EA002268B1 - Резьбовое соединение двух металлических труб с большим моментом завинчивания - Google Patents

Abstract

Резьбовое соединение двух металлических труб согласно изобретению включает на внешнем элементе внешнюю коническую резьбу (3) с трапецеидальными выступами и на внутреннем элементе сопряженную внутреннюю резьбу (4). Ширина (L3, L4) внешнего и внутреннего выступов (11, 12) на вершине выступа меньше, чем ширина (L1, L2) у основания выступов. Ширина вершин выступов (L3, L4) больше, чем ширина (L6, L5) сопряженных впадин. Внешний и внутренний элементы завинчиваются до положения, выходящего за предел того положения, при котором обе поверхности (13, 15) внешних выступов приходят в контакт с обеими поверхностями (14, 15) внутренних выступов. Такое соединение позволяет производить завинчивание с очень высоким моментом. Выступы одной и/или другой резьбы могут иметь или не иметь паза, выходящего на вершину выступа.

Description

Изобретение касается резьбового соединения двух металлических труб на конической резьбе с трапецеидальными выступами.

Известно применение такого соединения в колоннах труб для крепления шахтного ствола или для производства, а также в колоннах буровых штанг для углеводородных скважин.

Ниже в тексте настоящего документа термин резьбовое соединение двух металлических труб охватывает как соединение, называемое цельным, двух труб большой длины, так и соединение первой трубы большой длины и второй трубы малой длины, такой, например, как муфта.

Так, Американский нефтяной институт (ΑΡΙ) в свой спецификации ΑΡΙ 5СТ дает определение металлическим трубам и резьбовому соединению металлических труб в целях эксплуатации и крепления шахтного ствола углеводородных скважин, и в своей спецификации ΑΡΙ 5В дает определение стандартным формам выступов конической резьбы для таких соединений.

Выступы резьбы таких соединений могут быть трапецеидального типа и имеют на каждом из элементов, внешнем и внутреннем, впадину, вершину выступа и две боковые поверхности, а именно несущую поверхность и поверхность сцепления.

Впадины и вершины выступов чаще всего параллельны конусу резьбы.

Несущие поверхности называются так потому, что опираясь друг на друга, когда на соединение воздействует, например, растягивающая нагрузка веса труб, они служат для того, чтобы соединение выдерживало воздействие таких растягивающих нагрузок. Несущие поверхности расположены на выступах со стороны, противоположной стороне поверхностей сцепления.

В процессе завинчивания таких соединений в связи с конической формой резьб в определенный момент, соответствующий данному положению внешних элементов относительно внутренних, впадины одного из элементов входят в контакт с вершинами выступов другого элемента.

Если продолжить ввинчивание внешнего элемента во внутренний элемент после достижения элементами описанного положения, внешние выступы войдут в противодействие в радиальном направлении с внутренними выступами, что ведет к вздутию внутреннего элемента и сжатию внешнего элемента; такое противодействие следует ограничивать с тем, чтобы не произошло чрезмерного напряжения или деформации.

Диаметральное противодействие между сопряженными точками двух вращающихся поверхностей, которые радиально противодействуют, обычно определяются, как разница между диаметрами поперечного сечения в данных точ ках, которая измеряется до начала соединения и принимается за положительную, если обе поверхности по окончании соединения оказывают контактное давление между двумя сопряженными точками. В целях ограничения данных нагрузок или деформаций, на каждом из элементов, внешнем и внутреннем, можно предусмотреть кольцевую опорную поверхность в направлении, поперечном относительно оси соединения, причем опорные поверхности располагаются так, что упор между ними возникает в определенный момент вращения, и они точно определяют, таким образом, положение, соответствующее окончанию завинчивания.

Положение, соответствующее окончанию соединения, определяется моментом, необходимым для достижения данного положения.

Применение опорных поверхностей в состоянии упора для регулирования положения соединения имеет и другие преимущества:

напряжение несущих поверхностей резьб соединения, которые в этом случае готовы воспринимать растягивающие нагрузки, воздействующие на соединение во время эксплуатации;

установка внешнего и внутреннего элементов в точное положение, если каждый из элементов, внешний и внутренний, соединения имеет герметизирующую поверхность, которая радиально противодействует с такой же поверхностью сопряженного элемента, причем высокое давление на контакте металл-металл между двумя поверхностями не вызывает риска пластификации последних;

уменьшение риска случайного отвинчивания, связанного с моментом завинчивания, который следует устранить до развинчивания соединения, при определенном значении данного момента, который всегда больше минимального значения.

В Европейском патенте № 488.912 описано такое соединение, в котором конические резьбы навинчены одна на другую, и которое имеет пару металлических герметизирующих поверхностей в состоянии радиального противодействия и пару опорных поверхностей в состоянии упора, а именно вогнутую коническую поверхность на торце внешнего элемента и кольцевую выпуклую поверхность, образующую внутреннюю закраину на внутреннем элементе.

Такое соединение может завинчиваться с номинальными моментами, значение которых может достигать 34 кН-м (25000 фунт-сила-фут), например, что бывает достаточно в большинстве случаев.

Тем не менее, иногда бывает необходимо производить завинчивание с еще большим моментом, например, при соединении труб для крепления ствола в скважинах с многочисленными отклонениями или для горизонтальных скважин, позволяющих эксплуатацию большого участка на одной местности.

