RU138584U1 - HIGH SEALED THREADED CONNECTION OF OIL AND GAS PIPES - Google Patents

Abstract

1. Высокогерметичное резьбовое соединение нефтегазовых труб, включающее ниппельные и раструбные соединительные элементы с конической трапецеидальной резьбой, при этом со стороны меньшего диаметра усеченного конуса последних выполнен герметизирующий узел с уплотнительными радиальными и торцевыми коническими поверхностями, отличающееся тем, что упорная грань витка конической трапецеидальной резьбы выполнена параллельной перпендикуляру оси резьбы, причем радиальная коническая поверхность раструбного элемента и радиальная коническая поверхность ниппельного элемента сопряжены и выполнены с конусностью 1:12, в конце зоны конусного радиального уплотнения раструбного элемента выполнена дополнительная радиальная коническая поверхность, сопряженная со сферической поверхностью, выполненной в конце зоны конусного радиального уплотнения ниппельного элемента с радиусом, равным 1,0-1,3 мм, с образованием дополнительного герметизирующего узла.2. Соединение по п.1, отличающееся тем, что коническая трапецеидальная резьба выполнена с конусностью 1:20.3. Соединение по п.1, отличающееся тем, что дополнительная радиальная коническая поверхность раструбного элемента выполнена под углом 65° к нормали оси резьбы.4. Соединение по п.1, отличающееся тем, что на упорном торце ниппельного и раструбного элементов выполнена фаска с углом среза от 5 до 15°, выполненная в виде обратного конуса к конусу обоих элементов.1. High-tight threaded connection of oil and gas pipes, including nipple and bell-shaped connecting elements with a tapered trapezoidal thread, while from the side of the smaller diameter of the truncated cone of the latter, a sealing assembly with sealing radial and end tapered surfaces is made, characterized in that the thrust face of the turn of the tapered trapezoidal thread is made parallel to the perpendicular axis of the thread, the radial conical surface of the bell-shaped element and the radial conical the surface of the nipple element is conjugated and made with a taper of 1:12, at the end of the zone of the conical radial seal of the bell-shaped element, an additional radial conical surface is made, conjugated with a spherical surface made at the end of the zone of the conical radial seal of the nipple with a radius of 1.0-1 , 3 mm, with the formation of an additional sealing unit. 2. The compound according to claim 1, characterized in that the tapered trapezoidal thread is made with a taper of 1: 20.3. The compound according to claim 1, characterized in that the additional radial conical surface of the bell-shaped element is made at an angle of 65 ° to the normal to the axis of the thread. The compound according to claim 1, characterized in that a chamfer with a cut angle of 5 to 15 ° is made on the thrust end of the nipple and bell-shaped elements, made in the form of an inverse cone to the cone of both elements.

Description

Настоящая полезная модель относится к конструкции резьбового соединения труб с герметизирующим узлом, где применено уплотнение металл-металл, которое предназначено для использования в конструкции насосно-компрессорных труб для обеспечения герметичности соединения при строительстве, эксплуатации и испытании нефтегазодобывающих, водонагнетательных, опорных и прочих скважин различного назначения, для эксплуатации в различных климатических зонах.This utility model relates to the design of a threaded pipe joint with a sealing unit, where a metal-metal seal is used, which is intended for use in the design of tubing to ensure a tight joint during the construction, operation and testing of oil and gas production, water injection, support and other wells for various purposes , for operation in various climatic zones.

Усложнение условий извлечения жидких и газообразных углеводородов, связанные с выходом в районы Крайнего Севера, в том числе с добычей на арктических шельфах, предъявляет жесткие требования к характеристикам используемых резьбовых соединений насосно-компрессорных труб в части прочности и герметичности.Complicated conditions for the extraction of liquid and gaseous hydrocarbons associated with access to the Far North, including production on the Arctic shelves, impose stringent requirements on the characteristics of the used threaded joints of tubing in terms of strength and tightness.

Из уровня техники известно резьбовое соединение нефтяных труб, включающее ниппельный и раструбный соединительные элементы с конической резьбой и упорными торцами, наружную и внутреннюю уплотнительные поверхности и сбег резьбы на охватывающей детали на участке между резьбой с полным профилем и внутренней уплотнительной поверхностью (см., патент СССР №993829, МПК E21B 17/042, опубл. 30.01.1983).The threaded connection of oil pipes is known from the prior art, including nipple and bell-shaped connecting elements with tapered threads and thrust ends, outer and inner sealing surfaces, and a run of thread on a female part between a thread with a full profile and an inner sealing surface (see, USSR patent No. 993829, IPC E21B 17/042, publ. 01.30.1983).

