PL200800B1

PL200800B1 - Połączenie gwintowane rur

Info

Publication number: PL200800B1
Application number: PL367111A
Authority: PL
Inventors: Jun Maeda
Original assignee: Sumitomo Metal Ind; Sumitomo Metal Industries Ltd; Vallourec Mannesmann Oil & Gas; Vallourec Mannesmann Oil & Gas France
Priority date: 2001-07-13
Filing date: 2002-07-11
Publication date: 2009-02-27
Also published as: DE60217119D1; JP2003028353A; EP1408269B1; CA2452426C; WO2003006867A1; PL367111A1; ATE349645T1; RO121534B1; ES2277619T3; US6957834B2; US20040217592A1; BR0211131B1; EP1408269A1; RU2258171C2; DE60217119T2; EP1408269A4; CN1245585C; MXPA04000356A; BR0211131A; MY129407A

Abstract

1. Polaczenie gwintowane rur z cz esci a uszczelniaj ac a styk metal-metal, zawieraj ace gwint zewn etrzny oraz nie nagwintowan a powierzchni e uszczelniaj ac a uformowan a na ko ncu rury stalowej, a tak ze gwint wewn etrzny oraz nie nagwintowan a powierzchni e uszczelniaj ac a uformowan a na wewn etrznej powierzchni z laczki, gwint wewn etrzny laczy si e gwintowo z gwintem zewn etrznym, a nie nagwintowana powierzchnia uszczelniaj aca z laczki sprz ega si e opieraj ac si e o nie nagwintowan a powierzchni e uszczelniaj ac a rury stalowej, tworz ac pierscieniow a cz esc stykow a, znamienne tym, ze szorstkosc Ry nie nagwintowanych powierzchni (1a, 2a) uszczelniaj acych rury stalowej (1) i z laczki (2) wynosi co najwy zej 25 µm, oraz, ze cz esc uszczelniaj aca styku metalu-metal, ma taki luz ujemny mi edzy rur a (1) i z laczk a (2), ze srednie ci snienie Pm pier scieniowej cz esci stykowej spe lnia warunek Pm/Py =3, i ze szerokosc, w kierunku osiowym, cz esci, na któr a wywierane jest ci- snienie Ps w pier scieniowej cz esci stykowej, wynosi, co najmniej 1 mm w stanie skr ecania po laczenia gwintowego, przy czym wewn etrzne ci snienie graniczne powierzchni rury wynosi Py, a stosunek ci snie n spe lnia zale znosc Ps/Py =1. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest połączenie gwintowane rur z częścią uszczelniającą styk metal-metal.

Wynalazek nadaje się do stosowania, na przykład, w rurach szybów naftowych, przy wydobywaniu i transporcie ropy naftowej oraz gazu ziemnego.

Warunki stosowania połączeń rur w szybach naftowych stają są coraz trudniejsze, ponieważ głębokości odwiertów są coraz większe. W związku z tym, od połączeń wymaga się spełniania coraz wyższych wymagań co do wytrzymałości i szczelności (określonej poniżej jako właściwości uszczelniające).

W takich odwiertach jako rurowe połączenia gwintowane zwykle stosuje połączenia przyporowe albo połączenia z gwintem okrągłym, w których łączenie przeprowadza się jedynie przez sprzężenie gwintowane, zgodne z normami API (Amerykańskiego Instytutu Naftowego), które nie jest w stanie zapewnić odpowiednich właściwości zarówno wytrzymałościowych, jak i uszczelniających.

Dlatego też zaczęto wykorzystywać specjalne rurowe połączenia gwintowane z uszczelnieniem styku metal-metal, które zapewniają odpowiednią wytrzymałość połączenia i doskonałą szczelność.

Na przykład, w opisie patentowym US 4 732 416 jest ujawnione połączenie gwintowane rur, umożliwiające uniknięcie koncentracji naprężeń, dzięki uformowaniu powierzchni uszczelniającej styku metal-metal o takim kształcie, w którym zakrzywiona powierzchnia styka się z powierzchnią zakrzywioną.

Z opisu patentowego US 4 623 173 znane jest połączenie gwintowane rur, w którym powierzchnia uszczelniająca, po stronie gwintu wewnętrznego uszczelniającej części styku metal-metal, jest powierzchnią wypukłą o promieniu zakrzywienia, co najmniej 100 mm, zaś powierzchnia uszczelniająca po stronie gwintu zewnętrznego jest powierzchnią nachyloną (stożkową) o kącie zbieżności od 1,0 do 4,7°, zaś ciśnienie P, wywierane na część styku metal-metal powierzchni uszczelniającej (niżej nazywana po prostu jako „część stykowa”), jest określane zależnością: wewnętrzne ciśnienie wywierane na połączenie gwintowane < P < wytrzymałość plastyczna materiału, z którego wykonane jest połączenie gwintowane.

Część uszczelniająca styku metal-metal połączenia gwintowanego rur, ujawnionego w opisach patentowych US 5 137 310 i US 5 423 579, ma taki kształt, w którym powierzchnia stożkowa styka się z powierzchnią stożkową .

Znane z opisu patentowego JP A-61-124792 połączenie gwintowane rur ma chropowatość powierzchniową (Ry) jednej z powierzchni uszczelniających części styku metal-metal, zawartą w granicach 5 do 25 μm Rmax.

W opisie patentowym JP A-06-10154 zostało ujawnione połączenie gwintowane rur, w którym część uszczelniająca styk metal-metal została poddana obróbce powierzchniowej w celu uformowania powłoki powierzchniowej, o grubości spełniającej zalecany warunek na szorstkość powierzchniową (Ry) podłoża (w zakresie od 5 do 20 μm).

W połączeniu gwintowanym rur, ujawnionym w opisie patentowym JP A-07-217777, ulepszono odporność na zatarcie, przez wykonanie, za pomocą obróbki powierzchniowej, grubszej powłoki na części uszczelniającej styku metal-metal, niż szorstkość powierzchniowa Rmax(Ry) podłoża.

