NO339248B1 - Gjenget kobling for rør, med tetning - Google Patents

Description

GJENGEFORBINDELSE FOR RØR FORSYNT MED TETNING

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en forbindelse for rør, særlig en forbindelse for rør brukt ved utvinning/injisering av fluider, for eksempel olje eller gass, forsynt med en tet-ningsanordning.

I naturgass- og oljeutvinningsindustrien blir det brukt seg-menter av rør av en forhåndsbestemt lengde som må føyes sammen i sine ender for å nå de betydelige dybder som reservoa-rene av hydrokarboner generelt befinner seg på. Under boring blir brønnene foret med metallrør gjennom hele sin lengde. Segmentene av metallrør, generelt ca. ti meter lange eller der omkring, blir skrudd sammen ved hjelp av gjengeforbindelser. For å dekke hele lengden av brønnen blir det også benyt-tet tallrike strenger som av årsaker knyttet til formasjonens mekaniske motstand og geologiske trekk har avtakende diameter jo større dybde som nås av strengen, for på den måte å danne

en "teleskopisk" type konstruksjon.

Når boring er fullført, blir en annen rørstreng ført inn inni brønnen som er foret som ovenfor, hvor nevnte streng tjener til å transportere gassen eller oljen mot utsiden av det un-derjordiske reservoar. Denne streng, som er anbrakt i hele brønnens dybde, kan derfor i visse tilfeller komme opp i lengder på flere tusen meter.

I begge tilfeller blir rørsegmentene føyd sammen ved hjelp av gjengeforbindelser, hvilke kan være integrert, dvs. hvor den ene ende av det gjengede rør er hann og den andre er hunn, eller av muffetypen, hvor begge ender av det gjengede rør er hann og føyes sammen via en hunngjenget muffe på begge sider. Vanligvis medfører nærværet av forbindelsen en økning i strengens utvendige diameter ved selve forbindelsen, hvilket resulterer i større samlede dimensjoner på ledningen og hul-let jo større forbindelsens utvendige diameter er med hensyn til røret.

For å begrense strengens utvendige diameter og følgelig kost-nadene med boring og installert materiell, blir det fremstilt gjengeforbindelser med redusert samlet diameter, hvilke tra-disjonelt kan grupperes i tre typer etter den nødvendige ytelse og de maksimale samlede dimensjoner som tillates. En første type som gjerne er kjent som halvt fluktende (semi-flush), er en forbindelse av muffetypen, hvis utvendige diameter ikke overstiger rørets utvendige diameter med mer enn 6 %. En andre type, generelt kjent som nær fluktende (near-flush), er en integrert forbindelsestype, hvis utvendige diameter overstiger rørets utvendige diameter med 2-3 %. En sis-te type, kjent som fluktende (flush), er en integrert forbindelse, hvis utvendige diameter i forbindelsens område er lik rørets diameter. Valget av de ulike forbindelsestyper foretas i overensstemmelse med den belastning som den rørformede streng må tåle, det trykk som øves innvendig og/eller utvendig på den, dens lengde og den maksimale samlede diameter som tillates i forhold til brønnens diameter.

Problemet med disse gjengeforbindelsers tetning er av særlig betydning. For tiden blir én type tetning fremstilt ved inng-repet mellom to overflateseksjoner av hann- og hunnrørene, hvor overflatene blir holdt i direkte metallkontakt via et trykk som er hensiktsmessig for rørenes driftsbetingelser. I disse forbindelser er tetningen mellom hann- og hunnelement sikret dersom kontakttrykket, som er generert under sammen- skruing av tetningsflåtene, er tilstrekkelig til å hindre at-skillelse i alle områder av de to metallrender (metal lips) som et resultat av den kombinerte belastning som virker på forbindelsen. De ulike typer belastninger innbefatter hoved-sakelig trykket av væskene som er til stede utenfor og/eller sirkulerer inne i rørene, hvilke kommer i tillegg til andre belastninger, for eksempel de aksiale strekk- eller kompresjonsbelastninger og bøyebelastningene. Resultatene av nevnte belastninger er spesielt negative når de er tilbøyelige til å skille hann- og hunnelementene fra hverandre, hvorved de eli-minerer kontakten mellom tetningsflåtene og derfor påvirker eller ødelegger tetthet, hvilket forårsaker en lekkasje i rø-ret. Tetningsflåtene må derfor være hensiktsmessig dimensjonert, under hensyntagen til det materiale som rørene er laget av, de to elementers stivhet og, fremfor alt, i overensstemmelse med diameterinngrepet mellom hann- og hunnelement for derved å opprettholde et egnet metall-metall-kontakttrykk under enhver arbeidsbetingelse. Ikke desto mindre er et problem som oppstår ved formgivning av tetningsflater av den type hvor det er metall-metall-kontakt for forbindelsene, å ikke overskride kontakttrykksgrensen. I tilfelle av for mye inngrep, kan det faktisk forekomme kaldsveising eller fastkjøring av de to tetningsflater i forbindelsene før sammenskruingen av de to elementer er fullført. På den annen side, dersom verdien for nevnte inngrep forblir utilstrekkelig, vil imidlertid forbindelsens tetthet kunne påvirkes når den utsettes for høyt trykk.

