РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ДЛЯ СТАЛЬНЫХ ТРУБ Российский патент 2020 года по МПК F16L15/04 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Настоящее изобретение относится к резьбовому соединению для стальных труб.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Стальные трубы, называемые трубными изделиями нефтепромыслового сортамента применяют, например, для разведки или добычи нефти или природного газа в нефтяных скважинах или газовых скважинах (ниже в данном документе называемых "нефтяная скважина"), разработке необычных запасов, таких как битуминозный песок или сланцевый газ, извлечения или хранения двуокиси углерода (получение и хранение двуокиси углерода (CCS), получения геотермальной энергии или в термальных источниках. Для соединения стальных труб применяют резьбовое соединение.

[0003] Резьбовые соединения для стальных труб в общем классифицируют, как соединения муфтового типа и интегрального типа. Соединение муфтового типа соединяет пару труб, одна из которых является стальной трубой и другая является муфтой. В данном случае охватываемая резьба обеспечена на наружной периферии каждого из концов стальной трубы, а Охватывающая резьба обеспечена на внутренней периферии каждого из концов соединительной муфты. Затем охватываемую резьбу стальной трубы навинчивают на охватывающую резьбу соединительной муфты так, что их скрепляют и соединяют. Соединение интегрального типа соединяет пару труб, которые обе являются стальными трубами, и отдельная соединительная муфта не применяется. В данном случае охватываемая резьба обеспечена на наружной периферии одного конца каждой стальной трубы, а Охватывающая резьба обеспечена на внутренней периферии другого конца. Затем охватываемую резьбу одной стальной трубы навинчивают на охватывающую резьбу другой стальной трубы так, что их скрепляют и соединяют.

[0004] Соединительный участок конца трубы, на котором обеспечивают охватываемую резьбу, содержит элемент, подлежащий вставлению в охватывающую резьбу, и обычно называемый "ниппель". Соединительный участок конца трубы, на котором обеспечивают охватывающую резьбу, содержит элемент для приема охватываемой резьбы и называемый "муфта". Ниппель и муфта образуют концы труб и имеют трубчатую форму.

[0005] Резьбовому соединению для стальных труб требуется иметь удовлетворительные показатели уплотнения для противодействия давлению текучей среды внутри (ниже в данном документе также именуется "внутренним давлением") и давлению текучей среды снаружи (ниже в данном документе также именуется "наружным давлением"). Для решения указанного резьбовое соединение обеспечивают уплотнением, где применяют контакт металла с металлом. Уплотнение состоит из уплотнительной поверхности ниппеля, обеспеченной на наружной периферии ниппеля, и уплотнительной поверхности муфты, обеспеченной на внутренней периферии муфты. Диаметр уплотнительной поверхности ниппеля немного больше диаметра уплотнительной поверхности муфты. Разность между диаметрами уплотнительных поверхностей ниппеля и муфты именуется ниже величиной натяга. Когда резьбовое соединение скрепляют, и уплотнительные поверхности пригоняют одну к другой, присутствие натяга обуславливает уменьшение диаметра уплотнительной поверхности ниппеля и увеличение диаметра уплотнительной поверхности муфты. Каждая из уплотнительных поверхностей стремится вернуть свой начальный диаметр и таким образом дает упругое восстановление, при этом генерируется контактное давление на уплотнительных поверхностях, которые теперь сцепляются друг с другом по всей периферии для обеспечения показателей уплотнения.

[0006] JP 2007-504420 раскрывает резьбовой соединение, выполненное с возможностью максимизации длины эффективного контакта уплотнительных поверхностей. В данном резьбовом соединении уплотнительная поверхность ниппеля имеет дугообразную форму, а уплотнительная поверхность муфты является сужающейся. Данная публикация сообщает, что такая конструкция обеспечивает ширину контакта весьма эффективную в аксиальном направлении и распределение контактного давления в общем по параболе по сечению эффективного контакта.

[0007] JP 2014-101983 раскрывает резьбовое соединение, выполненное с возможностью обеспечения показателей уплотнения и сопротивления сжатию. Данное резьбовое соединение содержит поверхность заплечика ниппеля, обеспеченную на вершине ниппеля, и поверхность заплечика муфты, обеспеченную на внутреннем конце муфты. Когда соединение скреплено, поверхности заплечика ниппеля и муфты контактируют друг с другом для образования узла заплечиков. Данная публикация сообщает, что реактивная сила на контакте, действующая от поверхности заплечика муфты на поверхность заплечика ниппеля, не имеет центростремительного компонента и следовательно не вносит вклад в деформaцию уменьшения диаметра вершины ниппеля, или имеет центробежный компонент и противодействует деформации уменьшения диаметра вершины ниппеля.

[0008] В резьбовом соединении данной публикации угол заплечика, который является углом пересечения между поверхностью заплечика и плоскостью перпендикулярной оси трубы, имеет величину не меньше 0° и не больше 20°. Согласно данной публикации, если угол заплечика больше 20°, центробежный компонент является чрезмерно большим и повреждает уплотнительные поверхности.

