EA021308B1 - Резьбовое соединение для стальных труб - Google Patents

Abstract

Резьбовое соединение для стальных труб, содержащее ниппель (1) и муфту (2), которые имеют резьбовой участок (11 или 21), уплотняющую поверхность (13 или 23) и выступающую поверхность (14, 15 или 24, 25), при этом уплотняющая поверхность (13) ниппеля (1) образована сужающейся поверхностью, а уплотняющая поверхность (23) муфты (2) образована первой изогнутой поверхностью с большим радиусом кривизны в диапазоне 15-120 мм, сужающейся поверхностью и второй изогнутой поверхностью с большим радиусом кривизны опять же в диапазоне 15-120 мм.

Description

Изобретение, в целом, относится к резьбовому соединению, используемому для сочленения стальных труб, например труб нефтепромыслового сортамента, включая трубы и обсадные колонны, применяемые для разведки и добычи сырой нефти и природного газа, стояки и трубопроводные трубы. Более конкретно, настоящее изобретение относится к резьбовому соединению для стальных труб, содержащему резьбовой участок, уплотняющую поверхность, выступающую поверхность и имеющему отличную герметичность, устойчивую к давлению.

Предшествующий уровень техники

Резьбовые соединения для стальных труб, широко используемые для сочленения стальных труб, применяемых в оборудовании нефтедобывающих отраслей, например труб нефтепромыслового сортамента и стояков, образованы ниппелем, который является элементом с охватываемой или внешней резьбой, выполненной на конце первого трубчатого элемента, и муфтой, которая представляет собой элемент с охватывающей или внутренней резьбой, выполненной на конце второго трубчатого элемента. Сочленение резьбового соединения осуществляется посредством резьбового зацепления охватываемой резьбы и охватывающей резьбы, которые представляют собой сужающуюся резьбу.

Обычно первый трубчатый элемент представляет собой трубу, например стальную трубу, используемую в качестве трубы нефтепромыслового сортамента, а второй трубчатый элемент представляет собой отличный элемент в виде муфты. Этот тип резьбового соединения для стальных труб называется муфтовым соединением. В муфтовом соединении на обоих концах трубы имеется ниппель, а муфта расположена по обеим сторонам муфтового соединения. Существуют также неразъемные резьбовые соединения для стальных труб, в которых ниппель выполнен на внешней поверхности на одном конце трубы, а муфта находится на внутренней поверхности другого конца трубы. В этом случае первый трубчатый элемент представляет собой первую трубу, а второй трубчатый элемент представляет собой вторую трубу, и две трубы соединены без муфтового соединения.

Трубы нефтепромыслового сортамента обычно сочленены друг с другом с использованием стандартных резьбовых соединений, предписанных стандартами Американского института нефти.

Однако в последние годы, поскольку условия, в которых ведутся земляные работы и добыча сырой нефти и природного газа, становятся все более тяжелыми, все более широко используются специальные высококачественные резьбовые соединения, называемые высокогерметичными соединениями.

В высокогерметичном соединении ниппель и муфта имеют в дополнение к сужающейся резьбе, позволяющей скрепить ниппель и муфту, уплотняющую поверхность, расположенную на периферийной поверхности в непосредственной близости от резьбы, и выступающую поверхность, которая при сочленении соединения выполняет роль стопора. Между уплотняющими поверхностями ниппеля и муфты осуществляется взаимное радиальное воздействие. При затяжке соединения, которое производят до тех пор, пока поверхности выступов ниппеля и муфты не упрутся друг в друга, уплотняющие поверхности обоих элементов плотно соприкасаются друг с другом по всей периферии соединения таким образом, что образуют уплотнение посредством контакта металл-металл. Выступающие поверхности при затяжке не только функционируют как стопоры, но и подвергаются сжимающей нагрузке, воздействующей на соединение.

На фиг. 7(А) и 7(В) изображены схематичные пояснительные виды типового муфтового высокогерметичного резьбового соединения для стальных труб, при этом фиг. 7(В) представляет собой общий вид, а фиг. 7(А) представляет собой увеличенный вид участка соединения. Как показано на фиг. 7(А) и 7(В), этот тип резьбового соединения для стальных труб имеет ниппель 1, который является элементом с охватываемой резьбой, расположенным на концевом участке трубы, и муфту 2, которая является соответствующим элементом с охватывающей резьбой, расположенным по обе стороны муфтового соединения. На своей внешней поверхности ниппель 1 имеет сужающуюся охватываемую резьбу 11 и нерезьбовой цилиндрической крайний участок, называемый скосом 12 ниппеля (далее именуемый скошенным участком), смежным с охватываемой резьбой 11. Скошенный участок 12 имеет уплотняющую поверхность 13 на внешней периферии и выступающую поверхность 14 в своей концевой части. Уплотняющая поверхность 13 представляет собой сужающуюся поверхность (поверхность в виде усеченного конуса), которая постепенно уменьшается в диаметре к краю ниппеля.

Соответственно, муфта 2 имеет на своей внутренней поверхности сужающуюся охватывающую резьбу 21, уплотняющую поверхность 23 и выступающую поверхность 24, которая может с помощью резьбы вступать в зацепление или контакт, или плотно примыкать к сужающейся охватываемой резьбе 11, металлической уплотняющей поверхности 13 и выступающей поверхности 14 соответственно ниппеля 1. Как показано на фигуре, скошенный участок, имеющий выступающую поверхность в своей концевой части, в большинстве случаев расположен на краю ниппеля. Между ниппелем и муфтой на конце скошенного участка, смежного к охватываемой резьбе, имеется зазор 31 для сбора жидкости или полутвердой смазки, нанесенной на поверхность ниппеля и/или муфты для того, чтобы предотвратить истирание, и просочившейся с обработанной ею поверхности при затяжке (установке) соединения из-за плотного контакта резьбы и уплотняющих поверхностей ниппеля и муфты.