При сборке-разборке известного соединения существует опасность, что при приложении крутящего момента из-за образующихся на раструбном элементе заусенцев на кромках вершин по внутреннему диаметру резьбы на участке ее сбега и их взаимодействий с высокоточной уплотнительной поверхностью ниппельного элемента, последняя будет повреждена и деформирована, на ней образуются задиры, в результате чего в соединении не будет обеспечена герметичность.When assembling and disassembling a known joint, there is a danger that when torque is applied due to burrs formed on the bell-shaped element at the edges of the vertices along the internal diameter of the thread in the run-out area and their interactions with the high-precision sealing surface of the nipple element, the latter will be damaged and deformed, seizures are formed, as a result of which tightness will not be ensured in the connection.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели по совокупности существенных признаков является техническое решение, защищенное патентом СССР №530653, МПК E21B 17/042, опубл. 30.09.1976, описывающее герметичное резьбовое соединение, включающее ниппельный и раструбный соединительные элементы с конической резьбой, уплотнительные и упорные поверхности, при этом на меньших диаметрах конусов наружных и внутренних резьб выполнен герметизирующий узел с уплотнительными радиальными и торцевыми коническими поверхностями.Closest to the claimed utility model in terms of essential features is a technical solution protected by USSR patent No. 530653, IPC E21B 17/042, publ. 09/30/1976, describing a tight threaded connection, including nipple and bell-shaped connecting elements with a tapered thread, sealing and thrust surfaces, while on smaller diameters of the cones of the external and internal threads, a sealing assembly with sealing radial and end conical surfaces is made.

Основным недостатком известного технического решения является потеря герметичности при низкой точности исполнения герметизирующих элементов, а также при недостаточной точности исходной трубы-заготовки.The main disadvantage of the known technical solution is the loss of tightness with low accuracy of the sealing elements, as well as with insufficient accuracy of the original pipe billet.

Технической задачей настоящей полезной модели является создание конструкции резьбового соединения нефтегазовых труб, которая позволяла бы обеспечить высокую герметичность и прочность соединения при его спуске и эксплуатации.The technical task of this utility model is to create a threaded joint design for oil and gas pipes, which would ensure high tightness and strength of the joint during its descent and operation.

Задача, положенная в основу настоящей полезной модели, с достижением заявленного технического результата, решается тем, что в высокогерметичном резьбовом соединении нефтегазовых труб, включающем ниппельные и раструбные соединительные элементы с конической трапецеидальной резьбой, при этом со стороны меньшего диаметра усеченного конуса последних выполнен герметизирующий узел с уплотнительными радиальными и торцевыми коническими поверхностями, упорная грань витка конической трапецеидальной резьбы выполнена параллельной перпендикуляру оси резьбы, причем радиальная коническая поверхность раструбного элемента и радиальная коническая поверхность ниппельного элемента сопряжены и выполнены с конусностью 1:12, в конце зоны конусного радиального уплотнения раструбного элемента выполнена дополнительная радиальная коническая поверхность, сопряженная со сферической поверхностью, выполненной в конце зоны конусного радиального уплотнения ниппельного элемента с радиусом, равным 1,0-1,3 мм с образованием дополнительного герметизирующего узла.The task underlying the present utility model, with the achievement of the claimed technical result, is solved by the fact that in the high-tight threaded connection of oil and gas pipes, including nipple and bell-shaped connecting elements with a tapered trapezoidal thread, while on the side of the smaller diameter of the truncated cone of the latter a sealing unit with sealing radial and end conical surfaces, the thrust face of a turn of a tapered trapezoidal thread is made parallel to the perpendicular lar the axis of the thread, the radial conical surface of the bell-shaped element and the radial conical surface of the nipple element are conjugated and made with a taper of 1:12, at the end of the zone of the conical radial seal of the bell-shaped element an additional radial conical surface is conjugated with a spherical surface made at the end of the zone of the conical radial sealing the nipple element with a radius of 1.0-1.3 mm with the formation of an additional sealing unit.

Кроме того, коническая трапецеидальная резьба выполнена с конусностью 1:20.In addition, the tapered trapezoidal thread is made with a taper of 1:20.

Кроме того, дополнительная радиальная коническая поверхность раструбного элемента выполнена под углом 65° к нормали оси резьбы.In addition, an additional radial conical surface of the bell-shaped element is made at an angle of 65 ° to the normal to the axis of the thread.

Кроме того, на упорном торце ниппельного и раструбного элементов выполнена фаска с углом среза от 5° до 15° выполненная в виде обратного конуса к конусу обоих элементов.In addition, a chamfer with a shear angle of 5 ° to 15 ° made in the form of an inverse cone to the cone of both elements is made on the thrust end of the nipple and socket elements.

Вышеперечисленные признаки являются взаимосвязанными и существенными и подтверждают достижение технического результата от использования предложенной конструкции, который заключается в повышении герметичности и увеличении прочности соединения при его спуске и эксплуатации, что позволяет использовать предлагаемое соединение, в том числе и для газообразных сред.The above signs are interrelated and significant and confirm the achievement of the technical result from the use of the proposed design, which is to increase the tightness and increase the strength of the connection during its descent and operation, which allows the use of the proposed connection, including for gaseous media.

