RU2728642C1

RU2728642C1 - Резьбовое упорное соединение класса премиум

Info

Publication number: RU2728642C1
Application number: RU2019127646A
Authority: RU
Inventors: Мерле И. ЭВАНС; Ерун Стейн Юлиан ВАН ВИТТЕНБЕРГЕ
Original assignee: Арселормиттал Тубьюлар Продактс Люксембург С.А.
Priority date: 2017-03-03
Filing date: 2018-02-28
Publication date: 2020-07-30
Also published as: JP2023116707A; US20200370682A1; EP3589818B1; KR102585421B1; RU2020124403A3; KR102344269B1; CN110366628A; MX2023013716A; DK3922807T3; US20180252343A1; KR20220046709A; EP3922807A1; WO2018158707A1; KR102490988B1; KR20230142646A; CA3053883A1; CA3053883C; ZA201904997B; CN110366628B; KR20190116342A

Abstract

Группа изобретений относится к резьбовым трубам и соединениям таких труб, которые могут быть использованы в нефтегазодобывающей промышленности. Технический результат – улучшение герметизирующих свойств уплотнения. Резьбовое трубное соединение содержит ниппель, имеющий наружную резьбу, уплотнительную поверхность ниппеля и упорный торец ниппеля, расположенный на свободном конце, и муфту для приема ниппеля, имеющую внутреннюю резьбу, предназначенную для взаимодействия с наружной резьбой, и упорный уступ муфты, предназначенный для контакта с упорным торцом ниппеля. Уплотнительная поверхность муфты предназначена для контакта с уплотнительной поверхностью ниппеля, причем ниппель и муфта определяют продольную ось. Упорный торец ниппеля имеет первую, обращенную наружу упорную поверхность ниппеля и вторую, обращенную внутрь упорную поверхность ниппеля. Причем первая упорная поверхность ниппеля пересекает ось, перпендикулярную продольной оси, под первым углом, а вторая упорная поверхность ниппеля пересекает перпендикулярную ось под вторым углом, при этом первая упорная поверхность ниппеля длиннее, чем вторая упорная поверхность ниппеля, причем абсолютная величина первого угла больше абсолютной величины второго угла. Упорный уступ муфты имеет первую, обращенную внутрь упорную поверхность муфты, и вторую, обращенную наружу упорную поверхность муфты. Причем первая упорная поверхность муфты пересекает ось, перпендикулярную продольной оси, под третьим углом, а вторая упорная поверхность муфты пересекает перпендикулярную ось под четвертым углом, при этом длина первой упорной поверхности муфты больше длины второй упорной поверхности муфты. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 19 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к резьбовым трубам и соединениям таких труб, которые могут быть использованы в нефтегазодобывающей промышленности. Например, на конце трубы может быть выполнен ниппель, вставляемый в муфту с одной стороны соединительного замка, при этом труба с соединительным замком соединяется с помощью резьбы. Соединительный замок может иметь вторую муфту, предназначенную для соединения с ниппелем второй трубы, так что первая и вторая трубы оказываются соединенными друг с другом соединительным замком.

Уровень техники

В публикации международной заявки № 84/04352 описано трубное соединение или соединительный замок, содержащие муфту и ниппель с двухзаходной конической резьбой. На ответных контактных уплотнительных поверхностях предусмотрены два уплотнения металл-металл. Упорный торец на конце ниппельного элемента и упорный уступ внутреннего окончания муфтового элемента с противоположными углами, а также взаимодействующие резьбы тоже являются отличительными особенностями соединения, а также муфтового и ниппельного элементов.

В патенте США № 4,623,173 описано резьбовое соединение для нефтяных труб. Главный уплотнительный участок содержит уплотнительный элемент, выпуклый в осевом направлении на конце охватываемого резьбового элемента, и уплотнительный элемент, сужающийся на внутренней стороне охватывающего резьбового элемента, причем конец охватываемого резьбового элемента упирается в конец упора, сформированного на внутренней стороне охватывающего резьбового элемента.

В патенте США № 4,624,488 описано трубное соединение, содержащее взаимодействующие друг с другом внутренние уплотнительные поверхности в форме усеченного конуса на внутренней поверхности муфтового элемента и на свободном конце ниппельного элемента. Внутренняя уплотнительная поверхность ниппельного элемента выполнена с наклоном внутрь на угол приблизительно четырнадцать градусов относительно оси трубного соединения рядом с торцом ниппельного элемента. Угол наклона внутренней уплотнительной поверхности муфты практически равен углу наклона внутренней поверхности ниппеля. Направляющая или закругленная поверхность, проходящая от ближнего конца до дальнего конца ниппельного элемента, выполнена с меньшим углом наклона, чем угол наклона внутренней поверхности ниппельного элемента, и практически параллельна оси соединения, определяя увеличенную толщину плоского конца ниппеля.

В патенте США № 7,334,821 описано резьбовое трубное соединение, содержащее охватываемый резьбовой элемент и охватывающий резьбовой элемент. Охватываемый резьбовой элемент содержит резьбовой участок и свободный конец, а также кромку без резьбы между резьбовым участком и свободным концом. Охватывающий резьбовой элемент содержит коническую резьбу и участок без резьбы между резьбовым участком охватывающего элемента и выступом. Охватывающий резьбовой элемент содержит кольцевую осевую контактную поверхность. По окончании свинчивания и соединения охватываемого резьбового элемента с охватывающим резьбовым элементом свободный конец упирается в кольцевую осевую контактную поверхность, причем другие опорные поверхности взаимодействуют друг с другом в радиальном направлении и создают контактное давление металл-металл, образуя уплотнения металл-металл.

