Нарізне з’єднання для стальних труб

Реферат: Нарізне з'єднання для стальних труб, що містить ніпель (1) і муфту (2), які мають нарізну ділянку (11 або 21), ущільнювальну поверхню (13 або 23) і виступаючу поверхню (14, 15 або 24, 25), при цьому ущільнювальна поверхня (13) ніпеля (1) утворена звужуваною поверхнею, а ущільнювальна поверхня (23) муфти (2) утворена першою зігнутою поверхнею з великим радіусом кривизни в діапазоні 15-120 мм, звужуваною поверхнею і другою зігнутою поверхнею з великим радіусом кривизни знову ж в діапазоні 15-120 мм. UA 100314 C2 (12) UA 100314 C2 UA 100314 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Галузь техніки, до якої належить винахід Даний винахід, загалом, стосується нарізного з'єднання, використовуваного для зчленування стальних труб, наприклад, труб нафтопромислового сортаменту, включаючи труби і обсадні колони, застосовувані для розвідки і видобутку сирої нафти і природного газу, стояки і трубопровідні труби. Більш конкретно, даний винахід стосується нарізного з'єднання для стальних труб, яке містить нарізну ділянку, ущільнювальну поверхню, виступаючу поверхню і має відмінну герметичність, стійку до тиску. Попередній рівень техніки Нарізні з’єднання для стальних труб, широко використовувані для зчленування стальних труб, застосовуваних в обладнанні нафтодобувних галузей, наприклад, труб нафтопромислового сортаменту і стояків, утворені ніпелем, який є елементом з охоплюваною або зовнішньою нарізкою, виконаною на кінці першого трубчастого елемента, і муфтою, яка являє собою елемент з охоплювальною або внутрішньою нарізкою, виконаною на кінці другого трубчастого елемента. Зчленування нарізного з'єднання здійснюється за допомогою нарізного зачеплення охоплюваної нарізки і охоплювальної нарізки, які являють собою звужувану нарізку. Звичайно перший трубчастий елемент являє собою трубу, наприклад, стальну трубу, використовувану як труба нафтопромислового сортаменту, а другий трубчастий елемент являє собою відмінний елемент у вигляді муфти. Цей тип нарізного з'єднання для стальних труб називається муфтовим з'єднанням. У муфтовому з'єднанні на обох кінцях труби є ніпель, а муфта розташована по обидві сторони з'єднання. Існують також нероз'ємні нарізні з'єднання для стальних труб, в яких ніпель виконаний на зовнішній поверхні на одному кінці труби, а муфта знаходиться на внутрішній поверхні іншого кінця труби. У цьому випадку перший трубчастий елемент являє собою першу трубу, а другий трубчастий елемент являє собою другу трубу, і дві труби з’єднані без муфтового з'єднання. Труби нафтопромислового сортаменту звичайно зчленовані одна з одною з використанням стандартних нарізних з'єднань, визначених стандартами Американського інституту нафти. Однак в останні роки, оскільки умови, в яких ведуться земляні роботи і видобуток сирої нафти і природного газу, стають все більш важкими, все більш широко використовуються спеціальні високоякісні нарізні з'єднання, які називаються високогерметичними з'єднаннями. У високогерметичному з'єднанні ніпель і муфта мають на доповнення до звужуваної нарізки, що дозволяє скріпити ніпель і муфту, ущільнювальну поверхню, розташовану на периферійній поверхні в безпосередній близькості від нарізки, і виступаючу поверхню, яка при зчленуванні з'єднання виконує роль стопора. Між ущільнювальними поверхнями ніпеля і муфти здійснюється взаємний радіальний вплив. При затягуванні з'єднання, яке виконують доти, доки поверхні виступів ніпеля і муфти не впруться одна в одну, ущільнювальні поверхні обох елементів щільно стикаються одна з одною по всій периферії з'єднання таким чином, що утворюють ущільнення за допомогою контакту "метал-метал". Виступаючі поверхні при затягуванні не тільки функціонують як стопори, але і піддаються стискаючому навантаженню, яке впливає на з'єднання. На фіг. 7(А) і 7(В) зображені схематичні пояснювальні вигляди типового муфтового високогерметичного нарізного з'єднання для стальних труб, при цьому фіг. 7(В) являє собою загальний вигляд, а фіг. 7(А) являє собою збільшений вигляд ділянки з'єднання. Як показано на фіг. 7(А) і 7(В), цей тип нарізного з'єднання для стальних труб має ніпель 1, який є елементом з охоплюваною нарізкою, розташованою на кінцевій ділянці труби, і муфту 2, яка є відповідним елементом з охоплювальною нарізкою, розташованою по обидві сторони з'єднання. На своїй зовнішній поверхні ніпель 1 має звужувану охоплювану нарізку 11 і ненарізну циліндричну крайню ділянку, яка називається скосом 12 ніпеля (що далі іменується скошеною ділянкою), суміжним з охоплюваною нарізкою 11. Скошена ділянка 12 має ущільнювальну поверхню 13 на зовнішній периферії і виступаючу поверхню 14 на своїй кінцевій поверхні. Ущільнююча поверхня 13 являє собою звужувану поверхню (поверхню у вигляді зрізаного конуса), яка поступово зменшується в діаметрі до краю ніпеля. Відповідно, муфта 2 має на своїй внутрішній поверхні звужувану охоплювальну нарізку 21, ущільнювальну поверхню 23 і виступаючу поверхню 24, яка може за допомогою нарізки вступати в зачеплення або контакт або щільно примикати до звужуваної охоплюваної нарізки 11, металевої ущільнювальної поверхні 13 і виступаючої поверхні 14 відповідно ніпеля 1. Як показано на фігурі, скошена ділянка, що має виступаючу поверхню на своїй кінцевій поверхні, в більшості випадків розташована на краю ніпеля. Між ніпелем і муфтою на кінці скошеної ділянки, суміжної з охоплюваною нарізкою, є зазор 31 для збирання рідини або напівтвердого мастила, яке нанесене на поверхню ніпеля