Профиль резьбы, обеспечивающий уменьшение напряжений

Изобретение относится к резьбовым соединениям, широко используемых в нефтегазовой отрасли для соединения вместе одного или более устройств. Профиль резьбы для резьбового соединения, содержит резьбовой элемент с множеством витков, продолжающихся от первого конца до второго конца. По меньшей мере часть каждого из витков резьбы содержит вершину, впадину, имеющую закругленную зону впадины, проходящую от точки, центральной по отношению к впадине, и плоские боковые поверхности, проходящие от обеих сторон закругленной зоны впадины. Диаметр витков резьбы, образованный вершинами и впадинами является постоянным по длине резьбового элемента. Плоские боковые поверхности содержат первую боковую поверхность и вторую боковую поверхность, расположенные под отличающимися друг от друга углами относительно вершины. Резьбовое соединение содержит охватываемый резьбовой элемент, содержащий множество витков наружной резьбы, и охватывающий резьбовой элемент, присоединенный к охватываемому резьбовому элементу. Край вершины, по меньшей мере, одного витка наружной резьбы контактирует с одной из плоских боковых поверхностей, по меньшей мере, одного витка внутренней резьбы с предотвращением контакта верхней точки вершины витка наружной резьбы и плоскими боковыми поверхностями внутренней резьбы и с предотвращением контакта плоских боковых поверхностей наружной резьбы и плоских боковых поверхностей внутренней резьбы. Достигается технический результат – повышение надежности резьбового соединения, за счёт изменения направления сдвигающих сил, приводящего к уменьшению накопления усталостных напряжений. 2 н.п. и 15 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Варианты осуществления, описанные в данном документе, относятся к профилю резьбы, предназначенному для соединения и разъединения резьбовых соединений. Более конкретно, варианты осуществления, описанные в данном документе, относятся к профилю резьбы, который обеспечивает уменьшение напряжений и повышение усталостной долговечности резьбовых соединений, которые подвергаются циклическому и/или вибрационному нагружению.

Описание уровня техники

[0002] Резьбовые соединения широко используются в нефтегазовой отрасли для соединения вместе одного или более устройств. Резьбовые соединения данных типов часто подвергаются значительным вибрационным нагрузкам и/или значительному циклическому нагружению. Одним примером являются поршневые насосы высокого давления, такие как многоцилиндровые поршневые насосы. Насосы данных типов имеют гидравлическую часть, которая включает в себя, среди прочих компонентов, клапаны, плунжеры, цилиндровые втулки и которая приводится в действие с помощью приводной части, которая преобразует вращение приводного вала в возвратно-поступательное движение плунжера в гидравлической части. Насосы данных типов могут перекачивать текучие среды в ствол скважины со скоростями до 10 баррелей (1,59 м³) в минуту и при давлениях до 20 000 фунтов на квадратный дюйм (137895,2 кПа).

[0003] Гидравлическая часть, как правило, включает в себя, три или более отверстий под плунжеры. В каждом отверстии под плунжер размещается плунжер, совершающий возвратно-поступательное движение. Плунжер, совершающий возвратно-поступательное движение, соединен с гидравлической частью с помощью уплотнительной гайки, которая включает в себя витки наружной резьбы, которые сопрягаются с витками внутренней резьбы гидравлической части. Внутренняя/наружная резьбы, как правило, представляют собой резьбы одинакового типа или формы. Зона сопряжения витков наружной/внутренней резьб подвергается воздействию сдвигающих сил циклически при эксплуатации гидравлической части. В частности, витки резьбы подвергаются напряжениям вдоль плоскости сдвига, которая по существу параллельна продольной оси витков резьбы во время эксплуатации гидравлической части, что вызывает усталость и в конце концов разрушение зоны сопряжения резьб. В качестве дополнения или альтернативы зона сопряжения витков резьбы может подвергаться вибрационным нагрузкам, которые могут вызывать ослабление, а также преждевременное разрушение соединения.

[0004] Следовательно, существует потребность в новой и усовершенствованной зоне сопряжения витков резьб, которая предотвращает разрушение, описанное выше.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0005] В одном варианте осуществления предложен профиль резьбы для резьбового соединения, который включает в себя множество витков резьбы, при этом, по меньшей мере, часть каждого из витков резьбы содержит впадину, имеющую закругленную зону впадины, которая проходит от точки, центральной по отношению к впадине, и имеющую плоские боковые поверхности, проходящие от обеих сторон закругленной зоны впадины.

