Резьбовое соединение для пластично расширяемого врадиальном направлении трубопровода - RU2282779C2
Код документа: RU2282779C2
Чертежи
Описание
Предпосылки для создания изобретения
Область применения изобретения
Изобретение, в общем, относится к резьбовым соединениям, используемым для соединения участков трубопровода. Точнее, изобретение относится к конструкциям резьбовых соединений, которые, в частности, могут быть использованы в трубах или трубопроводах, пластично расширяемых в радиальном направлении.
Известный уровень техники
Резьбовые трубные соединения используются для соединения по торцам участков труб или трубопроводов, чтобы сформировать непрерывную трубу или трубопровод для транспортирования текучей среды под давлением. В трубах, применяемых в нефтяной промышленности, например в обсадных трубах, такие резьбовые соединения обычно используются для соединения участков трубы или трубопровода. Примеры таких резьбовых соединений, предназначенных для использования на трубах, применяемых в нефтяной промышленности, раскрыты в патентах США №№ 2239942, 2992019, 3359013, RE30647 и RE34467.
В патенте США № RE30647 на имя Blose раскрыта определенная форма или конструкция резьбы для трубного соединения, которая позволяет получить необыкновенно прочное соединение и обеспечивает допустимые уровни напряжений и деформаций в соединенных элементах в виде "пальца" (охватываемая резьбовая часть) и "втулки" (охватывающая резьбовая часть). Пальцевый элемент имеет, по меньшей мере, один, в общем, выполненный в форме ласточкиного хвоста наружный виток резьбы, ширина которого увеличивается в одном направлении вдоль пальца, в то время как элемент в виде втулки имеет, по меньшей мере, один сопрягающийся, в общем, выполненный в форме ласточкиного хвоста внутренний виток резьбы, ширина которого увеличивается в другом направлении. Сочетание сопрягающихся витков резьбы, выполненных в форме ласточкиного хвоста, обеспечивает клинообразное зацепление противоположных боковых поверхностей витков резьбы на пальце и втулке, которое ограничивает степень относительного вращения элементов в виде пальца и втулки и определяет состояние силового монтажа, которое завершает получение соединения. В этой конструкции резьбы углы буртика боковой поверхности, а также ширина резьбы могут быть использованы для контроля состояния напряжений и деформаций предварительного нагружения, создаваемых в элементах в виде пальца и втулки для заданного крутящего момента при монтаже. Таким образом, ввиду приспосабливания конструкции резьбы к конкретному практическому применению трубное соединение или сочленение будет ограничено только свойствами выбранных материалов.
Известные трубные резьбовые соединения включают элементы в виде пальца и втулки. Элемент в виде втулки имеет образованную на нем коническую внутреннюю конструкцию резьбы во многих случаях обычно в форме ласточкиного хвоста, которая предназначена для зацепления с сопрягающейся с ней конической наружной конструкцией резьбы, образованной на элементе в виде пальца, чтобы механически прикрепить друг к другу элементы в виде пальца и втулки с возможностью их разъединения.
Внутренняя резьба на элементе в виде втулки имеет стабилизирующие боковые поверхности, нагрузочные боковые поверхности, корневые части и гребни. Внутренняя резьба постепенно и равномерно увеличивается по ширине в одном направлении по существу по всей длине спирали витка резьбы. Наружная резьба элемента в виде пальца имеет стабилизирующие боковые поверхности, нагрузочные боковые поверхности, корневые части и гребни. Наружная резьба постепенно и равномерно увеличивается по ширине в другом направлении по существу по всей ее длине. Увеличение ширины резьбы в противоположном направлении и конусность резьбы обеспечивают сопряжение корневых частей и гребней соответствующих витков резьбы и их перемещение в состояние зацепления в течение монтажа соединения совместно с перемещением в состояние зацепления сопрягающихся стабилизирующих и нагрузочных боковых поверхностей при монтаже соединения.
Элемент в виде пальца или элемент в виде втулки определяет ось смонтированного соединения. В некоторых случаях корневые части и гребни на элементах в виде пальца и втулки могут быть выполнены плоскими и параллельными продольной оси соединения, при этом они могут иметь достаточную ширину, чтобы предотвратить любую постоянную деформацию витков резьбы, когда смонтировано соединение.
