Трубне різьбове з’єднання

Реферат: Винахід належить до області різьбових з'єднань труб, які можуть бути використані для монтажу нафтопромислових труб або для складання колон бурильних і обсадних труб при будівництві нафтових і газових свердловин. Трубне різьбове з'єднання утворено різьбовими кінцевими ділянками (1) із зовнішньою упорною конічною різьбою (2) двох співвісно розташованих, переважно обсадних або нафтопромислових, труб (3), а також різьбовими кінцевими ділянками (4) муфти (6) з відповідною внутрішньою упорною конічною різьбою (5), попарно з'єднані між собою згаданими різьбовими кінцевими ділянками (1, 4) за допомогою двох різьбових з'єднань (7) із відповідною упорною конічною різьбою, при цьому в середній частині муфти (6) виконане циліндричне розточення (8), всередині якого встановлено ущільнювальне кільце (9) з пружним елементом (10), що взаємодіє з внутрішньою поверхнею (11) циліндричного розточення (8) і з торцевими поверхнями (12) різьбових кінцевих ділянок (1) труб (3). Згідно з винаходом, пружний елемент (10) виконаний у вигляді декількох пружних вкладишів (14) грибоподібної форми, при цьому ніжки (15) пружних вкладишів (14) розташовані в радіальних отворах (16), виконаних в ущільнювальному кільці (9), а головки (17) пружних вкладишів (14) розташовані із зовнішнього боку по периферії ущільнювального кільця (9). Торцеві поверхні (13) ущільнювального кільця (9) виконані з твердістю НRC1 і шорсткістю Rz1, яка більше твердості НRC 2 і шорсткості Rz2 торцевих поверхонь (12) різьбових кінцевих ділянок (1) труб (3). А ущільнювальне кільце (9) UA 112808 C2 (12) UA 112808 C2 виконано шириною S, яка менше ширини Lk розточення (8) муфти (6). Технічний результат: підвищення надійності та герметичності з'єднання. UA 112808 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області різьбових з'єднань труб, які можуть бути використані для монтажу нафтопромислових труб або для складання колон бурильних і обсадних труб при будівництві нафтових і газових свердловин. В сучасних умовах відбувається підвищення вимог до надійної герметичності трубних різьбових з'єднань обсадних або нафтопромислових труб, пов'язане з постійним ускладненням умов видобутку. Недостатня надійність і герметичність трубного різьбового з'єднання часто призводить до передчасної появи корозійного ураження металу в зоні різьбового з'єднання, течі та, надалі, до руйнування колон обсадних або нафтопромислових труб. Одним із шляхів підвищення надійності та герметичності різьбового з'єднання є вибір оптимальної компоновки і підбір оптимального співвідношення геометричних параметрів елементів різьбового з'єднання труб. З рівня техніки відомі близькі за призначенням та ті, що мають схожі загальні ознаки, трубні різьбові з'єднання, утворені різьбовими кінцевими ділянками із зовнішньою упорною конічною різьбою двох співвісно розташованих, переважно обсадних або нафтопромислових, труб, а також з різьбовими кінцевими ділянками муфти з відповідною внутрішньою упорною конічною різьбою, попарно з'єднані між собою згаданими різьбовими кінцевими ділянками за допомогою двох різьбових з'єднань із зустрічною упорною конічною різьбою, при цьому в середній частині муфти встановлено за допомогою нероз'ємного з'єднання ущільнювальне кільце, що взаємодіє з торцями різьбових кінцевих ділянок труб ["Threaded connection for internally clad pipe" US6273474 (B1) (Grant Prideco, IP US) F16L9 /14: 21.08.2001] [1]; ["Pipe coupling system" US7731246 (B2) (VARCO I /P, INC US) F16L17 /06; 08/06/2010] [2]; ["System and method for coupling pipes" US20120119484 (A1) (NATIONAL OILWELL VARCO, LP, US) F16L39 /00, B23P11 /00, 17.05.2012] [3]. Недоліками відомих трубних різьбових з'єднань [1-3] є складність конструкції і неефективний взаємозв'язок контактуючих елементів, що не забезпечує необхідний рівень надійності та герметичності з'єднань. Крім того, відомі з'єднання [1-3] характеризуються високою вартістю виготовлення і монтажу. Відомо також трубне різьбове з'єднання, утворене різьбовими кінцевими ділянками із зовнішньою упорною конічною різьбою двох співвісно розташованих, переважно обсадних або нафтопромислових, труб, а також різьбовими кінцевими ділянками муфти з відповідною внутрішньою упорною конічною різьбою, попарно з'єднані між собою згаданими різьбовими кінцевими ділянками за допомоги двох різьбових з'єднань із зустрічною упорною конічною різьбою, при цьому в середній частині муфти виконане циліндричне розточення, всередині якого встановлено ущільнювальне кільце, що взаємодіє з торцями різьбових кінцевих ділянок труб ["Corrosion-resistant pipe coupling structures" US4600219 (A) (KAWASAKI HEAVY IND LTD, JP) F16L15 /00; 15.07.1986] [4]. Недоліками відомого