UA129641C2 - Трубчасте різьбове з’єднання - Google Patents

Abstract

Трубчасте різьбове з'єднання (1) для буріння, експлуатації вуглеводневих свердловин, транспортування нафти і газу, транспортування або зберігання водню, уловлювання вуглецю або геотермальної енергії містить охоплюваний трубчастий елемент (2) і охоплюючий трубчастий елемент (3). Кожен із вказаних охоплюваного (2) або охоплюючого (3) трубчастих елементів містить, відповідно, частину (4) із зовнішньою різьбою і частину (5) із внутрішньою різьбою. Одна або інша з частини (4) із зовнішньою різьбою або частини (5) із внутрішньою різьбою містить антикорозійне та/або змащувальне тверде покриття (10). Вказана частина (4) із зовнішньою різьбою і частина (5) із внутрішньою різьбою містять, відповідно, щонайменше один зубець (6) зовнішньої різьби й один зубець (5) внутрішньої різьби і різьбовий осьовий проміжок (8) TAG, що забезпечує у змонтованому стані простір між закладною стороною (14) вказаного зубця зовнішньої різьби й опорною стороною (15) вказаного зубця (7) внутрішньої різьби. Вказаний різьбовий осьовий проміжок TAG більше, ніж мінімальний проміжок TAGmin, або дорівнює йому.

Description

Галузь техніки

Цей винахід стосується сталевих компонентів або труб у галузі видобутку нафти і газу, енергетики або зберігання для таких цілей, як експлуатація свердловин або транспортування вуглеводнів, транспортування або зберігання водню, геотермальна енергія або вловлювання вуглецю.

Рівень техніки

У цьому документі термін "компонент" означає будь-який елемент, допоміжний пристрій або трубу, що використовуються для буріння або експлуатації свердловини та містять щонайменше одне з'єднання, або з'єднувач, або різьбовий кінець і призначені для збирання шляхом накручування на інший компонент з утворенням різьбового з'єднання із вказаним іншим компонентом. Компонент може являти собою, наприклад, трубу або трубчастий елемент відносно великої довжини (зокрема, близько десяти метрів), наприклад трубу, або навіть трубчасту з'єднувальну муфту завдовжки декілька десятків сантиметрів, або допоміжний пристрій для цих трубчастих елементів (підвісний пристрій або "підвіска", змінна деталь секції або "перехідник", запобіжний клапан, з'єднувач для бурової штанги або "бурильний замок", "перевідник" тощо).

Компоненти чи труби мають різьбові кінці. Ці різьбові кінці є взаємодоповнюваними, що дозволяє з'єднати між собою два трубчасті елементи: охоплюваний ("ніпель") і охоплюючий ("муфта"). Таким чином, існує кінець із зовнішньою різьбою і кінець із внутрішньою різьбою.

Різьбові кінці, які називаються різьбовими кінцями преміум-класу або напівпреміум-класу, як правило, містять щонайменше одну упорну поверхню. Перший упор може бути утворений двома поверхнями двох різьбових кінців, орієнтованими по суті радіально і виконаними з можливістю контакту один з одним після пригвинчування різьбових кінців один до одного або під час впливу стискальних напруг. Упори, як правило, мають негативні кути відносно головної осі з'єднань. Також відомі проміжні упори на з'єднаннях, що включають щонайменше два етапи нарізування різьби. Різьбовий кінець, упорна поверхня, а також ущільнювальна поверхня можуть утворювати вузол у зборі, що називається кромкою. Може бути кромка з різьбою, орієнтованою назовні труби, тобто охоплювана кромка, і кромка з різьбою, орієнтованою всередину труби, тобто охоплююча кромка. о Механічна обробка труби для нарізування її різьби передбачає наявність кроку різьби.

Поняття кроку різьби слід розглядати з урахуванням стандарту І5О 5408:2009, в якому наведено визначення різьби. Крок різьби необхідно регулювати, щоб уникнути проблем під час збирання та використання з'єднання між зовнішньою різьбою і відповідною внутрішньою різьбою.

Можливо, що непередбачене відхилення між кроком охоплюваної частини або кроком охоплюючої частини, з одного боку, і розрахунковим кроком, з іншого боку, виникає через похибки способу або різьбонарізних інструментів, що використовуються під час механічної обробки. Це відхилення називається похибкою кроку. Існують пристрої, які дозволяють виміряти крок різьби і виміряти похибку кроку або виявити неприпустиму похибку кроку і перейти до бракування відповідного різьбового компонента. Приклад вимірювального пристрою описаний у стандартній СПЕЦИФІКАЦІЇ АРІ 5В "ВИМІРЮВАННЯ ТА ПЕРЕВІРКА РІЗЬБИ ОБСАДНИХ ТРУБ,

НАСОСНО-КОМПРЕСОРНИХ ТРУБ І ТРУБОПРОВОДІВ".

Однак, можливо, що вимірювання буде неточним власне через вимірювальний прилад, який може допускати коефіцієнт недосконалості. У цілому існують стандарти безпеки та межі похибки, які слід враховувати і для приладів цього типу.

