EA007518B1

EA007518B1 - Улучшенное трубное соединение

Info

Publication number: EA007518B1
Application number: EA200500876A
Authority: EA
Inventors: Ян Гарольд Хигнетт
Original assignee: Эйч Эс Си С.А.Л.
Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2003-11-25
Publication date: 2006-10-27
Also published as: MXPA05005722A; GB0327363D0; HK1064430A1; CA2507473A1; EP1565683A1; CN1502836A; CN1296649C; EG26423A; CZ2003312A3; DE60316018D1; CA2507473C; US20050073147A1; GB2396194A; ATE371831T1; JP2006508309A; EA200500876A1; RU2234022C1; ES2295668T3; UA88129C2; EP1565683B8

Abstract

Резьбовое соединение для труб включает первый отрезок (10) трубы, который имеет охватываемую резьбовую часть (11) на одном конце. Второй отрезок (20) трубы имеет на одном конде охватывающую часть с дополняющей резьбой. Эти отрезки трубы приспособлены для свинчивания вдоль большей части осевой длины резьбовых частей, резьбы которых наклонены в одном направлении и под острым углом к продольной оси отрезка трубы. Резьба охватываемой части (11) проходит к упору охватываемой части (15), который примыкает к упору на другой части. Дополняющий упор имеет выемку в форме конического приемного приспособления, имеющего закругленную верхнюю часть. Первая коническая поверхность (13), по существу, параллельная оси трубы, оси конического упора, или оси охватываемой части, или оси конического приемного устройства охватывающей части, включает одну или несколько изогнутых частей (24).

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к соединению труб, в частности, для использования при соединении труб, которые требуются для эксплуатации под землей, например в нефтяной и газовой промышленности. Соединения предназначены для труб, которые подвергаются неравномерно распределенным нагрузкам, перпендикулярным оси трубы.

Предшествующий уровень техники

Для транспортировки жидкого вещества, такого как нефть или газ, между двумя местоположениями самым эффективным способом, если это возможно, является использование трубопроводов. Такие трубопроводы обычно состоят из отдельных труб, соединенных вместе. Также является обычным для трубопровода, по которому транспортируется жидкое вещество, располагаться внутри другого трубопровода, часто называемого кожухом. Кожух служит для защиты транспортирующего трубопровода и для обеспечения легкой установки транспортирующего трубопровода в заданное положение. Кожух также выступает как защитный барьер в случае утечки жидкости из транспортирующего трубопровода, так как утекающая жидкость сохраняется внутри кожуха и предотвращается ее непосредственный контакт с окружающей средой. По этой причине кожух также должен обладать сопротивлением к жидкостям и давлениям, которым подвергаются транспортирующие трубопроводы.

Места, где трубы соединяются, представляют собой области нарушения непрерывности на внутренней и наружной поверхностях трубопровода и являются источниками уязвимых мест в готовом трубопроводе. Это является важным, и делается все возможное, чтобы устранить любые уязвимые места, так как любая потеря жидкости из трубы расточает ресурсы и потенциально разрушительна для окружающей среды. Более того, потеря жидкости может также увеличить риск для персонала от пожара или взрыва. Замена плохо действующих или протекающих соединений труб не всегда является легкой. Особенно в случае нефтяной и газовой промышленности трубопроводы довольно часто располагаются в относительно недоступных местах, и замена является трудной и дорогой.

Соединения между трубами, которые составляют транспортирующий трубопровод или кожух, обычно выполняются с использованием резьбовых соединений на каждой отдельной трубе, которая имеет резьбу, дополнительную к резьбе на примыкающей трубе. Такие соединения устойчивы к большой разнице давления внутри и снаружи трубы. Более того, они также должны оставаться непроницаемыми для жидкости, когда созданный трубопровод из отдельных прямых труб делают изогнутой формы или слегка меняют направление от прямолинейной конфигурации из-за скалистых образований или чего-то подобного.

Обычные трубы имеют тенденцию плохо работать, когда к ним применяют такие изгибающие усилия, то есть в результате уменьшается пропускная способность трубопровода и существует риск утечки в местах таких изгибов.

Целью настоящего изобретения является создание соединения труб, которое устраняет вышеуказанные проблемы и хорошо работает, когда соединяемые трубы не соосны. В описании термин кожух и труба могут быть использованы взаимозаменяемо, кожухом часто обозначают трубу просто большего диаметра, чем та, которую называют трубой.

