Резьбовой элемент детали с противоположными частями резьбы и соответствующим трубным резьбовым соединением - RU2454525C2

Чертежи

Показать все 11 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к резьбовым элементам деталей.

Выражение «деталь», как применяется в данном описании, означает любой элемент или вспомогательное оборудование, предназначенное для соединения при помощи, по меньшей мере, двух частей резьбы с другой деталью для составления с другой деталью свинченного соединения, такого как резьбовое трубное соединение.

Данное изобретение относится к любому типу детали, которая может быть подвергнута сжимающим и/или растягивающим (или изгибающим) нагрузкам сразу после соединения путем свинчивания с другой соответствующей деталью, например с целью создания резьбового трубного соединения. Таким образом, это является чрезвычайно подходящим, кроме прочего, для применения в нефтяной промышленности и подобном.

Деталью может быть, например, труба (факультативно труба с очень большой длинной), муфта трубопровода (факультативно длиной в несколько десятков сантиметров), вспомогательное оборудование для таких труб (подвеска для труб, П-образное колено, предохранительный клапан, соединитель для бурильной трубы или бурильного замка, втулка и подобные). Такие детали могут применяться, например, для бурения или разработки буровой скважины. В данном случае детали соединяются вместе для опускания их в углеводородную или подобную буровую скважину и образуют бурильную колонну, обсадную колонну или обсадную колонну-хвостовик, или также насосно-компрессорную колонну (эксплуатационные колонны).

Резьбовые элементы, которые свинчивают детали типа упомянутых выше, включают резьбы, включающие витки резьбы, например, в целом трапециевидной формы, каждый из которых включает прямолинейное соединение вершин упорной грани и опорной грани, и которые разделены друг от друга при помощи аксиального расстояния (или полости, или впадины профиля витка резьбы), достаточно большого, чтобы вместить виток резьбы соответствующего резьбового элемента другой детали, при этом остается функциональный осевой зазор для соответствующих витков резьбы.

Указанный осевой зазор должен быть достаточным, чтобы позволить легкое сцепление охватывающих и охватываемых витков резьбы (особенно когда опорные грани витков резьбы имеют отрицательный угол (наклонные витки резьбы)), чтобы позволить их свинчивание без аксиальных взаимодействий и чтобы избежать избыточного давления смазки в процессе свинчивания посредством смягчения разброса параметров в витках резьбы из-за допусков на обработку и радиального взаимодействия витков резьбы в конце свинчивания.

Указанный осевой зазор сам по себе не является недостатком для герметичности резьбовых соединений, известных как соединения «повышенного качества», так как герметичность в них обеспечивается функциональными поверхностями уплотнения, независимых от витков резьбы.

В отличие от этого, он имеет тенденцию к уменьшению эффективности резьбовых соединений, подверженных осевым сжимающим нагрузкам.

После свинчивания резьбовые соединения с трапециевидными витками резьбы (и более конкретно резьбовые соединения повышенного качества, которые включают специфические поверхности уплотнения и осевые опорные поверхности для позиционирования поверхностей уплотнения) соприкасаются опорными гранями, при этом осевой зазор расположен между задними гранями. Когда такие резьбовые соединения подвергаются осевым растягивающим нагрузкам (например, из-за веса расположенных ниже труб в колонне), витки резьбы немедленно переносят эти нагрузки через опорные грани, которые уже находятся в контакте. В отличие от этого, если они подвергаются осевым сжимающим нагрузкам, витки резьбы не переносят такие нагрузки через их упорные грани, пока не будет выбран осевой зазор.

Однако, как известно специалисту в данной области техники, в определенных ситуациях детали могут в одно время подвергаться осевым растягивающим нагрузкам и в другое время сжимающим осевым нагрузкам. Это имеет место, например, в определенных скважинах, когда деталь, разработанная, чтобы работать при растяжении, подвергается сжатию из-за резких температурных колебаний (например, когда вводится пар). Также это имеет место с деталями, которые опущены в искривленные скважины и/или которые подвергают относительно резким изменениям в направлении (изломы) и которые по этой причине подвергаются изгибающим нагрузкам, которые приводят к осевым растягивающим напряжениям снаружи детали и к сжимающим напряжениям внутри нее. В результате в фазах разработки, во время которых указанные детали подвергаются сжимающим нагрузкам, определенные части их резьбовых элементов, такие как упорные грани витков резьбы, должны выбирать их начальный осевой зазор, перед тем как будут способны воспринимать эти нагрузки (в другом случае воспринимаемые осевыми опорами, если таковые существуют), и рабочие характеристики деталей под сжатием уменьшены по сравнению теми, что находятся под растягивающими напряжениями.

Например, европейский патентный документ ЕР 0454147 предлагает применение охватывающих и охватываемых резьбовых элементов, в которых опорные грани и упорные грани витков резьбы одного из резьбовых элементов находятся, в конце свинчивания, в контакте с опорными гранями и упорными гранями витков резьбы других резьбовых элементов, при этом радиальный зазор обеспечивается между впадинами профиля витков резьбы и вершинами, взаимодействуя с ограниченным избыточным давлением смазки. Данный тип резьбы позволяет резьбовым соединениям выносить большие нагрузки как при растяжении, так и при осевом сжатии (или изгибе). Однако его трудно освоить в промышленном масштабе из-за допусков на размер ширины витков резьбы и пазов между витками резьбы, причем резьбы сразу после свинчивания имеют либо осевой зазор, уменьшающий их рабочие характеристики при сжатии, либо имеют осевую посадку с натягом, что вызывает недостаточное позиционирование поверхностей уплотнения.