[0009] В резьбовом соединении данной публикации наружный диаметр поверхности заплечика ниппеля меньше наружного диаметра поверхности заплечика муфты. Согласно данной публикации, такая конструкция предотвращает создание силы давления в направлении уменьшения диаметра, действующей от муфты на вершину ниппеля, при этом предотвращается ослабление контакта в уплотнении, обусловленное данной силой давления.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0010] Как рассмотрено дополнительно ниже, в резьбовых соединениях рассмотренных выше патентных документов показатели уплотнения можно дополнительно улучшить. С учетом указанного, задачей настоящего изобретения является обеспечение резьбового соединения для стальных труб, которое обеспечивает еще лучшие показатели уплотнения.

[0011] Резьбовое соединение для стальных труб настоящего изобретения содержит трубчатый ниппель и трубчатую муфту. Ниппель обеспечен смежно с телом стальной трубы. Ниппель вставлен в муфту так, что муфта и ниппель скрепляются. Ниппель содержит поверхность заплечика ниппеля, охватываемую резьбу и уплотнительную поверхность ниппеля. Поверхность заплечика ниппеля является кольцевой поверхностью, обеспеченной на вершине ниппеля. Поверхность заплечика ниппеля наклонена, так что ее наружная периферийная кромка расположена дальше к вершине ниппеля, чем ее внутренняя периферийная кромка. Охватываемая резьба обеспечена на наружной периферийной поверхности ниппеля. Охватываемая резьба является клиновой резьбой. Уплотнительная поверхность ниппеля обеспечена на наружной периферийной поверхности ниппеля и расположена между поверхностью заплечика ниппеля и охватываемой резьбой. Муфта содержит поверхность заплечика муфты, охватывающую резьбу и уплотнительную поверхность муфты. Поверхность заплечика муфты является кольцевой поверхностью, соответствующей поверхности заплечика ниппеля, и обеспечена на внутреннем конце муфты. Поверхность заплечика муфты наклонена, так что ее наружная периферийная кромка расположена дальше к внутреннему концу муфты, чем ее внутренняя периферийная кромка. Охватывающая резьба обеспечена на внутренней периферийной поверхности муфты и соответствует охватываемой резьбе. Охватывающая резьба является клиновой резьбой. Уплотнительная поверхность муфты обеспечена на внутренней периферийной поверхности муфты и соответствует уплотнительной поверхности ниппеля. Когда соединение скреплено, поверхность заплечика ниппеля контактирует с поверхностью заплечика муфты, закладная сторона и опорная сторона охватываемой резьбы контактируют с закладной стороной и опорной стороной, соответственно, охватывающей резьбы, и уплотнительная поверхность ниппеля контактирует с уплотнительной поверхностью муфты. Угол заплечика составляет 4° или больше. Угол заплечика является углом, образованным каждой из поверхности заплечика ниппеля и поверхности заплечика муфты с плоскостью перпендикулярной оси трубы, когда соединение не скреплено.

[0012] Резьбовое соединение настоящего изобретения обеспечивает улучшенные показатели уплотнения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0013] На фиг. 1 схематично показано продольное сечение резьбового соединения для стальных труб варианта осуществления.

На фиг. 2 показана с увеличением часть резьбового соединения фиг. 1.

На фиг. 3 показана с увеличением часть резьбового соединения фиг. 1.

На фиг. 4 показан график зависимости между контактной силой уплотнения и углом заплечика.

На фиг. 5 показан график зависимости между сопротивлением крутящему моменту и углом заплечика.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0014] Одним известным резьбовым соединение для стальных труб, которое достигает высокого сопротивления крутящему моменту, является резьбовое соединение с применением клиновой резьбы. Клиновая резьба имеет ширину резьбы, которая постепенно изменяется к вершине ниппеля, и имеет закладную сторону и опорную сторону, которые обе имеют отрицательные углы бокового наклона. Клиновая резьба дает эффект, известный как самозатягивание. То есть, в резьбовом соединении, где применяют клиновую резьбу, по завершении скрепления закладные стороны охватываемой и охватывающей резьб контактируют друг с другом, и опорные стороны охватываемой и охватывающей резьб контактируют друг с другом так, что охватываемая и охватывающая резьбы пригоняются друг к другу.

[0015] Обычно резьбовое соединение с применением клиновых резьб не имеет заплечиков. Например, резьбовое соединение по JP 2007-504420A содержит клиновые резьбы, но не содержит заплечиков. С другой стороны, в резьбовом соединении, содержащем заплечики, обычно не применяют клиновые резьбы. Например, резьбовое соединение по JP 2014-101983A содержит заплечики, но в нем применены трапецеидальные резьбы, где закладные стороны резьб не контактируют друг с другом по завершении скрепления.

[0016] Таким образом, в резьбовом соединении для стальных труб клиновые резьбы и заплечики обычно не комбинируют. Если клиновые резьбы применяют в резьбовом соединении и обеспечивают заплечики, соединение должно быть разработано таким, что контакт между закладными сторонами и между опорными сторонами (т.e. блокирование) и контакт между поверхностями заплечиков (т.e. взаимодействие заплечиков) происходят одновременно. Если блокирование клиновых резьб и взаимодействие заплечиков не происходит одновременно, заданный натяг не вводится в уплотнение и/или резьбы, что может создавать слабые участки по сопротивлению комбинированным нагрузкам. Кроме того, отдельные пластические деформации могут возникать в резьбе и заплечике по линии крутящего момента затягивания. Для предотвращения данных явлений должны быть приняты допуски изготовления прецизионного резьбового соединения. Поэтому комбинацию клиновых резьб и заплечиков обычно исключают.

