PL198903B1 - Połączenie gwintowane rurowe i sposób wykonania połączenia gwintowanego rurowego - Google Patents

Abstract

Po laczenie gwintowane, które mo ze by c rozszerzone zawiera kraw ed z (5) na ko ncu elementu obejmowanego (1) i gniazdo dla tej kraw edzi na elemencie obejmuj acym (2), aby uczyni c polaczenie gwintowane szczelnym i maj acy maksymalny przekrój przej scia we- wn etrznego po poddaniu go rozszerzeniu sred- nicowemu wi ekszemu od 10%, powierzchnia wolnego ko nca obejmowanego (9) jest osadzo- na przed rozszerzeniem w powierzchni cz e- sciowo poprzecznej oparcia (10) gniazda obej- muj acego dzi eki kszta ltom wr ebów komplemen- tarnych tych powierzchni i powierzchni obwodo- wej zewn etrznej (7) kraw edzi obejmowanej (5) jest umieszczona przy ma lym luzie w stosunku do powierzchni obwodowej wewn etrznej (8) gniazda obejmuj acego (6). Takie polaczenie gwintowane jest szczególnie przydatne dla kolumn rur stosowanych w szybach wydobyw- czych w eglowodorów. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest połączenie gwintowane rurowe i sposób wykonania połączenia gwintowanego rurowego.

Znane są połączenia gwintowane rurowe wykonane pomiędzy dwoma bardzo długimi rurami lub pomiędzy bardzo długą rurą i króćcem i stosowane zwłaszcza dla tworzenia kolumn osłonowych („casings”) szybów lub produkcyjnych („tubings”) dla szybów węglowodorów lub dla podobnych odwiertów takich jak, odwierty geotermiczne.

Tradycyjnie szyby są wiercone przy użyciu narzędzi o różnych średnicach, na górze szybu są wiercone przy użyciu narzędzia o dużej średnicy, rzędu na przykład 500 mm, podczas gdy dno szybu jest wiercone mniejszą średnicą, rzędu 150 mm. Szyby są dlatego obudowywane za pomocą wielu kolumn koncentrycznych, z których wszystkie są zawieszone od powierzchni, rury o większej średnicy biegną od powierzchni do głębokości kilkuset metrów, a rury o mniejszej średnicy biegną od powierzchni do dna szybu. Przestrzeń pomiędzy rurami okładzinowymi i ziemią jest na ogół betonowana.

Gdy szyb jest całkowicie wywiercony i obudowany, kolumna rur produkcyjnych jest opuszczana do wnętrza kolumny rur osłonowych o najmniejszej średnicy, aby umożliwić wydobywanie węglowodorów na powierzchnię.

Wyposażenie szybu wymaga wiec wykonania wielkiej liczby rur o różnych wymiarach i tak cienkich jak tylko możliwe, aby nie było potrzeby stosowania zbyt dużych średnic rur osłonowych blisko powierzchni.

Biorąc pod uwagę wymagane charakterystyki mechaniczne, rury osłonowe i produkcyjne są na ogół wykonane ze stali obrabianej termicznie i są one łączone ze sobą za pomocą połączeń gwintowanych, grubość połączeń gwintowanych jest na ogół większa niż części bieżącej rury i narzuca odstęp średnic pomiędzy kolumnami koncentrycznymi.

Specyfikacja API 5 CT American Petroleum Institute określa rurowe połączenie gwintowane pomiędzy dwiema bardzo długimi rurami („integral-joint tubing”, „extreme-line casing”) i połączenia gwintowane ze złączką zawierające dwa połączenia gwintowane umożliwiające połączenie dwóch bardzo długich rur za pomocą złączki.

Połączenia zwane „integralnym są wykonane bez złączki, czyli bez dodatkowego elementu gwintowanego. Rury mają na jednym końcu gwint wewnętrzny, na drugim końcu gwint zewnętrzny i są bezpośrednio wkręcane jedna w drugą.

Liczne patenty mają za zadanie udoskonalanie tych złącz i połączeń gwintowanych: na przykład patenty FR 1.489.013, EP 0488 912, US 4,494,777 mają za cel wykonanie rurowego połączenia gwintowanego wysokiej klasy lub „premium” szczególnie szczelnego dzięki powierzchniom uszczelniającym metal-metal i ogranicznikom pomiędzy elementami obejmowanymi i obejmującymi.

Ostatnio, nowe przykłady wykonania kolumn rurowych szybów wydobywczych węglowodorów są rozważane, polegające na powiększeniu średnicy rury kolumny o 10 do 20% za pomocą trzpienia rozpierającego, którego przejście jest wymuszane wewnątrz kolumny: patrz patenty lub zgłoszenia patentowe WO 93/25799, WO 98/00626, WO 99/06670, WO 99/35368, WO 00/61915, GB 2344606, GB 2348657.

Takie rozszerzenie umożliwia na przykład instalowanie kolumny rur osłonowych bez konieczności betonowania przestrzeni pomiędzy zewnętrzną powierzchnią obwodową rur i powierzchnią otworu wywierconego w ziemi, lub opuszczania kolumny o mniejszych rozmiarach w stosunku do otworu.

Takie rozszerzenie umożliwia również uszczelnianie otworów rur osłonowych lub produkcyjnych powstałych na skutek korozji lub przez ocieranie żerdzi wiertniczych, lub opuszczanie do szybu rur o mniejszych rozmiarach, które będą rozszerzone do pożądanej średnicy, gdy już będą na miejscu.

Ale technika rozszerzenia umożliwia przede wszystkim wiercenie szybów o jednakowej średnicy na całej długości, gdzie osłona jest realizowana przez kolumnę rur, które wszystkie mają taką samą średnicę, rury są wprowadzane w stanie nie rozszerzonym, a następnie są rozszerzane na miejscu do średnicy szybu.

Jest więc możliwe znaczne zmniejszenie liczby rur koniecznych do wyposażenia szybu, eliminując rury o największej średnicy i największej grubości, a więc zmniejszenie kosztu. Można również rozważyć wiercenie szybu bezpośrednio przy użyciu kolumny rur osłonowych, które stanowiłyby ciąg żerdzi wiertniczych.

Jednakże rurowe połączenia gwintowane ze stanu techniki takie jak opisane w patencie USA 4,494,777 nie umożliwiają takiego wykorzystania.

PL 198 903 B1

Stwierdzono, że po rozszerzeniu te połączenia wykazują:

- brak szczelności, co w szczególnoś ci uniemoż liwia realizację operacji rozszerzenia za pomocą hydraulicznego przepychania trzpienia przez kolumnę;

- ugię cie koń ca obejmowanego w stronę wnę trza połączenia, co znacznie ogranicza, w sposób niedopuszczalny roboczą średnicę wewnętrzną kolumny, tworząc wyboczenie do wnętrza do przestrzeni określonej przez roboczą średnicę wewnętrzną;

- ewentualnie zerwanie krawędzi na skutek przekroczenia możliwoś ci odkształcenia pewnych obszarów szczególnie obciążonych ze względu na zmiany grubości wzdłuż elementów obejmowanego i obejmuj ą cego, w stosunku do gruboś ci korpusu rury.

Dlatego dokumenty przywołane powyżej dotyczące technik rozszerzenia opisują jako przykłady wykonania połączenia pomiędzy rurami tylko połączenia spawane (odcinki rur poprzednio połączone przez spawanie odwijane z powierzchni) lub połączenia cierne („slips”), a przecież połączenia gwintowane są znane z tego, że łączą takie cechy jak wytrzymałość mechaniczna, szczelność we wszystkich warunkach pracy i możliwość wielokrotnego demontażu i powtórnego montażu.

Należy zauważyć, że znane są z dokumentów USA 5 924 745 i WO 98/42947 połączenia gwintowane dla łączenia rur zwanych (expansable slotted tubings) wyposażonych w szczeliny wzdłużne umożliwiające rozszerzenie średnicowe rur w głębi szybu węglowodorów przez przejście trzpienia rozpierającego przez te rury. Takie połączenia gwintowane nie mają żadnej szczelności, przyjmując, że rury są wyposażone w szczeliny przechodzące przez ściany rur i umożliwiające, wpływanie do rury płynu z zewnątrz (węglowodory pochodzące ze złoża), aby wydobyć je na powierzchnię.

Poszukuje się więc możliwości realizacji rurowego połączenia gwintowanego, które będzie mogło wytrzymać operację rozszerzenia w szybie i które będzie szczelne dla płynów, a nawet, jeśli możliwe dla gazów po tej operacji rozszerzenie.

Poszukiwane rurowe połączenie gwintowane powinno być proste i ekonomiczne w produkcji.

Takie połączenie gwintowane powinno ponadto posiadać dobre właściwości metalurgiczne podczas pracy, a wiec po rozszerzeniu, zwłaszcza aby miało w tym stanie wystarczającą granicę sprężystości, aby nie było kruche i aby miało dobre charakterystyki dotyczące pękania przy naprężaniu przez H2S.

Znany ze stanu techniki patent USA 4,611,838 który opisuje połączenie gwintowane mające krawędź obejmowaną połączoną z gniazdem obejmującym i mające powierzchnię pierścieniową końca obejmowanego zawierające ząb pierścieniowy i powierzchnię pierścieniową oparcia obejmującego zawierającą żłobek pierścieniowy, oparte o siebie. Krawędź obejmowana ma powierzchnię obwodową zewnętrzną toroidalną, a gniazdo obejmujące ma wewnętrzną powierzchnię obwodową stożkową.