С той же целью улучшения характеристик при сжатии также было предложено, например, в патентных документах US 6155613 и 6585299, применять охватываемые и охватывающие резьбовые элементы, соответствующие резьбы которых имеют только незначительно различающиеся углы наклона и очень незначительно различающиеся значения осевой ширины, или где одна из резьб включает центральную зону с углом наклона резьбы, отличным от примыкающих (периодичных) углов наклона резьбы. Недостаток таких решений заключается в том, что они являются сложными для контроля и работы.

В патентном документе US 4629222 раскрываются резьбы, имеющие, по всей длине одной из них, фазовый сдвиг между спиралями конечных частей резьбы, но в целом для другой цели, а именно переноса повышающейся нагрузки на центральные витки резьбы.

Таким образом, цель данного изобретения заключается в улучшении сложившейся ситуации.

Для этого обеспечивается резьбовой элемент детали, включающий свободный конец и, по меньшей мере, первую и вторую части резьбы, каждая из которых включает витки резьбы, каждый из которых включает упорную грань и опорную грань, при этом часть первой резьбы находится ближе к свободному концу, часть второй резьбы находится ближе к центральной части детали, которая не содержит резьбу.

Следует напомнить, что упорные грани являются направленными к свободному концу детали и первые входят в зацепление при свинчивании, при этом опорные грани, направлены в направлении, противоположном свободному концу.

Данный резьбовой элемент характеризуется тем, что упорные грани и опорные грани витков резьбы его первой части резьбы и витков резьбы второй части резьбы наклонены «противоположным» образом по отношению к радиальному направлению.

Другими словами, витки резьбы первой и второй частей резьбы резьбового элемента имеют противоположные наклоны, т.е. противоположные по отношению к радиальному направлению, но не обязательно равных размеров.

Обычно и в соответствии с установившейся практикой углы профиля резьбы определяют в данном документе как отрицательные в случае, если конец грани при рассмотрении со стороны вершины витка резьбы выступает над другим концом грани у впадины профиля резьбы, а в противоположном случае (без выступа) являются положительными.

Многочисленные варианты возможны с резьбовым элементом по данному изобретению, при этом, по меньшей мере, некоторые характеристики могут быть объединены вместе, в частности:

- угол наклона (по отношению к радиальному направлению) упорных граней витков резьбы первой части резьбы охватываемого резьбового элемента или второй части резьбы охватывающего резьбового элемента может быть отрицательным;

- угол наклона (по отношению к радиальному направлению) опорных граней витков резьбы первой части резьбы охватываемого резьбового элемента или вторая часть резьбы охватывающего резьбового элемента может быть положительным;

- абсолютное значение угла наклона (по отношению к радиальному направлению) упорных граней витков резьбы первой части резьбы охватываемого резьбового элемента или второй части резьбы охватывающего резьбового элемента могут, например, быть меньше, чем абсолютное значение угла наклона (по отношению к радиальному направлению) опорных граней витков резьбы, соответственно, первой части резьбы охватываемого резьбового элемента или второй части резьбы охватывающего резьбового элемента;

- например, абсолютное значение угла наклона упорных граней витков резьбы первой части резьбы охватываемого резьбового элемента или второй части резьбы охватываемого резьбового элемента может быть в диапазоне от около 3° до около 15°;

- абсолютное значение угла наклона упорных граней витков резьбы первой части резьбы охватываемого резьбового элемента или второй части резьбы охватывающего резьбового элемента может быть в диапазоне от около 10° до около 30°;

- как вариант, абсолютное значение угла наклона (по отношению к радиальному направлению) упорных граней витков резьбы второй части резьбы охватываемого резьбового элемента или первой части резьбы охватывающего резьбового элемента может быть, например, больше, чем абсолютное значение угла наклона (по отношению к радиальному направлению) опорных граней витков резьбы, соответственно, второй части резьбы охватываемого резьбового элемента или первой части резьбы охватывающего резьбового элемента;

- например, абсолютное значение угла наклона опорных граней витков резьбы второй части резьбы охватываемого резьбового элемента или первой части резьбы охватывающего резьбового элемента может быть в диапазоне от около 3° до около 15°;

- например, абсолютное значение угла наклона упорных граней витков резьбы второй части резьбы охватываемого резьбового элемента или первой части резьбы охватывающего резьбового элемента может быть в диапазоне от около 10° до около 30°;

- алгебраическое значение угла наклона упорных граней витков резьбы первой части резьбы может быть в целом равным алгебраическому значению углу наклона опорных граней витков резьбы второй части резьбы;

- алгебраическое значение угла наклона опорных граней витков резьбы первой части резьбы может быть в целом равным алгебраическому значению угла наклона упорных граней витков резьбы второй части резьбы;

- первая и вторая части резьбы могут быть коническими;

- в данном случае вторая часть резьбы может быть, например, сформированной после радиального буртика желаемой радиальной протяженности;

- как вариант, первые и вторые части резьбы, например, могут быть расположены в целом на этой же конической поверхности;

- как вариант, первые и вторые части резьбы могут быть прямыми, и выполнены на первом и втором радиальном расстоянии от продольной оси указанной детали;

- первая и вторая часть резьбы могут быть аксиально разделены посредством промежуточной зоны, которая проходит на расстояние вдоль оси, выбранное так, чтобы амортизировать внешние нагрузки и/или выбирать осевой зазор между первой или второй частью резьбы резьбового элемента и, соответственно, второй или первой частью резьбы соответствующего резьбового элемента, при помощи в основном упругой деформации;

- осевая протяженность промежуточной зоны может быть пропорциональной максимальному значению осевого зазора;

- минимальное значение осевого зазора может быть возрастающей функцией высоты витка резьбы и абсолютного значения отрицательного угла грани;

- по меньшей мере часть промежуточной зоны может определять поверхность уплотнения, которая может войти в контакт с плотным взаимодействием с соответствующей поверхностью уплотнения другого резьбового элемента,

Данное изобретение также предлагает резьбовое трубное соединение, включающее охватываемый резьбовой элемент и охватывающий резьбовой элемент описанного выше типа, которые можно завинтить один в другой.

