Різьбове з’єднання двох металевих труб з великим моментом загвинчування

Номер патенту: 71575

Опубліковано: 15.12.2004

Автори: Ноель Т'єррі, Варенн Емманюель

Є ще 2 сторінки.

Дивитися все сторінки або завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

1. Різьбове з'єднання двох металевих труб, що включає зовнішній елемент на торці першої металевої труби, угвинчений у внутрішній елемент на торці другої металевої труби, причому зовнішній елемент має зовні зовнішню конічну різьбу з трапецеїдальними виступами, що мають дві поверхні, а саме несучу поверхню і поверхню зчеплення, ширина вершини зовнішнього виступу менша ширини основи зовнішнього виступу, внутрішній елемент має зсередини внутрішню конічну різьбу з трапецеїдальними виступами, форма яких відповідає формі зовнішньої різьби, ширина вершин виступів зовнішньої і внутрішньої різьби більша ширини заглибин сполученої різьби, яке відрізняється тим, що при загвинчуванні зовнішнього елемента у внутрішній елемент обидва елементи приводяться у відносне положення, при якому обидві поверхні зовнішніх виступів знаходяться у контакті з обома поверхнями внутрішніх виступів, і ширина внутрішнього виступу на заданій висоті, яка виміряна перед сполученням, більша осьової відстані між виступами, також виміряної перед сполученням, у точці сполучення зовнішнього виступу.

2. Різьбове з'єднання за п. 1, яке відрізняється тим, що діаметральна протидія між вершинами виступів зовнішньої різьби і внутрішньої різьби і заглибинами виступів сполученої різьби має негативну або нульову величину після закінчення загвинчування.

3. Різьбове з'єднання за одним з пп. 1 або 2, яке відрізняється тим, що осьовий зазор щонайменше, який дорівнює 0,5 мм, залишається між сполученими вершинами виступів і заглибинами, при контакті обох поверхонь зовнішніх виступів із сполученими з ними поверхнями внутрішніх виступів в процесі загвинчування.

4. Різьбове з'єднання за п. 1, яке відрізняється тим, що діаметральна протидія між вершинами виступів зовнішньої різьби або внутрішньої різьби і заглибинами виступів сполученої різьби має позитивну величину після закінчення загвинчування.

5. Різьбове з'єднання за будь-яким з пунктів 1-4, яке відрізняється тим, що кут  між несучою поверхнею і поверхнею зчеплення зовнішнього і внутрішнього виступів менше або дорівнює 20°.

6. Різьбове з'єднання за п. 5, яке відрізняється тим, що кут  має величину від 7° до 20°.

7. Різьбове з'єднання за будь-яким з пунктів 1-6, яке відрізняється тим, що у зовнішній різьбі і внутрішній різьбі вершини виступів виступають над заглибинами з боку несучих поверхонь, причому кут  між даними несучими поверхнями і нормаллю до осі сполучення складає від 0 до -15°.

8. Різьбове з'єднання за будь-яким з пунктів 1-7, яке відрізняється тим, що щонайменше одна з різьб зовнішня і/або внутрішня має паз, що виходить на вершину виступу на всій або на частині довжини різьби або різьб.

9. Різьбове з'єднання за п. 8, яке відрізняється тим, що паз має глибину не більшу, ніж висота виступу.

10. Різьбове з'єднання за п. 8 або 9, яке відрізняється тим, що паз має ширину на виході на вершині виступу не більшу, ніж 2/3 ширини виступу, що вимірюється на половині його висоти.

11. Різьбове з'єднання за будь-яким з пунктів 8-10, яке відрізняється тим, що паз має U-подібний або V-подібний профіль із закругленим дном.

12. Різьбове з'єднання за будь-яким з пунктів 1-11, яке відрізняється тим, що зовнішній елемент і внутрішній елемент має щонайменше одну герметизуючу поверхню, причому кожна герметизуюча поверхня внутрішнього елемента подовжньо розташована і протидіє в радіальному напрямі із сполученою герметизуючою поверхнею зовнішнього елемента після закінчення загвинчування.

13. Різьбове з'єднання за будь-яким з пунктів 1-11, яке відрізняється тим, що зовнішній елемент і внутрішній елемент має щонайменше одну опорну поверхню, у поперечному напрямі, причому щонайменше одна зовнішня опорна поверхня зовнішнього елемента знаходиться в упорі з опорною поверхнею внутрішнього елемента після закінчення загвинчування.