Et første eksempel på en kjent forbindelse er den i dokumentet US4795200. I dette dokument er forbindelsen forsynt med en forlengelse, i enden av hannelementet, hvilken brukes i kombinasjon med en tetning fremstilt med koniske flater. Nevnte flater har ikke de akutte problemer med fastkjøring som kjennetegner andre typer metall-metall-tetning. Et andre eksempel på en kjent forbindelse er den som er beskrevet i dokumentet EP-A-130178, hvor det foreligger en utvendig tetning av typen med metall-metall-kontaktflater. I dette tilfelle kan diameterinngrepet, under tilskruingen av to elementer, bevirke et normalt trykk på hunnelementets overflate, hvis ende er tilbøyelig til å utvide seg radialt mot utsiden. Nevnte utvidelse er enda mer markert dersom det oppstår høye strekkbelastninger, hvor den endatil resulterer i plastisk deformering av metallet i tetningsflateområdet. I dette tilfelle kan det, etter at hunnelementets elastiske grense er blitt overskredet, bygge seg opp deformasjoner som er tilbøy-elige til å øke dets innvendige diameter og redusere inngre-pet og følgelig tetningsevnen i forbindelsen. Tetningens effektivitet avhenger derfor sterkt av dette fenomen, og særlig vil røret kanskje ikke være egnet til å tåle det utvendige trykk når det er blitt utsatt for særlig høyt innvendig trykk. Dette kan derfor forårsake dannelsen av en lekkasje i røret med mulige tap. Et brudd, særlig etter at rørene er blitt plassert nede i jorden, hvilket derfor gjør det prak-tisk talt umulig for operatørene å gripe inn direkte på noen som helst forbindelse som brister, kan ha særdeles alvorlige økonomiske konsekvenser for utvinningsanlegget, i tillegg til at det vil forårsake betydelig miljøskade, særlig dersom re-servoaret inneholder aggressive elementer.

En første løsning foreslått av teknikkens stand for å unngå den nevnte ulempe, er å fremstille rør med vegger med større tykkelse, slik at de er stivere.

En alternativ løsning er å fremstille rør bestående av et materiale med mer formålstjenlige mekaniske egenskaper. Begge løsninger medfører imidlertid en betydelig økning i produk-sj onskostnader.

Publikasjonen CH 279191 beskriver en gjengeforbindelse med

trekk som fremgår av ingressen til krav 1.

Det er derfor behov for å fremstille en nyskapende forbindelse for rør som overvinner alle de ovennevnte ulemper, samtidig som produksjonskostnadene begrenses.

Et primært mål med den foreliggende oppfinnelse er å fremstille en gjengeforbindelse for rør forsynt med en forbedret tetning som opprettholder en passende stivhet, særlig i tilfelle av integrerte forbindelser av den fluktende eller nær fluktende type, hvilke har relativt fin rørveggstykkelse i forbindelsesområdet.

Et ytterligere mål er å forbedre forbindelsens strukturelle bestandighet mot høye belastninger, særlig mot kompresjonsbelastninger, uten at nevnte trekk påvirker tetningsevnen.

