UA71575C2 - Різьбове з'єднання двох металевих труб з великим моментом загвинчування - Google Patents

Abstract

Різьбове з'єднання двох металевих труб, згідно з винаходом, включає на зовнішньому елементі зовнішню конічну різьбу з трапецеїдальними виступами і на внутрішньому елементі сполучену внутрішню різьбу. Ширина зовнішнього і внутрішнього виступів на вершині виступу менша, ніж ширина біля основи виступів. Ширина вершин виступів більша, ніж ширина сполучених заглибин. Зовнішній і внутрішній елементи загвинчуються до положення, що виходить за межу того положення, при якому обидві поверхні зовнішніх виступів приходять в контакт з обома поверхнями внутрішніх виступів. Таке з'єднання дозволяє проводити загвинчування з дуже високим моментом. Виступи однієї і/або іншої різьби можуть мати або не мати паза, що виходить на вершину виступу.

Description

Опис винаходу

Винахід стосується різьбового з'єднання двох металевих труб на конічному різьбленні з трапецеїдальними 2 виступами.

Відоме застосування такого з'єднання в колонах труб для кріплення шахтного стовбура або для виробництва, а також в колонах бурових штанг для вуглеводневих свердловин.

Нижче в тексті цього документа термін "різьбове з'єднання двох металевих труб" охоплює як з'єднання, зване суцільним, двох труб великої довжини, так і з'єднання першої труби великої довжини і другої труби малої 70 довжини, такої, наприклад, як муфта.

Так, Американський нафтовий інститут (АРІ) в свій специфікації АРІ 5СТ дає визначення металевим трубам і різьбовому з'єднанню металевих труб з метою експлуатації і кріплення шахтного стовбура вуглеводневих свердловин, і в своїй специфікації АРІ 5В дає визначення стандартним формам виступів конічного різьблення для таких з'єднань. 12 Виступи різьблення таких з'єднань можуть бути трапецеїдального типу і мають на кожному з елементів, зовнішньому і внутрішньому, западину, вершину виступу і дві бічні поверхні, а саме несучу поверхню і поверхню зчеплення.

Западини і вершини виступів частіше за все паралельні конусу різьблення.

Несучі поверхні називаються так тому, що спираючись одна на одну, коли на з'єднання впливає, наприклад, розтягуюче навантаження ваги труб, вони служать для того, щоб з'єднання витримувало вплив таких розтягуючих навантажень. Несучі поверхні розташовані на виступах з боку, протилежного боку поверхонь зчеплення.

У процесі загвинчування таких з'єднань, в зв'язку з конічною формою різьблень, в певний момент, відповідний даному положенню зовнішніх елементів відносно внутрішніх, западини одного з елементів входять в с 22 контакт з вершинами виступів іншого елемента. Ге)

Якщо продовжити загвинчування зовнішнього елемента у внутрішній елемент після досягнення елементами описаного положення, зовнішні виступи увійдуть в протидію в радіальному напрямі з внутрішніми виступами, що веде до здуття внутрішнього елемента і стиснення зовнішнього елемента; таку протидія потрібно обмежувати з тим, щоб не сталося надмірного напруження або деформації. о

Діаметральна протидія між зв'язаними точками двох поверхонь, що обертаються, які радіально протидіють, - звичайно визначається, як різниця між діаметрами поперечного перетину в даних точках, яка вимірюється до початку з'єднання і приймається за позитивну, якщо обидві поверхні по закінченні з'єднання чинять контактний о тиск між двома зв'язаними точками. З метою обмеження даних навантажень або деформацій, на кожному з «-- елементів, зовнішньому і внутрішньому, можна передбачити кільцеву опорну поверхню в напрямі, поперечному відносно осі з'єднання, причому опорні поверхні розташовуються так, що упор між ними виникає в певний момент - обертання, і вони точно визначають, таким чином, положення відповідне закінченню загвинчування.

Положення, відповідне закінченню з'єднання, визначається моментом, необхідним для досягнення даного положення. «

Застосування опорних поверхонь в стані упору для регулювання положення з'єднання має і інші переваги: З 70 напруження несучих поверхонь різьб з'єднання, які в цьому випадку готові сприймати розтягуючи с навантаження, що впливають на з'єднання під час експлуатації;

Із» установка зовнішнього і внутрішнього елементів в точне положення, якщо кожний з елементів, зовнішній і внутрішній, з'єднання має герметизуючу поверхню, яка радіально протидіє з такою ж поверхнею зв'язаного елемента, причому високий тиск на контакті метал-метал між двома поверхнями не викликає ризику пластифікації останніх; 7 зменшення ризику випадкового відгвинчування, пов'язаного з моментом загвинчування, який потрібно - усунути до розгвинчування з'єднання, при певному значенні даного моменту, який завжди більше мінімального значення. і-й У Європейському патенті Мо488.912 описане таке з'єднання, в якому конічні різьблення нагвинчені одне на -і 20 інше, і яке має пару металевих герметизуючих поверхонь в стані радіальної протидії і пару опорних поверхонь в стані упору, а саме увігнуту конічну поверхню на торці зовнішнього елемента і кільцеву опуклу поверхню, що сл створює внутрішню закраїну на внутрішньому елементі.

Таке з'єднання може загвинчуватися з номінальними моментами, значення яких може досягати ЗАКнОмМ (25000фунт-сила-фут), наприклад, що буває достатнім в більшості випадків. 52 Проте, іноді буває необхідно проводити загвинчування з ще більшим моментом, наприклад, при з'єднанні

ГФ) труб для кріплення стовбура в свердловинах з численними відхиленнями або для горизонтальних свердловин, що дозволяють експлуатацію великої дільниці на одній місцевості. о Застосування технологій обертання колони, що має декілька бурових труб на кінці ("буровий хвостовик"), дозволяє, крім того, поліпшити тампонаж горизонтальних свердловин, але вимагає різьбового з'єднання труб з 60 моментами, значення яких більше, ніж значення моменту обертання колони, з тим щоб уникнути обертання елементів різьблення один відносно одного, коли колону приводять у обертання, оскільки обертання різьбових елементів може привести до зміни зносостійкості з'єднань, зокрема, їх герметичності.