14. Різьбове з'єднання за будь-яким з пунктів 1-13, яке відрізняється тим, що зовнішній елемент розташований на торці першої металевої труби великої довжини, і внутрішній елемент розташований на торці другої металевої труби також великої довжини.

15. Вузол двох різьбових з'єднань, виконаних за будь-яким з пунктів 1-13, призначений для сполучення двох металевих труб великої довжини, які мають зовнішній елемент на торці, за допомогою металевої муфти, забезпечений на кожному з своїх торців внутрішнім елементом.

Текст

1. Різьбове з'єднання двох металевих тр уб, що включає зовнішній елемент на торці першої металевої труби, угвинчений у внутрішній елемент на торці другої металевої труби, причому зовнішній елемент має зовні зовнішню конічну різьбу з трапецеїдальними виступами, що мають дві поверхні, а саме несучу поверхню і поверхню зчеплення, ширина вершини зовнішнього виступу менша ширини основи зовнішнього виступу, вн утрішній елемент має зсередини внутрішню конічну різьбу з трапецеїдальними виступами, форма яких відповідає формі зовнішньої різьби, ширина вершин виступів зовнішньої і внутрішньої різьби більша ширини заглибин сполученої різьби, яке відрізняється тим, що при загвинчуванні зовнішнього елемента у внутрішній елемент обидва елементи приводяться у відносне положення, при якому обидві поверхні зовнішніх виступів знаходяться у контакті з обома поверхнями внутрішніх виступів, і ширина внутрішнього виступу на заданій висоті, яка виміряна перед сполученням, більша осьової відстані між виступами, також виміряної перед сполученням, у точці сполучення зовнішнього виступу. 2. Різьбове з'єднання за п.1, яке відрізняється тим, що діаметральна протидія між вершинами виступів зовнішньої різьби і внутрішньої різьби і заглибинами виступів сполученої різьби має негативну або нульову величину після закінчення загвинчування. 2 (19) 1 3 71575 4 13. Різьбове з'єднання за будь-яким з пунктів 1-11, ташований на торці першої металевої труби велияке відрізняється тим, що зовнішній елемент і кої довжини, і внутрішній елемент розташований внутрішній елемент має щонайменше одну опорну на торці другої металевої тр уби також великої доповерхню, у поперечному напрямі, причому щовжини. найменше одна зовнішня опорна поверхня зовні15. Вузол двох різьбових з'єднань, виконаних за шнього елемента знаходиться в упорі з опорною будь-яким з пунктів 1-13, призначений для сполуповерхнею внутрішнього елемента після закінченчення двох металевих тр уб великої довжини, які ня загвинчування. мають зовнішній елемент на торці, за допомогою 14. Різьбове з'єднання за будь-яким з пунктів 1-13, металевої муфти, забезпечений на кожному з свояке відрізняється тим, що зовнішній елемент розїх торців вн утрішнім елементом. Винахід стосується різьбового з'єднання двох металевих труб на конічному різьбленні з трапецеїдальними виступами. Відоме застосування такого з'єднання в колонах тр уб для кріплення шахтного стовбура або для виробництва, а також в колонах бурових штанг для вуглеводневих свердловин. Нижче в тексті цього документа термін "різьбове з'єднання двох металевих тр уб" о хоплює як з'єднання, зване суцільним, двох труб великої довжини, так і з'єднання першої труби великої довжини і другої труби малої довжини, такої, наприклад, як муфта. Так, Американський нафтовий інститут (АРІ) в свій специфікації API 5CT дає визначення металевим трубам і різьбовому з'єднанню металевих труб з метою експлуатації і кріплення шахтного стовбура вуглеводневих свердловин, і в своїй специфікації API 5B дає визначення стандартним формам виступів конічного різьблення для таких з'єднань. Виступи різьблення таких з'єднань можуть бути трапецеїдального типу і мають на кожному з елементів, зовнішньому і внутрішньому, западину, вершину виступу і дві бічні поверхні, а саме несучу поверхню і поверхню зчеплення. Западини і вершини виступів частіше за все паралельні конусу різьблення. Несучі поверхні називаються так тому, що спираючись одна на одну, коли на з'єднання впливає, наприклад, розтягуюче навантаження ваги