РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ДЛЯ ТРУБ Российский патент 2023 года по МПК E21B17/42 F16L15/06 

Область техники

Настоящее изобретение относится к резьбовому соединению для труб.

Уровень техники

Резьбовые соединения для труб широко используются для соединения стальных труб, которые применяются на объектах нефтяной промышленности, таких как трубы нефтепромыслового сортамента (OCTG).

На фиг. 1 схематически показан пример конструкции типового резьбового соединения для труб. Резьбовое соединение 100 для труб содержит на одном конце первой трубы ниппель 110, имеющий участок 111 с наружной резьбой, которая является наружной конусной резьбой, и на одном конце второй трубы муфту 120, имеющую участок 121 с внутренней резьбой, которая является внутренней конусной резьбой для свинчивания с участком с наружной резьбой.

На вершине ниппеля 110 имеется участок 112 без резьбы, т.е. на стороне вершины более отдаленной, чем участок 111 с наружной резьбой. Участок 112 без резьбы имеет участок 113 уплотнения и упорный участок 114, практически перпендикулярный оси трубы. С другой стороны, муфта 120 имеет участок 122 без резьбы в том месте, которое находится ближе к стороне центра в направлении оси трубы, чем участок 121 с внутренней резьбой, т.е. на стороне, противоположной концу. Участок 122 без резьбы также имеет участок 123 уплотнения и упорный участок 124, практически перпендикулярный оси трубы. Когда ниппель 110 и муфта 120 затянуты, участок 112 без резьбы ниппеля 110 и участок 122 без резьбы муфты 120 контактируют друг с другом и образуют контактное уплотнение, как показано на фиг. 1.

На фиг. 2 схематически показана форма канавки 200 резьбы участка 121 с внутренней резьбой, образованного в муфте 120 в типовом резьбовом соединении для труб. На фиг. 2 верхняя сторона является стороной основания резьбы, и канавка 200 имеет, по существу, трапецеидальную форму с прямым участком 210 основания резьбы, параллельным конусу внутренней резьбы. Канавка 200 резьбы имеет прямую опорную поверхность 220 на левой стороне фиг. 2, т.е. на задней стороне в направлении вставления ниппеля 100. Канавка 200 резьбы также имеет прямую направляющую поверхность 230 на правой стороне фиг. 2, т.е. на передней стороне в направлении вставления ниппеля 100. Кроме того, канавка 200 резьбы имеет угловой участок 240 на стороне опорной поверхности и угловой участок 250 на стороне направляющей поверхности на стороне основания резьбы, и каждый из указанных угловых участков, а именно, угловой участок 240 на стороне опорной поверхности и угловой участок 250 на стороне направляющей поверхности, состоит из одной дуги.

Такое резьбовое соединение для труб должно иметь ряд соответствующих характеристик, таких как прочность на растяжение, прочность на сжатие, прочность на изгиб и характеристики герметичности. Условия выполнения земляных работ и производственные условия становятся все более неблагоприятными, особенно в последние годы, поскольку скважины для добычи нефти и природного газа увеличиваются по глубине, и количество горизонтальных скважин и наклонных скважин увеличивается в добавление к традиционным вертикальным скважинам. Таким образом, требуется, чтобы резьбовое соединение для труб не разрушалось даже в таких неблагоприятных условиях.

Разрушение резьбового соединения начинается с образования трещины в канавке резьбы муфты. В частности, когда растягивающее усилие прикладывается к резьбовому соединению, напряжение концентрируется в угловом участке на стороне опорной поверхности первой канавки резьбы, которая является канавкой резьбы, наиболее удаленной от конца муфты, так что необходимо исключить возникновение трещины в первой канавке резьбы для препятствования разрушению резьбового соединения.

В документе WO/2015/111117 (PTL 1) предлагается, чтобы эффективность растяжения (TE), высота t внутренней резьбы муфты и радиус ρ кривизны дуги, образующей угловой участок на стороне опорной поверхности первой канавки резьбы, регулировались для удовлетворения взаимосвязи, устанавливаемой специальной математической формулой, с целью предотвращения разрушения резьбового соединения для труб.

Перечень цитированных документов

Патентная литература

PTL 1: WO/2015/111117

Раскрытие сущности изобретения

Техническая проблема

Однако традиционная технология, предложенная в PTL 1, имеет следующие проблемы.

Эффективность растяжения TE, которая является одним из параметров, используемых в PTL 1, является величиной, определяемой как отношение сечения в первом положении резьбы муфты относительно сечения необработанного участка ниппеля трубы. Когда эффективность натяжения увеличивается, это означает, что характеристики предельного растяжения соединения увеличиваются. Таким образом, увеличение наружного диаметра муфты и увеличение эффективности растяжения могут улучшать характеристики предельного растяжения соединения. В контексте настоящего изобретения выражение «необработанный участок трубы» относится к участку трубы без резьбы.

