РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК F16L15/00 

[0001] Охватывающий компонент для трубчатой рабочей колонны для выработки углеводородов, резьбовые соединения и способ его получения.

[0002] Изобретение относится к охватывающему компоненту резьбовых трубчатых соединений для нефтепромысловой рабочей колонны, которая подвергается динамическому изгибающему напряжению. Охватывающий компонент дополняет охватываемый компонент при взаимодействии путем свинчивания.

[0003] Такой тип резьбового соединения, в частности, предназначен для производства колонн труб для углеводородных скважин или подобных скважин между платформой и скважиной, выполненной в морском дне.

[0004] Помимо сравнительно постоянных осевых растягивающих нагрузок, воздействие волн, ветра, приливов и океанских течений подвергает колонны труб, соединяющих морские платформы с морским дном, различным изгибающим напряжениям. Указанное напряжение передается от одной трубы колонны к другой посредством резьбовых соединений.

[0005] Плотность затяжки резьбового соединения обычно обеспечивается с помощью уплотняющих поверхностей, расположенных снаружи зоны резьбы и образующих уплотнение типа металл-металл.

[0006] В документе WO 85/02651 предложено радиальное утолщение одного конца охватывающего элемента в направлении внутрь для того, чтобы таким образом защитить уплотняющую поверхность. Однако, утолщенная область, которая прерывает конусность с помощью цилиндрической поверхности на внутренней периферийной поверхности охватывающего элемента, приводит к значительному риску повреждения охватываемой уплотняющей поверхности при свинчивании. Кроме того, утолщенная область придает излишнюю жесткость концу охватывающего элемента.

[0007] В последующих испытаниях заявитель наблюдал, что подобные компоненты также подвержены ухудшению охватывающей уплотняющей поверхности при манипулировании со стороны операторов, в частности в ходе их размещения перед свинчиванием.

[0008] Заявитель также наблюдал, что компонент, спроектированный для сопротивления динамическим изгибающим напряжениям, должен сохранять те свойства до тех пор, пока компоненты не будут использованы. Другими словами, компонент должен быть защищен при его транспортировке, при манипулировании, направленном на свинчивание, и при контакте между охватываемым компонентом и охватывающим компонентом. Может использоваться одноразовая крышка, но ее закупочная цена, затраты на размещение в конце изготовления, затраты на удаление и затраты на переработку не являются удовлетворительными. Необходимо совершенствовать сокращение количества перерабатываемого материала и упрощение операций, которые необходимо выполнить вручную. В связи с этим, заявитель разработал идею амортизатора, расположенного на оси между охватывающей уплотняющей поверхностью и свободным концом охватывающего компонента. Термин "свободный конец" обозначает конечную поверхность охватывающего компонента, которая спроектирована таким образом, чтобы оставаться на осевом расстоянии от соответствующего охватываемого компонента. Амортизатор может выдерживать различные механические нагрузки, которые даже могут слегка деформировать его, обеспечивая сохранение уплотняющих свойств соединения.

[0009] Изобретение предназначено для улучшения данной ситуации путем улучшения защиты охватывающей уплотняющей поверхности.

[0010] Охватывающий компонент для трубчатых рабочих колонн для выработки углеводородов, которые подвергаются динамическому изгибающему напряжению, содержит коническую охватывающую резьбу для взаимодействия с охватываемой резьбой с тем, чтобы образовывать взаимное жесткое соединение трубчатых элементов, при этом свободный конец и охватывающая уплотняющая поверхность расположены между свободным концом и охватывающей резьбой. Предполагается, что охватывающая уплотняющая поверхность в свинченном состоянии входит в контакт с охватываемой уплотняющей поверхностью для того, чтобы образовать уплотнение типа металл-металл. Компонент содержит кольцевой паз, расположенный между свободным концом и охватывающей уплотняющей поверхностью. Кольцевой паз оставляет осевое расстояние между свободным концом и переходной областью снаружи охватывающей уплотняющей поверхности и радиальное расстояние между охватывающей уплотняющей поверхностью и скошенной кромкой свободного конца для защиты охватывающей уплотняющей поверхности перед свинчиванием.

[0011] Другими словами, что касается свободного конца, охватывающая уплотняющая поверхность, по существу, отодвинута от него, по меньшей мере, на указанное осевое расстояние. Отодвинутая охватывающая уплотняющая поверхность, таким образом, меньше подвергается ударам, при этом свободный конец действует как амортизатор. Поскольку предполагается, что указанный свободный конец остается свободным даже в свинченном состоянии, он может подвергаться различным ударам и одновременно сохранять уплотняющие свойства охватывающей уплотняющей поверхности. Поскольку свободный конец содержит скошенную кромку, расположенную на стороне паза, уплотняющая поверхность охватываемого компонента остается на расстоянии от поверхностей, отличных от уплотняющей поверхности охватывающего компонента.

[0012] Кроме того, материал охватывающего компонента между свободным концом и радиальной плоскостью, проходящей через переходную область, также может способствовать радиальной жесткости охватывающей уплотняющей поверхности. В частности, заявитель наблюдал, что охватывающий компонент согласно изобретению обладает замечательным свойством: существует взаимосвязь между указанным осевым расстоянием и положением вдоль оси охватывающего компонента зоны контакта охватываемой уплотняющей поверхности с охватывающей уплотняющей поверхностью, обладающей максимальным контактным давлением. Таким образом, при равных прочих характерных признаках, осевое положение зоны максимального контактного давления может быть отрегулировано путем воздействия на указанное осевое расстояние. Таким образом, можно избежать модификации геометрических характеристик охватываемых и охватывающих уплотняющих поверхностей, характеристик резьбы и, в общем, геометрических характеристик элементов, расположенных сбоку радиальной плоскости, проходящей через переходную область, напротив свободного конца охватывающего компонента.