Нижче в Таблиці 1 наводяться величини моментів загвинчування для описаного застосування. б5 Таблиця 1

Опорні поверхні в стані упору не можуть витримувати такі значення моменту без появи дефектів, якщо тільки ую Не збільшити радіальну ширину опорних поверхонь, але тоді доведеться застосовувати труби дуже великої товщини, які можуть не відповідати вимогам застосування.

Отже, необхідно використати також інші засоби, крім опорних поверхонь в стані упору, для поглинання високого моменту загвинчування.

В публікації міжнародної заявки на патент МУО94/29627 описується різьбове з'єднання з використанням конічного різьблення з трапецеїдальними виступами, званими клиноподібними, у формі хвоста ластівки і, зокрема, половини хвоста ластівки.

Такі виступи називають клиноподібними або з шириною, що змінюється, оскільки ширина зовнішнього і внутрішнього виступів змінюється, починаючи з одного торця різьблення у напрямі до іншого, координовано на зовнішньому різьбленні і на внутрішньому різьбленні.

Такі виступи називають виступами в формі половини хвоста ластівки, оскільки вони нависають над западинами з одного боку, або з боку несучих поверхонь, або з боку поверхонь зачеплення, і тому, що кут між несучою поверхнею і нормаллю до осі з'єднання і кут між поверхнею зчеплення і даною нормаллю такі, що ширина виступів на їх вершині більше, ніж у їх основи.

Коли зовнішній елемент вводять до внутрішнього, згідно з документом М/О94/29627, найвужчі вершини сч виступів виявляються навпроти найширших западин, і утворюється значний осьовий зазор між зв'язаними виступами різьблення. (8)

По мірі загвинчування зовнішнього елемента у внутрішній елемент, осьовий зазор меншає до положення, в якому обидві зовнішні поверхні приходять в контакт із зв'язаними з ними внутрішніми поверхнями.

За межею цього положення внутрішні поверхні зчіплюються із зовнішніми поверхнями, і в результаті виникає ю зо дуже швидке зростання кривої моменту загвинчування в залежності від обертання.

Таке з'єднання, згідно з документом У/О094/25627, звичайно, витримує великий момент загвинчування, в. завдяки розгорненій поверхні різьб, але має декілька значних недоліків. ю

Передусім, різьблення з клиноподібними виступами з шириною, що змінюється є таким, що дорого коштує у виготовленні і важко контрольованою. --

Крім того, гострі кути хвоста ластівки або половини хвоста ластівки, розташовані з боку несучої поверхні їм іабо з боку поверхні зчеплення, утворюють кути, дуже чутливі до ударів, і злами, що є результатом такого удару, порушують роботу з'єднання.

Такі кути викликають, крім того, ефект надрізу у основи виступів і, отже, посилення крихкості при експлуатації.

Мета даного винаходу полягає в тому, щоб виконати різьбове з'єднання з великим моментом Т « 70 Загвинчування, з усуненням вказаних вище недоліків, і, зокрема, різьбове з'єднання, виготовлення елементів з с якого є економічним і яке є легким в експлуатації.

Крім того, мета полягає в тому, щоб виконати різьбове з'єднання, при якому шуканий момент загвинчування з досягається після деякого обертання, наприклад, порядку одного оберту, і навіть більш.

Крім того мета полягає в тому, щоб при деяких конфігураціях нахил кривої моменту загвинчування - обертання меншав, починаючи з даного значення моменту, і виражав, таким чином, характеристику -І самообмеження моменту загвинчування.

Мета також полягає в тому, щоб виконати з'єднання з високою герметичністю стосовно зовнішніх і/або - внутрішніх текучих речовин, що зберігається навіть після численних загвинчувань - відгвинчувань. с Різьбове з'єднання двох металевих труб, згідно з даним винаходом, включає зовнішній елемент на торці першої труби, угвинчений у внутрішній елемент на торці другої труби. і Зовнішній елемент має зовні зовнішнє конічне різьблення з трапецеїдальними виступами, ширина вершин с яких менше ширини їх основи.

Внутрішній елемент має зсередини конічне різьблення з трапецеїдальними виступами, форма яких зв'язана з формою виступів зовнішнього різьблення.

Під внутрішнім різьбленням, зв'язаним за формою із зовнішнім різьбленням, мають на увазі тут внутрішнє різьблення, конусність і крок якої значною мірою ідентичні конусності і кроку зовнішнього різьблення, а форма (Ф) внутрішніх виступів значною мірою ідентична формі зовнішніх виступів, причому нахил несучих поверхонь і ко поверхонь зчеплення внутрішніх виступів відносно осі з'єднання, зокрема, ідентичний нахилу відповідних поверхонь зовнішніх виступів, а ширина вершин внутрішніх виступів менше ширини їх основ, як і у зовнішніх во виступів.

Ширина вершин виступів кожного різьблення, зовнішнього або внутрішньої, більше ширини основ западин зв'язаного різьблення.

При загвинчуванні зовнішнього елемента у внутрішній елемент, їх положення один відносно одного таке, що воно виходить за межі контакту обох поверхонь зовнішнього елемента з обома поверхнями внутрішнього б5 елемента, досягнутого в процесі загвинчування, і спричиняє зачеплення в осьовому напрямі зовнішніх виступів з внутрішніми виступами і навпаки.