W opisie patentowym JP A 08-145248 zostało ujawnione połączenie gwintowane rur ze stali o wysokiej zawartości Cr, zawierającej co najmniej 10% masy Cr, w którym twardość jednej z powierzchni uszczelniających części uszczelniającej styku metal-metal jest o co najmniej 10 Hv większa, niż drugiej powierzchni uszczelniającej, zaś średnia szorstkość powierzchni o wyższej twardości leży w zakresie od 0,25 do 1,00 μm.

Jednakże, nawet w specjalnych połączeniach gwintowanych rur, mających część uszczelniającą na styku metal-metal, jak opisano powyżej, mogą łatwo zdarzać się wycieki, jeżeli szorstkość powierzchniowa powierzchni uszczelniającej jest duża. W szczególności, kiedy płynem jest gaz z odwiertu gazowego. Dlatego też niezbędne ciśnienie, które trzeba przyłożyć do obu części stykowych powierzchni uszczelniających, aby zapobiec wyciekowi przy dużej szorstkości powierzchni, staje się wysokie. W zależności od stanu styku powierzchni uszczelniających albo warunków przykładanego obciążenia, nie jest możliwe przyłożenie wystarczającego ciśnienia do powierzchni uszczelniających i połączenia mogą nie wykazywać żądanych właściwości uszczelniających.

W połączeniach rurowych, mających część uszczelniającą na styku metal-metal, powinna istnieć możliwość uzyskania dobrych właściwości uszczelniających przez zmniejszenie szorstkości powierzchniowej powierzchni uszczelniających i zwiększenie ciśnienia przykładanego do części stykowych.

PL 200 800 B1

Jednakże, zmniejszenie szorstkości powierzchni wymaga dużej dokładności obróbki, czas pracy wydłuża się i straty z punktu widzenia efektywności pracy i kosztów rosną. Z drugiej strony, kiedy zwiększa się docisk styku, przykładany do powierzchni uszczelniających, wzrasta ciśnienie, jeżeli szerokość części stykowych jest mała, a to może spowodować zatarcie prowadzące do uszkodzenia połączenia.

Jednakże, żadne z opisanych wyżej połączeń gwintowanych mających uszczelniającą część na styku metal-metal, nie uwzględniają zależności między szorstkością powierzchni i wywieranym ciśnieniem, a właściwościami uszczelniającymi.

Na przykład opisy patentowe US 4 732 416; US 4 623 173; US 5 137 310 oraz US 5 423 579, dotyczące połączeń rurowych nie wspominają o szorstkości powierzchniowej czy ciśnieniu wywieranym na powierzchnie uszczelniające.

Z drugiej strony, w każ dym z gwintowanych połączeń rurowych ujawnionych w opisach patentowych JP A 61-124792, JP A 06-10154, JP A 07-217777 oraz JP A 08-145248, określona jest szorstkość powierzchni w odniesieniu do obróbki powierzchniowej, lecz nie wspomina się tam o zależności między szorstkością powierzchni i przykładanym ciśnieniem, a szerokością części stykowej, ani też o zwią zku mię dzy wyż ej wymienionymi, a wł a ś ciwoś ciami uszczelniają cymi.

Dlatego też w zaproponowanych dotychczas specjalnych połączeniach gwintowanych, mających styk metal-metal, trudno jest rozwiązać, w sposób pewny, problemy takie jak zatarcia czy przecieki płynu.

Obecni wynalazcy zauważyli, że powyższe problemy specjalnych połączeń gwintowanych są powodowane przez zależności między szorstkością powierzchni uszczelniających i doprowadzanym ciśnieniem, a szerokością, w kierunku osiowym, części stykowej powierzchni uszczelniającej, do której przykłada się ciśnienie. Przez zoptymalizowanie tych zależności możliwe jest ekonomiczne uzyskanie dobrych właściwości uszczelniających połączeń rurowych mających część uszczelniającą na styku metal-metal.

Połączenie gwintowane rur z częścią uszczelniającą styk metal-metal, zawierające gwint zewnętrzny oraz nie nagwintowaną powierzchnię uszczelniającą uformowaną na końcu rury stalowej, a także gwint wewnętrzny oraz nie nagwintowaną powierzchnię uszczelniającą uformowaną na wewnętrznej powierzchni złączki, gwint wewnętrzny łączy się gwintowo z gwintem zewnętrznym, a nie nagwintowana powierzchnia uszczelniająca złączki sprzęga się opierając się o nie nagwintowaną powierzchnię uszczelniającą rury stalowej, tworząc pierścieniową część stykową według wynalazku jest charakterystyczne tym, że szorstkość Ry nie nagwintowanych powierzchni uszczelniających rury stalowej i złączki wynosi, co najwyżej 25 μm, oraz, że część uszczelniająca styku metalu-metal, ma taki luz ujemny między rurą i złączką, że średnie ciśnienie Pm pierścieniowej części stykowej spełnia warunek Pm/Py>3, i że szerokość, w kierunku osiowym, części, na którą wywierane jest ciśnienie Ps w pierścieniowej części stykowej, wynosi co najmniej 1 mm, w stanie skręcania połączenia gwintowego, przy czym wewnętrzne ciśnienie graniczne powierzchni rury wynosi Py, a stosunek ciśnień spełnia zależność Ps/Py>1.

Połączenie gwintowane rur mające część uszczelniającą na styku metal-metal, zawierające gwint zewnętrzny oraz nie nagwintowaną powierzchnię uszczelniającą uformowaną na końcu rury stalowej, a także gwint wewnętrzny oraz nie nagwintowaną powierzchnię uszczelniającą uformowaną na wewnętrznej powierzchni złączki, gwint wewnętrzny łączy się gwintowo z gwintem zewnętrznym, a nie nagwintowana powierzchnia uszczelniająca złączki sprzęga się opierając się o nie nagwintowaną powierzchnię uszczelniającą rury stalowej, tworząc pierścieniową część stykową, według wynalazku jest charakterystyczne tym, że nie nagwintowane powierzchnie uszczelniające zarówno rury stalowej jak i złączki mają taki luz ujemny między sobą, że średnie ciśnienie Pm pierścieniowej części stykowej i szorstkość Ry ^m) spełnia warunek Pm/Py>0,0032 x Ry² + 1,0, a szerokość, w kierunku osiowym, części, na którą wywierane jest ciśnienie Ps w pierścieniowej części stykowej, wynosi, co najmniej 1 mm w stanie skręcania połączenia gwintowego, przy czym wewnętrzne ciśnienie graniczne powierzchni rury wynosi Py, a stosunek ciśnień spełnia zależność Ps/Py>1.

