Способ крепления фланцевого соединения шпильками с сегментными элементами и устройство для его осуществления
METHOD FOR FASTENING A FLANGE CONNECTION WITH STUDS WITH SEGMENT ELEMENTS AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к способам изготовления шпилек с сегментными элементами, крепления при герметизации фланцевого соединения, а также к устройствам крепления фланцевого соединения на устье скважины в процессе ремонта и эксплуатации.
Известен способ изготовления шпилек с гайками и их крепление для фланцевого соединения деталей (патент RU № 2170807, опубл. 20.07.2001), включающий изготовление шпилек и гаек, установку на опорный фланец с отверстиями устьевого фланца с отверстиями через уплотнительное кольцо из упругого материала с припуском на деформацию и  дополнительное кольца из металла, совмещение отверстий устьевого и опорного фланцев, установку в отверстия опорного и устьевого фланцев шпилек, стягивание шпилек двумя  рядами гаек (снизу и сверху) с целью герметизации фланцевого соединения.
Недостатками способа являются:
- сложность сборки фланцевого соединения, обусловленное необходимостью использования двух гаечных ключей для затяжки шпилек при герметизации фланцевого соединения;
- длительность сборки фланцевого соединения, так как при креплении устьевого и опорного фланцев с помощью шпилек необходимо заворачивать два ряда гаек, т.е. на каждую шпильку необходимо использовать две гайки, т.е. снизу и сверху навернуть и закрепить гайки.
Также известно 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
- большие затраты времени наворачивания гаек на шпильку (сверху и снизу). Это обусловлено тем, что применяемые шпильки и гайки имеют мелкий шаг резьбы обычно 1,0-1,5, что увеличивает количество оборотов гаек при затягивании их на шпильки;
- низкая герметичность фланцевого соединения в виду того, ввиду сложности уплотнения фланцев. Это обусловлено тем, что уплотнительное кольцо выполнено из полиуретанового материала, а также дополнительного кольца из металла.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления шпилек с гайками и их крепления для фланцевого соединения деталей (патент RU № 2150041, опубл. 27.05.2000), включающий изготовление шпилек и гаек, установку на опорный фланец с отверстиями устьевого фланца с отверстиями через уплотнительное кольцо, совмещение отверстий устьевого и опорного фланцев, установку в отверстия опорного и устьевого фланцев шпилек, стягивание шпилек верхним и нижним рядами гаек с целью герметизации фланцевого соединения.
Недостатками способа являются:
- сложность сборки фланцевого соединения, обусловленное необходимостью использования двух гаечных ключей для затяжки шпилек при герметизации фланцевого соединения;
- длительность сборки фланцевого соединения, так как при креплении устьевого и опорного фланцев с помощью шпилек необходимо заворачивать два ряда гаек, т.е. на каждую шпильку необходимо использовать две гайки, т.е. снизу и сверху навернуть и закрепить гайки.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является 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 устройства являются:
- большие затраты времени наворачивания гаек на шпильку (сверху и снизу). Это обусловлено тем, что применяемые шпильки и гайки имеют мелкий шаг резьбы обычно 1,0-1,5, что увеличивает количество оборотов гаек при затягивании их на шпильки;
- низкая герметичность фланцевого соединения в виду сложности конструкции уплотнительного элемента, выполненного из металлического кольца с двумя торцевыми пазами - канавками под эластичные, например полиуретановые, прокладки.
Техническими задачами изобретения являются сокращение продолжительности крепления фланцевого соединения за счет упрощения устройства и процесса сборки фланцевого соединения, повышение герметичности фланцевого соединения.
Поставленные технические задачи решаются способом крепления фланцевого соединения шпильками с сегментными элементами, включающим изготовление шпилек, установку на опорный фланец с отверстиями устьевого фланца с отверстиями через металлическое уплотнительное кольцо, совмещение отверстий устьевого и опорного фланцев, установку в отверстия опорного и устьевого фланцев шпилек, стягивание шпилек гайками.
