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, 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 (5) з відповідною внутрішньою упорною конічною різьбою (6), 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 всередині муфти (5) встановлено ущільнювальне кільце (8) з охоплюючим його (8) пружно-пластичним елементом (9), виконаним кільцевої форми, що взаємодіє з муфтою (5). Згідно з винаходом, ущільнювальне кільце (8) виконано з торцевими зовнішніми кільцевими UA 114240 C2 (12) UA 114240 C2 канавками (10) і внутрішньою увігнутою криволінійною поверхнею (11), а пружно-пластичний елемент (9) виконаний з торцевими внутрішніми кільцевими виступами (12), які входять в зачеплення із згаданими торцевими зовнішніми кільцевими канавками (10) ущільнювального кільця (8), і має кінцеві зовнішні конічні поверхні (13), при цьому пружно-пластичний елемент (9) скріплений з ущільнювальним кільцем (8) за допомогою зшивання молекул і знаходиться в герметичному контакті з внутрішньою упорною конічною різьбою (6) кінцевих ділянок (4) середньої частини муфти (5). Технічний результат: підвищення герметичності і надійності трубного різьбового з'єднання. UA 114240 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 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. У сучасних умовах відбувається підвищення вимог до надійності трубних різьбових з'єднань, засноване на підвищенні їх здатності до передачі великого крутного моменту в колоні нафтопромислових труб при виконанні бурильних робіт і надійної їх герметичності, пов'язаних з постійним ускладненням умов видобутку нафти і газу. Недостатня здатність трубних різьбових з'єднань до передачі великого крутного моменту в колоні нафтопромислових труб істотно обмежує технологічні можливості колон бурильних і обсадних труб при будівництві глибоких нафтових і газових свердловин при бурінні міцних порід, що знижує їх надійність при експлуатації. Негерметичність трубних різьбових з'єднань часто призводить до передчасної появи корозійного ураження металу в зоні різьбових з'єднань, течі і, надалі, до руйнування колон обсадних або нафтопромислових труб, що також призводить до зниження їх надійності при експлуатації. Одним із шляхів підвищення надійності трубних різьбових з'єднань заснованої на підвищенні здатності до передачі великого крутного моменту в колоні нафтопромислових труб і підвищенні їх герметичності, є вибір оптимальної конструкції елементів з'єднання, конструкції і компоновки головної ущільнювальної ланки - ущільнювального кільця, а також підбір оптимальних співвідношень геометричних параметрів елементів різьбового з'єднання труб. З рівня техніки відомі трубні різьбові з'єднання, близькі за призначенням та мають схожі суттєві ознаки. Відомо трубне різьбове з'єднання, утворене різьбовими кінцевими ділянками з 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 допомогою двох різьбових з'єднань із зустрічною упорною конічною різьбою, при цьому всередині муфти встановлено ущільнювальне кільце ["Couplings for standard API tubings and casings and methods of assembling the same "US5689871A (фіг. 2, 3), (CARSTENSEN, KENNETH J) (US) B21K 21/16; 25.11.1997]. [1] Це з'єднання [1] має високу здатність до передачі великого крутного моменту в колоні нафтопромислових труб, так як крутний момент передається по ланцюгу металевих складових частин з'єднання "труба (метал) - ущільнювальне кільце (метал) - труба (метал)" і без осьового силового впливу на муфту. Недоліком цього з'єднання [1] є те, що металеве ущільнювальне кільце не забезпечує надійну герметичність з'єднання в місці його контакту з металевою муфтою, до того ж, в місці раніше згаданого контакту типу метал - метал, створюються додаткові навантаження на муфту, які можуть призвести до її руйнування. Відомо трубне різьбове з'єднання, утворене різьбовими кінцевими ділянками з зовнішньою упорною конічною різьбою двох співвісно розташованих переважно обсадних або нафтопромислових труб, а також різьбовими кінцевими ділянками муфти з відповідною внутрішньої 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 всередині муфти встановлено ущільнювальне кільце, забезпечене пружним елементом ["Pipe coupling connection sealing apparatus" US4679831A (фіг. 1), (WILLIAM P. KIELMINSKI) (US) F16L21/02; 14.07.1987]. [2] Пружний елемент виконаний з пластика, має П-подібну форму поперечного перерізу і 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 кільцевих пазах - пастках муфти забезпечуючи їх правильну посадку і герметичність з'єднання під час роботи. До недоліків цього з'єднання [2] можна віднести наступні недосконалості його