Таким образом, согласно изобретению, раскрытому в патенте США № 7,334,821, на передней поверхности свободного конца охватываемого резьбового элемента образуется еще одна осевая опорная поверхность, при этом единая уплотнительная поверхность выступа располагается на выступе на осевом расстоянии от конца резьбового участка. Выступ содержит между дальней осевой опорной поверхностью и единой уплотнительной поверхностью выступа дополнительный элемент, периферическая поверхность которого обращена к охватывающему резьбовому элементу, отличающемуся от уплотнительной поверхности выступа.

В публикации патентной заявки США № 2014/0145433 описано трубное соединение, содержащее ниппельный и муфтовый элементы. Ниппельный элемент содержит первую резьбовую структуру и спиральный упорный торец, расположенный на расстоянии от первой резьбовой структуры в осевом направлении ниппельного элемента. Муфтовый элемент содержит вторую резьбовую структуру и спиральный упорный уступ, расположенный на расстоянии от второй резьбовой структуры в осевом направлении муфтового элемента. При вращении указанные упорные торец и уступ взаимодействуют друг с другом.

Раскрытие сущности изобретения

В процессе свинчивания соединения класса Премиум между резьбовым трубчатым элементом с ниппелем, таким как труба, и резьбовым трубчатым элементом с муфтой, таким как соединительный замок, выполняются следующая последовательность операций: (1) ниппель трубы вставляется в соединительный замок, пока вершины резьб указанных элементов не войдут в контакт друг с другом; (2) ниппель затем ввинчивается в муфту до тех пор, пока уплотнительная поверхность ниппеля не войдет в контакт с уплотнительной поверхностью муфты, чтобы определить положение, называемое "свинчивание вручную"; (3) ниппель дополнительно ввинчивается в муфту до тех пор, пока конец ниппеля, так называемый "упорный торец", не войдет в контакт с соответствующим упорным уступом муфты, чтобы определит положение, называемое "контакт упорных поверхностей"; причем при вышеупомянутом дополнительном ввинчивании ниппеля в муфту из положения свинчивания вручную до положения контакта упорных поверхностей возникает натяг между уплотнительными поверхностями ниппеля и муфты; и (4) затем ниппель дополнительно ввинчивается в муфту, создавая дополнительный крутящий момент и определяя конечное положение свинчивания, называемое "механическим свинчиванием".

Расстояние между упорным торцом ниппеля и упорным уступом муфты, когда соединение находится в положении свинчивания вручную, называется "зазором". Когда достигается положение контакта упорных поверхностей, вышеупомянутый зазор исчезает. Большой зазор может представлять собой проблему, поскольку уплотнительная поверхность ниппеля и уплотнительная поверхность муфты находятся в контакте, когда зазор исчезает. Если требуется значительное вращение ниппеля относительно муфты для уменьшения большого зазора, может происходить истирание уплотнительных поверхностей, что ухудшает герметизирующие свойства уплотнения.

Задача настоящего изобретения заключается в создании резьбового упорного соединения, фиксирующего или захватывающего ниппель в муфте, тем самым уменьшая или устраняя перемещение ниппеля относительно муфты. Например, резьбовое упорное соединение может предотвращать перемещение, изгиб или деформацию ниппеля в радиальном направлении.

Альтернативная или дополнительная задача заключается в создании соединения, являющегося простым в изготовлении.

Настоящее изобретение предлагает резьбовое трубное соединение. Резьбовое трубное соединение включает в себя ниппель, имеющий наружную резьбу, уплотнительную поверхность ниппеля и упорный торец ниппеля, расположенный на свободном конце, и муфту, предназначенную для приема ниппеля и имеющую внутреннюю резьбу, предназначенную для вхождения в зацепление с резьбой ниппеля, уплотнительную поверхность муфты, предназначенную для контакта с уплотнительной поверхностью ниппеля, и упорный уступ муфты, предназначенный для контакта с упорным торцом ниппеля. Ниппель и муфта определяют продольную ось. Упорный торец ниппеля содержит первую упорную поверхность ниппеля и вторую упорную поверхность ниппеля, причем первая упорная поверхность ниппеля пересекает ось, перпендикулярную продольной оси, под первым углом, а вторая упорная поверхность ниппеля пересекает перпендикулярную ось под вторым углом. Упорный уступ муфты содержит первую упорную поверхность муфты и вторую упорную поверхность муфты. Первая упорная поверхность муфты пересекает ось, перпендикулярную продольной оси, под третьим углом, а вторая упорная поверхность муфты пересекает перпендикулярную ось под четвертым углом.

Настоящее изобретение предлагает также другое резьбовое трубное соединение. Резьбовое трубное соединение включает в себя ниппель, имеющий внутреннюю резьбу, уплотнительную поверхность ниппеля и упорный торец ниппеля, расположенный на свободном конце, и муфту, предназначенную для приема ниппеля и имеющую наружную резьбу, предназначенную для вхождения в зацепление с внутренней резьбой, уплотнительную поверхность муфты, предназначенную для контакта с уплотнительной поверхностью ниппеля, и упорный уступ муфты, предназначенный для контакта с упорным торцом ниппеля. Ниппель и муфта определяют продольную ось. Упорный торец ниппеля содержит по меньшей мере одну упорную поверхность ниппеля, имеющую радиус ниппеля, причем по меньшей мере одна упорная поверхность ниппеля изогнута относительно продольной оси. Упорный уступ муфты содержит по меньшей мере одну упорную поверхность муфты, имеющую радиус муфты, причем по меньшей мере одна упорная поверхность муфты изогнута относительно продольной оси.

