PL198003B1 - Gwintowany element rurowy i gwintowane połączenie rurowe - Google Patents

Abstract

1. Gwintowany element rurowy wewn etrzny lub zewn etrzny dla po laczenia gwintowanego rurowego, wykonany na ko ncu rury i zawieraj acy gwint zewn etrzny na elemencie wewn etrznym lub gwint wewn etrzny na elemencie zewn etrznym gdzie element gwintowany jest typu wewn etrznego lub zewn etrznego, którego zwoje widziane w przekroju pod lu znym przechodz acym przez o s elementu gwintowanego zawieraj a wierzcho lek zwoju, dno zwoju, bok no sny prostoliniowy, bok nieobci azony prostoliniowy i dwa obszary po laczenia stycznego dna zwoju, przy czym ka zdy z tych dwóch obszarów jest po lo zony pomi edzy dnem zwoju i jednym z dwóch boków zwanych odpowiednimi bokami i zawiera luk ko la, znamienny tym, ze co najmniej jeden z dwóch obszarów (21, 22, 51, 52) po laczenia stycznego dna (18, 19, F1, F2) zwoju zwanych „obszarami o wielu promieniach” zawiera luk ko la zwany lukiem (23, 24, 53, 54) ko la g lównego, gdzie ko lo podpieraj ace przecina prost a podpieraj ac a odpowiedniego boku w punkcie zwanym punktem (P RF1 , P RF2 , P RF3 , P RF4 ) odniesienia boku i krzyw a regularn a zwan a krzyw a drugorz edn a (25, 26, 27, 55, 56) z jednej i drugiej strony luku (23, 24, 53, 54) ko la g lównego, który laczy si e stycznie z jednej strony z odpowiednim bokiem i z drugiej strony z dnem (18, 19, F1, F2) zwoju, przy czym w punkcie (P RF1 , P RF2 , P RF3 , P RF4 ) odniesienia boku, styczna (61, 62, 67, 68) do ko la podpieraj acego luk ko la g lównego tworzy k at ostry (D, F) sci sle dodatni z prost a podpieraj ac a odpowied- niego boku, za s ko lo podpieraj ace luk ko la g lównego przecina lub jest styczne do prostej podpieraj acej dno (18, 19, F1, F2) zwoju………. PL PL PL PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest gwintowany element rurowy i gwintowane połączenie rurowe, zwłaszcza dostosowane do wytrzymywania obciążeń zarówno statycznych jak i cyklicznych.

Gwintowane połączenia rurowe zawierają element gwintowany wewnętrzny na końcu pierwszej rury i element gwintowany zewnętrzny na końcu drugiej rury, którą może być bardzo długa rura lub króciec. Te połączenia gwintowane są stosowane zwłaszcza dla tworzenia kolumn instalacji rurowych szybów lub instalacji produkcyjnych lub ciągów żerdzi wiertniczych dla szybów węglowodorów lub dla podobnych odwiertów takich jak, na przykład, odwierty geotermiczne.

American Petroleum Institute (API) określa w swoich warunkach technicznych API 5B połączenia gwintowane pomiędzy rurami instalacji rurowych lub pomiędzy rurami produkcyjnymi mającymi zwłaszcza gwinty stożkowe, gwinty trójkątne zaokrąglone lub trapezoidalne.

Znane są również inne typy połączeń gwintowanych, w których są zastosowane gwinty cylindryczne lub stożkowe dwustopniowe: na przykład ujawnione w opisie patentowym US 4 521 042.

Do niedawna, rury instalacji rurowych lub produkcyjne zasadniczo wytrzymywały różne kombinacje obciążeń statycznych, (rozciąganie osiowe, ściskanie osiowe, zginanie, ciśnienie wewnętrzne lub zewnętrzne) pomimo ich ograniczonej grubości wynikającej z konieczności, przy eksploatacji głębokich szybów, wkładania w siebie różnych kolumn o różnych średnicach.

Żerdzie wiertnicze, które są używane tylko do drążenia szybów są poddawane znacznym obciążeniom cyklicznym (dynamicznym), ale nie podlegają wymaganiom wymiarowym, ponieważ w danym momencie jest opuszczany ciąg żerdzi o jednej, danej średnicy.

Obciążenia cykliczne, jeżeli nie są ściśle kontrolowane, prowadzą w czasie pracy do pęknięć zmęczeniowych inicjowanych u nasady gwintów, ogólnie od strony boków nośnych, które są pod obciążeniem w czasie pracy.

Inicjowanie w tym miejscu pęknięć zmęczeniowych tłumaczy się koncentracją naprężeń na połączeniu pomiędzy bokiem nośnym i dnem zwoju.

Dla poprawienia wytrzymałości na obciążenia cykliczne, jest konieczne zmniejszenie poziomu naprężeń maksymalnych, ograniczając poziom ogólny naprężeń na boku nośnym i wykonując połączenie możliwe jak najmniej kanciaste pomiędzy bokiem nośnym i dnem zwoju.

Specyfikacja API 7D określa żerdzie wiertnicze z mocnymi gwintami stożkowymi dostosowanymi do obciążeń w czasie pracy. Zwoje według API 7D mają kształt trójkątny bardzo zaokrąglony z bokami nośnymi i bokami nieobciążonymi pochylonymi, każdy o 30° w stosunku do prostopadłej do osi elementu gwintowanego.

Przypomina się, że bok nośny jest bokiem, który znajduje się na każdym zwoju od strony przeciwnej do wolnego końca elementu. To określenie będzie stosowane w całym tym dokumencie.

Dno zwoju jest zaokrąglone według łuku koła o promieniu 0,97 mm (0,038) z środkiem w osi dna zwoju. Ten łuk koła łączy się stycznie z bokami.

Kąt 60° pomiędzy bokami zwoju wynikający z kształtu trójkątnego gwintów umożliwia wykonanie łuku koła o znacznym promieniu.

Wierzchołki zwojów są ścięte w taki sposób, aby uniknąć interferencji promieniowej pomiędzy wierzchołkami zwoju i dnami zwoju dołączonego gwintu.

Wysokość gwintów ściętych w taki sposób wynosi 3,08 mm (0,121) co odpowiada podwójnej wysokości gwintu złącza gwintowanego według API 5B.

Te środki mogą jednakże okazać się niewystarczające. Dokument patentowy USA 4 549 754 opisuje profil gwintu zmodyfikowany w stosunku do specyfikacji API 7D dla żerdzi wiertniczych, który umożliwia jeszcze większe zmniejszenie koncentracji naprężeń.

Zwój według tego opisu patentowego USA 4 549 754 ma w przekroju dno, które nie jest symetryczne, ale które zawiera zaokrąglenie, którego środek jest przesunięty w stronę boku nieobciążonego (przeciwnego do boku nośnego) i którego promień jest zwiększony o około 50% w stosunku do promienia API i wynosi 1,45 mm (0,057).

To zaokrąglenie łączy się stycznie z bokiem nośnym i łączy się profilem mniej krytycznym z bokiem nieobciążonym: po prostu odcinek prostej lub promień 0,81 mm (0,032) po którym jest odcinek prostej.

Dno zwoju jest, więc bardziej wydrążone niż w przypadku zwoju API, wymaga więc dużej grubości rury wyjściowej dla wykonania zwojów.

Taki układ nie może być zastosowany dla kolumn rur przeznaczonych do eksploatacji szybów, gdy rury są poddawane jednocześnie obciążeniom statycznym i dynamicznym.

PL 198 003 B1

Spotyka się obecnie takie wymagania wytrzymałości na obciążenia dla kolumn podmorskich łączących dno morza z platformami wydobywającymi węglowodory z dna morza.

Takie kolumny rur zwane przez fachowców po angielsku „risers” są poddawane obciążeniom cyklicznym spowodowanym zwłaszcza przez prądy, które powodują wibracje kolumn, przez martwą falę, przez pływy i ewentualne przemieszczenia samych platform.

Spotyka się również takie wymagania wytrzymałości na obciążenia dla szybów lądowych, zwłaszcza dla opuszczania obrotowego rur dla cementowania szybów, w bardzo częstym przypadku szybów odchylonych od pionu, mających zagięcia.

Dlatego właśnie podejmuje się próby ulepszania rurowych złącz gwintowanych dla rur, instalacji rurowych, produkcyjnych lub dla «risers» w taki sposób, aby zwiększyć ich wytrzymałość na zmęczenie.

Zgłoszenie patentowe WO 98/50 720 opisuje takie ulepszone rurowe połączenie gwintowane. Gwinty opisane w tym dokumencie mają gwinty trapezoidalne pochodzące od gwintów zwanych „buttress” ze specyfikacji API 5B.

Kształt trapezoidalny gwintu ogranicza ryzyko deformacji elementów gwintowanych co może prowadzić do ich zerwania podczas skręcania zwłaszcza przez nakręcanie.

Dna zwojów są zasadniczo prostoliniowe i łączą się z każdym z boków przez zaokrąglenie, którego promień jest zawarty pomiędzy 10 i 50% szerokości całkowitej dna zwoju (a korzystnie pomiędzy 16 i 26% tej szerokości całkowitej), zaś zaokrąglenie kończy się stycznie do boku i dna zwoju.

Wysokości gwintów są takie, że unika się interferencji promieniowej pomiędzy dnami zwojów i wierzchołkami zwojów i odpowiedniego dołączonego gwintu zachowując pomiędzy nimi luz promieniowy co najmniej 0,25 mm (0,010).

Dla gwintów przedstawionych w przykładzie, zaokrąglenia przy dnie zwoju są rzędu 0,5 mm w stosunku do 0,15 mm dla promieni specyfikowanych przez API 5B.

Takie promienie mogą wydawać się małe, gdy porówna się z promieniami żerdzi wiertniczych, ale zastosowany kształt trapezoidalny gwintów uniemożliwia wykonanie tak dużych promieni jak w przypadku gwintów trójką tnych bez zmniejszenia, w sposób ukryty, powierzchni noś nej stykają cych się boków.

Gwinty według dokumentu WO 98/50 720 nie są ponadto dostosowane do gwintów zwanych interferującymi, które mają interferencję promieniową pomiędzy wierzchołkami zwojów gwintu i dnami zwojów odpowiedniego gwintu dołączonego. Zwoje tu są typu «klin» o zmiennej szerokości, jak zwoje opisane w dokumencie patentowym USA Re 30 647.

