NO171746B - Gjengeforbindelse - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en gjengeforbindelse for rørgods, nærmere bestemt en gjengeforbindelse som angitt i ingressen til det etterfølgende krav 1.

Rørgods som anvendes i olje- og gassproduksjon omfatter generelt produksjonsrør og foringsrør. Det her omtalte rør-gods er særlig egnet for slike omgivelser, og slike omgivel-sesforhold vil bli referert. Den her beskrevne og patentsøkte gjengeforbindelse er imidlertid generelt anvendbar for rørgods og er derfor ikke begrenset til slik bruksanvendelse.

Det er helt vanlig at rørgodslengder omfatter en tappende og en muffeende, og å sammenføye motstøtende rørlengder slik at tappenden på en rørlengde passer inn i muffeenden på den tilstøtende rørlengde. Ved et slik arrangement betegnes forbindelsen som en "integral" forbindelse og det er ikke nødven-dig med noe ytterligere koplingselement.

De vanlige metoder for konstruksjon eller fremstillilng av en rør-tappende er å maskinere dens form og gjenger etter ønske. Ved slik maskinering endres ikke materialets metallurgi. Det er imidlertid to vanlige metoder for konstruksjon eller fremstilling av muffeenden, som begge medfører en endring i materialets metallurgi. En første metode er ved hjelp av en 11 stuke"-teknikk som utføres ved høy temperatur og spen-ning over metallets oppvarmete flytegrense. En annen teknikk betegnes som "kaldforming" eller "senkesmiing" og utføres ikke ved høy temperatur, men innebærer at metallet bringes forbi sin flytegrense og innføring av spenninger i metallet. Noen av disse spenninger kan avlastes i et etterfølgende varme-behandlingstrinn. Det er imidlertid velkjent at selv etter et slikt trinn er der fremdeles permanente endringer i metallets fysikalske egenskaper sammenliknet med dets tilstand før slik bearbeiding. Forskjellige betegnelser er benyttet for angi-velse av den resulterende metalltilstand såsom at den er "deformasjons-herdet", er følsom for "hydrogen-sprøhet" eller er utsatt for "sulfid-spenningssprekker". Det er derfor ikke uvanlig at rørgodskunder spesifiserer at de ikke ønsker gods som enten har vært utsatt for stuking eller kaldforming.

Det er mulig å unngå slikt gods ved å fremstille rørleng-der med to tappender og sammen med disse anvende et koplingselement for sammenkopling av rørlengdene. Et slikt koplingselement kan maskineres innvendig med de sammenpassende gjenger og tetningsflater og de er derfor ikke deformasjonsherdet.

Tappender på rørgods kan enten være koniske eller ikke-koniske, men innen industrien foretrekkes i sterk grad en konisk tapp. Videre kan gjenger ha mange former. En av de mer populære former i de siste år har vært den såkalte "svalehalegjenge", som beskrevet i US patent RE. 30 647 av 16. juni 1981. En slik gjengekonstruksjon bevirker at muffe-koplingsenden trekkes radielt innad og tapp-koplingsenden trekkes radielt utad under sammenkopling når de med gradvis økende bredde utformete skruegjenger sammenkoples og gjengenes flankepartier kommer i kileinngrep. Som mer perifere eksemp-ler på kjent teknikk på området kan nevnes US 2 772 102, GB 2 074 685, NO 162 167, NO 161 820 og EP 0 088 817.

Det skal bemerkes at ved gjengene beskrevet i ovennevnte patent nr. RE. 3 0 647 er der en betydelig avstand mellom gjengenes bunn- og toppartier under sammenkopling, hvilket også kan bestå i en viss grad etter at gjengene er tiltrukket. Dette er en akseptabel tilstand ettersom metalliske (det vil i denne forbindelse si metall mot metall) trykktetninger i de fleste forbindelser som benyttes ved "strenge" anvendelser ikke er utført innen selve gjengene, men ved koniske tetningsflater nær gjengene eller gjengesett når det gjelder forsatte gjengeutforminger. "Strenge" situasjoner er slike situasjoner som opptrer ved de høye trykkforhold som vanligvis opptrer ved store brønndybder.

Hittil har der ikke vært en passende forbindelse eller kopling for "ikke-strenge" og "halv-strenge" anvendelser som omfatter fordelene med kilegjenger og som også unngår bruk av en deformasjonsherdet komponent. En "ikke-streng"-anvendelse kan hensiktsmessig defineres for en brønndybde på opp til ca. 7 500 fot (2 286 m) der det påtrufne trykk er forholdsvis lavt, dvs mindre enn ca. 5 000 psi (24 000 kg/cm.2) . "Halv-strenge" anvendelser påtreffes ved brønndybder mellom ca. 7 500 - 15 000 fot (2 286 m - 4 572 m) for trykk mindre enn ca. 10 000 psi (48 000 kg/cm<2>).