Важной частью любого соединения является уплотнение для сохранения герметичности соединений трубопровода, предназначенного для текучей среды под давлением. Обычно соединения выполняют таким образом, чтобы они включали уплотнение металл-металл. Уплотнения металл-металл обладают преимуществом, поскольку они не требуют использования прокладок или других дополнительных уплотняющих устройств, которые обычно подлежат периодической замене при сборке и разборке соединений. Металлическое уплотнение будет обеспечено тогда, когда контактное давление между двумя металлическими поверхностями превышает давление текучей среды, которое должно быть сохранено с помощью уплотнения. Обычно контактное давление создают в течение монтажа соединения. Некоторые типы уплотнений металл-металл будут обеспечены посредством внутреннего давления в трубе.
Были разработаны трубы, предназначенные для использования в нефтяной промышленности, которые могут быть пластично расширены в радиальном направлении от их начального диаметра после монтажа для предполагаемого применения. Смотри, например, работу R.D. Mack и др. "Влияние местного расширения на свойства обсадной трубы и трубопровода", World Oil, июль, 1999, Gulf Publishing Co., Хьюстон, Техас, в которой описаны расширяемые в радиальном направлении трубы, используемые в нефтяной промышленности. Трубы, расширяемые в радиальном направлении, в частности, используются в качестве обсадных труб в скважинах, служащих для добычи нефти и газа. Трудно обеспечить уплотнение трубных соединений, расширяемых в радиальном направлении, используя известные в этой отрасли уплотнения металл-металл.
Также было установлено, что обычные резьбовые соединения, включая ранее описанные резьбы с изменяемой шириной, подвергаются значительным изменениям в отношении распределения напряжений, когда такие соединения пластично расширяются в радиальном направлении. Необходимо иметь резьбовое соединение, которое может сохранять прочность и уплотняющую способность даже после пластичного расширения в радиальном направлении. Также было установлено, что в резьбовых соединениях, например в таких, как описанные соединения с изменяемой шириной резьбы, может происходить неравномерное распределение напряжений, когда такое соединение подвергается воздействию значительных сжимающих или растягивающих напряжений. Поэтому необходимо иметь резьбовое соединение, которое обладает повышенной способностью сопротивления растягивающим и сжимающим напряжениям.
Краткое изложение существа изобретения
Один из аспектов изобретения представляет собой резьбовое соединение для трубопровода, расширяемого в радиальном направлении. Резьбовое соединение включает охватываемый элемент с витками резьбы, которые определяют шаг нагрузочной боковой поверхности, шаг стабилизирующей боковой поверхности и номинальный шаг. Охватывающий элемент имеет витки резьбы, которые предназначены для сопряжения с витками резьбы на охватываемом элементе. Витки резьбы на охватывающем элементе также определяют шаг нагрузочной боковой поверхности, шаг стабилизирующей боковой поверхности и номинальный шаг. По меньшей мере, один из шага нагрузочной боковой поверхности и шага стабилизирующей боковой поверхности, по меньшей мере, на одном из охватывающего элемента и охватываемого элемента изменяется в заданной степени, начиная с выбранного расстояния от конца витков резьбы. Шаг нагрузки и шаг стабилизации отличаются друг от друга на протяжении, по меньшей мере, части длины резьбы.
В одном из вариантов каждый из шага нагрузочной боковой поверхности, номинального шага и шага стабилизирующей боковой поверхности изменяются в соответствующей степени на выбранном расстоянии, по меньшей мере, от одного соответствующего конца резьбы на охватываемом элементе и на охватывающем элементе.
В одном из вариантов шаг стабилизирующей боковой поверхности уменьшается у носовой части охватываемого элемента, а также шаг стабилизирующей боковой поверхности уменьшается у основания резьбы охватывающего элемента. Шаг стабилизирующей боковой поверхности по существу равен номинальному шагу у носовой части охватываемого элемента и у основания резьбы охватывающего элемента. В одной конкретной разновидности этого варианта шаг нагрузочной боковой поверхности увеличивается у основания резьбы охватываемого элемента и, кроме того, шаг нагрузочной боковой поверхности увеличивается у открытого конца охватывающего элемента. Шаг нагрузочной боковой поверхности по существу равен номинальному шагу у основания охватываемого элемента и у открытого конца охватывающего элемента.
В некоторых вариантах шаг стабилизации уменьшается, а шаг нагружения увеличивается вблизи от первого вошедшего в зацепление витка резьбы как на охватываемом, так и на охватывающем элементе, при этом шаг нагружения уменьшается, а шаг стабилизации увеличивается вблизи от последнего вошедшего в зацепление витка резьбы как на охватывающем, так и на охватываемом элементе.
В некоторых вариантах вблизи от первого вошедшего в зацепление витка резьбы как на охватывающем, так и на охватываемом элементе шаг нагружения и шаг стабилизации увеличиваются.