[0006] В одном варианте осуществления предложено резьбовое соединение, которое включает в себя профиль наружной резьбы и профиль внутренней резьбы, который отличается от профиля наружной резьбы, при этом профиль внутренней резьбы включает в себя впадину, имеющую закругленную зону впадины, проходящую от точки, центральной по отношению к впадине, и плоские боковые поверхности, проходящие от обеих сторон закругленной зоны впадины.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0007] Фиг.1А представляет собой вид в разрезе одного варианта осуществления резьбового соединения.

[0008] Фиг.1В представляет собой увеличенное изображение части вида в разрезе резьбового соединения по фиг.1А.

[0009] Фиг.2А представляет собой вид в разрезе охватывающей части резьбового соединения, показанного на фиг.1А и 1В.

[0010] Фиг.2В представляет собой увеличенное изображение части вида в разрезе охватывающей части резьбового соединения, показанной на фиг.2А.

[0011] Фиг.3А, 3В, 4А, 4В, 5А, 5В, 6А и 6В представляют собой соответственно виды в разрезе охватываемых частей, которые могут быть использованы вместе с охватывающей частью, показанной на фиг.2А и 2В, для образования резьбового соединения, показанного на фиг.1А и 1В.

[0012] Для облегчения понимания по возможности были использованы идентичные ссылочные позиции для обозначения идентичных элементов, которые являются общими для фигур. Предусмотрено, что элементы, описанные в одном варианте осуществления, могут быть предпочтительно использованы с другими вариантами осуществления без конкретного описания.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0013] Варианты осуществления раскрытия изобретения обеспечивают преодоление недостатков обычных резьбовых соединений. В обычном резьбовом соединений профили наружной и внутренней резьб являются одинаковыми или аналогичными, что приводит к большому напряжению сдвига вдоль продольной оси резьбового соединения, когда оно подвергается циклической растягивающей нагрузке. Такое большое напряжение сдвига часто вызывает разрушение резьбового соединения у впадин витков резьб при усталости. Кроме того, профили наружной и внутренней резьб обычного резьбового соединения обеспечивают их плотное прилегание друг к другу, что вызывает поверхностное повреждение и/или образование гидравлического затвора.

[0014] Варианты осуществления раскрытия изобретения включают профиль резьбы для снятия напряжения. Варианты осуществления раскрытия изобретения включают профиль резьбы с повышенной усталостной долговечностью, который может быть использован в условиях циклического нагружения, например, для поршневых насосов высокого давления, используемых в нефтегазовой отрасли. Варианты осуществления раскрытия изобретения включают резьбовое соединение, содержащее наружную резьбу, имеющую профиль, который сопрягается с профилем внутренней резьбы, при этом данные профили различаются и выполнены с возможностью уменьшения напряжения в резьбовом соединении. Варианты осуществления профилей резьб, описанных в данном документе, также обеспечивают противодействие ослаблению, вызываемому вибрационными нагрузками, в отличие от обычных профилей резьб.

[0015] Несмотря на то, что варианты осуществления профилей резьб, описанные в данном документе, направлены на резьбовое соединение многоцилиндрового поршевого насоса, профили резьб могут быть использованы в качестве резьбового соединения для любых других типов устройств. Варианты осуществления профиля внутренней резьбы, описанные в данном документе, могут быть использованы вместе с любым типом наружной резьбы. Варианты осуществления профиля внутренней резьбы, описанные в данном документе, также могут быть использованы в качестве профиля наружной резьбы и наоборот.

[0016] Фиг.1А представляет собой вид в разрезе одного варианта осуществления резьбового соединения 100. Резьбовое соединение 100 включает в себя охватываемую часть 105 и охватывающую часть 110. Охватываемая часть 105 включает в себя профиль 115 наружной резьбы, и охватывающая часть 110 включает в себя профиль 120 внутренней резьбы. В одном варианте осуществления охватываемая часть 105 резьбового соединения 100 может образовывать часть уплотнительной гайки 125, которая ввинчивается в охватывающую часть 110 отверстия 130 под плунжер многоцилиндрового поршневого насоса 135.