Настоящим изобретением предлагается также способ формирования резьбового трубного соединения. Предлагаемый способ формирования резьбового трубного соединения включает в себя этапы:

обеспечения ниппеля, имеющего наружную резьбу, уплотнительную поверхность ниппеля и упорный торец ниппеля, расположенный на свободном конце, причем упорный торец ниппеля содержит первую упорную поверхность ниппеля, проходящую в первом направлении, и вторую упорную поверхность ниппеля, проходящую во втором направлении;

обеспечения муфты, имеющей внутреннюю резьбу, уплотнительную поверхность муфты и упорный уступ муфты, расположенный на свободном конце, причем упорный уступ муфты содержит первую упорную поверхность муфты, проходящую в третьем направлении, и вторую упорную поверхность муфты, проходящую в четвертом направлении;

вставки ниппеля в муфту, так чтобы указанные наружная резьба и внутренняя резьба вошли в зацепление друг с другом;

вращения ниппеля относительно муфты до тех пор, пока уплотнительная поверхность ниппеля не войдет в контакт с уплотнительной поверхностью муфты; и

дополнительного вращения ниппеля относительно муфты до тех пор, пока первая упорная поверхность муфты не войдет в контакт с первой упорной поверхностью ниппеля и вторая упорная поверхность муфты не войдет в контакт со второй упорной поверхностью ниппеля.

Краткое описание чертежей

Предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения будет рассмотрен со ссылками на следующие прилагаемые чертежи.

На фиг. 1A-1D показано подробное изображение известного упорного соединения;

на фиг. 2A и 2B - сечение соединения класса Премиум для нефтяных труб согласно настоящему изобретению, на втором этапе свинчивания, в положении свинчивания вручную;

на фиг. 3A и 3B - соединение на третьем этапе свинчивания, в положении контакта упорных поверхностей;

на фиг. 4 - сечение соединения класса Премиум для нефтяной трубы согласно настоящему изобретению, при этом ниппель нефтяной трубы введен в муфту соединительного замка;

на фиг. 5A и 5B - подробное изображения упорного соединения согласно настоящему изобретению, показанного на фиг. 2A-4;

на фиг. 6-8 - подробные изображения дополнительных вариантов выполнения упорных соединений согласно настоящему изобретению;

на фиг. 9 - схема сил, действующих на ниппель, выполненный согласно варианту осуществления изобретения, показанному на фиг. 5A и 5B;

на фиг. 10A и 10B - другой предпочтительный вариант выполнения упорного соединения согласно настоящему изобретению;

на фиг. 11A и 11B - еще один предпочтительный вариант выполнения упорного соединения согласно настоящему изобретению;

Осуществление изобретения

На фиг. 1A показано традиционное резьбовое упорное соединение с уплотнением металл-металл, применяемое в известном уровне техники. Муфта 1520 содержит уплотнительную поверхность 1524 муфты и упорный уступ 1526 муфты. Ниппель 1420 содержит уплотнительную поверхность 1424 ниппеля, торцовую кромку 1428 и упорный торец 1426 ниппеля. Как видно из фиг. 1А, уплотнительная поверхность 1424 ниппеля расположена на конце ниппеля 1420. Когда соединение было осуществлено, торцовая кромка 1428 ниппеля 1420 расположена между уплотнительной поверхностью 1424 ниппеля и упорным торцом 1426 ниппеля. Соединение ниппеля 1420 и муфты 1520 определяет продольную ось трубы и соединительного замка (не показана). Ось X перпендикулярна продольной оси и проходит через конец упорного торца 1426 и упорного уступа 1526 на торцовой кромке 1428 ниппеля. Каждый из упорного торца 1426 ниппеля и упорного уступа 1526 муфты содержит единственную упорную поверхность, расположенную под углом относительно перпендикулярной оси X. Внутренний угол A между упорными поверхностями 1426, 1526 и перпендикулярной осью X может составлять, например, приблизительно -15°, то есть 15° в направлении по часовой стрелке от оси X. Этот угол наклона известен из уровня техники. В рассматриваемом примере торцовая кромка 1428 ниппеля плотно зажата между уплотнительной поверхностью 1524 муфты и поверхностью 1526 упорного уступа муфты (см., например, патент США № 7,334,821).

На фиг. 1D показано известное из уровня техники соединение класса Премиум. На фиг. 1B представлен вид в увеличенном масштабе соединения, показанного на фиг. 1D, в момент, когда упорный торец 1426 и упорный уступ 1526 только начинают входить в контакт друг с другом. Зазор Sc, имеющийся между наружной поверхностью ниппеля 1420 и расположенной напротив нее внутренней поверхностью муфты 1520, необходим для облегчения сборки. Несмотря на то, что угол A играет полезную роль для фиксации ниппеля 1420 и муфты 1520 вместе после сборки, как видно из фиг. 1C, при дальнейшем затягивании соединения угол A вызывает врезание ниппеля 1420 в муфту 1520. Этот нежелательный контакт может препятствовать обеспечению правильного положения соединения во время сборки и может приводить к повреждению уплотнительных поверхностей 1424, 1524 или упорного торца 1426 и упорного уступа 1526.