і/або муфти для того, щоб запобігти стиранню, і 1 UA 100314 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 просочилося з обробленої ним поверхні при затягуванні (установленні) з'єднання через щільний контакт нарізки і ущільнювальних поверхонь ніпеля і муфти. Раніше вертикальні свердловини були домінуючими. У таких свердловинах нарізне з’єднання для стальних труб було досить якісним, якщо воно могло витримувати розтягувальні навантаження, викликані вагою зчленованих з ним труб, і якщо воно могло запобігти витоку текучого середовища високого тиску, що проходить всередині нього. Однак в останні роки із збільшенням глибини свердловин і зростанням кількості похилих або горизонтальних свердловин із зігнутим підземним стовбуром, а також збільшенням випадків розробки свердловин у важких умовах, наприклад, на великих морських глибинах або в полярних регіонах, з'явився значний попит на збільшення опору стисненню і удосконалення герметичності нарізних з'єднань для стальних труб, особливо відносно внутрішнього і зовнішнього тиску. З метою підвищення стійкості до стиснення і герметичності високогерметичного нарізного з'єднання в умовах внутрішнього і зовнішнього тиску в патентному документі WO 2004/109173 (що далі іменується патентним документом 1) запропоноване нарізне з’єднання для стальних труб, яке, як показано на фіг. 2, має розширену скошену ділянку, що включає в себе носову ділянку 16 між ущільнювальною поверхнею 13 і виступаючою поверхнею 14 на кінці ніпеля 1. Носова ділянка 16 ніпеля 1 утворює безконтактну область 18, в якій протилежні поверхні ніпеля 1 і муфти 2 не стикаються одна з одною. З іншого боку, ущільнювальні поверхні 13 і 23 і виступаючі поверхні 14 і 24 ніпеля і муфти стикаються одна з одною. Подовжуючи скошену ділянку ніпеля 1 так, щоб утворити носову ділянку 16, що має безконтактну область 18 з циліндричною зовнішньою поверхнею, яка не стикається з муфтою між кінцевою поверхнею і ущільнювальною поверхнею 13 ніпеля, можна збільшити товщину стінки скошеної ділянки і, відповідно, товщину стінки виступаючої поверхні і ущільнювальної поверхні в рамках, що накладаються обмеженою товщиною стінки труби, а також помітно збільшити опір стисненню нарізного з'єднання для стальних труб і його здатність до утворення ущільнення, стійкого до внутрішнього і зовнішнього тиску. Як описано в патентному документі 1 і показано на фіг. 4, ущільнювальна поверхню муфти може мати форму, що включає в себе поєднання тороїдальної поверхні R (поверхні, утвореної обертанням дуги навколо центра осі з'єднання) на стороні ущільнювальної поверхні ближче до нарізної ділянки і звужуваної поверхні ТА (поверхні, утвореної обертанням прямої навколо центра осі з'єднання) на стороні ущільнювальної поверхні ближче до виступу, в той час як ущільнювальна поверхня ніпеля утворена звужуваною поверхнею, переважно з тим же нахилом, що і у звужуваної поверхні ТА муфти. Ця форма може збільшити стабільність контактного тиску ущільнювальних поверхонь ніпеля і муфти при різних умовах експлуатації. Фіг. 5 являє собою схематичний вигляд, на якому показані різні форми ущільнювальної поверхні муфти, що стикається зі звужуваною формою ущільнювальної поверхні ніпеля. На фіг. 5(А) показаний варіант, де ущільнювальна поверхня муфти утворена виключно звужуваною поверхнею ТА, на фіг. 5(В) показаний варіант, де вона утворена виключно зігнутою поверхнею R, і на фіг. 5(С) показаний варіант, де вона утворена поєднанням звужуваної поверхні ТА і зігнутої поверхні R. В кожному випадку ніпель утворений виключно звужуваною поверхнею. Як показано на фіг. 5(А), коли муфта являє собою звужувану ущільнювальну поверхню ТА, як в ущільнювальній поверхні ніпеля, контакт між ущільнювальними поверхнями ніпеля і муфти зосереджений на їх найближчій до нарізки границі 51. Як показано на фіг. 5(В), коли ущільнювальна поверхня муфти являє собою зігнуту поверхню R, а ущільнювальна поверхня ніпеля являє собою звужувану поверхню, площа контакту між ущільнювальними поверхнями ніпеля і муфти зменшується і стабільність контакту може погіршитися. Як показано на фіг. 5(С), коли ущільнювальна поверхня муфти являє собою комбіновану поверхню, утворену звужуваною поверхнею ТА і зігнутою поверхнею R, а ущільнювальна поверхня ніпеля являє собою звужувану поверхню, як описано в патентному документі 1, при різних умовах експлуатації стійкість контакту може зростати. Суть винаходу Нарізне з’єднання для стальних труб, запропоноване в патентному документі 1, в якому ущільнювальна поверхня муфти являє собою поєднання тороїдальної поверхні ближче до нарізної ділянки і звужуваної поверхні ближче до виступу, звичайно демонструє адекватну герметичність навіть при прикладанні розтягувального або стискаючого навантаження, при цьому на нарізне з’єднання впливає внутрішній або зовнішній тиск. Однак в жорстких умовах випробувань на герметичність, як указано в документі 13679 Міжнародної організації по стандартизації, коли неодноразово прикладають розтягувальні і стискаючі навантаження, а також внутрішній тиск і зовнішній тиск такої величини, що корпус труби піддається пластичній деформації по всій своїй поверхні, авторами даного винаходу 2 UA 100314 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 встановлено, що навіть в нарізному з'єднанні, як описано вище, може відбуватися мікростирання на його ущільнювальних поверхнях. Такі жорсткі умови випробувань на герметичність були створені з урахуванням умов експлуатації труб нафтопромислового сортаменту, які в останні роки стають все більш суворими. Відповідно, навіть в описаному вище нарізному з'єднанні для стальних труб при деяких умовах може відбуватися мікростирання, а в гіршому випадку порушується герметичність. Метою даного винаходу є вирішення проблеми мікростирання, яке може відбуватися в ущільнювальних поверхнях нарізного з'єднання для стальних труб. Автори даного винаходу провели дослідження форми ущільнювальних поверхонь нарізного з'єднання для стальних труб на основі форми, описаної в патентному документі 1, і одержали наступні висновки шляхом аналізу з використанням методу кінцевих елементів (МКЕ) і випробувань на герметичність. 