трубного різьбового з'єднання [4] є недостатня надійність в експлуатації, а також висока вартість виготовлення і монтажу. Викликано це тим, що кільце встановлено в розточенні нерухомо за допомогою нероз'ємного зварного з'єднання, що ускладнює конструкцію, а також є концентратором напруги, що в свою чергу знижує надійність, не забезпечує необхідну герметичність і збільшує вартість виготовлення і монтажу цього трубного різьбового з'єднання. Крім того, відоме трубне різьбове з'єднання [4] не має достатньої здатності до передачі великого крутильного моменту в колоні нафтопромислових труб при виконанні бурильних робіт, у зв'язку з тим, що ущільнювальне кільце нерухомо закріплено в розточенні муфти зварюванням і крутильний момент передається за ланцюгом "труба-(кільце+муфта -труба" з осьовою силовою дією на муфту. Найбільш близьким аналогом (прототипом) за призначенням і кількості спільних ознак є трубне різьбове з'єднання, утворене різьбовими кінцевими ділянками із зовнішньою упорною конічною різьбою двох співвісно розташованих, переважно обсадних або нафтопромислових, труб, а також різьбовими кінцевими ділянками муфти з відповідною внутрішньою упорною конічною різьбою, попарно з'єднані між собою згаданими різьбовими кінцевими ділянками за допомоги двох різьбових з'єднань із зустрічною упорною конічною різьбою, при цьому в середній частині муфти виконане циліндричне розточення, всередині якого встановлено ущільнювальне кільце з пружним елементом, що взаємодіє з внутрішньою поверхнею циліндричного розточення і з торцевими поверхнями різьбових кінцевих ділянок труб ["Pipe coupling connection sealing apparatus" US4679831 (A) (KIELMINSKI WILLIAM P (US) F16L15 /04; F16L15 /06; E21B17 /042; 14.07. 2007] [5]. 1 UA 112808 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пружний елемент виконаний з пластику має П-подібну форму поперечного перерізу й охоплює сталеве ущільнювальне кільце з внутрішньої сторони. При цьому бічні стінки пружного елемента охоплюють торці ущільнювального кільця і в робочому положенні фіксуються разом з ущільнювальним кільцем в канавках - пастках муфти, забезпечуючи їх правильну посадку під час роботи. До недоліків відомого трубного різьбового з'єднання [5] можна віднести наступні недосконалості його конструкції. При прикладенні великих навантажень при взаємодії торцевих поверхонь труб з пружним елементом, розташованим всередині ущільнювального кільця, виконаним з пластмаси, утворюється контакт типу "метал-пластмаса-метал". При цьому слабкою і менш міцною ланкою контакту цього типу є пластмаса пружного елементу ущільнювального кільця, що знижує надійність передачі крутильного моменту при згвинчуванні-розгвинчуванні труб в колоні і може призвести до руйнування пружного елементу і розгерметизації з'єднання. Крім того, при осьовому стисненні пружного елемента під дією осьового навантаження, зменшується величина його внутрішнього діаметра та, відповідно, величина прохідного перерізу всередині з'єднання, що порушує оптимальний ламінарний рух середовища, що транспортується - рідини чи газу, який переходить в небажаний турбулентний рух, що знижує надійність його нормативного транспортування. У робочому стані зовнішня металева поверхня ущільнювального кільця взаємодіє з виступом в розточенні муфти по центру, створюючи радіальні розпірні зусилля, що негативно впливають на муфту. При цьому в муфті виникають додаткові напруги, які можуть призвести до її руйнування. Технічною задачею, на вирішення якої спрямовано винахід, є удосконалення трубного різьбового з'єднання шляхом: виконання пружного елемента таким чином, щоб він не охоплював ущільнювальне кільце з внутрішньої та з бокових сторін, а базувався по його периметру і забезпечував пружне правильне центрування ущільнювального кільця в розточенні і в той же час не створював великі радіальні навантаження на муфту; виконання торцевих поверхонь з підвищеною твердістю і шорсткістю відносно до твердості і шорсткості торцевих поверхонь кінцевих ділянок труб для їх кращого зчеплення та підвищення можливості передачі великих крутильних моментів при згвинчуванні-розгвинчуванні труб в буровій колоні при експлуатації останньої; забезпечення поздовжнього зазору між ущільнювальним кільцем і стінками розточення муфти для зниження напружень у муфті та підвищення здатності до передачі великого крутильного моменту в колоні бурильних і обсадних труб при виконанні збірки колон за ланцюгом "труба-кільце-труба" без підвищеної осьової силової дії на муфту. Технічний результат, який досягається при вирішенні поставленої технічної задачі і використанні вдосконаленого трубного різьбового з'єднання, полягає в підвищенні надійності та герметичності з'єднання. Поставлена