Різьбове з’єднання труб

Різьбове з'єднання труб, яке включає охоплюючу і охоплювану тр уби із взаємодіючими між собою відповідними ділянками різьбових та конічних ущільнювальних поверхонь, на проміжку між якими охоплювана труба з внутрішньої та зовнішньої сторін містить проточки і має меншу від сусідніх ділянок згинальну жорсткість стінки, та герметизуючий елемент з матеріалу з іншими властивостями, ніж у матеріалу труб, яке відрізняється тим, що проточки виконані із збільшенням діаметрів у напрямку від різьбової до ущільнюва U 1 3 39865 4 охоплюючої поверхні), коли контакт ущільнюваль1 r = (b + a ), h = b - a, них поверхонь досягнуто, то в цей час взаємодія 2 (3) різьбових поверхонь ще недостатня для міцності де b - радіус ущільнювальної поверхні, який є з'єднання. А висока жорсткість стінки охоплюваної зовнішнім для охоплюваної труби, мм; труби на проміжку між ущільненням і різьбою пеа - внутрішній радіус охоплюваної труби, мм. решкоджає радіальному стисканню стінки охоплюЗбільшення радіуса u2 охоплюючої труби, яка ваної труби, яке б могло дозволити подальше замає товстішу стінку, розраховують за формулою гвинчування різьби до досягнення міцності Ламе [3, стор. 73; 4, стор. 315] з'єднання. Тому такі з'єднання вимагають трудоміæ c 2 + b2 ö PK сткого індивідуального підбору та одночасного ç ÷, u2 = ×b × 2 + m2 ç c - b2 ÷ узгодження радіусів конічних різьбових і ущільнюE2 è ø (4) вальних поверхонь охоплюючої та охоплюваної де с - зовнішній радіус охоплюючої труби, мм; труб. b - радіус ущільнювальної поверхні, який є Відоме різьбове з'єднання теплоподавальних внутрішнім для охоплюючої труби, мм; труб [5], яке включає муфту з двостороннім устуE2 - модуль пружності матеріалу охоплюючої пом в середній частині, конічними різьбовими дітруби, МПа; лянками і конічними ущільнювальними поверхняm2 - коефіцієнт поперечної деформації матеріми з боку уступа та ніпелі з відповідними до муфти алу о хоплюючої тр уби. конічною різьбою і конічною ущільнювальною діПідставивши вирази (2-4) у вираз (1), отримулянкою з кільцевою проточкою під герметизуючий ють формулу для розрахунку контактного тиску РK елемент, яка виконана на торці ніпеля і довжина (МПа), який створюється натягом D в ущільненні якої вибирається меншою за довжину ущільнюваD льної ділянки ніпеля. Герметизуючий елемент виPK = , конаний із матеріала з коефіцієнтом лінійного æ c 2 + b2 ö 1 (b + a)2 b ç × 2 + m2 ÷ + × розширення при підвищенні температури більшим, ç c - b2 ÷ E1 4 × (b - a) E2 è ø (5) ніж такий коефіцієнт матеріала муфти і ніпеля, та Цей тиск викликає на контактних поверхнях може бути виконаний із матеріала з пам'яттю фосили тертя при згвинчуванні. Тому заданий радірми. Цей елемент установлено в кільцевій проточці, а його зовнішня поверхня має конічну форму, альний натяг (різницю радіусів) D і розраховану величину РK обмежують (вибирають меншими) відповідну до конічної ущільнювальної поверхні так, щоб момент сил тертя був меншим за крутний муфти, діаметр якої в розрахунковій площині вимомент, який може розвинути загвинчувальний бирають із розрахунку за заданим виразом. Повемеханізм. рхні двостороннього уступа муфти в її середній частині та взаємодіючі з ними торці герметизуючих Однак під час виготовлення труб на їх ущільнювальних поверхнях утворюються мікронерівноселементів виконані у вигляді частини конічної поті (наприклад, від різального інструменту), по верверхні, при чому вершини конусів, що утворюють шинах яких відбувається контакт при згвинчуванні ці поверхні, направлені від середньої частини мутруб. На кожній з контактних поверхонь виникають фти до її торців. Однак необхідна для роботи цього з'єднання стискаючі напруження, які рівні розрахованій величині РK. Через це вони виявляються меншими за одночасна взаємодія конічних різьбових і ущільнапруження плинності матеріалу труб, який вибинювальних поверхонь охоплюваних труб - ніпелів і рають з високими механічними властивостями герметизуючого елемента з відповідними поверх(наприклад, сталі), здатними витримувати діючі нями охоплюючої труби - муфти зумовлює наявність у такого з'єднання усіх