СОЕДИНЕНИЕ ДЛЯ ТРУБ Российский патент 2004 года по МПК F16L15/00 

Настоящее изобретение относится к соединению для труб, в частности для использования при соединении труб, которые предназначены для использования под землей, например в нефтегазовой промышленности. Соединение предпочтительно используется в тех случаях, когда возможно воздействие на трубу неравномерных сил, направленных перпендикулярно оси трубы.

При транспортировке текучей среды, такой как нефть или природный газ, между двумя пунктами наиболее экономичными средствами, когда это возможно, являются трубопроводы. Такие трубопроводы обычно сооружены из отдельных труб, соединенных друг с другом. Для трубопровода, транспортирующего текучую среду, также является обычным то, что он удерживается внутри другого трубопровода, часто называемого кожухом. Кожух служит для защиты транспортирующего трубопровода и обеспечивает легкую установку транспортирующего трубопровода. Кожух может также действовать как предохранительный барьер в случае утечки текучей среды из транспортирующего трубопровода, поскольку протекающая текучая среда удерживается внутри кожуха и предотвращается ее вхождение в контакт с окружающей средой. С этой целью кожух должен также обладать стойкостью к текучим средам и давлениям, которые воздействуют на транспортирующий трубопровод.

Зоны, в которых трубы соединяются, составляют нарушения непрерывности как на внутренней, так и наружной поверхности трубопровода и, как таковые, являются источниками ослабления в завершенном трубопроводе. Важно то, чтобы любое такое ослабление было по возможности сведено к минимуму, поскольку любая потеря текучей среды из трубы является потерей ресурсов и наносит вред окружающей среде. Кроме того, потеря текучей среды может также повышать угрожающий персоналу риск возникновения пожара или взрыва. Заменить ненадежные или протекающие соединения не всегда легко. В частности, в случае с нефтегазовой промышленностью, трубопроводы довольно часто расположены в относительно недоступных местах, и замена в этом случае является трудной и дорогостоящей.

Соединения между трубами, которые составляют транспортирующий трубопровод или кожух, обычно осуществляют с использованием резьбовых соединений, при этом каждая отдельная труба имеет резьбу, соответствующую резьбе примыкающей трубы. Такие соединения должны выдерживать большие перепады давлений между внутренним давлением в трубе и внешним. Кроме того, они должны также оставаться непроницаемыми для текучей среды, когда трубопровод, выполненный из отдельных прямых труб, имеет изогнутую конфигурацию или он немного отклоняется от линейной конфигурации из-за горных образований и т.п.

Обычные трубы имеют тенденцию недостаточно надежной работы, когда на них действуют изгибающие силы, в результате чего надежность трубопровода ухудшается, и существует риск протечки в местах таких изгибов.

Задачей настоящего изобретения является создание соединения для труб, которое обеспечивает решение указанных выше проблем и надлежащее выполнение своих функций, когда соединяемые трубы не соосны. В данном описании термины "кожух" и "труба" могут использоваться как равнозначные, при этом термин "кожух" часто обозначает просто трубу большего диаметра, чем та, которая названа "трубой".

Краткое описание изобретения

Согласно изобретению создано соединение для труб, содержащее первый участок трубы или выступ, имеющий на одном конце охватываемую часть с наружной резьбой, и второй участок трубы или гнездо, имеющий на одном конце охватывающую часть, имеющую соответствующую резьбу, причем части приспособлены для взаимного зацепления вдоль большей части осевой длины резьбовых частей, их резьбы наклонены в одном направлении и под острым углом к продольной оси трубы, наружная резьба проходит до охватываемого упорного выступа, примыкающего к соответствующему ему охватывающему упорному выступу другой части, причем соответствующий охватывающий упорный выступ содержит расположенную между дополнительными поверхностями выемку в форме принимающего конуса, имеющего закругленную вершину, при этом наружная, по существу, коническая поверхность, по существу, параллельна оси трубы, конического упорного выступа охватываемой части или принимающий конус охватывающей части включает одну или более изогнутых частей.

Поверхность одной или каждой изогнутой части лежит на замкнутой окружности.

Предпочтительно, радиус окружности составляет от 2 до 10,5 см, и особенно предпочтительно, - от 2,2 см до 4 см.

