NO164796B - Roerforbindelse av tapp og muffeelementer. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår generelt en rørforbindelse for rør-elementer som anvendes i oljeindustrien. Særlig angår oppfinnelsen en forbindelse for rørelementer som er fremstilt av relativt tynnvegget materiale med stor fasthet eller av relativt tykkvegget materiale som anvendes under forhold med høy strekkbelastning og høyt trykk som opptrer ved fremstilling av produksjonsrør eller foringsrør som anvendes i dype, hardt belastede olje- og gassbrønner.

Forholdene nede i brønnen som når en dybde på mer enn 4600 m omfatter trykk fra 100.000 kPa til 1750.000 kPa og temperaturer nær opp til 260°C. Forholdene nede i brønnen karakteriseres ofte som harde når svovelfattig gass C02 eller svovelholdig gass H2S påtreffes. For å kunne tåle forholdene i dype, hardt belastede brønner, fremstilles produksjonsrør- og foringsrør-koplinger ofte av forholdsvis tynnvegget legeringsstål som ikke stukes eller kald-bearbeides. Slikt stål har meget høy fasthet og trenger derfor ikke være så tykk som stål av lavere fasthet. Selv der forhold med hard belastning ikke ventes, er der tilfeller hvor forbindelsen må ha en strekkfasthet nær den maksimale for ikke-stukete eller ikke-kaldbearbeidede rør-elementer av forholdsvis tynt materiale.

Kjente forbindelseskonstruksjoner anordnet på enden av rørelementer av forholdsvis tynt materiale som ikke har stukinger eller ikke er behandlet ved kaldbearbeiding er blitt anordnet på en enkeltgjengegeometri med en gjenge med positiv belastningsflanke. Slike kjente konstruksjoner fører til gjengeinterferens fra topp til bunn, hvilket fører til betydelige monteringsspenninger og uthoppingsfeil.

Rette eller sylindriske, totrinns gjengekonstruksjoner er tidligere kjent for slike elementer av forholdsvis tynt materiale, men maksimale strekkfasthets-kriterier for slike konstruksjoner kan være umulig å tilfredsstille, særlig der rørelementene er beregnet på å anvendes i særlig dype brønner.

Eksempelvis anvendes ifølge US-patent nr. 4 192 533 to par sylindriske gjenger anordnet med innbyrdes aksiell avstand i et avtroppet forhold. Disse sylindriske gjenger er med normal tiltrekking adskilt ved anlegg mellom to skuldre. To ytterligere skulderpar anordnet nær hver sin koplingsende, kommer i inngrep bare dersom unormalt sterk tiltrekking fører til sammenpressing av skulderparet mellom de sylindriske gjengepar. Under vanlig tiltrekking vil det eneste tetningsinngrep mellom tapp- og muffeelementene foreligge ved de innbyrdes anliggende skuldre beliggende mellom de sylindriske gjengepar.

Videre er det fira US-patent nr. 3 989 2 84 kjent rør-forbindelser som anvender gjenger av svalehaletypen, slik at ved bruk vil dreiebevegelsen mellom de samvirkende tapp- og muffeelementer stoppe når de kileformede gjenger møter veggene i sporet mellom gjengen. Kilevirkningen mellom de samvirkende svalehalegjenger hindrer således videre sammenskruing uten behov for hjelpeskuldre.

Under forhold med høy strekkbelastning og høyt trykk som krever anvendelse av tunge foringsrør brukt som produksjons-foringsrør eller plattform-(tie-back)-foringsrør i dype, hardt belastede olje- eller gassbrønner, må alternativt produksjons-foringsrørene ofte være tre ganger så tykke som standard API-vegger for rørstørrelser med sammenlignbar utvendig diameter.

