CS8905547A2 - Hermetic joint of metallic tubes - Google Patents

Description

Vynález se týká hermetického spoje kovových trubek,zejména trubek používaných pro čerpání tekutin a jakopažnice vrtů prováděných hlavně, ale ne výlučně pro prů-zkum a těžbu uhlovodíků a geotermálních tekutin. V těchto případech bývá spoj mezi dvěma trubkamiproveden bud tak, že na jedhoíh konci trubky se vyřeževnější závit a na druhém koftci vnitřní závit (integrál-ní spojka) nebo tak, že na obou koncích trubek se vyře-žou vnější závity a potom ptb|jejich spojení se použijeobjímka s dvěma vnitřními závity (objímková spojka).

Obvykle jsou tyto závity lichoběžníkové. i i

J

Tyto spoje však nemajíj jlenóm zajišťovat spojení t J z příslušných trubek a být dosti silné pro odolávání me-chanickému namáhání, musí roSzhěž zabraňovat unikání ka- I ! palin a plynů, které trubkami: proudí. 3 Těsnění může být provedeno vhodným vzájemným působe-ním závitů na elementu pro zašroubování a elementu pro našroubování nebo využitím vhodných těsnicích ploch odděle-ných od závitů, které, když se k sobě řádně přitlačí,zabraňují průchodu tekutin. Tyto způsoby provedení mo-hou být samozřejmě spolu skombinovány.

Je známo, že když kroutící moment vyvinutý pro uta-hování spoje je větší než mez průtažnosti materiálu, na-máhání vzniká v závitech a v takových doplňujících těs-nicích zařízeních, jak mohou být použity, mohou způso-bit poškození, takže utěsnění provedené spojem není dá-le účinné, zvláště potom, co spoj byl opakovaně zašrou-bován a rozšroubován.

Tato nevýhoda byla eliminována vyvinutím závitu po-psaného v evropské patentové přihlášce EP 273 016, kte-rá bude dále citována.

Je však nicméně zřejmé, že popsané spoje mohou býtdále vylepšovány vhodným přizpůsobením dotykových plocha vložením speciálních těsnicích ploch (dále nazývaných"hermetické kovové těsnění" nebo "kovové těsnění"), abyse zlepšila šroubovatelnost v podmínkách množství cyklů 4 zašroubování/vyšroubování a pokud se týká nadměrného krou-tícího momentu, aby byly zaručeny nej lepší podmínky utěs-nění v každé situaci.

Nadměrný kroutící moment může samozřejmě nevratněpřetvořit geometrii těsnicích zařízení (nebo ploch) vzhle-dem k plastickým deformacím, které nastanou z nadměrnéhozatěžování, takže opětovné použití trubek je problema-tické nebo celkově nemožné. Trubka může snášet poškoze-ní právě když je použita poprvé a to může vyvolat jevkoroze napětím.

Proto, aby byly překonány tyto obtíže, je nutno kom-binovat jedno nebo více těsnicích zařízení (hermetickékovové těsnění) s mechanickým elementem (sedlo), kterýmůže pozitivně omezovat vzájemné působení a proto za-těžování na těsnicích zařízeních samotných, dokonce kdyžse utahovací kroutící moment zvětšuje až za mez průtaž-nosti materiálu spoje.

Použití tohoto principu jsou známá, ale vzhledemk přijatému geometrickému řešení však nemohou zaručitpožadovanou vysokou spolehlivost. 5 US patent č. 4 153 283 popisuje speciální kombinacdotykových a těsnicích ploch, která využívá interakcemezi kulovou plochou elementu pro zašroubování s kuže-lovou plochou elementu pro našroubování (kovové těsně-ní) , doplněné přídavným odstupňovaným plochým sedlem.Toto zařízení nechrání spoj od výše zmíněných vad. Veskutečnosti, když je provedeno, první kontakt nastanemezi kuželovou plochou a kulovou plochou podél obvodovékřivky, která se přeměňuje do konečné plochy deformacíve fázi utahování.