Однако с учетом уменьшения расходов на земляные работы на нефтяной скважине требуется уменьшить выемку во время земляных работ на скважине, поэтому необходимо уменьшить наружный диаметр муфты. Таким образом, разрушение должно быть исключено без увеличения эффективности растяжения для удовлетворения требований к предотвращению разрушения и снижении расходов.

С другой стороны, согласно PTL 1 регулируются эффективность растяжения TE, высота t внутренней резьбы муфты и радиус кривизны ρ дуги, формирующие угловой участок на стороне опорной поверхности первой канавки резьбы, для удовлетворения требований к взаимосвязи согласно следующей формуле.

TE (%) ≥ 2.25 × t/ρ + 99,9

Как можно видеть из вышеприведенной формулы, увеличение радиуса кривизны ρ может уменьшить эффективность натяжения TE. Однако фактически для увеличения радиуса кривизны ρ необходимо увеличить высоту t внутренней резьбы муфты, так что нельзя исключить увеличение наружного диаметра муфты. При увеличении высоты t внутренней резьбы увеличивается время, необходимое для нарезания резьбы, что уменьшает эффективность резьбового соединения.

Кроме того, при увеличении радиуса кривизны ρ дуга углового участка на стороне опорной поверхности и дуга углового участка на стороне направляющей поверхности препятствуют друг другу, так что радиус кривизны ρ не может быть увеличен на слишком большую величину. Особенно сложно увеличить радиус кривизны ρ в трубе малого диаметра, поскольку такая труба обычно имеет форму резьбы с небольшой шириной резьбы. В результате, отсутствует возможность увеличения эффективности натяжения во избежание разрушения.

Как указано выше, традиционная технология не может решить две взаимоисключающие проблемы препятствования разрушению и снижения расходов.

Таким образом, было бы полезным предложить технологию, препятствующую разрушению муфты под действием растягивающей нагрузки без увеличения наружного диаметра муфты.

Решение проблемы

Для решения указанной проблемы был выполнен анализ методом конечных элементов (FEA) для изучения эффекта формы осевого сечения канавки резьбы в муфте. В результате установлено, что благодаря наличию еще одной дуги в угловом участке на стороне опорной поверхности основания резьбы, который обычно состоит из одиночной дуги, и задания радиуса кривизны дополнительной дуги, превышающего радиус одиночной дуги, концентрация напряжений в угловом участке может быть уменьшена, и напряжения могут быть распределены по всему основанию резьбы. Ниже приведено описание примера результатов анализа со ссылкой на фиг. 3 и 4.

На фиг. 3 представлена контурная схема, показывающая распределение пластической деформации, определяемой с помощью FEA, вблизи первой канавки резьбы применительно к обычной форме канавки резьбы. Элемент, расположенный на верхней стороне фигуры, является муфтой, элемент, расположенный на нижней стороне является ниппелем, и канавка резьбы на правой стороне двух канавок резьбы, показанных на фигуре, является первой канавкой резьбы. Каждая канавка резьбы, выполненная в муфте, является трапецеидальной резьбой с прямым участком основания резьбы, параллельным конусу внутренней резьбы. Боковые поверхности канавки резьбы имеют направляющую поверхность (правая сторона на фигуре) и опорную поверхность (левая сторона на фигуре), и когда в осевом направлении трубы прикладывается растягивающая нагрузка, эта нагрузка прикладывается к опорной поверхности. Канавка резьбы имеет угловой участок на стороне опорной поверхности и угловой участок на стороне боковой поверхности на стороне основания резьбы, и каждый из указанных участков, а именно, угловой участок на стороне опорной поверхности и угловой участок на стороне боковой поверхности, состоит из одной дуги.

Как можно видеть на фиг. 3, пластическая деформация сконцентрирована в угловых участках первой канавки резьбы применительно к обычной форме канавки резьбы, причем наибольшая пластическая деформация наблюдается в угловом участке на стороне опорной поверхности.

С другой стороны, на фиг. 4 представлена контурная схема, показывающая распределение пластической деформации, когда в угловом участке имеется еще одна дуга на стороне опорной поверхности канавки резьбы, показанной на фиг. 3. Радиус кривизны дополнительной второй дуги задан таким образом, что он в 11,5 раз превышает радиус первой дуги. Форма канавки резьбы, показанная на фиг. 4, соответствует форме канавки резьбы по первому варианту выполнения настоящего изобретения, описанному ниже.

Из результатов, показанных на фиг. 4, понятно, что в отличие от случая на фиг. 3, концентрация пластической деформации в угловых участках основания резьбы уменьшена, и пластическая деформация распределяется по всему основанию канавки резьбы.