1. У жорстких умовах випробувань на герметичність, як зазначено у вказаному документі 13679, коли багато разів прикладають розтягувальні і стискаючі навантаження і внутрішній тиск і зовнішній тиск такої величини, що корпус труби піддається пластичній деформації по всій своїй поверхні, в ході випробування ущільнювальні поверхні піддаються зворотно-поступальному зміщенню з хвилинною амплітудою в осьовому напрямку. У результаті, коли піковий контактний тиск стає настільки великим, що розвивається значний взаємовплив, ущільнювальні поверхні стають шорсткими, і через це зворотно-поступальне зміщення з хвилинною амплітудою розвивається мікростирання. 2. З найбільшою легкістю мікростирання виникає на виступаючій (або задній) стороні ущільнювальних поверхонь муфти. Це відбувається тому, що через зовнішній тиск нарізна ділянка ніпеля зменшується в діаметрі, і нарізне зачеплення нарізки ніпеля і муфти слабшає, в результаті чого амплітуда вищеописаного зворотно-поступального зміщення збільшується. Крім того, під навантаженням, що викликається зовнішнім тиском, в зв'язку з реакцією на зменшення діаметра нарізної ділянки ніпеля край скосу ніпеля, навпаки, збільшується в діаметрі (як видно в подовжньому перерізі, має місце така деформація, що край скосу зігнутий назовні). Таким чином, область первинного контакту між ущільнювальними поверхнями ніпеля і муфти переміщається від нарізної сторони до виступаючої сторони. Фіг. 6 являє собою схематичний вигляд з указуванням місць контакту між ущільнювальними поверхнями ніпеля і муфти. Зокрема, на ньому показані місця контакту ущільнювальної поверхні 13 ніпеля і ущільнювальної поверхні 23 муфти. Ущільнювальна поверхня 23 муфти відділена від суміжних областей границею 51 і границею 56. Ущільнювальні поверхні звичайно стикаються одна з одною в області ближче до нарізної ділянки на момент установлення, як схематично показано областю 61 розподілу контактного тиску. Однак при подачі зовнішнього тиску зіткнення має місцев області, розташованій ближче до виступів, як схематично показано областю 62 розподілу контактного тиску. На основі описаних вище результатів авторами даного винаходу підтверджено, що поява мікростирання при жорстких випробуваннях на герметичність може бути відвернена шляхом забезпечення ущільнювальної поверхні муфти з великим радіусом кривизни на її задній (виступаючій) стороні, на доповнення до великого радіуса кривизни на протилежній стороні ближче до нарізної ділянки. Передбачається, що це відбувається внаслідок того, що зіткнення ущільнювальних поверхонь ніпеля і муфти, при якому кінцева ділянка виступаючої сторони ущільнювальної поверхні муфти має великий радіус кривизни, запобігає зростанню пікового контактного тиску на цій кінцевій ділянці, що має місце при невеликому радіусі кривизни кінцевої ділянки (наприклад, при радіусі R кривизни від 1 до 6 мм). Нарізне з’єднання для стальних труб згідно з даним винаходом містить ніпель і муфту, при цьому ніпель має охоплювану нарізку і скошену ділянку, що має ущільнювальну поверхню і виступаючу поверхню, а муфта має охоплювальну нарізку, ущільнювальну поверхню і виступаючу поверхню, причому при з'єднанні охоплювана нарізка входить в нарізне зачеплення з охоплювальною нарізкою, ущільнювальна поверхня ніпеля щільно примикає до відповідної ущільнювальної поверхні муфти, і виступаюча поверхня ніпеля щільно примикає до виступаючої поверхні муфти, і відрізняється тим, що ущільнювальна поверхня ніпеля являє собою звужувану поверхню, а ущільнювальна поверхня муфти містить, в напрямку від охоплювальної нарізки до виступаючої поверхні, першу зігнуту поверхню з великим радіусом кривизни, звужувану поверхню і другу зігнуту поверхню з великим радіусом кривизни. Перша зігнута поверхня з великим радіусом кривизни може містити множину зігнутих поверхонь. Аналогічним чином друга зігнута поверхня з великим радіусом кривизни може містити множину зігнутих поверхонь. 3 UA 100314 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Використаний тут термін "ущільнювальна поверхня" стосується області, що включає в себе ненарізну ділянку, де ніпель і муфта тісно стикаються один з одним з утворенням газонепроникного контактного ущільнення "метал-метал". Вираз "які герметично стикаються" вказує на утворення такого щільного контакту між ущільнювальними поверхнями ніпеля і муфти. У кожних ніпелі і муфті ущільнювальна поверхня відрізняється від суміжних областей точкою, де нахил не є суцільним, або кривою, що має невеликий радіус кривизни (не більше 6 мм). Під зігнутою поверхнею з великим радіусом кривизни розуміють поверхню, що має радіус R кривизни від 15 до 120 мм. Що стосується ущільнювальної поверхні нарізного з'єднання, яка являє собою основну частину розробки даного винаходу, що звичайно має довжину 2,5-8 мм, якщо перша або друга зігнута ділянка поверхні має радіус R кривизни, що перевищує 120 мм, форма