Патент на изобретение №2258171

(54) РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ДЛЯ ТРУБ

(57) Реферат:

Изобретение относится к резьбовым соединениям для труб. Резьбовое соединение состоит из стальной трубы, имеющей на своем конце охватываемую резьбу и не имеющую резьбы герметизирующую поверхность, и из муфты, имеющей на внутренней поверхности охватывающую резьбу и не имеющую резьбы герметизирующую поверхность. При производимом давлении на внутреннюю поверхность трубы, равном Ру, среднее давление Pm кольцевого участка контакта удовлетворяет формуле Pm/Py3, а ширина в осевом направлении части, воспринимающей давление Ps, удовлетворяющее формуле Ps/Py1 в кольцевом контактном участке, составляет не менее 1 мм, а шероховатость поверхности Ry на обеих не имеющих резьбы герметизирующих поверхностях составляет не более 25 мкм. Соотношение между средним давлением Pm кольцевого участка контакта и шероховатостью поверхности Ry (мкм) не имеющей резьбы герметизирующей поверхности удовлетворяет формуле Pm/Py0,0032ЧRy²+1,0, а ширина в осевом направлении части, воспринимающей давление Ps, удовлетворяющее формуле Ps/Py1 в кольцевом контактном участке, составляет не менее 1 мм. Изобретение обеспечивает эффективные герметизирующие свойства участку плотного соединения «металл-металл» и предотвращает истирание в процессе выполнения. 3 н. и 3 з.п.ф-лы, 7 ил., 5 табл.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к резьбовому соединению для труб, имеющему участок с плотным соединением “металл-металл”, которое предназначено для использования с нефтяными скважинными трубами, применяемыми при разведке, добыче и транспортировке, например, нефти и природного газа.

Предпосылки к созданию изобретения

Условия использования соединений для соединения нефтяных скважинных труб, применяемых при изысканиях и добыче нефти и природного газа, становятся все более жесткими по мере того, как нефтяные и газовые скважины становятся глубже, и предъявляются все более высокие требования к их рабочим характеристикам в отношении прочности и воздухонепроницаемости (которая упоминается также ниже как герметизирующая способность).

В таких скважинах с резьбовыми трубчатыми соединениями, такими как соединения встык или соединения с круглой резьбой, которые обычно используются и в которых соединение осуществляется исключительно за счет взаимодействия стандартной резьбы API, оказывается невозможным в достаточной степени обеспечить как прочность, так и герметизирующую способность.

Поэтому предлагаются специальные трубчатые соединения, имеющие участок с плотным соединением “металл-металл”, обладающие достаточной прочностью и воздухонепроницаемостью, практического применения которых можно ожидать.

Например, в патенте США №4732416 описано резьбовое соединение для труб, которое позволяет избежать концентрации напряжений путем формирования участка с плотным соединением “металл-металл” с формой, при которой криволинейная поверхность соприкасается с криволинейной поверхностью.

В патенте США №4623173 описано резьбовое соединение для труб, в котором герметизирующая поверхность на наружной стороне резьбы участка плотного соединения “металл-металл” определяется как круглая поверхность с радиусом кривизны не менее 100 мм, а герметизирующая поверхность на внутренней стороне резьбы определяется как наклонная поверхность (коническая поверхность) с углом конусности 1,0-4,7°, а величина давления Р, приложенного к участку контакта металла с металлом герметизирующей поверхности (упоминаемая ниже просто как “участок контакта”), определяется как (внутреннее давление, приложенное к резьбовому соединению)

В патентах США №№5137310 и 5423579 описаны резьбовые соединения для труб, в которых участок с плотным соединением “металл-металл” имеет форму, при которой коническая поверхность соприкасается с конической поверхностью.

В патенте JP A 61-124792 описано резьбовое соединение для труб, в котором шероховатость поверхности (Ry) одной из герметизирующих поверхностей участка плотного соединения “металл-металл” определяется как 5-25 мкм Rmax.

В патенте JP A 06-10154 описано резьбовое соединение для труб, имеющее участок плотного соединения “металл-металл”, подвергнутый обработке поверхности для образования поверхностного покрытия, толщина которого удовлетворяет заданному соотношению шероховатости поверхности (Ry) (в пределах 5-20 мкм) подложки.

В патенте JP A 07-217777 описано резьбовое соединение, предназначенное для улучшения сопротивления истиранию поверхности за счет получения толщины полученного обработкой поверхности покрытия, выполненного на участке плотного соединения “металл-металл”, превышающей шероховатость поверхности Rmax (Ry) подложки.

В патенте JP A 08-145248 описано резьбовое соединение из высокохромистой стали с содержанием не менее 10 массовых % хрома, в котором твердость поверхности одной герметизирующей поверхности участка плотного соединения “металл-металл” по меньшей мере на 10 единиц твердости по Виккерсу превышает твердость другой герметизирующей поверхности, а средняя шероховатость поверхности, обладающей более высокой твердостью, составляет порядка 0,25-1,00 мкм.