конструкції. При прикладенні великих навантажень при взаємодії торцевих поверхонь труб з пружним елементом, розташованим зсередини ущільнювального кільця, виконаним з пластмаси, утворюється контакт по ланцюгу складових частин з'єднання "труба (метал) - бокова стінка пружного кільця (пружний матеріал - пластмаса) + ущільнювальне кільце (метал) + бокова стінка пружного кільця (пружний матеріал - пластмаса) - труба (метал)". При цьому слабшою і менш міцною ланкою контакту цього типу є пластмаса пружного елемента ущільнювального кільця, що знижує надійність передачі крутного моменту при 1 UA 114240 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 згвинчуванні-розгвинчуванні труб в колоні і може призвести до руйнування пружного елемента і розгерметизації з'єднання. Крім того, при осьовому стисненні пружного елемента під впливом осьового навантаження, зменшується величина його внутрішнього діаметра і, відповідно, величина прохідного перерізу всередині з'єднання, що порушує оптимальний ламінарний рух середовища, що транспортується, - рідини або газу, яке переходить в небажаний турбулентний рух, що знижує надійність їх нормативного транспортування. У робочому стані зовнішня металева поверхня ущільнювального кільця взаємодіє з середньою частиною внутрішньої поверхні муфти по центру, створюючи радіальні розпірні зусилля, що негативно впливають на муфту. При цьому в муфті виникають додаткові навантаження, які можуть призвести до її руйнування. Відомо трубне різьбове з'єднання, утворене різьбовими кінцевими ділянками з 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 допомогою двох різьбових з'єднань із зустрічною упорною конічною різьбою, при цьому всередині муфти встановлено ущільнювальне кільце з двома пружними кільцями, які встановлені з двох сторін ущільнювального кільця між трубами і муфтою ["Coupling, In Particular For Connecting Anchor Rods" US2013264819A1 (RU2013130219A) (фіг. 1A, 1B), (ISCHEBECK ERNST FRIEDRICH [DE]; COERSCHULTE FERDINAND [DE]) F16L 15/00; 10.10.2013]. [3] Це з'єднання [3] має високу здатність до передачі великого крутного моменту в колоні нафтопромислових труб, так як крутний момент передається по ланцюгу металевих складових частин з'єднання "труба (метал) - кільце ущільнювальне (метал) - труба (метал)" і без осьового силового впливу на муфту. Недоліком цього з'єднання [3] є те, що металеве ущільнювальне кільце з двома пружними кільцями, які встановлені з двох сторін ущільнювального кільця між трубами і муфтою, не забезпечують надійну герметичність з'єднання через імовірність перетискання і розриву тонких пружних кілець при передачі великого крутного моменту в колоні нафтопромислових труб, що знижує надійність герметизації цього з'єднання. Відомо також найбільш близьке за призначенням, кількістю спільних ознак і технічного результату, що досягається, трубне різьбове з'єднання, утворене різьбовими кінцевими ділянками з 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 допомогою двох різьбових з'єднань із зустрічною упорною конічною різьбою, при цьому всередині муфти встановлено ущільнювальне кільце з охоплюючим його пружно-пластичним елементом, виконаним кільцевої форми, що взаємодіє з муфтою ["Coupling for tubing or casing and method of assembly" US4706997A (фіг. 2) (CARSTENSEN KENNETH J) (US) F16L15/00; 17.11.1987]. [4] Це з'єднання [4], також як і з'єднання [1, 3], має високу здатність до передачі великого крутного моменту в колоні нафтопромислових труб, так як крутний момент передається по ланцюгу металевих складових частин з'єднання "труба (метал) – ущільнювальне кільце (метал) - труба (метал)" і без осьового силового впливу на муфту. Недоліком цього з'єднання [4] є недосконалість його конструкції і компоновки ущільнювального кільця і охоплюючого його пружно-пластичного елемента, в результаті чого не досягається його висока герметичність при експлуатації. Викликано це тим, що пружно-пластичний елемент контактує з гладкою внутрішньою поверхнею розточки металу муфти, а зсередини з гладкою зовнішньою поверхнею металу ущільнювального кільця, що не гарантує високого ступеня герметизації гладких контактуючих поверхонь згаданих складових елементів герметизації з'єднання в робочому положенні при експлуатації в складі колони нафтопромислових труб, що знижує експлуатаційну надійність відомого трубного різьбового з'єднання. Технічною задачею, на вирішення якої спрямовано заявлений винахід, є удосконалення трубного різьбового з'єднання шляхом: - вибору оптимальної геометричної форми ущільнювального кільця і пружно-пластичного елемента для їх ефективного механічного з'єднання між собою, що