Проблеми можуть виникати після пригвинчування двох трубчастих елементів: охоплюваного та охоплюючого. Дійсно, складно вимірювати кроки у з'єднаному стані і таким чином, можливо, виявляти похибки кроку. Похибку кроку можна виявити, аналізуючи криві пригвинчування (див. фіг. 10), але на цьому етапі робити це вже надто пізно, й обидві відповідні труби доведеться забракувати. Критерії бракування наведені у специфікаціях постачальника, наприклад у "Збірнику документації МАМ". Таким чином, під час механічної обробки, незважаючи на запобіжні заходи та заходи безпеки, часом виникають деякі невеликі похибки кроку, які можуть бути індивідуально допущені та включені в допустиму межу похибки. Таким чином, труба може бути перевірена, в той час як вона містить накопичення невеликих допустимих похибок кроку і може продовжити свій виробничий цикл. Заявнику вдалося несподівано виявити і встановити, що накопичення похибок кроку, які можуть бути індивідуально допустимими, може сприяти зміщенню бічних сторін різьби по всій різьбі Коли це накопичення та/або це зміщення перевищують певне граничне значення і коли вони розташовані навпроти охоплюваного і охоплюючого трубчастого елемента, вони створюють невідповідність кроку, причому останнє бо призводить до виникнення осьового натягу або проблеми зі стикуванням між бічними сторонами різьби. Вказаний осьовий натяг або проблема зі стикуванням може викликати надто високу напругу в одному або більше місць різьби через стиснення двох зубців із зовнішньою різьбою і внутрішньою різьбою. Така надмірна напруга здатна викликати стикування витків різьби при надто великій кількості обертів загвинчування, на шкоду загвинчуванню, для якого більше не може бути забезпечене правильне розташування охоплюваної частини відносно охоплюючої частини. Це може означати як ризик крихкості або пластифікації з'єднання, так і ризик втрати герметичності, що може призвести до витоку зі з'єднання. Витік може мати значні економічні і навіть екологічні наслідки, наприклад, коли відбувається витік у вуглеводневій свердловині під час її експлуатації.

Наслідки через невідповідність кроку, а отже, проблеми із витоком, ще більше посилюються у разі нанесення твердого покриття з антикорозійними або змащувальними властивостями.

Цей винахід дозволяє вирішити всі раніше згадані проблеми. Зокрема, в цьому винаході запропоновано конфігурацію, здатну усунути наслідки похибок кроку і, зокрема, їх накопичення на різьбі, забезпечуючи при цьому відсутність осьових натягів або проблем зі стикуванням, а також ущільнення.

Згідно з одним варіантом здійснення цього винаходу запропоновано трубчасте різьбове з'єднання для буріння, експлуатації вуглеводневих свердловин, транспортування нафти і газу, уловлювання вуглецю або геотермальної енергії, що містить охоплюваний трубчастий елементі охоплюючий трубчастий елемент, причому кожен із вказаних охоплюваного або охоплюючого трубчастих елементів містить відповідно частину із зовнішньою різьбою і частину з внутрішньою різьбою, причому одна або інша з частин із зовнішньою або внутрішньою різьбою необов'язково містить антикорозійне талабо змащувальне тверде покриття, причому вказана частина із зовнішньою різьбою і частина з внутрішньою різьбою містять відповідно щонайменше один зубець зовнішньої різьби або один зубець внутрішньої різьби і різьбовий осьовий проміжок ТАС, що забезпечує у змонтованому стані простір між закладною стороною вказаного зубця зовнішньої різьби й опорною стороною вказаного зубця внутрішньої різьби, яке характеризується тим, що вказаний різьбовий осьовий проміжок ТАС більший, ніж мінімальний проміжок ТАСстіп, або дорівнює йому таким чином, що:

ІОбчислення 1)

ТАстіп - Т(тіпук(1725БЄ ріптіп) 4/2 вохтіп) (4 «Ерсоай) (Оріптіп) (Обохтіп) де: О «х Ерсоаї х Ерсоантах де:

ТАсСтіп - мінімальне значення різьбового осьового проміжку в мм;

ІТтіп - мінімальне значення допуску невідповідності кроку в мм;

І Рріптіп - мінімальне значення осьової довжини зовнішньої різьби в мм;

І Ррохтіп - мінімальне значення осьової довжини внутрішньої різьби в мм;

Оріптіп - мінімальне значення відстані допуску зовнішнього кроку в мм;

Орохтіп - мінімальне значення відстані допуску внутрішнього кроку в мм;

Ерсоаї - значення товщини антикорозійного та/або змащувального покриття в мм.

Завдяки цій ознаці з'єднання згідно з винаходом має різьбовий осьовий проміжок (ТАС), який відповідає мінімальному пороговому значенню, починаючи з якого забезпечується компенсація ефекту будь-якого зміщення різьби, що виникає через накопичення похибки кроку.

Це накопичення може виникати внаслідок кількох індивідуально допустимих похибок кроку.

Несподівано було виявлено, що в разі задоволення рівняння ризики невідповідності кроку, які можуть існувати в різних з'єднаннях, поглинаються досить великим осьовим різьбовим проміжком. Таким чином, повністю виключається будь-який ризик осьового натягу, а отже, крихкості та пластифікації через зміщення, викликане досить значною невідповідністю кроку.

Термін "різьбовий осьовий проміжок" (ТАС) означає відстань, що розділяє закладну сторону зубця зовнішньої різьби і закладну сторону зубця внутрішньої різьби, звернену до закладної сторони зубця зовнішньої різьби, яка може бути виражена в мм. Цей різьбовий осьовий проміжок вимірюють на половині висоти охоплюваного зубця.

Термін "похибка кроку" означає зміщення, що виникає в результаті порівняння фактичного кроку, тобто кроку, виміряного на виготовленій деталі, та кроку в площині, тобто кроку, спочатку визначеного на кресленні виробу.

Термін "індивідуально допустима похибка кроку" означає будь-яку похибку кроку різьби, яка досить мала і допустима для перевірки та підтвердження під час контролю різьби після механічної обробки, причому контрольні значення визначаються кресленням та/або стандартом.

Термін "невідповідність кроку" означає різницю між накопиченою похибкою кроку зовнішньої різьби і накопиченням похибки кроку на внутрішній різьбі.

Паралельно це рівняння також дозволяє забезпечити контроль рівня загвинчування.

Згідно з одним варіантом здійснення значення допуску невідповідності кроку становить від 0,040 до 0,080 мм, переважно від 0,048 до 0,072 мм.

Завдяки цій функції похибку кроку можна виміряти за допомогою традиційного контрольного пристрою, наприклад описаного в АРІ 5В1. Дійсно, при значеннях нижче за допуск необхідно використовувати дорожчі пристрої, результат вимірювання яких не обов'язково гарантований.

Небажано мати значення допуску більше ніж 0,080 мм.