Однако даже со специальными резьбовыми соединениями, имеющими участок плотного соединения “металл-металл” типа, описанного выше, в случае значительной шероховатости герметизирующей поверхности возможно возникновение небольшой протечки. В частности, когда текучей средой является газ в газовой скважине, возникновение протечки становится более легким. Поэтому давление, которое необходимо приложить к контактным участкам герметизирующих поверхностей для предотвращения протечки при значительной шероховатости, становится высоким. В зависимости от состояния контакта герметизирующих поверхностей или условий приложенной нагрузки невозможно приложить достаточное давление к герметизирующим поверхностям, и соединения могут не обеспечивать достаточных герметизирующих свойств.

При использовании трубных соединений с участком плотного соединения “металл-металл” возможно получение хороших герметизирующих свойств за счет уменьшения шероховатости герметизирующих поверхностей и увеличения давления, приложенного к участкам контакта. Однако уменьшение шероховатости поверхности требует высокой точности обработки, увеличивается длительность обработки и становятся значительными потери с точки зрения производительности труда и издержек производства. С другой стороны, при увеличении усилия контакта, приложенного к герметизирующему участку, при небольшой ширине участка контакта происходит повышение давления, что может привести к истиранию и к повреждению соединения.

Однако ни в одном из описанных выше соединений, имеющих участок плотного соединения “металл-металл”, не принимается во внимание зависимость герметизирующей способности от шероховатости поверхности и от приложенного давления.

Например, описания трубных соединений для труб, предложенных в патентах США №№4732416; 4623173; 5137310 и 5423579, не содержат упоминаний о шероховатости герметизирующей поверхности или о приложенном давлении.

С другой стороны, в отношении каждого из резьбовых соединений для труб, описанных в JP A 61-124792, JP A 06-10154, JP A 07-217777 и JP A 08-145248, шероховатость поверхности задана в связи с обработкой поверхности и отсутствует упоминание о зависимости между шероховатостью поверхности и приложенным давлением и шириной участка контакта или зависимостью между этими характеристиками и герметизирующими свойствами.

Таким образом, с применением специальных резьбовых соединений с участком плотного соединения “металл-металл”, предложенных до сих пор, трудно надежно устранить проблемы, такие как истирание или протечки текучих сред.

Описание изобретения

Следует отметить, что перечисленные выше недостатки в отношении специального резьбового соединения связаны с взаимозависимостью шероховатости герметизирующей поверхности и приложенного давления, а также ширины в осевом направлении участка контакта, на который на герметизирующей поверхности воздействует давление, а также то, что за счет оптимизации этих взаимозависимостей можно экономично обеспечить высокие герметизирующие свойства трубному соединению, имеющему участок плотного соединения “металл-металл”.

Настоящее изобретение относится к резьбовому соединению для труб, имеющему участок плотного соединения “металл-металл”, состоящему из охватываемой резьбы и не имеющей резьбы герметизирующей поверхности, выполненных на конце стальной трубы, и охватываемой резьбы и не имеющей резьбы герметизирующей поверхности, выполненных на внутренней поверхности муфты, причем охватывающая резьба навинчивается на охватываемую резьбу, а не имеющая резьбы герметизирующая поверхность муфты упирается в герметизирующую поверхность стальной трубы и образует кольцевой участок контакта. Резьбовое соединение для труб, являющееся предметом настоящего изобретения, характеризуется одним из положений (1)-(3), при производимом давлении на внутреннюю поверхность трубы, равном Ру:

(1) Шероховатость поверхности Ry не имеющих резьбы герметизирующих поверхностей стальной трубы и муфты составляет не более 25 мкм, и после выполнения резьбового соединения может быть образовано плотное соединение “металл-металл”, в котором среднее давление Pm кольцевого участка контакта удовлетворяет формуле Pm/Py3, а ширина в осевом направлении части, воспринимающей давление Ps, удовлетворяющее формуле Ps/Ру1 в кольцевом контактном участке, составляет не менее 1 мм;

(2) После выполнения резьбового соединения на не имеющей резьбы герметизирующей поверхности как стальной трубы, так и муфты зависимость между средним давлением Pm кольцевого участка контакта и шероховатостью Ry (мкм) герметизирующих поверхностей удовлетворяет формуле Pm/Py0,0032×Ry²+1,0, а ширина в осевом направлении части, воспринимающей давление Ps, удовлетворяющее формуле Ps/Ру1 в кольцевом контактном участке, составляет не менее 1 мм; и

(3) Шероховатость поверхности Ry не имеющих резьбы герметизирующих поверхностей стальной трубы и муфты составляет не более 30 мкм, и после выполнения резьбового соединения может быть образовано плотное соединение “металл-металл”, в котором среднее давление Pm кольцевого участка контакта удовлетворяет формуле Pm/Py3, а ширина в осевом направлении части, воспринимающей давление Ps, удовлетворяющее формуле Ps/Ру1 в кольцевом контактном участке, составляет не менее 2 мм. Предпочтительно стальная труба имеет на торцевой поверхности уступ, и соответственно муфта также имеет уступ, который упирается в уступ торцевой поверхности стальной трубы.

