PL200032B1 - Złącze rurowe gwintowe - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest zlacze rurowe gwintowe do laczenia dwóch rurowych cz esci, zawieraj ace element z gwintem zewn etrznym na ko ncu rurowej cz esci i element z gwintem wewn etrznym na ko ncu drugiej rurowej cz esci. Element z gwintem zewn etrznym zawiera zewn etrzne gwintowanie oraz co najmniej jedn a zewn etrzn a powierzch- ni e uszczelniaj ac a na jego zewn etrznej powierzchni obwo- dowej i co najmniej jedn a wewn etrzn a poosiow a po- wierzchni e oporow a. Element z gwintem wewn etrznym zawiera gwintowanie wewn etrzne oraz co najmniej jedn a wewn etrzn a uszczelniaj ac a powierzchni e na swej we- wn etrznej powierzchni obwodowej i co najmniej jedn a wewn etrzn a poosiow a powierzchni e oporow a. W po lozeniu styku co najmniej jednej zewn etrznej poosiowej powierzchni oporowej z odpowiadaj ac a jej wewn etrzn a poosiow a po- wierzchni a oporow a wyst epuje promieniowa oporowa reak- cja ka zdej zewn etrznej powierzchni uszczelniaj acej z od- powiadaj ac a jej wewn etrzn a powierzchni a uszczelniaj ac a. Co najmniej jeden element gwintowy ma dalsz a poosiow a powierzchni e oporow a usytuowan a pomi edzy powierzchni a oporow a lub powierzchniami wytwarzaj acymi oporow a reakcj e, utworzon a na przedniej powierzchni wolnego ko nca gwintowego elementu segmentu ko ncowego, oddzie- laj acego dalsz a poosiow a powierzchni e oporow a od gwintu na gwintowym elemencie, oraz jedn a powierzchni e uszczelniaj ac a usytuowan a na segmencie ko ncowym, w danej odleg losci poosiowej od ko nca gwintowania. . . . . . . PL PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest złącze rurowe gwintowane.

Tego typu złącze jest stosowane zwłaszcza do łączenia rurowych części szybu wiertniczego, do łączenia studni w dnie morskim z produkcyjnymi platformami wiertniczymi na szelfie kontynentalnym.

Znanych jest wiele typów rurowych połączeń gwintowych, głównie stosowanych do utworzenia ciągów rur okładzinowych, kolumn rurowych lub ciągów wiertniczych dla węglowodoru itp. studni, np. studni geotermicznych.

Tego rodzaju rurowe połączenia gwintowe przenoszą różne naprężenia (rozciąganie poosiowe, wewnętrzne lub zewnętrzne ciśnienie płynu, zginanie, skręcanie), które mogą się łączyć (np. naprężenia poosiowe plus wewnętrzne ciśnienie) i ewentualnie występować ze zmiennym natężeniem. Złącze rurowe oprócz wytrzymałości na pęknięcie musi również zachowywać hermetyczną szczelność zwłaszcza dla gazu, pomimo możliwości sumowania takich naprężeń oraz pomimo trudnych eksploatacyjnie warunków terenowych. Rodzaj naprężeń może się zmieniać w miarę obniżania rur w studni lub podczas pracy. Przykładowo naprężenia rozciągające mogą przelotnie zmieniać się w naprężenia ściskające. Połączenia gwintowe muszą także wykazywać zdolność wielokrotnego łączenia i rozłączania bez pogorszenia charakterystyki roboczej, zwłaszcza poprzez zacieranie. Po rozłączeniu elementy rurowe można ponownie zastosować w innych szybach w odmiennych warunkach eksploatacyjnych.

We francuskim opisie patentowym FR 1489013 i w europejskim opisie patentowym EP 0488912 ujawniono przykłady takich rurowych połączeń gwintowych, zwłaszcza dla gwintowego i sprzężonego połączenia z dwoma rurami o dużej długości za pomocą łącznika gwintowego.

W opisach patentowych US 5 687999 i US 4494777 ujawniono inne przykł ady integralnego rurowego połączenia gwintowego zawierającego co najmniej jeden element gwintowany z końcówką.

Rurowe połączenia gwintowe opisane w opisach patentowych FR 1 489 013, EP 0488 912 i US 4 494 777 posiadają przednią poosiową powierzchnię oporową w wolnym końcu co najmniej jednego gwintowego elementu, generalnie elementu wewnętrznego, i powierzchnię uszczelniającą na obwodowej powierzchni gwintowego elementu bezpośrednio przyległego do przedniej powierzchni tego samego gwintowego elementu.

Część pomiędzy pierwszym zwojem gwintu i przednią poosiową powierzchnią oporową wolnego końca generalnie nosi nazwę segmentu końcowego.

W wielu złączach gwintowych, a zw łaszcza w trzech ostatnio cytowanych opisach patentowych patentach zewnętrzną powierzchnię uszczelniającą umieszczono w końcu końcówki elementu wewnętrznego, która zmienia się na długości w zależności od połączeń gwintowych. Gdy rurowe połączenie gwintowe zestawiono w połączonym położeniu, poosiowe powierzchnie oporowe pozostają pod naciskiem zetknięcia dla wytworzenia reakcji równej danemu momentowi dokręcenia Tm.

Odpowiadająca wewnętrzna i zewnętrzna powierzchnia uszczelniająca pracują z promieniowym wciskiem pod naciskiem zetknięcia, a „boki gwintu przenoszące zewnętrzne obciążenie osiowe” występujące na gwincie po przeciwnej stronie gwintowego elementu stykają się pod naciskiem zetknięcia, powodując poosiowe ściśnięcie końcówki. Oddziaływanie powierzchni uszczelniających może spowodować zacieranie podczas łączenia, jeśli powierzchnie te mają nieodpowiednią geometrię. Mogą one również stwarzać ryzyko przecieków podczas pracy przy braku wystarczającego nacisku zetknięcia, zwłaszcza pod zintegrowanym naciskiem zetknięcia na czynnej szerokości powierzchni uszczelniających.

Aby uniknąć ryzyka przecieków, zintegrowany nacisk zetknięcia musi pozostawać powyżej pewnej wartości wyrażonej w N/mm; dla danej geometrii zintegrowany nacisk zetknięcia jest funkcją wzajemnego położenia elementów pod koniec łączenia oraz naprężeń roboczych.

Szczególnie trudne jest uzyskanie rurowych połączeń gwintowych przenoszących różne naprężenia robocze w sposób równoważny rurze, które pozostają gazoszczelne przy takich naprężeniach, naprężenia po połączeniu zmieniają się w wyniku oddziaływania zewnętrznych naprężeń roboczych, przykładowo poosiowe rozciąganie albo ściskanie, zginanie, ciśnienie wewnętrzne lub zewnętrzne.

Znane jest opracowanie rurowego połączenia gwintowego z poosiową powierzchnią oporową umieszczoną w wolnym końcu końcówki co najmniej jednego gwintowego elementu, który posiada minimalną odporność na przeciekanie, gdy na połączenie gwintowe działają wysokie ciśnienia wewnętrzne lub zewnętrzne, który zachowuje odporność na przeciekanie gdy na połączenie gwintowe

PL 200 032 B1 działa duża zewnętrzna siła rozciągająca, zmierzająca do poosiowego rozdzielenia odpowiadających powierzchni oporowych, a zwłaszcza powierzchni uszczelniających.

Siła rozciągająca może pochodzić od naprężeń poosiowych lub naprężeń zginających poosiowych. Określenia „siła rozciągająca” lub „obciążenie rozciągające” użyte w pozostałej części obecnego opisu oznacza zestaw zewnętrznych naprężeń, które działają na całe złącze rurowe gwintowe lub jego część.

Takie rurowe połączenie gwintowe może cechować zmiana integralnego nacisku zetknięcia pomiędzy powierzchniami uszczelniającymi na ich szerokości (lub zintegrowanego nacisku zetknięcia), jako funkcji obciążenia rozciągającego wyrażonego w % obciążenia odpowiadającego granicy plastyczności rur w ciągu rurowym.

Opisy patentowe US 4 624 488 i US 4 795 200 ujawniają połączenia gwintowe z zakończeniem pomiędzy powierzchnią uszczelniającą i przednią powierzchnią wolnego końca gwintowego elementu. Jednakże żaden z tych patentów nie opisuje przedniej powierzchni wolnego końca jako powierzchni oporowej w oporowej reakcji do momentu dokręcenia, a zakończenie to nie pełni tych samych funkcji.