Med den økede veggtykkelse som kreves for dype, hardt belastede brønner følger øket vekt av borestrengen og stivere rørelementer. Kjente, tykkveggede forbindelser har hatt en tendens til gjengeuthopp og tetningsoppriving. Disse ulemper ved kjente forbindelser for tykkveggede rørelementer skyldes gjengeprofiler med positiv flanke på de lange rørstrenger samt stivheten i de tykkveggede foringsrør.

Der har således oppstått et behov i rørforbindelses-industrien for en forbindelseskonstruksjon som kan anvendes på rørelementer av forholdsvis tynnvegget materiale eller av øket veggtykkelse innrettet for bruk under dype og/eller harde forhold eller andre forhold.

Dette behov blir ifølge oppfinnelsen ialt vesentlig dekket ved en rørforbindelse som angitt i det etterfølgende patentkrav 1. Fordelaktige utføringsformer av oppfinnelsen er angitt i de øvrige etterfølgende krav.

Den tynnveggede rørforbindelse ifølge denne oppfinnelse oppviser mindre tilbøyelighet til spenningskorrosjonsbrudd under anvendelse i harde omgivelser.

En tykkvegget rørforbindelse i henhold til denne oppfinnelse gir en forbindelse som tillater justering til toleransevariasjoner i rørkoppens utvendige og innvendige diameter uten å svekke forbindelsen.

Videre hindrer den tynnveggede eller tykkveggede forbindelse ifølge oppfinnelsen radiell inntrykking av tapp-elementets ende på grunn av store trykk-krefter. Mer bestemt skaffer denne forbindelse fortrinnsvis aksiell sammentrykking av tappens innvendige overflate for derved å gjøre forbindelsen mindre ut-

satt for spenningskorrosjonsbrudd under anvendelser i harde omgivelser.

Et ytterligere trekk ved oppfinnelsen er at forbindelsen danner tetningsflater som øker den radielle belastningsfordeling på tettingen i forhold til den som oppnås ved kjente koplinger og derved å minske tendensen til rift eller sårdannelser ved at tapp-belastningen på tetningen reduseres.

En annen fordel ved oppfinnelsen er at den tilveiebi-inger

en forbindelse som motvirker tendensen til uthopping ved at tappen og muffen sammenlåses for derved å minske inntrykking av tappen og utvidelse av muffen.

Ytterligere trekk og fordeler ved oppfinnelsen skal be-skrives i det følgende i forbindelse med følgende beskrivelse av foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen, i tilknytning til de medfølgende tegninger, hvor:

Figur 1 er et tverrsnitt gjennom en første utførelse av

en rørforbindelse som er fremstilt i henhold til oppfinnelsen,

og viser tapp- og muffe-elementene i inngrep med hverandre,

Figur 2 er et utsnitt i større målestokk av et gjenget

parti av forbindelsen på figur 1, hvor hakegjenger er vist, og

Figur 3 viser koplings-tappelementer av to rørelementer i koplingen på figur 1, Figur 4 er et tverrsnitt gjennom en annen utførelse av en rørforbindelse i henhold til oppfinnelsen og viser tapp- og muffe-elementene i innbyrdes inngrep, Figur 5 er et utsnitt i større målestokk av et gjenget parti av forbindelsen i figur 4, hvor hakegjenger er vist, og Figur 6 viser koplingstappelementer av to rørelementer i koplingen vist på figur 4. Figur 1 viser den første utførelse av oppfinnelsen der en forholdsvis tynnvegget rørforbindelse 10 omfatter et tappelement 12 som er i gjengeinngrep méd et muffe-element 11. Tappelementet 12 og muffe-elementet 11 har første og andre gjengeflater 21 og 20. Den første gjengeflate 21 er i aksiell avstnd fra den andre gjengeflate 20. Den første gjengeflate 21 er utformet på en konusvinkel i forhold til rørelementfor-bindelsens aksel Den andre gjengeflate 20 er utformet på en rett eller sylindrisk profil i forhold til rørelementforbind-elsens akse. Den første gjengeflate 21 er radielt avtrappet

... -i.-forhold til den andre gjengeflate 20.