В настоящем изобретении шероховатость поверхности Ry не имеющих резьбы герметизирующих поверхностей означает шероховатость обработанной поверхности стального материала основы, образующего резьбовое соединение. Соответственно, в случае резьбового соединения, подвергнутого обработке поверхности, Ry не является шероховатостью полученного путем обработки поверхности покрытия на герметизирующей поверхности, но является шероховатостью герметизирующей поверхности до выполнения обработки этой поверхности.

Давление Ps, приложенное к кольцевому участку контакта, означает усилие в расчете на единицу площади, приложенное в направлении, перпендикулярном герметизирующей поверхности, а ширина в осевом направлении кольцевого участка контакта, воспринимающего давление, является длиной, измеренной вдоль герметизирующей поверхности. То есть направление, в котором приложено давление Ps и осевое направление кольцевого участка контакта, перпендикулярны друг другу.

Давление Ps прикладывается посредством резьбового взаимодействия резьбы стальной трубы и муфты для создания резьбового соединения. Величина давления Ps определяется размерами и формой резьбы и герметизирующих поверхностей, установленных в заданном диапазоне, и при определенной степени завинчивания резьбы. Определение степени завинчивания резьбы обычно осуществляется или определением величины затяжки, или путем позиционирования с помощью соответствующей разметки.

Формула Ps/Py указывает отношение давления Ps на участках контакта к внутреннему производимому давлению Py по Фон-Мизесу и является безразмерной величиной. Py рассматривается как максимальное внутреннее давление, которое может быть приложено к трубе, так что если Ps/Py1, то давление всегда больше или равно внутреннему давлению. В резьбовом соединении для труб, являющемся предметом настоящего изобретения, значение Ps, удовлетворяющее формуле Ps/Py1, рассматривается как эффективное давление, и в кольцевом участке контакта, образующего плотное соединение “металл-металл”, ширина в осевом направлении участка, воспринимающего это эффективное давление, установлена как составляющая не менее 1 мм или не менее 2 мм, как указано выше.

Среднее давление Pm является величиной, полученной путем деления полного распределения давления в осевом направлении в кольцевом участке контакта по длине в осевом направлении участка контакта (длине распределения давления) на длину контакта. При этом предполагается, что равномерное давление действует вдоль всей длины участка контакта. Хотя величина Pm должна определяться путем измерений давления, ее можно определять посредством анализа с использованием метода конечных элементов (FEM) состояния распределения напряжений участка соединения, находящегося в резьбовом взаимодействии, с использованием информации об измеренных размерах участка соединения и свойствах материалов.

Ширину в осевом направлении участка контакта, воспринимающего давление Ps, удовлетворяющее формуле Ps/Py1, также можно определять методом конечных элементов.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показано схематическое изображение в сборе резьбового соединения для труб, имеющих участок плотного соединения “металл-металл”;

на фиг.2 показан в увеличенном масштабе вид участка плотного соединения “металл-металл” резьбового соединения;

на фиг.3 показан график зависимости среднего отношения давления Pm/Py от результатов проверки герметичности резьбовых соединений для труб, имеющих шероховатости поверхности Ry порядка 25 мкм;

на фиг.4 показан график зависимости среднего отношения давления Pm/Py от результатов проверки герметичности резьбовых соединений для труб, имеющих шероховатости поверхности Ry порядка 12,5 мкм;

на фиг.5 показан график зависимости среднего отношения давления Pm/Py от результатов проверки герметичности резьбовых соединений для труб, имеющих шероховатости поверхности Ry порядка 30 мкм;

на фиг.6 показан схематический вид, демонстрирующий способ, применяемый при проверке герметичности;

на фиг.7 показаны результаты проверки герметичности посредством взаимозависимости между средним отношением давления Pm/Py и шероховатостью поверхности Ry.

Варианты реализации изобретения

В настоящем изобретении была исследована взаимозависимость шероховатости герметизирующей поверхности, давления и ширины в осевом направлении кольцевого участка контакта, воспринимающего давление, и герметизирующих свойств участка плотного соединения “металл-металл” резьбового соединения следующим образом.