Применение технологий вращения колонны, имеющей несколько буровых труб на конце (буровой хвостовик), позволяет, кроме того, улучшить тампонаж горизонтальных скважин, но требует резьбового соединения труб с моментам, значение которых больше, чем значение момента вращения колонны, с тем, чтобы избежать вращения элементов резьбы друг относительно друга, когда колонну приводят во вращение, т.к. вращение резьбовых элементов может привести к изменению износостойкости соединений, в частности, их герметичности.

Ниже в таблице приводятся величины моментов завинчивания для описанного применения.

Таблица

Предпочтительные величины момента завинчивания

Внешний диаметр трубы	Порядок значений момента завинчивания
(мм)	()	(кН-м)	(фунт-сила-фут)
101,6-139,7	4-51/2	20-34	15000-25000
168,3-177,8	65/8-7	27-41	20000-30000
244,5	95/8	54-88	40000-65000

Опорные поверхности в состоянии упора не могут выдерживать такие значения момента без появления дефектов, если только не увеличить радиальную ширину опорных поверхностей, но тогда придется применять трубы очень большой толщины, которые могут не соответствовать требованиям применения.

Следовательно, необходимо использовать также другие средства, кроме опорных поверхностей в состоянии упора, для поглощения высокого момента завинчивания.

В публикации международной заявки на патент XVО 94/29627 описывается резьбовое соединение с использованием конической резьбы с трапецеидальными выступами, называемыми клиновидными, в форме ласточкина хвоста и, в частности, половины ласточкина хвоста.

Такие выступы называют клиновидными или с изменяющейся шириной, т.к. ширина внешнего и внутреннего выступов изменяется, начиная с одного торца резьбы по направлению к другому, координировано на внешней резьбе и на внутренней резьбе.

Такие выступы называют выступами в форме половины ласточкина хвоста, т.к. они нависают над впадинами с одной стороны, или со стороны несущих поверхностей, или со стороны поверхностей зацепления, и потому, что угол между несущей поверхностью и нормалью к оси соединения и угол между поверхностью сцепления и данной нормалью таковы, что ширина выступов на их вершине больше, чем у их основания.

Когда внешний элемент вводят во внутренний, согласно документу νθ 94/29627, самые узкие вершины выступов оказываются напротив самых широких впадин, и образуется значительный осевой зазор между сопряженными выступами резьбы.

По мере ввинчивания внешнего элемента во внутренний элемент осевой зазор уменьшается до положения, в котором обе внешние поверхности приходят в контакт с сопряженными с ними внутренними поверхностями.

За пределом этого положения внутренние поверхности сцепляются с внешними поверхностями, и в результате возникает очень быстрый рост кривой момента завинчивания в зависимости от вращения.

Такое соединение, согласно документу νθ 94/29627, конечно, выдерживает большой момент завинчивания, благодаря развернутой поверхности резьб, но имеет несколько значительных недостатков.

Прежде всего, резьба с клиновидными выступами с изменяющейся шириной является дорогостоящей в изготовлении и трудно контролируемой.

Кроме того, острые углы ласточкина хвоста или половины ласточкина хвоста, расположенные со стороны несущей поверхности и/или со стороны поверхности сцепления, образуют углы, очень чувствительные к ударам, и изломы, являющиеся результатом такого удара, нарушают работу соединения.

Такие углы вызывают, кроме того, эффект надреза у основания выступов и, следовательно, усиление хрупкости при эксплуатации.

Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы выполнить резьбовое соединение с большим моментом Т завинчивания, с устранением указанных выше недостатков, и, в частности, резьбовое соединение, изготовление элементов которого экономично и которое легко в эксплуатации.

Кроме того, цель заключается в том, чтобы выполнить резьбовое соединение, при котором искомый момент завинчивания достигается после некоторого вращения, например, порядка одного оборота, и даже более.

Кроме того, цель заключается в том, чтобы при некоторых конфигурациях наклон кривой момента завинчивания - вращение уменьшался, начиная с данного значения момента, и выражал, таким образом, характеристику самоограничения момента завинчивания.

Цель также заключается в том, чтобы выполнить соединение с высокой герметичностью в отношении к внешним и/или внутренним текучим веществам, сохраняющейся даже после многочисленных завинчиваний-отвинчиваний.

Резьбовое соединение двух металлических труб, согласно настоящему изобретению, включает внешний элемент на торце первой трубы, ввинченный во внутренний элемент на торце второй трубы.

Внешний элемент имеет снаружи внешнюю коническую резьбу с трапецеидальными выступами, ширина вершин которых меньше ширины их основания.

Внутренний элемент имеет изнутри коническую резьбу с трапецеидальными выступами, форма которых сопряжена с формой выступов внешней резьбы.

Под внутренней резьбой, сопряженной по форме с внешней резьбой, подразумевают здесь внутреннюю резьбу, конусность и шаг которой в значительной степени идентичны конусности и шагу внешней резьбы, а форма внутренних выступов в значительной степени идентична форме внешних выступов, причем наклон несущих поверхностей и поверхностей сцепления внутренних выступов относительно оси соединения, в частности, идентичен наклону соответствующих поверхностей внешних выступов, а ширина вершин внутренних выступов меньше ширины их оснований, как и у внешних выступов.