[0017] Тем не менее, если не учитывать проблему допуска на изготовление, комбинирование клиновых резьб с заплечиками может улучшить показатели уплотнения. Более конкретно, эффект блокирования клиновых резьб и взаимодействия заплечиков по завершении скрепления может увеличивать контактные силы, полученные в уплотнении.

[0018] Изобретатели старались найти подходящий угол поверхностей заплечика для обеспечения удовлетворительных показателей уплотнения в резьбовом соединении, содержащем обе позиции, клиновые резьбы и заплечики. Изобретатели пришли к резьбовому соединению варианта осуществления.

[0019] Резьбовое соединение для стальных труб варианта осуществления содержит трубчатый ниппель и трубчатую муфту. Ниппель обеспечен смежно с телом стальной трубы. Ниппель вставлен в муфту так, что муфта и ниппель скрепляются. Ниппель содержит поверхность заплечика ниппеля, охватываемую резьбу и уплотнительную поверхность ниппеля. Поверхность заплечика ниппеля является кольцевой поверхностью, обеспеченной на вершине ниппеля. Поверхность заплечика ниппеля наклонена, так что ее наружная периферийная кромка расположена дальше к вершине ниппеля, чем ее внутренняя периферийная кромка. Охватываемая резьба обеспечена на наружной периферийной поверхности ниппеля. Охватываемая резьба является клиновой резьбой. Уплотнительная поверхность ниппеля обеспечена на наружной периферийной поверхности ниппеля и расположена между поверхностью заплечика ниппеля и охватываемой резьбой. Муфта содержит поверхность заплечика муфты, охватывающую резьбу и уплотнительную поверхность муфты. Поверхность заплечика муфты является кольцевой поверхностью, соответствующей поверхности заплечика ниппеля, и расположена на внутреннем конце муфты. Поверхность заплечика муфты наклонена, так что ее наружная периферийная кромка расположена дальше к внутреннему концу муфты чем ее внутренняя периферийная кромка. Охватывающая резьба обеспечена на внутренней периферийной поверхности муфты и соответствует охватываемой резьбе. Охватывающая резьба является клиновой резьбой. Уплотнительная поверхность муфты обеспечена на внутренней периферийной поверхности муфты и соответствует уплотнительной поверхности ниппеля. Когда соединение скреплено, поверхность заплечика ниппеля контактирует с поверхностью заплечика муфты, закладная сторона и опорная сторона охватываемой резьбы контактируют с закладной стороной и опорной стороной, соответственно, охватывающей резьбы, и уплотнительная поверхность ниппеля контактирует с уплотнительной поверхностью муфты. Угол заплечика составляет 4° или больше. Угол заплечика является углом, образованным каждой из поверхности заплечика ниппеля и поверхности заплечика муфты с плоскостью перпендикулярной оси трубы, когда соединение не скреплено.

[0020] Описанное выше резьбовое соединение содержит охватываемую резьбу и охватывающую резьбу, каждую, представляющую собой клиновую резьбу, а также поверхность заплечика ниппеля и поверхность заплечика муфты. Когда соединение скреплено, закладные стороны охватываемой и охватывающей резьб контактируют друг с другом, и опорные стороны охватываемой и охватывающей резьб контактируют друг с другом, и поверхность заплечика ниппеля и поверхность заплечика муфты контактируют друг с другом. То есть, по завершении скрепления происходит блокирование клиновых резьб и взаимодействие заплечиков. Данное предотвращает деформацию уплотнительной поверхности ниппеля и уплотнительной поверхности муфты, обеспеченных между резьбами и заплечиками, когда нагрузка действует на них, при этом возможно увеличение контактных сил, действующих между уплотнительными поверхностями. Кроме того, каждая поверхность заплечика имеет угол заплечика 4° или больше. Как описано подробно ниже, такие углы заплечика обеспечивают лучшие показателей уплотнения, чем у обычных резьбовых соединений.

[0021] Угол заплечика может составлять 40° или больше.

[0022] Как рассмотрено подробно ниже, углы заплечика величиной 40° или больше обеспечивают удовлетворительное сопротивление крутящему моменту.

[0023] Угол заплечика может составлять 60° или меньше.

[0024] Обычно увеличение угла заплечика уменьшает жесткость вершины ниппеля, в результате получают низкие показатели уплотнения. С другой стороны, конструкция резьбового соединения варианта осуществления не страдает уменьшением жесткости вершины ниппеля если углы заплечика составляют 60° или меньше, при этом поддерживаются удовлетворительные показатели уплотнения. Данная концепция описана дополнительно ниже.

[0025] Варианты осуществления конкретно описаны ниже со ссылкой на чертежи. На чертежах одинаковым и соответствующим элементам присвоены одинаковые позиции, и одинаковые описания не повторяются. Для простоты объяснения чертежи могут показывать элементы упрощенно или схематично, а также могут не показывать некоторые элементы.

