Замковое соединение насосно-компрессорных труб (варианты)
Полезная модель (варианты) относится к инструменту, применяемому при эксплуатации нефтяных и газовых скважин. Замковое соединение насосно-компрессорных труб (НКТ) с конической резьбой повышенной надежности состоит из муфты и переходника, на одном конце которых выполнена треугольная удлиненная резьба без принудительного сбега для соединения с трубами, а на другом - рабочая резьба увеличенного диаметра и длины. Грузоподъемность (страгивающая нагрузка) присоединительной и рабочей резьб минимум в 1,2 раза превышает грузоподъемность стандартных резьб соответствующих НКТ.
Полезная модель относится к области горного дела, а именно к замковым соединениям насосно-компрессорных труб (НКТ), применяемых при добыче нефти, газа и при различных технологических операциях в скважинах.
Резьбы указанных замковых соединений, как правило, многократно свинчиваются и развинчиваются.
Известны замковые соединения НКТ (свидетельства на полезные модели RU 10823 U1 F16L 15/08, опубл.16. 08. 1999; RU 22374 U1 F16L 15/08, опубл. 27.03. 2002; патент на изобретение RU 2168102 C1 F16L 15/08, опубл. 27.05.2001), состоящие из муфты и переходника различных длин, соединенные с телом трубы посредством стандартной конической треугольной резьбы по ГОСТ 633, размеры и профиль внешней рабочей резьбы переходника и соответствующей внутренней резьбы муфты идентичны размерам и профилю соединительной резьбы тела трубы. С целью повышения прочности и износостойкости переходник и муфта термообработаны, резьбовые поверхности выполнены с приданием им дополнительной износостойкости.
К недостаткам указанных конструкций замковых соединений следует отнести низкую грузоподъемность соединительной и рабочей резьб по сравнению с телом трубы и невозможность докрепления резьб по мере естественного износа их ниток или небольшого сжатия ниппеля от высоких осевых нагрузок. В наружных конических треугольных резьбах всех типоразмеров НКТ непосредственно за основной плоскостью предусмотрен сбег ниток, т.е. отвод резьбообразующего инструмента под углом 15° к оси трубы примерно на длине 8 мм. При необходимости более глубокого довинчивания трубы нитки внутренней резьбы у большого основания конуса муфты будут упираться в сбегающие нитки увеличенного диаметра наружной резьбы ниппеля. При этом не будет обеспечен надлежащий радиальный натяг в резьбе, что в предельном случае может привести к потере герметичности или даже вырову ниппеля из муфты. Кроме того, в треугольных резьбах НКТ заход ниток ниппеля в нитки муфты без вращения незначительный, или совсем отсутствует. Например, наружный диаметр малого основания резьбы ниппеля НКТ с наружной высадкой концов (НКВ-73, ГОСТ 633, табл.11) равен 76,001 мм, а внутренний диаметр резьбы муфты в конце цилиндрической выточки равен 74,907 мм. В это случае при опускании резьбового конца трубы в муфту вершины первого полного витка ниппеля сразу будут контактировать только с вершинами первой (верхней) нитки в муфте. Это затрудняет центрирование резьб при свинчивании: при небольшом переносе мелкая стандартная резьба НКТ-73 и 89 мм иногда свинчивается через нитку, что приводит к повреждению или даже срыву резьбы под нагрузкой, а также приводит к деформации первых соприкасающихся витков от веса многократно устанавливаемой в муфту трубы с переходником.
Также известны замки для НКТ (патент RU 2293244 C1 F16L 15/00, опубл. 10.02.2007), внутри муфт которых выполнен упор с целью устранения увеличенного по диаметру участка в середине муфты между торцами ввинченной трубы и переходника. Вышеуказанные недостатки также будут наблюдаться и в замках с упором внутри муфты. Из-за высокого осевого допуска на докрепление трубных треугольной и трапецеидальных резьб между торцом переходника и упорной площадкой в муфте возможен зазор от 0 до 6 мм, или возможно преждевременное касание упорных поверхностей, когда еще нет надлежащего радиального натяга в резьбе. При многократном свинчивании и развинчивании переходника с муфтой упор внутри муфты будет препятствовать автоматическому докреплению прослабленной конической резьбы.