Новым является то, что определяют длину шпилек по следующей зависимости
1
2
3
L = h+ a+ h+b+ h +c, (1)
где L – длина шпильки, мм;
1
h – высота сегментного элемента, мм;
a – высота опорного фланца, мм;
2
h– высота металлического уплотнительного кольца между опорным и устьевым фланцами, мм;
b – высота устьевого фланца, мм;
3
h– высота гайки, мм;
c – выступ резьбы шпильки за верхний торец гайки, мм,
н
на нижнем конце шпилек выполняют глухие отверстия, нарезают по всей наружной поверхности шпилек резьбу с шагом, равным 2,5 мм, в качестве нижних гаек изготавливают сегментные элементы с резьбовым отверстием по центру, на нижнем конце резьбовых отверстий сегментных элементов выполняют конусные проточки, количество сегментных элементов равно количеству шпилек, наружный диаметр - D сегментного элемента определяют по зависимости:
н
мц
D = D + 1,5×d, (2)
мц
где D – межцентровой диаметр отверстий устьевого и опорного фланцев, мм;
d – диаметр шпилек, мм,
в
внутренний диаметр – D сегментного элемента определяют по зависимости:
в
мц
D = D - 1,5×d, (3)
мц
где D – межцентровой диаметр отверстий устьевого и опорного фланцев, мм;
d – диаметр шпилек, мм,
1
затем определяют наружную длину окружности сегментного элемента – l по зависимости:
1
н
l = π× D /n, (4)
где π = 3,14;
н
D – наружный диаметр сегментных элементов, образующих кольцо, мм;
n – количество шпилек с сегментными элементами,
2
и определяют внутреннюю длину окружности каждого сегмента – l по зависимости:
2
в
l = π× D /n, (5)
где π = 3,14;
в
D – наружный диаметр сегментных элементов, образующих кольцо, мм;
n – количество шпилек с сегментными элементами,
мц
затем в резьбовые отверстия сегментных элементов вворачивают нижним концом шпильки, после чего развальцовывают глухие отверстия шпилек, что исключает возможность отворота сегментных элементов через нижнии концы шпилек, далее снизу поочередно вставляют шпильки с сегментными элементами в совмещенные отверстия опорного и устьевых фланцев, а сверху на шпильки вворачивают гайки, с помощью гаечного ключа производят затяжку верхнего ряда гаек, при этом сегментные элементы шпилек образуют кольцо, центральная ось резьбового отверстия в сегментных элементах находится на межцентровом диаметре - D отверстий опорного и устьевого фланцев, исключающее проворачивание шпилек в процессе затяжки гаек.
Технические задачи решаются устройством для крепления фланцевого соединения шпильками с сегментными элементами, содержащим опорный и устьевой фланцы, установленное между ними в канавках с конусными поверхностями металлическое уплотнительное кольцо, в опорном и устьевом фланцах выполнены отверстия для крепления под шпильки с гайками.
Новым является то, что нижний ряд гаек выполнен в виде сегментных элементов, жёстко соединённых со шпильками с помощью резьбового соединения и развальцовки нижнего конца шпильки, при этом сегментные головки шпилек нижними торцами по всей своей площади контактируют с опорным фланцем, причём шпильки и гайки имеют крупный шаг резьбы.
На фиг. 1 изображен способ и устройство крепления фланцевого соединения шпильками с сегментными элементами.
На фиг. 2 изображен поперечный разрез А-А сегментного элемента со шпилькой.
На фиг. 3 изображен продольный разрез Б-Б сегментного элемента со шпилькой.
На фиг. 4 изображен вид В снизу.
На фиг. 5 изображен вид С сверху.
Способ реализуют следующим образом.
На устье скважины необходимо загерметизировать фланцевое соединение. Фланцевое соединение содержит опорный 1 (см. фиг. 1 -5) и устьевой 2 фланцы с отверстиями (на фиг. 1 показано условно). Опорный 1 и устьевой фланцы оснащены взаимообращёнными канавками с конусными поверхностями (на фиг 1 показано условно), в которых установлено металлическое уплотнительное кольцо 3 (фиг. 1).
