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L'invention concerne un joint fileté du type à emboîtement conique qui convient particulièrement dans les opérations de forage des puits et peut servir par exemple de joint d'outil, de collier de cuvelage, de joint de tuyaux, de joint de collier ou de tête de tarière.
Un des éléments de ce type de joints (l'élé- ment mâle) consiste en une pièce filetée conique et l'autre (l'élément femelle) comporte une portion conique filetée intérieurement.
Le type de joint d'usage le plus courant est celui qui est recommandé par le "Americain Petroleum Institute" (A.P.I.) Théoriquement la conicité de la portion filetée de l'élément femelle et le pas des deux filetages est le même. Le filetage dit A.P.I. a les inconvénients suivants ;
Lorsqu'on visse l'élément mâle dans l'élément femelle dans le cas théorique précité, les filets du premier sont en contact total avec les rainures des fi- lets'du second et inversement l'espace entre les fileta de l'élément mâle est complètement occupé par les fi- lets de l'élément femelle, ce qui indique que les deux flancs de chacun des filets du premier ainsi que du se- cond sont comprimés.
Chaque filet est donc coincé dans chaque rainure et par suite le fond des rainures risque fort de se fissurer. la situation est encore plus grav, lorsque le filetage A.P.I. fait partie de joints qui on. à transmettre un couple et/ou subissent de& efforts de flexion. Ainsi qu'on le verra plus loin à propos des épaulements d'accouplement avec la figure 1 à 1+appui, on observe dans ces types de joints connus des concen- trations d'efforts très nuisibles au voisinage du fond
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des rainures, qui subissent déjà des efforts considéra- bles et par suite l'arrachement du filetage et la ruptu- re de l'élément mâle sont des accidents qui ne sont pas rares.
Pour remédier à ces inconvénients et obtenir ainsi un joint de dimensions données susceptible de supporter de fortes charges, on donne suivant l'inven- tion à un des filetages ou aux deux filetages du joint une forme qui diffère de la forme normale d'un filetage conique et d'où il résulte que, lorsque l'élément mâle a été vissé dans l'élément femelle, les flancs exté- rieurs du filetage du premier et les flancs intérieurs du filetage du second supportent une charge plus forte que les autres flancs. (Dans certains cas la charge de ces autres flancs est nulle).
Les.flancs extérieurs du filetage sont ceux qui s'éloignent du milieu du filetage.
On peut arriver au résultat précité par di- vers moyens par exemple en faisant varier le pas au voie sinage du milieu dans l'un ou l'autre eu dans les deux fsiterages ou en donnant au pas du filetage de l'extrémi té de pâtit diamètre de l'élément mâle et de la portion correspondante de l'élément femelle une valeur inférieur re à celle du pas du filetage de l'extrémité de grand diamètre de l'élément mâle et de la portion correspon- dante de l'élément femelle. On peut aussi donner au pas du filetage de l'élément mâle une plus grande valeur qU'à celui de l'élément femelle et rendre la différence entre les diamètres des pas des éléments mâle et femelle plus faible au voisinage du milieu qu'à l'une ou l'autre des extrémités.
Dans ce dernier cas la conicité de l'élément femelle peut être constante sur toute la lon ,gueur du filetage et celle de l'élément mâle est plus
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faible à l'extrémité de grand diamètre et plus grande à l'extrémité de petit diamètre que celle de l'élément femelle.
Il résulte de ces variations du pas des file- tages ou des diamètres du pas que l'élément femelle se serre autour de l'élément mâle de sorte que si on ob- serve le joint en position horizontale seuls les flancs du côté gauche de la moitié de gauche du filetage de l'élément mâle et seuls les flancs du côté droit de la moitié de droite de ce filetage sont chargés par les flancs des filets de l'élément femelle. On évite ainsi l'effet de coincement entre les filets et les rainu- res avec toutes ses conséquences nuisibles.
Le contact ainsi établi entre les filets des éléments mâle et fe- melle a pour effet de faire subir aux éléments mâle et femelle des efforts respectifs de compression et de traction, et les efforts résultants dans le métal se comparent avantageusement avec ceux de la forme de construction antérieurement décrite et par suite on peut faire supporter aux éléments des charges plus for- tes pourvu que leur forme soit convenablement choisie.
L'invention est décrite en détail ci-après avec le dessin schématique ci-joint à l'appui, sur le- quel : - la figure 1 représente le joint fileté A.P.I. connu ; - la figure 2 représente la portion de détail A de la figure 1; - la figure 3 est une coupe transversale d'un jeine suivant l'invention; - les figures 4, 5 6, 7 représentent diver- ses variantes de la portion de détail B de la figure 3, et
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- 'les figures 8, 9, 10 et 11 représentent di- verses applications du joint suivant l'invention.
