Износостойкое высокогерметичное резьбовое соединение
Полезная модель направлена на повышение эксплуатационной надежности и герметичности соединения, увеличения его долговечности и износостойкости. Указанный технический результат достигается тем, что в износостойком высокогерметичном резьбовом соединении, содержащем внутренние и наружные конические сопрягаемые элементы с коническими поверхностями, на которых выполнена трапецеидальная резьба, имеющая опорную и закладные грани, и герметизирующий узел, внутренняя и наружная части которого образованы коническими радиальной и торцевой поверхностями, на последних выполнены кольцевые проточки. Суммарная величина кольцевых проточек на торцах ниппеля и муфты не превышает величины шага используемой трапецеидальной резьбы. Диаметры проточек на внутренней уплотнительной торцевой поверхности и наружной уплотнительной торцевой поверхности равны. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.
Полезная модель относится к области добычи горючих полезных ископаемых и может быть применена для обсадных труб при строительстве скважин и насосно-компрессорных труб при ремонте и эксплуатации скважин.
В настоящее время при строительстве и эксплуатации нефтяных и газовых скважин применяются трубы с высокогерметичными резьбовыми соединениями, сочетающие охватываемые и охватывающие детали с коническими внутренними и наружными резьбами и герметизирующими узлами. В ряде конструкций уплотнительные поверхности, охватываемые и охватывающие, располагаются на торце муфтового и сбеге резьбы ниппельного конца трубы (соединения типа «Интеграл», VAM ACT XS и т.д.).
В других конструкциях, получивших наибольшее распространение (муфтовые соединения), уплотнительные торцевые поверхности, охватываемые и охватывающие, находятся на торце ниппеля трубы и у малого конуса резьбы муфты соответственно.
Рядом с торцевыми уплотнительными поверхностями практически всегда располагают радиальные уплотнительные элементы, охватываемые (на ниппельной части трубы) и охватывающие на муфтовой (соединения типа ОТТГ по ГОСТ 632, НКМ по ГОСТ 633, семейство VAM обсадных и насосно-компрессорных труб фирм «Валурек», «Маннесман», «Сумитомо», семейство FOX фирмы «Кавасаки» т.д.).
Герметизация соединения заключается в создании на диаметральных (радиальных) и торцевых охватываемых и охватывающих уплотнительных поверхностях контактных напряжений, находящихся в зоне упругих деформаций за счет точного диапазона значений крутящего момента при сборке соединения, определенного для каждого типоразмера труб (наружного диаметра, толщины стенки, группы прочности и специальных свойств, например, сероводородостойкости, хладостойкости и т.д.).
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по технической сущности и достигаемому при ее использовании техническому результату является высокогерметичное резьбовое соединение, снабженное внутренними и наружными сопрягаемыми элементами с коническими поверхностями, на которых выполнена трапецеидальная резьба, имеющая опорную и закладную грани. Герметизирующий узел выполнен со стороны меньшего диаметра конуса резьбы в форме клина и состоит из наружных и внутренних элементов, которые образованы коническими радиальными и торцевыми коническими упорными поверхностями. Конические радиальные поверхности выполнены под углом 25-35°, а конические упорные поверхности под углом 0-25° к нормали к оси резьбы (патент РФ на полезную модель 
74661, МПК Е21 В 17/042; опубл. 10.07.2008 г.).
Однако указанное резьбовое соединение имеет недостаток, заключающийся в отсутствии гарантированной герметичности конструкции герметизирующего узла, при повторных циклах сборки неоднократно уже использованных ранее соединений, отсутствием критерия износа соединения в процессе эксплуатации, что крайне необходимо для насосно-компрессорных труб. Упомянутый критерий необходим также для обсадных труб при неудачных спусках обсадных колонн.
Задача, положенная в основу настоящей полезной модели, заключается в создании высокогерметичного резьбового соединения, позволяющего проводить многократную его сборку без потери эксплуатационных характеристик (герметизирующей способности, нагрузки и т.д.) и разработке критериев оценки работоспособности соединения.
Достигаемый технический результат заключен в повышении эксплуатационной надежности и герметичности соединения, увеличения его долговечности и износостойкости.
Указанный технический результат достигается тем, что в износостойком высокогерметичном резьбовом соединении, содержащем внутренние и наружные конические сопрягаемые элементы с коническими поверхностями, на которых выполнена трапецеидальная резьба, имеющая опорную и закладные грани, и герметизирующий узел, внутренняя и наружная части которого образованы коническими радиальной и торцевой поверхностями, на последних выполнены кольцевые проточки, являющиеся критериями эксплуатационной работоспособности соединения, причем суммарная величина кольцевых проточек на торцах ниппеля и муфты не превышает величины шага используемой резьбы.
Кроме того, диаметры проточек на внутренней уплотнительной торцевой поверхности и наружной уплотнительной торцевой поверхности равны.