Выполнение упорной грани витка конической трапецеидальной резьбы параллельной перпендикуляру оси резьбы позволяет получить гарантированный контакт по прямолинейному участку опорной грани резьбы при свинчивании-развинчивании соединения и увеличение сопротивляемости сжимаемым нагрузкам. Предлагаемая оптимизация величины угла упорной грани витка трапецеидальной резьбы насосно-компрессорных труб снижает технологические трудности, которые возникают при изготовлении, контроле, использовании и ремонте резьбы с отрицательным углом упорной грани, и трудоемкость изготовления специального резьбового инструмента.Fulfillment of the persistent face of the coil of a tapered trapezoidal thread parallel to the perpendicular to the axis of the thread allows you to obtain guaranteed contact along the rectilinear portion of the reference face of the thread when screwing-unscrewing the joint and increasing the resistance to compressible loads. The proposed optimization of the angle of the abutment face of the turn of the trapezoidal thread of the tubing reduces the technological difficulties that arise in the manufacture, control, use and repair of threads with a negative angle of the abutment face, and the complexity of manufacturing a special threaded tool.

Выполнение в конце зоны конусного радиального уплотнения раструбного элемента дополнительной радиальной конической поверхности, сопряженной со сферической поверхностью, выполненной в конце зоны конусного радиального уплотнения ниппельного элемента с образованием дополнительного герметизирующего узла, обеспечивает дополнительную герметичность соединению в условиях действия изгибных деформаций и позволяет работать соединению на изгиб.The implementation at the end of the zone of the conical radial seal of the bell-shaped element of the additional radial conical surface mating with the spherical surface, made at the end of the zone of the conical radial seal of the nipple element with the formation of an additional sealing assembly, provides additional tightness to the joint under conditions of bending deformation and allows the joint to work on bending.

Герметичность соединения обеспечивается протяженным радиальным уплотнением типа "металл-металл". Контакт по торцевым упорным поверхностям и дополнительной посадке сфера-конус рассматривается как вторичное уплотнение. Это связано с тем, что поверхности данных контактов могут быть механически повреждены при эксплуатации и хранении соединения.The tightness of the connection is ensured by an extended metal-metal radial seal. Contact on end resistant surfaces and an additional sphere-cone fit is considered as a secondary seal. This is due to the fact that the surfaces of these contacts can be mechanically damaged during operation and storage of the connection.

Оценка герметичности основного уплотнения металл-металл производится по запасу герметичности (коэффициенту герметичности), который должен быть больше единицы.The tightness of the main metal-metal seal is assessed by the tightness margin (tightness coefficient), which should be greater than one.

На запас герметичности влияют средние контактные давления и величина длины контактирующих поверхностей.The tightness margin is affected by the average contact pressures and the length of the contacting surfaces.

Пластическая приспосабливаемость соответствует малым пластическим деформациям, которые возникают в концентраторах напряжений. Приспосабливаемость заключается в том, что пластические деформации возникают только при первом нагружении конструкции, в дальнейшем при снятии и повторении нагрузок, дополнительного накопления пластических деформаций не происходит. Пластические деформации после приспособления конструкции к нагрузкам постоянны и носят локальный характер.Plastic adaptability corresponds to small plastic deformations that occur in stress concentrators. The adaptability lies in the fact that plastic deformations occur only during the first loading of the structure, and subsequently during the removal and repetition of loads, there is no additional accumulation of plastic deformations. Plastic deformations after the design is adapted to the loads are constant and are local in nature.

Локальные пластические деформации возникают при работе любого резьбового соединения: при растяжении в местах сопряжения поверхности впадин резьбы трубы с упорными гранями зубьев, при свинчивании и докреплении в тех местах, где по каким-либо причинам, возникли условия соответствующие точечному контакту.Local plastic deformations occur during the operation of any threaded connection: when tensile in the mating surfaces of the surface of the hollows of the pipe thread with the resistant faces of the teeth, when screwing and fastening in those places where, for some reason, conditions corresponding to the point contact occurred.

Протяженное радиальное уплотнение конус - конус, обеспечивает стабильность работы уплотнения при комбинированных нагрузках и допустимых отклонениях геометрии, а также условий сборки и эксплуатации.The extended radial seal cone - cone ensures the stability of the seal under combined loads and tolerances of geometry, as well as assembly and operating conditions.

В свинченном состоянии радиальный натяг по уплотнению больше натяга по резьбе. Разность натягов обеспечивает требуемый уровень герметичности в уплотнении металл-металл, независимо от особенностей свинчивания резьбовой части соединения.In the screwed-up state, the radial interference on the seal is greater than the interference on the thread. The difference in tightness provides the required level of tightness in the metal-metal seal, regardless of the peculiarities of screwing the threaded part of the connection.

