Высокогерметичное износостойкое резьбовое соединение
Полезная модель направлена на повышение надежности несущей способности и герметичности резьбового соединения, облегчения его сборки - разборки за счет изменения контактных напряжений на резьбовые и герметизирующие элементы соединения (в соответствии с прочностными характеристиками труб), позволяющие использовать его, в том числе в сероводородосодержащих средах. Указанный технический результат достигается тем, что высокогерметичное износостойкое резьбовое соединение содержит сопрягаемые наружный и внутренний элементы с резьбовыми коническими участками и герметизирующий узел, выполненный в виде сопрягаемых конических радиальных и торцевых поверхностей внутреннего и наружного элементов. Коническая резьба элементов имеет в сечении профиль неравнобокой трапеции с рабочим углом при вершине 13±1°, сопрягаемые конические торцевые поверхности выполнены под углом 15±30' к нормали оси резьбы, а на наружной уплотнительной поверхности внутреннего элемента с конусностью 1:10 выполнена одна или несколько разгрузочных кольцевых проточек, при этом суммарная площадь последних выбрана в соответствии с зависимостью: 
,где: 
T1 - предел пропорциональности материала труб низкой группы прочности; T2 - предел пропорциональности материала труб высокой группы прочности; ZK - площади контакта конических поверхностей (конусность 1:10) труб низкой группы прочности различных наружных диаметров; Zn - суммарная площадь кольцевых проточек на конических поверхностях (конусность 1:10) труб высоких групп прочности и соответствующих наружных диаметров. 4 з.п.ф., 3 ил.
Полезная модель относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, транспортировки жидких и газообразных углеводородов и может быть использована для обсадных и насосно-компрессорных труб, а также при строительстве и эксплуатации трубопроводов различного назначения.
Известно резьбовое соединение обсадных труб с трапецеидальной резьбой типа ОТТМ, включающее охватываемую деталь с резьбой на наружной поверхности и охватывающую деталь с ответной резьбой на внутренней поверхности, шаги резьбы на охватываемой и охватывающей деталях равны и постоянны по длине резьбового участка (см., ГОСТ 632-80. Трубы нефтяного сортамента. Справочник под ред. А.Е.Сарояна. М.: Недра, 1987. С.218-220). Работа известного соединения за счет неравномерности распределения нагрузки по телу соединения происходит с накоплением остаточных деформаций.
Наличие винтового канала по резьбе приводит к недостаточной герметичности соединения для транспортировки газообразных углеводородов, в связи с чем использование аналогичных резьбовых соединений на газодобывающих скважинах недопустимо.
Известно также резьбовое соединение труб по патенту СССР 
1572423, МПК Е21В 17/042, данное соединение включает охватываемый элемент с трапецеидальной резьбой на наружной конической поверхности и охватывающий элемент с ответной резьбой на внутренней конической поверхности, при этом шаги резьб указанных элементов отличны друг от друга. В этом соединении происходит распределение нагрузок по резьбовому соединению более равномерно, однако, герметичность соединения не превышает значений соединений, рассмотренных выше.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по совокупности существенных признаков является техническое решение, защищенное патентом РФ 2297512, МПК Е21В 17/042, приоритет от 01.04.2005, описывающее герметичное резьбовое соединение, снабженное внутренними и наружными коническими сопрягаемыми элементами. На поверхностях с конусностью 1:16 выполнены конические резьбы, обеспечивающие сборку соединения.
Герметизирующий узел выполнен в виде двух гладких контактирующих конических поверхностей радиальных с конусностью 1:10 и торцевых с углом конусности 15°, а на участке перехода конической резьбы к уплотнительному элементу с конусностью 1:10 выполнена окружная канавка для выдавливания масла. В указанном техническом решении использована коническая резьба, выполненная с витками в сечении, имеющими вид неравномерной трапеции с опорной гранью витка, расположенной под увеличенным углом к направлению действия нагрузки.
Однако указанное резьбовое соединение имеет недостатки, заключающиеся в следующем:
- высокая жесткость внутреннего конического уплотнения (ниппель, конусность 1:10) требует для обеспечения герметичности соединения увеличенных деформаций зоны контакта, что приводит к увеличению износа уплотняющих элементов к снижению в некоторой степени несущей способности соединения и снижение герметичности соединения за счет возможных отклонений от соосности уплотнительных конусов ниппеля и муфты и осей резьбы ниппеля и муфты.
Величина контактного давления в радиальном коническом уплотнении (конусность 1:10), обеспечивающая герметичность соединения, не зависит от группы прочности (прочностных характеристик) трубы, что приводит к «переразмериванию» его на трубах низких групп прочности (Д, К, Е) и недостаточной величине на группах высокой прочности (Л, М, Р, Т).