технічна задача вирішується, а технічний результат досягається тим, що в трубному різьбовому з'єднанні, утвореному різьбовими кінцевими ділянками із зовнішньою упорною конічною різьбою двох співвісно розташованих, переважно обсадних або нафтопромислових, труб, а також різьбовими кінцевими ділянками муфти з відповідною внутрішньою упорною конічною різьбою, попарно з'єднані між собою згаданими різьбовими кінцевими ділянками за допомоги двох різьбових з'єднань із зустрічною упорною конічною різьбою, при цьому в середній частині муфти виконане циліндричне розточення, всередині якого встановлено ущільнювальне кільце з пружним елементом, що взаємодіє з внутрішньою поверхнею циліндричного розточення і з торцевими поверхнями різьбових кінцевих ділянок труб, згідно з винаходом, пружний елемент виконаний у вигляді декількох пружних вкладишів грибоподібної форми, при цьому ніжки пружних вкладишів розташовані в радіальних отворах, виконаних в ущільнювальному кільці, а головки пружних вкладишів розташовані із зовнішнього боку по периферії ущільнювального кільця, торцеві поверхні ущільнювального кільця виконані з твердістю НRC1 і шорсткістю Rz1, яка більше твердості НRC2 і шорсткості Rz2 торцевих поверхонь різьбових кінцевих ділянок труб, а ущільнювальне кільце виконане шириною S, яка менше ширини Lk розточення муфти. У зв'язку з тим, що в трубному різьбовому з'єднанні пружний елемент виконаний у вигляді декількох пружних вкладишів грибоподібної форми, при цьому ніжки пружних вкладишів розташовані в радіальних отворах, виконаних в ущільнювальному кільці, а головки пружних вкладишів розташовані із зовнішнього боку по периферії ущільнювального кільця, 2 UA 112808 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 забезпечується безпосередній контакт типу "метал-метал" ущільнювального кільця з торцевими поверхнями кінцевих ділянок труб без проміжного менш твердого шару пластмаси пружного елемента, як у відомому з'єднанні - прототипі [5]. За рахунок цього виключається зменшення величини внутрішнього діаметра і прохідного перерізу ущільнювального кільця під осьовим навантаженням, забезпечується ламінарний рух середовища, що транспортується, і підвищується надійність передачі крутильного моменту при згвинчуванні або розгвинчуванні труб в колоні. При цьому також забезпечується пружна установка і правильне осьове базування, центрування і фіксація ущільнювального кільця в розточенні муфти і виключаються великі радіальні навантаження на муфту. Крім того, запобігається пошкодження внутрішньої різьби муфти, при монтажі сталевого ущільнювального кільця. Завдяки тому, що торцеві поверхні ущільнювального кільця виконані з твердістю НRC1 і шорсткістю Rz1, яка більше твердості НRC2 і шорсткості Rz2 торцевих поверхонь різьбових кінцевих ділянок труб, підвищується надійність і герметичність вдосконаленого трубного з'єднання. Пояснюється це наступним чином. Виконання торцевих поверхонь ущільнювального кільця з шорсткістю Rz1, яка більше шорсткості Rz2 торцевих поверхонь різьбових кінцевих ділянок труб, забезпечує підвищення коефіцієнта тертя μ між згаданими поверхнями. За рахунок цього досягається можливість підвищити радіальну силу F в місці контакту і забезпечити передачу більшого крутильного моменту М між трубами через таке ущільнювальне кільце. При цьому радіальна сила F в контакті залежить від зусилля стиснення торців труб P і коефіцієнта тертя μ та обчислюється за формулою: F=P•μ (1) А крутильний момент обчислюється за формулою: М=F•h (2) де F - радіальна сила на контакті; h - довжина плеча. Коефіцієнт тертя залежить від шорсткості Rz поверхонь, що стикаються. Отже, чим більше шорсткість поверхні Rz1 - тим більше коефіцієнт тертя μ, більше крутильний момент М. Для підвищення шорсткості Rz2 виконувати спеціальну обробку торцевих поверхонь кінцевих ділянок труб не технологічно. Тому для підвищення шорсткості Rz1 виконують спеціальну обробку торцевих поверхонь ущільнювального кільця. Обробка виконується таким чином, щоб можна було забезпечити необхідну величину шорсткості Rz1 торцевих поверхонь ущільнювального кільця, і, отже, коефіцієнт тертя μ між контактуючими торцевими поверхнями ущільнювального кільця і кінцевих ділянок труб трубного різьбового з'єднання. Виконання торцевих поверхонь ущільнювального кільця з твердістю НRC 1, яка більше твердості НRC2 торцевих поверхонь різьбових кінцевих ділянок труб, забезпечує краще зчеплення контактуючих торцевих поверхонь ущільнювального кільця і кінцевих ділянок труб. Виступи більш твердих і шорсткуватих торцевих поверхонь ущільнювального кільця пружно проникають в менш тверді торцеві поверхні кінцевих ділянок труб, в результаті чого утворюється стабільний поверхневий контакт, що