Слабым звеном всех вышеуказанных конструкций замковых соединений НКТ является резьба, соединяющая замковые детали (переходник и муфту) с телом трубы. С целью дополнительной гарантии от отворота или срыва резьбы при первоначальной сборке рекомендуется применять герметик.
Известна конструкция переходника и муфты, рабочая резьба которых выполнена с профилем конической резьбы замкового типа для бурильных труб, патент 
2293244. В патенте отмечается возможность применения рабочего соединения с конической резьбой замкового типа для бурильных труб, но не указаны ее конструктивные особенности, позволяющие достигнуть заданный результат.
При небольшой толщине стенки труб (5,5 мм и 6,5 мм) в широко распространенных НКТ диаметром 73 и 89 мм конструктивное выполнение сбалансированного соединения с конической резьбой замкового типа для бурильных труб,обеспечивающего равнопроходность с внутренним каналом тела НКТ, оказывается весьма проблематичным.
Наиболее близким к заявленной полезной модели замкового соединения НКТ с трубной конической треугольной резьбой является замковое соединение состоящее из муфты и переходника с рабочей и присоединительной резьбами по ГОСТ 633 (свидетельство на полезную модель RU 14995 U1 F16L 15/08, опубл. 10.09.2000). К недостаткам указанного прототипа относится низкая осевая нагрузка в резьбовых соединениях по сравнению с телом трубы, невозможность докрепления резьбы при естественном износе ее профиля ввиду наличия участка сбега ниток под углом 15° на наружной резьбе переходника и трубы.
Наиболее близко к заявленной полезной модели соединения НКТ с рабочей конической резьбой замкового типа (прототип) относится соединение, состоящее из переходника и муфты, ответные резьбы которых по профилю соответствуют конической резьбе для бурильных труб (патент RU 41789 U1 E21B 17/02, F16L 15/08, опубл. 10.11.2004). К недостаткам данного прототипа относится также низкая осевая нагрузка в нерабочем соединении деталей замка с трубой по сравнению с нагрузкой, которую выдерживает тело НКТ, и прослабленный конец малого конуса замковой резьбы ниппеля. Например, известны замки, выпускаемые по ТУ 1327-268-0147016-2003 «Замки технологические износостойкие для насосно-компрессорных труб», в которых применена резьба 3-80. Основные кинематические параметры резьбы 3-80 даны в ТУ 3-106-353-95 «Замки приварные ЗП-95, ЗП-115 для бурильных труб БН-73 и БН-89».
Диаметр малого основания конуса резьбы 3-80 равен 70,806 мм, внутреннее отверстие в замке дано равным 62=ЬО,5. Таким образом, толщина стенки под резьбой 3-80 с учетом допусков и выполнения обязательной внутренней фаски будет равна 1,25 мм. Узкая полоска металла в торце ниппеля при работе в скважинных условиях при многократном свинчивании и развинчивании будет деформироваться. К недостаткам замковой резьбы 3-80 по ТУ3-106-353-95 следует отнести также отсутствие радиуса закругления в точке пересечения упорной поверхности с образующей наружной поверхности резьбового конуса.
Задачей настоящей полезной модели является повышение допустимой освой нагрузки, надежности, срока службы и качества сборки замковых соединений НКТ.