Ширина вершин выступов каждой резьбы, внешней или внутренней, больше ширины оснований впадин сопряженной резьбы.

При ввичивании внешнего элемента во внутренний элемент, их положение друг относительно друга таково, что оно выходит за пределы контакта обеих поверхностей внешнего элемента с обеими поверхностями внутреннего элемента, достигнутого в процессе завинчивания, и вызывает зацепление в осевом направлении внешних выступов с внутренними выступами и наоборот.

Благодаря сопряженной трапецеидальной форме применяемых внешних и внутренних выступов и тому факту, что их ширина на вершине выступа меньше их ширины у основания, внешние и внутренние выступы проникают в радиальном направлении клинообразно в сопряженные впадины по мере осевого продвижения выступов при завинчивании, так что вслед за контактом двух сопряженных поверхностей возникает зацепление в осевом направлении внешних выступов внутренними выступами и наоборот.

Такое зацепление по всей площади поверхностей выражается в возможности поглощения выступами повышенного момента Т завинчивания.

Характеристики этих выступов таковы, что они просты в изготовлении, легко подвергаются контролю и не очень хрупки при использовании.

В заявке на Европейский патент № 454147 описывается резьбовое соединение с использованием конической резьбы с трапецеидальными выступами, где ширина вершин внутренних выступов больше, чем ширина внешних впадин, и по окончании соединения две поверхности резьбы одного элемента находятся в контакте с двумя поверхностями резьбы сопряженного элемента, по меньшей мере, на части резьбы.

Однако согласно заявке № 454147, цель заключается только в том, чтобы получить обычный контакт, к тому же только частичный, между сопряженными поверхностями так, чтобы, если соединение подвергнется сжимающей нагрузке после того, как оно подвергалось растягивающей нагрузке, не произошло сдвига в положении поверхностей в связи с тем, что изначально имелся осевой зазор на уровне последних, такой сдвиг может вызвать пластификацию металла, в частности, герметизирующих поверхностей, что может создать в дальнейшем опасность вытекания текучего вещества, если соединение снова подвергнется растягивающей нагрузке. Для достижения такого простого контакта заявкой № 454147 предусматривается обязательное применение средств для сохранения положения элементов, а именно опорной поперечной поверхности на каждом элементе, причем каждая опорная поверхность может упираться в поверхность сопряженного элемента. Сопряженные поверхности сцепления, внешняя и внутренняя, расположены таким образом, что между ними имеется минимальный осевой зазор до того, как опорные поверхности придут в контакт, данный осевой зазор сводится к нулю или почти к нулю, когда опорные поверхности приходят в состояние упора. Данные поперечные поверхности в состоянии упора, кроме того, обеспечивают классическое поглощение момента завинчивания, причем в заявке № 454147 не раскрывается сущность резьбового соединения с большим моментом завинчивания.

Согласно настоящему изобретению по окончании завинчивания диаметральное противодействие между вершинами выступов каждой из двух резьб, внешней и внутренней, и сопряженными впадинами предпочтительно имеет отрицательное или нулевое значение.

С этой целью, когда обе поверхности внешней резьбы входят в контакт с сопряженными поверхностями внутренней резьбы в процессе завинчивания, предпочтительно, чтобы осевой зазор между вершинами выступов и сопряженными с ними впадинами был, по меньшей мере, равен 0,15 мм.

В предпочтительном варианте диаметральное противодействие между вершинами выступов одной из двух резьб, внешней или внутренней, и впадинами сопряженной резьбы имеет положительное значение по окончании завинчивания.

Предпочтительно, чтобы угол δ между несущей поверхностью и поверхностью сцепления внешних или внутренних выступов был меньше или равен 20°, в целях достижения эффективного осевого сцепления выступов, как эффекта клина.

Особенно предпочтительно значение угла от 7 до 20°, в частности, ближе к 10°.

Предпочтительно также, чтобы вершины выступов каждой из резьб, внешней и внутрен002268 ней, нависали над впадинами той же резьбы со стороны несущих поверхностей, причем угол α между несущей поверхностью и нормалью к оси соединения считается в этом случае отрицательным и имеющим значение от 0 до -15°.

Желательно, чтобы для смягчения слишком сильного эффекта клина, вызывающего резкий подъем кривой 6Τ/6Ν момента завинчивания в зависимости от числа оборотов, по меньшей мере, одна из резьб, внешняя и/или внутренняя, имела паз, выходящий на вершину выступа по всей или части длины резьбы или резьб.

Такой паз усиливает пластичность выступа и немного уменьшает силы сцепления, тем более, что паз имеет значительную глубину и ширину. В результате происходит явное уменьшение наклона кривой 6Τ/6Ν момента завинчивания в зависимости от числа оборотов за счет небольшого уменьшения максимального момента завинчивания. Можно также оптимизировать обе характеристики максимального момента вращения и наклона кривой 6Τ/6Ν.

Известны описанные в патенте Франции № 2.408.061 резьбовые соединения с трапецеидальными выступами, в которых один из выступов имеет нечто вроде паза, выходящего на вершину выступа.

Однако данный паз тесно связан со структурами поверхностей выступов, позволяющими получить самоблокирующееся соединение, т.е. препятствующими самоотвинчиванию: с этой целью наклон поверхностей выступов с пазом отличается от наклона выступов без паза, и в связи с этим ширина паза на его выходе уменьшается по мере завинчивания под действием изгибающего усилия, являющегося результатом разницы в направлении наклона поверхностей сопряженных выступов.