В некоторых вариантах на охватываемом элементе шаг нагружения уменьшается вблизи от его последнего вошедшего в зацепление витка резьбы, а на охватывающем элементе шаг стабилизации увеличивается вблизи от его последнего вошедшего в зацепление витка резьбы.
В некоторых вариантах изменение шага происходит линейно. В некоторых вариантах выбранное расстояние составляет порядка двух витков резьбы.
Другие аспекты и преимущества изобретения будут понятны из последующего описания и прилагаемых пунктов формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг.1А изображен вид выреза одной боковой стороны охватывающего конца резьбового соединения.
На фиг.1В изображен вид выреза охватываемого конца и охватывающего конца одной боковой стороны резьбового соединения, когда концы соединены или "собраны".
На фиг.1С изображен вид выреза охватываемого конца одной боковой стороны резьбового соединения.
На фиг.2-20 изображены графики шага стабилизации, шага нагружения и номинального шага для взятых в качестве примера вариантов осуществления резьбового соединения согласно изобретению.
На фиг.21 изображен альтернативный вид резьбы, который может быть использован с разными вариантами осуществления изобретения.
На фиг.22 изображен еще один альтернативный вид резьбы, который может быть использован с разными вариантами осуществления изобретения.
На фиг.23 изображен вариант осуществления изобретения, который имеет повышенную способность выдерживать напряжения растяжения.
На фиг.24 изображен вариант осуществления изобретения, который имеет повышенную способность выдерживать напряжения сжатия.
На фиг.25А-25В изображен вариант осуществления изобретения, который имеет повышенную способность выдерживать крутящий момент и усталостные напряжения.
Подробное описание
В наиболее общих чертах изобретение представляет собой резьбовое соединение, в частности, предназначенное для использования в трубопроводе, пластично расширяемом в радиальном направлении, либо в некоторых вариантах осуществления изобретение, в частности, может быть предназначено для использования в тех случаях, когда предполагается, что соединение будет подвержено воздействию значительных растягивающих или сжимающих напряжений. Варианты осуществления изобретения включают тип резьбы, известной под товарным знаком "Wedge Thread". "Wedge Thread" представляет собой товарный знак Hydril Company, Хьюстон, Техас, правопреемника настоящего изобретения и относится к резьбовым соединениям, в которых шаг нагрузочной боковой поверхности отличается от шага стабилизирующей боковой поверхности.
На фиг.1В изображен вид выреза охватываемого элемента (пальца) 3, подсоединенного к охватывающему элементу (втулке) 2 резьбового соединения 1, когда палец 3 и втулка 2 соединены друг с другом. Для ясности показана только одна сторона соединения 1 (по отношению к центральной линии или к продольной оси соединения), при этом другая сторона будет представлять собой зеркальное отражение стороны, показанной на фиг.1В. Палец 3 заканчивается в носовой части 18 и начинается у основания 22 резьбы. Расстояние 24 между носовой частью 18 пальца и основанием 22 резьбы известно как длина 24 резьбы. Между носовой частью 18 и основанием 22 расположены витки 26 резьбы. В примере, показанном на фиг.1В, витки 26 резьбы, в общем, имеют форму ласточкиного хвоста. Далее будет разъяснено, что для использования в резьбовом соединении согласно изобретению также приемлемы и другие типы витков резьбы.
Втулка 2 заканчивается у открытого конца 16 и начинается у основания 20 резьбы. Между основанием 20 резьбы втулки и концом 16 втулки внутренняя поверхность втулки 2 имеет витки 26 резьбы, которые предназначены для сопряжения с витками 26 резьбы на пальце 3.
Отличительный признак витков резьбы, используемых в различных вариантах осуществления изобретения, заключается в том, что "шаг" витков резьбы, в общем, иной для одной боковой поверхности резьбы, чем для другой боковой поверхности резьбы. На фиг.1А более подробно показан участок втулки 2 согласно фиг.1В. Каждый из витков резьбы включает стабилизирующую боковую поверхность 12А и нагрузочную боковую поверхность 14А. Расстояние вдоль продольной оси соединения между каждой последовательной стабилизирующей боковой поверхностью 12А, обозначенное позицией 12, называется шагом стабилизирующей боковой поверхности или шагом стабилизации. Расстояние между каждой последовательной стабилизирующей боковой поверхностью 12А, в общем, определяется как осевой промежуток (расстояние вдоль продольной оси пальца или втулки) между соответствующими точками на последовательных витках резьбы в одном и том же положении по окружности втулки 2. Подобное определение может быть применено к шагу 14 нагружения. В резьбовых соединениях согласно изобретению шаг 12 стабилизации отличается от шага 14 нагружения на выбранную величину, известную как степень заклинивания. Далее будет разъяснено, что выбранное значение степени заклинивания сохраняется вплоть до выбранного положения с любого или с обоих концов витков резьбы в разных вариантах осуществления изобретения. "Номинальный" или "средний шаг" представляет собой значение, среднее между шагом 12 стабилизации и шагом 14 нагружения.
