EA025974B1

EA025974B1 - Трубное резьбовое соединение

Info

Publication number: EA025974B1
Application number: EA201370043A
Authority: EA
Inventors: Рассел Элдер; Бертранд Меллон
Original assignee: Валлурек Маннесманн Ойл Энд Гес Франс; Ниппон Стил Энд Сумитомо Метал Корпорэйшн
Priority date: 2010-08-23
Filing date: 2011-08-19
Publication date: 2017-02-28
Also published as: US20130015657A1; WO2012025461A2; CN103140645B; UA110034C2; US10215314B2; BR112013004282A2; JP5908905B2; CA2807087C; WO2012025461A3; AR082715A1; AU2011295130A1; JP2013536339A; MY174579A; EA201370043A1; CN103140645A; AU2011295130B2; MX2013002180A; US10145495B2; EP2609279B1; MX364135B

Abstract

Раскрывается резьбовое трубное соединение, содержащее первую трубу и вторую трубу. Первая труба содержит элемент в виде ниппеля, который проходит от конца основного корпуса первой трубы до наконечника первой трубы. Вторая труба содержит элемент в виде муфты, который проходит от конца основного корпуса второй трубы до наконечника второй трубы. Значение площади поперечного сечения критического поперечного сечения ниппеля находится в пределах приблизительно ±5% значения площади поперечного сечения критического поперечного сечения муфты элемента в виде муфты. Значения площади поперечного сечения каждого из критических поперечных сечений ниппеля и муфты находятся в пределах приблизительно ±5% суммы значений площади поперечного сечения промежуточного критического поперечного сечения муфты элемента в виде муфты и промежуточного критического поперечного сечения ниппеля элемента в виде ниппеля.

Description

Уровень техники настоящего изобретения

Настоящее изобретение относится к трубному резьбовому соединению. Более конкретно, раскрывается трубное резьбовое соединение с высокой эффективностью прочности на растяжение.

Настоящее раскрытие относится к трубным соединениям или сборкам из труб, соединяемых посредством резьб. Описанные в настоящем описании трубы применяют в промышленности и, в частности, для сборок или резьбовых сочленений, используемых в линиях колонн для системы трубопроводов или для линий трубных промышленных вспомогательных соединений, или для обсадной колонны или потайной обсадной колонны, или водоотделительной колонны для функционирования или исследования, или эксплуатации нефтяных или газовых скважин. Описанные в настоящем описании резьбовые сборки или сочленения могут также быть применены для какой-либо цели, когда существует необходимость в сборке линий трубопровода или трубных вспомогательных соединений, таких как, например, применяют в геотермальных или парогенераторных установках. Описанные в настоящем изобретении резьбовые сборки являются особенно пригодными для применения в сборке металлических труб, применяемых для обсадных колонн нефтяных или газовых скважин, или для так называемых потайных обсадных колонн за пределами нижней части эксплуатационной колонны, как описано ниже.

Многочисленные типы сборок известны для несущих нефтепродукты или газ труб, которые обеспечивают удовлетворительные результаты с точки зрения механических характеристик и характеристик плотности затяжки, даже в жестких условиях применения. Некоторые из этих сборок предусматривают применение труб, оборудованных характеризующимися формой усеченного конуса охватываемыми резьбами на обоих концах, которые собирают при помощи соединительных деталей, содержащих две соответствующие характеризующиеся формой усеченного конуса охватывающие резьбы. Этот способ сборки обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что два компонента образуют жесткую сборку ввиду наличия неподвижного взаимодействия, которое сборка может образовать между охватываемыми резьбами и охватывающими резьбами.

Тем не менее, наружный диаметр этих соединительных деталей превышает диаметр соответствующих труб, и при использовании этих сборок с трубами обсадной колонны ввиду наличия соединительных деталей необходимо бурение стволов скважин большего диаметра для того, чтобы они соответствовали наружному диаметру соединительных деталей. В случае очень глубоких скважин, глубина которых составляет более 4000 м, начальный диаметр первых эксплуатационных колонн скважины и, следовательно, диаметр скважины поблизости от поверхности может быть в два раза больше при использовании этих соединительных деталей по сравнению с использованием соединительных деталей малого диаметра, характеризующихся наружным диаметром, лишь незначительно превышающим диаметр соответствующих труб эксплуатационных колонн.

Для предотвращения этой проблемы специалист может использовать сборки без соединительной детали или муфты. В этом случае каждый из трубных элементов содержит один охватываемый резьбовой конец и один охватывающий резьбовой конец, предназначенные для тонкой сборки. Эти сборки или сочленения обычно именуются цельными сборками или сочленениями в отличие от сборок или сочленений, использующих соединительное устройство или муфту. Аналогичная необходимость в цельных сочленениях также существует в случае потайных обсадных колонн, прикрепляемых к эксплуатационной колонне в ее нижней части, которые не прикреплены посредством цемента к стволу скважины и часто проходят горизонтально для того, чтобы достичь нефтеносного или газоносного пласта. В частности, эксплуатация нестандартных газовых резервуаров, например, так называемых резервуаров сланцевого газа, требует подобных тонких потайных обсадных колонн малого диаметра с цельными сочленениями.

Цельные сборки, по существу, выполнены из труб, которые характеризуются увеличенным диаметром на конце, который соответствует охватывающим резьбам, и уменьшенным диаметром на конце, который соответствует охватываемым резьбам. Это выполнено для того, чтобы трубы содержали достаточную толщину материала для обеспечения геометрической и механической прочности сборки, которая соединяет трубы.

Кроме того, возможно усилить прочность содержащей охватываемую и охватывающую секции сборки посредством применения резьб в двух последующих секциях или ступенях, вместо лишь одной секции или ступени. Каждая ступень резьбы характеризуется различными диаметрами резьбы, и они отделены друг от друга центральным кольцеобразным упором. Этот упор позволяет достичь удовлетворительной затяжки резьб, а также одновременно избежать избыточного свинчивания. В случае резьб с характеризующимися отрицательным наклоном рабочими гранями упор позволяет осуществить затяжку указанных резьб на их характеризующихся отрицательным наклоном гранях, а также это снижает риски, связанные с разъединением резьб ввиду воздействия растягивающих напряжений, которые могут действовать совместно с высокими давлениями или без них.

