PL202710B1

PL202710B1 - Element gwintowany i połączenie gwintowane rurowe

Info

Publication number: PL202710B1
Application number: PL363973A
Authority: PL
Inventors: Thierry Noel; Gabriel Roussie
Original assignee: Sumitomo Metal Ind; Vallourec Mannesmann Oil & Gas
Priority date: 2001-03-09
Filing date: 2002-03-04
Publication date: 2009-07-31
Also published as: CA2439977C; JP4111386B2; EP1373775B1; BR0207956A; PL363973A1; MXPA03007240A; SA02220707B1; EP1373775A1; US7513534B2; BR0207956B1; CZ303344B6; CN1288378C; WO2002073076A1; ATE278902T1; JP2004531675A; ES2230474T3; RU2261395C2; DE60201518T2; MY128854A; US20040155465A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest element gwintowany i połączenie gwintowane rurowe, a zwłaszcza element gwintowany, obejmowany lub obejmujący połączenia gwintowanego rurowego dostosowany do wytrzymywania obciążeń zarówno statycznych jak i cyklicznych, oraz połączenie gwintowane rurowe, zawierające taki element.

Rurowe połączenia gwintowane zawierają element gwintowany obejmowany na końcu pierwszej rury i element gwintowany obejmujący na końcu drugiej rury, którą może być bardzo długa rura lub króciec.

Te połączenia gwintowane są zwłaszcza stosowane dla tworzenia kolumn instalacji rurowych szybów lub produkcyjnych lub ciągów żerdzi wiertniczych dla szybów węglowodorów lub dla podobnych odwiertów takich jak, na przykład, odwierty geotermiczne.

American Petroleum Institute (API) określa w swoich warunkach technicznych 5B i 5CT połączenia gwintowane pomiędzy rurami instalacji rurowych lub pomiędzy rurami produkcyjnymi mającymi gwinty stożkowe.

Połączenia gwintowane rurowego zwane wysokiej jakości lub premium zachowujące szczelność pomimo bardzo różnych naprężeń są opisane na przykład w patentach EP 488 912, US 5 687 999.

Takie połączenia gwintowane, mogą stosować gwinty cylindryczne lub stożkowe jedno lub dwustopniowe.

Do niedawna, rury instalacji rurowych lub produkcyjne zasadniczo wytrzymywały różne kombinacje obciążeń statycznych, (rozciąganie osiowe, ściskanie osiowe, zginanie, ciśnienie wewnętrzne lub zewnętrzne) pomimo ich ograniczonej grubości wynikającej z konieczności, przy eksploatacji głębokich szybów, wkładania w siebie różnych kolumn o różnych średnicach.

Natomiast, żerdzie wiertnicze, które są używane tylko do drążenia szybów są przewidziane tylko do wytrzymywania obciążeń cyklicznych, ale nie są poddawane wymaganiom wymiarowym, ciąg żerdzi o danej średnicy jest opuszczany w danym momencie.

Obciążenia cykliczne, jeżeli nie są ściśle limitowane, prowadzą w czasie pracy żerdzi wiertniczych do pęknięć zmęczeniowych inicjowanych u nasady gwintów, ogólnie od strony boków nośnych, zwłaszcza na poziomie ostatnich chwytających zwojów elementów gwintowanych.

Określa się w dalszym ciągu niniejszego dokumentu jako pierwsze, zwoje które w przekroju wzdłużnym przechodzącym przez oś elementu gwintowanego, są umieszczone od strony czoła elementu gwintowanego. Ostatnie zwoje są w konsekwencji te umieszczone na drugim końcu uzwojenia gwintu.

Przez zwoje chwytające, rozumie się przede wszystkim zwoje elementów gwintowanych połączenia gwintowanego rurowego w stanie skręconym, które przenoszą osiowo obciążenie z jednego elementu gwintowanego na element gwintowany dołączony, przy czym te zwoje są pełne (o wysokości pełnej) albo niepełne (o wysokości niepełnej albo częściowej, na przykład zwoje wynurzające się lub rozpoczynające). Gdy połączenie gwintowane jest poddane działaniu osiowych sił rozciągających, co jest przypadkiem ogólnym, zwoje chwytające są te, których boki nośne stykają się.

Przez rozciąganie, rozumie się w tym dokumencie zwoje chwytające izolowanego elementu gwintowanego, zwoje przeznaczone do przenoszenia obciążenia na odpowiednie zwoje elementu gwintowanego dołączonego gdy te dwa elementy gwintowane są połączone dla utworzenia rurowego połączenia gwintowanego.

Położenie zwojów chwytających elementu gwintowanego jest znane z projektu elementu gwintowanego ponieważ jest to dana niezbędna dla określenia wynikowej wytrzymałości połączenia gwintowanego. Położenie ostatnich albo pierwszych zwojów chwytających może więc być dokładnie określone na elemencie gwintowanym przeznaczonym do realizacji rurowego połączenia gwintowanego.

Problem wytrzymałości na zmęczenie nie dotyczy jednak tylko żerdzi wiertniczych ale także kolumn instalacji rurowych pewnych szybów dla węglowodorów których połączenia gwintowane rurowe umożliwiają tworzenie takich kolumn powinny więc jednocześnie wytrzymywać podwyższone obciążenia statyczne i obciążenia cykliczne.

Spotyka się zwłaszcza takie wymagania wytrzymałości na obciążenia w kolumnach podmorskich łączących dno morza z platformami wydobywczymi węglowodorów.

Takie kolumny rur zwane przez fachowców po angielsku risers są rzeczywiście poddawane obciążeniom cyklicznym spowodowanym zwłaszcza przez prądy, które powodują wibracje kolumn, przez martwą falę, przez pływy i ewentualne przemieszczenia samych platform.

PL 202 710 B1

Spotyka się również takie wymagania wytrzymałości na obciążenia dla szybów lądowych, zwłaszcza dla opuszczania obrotowego rur dla cementowania szybów, w bardzo częstym przypadku szybów odchylonych od pionu mających zagięcia.

W stanie techniki połączeń gwintowanych rurowych lub nie rurowych (na przykład typu śrubanakrętka) proponuje się środki dla poprawy wytrzymałości na zmęczenie połączenia gwintowanego poddanego obciążeniu rozciągającemu osiowemu, które może się zmieniać cyklicznie.

W opisie patentowym US 3 933 074 przedstawiono nakrętkę dla zespołu ś ruba nakrętka, którego stopień wewnętrzny jest przerwany na poziomie pierwszych zwojów chwytających przez kilka rowków osiowych umieszczonych równomiernie na obwodzie uzwojenia w taki sposób, aby przesunąć obszar przenoszenia maksymalnych osiowych naprężeń rozciągających pomiędzy śrubą i nakrętką od pierwszego chwytającego zwoju obejmującego do środka długości osiowej nakrętki.

Te rowki, których długość może osiągnąć połowę długości gwintu i których głębokość może dochodzić do 80% wysokości zwoju zwiększają elastyczność pierwszych zazębionych zwojów, ale zmniejszają o około 20% powierzchnię nośną gwintów w obszarze gdzie są one wykonane, co jest niedogodnością, gdy dąży się do uzyskania zwiększonej wytrzymałości na obciążenia statyczne i uzyskania szczelnego rurowego połączenia gwintowanego pomiędzy rurami wewnętrzną i zewnętrzną.

Ponadto, rozwiązania dla połączenia śrubowego, w którym nakrętki są oparte od strony pierwszych zwojów o głowicę śruby (od strony ostatnich zwojów śruby) nie są bezpośrednio stosowane w rurowych połączeniach gwintowanych.

Znane są ponadto ze zgłoszeń patentowych WO 00/14441 i WO 00/14442 połączenia gwintowane, które mają zwężenie w zwojach dla zmniejszenia sztywności struktury zwojów w celu zmniejszenia momentu skręcającego. Te dokumenty nie ujawniają żadnego wpływu zwężenia na poprawę odporności połączenia gwintowanego na obciążenia cykliczne.