Подобные определения шага 12 стабилизации и шага 14 нагружения могут быть применены к соответствующим боковым поверхностям нагружения и к боковым поверхностям стабилизации на витках резьбы пальца. Шаги нагружения и стабилизации на пальце более подробно показаны на фиг.1С и обозначены позициями 12 и 14 соответственно для шагов стабилизации и нагружения. Обычно резьбовое соединение (1 на фиг.1В) может выполняться с конусностью. В этом описании конусность означает, что диаметр внутренней поверхности втулки 2 и диаметр наружной поверхности пальца 3 будут изменяться по отношению к осевому положению вдоль длины резьбы (позиция 24 на фиг.1В). Конструкция и работа резьбового соединения 1, в общем, показанные на фиг.1В, представляют собой известное техническое решение и описаны, например, в патенте США № RE30647 на имя Blose и, в общем, также описаны здесь в разделе "Предпосылки для создания изобретения".
Пример типичной резьбы с дифференциальным шагом, известной в этой отрасли для резьбового соединения, графически показан на фиг.2. График на фиг.2 демонстрирует шаг стабилизирующих боковых поверхностей резьбы, обозначенный позицией 12, номинальный шаг, обозначенный позицией 10, и шаг нагрузочных боковых поверхностей, обозначенный позицией 14. Ось координат на графике указывает номер вошедшего в зацепление витка резьбы элемента (пальца или втулки), начиная с открытого конца элемента и заканчивая основанием резьбы этого элемента. Например, номер 1 характеризует первый вошедший в зацепление виток резьбы вблизи от носового конца пальца (охватываемый элемент, носовая часть, обозначенная позицией 18 на фиг.1В) или первый вошедший в зацепление виток резьбы вблизи от открытого конца втулки (охватывающий элемент, открытый конец, обозначенный позицией 16 на фиг.1В). Таким образом, виток номер 10 резьбы должен находиться вблизи от основания резьбы пальца (позиция 22 на фиг.1В) либо вблизи от основания резьбы втулки (позиция 20 на фиг.1В). Витки резьбы с дифференциальным шагом, известные в этой отрасли, включают шаг 12 стабилизации, который по существу будет постоянным по всей длине резьбы (позиция 24 на фиг.1В) в резьбовом соединении, и шаг 14 нагружения, который также по существу будет постоянным по длине резьбы. Шаг 14 нагружения отличается от шага 12 стабилизации по существу на постоянную величину, называемую "клиновым соотношением". Номинальный шаг 10 представляет собой среднее между шагом 12 стабилизации и шагом 14 нагружения.
Первый пример резьбового соединения согласно изобретению показан на фиг.3, при этом шаг 12 стабилизации увеличивается от первоначальной величины, начиная примерно с двух витков резьбы от основания резьбы в соединении, до большей величины у основания резьбы в соединении. В одном конкретном варианте шаг 12 стабилизации будет изменяться как на пальце, так и на втулке у оснований резьбы пальца и втулки, однако должно быть вполне понятно, что объем изобретения включает шаг стабилизирующей боковой поверхности, изменяющийся только на одном из элементов в виде пальца или втулки согласно графику на фиг.3.
В варианте согласно фиг.3 шаг 14 нагружения уменьшается, начиная примерно с того же самого осевого положения по длине резьбы (позиция 24 на фиг.1В), что и положение изменения шага 12 стабилизации, а именно, порядка двух витков резьбы от основания резьбы на том же самом элементе, на котором происходит увеличение шага 12 стабилизации. В этом примере величина изменения шага 14 нагружения по существу такая же, что и величина изменения шага 12 стабилизации. Это приводит к по существу постоянному номинальному шагу 10 по всей длине резьбы определенного элемента для элемента, на котором изменяются шаги 12, 14. Так же как и в случае изменения шага 12 стабилизации, изменение шага 14 нагружения предпочтительно обеспечивается вблизи от основания резьбы как пальца, так и втулки, но они также могут быть выполнены только на одном из элементов в виде пальца или втулки.
