NO301852B1 - Hermetisk rörskjöt av metall - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår hermetisk rørskjøt av metall, spesielt for rør anvendt for pumping av endogene fluid og rør for brønner anvendt hovedsakelig, men ikke bare, for utvinning og produksjon av hydrokarboner og geotermiske fluider.

For slike anvendelser er naturligvis leddet mellom et rør og neste gjort enten ved å skjære en mannlig gjenget ene ende og en kvinnelig gjenget andre ende (integrert kobling), eller ved å skjære mannlige gjenger på begge sider av røret og så anvende en hul muffe med to kvinnlige gjenger (muffekobling). Generelt er gjengene fortrinnsvis koniske.

Disse skjøtene må ikke bare sikre forbindelse av rørene det er snakk om og være sterk nok til å motstå mekaniske påkjenninger, de må også forhindre lekkasje av væsker og gasser som strømmer gjennom rørene. Forseglingen kan formes ved passelige forstyrrelser mellom gjengene på mannlige og kvinnlige elementer, eller ved å anvende passelige forseglingsoverflater separert fra gjengene som, når de er riktig presset sammen, forhindrer passasje av fluider. Disse teknikkene kan naturligvis kombineres.

Det er kjent at når vridningsmomentet som nyttes for å tette en skjøt er større enn den konvensjonelle flytegrensen til materialet, vil påkjenninger som induseres i gjengene og i slike ekstra forseglingsorgan som kan anvendes, kunne medføre skade, slik at forseglingen som fremskaffes av skjøten ikke lenger er effektiv, spesielt etter at den har blitt satt sammen og tatt fra hverandre gjentatte ganger. Denne ulempen har blitt eliminert ved utviklingen av gjengen beskrevet i EP-patentskrift 273016 innlevert av foreliggende søker.

Det har imidlertid blitt følt at skjøtene beskrevet der kan forbedres videre ved passelig modifisering av seteoverflata og ved innsetting av spesifikke forseglingsoverflater (heretter kalt "hermetisk metallforsegling eller "metallforsegling"), for å forbedre skrubarheten både når det gjelder antall skruinger/oppskruinger, mulige omdreininger og når det gjelder overtorsjon, og dermed garantere beste forseglingsforhold i enhver situasjon.

Overtorsjon kan naturligvis irreversibelt modifisere geometrien av forseglingsorganet (eller overflater pga. av plastisk deformasjoner resulterende fra store påkjenninger, slik at gjenbruk av røret enten blir problematisk eller fullstendig umulig. Røret kan få skader selv når det anvendes første gang, og dette kan initiere fenomener med påkjenningskorrosjon.

For å unngå disse problemene, er det derfor nødvendig å kombinere ett eller flere forseglingsorgan (hermetisk metallforsegling, med et mekanisk element (sete) som på en sikker måte kan begrense interferens, og dermed påkjenninger på selve forseglings-organene, selv når tettetorsjonskrafta øker ut over styrken av leddmaterialet.

Utførelser av dette prinsippet er kjent, men pga. geometriske løsninger som anvendes kan det ikke garantere den høye påliteligheten som er nødvendig.

US-patentskrift 4.153.283 beskriver en spesiell kombinasjon av sete og forseglings-overflate som anvender interaksjon mellom ei sfærisk overflate av det mannlige elementet med en konisk overflate av det kvinnlige elementet (metallforsegling), sammen med et til-lagt, suksessivt flat sete. Imidlertid sikrer denne løsningen ikke leddet mot de ovenfor nevnte defekter. Faktisk når det skrus sammen og første kontakt oppstår mellom den koniske overflate og den sfæriske overflata langs omkretsens linje som er transformert i en sluttet overflate pga. deformering i tettefasen. Ettersom at kontakten mellom forseglingsoverflata er av en hertzisk type - dvs.karakterisert veden rask økning i påkjenning ettersom elastisk deformering øker - er det meget lett å gå over den elastiske grensa lokalt, selv med små påførte laster, slik at den sfæriske overflata deformerer plastisk, og skjøten lett kan lekke i tilfelle avsetting i foringsrøret. I alle tilfelle vil skjøten ikke kunne anvendes på nytt etter at den har blitt skrudd opp.

Videre i liknende skjøter som er korrekt anvendt, vil vinkelen på den koniske seteoverflata være rundt 15 til 20° og dette kan være kritisk, da overtorsjon kan produsere en radial skyvkraft-komponent som genererer farlige lokale overbelastninger.