Gwintowany element rurowy wewnętrzny lub zewnętrzny dla połączenia gwintowanego rurowego, wykonany na końcu rury i zawierający gwint zewnętrzny na elemencie wewnętrznym lub gwint wewnętrzny na elemencie zewnętrznym gdzie element gwintowany jest typu wewnętrznego lub zewnętrznego, którego zwoje widziane w przekroju podłużnym przechodzącym przez oś elementu gwintowanego zawierają wierzchołek zwoju, dno zwoju, bok nośny prostoliniowy, bok nieobciążony prostoliniowy i dwa obszary połączenia stycznego dna zwoju, przy czym każdy z tych dwóch obszarów jest położony pomiędzy dnem zwoju i jednym z dwóch boków zwanych odpowiednimi bokami i zawiera łuk koła, według wynalazku charakteryzuje się tym, że co najmniej jeden z dwóch obszarów połączenia stycznego dna zwoju zwanych „obszarami o wielu promieniach” zawiera łuk koła zwany łukiem koła głównego, gdzie koło podpierające przecina prostą podpierającą odpowiedniego boku w punkcie zwanym punktem odniesienia boku i krzywą regularną zwaną krzywą drugorzędną z jednej i drugiej strony łuku koła głównego, który łączy się stycznie z jednej strony z odpowiednim bokiem i z drugiej strony z dnem zwoju, przy czym w punkcie odniesienia boku, styczna do koła podpierającego łuk koła głównego tworzy kąt ostry ściśle dodatni z prostą podpierającą odpowiedniego boku, zaś koło podpierające łuk koła głównego przecina lub jest styczne do prostej podpierającej dno zwoju, w zależności od tego, czy krzywa drugorzędna od strony dna zwoju ma długość większą od zera, czy zmniejsza się do punktu, a ponadto styczna do koła podpierającego tworzy w danym punkcie przecięcia lub styku kąt zawarty pomiędzy -15° i +15° z prostą podpierającą dno zwoju.

W punkcie odniesienia danego boku obszaru o wielu promieniach, kąt pomiędzy styczną do koła podpierającego łuk koła głównego i odpowiedniego boku jest zawarty pomiędzy 10° i różnicą (70°-J) gdzie J jest miarą algebraiczną kąta pomiędzy odpowiednim bokiem i prostopadłą do osi elementu gwintowanego.

W punkcie odniesienia boku danego obszaru o wielu promieniach, kąt pomiędzy styczną do koł a podpierającego łuk koła głównego i odpowiednim bokiem jest zawarty pomiędzy 15° i różnicą (45°-J),

PL 198 003 B1 gdzie J jest miarą algebraiczną kąta pomiędzy odpowiednim bokiem i prostopadłą do osi elementu gwintowanego.

Promień łuku koła głównego obszaru o wielu promieniach jest zawarty pomiędzy 150 i 250% promienia łuku koła standardowego przechodzącego przez punkt odniesienia boku, który tworzy obszar połączenia stycznego pomiędzy odpowiednim bokiem i dnem zwoju.

Krzywa drugorzędna obszaru o wielu promieniach od strony odpowiedniego boku jest łukiem koła.

Stosunek promienia łuku koła krzywej drugorzędnej od strony odpowiedniego boku do promienia łuku koła głównego obszaru o wielu promieniach jest zawarty pomiędzy 0,1 i 0,4.

Każda krzywa drugorzędna obszaru o wielu promieniach o długości większej od zera jest łukiem koła.

Stosunek promienia łuku koła każdej krzywej drugorzędnej o długości większej od zera, do promienia łuku koła głównego obszaru o wielu promieniach jest zawarty pomiędzy 0,1 i 0,4.

Tylko obszar połączenia stycznego dna zwoju z bokiem nośnym jest obszarem o wielu promieniach.

Każdy z dwóch obszarów połączenia stycznego dna zwoju jest obszarem o wielu promieniach.

Promień łuku koła głównego obszaru o wielu promieniach od strony boku nośnego jest większy lub równy promieniowi łuku koła głównego obszaru o wielu promieniach od strony boku nieobciążonego.

Kąt, który tworzy każdy z boków z prostopadłą do osi elementu gwintowanego jest, co najmniej równy zeru.

Połączenie gwintowane rurowe, zawierające gwintowany element rurowy wewnętrzny na końcu pierwszej rury połączony przez skręcanie z gwintowanym elementem rurowym zewnętrznym na końcu drugiej rury, za pomocą gwintu zewnętrznego na gwintowanym elemencie rurowym wewnętrznym i gwintu wewnę trznego na gwintowanym elemencie rurowym zewnę trznym, przy czym zwoje każ dego z gwintów zewnę trznych i wewnę trznych zawieraj ą wierzcho ł ek zwoju, dno zwoju, bok noś ny prostoliniowy, bok nieobciążony prostoliniowy i cztery obszary połączenia zawierające, każdy, łuk koła, gdzie dwa obszary połączenia stycznego dna zwoju łączą, każdy, dno zwoju z bokiem i dwa obszary połączenia wierzchołka zwoju łączą, każdy, wierzchołek zwoju z bokiem, zaś profil i układ każdego obszaru połączenia wierzchołka zwoju nie interferują z obszarem połączenia stycznego dna zwoju dołączonego elementu gwintowanego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że w co najmniej jednym z dwóch elementów gwintowanych rurowych co najmniej jeden z dwóch obszarów połączenia stycznego dna zwoju zwanych obszarami o wielu promieniach zawiera łuk koła zwany łukiem koła głównego, gdzie koło podpierające przecina prostą podpierającą odpowiedniego boku w punkcie zwanym punktem odniesienia boku i krzywą regularną zwaną krzywą drugorzędną z jednej i drugiej strony łuku koła głównego, który łączy się stycznie z jednej strony z odpowiednim bokiem i z drugiej strony z dnem zwoju, przy czym w punkcie odniesienia boku, styczna do koła podpierającego łuk koła głównego tworzy kąt ostry ściśle dodatni z prostą podpierającą odpowiedniego boku, zaś koło podpierające łuk koła głównego przecina lub jest styczne do prostej podpierającej dno zwoju, w zależności od tego, czy krzywa drugorzędna od strony dna zwoju ma długość większą od zera, czy zmniejszą się do punktu, a ponadto styczna do koła podpierającego tworzy w danym punkcie przecięcia lub styku kąt zawarty pomiędzy -15° i +15° z prostą podpierającą dno zwoju.

W punkcie odniesienia danego boku obszaru o wielu promieniach, kąt pomiędzy styczną do koła podpierającego łuk koła głównego i odpowiedniego boku jest zawarty pomiędzy 10° i różnicą (70°-J) gdzie J jest miarą algebraiczną kąta pomiędzy odpowiednim bokiem i prostopadłą do osi elementu gwintowanego.

Co najmniej jeden obszar połączenia wierzchołka zwoju gwintowanego elementu rurowego przeciwny do obszaru połączenia stycznego dna zwoju o wielu promieniach gwintowanego elementu rurowego dołączony jest do obszaru zwanego naśladującym, który zawiera dwa łuki koła, które łączą się stycznie ze sobą, to jest łuk koła głównego i łuk koła drugorzędnego, ten ostatni dla wykonania połączenia stycznego obszaru połączenia wierzchołka zwoju z odpowiednim bokiem, zaś w punkcie połączenia górnego odpowiedniego boku, gdzie koło podpierające łuku koła głównego obszaru naśladującego przecina prostą podpierającą odpowiedniego boku styczną do koła tworzy kąt ostry ściśle ujemny z prostą podpierającą danego boku.

W obu elementach gwintowanych wewnętrznym i zewnętrznym połączenia gwintowanego rurowego co najmniej jeden z dwóch obszarów połączenia stycznego dna zwoju zwanych „obszarami o wielu promieniach” zawiera łuk koła zwany łukiem koła głównego, gdzie koło podpierające przecina prostą podpierającą odpowiedniego boku w punkcie zwanym punktem odniesienia boku i krzywą regularną zwaną krzywą drugorzędną z jednej i drugiej strony łuku koła głównego, który łączy się stycznie z jednej strony

PL 198 003 B1 z odpowiednim bokiem i z drugiej strony z dnem zwoju, przy czym w punkcie odniesienia boku, styczna do koła podpierającego łuk koła głównego tworzy kąt ostry ściśle dodatni z prostą podpierającą odpowiedniego boku, zaś koło podpierające łuk koła głównego przecina lub jest styczne do prostej podpierającej dno zwoju, w zależności od tego, czy krzywa drugorzędna od strony dna zwoju ma długość większą od zera, czy zmniejsza się do punktu, a ponadto styczna do koła podpierającego tworzy w danym punkcie przecięcia lub styku kąt zawarty pomiędzy -15° i +15° z prostą podpierającą dno zwoju.

Gwinty są typu interferującego, przy czym wierzchołek zwoju gwintu jest w styku promieniowym z luzem ujemnym z dnem zwoju gwintu dołączonego.

Dwa boki zwoju gwintu stykają się bez nacisku stykowego z dwoma bokami zwoju gwintu dołączonego, na co najmniej części długości gwintów.

Dwa boki zwoju gwintu stykają się z naciskiem stykowym z dwoma bokami zwoju gwintu dołączonego, na co najmniej części długości gwintów.

Gwintowany element rurowy dla rurowego połączenia gwintowanego, według wynalazku jest wytrzymały jednocześnie na obciążenia statyczne, zwłaszcza rozciąganie osiowe, ściskanie osiowe, zginanie, skręcanie, ciśnienie wewnętrzne lub zewnętrzne, zerwanie podczas skręcania, proste lub złożone (na przykład rozciąganie + ciśnienie wewnętrzne) oraz na obciążenia cykliczne.

Taki element gwintowany jest wytrzymały na zmęczenie.

Ponadto, gwintowany element rurowy według wynalazku może być realizowany z wszystkimi rodzajami gwintów, stożkowych, cylindrycznych, kombinowanych cylindryczno-stożkowych, jedno lub kilku stopniowych, ze zwojami trapezoidalnymi lub trójkątnymi, z interferencją lub bez interferencji; gwinty bez interferencji mogą na przykład być typu opisanego w zgłoszeniu EP 454 147 z jednoczesnym stykiem dwóch boków z bokami dołączonego zwoju (zwane także „rugged thread”), ze wzmocnieniem osiowym lub typu klinowego o zmiennej szerokości, jak opisano na przykład w dokumencie patentowym US Re 30 647.

Element gwintowany według wynalazku może być łatwo wykonany i łatwo sprawdzony.

Element gwintowany według wynalazku może być stosowany dla tworzenia złącz gwintowanych przeznaczonych do kolumn rur produkcyjnych węglowodorów, instalacji rurowych szybów lub wydobywania podmorskiego („risers”) lub przeznaczonych do podobnego wykorzystania.

Dzięki wynalazkowi możliwe jest ponadto wykonanie szczelnych rurowych złącz gwintowanych, zwłaszcza dla gazu, nawet pod obciążeniami cyklicznymi.

Element gwintowany według wynalazku umożliwia wykonywanie ciągów żerdzi wiertniczych.

Zgodnie z wynalazkiem, gwintowane połączenie rurowe może zawierać tylko jeden element gwintowany, na przykład element zewnętrzny, zmodyfikowany zgodnie z wynalazkiem tak, aby wytrzymywać obciążenia cykliczne, ale kompatybilny z dołączonym elementem gwintowanym niezmodyfikowanym.

Możliwie jest także wykonanie gwintowanego połączenia rurowego, w którym oba elementy gwintowane zostały zmodyfikowane, aby wytrzymywać obciążenia cykliczne.

Według wynalazku, gwintowany element rurowy wewnętrzny lub zewnętrzny o profilu wytrzymałym na zmęczenie jest wykonany na końcu rury i zawiera gwint zewnętrzny lub gwint wewnętrzny zależnie od tego czy element gwintowany rurowy jest elementem wewnętrznym czy zewnętrznym.

Zwoje zawierają wierzchołek zwoju, dno zwoju, bok nośny prostoliniowy, bok nieobciążony prostoliniowy i dwa obszary połączenia stycznego zwane «przy dnie zwoju».