Les proportions réelles ont été exégérées sur le dessin en cas de besoin pour rendre les figures plus faciles à comprendre.
Les figures et leur description ont seulement trait à quelques exemples de réalisation et il doit être bien entendu que l'invention n'est pas limitée aux joints représentés, mais peut s'appliquer aussi à tous les joints filetés coniques convenant aux opérations de fo- rage des puits tels que les joints d'outils, de colliers de cuvelage, de tuyaux, de collier ou de tête de tariè re.
Le filetage de la figure 1 fait partie d'une coupe longitudinale d'un joint formé par un élément mâle conique 1 comportant un filetage 2 et d'un élément femelle 3 dont la paroi intérieure conique comporte un filetage 4. Les dimensions de ces filetages sont con- formes aux spécifications A.P.I. La conicité de l'élé- ment femelle est généralement un peu plus faible que celle de l'élément mâle pour éviter un coincement pré- mâture de l'extrémité de petit diamètre de l'élément mâle donnant lieu à une rupture en ce point.
Les éléments mâle et femelle doivent être vissés l'un dans l'autre à une profondeur suffisante pour que l'effort de compression entre les épaulements respectifs 5 et 6 de ces deux éléments et l'effet de coincement obtenu entre les deux filetages soient assez grands pour transmettre le couple que doit transmettre le.joint. Les figures 1 et 2 indiquent les positions relatives des filetages 2 et 4 lorsque les épaulements 5 et 6 sont déjà en contact.
- Sur la figure 1 les trois -premiers filets
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du filetage sont en contact tandis que les autres ne sont pas encore en contact. L'élément mâle est vissé dans l'élément femelle à une profondeur suffisante pour que l'effort de compression des épaulements 5 et 6 en même temps que l'effet de coincement résultant des fi- lets en contact fournissent l'effort nécessaire à la transmission du couple. Une fissure risque de se for- mer dans les fonds de ces filets. La figure 2 indique les efforts exercés par le filetage 4 sur le filetage 2 (détail A de la figure 1).
Suivant cette répartition des efforts la portion 7 de l'élément femelle 3 subit un effort de'compression, mais la portion 8 de l'élément mâle subit un effort de traction et par suite outes les conditions sont remplies pour provoquer la rupture de l'extrémité de l'élément mâle sous un effort spécifique* Une fissure 9 part du fond d'un des premiers pas du fi letage 2
Suivant l'invention, le joint fileté est construit de façon à empêcher ce coincement de se pour duire entre les filetages, lorsqu'on visse l'élément mâle dans l'élément femelle et à permettre à la totali- té.du couple de se transmettre par les surfaces en contact des filetages.
A cet effet, le pas de la forme de réalisa- tion de la figure 4 (détail B de la figure 3) subit une variation locale du voisinage du milieu du fileta- ge 2 de l'élément mâle 1 et au voisinage du milieu du filetage 4 de l'élément femelle 3. Le pas du filetage de l'élément mâle est plus grand en ce point que le pas normal p et le pas du filetage de l'élément femel- le en ce point est plus petit que le pas normal p. Il en résulte que les flancs extérieurs du filetage 2 de .l'élément mâle exercent une pression contre 'Les flancs
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EMI6.1
incrifl1:.':J <lu .riLt-;Gu 4 dj ¯I¯4.:t.
I's:Et 1EijfÈ ;J-l et par suite, la portion de l'élément môle qui comporte ce filetage subit, outre des efforts dirigés dans le sens radial, un effort de compression axial, tandis que la portion correspondante de l'élément femelle 3 subit un effort de traction axial.
La portion 8 de l'élément mâle et la portion 7 de l'élément femelle ne subissent pas d'effort axial lorsque les épaulements 5 et 6 ne sont pas en contact.
Mais lorsque les épaulements subissent une charge (pour assurer l'étanchéité ou transmettre un couple) ces éléments 9 et 7 subissent un effort axial. Ces efforts des épaulements provoquent évidemment un effort de trac- tion dans l'élément mâle, mais non au voisinage des fonds des filets, car le métal y est comprimé par la pression des flancs et par suite ces points ne risquent pas de se fissurer. Par conséquent, le joint de l'in vention peut supporter des charges beaucoup plus fortes que le joint fileté conique ordinaire.
De plus, étant donné que, suivant l'invention, les flancs de toute la longueur du filetage du joint supportent une partie de la charge, on peut encore faire augmenter la résistance du joint en augmentant la lon- gueur de son filetage.
Quoique sur la figure 4 le pas subisse des va- riations locales dans le filetage de l'élément mâle ain- si que dans celui de. l'élément femelle, il est également possible et en général préférable de ne faire varier le pas que dans un seul des filetages en contact, de façon à faire subir à l'élément mâle un effort de compression axial et à l'élément femelle un effort de traction axial.