Данный патент ни в коей мере не раскрывает функцию средств соединения, согласно изобретению, и не применяется к выступам, имеющим характеристики, согласно изобретению, в частности сопряженную форму внешних и внутренних выступов.

Предпочтительно, согласно изобретению, чтобы паз имел глубину не более чем высота выступа, и ширину на выходе паза на вершину выступа не более чем 2/3 ширины выступа, причем за высоту выступа принимается радиальное расстояние, измеряемое перпендикулярно оси соединения между конусом оболочки вершин выступов и впадин, а ширина выступа измеряется параллельно оси соединения на половине высоты выступов.

Предпочтительно также, чтобы паз имел в продольной осевой плоскости и-образный профиль с параллельными или непараллельными сторонами или У-образный профиль с закругленным дном.

Особенно предпочтительно, чтобы закругление дна паза имело радиус, по меньшей мере, равный 0,2 мм с тем во избежание концентрации нагрузок на дне паза.

Предпочтительно также, чтобы внешний элемент и внутренний элемент, имели, по меньшей мере, одну герметизирующую поверхность, причем каждая внешняя герметизирующая поверхность имеет в основном продольное направление и радиально противодействует с внутренней опорной герметизирующей поверхностью по окончании соединения, благодаря чему обеспечивается герметичность соединения.

Предпочтительно, чтобы каждый внешний элемент и внутренний элемент имел, по меньшей мере, одну опорную поверхность в поперечном направлении, причем, по меньшей мере, одна внешняя опорная поверхность упирается во внутреннюю опорную поверхность по окончании соединения, обеспечивая точное положение герметизирующих поверхностей и определяя, таким образом, их противодействие.

Такие опорные поверхности, наоборот, не имеют функции определения положения окончания соединения, когда поверхности сцепления выступов приходят в контакт.

На указанных ниже фигурах представлены отдельные варианты осуществления изобретения, не имеющие ограничительного характера.

Фиг. 1 изображает полуразрез по оси торца трубы или муфты, имеющей внутренний элемент резьбового соединения, согласно изобретению;

фиг. 2 - полуразрез по оси торца другой трубы, имеющей внешний элемент резьбового соединения, согласно изобретению;

фиг. 3 - разрез по оси резьбового соединения, полученного после завинчивания элементов по фиг. 1 и 2;

фиг. 4 - схематически полуразрез по оси детали нескольких внутренних выступов внутреннего элемента, показанного на фиг. 1;

фиг. 5 - схематически полуразрез по оси детали нескольких внешних элементов внешнего элемента, показанного на фиг. 2;

фиг. 6 - схематически полуразрез по оси детали нескольких выступов, показанных на фиг. 4 и 5, в процессе осуществления соединения, представленного на фиг. 3;

фиг. 7 и 8 изображают вариант фиг. 4 и 5;

фиг. 9 изображает схематически полуразрез по оси детали нескольких выступов, показанных на фиг. 7 и 8 в соединенном виде;

фиг. 10 - кривую момента Т завинчивания в зависимости от числа оборотов Ν по двум вариантам соединения, показанного на фиг. 6;

фиг. 11 - вариант фиг. 4 с пазом, выполненным во внутренних выступах;

фиг. 12 - вариант фиг. 5 с пазом, выполненным во внешних выступах;

фиг. 13 - кривую момента Т завинчивания в зависимости от числа оборотов Ν по двум ва риантам соединения элементов, показанного на фиг. 11 и 12;

фиг. 14 - применение настоящего изобретения к муфтовому резьбовому соединению.

На фиг. 3 изображено резьбовое соединение 100 внешнего элемента 1 на торце первой металлической трубы 101 и внутреннего элемента 2 на торце второй металлической трубы 102, которая может быть трубой большой длины или муфтой. Такие резьбовые соединения служат, например, для образования колонн труб для крепления шахтного ствола или для производства в углеводородных скважинах.

Внешний элемент 1, изображенный на фиг. 2, имеет на внешней поверхности внешнюю коническую резьбу 3 с трапецеидальными выступами, и его торец, который в то же время является торцом первой трубы, имеет торцевую внешнюю поверхность 7, кольцевую и поперечную.

Внутренний элемент 2, изображенный на фиг. 1, имеет на своей внутренней поверхности коническую внутреннюю резьбу 4, сопряженную с внешней резьбой 3.

Соединение труб 101, 102 получают путем ввинчивания внешней резьбы 3 внешнего элемента 1 во внутреннюю резьбу 4 внутреннего элемента 2.

Соединение, показанное на фиг. 3, может иметь или не иметь на каждом из элементов дополнительные средства для обеспечения герметичности соединения, а именно:

а) на внешнем элементе герметизирующую внешнюю поверхность 5, конической формы, конусность которой в основном больше конусности внешней резьбы 3; конусность герметизирующей поверхности 5 по отношению к диаметру составляет, например, 20%;

б) на внутреннем элементе: внутреннюю герметизирующую поверхность 6, конической формы, конусность которой в основном идентична конусности внешней герметизирующей поверхности 5, и внутреннюю закраину с опорной кольцевой и поперечной поверхностью 8.