Element gwintowany, obejmowany albo obejmujący połączenia gwintowanego rurowego wykonany na końcu rury i zawierający na zewnątrz gwint obejmowany albo wewnątrz gwint obejmujący, w którym element gwintowany jest elementem gwintowanym obejmowanym albo elementem gwintowanym obejmującym, gwint jest utworzony co najmniej na części gwintowanej, każda część gwintowana zawiera oddalając się od czoła elementu gwintowanego obszar zwany pierwszymi zwojami chwytającymi, obszar zwany zwojami środkowymi i obszar zwany ostatnimi zwojami chwytającymi, według wynalazku charakteryzuje się tym, że wycięcie spiralne jest wykonane w przybliżeniu promieniowo w zwojach co najmniej jednej części długości osiowej co najmniej jednej części gwintowanej w taki sposób, ż e wychodzą na wierzchołku zwoju, przy czym wycię cie jest wykonane co najmniej w części zwojów co najmniej jednego obszaru koń cowego, to znaczy obszaru pierwszych zwojów chwytających i obszaru ostatnich zwojów chwytających i opcjonalnie są wykonane w zwojach obszaru zwojów środkowych, zaś sztywność zwojów z wycięciem w obszarach końcowych jest mniejsza od sztywności zwojów obszaru zwojów środkowych.

Wycięcie jest wykonane w zwojach obszaru pierwszych zwojów chwytających i opcjonalnie w zwojach obszaru zwojów środkowych, zaś zwoje obszaru ostatnich zwojów chwytających pozostają pełne.

Wycięcie ma profil uzyskany przez penetrację narzędzia kształtującego w zwoje części gwintowanej na daną głębokość.

Wycięcie ma profil w kształcie V z zaokrąglonym dnem.

Dno wycięcia, gdy wycięcie jest wykonane w obszarze ostatnich zwojów chwytających, znajduje się w objętości tego obszaru zawartej pomiędzy obwiednią den zwojów i obwiednią wierzchołków zwojów.

Sztywność zwojów jest stopniowo coraz większa od końcowego zwoju chwytającego obszarów końcowych mających wycięcie w kierunku obszaru zwojów środkowych.

Głębokość wycięcia zmniejsza się równomiernie od końcowego zwoju chwytającego obszarów końcowych mających wycięcie w stronę obszaru zwojów środkowych.

Wycięcie ma skok śrubowy mniejszy niż skok zwojów części gwintowanej gdzie jest ono wykonane.

Wycięcie ma skok śrubowy większy niż skok zwojów części gwintowanej gdzie jest ono wykonane.

Obwiednią den wycięcia jest powierzchnią stożkową współosiową z elementem gwintowanym.

Obwiednią den wycięcia jest powierzchnią obrotową współosiową z elementem gwintowanym o tworzącej nie prostoką tnej.

Wycięcie jest wykonane w obszarze pierwszych zwojów chwytających i opcjonalnie w obszarze zwojów środkowych, zaś nachylenie tworzącej obwiedni odpowiednich den wycięcia jest większe niż nachylenie części gwintowanej gdzie jest wykonane wycięcie.

PL 202 710 B1

Zwoje mają ogólny kształt trapezoidalny.

Gwint zawiera co najmniej dwie części gwintowane, zaś wycięcie jest wykonane na każdej z części gwintowanych.

Element gwintowany zawiera on tylko jeden ogranicznik, którego powierzchnia ograniczająca jest utworzona przez czoło elementu gwintowanego.

Element gwintowany zawiera pierwszy ogranicznik, którego powierzchnia ograniczająca jest utworzona przez czoło danego elementu gwintowanego i drugi ogranicznik, którego powierzchnia ograniczająca w położeniu połączenia gwintowanego skręconego styka się z powierzchnią ograniczającą na czole dołączonego elementu gwintowanego, przy czym obie powierzchnie ograniczające danego elementu gwintowanego są oparte o dwie odpowiednie powierzchnie ograniczające dołączonego elementu gwintowanego.

Element gwintowany zawiera on co najmniej jedną powierzchnię uszczelniającą do interferowania promieniowego z powierzchnią uszczelniającą na dołączonym elemencie gwintowanym.

Połączenie gwintowane rurowe zawierające element gwintowany obejmowany na końcu pierwszej rury i element gwintowany obejmujący na końcu drugiej rury, przy czym co najmniej jeden z dwóch elementów gwintowanych zawiera na zewną trz gwint obejmowany albo wewną trz gwint obejmujący w którym element gwintowany jest elementem gwintowanym obejmowanym albo elementem gwintowanym obejmującym, gwint jest utworzony co najmniej na części gwintowanej, każda część gwintowana zawiera oddalając się od czoła elementu gwintowanego obszar zwany pierwszymi zwojami chwytającymi, obszar zwany zwojami środkowymi i obszar zwany ostatnimi zwojami chwytającymi, według wynalazku charakteryzuje się tym, że wycięcie spiralne jest wykonane w przybliżeniu promieniowo w zwojach co najmniej jednej części długości osiowej co najmniej jednej części gwintowanej w taki sposób, ż e wychodzą na wierzchołku zwoju, przy czym wycię cie jest wykonane co najmniej w części zwojów co najmniej jednego obszaru koń cowego, to znaczy obszaru pierwszych zwojów chwytających i obszaru ostatnich zwojów chwytających i opcjonalnie są wykonane w zwojach obszaru zwojów środkowych, zaś sztywność zwojów z wycięciem w obszarach końcowych jest mniejsza od sztywności zwojów obszaru zwojów środkowych.

Gwintowany element rurowy wewnętrzny lub zewnętrzny dla rurowego połączenia gwintowanego, według wynalazku jest wytrzymały jednocześnie na obciążenia statyczne, zwłaszcza rozciąganie osiowe, ściskanie osiowe, zginanie, skręcanie, ciśnienie wewnętrzne lub zewnętrzne, zerwanie podczas skręcania, proste lub złożone (na przykład rozciąganie + ciśnienie wewnętrzne), oraz na obciążenia cykliczne, zwłaszcza zginające i rozciągająco-ściskające albo zginające zmniejszając przenoszenie obciążenia w obszarach pierwszych i ostatnich zwojów chwytających i minimalizując współczynniki koncentracji naprężenia (SCF) w tych obszarach.

Ten gwintowany element rurowy według wynalazku może być realizowany z wszystkimi rodzajami gwintów, stożkowych, cylindrycznych, kombinowanych cylindryczno-stożkowych, jedno lub kilku stopniowych, ze zwojami trapezoidalnymi lub trójkątnymi, z interferencją lub bez interferencji.

Element gwintowany według wynalazku może być łatwo wykonany i łatwo sprawdzony.

Element gwintowany według wynalazku może być stosowany dla tworzenia złącz gwintowanych przeznaczonych do kolumn rur produkcyjnych węglowodorów, instalacji rurowych szybów lub wydobywania podmorskiego (risers) lub do podobnego wykorzystania.

Element gwintowany według wynalazku umożliwia wykonywanie ciągów żerdzi wiertniczych.

Gwintowany element rurowy obejmowany lub obejmujący o profilu wytrzymałym na zmęczenie jest wykonany na końcu rury i zawiera gwint obejmowany na swojej powierzchni obwodowej zewnętrznej lub gwint obejmujący na swojej powierzchni obwodowej wewnętrznej zależnie od tego czy element gwintowany rurowy jest typu obejmowanego lub typu obejmującego.

Ten gwintowany element rurowy jest przeznaczony do połączenia przez skręcanie z gwintowanym elementem rurowym typu dołączonego (to znaczy obejmującego jeżeli dany element gwintowany jest obejmowanym i odwrotnie) aby utworzyć rurowe połączenie gwintowane dostosowane do wytrzymywania obciążeń zarówno statycznych jak i cyklicznych.

Gwint jest utworzony co najmniej jednej części gwintowanej. Gdy gwint zawiera kilka części gwintowanych, mogą one być oddalone od siebie osiowo i lub promieniowo, na przykład w częściach gwintowanych stopniowo.

Każda część gwintowana albo gwint zawiera, oddalając się od czoła element gwintowany o trzech obszarach o długości w przybliżeniu identycznych: obszar zwany pierwszymi zwojami chwytaPL 202 710 B1 jącymi, obszar zwany zwojami środkowymi i obszar zwany ostatnimi zwojami chwytającymi, definicja pierwszych i ostatnich zwojów chwytających odpowiada definicji podanej powyżej w stanie techniki.