Настоящим изобретением предлагается соединение класса Премиум, обладающее преимуществами относительно известного уровня техники, которые заключаются, например, в том, что можно контролировать перемещение ниппеля и уменьшать вышеупомянутый нежелательный контакт и повреждение уплотнительных поверхностей. Соединение класса Премиум включает в себя упорный торец ниппеля и упорный уступ муфты, имеющих множество поверхностей; например, каждый из упорного торца и упорного уступа может содержать верхнюю и нижнюю упорные поверхности (в соответствии с ориентацией на фиг. 2A-11B). Еще одной особенностью настоящего изобретения является расположение уплотнительных поверхностей на расстоянии от упорных поверхностей, как показано на фиг. 2A, 3A и 10A. Еще особенностью настоящего изобретения является наличие расстояния между кромкой ниппеля и кромкой муфты или соединительного замка даже после того, как ниппель установлен в своем окончательном положении (фиг. 5A, а также фиг. 6-8 и 10A).

В предпочтительном варианте осуществления изобретения как верхняя, так и нижняя упорные поверхности ниппеля и муфты, могут входить в контакт друг с другом одновременно. Таким образом, соединительный замок обеспечивает нейтральный захват для ниппеля. В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения верхние упорные поверхности ниппеля и муфты могут входить в контакт друг с другом до того, как нижние упорные поверхности ниппеля и муфты войдут в контакт друг с другом. В этом варианте осуществления изобретения ниппель может быть изогнут вниз (фиг. 6). В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения нижние упорные поверхности ниппеля и муфты могут входить в контакт друг с другом до того, как верхние упорные поверхности ниппеля и муфты войдут в контакт друг с другом. В этом варианте осуществления изобретения ниппель может быть изогнут вверх (фиг. 2B и 3B). В результате, перемещением ниппеля можно управлять так, как требуется.

На фиг. 4 приведен вид в разрезе нефтяной трубы 10 и соединительного замка 100 на первом этапе, во вставленном положении. На фиг. 2A и 2B показано соединение нефтяной трубы 10 с соединительным замком 100 на втором этапе, после того как было выполнено вращение. Нефтяная труба 10 содержит ниппель 20 с резьбовым участком 22, уплотнительной поверхностью 24 ниппеля и упорным торцом 26 на свободном конце. Упорный торец 26 ниппеля содержит первую поверхность 26a и вторую поверхность 26b. Соединительный замок 100 содержит две муфты 120, 120'. Каждая муфта 120, 120' содержит резьбовой участок 122, уплотнительную поверхность 124 муфты и упорный уступ 126, расположенный на направленном радиально внутрь выступе 150. Упорный уступ 126 муфты содержит первую поверхность 126a и вторую поверхность 126b. В данном варианте осуществления изобретения первая упорная поверхность 126a муфты взаимодействует с первой упорной поверхностью 26a ниппеля, а вторая упорная поверхность 126b муфты взаимодействует со второй упорной поверхностью 26b ниппеля.

Соединительный замок 100 содержит два свободных конца 102 и 102', как показано на фиг. 4. Как было указано выше, во вставленном положении нефтяная труба 10 вставлена или введена в соединительный замок 100 на длину, при которой резьбовой участок 22 ниппеля 20 контактирует с резьбовым участком 122 муфт 120, 120'. В этот момент ниппель 20 еще не вращался относительно муфт 120, 120'. При вращении ниппеля 20 относительно муфт 120, 120' формируется соединение.

Этот второй этап свинчивания известен как положение свинчивания вручную, в котором резьбовые поверхности 22, 122 или уплотнительные поверхности 24, 124 только начинают входить в контакт друг с другом. Резьба 22 ниппеля 20 входит в зацепление с резьбой 122 муфты 120. Уплотнительная поверхность 24 ниппеля и уплотнительная поверхность 124 муфты только начинают касаться друг друга. В положении свинчивания вручную существует зазор или расстояние "Sa" между первыми поверхностями 26a, 126a упорного торца 26 ниппеля и упорного уступа 126 муфты, а также зазор или расстояние "Sb" между вторыми поверхностями 26b, 126b упорного торца 26 ниппеля и упорного уступа 126 муфты. В рассматриваемом варианте осуществления изобретения зазор Sa, например, составляет приблизительно 0,060 дюйма, а зазор Sb, например, составляет приблизительно 0,030 дюйма. Величина зазоров Sa и Sb может изменяться в результате влияния введенного в конструкцию уплотнения, при этом углы уплотнения не обязательно должны быть равными.

На конце ниппеля 20 выступает торцовая кромка 27. Торцовая кромка 27 расположена между внутренней поверхностью 21 и наружной поверхностью 23 ниппеля 20 по длине упорного торца 26 в направлении оси P, перпендикулярной продольной оси. Торцовая кромка 27 является вершиной, в которой соединяются первая поверхность 26a и вторая поверхность 26b упорного торца 26. В рассматриваемом варианте осуществления изобретения первая поверхность 26a проходит в одном направлении от наружной поверхности 23 к торцовой кромке 27 и во втором направлении по наружной окружности трубы 10. Вторая поверхность 26b проходит в одном направлении от внутренней поверхности 21 к торцовой кромке 27 и во втором направлении по внутренней окружности трубы 10. Расположение торцовой кромки 27 отличается от расположения торцовой кромки 1428, показанной на фиг. 1A. Как показано на фиг. 1A, торцовая кромка расположена на одном конце упорного торца 1426 на наружной поверхности ниппеля 1420 и на уплотнительной поверхности 1424 ниппеля или рядом с ней. Как видно из фиг. 2A-11, торцовая кромка 27 не расположена на одном конце упорного торца 26 ниппеля. Вместо этого торцовая кромка 27 расположена посередине или в центральной части упорного торца 26 ниппеля по длине упорного торца 26 на виде в разрезе. Форма торцовой кромки 27 может быть различной, например: угловой, углубленной, притупленной, полукруглой, выпуклой, конусовидной, закругленной, V-образной и т.д. Углубление 127 расположено по длине упорного уступа 126 в направлении, перпендикулярном продольной оси, при этом его вершина является точкой соединения первой поверхности 126a и второй поверхности 126b. В рассматриваемом варианте осуществления изобретения геометрия торцовой кромки 27 соответствует геометрии углубления 127, так что торцовая кромка 27 и углубление 127 соединяются вместе, когда ниппель 20 ввинчивается в соединительный замок 100; углубление 127 входит в контакт с торцовой кромкой 27, а упорный торец 26 ниппеля входит в контакт с упорным уступом 126 муфты (фиг. 5).