Згідно з одним варіантом здійснення трубчасте різьбове з'єднання відрізняється тим, що різьбовий осьовий проміжок ТАС менший, ніж максимальний проміжок ТАСтах, або дорівнює йому таким чином, що:

ІОбчислення 21

ТАСтах - ах Ріпі ірзбипасе--б--(4ж Ерсоаї) де: О «х Ерсоаї х Ерсоантах а-0,00053 р-0,14 де:

РіпіірбитПасе - значення площі поперечного розрізу охоплюваної кромки між ущільнювальною поверхнею і упорною поверхнею у мм? а -- значення нахилу кореляції р - значення точки перетину

Ерсоаї - значення товщини антикорозійного та/або змащувального покриття у мм

Завдяки цій ознаці виключається ризик втрати ущільнювальної характеристики через надто великий осьовий різьбовий проміжок ТАС.

Термін "ущільнювальна характеристика" означає стійкість з'єднання до об'єднаних напруг, як зовнішнього/внутрішнього тиску, так і розтягнення/стиснення. Ущільнення може являти собою рідинне або газове ущільнення.

Завдяки цій ознаці з'єднання згідно з винаходом є більш міцним при напругах, що потребують стиснення. о Дійсно, надто великий різьбовий осьовий проміжок може призвести до перенапруги кромки, а отже, пластифікації, коли з'єднання зазнає напруги під час стиснення. Така перенапруга може призвести до витоку.

Таким чином, забезпечується не тільки ущільнення з'єднання, коли задовольняється рівняння, але заявник спостерігав покращення ущільнювальної характеристики у разі використання декількох типів з'єднань згідно з винаходом.

Згідно з одним варіантом здійснення різьбовий осьовий проміжок ТАС перебуває між двома значеннями ТАСтіп і ТАСтах таким чином, що: ТАСтіп « ТАСітах.

Згідно з одним варіантом здійснення трубчасте різьбове з'єднання (1) відрізняється тим, що щонайменше одна з частин (4) із зовнішньою різьбою або частин (5) з внутрішньою різьбою містить антикорозійне та/або змащувальне покриття, і тим, що значення товщини антикорозійного та/або змащувального покриття (10) Ерсоаї більше ніж нуль.

Завдяки цій ознаці додавання твердого антикорозійного та/або змащувального покриття до різьби збільшує ризик небажаного осьового натягу. Дійсно, товщина твердого покриття може сприяти збільшенню контактного тиску на бокових сторонах різьби, збільшуючи ризик крихкості або пластифікації. Таким чином, цей винахід забезпечує загвинчування без додаткового ризику крихкості або пластифікації з'єднання через покриття різьби.

Згідно з одним варіантом здійснення трубчасте різьбове з'єднання відрізняється тим, що максимальне значення товщини антикорозійного та/"або змащувального покриття Ерсоаї тах дорівнює 0,0075 мм.

Завдяки цій ознаці в конфігурацію можуть бути включені найрізноманітніші антикорозійні та/або змащувальні тверді покриття, які дозволяє виключити ризик, пов'язаний з невідповідністю кроку максимальному значенню 0,0075 мм.

Згідно з одним варіантом здійснення антикорозійне та/"або змащувальні покриття містить шар, який містить цинк і нікель.

Короткий опис графічних матеріалів

Цей винахід можна краще зрозуміти, а інші його цілі, подробиці, ознаки та переваги стануть більш ясними при розгляді подальшого опису кількох конкретних варіантів здійснення винаходу, наведених тільки для ілюстративних і необмежувальних цілей, з посиланням на додані графічні матеріали. 60 ІФіг. 1| На фіг. 1 схематично представлений вид у поздовжньому розрізі трубчастого різьбового з'єднання згідно з винаходом, з контактом опорних сторін.

ІФіг. 2| На фіг. 2 схематично представлений вид у поздовжньому розрізі трубчастого різьбового з'єднання згідно з винаходом, з контактом закладних сторін.

ІФіг. 3) На фіг. З схематично представлений вид у поздовжньому розрізі зубця внутрішньої і зовнішньої різьби трубчастого різьбового з'єднання згідно з винаходом.

ІФіг. 4Ї На фіг. 4 схематично представлений вид у поздовжньому розрізі охоплюваного кінця згідно з винаходом.

ІФіг. 5) На фіг. 5 схематично представлений вид у поздовжньому розрізі охоплюючого кінця згідно з винаходом.

ІФіг. 6) На фіг. 6 схематично представлений вид у поздовжньому розрізі аналізу методом кінцевих елементів трубчастого різьбового з'єднання згідно з рівнем техніки.

ІФіг. 7| На фіг. 7 схематично представлений вид у поздовжньому розрізі аналізу методом кінцевих елементів трубчастого різьбового з'єднання згідно з винаходом.

ІФіг. 8) На фіг. 8 схематично представлений вид у поздовжньому розрізі кромки трубчастого елемента із зовнішньою різьбою.

ІФіг. 9| На фіг. 9 схематично представлений вид у поздовжньому розрізі розташування зовнішньої різьби та внутрішньої різьби згідно з винаходом після загвинчування.

ІФіг. 10)Ї На фіг. 10 представлена крива загвинчування труби згідно з рівнем техніки, що включає накопичення непоглиненої похибки кроку.

ІФіг. 11) На фіг. 11 представлена крива загвинчування згідно з винаходом, що включає накопичення непоглиненої похибки кроку.

ІФіг. 12| На фіг. 12 схематично представлений вид у поздовжньому розрізі трубчастого різьбового з'єднання, що включає накопичення похибки кроку.

Опис варіантів здійснення

В решті опису терміни "подовжній", "поперечний", "вертикальний", "передній", "задній", "лівий" і "правий" визначаються відповідно до звичайної ортогональної системи координат, як представлено в графічних матеріалах, яка містить: горизонтальну поздовжню вісь Х і види в розрізі зліва направо.