Każdy z dwóch obszarów połączenia stycznych do dna zwoju znajduje się pomiędzy dnem zwoju i jednym z dwóch boków zwoju zwanych «odpowiednimi bokami» i zawiera łuk koła.

Co najmniej jeden z dwóch obszarów połączenia stycznych do dna zwoju zwany «obszarem o wielu promieniach» zawiera ł uk koł a zwany «gł ównym ł ukiem koła», którego koł o podpierają ce przecina prostą podpierającą odpowiedniego boku w punkcie zwanym «punktem odniesienia boku», a krzywa regularna zwana «krzywą drugorzędną» z jednej i drugiej strony łuku koła głównego, łączy się z nim stycznie w odpowiedniej części boku i z drugiej strony z dnem zwoju. Połączenie nie styczne wprowadziłoby maksymalne naprężenia zwłaszcza szkodliwe przy zmęczeniu na poziomie pojedynczego punktu połączenia.

Również, krzywa drugorzędna powinna być regularna, to znaczy nie mieć punktu szczególnie wrażliwego na wprowadzenie maksymalnego naprężenia.

W punkcie odniesienia boku, styczna do koła podpierającego łuku koła głównego tworzy kąt ostry dodatni z prostą podpierającą odpowiedniego boku.

PL 198 003 B1

Przyjmuje się w dalszym ciągu tego dokumentu, że kierunek dodatni jest taki, że łuk koła głównego nie przecina materiału gwintu: kąt ujemny pomiędzy styczną i bokiem byłby oczywiście szczególnie szkodliwy dla wytrzymałości na zmęczenie.

To koło podpierające łuku koła głównego przecina lub jest styczne do prostej podpierającej dna zwoju, a styczna do tego koła podpierającego tworzy w danym punkcie przecięcia lub styku kąt zawarty pomiędzy -15° i +15° z prostą podpierającą dna zwoju.

Gdy koło podpierające łuku koła głównego jest styczne do prostej podpierającej dna zwoju, ten kąt wynosi zero i krzywa drugorzędna od strony dna zwoju zmniejsza się do postaci punktu.

Gdy dno zwoju zmniejsza się do postaci punktu, prosta podpierająca dna zwoju jest umownie prostą przechodzącą przez dno zwoju, która jest równoległa do osi elementu gwintowanego.

Kształt i układ łuku koła głównego całego obszaru o wielu promieniach jest dokładnie określony przez położenie punktu odniesienia boku, przez kąt pomiędzy styczną do koła podpierającego łuku koła głównego i odpowiednim bokiem, i przez kąt pomiędzy styczną do tego koła i dnem zwoju.

Promień łuku koła głównego każdego obszaru o wielu promieniach dna zwoju jest większy od promienia łuku koła zwanego «łukiem koła standardowego» przechodzącym przez ten punkt odniesienia boku, który tworzy dla niego jedyny obszar połączenia stycznego pomiędzy odpowiednim bokiem i dnem zwoju.

Wynalazek umożliwia także wykorzystanie zwiększonego promienia połączenia w obszarach krytycznych znajdujących się w kierunku środka obszaru połączenia, gdzie znajduje się łuk koła głównego i mniejszych promieni do połączenia z odpowiednim bokiem i z dnem zwoju, gdzie znajdują się krzywe drugorzędne, bez nadmiernego zmniejszenia wysokości zwoju.

Dla danej wysokości zwoju, im punkt odniesienia boku jest bliższy dna zwoju, tym dysponowana powierzchnia boku dla przenoszenia powierzchni odpowiedniego dołączonego elementu gwintowanego jest większa, co zwiększa parametry statyczne wykonanego połączenia gwintowanego.

W przypadku elementów gwintowanych ze stanu techniki, wysoko ść promieniowa obszaru połączenia (odległość punktu odniesienia boku od dna zwoju) jest proporcjonalna do promienia tego obszaru. W konsekwencji, dla tych elementów gwintowanych i dla danej wysokości zwoju, cały zysk na charakterystykach zmęczeniowych (obciążenia cykliczne) powoduje w konsekwencji osłabienie charakterystyk statycznych.

W przypadku wynalazku, ze wzglę du na ką t dodatni pomię dzy styczną do koł a podpierają cego łuku koła głównego i boku, wysokość promieniowa obszaru połączenia jest proporcjonalna do promienia łuku koła głównego, ale współczynnik proporcjonalności jest tym mniejszy im kąt dodatni jest większy. Można więc poprawić albo wytrzymałości na zmęczenie, przy danych charakterystykach statycznych albo charakterystyki statyczne, przy danej wytrzymałości na zmęczenie lub także jednocześnie wytrzymałość na zmęczenie i charakterystyki statyczne.

Korzystnie, kąt pomiędzy styczną do koła podpierającego łuku koła głównego danego obszaru o wielu promieniach i odpowiednim bokiem w punkcie odniesienia boku jest zawarty pomiędzy +10° i (70°-J), gdzie J oznacza odpowiedni ką t boku, to znaczy ką t pomię dzy częścią prostoliniową danego boku i prostopadłą do osi gwintowanego elementu rurowego. Kąt boku jest dodatni, gdy dany bok nie znajduje się nad dnem zwoju.

Bardzo korzystnie, kąt pomiędzy styczną do koła podpierającego łuku koła głównego danego obszaru o wielu promieniach i bokiem nośnym w punkcie odniesienia boku jest zawarty pomiędzy +15° i (45°-J), gdzie J jest zdefiniowane tak samo jak poprzednio.

Konfiguracja z kątem boku dodatnim lub zerowym jest korzystna z punktu widzenia koncentracji naprężeń na podstawie gwintu.

Korzystnie, promień łuku koła głównego obszaru o wielu promieniach jest zawarty pomiędzy 150 i 250% promienia łuku koła standardowego, które tworzyłoby obszar połączenia stycznego przechodzący przez punkt odniesienia boku.

Korzystnie także, każda krzywa podrzędna obszaru o wielu promieniach jest łukiem koła.

Bardzo korzystnie, stosunek promienia łuku koła każdej krzywej drugorzędnej do promienia łuku koła głównego jest zawarty pomiędzy 0,1 i 0,4.

Wartość minimalna tego stosunku pozwala uniknąć nadmiernego wzrostu naprężenia na poziomie krzywych drugorzędnych.

Wartość maksymalna stosunku ogranicza całkowity zakres obszaru o wielu promieniach.

Wynalazek może być zastosowany do modyfikowania profilu gwintów albo od strony jednego boku, zwłaszcza boku nośnego, który jest ogólnie najbardziej obciążony, albo od strony dwóch boków.

PL 198 003 B1

Wynalazek może także być zastosowany zarówno do gwintów trójkątnych jak i trapezoidalnych o szerokoś ci stał ej lub zmiennej i dla gwintów stoż kowych, cylindrycznych, kombinowanych, jedno lub wielostopniowych.

Różne przykłady wykonania będą przedstawione w dalszym ciągu w sposób nieograniczający zakresu wynalazku.

Gwintowane połączenie rurowe według wynalazku charakteryzuje się zwiększoną wytrzymałością na obciążenia statyczne i cykliczne, i zawiera gwintowany element rurowy obejmowany na końcu pierwszej rury połączony przez skręcanie z gwintowanym elementem rurowym zewnętrznym na końcu drugiej rury za pomocą gwintu zewnętrznego na gwintowanym elemencie rurowym wewnętrznym i gwintu wewnętrznego na gwintowanym elemencie rurowym zewnętrznym.

Przez rurę, rozumie się długą rurę jak i krótką rurę taką jak złączka.

Zwoje każdego z gwintów zawierają wierzchołek zwoju, dno zwoju, bok nośny prostoliniowy, bok nieobciążony prostoliniowy i cztery obszary połączenia, z których każdy zawiera łuk koła.

Z tych czterech obszarów, dwa obszary zwane połączeniami stycznymi dna zwoju łączą , każ dy, dno zwoju z odpowiednim bokiem, a dwa obszary zwane połączeniami wierzchołka zwoju łączą, każdy, wierzchołek zwoju z bokiem.

Profil i układ każdego obszaru połączenia wierzchołka zwoju są dostosowane do tego, aby nie interferować z obszarem połączenia stycznego dna zwoju dołączonego elementu gwintowanego.

Co najmniej jeden z dwóch elementy gwintowanych, wewnętrzny lub zewnętrzny, jest gwintowanym elementem rurowym o profilu wytrzymałym na zmęczenie według wynalazku.

Co najmniej obszar połączenia wierzchołka zwoju gwintowanego elementu rurowego przeciwny do obszaru połączenia stycznego dna zwoju o wielu promieniach jednego gwintowanego dołączonego elementu rurowego o profilu wytrzymałym na zmęczenie jest obszarem zwanym naśladującym, który zawiera dwa łuki koła, które łączą się ze sobą stycznie, łuk koła głównego i łuk koła drugorzędnego, ten ostatni dla wykonania połączenia stycznego obszaru połączenia wierzchołka zwoju z odpowiednim bokiem.

Ponadto, w punkcie zwanym „połączenia górnego” odpowiedniego boku gdzie koło podpierające łuku koła głównego obszaru naśladującego przecina prostą podpierającą odpowiedniego boku, styczna do tego koła tworzy kąt ujemny z prostą podpierającą danego boku.

Według konwencji przedstawionej powyżej oznacza to, że łuk koła głównego wierzchołka zwoju wnika w materiał zwoju.

Taki układ umożliwia zwiększenie powierzchni stykających się boków przy danej wysokości zwoju.

Według odmiany, korzystnej z punktu widzenia kosztów, tylko jeden element gwintowany, wewnętrzny lub zewnętrzny, jest typu z profilem wytrzymałym na zmęczenie według wynalazku i jest kompatybilny z drugim elementem gwintowanym, który jest elementem gwintowanym ze stanu techniki.

Według innej odmiany, korzystnej z punktu widzenia maksymalizacji parametrów, dwa elementy gwintowane, wewnętrzny i zewnętrzny, są typu z profilem wytrzymałym na zmęczenie według wynalazku.

Gwintowane połączenie rurowe według wynalazku stosuje się do gwintów zwanych interferującymi, w których wierzchołek zwoju gwintu interferuje promieniowo z dnem zwoju dołączonego gwintu.

Według innej odmiany, połączenie gwintowane rurowe według wynalazku stosuje się do gwintów, w których dwa boki każdego zwoju stykają się z lub bez docisku stykowego z dwoma bokami zwoju dołączonego gwintu, na co najmniej części długości gwintów: wynalazek stosuje się do gwintów, więc do zwojów zwanych „rugged thread”, ze wzmocnieniem osiowym lub typu klinowego o zmiennej szerokoś ci.