Как описано выше, благодаря наличию еще одной дуги в угловом участке на стороне опорной поверхности основания резьбы, который обычно состоит из одиночной дуги, и заданию радиуса кривизны дополнительной дуги, превышающего радиус кривизны одиночной дуги, концентрация напряжений в угловом участке может быть уменьшена, и напряжения могут быть распределены по всему основанию резьбы. В результате можно предотвратить образование трещины из-за пластической деформации и разрушение муфты, обусловленное трещиной. Следует отметить, что на фиг. 3 и 4 показано распределение пластической деформации, а не распределение напряжений. Это связано с тем, что на участке, где прикладываются напряжения выше определенного уровня, напряжения снимаются посредством пластической деформации, что приводит к заметному снижению напряжений. Для оценки риска фактического возникновения трещины более целесообразным является использование пластической деформации, а не самих напряжений.

При выполнении FEA резьбовое соединение вышеописанной конструкции сначала подвергалось анализу моделирования затяжки резьбы, а затем FEA был выполнен в условиях прикладывания комбинированной нагрузки растяжение/сжатие и внутреннее давление/наружное давление согласно ISO 13679:2002, серия A испытаний.

Настоящее изобретение основано на вышеуказанных сведениях и имеет следующие основные признаки.

1. Резьбовое соединение для труб, имеющее

ниппель, имеющий участок с наружной резьбой, которая является наружной конусной резьбой, на одном конце первой трубы, и

муфту, имеющую участок с внутренней резьбой, которая является внутренней конусной резьбой, для свинчивания с участком с наружной резьбой на одном конце второй трубы, причем

участок с внутренней резьбой имеет множество канавок резьбы,

каждая из множества канавок резьбы имеет угловой участок на стороне опорной поверхности и угловой участок на стороне направляющей поверхности на стороне основания резьбы,

угловой участок на стороне опорной поверхности первой канавки резьбы, которая является наиболее удаленной канавкой резьбы от конца муфты из множества канавок резьбы, имеет первый дугообразный участок, который непосредственно соединен с опорной поверхностью и имеет первый радиус кривизны, и второй дугообразный участок, который непосредственно или косвенно соединен с первым дугообразным участком и имеет второй радиус кривизны, и

отношение радиусов кривизны, которое является отношением второго радиуса кривизны к первому радиусу кривизны, равняется 3 или более.

2. Резьбовое соединение для труб по 1., в котором второй дугообразный участок непосредственно соединен с первым дугообразным участком.

3. Резьбовое соединение для труб по 1., в котором второй дугообразный участок соединен с первым дугообразным участком через прямой участок.

4. Резьбовое соединение для труб по любому из 1. – 3., в котором угловой участок на стороне опорной поверхности первой канавки резьбы также содержит третий дугообразный участок, непосредственно или косвенно соединенный со вторым дугообразным участком.

5. Резьбовое соединение для труб по любому из 1. – 4., в котором первая канавка резьбы имеет прямой участок основания резьбы, параллельный конусу участка внутренней резьбы.

Преимущественный эффект

По настоящему изобретению существует возможность препятствования разрушению муфты под действием растягивающей нагрузки без увеличения наружного диаметра муфты. Резьбовое соединение для труб настоящего изобретения может надлежащим образом использоваться для соединения труб для нефтяных скважин, используемых для разведки и добычи нефти и газа, в трубопроводах, используемых для транспортирования нефти и газа и т.п.

Краткое описание чертежей

На приложенных чертежах:

фиг. 1 – схематический пример конструкции типового резьбового соединения для труб;

фиг. 2 – схематическое изображение формы канавки резьбы участка с внутренней резьбой, образованного в муфте в типовом резьбовом соединении для труб;

фиг. 3 – контурная схема, показывающая распределение пластической деформации, определяемой с помощью FEA, вблизи первой канавки резьбы применительно к обычной форме канавки резьбы;

фиг. 4 – контурная схема, показывающая распределение пластической деформации, определяемой с помощью FEA, вблизи первой канавки резьбы применительно к форме канавки резьбы в варианте выполнения настоящего изобретения;

фиг. 5 – схематическое изображение сечения примера конструкции резьбового соединения муфтового типа;

фиг. 6 – схематическое изображение сечения примера конструкции резьбового соединения интегрального типа;

фиг. 7 – схематическое изображение формы первой канавки резьбы в первом варианте выполнения;

фиг. 8 – схематическое изображение формы первой канавки резьбы во втором варианте выполнения;

фиг. 9 – схематическое изображение формы первой канавки резьбы в третьем варианте выполнения; и

фиг. 10 – схематическое изображение формы первой канавки резьбы в четвертом варианте выполнения.

Осуществление изобретения

Ниже приведено подробное описание способа выполнения настоящего изобретения. В этом описании представлены только примеры предпочтительных вариантов выполнения настоящего изобретения, и настоящее изобретение не ограничивается до этих вариантов выполнения. В этом описании выражения «опорная поверхность» и «направляющая поверхность» используются в обычном смысле для технической области. Другими словами, «опорная поверхность» относится к прямой поверхности на стороне, на которой прикладывается нагрузка посредством силы растяжения в осевом направлении трубы, и «направляющая поверхность» относится к прямой поверхности на противоположной стороне от опорной поверхности. В настоящем описании форма канавки резьбы относится к форме канавки резьбы, когда она образована, т.е. перед затяжкой ниппеля и муфты.