Ранее вертикальные скважины были доминирующими. В таких скважинах резьбовое соединение

- 1 021308 для стальных труб было достаточно качественным, если оно могло выдерживать растягивающие нагрузки, вызванные весом сочлененных с ним труб, и если оно могло предотвратить утечку проходящей внутри него текучей среды высокого давления. Однако в последние годы с увеличением глубины скважин и возрастанием количества наклонных или горизонтальных скважин с изогнутым подземным стволом, а также увеличением случаев разработки скважин в тяжелых условиях, например, на больших морских глубинах или в полярных регионах, появился значительный спрос на увеличение сопротивления сжатию и усовершенствование герметичности резьбовых соединений для стальных труб, особенно, по отношению к внутреннему и внешнему давлению.

В целях повышения устойчивости к сжатию и герметичности высокогерметичного резьбового соединения в условиях внутреннего и внешнего давления в патентном документе νθ 2004/109173 (далее именуемом патентным документом 1) предложено резьбовое соединение для стальных труб, которое, как показано на фиг. 2, имеет расширенный скошенный участок, включающий в себя носовой участок 16 между уплотняющей поверхностью 13 и выступающей поверхностью 14 на конце ниппеля 1. Носовой участок 16 ниппеля 1 образует бесконтактную область 18, в которой противоположные поверхности ниппеля 1 и муфты 2 не соприкасаются друг с другом. С другой стороны, уплотняющие поверхности 13 и 23 и выступающие поверхности 14 и 24 ниппеля и муфты соприкасаются друг с другом. Удлиняя скошенный участок ниппеля 1 так, чтобы образовать носовой участок 16, имеющий бесконтактную область 18 с цилиндрической наружной поверхностью, который не соприкасается с муфтой между концевой поверхностью и уплотняющей поверхностью 13 ниппеля, можно увеличить толщину стенки скошенного участка и, соответственно, толщину стенки выступающей поверхности и уплотняющей поверхности в рамках, накладываемых ограниченной толщиной стенки трубы, а также заметно увеличить сопротивление сжатию резьбового соединения для стальных труб и его способность к образованию уплотнения, устойчивого к внутреннему и внешнему давлению.

Как описано в патентном документе 1 и показано на фиг. 4, уплотняющая поверхность муфты может иметь форму, включающую в себя сочетание тороидальной поверхности К (поверхности, образованной вращением дуги вокруг центра оси соединения) на стороне уплотняющей поверхности ближе к резьбовому участку и сужающейся поверхности ТА (поверхности, образованной вращением прямой вокруг центра оси соединения) на стороне уплотняющей поверхности ближе к выступу, в то время как уплотняющая поверхность ниппеля образована сужающейся поверхностью предпочтительно с тем же наклоном, что и у сужающейся поверхности ТА муфты. Эта форма может увеличить стабильность контактного давления уплотняющих поверхностей ниппеля и муфты при различных условиях эксплуатации.

Фиг. 5 представляет собой схематичный вид, на котором показаны различные формы уплотняющей поверхности муфты, соприкасающейся с сужающейся формой уплотняющей поверхности ниппеля. На фиг. 5 (А) показан вариант, где уплотняющая поверхность муфты образована исключительно сужающейся поверхностью ТА, на фиг. 5(В) показан вариант, где она образована исключительно изогнутой поверхностью К, и на фиг. 5(С) показан вариант, где она образована сочетанием сужающейся поверхности ТА и изогнутой поверхности К. В каждом случае ниппель образован исключительно сужающейся поверхностью.

Как показано на фиг. 5(А), когда муфта представляет собой сужающуюся уплотняющую поверхность ТА, как в уплотняющей поверхности ниппеля, контакт между уплотняющими поверхностями ниппеля и муфты сосредоточен на их ближайшей к резьбе границе 51. Как показано на фиг. 5(В), когда уплотняющая поверхность муфты представляет собой изогнутую поверхность К, а уплотняющая поверхность ниппеля представляет собой сужающуюся поверхность, площадь контакта между уплотняющими поверхностями ниппеля и муфты уменьшается, и стабильность контакта может ухудшиться. Как показано на фиг. 5(С), когда уплотняющая поверхность муфты представляет собой комбинированную поверхность, образованную сужающейся поверхностью ТА и изогнутой поверхностью К, а уплотняющая поверхность ниппеля представляет собой сужающуюся поверхность, как описано в патентном документе 1, при различных условиях эксплуатации устойчивость контакта может возрастать.

Сущность изобретения

Резьбовое соединение для стальных труб, предложенное в патентном документе 1, в котором уплотняющая поверхность муфты представляет собой сочетание тороидальной поверхности ближе к резьбовому участку и сужающейся поверхности ближе к выступу, обычно демонстрирует адекватную герметичность даже при приложении растягивающей или сжимающей нагрузки, при этом на резьбовое соединение воздействует внутреннее или внешнее давление.

Однако в жестких условиях испытаний на герметичность, как указано в документе 13679 Международной организации по стандартизации, когда неоднократно прикладывают растягивающие и сжимающие нагрузки, а также внутреннее давление и внешнее давление такой величины, что корпус трубы подвергается пластической деформации по всей своей поверхности, авторами настоящего изобретения установлено, что даже в резьбовом соединении, как только что описано, может происходить микроистирание на его уплотняющих поверхностях. Такие жесткие условия испытаний на герметичность были созданы с учетом условий эксплуатации труб нефтепромыслового сортамента, которые в последние годы становятся все более суровыми. Соответственно, даже в описанном выше резьбовом соединении для стальных

- 2 021308 труб при некоторых условиях может происходить микроистирание, а в худшем случае нарушается герметичность.

Целью настоящего изобретения является решение проблемы микроистирания, которое может происходить в уплотняющих поверхностях резьбового соединения для стальных труб.

Авторы настоящего изобретения провели исследования формы уплотняющих поверхностей резьбового соединения для стальных труб на основе формы, описанной в патентном документе 1, и получили следующие выводы путем анализа с использованием метода конечных элементов МКЭ и испытаний на герметичность.