труб, вони служать для того, щоб з'єднання витримувало вплив таких розтягуючих навантажень. Несучі поверхні розташовані на виступах з боку, протилежного боку поверхонь зчеплення. У процесі загвинчування таких з'єднань, в зв'язку з конічною формою різьблень, в певний момент, відповідний даному положенню зовнішніх елементів відносно внутрішніх, западини одного з елементів входять в контакт з вершинами виступів іншого елемента. Якщо продовжити загвинчування зовнішнього елемента у внутрішній елемент після досягнення елементами описаного положення, зовнішні виступи увійдуть в протидію в радіальному напрямі з внутрішніми виступами, що веде до здуття внутрішнього елемента і стиснення зовнішнього елемента; таку протидія потрібно обмежувати з тим, щоб не сталося надмірного напруження або деформації. Діаметральна протидія між зв'язаними точками двох поверхонь, що обертаються, які радіально протидіють, звичайно визначається, як різниця між діаметрами поперечного перетину в даних точках, яка вимірюється до початку з'єднання і приймається за позитивну, якщо обидві поверхні по закінченні з'єднання чинять контактний тиск між двома зв'язаними точками. З метою обмеження даних навантажень або деформацій, на кожному з елементів, зовнішньому і внутрішньому, можна передбачити кільцеву опорну поверхню в напрямі, поперечному відносно осі з'єднання, причому опорні поверхні розташовуються так, що упор між ними виникає в певний момент обертання, і вони точно визначають, таким чином, положення відповідне закінченню загвинчування. Положення, відповідне закінченню з'єднання, визначається моментом, необхідним для досягнення даного положення. Застосування опорних поверхонь в стані упору для регулювання положення з'єднання має і інші переваги: - напруження несучих поверхонь різьб з'єднання, які в цьому випадку готові сприймати розтягуючи навантаження, що впливають на з'єднання під час експлуатації; - установка зовнішнього і внутрішнього елементів в точне положення, якщо кожний з елементів, зовнішній і внутрішній, з'єднання має герметизуючу поверхню, яка радіально протидіє з такою ж поверхнею зв'язаного елемента, причому високий тиск на контакті метал-метал між двома поверхнями не викликає ризику пластифікації останніх; - зменшення ризику випадкового відгвинчування, пов'язаного з моментом загвинчування, який потрібно усун ути до розгвинчування з'єднання, при певному значенні даного моменту, який завжди більше мінімального значення. У Європейському патенті №488.912 описане таке з'єднання, в якому конічні різьблення нагвинчені одне на інше, і яке має пару металевих герметизуючих поверхонь в стані радіальної протидії і пару опорних поверхонь в стані упору, а саме увігнуту конічну поверхню на торці зовнішнього елемента і кільцеву опуклу поверхню, що створює внутрішню закраїну на внутрішньому елементі. Таке з'єднання може загвинчуватися з номінальними моментами, значення яких може досягати 34Кн·м (25000фунт-сила-фут), наприклад, що буває достатнім в більшості випадків. 5 71575 6 Проте, іноді буває необхідно проводити загвиПо мірі загвинчування зовнішнього елемента нчування з ще більшим моментом, наприклад, при у вн утрішній елемент, осьовий зазор меншає до з'єднанні труб для кріплення стовбура в свердлоположення, в якому обидві зовнішні поверхні привинах з численними відхиленнями або для горизоходять в контакт із зв'язаними з ними внутрішніми нтальних свердловин, що дозволяють експлуатаповерхнями. цію великої дільниці на одній місцевості. За межею цього положення внутрішні поверхЗастосування технологій обертання колони, ні зчіплюються із зовнішніми поверхнями, і в що має декілька бурових труб на кінці ("буровий результаті виникає дуже швидке зростання крихвостовик"), дозволяє, крім того, поліпшити тампової моменту загвинчування в залежності від обернаж горизонтальних свердловин, але вимагає тання. різьбового з'єднання труб з моментами, значення Таке з'єднання, згідно з документом яких більше, ніж значення моменту обертання коWO94/25627, звичайно, витримує великий момент лони, з тим