Te powierzchnie obwodowe interferują promieniowo na końcu wkręcenia, dla utworzenia powierzchni uszczelniającej. Celem patentu USA 4,611,838 jest maksymalizacja interferencji promieniowej toroidalnej powierzchni obwodowej zewnętrznej krawędzi obejmowanej ze stożkową powierzchnią obwodową wewnętrzną gniazda obejmującego na końcu wkręcenia (a przez to i szczelności połączenia gwintowanego) dzięki kształtowi tych powierzchni obwodowych i w efekcie podtrzymywania dolnej powierzchni żłobka przez dolną powierzchnię zęba.

Ale powierzchnia końca obejmowanego według tego patentu nie jest całkowicie osadzona w tym oparciu obejmującym połączenia gwintowanego, nie mo ż e więc przenosić momentu zginają cego na wolny koniec krawędzi obejmowanej ze względu na wolną przestrzeń pomiędzy ścianą górną występu jej wolnego końca i ścianą górną żłobka na jej dnie.

Nic nie wskazuje w tym dokumencie wpływu na powierzchnie uszczelniające rozszerzenia średnicowego z odkształceniem trwałym ani nawet, że to połączenie gwintowane może z powodzeniem wytrzymać takie rozszerzenie. Badania wykonane przez wynalazców pokazują, że szczelność połączenia gwintowanego według dokumentu USA 4,611,838 nie może być zapewniona po takim rozszerzeniu.

Patent USA 3,870,351 przedstawia konfigurację krawędzi i końca obejmowanego i gniazda obejmującego podobną do konfiguracji z patentu USA 4,611,838, powierzchnia wolnego końca obejmowanego jest wybrzuszona, wypukła i przylega do powierzchni oparcia obejmującego wybrzuszonej wklęsłej w taki sposób że tworzą się dwa luzy powierzchni uszczelniających metal-metal, jeden na poziomie powierzchni wybrzuszonych, drugi luz znajduje się na powierzchni obwodowej zewnętrznej krawędzi obejmowanej i na powierzchni obwodowej wewnętrznego gniazda obejmującego. Taka konfiguracja umożliwia zwiększenie interferencji promieniowej pomiędzy obwodowymi powierzchniami uszczelniającymi.

PL 198 903 B1

Zgłoszenie patentowe WO 99/08034 opisuje połączenie gwintowane z gwintami kwadratowymi mające krawędź obejmowaną połączoną z gniazdem obejmującym i mające powierzchnie pierścieniowe końca obejmowanego i oparcia obejmującego w postaci wrębów opartych o siebie i osadzonych jeden w drugim. Powierzchnia obwodowa zewnętrzna krawędzi obejmowanej i powierzchnia obwodowa wewnętrzna gniazda obejmującego mają części cylindryczne, które interferują ze sobą promieniowo dla utworzenia luzu obwodowych powierzchni uszczelniających na końcu wkręcenia, gdy wręby obejmowany i obejmujący są osadzone.

Na koniec patent USA 6047997 opisuje strukturę żerdzi wiertniczych dla przewodów podziemnych, dla których nie ma wymagania szczególnego uszczelnienia. Powierzchnia końca obejmowanego według tego patentu jest osadzona w powierzchni oparcia obejmującego ale liczby wskazują na występowanie znacznej przestrzeni pomiędzy powierzchnią obwodową zewnętrzną krawędzi obejmowanej i powierzchni obwodowej wewnętrznej gniazda obejmującego.

Połączenie gwintowane rurowe dla szybów węglowodorów, zawierające element gwintowany obejmowany na końcu pierwszej rury i element gwintowany obejmujący na końcu drugiej rury, przy czym element gwintowany obejmowany zawiera, idąc w stronę wolnego końca elementu obejmowanego, gwint obejmowany i krawędź obejmowaną, która ma powierzchnię obwodową zewnętrzną i kończy się , poprzecznie w stosunku do osi połączenia gwintowanego, powierzchnią końca obejmowanego w kształcie pierścieniowym, zaś element gwintowany obejmujący zawiera gwint obejmujący, odpowiadający gwintowi obejmowanemu, i część nie gwintowaną gniazda obejmującego dla krawędzi obejmowanej, przy czym to gniazdo obejmujące zawiera powierzchnię obwodową wewnętrzną i pierścieniową powierzchnię oparcia obejmującego, o orientacji częściowo poprzecznej i w kształcie komplementarnym do kształtu powierzchni końca obejmowanego, zaś gwint obejmowany jest wkręcany w gwint obejmujący aż do położenia, gdzie powierzchnia pierścieniowa końca obejmowanego opiera się o powierzchnię oparcia obejmującego, realizując osadzenie tych dwóch powierzchni jedna w drugiej, według wynalazku charakteryzuje się tym, ż e to połączenie gwintowane jest połączeniem gwintowanym rozszerzalnym i powierzchnia obwodowa zewnętrzna krawędzi obejmowanej jest usytuowana z małym luzem w stosunku do powierzchni obwodowej wewnętrznej gniazda obejmującego, bez wcisku w kierunku promieniowym z tym ostatnim, przy czym powierzchnia obwodowa wewnętrzna gniazda obejmującego i powierzchnia obwodowa zewnętrzna krawędzi obejmowanej są w ścisłym styku po rozszerzeniu wzdłuż średnicy tego połączenia gwintowanego w zakresie odkształceń plastycznych.

Powierzchnia końca obejmowanego ma kształt wrębu utworzonego przez powierzchnię poprzeczną od strony wewnętrznej połączenia gwintowanego, a z przeciwnej strony wrębu przez pierścieniowy występ wystający osiowo, zaś powierzchnia oparcia obejmującego ma kształt wrębu, utworzonego przez powierzchnię poprzeczną od strony skierowanej w stronę wnętrza połączenia gwintowanego i przez pierścieniowy żłobek z przeciwnej strony, natomiast powierzchnia poprzeczna wrębu obejmowanego jest usytuowana naprzeciw powierzchni poprzecznej wrębu obejmującego, a występ jest usytuowany w żłobku.

Pierścieniowe ściany występu i żłobka są ułożone w taki sposób, że w położeniu połączonym połączenia gwintowanego, pierścieniowe ściany żłobka ściskają promieniowo ściany występu.

Pierścieniowe ściany występu są lekko stożkowe i zbiegają się w stronę wolnego końca występu, zaś pierścieniowe ściany żłobka są lekko stożkowe i zbiegają się w stronę dna żłobka, przy czym nachylenie ścian żłobka jest równe nachyleniu ścian występu.

Powierzchnie poprzeczne wrębu obejmowanego i obejmującego opierają się o siebie.

Grubość promieniowa występu jest w przybliżeniu równa grubości powierzchni poprzecznej wrębu obejmowanego.

Mierzona osiowo wysokość występu jest w przybliżeniu równa jego promieniowej grubości.

Mały luz pomiędzy powierzchnią obwodową zewnętrzną krawędzi obejmowanej i powierzchnią obwodową wewnętrzną gniazda obejmującego jest mniejszy lub równy 0,3 mm przy pomiarze tego luzu prostopadle do wymienionych powierzchni.

Powierzchnie obwodowe zewnętrzna krawędzi obejmowanej i wewnętrzna gniazda obejmującego są cylindryczne.

Krawędź obejmowana ma grubość zawartą pomiędzy 1/3 i 2/3 grubości pierwszej rury. _l

Krawędź obejmowana ma długość i grubość, przy czym stosunek długości do grubości -ie krawędzi jest zawarty pomiędzy 1 i 4. ⁱ

PL 198 903 B1

Element obejmowany ma przewężenie na końcu gwintu obejmowanego pomiędzy gwintem i krawędzią obejmowaną.

Przewężenie ma głębokość równą wysokości gwintu obejmowanego.

Przewężenie ma długość i głębokość, przy czym długość przewężenia krawędzi jest zawarta pomiędzy 2 i 8 krotną jego głębokością.

Pierwsza rura i druga rura mają takie same średnice wewnętrzne tak na poziomie elementów gwintowanych jak i korpusów rur.

Pierwsza rura i druga rura mają takie same średnice zewnętrzne, tak na poziomie elementów gwintowanych jak i korpusów rur.

Połączenie jest typu integralnego.

Elementy gwintowane są utworzone z, poddanej obróbce termicznej, stali zawierającej elementy wiążące azot.