[0013] В одном варианте осуществления, компонент содержит опору. Опора может быть внутренней. Опора может быть расположена напротив свободного конца относительно охватывающей резьбы.

[0014] В другом варианте осуществления функция опоры обеспечивается самоблокирующимися резьбами (шаг ударных боковых сторон является постоянным и меньше шага рабочих боковых сторон, который также является постоянным). В ходе фазы окончательного свинчивания боковые стороны охватываемых и охватывающих компонентов входят в уплотняющий контакт друг с другом для того, чтобы предоставить по всей длине резьбы общее контактное давление, равное тому, которое поддерживается внутренней опорой.

[0015] В одном варианте осуществления скошенная кромка является конической.

[0016] В одном варианте осуществления свободный конец содержит поверхность, имеющую в общем радиальную форму.

[0017] В одном варианте осуществления, часть переходной области, в общем, имеет форму дуги окружности в осевом сечении. Охватывающая уплотняющая поверхность в общем может иметь форму дуги окружности в осевом сечении. Радиус охватывающей уплотняющей поверхности может быть больше 150 мм, предпочтительно больше 180 мм. Радиус охватывающей уплотняющей поверхности может, по меньшей мере, в пять раз превышать радиус части переходной области, предпочтительно превышать, по меньшей мере, в десять раз.

[0018] В другом варианте осуществления часть переходной области в общем имеет форму дуги окружности в осевом сечении, и охватывающая уплотняющая поверхность является конической.

[0019] В одном варианте осуществления охватывающая уплотняющая поверхность сливается с охватывающей резьбой с помощью поверхности, которая имеет в общем цилиндрическую форму. Охватывающая резьба может иметь огибающую кривую, которая расположена по касательной к указанной поверхности с по существу цилиндрической формой.

[0020] В одном варианте осуществления охватывающая уплотняющая поверхность имеет средний наклон, который меньше наклона указанной скошенной кромки, предпочтительно, по меньшей мере, на 10%.

[0021] В одном варианте осуществления охватывающая уплотняющая поверхность имеет средний наклон, превышающий 35%, предпочтительно 45%, например, приблизительно 50%.

[0022] В одном варианте осуществления охватывающий трубчатый элемент содержит скошенную кромку между свободным концом и внешней поверхностью охватывающего трубчатого элемента.

[0023] В одном варианте осуществления охватывающий трубчатый элемент содержит зону с малой толщиной на охватывающей резьбе и зону с большой толщиной на охватывающей уплотняющей поверхности. Зона малой толщины может проходить через отрезок длины охватывающей резьбы. Зона малой толщины может быть получена путем предоставления вогнутого участка в осевом сечении от внешней поверхности охватывающего трубчатого элемента.

[0024] В одном варианте осуществления осевое расстояние между свободным концом и переходной областью снаружи охватывающей уплотняющей поверхности превышает 1 мм. Радиальное расстояние между охватывающей уплотняющей поверхностью и скошенной кромкой свободного конца может превышать 1,5 мм.

[0025] В одном варианте осуществления охватывающая резьба содержит основания, вершины, рабочие боковые стороны и ударные боковые стороны, соединенные посредством буртиков с двумя радиусами кривизны, большим радиусом кривизны, ближайшим к основаниям и вершинам, и малым радиусом кривизны, ближайшим к рабочим боковым сторонам и ударным боковым сторонам.

[0026] В одном варианте осуществления охватывающая резьба содержит по существу радиальные рабочие боковые стороны, а ударные боковые стороны содержат часть малого диаметра с конической формой и часть большого диаметра, которая является вогнутой, которые имеют закругленную форму в осевом сечении с переходом между частью большого диаметра и частью малого диаметра посредством выпуклой соединительного буртика.

[0027] В одном варианте осуществления охватывающая резьба и охватываемая резьба являются самоблокирующимися в радиальном направлении.

[0028] В одном варианте осуществления охватывающий трубчатый компонент образует часть трубы с двумя охватывающими компонентами. Данный тип трубы является в общем коротким, например менее 1 метра, и обозначен термином "муфта". Подобная муфта может применяться для соединения двух труб, оснащенных соответствующими охватываемыми концами.

[0029] Изобретение также предусматривает резьбовое соединение, содержащее охватывающий компонент, как описано выше, и охватываемый трубчатый компонент, содержащий коническую охватываемую резьбу, охватываемую уплотняющую поверхность и внешнюю цилиндрическую поверхность, диаметр которой является максимальным для охватываемого трубчатого компонента. Охватываемая уплотняющая поверхность может быть расположена между охватываемой резьбой и внешней цилиндрической поверхностью. Наклонная поверхность может быть расположена вблизи внешней цилиндрической поверхности. Цилиндрическая поверхность проверки может быть расположена между наклонной поверхностью и конической уплотняющей поверхностью.