Pewne z tych obszarów mogą zawierać zwoje o wysokości częściowej takie jak zwoje wychodzące lub rozpoczynające.

Wycięcie spiralne jest wykonane w przybliżeniu promieniowo w zwojach przynajmniej w części długości osiowej co najmniej jednej części gwintowanej w taki sposób, aby wychodzić na wierzchołku zwoju określając z jednej i drugiej strony wycięcia połowę zwoju nośnego i połowę odpowiedniego zwoju wchodzącego od strony boku nośnego i zwoju wchodzącego. Wycięcie może jednak wychodzić tylko częściowo na wierzchołku zwoju.

W każdej części gwintowanej gdzie jest wykonane wycięcie, jest ono wykonane w całości albo części zwojów jednego albo dwóch obszarów końcowych, to znaczy obszarze pierwszych zwojów chwytających i obszarze ostatnich zwojów chwytających i może być opcjonalnie wykonane w zwojach obszaru zwojów środkowych; charakterystyki geometryczne wycięcia są takie, że zmniejszają sztywność zwojów z wycięciem w obszarze albo obszarach końcowych w stosunku do sztywności zwojów obszaru zwojów środkowych.

Sztywność zwojów z wycięciem jest określona przez zdolność do zginania i/lub ścinania półzwojów obciążonych, które są ogólnie pół-zwojami nośnymi uwzględniając osiowe obciążenia rozciągające, na które są ogólnie narażone połączenia gwintowane rurowe; to samo rozwiązanie może jednakże być zastosowane do pół-zwojów wprowadzających gdy są one obciążone albo są także obciążone, na przykład w połączeniach gwintowanych rurowych pracujących na ściskanie.

Sztywność zwoju jest określona jako współczynnik proporcjonalności pomiędzy z jednej strony obciążeniem osiowym przenoszonym przez dany zwój na odpowiedni zwój dołączonego elementu gwintowanego połączenia gwintowanego rurowego i z drugiej strony odkształcenie osiowe dotyczące danego zwoju.

W połączeniu gwintowanym rurowym wycię cie wedł ug wynalazku zmniejsza, w stosunku do podobnego połączenia gwintowanego rurowego ze zwojami bez wycięcie, przenoszenie obciążenia osiowego pomiędzy obszarem albo obszarami zwojów gdzie wycięcie jest wykonane i odpowiednimi zwojami elementu gwintowanego dołączonego rozkładając całkowite obciążenie pomiędzy różne zwoje chwytające uzwojenia; uzyskuje się przez to znaczną poprawa odporności połączenia gwintowanego rurowego na obciążenia dynamiczne, zwłaszcza zginające, nałożone na statyczne, osiowe obciążenia rozciągające.

Pierwsze zwoje chwytające elementu gwintowanego współpracujące w połączeniu gwintowanym rurowym z ostatnimi zwojami chwytającymi elementu gwintowanego dołączonego, uzyskuje się, przy wykonanym wycięciu albo na poziomie pierwszych zwojów chwytających każdego z dwóch elementów albo na poziomie ich ostatnich zwojów chwytających albo jednocześnie na tych dwóch poziomach jednego albo dwóch elementów gwintowanych, taki sam efekt techniczny wyrównania przenoszenia obciążenia przez zwój w pierwszych i ostatnich zwojach części gwintowanych gdzie wycięcie jest wykonane w stosunku do przenoszenia obciążenia przez zwój w obszarze zwojów środkowych.

Wycięcie może także być wykonane w całości albo części zwojów obszaru zwojów środkowych jeżeli zmniejsza ono w większym stopniu sztywność zwojów z wycięciem obszaru lub obszarów końcowych niż sztywność zwojów obszaru zwojów środkowych.

Jest więc możliwe, aby wszystkie zwoje części gwintowanej gdzie jest wprowadzone wycięcie i odpowiedniej części gwintowanej elementu gwintowanego dołączonego połączenia gwintowanego rurowego pracowały w sposób usprawniony a nawet optymalny.

Należy zauważyć, że wycięcie według wynalazku może również zmniejszyć naprężenia w zwojach obszarów pierwszych albo ostatnich zwojów chwytających spowodowanych błędem podziałki pomiędzy zwojami obejmowanymi i obejmującymi połączenia gwintowanego rurowego, błędem podziałki wynikającym z tolerancji produkcyjnych gwintów.

Może ono także ograniczyć szkodliwe nadmierne dociskanie smaru w zwojach podczas skręcania.

Korzystnie, wycięcie jest wykonane w zwojach obszaru pierwszych zwojów chwytających i opcjonalnie w zwojach obszaru zwojów środkowych i nie obejmuje ono zwojów obszaru ostatnich zwojów chwytających, które pozostają pełne tak, aby zmniejszyć sztywność zwojów obszaru pierwszych zwojów chwytających w stosunku do sztywności zwojów obszaru zwojów środkowych.

Wynalazcy stwierdzili, że w tym przypadku wycięcie według wynalazku zmniejsza wartość maksymalną współczynnika koncentracji naprężenia (SCF) przekroju ścianki w podstawie zwoju dołączonego, współczynnik SCF jest wielkością względną uzyskaną przez stosunek naprężenia maksymalne6

PL 202 710 B1 go w danym miejscu do naprężenia korpusu odpowiedniej rury. Wycięcie według wynalazku zmniejsza więc naprężenia maksymalne w ściance w podstawie zwoju w obszarze ostatnich zwojów uzwojenia dołączonego, w ściance która jest w tym obszarze zwojów poddana całkowitemu obciążeniu rozciągającemu osiowemu na połączeniu gwintowanym rurowym i zmniejsza z tego powodu ryzyko zapoczątkowania pęknięć zmęczeniowych na tym poziomie.

Jest więc możliwe, aby elementy gwintowane połączenia gwintowanego rurowego pracowały przy dużych zmianach cyklicznych obciążenia bez modyfikowania parametrów wytrzymałości na rozciąganie osiowe.

Korzystnie wycięcie jest uzyskane przez działanie narzędzia kształtującego na zwoje danej części gwintowanej. Jego kształt jest określony przez profil narzędzia, a jego głębokość mierzone od wierzchołka zwoju do dna wycięcia jest określona przez zagłębienie narzędzia kształtującego w zwojach.

Korzystnie sztywność zwojów zwiększa się stopniowo, na skutek wycięcia od końcowego zwoju chwytającego obszaru albo obszarów końca mającego wycięcie przechodząc do obszaru zwojów środkowych.

Końcowy zwój chwytający obszaru końcowego jest pierwszym zwojem chwytającym gdy wycięcie jest wykonane w zwojach obszaru pierwszych zwojów chwytających i ostatni zwój chwytający gdy wycięcie jest wykonane w zwojach obszaru ostatnich zwojów i chwytających. Jest to jednocześnie pierwszy i ostatni zwój chwytający gdy wycięcie jest wykonane jednocześnie w zwojach obszaru pierwszych zwojów chwytających i obszaru ostatnich zwojów i chwytających.

Korzystnie, głębokość wycięcia zmniejsza się, korzystnie równomiernie, od zwoju końcowego zwoju chwytającego obszaru albo obszarów końcowych mających wycięcie przechodzące do obszaru zwojów środkowych.

Alternatywnie albo w uzupełnieniu, wycięcie ma podziałkę śrubową inną niż podziałka zwojów części gwintowanej gdzie jest wykonane.

Korzystnie, obwiednią biegnąca przez dna wycięć jest powierzchnią stożkową współosiową z osią elementu gwintowanego.

W odmianie, obwiednią biegnąca przez dna wycięć jest powierzchnią obrotową współosiową z osią elementu gwintowanego i tworzącą nie prostokątną, taką jak na przykład, powierzchnią toroidalna, powierzchnią paraboloidalną albo hiperboloidalną albo także powierzchnią złożoną z kilku stykających się powierzchni obrotowych.

Według jednej albo drugiej z tych odmian, gdy wycięcie jest wykonane w obszarze pierwszych zwojów chwytających, nachylenie tworzącej obwiedni biegnącej przez dna odpowiednich wycięć jest korzystnie większe od nachylenia części gwintowanej gdzie jest wykonane wycięcie, że to ostatnie nachylenie jest dodatnie (gwinty stożkowe) albo zerowe (gwinty cylindryczne). Jest ono korzystnie mniejsze od nachylenia części gwintowanej, gdy wycięcie jest wykonane w obszarze ostatnich zwojów chwytających.

