеля с упорным выступом муфты позволяет обеспечить более точное соединение, а также способствует упрощению производства замеров при изготовлении резьбы.
Равная конусность резьбы и узлов уплотнения, выполненных на конической поверхности частей соединения, упрощает изготовление соединения за счет повышения технологичности производства, выраженного в снижении количества операций. Кроме того, такой признак позволяет использовать менее сложное измерительное и производственное оборудование.
Применение упорной конической резьбы, как раскрыто в одном из частных случаев, позволяет применять полезную модель в тех случаях, когда имеются большие односторонние нагрузки, действующие в осевом направлении, как, например, при обустройстве скважин. Профиль упорной резьбы представляет собой трапецию, одна сторона которой имеет незначительный угол наклона и является рабочей стороной профиля, а другая сторона имеет более выраженный угол наклона и не используется в качестве рабочей.
Выполнение резьбы с шагом 5.08 мм и применение трапецеидальной резьбы позволяет получить соединение, способное воспринимать значительные механические нагрузки. Для ряда небольших диаметров соединяемых труб (менее 105 мм) полезной моделью предусмотрено выполнение шага резьбы 4,233 мм.
Для обеспечения достаточного уровня сцепления полезной моделью предусмотрено определенное значение шероховатости поверхности. В начале процесса свинчивания концов труб трущиеся поверхности вначале контактируют по вершинам микронеровностей, в результате чего происходят их срезание и пластическое деформирование. К концу процесса свинчивания высота исходной шероховатости уменьшается, а площадь фактического контакта возрастает, что приводит к уменьшению контактных давлений. Вместе с тем, при свинчивании, в результате трения сопрягаемых поверхностей происходит локальный нагрев поверхности соединяемых концов труб, что приводит, в ряде случаев, к результату, аналогичному сварке трением, позволяя получить надежное интегральное соединение без потери физико-механических свойств труб. От шероховатости поверхности существенно зависит сопротивление усталости деталей. Применяемое значение шероховатости для участков конических поверхностей ниппельного и муфтового концов позволяет, с одной стороны, получить оптимальную площадь контакта для сопряжения соединяемы частей, а с другой - позволить в процессе свинчивания достичь эффекта нагрева поверхностей для образования надежного герметичного соединения.
Внутренняя высадка трубы, в соответствии с частным случаем, необходима для того, чтобы нарезать муфтовую резьбу и ниппельный конец трубы, при этом не изменяя наружный диаметр трубы. Высаженная часть находится внутри диаметра трубы с двух сторон на длине около 150 мм, остальная часть трубы имеет нормальную стенку, в зависимости от диаметра трубы.
Выполнение соединения с натягом способствует повышению герметичности образуемого соединения за счет более плотного прилегания контактирующих поверхностей.
Значение конусности 1:16 позволяет получить оптимальные параметры резьбы при шаге резьбы, обеспечивающим восприятие необходимых вертикальных нагрузок собранного соединения, а также повысить технологичность производства продукции, используя для нарезания резьбы режущие инструменты с резьбовыми пластинами одного профиля.
Сбег резьбы применен для равномерного свинчивания (без рывков) труб между собой
Участок резьбы муфтового конца соединяемой трубы может содержать участок резьбы с неполным профилем.
Предлагаемая полезная модель поясняется следующими фигурами:
Фиг. 1 - Ниппельная часть трубы с внутренней высадкой конца;
Фиг. 2 - Местный вид концевой части соединения;
Фиг. 3 - Муфтовая часть трубы с внутренней высадкой конца;
Фиг. 4 - Герметичное резьбовое соединение в процессе свинчивания;
Фиг. 5 - Полностью свинченное герметичное резьбовое соединение;
Фиг. 6 - Коническая упорная резьба;
Фиг. 7 - Коническая трапецеидальная резьба;
На фигурах обозначены следующие позиции:
1 - ниппельный конец соединяемой трубы;
2 - муфтовый конец соединяемой трубы;
3 - упорный торец ниппельного конца;
4 - упорный уступ ниппельного конца;
5 - упорный торец муфтового конца;
6 - упорный уступ муфтового конца;
7 - упорный поясок;
8 - проточка;
9 - наружная резьба;
10 - внутренняя резьба
11 - узел уплотнения, образованный торцом ниппельного и уступом муфтового концов;
12 - узел уплотнения, образованный торцом муфтового и уступом ниппельного концов;
13 - узел уплотнения, образованный упорным пояском и проточкой.
