EA003431B1

EA003431B1 - Резьбовое трубное соединение

Info

Publication number: EA003431B1
Application number: EA200200756A
Authority: EA
Inventors: Ян Гарольд Хигнетт
Original assignee: Эйч Эс Си С.А.Л.
Priority date: 2000-01-13
Filing date: 2001-01-12
Publication date: 2003-04-24
Also published as: WO2001051840A1; US20030001388A1; EP1252462B1; EA200200756A1; AU2001225343A1; CZ20022671A3; US6595557B2; UA73154C2; GB0000642D0; EP1252462A1; DE60128892D1; GB2358228B; ATE364812T1; CZ298295B6; GB2358228A

Abstract

Резьбовое трубное соединение, которое имеет охватываемый резьбовой участок (11) и охватывающий участок, имеющий дополнительную резьбу (13). Охватываемая резьба (11), которая нарезана до положения, смежного с дополнительным стопорным заплечиком (18) на охватывающем участке, имеет выемку конического поперечного сечения с закругленной вершиной. Выемка приспособлена для приема головной части, имеющей коническое поперечное сечение с закругленной вершиной, радиус кривизны которой превышает радиус кривизны вершины выемки, что позволяет обеспечивать уплотнение с улучшенными свойствами рассеивания напряжений, возникающих при приложении вращающего момента. Стенка конуса обращенной наружу поверхности на охватываемом участке (11) может образовывать угол 28-36° с продольной осью трубы. Соответствующая стенка конуса на охватывающем участке может образовывать угол 28-38° с этой же осью. Охватываемый участок (11) может иметь вторую поверхность рассеивания напряжений, которая имеет вогнутую форму.

Description

Настоящее изобретение относится к соединению для труб друг с другом, в частности, проложенных под землей труб, например, для транспортировки газа или нефти.

Для транспортировки между двумя местоположениями текучей среды, такой как нефть или природный газ, наиболее эффективным является использование трубопроводов, если это возможно. Такие трубопроводы обычно состоят из отдельных труб, соединенных вместе. Области стыка труб образуют разрывы как во внутренней, так и во внешней поверхности трубопровода, которые являются источниками непрочности законченного трубопровода.

Важно, чтобы любой такой источник непрочности был по возможности минимальным, так как любая утечка текучей среды из трубы является одновременно расточением ресурсов и потенциально опасной для окружающей среды. Более того, утечка текучей среды создает риск возгорания или взрыва, опасного для людей. Замена неэффективных или имеющих утечку элементов соединения не всегда является простой. В частности, в случае трубопроводов для транспортировки нефти или газа, они часто пролегают в отдаленных районах, поэтому замена становится трудной и дорогостоящей.

Для решения проблемы непрочности уже предложен ряд решений. Наиболее известным решением является использование резьбового соединения, в котором нити резьбы предотвращают разделение индивидуальных труб как в осевом, так и в радиальном направлениях.

Образованные соединения в первую очередь должны быть сконструированы таким образом, чтобы не было никакой утечки текучей среды из трубы. Они также должны выдерживать большие перепады давления по радиальной ширине стыка, причем перепад давления обычно имеет положительный компонент в радиальном направлении наружу.

Резьбовое соединение образуется за счет ввода в зацепление двух резьбовых участков, предусмотренных по одному на каждой из соединяемых вместе труб. Ввод в зацепление обычно обеспечивается за счет приложения вращающего момента. Два резьбовых участка обычно выполняются таким образом, что их резьбы являются дополняющими друг друга.

В патенте СВ 1 587 836 (УА1.1.ОЫШС) описано винтовое соединение для труб, в котором стопорный заплечик на одной трубе взаимодействует с дополнительным стопорным заплечиком на другой трубе и образует уплотнение.

Такое уплотнение имеет ряд недостатков. Прежде всего, материал, из которого изготовлены стопорные заплечики, деформируется под действием высокого вращающего момента, приложенного при свинчивании труб вместе. Поэтому, если не принять мер предосторожности, может возникать сдвиг материала или коробле ние в месте стыка. Во-вторых, образованные стыки могут иметь ступенчатую неоднородность при переходе от одной секции трубы к другой.