For å unngå disse ulemper, er metallforseglingen i andre skjøter brakt i kontakt med de to koniske overflatene, en på det mannlige elementet og det andre på det kvinnelige, noe som skulle passe perfekt til hverandre. Disse overflatene er utført for å komme i kontakt over et meget stort område (og dermed over en vesentlig lengde av deres generatrise, f.eks. rundt 5 til 10 mm.). I dette tilfelle er kontakttrykket alltid ganske lite, og forseglingen avhenger vesentlig på labyrinteffekten som er generert ved kontakt av to koniske overflater.

Imidlertid krever denne typen av skjøter spesielt presise maskinering av de koniske overflatene, slik at det er problemer av teknologisk, økonomisk og kvalitetsmessig art. Faktisk er muligheten for tilpasning av den ene overflata til den andre omtrent null.

For å unngå alle disse forskjellige problemene, har en skjøt blitt utviklet for rør for pumping av fluider og for brønnforinger. Denne skjøten, objektet for oppfinnelsen, har en spesifikk kombinasjon av overflater som former den hermetiske metallforseglingen, muligens i kombinasjon med spesifikke seteoverflater.

Skjøten i samsvar med foreliggende oppfinnelse omfatter et mannlig element med minst en ekstern konisk gjenge og et kvinnelig element med komplementer intern gjenging, endedelene av det mannlige elementet forbi hver gjenge har en konisk forsegling med en vesentlig aksialt trend og mulig også en intern seteoverflate, også konisk, vesentlig på tvers, overflatene virker med de like forsegling- og seteoverflatene på det kvinnlige elementet, lengden av forseglingsoverflata av det kvinnlige elementet langs hovedgeneratrisen er større enn det av den korresponderende forseglingsoverflata av det mannlige elementet, skjøten erkarakterisert veddet faktum at de to forseglingsoverflatene av det mannlige og kvinnlige elementene har en konisitet på mellom 6,25 og 9,25%, lengden av overflata av det mannlige elementet som kommer i kontakt med tilsvarende overflate av det kvinnlige elementet er mellom 0,5 og 2,5 mm.

Det er spesielt fordelaktig å kople metallforseglingen beskrevet ovenfor med seteoverflater på det mannlige elementet og på tilhørende kvinnlige element med en kon med en vinkel mellom 5 og 10° til et plan vinkelrett på aksen av skjøten, overflatene opererer bare etter interaksjon og energisering av gjengene og forseglingsoverflatene.

Uttrykket energisering er anvendt i betydningen oppnåelse av minimal belastningstilstand som sikrer: - tilstrekkelig trykk på flankene av gjengene som er i kontakt for å forhindre oppskruing ved et torsjonsmoment mindre enn det som er anvendt for gjennskruing og også å oppnå en sekundær forseglingseffekt langs gjengen, - tilstrekkelig kontakttrykk på forseglingsoverflatene for å forhindre lekkasje under grensebruksforhold.

Skjøten som er formålet med foreliggende oppfinnelse kan lages med enhver type av gjenger som for tida er kjent eller som vil framkomme fra foreliggende nåværende tekno-logi, spesielt singel eller multippelgjenger, med enhver form av gjenger, inkludert krokete gjenger som er generelt anvendt for skjøter der mannlig og kvinnlige elementer har komplementære koniske gjenger, forstyrrelsen av disse gjengene er redusert i samsvar med en av de skjema som vanligvis anvendes, men er slik at toppen på gjengene på det kvinnlige elementet passer nøyaktig til tilsvarende bunner av gjengene på det mannlige elementet hvis kon, istedet ikke går inn i kontakt med tilsvarende bunner på de kvinnelige gjengene.

I krokutførelse er flankene av gjengene som trekker det mannlige elementet inn i det kvinnlige elementet i form av en negativ (kroket) vinkel til et plan vikelrett til aksen av skjøten, vinkelen er mellom 0 og -3°, mens den sekundære flankene heller i samme retning, og danner en vinkel på mellom 8 og 16° til planet, mellomrommet mellom flankene er mellom 0,035 til 0,35 mm.

Skjøten i samsvar med foreliggende oppfinnelse lages fortrinnsvis med gjengene som er beskrevet i EP patent-søknad 273016. Disse gjengene er slik at toppen på gjengene til det kvinnelige elementet festes perfekt til tilsvarende bunner av den gjengene på det mannlige elementet hvis topp ikke rører tilsvarende bunner (Antaresgjenger).