[0026] [Конструкция резьбового соединения]

На фиг. 1 схематично показано продольное сечение резьбового соединения 1 для стальных труб варианта осуществления. Продольное сечение означает сечение, взятое в плоскости, содержащей ось CL трубы резьбового соединения 1. Резьбовое соединение 1 может быть резьбовым соединением интегрального типа, или может быть резьбовым соединением муфтового типа.

[0027] Как показано на фиг. 1, резьбовое соединение 1 содержит ниппель 10 и муфту 20. Ниппель 10 и муфта 20 имеют трубчатую форму. Ниппель 10 вставляют в муфту 20 так, что ниппель 10 и муфта 20 скрепляются.

[0028] Ниппель 10 обеспечен смежно с телом стальной трубы 30. Ниппель 10 выполнен посредством станочной обработки конца стальной трубы. Тело 30 стальной трубы является частью стальной трубы, включающей в себя ниппель 10, которая не расположена в муфте 20 после вставления. В следующем описании направление к вершине ниппеля 10, определенное вдоль направления, в котором проходит ось CL трубы (т.e. направления оси трубы), именуется, как направление внутрь, направление вперед /направление к передней части или направление к внутренней части, и направление к телу 30 стальной трубы, как направление наружу или направление назад.

[0029] Ниппель 10 содержит поверхность 11 заплечика ниппеля, уплотнительную поверхность 12 ниппеля и охватываемую резьбу 13. Поверхность 11 заплечика ниппеля, уплотнительная поверхность 12 ниппеля и охватываемая резьба 13 расположены в данном порядке в направлении назад по оси трубы.

[0030] Поверхность 11 заплечика ниппеля обеспечена на вершине ниппеля 10. Поверхность 11 заплечика ниппеля обеспечена на поверхности вершины ниппеля, который имеет трубчатую форму. Поэтому заплечик 11 ниппеля является кольцевой поверхностью.

[0031] Уплотнительная поверхность 12 ниппеля обеспечена на наружной периферийной поверхности ниппеля 10. Уплотнительная поверхность 12 ниппеля расположена между поверхностью 11 заплечика ниппеля и охватываемой резьбой 13. Уплотнительная поверхность 12 ниппеля образована, например, периферийной поверхностью тела вращения, полученного вращением дуги или эллиптической дуги вокруг оси CL трубы, или периферийной поверхностью усеченного конуса, ось которого является осью CL трубы. Альтернативно, уплотнительная поверхность 12 ниппеля образована комбинацией двух или больше таких периферийных поверхностей.

[0032] Охватываемая резьба 13 обеспечена на наружной периферийной поверхности ниппеля 10. Охватываемая резьба 13 расположена дальше к телу 30 стальной трубы, чем уплотнительная поверхность 12 ниппеля. Охватываемая резьба 13 представляет собой клиновую резьбу. Клиновая резьба выполнена так, что ширина резьбы постепенно уменьшается при прохождении резьбы от верха к низу. Охватываемая резьба 13 представляет собой коническую охватываемую резьбу с наружным диаметром резьбы, который уменьшается к вершине ниппеля 10. Ширина охватываемой резьбы 13 постепенно уменьшается к вершине ниппеля 10.

[0033] Муфта 20 содержит поверхность 21 заплечика муфты, уплотнительную поверхность 22 муфты и охватывающую резьбу 23. Поверхность 21 заплечика муфты, уплотнительная поверхность 22 муфты и охватывающая резьба 23 расположены в данном порядке в направлении назад по оси трубы.

[0034] Поверхность 21 заплечика муфты соответствует поверхности 11 заплечика ниппеля и расположена на внутреннем конце муфты 20. Аналогично поверхности 11 заплечика ниппеля, заплечик 21 муфты имеет кольцевую форму. Когда соединение скреплено, поверхность 21 заплечика муфты контактирует с поверхностью 11 заплечика ниппеля и вместе с поверхностью 11 заплечика ниппеля образует узел заплечиков. Поверхности 11 и 21 заплечика ниппеля и муфты служат останавливающим упором для ограничения ввинчивания ниппеля 10. Поверхности 11 и 21 заплечика ниппеля и муфты служат для генерирования аксиальной силы затягивания резьб внутри соединения.

[0035] Уплотнительная поверхность 22 муфты соответствует уплотнительной поверхности 12 ниппеля и расположена на внутренней периферийной поверхности муфты 20. Уплотнительная поверхность 22 муфты расположена между поверхностью 21 заплечика муфты и охватывающей резьбой 23. Уплотнительная поверхность 22 муфты образована, например, периферийной поверхностью тела вращения, полученного вращением дуги или эллиптической дуги вокруг оси CL трубы или периферийной поверхностью усеченного конуса, ось которого является осью CL трубы. Альтернативно, уплотнительная поверхность 22 муфты образована комбинацией двух или больше таких периферийных поверхностей. Когда соединение скреплено, уплотнительная поверхность 22 муфты контактирует с уплотнительной поверхностью 12 ниппеля и вместе с уплотнительной поверхностью 12 ниппеля образует уплотнение с применением контакта металла с металлом.

