Настоящее изобретение относится к области нефтяной и газовой промышленности, а более точно к системе резьбового соединения, которые используются в индустрии для образования трубопроводов добычи жидкотекучих полезных ископаемых или производственных трубопроводов, а также для формирования колонн обсадных труб, используемых при разработке или эксплуатации месторождений нефти или природного газа. Данное изобретение касается также труб для любого другого применения, где могут возникнуть проблемы того же типа, например, решение геометрических задач или построение паропроводов.
При создании трубопроводов упомянутых выше типов возникают многочисленные трудности, связанные с необходимостью обеспечения герметичности соединений между концами отдельных труб, причем эти трубы обычно являются металлическими.
Наиболее широко используемые системы соединения металлических труд содержат обычно конические резьбовые участки на концах этих труб, которые дают возможность при очень небольшом числе оборотов в процессе навинчивания обеспечить стабильное сжатие соединяемых труб и характеризуются при этом превосходными механическими характеристиками без всякого риска саморазвинчивания сформированного соединения.
В то же время подобные резьбовые соединения оказываются практически не способными обеспечить герметичность формируемого соединения, поскольку нефть или газ, циркулирующие по данному трубопроводу под высоким давлением, легко приникают вдоль витков соединительной резьбы через имеющиеся в них зазоры. Использование густых смазочных материалов, заправленных наполнителем, представляющим собой порошок весьма тонкого помола, состоящий из твердых частиц различной природы, существенно снижает эти утечки, но не может исключить их полностью.
Известны способы обеспечения герметичности подобных соединений благодаря использованию кольцевых упорных и опорных зон, выполненных при помощи механической обработки на каждом из соединяемых элементов. Упомянутые кольцевые зоны позволяют обеспечить при помощи сжатия, сопровождаемого достаточной упругой деформацией, реализацию вполне герметичного контакта метала с металлом. В настоящее время известны различные способы соединений резьбовых элементов с наружной и внутренней резьбой, позволяющие обеспечить вполне герметичные связи металла с металлом с достаточно высокими характеристиками. Такой, например, является система соединения, описанная в европейском патенте EP 0488912 А3. Конический резьбовой охватываемый элемент содержит упорную зону, образованную вогнутой конической поверхность, причем эта зона упирается во внутреннюю выпуклую коническую поверхность. Выпуклая опорная коническая поверхность, примыкающая к упомянутому охватываемому упору, одновременно входит в контакт с внутренней вогнутой конической поверхностью сопрягаемого элемента.
В соответствии с европейским патентом EP 488912 в аналогичной системе соединения предусмотрена направляющая поверхность, позволяющая исключить весьма распространенную опасность повреждения упомянутой наружной или охватываемой опорной поверхности в результате случайного зацепления этой поверхности за внутреннюю резьбу в процессе введения охватываемого элемента данного соединения внутрь охватывающего элемента.
Реализованные подобным образом системы соединения, хотя они и характеризуются хорошей герметичностью стыков, обладают существенным недостатком, который состоит в необходимости выполнения в зоне соединения значительных утолщений.
Были предложены и другие варианты технического решения упомянутой проблемы, однако и они могут быть признаны вполне удовлетворительными.
Так, в европейском патенте EP 0027771 А1 описывается система соединения труб при помощи муфты, внутри которой фронтальные кромки двух охватываемых элементов концов соединяемых между собой труб упираются друг в друга. Кроме того, упомянутым фронтальным кромкам соединяемых концов труб придается вогнутый конический профиль, который способствует раздутию или распиранию концов упомянутых охватываемых концов труб, которые вследствие этого упираются во внутреннюю стенку упомянутой муфты, имеющую в средней зоне этой муфты цилиндрическую форму. В этом патенте описываются различные специальные профили, которые позволяют в еще большей степени усовершенствовать, с одной стороны, герметичность контакта соединяемых элементов, реализуемого в зоне расположения упомянутых фронтальных кромок, а с другой стороны, герметичность контакта между внутренней цилиндрической стенкой соединительной муфты и располагающимися против этой стенки боковыми поверхностями охватываемых данной муфтой элементов, примыкающими к упомянутым фронтальным кромкам.
Такой тип трубного соединения дает возможность эффективно уменьшить толщину соединительной муфты и упростить механическую обработку ее внутренней поверхности. Однако описанная система соединения обладает по меньшей мере двумя существенными недостатками. Во-первых, упорные поверхности, которые в предпочтительном варианте реализации являются коническими, пластически деформируются на своих боковых кромках в процессе сжатия стыка, и многочисленные операции свинчивания и развинчивания соединения такого типа усугубляют эти деформации вплоть до нарушения герметичности упора соединяемых элементов друг в друга, а также нарушения герметичности боковых поверхностей этих элементов, опирающихся на внутреннюю поверхность соединительной муфты. И во-вторых, в том случае, когда формируется длинная вертикально расположенная колонна соединяемых таким образом труб, осевое усилие растяжения, связанное с весом этой колонны, может достигать таких величин, под действием которых упорный контакт в стыке ослабляется или исчезает совсем, причем одновременно то же самое происходит и с боковыми поверхностями опоры на внутреннюю поверхность соединительной муфты, для которых радиальное давление, оказываемое концевой зоной данного охватываемого элемента, прекращается, когда исчезает эффект упора.
В заявке на патент Великобритании GB 2146085 A, F 16 L 15/04, 1985, описывается резьбовая система соединения для труб, применяемых, в частности, для паропроводов, газопроводов или нефтепроводов, работающих под высоким давлением.
В этой заявке воспроизведены основные характеристики, использованные в уже упоминавшейся выше заявке EP 27771. Аналогичным образом здесь фронтальные кромки двух охватываемых элементов вследствие их вогнутой конической формы упираются своим наружным краем во внутреннюю поверхность соединительной муфты. По мере сжатия такого стыка с достаточно большим усилием воронкообразное раскрытие, которым обладают эти кромки в направлении изнутри, снова закрывается одновременно с расширением и упирается во внутреннюю стенку соединительной муфты в ее средней зоне.