[0030] В одном варианте осуществления изготовление резьбового соединения, как описано выше, содержит этап, на котором проверяют механическую обработку охватываемой уплотняющей поверхности путем проверки того факта, что цилиндрическая поверхность проверки подверглась механической обработке. Цилиндрическая поверхность проверки имеет диаметр, который, по меньшей мере, равен диаметру охватываемой уплотняющей поверхности; механическая обработка поверхности проверки и, в частности, ее окружности показывает, что инструмент для механической обработки обработал ее до диаметров, меньше диаметров цилиндрической поверхности проверки.

[0031] Изобретение также предоставляет способ получения охватывающего компонента, как описано выше, в котором место максимального давления, которому подвергается охватывающая уплотняющая поверхность, находящаяся в контакте с охватываемой уплотняющей поверхностью, выбирают в зависимости от осевого расстояния между свободным концом и наружной переходной областью охватывающей уплотняющей поверхности.

[0032] Благодаря изобретению, охватывающая уплотняющая поверхность охватывающего компонента резьбового соединения особенно хорошо защищена от неблагоприятных условий или внешних ударов перед свинчиванием. Данная защита, которая составляет неотъемлемую часть охватывающего компонента, может предотвратить использование съемной защиты, например изготовленной из синтетических материалов в форме заглушек или крышек, которые время от времени используются и затем выбрасываются после соединения труб. Это сокращает количество использованного материала, который должен быть переработан. Охватывающая уплотняющая поверхность также лучше защищена от ударов охватываемого компонента, предоставленного для зацепления с охватывающим компонентом. Наконец, место максимального давления, воздействующего на охватывающую уплотняющую поверхность, может быть отрегулировано на определенном отрезке путем выбора осевого расстояния между свободным концом и переходной областью. Указанное осевое расстояние обладает сравнительно малым влиянием на другие параметры и, таким образом, предлагает простой и дешевый способ регулировки, избегая необходимости в проектировании нового соединения лишь для достижения желаемого смещения места максимального давления.

[0033] Характеристики и преимущества изобретения раскрыты более подробно в нижеприведенном описании, представленного в виде неограничивающего примера со ссылкой на сопроводительные графические материалы, на которых:

• На фиг.1 и 2 изображены виды в осевом разрезе охватываемых и охватывающих компонентов согласно одному варианту осуществления;

• На фиг.3 и 4 изображены подробные виды по фиг.1 и 2; и

• На фиг.5 изображен вид в частичном осевом разрезе резьбы охватывающих и охватываемых компонентов по фиг.1 и 2.

[0034] Сопроводительные графические материалы служат не только для дополнения изобретения, но также при необходимости для способствования его определению.

[0035] Рассмотрим работу скважин, в частности углеводородных скважин, в море. Между скважиной, пробуренной в морском дне, и платформой, расположенной над ней, в самой высокой точке моря, проходит колонна труб, которая подвергается не только тем напряжениям, которые обычно воздействуют на колонны труб скважин, расположенных на суше, таким как сжатие, растяжение и т.д., но также напряжениям, оказываемым морем, таким как морские течения, морские волны, ветер и вибрации платформы. Данные напряжения, как правило, приводят к статическому и/или динамическому изгибу трубной колонны. Изгибающее напряжение воздействует, помимо прочего, на соединение между двумя трубами. Таким образом, на резьбу особенно воздействует нагрузка, когда они подвергаются изгибающему моменту в дополнение к осевой нагрузке. Существует риск образования начальных усталостных трещин витков резьбы, в частности последних охватываемых витков резьбы. Данные динамические напряжения также вызывают трение между частями охватываемых и охватывающих компонентов, находящихся в контакте, что приводит к фреттинг-усталости. Следует привести ссылку на документ FR 2 868 146, который предлагает перемещать часть изгибающего момента через зону перемещения на расстояние от резьб.

[0036] Кроме этого, необходимо предпочтительно обеспечить защиту от выхода из зацепления или "выскакивания" трубчатых компонентов во время эксплуатации. Следует привести ссылку на документ FR 2 863 681.

[0037] Заявитель также наблюдал, что компонент, спроектированный для сопротивления динамическим изгибающим нагрузкам, должен сохранять данные свойства до тех пор, пока компоненты не будут использованы. Другими словами, компонент должен быть защищен при его транспортировке, при действиях, направленных на свинчивание, и когда охватываемый компонент и охватывающий компонент приводят в контакт. Может использоваться одноразовая крышка, но ее закупочная цена, затраты на транспортировку после производства, затраты на удаление и затраты на переработку не являются удовлетворительными. Количество материала, нуждающегося в переработке, преимущественно должно быть сокращено, а операции, выполняемые вручную, должны быть упрощены. В связи с этим, заявитель разработал идею амортизатора, расположенного на оси между охватывающей уплотняющей поверхностью и свободным концом охватывающего компонента. Термин "свободный конец" обозначает конечную поверхность охватывающего компонента, которая спроектирована таким образом, чтобы оставаться на осевом расстоянии от соответствующего охватываемого компонента. Амортизатор может выдерживать различные механические напряжения, которые даже могут слегка деформировать его, сохраняя уплотняющие свойства соединения.

[0038] Трубчатое резьбовое соединение, представленное на фиг. 1 и 2, содержит охватывающий трубчатый элемент 1 и охватываемый трубчатый элемент 2, оснащенные соответствующими коническими резьбами 3, 4, которые взаимодействуют для взаимного соединения двух элементов путем свинчивания. Охватывающий элемент 1 выполнен на одном конце трубчатой муфты 11, предназначенной для соединения двух труб большой длины; охватываемый элемент 2 на одном конце трубы 12 большой длины предназначен для соединения посредством двух муфт, таких как 11. Множество труб 12, каждая из которых содержит два резьбовых элемента 2 на своих двух концах, таким образом могут быть соединены вместе с помощью муфт 11, каждая из которых содержит два охватывающих резьбовых конца 1 на своих двух концах, для образования колонны труб, которой, например, оснащают нефтяную скважину.