При разработке полезной модели ставилась задача создать высокогерметичное износостойкое резьбовое соединение, конструкция которого обеспечит повышенную надежность соединения, увеличит его несущую способность и позволит получить гарантированный контакт (натяг) по коническим элементам уплотнения «металл- металл».
Достигаемый технический результат заключается в повышении надежности несущей способности и герметичности соединения, облегчения его сборки - разборки за счет изменения контактных напряжений на резьбовые и герметизирующие элементы соединения (в соответствии с прочностными характеристиками труб), позволяющие использовать его, в том числе в сероводородсодержащих средах.
Задача, положенная в основу настоящей полезной модели, с достижением заявленного технического результата, решается тем, что в высокогерметичном износостойком резьбовом соединении, содержащем сопрягаемые наружный и внутренний элементы с резьбовыми коническими участками и герметизирующий узел, выполненный в виде сопрягаемых конических радиальных и торцевых поверхностей внутреннего и наружного элементов, коническая резьба элементов имеет в сечении профиль неравнобокой трапеции с рабочим углом при вершине 13°, сопрягаемые конические торцевые поверхности выполнены под углом 15° к нормали оси резьбы, а на наружной уплотнительной поверхности внутреннего элемента с конусностью 1:10 выполнена одна или несколько разгрузочных кольцевых проточек, при этом суммарная площадь последних выбрана в соответствии с зависимостью:
T1 - предел пропорциональности материала трубы низкой группы прочности;
T2 - предел пропорциональности материала трубы более высокой группы прочности;
ZK - площади контакта конических поверхностей (конусность 1:10) труб низкой группы прочности;
Zn - суммарная площадь кольцевых проточек на конических поверхностях (конусность 1:10) трубы более высокой группы прочности соответствующих наружных диаметров.
Кроме того, коническая резьба внутреннего элемента выполнена с обратной конусностью 1:16.
Кроме того, опорная грань профиля конической резьбы выполнена под углом 3°.
Кроме того, кольцевые проточки равномерно распределены по конической уплотнительной поверхности внутреннего элемента в зависимости от их числа и имеют прямоугольную форму.
Известно, что допустимое внутреннее давление на резьбовое соединение в идеале должно быть больше или равно допустимому давлению по телу труб при сохранении герметичности соединения. Поскольку конструктивное оформление герметизирующего узла обсадных труб не меняется для различных групп прочности и различных сочетаний Д/t (наружный диаметр / толщина стенки) и величина контактного давления (радиального - конусность 1:10) определяется только перемещением взаимодействующих конических поверхностей, ограниченным торцевым коническим упором (угол 15° относительно нормали к оси трубы), то изменение контактного давления может проводиться за счет изменения площади контакта уплотнительных поверхностей (конусность 1:10). В предлагаемом техническом решении упомянутое достигается за счет изменения числа кольцевых проточек и соответственно изменения их суммарной площади контакта.
Причем суммарная площадь их выбирается в соответствии с зависимостью:
T1 - предел пропорциональности материала трубы низкой группы прочности;
T2 - предел пропорциональности материала трубы более высокой группы прочности;
ZK - площадь контакта конических поверхностей (конусность 1:10) трубы низкой группы прочности;
Zn - суммарная площадь кольцевых проточек на конических поверхностях (конусность 1:10) трубы более высокой группы прочности тех же наружных диаметров.
Указанные признаки являются существенными, взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером выполнения высокогерметичного износостойкого 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.
Предпочтительный вариант исполнения полезной модели описываются далее на основе представленных чертежей, где:
на фиг.1 изображен общий вид высокогерметичного износостойкого резьбового соединения нефтепромысловых труб;
на фиг.2 изображен герметизирующий узел, выносной элемент А на фиг.1;
на фиг.3 изображен профиль резьбы, выносной элемент Б на фиг.1.
Высокогерметичное износостойкое соединение труб состоит из внутреннего элемента 1 (ниппель или ниппельный конец трубы) и наружного элемента 2 (муфта или раструб), которые свинчиваются друг с другом с помощью конической резьбы 3, которая имеет в сечении профиль неравнобокой трапеции с рабочим углом при вершине 13°, причем опорная грань профиля выполнена под углом 3°. При этом коническая резьба наружного элемента выполнена с конусностью 1:16, а внутреннего элемента - с обратной конусностью 1:16. Высота профиля внутреннего и наружного элементов резьбы 3 одинакова.