Например, первая и вторая часть резьбы могут быть расположены так, чтобы сразу после завинчивания и при отсутствии внешних растягивающих, сжимающих или изгибающих нагрузок, с одной стороны упорные грани витков резьбы первой части резьбы внутреннего резьбового элемента соприкасаются с таковыми второй части резьбы охватываемого резьбового элемента, которые соответствуют им, и с другой стороны опорные грани витков резьбы второй части резьбы охватывающего резьбового элемента соприкасаются с таковыми первой части резьбы внешнего резьбового элемента, которые соответствуют им, обеспечивая с одной стороны первую буферную зону между опорными гранями витков резьбы, которые соответствуют им в первой части резьбы охватывающего резьбового элемента и во второй части резьбы охватываемого резьбового элемента и с другой стороны вторую буферную зону между упорными гранями витков резьбы, которые соответствуют им во второй части резьбы охватывающего резьбового элемента и в первой части резьбы охватываемого резьбового элемента. Первые буферные зоны, таким образом, предназначены для выбирания осевого зазора при наличии растягивающей нагрузки, а вторые буферные зоны предназначены для выбирания осевого зазора при наличии сжимающей нагрузки.

Другие характеристики и преимущества данного изобретения станут очевидными из последующего подробного описания и сопровождающего графического материала, на котором:

- Фигура 1 схематически показывает, в поперечном сечении вдоль продольной оси XX, пример варианта осуществления внутреннего резьбового элемента первой детали резьбового трубного соединения «скрытого» типа;

- Фигура 2 схематически показывает, в поперечном сечении вдоль продольной оси XX, пример варианта осуществления внешнего резьбового элемента второй детали резьбового трубного соединения скрытого типа;

- Фигура 3 схематически показывает, в поперечном сечении вдоль продольной оси XX, пример варианта осуществления резьбового трубного соединения образованного соединением, сформированным охватывающим и охватываемым резьбовыми элементами типа, показанного на фигурах 1 и 2;

- Фигура 4 схематически показывает, в поперечном сечении вдоль продольной оси XX, пример варианта осуществления витков резьбы первой части резьбы охватываемого резьбового элемента типа, показанного на фигуре 2;

- Фигура 5 схематически показывает, в поперечном сечении вдоль продольной оси XX, пример варианта осуществления витков резьбы второй части резьбы охватываемого резьбового элемента типа, показанного на фигуре 2;

- Фигура 6А схематически показывает, в поперечном сечении вдоль продольной оси XX, пример взаимодействия витков резьбы второй части резьбы охватываемого резьбового элемента типа, показанного на фигуре 2, и витков резьбы первой части резьбы охватывающего резьбового элемента типа, показанного в фигуре 1, в конце цикла свинчивания в отсутствии внешних нагрузок;

- Фигура 6В схематически показывает, в поперечном сечении вдоль продольной оси XX, пример взаимодействия витков резьбы первой части резьбы охватываемого резьбового элемента типа, показанного на фигуре 2, и витков резьбы второй части резьбы охватывающего резьбового элемента типа, показанного на фигуре 1, в конце цикла свинчивания и в отсутствии внешних нагрузок;

- Фигура 7А схематически показывает, в поперечном сечении вдоль продольной оси XX, пример взаимодействия витков резьбы второй части резьбы охватываемого резьбового элемента типа, показанного на фигуре 2, и витков резьбы первой части резьбы охватывающего резьбового элемента типа, показанного на фигуре 1, в конце цикла свинчивания и при наличии осевых растягивающих нагрузок;

- Фигура 7В схематически показывает, в поперечном сечении вдоль продольной оси XX, пример взаимодействия витков резьбы первой части резьбы охватываемого резьбового элемента типа, показанного на фигуре 2, и витков резьбы второй части резьбы охватывающего резьбового элемента типа, показанного на фигуре 1, в конце цикла свинчивания и при наличии осевых растягивающих нагрузок;

- Фигура 8А схематически показывает, в поперечном сечении вдоль продольной оси XX, пример взаимодействия витков резьбы второй части резьбы охватываемого резьбового элемента типа, показанного на фигуре 2, и витков резьбы первой части резьбы охватывающего резьбового элемента типа, показанного на фигуре 1, в конце цикла свинчивания и при наличии осевых сжимающих нагрузок; и

- Фигура 8В схематически показывает, в поперечном сечении вдоль продольной оси XX, пример взаимодействия витков резьбы первой части резьбы охватываемого резьбового элемента типа, показанного на фигуре 2, и витков резьбы второй части резьбы охватывающего резьбового элемента типа, показанного на фигуре 1, в конце цикла свинчивания и при наличии осевых сжимающих нагрузок.

Сопровождающий графический материал служит не только для объяснения данного изобретения, но также способствует его формулировке в случае необходимости.

