CZ2003312A3 - Improved casing joints - Google Patents

Description

Potrubní spoj

Oblast techniky

Vynález se týká potrubního spoje, zejména pro využití při spojování trubek, které jsou určeny pro podzemní použití, například v oblasti průmyslu zpracování a dopravy ropy a plynu.

Spoj má zejména vhodnou konstrukci v místě, kde je potrubí pravděpodobně vystaveno působení nestejnoměrných sil, kolmých k ose potrubí.

Dosavadní stav techniky

Při přepravě tekutiny, jako je například ropa nebo zemní plyn, mezi dvěma místy, je nejúčinnějším využívaným způsobem pokud možno využití potrubí. Tato potrubí bývají běžně konstruována z jednotlivých trubek, vzájemně k sobě spojených.

Je rovněž obvyklé používat u potrubí pro vedení tekutiny za účelem jeho uchycení v dalším potrubí takzvaný plášť. Tento plášť slouží k ochraně nosného potrubí a pro umožnění snadného umísťování nosného potrubí. Plášť může rovněž působit jako bezpečnostní bariéra v případě úniku tekutiny z nosného potrubí, neboť unikající tekutina je zadržována v plášti, přičemž je zabráněno tomu, aby tato tekutina přišla

do styku z bezprostředním okolním prostředím. Z tohoto důvodu musí být uvedený plášť rovněž odolný vůči příslušným

tekutinám a vůči tlakům kterým je	vystaveno	nosné potrubí.
Oblasti, ve	kterých jsou	trubky spojeny,	vytvářej i
nespojitosti jak	vnitřní, tak	i vnější	plochy	potrubí,
přičemž jsou jako	takové zdrojem	zeslabení	v rámci	hotového
potrubí.

Je velice důležité, aby takováto zeslabení byla pokud možno co nejvíce minimalizována, neboť jakékoliv ztráty tekutiny z potrubí představují únik zdrojů, přičemž jsou rovněž velice nebezpečné pro okolní prostředí. Kromě toho únik tekutiny rovněž zvyšuje riziko pro obslužný personál z hlediska možnosti vzniku požáru nebo výbuchu.

Výměna či náhrada neúčinných nebo unikajících spojů není vždy zcela snadná. Zejména v případě průmyslu pro zpracování ropy nebo plynu bývají potrubí často umístěna v poměrně nepřístupných místech, takže výměna spojů je velice obtížná a nákladná.

Spoje mezi trubkami, které vytvářejí nosné potrubí nebo plášť, jsou běžně prováděny s využitím šroubových závitových spojů, přičemž každá jednotlivá trubka je opatřena závitem, který je doplňkový k závitu sousední trubky.

Takovéto spoje jsou schopny odolávat velkým tlakovým rozdílům mezi vnitřkem a vnějškem trubky. Kromě toho však musejí být rovněž schopny zachovávat těsnost tehdy, kdy potrubí, vytvořené z jednotlivých přímých trubek, je tvarováno do zakřiveného tvaru, nebo kdy se mírně odchyluje od přímého směru v důsledku skalnatých překážek nebo podobně.

Běžně známé trubky vykazují velmi špatnou funkci, pokud jsou vystaveny působení takových ohybových sil, výsledkem čehož je, že funkce potrubí je oslabena, takže dochází k riziku úniku v místech takových ohybů.

Podstata vynálezu

Úkolem předmětu tohoto vynálezu je vyvinout potrubní spoj, u kterého budou odstraněny shora uvedené problémy, přičemž jeho funkce bude velmi dobrá i v případě, kdy dojde k nesouosému spojení trubek.

V následujícím popise mohou být výrazy plášť a trubka používány vzájemně zaměnitelně, přičemž plášť často znamená pouze trubku o větším průměru, než má vlastní trubka.