Конструкция узла герметизации: расстояние между концом резьбы и началом уплотнения, размер уплотнения (осевая длина), форма конца ниппеля, включающая упорную торцевую поверхность, обеспечивает эффективную работу уплотнения. За счет краевого эффекта по краям уплотнения возникают пики давления, каждый из которых сам по себе достаточен для обеспечения требуемого запаса герметичности соединения. В то же время контактные давления во внутренней области уплотнения между сферической и конической поверхностью создают дополнительный барьер герметизации, который отвечает за герметичность соединения при эксплуатации насосно-компрессорных труб в скважинах с большим углом искривления колонны. Разность величин радиуса сферического уплотнения равных 1,1-1,3 мм минимальна с точки зрения сложности изготовления и контроля данного элемента. Проведен точный расчет методом математического моделирования в реальном времени с минимальной величиной 1,1 мм и максимальной величиной 1,3 мм. При свинчивании резьбового соединения и приложении знакопеременных нагрузок отмечено, что допускаемое отклонение с диапазоном 0,2 мм приводит к микронному смещению точки контакта сферической и ответной конической поверхности, но при этом величины контактных напряжений остаются не измененными и соответственно контактирующие элементы сохраняют герметизирующую способность центрального участка уплотнительного элемента «металл-металл».The design of the sealing unit: the distance between the end of the thread and the beginning of the seal, the size of the seal (axial length), the shape of the end of the nipple, including a persistent end surface, ensures efficient operation of the seal. Due to the edge effect, pressure peaks arise at the seal edges, each of which is sufficient in itself to provide the required margin of tightness of the joint. At the same time, contact pressures in the inner region of the seal between the spherical and conical surfaces create an additional sealing barrier, which is responsible for the tightness of the connection during operation of tubing in wells with a large angle of curvature of the string. The difference in the values of the radius of the spherical seal equal to 1.1-1.3 mm is minimal from the point of view of the complexity of manufacturing and control of this element. An exact calculation was carried out by the method of mathematical modeling in real time with a minimum value of 1.1 mm and a maximum value of 1.3 mm. When making a threaded connection and applying alternating loads, it was noted that the tolerance with a range of 0.2 mm leads to a micron shift of the contact point of the spherical and reciprocal conical surface, but the contact stresses remain unchanged and, accordingly, the contacting elements retain the sealing ability of the central portion of the sealing metal-metal element.

Упорный торец с обратным конусом поджимает зону сферического поверхности к конической и создает пятно контакта и способствует увеличению запаса по герметичности при осевом докреплении. В результате запас герметичности, создаваемый первоначально за счет радиального натяга в уплотнении, возрастает на 30-40%. В процессе проведения расчета методом конечных элементов определено, что при угле обратного конуса менее 5° упорного торца ниппельного и раструбного элементов сила F₂ не обеспечивает достаточного поджатия сферической поверхности к конической, не создает запирающего эффекта, и снижает степень герметичности уплотнительного элемента. При угле обратного конуса упорного торца ниппельного и раструбного элементов более 15°, при минимальном запасе полезной толщины стенки S, действие силы F₁ направлено в сторону отсутствия жесткой опоры и может приводить к пластической деформации внутреннего участка по периметру всего диаметра (фиг.8). Действие сил F₁, F₂ подтверждено как математическим расчетом так экспериментальным путем проведенных на натурных образцах соединения в промышленных условиях. Пластическая деформация внутреннего участка по периметру всего диаметра исключает возможность повторного свинчивания и применения соединения.A persistent end with a reverse cone presses the area of the spherical surface to the conical and creates a contact spot and contributes to an increase in the tightness margin during axial attachment. As a result, the tightness margin created initially due to the radial interference in the seal increases by 30–40%. In the process of calculating by the finite element method, it was determined that at an inverse cone angle of less than 5 ° of the thrust end of the nipple and bell elements, the force F ₂ does not provide sufficient compression of the spherical surface to the conical, does not create a locking effect, and reduces the degree of tightness of the sealing element. When the angle of the inverse cone of the persistent end of the nipple and bell elements is more than 15 °, with a minimum margin of useful wall thickness S, the action of the force F _{1 is} directed towards the absence of a rigid support and can lead to plastic deformation of the inner section along the perimeter of the entire diameter (Fig. 8). The action of the forces F ₁ , F _{2 is} confirmed both by mathematical calculation and experimentally carried out on full-scale samples of the compound in industrial conditions. Plastic deformation of the inner section along the perimeter of the entire diameter eliminates the possibility of re-screwing and application of the connection.

Отрицательный упорный торец обеспечивает сохранение герметичности резьбового соединения при изгибных нагрузках, в том числе знакопеременных.The negative thrust end ensures the tightness of the threaded joint under bending loads, including alternating ones.

Конструкция радиального уплотнения металл-металл, совместно с отрицательным упорным торцем, обеспечивает сохранение герметичности соединения при возникновении пластики в узле герметичности. В частности для случая перевинченного соединения, а также соединения нагруженного растягивающей или сжимающей силой, превышающей допускаемое значение (случай аварийных нагрузок, при которых происходит пластическое деформирование тела трубы вне резьбового соединения).The design of the metal-metal radial seal, together with the negative thrust end, ensures the preservation of the tightness of the connection when plastic occurs in the tightness assembly. In particular, for the case of a threaded joint, as well as a joint loaded with tensile or compressive force exceeding the permissible value (the case of emergency loads under which plastic deformation of the pipe body occurs outside the threaded joint).

Конструкция резьбы обеспечивает защиту узла герметизации от деформирования при действии эксплуатационных нагрузок. При достижении предельных нагрузок пластические деформации происходят в резьбовой части соединения и отсутствуют в узле герметизации.The design of the thread protects the sealing unit from deformation under the action of operational loads. Upon reaching ultimate loads, plastic deformations occur in the threaded part of the connection and are absent in the sealing unit.