Целью данного изобретения является выполнение охватывающих и охватываемых резьбовых элементов детали, возможно резьбовых трубных соединений, способных переносить управляемым способом высокие сжимающие, а также растягивающие нагрузки или высокие изгибающие нагрузки, или даже подобные нагрузки попеременно.

Далее предполагается, что деталь предназначена для бурения или разработки углеводородных скважин и что она выполнена, по меньшей мере, с одним охватываемым или охватывающим резьбовым элементом спаренного или выполненного заодно резьбового трубного соединения. Данное изобретение относится к детали любого типа (корпус нефтегазопромысловых труб, хвостовик или трубопровод, соединение, бурильная колонна, вспомогательное оборудования для бурения или вспомогательное оборудование скважины и подобные), независимо от ее применения, выполненной так, что она включает, по меньшей мере, один охватываемый или охватывающий резьбовой элемент с, по меньшей мере, двумя частями резьбы, которые могут быть свинчены с двумя частями резьбы охватываемого или охватывающего резьбового элемента или другой детали для образования свинченной сборки с данной другой деталью, при этом резьбовое трубное соединение является неограничивающим примером. В целом данное изобретение касается любого типа детали, которая может переносить внешние сжимающие и/или растягивающие или изгибающие нагрузки сразу после соединения, посредством свинчивания с другой соответствующей деталью.

Как можно увидеть на фигурах 1 и 2 деталь Ti (i=1 или 2) включает корпус или постоянную, или центральную часть Pci, продленную посредством охватывающего резьбового элемента (или конца) EF или охватываемого резьбового элемента ЕМ, заканчивающегося свободным концом ELi.

Свободный конец ELi охватывающего резьбового элемента EF или охватываемого ЕМ служит здесь в качестве точки отсчета. В результате все то, что лежит относительно данной поперечной плоскости, между указанной плоскостью и свободным концом ELi, называется выше этой плоскости.

Охватывающий резьбовой элемент EF по данному изобретению (см. фигуру 1) включает по меньшей мере отдельные части первой FI1 и второй FI2 внутренней резьбы.

Выражение «внутренний», как применяется здесь, обозначает часть, расположенную на поверхности (или поверхность), которая направлена по направлению к продольной оси XX охватывающего резьбового элемента EF или охватываемого резьбового элемента ЕМ. Радиальное направление является перпендикуляром к продольной оси XX.

Кроме того, выражение «часть резьбы», как применяется здесь, обозначает зону, в которой выполнены витки резьбы ТН1 или ТН2, при этом каждый определен при помощи упорной грани FS и опорной грани FL (см. фигуры 4 и 5). Согласно определению, данному выше, упорная грань витка резьбы ТН1 или ТН2 обычно располагается выше опорной грани FL того же витка резьбы ТН1 или ТН2. Угол наклона витка резьбы в целом является постоянным для данной части резьбы. Кроме того, радиальная высота витков резьбы также в целом является постоянной, но может быть увеличивающейся или уменьшающейся (как в случае с внешней или внутренней резьбами).

Первая внутренняя часть резьбы FI1 располагается ближе к свободному концу EL1 первой детали Т1. Вторая внутренняя часть резьбы FI2 располагается ближе к нерезьбовой части (и, таким образом, корпусу РС1) первой детали Т1.

В примере, показанном на фигуре 1, внутренняя часть резьбы FI1 размещена ниже свободного конца EL1, вторая внутренняя часть резьбы FI2 размещена ниже внутренней части резьбы FI1, которая может быть размещена выше упора завинчивания BVF (как показано). Данный упор завинчивания BVF выполнен, например, в виде внутренней поверхности, которая представляет собой поверхность кольцевого типа с обратной конусностью.

Как показано на фигуре 1, охватывающий резьбовой элемент EF может также и факультативно включать поверхность уплотнения металл по металлу SEF, расположенную между второй внутренней частью резьбы FI2 и упором завинчивания BVF.

Охватываемый резьбовой элемент ЕМ по данному изобретению (см. фигуру 2) включает, по меньшей мере, одну первую FE1 и вторую FE2 внешние части резьбы.

Выражение «внешний», как применяется здесь, означает элемент, размещенный вдоль поверхности (или поверхность), который ориентирован в радиальном направлении противоположно продольной оси XX охватываемого ЕМ или охватывающего EF резьбового элемента.

Внешняя первая часть резьбы FE1 размещена ближе к свободному концу EL2 второй детали Т2. Вторая внешняя часть резьбы FE2 размещена ближе к постоянной части или центральной части (и таким образом главной РС2) второй детали Т2.

В примере, показанном на фигуре 2, первая внешняя часть резьбы FE1 помещена ниже свободного конца EL2, вторая внешняя часть резьбы FE2 размещена ниже первой внешней части резьбы FE1, которая помещена выше упора завинчивания BVM (как показано). Данный упор завинчивания BVM выполнен, например, в виде кольцевой торцевой поверхности с обратной конусностью, помещенной выше первой внешней части резьбы FE1 на свободном конце EL2. Он предназначен, чтобы опираться на соответствующий упор завинчивания BVF охватывающего резьбового элемента EF в конце цикла свинчивания (см. фигуру 3).

Как показано на фигуре 2, охватываемый резьбовой элемент ЕМ может также и факультативно включать поверхность уплотнения металл по металлу SEM, помещенную между первой внешней частью резьбы FE1 и упором завинчивания BVM. Данная поверхность уплотнения металл по металлу SEM предназначена, чтобы опираться на соответствующую поверхность уплотнения металл по металлу SEF охватывающего резьбового элемента EF в конце свинчивания так, чтобы выполнить плотную посадку с натягом.