Стальная труба с номинальным наружным диаметром 88,9 мм и номинальной толщиной стенки 6,45 мм, изготовленная из низкоуглеродистой стали для нефтяных скважинных труб (L-80 согласно стандартам API), была подготовлена как испытательная труба. Как показано на фиг.1 и 2, на обоих концах испытательной трубы (на кончиках обоих концов) путем механической обработки наружной периферийной поверхности были выполнены охватываемая резьба 1b и не имеющая резьбы герметизирующая поверхность 1а, предназначенная для обеспечения контакта между плоскостями (коническая не имеющая резьбы поверхность, подобная описанной в патенте США №5137310). На каждом из своих концов труба для испытаний имеет уступ 1с.

Муфта 2, выполненная из такого же материала, как и описанный выше, и предназначенная для соединения с испытательной трубой 1, имеет охватывающую резьбу 2b, предназначенную для навинчивания на охватываемую резьбу 1b испытательной трубы и не имеющую резьбы герметизирующую поверхность 2а, предназначенную для упора в герметизирующую поверхность 1а испытательной трубы и выполненную на ее внутренней периферийной поверхности на обоих ее концах. Она имеет внутренний уступ 2с, предназначенный для того, чтобы упираться в уступ 1с стальной трубы.

Не имеющие резьбы герметизирующие поверхности 1а и 2а испытательной трубы 1 и муфты 2 были подвергнуты механической обработке таким образом, что шероховатость поверхности Ry у каждой из них составляла приблизительно 25 мкм, что является верхним пределом шероховатости поверхности Ry, применяемым к обычному резьбовому соединению.

Резьбовые соединения для испытаний (которые упоминаются ниже как “образцы”), имеющие участки плотного соединения “металл-металл”, были подготовлены путем соединения испытательной трубы 1 с каждым концом муфты 2 посредством навинчивания, как показано на фиг.1. При таком исследовании были подготовлены восемь образцов А1-А8 при величине затяжки герметизирующей части, заданной в соответствии с давлением, так что величина отношения Pm/Py среднего давления Pm на кольцевом участке контакта (упоминаемом ниже как “участок контакта”) к внутреннему производимому давлению Ру (отношение Pm/Py упоминается ниже как “среднее отношение давления”) изменяется в виде приращений величиной приблизительно 0,5 в диапазоне 1,0-4,5. Эти образцы подвергались испытаниям на герметичность, при этом изучались герметизирующие свойства. Величина затяжки резьбы была сведена к нулю, так что она не должна оказывать влияния на участок плотного соединения, а навинчивание было прекращено при стыковании уступов 1с (а именно, величина затяжки резьбы была задана обнаружением уступов кручения).

Среднее отношение давления Pm/Py, которое было определено путем анализа с использованием метода конечных элементов, основанного на использовании измеренных размеров каждой части участков резьбового соединения и информации о свойствах материала, показано в табл.1 и на фиг.3 вместе с данными о шероховатости герметизирующих поверхностей, результатами испытаний на герметичность и шириной контакта.

Как показано на фиг.6, испытание на герметичность было выполнено посредством поддержания заданного давления газообразного азота (производимое давление в заделанном конце: внутреннее производимое давление Ру по Фон-Мизесу) в течение одного часа внутри испытательного резьбового соединения. Для того чтобы определить протечку из резьбового соединения во время испытания, с обоих концов муфты 2 на участок с резьбой был надет хомут 3, просочившийся газ отводился через хомут 3 и канал 4 в воду 5, а возникновение протечки определялось на основе появления пузырьков газа.

В результатах испытаний на герметичность, показанных в табл.1, значок ° показывает на отсутствие протечки в течение одного часа испытаний, а значок х показывает на возникновение протечки. Аналогичным образом на фиг.3 значок показывает на отсутствие протечки, а значок х показывает на возникновение протечки. Как показано на фиг.1, резьбовое соединение может быть выполнено на каждом конце муфты, и при возникновении протечки на любом из концов давалась оценка х.

Шероховатость поверхности Ry образца, показанная в табл.1 и на фиг.3, была измеренным значением шероховатости герметизирующих поверхностей трубы и муфты, подвергнутых механической обработке с доведением шероховатости поверхности Ry до 25 мкм (измеренная длина: 0,5 мм, средняя для герметизирующих поверхностей всего в 4 местах для двух резьбовых соединений трубы и муфты на обоих концах муфты).

Показанная в табл.1 ширина контакта является шириной в осевом направлении части участка контакта, на котором Ps/Py1, и была определена вместе со средним давлением Pm методом конечных элементов.

Описанный выше оценочный способ и способ проведения измерений был использован также в табл. 2, 3 и 5 и фиг.4-5.