Поверхность внешнего торца 7 может быть, как известно, конической вогнутой с полууглом, очень открытым на вершине, например, 75°, а внутренняя опорная поверхность 8 в этом случае является выпуклой, также с полууглом на вершине.

Дополнительные средства 5, 6, 8, которые не являются обязательными, согласно изобретению, работают следующим образом в соединении 100.

Внешняя герметизирующая поверхность 5 противодействует в радиальном направлении с внутренней опорной поверхностью 6, т.е. до осуществления соединения ее диаметр в одной контрольной точке больше диаметра в сопряженной точке внутренней герметизирующей поверхности 6, причем диаметр также измеряется до осуществления соединения.

Продолжение завинчивания, после возникновения контакта между опорными герметизирующими поверхностями в процессе завинчивания, вызывает растущее диаметральное противодействие данных поверхностей.

Точное положение, соответствующее окончанию соединения, определяется опиранием поверхности внешнего торца 7 об опорную поверхность 8 внутренней закраины, что определяет точное значение противодействия между герметизирующими поверхностями 5, 6.

Положение, соответствующее окончанию соединения, может, в частности, быть определено по данному значению момента завинчивания.

Коническая выпукло-вогнутая форма опорных поверхностей 7, 8 препятствует разъединению опорных поверхностей и увеличивает контактное давление герметизирующих поверхностей.

На фиг. 4, 5, 6 более подробно представлены характеристики внешней и внутренней резьб соединения, согласно изобретению.

Внешняя резьба 3 (фиг. 5) - это коническая резьба с шагом Р, директриса 21 простейшей поверхности которой (или сокращенно простейшая линия) имеет угол наклона к оси соединения, т.е. у=агс 1д (ТТ/200), где ТТ означает конусность резьбы по отношению к диаметру и выражается в %.

Внешние выступы 11 - это трапецеидальные выступы, имеющие вершину 17 выступа, две боковые поверхности 13 и 15 и разделенные впадиной 19.

Вершины 17 выступов и впадины 19 параллельны простейшей линии 21 внешней резьбы.

К боковым поверхностям относятся несущая поверхность 13 и поверхность 15 сцепления, причем последняя повернута к поверхности внешнего торца 7.

Несущие поверхности 13 и поверхности 15 сцепления соответственно наклонены под углом α и β относительно нормали к оси соединения и образуют между собой угол δ.

Вершины 17 выступов нависают над впадинами 19 со стороны несущих поверхностей 13, как изображено на фиг. 5, так, что разъединение выступов в процессе соединения устраняется. Принято считать, что в этом случае угол α имеет отрицательное значение, а угол β с той стороны, где нет нависания, положительное значение.

Угол δ равен алгебраической сумме (α+β), и его вершина направлена наружу относительно внешней резьбы, так что ширина Ь1 внешних выступов 11 у их основания больше ширины Ь3 у их вершины.

Внутренняя резьба 4 (фиг. 4) имеет те же характеристики, что и внешняя резьба 3.

Внутренняя простейшая линия 22 внутренней резьбы наклонена под углом γ к оси со единения, который идентичен углу наклона внешней простейшей линии 21.

Вершины 20 выступов и впадины 18 внутренней резьбы параллельны внутренней простейшей линии 22.

Несущие поверхности 14 и поверхности 16 сцепления внутреннего выступа соответственно наклонены под углом а и относительно β нормали к оси соединения и образуют между собой угол δ, причем каждый из этих углов идентичен соответствующему углу внешнего выступа.

Ширина Ь3 вершины выступа 17 внешней резьбы немного больше ширины Ь6 впадины 18 внутренней резьбы, например на 0,2 мм.

Ширина Ь4 вершины выступа 20 внутренней резьбы немного больше ширины Ь5 впадины внешней резьбы 19, например на 0,2 мм.

Когда внешнюю резьбу 3 ввинчивают во внутреннюю резьбу 4, в определенный момент, который показан на фиг. 6, обе поверхности 13, 15 внешних выступов 11 приходят в контакт с обеими поверхностями 14, 16 внутренних выступов 12 по всей высоте данных поверхностей.

Это происходит в результате того, что ширина вершин внешних и внутренних выступов Ь3, Ь4 больше ширины сопряженных впадин Ь6, Ь5 и что сопряженные выступы имеют трапецеидальную форму, где Ь1>Ь3 и Ь2>Ь4.

Если продолжить завинчивание, внешние выступы 11 войдут клином в радиальном направлении во внутренние впадины и, аналогично, внутренние выступы 12 войдут клином в радиальном направлении во внешние впадины.

В связи с этим возникает осевое сцепление внешних и внутренних поверхностей, и для продолжения завинчивания необходимо значительно увеличить момент. Это выражается на графике, где кривая 6Τ/6Ν момента завинчивания относительно числа оборотов N резко идет вверх, учитывая площадь сцепленных поверхностей, находящихся в контакте по всей своей высоте и ширине.

Наклон кривой 6Τ/6Ν зависит от модуля упругости металла элементов, от конусности ТТ резьбы, от длины резьбы, от ее среднего диаметра, от высоты выступа, от угла δ между поверхностями одного и того же выступа и от коэффициента сцепления между внешним и внутренним выступами. Следовательно, можно рассчитать наклон 6Τ/6Ν.