L'extrémité de petit diamètre de l'élément mâle 1 de la forme de réalisation de la figure 5 comporte un filetage
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2 de pas P2 et l'extrémité de grand diamèrtre de cet élément emporte un filetage 2 de pas P1 Ces fileta- ges sont en contact avec les filetages 4 et 4 de l'élé- ment femelle 3 de pas respectifs P2 et P1 En donnant au pas P2 une valeur inférieure à celle du pas P1 on réalise les conditions de la figure 5 en vissant l'élé- ment mâle 1 dans l'élément femelle 3. Comme sur la fi- gure 4, l'élément mâle subit un effort de compression axial et en même temps l'élément femelle un effort de traction axial lorsqu'on visse le premier élément dans le second.
Le moyen par lequel on réalise les diverses variations de pas est sans importance. On peut inter rompre en un point particulier où prolonger le filetai dont le pas varie, étant entendu que la variation doit se répartir sur une longueur suffisante pour donner la certitude que les efforts provoqués par le serrage du joint sont aussi uniformes que possible.
Le choix des angles des flancs du filetage détermine aussi la valeur et la direction des forces K qui s'exercent sur ces flancs. La valeur de ces angle. doit être choisie conformément aux conditions de la pratique.
Le pas du filetage 2 de l'élément mâle 1 du joint fileté de la figure 6 est égal à P2 et celui du filetage 4 de l'élément femelle 3 à P1 En traçant ces filetages (le pas P2 étant plus grand que le pas P1 de façon que la différence entre les diamètres des pas 14 et 15 des éléments mâle et femelle au voisinage du.milieu des filetages soit plus petite qu'aux deux extrémités, on a la certitude que les flancs extérieurs du filetage de l'élément mâle sont en contact avec les ,flancs intérieurs du filetage de l'élément femelle, lorsqu'on visse l'élément mâle dans l'élément femelle.
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@ En raison de l'effort de compression qui résulte de l'établissement de ce contact pendant qu'on visse les éléments l'un sur l'autre, l'élément mâle de ce type de joint subit un effort de compression axial et l'élé- ment femelle un effort de traction axial.
La forme de réalisation de la figure 7 est une variante du type de la figure 6. En partant du diamètre du pas 15 de l'élément femelle, figure 6, qui au lieu d'être courbe comme sur la figure 6 est recti- ligne, la conicité du filetage 4 de la surface intérieu- re de l'élément femelle reste constante sur toute la longueur du filetage.
Pour avoir la certitude que les flancs extérieurs du filetage de l'élément mâle viennent en contact avec les flancs intérieurs du filetage de l'élément femelle, lorsqu'on visse le premier élément dans le second, le filetage de l'élément mâle doit être divisé en deux parties 2 et 2', dont les conicités sont différentes ainsi que de la convoité du filetage de l'élément femelle, de sorte que la différence entre les diamètres des pas des filets des éléments mâle et femelle au voisinage de leur milieu est plus petite qu'à leurs deux extrémités.
(Lorsque le métal possède des propriétés spéciales, il peut y avoir lieu de don.. ner une autre forme aux diamètres des pas ; danscertain* cas la différence entre les diamètres des pas doit être constante ou maximum au milieu, pour assurer une répar- tition uniforme des efforts).
Pour assurer une répartition uniforme de la charge sur les flancs et éviter ainsi le grippage, la transition entre les deux portions coniques de l'élé- ment mâle au point où elle steffectue est plus ou moins progressive au lieu d'être brusque (voir la zone 13 de ,la figure 7) et dans ce cas.les courbes primitives des
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pas des éléments mêle et femelle sont assez éloignés, même au milieu pour empêcher le grippage.
On peut aussi donner à la conicité de l'élé- ment mâle une valeur constante sur toute sa longueur et former l'intérieur de l'élément femelle par deux portions de conicités différentes, de façon que la co- nicité de la portion située au voisinage de l'extrémité de l'élément soit plus grande et celle d la portion située au voisinage de L'intérieur de l'élément soit plus petite que celte de l'élément mâle. Dans ce cas également les courbes primitives des éléments mâle et femalle doivent rester assez éloigner l'une de ,l'au- tre..
On peut faire varier le pas p2 du filetage de l'élément môle dans les deux portions de cet élé- mant par exemple, dans la portion du côté gauche de l'élément il peut être égal au pas p1 du filetage de l'élément femelle.