Упор между ступенями резьб предпочтительно характеризуется высокой прочностью для того, чтобы остановить перемещение охватываемого элемента во внутреннее пространство охватывающего элемента в определенной точке для того, чтобы избежать избыточного свинчивания. В этом случае упор функционирует в качестве центрального стопорного заплечика. Этот результат может быть достигнут, когда центральный упор находится в зоне, в которой два компонента сборки характеризуются большим

- 1 025974 поперечным сечением и выполнены так, чтобы они были плотно соединены друг с другом.

Более сложные структуры центрального заплечика могут быть использованы между ступенями резьб с тем, чтобы центральный заплечик мог также функционировать в качестве уплотнения. Тем не менее, для достижения хорошей герметичности необходимо наличие эластичной затяжки взаимодействующих поверхностей, поскольку иначе существует риск создания плотной затяжки лишь посредством пластической деформации. В этом случае сочленение быстро теряет свои касающиеся герметичности качества в процессе последовательных изменений нагрузок (например, циклические изменения внутреннего-наружного давления) или операций свинчивания и развинчивания. Указанная потеря герметичности по существу происходит ввиду того, что поверхности повреждаются по причине пластической деформации или даже истирания.

Краткое описание примерных аспектов настоящего изобретения

Согласно одному примеру раскрывается резьбовое трубное соединение, содержащее первую трубу (также именуемую первым трубным элементом) и вторую трубу (также именуемую вторым трубным элементом). Соединение может быть, например, резьбовым полуравнопроходным соединением. Первая труба содержит элемент в виде ниппеля (также именуемый трубным охватываемым концом), который проходит от конца основного корпуса первой трубы к наконечнику первой трубы. Основной корпус первой трубы может содержать по существу постоянные внутренний и наружный диаметры вдоль аксиального направления первой трубы. Элемент в виде ниппеля содержит две радиально смещенные секции (ступени) наружных резьб. Две радиально смещенные секции наружных резьб содержат первую секцию резьбы и вторую секцию резьбы. Первая секция резьбы отделена от второй секции резьбы при помощи первой упорной поверхности, также именуемой центральным заплечиком. Первая секция резьбы расположена между наконечником первой трубы и первой упорной поверхностью, а вторая секция резьбы расположена между первой упорной поверхностью и концом основного корпуса первой трубы.

Вторая труба содержит элемент в виде муфты (также именуемый трубным охватывающим концом), который проходит от конца основного корпуса второй трубы к наконечнику второй трубы. Основной корпус второй трубы может содержать, по существу, постоянный внутренний и внешний диаметры вдоль аксиального направления второй трубы. Элемент в виде муфты содержит две радиально смещенные секции (ступени) внутренних резьб. Две радиально смещенные секции внутренних резьб содержат третью секцию резьбы и четвертую секцию резьбы. Третья секция резьбы отделена от четвертой секции резьбы посредством второй упорной поверхности, также именуемой центральным заплечиком. Третья секция резьбы расположена между наконечником второй трубы и второй упорной поверхностью, а четвертая секция резьбы расположена между второй упорной поверхностью и концом основного корпуса второй трубы.

Каждая из двух ступеней конических резьб содержит часть восхождения на стороне наконечника соответствующего одного из первого трубного элемента и второго трубного элемента, и часть сбега на противоположной стороне. Каждая часть восхождения на первом трубном элементе входит в зацепление с частью сбега на втором трубном элементе, а каждая часть восхождения на втором трубном элементе входит в зацепление с частью сбега на первом трубном элементе. Внешний диаметр муфты не более чем на 10% (предпочтительно не более чем на 6%) больше номинального наружного диаметра первого и второго трубных элементов.

Элемент в виде ниппеля содержит критическое поперечное сечение ниппеля (КПСН), расположенное во впадине резьбы второй секции резьбы, которая ближе всего к концу основного корпуса первой трубы. КПСН подвержено полному растягивающему напряжению, передаваемому через все резьбы ниппеля. Элемент в виде муфты содержит критическое поперечное сечение муфты (КПСМ), расположенное во впадине резьбы четвертой секции резьбы, которая ближе всего к концу основного корпуса второй трубы. КПСМ подвержено полному растягивающему напряжению, передаваемому через все резьбы муфты. Элемент в виде муфты содержит промежуточное критическое поперечное сечение муфты (ПКПСМ), расположенное во впадине резьбы третьей секции резьбы, которая ближе всего ко второму упору второй трубы. ПКПСМ подвержено растягивающему напряжению, передаваемому через третью секцию резьбы муфты. Элемент в виде ниппеля содержит промежуточное критическое поперечное сечение ниппеля (ПКПСН), расположенное во впадине резьбы первой секции резьбы, которая ближе всего к первому упору первой трубы. ПКПСН подвержено растягивающему напряжению, передаваемому через первую секцию резьбы ниппеля.

Первая и вторая трубы удовлетворяют следующим соотношениям: КПСН находится в пределах приблизительно ±5% КПСМ, и каждое из КПСН и КПСМ находится в пределах приблизительно ±5% (ПКПСМ + ПКПСН).

Краткое описание нескольких видов, представленных на графических материалах

Более полное понимание настоящего изобретения и множества сопутствующих ему преимуществ будет легко получено, когда они станут лучше понятны на основании следующего подробного описания, рассматриваемого совместно с сопутствующими графическими материалами, где на фиг. 1 представлен вид в поперечном разрезе трубного соединения с охватываемым и охватывающим трубными элементами, собранными друг с другом;

- 2 025974 на фиг. 2 представлен подробный вид в поперечном разрезе стопорного заплечика и отдельной уплотнительной части трубного соединения, представленного на фиг. 1;

на фиг. 3 представлен подробный вид в поперечном разрезе одной из частей восхождения резьбы трубного соединения, представленного на фиг. 1;

на фиг. 4 представлен вид в поперечном разрезе трубного соединения, которое содержит центральный заплечик и торцевые уплотнения рядом с наконечниками ниппеля и муфты;

на фиг. 5 представлен частичный разрез, выполненный по оси КТ-КТ, профиля охватываемой, имеющей форму усеченного конуса секции резьбы.

