Герметичное соединение металлических труб

 

Использование: для скважин. Сущность изобретения: сопрягаемые внутренний и наружный элементы выполнены с резьбовыми коническими участками и конической уплотнительной поверхностью на конической части. Длина уплотнительной поверхности наружного элемента больше той же длины внутреннего. Конусность уплотнительных поверхностей конусных элементов выполнена в диапазоне 6,25 - 9,25% относительно оси соединения, длина поверхности внутреннего элемента, контактирующей с внутренней поверхностью наружного элемента, составляет 0,5 - 2,5 мм. На концевой части внутреннего элемента выполнен выступ с конической посадочной поверхностью. На концевой части наружного элемента выполнено ответное гнездо с поверхностью, ответной указанной. Угол конусности выполнен 5 - 10^o к плоскости, перпендикулярной оси соединения. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к герметичному соединению металлических труб, в частности труб, используемых для перекачивания жидкостей, и обсадных труб для скважин, используемых главным образом, но не исключительно, для разведки и добычи углеводородов и геотермических жидкостей.

Известно герметичное соединение металлических труб, содержащее сопрягаемые внутренний и наружный элементы с резьбовыми коническими участками и конической уплотнительной поверхностью на концевой части, причем длина уплотнительной поверхности наружного элемента больше той же длины внутреннего элемента.

Известно, что когда крутящий момент, использующийся для затягивания соединения, превышает предел текучести материала, напряжения, возникающие в резьбах и уплотнительных поверхностях, могут вызывать повреждения, в результате чего уплотнение, образованное соединением, больше не эффективно, особенно после многократных закручиваний и откручиваний. Избыточный крутящий момент может изменить геометрию уплотнительных поверхностей в результате пластической деформации под действием чрезмерных напряжений, вследствие чего повторное использование трубы становится весьма проблематичным или вообще невозможным. Труба может подвергнуться повреждению даже при первом ее использовании, что может послужить началом появления коррозии.

Задачей изобретения является устранение указанных выше недостатков.

Эта задача достигается тем, что конусность уплотнительных поверхностей внутреннего и наружного элементов выполнена в диапазоне 6,25-9,25% относительно оси соединения, а длина поверхности внутреннего элемента, контактирующей с соответствующей поверхностью наружного элемента, составляет 0,5-2,5 мм.

Предпочтительно на концевой части внутреннего элемента выполнять выступ с конической посадочной поверхностью, а на концевой части наружного элемента выполнять ответное гнездо с поверхностью, ответной указанной, причем угол конусности выполнен 5-10^о к плоскости, перпендикулярной оси соединения.

Соединение может изготавливаться с резьбой любого известного типа, особенно однозаходной или многозаходной резьбой любой формы, включая крючковатую резьбу, которая предназначена главным образом для соединений, у которых внутренний и наружный элементы имеют дополнительные конические резьбы, при этом вершины резьб наружного элемента точно прилипают к соответствующим впадинам профиля резьб внутреннего элемента, вершины резьбы которого не входят в контакт с соответствующими впадинами профиля резьбы наружного элемента.

Соединение в соответствии с изобретением изготавливается предпочтительно с известными из прототипа резьбами. Эти резьбы являются такими, что вершины резьбы наружного элемента идеально контактируют с соответствующими впадинами профиля резьбы внутреннего элемента, вершины резьбы которого не касаются соответствующих впадин.

Соединение в соответствии с изобретением не исключает использования дополнительного уплотнительного устройства, состоящего, например, из пластмассового уплотнительного кольца, установленного между двумя уплотнительными поверхностями внутреннего и наружного элементов в углублении, выполненном на установочной поверхности наружного элемента.

Таким образом, соединение металл к металлу защищено от воздействия любого коррозионного агента, содержащегося в жидкостях, контактирующих с трубами.

Дополнительная защита может быть достигнута путем нанесения облицовки из защитной смолы эпоксидной или фенольной, например, на внутреннюю поверхность соединения, контактирующую с коррозионными агентами.

Особенная комбинация элементов, которая способствует образованию герметичного уплотнения, в частности, в сочетании с гнездом по изобретению, дает значительные преимущества по сравнению с известными соединениями.

Гнездо или место установки с углом 5-10^о обеспечивает более высокую стойкость к пластической деформации даже в случае избыточного крутящего момента. Действительно угол является таким, который приводит к образованию касательного растягивающего напряжения на острие, которое увеличивает контактное давление между уплотнительными поверхностями, не вызывая при этом постоянной деформации.

Герметичное уплотнение, образующееся в результате контакта между двумя одинаковыми коническими поверхностями, одна из которых имеет длину 0,5-2,5 мм, обеспечивает два преимущества. По сравнению с уплотнениями типа коническая поверхность сферическая поверхность контакт достигается не вдоль линии, которая трансформируется в коническую поверхность в результате деформации при последующем затягивании, а происходит в самом начале на окружной поверхности конечных размеров, которая может поглощать большие напряжения до достижения пластификации. По сравнению с соединениями, использующими контакт между двумя коническими поверхностями, ограниченный размер контактного участка в соответствии с изобретением обеспечивает достижение более высоких контактных давлений, тем самым допуская взаимную адаптацию, сохраняя при этом надежность в диапазоне упругой деформации.