Разница по ширине между зазором Sa и зазором Sb возникает потому, что торцовая кромка 27 сначала не выровнена с углублением 127 относительно продольной оси. Как видно из фиг. 2B и 3B, торцовая кромка 27 расположена ниже углубления 127. Это смещение торцовой кромки 27 относительно углубления 127 заставляет ниппель 20 выгибаться вверх, когда торцовая кромка 27 входит в углубление 127. Изгиб ниппеля 20 обеспечивает вхождение торцовой кромки 27 в углубление 127 и приводит к образованию более плотного соединения. В другом варианте осуществления изобретения торцовая кромка 27 может быть расположена выше углубления 127, так что при завинчивании ниппель изгибается вниз, что также приводит к формированию более плотного соединения (см., например, фиг. 6).

На фиг. 3A и 3B показан третий этап свинчивания, т.е. первое положение контакта упорных поверхностей, которое возникает после дальнейшего вращения ниппеля 20 относительно муфты 120. При ввинчивании ниппеля 20 в муфту 120 уплотнительные поверхности 24, 124 прижимаются друг к другу до тех пор, пока упорный торец 26 и упорный уступ 126 не войдут в контакт друг с другом. В рассматриваемом предпочтительном варианте осуществления изобретения ответные вторые поверхности 26b, 126b просто контактируют друг с другом. В результате зазор Sb между вторыми поверхностями 26b, 126 исчезает. Однако зазор Sa между ответными первыми поверхностями 26a, 126a все еще существует. После точки контакта упорного торца 26 и упорного уступа 126 друг с другом дополнительное вращение еще не произошло, и, таким образом, в этом положении дополнительный крутящий момент на упорный торец 26 и упорный уступ 126 еще не воздействует. В этом положении между кромкой ниппеля 20 и поверхностью BS муфты 120 имеется расстояние S1 в радиальном направлении. Относительные углы уплотнительных поверхностей 24, 124 отодвигают кромку ниппеля 20 и поверхность BS муфты 120 друг от друга на величину S1 уплотнительного натяга, предусмотренного в конструкции соединения для обеспечения достаточного контактного давления с целью формирования герметичного уплотнения.

Четвертый этап свинчивания, т.е. второе положение контакта упорных поверхностей, наступает при дальнейшем вращении ниппеля 20 относительно муфты 120. При дальнейшем ввинчивании ниппеля 20 в муфту 120 уплотнительные поверхности 24, 124 еще больше прижимаются друг к другу до тех пор, пока первая поверхность 26a упорного торца и первая поверхность 126a упорного уступа не войдут в контакт друг с другом. Радиальное расстояние S1 уменьшается на величину радиального смещения между вершинами 27, 127. Смещение конца ниппеля в радиальном направлении наружу заставляет уплотнительные поверхности 24, 124 еще плотнее прижиматься друг к другу, создавая более герметичное уплотнение. V-образная форма, образуемая первой и второй упорными поверхностями, не позволяет зазору S1 стать нулевым и предотвращает нежелательный контакт муфты с ниппелем.

Пятым и последним этапом свинчивания является так называемое положение механического свинчивания. На этом этапе к упорному торцу 26 и упорному уступу 126 прилагается дополнительный крутящий момент, но происходит очень незначительное дополнительное вращение, например, порядка 0,01 оборота. Поскольку происходящее дополнительное вращение очень мало, положение механического свинчивания для соединения выглядит так же, как положение контакта упорных поверхностей, показанное на фиг. 3A и 3B.

Увеличение крутящего момента зависит от трения, жесткости ниппеля, жесткости муфты в области уплотнения, количества вошедших в сцепление витков резьбы (если таковые имеются), используемой смазки и величины натяга в уплотнениях. После того, как уплотнительные поверхности 24, 124 входят в контакт друг с другом, крутящий момент начинает быстро возрастать. Возрастание крутящего момента обусловлено прижатием уплотнительных поверхностей 24, 124 друг к другу. Крутящий момент продолжает возрастать с приблизительно постоянной скоростью до тех пор, пока упорные поверхности не войдут в контакт в положении контакта упорных поверхностей. После того как упорный торец 26 и упорный уступ 126 вошли в контакт друг с другом, крутящий момент начинает возрастать крайне быстро. После того как упорный торец 26 и упорный уступ 126 вошли в контакт, к соединению прикладывается дополнительный крутящий момент, до тех пор, пока не будет достигнуто заранее заданное положение механического свинчивания и не будет достигнуто заданное значение крутящего момента. Для достижения конечного значения крутящего момента при свинчивании необходимо лишь очень незначительное вращение, например, порядка 0,01 оборота.