Резьбовое соединение для труб в варианте выполнения настоящего изобретения (далее по тексту именуется просто как «резьбовое соединение») содержит ниппель, имеющий на одном конце первой трубы участок с наружной резьбой, которая является наружной конусной резьбой, и муфту, имеющую на одном конце второй трубы участок с внутренней резьбой, которая является внутренней конусной резьбой для свинчивания с участком наружной резьбы. Участок внутренней резьбы муфты имеет множество канавок резьбы, и канавка резьбы, наиболее удаленная от конца муфты из множества канавок резьбы, определяется как «первая канавка резьбы». Однако в этих канавках резьбы только канавка резьбы, которая, по существу, входит в зацепление с резьбой на стороне ниппеля, рассматривается в качестве канавки резьбы при определении первой канавки резьбы.

Каждая из множества канавок резьбы имеет угловой участок на стороне опорной поверхности и угловой участок на стороне направляющей поверхности на стороне основания резьбы. Угловой участок на стороне опорной поверхности первой канавки резьбы имеет, по меньшей мере, два дугообразных участка.

Отношение радиусов кривизны

Из двух дугообразных участков, имеющихся в угловом участке на стороне опорной поверхности первой канавки резьбы, один является первым дугообразным участком, который непосредственно соединен с опорной поверхностью и имеет первый радиус кривизны, а другой является вторым дугообразным участком, который непосредственно или косвенно соединен с первым дугообразным участком и имеет второй радиус кривизны. В настоящем изобретении важно, чтобы отношение радиусов кривизны, которое является отношением второго радиуса кривизны к первому радиусу кривизны, равнялось 3 или более.

Благодаря наличию второго дугообразного участка, который удовлетворяет вышеуказанным условиям, концентрация напряжений в угловом участке на стороне опорной поверхности может быть уменьшена, и напряжения могут распределяться по всему основанию резьбы. В результате можно предотвратить разрушение муфты. В отличие от этого, обычное резьбовое соединение имеет только одну дугу в угловом участке на стороне опорной поверхности, так что необходимо увеличивать наружный диаметр муфты во избежание ее разрушения, как описано выше.

Как описано выше, напряжения главным образом концентрируются в угловых участках первой канавки резьбы. Следовательно, когда первая канавка резьбы имеет вышеуказанную форму, вышеописанный эффект может быть достигнут независимо от формы других канавок резьбы. По этой причине форма других канавок резьбы помимо первой канавки резьбы в настоящем изобретении особо не ограничивается. Однако предпочтительно, чтобы все канавки резьбы в муфте удовлетворяли вышеуказанным требованиям с точки зрения удобства изготовления. Другими словами, предпочтительно, чтобы угловой участок на стороне опорной поверхности всех канавок резьбы муфты имел первый дугообразный участок, который непосредственно соединен с опорной поверхностью и имеет первый радиус кривизны, и второй дугообразный участок, который непосредственно или косвенно соединен с первым дугообразным участком и имеет второй радиус кривизны, и чтобы отношение радиусов кривизны, которое является отношением второго радиуса кривизны к первому радиусу кривизны, равнялось 3 или более.

Верхний предел отношения радиусов кривизны не ограничивается. Однако, когда отношение радиусов кривизны превышает 15, эффект уменьшения напряжений снижается. Следовательно, отношение радиусов кривизны может составлять 15 или менее. Кроме того, предпочтительно, чтобы первый дугообразный участок и второй дугообразный участок были соединены плавно, так чтобы соединительный участок имел общую касательную линию. Более предпочтительно, чтобы каждый дугообразный участок и прямой участок дугообразного участка на стороне опорной поверхности был плавно соединен со смежным дугообразным участком или прямым участком, так чтобы соединительный участок имел общую касательную линию.

Радиус кривизны

Радиус кривизны каждого из первого и второго дугообразных участков особо не ограничивается и может иметь любую величину. Радиус кривизны первого дугообразного участка может составлять, например, 0,008 – 0,025 дюйма. С другой стороны, радиус кривизны второго дугообразного участка может составлять, например, 0,030 – 0,200 дюйма.

Угол θ

Угол θ первого дугообразного участка особо не ограничивается. Однако, когда угол θ первого дугообразного участка составляет 50° или более, второй дугообразный участок не должен быть излишне большим, так чтобы дополнительно уменьшить необходимость увеличения размера канавки резьбы. Таким образом, угол θ первого дугообразного участка предпочтительно составляет 50° или более. С другой стороны, когда угол θ первого дугообразного участка составляет 75° или менее, можно исключить продолжение первого дугообразного участка до того места, где, по всей вероятности, концентрируются напряжения, так что эффект распределения напряжений может дополнительно увеличиваться. Таким образом, угол θ первого дугообразного участка предпочтительно составляет 75° или менее. В контексте настоящего документа «угол θ первого дугообразного участка» определяется как угол между прямой линией «a», параллельной оси трубы, и радиусом «r» на конце первого дугообразного участка на противоположной стороне от опорной поверхности (см. фиг. 7 – 10).