Величины натягов в резьбе и уплотнении обеспечивают упругое радиальное обжатие носика при сборке соединения. В результате при развинчивании соединения изменения наружного диаметра концевого участка трубы не происходит.The values of the tightness in the thread and seal provide elastic radial compression of the nozzle during assembly of the connection. As a result, when the connection is unscrewed, changes in the outer diameter of the pipe end section do not occur.

Три зоны контакта обеспечивают несколько уровней герметичности, которые имеют различные значения при различных стадиях нагружения. Каждая зона контакта отвечает за свой диапазон нагрузок при работе соединения.Three contact zones provide several levels of tightness, which have different meanings at different stages of loading. Each contact zone is responsible for its own range of loads during connection operation.

Угол опорной грани витка уменьшен, что обеспечивает преимущество перед классическими резьбовыми соединениями типа БАТТРЕСС по API 5B, ОТТМ по ГОСТ 632, ОТТГ по ГОСТ 632. В соединении применена резьба конусность 1:20, что позволяет увеличить общую полезную длину конуса L и обеспечить нарезание до 12 полных витков резьбы до сбега, что значительно больше стандартных резьбовых соединений. Данная конструкция обусловлена использованием заготовки для насосно-компрессорных труб с тонкими стенками и позволяет оставить запас сечения стенки трубы S до 4 мм, необходимый для выполнения упорного торца узла герметизации и захода резьбонарезного инструмента. Ниппельный соединительный элемент имеет ограничение по запасу полезного сечения металла для выполнения элементов резьбового соединения, что заставляет точно определять линейные и угловые величины всех элементов резьбового соединения. Увеличенное количество полных витков резьбы обеспечивает наилучшие прочностные характеристики при растяжении и сжатии известные из общепринятых теорий резьбовых соединений. Большее количество витков резьбы позволяют равномерно распределить возникающие нагрузки. Конусность радиального конического поверхности уплотнительного элемента составляет 1:12, угол которой обеспечивает зону захода резьбонарезного инструмента на конусность 1:20 ниппельного элемента. Резьбонарезная пластина осуществляет движение по координате X и должна иметь достаточное расстояние для разбега (см. фиг.7). Комбинация конусности 1:12 радиальной конической поверхности уплотнительного элемента и конуса резьбы является предпочтительной для оптимизации режимов обработки металла резанием на токарно-винторезных станках, что подтвердилось в процессе подбора операций, отработки технологии нарезания резьбы в промышленных условиях.The angle of the support face of the coil is reduced, which provides an advantage over the classic BATTRESS threaded connections according to API 5B, OTTM according to GOST 632, OTTG according to GOST 632. The taper thread 1:20 is used in the connection, which allows to increase the total useful length of the cone L and ensure cutting to 12 full turns of thread to the run, which is much more than standard threaded connections. This design is due to the use of blanks for tubing with thin walls and allows you to leave a margin of pipe cross-section S up to 4 mm, which is necessary to perform the thrust end of the sealing unit and the threading tool. The nipple connecting element has a limit on the supply of useful metal section for the execution of threaded connection elements, which makes it possible to accurately determine the linear and angular values of all elements of the threaded connection. The increased number of full turns of the thread provides the best tensile and compression strength characteristics known from generally accepted theories of threaded joints. A larger number of threads allows evenly distributing the arising loads. The taper of the radial conical surface of the sealing element is 1:12, the angle of which provides a zone for the thread-cutting tool to enter the taper of 1:20 of the nipple element. The thread-cutting plate moves along the X coordinate and must have a sufficient distance for take-off (see Fig. 7). The combination of the 1:12 taper of the radial conical surface of the sealing element and the thread cone is preferable for optimizing the modes of metal processing by cutting on screw-cutting machines, which was confirmed in the process of selecting operations and developing technology for threading in industrial conditions.

Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого полезная модель явным образом не следует для специалиста по производству и эксплуатации обсадных и насосно-компрессорных труб, показал, что она не известна, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления высокогерметичного резьбового соединения труб, можно сделать вывод о ее соответствии критериям патентоспособности.A comparative analysis of the proposed technical solution with the identified analogues of the prior art, from which the utility model does not explicitly follow for a specialist in the production and operation of casing and tubing, showed that it is not known, but taking into account the possibility of industrial serial production of a high-tight threaded connection pipes, we can conclude that it meets the criteria of patentability.

Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером выполнения высокогерметичного резьбового соединения нефтегазовых труб, который не является единственно возможным и наглядно демонстрирует возможность получения указанного технического результата. Допускаются различные модификации и улучшения, не выходящие за пределы области действия полезной модели, определенные прилагаемой формулой.This utility model is illustrated by a specific example of a high-tight threaded connection of oil and gas pipes, which is not the only possible and clearly demonstrates the possibility of obtaining the specified technical result. Various modifications and improvements are allowed that do not go beyond the scope of the utility model defined by the attached formula.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:The essence of the utility model is illustrated by drawings, where:

- на фиг.1 изображен общий вид предлагаемого высокогерметичного резьбового соединения нефтегазовых труб;- figure 1 shows a General view of the proposed high-tight threaded connection of oil and gas pipes;

- на фиг.2 представлена схема профиля трапециевидной резьбы;- figure 2 presents a diagram of the profile of the trapezoidal thread;

- на фиг.3 изображены герметизирующие узлы уплотнения «металл-металл»;- figure 3 shows the sealing nodes of the seal "metal-metal";

- на фиг.4 изображен выносной элемент "Б" на фиг.3;- figure 4 shows the remote element "B" in figure 3;

- на фиг.5 показана разница между величиной 1,1 мм и 1,3 м радиуса сферического уплотнения и смещение точки контакта в плоскости ответной конической поверхности в состоянии свинченного соединения;- figure 5 shows the difference between the value of 1.1 mm and 1.3 m of the radius of the spherical seal and the displacement of the contact point in the plane of the mating conical surface in the state of the screwed joint;

- на фиг.6 показана зависимость величин конусов резьбовой части 1:20, конусной радиальной уплотнительной поверхности, длины полной резьбы L, необходимой величины торцевой уплотнительной поверхности S;- figure 6 shows the dependence of the values of the cones of the threaded part 1:20, the conical radial sealing surface, the length of the full thread L, the required size of the end sealing surface S;

- на фиг.7 показано действие силы F₁ на торцевую (упорную) поверхность раструбного соединительного элемента при угле фаски торцевой (упорной) поверхности более 15° и пластическая деформация материала по внутреннему диаметру элемента;- Fig.7 shows the action of the force F ₁ on the end (thrust) surface of the bell-shaped connecting element with a facet angle of the end (thrust) surface of more than 15 ° and plastic deformation of the material along the inner diameter of the element;

- на фиг.8 показано действие силы на торцевую (упорную) поверхность раструбного соединительного элемента при угле фаски торцевой (упорной) поверхности менее 5° и недостаточность действия силы F₂ для поджатия сферической уплотнительной поверхности;- Fig. 8 shows the effect of force on the end (thrust) surface of a bell-shaped connecting element at a facet angle of the end (thrust) surface of less than 5 ° and the insufficiency of the force F ₂ to compress a spherical sealing surface;

- на фиг.9 показана реализованная технология нарезания резьбы по конусу с разбега по траектории оси X.- figure 9 shows the implemented technology of threading along a cone with an take-off along the trajectory of the X axis.

В графических материалах соответствующие конструктивные элементы высокогерметичного резьбового соединения нефтегазовых труб обозначены следующими позициями:In graphic materials, the corresponding structural elements of the high-tight threaded connection of oil and gas pipes are indicated by the following positions:

1. - ниппельный соединительный элемент (ниппель);1. - nipple connecting element (nipple);

2. - раструбный соединительный элемент;2. - bell-shaped connecting element;

3. - коническая трапецеидальная резьба раструбного элемента 2;3. - conical trapezoidal thread of the bell-shaped element 2;

4. - коническая трапецеидальная резьба ниппельного элемента 1;4. - conical trapezoidal thread of the nipple element 1;

5. - радиальная уплотнительная поверхность ниппельного элемента 1;5. - radial sealing surface of the nipple element 1;

6. - радиальная уплотнительная поверхность раструбного элемента 2;6. - radial sealing surface of the bell-shaped element 2;

7. - торцевая уплотнительная поверхность раструбного элемента 2;7. - end sealing surface of the bell-shaped element 2;

8. - торцевая уплотнительная поверхность ниппельного элемента 1;8. - end sealing surface of the nipple element 1;

9. - упорная грань витка трапецеидальной резьбы раструбного элемента 2;9. - a persistent face of a turn of a trapezoidal thread of a bell-shaped element 2;

10. - упорная грань витка трапецеидальной резьбы ниппельного элемента 1;10. - thrust face of the trapezoidal thread of the nipple element 1;

11. - дополнительная радиальная коническая поверхность раструбного элемента 2.11. - additional radial conical surface of the bell-shaped element 2.

12. - сферическая поверхность ниппельного элемента 1.12. - spherical surface of the nipple element 1.