Inne cele, właściwości i zalety wynalazku zostaną ujawnione w poniższym szczegółowym opisie powiązanym z załączonymi rysunkami, które będą służyły nie tylko dla lepszego zrozumienia wynalazku ale także, w tym przypadku dla jego określenia.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, którego wszystkie figury pokazane poniżej są pół-przekrojami wzdłużnymi przechodzącymi przez oś gwintowanego elementu lub połączenia gwintowanego i fig. 1 przedstawia połączenie gwintowane ze złączką, pomiędzy dwoma rurami wykonane za pomocą gwintów stożkowych, fig. 2 przedstawia połączenie gwintowane zwane zintegrowanym pomiędzy dwoma rurami wykonane za pomocą gwintów cylindrycznych ułożonych na dwóch poziomach fig. 3A przedstawia kilka zwojów trapezoidalnych elementu gwintowanego zewnętrznego ze stanu techniki, fig. 3B, 3C, 3D i 3E przedstawiają obszary połączeń pomiędzy powierzchniami gwintów z fig. 3A, fig. 4A przedstawia kilka zwojów trapezoidalnych elementu gwintowanego wewnętrznego według wynalazku, fig. 4B, 4C, 4D i 4E przedstawiają obszary połączeń

PL 198 003 B1 pomiędzy powierzchniami gwintów z fig. 4A, fig. 4F i 4G przedstawiają, każda, detal z fig. 4B, fig. 5A przedstawia kilka zwojów trapezoidalnych połączenia gwintowanego według wynalazku utworzonego przez połączenie elementów gwintowanych z figur 3A i 4A, fig. 5B przedstawia detal z połączenia z fig. 5A na poziomie obszarów połączeń z figur 3C i 4B, fig. 6A przedstawia kilka zwojów trapezoidalnych odmiany elementu gwintowanego zewnętrznego według wynalazku, fig. 6B, 6C, 6D i 6E przedstawiają obszary połączeń pomiędzy powierzchniami gwintów z fig. 6A, fig. 7A przedstawia kilka zwojów trapezoidalnych odmiany elementu gwintowanego wewnętrznego według wynalazku, fig. 7B, 7C, 7D i 7E przedstawiają obszary połączeń pomiędzy powierzchniami gwintów z fig. 7A, fig. 8A przedstawia kilka zwojów trapezoidalnych odmiany połączenia gwintowanego według wynalazku utworzonego przez połączenie elementów gwintowanych z figur 6A i 7A, fig. 8B przedstawia detal z połączenia z fig. 8A na poziomie obszarów połączeń z figur 6C i 7B, fig. 8C przedstawia detal z połączenia z fig. 8A na poziomie obszarów połączeń z figur 6B i 7C, fig. 9A przedstawia kilka zwojów trójkątnych innej odmiany elementu gwintowanego zewnętrznego według wynalazku, fig. 9B i 9C przedstawiają obszary połączeń pomiędzy bokami zwojów z fig. 9A, fig. 10A przedstawia kilka zwojów trójkątnych innej odmiany elementu gwintowanego, wewnętrznego według wynalazku, fig. 10B i 10C przedstawiają obszary połączeń pomiędzy bokami zwojów z fig. 10A, fig. 11A przedstawia kilka zwojów innej odmiany połączenia gwintowanego według wynalazku utworzonego przez połączenie elementów gwintowanych z figur 9A i 10A, fig. 11B przedstawia detal z połączenia z fig. 11A na poziomie obszarów połączeń z figur 9C i 10B, fig. 11C przedstawia detal z połączenia z fig. 11A na poziomie obszarów połączeń z figur 9B i 10C, fig. 12 jest wykresem przedstawiającym zmianę stosunku promienia łuku koła głównego do promienia koła standardowego obszaru połączenia w funkcji kąta, w punkcie odniesienia boku, dla różnych wartości kąta w punkcie połączenia dna zwoju, fig. 13 przedstawia taki sam wykres dla różnych wartości kąta boku nośnego, fig. 14 jest wykresem przedstawiającym zmianę naprężenia głównego w funkcji położenia kątowego, na obszarze połączenia pomiędzy dnem zwoju i bokiem nośnym rurowego połączenia gwintowanego poddanego ciśnieniu wewnętrznemu płynu.

Figura 1 przedstawia połączenie gwintowane pomiędzy dwoma rurami ze złączką 200 pomiędzy dwoma rurami o dużej długości 101, 101'.

Przez rury o dużej długości, rozumie się rury o długości kilku metrów, na przykład około 10 m długości.

Takie rury są zwykle połączone, aby utworzyć kolumny rur instalacji rurowych lub produkcyjnych lub „risers” dla szybów węglowodorów lądowych lub na morzu lub ciągi żerdzi wiertniczych dla tych samych szybów.

Rury mogą być wykonane ze wszystkich rodzajów stali nie stopowych, słabo stopowych lub silnie stopowych, a nawet ze stopów żelaznych lub nie żelaznych, dla dostosowania do różnych warunków pracy: poziomu obciążeń mechanicznych, charakteru korozyjności płynu wewnętrznego lub zewnętrznego dla rury.

Można również wykorzystywać rury ze stali o małej wytrzymałości na korozję wyposażone w pokrycie na przykład z materiału syntetycznego całkowicie uniemożliwiające styk pomiędzy stal ą i korozyjnym pł ynem.

Rury 101, 101' mają na swoich końcach identyczne elementy gwintowane wewnętrzne 1, 1' i są połączone za pośrednictwem złączki 202 mającej na każdym końcu element gwintowany zewnętrzny 2, 2'.

Elementy gwintowane wewnętrzne 1, 1' są odpowiednio połączone przez wkręcanie w elementy gwintowane zewnętrzne 2, 2', tworząc dwa połączenia gwintowane 100, 100' symetryczne, połączone przez występ 10 o długości kilku centymetrów.

Występ 10 złączki mą średnicę wewnętrzną w przybliżeniu identyczną jak średnica rury 101, 101' tak, aby przepływ płynu wewnątrz nie był zakłócony.

Połączenia gwintowane 100, 100' są symetryczne, zostanie opisane działanie tylko jednego z tych połączeń .

Na fig. 1, gwinty zostały zaznaczone przez tworzące lub obwiednie wierzchołka zwoju i dna zwoju.

Element gwintowany wewnętrzny 1 zawiera gwint wewnętrzny 3 według specyfikacja API 5B, stożkowy o zwojach w tym przypadku trójkątnych lub trapezoidalnych i umieszczonych na zewnątrz elementu wewnętrznego. Gwint wewnętrzny 3 jest oddzielony od wolnego końca 7 tego elementu przez krawędź niegwintowaną 11. Wolny koniec 7 jest powierzchnią pierścieniową w przybliżeniu poprzeczną.

Obok wolnego końca 7 na powierzchni zewnętrznej krawędzi 11 znajduje się nośna powierzchnia stożkowa 5, której zbieżność jest większa od zbieżności gwintu wewnętrznego 3.

PL 198 003 B1

Element zewnętrzny 2 zawiera elementy dołączone do elementu wewnętrznego 1, to znaczy, że mają one odpowiedni kształt i są przeznaczone do współpracy z elementami wewnętrznymi.

Element zewnętrzny 2 zawiera wewnątrz gwint stożkowy 4 i część niegwintowaną pomiędzy gwintem i występem 10.

Ta część niegwintowana zawiera zwłaszcza powierzchnię pierścieniową o orientacji w przybliżeniu poprzecznej 8 tworzącą ogranicznik na końcu występu i powierzchnię stożkową nośną 6 w przedł u ż eniu ogranicznika.

Połączenie jest uzyskane przez wkręcanie elementu wewnętrznego 1 w element zewnętrzny 2.

Wkręcanie gwintu wewnętrznego w gwint zewnętrzny jest zatrzymane, gdy powierzchnie poprzeczne 7 i 8 oprą się o siebie. Powierzchnie nośne 5, 6 są przewidziane do interferowania promieniowego ze sobą i są z tego powodu pod naciskiem styku metal-metal. Powierzchnie nośne 5, 6 tworzą w ten sposób powierzchnie uszczelniające, które nadają szczelność połączeniu gwintowanemu nawet przy podwyższonym ciśnieniu płynu wewnętrznego lub zewnętrznego.

Jeżeli nie jest potrzebna szczelność dociskowa, można usunąć występ 10, a więc powierzchnię poprzeczną ogranicznika 8 i powierzchnie nośne 5, 6.

W odmianie, połączenie gwintowane dwóch rur o dużej długości może być wykonane bezpośrednio jak pokazano na fig. 2; ten typ połączenia 300, które wykorzystuje tylko jedno połączenie gwintowane jest określany, jako integralny.

Rura 301 jest wyposażona na jednym ze swoich końców w element gwintowany wewnętrzny 1, druga rura 302 jest wyposażona w element gwintowany zewnętrzny 2 na odpowiednim końcu.

Element gwintowany wewnętrzny 1 zawiera gwint zewnętrzny wykonany w tym przypadku z dwóch stopni cylindrycznych 303, 303', o gwintach trójką tnych okrą g ł ych lub trapezoidalnych rozdzielonych przez poprzeczny ogranicznik pierścieniowy 307, stopień o mniejszej średnicy 303' znajduje się od strony wolnego końca 309' elementu, ten wolny koniec 309' jest powierzchnią pierścieniową poprzeczną.

Pomiędzy częścią gwintowaną 303' i powierzchnią końca 309 znajduje się na zewnątrz powierzchnia nośna stożkowa 311'.

Naprzeciw, na elemencie wewnętrznym, część gwintowana 303 jest przedłużona przez część niegwintowaną mająca powierzchnię nośną stożkową 311 i powierzchnię pierścieniową poprzeczną 309 tworzącą ogranicznik.

Element gwintowany zewnętrzny 2 zawiera wewnątrz dołączone elementy zewnętrzne elementu wewnętrznego.

Element zewnętrzny 2 zawiera gwint wewnętrzny utworzony z dwóch stopni cylindrycznych 304, 304' rozdzielonych przez poprzeczny ogranicznik pierścieniowy

308, przy czym stopień o większej średnicy 304 znajduje się od strony wolnego końca pierścieniowego poprzecznego 310 elementu zewnętrznego.

Element zewnętrzny zawiera ponadto dwie nośne powierzchnie stożkowe 312, 312' odpowiadające powierzchniom nośnym wewnętrznym 311, 311' i powierzchnię pierścieniową poprzeczną 310' tworzącą ogranicznik na końcu elementu przeciwnego do wolnego końca 310.

W stanie skręconym, części gwintowane wewnętrzne 303, 303' są nakręcone odpowiednio na części gwintowane zewnętrzne 304, 304' a ograniczniki środkowe 307, 308 stykają się jeden z drugim. Powierzchnie poprzeczne końców 309, 309' pozornie stykają się z powierzchniami ograniczników odpowiednio 310, 310' i tworzą ograniczniki dodatkowe dla ograniczników głównych 307, 308.

Powierzchnie nośne wewnętrzne 311, 311' interferują promieniowo odpowiednio z powierzchniami nośnymi wewnętrznymi 312, 312', tworząc zwiększony nacisk styku metal-metal mogący zapewnić szczelność połączenia, dla płynów zewnętrznych lub wewnętrznych.

W odmianach niepokazanych, połączenie gwintowane ze złączką może być z gwintami cylindrycznymi, a połączenie zintegrowane z gwintami stożkowymi.

Każdy z gwintów może także mieć dwie części gwintowane stożkowe o różnej zbieżności lub typu cylindryczno-stożkowego, części gwintowane tego samego gwintu mogą być stopniowane lub nie.

Poniższe figury przedstawiają kilka odmian zwojów z elementami gwintowanymi rurowymi dla połączenia gwintowanego rurowego przeznaczonego do wytrzymywania zarówno obciążeń statycznych jak i cyklicznych.

