Высокогерметичное резьбовое соединение труб
Полезная модель направлена на повышение герметичности резьбового соединения. Указанный технический результат достигается тем, что в резьбовом соединении труб, содержащем внутренний и наружный контактирующие элементы с коническими поверхностями, на которых выполнена резьба, причем обе резьбовые части имеют общий контур поверхности в виде усеченного конуса, а со стороны меньшего диаметра усеченного конуса внутреннего и наружного элементов выполнены герметизирующие узлы, состоящие из контактирующих между собой пары конических радиальных и пары конических упорных торцевых поверхностей, на участке перехода конических радиальных поверхностей в конические упорные торцевые выполнен дополнительный радиальный герметизирующий узел, состоящий из контактирующей между собой пары конических радиальных поверхностей контактирующих элементов. На участке перехода первой конической радиальной поверхности ко второй конической радиальной поверхности наружного элемента выполнена конусообразная канавка с углом раствора 120°-142°, одна из боковых сторон которой является продолжением второй конической радиальной поверхности наружного элемента. Длина первой радиальной конической поверхности наружного элемента составляет 3-5 мм. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.
Настоящая полезная модель относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, в частности, к конструкции резьбового соединения насосно-компрессорных труб, предназначенных для крепления нефтяных, газовых, водяных, геотермальных и других стволов скважин.
Из уровня техники известно герметичное резьбовое соединение металлических труб по патенту РФ 
2058505, МПК F16J 15/00, опубл. 20.04.1996, содержащее охватываемую и охватывающую поверхность (трубы) с коническими резьбами и коническими опорными (уплотнительными) поверхностями радиальными и торцевыми, конические радиальные опорные поверхности герметизирующего узла выполнены с конусностью в диапазоне 6,25%-9,25%, где поверхность радиального уплотнения внутреннего элемента, контактирующая с внутренней поверхностью наружного элемента составляет 0,5-2,5 мм, а торцевые упорные уплотнительные поверхности выполнены под углом 5°-10° к нормали оси резьбы.
Известное техническое решение уступает по уровню достигаемой герметичности резьбового соединения в процессе эксплуатации трубной колонны.
Данное техническое решение принято в качестве прототипа для заявленной полезной модели.
В основу настоящей полезной модели поставлена задача создания такого высокогерметичного резьбового соединения труб, использование которого позволило бы повысить герметичность резьбового соединения и которое не содержит недостатков прототипа.
Задача, положенная в основу настоящей полезной модели, решается тем, что в высокогерметичном резьбовом соединении труб, содержащем внутренний и наружный контактирующие элементы с коническими поверхностями, на которых выполнена резьба, причем обе резьбовые части имеют общий контур поверхности в виде усеченного конуса, а со стороны меньшего диаметра усеченного конуса внутреннего и наружного элементов выполнены герметизирующие узлы, состоящие из контактирующих между собой пары конических радиальных и пары конических упорных торцевых поверхностей, на участке перехода конических радиальных поверхностей в конические упорные торцевые выполнен дополнительный радиальный герметизирующий узел, состоящий из контактирующей между собой пары конических радиальных поверхностей контактирующих элементов, причем на участке перехода первой конической радиальной поверхности ко второй конической радиальной поверхности наружного элемента выполнена конусообразная канавка с углом раствора 120°-142°, одна из боковых сторон которой является продолжением последней, а длина первой конической радиальной поверхности наружного элемента составляет 3-5 мм.
Кроме того, боковые поверхности конусообразной канавки сопряжены радиусом от 0,2 мм до 1 мм.
Кроме того, вторые конические радиальные поверхности контактирующих элементов сопряжены радиусами с коническими упорными торцевыми поверхностями, при этом радиус сопряжения внутреннего элемента отличается от радиуса сопряжения наружного элемента в пропорции от 2 до 2,5.
Кроме того, дополнительный радиальный герметизирующий узел наружного и внутреннего элемента имеет угол уплотнительных поверхностей от 52° до 67° к нормали оси резьбы.
Кроме того, герметизирующий узел контактирующих элементов, состоящий из пары конических упорных торцевых поверхностей, имеет угол уплотнительных поверхностей от 8° до 27° к нормали оси резьбы.
Кроме того, резьба выполнена с конусностью 1:16.
Настоящая полезная модель позволяет повысить характеристики резьбового соединения путем увеличения количества герметизирующих узлов и общей площади контакта между коническими радиальными поверхностями внутреннего и наружного контактирующих элементов, а добавление конусовидной канавки между радиальной и упорной поверхностями наружного контактирующего элемента обеспечивает сохранение герметичности при возникновении высоких растягивающих, сжимающих, изгибных нагрузок. Соотношение размерностей радиусов сопряжения наружного и внутреннего элементов от 2 до 2,5 также улучшает общие показатели при докрепляющих нагрузках.