На фиг. 5A и 5B показан вид в разрезе резьбового упорного соединения согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Как видно из фиг. 5A и 5B, в варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 2A-4, ниппель 20 является отхватываемым элементом, а муфта 120 является охватывающим элементом, так что ниппель 20 может входить в муфту 120. В рассматриваемом варианте осуществления изобретения как упорный торец 26 ниппеля, так и упорный уступ 126 муфты оба имеют V-образную форму. Уплотнительная поверхность 24 ниппеля и уплотнительная поверхность 124 муфты расположены на расстоянии от соответствующих упорного торца 26 и упорного уступа 126 в направлении продольной оси (не показана), определяемой соединением трубы с соединительным замком. Однако упорный торец и упорный уступ могут также иметь поперечные сечения другой формы и конструкции.

V-образный выступ упорного торца 26 ниппеля взаимодействует с V-образным углублением упорного уступа 126 муфты, что сделано для уменьшения или предотвращения перемещения ниппеля 20 в других направлениях, например: радиально внутрь или наружу. Например, первые поверхности 26a, 126a не дают ниппелю 20 переместиться вверх, в угол муфты 120, удерживая торцовую кромку 27 ниппеля 20 внизу. А вторые поверхности 26b, 126b не позволяют внешнему давлению переместить ниппель 20 внутрь, что могло бы привести к уменьшению герметичности контакта между уплотнительными поверхностями 24, 124.

Первые поверхности 26a, 126a образуют с осью P внутренний угол Va. Величина внутреннего угла Va может составлять 15°, т.е. 15° относительно оси P в направлении против часовой стрелки. Вторые поверхности 26b, 126b образуют с осью P внутренний угол Vb. Величина внутреннего угла Vb может составлять -15°, т.е. 15° относительно оси P в направлении по часовой стрелке. Величина внутренних углов Va, Vb может составлять, например, от 3 до 60° и от -3 до -60° соответственно. Кроме того, абсолютная величина внутреннего угла Va может быть равна абсолютной величине внутреннего угла Vb или может отличаться от нее. Например, как показано на фиг. 5B, угол Va равен 15° и не равен абсолютной величине угла Vb, который составляет -45°, поскольку 15°≠|-45°|, так что Va≠|Vb|. В еще одном примере угол Va может составлять 20°, а угол Vb может составлять -10°, причем в этом случае Va≠|Vb|, так как 20°≠|-10°|.

Как видно из фиг. 5B, торцовая кромка 27 и углубление 127 расположены в центре упорного торца и упорного уступа или рядом с ним по длине упорных поверхностей 26a, 26b, 126a, 126b в направлении по оси P. Первая поверхность 26a ниппеля имеет такую же или приблизительно такую же длину, что и вторая поверхность 26b ниппеля, при этом первая поверхность 126a муфты имеет такую же или приблизительно такую же длину, что и вторая поверхность 126 муфты. В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 5B, торцовая кромка 27 и углубление 127 являются вершиной внутренних углов Va, Vb, однако это лишь неограничивающий пример предпочтительного варианта осуществления изобретения. Геометрия упорного торца 26 и упорного уступа 126, включающая в себя торцовую кромку 27, углубление 127 и углы Va, Vb, может изменяться. Могут использоваться различные формы и положения вершин. Могут использоваться различные формы поверхностей 26a, 26b, 126a, 126b или углы Va, Vb. Например, торцовая кромка 27 совсем не обязательно должна находиться в центре упорного торца 26, а может быть расположена ближе к внутренней поверхности 21, чем к наружной поверхности 23.

Как показано в другом предпочтительном варианте осуществления изобретения, приведенном на фиг. 6, первые поверхности 26a, 126a длиннее, чем вторые поверхности 26b, 126b, при этом первый угол Va больше абсолютной величины второго угла Vb. На фиг. 7 показан вариант осуществления изобретения, в котором первые поверхности 26a, 126a короче, чем вторые поверхности 26b, 126b, при этом первый угол Va меньше второго угла Vb. Геометрические параметры первых поверхностей 26a, 126a, вторых поверхностей 26b, 126b и вершин (т.е. торцовой кромки и углубления) 27, 127 выбираются таким образом, чтобы обеспечить получение желаемых результатов. Как уже было указано выше, вершины 27, 127 сначала могут не быть выровненными, чтобы обеспечить отклонение конца ниппеля вниз, например, с целью выпрямления или минимизации изгиба ниппеля. Или, например, может быть необходимо приподнять конец ниппеля вверх с целью увеличения контактного давления в уплотнениях 24, 124.

На фиг. 8 показан еще один предпочтительный вариант выполнения упорных торцов 26 и упорных уступов 126, в котором упорный торец 26 и упорный уступ 126 имеют тупую, закругленную или криволинейную форму поперечного сечения в отличие от V-образной формы поперечного сечения, изображенной на фиг. 5-7. Первая поверхность 26a имеет первый радиус Ra, вторая поверхность 26b имеет второй радиус Rb, первая поверхность 126a имеет третий радиус Rc, а вторая поверхность 126b имеет четвертый радиус Rd. Первый и третий радиусы Ra, Rc могут быть равны или могут отличаться от соответствующих второго и четвертого радиусов Rb, Rd. Торцовая кромка 27 расположена между первой поверхностью 26a и второй поверхностью 26b. Углубление 127 расположено между первой поверхностью 126a и второй поверхностью 126b. Как было указано выше при рассмотрении варианта осуществления изобретения с V-образной формой поперечного сечения, первые поверхности 26a, 126a, вторые поверхности 26b, 126b, а также радиусы Ra, Rb, Rc, Rd и вершины могут быть изменены таким образом, чтобы заставить ниппель 20 перемещаться вверх или вниз или зафиксировать ниппель 20 в требуемом положении относительно муфты 120. В еще одном варианте осуществления изобретения ниппель может иметь единственную поверхность с единственным радиусом, а также муфта может иметь единственную поверхность с единственным радиусом. В рассматриваемом варианте осуществления изобретения радиус ниппеля и радиус муфты могут быть равны или не равны друг другу, при этом центры для радиусов могут находиться на одинаковом расстоянии или на разных расстояниях от оси. Если два радиуса радиально смещены относительно друг друга, то конец ниппеля будет стремиться сместиться вверх или вниз, в зависимости от того, каким образом радиусы смещены относительно друг друга.