De konisk avsmalnende gjenger på gjengeflaten 21 tillater gjengeforbindelsen å løpe ut til rørelementets utvendige diameter, hvorved oppnås' en høyere tillatt strekkbelastning enn det som kunne oppnås dersom gjengeflaten 21 var en sylindrisk gjenge adskilt ved et trinn mellom den sylindriske gjengeflate 20.

Koniske metall-tetningsflater 18 og 19 er anordnet aksielt mellom den første og andre gjengeflate 21 og 20. Koniske metall-tetningsflater 14 og 15 er anordnet nær tappenden og nær muffens indre ende. Komplementære dreiemomentskuldre 16 og 17 med omvendt vinkel er anordnet på enden av tappen 12 og på muffens 11 indre ende.

Ifølge oppfinnelsen er gjengeflåtene 21 og 20 fortrinnsvis tilveiebragt i form avhakegjenger. Som eksempel er der i figur 2 ved henvisningstallet 40 vist en gjenge hvor belastningsflanken 41 danner en negativ vinkel (-9) i forhold til et radielt plan gjennom gjengen.

Gjengeforbindelsen, innbefattende totrinnsprofilen, letter dyp innstikking og sammenføyning av tappelementet 12 og muffe-elementet 11. Hakegjengene i de sylindriske gjengeflater 20 er mindre utsatt for gjengeoppheng på gjenger av koniske sylindriske gjengeflater 21 på grunn av konusformen på gjengeflåtene 21. Dvs., ved løsgjøring av tappen 12 fra muffen 11 vil gjenge-tappflaten 20 være mindre tilbøyelig til å henge fast på muffe-gjengeflaten 21 på grunn av den økende innvendige diameter til muffegjengene på den koniske gjengeflate 21.

På grunn av gjengeflatens 21. konusvinkel kombinert med gjengeflåtenes 20 sylindriske avtrappede gjenger kan hele forbindelsen ha maksimalt areal i gjenger og kristiske tverrsnitt, hvilket tillater jevn reduksjon av tverrsnittsfleksibilitet rundt tetningsområdene og reduksjon av relativ trinn-høyde mellom de avtrappede gjengeområder. Den koniske form på gjengene i gjengeflater 21 tillater også justering til toleransevariasjoner i den utvendige og innvendige rørdiamter,

som tilveiebringes av rørfremstillere uten å svekke forbindelsen.

Dreiemomentskuldrene 16 og 17 er anordnet helt innvendig

i forbindelsen og skaper en i det vesentlige utsparingsfri boring for å bedre fluidstrøm. Dreiemomentskuldrene virker som en positiv ansats- og låseinnretning idet tapp- og muffe-elementene settes sammen under vridningsforhold. Dreiemomentskuldrenes omvendte vinkel virker også til å hindre at tappens 12 ende inntrykkes på grunn av store periferi-trykkrefter.

Den omvendte skuldervinkel fikserer også forholdet mellom tapp-enden og muffens indre ende. Den innvendige dreiemomentskulder skaper også aksielt trykk langs et aksialområde på tappens innvendige overflate for derved å gjøre forbindelsen mindre utsatt for spenningskorrosjonsbrudd under anvendelse i et hardt miljø. Trykkraften på grunn av dreiemomentskulderen med omvendt vinkel virker også til at det tetningsområde som dannes av tetningsflåtene 14 og 15 ekspanderer radielt på grunn av endebelastningen.

De metalliske tetninger (dvs. tetninger hvor metall ligger an mot metall) som dannes av tetningsoverflåtene 14 og 15 samt 18 og 19 er anordnet henholdsvis som en innvendig tetning og som en støttetetning for innvendig trykk og en primær utvendig tetning, og tetningsflåtenes 14 og 15 samt 18 og 19 tetningsvinkler er grunnere enn typiske sylindriske totrinns metalliske tetninger. Tetningsflatevinklenes grunnhet øker tetningsflatens kontaktareal for derved å øke tetningens radielle belastningsfordeling og minsker tendensen til rifter og skår ved at den maksimale tetningsbelastning reduseres.