V souladu s předmětem tohoto vynálezu byl proto vyvinut šroubový závitový spoj pro trubky, obsahující první trubkový kus nebo čep, mající na jednom konci vnější šroubovou závitovou část, a druhý trubkový kus nebo hrdlo, mající na jednom konci vnitřní část, opatřenou doplňkovým závitem, přičemž tyto části jsou uzpůsobeny pro vzájemný záběr podél větší části osové délky závitových částí, šroubové závity jsou skloněny stejným směrem a pod ostrým úhlem vůči podélné ose trubkového kusu, alespoň vnější závit probíhá k vnějšímu dorazovému osazení, přiléhajícímu k doplňkovému dorazovému osazení na druhé části, přičemž doplňkové dorazové osazení obsahuje zahloubení ve formě kuželovité přijímací části, mající zaoblený vrchol, přičemž první kuželová plocha, ·· ·· • · · ♦ »« · · · · v podstatě rovnoběžná s osou trubky kuželového dorazového osazení vnější části nebo kuželové přijímací části vnitřní části, obsahuje jednu nebo více zakřivených částí.

Zakřivené části zajišťují, že je vytvořeno silnější těsnění, které odolává oddělení vnější části od vnitřní části a poskytuje zdokonalenou funkci spoje při ohybu.

Plocha zakřivené části nebo každé zakřivené části leží s výhodou na obvodu kružnice.

Poloměr kružnice má s výhodou velikost od 2 cm do 10,5 cm.

Poloměr kružnice má zejména velikost od 2,2 cm do 4 cm.

Vzdálený konec vnitřní plochy čepu je s výhodou zkosen, přičemž zkosený okraj svírá úhel 18° až 25° s podélnou osou čepu.

Zkosený okraj umožňuje, aby hlavní těleso trubky bylo silnější a v důsledku toho odolnější, přičemž je udržována hladká plocha kolem oblasti spoje pro snížení turbulence, vyvolávané prouděním tekutého materiálu.

První kuželovitá plocha dorazového osazení je s výhodou souosá s osou trubky, přičemž obsahuje rovinnou část.

Uvedená rovinná část prvního kuželovité plochy svírá s výhodou s podélnou osou trubky úhel od 1° do 15°.

Rovinná část svírá zejména úhel od 1,5° do 4°.

Mělčí úhel zaručuje, že trubka je silnější a v důsledku toho tužší, přičemž dochází ke zvýšení odolnosti spoje vůči jeho rozdělení.

Druhá kuželovitá plocha dorazového osazení svírá s výhodou s rovinnou kolmou na podélnou osu trubky úhel od 11° do 20°.

Druhá kuželovitá plocha svírá zejména úhel od 11° do 13°.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude v dalším podrobněji objasněn na příkladech jeho konkrétního provedení, jejichž popis bude podán s přihlédnutím k přiloženým obrázkům výkresů, kde:

obr. 1 znázorňuje pohled v řezu na dorazové osazení čepu;

obr. 2 znázorňuje odpovídajícího hrdla;

pohled v řezu na dorazové osazení obr. 3a až obr v dorazovém osazení;

3c znázorňují rozdělení napětí obr. 4a až obr. 4c znázorňují rozdělení plastického pnutí, vznikajícího v důsledku napětí, znázorněného na obr. 3a až obr. 3c; a obr. 5a až obr. 5c znázorňují simulace stability potrubního spoje, který je podroben působení ohybových sil a tlakových rozdílů.

Příklady provedení vynálezu

Na vyobrazení podle obr. 1 je znázorněno dorazové osazení čepu 10 neboli vnější konec spojení pro potrubní nebo plášťový spoj.

U čepu 10 je znázorněn koncový vrchol 11 šroubového závitu. Čep 10 má vnitřní plochu 12, která pokud je čep 10 připojen k odpovídajícímu hrdlu 20 neboli k vnitřnímu konci (viz obr. 2) tvoří část vnitřku potrubního vedení. Vnější plocha 13 má v podstatě přímý průřez, zužující se mírně směrem ven pod úhlem o velikosti přibližně 2° od koncového vrcholu 11 šroubového závitu směrem k vrcholu 14 dorazového osazení 15. Vnější plocha 13 dosedá na odpovídající plochu 22 hrdla 20 pro vytvoření těsnicí plochy, pokud jsou dvě trubky přišroubovány k sobě.

