RU158152U1 - Высокогерметичное муфтовое резьбовое соединение нефтепромысловых труб - Google Patents

Abstract

Высокогерметичное муфтовое соединение нефтепромысловых труб, включающее охватываемую (ниппель) и охватывающую (муфта) конические сопрягаемые детали, имеющие коническую трапецеидальную резьбу, а также радиальные и торцевые уплотнительные элементы, опорная грань резьбового профиля выполнена в виде отрицательного угла, радиальное уплотнение ниппеля выполнено на участке между резьбой и торцевым уплотнением и имеет ответный уплотнительный элемент на муфте, перечисленные уплотнительные элементы выполнены в виде конуса и имеют угол относительно оси резьбы, возрастающий в сторону конической резьбы, торцевое уплотнение выполнено на участке между радиальным коническим уплотнением ниппеля и внутренним диаметром тела трубы под углом к нормали оси резьбы и имеет ответный уплотнительный элемент на муфте, отличающееся тем, что угол торцевого уплотнительного элемента фотносительно нормали к оси резьбы ниппеля меньше угла соответствующего торцевого уплотнительного элемента фна муфте, при этом угол радиального уплотнительного элемента фотносительно оси резьбы ниппеля так же меньше угла соответствующего радиального уплотнительного элемента фна муфте, причёма острая кромка торцевого упорного уступа муфты скруглена таким образом, что окружность скругления расположена по касательной к поверхности торцевого уплотнительного элемента муфты, а центр радиуса данной окружности находится на линии внутреннего диаметра муфты вдоль оси соединения, причём радиус скругления не менее 2мм.

Description

Заявленная полезная модель относится к резьбовым соединениям для нефтегазопромысловых труб с конической трапецеидальной неравнобокой резьбой и уплотнением «металл-металл», предназначена для монтажа обсадных колонн, применяемых в строительстве вертикальных, наклонно-направленных и горизонтальных скважин с высокой степенью искривления ствола при разработке нефтяных и газовых месторождений.

Из уровня техники известно герметичное резьбовое соединение нефтепромысловых труб, включающее охватываемую (ниппель) и охватывающую (муфта) трубы с коническими резьбами, уплотнительными и упорными поверхностями. Уплотнительные поверхности выполнены на внешней поверхности торцевого участка охватываемой и на внутренней конической поверхности охватывающей труб, на участке между конической резьбой и телом трубы. Упорные поверхности выполнены соответственно на охватываемой трубе в виде конической торцевой поверхности с углом конуса 5°≤β≤25° в направлении оси конической резьбы и ответной торцевой конической поверхности на охватывающей трубе, выполненной на участке перехода первой конической поверхности этой трубы к ее телу. Профиль конической резьбы имеет отрицательный угол по опорной грани, причем высота профиля резьбы охватываемой трубы меньше высоты профиля резьбы охватывающей трубы, при этом уплотнительная поверхность торцевого участка охватываемой трубы в начале и в конце зоны конусного радиального уплотнения имеет сферическую форму (патент №2338866 C1, E21B 17/042, F16L 15/00, опубликован 20.11.2008 г.).

Указанное резьбовое соединение имеет недостаток, заключающийся в том, что по поверхностям уплотнительного элемента после сборки происходит неполный контакт, в результате чего снижается газогерметичность соединения. Контактные давления распределены неравномерно, и имеют пиковые значения в локальных точках уплотнения, что приводит к образованию задиров и уменьшению количества циклов свинчивания и развинчивания резьбового соединения. В местах неполного контакта допускается проникновение агрессивных сред в уплотнение, что приводит к ускоренной коррозии и преждевременному выходу соединения из работоспособного состояния.

Для исключения недостатков резьбового соединения и повышения уровня его герметичности, необходимо изменить угловые геометрические параметры уплотнительного элемента ниппеля для компенсации угла отгиба контактирующих поверхностей при свинчивании. Существующая конструкция не обеспечивает выполнения данного условия.

Заявленная полезная модель направлена на исключение недостатков существующего соединения и решение технической задачи по повышению уровня газогерметичности, а также повышению сопротивления ускоренной коррозии и износостойкости в процессе промышленной эксплуатации.

В заявленной полезной модели поставленная задача решается созданием условий для равномерного распределения контактных давлений по герметизирующим поверхностям после сборки путем достижения более полного контакта по контуру уплотнительного элемента соединения.