недоліків, описаних тиски у свердловині. Тому вершини мікронерівностей пластично не деформуються і між ним заливище для різьбових з'єднань труб за [1, 2], Також шаються впадини, що можуть утворювати негернеобхідна для його роботи одночасна взаємодія метичні, сполучені між собою, наскрізні канали, торців ніпелів з уступом муфти, яка полягає у їх через які відбувається витікання рідини чи газу та впиранні, перешкоджає загвинчуванню труб і взаємодії їх конічних різьбових та ущільнювальних втрата герметичності з'єднання. Щоб усунути ці мікронерівності, потрібні додадкові витрати на виповерхонь внаслідок відхилень довжини двостосоковартісну якісну обробку контактних поверхонь роннього уступа (наприклад, у бік збільшення), які (наприклад, шліфування, полірування). є допустимими при його виготовленні. Тому таке Крім цього, під час виготовлення різьбових і з'єднання вимагає додаткового трудомісткого підбору та узгодження довжини двостороннього устуущільнювальних поверхонь цих труб виникають допустимі відхилення їх радіусів у бік збільшення па муфти з наявними відхиленнями радіусів коніччи зменшення. Це приводить до того, що при згвиних різьбових і ущільнювальних поверхонь на нчуванні з'єднання на одній з двох конічних діляохоплюючій і на охоплюваній трубах. нок - або у різьбі, або в ущільненні, контакт настає До цього ж кільцева проточка зі сторони ущільнювальних поверхонь з установленим герметираніше і перешкоджає взаємодії поверхонь на іншій. Наприклад, у випадку збільшеного натяга у зуючим елементом за довжиною виконана менрізьбі взаємодія охоплюваної і охоплюючої труб на шою, ніж конічна ущільнювальна ділянка. Це різьбовій ділянці досягається раніше, ніж контакт зменшує площу взаємодії поверхонь в ущільненні і між поверхнями ущільнення, і тому герметичність погіршує його герметизуючі властивості. А при виконанні герметизуючого елемента з матеріала, не досягається. У випадку збільшеного натяга в ущільненні (наприклад, при збільшеному радіусі коефіцієнт теплового розширення якого більший охоплюваної поверхні або при зменшеному радіусі за такий коефіцієнт матеріала муфти і тр уби, при 5 39865 6 підвищенні температури такий елемент розтискає ("витягується" із ущільнення) на величину зменмуфту і розширюється більше, ніж охоплювана шення проміжку, що додатково зменшує натяг і труба, чим погіршує ущільнення з нею і як наслідок контактний тиск в ущільненні. - герметичність з'єднання. Задача, яка ставилась при створенні цієї кориКрім того, кільцевий герметизуючий елемент сної моделі - підвищити надійність та щільність цього з'єднання встановлено між ущільнювальниконтакту між ущільнювальними поверхнями у з'єдми поверхнями охоплюючої і охоплюваної труб, нанні труб при дії високих тисків шляхом заповщо утворює дві контактні поверхні, на яких присутнення впадин мікронерівностей на цих поверхнях ні мікронерівності та впадини між ними. Через це пластично здеформованим матеріалом внаслідок зростає кількість шляхів витікання рідини чи газу і збільшення натягу та підвищення контактного тиспорушення герметичності з'єднання, а також збіку за рахунок товщини герметизуючого елемента і льшується кількість поверхонь, розміри яких потрінаправлення деформацій стінок охоплюваної трубно індивідуально підбирати при виготовленні би на поверхні ущільнення. з'єднання. Поставлена задача вирішується тим, що у віНайбільш близьким до запропонованого є відомому різьбовому з'єднанні труб, яке включає доме з'єднання теплоподава-льних труб [6], яке охоплюючу і охоплювану труби із взаємодіючими включає охоплюючу і охоплювану тр уби із взаємоміж собою відповідними ділянками різьбових та діючими між собою відповідними ділянками різьконічних ущільнювальних поверхонь, на проміжку бових та конічних ущільнювальних поверхонь і між якими охоплювана труба з внутрішньої та зовкільцеву проточку під герметизуючий елемент, нішньої сторін містить проточки і має меншу від коефіцієнт теплового розширення якого більший сусідніх ділянок згинальну жорсткість стінки, та за такий коефіцієнт матеріала труб. Кільцева прогерметизуючий елемент із матеріалу з іншими