Det er derfor et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe, i en foretrukket utføringsform, en forbedret gjengeforbindelse under anvendelse av kilegjenger som danner en metallisk tetning og en hjelpekopling med en maskinert boringskonstruksjon som muliggjør sammenkopling tappende mot tappende uten anvendelse av en deformasjonsherdet komponent.

Dette formål oppnås ifølge oppfinnelsen ved en gjengeforbindelse av den innledningsvis angitte art, med de nye og særegne trekk som er angitt i den karakteriserende del av det etterfølgende krav 1. Fordelaktige utføringsformer av oppfinnelsen er angitt i de øvrige etterfølgende krav.

Ytterligere trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil frem-gå av følgende beskrivelse av de foretrukne utføringsformer av oppfinnelsen i sammenheng med de medfølgende tegninger, hvor: Figur 1 er et utsnitt av et lengdesnitt av en forbindelse mellom to rørlengder som har kilegjenger i henhold til teknik-kens stilling. Figur 2 er et utsnitt av et lengdesnitt av en forbindelse som anvender en kopling med metalliske gjengetetninger i henhold til en foretrukket utføringsform av foreliggende oppfinnelse. Figur 2A er et utsnitt av en eventuell korrosjons-sperrering som kan anvendes med utføringsformen vist i figur 2. Figur 3 er et utsnitt av et lengdesnitt av en forbindelse med koniske metallisk tettende flater og metalliske gjengetetninger som anvender en kopling i samsvar med en annen foretrukket utføringsform av foreliggende oppfinnelse. Figur 3A er et utsnitt av en eventuell korrosjons-sperrering som kan anvendes med utføringsformen vist i figur 3. Figur 4 er et utsnitt av et lengdesnitt av en forbindelse med metallisk tettende flater med en elastomerring og metalliske gjengetetninger som anvender en kopling i henhold til en annen foretrukket utføringsform av foreliggende oppfinnelse. Figur 4A er et utsnitt av en eventuell korrosjons-sperrering som kan anvendes med utføringsformen vist i figur 4.

Under henvisning til tegningene og først til figur 1 er der vist en forbindelse av en tappende 10 på et rørelement tilkoplet i muffeenden 12 på et tilstøtende element, idet de respektive ender er avsmalnende og har kilegjenger. En avsmalnende ende betyr bare at endene gradvis avtar i størrelse slik at veggtykkelsen på både tappenden og muffeenden minsker mot deres spiss- eller neseender. En kilegjenge øker gradvis langs omkretsen fra en liten tverrsnittsdimensjon eller aksi-ell bredde nær spissenden til en stor tverrsnittsdimensjon. Etterhvert som gjengene griper inn i hverandre vil de derfor "sammenkiles". Dette i motsetning til gjenger med konstant dimensjon som stanser mot et anslag eller en dreiemoment-skulder. Dessuten omfatter kilegjenger en motsatt eller om-vendt kontur på gjengesidene eller -flankene som danner en "svalehale"-virkning når gjengene sammenskrues. Konvensjonel-le gjenger uten slike flanker utøver radielt ekspansjonstrykk på muffeenden og kompresjonstrykk på tappenden når forbindelsen sammenskrues. I motsetning til dette vil svalehalegjenger trekke muffeendens vegger radielt innad samtidig som tappenden utsettes for en radielt utadrettet trekkraft. Der er således en utjevning av kreftene og en forsterkning av forbindelsen.

Den enkleste form for forbindelse ved bruk av kile- eller svalehalegjenger er vist i figur 1, som kan karakteriseres som en integral-forbindelse. Bare de to sammenføyde elementer anvendes.

Ved opprettelse av en slik forbindelse maskineres tappenden og muffeenden blir enten fremstilt ved en stukeoperasjon eller ved kaldforming, idet gjengene da maskineres inn i over-flaten. Ettersom der ikke er noen tetningsmekanisme eller

-flate annet enn i gjengeområdet, er gjengene ikke nøyaktig lik de gjenger som er beskrevet i førnevnte US patent Re. 30 647 hvor gjengeflankene kommer i kontakt før bunn- og topp-flatene, som særlig vist i figur 2 i nevnte patent. Istedenfor kommer motstående gjengebunn og gjengetopp i kontakt før flankene, eller i det minste før én av flankene, som nærmere beskrevet i søkerens samtidige søknad nr. PCT/US84/00501, innlevert 5. april 1984. I en slik gjenge er klaringen ved manuell tiltrekking på flanken istedenfor mellom bunnen og toppen, og gjengene går sammen i metallisk innbyrdes anlegg og, ved tiltrekking, i innbyrdes tetningsanlegg.