Зоны упора фронтальных кромок двух соединяемых элементов друг в друга образует, как и в случае упомянутой заявки EP 27771, первую зону герметизации, а радиальный контакт соединяемых элементов с внутренней стенкой муфты, возникающий в результате обжатия упомянутого выше упора, образует вторую зону герметизации. Специальные заплечики позволяют ограничить осевое перемещение каждого из охватываемых элементов внутри соединительной муфты.
Система соединения труб в соответствии с упомянутой заявкой на патент Великобритании характеризуется практически теми же преимуществами и теми же недостатками, что и процитированная ранее заявка на европейский патент EP.
Имея в виду описанный выше тип соединения труб, следует отметить, что в этом случае практически невозможно исключить явления заедания или заклинивания стыка, а также избежать пластической деформации фронтальных кромок охватываемых элементов соединяемых между собой труб в процессе их свинчивания даже в том случае, если заменить вогнутые конические кромки на кромки закругленной формы. Кроме того, представляется весьма трудным делом обеспечить достаточное по величине и воспроизводимое перемещение стенок соединяемых элементов в радиальном направлении для того, чтобы заполнить кольцевое пространство, существующее между внутренней стенкой соединительной муфты и располагающимися против нее стенками охватываемых элементов соединяемых труб, примыкающими к упомянутым фронтальным кромкам.
Характерной особенностью данной системы соединения труб также является то, что в случае, когда растягивающее усилие от длинной колонны соединяемых таким образом труб становится слишком большим, как первая, так и вторая зоны герметизации полностью утрачивают свою герметичность.
С учетом приведенной выше информации были предприняты поиски возможностей сохранения преимуществ, которыми обладает соединительная муфта относительно небольшой толщины типа той соединительной муфты, которая описана в двух последних описанных выше документах. Действительно, эти преимущества являются следствием ликвидации утолщенных наконечников, в которых механически протачивались упоры и опорные поверхности, описанные в документах типа заявки на европейский патент EP 488912, процитированной выше.
В этой связи были предприняты поиски главным образом возможностей практической реализации достаточно экономичных трубных соединений, содержащих две ступени герметизации, обеспечиваемые взаимным упором друг в друга соединяемых элементов, с одной стороны, и опорой на некоторый третий элемент системы соединения, с другой стороны. При этом речь должна идти о системах соединения труб, в которых разжатие взаимного упора состыкованных элементов, вызванное, например, слишком большим весом объединенной колонны труб, не будет иметь непосредственного влияния на уровень герметичности упомянутой выше опорной поверхности.
Были также предприняты попытки найти возможность устранения опасности быстрого нарушения качества контакта металла с металлом, реализуемого между упомянутыми выше фронтальными кромками охватываемых муфтой стыкуемых между собой элементов в процессе осуществления повторяющихся циклов свинчивания и развинчивания этих охватываемых элементов стыка.
Были также осуществлены попытки сформировать вторую зону герметизации ограниченной в осевом направлении длины для того, чтобы упростить требуемую механическую обработку элементов стыка. При этом ставилась задача, чтобы данная система соединения труб не требовала существенного увеличения толщины соединительной муфты и степень герметичности, получая в этой второй зоне обеспечения общей герметичности данного стыка, не изменялась существенным образом в случае возможного разжатия первоначально созданного упорного контакта между фронтальными кромками охватываемых муфтой концов соединяемых в данном случае труб.
И еще были предприняты попытки разрешить определенным и воспроизводимым образом проблему осуществления точного и воспроизводимого осевого замыкания или заклинивания двух упомянутых выше охватываемых элементов, упирающихся друг в друга своими фронтальными кромками внутри соединительной муфты, исключая при этом опасность недостаточно плотного или, наоборот, слишком плотного свинчивания стыка между упомянутыми охватываемыми элементами.
Система резьбового соединения для труб в соответствии с предлагаемым изобретением содержит соединительную муфту, оба конца которой снабжены гнездами или отверстиями с внутренней резьбой. В эти гнезда или отверстия могут быть ввинчены охватываемые концы двух труб с наружной резьбой, о соединении которых идет речь в данном случае. Конец каждой из этих соединяемых труб содержит фронтальную кромку или стенку, внутренняя сторона которой в случае необходимости содержит закругление определенного радиуса или скошенный угол. Длина конца каждой трубы, снабженного наружной резьбой, в осевом направлении определяется таким образом, чтобы в процессе завинчивания этих элементов стыкуемых труб в соответствующие отверстия или гнезда соединительной муфты, снабженные внутренней резьбой, фронтальные кромки или стенки этих концов плотно упирались друг в друга. Обжатый соответствующим образом механический контакт между двумя этими упорными поверхностями или кромками образует в предпочтительном варианте герметичный контакт металла с металлом. Установлению этого герметичного контакта предшествует установление другого и также герметичного контакта металла с металлом, реализуемого между кольцевым участком периферийной стенки упомянутого охватываемого конца соединяемых между собой труб, в предпочтительном варианте практической реализации прилегающим к упомянутой фронтальной поверхности или фронтальной кромке, и соответствующей кольцевой зоной внутренней стенки соединительной муфты. Две этих кольцевых зоны охватываемых концов соединяемых между собой труб и соединительной муфты имеют конические поверхности, образующие которых наклонены определенным образом по отношению к продольной оси упомянутой соединительной муфты.
В предпочтительном варианте реализации образующие этих конических поверхностей составляют с продольной осью данного стыка угол, величина которого может изменяться в пределах от 5 до 25o, причем в предпочтительном варианте эти образующие являются параллельными друг другу в их средней зоне. Однако на своих концах упомянутые конические поверхности могут содержать искривления, предназначенные для соединения с прилегающими к ним поверхностям соответствующих стенок. Упомянутые конические поверхности ориентированы таким образом, чтобы их диаметры уменьшались по мере приближения к средней части соединительной муфты. Эти конические поверхности размещаются и их размерные параметры определяются таким образом, чтобы упомянутая коническая поверхность каждого охватываемого конца соединяемых в данном случае труб входила в контакт с соответствующей внутренней поверхностью муфты в процессе ввинчивания данного элемента в отверстие муфты и чтобы взаимодействие между двумя этими поверхностями приводило к созданию конической опорной поверхности обеспечения герметичности контакта металла с металлом.