Poněvadž kontakt mezi těsnicími plochami je typu,který se vyznačuje prudkým zvyšováním zatížení, jak sezvyšuje pružná deformace, velmi snadno dojde místně kpřekročení meze pružnosti, dokonce i při použití malé-ho zatížení, takže kulová plocha se deformuje plastic-ky a v případě usazování kolony pažnic spoj snadno tečePo rozšroubování nelze většinou spoj znovu použít. Dále v podobných spojích, které jsou použity správně, úhel ploch kuželových sedel je okolo 15 - 20’ a tomůže být hodně, protože nadměrný kroutící moment může 6 vytvářet radiální složku tlaku, která způsobí nebezpe- čí lokálního přetížení.

Aby byly překonány tyto nevýhody, je u jiných spo-jů kovové těsnění provedeno ve formě kontaktu dvou kuže-lových ploch, jedné na vnitřním elementu a druhé na vněj-ším elementu, které je třeba perfektně vzájemně přizpů-sobit. Tyto plochy jsou tvarovány tak, aby jejich dotekbyl v dostatečném rozsahu (a proto v podstatné délce je-jich tvořící přímky, např. 5 až 10 mm). V tomto případě jsou kontaktní přítlačné síly vždydocela malé a utěsnění závisí v podstatě na labyrinto-vém efektu, který vzniká při dotyku dvou kuželových ploch

Tento typ spoje však vyžaduje extrémně přesné obrá-bění kuželových ploch, takže nastávají problémy techno-logické, ekonomické a s kontrolou kvality. Ve skutečnos-ti možnost slícování jedné plochy s druhou je vlastněnulová.

Aby byly odstraněny všechny výše uvedené různé ne-dostatky, byl .vyřešen hermetický spoj kovových trubek, i zejména používaných pro čerpání tekutin a jako pažnicevrtů, se speciální kombinací ploch, teré tvoří hermetic-ké kovové těsnění, s možnou kombinací se speciálnímitěsnicími plochami, který sestává z vnitřního elementus alespoň jedním vnějším lichoběžníkovým závitem a vněj-šího elementu s odpovídajícími vnitřními závity, přičemžkoncová část vnitřního elementu za každým závitem má ku-želovou těsnicí plochu skloněnou zejména v axiálním smě-ru a eventuálně rovněž vnitřní dosedací plochu , takékuželovou, zejména napříč, přičemž tyto plochy spolupra-cují s podobnými těsnicími a dosedacími plochami na vnějším elementu, délka těsnicí plochy vnějšího elementupodle hlavní tvořicí přímky je větší než délka této těs-nicí plochy odpovídající těsnicí plochy vnitřního elementu, podle vynálezu, jehož podstatou je,, že zmíněné dvětěsnicí plochy vnitřního elementu a vnějšího elementumají kuželovitost mezi 6,25 a 9,25 %, přičemž délkatěsnicí plochy vnitřního elementu, která se dotýká od-povídající těsnicí plochy vnějšího elementu je mezi0,5 a 2,5 mm.

Zvláště výhodné je spojovat výše popsané kovové těsnění s těsnicími plochami na vnitřním elementu a na odpo 8 vídajícím vnějším elementu, které mají kužel s úhlem mezi 5 a 10* k rovině kolmé kose spoje, přičemž zmíněnétěsnicí plochy jsou činné pouze po vzájemné spoluprácia energizaci mezi závity a těsnicími plochami.

Termín energizace je použit pro zamýšlené dosaže-ní minimálního stavu zatížení, které zabezpečuje: - dostatečný tlak na boky profilů závitů v dotykupro zabránění vyšroubování kroutícím momentemmenším než použitým pro zašroubování a rovněžpro vznik sekundárního těsnicího účinku podélzávitu - dostatečný přítlak na těsnicí plochy pro zameze-ní vzniku netěsnosti za podmínek omezeného pou-žití .