Selv om den er tilfredsstillende ved enkelte ikke-strenge anvendelser, har koplingen vist i figur 1 visse mangler. For det første er én av konstruksjonene, nemlig muffeenden, fremstilt på en slik måte at dens metallurgi er endret, en ulempe og svakhet ved mange andre anvendelser. Dessuten, for å gi tilstrekkelig veggtykkelse, særlig i muffeenden, er der ikke tilstrekkelig tykkelse forut for maskingjenge-skjæring, til også å tildanne en konisk metalltetningsflate i muffeenden for samvirke med en motsvarende tetningsflate foran tappendegjen-gene, dvs mellom den første gjenge-omdreining og spissen eller nesen på tappenden. Videre, på grunn av hensynet til den mulige svekkelse av muffeendemetallet som følge av kaldforming eller liknende, er det ikke ønskelig å svekke konstruksjonens veggtykkelse ytterligere ved avmaskinering av ytterligere metall. Sammenfatningsvis, ved senkesmiing av en muffeende-konstruksjon lik den som er vist i figur 1 er der intet rom for en konisk tetningsflate.

De ovenfor omtalte mangler ved de kjente konstruksjoner kan unngås med et koplingselement som vist i figur 2-4.

Figur 2 viser kopplingsforbindelsen mellom to tilstøtende rør-lengder som hver ender i en tappende. Tappenden 14 er sammen-føyet med tappenden 16 ved hjelp av et koplingselement 18. Gjengene på tappendene 14 og 16 er i det vesentlige identiske med tappenden 10 vist i figur 1. Gjengene på koplingselementet 18 er tilpasset til å oppta gjengesettene på begge ender 14 og 16. De innvendige gjenger i koplingselementet 18 er fremstilt ved en maskineringsoperasjon, følgelig unngår man fullstendig et kaldformings- eller et stuketrinn. Den viste kopling er den samme med hensyn til metallisk tettende sammenstilling som den som er vist og beskrevet ovenfor for figur 1, men ettersom der ikke er noen endring i metallurgien i noen

del, vil forbindelsen foretrekkes av mange fremfor den i figur 1 viste forbindelse, særlig ved noe dypere anvendelser der det er ønskelig med overlegne strekk-egenskaper og ved sure driftsforhold (dvs når H2S er tilstede og søker å angripe et

deformasjonsherdet metall) .

En ulempe er forekomsten av en annen del i forbindelsen, nemlig koplingselementet, og den noe økende utvendige diameterdimensjon. F.eks. ved et rør vist i figur 1 med en utvendig nominell diameter på 2,375 tomme (6,03 cm) er standard-dimensjonen for muffeendens utvendige diameter 2,697 tomme (6,85 cm). For det samme rør vist i figur 2 er koplin-gens standard utvendige diameterdimensjon 3,063 tomme (7,78 cm) .

Det er ovenfor nevnt at kilegjenger under sammenstilling ikke stanser mot en dreiemoment-skulder, men isteden stanser ved kilekontakt mellom gjengene. Det er følgelig en klaring 20 mellom tappendens spiss eller neseende og et nedadragende parti 22 av koplingen som vist i figur 2.

Dersom der er en forventet høy fluid-strømningshastighet gjennom koplingen, slik som naturlig forekommer ved mange gassbrønner og som forekommer også ved oljeproduksjon når der er CC-2-befordret produksjon, er det en mulighet for skadelig turbulens som også kan nå gjengene. Høy strømningshastighet i forbindelse med en kritisk anvendelse er særlig skadelig. Følgelig kan en korrosjons-sperrering 2 4 anvendes, som vist i figur 2A.

Utføringsformen på figur 2A er identisk med den som er vist i figur 2, bortsett fra at det nedadragende parti 22 er maskinert ned til å danne et lite utspring 2 6 som tillater en ring 24, med et tilpasset spor for opptak av utspringet 26 å plasseres i den resulterende spalte eller mellomrom mellom de to tilstøtende spiss- eller neseender. Sperreringen 24 er fortrinnsvis fremstilt av et elastomermateriale. En slik ring er hensiktsmessig for å hindre at hurtigstrømmende fluider, også av meget sur konsistens, skal nå frem til og skade gjengene.