Перечисленные признаки являются существенными и взаимосвязанными между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения указанного технического результата.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого полезная модель явным образом не следует для специалиста по производству и эксплуатации обсадных и насосно-компрессорных труб, показал, что она не известна, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления высокогерметичного резьбового соединения труб, можно сделать вывод о ее соответствии критериям патентоспособности.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером выполнения высокогерметичного резьбового соединения труб, который не является единственно возможным и наглядно демонстрирует возможность получения указанного технического результата. Допускаются различные модификации и улучшения, не выходящие за пределы области действия полезной модели, определенные прилагаемой формулой.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 изображен общий вид предлагаемого высокогерметичного резьбового соединения труб;
- на фиг.2 изображены герметизирующие узлы уплотнения «металл-металл»;
- на фиг.3 изображен участок перехода первой конической радиальной поверхности ко второй конической радиальной поверхности;
- на фиг.4 показаны радиусы сопряжения второй конической радиальной поверхности контактирующих элементов с конической упорной торцевой поверхностью;
- на фиг.5 показано распределение контактных напряжений в зонах уплотнительных поверхностей наружного и внутреннего контактирующих элементов с конусообразной канавкой;
- на фиг.6 показано распределение контактных напряжений в зонах уплотнительных поверхностей наружного и внутреннего контактирующих элементов без конусообразной канавки.
В графических материалах соответствующие конструктивные элементы высокогерметичного резьбового соединения труб обозначены следующими позициями:
1. - наружный контактирующий элемент;
2. - внутренний контактирующий элемент;
3. - раструбный резьбовой конец наружного контактирующего элемента 1;
4. - ниппельный резьбовой конец внутреннего контактирующего элемента 2;
5. - первая коническая радиальная поверхность наружного контактирующего элемента 1;
6. - вторая коническая радиальная поверхность наружного контактирующего элемента 1;
7. - коническая упорная торцевая поверхность наружного контактирующего элемента 1;
8. - первая коническая радиальная поверхность внутреннего контактирующего элемента 2;
9. - вторая коническая радиальная поверхность внутреннего контактирующего элемента 2;
10. - коническая упорная торцевая поверхность внутреннего контактирующего элемента 2;
11. - конусообразная канавка.
Высокогерметичное резьбовое соединение труб содержит наружный 1 и внутренний 2 контактирующие элементы с коническими поверхностями, на которых выполнена трапецеидальная с конусностью 1:16 резьба, причем обе резьбовые части имеют общий контур поверхности в виде усеченного конуса, а со стороны меньшего диаметра усеченного конуса внутреннего и наружного элементов выполнены герметизирующие узлы. Наружный контактирующий элемент 1 выполнен с раструбным резьбовым концом 3, внутренней контактирующий элемент 2-е ниппельным резьбовым концом 4.
В предлагаемом резьбовом соединении применена комбинированная схема герметизирующих узлов, которые состоят из контактирующих между собой пары конических радиальных поверхностей 5, 8, пары конических упорных торцевых поверхностей 7, 10 и дополнительной пары контактирующей между собой пары конических радиальных поверхностей 6, 9, входящих в контакт друг с другом и образующих посадку.
Вторые конические радиальные поверхности 6 и 9 контактирующих элементов 1 и 2 сопряжены радиусами R2 и R3 с коническими упорными торцевыми поверхностями 7 и 10, при этом радиусы R2 сопряжения внутреннего элемента 2 и радиусы R3 сопряжения наружного элемента 1 имеют различные размерности в диапазоне от 2 до 2,5, что обеспечивает минимальное контактное напряжение в зоне общего соприкосновения уплотнительных поверхностей при повышенных моментах свинчивания и осевом сжатии. Зависимость размерностей радиусов R2 и R3 в диапазоне от 2 до 2,5 создает зону докрепления и исключает критическую пластическую деформацию. Фактический размер радиусов R2 и R3 может составлять от 1 мм до 2,5 мм, от 2 мм до 5 мм и от 3 мм до 7,5 мм.
Пары конических упорных торцевых поверхностей 7 и 10 выполнены с углом уплотнительных поверхностей от 8° до 27° к нормали оси резьбы.
На участке перехода первой конической радиальной поверхности 5 ко второй конической радиальной поверхности 6 наружного элемента 1 выполнена конусообразная канавка 11 с углом раствора 120°-142°, одна из боковых сторон которой является продолжением второй конической радиальной поверхности 6. Геометрия конусообразной канавки 11 имеет форму клина с тупым углом 120-142°. Боковые поверхности конусообразной канавки 11 сопряжены радиусом R1, равным от 0,2 мм до 1 мм. Конусообразная канавка 11 создает свободную (безконтактную) зону, которая исключает возникновение критических напряжений между уплотнительными поверхностями 6 и 9 при свинчивании и докреплении наружного 1 и внутреннего 2 контактирующих элементов. Конусообразная канавка 11 обеспечивает точную длину 3-5 мм первой конической радиальной поверхности 5 наружного контактирующего элемента 1 и сохраняет полезную длину резьбовой части ниппельного резьбового конца 4 внутреннего контактирующего элемента 2. На фиг.5 видно, что наличие конусообразной канавки в зоне перехода от первого радиального уплотнения ко второму обеспечивает большую протяженность и более равномерное распределение контактных напряжений. Без конусообразной канавки (см. фиг.6) концентрация контактных напряжений приходится на локальную зону радиального уплотнения наружного элемента (муфты) 1 и внутреннего элемента (ниппельный резьбовой конец трубы) 2, что может привести к разгерметизации соединения при значительных растягивающих нагрузках.