Подробное описание настоящего изобретения

Определенная терминология, используемая в следующем описании, применяется только для удобства, а не для ограничения. Предполагается, что термины сборка, трубное соединение или сочленение имеют в следующем описании одинаковое значение, за исключением случаев, когда каждый из этих терминов используется в конкретном контексте, который придает конкретному термину дополнительное значение. Предполагается, что термин трубопроводы должны охватывать любой тип труб, трубных компонентов или трубных вспомогательных соединений, которые используются в настоящее время или которые скоро будут использоваться в промышленности. Предполагается, что термины упор, упорная поверхность или заплечик имеют в следующем описании одинаковое значение за исключением случаев, когда каждый из этих терминов используется в конкретном контексте, который придает конкретному термину дополнительное значение.

Согласно одному решению, раскрытому в патенте США № 5687999, предусматривают расположение двух непроницаемых для жидкости поверхностей уплотнения металл по металлу на внутренних и наружных концах трубного соединения и за пределами концов резьбовых частей. Полное содержание патента США № 5687999 включено в настоящее описание посредством настоящей ссылки, при этом фиг. 2 и 3, раскрытые в патенте США № 5687999, воспроизведены в качестве фиг. 4 и 5, представленных в настоящем раскрытии.

Как представлено на фиг. 4, в этом примере каждый из охватываемого и охватывающего элементов содержит область с двумя секциями резьбы, соответственно секциями 4, 5 резьбы для охватываемого элемента 1 и секциями 6, 7 резьбы для охватывающего элемента 2, между которыми расположена кольцеобразная упорная поверхность или заплечик 24. Средние части этих секций 4, 5 и 6, 7 резьбы характеризуются формой усеченного конуса.

Четыре характеризующиеся формой усеченного конуса секции резьбы - 4, 5 для охватываемого элемента и 6, 7 для охватывающего элемента - содержат на каждом из своих концов зону уменьшающейся резьбы, в которой значения высоты резьбы уменьшаются до нуля. Уменьшение высоты резьбы может быть осуществлено либо при помощи механической обработки вершин резьбы до фиксированного диаметра относительно оси охватываемого или охватывающего элемента с тем, чтобы создать так называемую часть сбега резьбы, либо при помощи механической обработки до фиксированного диаметра впадин резьбы относительно оси с тем, чтобы создать так называемую часть восхождения резьбы. Во время сборки двух, охватываемого и охватывающего, элементов происходит полное зацепление резьб в соответствующих гнездах как в средних частях резьб, так и в конечных зонах с уменьшающейся резьбой.

Как представлено на фиг. 4, в этих конечных зонах вершины и впадины уменьшающейся резьбы ограничены по направлению наружу или по направлению вовнутрь посредством схождения характеризующегося формой усеченного конуса наибольшего диаметра 16, 17 или характеризующегося формой усеченного конуса наименьшего диаметра 18, 19, каждый из которых продолжает поверхность средней части резьбы, и цилиндрического наименьшего диаметра 20, 21 или цилиндрического наибольшего диаметра 22, 23. Очевидно, что разница между диаметрами этих цилиндрических поверхностей 21 и 22 соответствует радиальной высоте Ό кольцеобразного упора или заплечика 24 в центральной зоне сборки 3. Этот кольцеобразный упор или заплечик 24 образован благодаря наличию двух поверхностей охватываемого элемента 1 и охватывающего элемента 2, которые упираются друг в друга.

В трубном соединении, представленном на фиг. 4, упор 24 не несет какой-либо функции, связанной с обеспечением плотности затяжки или уплотнения. В частности, упор 24 не обеспечивает уплотнения при всех обычных условиях эксплуатации сборки. Вместо этого, две непроницаемые для жидкости поверхности 27, 28 уплотнения металл по металлу расположены на внутреннем и наружном концах трубного соединения за концами резьбовых частей.

Как представлено на фиг. 5, рабочие грани охватываемых резьб, например, обозначенные позицией 30, характеризуются образующей линией с отрицательным наклоном А, характеризующимся углом от приблизительно -3 до приблизительно -20°, относительно линии, проходящей перпендикулярно к оси КТКТ элемента. Во время свинчивания взаимодействие между указанными резьбами с отрицательно наклоненной рабочей гранью и упором 24 обеспечивает плотную затяжку охватываемого элемента 1 и охватывающего элемента 2 относительно друг друга. Это фактически устраняет риски, связанные с разъединением или разделением в областях резьб.

В соединении, представленном на фиг. 4 и 5, проходящие перпендикулярно оси КТ-КТ поверхности заплечика (или упора), расположенные на охватываемом и охватывающем элементах, увеличивают для

- 3 025974 данной радиальной разницы Ό механическую прочность трубного соединения. Следовательно, также существует возможность задать максимально возможные критические значения толщины Е2 на охватываемом элементе 1 и значения Е1 на охватывающем элементе 2. Отсутствие поверхностей, обеспечивающих плотность затяжки металл по металлу, в центральной зоне - поверхностей, эффективность которых, как объяснено выше, является неудовлетворительной согласно патенту США № 5687999 ввиду структурной жесткости этой зоны - позволяет переместить две характеризующиеся формой усеченного конуса секции резьбы ближе друг к другу и, следовательно, улучшить согласно указанному патенту соединяющее действие между двумя охватываемым и охватывающим элементами.

Тем не менее, поскольку радиальное пространство занято поверхностями 27 и 28 уплотнения, расположенными в толстостенных местах соединения, представленного на фиг. 4, высокие уплотняющие свойства этого соединения не приводят к высокой эффективности прочности на растяжение. В частности, заявители определили, что эффективность прочности на растяжение соединения, представленного на фиг. 4, достигает лишь от 70 до 80% эффективности прочности на растяжение. Эффективность прочности на растяжение соединения является отношением наименьшего критического сечения резьб к поперечному сечению корпуса трубопровода и ограничивает эксплуатационные характеристики соединения. С другой стороны, увеличение значения толщины концов охватываемой и охватывающей частей уменьшает размер области центрального заплечика и, следовательно, снижает сопротивление соединения к сжатию.