Det første og andre par koniske tetningsflater er fortrinnsvis utformet med brattere vinkler enn det første gjengeparets konusvinkel. Selv om de nøyaktige vinkler for tetningsflåtene og det første gjengeparets konusvinkel er avhengig av veggtykkelse til rørelementene som skal forbindes, er det første og andre par koniske tetningsflater fortrinnsvis utformet med en vinkel på ca. fire til fjorten grader i forhold til skjøt-aksen, mens det første gjengeparets konusvinkel fortrinnsvis er ca. to til åtte gradar i forhold til skjøtaksen.

Hakegjengene i rørforbindelsen 10 hindrer tendensen til gjengeuthopp. Når gjengene med belastningsflanke med negativ vinkel utsettes for strekk mellom tappen 12 og muffen 11, utvikler de.en periferi-trykkomponent. Dette periferitrykk låser tappen og muffen sammen og minsker derved inntrykking av tappen og utvidelse av muffen. En lignende reaksjon skjer når rar-forbindelsen utsettes for bøyning der hakegjengene på forbindelsens strekkside utvikler en periferi-trykkomponent som låser denne side av tappen og muffen, mens dreiemoms.ntskulderen opptar belastningen på bøyeforbindelsens trykkside.

Figur 3 viser et koplingselement som virker til å for-

binde endene av to rørelementer. To muffe-gjengeflater 11 og 11' samvirker med tapp-gjengeflater 10 og 10' på rørelementene. Forbindelsen mellom muffen 11' og tappen 10' er et speilbilde

av forbindelsen mellom muffen 11 og tappen 10.

Figur 4 viser en annen foretrukket utførelse av oppfinn-

elsen der det er vist en tykkvegget rørforbindelse 110 hvor et tappelement 112 står i gjengeinngrep med et muffe-element 111. Tappelementet 112 og muffe-elementet 111 har første og andre gjengeflater 121 og 120 som fortrinnsvis er utformet på identiske konusvinkler i forhold til skjøtaksen. Under visse forhold kan konusvinklene til den første og andre gjengeflate være anordnet på forskjellige konusvinkler. Det er vist forbindelseslinjer 130 og 131 som strekker seg langs bunnen av henholdsvis gjengeflåtene 121 og 120 på tappelementet 112. Konusvinklene målt i forhold til aksene til linjene 130 og 131 er stort sett identiske, idet linjene 130 og 131 er parallelle, men innbyrdes forskjøvet en strekning S vinkelrett på de to konus-forlengelses-linjer 130 x 131. Strekningen S størrelse avhenger av rør-elementets tykkelse og lengden av tetningsflåtene 118 og 119.

Metalliske, koniske tetningsflater 118 og 119 er anordnet aksielt mellom første og andre gjengeflater 121 og 120.

Metalliske tetningsflater 114 og 115 er anordnet nær enden av tappen og den indre ende av muffen. Komplementære dreiemomentskuldre 116 og 117 med omvendt vinkel er utformet på

enden av tappen 112 og på muffens 111 innvendige ende.

Gjengeflåtene foreligger fortrinnsvis i form av hakegjenger. Et eksempel på en gjenge er vist i figur 5 ved henvisningstallet 140 hvorav det fremgår at belastningsflanken

141 er tilveiebragt med en negativ vinkel (9') i forhold til

et radielt plan gjennom gjengen.