щоб уникнути обертання елементів загвинчування, завдяки розгорненій поверхні різьблення один відносно одного, коли колону різьб, але має декілька значних недоліків. приводять у обертання, оскільки обертання різьПередусім, різьблення з клиноподібними бових елементів може привести до зміни зносовиступами з шириною, що змінюється є таким, стійкості з'єднань, зокрема, їх герметичності. що дорого коштує у виготовленні і важко Нижче в Таблиці 1 наводяться величини моконтрольованою. ментів загвинчування для описаного застосування. Крім того, гострі кути хвоста ластівки або половини хвоста ластівки, розташовані з боку несуТаблиця 1 чої поверхні і/або з боку поверхні зчеплення, утворюють кути, дуже чутливі до ударів, і злами, що є Переважні величини моменту загвинчування результатом такого удару, порушують роботу з'єднання. Такі кути викликають, крім того, ефект надрізу Зовнішній діаметр Порядок значень моменту у основи виступів і, отже, посилення крихкості при труби загвинчування експлуатації. (мм) (") (кН·м) (фунт-силаМета даного винаходу полягає в тому, щоб фут) виконати різьбове з'єднання з великим моментом 101,6-139,7 4"-5"1/2 20-34 15000-25000 Τ загвинчування, з усуненням вказаних вище не168,3-177,8 6"5/8-7" 27-41 20000-30000 доліків, і, зокрема, різьбове з'єднання, виготов244,5 9"5/8 54-88 40000-65000 лення елементів якого є економічним і яке є легким в експлуатації. Опорні поверхні в стані упору не можуть виКрім того, мета полягає в тому, щоб виконати тримувати такі значення моменту без появи дерізьбове з'єднання, при якому шуканий момент фектів, якщо тільки не збільшити радіальну ширизагвинчування досягається після деякого оберну опорних поверхонь, але тоді доведеться тання, наприклад, порядку одного оберту, і навіть застосовувати тр уби дуже великої товщини, які більш. можуть не відповідати вимогам застосування. Крім того мета полягає в тому, щоб при деОтже, необхідно використати також інші засояких конфігураціях нахил кривої моменту заби, крім опорних поверхонь в стані упору, для погвинчування - обертання меншав, починаючи з глинання високого моменту загвинчування. даного значення моменту, і виражав, таким В публікації міжнародної заявки на патент чином, характеристику самообмеження моменту WO94/29627 описується різьбове з'єднання з визагвинчування. користанням конічного різьблення з трапецеїдаМета також полягає в тому, щоб виконати льними виступами, званими клиноподібними, у з'єднання з високою герметичністю стосовно зовформі хвоста ластівки і, зокрема, половини хвоста нішніх і/або внутрішніх текучих речовин, що збеластівки. рігається навіть після численних загвинчувань Такі виступи називають клиноподібними або з відгвинчувань. шириною, що змінюється, оскільки ширина зовніРізьбове з'єднання двох металевих труб, згідшнього і внутрішнього виступів змінюється, почино з даним винаходом, включає зовнішній еленаючи з одного торця різьблення у напрямі до інмент на торці першої труби, угвинчений у внутрішого, координовано на зовнішньому різьбленні і шній елемент на торці другої тр уби. на внутрішньому різьбленні. Зовнішній елемент має зовні зовнішнє конічне Такі виступи називають виступами в формі різьблення з трапецеїдальними виступами, шириполовини хвоста ластівки, оскільки вони нависана вершин яких менше ширини їх основи. ють над западинами з одного боку, або з боку неВнутрішній елемент має зсередини конічне сучи х поверхонь, або з боку поверхонь зачепленрізьблення з трапецеїдальними виступами, форня, і тому, що кут між несучою поверхнею і ма яких зв'язана з формою виступів зовнішнього нормаллю до осі з'єднання і кут між поверхнею різьблення. зчеплення і даною нормаллю такі, що ширина виПід внутрішнім різьбленням, зв'язаним за фоступів на їх вершині більше, ніж у їх основи. рмою із зовнішнім різьбленням, мають на увазі тут Коли зовнішній елемент вводять до внутрішвнутрішнє різьблення, конусність і крок якої значнього, згідно з документом WO94/29627, найвужчі ною мірою ідентичні конусності і кроку зовнішньовершини виступів виявляються навпроти найшиго різьблення, а форма внутрішніх виступів значрших западин, і утворюється значний осьовий заною мірою ідентична формі зовнішніх виступів, зор між зв'язаними виступами різьблення. 