Den foreliggende oppfinnelse foreslår derfor å nå de ovennevnte mål ved å fremstille en gjengeforbindelse for rør, hvilken angir en lengdeakse, som i overensstemmelse med krav 1 har et første og et andre rørsegment, hvor det første segment angir et hannelement i forbindelsen og det andre segment angir et hunnelement i forbindelsen, hvor det første segment er forsynt med hanngjenger i den ene ende og det andre segment er forsynt med hunngjenger utformet til å bli skrudd fast på hanngjengene for å utgjøre forbindelsen, hvor det første segment er forsynt med en første tetningsflate og det andre segment er forsynt med en andre tetningsflate plassert mellom den ene ende av hunngjengene og den nærmeste ende av det andre rørsegment, idet den første og den andre tetningsflate har slike dimensjoner at de genererer et gjensidig inngrep gjennom deformering av det første og det andre rør-segments materiale, i det minste i ferdig sammenskrudd posi-sjon, og således utgjør en forbindelsestetning av metall-metall-typen, hvor forbindelsen kjennetegnes ved at det er plassert en forsterkningsseksjon ved enden av det andre rør-segment, hvilken rager videre fra hunngjengene, hvor for-sterkningsseks j onen alle steder har en innvendig diameter som er større enn det første rørsegments nominelle utvendige diameter, for ikke å generere noen kontakt mellom det første og det andre rørsegment over hele lengden av forsterkningsseksjonen. Ved hensiktsmessig dimensjonering av forbindelses-tetningsanordningen som er gjenstand for den foreliggende oppfinnelse, kan det fordelaktig oppnås et utmerket effekti-vitetsnivå via den riktige balanse mellom de ulike behov, som til tider kommer i konflikt med hverandre, for minimale samlede dimensjoner, maksimal strukturell bestandighet og beva-ring av tetningsevne for å hindre utstrømning og/eller inn-strømning av fluidene fra/inn i røret, også etter at forbindelsen er satt sammen og tatt fra hverandre tallrike ganger.

Enn videre tillater de dimensjoner som er valgt for forbindelsen ifølge oppfinnelsen med tetningsflater, oppnåelse av et godt kompromiss når det gjelder bestandighet mot både aksiale og radiale belastninger.

De underordnede patentkrav beskriver foretrukne utførelses-former av forbindelsen ifølge oppfinnelsen.

Ytterligere trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil bli tyde-ligere i lys av den detaljerte beskrivelse av en foretrukket, men ikke utelukkende, utførelsesform av en gjengeforbindelse for rør, hvilken er gitt gjennom ikke-begrensende eksempel hjulpet av de ledsagende tegninger, hvor: Fig. 1 viser et snitt av forbindelsen ifølge den foreliggende oppfinnelse langs et plan som strekker seg gjennom dens lengdeakse; Fig. 2 viser en forstørrelse av et område, angitt med bok-stav A, av snittet av forbindelsen på fig. 1.

Det vises til figurene, hvor gjengeforbindelsen omfatter to elementer, rørsegmentene, hvor det ene er et hannelement 1 eller "pinne" ("pin"), og det andre er et hunnelement 2 eller "muffe" ("box"). Forbindelsen avgrenser en innvendig del 10 som fluidet strømmer i, for eksempel naturgass eller råolje eller annet lignende fluid, og en utvendig del 20 som også kan være omgitt av fluider eller andre væsker av ulik natur, generelt under trykk, eller hvilke bare forårsaker hydrosta-tiske belastninger.

Gjengeforbindelsen sørger fordelaktig for en tetning i den utvendige del, hvor tetningen fremstilles under innbyrdes tilskruing av pinnen 1 og muffen 2, ved hjelp av inngrep mellom to omkretsseksjoner av metallflåtene.

Hos hunnelementet 2 befinner omkretsseksjonen eller en tet-ningsf late 4, som bidrar til oppbygningen av tetningsanord-ningen, seg innvendig på rørets vegg, hensiktsmessig dimensjonert og plassert i en forhåndsbestemt avstand fra den innledende seksjon av hunngjenger 7.

Tetningsflaten 4, eller enkelt sagt tetningen, er i det ve-sentlige sfærisk eller torusformet. Hunnelementet 2 er dess-uten hensiktsmessig forsynt med en forlengelse, også betegnet som forsterkningsseksjon 5, som strekker seg videre fra hunn-gj engene 7 og tetningsflaten 4. Ett trekk ved nevnte forlengelse er at den er dimensjonert slik at den ikke har noe kon-taktpunkt eller noen kontaktflate mot hannelementet 1 etter at de to elementer, hann 1 og hunn 2, er ferdig tilskrudd. Denne forsterkningsseksjon 5 er derfor ikke direkte utsatt for noen kontaktspenning fra hannelementet 1. Under sammen-skruing av pinne og muffe blir det, på grunn av det inngrep som foreligger mellom tetnings flaten 4 på hunnelementet og overflaten av hannelementet 1, som er hensiktsmessig definert i formgivningsfasen, frembrakt radiale krefter som virker på tetningsflaten 4 på hunnelementet 2, hvilke blir omsatt i en diameterøkning i hunnelementet. Hannelementet 1 gjennomgår i sin tur krymping, men jo tynnere rørets vegg er, dess større er deformeringen av nevnte hannelement. Følgelig krymper hannelementet i meget begrenset utstrekning, mens hunnelementet utvides betydelig. Deformeringene i tetningsflatens 4 område blir overført til forsterkningsseksjonen 5 på grunn av kontinuitet i det metall som røret er laget av, og genererer avtakende kraft etter som avstanden fra tetningen 4 øker, slik at etter en forhåndsbestemt lengde gjennomgår forsterk-ningsseks j onen 5 ikke deformeringer og holder seg på sine nominelle dimensjoner. Forsterkningsseksjonen 5 oppfører seg med andre ord som et elastisk strammebånd på tetningen.