Следует отметить, что внутренние части резьбы FI1 и FI2, как внешние части резьбы FE1 и FE2, могут быть размещены на прямых или конических поверхностях, выполненных так, что они дают доступ к виткам резьбы ТН2 второй внутренней резьбы FI2 или внешней части FE2.

В результате может предусматриваться множество конфигураций. Таким образом, когда первая FI1 или FE1 и вторая FE2 или FE2 части резьбы являются коническими, вторая часть резьбы FI2 или FE2 может быть, например, (и как показано в фигурах 1 и 2) выполнена ниже радиального буртика DR желаемой радиальной протяженности. Дополнительно, как показано в фигурах 1 и 2, вторую часть резьбы FI2 или FE2 предпочтительно отделяют от первой части резьбы FI1 или FE1 посредством промежуточной нерезьбовой зоны ZIF или ZIM и желаемой осевой протяженности.

Данная промежуточная зона ZIF или ZIM предназначена для облегчения доступа к виткам резьбы ТН2 второй внутренней FI2 или внешней FE2 части резьбы и для уменьшения или нейтрализации влияния осевой зазора резьбы, который является необходимым при свинчивании противоположных резьбовых частей.

В другом варианте осуществления (не показан) первая FI1 или FE1 и вторая FI2 или FE2 части резьбы могут, например, образовывать две части этой же конической резьбы. В данном случае является предпочтительным, чтобы первая FI1 или FE1 и вторая FI2 или FE2 части резьбы являлись аксиально разделенными при помощи промежуточной нерезьбовой зоны, которая может быть конической (но возможно прямой) и с желаемой осевой протяженностью, предназначенной для облегчения доступа к виткам резьбы ТН2 внутренней второй FI2 или внешний FE2 части резьбы и для уменьшения или нейтрализации влияния осевого зазора резьбы, который является необходимым при свинчивании противоположных резьбовых частей.

В еще одном варианте осуществления (не показан), первая FI1 или FE1 и вторая FI2 или FE2 части резьбы могут быть, например, прямыми. В данном случае они обязательно должны быть выполнены на первом и втором радиальном расстоянии от продольной оси XX. В случае охватывающего резьбового элемента EF первое радиальное расстояние, которое разделяет продольную ось XX и первую внутреннюю части резьбы FI1, должно быть больше, чем второе радиальное расстояние, которое разделяет продольную ось XX и вторую внутреннюю части резьбы FI2. В случае охватываемого резьбового элемента ЕМ первое радиальное расстояние, которое разделяет продольную ось XX и первую внешнюю часть резьбы FE1, должно быть меньше, чем второе радиальное расстояние, которое разделяет продольное расстояние XX и вторую внешнюю части резьбы FE2.

Как можно увидеть на фигуре 3, резьбовое трубное соединение образовывают путем навинчивания охватывающего резьбового элемента EF первой детали Т1 (типа, показанного на фигуре 1) на охватываемый резьбовой элемент ЕМ второй детали Т2 (типа, показанного на фигуре 2).

В соответствии с данным изобретением в каждом охватывающем EF или охватываемом ЕМ резьбовом элементе упорные грани FS и опорные грани FL витков резьбы ТН1 первой резьбовой части FI1 или FE1 витков резьбы ТН2 второй части резьбы FI2 или FE2 расположены под наклоном противоположным образом (т.е. противоположно) по отношению к радиальному направлению. Данная конфигурация показана в фигурах 4 и 5, при этом используется охватываемый резьбовой элемент ЕМ типа, показанного на фигуре 2. Более точно, в не ограничивающем примере, показанном на фигурах 2, 4 и 5, упорные грани FS и опорные грани FL витков резьбы ТН1 первой внешней части резьбы FE1 являются наклоненными (или ориентированными) по направлению к свободному концу EL2 второй детали Т2 так, чтобы конец упорной грани FS и конец опорной грани FL на стороне вершины витка резьбы, соответственно, выступал и не выступал над другими концами этих граней во впадине профиля резьбы, в то время как упорные грани FS и опорные грани FL витков резьбы ТН2 второй внешней части резьбы FE2 являются наклоненными (или ориентированными) по направлению к нерезьбовой части (или корпусу) СР2 той же второй детали Т2, так, что конец упорной грани FS и конец опорной грани FL на стороне вершины витка резьбы, соответственно, выступал и не выступал над другим концом этих граней во впадине профиля резьбы. Подобным образом, в неограничивающем примере, показанном на фигуре 1, упорные грани FS и опорные грани FL витков резьбы ТН1 первой внутренней части резьбы FI1 являются наклоненными (или ориентированными) по направлению к нерезьбовой части (или корпуса) СР1 первой детали Т1 так, что конец упорной грани FS и конец опорной грани FL на стороне вершины витка резьбы, соответственно, не выступал и выступал над этими гранями во впадине профиля резьбы, в то время как упорные грани FS и опорные грани FL витков резьбы ТН2 второй внешней части резьбы FE2 являются наклоненными (или ориентированными) по направлению к свободному концу EL1 той же первой детали Т1 так, что конец упорной грани FS и конец опорной грани FL на стороне вершины витка резьбы, соответственно, выступал и не выступал над другим концом указанных граней во впадине профиля резьбы.

Угол наклона между опорной гранью FL витка резьбы ТН1 первой внешней части резьбы FE1 и радиальным направлением обозначают Ф_L1. Угол наклона между упорной гранью FS витка резьбы ТН1 первой внешней частью резьбы FE1 и радиальным направлением обозначают Ф_S1. Угол наклона между опорной гранью FL витка резьбы ТН2 второй внешней части резьбы FE2 и радиальным направлением обозначают Ф_L2. Угол наклона между упорной гранью FS витка резьбы ТН2 второй внешней части резьбы FE2 и радиальным направлением обозначают Ф_S2.