[0039] В изображенном случае между данными двумя охватываемыми элементами, т.е. на большей части ее длины, обозначенной термином регулярная часть, труба 12 обладает постоянным внешним диаметром, например равным 533,4 мм (21 дюйм), который представляет собой номинальный диаметр резьбового соединения. Значения размеров, приведенные ниже, основаны на данном номинальном диаметре, но могут отличаться от него.

[0040] Резьбовое соединение содержит внутреннее уплотнение, расположенное между резьбами 3, 4 и соответствующими проходными отверстиями 5, 6 муфты 11 и трубы 12. Внутреннее уплотнение предоставлено путем контакта между охватывающей уплотняющей поверхностью 7, например конической, в контакте в свинченном состоянии, с охватываемой уплотняющей поверхностью 8, например конической или вогнутой. Наклон охватывающей уплотняющей поверхности 7 может быть в диапазоне от 25% до 75%, предпочтительно, в диапазоне от 40% до 60%, например приблизительно 50%. В изображенном случае средний наклон охватываемой уплотняющей поверхности 8 равен наклону охватывающей уплотняющей поверхности 7.

[0041] Кольцевой паз 9 расположен в охватывающем элементе 11 между резьбой 3 и охватывающей уплотняющей поверхностью 7. Паз 9 содержит коническое дно. Указанное дно может обладать наклоном, равным наклону резьбы 3. Указанное дно может быть отодвинуто относительно оснований витков резьбы 3, и таким образом иметь больший диаметр, чем основание витков резьбы вблизи резьбы 3. В качестве альтернативы, указанное дно может быть расположено в выступающей части оснований витков резьбы 3. Таким образом, паз 9 может выводить из зацепления инструмент для механической обработки витков резьбы. Паз 9 содержит границу на стороне 3 резьбы, предоставленную в концевых витках резьбы, например с наклоном, в диапазоне от 25° до 50° относительно оси муфты 11. Паз 9 содержит противоположную границу, соответствующую охватывающей уплотняющей поверхности 7. Указанная противоположная граница может иметь наклон порядка 20°-60° относительно оси муфты 11 и быть соединенной с ней посредством буртиков с подходящими радиусами.

[0042] Между охватывающей уплотняющей поверхностью 7 и внутренним диаметром 5 расположен заплечик, который проходит вдоль оси в направлении, противоположном охватывающей уплотняющей поверхности 7, так что в конце свинчивания указанный заплечик прижимается к носовой части охватываемой части и к охватывающей уплотняющей поверхности 7. Заплечик образует осевую опору 13 с наклоном в диапазоне от 10° до 20° относительно радиальной плоскости. Угол, образованный между охватывающей уплотняющей поверхностью 7 и осевой опорой 13 может составлять порядка 80° - 100°. Охватывающая уплотняющая поверхность 7 соединяется с заплечиком 13 с помощью соединительного буртика. Соединительный буртик соединяет осевую опору 13 и проходное отверстие 5.

[0043] Охватываемый трубчатый элемент 2 содержит внешнюю поверхность 10, выполненную между охватываемой уплотняющей поверхностью 8 и резьбой 4. Внешняя поверхность 10 расположена по существу в выступающей части оснований витков резьбы 4. Внешняя поверхность 10 является конической с наклоном порядка 1° - 5°, например приблизительно 2°. В свинченном состоянии внешняя поверхность 10 обращена к пазу 9.

[0044] Охватываемый трубчатый элемент 2 проходит радиально внутрь за охватываемую уплотняющую поверхность 8 с помощью охватываемой осевой опоры 14, предоставленной для того, чтобы входить в контакт с охватывающей осевой опорой 13. Осевая опора 14 расположена под углом от 10° до 20° относительно радиальной плоскости. Осевая опора 14 наклонена под углом приблизительно 80° - 100° относительно охватываемой уплотняющей поверхности 8. Между проходным отверстием 6 и осевой опорой 14 здесь охватываемый трубчатый элемент 2 содержит коническую скошенную кромку с наклоном в диапазоне от 5° до 15°, например 10°, относительно оси трубы 12.

[0045] Буртики расположены между различными коническими поверхностями. В определенном варианте осуществления охватываемая уплотняющая поверхность 8 является вогнутой с большим радиусом кривизны, например в диапазоне от 100 до 300 мм, предоставляя превосходное уплотнение с охватывающей уплотняющей поверхностью 7 с конической формой, с которой в свинченном состоянии устанавливается контакт типа металл-металл.

[0046] Резьбовое трубчатое соединение содержит внешнее уплотнение, расположенное радиально снаружи резьб 3 и 4. Охватывающий трубчатый элемент 1 содержит внешнюю охватывающую уплотняющую поверхность 15. Охватываемый трубчатый элемент 2 содержит охватываемую уплотняющую поверхность 16, форма которой соответствует уплотняющей поверхности 15 для того, чтобы предоставить уплотнение посредством контакта типа металл-металл в свинченном состоянии резьбового трубчатого соединения. Охватывающая уплотняющая поверхность 15 расположена между резьбой 3 и свободным концом охватывающего трубчатого элемента 1. Охватывающая уплотняющая поверхность 15 может быть конической с наклоном в диапазоне от 35% до 60%, например 50%, или вогнутой с большим радиусом, например в диапазоне от 100 до 300 мм, и одновременно обладать средним наклоном порядка 35% - 60%, например 50%, относительно оси муфты 11. Между охватывающей уплотняющей поверхностью 15 и резьбой 3 расположена по существу цилиндрическая внутренняя поверхность 17.