Предпочтительно, дальний конец внутренней поверхности выступа скошен, причем скошенная грань проходит под углом 18-25° к продольной оси выступа. Скошенная грань обеспечивает выполнение более толстой и, таким образом, более прочной стенки основного корпуса трубы с сохранением плавной поверхности в зоне соединения для уменьшения турбулентности, сообщаемой потоку текучей среды.

Предпочтительно, первая коническая поверхность упорного выступа включает плоскую часть. Эта плоская часть первой конической поверхности, предпочтительно, образует угол от 1° до 15° относительно продольной оси трубы и, особенно предпочтительно, угол 1,5-4°. Более пологий угол обеспечивает то, что труба может быть толще и, таким образом, жестче, что повышает сопротивление соединений размыканию.

Предпочтительно, вторая коническая поверхность упорного выступа образует угол 11-20° относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси трубы, и особенно предпочтительно, угол 11-13°.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение будет описано со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показан только для примера один вариант выполнения соединения для труб.

На фиг.1 изображен вид сечения упорного выступа охватываемой части соединения; на фиг.2 - вид сечения упорного выступа соответствующего гнезда соединения; на фиг.3а-3с - распределение напряжения в упорном выступе; на фиг.4а-4с - распределение пластической деформации, возникающей в результате напряжения, показанного на фиг.3а-3с; и на фиг.5а-5с изображены графики моделирования устойчивости соединения трубы, которое подвергается воздействию изгибающих сил и перепадов давлений.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 показан упорный выступ 10 или охватываемый конец соединения для трубы или соединения для кожуха. На выступе 10 показана последняя вершина 11 резьбы. Выступ 10 имеет внутреннюю поверхность 12, которая, когда выступ 10 соединен с соответствующим гнездом 20 или охватывающим концом (фиг.2), образует часть внутренней поверхности трубопровода, и наружную, по существу, коническую поверхность 13, расположенную, по существу, параллельно оси трубы и имеющую по существу прямое поперечное сечение, незначительно сужающееся под углом приблизительно 2° от вершины 11 резьбы в направлении вершины 14 охватываемого упорного выступа 15. Наружная поверхность 13 входит в контакт с соответствующей поверхностью 22 гнезда для образования уплотняющей поверхности, когда две трубы свинчены вместе.

Сужение наружной поверхности 13 составляет всего 2° относительно оси трубы. Это позволяет иметь более прочный дальний конец выступа 10, чем в любом другом случае. Таким образом, сжатию снаружи от трубы, которое распространяется между резьбами охватываемой и охватывающей частей соединения трубы и которое обеспечивает отталкивание этих двух частей друг от друга, оказывается сопротивление в результате эффекта уплотнения выступа 10. Углы, которые могут использоваться в рамках настоящего изобретения, составляют 1-15° и, более предпочтительно, 1,5-4°.

Упорный выступ имеет дополнительную уплотнительную поверхность 16 для вхождения в контакт с соответствующей поверхностью гнезда 20 и образования дополнительного уплотнения для предотвращения утечки текучей среды через соединение. Уплотнительная поверхность 16 соединена с наружной поверхностью 13 закругленной частью 14. Уплотнительная поверхность 16 проходит под углом 12° к плоскости, перпендикулярной основной оси выступа 10. Благодаря улучшенным характеристикам уплотнения соединения, угол, который образует эта поверхность относительно плоскости, более пологий, чем в обычных соединениях. По существу, могут использоваться углы, составляющие 11-20°.

Выступ 10, показанный на фиг.1, входит в зацепление с соответствующей ему принимающей секцией трубы, с которой он соединяется. Гнездо 20 имеет внутреннюю поверхность 21, которая вместе с поверхностями 12, 17 образует внутреннюю поверхность трубопровода, когда трубы соединены вместе. Гнездо 20 имеет ряд дополнительных поверхностей 22, 23, между которыми находится выемка в форме принимающего конуса, имеющего закругленную вершину и которые вместе с охватывающим упорным выступом соответствуют конфигурации охватываемого упорного выступа 15 выступа 10, при этом указанные дополнительные поверхности входят в контакт с выступом 10 для образования ряда уплотнительных поверхностей. Продольная уплотнительная поверхность входит в контакт с соответствующей продольной уплотнительной поверхностью. Принимающий конус охватывающей части включает одну (или более) выпуклую поверхность 24.