1. В жестких условиях испытаний на герметичность, как указано в указанном документе 13679, когда многократно прикладывают растягивающие и сжимающие нагрузки и внутреннее давление и внешнее давление такой величины, что корпус трубы подвергается пластической деформации по всей своей поверхности, в ходе испытания уплотняющие поверхности испытывают возвратно-поступательное смещение с минутной амплитудой в осевом направлении. В результате, когда пиковое контактное давление становится настолько большим, что развивается значительное взаимовлияние, уплотняющие поверхности становятся шероховатыми, и из-за этого возвратно-поступательного смещения с минутной амплитудой развивается микроистирание.

2. С наибольшей легкостью микроистирание возникает на выступающей (или задней) стороне уплотняющих поверхностей муфты. Это происходит потому, что из-за внешнего давления резьбовой участок ниппеля уменьшается в диаметре, и резьбовое зацепление резьбы ниппеля и муфты ослабевает, в результате чего амплитуда вышеописанного возвратно-поступательного смещения увеличивается. Кроме того, под нагрузкой, вызываемой внешним давлением, в связи с реакцией на уменьшение диаметра резьбового участка ниппеля край скоса ниппеля, напротив, увеличивается в диаметре (как видно в продольном сечении, имеет место такая деформация, что край скоса изогнут наружу). Таким образом, область первичного контакта между уплотняющими поверхностями ниппеля и муфты перемещается от резьбовой стороны к выступающей стороне.

Фиг. 6 представляет собой схематичный вид с указанием мест контакта между уплотняющими поверхностями ниппеля и муфты. В частности, на нем показаны места контакта уплотняющей поверхности 13 ниппеля и уплотняющей поверхности 23 муфты. Уплотняющая поверхность 23 муфты отделена от смежных областей границей 51 и границей 56. Уплотняющие поверхности обычно соприкасаются друг с другом в области ближе к резьбовому участку на момент установки, как схематически показано областью 61 распределения контактного давления. Однако при подаче внешнего давления соприкосновение имеет место в области, расположенной ближе к выступам, как схематически показано областью 62 распределения контактного давления.

На основании описанных выше результатов авторами настоящего изобретения подтверждено, что появление микроистирания при жестких испытаниях на герметичность может быть предотвращено путем обеспечения уплотняющей поверхности муфты с большим радиусом кривизны на ее задней (выступающей) стороне, в дополнение к большому радиусу кривизны на противоположной стороне ближе к резьбовому участку. Предполагается, что это происходит в силу того, что соприкосновение уплотняющих поверхностей ниппеля и муфты, при котором концевой участок выступающей стороны уплотняющей поверхности муфты имеет большой радиус кривизны, предотвращает возрастание пикового контактного давления на этом концевом участке, имеющее место при небольшом радиусе кривизны концевого участка (например, при радиусе К кривизны от 1 до 6 мм).

Резьбовое соединение для стальных труб согласно настоящему изобретению содержит ниппель и муфту, причем ниппель имеет охватываемую резьбу и скошенный участок, имеющий уплотняющую поверхность и выступающую поверхность, а муфта имеет охватывающую резьбу, уплотняющую поверхность и выступающую поверхность, при этом уплотняющая поверхность ниппеля образована только сужающимся участком поверхности, а уплотняющая поверхность муфты содержит первую изогнутую поверхность с радиусом кривизны от 15 до 120 мм, сужающуюся поверхность и вторую изогнутую поверхность с радиусом кривизны от 15 до 120 мм, и сужающаяся поверхность расположена между первой изогнутой поверхностью и второй изогнутой поверхностью.

Первая изогнутая поверхность с большим радиусом кривизны может содержать множество изогнутых поверхностей. Аналогичным образом вторая изогнутая поверхность с большим радиусом кривизны может содержать множество изогнутых поверхностей.

Предпочтительно угол наклона сужающейся уплотняющей поверхности ниппеля и сужающейся поверхности уплотняющей поверхности муфты относительно оси соединения составляет 5-25°. В одном из примеров осуществления изобретения выступающая поверхность ниппеля расположена в концевой части ниппеля, уплотняющая поверхность ниппеля расположена в непосредственной близости от охватываемой резьбы между охватываемой резьбой и концом трубы, а бесконтактная область, в которой ниппель и муфта не контактируют друг с другом, расположена в ниппеле и муфте в положении между уплотняющей поверхностью и выступающей поверхностью. Предпочтительно, как указывалось выше, выступающие поверхности ниппеля и муфты включают в себя, каждая, основную выступающую поверхность на внутренней стороне в радиальном направлении стальной трубы и дополнительную выступающую по- 3 021308 верхность на внешней стороне в радиальном направлении, которая прилегает к основной выступающей поверхности, при этом основные выступающие поверхности ниппеля и муфты расположены так, что предотвращают направленную радиально внутрь деформацию концевой части скошенного участка, а дополнительные выступающие поверхности ниппеля и муфты расположены так, что ограничивают направленную радиально наружу деформацию концевой части концевого участка, причем радиальный размер основной выступающей поверхности ниппеля превышает радиальный размер дополнительной выступающей поверхности ниппеля, и основная выступающая поверхность ниппеля плотно примыкает к основной выступающей поверхности муфты в осевом направлении при соединении.

Использованный здесь термин уплотняющая поверхность относится к области, включающей в себя не резьбовой участок, где ниппель и муфта тесно соприкасаются друг с другом с образованием газонепроницаемого контактного уплотнения металл-металл. Выражение герметично соприкасающиеся указывает на образование такого плотного контакта между уплотняющими поверхностями ниппеля и муфты. В каждых ниппеле и муфте уплотняющая поверхность отличается от смежных областей точкой, где наклон не является сплошным, или кривой, имеющей небольшой радиус кривизны (не более 6 мм).