ф
Наружные диаметры опорного 1 (см. фиг. 4) и устьевого 2 (см. фиг. 5)фланцев равны между собой и составляют, например D = 380 мм.
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
Для крепления опорного 1 и устьевого 2 фланцев применяют шпильки в количестве от 2 до 12 штук. Например, применяют шпильки в количестве шести штук: 4; 4; 4; 4; 4; 4 (см. фиг. 1-5), причём нижний ряд гаек выполняют в виде сегментных элементов 5; 5; 5; 5; 5; 5 (см. фиг. 1-4)соответствующих шпилек 4; 4; 4; 4; 4; 4, Нижние концы шпилек 4; 4; 4; 4; 4; 4 жёстко соединены соединением 6; 6; 6; 6; 6; 6 (см. фиг. 1, 3, 4)с соответствующими сегментными элементами 5; 5; 5; 5; 5; 5.
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
На верхние концы шпилек 4; 4; 4; 4; 4; 4 наворачивают соответствующие гайки 7; 7; 7; 7; 7; 7 (см. фиг. 1, 5).
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
мц
н
Изготавливают сегментные элементы 5; 5; 5; 5; 5; 5 с резьбовым отверстием (на фиг. 1-4 показано условно), причём центральная ось резьбового отверстия сегментного элемента 5; 5; 5; 5; 5; 5 находится на межцентровом диаметре - D отверстий опорного 1 и устьевого 2 фланцев, перед изготовлением определяют наружный диаметр - D сегментного элемента 5; 5; 5; 5; 5; 5  ( см. фиг. 2 и 4) по зависимости:
н
мц
D = D + 1,5×d,
в
определяют внутренний диаметр – D сегментного элемента по зависимости:
в
мц
D = D - 1,5×d,
мц
где D – межцентровой диаметр отверстий устьевого и опорного фланцев, мм;
d – диаметр шпилек, мм,
1
также определяют наружную длину окружности сегментного элемента – l по зависимости:
1
н
l = π× D /n,
где π = 3,14;
н
D – наружный диаметр сегментных элементов, образующих кольцо, мм;
n – количество шпилек с сегментными элементами,
2
и определяют внутреннюю длину окружности каждого сегмента – l по зависимости:
2
в
l = π× D /n,
где π = 3,14;
в
D – наружный диаметр сегментных элементов, образующих кольцо, мм;
n – количество шпилек с сегментными элементами,
также определяют длину шпильки по следующей зависимости
1
2
3
L = h+ a+ h+b+ h +c,
где L – длина шпильки, мм;
1
h – высота сегментного элемента, мм;
a – высота опорного фланца, мм;
2
h– высота металлического уплотнительного кольца между опорным и устьевым фланцами, мм;
b – высота устьевого фланца, мм;
3
h– высота гайки, мм;
c – выступ резьбы шпильки за верхний торец гайки, мм.
1
2
3
4
5
6
Определяют размеры каждого сегментного элемента 5; 5; 5; 5; 5; 5, если их количество 6 штук, как описано выше.
Исходные данные:
1. Диаметр – dо каждой шпильки: dо = 22 мм.
мц
мц
2. Межцентровой диаметр - D отверстий опорного и устьевого фланцев, под который выполнены отверстия под шпильки: D = 200 мм.
1
3. Высота сегментного элемента: h = 22 мм.
4. Высота опорного фланца1: а = 50 мм.
5. Высота металлического уплотнительного кольца между опорным и устьевым
2
фланцами:h= 14 мм.
6. Высота устьевого фланца: b = 50 мм.
3
7. Высота гайки: h= 22 мм.
8. Шаг резьбы: 2,5 мм.
9. Выступ резьбы шпильки за верхний торец гайки составляет 1-3 витка примем 2 витка, таким образом при шаге резьбы 2,5 мм: с =2 ×2,5 мм= 5 мм.
10. Количество шпилек: n=6.
Последовательно подставляя в формулы (1-5) получим:
1
2
3
4
5
6
Наружный диаметр сегментного элемента 5; 5; 5; 5; 5; 5:
н
б
D = D + 1,5×d = 200 мм + 1,5×22 = 233 мм.