V důsledku dále popsaných znaků činí úkos vnější plochy 13 pouze 2° od osy potrubí. To umožňuje, aby vzdálený konec čepu 10 byl silnější, než by jinak mohl být. V důsledku toho je vnější tlak, působící na potrubí, které proniká mezi závity vnější a vnitřní části potrubního spoje, a které má snahu odtlačovat tyto dvě části vzájemně od sebe, zachycen v důsledku výztužného účinku, působícího na čep 10. Úhly, které mohou být využity u předmětu tohoto vynálezu, leží v rozmezí od 1° do 15°, a zejména v rozmezí od 1,5° do 4°.

• » · ti· ·· 9.1 99 99 99 9 9 1 1 9 9 11 9

119 11 · ti · ti • •♦••ti * ti · ti · • · · 9 « 9 19 11 911 99 91 19 99 99 91

Dorazové osazení má další těsnicí plochu 16 pro dosednutí na odpovídající plochu hrdla 20 a pro vytvoření dalšího těsnění pro zabránění úniku tekutiny přes potrubní spoj. Těsnicí plocha 16 je připojena k vnější ploše 13 prostřednictvím zakřivené části 14. Těsnicí plocha 16 svírá úhel o velikosti 12° s rovinou kolmou na hlavní osu čepu 10. V důsledku zdokonalených těsnicích charakteristik spoje je úhel, který tato plocha svírá s rovinou, mělčí, než u běžných spojů. Jako takových lze použít úhlů v rozmezí od 11° do 20°.

Čep 10 podle obr. 1 dosedá na doplňkový hrdlový úsek na potrubí, ke kterému má být připojen. Hrdlo 20 má vnitřní plochu 21, která společně s plochami 12 a 17 vytváří vnitřní plochu potrubí, pokud jsou trubky vzájemně spolu spojeny.

Hrdlo 20 má několik dalších ploch 22 a 23, které společně vytvářejí dorazové osazení, které má doplňkový tvar ke tvaru dorazového osazení 15 na čepu 10, a které dosedá na čep 10 pro vytvoření množiny těsnicích ploch. Podélná těsnicí plocha dosedá na odpovídající podélnou těsnicí plochu. Plocha (na hrdle) obsahuje konvexní část.

Pokud je na dvě trubky působeno kroutícím momentem za účelem jejich vzájemného sešroubování, tak konvexní plocha způsobuje napětí, vytvářené v dorazovém osazení, které je rozváděno tak, že pnutí se především soustřeďuje v oblasti kolem konvexní plochy.

Průřezová plocha konvexní plochy leží na kružnici, která má poloměr o velikosti přibližně 2,2 cm, přičemž však bylo zjištěno, že jsou přijatelné i poloměry o velikosti od 2 cm do 10,5 cm.

« · · · · ·

Na vyobrazení podle obr. 3a je znázorněno vypočtené napětí, vytvářené v oblasti dorazového osazení předmětného spoje.

Na těchto obrázcích je tmavším stínováním vyjádřeno, že příslušná oblast je pod větším napětím.

Střed konvexní plochy má souřadnice o velikosti -0,165 cm a 22,05 cm, a plochy na obr. 3b (-0,292 cm, 22,05 cm). U těchto souřadnic osa x znamená osu x, znázorněnou na vyobrazení podle obr. 2 s odkazem na pomyslný bod A. Souřadnice osy y se počítá od středu trubky nebo potrubí.