Под изогнутой поверхностью с большим радиусом кривизны понимают поверхность, имеющую радиус К кривизны от 15 до 120 мм. Что касается уплотняющей поверхности резьбового соединения, представляющей собой основную часть разработки настоящего изобретения, обычно имеющей длину 2,5-8 мм, если первый или второй изогнутый участок поверхности имеет радиус К кривизны, превышающий 120 мм, форма изогнутой поверхности приближается к форме сужающейся поверхности (поверхности, имеющей прямое сечение в осевом направлении резьбового соединения), так что этот участок уплотняющей поверхности больше не может служить в качестве изогнутой поверхности (поверхности, имеющей изогнутое сечение в осевом направлении резьбового соединения) на ограниченной длине уплотняющей поверхности. Если радиус К кривизны первого или второго изогнутого участка поверхности меньше 15 мм, то приложенное к этому изогнутому участку уплотняющей поверхности контактное давление становится большим, и контактная стабильность уплотняющей поверхности нарушается.

Изогнутая поверхность с большим радиусом кривизны представляет собой поверхность, полученную вращением кривой (дуги окружности, дуги эллипса, параболы и т.п.), имеющей описанный выше большой радиус кривизны, вокруг оси резьбового соединения (оси соединения), расположенной по одной линии с осью стальной трубы, сочлененной с помощью резьбового соединения. Как показано выше, каждый из первых и вторых изогнутых участков поверхности может быть образован сочетанием множества изогнутых поверхностей, при этом каждая имеет большой радиус кривизны.

Сужающаяся поверхность представляет собой поверхность, полученную вращением прямой вокруг оси соединения, при этом прямая расположена под наклоном по отношению к оси соединения.

Резьбовое соединение для стальных труб согласно настоящему изобретению функционирует более эффективно, когда угол наклона уплотняющих поверхностей ниппеля и муфты составляет от 5 до 25° по отношению к оси соединения. Угол наклона уплотняющей поверхности обозначает наклон по отношению к оси соединения сужающихся поверхностей в уплотняющих поверхностях ниппеля и муфты, а именно, сужающегося участка поверхности в уплотняющей поверхности муфты и сужающейся уплотняющей поверхности ниппеля.

Предпочтительно резьбовое соединение для стальных труб согласно настоящему изобретению имеет конструкцию ниппеля, в котором выступающая поверхность ниппеля расположена в концевой части ниппеля, уплотняющая поверхность ниппеля расположена в непосредственной близости от конца охватываемой резьбы в сторону ближе к концевой части ниппеля, а носовой участок, который не соприкасается с противоположным участком муфты, расположен между уплотняющей поверхностью и выступающей поверхностью ниппеля. Такое резьбовое соединение может проявлять улучшенные характеристики в отношении сопротивления сжатию и стойкости к комбинированным нагрузкам, например сжатию или растяжению в сочетании с внешним давлением.

Кроме того, в резьбовом соединении для стальных труб согласно настоящему изобретению, предпочтительнее, как указывалось выше, выступающая поверхность ниппеля содержит две различных прилегающих поверхности, основную выступающую поверхность на радиально внутренней стороне и дополнительную выступающую поверхность на радиально внешней стороне, а соответствующая выступающая поверхность муфты, противоположная выступающей поверхности ниппеля, содержит две различных прилегающих поверхности, основную выступающую поверхность на радиально внутренней стороне и дополнительную выступающую поверхность на радиально внешней стороне, при этом основные выступающие поверхности ниппеля и муфты расположены таким образом, чтобы предотвратить направленную радиально внутрь деформацию скошенного концевого участка, а дополнительные выступающие поверхности ниппеля и муфты расположены так, чтобы ограничить направленную радиально наружу деформацию скошенного концевого участка, причем основная выступающая поверхность ниппеля имеет больший радиальный размер, чем дополнительная выступающая поверхность ниппеля, и, по меньшей мере, основная выступающая поверхность ниппеля плотно прилегает по оси к соответствующей или противоположной основной выступающей поверхности муфты.

В резьбовом соединении для стальных труб согласно настоящему изобретению уплотняющая по- 4 021308 верхность муфты образована первым и вторым изогнутыми участками поверхности, причем оба имеют большой радиус кривизны, а также сужающейся поверхностью между этими двумя изогнутыми участками поверхности. В результате, при многократном воздействии растягивающей и сжимающей нагрузок, а также внутреннего и внешнего давления такой величины, что образуется пластическая деформация по всей поверхности корпуса трубы, может быть снижено возникновение микроистирания в уплотняющих поверхностях ниппеля и муфты.

Кроме того, путем оснащения стальных труб резьбовым соединением с уплотняющей поверхностью вышеописанной конструкции, имеющим носовой участок, который не соприкасается с противоположным участком муфты между уплотняющей поверхностью и выступающей поверхностью ниппеля, или имеющим основную и дополнительную выступающую поверхность, в котором основная выступающая поверхность выполнена таким образом, чтобы предотвратить направленную радиально внутрь деформацию концевого участка скоса ниппеля, а дополнительная выступающая поверхность выполнена таким образом, чтобы ограничить направленную радиально наружу деформацию концевого участка скоса, можно улучшить сопротивление сжатию и общую герметичность при комбинированной нагрузке, содержащей сжатие и внешнее давление или растяжение и внешнее давление.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1(А) и 1(В) представлены схематичные виды в разрезе резьбового соединения для стальных труб согласно настоящему изобретению, при этом фиг. 1(А) представляет собой частичной вид области скошенного участка ниппеля, а фиг. 1(В) представляет собой общий вид, на котором изображены ниппель и муфта.

Фиг. 2 представляет собой схематичный вид в разрезе, на котором показана область скошенного участка ниппеля резьбового соединения для стальных труб согласно патентному документу 1.