Кроме того, трапецеидальная резьба выполнена с конусностью 1:12-1:32.
Кроме того, опорная грань профиля трапецеидальной резьбы выполняется с углом от -10° до 10°, а закладная грань с углом 10-45°.
Кроме того, коническая радиальная поверхность выполнена под углом 25-35° к оси резьбы, а коническая торцевая поверхность выполнена под углом 0-25° к нормали оси резьбы.
В зависимости от назначения скважин:
- обсадные трубы свинчиваются один-три раза, но требуют высокой герметичности, потому угол конической радиальной поверхности к оси резьбы должен быть максимальной - до 35°;
насосно-компрессорные трубы подвержены многократным свинчиваниям, поэтому угол радиальной уплотнительной поверхности к оси резьбы должен быть минимальным - до 25°.
На сопрягаемых конических элементах нарезана трапецеидальная резьба, имеющая опорную и закладную грани, причем опорная грань выполняется с углом от -10° до 10°, а закладная с углом от 10° до 45°. Исполнение опорной грани резьбы с отрицательным углом до -10° значительно увеличивает допустимый угол интенсивности набора кривизны скважин, снижая в какой-то степени характеристику витков резьбы на срез. И, напротив, увеличение угла опорной грани до 10° снижает способность резьбового соединения к противостоянию интенсивности набора кривизны, увеличивая характеристики витков на срез.
Герметизирующий узел состоит из внутреннего и наружного элементов, части которого образованы радиальной и торцевой упорными поверхностями. Радиальные конические поверхности выполнены с углом 25-35° к оси резьбы, а торцевые конические упорные поверхности выполнены с углом 0-25° к нормали оси резьбы.
Угол радиальной конической поверхности 25-35° к оси резьбы обеспечивает достаточно эффективную деформацию внутреннего радиального уплотнения при малых взаимных перемещениях уплотнительных поверхностей. Больший угол приводит к большему перемещению и потому к большему их взаимному истиранию, увеличивая герметичность соединения. Меньший угол превращает радиальные уплотнительные поверхности практически в торцевые, уменьшая износ герметизирующих поверхностей.
Диапазон 0-25° к нормали оси резьбы для конических упорных поверхностей определяется размером стенки трубы под резьбой. При больших толщинах стенок принимается угол в 0°, так как толщина стенки не дает возможности отогнуть ниппельный конец внутрь трубы, уменьшая ее сечение. Угол в 25° обеспечивает поджатие торцевого уплотнительного элемента ниппеля к торцевому уплотнительному элементу муфты при тонкостенной трубе.
На внутреннюю торцевую коническую упорную поверхность нанесена кольцевая проточка, глубина которой является критерием гарантирующим сохранение соединением эксплуатационных характеристик внутренних (ниппельных концах трубы) поверхностей герметизирующего узла, а аналогичная проточка на наружной торцевой конической упорной поверхности гарантирует сохранение соединением эксплуатационных характеристик наружных поверхностей герметизирующего узла (муфтовый конец трубы) и соответственно всего соединения.
При свинчивании резьбовых соединений с торцевым уплотнением (упором) «металл-металл» основной (более 90%) крутящий момент сборки приходится на создание контактных напряжений именно в торцевом уплотнении. Несмотря на сравнительно малые взаимные перемещения контактирующих поверхностей, основной износ происходит именно в зоне контакта, в том числе даже за счет возможных пластических деформаций, а также геометрических характеристик (шероховатость) контактирующих поверхностей.
Уменьшение площадей контакта торцевых конических упорных поверхностей за счет кольцевых проточек при сохранении цилиндрической жесткости элементов герметизирующего узла позволит снизить максимальный момент сборки соединения, увеличить количество циклов сборки-разборки, и, соответственно, увеличить эксплуатационную долговечность соединения при оптимальных контактных напряжениях, обеспечивающих герметичность соединения.
В то же время износ торцевых опорных поверхностей ниппельного или муфтового конца трубы на величину (глубину) кольцевой проточки свидетельствует о предельном износе соответствующей поверхности или суммарный износ обеих поверхностей.
Суммарная величина (глубина) кольцевых проточек на торцах ниппеля и муфты в общем случае не должна превышать величины шага применяемой резьбы.
Фактические величины глубин проточек определяются опытным путем и зависят от группы прочности сопрягаемых изделий (муфты и трубы), марок сталей, диаметра труб, используемой смазки и т.д.
Указанные признаки являются существенными, взаимосвязаны между собой с образованием совокупности существенных признаков, достаточной для получения указанного технического результата.
В настоящей полезной модели упругие деформации в радиальном уплотнении нарастают до предельного значения за счет достаточно крутого (25 -35° к оси резьбы) угла наклона конических радиальных уплотнительных поверхностей на малом пути взаимного перемещения, ограниченного торцевым упором (конические торцевые уплотнительные поверхности под углом 0-25° к нормали оси резьбы).