Углы поверхностей множества канавок резьбы особо не ограничиваются и могут иметь любые величины. Например, угол направляющей поверхности предпочтительно составляет от +5 до +40 градусов относительно прямой линии, перпендикулярной оси трубы. Угол опорной поверхности предпочтительно составляет от -10 до 0 градусов относительно прямой линии, перпендикулярной оси трубы. Угол поверхности определяется как положительный, когда эта поверхность наклонена к резьбе, и как отрицательный, когда она наклонена к противоположной стороне от резьбы относительно прямой линии, перпендикулярной оси трубы.

Глубина канавки резьбы особо не ограничивается, но предпочтительно она составляет 0,03 – 0,10 дюйма. Число витков резьбы на один дюйм предпочтительно составляет от 4 до 10. Таким образом, шаг резьбы, который является расстоянием между витками, предпочтительно составляет 0,1 – 0,25 дюйма. Ширина резьбы, которая является шириной резьбы посередине высоты резьбы, предпочтительно составляет 0,4 – 0, 6 шага резьбы.

Участок без резьбы

Ниппель предпочтительно имеет участок без резьбы (далее именуемый как «участок без резьбы») на самой вершине, т.е. на стороне вершины более отдаленной, чем участок наружной резьбы. Муфта предпочтительно имеет участок без резьбы в том месте, которое находится ближе к стороне центра в направлении оси трубы, чем участок с внутренней резьбой, т.е. на стороне, противоположной концу. Когда ниппель и муфта затянуты, участок без резьбы ниппеля и участок без резьбы муфты контактируют друг с другом и образуют контактное уплотнение металл-металл.

Тип соединения

Резьбовое соединение настоящего изобретения может иметь любую конструкцию, если соблюдаются вышеуказанные условия. Например, резьбовое соединение настоящего изобретения может быть или резьбовым соединением муфтового типа или резьбовым соединением интегрального типа.

На фиг. 5 схематически показана конструкция резьбового соединения муфтового типа для труб 1 варианта выполнения настоящего изобретения. Резьбовое соединение муфтового типа для труб представляет собой резьбовое соединение, которое соединяет две трубы, используя соединительную муфту в качестве муфты, и которое также именуется соединением типа резьба и муфта (T&C).

Резьбовое соединение муфтового типа для труб 1 содержит ниппель 10 и муфту (соединительную муфту) 20. Ниппель 10 имеет конструкцию, где на конце трубы находится участок 11 с наружной резьбой, которая является наружной конической резьбой, и муфта 20 имеет конструкцию, где на обоих концах трубы находится участок 21 с внутренней резьбой, которая является внутренней конической резьбой для свинчивания с участком 11 с наружной резьбой ниппеля 10.

Ниппель 10 предпочтительно имеет участок 12 без резьбы на самой вершине, т.е. на стороне вершины более отдаленной, чем участок 11 с наружной резьбой, как показано на фиг. 5. Кроме того, муфта 20 предпочтительно имеет участок 22 без резьбы в том месте, которое находится ближе к стороне центра в направлении оси трубы, чем участок 21 с внутренней резьбой, т.е. на стороне, противоположной концу. Когда ниппель 10 и муфта 20 затянуты, участок без резьбы ниппеля 10 и участок без резьбы муфты 20 контактируют друг с другом и образуют контактное уплотнение металл-металл.

Участок без резьбы предпочтительно включает участок уплотнения и упорный участок, как показано на фиг. 5. Как пример, участок 12 без резьбы ниппеля 10 может иметь участок 13 уплотнения и упорный участок 14, расположенный на стороне вершины дальше, чем участок 13 уплотнения. Кроме того, участок 22 без резьбы муфты 20 может иметь участок 23 уплотнения и упорный участок 24, расположенный ближе к стороне центра, чем участок 23 уплотнения. Упорный участок 14 ниппеля 10 может быть перпендикулярен оси трубы или он может быть наклонен у стороны ниппеля относительно прямой линии, перпендикулярной оси трубы. Угол между упорным участком 14 ниппеля 10 и прямой линией, перпендикулярной оси трубы, предпочтительно составляет 0 – 30 градусов.

Форма участка уплотнения ниппеля и форма участка уплотнения муфты особо не ограничиваются, но они могут быть, к примеру, комбинацией следующих форм.

- Сторона муфты: конусная, сторона ниппеля: конусная,

- Сторона муфты: конусная, сторона ниппеля: выпуклая криволинейная,

- Сторона муфты: выпуклая криволинейная, сторона ниппеля: конусная,

- Сторона муфты: вогнутая криволинейная, сторона ниппеля: выпуклая криволинейная.