Gjengeforbindelsen innbefattende totrinnsprofilen letter dyp innstikking og enkel montering av tappelementet 112 og muffe-elementet 111. På grunn av konusvinklene som vist ved konuslinjene 130 og 131 kan forbindelsen ha maksimalt areal i gjenger og kristiske tverrsnitt, hvilket tillater jevn reduksjon av tverrsnittsfleksibilitet rundt tetningsområdene og reduksjon av relativ trinnhøyde S mellom de avtrappede gjengeområder. Den koniske form på gjengene tillater også justering til toleransevariasjoner i den utvendige og innvendige rørdia-meter, som tilveiebringes av rørfremstillere uten å svekke forbindelsen.

Dreiemomentskuldrene 116 og 117 er anordnet helt innvendig i forbindelsen og skaper en i det vesentlige utsparingsfri boring for å bedre fluidstrøm. Dreiemomentskuldrene virker som en positiv ansats- og låseinnretning idet tapp- og muffeelementene settes sammen under vridningsforhold. Dreiemomentskuldrenes omvendte vinkel virker også til å hindre at tappens 112 ende inntrykkes på grunn av store periferi-trykkrefter. Den omvendte skuldervinkel fikserer også forholdet mellom tappenden og muffens indre ende. Den innvendige dreiemomentskulder skaper også aksielt trykk langs et aksialområde på tappens innvendige dverflate for derved å gjøre forbindelsen mindre utsatt for spenningskorrosjonsbrudd under anvendelse i et hardt miljø. Trykkraften på grunn av dreiemomentskulderen med omvendt vinkel virker også til at det tetningsområde som dannes av tetningsoverflåtene 114 og 115 ekspanderer radielt på grunn av endebelastningen.

De metalliske tetninger (dvs. tetninger hvor metall ligger an mot metall) som dannes av tetningsflåtene 14 og 15 samt 18 og 19 er anordnet henholdsvis som en innvendig tetning og som en støttetetning for innvendig trykk og en primær utvendig tetning. Som følge av de tykke rørveggers større stivhet er gjengeflåtene utformet på konuspartier hvilket muliggjør grunnere tetningsvinkler enn typiske sylindriske totrinns metalliske tetninger. Tetningsflatevinklenes grunnhet øker tetningsflatens kontaktareal for derved å øke tetningens radielle belastningsfordeling og minsker tendensen til rifter og skår ved at den maksimale tetningsbelastning reduseres.

Det første og andre par koniske tetningsflater er fortrinnsvis utformet med brattere vinkler enn det første gjengeparets konusvinkel. Selv om de nøyaktige vinkler for tetnings-flatene og det første gjengeparets konusvinkel er avhengig av veggtykkelse til rørelementene som skal forbindes, er det første og andre par koniske tetningsflater fortrinnsvis utformet med en vinkel på ca. fire til fjorten grader i forhold til skjøtaksen, mens det første gjengeparets konusvinkel fortrinnsvis er ca. to til åtte grader i forhold til skjøtaksen.

Hakegjengene i rørforbindelsen 10 hindrer tendensen til gjenge-uthopp. Når gjengene med belastningsflanke med negativ vinkel utsettes for strekk mellom tappen 12 og muffen 11, utvikler de en periferi-trykkomponent. Dette periferitrykk låser tappen og muffen sammen.og minsker derved inntrykking av tappen og utvidelse av muffen. En lignende reaksjon skjer når rørforbindelsen utsettes for bøyning der hakegjengen på forbindelsens strekkside utvikler en periferi-trykkomponent som låser denne side av tappen og muffen, mens dreiemomentskulderen opptar belastningen på bøyeforbindelsens trykkside.

Figur 6 viser et koplingselement som virker til å for-binde endene av de tykkveggede rørelementer. To muffe-gjengeflater 111 og 110' samvirker med tapp-gjengeflater 110

og 111 på de to rørelementer. Forbindelsen mellom muffen 111' og tappen 110' er speilbildet av forbindelsen mellom muffen 111 og tappen 110.