Сущность изобретения

В соответствии с изобретением создано резьбовое соединение для труб, содержащее первый отрезок трубы, имеющий на одном конце охватываемую резьбовую часть, и второй отрезок трубы, имеющий на одном конце охватывающую часть с дополняющей резьбой, при этом отрезки трубы приспособлены для свинчивания вдоль большей части осевой длины резьбовых частей, резьбы которых наклонены в одном направлении под острым углом к продольной оси отрезка трубы, при этом, по меньшей мере, резьба охватываемой части проходит к дополняющему упору на другой части, и дополняющий упор имеет выемку в форме конического приемного приспособления, имеющего закругленную верхнюю часть, и поверхность конического упора или приемного приспособления, по существу, параллельная оси трубы или оси охватываемой части или оси охватывающей части, включает одну или несколько изогнутых частей. Изогнутые части обеспечивают более надежное уплотнение, которое препятствует отделению охватываемой части от охватывающей части и обеспечивает увеличенные характеристики соединения на изгиб.

Поверхность каждой изогнутой части предпочтительно лежит на окружности круга. Предпочтительно радиус круга 2-10,5 см, и особенно предпочтительно 0,9-1,2.

Предпочтительно дальний конец внутренней поверхности штифта (охватываемой части) резьбового соединения является скошенным, скошенный край расположен под углом 18-25° к оси штифта (охватываемой детали) резьбового соединения. Скошенный край обеспечивает возможность основному телу трубы быть толще, и таким образом прочнее, но поддерживает ровную поверхность трубы вокруг области соединения для сокращения турбулентности, образуемой потоком жидкого вещества.

Предпочтительно первая конусообразная поверхность конического упора, по существу, соосная оси трубы, включает плоские части. Указанные плоские части конической поверхности предпочтительно образуют угол 1-15° с осью трубы, и особенно предпочтительно угол 1,5-4°. Скошенный угол обеспечивает то, что труба является толще, и таким образом увеличивает сопротивление соединения от его открытия.

- 1 007518

Предпочтительно вторая коническая поверхность упора стягивает угол 11-20° с плоскостью, перпендикулярной оси трубы, и особенно предпочтительно с углом 11-13°.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение будет раскрыто со ссылкой на сопутствующие чертежи, которые представляют только один пример предпочтительного варианта осуществления трубного соединения и на которых изображено следующее:

фиг. 1 представляет сечение через упор охватываемой части резьбового соединения;

фиг. 2 представляет сечение через упор охватывающей части;

фиг. 3а-3с представляет иллюстрацию распределения напряжения внутри упора;

фиг. 4а-4с представляют иллюстрацию распределения напряжения пластической деформации, происходящей от напряжения, показанного на фиг. 3а-3с;

фиг. 5а-5с иллюстрируют стойкость трубного соединения, подвергаемого воздействию изгибающих нагрузок и разнице давлений.

Подробное описание изобретения

Фиг. 1 представляет упор 15 охватываемой части или штифт 10 соединения для трубы. В штифте 10 показана конечная вершина 11 профиля резьбы. Штифт 10 имеет внутреннюю поверхность 12, которая при соединении с муфтой 20 резьбового соединения или охватывающей частью (фиг. 2) образует часть внутренней поверхности трубопровода. Охватывающая часть и охватываемая часть имеют резьбовые части (не показаны) вдоль большей части их осевой длины. Эти резьбовые части наклонены в одном направлении под острым углом к продольной оси отрезка трубы. В эксплуатации при приложении момента две резьбовые части свинчиваются, образуя соединение, которое удерживает охватываемую и охватывающую части вместе.

Наружная поверхность 13 имеет, по существу, прямое сечение, слегка сужающееся под углом приблизительно 2° от вершины 11 по направлению к верхней части 14 упора 15. Наружная поверхность 13 входит в зацепление с соответствующей поверхностью 22 муфты, образуя закрывающую поверхность, при свинчивании двух труб вместе.

Из-за особенностей, описанных ниже, конусность поверхности 13 составляет только 2° от оси трубы. Это обеспечивает возможность дальнему концу штифта 10 резьбового соединения более высокую прочность, чем у обычных труб. Таким образом, внешнее давление проникает между резьбой охватываемой и охватывающей части трубного соединения и стремится разъединить эти две части, но соединение препятствует этому благодаря упрочняющему эффекту на штифте 10. Углы, которые могут быть использованы в настоящем изобретении, - 1-15°, и особенно 1,5-4°.

Упор 15 имеет закрывающую поверхность 16, которая входит в контакт с соответствующей поверхностью муфты 20, и таким образом образует дополнительное уплотнение для предотвращения утечки жидкости через соединение. Закрывающая поверхность 16 связана с наружной поверхностью 13 загнутой частью 14. Закрывающая поверхность 16 расположена под углом 12° к плоскости, перпендикулярной основной оси штифта 10. Упор 15, таким образом, имеет коническую часть, образованную поверхностями 13, 14 и 16 с основанием конической части, по существу, вдоль штрихованной линии Е на фиг. 1. Изза улучшенных уплотняющих свойств соединения угол, который эта поверхность образует с плоскостью, является более отлогим, чем в обычных соединениях. Таким углом может быть угол 11-20°.