Это достигается тем, что в высокогерметичном муфтовом соединении нефтепромысловых труб, включающем охватываемую (ниппель) и охватывающую (муфта) конические сопрягаемые детали, имеющие коническую трапецеидальную резьбу, а так же радиальные и торцевые уплотнительные элементы, опорная грань резьбового профиля выполнена в виде отрицательного угла, радиальное уплотнение ниппеля выполнено на участке между резьбой и торцевым уплотнением и имеет ответный уплотнительный элемент на муфте, перечисленные уплотнительные элементы выполнены в виде конуса и имеют угол относительно оси резьбы, возрастающий в сторону конической резьбы, торцевое уплотнение выполнено на участке между радиальным коническим уплотнением ниппеля и внутренним диаметром тела трубы под углом к нормали оси резьбы и имеет ответный уплотнительный элемент на муфте, при этом угол торцевого уплотнительного элемента ϕ1 относительно нормали к оси резьбы ниппеля меньше угла соответствующего торцевого уплотнительного элемента ϕ2 на муфте, а угол радиального уплотнительного элемента ϕ3 относительно оси резьбы ниппеля так же меньше угла соответствующего радиального уплотнительного элемента ϕ4 на муфте, причем ϕ2-ϕ1≠ϕ4-ϕ3, при этом острая кромка торцевого упорного уступа муфты скруглена таким образом, что окружность округления расположена по касательной к поверхности торцевого уплотнительного элемента муфты, а центр радиуса данной окружности находится на линии внутреннего диаметра муфты вдоль оси соединения, причем радиус скругления не менее 2 мм.

Сущность заявленной полезной модели поясняется эскизами:

Фиг. 1 Газогерметичное резьбовое соединение с герметизирующим уплотнением типа «металл-металл»;

Фиг. 2 Положение уплотнительных поверхностей герметизирующего уплотнения после сборки известного резьбового соединения с указанием образования точек максимального контактирования и зазоров;

Фиг. 3 Положение уплотнительных поверхностей герметизирующего уплотнения после сборки заявленной полезной модели;

Фиг. 4 Конструкция уплотнительного элемента заявленной полезной модели;

Фиг. 5 Скругление на торцевом уступе муфты.

Основные элементы заявленной полезной модели имеют одинаковые конструктивные решения с известным резьбовым соединением, которые изображены на фиг. 1. К основным элементам относятся, муфта 1 и ниппель 10. На муфте выполнена трапецеидальная неравнобокая коническая резьба 2, на ниппеле выполнена подобная резьба 9. Так же, имеется переходный участок от резьбы к уплотнению «металл-металл» 3 на муфте и переходный участок 6 на ниппеле. Муфта имеет радиальное коническое уплотнение (расточка) 4, ниппель имеет ответную часть радиального конического уплотнения 7. На муфте расположен торцевой упорный уступ 5, контактирующий с торцевым уплотнением 8 ниппеля. Конусность резьбы одинакова у обоих соединений.

В процессе сборки известного резьбового соединения изначально в зацепление входит резьба ниппеля и муфты, в процессе вращения по винтовой поверхности резьбы происходит осевое перемещение ниппеля относительно муфты в сторону уменьшения расстояния между упорным уступом муфты и торцевым уплотнением ниппеля. Впоследствии происходит радиальный контакт по виткам ниппеля и муфты, что при дальнейшем свинчивании обуславливает радиальный натяг по резьбе. Последующим этапом свинчивания является первоначальное контактирование по радиальным уплотнениям ниппеля и муфты, при продолжении свинчивания образуется радиальный натяг по данному уплотнению. Образование радиального натяга обуславливает поджатие конической расточкой муфты радиального уплотнения ниппеля, что характеризуется прогибом уплотнения вовнутрь и изменением угла контакта по радиальному коническому уплотнению. В результате чего, в момент контакта по торцевым плоскостям, угол торцевого уплотнения ниппеля изменяется на угол, отличный от угла упорного уступа муфты, который в свою очередь остается неизменным, и контакт происходит не по всей поверхности уплотнения, а по радиусу, сопрягающему коническое и торцевое уплотнение ниппеля. При этом после окончания сборки соединения по внутреннему диаметру торцевого уплотнения ниппеля и торцевого уступа муфты остается зазор (фиг. 2).

Известная конструкция обуславливает наличие точечных контактов по уплотнению, в которых возникают высокие контактные давления, провоцирующие задиры и возникновение пластических деформаций, «докрепление» резьбового соединения в таком случае только усугубляет ситуацию. При сборке такого соединения возникает риск образования задиров, что снижает вероятность повторного свинчивания. К тому же в процессе промышленной эксплуатации за счет цикличных температурных расширений и сжатий материала соединения в результате температурных перепадов существует риск ускоренной разгерметизации по уплотнению. Зазор, образующийся по внутреннему диаметру сопряжения торцевого уплотнения, допускает беспрепятственное проникновение агрессивных сред между упорным уступом муфты и торцом ниппеля, что приводит к образованию коррозионных изменений на герметизирующих поверхностях и более раннему выходу уплотнения из рабочего состояния.