На фиг. 1-3 представлено примерное соединение, которое характеризуется эффективностью на растяжение, составляющей 90% или более. Как поясняется более подробно ниже, в настоящем примере центральный заплечик не используют в качестве уплотнения. Согласно другому аспекту настоящий пример максимально увеличивает крутящий момент при свинчивании соединения и его устойчивость к сжатию посредством применения большой области заплечика. В настоящем примере также применяют резьбы с характеризующимися отрицательным наклоном рабочими гранями с тем, чтобы избежать риска, связанного с выскакиванием из зацепления резьб под воздействием растяжения, например, в нефтяной скважине.

На фиг. 1 представлено соединение, которое содержит первый трубный элемент и второй трубный элемент. Первый трубный элемент оснащен трубным охватываемым концом 101, а второй трубный элемент оснащен трубным охватывающим концом 102. Трубный охватываемый конец 101 первого трубного элемента именуют ниппелем, а охватывающий конец 102 второго трубного элемента именуют муфтой. Пример, представленный на фиг. 1, является резьбовым полуравнопроходным соединением, т.е. соединением, в котором наружный диаметр муфты лишь незначительно превышает наружный диаметр трубопровода, причем два элемента - ниппель 101 и муфта 102 - выполнены на концах. Как ниппель 101, так и муфта 102 содержат две ступени конических резьб и прямой центральный заплечик 124. Ниппель содержит характеризующуюся малым диаметром секцию 104 резьбы и характеризующуюся большим диаметром секцию 105 резьбы. Муфта содержит характеризующуюся малым диаметром секцию 106 резьбы и характеризующуюся большим диаметром секцию 107 резьбы. Соединение содержит внутреннюю часть (104, 106) резьбы и наружную часть (105, 107) резьбы. Между этими двумя частями расположены уплотнительная часть 125 и отдельная часть 124 в виде заплечика.

Конфигурация резьб соединения, представленного на фиг. 1, аналогична конфигурации, описанной согласно примеру, представленному на фиг. 4 и 5. Таким образом, каждая ступень резьбы содержит часть восхождения на стороне свободного конца (наконечника) элемента и часть сбега на противоположной стороне. Каждая часть восхождения на ниппеле 101 входит в зацепление с частью сбега на муфте 102, а каждая часть восхождения на муфте 102 входит в зацепление с частью сбега на ниппеле 101. Секция восхождения и секция сбега могут быть полными секцией восхождения/секцией сбега или неполными секцией восхождения/секцией сбега, т.е. в последнем случае высота резьб не снижается до нулевого значения. Скорость уменьшения высоты резьб может также изменяться на протяжении секции восхождения/секции сбега для устранения длинной резьбовой части. Кроме того, как будет более подробно описано со ссылкой на фиг. 3, точка перехода между секцией восхождения и секцией сбега зацепленных резьб может не находится в одном и том же месте.

Для повышения эффективности прочности на растяжение соединения, представленного на фиг. 1, дополнительно к двум ступеням соединения с частью восхождения и частью сбега на концах каждой из резьб этот пример содержит конкретное равновесие между четырьмя критическими сечениями соединения. Эти сечения содержат критическое поперечное сечение 171 ниппеля (КПСН), промежуточное критическое поперечное сечение 172 муфты (ПКПСМ), промежуточное критическое поперечное сечение 173 ниппеля (ПКПСН), а также критическое поперечное сечение 174 муфты (КПСМ). КПСН 171 является площадью поперечного сечения ниппеля 101 (также именуемого трубным охватываемым концом), которая подвержена полному растягивающему напряжению, передаваемому через все резьбы, и которая расположена на конце трубного охватываемого конца 101, противоположном свободному концу (наконечнику) трубного охватываемого конца 101. КПСМ 174 является площадью поперечного сечения муфты 102 (именуемой также трубным охватывающим концом), которая подвержена полному растягивающему напряжению, передаваемому через все резьбы, и которая расположена на конце трубного охваты- 4 025974 вающего конца 102, противоположном наконечнику трубного охватывающего конца 102. ПКПСМ 172 является площадью поперечного сечения трубного охватывающего конца 102, которая подвержена растягивающему напряжению, передаваемому через наружную часть 107 резьбы трубного охватывающего конца 102, и которая расположена на конце наружной части 107 резьбы, противоположном свободному концу (наконечнику) трубного охватывающего конца 102. ПКПСН является площадью поперечного сечения трубного охватываемого конца 101, которая подвержена растягивающему напряжению, передаваемому через внутреннюю часть 104 резьбы трубного охватываемого конца 101, и которая расположена на конце внутренней части 104 резьбы, противоположном свободному концу (наконечнику) трубного охватываемого конца 101.

В случае, если значения площади поперечного сечения в одном из этих четырех упомянутых критических сечений соединения будут недостаточно высокими, может произойти разрушение соединения в этом месте. КПСН и КПСМ отображают риск разрушения возле конца, соответственно, ниппеля 101 и муфты 102. Сумма ПКПСН и ПКПСМ отображает риск разрушения посредством растягивающего напряжения возле центрального заплечика 124. Авторы настоящего изобретения отмечают, что улучшенная эффективность прочности на растяжение может быть достигнута при удовлетворении следующего конкретного соотношения:

КПСН ~ (ПКПСМ + ПКПСН) ~ КПСМ

Согласно настоящему примеру символ предназначен для обозначения равенства в пределах ±5%.

Авторы изобретения отмечают, что выравнивание эффективности между отмеченными выше четырьмя критическими сечениями согласно приведенному выше способу максимизирует и поддерживает эффективность соединения (~90%), при этом максимально увеличивая площадь заплечика для получения большей устойчивости к крутящему моменту, а также все еще обеспечивая аксиальные эксплуатационные характеристики соединения.