Завдяки зв'язаній трапецеїдальній формі зовнішніх і внутрішніх виступів, що застосовуються, і тому факту, що їх ширина на вершині виступу менше їх ширини у основи, зовнішні і внутрішні виступи проникають в радіальному напрямі клиноподібно в зв'язані западини по мірі осьового просування виступів при загвинчуванні, так що вслід за контактом двох зв'язаних поверхонь виникає зачеплення в осьовому напрямі зовнішніх виступів внутрішніми виступами і навпаки.

Таке зачеплення по всій площі поверхонь виражається в можливості поглинання виступами підвищеного моменту Т загвинчування.

Характеристики цих виступів такі, що вони прості у виготовленні, легко зазнають контролю і не дуже крихкі 7/0 при використанні.

У заявці на Європейський патент Мо454.147 описується різьбове з'єднання з використанням конічного різьблення з трапецеїдальними виступами, де ширина вершин внутрішніх виступів більше, ніж ширина зовнішніх западин, і по закінченні з'єднання дві поверхні різьблення одного елемента знаходяться в контакті з двома поверхнями різьблення зв'язаного елемента, щонайменше, на частині різьблення.

Однак, згідно із заявкою Мо454147, мета полягає тільки в тому, щоб отримати звичайний контакт, до того ж тільки частковий, між зв'язаними поверхнями так, щоб, якщо з'єднання зазнає стискаючого навантаження після того, як воно зазнавало розтягуючого навантаження, не сталося зсуву в положенні поверхонь в зв'язку з тим, що спочатку був осьовий зазор на рівні останніх, такий зсув може викликати пластифікацію металу, зокрема, герметизуючих поверхонь, що може створити надалі небезпеку витікання текучої речовини, якщо з'єднання знов го зазнає розтягуючого навантаження. Для досягнення такого простого контакту, заявкою Мо454147 передбачається обов'язкове застосування засобів для збереження положення елементів, а саме опорної поперечної поверхні на кожному елементі, причому кожна опорна поверхня може впиратися в поверхню зв'язаного елемента. Зв'язані поверхні зчеплення, зовнішня і внутрішня, розташовані таким чином, що між ними є мінімальний осьовий зазор до того, як опорні поверхні прийдуть в контакт, даний осьовий зазор зводиться до с ов нуля або майже до нуля, коли опорні поверхні приходять в стан упору. Дані поперечні поверхні в стані упору, крім того, забезпечують класичне поглинання моменту загвинчування, причому в заявці Мо454147 не і) розкривається суть різьбового з'єднання з великим моментом загвинчування.

Згідно з даним винаходом, по закінченні загвинчування діаметральна протидія між вершинами виступів кожної з двох різьб, зовнішньої і внутрішньої, і зв'язаними западинами переважно має негативне або нульове ю зо значення.

З цією метою, коли обидві поверхні зовнішнього різьблення входять в контакт із зв'язаними поверхнями - внутрішнього різьблення в процесі загвинчування, переважно, щоб осьовий зазор між вершинами виступів і ю зв'язаними з ними западинами був, щонайменше, рівний 0,15мм.

У переважному варіанті діаметральна протидія між вершинами виступів однієї з двох різьб, зовнішньої або (/-їЖ7 внутрішньої, і западинами зв'язаного різьблення має позитивне значення по закінченні загвинчування. ї-

Переважно, щоб кут 5 між несучою поверхнею і поверхнею зчеплення зовнішніх або внутрішніх виступів був меншим або рівний 20", з метою досягнення ефективного осьового зчеплення виступів, як ефекту клина.

Особливо переважне значення кута від 7" до 20", зокрема, ближче до 10".

Переважно також:, щоб вершини виступів кожної з різьб, зовнішньої і внутрішньої, нависали над западинами « того Ж різьблення з боку несучих поверхонь, причому кут о, між несучою поверхнею і нормаллю до осі з'єднання с вважається в цьому випадку негативним і такими, що має значення від 0 до -15"7. ц Бажано, щоб для пом'якшення дуже сильного ефекту клина, що викликає різкий підйом кривої 4Г/4М моменту "» загвинчування в залежності від числа обертів, щонайменше, одна з різьб, зовнішня і/або внутрішня, мала паз, що виходить на вершину виступу по всій, або - по частині довжини різьблення або різьб.

Такий паз посилює пластичність виступу і трохи зменшує сили зчеплення, тим більше, що паз має значну -І глибину і ширину. В результаті відбувається явне зменшення нахилу кривої аТ/а4М моменту загвинчування в з залежності від числа обертів за рахунок невеликого зменшення максимального моменту загвинчування. Можна також оптимізувати обидві характеристики максимального моменту обертання і нахилу кривої ат/ам. с Відомі описані в патенті Франції Мо2.408.061 різьбові з'єднання з трапецеїдальними виступами, в яких один

З виступів має щось на зразок паза, що виходить на вершину виступу.

Однак, даний паз тісно пов'язаний зі структурами поверхонь виступів, що дозволяють отримати з'єднання, сл які самоблокуються, тобто перешкоджаючими самовідгвинчуванню: з цією метою нахил поверхонь виступів з пазом відрізняється від нахилу виступів без паза, і в зв'язку з цим ширина паза на його виході меншає по мірі загвинчування під дією згинаючого зусилля, що є результатом різниці в напрямі нахилу поверхонь зв'язаних ВвИиСТтУупіВв.

Даний патент ні в якій мірі не розкриває функцію засобів з'єднання, згідно з винаходом, і не о застосовується до виступів, що мають характеристики, згідно з винаходом, зокрема зв'язану форму зовнішніх і ко внутрішніх виступів.

Переважно, згідно з винаходом, щоб паз мав глибину не більш, ніж висота виступу, і ширину на виході паза бо на вершину виступу не більш, ніж 2/3 ширини виступу, причому за висоту виступу приймається радіальна відстань, та, що вимірюється перпендикулярно осі з'єднання між конусом оболонки вершин виступів і западин, а ширина виступу вимірюється паралельно осі з'єднання на половині висоти виступів.