Spoj podle vynálezu může být proveden se všemi ty-py známých závitů nebo takovými, které lze odvodit zeznámého stavu techniky, zejména jedno nebo vícechodýmizávity s jakýmkoli tvarem závitu, včetně hákovitých zá-vitů, které se obvykle používají pro spoje, když vnitř-ní a vnější element mají doplňující se lichoběžníkovézávity. 9

Vzájemná spolupráce těchto zmíněných závitů je re-dukována podle jednoho použitého schématu, ale je tako-vá, že vrcholy, závitů na vnějším elementu přiléhají přesně do odpovídajících den závitů na vnitřním elementu,jejichž vrcholy naproti tomu se nedotýkají odpovídají-cích den závitů na vnějším elementu. V hákovitém uspořádání tvoří boky profilů závitů,které vtahují vnitřní element do vnitřního elementu, negativní (hákovitý) úhel k rovině kolmé k ose spoje, při-čemž zmíněný úhel je mezi 0 a -3*, zatímco druhé bokyjsou nakloněny v tomtéž směru a vytvářejí úhel mezi 8 a16’ ke zmíněné rovině, a mezera mezi zmíněnými boky jeod 0,035 do 0,35 mm.

Spoj podle vynálezu se s výhodou provádí se závitypodle evropské patentové přihlášky EP 273 016. Tyto zá-vity jsou takové, že vrcholy závitu na vnějším elementuperfektně přiléhají k odpovídajícím dnům závitu na vnitřním elementu, jehož vrcholy se nedotýkají odpovídají-cích den závitu na vnějším elementu (Antarův závit).

Jakožto příklad provedení takového závitování lze 10 uvést spoj pažnicových trubek vrtů s průměrem 7'*, kte-rý může být proveden se závitem s kuželovitostí 8,5 %,přičemž primární boky profilů závitů, které zůstávají vkontaktu po sestavení tvoří jmenovitý úhel 2*26' s rovi-nou kolmou k ose spoje a sekundární boky jsou skloněnyv opačném směru než primární ve jmenovitém úhlu 25’ kezmíněné rovině a jmenovitá vzdálenost mezi sekundární-mi boky je 0,05 mm, když je spoj sestaven.

Rozměry uvedené u obou výše zmíněných příkladů ne-jsou pouze jmenovité, mění se v závislosti na velikostispoje.

Spoj podle vynálezu nezahrnuje používání přídavnýchtěsnicích zařízení, obsahujících například plastický těsničí kroužek vhodně umístěný mezi dvěma dotykovými plo-chami vnitřního a vnějšího elementu v pouzdru na doty-kové ploše vnějšího elementu.

Spoj kov na kov je takto chráněn před korozními či-nidly, které mohou být obsaženy v tekutinách, které při-cházejí do styku s trubkami.

Další ochranu lze provést použitím olemování epoxy- 11 dovými nebo fenolformaldehydóvými pryskyřicemi, napříkladvnitřní plochy spoje, v kontaktu se zmíněnými koroznímičinidly.

Speciální kombinace elementů, které pomáhají vy-tvářet hermetické kovové těsnění podle vynálezu, zejménav kombinaci se sedlem podle vynálezu, skýtají velké vý-hody ve srovnání s doposud známými spoji.

Sedlo s úhlem 5 - 10* má ve skutečnosti větší odol-nost vůči plastické deformaci, dokonce i v případě nad-měrného kroutícího momentu. Ovšem úhel je takový, abyvznikl stav tangenciálního tahového napětí na hrotu,které zvyšuje dotykový přítlak mezi těsnicími plocha-mi, aniž by však vznikla trvalá deformace.

Hermetické kovové těsnění, vytvořené dotykem mezidvěma shodně kuželovitými plochami, z nichž jedna jedlouhá 0,5 - 2,5 mm, skýtá následující výhody: - ve srovnání s těsněními typu kuželovitá plocha/ku- lová plocha, je dosaženo dotyku ne po celé délce křiv-ky, která se transformuje do konečné plochy deformací 12 během následného utahování, ale která -nastává správněod začátku na obvodové ploše konečných rozměrů, kteráabsorbuje velká zatížení před dosažením plastifikace; - ve srovnání se spoji, které používají dotyk mezi dvě-ma kuželovými plochami, omezená velikost dotykové plochy podle vynálezu dovoluje dosáhnout vyššího dotyko-vého přítlaku, a tak umožňuje vzájemné přizpůsobení,přičemž bezpečně zůstává v rozsahu pružné deformace. I malou konečnou dosedací plochou podle vynálezulze zajistit spolehlivou jednotnost dosedacího tlaku.