На фиг. 3(Α)-3(Ό) представлены схематичные виды уплотняющей поверхности муфты в резьбовом соединении для стальных труб, при этом на фиг. 3(А) и 3(В) изображена уплотняющая поверхность согласно настоящему изобретению, содержащая первую изогнутую поверхность с большим радиусом КА кривизны, сужающуюся поверхность ТА и вторую изогнутую поверхность с большим радиусом КВ кривизны, на фиг. 3(С) изображена уплотняющая поверхность согласно настоящему изобретению, имеющая конструкцию, содержащую третью изогнутую поверхность с большим радиусом КС кривизны, первую изогнутую поверхность с большим радиусом КА кривизны, сужающуюся поверхность ТА и вторую изогнутую поверхность с большим радиусом КВ кривизны, а на фиг. 3(Ό) изображена уплотняющая поверхность в сравнительном резьбовом соединении, содержащая изогнутую поверхность с большим радиусом КА кривизны и сужающуюся поверхность ТА.

Фиг. 4 представляет собой схематичный вид, на котором показан один пример уплотняющих поверхностей ниппеля и муфты резьбового соединения для стальных труб, описанных в патентном документе 1 и содержащих изогнутую поверхность с большим радиусом К кривизны и сужающуюся поверхность ТА, как на фиг. 3(0).

На фиг. 5(А)-5(С) представлены схематичные виды, поясняющие формы уплотняющих поверхностей муфты и ниппеля. На фиг. 5(А) представлен пример, где муфта имеет сужающуюся поверхность ТА, и ниппель имеет сужающуюся поверхность ТА, на фиг. 5(В) представлен пример, где муфта имеет изогнутую поверхность КА, а ниппель имеет сужающуюся поверхность ТА, а на фиг. 5(С) представлен пример, где муфта имеет комбинированную поверхность, содержащую сужающуюся поверхность ТА и изогнутую поверхность КА, в то время как ниппель имеет сужающуюся поверхность ТА.

На фиг. 6 изображен схематичный вид, на котором показаны контактные участки уплотняющей поверхности.

На фиг. 7 изображены схематичные виды в разрезе типового обычного муфтового высокогерметичного соединения для труб нефтепромыслового сортамента, при этом на фиг. 7(А) изображен частичный вид, показывающий только одну сторону соединения, а фиг. 7(В) представляет собой общий вид.

Способы осуществления изобретения

Резьбовое соединение для стальных труб согласно настоящему изобретению будет объяснено со ссылкой на чертежи.

На фиг. 1(А) и 1(В) изображены схематичные виды в разрезе резьбового соединения для стальных труб согласно настоящему изобретению. На фиг. 1(А) изображен частичной вид, показывающий область скошенного участка ниппеля, а фиг. 1(В) представляет собой общий вид, на котором показаны ниппель и муфта. Данное резьбовое соединение относится к типу высокогерметичных резьбовых соединений и образовано ниппелем 1 и муфтой 2, которые имеют сужающуюся резьбу и нерезьбовую уплотняющуюся поверхность. На фиг. 1(В) представлен пример сужающейся резьбы.

Ниппель 1 содержит резьбовой участок, имеющий охватываемую резьбу 11, и скошенный участок 12, имеющий уплотняющую поверхность 13, расположенную ближе к концу трубы, чем резьбовой участок. Концевая поверхность края скошенного участка образует выступающую поверхность. Как показано на чертежах, уплотняющая поверхность 13 ниппеля 1 обычно расположена на стороне скошенного участка 12, который является смежным или находится в непосредственной близости от резьбового участка 11.

- 5 021308

Муфта 2 имеет резьбовой участок, который имеет охватывающую резьбу 21, вступающую в резьбовое зацепление с охватываемой резьбой 11 ниппеля 1, уплотняющую поверхность 23, соприкасающуюся с уплотняющей поверхностью 13 ниппеля 1 таким образом, что они образуют плотное уплотнение (уплотнение металл-металл), а также выступающую поверхность, плотно примыкающую к выступающей поверхности ниппеля в осевом направлении соединения.

Участок охватываемой резьбы, смежный скошенному участку 12, может представлять собой не вступающую в зацепление или неполную нить резьбы, которая не вступает в зацепление с охватывающей резьбой 21 муфты 2.

Скошенный участок 12 ниппеля 1 резьбового соединения для стальных труб, показанного на фиг. 1, имеющий среднюю толщину 41, проходит таким образом, что имеет носовой участок 16 между уплотняющей поверхностью 13 и концом ниппеля 1. Носовой участок образует бесконтактную область 18, в которой ниппель не соприкасается с противоположной поверхностью муфты на определенной длине по оси. Таким образом, скошенный участок имеет большую длину по сравнению с типовым высокогерметичным соединением, показанным на фиг. 7.

Основная часть бесконтактной области 18 каждого ниппеля и муфты может быть образована сужающейся поверхностью (с диаметром, уменьшающимся к краю ниппеля), как показано на фиг. 1(А), или цилиндрической поверхностью с одинаковым диаметром, как показано на фиг. 2. Радиальный зазор в основной части бесконтактной области между ниппелем и муфтой является предпочтительно постоянным вдоль его длины.

Как показано, носовой участок 16 с осевой длиной 45 включает в себя бесконтактную область с осевой длиной 48 и выступающую поверхность с осевой длиной 49 (в показанном варианте осуществления осевая длина 49 имеет дополнительную выступающую поверхность 15, как описано ниже), в то время как скошенный участок 12 включает в себя уплотняющую поверхность 13 и носовой участок 16. Осевая длина 45 носового участка 16 ниппеля 1 составляет около 4-22 мм для труб типоразмера, используемого в трубах нефтепромыслового сортамента с внешним диаметром приблизительно 50-550 мм. Осевая длина 48 бесконтактного участка в носовом участке 16 ниппеля 1 предпочтительно составляет около 4590% от осевой длины 45 носового участка.