Ved hjelp av eksempel på slik gjenging, kan en skjøt for 7" diameter brønnforingsrør lages med en gjenging med en konisitet på 8,5%, primære flanker av gjengen som er i kontakt etter sammenskruing danner en nominell vinkel på 2°26' med et plan vinkelrett til skjøtens akse, de sekundære flankene heller i motsatt retning til de primære ved nominell vinkel på 25° til planet og den nominelle avstanden mellom de sekundære flankene er 0,05 mm når skjøten er sammenskrudd.

Dimensjonene indikert i begge ovenfor nevnte eksempler er ikke bare nominelle, de varierer avhengig av skjøtstørrelsen.

Skjøtene som er formålet ved denne oppfinnelsen utelukker ikke anvendelsen av ytter-ligere forseglings- organer omfattende f.eks. plastikkforseglingsring passelig posisjonert mellom de to seteoverflatene av det mannlige og kvinnelige elementene i et hus skåret på seteoverflatene av det kvinnelige elementet.

På denne måten er metall til metallskjøten beskyttet fra ethvert korrosjonsstoff som kan inneholdes i fluidet som kommer i kontakt med selve rørene.

Videre beskyttelse kan oppnås ved påføring av belegg av beskyttende harpiks - epoksy eller fenol f.eks. - til den indre overflata av skjøten, i kontakt med det korrosive stoffet.

Den spesifike kombinasjonen av elementer som hjelper til å forme det hermetiske metallforseglingen i samsvar med foreliggende oppfinnelse, spesielt i kombinasjon med sete i samsvar med foreliggende oppfinnelse, tilbyr store fordeler sammenliknet med kjente skjøter.

Setet med en vinkel på 5-10°, tillater faktisk høyere motstand mot plastisk deformering selv i det tilfellet en har overtorsjon. Vinkelen er i virkeligheten slik for å generere en til-stand av tangentiell strekk-kraft i spissen, som øker kontakttrykket mellom forseglingsoverflatene, imidlertid uten å skape permanente deformer inger.

Den hermetiske metallforseglingen produsert ved kontakt mellom to likt gjengete overflater, der den ene er 0,5 til 2,5 mm lang, tilbyr to fordeler: - sammenliknet med forseglinger av gjenget overflate/sfærisk overflatetype, er kontakten vedlikeholdt ikke langs ei linje som er transformert inn i ei avsluttet overflate pga. deformering under tidligere tetting, men som oppstår rett fra begynnelsen av en omkringliggende overflate av endelig dimensjon som kan absorbere store krefter før den når plastifikasjon; - sammenliknet med ledd som anvender kontakt mellom to gjengede overflater, er den begrensede størrelsen på kontaktarealet i samsvar med foreliggende oppfinnelse istand til å tillate høyere kontakttrykk, og dermed tillate gjensidig tilpasning mens den fremdeles holdes sikkert innenfor det elastiske deformeringsområdet.

Med en liten men endelig kontaktoverflate i samsvar med oppfinnelsen, kan sikker uniformitet av kontaktkreftene sikres.

Denne fordelen er spesielt viktig pga. at den tillater presise kalkuleringer av torsjons-krafta som er nødvendig for å garantere kontakt uten noen lekkasje når det er gitt krefter som virker på skjøten som kan tendere til å åpne overflatene det er snakk om. Ved andre typer av skjøter kan slike forhold bare oppnås når skjøten lages meget presist og det mannlige elementet er perfekt tilpasset det kvinnlige: noe som helt sikkert ikke kan oppås i et virkelig tilfelle.

Fordelen med skjøten i samsvar med foreliggende oppfinnelse øker jevnt med hensyn til repetert sammensetting og demontering, når geometrien av overflatene generelt modifiseres som et resultat av vedlikeholdspåkjenninger.

Data som rapporteres nedenfor er tatt med kun som et illustrativt eksempel av det foregående, og er ikke på noen måte begrensende for oppfinnelsens rekkevidde.

For å kontrollere sikkerheten til metallforseglingen i samsvar med foreliggende oppfinnelse og å sammenlikne den med to andre skjøter utført ved hjelp av kjent teknikk, ble beregnet det teoretisk kontakttrykk som virker på metallforseglingen på en skjøt der en kontaktkraft på F= 105 kN er påført. Stålet som skjøtene ble laget av hadde en konvensjonell flytegrense på 420 N/mm2 Gjennomsnittlig diameter D av skjøtene ved forseglingsoverflaten var 80 mm. De tre diverse metallforseglinger varkarakterisert ved: a) teoretisk punktformet kontakt mellom en konisk overflate og en sfærisk overflate (eksempel for sammenlikning); b) kontakt mellom to koniske overflater i samsvar med oppfinnelsen;

c) kontakt mellom to store koniske overflater (eksempel for sammenlikning).