Tato výhoda je obzvláště důležitá, protože dovolu-je přesný výpočet kroutícího momentu potřebného pro za-ručení dotyku aniž by došlo k unikání spoje, když naspoj působí síly, které mohou způsobit jeho odkrytí. S jinými typy spojů je těchto podmínek dosaženo pouzetehdy, když je spoj proveden velmi přesně a vnitřní element je perfektně vyrovnán s vnějším elementem: něčehotakového však jistě nelze dosáhnout ve skutečné praxi. Výhoda spoje podle vynálezu se dále zvyšuje s opa- 13 kovanou montáží a demontáží, když se geometrie ploch cel-kově mění jako důsledek zatěžování.

Odaje, které jsou dále uvedeny, představují pouzeilustrativní přiklad předcházejícího a nejsou nijak ome-zující na pole působnosti a účely vynálezu.

Aby byla provedena kontrola bezvadnosti kovovéhotěsnění podle vynálezu a jeho srovnání s dalšími dvěmaspoji provedenými známými metodami, byl vypočítán teo-retický dosadací tlak působící na kovové těsnění spoje, _2 když se použije dotyková síla F = 105 kN.mm . Ocel, zekteré byly spoje provedeny měla mez průtažnosti 420 N.mmStřední průměr D spojů v těsnicích polohách byl 80 mm. Tři různá kovová těsnění se vyznačovala: a) teoreticky bodovým dotykem mezi kuželovou plochoua kulovou plochou (příklad pro srovnání); b) dotykem mezi dvěma kuželovými plochami, podle vyná-lezu; c) dotykem mezi dvěma velkými kuželovými plochami (pří-klad pro srovnání). 14

Teoretický dosedací tlak jako funkce rozměrů a sí-ly, kterou jsou plochy k sobě tlačeny, může být vypočí-tán ve všech třech případech ze vzorce: 290 ΤΓ Dla

(Hertzianova dotyková hypotéza)

Pb = Pc TTd i (hypotéza velmi malého kužele) b, c kde:

P · Pr/ P = dosedací tlaky ve třech případech3. O C "a", "b", "c" D = střední průměr spoje v těsnicích plochách F = dotyková síla 1 = šířka oblasti dotyku v případě ”a", odhad- nutá na 0f2 mm 1, = šířka oblastí dotyku v případech "b" a "c" O f c rovnající se 2 a 5 mm. Při nahrazení a za předpokladu, že makroskopicképnutí je konstantní v různých typech spoje, totiž, že 15 _2 F = konst. = 105 kN.mm , potom p = 1870 N.mma -2 p^ = 210 N.mm -2 p = 84 N.mm ťc

Tyto dosedací tlaky odhalují následující: V případě "a" je mez průtažnosti oceli hodně pře-kročena, takže v oblasti těsnění dojde k trvalé deformaci. V případě "c" je pružná deformace sotva 0,01 %, tak-že utěsnění je zaručeno pouze tehdy, když geometrie jeperfektní. V případě "b" je hodnota optimální, protože je dosa-ženo pružné deformace 0,1 %, totiž poloviny meze průtaž-nosti.

Alternativně by bylo možno v případech "a" a "c"odvodit sílu F pro dosažení optimálního dosedacího tla-ku (210 N.mm . Avšak v případě "a" by bylo nutno použítvelmi malou sílu F, což by mohlo vést k velmi obtížnékontrole v praxi, zatímco v případě "c" by požadovaná 16 síla mohla být 2,5 krát vyšší než v případě "b", takžezatěžování by bylo mnohem vyšší a poškodilo by tělesospoje. Účinnost spoje podle vynálezu je dále zvýšena pří-tomností sedla, jak bylo pospáno. Kovové těsnicí spojejsou často používány v hloubkových vrtech, kde jsou vy-soká namáhání mechanická a od okolního prostředí (te-plota tekutin a korozivost). Stlačení konce vnitřníhoelementu způsobené energizací dotykových ploch redukujetahová zatížení na vnitřní ploše trubky v kontaktu stekutinou, což zlepšuje odolnost spoje proti korozi na-pětím.