Z opisu patentowego US 4 624 488 znany jest segment koń cowy, który zabezpiecza przed uszkodzeniem wynikającym z uderzeń podczas manipulacji w terenie i zwiększa wytrzymałość na rozciąganie połączenia gwintowego przy rozciąganiu poosiowym.

Ponadto, segment końcowy znany z opisu patentowego US 4 795 200 może zwiększać promieniową sztywność segmentu końcowego na złączu gwintowym bez dalszej poosiowej powierzchni oporowej, zwiększając tym samym nacisk zetknięcia na powierzchniach uszczelniających połączenia gwintowego.

Złącze rurowe gwintowe, według wynalazku, do łączenia dwóch rurowych części, zawierające element z gwintem zewnętrznym na końcu rurowej części i element z gwintem wewnętrznym na końcu drugiej rurowej części, przy czym element z gwintem zewnętrznym zawiera zewnętrzne gwintowanie oraz co najmniej jedną zewnętrzną powierzchnię uszczelniającą na jego zewnętrznej powierzchni obwodowej i co najmniej jedną wewnętrzną poosiową powierzchnię oporową, zaś element z gwintem wewnętrznym zawiera gwintowanie wewnętrzne oraz co najmniej jedną wewnętrzną uszczelniającą powierzchnię na swej wewnętrznej powierzchni obwodowej i co najmniej jedną wewnętrzną poosiową powierzchnię oporową, przy czym w położeniu styku co najmniej jednej zewnętrznej poosiowej powierzchni oporowej z odpowiadającą jej wewnętrzną poosiową powierzchnią oporową występuje promieniowa oporowa reakcja każdej zewnętrznej powierzchni uszczelniającej z odpowiadającą jej wewnętrzną powierzchnią uszczelniającą, przy czym co najmniej jeden element gwintowy ma dalszą poosiową powierzchnią oporową usytuowaną pomiędzy powierzchnią oporową lub powierzchniami wytwarzającymi oporową reakcję, utworzoną na przedniej powierzchni wolnego końca gwintowego elementu segmentu końcowego, oddzielającego dalszą poosiową powierzchnię oporową od gwintu na gwintowym elemencie, oraz jedną powierzchnię uszczelniającą usytuowaną na segmencie końcowym, w danej odległ o ś ci poosiowej od koń ca gwintowania, charakteryzuje się tym, ż e segment koń cowy składa się z występu ułożonego od powierzchni uszczelniającej segmentu końcowego do dalszej poosiowej powierzchni oporowej, przy czym występ ma powierzchnię obwodową zwróconą czołowo w kierunku elementu gwintowego współ pracują c ą z co najmniej jednym elementem gwintowym, która jest różna od powierzchni uszczelniającej segmentu końcowego, przy czym powierzchnia obwodowa występu i powierzchnia uszczelniająca segmentu końcowego spotykają się formując wklęsłą część rurowego złącza gwintowego.

Korzystnym jest gdy dalsza poosiowa powierzchnia oporowa na końcu występu jest płaską powierzchnią prostopadłą do osi gwintowego złącza, a w szczególności dalsza poosiowa powierzchnia oporowa usytuowana na końcu występu jest stożkowa i współosiowa z gwintowym złączem oraz ma połówkowy kąt wierzchołkowy w zakresie 70° do 90°.

Powierzchnia obwodowa występu wskazuje dodatni lub zerowy luz z odpowiadającą powierzchnią elementu gwintowego współpracującego z co najmniej jednym elementem gwintowym, a w szczególności powierzchnia obwodowa występu usytuowana na boku powierzchni uszczelniającej segmentu końcowego jest powierzchnią cylindryczną.

Korzystnie występ ma osiową długość w zakresie od 8% do 75% całkowitej osiowej długości segmentu końcowego, a zwłaszcza występ ma osiową długość w zakresie od 20% do 60% całkowitej długości osiowej segmentu końcowego.

Występ ma osiową długość, zaś dalsza poosiowa powierzchnia oporowa ma grubość promieniową przy której stosunek osiowej długości występu do grubości promieniowej dalszej poosiowej

PL 200 032 B1 powierzchni oporowej wynosi co najwyżej 3. Osiowa długość występu jest długością przy której powierzchnia uszczelniająca segmentu końcowego jest usytuowana na tym samym boku na którym jest usytuowany co najmniej jeden gwintowy element w odniesieniu do linii prostej przechodzącej poprzez grzbiet występu pierwszego gwintu gwintowania i który jest styczny do swobodnego końca elementu gwintowego.

Linia prosta jest linią nieprzecinającą się z i ułożoną w odstępie od powierzchni uszczelniającej segmentu końcowego. Powierzchnia uszczelniająca segmentu końcowego ma kształt wybrany z grupy utworzonej jako powierzchnia stożkowa, toroidalna lub kombinacja powierzchni, przy czym kombinacja powierzchni składa się z kombinacji stożkowych, cylindrycznych i toroidalnych powierzchni.

Korzystnym jest gdy powierzchnia uszczelniająca segmentu końcowego jest powierzchnią o kształcie kombinowanym utworzonym z dwóch części powierzchni, wzajemnie stycznych, przy czym część stożkowa jest umieszczona po stronie dalszej poosiowej powierzchni oporowej, a część toroidalna o promieniu powyżej 20 mm, jest umieszczona po stronie gwintowania, zaś odpowiadająca powierzchnia uszczelniająca na drugim gwintowym elemencie jest powierzchnią stożkową o stożku identycznym do stożkowej części stożkowej usytuowanej na powierzchni uszczelniającej segmentu końcowego i szerokości poosiowej dostosowanej do całkowitej poosiowej szerokości powierzchni uszczelniającej segmentu końcowego. Średnie pochylenie każdej powierzchni uszczelniającej segmentu końcowego wynosi co najmniej 10° względem osi rurowego złącza gwintowego.

Korzystnym jest gdy powierzchnia uszczelniająca segmentu końcowego ma poosiową szerokość mniejszą niż 10 mm, a w szczególności powierzchnia uszczelniająca segmentu końcowego ma poosiową szerokość wynoszącą co najwyżej 5 mm.

Segment końcowy ma powierzchnię obwodową usytuowaną pomiędzy powierzchnią uszczelniającą segmentu końcowego i gwintowaniem, która zawiera dwie cylindryczne powierzchnie o nieco różnych średnicach większej i mniejszej, przy czym cylindryczna powierzchnia o mniejszej średnicy jest połączona z dnem bruzdy gwintu, a większa średnica jest połączona do powierzchni uszczelniającej segmentu końcowego.

Swobodny koniec dalszej poosiowej powierzchni oporowej segmentu końcowego zwrócony czołowo do odpowiadającej mu przedniej powierzchni elementu gwintowego współpracującego z co najmniej jednym elementem gwintowym stanowi pojedynczą powierzchnią ciągłą o poprzecznej orientacji.

Powierzchnia uszczelniająca segmentu końcowego jest pojedynczą powierzchnią uszczelniającą na segmencie końcowym. Efektywna szerokość linii styku powierzchni uszczelniającej segmentu końcowego przy której zewnętrzna powierzchnia uszczelniająca i wewnętrzna powierzchnia uszczelniająca są ułożone w styku, jest pochylona pod pierwszym kątem i zbieżna w odniesieniu do osi złącza gwintowego, przy czym dno bruzdy gwintowania jest usytuowane w odniesieniu do osi co najmniej jednego elementu gwintowego pod drugim kątem dodatnim lub zerowym, przy czym drugi kąt ma wielkość mniejszą niż pierwszy. Powierzchnia obwodowa występu jest pojedynczą swobodną powierzchnią bez promieniowych uskoków wzdłuż jej przedłużenia.

Pojedynczy element gwintowy złącza rurowego ma segment końcowy o powierzchni uszczelniającej i występ oraz dalszą poosiową powierzchnię oporową, zaś drugi element gwintowy jest pozbawiony tych części.

Drugi gwintowy element rurowego złącza gwintowego jest pozbawiony dalszej poosiowej powierzchni oporowej i powierzchni uszczelniającej segmentu końcowego.

Drugi gwintowy element rurowego złącza gwintowego posiada również dalszą poosiową powierzchnię oporową i jest pozbawiony powierzchni uszczelniającej segmentu końcowego.

Każdy z dwóch gwintowych elementów rurowego złącza gwintowego posiada segmenty końcowe z powierzchnią uszczelniającą i występy oraz dalszą poosiową powierzchnię oporową.