При цьому в описі та формулі винаходу терміни "зовнішній" або "внутрішній", і "осьова", і о "радіальна орієнтації" будуть використовуватися для позначення, згідно з визначеннями, наведеними в описі, елементів трубчастого різьбового з'єднання. Поздовжня вісь Х визначає "осьову" орієнтацію. "Радіальна" орієнтація спрямована перпендикулярно поздовжній осі Х.

На фіг. 1 представлено трубчасте різьбове з'єднання (1) згідно з винаходом, що містить охоплюваний трубчастий елемент (2), що містить частину (4) із зовнішньою різьбою, охоплювану ущільнювальну поверхню (28), а також охоплюваний упор (24) й охоплюючий трубчастий елемент (3), який містить частину (5) з внутрішньою різьбою, що охоплює ущільнювальну поверхню (29), а також охоплюючий упор (25). Вказані частини із зовнішньою (4) і внутрішньою (5) різьбою містять відповідно кілька зубців зовнішньої (б) і внутрішньої (7) різьби, що належать до тієї самої гвинтової лінії різьби. Визначення гвинтової лінії різьби наведено в

ІБО 5408. Зубець (б) зовнішньої різьби містить зовнішню закладну сторону (14) та зовнішню опорну сторону (12). Зубець (7) внутрішньої різьби містить внутрішню закладну сторону (15) та внутрішню опорну сторону (13).

З'єднання, представлене на фіг. 1, показано під час його використання під дією сили розтягування, наприклад, під дією ваги колони, що перебуває в натягу вертикально, в напрямку стрілки. У цьому випадку штатного використання в контакті перебувають зовнішня (12) та внутрішня (13) опорні сторони. Зовнішня (14) і внутрішня (15) закладні сторони не обов'язково перебувають в контакті та обмежують простір, що складається з різьби різьбового осьового проміжку ТАС. Однак упори та ущільнювальні поверхні можуть перебувати в контакті.

Інший спосіб визначення різьбового осьового проміжку ТАС полягає в різниці між шириною виїмки (СВ) між двома зубцями внутрішньої різьби та шириною зубця зовнішньої різьби (І Р), як показано на фіг. 3.

На фіг. 2 представлено трубчасте різьбове з'єднання (1) згідно з винаходом під час використання в погіршених умовах, наприклад, коли існує різниця температур, яка призводить до дії сил стиснення у різьбовому з'єднанні. З'єднання матиме тенденцію до деформації під впливом вказаних сил стиснення. У цьому випадку саме зовнішні закладні сторони (14) контактують із внутрішніми закладними сторонами (15). Збільшується напруга на охоплюваній (28) та охоплюючій (29) ущільнювальних поверхнях і охоплюваному (24) і охоплюючому (25) упорах, які вже перебували в контакті. Збільшується натяг на охоплюваній (28) і охоплюючій (29) ущільнювальних поверхнях, а також охоплюваному (24) та охоплюючому (25) упорах. 60 На фіг. 2 показано, що стиснення на закладних сторонах не може збільшуватися або

А посилюватися нескінченно і що при перевищенні певної межі може виникнути небажаний осьовий натяг, що призводить до пластифікації різьби або навіть її пошкодження. Таким чином, до цього погіршення призводить надто малий осьовий проміжок у змонтованому стані без напруг між зовнішньою (14) і внутрішньою (15) закладними сторонами.

На фіг. 3 показана деталь трубчастого різьбового з'єднання (1) згідно з винаходом і, зокрема, зубці зовнішньої (б) і зовнішньої (7) різьби в змонтованому стані. Зубець (б) зовнішньої різьби містить зовнішню опорну сторону (12) та зовнішню закладну сторону (14). Зубець (7) внутрішньої різьби містить внутрішню опорну сторону (13) та внутрішню закладну сторону (15).

Обидві зовнішня (14) і внутрішня (15) закладні сторони обмежують простір, осьовий розмір якого являє собою різьбовий осьовий проміжок ТАС. Вказаний різьбовий осьовий проміжок ТАС більший, ніж мінімальний проміжок ТАСтіп, або дорівнює йому таким чином, що:

ІОбчислення 3)

ТАстіп - Т(тіпук(1725БЄ ріптіп) 4/2 вохтіп) (4 «Ерсоай) (Оріптіп) (Обохтіп) де: О «х Ерсоаї х Ерсоантах де:

ТАсСтіп - мінімальне значення різьбового осьового проміжку в мм

ІТтіп - мінімальне значення допуску невідповідності кроку в мм

Рріптіп - мінімальне значення осьової довжини зовнішньої різьби в мм

І Ррбохтіп - мінімальне значення осьової довжини внутрішньої різьби в мм

Оріптіп - мінімальне значення відстані допуску зовнішнього кроку в мм

Орохтіп - мінімальне значення відстані допуску внутрішнього кроку в мм

Ерсоаї - значення товщини антикорозійного та/або змащувального покриття у мм

Інший спосіб визначення різьбового осьового проміжку ТАС полягає в різниці між шириною виїмки (СВ) між двома зубцями внутрішньої різьби і шириною зубця зовнішньої різьби (І Р), взятої на середині висоти зовнішньої різьби (6).

ТАСптіп відповідає мінімальному пороговому значенню, починаючи з якого ефект будь-якого зміщення різьби, викликаний накопиченням похибок кроку, анулюється; це накопичення може походити від кількох індивідуально допустимих похибок кроку. Накопичення похибок кроку і погіршення, що виникає в результаті цього, проілюстровано на фіг. 12. о Мінімальний проміжок ТАСтіп визначають залежно від мінімального значення допуску невідповідності кроку ІТтіп, мінімального значення осьової довжини зовнішньої різьби І Рріптіп, мінімального значення осьової довжини внутрішньої різьби І ЕРрохтіп, мінімального значення відстані допуску зовнішнього кроку Оріптіп і, нарешті, мінімального значення відстані допуску зовнішнього кроку Обох тіп.