сприяє більш надійній передачі крутильного моменту М. Якщо торцеві поверхні ущільнювального кільця будуть недостатньо тверді, то при багаторазовому процесі згвинчування-розгвинчування колони, виступи зітруться, що призведе до можливого погіршення зчеплення контакту. Завдяки тому, що в трубному різьбовому з'єднанні ущільнювальне кільце виконане шириною S, яка менше ширини Lk розточення муфти, забезпечується гарантований поздовжній зазор між торцевими стінками згаданого ущільнювального кільця і торцевими стінками розточення муфти. Це дозволяє знизити напруження в муфті і підвищити здатність з'єднання до передачі великого за величиною крутильного моменту М в колоні бурильних і обсадних труб при установці, збірці колон за ланцюгом труба-кільце-труба без підвищеної осьової силової дії на муфту. Таким чином, згадані головні відмінності пропонованого трубного різьбового з'єднання забезпечують йому підвищення надійності та герметичності з'єднання. 3 UA 112808 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Пропоноване трубне різьбове з'єднання має і додаткові відмінності, які підвищують або створюють додатковий технічний результат. Згідно з винаходом, циліндричне розточення в муфті виконане шириною L k, рівною Lk=2J ±0,25 (мм), де J - відстань від торцевої поверхні різьбової кінцевої ділянки труби до площини центру муфти при машинному згвинчуванні стандартного з'єднання API Spec 5B, яке становить J=12,7 мм. Згідно з винаходом, ущільнювальне кільце виконане шириною S, яка дорівнює S=(0,750,95)Lk, де Lk - ширина циліндричного розточення. Такий вибір ширини Lk=2J±0,25 (мм) циліндричного розточення в муфті та ширини S=(0,750,95)Lk ущільнювального кільця забезпечує трубному різьбовому з'єднанню гарантований поздовжній зазор між торцевими стінками згаданого ущільнювального кільця і торцевими стінками розточення муфти, що дозволяє підвищити здатність з'єднання до передачі великого за величиною крутильного моменту в колоні нафтопромислових труб при виконанні бурильних робіт за ланцюгом труба-кільце-труба без підвищеної осьової силової дії на муфту. Згідно з винаходом, ущільнювальне кільце виконано із сталі, переважно такої ж марки, з якої виконані труби і муфта. За рахунок цього знижується номенклатура марок застосовуваної сталі і підвищується технологічність виготовлення ущільнювального кільця труб і муфти трубного різьбового з'єднання. Згідно з винаходом, торцеві поверхні ущільнювального кільця виконані з твердістю НRC1=40-60 і шорсткістю Rz1=200-400 мкм, а торцеві поверхні різьбових кінцевих ділянок труб виконані з твердістю НRC2=27-32 і шорсткістю Rz2=10-30 мкм. При таких оптимальних значеннях шорсткості Rz 1=200-400 мкм і Rz2=10-30 мкм в зоні контакту торцевих поверхонь ущільнювального кільця і торцевих поверхонь кінцевих ділянок труб, за рахунок підвищеної шорсткості торцевих поверхонь ущільнювального кільця Rz 1=200400, підвищуються коефіцієнт тертя μ, сили тертя F і величина крутильного моменту М, що відповідно підвищує надійність і герметичність з'єднання при передачі великих крутильних моментів. При таких значеннях твердості НRC1=40-60 і НRC2=27-32 в зоні контакту торцевих поверхонь ущільнювального кільця і торцевих поверхонь кінцевих ділянок труб, за рахунок підвищеної шорсткості Rz1=200-400 мкм і твердості НRC1=40-60 торцевих поверхонь ущільнювального кільця забезпечується його надійне зчеплення з торцевими поверхнями кінцевих ділянок труб. Виступи більш твердих і шорсткуватих торцевих поверхонь ущільнювального кільця пружно проникають в менш тверді і менш шорсткі торцеві поверхні кінцевих ділянок труб, в результаті чого утворюється стабільний поверхневий контакт, що також підвищує надійність і герметичність з'єднання при передачі великих крутильних моментів. Згідно з винаходом, пружний елемент виконаний у вигляді щонайменше трьох пружних вкладишів грибоподібної форми, ніжки яких розташовані щонайменше у трьох радіальних отворах, рівномірно виконаних по колу в ущільнювальному кільці. Таке виконання пружного елемента у вигляді щонайменше трьох пружних вкладишів грибоподібної форми, дозволяє спростити процес монтажу ущільнювального кільця в розточенні муфти. При цьому забезпечується пружна установка і правильне осьове базування, центрування і фіксація ущільнювального кільця в розточенні муфти і виключаються великі радіальні навантаження на муфту, а пружні вкладиші додатково виконують функцію радіальних пружних амортизаторів. У зв'язку з тим, що ніжки згаданих пружних вкладишів розташовані щонайменше у трьох радіальних отворах, рівномірно виконаних по колу в ущільнювальному кільці, забезпечується оптимальна їх компоновка по периферії ущільнювального кільця. Згідно з винаходом, ущільнювальне кільце виконане зі зовнішнім діаметром Dк, рівним Dк=(Dmin.