Герметизирующий узел выполнен из двух уплотнительных пар контактирующих элементов 1 и 2: сопрягаемых конических торцевых 4 и 5 поверхностей и сопрягаемых наружного 6 и внутреннего 7 гладких конусов с конусностью 1:10. Конические сопрягаемые торцевые поверхности 4 и 5 выполнены под углом 15° к нормали оси резьбы. На наружной уплотнительной поверхности внутреннего элемента 1, с конусностью 1:10, выполнена одна или несколько разгрузочных кольцевых проточек 8 прямоугольной формы, обеспечивающие снижение жесткости указанного элемента уплотнения. Суммарная площадь кольцевых проточек 8 выбрана в соответствии с зависимостью:
T1 - предел пропорциональности материала трубы низкой группы прочности;
T2 - предел пропорциональности материала трубы более высокой группы прочности;
ZK - площадь контакта конических поверхностей (конусность 1:10) трубы низкой группы прочности;
Zn - суммарная площадь кольцевых проточек на конических поверхностях (конусность 1:10) трубы более высокой группы прочности тех же наружных диаметров. Кольцевые проточки 8 равномерно распределены по конической уплотнительной поверхности внутреннего элемента в зависимости от их числа.
Высокогерметичное износостойкое резьбовое соединение работает следующим образом.
При выполнении операций свинчивания соединения первоначально осуществляется взаимодействие внутреннего 1 и наружного 2 элементов с помощью резьбы 3. В процессе свинчивания происходит взаимодействие наружной уплотнительной поверхности 6 с уплотнительной поверхностью 7, за счет диаметральных деформаций этих поверхностей создается уплотнительный узел "металл-металл". При дальнейшем перемещении сопрягаемых элементов 1 и 2 осуществляется силовое контактирование сопрягаемых конических торцевых поверхностей 4 и 5, в результате чего на их поверхностях возникают осевые контактные напряжения, величина которых находится в области упругих деформаций. Последовательно за счет диаметральных и затем осевых деформаций этих поверхностей создается герметизирующий узел с двойным уплотнением «металл-металл». При этом за счет кольцевых проточек 8 уплотнительная поверхность 7 плотно «садится» в наружную уплотнительную поверхность 6 даже при отклонении от соосности резьбы 3 и конической уплотнительной поверхности 6. Контактные напряжения на упорных торцевых поверхностях 4 и 5, внутреннего и наружного элементов 1 и 2 конического уплотнения и резьб 3 элементов 1 и 2 должны находиться в области упругих деформаций. Уровень контактных напряжений указанных поверхностей определяется величиной контактирующих площадей и моментом сборки.
Преимуществом заявленного резьбового соединения по сравнению с прототипом является повышение герметичности при одновременном увеличении долговечности и износостойкости за счет снижения момента сборки соединения при прочих равных условиях.
Преимуществом заявленного резьбового соединения по сравнению с прототипом является повышение эксплуатационной надежности и эффективности герметичного соединения, увеличение прочности соединения и облегчения работ при его сборке-разборке в эксплуатации, увеличение его износостойкости и долговечности.
Настоящая полезная модель является новой и промышленно применяемой потому, что, используя известные технологии изготовления соединительных резьбовых элементов труб, может быть выполнена на новом, принципиально отличном принципе взаимодействия контактирующих поверхностей.
1. Высокогерметичное износостойкое резьбовое соединение, содержащее сопрягаемые наружный и внутренний элементы с резьбовыми коническими участками и герметизирующий узел, выполненный в виде сопрягаемых конических радиальных и торцевых поверхностей внутреннего и наружного элементов, отличающееся тем, что коническая резьба элементов имеет в сечении профиль неравнобокой трапеции с рабочим углом при вершине 13°, сопрягаемые конические торцевые поверхности выполнены под углом 15° к нормали оси резьбы, а на наружной уплотнительной поверхности внутреннего элемента с конусностью 1:10 выполнена одна или несколько разгрузочных кольцевых проточек, при этом суммарная площадь последних выбрана в соответствии с зависимостью:
,
где T1 - предел пропорциональности материала трубы высокой группы прочности;
T2 - предел пропорциональности материала трубы низкой группы прочности;
ZK - площади контакта конических поверхностей (конусность 1:10) трубы низкой группы прочности;
Zn - суммарная площадь кольцевых проточек на конических поверхностях (конусность 1:10) трубы более высокой группы прочности того же наружного диаметра.
2. Соединение по п.1, отличающееся тем, что коническая резьба внутреннего элемента выполнена с обратной конусностью 1:16.
3. Соединение по п.1, отличающееся тем, что опорная грань профиля конической резьбы выполнена под углом 3°.
4. Соединение по п.1, отличающееся тем, что кольцевые проточки равномерно распределены по конической уплотнительной поверхности внутреннего элемента в зависимости от их числа.
5. Соединение по пп.1 и 4, отличающееся тем, что кольцевые проточки имеют прямоугольную форму.