забезпечує щільний і міцний контакт прилеглих один до одного сполучених поверхонь; - виконання ущільнювального кільця з внутрішньою увігнутою криволінійною поверхнею; 2 UA 114240 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 - додаткового з'єднання контактуючих поверхонь ущільнювального кільця і пружнопластичного елемента на молекулярному рівні; - забезпечення пружного герметичного контакту пружно-пластичного елемента з внутрішньої упорною конічною різьбою кінцевих ділянок середньої частини муфти. Технічний результат, який досягається при вирішенні поставленої технічної задачі і використанні вдосконаленого герметичного різьбового з'єднання металевих труб, полягає у підвищенні герметичності і надійності різьбового з'єднання. Поставлена технічна задача вирішується, а технічний результат досягається тим, що в трубному різьбовому з'єднанні, утвореному різьбовими кінцевими ділянками з 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 допомогою двох різьбових з'єднань із зустрічною упорною конічною різьбою, при цьому всередині муфти встановлено ущільнювальне кільце з охоплюючим його пружно-пластичним елементом, виконаним кільцевої форми, взаємодіє з муфтою, згідно з винаходом, ущільнювальне кільце виконано з торцевими зовнішніми кільцевими канавками і внутрішньою увігнутою криволінійною поверхнею, а пружно-пластичний елемент виконаний з торцевими внутрішніми кільцевими виступами, що входять в зачеплення із згаданими торцевими зовнішніми кільцевими канавками ущільнювального кільця, і має кінцеві зовнішні конічні поверхні, при цьому пружно-пластичний елемент скріплений з ущільнювальним кільцем за допомогою зшивання молекул і знаходиться в герметичному контакті з внутрішньою упорною конічною різьбою кінцевих ділянок середньої частини муфти. У зв'язку з тим, що ущільнювальне кільце виконано з торцевими зовнішніми кільцевими канавками, а пружно-пластичний елемент виконаний з торцевими внутрішніми кільцевими виступами, що входять в зачеплення із згаданими торцевими зовнішніми кільцевими канавками ущільнювального кільця, забезпечується надійний герметичний, щільний і міцний контакт прилеглих одна до одної сполучених ступінчатих поверхонь кінцевих частин ущільнювального кільця і пружно-пластичного елемента. Завдяки тому, що ущільнювальне кільце виконано з внутрішньою увігнутою криволінійною поверхнею, то в процесі згвинчування труб з муфтою і формування трубних різьбових з'єднань за допомогою ущільнювальних кілець з охоплюючими їх пружно-пластичними елементами, виконаними кільцевої форми, забезпечується утворення згинальних моментів, прикладених до торцевих частин ущільнювального кільця. При цьому згадані згинальні моменти впливають на торцеві частини кілець ущільнювачів і згинають їх так, що середні частини вигинаються в бік муфти, збільшуючись в діаметрі, в результаті чого підвищується зусилля притиснення і ступінь герметизації ущільнювальних кілець з пружно-пластичними елементами і муфт в колоні нафтопромислових труб. Виконання пружно-пластичного елемента з кінцевими зовнішніми конічними поверхнями в робочому положенні при експлуатації в складі колони нафтопромислових труб, забезпечує зручний монтаж ущільнювального кільця з пружно-пластичним елементом при згвинчуванні труб з муфтою, який здійснюється без задирів і без порушення цілісності пружно-пластичного елемента, в результаті чого порушується герметичність трубного різьбового з'єднання в процесі їх монтажу. У зв'язку з тим, що пружно-пластичний елемент скріплений з ущільнювальним кільцем за допомогою зшивання молекул забезпечується щільне молекулярне з'єднання контактуючих поверхонь, що підвищує герметичність їх з'єднання. Завдяки тому, що пружно-пластичний елемент знаходиться в герметичному контакті з внутрішньою упорною конічною різьбою кінцевих ділянок середньої частини муфти, досягається їх пружний або пластичний герметичний контакт з витками згаданої конічного різьби муфти, що істотно підвищує герметичність їх взаємодії. Згадані головні відмінності вдосконаленого герметичного різьбового з'єднання металевих труб забезпечують істотне підвищення його герметичності і надійності. Вдосконалене герметичне різьбове з'єднання металевих труб, крім згаданих головних відмінностей, має і додаткові відмінності, що підвищують або створюють додатковий технічний результат. У герметичному різьбовому з'єднанні металевих труб, згідно з винаходом, виконані наступні додаткові вдосконалення. Ущільнювальне кільце виконано шириною S, рівною S = (0,9-1,1) • 2J мм, де J - відстань від торцевої поверхні різьбової кінцевої ділянки труби до центральної поперечної площині