-2hk)±0,5 (мм), де Dmin. - мінімальний внутрішній діаметр вершин профілю внутрішньої упорної конічної різьби муфти, hk - висота профілю внутрішньої упорної конічної різьби муфти. Виконання ущільнювального кільця з таким зовнішнім діаметром Dк=(Dmin.-2hk)±0,5 (мм) забезпечує його вільний монтаж в розточенні муфти без порушення профілю її внутрішньої упорної конічної різьби. Згідно з винаходом, ущільнювальне кільце виконане таким чином, щоб його внутрішній діаметр d1 дорівнював внутрішньому діаметру d2 труби. 4 UA 112808 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 За рахунок цього формується гладка без уступів внутрішня поверхня порожнини трубного різьбового з'єднання, що забезпечує ламінарний рух перетічного середовища (рідини або газу) без турбулентних завихрень. Згідно з винаходом, пружні вкладиші грибоподібної форми виконані з пружного матеріалу, переважно з поліуретану. Механічні властивості поліуретану дають можливість використовувати його в деталях, що піддаються дії силових навантажень, у тому числі і в трубних різьбових з'єднаннях для передачі великих крутильних моментів в колоні бурильних труб. Пружні вкладиші з поліуретану мають високу міцність, еластичність і стійкість до дії агресивного перетічного середовища, що підвищує надійність трубного різьбового з'єднання. Замість поліуретану може бути використаний інший пружний матеріал з аналогічними властивостями. Згідно з винаходом, головки пружних вкладишів грибоподібної форми виконані висотою hv, 0 рівною hv= ( D  Dk )1,25 (мм), де D - діаметр циліндричного розточення муфти, Dk - зовнішній  2 діаметр ущільнювального кільця. За рахунок цього забезпечується щільний монтаж та еластичне центрування ущільнювального кільця з радіально розташованими по його зовнішньому периметру пружними вкладишами грибоподібної форми всередині циліндричного розточення муфти. Згідно з винаходом, головки пружних вкладишів виконані діаметром D v, рівним Dv= (S)1 (мм), 3 де: S - ширина ущільнювального кільця. Згідно з винаходом, головки пружних вкладишів виконані у вигляді сферичних сегментів з діаметром сфери Ds, рівним Ds=k•D, де: k - коефіцієнт пропорційності, k=0,05-0,3; D - діаметр циліндричного розточення муфти. Виконання головок пружних вкладишів діаметром Dv= (S)1 (мм), у вигляді сферичних 3 сегментів з діаметром сфери Ds, рівним Ds=k•D забезпечує їм оптимальні геометричні параметри, при яких досягається зручний щільний монтаж і еластичне центрування ущільнювального кільця з радіально розташованими по його зовнішньому периметру пружними вкладишами грибоподібної форми всередині циліндричного розточення муфти. Надалі винахід пояснюється прикладом його здійснення з посиланнями на прикладені креслення. На фіг. 1 зображено трубне різьбове з'єднання, загальний вигляд. На фіг. 2 зображений виносний елемент А на фіг. 1. На фіг. 3 зображений виносний елемент Б на фіг. 2. На фіг. 4 зображено ущільнювальне кільце з радіально розташованими по його зовнішньому периметру пружними вкладишами грибоподібної форми. На фіг. 5 зображений виносний елемент В на фіг. 4. Трубне різьбове з'єднання (фіг. 1-5) утворено різьбовими кінцевими ділянками 1 із зовнішньою упорною конічною різьбою 2 двох співвісно розташованих, переважно обсадних або нафтопромислових, труб 3, а також різьбовими кінцевими ділянками 4 муфти 6 з відповідною внутрішньою упорною конічною різьбою 5, попарно з'єднані між собою згаданими різьбовими кінцевими ділянками 1, 4 за допомогою двох різьбових з'єднань 7 із відповідною упорною конічною різьбою, при цьому в середній частині муфти 6 виконане циліндричне розточення 8, всередині якого встановлено ущільнювальне кільце 9 з пружним елементом 10, що взаємодіє з внутрішньою поверхнею 11 циліндричного розточення 8 і з торцевими поверхнями 12 різьбових кінцевих ділянок 1 труб 3. Головними особливостями трубного різьбового з'єднання є наступні вдосконалення його конструкції. Пружний елемент 10 виконаний у вигляді декількох пружних вкладишів 14 грибоподібної форми, при цьому ніжки 15 пружних вкладишів 14 розташовані в радіальних отворах 16, виконаних в ущільнювальному кільці 9, а головки 17 пружних вкладишів 14 розташовані із зовнішнього боку по периферії ущільнювального кільця 9. Торцеві поверхні 13 ущільнювального кільця 9 виконані з твердістю НRC1 і шорсткістю Rz1, яка більше твердості НRC2 і шорсткості Rz2 торцевих поверхонь 12 різьбових кінцевих ділянок 1 труб 3. Ущільнювальне кільце 9 виконано шириною S, яка менше ширини Lk розточення 8 муфти 6. Додатковими особливостями трубного різьбового з'єднання є наступні вдосконалення його конструкції. 