Задачей настоящего изобретения является создание резьбового соединения, которое не имеет указанных недостатков.

В соответствии с настоящим изобретением создано резьбовое соединение для труб, которое содержит первый отрезок трубы, имеющий на одном конце охватываемый резьбовой участок, и второй отрезок трубы, имеющий на одном конце охватывающий участок, который имеет дополнительную резьбу, причем эти участки выполнены с возможностью взаимного входа в зацепление вдоль большей части осевой длины резьбовых участков, при этом резьбы этих участков наклонены в одном и том же направлении и под острым углом к продольной оси отрезка трубы, причем, по меньшей мере, охватываемая резьба проходит до положения, смежного с дополнительным стопорным заплечиком на другом участке, отличающееся тем, что каждый дополнительный стопорный заплечик имеет выемку в виде конуса, имеющую закругленную вершину, причем выемка выполнена с возможностью плотного введения в нее головки в виде конуса, имеющей закругленную вершину, с радиусом, несколько превышающим радиус выемки, за счет чего создается поверхность уплотнения с повышенными свойствами рассредоточения напряжений, возникающих при приложении к соединению вращающего момента.

Стенка конуса на используемой внешней поверхности охватываемого резьбового участка предпочтительно образует угол от 28 до 36° относительно продольной оси трубы. Стенка конуса предпочтительно образует угол от 30 до 33° относительно продольной оси трубы, и более предпочтительно, образует угол 30°.

Соответствующая стенка конуса на охватывающем резьбовом участке предпочтительно образует угол от 28 до 38° с продольной осью охватываемого резьбового участка. Угол, образованный стенкой конуса охватывающего резьбового участка, предпочтительно превышает угол, образованный стенкой конуса охватываемого резьбового участка.

Охватываемый резьбовой участок предпочтительно имеет поверхность рассредоточения напряжения, соединяющую стопорный заплечик с первой нитью резьбы шпильки. Поверхность рассредоточения напряжения предпочтительно представляет собой вогнутую поверхность.

Радиус кривизны вогнутой кривой поверхности рассредоточения напряжения преимущественно составляет от 0,075 до 0,085 см, и более предпочтительно 0,081 см.

Охватываемый резьбовой участок предпочтительно имеет концевой заплечик, который образует угол от 14 до 24° с плоскостью, пер3 пендикулярной к продольной оси трубы. Концевой заплечик предпочтительно образует угол от 18 до 20°, и более предпочтительно, угол 20°.

Концевой заплечик охватывающего резьбового участка предпочтительно образует угол 12-24° с плоскостью, перпендикулярной к продольной оси охватываемого резьбового участка, и более предпочтительно угол от 14 до 18°. Угол, образованный концевым заплечиком охватывающего резьбового участка, предпочтительно меньше угла, образованного концевым заплечиком охватываемого резьбового участка.

Когда производят осевое сжатие соединения, охватываемый резьбовой участок имеет тенденцию выпучиваться внутрь за счет направленных внутрь радиальных сил, создаваемых сжатием.

Созданная таким образом деформация известна как бочкообразная деформация.

Используемая внутренняя поверхность стопорного заплечика предпочтительно является вогнутой для снижения влияния бочкообразной деформации. Радиус вогнутой поверхности предпочтительно составляет от 4,9 до 5,2 см, и более предпочтительно, 5,1 см.

Настоящее изобретение далее будет описано более подробно со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых в качестве примера показаны два варианта резьбового соединителя для трубы.

На фиг. 1 изображено осевое сечение резьбового соединения между шпилькой и муфтой.

На фиг. 2 изображено в более крупном масштабе осевое сечение стопорного заплечика шпильки фиг. 1.

На фиг. 3 изображено осевое сечение второго варианта стопорного заплечика шпильки.