Переважно також, щоб паз мав в подовжній осьовій площині О-подібний профіль з паралельними або непаралельними сторонами або М-подібний профіль із закругленим дном. 65 Особливо переважно, щоб закруглення дна паза мало радіус, щонайменше, рівному 0,2мм. з метою уникнення концентрації навантажень на дні паза.

Переважно також, щоб зовнішній елемент і внутрішній елемент, мали, щонайменше, одну герметизуючу поверхню, причому кожна зовнішня герметизуюча поверхня має в основному подовжній напрям і радіально протидіє з внутрішньою опорною герметизуючою поверхнею по закінченні з'єднання, завдяки чому

Забезпечується герметичність з'єднання.

Переважно, щоб кожний зовнішній елемент і внутрішній елемент мав, щонайменше, одну опорну поверхню в поперечним напрямі, причому, щонайменше, одна зовнішня опорна поверхня впирається у внутрішню опорну поверхню по закінченні з'єднання, забезпечуючи точне положення герметизуючих поверхонь і визначаючи таким чином, їх протидію. 70 Такі опорні поверхні, навпаки, не мають функції визначення положення закінчення з'єднання, коли поверхні зчеплення виступів приходять в контакт.

На вказаних нижче фігурах представлені окремі варіанти здійснення винаходу, що не мають обмежувального характеру.

Фіг.1 - зображає напіврозріз по осі торця труби або муфти, що має внутрішній елемент різьбового з'єднання, згідно з винаходом.

Фіг.2 - напіврозріз по осі торця іншої труби, що має зовнішній елемент різьбового з'єднання, згідно з винаходом.

Фіг.З - розріз по осі різьбового з'єднання, отриманого після загвинчування елементів за Фіг.1 і 2.

Фіг4 - схематично напіврозріз по осі деталі декількох внутрішніх виступів внутрішнього елемента, 2о показаного на Фіг.1.

Фіг5 - схематично напіврозріз по осі деталі декількох зовнішніх елементів зовнішнього елемента, показаного на Фіг.2.

Фіг - схематично напіврозріз по осі деталі декількох виступів, показаних на Фіг4 і 5 в процесі здійснення з'єднання, представленого на Фіг.3. сч

Фіг.7 і 8 зображають варіант Фіг.4.і 5.

Фіг9 зображає схематично напіврозріз по осі деталі декількох виступів, показаних на Фіг.7 і 8 в і) сполученому вигляді.

Фіг.10 - криву моменту Т загвинчування в залежності від числа обертів М по двох варіантах з'єднання, показаного на Фіг.б. ю зо Фіг.11 - варіант фігури 4 з пазом, виконаним у внутрішніх виступах.

Фіг.12 - варіант фігури 5 з пазом, виконаним у зовнішніх виступах. -

Фіг.13 - криву моменту Т загвинчування в залежності від числа обертів М за двома варіантами з'єднання ю елементів, показаного на Фіг.11 і 12.

Фіг.14 - застосування даного винаходу до муфтового різьбового з'єднання. --

На Фіг.3 зображене різьбове з'єднання 100 зовнішнього елемента 1 на торці першої металевої труби 101 і ї- внутрішнього елемента 2 на торці другої металевої труби 102, яка може бути трубою великої довжини або муфтою. Такі різьбові з'єднання служать, наприклад, для утворення колон труб для кріплення шахтного стовбура або для виробництва у вуглеводневих свердловинах.

Зовнішній елемент 1, зображений на Фіг.2, має на зовнішній поверхні зовнішнє конічне різьблення З з « трапецеїдальними виступами, і його торець, який в той же час є торцем першої труби, має торцеву зовнішню 7-3) с поверхню 7, кільцеву і поперечну.

Внутрішній елемент 2, зображений на Фіг.1, має на своїй внутрішній поверхні конічне внутрішнє різьблення з 4, зв'язане із зовнішнім різьбленням 3.

З'єднання труб 101, 102 отримують шляхом загвинчування зовнішнього різьблення З зовнішнього елемента 1

У внутрішнє різьблення 4 внутрішнього елемента 2. -І З'єднання, показане на Фіг.3, може мати або не мати на кожному з елементів додаткові кошти для забезпечення герметичності з'єднання, а саме: - а) на зовнішньому елементі герметизуючу зовнішню поверхню 5, конічної форми, конусність якої в основному с більше конусності зовнішнього різьблення 3; конусність герметизуючої поверхні 5 по відношенню до діаметра 5р становить, наприклад, 2090.

Ш- б) на внутрішньому елементі: внутрішню герметизуючу поверхню б, конічної форми, конусність якої в сп основному ідентична конусності зовнішньої герметизуючої поверхні 5, і внутрішню закраїну з опорною кільцевою і поперечною поверхнею 8.

Поверхня зовнішнього торця 7 можливо, як відома, конічної угнутої з напівкутом, дуже відкритим на ов Вершині, наприклад, 757, а внутрішня опорна поверхня 8 в цьому випадку є опуклою, також з напівкутом на вершині. (Ф) Додаткові засоби 5, 6, 8, які не є обов'язковими, згідно з винаходом, працюють таким чином в з'єднанні 100. ка Зовнішня герметизуюча поверхня 5 протидіє в радіальному напрямі з внутрішньою опорною поверхнею 6, тобто до здійснення з'єднання її діаметр в одній контрольній точці більше діаметра в зв'язаній точці бо Внутрішньої герметизуючої поверхні 6, причому діаметр також вимірюється до здійснення з'єднання.

Продовження загвинчування, після виникнення контакту між опорними герметизуючими поверхнями в процесі загвинчування, викликає зростаючу діаметральну протидію даних поверхонь.