Połączenie gwintowane rurowe szczelne dla szybów węglowodorów, według wynalazku charakteryzuje się tym, że jest utworzone przez połączenie gwintowane rurowe, zawierające element gwintowany obejmowany na końcu pierwszej rury i element gwintowany obejmujący na końcu drugiej rury, przy czym element gwintowany obejmowany zawiera, idąc w stronę wolnego końca elementu obejmowanego, gwint obejmowany i krawędź obejmowaną, która ma powierzchnię obwodową zewnętrzną i koń czy się , poprzecznie w stosunku do osi połączenia gwintowanego powierzchnią koń ca obejmowanego w kształcie pierścieniowym, zaś element gwintowany obejmujący zawiera gwint obejmujący, odpowiadający gwintowi obejmowanemu, i część nie gwintowaną gniazda obejmującego dla krawędzi obejmowanej, przy czym to gniazdo obejmujące zawiera powierzchnię obwodową wewnętrzną i pierścieniową powierzchnię oparcia obejmującego, o orientacji częściowo poprzecznej, i w kształcie komplementarnym do kształtu powierzchni końca obejmowanego, zaś gwint obejmowany jest wkręcany w gwint obejmujący aż do położenia, gdzie powierzchnia pierścieniowa końca obejmowanego opiera się o powierzchnię oparcia obejmującego, realizując osadzenie tych dwóch powierzchni jedna w drugiej, zaś to połączenie gwintowane jest połączeniem gwintowanym rozszerzalnym i powierzchnia obwodowa zewnętrzna krawędzi obejmowanej jest usytuowana z małym luzem w stosunku do powierzchni obwodowej wewnętrznej gniazda obejmującego, bez wcisku w kierunku promieniowym z tym ostatnim, przy czym powierzchnia obwodowa wewnę trzna gniazda obejmują cego i powierzchnia obwodowa zewnętrzna krawędzi obejmowanej są w ścisłym styku po rozszerzeniu wzdłuż średnicy tego połączenia gwintowanego w zakresie odkształceń plastycznych i, korzystnie powierzchnia końca obejmowanego ma kształt wrębu utworzonego przez powierzchnię poprzeczną od strony wewnętrznej połączenia gwintowanego, a z przeciwnej strony wrębu przez pierścieniowy występ wystający osiowo, zaś powierzchnia oparcia obejmującego ma kształt wrębu, utworzonego przez powierzchnię poprzeczną od strony skierowanej w stronę wnętrza połączenia gwintowanego i przez pierścieniowy żłobek z przeciwnej strony, natomiast powierzchnia poprzeczna wrębu obejmowanego jest usytuowana naprzeciw powierzchni poprzecznej wrębu obejmującego, a występ jest usytuowany w żłobku, przy czym to połączenie gwintowane rurowe zostało przed użyciem poddane obróbce wykańczającej, obejmującej rozszerzenie średnicowe w zakresie odkształceń plastycznych i powierzchnia obwodowa wewnętrzna gniazda obejmującego obciska promieniowo powierzchnię obwodową zewnętrzną krawędzi obejmowanej.

Średnica powierzchni wewnętrznej krawędzi obejmowanej jest, co najmniej równa średnicy powierzchni obwodowych wewnętrznych pierwszej i drugiej rury, zarówno na poziomie wolnego końca obejmowanego tej krawędzi obejmowanej jak i na poziomie jej drugiego końca od strony gwintu obejmowanego, co oznacza brak występów i ugięć krawędzi obejmowanej do wnętrza połączenia, wystających do wnętrza poza powierzchnie wewnętrzne obu rur.

Sposób wykonania połączenia gwintowanego rurowego szczelnego dla szybów węglowodorów według wynalazku charakteryzuje się tym, że w pierwszym etapie dostarcza się połączenie gwintowane rurowe dla szybów węglowodorów zwane «połączenie gwintowane rurowe rozszerzalne», zawierające element gwintowany obejmowany na końcu pierwszej rury i element gwintowany obejmujący na końcu drugiej rury, przy czym element gwintowany obejmowany zawiera, idąc w stronę wolnego końca elementu obejmowanego, gwint obejmowany i krawędź obejmowaną, która ma powierzchnię obwodową zewnętrzną i kończy się, poprzecznie w stosunku do osi połączenia gwintowanego, powierzchnią końca obejmowanego w kształcie pierścieniowym, zaś element gwintowany obejmujący zawiera gwint obejmujący, odpowiadający gwintowi obejmowanemu, i część nie gwintowaną gniazda obejmującego dla krawędzi obejmowanej, przy czym to gniazdo obejmujące zawiera powierzchnię obwodową

PL 198 903 B1 wewnętrzną i pierścieniową powierzchnię oparcia obejmującego, o orientacji częściowo poprzecznej, i w kształ cie komplementarnym do kształ tu powierzchni koń ca obejmowanego, zaś gwint obejmowany jest wkręcany w gwint obejmujący aż do położenia, gdzie powierzchnia pierścieniowa końca obejmowanego opiera się o powierzchnię oparcia obejmującego, realizując osadzenie tych dwóch powierzchni jedna w drugiej, zaś to połączenie gwintowane jest połączeniem gwintowanym rozszerzalnym i powierzchnia obwodowa zewnętrzna krawędzi obejmowanej jest usytuowana z małym luzem w stosunku do powierzchni obwodowej wewnę trznej gniazda obejmują cego, bez wcisku w kierunku promieniowym z tym ostatnim, przy czym powierzchnia obwodowa wewnętrzna gniazda obejmującego i powierzchnia obwodowa zewnętrzna krawędzi obejmowanej są w ścisłym styku po rozszerzeniu wzdłuż średnicy tego połączenia gwintowanego w zakresie odkształceń plastycznych i, korzystnie, powierzchnia końca obejmowanego ma kształt wrębu utworzonego przez powierzchnię poprzeczną od strony wewnętrznej połączenia gwintowanego, a z przeciwnej strony wrębu przez pierścieniowy występ wystający osiowo, zaś powierzchnia oparcia obejmującego ma kształt wrębu, utworzonego przez powierzchnię poprzeczną od strony skierowanej w stronę wnętrza połączenia gwintowanego i przez pierścieniowy żłobek z przeciwnej strony, natomiast powierzchnia poprzeczna wrębu obejmowanego jest usytuowana naprzeciw powierzchni poprzecznej wrębu obejmującego, a występ jest usytuowany w żłobku, a następnie, w drugim etapie, poddaje się to połączenie gwintowane rurowe rozszerzalne operacji rozszerzenia średnicowego w zakresie odkształceń plastycznych, tak, aby na koniec operacji rozszerzania średnicowego powierzchnia obwodowa wewnętrzna gniazda obejmującego obciskała powierzchnię obwodową zewnętrzną krawędzi obejmowanej, realizując ścisły kontakt pomiędzy tymi dwiema powierzchniami obwodowymi, przy czym operację rozszerzania średnicowego prowadzi się, wprowadzając do wnętrza połączenia rurowego trzpień rozpierający o średnicy maksymalnej większej od średnicy wewnętrznej elementów gwintowanych połączenia gwintowanego rurowego rozszerzalnego.

Połączenie gwintowane rurowe poddaje się rozszerzeniu średnicowemu większemu od 10%.

Stosuje się połączenie gwintowane rurowe rozszerzalne typu integralnego, zaś trzpień rozpierający przemieszcza się od elementu gwintowanego obejmowanego w stronę elementu gwintowanego obejmującego.

Według wynalazku, rurowe połączenie gwintowane, które może być rozszerzone zawiera element gwintowany obejmowany z gwintem obejmowanym zewnętrznym na końcu pierwszej rury i element gwintowany obejmujący z gwintem obejmującym wewnętrznym na końcu drugiej rury.

Element gwintowany obejmowany zawiera za gwintem obejmowanym idąc w stronę końca, koniec wolny elementu, krawędź obejmowaną nie gwintowaną mającą powierzchnię obwodową zewnętrzną i kończącą się na powierzchni końca obejmowanego w kształcie pierścieniowym o orientacji częściowo poprzecznej.

Element gwintowany obejmujący zawiera gwint obejmujący połączony z gwintem obejmowanym i gniazdo obejmują cy nie gwintowane dla krawę dzi obejmowanej. To gniazdo ma powierzchnię obwodową wewnętrzną i powierzchnię oparcia obejmującego w kształcie pierścieniowym o orientacji częściowo poprzecznej połączoną z powierzchnią obwodową wewnętrzną drugiej rury.

Gwint obejmowany jest wkręcony w gwint obejmujący aż do położenia gdzie powierzchnia końca obejmowanego opiera się o powierzchnię oparcia obejmującego.

Połączenie gwintowane rurowe, według wynalazku może być szczelne i mieć maksymalny przekrój przejścia wewnętrznego, po wykonaniu rozszerzenia średnicowego w zakresie odkształceń plastycznych, a powierzchnie końca obejmowanego i oparcia obejmującego mają kształty komplementarne do siebie realizując przed rozszerzeniem osadzenie powierzchni końca obejmowany w oparciu obejmują cym.

Ponadto, powierzchnia obwodowa zewnętrzna krawędzi obejmowanej ma mały luz w stosunku do powierzchni obwodowej wewnętrznej gniazda obejmującego.

Osadzenie powierzchni końca obejmowanego w tym oparciu obejmującym powoduje moment zginający na wolnym końcu krawędzi obejmowanej, gdy obszar o pełnej grubości drugiej rury umieszczony za oparciem obejmującym jest pochylony podczas rozszerzania w stosunku do osi zespołu. Osadzenie umożliwia utworzenie na połączeniu gwintowanym w stanie rozszerzonym średnicowo, pierścieniowego obszaru uszczelniającego przez docisk styku metal/metal pomiędzy częścią powierzchni obwodowej zewnętrznej krawędzi obejmowanej i odpowiedniej części powierzchni obwodowej wewnętrznej gniazda obejmującego.

Osadzenie likwiduje także naturalną tendencję wolnego końca do zagłębiania się w stronę wnętrza kolumny podczas rozszerzania i wysuwania się do wnętrza, przy braku takiego osadzenia.

PL 198 903 B1

To zachowanie podczas rozszerzania, nieoczekiwanie stwierdzone przez wynalazców, będzie wyjaśnione w szczegółowej części opisu.

Przez mały luz pomiędzy powierzchnią obwodową zewnętrzną krawędzi obejmowanej i powierzchnią obwodową wewnętrzną gniazda obejmującego, rozumie się luzy mierzone prostopadle do tych powierzchni mniejsze lub równe 0,3 mm.