[0017] Во время эксплуатации многоцилиндрового поршневого насоса 135 сила (обозначенная ссылочной стрелкой 137) действует на резьбовое соединение 100 при нагнетании текучей среды под давлением в многоцилиндровый поршневой насос 135 и из него. Сила является циклической, поскольку давление в многоцилиндровом поршневом насосе 135 неоднократно изменяется от приблизительно 0 фунтов на кв. дюйм (0 кПА) до приблизительно 20000 фунтов на кв. дюйм (137895,2 кПа). Циклическая сила вызывает напряжения и усталость резьбового соединения 100.

[0018] Фиг.1В представляет собой увеличенное изображение части вида в разрезе резьбового соединения 100 по фиг.1А. В этом варианте осуществления профиль 115 наружной резьбы представляет собой профиль типа профиля трапецеидальной резьбы (Acme thread). Профиль 120 внутренней резьбы включает в себя вершину 140, боковые поверхности 145А, 145В и впадину 150. Боковая поверхность 145А контактирует с краем вершины 155 профиля 115 наружной резьбы при образовании резьбового соединения 100.

[0019] Контакт между боковой поверхностью 145А и краем вершины 155 способствует уменьшению напряжения сдвига, приложенного к резьбовому соединению 100 при его подвергании воздействию растягивающей силы. В частности, когда сила (обозначенная ссылочной стрелкой 137) приложена к резьбовому соединению 100, результирующий вектор напряжения (обозначенный ссылочной стрелкой 160) направлен внутрь и под углом относительно продольной оси охватываемой части 105. Посредством этого величина напряжения сдвига, приложенного в продольном направлении к резьбовому соединению 100, уменьшается по сравнению с обычными резьбовыми соединениями.

[0020] Профиль 120 внутренней резьбы резьбового соединения 100 представляет собой единственную резьбу, которая модифицирована согласно данному варианту осуществления, и профиль 120 внутренней резьбы обеспечивает возможность использования стандартных резьб на охватываемой части 105. Профиль 120 внутренней резьбы обеспечивает изменение направления сдвигающих сил, так что усталость резьбового соединения 100 уменьшается. Кроме того, профиль 120 внутренней резьбы включает в себя закругленную зону 165 впадины, которая является криволинейной вместо плоской зоны впадины, используемой в профилях обычных резьб.

[0021] Впадина 150 профиля 120 внутренней резьбы включает в себя закругленную зону 165 впадины, которая граничит с каждой боковой поверхностью 145А, 145В, которые являются плоскими (planar) или плоскими (flat). Закругленная зона 165 впадины обеспечивает большой зазор 170 между вершиной впадины 150 и вершиной 155 профиля 115 наружной резьбы. Кроме того, образуются зазоры 175 между каждой боковой поверхностью 145А, 145В и поверхностями профиля 115 наружной резьбы. Зазоры 170, 175 обеспечивают увеличенную площадь или увеличенный объем вокруг поверхностей контакта резьб для перемещения консистентной смазки, грязи и других инородных частиц, в результате чего уменьшается вероятность поверхностного повреждения и/или образования гидравлического затвора.

[0022] Боковые поверхности 145А, 145В профиля 120 внутренней резьбы расположены под углами, которые отличаются друг от друга. Первая боковая поверхность 145А образована под первым углом 180А, и вторая боковая поверхность 145В образована под вторым углом 180В. В одном варианте осуществления первый угол 180А больше второго угла 180В, например, на приблизительно 50% - приблизительно 100%. В одном варианте осуществления первый угол 180А составляет приблизительно 14 градусов (или находится в пределах от приблизительно 14 градусов до приблизительно 15 градусов), и второй угол 180В составляет приблизительно 50 градусов.

[0023] Фиг.2А представляет собой вид в разрезе охватывающей части 110 резьбового соединения 100, показанного на фиг.1А и 1В, без охватываемой части 105, чтобы более четко показать профиль 120 внутренней резьбы. Фиг.2В представляет собой увеличенное изображение части вида в разрезе охватывающей части 110 по фиг.2А. Четко показаны боковые поверхности 145А, 145В, вершина 140 и закругленная зона 165 впадины. Закругленная зона 165 впадины может проходить от точки 200, которая является центральной по отношению к впадине 150.

