Способ свинчивания безупорных конических трубных резьбовых соединений

Изобретение относится к способам сборки резьбовых соединений. Способ свинчивания безупорных конических трубных резьбовых соединений предусматривает их закрепление за счет сопряжения муфтовой и трубной резьб с натягом. Муфтовую и трубную резьбы предварительно свинчивают с приложением обеспечивающего надежную фиксацию их взаимного положения крутящего момента, относительная величина которого составляет не более двадцати процентов величины крутящего момента, соответствующей окончательному закреплению муфты на трубе. Окончательно закрепляют муфту на трубе путем их относительного доворота на фиксированный угол из состояния после предварительного свинчивания. Изобретение обеспечивает возможность сборки всех резьбовых соединений с одинаковым натягом, что повышает эксплуатационную надежность трубных колонн и ресурс износостойкости резьб.

 

Изобретение относится к резьбовым соединениям в основном насосно-компрессорных и обсадных труб и может найти применение в нефтегазовой промышленности.

Известен способ свинчивания безупорных конических трубных резьбовых соединений, предусматривающий закрепление муфты на трубе за счет сопряжения муфтовой и трубной резьб с натягом путем ее навинчивания до положения, в котором торец муфты будет совпадать с концом сбега резьбы на трубе или находиться от него в допустимых пределах (1. ГОСТ 633 «Трубы насосно-компрессорные и муфты к ним», резьбовые соединения с треугольной резьбой, 2. ГОСТ 632 «Трубы обсадные и муфты к ним», резьбовые соединения с треугольными резьбами и с трапецеидальной резьбой ОТТМ). Его недостатком является нестабильность величины натяга в закрепленных соединениях муфтовых и трубных резьб, снижающая эксплуатационную надежность трубных колонн и ресурс износостойкости резьб. Так, например, при выполнении всех установленных ГОСТ 633 требований величина осевого натяга в закрепленных резьбовых соединениях насосно-компрессорных труб может изменяться в диапазоне (0...4) шага резьбы. Аналогично при свинчивании резьбовых соединений ОТТМ обсадных труб по ГОСТ 632 допускается изменение величины осевого натяга в диапазоне от 6 до 17 мм, т.е. почти в 3 раза.

Известен также способ свинчивания безупорных конических трубных резьбовых соединений, предусматривающий закрепление муфты на трубе за счет сопряжения муфтовой и трубной резьб с натягом путем их свинчивания с приложением крутящего момента заданной величины (РД 39-136-95 «Инструкция по эксплуатации насосно-компрессорных труб», АО «ВНИИТнефть», Самара, 1997 г., п.6.10, стр.71). Недостатком этого способа также является нестабильность величины натяга в закрепленных соединениях муфтовой и трубной резьб, вызываемая тем, что в зависимости от точности изготовления каждой из резьб трубы и муфты, свойств смазки и других факторов величина крутящего момента, необходимого для создания в резьбовом соединении натяга заданной величины, может изменяться до 3...5 раз. Соответственно, даже при свинчивании всех резьбовых соединений, входящих в трубную колонну, с одинаковым крутящим моментом величины натягов в них могут различаться до 3...5 раз с соответствующим различием в уровне эксплуатационных характеристик.

Целью изобретения является повышение эксплуатационной надежности трубных колонн и ресурса износостойкости резьб.

Указанная цель достигается за счет повышения стабильности натягов в резьбовых соединениях входящих в трубную колонну труб и муфт.

Сущность изобретения заключается в том, что для ограничения влияния на величину результирующего осевого натяга Δ₃ в окончательно закрепленном резьбовом соединении переменных факторов (качество изготовления резьб, марка и количество наносимой смазки и т.д.) процесс его свинчивания разбивают на два этапа: предварительное свинчивание и окончательное закрепление муфты на трубе.

Предварительное свинчивание производят для обеспечения надежной фиксации относительного положения резьб трубы и муфты с целью исключения влияния случайных факторов (случайные физические воздействия, загрязнения резьб, неравномерное распределение на них смазки и т.п.) на исходную (нулевую) точку отсчета фиксированного угла доворота α при окончательном закреплении муфты на трубе. При этом под надежной понимается фиксация, осуществляемая за счет гарантированного создания в сопряжении муфтовой и трубной резьб натяга, исключающего доворот или отворот резьбового соединения вручную или в результате воздействия случайных факторов.

Для каждого из резьбовых соединений одного типоразмера в трубной колонне предварительное свинчивание производится с одинаковым заданным крутящим моментом М_Π. При этом в силу недостатков, свойственных способу свинчивания резьбовых соединений с заданным крутящим моментом, натяги Δ_Π-i; в них могут отличаться от номинального Δ_Π. Для ограничения влияния указанных различий на величину результирующего натяга Δ₃ в окончательно закрепленных резьбовых соединениях трубной колонны относительную величину M_Π принимают равной не более двадцати процентов от величины крутящего момента М₃, соответствующего окончательному закреплению муфты на трубе, имеющих резьбовое соединение аналогичного типоразмера. Необходимая для количественного определения M_Π величина М₃ может быть определена экспериментально путем пробного закрепления резьбовых соединений с аналогичным натягом известным способом с контролируемым крутящим моментом или на основе прошлого опыта, например, на основе данных РД. При этом в силу ограниченности влияния М_Π на величину Δ₃ степень соответствия назначенной величины М₃ ее фактическому значению решающего значения не имеет и указанные различия могут рассматриваться как укладывающиеся в допустимые погрешности способа.

