EA001729B1 - Резьбовое соединение металлических труб для коррозионной текучей среды - Google Patents

Abstract

Резьбовое соединение интегрального типа или муфтовое резьбовое соединение между двумя металлическими трубами, имеющими внутреннее покрытие или не имеющими такого внутреннего покрытия и предназначенными, в частности, для прохождения в своей внутренней полости коррозионной текучей среды. Один или два охватываемых элемента (1) данного соединения содержат со стороны свободного конца резьбовую часть (13) и часть, не имеющую резьбы, причем эта не имеющая резьбы часть содержит последовательно металлическую поверхность герметизации (14), поперечную кольцевую опорную поверхность (15) и поверхность кончика (16), которая соединена с внутренней периферийной поверхностью трубы (10) при помощи радиальной кольцевой поверхности внутреннего конца (17). Один или два охватывающих элемента (2) содержат элементы, соответствующие охватываемым элементам и взаимодействующие с ними. Уплотнительное кольцо (40) вставлено между кольцевыми поверхностями внутреннего конца (17, 17') и препятствует просачиванию жидкой среды внутрь соединения. Это резьбовое соединение отличается наличием и расположением охватываемых металлических поверхностей герметизации (14) между резьбовой частью (13) и опорной поверхностью (15), а также выполнением зазора между наружной периферийной поверхностью кончика (16) и расположенной против нее внутренней периферийной поверхностью подкрепления на охватывающем элементе (2). Настоящее изобретение содержит, в частности, технические решения для случаев, когда трубы (10, 10') снабжены внутренним покрытием, например, в виде внутренних труб дублирования. При этом фланцы обеспечивают выполнение непрерывного покрытия на кольцевых торцевых поверхностях.

Description

Предлагаемое изобретение касается резьбового соединения между двумя металлическими трубами, имеющими внутреннее покрытие или не имеющими такого покрытия, и более конкретно, специально предназначенными для коррозионной текучей среды.

Известны резьбовые соединения металлических труб, используемых, в частности, в нефтедобывающих или газодобывающих скважинах в качестве подъемных труб для подачи на поверхность нефти или газа или в качестве обсадных труб, используемых для удержания грунта по периметру скважины.

Такие резьбовые соединения обычно бывают двух типов:

а) соединение интегрального типа, в котором конец первой трубы содержит охватываемый элемент, а конец второй подлежащей соединению трубы содержит охватывающий элемент;

б) муфтовое соединение, в котором каждый из подлежащих соединению концов двух труб содержит охватываемый элемент, причем в этом случае каждый конец трубы завинчивается в короткую муфту, содержащую на каждом своем конце охватывающий элемент.

Так, в патенте ЕК 1.489.013 описано резьбовое соединение интегрального типа с трапециевидной резьбой, причем конец охватываемого элемента имеет вогнутую коническую форму, который на заключительном этапе операции соединения будет входить в контакт с выпуклым коническим упором, расположенным в основании резьбовой части, охватывающего элемента. Кроме того, наружная концевая кромка охватываемого элемента незначительно скошена и будет расплющиваться при контакте с соответствующей вогнутой конической частью, выполненной на охватывающем элементе, обеспечивая тем самым полную герметичность по отношению к газам даже после нескольких последующих операций использования этих элементов соединения.

В этом патенте, в качестве варианта реализации, описано также соединение труб, имеющих внутреннее покрытие в виде слоя эмали или эпоксидной смолы в том случае, когда проходящая по этим трубам текучая среда является агрессивной или коррозионной по отношению к металлу труб.

В частности, при использовании труб, имеющих внутреннее покрытие, в том случае, когда текучая среда, проходящая в этих трубах, содержит воду с хлористыми соединениями и/или с растворенным кислородом или углекислым газом СО₂ и является вследствие этого весьма коррозионной средой для используемого металла.

В патенте ЕК 1.489.013, для исключения какого-либо просачивания агрессивной текучей среды на уровне упора, в соединении предусмотрено использование на внутренней стороне охватываемого конца специального гнезда для размещения дополнительного кольца уплотнения, которое расположено на имеющих покрытие зонах охватываемого конца и упора для непрерывного соединения с внутренним покрытием соединяемых труб.

В заявке на Европейский патент ЕР 759497 описано резьбовое соединение, предназначенное специально для скважин закачивания воды, которая обеспечивает повышение коэффициента извлечения углеводородов из нефтяного месторождения, причем закачиваемая в такую скважину вода по существу часто представляет собой насыщенный кислородом рассол, который является предельно коррозионной средой.

В документе ЕР 759497 описано, в частности, муфтовое резьбовое соединение, причем в этом случае муфта содержит, на одной и на другой стороне от ее центральной рельефной части, кольцевой выступ, за которым проходит охватывающая резьба. При этом соединяемые трубы содержат снаружи, в направлении их конца, резьбовую часть, затем поперечную кольцевую опорную поверхность, дополняющую кольцевой выступ муфты, и, наконец, гладкую зону, заканчивающуюся кольцевой радиальной поверхностью.

Уплотнительное кольцо, изготовленное из мягкого синтетического материала, вставлено между концами труб и зажато между ними. Положение этого кольца в заключительной стадии операции соединения определяется взаимным вхождением в механический контакт опорных поверхностей труб и соответствующих опорных поверхностей муфты. Внутренняя поверхность и кольцевые поверхности концов труб покрыты синтетической смолой таким образом, чтобы просачивание коррозионной текучей среды в металлические части этого соединения было исключено при помощи сжатого уплотнительного кольца.

В документе ЕР 759497 описаны также технические решения, относящиеся к резьбовым соединениям интегрального типа и непосредственно касающиеся описанного выше технического решения для муфтового соединения, причем в этом случае опорная поверхность расположена на свободном конце охватывающего элемента.

Такое соединение с использованием уплотнительного кольца из мягкого синтетического материала не может быть полностью герметичным, в частности, по отношению к газам, причем контактное давление, обеспечиваемое этим кольцом из мягкого материала, является по существу меньшим, чем контактное давление, возникающее в результате такой упругой деформации металла, которая описана в патенте ЕК 1.489.013.

В предложенном изобретении сделана попытка добиться реализации достаточно надежного и герметичного резьбового соединения металлических труб, предназначенных специально для коррозионной текучей среды.

В нем также сделана попытка обеспечить в резьбовом соединении высокое качество герметичности и устойчивости к внешним механическим воздействиям, несмотря на выполнение множества циклов свинчивания и развинчивания, причем металлические трубы должны обеспечивать возможность многократного разъединения и последующего соединения с другими трубами.

Также была сделана попытка обеспечить резьбовое соединение как в виде соединения интегрального типа, так и в виде муфтового соединения, применяя в последнем случае муфты, относительно экономичные в изготовлении.

Кроме того, в этом изобретении была сделана попытка обеспечить резьбовое соединение:

- либо между двумя трубами, выполненными из металла, стойкого к коррозии под действием содержащейся в этих трубах текучей среды;

- либо между двумя трубами, выполненными из металла, не являющегося стойким к коррозии, но снабженными внутренним покрытием, инертным к коррозионной текучей среде;

- либо между трубой, выполненной из металла, стойкого к коррозии, и трубой, снабженной внутренним и инертным к коррозии покрытием.

Очевидно, что применение инертного внутреннего покрытия обеспечивает использование менее благородного, а значит и менее дорогостоящего металла.

В случае использования труб, имеющих то или иное внутреннее покрытие, была сделана попытка обеспечить соединение, совместимое как с тонкими покрытиями, толщина которых составляет несколько сотых долей миллиметра, так и с покрытиями трубчатой формы толщиной порядка нескольких миллиметров, дублирующими с внутренней стороны собственно металлические трубы и жестко связанными с этими трубами, причем материалы, из которых выполнены такие внутренние дублирующие трубы, могут быть относительно хрупкими.

Предметом настоящего изобретения является резьбовое соединение интегрального типа между двумя металлическими трубами, специально предназначенными для коррозионной текучей среды. Это резьбовое соединение содержит охватываемый элемент, выполненный снаружи на конце первой трубы и соединенный с охватывающим элементом, выполненным изнутри на конце второй трубы.

Охватываемый элемент содержит охватываемую резьбовую часть и охватываемую часть, не имеющую резьбы, которая расположена со стороны свободного конца этого охватываемого элемента.

Охватывающий элемент содержит охватывающую часть с резьбой и охватывающую часть, не имеющую резьбы, которая расположена со стороны, противоположной свободному концу охватывающего элемента.

Охватываемая или охватывающая резьбовые части могут, например, представлять собой коническую резьбу или двухступенчатую совокупность двух участков цилиндрической резьбы, которая является известной.

При этом охватываемая резьбовая часть охватываемого элемента завинчивается в охватывающую резьбовую часть охватывающего элемента и часть охватываемого элемента, не имеющая резьбы, взаимодействует с частью охватывающего элемента, также не имеющей резьбы.