[0036] Охватывающая резьба 23 соответствует охватываемой резьбе 13 и расположена на внутренней периферийной поверхности муфты 20. Охватывающая резьба 23 представляет собой клиновую резьбу, которая взаимодействует с клиновой охватываемой резьбой 13. Охватывающая резьба 23 представляет собой коническую охватывающую резьбу с внутренним диаметром, который уменьшается к внутреннему концу муфты 20. Когда соединение скреплено, охватывающая резьба 23, вместе с охватываемой резьбой 13, образует резьбовой узел. Резьбы предпочтительно являются однозаходными резьбами или двухзаходными резьбами.

[0037] Резьбы, представляющие собой охватываемую и охватывающую резьбы 13 и 23, каждая имеет ширину резьбы, которая постепенно изменяется к вершине ниппеля. Вместе с тем, часть каждой резьбы может иметь постоянную ширину резьбы. Например, внутренний конец и/или наружный конец, определенный по направлению оси трубы каждой резьбы, может иметь постоянную ширину резьбы.

[0038] На фиг. 2 показана с увеличением часть резьбового соединения 1. На фиг. 2 показаны с увеличением резьбы резьбового соединения 1.

[0039] Как показано на фиг. 2, охватываемая резьба 13 содержит вершину 131 резьбы, впадину 132 резьбы, закладную сторону 133 и опорную сторону 134. Закладная сторона 133 и опорная сторона 134 являются сторонами, соединяющими вершину 131 резьбы и впадину 132 резьбы. Закладная сторона 133 является поверхностью, которая идет первой, когда ниппель 10 ввинчивают в муфту 20. Опорная сторона 134 расположена на стороне вершины 131 резьбы, которая является противоположной закладной стороне 133.

[0040] Закладная сторона 133 и опорная сторона 134 имеют отрицательный угол бокового наклона. Угол бокового наклона относится к углу, образованному прямой линией перпендикулярной оси CL трубы и боковой стороной в продольном сечении резьбового соединения 1.

[0041] В контексте угла бокового наклона закладной стороны 133 отрицательное направление определено, как направление по часовой стрелке. Поэтому закладная сторона 133, имеющая отрицательный угол наклона, наклонена так, что наружная периферия расположена впереди внутренней периферии, как определено по направлению оси трубы. В контексте угла наклона опорной стороны 134, отрицательное направление определено, как направление против часовой стрелки. Поэтому опорная сторона 134, имеющая отрицательный угол наклона, наклонена так, что наружная периферия расположена сзади внутренней периферии, как определено по направлению оси трубы.

[0042] Охватывающая резьба 23 содержит впадину 231 резьбы, вершину 232 резьбы, закладную сторону 233 и опорную сторону 234. Закладная сторона 233 и опорная сторона 234 являются сторонами, соединяющими впадину 231 резьбы и вершину 232 резьбы. Опорная сторона 234 обращена к закладной стороне 233, так что в интервале между ними расположена впадина 231 резьбы.

[0043] Закладная сторона 233 и опорная сторона 234 имеют отрицательный угол бокового наклона. В контексте угла бокового наклона закладной стороны 233, отрицательное направление определено, как направление по часовой стрелке. Поэтому закладная сторона 233 наклонена так, что наружная периферия расположена впереди внутренней периферии, как определено по направлению оси трубы. В контексте угла бокового наклона опорной стороны 234 отрицательное направление определено, как направление против часовой стрелки. Поэтому опорная сторона 234 наклонена так, что наружная периферия расположена сзади внутренней периферии, как определено по направлению оси трубы.

[0044] Когда соединение скреплено, впадина 231 охватывающей резьбы 23 обращена к вершине 131 охватываемой резьбы 13, где между ними обеспечен просвет. Когда соединение скреплено, вершина 232 охватывающей резьбы 23 контактирует с впадиной 132 охватываемой резьбы 13. Альтернативно, когда соединение скреплено, впадина 231 охватывающей резьбы 23 и вершина 131 охватываемой резьбы 13 контактируют друг с другом, и вершина 232 охватывающей резьбы 23 и впадина 132 охватываемой резьбы 13 не имеют контакта друг с другом.

[0045] Когда соединение скреплено, закладная сторона 233 охватывающей резьбы 23 контактирует с закладной стороной 133 охватываемой резьбы 13. Когда соединение скреплено, опорная сторона 234 охватывающей резьбы 23 контактирует с опорной стороной 134 охватываемой резьбы 13. В это время не всей закладной стороне 233 охватывающей резьбы 23 нужно соприкасаться с закладной стороной 133 охватываемой резьбы 13. Например, участок закладной стороны 233 охватывающей резьбы 23 может не соприкасаться с закладной стороной 133 охватываемой резьбы 13 вследствие допуска на изготовление или т.п.

[0046] На фиг. 3 показана с увеличением часть резьбового соединения 1. На фиг. 3 показан передний участок резьбового соединения 1, когда соединение не скреплено.

[0047] Как показано на фиг. 3, заплечик 11 ниппеля наклонен так, что его наружная периферийная кромка расположена дальше к вершине ниппеля 10, чем его внутренняя периферийная кромка. Поверхность 11 заплечика ниппеля имеет угол θ1 заплечика. Угол θ1 заплечика является углом, образованным поверхностью 11 заплечика ниппеля и плоскостью перпендикулярной оси CL трубы, когда ниппель 10 и муфта 20 не скреплены.