На фиг. 4 изображено осевое сечение шпильки и муфтового соединения.

На фиг. 1 показана шпилька 10, имеющая резьбу 11 и ввинченная по резьбе в муфту 12, имеющую соответствующую резьбу 13. Введение в зацепление шпильки 10 с муфтой 12 образует соединение. Шпилька 10 и муфта 12 имеют конусность в направлении их соответствующих концов 14, 15, таким образом, что полная ширина стенки трубы в области 16 остается, по существу, постоянной. Стопорный заплечик 17 на шпильке 10 входит в зацепление с соответствующим стопорным заплечиком 18 на муфте 12 с образованием уплотнения.

Для образования соединения два резьбовых участка 11, 13 вводят в зацепление за счет приложения вращающего момента к двум трубам и ввинчивают их друг в друга, пока не образуется уплотнение за счет контакта между поверхностями 19, 20, 21 стопорного заплечика 17 и соответствующими поверхностями 22, 23, 24 стопорного заплечика 18.

Стопорный заплечик шпильки 10 показан более детально на фиг. 2. Шпилька 10 имеет на одном конце стопорный заплечик 31, по суще ству, в виде усеченного конуса. Стопорный заплечик 31 имеет несколько поверхностей 32, 33, 34, которые входят в зацепление с соответствующим стопорным заплечиком муфты. Между поверхностью 33 и концевым заплечиком 34 стопорный заплечик является изогнутым и имеет радиус кривизны 0,036 см. Поверхность 33 образует угол 30° с продольной осью шпильки 10. Более того, концевой заплечик 34 образует угол 20° с плоскостью, перпендикулярной к продольной оси шпильки 10. Стопорный заплечик имеет головную часть, которая имеет коническое поперечное сечение с изогнутой вершиной, причем границы конического сечения определены с помощью боковых стенок 33 и 34.

Поверхность 37, которая соединяет стенку 35 резьбы 36 с поверхностью 32, является изогнутой, причем поверхность 37 имеет радиус кривизны 0,081см.

На фиг. 3 показан дополнительный вариант конструкции шпильки, описанной ранее со ссылкой на фиг. 2. В этом варианте шпилька 40 содержит дополнительно изогнутую поверхность 41, которая имеет радиус кривизны 5,08 см. Кривизна выбрана таким образом, что при приложении вращающего момента к шпильке 40, соединенной с муфтой, напряжение, создаваемое вращающим моментом, обеспечивает внутреннюю радиальную силу, изгибающую шпильку 40 таким образом, что поверхность 41 смещается в положение заподлицо с муфтой. За счет этого поток текучей среды через трубу не прерывается выступами или разрывами в трубе.

Следует отметить, что разрывы приводят к образованию вихрей в потоке текучей среды, при этом требуется больше энергии для транспортировки текучей среды по трубе. Более того, нарушения непрерывности обычно более подвержены, чем другие участки поверхности, химическому или физическому воздействию от транспортируемой текучей среды, что в результате снижает их стойкость к коррозии от текучей среды.

На фиг. 4 показан другой вид соединения шпильки с муфтой в соответствии с настоящим изобретением. Поверхность 51 шпильки 50 имеет радиус кривизны 0,036 см. Этот радиус кривизны превышает радиус кривизны соответствующей изогнутой поверхности 52 муфты 53, который равен 0,030 см. Результирующий зазор 54, полученный за счет разницы кривизны, может быть использован в ходе процесса соединения. Так как поверхности 51 и 52 не входят в контакт друг с другом до тех пор, пока не произведен правильный вход в зацепление шпильки с муфтой, напряжение в этих областях поддерживается минимальным возможно дольше. После того, как осуществлен правильный вход в зацепление шпильки 50 с муфтой 53, прикладывают дополнительный вращающий момент, при этом материал, из которого изготовлена труба, начинает испытывать пластическую деформа цию за счет приложенного к нему высокого напряжения. В этом случае зазор 54 может быть использован для входа в него материала, испытывающего такую пластическую деформацию. Кроме улучшения уплотнения течение материала в пустое пространство приводит к исключению появления любых дополнительных напряжений в муфте или в шпильке. Это обычно относится к случаю, когда заплечик шпильки не обладает возможностью достаточно свободного деформирования. Дополнительное преимущество наличия разницы кривизны состоит в том, что она позволяет более легко производить перемещение внутрь области уплотнения соединения, что также снижает не являющееся необходимым напряжение.