Не имеющая охватываемой резьбы часть охватываемого элемента содержит со стороны свободного конца этого элемента:

- поперечную кольцевую опорную поверхность, выполненную на части толщины данной трубы;

- наружную периферийную поверхность с кончиком уменьшенного наружного диаметра;

- кольцевую радиальную поверхность, которая присоединена к внутренней, периферийной поверхности первой трубы.

Кольцевая радиальная поверхность далее будет называться кольцевой поверхностью внутреннего конца первой трубы.

Не имеющая охватывающей резьбы часть охватывающего элемента содержит со стороны, противоположной свободному концу этого охватывающего элемента:

- поперечную кольцевую опорную поверхность, образующую круговой выступ, дополняющий опорную поверхность охватываемого элемента;

- внутреннюю периферийную поверхность так называемой зоны подкрепления;

- внутреннюю периферийную поверхность гнезда, предназначенного для уплотнительного кольца;

- радиальную кольцевую поверхность, которая присоединена к внутренней периферийной поверхности второй трубы.

Эта радиальная кольцевая поверхность далее будет называться кольцевой поверхностью внутреннего конца второй трубы.

Опорная поверхность охватываемого элемента соединения установлена с обеспечением упорного контакта с опорной поверхностью охватывающего элемента соединения.

Кольцевые поверхности внутреннего конца двух соединяемых труб расположены друг против друга и на некотором расстоянии одна от другой.

Определение «радиальная» для кольцевых поверхностей внутреннего конца труб в данном описании указывает на то, что эти поверхности имеют ориентацию, перпендикулярную или квазиперпендикулярную к оси этого соединения.

Уплотнительное кольцо, выполненное из синтетического материала, вставляется, непосредственно или косвенно, между кольцевыми поверхностями внутреннего конца двух труб и представляет собой первое средство герметизации по отношению к текучей среде, проходящей внутри труб, причем это уплотнительное кольцо непосредственно или косвенно подвергается осевому сжатию кольцевыми поверхностями внутреннего конца двух труб.

Уплотнительное кольцо изготовлено, как правило, из материала, инертного по отношению к текучей среде, проходящей в соединенных таким образом трубах.

Резьбовое соединение содержит также на каждой из не имеющих резьбы частей охватываемого и охватывающего элементов металлическую поверхность герметизации кольцевой формы, расположенную между резьбовой частью и опорной поверхностью, причем охватываемая металлическая поверхность герметизации, принадлежащая охватываемому элементу, установлена на охватывающую металлическую поверхность герметизации, принадлежащую охватывающему элементу, с позитивным диаметральным противодействием.

В приведенном здесь описании под диаметральным противодействием между сопряженными точками двух поверхностей вращения, которые накладываются друг на друга в радиальном направлении, понимается алгебраическая разность диаметра, измеренная перед соединением, между опорной точкой охватываемой поверхности и соответствующей ей в контакте точкой охватывающей поверхности, причем величина контактного давления между охватываемой и охватывающей металлическими поверхностями герметизации непосредственно представляет собой функцию величины этого диаметрального противодействия.

Кроме того, поддерживается некоторый зазор между наружной периферийной поверхностью кончика охватываемого элемента и периферийной поверхностью подкрепляющей зоны, расположенной против нее на охватывающем элементе.

Таким образом, настоящее изобретение решает проблему обеспечения резьбового соединения интегрального типа, имеющего высокие характеристики герметичности в результате использования двух последовательно расположенных соответствующим образом средств герметизации, каждое из которых выполняет свою собственную функцию. При этом уплотнительное кольцо, которое подвергается воздействию умеренного контактного давления, обеспечивает удерживание в замкнутом пространстве коррозионные фазы текучей среды, тогда как опорные поверхности герметизации, которые подвергаются воздействию очень высоких контактных давлений, обеспечивают этому соединению его общие характеристики герметичности.

Относительно большая толщина труб в зоне расположения опорных поверхностей обеспечения герметичности позволяет развивать значительные усилия контактного давления.

Зазор между наружной периферийной поверхностью кончика и внутренней периферийной поверхностью зоны подкрепления обеспечивает исключение любого снижения контактного давления между опорными поверхностями герметизации.

Размещение опорных поверхностей, находящихся в упоре, между опорными поверхностями герметизации и уплотнительным кольцом обеспечивает в еще большей степени снижение опасности возникновения коррозии.

Предметом настоящего изобретения является также муфтовое резьбовое соединение между двумя металлическими трубами, специально предназначенными для коррозионной текучей среды. Это муфтовое резьбовое соединение содержит охватываемый элемент, выполненный снаружи на конце каждой из двух труб, и охватывающий элемент, выполненный внутри на каждом конце муфты, причем охватывающие элементы расположены на муфте в противоположных направлениях и обратными сторонами друг к другу.

Каждый охватываемый элемент содержит охватываемую часть с резьбой, а также охватываемую часть, не имеющую резьбы, причем эта не имеющая резьбы часть расположена со стороны свободного конца охватываемого элемента.

Каждый охватывающий элемент содержит охватывающую часть с резьбой и охватывающую часть, не имеющую резьбы, и расположенную со стороны, противоположной свободному концу охватывающего элемента.

Охватываемая и охватывающая резьбовые части могут содержать, например, коническую резьбу или двухступенчатую совокупность двух цилиндрических резьбовых частей, которая является известной. При этом охватываемая резьбовая часть каждого охватываемого элемента завинчивается в охватывающую резьбовую часть соответствующего охватывающего элемента, и не имеющая резьбы часть каждого охватываемого элемента взаимодействует с аналогичной не имеющей резьбы частью соответствующего охватывающего элемента.

Не имеющая резьбы охватываемая часть каждого охватываемого элемента содержит со стороны свободного конца этого элемента:

- поперечную кольцевую опорную поверхность, выполненную на части толщины трубы;

наружную периферийную поверхность кончика, имеющую уменьшенный наружный диаметр;

- радиальную кольцевую поверхность, которая присоединена к внутренней периферийной поверхности трубы.

Радиальные кольцевые поверхности далее будут называться кольцевыми поверхностями внутреннего конца двух труб. Эти поверхности расположены друг против друга и на некотором расстоянии одна от другой.

Не имеющая резьбы охватывающая часть каждого охватывающего элемента муфты содержит со стороны, противоположной свободному концу этого охватывающего элемента:

- поперечную кольцевую опорную поверхность, образующую выступ, дополняющий опорную поверхность охватываемого элемента;

- внутреннюю периферийную поверхность так называемой зоны подкрепления;

- поверхность гнезда для уплотнительного кольца, общую с аналогичной поверхностью гнезда на другом охватывающем элементе данной муфты.

Опорная поверхность каждого охватываемого элемента установлена с обеспечением упора с опорной поверхностью соответствующего охватывающего элемента.

Уплотнительное кольцо, выполненное из синтетического материала, непосредственно или косвенно вставлено между кольцевыми поверхностями внутреннего конца двух труб и представляет собой первое средство герметизации по отношению к текучей среде, проходящей внутри труб. При этом уплотнительное кольцо прямо или косвенно подвергается осевому сжатию при помощи кольцевых поверхностей внутреннего конца двух труб.

Как правило, уплотнительное кольцо выполнено из материала, который является инертным по отношению к текучей среде, проходящей в трубах, в которых осуществляется соединение.

Такое соединение содержит также на каждой из частей, не имеющих резьбы, каждого охватываемого и охватывающего элементов металлическую поверхность герметизации кольцевой формы, расположенную между резьбовой частью и опорной поверхностью. При этом охватываемая металлическая поверхность герметизации каждого охватываемого элемента установлена на охватывающую металлическую поверхность герметизации соответствующего охватывающего элемента с позитивным диаметральным противодействием.

Кроме того, поддерживается некоторый зазор между наружной периферийной поверхностью кончика каждого охватываемого элемента и расположенной против нее периферийной поверхностью зоны подкрепления на соответствующем охватывающем элементе.

Настоящее изобретение решает проблему обеспечения муфтового резьбового соединения, обладающего высокими характеристиками герметичности по тем же соображениям, которые были изложены выше в случае реализации резьбового соединения интегрального типа.

Ниже будут описаны предпочтительные или наиболее выгодные технические решения, которые, кроме специально оговоренных случаев, могут быть использованы как для резьбового соединения интегрального типа, так и для муфтового резьбового соединения согласно настоящему изобретению.

В предпочтительном варианте реализации кольцевые поверхности внутреннего конца труб имеют наружный диаметр и внутренний диаметр, которые являются по существу идентичными.