Указанная задача решается
за счет применения в замковых соединениях для НКТ 60, 73, 89, 102 и 114 мм увеличенной по диаметру и длине конической трубной рабочей резьбы без принудительного сбега с шагом 3,175 мм (8 ниток на один дюйм) и с конической зарезьбовой проточкой, начальный диаметр которой больше диаметра по впадинам ниток резьбы в этом сечении-
- за счет применения увеличенной по длине конической трубной присоединительной резьбы с шагом 2,54 мм или 3,175 мм, в зависимости от типоразмера НКТ, и с конической зарезьбовой проточкой, начальный диаметр которой больше диаметра по впадинам ниток резьбы в этом сечении;
- за счет конструктивного изменения в резьбовом соединении, обеспечивающим свободный заход ниппеля в муфту без вращения минимум на 13 мм;
- или за счет применения рабочей конической резьбы замкового типа 3-80 с укороченным ниппелем и радиусным закруглением в точке пересечения упорной плоскости и образующей наружной поверхности резьбового конуса.
Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами. На фиг.1 изображен замок НКТ, состоящий из муфты 1, переходника 2, соединенных между собой конической рабочей трубной резьбой 4 треугольного профиля с шагом Р, равным 3,175 мм, выполненной от торца ниппеля 7 до середины конической зарезьбовой проточки 3 под одним углом уклона 
, причем начальный диаметр Dп зарезьбовой конической проточки превышает диаметр впадин резьбы dВС в этом сечении (фиг.2). На других концах муфты и переходника выполнена удлиненная коническая трубная треугольная резьба 5 для соединения с соответствующей резьбой НКТ. На фиг.1 муфта 1 и ниппель 2 показаны в свинченном состоянии с номинальным моментом, т.е. торец муфты 1 совпадает с началом конической зарезьбовой проточки 3. На наружной поверхности зарезьбовой проточки 3 - следы от впадин 2х-3 х ниток резьбы ниппеля. На фиг.2 изображены резьбы муфты 1 и ниппеля 2 в свинченном от руки состоянии, т.е. до полного соприкосновения внутреннего профиля резьбы муфты с наружным профилем резьбы ниппеля, но без осевого (радиального) натяга. Для удобства размещения размеров муфта условно показана над ниппелем.
Обоснование увеличения грузоподъемности удлиненной трубной треугольной резьбы замков НКТ.
При увеличении длины наружной резьбы ниппеля от основной плоскости 8 в сторону большого основания конуса соответственно увеличивается как длина резьбы муфты, так и ее внутренний диаметр dз в плоскости торца 6 (фиг.2). В случае применения удлиненной резьбы на трубах с заданным наружным диаметром, например, 73 или 89 мм, на участке от основной плоскости до зарезьбовой проточки образуются нитки со «срезанными» вершинами, ввиду отсутствия металла на диаметре, превышающем dт. На этом участке нитки полного профиля внутренней резьбы муфты будут контактировать только своими вершинами со «срезанными» нитками трубы.
В случае применения удлиненной резьбы в рабочем соединении замков, которые вытачиваются из заготовки, не имеющей ограничений по диаметру dт, все нитки резьбы ниппеля от основной плоскости до зарезьбовой проточки могут быть выполнены полным профилем, наружный диаметр которых должен соответствовать диаметру внутренней резьбы муфты на этом участке. Например, наружный диаметр dт резьбы замков, предназначенных для гладких НКТ-73 может превышать 74 мм. Увеличение диаметра dт и соответственно увеличение толщины стенки под резьбой приводит к существенному увеличению грузоподъемности и момента кручения рабочей резьбы замков.
В случае применения удлиненной присоединительной резьбы 5 грузоподъемность соединения также увеличивается за счет перераспределения части нагрузки на нитки неполного профиля, расположенные между основной плоскостью 8 и зарезьбовой проточкой 3. При этом нагрузка по ниткам распределяется равномернее.
За счет продления впадин резьбы ниппеля на 2-3 нитки за начало зарезьбовой проточки 3 под одним углом уклона появилась возможность докрепления рабочей резьбы 4 при естественном износе ниток или при радиальном сжатии резьбовой части ниппеля.
С учетом внутренней конической расточки 9 в торце 6 муфты 1 ниппель 2 имеет возможность глубже ввинчиваться в муфту на 4 нитки.
При легких условиях работы в замковых соединениях НКТ с усиленной рабочей резьбой (шаг 3,175 мм) допускается использовать присоединительную резьбу по ГОСТ 633 для соответствующих труб.