Конструкции с V-образной и закругленной формами поперечного сечения упорных торцов 26 и упорных уступов 126 обладает преимуществами по сравнению с известным уровнем техники, поскольку геометрия с охватывающим и охватываемым элементами обеспечивает фиксацию или ограничение перемещения ниппеля в муфте в радиальном направлении и, таким образом, ограничивает или предотвращает смещение ниппеля. Путем изменения конструкции упорного торца 26 и упорного уступа 126 можно компенсировать или минимизировать изгиб, наклон или отклонение ниппеля. Кроме того, за счет изменения конструкции можно увеличить контактное давление между уплотнительными поверхностями 24, 124. Возможно также получение и других преимуществ.

Предпочтительно, первый и второй углы Va, Vb или первый и второй радиусы Ra, Rb выбираются достаточно маленькими, чтобы большей составляющей силы F, действующей на ниппель 20, была осевая составляющая A, а не радиальная составляющая R.

На фиг. 10A и 10B показано соединение муфты и ниппеля, которые имеют упорный уступ и упорный торец с V-образным профилем поперечного сечения, но перевернутым по сравнению с профилями, рассмотренными в вариантах осуществления изобретения, показанных на фиг. 2A-9. В данном варианте осуществления изобретения ниппель 220 является охватывающим элементом, а муфта 320 является охватываемым элементом. Муфта 320 содержит уплотнительную поверхность 324 муфты, первую упорную поверхность 326a и вторую упорную поверхность 326b. Между первой упорной поверхностью 326a и второй упорной поверхностью 326b расположена торцовая кромка 327. Ниппель 220 содержит уплотнительную поверхность 224 ниппеля, первую упорную поверхность 226a и вторую упорную поверхность 226b. Между первой упорной поверхностью 226b и второй упорной поверхностью 226b выполнено углубление 227. В рассматриваемом варианте осуществления изобретения вершина между поверхностями 326a и 326b муфты образует торцовую кромку 327, а вершина между поверхностями 226a и 226b ниппеля образует углубление 227. Торцовая кромка 327 и углубление являются ответными поверхностями, так что при вращении ниппеля 220 в муфте 320 торцовая кромка 327 входит в углубление 227 точно так же, как было описано выше при рассмотрении вариантов, показанных на фиг. 2А-5B. Такая инвертированная конструкция упорного торца и упорного уступа может быть выполнена также с закругленной торцовой кромкой, показанной на фиг. 8.

На фиг. 11A и 11B показано резьбовое упорное соединение, в котором ниппель 520 и муфта 420 имеют разные геометрии упорных поверхностей, а вершины 527 и 427 не взаимодействуют друг с другом, как в рассмотренных выше предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения. На фиг. 11A показан ниппель 520, имеющий полукруглую или закругленную упорную поверхность 526, содержащую первую упорную поверхность 526a и вторую упорную поверхность 526b. Вершина 527 расположена между первой упорной поверхностью 526a и второй упорной поверхностью 526b. Муфта 420 имеет V-образную упорную поверхность 426, которая содержит первую упорную поверхность 426a и вторую упорную поверхность 426b. Вершина 427 расположена между первой упорной поверхностью 426a и второй упорной поверхностью 426b. Ниппель 520 и муфта 420 контактируют друг с другом так же, как было описано выше для конструкций, показанных на фиг. 2A-5B. При завинчивании ниппеля 520 в муфту 420 первая упорная поверхность 526a входит в контакт с первой упорной поверхностью 426a, а вторая упорная поверхность 526b входит в контакт со второй упорной поверхностью 426b. В вариантах осуществления изобретения, показанных на фиг. 11A и 11B, вершина 427 и вершина 527 могут не контактировать друг с другом вследствие различной геометрии упорного торца 526 и упорного уступа 426. В рассматриваемой конструкции после свинчивания между вершинами 426, 526 остается зазор или пространство 530. Кроме того, вследствие различий геометрии и конструкции упорных поверхностей 526, 426, определенные участки упорных поверхностей 526, 426 не будут контактировать друг с другом.

На фиг. 11B показаны ниппель 520, имеющий V-образную упорную поверхность 526, и муфта 420 с полукруглой или закругленной упорной поверхностью 426. Упорная поверхность 526 ниппеля содержит первую упорную поверхность 526a и вторую упорную поверхность 526b. Между первой упорной поверхностью 526a и второй упорной поверхностью 526b расположена вершина 527. Упорная поверхность 426 муфты содержит первую упорную поверхность 426a и вторую упорную поверхность 426b. Между первой упорной поверхностью 426a и второй упорной поверхностью 426b расположена вершина 427. Ниппель 520 и муфта 420 контактируют друг с другом так же, как было описано выше для конструкций, показанных на фиг. 2A-5B и 11A. При завинчивании ниппеля 520 в муфту 420 первая упорная поверхность 526a входит в контакт с первой упорной поверхностью 426a, а вторая упорная поверхность 526b входит в контакт со второй упорной поверхностью 426b. Между вершинами 327 и 527 остается пространство 530.