зігнутої поверхні наближається до форми звужуваної поверхні (поверхні, що має прямий переріз в осьовому напрямку нарізного з'єднання), так що ця ділянка ущільнювальної поверхні більше не може служити як зігнута поверхня (поверхня, що має зігнутий переріз в осьовому напрямку нарізного з'єднання) на обмеженій довжині ущільнювальної поверхні. Якщо радіус R кривизни першої або другої зігнутої ділянки поверхні менше 15 мм, то прикладений до цієї зігнутої ділянки ущільнювальної поверхні контактний тиск стає великим і контактна стабільність ущільнювальної поверхні порушується. Зігнута поверхня з великим радіусом кривизни являє собою поверхню, одержану обертанням кривої (дуги кола, дуги еліпса, параболи і т. п.), що має описаний вище великий радіус кривизни, навколо осі нарізного з'єднання (осі з'єднання), розташованої по одній лінії з віссю стальної труби, зчленованої за допомогою нарізного з'єднання. Як показано вище, кожна з перших і других зігнутих ділянок поверхні може бути утворена поєднанням множини зігнутих поверхонь, при цьому кожна має великий радіус кривизни. Звужувана поверхня являє собою поверхню, одержану обертанням прямої навколо осі з'єднання, при цьому пряма розташована під нахилом відносно осі з'єднання. Нарізне з’єднання для стальних труб згідно з даним винаходом функціонує більш ефективно, коли кут нахилу ущільнювальних поверхонь ніпеля і муфти складає від 5 до 25 градусів відносно осі з'єднання. Кут нахилу ущільнювальної поверхні означає нахил відносно осі з'єднання звужуваних поверхонь в ущільнювальних поверхнях ніпеля і муфти, а саме звужуваної ділянки поверхні в ущільнювальній поверхні муфти і звужуваної ущільнювальної поверхні ніпеля. Переважно нарізне з’єднання для стальних труб згідно з даним винаходом має конструкцію ніпеля, в якому виступаюча поверхня ніпеля розташована на кінцевій поверхні ніпеля, ущільнювальна поверхня ніпеля розташована в безпосередній близькості від кінця охоплюваної нарізки в сторону ближче до кінцевої поверхні ніпеля, а носова ділянка, яка не стикається з протилежною ділянкою муфти, розташована між ущільнювальною поверхнею і виступаючою поверхнею ніпеля. Таке нарізне з’єднання може виявляти поліпшені характеристики відносно опору стисненню і стійкості до комбінованих навантажень, наприклад, стисненню або розтягненню в поєднанні із зовнішнім тиском. Крім того, в нарізному з'єднанні для стальних труб згідно з даним винаходом, переважніше, виступаюча поверхня ніпеля містить дві різні прилеглі поверхні, основна виступаюча поверхня на радіально внутрішній стороні і додаткова виступаюча поверхня на радіально зовнішній стороні, а відповідна виступаюча поверхня муфти, протилежна виступаючій поверхні ніпеля, містить дві різні прилеглі поверхні, основну виступаючу поверхню на радіально внутрішній стороні і додаткову виступаючу поверхню на радіально зовнішній стороні, при цьому основні виступаючі поверхні ніпеля і муфти розташовані таким чином, щоб запобігти спрямованій радіально всередину деформації скошеної кінцевої ділянки, а додаткові виступаючі поверхні ніпеля і муфти розташовані так, щоб обмежити спрямовану радіально назовні деформацію скошеної кінцевої ділянки, причому основна виступаюча поверхня ніпеля має більший радіальний розмір, ніж додаткова виступаюча поверхня ніпеля, і щонайменше основна виступаюча поверхня ніпеля щільно прилягає по осі до відповідної або протилежної основної виступаючої поверхні муфти. У нарізному з'єднанні для стальних труб згідно з даним винаходом ущільнювальна поверхня муфти утворена першою і другою зігнутими ділянками поверхні, причому обидві мають великий радіус кривизни, а також звужуваною поверхнею між цими двома зігнутими ділянками поверхні. У результаті, при багаторазовому впливі розтягувального і стискаючого навантажень, а також внутрішнього і зовнішнього тиску такої величини, що утворюється пластична деформація по всій поверхні корпусу труби, може бути знижене виникнення мікростирання в ущільнювальних поверхнях ніпеля і муфти. 4 UA 100314 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Крім того, шляхом оснащення стальних труб нарізним з'єднанням з ущільнювальною поверхнею вищеописаної конструкції, яке має носову ділянку, що не стикається з протилежною ділянкою муфти між ущільнювальною поверхнею і виступаючою поверхнею ніпеля, або має основну і додаткову виступаючу поверхню, де основна виступаюча поверхня виконана таким чином, щоб запобігти спрямованій радіально всередину деформації кінцевої ділянки скосу ніпеля, а додаткова виступаюча поверхня виконана таким чином, щоб обмежити спрямовану радіально назовні деформацію кінцевої ділянки скосу, можна поліпшити опір стисненню і загальну герметичність при комбінованому навантаженні, що включає стиснення і зовнішній тиск або розтягнення і зовнішній тиск. Короткий опис креслень На фіг. 1(А) і 1(В) представлені схематичні вигляди в розрізі нарізного з'єднання для стальних труб згідно з даним винаходом, при цьому фіг. 1(А) являє собою частковий вигляд області скошеної ділянки ніпеля, а фіг. 1(В) являє собою загальний вигляд, на якому зображені ніпель і муфта. Фіг. 2 являє собою схематичний вигляд в розрізі, на якому показана область скошеної ділянки ніпеля нарізного з'єднання для стальних труб, описаного в патентному документі 1. На фіг. 3(А)-3(D) представлені схематичні вигляди ущільнювальної поверхні муфти в нарізному з'єднанні для стальних труб, при цьому на фіг. 3(А) і 3(В) зображена ущільнювальна поверхня згідно з даним винаходом, що містить першу