Połączenie gwintowane rur zawierające część uszczelniającą na styku metal-metal, zawierające gwint zewnętrzny oraz nie nagwintowaną powierzchnię uszczelniającą uformowaną na końcu rury stalowej, a także gwint wewnętrzny oraz nie nagwintowaną powierzchnię uszczelniającą uformowaną na wewnętrznej powierzchni złączki, gwint wewnętrzny łączy się gwintowo z gwintem zewnętrznym, a nie nagwintowana powierzchnia uszczelniająca złączki sprzęga się opierając się o nie nagwintowaną powierzchnię uszczelniającą rury stalowej, tworząc pierścieniową część stykową, znamienne tym, że szorstkość Ry nie nagwintowanych powierzchni uszczelniających rury stalowej i złączki wynosi co

PL 200 800 B1 najwyżej 30 μm, oraz, że część uszczelniająca na styku metal-metal ma taki luz ujemny między rurą i złączką, że średnie ciśnienie Pm pierścieniowej części stykowej spełnia warunek Pm/Py>3, i że szerokość, w kierunku osiowym, części, na którą wywierane jest ciśnienie Ps w pierścieniowej części stykowej, wynosi, co najmniej 2 mm w stanie skręcania połączenia gwintowego, przy czym wewnętrzne ciśnienie graniczne powierzchni rury wynosi Py, a stosunek ciśnień spełnia zależność Ps/Py>1.

Korzystnie, końcowa powierzchnia rury stalowej zawiera część oporową i, odpowiednio, złączka także zawiera część oporową, umożliwiającą oparcie o część oporową końcowej rury stalowej.

W przedmiotowym wynalazku szorstkość powierzchni Ry nie nagwintowanych powierzchni uszczelniających oznacza szorstkość obrobionej powierzchni stalowego materiału podłoża do tworzenia połączenia gwintowanego. Odpowiednio, w przypadku połączenia gwintowanego, które było przedmiotem obróbki powierzchniowej, Ry nie jest szorstkością powłoki po obróbce powierzchniowej na powierzchni uszczelniającej, lecz jest szorstkością powierzchniową powierzchni uszczelniającej przed przeprowadzeniem obróbki powierzchniowej.

Ciśnienie Ps, wywierane na pierścieniową część stykową oznacza siłę na jednostkę powierzchni wywieraną, w kierunku prostopadłym do powierzchni uszczelniającej, zaś szerokość, w kierunku osiowym, pierścieniowej części stykowej, na którą wywierane jest ciśnienie, jest długością mierzoną wzdłuż powierzchni uszczelniającej. Mianowicie, kierunek ciśnienia Ps i osiowy kierunek pierścieniowej części stykowej są do siebie prostopadłe.

Ciśnienie Ps jest wywierane przez skręcanie ze sobą gwintów rury stalowej i złączki, w celu uzyskania połączenia gwintowanego. Wielkość ciśnienia Ps jest wyznaczona przez wymiary i kształt gwintów i powierzchni uszczelniających, które działają w obrębie ustalonego obszaru i na ustalonej ilości gwintowanych zazębień gwintów. Ustawianie ilości gwintowanych zazębień jest zwykle przeprowadzane przez występ wykrywający moment obrotowy albo przez ustalanie położenia za pomocą odpowiedniego oznakowania.

Ps/Py oznacza stosunek ciśnienia Ps części stykowych do wewnętrznego ciśnienia granicznego Von Mises'a Py i jest wielkością bezwymiarową. Py jest uważane za maksymalne ciśnienie wewnętrzne, które może być przyłożone do rury, a zatem jeżeli jest spełniony warunek Ps/Py>1, ciśnienie jest zawsze większe lub równe ciśnieniu wewnętrznemu. W połączeniu gwintowanym dla rur, według wynalazku, wielkość ciśnienia Ps, spełniającego warunek Ps/Py>1, określa się jako ciśnienie użyteczne, a w pierścieniowej części stykowej, którą tworzy część uszczelniająca styku metal-metal, szerokość w kierunku osiowym części, na którą wywierane jest ciśnienie użyteczne, określa się jako, co najmniej 1 lub 2 mm, jak wspomniano powyżej.

Średnie ciśnienie Pm jest wartością otrzymaną przez podzielenie całki rozkładu ciśnień w kierunku osiowym w pierścieniowej części stykowej, wzdłuż długości w kierunku osiowym części stykowej (długości rozkładu ciśnień) przez długość styku. Zakłada się, że równomierne ciśnienie działa wzdłuż długości części stykowej. Chociaż wartość ciśnienia Pm mogłaby być wyznaczona przez pomiary ciśnienia, może być ona też wyznaczona za pomocą analizy stosując metodę elementów skończonych (FEM) stanu rozkładu naprężeń części połączeniowej przy zazębieniu gwintowym, wykorzystując dane zmierzonych wymiarów części połączeniowej i właściwości materiału.

Szerokość w kierunku osiowym części stykowej, na którą wywierane jest ciśnienie Ps, spełniające warunek Ps/Py>1, może także być wyznaczona metodą elementów skończonych.