ТАБЛИЦА 1
Номер образца	Шероховатость поверхности, Ry (мкм)	Среднее соотношение давления, Pm/Py	Результаты испытаний на герметичность	Ширина контакта* (мм)
А-1	24,3	4,0	О	1,30
А-2	25,1	3,2	О	1,17
А-3	25,7	2,6	×	1,05
А-4	25,2	1,6	×	0,84
А-5	24,9	3,4	О	1,21
А-6	24,1	1,3	×	0,77
А-7	23,5	1,9	О	0,91
А-8	25,2	4,3	О	1,32
* Ширина в осевом направлении части участка контакта, для которого Ps/Py1

На основании данных табл.1 и фиг.3 можно сказать, что когда шероховатость герметизирующей поверхности Ry резьбового соединения равна 25 мкм, протечек не возникает при среднем отношении давления Pm/Py не ниже 3. В случае образца А-7 протечек не возникало благодаря тому, что шероховатость поверхности оказалась ниже. Следует отметить, что протечек не возникает также при среднем отношении давления Pm/Py не ниже 3 и при шероховатости поверхности Ry менее 25 мкм.

Соответственно, можно прийти к выводу, что протечек не возникает также при среднем отношении давления Pm/Py не ниже 3 и при шероховатости поверхности Ry не более 25 мкм. Аналогичным образом результаты анализа методом конечных элементов показали, что протечек не возникает, когда ширина в осевом направлении участка, в котором давление Ps на участке контакта по меньшей мере равно внутреннему давлению выпускаемой продукции Ру (т.е ширина контакта в табл.1), в общем равна по меньшей мере 1,0 мм, как показано в табл.1.

Из всего сказанного, согласно первому варианту реализации настоящего изобретения, при среднем отношении давления Pm/Py на участке контакта не ниже 3, ширине в осевом направлении участка, на котором Ps/Py1, не менее 1 мм, и при шероховатости поверхности на обеих герметизирующих поверхностях не более 25 мкм, можно с уверенностью гарантировать герметизирующие свойства плотного соединения “металл-металл”.

Далее, таким же образом, как описано выше, за исключением того, что обработка была выполнена так, что шероховатость поверхности Ry не имеющих резьбы герметизирующих поверхностей трубы и муфты составила 12,5 мкм, были подготовлены восемь образцов от В-1 до В-8, с величиной затяжки герметизирующей части, заданной в соответствии с давлением, так что среднее отношение давления Pm/Py изменяется приращениями приблизительно 0,5 в пределах диапазона 0,5-3,0. Эти образцы подвергались таким же испытаниям на герметичность, как и описанные выше. Среднее отношение давления Pm/Py, которое определялось посредством анализа с использованием метода конечных элементов, основанного на использовании измеренных размеров каждой части участков резьбового соединения и информации о свойствах материала, показано в табл.2 и на фиг.4 вместе с данными о шероховатости герметизирующих поверхностей, результатами испытаний на герметичность и шириной контакта.

ТАБЛИЦА 2
Номер образца	Шероховатость поверхности, Ry (мкм)	Среднее соотношение давления, Pm/Py	Результаты испытаний на герметичность	Ширина контакта* (мм)
В-1	12,6	0,4	×	0,76
В-2	12,2	0,9	×	1,01
В-3	12,4	1,6	О	1,29
В-4	12,9	2,2	О	1,48
В-5	12,0	2,5	О	1,57
В-6	12,1	3,1	О	1,74
В-7	12,8	0,6	×	0,86
В-8	13,0	1,2	×	1,15
* Ширина в осевом направлении части участка контакта, для которого Ps/Py1

На основании данных табл.2 и фиг.4 можно сказать, что когда шероховатость герметизирующей поверхности Ry резьбового соединения равна 12,5 мкм, протечек не возникает при среднем отношении давления Pm/Py, превышающем 1,5. Следует отметить, что протечек не возникает также при шероховатости поверхности Ry менее 12,5 мкм, если среднее отношение давления Pm/Py превышает 1,5.

Если шероховатость поверхности Ry приближается к нулю, т.е. она становится зеркальной поверхностью, герметизирующая поверхность становится полностью герметичной, так что до тех пор, пока гарантировано приложение чрезвычайно низкого давления, протечек не возникает. А именно, когда шероховатость поверхности Ry приближается к предельному нулевому значению, среднее отношение давления Pm/Py, необходимое для предупреждения протечек на участке герметизации, приближается к предельному значению 1.

По трем граничным точкам (Pm/Py=3, Ry=25 мкм), (Pm/Py=1,5, Ry=12,5 мкм) и (Pm/Py=1,0, Ry=0 мкм), полученным по результатам экспериментов, показанным в табл.1 и табл.2, и по предельному значению Ry уравнением второго порядка с использованием среднего давления Pm/Py и шероховатости поверхности Ry (мкм), которое описывает граничные значения присутствия или отсутствия протечек, является Pm/Py0,0032×Ry²+1,0.