Korzystnie zwłaszcza dla umożliwienia wprowadzenia w dobrych warunkach elementu gwintowanego obejmowanego w element gwintowany obejmujący, wycięcie nie wychodzi na boki wprowadzające gdy zwoje mają ogólnie kształt trapezoidalny.

Korzystnie także, element gwintowany może zawierać ogranicznik którego powierzchnia oporowa jest utworzona przez czoło elementu gwintowanego i który jest poddany ściskaniu osiowemu.

Wycięcie jest wykonane na poziomie pierwszych zwojów chwytających i zmniejszających ich sztywność osiową umożliwia korzystnie akumulować całkowite odkształcenie spowodowane naciskiem osiowym w ograniczniku na końcu skręconego połączenia gwintowanego utworzonego z dołączonego elementu gwintowanego.

Gdy gwint jest oddzielony od czoła elementu gwintowanego przez krawędź stosunkowo krótką, wycięcie pozwala zwiększyć długość osiową, która jest rzeczywiście odkształcana przez ściskanie w stosunku do podobnego elementu gwintowanego ze stanu techniki i w ten sposób akumulować większe całkowite odkształcenie w ograniczniku. Otóż często jest korzystne posiadanie krótkiej krawędzi gdy szczelne połączenie jest wykonane końcu obwodu krawędzi dla uzyskania optymalnej szczelności.

W odmianie, element gwintowany może zawierać pierwszy ogranicznik, którego powierzchnia oporowa jest utworzona przez czoło danego elementu i drugi ogranicznik umieszczony w taki sposób, aby współpracować w połączeniu gwintowanym rurowym skręconym z ogranicznikiem na końcu czołowym dołączonego elementu gwintowanego. W takim przypadku występowanie wycięć na elementach gwintowanych umożliwia korzystnie dwom ogranicznikom danego elementu gwintowanego oprzeć się o dwa odpowiednie ograniczniki elementu gwintowanego dołączonego.

PL 202 710 B1

Uzyskanie takiego podwójnego oparcia jest normalnie trudne w połączeniach gwintowanych rurowych ze stanu techniki, chyba, ze są umieszczone w sposób kosztowny z wielką dokładnością jednego w stosunku do drugiego albo wydłużyć w sposób niekorzystny krawędzie. Zwiększenie skutecznej długości ściskania osiowego ograniczników przez wycięcia umożliwia łatwiejsze wykonanie tego podwójnego ogranicznika niż w połączeniu gwintowanym rurowym o dwóch luzach ograniczników ze stanu techniki.

Inne zalety wynalazku zostaną ujawnione w poniższym opisie przykładów wykonania powiązanym z załączonymi rysunkami.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia w uproszczeniu w pół-przekroju osiowym element gwintowany obejmujący połączenia gwintowanego rurowego według wynalazku, fig. 2 przedstawia gwint elementu gwintowanego z fig. 1, którego zwoje są w trakcie obróbki, fig. 3 przedstawia fragment pierwszych zwojów chwytających elementu gwintowanego obejmującego z fig. 1, fig. 4 przedstawia w uproszczeniu w pół-przekroju osiowym element gwintowany obejmowany według wynalazku dostosowany do elementu gwintowanego obejmującego z fig. 1, fig. 5 przedstawia gwint elementu gwintowanego obejmowanego z fig. 4, którego zwoje są w trakcie obróbki, fig. 6 przedstawia fragment pierwszych zwojów chwytających elementu gwintowanego obejmowanego z fig. 4, fig. 7 przedstawia w pół-przekroju osiowym połączenie gwintowane rurowe według wynalazku uzyskane po skręceniu elementów gwintowanych z fig. 1 i 4, fig. 8 przedstawia w pół-przekroju osiowym odmianę połączenia gwintowanego rurowego według wynalazku, fig. 9 przedstawia w pół-przekroju osiowym inną odmianę połączenia gwintowanego rurowego według wynalazku, fig. 10 przedstawia fragment pierwszych zwojów chwytających odmiany elementu gwintowanego obejmującego według wynalazku, fig. 11 przedstawia fragment pierwszych zwojów chwytających odmiany elementu obejmowanego według wynalazku, fig. 12 przedstawia schematycznie zmiany przenoszenia obciążenia pomiędzy zwojami połączenia gwintowanego rurowego standardowego i połączenia gwintowanego rurowego według wynalazku, fig. 13 przedstawia schematycznie w taki sam sposób jak na fig. 12 zmiany współczynnika koncentracji naprężenia w podstawie zwoju dla gwintu obejmowanego i dla gwintu obejmującego.

Fig. 1 przedstawia element gwintowany obejmujący 2 umieszczony na końcu rury 102. Rura 102 może być zależnie od przypadku rurą o wielkiej długości, to znaczy długości bliskiej 10 m albo więcej albo złączką mającą kilkadziesiąt cm długości, której na fig. 1 pokazano tylko połowę. W pierwszym przypadku element gwintowany obejmujący 2 pozwala wykonać połączenie gwintowane zwane integralnym; w drugim przypadku pozwala wykonać połączenie gwintowane ze złączką.

Element gwintowany obejmujący 2 zawiera wewnątrz od czoła 10 gwint obejmujący 4 złożony tylko z jednej części gwintowanej, powierzchnię uszczelniającą 6 i ogranicznik 8.

Powierzchnia uszczelniająca obejmująca 6 jest powierzchnią stożkową pochyloną pod kątem 20° do osi X1X1 elementu gwintowanego 2.

Ogranicznik 8 jest powierzchnią w przybliżeniu poprzeczną a zwłaszcza lekko stożkową wypukłą i tworząca występ wewnętrzny na elemencie gwintowanym 2.

Gwint obejmujący 4 jest typu stożkowego z pół-kątem wierzchołkowym 1,79° (zbieżność = 6,25%) gwintów trapezoidalnych 12.

Gwint 4 zawiera obszar pierwszych zwojów chwytających 32 utworzonych przez sześć pierwszych zwojów od strony czoła 10 elementu gwintowanego, obszar ostatnich zwojów chwytających 36 utworzony przez sześć zwojów od przedostatniego zwoju obejmującego i obszar zwojów środkowych 34 zawierający sześć zwojów pomiędzy obszarami 32 i 36.

Ostatni zwój uzwojenia nie jest uważany za zwój chwytający (patrz fig. 7).

Liczba zwojów obszarów 32 i 36 pierwszych i ostatnich zwojów chwytających odpowiada 1/3 całkowitej liczby zwojów chwytających.

Jak pokazano dokładnie na fig. 3, zwoje obejmujące 12 zawierają w sposób ogólny wierzchołek zwoju 18, dno zwoju 20, bok wprowadzający 16 zwrócony w stronę czoła 10 elementu gwintowanego i bok nośny 14 na stronie przeciwnej.

Wycięcie spiralne 22 jest wyfrezowane w zwojach 12 za pomocą narzędzia kształtującego 42 niezależnie od rozmiaru zwojów 12,

To narzędzie kształtujące 42 ma kształt zaokrąglonego odwróconego V określony przez kąt 35° pomiędzy ramionami V i wierzchołek zaokrąglony o promieniu 0,4 mm.

Narzędzie 42 jest ustawione w taki sposób aby nacinać zwoje w przybliżeniu promieniowo od wierzchołka zwoju o profilu w kształcie V z dnem zaokrąglonym pozostawiając z obu stron narzędzia

PL 202 710 B1 dwa pół-zwoje, pół-zwój nośny 24 od strony boku nośnego 14 i pół-zwój wprowadzający 26 od strony boku wprowadzającego 16, bez naruszania boków zwoju.

Narzędzie kształtujące 42 jest przemieszczane jak na fig. 2 od pierwszego zwoju 12.1 po linii śrubowej ze skokiem identycznym jak skok uzwojenia obejmującego 4, podstawa narzędzia opiera się na powierzchni stożkowej stanowiącej tworzącą 44. Ta powierzchnia stożkowa ma zbieżność równą podwójnej zbieżności uzwojenia 4 (kąt 3,58° pomiędzy tworzącą 4 i osią elementu gwintowanego) tak, aby wycięcie 22 miało głębokość która zmniejsza się stopniowo od pierwszego zwoju chwytającego 12.1 aż staje się równa zero na poziomie jedenastego zwoju 12.11 i dalej aż do ostatniego zwoju.