Zaletą proponowanego rozwiązania jest to, że podczas łączenia rurowych elementów wyeliminowano ryzyko zacierania połączeń gwintowych.

Takie złącze jest łatwe do wykonania w terenie, jest szczelne i nie jest podatne na uszkodzenie wskutek trudnych warunków terenowych.

Segment końcowy według obecnego wynalazku zwiększa również sztywność promieniową końcówki, co prowadzi do wzrostu sztywności jakościowego rurowego połączenia gwintowego złącza rurowego, do wzrostu szerokości efektywnego zetknięcia poosiowego z powierzchnią uszczelniającą na segmencie końcowym i do zintegrowanego nacisku zetknięcia na tej szerokości dalszej poosiowej powierzchni oporowej.

PL 200 032 B1

Taki wzrost nie jest oczywisty w porównaniu ze znanymi rozwiązaniami, gdzie poosiowe ściskanie segmentu końcowego generalnie prowadzi do „bananowego” lub łukowego ugięcia końcówki i zmniejszenia szerokości efektywnego zetknięcia powierzchni uszczelniających oraz zmniejszenia zintegrowanego nacisku zetknięcia.

Wzrost promieniowej sztywności z powodu segmentu końcowego prowadzi w złączu rurowym według wynalazku do wzrostu szerokości efektywnego zetknięcia poosiowego na dalszej poosiowej powierzchni oporowej oraz wzrostu zintegrowanego nacisku zetknięcia na promieniowej szerokości tej dalszej poosiowej powierzchni oporowej.

Taki efekt nie mógł być znany. Przy oddziaływaniu obciążenia rozciągającego na połączenie gwintowe wzrost odkształcenia sprężystego może spowodować przesunięcie odłączenia powierzchni oporowej, a zwłaszcza krytycznej wartości zintegrowanego nacisku zetknięcia, na szerokości powierzchni uszczelniającej na segmencie końcowym w kierunku stosunkowo wysokich obciążeń rozciągających. Dla lepszego uwypuklenia istoty wynalazku na Pos. I przedstawiono znane złącze rurowe gwintowe, w przekroju poosiowym.

Tego typu złącze znajduje zastosowanie w wielu typach rurowych połączeń gwintowych, zwłaszcza z gwintami stożkowymi lub cylindrycznymi, z jedną lub więcej częściami gwintowymi, które mogą być stopniowane lub nie, z gwintami trapezowymi lub trójkątnymi lub z gwintami klinowymi o zmiennym skoku albo szerokoś ci.

Na Pos. I pokazano znane złącze rurowe gwintowe 200 pomiędzy dwoma rurami 101, 101' które są rurami o dużej długości, wykonane za pomocą złączki 202, która jest prostym elementem rurowym.

Określenie „rura” lub „element rurowy o dużej długości” oznaczają rury o długości kilku metrów, np. o długości około 10 m.

Złącza rurowe 200 są zwykle stosowane do utworzenia ciągów rur okładzinowych lub rur kolumn rurowych dla szybów węglowodorowych, przewodów pionowych lub ciągów wiertniczych dla wspomnianych szybów.

Rury można wytwarzać z dowolnego rodzaju stali węglowej, stali niskostopowej lub wysokostopowej, a nawet z obrabianych chemicznie lub przerabianych plastycznie na zimno stopów ferrytycznych lub nieferrytycznych, w zależności od warunków eksploatacyjnych, jak np.: poziom naprężeń mechanicznych, charakter korozyjny wewnętrznego płynu lub zewnętrznego płynu dla tych rur.

Można również zastosować rury stalowe o małej odporności na korozję zaopatrzone w pokrycie, przykładowo z materiału syntetycznego zapobiegającego kontaktowi pomiędzy stalą i płynem korozyjnym.

Końce rur 101, 101' zaopatrzono w identyczne elementy wewnętrzne 1, 1' i połączono poprzez złączkę 202 zaopatrzoną w element z gwintem wewnętrznym 2, 2' w każdym końcu.

Elementy z gwintem zewnętrznym 1, 1' są odpowiednio połączone poprzez połączenie z elementami z gwintem zewnętrznym 2, 2', dla utworzenia dwóch symetrycznych połączeń gwintowych 100, 100' połączonych za pomocą kołnierza wewnętrznego 10 o długości kilku centymetrów.

Kołnierz wewnętrzny 10 złączki ma wewnętrzną średnicę zasadniczo identyczną do średnicy końca rur 101, 101', co nie powoduje zakłóceń przepływu wewnętrznego płynu.

Rurowe połączenia gwintowe 100, 100' są symetryczne, w związku z czym potrzebny jest opis działania tylko jednego z tych połączeń, np. rurowego złącza gwintowego 100.

Element z gwintem wewnętrznym 1 zawiera trapezowe gwintowane 3 znane jako „gwint trapezowy niesymetryczny” według normy API 5B (API = American Petroleum Institute); ten stożkowy gwint wewnętrzny 3 jest wykonany na zewnątrz elementu wewnętrznego i jest oddzielony od swobodnego końca dalszej poosiowej powierzchni 7 oporowej wspomnianego elementu przez nie gwintowany segment końcowy 11. Swobodny koniec tworzy powierzchnię pierścieniową z poosiową powierzchnią oporową, czyli dalszą poosiową powierzchnią oporową umieszczoną zasadniczo poprzecznie.

Obok swobodnego końca na zewnętrznej powierzchni segmentu końcowego 11 występuje powierzchnia stożkowa stanowiąca powierzchnię uszczelniającą 5 segmentu końcowego elementu zewnętrznego; jej zbieżność jest większa od zbieżności gwintu wewnętrznego 3.

Zewnętrzny element gwintowy 2 zawiera środki dopasowane do środków wewnętrznego elementu gwintowego 1, tzn. dopasowane pod względem kształtu i dostosowane dla współpracy w wyniku ich położenia na elemencie z gwintem wewnętrznym ze środkami wewnętrznymi na elemencie z gwintem zewnę trznym.

Element gwintowy 2 zewnętrzny posiada gwint wewnętrzny na stożku wewnętrznym 4 i część niegwintowaną pomiędzy gwintem i kołnierzem wewnętrznym 10.

PL 200 032 B1

Niegwintowaną część zawiera pierścieniową poosiową powierzchnię oporową 8 o orientacji zasadniczo poprzecznej, tworzącej kołnierz w wolnym końcu końcówki oraz powierzchnię stożkową 6 tworzącą zewnętrzną powierzchnię uszczelniającą bezpośrednio przyległą do kołnierza po gwintowanej stronie 4.

Po całkowitym połączeniu gwintu zewnętrznego w gwincie wewnętrznym powierzchnie 7 i 8 oporowe opierają się o siebie, natomiast powierzchnie 5 i 6 współpracują promieniowo, a zatem pozostają pod naciskiem metalowych elementów. Powierzchnie 5, 6 tworzą zatem metalowe powierzchnie uszczelniające, mające na celu utrzymanie szczelności połączenia gwintowego nawet przy wysokich wewnętrznych lub zewnętrznych ciśnieniach płynu, i dla różnych naprężeń (poosiowe rozciąganie, poosiowe ściskanie, zginanie, skręcanie ...) prostych lub połączonych, statycznych lub zmiennych.

Takie połączenia gwintowe noszą nazwę wysokojakościowych połączeń gwintowych z powodu ich charakterystyki w porównaniu ze standardowymi rurowymi połączeniami gwintowymi, np. określonymi w normie ABI 5CT.

Rurowe połączenia gwintowe, np. 100 na Pos. I, muszą jednakże spełniać przeciwstawne wymagania geometryczne.

Długość i grubość końcówki na powierzchni uszczelniającej na końcówce musi być wystarczająca dla uzyskania danej promieniowej sztywności końcówki, która zachowuje się jak sprężyna. Nacisk zetknięcia dla danego promieniowego wcisku zmienia się zatem wraz ze sztywnością promieniową segmentu końcowego 11. Jednakże gdy złącze gwintowe przenosi wewnętrzne lub zewnętrzne ciśnienia płynu, końcówka wygina się, co powoduje niedopasowanie kątów powierzchni uszczelniających 5 i 6, a zatem zmniejszenie szerokości efektywnego zetknięcia oraz zintegrowanego nacisku zetknięcia. Zginanie segmentów końcowych z powodu ciśnienia płynu jest większe gdy część końcówki 35 pomiędzy początkiem gwintu 3 i powierzchnią uszczelniającą 5 na segmencie końcowym jest duża.