Brak istotnej interferencji promieniowej pomiędzy powierzchnią obwodową zewnętrzną krawędzi obejmowanej i powierzchnią wewnętrzną gniazda obejmującego wynikający z tego luzu powoduje, że te powierzchnie obwodowe nie stanowią uszczelnienia połączenia, nie rozszerzonego. Wynalazcy stwierdzili rzeczywiście, że interferencja promieniowa tych powierzchni przed rozszerzeniem połączenia gwintowanego nie jest konieczna dla uzyskania połączenia szczelnego po rozszerzeniu.

Stwierdzili natomiast, że zbyt duża przestrzeń pomiędzy tymi powierzchniami uniemożliwia realizowanie pierścieniowego wzmocnienia skurczowego po rozszerzeniu, pierścieniowe wzmocnienie skurczowe jest konieczne dla uzyskania szczelnego połączenia gwintowanego.

Żaden z dokumentów ze stanu techniki nie przedstawia rozwiązania mającego cechy znamienne rozwiązania według wynalazku. Żaden nie rozważa także rozszerzenia średnicowego połączeń gwintowanych, ani możliwości uzyskania połączeń gwintowanych szczelnych po takim rozszerzeniu.

Według wynalazku, powierzchnia końca obejmowanego ma dla osadzenia w tym oparciu obejmującym kształt wrębu utworzonego przez powierzchnię poprzeczną strony skierowanej w stronę wnętrza połączenia gwintowanego i z przeciwnej strony oparcia występ pierścieniowy ustawiony osiowo. Powierzchnia oparcia obejmującego ma dla współpracy z powierzchnią końca obejmowanego kształt wrębu utworzonego przez powierzchnię poprzeczną strony skierowanej w stronę wnętrza połączenia gwintowanego i żłobek pierścieniowy z przeciwnej strony, powierzchnia poprzeczna wrębu obejmowanego współpracująca z powierzchnią wrębu obejmującego i występ pierścieniowy współpracujący ze żłobkiem pierścieniowym.

Ściany pierścieniowe żłobka ściskają ściany występu.

Korzystnie, w położeniu połączonym, powierzchnie poprzeczne wrębu od jego strony wewnętrznej opierają się o siebie. Alternatywnie mogą się prawie stykać. Korzystnie także grubość promieniowa występu wrębu obejmowanego jest w przybliżeniu równa grubości powierzchni poprzecznej tego wrębu. Korzystnie także wysokość mierzona osiowo występu wrębu obejmowanego jest w przybliżeniu równa jego grubości promieniowej. Korzystnie także powierzchnia obwodowa zewnętrznej krawędzi obejmowanej i powierzchnia obwodowa wewnętrznego gniazda obejmującego są powierzchniami cylindrycznymi obróbka tych powierzchni nie interferujących jest więc szczególnie łatwa i nie droga.

Korzystnie, grubość krawędzi obejmowanej jest zawarta pomiędzy 1/3 i 2/3 grubości pierwszej rury. Ten zakres grubości krawędzi obejmowanej zapewnia wystarczający przekrój krytyczny u podstawy gwintu, aby zapewnić odpowiednią wytrzymałość na rozcią ganie osiowe połączenia gwintowanego.

Korzystnie także, stosunek pomiędzy długością i grubością krawędzi obejmowanej jest zawarty pomiędzy 1 i 4, długości krawędzi obejmowanej mierzonej do pionu powierzchni poprzecznej wrębu obejmowanego. Wartość minimalna tego stosunku umożliwia odkształcenie trwałe krawędzi obejmowanej i gniazda obejmującego podczas rozszerzania; te odkształcenia plastyczne powodują, że powierzchnie uszczelniające podlegają zwiększonemu naciskowi co powoduje lepszą szczelność połączenia gwintowanego po rozszerzeniu. Wartość maksymalna tego stosunku pozwala uniknąć niepożądanego wyboczenia krawędzi obejmowanej, wyboczenia, które stanowi wysunięcie tej krawędzi do wnętrza kolumny rur.

Bardzo korzystnie, element gwintowany obejmowany ma przewężenie na końcu gwintu pomiędzy gwintem i krawędzią obejmowaną. To przewężenie ułatwia odkształcenie trwałe krawędzi obejmowanej podczas rozszerzania połączenia gwintowanego. Korzystnie, przewężenie ma głębokość w przybliżeniu równą wysokości gwintu obejmowanego tak, aby dno gwintu obejmowanego dochodziło do dna przewężenia.

Korzystnie również, przewężenie ma długość zawartą pomiędzy 2 i 8 krotną głębokością. Stosunek długość/głębokość mniejszy od 2 sprawia, że przewężenie nie ułatwia odkształcenia trwałego krawędzi. Stosunek długość/głębokość większy od 8 powoduje znaczne ryzyko wyboczenia materiału w stronę wnętrza kolumny podczas rozszerzania.

Wynalazek może być stosowany tak do połączeń gwintowanych o gwintach stożkowych jak i do połączeń gwintowanych o gwintach cylindrycznych pojedynczych i/lub wielostopniowych.

PL 198 903 B1

Korzystnie także, pierwsza rura i druga rura mają taką samą średnicę wewnętrzną tak na poziomie elementów gwintowanych jak i na poziomie korpusów rur, co ułatwia operację rozszerzanie. Korzystnie także, jest tak samo dla średnic zewnętrznych.

Bardzo korzystnie, połączenie gwintowane jest typu integralnego, to znaczy, że każda rura jest bardzo długą rurą, która zawiera element gwintowany obejmowany na jednym końcu i element gwintowany obejmujący na drugim końcu. Element obejmowany jednej rury jest wkręcony w element obejmujący drugiej rury i w ten sposób, łącząc je kolejno, tworzy się kolumnę.

Wynalazek umożliwia więc chronienie szczelnego połączenia gwintowanego powstałego w wyniku rozszerzenia średnicowego w zakresie odkształceń plastycznych połączenia gwintowanego takiego jak przedstawiono powyżej.

Korzystnie, wykonane rozszerzenie średnicowe jest większe od 10%.

Wynalazek umożliwia także chronienie połączeń gwintowanych przedstawionych powyżej w stanie nie rozszerzonym lub rozszerzonym. Elementy gwintowane są wykonane ze stali zawierającej elementy wiążące azot. Dzięki temu, stal nie jest wrażliwa na starzenie przez zgniatanie. Stal jest ponadto obrabiana termicznie, aby maksymalizować jej charakterystyki równomiernego wydłużania. Zapewnia to dobre charakterystyki robocze.

W sposobie według wynalazku, wychodzi się od połączenia gwintowanego rurowego według wynalazku przedstawionego powyżej zwanego «połączeniem gwintowanym rurowym rozszerzalnym» dla którego nie jest wymagana żadna charakterystyka uszczelnienia i poddaje się to początkowe połączenie gwintowane rozszerzeniu średnicowemu w zakresie odkształceń plastycznych, za pomocą trzpienia rozpierającego o średnicy większej od średnicy wewnętrznej rur początkowego połączenia gwintowanego. Trzpień rozpierający przemieszcza się osiowo w początkowym połączeniu gwintowanym. Krawędź obejmowana i gniazdo obejmujące są wymiarowane tak, aby krawędź obejmowana i gniazdo obejmujące były razem poddane trwałemu zginaniu, podczas przejścia trzpienia rozpierającego, podczas gdy tylko gniazdo obejmujące poddawane jest następnie odkształceniu trwałemu w kierunku przeciwnym prostowania, co powoduje na koniec zaciśnięcie krawędzi obejmowanej przez gniazdo obejmujące. Zginanie krawędzi obejmowanej jest ograniczone wskutek istnienia przewężenie na końcu krawędzi obejmowanej strony gwintu obejmowanego.

Korzystnie realizowane połączenie gwintowane rurowe jest typu integralnego i trzpień rozpierający jest przemieszczany od elementu gwintowanego obejmowanego w stronę elementu gwintowanego obejmującego.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, którego: fig. 1 przedstawia połączenie gwintowane według wynalazku przed rozszerzeniem średnicowym, fig. 2 przedstawia element obejmowany połączenia gwintowanego z fig. 1, fig. 3 przedstawia element obejmujący połączenia gwintowanego z fig. 1, fig. 4 do 7 przedstawiają połączenie gwintowane według wynalazku w różnych etapach procesu rozszerzania, fig. 4 przedstawia fazę rozszerzania połączenia gwintowanego, fig. 5 przedstawia fazę zginania, fig. 6 przedstawia fazę prostowania, fig. 7 przedstawia stan końcowy połączenia gwintowanego, które zostało poddane procesowi rozszerzenia, fig. 8 przedstawia detal z fig. 2 na poziomie wolnego końca obejmowanego, fig. 9 przedstawia detal z fig. 3 na poziomie gniazda obejmującego, fig. 10 przedstawia detal z fig. 1.

Fig. 1 przedstawia połączenie gwintowane według wynalazku zawierające element gwintowany obejmowany 1 umieszczony na końcu pierwszej rury 11. Element obejmowany 1 jest wkręcany do oporu w element gwintowany obejmujący 2 umieszczony na końcu drugiej rury 12. Średnica wewnętrzna elementu gwintowanego obejmowanego jest równa średnicy wewnętrznej Dl rur 11, 12. Średnica zewnętrzna elementu gwintowanego obejmującego jest ponadto, w tym przypadku równa średnicy zewnętrznej DE rur 11, 12, ale może być inaczej.