1
2
3
4
5
6
Внутренний диаметр каждой сегментного элемента 5; 5; 5; 5; 5; 5:
в
б
D = D - 1,5×d = 200 мм - 1,5×22 = 167 мм.
1
1
2
3
4
5
6
Определим наружную длину окружности – l сегментных элементов 5; 5; 5; 5; 5;5:
1
н
L = π× D /n = (3,14 × 230 мм)/6 = 121,93 мм.
2
1
2
3
4
5
6
Определим внутреннюю длину окружности – l сегментных элементов 5; 5; 5; 5; 5; 5:
2
в
L = π× D /n = (3,14 × 170 мм)/6 = 87,38 мм.
1
2
3
4
5
6
Определяют длины шпильки 4; 4; 4; 4; 4; 4:
L = 22 мм + 50 мм + 14 мм + 50 мм + 22 мм + 5 мм =163 мм.
1
2
3
4
5
6
Примем длину – L шпилек 4; 4; 4; 4; 4; 4 равной 163 мм.
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
Изготавливают шесть шпилек 4; 4; 4; 4; 4; 4 и сегментных элементов 5; 5; 5; 5; 5; 5, при этом количество сегментных элементов равно количеству шпилек.
На нижнем конце шпилек выполняют глухие отверстия (на фиг. 1 и 3 показано условно), нарезают по всей наружной поверхности шпилек резьбу с шагом, равным 2,5 мм.
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
мц
р
Далее выполняют резьбовые отверстия в центре сегментных элементов 5; 5; 5; 5; 5; 5, соответствующем межцентровому диаметру - D отверстий опорного 1 и устьевого 2 фланцев. На нижнем конце резьбовых отверстий сегментных элементов 5; 5; 5; 5; 5; 5 выполняют конусные проточки 6; 6; 6; 6; 6; 6 до диаметра d, например равного 30 мм. Количество сегментных элементов равно количеству шпилек.
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
В резьбовые отверстия сегментных элементов 5; 5; 5; 5; 5; 5 вворачивают нижним концом соответствующие шпильки 4; 4; 4; 4; 4; 4.
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
Развальцовывают края глухих отверстий шпилек 4; 4; 4; 4; 4; 4 в конусных проточках 6; 6; 6; 6; 6; 6 сегментных элементов 5; 5; 5; 5; 5; 5 с помощью развальцовочного инструмента (на фиг. 1-5 не показано).
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
Развальцовка исключает возможность отворота сегментных элементов 5; 5; 5; 5; 5; 5 (см. фиг. 1) через нижние концы шпилек 4; 4; 4; 4; 4; 4.
Развальцовывание или развальцовка - это технологическая операция окончательной обработки отверстий (например, труб), выполняемая без снятия металла и сопровождаемая лишь расширением и уплотнением конца изделия в отверстии (например, для закрепления трубы в отверстиях фланцев, для уплотнения металлических стенок теплообменников и др. аппаратов).
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
Для крепления фланцевого соединения снизу поочередно вставляют шпильки 4; 4; 4; 4; 4; 4 с сегментными элементами 5; 5; 5; 5; 5; 5 в совмещенные отверстия опорного 1 и устьевых 2 фланцев, а сверху на шпильки 4; 4; 4; 4; 4; 4 вворачивают гайки 7; 7; 7; 7; 7; 7. С помощью гаечного ключа (на фиг. 1-5 не показано) производят затяжку верхнего ряда гаек 7; 7; 7; 7; 7; 7, при этом металлическое уплотнительное кольцо 3 обеспечивает герметичность фланцевого соединения, при этом сегментные элементы 5; 5; 5; 5; 5; 5 соответствующих шпилек 4; 4; 4; 4; 4; 4 образуют кольцо, исключающее проворачивание шпилек в процессе затяжки гаек.
Фланцевое соединение герметично собрано. Далее производят эксплуатацию скважины, например штанговым глубинным насосом. После окончания эксплуатации скважины производят разборку в обратной последовательности.