[0047] Резьба 3 выполнена с конца цилиндрической поверхности 17 напротив уплотняющей поверхности 15. Вблизи внутренней поверхности 17, основания витков резьбы следуют за образующей, наклоненной под углом в диапазоне от 5° до 10° относительно оси муфты 11. Вершины витков резьбы расположены по касательной к поверхности 17 и, таким образом, сами являются цилиндрическими, таким образом образуя один или более неполных витков резьбы до тех пор, пока не будет достигнута номинальная глубина витков резьбы. На расстоянии от внутренней поверхности 17 наклон оснований витков резьбы меняет направление на обратное, параллельное общему наклону резьбы 3. Для увеличения количества полных витков резьбы (полнопрофильных, с полной глубиной) может быть предоставлен выступ 3a, см. фиг. 4. Выступ 3a образует направленный внутрь заплечик резьбы 3. Выступ 3a расположен на близком расстоянии вдоль оси от изменения наклона оснований резьбы.

[0048] На стороне уплотняющей поверхности 15 напротив цилиндрической поверхности 17 охватывающий трубчатый элемент 1 содержит радиус для зацепления с внешней уплотняющей поверхностью, продолжающей уплотняющую поверхность 15 и образующей вогнутую поверхность 19. Вогнутая поверхность 19 может иметь радиус кривизны в диапазоне от 0,5 до 3 мм, например порядка 1 мм.

[0049] Вогнутая поверхность 19 продолжена радиально наружу по существу радиальной поверхностью 21. По существу радиальная поверхность 21 проходит на расстояние порядка от 1 до 3 мм. Вогнутая поверхность 19 и по существу радиальная поверхность 21 образуют переходную область для соединения с уплотняющей поверхностью 15. Указанная переходная область может быть рассмотрена как содержащая часть в форме частичного тора и по существу радиальную часть.

[0050] Охватывающий трубчатый элемент 1 содержит внешнюю поверхность 23, обладающую в общем цилиндрической формой. Внешняя поверхность 23 проходит по существу на то же расстояние на охватывающем трубчатом элементе 1, взятом в осевом направлении относительно оси муфты 11, что и уплотняющая поверхность 15 и внутренняя поверхность 17. На практике, цилиндрическая внешняя поверхность 23 проходит в осевом направлении за внутреннюю поверхность 17, до зоны полных витков резьбы 3.

[0051] На противоположной стороне внешняя поверхность 23 проходит по существу к радиальной плоскости, содержащей радиальную поверхность 21. Охватывающий трубчатый элемент 1 содержит свободный конец в форме кольцевой радиальной поверхности 25. Радиальная поверхность 25 ограничена малым диаметром, который больше наибольшего диаметра охватываемой уплотняющей поверхности 16. Торцевая поверхность 25 соединяется с внешней поверхностью 23 посредством внешней конической скошенной кромки 27. Внешняя скошенная кромка 27 может иметь наклон порядка 60° - 80° относительно радиальной плоскости, например порядка 70°.

[0052] Внутренняя скошенная кромка 29 расположена между торцевой поверхностью 25 и радиальной поверхностью 21. Внутренняя скошенная кромка 29 может иметь наклон порядка 60° - 80° относительно радиальной плоскости, например порядка 70°. Внутренняя скошенная кромка 29 и радиальная поверхность 21 образуют кольцевой паз 31, как видно на фиг. 4. Внутренняя скошенная кромка 29 и радиальная поверхность 21 образуют вогнутый участок в осевом сечении. Указанный вогнутый участок по существу разделен на два ровных сегмента, образованных в направлении наружу скошенной кромкой 29 и в направлении внутрь радиальной поверхностью 21. Угол между внутренней скошенной кромкой 29 и радиальной поверхностью 21 составляет менее 160°, например порядка 100° - 120°. Паз 31 имеет V-образную форму с закругленным дном. Охватывающая уплотняющая поверхность 15 имеет средний наклон, который меньше наклона указанной скошенной кромки 29. Предпочтительно, разница в наклоне составляет по меньшей мере 10%, выраженных в процентах наклона.

[0053] Скошенные кромки 27 и 29 занимают ограниченное пространство в радиальном направлении для того, чтобы сохранить прочное поперечное сечение материала для амортизатора. Общий радиальный размер скошенных кромок 27 и 29 составляет менее 50% радиального размера охватывающего компонента в конце скошенных кромок, противоположном указанному свободному концу, т.е. в радиальной плоскости, ограниченной радиальной поверхностью 21. Совокупный радиальный размер скошенных кромок 27 и 29 и торцевой поверхности 25 составляет по меньшей мере 80% максимального радиального размера охватывающего трубчатого элемента 1 за полными витками резьбы 3 в направлении конца, другими словами - носовой части охватывающего трубчатого элемента 1.