[0048] Поверхность 21 заплечика муфты наклонена так, что наружная периферийная кромка расположена дальше к внутреннему концу муфты 20, чем внутренняя периферийная кромка. Поверхность 21 заплечика муфты имеет угол θ2 заплечика. Угол θ2 заплечика является углом, образованным поверхностью 21 заплечика муфты и плоскостью перпендикулярной оси CL трубы, когда муфта 20 и ниппель 10 не скреплены.

[0049] Угол θ2 заплечика поверхности 21 заплечика муфты, по существу, равен углу θ1 поверхности 11 заплечика ниппеля. По существу, равные углы θ1 и θ2 заплечика означают, что разность между углами θ1 и θ2 заплечика имеет величину в пределах допуска на изготовление. Например, разность между углами θ1 и θ2 заплечика имеет величину в пределах допуска ±1°. В следующем описании для простоты объяснения, углы θ1 и θ2 заплечика можно называть углом θ заплечика, когда не делается различие между ними.

[0050] Для обеспечения удовлетворительных показателей уплотнения угол θ заплечика поверхностей 11 и 21 заплечика ниппеля и муфты должен иметь величину не меньше 4°. Для дополнительного улучшения показателей уплотнения угол θ заплечика, предпочтительно, имеет величину не меньше 7° и, более предпочтительно, не меньше 20°.

[0051] Для улучшения сопротивления крутящему моменту, угол θ заплечика предпочтительно имеет величину не меньше 40°.

[0052] Для обеспечения требуемой жесткости на вершине ниппеля 10 угол θ заплечика, предпочтительно, имеет величину не больше 60°. По соображениям реального изготовления верхний предел величины угла θ заплечика должен составлять 60°, когда учитывают углы наклона наружной периферийной поверхности ниппеля 10, которая соединяется с поверхностью 11 заплечика ниппеля и внутренней периферийной поверхности муфты 20, которая соединяется с поверхностью 21 заплечика муфты, а также угол вставки для нарезания резьбы для станочной обработки ниппеля 10 и муфты 20.

[0053] Формы уплотнительных поверхностей ниппеля и муфты 12 и 22 не ограничены конкретными примерами; уплотнительная поверхность 12 ниппеля настоящего варианта осуществления является криволинейной поверхностью, выступающей в направлении наружу, определенному вдоль радиального направления ниппеля 10. С другой стороны, уплотнительная поверхность 22 муфты является в общем сужающейся. Диаметр уплотнительной поверхности 22 муфты постепенно уменьшается к внутреннему концу муфты 20.

[0054] В ниппеле 10, когда соединение не скреплено, позиция P1 с максимальным диаметром на уплотнительной поверхности 12 ниппеля расположена на удалении от вершины ниппеля 10 на заданное расстояние D1, измеренное в направлении оси трубы. Расстояние D1 может составлять 5 мм или больше, для примера. Ниппель 10 содержит участок 14 недеформируемого тела, расположенный впереди уплотнительной поверхности 12 ниппеля. Участок 14 недеформируемого тела является частью ниппеля 10, которая расположена впереди уплотнительной поверхности 12 ниппеля, как определено по направлению оси трубы, и содержит поверхность 11 заплечика ниппеля.

[0055] Наружный диаметр участка 14 недеформируемого тела уменьшается к вершине ниппеля. В продольном сечении ниппеля 10 наружная периферийная поверхность участка 14 недеформируемого тела немного наклонена относительно оси CL трубы. По меньшей мере участок наружной периферийной поверхности участка 14 недеформируемого тела не контактирует с внутренней периферийной поверхностью муфты 20, когда соединение скреплено. Когда сжимающая нагрузка приложена на резьбовое соединение 1, участок 14 недеформируемого тела абсорбирует пластическую деформацию уплотнительной поверхности ниппеля 11. Участок 14 недеформируемого тела сокращает уменьшение давления контактной поверхности на уплотнительной поверхности муфты 21 уплотнительной поверхностью ниппеля 11.

[0056] [Полезные эффекты]

Резьбовое соединение 1 настоящего варианта осуществления содержит поверхность 11 заплечика ниппеля и поверхность 21 заплечика муфты, а также охватываемую резьбу 13 и охватывающую резьбу 23, представляющие собой клиновые резьбы. Когда соединение скреплено, поверхность 11 заплечика ниппеля упирается в поверхность 21 заплечика муфты, а закладные стороны 133 и 233 охватываемой и охватывающей резьб 13 и 23 контактируют друг с другом, и опорные стороны 134 и 234 охватываемой и охватывающей резьб 13 и 23 контактируют друг с другом. Таким образом, в резьбовом соединении 1 по завершении скрепления возникает взаимодействие заплечиков и блокирование резьб. Данное предотвращает отклонение уплотнения, расположенного между заплечиками и резьбами, когда нагрузка приложена на резьбовое соединение 1, также возможно увеличение контактных сил, действующих между уплотнительными поверхностями ниппеля и муфты 12 и 22. Кроме того, поскольку угол заплечика между поверхностями 11 и 21 заплечика ниппеля и муфты составляет 4° или больше, могут быть обеспечены удовлетворительные показатели уплотнения.