Det teoretiske kontakttrykket, som en funksjon av dimensjonen og krafta med hvilken

overflatene er trykt sammen, kan kalkuleres i alle tre tilfeller etter formelen:

der:

Pa"Pb'Pc = kontakttrykk i de tre tilfellene a, b og c

F = kontaktkrafta

D = gjennomsnittlig diameter av skjøten ved forseglingsoverflatene la = bredden av kontaktsonene i tilfelle a, estimert ved 0,2 mm lb,c = bredden av kontaktsonene i tilfelle b og c, lik 2 og 5 mm, respektive.

Ved substitusjon og antagelse av at makrokrefter er konstant i de forskjellige skjøttypene, nemlig F = konstant = 105 kN fås:

Pa = 1870 N/mm<2>

Pb = 210 N/mm<2>

Pc = 84 N/mm<2>

Disse kontakttrykkene gir følgende:

I tilfelle a er konvensjonell flytegrense for stål langt overskredet, slik at permanent

deformering oppstår i forseglingssonen.

I tilfelle c er den elastiske deformeringen knapt 0,1%, slik at forseglingen er sikret bare

hvis geometrien er perfekt.

I tilfelle b er verdien optimal ettersom at elastisk deformering på 0,1 % oppnås, nemlig i halvparten av flytegrensen.

Som et alternativ, i tilfelle a og c kan det være mulig å få en kraft f til å gi optimalt kontakttrykk (210 N/mm<2>). Imidlertid ville det i tilfelle a være nødvendig å påføre en meget liten kraft f, og dette vil være meget vanskelig å kontrollere i praksis, mens tilfelle c vil krafta som kreves være to og en halv ganger den i tilfelle b, slik at påkjenninger vil i være meget høyere og skade legemet ved skjøten.

Effektiviteten av skjøten i samsvar med oppfinnelsen er videre forsterket ved nærværet av setet som beskrevet. Metallforseglingsskjøter er ofte anvendt i dype brønner der det er store mekaniske og omgivelsesmessige påkjenninger (fluidtemperatur og korrosivitet). Kompresjon av enden av det mannlige elementet pga. energisering av seteoverflatene,

l reduserer strekkspenninger på den indre overflata av røret i kontakt med fluidet, og forbedrer dermed stresskorrosjonsmotstanden til skjøten.

På en liknende måte, i tilfelle at borehullene er med eller uten hensikt ødelagt, er spen-ningene som er involvert i overføring av bøyemomentet gjennom leddet mindre og den nøytrale aksen er forskjøvet mot ytre bueflate, noe som igjen medfører en mer fordelaktig spenningstilstand.

For spesielle anvendelser, f.eks. omgivelser der korrosive fluider såsom H2S er tilstede, er skjøten i samsvar med oppfinnelsen spesielt fordelaktig når den lages med Cr-Mn-V stål eller Cr-Mo stål som inneholder V, Ti og Nb, nevnte stål er avkjølt og anløpet, slik at de har en anløpet martensitt struktur.

Videre når de korrosive fluider er av høy temperatur - f.eks. 150°C - og muligens har høyt saltinnhold, kan skjøten lages av rustfritt stål eller Ni-baserte legeringer, muligens i samband med kjente motstandsbehandlinger såsom implantering av edelmetaller eller harde elementer eller elektrolytisk avsetting av harde og/eller smørende metaller (f.eks. Ni + Cr). Faktisk er kombinasjonen av metallforsegling og sete i samsvar med oppfinnelsen, muligens også med Antaresgjenger for den første type av anvendelse beskrevet og krokgjenger for den andre typen, sikrer at strekkspennigstilstanden på overflata i kontakt med fluidet alltid er på et slikt lavt nivå at skjøten er forholdsvis ufølsom for spenningskorrosjon.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet i større detalj med referanse til vedlagte tegninger som illustrerer en utførelse som er tatt med kun i den hensikt å vise et eksempel uten på noen måte å begrense rekkevidden av oppfinnelsen, som definert i patentkravene.

I eksmplet refereres til tegningene, der

fig. 1 viser en aksial tverrsnitt av en skrudd skjøt i samsvar med foreliggende oppfinnelse,

fig. 2-3 viser utsnittet A fra fig. 1 i to forskjellige faser av sammenskruingen.