В предпочтительном варианте реализации опорная поверхность охватываемого элемента представляет собой очень открытую вогнутую коническую поверхность. При этом опорная поверхность охватывающего элемента представляет собой выпуклую коническую поверхность с тем же углом при вершине, что и для охватываемой опорной поверхности. Наиболее предпочтительной является конструкция, при которой половина угла при вершине этих опорных поверхностей имеет величину в диапазоне от 70 до 85°.

Предпочтительно диаметр внутренней периферийной поверхности зоны подкрепления охватывающего элемента уменьшается по мере удаления от охватывающей опорной поверхности, что приводит к механическому усилению этой опорной поверхности.

В последующем описании внутренняя периферийная поверхность зоны подкрепления охватывающего элемента для краткости будет обозначаться просто выражением «поверхность подкрепления».

В предпочтительном варианте реализации угол между опорной поверхностью и поверхностью подкрепления на охватывающем элементе представляет собой прямой или тупой угол.

Предпочтительно, охватываемые и охватывающие металлические поверхности герметизации представляют собой конические поверхности, имеющие по существу идентичную величину половины угла при вершине. При этом диаметр поверхностей уменьшается по мере приближения к свободному концу охватываемого элемента.

В предпочтительном варианте реализации половина угла при вершине конических охватываемых и охватывающих металлических поверхностей герметизации имеет величину в диапазоне от 2 до 30°.

Для того чтобы устранить возможное смещение уплотнительного кольца в предназначенном для него гнезде, в частности, в процессе осуществления соединения, наружная периферийная поверхность этого уплотнительного кольца предпочтительно установлена против, по меньшей мере, одного поперечного сечения периферийной поверхности гнезда, выполненного на охватывающем элементе.

Также предпочтительно обеспечить уплотнительное кольцо средствами механической блокировки для того, чтобы предотвратить его радиальное перемещение, направленное в сторону оси соединения и способное вывести это кольцо из его гнезда, что может привести к проникновению коррозионной среды внутрь соединения. Такие средства могут представлять собой, например, средства защемления этого уплотнительного кольца на кончике или на концевой поверхности труб.

Можно также выполнить незначительно выпуклой конической формы кольцевые поверхности конца труб, находящиеся в контакте с уплотнительным кольцом, таким образом, чтобы обжать это кольцо клином и предотвратить его перемещение в радиальном направлении в сторону оси соединения.

В предпочтительном варианте реализации и для того, чтобы ограничить стоимость соединяемых между собой труб, эти трубы выполнены из металла, малоустойчивого по отношению к коррозии проходящей в них текучей среды, и снабжены специальным покрытием на их внутренней периферийной поверхности и на их кольцевой поверхности внутреннего конца с тем, чтобы обеспечить непрерывность покрытия между этими двумя поверхностями для исключения всякого просачивания коррозионной жидкости или конденсата между ними.

В таком варианте настоящее изобретение может быть применено к трубам композиционной структуры. При этом каждая из труб состоит из основной трубы, выполненной из металла, плохо сопротивляющегося коррозии, и покрытия, которым эта труба снабжена на своей внутренней периферийной поверхности и на своей кольцевой поверхности своего внутреннего конца. В этом случае уплотнительное кольцо косвенно входит в контакт с кольцевыми поверхностями внутреннего конца трубы, то есть через покрытие, выполненное на этих поверхностях.

Таким образом, покрытие может представлять собой относительно тонкий слой материала типа, например, эпоксидной смолы, наложенного или нанесенного на внутреннюю периферийную поверхность подлежащих соединению труб, а также на их кольцевые поверхности внутреннего конца.

Такое покрытие также может иметь довольно значительную толщину.

Это покрытие внутренней периферийной поверхности труб может, в частности, быть получено путем использования трубы из синтетического или металлического материала, дублирующей изнутри основную трубу и соединенной с этой основной трубой при помощи подходящих в данном случае средств, таких, например, как цементирование, приклеивание, введение между этими трубами скрепляющей смолы, сваривание, плакирование и т. п.

Трубы внутреннего дублирования в предпочтительном варианте реализации имеют поперечную поверхность, расположенную против кольцевой поверхности внутреннего конца основной трубы, и обеспечивают непрерывность покрытия на этой кольцевой поверхности внутреннего конца основных труб при помощи кольцевого фланца, закрепленного посредством одной из своих сторон на кольцевой поверхности внутреннего конца основной трубы, а также на концевой поверхности внутренней дублирующей трубы, тогда как противоположная сторона этого фланца установлена на уплотнительное кольцо.

На охватываемых элементах соединения фланец в этом случае образует наружную часть составного кончика трубы и его наружная периферийная поверхность имеет зазор по отношению к внутренней периферийной поверхности зоны подкрепления.

Таким образом, в этом случае уплотнительное кольцо установлено на кольцевые поверхности внутреннего конца труб косвенно, то есть через фланцы, которые закреплены на этих поверхностях.

В одном из возможных вариантов реализации и принимая во внимание толщину фланца, составной кончик одного или обоих охватываемых элементов соединения может быть образован одним только фланцем, причем в этом случае металлическая часть составного кончика имеет нулевую длину.

Закрепление фланца на конце дублирующей трубы должно осуществляться таким образом, чтобы воспрепятствовать прохождению жидкой среды между двумя этими элементами. Это закрепление может быть выполнено, например, путем приклеивания или любым другим эквивалентным способом.

Также в предпочтительном варианте реализации внутренняя дублирующая труба закреплена на основной трубе при помощи относительно толстого слоя связующего материала, сцепляющегося одновременно с основной трубой и с внутренней дублирующей трубой.

В данном случае под выражением «относительно толстый связующий слой» следует понимать слой, имеющий толщину порядка одного миллиметра или даже нескольких миллиметров. Такой слой может, в частности, поглощать возможные геометрические неравномерности на внутренней поверхности труб, например, типа тех, которые являются следствием так называемого конусования конца основной трубы.

В этом случае предпочтительно сторона фланца, расположенная против кольцевой поверхности внутреннего конца трубы, будет содержать рельефное средство закрепления, взаимодействующее с соответствующим средством дополняющей его формы, выполненным на поверхности торца связующего слоя.

Фланец также может быть продолжен под прямым углом со стороны своего внутреннего диаметра манжетой, закрепленной своей наружной периферийной поверхностью на внутренней периферийной поверхности внутренней дублирующей трубы.

Закрепление манжеты на внутренней дублирующей трубе должно быть осуществлено таким образом, чтобы воспрепятствовать прохождению жидкой среды между двумя этими элементами. И в этом случае такое закрепление может быть выполнено, например, путем приклеивания или при помощи любого другого эквивалентного средства.

Предпочтительно фланец изготовлен из того же материала, что и внутренняя дублирующая труба. Это обеспечивает более легкое их соединение и исключает возможность возникновения механических напряжений в процессе функционирования соединения при повышенных температурах.

Так, например, в качестве материала, из которого изготовлена внутренняя дублирующая труба, может быть использована эпоксидная смола, подкрепленная стекловолокном.

Также предпочтительно, чтобы поверхность кольцевого фланца, входящая в контакт с уплотнительным кольцом, имела незначительно выпуклую коническую форму. Действительно, такое конструктивное решение снижает опасность образования трещин на фланце в том случае, когда этот фланец выполнен из относительно хрупкого материала.

В случае муфтового резьбового соединения, для которого необходимо использовать уплотнительное кольцо сравнительно большой осевой ширины, следствием чего может быть, в частности, вспучивание этого кольца в процессе его сжатия, можно заменить это уплотнительное кольцо на эквивалентный элемент герметизации, образованный деформируемым кольцом, выполненным из синтетического материала и расположенным коаксиально по одну и по другую стороны от центрального кольца, выполненного из материала, относительно твердого по сравнению с материалом, из которого выполнены деформируемые кольца, и не подверженным коррозии под действием текучей среды, проходящей внутри соединяемых труб.

Каждое из двух деформируемых колец входит в контакт, с одной стороны, с кольцевой поверхностью внутреннего конца трубы, имеющей покрытие или не имеющей его, а с другой стороны, входит в контакт с торцевой поверхностью центрального кольца.

Предпочтительно деформируемые кольца входят в контакт своей наружной периферийной поверхностью с гнездом на внутренней периферийной части муфты.

Приведенные в приложении и описанные ниже фигуры относятся к не являющимся ограничительными примерами предпочтительных способов реализации предлагаемого изобретения, которые в последующем описании будут описаны более подробно.