Точне положення, відповідне закінченню з'єднання, визначається спиранням поверхні зовнішнього торця 7 об опорну поверхню 8 внутрішньої закраїни, що визначає точне значення протидії між герметизуючими поверхнями в5 98.

Положення, відповідне закінченню з'єднання, може, зокрема, бути визначено за даним значенням моменту загвинчування.

Конічна опукло-увігнута форма опорних поверхонь 7, 8 перешкоджає роз'єднанню опорних поверхонь і збільшує контактний тиск герметизуючих поверхонь.

На Фіг4, 5, 6 більш детально представлені характеристики зовнішньої і внутрішньої різьб з'єднання, згідно з винаходом.

Зовнішнє різьблення З (Фіг.5) - це конічне різьблення з кроком Р, директриса 21 найпростішої поверхні якої (або скорочено найпростіша лінія) має кут нахилу до осі з'єднання, тобто у-агсід(ТТ/200), де ТТ означає конусність різьблення по відношенню до діаметра і виражається в 95. 70 Зовнішні виступи 11 - це трапецеїдальні виступи, що мають вершину 17 виступу, двох бічні поверхні 13 і 15, і розділені западиною 19.

Вершини 17 виступів і западини 19 паралельні найпростішій лінії 21 зовнішнього різьблення.

До бічних поверхонь відносяться несуча поверхня 13 і поверхня 15 зчеплення, причому остання повернена до поверхні зовнішнього торця 7. 15 Несучі поверхні 13 і поверхні 15 зчеплення відповідно нахилені під кутом о і Д відносно нормалі до осі з'єднання і утворять між собою кут 5.

Вершини 17 виступів нависають над западинами 19 з боку несучих поверхонь 13, як зображено на Фіг.5, так, що роз'єднання виступів в процесі з'єднання усувається. Прийнято вважати, що в цьому випадку кут с має негативне значення, а кут р з того боку, де немає нависання, позитивне значення. 20 Кут 5 рівний алгебраїчній сумі (др), і його вершина направлена назовні відносно зовнішнього різьблення, так що ширина І 1 зовнішніх виступів 11 у їх основи більше ширини І З у їх вершини.

Внутрішнє різьблення 4 (Фіг.4) має ті ж характеристики, що і зовнішнє різьблення 3.

Внутрішня найпростіша лінія 22 внутрішнього різьблення нахилена під кутом у стосовно осі з'єднання, яка ідентична куту нахилу зовнішньої найпростішої лінії 21. с 25 Вершини 20 виступів і западини 18 внутрішнього різьблення паралельні внутрішній найпростішій лінії 22. Ге)

Несучі поверхні 14 і поверхні 16 зчеплення внутрішнього виступу відповідно нахилені під кутом о, і відносно р нормалі до осі з'єднання і утворять між собою кут 5, причому кожний з цих кутів ідентичний відповідному куту зовнішнього виступу.

Ширина ІЗ вершини виступу 17 зовнішнього різьблення трохи більше ширини 16 западини 18 внутрішнього що 30 різьблення, наприклад на 0,2мм. -

Ширина 14 вершини виступу 20 внутрішнього різьблення трохи більше ширини І 5 западини зовнішнього різьблення 19, наприклад на 0,2мм. юю

Коли зовнішнє різьблення З угвинчують у внутрішнє різьблення 4, в певний момент, який показаний на Фіг.6, «- обидві поверхні 13, 15 зовнішніх виступів 11 приходять в контакт з обома поверхнями 14, 16 внутрішніх

Зо виступів 12 по всій висоті даних поверхонь. т

Це відбувається внаслідок того, що ширина вершин зовнішніх і внутрішніх виступів ІЗ, 14 більше ширини зв'язаних западин | 6, І 5, і що зв'язані виступи мають трапецеїдальну форму, де! І»ІЗ3і1 2214.

Якщо продовжити загвинчування, зовнішні виступи 11 увійдуть клином в радіальному напрямі у внутрішні « западини і., аналогічно, внутрішні виступи 12 увійдуть клином в радіальному напрямі у зовнішні западини. З7З

У зв'язку з цим виникає осьове зчеплення зовнішніх і внутрішніх поверхонь, і для продовження с загвинчування необхідно значно збільшити момент. Це виражається на графіку, де крива аг/а4М моменту "з загвинчування відносно числа обертів М різко йде вгору, враховуючи площу зчеплених поверхонь, що знаходяться в контакті по всій своїй висоті і ширині.

Нахил кривої аТт/а4М залежить від модуля пружності металу елементів, від конусності ТТ різьблення, від -І 45 довжини різьблення, від її середнього діаметра, від висоти виступу, від кута 5 між поверхнями одного і того ж виступу і від коефіцієнта зчеплення між зовнішнім і внутрішнім виступами. Отже, можна розрахувати нахил -й атам. сл Для того, щоб зовнішній і внутрішній виступи могли входити в радіальному напрямі в зв'язані западини, кут 5 клина, утворений поверхнями виступів 11, 12, переважно, не повинен мати дуже великої величини, і бути, -| наприклад, меншим 20". сп Небажано, також, щоб величина кута була дуже малою, оскільки в цьому випадку було б важко отримати ефект клина: переважно вибрати значення кута 5 в інтервалі 7", 20", причому кут 5 переважно рівний 10".

Вибір виступів з несучою поверхнею 13, 14 під негативним кутом с, наприклад, ж4--3", дозволяє, крім того, 5Б вибрати кут ДУ 13", тобто з достатнім нахилом для полегшення зчеплення виступів.