Для того чтобы внешний и внутренний выступы могли входить в радиальном направлении в сопряженные впадины, угол δ клина, образованный поверхностями выступов 11, 12 предпочтительно не должен иметь слишком большую величину и быть, например, меньше 20°.

Нежелательно также, чтобы величина угла была слишком малой, т.к. в этом случае было бы трудно получить эффект клина: предпочтительно выбрать значение угла δ в интервале 7°, 20°, причем угол δ предпочтительно равен 10°.

Выбор выступов с несущей поверхностью 13, 14 под отрицательным углом а, например, а = -3°, позволяет, кроме того, выбрать угол β = +13°, т.е. с достаточным наклоном для облегчения сцепления выступов.

Максимально допустимое значение момента завинчивания Т определяется пределом упругости металла элементов. Следовательно, можно предусмотреть максимально допустимое значение момента завинчивания Т.

Для получения оптимального эффекта клина без чрезмерных нагрузок на внешний и внутренний элементы и обеспечения вытекания смазочного вещества, которое накладывается на выступы до начала соединения, можно устранить всякое радиальное противодействие между вершинами 17, 20 выступов внешней и внутренней резьбы 3, 4 и впадинами 18, 19 сопряженной резьбы 4, 3. В этом случае концепция выступов, и, в частности, их ширина таковы, что диаметральное противодействие между выступами внешней резьбы и внутренней резьбы и впадинами сопряженной резьбы имеет отрицательное или нулевое значение по окончании завинчивания.

В частности, выступы могут быть таковы, что, в момент первого контакта обеих поверхностей (фиг. 6), величина х1 радиального зазора между вершиной 17 внешнего выступа и внутренней впадиной 18 и величина х2 радиального зазора между вершиной внутреннего выступа 20 и внешней впадиной 19, по меньшей мере, равна 0,15 мм.

Если не устранять любое радиальное противодействие между вершинами выступов внешней резьбы 3 и внутренней резьбы 4 и впадинами сопряженной резьбы 4, 3, то в варианте концепции выступов 71, 72, их высота и ширина, в частности, может быть такой, чтобы создать положительное диаметральное противодействие между вершинами выступов одной из двух резьб внешней или внутренней и впадинами сопряженной резьбы по окончании завинчивания.

Такой вариант представлен на фиг. 7, 8, 9 для соответственно внутренней резьбы 4, внешней резьбы 3 и соединения обеих: по окончании соединения (фиг. 9) между вершинами внешних выступов 77 и внутренними впадинами 78 имеется зазор х, тогда как вершины внутренних выступов 80 радиально противодействуют с внешними впадинами 79. Такое положение имеет относительно малое влияние на величину момента завинчивания.

Для данного варианта выполнения предпочтительно, чтобы контакт между вершинами внутренних выступов 80 и внешними впадинами 79 возникал прежде, чем контакт между сопряженными поверхностями 73, 74, 75, 76.

На фиг. 10 изображена кривая момента завинчивания Т в зависимости от числа оборотов

N для соединения труб, показанного на фиг. 6, имеющих следующие характеристики:

диаметр труб: 177,80 мм;

толщина труб: 10,36 мм (29 фунт/фут);

материал труб: малолегированная сталь с пределом упругости 551 мПа;

резьба с пятью витками на дюйм;

конусность резьб ТТ: 6,25% от диаметра (γ=1,79°);

угол α несущей поверхности: -3°;

угол β поверхности сцепления: +9 и +13°; угол δ между поверхностями: 6 и 10°.

На данном графике абсцисса N=0 соответствует первому контакту обеих поверхностей 13, 14 и 15, 16 сопряженных выступов.

Для выступов с углом β=+9° (δ=6°) получают момент более 35 кН-м (26000 фунтсила-фут) на 0,8 оборота, что соответствует наклону 44,5 кН-м/об.

Для выступов с углом β=+13° (δ=10°), получают момент 45,9 кН-м (33850 фунт-сила-фут) на 0,47 оборота, что соответствует наклону 97,5 кН- м/об.

Такое соединение со сцеплением поверхностей выступов дает возможность завинчивать внешний и внутренний элементы с очень большим моментом без использования упора, но такой момент достигается после неполного оборота внешнего и внутреннего элементов, что может оказаться недостаточным, в частности, если на внешнем и внутреннем элементах желательно разместить герметизирующие поверхности, такие, например, как поверхности 5, 6 на фиг. 3.

Достижение определенного контактного давления между герметизирующими поверхностями требует, в действительности, поворота одного элемента относительно другого на один оборот после возникновения контакта между герметизирующими поверхностями, а также установления точного положения внешних и внутренних элементов по окончании завинчивания, которое достигается с помощью упора, полученного при опирании обеих поперечных поверхностей, таких как поверхности 7, 8 на фиг.

3.

В связи с этим трудно гарантировать достаточную герметичность при эксплуатации резьбового соединения, имеющего выступы со сцепленными поверхностями, типа представленных на фиг. 4, 5, 6, герметизирующие поверхности и поперечные опорные поверхности в упоре, типа представленных на фиг. 3, учитывая допуски, необходимые при изготовлении внешнего и внутреннего элементов.

Уменьшение угла δ между поверхностями выступов, конечно, обеспечило бы уменьшение наклона кривой момента завинчивания в зависимости от числа оборотов, но, если только не применять угол α очень отрицательной величины, менее -15°, что нежелательно, пришлось бы значительно уменьшить угол β поверхностей сцепления, что также нежелательно.