Для понимания принципов работы и особенностей различных реализаций полезной модели ниже приведено описание фигур технического решения. Хотя в тексте описания подробно объясняются предпочтительные варианты реализации технического решения, необходимо понимать, что возможны и иные варианты реализации. Соответственно, нет необходимости ограничивать объем правовой охраны технического решения исключительно представленными реализациями и перечнями узлов и компонентов. Полезная модель может быть реализована и иными способами. Вместе с тем, при описании предпочтительных вариантов технического решения, для ясности понимания основных принципов работы полезной модели специалистом, необходимо уточнить термины, применяемые в описании.
Необходимо отметить, что используемые в единственном числе в описании и формуле узлы и детали устройства также представляют собой и множественные формы, если прямо не сказано обратное. Например, указание на составной элемент устройства также означает указание на совокупность (множество) таких элементов.
Также, при описании предпочтительных вариантов выполнения, для обеспечения ясности понимания, используются специальные термины. Предполагается, что термин используется в самом широком смысле, в каком он может быть истолкован специалистами в данной области техники и включает все технические эквиваленты, используемые тем же образом и с той же целью. Так, в частности, термин «усеченный конус» относится к форме выполнения концевых частей трубы. В контексте данной полезной модели усеченный конус указывает на наличие встречного наклона стенок трубы относительно горизонтальной оси. Термин «узел уплотнения» есть совокупность конструктивных металлических уплотнительных и упорных элементов резьбового соединения, которые при механическом свинчивании обеспечивают в результате сопряжения поверхностей с определенным натягом высокую герметичность резьбового соединения. В контексте полезной модели к узлам уплотнения относятся свободные от резьбы участки поверхностей концевых частей соединяемых труб, в частности, образуемые при свинчивании места сопряжения торцов и уступов ниппельного и муфтового концов и конические поверхности ниппельной и муфтовой частей, содержащие поясок и проточку, соответственно. Термин «поясок» относится к выступающей части конической поверхности ниппеля и может быть также охарактеризован как буртик или кольцевой гребень. Наружная поверхность пояска имеет такую же конусность, что и резьбовое соединение. В случае настоящей полезной модели, термин «проточка» применяется для описания, по существу, кольцевого паза или расточки, выполненной на участке конической поверхности муфтового конца.
Термин «сопряжение» относится к взаимодействию упорных торцов и уступов ниппеля и муфты. По существу, это означает, что указанные элементы соприкасаются по всей площади их поверхности при полном свинчивании ниппельной и муфтовой частей.
Слова «состоящий», «содержащий», «включающий» означают, что, по меньшей мере, один указанный компонент, элемент, часть или шаг способа присутствует в композиции, предмете или способе, но не исключает присутствие иных компонентов, материалов, частей, шагов способа, даже если такой компонент, материал, часть, шаг способа выполняет ту же функцию, что и указанный.
Материалы, из которых изготовлены различные элементы настоящей полезной модели, указанные ниже при описании примеров конкретного выполнения устройства, являются типичными, но не обязательными для применения. Указанные в настоящих примерах выполнения материалы, могут быть заменены многочисленными аналогами, выполняющими ту же функцию, что и приведенные в описании примеры материалов.
Обратимся к прилагаемым фигурам. На Фиг. 1 изображен ниппельный конец 1 первой трубы в соответствии с одной из конкретных реализаций настоящей полезной модели.