муфти при машинному згвинчуванні стандартного з'єднання API Spec 5B, яке становить J=12,7 мм. 3 UA 114240 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Такий вибір ширини S = (0,9-1,1) • 2J (мм) ущільнювального кільця забезпечує трубному різьбовому з'єднанню гарантовану надійність при передачі великих крутних моментів. При виборі ширини ущільнювального кільця менш S ≤ 0.9 • 2J (мм) - створюються додаткові навантаження в різьбі ще до зіткнення торців труб з ущільнювальним кільцем, що негативно відображається на несучій здатності різьби, а при виборі ширини ущільнювального кільця більш S ≥ 1,1 • 2J - не забезпечується оптимальне зачеплення зубів різьби, з'являються додаткові зазори, в результаті чого знижується несуча здатність зубів різьби, що може призвести до їх пошкодження, а також до втрати герметичності різьбового з'єднання. В ущільнювальному кільці внутрішня увігнута криволінійна поверхня виконана радіусом R, рівним R=50-1000 мм. Це забезпечує оптимальну кривизну внутрішньої увігнутої криволінійної поверхні ущільнювального кільця, при якій виникають згинальні моменти необхідної величини, що викликають вигин середньої частини ущільнювального кільця у бік муфти для підвищення герметичності з'єднання. Ущільнювальне кільце виконано із сталі, переважно такої ж марки, з якої виконані труби і муфта. Це забезпечує технологічність конструкції, тому що скорочує номенклатуру сталі, використовуваної для виготовлення труб, муфти та ущільнювального кільця з'єднання. Торцеві поверхні ущільнювального кільця виконані з твердістю НRC 1=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 твердості НRC1=40-60 і шорсткості Rz1=200-400 мкм і Rz2=10-30 мкм в зоні контакту торцевих поверхонь ущільнювального кільця і торцевих поверхонь кінцевих частин труб, за рахунок підвищеної твердості НRC 1=40-60 шорсткості Rz1=200-400 торцевих поверхонь ущільнювального кільця, підвищуються коефіцієнт тертя μ, сили тертя F і величина крутного моменту М, що відповідно підвищує надійність і герметичність з'єднання при передачі великих крутних моментів. Торцеві зовнішні кільцеві канавки ущільнювального кільця і торцеві внутрішні кільцеві виступи пружно-пластичного елемента виконані довжиною L, рівною L=3-5 мм, і висотою H, рівною H=1-3 мм. Це забезпечує оптимальні геометричні параметри торцевих зовнішніх кільцевих канавок ущільнювального кільця і торцевих внутрішніх кільцевих виступів пружно-пластичного елемента, при яких досягається надійний герметичний, щільний і міцний на поздовжній зсув ступінчастий контакт прилеглих одна до одної сполучених ступінчастих поверхонь кінцевих частин ущільнювального кільця і пружно-пластичного елемента. Ущільнювальне кільце виконано із зовнішнім діаметром Dк, рівним D К = (Dmin-2hk) ± 0,5, мм, де: Dmin - мінімальний внутрішній діаметр вершин профілю внутрішньої упорної конічної різьби різьбових кінцевих ділянок муфти, мм; hk - висота профілю упорної конічної різьби різьбових кінцевих ділянок муфти, мм. За рахунок цього забезпечується вільний монтаж ущільнювального кільця в муфту без пошкодження профілю її внутрішньої упорної конічної різьби. Внутрішні поверхні труб виконані з шорсткістю Rz3, рівною Rz3=20-40 мкм, а внутрішня увігнута криволінійна поверхня ущільнювального кільця виконана з шорсткістю Rz 4, рівною Rz4=5-20 мкм. Це забезпечує ламінарний рух перетікаючого середовища (рідини або газу) без турбулентних завихрень. Внутрішні фаски торцевих поверхонь різьбових кінцевих ділянок труб, а також внутрішні фаски торцевих поверхонь ущільнювального кільця виконані закругленими, з радіусами закруглення, відповідно, R1, R2, рівними R1=R2 ≤ 0,5 мм. Це дозволяє уникнути завихрень в місцях стику торцевих поверхонь різьбових кінцевих ділянок труб і ущільнювального кільця, що забезпечує режим ламінарної течії рідини (нафти) або газу, що транспортується, а також зменшує ймовірність скупчення концентраторів напружень. У пружно-пластичному елементі кінцеві зовнішні конічні поверхні виконані довжиною L 1, рівною L1=3-6 мм і з кутом конуса β, рівним β = 40-60º. За рахунок цього забезпечується спрощення інсталяції ущільнювального кільця в середню частину муфти без виникнення додаткових навантажень на муфту, а також без порушення герметичного, щільного і міцного контакту прилеглих одна до одної сполучених ступінчастих поверхонь кінцевих частин ущільнювального кільця і пружно-пластичного елемента. 