Длина образующей этих конических опорных поверхностей герметизации в предпочтительном варианте реализации имеет величину в диапазоне от 0,5 мм до 5 мм. Характеристики герметичности упомянутых конических опорных поверхностей зависят от достигаемого уровня механических напряжений, состояния входящих в контакт поверхностей и от характеристик используемых в данном случае покрытий и/или смазочных материалов. Упомянутые покрытия и/или смазочные материалы в предлагаемой системе соединения труб играют особенно важную роль в тех случаях, когда выполняемые соединения в процессе эксплуатации будут подвергаться многочисленным циклам свинчивания и развинчивания по тем или иным причинам.
Использование таких конических опорных поверхностей, характеризующихся очень короткими образующими, облегчается путем точного расположения в осевом направлении каждого охватываемого элемента участвующей в соединении трубы внутри соединительной муфты с тем, чтобы плоскость упора друг в друга фронтальных кромок двух соединяемых труб находилась строго в том самом месте, где геометрия данного стыка обеспечивает максимум его эффективности, то есть в зоне со строго определенными допусками по отношению к средней плоскости соединительной муфты, причем такое позиционирование должно быть воспроизводимым в процессе свинчивания данного соединения.
Для достижения этой цели на соединительной муфте и на соединяемых между собой трубах используется система стопорных заплечиков или выступов, которая располагается на соединительной муфте в предпочтительном варианте реализации в окрестности внутренних поверхностей обеспечения герметизации. На соединительной муфте располагаются предпочтительно два таких выступа или заплечика, расположенных на одинаковых расстояниях от средней плоскости данной муфты. Однако предлагаемая резьбовая система соединения может содержать только один заплечик или выступ, располагающийся с одной стороны муфты и соответствующий вставлению и расположению при помощи ввинчивания только одного охватываемого конца трубы. Каждый из этих выступов или заплечиков снабжен кольцевой стопорной поверхностью, ориентированной таким образом, чтобы она противостояла поступательному движению вперед соответствующего охватываемого конца трубы в процессе его ввинчивания в соединительную муфту.
Со своей стороны, каждый охватываемый конец трубы содержит один заплечик или выступ, снабженный кольцевой стопорной поверхностью, соответствующей кольцевой стопорной поверхности муфты таким образом, чтобы продвижение вперед этого охватываемого элемента в процессе его ввинчивания в отверстие муфты было заблокировано соответствующим выступом или заплечиком этой муфты. В том случае, когда на данной соединительной муфте имеются два стопорных выступа, осевое расстояние между кольцевыми стопорными поверхностями охватываемых элементов, когда эти элементы находятся в положении упора друг в друга, определяется с учетом допусков на механическую обработку таким образом, чтобы оно немного превышало расстояние между кольцевыми стопорными поверхностями выступов или заплечиков, жестко связанных с муфтой. Это необходимо для того, чтобы при нормальном функционировании данной системы соединения между этими стопорными поверхностями существовал определенный зазор в положении, когда фронтальные кромки охватываемых элементов упираются друг в друга.
Таким образом, описанные выше выступы или заплечики не могут помешать двум охватываемым элементам, ввинчиваемым в соединительную муфту, упереться друг в друга.
Способ соединения двух труб в соответствии с предлагаемым изобретением состоит в ввинчивании первого охватываемого конца первой из соединяемых труб в отверстие соединительной муфты до достижения взаимодействия между двумя коническими поверхностями герметизации и последующей блокировки дальнейшего поступательного движения вперед охватываемого конца трубы при помощи первой пары соответствующих стопорных выступов или заплечиков. В этот момент фронтальная стенка этого первого охватываемого конца оказывается расположенной немного дальше места нахождения средней плоскости данной соединительной муфты, пройдя это место.
После этого осуществляется ввинчивание второго охватываемого конца трубы второй из двух соединяемых в данном случае труб, во второе отверстие соединительной муфты до достижения механического взаимодействия между двумя коническими поверхностями герметизации, после чего две концевые фронтальные стенки двух соединяемых труб упираются друг в друга. Если продолжать ввинчивание второго охватываемого конца в отверстие муфты и дальше, то происходит небольшой упругий отход назад первого охватываемого конца без нежелательных последствий с точки зрения герметичности, обеспечиваемой коническими поверхностями, а затем, в случае необходимости, блокировка дальнейшего продвижения при помощи второй пары стопорных выступов или заплечиков.
Описанный выше образ действий при осуществлении соединения труб гарантирует свинчивание стыка в оптимальных условиях при обеспечении определенной степени герметичности на уровне упирающихся друг в друга фронтальных стенок двух труб и особенно - превосходной герметичности на уровне конических поверхностей герметизации.