Na Pos. II przedstawiono swobodny koniec elementu z gwintem wewnętrznym według Pos. I (stan techniki), w sposób schematyczny, Pos. III, IV, V - trzy znane odmiany wolnego końca według Pos. II, w sposób schematyczny, Pos. VI - wykres szerokości zetknięcia i zintegrowanego nacisku zetknięcia na tej szerokości w dalszej poosiowej powierzchni oporowej i powierzchni uszczelniającej końcówki, jako funkcję poosiowego obciążenia rozciągającego wywieranego na rurowe połączenie gwintowe według Pos. I.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania został uwidoczniony na rysunku na którym fig. 1 przedstawia połączone złącze rurowe gwintowe według wynalazku, w półprzekroju poosiowym, fig. 2 - integralne rurowe złącze gwintowe dla szybu wiertniczego zgodnie z wynalazkiem, w półprzekroju poosiowym, fig. 3 - integralne rurowe złącze gwintowe według wynalazku nazywane „płaskim” połączeniem, tzn. bez zmiany średnicy zewnętrznej lub wewnętrznej rurowego połączenia gwintowego, w półprzekroju poosiowym, fig. 4 - swobodny koniec elementu z gwintem zewnętrznym według fig. 1, w powiększeniu, fig. 5 - swobodny koniec według fig. 4 po uzupełnieniu odpowiadających części zewnętrznych, fig. 6 - swobodny koniec elementu z gwintem wewnętrznym według fig. 2, w powiększeniu, fig. 7 - taki sam wykres jak na Pos. VI ale dla rurowego złącza gwintowego według fig. 1, fig. 8 - kilka nitek gwintu wewnę trznego połączonych z kilkoma nitkami gwintu zewnę trznego na rurowym złączu gwintowym według fig. 1, w sposób schematyczny, fig. 9, 10 i 11 - położenia gwintowanych elementów podczas ich łączenia, przed połączeniem, w przypadku przestawienia promieniowego (fig. 9, 10) lub przestawienia kątowego (fig. 11), w sposób schematyczny.

Na fig. 1 pokazano rurowe złącze gwintowe według wynalazku, takie jak na Pos. I, ale ze zmienionym segmentem końcowym 11, która posiada występ 13, w rezultacie dostosowano konstrukcję elementu z gwintem wewnętrznym poprzez zmianę kierunku zewnętrznej poosiowej powierzchni oporowej w kierunku środka złączki 202. Poosiowa długość kołnierza wewnętrznego 10 na fig. 1 jest krótsza niż na Pos. I.

Na fig. 4 przedstawiono szczegół końcówki wewnętrznego segmentu końcowego 11 dla połączenia gwintowego według fig. 1.

Na fig. 4 segment końcowy 11 elementu wewnętrznego 1 ma całkowitą długość lt i zawiera powierzchnię uszczelniającą na powierzchni uszczelniającej 5 segmentu końcowego o całkowitej długości poosiowej ls, którą oddzielono od dalszej poosiowej powierzchni oporowej 7 występem 13 o długości poosiowej la.

Dalsza poosiowa powierzchnia oporowa 7 jest wklęsłą powierzchnią stożkową, współosiową ze złączem gwintowym, z kątem wierzchołkowym 75° (kąt 15° względem prostopadłej do osi). Taki układ

PL 200 032 B1 w wiadomy sposób zwiększa naciski zetknięcia pomiędzy powierzchniami uszczelniającymi 5, 6 na połączeniach gwintowych typu przedstawionego na Pos. I.

Występ 13 posiada zewnętrzną cylindryczną powierzchnię obwodową 19, która jest połączona do dalszej poosiowej powierzchni oporowej 7 poprzez powierzchnie toroidalną o małym promieniu R4.

Poosiowa długość la segmentu końcowego pokazanego na fig. 4 wynosi około 25% całkowitej poosiowej długości lt segmentu końcowego, odległości te mierzy się względem punktu przecięcia powierzchni oporowej 7 i powierzchni obwodowej 19.

Stosunek poosiowej długości la segmentu końcowego do promieniowej grubości dalszej poosiowej powierzchni oporowej jest mniejszy od około 0,9. Zbyt duży stosunek ponad 3 wprowadza ryzyko wyboczenia segmentu.

Powierzchnia uszczelniająca 5 segmentu końcowego jest powierzchnią złożoną, która jest pochylona do osi (średnie pochylenie 15°) i jest połączona z występem 13 poprzez powierzchnię toroidalną o małym promieniu krzywizny R3 oraz do segmentu końcowego na stronie gwintowanej poprzez następną powierzchnię toroidalną o dużym promieniu krzywizny R2.

R3, R4, wynoszą przykładowo około 0,5 to 1 mm; R2 wynosi około 5 mm.

Powierzchnia uszczelniająca 5 segmentu końcowego jest utworzona

a) po stronie swobodnego końca dalsze poosiowej powierzchni oporowej 7, przez część stożkową 33 o stożku 50% (pochylenie 14° do osi) i szerokość 1c rzędu przykładowo 1,5 mm; i b) po stronie gwintowanej, przez część toroidalną 31 o dużym promieniu krzywizny R1 (np. 60 mm), o szerokości lt (przykładowo 1,5 mm), która jest styczna do części toroidalnej 33.

Umożliwia to uzyskanie powierzchni uszczelniającej na segmencie końcowym, która jest krótka (ls około 3 mm) i bardziej pochylona do osi niż gwint (stożek 6,25% tzn. pochylenie 1,8° do osi) oraz zmniejsza ryzyko zatarcia powierzchni uszczelniających podczas łączenia. Opóźniono moment pierwszego zetknięcia pomiędzy powierzchniami uszczelniającymi przy łączeniu i zmniejszono śrubową długość tarcia od tego pierwszego zetknięcia.

Stożkowo toroidalny układ geometryczny o dużym promieniu po gwintowanej stronie umożliwia uzyskanie stabilnego zetknięcia w odniesieniu do szerokości pomiędzy powierzchniami uszczelniającymi 5, 6, natomiast promieniowy wcisk pomiędzy powierzchniami uszczelniającymi 5 i 6 i/lub stożkowymi gwintami 3 i 4 oraz występowanie wewnętrznego ciśnienia płynu powodują wygięcie segmentu końcowego 11 oraz małą zmianę pochylenia zewnętrznej powierzchni uszczelniającej o ułamek stopnia. Taka zmiana pochylenia sprzyja zasadniczemu zmniejszeniu szerokości efektywnego zetknięcia oraz zintegrowanego nacisku zetknięcia na szerokości oporowej, przy stożkowych powierzchniach uszczelniających.

Występowanie torodialnej części o dużym promieniu krzywizny R1 na gwintowanej stronie (R1 korzystnie wynosi od 30 do 120 mm i w obecnym przypadku 60 mm) umożliwia zachowanie zalet stożkowej powierzchni oporowej w warunkach eksploatacyjnych (stabilność funkcjonalna tego elementu oporowego).

Na fig. 5 pokazano współpracę środków umieszczonych na segmencie końcowym 11 elementu wewnętrznego i na odpowiadającej części zewnętrznej w połączonym położeniu.

Element z gwintem wewnętrznym zawiera zewnętrzną poosiową przednią powierzchnią 8 oporową, która jest wklęśle stożkowa, o półkącie wierzchołkowym równym lub zasadniczo równym kątowi dalszej poosiowej powierzchni oporowej 7, która tworzy kołnierz.

W spodzie tego koł nierza odległo ść poosiowa od zewnę trznej poosiowej powierzchni oporowej w kierunku zewnętrznej powierzchni uszczelniającej 5 jest stożkową zewnętrzną powierzchnią uszczelniającą 6 o stożku równym stożkowi części stożkowej 33 powierzchni uszczelniającej dla segmentu końcowego o powierzchni uszczelniającej 5 zewnętrznego elementu.

Poosiowa szerokość zewnętrznej powierzchni uszczelniającej 6 jest zbliżona do całkowitej szerokości poosiowej ls powierzchni uszczelniającej 5 segmentu końcowego, a zatem jest dostosowana do stabilnego działania tych powierzchni uszczelniających podczas pracy. Jeśli z powodów podanych poniżej długość lt1 wymaga zwiększenia do długości It2 (Pos. IV) poprzez zwiększenie długości oporowej (Is3 > Is1), co pozwala uniknąć wzrostu długości części 35 segmentu końcowego 11, promieniowa grubość e2 dalszej poosiowej powierzchni oporowej 7 staje się nie wystarczająca dla zapewnienia potrzebnej wielkości momentu dokręcenia, celem uniknięcia niepożądanego rozłączenia rurowego złącza gwintowego.