[0057] Хотя описаны варианты осуществления, настоящее изобретение не ограничено приведенными выше вариантами осуществления, и различные модификации возможны без отхода от сущности раскрытия.

ПРИМЕРЫ

[0058] Для подтверждения полезного эффекта настоящего изобретения проведен анализ методом конечных элементов для резьбовых соединений для стальных труб, в которых применяли клиновые резьбы. Более конкретно, с моделями резьбового соединения, имеющими базовую конструкцию, показанную на фиг. 1-3, проведен анализ, в котором варьировали угол (θ) заплечика поверхности (11) заплечика ниппеля и поверхности (21) заплечика муфты, и оценивали показатели уплотнения и сопротивление крутящему моменту. Размер стальной трубы для анализа составлял 7"26# (номинальный наружный диаметр 177,80 мм и номинальная толщина стенки 9,19 мм), и стальная труба была выполнена из стали L80 согласно стандартам API (с номинальным пределом текучести YS=552 MПа (80 тыс.фунт/кв.дм)).

[0059] для каждой модели применяли условие комбинированной нагрузки, имитирующей тест ISO 13679 Series A для оценки величины контактной силы уплотнения для каждого этапа нагружения. Минимальную величину контактной силы уплотнения, варьирующуюся при данном условии (минимальную контактную силу уплотнения), применяли, как индикацию показателей уплотнения.

[0060] Дополнительно, для каждой модели провели анализ, моделирующий скрепление резьбового соединения, и применяли величину максимального крутящего момента (MTV), которая известна, как индикация крутящего момента на пределе текучести, для оценки сопротивления крутящему моменту.

[0061] Результаты оценки показателей уплотнения показаны на фиг. 4. На фиг. 4 показан график зависимости между минимальной контактной силой уплотнения и углом (θ) заплечика. На фиг. 4 также показана минимальная контактная сила уплотнения резьбового соединения с клиновыми резьбами без заплечиков (сравнительные примеры) для сравнения с резьбовыми соединениями с заплечиками и клиновыми резьбами (примеры изобретения).

[0062] Как показано на фиг. 4, в резьбовых соединениях примеров изобретения минимальная контактная сила уплотнения имела тенденцию к увеличению при увеличении угла (θ) заплечика. Обычно, считают, что когда угол (θ) заплечика увеличивается, жесткость верхнего участка ниппеля (10) уменьшается, следовательно снижаются показатели уплотнения, в особенности по противодействию наружному давлению. Вместе с тем, в резьбовых соединениях примеров изобретения уплотнение располагали в интервале между блокированными резьбами и заплечиками, что увеличивало давление контактной поверхности в уплотнении, следовательно, уменьшалось отклонение уплотнительной поверхности (12) ниппеля когда приложена нагрузка. Предположительно, именно поэтому уменьшение показателей уплотнения вследствие уменьшения жесткости верхнего участка ниппеля (10) было минимизировано, даже когда угол (θ) заплечика увеличивали.

[0063] Более конкретно, минимальная контактная сила уплотнения резьбового соединения примеров изобретения увеличивалась, когда увеличивался угол (θ) заплечика; когда угол (θ) заплечика достигал 4°, сила становилась больше минимальной контактной силы уплотнения резьбового соединения сравнительных примеров. Минимальная контактная сила уплотнения увеличивалась, когда угол (θ) заплечика увеличивается после превышения углом (θ) заплечика величины 4°, но увеличение выполаживалось, когда угол (θ) заплечика становился 7° или больше. Вместе с тем, когда угол (θ) заплечика становился 20° или больше, минимальная контактная сила уплотнения увеличивалась вновь, когда угол (θ) заплечика увеличивался.

[0064] Таким образом, если величина угла (θ) заплечика имеет величину не меньше 4°, контактную силу уплотнения можно сделать больше, чем в обычном резьбовом соединении с клиновыми резьбами без заплечиков, при этом обеспечиваются удовлетворительные показатели уплотнения. Если угол (θ) заплечика имеет величину не меньше 7°, контактная сила уплотнения является стабильной при величине выше, чем у обычного резьбового соединения, дополнительно обеспечивая удовлетворительные показатели уплотнения. Если угол (θ) заплечика имеет величину не меньше 20°, контактная сила уплотнения значительно увеличивается, при этом обеспечиваются еще лучшие показатели уплотнения.

[0065] Вместе с тем, если угол (θ) заплечика имел величину больше 60°, уплотнительная контактная сила больше не увеличивалась, даже если угол (θ) заплечика увеличивался. Данное предположительно происходило, поскольку эффект от уменьшения жесткости, обеспеченный верхним участком ниппеля (10), был слишком значительным. С учетом указанного, угол (θ) заплечика предпочтительно составляет не больше 60°.

[0066] Результаты оценки сопротивления крутящему моменту показаны на фиг. 5. На фиг. 5 показан график зависимости между MTV, полученным из анализа (т.е. сопротивление крутящему моменту) и углом (θ) заплечика. На фиг. 5 также показан MTV резьбового соединения с клиновыми резьбами без заплечиков (сравнительные примеры) для сравнения с резьбовыми соединениями с заплечиками и клиновыми резьбами (примеры изобретения).