Połączenie gwintowane jest przedstawione na fig. 1 w stanie prostego skręcenia do oporu przed operacją rozszerzenia średnicowego.

Druga rura 12, taka jak przedstawiona, jest bardzo długą rurą, ale może także być, w sposób nie przedstawiony, złączką wyposażoną w element obejmujący 2 i drugi element obejmujący symetryczny do pierwszego nakręcony na element obejmowany umieszczony na końcu drugiej bardzo długiej rury.

Sam element obejmowany 1 jest przedstawiony na fig. 2.

Zawiera on gwint obejmowany 3, stożkowy z gwintami trapezoidalnymi, i przedłuża się w stronę swojego wolnego końca przez część nie gwintowaną utworzoną przez przewężenie 21 i przez krawędź 5 i kończąc się na powierzchni pierścieniowej końca obejmowanego 9.

PL 198 903 B1

Przewężenie 21 ma kształt płytkiego U. Zaczyna się ono zaraz za gwintem i jego głębokość hg jest równa wysokości zwoju gwintu 3.

W ten sposób dno przewężenia dochodzi do podstawy pierwszego zwoju gwintu.

Szerokość 1 g przewężenia jest w przybliżeniu równa czterokrotnej głębokości hg.

Krawędź 5 ma powierzchnię obwodową zewnętrzną 7 w kształcie cylindrycznym i powierzchnię obwodową wewnętrzną 19, która odpowiada obszarowi końca cylindrycznej powierzchni obwodowej wewnętrznej pierwszej rury 11.

Krawędź 5 ma więc jednakową grubość ei w przybliżeniu równą połowie grubości et rury 11. Ma ona długość li mierzoną od końca, przewężenia do pionowej powierzchni 15 (określonej poniżej) w przybliżeniu równą trzykrotnej grubości krawędzi ei.

Powierzchnia końca obejmowanego 9 tworzy wrąb przedstawiony szczegółowo na fig. 8. Ten wrąb jest utworzony z powierzchni poprzecznej pierścieniowej obejmowanej 15 i występu 13 pierścieniowego wystającego osiowo. Powierzchnia poprzeczna obejmowana 15 znajduje się od strony wrębu skierowanego w stronę wnętrza połączenia gwintowanego.

Ściany 17, 25 występu 13 nie są koniecznie równoległe, ale zbiegają się lekko w stronę wolnego końca występu. Te ściany są więc niesione przez powierzchnie lekko stożkowe współosiowe z osią zespołu, a więc półkąt wierzchołka wynosi 1 do 2 stopni.

Grubość promieniowa ed występu 13 jest w przybliżeniu identyczna jak grubość powierzchni poprzecznej 15 podczas gdy wysokość występu hd (lub jego wymiar osiowy) jest w przybliżeniu równa grubości promieniowej ed tego występu.

Sam element obejmujący 2 jest przedstawiony na fig. 3. Zawiera on gwint obejmujący 4 ze zwojami trapezoidalnymi połączony z gwintem obejmowanym 3 i część nie gwintowaną 6 znajdującą się od strony przeciwnej do wolnego końca elementu obejmującego w stosunku do gwintu obejmującego 4. Ta część nie gwintowana 6 tworzy gniazdo odpowiadające i współpracujące z krawędzią 5 elementu 25 obejmowanego 1.

Gniazdo obejmujące 6 ma powierzchnię obwodową wewnętrzną gniazda 8 w kształcie cylindrycznym połączoną z jednej strony z gwintem obejmującym 4 i z drugiej strony poprzez oparcie obejmujące 10 z powierzchnią obwodową wewnętrzną cylindryczną 20 drugiej rury 12.

Średnica powierzchni obwodowej gniazda 8 jest tylko nieco większa od średnicy powierzchni obwodowej zewnętrznej 7 krawędzi obejmowanej 5 tak, aby powierzchnie 7 i 8 mogły ślizgać się po sobie przy małym luzie podczas wkręcania elementu obejmowanego w element obejmujący, na przykład z luzem 0,2 mm.

Oparcie obejmujące (patrz fig. 9) ma powierzchnię pierścieniową oparcia 10, która jest umieszczona w sposób w przybliżeniu odpowiedni i ma kształt w przybliżeniu odpowiedni do końca obejmowanego 9. Powierzchnia 10 tworzy wrąb utworzony z powierzchni pierścieniowej poprzecznej obejmującej 16 i żłobka pierścieniowego 14.

Powierzchnia poprzeczna obejmująca 16 znajduje się od strony wrębu i skierowana jest w stronę wnętrza połączenia gwintowanego.

Żłobek 14 ma głębokość osiową Pr nieco większą od wysokości występu 13 tak aby w położeniu połączonym pierścieniowe powierzchnie poprzeczne obejmowana i obejmującą 15, 16 opierały się o siebie, podczas gdy koniec występu 13 nie jest oparty o dno żłobka 14 (patrz fig. 10).

Ściany 18, 26 żłobka 14 nie są idealnie równoległe ale zbiegają się lekko w stronę dna żłobka; te ściany są więc niesione przez powierzchnie lekko stożkowe współosiowe z osią zespołu, a więc półkąt wierzchołka wynosi 1 do 2 stopni, tak jak półkąt wierzchołka ścian 17, 25 występu 13.

Szerokość promieniowa Ir żłobka nie jest więc bezwzględnie stała na całej głębokości żłobka; jest ona dostosowana do tego, aby ściany obwodowe występu 13 stykały się z odpowiednią ścianą żłobka 14 trochę przed położeniem połączenia.

Zapewni to jednocześnie nieduży wymagany luz pomiędzy cylindrycznymi powierzchniami obwodowymi krawędzi 7 i gniazda 8 i pierścieniowe wzmocnienie skurczowe występu 13 przez żłobek 14. To pierścieniowe wzmocnienie skurczowe i oparcie powierzchni poprzecznych 15, 16 tworzy korzystny przykład wykonania zapewniający osadzenie powierzchni końca obejmowanego 9 w powierzchni oparcia obejmującego 10.

Fig. 4 do 7 objaśniają zjawiska odkształcenia, które zachodzą podczas realizacji za pomocą trzpienia rozpierającego, rozszerzenia średnicowego rzędu 15% na rurach połączonych połączeniami gwintowanymi, które zostały właśnie opisane i które umożliwiają uzyskanie na koniec szczelnego połączenia rozszerzonego.

PL 198 903 B1

Takie odkształcenie wykonane na materiałach metalowych prowadzi do odkształceń plastycznych metalu.

Przechodzi się na przykład od średnicy zewnętrznej 139,7 mm (5¹/2) na drugiej rurze 12 przed rozszerzeniem i w konsekwencji w części jeszcze nie odkształconej do średnicy zewnętrznej 157,5 mm (6,2) na pierwszej rurze 11 rozszerzonej (na poziomie lub za stożkiem wyjściowym 33 trzpienia rozpierającego). Z tego powodu należy stosować na rury metal, który dopuszcza takie odkształcenia plastyczne.

Odkształcenia plastyczne zwiększają granicę sprężystości wyrobów: rura mająca początkowo granicę sprężystości 310 MPa (45 KSI) zwiększa ją po odkształceniu do 380 MPa (55 KSI).

Rozszerzenie średnicowe jest realizowane w sposób znany za pomocą trzpienia rozpierającego 30 (fig. 4) o odpowiedniej średnicy maksymalnej, którego przejście przez rury wymusza się albo przeciągając za pomocą żerdzi wiertniczych albo pchając, wykorzystując na przykład ciśnienie hydrauliczne.

Trzpień rozpierający ma na przykład kształt dwustożkowy ze stożkiem wejściowym 31, który wykonuje rozszerzenie, część cylindryczną środkową 32 i część stożkową wyjściową 33. Wszystkie powierzchnie części trzpienia rozpierającego są połączone ze sobą odpowiednimi promieniami przejściowymi.

Rury 11, 12 mające stały przekrój końców nie stwarzają szczególnych problemów podczas przejścia trzpienia rozpierającego przyjmując, że metal z którego są wykonane ma wystarczającą zdolność do odkształcenia.

Problemy do rozwiązania wynikają z faktu, że elementy gwintowane na końcu rur mają grubości mniejsze niż korpus rur i mają skłonność do odkształcania się w sposób różny pomiędzy odpowiednimi częściami obejmowanymi i częściami obejmującymi.

Te różne odkształcenia, jeżeli są opanowane przez zastosowanie połączeń gwintowanych według wynalazku, umożliwiają wykonanie połączenia gwintowanego szczelnego po rozszerzeniu średnicowym, nie mającego miejscowych wypukłości, stanowiących istotną wadę ukrytą, do wnętrza powierzchni obwodowej wewnętrznej rur.

Proces rozszerzanie połączenia gwintowanego może być rozłożony na 4 fazy, które zostały przedstawione na fig. 4 do 7.

Chociaż operacja rozszerzenia może również być realizowana w kierunku przeciwnym i dawać odpowiednie wyniki, tu przedstawiono korzystny przykład wykonania odkształcenia, w którym trzpień rozpierający przemieszcza się od elementu obejmowanego 1 pierwszej rury 11 w stronę elementu obejmującego 2 drugiej rury 12.

a) Faza rozszerzanie na stożku trzpienia rozpierającego

Fig. 4 przedstawia połączenie gwintowane w trakcie tej fazy.