Wycięcie 22 umożliwia zmniejszenie sztywności zwojów obszaru 32 pierwszych zwojów chwytających w stosunku do sztywności zwojów obszaru 34 zwojów środkowych.

Zwoje 12 będąc skręcone podlegają dociskowi stykowemu na boki nośne 14, ich sztywność jest określona przez podatność na zginanie pół-zwoju nośnego a zwłaszcza par jego geometrię.

Geometria może być scharakteryzowana przez nachylenie boku nośnego 14 i boku wycięcia 28 w stosunku do osi elementu gwintowanego, przez odległość d2 pomiędzy bokiem nośnym 14 i środkiem O2 zaokrąglenia dna wycięcia i przez odległość d4 pomiędzy punktem O2 i linią obwiedni den zwojów. Skok linii śrubowej wycięcia 22 jest taki sam jak skok gwintu 12, odległość d2 zmienia się bardzo mało od zwoju do zwoju.

Biorąc pod uwagę większe nachylenie tworzącej 44 w stosunku do nachylenia gwintu, odległość d4 zwiększa się w sposób ciągły od pierwszego zwoju 12.1, tak, że d4.1 d4.2 < d4.3 i tak dalej.

Wynika z tego, że sztywność zwojów obejmujących 12 jest minimalna na poziomie zwojów obszaru 32 pierwszych zwojów chwytających i jest maksymalna na poziomie zwojów bez wycięcia obszaru 36 ostatnich zwojów chwytających i obszaru 34 zwojów środkowych; sztywność zwojów obejmujących 12 obszaru 32 pierwszych zwojów chwytających jest ponadto mniejsza od sztywności zwojów z wycięciem o małej głębokości w obszarze 34 zwojów środkowych.

Sztywność zwojów zwiększa się stopniowo przy zmniejszaniu głębokości wycięcia od pierwszego zwoju chwytającego 12.1 (zwój końcowy) przechodząc do obszaru zwojów środkowych 34.

Odległość d4.1 jest nieco większa od promienia R2 dna wycięcia tak, że dno wycięcia nie przekracza w żadnym momencie obwiedni den zwojów, które nie mają wycięcia.

Można jednakże wykonywać bez większych kłopotów wycięcie które przecina obwiednię den pierwszych zwojów (na przykład d4.1 = 0) w miarę jak krytyczny przekrój elementu gwintowanego 2 (który w czasie pracy przenosi całe obciążenie osiowe elementu gwintowanego 2) znajduje się na poziomie ostatniego zwoju, który nie ma wycięcia.

Gdy natomiast wykona się wycięcie w obszarze ostatnich zwojów chwytających, należy unikać wykonania wycięcia, którego dno wychodzi z objętości zawartej pomiędzy obwiednią den 20 i obwiednią wierzchołków zwojów 18, aby nie pogorszyć parametrów roboczych połączenia gwintowanego rurowego łączącego element gwintowany 2.

Fig. 4 przedstawia w element gwintowany obejmowany element gwintowany obejmowany 1 umieszczony na końcu rury 101 wielkiej długości.

Element gwintowany 1 zawiera na zewnątrz od czoła 7 tworzącego ogranicznik powierzchnię uszczelniającą 5 i gwint obejmowany 3.

Ogranicznik 7 jest powierzchnią prawie stożkową wklęsłą przeznaczoną do współpracy z ogranicznikiem^ na elemencie gwintowanym obejmującym 2.

Powierzchnia uszczelniająca 5 jest powierzchnią stożkową pochyloną pod kątem 20° do osi X1X1 elementu gwintowanego 1 i przeznaczoną do współpracy z powierzchnią uszczelniającą obejmującą 6.

Gwint obejmowany 3 jest złożony tylko z jednej części gwintowanej; jest on typu stożkowego i dostosowany do współpracy z gwintem obejmującym 4.

Zawiera on osiemnaście chwytających zwojów trapezoidalnych 11, osiem ostatnich zwojów oznaczonych jako 37 ma niepełną wysokość (zwoje zwane zanikającymi albo także run out).

Sześć pierwszych zwojów tworzy obszar 31 pierwszych zwojów chwytających. Pierwszy zwój jest ukośny od strony czoła dla ułatwienia wprowadzenia. Sześć ostatnich zwoje które wszystkie są zanikające tworzą obszar 35 ostatnich zwojów chwytających. Sześć zwojów pośrednich tworzy obszar 33 zwojów środkowych.

Zwoje obejmowane 11 zawierają tak jak zwoje obejmujące wierzchołek zwoju 19, dno zwoju 17, bok wprowadzający 15 zwrócony w stronę czoła 7 elementu gwintowanego i bok nośny 13 na stronie przeciwnej (patrz fig. 6).

PL 202 710 B1

Wycięcie spiralne 21 jest wyfrezowane w zwojach 11 za pomocą narzędzia kształtującego 41 podobnego do narzędzia stosownego do wykonania wycięcia 22 w zwojach obejmujących 12); wyfrezowanie wycięcia jest wykonywane niezależnie od rozmiaru zwojów 11.

Narzędzie kształtujące 41 nacina zwoje w przybliżeniu promieniowo od wierzchołka zwoju, pozostawiając z obu stron dwa pół-zwoje, pół-zwój nośny 23 od strony boku nośnego i pół-zwój wprowadzający 26 od strony boku wprowadzającego 16, bez naruszania boków zwoju.

Narzędzie kształtujące 42 jest przemieszczane jak na fig. 5 po linii śrubowej ze skokiem identycznym jak skok uzwojenia obejmowanego 3, podstawa narzędzia opiera się na powierzchni stożkowej stanowiącej tworzącą 43.

Ta powierzchnia stożkowa ma zbieżność równą podwójnej zbieżności uzwojenia 3 (kąt 3,58° pomiędzy tworzącą 43 i osią elementu gwintowanego 1) tak, aby wycięcie miało głębokość, która zmniejsza się stopniowo od pierwszego zwoju chwytającego 11.1 aż staje się równa zero na poziomie dziesiątego zwoju 11.10.

Wycięcie 21 umożliwia zmniejszenie sztywności zwojów obszaru 31 pierwszych zwojów chwytających w stosunku do sztywności zwojów obszaru 33 zwojów środkowych.

Tak jak w przypadku zwojów obejmujących, sztywność zwojów obejmowanych jest określona przez geometrię pół-zwoju nośnego 23 a zwłaszcza przez nachylenie boku nośnego i boku wycięcia 27 w stosunku do osi elementu gwintowanego, przez odległość d1 pomiędzy bokiem nośnym 13 i środkiem O1 zaokrąglenia dna wycięcia i przez odległość d3 pomiędzy punktem O1 i linią obwiedni den zwojów.

Skok linii śrubowej wycięcia 21 jest taki sam jak skok gwintu 11, odległość d1 zmienia się bardzo mało od zwoju do zwoju.

Biorąc pod uwagę większe nachylenie tworzącej 43 w stosunku do nachylenia gwintu, odległość d3 zwiększa się w sposób ciągły od pierwszego zwoju 11.1, tak, że: d3.1 < d3.2 < d3.3 i tak dalej.

Wynika z tego, że sztywność zwojów obejmujących 11 jest minimalna na poziomie zwojów obszaru 31 pierwszych zwojów chwytających i jest maksymalna na poziomie zwojów bez wycięcia obszaru 35 ostatnich zwojów chwytających i obszaru 33 zwojów środkowych; sztywność zwojów obejmowanych 11 obszaru 31 pierwszych zwojów chwytających jest ponadto mniejsza od sztywności zwojów z wycięciem o małej głębokości w obszarze 33 zwojów środkowych.

Sztywność zwojów obejmowanych 11 zwiększa się stopniowo przy zmniejszaniu głębokości wycięcia od pierwszego zwoju chwytającego aż do dziesiątego zwoju 35 w obszarze zwojów środkowych.