В два раза сокращается продолжительность сборки фланцевого соединения устьевого оборудования для эксплуатации скважины, так как для герметизации устья скважины необходимо завернуть 12 гаек, а не 24, как в прототипе.
Упрощается обслуживание устройства в работе, так как используется всего один гаечный ключ, а не два как описано в прототипе.
Способ крепления фланцевого соединения шпильками с сегментными элементами и устройство для его осуществления позволяют:
- сократить продолжительность сборки (разборки) при герметизации фланцевого соединения и повысить качество герметичного фланцевого соединения;
- упростить сборку фланцевого соединения.
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
Устройство для крепления фланцевого соединения шпильками с сегментными элементами содержит опорный 1 и устьевой фланцы 2, установленное между ними в канавках с конусными поверхностями металлическое уплотнительное кольцо 3, в опорном 1 и устьевом 2 фланцах выполнены отверстия под шпильки 4; 4; 4; 4; 4; 4, например опорный 1 и устьевой фланец имеют по шесть  отверстий диаметром 24 мм под шесть  шпилек: 4; 4; 4; 4; 4; 4 диаметром d = 22 мм.
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
Нижний ряд гаек выполнен в виде сегментных элементов: 5; 5; 5; 5; 5; 5, жёстко соединённых с нижними концами шпилек 4; 4; 4; 4; 4; 4 с помощью резьбового соединения (на фиг. 1 показано условно)  и развальцовки 4; 4; 4; 4; 4; 4 ( см. фиг. 1), что исключает взаимное проворачивание сегментных элементов 5; 5; 5; 5; 5; 5,  относительно гаек 4; 4; 4; 4; 4; 4, образуя кольцо.
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
Сегментные элементы 5; 5; 5; 5; 5; 5, шпилек 4; 4; 4; 4; 4; 4 нижними торцами по всей своей площади контактируют с опорным фланцем 1.
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
На верхний конец шпилек 4; 4; 4; 4; 4; 4 при креплении фланцевого соединения наворачивают и затягивают гайки 7; 7; 7; 7; 7; 7, имеющих крупный шаг резьбы равный 2,5.
Устройство для реализации способа работает следующим образом.
В канавку (на фиг. 1, показано условно) с конусной поверхностью опорного фланца 1 (см. фиг. 1) устанавливают металлическое уплотнительное кольцо 3. Затем сверху на уплотнительное кольцо 3 канавкой с конусной поверхностью устанавливают устьевой фланец 2. После чего вращением устьевого фланца 2 относительно опорного фланца 1 совмещают их отверстия для крепления.
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
Далее в совмещённые отверстия опорного 1 и устьевого 2 фланцев снизу поочередно устанавливают шпильки 4; 4; 4; 4; 4; 4 (см. фиг. 1, 4, 5) с сегментными головками 5; 5; 5; 5; 5; 5в количестве 6 штук. В результате под опорным фланцем 1 сегментные головки 5; 5; 5; 5; 5; 5 образуют кольцо.
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
Затем сверху наворачивают гайки 7; 7; 7; 7; 7; 7 на соответствующие шпильки 4; 4; 4; 4; 4; 4и гаечным ключом (на фиг. 1 - 5 не показано) затягивают гайки 7; 7; 7; 7; 7; 7 (см. фиг. 1, и 5) на соответствующих шпильках 4; 4; 4; 4; 4; 4.
Предлагаемый способ и устройство обеспечивают снижение длительности времени крепления гаек на шпильки в 1,5 - 2 раза, снижение количества оборотов вращения гаек относительно шпилек в процессе крепления фланцевого соединения.
Повышается герметичность фланцевого соединения из-за того, что сегментные элементы шпилек нижними торцами по всей своей площади контактируют с опорным фланцем, что обеспечивает равномерное прижатие металлического уплотнительного кольца, установленного между опорным 1 и устьевым 2 фланцами при упрощении способа и устройства для его выполнения и снижении металлоемкости конструкции.
Устройство позволяет:
- упростить и сократить время наворачивания и затяжки гаек на шпильку;
- повысить герметичность фланцевого соединения.