Різьбове з'єднання може містити різьбове покриття, тому необхідно враховувати додатковий параметр товщини покриття Ерсоаї. У випадку фіг. З покриття відсутнє, і тому значення Ерсоаї дорівнює 0.

Термін "осьова зовнішня різьба зовнішньої І Еріптіп або внутрішньої І ЕРрохтіп" означає загальну довжину різьби вздовж осі різьби труби. Вказану загальну довжину різьби вимірюють від западини різьби першого зубця до западини різьби останнього зубця, як проілюстровано на фіг. 4 та 5.

Термін "відстань допуску зовнішнього кроку Оріптіп або внутрішнього кроку ЮБохтіп" означає довжину, на якій контролюють крок, тобто загальну довжину повнопрофільної різьби.

Повнопрофільну різьбу можна визначити на відміну від неповнопрофільної різьби, тобто різьби, висота якої не є повною. Її також називають зникаючою різьбою, що позначає неповнопрофільну різьби.

Термін "допуск похибки кроку" означає відхилення допустимої похибки кроку відносно номінальної площини.

Термін "допуск невідповідності кроку" означає різницю між допуском похибки зовнішнього кроку та допуском похибки внутрішнього кроку.

Термін "крок" означає відстань між двома послідовними опорними сторонами, як визначено в ІБО 5408.

Значення допуску невідповідності кроку ІПтіп може становити від 0,040 до 0,080 мм, переважно від 0,048 до 0,072 мм. Таким чином, похибку кроку можна виміряти за допомогою традиційного пристрою контролю, наприклад описаного в АРІ 5В1. Дійсно, при значенні нижче від мінімального необхідно використовувати дорожчі пристрої, результат вимірювання яких не обов'язково гарантований. При значенні вище від максимального мінімальне значення різьбового осьового проміжку ТАС тіп є надто значущим.

Слід зазначити, що значення ТАСтіп опосередковано залежить від осьової довжини різьби.

Щоб спростити підхід, було визначено емпіричні значення ІТ тіп та ТАСтіп, які містяться в нижченаведеній таблиці 1 для трубних з'єднань відповідно до номінального зовнішнього діаметра труби (00):

Таблиця 1

На фіг. 4 показаний охоплюваний кінець (20) згідно з винаходом на виді в поздовжньому розрізі, що містить кромку (22) і металеву основну частину (18). Вказана охоплювана кромка містить частину (4) із зовнішньою різьбою, охоплювану упорну поверхню (24), а також ущільнювальну поверхню (28). Частина (4) із зовнішньою різьбою містить кілька зубців (б) зовнішньої різьби, які послідовно проходять уздовж лінії западини різьби У. Вісь різьби паралельна осі Х, яка проходить у поздовжньому напрямку.

Відстань допусків зовнішнього чи внутрішнього кроку відповідає довжині, на якій контролюють крок, тобто загальній довжині повнопрофільної різьби. Повнопрофільну різьби можна визначити на відміну від неповнопрофільної різьби, тобто різьби, висота якої не є повною. Її також називають зникаючою різьбою, що позначає неповнопрофільну різьби. Для кінця (20) із зовнішньою різьбою відстань допуску кроку визначають за допомогою Оріптіп.

На фіг. 5 представлений охоплюючий кінець (21) згідно з винаходом на виді в поздовжньому розрізі, що містить охоплюючу кромку (23) й основну металеву частину (18). Вказана охоплююча кромка містить частину (5) з внутрішньою різьбою, що охоплює упорну поверхню (25), а також охоплюючу ущільнювальну поверхню (29). Частина (5) з внутрішньою різьбою містить кілька зубців (7) різьби, які послідовно проходять вздовж і від лінії западини різьби У. Вісь різьби паралельна осі Х, яка проходить у поздовжньому напрямку.

На фіг б схематично показаний вид у поздовжньому розрізі трубчастого різьбового з'єднання (61) згідно з рівнем техніки з представленням напруг за допомогою аналізу методом кінцевих елементів (РЕА). Трубчасте різьбове з'єднання (61) містить охоплюваний трубчастий елемент (62), містить частину (64) із зовнішньою різьбою, охоплювану ущільнювальну поверхню (28), а також охоплюваний упор (24) і охоплюючий трубчастий елемент (63), що містить частину (65) з внутрішньою різьбою, що охоплює ущільнювальну поверхню (29), а також охоплюючий упор (25). У випадку фіг. 6 з'єднання містить різьбовий осьовий проміжок, тобто ТАС, 0,250 мм о) для з'єднання із зовнішнім діаметром (00) 139,7 мм. З посиланням на таблицю 2 нижче проміжок 0,250 мм перевищує значення ТАСтах, вказане для з'єднання 139,7 мм номінального зовнішнього діаметра.

Темні ділянки на фіг. б відповідають областям пластифікації в результаті механічних стиснень, які можна візуалізувати за допомогою аналізу методом кінцевих елементів (РЕА). На фіг б можна спостерігати дві окремі ділянки пластифікації: перша являє собою ділянку охоплюваної ущільнювальної поверхні (28), а друга являє собою два упори: охоплюваний (24) і охоплюючий (25) упори. Пластифікацію упорів можна вважати нормальною та очікуваною.

Однак пластифікація охоплюваної ущільнювальної поверхні (28) на відміну від пластифікації упорів неприпустима і є серйозним ризиком витоку або виходу з ладу.

На фіг. 7 схематично представлений вид у поздовжньому розрізі трубчастого різьбового з'єднання (1) згідно з винаходом, отриманий в результаті аналізу методом кінцевих елементів.