Claims (8)

1. Rørforbindelse (10, 110) av tapp- og muffeelementer (11,

12; 111, 112), omfattende første og andre par aksielt adskilte, samvirkende hakegjenger (20, 21; 120, 121) som har flanker med negativ belastningsvinkel på de respektive elementer, idet det første gjengepar (20, 120) er avtrappet fra det andre gjengepar (21, 121), og motsatt vinklete skulderinnretninger (16, 17; 116, 117) anordnet på henholdsvis tapp- og muffeelementene (11, 12;

111, 112) , karakterisert ved at forbindelsen (10, 110) ved normal sammenskruing av denne har et første par samvirkende tetningsflater (14, 15; 114, 115) på tapp- og muffeelementene (11, 12; 111, 112) anordnet nær enden av tappelementet (12,

112), og et andre par samvirkende tetningsflater (18, 19; 118, 119) på tapp- og muffeelementene (11, 12; 111, 112) anordnet aksielt mellom det første og andre gjengepar (20, 120; 21,

121), og at minst ett av gjengeparene (21, 121) er anordnet på en konusvinkel i forhold til aksen, idet det andre par tetningsflater (18, 19; 118, 119) mellom det første og andre gjengepar (20, 21; 120, 121) er koniske flater anordnet med en brattere vinkel enn konusvinkelen på nevnte gjengepar (21, 121), og idet de motsatt vinklete skulderinnretninger omfatter en skulder (16, 116) som er anordnet på enden av tappelementet (12, 112) og en skulder (17, 117) som er anordnet på den indre ende av muffeelementet (11, 111) og som kommer til inngrep ved normal sammenskruing av forbindelsen.

2. Rørforbindelse ifølge krav 1, karakterisert ved at det andre gjengepar (20) har sylindriske gjenger.

3. Rørforbindelse ifølge krav 1, karakterisert ved at både det første og andre gjengepar (120, 121) er anordnet på første og andre konusvinkler i forhold til forbindelsens (12 0) akse, hvilke konusvinkler fortrinnsvis er identiske.

4. Rørforbindelse ifølge krav l, 2 eller 3, karakterisert ved at konusvinkelene til det ene eller begge gjengepar (21, 121) er anordnet på en konusvinkel innenfor et område på ca. 2-8 grader i forhold til forbindelsens (10, 110) akse.

5. Rørforbindelse ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at hakegjengene (40, 140) utvikler perferitrykk når forbindelsen (10, 110) utsettes for strekk for derved å låse tappen og muffen (11, 12; 111, 112) sammen for derved å minske tendensen til inntrykking av tappen og utvidelse av muffen.

6. Rørforbindelse ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at når rørforbindelsen (10, 110) utsettes for bøyning utvikler hakegjengene (40), 140) periferitrykk på forbindelsens strekkside som følge av bøyningen,, mens de samvirkende skulderinnretninger (16, 17; 116, 117) med omvendt vinkel opptar bøyebelastningen på forbindelsens (10, 110) andre side som er trykkbelastet på grunn av bøyningen.

7. Rørforbindelse ifølge et av kravene 1 - 6, karakterisert ved at de samvirkende skulderinnretninger (16, 17; 116, 117) er innrettet til å skape en utspringsfri boring for å bedre fluidstrøm gjennom røret, for å virke som en positiv stopp- og låseinnretning for sammenskruing, for å hindre at enden av tappen (12, 112) trykkes inn på grunn av store trykkrefter, for å fiksere det aksielle forhold mellom tappens (12, 112) ende og muffen (11, 111) samt for å skape aksielt trykk over den innvendige^ overflate for å gjøre skjøten (10, 110) mindre utsatt for spenndngskorrosjonsbrudd i hardt miljø samt for å bringe det første par samvirkende koniske tetningsflatér (14, 15; 114, 115); til å ekspandere radielt.

8. Rørforbindelse ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at det første og andre par tetningsflatér (14, 15, 18, 19; 114, 115, 118, 119) er koniske flater tilveiebrakt fra et vinkelområde på ca. fire til fjorten grader i forhold til forbindelsens (10, 110) akse.