I fig. 1 vises en skjøt som omfatte en mannlig ende 1 og en kvinnelig ende 2, mens for å lette presentasjonen er både mannlig og kvinnlige gjenger identifisert med 3.

Felt A dekker sete og metallforseglingen i samsvar med oppfinnelsen; de to objekter er vist i større detalj i fig. 2 og 3, foregående illustrasjon viser den første fasen av sammenskruing, mens forseglingsoverflatene kommer i kontakt, og den siste viser konfigurasjonen etter tetting.

Fig. 2 og 3 demonstrerer en del av endedelen av det kvinnelige elementet 2 der, forbi gjengene 3, det er to koniske indre overflater 10 og 9 som, i interaksjon med tilhørende overflater på det mannlige elementet, respektive danner sete og den metalliske forseglingen i samsvar med oppfinnelsen.

Fig. 2 og 3 illustrerer også endedelen av det mannlige elementet der det er en serie av generisk koniske overflater med forskjellige vinkler forbi gjengene 3. Indikert med tallet ' < 4 er overflata som vil komme i kontakt med tilhørende overflate 9 til det kvinnlige elementet 2, til dannelse av et hermetisk metallforseglig, mens indikert ved tallet 5 er seteoverflata som kommer i kontakt med tilhørende overflate 10 av det kvinnlige elementet. Disse overflatepar 4,9; 5,10 bør ha en konisitet på 6,25 til 9,25% i det første tilfellet, og danne en vinkel på 5-10° til et plan vinkelrett til den felles aksen i det siste'tilfellet.

Som det kan ses fra illustrasjonen er overflata 9 mye større enn overflata 4, slik at kontakten mellom de to overflatene alltid er sikret, i den forstand som er vist ved oppfinnelsen, for et stort område av konstruksjonene toleranser. Fig. 2 indikerer også prioritetskontakten av forseglingselementene 4 og 9 før seteoverflatene 5 og 10 kommer i kontakt og når skjøten tettes. Fig. 3 illustrerer skjøtkonfigurasjon etter sammensetting når seteoverflatene 5 og 10

også er i kontakt og skjøten er i brukskonfigurasjon.

For å gi grafisk representasjon, har kontaktoverflatene av det metalliske forseglingen blitt overdrevet, for å gjøre det lettere å forstå måten skjøten virker på.

Skjøten som i samsvar med oppfinnelsen kan dannes enten på to rør med respektive mannlige og kvinnelige ender (integrert kopling), eller den kan fordelaktig dannes på rør med to mannlige ender som koples sammen ved muffer med interne gjenge-ender (muffe-kopling). De interne deler av muffekoplingene er tykkere nær midtpunktet for å gi forsegling og setesoner.

Claims (4)

1. Hermetisk metallrørskjøt, omfattende et hannelement med minst en konisk gjenge (3) og et hunnelement med komplementære interne gjenger, endedelen (1) av hannelementet forbi dets gjenge (3) har en tetningsoverflate (4) som hovedsaklig strekker seg i aksial retning, og en intern konisk seteoverflate (5), som hovedsakelig er tvers-gående, overflatene samvirker med konisk tetning (9) og seteoverflater (10) på hunnelementet, karakterisert vedat de to tetningsoverflatene (4, 9) til hann- og hunnelementets ende-deler (1, 2) har en konisitet mellom 6,25 og 9,25%, lengden av tetningsoverflata (4) på hannelementets endedel (1) som kommer i kontakt med tilsvarende tetningsoverflate (9) på hunnelementets endedel (2) er mellom 0,5 og 2,5 mm, og at konisiteten på seteoverflata på hannelementets endedel (1) og på tilsvarende hunnelements endedel (2) er mellom 5° og 10° til et plan vinkelrett til skjøtaksen, idet seteoverflatene (5, 10) kommer i virkning bare etter samvirke og energisering av gjengene (3) og av teliiingsoverflatene (4, 9).

2. Skjøt i samsvar med krav 1, karakterisert vedat både hann- og hunngjengene er av kroktypen.

3. Skjøt i samsvar med krav 1, karakterisert vedat både hann- og hunngjengene er av Antarestypen.

4. Skjøt i samsvar med krav 1, karakterisert vedat den er laget av stållegeringer valgt fra Cr-Mn-V og Cr-Mo stål som inneholder V, Ti og Nb, idet stålet er bråkjølt og har en herdet martensittstruktur.