7 71575 8 причому нахил несучих поверхонь і поверхонь упору. Дані поперечні поверхні в стані упору, крім зчеплення внутрішніх виступів відносно осі з'єдтого, забезпечують класичне поглинання моменту нання, зокрема, ідентичний нахилу відповідних загвинчування, причому в заявці №454147 не розповерхонь зовнішніх виступів, а ширина вершин кривається суть різьбового з'єднання з великим внутрішніх виступів менше ширини їх основ, як і у моментом загвинчування. зовнішніх виступів. Згідно з даним винаходом, по закінченні заШирина вершин виступів кожного різьблення, гвинчування діаметральна протидія між вершизовнішнього або внутрішньої, більше ширини оснами виступів кожної з двох різьб, зовнішньої і нов западин зв'язаного різьблення. внутрішньої, і зв'язаними западинами переважно При загвинчуванні зовнішнього елемента у має негативне або нульове значення. внутрішній елемент, їх положення один відносно З цією метою, коли обидві поверхні зовнішодного таке, що воно виходить за межі контакту нього різьблення входять в контакт із зв'язаними обох поверхонь зовнішнього елемента з обома поверхнями внутрішнього різьблення в процесі поверхнями внутрішнього елемента, досягнутого загвинчування, переважно, щоб осьовий зазор в процесі загвинчування, і спричиняє зачеплення між вершинами виступів і зв'язаними з ними запав осьовому напрямі зовнішніх виступів з вн утрідинами був, щонайменше, рівний 0,15мм. шніми виступами і навпаки. У переважному варіанті діаметральна протиЗавдяки зв'язаній трапецеїдальній формі зовдія між вершинами виступів однієї з двох різьб, нішніх і внутрішніх виступів, що застосовуються, і зовнішньої або внутрішньої, і западинами зв'язатому факту, що їх ширина на вершині виступу меного різьблення має позитивне значення по закіннше їх ширини у основи, зовнішні і внутрішні виченні загвинчування. ступи проникають в радіальному напрямі клиноПереважно, щоб кут d між несучою поверхнею подібно в зв'язані западини по мірі осьового і поверхнею зчеплення зовнішніх або внутрішніх просування виступів при загвинчуванні, так що виступів був меншим або рівний 20°, з метою довслід за контактом двох зв'язаних поверхонь висягнення ефективного осьового зчеплення вистуникає зачеплення в осьовому напрямі зовнішніх пів, як ефекту клина. виступів внутрішніми виступами і навпаки. Особливо переважне значення кута від 7° до Таке зачеплення по всій площі поверхонь ви20°, зокрема, ближче до 10°. ражається в можливості поглинання виступами Переважно також:, щоб вершини виступів копідвищеного моменту Τ загвинчування. жної з різьб, зовнішньої і внутрішньої, нависали Характеристики цих виступів такі, що вони над западинами того ж різьблення з боку несучи х прості у виготовленні, легко зазнають контролю і поверхонь, причому кут a між несучою поверхнею не дуже крихкі при використанні. і нормаллю до осі з'єднання вважається в цьому У заявці на Європейський патент №454.147 випадку негативним і такими, що має значення від описується різьбове з'єднання з використанням 0 до -15°. конічного різьблення з трапецеїдальними вистуБажано, щоб для пом'якшення дуже сильного пами, де ширина вершин внутрішніх виступів біефекту клина, що викликає різкий підйом кривої льше, ніж ширина зовнішніх западин, і по закінdT/dN моменту загвинчування в залежності від ченні з'єднання дві поверхні різьблення одного числа обертів, щонайменше, одна з різьб, зовнішелемента знаходяться в контакті з двома поверхня і/або внутрішня, мала паз, що ви ходить на венями різьблення зв'язаного елемента, щонаймершину виступ у по всій, або - по частині довжини нше, на частині різьблення. різьблення або різьб. Однак, згідно із заявкою №454147, мета поляТакий паз посилює пластичність виступу і трогає тільки в тому, щоб отримати звичайний конхи зменшує сили зчеплення, тим більше, що паз такт, до того ж тільки частковий, між зв'язаними має значну