Дополнительно соотношение между критическими сечениями может включать различия, составляющие менее 2% или даже 1%. Предпочтительно сумма ПКПСН и ПКПСМ превышает сумму наибольших КПСН и КПСМ для предотвращения разрушения возле центрального заплечика.

Как будет рассмотрено со ссылкой на сравнительные примеры, приведенные ниже, представленное на фиг. 4 соединение не следует упомянутому выше соотношению между критическими сечениями. Вместо этого, представленное на фиг. 4 соединение характеризуется меньшими значениями отношения критических сечений соединения (в % при сравнении с поперечным сечением трубопровода) и, таким образом, эффективностью прочности на растяжение соединения (т.е. наименьшими значениями отношения соединения), которая меньше, чем в примере, представленном на фиг. 1-3.

В соединении, представленном на фиг. 4, радиальное пространство, занимаемое поверхностями 27, 28 уплотнения на толстых концах охватываемого элемента 1 и охватывающего элемента 2, снижает КПСН и КПСМ. Напротив, пример, представленный на фиг. 1-3, содержит конфигурацию центрального уплотнения, которая позволяет выполнить толстые концы характеризующейся большим диаметром резьбы 105 на ниппеле и характеризующейся малым диаметром резьбы 106 на муфте более толстыми, чем концы соединения, представленного на фиг. 4, без основных недостатков и, таким образом, обеспечить новое соотношение между значениями критического сечения, представленными выше.

Как представлено на фиг. 2, уплотнение 125 согласно настоящему примеру находится в центральном положении, а также на расстоянии от заплечика 124 и отдельно от него. Поверхность уплотнения 152 на ниппеле 101 обеспечивает уплотнение в радиальном направлении с поверхностью 162 уплотнения на муфте 102. Поверхности 154 и 164 центрального заплечика, соответственно, на муфте 102 и ниппеле 103 расположены между двумя ступенями конических резьб, а также образуют стопорные заплечики. Таким образом, при свинчивании соединения поверхности 154 и 164 заплечиков ниппеля и муфты входят в зацепление, и поверхности 152 и 162 уплотнения ниппеля и муфты находятся в плотном взаимодействии ввиду радиального контакта между ними. Тем не менее, конструкция поверхностей 154 и 164 заплечиков, находящихся на ниппеле и муфте, не предусматривает формирования уплотнения, даже если они находятся в плотном взаимодействии, когда соединение не испытывает растяжения. В частности, когда ниппель и муфта испытывают растяжение, обычно воздействующее во время нормального функционирования, поверхности 154 и 164 заплечиков не образуют уплотнения.

Выбор единого центрального уплотнения, представленного на фиг. 1, вместо двух концевых уплотнений 27, 28, представленных на фиг. 4, позволяет снизить радиальное пространство, занимаемое уплотнениями, и затем увеличить как КПСН, так и КПСМ и/или площадь заплечика. Такой выбор также делает соединение менее чувствительным к риску выскакивания ниппеля и муфты из-за давления пасты в случае избыточного содержания пасты, отсутствия смазывающей пасты между оконечными уплотнениями.

Поверхности 152 и 162 уплотнения, относящиеся к уплотнению 125, могут быть обе коническими поверхностями, характеризующимися, по существу, одинаковой конусностью, либо одна из поверхностей 152 и 162 может быть выпукло выдающейся поверхностью, например тороидальной поверхностью, определенной радиусом тора, составляющим от 10 до 100 мм, а другая поверхность может быть кониче- 5 025974 ской. Конусность конической поверхности может быть выбрана исходя из двух ограничений, с одной стороны для ограничения радиального пространства, занимаемого уплотнением 125, а с другой стороны, для ограничения риска истирания поверхностей уплотнения. Например, может быть выбрана конусность уплотнения, составляющая 1/6 (16,7%).

Как представлено на фиг. 2, поверхности муфты и ниппеля характеризуются формой, позволяющей обеспечить радиальный зазор 181 между поверхностью 153 на ниппеле и соответствующей поверхностью 163 на муфте. Эти поверхности не образовывают уплотнение и не могут образовать его. Зазор 181 ограничивает взаимодействие между уплотнением 125 и стопорным заплечиком 124 во время воздействия наружной нагрузки. В частности, часть 125 в виде уплотнения отделена от заплечика 124 для ограничения влияния деформации заплечика на уплотнительную часть 125 во время растяжения и сжатия и, таким образом, для максимизации рабочих характеристик соединения в условиях циклических нагрузок. Аксиальный зазор 181 может составлять, например, от 3 до 15 мм, а радиальный зазор (радиальный зазор составляет половину диаметрального зазора, который является разницей в диаметре) может составлять, например, от 0,125 до 0,4 мм.

Между заплечиком 124 и большей ступенью резьбы существуют также цилиндрические поверхности 155 и 165, соответственно, на ниппеле 101 и муфте 102. Кроме того, между этими цилиндрическими поверхностями 155, 165 всегда присутствует радиальный зазор 182. Цилиндрические поверхности 155, 165 не образовывают уплотнение и не могут образовывать его. Зазор 182 является радиальным зазором, который характеризуется размером, составляющим, например, от 0,1 до 2 мм при свинчивании.

Третий зазор, а именно зазор 183, расположен между уплотнением 125 и резьбами на стороне уплотнения 125, противоположной зазору 181. Зазор 183 является радиальным зазором, который образован между цилиндрическими поверхностями 151 и 161, соответственно, на ниппеле 101 и муфте 102. Зазор 183 характеризуется размером, составляющим, например, от 0,1 до 2 мм при свинчивании.

Сведение зазоров 182, 183 к минимуму может увеличить либо значение суммы ПКПСН+ПКПСМ, либо площадь заплечика, но может сделать соединение более сложным для свинчивания.