Трубчасте різьбове з'єднання (1) містить охоплюваний трубчастий елемент (2), містить частину (4) із зовнішньою різьбою, охоплювану ущільнювальну поверхню (28), а також охоплюваний упор (24) і охоплюючий трубчастий елемент (3), що містить частину (5) з внутрішньою різьбою, що охоплює ущільнювальну поверхню (29), а також охоплюючий упор (25). З'єднання на фіг. 7 відрізняється від з'єднання на фіг. 6 на різьбі, розташованій таким чином, що різьбовий осьовий проміжок ТАС з'єднання, показаного на фіг. 7, становить 0,120 мм, тобто менше, ніж ТАСтах з'єднання. Аналіз методом кінцевих елементів (РЕА) виявив відсутність пластифікації охоплюваної ущільнювальної поверхні (28). У конфігурації згідно з винаходом різьбовий осьовий проміжок ТАС досить малий для того, щоб закладна сторона зубця зовнішньої різьби і зубець внутрішньої різьби контактували одне з одним, не досягаючи стадії пластифікації ущільнювальних поверхонь. У цих умовах різьба перебуває в достатньому контакті, щоб не зачіплятися при уповільненні або компенсації сил стиснення. Таким чином, покращується ущільнення. Таким чином, різьба відіграє допоміжну роль без ушкодження і вирішує проблему погіршення, представлену на фіг. 2.

На фіг. 8 показаний охоплюваний трубчастий елемент (2) згідно з винаходом, який має поздовжню вісь Х, що містить охоплювану кромку (22), частина (4) із зовнішньою різьбою та охоплюваний упор (24).

Різьбовий осьовий проміжок ТАС визначають відносно площі поперечного розрізу (А) охоплюваної кромки (22) "Ріпі ірбипасе", іншими словами, поперечного розрізу охоплюваного трубчастого елемента на охоплюваній кромці між ущільнювальною поверхнею і упорною поверхнею. Різьбовий осьовий проміжок ТАС менший, ніж максимальний проміжок ТАС тах, або дорівнює йому таким чином, що:

ІОбчислення 4)

ТАСтах - ах Ріпі ірзбипасе--б--(4ж Ерсоаї) де: О «х Ерсоаі « Ерсоайтах а-0,00053 р-0,14 де:

РіпіірбиМПасе - значення площі поперечного розрізу охоплюваної кромки між ущільнювальною поверхнею і упорною поверхнею у мм? а -- значення нахилу кореляції р - значення точки перетину

Ерсоаї - значення товщини антикорозійного та/або змащувального покриття у мм

Термін "площа поперечного розрізу (А) охоплюваної кромки (22)» означає поверхню, обмежену охоплюваним упором (24) з однієї сторони, профіль (31) зовнішньої поверхні або сторони різьби, профіль (32) внутрішньої поверхні навпроти зовнішньої поверхні та який, нарешті, обмежений радіально орієнтованим сегментом (34) і проходить через середню точку охоплюваної ущільнювальної поверхні (28).

Максимальний проміжок ТАСтах визначають відносно розмірів охоплюваного трубчастого елемента (2) або його кінця (20) із зовнішньою різьбою, беручи до уваги, що охоплюючий трубчастий елемент (3) або відповідний його кінець (21) з внутрішньою різьбою має такі о розміри, що ущільнювальні поверхні перебувають в контакті після збирання кінця (20) із зовнішньою різьбою з кінцем (21) з внутрішньою різьбою. "а" являє собою значення нахилу кореляції, а "б" являє собою значення точки перетину прямої лінії, що представляє ТАСітах як функцію Ріпі ірзигпасе.

З метою спрощення заявник обчислив набір практичних значень згідно з номінальним діаметром труби для значень ТАсСітпах.

Таблиця 2

Як показано в прикладах у таблицях 1 і 2, значення ТАСтіп і ТАСтах можуть відрізнятися залежно від з'єднання.

Згідно з одним аспектом цього винаходу різьбовий осьовий проміжок ТАС перебуває між двома значеннями ТАСтіп і ТАСтах таким чином, що:

ТАСтіп « ТАС тах

Завдяки цій ознаці для одного і того самого типу з'єднання або розмірів можна визначити різьбовий осьовий проміжок (ТАС), який відповідає мінімальному пороговому значенню, починаючи з якого гарантовано компенсується ефект будь-якого зміщення різьби, що виникає через накопичення похибки кроку, одночасно усуваючи ризик втрати ущільнювальної характеристики, викликаний накопиченням похибок кроку.

На фіг. 9 представлений варіант здійснення, в якому цей винахід містить тверде або напівтверде покриття. Вказане покриття виконує змащувальну та/або антикорозійну функцію.

Цей тип з'єднань з покриттям набуває чимраз більшого поширення, щоб уникнути використання змащувальних речовин під час загвинчування. На фіг. 9 представлено трубчасте різьбове з'єднання (1) згідно з винаходом і, зокрема, зубець (6) зовнішньої різьби і зубець (7) внутрішньої різьби в зібраному стані, вид у розрізі вздовж поздовжньої осі Х. Зубець (б) зовнішньої різьби містить зовнішню опорну сторону (12) та зовнішню закладну сторону (14). Зубець (7) внутрішньої різьби містить внутрішню опорну сторону (13) та внутрішню закладну сторону (15).

Зовнішня (14) та внутрішня (15) закладні сторони, а також зовнішня (12) і внутрішня (14) опорні сторони містять антикорозійне тал"або змащувальне тверде покриття (10). Один зі способів визначення різьбового осьового проміжку ТАС полягає в різниці між шириною виїмки (СВ) між двома зубцями внутрішньої різьби і шириною зубця зовнішньої різьби (І Р). Вказаний різьбовий осьовий проміжок ТАС більший, ніж мінімальний проміжок ТАОСтіп, або дорівнює йому таким чином, що:

ІОбчислення 5)

ТАстіп - 1 Т(тіпук(1/25БЕ ріптіп) 4/2ХБЕрохтіп), у (4 ж Ерсоаї) (Оріптіп) (Обохтіп) де: о «Ерсоаї « Ерсоайтах де:

ТАсСтіп - мінімальне значення різьбового осьового проміжку в мм

ІТтіп - мінімальне значення допуску невідповідності кроку в мм | Рріптіп - мінімальне значення осьової довжини зовнішньої різьби в мм