5 UA 112808 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Циліндричне розточення 8 в муфті 6 виконано шириною Lk, рівною Lk=2J±0,25(мм), де J відстань від торцевої поверхні різьбової кінцевої ділянки труби до площини центру муфти при машинному згвинчені стандартного з'єднання API Spec 5B, яка становить J=12,7 мм. Ущільнювальне кільце 9 виконано шириною S, що дорівнює S=(0,75-0,95)Lk, де Lk - ширина циліндричного розточення 8. Ущільнювальне кільце 9 виконано зі сталі, переважно такої ж марки, з якої виконані труби 3 і муфта 6. Торцеві поверхні 13 ущільнювального кільця 9 виконані з твердістю НRC1=40-60 і шорсткістю Rz1=200-400 мкм, а торцеві поверхні 12 різьбових кінцевих ділянок 1 труб 3 виконані з твердістю НRC2=27-32 і шорсткістю Rz2=10-30 мкм. Пружний елемент 10 виконаний у вигляді щонайменше трьох пружних вкладишів 14 грибоподібної форми, ніжки 15 яких розташовані щонайменше у трьох радіальних отворах 16, рівномірно виконаних по колу в ущільнювальному кільці 9. Ущільнювальне кільце 9 виконано із зовнішнім діаметром Dк, рівним Dк=(Dmin - 2hk) ± 0,5 (мм), де Dmin - мінімальний внутрішній діаметр вершин профілю внутрішньої упорної конічної різьби 5 муфти 6, hk - висота профілю внутрішньої упорної конічної різьби 5 муфти 6. Ущільнювальне кільце 9 виконано таким чином, щоб його внутрішній діаметр d 1 дорівнював внутрішньому діаметру d2 труби 3. Пружні вкладиші 14 грибоподібної форми виконані з пружного матеріалу, переважно з поліуретану. Головки 17 пружних вкладишів 14 грибовидної форми виконані висотою h v, рівною 0 hv= ( D  Dk )1,25 (мм), де D - діаметр циліндричного розточення 8 муфти 6, Dk - зовнішній  2 діаметр ущільнювального кільця (9). Головки 17 пружних вкладишів 14 виконані діаметром D v, рівним Dv= (S)1 (мм), де: S 3 ширина ущільнювального кільця 9. Головки 17 пружних вкладишів 14 виконані у вигляді сферичних сегментів з діаметром сфери Ds, рівним Ds=k•D, де: k - коефіцієнт пропорційності, k=0,05-0,3; D - діаметр циліндричного розточення 8 муфти 6. Приклад. Дослідний зразок трубного різьбового з'єднання (фіг. 1-5) був утворений різьбовими кінцевими ділянками 1 із зовнішньою упорною конічною різьбою 2 двох співвісно розташованих, переважно обсадних або нафтопромислових, труб 3, а також різьбовими кінцевими ділянками 4 муфти 6 з відповідною внутрішньою упорною конічною різьбою 5, попарно з'єднані між собою згаданими різьбовими кінцевими ділянками 1, 4 за допомогою двох різьбових з'єднань 7 із відповідною упорною конічною різьбою, при цьому в середній частині муфти 6 виконане циліндричне розточення 8, всередині якого встановлено ущільнювальне кільце 9 з пружним елементом 10, що взаємодіє з внутрішньою поверхнею 11 циліндричного розточення 8 і з торцевими поверхнями 12 різьбових кінцевих ділянок 1 труб 3. Пружний елемент 10 був виконаний у вигляді декількох пружних вкладишів 14 грибоподібної форми з поліуретану. При цьому ніжки 15 пружних вкладишів 14 були розташовані в радіальних отворах 16, виконаних в ущільнювальному кільці 9. А головки 17 пружних вкладишів 14 були розташовані з зовнішнього боку по периферії ущільнювального кільця 9. Торцеві поверхні 13 ущільнювального кільця 9 були виконані з твердістю НRC1 і шорсткістю Rz1, яка більше твердості НRC2 і шорсткості Rz2 торцевих поверхонь 12 різьбових кінцевих ділянок 1 труб 3. А ущільнювальне кільце 9 виконано шириною S, яка менше ширини L k розточення 8 муфти 6. При цьому дослідний зразок трубного різьбового з'єднання був виготовлений згідно з діючим стандартом для різьби типу "Баттресс" з металу марки Р110 (труба, муфта, ущільнювальне кільце) і мав наступні геометричні параметри. Ширина розточення 8 в муфті 6 Lk=2J±0,25 (мм), J=12,7 мм; LK=25,4 мм; висота профілю різьби hk=1,575 мм; діаметр D циліндричного розточення 8 в муфті 6=136,6 мм; шорсткість торцевих поверхонь 13 ущільнювального кільця 9 Rz1=300 мкм; твердість торцевих поверхонь 13 ущільнювального кільця 9 НRC1=48; шорсткість торцевих поверхонь 12 різьбових кінцевих ділянок 1 труб 3 Rz2=20 мкм; 6 UA 112808 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 твердість торцевих поверхонь 12 різьбових кінцевих ділянок 1 труб 3 НRC 2=27; зовнішній діаметр ущільнювального кільця 9 Dk=130 мм; внутрішній діаметр ущільнювального кільця 9 d1=121,3 мм; мінімальний внутрішній діаметр вершин профілю внутрішньої упорної конічної різьби 5 муфти 6 Dmin.=133,15 мм; головки 17 пружних вкладишів 14 грибоподібної форми виконані висотою hv, рівною hv=3,8 мм; головки 17 пружних вкладишів 14 виконані діаметром Dv, рівним Dv=19 мм; головки 17 пружних вкладишів 14 виконані у вигляді сферичних сегментів з діаметром сфери Ds=27,2 мм. Наведені вище значення були розраховані за зазначеними нижче математичними виразами, отриманими заявником експериментальним шляхом за формулами (3-5): Зовнішній діаметр ущільнювального кільця 9 Dk: Dk=(Dmin.