зігнуту поверхню з великим радіусом RA кривизни, звужувану поверхню ТА і другу зігнуту поверхню з великим радіусом RB кривизни, на фіг. 3(С) зображена ущільнювальна поверхня згідно з даним винаходом, що має конструкцію, яка містить третю зігнуту поверхню з великим радіусом RC кривизни, першу зігнуту поверхню з великим радіусом RA кривизни, звужувану поверхню ТА і другу зігнуту поверхню з великим радіусом RB кривизни, а на фіг. 3(D) зображена ущільнювальна поверхня в порівняльному нарізному з'єднанні, що містить зігнуту поверхню з великим радіусом RA кривизни і звужувану поверхню ТА. Фіг. 4 являє собою схематичний вигляд, на якому показаний один приклад ущільнювальних поверхонь ніпеля і муфти нарізного з'єднання для стальних труб, які описані в патентному документі 1 і містять зігнуту поверхню з великим радіусом R кривизни і звужувану поверхню TA, як на фіг. 3(D). На фіг. 5(А)-5(С) представлені схематичні вигляди, що пояснюють форми ущільнювальних поверхонь муфти і ніпеля. На фіг. 5(А) представлений приклад, де муфта має звужувану поверхню ТА і ніпель має звужувану поверхню ТА, на фіг. 5(В) представлений приклад, де муфта має зігнуту поверхню RА, а ніпель має звужувану поверхню ТА, а на фіг. 5(С) представлений приклад, де муфта має комбіновану поверхню, що містить звужувану поверхню ТА і зігнуту поверхню RА, в той час як ніпель має звужувану поверхню ТА. На фіг. 6 зображений схематичний вигляд, на якому показані контактні ділянки ущільнювальної поверхні. На фіг. 7 зображені схематичні вигляди в розрізі типового звичайного муфтового високогерметичного з'єднання для труб нафтопромислового сортаменту, при цьому на фіг. 7(А) зображений частковий вигляд, що показує тільки одну сторону з'єднання, а фіг. 7(В) являє собою загальний вигляд. Способи здійснення винаходу Нарізне з’єднання для стальних труб згідно з даним винаходом буде пояснене з посиланням на креслення. На фіг. 1(А) і 1(В) зображені схематичні вигляди в розрізі нарізного з'єднання для стальних труб згідно з даним винаходом. На фіг. 1(А) зображений частковий вигляд, що показує область скошеної ділянки ніпеля, а фіг. 1(В) являє собою загальний вигляд, на якому показані ніпель і муфта. Дане нарізне з’єднання стосується типу високогерметичних нарізних з'єднань і утворене ніпелем 1 і муфтою 2, які мають звужувану нарізку і ненарізну поверхню, що ущільнюється. На фіг. 1(В) представлений приклад звужуваної нарізки. Ніпель 1 містить нарізну ділянку, що має охоплювану нарізку 11 і скошену ділянку 12, яка має ущільнювальну поверхню 13, розташовану ближче до кінця труби, ніж нарізна ділянка. Кінцева поверхня краю скошеної ділянки утворює виступаючу поверхню. Як показано на кресленнях, ущільнювальна поверхня 13 ніпеля 1 звичайно розташована на стороні скошеної ділянки 12, яка є суміжною або знаходиться в безпосередній близькості від нарізної ділянки 11. Муфта 2 має нарізну ділянку, яка має охоплювальну нарізку 21, що входить в нарізне зачеплення з охоплюваною нарізкою 11 ніпеля 1, ущільнювальну поверхню 23, що стикається з ущільнювальною поверхнею 13 ніпеля 1 таким чином, що вони утворюють щільне ущільнення 5 UA 100314 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 (ущільнення "метал-метал"), а також виступаючу поверхню, що щільно примикає до виступаючої поверхні ніпеля в осьовому напрямку з'єднання. Ділянка охоплюваної нарізки, суміжна скошеній ділянці 12, може являти собою нитку нарізки, що не входить в зачеплення або є неповною, яка не вступає в зачеплення з охоплювальною нарізкою 21 муфти 2. Скошена ділянка 12 ніпеля 1 нарізного з'єднання для стальних труб, показаного на фіг. 1, що має середню товщину 41, проходить таким чином, що має носову ділянку 16 між ущільнювальною поверхнею 13 і кінцем ніпеля 1. Носова ділянка утворює безконтактну область 18, в якій ніпель не стикається з протилежною поверхнею муфти на певній довжині по осі. Таким чином, скошена ділянка має більшу довжину в порівнянні з типовим високогерметичним з'єднанням, показаним на фіг. 7. Основна частина безконтактної області 18 кожного ніпеля і муфти може бути утворена звужуваною поверхнею (з діаметром, що зменшується до краю ніпеля), як показано на фіг. 1(А), або циліндричною поверхнею з однаковим діаметром, як показано на фіг. 2. Радіальний зазор в основній частині безконтактної області між ніпелем і муфтою є переважно постійним вздовж його довжини. Як показано, носова ділянка 16 з осьовою довжиною 45 включає в себе безконтактну область з осьовою довжиною 48 і виступаючу поверхню з осьовою довжиною 49 (в показаному варіанті здійснення осьова довжина 49 має додаткову виступаючу поверхню 15, як описано нижче), в той час як скошена ділянка 12 включає в себе ущільнювальну поверхню 13 і носову ділянку 16. Осьова довжина 45 носової ділянки 16 ніпеля 1 складає близько 4-22 мм для труб типорозміру, використовуваного в трубах нафтопромислового сортаменту із зовнішнім діаметром приблизно 50-550 мм. Осьова довжина 48 безконтактної ділянки в носовій ділянці 16 ніпеля 1 переважно складає близько 45-90% від осьової довжини 45 носової ділянки. Чим більша товщина ущільнювальної поверхні і носової ділянки скошеної ділянки, тим більша їх здатність до герметизації відносно зовнішнього тиску, тому при наявності фаски 17 на внутрішній поверхні кінця скошеної ділянки, з метою запобігання турбулентності за рахунок підвищення округлості, кут фаски 17 відносно осі з'єднання, переважно, має порівняно невеликий розмір в діапазоні від 9 до 30 градусів. Фаска з невеликим кутом може подібним