Когда к двум трубам прилагают вращающий момент для свинчивания их вместе, выпуклая поверхность 24 вызывает напряжение в упорном выступе, распределяющееся так, что напряжение в основном концентрируется в зоне вокруг выпуклой поверхности 24.

Выпуклая поверхность соответствует окружности, имеющей радиус, составляющий приблизительно 2,5 см, хотя было обнаружено, что приемлемы радиусы от 2 до 10,5 см. Когда радиус окружности составляет от 2,2 см до 4 см, получается особенно прочное уплотнение.

На фиг.3а-3с показано вычисленное напряжение, созданное в зоне упорного выступа соединения. На этих фигурах более темный тон обозначает, что эта конкретная зона находится под большим напряжением. Центр выпуклой поверхности имеет координаты (-0,165 см, 22,05 см), и центр поверхности на фиг.3b (-0,292 см, 22,05 см). В этих координатах ось х является осью х, показанной на фиг.2, относительно воображаемой точки А. Ось у координат исчисляется от центра трубы.

Принимающая часть соединений, показанных на фиг.3а и 3b, включает выпуклую поверхность с радиусом 2,5 см. Можно видеть два основных различия в распределении напряжений между двумя соединениями, соответствующими настоящему изобретению, и соединением известного уровня техники, показанным на фиг.3с. Во-первых, основное напряжение в соединениях, имеющих выпуклую часть, расположено в двух зонах, первой из которых является зона вокруг уплотнительных граней 31. Второй зоной здесь являются два лепестка 30, по одному в каждой секции трубы, проходящих на существенное расстояние от уплотнительной поверхности.

Как можно видеть, лепестки 30 проходят в радиальном направлении в тело выступа и элементов гнезда. Это обеспечивает уплотнение, которое прочнее, чем в обычных соединениях в отношении устойчивости к изгибающим силам. Этот эффект показан в соединении как результат прилагаемого изгибающего момента. Также на фиг.3а-3с более темные зоны обозначают зоны сильной пластической деформации. В соединении известного уровня техники, показанном на фиг.4с, пластическую деформацию можно видеть преимущественно в зоне уплотнительных поверхностей 16 и 23 с небольшой деформацией на плоской поверхности 13 относительно близко к закругленной вершине 14. Эта пластическая деформация приводит к значительному ослаблению уплотнения, обеспечиваемого этими поверхностями 16, 23.

Кроме того, уплотнение вдоль этой оси действует так, чтобы предотвращать отталкивание внешним давлением, передающимся резьбе, двух упорных выступов друг от друга и, таким образом, нарушение уплотнения.

В отличие от этого, пластическая деформация, вызываемая в соответствующих зонах соединений, показанных на фиг.4а и 4b соответственно, меньше в этих зонах с соответствующим уменьшением повреждения уплотнения, образованного этими уплотнительными поверхностями. Кроме того, хотя небольшая пластическая деформация показана в зонах, которые, как можно видеть на фиг.3а и 3b, находятся под большим напряжением, пластическая деформация относительно мала, что означает сохранение прочного уплотнения.

Дополнительная особенность изобретения, заключающаяся в том, что выпуклая часть улучшает прочность соединения и его стойкость к ослаблению при изгибе, состоит в следующем. Представляется, что поверхность вызывает напряжение, возникающее при соединении труб, которое концентрируется в зоне соединения на некотором удалении от уплотнительных поверхностей 16, 23. По существу концентрация накопленной энергии обеспечивает очень прочное уплотнение, и эта энергия концентрируется в относительно прочной секции трубы, которая устойчива к пластической деформации.

Хотя выпуклая поверхность 22 показана лежащей на замкнутой окружности, она может также иметь форму ряда других изогнутых поверхностей, таких как эллиптическая, описывающая кривую, определяемую обобщенной формулой x²/a²+y²/b²=1. Кроме того, может быть образована поверхность, не имеющая плоской секции, и в этом случае поверхность между вершиной 14 и основанием вершины 11 резьбы просто выпуклая.

