Трубное соединение с конической удлиненной резьбой треугольного профиля

Изобретение относится к области трубных соединений с конической удлиненной резьбой треугольного профиля для насосно-компрессорных и обсадных труб, предназначенных для добычи нефти и газа, а также для крепления скважин. Соединение содержит охватываемый элемент (трубу), имеющий на конце соответствующую наружную коническую резьбу треугольного профиля увеличенной длины L с постоянным углом уклона φ образующей конуса по впадинам ниток резьбы по всей длине (без сбега) и расположенную на расстоянии от торца трубы зарезьбовую цилиндрическую канавку, являющуюся одновременно индикатором относительного положения трубы и муфты. Резьбовой конец трубы входит в муфту без вращения минимум на шесть ниток от ее торца, а у торца муфты растачивают внутреннюю заходную фаску под углом (β) 65°-70° к торцу муфты. Величины длины резьбы трубы и диаметра по дну канавки определяют по формулам. Изобретение повышает надежность трубного резьбового соединения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области горного дела, а именно к резьбовым коническим соединениям треугольного профиля труб нефтяного сортамента, в частности насосно-компрессорных и обсадных труб, предназначенных для добычи нефти и газа, а также для крепления скважин.

Известны конструкции насосно-компрессорных и обсадных труб с конической треугольной резьбой, нарезанной на их концах (наружная) и в соединительных муфтах (внутренняя) [ГОСТ 633-80 «Трубы насосно-компрессорные и муфты к ним. Технические условия. Резьбовые соединения труб гладких и с высаженными наружу концами», п.2.13.1, п.2.13.2, черт.5 и черт.6; ГОСТ 632-80 «Трубы обсадные и муфты к ним. Технические условия. Соединения труб с треугольной резьбой», п.2.13.1, п.2.13.2, черт.5 и черт.6; Стандарт технических требований API 5В, 14-е изд., август 1996 «Требования к резьбе, калибровке и контролю резьбы обсадных, насосно-компрессорных и трубопроводных труб», рис.3, рис.4, рис.8, рис.9, таблицы: №4, №6, №10, №12]. Наружная коническая резьба от торца трубы до основной плоскости, то есть до линии пересечения образующей наружного конуса резьбы с наружной цилиндрической поверхностью трубы номинального диаметра, имеет полный профиль ниток. Затем по мере удаления от основной плоскости располагаются нитки со срезанными вершинами. Длина образующей внутреннего конуса (по впадинам ниток) известных резьб треугольного профиля меньше теоретической длины, равной расстоянию от торца трубы до линии пересечения внутреннего конуса с номинальной наружной поверхностью трубы. Если угол уклона φ образующей внутреннего конуса резьбы от торца до основной плоскости соответствует заданной конусности (К), например 1/16, то на некотором расстоянии за основной плоскостью расположен участок с увеличенным углом уклона φ₁ - сбег резьбы. В муфте образующие конусов по вершинам и впадинам внутренней резьбы имеют постоянный угол уклона φ. В муфтах насосно-компрессорных и обсадных труб выполняется расточка на глубину 8÷13 мм диаметром d₀, а затем под углом 25° к оси муфты формируется заходная фаска. Кинематические параметры внутренних и наружных резьб спроектированы таким образом, что в собранном виде в работе участвуют только нитки полного профиля от торца трубы до основной плоскости. В расчетах на прочность принимается площадь сечения тела трубы под последним полным витком резьбы, то есть в основной плоскости.

К недостаткам описанных стандартных резьб треугольного профиля относятся:

- снижение допустимой осевой нагрузки резьбы (до 30-35%) по сравнению с телом трубы;

- низкая износостойкость резьб насосно-компрессорных труб (НКТ), которые при эксплуатации свинчиваются многократно. Одной из причин низкой износостойкости известных конических резьб треугольного профиля НКТ, сборка которых в колонну осуществляется в вертикальном положении, является отсутствие свободного (без вращения) захода (или незначительный заход) резьбы ниппеля в резьбу муфты. При опускании ниппеля резьбового соединения в расточку муфты первоначально осевая нагрузка от веса верхней трубы передается в основном на вершину первой полной нитки в муфте. Контактируемые вершины первых полных ниток резьбы трубы и муфты деформируются. При последующем ввинчивании трубы в муфту данные поврежденные нитки (даже при незначительной деформации) вызывают ускоренный износ всей резьбы. К повреждению первых ниток приводит также заедание резьбы в начале свинчивания, связанное с перекосом осей, возникающим из-за ветра или других технических причин;

- отсутствие возможности точного контроля окончания свинчивания резьбы по заданному моменту крепления и совпадению торца муфты с концом сбега резьбы на трубе, как оговорено в ГОСТ 633-80, ГОСТ 632-80, API 5B. Это связано с тем, что из-за допускаемых отклонений наружного диаметра труб точка пересечения образующей впадины сбега резьбы с образующей наружной поверхности трубы будет каждый раз находиться на различном расстоянии от торца трубы.