Еще один пример резьбы согласно изобретению графически показан на фиг.4. В этом варианте шаг 12 стабилизации уменьшается, начиная примерно с двух витков резьбы от конца соединения у основания резьбы. Шаг 14 нагружения соответственно увеличивается, начиная примерно с того же самого положения по оси, так что номинальный шаг 10 остается по существу постоянным на всем протяжении резьбового соединения. Как и в предыдущем варианте, изменение шагов стабилизации и нагружения может быть выполнено вблизи от основания резьбы каждого или обоих из пальцевого и втулочного элементов.
Еще один вариант графически показан на фиг.5. Этот вариант подобен варианту согласно фиг.4, за исключением того, что шаг 14 нагружения и шаг 12 стабилизации изменяются вблизи от открытого конца резьбы (первый вошедший в зацепление виток резьбы) резьбового соединения. Вариант согласно фиг.5 также имеет по существу постоянный номинальный шаг 10 по всему резьбовому соединению. Как и в предыдущих вариантах, изменение шагов стабилизации 12 и нагружения 14 может быть выполнено вблизи от открытого конца резьбы каждого или обоих из пальцевого и втулочного элементов.
Еще один вариант, графически показанный на фиг.6, подобен варианту, показанному на фиг.3, при этом различие заключается в том, что шаг 12 стабилизации и шаг 14 нагружения изменяются вблизи от открытого конца резьбы (первый вошедший в зацепление виток резьбы) резьбового соединения. Вариант согласно фиг.6 также имеет по существу постоянный номинальный шаг 10 на протяжении всего резьбового соединения. Как и в предыдущих вариантах, изменение шагов стабилизации и нагружения может быть выполнено на любом или на обоих из пальцевого и втулочного элементов.
Другой вариант резьбового соединения графически показан на фиг.7. Этот вариант включает изменения шага 12 стабилизации и шага 14 нагружения, подобные тем, которые показаны на фиг.4 и 5. В варианте согласно фиг.7 изменения шагов 12, 14 стабилизации и нагружения выполнены вблизи от обоих концов резьбового соединения. Вариант согласно фиг.7 также имеет по существу постоянный номинальный шаг 10 на всем протяжении резьбового соединения. Как и в предыдущих вариантах, изменение шагов стабилизации и нагружения может быть выполнено на каждом или на обоих из пальцевого и втулочного элементов.
Еще один вариант графически показан на фиг.8. В этом варианте шаг 12 стабилизации и шаг 14 нагружения изменяются вблизи от обоих концов резьбового соединения таким способом, который по существу объединяет изменения шагов в вариантах согласно фиг.3 и 6. Это означает, что шаг 14 нагружения и шаг 12 стабилизации изменяются с обоих концов соединения. Вариант согласно фиг.8 также имеет по существу постоянный номинальный шаг 10 на всем протяжении резьбового соединения. Как и в предыдущих вариантах, изменение шагов стабилизации и нагружения может быть выполнено на каждом или на обоих из пальцевого и втулочного элементов.
Еще один вариант резьбового соединения согласно изобретению графически показан на фиг.9. В этом варианте шаг 12 стабилизации по существу постоянен на всем протяжении резьбового соединения. Шаг 14 нагружения уменьшается вблизи от каждого конца соединения, начиная примерно с двух витков резьбы с каждого конца. Следует отметить, что номинальный шаг 10 изменяется, когда изменяется шаг 14 нагружения, но шаг 12 стабилизации остается постоянным. Как и в других описанных здесь вариантах, изменение шага предпочтительно выполнено в соответствующих местах (сопряжениях) на витках резьбы обеих из пальцевой и втулочной частей резьбового соединения, но такое изменение также может быть выполнено только на одном из пальцевого и втулочного элементов.
На фиг.10 показана разновидность варианта, показанного на фиг.9. Здесь шаг 14 нагружения увеличивается примерно в том же самом месте с каждого конца резьбового соединения. Шаг 12 стабилизации в этом варианте по существу постоянен. Как и в предыдущих вариантах, изменения шагов 12 стабилизации и 14 нагружения могут быть обеспечены на каждом или на обоих из пальцевого и втулочного элементов.