І Ррбохтіп - мінімальне значення осьової довжини внутрішньої різьби в мм

Оріптіп - мінімальне значення відстані допуску зовнішнього кроку в мм

Орохтіп - мінімальне значення відстані допуску внутрішнього кроку в мм

Ерсоаї - значення товщини антикорозійного та/або змащувального покриття у мм

Розробки, показані на фіг. 3, застосовні до фіг. 9. У цій конфігурації товщину покриття Ерсоаї множать на множник 4, який враховує 4 товщини покриття, присутні на двох зовнішній (14) і внутрішній (15) закладних сторонах, а також двох зовнішній (12) ії внутрішній (13) опорних сторонах. Параметр 4" Ерсоаї у рівнянні сприяє наявності більшого ТАСтіп. У цьому випадку

Ерсоаї являє собою середнє товщин зовнішньої (12) і внутрішньої (13) опорних сторін, а також зовнішньої (14) і внутрішньої (15) закладних сторін, взятих у комбінації, але в цьому винаході також можуть бути запропоновані різні товщини Ерсоаї залежно від відповідних закладних або опорних сторін. Товщина покриття Ерсоаї являє собою середню товщину покриттів на сторонах різьби.

Товщина твердого покриття може сприяти збільшенню контактного тиску на бокових о сторонах різьби, таким чином збільшуючи ризик крихкості або пластифікації. Цей винахід забезпечує загвинчування без додаткового ризику крихкості або пластифікації з'єднання через наявність такого покриття.

Згідно з доповнювальним аспектом максимальне значення товщини антикорозійного та/або змащувального покриття Ерсоаї тах (10) дорівнює 0,0075 мм. Переважно покриття (10) має товщину від 0,0010 до 0,0075 мм.

Завдяки цій ознаці в конфігурацію можуть бути включені найрізноманітніші тверді антикорозійні та/або змащувальні покриття, що гарантує поглинання будь-якого ризику невідповідності кроку максимальної товщині 0,0075 мм.

Антикорозійне талабо змащувальне покриття (10) може містити шар, що містить цинк і нікель, який має чудові антикорозійні та змащувальні властивості.

Розробки, показані на фіг. 9, застосовні повністю або частково до частини із зовнішньою (4) і внутрішньою (5) різьбою, коли винахід містить покриття (10).

На фіг. 10 показана крива загвинчування труби згідно з рівнем технікию, що включає накопичення непоглиненої похибки кроку. Спосіб, який використовується для забезпечення правильного збирання з'єднань, полягає в контролі крутного моменту, прикладеного затискачем, залежно від кількості обертів. Термін "затискач" означає потужний самоблокувальний ключ, що використовується для захоплення охоплюваних і охоплюючих компонентів з'єднання і прикладення крутного моменту затягування/послаблення. Під'єднавши комп'ютер до тензодатчика на затискачі та електронного лічильника обертів, можна побудувати графік, який показує крутний момент вертикальної осі та кількість обертів горизонтальної осі, як представлено на фіг. 10.

Перша частина "І" відповідає етапу затягування, на якому відбувається контакт між різьбами, зокрема, щонайменше контакт між відповідними закладними сторонами кінця із зовнішньою (20) і внутрішньою (21) різьбою. У цей момент опір є невеликим при перших кількох обертах, поки відповідні різьби не почнуть зачіплятися в радіальному напрямку. Друга частина "І" відповідає контакту охоплюваної та охоплюючої ущільнювальних поверхонь, що призводить до першого різкого збільшення кривої. Нарешті, остання частина "ПІ" відповідає з'єднанню упорних поверхонь трубчастих елементів із зовнішньою і внутрішньою різьбою, що призводить до раптового збільшення крутного моменту при невеликих амплітудах відносного обертання охоплюваного і охоплюючого компонентів відносно один одного.

Оскільки неможливо досягти однакового крутного моменту під час кожного загвинчування двох трубчастих різьбових елементів, існують припустимі межі, представлені двома суцільними кривими загвинчування на фіг. 10 та 11. Таким чином, з'єднання, що включає накопичення непоглиненої похибки кроку конфігурацією, представлене пунктирною кривою на фіг. 10, призведе до зміщення фаз загвинчування, яке видно на графіку з кривою, яка перебуває за припустимими межами. Однак на цьому етапі вже надто пізно: трубу більше не можна використовувати або ремонтувати, і тому вона, ймовірно, буде забракована, що призведе до втрат.

На фіг. 11 показана пунктирна крива загвинчування для збирання з'єднання згідно з винаходом, що включає накопичення поглиненої похибки кроку. Різьбовий осьовий проміжок досить великий, щоб поглинути будь-яке накопичення похибки кроку. Таким чином, зміщення відсутнє, а отже, крива добре вкладається в припустимі межі, представлені двома суцільними кривими загвинчування.

На фіг. 12 показані накладені один на одного перший кінець (20) із зовнішньою різьбою і другий кінець (40) із зовнішньою різьбою, кожен з яких містить частину (4а) і (45) із зовнішньою різьбою. Кожен зубець (б) зовнішньої різьби містить опорну (12) і закладну (14) зовнішні сторони. Частина (4а) першого кінця (20) із зовнішньою різьбою, представлена суцільними лініями, не містить похибки кроку, відповідаючи значенню в площині або теоретичному значенню мінімального значення відстані допуску зовнішнього кроку в мм Оріптіп. Частина (465) другого кінця (40) із зовнішньою різьбою, виділена пунктирними лініями, таким чином показуючи зміщення опорних сторін, включає накопичення похибки кроку та відповідає дійсному значенню

Му.

Кожен з першого (20) і другого (40) кінців із зовнішньою різьбою містить кілька "кроків" різьби, відповідних рівню положення "п", що зростає або зменшується, представленому на фіг. 12 позиціями "п-1", "п", "пя-1" тощо.

Термін "крок" означає відстань між двома послідовними зовнішньою або внутрішньою опорними сторонами, як визначено в ІЗО 5408.