Hrdlový úsek u spojů, znázorněných na vyobrazeních podle obr. 3a a obr. 3b, obsahuje konvexní plochu o poloměru 2,5 cm. Lze zde vidět dva základní rozdíly v rozložení napětí mezi dvěma spoji podle tohoto vynálezu a spojem, známým z dosavadního stavu techniky, který je znázorněn na vyobrazení podle obr. 3c. Hlavní napětí u spojů, majících konvexní části, je umístěno ve dvou oblastech, přičemž první je kolem těsnicích okrajů 31. Druhá oblast je poté představována dvěma laloky 30, přičemž je vždy jeden na každém úseku trubky ve značné vzdálenosti od těsnicí plochy.

Lze zde vidět, že laloky 30 vyčnívají radiálně do tělesa čepu a hrdla. V důsledku toho dochází k utěsnění, které je silnější, než u běžných spojů, a to vzhledem k odolnosti vůči ohybovým silám. Příslušný účinek je znázorněn u spoje jako výsledek uplatňovaného kroutícího momentu. Na vyobrazeních ···· * · ·* podle obr. 3a až obr. 3c jsou opět tmavšími plochami vyznačeny oblasti vysokého tečení.

U spoje, známého z dosavadního stavu techniky a znázorněného na obr. 4c, lze vidět, že plastické tečení se objevuje zejména v oblasti 45 těsnicích ploch 16 a 23, a v malém množství 46 na vnější ploše 13 v poměrné blízkosti k zakřivenému vrcholu 14 . Toto plastické tečení způsobuje výrazné zeslabení utěsnění, vytvářeného těmito plochami 16 a 23.

Kromě toho těsnění podél této osy přispívá k zabránění vnějším tlakům, sesedání závitu, a proti oddalování dorazových osazení od sebe a tak poškození těsnění.

Naproti tomu plastické tečení, způsobované v odpovídajících oblastech 42 a 44 u spojů, znázorněných příslušně na vyobrazeních podle obr. 4a a obr. 4b, je menší v těchto oblastech, přičemž dochází k odpovídajícímu snížení možnosti poškození těsnění, tvořeného těmito těsnicími plochami.

Přestože je znázorněno malé množství plastického tečení v oblastech, podrobených vysokému podílu napětí, které jsou vidět na vyobrazeních podle obr. 3a obr. 3b, je tečení poměrně malé, což znamená, že je udržováno silné těsnění.

Aniž bychom se omezovali na nějakou určitou teorii, tak další důvody, proč konvexní část zdokonaluje pevnost spoje a jeho odolnost proti zeslabení při ohybu, jsou následující. Bylo zjištěno, že plochy způsobují napětí, které je výsledkem spojení dvou trubek, přičemž se soustřeďuje v oblasti spoje ····

ve vzdálenosti od těsnicích ploch 16 a 23. Soustředění zejména akumulované energie poskytuje velmi silné těsnění, přičemž tato energie je soustředěna v poměrně silném úseku trubky, který je odolný vůči plastickému tečení.

Přestože je znázorněna konvexní plocha 22, jejíž povrch leží na obvodu kružnice, může být rovněž použito tvaru celé řady jiných zakřivených ploch, jako je elipsa, popisující křivku, která má obecný vzorec x²/a² + y²/b² - 1

Plocha může být rovněž vytvořena tak, že nemá žádný rovinný úsek 24, v kterémžto případě pak plocha mezi vrcholem 14 a patou vrcholu 11 je čistě konvexní.

Alternativně může plocha mezi vrcholem 14 a patou vrcholu 11 obsahovat více než jednu konvexní plochu, které mohou nebo nemusí mít mezi sebou v podstatě rovinný úsek.

Zdokonalená funkce těsnění, obsahujících zakřivené těsnicí plochy, je znázorněna na vyobrazeních podle obr. 5a až obr. 5c, přičemž těsnění, znázorněná na těchto obrázcích, odpovídají těsněním, znázorněným na obr. 3a až obr. 3c.

Tyto obrázky znázorňují simulovanou odezvu příslušných potrubních spojů na tlakový rozdíl mezi vnitřkem a vnějškem trubky a na ohnutí trubky. Stínované oblasti odpovídají kombinacím ohybového a tlakového rozdílu, kdy je spoj stabilní.