Известно соединение для насосно-компрессорных труб с восьминиточной резьбой круглого (треугольного) профиля [патент США №5411301, МПК F16L 25/00, дата регистрации патента 02.05.1995 г.], в котором на гладких НКТ диаметром 2⁷/₈ дюйма (диаметр 73,02 мм) и муфтах к ним нарезается треугольная (круглая) коническая резьба с восьмью нитками на дюйм (шаг резьбы 3,175 мм). Улучшение самоцентрирования наружной резьбы (охватываемого элемента) в муфте (охватывающем элементе) достигается за счет наружной заходной фаски на резьбе трубы со стороны торца и внутренней заходной фаски в резьбе муфты, выполненных с углом уклона, равным 15°. Использование резьбы с шагом, равным 3,175 мм, при сохранении общей кинематической схемы соединения, как у стандартной резьбы по API 5B, приводит к уменьшению сечения трубы под резьбой (при приблизительно той же длине резьбы трубы и длине муфты) и, как следствие, уменьшению допускаемой нагрузки на соединение.

Также известны конические трубные резьбовые соединения [патент РФ №2244195 МПК (7) F16L 15/00, опубл. 09.10.2004; патент РФ №2300692 МПК (2006.1) F16L 15/00, опубл. 10.06.2007; патент РФ №2294476, МПК (2006.01) F16L 15/00, опубл. 27.02.2007].

Применительно к резьбам треугольного профиля данные изобретения обладают всеми ранее описанными недостатками и только облегчают контроль состояния свинчивания резьбовой пары.

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности (прототип) является трубное резьбовое соединение [патент РФ №2205320, МПК (7) F16L 15/00, опубл. 27.06.2003 г.], содержащее охватывающий элемент (муфту), имеющий внутреннюю резьбу, и охватываемый элемент (трубу), имеющий на конце соответствующую наружную резьбу (в частности, коническую резьбу треугольного профиля по ГОСТ 633-80, ГОСТ 632-80, API 5B), и последовательно расположенный за ней на фиксированном расстоянии А от торца трубы индикатор относительного положения резьб при их свинчивании, выполненный в виде сопряженной со впадиной последнего витка резьбы и являющейся ее продолжением зарезьбовой кольцевой канавки, дно которой расположено на образующей впадин резьбы. В данной конструкции при той же длине муфты возможно небольшое увеличение прочности резьбового соединения на растяжение за счет дополнительных витков, расположенных на коротком участке от основной плоскости резьбы до индикатора, при этом сохраняются все недостатки стандартных резьб треугольного профиля, описанные ранее.

Небольшая ширина канавки-индикатора, равная допуску на осевое положение свинчиваемых элементов в затянутом состоянии (5,1÷6,4 мм), затрудняет визуальный контроль расположения торца муфты на покрытом смазкой резьбовом конце трубы.

Задачей настоящего изобретения является повышение срока службы, увеличение допустимой осевой нагрузки, улучшение качества сборки конических резьбовых соединений треугольного профиля НКТ и обсадных труб, облегчение контроля свинчивания труб в колонну.

Поставленная задача решается за счет того, что в трубном соединении с конической резьбой треугольного профиля, содержащем охватывающий элемент (муфту), имеющий внутреннюю резьбу, и охватываемый элемент (трубу), имеющий на конце соответствующую наружную коническую резьбу, согласно изобретению на конце охватываемого элемента (трубы) выполняют наружную коническую резьбу треугольного профиля увеличенной длины L с постоянным углом уклона φ образующей конуса по впадинам ниток резьбы по всей длине (без сбега), при этом величину L рассчитывают по формуле

где L - длина резьбы;

D - номинальный наружный диаметр трубы;

f - коэффициент, равный 0,378÷0,409 для резьбы с шагом 3,175 мм и 0,374÷0,433 для резьбы с шагом 2,54 мм;

Р - шаг резьбы;

d₂ - внутренний диаметр резьбы у торца трубы;

K - конусность резьбы (1/16),

и на расстоянии L от торца трубы выполняют зарезьбовую цилиндрическую канавку с шириной l_n для выхода резьбообразующего инструмента, являющуюся одновременно индикатором относительного положения трубы и муфты, диаметр D_n по дну которой определяют по формуле