Описанные выше характеристики, индивидуально или в сочетании друг с другом, позволяют уменьшать области высокого напряжения, которые имеются в стопорном заплечике, когда трубу, на которой он расположен, соединяют с другой трубой. Эти характеристики позволяют рассеивать энергию, передаваемую к стопорному заплечику при приложении вращающего момента, в более широкой области вдоль стопорного заплечика и в области резьбы.

Не вводя никакой ограничивающей теории, можно однако полагать, что введение описанных выше характеристик позволяет производить перераспределение напряжений, возникающих за счет приложения вращающего момента к соединению. Следует отметить, что ориентировочно 80-95% напряжений концентрируются в зоне уплотнения соединения. Энергия, накопленная в этой зоне, снижает нежелательную пластическую деформацию материала, из которого изготовлены трубы.

Более того, в результате действенного контроля неправильного зацепления по всей длине резьбы, а в особенности в корне шпильки, в верхней части соединения и по бокам нагрузки, и за счет улучшенной геометрии уплотнения, соединение способно воспринимать более высокий вращающий момент, что, в свою очередь, улучшает параметры сжатия соединения.

Несмотря на то, что, как это показано на фиг. 4, стенки 55, 56 шпильки являются параллельными стенкам 57, 58 муфты и ограничивают один и тот же угол, это не является обязательным, причем в различных вариантах настоящего изобретения полезным является наличие различных углов. Например, в одном из предпочтительных вариантов (не показан), поверхность охватывающего резьбового участка, которая соответствует поверхности 33 на фиг. 2, образует угол 32°, а соответствующая поверхность заплечика 34 образует угол 18°.

Вообще поверхность 33 может образовывать угол от 28 до 36° с продольной осью трубы, в то время как соответствующая поверхность охватывающего резьбового участка может образовывать угол от 28 до 38°.

Аналогично, заплечик 34 может образовывать угол от 14 до 24° с плоскостью, перпендикулярной к продольной оси трубы, в то время как соответствующий заплечик охватывающего резьбового участка может образовывать угол от 12 до 24°.

Разница углов снижает изгибающее напряжение в зоне уплотнения, возникающее при приложении вращающего момента, и позволяет более эффективным образом использовать энергию вращающего момента.

Стопорные заплечики могут быть использованы при изготовлении труб из самых различных материалов, соответствующих промышленным стандартам.

Трубы обычно делают из стали, причем используют марку стали, обычно применяемую для изготовления трубопроводов. В качестве примера можно указать следующие марки (в соответствии со стандартной номенклатурой), подходящие для использования в соответствии с настоящим изобретением: К55, 155. N80, Ь80, С90, С95, ΡΙ 10 и ф125. Трубы перед их использованием также могут быть подвергнуты обработке для защиты поверхности от истирания.

Полная ширина трубы обычно составляет от 3,8 до 12,7 см на полном диаметре, а преимущественно от 6,0 до 11,5 см.