Как отмечено ранее, участки восхождения резьб ниппеля и муфты основаны на цилиндрическиконическом соединении, представленном на фиг. 4. Наличие цилиндрически-конического участка восхождения ниппеля на наружной резьбовой секции и цилиндрически-конического участка восхождения муфты на внутренней резьбовой секции максимально увеличивает площадь заплечика следующим образом: (длина цилиндрического участка восхождения · конусность резьбы)/2 = увеличение высоты заплечика из-за одной части восхождения резьбы. Поскольку существует одна часть восхождения резьбы с каждой стороны заплечика 124 (одна на ниппеле, а другая на муфте), общее увеличение высоты заплечика будет суммой увеличений в связи с каждой частью восхождения резьбы. На фиг. 3 представлен подробный вид в поперечном разрезе одной из частей восхождения резьбы трубного соединения, представленного на фиг. 1. В частности, на фиг. 3 представлена часть сбега резьб 107 муфты 102 и часть восхождения резьб 105 ниппеля 101. Линии 193 и 194 представляют линии, которые показывают коническую траекторию, а линии 191 и 192 представляют цилиндрический диаметр. Впадины ниппеля в части восхождения резьбы характеризуются конической формой, хотя они лежат на цилиндрической поверхности, ограниченной линией 192, форма которой обусловлена конфигурацией обрабатывающей вставки.

Точка перехода между секцией восхождения и секцией сбега зацепленных резьб не обязательно находится в одном и том же месте. Согласно примеру, представленному на фиг. 3, точка перехода между цилиндрической вершиной муфты и конической вершиной муфты отмечена позицией 1, а точка перехода между цилиндрической впадиной ниппеля и конической впадиной ниппеля отмечена позицией К. Длина цилиндрического участка резьбы частей восхождения может составлять, например, от 3 до 4 шагов резьбы. Согласно соединению, представленному на фиг. 3, дополнительное количество материала С может быть специально предназначено для высоты заплечика по сравнению со случаем, в котором повторена впадина стандартной восходящей резьбы, которая следует за линией 195.

Значение конусности резьбы может составлять от 1/18 (5,555%) до 1/8 (12,5%). Выбор конусности резьбы для каждого размера соединения помогает

1) обеспечить эффективность соединения КПСН ~ (ПКПСМ + ПКПСН) ~ КПСМ;

2) обеспечить область резьбы, в достаточной степени модифицированную для устранения выскакивания; и

3) максимально увеличить высоту заплечику для максимального увеличения характеристик крутящего момента и/или сопротивления к сжимающим нагрузкам или изгибающим нагрузкам.

Конусность резьбы может отличаться среди двух ступенчатых резьб 104 (106) и 105 (107).

Длина двух внутренних и наружных частей резьбы может быть равной или отличаться для того, чтобы максимально увеличить эффективность промежуточных поперечных сечений. Длина внутренней части резьбы может составлять, например, от 100 до 50% длины наружной части резьбы.

Кроме того, полностью модифицированная область резьбы может быть больше чем 130%, но не превышать 250% наименьшего критического сечения между КПСН и КПСМ.

В следующих таблицах выполняется сравнение размеров соединения, выполненного согласно соединению, представленному на фиг. 4, с соединением, выполненным согласно соединению, представ- 6 025974 ленному на фиг. 1-3. Табл. 1 является примером размеров для четырех различных соединений, выполненных с применением соединения, представленного на фиг. 1-3. Как отмечено ранее, это соединение может достичь эффективности прочности на растяжение, составляющей 90% или более. Как представлено в табл. 1, критические сечения могут характеризоваться различиями, которые находятся в диапазоне от 3% до менее чем 1%. В приведенных ниже таблицах под ПСКТ подразумевают номинальную площадь поперечного сечения корпуса трубы (= π · (наружный диаметр - толщина стенки трубы трубопровода) · (толщину стенки трубы трубопровода)). Кроме того, следует отметить, что область заплечика симметрично больше чем 25%. Увеличение наружного диаметра на муфте определяет категорию соединения (равнопроходное/полуравнопроходное/стандартное) и предпочтительно влияет на общую эффективность прочности на растяжение соединения и область крутящего момента заплечика. Как представлено в табл. 1, примеры относятся к более высокой стороне возможного диапазона увеличения наружного диаметра для полуравнопроходного типа соединения.

Таблица 1

Примерные размеры для соединения, представленного на фиг. 1-3

Наружный диаметр (НД) (дюйм)	5	5,5
Масса (фут/фунт)	21,4#	23,2#	23,О#	26,О#
Толщина стенки трубы трубопровода (мм)	11,10	12,14	10,52	12,09
ПСКТ (мм²)	4042	4381	4277	4847
НД муфты (мм)	133,4	134,02	145,3	145,3
НД муфты/ НД трубы трубопровода(%)	105,0%	105,5%	104,0%	104,0%
КПСН (%)	91%	91%	91%	91%
ПКПСМ (%)	61%	62%	58%	57%
пкпсн(%)	32%	32%	33%	34%
кпсм (%)	91%	92%	91%	91%
(ПКПСМ+ПКПСН) (%)	93% (+2%)	94% (+2)	92% (+1%)	92%(+1%)
Область заплечика (%)	30,9%	31,2%	28,6%	26,2%

В табл. 2 представлен пример размеров для четырех различных соединений, выполненных с применением соединения, представленного на фиг. 4. Как отмечено ранее, это соединение достигает лишь эффективности прочности на растяжение, составляющей 70-80% или более. Как видно из табл. 2, критические сечения могут характеризоваться различиями, составляющими от 9 до 10%. Кроме того, это соединение обеспечивает область заплечика, составляющую от 20 до 25%, что меньше, чем для соединения, представленного на фиг. 1-3.

Таблица 2

Сравнительные размеры для соединения, представленного на фиг. 4.

Наружный диаметр (НД) (дюйм)	5	5,5
Масса (фут/фунт)	21,4#	23,2#	23,О#	26,О#
Толщина стенки трубы трубопровода (мм)	11,10	12,14	10,52	12,09
ПСКТ (мм)	4042	4381	4277	4847
НД муфты (мм)	131,01	131,82	143,14	144,22
НД муфты/ НД трубы трубопровода(%)	103,2%	103,8%	102,5%	103,2%
КПСН (%)	78%	78%	76%	78%
ПКПСМ (%)	42%	42%	41%	43%
ПКПСН (%)	44%	43%	44%	44%
КПСМ (%)	77%	77%	75%	78%
(ПКПСМ+ПКПСН) (%)	87% (+10%)	86% (+9)	85%(+10%)	87%(+9%)
Область заплечика (%)	24,1%	24,8%	22,7%	25,4%

Очевидно, что различные модификации и изменения настоящего изобретения являются возможными в контексте представленных выше идей. Таким образом, следует понимать, что в пределах объема приложенной формулы изобретения настоящее изобретение может быть практически осуществлено способом, отличным от конкретно описанного в настоящем описании.