где D_n - диаметр по дну канавки;

- внутренний диаметр резьбы на трубе по впадине, контактирующей с канавкой в плоскости (ВС), параллельной торцу трубы и расположенной на расстоянии L от торца трубы;

d₀ - диаметр внутренней фаски в плоскости торца муфты;

d₃ - внутренний диаметр резьбы в плоскости торца муфты;

(90°-β) - угол уклона образующей конуса внутренней фаски в торце муфты к оси муфты;

φ - угол уклона образующей конуса резьбы,

длина охватывающего элемента (муфты) L_м увеличена с учетом длины резьбы охватываемого элемента (трубы) L, при этом резьбовой конец трубы входит в муфту без вращения минимум на шесть ниток от ее торца, а у торца муфты растачивают внутреннюю заходную фаску под углом (β) 65°÷70° к торцу муфты с диаметром d₀ в плоскости торца муфты, кроме того, в насосно-компрессорных трубах и муфтах к ним диаметром менее 102 мм выполняют резьбу с шагом 3,175 мм (8 ниток на дюйм), при этом должно выполняться условие минимальной толщины стенки t под резьбой в плоскости торца трубы, рассчитываемой по известным формулам, а при недостижении этого условия резьбу выполняют с шагом 2,54 мм (10 ниток на дюйм) с сохранением того же требования по минимальной толщине стенки под резьбой t. Соединение (сборку) охватываемого элемента (трубы) с охватывающим элементом (муфтой) осуществляют путем свинчивания до достижения торцом муфты конца резьбы охватываемого элемента на расстоянии L от торца трубы с допускаемым (установленным) отклонением, а контроль правильности свинчивания, при необходимости, производят путем измерения расстояния l_к от торца муфты до конца зарезьбовой цилиндрической канавки.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами.

На фиг.1 изображена наружная треугольная резьба трубы, на фиг.2 - соответствующая внутренняя резьба муфты, на фиг.3 изображено резьбовое соединение в сборе муфты с трубой.

Труба 1 (фиг.1) с наружным диаметром D содержит на конце коническую резьбу треугольного профиля 2 с шагом резьбы Р, равным у насосно-компрессорных и обсадных труб 3,175 мм (8 ниток на дюйм), при этом должно выполняться условие минимальной толщины стенки t под резьбой в плоскости торца трубы, рассчитываемой по известным формулам (ГОСТ 632-80, табл.13; ГОСТ 633-80, табл.10), или, в случае недостижения этого условия на насосно-компрессорных трубах диаметром менее 102 мм, выполняют резьбу с шагом Р, равным 2,54 мм (10 ниток на дюйм), с сохранением того же условия по минимальной толщине стенки под резьбой t, с постоянным углом уклона φ образующей конуса 3 по впадинам резьбы по всей длине резьбы L (без сбега). Длина резьбы L разделена на два участка: с резьбой полного профиля l до основной плоскости и со срезанными вершинами g от основной плоскости до конца резьбы, а на расстоянии L от торца трубы проточена зарезьбовая цилиндрическая канавка 4 шириной l_n для выхода резьбообразующего инструмента с диаметром по дну канавки D_n.

Муфту 5 (фиг.2) выполняют с внутренней конической резьбой 8 треугольного профиля, соответствующей резьбе 2 трубы 1. Длину муфты L_м устанавливают с учетом длины L резьбы 2 трубы 1, при этом резьбовой конец трубы входит в муфту без вращения минимум на шесть ниток от ее торца. У торца 6 муфты 5 имеется внутренняя заходная фаска 7, расположенная под углом β, равным 65°÷70°, к плоскости торца муфты с глубиной примерно до основания нитки резьбы.

Соединение (сборку) муфты 5 с трубой 1 (фиг.3) осуществляют путем силового машинного свинчивания. При этом свинчивание производят до достижения торцом 6 муфты 5 начала зарезьбовой цилиндрической канавки 4, расположенной на расстоянии L от торца трубы с допускаемым (установленным) отклонением, а контроль правильности свинчивания, при необходимости, производят путем измерения расстояния l_к от торца 6 муфты 5 до конца зарезьбовой цилиндрической канавки 4.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения.

Предложенное трубное соединение с конической удлиненной резьбой треугольного профиля изготовлено промышленным способом с использованием обычных технологий, применяемых в производстве насосно-компрессорных и обсадных труб.

Испытания на растяжение показали, что разрушающая нагрузка НКТ 89×6,5 мм с удлиненной резьбой треугольного профиля, шаг которой равен 3,175 мм, превышает разрушающую нагрузку НКТ 89×6,5 мм со стандартной резьбой (шаг - 2,54 мм).