Odległość d3.1 jest nieco większa od promienia R1 dna wycięcia (0,4 mm) tak, że dno wycięcia nie przekracza w żadnym momencie obwiedni den 17 i obwiedni wierzchołków, jak w przypadku zwojów obejmujących, można łatwo wykonywać wycięcie które przecina obwiednię den pierwszych zwojów.

Należy natomiast unikać wykonania w obszarze ostatnich zwojów chwytających wycięcia którego dno wychodzi z objętości zawartej pomiędzy obwiednią den U_ i obwiednią wierzchołków zwojów 19, krytyczny przekrój elementu gwintowanego obejmowanego znajduje się na poziomie ostatniego zwoju chwytającego.

Fig. 7 przedstawia połączenie gwintowane rurowe 100 utworzony przez połączenie skręcane przy określonym momencie elementów gwintowanych 1 i 2 z fig. 1 i 4.

Powierzchnia uszczelniająca stożkowa obejmowana 5 interferuje promieniowo z powierzchnią uszczelniającą stożkową obejmującą 6 i ogranicznik obejmowany 7 jest dociskany do ogranicznika obejmującego 8.

W reakcji na siły ściskania osiowego pomiędzy ogranicznikami, boki nośne 13, 14 zwojów obejmowanych i obejmujących są oparte o siebie i zwiększają nacisk na styk.

Ponadto wierzchołki zwojów obejmujących 18 interferują promieniowo z dnami zwojów obejmowanych 17 tak więc luz występuje tylko pomiędzy wierzchołkami zwojów obejmowanych 19 i dnami zwojów obejmujących 20.

Fig. 7 umożliwia pokazanie zwojów chwytających i położenie wycięć 21 i 22 w obszarach pierwszych zwojów chwytających 31, 32 i w części obszarów środkowych 33, 35.

Fig. 12 przedstawia dla zwoju przenoszenie obciążenia osiowego pomiędzy bokami nośnymi chwytających zwojów obejmowanych i obejmujących na połączenia gwintowanym rurowym obciążonymi osiowo na rozciąganie pod obciążeniem takim, że korpus rury 101 jest obciążony do 80% granicy sprężystości materiału (80% de PBYS).

PL 202 710 B1

Krzywa B odnosi się do połączenia gwintowanego rurowego z fig. 7 według wynalazku podczas gdy krzywa A odnosi się do połączenia gwintowanego rurowego standardowego podobnego ale bez wycięć.

Krzywa A (połączenie gwintowane rurowe standardowe) ma wygląd przypominający nieckę, przenoszenie obciążenia ma wierzchołek na poziomie pierwszych i ostatnich zwojów chwytających;

obszary zwojów środkowych 33, 34 nie mogą więc być wykorzystane w pełnym zakresie ich zdolności do przenoszenia obciążenia.

Krzywa B (połączenie gwintowane rurowe z fig. 7) pokazuje przenoszenie obciążenia znacznie bardziej wyrównane dzięki wycięciom 21, 22, które zmniejszają sztywność pierwszych zwojów chwytających.

Z tej krzywej wynika, że połączenie gwintowane rurowe z fig. 7 wykazuje znakomite zachowanie zarówno przy obciążeniu statycznym (wytrzymałość mechaniczna, szczelność) jak i dynamicznym (wytrzymałość na zapoczątkowanie pęknięć zmęczeniowych).

Podobny efekt może być uzyskany przy wycięciu wykonanym na poziomie ostatnich zwojów chwytających albo na poziomie jednocześnie pierwszych i ostatnich zwojów chwytających. W przypadku wycięcia wykonanego w obszarze ostatnich zwojów chwytających, nachylenie tworzącej obwiedni den wycięć powinno oczywiście być mniejsze w tym obszarze od nachylenia części gwintowanej dla uzyskania oczekiwanego wpływu na sztywność zwojów.

Obciążenia zewnętrzne elementów gwintowanych połączenia gwintowanego rurowego i naprężenia spowodowane skręceniem powodują powstanie pola naprężeń które może osiągnąć maksimum w promieniu połączenia w postawie zwoju pomiędzy bokiem nośnym i dnem zwoju.

Jest wygodnie określić dla każdego zwoju współczynnik koncentracji naprężeń (SCF) w tym miejscu wykorzystując naprężenia w korpusie rury 101, można zwłaszcza wykorzystywać w tym celu definicję współczynnika koncentracji naprężeń według ISO 13628 - 7CD1:

cpp _ t z rp \ _ _«^wmt zm , X X z korpus_rury ,_ψ l (J podstawowy ^U & podstawowy ^{k lmln}}}' ° UmaxJ _akorpu_S_rury_{(Tmin) }}

Tmin i Tmax są obciążeniami odpowiadającymi naprężeniom w korpusie rury 101 przy rozciąganiu osiowym na przykład przy 0 i 80% granicy sprężystości;

jest największym z trzech naprężeń zasadniczych

Cz podstawowy w sześcianie elementarnym materiału i uwzględniając także obciążenia wynikające ze skręcenia jak i te którym podlega połączenie gwintowane rurowe (na przykład rozciąganie osiowe + przemienne zginanie);

jest naprężeniem w korpusie rury 101 tak, aby mianownik SCF był na przykład wybrany 80% rzeczywistej granicy sprężystości danej rury.

Fig. 13 przedstawia wartości SCF od strony elementu gwintowanego obejmowanego (krzywe A1 i B1) i od strony elementu gwintowanego obejmującego (krzywe B2), krzywa A1 odnosi się do połączenia gwintowanego standardowego, a krzywe B1 i B2 do połączenia gwintowanego według wynalazku (fig. 7).

Korzyść z wycięcia na wytrzymałość na zmęczenie jest widoczna na podstawie krzywych A1 i B1 z fig. 13: w stosunku do połączenia gwintowanego rurowego ze stanu techniki (krzywa A1), wycięcie 22 (krzywa B1) zmniejsza wierzchołek SCF na poziomie obszaru ostatnich zwojów obejmowanych, nie zwiększa się wartość wierzchołka SCF na poziomie obszaru pierwszych zwojów obejmowanych; ale ten wierzchołek nie jest istotny dla zmęczenia ponieważ ścianka elementu gwintowanego obejmowanego na poziomie obszaru pierwszych zwojów obejmowanych jest mało obciążona na rozciąganie osiowe podczas gdy ścianka elementu gwintowanego obejmowanego na poziomie obszaru ostatnich zwojów obejmowanych powinna wytrzymywać całkowite osiowe obciążenie rozciągające element gwintowany.

Wycięcie 21 oddziałuje na kształt krzywej SCF w sposób podobny w odniesieniu do zwojów obejmujących, ścianka elementu gwintowanego obejmującego na poziomie obszaru pierwszych zwojów obejmujących jest również ściskana ze względu na ograniczniki 7, 8: krzywa B2 z fig. 13 w porównaniu z przebiegiem krzywej podobnym do krzywej A2 z tej samej figury.

PL 202 710 B1

Rozumowanie, które właśnie przedstawiono może być bezpośrednio zastosowane w przypadku obciążeń zewnętrznych kombinowanych: na przykład rozciąganie osiowe statyczne i nacisk wewnętrzny statyczny i zginanie cykliczne. Może ono być także zastosowane w przypadku gdzie elementy gwintowane są obciążone na ściskanie osiowe dostosowując ułożenie wycięć (pół-zwoje wprowadzające są obciążone bardziej niż pół-zwoje nośne).

Fig. 8 przedstawia odmianę połączenia gwintowanego rurowego dla kolumn podmorskich zwanych risers mających ponadto luz powierzchni uszczelniających wewnętrznych 5, 6 jak w przypadku z fig. 7, luz powierzchni uszczelniających zewnętrznych 45, 46 dla całkowitego uniemożliwienia przenikania płynu do wewnątrz albo na zewnątrz.

Oprócz ograniczników wewnętrznych 7, 8 jak na fig. 7 (ograniczniki główne) połączenie gwintowane z fig. 8 zawiera ograniczniki zewnętrzne utworzone przez powierzchnię czołową 10 elementu gwintowanego obejmującego i przez odpowiednią powierzchnię pierścieniową 47 na elemencie gwintowanym obejmowanym.