Высокогерметичное резьбовое соединение нефтегазовых труб включает ниппельный 1 и раструбный 2 соединительные элементы с коническими поверхностями, на которых выполнена трапецеидальная с конусностью 1:20 резьба, причем обе резьбовые части 3 и 4 имеют общий контур поверхности в виде усеченного конуса, а со стороны меньшего диаметра усеченного конуса последних выполнен герметизирующий узел с уплотнительными радиальными 5 и 6 и торцевыми 7 и 8 коническими поверхностями. Упорная грань 9 и 10 витка конической трапецеидальной резьбы 3 и 4 выполнена параллельной перпендикуляру оси резьбы. Радиальная коническая поверхность 6 раструбного элемента 2 и радиальная коническая поверхность 5 ниппельного элемента 1 сопряжены и выполнены с конусностью 1:12. В конце зоны конусного радиального уплотнения 6 раструбного элемента 2 выполнена дополнительная радиальная коническая поверхность 11, сопряженная со сферической поверхностью 12, выполненной в конце зоны конусного радиального уплотнения 5 ниппельного элемента 1 с радиусом, равным 1,0-1,3 мм с образованием дополнительного герметизирующего узла, который отвечает за герметичность соединения при эксплуатации насосно-компрессорных труб скважинах с большим углом искривления колонны. Дополнительная радиальная коническая поверхность 11 раструбного элемента 2 выполнена под углом 65° к нормали оси резьбы. На упорном торце 7 и 8 ниппельного 1 и раструбного 2 элементов выполнена фаска с углом среза от 5° до 15°, выполненная в виде обратного конуса к конусу обоих элементов.A highly tight threaded connection of oil and gas pipes includes a nipple 1 and a bell-shaped 2 connecting elements with conical surfaces on which a thread is made trapezoidal with a taper of 1:20, both threaded parts 3 and 4 have a common surface contour in the form of a truncated cone, and from the side of the smaller diameter of the truncated the cone of the latter made a sealing unit with radial sealing 5 and 6 and end 7 and 8 of the conical surfaces. The thrust face 9 and 10 of the turn of the tapered trapezoidal thread 3 and 4 is made parallel to the perpendicular axis of the thread. The radial conical surface 6 of the bell-shaped element 2 and the radial conical surface 5 of the nipple element 1 are conjugated and made with a taper of 1:12. At the end of the zone of the conical radial seal 6 of the bell-shaped element 2, an additional radial conical surface 11 is made associated with a spherical surface 12 made at the end of the zone of the conical radial seal 5 of the nipple element 1 with a radius of 1.0-1.3 mm to form an additional sealing node, which is responsible for the tightness of the connection during the operation of tubing wells with a large angle of curvature of the column. Additional radial conical surface 11 of the bell-shaped element 2 is made at an angle of 65 ° to the normal to the axis of the thread. A chamfer with a shear angle of 5 ° to 15 °, made in the form of an inverse cone to the cone of both elements, is made at the persistent end 7 and 8 of the nipple 1 and the bell-shaped 2 elements.

Таким образом, в предлагаемом резьбовом соединении применена комбинированная схема герметизирующих узлов, которые состоят из контактирующих между собой пары конических радиальных поверхностей 5, 6, пары конических упорных торцевых поверхностей 7, 8 и дополнительной пары контактирующей между собой конической радиальной поверхности 11 и сферическая поверхность 12, входящие в контакт друг с другом и образующих дополнительный барьер герметизации. На ниппельном конце контакт радиального уплотнения в форме сферической поверхности с ответной конической радиальной поверхностью раструбного элемента происходит с натягом на сравнительно небольшой площади, при этом возникают большие контактные напряжения, обеспечивая необходимую герметичность. Предлагаемая конструкция позволяет производить повторную сборку резьбового соединения без повреждений уплотнительной поверхности за счет быстрого достижения величины радиального натяга в процессе сборки. Сферический узел уплотнения позволяет резьбовому соединению оставаться герметичным при действии значительных изгибных нагрузок.Thus, in the proposed threaded connection, a combined scheme of sealing units is used, which consist of a pair of conical radial surfaces 5, 6 in contact with each other, a pair of conical thrust end surfaces 7, 8 and an additional pair of a conical radial surface 11 in contact with each other and a spherical surface 12, coming into contact with each other and forming an additional barrier to sealing. At the nipple end, the contact of the radial seal in the form of a spherical surface with the mating conical radial surface of the bell-shaped element is tightened over a relatively small area, and large contact stresses arise, providing the necessary tightness. The proposed design allows reassembly of the threaded connection without damaging the sealing surface due to the rapid achievement of the radial interference value during the assembly process. The spherical seal assembly allows the threaded connection to remain airtight when subjected to significant bending loads.

Высокогерметичное резьбовое соединение нефтегазовых труб работает следующим образом.Highly tight threaded connection of oil and gas pipes works as follows.

При сборке резьбового соединения осуществляется контакт ниппеля 1 и раструбного элемента 2 с помощью конической резьбы, наружной 3 и внутренней 4 с конусностью 1:20, при дальнейшем свинчивании в соединении вступают в контакт радиальные уплотнительные поверхности 5 и 6. При дальнейшем продвижении резьбы ниппеля в раструб радиальный натяг по резьбовым 3, 4 и уплотнительным 5, 6 поверхностям увеличивается до момента стыковки торцевых уплотнительных поверхностей 7 и 8 и при суммарном натяге (при достижении заданного крутящего момента), дальнейшие операции по сборке приостанавливаются (соединение собрано). В завершающей стадии свинчивания соединения сферическая поверхность 12 ниппеля 1 входит в контакт с дополнительной конической радиальной поверхностью 11 раструбного элемента 2.When assembling a threaded connection, the nipple 1 and the bell-shaped element 2 are contacted using a tapered thread, external 3 and internal 4 with a taper of 1:20, with further screwing in the joint, radial sealing surfaces 5 and 6 come into contact. With further advancement of the nipple thread into the socket the radial interference on threaded 3, 4 and sealing 5, 6 surfaces increases until the end of the sealing faces 7 and 8 is joined and with a total tightness (when the specified torque is reached), further assembly operations are suspended (connection is assembled). In the final stage of screwing the connection, the spherical surface 12 of the nipple 1 comes into contact with the additional conical radial surface 11 of the bell-shaped element 2.