Максимально допустиме значення моменту загвинчування Т визначається межею пружності металу іФ) елементів. Отже, можна передбачити максимально допустиме значення моменту загвинчування Т. ко Для отримання оптимального ефекту клина без надмірних навантажень на зовнішній і внутрішній елементи і забезпечення витікання мастильної речовини, яке накладається на виступи до початку з'єднання, можна усунути бо Всяку радіальну протидію між вершинами 17, 20 виступів зовнішнього і внутрішнього різьблення 3, 4 і западинами 18, 19 зв'язаного різьблення 4, 3. В цьому випадку концепція виступів, і, зокрема, їх ширина такі, що діаметральна протидія між виступами зовнішнього різьблення і внутрішнього різьблення і западинами зв'язаного різьблення має негативне або нульове значення по закінченні загвинчування.

Зокрема, виступи можуть бути такі, що, в момент першого контакту обох поверхонь (Фіг.б), величина х1 65 радіального зазору між вершиною 17 зовнішнього виступу і внутрішньою западиною 18 і величина х2 радіального зазору між вершиною внутрішнього виступу 20 і зовнішньою западиною 19, щонайменше, рівна

О,15мм.

Якщо не усувати будь-яку радіальну протидію між вершинами виступів зовнішнього різьблення З і внутрішнього різьблення 4 і западинами зв'язаного різьблення 4, 3, то у варіанті концепції виступів 71, 72, їх висота і ширина, зокрема, може бути такою, щоб створити позитивну діаметральну протидію між вершинами виступів однієї з двох різьб зовнішньої або внутрішньої і западинами зв'язаного різьблення по закінченні загвинчування.

Такий варіант поданий на Фіг.7, 8, 9 для відповідно внутрішнього різьблення 4, зовнішнього різьблення З і з'єднання обох: по закінченні з'єднання (Фіг.9) між вершинами зовнішніх виступів 77 і внутрішніми западинами 7/0 78 є зазор х, тоді як вершини внутрішніх виступів 80 радіально протидіють із зовнішніми западинами 79. Таке положення має відносно малий вплив на величину моменту загвинчування.

Для даного варіанту виконання переважно, щоб контакт між вершинами внутрішніх виступів 80 і зовнішніми западинами 79 виникав раніше, ніж контакт між зв'язаними поверхнями 73, 74, 75, 76.

На Фіг.10 зображена крива моменту загвинчування Т в залежності від числа обертів М для з'єднання труб, /5 показаного на Фіг.б, що мають наступні характеристики: діаметр труб: 177 8Омм; товщина труб: 10,Збмм (29фунт/фут); матеріал труб: малолегована сталь з межею пружності 551мПа; різьблення з п'ятьма витками на дюйм; конусність різьб ТТ: 6,2595 від діаметра (у-1,797); кут ох несучої поверхні: -87; кут р поверхні зчеплення: ої 137; кут 5 між поверхнями: 6107. се о

На даному графіку абсциса М-О відповідає першому контакту обох поверхонь 13, 14 і 15, 16 зв'язаних виступів.

Для виступів з кутом д-9" (5-67) отримують момент більше за З5кН-м (26000фунт-сила-фут) на 0,8 оберти, що відповідає нахилу 44,5кН-м/оберт. ІС о)

Для виступів з кутом Д-137 (52107), отримують момент 45,9кН-м (33850фунт-сила-фут) на 0,47 оберти, що м відповідає нахилу 97,5КкН-м/оберт.

Таке з'єднання із зчепленням поверхонь виступів дає можливість загвинчувати зовнішній і внутрішній ІФ) елементи з дуже великим моментом без використання упора, але такий момент досягається після неповного - оберту зовнішнього і внутрішнього елементів, що може виявитися недостатнім, зокрема, якщо на зовнішньому і внутрішньому елементах бажано розмістити герметизуючі поверхні, такі, наприклад, як поверхні 5, 6 на Фіг.3. -

Досягнення певного контактного тиску між герметизуючими поверхнями вимагає, насправді, повороту одного елемента відносно іншого на один оберт після виникнення контакту між герметизуючими поверхнями, а також встановлення точного положення зовнішніх і внутрішніх елементів по закінченні загвинчування, яке досягається « за допомогою упора, отриманого при спиранні обох поперечних поверхонь, таких як поверхні 7, 8 на Фіг.3.

У зв'язку з цим важко гарантувати достатню герметичність при експлуатації різьбового з'єднання, що має - с виступи із зчепленими поверхнями, типу поданих на Фіг.4, 5, 6, герметизуючі поверхні і поперечні опорні и поверхні в упорі, типу представлених на Фіг.3, враховуючи допуски, необхідні при виготовленні зовнішнього і є» внутрішнього елементів.

Зменшення кута 5 між поверхнями виступів, звичайно, забезпечило б зменшення нахилу кривої моменту загвинчування в залежності від числа обертів, але, якщо тільки не застосовувати кут о дуже негативної - величини, менше за -15"7, що небажано, довелося б значно зменшити кут р поверхонь зчеплення, що також - небажано.

Форми виступів, зображені на Фіг.11, 12, дозволяють вирішити проблеми сумісності високих значень о номінального моменту загвинчування і невисокого значення, порядку 10кН-м/оберт, наприклад, вираженого -і 20 нахилом 4ЯТ/4М кривої моменту в залежності від числа обертів.

Виступи на Фіг.11, 12 особливо переважні в з'єднанні, що має герметизуючі поверхні і упори, типу сл зображених на Фіг.3.

Зовнішні виступи 31 на Фіг.12 мають, як і на Фіг.3, несучу поверхню 33, нахилену під негативним кутом а відносно нормалі до осі з'єднання, поверхню 35 зчеплення, нахилену під позитивним кутом Др відносно тієї ж 29 нормалі, вершину 39 виступу і западину 37, що їх розділяє.

ГФ) Внутрішні виступи 32 на Фіг.11 мають характеристики, відповідні характеристикам зовнішніх виступів З1 на юю Фіг.12, тобто несучу поверхню 34, поверхню 36 зчеплення, вершину 38 виступу і западину 40, що мають той же крок і ту ж орієнтацію, що і зовнішні виступи 31 по відношенню до осі з'єднання.