Для получения наилучших результатов в смысле характеристик, требуемых от системы соединения труб упомянутого выше назначения, и без всякого риска чрезмерного сжатия упирающихся друг в друга поверхностей достаточно с большой тщательностью отрегулировать расположение системы стопорных выступов или заплечиков, задача которой состоит не в том, чтобы обеспечить создание дополнительной герметизации, но в том, чтобы обеспечить возможность точного центрирования предлагаемой системы соединения труб. Вообще геометрия данной системы соединения рассчитывается таким образом, чтобы с учетом производственных допусков не доводить дело до блокировки дальнейшего перемещения в осевом направлении второго охватываемого конца трубы на второй паре стопорных выступов или заплечиков при сборке данного стыка в нормальных условиях, то есть в условиях, когда практически используются только кольцевые стопорные поверхности, которые находятся на одной стороне данной соединительной муфты. Таким образом, с точки зрения практичности можно использовать соединительные муфты, имеющие стопорный выступ или заплечик только с одной стороны. Хотя следует отметить, что в этом случае только тот охватываемый конец трубы, который предназначен для завинчивания в резьбовое отверстие соединительной муфты с той ее стороны, которая оснащена стопорным выступом или заплечиком, должен быть снабжен соответствующим ответным стопорным выступом или заплечиком, будут приняты меры в предпочтительном варианте реализации предлагаемой системы соединения для того, чтобы получить такую геометрию соединительной муфты со стороны ее, которая лишена стопорного выступа или заплечика, чтобы обеспечить возможность завинчивания с этой ее стороны любого охватываемого конца трубы независимо от того, снабжен этот элемент стопорным выступом или нет.
В этом случае можно предусмотреть наличие упомянутого стопорного выступа или заплечика на всех концевых охватываемых концах соединяемых между собой труб, хотя данная соединительная муфта будет оснащена соответствующим стопорным выступом или заплечиком только с одной стороны.
В соответствии с предпочтительным вариантом реализации способа в том случае, когда данная соединительная муфта содержит упомянутый выше выступ или заплечик стопорения только с одной стороны, резьбовое соединение труб в соответствии с предлагаемым изобретением будет реализовано или практически осуществлено путем точного расположения соответствующего охватываемого конца одной из соединяемых в данном случае труб в соединительной муфте с той ее стороны, которая снабжена в данном случае упомянутым стопорным выступом или заплечиком, в заводских условиях или в условиях специально оборудованной мастерской, причем другой охватываемый конец второй из соединяемых в данном случае труб завинчивается и располагается соответствующим образом для осуществления полноценного соединения, обладающего заданными характеристиками, непосредственно на той производственной площадке, где осуществляется использование данных труб.
Однако из соображений практического характера предпочтительный вариант технического решения данной проблемы состоит в том, чтобы использовать соединительную муфту, содержащую с обеих сторон два симметрично расположенных стопорных выступы или заплечика, причем такая соединительная муфта может быть использована с любой из двух своих сторон при том, что осевые расстояния между соответствующими выступами или заплечиками будут соответствующим образом рассчитаны так, как было описано выше.
Фронтальная стенка или фронтальная кромка, располагающаяся на каждом из концевых охватываемых элементов соединяемых в данном случае труб, может быть плоской или не быть таковой. В том случае, когда эта фронтальная плоскость или кромка является плоской, она располагается перпендикулярно по отношению к оси данной трубы. Эта кромка может также характеризоваться небольшой конусностью, составляющей несколько градусов, или доли градуса по отношению к плоскости, перпендикулярной по отношению к оси данной трубы, или же иметь другую форму. В предпочтительном варианте выполнение изобретения общая упорная поверхность двух фронтальных кромок охватываемых концов труб в окончательно свинчиваемом положении данного соединения труб является плоской и перпендикулярной продольной оси данной соединительной муфты. Именно такая общая упорная плоская поверхность, перпендикулярная продольной оси создаваемого соединения, может быть получена исходя из первоначального наличия плоских фронтальных кромок или стенок, являющихся перпендикулярными по отношению к продольной оси, на каждом концевом охватываемом элементе, или же путем упругой деформации имеющих коническую форму фронтальных стенок или кромок, имеющих относительно небольшой угол наклона по отношению к плоскости, перпендикулярной к упомянутой выше оси, которая под действием упомянутого контактного давления, скомбинированного с деформацией концевой части упомянутого охватываемого конца трубы, порождает возникновение общей упорной поверхности в положении, предполагаемым плоским и перпендикулярным продольной оси данной соединительной муфты.
Нарезание резьбы может быть коническим и в этом случае может характеризоваться в соединительном состоянии взаимодействием позитивного, негативного или нейтрального типа. Упомянутая выше резьба может быть также цилиндрической. В предпочтительном варианте реализации в том случае, когда упомянутая выше резьба является конической, может быть использовано резьбовое соединение с положительным или позитивным взаимодействием, причем это соединение обеспечивает в свинченном состоянии надлежащую радиальную связь между наружной и внутренней резьбами стыкуемых элементов. В том, что касается стопорных выступов или заплечиков, как это будет видно из описываемых ниже примеров практической реализации предлагаемого изображения, многие места их расположения являются принципиально возможными. И хотя наиболее приближенные положения имели определенное предпочтение, можно также рассматривать определенное удаление упомянутых выступов или заплечиков, располагая их, например, на половине длины резьбовых частей охватываемой и охватывающей частей данного резьбового соединения, выполненных, например, цилиндрическими, могущими иметь различные диаметры и разделенными кольцевой поверхностью, образующей стопорный выступ или заплечик.
Наиболее предпочтительный вариант практической реализации резьбового соединения труб в соответствии с предлагаемым изобретением позволяет удерживать герметичность контакта металла с металлом, реализованного между выпуклыми коническими поверхностями охватываемых элементов, принадлежащих соединяемым в данном случае трубам, и соответствующими вогнутыми поверхностями конической формы, принадлежащими соединительной муфте, несмотря на весьма тяжелые условия эксплуатации таких трубных стыков и выполнение многочисленных циклов развинчивания и последующего свинчивания в процессе эксплуатации таких резьбовых соединений.
В соответствии с этим вариантом практической реализации предлагаемого изобретения каждая выпуклая коническая поверхность соединена своим концом большого диаметра с предпочтительно цилиндрической поверхностью, которая обеспечивает связь со стопорным выступом или заплечиком посредством соединительной тороидальной кольцевой поверхности.