Il est possible de faire en sorte, dans les joints filetés suivant l'invention, dans lesquels l'intervalle entre les flancs augmente, lorsque le joint n'est pas serré, (c'est-à-dire avant de visser l'élément mâle dans l'élément femelle) entre le milieu et les deux extrémités du joint fileté, qu'en donnant aux filetages des dimensions appropriées, les interval- les entre les flancs se forment presque simultanément sous l'effet de distorsions axiales des éléments mâle et femelle. Lorsque les intervalles entre les flancs se ferment complètement, on obtient aussi un joint étanche.
Il doit être bien entendu que les caractéris- tiques de construction des joints filetés des figures .6 et 7 peuvent être combinées entre elles et avec celles
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des joints des figures 4 et 5, pour obtenir le résultat qu'on désire. Des joints filetés suivant l'invention sont désignés d'une manière générale par 16 sur les fi- gures 3, 8, 9, 10 et 11.
Le joint étanche de la figure 3, obtenu en dirigeant les épaulements 5 et 6 perpendiculairement à l'axe du joint, est formé sur la figure 8 par les fa- ces coniques 10 et 11.
On obtient aussi des résultats satisfaisants dans le montage du joint fileté 16, figure 9, en pré- chauffant l'ensemble de l'élément femelle 3. Après avoir vissé l'élément mâle dans l'élément femelle, on laisse refroidir ce dernier élément. Etant donné que l'élément femelle diminue de longueur en se refroidis- sant, la pression entre les flancs en contact des deux filetages augmente, en établissant ainsi, outre les efforts dirigés radialement, un effort de traction axial dans l'élément femelle et un effort de compression axial dans l'élément mâle. La plupart des accouple- ments par contraction ne comportent que des efforts dirigés radialement. L'accouplement suivant l'inven- tion permet donc d'obtenir une meilleure adhérence.
Le joint étanche de la figure 8 convient avantageusement aux accouplements par contraction.
Les éléments mâle et femelle peuvent consis- ter en deux portions coniques en contact, figure 10, la conicité de la portion voisine de l'extrémité étant plus grande que celle des autres portions de l'élément mâle. Cette dernière conicité peut aussi être nulle, figure 11, et dans ce cas, l'élément mâle se compose de deux portions, une portion cylindrique et une por- tion conique en contact avec elle et l'intérieur de .l'élément femelle est également en partie cylindrique
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et en partie conique. La première forme de construc- tion a l'avantage de permettre de visser l'élément mâle plus rapidement dans l'élément femelle, tandis que la forme de construction qui comporte une portion cylindrique permet de donner un plus grand diamètre à l'élément mâle.
Si le filetage est interrompu à l'endroit où le pas varie, il suffit d'un nombre de tours moindre pour visser le joint. Avant de visser l'élément mâle dans l'élément femelle, on l'y introduit plus profon- dément que lorsque les filetages ne sont pas interrom- pus. Cette forme de construction peut aussi être avantageuse au point de vue de la taille du filetage.
La répartition des efforts obtenus suivant l'invention dans les éléments mâle et femelle empoche le flottement du joint.
Lorsque le joint fileté de l'invention fait partie d'un cuvelage, on peut faire sortir le cuvelage du gisement sans que ses éléments risquent de se sépa- rer du fait que les filetages passent l'un sur l'autre.
Résultats d'essai
On compare un joint fileté du type à élément. mâle et femelle coniques, conforme à la spécification A.P.I. avec un joint semblable suivant l'invention.
Les deux joints sont en acier de la même qualité et ayant subi le même traitement dans les deux cas. Les deux essais s'effectuent avec la même graisse et de la même manière en ce qui concerne les conditions de charge et la température.
Les différences entre les filetages ressor- tent du tableau ci-dessous.