4 UA 114240 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пружно-пластичний елемент виконаний з пружно-пластичного матеріалу з межею міцності σ, рівною σ = 10-200 МПа, і твердістю HВ3=5-90 HB, а товщина B пружно-пластичного елемента в середній частині, дорівнює В ≥ hk+0,25, де hk - висота профілю внутрішньої упорної конічної різьби різьбових кінцевих ділянок муфти, мм. Це дозволяє проводити монтаж ущільнювального кільця без пошкодження внутрішньої конічної упорної різьби муфти, так як межа міцності σ і твердість HB3 пружно-пластичного елемента менші, ніж межа міцності σ1 і твердість HB4 сталі, з якої виготовлена муфта. Товщина В в середній частині пружно-пластичного елемента, рівна В ≥ hk+0,25, забезпечує зазор між металевими поверхнями упорної конічної різьби муфти і металевого кільця, в результаті чого запобігається виникнення додаткових навантажень на муфту. 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 винесений елемент А на фіг. 1. На фіг. 3 зображено кільце ущільнювальне з пружно-пластичним елементом. На фіг. 4 зображений винесений елемент B на фіг. 2. Трубне різьбове з'єднання (фіг. 1-4) 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 5 з відповідною внутрішньою упорною конічною різьбою 6, 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 всередині муфти 5 встановлено ущільнювальне кільце 8 з охоплюючим його пружно-пластичним елементом 9, виконаним кільцевої форми, що взаємодіє з муфтою 5. Головними особливостями трубного різьбового з'єднання є наступні удосконалення його конструкції. Ущільнювальне кільце 8 виконано з торцевими зовнішніми кільцевими канавками 10 і внутрішньою увігнутою криволінійною поверхнею 11. Пружно-пластичний елемент 9 виконаний з торцевими внутрішніми кільцевими виступами 12, що входять в зачеплення із згаданими торцевими зовнішніми кільцевими канавками 10 ущільнювального кільця 8, і має кінцеві зовнішні конічні поверхні 13. При цьому пружно-пластичний елемент 9 скріплений з ущільнювальним кільцем 8 за допомогою зшивання молекул і знаходиться в герметичному контакті з внутрішньою упорною конічною різьбою 6 кінцевих ділянок 4 середньої частини муфти 5. Додатковими особливостями трубного різьбового з'єднання є наступні удосконалення його конструкції. Ущільнювальне кільце 8 виконано шириною S, рівною S = (0,9-1,1) • 2J мм, де J - відстань від торцевої поверхні 14 різьбової кінцевої ділянки 1 труби 3 до центральної поперечної площини 15 муфти 5 при машинному згвинчуванні стандартного з'єднання API Spec 5B, яке становить J=12,7 мм. В ущільнювальному кільці 8 внутрішня увігнута криволінійна поверхня 11 виконана радіусом R, рівним R=50-1000 мм. Ущільнювальне кільце 8 виконано із сталі, переважно такої ж марки, з якої виконані труби 3 і муфта 5. Торцеві поверхні 16 ущільнювального кільця 8 виконані з твердістю НRC 1=40-60 і шорсткістю Rz1=200-400 мкм, а торцеві поверхні 17 різьбових кінцевих ділянок 1 труб 3 виконані з твердістю НRC2=27-32 і шорсткістю Rz2=10-30 мкм. Торцеві зовнішні кільцеві канавки 10 ущільнювального кільця 8 і торцеві внутрішні кільцеві виступи 12 пружно-пластичного елемента 9 виконані довжиною L, рівною L=3-5 мм, і висотою H, рівною H=1-3 мм. Ущільнювальне кільце 8 виконано із зовнішнім діаметром Dк, рівним D К = (Dmin-2hk) ± 0,5, мм, де: Dmin - мінімальний внутрішній діаметр вершин профілю внутрішньої упорної конічної різьби 6 різьбових кінцевих ділянок 4 муфти 5, мм; hk - висота профілю внутрішньої упорної конічної різьби 6 різьбових кінцевих ділянок (4) муфти 5, мм. Внутрішні поверхні 17 труб 3 виконані з шорсткістю Rz3, рівною Rz3=20-40 мкм, а внутрішня увігнута криволінійна поверхня 11 ущільнювального кільця 8 виконана з шорсткістю Rz4, рівною Rz4=5-20 мкм. Внутрішні фаски 18 торцевих поверхонь 14 різьбових кінцевих ділянок 1 труб 3, а також внутрішні фаски 19 торцевих поверхонь 16 ущільнювального кільця 8 виконані закругленими, з радіусами закруглення, відповідно, R1, R2, рівними R1=R2 ≤ 0,5 мм. 5 UA 114240 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 У пружно-пластичному елементі 9 кінцеві зовнішні конічні поверхні 13 виконані довжиною L 1, рівною L1=3-6 мм і з кутом конуса β, рівним β = 40-60º. Пружно-пластичний елемент 9 виконаний з пружно-пластичного матеріалу з межею міцності σ, рівною σ = 10-200 МПа, і твердістю HB3=5-90 HB, а товщина B пружно-пластичного елемента 9 в середній частині, що дорівнює В ≥ hk+0,25, де hk - висота профілю внутрішньої упорної конічної різьби різьбових кінцевих ділянок 4 муфти 5, мм. Приклад Дослідний зразок трубного різьбового з'єднання (фіг. 1-4) був утворений відповідно до пп. 111 формули винаходу і виготовлений відповідно до діючих стандартів для різьби типу "Баттресс" з металу марки Р110 (труба, муфта, ущільнювальне кільце) і мав наступні геометричні параметри. Розмір труб - 5 ½". Ущільнювальне кільце 8 