Figura 3A przedstawia zwój 12 gwintu wewnętrznego stożkowego 4 rurowego gwintowanego elementu zewnętrznego 2 z fig. 1.

PL 198 003 B1

Zwoje 12 mają kształt trapezoidalny i zawierają cztery powierzchnie prostoliniowe, to znaczy wierzchołek 20 zwoju, dno 18 zwoju i dwa boki: bok nośny 14 i bok nieobciążony 16.

W pokazanym przypadku, wierzchoł ki i dna zwoju są nachylone pod ką tem C w stosunku do osi elementu gwintowanego; kąt C jest kątem stożka gwintu; wysokość zwoju jest stała na każdym boku.

Można także alternatywnie mieć na gwincie stożkowym wierzchołki i dna zwoju umieszczone równolegle do osi elementu gwintowanego: wysokość zwoju jest wówczas większa od strony boku nieobciążonego niż od strony boku nośnego, aby gwint był stożkowy.

Bok nieobciążony 16 jest bokiem, który pierwszy styka się z bokiem odpowiedniego gwintu dołączonego, gdy łączy się element wewnętrzny i zewnętrzny: znajduje się na zwoju od strony wolnego końca elementu gwintowanego.

Bok nośny 14 jest, więc położony od strony przeciwnej do wolnego końca elementu gwintowanego.

Bok nośny 14 tworzy kąt A z prostopadłą do osi elementu gwintowanego, a bok nieobciążony tworzy kąt B z taką samą prostopadłą.

Kąty A i B są umownie określone jako dodatnie ponieważ odpowiednie boki 14 i 16 nie są wychylone nad dnem zwoju 18.

Boki są połączone z wierzchołkiem i dnem zwoju przez cztery obszary połączenia stycznego 22, 32, 42, 52 tworzące, każdy, zwykły łuk koła jak pokazano na fig. 3B, 3C, 3D i 3E.

Obszary 22 i 52 o promieniu odpowiednio r2fp i r2fe są obszarami połączenia stycznego z dnem zwoju podczas gdy obszary 32 i 42 o promieniu r2sp i r2sp są obszarami połączenia z wierzchołkiem zwoju.

Określenie obszarów połączenia 22, 32, 42, 52 jako stycznych wyjaśnia fakt, że łuk, koła które tworzy te obszary jest styczny na swoich końcach do powierzchni, z którymi się łączą. Pozwala to uniknąć kantów mogących wytwarzać szczyt naprężenia, gdy te obszary są poddawane naprężeniom.

Figura 4A przedstawia zwój 11 gwintu zewnętrznego stożkowego 3 wewnętrznego gwintowanego elementu rurowego 1 z fig. 1.

Tak jak zwój 12, zwój 11 ma kształt trapezoidalny i zawiera cztery powierzchnie prostoliniowe to znaczy wierzchołek 17 zwoju, dno 19 zwoju i dwa boki: bok nośny 13 i bok nieobciążony 15.

Zwoje zewnętrzne 11 są dostosowane do wkręcenia w zwoje wewnętrzne 12. Wierzchołki i dna zwojów zewnętrznych są na przykład nachylone o ten sam kąt C co wierzchołki i dna zwoju wewnętrznego. Kąty A boku nośnego i B boku nieobciążonego zwoju zewnętrznego 11 są identyczne jak zwoju wewnętrznego 12.

Boki są połączone z wierzchołkiem zwoju i dnem zwoju przez cztery obszary połączenia stycznego 21, 31, 41, 51.

Obszary połączenia stycznego wierzchołka zwoju 31, 41 i dna zwoju 51 są utworzone z pojedynczego łuku koła o promieniu odpowiednio r1sp i r1se r1fe i są przedstawione na fig. 4C, 4D i 4E.

Obszar połączenia stycznego 21 dna zwoju umieszczony pomiędzy dnem zwoju i bokiem nośnym jest utworzony z kilku kolejnych łuków kół o różnych promieniach i stycznych pomiędzy sobą.

Ten obszar 21 przedstawiony szczegółowo na fig. 4B, 4F i 4G jest dlatego zwany „o wielu promieniach”.

Obszar o wielu promieniach 21 zawiera w części środkowej łuk koła zwany „łukiem koła głównego” 23 o promieniu rp1 i łuk koła zwanego „łukiem koła drugorzędnego” z każdej strony tego łuku koła głównego, pierwszy łuk koła drugorzędnego 25 od strony boku nośnego 13 o promieniu rs1 i styczny do boku nośnego i drugi łuk koła drugorzędnego 27 od strony dna zwoju 19 o promieniu rT1, i styczny do dna zwoju.

Koło podpierające łuku koła głównego 23 przecina prostą podpierającą boku nośnego 13 w punkcie PRF1 zwanym „odniesieniem boku”, nie stykając się z tą prostą podpierającą.

W punkcie PRF1 występuje kąt D pomiędzy styczną 61 do koła podpierającego łuku koła głównego 23 i prostą podpierającą boku nośnego 13. Ten kąt D jest dodatni zgodnie z przyjętą konwencją oznaczającą, że taki kąt jest dodatni, gdy łuk koła głównego nie przecina materiału zwoju; styczna 61 jest z tego powodu wewnętrzna do zwoju 11 w stosunku do prostej podpierającej boku nośnego.

Koło podpierające łuku koła głównego 23 przecina prostą podpierającą dna zwoju 19 w punkcie PRR1 nie stykając się z prostą podpierającą.

Styczna 63 do koła podpierającego łuku koła głównego 23 w punkcie PRR1, tworzy kąt E lekko dodatni z prostą podpierającą dna zwoju 19.

Wynalazcy stwierdzili, że dla prawidłowego działania połączenia gwintowanego, należy ograniczyć kąt E do przedziału +15 do -15°, na przykład 10°, kąt ujemny odpowiada według naszej konwencji łukowi koła głównego przecinającego materiał zwoju lub raczej dna zwoju, jak w tym przypadku.

PL 198 003 B1

Fakt ustalenia położenia punktu PRR1 na boku nośnym 13 jak również kątów D i E pozwala na dokładne określenie promienia rp1, łuku koła głównego 23.

Gdy zbieżność gwintu jest mała (kąt C równy kilka stopni) i gdy bok nośny 13 jest w przybliżeniu prostopadły do dna zwoju 19, promień rp1, jest bliski dwukrotnej wartości promienia rH1 koła hipotetycznego zwanego «kołem standardowym» 29 przechodzącym przez punkt PRF1 i który sam tworzy obszar połączenia stycznego pomiędzy bokiem nośnym i dnem zwoju. To oznacza, że koło standardowe 29 przechodzące przez PRF1 jest styczne jednocześnie do dna zwoju 19 i do boku nośnego 13.

Czynnikiem najbardziej wpływającym na wartość stosunku (rp1/rH1), uwzględniając dopuszczalne zmiany jest kąt D.

Gdy kąt D jest zbyt mały mniejszy od 10°, stosunek (rp1/rH1) jest nieco większy od 1, a więc wpływ na wytrzymałość na zmęczenie jest ograniczony. W konsekwencji wybiera się kąt D większy od 10°, a korzystnie większy od 15°.

Kąt D zbyt duży może pociągnąć za sobą niedopasowanie geometryczne, w przypadku gwintów o boku nośnym bardzo nachylonym dodatnio. Dlatego ogranicza się dolną wartość D do wartości (70°-A), a korzystnie do (45°-A).

Ponadto, kąt D zbyt duży w przypadku kąta A silnie dodatniego powodowałby zbyt duże wartości stosunku (rp1/rH1), co wymagałoby realizacji łuków kół drugorzędnych o małym promieniu co byłoby źródłem niepożądanych wierzchołków naprężenia w czasie pracy na poziomie tych łuków 25 i 27.

Dlatego, wybiera się raczej kąty D i E uwzględniając wartości kątów A i C, tak aby stosunek rp1/rH1 był zawarty pomiędzy 1,5 i 2,5. W danym przypadku, E = 10° i D = 30°.

Łuki kół drugorzędnych 25, 27 mają promienie odpowiednio rs1, rT1 mniejsze od rp1.

To nie pogarsza wytrzymałości w czasie pracy gwintów bo wynalazcy stwierdzili, że częścią najbardziej obciążoną, a więc najbardziej krytyczną obszaru połączenia dna zwoju jest część środkowa łuku koła głównego 23, u podstawy gwintu od strony boku nośnego.

Rzeczywiście, w połączeniach gwintowanych poddanych działaniu dużych sił rozciągających ale zmiennych, obserwuje się ogólnie pęknięcia zmęczeniowe inicjowane w części środkowej obszaru połączenia dna zwoju od strony boku nośnego, który przenosi siły rozciągające działające na elementy gwintowane.

Promień łuku drugorzędnego zbyt mały może jednakże powodować powstanie drugorzędnego wierzchołka naprężenia na poziomie łuków 25 lub 27, co może wywołać powstanie drugiego ośrodka pęknięć zmęczeniowych w czasie pracy.

Promień łuku drugorzędnego zbyt duży prowadzi przeciwnie do łuków 25 lub 27 stosunkowo zbyt dużych zwłaszcza gdy promień rp1, jest duży.

Wybiera się korzystnie wartość rs1/ rp1, zawartą pomiędzy 0,1 i 0,4.

Figura 5A przedstawia zwój zewnętrzny 11 z fig. 4A i zwój wewnętrzny 12 z figury 3A, gdzie elementy wewnętrzny i zewnętrzny 1, 2 są połączone przez skręcanie, aby utworzyć rurowe połączenie gwintowane typu 100 z fig. 1.

Zwoje 11, 12 z fig. 5A są zwane interferującymi bo wierzchołek 20 zwoju jednego z gwintów, w tym przypadku gwintu wewnętrznego, interferuje promieniowo z dnem 19 zwoju gwintu dołączonego, w tym przypadku zwoju zewnętrznego.

Boki nośne i wewnętrzny i zewnętrzny 13, 14 również się stykają i są poddane siłom rozciągającym osiowym generowanym przez ciężary rur kolumn, a w przypadku połączenia gwintowanego z fig. 1 sił om generowanym przez opieranie się powierzchni poprzecznych 7, 8 z momentem skr ę cającym kilku kNm.

Należy zauważyć, że podobne siły występują przy opieraniu się ograniczników 307, 308 z fig. 2.

Wracając do fig. 5A, luz natomiast występuje pomiędzy wierzchołkiem zwoju zewnętrznego 17 i dnem 18 zwoju wewnętrznego jak również między bokami nieobciążonymi 15,16.

Te luzy ograniczają również ryzyko interferencji pomiędzy obszarami połączenia wewnętrznego i zewnętrznego takich jak 31/22, 41/52 i 51/42, nawet dla identycznych promieni pomię dzy dołączonymi obszarami połączenia.

Promień r2sp obszaru połączenia 32 wierzchołka zwoju zewnętrznego od strony boku nośnego jest wybrany wystarczająco duży, aby nie interferować z obszarem o wielu promieniach 21.

Każda interferencja pomiędzy obszarami 21 i 32 wywoływałaby rzeczywiście wierzchołek naprężenia i niedopuszczalne ryzyko zerwania w czasie pracy.