Przedmiot wynalazku, w korzystnym przykładzie wykonania, został przedstawiony na załączonym rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematyczny widok połączenia gwintowanego rur, mającego część uszczelniającą styku metal-metal; fig. 2 - powiększony widok pokazujący otoczenie części uszczelniającej styku metal-metal połączenia gwintowanego; fig. 3 - średni stosunek ciśnień Pm/Py oraz wyniki testu szczelności dla połączeń gwintowanych rur, mających szorstkości powierzchni Ry rzędu 25 μ^ι; fig. 4 - średni stosunek ciśnień Pm/Py oraz wyniki testu szczelności dla połączeń gwintowanych rur, mających szorstkości powierzchni Ry rzędu 12,5 μm; fig. 5 - średni stosunek ciśnień Pm/Py oraz wyniki testu szczelności dla połączeń gwintowanych rur, mających szorstkości powierzchni Ry rzędu 30 μm; fig. 6 - schematyczny widok objaśniający sposób przeprowadzania testu, zaś fig. 7 przedstawia wyniki testu uszczelnienia jako zależność między średnim stosunkiem ciśnień Pm/Py a szorstkością powierzchni Ry.

Autorzy wynalazku badali związek szorstkości powierzchni uszczelniającej, ciśnienia oraz szerokości w kierunku osiowym pierścieniowej części stykowej, na którą wywierane jest ciśnienie, z własnościami uszczelniającymi części uszczelniającej styku metal-metal połączenia gwintowanego, za pomocą następujących sposobów.

PL 200 800 B1

Rura stalowa o nominalnej średnicy zewnętrznej 88,9 mm i nominalnej grubości ścianki 6,45 mm, wykonana z niskowęglowej stali do odwiertów naftowych (normy L-80 API) została przygotowana jako rura do testów. Jak pokazano na fig. 1 i 2 gwint wewnętrzny 1 b oraz nie nagwintowana powierzchnia uszczelniająca 1a, dla zapewnienia styku płaszczyzna-płaszczyzna (stożkowa płaszczyzna uszczelniająca nie nagwintowana, taka jak opisana w opisie patentowym US 5 137 310) zostały uformowane przez obróbkę skrawaniem zewnętrznej powierzchni obwodowej obu końców rury testowej (na obu wierzchołkach jej końców). Rura do testów ma na każdym końcu część oporową 1c.

Wykonana z tego samego materiału, co opisany powyżej, złączka 2 ma gwint wewnętrzny 2b do gwintowego połączenia z gwintem zewnętrznym 1b testowanej rury 1 oraz ma nie nagwintowaną powierzchnię 2a, służącą do oparcia się o powierzchnię uszczelniającą 1a testowanej rury 1, uformowaną na jej wewnętrznej powierzchni obwodowej po obu jej końcach. Złączka 2 ma wewnętrzną część oporową 2c do oparcia się o część oporową 1c rury stalowej.

Nie nagwintowane powierzchnie uszczelniające 1a i 2a rury testowanej 1 i złączki 2 zostały wykonane tak, aby szorstkość powierzchni Ry każdej z nich wynosiła około 25 μ^ι, co należy uznać, za górną granicę szorstkości powierzchni Ry stosowaną do zwykłych połączeń gwintowanych.

Połączenia gwintowane do testowania (zwane dalej „próbkami”), przedstawione na fig. 1, mające część uszczelniającą styku metal-metal, zostały przygotowane przez połączenie rury testowanej 1 z każdym z końców złączki 2 za pomocą połączenia gwintowego. Do badania zostało przygotowanych osiem próbek A1-A8 o stopniu wcisku (luzu ujemnego) części uszczelniającej ustawianym zgodnie z ciśnieniem tak, żeby stosunek ciśnień Pm/Py średniego ciśnienia Pm w pierścieniowej części stykowej (zwanej niżej „częścią stykową”), do wewnętrznego ciśnienia granicznego Py (stosunek Pm/Py zwany niżej „średnim stosunkiem ciśnień”) zmieniał się, co 0,5 w zakresie od 1,0 do 4,5. Próbki zostały poddane testom szczelności i badano ich właściwości uszczelniające. Luz gwintów był zerowy tak, aby nie miał wpływu na część uszczelniającą, zaś skręcanie gwintu zostało zatrzymane, kiedy części oporowe 1c zetknęły się (to znaczy, stopień skręcenia gwintów był ustawiany za pomocą wykrywania progów momentu obrotowego).

Średni stosunek ciśnień Pm/Py, określony za pomocą analizy metodą elementów skończonych na podstawie zmierzonych wymiarów każdej części połączenia gwintowanego i właściwości materiału, jest przedstawiony w tabeli 1 oraz na fig. 3 wraz z szorstkością powierzchniową powierzchni uszczelniających, wynikami testu szczelności i szerokością styku.

Jak pokazano na fig. 6, test szczelności został przeprowadzony przez utrzymywanie wymaganego ciśnienia wewnętrznego azotu (ciśnienie graniczne zamkniętego końca: wewnętrzne ciśnienie graniczne Von Mises'a Py) przez 1 godzinę we wnętrzu testowanego połączenia gwintowanego. Dla wykrywania wycieków z połączenia gwintowanego podczas testu, jak pokazano na rysunku, na gwintowane części obu końców złączki 2 nałożono kołnierze 3, wyciekający gaz był przeprowadzany przez kołnierze 3 i przewody 4 do wody 5, gdzie występowanie przecieków objawiało się w postaci bąbelków powietrza.

W wynikach testów szczelności w tabeli 1 znak „O” oznacza, że nie nastąpił wyciek podczas jednogodzinnego testu, zaś znak „X” oznacza, że nastąpił wyciek. Podobnie, na fig. 3 znak „•” oznacza brak wycieku, zaś znak „X” oznacza jego wystąpienie. Jak pokazano na fig. 1 połączenie gwintowane może być wykonane na każdym końcu złączki 3, zaś znak „X” na fig. 3 postawiono jeżeli nastąpił wyciek z któregokolwiek końca.