виконано шириною S, рівною S=27 мм. Внутрішня увігнута криволінійна поверхня 11 має радіус R, рівний R=450 мм. Шорсткість торцевих поверхонь 16 ущільнювального кільця 8 Rz1=320 мкм. Твердість торцевих поверхонь 16 ущільнювального кільця 8 НRC1=50. Шорсткість торцевих поверхонь 14 різьбових кінцевих ділянок 1 труб 3 Rz2=27 мкм. Твердість торцевих поверхонь 14 різьбових кінцевих ділянок 1 труб 3 НRC 2=29. Мінімальний внутрішній діаметр вершин профілю внутрішньої упорної конічної різьби 4 муфти 5 Dmin=132,4 мм. Зовнішній діаметр ущільнювального кільця 8 Dk=129 мм. Висота профілю різьби hк = 1,575 мм. Торцеві зовнішні кільцеві канавки 10 ущільнювального кільця 8 і торцеві внутрішні кільцеві виступи 12 пружно-пластичного елемента виконані довжиною L, рівною L=3 мм, і висотою Н, рівний Н = 1,3 мм. Зовнішній діаметр ущільнювального кільця 8 Dk: Dk = (Dmin-2hk) ± 0,5=132,4-2 • 1,575 = (132,4-3,15) ± 0,5=129 мм. Внутрішні поверхні 17 труб 3 виконані з шорсткістю Rz3, рівною Rz3=25 мкм, а внутрішня увігнута криволінійна поверхня 11 ущільнювального кільця 8 виконана з шорсткістю Rz4, рівною Rz4=8 мкм. Внутрішні фаски 18 торцевих поверхонь 14 різьбових кінцевих ділянок 1 труб 3, а також внутрішні фаски 19 торцевих поверхонь 16 ущільнювального кільця 8 виконані закругленими, з радіусами закруглення, відповідно, R1, R2, рівними R1=R2=0,4 мм. Кінцеві зовнішні конічні поверхні 13 в пружно-пластичному елементі 9 виконані довжиною L1, рівною L1=5 мм і з кутом конуса β, рівним β = 45º. Пружно-пластичний елемент 9 був виконаний з пружно-пластичної гуми, з межею міцності σ, рівною σ = 50 МПа, і твердістю HB3=40 HB, а товщина B пружно-пластичного елемента 9 в середній частині, виконана рівною В = 1,8 мм. Пружно-пластичний елемент 9 може бути виконаний з будь-якого пружно-пластичного матеріалу з межею міцності σ, рівною σ = 10-200 МПа, і твердістю HB3=5-90 HB, так як в цих діапазонах пружно-пластичний матеріал 9 менш міцний і більш м'який, ніж матеріал муфти, і відповідно не пошкоджує внутрішню упорну конічну різьбу 6 муфти 5 при монтажі ущільнювального кільця 8. Виготовлення, монтаж і робота трубного різьбового з'єднання здійснюється наступним чином. Дослідний зразок був виготовлений згідно зі стандартом API Spec 5B з металу марки Р110 (труби, муфта, ущільнювальне кільце). Після виготовлення металевого ущільнювального кільця 8 на токарному верстаті, застосовується дробоструминна або дробометальна обробка торцевих поверхонь 16 ущільнювального кільця 8, для досягнення необхідних параметрів шорсткості Rz1 і твердості HRC1. Міняючи режими подачі дробу на торцеві поверхні 16 ущільнювального кільця 8, можна регулювати параметри 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 і герметичності. Замість дробоструминної або дробометальної обробки, можуть бути використані інші види обробки, які підвищують параметри шорсткості Rz1 і твердості HRC1 торцевих поверхонь 16 ущільнювального кільця 8. 6 UA 114240 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Торцеві поверхні 14 різьбових кінцевих ділянок 1 труб 3 мають необхідні параметри шорсткості Rz2=10-30 мкм і твердості НRC2=27-32 після механічної обробки. Потім, на ущільнювальне кільце 8 наноситься шар пружно-пластичного матеріалу пружнопластичного елемента 9 необхідної форми і заданих геометричних параметрів на спеціальному пристрої. При цьому відбувається процес зшивання молекул пружно-пластичного матеріалу пружнопластичного елемента 9 із зовнішньою поверхнею ущільнювального кільця 8, в результаті чого забезпечується надійний герметичний, щільний і міцний контакт на молекулярному рівні прилеглих одна до одної сполучених ступінчастих поверхонь кінцевих частин ущільнювального кільця 8 і пружно-пластичного елемента 9. Після цього готове ущільнювальне кільце 8 з охоплюючим його пружно-пластичним елементом 9 (попередньо змазаним) поміщається до фіксації в муфту ручним способом або за допомогою спеціального пристосування. Потім відбувається процес згвинчування однієї труби 3 з муфтою 5 у напрямку раніше вставленого ущільнювального кільця 8 з охоплюючим його пружно-пластичним елементом 9. При цьому відбувається момент стику торцевої поверхні 14 труби 3 з торцевою поверхнею 16 ущільнювального кільця 8. Згвинчування відбувається до основи трикутного клейма (або може не доходити до основи на 1-2 мм). Таким чином, відбувається центрування ущільнювального кільця 8 в муфті 5. Далі здійснюється процес згвинчування іншої труби 3 з муфтою 5 до зіткнення торцевої поверхні 14 труби 3 з торцевою поверхнею 16 кільця 8. У зоні контакту торцевих поверхонь 16 ущільнювального кільця 8 і торцевих