Окончательное закрепление муфты на трубе производят путем относительного доворота муфтовой и трубной резьб из состояния после предварительного свинчивания на фиксированный угол α. При этом происходит увеличение натяга Δ_Π-I, возникшего в резьбовом соединении после предварительного свинчивания, на постоянную для всех резьбовых соединений трубной колонны величину Δ_g, заданную непосредственно в качестве исходной на уровне, примерно соответствующем Δ₃, или определенную по заданной величине Δ₃. Величина α может быть определена по известной величине Δ_g из очевидного соотношения α=Δ_g:Р×360°...(1), соответствующее ему число оборотов n - по формуле n=Δ_g/Р...(2), где Р - шаг резьбы.

При закреплении резьбового соединения прямой контроль угла доворота α равносилен прямому контролю величины Δ_g.

Очевидно, что при спуске трубной колонны предварительное свинчивание каждого последующего резьбового соединения производится только после окончательного закрепления предыдущего.

Величины Δ_3-i, Δ_Π-i и Δ_g связаны очевидным соотношением Δ_3-i =Δ_Π-i+Δ_g...(3).

Изменение условий (переменных факторов) свинчивания приводит к изменению только величины Δ_Π-i, в то время как величина Δ_g, контролируемая непосредственно по углу доворота α, остается неизменной. При этом в связи с тем, что величина Δ_Π-i значительно меньше, чем Δ_3-i и Δ_g, ее даже значительное относительное изменение не оказывает существенного влияния на величину Δ_3-i. Это обеспечивает примерно одинаковый уровень натягов во всех закрепленных резьбовых соединениях трубной колонны и, соответственно, повышение ее эксплуатационной надежности.

Пример осуществления способа

Требуется обеспечить сборку резьбовых соединений гладких НКТ размером 73×7 мм по ГОСТ 633 с одинаковым осевым натягом Δ₃=5 мм. Указанный натяг соответствует номинальному, установленному ГОСТ 633 для закрепленных резьбовых соединений.

Шаг резьбы Р=2,54 мм, конусность К=1:16. Зависимость величины натяга от крутящего момента свинчивания может быть принята линейной.

Оценку параметров свинчивания производим в следующем порядке:

1. Определяем величину M_Π крутящего момента предварительного свинчивания.

Принимаем δ=М_Π/М₃=10%=0,1...(4).

Оценку величины М₃ производим на основе приведенных в табл.37 РД 39-136-95 данных о том, что при свинчивании НКТ условным диаметром 73 мм известным способом, основанным на контроле прилагаемого для закрепления резьбового соединения крутящего момента, допускается изменение величины последнего в диапазоне от 900 до 1500 Н·м. Принимаем М₃ равным средней величине указанного диапазона, т.е. М₃=(900+1500):2=1200 Н·м...(5).

На основе (4) и (5) определяем величину M_Π крутящего момента предварительного свинчивания:

2. Определяем величину фиксированного угла α доворота резьбового соединения из состояния после предварительного свинчивания.

Оценку производим исходя из допущения о линейной зависимости величины натяга в резьбовом соединении от приложенного крутящего момента и очевидной зависимости

Из линейной зависимости следует: , откуда имеем . Подставляя (8) в (3) получаем:

Используя очевидное соотношение α=Δ_g:Р×360°...(1) получаем:

α=4,5:2,54×36°°=638°...(10), что соответствует довороту примерно на два оборота.

3. Таким образом, для обеспечения необходимой стабильности величины натягов на заданном уровне Δ₃=5мм предварительное свинчивание всех резьбовых соединений в трубной колонне должно производиться с приложением крутящего момента М_Π=120 Н·м, а окончательное закрепление муфты на трубе - путем их относительного доворота из состояния после предварительного свинчивания на фиксированный угол α=638°. При использовании гидравлических трубных ключей, оснащенных компьютером, указанный режим свинчивания может быть реализован за счет соответствующей программы.

4. В заключение произведем оценку изменения величины результирующего натяга Δ₃ в окончательно закрепленных резьбовых соединениях при изменении Δ_Π под влиянием переменных факторов в широком диапазоне ±50%. Абсолютная величина Δ_Π будет при этом изменяться в диапазоне (0,25...0,75) мм, в то время как величина Δ_g будет оставаться неизменной Δ_g=4,5 мм. Соответственно, величина Δ₃ будет изменяться в диапазоне Δ₃=(4,75......5,25)мм, т.е. незначительно. Для сравнения отметим, что при закреплении резьбовых соединений с аналогичным номинальным натягом Δ₃=5 мм известным способом с приложением крутящего момента заданной величины аналогичное влияние переменных факторов вызвало бы изменение Δ₃ в существенно более широком диапазоне (2,5...7,5)мм.

Способ свинчивания безупорных конических трубных резьбовых соединений, предусматривающий их закрепление за счет сопряжения муфтовой и трубной резьб с натягом, отличающийся тем, что муфтовую и трубную резьбы предварительно свинчивают с приложением обеспечивающего надежную фиксацию их взаимного положения крутящего момента, относительная величина которого составляет не более двадцати процентов величины крутящего момента, соответствующей окончательному закреплению муфты на трубе, после чего окончательно закрепляют муфту на трубе путем их относительного доворота на фиксированный угол из состояния после предварительного свинчивания.