Szorstkość powierzchni Ry próbki, przedstawiona w Tabeli 1 i na fig. 3, jest wartością szorstkości powierzchni zmierzonej na powierzchniach uszczelniających rury i złączki, które zostały obrobione tak, aby szorstkość powierzchni Ry wynosiła 25 μm (mierzona długość: 0,5 mm, przeciętnie dla powierzchni uszczelniających wykonywano pomiar w 4 punktach dla rury i złączki dwóch połączeń gwintowanych na obu końcach złączki).

Szerokość styku w Tabeli 1 jest szerokością w kierunku osiowym tej części stykowej, dla której stosunek napięć spełnia warunek Ps/Py>1, i został określony wraz ze średnim ciśnieniem Pm metodą elementów skończonych.

Opisane wyżej metody obliczeniowe i pomiarowe były także zastosowane do Tabel 2, 3 i 5 oraz fig. 4 i 5.

PL 200 800 B1

T A B E L A 1

Nr próbki	Szorstkość powierzchni Ry (pm)	Średni stosunek ciśnień Pm/Py	Wynik testu szczelności	Szerokość styku* (mm)
A-1	24,3	4,0	O	1,30
A-2	25,1	3,2	O	1,17
A-3	25,7	2,6	X	1,05
A-4	25,2	1,6	X	0,84
A-5	24,9	3,4	O	1,21
A-6	24,1	1,3	X	0,77
A-7	23,5	1,9	O	0,91
A-8	25,2	4,3	O	1,32

*) szerokość w kierunku osiowym części stykowej, dla której stosunek napięć spełnia warunek Ps/Py>1

Z Tabeli 1 i fig. 3 wynika, że szorstkość powierzchni Ry dla powierzchni uszczelniających połączenia gwintowanego wynosiła 25 pm, zaś wycieki nie występowały, jeżeli średni stosunek ciśnień

Pm/Py wynosił, co najmniej 3. Dla próbki A-7 wyciek nie wystąpił, ponieważ szorstkość powierzchni była w niej najmniejsza. Oczywiście przyjmuje się, że przecieki nie występują, jeżeli średni stosunek ciśnień Pm/Py wynosi, co najmniej 3, a szorstkość powierzchni Ry jest mniejsza niż 25 pm.

W związku z powyższym, można podsumować, że wycieki nie występują, jeżeli średni stosunek ciśnień Pm/Py wynosi, co najmniej 3, a szorstkość powierzchni uszczelniających Ry jest mniejsza niż 25 μm. Podobnie, z wyników analizy metodą elementów skończonych, zostało określone, że wycieki nie występują kiedy szerokość w kierunku osiowym części, w której ciśnienie Ps w części stykowej jest co najmniej wewnętrznym ciśnieniem granicznym Py, (tj. szerokość styku w Tabeli 1) wynosi zwykle co najmniej 1,0 mm, jak pokazano w Tabeli 1.

Z powyższego wynika, że zgodnie z pierwszym wariantem przedmiotu wynalazku, przez uczynienie średniego stosunku ciśnień Pm/Py w części stykowej na wartość, co najmniej 3, szerokości w kierunku osiowym części, w której Ps/Py>1, na wartość, co najmniej 1 mm oraz średniej szorstkości powierzchniowej obu powierzchni uszczelniających na wartość, co najwyżej 25 μm, właściwości uszczelniające części uszczelniającej na styku metal-metal mogą być zagwarantowane z pewnością.

Następnie w ten sam sposób, jak opisano powyżej, z tym, że obróbka została wykonana tak, że szorstkość Ry nie nagwintowanej powierzchni uszczelniających rury i złączki wynosiła 12,5 μm, przygotowano osiem próbek B-1 do B-8 o stopniu luzu części uszczelniających ustalonym według ciśnienia tak, aby średni stosunek ciśnień Pm/Py zmieniał się co około 0,5 w zakresie od 0,5 do 3. Próbki poddano takiej samej próbie szczelności jak opisano powyżej. Średni stosunek ciśnień P/Py, który został wyznaczony na podstawie analizy z wykorzystaniem metody elementów skończonych, na podstawie zmierzonych wymiarów i danych dotyczących właściwości materiałowych każdej części połączenia, przedstawiono wraz z wynikami testów szczelności, szorstkością powierzchni, i szerokością styku w Tabeli 2 i na fig. 4.

T A B E L A 2

Nr próbki	Szorstkość powierzchni Ry (pm)	Średni stosunek ciśnień Pm/Py	Wynik testu szczelności	Szerokość styku* (mm)
B-1	12,6	0,4	X	0,76
B-2	12,2	0,9	X	1,01
B-3	12,4	1,6	O	1,29
B-4	12,9	2,2	O	1,48
B-5	12,0	2,5	O	1,57
B-6	12,1	3,1	O	1,74
B-7	12,8	0,6	X	0,86
B-8	13,0	1,2	X	1,15

*) szerokość w kierunku osiowym części stykowej, dla której stosunek ciśnień spełnia warunek Ps/Py>1

PL 200 800 B1

Z Tabeli 2 i fig. 4 widać, że kiedy szorstkość Ry powierzchni uszczelniających połączenia gwintowanego wynosi około 12,5 μm wycieki nie występują, jeżeli średni stosunek ciśnień Pm/Py przekracza 1,5. Oczywiście przyjmuje się, że wycieki nie występują, jeżeli szorstkość powierzchni Ry wynosi mniej niż 12,5 μm oraz jeżeli średni stosunek ciśnień Pm/Py jest większy niż 1,5.

Jeżeli szorstkość powierzchniowa Ry zbliża się do zera, tj., jeżeli staje się powierzchnią lustrzaną, powierzchnie uszczelniające zapewniają całkowite uszczelnienie i tak długo, jak zagwarantowane jest ekstremalnie niskie ciśnienie nie występują wycieki. Kiedy szorstkość powierzchniowa Ry zbliża się do zera, wartość średniego stosunku napięć Pm/Py, niezbędna dla zapewnia szczelności, zbliża się do granicy 1.