точка розміщена з протилежної до конічної ущільвластивостями, ніж у матеріалу труб, згідно із конювальної поверхні сторони стінки охоплюваної рисною моделлю проточки виконані із збільшентруби і складається з двох ділянок, одна з яких з ням діаметрів у напрямку від різьбової до ущільгерметизуючим елементом відповідає по довжині нювальної ділянки, а герметизуючий елемент конічній ущільнювальній поверхні, а друга відповірозміщений на охоплюючій трубі по усій довжині дає проміжку між різьбовою і конічною ущільнюваущільнювальної поверхні у вигляді шар у матеріалу льною поверхнями. Стінки охоплюваної труби на з пластичними властивостями вищими, ніж у макожній ділянці виконані з різними деформаційними теріалу труб, і товщиною S, яку вибирають з нахарактеристиками із розрахунку різної товщини і ступного виразу відповідною їй жорсткістю так, що стінка охоплюæ c 2 + b2 ö s s (b + a )2 ваної труби між ділянками різьбової та конічної S = П ×b ×ç 2 + m2 ÷ + П × , 2 ç c -b ÷ E2 4 × (b - a) E2 ущільнювальної поверхонь вибрана з найменшою è ø (6) згинальною жорсткістю. де с - зовнішній радіус охоплюючої труби, мм; Незважаючи на те, що таке з'єднання дозвоb - радіус ущільнювальної поверхні, який є золяє одночасну взаємодію конічних поверхонь труб внішнім для охоплюваної труби і внутрішнім для на ділянках ущільнення і різьби у випадку збільохоплюючої труби, мм; шеного радіального натяга в ущільненні за рахуа - внутрішній радіус охоплюваної труби, мм; нок найменшої згинальної жорсткості стінки охопs П - напруження плинності матеріалу гермелюваної труби на проміжку між ущільненням і тизуючого елемента, МПа; різьбою, яка сприяє радіальним деформаціям стиЕ1 і Е2 - модуль пружності матеріалу відповідно скання стінки охоплюваної труби, і можливості охоплюваної і охоплюючої тр уб, МПа; завдяки цьому продовжувати загвинчування різьби m2 - коефіцієнт поперечної деформації матерідо досягнення її міцності, це з'єднання має інші алу о хоплюючої тр уби. недоліки, описані вище для з'єднань труб за [1, 2]. Конструкція з'єднання виконанням проточок із Недоліком цього з'єднання є те, що кільцева збільшенням діаметрів у напрямку від різьбової до проточка зменшує товщин у і відповідну їй жорстущільнювальної ділянки на проміжку між ними на кість стінки охоплюваної труби на довжині ущільвнутрішній та зовнішній сторонах охоплюваної нення, що разом з меншою жорсткістю її стінки між труби забезпечує збільшення цього проміжку під ущільненням та різьбою призводить до зменшення час згину та повороту його стінки, які викликані контактного тиску на ущільнювальних поверхнях, необхідним для роботи з'єднання стисканням і який не здатний здеформувати мікронерівності і зменшенням радіуса ущільнювальної ділянки охоусун ути впадини між ними. До того ж герметизуюплюваної труби. Це приводить до додаткового чий елемент розміщений у кільцевій проточці з просування цієї ділянки у напрямку від різьби, у протилежної до ущільнювальної поверхні сторони якій досягнуто міцність з'єднання, до ущільнювастінки охоплюваної труби і тому не спроможний льної поверхні охоплюючої тр уби, і внаслідок цьозаповнити вказані впадини. го до зростання на ній натягу та контактного тиску, Крім того, для роботи цього з'єднання є необщо підвищує надійність ущільнення. хідним згин і поворот стінки охоплюваної труби на Розміщення герметизуючого елемента на охопроміжку між ущільненням та різьбою у напрямку плюючій трубі по усій довжині ущільнювальної зменшення радіуса стінки ділянки ущільнення внаповерхні зберігає на ділянці ущільнення охоплюслідок її стискання, що зменшує довжину цього ваної труби більшу товщин у і відповідно більшу проміжку. Оскільки міцність з'єднання досягнута у жорсткість стінки завдяки відсутності проточок на різьбі, то ділянка ущільнення охоплюваної труби ній, що сприяє досягненню вищого контактного зміщується у напрямку від ущільнення до різьби 7 39865 8 тиску на ущільнювальних поверхнях, а також заділянкам 3 вони переміщуються назустріч одна безпечує контакт по усій площі цих поверхонь, що одній до взаємодії між ущільнювальними поверхпідвищує герметичність