С помощью небольшой, но ограниченной контактной поверхности может достигаться надежная однородность контактного давления. Это преимущество особенно важно, поскольку оно позволяет точно рассчитать крутящий момент, необходимый для гарантирования контакта без каких-либо утечек, когда заданные усилия действуют на соединение и стремятся раскрыть рассматриваемые поверхности. В соединениях другого типа эти условия достигаются только тогда, когда соединение изготовлено очень точно, а внутренний элемент идеально выравнен с наружным элементом, что очень трудно достигнуть в обычной практике.

Для проверки прочности герметичного уплотнения в соответствии с изобретением и для его сравнения с другими двумя соединениями, выполненными в соответствии с известной технологией, было рассчитано теоретическое контактное давление, действующее на уплотнение соединения, когда прикладывается контактное усилие F= 105 кН/мм². Сталь, из которой было изготовлено соединение, имела предел текучести YS=420 Н/мм². Средний диаметр D соединений на уплотнительных поверхностях составил 80 мм.

Теоретическое давление контакта как функция размеров и усилия, с которым поверхности прижимаются друг к другу, может быть рассчитано для всех трех случаев по формуле P_a= (контактная гипотеза по Герцу); Pb Pc (гипотеза очень маленького конуса), где Р_а, Р_b и Р_с контактное давление в первом, втором и третьем случаях; F контактное усилие.

D средний диаметр соединения на уплотнительных поверхностях; l_a ширина контактной зоны в первом случае, установленная равной 0,2 мм; l_{b, c} ширина контактных зон во втором и третьем случаях, равная 2 и 5 мм соответственно.

Путем подстановки и принятия, что макронапряжения являются постоянными в соединениях различного типа, в частности F=105 кН/мм², получают Р_а=1870 Н/мм², P_b=210 Н/мм², Р_с=84 Н/мм². Эти контактные давления показывают следующее. Когда предел текучести стали значительно превышается, то в уплотнительной зоне возникает постоянная деформация. В третьем случае упругая деформация составляет 0,01% следовательно, уплотнение гарантируется только при наличии идеальной геометрии. Во втором случае величина является оптимальной, поскольку упругая деформация составляет 0,1% т.е. половину предела текучести.

На фиг.1 показано осевое сечение завинченного соединения, состоящего из внутреннего элемента 1, наружного элемента 2 и резьбы 3 (зона А охватывает гнездо и герметичное уплотнение в соответствии с изобретением); на фиг.2 и 3 показана концевая часть наружного элемента 2, у которого за резьбой 3 имеются две конические внутренние поверхности 6 и 7, которые при взаимодействии с соответствующими поверхностями внутреннего элемента соответственно образуют гнездо и герметичное уплотнение, а также концевая часть внутреннего элемента 1, который имеет конические поверхности с различными углами за резьбой 3. Поверхность 4, которая входит в контакт с соответствующей поверхностью 6 наружного элемента 2, образует герметичное уплотнение, а установочная поверхность 5 входит в контакт с соответствующей поверхностью 7 наружного элемента 2. Эти пары поверхностей 4 и 6, 5 и 7 соответственно должны иметь конус 6,25-9,25% и образуют угол 5-10^о с плоскостью, перпендикулярной оси соединения. Поверхность 6 значительно больше поверхности 4, в результате чего контакт между двумя поверхностями всегда гарантирован способом в соответствии с изобретением для широкого диапазона конструкционных допусков.

На фиг.2 показан контакт уплотнительных поверхностей 4 и 6 до того, как установочные поверхности 5 и 7 начнут контактировать и когда соединение затягивается. На фиг.3 показано соединение после его выполнения, когда установочные поверхности 5 и 7 находятся в контакте и соединение находится в готовом к использованию состоянии.

Соединение может выполняться или на двух трубах, имеющих соответственно внутренний и наружный концы (цельное соединение), или оно может быть предпочтительно выполнено на трубах с двумя внутренними концами, соединенных вместе с помощью втулок, имеющих внутренние резьбовые концы (втулочное соединение). Внутренняя часть втулочного соединения выполнена более толстой в средней ее части для размещения в ней уплотняющей и установочной зон.

Формула изобретения

1. ГЕРМЕТИЧНОЕ СОЕДИНЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБ, содержащее сопрягаемые внутрений и наружный элементы с резьбовыми коническими участками и конической уплотнительной поверхностью на концевой части, причем длина уплотнительной поверхности наружного элемента больше той же длины внутреннего, отличающееся тем, что конусность уплотнительных поверхностей внутреннего и наружного элементов выполнена в диапазоне 6,25 9,25% относительно оси соединения, а длина поверхности внутреннего элемента, контактирующей с соответствующей поверхностью наружного элемента, составляет 0,5 2,5 мм.

2. Соединение труб по п. 1, отличающееся тем, что на концевой части внутреннего элемента выполнен выступ с конической посадочной поверхностью, а на концевой части наружного элемента выполнено ответное гнездо с поверхностью, ответной указанной, причем угол конусности выполнен 5 10^o к плоскости, перпендикулярной оси соединения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3