Ширина вершин 39, 38 зовнішніх і внутрішніх виступів більше ширини зв'язаних западин 40, 37, так що в 60 певний момент загвинчування поверхні зовнішнього елемента 33, 35 приходять обидві в контакт із зв'язаними поверхнями внутрішнього виступу 34, Зб, тоді як між вершинами 39, 38 виступів і зв'язаними западинами 40, 37 залишається зазор, але у варіанті, не представленому на кресленні, між вершиною виступу одного різьблення і зв'язаною западиною може бути радіальна протидія з позитивною величиною.

Зовнішній виступ 31 має паз 61, що виходить на вершину 39 зовнішнього виступу, профіль паза має бо М-образну форму із закругленим дном, причому його вісь нормальна до осі з'єднання.

Глибина паза 61, що вимірюється в радіальному напрямі, становить 6595 від висоти зовнішнього виступу 31, а його дно являє собою дугу з радіусом 0,4мм.

Кут між двома сторонами М паза рівний 35", і ширина паза на його виході на вершині зовнішнього виступу 31 на Фіг.12 рівна 3595 ширини зовнішнього паза, взятої на половині його висоти.

Внутрішній виступ 32 має паз 62, що виходить на вершині 38 внутрішнього виступу, що має ту ж геометрію, що і паз 61 у зовнішньому виступі 31, і розташований у внутрішньому виступі так само, як паз 61.

Такі пази 61, 62 перетворюють кожний з виступів 31, 32, що сприймають стискаючі навантаження на поверхнях 33, 34, 35, 36 в елементи, працюючі як балки із закріпленими кінцями 63-65, 64-66, схильні до /о пружних навантажень.

Внаслідок цього виникає еластичність, яка спричиняє зменшення сил зчеплення, коли загвинчування з'єднання продовжують за межами точки одночасного контакту поверхонь і, отже, зменшення нахилу ат/ам кривої моменту загвинчування відносно обертання.

Глибина паза і його ширина є параметрами, які можна регулювати для отримання не дуже різкого нахилу /5 Ут/ам кривої моменту загвинчування відносно обертання, який залишається порядку 20кН-м/оберт.

Глибина паза повинна бути меншою або рівна висоті виступу, оскільки в іншому випадку структура з'єднання буде ослаблена, що неприпустимо.

Ширина паза на його виході на вершині виступу повинна бути меншою або рівна 2/3 ширини виступу, що вимірюється на половині його висоти з тим, щоб зберегти достатню жорсткість нарівні елементів 63, 65, 64, 66.

Радіус О,4мм дна паза дозволяє обмежити концентрацію навантажень на дні паза.

Як показує крива Е на Фіг.13, така структура виступів з пазом дозволяє проводити загвинчування з номінальним моментом загвинчування, що перевищує мінімальне бажане значення для труб даного розміру (27кН-м, див. таблицю 1). Крива моменту загвинчування показує зміну нахилу 4Т/4М за межами 25кКН-м: зростання початкової кривої порядку 24КкКН-м/оберт знижується за відміткою вище за 25КкН-м до У9кН-м/оберт, що сч

Забезпечує самообмеження моменту загвинчування і встановлення упорів і герметизуючих поверхонь в точне положення. Для порівняння можна привести криву О на Фіг.13, що відноситься до подібних виступів, але без і) паза, яка має відносно постійний нахил порядку 40кН-м/оберт.

З'єднання, згідно з даним винаходом, може бути виконане в численних варіантах, причому наведені приклади не мають обмежувального характеру. ю зо Зокрема, даний винахід може застосовуватися також до різьбового з'єднання 100, зовнішній елемент 1 якого розташований на торці першої металевої труби 101, що має велику довжину, а внутрішній елемент 2 якого - розташований на торці другої металевої труби 102, також що має велику довжину, і до різьбового муфтового ю з'єднання 200, як показано на Фіг.14, в якому дві металеві труби 101, 100' великої довжини, що мають на торці зовнішній елемент 1, 1, сполучені за допомогою металевої муфти 202, на кожному кінці якої є внутрішній --

Зв елемент 2, 2, таке різьбове муфтове з єднання здійснюють два з'єднання 100, 100 згідно із винаходом. ї- й 102 . НЕ « ю дн ; У - с ! А ;» 4 нн он ня

Х ФІГ. І 6 8 х - й

БИ З п КК кю я ОКО, -І сл не лин п и вп Ен х 101 ФІГ.2 х 100 о (Ф; Й тк Її 4 т хх а Я 7 5 щи Вид и щи

Х 4 б 8 х

ФІГ. З б5

2 | 6 4 ; / 55 7 ви ги та В - 70 12 0 | до ру 17 в/в, Й 7 ж | В 19 дико щи.

Спр й ві а ли 1712 їз і с са Й о о

ІБ яр ТО

ДО - - ти ю зо 1720 Че з й м

ФІГ. 6 о с) 6 -

Ї о во до т , 4 й т 74 ІВ -- - с чт

І» 7 т. Во й 877 ФІТ.7 5 «об - 5 У «5 / 79 що п, ХХ І Я їв. ВІ М с ай , 77 72 78 з 75 я Я 785 : КО Й бо дО ОК ж тя тво 794 Я в во 4000 ; с 40 - 22000 й 5 70 то -й й -

Б а0-- - -БОВО 15 20 шо " о 0.25 0.5 0.75 1

М

ФІГ. 10 сч 25 4 о 24 й і В, 66 заг, 54 ! !