Во втором варианте настоящего изобретения герметизирующие свойства могут быть гарантированы, если Pm/Py0,0032×Ry²+1,0. Однако при этом же варианте ширина контакта (ширина в осевом направлении части участка контакта, на которой Ps/Py1) составляет не менее 1 мм.

В указанном уравнении, которое описывает условия, среднее соотношение давления Pm/Py применяется как индекс, поскольку среднее давление Pm обозначает усилие нажима на герметизирующую поверхность в расчете на единицу длины или единицу площади, и когда усилие, с которым обладающие шероховатостью поверхности прижимаются друг к другу, велико, зазоры между контактными поверхностями, образуемые шероховатостью поверхности, расплющиваются и уменьшаются и предполагается, что герметизирующие свойства герметизирующих поверхностей улучшаются.

Далее, таким же образом, как описано выше, за исключением выполнения механической обработки таким образом, что шероховатость Ry не имеющих резьбы шероховатых поверхностей имела большее значение (приблизительно 30 мкм), были подготовлены восемь образцов от С-1 до С-8 с величиной затяжки герметизирующей части, заданной в соответствии с давлением, так что среднее отношение давления Pm/Py изменяется приращениями приблизительно 0,5 в пределах диапазона 1-4,5, причем эти образцы подвергались таким же испытаниям на герметичность, как и описанные выше. Среднее отношение давления Pm/Py, которое определялось посредством анализа с использованием метода конечных элементов, основанного на использовании измеренных размеров каждой части участков резьбового соединения и информации о свойствах материала, показано в табл.3 и на фиг.5 вместе с данными о шероховатости герметизирующих поверхностей, результатами испытаний на герметичность и шириной контакта.

ТАБЛИЦА 3
Номер образца	Шероховатость поверхности, Ry (мкм)	Среднее соотношение давления, Pm/Py	Результаты испытаний на герметичность	Ширина контакта* (мм)
С-1	30,2	1,1	×	1,63
С-2	29,7	1,7	×	1,80
С-3	29,9	2,1	×	1,91
С-4	30,5	2,4	×	2,07
С-5	30,1	2,9	О	2,11
С-6	29,6	3,6	О	2,13
С-7	30,7	3,8	×	1,27
С-8	29,5	4,2	О	2,21
* Ширина в осевом направлении части участка контакта, для которого Ps/Py1

В табл.3 и на фиг.5 показано, что в случае, если шероховатость поверхности Ry герметизирующих поверхностей, согласно третьему варианту реализации настоящего изобретения, достигает 30 мкм, если ширина в осевом направлении участка контакта в той части, которая воспринимает давление Pm, по меньшей мере равное внутреннему давлению выпускаемой продукции Py (когда Ps/Py1) равна по меньшей мере 2 мм, и среднее соотношение давления Pm/Py равно по меньшей мере 3, герметизирующие свойства можно гарантировать с уверенностью.

Однако даже в случае резьбового соединения для труб согласно любому из перечисленных вариантов реализации настоящего изобретения велика вероятность возникновения истирания в том случае, когда среднее соотношение давления Pm/Py становится слишком большим. Верхнее предельное значение Pm/Py, при котором не происходит истирания, зависит от материала и от того, проводится или нет предварительная обработка, однако в целом значение Pm/Py предпочтительно не превышает 5, и более предпочтительно оно не превышает 4,5. Для того чтобы предотвратить истирание, необходимо установить среднее соотношение давления Pm/Py ближе к нижнему пределу, заданному настоящим изобретением. За счет таких действий даже в случае материала или условий, допускающих возникновение небольшого истирания, существует возможность надежно предотвратить истирание.

В любом случае, в том, что касается давления Ps с точки зрения сопротивления истиранию, желательно, чтобы давление Ps не превышало предела текучести материала Ys (Ps/Ys<1).

В зависимости от материала, образующего резьбовое соединение, и условий сборки возможно выполнение подходящей обработки поверхности как резьбы, так и не имеющих резьбы герметизирующих поверхностей для придания им устойчивости к истиранию. Некоторыми примерами такой обработки поверхности являются фосфатирование, обработка твердым смазочным материалом, плакирование и дробеструйная обработка покрытия на основе цинка. Обработка поверхности резьбы и не имеющих резьбы герметизирующих поверхностей может быть выполнена только на стальной трубе или муфте или на том и другом элементах соединения вместе.

Обычно на резьбовое соединение перед сборкой наносят подходящую консистентную смазку или масло, но в зависимости от обработки поверхности такое нанесение может оказаться ненужным.