[0024] Профиль 120 внутренней резьбы может иметь шаг в пределах от приблизительно 2 до приблизительно 20 витков на дюйм (на 25,4 мм). Номинальный диаметр профиля 120 внутренней резьбы может составлять от приблизительно 0,25 дюйма (6,35 мм) до приблизительно 15 дюймов (381 мм).

[0025] Фиг.3А-3В, 4А-4В, 5А-5В и 6А-6В представляют собой соответственно виды в разрезе охватываемых частей, которые могут быть ввинчены в охватывающую часть 110, имеющую профиль 120 внутренней резьбы, показанный на фиг.2А и 2В, для образования резьбового соединения по фиг.1А и 1В.

[0026] Фиг.3А представляет собой вид в разрезе охватываемой части 300, имеющей профиль 115 наружной резьбы, который представляет собой профиль типа профиля трапецеидальной резьбы (который также может включать типы трапецеидальной резьбы с уменьшенной высотой профиля (Acme stub) и трапецеидальной резьбы ʺM1ʺ с уменьшенной высотой профиля). Фиг.3В представляет собой увеличенную часть вида в разрезе профиля 115 наружной резьбы по фиг.3А. Как показано на фиг.3В, профиль 115 наружной резьбы включает в себя боковые поверхности 305, плоскую впадину 310 и вершину 315, имеющую скошенные края 320. Профиль 115 наружной резьбы охватываемой части 300 может быть использован вместе с профилем 120 внутренней резьбы охватывающей части 110 для образования резьбового соединения 100 по фиг.1А и 1В. Боковые поверхности 305 расположены под одинаковым углом относительно плоскости впадины 310 и/или вершины 315 и пересекаются со скошенными краями 320.

[0027] Фиг.4А представляет собой вид в разрезе охватываемой части 400, имеющей профиль 115 наружной резьбы, который представляет собой профиль типа профиля трапецеидальной резьбы ʺM2ʺ с уменьшенной высотой профиля. Фиг.4В представляет собой увеличенную часть вида в разрезе профиля 115 наружной резьбы по фиг.4А. Как показано на фиг.4В, профиль 115 наружной резьбы включает в себя боковые поверхности 405, плоскую впадину 410 и вершину 415, имеющую скошенные края 420. Профиль 115 наружной резьбы охватываемой части 400 может быть использован вместе с профилем 120 внутренней резьбы охватывающей части 110 для образования резьбового соединения 100 по фиг.1А и 1В. Боковые поверхности 405 расположены под одинаковым углом относительно плоскости впадины 410 и/или вершины 415 и пересекаются со скошенными краями 420.

[0028] Фиг.5А представляет собой вид в разрезе охватываемой части 500, имеющей профиль 115 наружной резьбы, который представляет собой профиль типа профиля упорной дюймовой резьбы (американский Батресс). Фиг.5В представляет собой увеличенную часть вида в разрезе профиля 115 наружной резьбы по фиг.5А. Как показано на фиг.5В, профиль 115 наружной резьбы включает в себя боковые поверхности 505, плоскую впадину 510 и вершину 515. Профиль 115 наружной резьбы охватываемой части 500 может быть использован вместе с профилем 120 внутренней резьбы охватывающей части 110 для образования резьбового соединения 100 по фиг.1А и 1В. Боковые поверхности 505 являются плоскими и расположены под разными углами относительно плоскости впадины 510 и/или вершины 515 и пересекаются с вершиной 515.

[0029] Фиг.6А представляет собой вид в разрезе охватываемой части 600, имеющей профиль 115 наружной резьбы, который представляет собой профиль типа профиля треугольной резьбы. Фиг.6В представляет собой увеличенную часть вида в разрезе профиля 115 наружной резьбы по фиг.6А. Как показано на фиг.6В, профиль 115 наружной резьбы включает в себя боковые поверхности 605, плоскую впадину 610 и вершину 615. Профиль 115 наружной резьбы охватываемой части 600 может быть использован вместе с профилем 120 внутренней резьбы охватывающей части 110 для образования резьбового соединения 100 по фиг.1А и 1В. Боковые поверхности 605 расположены под одинаковым углом относительно плоскости впадины 610 и/или вершины 615 и пересекаются с вершиной 615.

[0030] Кроме того, несмотря на то, что в качестве примера была описана модификация профиля 120 внутренней резьбы, профиль 115 наружной резьбы может быть модифицирован аналогичным образом и использован вместе с профилями обычных внутренних резьб.