ДО є ся ! шия Се ї. що - й т б у ю (б І - | ЗВ ря 22 | р м. нн

ФІГ. і (8 | « б | - с ! ! ' : 89 63 в1у вві а ! вБ ;» 33 АЖ ра «0 зв МК тттт у галу години й м що ; В. ) 21 І - | ! 2. Ха й й сл зі Я є й (г - ФІГ. 12 сл

Ф. ко 60 65 зь зо 25-4 я

ЕЗ КУ

- Фе го о -- «ЖЕ ше р та ; а

М дих пон ха пох питних пили сонних пити ситних поля спе поллолтнх знаних приллання миті ин с на 3,0 3,5 най (8)

ФІГ. 13 й 1 що 100 100 ща ! 2 ! ! ів) ' «- 7 р ул з ІД ІДІДЯ ха ц

МОЯ СХ че м щя СКУ я 4 6 д'ї и з А... ай тях сш З с Ж О101 ХХ . . и?

ФІГ. 14 -І

Claims (15)

- Формула винаходу

1. Різьбове з'єднання двох металевих труб, що включає зовнішній елемент на торці першої металевої труби, - угвинчений у внутрішній елемент на торці другої металевої труби, причому зовнішній елемент має зовні с зовнішню конічну різьбу з трапецеїдальними виступами, що мають дві поверхні, а саме несучу поверхню і поверхню зчеплення, ширина вершини зовнішнього виступу менша ширини основи зовнішнього виступу, внутрішній елемент має зсередини внутрішню конічну різьбу з трапецеїдальними виступами, форма яких відповідає формі зовнішньої різьби, ширина вершин виступів зовнішньої і внутрішньої різьби більша ширини заглибин сполученої різьби, яке відрізняється тим, що при загвинчуванні зовнішнього елемента у внутрішній (Ф) елемент обидва елементи приводяться у відносне положення, при якому обидві поверхні зовнішніх виступів ГІ знаходяться у контакті з обома поверхнями внутрішніх виступів, і ширина внутрішнього виступу на заданій висоті, яка виміряна перед сполученням, більша осьової відстані між виступами, також виміряної перед бо сполученням, у точці сполучення зовнішнього виступу.

2. Різьбове з'єднання за п. 1, яке відрізняється тим, що діаметральна протидія між вершинами виступів зовнішньої різьби і внутрішньої різьби і заглибинами виступів сполученої різьби має негативну або нульову величину після закінчення загвинчування.

3. Різьбове з'єднання за одним з пп. 1 або 2, яке відрізняється тим, що осьовий зазор щонайменше, який 65 дорівнює 0,5 мм, залишається між сполученими вершинами виступів і заглибинами, при контакті обох поверхонь зовнішніх виступів із сполученими з ними поверхнями внутрішніх виступів в процесі загвинчування.

4. Різьбове з'єднання за п. 1, яке відрізняється тим, що діаметральна протидія між вершинами виступів зовнішньої різьби або внутрішньої різьби і заглибинами виступів сполученої різьби має позитивну величину після закінчення загвинчування.

5. Різьбове з'єднання за будь-яким з пунктів 1-4, яке відрізняється тим, що кут 5 між несучою поверхнею і поверхнею зчеплення зовнішнього і внутрішнього виступів менше або дорівнює 20".

6. Різьбове з'єднання за п. 5, яке відрізняється тим, що кут 5 має величину від 7" до 20".

7. Різьбове з'єднання за будь-яким з пунктів 1-6, яке відрізняється тим, що у зовнішній різьбі і внутрішній різьбі вершини виступів виступають над заглибинами з боку несучих поверхонь, причому кут (й) між даними 70 несучими поверхнями і нормаллю до осі сполучення складає від 0 до -15"7.

8. Різьбове з'єднання за будь-яким з пунктів 1-7, яке відрізняється тим, що щонайменше одна з різьб зовнішня і/або внутрішня має паз, що виходить на вершину виступу на всій або на частині довжини різьби або різьб.

9. Різьбове з'єднання за п. 8, яке відрізняється тим, що паз має глибину не більшу, ніж висота виступу.

10. Різьбове з'єднання за п. 8 або 9, яке відрізняється тим, що паз має ширину на виході на вершині виступу не більшу, ніж 2/3 ширини виступу, що вимірюється на половині його висоти.

11. Різьбове з'єднання за будь-яким з пунктів 8-10, яке відрізняється тим, що паз має О-подібний або М-подібний профіль із закругленим дном.

12. Різьбове з'єднання за будь-яким з пунктів 1-11, яке відрізняється тим, що зовнішній елемент і внутрішній елемент має щонайменше одну герметизуючу поверхню, причому кожна герметизуюча поверхня внутрішнього елемента подовжньо розташована і протидіє в радіальному напрямі із сполученою герметизуючою поверхнею зовнішнього елемента після закінчення загвинчування.

13. Різьбове з'єднання за будь-яким з пунктів 1-11, яке відрізняється тим, що зовнішній елемент і внутрішній елемент має щонайменше одну опорну поверхню, у поперечному напрямі, причому щонайменше одна зовнішняд СМ опорна поверхня зовнішнього елемента знаходиться в упорі з опорною поверхнею внутрішнього елемента після о закінчення загвинчування.

14. Різьбове з'єднання за будь-яким з пунктів 1-13, яке відрізняється тим, що зовнішній елемент розташований на торці першої металевої труби великої довжини, і внутрішній елемент розташований на торці другої металевої труби також великої довжини. іс)

15. Вузол двох різьбових з'єднань, виконаних за будь-яким з пунктів 1-13, призначений для сполучення двох їч- металевих труб великої довжини, які мають зовнішній елемент на торці, за допомогою металевої муфти, забезпечений на кожному з своїх торців внутрішнім елементом. Іс) тріїгя я " : " " : : пов - Офіційний бюлетень "Промислоава власність". Книга 1 "Винаходи, корисні моделі, топографії інтегральних мікросхем", 2004, М 12, 15.12.2004. Державний департамент інтелектуальної власності Міністерства освіти і ї- науки України.

-

. и? -і - 1 -і сл іме) 60 б5