Первая труба, содержащая ниппельный конец 1 выполнена диаметром 105 мм, с толщиной стенки 7,4 мм, с внутренней высадкой конца с длиной высадки 150 мм. Ниппельный конец 1 имеет внешнюю стенку в форме усеченного конуса, с конусностью 1:16. На участке конической поверхности ниппельного конца нарезана внешняя упорная резьба конусностью 1:16 с шагом 5,08 мм и высотой 1,6 мм, переходящая в конический уплотнительный участок, содержащий упорный поясок 7 оканчивающийся упорным торцом 3 на конце с возможностью образования герметичного соединения при резьбовом соединении концевых участков ниппельного конца 1 первой трубы и муфтового конца 2 второй трубы.
На Фиг. 2 показана часть узла уплотнения, содержащая поясок и расточку. С кромки пояска снята фаска (не показана).
На Фиг. 3 изображен муфтовый конец 2 второй трубы. Вторая труба выполнена диаметром 105 мм, с толщиной стенки 7,4 мм, с внутренней высадкой конца с длиной высадки 150 мм. Муфтовый конец 2 имеет внешнюю стенку в форме усеченного конуса, с конусностью 1:16. На участке конической поверхности ниппельного конца нарезана внутренняя упорная резьба конусностью 1:16 с шагом 5,08 мм и высотой 1,6 мм, переходящая в конический уплотнительный участок, содержащий проточку 8, переходящую в упорный уступ 6 с возможностью образования герметичного соединения при резьбовом соединении концевых участков ниппельного конца 1 первой трубы и муфтового конца 2 второй трубы.
Фиг. 4 иллюстрирует соединение в состоянии неполного свинчивания. На изображении видно, что упорный поясок ниппельного конца взаимодействует с проточкой муфтового конца.
На Фиг. 5 изображено соединение в рабочем состоянии. При свинчивании первой и второй труб, ниппельный конец 1 первой трубы входит в муфтовый конец второй трубы. Поясок 7 ниппельного конца первой трубы входит во взаимодействие с проточкой муфтового конца 2 второй трубы, зубцы резьбы входят в зацепление с ответной частью. Свинчивание осуществляют до момента сопряжения упорного торца ниппельного конца с упорным уступом муфты, а также упорного уступа ниппельного конца с упорным торцом муфты. Указанное сопряжение происходит одновременно. Таким образом, за счет ввинчивания до конца ниппельной части 1 первой трубы в муфтовую часть 2 второй трубы образуются три полностью металлические герметичные уплотнения с натягом, обеспечивающие герметичность уплотнения в любых рабочих условиях, а именно: первый узел уплотнения 11, образованный торцом ниппельного и уступом муфтового концов, второй узел уплотнения 12, образованный торцом муфтового и уступом ниппельного концов и третий узел уплотнения 13, образованный упорным пояском и проточкой.
В зависимости от рабочих условий, резьба, нанесенная на участки конических поверхностей ниппельного и муфтового концов, может быть упорной, как показано на Фиг. 6 или трапециевидной, как показано на Фиг. 7. Шаг резьбы может составлять, мм: 4,233 либо 5,08, в зависимости, в том числе от вертикальных нагрузок в процессе эксплуатации.
Геометрические размеры конического и муфтового концов, а также их составляющих зависят, в том числе, от диаметров соединяемых труб. Принцип выбора типа резьбы зависит от сферы применения настоящего соединения и желаемых технических характеристик. Ключевым в настоящей полезной модели является наличие нескольких узлов уплотнения.
Раскрытые выше примеры выполнения приведены с целью иллюстрации промышленной применимости устройства и получения общего впечатления о возможностях предложенного соединения. Объем правовой охраны технического решения определяется формулой полезной модели, а не представленным описанием, и все изменения, совершенные с применением эквивалентных признаков подпадают под правовую охрану настоящей полезной модели.