Rozszerzanie jest realizowane przez stożek wejściowy 31 trzpienia rozpierającego 30 i fig. 4 przedstawia gwinty obejmowany 3 i obejmujący 4 w trakcie rozszerzania średnicowego.

Na fig. 4, stożek wejściowy 31 trzpienia rozpierającego 30 zapoczątkowuje odkształcenie krawędzi obejmowanej i odpowiedniego obszaru gniazda obejmującego odginając je dla odchylenia w stosunku do osi zespoł u.

W trakcie tej fazy rozszerzania, siły reakcji na przejście trzpienia rozpierającego 30 są stopniowo przenoszone z pierwszej rury 11 w stronę drugiej rury 12.

Ze względu na siły reakcji, krawędź obejmowana 5 jest ściskana osiowo w trakcie tej fazy rozszerzania, przez powierzchnię pierścieniową oparcia obejmującego 10.

Koniec fazy rozszerzania odpowiada dojściu wolnego końca elementu obejmowanego do końca stożka wejściowego 31 trzpienia rozpierającego.

b) Faza zginania

W trakcie tej fazy, krawę d ź obejmowana znajduje się na poziomie części ś rodkowej 32 trzpienia rozpierającego: patrz fig. 5.

i) krawędź obejmowana

Krawędź obejmowana 5 jest poddawana na każdym ze swoich dwóch końców działaniu momentów zginających o przeciwnych kierunkach.

Powierzchnia końca obejmowanego 9 jest rzeczywiście osadzona w powierzchni oparcia obejmującego 10 ze względu na wręby z oparciami 15, 16 i system pierścieniowego wzmocnienia skurczowego występ 13/żłobek 14.

PL 198 903 B1

Osadzenie wrębów sprawia, że obszar wolnego końca krawędzi obejmowanej 5 musi także wykonać nachylenie takie jak obszar 22 o pełnej grubości elementu obejmującego poza oparcie, obszar 22, który jest także w trakcie rozszerzania na stożku wejściowym 31 trzpienia rozpierającego, tworzy więc w tym miejscu moment zginają cy.

Drugi koniec krawędzi, od strony gwintu obejmowanego 3, nie jest podtrzymywany, natomiast wywiera ponadto na krawędź moment zginający przeciwny w stosunku do momentu na wolnym końcu krawędzi.

Przeciwne momenty zginające na dwóch końcach krawędzi obejmowanej powodują zakrzywienie w kształcie banana krawędzi obejmowanej 5 jak na fig. 5, powierzchnia obwodowa zewnętrzna 7 krawędzi 5 przyjmuje kształt wybrzuszony wypukły.

Stan nacisku osiowego krawędzi obejmowanej 5 w końcowej fazie rozszerzania ułatwia jej zakrzywienie pod wpływem ruchów zginających.

Przewężenie 21 znajdujące się pomiędzy krawędzią obejmowaną 5 i gwintem obejmowanym 3 odgrywa rolę przegubu plastycznego, który uwydatnia zakrzywienie krawędzi obejmowanej ograniczając szerokość, na której to zakrzywienie może powstać.

Należy jednakże w tym przypadku czuwać nad tym aby osiowe naprężenia ściskające na poziomie krawędzi obejmowanej nie wywołały wyboczenia metalu 23 pod przewężeniem, co polegałoby na wypchnięciu metalu pod przewężeniem w stosunku do powierzchni obwodowej wewnętrznej 19.

ii) gniazdo obejmujące

Takie samo zjawisko zginania zachodzi w gnieździe obejmującym.

Obszar 22 o pełnej grubości stosunkowo sztywny w stosunku do obszarów krawędzi stosunkowo cienkich podlega podczas przejścia części środkowej, dodatkowemu rozszerzeniu tak, że średnica wewnętrzna obszaru 22 staje się większa od średnicy obszaru środkowego 32 trzpienia rozpierającego.

c ) Faza prostowania

Ta faza pokazana na fig. 6 odpowiada przejściu trzpienia rozpierającego 30 z obszaru 22 o pełnej grubości obejmującego na część środkową 32.

i) gniazdo obejmujące

Ugięcie utworzone w poprzedniej fazie może być doprowadzone do zera pod wpływem naprężeń obwodowych, co wywołuje stan osiowych naprężeń zginający przeciwnych w stosunku do zakrzywienia, powoduje to więc prostowanie.

Moment zginający wywołany tymi naprężeniami jest proporcjonalny do grubości materiału przed prostowaniem. W momencie dojścia na rurze 12 do pełnej grubości (obszar 22), moment zginający nie jest wówczas wystarczający dla prostowania obszaru obwodowego wewnętrznego gniazda obejmującego, który ma tendencję do zapadania się w stronę osi wyrobu. To zachowanie objawia się miejscowym zmniejszeniem średnicy zewnętrznej rury 12.

ii) krawędź obejmowana

W miarę prostowania części obejmującej, różnica wymiarów osiowych, która wytworzyła się na skutek ugięcia zmniejsza się. Krawędź obejmowana 5 traci wiec stopniowo stan ściśnięcia. To powoduje rozdzielenie powierzchni 15, 16 początkowo stykających się. To zjawisko jest wzmocnione przez „zanurzenie” powierzchni obwodowej wewnętrznej 8 gniazda obejmującego co powoduje rozejście się ograniczników 15, 16.

Odkształcenie w kształcie banana, które powstało w fazie poprzedniej zostaje zachowane. d) Stan finalny

Fig. 7 przedstawia stan finalny połączenia gwintowanego po przejściu trzpienia rozpierającego.

Stan naprężenia obwodowego wywołany przez rozszerzenie prowadzi do wzmocnienia pierścieniem skurczowym powierzchni obwodowej zewnętrznej 7 krawędzi obejmowanej przez powierzchnię wewnętrzną 8 gniazda obejmującego. Można więc mówić o pierścieniowym samowzmocnieniu skurczowym powierzchni 7 i 8 połączenia gwintowanego w stanie rozszerzonym, co zapewnia szczelność. Krawędź obejmowana 5 nie opada w stronę osi, ponieważ przesunięcie wywołane przez osadzenie wrębów 9, 10 wytworzyło wystarczające odkształcenia plastyczne.

Powrót sprężysty elementów połączenia gwintowanego po przejściu trzpienia rozpierającego jest pomijalny ponieważ odkształcenia mają charakter plastyczny.

Promieniowe wzmocnienia pierścieniem skurczowym wprowadza na styku nacisk wielu dziesiątek MPa, wystarczający dla zapewnienia szczelności przy ciśnieniu wewnętrznym lub zewnętrznym na połączeniu gwintowanym.

PL 198 903 B1

Szczelność jest ponadto konieczna gdy rozszerzenie jest realizowane przepychając hydraulicznie trzpień 30 pod ciśnieniem od 10 do 30 MPa, przeciek na poziomie połączenia już rozszerzonego uniemożliwiała dalsze wnikanie trzpienia rozpierającego do kolumny i w konsekwencji blokowanie procesu rozszerzania.

Należy zauważyć, że w stanie finalnym, może się zdarzyć, że występ 13 nie spoczywa dalej w żłobku 14, a zwłaszcza na ścianie wewnętrznej 18 żłobka.

Właściwości określone zastrzeżeniem 1 i zastrzeżeniami zależnymi umożliwiają uzyskanie pożądanych rezultatów.

Powierzchnia końca obejmowanego 9 uniemożliwiająca zamocowanie do niej oparcia obejmującego 10 powoduje opadnięcie tego końca podczas fazy prostowania w wyniku czego następuje rozdzielenie powierzchni poprzecznych 15 i 16 początkowo stykających się i następnie niedopuszczalne wysuwanie dolnego końca krawędzi obejmowanej do wnętrza kolumny, co uniemożliwia opuszczanie w kolumnę aparatury lub narzędzi o danych rozmiarach.

Zbyt duży luz pomiędzy powierzchnią obwodową 7 krawędzi obejmowanej 5 i powierzchnią obwodową 8 gniazda obejmującego na połączeniu gwintowanym przed rozszerzeniem uniemożliwia pierścieniowe wzmocnienie skurczowe tych powierzchni na końcu operacji rozszerzania.

Interferencja promieniowa pomiędzy tymi powierzchniami w stanie początkowym przed rozszerzeniem może przeszkodzić w odkształceniach różnicowych (zakrzywienie, prostowanie) pomiędzy tymi powierzchniami podczas operacji rozszerzania, odkształcenia różnicowe umożliwiają realizowanie pierścieniowego wzmocnienia skurczowego tych powierzchni na końcu operacji rozszerzania.

Korzystny kształt wrębu pierścieniowego z powierzchniami poprzecznymi 15, 16 i system występ 13/żłobek 14 uniemożliwia opuszczenie wolnego końca obejmowanego, podczas rozszerzania ale jest tylko jednym z możliwych przykładów wykonania dla osadzonych powierzchni 9, 10, inne przykłady są możliwe i dają takie same wyniki.

Krawędź obejmowana 5 zbyt cienka o grubości ei mniejszej od jednej trzeciej grubości et rur 11, 12 uniemożliwia wykonanie skutecznego oparcia na poziomie powierzchni poprzecznych 15, 16.

Jeżeli grubość ei krawędzi obejmowanej 5 jest natomiast większa od 2/3 grubości rur 11, 12, grubość rury 12 na poziomie obszaru gniazda obejmującego powoduje, że przekrój krytyczny gwintu obejmującego 4 jest zbyt mały i w konsekwencji wytrzymałość gwintów na rozciąganie jest niewystarczająca.