поверхонь 14 кінцевих частин труб 3, за рахунок підвищеної твердості НRC1=40-60 шорсткості Rz1=200-400 торцевих поверхонь ущільнювального кільця, підвищуються коефіцієнт тертя μ, сили тертя F і величина крутного моменту М. Завдяки тому, що пружно-пластичний елемент 9 знаходиться в герметичному контакті з внутрішньою упорною конічною різьбою кінцевих ділянок 4 середньої частини муфти 5, досягається їх пружний або пластичний герметичний контакт з витками згаданої конічної різьби муфти 5, що істотно підвищує герметичність їх взаємодії. Також, при цьому виникають згинальні моменти необхідної величини, що викликають вигин середньої частини ущільнювального кільця 8 убік муфти 5 для підвищення герметичності з'єднання. Таким чином, за допомогою ущільнювального кільця 8 одночасно відбувається передача більшого крутного моменту і підвищується герметичність різьбового з'єднання. Якість згвинчування трубного різьбового з'єднання контролюють: - за значенням крутного моменту; - по діаграмі згвинчування (при наявності відповідного обладнання); - по відсутності неприпустимих ушкоджень на тілі труби 3 і муфти 5. Випробування дослідного зразка вдосконаленого трубного різьбового з'єднання дозволили заявнику в реальних умовах наочно переконатися в підвищенні його герметичності і надійності. Наведені відомості підтверджують можливість промислової придатності пропонованого трубного різьбового з'єднання, яке має підвищену герметичність і надійність в експлуатації, 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 (3); 2) зовнішня упорна конічна різьба різьбових кінцевих ділянок (1) труб (3); 3) труби (переважно обсадні або нафтопромислові); 4) різьбові кінцеві ділянки муфти (5); 5) муфта; 6) внутрішня упорна конічна різьба різьбових кінцевих ділянок (4) муфти (5); 7) два різьбових з'єднання із зустрічною упорною конічною різьбою двох співвісно розташованих труб (3) з муфтою (5); 8) ущільнювальне кільце; 9) пружно-пластичний елемент ущільнювального кільця (8); 10) торцеві зовнішні кільцеві канавки ущільнювального кільця (8); 11) внутрішня увігнута криволінійна поверхня ущільнювального кільця (8); 12) торцеві внутрішні кільцеві виступи пружно-пластичного елемента (9); 13) кінцеві зовнішні конічні поверхні пружно-пластичного елемента (9); 7 UA 114240 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 14) торцеві поверхні різьбових кінцевих ділянок (1) труб (3); 15) центральна поперечна площина муфти (5); 16) торцеві поверхні ущільнювального кільця (8); 17) внутрішні поверхні труб (3); 18) внутрішні фаски торцевих поверхонь (14) різьбових кінцевих ділянок (1) труб (3); 19) внутрішні фаски торцевих поверхонь (16) ущільнювального кільця (8); S - ширина ущільнювального кільця (8), мм; S = (0,9-1,1) • 2J мм; J - відстань від торцевої поверхні (14) різьбової кінцевої ділянки (1) труби (3) до центральної поперечної площини (15) муфти (5) при машинному згвинчуванні стандартного з'єднання API Spec 5B, мм; J=12,7 мм; R - внутрішня увігнута криволінійна поверхня муфти (5), мм; R=50-1000 мм; НRC1 - твердість торцевих поверхонь (16) ущільнювального кільця (8); НRC1=40-60; Rz1 - шорсткість торцевих поверхонь (16) ущільнювального кільця (8), мкм; Rz1=200-400 мкм; НRC2 - твердість торцевих поверхонь (14) різьбових кінцевих ділянок (1) труб (3); НRC 2=2732; HB3 - твердість пружно-пластичного елемента (9) ущільнювального кільця (8); НВ = 5-90; σ - межа міцності пружно-пластичного елемента (9) ущільнювального кільця (8); σ = 10-200 МПа; Rz2 - шорсткість торцевих поверхонь (14) різьбових кінцевих ділянок (1) труб (3); НRC 2=1030 мкм; L - довжина торцевих зовнішніх кільцевих канавок (10) ущільнювального кільця (8), довжина торцевих внутрішніх кільцевих виступів (12) пружно-пластичного елемента (9); L=35 мм; H - висота торцевих зовнішніх кільцевих канавок (10) ущільнювального кільця (8), висота торцевих внутрішніх кільцевих виступів (12) пружно-пластичного елемента (9); H=1-3 мм; Dк - зовнішній діаметр кільця ущільнювальне (8); Dк = (Dmin-2hk) ± 0,5, мм; Dmin - мінімальний внутрішній діаметр вершин профілю внутрішньої упорної конічної різьби (6) різьбових кінцевих ділянок (4) муфти (5), мм; hk - висота профілю внутрішньої упорної конічної різьби (6) різьбових кінцевих ділянок (4) муфти (5), мм; Rz3 - шорсткість внутрішньої поверхні (17) труб (3), мкм; Rz3=20-40 мкм; Rz4 - шорсткість внутрішньої увігнутою криволінійної поверхні (11) ущільнювального кільця (8), мкм; Rz4=5-20 мкм; R1 - радіус закруглення внутрішніх фасок (18) торцевих поверхонь (14) різьбових кінцевих ділянок (1) труб (3), мм; R1=R2 ≤ 0,5 мм; R2 - радіус закруглення внутрішніх фасок (19) торцевих поверхонь (16) ущільнювального кільця (8), мм;; R2=R1 ≤ 0,5 мм; L1 - довжина кінцевих зовнішніх конічних поверхонь (13) пружно-пластичного елемента (9), L1=3-5 мм; β - кут конуса кінцевих зовнішніх конічних поверхонь (13) пружно-пластичного елемента (9); β = 40-60º; В - товщина пружно-пластичного елемента (9), мм; В ≥ hk+0,25, мм. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 60 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 (5) з відповідною внутрішньою упорною конічною різьбою (6), 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 всередині муфти (5) встановлено ущільнювальне кільце (8) з охоплюючим його (8) пружно-пластичним елементом (9), виконаним кільцевої форми, що взаємодіє з муфтою (5), яке відрізняється тим, що ущільнювальне кільце (8) виконано з торцевими зовнішніми кільцевими канавками (10) і внутрішньою увігнутою криволінійною поверхнею (11), а пружно-пластичний елемент (9) виконаний з торцевими внутрішніми кільцевими виступами (12), які входять в зачеплення із згаданими торцевими зовнішніми кільцевими канавками (10) ущільнювального кільця (8), і має кінцеві зовнішні конічні поверхні 8 UA 114240 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 (13), при цьому пружно-пластичний елемент (9) скріплений з ущільнювальним кільцем (8) за допомогою зшивання молекул і знаходиться в герметичному контакті з внутрішньою упорною конічною різьбою (6) кінцевих ділянок (4) середньої частини муфти (5). 2. Трубне різьбове з'єднання за п. 1, яке відрізняється тим, що ущільнювальне кільце (8) виконано шириною S, рівною S=(0,9-1,1)•2J мм, де J - відстань від торцевої поверхні (14) різьбової кінцевої ділянки (1) труби (3) до центральної поперечної площини (15) муфти (5) при машинному згвинчуванні стандартного з'єднання API Spec 5B, яке становить J=12,7 мм. 3. Трубне різьбове з'єднання за будь-яким з пп. 1, 2, яке відрізняється тим, що в ущільнювальному кільці (8) внутрішня увігнута криволінійна поверхня (11) виконана радіусом R, рівним R=50-1000 мм. 4. Трубне різьбове з'єднання за будь-яким з пп. 1-3, яке відрізняється тим, що ущільнювальне кільце (8) виконано із сталі, переважно такої ж марки, з якої виконані труби (3) і муфта (5). 5. Трубне різьбове з'єднання за будь-яким з пп. 1-4, яке відрізняється тим, що торцеві поверхні (16) ущільнювального кільця (8) виконані з твердістю НRC 1=40-60 і шорсткістю Rz1 = 200-400 мкм, а торцеві поверхні (17) різьбових кінцевих ділянок (1) труб (3) виконані з твердістю НRC2=27-32 і шорсткістю Rz2=10-30 мкм. 6. Трубне різьбове з'єднання за будь-яким з пп. 1-5, яке відрізняється тим, що торцеві зовнішні кільцеві канавки (10) ущільнювального кільця (8) і торцеві внутрішні кільцеві виступи (12) пружно-пластичного елемента (9) виконані довжиною L, рівною L=3-5 мм, і висотою H, рівною H=1-3 мм. 7. Трубне різьбове з'єднання за будь-яким з пп. 1-6, яке відрізняється тим, що ущільнювальне кільце (8) виконано із зовнішнім діаметром Dк, рівним D К=(Dmin-2hk)±0,5, мм, де: Dmin мінімальний внутрішній діаметр вершин профілю внутрішньої упорної конічної різьби (6) різьбових кінцевих ділянок (4) муфти (5), мм; hk - висота профілю внутрішньої упорної конічної різьби (6) різьбових кінцевих ділянок (4) муфти (5), мм. 8. Трубне різьбове з'єднання за будь-яким з пп. 1-7, яке відрізняється тим, що внутрішні поверхні (17) труб (3) виконані з шорсткістю Rz3, рівною Rz3=20-40 мкм, а внутрішня увігнута криволінійна поверхня (11) ущільнювального кільця (8) виконана з шорсткістю Rz4, рівною Rz4=5-20 мкм. 9. Трубне різьбове з'єднання за будь-яким з пп. 1-8, яке відрізняється тим, що внутрішні фаски (18) торцевих поверхонь (14) різьбових кінцевих ділянок (1) труб (3), а також внутрішні фаски (19) торцевих поверхонь (16) ущільнювального кільця (8) виконані закругленими, з радіусами закруглення, відповідно, R1, R2, рівними R1=R2≤0,5 мм. 10. Трубне різьбове з'єднання за будь-яким з пп. 1-9, яке відрізняється тим, що в пружнопластичному елементі (9) кінцеві зовнішні конічні поверхні (13) виконані довжиною L1, рівною L1=3-6 мм, і з кутом конуса β, рівним β=40-60º. 11. Трубне різьбове з'єднання за будь-яким з пп. 1-10, яке відрізняється тим, що пружнопластичний елемент (9) виконаний з пружно-пластичного матеріалу з межею міцності σ, рівною σ=10-200 МПа, і твердістю HB3=5-90 HB, а товщина B пружно-пластичного елемента (9) у середній частині дорівнює В≥hk+0,25, де hk - висота профілю внутрішньої упорної конічної різьби (6) різьбових кінцевих ділянок (4) муфти (5), мм. 9 UA 114240 C2 10 UA 114240 C2 Комп’ютерна верстка М. Мацело 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