ущільнення. нями 4 герметизуючого елемента 7 і охоплюваної Виконання герметизуючого елемента у вигляді труби 1. Загвинчування з'єднання і переміщення шару матеріалу забезпечує працездатність з'єдтруб продовжують далі, у результаті чого стінка нання незалежно від способу розміщення цього охоплюваної труби 1 на ділянці конічної поверхні 4 елемента у з'єднанні (наприклад, одним із спосопружно стискається, а її радіус зменшується. Це бів - запресування тонкого кільця, наварювання викликає кільцевий згин і поворот стінки труби 1 на металу, наплавлювання чи напилювання матеріапроміжку проточок 5 і 6, внаслідок чого цей промілу, гальванічного чи електрохімічного покриття жок збільшується у напрямку від різьби 3, де досятощо) і дозволяє зменшити вартість з'єднання за гнута міцність з'єднання, до ущільнення 4 і створахунок вибору дешевшого способу ви готовлення. рює додаткове просування та стискання стінки Вибір матеріалу герметизуючого елемента з охоплюваної труби 1 на ділянці ущільнення, що пластичними властивостями (наприклад: цинк, підвищує його надійність. свинець, мідь, фторопласт, поліетилен, інші види Пружно стиснута в ущільненні стінка труби 1 пластмас) вищими, ніж у матеріалу труб (напристворює контактний тиск на ущільнювальних поклад, сталі), забезпечує нижчі напруження плинверхнях 4 і відповідні напруження стискання герності матеріалу елемента і заповнення ним впадин метизуючого елемента 7. Оскільки його товщину S мікронерівностей на ущільнювальних поверхнях вибрано із виразу (6), то цим збільшено радіальтруб завдяки його пластичному деформуванню, ний натяг в ущільненні 4 на величину S, тому відяке стає досяжними для діючого в ущільненні конповідно до виразу (5) контактний тиск досягає знатактного тиску. чення s П напружень плинності матеріалу Вибір товщини S герметизуючого елемента за елемента 7. Це викликає його пластичні деформавиразом (6) забезпечує збільшення радіального ції і заповнення ним впадин мікронерівностей на натягу в ущільненні на цю величину S, що відповіущільнювальних поверхнях 4 охоплюваної 1 і оходно до розрахункової формули (5) забезпечує зроплюючої 2 труб, що забезпечує герметизацію з'єдстання контактного тиску в ущільненні, який досянання. гає значення s П напружень плинності матеріалу Економічна ефективність запропонованої елемента і викликає його пластичні деформації, конструкції різьбового з'єднання труб слідує із піднеобхідні для герметизації. вищення герметичності і надійності з'єднання при Корисна модель ілюструється креслензгвинчуванні та роботі при високих тисках в умоням, де на фігурі зображено загальний вигляд завах свердловини. пропонованого з'єднання. Джерела інформації: Різьбове з'єднання складається із охоплюва1. ГОСТ 632-80. Трубы обсадные и муфты к ної 1 і охоплюючої 2 тр уб, які взаємодіють між соним. Технические условия. бою ділянками різьбових 3 і конічних ущільнюва2. ГОСТ 633-80. Трубы насоснольних 4 поверхонь. На проміжку між ними компрессорные и муфты к ним. Технические услоохоплювана труба 1 з внутрішньої і зовнішньої вия. сторін містить проточки 5 і 6, завдяки яким має 3. Еременко Т.Е., Мочернюк Д.Ю., Тищенко меншу від сусідніх ділянок згинальну жорсткість А.В. Герметизация резьбовых соединений обсадстінки, при чому проточки 5 і 6 виконані із збільных колонн нефтяных и газовых скважин. - Киев: шенням діаметрів у напрямку від різьбової 3 до Техника, 1967.-170 с. ущільнювальної 4 ділянки. Герметизуючий еле4. Бояршинов С.В. Основы строительной мемент 7 розміщений на охоплюючій трубі 2 по усій ханики машин. - Москва: Машиностроение, 1973. довжині ущільнювальної поверхні 4 у вигляді шару 456 с. матеріалу з пластичними властивостями вищими, 5. А.с. СССР№ 1663174, кл. Е21В 17/02, ніж у матеріалу труб 1 і 2, і товщиною S , яку виби17/042, F16L 15/00. Бюл. № 26, 15.07.1991р. рають із виразу (6). 6. Патент України № 76804, кл. Е21В 17/02, Різьбове з'єднання збирають наступним чиF16L 15/00. Бюл. № 9, 15.09.2006р. ном. При згвинчуванні труб 1 і 2 завдяки різьбовим 9 Комп’ютерна в ерстка А. Крижанівський 39865 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601