Z trzech punktów granicznych (Pm/Py=3; Ry=25 μm), (Pm/Py=1,5; Ry=12,5 μm) oraz (Pm/Py=1,0; Ry=0), otrzymanych wyników doświadczalnych pokazanych w Tabelach 1 i 2 oraz granicy Ry, wynika równanie drugiego stopnia wykorzystujące stosunek ciśnień Pm/Py i szorstkość Ry (pm) a opisujące granice występowania lub nie występowania wycieków, które brzmi:

Pm/Py=0,0032 x Ry² +1,0.

W drugim wariancie przedmiotu wynalazku właściwości uszczelniające mogą być zapewnione, jeżeli Pm/Py>0,0032 x Ry² + 1,0.

Jednakże, w tym wariancie również, szerokość styku (szerokość w kierunku osiowym tej części części stykowej, w której Ps/Py>1) jest wykonana, jako co najmniej równa 1,0 mm.

W powyższym równaniu, opisującym warunki, średni stosunek ciśnień Pm/Py jest stosowany jako wskaźnik, ponieważ średnie ciśnienie Pm wskazuje siłę nacisku na powierzchnię uszczelniającą na jednostkę długości lub na jednostkę powierzchni, a kiedy siła ściskająca ze sobą powierzchnie o pewnej szorstkości jest duża, szczeliny między powierzchniami styku, powstające dzięki szorstkości powierzchni są zgniatane i zmniejszane, a zatem poprawiają się właściwości uszczelniające.

Następnie, w ten sam sposób, jak opisano powyżej z tym, że obróbka została wykonana tak, że szorstkość Ry nie nagwintowanych powierzchni uszczelniających była dosyć duża (około 30 μm), przygotowano osiem próbek C-1 do C-8 o stopniu luzu części uszczelniających ustalonym według ciśnienia tak, aby średni stosunek ciśnień Pm/Py zmieniał się, co około 0,5 w zakresie od 1 do 4,4, a próbki poddano takim samym próbom szczelności, jak opisane powyżej. Średni stosunek ciśnień P/Py, który został wyznaczony na podstawie analizy z wykorzystaniem metody elementów skończonych, na podstawie zmierzonych wymiarów i danych dotyczących właściwości materiałowych każdej części połączenia, przedstawiono wraz z wynikami testów szczelności, szorstkością powierzchni, i szerokością styku w Tabeli 3 i na fig. 5.

T A B E L A 3

Nr próbki	Szorstkość powierzchni Ry (pm)	Średni stosunek ciśnień Pm/Py	Wynik testu szczelności	Szerokość styku* (mm)
C-1	30,2	1,1	X	1,63
C-2	29,7	1,7	X	1,80
C-3	29,9	2,1	X	1,91
C-4	30,5	2,4	X	2,07
C-5	30,1	2,9	O	2,11
C-6	29,6	3,6	O	2,13
C-7	30,7	3,8	X	1,27
C-8	29,5	4,2	O	2,21

Z Tabeli 3 i fig. 5 widać, że kiedy szorstkość Ry powierzchni uszczelniających połączenia gwintowanego wynosi około 30 μm, według trzeciego wariantu przedmiotowego wynalazku, jeżeli szerokość w kierunku osiowym części stykowej, na którą wywierane jest ciśnienie Ps, co najmniej o wartości wewnętrznego ciśnienia granicznego Py (gdzie Ps/Py>1), wynosi co najmniej 2 mm, a średni stosunek ciśnień Pm/Py wynosi co najmniej 3, właściwości uszczelniające są z pewnością zagwarantowane.

PL 200 800 B1

Jednakże, w każdym połączeniu gwintowanym rur, według któregokolwiek z powyższych wariantów wynalazku, może zdarzyć się zatarcie, jeżeli średni stosunek napięć Pm/Py jest zbyt wysoki. Górna granica stosunku napięć Pm/Py, przy którym nie będzie występowało zatarcie, zależy od materiału i od tego czy podlegał on wcześniejszej obróbce, ale na ogół wartość średniego stosunku napięć Pm/Py wynosi korzystnie 5, a najkorzystniej 4,5. Żeby zapobiec zatarciu, korzystne jest, ustawić średni stosunek napięć Pm/Py był zbliżony do dolnej granicy określonej w przedmiotowym wynalazku. Dzięki temu, nawet w przypadku materiału czy warunków, przy których łatwo występuje zatarcie, istnieje możliwość zapobiegania zatarciu z dużą pewnością.

W każdym przypadku, z punktu widzenia odporności na zatarcie, korzystne jest, aby ciśnienie Ps nie przekraczało granicy plastyczności Ys materiału (Ps/Ys<1).

W zależności od materiału zastosowanego do wykonania połączenia gwintowanego oraz warunków wytwarzania, można zastosować odpowiednią obróbkę powierzchniową na obu gwintach i nie nagwintowanych powierzchniach uszczelniających, w celu zwiększenia odporności na zatarcie. Przykładami takiej obróbki powierzchniowej są: obróbka fosforanowa, obróbka stałym środkiem poślizgowym, powlekanie galwaniczne cynkiem na gorąco. Obróbka powierzchniowa może byś wykonana na gwintach i na nie nagwintowanych powierzchniach uszczelniających zarówno na rurze stalowej jak i na złączce. Odpowiedni smar, czy olej jest zazwyczaj nakładany na połączenie gwintowane przed skręceniem, lecz w zależności od obróbki powierzchniowej stosowanie tego nie jest niezbędne.

Kształt części uszczelniającej styku metal-metal połączenia gwintowanego rur, według przedmiotowego wynalazku, może być kształtem, w którym powierzchnie uszczelniające, znajdujące się na rurze stalowej i złączce, są powierzchniami stożkowymi lub jedna z nich jest zakrzywiona, a druga stożkowa, bądź obie są zakrzywione, itp. Jednakże, biorąc pod uwagę odkształcenie końca rury, czy złączki, z powodu połączenia gwintowanego części uszczelniającej, niezbędne jest spełnienie opisanego wyżej warunku na w szerokość w kierunku osiowym części tej części stykowej, w której Ps/Py>1.