Ограниченный путь взаимного перемещения радиальных и торцевых уплотнительных поверхностей и, соответственно, быстрый набор контактных давлений на них увеличивает количество циклов сборки-разборки соединения без повреждения, удлиняя его безремонтный ресурс. Кроме того, возможность применения резьбы с отрицательным углом опорной грани (более сложной в изготовлении и ремонте) в значительной степени снижает действие изгибающих нагрузок на герметизирующий узел, благодаря чему герметичность узла не нарушается даже при высокой интенсивности набора кривизны скважины.
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 неизвестна, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления износостойких высокогерметичных резьбовых соединений труб, можно сделать вывод о соответствии настоящей полезной модели критериям патентоспособности.
Вариант (не единственный) износостойкого высокогерметичного резьбового соединения труб поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 изображено износостойкое высокогерметичное резьбовое соединение насосно-компрессорных труб с внутренним и наружными контактирующими резьбовыми элементами и герметизирующим узлом;
- на фиг.2 изображен профиль используемой трапецеидальной резьбы;
- на фиг.3 изображен герметизирующий узел с критериями, гарантирующими сохранение эксплуатационных характеристик соединения.
В износостойком высокогерметичном резьбовом соединении применена трапецеидальная резьба 1 с конусностью 1:12-1:32, углом закладной грани 2, равным 10-45°, и углом опорной грани 3, равным от -10° до 10°. Высота профиля внутреннего и наружного элементов резьбы 4 принята различной для гарантированной «посадки» конической поверхности резьбы ниппеля во впадину резьбы муфты.
Герметизирующий узел 5 образован коническими радиальными внутренними 6 и наружными 7 поверхностями с углом 25-35° к оси резьбы и коническими торцевыми упорными внутренними 8 и наружными 9 поверхностями с углом 0-25° к нормали оси резьбы. На торцевых уплотнительных внутренних 7 и наружных 8 поверхностях выполнены кольцевые проточки 10, обеспечивающие снижение необходимого момента сборки соединения, и как следствие, увеличивающие долговечность работоспособности соединения и одновременно являющиеся критерием отбраковки элементов соединения в процессе эксплуатации.
Работа износостойкого высокогерметичного соединения происходит следующим образом.
При сборке соединения вначале осуществляется взаимодействие внутреннего и наружного элементов резьбы 1. Далее в процессе свинчивания в контакт вступают конические радиальные внутренняя 6 и наружная 7 поверхности. За счет упругих диаметральных деформаций этих поверхностей создается герметизирующий контакт узла 5 «металл-металл».
При дальнейшем свинчивании элементов резьбы 1 происходит контакт торцевых упорных поверхностей внутреннего 8 и наружного 9 элементов. Полная герметизация узла уплотнения происходит за счет упругой деформации элементов 6, 7 и 8, 9.
Полный износ кольцевых канавок 10 уплотнительных элементов, в процессе эксплуатации свидетельствуют о необходимости отбраковки соединения.
Преимуществом заявляемого резьбового соединения по сравнению с прототипом является возможность снижения необходимого момента сборки соединения за счет уменьшения площади торцевого упорного контакта и, соответственно, увеличение его работоспособности и гарантированный срок эксплуатационной надежности, обеспечиваемый введенным критерием работоспособности.
Настоящая полезная модель является новой и промышленно применимой, так как может быть осуществлена, с использованием известных технологий изготовления резьбовых концов обсадных и насосно-компрессорных труб, на новом, принципиально отличном от известных конструкций принципе взаимодействия контактирующих элементов.
1. Износостойкое высокогерметичное резьбовое соединение, содержащее внутренние и наружные конические сопрягаемые элементы с коническими поверхностями, на которых выполнена трапецеидальная резьба, имеющая опорную и закладные грани, и герметизирующий узел, внутренняя и наружная части которого образованы коническими радиальной и торцевой поверхностями, отличающееся тем, что на внутренней и внешней конических торцевых упорных поверхностях выполнены кольцевые проточки, являющиеся критериями эксплуатационной работоспособности соединения, причем суммарная величина кольцевых проточек на торцах ниппеля и муфты не превышает величины шага используемой резьбы.
2. Резьбовое соединение по п.1, отличающееся тем, что диаметры проточек на внутренней уплотнительной торцевой поверхности и наружной уплотнительной торцевой поверхности равны.
3. Резьбовое соединение по п.1 отличающееся тем, что трапецеидальная резьба выполнена с конусностью 1:12-1:32.
4. Резьбовое соединение по пп.1 и 3, отличающееся тем, что опорная грань профиля трапецеидальной резьбы выполнена с углом от -10 до +10°, а закладная грань - с углом 10-45°.
5. Резьбовое соединение по п.1, отличающееся тем, что коническая радиальная поверхность выполнена под углом 25-35° к оси резьбы, а коническая торцевая поверхность выполнена под углом 0-25° к нормали оси резьбы.