[0054] Торцевая поверхность 25 смещена в осевом направлении относительно радиальной поверхности 21 на расстояние L порядка 1 - 5 мм, например порядка 2 мм. Расстояние L составляет менее 25% номинального внешнего диаметра компонента. Радиальная поверхность 21 и вогнутая поверхность 19 предоставляют радиальное смещение между внутренней скошенной кромкой 29 и охватывающей уплотняющей поверхностью 15 более 1,5 мм, порядка 2 мм. Охватывающая уплотняющая поверхность 15 защищена торцевой поверхностью 25, расположенной впереди относительно радиальной плоскости радиальной поверхности 21. Торцевая поверхность 25, расположенная впереди, таким образом образует амортизатор, который в особенности защищает от ударов при манипулировании перед свинчиванием резьбового соединения. При падении на плоскую поверхность торцевая поверхность 25 сначала выдержит нагрузку и возможно будет деформирована, и в то же время сохранит целостность уплотняющей поверхности 15, в частности, в отношении своих размеров. Таким образом, можно устранить необходимость в съемной крышке, на которую тратится время и которая производит отходы.

[0055] Заявитель наблюдал, что чем больше расстояние L, тем больше смещен контакт типа металл-металл уплотняющих поверхностей 15 и 16 по направлению к свободному торцу 25 охватывающего компонента. Фактически, чем больше осевое расстояние L, тем больше радиальная жесткость вблизи свободного конца 25 охватывающего компонента. По этой причине, зона интерференции уплотняющих поверхностей 15 и 16 типа металл-металл смещена по направлению к свободному концу 25 охватывающего компонента. Желательно ограничить осевое расстояние L, так что контакт уплотняющих поверхностей 15 и 16 типа металл-металл будет находиться снаружи паза. Например, оптимальное значение L, рассчитанное методом конечных элементов, составляет приблизительно 2 мм.

[0056] Параметры (радиусы, наклоны, формы и т.д.) уплотняющих поверхностей 15 и 16 адаптированы в зависимости от осевого расстояния L для получения оптимального стабильного контакта.

[0057] При свинчивании охватывающая уплотняющая поверхность 15 постепенно будет входить в уплотняющий контакт с охватываемой уплотняющей поверхностью 16 для образования уплотнения посредством контакта типа металл-металл. Охватывающая уплотняющая поверхность 15 склонна к деформации, которая выражена увеличением диаметра в эластичной области. Данному возможному увеличению диаметра противодействует жесткость носовой части охватывающего трубчатого элемента 1, и жесткость повышается благодаря наличию кольца вспомогательного материала, ограниченного радиальной плоскостью радиальной поверхности 21, торцевой поверхностью 25 и скошенными кромками 27 и 29. Данное кольцо вспомогательного материала значительно увеличивает усилие, необходимое для увеличения диаметра уплотняющей поверхности 15, и, следовательно, соответствующим образом увеличивает контактные усилия между уплотняющими поверхностями 15 и 16. Таким образом, материал охватывающего трубчатого элемента 1 за радиальной плоскостью радиальной поверхности 21 выполняет двойную функцию, выступая в качестве амортизатора, благодаря своей кольцевой форме, в качестве элемента жесткости, препятствующего направленной наружу радиальной деформации уплотняющей поверхности 15.

[0058] Между охватываемой уплотняющей поверхностью 16 и резьбой 4, охватываемый трубчатый элемент 2 содержит по существу цилиндрическую внешнюю поверхность 18, из которой постепенно появляются витки резьбы 4 с зоной неполных витков, при этом вершина витков резьбы 4 имеет диаметр, который меньше или равен диаметру внешней цилиндрической поверхности 18. Охватываемый трубчатый элемент 2 содержит промежуточную поверхность 20, расположенную на стороне уплотняющей поверхности 16 напротив цилиндрической поверхности 18. Промежуточная поверхность 20 является короткой, например в диапазоне от 2 до 10 мм. Промежуточная поверхность 20 является, предпочтительно, цилиндрической в целях простоты, но она может иметь слегка коническую форму с наклоном, который меньше наклона конических несущих поверхностей 16 и 22. За промежуточной поверхностью 20 расположена коническая поверхность 22, проходящая между промежуточной поверхностью 20 и внешней поверхностью 24 и ограничивающая номинальный внешний диаметр трубы 12. Коническая поверхность 22 может иметь наклон порядка 40% - 60% относительно оси охватываемого трубчатого элемента 2, например равный наклону уплотняющей поверхности 16.

[0059] Профиль охватываемой части внешней уплотняющей поверхности, изображенный более подробно на фиг. 4, является выгодным благодаря ступенчатому изменению конических уплотняющих поверхностей, образованных, с одной стороны, уплотняющей поверхностью 16 и, с другой стороны, внешней конической поверхностью 22, образующей наклонную часть. В целях простоты, при выполнении механической обработки, выгодно предоставить две конические несущие поверхности с одинаковым наклоном. Одна из трудностей при механической обработке вызвана дефектами внешней поверхности 24. Внешняя поверхность 24 номинально является поверхностью вращения. Внешняя поверхность 24 фактической трубы слегка отклоняется от формы идеального круга при рассмотрении в поперечном сечении. Однако, уплотняющая поверхность 16 проходит очень точную механическую обработку, в то время как внешнюю поверхность 24 выковывают с большими допусками, которые, по меньшей мере, на порядок превышают величину. Уплотняющая поверхность 16 должна представлять собой поверхность вращения с точными надежными допусками.