Как видно из фиг. 11A и 11B, конструкция ниппеля 520 и муфты 420 может быть такой, что вершины 527 и 427 будут выровнены друг с другом и, таким образом, при вставке ниппеля 520 в муфту 420 во время свинчивания упорные поверхности 526a, 526b ниппеля будут входить в контакт с упорными поверхностями 426a, 426b муфты одновременно. Альтернативно, конструкция упорных поверхностей 526, 426 и вершин 527, 427 может быть выполнена такой, что сначала будут входить в контакт друг с другом первые упорные поверхности 526a, 426a, а затем, при дальнейшем ввинчивании ниппеля 520 в муфту 420, в контакт друг с другом будут входить вторые упорные поверхности 526b, 426b. В еще одном возможном варианте осуществления изобретения упорные поверхности 526, 426 и вершины 527, 427 могут быть выполнены так, что сначала будут входить в контакт друг с другом вторые упорные поверхности 526b, 426b, а затем, при дальнейшем ввинчивании ниппеля 520 в муфту 420, в контакт друг с другом будут входить первые упорные поверхности 526a, 426a.

Геометрическая форма упорных поверхностей 426, 526 может быть самой различной, например (помимо других возможных вариантов): полукруглой, закругленной, притупленной, угловой, выпуклой или V-образной.

В представленном описании настоящее изобретение было описано на примере частных вариантов его осуществления. Однако очевидно, что возможны различные модификации и изменения настоящего изобретения без отклонения от более широкой сущности и объема настоящего изобретения, определяемыми прилагаемой формулой изобретения. Таким образом, описание и прилагаемые чертежи следует рассматривать как носящие исключительно иллюстративный, но никоим образом не ограничительный характер.

Claims

1. Резьбовое трубное соединение, содержащее:

ниппель, имеющий наружную резьбу, уплотнительную поверхность ниппеля и упорный торец ниппеля, расположенный на свободном конце; и

муфту для приема ниппеля, имеющую внутреннюю резьбу, предназначенную для взаимодействия с наружной резьбой, уплотнительную поверхность муфты, предназначенную для контакта с уплотнительной поверхностью ниппеля, и упорный уступ муфты, предназначенный для контакта с упорным торцом ниппеля;

причем ниппель и муфта определяют продольную ось;

при этом упорный торец ниппеля имеет первую, обращенную наружу упорную поверхность ниппеля и вторую, обращенную внутрь упорную поверхность ниппеля, причем первая упорная поверхность ниппеля пересекает ось, перпендикулярную продольной оси, под первым углом, а вторая упорная поверхность ниппеля пересекает перпендикулярную ось под вторым углом, при этом первая упорная поверхность ниппеля длиннее, чем вторая упорная поверхность ниппеля, причем абсолютная величина первого угла больше абсолютной величины второго угла;

при этом упорный уступ муфты имеет первую, обращенную внутрь упорную поверхность муфты и вторую, обращенную наружу упорную поверхность муфты, причем первая упорная поверхность муфты пересекает ось, перпендикулярную продольной оси, под третьим углом, а вторая упорная поверхность муфты пересекает перпендикулярную ось под четвертым углом, при этом длина первой упорной поверхности муфты больше длины второй упорной поверхности муфты.

2. Соединение по п. 1, в котором абсолютная величина первого, второго, третьего и четвертого углов относительно перпендикулярной оси составляет от 3 до 60°.

3. Соединение по п. 1, в котором первый и третий углы являются положительными углами относительно перпендикулярной оси, а второй и четвертый углы являются отрицательными углами относительно перпендикулярной оси.

4. Соединение по п. 1, в котором первая упорная поверхность ниппеля и вторая упорная поверхность ниппеля сходятся в вершине ниппеля, при этом первая упорная поверхность муфты и вторая упорная поверхность муфты сходятся в вершине муфты, причем вершина ниппеля и вершина муфты смещены относительно друг друга вдоль продольной оси.

5. Соединение по п. 4, в котором величина смещения выбрана такой, чтобы увеличить контактное давление между уплотнительной поверхностью ниппеля и уплотнительной поверхностью муфты.

6. Соединение по п. 1, в котором первый и второй углы выбраны такими, чтобы большей составляющей силы, действующей на ниппель, была осевая составляющая силы.

7. Соединение по п. 1, в котором первый угол равен третьему углу, а второй угол равен четвертому углу.

8. Соединение по п. 1, в котором первая упорная поверхность ниппеля и вторая упорная поверхность ниппеля сходятся, образуя V-образную форму сечения.

9. Способ формирования резьбового трубного соединения по п. 1, включающий этапы:

10. Способ по п. 9, в котором указанные первое и третье направления являются разными, а также второе и четвертое направления являются разными.

11. Способ по п. 9, в котором указанные первое и третье направления являются одинаковыми, а также второе и четвертое направления являются одинаковыми.

12. Способ по п. 9, в котором первая упорная поверхность ниппеля и вторая упорная поверхность ниппеля сходятся, образуя торцовую кромку ниппеля, при этом первая упорная поверхность муфты и вторая упорная поверхность муфты сходятся, образуя углубление, причем указанное углубление является ответным торцовой кромке ниппеля и контактирует с указанной торцовой кромкой ниппеля после этапа дополнительного вращения.