Podobně, v případě vrtů, které jsou bud plánovaněnebo náhodně odkloněny, jsou zatížení zahrnutá v přeno-su ohybového momentu spojem nižší a neutrální osa je po-sunuta k rubu klenby, opět převládá mnohem příznivějšístav napjatosti.

Pro speciální použití zahrnující například prostře-dí, kde jsou korozivní tekutiny, jako í^S, je spoj podlevynálezu zvláště výhodný, když je proveden z ocelíCr - Μη - V obsahujících V, Ti a Nb, přičemž tyto oceli. 17 jsou zakaleny a popuštěny, takže mají temperovanou mar- tenzitickou strukturu.

Navíc, když mají korozivní tekutiny vysokou teplo-tu - např. 150’ C - a případný vysoký obsah solí, můžebýt spoj proveden z nerezové oceli nebo slitin na báziniklu, popřípadě spojených se známými úpravami protizadírání jako je implantace vzácných kovů nebo tvrzenýchelementů nebo elektrolytických povlaků tvrzených a/nebosamomazných kovů (např. Ni + Cr).

Ve skutečnosti kombinace kovového těsnění a sedlapodle vynálezu, popřípadě rovněž s Antarovým závitemu prvního popsaného použitého typu a hákovitých závitůu druhého typu zajistí, že stav napjatosti tahem na plo-še v kontaktu se zmíněnými tekutinami je vždy na takovénízké úrovni, že spoj je relativně necitlivý na korozinapětím.

Vynález bude nyní popsán detailněji s odkazem napřiložené výkresy, které znázorňují uspořádáni, kteréje provedeno pouze jako příklad bez jakéhokoli omezenípole působnosti vynálezu, přičemž 18 - na obr. 1 je znázorněn axiální řez spojení podlevynálezu, na obr. 2 detail jednoho provedení a na obr. 3 detail dalšího provedení.

Obr. 1 znázorňuje axiální řez sešroubovaným spojemsestávajícím z vnitřního elementu 1^ a vnějšího elementu2, zatímco pro zjednodušení jsou oba závity - vnější ivnitřní - označeny stejnou vztahovou značkou 2·

Pole A zakrývá sedlo a kovové těsnění podle vynále-zu. Dva detaily jsou znázorněny ve zvětšení na obr. 2a obr. 3, z nichž obr. 2 znázorňuje počáteční fázi se-stavování, když těsnicí plochy přicházejí do kontaktua obr. 3 uspořádání po dotažení.

Obr. 2 a 3 ukazují část konce vnějšího elementu2, kde za závitem 2 jsou dvě kuželové vnitřní plochy 10 které ve spolupráci s odpovídajícími plochami vnitř-ního elementu _1 tvoří sedlo a kovové těsnění podle vyná-lezu.

Obr. 2 a 3 rovněž znázorňují koncovou část vnitř- 19 ního elementu 1_, kde za závitem _3 je řada obecně kuželo-vých ploch s různými úhly sklonu. Z nich plocha 4_ přijdedo kontaktu s odpovídající kuželovou vnitřní plochou 9vnějšího elementu 2_ a vytvoří tak hermetické kovové těs-nění, zatímco dosedací plocha í5 přichází do kontaktu sodpovídající kuželovou vnitřní plochou 10 vnějšího ele-mentu.

Tyto páry ploch £ a 9_, 5_ a 10 mohou mít kuželovi-tost 6,25 až 9,25 % v případě prvního páru plochy £ a9^ a tvoří 6 až 10" k rovině kolmé k ose spoje v případědruhého páru ploch _5 a 10.

Jak lze vidět z vyobrazení, vnitřní plocha 9^ je mno-hem větší než vnitřní plocha JO, takže kontakt mezidvěma plochami je vždy zajištěn tímto způsobem uvažova-ným podle vynálezu, pro široký rozsah konstrukčních to-lerancí .

Obr. 2 rovněž ukazuje první dotek těsnicích ploch4 a 9 před tím, než se těsnicí plochy a 10 dotknoua než je spoj dotažen. 20

Obr. 3 znázorňuje uspořádání spoje po jeho dokon-čení, když těsnicí plochy _5 a 10 se rovněž dotýkají aspoj je v použitelném stavu.