Dla uniknięcia tej niedogodności skrajną część końcówki można ukosować przed obróbką mechaniczną segmentu końcowego o powierzchni uszczelniającej 5, przez co wewnętrzna powierzchnia

PL 200 032 B1 obwodowa będzie miała mniejszą średnicę (Pos. V) w kierunku tego końca. Takie ukosowanie wymaga jednakże dodatkowej operacji obróbki skrawaniem.

W celu uniknięcia niedogodności wymienionych w odniesieniu do Pos. IV moż na zmniejszyć stożek powierzchni uszczelniającej na segmencie końcowym o powierzchni uszczelniającej 5 (kąt B < kąta A = patrz Pos. III), lecz taki układ prowadzi do dużego tarcia na powierzchniach uszczelniających 5, 6 do czasu zakończenia połączenia, od momentu ich połączenia. Prowadzi - to do ryzyka dużego zacierania, zwłaszcza dla niektórych rodzajów materiału (stale wysokochromowe, stopy niklu...).

Wewnętrzna powierzchnia obwodowa elementu z gwintem wewnętrznym pomiędzy zewnętrzną powierzchnią uszczelniającą 6 i wewnętrzną poosiową powierzchnią oporową może mieć dowolny kształt, ponieważ nie pracuje z promieniowym wciskiem z zewnętrzną powierzchnią obwodową 19 zwrócona do występu 13.

Zewnętrzną powierzchnię obwodową i zewnętrzną przednią poosiową powierzchnię 8 elementu gwintowego połączono małym promieniem przejściowym.

Po pierwsze, należy zauważyć, że umieszczenie powierzchni uszczelniającej 5 z dala od swobodnego końca segmentu końcowego ogranicza zginanie segmentu, gdy na połączenie gwintowe działa ciśnienie wewnętrzne lub zewnętrzne płynu, a zatem ogranicza zmniejszenie szerokości efektywnego zetknięcia oraz zintegrowany nacisk zetknięcia pomiędzy powierzchniami uszczelniającymi 5, 6 dla połączeń gwintowych obciążonych takimi wewnętrznymi lub zewnętrznymi ciśnieniami, zwłaszcza ciśnieniami wewnętrznymi.

Wykresy pokazane na Pos. VI i fig. 7 ilustrują wyraźną zaletę połączenia gwintowego według wynalazku typu pokazanego na fig. 1 (fig. 7) w porównaniu ze znanym połączeniem gwintowym według Pos. I (Pos. VI).

Rozpatrywane znane połączenie gwintowej odpowiada jakościowemu rurowemu połączeniu gwintowemu VAM TOP®, pokazanemu w katalogu VAM® Nr 940 wydanym przez Vallourec Oil & Gas w lipcu 1994 r. dla rur o średnicy zewnętrznej 244,48 mm i grubości 13,84 mm, gatunku L80 (o granicy plastyczności min. 551 MPa).

Rurowe połączenie gwintowe według wynalazku zmodyfikowano poprzez dodatnie zakończenia o poosiowej dł ugoś ci 3 mm (la =25% lt): patrz fig. 4.

Stosując metodę analizy elementów skończonych (FEA) obliczono zmianę szerokości efektywnego zetknięcia dla powierzchni oporowych 7, 8 i dla nośnych powierzchni uszczelniających 5, 6 złącza gwintowego uzyskanego dla nominalnego momentu dokręcenia, jako funkcji poosiowego obciążenia rozciągającego, jakie działa na złącze gwintowe, wyrażonego jako % obciążenia odpowiadającego granicy plastyczności (PBYS).

W odniesieniu do powierzchni oporowych 7, 8 jest widoczne, ż e szerokość efektywnego zetknięcia (krzywa A), początkowo 3,8 mm, gwałtownie maleje i spada do 0 dla obciążenia odpowiadającego 42% PBYS. Powyżej tego obciążenia powierzchnie oporowe nie stykają się. Zintegrowany nacisk zetknięcia pomiędzy powierzchniami oporowymi (krzywa B) podąża wzdłuż tego samego profilu (wartość początkowa 770 N/mm)

Krzywa C zmiany szerokości zetknięcia pomiędzy powierzchniami uszczelniającymi ukazuje zmniejszenie szerokości efektywnego zetknięcia od 1,5 do 1,1 mm, gdy poosiowe obciążenie rozciągające zmienia się od 0 do 100%.

Tak mała zmiana szerokości efektywnego zetknięcia jest wystarczająca dla spowodowania spadku zintegrowanego nacisku zetknięcia od 700 N/mm do 300 N/mm, dla tej samej zmiany poosiowego obciążenia rozciągającego (krzywa D).

Użytkownicy przez pewien czas uważali, że ryzyko przeciekania w eksploatacji występuje wtedy, gdy zintegrowany nacisk zetknięcia obliczony dla elementów skończonych jest mniejszy niż 437 N/mm (linia S).

Taka wartość progowa zostaje przekroczona dla znanego złącza gwintowego wtedy, gdy obciążenie rozciągające przewyższa obciążenie odpowiadające 56% PBYS: w związku z tym to kryterium znajduje zastosowanie w eksploatacji.

Należy zauważyć, że powierzchnie uszczelniające zgodne z geometrią testową odpowiadające powierzchniom 5 i 6 na fig. 4 i 5 (stożkowa zewnętrzna powierzchnia uszczelniająca, stożek 50% + toroidalna powierzchnia uszczelniająca o promieniu 60 mm) poprawiają stabilność zetknię cia pod obciążeniem, w porównaniu ze zwykłymi stożkowymi powierzchniami uszczelniającymi.

Te same obliczenia wykonano dla zmodyfikowanego rurowego połączenie gwintowego, przy tym samym nominalnym momencie dokręcenia, jak dla znanego połączenia gwintowego.

PL 200 032 B1

Krzywe A, B, C, D i S na fig. 7 (złącze gwintowe według wynalazku) mają te same znaczenia jak krzywe na Pos. VI (znane połączenie gwintowe).

Krzywe A, B i C na fig. 7 są podobne do krzywych na Pos. VI.

W odniesieniu do zintegrowanego nacisku zetknię cia na powierzchniach oporowych (krzywa B) należy zauważyć nieco wyższy zintegrowany nacisk zetknięcia niż 30 N/mm i nieco opóźnione odłączenie poosiowych (48% PBYS w porównaniu z 42%), dla połączenia gwintowego według wynalazku.

Główna różnica dotyczy wzrostu zintegrowanego nacisku zetknięcia pomiędzy powierzchniami uszczelniającymi (krzywa D), które zmniejsza się znacznie wolniej na złączu gwintowym według wynalazku, przez co wartość progowa 437 N/mm (linia S) jest przekraczana jedynie dla obciążenia odpowiadającego 89% PBYS.

Kryterium zintegrowanego nacisku zetknięcia, które jest kryterium restrykcyjnym, ostatnio wprowadzonym przez użytkowników i ściśle związanym z zachowaniem uszczelnień w połączeniach gwintowych będzie spełnione w szerokim zakresie warunków eksploatacyjnych dla połączenia gwintowego według wynalazku.

Mała sztywność poosiowa segmentu końcowego 11 wynikająca z obecności występu 13 przyczynia się do poprawy charakterystyki złącza gwintowego według wynalazku, w odniesieniu do uszczelnienia w warunkach naprężenia.

Taka mała sztywność poosiowa daje korzystny wzrost sztywności promieniowej dla charakterystyki szczelności złącza gwintowego.

Mała sztywność poosiowa może również umożliwić pod koniec łączenia przeniesienie dużego nacisku na segmencie końcowym przy odkształceniu poosiowym, odkształcenie to można korzystnie przywrócić gdy na złącze gwintowe działa poosiowe obciążenia rozciągające.

Zbyt krótki segment końcowy (la < 8% lt) nie powoduje wystarczającego wzrostu charakterystyki uszczelnienia pod obciążeniem rozciągającym.

Zbyt długie zakończenie (la < 75% lt) stwarza ryzyko wyboczenia i pogorszenia charakterystyki uszczelnienia.

Segmenty końcowe i związane powierzchnie uszczelniające 5, 7 oraz występ 13 są również stosunkowo łatwe do wykonania, w drodze obróbki skrawaniem.