Wykonanie obszaru 21 o wielu promieniach na dnie zwoju zewnętrznego od strony boku nośnego pozwala zwiększyć promień części krytycznej obszaru połączenia stycznego najbardziej obcią12

PL 198 003 B1 żonego, jeżeli umieści się punkt początkowy obszaru połączenia stycznego na boku nośnym: jak przedstawiono powyżej analizując wartości stosunku rp1/rH1.

Można również ustalić wartość minimalną promienia łuku głównego i analizować zysk na powierzchni podpierającej zwoju, a więc i na charakterystykach statycznych połączenia gwintowanego. Jest prawdą, że ten zysk jest częściowo zmniejszony przez zastosowanie pojedynczego promienia r2sp na połączeniu zewnętrznym dołączonym: patrz fig. 5B.

Zauważa się natomiast, że jest konieczne zmodyfikowanie w stosunku do stanu techniki tylko jednego obszaru połączenia na jednym elemencie, w tym przypadku na elemencie wewnętrznym.

Można także oczywiście zmodyfikować tylko element zewnętrzny. Jest, więc możliwe dla użytkownika wykonywanie rur 101 zawierających elementy gwintowane wewnętrzne 1 ze stanu techniki i dostarczać tylko złączki 202 ze zmodyfikowanymi gwintami zewnę trznymi zawierającymi obszar o wielu promieniach pomiędzy dnem zwoju i bokiem nośnym.

Należy na koniec podkreślić, że zwoje z obszarów połączenia o wielu promieniach nie są bardziej delikatne w obróbce lub kontroli niż gwinty standardowe ze stanu techniki, zawierające obszary połączenia o pojedynczym promieniu: obróbka jest wykonywana za pomocą narzędzi o dostosowanym kształcie, a kontrola jest wykonywana klasycznie, przykładając do zwojów dwa sprawdziany z dwoma końcami wykonanymi z tolerancją produkcyjną (kontrola zwana przez „overlay”).

Figura 6A przedstawia zwój wewnętrzny 12 o kształcie trapezoidalnym ogólnie podobny do pokazanego na fig. 3A.

Ten zwój zawiera jednak w stosunku do zwoju z fig. 3A różnice, które dotyczą dwóch obszarów połączenia od strony boku nośnego, to znaczy obszaru 22 dna zwoju i obszaru 32 wierzchołka zwoju, które są oba obszarami o wielu promieniach.

Obszar 22 jest przedstawiony szczegółowo na fig. 6B.

Zawiera on łuk koła głównego 24 i łuk koła drugorzędnego 26 styczny z jednej strony do koła głównego, łączący się stycznie z dnem zwoju 18, tak, że nie jest konieczne wprowadzenie drugiego łuku koła drugorzędnego dla wykonania połączenia na tym poziomie.

Łuk koła głównego 2A przecina bok nośny 14 w punkcie PRF2, a styczna 62 do koła podpierającego łuku koła głównego 24 w PRF2 tworzy kąt dodatni D z prostą podpierającą boku nośnego 14.

Przy takiej samej konwencji oznaczeń jak zastosowano poprzednio na fig. 4B, kąt D wynosi + 30°.

Ponieważ kąt D jest dodatni, promień rp2 łuku koła głównego 24 jest większy od rH2 łuku koła standardowego 30, tworząc z nim jeden obszar połączenia stycznego, pomiędzy bokiem nośnym 14 i dnem zwoju 18.

Wartość stosunku rp2/rH2 podlega takim samym uwarunkowaniom jak opisane dla połączenia 21 z fig. 4B, ten przypadek stanowi przypadek szczególny, w którym kąt E wynosi zero.

Łuk koła drugorzędnego 26 ma promień rs2 mniejszy od promienia łuku koła głównego z powodów już opisanych w przypadku z fig. 4B.

Obszar połączenia 32 wierzchołka zwoju jest przedstawiony szczegółowo na fig. 6C.

Zawiera on łuk koła głównego 34 i łuk koła drugorzędnego 36, ten ostatni jest styczny z jednej strony do łuku koła głównego 34, a z drugiej strony do boku nośnego 14.

Koło podpierające łuku koła głównego 34 przecina bok nośny w punkcie PRH2 zwanym „punktem połączenia górnego”.

Styczna 66 w PRH2 do koła łuku głównego 34 tworzy kąt H z bokiem nośnym 14.

Kąt H jest ujemny według stosowanej konwencji oznaczeń, to znaczy, że łuk główny 34 przecina lub wnika w materiał zwoju 12.

Zaletą tej konfiguracji dla obszaru połączenia 32 jest to, że przy promieniu identycznym pozwala ona umieścić punkt PRH2 bliżej wierzchołka zwoju niż w przypadku połączenia takiego jak 42 (patrz fig. 6D) utworzonego przez pojedynczy łuk koła.

Można, jeżeli jest to pożądane, łączyć stycznie w sposób nieprzedstawiony na fig. 6C obszar 32 z wierzchołkiem zwoju za pomocą drugiego łuku koła drugorzędnego.

Promień rp6 łuku głównego 34 może ponadto być w razie potrzeby równy nieskończoności, łuk 34 staje się więc odcinkiem prostej.

Promień rs6 łuku drugorzędnego 36 jest zawsze mniejszy od promienia rp6 łuku głównego 34. Tak samo będzie również dla drugiego łuku drugorzędnego od strony wierzchołka zwoju.

Figura 7A przedstawia zwój wewnętrzny 12 o kształcie trapezoidalnym, ogólnie podobny do pokazanego na fig. 4A.

Ten zwój ma kształt dostosowany do wkręcenia w zwój obejmujący 12 z fig. 6A.

PL 198 003 B1

Jak w przypadku z fig. 6A, obszary połączenia 41, 51 od strony boku nieobciążonego są o pojedynczym promieniu (patrz fig. 6D i 6E), podczas gdy obszary 21 i 31 od strony boku nośnego są obszarami o wielu promieniach.

Obszar 21 połączenia stycznego dna zwoju (fig. 7C) jest podobny do obszaru 21 z fig. 4A, za wyjątkiem tego, że kąt E wynosi zero, nie ma więc potrzeby stosowania łuku koła drugorzędnego dla łączenia łuku koła głównego 23 z dnem zwoju 19: obszar 21 jest więc dokładnym odpowiednikiem obszaru 22 z fig. 6B; zwłaszcza kąt D wynosi +30°.

Obszar 31 połączenia wierzchołka zwoju (fig. 7B) jest podobny i stanowi odpowiednik obszaru 32 z fig. 6C.

Figura 8A przedstawia zwój zewnętrzny 11 z fig. 7A i zwój wewnętrzny 12 z fig. 6A, gdzie elementy gwintowane 1, 2 są połączone przez skręcanie, aby utworzyć połączenie gwintowane rurowe 100 z fig. 1.

Zwoje 11, 12 z fig. 8A są typu interferującego jak zwoje z fig. 5A: tylko wierzchołki zwoju wewnętrznego 20 stykają się pod ciśnieniem stykowym z dnami zwoju zewnętrznego 19, jak również bokami nośnymi zewnętrznymi i wewnętrznymi 13,14.

Figury 8B i 8C przedstawiają układ względny połączonych obszarów połączenia o wielu promieniach 21, 32, 31, 22. Ze względu na modyfikację połączenia na wierzchołku zwoju, boki nośne zewnętrzne i wewnętrzne 13, 14 mogą mieć większą powierzchnię niż w przypadku z fig. 5A i mogą wytrzymywać ponadto znaczne obciążenia statyczne na rozciąganie.

Ponadto, oba elementy gwintowane wewnętrzne i zewnętrzne są modyfikowane, więc wytrzymałość na zmęczenie połączenia nie jest ograniczona przez wytrzymałość na zmęczenie elementu gwintowanego niemodyfikowanego, jak w przypadku z fig. 5A.

Natomiast, ten typ połączenia gwintowanego wymaga dostarczenia elementów wewnętrznych i zewnę trznych typu modyfikowanego o profilu wytrzymał ym na zmę czenie.

Figura 9A przedstawia zwój wewnętrzny 12 o kształcie trójkątnym gwintowanego elementu rurowego zewnętrznego 2 z fig. 1.

Zwój wewnętrzny 12 zawiera: wierzchołek S2 zwoju dno F2 zwoju bok nośny 14 tworzący kąt A z prostopadłą do osi elementu gwintowanego 2 bok nieobciążony 16 tworzący kąt B z prostopadłą do osi elementu gwintowanego 2.

Oba kąty A i B są równe 30°, jak w specyfikacji API 5B.

Definicja boku nośnego i boku nieobciążonego jest taka sama jak powyżej.

Gwint 4 jest stożkowy, linia łącząca wierzchołki zwojów i linia łącząca dna zwojów tworzy kąt C z osią elementu gwintowanego.

Boki 14, 16 łączą się z wierzchołkiem S2 i z dnem F2 zwoju przez obszary połączenia stycznego 22, 32, 42, 52.

Obszary 32, 42 wierzchołka zwoju są symetryczne do siebie w stosunku do prostopadłej do osi elementu gwintowanego, przechodzącej przez wierzchołek S2; są one utworzone z jednego łuku koła o promieniu r2s; patrz fig. 9C.

Obszary 22, 52 dna zwoju nie są symetryczne do siebie w stosunku do prostopadłej do osi elementu gwintowanego przechodzącej przez dno F2; są one natomiast o wielu promieniach: patrz fig. 9B.

Obszar 22 zawiera łuk koła głównego 24 o promieniu rp2; który jest styczny w F2 do prostej podpierającej dna zwoju. Koło podpierające o łuku 24 przecina w PRF2 tą prostą podpierającą boku nośnego 14.

W konwencji przedstawionej powyżej w tym dokumencie, okreś la się prostą podpierającą dna zwoju w przypadku gwintów trójkątnych, jako prostą równoległą do osi połączenia przechodzącą przez dno F2 zwoju.

W PRF2 styczna 62 do łuku koła głównego 2A tworzy kąt D dodatni z bokiem nośnym 14. Kąt D ma na przykład 30°.

Obszar 22 zawiera także łuk koła drugorzędnego 26 o promieniu rs2, którego koniec jest styczny do końca łuku koła głównego 24, którego drugi koniec jest styczny do boku nośnego 14.

Promień rp2 łuku koła głównego 24 jest z tego powodu większy od promienia rH2 koła standardowego, niebędącego stycznym w PRF2 do boku nośnego i w F2 do prostej podpierającej dna zwoju

PL 198 003 B1 i okreś la w ten sposób charakterystyki wytrzymał o ś ci na zmę czenie połączenia dna zwoju z bokiem nośnym.

Promień rS2 jest mniejszy od promienia rp2 i jest zawarty korzystnie pomiędzy 0,1 i 0,4 rp2.

Obszar 52 zawiera łuk koła głównego 54 o promieniu rP4, który jest styczny w F2 do prostej podpierającej dna zwoju. Koło podpierające o łuku 54 przecina w PRF4 prostą podpierającą boku nieobciążonego 16.

W PRF4 styczna 68 do łuku koła głównego 24 tworzy dodatni kąt F z bokiem nieobciążonym 16. Kąt F ma na przykład 15°.