Pro snazší grafické znázornění jsou dotykové plo-chy kovového těsnění nakresleny přehnaně, aby bylomožno snadněji pochopit činnost spoje.

Spoj podle vynálezu může být proveden bud na dvoutrubkách, které mají vnitřní a vnější konec (integrál-ní spojka) nebo se výhodně provede na trubkách s dvě-ma vnitřními konci s vnějšími závity, které se dohro-mady spojí pomocí objímek s jejich vnitřními závitový-mi konci (objímková spojka). Vnitřní část objímkovýchspojek je silnější poblíž středu, aby bylo možno přizpů-sobit těsnění a zóny sedel.

Claims (7)

1. <x US 04 PRAHA b ŽHná 25 - 21 - * Xu?0 nároky

   1. Hermetický spoj kovových trubek, zejména tru- «>·C; \L „x bek používaných pro čerpání tekutin a jako pažnice vr-sl * tů, sestávající z vnitřního elementu s alespoň jednímvnějším lichoběžníkovým závitem a vnějšího element\s odpovídajícími vnitřními závity, přičemž koncováčást vnitřního elementu za každým závitem má kuželo-vou těsnicí plochu skloněnou zejména v axiálním směrua eventuálně rovněž vnitřní dosedací plochu, také kuže-lovou, zejména napříč, přičemž tyto plochy spolupracu-jír s podobnými těsnicími a dosedacími plochami navnějším elementu, délka těsnicí plochy vnějšího elemen-tu podle hlavní tvořící přímky je větší než délka tétotěsnicí plochy odpovídající těsnicí plochy vnitřníhoelementu, vyznačující se tím, že zmíněné dvě těsnicíplochy vnitřního elementu a vnějšího elementu mají kuže-lovitost mezi 6,25 a 9,25 %, přičemž délka těsnicíplochy vnitřního elementu, která se dotýká odpovídají-cí těsnicí plochy vnějšího elementu je mezi 0,5 a 2,5 mm. 22
2. 2. Hermetický spoj podle bodu 1, vyznačující se tím,že kužel na dosedacích plochách na vnitřním elementu a na odpovídajícím vnějším elementu je mezi 5a 10° k ro-vině kolmé k ose spoje, přičemž zmíněné těsnicí plochyspolupracují pouze po interakci a energizaci závitů atěsnicích ploch.
3. 3. Hermetický spoj podle bodů 1 a 2, vyznačujícíse tím, že závity jsou hákovitého typu.
4. 4. Hermetický spoj podle bodů 1 a 2, vyznačujícíse tím, že závity jsou Antarova typu.
5. 5. Hermetický spoj podle bodů 1 až 4, vyznačujícísě tím, že obsahuje doplňkové těsnicí zařízení sestáva-jící z těsnicího kroužku z plastického materiálu vhod-ně umístěného mezi dvěma dosedacími plochami vnitřníhoa vnějšího elementu v pouzdru na dosedací ploše vnější-ho elementu.
6. 6. Hermetický spoj podle bodů 1, 2 a 4, vyznaču-jící setím, že je proveden ze slitin ocelí vybranýchze skupin Cr - Μη - V a Cr - Mo ocelí obsahujících V, 23 Ti a Nb, přičemž tyto oceli jsou zakaleny a popuštěnya mají temperovanou martenzitickou strukturu.
7. 7. Hermetický spoj podle bodů 1, 2 a 3, vyznačují-cí se tím, že je proveden z materiálu vybraného z nerezové oceli a slitin na bázi Ni, eventuálně ve spojení súpravami proti zadírání, jako je implantace vzácných ko-vů nebo tvrzených elementů nebo elektrolytických povla-ků tvrzených a/nebo samomazných kovů. Aó’ na č. TO T, 2i<-r,Á 25/ 25 Seznam vztahových značek « vnitřní element 1 vnější element 2 vnější závit 3 vnitřní závit 3 plocha 4 dosedací plocha 5 kuželová vnitřní plocha 9kuželová vnitřní plocha 10