Dalsze zalety będą wynikać z małej sztywności poosiowej końcówki połączenia gwintowego według wynalazku.

Pierwsza dodatkowa korzyść dotyczy dokładności faktycznego momentu dokręcenia.

Połączenia gwintowe generalnie wykonuje się z zastosowaniem mechanicznych lub hydraulicznych „kleszczy do rur”, które umożliwiają uzyskanie dużych momentów obrotowych przy konieczności uzyskania połączenia gwintowego przekraczającego zetknięcie powierzchni oporowych.

Kleszcze te po dojściu do danego momentu obrotowego połączenia zatrzymują się (nominalny moment obrotowy).

Jednakże ze względu na bezwładność kleszczy faktycznie uzyskany moment obrotowy może różnić się od żądanego momentu nominalnego.

Różnica ta zależy od wielu czynników i może być zmniejszona poprzez zmniejszenie szybkości łączenia, co wpływa na jego wydajność.

Zmniejszenie sztywności poosiowej segmentu końcowego w połączeniu gwintowym według wynalazku umożliwia uzyskanie krzywej wzrostu momentu obrotowego, która będzie bardziej płytka pomiędzy zetknięciem i punktem końcowego połączenia, co umożliwia zarówno zmniejszenie pomiędzy nominalnym momentem obrotowym jak i rzeczywistym momentem obrotowym lub umożliwia szybsze połączenie.

Kolejna dodatkowa zaleta dotyczy zachowania się rurowego złącza gwintowego przy oddziaływaniu poosiowego obciążenia ściskającego.

Na fig. 8 pokazano wygląd zewnętrznego i wewnętrznego gwintu trapezowego 21 i 22 w złączu gwintowym dla połączonego gwintu stożkowego.

Gwint zewnętrzny 21 posiada grzbiet gwintu 29 i dno bruzdy gwintu 27 pochylone pod kątem C (przykładowo 1,8°) względem osi, bok gwintu przenoszący zewnętrzne obciążenie osiowe 23 i bok gwintu nieprzenoszący zewnętrznego obciążenia osiowego 25.

Gwint wewnętrzny 22 również posiada grzbiet gwintu 28, dno bruzdy gwintu 30, bok gwintu przenoszący zewnętrzne obciążenie osiowe 24 oraz bok gwintu nieprzenoszący zewnętrznego obciążenia osiowego 26.

PL 200 032 B1

W wyniku reakcji na powierzchniach oporowych 7, 8 boki gwintu zewnę trznego przenoszące zewnętrzne obciążenie osiowe 23 i boki gwintu wewnętrznego 24 stykają się ze sobą, natomiast boki gwintu nieprzenoszące zewnętrznego obciążenia osiowego 25, 26 tworzą luz d1.

Ze względu na zbieżność gwintów (kąt pochylenia C), grzbiety gwintu zewnętrznego 28 tworzą promieniowy wcisk z dnami bruzdy gwintu wewnętrznego 27, natomiast luz d2 występuje pomiędzy grzbietami gwintu zewnętrznego 29 i dnami bruzdy gwintu wewnętrznego 30.

Gdy na złącze gwintowe działa poosiowe obciążenia ściskające, boki gwintu 23, 24 będące początkowo w kontakcie rozłączają się i całe obciążenie ściskające jest przenoszone przez poosiowe powierzchnie oporowe 7, 8, oprócz naprężeń ściskających wynikających z połączenia. Jeśli równoważnik naprężeń Von Misesa przekroczy następnie granicę plastyczności, pojawia się uplastycznienie i zachodzi ryzyko przecieku oraz/lub zacierania po rozłączeniu i kolejnym połączeniu.

Mała sztywność poosiowa segmentu końcowego umożliwia zetknięcie boków nieprzenoszących obciążenia 25, 26, które następnie będą przenosić poosiowe obciążenia ściskające zanim równoważne naprężenie na elemencie oporowym przekroczy granicę plastyczności.

W związku z tym złącze gwintowe według wynalazku wykazuje bardzo dobrą wytrzymał o ść mechaniczną przy poosiowym ściskaniu.

Na fig. 2 pokazano następne rurowe złącze gwintowe według wynalazku, do szybów oczyszczania odwiertu.

Złącze gwintowe 300 jest połączeniem typu integralnego, przy czym element 1 z gwintem zewnętrznym utworzono na końcu pierwszej rury 101, a element 2 z gwintem wewnętrznym utworzono na końcu drugiej rury 102 poprzez obróbkę maszynową rur.

Alternatywnie, elementy gwintowane 1 i 2 mogą wynikać z pogrubienia końców rur poprzez spęczanie (zwiększenie zewnętrznej średnicy i/lub zmniejszenie wewnętrznej średnicy).

Alternatywnie, ponownie element wewnętrzny i element zewnętrzny można połączyć z rurami np. poprzez spajanie.

Ten rodzaj połączenie gwintowego zawiera dwie pary poosiowych powierzchni oporowych, w każ dej parze występuje dalsza poosiowa powierzchnia oporowa.

Pierwszą parę, parę wewnętrznych powierzchni oporowych utworzono jak poprzednio poprzez dalszą powierzchnię oporową 7 na swobodnym końcu zewnętrznego gwintowego element 1 i pierścieniową przednią powierzchnię 8 tworzącą kołnierz na wewnętrznym elemencie gwintowym 2.

Drugą parę, parę wewnętrznych powierzchni oporowych utworzono symetrycznie poprzez dalszą powierzchnię oporową 18 w swobodnym końcu elementu 2 z gwintem wewnętrznym i pierścieniową powierzchnię 17 tworzącą kołnierz na elemencie z gwintem zewnętrznym.

Wszystkie cztery poosiowe powierzchnie oporowe są płaskie i prostopadłe do osi złącza gwintowego 300.

Segmenty końcowe 11, 12 oddzielają każdą powierzchnię oporową od gwintu.

Segment końcowy 12 elementu zewnętrznego nie posiada powierzchni uszczelniającej.

Segment końcowy 11 elementu wewnętrznego (patrz fig. 6) posiada powierzchnię uszczelniającą 5 poosiowe oddzieloną od dalszej poosiowej powierzchni oporowej 7 poprzez występ 13.

Powierzchnia uszczelniająca segmentu końcowego jest powierzchnią złożoną, utworzoną w swobodnym końcu poprzez część stoż kową 33 z pochyleniem 50% i na stronie gwintu 3 poprzez część toroidalną 31 o promieniu R1 (40 mm) styczną do powierzchni stożkowej 33, wewnętrzna powierzchnia uszczelniająca 6 jest zbieżna z pochyleniem 50%, a poosiowa szerokość jest dostosowana do całkowitej szerokości wewnętrznej powierzchni uszczelniającej 5.

Występ 13 posiada zewnętrzną powierzchnię obwodową 19 w kształcie cylindrycznym i poosiowej długości la 5 mm, tworzącą około 9% całkowitej długości poosiowej lt końcówki.

Stosunek poosiowej długości segmentu końcowego do promieniowej grubości dalszej poosiowej powierzchni oporowej jest mniejszy od około 0,75.

Część segmentu końcowego umieszczona pomiędzy powierzchnią uszczelniająca 5 i gwintem 3 posiada na swej zewnętrznej powierzchni obwodowej 35 dwie powierzchnie cylindrycznych 37 i 39, przy czym powierzchnia 39 rozpoczyna się przy bruździe gwintu 3 mającej mniejszą średnicę D2 niż powierzchnia 37 na stronie powierzchni uszczelniającej (średnica D1), gdzie (D2-D1) wynosi około 1 mm.

Taki stopień zwiększa promieniową sztywność powierzchni uszczelniającej 5 segmentu końcowego i tym samym stałe naciski pomiędzy powierzchniami uszczelniającymi 5, 6. Zmniejsza również „bananowe” odkształcenie segmentu końcowego, gdy na złącze gwintowe 300 działa wewnętrzne ciśnienie płynu. W połączeniu z występem 13 przyczynia się również do zabezpieczenia powierzchni

PL 200 032 B1 uszczelniającej 5 przed uszkodzeniem, w przypadku braku wyrównania podczas łączenia elementów gwintowych.

W poniż szej tabeli 1 porównano zintegrowane naciski zetknię cia 2 połączeń gwintowych w szybach oczyszczania odwiertu dla rur o średnicy wewnętrznej 219 wynoszącej 0,8 mm (8 5/8) i długości 17,8 mm, gatunek P110 (minimalna granica plastyczności 758 MPa) bez występu 13 (stan techniki) i z wystę pem 13 (wedł ug wynalazku).