Obszar 52 zawiera także łuk koła drugorzędnego 56 o promieniu rs4, którego koniec jest styczny z koń cem łuku koła głównego 54 i którego drugi koniec jest styczny z bokiem nieobciążonym 16.

Promień rP4 łuku koła głównego 54 jest z tego powodu większy od promienia rs4 koła standardowego niepokazanego, stycznego w PRF4 do boku nieobciążonego 16 i w F2 do prostej t podpierającej dna zwoju i określa w ten sposób charakterystyki wytrzymałości na zmęczenie połączenia dna zwoju z bokiem nośnym.

Promień rS4 jest mniejszy od promienia rp4 i jest zawarty korzystnie pomiędzy 0,1 i 0,4 razy rp4.

W ten sposób, projekt elementu gwintowanego dąży do poprawienia wytrzymałości na zmęczenie zespołu dna zwoju, gdy dwa boki 14 i 16 są poddane obciążeniom cyklicznym, ale gdzie bok nośny jest bardziej obciążony, co ogólnie ma miejsce w przypadku kolumn rur pracujących przemiennie na rozciąganie i na ściskanie lub poddawanych siłom zginającym.

Figura 10A przedstawia gwint zewnętrzny 11 dostosowany do wkręcenia w gwint wewnętrzny 12 i z fig. 9A.

Ten gwint zewnętrzny 11 zawiera wierzchołek zwoju S1, dno zwoju F1, bok nośny 13 i bok nieobciążony 15.

Boki 13, 15 łączą się z wierzchołkami S1 i dnami F1 gwintu przez obszary połączenia 21, 31, 41, 51.

Obszary 31, 41 wierzchołka zwoju pokazane na fig. 10B są utworzone z łuku koła o promieniu r1S i są podobne do obszarów 32, 42 z fig. 9C.

Obszary 21, 51 dna zwoju pokazane na fig. 10C są obszarami o wielu promieniach; są one podobne do obszarów 22, 52 z fig. 9B i tworzą ich odpowiednik.

Figura 11A przedstawia zwój zewnętrzny 11 z fig. 10A i zwój wewnętrzny 12 z fig. 9A połączone przez skręcanie, aby utworzyć połączenie gwintowane rurowe z fig. 1.

Zwoje 11, 12 stykają się pod naciskiem stykowym poprzez ich dwa boki: bok nośny zewnętrzny 13 styka się z bokiem nośnym wewnętrzny 14 a bok nieobciążony zewnętrzny 15 styka się z bokiem nieobciążonym wewnętrzny 16.

Istnieje natomiast luz pomiędzy wierzchołkami i dnami zwojów dołączonych (F1/S2 i F2/S1) i pomię dzy odpowiednimi obszarami połączenia (21/42, 51/32, 41/52, 31/22): patrz fig. 11B i 11C.

Ten luz i kształt gwintów i obszarów połączenia z łukami koła głównego o dużym promieniu na dnie zwoju zapewniają dobrą wytrzymałość na zmęczenie na rozciąganie-ściskanie lub na zginanie tego typu połączenia gwintowanego rurowego o gwintach trójkątnych.

Figury 12 i 13 przedstawiają wpływ różnych kombinacji kątów A i E kąta D na wartość stosunku rP1/rH1 promienia łuku głównego obszaru o wielu promieniach dna zwoju do promienia łuku koła standardowego tworzącego obszar połączenia stycznego.

Z fig. 12 i 13 wynika, ż e stosunek rP1/rH1 zwiększa z kątem D. Na fig. 12 pokazano, ż e wpływ kąta E jest umiarkowany i jest zależny od małych zmian tolerancji dla tego kąta: kąt E 15° umożliwia uzyskanie wartości rP1/rH1 nieco zwiększonej w porównaniu z wartością przy E = 0°.

Dla trapezoidalnych boków nośnych zwojów, które są ogólnie mało nachylone i odpowiadają (A-C) bliskiemu 0°, kąt D może być korzystnie wybrany pomiędzy 15 i 45°, co odpowiada korzystnemu zastrzeganemu zakresowi dla tego kąta, gdy kąt A wynosi zero.

Figura 13 przedstawia wpływ kąta A: stosunek rP1/rH1 zwiększa się, gdy kąt A zwiększa swoją wartość algebraiczną.

Kąt A lekko ujemny (boki nośne wychylone od pionu zwoju w postaci haczyka zwane «hook threads») wymaga wybrania kąta D stosunkowo dużego dla uzyskania znacznego zysku rP1.

Kąt A bardzo dodatni narzuca ograniczenie wartości kąta D do 30°, a nawet 20°. Spotyka się takie wartości kąta A przy gwintach trójkątnych.

Boki nieobciążone zwojów trapezoidalnych są ponadto ogólnie bardziej nachylone niż boki nośne: wpływ kąta B może być bezpośrednią kopią wpływu kąta A.

PL 198 003 B1

Figura 14 przedstawia zmianę naprężenia głównego w obszarze połączenia pomiędzy dnem zwoju i bokiem nośnym w części środkowej gwintu w poniższej konfiguracji połączenia gwintowanego dla rur «risers» dla połączenia pomiędzy dnem morza i platformą eksploatującą złoża podmorskie:

rury o średnicach zewnętrznych 339,7 mm (13 3/8) połączone przez połączenia gwintowane ze złączkami typu takiego jak na fig. 1 gwinty stożkowe (zbieżność 1/6 albo kąt C 4,8°;

zwoje na cal (skok gwintu = 6,35 mm);

zwoje trapezoidalne o wysokości 2,1 mm o wierzchołkach i dnach równoległych do osi rury;

boki nośne proste (A = 0°);

boki nieobciążone nachylone (B = 15°);

obciążenie osiowe rozciągające powodujące naprężenie rozciągające w korpusie rury równe 80% granicznej sprężystości materiału;

połączenia skręcone do oporu przy standardowym momencie skręcającym.

Na fig. 14 porównano wartości obliczone numerycznie naprężenia głównego rozciągającego w sześcianie elementarnym materiału na powierzchni obszaru połączenia pomiędzy dnem zwoju i bokiem noś nym, w przypadku połączenia standardowego z jednym ł ukiem koł a o promieniu 0,375 mm (krzywa STD) i z połączeniem o wielu promieniach (krzywa RM).

Parametry obszaru o wielu promieniach są:

D = 30° E = 0° rp1, = 0,64 mm rs1,= 0,19mm Rp1/rs1 = 0,3

Położenia punktu PRF1 na boku nośnym = 0,32 mm od prostej podpierającej dna zwoju.

Na fig. 14 pokazano sześcian elementarny materiału na powierzchni obszaru połączenia w położeniu kątowym θ i wartości naprężenia głównego σ rozciągającego na powierzchni sześcianu prostopadłej do stycznej do powierzchni obszaru połączenia, w funkcji położenia kątowego θ; położenie 0° odpowiada końcowi obszaru połączenia z dnem zwoju a położenie 90° drugiemu końcowi obszaru od strony boku nośnego.

Stwierdzono maksimum naprężenia głównego σ w części środkowej obszaru połączenia, a zwł aszcza wokół poł o ż enia ką towego 30°.

Zastosowanie połączenie o wielu promieniach umożliwia lekkie obniżenie położenia punktu odniesienia boku do 0,32 mm z 0,375 mm, dla połączenia standardowego i około 20% wartości maksymalnej naprężenia głównego σ.

Takie zmniejszenie powoduje znaczne zwiększenie liczby cykli wykonanych przed zerwaniem zmęczeniowym połączenia gwintowanego.

Przyjęcie stosunku rS1/rP1 równego 0,3 pozwala ograniczyć pojawianie się szczytów drugorzędnych naprężenia w położeniu 70°.

Wynalazku nie ogranicza się do przykładów wykonania, które zostały przedstawione.

Wynalazek może zwłaszcza znaleźć zastosowanie dla gwintów cylindrycznych (kąt C = 0) typu 303, 303', 304, 304 ' wykonanych w rurowym połączeniu gwintowanym 300 z fig. 2.

Może on także znaleźć zastosowanie dla gwintów, których dwa boki stykają się z lub bez nacisku stykowego z dwoma bokami zwoju dołączonego.

Jest to przypadek gwintów zwanych „rugged thread” dla połączenia gwintowanego przeznaczonego do pracy na rozciąganie i na ściskanie takiego jak opisane w dokumencie EP 454147. W tym dokumencie, boki nośne zewnętrzne i wewnętrzne stykają się pod naciskiem stykowym a boki nieobciążone zewnętrzne i wewnętrzny stykają się także na znacznej części długości gwintów.

Jest to także przypadek gwintów z bokami wzmocnionymi osiowo ze zgłoszenia patentowego WO 00/14441.

Jest to także przypadek gwintów klinowych o zmiennej szerokości stanowiących przedmiot patentu WO 94/29627.

Opis gwintów trójkątnych z obszaru połączenia dna zwoju o wielu promieniach na każdym boku, może być bezpośrednio dostosowany do zwojów trapezoidalnych, zwój trapezoidalny jest zwykłym zwojem trójkątnym którego wierzchołki i dna zostały ścięte.

Można w przypadku takich zwojów trapezoidalnych wykorzystywać na dnie zwoju obszary połączenia o wielu promieniach, przy promieniu łuku koła głównego różnym dla obszaru odnoszącego się do boku nośnego i obszaru odnoszącego się do boku nieobciążonego.

Bok nieobciążony jest ogólnie mniej obciążony niż bok nośny na zwoju trapezoidalnym, którego dwa boki stykają się z odpowiednimi bokami elementu gwintowanego dołączonego, promień główny rp

PL 198 003 B1 może korzystnie być większy dla połączenia 21 i/lub 22 od strony boku nośnego niż dla połączenia 51 i/lub 52 od strony boku nieobciążonego.

Alternatywnie promień główny rp może być identyczny dla obszarów 21, 22, 51, 52.