Чем больше толщина уплотняющей поверхности и носового участка скошенного участка, тем больше их способность к герметизации по отношению к внешнему давлению, поэтому при наличии фаски 17 на внутренней поверхности конца скошенного участка, в целях предотвращения турбулентности за счет повышения округлости, угол фаски 17 по отношению к оси соединения предпочтительно имеет сравнительно небольшую величину в диапазоне от 9 до 30°. Фаска с небольшим углом может подобным образом быть выполнена на внутренней поверхности муфты 2, смежной ниппелю 1, как показано на фиг.

2.

В данном примере выступающая поверхность на конце ниппеля 1 имеет двухступенчатый контур, содержащий основную выступающую поверхность 14 на радиально внутренней стороне соединения и дополнительную выступающую поверхность 15 на радиально внешней стороне соединения. Основная выступающая поверхность 14 ниппеля 1 представляет собой обратную выступающую поверхность с отрицательным углом 24 по отношению к плоскости, перпендикулярной оси соединения. С другой стороны, дополнительная выступающая поверхность 15 имеет положительный угол 43 по отношению к плоскости, перпендикулярной оси соединения. Основная выступающая поверхность 14 имеет радиальный размер 46 (толщина в проекции на плоскость, перпендикулярную оси соединения), который больше радиального размера 47 дополнительной выступающей поверхности 15.

Соответственно, выступающая поверхность муфты 2 имеет двухступенчатый контур, содержащий имеющую большую толщину основную выступающую поверхность 24 на радиально внутренней стороне соединения и имеющую меньшую толщину дополнительную выступающую поверхность 25 на радиально внешней стороне соединения. Переход между основной выступающей поверхностью 14 и дополнительной выступающей поверхностью 15 ниппеля 1 предпочтительно образует округлую вершину с радиусом не более 1,5 мм, а муфта 2 имеет соответствующее округлое заглубление между основной выступающей поверхностью 24 и дополнительной выступающей поверхностью 25.

Обратный угол 42 основных выступающих поверхностей 14 и 24 таков, что абсолютное значение (в действительности это отрицательный угол) наклона 42 основной выступающей поверхности 14 ниппеля 1 относительно плоскости, перпендикулярной оси соединения, составляет предпочтительно от 5 до 25° и более предпочтительно от 8 до 20°.

Наклон 43 дополнительных выступающих поверхностей 15 и 25 по отношению к оси соединения составляет предпочтительно от 5 до 30° (а именно, наклон по отношению к направлению, перпендикулярному оси соединения, составляет по меньшей мере +60° и не больше +85°), и более предпочтительно он превышает наклон 44 уплотняющих поверхностей.

Дополнительные выступающие поверхности 15 и 25 обычно сконструированы таким образом, чтобы не соприкасаться друг с другом при обычной установке. Дополнительные выступающие поверхности предназначены для соприкосновения друг с другом, когда к резьбовому соединению приложена большая

- 6 021308 сжимающая нагрузка или при приложении чрезмерного момента затяжки для устранения направленной наружу деформации скошенного участка. Однако дополнительные выступающие поверхности 15 и 25 могут быть сконструированы таким образом, чтобы соприкасаться при нормальной установке при условии, что не ухудшится качество герметизации, обеспечиваемое уплотняющими поверхностями 13 и 23.

В варианте с резьбовым соединением, имеющим выступающую поверхность с описанным выше двухступенчатым контуром, осевая длина 45 носового участка 16 ниппеля 1, по существу, равна сумме осевой длины 48 бесконтактной области 18 и осевой длины 49 дополнительной выступающей поверхности 15, которая также обычно не соприкасается с противоположной поверхностью муфты.

С резьбовым соединением согласно варианту, показанному на фиг. 1(А) и 1(В), путем создания носового участка 16 с бесконтактной областью 18, расположенной ближе к концу ниппеля, чем уплотняющая поверхность 13, и путем создания формы выступающей поверхности на конце ниппеля с двухступенчатым контуром, включающим в себя основную выступающую поверхность 14 и дополнительную выступающую поверхность 15, устраняется неустойчивая деформация скошенного участка, достигается превосходное сопротивление сжатию, и значительно улучшается общая герметичность при неоднократных комбинированных нагрузках.

В резьбовом соединении для стальных труб согласно настоящему изобретению уплотняющая поверхность ниппеля представляет собой сужающуюся поверхность, а уплотняющая поверхность муфты содержит, в направлении от охватывающей резьбы к выступающему участку, первую изогнутую поверхность с большим радиусом кривизны, сужающуюся поверхность и вторую изогнутую поверхность с большим радиусом кривизны. Первая изогнутая поверхность расположена ближе к охватывающей резьбе, а вторая изогнутая поверхность расположена ближе к выступающему участку.

Как упоминалось ранее, поверхность с большим радиусом кривизны имеет радиус К кривизны 15120 мм. Поверхность с большим радиусом кривизны образована вращением кривой, имеющей описанную выше большую кривизну (дуги, эллиптической дуги, параболы и т.п.) вокруг оси соединения. Множество этих изогнутых участков поверхности могут быть объединены в поверхность с большим радиусом кривизны.

Сужающаяся поверхность образована вращением прямой, наклонной по отношению к оси соединения, вокруг оси соединения.

На фиг. 3(Α)-3(Ό) представлены схематичные виды уплотняющей поверхности муфты резьбового соединения. На фиг. 3(А)-3(С) показаны примеры уплотняющей поверхности муфты согласно настоящему изобретению. На фиг. 3(А) показана уплотняющая поверхность, имеющая первую изогнутую поверхность с большим радиусом КА кривизны, сужающуюся поверхность ТА и вторую изогнутую поверхность с большим радиусом КВ кривизны. Аналогичным образом, на фиг. 3(В) показана уплотняющая поверхность, имеющая первую изогнутую поверхность с большим радиусом КА кривизны, сужающуюся поверхность ТА и вторую изогнутую поверхность с большим радиусом КВ кривизны, но длина по меньшей мере одной из числа первой и второй изогнутых поверхностей и сужающейся поверхности отлична от длины уплотняющей поверхности, показанной на фиг. 1(А). На фиг. 3(С) показана уплотняющая поверхность, имеющая третью изогнутую поверхность с большим радиусом КС кривизны, расположенную перед первой изогнутой поверхностью с большим радиусом КА кривизны, за которой следует сужающаяся поверхность ТА и вторая изогнутая поверхность с большим радиусом КВ кривизны. На фиг. 3(Ό) показан сравнительный пример уплотняющей поверхности муфты, имеющей только первую изогнутую поверхность с большим радиусом КА кривизны и сужающуюся поверхность ТА, как описано в патентном документе 1 и показано на фиг. 4.