Stosunek długość/grubość krawędzi obejmowanej 5 decyduje o zachowaniu przy ściskaniu i przy ugięciu krawędzi 5.

Krawędź obejmowana 5 o długości li mniejszej od grubości ei uniemożliwia wystarczające ugięcie powierzchni obwodowej 7 krawędzi obejmowanej 5 i/lub prostowanie powierzchni 15 obwodowej 8 gniazda obejmującego.

Krawędź obejmowana 5 o długości li większej od czterokrotnej swojej grubości ei może powodować wyboczenia krawędzi obejmowanej 5 i jej wysunięcie wewnętrzne od strony gwintu.

To zjawisko jest uwydatnione przez obecność przewężenia 21 pomiędzy gwintem obejmowanym 3 i krawę dzi ą obejmowan ą 5.

Dlatego przewężenie ma korzystnie głębokość ograniczoną do wysokości zwoju gwintu i długość ograniczoną w stosunku swojej głębokości.

P r z y k ł a d w y k o n a n i a

Rury o średnicy zewnętrznej DE 139,7 mm i grubości nominalnej et 7,72 mm (51/2 x 17,00 Ib/ft) ze stali węglowej obrabianej dla minimalnej granicy sprężystości 290 MPa (42 KSI):

Skład chemiczny stali i jej obróbka termiczna są dostosowane do uzyskania charakterystyk plastyczności 5 największych możliwych, a szczególnie podwyższonych charakterystyk równomiernego wydłużania przed przewężeniem AR podczas próby rozciągania (AR większe lub równe na przykład 15%).

Wybiera się na przykład stal o wystarczająco niskiej zawartości węgla, bliskiej 0,14% (ciężarowych), o stosunkowo wysokiej zawartości manganu, rzędu 1% i zawierającej dodatek aluminium zdolnego wiązać śladowe ilości azotu w stali.

Zawartość Al 0,035% dla zawartości azotu 0,010% jest zupełnie właściwa w przypadku gdy stal jest obrabiana termicznie przez wyżarzanie lub przez hartowanie, po którym następuje odpuszczanie, dodatek Al będzie skutecznie wiązać azot. Inne znane pierwiastki chemiczne wiążące azot mogą również być stosowane łącznie lub zamiast aluminium.

PL 198 903 B1

Taki skład chemiczny, którego celem jest eliminowanie zawartości atomów międzywęzłowych takich jak atomy azotu sprawia, że stal jest niewrażliwa na szkodliwe zjawisko starzenia po odkształceniu, które psuje także charakterystyki plastyczności.

Stal może być w stanie wyżarzonym (na przykład wyżarzanie normalizujące lub wyżarzanie odprężające po pracy na zimno) lub w stanie strukturalnie równoważnym.

Połączenia gwintowane kompletne według wynalazku:

• gwinty 3,4 stożkowe (zbieżność = 12,5% na średnicy) z gwintami trapezoidalnymi o wysokości promieniowej 1 mm i skoku osiowym 4 mm;

• krawędź obejmowana 5 w kształcie cylindrycznym;

• grubość 61 krawędzi obejmowanej 3,2 mm (41% grubości rury);

• długość li krawędzi obejmowanej = 11,5 mm;

• przewężenie 21 o głębokości hg 1 mm i długości lg 4 mm pomiędzy końcem gwintu obejmowanego 3 i krawędzią obejmowaną 5;

• powierzchnia końca obejmowanego 9 z występem 13 o wysokości osiowej 1,8 mm i grubości promieniowej 1,8 mm • wytrzymałość na rozciąganie połączenia gwintowanego > 50% wytrzymałości na rozciąganie każdego z korpusów rur 11, 12.

- Wyniki po rozszerzeniu kolumny rur:

• średnica zewnętrzna rury 11, 12 = 157,5 mm (6,2) • grubość rur: 7,2 mm • granica sprężystości rur > 415 MPa (60 KSI) • twardość < 22 HRc (wartość maksymalna wg specyfikacji NACE MR 01 75) • zadowalające przejście następujących testów wykonanych w stanie rozszerzonym i w stanie rozszerzonym + starzenie > próba rozerwania pod ciśnieniem wewnętrznym > próba zapadania pod ciśnieniem zewnętrznym („zgniecenie”) > próba odporności na udary Charpy V > próba SSC wytrzymałości na pękanie w obecności H2S (SSC: „Sulfide stress cracking”) według specyfikacji NACE TM 01-77

Uwaga: NACE = National association of Corrosion Engineers (USA).

Opis przedstawionych przykładów wykonania wynalazku nie oznacza, że nie są chronione, nie przedstawione szczegółowo, ale objęte przez wynalazek przykłady wykonania wynalazku.

Claims (23)

1. Połączenie gwintowane rurowe dla szybów węglowodorów, zawierające element gwintowany obejmowany na końcu pierwszej rury i element gwintowany obejmujący na końcu drugiej rury, przy czym element gwintowany obejmowany zawiera, idąc w stronę wolnego końca elementu obejmowanego, gwint obejmowany i krawędź obejmowaną, która ma powierzchnię obwodową zewnętrzną i kończy się, poprzecznie w stosunku do osi połączenia gwintowanego, powierzchnią końca obejmowanego w kształcie pierścieniowym, zaś element gwintowany obejmujący zawiera gwint obejmujący, odpowiadający gwintowi obejmowanemu, i część nie gwintowaną gniazda obejmującego dla krawędzi obejmowanej, przy czym to gniazdo obejmujące zawiera powierzchnię obwodową wewnętrzną i pierścieniową powierzchnię oparcia obejmującego, o orientacji częściowo poprzecznej i w kształcie komplementarnym do kształtu powierzchni końca obejmowanego, zaś gwint obejmowany jest wkręcany w gwint obejmujący aż do położenia, gdzie powierzchnia pierścieniowa końca obejmowanego opiera się o powierzchnię oparcia obejmującego, realizując osadzenie tych dwóch powierzchni jedna w drugiej, znamienne tym, że to połączenie gwintowane jest połączeniem gwintowanym rozszerzalnym i powierzchnia obwodowa zewnętrzna (7) krawędzi obejmowanej (5) jest usytuowana z małym luzem w stosunku do powierzchni obwodowej wewnętrznej (8) gniazda obejmującego (6), bez wcisku w kierunku promieniowym z tym ostatnim, przy czym powierzchnia obwodowa wewnętrzna (8) gniazda obejmującego i powierzchnia obwodowa zewnętrzna (7) krawędzi obejmowanej są w ścisłym styku po rozszerzeniu wzdłuż średnicy tego połączenia gwintowanego w zakresie odkształceń plastycznych.

2. Połączenie według zastrz. 1, znamienne tym, że powierzchnia końca obejmowanego (9) ma kształt wrębu utworzonego przez powierzchnię poprzeczną (15) od strony wewnętrznej połączenia

PL 198 903 B1 gwintowanego, a z przeciwnej strony wrębu przez pierścieniowy występ (13) wystający osiowo, zaś powierzchnia oparcia obejmującego (10) ma kształt wrębu, utworzonego przez powierzchnię poprzeczną (16) od strony skierowanej w stronę wnętrza połączenia gwintowanego i przez pierścieniowy żłobek (14) z przeciwnej strony, natomiast powierzchnia poprzeczna wrębu obejmowanego (15) jest usytuowana naprzeciw powierzchni poprzecznej wrębu obejmującego (16), a występ (13) jest usytuowany w żłobku 14.

3. Połączenie według zastrz. 2, znamienne tym, że pierścieniowe ściany występu (13) i żłobka (14) są ułożone w taki sposób, że w położeniu połączonym połączenia gwintowanego, pierścieniowe ściany (18, 26) żłobka ściskają promieniowo ściany (17, 25) występu.

4. Połączenie według zastrz. 3, znamienne tym, że pierścieniowe ściany (17, 25) występu (13) są lekko stożkowe i zbiegają się w stronę wolnego końca występu, zaś pierścieniowe ściany (18, 26) żłobka (14) są lekko stożkowe i zbiegają się w stronę dna żłobka, przy czym nachylenie ścian żłobka jest równe nachyleniu ścian występu.

5. Połączenie według zastrz. 2, znamienne tym, że powierzchnie poprzeczne wrębu obejmowanego i obejmującego (15, 16) opierają się o siebie.

6. Połączenie według zastrz. 2, znamienne tym, że grubość promieniowa (ed) występu (13) jest w przybliżeniu równa grubości powierzchni poprzecznej (15) wrębu obejmowanego (9).

7. Połączenie według zastrz. 2, znamienne tym, że mierzona osiowo wysokość (hd) występu (13) jest w przybliżeniu równa jego promieniowej grubości (ed).

8. Połączenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że mały luz pomiędzy powierzchnią obwodową zewnętrzną (7) krawędzi obejmowanej i powierzchnią obwodową wewnętrzną (8) gniazda obejmującego jest mniejszy lub równy 0,3 mm przy pomiarze tego luzu prostopadle do wymienionych powierzchni.

9. Połączenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że powierzchnie obwodowe zewnętrzne (7) krawędzi obejmowanej i wewnętrzna (8) gniazda obejmującego są cylindryczne.

10. Połączenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że krawędź obejmowana (5) ma grubość (ei) zawartą pomiędzy 1/3 i 2/3 grubości pierwszej rury (11).

11. Połączenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że krawędź obejmowana (5) ma długość (li) i grubość (ei) przy czym stosunek długości do grubości li krawędzi jest ei zawarty pomiędzy 1 i 4.

12. Połączenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że element obejmowany (1) ma przewężenie (21) na końcu gwintu obejmowanego (3) pomiędzy gwintem i krawędzią obejmowaną (5).

13. Połączenie według zastrz. 12, znamienne tym, że przewężenie (21) ma głębokość (hg) równą wysokości gwintu obejmowanego (3).

14. Połączenie według zastrz. 12, znamienne tym, że przewężenie (21) ma długość (Ig) i głębokość (hg), przy czym długość (Ig) przewężenia (21) krawędzi jest zawarta pomiędzy 2 i 8 krotną jego głębokością (hg).

15. Połączenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że pierwsza rura (11) i druga rura (12) mają takie same średnice wewnętrzne (D1) tak na poziomie elementów gwintowanych (1, 2) jak i korpusów rur.

16. Połączenie według zastrz. 15, znamienne tym, że pierwsza rura (11) i druga rura (12) mają takie same średnice zewnętrzne (DE), tak na poziomie elementów gwintowanych (1, 2) jak i korpusów rur.

17. Połączenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że jest typu integralnego.

18. Połączenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że elementy gwintowane (1, 2) są utworzone z, poddanej obróbce termicznej, stali zawierającej elementy wiążące azot.

19. Połączenie gwintowane rurowe szczelne dla szybów węglowodorów, znamienne tym, że jest utworzone przez połączenie gwintowane rurowe, zawierające element gwintowany obejmowany (1) na końcu pierwszej rury (11) i element gwintowany obejmujący (2) na końcu drugiej rury (12), przy czym element gwintowany obejmowany zawiera, idąc w stronę wolnego końca elementu obejmowanego, gwint obejmowany (3) i krawędź obejmowaną (5), która ma powierzchnię obwodową zewnętrzną (7) i kończy się, poprzecznie w stosunku do osi połączenia gwintowanego powierzchnią końca obejmowanego (9) w kształcie pierścieniowym, zaś element gwintowany obejmujący (2) zawiera gwint obejmujący (4), odpowiadający gwintowi obejmowanemu (3), i część nie gwintowaną (6) gniazda obejmującego dla krawędzi obejmowanej, przy czym to gniazdo obejmujące zawiera powierzchnię obwodową wewnętrzną (8) i pierścieniową powierzchnię oparcia obejmującego (10), o orientacji częściowo poprzecznej, i w kształ cie komplementarnym do kszta ł tu powierzchni koń ca

PL 198 903 B1 obejmowanego, zaś gwint obejmowany (3) jest wkręcany w gwint obejmujący (4) aż do położenia, gdzie powierzchnia pierścieniowa końca obejmowanego (9) opiera się o powierzchnię oparcia obejmującego (10), realizując osadzenie tych dwóch powierzchni jedna w drugiej, zaś to połączenie gwintowane jest połączeniem gwintowanym rozszerzalnym i powierzchnia obwodowa zewnętrzna (7) krawędzi obejmowanej (5) jest usytuowana z małym luzem w stosunku do powierzchni obwodowej wewnętrznej (8) gniazda obejmującego (6), bez wcisku w kierunku promieniowym z tym ostatnim, przy czym powierzchnia obwodowa wewnętrzna (8) gniazda obejmującego i powierzchnia obwodowa zewnętrzna (7) krawędzi obejmowanej są w ścisłym styku po rozszerzeniu wzdłuż średnicy tego połączenia gwintowanego w zakresie odkształceń plastycznych i, korzystnie, powierzchnia końca obejmowanego (9) ma kształt wrębu utworzonego przez powierzchnię poprzeczną (15) od strony wewnętrznej połączenia gwintowanego, a z przeciwnej strony wrębu przez pierścieniowy występ (13) wystający osiowo, zaś powierzchnia oparcia obejmującego (10) ma kształt wrębu, utworzonego przez powierzchnię poprzeczną (16) od strony skierowanej w stronę wnętrza połączenia gwintowanego i przez pierścieniowy żłobek (14) z przeciwnej strony, natomiast powierzchnia poprzeczna wrębu obejmowanego (15) jest usytuowana naprzeciw powierzchni poprzecznej wrębu obejmującego (16), a występ (13) jest usytuowany w żłobku (14), przy czym to połączenie gwintowane rurowe zostało przed użyciem poddane obróbce wykańczającej, obejmującej rozszerzenie średnicowe w zakresie odkształceń plastycznych i powierzchnia obwodowa wewnętrzna (8) gniazda obejmującego obciska promieniowo powierzchnię obwodową zewnętrzną (7) krawędzi obejmowanej.

20. Połączenie według zastrz. 19, znamienne tym, że średnica powierzchni wewnętrznej krawędzi obejmowanej (5) jest co najmniej równa średnicy powierzchni obwodowych wewnętrznych (19, 20) pierwszej i drugiej rury, zarówno na poziomie wolnego końca obejmowanego (9) tej krawędzi obejmowanej (5) jak i na poziomie jej drugiego końca od strony gwintu obejmowanego.

21. Sposób wykonania połączenia gwintowanego rurowego szczelnego dla szybów węglowodorów, znamienny tym, że w pierwszym etapie dostarcza się połączenie gwintowane rurowe dla szybów węglowodorów zwane «połączenie gwintowane rurowe rozszerzalne», zawierające element gwintowany obejmowany (1) na końcu pierwszej rury (11) i element gwintowany obejmujący (2) na końcu drugiej rury (12), przy czym element gwintowany obejmowany zawiera, idąc w stronę wolnego końca elementu obejmowanego, gwint obejmowany (3) i krawędź obejmowaną (5), która ma powierzchnię obwodową zewnętrzną (7) i kończy się, poprzecznie w stosunku do osi połączenia gwintowanego, powierzchnią końca obejmowanego (9) w kształcie pierścieniowym, zaś element gwintowany obejmujący (2) zawiera gwint obejmujący (4), odpowiadający gwintowi obejmowanemu (3), i część nie gwintowaną (6) gniazda obejmującego dla krawędzi obejmowanej, przy czym to gniazdo obejmujące zawiera powierzchnię obwodową wewnętrzną (8) i pierścieniową powierzchnię oparcia obejmującego (10), o orientacji częściowo poprzecznej, i w kształcie komplementarnym do kształtu powierzchni końca obejmowanego, zaś gwint obejmowany (3) jest wkręcany w gwint obejmujący (4) aż do położenia, gdzie powierzchnia pierścieniowa końca obejmowanego (9) opiera się o powierzchnię oparcia obejmującego (10), realizując osadzenie tych dwóch powierzchni jedna w drugiej, zaś to połączenie gwintowane jest połączeniem gwintowanym rozszerzalnym i powierzchnia obwodowa zewnętrzna (7) krawędzi obejmowanej (5) jest usytuowana z małym luzem w stosunku do powierzchni obwodowej wewnętrznej (8) gniazda obejmującego (6), bez wcisku w kierunku promieniowym z tym ostatnim, przy czym powierzchnia obwodowa wewnętrzna (8) gniazda obejmującego i powierzchnia obwodowa zewnętrzna (7) krawędzi obejmowanej są w ścisłym styku po rozszerzeniu wzdłuż średnicy tego połączenia gwintowanego w zakresie odkształceń plastycznych i, korzystnie, powierzchnia końca obejmowanego (9) ma kształt wrębu utworzonego przez powierzchnię poprzeczną (15) od strony wewnętrznej połączenia gwintowanego, a z przeciwnej strony wrębu przez pierścieniowy występ (13) wystający osiowo, zaś powierzchnia oparcia obejmującego (10) ma kształt wrębu, utworzonego przez powierzchnię poprzeczną (16) od strony skierowanej w stronę wnętrza połączenia gwintowanego i przez pierścieniowy żłobek (14) z przeciwnej strony, natomiast powierzchnia poprzeczna wrębu obejmowanego (15) jest usytuowana naprzeciw powierzchni poprzecznej wrębu obejmującego (16), a występ (13) jest usytuowany w żłobku (14), a następnie, w drugim etapie, poddaje się to połączenie gwintowane rurowe rozszerzalne operacji rozszerzenia średnicowego w zakresie odkształceń plastycznych, tak, aby na koniec operacji rozszerzania średnicowego powierzchnia obwodowa wewnętrzna (8) gniazda obejmującego obciskała powierzchnię obwodową zewnętrzną (7) krawędzi obejmowanej, realizując ścisły kontakt pomiędzy tymi dwiema powierzchniami obwodowymi, przy czym operację rozszerzania średnicowego prowadzi się, wprowadzając do wnętrza połączenia rurowego trzpień rozpierający (30) o średnicy

PL 198 903 B1 maksymalnej większej od średnicy wewnętrznej (Dl) elementów gwintowanych połączenia gwintowanego rurowego rozszerzalnego.

22. Sposób według zastrz. 21, znamienny tym, że połączenie gwintowane rurowe poddaje się rozszerzeniu średnicowemu większemu od 10 %.

23. Sposób według zastrz. 21, znamienny tym, że stosuje się połączenie gwintowane rurowe rozszerzalne typu integralnego, zaś trzpień rozpierający (30) przemieszcza się od elementu gwintowanego obejmowanego (1) w stronę elementu gwintowanego obejmującego (2).