В этом случае образующая выпуклой конической поверхности предпочтительно имеет длину в диапазоне от 1 до 5 мм, а в наиболее выгодном варианте - величину 2 ± 1 мм, и наклон по отношению к продольной оси стыка в диапазоне от 5o до 25o. Образующая тороидальной присоединительной поверхности имеет радиус в диапазоне от 1 до 25,4 мм, а в предпочтительном варианте этот радиус имеет величину в диапазоне от 4 до 8 мм. Раскрытие дуги этой образующей в случае соединения с цилиндрической поверхностью равно наклону выпуклой конической поверхности. На своем конце наименьшего диаметра эта выпуклая коническая поверхность соединяется с фронтальной стенкой охватываемого элемента в предпочтительном варианте реализации при помощи тороидальной поверхности, образующая которой обычно имеет радиус несколько меньше указанных выше размеров.
Вогнутая коническая поверхность муфты, которая должна взаимодействовать с выпуклой конической поверхностью охватываемого элемента, имеет тот же самый угол наклона образующей, но несколько большую по сравнению с ней длину. Ее входной конец с диаметром, превышающим диаметр соответствующего конца выпуклой конической поверхности, соединяется при помощи цилиндрической в предпочтительном варианте реализации поверхности с охватывающим стопорным выступом или заплечиком.
Следует отметить, что выбирая соответствующим образом размерные параметры и угол наклона выпуклой и вогнутой конических поверхностей, а также основной радиус сопряжения выпуклой конической поверхности с цилиндрической поверхностью, располагающейся на входе, и второстепенный радиус сопряжения этой конической выпуклой поверхности с фронтальной стенкой, можно получить наилучшее распределение механических напряжений между прижимаемыми друг к другу поверхностями в процессе затяжки данного стыка путем завинчивания каждого охватывающего элемента соединяемых труб в соответствующее отверстие соединительной муфты.
Можно отметить, в частности, что после свинчивания данного трубного стыка и стягивания выпуклой и вогнутой конических поверхностей максимальное напряжение сжатия развивается между концевой зоной большого диаметра выпуклой конической поверхности и вогнутой конической поверхностью, в которую упирается эта относительно узкая выпуклая поверхность. Перемещение при свинчивании стыка охватываемого конца трубы вдоль оси, являющейся общей для этого элемента и для соединительной муфты, заставляет эту зону высокого давления скользить вдоль вогнутой конической поверхности и распределяет износ на части поверхности муфты, которая покрыта специальным защитным слоем.
Это распределение износа упомянутого защитного слоя в относительно широкой зоне позволяет весьма значительным образом продлить срок его службы и уменьшить или отсрочить таким образом опасность отрыва или задиров металла. Напротив того, локализованный износ выпуклой конической поверхности, которая не обладает какими-либо специальными средствами защиты, не представляет тех же недостатков. Как уже было сказано выше, геометрия концевой зоны охватываемого конца трубы и соединительной муфты подобрана таким образом, чтобы в том случае, когда фронтальная стенка охватываемого элемента трубы в процессе его завинчивания в соответствующее отверстие соединительной муфты достигает средней плоскости этой муфты, располагающейся между двумя отверстиями с внутренней резьбой, сжатие, реализуемое между двумя сопряженными коническими поверхностями этих элементов создаваемого стыка, обеспечивает превосходную герметичность в контакте металла с металлом. Эта герметичность поддерживается путем осуществления фронтального сжатия торцов двух охватываемых концов труб, упирающихся друг в друга в окрестности упомянутой средней плоскости муфты.
Как было указано выше, положение взаимодействующих друг с другом парных стопорных выступов или заплечиков, располагающихся соответственно на охватываемом и на охватывающем элементах данного соединения с каждой стороны данной соединительной муфты, определяется таким образом, чтобы соответствующие стопорные поверхности не могли одновременно находиться в контакте с каждой стороны муфты. На практике общий зазор между этими парами стопорных поверхностей устанавливают таким образом, чтобы он имел величину порядка от 0,1 до 0,5 мм. Соединительная муфта может содержать только один стопорный выступ или заплечик. В этом случае выходной конец, располагающийся со стороны присоединительной резьбы, вогнутой конической поверхностью сопрягается при помощи некоторой поверхности, имеющей форму, адаптированную к внутренней резьбе. В предпочтительном варианте реализации кольцевое пространство, которое в процессе нарезания внутренней резьбы в соединительной муфте позволяет вводить или выводить режущий инструмент, специально предусматривается в пространстве, реализованном между упомянутыми стопорными выступами или заплечиками и началом упомянутой внутренней резьбы.
Ниже приводится описание, не являющееся ограничительным, примеров практической реализации резьбового соединения для металлических труб в соответствии с предлагаемым изобретением, а также его технических характеристик и способов реализации данной системы соединения, в котором даются ссылки на приведенные в приложении схематические фигуры.
Фиг. 1 изображает разрез схематический вид системы соединения труб в соответствии с предлагаемым изобретением, причем представлена только верхняя часть симметричного относительно продольной оси соединения; фиг. 2 - разрез средней зоны предлагаемой системы соединения, показанного на фиг. 1, перед окончательным стягиванием соединяемых труб; фиг. 3 - разрез средней зоны системы соединения, показанной на фиг. 2, после окончательного сжатия или стягивания соединяемых труб; фиг. 4 - разрез системы соединения труб, содержащей сближенные выступы или заплечики стопорения; фиг. 5 - разрез системы соединения труб, содержащей стопорные выступы или заплечики, размещенные между отрезками резьбовых частей с различными диаметрами; фиг. 6 - разрез системы соединяемых труб, содержащей конические поверхности герметизации стыка, в котором выпуклая коническая поверхность продолжена с выходной стороны тороидальной поверхностью.
На фиг. 1 схематическим образом и в продольном разрезе представлена система резьбового соединения 1 труб в соответствии с предлагаемым изобретением. Ось XI - XI, располагающаяся в плоскости чертежа, представляет собой продольную ось данного соединения, причем на упомянутой фигуре показана только верхняя половина такого соединения.