чином бути виконана на внутрішній поверхні муфти 2, суміжній ніпелю 1, як показано на фіг. 2. У даному прикладі виступаюча поверхня на кінці ніпеля 1 має двоступеневий контур, що містить основну виступаючу поверхню 14 на радіально внутрішній стороні з'єднання і додаткову виступаючу поверхню 15 на радіально зовнішній стороні з'єднання. Основна виступаюча поверхня 14 ніпеля 1 являє собою зворотну виступаючу поверхню з негативним кутом 24 відносно площини, перпендикулярної осі з'єднання. З іншого боку, додаткова виступаюча поверхня 15 має позитивний кут 43 відносно площини, перпендикулярної осі з'єднання. Основна виступаюча поверхня 14 має радіальний розмір 46 (товщина в проекції на площину, перпендикулярну осі з'єднання), який більше радіального розміру 47 додаткової виступаючої поверхні 15. Відповідно, виступаюча поверхня муфти 2 має двоступеневий контур, що містить основну виступаючу поверхню 24, що має більшу товщину, на радіально внутрішній стороні з'єднання і додаткову виступаючу поверхню 25, що має меншу товщину, на радіально зовнішній стороні з'єднання. Перехід між основною виступаючою поверхнею 14 і додатковою виступаючою поверхнею 15 ніпеля 1, переважно, утворює округлу вершину з радіусом не більше 1,5 мм, а муфта 2 має відповідне округле заглиблення між основною виступаючою поверхнею 24 і додатковою виступаючою поверхнею 25. Зворотний кут 42 основних виступаючих поверхонь 14 і 24 такий, що абсолютне значення (насправді це негативний кут) нахилу 42 основної виступаючої поверхні 14 ніпеля 1 відносно площини, перпендикулярної осі з'єднання, складає, переважно, від 5 до 25 градусів і більш переважно від 8 до 20 градусів. Нахил 43 додаткових виступаючих поверхонь 15 і 25 відносно осі з'єднання складає, переважно, від 5 до 30 градусів (а саме нахил відносно напрямку, перпендикулярного осі з'єднання, складає щонайменше +60 градусів і не більше +85 градусів) і більш переважно він перевищує нахил 44 ущільнювальних поверхонь. Додаткові виступаючі поверхні 15 і 25 звичайно сконструйовані таким чином, щоб не стикатися одна з одною при звичайному установленні. Додаткові виступаючі поверхні призначені для зіткнення одна з одною, коли до нарізного з'єднання прикладене велике стискаюче навантаження або при прикладанні надмірного моменту затягування для усунення спрямованої назовні деформації скошеної ділянки. Однак додаткові виступаючі поверхні 15 і 25 можуть бути сконструйовані таким чином, щоб стикатися при нормальному установленні при 6 UA 100314 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 умові, що не погіршиться якість герметизації, забезпечувана ущільнювальними поверхнями 13 і 23. У варіанті з нарізним з'єднанням, що має виступаючу поверхню з описаним вище двоступеневим контуром, осьова довжина 45 носової ділянки 16 ніпеля 1 по суті дорівнює сумі осьової довжини 48 безконтактної області 18 і осьової довжини 49 додаткової виступаючої поверхні 15, яка також звичайно не стикається з протилежною поверхнею муфти. З нарізним з'єднанням згідно з варіантом, показаним на фіг. 1(А) і 1(В), шляхом створення носової ділянки 16 з безконтактною областю 18, розташованою ближче до кінця ніпеля, ніж ущільнювальна поверхня 13, і шляхом створення форми виступаючої поверхні на кінці ніпеля з двоступеневим контуром, що включає в себе основну виступаючу поверхню 14 і додаткову виступаючу поверхню 15, усувається нестійка деформація скошеної ділянки, досягається чудовий опір стисненню і значно поліпшується загальна герметичність при неодноразових комбінованих навантаженнях. У нарізному з'єднанні для стальних труб згідно з даним винаходом ущільнювальна поверхня ніпеля являє собою звужувану поверхню, а ущільнювальна поверхня муфти містить, в напрямку від охоплювальної нарізки до виступаючої ділянки, першу зігнуту поверхню з великим радіусом кривизни, звужувану поверхню і другу зігнуту поверхню з великим радіусом кривизни. Перша зігнута поверхня розташована ближче до охоплювальної нарізки, а друга зігнута поверхня розташована ближче до виступаючої ділянки. Як згадувалося раніше, поверхня з великим радіусом кривизни має радіус R кривизни 15120 мм. Поверхня з великим радіусом кривизни утворена обертанням кривої, що має описану вище велику кривизну (дуги, еліптичної дуги, параболи і т. п.) навколо осі з'єднання. Множина цих зігнутих ділянок поверхні може бути об'єднана в поверхню з великим радіусом кривизни. Звужувана поверхня утворена обертанням прямої, похилої відносно осі з'єднання, навколо осі з'єднання. На фіг. 3(А)-3(D) представлені схематичні вигляди ущільнювальної поверхні муфти нарізного з'єднання. На фіг. 3(А)-3(С) показані приклади ущільнювальної поверхні муфти згідно з даним винаходом. На фіг. 3(А) показана ущільнювальна поверхня, що має першу зігнуту поверхню з великим радіусом RA кривизни, звужувану поверхню ТА і другу зігнуту поверхню з великим радіусом RB кривизни. Аналогічним чином, на фіг. 3(В) показана ущільнювальна поверхня, що має першу зігнуту поверхню з великим радіусом RA кривизни, звужувану поверхню ТА і другу зігнуту поверхню з великим радіусом RB кривизни, але довжина щонайменше однієї з числа першої і другої зігнутих поверхонь і звужуваної поверхні відмінна від довжини ущільнювальної поверхні, показаної на фіг. 1(А). На фіг. 3(С) показана ущільнювальна поверхня, що має третю зігнуту поверхню з великим радіусом RC кривизни, розташовану перед першою зігнутою поверхнею з великим радіусом RA кривизни, за якою іде звужувана поверхня ТА і друга зігнута поверхня з великим