Gwinty obejmowany i obejmujący 3, 4 są podobne do gwintów z fig. 7, przy czym wycięcia o zmniejszającej się głębokości są wykonane w zwojach od pierwszego gwintu obejmującego do dziesiątego zwoju obejmującego i od pierwszego zwoju obejmowanego do dziewiątego zwoju obejmowanego i wywołują ten sam efekt techniczny zmniejszenia sztywności zwoju i zmniejszenia wartości maksymalnych SCF.

Wycięcia umożliwiają poza tym większą elastyczność funkcjonowania ograniczników zewnętrznych i wewnętrznych.

Rzeczywiście, głębokie wycięcie wykonane na poziomie pierwszych zwojów obejmowanych i ich mała sztywność zwiększa efektywną długość na której krawędź obejmowana 9 jest poddawana ściskaniu przy końcu skręcania: krawędź 9 jest więc ściskana na długości większej od swojej długości i na tym samym poziomie dopuszczalnego obciążenia, jest więc możliwe większe skręcenie połączenia gwintowanego rurowego i nadanie większej energii powierzchniom uszczelniającym 5, 6.

Taki efekt techniczny może być korzystny dla połączeń gwintowanych rurowych z tylko jednym luzem ograniczników typu pokazanego na fig. 7, ale jest on jeszcze bardziej korzystny w przypadku połączeń gwintowanych rurowych z dwoma luzami ograniczników typu pokazanego na fig. 8.

Rzeczywiście, jest trudno synchronizować luzy ograniczników jedynie przez obróbkę dwóch luzów w sposób wyjątkowo dokładny, a więc wyjątkowo kosztowny.

Wielka zdolność do odkształcenia krawędzi obejmowanej 9 i obejmującej 50 umożliwia realizację funkcji ograniczników nie tylko ogranicznikom głównym (w tym przypadku wewnętrznym) ale również ogranicznikom dodatkowym (w tym przypadku zewnętrznym) we wszystkich przypadkach dopasowania pomiędzy elementem gwintowanym obejmowanym i elementem gwintowanym obejmującym, nawet gdy odległość pomiędzy dwoma ogranicznikami obejmowanymi jest maksymalna, a odległość pomiędzy dwoma ogranicznikami obejmującymi minimalna.

Można uzyskać podobny efekt techniczny wydłużając krawędzie 9, 50, ale to zmniejszałoby zwartość połączenia gwintowanego rurowego, co nie jest pożądane i pogarszałoby szczelność: zbyt elastyczne krawędzie 9, 50 nie zapewniały by wystarczającego docisku styku pomiędzy powierzchniami uszczelniającymi 5, 6, 45, 46.

Fig. 9 przedstawia inną odmianę połączenia gwintowanego rurowego według wynalazku która ma gwinty obejmowany i obejmujący stożkowy z dwoma częściami gwintowanymi 203, 203', 204, 204' odsuniętymi od siebie promieniowo i osiowo i oddzielonymi przez luz ograniczników środkowych 207, 208.

Każda część gwintowana stożkowa zawiera odcinek ze zwojami wychodzącymi zwanymi run-in; 11, 211', 214, 214' w których obwiednią den zwojów jest ścięta równolegle do osi elementu gwintowanego i odcinek ze zwojami zanikającymi zwanymi „run-out 212, 212', 213, 213' gdzie wierzchołki zwojów są ścięte równolegle do osi elementu gwintowanego.

Każda część gwintowana zawiera dziewięć zwojów chwytających, wyznaczających obszary 231,231', 232, 232' pierwszych zwojów chwytających, obszary 235, 235', 236, 236' do ostatnich zwojów chwytających i obszary 233, 233', 234, 234' zwojów środkowych, każdy obszar ma trzy zwoje.

Według fig. 9, wycięcie jest wykonane na czterech pierwszych zwojach obejmowanych i czterech pierwszych zwojach obejmujących każdej części gwintowanej z głębokością zmniejszającą się od pierwszego zwoju chwytającego do czwartego.

Efekt techniczny wycięć jest taki sam na każdej części gwintowanej jak w przypadku połączenia gwintowanego z fig. 7 z gwintami na jednej części gwintowanej i pozwala zmniejszyć wartość SCF w podstawie ostatnich zwojów chwytających każdej części gwintowanej.

PL 202 710 B1

Fig. 10 przedstawia odmianę elementu gwintowanego obejmującego z fig. 1 do 3.

Według fig. 10, wycięcie jest wykonane w zwojach ze skokiem mniejszym od skoku p uzwojenia tak, aby odległość d2 do boku nośnego zwiększała się od pierwszego zwoju obejmującego chwytającego: d2.1 < d2.2 < d2.3.

Co najmniej na pierwszych zwojach, podstawa narzędzia kształtującego 42 wycięcia jest przemieszczana na powierzchni stożkowej o takiej samej zbieżności jak gwint obejmujący aby wycięcie miało głębokość w przybliżeniu stałą na pierwszych zwojach.

Odległość d2.1 jest taka, że wycięcie nie wychodzi na boku nośnym.

Po wykonaniu wycięcia na trzech skokach zwoju, narzędzie jest przesuwane, jego podstawa porusza się po krzywej 44, która jest na przykład łukiem koła albo hiperboli i opisuje obrotową powierzchnię toroidalną albo hiperboloidalną, aby wycięcie nie wychodziło na boku wprowadzającym co mogłoby utrudnić łączenie ze sobą gwintów obejmowanego i obejmującego.

Nachylenie krzywej 44 jest za trzecim zwojem większe od nachylenia uzwojenia dla uzyskania korzystnego zanikania.

Uzyskuje się taki sam efekt techniczny zmniejszenia sztywności pierwszych zwojów chwytających na elemencie gwintowanym obejmującym z fig. 11 jak na elemencie z fig. 1 do 3.

Fig. 11 przedstawia odmianę elementu gwintowanego obejmowanego z fig. 4 do 6 w których wycięcie jest wykonane tak jak na fig. 11 ze skokiem mniejszym niż skok p uzwojenia i identycznej głębokości w pierwszych zwojach.

Odległość d1 wycięcia od boku nośnego zwiększa się od pierwszego zwoju obejmowanego chwytajacego:d1.1 < d1.2 < d1.3.

Podstawa narzędzia 41 frezującego wycięcie i w konsekwencji narzędzie jego ostrze przesuwają się po złożonej powierzchni obrotowej; podstawa jest najpierw przemieszczana po powierzchni stożkowej o takiej samej zbieżności, jak zbieżność uzwojenia obejmowanego następnie przemieszczana po obrotowej powierzchni toroidalnej albo powierzchni hiperboloidalna opisanej przez tworzącą 43 której nachylenie jest większe od nachylenia uzwojenia.

Jak w przypadku z fig. 10, pozwala to uzyskać zmniejszenie sztywności pierwszych zwojów chwytających bez naruszenia boku wprowadzającego zwojów obejmowanych.

Wynalazek może być stosowany w licznych innych odmianach wykonania nie opisanych w tym dokumencie bez wychodzenia z zastrzeganego zakresu wynalazku.

Tytułem przykładu i w sposób nie ograniczający można wykonać wycięcie we wszystkich rodzajach uzwojeń (cylindryczne, stożkowe, cylindryczno-stożkowe), z wszystkimi rodzajami zwojów (zwoje interferujące promieniowo, rugged thread, kliny o zmiennej szerokości, ze wzmocnieniem osiowym) albo ogólnego kształtu zwoju (trapezoidalne, trójkątne, zaokrąglone); wycięcia mogą mieć profil w kształcie U; dno wycięcia może opisywać powierzchnię obrotową toroidalną albo hiperboloidalna pierwszych zwojów, wycięcie może być wykonane jednocześnie ze zmiennym skokiem i zmienną głębokością.

Boki zwoju, zwłaszcza bok nośny i/lub bok wprowadzający, mogą także być wybrzuszone wypukłe w taki sposób aby udoskonalić charakterystyki styku (lokalizacja, docisk) pomiędzy odpowiednimi bokami, mimo zmian obciążenia roboczego.

Obszary połączeń pomiędzy bokami i dnami zwoju mogą także mieć kilka części o różnych promieniach krzywizny dostosowanych do minimalizowania wartości SCF.