С другой стороны, на фиг. 6 схематически показана конструкция резьбового соединения интегрального типа для труб 1 по другому варианту выполнения настоящего изобретения. В резьбовом соединении интегрального типа для труб 1 две трубы соединены напрямую без использования муфты. Другими словами, ниппель 10 имеет конструкцию, где на одном конце первой трубы расположен участок 11 наружной резьбы, которая является наружной конусной резьбой, и муфта 20 имеет конструкцию, где на одном конце второй трубы расположен участок 21 внутренней резьбы, которая является внутренней конусной резьбой, свинчиваемой с участком 11 наружной резьбы ниппеля 10.

Ниппель 10 предпочтительно имеет участок 12 без резьбы на самой вершине, т.е. на стороне вершины более отдаленной, чем участок 11 наружной резьбы, как показано на фиг. 6. Кроме того, ниппель 10 предпочтительно имеет участок 12 без резьбы в том месте, которое находится ближе к стороне центра в направлении оси трубы, чем участок 11 с наружной резьбой, т.е. на стороне, противоположной концу. Муфта 20 также предпочтительно имеет участок 22 без резьбы в том месте, которое находится ближе к стороне центра в направлении оси трубы, чем участок 21 с внутренней резьбой, т.е. на стороне, противоположной концу. Кроме того, муфта 20 предпочтительно имеет участок 22 без резьбы на самой вершине, т.е. на стороне вершины более отдаленной, чем участок 21 внутренней резьбы. Когда ниппель 10 и муфта 20 затянуты, участок без резьбы ниппеля и участок без резьбы муфты контактируют друг с другом и образуют контактное уплотнение металл-металл.

Участок 12 без резьбы ниппеля 10 предпочтительно имеет участок 13 уплотнения, как показано на фиг. 6. Участок 12 без резьбы ниппеля 10 также может иметь упорный участок 14. Участок 22 без резьбы муфты 20 предпочтительно имеет участок 23 уплотнения. Участок 22 без резьбы муфты 20 также может иметь упорный участок 24. Конструкции участка уплотнения и упорного участка могут быть такими же, как и конструкции, описанные в отношении резьбового соединения муфтового типа.

Поскольку фиг. 5 и 6 являются фигурами, схематически показывающими типы соединения, формы канавки резьбы и резьбы показаны в упрощенном виде.

Материал

Материал описываемого резьбового соединения особо не ограничивается, и может использоваться любой материал. Эффект рассредоточения напряжений настоящего изобретения является механическим эффектом, а не химическим эффектом, и достигается посредством усовершенствования формы углового участка основания профиля резьбы и, следовательно, не зависит от материала. С точки зрения прочности соединения в качестве материала ниппеля и муфты предпочтительным является использование металла, и более предпочтительным является использование или стали или сплава на основе никеля. Сталь может быть углеродистой сталью или легированной сталью. Материал ниппеля и материал муфты могу быть различными, но предпочтительно использовать один и тот же материал.

Ниже на основании четырех вариантов выполнения более подробно описаны форма канавки резьбы в резьбовом соединении настоящего изобретения. В каждом из описанных ниже вариантов выполнения принимается, что, по меньшей мере, первая канавка резьбы имеет нижеописанную форму. Однако, как описано выше, предпочтительно, чтобы все канавки резьбы муфты имели нижеописанную форму с точки зрения удобства изготовления.

Первый вариант выполнения

На фиг. 7 схематически показана форма канавки 2 резьбы по первому варианту выполнения настоящего изобретения. В этом варианте выполнения угловой участок 50 на стороне опорной поверхности на стороне основания резьбы канавки 2 резьбы имеет первый дугообразный участок 51, непосредственно соединенный с прямой опорной поверхностью 60, и второй дугообразный участок 52, непосредственно соединенный с первым дугообразным участком 51. Кроме того, отношение радиусов кривизны (R2/R1), которое является отношением радиуса R2 кривизны второго дугообразного участка 52 к радиусу R1 кривизны первого дугообразного участка 51, равно 3 или более. В примере, показанном на фиг. 7, второй дугообразный участок 52 продолжается до углового участка 70 на стороне направляющей поверхности, и второй дугообразный участок 52 образует основание резьбы. Угловой участок 70 на стороне направляющей поверхности состоит из одиночной дуги, которая непосредственно соединена с прямой направляющей поверхностью 80.

Второй вариант выполнения

На фиг. 8 схематически показана форма канавки 2 резьбы по второму варианту выполнения настоящего изобретения. В этом варианте выполнения угловой участок 50 на стороне опорной поверхности на стороне основания резьбы канавки 2 резьбы имеет первый дугообразный участок 51, непосредственно соединенный с прямой опорной поверхностью 60, и второй дугообразный участок 52, соединенный с первым дугообразным участком 51 через прямой участок 53. Другими словами, опорная поверхность 60, первый дугообразный участок 51, прямой участок 53 и второй дугообразный участок 52 соединены в таком порядке. За счет обеспечения прямого участка 53 эффект рассеивания напряжений может быть дополнительно усилен. Прямой участок 53 предпочтительно представляет собой общую касательную между первым дугообразным участком 51 и вторым дугообразным участком 52.