радіусом RB кривизни. На фіг. 3(D) показаний порівняльний приклад ущільнювальної поверхні муфти, що має тільки першу зігнуту поверхню з великим радіусом RA кривизни і звужувану поверхню ТА, як описано в патентному документі 1 і показано на фіг. 4. Ущільнювальна поверхня 23 відрізняється від прилеглих областей точкою, де нахил міняється нерівномірно, або кривою, що має невеликий радіус R кривизни (не більше 6 мм). На фіг. 3(А)-3(D) ущільнювальна поверхня 23 має границі 51 і 56 на обох кінцях з малими радіусами кривизни (обидва не більше 6 мм), Rx і Ry, відповідно. На фіг. 3(А) діапазон або осьова довжина ущільнювальної поверхні позначена посилальною позицією 58. Як згадувалося раніше, осьова довжина ущільнювальної поверхні становить приблизно 2,5-8 мм для труби типорозміру, використовуваного в трубах нафтопромислового сортаменту (із зовнішнім діаметром приблизно 50-550 мм). Фіг. 3(А) одержана шляхом додавання другої зігнутої поверхні 55 з великим радіусом RB кривизни до ущільнювальної поверхні 23, показаної на фіг. 3(D), яка містить першу зігнуту поверхню 53 з великим радіусом RA кривизни і звужувану поверхню ТА 54. Проблема мікростирання може бути зменшена шляхом створення другої зігнутої поверхні 55 з великим радіусом кривизни RB на стороні звужуваної поверхні ближче до виступаючої поверхні. Радіус кривизни і осьова довжина другої зігнутої поверхні можуть бути такими ж або відрізнятися від радіуса кривизни і осьової довжини першої зігнутої поверхні, оскільки обидві вони мають великий радіус кривизни. Радіус кривизни RA першої зігнутої поверхні переважно більше радіуса RB другої зігнутої поверхні. На фіг. 3(В) зображений варіант, який аналогічний варіанту, представленому на фіг. 3(А), за винятком того, що міняється пропорція довжин поверхні 53 з великим радіусом RA кривизни і звужуваної поверхні ТА 54. Пропорція довжини звужуваної поверхні 54, переважно, складає 7 UA 100314 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 близько 0,1-0,6 і більш переважно близько 0,1-0,45, і найбільш переважно близько 0,1-0,3 від всієї довжини ущільнювальної поверхні. Таким чином, осьова довжина звужуваної поверхні 54 переважно становить щонайменше 0,5 мм і більш переважно щонайменше 1 мм. На фіг. 3(С) зображена третя зігнута поверхня 52 з великим радіусом RC кривизни, розташована між першою зігнутою поверхнею 53 з великим радіусом RА кривизни і границею 51 Rx, показаними на фіг. 3(А). Великий радіус RC кривизни поверхні 52 переважно менше, ніж великий радіус RA кривизни поверхні 53. У результаті ущільнювальні поверхні ніпеля і муфти не стикаються одна з одною на границі 51, яка має невеликий радіус Rx кривизни, і контактний тиск в цій області може бути зменшений. У результаті може бути досягнутий більш стабільний контакт між ущільнювальними поверхнями. Кут нахилу (кут відхилення) звужуваної поверхні ТА в ущільнювальній поверхні муфти переважно той же, що і кут нахилу звужуваної поверхні, яка одноосібно утворює ущільнювальну поверхню ніпеля, хоча між кутами нахилу ніпеля і муфти може бути допущена невелика різниця в межах 5 градусів. Як згадувалося вище, кут нахилу звужуваної поверхні в ущільнювальній поверхні муфти згідно з даним винаходом і кут нахилу звужуваної поверхні ніпеля переважно становить 5-25 градусів і більш переважно 8-20 градусів для ефективного забезпечення ущільнювальними поверхнями їх функції герметизації. Якщо цей кут дуже великий, герметизуючий контактний тиск при прикладанні розтягувального навантаження зменшується, а якщо він дуже малий, легко може виникнути стирання в зв'язку із збільшенням відстані зміщення. Вищенаведене пояснення стосується, насамперед, нарізного з'єднання для стальних труб, показаного на фіг. 1, що має звужувану безконтактну область і виступаючі поверхні з двоступеневим контуром, але конструкція ущільнювальних поверхонь 13 і 23 ніпеля і муфти згідно з даним винаходом також ефективна для нарізного з'єднання для стальних труб з носовою ділянкою, як показано на фіг. 2, з циліндричною безконтактною областю і по суті вертикальною виступаючою поверхнею. Вона також може бути застосована в ущільнювальних поверхнях 13 і 23 типового високогерметичного з'єднання, як показана на фіг. 7. Приклади Для ілюстрації ефекту даного винаходу випробування серії А згідно з документом 13679 Міжнародної організації по стандартизації були проведені на нарізному з'єднанні з корпусом розмірами 9-5/8 дюйма в діаметрі і вагою 53,5 фунтів на фут (зовнішнім діаметром 244,48 мм і товщиною стінки 13,84 мм). Ніпель був виконаний зовні на обох кінцях стальних труб, а муфта була виконана всередині по обидві сторони з'єднання. Піддане цьому випробуванню нарізне з’єднання, виконане зі сталі L80 (вуглецева сталь), призначеної стандартами Американського інституту нафти, мало базову форму муфтового нарізного з'єднання для труб нафтопромислового сортаменту, показану на фіг. 7, за винятком форми його скошеної ділянки, яка мала висунутий скіс тієї форми, що показана на фіг. 1(А) або фіг. 2, включаючи ущільнювальну поверхню, виступаючу поверхню і безконтактну область між ущільнювальною поверхнею і виступаючою поверхнею для ніпеля і муфти. Кут нахилу звужуваної поверхні (ділянки) в ущільнювальних поверхнях ніпеля і муфти становив 14 градусів. Для випробувань герметичності були представлені два нарізні з'єднання А і В, в яких форма ущільнювальної поверхні муфти була різною. У одному нарізному з'єднанні А, яке було варіантом згідно з даним винаходом, ніпель мав скошену ділянку форми, показаної на фіг. 