-2hk) = 133,15-2·1,575=133,15-3,15=130 мм (3) Висота hv головок (17) пружних вкладишів (14): 0 0 hv = ( D  Dk )1,25 = ( 136,6  130 )1,25 =3,8 мм (4)   2 2 Діаметр сфери Ds, сегментами якої є головки (17) пружних вкладишів(14): Ds=k·D=0,199·136,6=27,2 мм (5) Виготовлення, монтаж і робота трубного різьбового з'єднання здійснюється наступним чином. Ущільнювальне кільце 9 виготовляється на токарному верстаті або шляхом плазмового різання заготовки. У випадку з плазмовим різанням, досягається необхідна шорсткість Rz 1 і твердість HRC1 торцевих поверхонь 13 ущільнювального кільця 9 без додаткової обробки. Якщо ущільнювальне кільце 9 виготовляється на токарному верстаті, застосовується дробоструминна або дробометальна обробка торцевих поверхонь 13 ущільнювального кільця 9, для досягнення необхідних параметрів шорсткості Rz1 і твердості HRC1. Змінюючи режими подачі дробу на торцеві поверхні 13 ущільнювального кільця 9, можна регулювати параметр шорсткості Rz1 і твердості HRC1. Це дає можливість підбирати оптимальний параметр шорсткості Rz 1=200-400 мкм і твердості НRC1=40-60, при яких з'єднання буде відповідати максимальному рівню надійності та герметичності. Замість дробоструминної і дробометальної обробки, можуть бути використані інші види обробки, які підвищують параметр шорсткості Rz1 і твердості HRC1 торцевих поверхонь 13 ущільнювального кільця 9. Торцеві поверхні 12 різьбових кінцевих ділянок 1 труб 3 мають необхідні параметри шорсткості Rz2=10-30 мкм і твердості НRC2=27-32 після механічної обробки. Потім в ущільнювальне кільце 9, з попередньо виконаними радіальними отворами 16, поміщаються пружні вставки 14, шляхом запресовування. Після інсталяції пружних вставок 14 в ущільнювальне кільце 9 виконується установка ущільнювального кільця 9 в циліндричне розточення 8 муфти 6. Ця операція може виконуватися або вручну, або за допомогою спеціального пристосування. Ширину розточення 8 в муфті 6 виконують, наприклад величиною, рівною L k=25,4 мм. Ущільнювальне кільце 9 виконують шириною S, яка менше ширини L k розточення 8 муфти 6, при цьому ширину ущільнювального кільця 9 S, вибирають рівною S=(0,75-0,95)Lk = (0,750,95)25,4=19,05-24,13 мм. При ширині розточення 8 муфти 6 Lk=25,4 мм, ширину S ущільнювального кільця 9 вибирають з діапазону S=19,05-24,13 мм, наприклад S=20 мм. Для зручності складання трубного різьбового з'єднання на трубах 3 нанесені клейма трикутної форми. Якість згвинчування трубного різьбового з'єднання контролюють: за значенням крутильного моменту; за діаграмою згвинчування (за наявності відповідного обладнання); за відсутності недопустимих ушкоджень на тілі труби 3 і муфти 6. При необхідності, якість згвинчування різьбового з'єднання контролюють: за положенням торця муфти 6 відносно трикутного клейма. В результаті проведених пробних випробувань було встановлено, що конструкція трубного різьбового з'єднання дозволяє знизити напруження в муфті 6, викликані знакозмінними навантаженнями при бурінні і обсаджуванні колон труб 3. 7 UA 112808 C2 5 10 15 20 25 30 Крім того, завдяки більш рівномірному розподілу навантаження по витках різьби і контакту торцевих поверхонь 12 різьбових кінцевих ділянок 1 труб 3 і торцевих поверхонь 13 ущільнювального кільця 9 значно зросла герметичність і несуча здатність трубного різьбового з'єднання, що і дає можливість трубному різьбовому з'єднанню надійно витримувати великі значення моменту згвинчування, ніж аналогічні стандартні і відомі трубні з'єднання. Випробування дослідного зразка вдосконаленого трубного різьбового з'єднання дозволили заявнику в реальних умовах наочно переконатися в підвищенні його надійності і герметичності. Наведені відомості підтверджують можливість промислового застосування пропонованого трубного різьбового з'єднання, яке має підвищену надійність в експлуатації і герметичність, не вимагає великих витрат при виготовленні і монтажі і може бути широко використано для монтажу колон обсадних або бурильних труб при будівництві нафтових і газових свердловин. Перелік позначень: 1) різьбові кінцеві ділянки труб; 2) зовнішня упорна конічна різьба різьбових кінцевих ділянок труб; 3) труби (переважно обсадні або нафтопромислові); 4) різьбові кінцеві ділянки муфти; 5) внутрішня упорна конічна різьба різьбових кінцевих ділянок муфти; 6) муфта; 7) два різьбових з'єднання із зустрічною упорною конічною різьбою двох співвісно розташованих труб з муфтою; 8) циліндричне розточення в середній частині муфти; 9) ущільнювальне кільце; 10) пружні елементи ущільнювального кільця; 11) внутрішня поверхня циліндричного розточення; 12) торцеві поверхні різьбових кінцевих ділянок труб; 13) торцеві поверхні ущільнювального кільця; 14) пружні вкладиші грибоподібної форми ущільнювального кільця; 15) ніжки пружних вкладишів грибоподібної форми ущільнювального кільця; 16) радіальні отвори, виконані в ущільнювальному кільці; 17) головки пружних вкладишів грибоподібної форми ущільнювального кільця. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Трубне різьбове з'єднання, утворене різьбовими кінцевими ділянками (1) із зовнішньою упорною конічною різьбою (2) двох співвісно розташованих, переважно обсадних або нафтопромислових, труб (3), а також різьбовими кінцевими ділянками (4) муфти (6) з відповідною внутрішньою упорною конічною різьбою (5), попарно з'єднані між собою згаданими різьбовими кінцевими ділянками (1, 4) за допомогою двох різьбових з'єднань (7) із зустрічною упорною конічною різьбою, при цьому в середній частині муфти (6) виконано циліндричне розточення (8), всередині якого встановлено ущільнювальне кільце (9) з пружним елементом (10), що взаємодіє з внутрішньою поверхнею (11) циліндричного розточення (8) і з торцевими поверхнями (12) різьбових кінцевих ділянок (1) труб (3), яке відрізняється тим, що пружний елемент (10) виконаний у вигляді декількох пружних вкладишів (14) грибоподібної форми, при цьому ніжки (15) пружних вкладишів (14) розташовані в радіальних отворах (16), виконаних в ущільнювальному кільці (9), а головки (17) пружних вкладишів (14) розташовані із зовнішнього боку по периферії ущільнювального кільця (9), торцеві поверхні (13) ущільнювального кільця (9) виконані з твердістю НRC1 і шорсткістю Rz1, яка більше твердості НRC2 і шорсткості Rz2 торцевих поверхонь (12) різьбових кінцевих ділянок (1) труб (3), а ущільнювальне кільце (9) виконано шириною S, яка менше ширини Lk розточення (8) муфти (6). 2. Трубне різьбове з'єднання за п. 1, яке відрізняється тим, що циліндричне розточення (8) в муфті (6) виконане шириною Lk, рівною Lk=2J±0,25 (мм), J - відстань від торцевої поверхні різьбової кінцевої ділянки труби до площини центру муфти при машинному згвинчуванні стандартного з'єднання API Spec 5B, яке становить J=12,7 мм. 3. Трубне різьбове з'єднання за п. 2, яке відрізняється тим, що ущільнювальне кільце (9) виконано шириною S, що дорівнює S=(0,75-0,95)Lk, де Lk - ширина циліндричного розточення (8). 4. Трубне різьбове з'єднання за кожним з пп. 1-3, яке відрізняється тим, що ущільнювальне кільце (9) виконано зі сталі, переважно такої ж марки, з якої виконані труби (3) і муфта (6). 5. Трубне різьбове з'єднання за кожним з пп. 1-4, яке відрізняється тим, що торцеві поверхні (13) ущільнювального кільця (9) виконані з твердістю НRC1=40-60 і шорсткістю Rz1=200-400 мкм, 8 UA 112808 C2 а торцеві поверхні (12) різьбових кінцевих ділянок (1) труб (3) виконані з твердістю НRC 2=27-32 і шорсткістю Rz2=10-30 мкм. 6. Трубне різьбове з'єднання за кожним з пп. 1-5, яке відрізняється тим, що пружний елемент (10) виконаний у вигляді щонайменше трьох пружних вкладишів (14) грибоподібної форми, ніжки (15) яких розташовані щонайменше у трьох радіальних отворах (16), рівномірно виконаних по колу в ущільнювальному кільці (9). 7. Трубне різьбове з'єднання за кожним з пп. 1-6, яке відрізняється тим, що ущільнювальне кільце (9) виконано з зовнішнім діаметром Dк, рівним DК=(Dmin-2hk)±0,5 (мм), де Dmin мінімальний внутрішній діаметр вершин профілю внутрішньої упорної конічної різьби (5) муфти (6), hk - висота профілю внутрішньої упорної конічної різьби (5) муфти (6). 8. Трубне різьбове з'єднання за кожним з пп. 1-7, яке відрізняється тим, що ущільнювальне кільце (9) виконано таким чином, щоб його внутрішній діаметр d1 дорівнював внутрішньому діаметру d2 труби (3). 9. Трубне різьбове з'єднання за кожним з пп. 1-8, яке відрізняється тим, що пружні вкладиші (14) грибоподібної форми виконані з пружного матеріалу, переважно з поліуретану. 10. Трубне різьбове з'єднання за будь-яким з пп. 1-9, яке відрізняється тим, що головки (17) D  Dk 0,25 ) 1 пружних вкладишів (14) грибоподібної форми виконані висотою h v, рівною hv= ( (мм), 2 де D - діаметр циліндричного розточення (8) муфти (6), Dk - зовнішній діаметр ущільнювального кільця (9). 11. Трубне різьбове з'єднання за будь-яким з пп. 1-10, яке відрізняється тим, що головки (17) пружних вкладишів (14) виконані діаметром Dv, рівним Dv= (S)1 (мм), де: S - ширина 3 ущільнювального кільця (9). 12. Трубне різьбове з'єднання за будь-яким з пп. 1-11, яке відрізняється тим, що головки (17) пружних вкладишів (14) виконані у вигляді сферичних сегментів з діаметром сфери Ds, рівним Ds=k•D, де: k - коефіцієнт пропорційності, k=0,05-0,3; D - діаметр циліндричного розточення (8) муфти (6). 9 UA 112808 C2 10 UA 112808 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 11