Если, например, мы примем, что углы наклона являются положительными, когда конец грани, относящийся к стороне вершины витка резьбы не выступает над другим концом этой же грани во впадине профиля резьбы, и отрицательными, когда конец грани, относящийся к стороне вершины витка резьбы выступает над другим концом этой же грани во впадине профиля резьбы, тогда в показанном примере углы Ф_L1 и Ф_S1 являются, соответственно, положительным и отрицательным, в то время как углы Ф_L2 и Ф_S2 являются, соответственно, отрицательным и положительным в случае охватываемого резьбового элемента ЕМ. Противоположное наблюдается на примере охватывающего резьбового элемента EF на фигуре 1. В данном случае углы Ф_L1и Ф_S1 граней FL и FS витков резьбы ТН1 первой внутренней части резьбы FL1 являются, соответственно, отрицательными и положительными, в то время как углы Ф_L2 и Ф_S2 граней FL и FS витков резьбы ТН2 второй внутренней части резьбы FI2 являются, соответственно, положительными и отрицательными.

Следует отметить, что может предусматриваться противоположная ситуация. В данном случае, углы Ф_L1 и Ф_S1 граней FL и FS витков резьбы ТН1 первой внутренней части резьбы FI1 являются, соответственно, положительными и отрицательными, углы Ф_L2 и Ф_S2 граней FL и FS витков резьбы ТН2 второй внутренней части резьбы FI2 являются, соответственно, отрицательными и положительными, углы Ф_L1 и Ф_S1 граней FL и FS витков резьбы ТН1 первой внешней части резьбы FE1 являются, соответственно, отрицательными и положительными, а углы Ф_L2 и Ф_S2 граней FL и FS витков резьбы ТН2 второй внешней части резьбы FE2 являются, соответственно, положительными и отрицательными.

Следует также отметить, что углы Ф_L1 и Ф_S1 граней FL и FS витков резьбы ТН1 первой внешней части резьбы FE1 или внутренней части резьбы FI1 могут быть идентичными или различаться (как в случае примера, показанном в фигурах 1, 2 и 4). Предпочтительно абсолютное значение угла наклона Ф_S1упорной грани FS витков резьбы ТН1 первой внешней части резьбы FE1 меньше, чем абсолютное значение угла наклона Ф_L1 опорных граней FL витков резьбы ТН1 этой же первой внешней части резьбы FE1. В качестве примера, абсолютное значение угла наклона Ф_S1 упорных граней FS витков резьбы ТН1 первой внешней части резьбы FE1 может быть в диапазоне от около 3° до около 15°. Например, Ф_S1 может быть выбран равным -10°. Абсолютное значение угла наклона Ф_L1 опорных граней FL витков резьбы ТН1 первой внешней части резьбы FE1 может быть, например, в диапазоне от около 10° до около 30°. Например, Ф_L1 может быть выбран равным +25°.

Предпочтительно абсолютное значение угла наклона Ф_S2 упорных граней FS витков резьбы ТН2 второй внешней части резьбы FE2 больше, чем абсолютное значение угла наклона Ф_L2 задних граней FL витков резьбы ТН2 этой же второй внешней части резьбы FE2. В качестве примера, абсолютное значение угла наклона Ф_L2 упорных граней FS витков резьбы ТН2 второй внешней части резьбы FE2 может быть в диапазоне от около 10° до около 30°. Например, Ф_L2может быть равным +25°. Абсолютное значение угла наклона Ф_L2 опорных граней FL витков резьбы ТН2 второй внешней части резьбы FE2 может быть, например, в диапазоне от около 3° до около 15°. Например, Ф_L2 может быть равным -10°.

Подобным образом, абсолютное значение угла наклона Ф_S1 упорных граней FS витков резьбы ТН1 первой внутренней части резьбы FI1 предпочтительно больше, чем абсолютное значение угла наклона Ф_L1 опорных граней FL витков резьбы ТН1 этой же первой внутренней части резьбы FI1. Например, абсолютное значение угла наклона Ф_S1опорных граней FS витков резьбы ТН1 первой внутренней части резьбы FI1 может быть в диапазоне от около 10° до около 30°. Например, Ф_S1 может быть выбран равным +25°. Абсолютное значение угла наклона Ф_L1 опорных граней FL витков резьбы ТН1 первой внутренней части резьбы FI1 может быть, например, в диапазоне от около 3° до около 15°. Например, Ф_L1 может быть выбран равным -10°.

Предпочтительно абсолютное значение угла наклона Ф_S1 упорных граней FS витков резьбы ТН2 второй внутренней части резьбы FI2 меньше, чем абсолютное значение угла наклона Ф_L2 опорных граней FL витков резьбы ТН2 этой же второй внутренней части резьбы FI2. Например, абсолютное значение угла наклона Ф_S2 упорных граней FS витков резьбы ТН2 второй внутренней части резьбы FI2 может быть в диапазоне от около 3° до около 15°. Например, Ф_S2 может быть выбран равным -10°. Абсолютное значение угла наклона Ф_L1 опорных граней FL витков резьбы ТН2 второй внутренней части резьбы FI2 может быть, например, в диапазоне от около 10° до около 30°. Например, Ф_L2 может быть выбран равным +25°.