Denne sistnevnte del av forsterkningsseksjonen 5, som virker som en fjærring i elastisitetsområdet av metallet i røret, forblir effektiv selv etter tallrike tilskruings- og fraskru-ingsoperasjoner og selv etter ulike belastningssykluser, og bidrar til å øke kontakttrykket mellom forbindelsesflåtene til de to elementer 1 og 2 idet bruk av høye inngrepsverdier mellom hunnelementets 2 tetningsflate 4 og den motsvarende overflate av hannelementet 1 unngås. For høye inngrepsverdier ville faktisk kunne forårsake gnaging i forbindelsen under tilskruing og andre problemer, hvilket ikke ville sikre optimal tetning i forbindelsen under de ulike belastningsforhold.

Optimalisering av dimensjoneringen av forbindelser i overensstemmelse med oppfinnelsen, hvilke er forsynt med tetning,

defineres ved hensiktsmessige matematiske forhold mellom forbindelsens ulike parametrer. Med nevnte dimensjoner arbeider alle deler av forbindelsen under kontakttrykksgrensen for ma-

terialet i rørene og sannsynlighetene for gnaging reduseres.

På denne måte har veggtykkelsen T i forsterkningsseksjonen 5

en verdi på mellom 10 % og 30 % av verdien wt som representerer nominell veggtykkelse på nivået ved rørets legeme, derfor

Mens lengden av forsterkningsseksjonen 5 er innenfor følgende intervall:

hvor OD representerer rørets nominelle utvendige diameter.

Alle parametrer i ovenstående formler er uttrykt i millime-ter .

Tabellen nedenfor viser maksimums- og minimumsverdiene for forsterkningsseksjonens 5 lengde L og tykkelse T for de van-ligste kommersielle, nominelle dimensjoner for røret.

Lengden av forsterkningsseksjonen 5 i forbindelsen ifølge oppfinnelsen er fordelaktig mellom omtrent 6 og 2 6,5 mm, tyk-kelsen er mellom omtrent 1 og 4,5 mm, og avstanden mellom startpunktet for gjengene 7 og gjengeflaten 4 er innenfor in-tervallet mellom 0,5 og 5 ganger gjengestigningens verdi.

Når det gjelder forbindelsens utvendige profil, kan denne være enten konisk eller sylindrisk. En ytterligere fordel er representert ved at forbindelsen ifølge oppfinnelsen har et hunnelement eller en muffe med en ende med betydelig redusert tykkelse, lik omtrent 25 % av rørets totale tilgjengelige tykkelse. Dette tillater tildannelse, på et plan i det ve-sentlige i rett vinkel på rørets lengdeakse, av skulderflater 6', 6'' mellom elementene 1 og 2 med større dimensjoner, lik omtrent 25 % av rørets totale tykkelse. Nevnte skulderflater, eller enkelt sagt skuldrer, kan alternativt være anordnet i en mellomposisjon i forhold til elementenes 1 og 2 gjenger eller i den ene ende av nevnte gjenger.

Ved sammenligning av løsningen i overensstemmelse med oppfinnelsen, anvendt på en forbindelse med skuldrer i mellomposisjon i forhold til gjengene, med kjente forbindelser av den type som er forsynt med skuldrer alltid i det samme område, kan det i sistnevnte ses at enden av hunnelementet generelt representerer omtrent 40 % av den totale tilgjengelige tykkelse i røret, angitt av forhåndsbestemt utvendig diameter og monteringsdiameter, mens skuldrene mellom de to elementer representerer bare ca. 10 %. Nevnte skuldrer som representerer den hovedflate som motstår de aksiale kompresjonsbelastninger, er derfor mindre egnet enn dem i løsningen ifølge oppfinnelsen til å tåle de høye kompresjonsbelastninger som oppstår under bruk av nevnte rør, hvilket resulterer i brudd i røret med belastninger under dem som kan tåles av en forbindelse i overensstemmelse med oppfinnelsen. Denne foretrukne utførelsesform av oppfinnelsen gjelder en integrert forbindelse av den nær fluktende type, men samme oppfinnelsesidé kan anvendes på forskjellige andre forbindelsestyper.