[0060] Наличие промежуточной поверхности 20 и внешней конической поверхности 22 означает, что механическую обработку можно проверять визуально, что выполняется либо оператором, либо системой захвата и обработки изображений. Если дефект является незначительным, коническая поверхность 22 будет подвергнута лишь частично механической обработке или вообще не будет подвергнута механической обработке. Достаточно проверить, что промежуточная поверхность 20 действительно прошла механическую обработку, для того чтобы убедиться в том, что уплотняющая поверхность 16 также прошла полную механическую обработку. Промежуточная поверхность 20 образует поверхность проверки. Поскольку трубы большого размера особенно подвержены дефектам, в частности потере круглой формы или чрезмерному уменьшению диаметра, или даже кривизне, промежуточная поверхность 20 позволяет быстрое и сравнительно надежное осуществления контроля полной механической обработки уплотняющей поверхности 16 охватываемого трубчатого элемента 2.

[0061] Кроме того, уплотняющая поверхность 16 может быть выполнена в соответствии с патентом FR 2 868 146; читателю предлагают обратиться к указанному документу. Уплотняющая поверхность 16 может совершать волнообразные движения в последовательности закругленных кольцевых ребер, входящих в контакт с уплотняющей поверхностью 15, обращенной к ней в свинченном состоянии. Уплотняющая поверхность 15 является гладкой.

[0062] На фиг. 1 внешняя поверхность 23 вблизи конца муфты соединена с внешней поверхностью 33 с максимальным диаметром муфты посредством кольцевого паза 35, также обозначенного термином "серповидный элемент", полученного путем удаления материала, также обозначенного термином "утончение", в зоне между внешними поверхностями 23 и 33. Таким образом, гибкость муфты может быть увеличена в осевом направлении у резьбы 3 и с одновременным сохранением высокой радиальной жесткостью в осевом направлении уплотняющей поверхности 15. Читателю предлагают обратиться к документу FR 2 807 095.

[0063] Кольцевой паз 35 может иметь границу вблизи внешней поверхности 23, наклоненную под углом приблизительно 10° - 30°, например 20°, относительно оси муфты, по существу цилиндрическое дно и границу вблизи большого диаметра внешней поверхности 3 с двумя склонами, пологий наклон вблизи дна и крутой наклон вблизи внешней поверхности 33. Пологий наклон может быть наклонен под углом порядка 5° - 15°, например приблизительно 10°, относительно оси муфты. Крутой наклон может быть наклонен под углом порядка 30° - 50°, например приблизительно 45°, относительно оси муфты. Кольцевой паз 35 расположен вдоль оси в месте полных витков резьбы 3 и одновременно находится на расстоянии от конца резьбы 3 вблизи внутренней уплотняющей поверхности 5. Получена зона малой толщины, перпендикулярная охватывающей резьбе 3, и зона большой толщины, перпендикулярная охватывающей уплотняющей поверхности 15. Зона малой толщины проходит через отрезок длины охватывающей резьбы 3.

[0064] Резьбы 3 и 4 являются самоблокирующимися в радиальном направлении, см. фиг. 5. В случае растягивающей нагрузки противоположный наклон ударных боковых сторон повторно затягивает охватывающий трубчатый элемент 1 на охватываемом трубчатом элементе 2. Повышено контактное давление охватывающих уплотняющих поверхностей 7 и 15 на охватываемых уплотняющих поверхностях 8 и 16.

[0065] Как изображено на фиг. 5, резьбы 3 и 4 содержат основания и вершины, которые, в общем, являются гладкими и следуют за конусностью указанных резьб 3 и 4. Ударные боковые стороны 51 и 52 имеют угол в диапазоне от +1° до +5° в тригонометрическом определении, например приблизительно 3°. Рабочие боковые стороны 53 и 54 имеют угол в диапазоне от -5° до -35° в тригонометрическом определении, например приблизительно -25°. Соединение между основанием, вершиной, рабочей боковой стороной и ударной боковой стороной выполнено с помощью буртиков с двумя радиусами. Большой радиус в 2 - 3 раза больше малого радиуса. Малый радиус расположен вблизи боковой стороны, в то время как большой радиус расположен вблизи основания или вершины. Напряжения являются менее концентрированными, что приводит к улучшенной усталостной прочности.

Группа изобретений относится к резьбовому соединению. Охватывающий компонент для трубчатой рабочей колонны для выработки углеводородов, подвергаемой динамическому изгибающему напряжению, содержит коническую охватывающую резьбу для взаимодействия с охватываемой резьбой для образования жесткого взаимного соединения трубчатых элементов. Свободный конец и охватывающая уплотняющая поверхность расположены между свободным концом и охватывающей резьбой. Охватывающая уплотняющая поверхность предназначена для вхождения в свинченном состоянии в контакт с охватываемой уплотняющей поверхностью для образования уплотнения типа металл-металл. Имеется кольцевой паз расположенный между свободным концом и охватывающей уплотняющей поверхностью, оставляя осевое расстояние, которое больше нуля, между свободным концом и переходной областью снаружи охватывающей уплотняющей поверхности, и радиальное расстояние, которое больше нуля, между охватывающей уплотняющей поверхностью и скошенной кромкой свободного конца. Паз содержит границу, образованную скошенной кромкой, и границу, образованную частью переходной области, для защиты охватывающей уплотняющей поверхности перед свинчиванием. Изобретение повышает надежность соединения. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Охватывающий компонент (1) для трубчатой рабочей колонны для выработки углеводородов, подвергаемой динамическому изгибающему напряжению, содержащий коническую охватывающую резьбу (3) для взаимодействия с охватываемой резьбой (4) для образования жесткого взаимного соединения трубчатых элементов, при этом свободный конец и охватывающая уплотняющая поверхность (15) расположены между свободным концом и охватывающей резьбой, при этом охватывающая уплотняющая поверхность (15) предназначена для вхождения в свинченном состоянии в контакт с охватываемой уплотняющей поверхностью (16) для образования уплотнения типа металл-металл, отличающийся тем, что он содержит кольцевой паз (31), расположенный между свободным концом и охватывающей уплотняющей поверхностью (15), оставляя осевое расстояние, которое больше нуля, между свободным концом и переходной областью снаружи охватывающей уплотняющей поверхности, и радиальное расстояние, которое больше нуля, между охватывающей уплотняющей поверхностью и скошенной кромкой (29) свободного конца, при этом паз (31) содержит границу, образованную скошенной кромкой (29), и границу, образованную частью переходной области, для защиты охватывающей уплотняющей поверхности перед свинчиванием.