Предпочтительно независимо от грани резьбы и части резьбы, абсолютное значение отрицательных углов меньше, чем абсолютное значение положительных углов. Таким образом, в неограничивающем примере на фигуре 3, абсолютное значение угла Ф_S1 (10°) меньше, чем значение угла Ф_L1 (25°).

Следует также отметить, что предпочтительно угол наклона Ф_S1 упорных граней FS витков резьбы ТН1 первой внутренней части резьбы FI1 в целом равен углу наклона Ф_S2 упорных граней FS витков резьбы ТН2 второй внешней части резьбы FE2. Подобным образом угол наклона Ф_L1 опорных граней FL витков резьбы ТН1 первой внутренней части резьбы FI1 предпочтительно в целом равен углу наклона Ф_L2 опорных граней FL витков резьбы ТН2 второй внешней части резьбы FE2.

Также следует отметить, что осевая длина первой внутренней части резьбы FI1 (или внешней FE1) охватывающего резьбового элемента EF (или охватываемого ЕМ) предпочтительно равна осевой длине второй внутренней части резьбы FI2 (или внешней FE2) этого же охватывающего резьбового элемента EF (или охватываемого ЕМ). Однако осевая длина частей резьбы может быть выбрана как функция другого критерия, например, и неограниченным образом, для уравновешивания развитых поверхностей опорных граней FL или упорных граней FS первой и второй части резьбы этой же резьбы.

Фигуры 6А и 6В отображают схематически (в поперечном сечении вдоль продольной оси XX) соответствующее положение витков резьбы ТН2 второй внешней части резьбы FE2 охватываемого резьбового элемента ЕМ и витков резьбы ТН1 первой внутренней части резьбы FI1 охватывающего резьбового элемента EF, в конце цикла свинчивания для первой Т1 и второй Т2 деталей и при отсутствии дополнительных внешних нагрузок. Как можно увидеть на фигурах 6А и 6В, соответствующие схемы первых частей резьбы FI1 и FE1 и вторых частей резьбы FI2 и FE2 позволяют определить:

- первую буферную зону ZT1 между опорными гранями FL витков резьбы ТН1 и ТН2, которые соответствуют первой внутренней части резьбы FI1 (охватывающего резьбового элемента EF) и второй внешней части резьбы FE2 (охватываемого резьбового элемента ЕМ) соответственно; и

- вторую буферную зону ZT2 между упорными гранями FS витков резьбы ТН2 и ТН1, которые соответствуют второй внутренней части резьбы FI2 (охватывающего резьбового элемента EF) и первой внешней части резьбы FE1 (охватываемого резьбового элемента ЕМ) соответственно.

В отсутствии внешней нагрузки противостоящие (противоположные) углы наклона витков резьбы первой FI1 и второй FI2 внутренней части резьбы охватывающего резьбового элемента EF, в сочетании с противостоящими (противоположными) углами наклона витков резьбы первой FE1 и второй FE2 внешних частей резьбы охватываемого резьбового элемента ЕМ, обеспечивают, что опорные грани FS витков резьбы ТН1 и ТН2, соответственно, первой внутренней части резьбы FI1 и второй внешней части резьбы FE2 опираются друг на друга, и в то же время опорные грани FL витков резьбы ТН2 и ТН1, соответственно, второй внутренней части резьбы FI2 и первой внешней части резьбы FE1, опираются друг на друга. Это вызывает расклинивающий эффект, который обеспечивает радиальную блокировку первой Т1 и второй Т2 детали, что в значительной мере повышает общую целостность их соединения.

Как видно на фигурах 7А и 7В, осевой зазор первых буферных зон ZT1 предназначен для того, чтобы быть выбранным при осевой растягивающей нагрузке, при этом, как показано на фигурах 8А и 8В, осевой зазор вторых буферных зон ZT2 предназначен для того, чтобы быть выбранным при осевой сжимающей нагрузке. Следует также понять, что в присутствии осевых сжимающих и растягивающих нагрузок (например, на противоположных образующих при изгибании), первая ZT1 и вторая ZT2 буферные зоны применяются в том же соединении для выбирания осевых зазоров. Упомянутая последняя ситуация соответствует в некотором роде совокупности фигур 7А, 7В на одной образующей и фигур 8А, 8В на противоположной образующей.

Осевые протяженности (осевые зазоры) первой ZT1 и второй ZT2 буферных зон, показанных в фигурах 6-8, были преднамеренно преувеличены, чтобы сделать их более легкими для понимания. Другими словами, осевые зазоры, которые они могут выбрать, преувеличены по сравнению с реальной ситуацией.

Промежуточная зона ZIF или ZIM, которая располагается между первой FI1 или FE1 и второй FI2 или FE2 частями резьбы, также является полезной при наличии осевых сжимающих и/или растягивающих нагрузок. В присутствии осевых растягивающих нагрузок (см. фигуры 7А и 7В), как только осевые зазоры первых буферных зон ZT1 были выбраны, растягивающие нагрузки воспринимаются всеми опорными гранями FL первых внутренних частей резьбы FI1 и внешних частей резьбы FE1 и вторых внутренних частей резьбы FI2 и внешних частей резьбы FE2. Более точно, как только осевые зазоры были выбраны, сила сцепления вызывает дополнительный контакт между опорными гранями FL первой внутренней части резьбы FI1 и второй внешней частью резьбы FE2, при этом дополнительный контакт может воспринимать часть нагрузки и, таким образом, облегчать нагрузку, которой подвергаются вторая внутренняя часть резьбы FI1 и первая внешняя часть резьбы FE2. Промежуточная зона ZIM будет затем гарантировать выбирание данного зазора посредством упругой деформации (и, таким образом, без заметного постоянного изменения) при осевом растяжении, посредством этого позволяя соединению (в данном случае резьбовое трубное соединение) вернуться в состояние, идентичное или близкое его основному состоянию после снятия нагрузки.