[0031] В то время как вышеприведенное направлено на варианты осуществления раскрытия изобретения, другие и дополнительные варианты осуществления раскрытия изобретения могут быть разработаны без отхода от его основного объема, и его объем определяется нижеприведенной формулой изобретения.

1. Профиль резьбы для резьбового соединения, содержащий:

резьбовой элемент, содержащий множество витков резьбы, продолжающихся от первого конца до второго конца, при этом по меньшей мере часть каждого из витков резьбы содержит вершину, впадину, имеющую закругленную зону впадины, проходящую от точки, центральной по отношению к впадине, и плоские боковые поверхности, проходящие от обеих сторон закругленной зоны впадины, причем диаметр витков резьбы, образованный вершинами является постоянным по длине резьбового элемента от первого конца до второго конца, и диаметр витков резьбы, образованный впадинами является постоянным по длине резьбового элемента от первого конца до второго конца,

при этом плоские боковые поверхности содержат первую боковую поверхность и вторую боковую поверхность, при этом первая боковая поверхность расположена под первым углом относительно вершины, и вторая боковая поверхность расположена под вторым углом относительно вершины, который отличается от первого угла.

2. Профиль резьбы по п.1, в котором первый угол больше второго угла.

3. Профиль резьбы по п.1, в котором первый угол приблизительно на 50% больше второго угла.

4. Профиль резьбы по п.1, в котором первый угол приблизительно на 100% больше второго угла.

5. Профиль резьбы по п.1, в котором первый угол находится в пределах от приблизительно 14 градусов до приблизительно 15 градусов.

6. Профиль резьбы по п.1, в котором первый угол составляет приблизительно 14 градусов, и второй угол составляет приблизительно 50 градусов.

7. Резьбовое соединение, содержащее:

охватываемый резьбовой элемент, содержащий множество витков наружной резьбы, продолжающихся от первого конца до второго конца; и

охватывающий резьбовой элемент, присоединенный к охватываемому резьбовому элементу и содержащий множество витков внутренней резьбы, продолжающихся от первого конца до второго конца, при этом витки внутренней резьбы содержат вершину, впадину, имеющую закругленную зону впадины, проходящую от точки, центральной по отношению к впадине, и плоские боковые поверхности, проходящие от обеих сторон закругленной зоны впадины, причем внутренний диаметр витков внутренней резьбы, образованный впадинами витков внутренней резьбы является постоянным от первого конца до второго конца охватывающего резьбового элемента,

при этом край вершины по меньшей мере одного витка наружной резьбы контактирует с одной из плоских боковых поверхностей по меньшей мере одного витка внутренней резьбы с предотвращением контакта верхней точки вершины витка наружной резьбы и плоскими боковыми поверхностями внутренней резьбы и с предотвращением контакта плоских боковых поверхностей наружной резьбы и плоских боковых поверхностей внутренней резьбы.

8. Резьбовое соединение по п.7, в котором витки наружной резьбы представляют собой витки типа профиля трапецеидальной резьбы.

9. Резьбовое соединение по п.7, в котором витки наружной резьбы представляют собой витки типа профиля упорной дюймовой резьбы (американский Батресс).

10. Резьбовое соединение по п.7, в котором витки наружной резьбы представляют собой витки треугольной резьбы.

11. Резьбовое соединение по п.7, в котором плоские боковые поверхности содержат первую боковую поверхность и вторую боковую поверхность, при этом первая боковая поверхность расположена под первым углом, и вторая боковая поверхность расположена под вторым углом, который отличается от первого угла.

12. Резьбовое соединение по п.11, в котором первый угол больше второго угла.

13. Резьбовое соединение по п.11, в котором первый угол приблизительно на 50% больше второго угла.

14. Резьбовое соединение по п.11, в котором первый угол приблизительно на 100% больше второго угла.

15. Резьбовое соединение по п.11, в котором первый угол находится в пределах от приблизительно 14 градусов до приблизительно 15 градусов.

16. Резьбовое соединение по п.11, в котором первый угол составляет приблизительно 14 градусов, и второй угол составляет приблизительно 50 градусов.

17. Резьбовое соединение по п.7, в котором край вершины, контактирующий с плоской боковой поверхностью, является скошенным краем.