Фиг. 1 представляет собой общий схематический вид в продольном разрезе двух труб, предназначенных для образования муфтового резьбового соединения согласно настоящему изобретению;

фиг. 2 представляет собой более подробный схематический вид в разрезе резьбового соединения согласно настоящему изобретению, причем соединение труб, показанных на фиг. 1, уже осуществлено;

фиг. 3 представляет собой схематический вид детали на фиг. 2 на уровне уплотнительного кольца;

фиг. 4 представляет собой схематический вид в продольном разрезе центральной части муфтового резьбового соединения согласно настоящему изобретению, причем основные трубы соединения снабжены внутренними дублирующими трубами;

фиг. 5 представляет собой схематический вид варианта реализации резьбового соединения, показанного на фиг. 4;

фиг. 6 представляет собой схематический вид в продольном разрезе центральной части муфтового резьбового соединения согласно настоящему изобретению для труб, покрытых изнутри слоем нанесенного защитного покрытия, причем уплотнительное кольцо в этом случае заменено на эквивалентный элемент герметизации;

фиг. 7 также представляет собой схематический вид в продольном разрезе центральной части резьбового трубного соединения интегрального типа согласно настоящему изобретению, причем только одна из основных труб, соответствующая охватываемому элементу соединения, снабжена внутренней дублирующей трубой.

фиг. 8 представляет собой вариант реализации резьбового соединения, показанного на фиг. 4.

На фиг. 1 схематически представлены две металлические трубы 10, 10', предназначенные для их соединения путем свинчивания при помощи муфты 20, которая уже была соединена с одной из этих труб 10'.

Труба 10 далее будет называться первой трубой соединения, а труба 10' будет называться второй трубой этого соединения.

Эти трубы 10 и 10' имеют снаружи на своих расположенных друг против друга концах охватываемые элементы 1 и 1', причем элемент 1' является симметричным по отношению к элементу 1.

Муфта 20 имеет внутри на каждом из двух своих концов охватывающий элемент 2, 2', причем эти охватывающие элементы являются идентичными, но симметричными по отноше нию к средней поперечной плоскости данной муфты.

Принимая во внимание симметрию такого соединения, в последующем описании будут даваться ссылки в основном на соединение трубы 10 с муфтой 20 при помощи взаимодействующих между собой элементов 1 и 2, причем труба 10' аналогичным образом соединена с муфтой 20 при помощи взаимодействующих между собой элементов 1' и 2'.

Металлические трубы 10 и 10' представляют собой, например, подъемные трубы или обсадные трубы для нефтедобывающих или газодобывающих скважин, соединенные в колонну и предназначенные для прохождения или транспортировки коррозионных жидкостей, таких, например, как углеводороды, содержащие влажный СО₂, или смеси углеводородов, воды и различных хлористых соединений (рассол).

Эти трубы 10, 10' выполнены, например, в зависимости от характера коррозионной текучей среды, из мартенситной нержавеющей стали, из аустенитно-ферритной нержавеющей стали с содержанием 22% хрома Сг или из никелевого сплава с содержанием 28% хрома Сг.

Охватываемый элемент 1 соединения имеет снаружи со стороны его свободного конца 17, охватываемую коническую резьбу 13 с трапециевидными витками, за которой расположена не имеющая резьбы часть, содержащая кольцевую металлическую поверхность герметизации 14 и кольцевую поперечную опорную поверхность 15, продолжающуюся за пределы этой поверхности наружной периферийной поверхностью кончика 16.

Кольцевая охватываемая металлическая поверхность герметизации 14 представляет собой коническую поверхность, диаметр которой уменьшается в направлении свободного конца 17 трубы 10, половина угла при вершине которой составляет 20°. Можно также использовать другие значения этой половины угла при вершине конической поверхности, который может иметь величину от 2 до 30°, для обеспечения герметичности по отношению к газам.

Кольцевая поперечная опорная поверхность 15 представляет собой вогнутую и очень открытую коническую поверхность, имеющую половину угла при вершине 75°, которая механически обрабатывается только на части толщины трубы, причем высота этой опорной поверхности соответствует величине момента затяжки этого резьбового соединения.

Кончик 16, расположенный дальше опорной поверхности 15, имеет относительно малую толщину вследствие уменьшения толщины, обусловленной наличием этой поперечной опорной поверхности.

Наружная периферийная поверхность кончика 16 представляет собой коническую поверхность, диаметр которой уменьшается в направлении свободного конца 17, причем поло вина угла при вершине этой конической поверхности составляет 20°.

Этот кончик 16 заканчивается кольцевой поверхностью 17, которая имеет радиальную ориентацию, то есть является перпендикулярной, или по существу перпендикулярной, к оси XX этого соединения.

Труба 10' заканчивается со стороны своей внутренней периферийной части радиальной кольцевой поверхностью 17', расположенной против радиальной кольцевой поверхности 17 трубы 10.

Эти кольцевые поверхности 17 и 17' имеют одинаковую толщину в радиальном направлении и будут в последующем описании называться «кольцевая поверхность внутреннего конца трубы».

Охватывающий элемент 2 имеет на своей внутренней периферийной поверхности средства, соответствующие средствам охватываемого элемента и способные взаимодействовать с ними.

Этот охватывающий элемент 2 включает со стороны свободного конца муфты 20:

- охватывающую резьбу 23 того же типа, что и резьба охватываемого элемента, и с витками дополняющей формы;

- коническую поверхность 24 герметизации, конусность которой соответствует по величине и по направлению конусности соответствующей поверхности охватываемого элемента;

- выпуклую коническую опорную поверхность 25, высота, конусность и направление которой соответствуют высоте, конусности и направлению поверхности 15 охватываемого элемента;

- коническую поверхность подкрепления 26, диаметр которой уменьшается по мере удаления от опорной поверхности, половина угла при вершине которой составляет 20°, как и для наружной периферийной поверхности кончика 16;

- и гнездо (21, 22, 22'), предназначенное для уплотнительного кольца 40, расположенное в небольшой впадине на внутренней периферийной части муфты 20 и по существу в середине этой части.

Следует отметить, что охватывающая коническая поверхность подкрепления 26 образует угол 95° по отношению к конической опорной поверхности 25. Было обнаружено, что такая конфигурация обеспечивает передачу достаточно большого момента затяжки резьбового соединения через опорные поверхности 15, 25, несмотря на относительно малую высоту этих поверхностей.

Уплотнительное кольцо 40, более подробно показанное на фиг. 3, выполнено из деформируемого синтетического материала, являющегося инертным по отношению к проходящей в трубах текучей среде.

Это уплотнительное кольцо содержит две торцевые поверхности 41, 41', заканчивающиеся снаружи круговым выступом 44, 44', внутреннюю периферийную поверхность 42 и наружную периферийную поверхность 43.

Наружная периферийная поверхность 43 кольца 40 является выпуклой и образована цилиндрической поверхностью, окруженной двумя коническими поверхностями, которые ограничивают снаружи круговые выступы 44, 44'.

Эта центральная цилиндрическая поверхность уплотнительного кольца размещена на центральной цилиндрической поверхности гнезда 21 таким образом, чтобы исключить возможность любого радиального перемещения кольца 40 в процессе свинчивания соединения.

Наружные конические поверхности круговых выступов 44, 44' уплотнительного кольца 40 имеют некоторый зазор по отношению к также коническим кромкам 22, 22' гнезда 21. Этот зазор, измеренный в осевом направлении, имеет величину порядка одного миллиметра и обеспечивает возможность либо вводить кольцо 40 в том случае, когда муфта 20 уже соединена с трубой 10', либо завинчивать трубу 10' в муфту 20, в которую предварительно уже было введено кольцо 40, без выхода кольца из его гнезда.

Торцевые поверхности 41 и 41' кольца 40 представляют собой плоские поверхности, являющиеся по существу перпендикулярными оси соединения.

Торцевая поверхность 41', обращенная в сторону трубы 10', в осевом направлении непосредственно размещена на кольцевой поверхности внутреннего конца 17' трубы 10'.

Торцевая поверхность 41, обращенная в сторону трубы 10, оказывается при этом против кольцевой поверхности внутреннего конца 17 трубы 10.

Функции, выполняемые круговыми выступами 44, 44', будут рассмотрены ниже при описании реализации соединения.

Внутренняя периферийная поверхность 42 имеет перед осуществлением соединения диаметр, превышающий диаметр внутренних периферийных поверхностей концов труб 10 и 10'. Величина этого расхождения будет указана ниже при описании реализации соединения.

На фиг. 2 схематически представлены те же самые элементы, что и на фиг. 1, но в уже осуществленном соединении.

В заданный момент в процессе завинчивания охватываемого элемента 1 в охватывающий элемент 2 кольцевая поверхность конца 17 трубы входит в контакт с деформируемым уплотнительным кольцом 40. Продолжая завинчивание, сжимают уплотнительное кольцо 40 в осевом направлении между кольцевыми поверхностями внутреннего конца 17 и 17', что обеспечивает исключение последующего просачивания в это соединение жидкой коррозионной текучей среды, проходящей внутри труб.

Однако на этой стадии завинчивания такое соединение еще не будет вполне герметичным по отношению к газам или газообразным коррозионным текучим средам, находящимся под высоким давлением.