У контексті фіг. 12 кроки визначають послідовними зовнішніми опорними сторонами. о Теоретичне значення Оріптіп відповідає значенню в площині відповідного загального кроку.

Порівнюючи теоретичне значення Оріптіп і дійсне значення Мт, можна відзначити різницю, яка виникає через зміщення, викликане накопиченням похибки кроку. Ця різниця відповідає мінімальному значенню допуску невідповідності кроку І Ттіп.

Ілюстративний варіант здійснення конфігурації згідно з винаходом може бути отриманий згідно з нижченаведеними етапами:

Механічна обробка елемента з зовнішньою різьбою і кінця з внутрішньою різьбою на токарному верстаті з числовим програмним керуванням. Механічну обробку виконують на кінці з зовнішньою різьбою, що має загальну довжину 96,94 мм. Похибку кроку контролюють уздовж довжини Оріптіп-55,88 мм на кінці з зовнішньою різьбою. Механічну обробку здійснюють з використанням профільованої вставки для механічної обробки, причому ця профільована форма являє собою зворотну сторону виїмки із зовнішньою різьбою. Ширина вставки становить 2,567 мм, крок механічної обробки становить 5,08 мм. Механічну обробку виконують на кінці з внутрішньою різьбою уздовж довжини 82,98 мм, а похибку кроку контролюють уздовж довжини 76,20 мм. Механічну обробку здійснюють за допомогою профільованої вставки завширшки 2,647 мм та кроком механічної обробки 5,08 мм.

Необов'язково цей винахід може включати нижченаведені етапи:

Піскоструминна обробка вказаних різьбових елементів коричневим корундом Е80.

Нанесення 2пМі шляхом електроосадження на 2 різьбові елементи.

Нанесення пасивації хромом Ії шляхом занурення 2 різьбових елементів. 5О Нанесення змащувального покриття шляхом пневматичного розпилення на 2 різьбові елементи.

Claims (7)

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Трубчасте різьбове з'єднання (1) для буріння, експлуатації вуглеводневих свердловин, транспортування нафти і газу, транспортування або зберігання водню, уловлювання вуглецю або геотермальної енергії, що містить охоплюваний трубчастий елемент (2) і охоплюючий трубчастий елемент (3), причому кожен із вказаних охоплюваного (2) або охоплюючого (3) трубчастих елементів містить, відповідно, частину (4) із зовнішньою різьбою і частину (5) із 60 внутрішньою різьбою, причому одна або інша з частини (4) із зовнішньою різьбою або частини

(5) із внутрішньою різьбою містить антикорозійне талабо змащувальне тверде покриття (10), причому вказана частина (4) із зовнішньою різьбою і частина (5) із внутрішньою різьбою містять, відповідно, щонайменше один зубець (б) зовнішньої різьби й один зубець (7) внутрішньої різьби і різьбовий осьовий проміжок (8) ТАС, що забезпечує у змонтованому стані простір між закладною стороною (14) вказаного зубця зовнішньої різьби й опорною стороною (15) вказаного зубця (7) внутрішньої різьби, яке відрізняється тим, що вказаний різьбовий осьовий проміжок ТА іль ще нок Му чімвільний, приміох пів тія, вбо дорівнює йому таким чином, що: (Оріптіп) (Орох тіп) де: О х Ерсоаї « Ерсоаї тах , де: ТАСсСптіп - мінімальне значення різьбового осьового проміжку, в мм; ІТтіп - мінімальне значення допуску невідповідності кроку, в мм; І Рріптіп - мінімальне значення осьової довжини зовнішньої різьби, в мм; І Ррох тіп - мінімальне значення осьової довжини внутрішньої різьби, в мм; Оріптіп - мінімальне значення відстані допуску зовнішнього кроку, в мм; Орохтіп - мінімальне значення відстані допуску внутрішнього кроку, в мм; Ерсоаї - значення товщини антикорозійного та/(або змащувального покриття, в мм; Ерсоаї тах - максимальне значення товщини антикорозійного та/або змащувального покриття.

2. Трубчасте різьбове з'єднання (1) за п. 1, яке відрізняється тим, що значення допуску невідповідності кроку становить від 0,040 до 0,080 мм.

3. Трубчасте різьбове з'єднання (1) за п. 2, яке відрізняється тим, що значення допуску невідповідності кроку становить від 0,048 до 0,072 мм.

4. Трубчасте різьбове з'єднання (1) за будь-яким із попередніх пунктів, яке відрізняється тим, що різьбовий осьовий проміжок ТАС менший, ніж максимальний проміжок ТАСтах, або дорівнює йому таким чином, ЩО: тах - ах Ріпі ірзипасе -6--(4 х«Ерсоаї) де: О х Ерсоаї « Ерсоаї тах , ! а-0,00053, р-0,14, де: Ріпі'ірбипасе - значення площі поперечного розрізу охоплюваної кромки між ущільнювальною поверхнею і упорною поверхнею, у мм"; а - значення нахилу кореляції; р - значення точки перетину.

5. Трубчасте різьбове з'єднання (1) за будь-яким із попередніх пунктів, яке відрізняється тим, що щонайменше одна з частин (4) із зовнішньою різьбою або частин (5) із внутрішньою різьбою містить антикорозійне та/або змащувальне покриття, і тим, що значення товщини антикорозійного та/або змащувального покриття (10) Ерсоаї більше від нуля.

6. Трубчасте різьбове з'єднання (1) за п. 5, яке відрізняється тим, що антикорозійне та/або змащувальне покриття має товщину з максимальним значенням Ерсоаї тах, яке дорівнює 0,0075 мм.

7. Трубчасте різьбове з'єднання (1) за будь-яким із попередніх пунктів, яке відрізняється тим, що антикорозійне та/або змащувальне покриття (10) містить шар, який містить цинк і нікель. пити ко от ОС Ед ри и какая вок З ля «Код» «т у. «боомоюкя З «й Жим «Ко пддлннкння

Фіг.