Еще один вариант резьбового соединения согласно изобретению показан на фиг.11. В этом варианте шаг 14 нагружения увеличивается вблизи от открытого конца соединения и уменьшается у конца со стороны основания резьбы. Шаг 12 стабилизации по существу постоянен на всем протяжении резьбового соединения. Разновидность варианта согласно фиг.11 показана на фиг.12. На фиг.12 шаг 14 нагружения изменяется у противоположных концов соединения по сравнению с вариантом согласно фиг.11. Как и в предыдущих вариантах, изменение шагов стабилизации 12 и нагружения 14 может быть выполнено на каждом или на обоих из пальцевого и втулочного элементов.
Вариант, показанный на фиг.13, подобен варианту на фиг.10, но в этом варианте шаг 12 стабилизации увеличивается с каждого конца соединения, в то время как шаг 14 нагружения по существу постоянен. Варианты резьбового соединения согласно изобретению, которые имеют измененный шаг 12 стабилизации, соответствующий измененному шагу 14 нагружения в вариантах, показанных на фиг.9, 11 и 12, показаны на фиг.14, 16 и 15 соответственно. Как и в предыдущих вариантах, изменение шагов стабилизации и нагружения может быть выполнено на каждом или на обоих из пальцевого и втулочного элементов.
В варианте, показанном на фиг.17, шаг 12 стабилизации и шаг 14 нагружения увеличиваются вблизи от каждого конца резьбового соединения. Вариант, показанный на фиг.18, имеет шаг 12 стабилизации и шаг 14 нагружения, которые уменьшаются с каждого конца резьбового соединения. Как и в предыдущих вариантах, изменение шагов стабилизации и нагружения может быть выполнено на любом или на обоих из пальцевого и втулочного элементов.
Другие варианты резьбового соединения показаны в вариантах, графически представленных на фиг.19 и 20. В этих вариантах шаг 12 стабилизации и шаг 14 нагружения соответственно увеличиваются вблизи от одного конца резьбового соединения и соответственно уменьшаются у другого конца. Варианты согласно фиг.19 и 20 подобны друг другу, но имеют увеличение и уменьшение шагов 12, 14 у противоположных друг другу концов резьбового соединения. Как и в других вариантах соединения согласно изобретению, изменение шага может быть выполнено на каждом или на обоих из пальцевого и втулочного элементов.
Во всех вышеупомянутых вариантах изменение шага показано как происходящее на протяжении примерно двух витков резьбы от связанного с ними конца резьбы (открытый конец или основание резьбы) резьбового элемента. Установлено, что это значение эффективно для диаметра резьбы, конусности и номинальных шагов, используемых в представленных вариантах. Это расстояние также может быть определено как примерно двойной номинальный шаг витков резьбы в той части резьбового соединения, где шаги по существу постоянны. В других вариантах резьбового соединения согласно изобретению действительное место на оси, в котором начинается какое-либо изменение шага, наряду с другими факторами, может быть связано с такими факторами, как диаметр резьбы, конусность (степень изменения диаметра резьбы) резьбового соединения и тип используемой резьбы.
В вышеупомянутых вариантах все изменения шагов, как показано, происходят линейно. Линейные изменения шагов относительно легко выполнить в любом резьбовом соединении согласно изобретению, однако следует иметь в виду, что некоторые варианты могут включать нелинейные изменения шага, позволяющие получать существенные выгоды при использовании изобретения.
Приведенное выше описание резьбового соединения касается конструкции резьбы типа "ласточкиного хвоста", например такой, которая описана в патенте США № RE34467 на имя Blose. Следует четко представлять себе, что в других вариантах осуществления резьбового соединения согласно изобретению могут быть использованы другие конструкции резьбы. Один из примеров альтернативной формы резьбы, пригодной для использования с соединением согласно изобретению, представлен в патенте США № 6254146 В1 на имя Church. Эта резьба, в общем, описана как "многогранная" резьба и показана в поперечном сечении на фиг.21. Палец 2 включает витки резьбы, имеющие корневые части 48, гребни 48А, нагрузочные боковые поверхности 47 и стабилизирующие боковые поверхности. Нагрузочные боковые поверхности 47 резьбы включают грани 44, 45, 46, которые образуют соответствующие углы δ, Ω, ε между поверхностью каждой грани и центральной линией 40 пальца 2. Соответствующие грани 41, 42, 43 могут быть образованы на стабилизирующих боковых поверхностях 50 резьбы пальца. Конфигурация боковых поверхностей 47, 50 на пальце 2 должна быть выполнена так, чтобы она сопрягалась с витками резьбы на втулке 3. В варианте конструкции резьбы согласно фиг.21 витки резьбы на пальце 2 и на втулке входят в зацепление друг с другом, при этом ширина корневой части 48 по существу может быть такой же, как и ширина гребня 48А.