Уплотняющая поверхность 23 отличается от прилегающих областей точкой, где наклон меняется неравномерно, или кривой, имеющей небольшой радиус К кривизны (не более 6 мм). На фиг. 3(Α)-3(Ό) уплотняющая поверхность 23 имеет границы 51 и 56 на обоих концах с малыми радиусами кривизны (оба не более 6 мм), Кх и Ку соответственно. На фиг. 3(А) диапазон или осевая длина уплотняющей поверхности обозначена ссылочной позицией 58. Как упоминалось ранее, осевая длина уплотняющей поверхности составляет приблизительно 2,5-8 мм для трубы типоразмера, используемого в трубах нефтепромыслового сортамента (с внешним диаметром приблизительно 50-550 мм).

Фиг. 3(А) получена путем добавления второй изогнутой поверхности 55 с большим радиусом КВ кривизны к уплотняющей поверхности 23, показанной на фиг. 3(0), которая содержит первую изогнутую поверхность 53 с большим радиусом КА кривизны и сужающуюся поверхность ТА 54. Проблема микроистирания может быть уменьшена путем создания второй изогнутой поверхности 55 с большим радиусом кривизны КВ на стороне сужающейся поверхности ближе к выступающей поверхности. Радиус кривизны и осевая длина второй изогнутой поверхности могут быть такими же или отличаться от радиуса кривизны и осевой длины первой изогнутой поверхности, поскольку обе они имеют большой радиус кривизны. Радиус кривизны КА первой изогнутой поверхности предпочтительно больше радиуса КВ второй изогнутой поверхности.

На фиг. 3(В) представлен вариант, который аналогичен варианту, представленному на фиг. 3(А), за исключением того, что меняется пропорция длин поверхности 53 с большим радиусом КА кривизны и сужающейся поверхности ТА 54. Пропорция длины сужающейся поверхности 54 предпочтительно со- 7 021308 ставляет около 0,1-0,6 и более предпочтительно около 0,1-0,45, и наиболее предпочтительно около 0,10,3 от всей длины уплотняющей поверхности. Таким образом, осевая длина сужающейся поверхности 54 предпочтительно составляет по меньшей мере 0,5 мм и более предпочтительно по меньшей мере 1 мм.

На фиг. 3(С) изображена третья изогнутая поверхность 52 с большим радиусом КС кривизны, расположенная между первой изогнутой поверхностью 53 с большим радиусом КА кривизны и границей 51 Кх, показанными на фиг. 3(А). Большой радиус КС кривизны поверхности 52 предпочтительно меньше, чем большой радиус КА кривизны поверхности 53. В результате уплотняющие поверхности ниппеля и муфты не соприкасаются друг с другом на границе 51, которая имеет небольшой радиус Кх кривизны, и контактное давление в этой области может быть уменьшено. В результате может быть достигнут более стабильный контакт между уплотняющими поверхностями.

Угол наклона (угол отклонения) сужающейся поверхности ТА в уплотняющей поверхности муфты предпочтительно тот же, что и угол наклона сужающейся поверхности, которая единолично образует уплотняющую поверхность ниппеля, хотя между углами наклона ниппеля и муфты может быть допущена небольшая разница в пределах 5°.

Как упоминалось выше, угол наклона сужающейся поверхности в уплотняющей поверхности муфты согласно настоящему изобретению и угол наклона сужающейся поверхности ниппеля предпочтительно составляет 5-25° и более предпочтительно 8-20° для эффективного обеспечения уплотняющими поверхностями их функции герметизации. Если этот угол слишком большой, герметизирующее контактное давление при приложении растягивающей нагрузки уменьшается, а если он слишком малый, легко может возникнуть истирание в связи с увеличением расстояния смещения.

Вышеприведенное пояснение относится, в первую очередь, к резьбовому соединению для стальных труб, показанному на фиг. 1, имеющему сужающуюся бесконтактную область и выступающие поверхности с двухступенчатым контуром, но конструкция уплотняющих поверхностей 13 и 23 ниппеля и муфты согласно настоящему изобретению также эффективна для резьбового соединения для стальных труб с носовым участком, как показано на фиг. 2, с цилиндрической бесконтактной областью и, по существу, вертикальной выступающей поверхностью. Она также может быть применена в уплотняющих поверхностях 13 и 23 типового высокогерметичного соединения, как показано на фиг. 7.

Примеры

Для иллюстрации эффекта настоящего изобретения испытания серии А согласно документу 13679 Международной организации по стандартизации были проведены на резьбовом соединении с корпусом размерами 9-5/8 дюйма в диаметре и весом 53,5 фунтов на фут (наружным диаметром 244,48 мм и толщиной стенки 13,84 мм). Ниппель был выполнен снаружи на обоих концах стальных труб, а муфта была выполнена внутри по обе стороны соединения. Подвергнутое этому испытанию резьбовое соединение, выполненное из стали Б80 (углеродистая сталь), предписанной стандартами Американского института нефти, имело базовую форму муфтового резьбового соединения для труб нефтепромыслового сортамента, показанную на фиг. 7, за исключением формы его скошенного участка, который имел выдвинутый скос той формы, что показана на фиг. 1(А) или фиг. 2, включая уплотняющую поверхность, выступающую поверхность и бесконтактную область между уплотняющей поверхностью и выступающей поверхностью для ниппеля и муфты. Угол наклона сужающейся поверхности (участка) в уплотняющих поверхностях ниппеля и муфты составлял 14°. Для испытаний герметичности были представлены два резьбовых соединения А и В, в которых форма уплотняющей поверхности муфты была разной.