Соединение труб резьбового типа содержит охватываемые концы 2 и 3 труб, изготовленных из металла и не представленных на фиг. 1. Эти охватываемые концы 2 и 3 содержат конические резьбовые участки 4, 5, взаимодействующие с соответствующими участками внутренней конической резьбы 8, 9 в отверстиях соединительной муфты 10. Упомянутые резьбовые участки в предпочтительном варианте выполнения изобретения имеют наклон, величина которого может составлять от 2,5% до 10% по отношению к продольной оси XI - XI, и соответствуют, в предпочтительном варианте, тому типу конического резьбового соединения, которое называют соединением с положительным или позитивным взаимодействием. Этот тип конического резьбового соединения обеспечивает в свинченном и затянутом состоянии практически безлюфтовую радиальную связь между охватываемыми концами труб, имеющими наружную коническую резьбы, и охватывающими их отверстиями или ложементами, имеющими внутреннюю коническую резьбу.
Кольцевые фронтальные стенки 11, 12 каждого из упомянутых охватываемых концов 2, 3 труб имеют плоскую поверхность кольцевой формы, перпендикулярную продольной оси каждого охватываемого конца, которая после свинчивания и затяжки резьбового соединения труб совпадает с осью XI - XI.
На фиг. 2 и 3 схематически представлены в увеличенном масштабе средняя зона 13 резьбового соединения 1 труб в разрезе в различных положениях в процессе сборки данного соединения. В положении, показанном на фиг. 2, охватываемые концы 2 и 3 еще не достигли дна или основания отверстий или ложементов 8, 9. Каждый из этих охватываемых концов 2, 3 содержит периферийную поверхность 14, 15 в целом конической формы, которая сопрягается с соответствующей фронтальной стенкой 11, 12. Эта коническая поверхность 14, 15 является выпуклой, причем осью этой конический поверхности является ось соответствующего охватываемого элемента, которая совпадает с продольной осью XI - XI и имеет при вершине половинный угол, величина которого заключена в диапазоне от 5o до 25o. Длина образующей этой конической поверхности представляет собой функцию этого угла, а также диаметр данного соединения. На фиг. 2 и 3 видно, что каждая из упомянутых выше конических поверхностей 14 и 15 сопрягается с фронтальной стенкой 11 и 12, соответствующей основанию наименьшего диаметра этих поверхностей. Основание большого диаметра каждой из этих конических поверхностей сопрягается определенным образом с выступом или стопорным заплечиком 16, 17, образованным плоской кольцевой поверхностью, перпендикулярной упомянутой выше оси XI - XI, а конец этой конической поверхности, обладающий наименьшим диаметром, сопрягается с наружной конической резьбой 4, 5. В предпочтительном варианте реализации расстояние между упомянутыми стопорными выступами или заплечиками 16 и 17 и выпуклой конической поверхностью 14 и 15 является относительно небольшим.
Как показано на той же фиг. 2, соединительная муфта 10 имеет плоскость симметрии, перпендикулярную продольной оси XI - XI и рассекающую фиг. 2 по линии X2 - X2. На фиг. 2 видно, что внутренняя стенка данной соединительной муфты в представленном примере реализации содержит узкую кольцевую цилиндрическую зону 18, рассеченную на две части упомянутой выше осью X2 - X2. Такая цилиндрическая кольцевая зона 18 может отсутствовать в других вариантах реализации. С одной и с другой стороны эта цилиндрическая зона 18 стыкуется с поверхностями 19 и 20, имеющими в целом формулу вогнутых усеченных конусов с осью XI - XI, обращенными друг к другу своими малыми основаниями и располагающимися симметрично по отношению к плоскости, отмеченной линией X2 - X2.
Образующие конических поверхностей 19 и 20 имеют наклон по отношению к продольной оси XI - XI под углом от 5o до 25o, причем этот наклон равен или примерно равен наклону образующей выпуклых конических поверхностей 14 и 15. Диаметр малых и больших оснований конических поверхностей 14, 15, с одной стороны, и 19, 20, с другой стороны, определяются таким образом, чтобы после затягивания охватываемых концов 2, 3 труб путем их завинчивания до дна в соответствующие резьбовые отверстия 8, 9, причем фронтальные стенки 11, 12 упираются при этом друг в друга в окрестности плоскости, обозначенной линией X2 - X2, большая часть каждой из упомянутых конических поверхностей оказалась упертой в противоположную ей поверхность.
На фиг. 3 схематически представлено явление взаимодействия, которое происходит в процессе завинчивания охватываемых концов 2 и 3 вплоть до упора друг в друга под давлением фронтальных стенок 11 и 12 в плоскости, располагающейся в окрестности указанной линией X2 - X2 средней плоскости соединительной муфты. Пунктирные линии 14А и 15А представляют положение, которое заняли бы образующие 14 и 15 выпуклых конических поверхностей в том случае, если бы они не вошли в контакт с вогнутыми коническими поверхностями 19 и 20.
Как известно, явление заедания или заклинивания на уровне поверхностей герметизации, а также, если это необходимо, на уровне резьбового соединения, предотвращают путем применения специальной химической обработки соответствующих поверхностей типа фосфатирования с цинком или марганцем или же с помощью осаждения на упомянутых поверхностях слоя металла, например, меди или никеля. Могут быть применены и другие типы обработки поверхностей, позволяющие избежать заедания или заклинивания при плотном контакте металла с металлом. Можно также использовать самостоятельно или в сочетании с нанесением различных защитных покрытий некоторые типы смазочных материалов или масел.
В варианте практической реализации предлагаемого изобретения, схематически представленном на фиг. 1, 2 и 3, можно отметить наличие свободных кольцевых пространств 23 и 24, предусмотренных внутри соединительной муфты между стопорными заплечиками 21 и 22 и соответствующим концом внутренней резьбы 6 и 7. Эти кольцевые пространства могут служить, в случае необходимости, для приема избыточной смазки и исключить подъем давления, способствуя таким образом смазке данной системы соединения в наилучших условиях в процессе повторяющихся циклов свинчивания и развинчивания соединения. Эти пространства служат также для ввода и вывода обрабатывающего инструмента в процессе изготовления.