P r z y k ł a d y

Przy wykorzystaniu tych samych rur i złączek o tych samych wymiarach i z tych samych materiałów, co opisane wyżej, wykonano różne połączenia gwintowane do testowania (próbki), a ich właściwości uszczelniające zostały zbadane za pomocą tych samych prób uszczelnienia, które opisano powyżej.

Każda próbka została przygotowana tak, aby średni stosunek ciśnień Pm/Py i szorstkość powierzchniowa Ry nie nagwintowanych powierzchni uszczelniających 1a i 2a rury testowej i złączki, odpowiednio, miały wartości przedstawione w Tabeli 4. Stopień luzu gwintów był zerowy tak, aby nie wpływał na część uszczelniającą, a dokręcania zakończono, gdy części oporowe 1c zetknęły się.

Jak pokazano na fig. 1, próbka zawiera dwie rury 1, z których każda ma gwint zewnętrzny 1b i nie nagwintowaną powierzchnię uszczelniającą 1a, uformowaną na obwodowej, zewnętrznej powierzchni każdego z końców rury oraz ma złączkę 2 z gwintem wewnętrznym 2b i nie nagwintowaną powierzchnią uszczelniającą 2a uformowaną na obwodowej, wewnętrznej powierzchni każdego z końców złączki. Każda próbka ma dwie gwintowane części połączeniowe, a próbkom nadano oznaczenia identyfikacyjne 1-A oraz 1-B, na przykład (połączenie gwintowane po stronie A i B dla próbki nr 1).

Jak pokazano w Tabeli 4, dla niektórych próbek, szorstkości powierzchniowe Ry powierzchni uszczelniających dwu połączeń gwintowanych A i B tych samych próbek były różne od siebie. Jednakże, wartości szorstkości powierzchniowej Ry powierzchni uszczelniających rur i złączki w pojedynczym połączeniu gwintowanym były takie same. Średnie zmierzone wartości szorstkości powierzchni rury i złączki w każdym połączeniu są pokazane w Tabeli 5.

T A B E L A 4

Nr próbki	Szorstkość powierzchni Ry (μιτι)	Średni stosunek ciśnień Pm/Py	Nr próbki	Szorstkość powierzchni Ry ^m)	Średni stosunek ciśnień Pm/Py
1	2	3	4	5	6
1-A	15	3	5-B	5	0,5
1-B	20	3	6-A	30	4
2-A	25	3	6-B	30	5
2-B	30	3	7-A	25	2,5
3-A	15	2	7-B	25	1,5

PL 200 800 B1 cd. tabeli 4

1	2	3	4	5	6
3-B	15	1	8-A	20	2
4-A	10	2	8-B	12,5	1,5
4-B	10	1	9-A	7,5	1
5-A	5	2	9-B	3	1,5

Dla każdej próbki test szczelności został przeprowadzony przez utrzymywanie wymaganego ciśnienia wewnętrznego (ciśnienie graniczne zamkniętego końca: wewnętrzne ciśnienie graniczne Von Mises'a Py) przez 1 godzinę, w sposób opisany wyżej, aby sprawdzić właściwości uszczelniające. Wyniki zostały przedstawione w Tabeli 5 i na fig. 7 wraz z wynikami obróbki rur testowych.

W Tabeli 5 i na fig. 7 są przedstawione wyniki testu szczelności z dołączonym oznaczeniem „*” tam, gdzie wystąpiło zatarcie, kiedy połączenie zostało zluzowane po zakończeniu testu, „odpowiedni numer wariantu” w Tabeli 5 oznacza numer jednego z wyżej opisanych wariantów prezentowanego wynalazku.

Fig. 7 przedstawia wykres wykonany dla średniego stosunku ciśnień Pm/Py, na osi rzędnych, i szorstkości powierzchniowej Ry powierzchni uszczelniających, na osi odciętych. Krzywa przedstawiona linią przerywaną na rysunku wskazuje zależność: Pm/Py=0,0032 x Ry² +1,0.

T A B E L A 5

Nr próbki	Szorstkość powierzchni Ry (pm)	Średni stosunek ciśnień Pm/Py	0,0032 x Ry² + 1	Wynik testu szczelności	Szerokość styku (mm)**	Odpowiedni numer wariantu
1-A	14	2,9	1,63	O	1,68	2
1-B	19,5	3,1	2,22	O	1,11	1
2-A	24	3,0	2,84	O	1,13	1
2-B	28,5	3,1	3,60	O	2,10	3
3-A	15,5	1,9	1,77	O	1,35	2
3-B	16	1,1	1,82	X	1,10	Porównawczy
4-A	9	1,9	1,26	O	1,40	2
4-B	11	0,9	1,39	X	1,00	Porównawczy
5-A	6	2,1	1,12	O	1,51	2
5-B	4	0,5	1,05	X*	0,80	Porównawczy
6-A	30	4,0	3,88	O	2,20	3, 2
6-B	32	5,2	4,28	O*	2,31	2
7-A	26	2,6	3,16	X	1,04	Porównawczy
7-B	24	1,7	2,84	X	0,86	Porównawczy
8-A	19,5	1,8	2,22	X	0,89	Porównawczy
8-B	12,5	1,5	1,50	O	1,24	2
9-A	8	1,0	1,20	X	1,06	Porównawczy
9-B	3	1,6	1,03	O*	1,30	2

*) - zatarcie podczas poluzowywania **) - szerokość w kierunku osiowym części stykowej, dla której stosunek ciśnień spełnia warunek Ps/Py>1

PL 200 800 B1

Fig. 7 i Tabela 5 potwierdzają, że w przypadku próbek połączeń gwintowanych spełniających warunki przedmiotowego wynalazku (tj. próbki z Tabeli 5, inne niż przykłady porównawcze), można uzyskać gwarantowane, dobre właściwości uszczelniające. Z drugiej strony, we wszystkich próbkach połączeń gwintowanych przykładów porównawczych, które nie spełniają żadnego warunku prezentowanego wynalazku, wystąpiły przecieki.