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<tb>
Joint <SEP> normal <SEP> Joint <SEP> suivant
<tb>
<tb> A.P.I. <SEP> l'invention
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> pas <SEP> de <SEP> l'élément <SEP> femelle <SEP> 6,35 <SEP> mm <SEP> 6,35 <SEP> mm
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> pas <SEP> de <SEP> l'élément <SEP> mâle <SEP> 6,35 <SEP> mm <SEP> 6,374 <SEP> mm
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> conicité <SEP> de <SEP> l'élément <SEP> mâle
<tb>
<tb> à <SEP> l'extrémité <SEP> du <SEP> côté <SEP> de
<tb>
<tb>
<tb> l'épaulement <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 6 <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 6,55
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> conicité <SEP> de <SEP> l'élément <SEP> mâle
<tb>
<tb> au <SEP> milieu <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 6 <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 6
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> conicité <SEP> de <SEP> l'élément <SEP> mâle
<tb>
<tb> à <SEP> l'extrémité <SEP> de <SEP> petit
<tb>
<tb> diamètre <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 6 <SEP> 1 <SEP> :
<SEP> 5,57
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> conicité <SEP> de <SEP> l'élément
<tb>
<tb> femelle <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 61 <SEP> : <SEP> 6 <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> distance <SEP> entre <SEP> les <SEP> épau-
<tb>
<tb> lements <SEP> en <SEP> position <SEP> de <SEP> ser-
<tb>
<tb> rage <SEP> à <SEP> main <SEP> 0 <SEP> 1,5 <SEP> mm
<tb>
On applique progressivement aux deux joints une charge (surcharge) de 3340 kg, qui provoque les changements permanents de dimensions suivantes :
EMI12.2
<tb> Joint <SEP> normal <SEP> Joint <SEP> suivant
<tb>
<tb> A.P.I. <SEP> l'invention
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> augmentation <SEP> du <SEP> diamètre
<tb>
<tb> extérieur <SEP> de <SEP> l'épaulement
<tb>
<tb> de <SEP> l'élément <SEP> femelle <SEP> 8,05 <SEP> mm <SEP> 1,24 <SEP> mm
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> augmentation <SEP> du <SEP> pas <SEP> de
<tb>
<tb> l'élément <SEP> mâle <SEP> 0,66-0,78 <SEP> mm <SEP> 0,05-0,06 <SEP> mm
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> diminution <SEP> du <SEP> diamètre
<tb>
<tb> intérieur <SEP> de <SEP> l'élément
<tb>
<tb> mâle <SEP> à <SEP> 50 <SEP> mm <SEP> de <SEP> l'extré-
<tb>
<tb> mité <SEP> de <SEP> petit <SEP> diamètre <SEP> 0,90 <SEP> mm <SEP> 0,43 <SEP> mm
<tb>
L'augmentation du pas de l'élément mâle suivant l'invention est due à un état de surcharge extrême.
On applique à un.joint suivant l'invention, dont le filetage a une longueur de 127 mm (supérieure de 25 mm à la longueur normalisée) qui fait diminuer la surface de l'épaulement, une charge (surcharge) de 4000 kg. L'augmentation du diamètre extérieur de l'épaulement de l'élément femelle est alors de 3,69 mm, mais l'augmentation du pas de l'élément mâle est @
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prise entre -0,005 (diminution) et 0,015 mm et est in férieure à la tolérance du filetage.
De plus, on a effectué un grand nombre d'es- sais de flexion avec des petits modèles. On a constaté au cours de ces essais que le joint suivant l'inven- tion peut supporter une charge d'environ 50 % plus forte que le joint A.P.I., tandis que sous la même charge, le joint de l'invention peut être chargé une nombre de fois beaucoup plus grand que le joint norma- lisé.
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The invention relates to a threaded joint of the tapered socket type which is particularly suitable in well drilling operations and can be used, for example, as a tool joint, casing collar, pipe joint, collar joint or head. auger.
One of the elements of this type of joint (the male element) consists of a conical threaded part and the other (the female element) comprises a conical portion threaded internally.
The most common type of seal in use is that recommended by the "American Petroleum Institute" (A.P.I.) Theoretically the taper of the threaded portion of the female element and the pitch of the two threads is the same. The thread says A.P.I. has the following disadvantages;
When the male element is screwed into the female element in the above-mentioned theoretical case, the threads of the first are in total contact with the grooves of the threads of the second and conversely the space between the threads of the male element is completely occupied by the threads of the female element, indicating that the two sides of each of the threads of the first as well as the second are compressed.
Each thread is therefore stuck in each groove and as a result the bottom of the grooves is at great risk of cracking. the situation is even more serious, when the A.P.I. is part of the joints that we. to transmit a torque and / or undergo bending forces. As will be seen further on with regard to the coupling shoulders with FIG. 1 at 1 + support, in these known types of joints, very harmful concentrations of forces are observed in the vicinity of the base.
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grooves, which are already undergoing considerable stresses and consequently the tearing of the thread and the rupture of the male element are accidents which are not rare.
To remedy these drawbacks and thus obtain a seal of given dimensions capable of withstanding high loads, according to the invention, one of the threads or both threads of the seal is given a shape which differs from the normal shape of a thread. tapered and from which it follows that, when the male element has been screwed into the female element, the outer flanks of the thread of the first and the inner flanks of the thread of the second bear a greater load than the other flanks. (In some cases the load of these other sides is zero).
The outer flanks of the thread are those that move away from the middle of the thread.
The aforementioned result can be achieved by various means, for example by varying the pitch in the middle sinage way in one or the other had in the two threads or by giving the thread pitch of the end of the pastry diameter of the male element and the corresponding portion of the female element a value less than re than the thread pitch of the large diameter end of the male element and the corresponding portion of the female element . It is also possible to give the pitch of the thread of the male element a greater value than that of the female element and make the difference between the diameters of the pitches of the male and female elements smaller near the middle than at the center. 'either end.