Затем продолжают завинчивание и наблюдают, прежде всего, стыковку металлических поверхностей герметизации 14 и 24, затем установление упругого контактного давления между ними и, наконец, подход опорной поверхности 15 к упору в опорную поверхность 25, который выражается в резком увеличении момента завинчивания.

Величина контактного давления между металлическими поверхностями герметизации 14 и 24 определяется величиной диаметрального противодействия, полученного для данной геометрии и, в частности, для заданной конусности поверхностей 14, 24 и для заданной толщины металла.

Однако контактное давление на уровне металлических поверхностей 14 и 24 не должно превышать предел упругости металла, из которого выполнены элементы 1 и 2, причем превышение этого предела влечет за собой опасность заедания металлических поверхностей 14 и 24 и изменения характеристик функционирования соединения после его развинчивания и последующего повторного свинчивания.

Для того, чтобы исключить любой контакт между наружной периферийной поверхностью кончика 16 и расположенной против нее внутренней периферийной поверхностью подкрепления 26 на охватывающем элементе 2, то есть контакт, который был бы способен уменьшить величину диаметрального противодействия между металлическими поверхностями герметизации 14 и 24, наружная периферийная поверхность этого кончика 16 представляет собой коническую поверхность с углом 20°, также как и расположенная против нее коническая поверхность подкрепления 26 на охватывающем элементе 2.

Кроме того, высота охватывающей опорной поверхности 25 является несколько меньшей, чем высота охватываемой опорной поверхности 15, что обеспечивает поддержание небольшого зазора, составляющего, по меньшей мере, 0,1 мм, в любой момент в процессе осуществления и в конце соединения, между внутренней периферийной поверхностью подкрепления 26 охватывающего элемента 2 и наружной периферийной поверхностью кончика 16.

Осевая длина кончика 16 представляет собой функцию геометрических параметров соединения, в частности, осевой толщины уплотнительного кольца 40 и расстояния между опорными поверхностями 25, 25' муфты 20.

Короткий кончик 16 приводит к наличию узкой зоны 26, что может привести к использованию уплотнительного кольца 40, имеющего относительно большую ширину в осевом на17 правлении по отношению к его толщине в радиальном направлении. Для такого уплотнительного кольца 40 будет характерно иметь величину отношения его ширины к толщине, которая будет меньше или равна 1,5 и по возможности близка к единице. При этом высокое значение этого отношения ширины к толщине может привести к вспучиванию уплотнительного кольца 40.

В последующем описании будет показано, что в том случае, когда выполняют составной кончик, металлическая часть этого составного кончика 16, может иметь, в случае необходимости, нулевую длину.

Слишком длинный кончик 16, принимая во внимание конусность его наружной поверхности, приводит к наличию кольцевой поверхности внутреннего конца 17 недостаточной толщины.

В то же время, часто приходится пластически деформировать соответствующий конец труб 10, 10' таким образом, чтобы в зонах 18, 18' разместить металл там, где он более всего необходим, то есть лучше в направлении внутреннего диаметра труб. Такая операция, называемая конусованием, хорошо известна специалистам в данной области техники.

Уплотнительное кольцо 40 выполнено из композиционного материала, образованного матрицей из РТРЕ (политетрафторэтилен), подкрепленной содержанием 25% стекловолокна. Можно также использовать материал, содержащий меньшую пропорцию стекловолокна, но это приводит к снижению модуля упругости этого материала и к необходимости больше деформировать кольцо 40 для обеспечения того же контактного давления.

При содержании подкрепляющего стекловолокна в материале уплотнительного кольца на уровне 25%, что обеспечивает величину модуля упругости порядка 800 МПа, обеспечивается сжатие уплотнительного кольца 40 на величину от 10 до 25% в конце процесса соединения, в зависимости от размеров этого соединения, что позволяет обеспечить контактное давление в диапазоне приблизительно от 80 до 200 МПа на торцевых поверхностях 41, 41' этого кольца 40.

Внутренняя периферийная поверхность 42 уплотнительного кольца 40 должна иметь, после осуществления соединения, диаметр, по существу не меньший, чем диаметр концов соединяемых труб 10, 10' , в противном случае это уплотнительное кольцо будет выступать изнутри и будет создавать опасность зацепления за него инструментов, перемещающихся в трубах. Таким образом, исходный диаметр уплотнительного кольца 40 рассчитывают на основе его требуемого диаметра в состоянии выполненного соединения, принимая во внимание равенство сжатого в осевом направлении объема и объема, деформированного в радиальном направлении до определенного диаметра, причем это кольцо уплотнения 40 блокируется снаружи в его гнезде 21.

Поскольку уплотнительное кольцо 40 не обеспечивает герметичность по отношению к газам, то, принимая во внимание металлические поверхности герметизации 14, 24, 14', 24', в установившемся режиме на наружную периферийную часть кольца 40 воздействует давление газа, близкое к давлению текучей среды в трубах. В том случае, когда происходит быстрое снижение давления текучей среды, противодавление, воздействующее на наружную периферийную часть 43 уплотнительного кольца 40, оказывается более высоким, чем давление текучей среды на его внутреннюю периферийную часть 42, что может обеспечить выход уплотнительного кольца из своего гнезда и допустить вследствие этого контакт жидкой коррозионной текучей среды с металлом соединения.

Наружные круговые выступы 44, 44' на концах торцевых поверхностей 41, 41' уплотнительного кольца 40 закрывают концы кончиков 16, 16' и обеспечивают тем самым блокировку этого деформируемого кольца при помощи кончиков 16 и 16', предотвращая любое несвоевременное перемещение в радиальном направлении в сторону оси уплотнительного кольца 40.

Другое средство предотвращения радиального перемещения в направлении оси кольца 40, не показанное на приведенных фигурах, включает небольшой наклон кольцевых поверхностей конца трубы 17 и 17' для придания им формы слегка конических выпуклых поверхностей с половиной угла при вершине, немного меньшей 90°, таким образом, чтобы эти кольцевые радиальные поверхности посредством клина воспринимали деформируемое кольцо 40 и исключали тем самым радиальное перемещение в направлении его оси. В этом случае сопрягаемая коническая форма придается и торцевым поверхностям 41, 41' уплотнительного кольца 40.

На фиг. 4 схематически представлено, согласно настоящему изобретению, соединение металлических труб 10 и 10', выполненных из слаболегированной стали и дублированных изнутри трубами 51, 51' толщиной от 2 до 3 мм.

Эти внутренние дублирующие трубы могут быть выполнены, например, из эпоксидной смолы, подкрепленной стекловолокном. Такой композитный материал особенно хорошо адаптирован для тех случаев, когда текучая среда, проходящая внутри труб, является предельно коррозионной. В этом смысле в качестве примера можно упомянуть текучую среду, представляющую собой горячую смесь при температуре более 100°С природного газа, двуокиси углерода СО₂ и рассола (вода + хлориды) и содержащую дополнительно абразивные частицы песка, причем давление этой текучей среды превышает 10 МПа.

Эпоксидная смола, содержащая наполнитель в виде стекловолокна, представляет собой материал, который, кроме того, является устойчивым к ударам инструментов, которые могут перемещаться в трубах. Однако этот материал не может быть отформован путем пластической деформации.

Для того, чтобы обеспечить соединение внутренней дублирующей трубы 51 с основной трубой 10, используют цемент или синтетическую смолу в виде связующего слоя 52 относительно большой толщины, который сцепляется одновременно с основной трубой 10 и внутренней дублирующей трубой 51. В патенте США И8 3.482.007 описан пример такого способа соединения при помощи цементирования.

Следует отметить, что достаточно толстый связующий слой 52 обеспечивает исключение нарушения, геометрической непрерывности в зоне 18, являющееся следствием конусования конца основной трубы 10.

Внутренняя дублирующая труба 51 в предпочтительном варианте реализации обрезана заподлицо с кольцевой поверхностью внутреннего конца 17 трубы 10. Наличие кончика 16, длина которого достаточна для того, чтобы поверхность отрезания была расположена дальше вершины опорной поверхности, может облегчить операцию отрезания.

Для того, чтобы обеспечить непрерывность покрытия на кольцевых поверхностях внутреннего конца трубы 17, 17', вставляют и закрепляют на концах дублированных труб 10+51, 10'+51' кольцевые фланцы 70 и 70'.

Каждый такой фланец 70, 70' при этом образует, вместе с металлическим кончиком 16, 16', концевую часть составного кончика и уплотнительное кольцо 40 косвенно размещено на кольцевых поверхностях внутреннего конца 17, 17' труб через фланцы 70, 70', которые закреплены на этих поверхностях.

Поскольку фланцы 70, 70' являются идентичными и устанавливаются симметричным образом, ниже будет описан только фланец 70.

Фланец имеет кольцевую форму и расположен в радиальном направлении по отношению к оси соединения.