Формы выступов, изображенные на фиг. 11, 12, позволяют решить проблемы совместимости высоких значений номинального момента завинчивания и невысокого значения, порядка 10 кН-м/об., например, выраженного наклоном 6Τ/6Ν кривой момента в зависимости от числа оборотов.

Выступы на фиг. 11, 12 особенно предпочтительны в соединении, имеющем герметизирующие поверхности и упоры, типа изображенных на фиг. 3.

Внешние выступы 31 на фиг. 12 имеют, как и на фиг. 5, несущую поверхность 33, наклоненную под отрицательным углом α относительно нормали к оси соединения, поверхность 35 сцепления, наклоненную под положительным углом β относительно той же нормали, вершину 39 выступа и разделяющую их впадину 37.

Внутренние выступы 32 на фиг. 11 имеют характеристики, соответствующие характеристикам внешних выступов 31 на фиг. 12, т.е. несущую поверхность 34, поверхность 36 сцепления, вершину 38 выступа и впадину 40, имеющие тот же шаг и ту же ориентацию, что и внешние выступы 31 по отношению к оси соединения.

Ширина вершин 39, 38 внешних и внутренних выступов больше ширины сопряженных впадин 40, 37, так что в определенный момент завинчивания поверхности внешнего элемента 33, 35 приходят обе в контакт с сопряженными поверхностями внутреннего выступа 34, 36, тогда как между вершинами 39, 38 выступов и сопряженными впадинами 40, 37 остается зазор, но в варианте, не представленном на чертеже, между вершиной выступа одной резьбы и сопряженной впадиной может быть радиальное противодействие с положительной величиной.

Внешний выступ 31 имеет паз 61, выходящий на вершину 39 внешнего выступа, профиль паза имеет У-образную форму с закругленным дном, причем его ось нормальна к оси соединения.

Глубина паза 61, измеряемая в радиальном направлении, составляет 65% от высоты внешнего выступа 31, а его дно представляет собой дугу с радиусом 0,4 мм.

Угол между двумя сторонами V паза равен 35°, и ширина паза на его выходе на вершине внешнего выступа 31 на фиг. 12 равна 35% ширины внешнего паза, взятой на половине его высоты.

Внутренний выступ 32 имеет паз 62, выходящий на вершине 38 внутреннего выступа, имеющий ту же геометрию, что и паз 61 во внешнем выступе 31, и расположенный во внутреннем выступе так же, как паз 61.

Такие пазы 61, 62 преобразуют каждый из выступов 31, 32, воспринимающие сжимающие нагрузки на поверхностях 33, 34, 35, 36 в элементы, работающие как балки с закрепленными концами 63+65, 64+66, подверженные упругим нагрузкам.

В результате этого возникает эластичность, которая вызывает уменьшение сил сцепления, когда завинчивание соединения продолжают за пределами точки одновременного контакта поверхностей и, следовательно, уменьшение наклона 6Τ/6Ν кривой момента завинчивания относительно вращения.

Глубина паза и его ширина являются параметрами, которые можно регулировать для получения не слишком резкого наклона 6Τ/6Ν кривой момента завинчивания относительно вращения, который остается порядка 20 кН-м/об.

Глубина паза должна быть меньше или равна высоте выступа, т.к. иначе структура соединения будет ослаблена, что недопустимо.

Ширина паза на его выходе на вершине выступа должна быть меньше или равна 2/3 ширины выступа, измеряемой на половине его высоты с тем, чтобы сохранить достаточную жесткость на уровне элементов 63, 65, 64, 66.

Радиус 0,4 мм дна паза позволяет ограничить концентрацию нагрузок на дне паза.

Как показывает кривая Е на фиг. 13, такая структура выступов с пазом позволяет производить завинчивание с номинальным моментом завинчивания, превосходящим минимальное желательное значение для труб данного размера (27 кН-м, см. таблицу). Кривая момента завинчивания показывает изменение наклона 6Τ/6Ν за пределами 25 кН-м: рост изначальной кривой порядка 24 кН-м/об. понижается за отметкой выше 25 кН-м до 9 кН-м/об., что обеспечивает самоограничение момента завинчивания и установку упоров и герметизирующих поверхностей в точное положение. Для сравнения можно привести кривую И на фиг. 13, относящуюся к подобным выступам, но без паза, которая имеет относительно постоянный наклон порядка 40 кН-м/об.

Соединение, согласно настоящему изобретению, может быть выполнено в многочисленных вариантах, причем приведенные примеры не имеют ограничительного характера.

В частности, настоящее изобретение может применяться также к резьбовому соединению 100, внешний элемент 1 которого расположен на торце первой металлической трубы 101, имеющей большую длину, а внутренний элемент 2 которого расположен на торце второй металлической трубы 102, также имеющей большую длину, и к резьбовому муфтовому соединению 200, как показано на фиг. 14, в котором две металлические трубы 101, 101' большой длины, имеющие на торце внешний элемент 1,

1', соединены с помощью металлической муфты 202, на каждом конце которой имеется внутренний элемент 2, 2', такое резьбовое муфтовое соединение осуществляют два соединения 100, 100' согласно изобретению.