Специальное расположение пар стопорных заплечиков 16 - 21 и 17 - 22 является наиболее предпочтительным вариантом способа соединения труб. Этот способ состоит в завинчивании сначала первого охватываемого конца 2 трубы в соответствующее резьбовое отверстие 8 соединительной муфты вплоть до момента обнаружения резкого возрастания момента затяжки с блокировкой поступательного движения упомянутого охватываемого конца трубы, связанной с вхождением в механический контакт двух соответствующих стопорных заплечиков 16 - 21. В общем случае фронтальная стенка 11 слегка уходит при этом за плоскость, отмеченную линией X2 - X2 в процессе поступательного движения первого охватываемого конца 2 трубы внутри соединительной муфты. Затем осуществляется завинчивание второго охватываемого конца трубы в свое отверстие упомянутой муфты, затягивание в процессе которого приводит к первому увеличению момента завинчивания, связанное с взаимодействием резьбовых участков 5 - 7 и конических опорных поверхностей 15 - 20, а затем связанное с началом упора друг в друга фронтальных стенок 11, 12. Упомянутый второй охватываемый конец слегка отталкивает фронтальную стенку 11 первого охватываемого конца от ее первоначального положения, причем оба конца 11 - 12 находятся в свинченном положении в плоскости, которая обычно имеет некоторое отклонение e1 от средней плоскости соединительной муфты, обозначенной линией Х2 - X2. С учетом допусков и возможных моментов завинчивания возможны случаи, когда оба конца 11 и 12 находятся в свинченном положении в плоскости, точно совпадающей с плоскостью, отмеченной линией X2 - X2. В свинченном положении данного соединения можно отметить небольшой зазор e2 между поверхностями заплечиков охватываемого конца 17 трубы и охватывающего элемента 22 для второго охватывающего конца трубы, причем упорные поверхности стопорного заплечика охватываемого конца 16 трубы и охватывающего элемента 21 для первого охватываемого конца трубы находятся в состоянии плотного контакта.
При использовании этого способа соединения можно быть практически стопроцентно уверенным в осуществлении двух контактов металла с металлом, причем первый из этих контактов формируется на уровне фронтальных стенок 11 и 12 соединяемых между собой труб, а второй контакт формируется между коническими опорными поверхностями 14 - 19 и 15 - 20, при обеспечении гарантированного уровня герметичности создаваемого стыка. Можно констатировать, что после этого второго завинчивания имеет место небольшое ослабление упора в первой паре стопорных заплечиков, причем поверхности первой пары упомянутых заплечиков 16 - 21 обычно остаются в механическом контакте друг с другом, как это было пояснено выше.
На фиг. 4 схематически представлен вариант выполнения системы соединения труб, показанной на фигурах 1, 2 и 3. Как видно на этой фиг. 4, данный вариант выполнения соединения состоит в максимальном приближении друг к другу стопорных заплечиков. На приведенной фигуре видно, что оба стопорных заплечика 31, 32 заключены между малыми основаниями выпуклых конических поверхностей 33, 34 обеспечения герметизации и фронтальными стенками 35, 36 охватываемых концов 37, 38 труб. В данном случае следует отметить, что расстояние между стопорными заплечиками 39, 40 соединительной муфты 41 равно или немного превышает длину цилиндрической зоны 18, показанной на фиг. 2 и 3. Из сказанного выше следует, что вогнутые конические поверхности 42, 43 герметизации имеют практически неизменное положение и что условия данного трубного резьбового соединения являются, таким образом, не подлежащими каким-либо изменениям. Кроме того, в представленном на приведенных в приложениях фигурах виде имеет место небольшой зазор e3 между стопорными заплечиками 32 - 40. Этот зазор хорошо виден на фиг. 4, причем плоскость упора в полностью свинченном положении данного стыка образует небольшой зазор e4 по отношению к упомянутой выше плоскости симметрии соединительной муфты, обозначенной линией X2 - X2.
На фиг. 5 представлен схематически другой вариант выполнения предлагаемого изобретения, в соответствии с которым вместо конической резьбы используется двухступенчатая цилиндрическая резьба. Как видно на фиг. 5, где схематическим образом представлена соединительная муфта 51 в частичном разрезе, стопорные заплечики располагаются на уровне каждого охватываемого конца 54 трубы и охватывающего отверстия или ложемента 57 в зоне, обеспечивающей связь между двумя резьбовыми ступенями охватываемого и охватывающего элементов данного соединения труб. Каждый из резьбовых участков охватываемого конца и охватывающей его части соединительной муфты состоит из двух ступеней 52, 53 для упомянутого охватываемого элемента 54 и 55, 56 для охватывающего отверстия или ложемента 57.
Изменение диаметра каждого из двух участков резьбы для каждого охватываемого конца 54 вызывает появление кольцевой поверхности, образующей стопорный заплечик охватываемого элемента 58 и стопорный заплечик охватывающего элемента 59 данного соединения труб. Остальные характеристики упомянутого соединения остаются неизменными.
Резьба, используемая для системы соединения труб в соответствии с предлагаемым изобретением, может быть любого подходящего в данном случае типа. Она может быть конической или цилиндрической или, например, упорной с нагруженными гранями, имеющими положительные или отрицательные углы. Резьбовые части соединяемых элементов могут содержать одну или две ступени, причем стопорные заплечики в этом случае могут располагаться в других местах по сравнению с их расположением, показанным на фиг. 5.
На фиг. 6 схематическим образом представлено соединение труб в соответствии с предлагаемым изобретением, которое реализовано с еще большим повышением стойкости к износу герметизирующих поверхностей, формирующих контакт металла с металлом, вследствие улучшения их поведения в процессе весьма многочисленных циклов сборки и разборки соединения в эксплуатации.