Форма участка плотного соединения “металл-металл” резьбового соединения для труб согласно настоящему изобретению может быть формой, при которой герметизирующие поверхности, образуемые на торцевой части стальной трубы и на муфте, обе являются коническими поверхностями, или же формой, при которой одна из них является криволинейной поверхностью, а другая – конической поверхностью, формой, при которой обе они являются криволинейными поверхностями и т.п. Однако, принимая во внимание деформацию герметизирующей части, необходимо обеспечивать условие в отношении ширины в осевом направлении части участка контакта, на которой Ps/Py1.

Примеры

С использованием испытательных труб и муфт из тех же материалов и имеющих те же размеры, что и описанные выше, были подготовлены различные резьбовые соединения для испытаний (образцы), и герметизирующие свойства исследовались с помощью таких же испытаний на герметичность, как и описанные выше.

Каждый образец был подготовлен таким образом, что среднее соотношение давления Pm/Py и шероховатость поверхности Ry не имеющих резьбы герметизирующих поверхностей 1а и 2а испытательной трубы и муфты, соответственно, имеют значения, указанные в табл.4. Величина затяжки резьбы была сведена к нулю, так что она не должна оказывать влияния на участок плотного соединения, а навинчивание было прекращено при стыковании уступов 1с.

Как показано на фиг.1, образец содержит две испытательные трубы 1, каждая из которых имеет охватывающую резьбу 1b и не имеющую резьбы герметизирующую поверхность 1а, образованную по наружной периферийной поверхности ее конца, расположенную на обоих концах муфты 2, имеющей охватываемую резьбу 2b и не имеющую резьбы герметизирующую поверхность 2а, образованную по внутренней периферийной поверхности на обоих концах. Соответственно, каждый образец имеет две резьбовых соединительных части, с идентификационными номерами, например, 1-А и 1-В (резьбовое соединение со стороны А и стороны В образца №1).

Как показано в табл.4 для нескольких образцов, шероховатость поверхности Ry герметизирующих поверхностей двух резьбовых соединений А и В одного и того же образца отличалась друг от друга. Однако рабочие значения шероховатости поверхности Ry герметизирующих поверхностей труб и муфт отдельного резьбового соединения были одинаковыми. Средние значения измеренных показателей шероховатости трубы и муфты для каждого соединения показаны в табл.5.

ТАБЛИЦА 5
Идентификационный номер образца	Шероховатость поверхности Ry (мкм)	Среднее соотношение давления, Pm/Py	0,0032×Ry2+1	Результаты испытаний на герметичность	Ширина контакта1 (мм)	Номер соответствующего варианта
1-А	14	2,9	1,63	О	1,68	(2)
1-В	19,5	3,1	2,22	О	1,11	(1)
2-А	24	3,0	2,84	О	1,13	(1)
2-В	28,5	3,1	3,60	О	2,10	(3)
3-А	15,5	1,9	1,77	О	1,35	(2)
3-В	16	1,1	1,82	×	1,10	Сравнительный
4-А	9	1,9	1,26	О	1,40	(2)
4-В	11	0,9	1,39	×	1,00	Сравнительный
5-А	6	2,1	1,12	О	1,51	(2)
5-В	4	0,5	1,05	×*	0,80	Сравнительный
6-А	30	4,0	3,88	О	2,20	(3), (2)
6-В	32	5,2	4,28	О*	2,31	(2)
7-А	26	2,6	3,16	×	1,04	Сравнительный
7-В	24	1,7	2,84	×	0,86	Сравнительный
8-А	19,5	1,8	2,22	×	0,89	Сравнительный
8-В	12,5	1,5	1,50	О	1,24	(2)
9-А	8	1,0	1,20	×	1,06	Сравнительный
9-В	3	1,6	1,03	О*	1,30	(2)
*: При отвинчивании происходит заедание 1 Ширина в осевом направлении части участка контакта, на которой Ps/Py1

На каждом подготовленном образце описанным выше способом определения герметизирующих свойств было проведено испытание герметичности с поддержанием в течение одного часа внутреннего давления (производимое давление в заделанном конце: внутреннее производимое давление Ру по Фон-Мизесу). Результаты показаны в табл.5 и на фиг.7 вместе с рабочими результатами испытательных труб.

В табл.5 и на фиг.7 результаты испытаний на герметичность со значком * указывают на возникновение истирания при развинчивании соединения после завершения испытания. “Номер соответствующего варианта” в табл.5 означает номер одного из описанных выше вариантов реализации настоящего изобретения.

На фиг.7 графически нанесены среднее отношение давления Pm/Py на ординате и шероховатость поверхности Ry герметизирующих поверхностей на абсциссе. Пунктирная кривая на фигуре соответствует Pm/Py0,0032×Ry²+1,0.

Данные фиг.7 и табл.5 подтверждают, что образцы резьбовых соединений, удовлетворяющие любому из условий настоящего изобретения (т.е. образцы из табл.5, за исключением сопоставительных образцов), могут гарантировать высокие герметизирующие свойства. С другой стороны, образцы резьбовых соединений из сопоставительных примеров, которые не удовлетворяют любому из условий настоящего изобретения, все подвержены протечкам.