Длина прямого участка 53 особо не ограничивается, но длина прямого участка 53 предпочтительно составляет 0,010 дюйма или менее во избежание излишне большой канавки резьбы.

Третий вариант выполнения

На фиг. 9 схематически показана форма канавки 2 резьбы по третьему варианту выполнения настоящего изобретения. В этом варианте выполнения канавка 2 резьбы имеет прямой участок 90 основания резьбы, параллельный конусу участка внутренней резьбы. Когда основание канавки резьбы образовано прямой линией, подобной упомянутой линии, можно легко определять глубину (высоту резьбы) канавки резьбы. Прямой участок 90 основания резьбы может быть непосредственно соединен с угловым участком 70 на стороне направляющей поверхности, как показано на фиг. 9.

Кроме того, в варианте выполнения, показанном на фиг. 9, угловой участок 50 на стороне опорной поверхности имеет третий дугообразный участок 54 между вторым дугообразным участком 52 и прямым участком 90 основания резьбы. Благодаря наличию третьего дугообразного участка 54, подобного упомянутому, второй дугообразный участок 52 и прямо участок 90 основания резьбы могут плавно соединяться с помощью третьего дугообразного участка 54. Остальные элементы могут быть такими же, как в первом и втором вариантах выполнения. Несмотря на то, что второй дугообразный участок 52 и третий дугообразный участок 54 непосредственно соединены в варианте выполнения, показанном на фиг. 9, второй дугообразный участок 52 и третий дугообразный участок 54 могут быть соединены с помощью прямого участка.

Радиус кривизны третьего дугообразного участка 54 особо не ограничивается, но предпочтительно он больше радиуса кривизны первого дугообразного участка 51. Радиус кривизны третьего дугообразного участка 54 может составлять, к примеру, 0,010 – 0,200 дюйма.

Прямой участок 90 основания резьбы может быть предусмотрен, даже если отсутствует третий дугообразный участок 54. В этом случае второй дугообразный участок 52 и прямой участок 90 основания резьбы могут быть непосредственно соединены друг с другом.

Четвертый вариант выполнения

На фиг. 10 схематически показана форма канавки 2 резьбы по четвертому варианту выполнения настоящего изобретения. В этом варианте выполнения канавка 2 резьбы имеет прямой участок 90 основания резьбы, параллельный конусу участка внутренней резьбы, как в третьем варианте выполнения. Кроме того, угловой участок 50 на стороне опорной поверхности имеет первый дугообразный участок 51, непосредственно соединенный с опорной поверхностью 60, второй дугообразный участок 52, соединенный с первым дугообразным участком 51 через прямой участок 53, и третий дугообразный участок 54, непосредственно соединенный со вторым дугообразным участком 52. Другими словами, опорная поверхность 60, первый дугообразный участок 51, прямой участок 53, второй дугообразный участок 52, и третий дугообразный участок 54 соединены в таком порядке. Остальные элементы могут быть такими же, как в вариантах выполнения с первого по третий.

Примеры

Была подготовлена стальная труба наружным диаметром 9,625 дюйма и толщиной стенки 0,545 дюйма (наружный диаметр 244,48 мм × толщина стенки 13,84 мм) со стальным образцом, соответствующим категории 13-5-2, марка 110, API 5 CRA, и стальная труба была обработана для получения резьбового соединения, содержащего ниппель и муфту, соответствующую ниппелю. Форма канавки резьбы полученного резьбового соединения указана в таблице 1. Число витков резьбы на один дюйм равнялось 5 (5 TPI), и высота резьбы равнялась 0,062 дюйма (1,575 мм), Угол направляющей поверхности равнялся 25 градусам, угол опорной поверхности равнялся - 5 градусам, и конус резьбы равнялся 1/16. Было предусмотрено, чтобы эффективность растяжения составляла 110% или менее для поддержания наружного диаметра муфты. В контексте настоящего документа форма канавки резьбы относится к форме перед затяжкой подготовленных ниппеля и муфты.

Далее были выполнены испытания на воздухонепроницаемость при условиях, соответствующих Уровням применения соединения (CAL) по API 5C5: 2017, и были оценены эксплуатационные характеристики резьбового соединения. В таблице 1 перечислены результаты испытаний. При выполнении испытаний на воздухонепроницаемость случай, когда муфта не разрушалась, оценивался как «удовлетворительно», и случай, когда муфта разрушалась, оценивался как «неудовлетворительно».

Как показано в таблице 1, в резьбовом соединении, удовлетворяющем требованиям настоящего изобретения, муфта не разрушается, даже если эффективность растяжения составляла 109% или менее. В частности, в образце № 3 не было никаких разрушений, даже когда эффективность растяжения составляла 101%. С другой стороны, в сравнительном образце без второго дугообразного участка муфта разрушается, даже если эффективность растяжения была увеличена до 110%. Даже при наличии второго дугообразного участка муфта разрушается в сравнительном образце с отношением радиусов меньше 3, даже если эффективность растяжения была увеличена до 110%. Во избежание разрушения муфты с помощью способа, предложенного в PTL1, эффективность растяжения должна быть увеличена до 116% при условиях для сравнительного образца № 6 и до 111% при условиях для сравнительного образца № 7.