Фланец имеет поверхность 71, приклеенную к кольцевой поверхности внутреннего конца 17 и к поверхности конца внутренней дублирующей трубы 51, причем используемый клей препятствует просачиванию жидкой среды между внутренней дублирующей трубой 51 и основной трубой 10.

Эта поверхность 71 содержит круговой выступ 73, который зажат в кольцевой канавке соответствующей формы, выполненной в торце связующего слоя 52.

Соединение этого кольцевого выступа 73 и этой канавки обеспечивает закрепление фланца на концевой поверхности дублированной трубы.

Другая сторона 72 этого фланца установлена на уплотнительное кольцо 40.

Фланец 70, как и сама внутренняя дублирующая труба, выполнен из эпоксидной смолы, усиленной стекловолокном. Этот композитный материал является более твердым, чем материал, из которого выполнено уплотнительное кольцо 40, что обеспечивает передачу контактного давления, задаваемого кончиком 16.

Внутренняя периферийная поверхность фланца 70 представляет собой цилиндрическую поверхность, расположенную в продолжение внутренней периферийной поверхности внутренней трубы дублирования 51. Такое расположение обеспечивает постоянное проходное сечение вдоль всей колонны труб.

Наружная периферийная поверхность 74 фланца 70 представляет собой коническую поверхность, расположенную по существу в продолжение наружной периферийной поверхности кончика 16 таким образом, чтобы обеспечить возможность круговому выступу 44 уплотнительного кольца 40 накрывать эту поверхность 74.

На фиг. 5 схематически представлен возможный вариант реализации соединения, показанного на фиг. 4. В соответствии с этим вариантом реализации фланец 60 не содержит кругового выступа на своей поверхности 61, но продолжается под прямым углом, со стороны своего внутреннего диаметра, манжетой 65, наружная периферийная поверхность которой закреплена путем приклеивания на внутренней периферийной поверхности внутренней трубы дублирования 51.

В этом варианте также каждый фланец 60, 60' образует концевую часть составного кончика и уплотнительное кольцо 40 косвенно размещено на кольцевых поверхностях внутреннего конца 17, 17' труб через фланцы 60, 60', которые закреплены на этих поверхностях.

Толщина фланца 60 и толщина манжеты 65 являются достаточными для того, чтобы противостоять возможным внешним механическим воздействиям. Однако толщина манжеты 65 ограничена таким образом, чтобы не создавать опасность зацепления или ударов инструментов, которые могут перемещаться в соединяемых трубах в процессе их эксплуатации. Толщина порядка 2-3 мм для манжеты 65 является вполне подходящей.

Также для исключения зацепления и ударов инструментов, которые могут перемещаться в соединяемых трубах в процессе их эксплуатации, внутренняя периферийная поверхность манжеты 65 плавно примыкает к внутренней периферийной поверхности внутренней трубы дублирования 51.

В качестве варианта реализации, схематически представленного на фиг. 8, составной кончик на охватываемых элементах образован только фланцем 70, 70', причем в этом случае металлическая часть 16, 16' этого составного кончика имеет нулевую длину и кольцевая поверхность внутреннего конца 17, 17' соединяемых труб расположена заподлицо с охватываемыми опорными поверхностями 15, 15'.

Зазор между наружной периферийной поверхностью кольцевых фланцев и внутренней периферийной поверхностью зоны подкрепления 26, 26', исключает всякую возможность ослабления контактного давления между опорными поверхностями герметизации 14, 24 и отсоединения фланцев 70, 70' от основных труб.

Кроме того, здесь следует отметить, что слегка коническая вогнутая форма для поверхности 62 или 72 опоры кольца приводит к увеличению напряжения на критических частях фланца 60 или 70, то есть к опасности образования на нем трещин. Хотя это и не показано на фиг. 4 или 5, предпочтительно выполнять выпуклую коническую форму с половиной угла при вершине порядка 85° для опорных поверхностей 62 или 72 фланцев 60 или 70.

Хотя это не было представлено в предшествующем описании, можно также использовать внутреннюю трубу дублирования из устойчивого к коррозии металла, закрепленную путем плакирования, путем совместной прокатки или путем совместной экструзии с основной трубой, выполненной из слаболегированной стали. При этом непрерывность покрытия на кольцевых поверхностях внутреннего конца 17 основных труб может быть обеспечена при помощи приклеенного фланца 60 или 70.

Внутренняя труба дублирования может быть выполнена также из синтетического материала, обладающего достаточной пластичностью, в частности, для того, чтобы можно было отогнуть конец внутренней дублирующей трубы под прямым углом и образовать таким образом фланец, покрывающий кольцевую поверхность внутреннего конца трубы без опасности образования трещин в деформированных зонах. Такие легко деформируемые внутренние трубы дублирования, в частности, могут быть изготовлены из термопластичного синтетического материала.

На фиг. 6 схематически представлено муфтовое резьбовое соединение, в котором используется очень широкое в осевом направлении деформируемое кольцо, причем покрытие внутренней периферийной поверхности и кольцевых поверхностей внутреннего конца 17, 17' труб 10, 10' представляет собой тонкий слой, имеющий толщину порядка 0,04 мм и нанесенный напылением синтетического материала типа эпоксидной смолы.

В этом случае уплотнительное кольцо заменяют на эквивалентный уплотнительный элемент, образованный деформируемыми кольцами 31, 32, расположенными по одну и по другую стороны от центрального кольца 33, выполненного из относительно твердого материала по сравнению с материалом колец 31, 32, например, из эпоксидной смолы с наполнителем в виде стекловолокна. При этом деформируемые кольца 31, 32 выполнены из РТЕЕ, усиленного 25% стекловолокна.

Эти деформируемые кольца 31, 32 могут быть, например, приклеены к торцевым поверхностям 35, 35' центрального кольца 33.

Внутренняя периферийная поверхность центрального кольца 33 расположена в продолжение имеющей покрытие внутренней периферийной поверхности труб 10 и 10'.

Торцевые поверхности 35, 35' центрального кольца 33 могут представлять собой слегка конические выпуклые поверхности с половиной угла при вершине, составляющей, например, 80°, для того, чтобы воспринимать посредством клина деформируемые кольца 31, 32 и исключить их выход из своего гнезда.

Такой эффект блокирующего клина может быть дополнен также путем наклонения кольцевых поверхностей 17, 17' внутреннего конца труб 10, 10' в результате придания им слегка конической выпуклой формы.

Как и для рассмотренных выше фигур, деформируемые кольца 31, 32 установлены своей наружной периферийной частью на внутреннюю периферийную поверхность муфты 120 и их внутренний диаметр после осуществления соединения, по меньшей мере, равен диаметру внутренней периферийной поверхности труб 10, 10'.

На фиг. 7 схематически представлено резьбовое соединение интегрального типа между, с одной стороны, первой трубой 10, выполненной из слаболегированной стали и дублированной изнутри трубой 51, выполненной из композитного материала на основе эпоксидной смолы и стекловолокна, а с другой стороны, массивным вспомогательным элементом 210, выполненным из сплава, устойчивого к коррозии под действием используемой текучей среды, например, из нержавеющей стали или из никелевого сплава со структурным отверждением.

Такой массивный вспомогательный элемент, в котором могут быть выполнены стыки интегрального типа, используется, в частности, на дне скважин для добычи углеводородов.

В этом случае охватываемый резьбовой элемент 1 подобен резьбовому элементу, показанному на фиг. 5. Охватывающий резьбовой элемент 200 выполнен непосредственно в конце трубы 210 на ее внутренней периферийной части и содержит такие же охватывающие средства 221, 223, 224, 225, 226, расположенные таким же образом, как и описанные выше охватывающие средства 21, 23, 24, 25, 26 охватывающего элемента 2, представленные на фиг.1-5.

Этот охватывающий элемент 200 содержит резьбовую часть 223 со стороны конца трубы 210 и часть, не имеющую резьбы, которая содержит последовательно в направлении удале ния от резьбовой части 223 металлическую поверхность герметизации 224, кольцевую опорную поперечную поверхность 225, коническую поверхность подкрепления 226, гнездо 221 для размещения уплотнительного кольца 40 и радиальную кольцевую поверхность 217 внутреннего конца.

Эта кольцевая поверхность внутреннего конца 217, выполненная на конце охватывающего элемента 200, сходится с внутренней периферийной поверхностью корпуса этой металлической трубы 210.

Как и в описанном выше случае, представленном на фиг. 5, непрерывность внутреннего покрытия со стороны трубы 10 обеспечивается при помощи фланца с манжетой 60, приклеенного к внутренней трубе дублирования 51 и к кольцевой поверхности внутреннего конца 17 трубы 10.

Для выполнения симметрии фланец 60', идентичный фланцу 60, приклеен к внутренней периферийной поверхности трубчатого вспомогательного элемента 210 и к его кольцевой поверхности внутреннего конца 217.