En særlig fordelaktig anvendelse av oppfinnelsen oppnås i tilfelle av forbindelser forsynt med lange gjenger, med en liten koning og en skulder for tilskruingsendeanslag som ikke befinner seg nær tetningsflaten, men i en hensiktsmessig av-

stand fra denne.

Med denne dimensjonering av hunnelementet 2 er det derfor mu-lig å øke elementets 2 stivhet og sikre en optimal tetning, og samtidig forbedre forbindelsens aksiale effektivitet.

En torusform på tetningsflaten 4 underletter fordelaktig opp-rettholdelse av kontakten mellom de to elementer 1, 2.

I ovenstående beskrivelse er hunnelementet eller muffen 2 blitt ansett for å være det tynneste element. Ovenstående gjelder også om hannelementet eller pinnen 1 er det tynneste element.

Claims (9)

1. Gjengeforbindelse som angir en lengdeakse, omfattende et første og et andre rørsegment, hvor det første rør-segment angir et hannelement (1) i forbindelsen, og det andre rørsegment angir et hunnelement (2) i forbindelsen, hvor det første rørsegment (1) er forsynt med i det minste én hanngjenge i den ene ende og det andre rørsegment (2) er forsynt med i det minte én hunngjenge (7) tilpasset til å bli skrudd fast på hanngjengen for å tildanne forbindelsen, hvor det er tilveiebrakt en første tetningsflate på det første segment (1) og en andre tetningsflate (4) på det andre segment (2) anordnet mellom den ene ende av hunngjengen og den nærmeste ende av det andre rørsegment, hvor den første og den andre (4) tetningsflate har slike dimensjoner at det genereres et gjensidig inngrep gjennom deformering av materialet i det første og det andre rørsegment, i det minste i ferdig tiltrukket po-sisjon, og således tildannes en forbindelsestetning av metall-metall-typen; hvor det er tilveiebrakt en forsterkningsseksjon (5) plassert ved enden av det andre rørsegment, hvilken rager videre fra hunngjengen (7) og alle steder har en innvendig diameter som er større enn det første rørsegments nominelle utvendige diameter,karakterisert vedat nevnte forsterkningsseksjon (5) har en minste aksial lengde Lminimum gitt ved følgende formel

hvor OD er det første og det andre rørsegments nominelle utvendige diameter i mm, og wt er den nominelle tykkelse i mm til det første og det andre rørsegments vegg, for derved ikke å generere noen kontakt mellom det første og det andre rørsegment over hele lengden av forsterkningsseksjonen (5).

2. Forbindelse som angitt i krav 1,karakterisert vedat forsterkningsseksjonen (5) har en veggtykkelse T gitt ved følgende formel:

3. Forbindelse som angitt i krav 2,karakterisert vedat forsterkningsseksjonen (5) har en aksial lengde L gitt ved følgende formel:

4. Forbindelse som angitt i krav 3,karakterisert vedat nevnte aksiale lengde L er mellom omtrent 6 og 26,5 mm.

5. Forbindelse som angitt i krav 4,karakterisert vedat avstanden mellom hunngjengens be-gynnelsespunkt (7) og tetnings flaten (4) er mellom 0,5 og 5 ganger gjengestigningens verdi.

6. Forbindelse som angitt i krav 5,karakterisert vedat det på det første rørsegment (1) er tilveiebrakt i det minste én første skulderflate (6') og på det andre rørsegment (2) i det minste én andre skulderflate (6'') som har en form som er kom-plementær til den første flate, hvor den første og den andre skulderflate angir en ende for gjengeforbindel-sens tilskruingsposisjon, hvor nevnte første og andre skulderflate (6', 6'') er anordnet på en mellomposisjon i forhold til hann- og hunngjengene.

7. Forbindelse som angitt i krav 5,karakterisert vedat det på det første rørsegment (1) er tilveiebrakt i det minste én første skulderflate (6') og på det andre rørsegment (2) i det minste én andre skulderflate (6'') som har en form som er kom-plementær til den første flate, hvor den første og den andre skulderflate angir en sammenskruingsendeposisjon for gjengeforbindelsen, idet nevnte første og andre skulderflater (6', 6'') er anordnet på motsvarende ender av hann- og hunngjengene.

8. Forbindelse som angitt i krav 6 eller 7,karakterisert vedat forbindelsens gjenger har en konisk form i et snittplan som strekker seg gjennom forbindelsens akse.

9. Forbindelse som angitt i krav 6 eller 7,karakterisert vedat forbindelsens gjenger har en sylindrisk form i et snittplan som strekker seg gjennom forbindelsens akse.