На фиг. 6 в разрезе и в сильно увеличенном виде схематически представлена соединительная муфта 61, содержащая два охватывающих отверстия 62, располагающихся по одну и по другую стороны от плоскости симметрии Х3 - X3, перпендикулярной продольной оси упомянутой соединительной муфты 61. На фигуре представлена только часть сечения, располагающаяся выше этой оси, и только одно из двух охватывающих отверстий, располагающееся слева от плоскости симметрии X3 - X3 упомянутой муфты.
Эта соединительная муфта после соответствующей механической обработки подвергается специальной обработке поверхности для повышения ее стойкости к износу и сопротивляемости коррозии, например, фосфатированию поверхностей.
На фиг. 6 видна концевая зона охватываемого конца 63 после частичного завинчивания в резьбовое отверстие 62 непосредственно перед вхождением в контакт выпуклых и вогнутых поверхностей 64, 65 герметизации стыка.
Выпуклая коническая поверхность 64 герметизации имеет образующую, наклоненную на угол порядка 13o по отношению к продольной оси охватываемого элемента, которая совпадает с продольной осью соединительной муфты. Эта образующая конической поверхности имеет длину порядка 2 мм. От своего конца большого диаметра эта выпуклая коническая поверхность продолжается тороидальной соединительной поверхностью, образующая 67 которой представляет собой дугу окружности α с углом раскрытия порядка 13o и радиусом порядка 4 мм, причем эта тороидальная поверхность является касательной к упомянутой выпуклой конической поверхности 64. Цилиндрическая поверхность, которая необязательно является касательной к упомянутой тороидальной поверхности и имеет образующую 68, обеспечивает сопряжение или связь между этой тороидальной поверхностью 67 и охватываемым стопорным заплечиком 69. С противоположной стороны конец 70 небольшого диаметра этой выпуклой конической поверхности соединяется или сопрягается с кольцевой фронтальной стенкой 71, перпендикулярной продольной оси данного охватываемого элемента, посредством закругления 72 конической формы и малого радиуса.
Вогнутая коническая поверхность 65 имеет длину, превышающую длину выпуклой конической поверхности 64, и ее входной конец 73 имеет диаметр, превышающий диаметр входного конца 66 наибольшего диаметра упомянутой выпуклой конической поверхности, соответствующей данной вогнутой конической поверхности. Этот конец вогнутой конической поверхности соединяется при помощи цилиндрической поверхности 74 со стопорным заплечиком 75, охватывающим вставляемый конец трубы. На входе этого стопорного заплечика и перед началом охватывающей резьбовой зоны в предпочтительном варианте реализации устроена не содержащая резьбы кольцевая зона 76, которая в процессе механической обработки данной соединительной муфты позволяет вводить и выводить соответствующий режущий инструмент. Также в предпочтительном варианте длина этой кольцевой зоны составляет как минимум полтора шага используемой в данном случае резьбы.
Контур, показанный пунктирной линией на фиг. 6, представляет положение охватываемого элемента внутри отверстия соединительной муфты непосредственно перед тем, как стопорные заплечики 69 - 75 войдут в контакт друг с другом. В этом случае кольцевая фронтальная стенка 71 располагается в средней плоскости X3 - X3 данной соединительной муфты. На чертеже видно, что установление герметизирующего контакта металла с металлом между двумя коническими поверхностями 64, 65 предшествует приходу фронтальной кольцевой стенки 71 в упомянутую среднюю плоскость X3 - X3 соединительной муфты. Из данной фигуры видно также, что встреча между двумя коническими поверхностями 64, 65 сопровождается скольжением выпуклой поверхности 64 по вогнутой поверхности 65 в направлении по ходу движения охватываемого элемента с одновременным выталкиванием вогнутой конической поверхности 65 и сжатием выпуклой конической поверхности 64 в результате взаимодействия этих поверхностей, как это показано пунктиром 64.1, иллюстрирующим расположение, достигаемое коническими поверхностями 64, 65 во взаимном контакте в том случае, когда фронтальная кольцевая стенка подходит к средней плоскости X3 - X3 данной соединительной муфты.
Как указано выше в общем описании предлагаемого изобретения, расчеты и эксперименты показали, что максимальное давление, развиваемое в контакте между двумя коническими поверхностями 64 и 65, концентрируются в зоне 66 большего диаметра выпуклой конической поверхности, непосредственно примыкающей к упомянутой выше тороидальной поверхности 67. Скольжение этой зоны по вогнутой конической поверхности 65 ограничивает износ этой поверхности благодаря распределению этого износа и наличию специального защитного слоя, нанесенного на контактирующие поверхности.
Таким образом, удается получить превосходную герметизацию на уровне упомянутых конических поверхностей, которая хорошо воспроизводится при значительном количестве соединений и разъединений данного трубного стыка.
Предлагаемое изобретение может быть практически реализовано в весьма многочисленных и разнообразных вариантах, не выходящих, однако, за рамки этого изобретения.
Использование: система резьбового соединения для металлических труб касается обеспечения герметичной связи между металлическими трубами, используемыми для создания трубопроводов добычи нефти или для формирования колонн обсадных труб нефтяных скважин. Сущность изобретения: эта система резьбового соединения содержит соединительную муфту 10, снабженную двумя резьбовыми отверстиями, в которые могут завинчиваться охватываемые концы соединяемых в данном случае двух труб. Фронтальные стенки этих труб упираются друг в друга внутри упомянутой соединительной муфты. Выпуклая кольцевая коническая зона, располагающаяся рядом с фронтальной стенкой каждой из соединяемых в данном случае труб, входит в герметичный упор с вогнутой кольцевой конической зоной упомянутой соединительной муфты и при этом стопорные заплечики обеспечивают центрирование в продольной плоскости каждого охватывающего элемента соединяемых труб. 2 с. и 17 з.п. ф-лы, 6 ил.
| GB, заявка N 2146085, F 16 L 15/04, опубл | |||
| Приспособление для установки двигателя в топках с получающими возвратно-поступательное перемещение колосниками | 1917 |
|
SU1985A1 |