Центрирование резьбы ниппеля в муфте насосно-компрессорных и обсадных труб, которые собираются в вертикальном положении, значительно облегчается, если имеется свободный (без вращения) заход ниток резьбы ниппеля в нитки резьбы муфты на определенную величину. Например, сборка обсадных труб (ОТ) с удлиненной треугольной резьбой (ГОСТ 632-80, таблица 3 и 14) значительно ускоряется по сравнению со сборкой ОТ с короткой треугольной резьбой. Ниппель стандартных ОТ с удлиненной резьбой заходит в муфту без вращения на 3-10 ниток (9,5-32 мм) в зависимости от диаметра труб. Удлинение резьбы ОТ осуществлено от основной плоскости в сторону малого основания конуса резьбы, это привело к облегчению сборки труб, но практически не повлияло на грузоподъемность соединения, т.к. площадь металла под резьбой в основной (расчетной) плоскости осталась без изменения.
Проверка на стендах и в промысловых условиях сборки насосно-компрессорных труб диаметром 73 и 89 мм, изготовленных со свободным заходом (без вращения) ниппеля в муфту от 13 до 25 мм, показала, что их центрирование и свинчиваемость также облегчаются по сравнению со сборкой НКТ со стандартной резьбой.
Например, замковыми соединениями с треугольной резьбой (шаг -3,175 мм, заход ниппеля в муфту - 13,3 мм) в скважинах выполнено 130 свинчиваний и развинчиваний. Случаев свинчивания на перекос и заедания резьбы не было, замки продолжают работать. На фотографии 1 показан внешний вид ниппеля замка, изготовленного согласно предлагаемой полезной модели (шаг - 3,175 мм) и ниппеля замка, изготовленного согласно патенту RU 10823 (шаг резьбы - 2,54 мм). На фотографии 2 показано повреждение ниток стандартной резьбы. Максимальное количество свинчиваний и развинчиваний стандартных резьб НКТ-73 и 89 мм равно 40, а стандартных резьб с износостойким покрытием-100.
Как показывают стендовые (лабораторные) и промысловые испытания заход резьбы ниппеля в резьбу муфты без вращения, равный 13 мм и более, обеспечивает качественную сборку соединений. Максимальное значение захода ограничивается допустимой длиной муфты, т.к. увеличение захода сопровождается увеличением общей длины резьбы ниппеля и соответственно увеличениями длины муфты.
Если задан наружный диаметр резьбы в плоскости малого основания конуса и величина свободного захода ниппеля в муфту без вращения, то все остальные параметры рассчитываются на основании простой формулы конусности К
где dб - диаметр большого основания усеченного конуса;
dм - диаметр малого основания усеченного конуса;
lк - длина усеченного конуса.
Пример расчета параметров и грузоподъемности рабочей треугольной резьбы замков, предназначенных для гладких НКТ-73 с толщиной стенки 5,5 мм, дан в приложении 1.
В таблице 1 приведены факультативно основные расчетные параметры рабочей и присоединительной конических треугольных резьб замков, предназначенных для гладких НКТ-73×5,5, в таблице 2 дана фактическая осевая нагрузка Qф в резьбовых соединениях, полученная при стендовых испытаниях. Фактический предел текучести стали испытанных НКТ=73×5,5 марки Е равен 591,4 Н/мм 2. Как показывают расчеты и стендовые испытания, удлиненная трубная резьба с конической зарезьбовой проточкой, предназначенная для замков НКТ, выдерживает осевую растягивающую нагрузку в 1,2 раза выше, чем соответствующая стандартная резьба по ГОСТ 633. Коническая зарезьбовая проточка не является слабым элементом конструкции, поскольку ее диаметр больше диаметра по впадине резьбы в этом сечении.
На фиг.3 дан собранный с номинальным моментом замок для НКТ-73, состоящий из муфты 10 и переходника 11 соединенных между собой рабочей конической резьбой 12 замкового типа для бурильных труб.