Claims (15)

1. Резьбовое соединение (100) двух металлических труб, включающее внешний элемент (1) на торце первой металлической трубы, ввинченный во внутренний элемент (2) на торце второй металлической трубы, причем внешний элемент (1) имеет снаружи внешнюю коническую резьбу (3) с трапецеидальными выступами (11, 71, 31), имеющими две поверхности, а именно несущую поверхность (13, 73, 33) и поверхность сцепления (15, 75, 35), ширина (Ь3) вершины внешнего выступа (17, 77, 39) меньше ширины (Ь1) основания внешнего выступа, внутренний элемент (2) имеет изнутри внутреннюю коническую резьбу (4) с трапецеидальными выступами (12, 72, 32), форма которых сопряжена с формой внешней резьбы (3), ширина вершин выступов (Ь3, Ь4) внешней и внутренней резьбы больше ширины (Ь6, Ь5) впадин сопряженной резьбы, отличающееся тем, что при ввинчивании внешнего элемента (1) во внутренний элемент (2) оба элемента приводятся в относительное положение, выходящее за пределы того, при котором в процессе завинчивания обе поверхности (13, 15, 73, 75, 33, 35) внешних выступов (11, 71, 31) приходят в контакт с обеими поверхностями (14, 16, 74, 76, 34, 36) внутренних выступов (12, 72, 32), вызывая взаимное осевое сцепление внешних выступов и внутренних выступов.

2. Резьбовое соединение по п.1, отличающееся тем, что диаметральное противодействие между вершинами выступов (17, 20) внешней резьбы (3) и внутренней резьбы (4) и впадинами выступов (18, 19) сопряженной резьбы (4, 3) имеет отрицательную или нулевую величину по окончании завинчивания.

3. Резьбовое соединение по одному из пп.1 или 2, отличающееся тем, что осевой зазор (х1, х2), по меньшей мере, равный 0,5 мм, остается между сопряженными вершинами выступов и впадинами, при контакте обеих поверхностей (13, 15) внешних выступов с сопряженными с ними поверхностями внутренних выступов (14, 16) в процессе завинчивания.

4. Резьбовое соединение по п.1, отличающееся тем, что диаметральное противодействие между вершинами выступов (77, 80) внешней резьбы (3) или внутренней резьбы (4) и впадинами выступов (78, 79) сопряженной резьбы (4, 3) имеет положительную величину по окончании завинчивания.

5. Резьбовое соединение по одному из пп. 1-4, отличающееся тем, что угол δ между несущей поверхностью (13, 14, 73, 74, 33, 34) и поверхностью сцепления (15, 16, 75, 76, 35, 36) внешнего и внутреннего выступов меньше или равен 20°.

6. Резьбовое соединение по п.5, отличающееся тем, что угол δ имеет величину от 7 до 20°.

7. Резьбовое соединение по одному из пп.1-6, отличающееся тем, что во внешней резьбе (3) и внутренней резьбе (4) вершины выступов (17, 20, 77, 80, 39, 38) нависают над впадинами (19, 18, 79, 78, 37, 40) со стороны несущих поверхностей (13, 14, 73, 74, 33, 34), причем угол (α) между данными несущими поверхностями и нормалью к оси соединения составляет от 0 до -15°.

8. Резьбовое соединение по одному из пп.1-7, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одна из резьб внешняя и/или внутренняя (3, 4) имеет паз (61, 62), выходящий на вершину выступа (39, 38) на всей или на части длины резьбы или резьб.

9. Резьбовое соединение по п.8, отличающееся тем, что паз (61, 62) имеет глубину не более чем высота выступа.

10. Резьбовое соединение по п.8 или 9, отличающееся тем, что паз (61, 62) имеет ширину на выходе на вершине выступа (39, 38) не более чем 2/3 ширины выступа, измеряемого на половине его высоты.

11. Резьбовое соединение по одному из пп.8-10, отличающееся тем, что паз (61, 62) имеет и-образный или У-образный профиль с закругленным дном.

12. Резьбовое соединение по одному из пп.1-11, отличающееся тем, что внешний эле- х 6 8 х

Фиг. 1 мент (1) и внутренний элемент (2) имеет, по меньшей мере, одну герметизирующую поверхность (5, 6), причем каждая внешняя герметизирующая поверхность (5) направлена в продольном направлении и противодействует в радиальном направлении с сопряженной внутренней герметизирующей поверхностью (6) по окончании завинчивания.

13. Резьбовое соединение по одному из пп.1-11, отличающееся тем, что внешний элемент (1) и внутренний элемент (2) имеет, по меньшей мере, одну опорную поверхность (7, 8), в поперечном направлении, причем, по меньшей мере, одна внешняя опорная поверхность (7) находится в упоре с внутренней опорной поверхностью (8) по окончании завинчивания.

14. Резьбовое соединение (100) по одному из пп.1-13, отличающееся тем, что внешний элемент (1) расположен на торце первой металлической трубы (101) большой длины, и внутренний элемент (2) расположен на торце второй металлической трубы (102) также большой длины.

15. Применение двух резьбовых соединений (100, 100'), выполненных по одному из пп.113, для соединения двух металлических труб (101, 101') большой длины, которые имеют внешний элемент (1, 1') на торце, при помощи металлической муфты (202), снабженной на каждом из своих торцов внутренним элементом (2, 2').