Przy połączeniu najpierw stykają się powierzchnie oporowe 17, 18 zewnętrznych elementów oporowych (pierwsze zetknięcie), a łączenie trwa do momentu zetknięcia powierzchni oporowych 7, 8 wewnętrznego elementu oporowego pod naciskiem zetknięcia (drugie zetknięcie).

W tabeli 1 podano wartoś ci dla zintegrowanych nacisków zetknię cia na szerokoś ci zetknię cia powierzchni uszczelniających, uzyskane w wyniku numerycznych obliczeń po wykonaniu połączenia i pod naprężeniem poosiowym.

T a b e l a 1: Zintegrowany nacisk zetknięcia pomiędzy powierzchniami uszczelniającymi

	Zintegrowany nacisk zetknięcia (N/mm)
	Znane połączenie gwintowe	Połączenie gwintowe według wynalazku (patrz fig. 3)
po wykonaniu połączenia	1286	1523
połączenie + 80% PBYS	1214	1462
połączenie + 100% PBYS	1188	1442

Jak wynika z analizy tabeli zintegrowane naciski zetknięcia były wyższe i wzrastały nieco wolniej dla połączenia gwintowego według wynalazku, w tej konfiguracji z pierwszym zetknięciem pomiędzy zewnętrznymi powierzchniami oporowymi. Zakończenie o bardzo ograniczonej długości (9% całkowitej długości końcówki) i występ 11 wykazywały dużą sztywność promieniową (grubość 10 mm na stopniu 37), w związku z czym różnice w porównaniu ze znanym połączeniem gwintowym były mniejsze niż w poprzednim przykładzie (VAM TOP®).

Dla złącza gwintowego 300 według fig. 2 fig. 9, 10 i 11 przedstawiają warunki ograniczające połączenie gwintowanych elementów w obecności występu 13.

Na fig. 9 pokazano maksymalną możliwą promieniową nie współosiowość d3 na początku łączenia gwintowych elementów 1 i 2 ze swobodnym końcem, powierzchnia uszczelniająca dla segmentu końcowego elementu zewnętrznego styka się ze swobodnym końcem zewnętrznym dalszej poosiowej powierzchni oporowej 18: dla złącza gwintowego 300 o wymiarach podanych powyżej d3 może przekraczać 10 mm.

Na fig. 10 pokazano maksymalną możliwą niewspółosiowość promieniową d4 w chwilę później, gdy powierzchnia uszczelniająca dla segmentu końcowego elementu zewnętrznego zetknie się z pierwszą nitką gwintu wewnętrznego: dla rozważanego złącza gwintowego d4 wynosi około 8 mm.

Na fig. 11 pokazano maksymalną możliwą niewspółosiowość kątową E, powierzchnia uszczelniająca dla segmentu końcowego powierzchni uszczelniającej 5 elementu wewnętrznego styka się z gwintem wewnętrznym, a gwint zewnętrzny nie jest jeszcze połączony: E wynosi około 4°.

Wielkości d3, d4 i E są wyższe niż przy braku występu 13. Połączenia gwintowe według wynalazku w lepszy sposób tolerują warunki niewłaściwego połączenia elementów gwintowych.

Występ 13 zabezpiecza powierzchnię uszczelniającą przed poosiowymi uderzeniami podczas manipulacji w terenie.

Należy zauważyć, że w przypadku fig. 11 segment końcowy również tworzy zabezpieczenie lub promieniową barierę dla części stożkowej 33 powierzchni uszczelniającej na segmencie końcowym, która jest częścią najbardziej krytyczną w odniesieniu do uszczelnienia.

Można również zabezpieczyć całą powierzchnię uszczelniającą jeśli, jak pokazano na fig. 4, poosiowa długość la występu 13 jest taka, aby powierzchnia uszczelniająca 5 segmentu końcowego znajdowała się po stronie elementu gwintowego w stosunku do prostej linii D1 przechodzącej poprzez grzbiet pierwszej nitki gwintu zewnętrznego, i która jest styczna do swobodnego końca gwintowego elementu. Prosta linia D1 jest przykładowo tworzącą dla grzbietu gwintu wewnętrznego na fig. 11.

Na fig. 3 pokazano integralne rurowe połączenie gwintowe 400 znanego typu, jako płaskie połączenie o stałej średnicy wewnętrznej i zewnętrznej, z wewnętrznymi powierzchniami oporowymi 7, 8

PL 200 032 B1 i z zewnętrznymi powierzchniami oporowymi 17, 18 oraz z dwoma parami powierzchni uszczelniających 5, 6 - parą wewnętrzną i 15, 16 - parą zewnętrzną.

Złącze gwintowe 400 jest uszczelnione dla ciśnień zewnętrznych za pomocą zewnętrznej pary powierzchni uszczelniających.

Wewnętrzne powierzchnie uszczelniające 5 wewnętrznej pary i zewnętrzne powierzchnie uszczelniające 16 zewnętrznej pary są powierzchniami uszczelniającymi na segmentach końcowych.

Są one odsunięte od poosiowych powierzchni oporowych 7, 18 na gwintowych elementach, na których je utworzono poprzez występy 13, 14.

Występy 13, 14 mogą zmniejszać sztywność poosiową segmentów końcowych 11, 12 i zwiększać promieniową sztywność tych segmentów.

Może to maksymalnie zwiększyć charakterystykę uszczelnienia połączenia gwintowego zarówno dla płynów zewnętrznych, jak i płynów wewnętrznych, nawet przy stosunkowo dużym naprężeniu poosiowym.

Poprawiono również mechaniczne zachowanie się pod naciskiem.

Mała sztywność poosiowa segmentów końcowych 11, 12 umożliwia kontynuowanie łączenia po pierwszym zetknięciu zewnętrznej i wewnętrznej pary oporowej, korzystnie wewnętrznej pary, aż do poosiowego zetknięcia drugiej pary powierzchni oporowych.

Opóźnienie rozłączenia powierzchni oporowych przy rozciąganiu poosiowym umożliwia również pewien zasięg dla zapobieżenia lub ograniczenia wibracji tych powierzchni w przypadku fluktuacji obciążenia rozciągającego lub zginającego, takie wstrząsy są źródłem pęknięć zmęczeniowych w zjawisku znanym jako „korozja cierna”.

Claims (23)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Złącze rurowe gwintowe do łączenia dwóch rurowych części, zawierające element z gwintem zewnętrznym na końcu rurowej części i element z gwintem wewnętrznym na końcu drugiej rurowej części, przy czym element z gwintem zewnętrznym zawiera zewnętrzne gwintowanie oraz co najmniej jedną zewnętrzną powierzchnię uszczelniającą na jego zewnętrznej powierzchni obwodowej i co najmniej jedną wewnętrzną poosiową powierzchnię oporową, zaś element z gwintem wewnętrznym zawiera gwintowanie wewnętrzne oraz co najmniej jedną wewnętrzną uszczelniającą powierzchnię na swej wewnętrznej powierzchni obwodowej i co najmniej jedną wewnętrzną poosiową powierzchnię oporową, przy czym w położeniu styku co najmniej jednej zewnętrznej poosiowej powierzchni oporowej z odpowiadającą jej wewnętrzną poosiową powierzchnią oporową występuje promieniowa oporowa reakcja każdej zewnętrznej powierzchni uszczelniającej z odpowiadającą jej wewnętrzną powierzchnią uszczelniającą, przy czym co najmniej jeden element gwintowy ma dalszą poosiową powierzchnią oporową usytuowaną pomiędzy powierzchnią oporową lub powierzchniami wytwarzającymi oporową reakcję, utworzoną na przedniej powierzchni wolnego końca gwintowego elementu segmentu końcowego, oddzielającego dalszą poosiową powierzchnię oporową od gwintu na gwintowym elemencie, oraz jedną powierzchnię uszczelniającą usytuowaną na segmencie końcowym, w danej odległości poosiowej od końca gwintowania, znamienne tym, że segment końcowy (11, 12) składa się z występu (13, 14) ułożonego od powierzchni (5, 16) uszczelniającej segmentu końcowego do dalszej poosiowej powierzchni (7, 18) oporowej, przy czym występ (13, 14) ma powierzchnię obwodową (19) zwróconą czołowo w kierunku elementu gwintowego (1, 2) współpracującą z co najmniej jednym elementem gwintowym (1, 2), która jest różna od powierzchni (5) uszczelniającej segmentu końcowego, przy czym powierzchnia obwodowa (19) występu i powierzchnia (5) uszczelniająca segmentu końcowego spotykają się formując wklęsłą część rurowego złącza gwintowego (100, 300, 400).
2. 2. Złącze rurowe według zastrz. 1, znamienne tym, że dalsza poosiowa powierzchnia (7, 18) oporowa na końcu występu (13, 14) jest płaską powierzchnią prostopadłą do osi gwintowego złącza (100, 300, 400).
3. 3. Złącze rurowe według zastrz. 1, znamienne tym, że dalsza poosiowa powierzchnia (7) oporowa usytuowana na końcu występu (13, 14) jest stożkowa i współosiowa z gwintowym złączem (100) oraz ma połówkowy kąt wierzchołkowy w zakresie 70° do 90°.
4. 4. Złącze rurowe według zastrz. 1, znamienne tym, że powierzchnia obwodowa (19) występu (13) wskazuje dodatni lub zerowy luz z odpowiadającą powierzchnią elementu gwintowego współpracującego z co najmniej jednym elementem gwintowym (1, 2).