На свободных концах муфты и переходника выполнена удлиненная коническая трубная треугольная резьба 5 для соединения с соответствующей резьбой НКТ.
На фиг.4 изображен переходник 11 с наружной рабочей конической резьбой замкового типа 3-80. Согласно заявленной полезной модели длина 1н конуса резьбы установлена равной 65 мм вместо 73 мм, предусмотренных в ТУ 3-106-353-95. За счет уменьшения длины 1н конуса увеличивается наружный диаметр d5 резьбы в плоскости торца ниппеля и, соответственно, увеличилась толщина металла 5п под резьбой до 2 мм, что исключает деформацию ниппельного торца замка от веса НКТ-73. По сравнению с прототипом в переходнике 11 проточено большое основании резьбового конуса по диаметру Dкп, равном 78,1 мм, и введено закругление от упорной плоскости к цилиндрической проточке Dкп соответствующим радиусом, равным 1,6 мм, что позволяет снизить концентрацию напряжения на участке резкого изменения диаметра ниппеля замка.
По способу изготовления заявленные замковые соединения НКТ с конической резьбой не отличаются от способа изготовления стандартных резьбовых соединений.
Анализом уровня техники по патентным и научно-техническим источникам, содержащих сведения об аналогах, заявителем не выявлена конструкция замковых соединений для НКТ, тождественная всем существенным признакам заявленной полезной модели.
Предлагаемая полезная модель позволяет увеличить в 1,2 раза по сравнению с аналогами грузоподъемность замковых соединений НКТ с треугольными коническими трубными рабочими и присоединительными резьбами, повысить надежность, износостойкость и ресурс работы всех заявленных конструкций замковых соединений.
1. Замковое соединение насосно-компрессорных труб, состоящее из муфты и переходника, на одном конце которых выполнена внутренняя коническая треугольная резьба для соединения с трубами (присоединительная), на другом конце муфты выполнена рабочая внутренняя коническая треугольная резьба, а на другом конце переходника - соответственно рабочая наружная коническая треугольная резьба, предназначенная для их взаимного соединения, отличающееся тем, что рабочая резьба замкового соединения выполнена увеличенного диаметра по сравнению с диаметром соединяемых труб и увеличенной длины без принудительного сбега с шагом 3,175 мм (8 ниток на один дюйм) и с конической зарезьбовой расточкой на ниппеле, начальный диаметр которой превышает диаметр впадин резьбы в этом сечении, при этом длина конической треугольной рабочей резьбы обеспечивает свободный заход ниппеля в муфту без вращения минимум на 13 мм; и тем, что присоединительная резьба переходника и муфты выполнена увеличенной длины без принудительного сбега с конической зарезьбовой проточкой на ниппеле, начальный диаметр которой превышает диаметр впадин резьбы в данном сечении, при этом длина присоединительной резьбы обеспечивает свободный заход ниппеля в муфту без вращения минимум на 13 мм.
2. Замковое соединение насосно-компрессорных труб диаметром 73 мм, состоящее из муфты и переходника, на одном конце которых выполнена внутренняя коническая треугольная резьба для соединения с трубами (присоединительная), на другом конце муфты выполнена рабочая внутренняя коническая упорная резьба замкового типа З-80 для бурильных труб, а на другом конце переходника - соответственно рабочая наружная коническая упорная резьба замкового типа З-80 для бурильных труб, предназначенная для их взаимного соединения, отличающееся тем, что длина ниппеля рабочего конического замкового типа З-80 установлена равной 65 мм, а в переходе от упорного уступа ниппеля к конусу резьбы выполнено закругление радиусом 1,6 мм; и тем, что присоединительная резьба переходника и муфты выполнена увеличенной длины без принудительного сбега с конической зарезьбовой проточкой на ниппеле, начальный диаметр которой превышает диаметр впадин резьбы в данном сечении, при этом длина присоединительной резьбы обеспечивает свободный заход ниппеля в муфту без вращения минимум на 13 мм.