Еще одна конструкция резьбы, которая может быть использована в различных вариантах осуществления изобретения, подобна конструкции резьбы, показанной в патенте США № 4600224 на имя Blose. Эта конструкция резьбы известна как "шевронная" резьба и показана на фиг.22. Палец 2 и втулка 3 могут включать стабилизирующие боковые поверхности 53, выполненные подобно обычным виткам резьбы в форме "ласточкиного хвоста". Нагрузочные боковые поверхности 51, 52 на пальце 2 и на втулке 3 могут включать части соответственно 57, 56 в форме "ласточкиного хвоста" и шевронную грань соответственно 55, 54.
Две альтернативные формы резьбы, описанные выше со ссылками на фиг.21 и 22, не следует считать исчерпывающей характеристикой форм резьбы, которые могут быть использованы в различных вариантах осуществления резьбового соединения согласно изобретению. Другие формы резьбы описаны, например, в опубликованной заявке РСТ WO 01/29475 A1 на имя Ramos и др. Формы резьбы, показанные в этой публикации, включают резьбу с "квадратным буртиком", которая может иметь боковые поверхности, по существу перпендикулярные оси соединения, либо может включать боковые поверхности, проходящие под углом.
Независимо от конструкции резьбы, используемой в каком-либо варианте осуществления соединения согласно изобретению, общий отличительный признак резьбового соединения заключается в том, что, по меньшей мере, часть витков резьбы соединения включает шаг стабилизации, который отличается от шага нагружения, при этом шаг стабилизации или шаг нагружения, по меньшей мере, на одном из охватывающего элемента (втулка) или охватываемого элемента (палец) изменяется, начиная с выбранного расстояния от конца витков резьбы.
Различные варианты осуществления изобретения могут обеспечить резьбовое соединение, которое после пластичного расширения в радиальном направлении участков трубопровода, соединенных посредством него, будет прочнее, чем резьбовые соединения, ранее известные в этой отрасли.
Приведенное выше описание резьбового соединения согласно различным вариантам осуществления изобретения составлено на основе резьбового соединения, особенно пригодного для трубопровода, пластично расширяемого в радиальном направлении. Также установлено, что резьбовое соединение, выполненное согласно изобретению, может повысить способность резьбового соединения выдерживать напряжения растяжения и/или сжатия вдоль продольной оси трубопровода. Некоторые варианты могут обладать повышенной способностью выдерживать нагрузку, создаваемую крутящим моментом. Резьбовые соединения с дифференциальным шагом, выполненные согласно известному уровню техники, выполнены таким образом, что контактные напряжения между входящими в зацепление витками резьбы распределяются по существу равномерно как по длине спирали витков резьбы, так и между стабилизирующими и нагрузочными боковыми поверхностями при монтаже резьбового соединения. Приведенное выше описание различных вариантов осуществления изобретения составлено на основе резьбовых соединений, которые могут обеспечивать более равномерное распределение контактных напряжений после пластичного расширения резьбового соединения в радиальном направлении. Далее будет разъяснено, что варианты осуществления резьбового соединения согласно изобретению также могут обеспечивать более равномерное распределение контактных напряжений при растягивающих/или сжимающих нагрузках после монтажа резьбового соединения. Другие варианты могут обладать лучшей способностью выдерживать нагрузку, создаваемую крутящим моментом. При таком применении резьбового соединения согласно изобретению соединение не должно пластично расширяться в радиальном направлении для получения выгод от использования изобретения.
Для того чтобы лучше оценить конкретное применение резьбового соединения согласно изобретению, следует ознакомиться с определенными отличительными признаками резьб, выполненных согласно различным вариантам осуществления изобретения. Например, если вновь обратиться к фиг.4, то согласно ей про резьбовой элемент, у которого шаг нагружения и шаг стабилизации сходятся к номинальному шагу (например так, как показано между вышедшими в зацепление витками 8-10 на фиг.4), можно сказать, что он имеет резьбу, которая становится "толще" в направлении схождения шагов. Напротив, если вновь обратиться к фиг.6, согласно которой шаг 14 нагружения и шаг 12 стабилизации расходятся к одному концу соединения, то про резьбу можно сказать, что она становится "тоньше".
Если вновь обратиться к фиг.17, то согласно ей, когда шаг нагружения и шаг стабилизации увеличиваются, в частности, на подобную величину, можно говорить, что резьба "растягивается", посредством чего промежуток между витками резьбы увеличивается (номинальный шаг увеличивается). Напротив, если вновь обратиться к фиг.18, то согласно ей, когда шаги нагружения и стабилизации соответственно уменьшаются, можно говорить о том, что резьба "стягивается".