9999

9 9 9 · 9 9 9 9

9 9 9 9 9 9 9

9 9 9 9 9 9 9 9 9

9 9 9 9 9 9 9 ·

9 9 99 9 9 99 « 9 99

Vnitřní tmavší oblasti odpovídají potrubním spojům, u kterých osy jednotlivých trubek, spojených dohromady, již nejsou souosé.

Jak je možno vidět z vyobrazení podle obr. 5a a obr. 5b, tak stabilní oblasti se rozprostírají přes větší rozmezí laloků a tlakových rozdílů. Tyto výsledky jsou porovnávány s odezvou u potrubního spoje, známého z dosavadního stavu techniky a znázorněného na obr. 5c, který je stabilní pouze v omezeném rozsahu v prvním kvadrantu znázorněného grafu.

Zkosená plocha může zahrnovat konkávní část podél alespoň úseku její délky pro zajištění hladšího spoje a pro snížení turbulentního proudění při protékání tekutiny trubkou nebo potrubím.

Je pochopitelně zcela samozřejmé, že předmět tohoto vynálezu není nikterak omezen pouze na shora uvedená konkrétní provedení, která jsou popsána pouze jako příkladná provedení, přičemž je možno provádět různé modifikace a změny v rámci rozsahu přiložených patentových nároků.

Claims (11)

1. Šroubový závitový spoj pro trubky, obsahující první trubkový kus nebo čep, mající na jednom konci vnější šroubovou závitovou část, a druhý trubkový kus nebo hrdlo, mající na jednom konci vnitřní část, opatřenou doplňkovým závitem, přičemž tyto části jsou uzpůsobeny pro vzájemný záběr podél větší části osové délky závitových částí, šroubové závity jsou skloněny stejným směrem a pod ostrým úhlem vůči podélné ose trubkového kusu, vnější závit probíhá k vnějšímu dorazovému osazení, přiléhajícímu k doplňkovému dorazovému osazení na druhé části, přičemž doplňkové dorazové osazení obsahuje zahloubení ve formě kuželovité přijímací části, mající zaoblený vrchol, vyznačující se tím, že první kuželová plocha, v podstatě rovnoběžná s osou trubky kuželového dorazového osazení vnější části nebo kuželové přijímací části vnitřní části, obsahuje jednu nebo více zakřivených částí.

2. Spoj podle nároku 1, vyznačující se tím, že plocha zakřivené části nebo každé zakřivené části leží na obvodu kružnice.

3. Spoj podle nároku 2, vyznačující se tím, že poloměr kružnice má velikost od 2 cm do 10,5 cm.

4. Spoj podle nároku 3, vyznačující se tím, že poloměr kružnice má velikost od 2,2 cm do 4 cm.

• ti ··♦· • · · ti ti «ti titi ♦ ti titititi ti* ti • titititi titititi titititi·· titititi ti tititi «*· «ti·· • titi titi titi · ti ti ti titi ··

5. Spoj podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že vzdálený konec vnitřní plochy čepu je zkosen, přičemž zkosený okraj svírá úhel 18° až 25° s podélnou osou čepu.

6. Spoj podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že první kuželovitá plocha dorazového osazení obsahuje rovinnou část.

7. Spoj podle nároku 6, vyznačující se tím, že uvedená rovinná část prvního kuželovité plochy svírá s podélnou osou trubky úhel od 1° do 15°.

8. Spoj podle nároku 7, vyznačující se tím, že rovinná část svírá úhel od 1,5° do 4°.

9. Spoj podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že druhá kuželovitá plocha dorazového osazení svírá s rovinnou kolmou na podélnou osu trubky úhel od 11° do 20°.

10. Spoj podle nároku 9, vyznačující se tím, že druhá kuželovitá plocha svírá úhel od 11° do 13°.

11. Spoj podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že byl v podstatě shora popsán s odkazem na přiložené obrázky výkresů.