Для исключения вышеуказанного недостатка в заявленной полезной модели углы контактирующих уплотнительных поверхностей выполнены таким образом, что ϕ₁<ϕ₂ относительно нормали к оси резьбы, а ϕ₃<ϕ₄ относительно оси резьбы, причем, справедливо неравенство ϕ₂-ϕ₁≠ϕ₄-ϕ₃ (фиг. 3). Это приводит к уменьшению отклонений друг от друга герметизирующих поверхностей в момент окончательной сборки соединения, что способствует изменению формирования пятен контакта в сторону более полного соприкосновения (фиг. 4). Более того, для избегания повреждения торцевого уплотнения ниппеля острым углом, расположенным на упорном уступе муфты, которое может существенно сказаться на количестве возможных свинчиваний и развинчиваний, а так же на герметичности, на данном уступе выполнено скругление (фиг. 5) радиусом не менее 2х мм. Окружность скругления расположена по касательной к поверхности упорного уступа муфты, а центр радиуса данной окружности находится на линии внутреннего диаметра муфты вдоль оси соединения. В результате применения подобного радиуса скругления повышается герметичность, износостойкость и сопротивление ускоренной коррозии герметизирующего уплотнения соединения.

Пример осуществления полезной модели.

Высокогерметичное муфтовое соединение нефтепромысловых труб, включающее охватываемую и охватывающую конические сопрягаемые детали, имеющие коническую неравнобокую трапецеидальную резьбу, а так же радиальные и торцевые уплотнительные элементы, опорная грань резьбового профиля выполнена в виде отрицательного угла, причем радиус сопряжения опорной грани и вершины витка охватывающей детали больше радиуса сопряжения опорной грани и впадины витка охватываемой детали, по данным радиусам, а так же по вершинам и закладным граням витков резьбы охватываемой детали после сборки соединения обеспечены технологические зазоры, радиальное уплотнение охватываемой детали выполнено на участке между резьбой и телом трубы и имеет ответный уплотнительный элемент на охватывающей сопрягаемой детали, перечисленные уплотнительные элементы выполнены в виде конуса и имеют угол относительно оси резьбы, возрастающий в сторону конической резьбы, торцевое уплотнение выполнено на участке между радиальным коническим уплотнением охватываемой детали и внутренним диаметром тела трубы под углом к нормали оси резьбы и имеет ответный уплотнительный элемент на охватывающей детали.

Конусность резьбы ниппеля и муфты составляет 1:16. Величина угла конусной расточки радиального уплотнения муфты 20° относительно оси резьбы. Угол торцевого уступа муфты 15°, относительно нормали к оси резьбы.

Величина угла конусной части радиального уплотнительного элемента ниппеля 18° относительно оси резьбы, а угол торца ниппеля равен 8° относительно нормали к оси резьбы. Радиус, сопрягающий упорный уступ муфты и линию внутреннего диаметра муфты равен 2 мм причем, центр радиуса находится на линии по внутреннему диаметру муфты.

Согласно разработанной методике определения НДС и контактных напряжений в резьбовых соединениях был произведен расчет контактных напряжений по линиям сопряжения деталей, а так же определены соотношения контактных площадей.

В части площади контакта, для прототипа плотный контакт создающий герметизирующие контактные давления по сопрягаемым поверхностям в радиальном коническом уплотнении собранного резьбового соединения составляет 50-60%, для представленной полезной модели сопряжение составляет около 100%. Для торцевого уплотнения прототипа площадь контакта составляет 60-70% от всей поверхности, для представленной полезной модели около 100%. Причем, в существующем соединении контактные напряжения в локальных точках превышают значения предела прочности для рассчитываемого материала, в представленной полезной модели локализации напряжений превышающих предел прочности не возникает, а преобладающие контактные напряжения находятся в границе предела текучести.

Claims (1)

1. Высокогерметичное муфтовое соединение нефтепромысловых труб, включающее охватываемую (ниппель) и охватывающую (муфта) конические сопрягаемые детали, имеющие коническую трапецеидальную резьбу, а также радиальные и торцевые уплотнительные элементы, опорная грань резьбового профиля выполнена в виде отрицательного угла, радиальное уплотнение ниппеля выполнено на участке между резьбой и торцевым уплотнением и имеет ответный уплотнительный элемент на муфте, перечисленные уплотнительные элементы выполнены в виде конуса и имеют угол относительно оси резьбы, возрастающий в сторону конической резьбы, торцевое уплотнение выполнено на участке между радиальным коническим уплотнением ниппеля и внутренним диаметром тела трубы под углом к нормали оси резьбы и имеет ответный уплотнительный элемент на муфте, отличающееся тем, что угол торцевого уплотнительного элемента ф₁ относительно нормали к оси резьбы ниппеля меньше угла соответствующего торцевого уплотнительного элемента ф₂ на муфте, при этом угол радиального уплотнительного элемента ф₃ относительно оси резьбы ниппеля так же меньше угла соответствующего радиального уплотнительного элемента ф₄ на муфте, причём

   

   а острая кромка торцевого упорного уступа муфты скруглена таким образом, что окружность скругления расположена по касательной к поверхности торцевого уплотнительного элемента муфты, а центр радиуса данной окружности находится на линии внутреннего диаметра муфты вдоль оси соединения, причём радиус скругления не менее 2мм.

   

Images