1(А), що включає в себе звужувану ущільнювальну поверхню, звужувану безконтактну область і виступаючу поверхню з двоступеневим контуром, що має основну ділянку виступаючої поверхні і додаткову виступаючу ділянку виступаючої поверхні. Осьова довжина 45 скошеної ділянки ніпеля становила 15 мм, а осьова довжина 49 додаткової виступаючої ділянки поверхні була 3,99 мм. Зворотний кут 42 основної ділянки виступаючої поверхні становив 15 градусів, а кут нахилу 43 додаткової виступаючої ділянки поверхні відносно осі з'єднання становив 20 градусів. Кут фаски 17 відносно осі з'єднання становив 15 градусів. Муфта, яка мала форму, показану на фіг. 1(А), мала ущільнювальну поверхню форми, показаної на фіг. 3(А), в якій, починаючи зі сторони, найближчої до охоплювальної нарізки, вона мала зігнуту поверхню 53 з великим радіусом R60 кривизни (для осьової довжини 1,75 мм), звужувану поверхню 54 (для осьової довжини 1,0 мм) і зігнуту поверхню 55 з великим радіусом R25 кривизни (для осьової довжини 1,0 мм). R60 і R25 показують, що радіуси кривизни становили 60 мм і 25 мм, відповідно. Кут нахилу звужуваної ділянки поверхні в ущільнювальній поверхні муфти становив 14 градусів, як в звужуваній ущільнювальній поверхні ніпеля. У іншому нарізному з'єднанні В ніпель мав скошену ділянку форми, показаної на фіг. 2, що включає в себе звужувану ущільнювальну поверхню і циліндричну безконтактну область. 8 UA 100314 C2 5 10 15 Осьова довжина скошеної ділянки становила 15 мм. Відповідна муфта мала ущільнювальну поверхню форми, показаної на фіг. 3(D), що має зігнуту поверхню 53 з великим радіусом кривизни (для осьової довжини 1,75 мм) і звужувану поверхню 54 (для осьової довжини 1,75 мм). Кут нахилу звужуваної поверхні в ущільнювальній поверхні муфти становив 14 градусів, як в звужуваній ущільнювальній поверхні ніпеля. Коли ці два нарізні з'єднання піддалися жорстким випробуванням серії А згідно з документом 13679 Міжнародної організації по стандартизації, відповідно до якого були неодноразово прикладені комбіновані навантаження на розтягнення, стиснення, а також внутрішній і зовнішній тиск, в нарізному з'єднанні А згідно з даним винаходом не відбулося мікростирання. З цим нарізним з'єднанням не було зафіксовано витоків, ущільнювальні поверхні після цих випробувань на герметичність були гладкими і не спостерігалося шорсткості поверхні або подібних ефектів. Навпаки, в нарізному з'єднанні В, як описано в патентному документі 1, спостерігалося виникнення мікростирання і, в результаті, також був виявлений витік. Вищенаведене пояснення стосується певних режимів даного винаходу, але це пояснення являє собою лише приклад, і даний винахід не обмежений цими режимами. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 35 40 45 50 1. Нарізне з'єднання для стальних труб, що містить ніпель і муфту, при цьому ніпель має охоплювану нарізку і скошену ділянку, що має ущільнювальну поверхню і виступаючу поверхню, а муфта має охоплювальну нарізку, ущільнювальну поверхню і виступаючу поверхню, і при з'єднанні охоплювана нарізка зачіплюється з охоплювальною нарізкою, ущільнювальна поверхня ніпеля герметично контактує з ущільнювальною поверхнею муфти, і виступаюча поверхня ніпеля щільно примикає до виступаючої поверхні муфти, яке відрізняється тим, що ущільнювальна поверхня ніпеля утворена тільки звужуваною ділянкою поверхні, а ущільнювальна поверхня муфти містить, в напрямку від охоплювальної нарізки до виступаючої поверхні, першу зігнуту поверхню з великим радіусом кривизни, звужувану поверхню і другу зігнуту поверхню з великим радіусом кривизни. 2. Нарізне з'єднання для стальних труб за п. 1, в якому перша зігнута поверхня з великим радіусом кривизни містить множину зігнутих поверхонь. 3. Нарізне з'єднання для стальних труб за п. 1 або п. 2, в якому друга зігнута поверхня з великим радіусом кривизни містить множину зігнутих поверхонь. 4. Нарізне з'єднання для стальних труб за будь-яким з пп. 1-3, в якому кут нахилу звужуваної ущільнювальної поверхні ніпеля і звужуваної поверхні ущільнювальної поверхні муфти відносно осі з'єднання становить 5-25 градусів. 5. Нарізне з'єднання для стальних труб за будь-яким з пп. 1-4, в якому виступаюча поверхня ніпеля розташована на кінцевій поверхні ніпеля, ущільнювальна поверхня ніпеля розташована в безпосередній близькості від охоплюваної нарізки між охоплюваною нарізкою і кінцем труби, а безконтактна область, в якій ніпель і муфта не контактують одне з одним, розташована в ніпелі і муфті в положенні між ущільнювальною поверхнею і виступаючою поверхнею. 6. Нарізне з'єднання для стальних труб за п. 5, в якому виступаюча поверхня ніпеля і муфти включає в себе дві різні прилеглі поверхні, утворені основною виступаючою поверхнею на радіально внутрішній стороні і додатковою виступаючою поверхнею на радіально зовнішній стороні, при цьому основні виступаючі поверхні ніпеля і муфти розташовані так, щоб запобігти спрямованій радіально всередину деформації кінцевої частини скошеної ділянки, а додаткові виступаючі поверхні ніпеля і муфти розташовані так, щоб обмежити спрямовану радіально назовні деформацію кінцевої частини кінцевої ділянки, причому радіальний розмір основної виступаючої поверхні ніпеля перевищує радіальний розмір додаткової виступаючої поверхні ніпеля, і щонайменше основна виступаюча поверхня ніпеля щільно примикає до основної виступаючої поверхні муфти в осьовому напрямку при з'єднанні. 9 UA 100314 C2 10 UA 100314 C2 11 UA 100314 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 12