   PL 200 032 B1
5. 5. Złącze rurowe według zastrz. 1, znamienne tym, że powierzchnia obwodowa (19) występu (13) usytuowana na boku powierzchni uszczelniającej (5) segmentu końcowego jest powierzchnią cylindryczną.
6. 6. Złącze rurowe według zastrz. 1, znamienne tym, że występ (13, 14) ma osiową długość (1a) w zakresie od 8% do 75% całkowitej osiowej długoś ci (It) segmentu końcowego (11).
7. 7. Złącze rurowe według zastrz. 1, znamienne tym, że występ (13, 14) ma osiową długość (1a) w zakresie od 20% do 60% całkowitej długości osiowej (It) segmentu końcowego (11).
8. 8. Złącze rurowe według zastrz. 1, znamienne tym, że występ (13, 14) ma osiową długość (1a), zaś dalsza poosiowa powierzchnia oporowa (7) ma grubość promieniową (eb) przy której stosunek osiowej długości (1a) występu (13, 14) do grubości promieniowej (eb) dalszej poosiowej powierzchni oporowej (7) wynosi co najwyżej 3.
9. 9. Złącze rurowe według zastrz. 7 albo 8, znamienne tym, że osiowa długość (1a) występu (13, 14) jest długością przy której powierzchnia (5) uszczelniająca segmentu końcowego jest usytuowana na tym samym boku na którym jest usytuowany co najmniej jeden gwintowy element (1) w odniesieniu do linii prostej (D1) przechodzą cej poprzez grzbiet wystę pu (13) pierwszego gwintu gwintowania (3) i który jest styczny do swobodnego końca elementu gwintowego (1, 2).
10. 10. Złącze rurowe według zastrz. 9, znamienne tym, że linia prosta (D1) jest linią nieprzecinającą się z i ułożoną w odstępie od powierzchni (5) uszczelniającej segmentu końcowego.
11. 11. Złącze rurowe według zastrz. 1, znamienne tym, że powierzchnia (5, 16) uszczelniająca segmentu końcowego ma kształt wybrany z grupy utworzonej jako powierzchnia stożkowa, toroidalna lub kombinacja powierzchni, przy czym kombinacja powierzchni składa się z kombinacji stożkowych, cylindrycznych i toroidalnych powierzchni.
12. 12. Złącze rurowe według zastrz. 11, znamienne tym, że powierzchnia uszczelniająca (5) segmentu końcowego jest powierzchnią o kształcie kombinowanym utworzonym z dwóch części powierzchni, wzajemnie stycznych, przy czym część stożkowa (33) jest umieszczona po stronie dalszej poosiowej powierzchni oporowej (7), a część toroidalna (31) o promieniu (R1) powyżej 20 mm, jest umieszczona po stronie gwintowania (3), zaś odpowiadająca powierzchnia uszczelniająca (6) na drugim gwintowym elemencie (2) jest powierzchnią stożkową o stożku identycznym do stożkowej części stożkowej (33) usytuowanej na powierzchni uszczelniającej (5) segmentu końcowego i szerokości poosiowej dostosowanej do całkowitej poosiowej szerokości (Is) powierzchni uszczelniającej (5) segmentu końcowego.
13. 13. Złącze rurowe według zastrz. 11 albo 12, znamienne tym, że średnie pochylenie każdej powierzchni (5, 16) uszczelniającej segmentu końcowego wynosi co najmniej 10° względem osi rurowego złącza gwintowego (100, 300, 400).
14. 14. Złącze rurowe według zastrz. 11 albo 12, znamienne tym, że powierzchnia (5, 16) uszczelniająca segmentu końcowego ma poosiową szerokość (Is) mniejszą niż 10 mm.
15. 15. Złącze rurowe według zastrz. 14, znamienne tym, że powierzchnia (5, 16) uszczelniająca segmentu końcowego ma poosiową szerokość (Is) wynoszącą co najwyżej 5 mm.
16. 16. Złącze rurowe według zastrz. 1, znamienne tym, że segment końcowy (11) ma powierzchnię obwodową (35) usytuowaną pomiędzy powierzchnią uszczelniającą (5) segmentu końcowego i gwintowaniem (3), która zawiera dwie cylindryczne powierzchnie o nieco róż nych ś rednicach wię kszej i mniejszej, przy czym cylindryczna powierzchnia o mniejszej średnicy (39) jest połączona z dnem bruzdy gwintu, a większa średnica (37) jest połączona do powierzchni uszczelniającej (5) segmentu końcowego.
17. 17. Złącze rurowe według zastrz. 12, znamienne tym, że swobodny koniec dalszej poosiowej powierzchni oporowej (7) segmentu końcowego zwrócony czołowo do odpowiadającej mu przedniej powierzchni (8) elementu gwintowego (2) współpracującego z co najmniej jednym elementem gwintowym (1) stanowi pojedynczą powierzchnią ciągłą o poprzecznej orientacji.
18. 18. Złącze rurowe według zastrz. 1, znamienne tym, że powierzchnia (5, 16) uszczelniająca segmentu końcowego jest pojedynczą powierzchnią uszczelniającą na segmencie końcowym (11, 12).
19. 19. Złącze rurowe według zastrz. 1, znamienne tym, że efektywna szerokość linii styku (1s) powierzchni (5, 16) uszczelniającej segmentu końcowego przy której zewnętrzna powierzchnia uszczelniająca (15) i wewnętrzna powierzchnia uszczelniająca (16) są ułożone w styku, jest pochylona pod pierwszym kątem i zbieżna w odniesieniu do osi złącza gwintowego, przy czym dno (4) bruzdy gwintowania (3) jest usytuowane w odniesieniu do osi co najmniej jednego elementu gwintowego pod drugim kątem dodatnim lub zerowym, przy czym drugi kąt ma wielkość mniejszą niż pierwszy.

    PL 200 032 B1
20. 20. Złącze rurowe według zastrz. 1, znamienne tym, że powierzchnia obwodowa (19) występu jest pojedynczą swobodną powierzchnią bez promieniowych uskoków wzdłuż jej przedłużenia.
21. 21. Złącze rurowe według zastrz. 1, znamienne tym, że pojedynczy element gwintowy (1) złącza rurowego (100, 300) ma segment końcowy (11) o powierzchni uszczelniającej (5) i występ (13) oraz dalszą poosiową powierzchnię oporową (7), zaś drugi element gwintowy (2) jest pozbawiony tych części.
22. 22. Złącze rurowe według zastrz. 21, znamienne tym, że drugi gwintowy element (2) rurowego złącza (100) gwintowego jest pozbawiony dalszej poosiowej powierzchni oporowej (18) i powierzchni uszczelniającej segmentu końcowego.
23. 23. Złącze rurowe według zastrz. 21, znamienne tym, że drugi gwintowy element (2) rurowego złącza (300) gwintowego posiada również dalszą poosiową powierzchnię oporową (18) i jest pozbawiony powierzchni uszczelniającej segmentu końcowego.

    23. Złącze rurowe według zastrz. 1, znamienne tym, że każdy z dwóch gwintowych elementów (1, 2) rurowego złącza (400) gwintowego posiada segmenty końcowe (11, 12) z powierzchnią uszczelniającą (5, 16) i występy (13, 14) oraz dalszą poosiową powierzchnię oporową (7, 18).