Как можно понять из результатов, настоящее изобретение может препятствовать разрушению муфты под действием усилия растяжения без увеличения наружного диаметра муфты. Следовательно, настоящее изобретение может решить взаимоисключающие проблемы препятствования разрушению и снижения расходов.

Перечень номеров позиций

1 – резьбовое соединение для труб

2 – канавка резьбы

10 - ниппель

11 – участок наружной резьбы

12 – участок без резьбы

13 – участок уплотнения

14 – упорный участок

20 – муфта

21 – участок внутренней резьбы

22 – участок без резьбы

23 – участок уплотнения

24 – упорный участок

50 – угловой участок на стороне опорной поверхности

51 – первый дугообразный участок

52 – второй дугообразный участок

53 – прямой участок

54 – третий дугообразный участок

60 – опорная поверхность

70 – угловой участок на стороне направляющей поверхности

80 – направляющая поверхность

90 – прямой участок основания резьбы

100 – резьбовое соединение для труб

110 - ниппель

111 – участок наружной резьбы

112 – участок без резьбы

113 – участок уплотнения

114 – упорный участок

120 – муфта

121 – участок внутренней резьбы

122 – участок без резьбы

123 – участок уплотнения

124 – упорный участок

200 – канавка резьбы

210 – прямой участок основания резьбы

220 –опорная поверхность

230 – направляющая поверхность

240 – угловой участок на стороне опорной поверхности

250 – угловой участок на стороне направляющей поверхности

a – прямая линия, параллельная оси тубы

r – радиус на конце первого дугообразного участка на противоположной стороне от опорной поверхности

θ - угол между прямо линией «a» радиусом «r»

Изобретение относится к резьбовым соединениям для труб. Резьбовое соединение для труб содержит ниппель, имеющий участок с наружной резьбой, которая является наружной конусной резьбой, на одном конце первой трубы, и муфту, имеющую участок с внутренней резьбой, которая является внутренней конусной резьбой для свинчивания с участком с наружной резьбой на одном конце второй трубы. Участок с внутренней резьбой имеет множество канавок резьбы, и каждая из множества канавок резьбы имеет угловой участок на стороне опорной поверхности и угловой участок на стороне направляющей поверхности на стороне основания резьбы, угловой участок на стороне опорной поверхности первой канавки резьбы, которая является наиболее удаленной канавкой резьбы от конца муфты из множества канавок резьбы, имеет первый дугообразный участок, который непосредственно соединен с опорной поверхностью и имеет первый радиус кривизны, и второй дугообразный участок, который непосредственно или косвенно соединен с первым дугообразным участком и имеет второй радиус кривизны, и отношение радиусов кривизны, которое является отношением второго радиуса кривизны к первому радиусу кривизны, равняется 3 или более. Изобретение обеспечивает возможность препятствования разрушению муфты под действием растягивающей нагрузки без увеличения наружного диаметра муфты. 4 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Резьбовое соединение для труб, имеющее ниппель, имеющий участок с наружной резьбой, которая является наружной конусной резьбой, на одном конце первой трубы, и муфту, имеющую участок с внутренней резьбой, которая является внутренней конусной резьбой для ее свинчивания с участком с наружной резьбой, на одном конце второй трубы, причем участок с внутренней резьбой имеет множество канавок резьбы, каждая из множества канавок резьбы имеет угловой участок на стороне опорной поверхности и угловой участок на стороне направляющей поверхности на стороне основания резьбы, угловой участок на стороне опорной поверхности первой канавки резьбы, которая является наиболее удаленной канавкой резьбы от конца муфты из множества канавок резьбы, имеет первый дугообразный участок, который непосредственно соединен с опорной поверхностью и имеет первый радиус кривизны, и второй дугообразный участок, который непосредственно или косвенно соединен с первым дугообразным участком и имеет второй радиус кривизны, при этом отношение радиусов кривизны, которое является отношением второго радиуса кривизны к первому радиусу кривизны, составляет 3 или более.

2. Резьбовое соединение по п. 1, в котором второй дугообразный участок непосредственно соединен с первым дугообразным участком.

3. Резьбовое соединение по п. 1, в котором второй дугообразный участок соединен с первым дугообразным участком через прямой участок.

4. Резьбовое соединение по любому из пп. 1-3, в котором угловой участок на стороне опорной поверхности первой канавки резьбы также содержит третий дугообразный участок, непосредственно или косвенно соединенный со вторым дугообразным участком.

5. Резьбовое соединение по любому из пп. 1-4, в котором первая канавка резьбы имеет прямой участок основания резьбы, параллельный конусу участка внутренней резьбы.