После сборки резьбового соединения конусообразная канавка 11 заполняется смазкой по всей площади, создавая при этом дополнительный барьер герметизации.
Длина первой радиальной конической поверхности 5 наружного контактирующего элемента 1 меньше длины первой радиальной конической поверхности 8 внутреннего контактирующего элемента 2. Длина первой конической радиальной поверхности 5 наружного контактирующего элемента 1 составляет 3-5 мм. Первая коническая радиальная поверхность 5, размером 3-5 мм, специально выполнена на наружном элементе 1 (муфте), так как, находясь с внутренней стороны резьбового соединения, она лучше защищена от повреждений во время подготовки насосно-компрессорных труб к спуску в скважину. Первая коническая радиальная поверхность 8 внутреннего контактирующего элемента 2 значительно превышает первую коническую радиальную поверхность 5 наружного контактирующего элемента 1.
Для определения оптимальной длины первой конической радиальной поверхности 5 наружного контактирующего элемента (муфты) 1 выполнен прочностной расчет методом конечных элементов. Величина длины первой конической радиальной поверхности 5 наружного элемента 1, находясь в диапазоне размеров от 3 мм до 5 мм, обеспечивает оптимальную коническую посадку, которая ограничивает радиальные перемещения «носика» (поз.8) внутреннего контактирующего элемента 2 на стадии осевого докрепления. В результате частичного радиального закрепления «носика» (поз.8) внутреннего контактирующего элемента 2 происходит уменьшении изгибных напряжений в «носике», при одновременном повышении окружных напряжений (величины действующего усредненного внешнего давления на «носик» ниппеля).
Достоинством такого перераспределения напряжений является более равномерное распределение сжимающих напряжений в «носике» и ограничение пиковых контактных напряжений в уплотнении. В результате, при фиксированной площади поперечного сечения ниппеля, можно достичь больших сжимающих нагрузок на ниппеле без возникновения пластических деформаций в узле герметизации, что обеспечивает лучшую работу резьбового соединения на растяжение, сжатие и изгиб. Коническая посадка обеспечивает возможность большего сжатия ниппеля при свинчивании и снижает уровень напряжений в «носике» ниппеля. В результате увеличения допускаемой сжимающей нагрузки на «носик», за счет лучшего распределения напряжений, обеспечивается более высокая герметизация.
Заявляемое высокогерметичное резьбовое соединение труб может быть изготовлено в условиях промышленного производства на стандартном оборудовании. Таким образом, настоящая полезная модель промышленно применима, и, используя известные технологии, применяемые для изготовления резьбовых концов труб, может быть осуществлена на новом, принципиально отличном от известных конструкций, принципе взаимодействия контактирующих поверхностей.
1. Высокогерметичное резьбовое соединение труб, содержащее внутренний и наружный контактирующие элементы с коническими поверхностями, на которых выполнена резьба, причем обе резьбовые части имеют общий контур поверхности в виде усеченного конуса, а со стороны меньшего диаметра усеченного конуса внутреннего и наружного элементов выполнены герметизирующие узлы, состоящие из контактирующих между собой пары конических радиальных и пары конических упорных торцевых поверхностей, отличающееся тем, что на участке перехода конических радиальных поверхностей в конические упорные торцевые выполнен дополнительный радиальный герметизирующий узел, состоящий из контактирующей между собой пары конических радиальных поверхностей контактирующих элементов, причем на участке перехода первой конической радиальной поверхности ко второй конической радиальной поверхности наружного элемента выполнена конусообразная канавка с углом раствора 120-142°, одна из боковых сторон которой является продолжением последней, а длина первой конической радиальной поверхности наружного элемента составляет 3-5 мм.
2. Соединение по п.1, отличающееся тем, что боковые поверхности конусообразной канавки сопряжены радиусом от 0,2 мм до 1 мм.
3. Соединение по п.1, отличающееся тем, что вторые конические радиальные поверхности контактирующих элементов сопряжены радиусами с коническими упорными торцевыми поверхностями, при этом радиус сопряжения внутреннего элемента отличается от радиуса сопряжения наружного элемента в пропорции от 2 до 2,5.
4. Соединение по п.1, отличающееся тем, что дополнительный радиальный герметизирующий узел наружного и внутреннего элемента имеет угол уплотнительных поверхностей от 52° до 67° к нормали оси резьбы.
5. Соединение по п.1, отличающееся тем, что герметизирующий узел контактирующих элементов, состоящий из пары конических упорных торцевых поверхностей, имеет угол уплотнительных поверхностей от 8° до 27° к нормали оси резьбы.
6. Соединение по п.1, отличающееся тем, что резьба выполнена с конусностью 1:16.