Powierzchnia obwodowa elementu gwintowanego przeciwna do tej gdzie jest wykonany gwint ma także zmniejszenie grubości w postaci wycięcia wykonanego na wprost uzwojenia i zmniejszające grubość ścianka pozostającą pod gwintem pierwszych zwojów chwytających.

Można także zwłaszcza w przypadku zwojów rugged thread, klinowe, albo ze wzmocnieniem osiowym; w których dwa boki zwoju mogą być poddane stykom o zmiennym natężeniu wykorzystywać efekt techniczny wycięcia o skoku równym skokowi gwintu ale o zmiennej głębokości: takie wycięcie zmniejsza sztywność zwojów jednocześnie od strony boku nośnego i od strony boku wprowadzającego i pozwala poprawić wytrzymałość na zmęczenie połączenia gwintowanego rurowego jednocześnie rozciąganego cyklicznie, ściskanego cyklicznie, rozciąganego - ściskanego albo zginanego przemiennie.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Element gwintowany, obejmowany albo obejmujący (1, 2) połączenia gwintowanego rurowego (100, 200, 400) wykonany na końcu rury (101, 102, 201, 202) i zawierający na zewnątrz gwint obejmowany (3) albo wewnątrz gwint obejmujący (4) w którym element gwintowany jest elementem gwintowanym obejmowanym albo elementem gwintowanym obejmującym, gwint jest utworzony co najmniej na części gwintowanej (3, 4, 203, 203', 204, 204'), każda część gwintowana zawiera oddalając się od czoła (7, 10) elementu gwintowanego obszar zwany pierwszymi zwojami chwytającymi (31, 32, 231,231', 232, 232'), obszar zwany zwojami środkowymi (33, 34, 233, 233', 234, 234') i obszar zwany ostatnimi zwojami chwytającymi (35, 36, 235, 235', 236, 236'), znamienny tym, że wycięcie spiralne (21, 22) jest wykonane w przybliżeniu promieniowo w zwojach (11, 12) co najmniej jednej części długości osiowej co najmniej jednej części gwintowanej w taki sposób, że wychodzą na wierzchołku zwoju (18, 19), przy czym wycięcie jest wykonane co najmniej w części zwojów co najmniej jednego obszaru końcowego, to znaczy obszaru pierwszych zwojów chwytających i obszaru ostatnich zwojów chwytających i opcjonalnie są wykonane w zwojach obszaru zwojów środkowych, zaś sztywność zwojów z wycięciem w obszarach końcowych jest mniejsza od sztywności zwojów obszaru zwojów środkowych.

2. Element gwintowany według zastrz. 1, znamienny tym, że wycięcie jest wykonane w zwojach obszaru pierwszych zwojów chwytających (31, 32, 231, 231', 232, 232') i opcjonalnie w zwojach obszaru zwojów środkowych (33, 34, 233, 233', 234, 234'), zaś zwoje obszaru ostatnich zwojów chwytających (35, 36, 235, 235', 236, 236') pozostają pełne.

3. Element gwintowany według zastrz. 1, znamienny tym, że wycięcie (21, 22) ma profil uzyskany przez penetrację narzędzia kształtującego (41, 42) w zwoje (11, 12) części gwintowanej na daną głębokość.

4. Element gwintowany według zastrz. 1, znamienny tym, że wycięcie (21, 22) ma profil w kształcie V z zaokrąglonym dnem.

5. Element gwintowany według zastrz. 1, znamienny tym, że dno wycięcia, gdy wycięcie jest wykonane w obszarze ostatnich zwojów chwytających, znajduje się w objętości tego obszaru zawartej pomiędzy obwiednią den zwojów (17, 20) i obwiednią wierzchołków zwojów (18, 19).

6. Element gwintowany według zastrz. 1, znamienny tym, że sztywność zwojów jest stopniowo coraz większa od końcowego zwoju chwytającego (11.1, 12.1) obszarów końcowych mających wycięcie w kierunku obszaru zwojów środkowych.

7. Element gwintowany według zastrz. 6, znamienny tym, że głębokość wycięcia zmniejsza się równomiernie od końcowego zwoju chwytającego (11.1, 12.1) obszarów końcowych mających wycięcie w stronę obszaru zwojów środkowych.

8. Element gwintowany według zastrz. 6 albo 7, znamienny tym, że wycięcie (21, 22) ma skok śrubowy (pj p'') mniejszy niż skok zwojów (p) części gwintowanej gdzie jest ono wykonane.

9. Element gwintowany według zastrz. 6 albo 7, znamienny tym, że wycięcie (21, 22) ma skok śrubowy (p', p'') większy niż skok zwojów (p) części gwintowanej gdzie jest ono wykonane.

10. Element gwintowany według zastrz. 1, znamienny tym, że obwiednia den wycięcia jest powierzchnią stożkową współosiową z elementem gwintowanym.

11. Element gwintowany według zastrz. 1, znamienny tym, że obwiednią den wycięcia jest powierzchnią obrotową współosiową z elementem gwintowanym o tworzącej nie prostokątnej.

12. Element gwintowany według zastrz. 1, znamienny tym, że wycięcie jest wykonane w obszarze pierwszych zwojów chwytających i opcjonalnie w obszarze zwojów środkowych, zaś nachylenie tworzącej obwiedni odpowiednich den wycięcia jest większe niż nachylenie części gwintowanej gdzie jest wykonane wycięcie.

13. Element gwintowany według zastrz. 1, znamienny tym, że zwoje mają ogólny kształt trapezoidalny.

14. Element gwintowany według zastrz. 1, znamienny tym, że gwint zawiera co najmniej dwie części gwintowane (203, 204), (203', 204'), zaś wycięcie jest wykonane na każdej z części gwintowanych.

15. Element gwintowany według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera on tylko jeden ogranicznik (7) którego powierzchnia ograniczająca jest utworzona przez czoło elementu gwintowanego.

16. Element gwintowany według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera pierwszy ogranicznik (7, 10), którego powierzchnia ograniczająca jest utworzona przez czoło danego elementu gwintowanego i drugi ogranicznik (8, 47), którego powierzchnia ograniczająca w położeniu połączenia gwintowanego

PL 202 710 B1 skręconego styka się z powierzchnią ograniczającą na czole dołączonego elementu gwintowanego (4, 3), przy czym obie powierzchnie ograniczające danego elementu gwintowanego (3, 4) są oparte o dwie odpowiednie powierzchnie ograniczające dołączonego elementu gwintowanego (4, 3).

17. Element gwintowany według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera co najmniej jedną powierzchnię uszczelniającą (5, 6) do interferowania promieniowego z powierzchnią uszczelniającą (6, 5) na dołączonym elemencie gwintowanym (4, 3).

18. Połączenie gwintowane rurowe (100, 200, 400) zawierające element gwintowany obejmowany (1) na końcu pierwszej rury (101, 201) i element gwintowany obejmujący (2) na końcu drugiej rury (102, 202), przy czym co najmniej jeden z dwóch elementów gwintowanych zawiera na zewnątrz gwint obejmowany (3) albo wewnątrz gwint obejmujący (4) w którym element gwintowany jest elementem gwintowanym obejmowanym albo elementem gwintowanym obejmującym, gwint jest utworzony co najmniej na części gwintowanej (3, 4, 203, 203', 204, 204'), każda część gwintowana zawiera oddalając się od czoła (7, 10) elementu gwintowanego obszar zwany pierwszymi zwojami chwytającymi (31, 32, 231,231', 232, 232'), obszar zwany zwojami środkowymi (33, 34, 233, 233', 234, 234') i obszar zwany ostatnimi zwojami chwytającymi (35, 36, 235, 235', 236, 236'), znamienny tym, że wycięcie spiralne (21, 22) jest wykonane w przybliżeniu promieniowo w zwojach (11, 12) co najmniej jednej części długości osiowej co najmniej jednej części gwintowanej w taki sposób, że wychodzą na wierzchołku zwoju (18, 19), przy czym wycięcie jest wykonane co najmniej w części zwojów co najmniej jednego obszaru końcowego, to znaczy obszaru pierwszych zwojów chwytających i obszaru ostatnich zwojów chwytających i opcjonalnie są wykonane w zwojach obszaru zwojów środkowych, zaś sztywność zwojów z wycięciem w obszarach końcowych jest mniejsza od sztywności zwojów obszaru zwojów środkowych.