В одном резьбовом соединении А, которое было вариантом согласно настоящему изобретению, ниппель имел скошенный участок формы, показанной на фиг. 1(А), включающий в себя сужающуюся уплотняющую поверхность, сужающуюся бесконтактную область и выступающую поверхность с двухступенчатым контуром, имеющим основной участок выступающей поверхности и дополнительный выступающий участок выступающей поверхности. Осевая длина 45 скошенного участка ниппеля составляла 15 мм, а осевая длина 49 дополнительного выступающего участка поверхности была 3,99 мм. Обратный угол 42 основного участка выступающей поверхности составлял 15°, а угол наклона 43 дополнительного выступающего участка поверхности относительно оси соединения составлял 20°. Угол фаски 17 относительно оси соединения составлял 15°. Муфта, которая имела форму, показанную на фиг. 1(А), имела уплотняющую поверхность формы, показанной на фиг. 3(А), в которой, начиная со стороны, ближайшей к охватывающей резьбе, она имела изогнутую поверхность 53 с большим радиусом К60 кривизны (для осевой длины 1,75 мм), сужающуюся поверхность 54 (для осевой длины 1,0 мм) и изогнутую поверхность 55 с большим радиусом К25 кривизны (для осевой длины 1,0 мм). К60 и К25 показывают, что радиусы кривизны составляли 60 и 25 мм соответственно. Угол наклона сужающегося участка поверхности в уплотняющей поверхности муфты составлял 14°, как в сужающейся уплотняющей поверхности ниппеля.

В другом резьбовом соединении В ниппель имел скошенный участок формы, показанной на фиг. 2, включающей в себя сужающуюся уплотняющую поверхность и цилиндрическую бесконтактную область. Осевая длина скошенного участка составляла 15 мм. Соответствующая муфта имела уплотняющую поверхность формы, показанной на фиг. 3(0), имеющую изогнутую поверхность 53 с большим ра- 8 021308 диусом кривизны (для осевой длины 1,75 мм) и сужающуюся поверхность 54 (для осевой длины 1,75 мм). Угол наклона сужающейся поверхности в уплотняющей поверхности муфты составлял 14°, как в сужающейся уплотняющей поверхности ниппеля.

Когда эти два резьбовых соединения подверглись жестким испытаниям серии А согласно документу 13679 Международной организации по стандартизации, в соответствии с которым были неоднократно приложены комбинированные нагрузки на растяжение, сжатие, а также внутреннее и внешнее давление, в резьбовом соединении А согласно настоящему изобретению не произошло микроистирания. С этим резьбовым соединением не было зафиксировано утечек, уплотняющие поверхности после этих испытаний на герметичность были гладкими, и не наблюдалось шероховатости поверхности или подобных эффектов.

Напротив, в резьбовом соединении В, как описано в патентном документе 1, наблюдалось возникновение микроистирания, и, в результате, также была обнаружена утечка.

Вышеприведенное пояснение относится к определенным режимам настоящего изобретения, но это пояснение представляет собой лишь пример, и настоящее изобретение не ограничено этими режимами.

Claims (6)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Резьбовое соединение для стальных труб, содержащее ниппель и муфту, при этом ниппель имеет охватываемую резьбу и скошенный участок, имеющий уплотняющую поверхность и выступающую поверхность, а муфта имеет охватывающую резьбу, уплотняющую поверхность и выступающую поверхность, отличающееся тем, что уплотняющая поверхность ниппеля образована только сужающимся участком поверхности, а уплотняющая поверхность муфты содержит первую изогнутую поверхность с радиусом кривизны от 15 до 120 мм, сужающуюся поверхность и вторую изогнутую поверхность с радиусом кривизны от 15 до 120 мм, и сужающаяся поверхность расположена между первой изогнутой поверхностью и второй изогнутой поверхностью.
2. 2. Резьбовое соединение для стальных труб по п.1, в котором первая изогнутая поверхность с большим радиусом кривизны содержит множество изогнутых поверхностей.
3. 3. Резьбовое соединение для стальных труб по п.1 или 2, в котором вторая изогнутая поверхность с большим радиусом кривизны содержит множество изогнутых поверхностей.
4. 4. Резьбовое соединение для стальных труб по любому из пп.1-3, в котором угол наклона сужающейся уплотняющей поверхности ниппеля и сужающейся поверхности уплотняющей поверхности муфты относительно оси соединения составляет 5-25°.
5. 5. Резьбовое соединение для стальных труб по любому из пп.1-4, в котором выступающая поверхность ниппеля расположена в концевой части ниппеля, уплотняющая поверхность ниппеля расположена в непосредственной близости от охватываемой резьбы между охватываемой резьбой и концом трубы, а бесконтактная область, в которой ниппель и муфта не контактируют друг с другом, расположена в ниппеле и муфте в положении между уплотняющей поверхностью и выступающей поверхностью.
6. 6. Резьбовое соединение для стальных труб по п.5, в котором выступающие поверхности ниппеля и муфты включают в себя, каждая, основную выступающую поверхность на внутренней стороне в радиальном направлении стальной трубы и дополнительную выступающую поверхность на внешней стороне в радиальном направлении, которая прилегает к основной выступающей поверхности, при этом основные выступающие поверхности ниппеля и муфты расположены так, что предотвращают направленную радиально внутрь деформацию концевой части скошенного участка, а дополнительные выступающие поверхности ниппеля и муфты расположены так, что ограничивают направленную радиально наружу деформацию концевой части концевого участка, причем радиальный размер основной выступающей поверхности ниппеля превышает радиальный размер дополнительной выступающей поверхности ниппеля, и основная выступающая поверхность ниппеля плотно примыкает к основной выступающей поверхности муфты в осевом направлении при соединении.