In the latter case, the taper of the female element may be constant over the entire length of the thread and that of the male element is more
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weak at the large diameter end and larger at the small diameter end than that of the female member.
It follows from these variations in the pitch of the threads or of the pitch diameters that the female element tightens around the male element so that if the joint is observed in a horizontal position only the flanks on the left side of the left half of the thread of the male element and only the flanks of the right side of the right half of this thread are loaded by the flanks of the threads of the female element. This avoids the wedging effect between the threads and the grooves with all its harmful consequences.
The contact thus established between the threads of the male and female elements has the effect of subjecting the male and female elements to respective compressive and tensile forces, and the resulting forces in the metal compare advantageously with those of the shape of construction previously described and hence the elements can be made to support heavier loads provided their shape is suitably chosen.
The invention is described in detail below with the accompanying schematic drawing, in which: - Figure 1 shows the A.P.I. known; - Figure 2 shows the detail portion A of Figure 1; - Figure 3 is a cross section of a jeine according to the invention; - Figures 4, 5, 6, 7 show various variants of the detail portion B of Figure 3, and
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- 'Figures 8, 9, 10 and 11 show various applications of the seal according to the invention.
The actual proportions have been exegerated on the drawing where necessary to make the figures easier to understand.
The figures and their description relate only to a few exemplary embodiments and it should be understood that the invention is not limited to the joints shown, but can also be applied to all conical threaded joints suitable for forming operations. rage of wells such as the seals of tools, casing collars, pipes, clamps or auger head.
The thread of FIG. 1 is part of a longitudinal section of a seal formed by a conical male element 1 comprising a thread 2 and of a female element 3 whose conical inner wall comprises a thread 4. The dimensions of these threads conform to API specifications The taper of the female element is generally a little smaller than that of the male element to avoid premature jamming of the small diameter end of the male element giving rise to rupture at this point.
The male and female elements must be screwed into one another to a sufficient depth so that the compressive force between the respective shoulders 5 and 6 of these two elements and the wedging effect obtained between the two threads are sufficient. large to transmit the torque that the joint must transmit. Figures 1 and 2 show the relative positions of the threads 2 and 4 when the shoulders 5 and 6 are already in contact.
- In figure 1 the three -first fillets
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of the threads are in contact while the others are not yet in contact. The male element is screwed into the female element to a sufficient depth so that the compressive force of the shoulders 5 and 6 at the same time as the wedging effect resulting from the threads in contact provide the force necessary for the torque transmission. A crack may form in the bottoms of these threads. Figure 2 shows the forces exerted by the thread 4 on the thread 2 (detail A of Figure 1).
According to this distribution of forces the portion 7 of the female element 3 undergoes a compression force, but the portion 8 of the male element undergoes a tensile force and consequently all the conditions are met to cause the rupture of the end of the male element under a specific force * A crack 9 starts from the bottom of one of the first steps of the thread 2
According to the invention, the threaded joint is constructed in such a way as to prevent this jamming from occurring between the threads when the male member is screwed into the female member and to allow all of the torque to build up. transmit through the contacting surfaces of the threads.
To this end, the pitch of the embodiment of FIG. 4 (detail B of FIG. 3) undergoes a local variation in the vicinity of the middle of the thread 2 of the male element 1 and in the vicinity of the middle of the thread. thread 4 of the female element 3. The pitch of the thread of the male element is greater at this point than the normal pitch p and the pitch of the thread of the female element at this point is smaller than the pitch normal p. As a result, the outer flanks of the thread 2 of the male element exert pressure against the flanks.
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incrifl1:. ': J <lu .riLt-; Gu 4 dj ¯I¯4.: t.
I's: Et 1EijfÈ; Jl and consequently, the portion of the mole element which comprises this thread undergoes, in addition to forces directed in the radial direction, an axial compressive force, while the corresponding portion of the female element 3 undergoes an axial tensile force.
The portion 8 of the male element and the portion 7 of the female element do not undergo an axial force when the shoulders 5 and 6 are not in contact.
But when the shoulders are subjected to a load (to ensure the seal or to transmit a torque) these elements 9 and 7 are subjected to an axial force. These efforts of the shoulders obviously cause a tensile force in the male element, but not in the vicinity of the bottoms of the threads, because the metal is compressed there by the pressure of the sidewalls and consequently these points are not liable to crack. Therefore, the joint of the invention can withstand much greater loads than the ordinary taper threaded joint.
In addition, since, according to the invention, the flanks of the entire length of the thread of the seal bear part of the load, the strength of the seal can be further increased by increasing the length of its thread.
Although in figure 4 the pitch undergoes local variations in the thread of the male element as well as in that of. the female element, it is also possible and in general preferable to vary the pitch in only one of the threads in contact, so as to subject the male element to an axial compressive force and to the female element a axial tensile force.