В альтернативном варианте, поверхность между вершиной 14 и основанием вершины 11 резьбы может включать более чем одну выпуклую поверхность и может иметь или не иметь по существу плоскую поверхность между ними.

Улучшенные характеристики уплотнений, включающих изогнутую уплотнительную поверхность, показаны на фиг.5а-5с, причем уплотнения, показанные на этих фигурах, соответствуют показанным на фиг.3а-3с. На этих фигурах показаны графики моделированной реакции конкретных соединений труб на перепад давлений между внутренним пространством трубы и наружным пространством и на изгибание трубы. Затененные зоны соответствуют комбинациям воздействия изгибания и перепада давлений, когда соединение находится в стабильном состоянии. Внутренние, более темные зоны соответствуют соединениям труб, когда оси отдельных труб, соединенных между собой, уже не соосны. Как можно видеть на фиг.5а и 5b, зоны стабильности находятся в большом диапазоне нагрузок и перепадов давлений. Эти результаты даны в сравнении с реакцией соединения труб известного уровня техники, показанного на фиг.5с, которое стабильно только в ограниченном диапазоне, показанном в первом квадранте графика.

Скошенная поверхность может включать вогнутую часть вдоль по меньшей мере секции ее длины для обеспечения более плавного соединения и уменьшения турбулентного потока в текучей среде, проходящей в трубе.

Следует понимать, что изобретение не ограничено описанными здесь конкретными элементами, которые даны только для примера, и что в рамках объема прилагаемой формулы изобретения возможны различные модификации и изменения.

Изобретение относится к соединениям для труб. Соединение содержит: первый участок, имеющий на одном конце охватываемую часть с наружной резьбой; второй участок трубы, имеющий охватывающую часть с резьбой. Части приспособлены для взаимного зацепления. Резьбы наклонены под углом к продольной оси трубы. Наружная резьба проходит до охватываемого упорного выступа другой части. Упорный выступ содержит выемку в форме принимающего конуса с закругленной вершиной. Наружная коническая поверхность конического упорного выступа охватываемой части или принимающий конус охватывающей части включает одну или более изогнутых частей. Изобретение повышает надежность соединения. 9 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Соединение для труб, содержащее первый участок трубы или выступ, имеющий на одном конце охватываемую часть с наружной резьбой, и второй участок трубы или гнездо, имеющий на одном конце охватывающую часть, имеющую соответствующую резьбу, причем части приспособлены для взаимного зацепления вдоль большей части осевой длины резьбовых частей, их резьбы наклонены в одном направлении и под острым углом к продольной оси трубы, наружная резьба проходит до охватываемого упорного выступа, примыкающего к соответствующему ему охватывающему упорному выступу другой части, при этом соответствующий охватывающий упорный выступ содержит расположенную между дополнительными поверхностями выемку в форме принимающего конуса, имеющего закругленную вершину, отличающееся тем, что наружная, по существу, коническая поверхность, по существу, параллельна оси трубы, конического упорного выступа охватываемой части или принимающий конус охватывающей части включает одну или более изогнутых частей.2. Соединение по п,1, отличающееся тем, что поверхность одной или каждой изогнутой части лежит на замкнутой окружности.3. Соединение по п.2, отличающееся тем, что радиус окружности составляет 2 - 10,5 см.4. Соединение по п.3, отличающееся тем, что радиус окружности составляет 2,2 - 4 см.5. Соединение по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что дальний конец внутренней поверхности выступа скошен, причем скошенная грань проходит под углом 18-25° к продольной оси выступа.6. Соединение по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что наружная коническая поверхность упорного выступа включает плоскую часть.7. Соединение по п.6, отличающееся тем, что плоская часть наружной конической поверхности образует угол 1 - 15° относительно продольной оси трубы.8. Соединение по п.7, отличающееся тем, что плоская часть образует угол 1,5 - 4°.9. Соединение по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что дополнительная уплотнительная поверхность упорного выступа образует угол 11-20° относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси трубы.10. Соединение по п.9, отличающееся тем, что дополнительная уплотнительная поверхность образует угол 11-13°.