Claims (19)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Gwintowany element rurowy wewnętrzny lub zewnę trzny dla połączenia gwintowanego rurowego, wykonany na końcu rury i zawierający gwint zewnętrzny na elemencie wewnętrznym lub gwint wewnętrzny na elemencie zewnętrznym gdzie element gwintowany jest typu wewnętrznego lub zewnętrznego, którego zwoje widziane w przekroju podłużnym przechodzącym przez oś elementu gwintowanego zawierają wierzchołek zwoju, dno zwoju, bok nośny prostoliniowy, bok nieobciążony prostoliniowy i dwa obszary połączenia stycznego dna zwoju, przy czym każdy z tych dwóch obszarów jest położony pomiędzy dnem zwoju i jednym z dwóch boków zwanych odpowiednimi bokami i zawiera ł uk koł a, znamienny tym, ż e co najmniej jeden z dwóch obszarów (21, 22, 51, 52) połączenia stycznego dna (18, 19, F1, F2) zwoju zwanych „obszarami o wielu promieniach” zawiera łuk koła zwany łukiem (23, 24, 53, 54) koła głównego, gdzie koło podpierające przecina prostą podpierającą odpowiedniego boku w punkcie zwanym punktem (PRF1, PRF2, PRF3, PRF4) odniesienia boku i krzywą regularną zwaną krzywą drugorzędną (25, 26, 27, 55, 56) z jednej i drugiej strony łuku (23, 24, 53, 54) koła głównego, który łączy się stycznie z jednej strony z odpowiednim bokiem i z drugiej strony z dnem (18, 19, F1, F2) zwoju, przy czym w punkcie (PRF1, PRF2, PRF3, PRF4) odniesienia boku, styczna (61, 62, 67, 68) do koła podpierającego łuk koła głównego tworzy kąt ostry (D, F) ściśle dodatni z prostą podpierającą odpowiedniego boku, zaś koło podpierające łuk koła głównego przecina lub jest styczne do prostej podpierającej dno (18, 19, F1, F2) zwoju, w zależności od tego, czy krzywa drugorzędna (25, 26, 27, 55, 56) od strony dna (18, 19, F1, F2) zwoju ma długość większą od zera, czy zmniejsza się do punktu, a ponadto styczna do koła podpierającego (63) tworzy w danym punkcie przecięcia (PRR1) lub styku kąt (E) zawarty pomiędzy -15° i +15° z prostą podpierającą dno zwoju.
2. 2. Gwintowany element rurowy według zastrz. 1, znamienny tym, że w punkcie odniesienia danego boku obszaru o wielu promieniach, kąt (D, F) pomiędzy styczną do koła podpierającego łuk koła głównego i odpowiedniego boku jest zawarty pomiędzy 10° i różnicą (70°-J) gdzie J jest miarą algebraiczną kąta (A, B) pomiędzy odpowiednim bokiem i prostopadłą do osi elementu gwintowanego.
3. 3. Gwintowany element rurowy według zastrz. 2, znamienny tym, że w punkcie odniesienia boku danego obszaru o wielu promieniach, kąt (D, F) pomiędzy styczną do koła podpierającego łuk koła głównego i odpowiednim bokiem jest zawarty pomiędzy 15° i różnicą (45°-J), gdzie J jest miarą algebraiczną kąta (A, B) pomiędzy odpowiednim bokiem i prostopadłą do osi elementu gwintowanego.
4. 4. Gwintowany element rurowy wedł ug zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, ż e promień (rp1, rp2) łuku koła głównego (23, 24) obszaru o wielu promieniach jest zawarty pomiędzy 150 i 250% promienia (rH1, rH2) łuku koła standardowego (29, 30) przechodzącego przez punkt odniesienia boku, który tworzy obszar połączenia stycznego pomiędzy odpowiednim bokiem i dnem zwoju.
5. 5. Gwintowany element rurowy według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że krzywa drugorzędna (25, 26, 27, 55, 56) obszaru o wielu promieniach od strony odpowiedniego boku jest łukiem koła.
6. 6. Gwintowany element rurowy według zastrz. 5, znamienny tym, że stosunek promienia (rS1, rS2, rS3, rS4, rT1) łuku koła krzywej drugorzędnej (25, 26, 27, 55, 56) od strony odpowiedniego boku do promienia (rp1, rp2, rp3, rp4) łuku koła głównego obszaru o wielu promieniach jest zawarty pomiędzy 0,1 i 0,4.
7. 7. Gwintowany element rurowy według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że każda krzywa drugorzędna (25, 26, 27, 55, 56) obszaru o wielu promieniach o długości większej od zera jest łukiem koła.
8. 8. Gwintowany element rurowy według zastrz. 7, znamienny tym, że stosunek promienia (rS1, rS2, rS3, rS4, rT1) łuku koła każdej krzywej drugorzędnej (25, 26, 27, 55, 56) o długości większej od zera, do promienia (rp1, rp2, rp3, rp4) łuku koła głównego obszaru o wielu promieniach jest zawarty pomiędzy 0,1 i 0,4.
9. 9. Gwintowany element rurowy według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że tylko obszar połączenia stycznego dna zwoju z bokiem nośnym (21, 22) jest obszarem o wielu promieniach.
10. 10. Gwintowany element rurowy według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że każdy z dwóch obszarów połączenia stycznego dna zwoju jest obszarem o wielu promieniach.
11. 11. Gwintowany element rurowy według zastrz. 10, znamienny tym, że promień (rp1, rp2) łuku koła głównego (23, 24) obszaru o wielu promieniach od strony boku nośnego jest większy lub równy

    PL 198 003 B1 promieniowi (rp3, rp4) łuku koła głównego (53, 54) obszaru o wielu promieniach od strony boku nieobciążonego.
12. 12. Gwintowany element rurowy według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że kąt (A, B), który tworzy każdy z boków z prostopadłą do osi elementu gwintowanego jest co najmniej równy zeru.
13. 13. Połączenie gwintowane rurowe, zawierające gwintowany element rurowy wewnętrzny na końcu pierwszej rury połączony przez skręcanie z gwintowanym elementem rurowym zewnętrznym na końcu drugiej rury, za pomocą gwintu zewnętrznego na gwintowanym elemencie rurowym wewnętrznym i gwintu wewnętrznego na gwintowanym elemencie rurowym zewnętrznym, przy czym zwoje każdego z gwintów zewnętrznych i wewnętrznych zawierają wierzchołek zwoju, dno zwoju, bok nośny prostoliniowy, bok nieobciążony prostoliniowy i cztery obszary połączenia zawierające, każdy, łuk koła, gdzie dwa obszary połączenia stycznego dna zwoju łączą, każdy, dno zwoju z bokiem i dwa obszary połączenia wierzchołka zwoju łączą, każdy, wierzchołek zwoju z bokiem, zaś profil i układ każdego obszaru połączenia wierzchołka zwoju nie interferują z obszarem połączenia stycznego dna zwoju dołączonego elementu gwintowanego, znamienny tym, że w co najmniej jednym z dwóch elementów gwintowanych rurowych co najmniej jeden z dwóch obszarów (21, 22, 51, 52) połączenia stycznego dna (18, 19, F1, F2) zwoju zwanych „obszarami o wielu promieniach” zawiera łuk koła zwany łukiem (23, 24, 53, 54) koła głównego, gdzie koło podpierające przecina prostą podpierającą odpowiedniego boku w punkcie zwanym punktem (PRF1, PRF2, PRF3, PRF4) odniesienia boku i krzywą regularną zwaną krzywą drugorzędną (25, 26, 27, 55, 56) z jednej i drugiej strony łuku (23, 24, 53, 54) koła głównego, który łączy się stycznie z jednej strony z odpowiednim bokiem i z drugiej strony z dnem (18, 19, F1, F2) zwoju, przy czym w punkcie (PRF1, PRF2, PRF3, PRF4) odniesienia boku, styczna (61, 62, 67, 68) do koła podpierającego łuk koła głównego tworzy kąt ostry (D, F) ściśle dodatni z prostą podpierającą odpowiedniego boku, zaś koło podpierające łuk koła głównego przecina lub jest styczne do prostej podpierającej dno (18, 19, F1, F2) zwoju, w zależności od tego, czy krzywa drugorzędna (25, 26, 27, 55, 56) od strony dna (18, 19, F1, F2) zwoju ma długość większą od zera, czy zmniejsza się do punktu, a ponadto styczna do koł a podpierającego (63) tworzy w danym punkcie przecię cia (PRR1) lub styku kąt (E) zawarty pomiędzy -15° i +15° z prostą podpierającą dno zwoju.
14. 14. Połączenie gwintowane rurowe według zastrz. 13, znamienne tym, że w punkcie odniesienia danego boku obszaru o wielu promieniach, kąt (D, F) pomiędzy styczną do koła podpierającego łuk koła głównego i odpowiedniego boku jest zawarty pomiędzy 10° i różnicą (70°-J) gdzie J jest miarą algebraiczną kąta (A, B) pomiędzy odpowiednim bokiem i prostopadłą do osi elementu gwintowanego.
15. 15. Połączenie gwintowane rurowe według zastrz. 13, znamienne tym, że co najmniej jeden obszar połączenia wierzchołka zwoju gwintowanego elementu rurowego przeciwny do obszaru połączenia stycznego dna zwoju o wielu promieniach gwintowanego elementu rurowego dołączony jest do obszaru zwanego naśladującym (31, 32), który zawiera dwa łuki koła, które łączą się stycznie ze sobą, to jest łuk koła głównego (33, 34) i łuk koła drugorzędnego (35, 36), ten ostatni dla wykonania połączenia stycznego obszaru połączenia wierzchołka zwoju z odpowiednim bokiem, zaś w punkcie połączenia górnego (PRH1/PRH2) odpowiedniego boku, gdzie koło podpierające łuku koła głównego obszaru naśladującego przecina prostą podpierającą odpowiedniego boku styczną do koła tworzy kąt ostry (G, H) ściśle ujemny z prostą podpierającą danego boku.
16. 16. Połączenie gwintowane rurowe według zastrz. 13 albo 15, znamienne tym, że w obu elementach gwintowanych wewnętrznym i zewnętrznym połączenia gwintowanego rurowego co najmniej jeden z dwóch obszarów (21, 22, 51, 52) połączenia stycznego dna (18, 19, F1, F2) zwoju zwanych „obszarami o wielu promieniach” zawiera łuk koła zwany łukiem (23, 24, 53, 54) koła głównego, gdzie koło podpierające przecina prostą podpierającą odpowiedniego boku w punkcie zwanym punktem (PRF1, PRF2, PRF3, PRF4) odniesienia boku i krzywą regularną zwaną krzywą drugorzędną (25, 26, 27, 55, 56) z jednej i drugiej strony łuku (23, 24, 53, 54) koła głównego, który łączy się stycznie z jednej strony z odpowiednim bokiem i z drugiej strony z dnem (18, 19, F1, F2_) zwoju, przy czym w punkcie (PRF1, PRF2, PRF3, PRF4) odniesienia boku, styczna (61, 62, 67, 68) do koła podpierającego łuk koła głównego tworzy kąt ostry (D, F) ściśle dodatni z prostą podpierającą odpowiedniego boku, zaś koło podpierające łuk koła głównego przecina lub jest styczne do prostej podpierającej dno (18, 19, F1, F2) zwoju, w zależności od tego, czy krzywa drugorzędna (25, 26, 27, 55, 56) od strony dna (18, 19, F1, F2) zwoju ma długość większą od zera, czy zmniejsza się do punktu, a ponadto styczna do koła podpierającego (63) tworzy w danym punkcie przecięcia (PRR1) lub styku kąt (E) zawarty pomiędzy -15° i +15° z prostą podpierającą dno zwoju.

    PL 198 003 B1
17. 17. Połączenie gwintowane rurowe według zastrz. 13 albo 15, znamienne tym, że gwinty są typu interferującego, przy czym wierzchołek (20) zwoju gwintu (4) jest w styku promieniowym z luzem ujemnym z dnem (19) zwoju gwintu dołączonego (3).
18. 18. Połączenie gwintowane rurowe według zastrz. 13 albo 15, znamienne tym, że dwa boki zwoju (13, 15) gwintu (3) stykają się bez nacisku stykowego z dwoma bokami zwoju (14, 16) gwintu dołączonego (4), na co najmniej części długości gwintów (3, 4).
19. 19. Połączenie gwintowane rurowe według zastrz. 13 albo 15, znamienne tym, że dwa boki zwoju (13, 15) gwintu (3) stykają się z naciskiem stykowym z dwoma bokami zwoju (14, 16) gwintu dołączonego (4), na co najmniej części długości gwintów (3, 4).