Штифт 10 входит в зацепление с дополняющей муфтой на отрезке трубы, к которой он присоединяется. Муфта 20 имеет внутреннюю поверхность 21, которая вместе с поверхностями 12, 17 образует внутреннюю поверхность трубопровода при соединении труб вместе. Муфта 20 имеет несколько поверхностей 22, 23, которые вместе образуют упор, имеющий выемку (включенную внутри ограниченной штрихованной линией О на фиг. 2), дополняющую по форме часть упора 15 штифта 10, и которые входят в зацепление со штифтом 10 для образования ряда уплотняющих поверхностей. Образованная выемка имеет, по существу, коническое сечение с закругленной верхней частью 24. Продольная уплотняющая поверхность входит в контакт с соответствующей продольной уплотняющей поверхностью. Поверхность 22 (муфты) включает выпуклую часть 22А. Выпуклая часть 22А предусматривает перераспределение нагрузок внутри частей трубы при свинчивании вместе штифта 10 и муфты 20.

При приложении момента для свинчивания двух труб вместе выпуклая поверхность вызывает напряжения, образуемые внутри упора, которые должны быть распределены таким образом, чтобы напряжение, в первую очередь, концентрировалось в области вокруг выпуклой поверхности 22А. Напряжение, таким образом, распределяется к области внутри штифта 10 и муфты 20 с большим сопротивлением, и напряжения, возникающие здесь, следовательно, причиняют меньше вреда.

Поверхность поперечного сечения выпуклой поверхности 22А лежит на окружности, имеющей радиус приблизительно 2,5 см, хотя радиус 2-10,5 см найден приемлемым.

Штифт 10 включает скошенную поверхность 17, соединяющую поверхности 12 и 16. В эксплуатации скошенная поверхность 17 была бы подвержена напряжению в направлении к центру образуемой трубы. Деформация была бы достаточной для получения в результате гладкой поверхности, образованной поверхностями 12, 17, 21 внутри трубы.

Фиг. 3а-3с представляют рассчитанное напряжение, вызванное в соединении в области упора. На

- 2 007518 этих фигурах более темный цвет отмечает, что конкретная область находится под большим напряжением. Центр выпуклой поверхности имеет координаты 0,165 см, 22,05 см и координаты поверхности на фиг. 3Ь - 0,292 см, 22,05 см. В этих координатах ось х относится к оси х, показанной на фиг. 2, со ссылкой на воображаемую точку А. Координата у вычисляется от центра трубы.

Муфта соединений, показанных на фиг. 3а и 3Ь, включает выпуклую поверхность радиусом 2,5 см. Два первостепенных различия могут быть видимы в распределении напряжения между двумя соединениями в соответствии с изобретением и соединением в соответствии с известным уровнем техники на фиг. 3с. В первую очередь, напряжения в соединениях, которые имеют выпуклые части, находятся в двух областях, причем первая область расположена вокруг уплотняющих краев 31. Второй областью являются тогда две доли 30 напряжения на одной или другой части трубы, по существу, на значительном расстоянии от уплотняющей поверхности.

Можно видеть, что доли 30 напряжения выдаются радиально в тело штифта и муфты. В результате уплотнение становится прочнее, чем у обычных соединений, относительно сопротивления изгибающих нагрузок. Эффект от этого показан в соединении как результат приложенного момента. На фиг. 3а-3с более темные области обозначают области с высокой степенью деформации. В соединении в соответствии с известным уровнем техники на фиг. 4с пластическая деформация может быть видима и находится, в первую очередь, в области 45 уплотняющих поверхностей 16 и 23, с маленьким значением 46 на плоской поверхности 13, относительно близко к закругленной верхней части 14.

Эта пластическая деформация приводит к значительному ослаблению уплотнения, образованного поверхностями 16, 23.

Более того, уплотнение вдоль этой оси не допускает разъединения двух упоров врозь от внешнего давления, проникающего через резьбу, и, таким образом, разрушения уплотнения.

Для контраста, пластическая деформация, создаваемая в соответствующих областях 42, 44 соединений, показанных на фиг. 4а и 4Ь, относительно меньше в этих областях, с соответствующим уменьшением вреда для уплотнения, образованного этими уплотняющими поверхностями. Более того, хотя небольшое количество пластической деформации показано в областях, которые, как видно на фиг. 3 а и 3Ь, находятся под большим напряжением, относительно небольшая деформация означает наличие прочного уплотнения.