Истирание имело место в образце под №9-В несмотря на небольшое среднее отношение давления Pm/Py, равное 1,6, что связано с очень низкой шероховатостью поверхности (3 мкм).

Согласно настоящему изобретению, без сведения шероховатости герметизирующей поверхности к ненужно низкому уровню и не увеличивая в связи с этим длительности механической обработки, или повышая затраты на механическую обработку, или без нахождения методом проб и ошибок компромиссного соотношения между издержками и герметизирующими свойствами, можно определить наименьшую необходимую шероховатость поверхности для приложенного давления с учетом сопротивления истиранию и получить более рациональное и экономичное резьбовое соединение с соединением “металл-металл”.

Формула изобретения

1. Резьбовое соединение для труб, имеющее участок плотного соединения «металл-металл», состоящего из охватываемой резьбы и не имеющей резьбы герметизирующей поверхности, выполненных на конце стальной трубы, и охватывающей резьбы и не имеющей резьбы герметизирующей поверхности, выполненных на внутренней поверхности муфты, причем охватывающая резьба навинчивается на охватываемую резьбу, а не имеющая резьбы герметизирующая поверхность муфты упирается в герметизирующую поверхность стальной трубы и образует кольцевой участок контакта, отличающееся тем, что шероховатость поверхности Ry не имеющих резьбы герметизирующих поверхностей стальной трубы и муфты составляет не более 25 мкм, и после выполнения резьбового соединения образуется плотное соединение «металл-металл», в котором среднее давление Pm кольцевого участка контакта удовлетворяет формуле Pm/Py3, а ширина в осевом направлении части, воспринимающей давление Ps, удовлетворяющее формуле Ps/Py1 в кольцевом контактном участке, составляет не менее 1 мм, при давлении выпускаемой продукции на внутреннюю поверхность трубы, равном Ру.

2. Резьбовое соединение для труб по п.1, в котором торцевая поверхность стальной трубы имеет уступ, и соответственно муфта также имеет уступ, который упирается в уступ торцевой поверхности стальной трубы.

3. Резьбовое соединение для труб, имеющее участок плотного соединения «металл-металл», состоящего из охватываемой резьбы и не имеющей резьбы герметизирующей поверхности, выполненных на конце стальной трубы, и охватывающей резьбы и не имеющей резьбы герметизирующей поверхности, выполненных на внутренней поверхности муфты, причем охватывающая резьба навинчивается на охватываемую резьбу, а не имеющая резьбы герметизирующая поверхность муфты упирается в герметизирующую поверхность стальной трубы и образует кольцевой участок контакта, отличающееся тем, что после выполнения резьбового соединения на не имеющей резьбы герметизирующей поверхности как стальной трубы, так и муфты, зависимость между средним давлением Pm кольцевого участка контакта и шероховатостью Ry (мкм) герметизирующих поверхностей удовлетворяет формуле Pm/Py0,0032хRy²+1,0, а ширина в осевом направлении части, воспринимающей давление Ps, удовлетворяющее формуле Ps/Py1 в кольцевом контактном участке, составляет не менее 1 мм, при производимом давлении на внутреннюю поверхность трубы, равном Ру.

4. Резьбовое соединение для труб по п.3, в котором торцевая поверхность стальной трубы имеет уступ, и соответственно муфта также имеет уступ, который упирается в уступ торцевой поверхности стальной трубы.

5. Резьбовое соединение для труб, имеющее участок плотного соединения «металл-металл», состоящего из охватываемой резьбы и не имеющей резьбы герметизирующей поверхности, выполненных на конце стальной трубы, и охватывающей резьбы и не имеющей резьбы герметизирующей поверхности, выполненных на внутренней поверхности муфты, причем охватывающая резьба навинчивается на охватываемую резьбу, а не имеющая резьбы герметизирующая поверхность муфты упирается в герметизирующую поверхность стальной трубы и образует кольцевой участок контакта, отличающееся тем, что шероховатость поверхности Ry не имеющих резьбы герметизирующих поверхностей стальной трубы и муфты составляет не более 30 мкм, и после выполнения резьбового соединения среднее давление Pm кольцевого участка контакта удовлетворяет формуле Pm/Py3, а ширина в осевом направлении части, воспринимающей давление Ps, удовлетворяющее формуле Ps/Py1 в кольцевом контактном участке, составляет не менее 2 мм, при производимом давлении на внутреннюю поверхность трубы, равном Ру.

6. Резьбовое соединение для труб по п.5, в котором торцевая поверхность стальной трубы имеет уступ, и соответственно муфта также имеет уступ, который упирается в уступ торцевой поверхности стальной трубы.

РИСУНКИ