Figur 3 viser en koplingsforbindelse lik den somm er vist i figur 2, men med et viktig tillegg. De der viste respektive tappender 29, 30 har begge en konisk metalltetningsflate 32 mellom den første gjengeomdreining og spiss- eller neseenden. Koplingen 28 har en hensiktsmessig tilpasset tetningsflate 34 for å danne en metallisk tetning med tappendene 29, 30 i begge gjenge-sammenstillingene, som tidligere beskrevet, såvel som på disse koniske tetningsflater 32. Således vil den ytterligere tetningsflate 32, 34 muliggjøre bruk av et slikt koplingselement 28 også ved halv-strenge anvendelser.

Her, som i figur 2 og 2A, viser figur 3A en korrosjons-sperre som eventuelt tillegg til konstruksjonen vist i figur 3.

Endelig henvises til figur 4. Utføringsformen av koplingen vist i figur 4 er stort sett identisk med utføringsformen ifølge figur 3, bortsett fra at de motstøtende tappender 36 og 38 hver har et rundtløpende spor 39 foran den koniske tetningsflate for å oppta en sammentrykkbar elastomer-tetningsring henholdsvis 40 og 42. Slik tetningsring er fortrinnsvis fremstilt av et elastomermateriale og strekker seg radielt utad forut for sammentrykking slik at under sammenskruing blir ringen ekstrudert i retning av den metalliske tetning for å danne en sammensatt kiletetning med denne og foran denne.

I alle tilfeller vil et koplingselement med slike forbed-rete trekk gjøre det mulig å bruke koplingen ved halv-strenge forhold. En korrosjons-sperrering kan om ønskelig også inn-befattes, som vist i figur 4A, på samme måte som for de andre eventuelle korrosjonssperrer.

Claims (3)

1. Gjengeforbindelse omfattende et kort, rørformet koplingselement (18, 28) med to sett innvendige gjenger som avsmalner innad fra motsatte ender av koplingselementet (18, 28) mot midten for inngrep med de utvendige gjenger på tappendene (14, 16) til to aksielt på linje innrettete rørlengder, idet gjengene til koplingselementet (18, 28) og tappene (14, 16) øker i diameter i motsatt retning slik at gjengeflankene ved inngrep vil danne metalliske tetninger når forbindelsen er helt sammenskrudd, idet gjengene videre har bunn- og topp-partier som er parallelle med koplingselementets (18, 28) akse, som danner inngrep før flankene danner inngrep når forbindelsen sammenskrues manuelt, og som også danner metalliske tetninger når forbindelsen er helt sammenskrudd, karakterisert ved at den omfatter et innvendig utspring (26) som er forbundet med koplingselementet (18, 28) og beliggende mellom de to gjengesett og en fjærende korrosjons-sperrering (24) som har et utvendig spor innrettet til å oppta utspringet (26) og fastholder ringen (24) på utspringet (26) for å sammentrykkes mellom endene av rørlengdenes tappender (14, 16) når forbindelsen er helt sammenskrudd for å beskytte de metalliske tetninger mot korrosive fluider i rør-lengdene.

2. Gjengeforbindelse ifølge krav 1, karakterisert ved at koplingselementet (28) er utformet med koniske tetningsflater (32, 34) på motsatte sider av det innvendige utspring (26) mellom utspringet (26) og gjengene, og at hver tapp har en konisk tetningsflate mellom enden (29, 30) av tappen og gjengene for å danne inngrep med én av de koniske flater (32, 34) på koplingselementet (28) og danne en metallisk tetning mellom tappen og koplingselementet (28) .

3. Gjengeforbindelse ifølge krav 2, karakterisert ved at hver tapp har en konisk flate mellom den koniske tetningsflate (32, 34) og enden (36, 38) av tappen som divergerer innad fra koplingselementet (28), hvilken divergerende flate har et utvendig ringformet spor (39) i den divergerende koniske flate, og en sammentrykkbar elastomer-tetningsring (40, 42) i sporet (39) og forløpende utad derfra forut for sammenskruing slik at under sammenskruing vil tetningsringen (40, 42) bli sammentrykket mellom tappen (36, 38) og koplingselementet (28) slik at innvendig trykk vil virke til å tvinge tetningsringene (40, 42) inn i det trange hulrom mellom den koniske flate og koplingselementet (28) i retning av den metalliske tetning (32, 34).