Несмотря на то, что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят однако за рамки приведенной далее формулы изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Резьбовое соединение для труб, содержащее первый отрезок трубы (10), имеющий охватываемый резьбовой участок (11) на одном конце, и второй отрезок трубы (12), имеющий на одном конце охватывающий участок, который имеет дополнительную резьбу (13), причем участки выполнены с возможностью взаимного входа в зацепление вдоль большей части осевой длины резьбовых участков (11, 13), при этом резьбы участков наклонены в одном и том же направлении и под острым углом к продольной оси отрезка трубы, причем охватываемая резьба (11) проходит, по меньшей мере, до стопорного заплечика (31), имеющего головную часть, которая расположена вблизи от дополнительного стопорного заплечика на охватывающем участке, отличающееся тем, что дополнительный стопорный заплечик имеет конусный приемник, имеющий конусное поперечное сечение и закругленную вершину приемника, причем конусный приемник выполнен с возможностью плотного введения в него головной части, имеющей конусное поперечное сечение и закругленную вершину, с радиусом, несколько превышающим радиус вершины конусного приемника, за счет чего создается поверхность уп

Ί лотнения при приложении к соединению вращающего момента.
2. Резьбовое соединение по п.1, отличающееся тем, что обращенная наружу стенка конуса (33) головной части образует угол от 28 до 36° с соответствующей продольной осью соединения.
3. Резьбовое соединение по п.2, отличающееся тем, что стенка конуса (33) образует угол от 30 до 33° с соответствующей продольной осью соединения.
4. Резьбовое соединение по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что обращенная внутрь стенка конуса (22) конусного приемника образует угол от 28 до 38° относительно продольной оси соединения.
5. Резьбовое соединение по одному из пп.1-4, отличающееся тем, что угол, образованный обращенной внутрь стенкой конуса (22) конусного приемника, превышает угол, образованный обращенной наружу стенкой конуса (33) головной части.
6. Резьбовое соединение по одному из пп.1-5, отличающееся тем, что охватываемый резьбовой участок содержит вторую поверхность рассеивания напряжений (37), которая соединяет стопорный заплечик (31) с резьбой (36) трубы.
7. Резьбовое соединение по п.6, отличающееся тем, что поперечное сечение второй поверхности рассеивания напряжений (37) имеет вид вогнутой кривой, взаимодействующей продольно со стопорным заплечиком (31).
8. Резьбовое соединение по п.7, отличающееся тем, что радиус кривизны вогнутой кривой второй поверхности рассеивания напряжений (37) лежит в диапазоне от 0,075 до 0,085 см.
9. Резьбовое соединение по п.8, отличающееся тем, что радиус кривизны вогнутой поверхности второй поверхности рассеивания напряжений (37) превышает 0,081см.

ж-----------------1

Ζ4 12 I β ...... /5* „„„„1 22- '3 _ _| тг 23 2 \ к ц II \ 10

Фиг. 1
10. Резьбовое соединение по одному из пп.1-9, отличающееся тем, что охватываемый резьбовой участок (10) содержит концевой заплечик (34), который образует угол от 14 до 24° относительно плоскости, перпендикулярной к продольной оси трубы.
11. Резьбовое соединение по п.10, отличающееся тем, что концевой заплечик (34) образует угол от 18 до 20° относительно плоскости, перпендикулярной к продольной оси трубы.
12. Резьбовое соединение по одному из пп.111, отличающееся тем, что охватывающий резьбовой участок (12) содержит концевой заплечик (23), который образует угол 12-24° относительно плоскости, перпендикулярной к продольной оси охватываемого резьбового участка.
13. Резьбовое соединение по п.12, отличающееся тем, что концевой заплечик охватывающего резьбового участка (12) образует угол от 14 до 18° с плоскостью, перпендикулярной к продольной оси охватываемого резьбового участка.
14. Резьбовое соединение по п.12 или 13, отличающееся тем, что угол, образованный концевым заплечиком (23) охватывающего резьбового участка, меньше чем угол, образованный концевым заплечиком (34) охватываемого резьбового участка.
15. Резьбовое соединение по одному из пп.114, отличающееся тем, что внутренняя поверхность (41) стопорного заплечика (31) охватываемого резьбового участка является вогнутой, видимого изнутри трубы.
16. Резьбовое соединение по п.15, отличающееся тем, что радиус вогнутой поверхности (41) составляет от 4,9 до 5,2 см.
17. Резьбовое соединение по п.16, отличающееся тем, что радиус вогнутой поверхности (41) составляет 5,1 см.