Можно будет также обойтись без фланца 60', причем в этом случае труба 210 должна быть более толстой для того, чтобы компенсировать пространство, освобожденное этим фланцем 60' и его манжетой 65'.

Поверхности внутреннего конца 17, 217 основных труб 10, 210 всегда расположены друг против друга. Однако они имеют различные внутренние диаметры, принимая во внимание наличие внутреннего покрытия 51.

Уплотнительное кольцо 40, изготовленное из РТЕЕ с наполнителем из стекловолокна, установлено между фланцами 60 и 60' и исключает просачивание коррозионной жидкой среды внутрь соединения.

Уплотнительное кольцо 40 косвенно размещено на кольцевых поверхностях внутреннего конца 17, 217 соединенных труб через фланцы 60, 60', которые закреплены на этих поверхностях.

Приведенный ниже пример позволяет описать полученные характеристики муфтового резьбового соединения в заданной конфигурации, соответствующей фиг. 5.

- Используется колонна труб с наружным диаметром 7 дюймов (177,8 мм) и с удельной линейной массой 29 фунтов на фут (43,2 кг/м), что соответствует толщине соединенных металлических труб 10,36 мм в степени АР1 Ь80 (слаболегированная сталь с минимальным пределом упругости 551 МПа).

- Используется коническая резьба (конусность на диаметре составляет 1/16) с трапециевидными витками (5 витков на дюйм).

- Металлическая поверхность герметизации наклонена под углом 20° по отношению к оси соединения.

- Конические опорные поверхности с половиной угла при вершине 75° имеют высоту

2,5 мм.

- Кончик труб имеет длину 4 мм и наклонен снаружи под углом 20° по отношению к оси.

- Внутренние дублирующие трубы имеют толщину 2,5 мм, изготовлены из композитного материала на основе эпоксидной смолы и стекловолокна и закреплены на основных металлических трубах при помощи цементирования.

- Фланец имеет толщину 2,5 мм и также изготовлен из композитного материала на основе эпоксидной смолы и стекловолокна с манжетой, также имеющей толщину 2,5 мм.

- Уплотнительное кольцо изготовлено из РТЕЕ с наполнителем из стекловолокна, имеет начальную осевую ширину 9,5 мм, начальную радиальную толщину 7,6 мм и деформируется на 15% после завершения процесса соединения.

- Момент завинчивания, прикладываемый в конце осуществления операции соединения, составляет 12750 Н.м. Были выполнены следующие испытания:

- свинчивание и развинчивание 5 раз подряд;

- устойчивость к внутреннему давлению воды в соответствии со спецификацией АР1 5СТ;

- устойчивость к внутреннему давлению газа (то же самое давление, что и указанное выше для воды);

- Первая комбинация воздействий:

Внутреннее давление воды 35 МПа;

+ 330 МПа на растяжение (60% от минимального предела упругости по Ь80);

+ изгиб с углом изгиба 10° на 30 м;

+ мгновенное падение давления.

- Вторая комбинация воздействий:

МПа внутреннего давления газа при нормальной температуре и при температуре 100°С;

+ 330 МПа на растяжение (60% от минимального предела упругости по Ь80);

+ три цикла чередующегося изгиба с амплитудой изгиба 10° на 30 м;

+ падение давления 1,4 МПа в минуту.

Критерием устойчивости к проведенным испытаниям является испытание электрической изоляции, или так называемый «Но1Иау 1С51». в соответствии со спецификацией ЫАСЕ ТМ 0186, между, с одной стороны, внутренней периферийной поверхностью внутренних труб дублирования и манжет, а с другой стороны, основными металлическими трубами.

Эти испытания электрической изоляции (постоянный ток с напряжением 13 КВ) обеспечивают выявление любого образования трещин на внутренних трубах дублирования, на фланцах и на связанных с ними манжетах, возникшее в процессе механических испытаний.

Целостность структуры внутренних труб дублирования, фланцев и уплотнительных колец контролировалась также визуальным осмотром после выполнения механических испытаний.

Все результаты этого визуального контроля оказались удовлетворительными.

Само собой разумеется, что предлагаемое изобретение не ограничивается теми примерами его практической реализации, которые были описаны выше, но охватывает все возможные варианты реализации, попадающие в область его правовой защиты.

Claims (22)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Резьбовое соединение интегрального типа между двумя металлическими трубами (10, 210), содержащее охватываемый элемент (1), выполненный снаружи на конце первой трубы (10), и охватывающий элемент (200), выполненный изнутри на конце второй трубы (210), причем

   - охватываемый элемент (1) имеет охватываемую резьбовую часть (13) и охватываемую часть, не имеющую резьбы, причем эта не имеющая резьбы охватываемая часть расположена со стороны свободного конца охватываемого элемента (1),

   - охватывающий элемент (200) имеет охватывающую резьбовую часть (223) и охватывающую часть, не имеющую резьбы, причем эта не имеющая резьбы охватывающая часть расположена со стороны, противоположной свободному концу охватывающего элемента (200),

   - охватываемая резьбовая часть (13) охватываемого элемента завинчивается в охватывающую резьбовую часть (223) охватывающего элемента и не имеющая резьбы часть охватываемого элемента (1) взаимодействует с не имеющей резьбы частью охватывающего элемента (200),

   - не имеющая резьбы охватываемая часть охватываемого элемента (1) содержит со стороны свободного конца этого охватываемого элемента, поперечную кольцевую опорную поверхность (15), выполненную на части толщины трубы, продолжающуюся наружной периферийной поверхностью кончика с уменьшенным наружным диаметром и заканчивающуюся радиальной кольцевой поверхностью (17) или так называемой кольцевой поверхностью внутреннего конца первой трубы, которая соединена с внутренней периферийной поверхностью первой трубы (10),

   - не имеющая резьбы охватывающая часть охватывающего элемента (200) содержит со стороны, противоположной свободному концу этого охватывающего элемента, поперечную кольцевую опорную поверхность (225), образующую выступ, дополняющий опорную поверхность (15) охватываемого элемента (1), продолжающуюся внутренней периферийной поверхностью зоны подкрепления (226), и внутренней периферийной поверхностью гнезда (221), предназначенного для уплотнительного кольца, и заканчивающуюся радиальной кольцевой поверхностью (217) или так называемой кольцевой поверхностью внутреннего конца второй трубы, которая соединена с внутренней периферийной поверхностью второй трубы (210),

   - опорная поверхность (15) охватываемого элемента (1) установлена с возможностью упора с опорной поверхностью (225) охватывающего элемента (200),

   - кольцевые поверхности внутреннего конца (17, 217) двух труб (10, 210) расположены на некотором расстоянии одна от другой и друг против друга,

   - уплотнительное кольцо (40), выполненное из синтетического материала, вставлено, непосредственно или косвенно, между кольцевыми поверхностями внутреннего конца (17, 217) двух труб (10, 210) и подвергается сжатию в осевом направлении между этими поверхностями, непосредственно или косвенно, отличающееся тем, что:

   а) соединение имеет на каждой из не имеющих резьбы частей охватываемого и охватывающего элементов металлическую поверхность герметизации кольцевой формы, расположенную между резьбовой частью и опорной поверхностью, причем охватываемая металлическая поверхность герметизации (14) охватываемого элемента (1) установлена на охватывающую металлическую поверхность герметизации (224) охватывающего элемента (200) с позитивным диаметральным противодействием,

   б) выполнен небольшой зазор между наружной периферийной поверхностью кончика (16) охватываемого элемента (1) и расположенной против нее периферийной поверхностью зоны подкрепления (226) на охватывающем элементе (200).
2. 2. Муфтовое резьбовое соединение между двумя металлическими трубами (10, 10'), содержащее охватываемый элемент (1, 1'), выполненный снаружи на конце каждой из двух труб (10, 10'), и охватывающий элемент (2, 2'), выполненный изнутри на каждом конце муфты (20), при этом охватывающие элементы (2, 2') расположены на муфте (20) обратными сторонами друг к другу, причем:

   - каждый охватываемый элемент (1, 1') имеет охватываемую резьбовую часть (13, 13') и охватываемую часть, не имеющую резьбы, причем эта не имеющая резьбы охватываемая часть расположена со стороны свободного конца каждого охватываемого элемента,

   - каждый охватывающий элемент (2, 2') имеет охватывающую резьбовую часть (23, 23') и охватывающую часть, не имеющую резьбы и расположенную со стороны, противоположной свободному концу охватывающего элемента,

   - охватываемая резьбовая часть (13, 13') каждого охватываемого элемента (1, 1') завинчивается в охватывающую резьбовую часть (23, 23') соответствующего охватывающего элемента (2, 2'), а не имеющая резьбы часть каждого охватываемого элемента взаимодействует с не имеющей резьбы частью соответствующего охватывающего элемента,