2. Охватывающий компонент по п.1, содержащий внутреннюю опорную поверхность, расположенную вблизи охватывающей резьбы на стороне, противоположной охватывающему концу.

3. Охватывающий компонент по п.1, отличающийся тем, что резьба является самоблокирующейся.

4. Охватывающий компонент по п.1, отличающийся тем, что указанная скошенная кромка (29) является конической, предпочтительно под углом в диапазоне от 10° до 30°.

5. Охватывающий компонент по п.1, отличающийся тем, что свободный конец содержит поверхность (25), ориентированную по существу радиально.

6. Охватывающий компонент по п.1, отличающийся тем, что паз (31) содержит вогнутый участок с углом менее 160° в сечении вдоль плоскости, проходящей через ось.

7. Охватывающий компонент по п.1, отличающийся тем, что часть переходной области является по существу радиальной.

8. Охватывающий компонент по п.1, отличающийся тем, что часть переходной области в общем выполнена в форме дуги окружности в осевом сечении и охватывающая уплотняющая поверхность (15) в общем выполнена в форме дуги окружности в осевом сечении, при этом радиус охватывающей уплотняющей поверхности больше 150 мм; предпочтительно, радиус охватывающей уплотняющей поверхности, по меньшей мере, в 10 раз больше радиуса части переходной области.

9. Охватывающий компонент по одному из пп.1-7, отличающийся тем, что часть переходной области в общем выполнена в форме дуги окружности в осевом сечении и охватывающая уплотняющая поверхность является конической.

10. Охватывающий компонент по п.1, отличающийся тем, что охватывающая уплотняющая поверхность (15) имеет средний наклон, который меньше наклона указанной скошенной кромки (29), предпочтительно, по меньшей мере, на 10%.

11. Охватывающий компонент по п.1, отличающийся тем, что охватывающая уплотняющая поверхность (15) имеет средний наклон, превышающий 35%, предпочтительно 45%.

12. Охватывающий компонент по п.1, отличающийся тем, что охватывающий трубчатый элемент (1) содержит скошенную кромку (27) между свободным концом и внешней поверхностью (23) охватывающего трубчатого элемента, предпочтительно под углом в диапазоне от 10° до 30°, при этом радиальный размер скошенных кромок составляет менее 50% радиального размера охватывающего компонента в конце скошенных кромок, противоположном указанному свободному концу.

13. Охватывающий компонент по п.1, отличающийся тем, что охватывающий трубчатый элемент (1) содержит зону с малой толщиной на охватывающей резьбе (3) и зону с большой толщиной на охватывающей уплотняющей поверхности (15), при этом зона малой толщины проходит через отрезок длины охватывающей резьбы и получена путем предоставления вогнутого участка (35) в осевом сечении от внешней поверхности охватывающего трубчатого элемента.

14. Охватывающий компонент по п.1, отличающийся тем, что осевое расстояние между свободным концом и наружной переходной областью охватывающей уплотняющей поверхности больше 1 мм и меньше 25% номинального внешнего диаметра компонента и радиальное расстояние между охватывающей уплотняющей поверхностью и скошенной кромкой свободного конца больше 1,5 мм.

15. Охватывающий компонент по п.1, отличающийся тем, что охватывающая резьба (3) содержит основания, вершины, рабочие боковые стороны и ударные боковые стороны, соединенные посредством буртиков с двумя радиусами кривизны, большим радиусом кривизны, ближайшим к основаниям и вершинам, и малым радиусом кривизны, ближайшим к рабочим боковым сторонам и ударным боковым сторонам.

16. Резьбовое соединение, содержащее охватывающий компонент по одному из пп.1-15 и охватываемый компонент (12), содержащий коническую охватываемую резьбу (4), охватываемую уплотняющую поверхность (16) и внешнюю цилиндрическую поверхность (24), при этом охватываемая уплотняющая поверхность (16) расположена между охватываемой резьбой (4) и внешней цилиндрической поверхностью (24), при этом внешняя коническая поверхность (22) расположена вблизи внешней цилиндрической поверхности (24) и цилиндрическая поверхность (20) проверки расположена между внешней конической поверхностью (22) и охватываемой уплотняющей поверхностью (16).

17. Способ получения охватывающего компонента по одному из пп.1-15, отличающийся тем, что место максимального давления, которому подвергают охватывающую уплотняющую поверхность, находящуюся в контакте с охватываемой уплотняющей поверхностью, выбирают в зависимости от осевого расстояния между свободным концом и переходной областью снаружи охватывающей уплотняющей поверхности.