The small diameter end of the male member 1 of the embodiment of Figure 5 has a thread
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2 of pitch P2 and the large diameter end of this element carries a thread 2 of pitch P1 These threads are in contact with the threads 4 and 4 of the female element 3 of respective pitches P2 and P1 By giving at pitch P2 a value less than that of pitch P1, the conditions of figure 5 are achieved by screwing the male element 1 into the female element 3. As in figure 4, the male element is subjected to a force axial compression and at the same time the female element an axial tensile force when the first element is screwed into the second.
The means by which the various pitch variations are made is irrelevant. It is possible to interrupt at a particular point where the thread whose pitch varies is prolonged, it being understood that the variation must be distributed over a sufficient length to give the certainty that the forces caused by the tightening of the joint are as uniform as possible.
The choice of the angles of the flanks of the thread also determines the value and direction of the forces K which are exerted on these flanks. The value of these angles. must be chosen in accordance with the conditions of the practice.
The pitch of the thread 2 of the male element 1 of the threaded joint in figure 6 is equal to P2 and that of the thread 4 of the female element 3 to P1 By tracing these threads (the pitch P2 being greater than the pitch P1 so that the difference between the diameters of the pitches 14 and 15 of the male and female elements in the vicinity of the middle of the threads is smaller than at the two ends, it is certain that the outer flanks of the thread of the male element are in contact with the inner flanks of the thread of the female element, when the male element is screwed into the female element.
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@ Due to the compressive force which results from the establishment of this contact while the elements are being screwed onto each other, the male element of this type of seal is subjected to an axial compressive force and the The female element has an axial tensile force.
The embodiment of figure 7 is a variant of the type of figure 6. Starting from the diameter of the pitch 15 of the female element, figure 6, which instead of being curved as in figure 6 is straight. , the taper of the thread 4 of the internal surface of the female element remains constant over the entire length of the thread.
To ensure that the outer flanks of the male element thread come into contact with the inner flanks of the female element thread, when screwing the first element into the second, the male element thread must be divided into two parts 2 and 2 ', the taper of which is different as well as the coveted thread of the female element, so that the difference between the diameters of the threads of the male and female elements in the vicinity of their middle is smaller than at both ends.
(When the metal has special properties, it may be necessary to give another shape to the pitch diameters; in some cases the difference between the pitch diameters must be constant or maximum in the middle, to ensure a distribution. uniform distribution of forces).
To ensure a uniform distribution of the load on the sides and thus avoid seizing, the transition between the two conical portions of the male element at the point where it takes place is more or less progressive instead of being abrupt (see zone 13 of, figure 7) and in this case the primitive curves of the
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no mixes and female elements are far enough apart, even in the middle, to prevent galling.
It is also possible to give the conicity of the male element a constant value over its entire length and to form the interior of the female element by two portions of different taper, so that the conicity of the portion located at the vicinity of the end of the element is greater and that of the portion located in the vicinity of the interior of the element is smaller than that of the male element. In this case also the primitive curves of the male and female elements must remain far enough apart from one another.
The pitch p2 of the thread of the mole element can be varied in the two portions of this element, for example, in the portion on the left side of the element it can be equal to the pitch p1 of the thread of the female element. .
It is possible to ensure, in the threaded joints according to the invention, in which the interval between the flanks increases, when the joint is not tight, (that is to say before screwing the element male in the female element) between the middle and the two ends of the threaded joint, that by giving the threads the appropriate dimensions, the gaps between the flanks are formed almost simultaneously under the effect of axial distortions of the male elements and female. When the gaps between the sidewalls close completely, a tight seal is also obtained.
It should be understood that the constructional features of the threaded joints of Figures 6 and 7 can be combined with each other and with those
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joints of Figures 4 and 5, to obtain the desired result. Threaded joints according to the invention are generally designated 16 in Figures 3, 8, 9, 10 and 11.
The tight seal in FIG. 3, obtained by directing the shoulders 5 and 6 perpendicular to the axis of the seal, is formed in FIG. 8 by the conical faces 10 and 11.
Satisfactory results are also obtained in the assembly of the threaded joint 16, figure 9, by preheating the assembly of the female element 3. After having screwed the male element into the female element, the latter element is allowed to cool. . Since the female element decreases in length as it cools, the pressure between the flanks in contact with the two threads increases, thus establishing, in addition to the radially directed forces, an axial tensile force in the female element and a axial compressive force in the male element. Most contraction couplings only involve forces directed radially. The coupling according to the invention therefore makes it possible to obtain better adhesion.
The seal of Figure 8 is advantageously suitable for contraction couplings.