Установлено, что в резьбовом соединении, в котором, по меньшей мере, один из шага нагружения и шага стабилизации, по меньшей мере, у одного конца любого из охватываемого элемента или охватывающего элемента изменяется, начиная с выбранного расстояния от конца резьбы, может быть повышена способность выдерживать напряжение сжатия и напряжение растяжения вдоль продольной оси резьбового соединения, а в некоторых вариантах также может быть повышено сопротивление усталостным нагрузкам и крутящему моменту.
После разъяснения общей концепции этой заявки на изобретение далее будут разъяснены особенно предпочтительные варианты, касающиеся этой заявки.
В обычном резьбовом соединении, если сумма площади среза (площадь поперечного сечения корневой части резьбы) меньше или равна сумме площади боковых поверхностей резьбы, то такое соединение считается "непрочным к воздействию среза". В одном из вариантов резьбового соединения согласно этой заявке на изобретение резьба выполнена толще как на пальцевом, так и на втулочном элементе вблизи от первого вошедшего в зацепление витка резьбы. Резьба выполнена тоньше вблизи от последнего вошедшего в зацепление витка резьбы на обоих из пальцевого (охватываемого) и втулочного (охватывающего) элементов. На фиг.23 показано изменение шага 14 нагружения и шага 12 стабилизации относительно положения по длине резьбы для этого варианта. Вариант согласно фиг.23 может иметь повышенную способность выдерживать растягивающую нагрузку, чем известные резьбовые соединения, поскольку напряжения среза более равномерно распределены вдоль соединения.
Еще один вариант резьбового соединения согласно изобретению показан на фиг.24. Этот вариант включает увеличение шага 12 стабилизации и шага 14 нагружения вблизи от первого вошедшего в зацепление витка резьбы на обоих из пальцевого и втулочного элементов. Этот вариант может иметь повышенную способность выдерживать сжимающую нагрузку.
Еще один вариант осуществления резьбового соединения согласно изобретению может иметь повышенную способность выдерживать нагрузку, создаваемую крутящим моментом, и напряжения, создаваемые усталостной нагрузкой (в результате повторяемого воздействия растягивающих напряжений). Этот вариант включает уменьшение на охватываемом элементе шага нагружения вблизи от последнего вошедшего в зацепление витка резьбы (основание резьбы пальца). Это показано на фиг.25А. На охватывающем элементе шаг стабилизации увеличивается вблизи от последнего вошедшего в зацепление витка резьбы (основание резьбы втулки). Это графически показано на фиг.25В.
В каждом из этих вариантов изменение шага резьбы, которое начинается на выбранном расстоянии от конца резьбы, показано линейным. Как и в других вариантах, изменение шага может отличаться от линейного изменения. Кроме того, что также было разъяснено ранее, выбранное расстояние может представлять собой некоторую величину, отличающуюся от двух витков резьбы, показанных в вариантах согласно фиг.23, 24 и 25.
Хотя изобретение описано применительно к ограниченному количеству вариантов его осуществления, для квалифицированных специалистов в этой отрасли на основе тех преимуществ, которые раскрыты в этом описании, будет понятно, что могут быть разработаны и другие варианты, которые не отклоняются от раскрытого здесь объема изобретения. Соответственно, объем изобретения должен быть ограничен только прилагаемыми пунктами формулы изобретения.
Реферат
Изобретение относится к резьбовым соединениям труб. Соединение включает охватываемый элемент, имеющий витки резьбы, определяющие шаг нагрузочной боковой поверхности, шаг стабилизирующей боковой поверхности и номинальный шаг. На охватывающем элементе имеются витки резьбы, предназначенные для сопряжения с витками резьбы на охватываемом элементе. Витки резьбы на охватывающем элементе определяют шаг нагрузочной боковой поверхности, шаг стабилизирующей боковой поверхности и номинальный шаг. По меньшей мере, один из шага нагрузочной боковой поверхности и шага стабилизирующей боковой поверхности, по меньшей мере, на одном из охватывающего или охватываемого элементов изменяется в заданной степени, начиная с выбранного расстояния от конца витков резьбы. Шаг нагружения и шаг стабилизации выполнены различными, по меньшей мере, на части длины резьбы. Описаны варианты выполнения резьбовых соединений. Изобретение повышает надежность соединения. 3 н и 41 з.п.ф-лы, 25 ил.