Заявляемое техническое решение, позволяющее использовать трубное соединение с конической удлиненной резьбой треугольного профиля на насосно-компрессорных и обсадных трубах, обеспечивает:

- повышение качества сборки труб в вертикальном положении за счет увеличения глубины свободного захода резьбового конца трубы в муфту, что уменьшает вероятность перекоса и заедания резьбы;

- уменьшение деформации ниток от веса навинчиваемой трубы за счет равномерного распределения нагрузки в начале свинчивания минимум на шесть (6) взаимно контактирующих ниток полного профиля трубы и муфты;

- в НКТ диаметром менее 102 мм применять резьбу с шагом, равным 3,175 мм (8 ниток на дюйм), вместо резьбы с шагом 2,54 мм (10 ниток на дюйм) без снижения осевой страгивающей нагрузки;

- повышение допустимой осевой нагрузки на "страгивание" за счет увеличения длины взаимно свинчиваемых резьб трубы и муфты, так как часть нагрузки перераспределяется и на нитки резьбы со срезанными вершинами на участке g;

- облегчение контроля осевого натяга (взаимного расположения торца муфты относительно торца резьбы трубы) в соединении труба-муфта путем измерения расстояния от торца муфты до конца кольцевой зарезьбовой цилиндрической канавки, имеющей фиксированное месторасположение (на расстоянии L от торца трубы) и ширину l_n. Ширину зарезьбовой цилиндрической канавки в первом приближении принимают равной расстоянию от торца трубы в свинченном состоянии до середины муфты, но для лучшего визуального восприятия ширина l_n может быть увеличена;

- быстрое обнаружение местоположения канавки даже в процессе вращения трубы при свинчивании за счет выполнения ее в виде широкой зарезьбовой кольцевой цилиндрической канавки, диаметр которой меньше наружного диаметра трубы.

1. Трубное соединение с конической удлиненной резьбой треугольного профиля, содержащее охватывающий элемент (муфту), имеющий внутреннюю резьбу, и охватываемый элемент (трубу), имеющий на конце соответствующую наружную коническую резьбу, и последовательно расположенный за ней индикатор относительного положения трубы и муфты, выполненный в виде зарезьбовой канавки, отличающееся тем, что на конце охватываемого элемента (трубы) выполняют наружную коническую резьбу треугольного профиля увеличенной длины L с постоянным углом уклона φ образующей конуса по впадинам ниток резьбы по всей длине (без сбега), при этом величину L рассчитывают по формуле
,
где L - длина резьбы;
D - номинальный наружный диаметр трубы;
f - коэффициент, равный 0,378÷0,409, для резьбы с шагом 3,175 мм и 0,374÷0,433 - для резьбы с шагом 2,54 мм;
Р - шаг резьбы;
d₂ - внутренний диаметр резьбы у торца трубы;
К - конусность резьбы (1/16),
и на расстоянии L от торца трубы выполняют зарезьбовую цилиндрическую канавку с шириной 1n для выхода резьбообразующего инструмента, являющуюся одновременно индикатором относительного положения трубы и муфты, диаметр D_n по дну которой определяют по формуле
,
где D_n - диаметр по дну канавки;
- внутренний диаметр резьбы на трубе по впадине, контактирующей с канавкой в плоскости (SC), параллельной торцу трубы и расположенной на расстоянии L от торца трубы;
d₀ - диаметр внутренней фаски в плоскости торца муфты;
d₃ - внутренний диаметр резьбы в плоскости торца муфты;
(90°-β) - угол уклона образующей конуса внутренней фаски в торце муфты к оси муфты;
φ - угол уклона образующей конуса резьбы, длина охватывающего элемента (муфты) Lм увеличена с учетом длины резьбы охватываемого элемента L, при этом резьбовой конец трубы входит в муфту без вращения минимум на шесть ниток от ее торца, а у торца муфты имеется внутренняя заходная фаска, расположенная под углом (β) 65-70° к торцу муфты с диаметром d₀ в плоскости торца муфты.

2. Трубное соединение по п.1, отличающееся тем, что в насосно-компрессорных трубах и муфтах к ним диаметром менее 102 мм выполняют резьбу с шагом 3,175 мм (8 ниток на дюйм), при этом должно выполняться условие минимальной толщины стенки t под резьбой в плоскости торца трубы, а при недостижении этого условия резьбу выполняют с шагом 2,54 мм (10 ниток на дюйм) с сохранением того же требования по минимальной толщине стенки под резьбой t.