The male and female elements may consist of two conical portions in contact, FIG. 10, the taper of the portion adjacent to the end being greater than that of the other portions of the male element. This last taper can also be zero, Figure 11, and in this case, the male element consists of two portions, a cylindrical portion and a conical portion in contact with it and the interior of the female element is also partly cylindrical
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and partly conical. The first form of construction has the advantage of allowing the male element to be screwed more quickly into the female element, while the form of construction which has a cylindrical portion allows the male element to be given a larger diameter. .
If the thread is interrupted at the point where the pitch varies, a smaller number of turns is sufficient to tighten the joint. Before screwing the male element into the female element, it is inserted more deeply than when the threads are not interrupted. This form of construction can also be advantageous from the point of view of the size of the thread.
The distribution of the forces obtained according to the invention in the male and female elements prevents the seal from floating.
When the threaded joint of the invention forms part of a casing, the casing can be taken out of the deposit without its elements running the risk of separating because the threads pass one over the other.
Test results
We compare a threaded joint of the element type. conical male and female, conforming to A.P.I. with a similar seal according to the invention.
The two joints are made of steel of the same quality and having undergone the same treatment in both cases. The two tests are carried out with the same grease and in the same way with regard to load conditions and temperature.
The differences between the threads are shown in the table below.
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EMI12.1
<tb>
Normal <SEP> seal <SEP> Next <SEP> seal
<tb>
<tb> A.P.I. <SEP> the invention
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> step <SEP> of <SEP> female <SEP> element <SEP> 6.35 <SEP> mm <SEP> 6.35 <SEP> mm
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> step <SEP> of <SEP> element <SEP> male <SEP> 6.35 <SEP> mm <SEP> 6.374 <SEP> mm
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> taper <SEP> of <SEP> element <SEP> male
<tb>
<tb> to <SEP> the <SEP> end of the <SEP> side <SEP> of
<tb>
<tb>
<tb> the shoulder <SEP> 1 <SEP>: <SEP> 6 <SEP> 1 <SEP>: <SEP> 6.55
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> taper <SEP> of <SEP> element <SEP> male
<tb>
<tb> at the middle <SEP> <SEP> 1 <SEP>: <SEP> 6 <SEP> 1 <SEP>: <SEP> 6
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> taper <SEP> of <SEP> element <SEP> male
<tb>
<tb> to <SEP> the <SEP> end of <SEP> small
<tb>
<tb> diameter <SEP> 1 <SEP>: <SEP> 6 <SEP> 1 <SEP>:
<SEP> 5.57
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> taper <SEP> of <SEP> element
<tb>
<tb> female <SEP> 1 <SEP>: <SEP> 61 <SEP>: <SEP> 6 <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> distance <SEP> between <SEP> the <SEP> shoulders
<tb>
<tb> elements <SEP> in <SEP> position <SEP> of <SEP> ser-
<tb>
<tb> rage <SEP> to <SEP> main <SEP> 0 <SEP> 1.5 <SEP> mm
<tb>
A load (overload) of 3340 kg is gradually applied to the two joints, which causes the following permanent changes in dimensions:
EMI12.2
<tb> Joint <SEP> normal <SEP> Joint <SEP> next
<tb>
<tb> A.P.I. <SEP> the invention
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> increase <SEP> of the <SEP> diameter
<tb>
<tb> outside <SEP> of <SEP> shoulder
<tb>
<tb> of <SEP> female <SEP> element <SEP> 8.05 <SEP> mm <SEP> 1.24 <SEP> mm
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> increase <SEP> of <SEP> not <SEP> of
<tb>
<tb> element <SEP> male <SEP> 0.66-0.78 <SEP> mm <SEP> 0.05-0.06 <SEP> mm
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> decrease <SEP> of the <SEP> diameter
<tb>
<tb> inside <SEP> of <SEP> element
<tb>
<tb> male <SEP> to <SEP> 50 <SEP> mm <SEP> from <SEP> the end-
<tb>
<tb> mite <SEP> of <SEP> small <SEP> diameter <SEP> 0.90 <SEP> mm <SEP> 0.43 <SEP> mm
<tb>
The increase in the pitch of the male element according to the invention is due to a state of extreme overload.
A load (overload) of 4000 kg is applied to un.joint according to the invention, the thread of which has a length of 127 mm (greater than 25 mm than the standard length) which reduces the surface area of the shoulder. The increase in the outer diameter of the shoulder of the female element is then 3.69 mm, but the increase in the pitch of the male element is @
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taken between -0.005 (decrease) and 0.015 mm and is less than the tolerance of the thread.
In addition, a large number of bending tests were carried out with small models. It was found during these tests that the seal according to the invention can withstand a load of about 50% greater than the API seal, while under the same load, the seal of the invention can be loaded a many times greater than the standard seal.