Zatarcie wystąpiło w próbce nr 9-B, pomimo małego średniego stosunku ciśnień Pm/Py wynoszącego 1,6, ponieważ szorstkość powierzchniowa była bardzo mała (3 μm).

Według przedmiotowego wynalazku, bez wykonywania nierozsądnie małej szorstkości powierzchni uszczelniających, a zatem bez wydłużania czasu wytwarzania, czy zwiększania kosztów obróbki, a także bez kłopotów powtarzania prób i błędów, znajduje się kompromis między kosztami, a właściwościami uszczelniającymi. Najmniejsza konieczna szorstkość powierzchni może być określona dla ciśnienia, które jest doprowadzane z uwzględnieniem odporności na zatarcie. Zatem połączenie gwintowane mające uszczelnienie styku metal-metal może być otrzymane w sposób bardziej racjonalny i ekonomiczny.

Claims

1. Połączenie gwintowane rur z częścią uszczelniającą styk metal-metal, zawierające gwint zewnętrzny oraz nie nagwintowaną powierzchnię uszczelniającą uformowaną na końcu rury stalowej, a także gwint wewnętrzny oraz nie nagwintowaną powierzchnię uszczelniającą uformowaną na wewnętrznej powierzchni złączki, gwint wewnętrzny łączy się gwintowo z gwintem zewnętrznym, a nie nagwintowana powierzchnia uszczelniająca złączki sprzęga się opierając się o nie nagwintowaną powierzchnię uszczelniającą rury stalowej, tworząc pierścieniową część stykową, znamienne tym, że szorstkość Ry nie nagwintowanych powierzchni (1a, 2a) uszczelniających rury stalowej (1) i złączki (2) wynosi co najwyżej 25 μm, oraz, że część uszczelniająca styku metalu-metal, ma taki luz ujemny między rurą (1) i złączką (2), że średnie ciśnienie Pm pierścieniowej części stykowej spełnia warunek Pm/Py>3, i że szerokość, w kierunku osiowym, części, na którą wywierane jest ciśnienie Ps w pierścieniowej części stykowej, wynosi, co najmniej 1 mm w stanie skręcania połączenia gwintowego, przy czym wewnętrzne ciśnienie graniczne powierzchni rury wynosi Py, a stosunek ciśnień spełnia zależność Ps/Py>1.

2. Połączenie gwintowane rur mające część uszczelniającą na styku metal-metal, zawierające gwint zewnętrzny oraz nie nagwintowaną powierzchnię uszczelniającą uformowaną na końcu rury stalowej, a także gwint wewnętrzny oraz nie nagwintowaną powierzchnię uszczelniającą uformowaną na wewnętrznej powierzchni złączki, gwint wewnętrzny łączy się gwintowo z gwintem zewnętrznym, a nie nagwintowana powierzchnia uszczelniająca złączki sprzęga się opierając się o nie nagwintowaną powierzchnię uszczelniającą rury stalowej, tworząc pierścieniową część stykową, znamienne tym, że nie nagwintowane powierzchnie uszczelniające (1a, 2a) zarówno rury stalowej (1) jak i złączki (2) mają taki luz ujemny między sobą, że średnie ciśnienie Pm pierścieniowej części stykowej i szorstkość Ry ^m) spełnia warunek Pm/Py>0,0032 x Ry² + 1,0, a szerokość, w kierunku osiowym, części, na którą wywierane jest ciśnienie Ps w pierścieniowej części stykowej, wynosi co najmniej 1 mm w stanie skręcania połączenia gwintowego, przy czym wewnętrzne ciśnienie graniczne powierzchni rury wynosi Py, a stosunek ciśnień spełnia zależność Ps/Py>1.

3. Połączenie gwintowane rur zawierające część uszczelniającą na styku metal-metal, zawierające gwint zewnętrzny oraz nie nagwintowaną powierzchnię uszczelniającą uformowaną na końcu rury stalowej, a także gwint wewnętrzny oraz nie nagwintowaną powierzchnię uszczelniającą uformowaną na wewnętrznej powierzchni złączki, gwint wewnętrzny łączy się gwintowo z gwintem zewnętrznym, a nie nagwintowana powierzchnia uszczelniająca złączki sprzęga się opierając się o nie nagwintowaną powierzchnię uszczelniającą rury stalowej, tworząc pierścieniową część stykową, znamienne tym, że szorstkość Ry nie nagwintowanych powierzchni (1a, 2a) uszczelniających rury stalowej (1) i złączki (2) wynosi, co najwyżej 30 μm, oraz, że część uszczelniająca na styku metal-metalem, ma taki luz ujemny między rurą (1) i złączką (2), że średnie ciśnienie Pm pierścieniowej części stykowej spełnia warunek Pm/Py>3, i że szerokość, w kierunku osiowym, części, na którą wywierane jest ciśnienie Ps w pierścieniowej części stykowej, wynosi co najmniej 2 mm w stanie skręcania połączenia gwintowego, przy czym wewnętrzne ciśnienie graniczne powierzchni rury wynosi Py, a stosunek ciśnień spełnia zależność Ps/Py>1.

PL 200 800 B1

4. Połączenie według zastrz. 1, znamienne tym, że końcowa powierzchnia rury stalowej (1) zawiera część oporową (1c) i, odpowiednio, złączka (2) także zawiera część oporową (2c), umożliwiającą oparcie o część oporową (1c) końcowej rury stalowej (1).

5. Połączenie według zastrz. 2, znamienne tym, że końcowa powierzchnia rury stalowej (1) zawiera część oporową (1c) i, odpowiednio, złączka (2) także zawiera część oporową (2c), umożliwiającą oparcie o część oporową (1c) końcowej rury stalowej (1).

6. Połączenie według zastrz. 3, znamienne tym, że końcowa powierzchnia rury stalowej (1) zawiera część oporową (1c) i, odpowiednio, złączka (2) także zawiera część oporową (2c), umożliwiającą oparcie o część oporową (1c) końcowej rury stalowej (1).