Действие промежуточной зоны ZIF в присутствии осевых сжимающих нагрузок (см. фигуры 8А и 8В) являются схожими тем, что описаны выше для промежуточной зоны ZIM в случае растягивающих нагрузок. Разница заключается в том, что нагрузки воспринимаются всеми упорными гранями FS первых внутренних частей резьбы FI1 и внешних частей резьбы FE1 и вторых внутренних FI2 и внешних FE2 частей резьбы, и в том, что промежуточная зона ZIF позволяет обеспечить выбирание зазора посредством упругой деформации при осевом сжатии.

Осевую протяженность части минимального поперечного сечения промежуточных зон ZIM, ZIF предпочтительно выбирают для того, чтобы избежать пластификации до выбирания осевого зазора соответствующих буферных зон, соответственно, ZT1, ZT2.

Крайне предпочтительно, чтобы осевая протяженность части минимального поперечного сечения промежуточных зон ZIM, ZIF являлась возрастающей линейной функцией максимальной осевой протяженности соответствующих буферных зон ZT1, ZT2. Максимальная осевая протяженность данных буферных зон является равной максимальному осевому зазору между частями резьбы FE2-FI1 или FE1-FI2, в зависимости от случая, принимая во внимания допуск на размеры на резьбах.

Таким образом, например, для пределов упругости порядка 700 МПа (категория С95 спецификации API 5CT) осевая протяженность или длина части минимального поперечного сечения промежуточных зон ZIM, ZIF может быть равна приблизительно 200 максимальным осевым зазорам резьбы, если пластическая деформация промежуточной зоны фактически не предполагается. Он может быть равным приблизительно 100 осевым зазорам, если предполагается небольшое количество пластической деформации.

Максимальная осевая протяженность буферных зон ZT1, ZT2 может быть равна минимальному осевому зазору между частями резьбы FE2-FI1 или FE1-FI2 в зависимости от случая, дополненному пространственным допуском на обработку осевых зазоров.

Минимальную осевую протяженность буферных зон ZT1, ZT2 (которая является равной минимальному осевому зазору между частями резьбы FE2-FI1 или FE1-FI2, в зависимости от случая) предпочтительно выбирают, чтобы избежать преждевременного износа от трения, по причине отрицательных углов профиля резьбы. В данном случае она является предпочтительной возрастающей функцией высоты резьбы и абсолютного значения отрицательного угла грани. Более предпочтительно она может быть равна h.tan(Ф_L1); при этом Ф_L2 является углом опорной грани второй внешней части резьбы FE2.

Следует отметить, что промежуточные зоны ZIM и ZIF могут также определять (по меньшей мере частично) поверхности уплотнения металл по металлу, если продуктам необходимо иметь уменьшенный радиальный объем. Это особенно касается деталей резьбовых соединений, известных как «выполненные заодно полуутопленные» соединения, которые могут таким образом включать первую поверхность уплотнения металл по металлу между их первой FI1 или FE1 и второй FI2 или FE2 частями резьбы и вторую поверхность уплотнения металл по металлу или ниже их второй внутренней части резьбы FI2 в случае охватывающего резьбового элемента EF, или выше их первой внешней часть резьбы FE1 в случае охватываемого резьбового элемента ЕМ.

Данное изобретение не ограничивается вариантами осуществления резьбового элемента (охватывающего или охватываемого), детали и резьбового трубного соединения, описанными выше только для примера, и включает все варианты, которые специалист в данной области техники может предвидеть в контексте приведенной ниже формулы изобретения.

Таким образом, данное изобретение также относится к другим типам охватываемого и охватывающего резьбового элемента, а не только к тем, что были описаны выше. Например, оно также относится к резьбовым элементам резьбовых трубных соединений с внутренними упорами, спаренным (например, таким, как тип VAM TOP, NEW VAM, VAM АСЕ, DINOVAM, VAM HW ST) или выполненными заодно «утопленным» или «полуутопленным» (например, таким, как тир VAM SL, VAM MUST, VAM HP). Данное изобретение также относится к охватываемым и охватывающим резьбовым элементам соединений без внутреннего упора (например типа VAM SLIJ II с центральным упором или VAM FJL с внешним упором).

Реферат

Изобретение относится к резьбовым соединениям. Техническим результатом является решение проблемы изменения осевых растягивающих и сжимающих нагрузок между двумя свинчивающимися резьбовыми элементами. Резьбовой элемент (ЕМ; EF) детали (Т2; Т1) содержит свободный конец (EL2; EL1) и, по меньшей мере, первую (FE1; FI1) и вторую (FE2; FI2) части резьбы, каждая из которых включает витки резьбы (ТН1, ТН2). При этом указанная первая часть резьбы (FE1; FI1) находится ближе к указанному свободному концу (EL2; EL1) и указанная вторая часть резьбы (FE2; FI2) находится ближе к центральной части без резьбы (РС2; РС1) детали (Т2; Т1). Упорные грани (FS) и опорные грани (FL) витков резьбы (ТН1) указанной первой части резьбы (FE1; FI1) и витков резьбы (ТН2) указанной второй части резьбы (FE2; FI2) являются наклоненными противоположным образом по отношению к радиальному направлению. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 11 ил.

Формула