[0067] Как показано на фиг. 5, в резьбовых соединениях примеров изобретения MTV имел тенденцию к увеличению, когда угол (θ) заплечика увеличивался. Когда угол (θ) заплечика имел величину 40° или больше, MTV резьбового соединения примеров изобретения имел величину больше MTV резьбового соединения сравнительных примеров. Таким образом, если величина угла (θ) заплечика не меньше 40°, может быть достигнуто сопротивление крутящему моменту большее, чем у обычного резьбового соединения с клиновыми резьбами без заплечиков.

[0068] Таким образом, было подтверждено, что могут быть достигнуты удовлетворительные показатели уплотнения, если угол (θ) заплечика поверхностей (11,21) заплечика, когда соединение не скреплено, имеет величину не меньше 4° и, по завершении скрепления, закладные стороны (133,233) резьб контактируют друг с другом, и опорные стороны (134,234) резьб контактируют друг с другом и поверхности (11,21) заплечиков контактируют друг с другом. Для обеспечения еще лучших показателей уплотнения, угол (θ) заплечика предпочтительно имеет величину не меньше 7° и, более предпочтительно, не меньше 20°. Дополнительно, было подтверждено, что, если угол (θ) заплечика имеет величину не меньше 40°, могут быть достигнуты обе позиции, удовлетворительные показатели уплотнения и удовлетворительное сопротивление крутящему моменту. Верхний предел угла (θ) заплечика не ограничен конкретной величиной; предпочтительно, предел составляет 60°.

Изобретение относится к резьбовому соединению для стальных труб с улучшенными показателями уплотнения. Резьбовое соединение (1) содержит ниппель (10) и муфту (20). Ниппель (10) содержит поверхность (11) заплечика ниппеля, уплотнительную поверхность (12) ниппеля и охватываемую резьбу (13). Муфта (20) содержит поверхность (21) заплечика муфты, уплотнительную поверхность (22) муфты и охватывающую резьбу (23). Охватываемая резьба (13) и охватывающая резьба (23) представляют собой клиновые резьбы. Когда соединение скреплено, поверхность (11) заплечика ниппеля контактирует с поверхностью (21) заплечика муфты, закладная сторона и опорная сторона охватываемой резьбы (13) контактируют с закладной стороной и опорной стороной соответственно охватывающей резьбы (23) и уплотнительная поверхность (12) ниппеля контактирует с уплотнительной поверхностью (22) муфты. Угол заплечика составляет 4° или больше. Угол заплечика является углом, образованным каждой из поверхностей (11, 21) заплечика с плоскостью, перпендикулярной оси (CL) трубы, когда соединение не скреплено. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Резьбовое соединение для стальных труб, содержащее:

трубчатый ниппель, обеспеченный смежно с телом стальной трубы; и

трубчатую муфту, причем ниппель вставлен в муфту так, что муфта и ниппель скрепляются,

причем ниппель содержит:

поверхность заплечика ниппеля, причем поверхность заплечика ниппеля является кольцевой поверхностью, обеспеченной на вершине ниппеля, и наклонена, так что ее наружная периферийная кромка расположена дальше к вершине ниппеля, чем ее внутренняя периферийная кромка;

охватываемую резьбу, обеспеченную на наружной периферийной поверхности ниппеля, причем охватываемая резьба является клиновой резьбой; и

уплотнительную поверхность ниппеля, обеспеченную на наружной периферийной поверхности ниппеля и расположенную между поверхностью заплечика ниппеля и охватываемой резьбой,

при этом муфта содержит:

поверхность заплечика муфты, причем поверхность заплечика муфты является кольцевой поверхностью, соответствующей поверхности заплечика ниппеля, и обеспечена на внутреннем конце муфты, причем поверхность заплечика муфты наклонена, так что ее наружная периферийная кромка расположена дальше к внутреннему концу муфты, чем ее внутренняя периферийная кромка;

охватывающую резьбу, обеспеченную на внутренней периферийной поверхности муфты и соответствующую охватываемой резьбе, причем охватывающая резьба является клиновой резьбой; и

уплотнительную поверхность муфты, обеспеченную на внутренней периферийной поверхности муфты и соответствующую уплотнительной поверхности ниппеля,

когда соединение скреплено, поверхность заплечика ниппеля контактирует с поверхностью заплечика муфты, закладная сторона и опорная сторона охватываемой резьбы контактируют с закладной стороной и опорной стороной соответственно охватывающей резьбы и уплотнительная поверхность ниппеля контактирует с уплотнительной поверхностью муфты, и

угол заплечика составляет 4° или больше, причем угол заплечика является углом, образованным каждой из поверхности заплечика ниппеля и поверхности заплечика муфты с плоскостью, перпендикулярной оси трубы, когда соединение не скреплено.

2. Резьбовое соединение по п. 1, в котором угол заплечика составляет 40° или больше.

3. Резьбовое соединение по п. 1 или 2, в котором угол заплечика составляет 60° или меньше.