   - не имеющая резьбы охватываемая часть каждого охватываемого элемента (1, 1 ') содержит со стороны свободного конца этого охватываемого элемента поперечную кольцевую опорную поверхность (15, 15'), выполненную на части толщины трубы, продолжающуюся наружной периферийной поверхностью кончика с уменьшенным наружным диаметром и заканчивающуюся радиальной кольцевой поверхностью (17, 17') или так называемой кольцевой поверхностью внутреннего конца, которая соединена с внутренней периферийной поверхностью трубы (10, 10'),

   - кольцевые поверхности внутреннего конца (17, 17') расположены на небольшом расстоянии одна от другой и друг против друга,

   - не имеющая резьбы охватывающая часть каждого охватывающего элемента (2, 2') муфты (20) содержит со стороны, противоположной свободному концу этого охватывающего элемента, поперечную кольцевую опорную поверхность (25, 25'), образующую выступ, дополняющий опорную поверхность (15, 15') соответствующего охватываемого элемента (1, 1'), продолжающуюся внутренней периферийной поверхностью зоны подкрепления (26, 26'), и поверхностью гнезда (22, 21), предназначенного для уплотнительного кольца, общей с поверхностью гнезда (22', 21) другого охватывающего элемента муфты (20),

   - опорная поверхность (15, 15') каждого охватываемого элемента (1, 1') установлена с возможностью упора с опорной поверхностью (25, 25') соответствующего охватывающего элемента,

   - уплотнительное кольцо (40), выполненное из синтетического материала, вставлено, непосредственно или косвенно, между кольцевыми поверхностями внутреннего конца (17, 17') двух труб (10, 10') и подвергается сжатию в осевом направлении между этими поверхностями, непосредственно или косвенно, отличающееся тем, что

   а) соединение имеет на каждой из не имеющих резьбы частей каждого из охватываемых элементов (1, 1') и охватывающих элементов (2, 2') металлическую поверхность герметизации кольцевой формы, расположенную между резьбовой частью и опорной поверхностью, причем охватываемая металлическая поверхность герметизации (14, 14') каждого охватываемого элемента (1, 1 ') установлена на охваты вающую металлическую поверхность герметизации (24, 24') соответствующего охватывающего элемента (2, 2') с позитивным радиальным противодействием,

   б) выполнен небольшой зазор между наружной периферийной поверхностью кончика (16, 16') каждого охватываемого элемента (1, 1') и расположенной против нее периферийной поверхностью подкрепления (26, 26') на соответствующем охватывающем элементе (2, 2').
3. 3. Резьбовое соединение по п.1 или 2, отличающееся тем, что кольцевые поверхности внутреннего конца (17, 17', 217) труб имеют по существу идентичные наружные и внутренние диаметры.
4. 4. Резьбовое соединение по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что опорная поверхность (15) охватываемого элемента представляет собой сильно открытую вогнутую коническую поверхность, а опорная поверхность (25, 225) охватывающего элемента (2, 200) представляет собой также коническую, но выпуклую поверхность с углом при вершине, соответствующим углу при вершине опорной поверхности (15) охватываемого элемента (1).
5. 5. Резьбовое соединение по одному из пп. 1-4, отличающееся тем, что диаметр внутренней периферийной поверхности зоны подкрепления (26, 226), расположенной на охватывающем элементе (2, 200), уменьшается по мере удаления от опорной поверхности (25, 225).
6. 6. Резьбовое соединение по п.5, отличающееся тем, что угол между опорной поверхностью (25, 225) охватывающего элемента (2, 200) и поверхностью подкрепления (26, 226) того же самого элемента представляет собой прямой или тупой угол.
7. 7. Резьбовое соединение по одному из пп. 1-6, отличающееся тем, что металлические поверхности герметизации, охватываемая (14) и охватывающая (24, 224), представляют собой конические поверхности по существу с идентичной половиной угла при вершине, причем диаметр этих поверхностей уменьшается по мере приближения к свободному концу охватываемого элемента (1).
8. 8. Резьбовое соединение по одному из пп. 1-7, отличающееся тем, что наружная периферийная поверхность (43) уплотнительного кольца (40) размещена, по меньшей мере, на одном поперечном сечении периферийной поверхности гнезда (21, 221), выполненного на охватывающем элементе (2, 200).
9. 9. Резьбовое соединение по одному из пп.1-8, отличающееся тем, что уплотнительное кольцо (40) содержит средства механической блокировки (44, 44'), препятствующие его радиальному перемещению в направлении оси, обеспечивающее выход этого кольца из своего гнезда (21, 221).
10. 10. Резьбовое соединение по одному из пп.1-9, отличающееся тем, что кольцевые по верхности концов труб в соединении, находящиеся в контакте с уплотнительным кольцом (40), представляют собой слегка конические выпуклые поверхности, воспринимающие это уплотнительное кольцо (40) посредством клина и препятствующие его перемещению в радиальном направлении в сторону оси.
11. 11. Резьбовое соединение по одному из пп.1-10, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одна из труб этого соединения снабжена покрытием на своей внутренней периферийной поверхности и на своей кольцевой поверхности внутреннего конца (17, 17', 217), обеспечивая непрерывность покрытия между двумя этими поверхностями.
12. 12. Резьбовое соединение по п.11, отличающееся тем, что покрытие, используемое для внутренней периферийной поверхности трубы и кольцевой поверхности ее внутреннего конца представляет собой слой (11, 11') наложенного или напыленного синтетического покрытия.
13. 13. Резьбовое соединение по п.11, отличающееся тем, что покрытие внутренней периферийной поверхности одной или двух соединяемых труб образовано внутренней дублирующей трубой (51), соединенной с соответствующей трубой (10) соединения, при этом обеспечивается непрерывность покрытия на кольцевой поверхности внутреннего конца (17) трубы при помощи кольцевого фланца (60, 79), одна из поверхностей которого закреплена на кольцевой поверхности этого внутреннего конца (17) трубы (10) и на поверхности конца внутренней дублирующей трубы (51), и противоположная поверхность которого (62, 72) размещена на уплотнительном кольце (40), причем кончик охватываемого элемента представляет собой составной кончик, образованный металлической частью (16, 16') и кольцевым фланцем (60, 70).
14. 14. Резьбовое соединение по п.13, отличающееся тем, что составной кончик на одном или на обоих охватываемых элементах образован по существу кольцевым фланцем (60, 70), причем металлическая часть (16, 16') этого составного кончика имеет нулевую длину.
15. 15. Резьбовое соединение по пп.13 или 14, отличающееся тем, что внутренняя дублирующая труба (51) закреплена на основной трубе (10) соединения при помощи относительно толстого слоя (52) связующего материала, сцепляющегося с основной трубой (10) и с внутренней трубой дублирования (51).
16. 16. Резьбовое соединение по одному из пп. 13-15, отличающееся тем, что поверхность (71) фланца (70), обращенная в сторону кольцевой поверхности внутреннего конца (17) трубы, содержит профилированное средство закрепления (73), взаимодействующее со средством дополняющей его формы, в торцевой поверхности связующего слоя (52).
17. 17. Резьбовое соединение по одному из пп. 13-15, отличающееся тем, что фланец (60) продолжается под прямым углом со стороны своего внутреннего диаметра манжетой (65), закрепленной своей наружной периферийной поверхностью на внутренней периферийной поверхности трубы дублирования (51).
18. 18. Резьбовое соединение по одному из пп. 13-17, отличающееся тем, что фланцы (60, 60', 70') выполнены из материала того же типа, что и материал, из которого выполнены внутренние дублирующие трубы (51, 51').
19. 19. Резьбовое соединение по одному из пп. 13-18, отличающееся тем, что кольцевая опорная поверхность (62, 72), расположенная на фланце (60, 70), представляет собой слегка коническую выпуклую поверхность.
20. 20. Муфтовое резьбовое соединение по пп.2-19, отличающееся тем, что уплотнительное кольцо представляет собой эквивалентный элемент, образованный деформируемым кольцом (31, 32), расположенным коаксиально по одну и по другую стороны от центрального кольца (33), изготовленного из твердого синтетического материала, причем каждое из двух деформируемых колец (31, 32) размещено в осевом направлении, с одной стороны, на наружной поверхности (35, 35') центрального кольца (33), а с другой стороны, на радиальной кольцевой поверхности внутреннего конца (17, 17') труб (10, 10').
21. 21. Муфтовое резьбовое соединение по п.20, отличающееся тем, что деформируемые кольца (31, 32) приклеены к торцевым поверхностям (35, 35') центрального кольца (33).
22. 22. Резьбовое соединение по пп.20 или 21, отличающееся тем, что торцевые поверхности (35, 35') центрального кольца (33) представляют собой выпуклые конические поверхности с половиной угла при вершине, составляющей, по меньшей мере, 75°.