В частности, могут быть использованы другие классы заплечика, отличные от прямого заплечика 124, представленного на фиг. 1, например может быть использован обратный заплечик, характеризующийся отрицательным углом, составляющим 20° или менее, относительно перпендикуляра к оси соединения.

Кроме того, представленные на фиг. 5 резьбы с изогнутым профилем могут быть заменены другими профилями резьбы.

Сухая смазка может быть также использована вместо стандартной составной пасты (КР ΑΡΙ 5А3) для обеспечения небольших радиальных зазоров 182, 183.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Резьбовое трубное соединение, содержащее первую трубу, причем первая труба содержит элемент в виде ниппеля, проходящий от конца основного корпуса первой трубы к наконечнику первой трубы, причем элемент в виде ниппеля содержит две

- 7 025974 радиально смещенные секции наружных резьб, причем две радиально смещенные секции наружных резьб содержат первую секцию резьбы и вторую секцию резьбы, причем первая секция резьбы отделена от второй секции резьбы при помощи первой упорной поверхности, причем первая секция резьбы расположена между наконечником первой трубы и первой упорной поверхностью, а вторая секция резьбы расположена между первой упорной поверхностью и концом основного корпуса первой трубы; и вторую трубу, причем вторая труба содержит элемент в виде муфты, проходящий от конца основного корпуса второй трубы к наконечнику второй трубы, причем элемент в виде муфты содержит две радиально смещенные секции внутренних резьб, причем две радиально смещенные секции внутренних резьб содержат третью секцию резьбы и четвертую секцию резьбы, причем третья секция резьбы отделена от четвертой секции резьбы при помощи второй упорной поверхности, причем третья секция резьбы расположена между наконечником второй трубы и второй упорной поверхностью, а четвертая секция резьбы расположена между второй упорной поверхностью и концом основного корпуса второй трубы, причем элемент в виде ниппеля содержит критическое поперечное сечение ниппеля (КПСН), расположенное в находящейся в зацеплении впадине резьбы второй секции резьбы, расположенной ближе всего к концу основного корпуса первой трубы, элемент в виде муфты содержит критическое поперечное сечение муфты (КПСМ), расположенное в находящейся в зацеплении впадине резьбы четвертой секции резьбы, расположенной ближе всего к концу основного корпуса второй трубы, элемент в виде муфты содержит промежуточное критическое поперечное сечение муфты (ПКПСМ), расположенное в находящейся в зацеплении впадине резьбы третьей секции резьбы, которая расположена ближе всего ко второму упору второй трубы, а элемент в виде ниппеля содержит промежуточное критическое поперечное сечение ниппеля (ПКПСН), расположенное в находящейся в зацеплении впадине резьбы первой секции резьбы, расположенной ближе всего к первому упору первой трубы, причем первая и вторая трубы отвечают следующим соотношениям: КПСН находится в пределах приблизительно ±5% КПСМ, и каждое из КПСН и КПСМ находится в пределах приблизительно ±5% (ПКПСМ + ПКПСН), при этом ниппель содержит первую центральную поверхность уплотнения, расположенную между первой секцией резьбы и первой упорной поверхностью, а муфта содержит вторую центральную поверхность уплотнения, расположенную между четвертой секцией резьбы и второй упорной поверхностью, при этом в свинченном состоянии первая центральная поверхность уплотнения входит в зацепление со второй центральной поверхностью уплотнения в радиальном направлении для образования непроницаемого для жидкости уплотнения, проходящего в аксиальном направлении резьбового трубного соединения и выполненного отдельным и отличным от первой и второй упорных поверхностей, при этом между первой и второй центральными поверхностями уплотнения образовано единое центральное непроницаемое для жидкости уплотнение, при этом в свинченном состоянии непроницаемое для жидкости уплотнение выполнено отдельным от первой и второй упорных поверхностей в аксиальном направлении резьбового трубного соединения посредством первой части зазора, причем ниппель и муфта расположены на расстоянии друг от друга в радиальном направлении в первой части зазора с возможностью образования первого зазора между ниппелем и муфтой в первой части зазора, при этом первый зазор содержит аксиальный зазор, составляющий от 3 до 15 мм, и радиальный зазор, составляющий от 0,125 до 0,4 мм.
2. Резьбовое трубное соединение по п.1, отличающееся тем, что в свинченном состоянии резьбовое трубное соединение содержит вторую часть зазора, причем вторая часть зазора расположена между второй упорной поверхностью и третьей секцией резьбы на муфте, а также между первой упорной поверхностью и второй секцией резьбы на ниппеле, причем ниппель и муфта расположены на расстоянии друг от друга в радиальном направлении во второй части зазора с возможностью образования второго зазора между ниппелем и муфтой во второй части зазора, и тем, что в свинченном состоянии резьбовое трубное соединение содержит третью часть зазора, причем третья часть зазора расположена между второй центральной поверхностью уплотнения и четвертой секцией резьбы на муфте, а также между первой центральной поверхностью уплотнения и первой секцией резьбы на ниппеле, причем ниппель и муфта расположены на расстоянии друг от друга в радиальном направлении в третьей части зазора с возможностью образования третьего зазора между ниппелем и муфтой в третьей части зазора.
3. Резьбовое трубное соединение по п.1, отличающееся тем, что каждая из первой, второй, третьей и четвертой секций резьбы содержит резьбы, содержащие рабочие грани с отрицательным наклоном.
4. Резьбовое трубное соединение по п.1, отличающееся тем, что каждая из первой, второй, третьей и четвертой секций резьбы характеризована формой усеченного конуса, а также каждая содержит часть восхождения резьбы на первом конце, часть сбега резьбы на втором конце и характеризующуюся полной высотой часть резьбы, расположенную между частью восхождения резьбы и частью сбега резьбы.
5. Резьбовое трубное соединение по п.4, отличающееся тем, что конусность каждой из первой, второй, третьей и четвертой секций резьбы находится в диапазоне от 1/18 до 1/8.
6. Резьбовое трубное соединение по п.4, отличающееся тем, что часть сбега резьбы по меньшей ме- 8 025974 ре одной из первой, второй, третьей и четвертой секций резьбы является частично сбегающей резьбой.
7. Резьбовое трубное соединение по п.4, отличающееся тем, что длина первой и четвертой секций резьбы равна длине второй и третьей секций резьбы.
8. Резьбовое трубное соединение по п.4, отличающееся тем, что длина первой и четвертой секций резьбы находится в диапазоне от 50 до 100% длины второй и третьей секций резьбы.
9. Резьбовое трубное соединение по п.1, отличающееся тем, что каждое из КПСН и КПСМ находится в пределах приблизительно ±3% (ПКПСМ + ПКПСН).
10. Резьбовое трубное соединение по п.1, отличающееся тем, что каждое из КПСН и КПСМ находится в пределах приблизительно ±2% (ПКПСМ + ПКПСН).
11. Резьбовое трубное соединение по п.1, отличающееся тем, что (ПКПСМ + ПКПСН) превышает КПСН и КПСМ.
12. Резьбовое трубное соединение по п.1, отличающееся тем, что эффективность прочности на растяжение резьбового трубного соединения составляет по меньшей мере 90%.
13. Резьбовое полуравнопроходное соединение, содержащее первый трубный элемент, причем первый трубный элемент содержит трубный охватываемый конец; и второй трубный элемент, причем второй трубный элемент содержит трубный охватывающий конец, причем каждый из трубного охватываемого конца и трубного охватывающего конца содержат две ступени конических резьб и прямой центральный заплечик, причем каждая из двух ступеней конических резьб содержит внутреннюю часть резьбы и наружную часть резьбы, причем уплотнительная часть и отдельная часть в виде заплечика расположены между внутренней частью резьбы и наружной частью резьбы, причем две ступени конических резьб содержат часть восхождения на стороне наконечника соответствующего одного из первого трубного элемента и второго трубного элемента и часть сбега на противоположной стороне, причем каждая часть восхождения на первом трубном элементе входит в зацепление с частью сбега на втором трубном элементе, и каждая часть восхождения на втором трубном элементе входит в зацепление с частью сбега на первом трубном элементе, причем наружный диаметр трубного охватывающего конца не более чем на 10% превышает номинальный наружный диаметр первого и второго трубного элементов, причем трубный охватываемый конец содержит площадь поперечного сечения (КПСН), подверженную полному растягивающему напряжению, передаваемому через все резьбы трубного охватываемого конца, и расположенную на конце трубного охватываемого конца, противоположном наконечнику трубного охватываемого конца, причем трубный охватывающий конец содержит площадь поперечного сечения (КПСМ), подверженную полному растягивающему напряжению, передаваемому через все резьбы трубного охватывающего конца, и расположенную на конце трубного охватывающего конца, противоположном наконечнику трубного охватывающего конца, причем трубный охватывающий конец содержит площадь поперечного сечения (ПКПСМ), подверженную растягивающему напряжению, передаваемому через наружную часть резьбы трубного охватывающего конца, и расположенную на конце наружной части резьбы, противоположной наконечнику трубного охватывающего конца, и трубный охватываемый конец содержит площадь поперечного сечения (ПКПСН), подверженную растягивающему напряжению, передаваемому через внутреннюю часть резьбы трубного охватываемого конца, и расположенную на конце внутренней части резьбы, противоположном наконечнику трубного охватываемого конца, и причем первый и второй трубные элементы отвечают следующим соотношениям:

КПСН находится в пределах приблизительно ±5% КПСМ, и каждое из КПСН и КПСМ находится в пределах приблизительно ±5% (ПКПСМ + ПКПСН), при этом в свинченном состоянии между уплотнительными частями первого и второго трубного элемента образовано единое центральное непроницаемое для жидкости уплотнение, при этом в свинченном состоянии непроницаемое для жидкости уплотнение выполнено отдельным от первой и второй упорных поверхностей в аксиальном направлении резьбового полуравнопроходного соединения посредством первой части зазора, причем трубный охватываемый конец и трубный охватывающий конец расположены на расстоянии друг от друга в радиальном направлении в первой части зазора с возможностью образования первого зазора между трубным охватываемым концом и трубным охватывающим концом в первой части зазора, при этом первый зазор содержит аксиальный зазор, составляющий от 3 до 15 мм, и радиальный зазор, составляющий от 0,125 до 0,4 мм.
14. Резьбовое полуравнопроходное соединение по п.13, отличающееся тем, что каждое из КПСН и КПСМ находится в пределах приблизительно ±3% (ПКПСМ + ПКПСН).
15. Резьбовое полуравнопроходное соединение по п.13, отличающееся тем, что каждое из КПСН и КПСМ находится в пределах приблизительно ±2% (ПКПСМ + ПКПСН).
16. Резьбовое полуравнопроходное соединение по п.13, отличающееся тем, что (ПКПСМ + ПКПСН) превышает КПСН и КПСМ.

- 9 025974
17. Резьбовое полуравнопроходное соединение по п.13, отличающееся тем, что эффективность прочности на растяжение полуравнопроходного соединения составляет по меньшей мере 90%.
18. Резьбовое трубное соединение по п.4, отличающееся тем, что конусность первой секции резьбы отличается от конусности второй секции резьбы.
19. Резьбовое трубное соединение по п.4, отличающееся тем, что часть восхождения резьбы по меньшей мере одной из первой, второй, третьей и четвертой секций резьбы является частично восходящей резьбой.
20. Резьбовое полуравнопроходное соединение по п.13, отличающееся тем, что наружный диаметр трубного охватывающего конца не более чем на 6% превышает номинальный наружный диаметр первого и второго трубных элементов.