Длина контактной поверхности уплотнения металл-металл на начальном этапе свинчивания растет за счет входа ниппеля 1 в ответную выточку раструбного элемента 2. На стадии осевого докрепления, после соприкосновения упорных торцов, длина контактной поверхности постоянна и соответствует длине контактной поверхности ниппеля. На заключительной стадии осевого докрепления и перевинчивании соединения длина контактной поверхности может уменьшаться из-за работы дополнительной посадки сфера-конус и пластической деформации упорного торца раструбного элемента.The length of the contact surface of the metal-metal seal at the initial stage of make-up increases due to the entry of the nipple 1 into the reciprocal groove of the bell-shaped element 2. At the stage of axial attachment, after the contacting of the contact ends, the length of the contact surface is constant and corresponds to the length of the contact surface of the nipple. At the final stage of axial attachment and overturning of the joint, the length of the contact surface may decrease due to the additional fit of the sphere-cone and plastic deformation of the persistent end of the bell-shaped element.

Конструкция резьбы обеспечивает защиту узла герметизации от деформирования при действии эксплуатационных нагрузок. При достижении предельных нагрузок пластические деформации происходят в резьбовой части соединения и отсутствуют в узле герметизации.The design of the thread protects the sealing unit from deformation under the action of operational loads. Upon reaching ultimate loads, plastic deformations occur in the threaded part of the connection and are absent in the sealing unit.

Преимуществом заявляемой полезной модели перед известными является повышение герметичности и увеличение прочности соединения при его спуске и эксплуатации, что позволяет использовать предлагаемое соединение, в том числе для газообразных сред.The advantage of the claimed utility model over the known ones is to increase the tightness and increase the strength of the connection during its descent and operation, which allows the use of the proposed connection, including for gaseous media.

Настоящая полезная модель промышленно применима, так как используемое промышленное оборудование и технология изготовления конических трапецеидальных резьб с целью повышения прочности и герметичности соединения осуществлены на новом принципе взаимодействия контактирующих поверхностей.This utility model is industrially applicable, since the industrial equipment used and the technology for manufacturing tapered trapezoidal threads in order to increase the strength and tightness of the joints are implemented on the new principle of interaction of contacting surfaces.

Claims (4)

1. Высокогерметичное резьбовое соединение нефтегазовых труб, включающее ниппельные и раструбные соединительные элементы с конической трапецеидальной резьбой, при этом со стороны меньшего диаметра усеченного конуса последних выполнен герметизирующий узел с уплотнительными радиальными и торцевыми коническими поверхностями, отличающееся тем, что упорная грань витка конической трапецеидальной резьбы выполнена параллельной перпендикуляру оси резьбы, причем радиальная коническая поверхность раструбного элемента и радиальная коническая поверхность ниппельного элемента сопряжены и выполнены с конусностью 1:12, в конце зоны конусного радиального уплотнения раструбного элемента выполнена дополнительная радиальная коническая поверхность, сопряженная со сферической поверхностью, выполненной в конце зоны конусного радиального уплотнения ниппельного элемента с радиусом, равным 1,0-1,3 мм, с образованием дополнительного герметизирующего узла.1. High-tight threaded connection of oil and gas pipes, including nipple and bell-shaped connecting elements with a tapered trapezoidal thread, while from the side of the smaller diameter of the truncated cone of the latter, a sealing assembly with sealing radial and end tapered surfaces is made, characterized in that the thrust face of the turn of the tapered trapezoidal thread is made parallel to the perpendicular axis of the thread, the radial conical surface of the bell-shaped element and the radial conical the surface of the nipple element is conjugated and made with a taper of 1:12, at the end of the zone of the conical radial seal of the bell-shaped element, an additional radial conical surface is made conjugated with a spherical surface made at the end of the zone of the conical radial seal of the nipple with a radius of 1.0-1 , 3 mm, with the formation of an additional sealing unit. 2. Соединение по п.1, отличающееся тем, что коническая трапецеидальная резьба выполнена с конусностью 1:20.2. The compound according to claim 1, characterized in that the tapered trapezoidal thread is made with a taper of 1:20. 3. Соединение по п.1, отличающееся тем, что дополнительная радиальная коническая поверхность раструбного элемента выполнена под углом 65° к нормали оси резьбы.3. The compound according to claim 1, characterized in that the additional radial conical surface of the bell-shaped element is made at an angle of 65 ° to the normal to the axis of the thread. 4. Соединение по п.1, отличающееся тем, что на упорном торце ниппельного и раструбного элементов выполнена фаска с углом среза от 5 до 15°, выполненная в виде обратного конуса к конусу обоих элементов. 4. The compound according to claim 1, characterized in that a chamfer with a cut angle of 5 to 15 ° is made on the thrust end of the nipple and bell elements, made in the form of an inverse cone to the cone of both elements.

Images