Без ограничения специальной теорией, дальнейшее основание, что выпуклые части улучшают прочность соединения и его сопротивление ослаблению от изгиба, изложено ниже.

Предполагается, что эта поверхность вызывает напряжение, возникающее в результате соединения двух отрезков трубы, которое должно концентрироваться в области соединения в стороне от уплотняющей поверхности 16, 23. Концентрация, по существу, сохраненной энергии обеспечивает очень прочное уплотнение и то, что эта энергия концентрируется в относительно прочных частях трубы, которые являются стойкими к пластической деформации.

Хотя выпуклая поверхность 22 показана имеющей поверхность, лежащей на окружности круга, она также может иметь форму ряда других закругленных поверхностей, таких как эллипс, раскрывающий изгиб которого имеет обобщенную формулу х²/а²+у²/Ь²=1. Поверхность также может быть образована без плоскостных частей 24, в этом случае поверхность между верхней частью 14 и основанием вершины 11 является просто выпуклой.

Как альтернатива, поверхность 13 между верхней частью 14 и основанием вершины 11 может включать более чем одну выпуклую поверхность, которая могла бы иметь или могла бы не иметь, по существу, плоскую часть между ними.

Улучшенные рабочие характеристики уплотнений, использующих изогнутую уплотняющую поверхность, показаны на фиг. 5а-5с, причем уплотнения, показанные на этих фигурах, соответствуют представленным на фиг. 3а-3с. Эти фигуры представляют модели реакций соединений трубы на разницу между внутренним и внешним давлением трубы и изгибаемой трубы. Затененные области соответствуют комбинациям изгибающих нагрузок и разницы давления, где соединение является прочным. Чернильные более темные области соответствуют соединениям трубы, в которых оси отдельных труб, соединенных вместе, уже не соосны. Как может быть видно из фиг. 5а и 5Ь, области с прочным соединением проходят над большой зоной долей напряжения и разницы давлений. Это результаты приведенного в сравнении с реакцией трубного соединения в соответствии с известным уровнем техники, показанным на фиг. 5с, который является прочным только в узкой зоне первого квадранта графика.

Скошенная поверхность может включать вогнутую часть, по меньшей мере, вдоль части ее длины, чтобы обеспечить более гладкое соединение и уменьшить турбулентность потока жидкости, протекающей через трубу.

Конечно, понятно, что изобретение не ограничено специфическими подробностями, раскрытыми здесь, которые даны только путем примера, и что различные модификации и альтернативные варианты возможны с объемом приложенной формулы изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Резьбовое соединение для труб, содержащее первый отрезок трубы или штифт (10), имеющий на одном конце охватываемую резьбовую часть (11), и второй отрезок трубы или муфту (20), имеющую на одном конце охватывающую часть, имеющую дополняющую резьбу, при этом эти отрезки трубы приспособлены для свинчивания вдоль большей части осевой длины резьбовых частей, резьбы которых наклонены в одном направлении и под острым углом к продольной оси отрезка трубы, при этом резьба охватывает часть и проходит к упору (15) охватываемой части, примыкающему к дополняющему упору на другой части, и дополняющий упор имеет выемку в форме конического приемного приспособления, которое имеет закругленную верхнюю часть (24), отличающееся тем, что первая коническая поверхность (13, 22), по существу, параллельна оси трубы, оси конического упора охватываемой части или оси конического приемного приспособления охватывающей части, включает одну или несколько изогнутых частей.

2. Соединение по п.1, отличающееся тем, что поверхность каждой изогнутой части лежит на окружности круга.

3. Соединение по п.2, отличающееся тем, что радиус круга находится в пределах 2-10,5 см.

4. Соединение по п.3, отличающееся тем, что радиус круга находится в пределах 2,2-4 см.

5. Соединение по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что удаленный конец (17) внутренней поверхности штифта является скошенным и скошенный край имеет угол наклона к продольной оси штифта, равный 18-25°.

6. Соединение по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что первая коническая поверхность упора включает плоскую часть.

7. Соединение по п.6, отличающееся тем, что плоская часть первой конической поверхности образует угол с продольной осью трубы, равный 1-15°.

8. Соединение по п.7, отличающееся тем, что указанный угол равен 1,5-4°.

9. Соединение по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что вторая коническая поверхность (16) упора образует угол с плоскостью, перпендикулярной продольной оси трубы, равный 11-20°.

10. Соединение по п.9, отличающееся тем, что указанный угол равен 11-13°.