глибину і ширину. В результаті відбуповерхнями так, щоб, якщо з'єднання зазнає стисвається явне зменшення нахилу кривої dT/dN мокаючого навантаження після того, як воно зазнаменту загвинчування в залежності від числа обервало розтягуючого навантаження, не сталося зсутів за рахунок невеликого зменшення ву в положенні поверхонь в зв'язку з тим, що максимального моменту загвинчування. Можна спочатку був осьовий зазор на рівні останніх, татакож оптимізувати обидві характеристики максикий зсув може викликати пластифікацію металу, мального моменту обертання і нахилу кривої зокрема, герметизуючих поверхонь, що може dT/dN. створити надалі небезпеку витікання текучої реВідомі описані в патенті Франції №2.408.061 човини, якщо з'єднання знов зазнає розтягуючого різьбові з'єднання з трапецеїдальними виступами, навантаження. Для досягнення такого простого в яких один з виступів має щось на зразок паза, контакту, заявкою №454147 передбачається обощо ви ходить на вершину виступу. в'язкове застосування засобів для збереження Однак, даний паз тісно пов'язаний зі структуположення елементів, а саме опорної поперечної рами поверхонь виступів, що дозволяють отримаповерхні на кожному елементі, причому кожна ти з'єднання, які самоблокуються, тобто перешкоопорна поверхня може впиратися в поверхню джаючими самовідгвинчуванню: з цією метою зв'язаного елемента. Зв'язані поверхні зчеплення, нахил поверхонь виступів з пазом відрізняється зовнішня і внутрішня, розташовані таким чином, від нахилу виступів без паза, і в зв'язку з цим шищо між ними є мінімальний осьовий зазор до того, рина паза на його виході меншає по мірі загвиняк опорні поверхні прийдуть в контакт, даний чування під дією згинаючого зусилля, що є реосьовий зазор зводиться до нуля або майже до зультатом різниці в напрямі нахилу поверхонь нуля, коли опорні поверхні приходять в стан зв'язаних виступів. 9 71575 10 Даний патент ні в якій мірі не розкриває функФіг.9 зображає схематично напіврозріз по осі цію засобів з'єднання, згідно з винаходом, і не задеталі декількох виступів, показаних на Фіг.7 і 8 в стосовується до виступів, що мають характериссполученому вигляді. тики, згідно з винаходом, зокрема зв'язану форму Фіг.10 - криву моменту Τ загвинчування в зазовнішніх і внутрішніх виступів. лежності від числа обертів N по двох варіантах Переважно, згідно з винаходом, щоб паз мав з'єднання, показаного на Фіг.6. глибину не більш, ніж висота виступ у, і ширину на Фіг.11 - варіант фігури 4 з пазом, виконаним у виході паза на вершину виступу не більш, ніж 2/3 внутрішніх виступах. ширини виступу, причому за висоту виступ у приФіг.12 - варіант фігури 5 з пазом, виконаним у ймається радіальна відстань, та, що вимірюється зовнішніх виступах. перпендикулярно осі з'єднання між конусом обоФіг.13 - криву моменту Τ загвинчування в залонки вершин виступів і западин, а ширина вистулежності від числа обертів N за двома варіантами пу вимірюється паралельно осі з'єднання на поз'єднання елементів, показаного на Фіг.11 і 12. ловині висоти виступів. Фіг.14 - застосування даного винаходу до муПереважно також, щоб паз мав в подовжній фтового різьбового з'єднання. осьовій площині U-подібний профіль з паралельНа Фіг.3 зображене різьбове з'єднання 100 ними або непаралельними сторонами або Vзовнішнього елемента 1 на торці першої металеподібний профіль із закругленим дном. вої труби 101 і внутрішнього елемента 2 на торці Особливо переважно, щоб закруглення дна другої металевої труби 102, яка може бути тр упаза мало радіус, щонайменше, рівному 0,2мм. з бою великої довжини або муфтою. Такі різьбові метою уникнення концентрації навантажень на з'єднання служать, наприклад, для утворення кодні паза. лон труб для кріплення шахтного стовбура або Переважно також, щоб зовнішній елемент і для виробництва у вуглеводневи х свердловинах. внутрішній елемент, мали, щонайменше, одну геЗовнішній елемент 1, зображений на Фіг.2, рметизуючу поверхню, причому кожна зовнішня має на зовнішній поверхні зовнішнє конічне різьбгерметизуюча поверхня має в основному подовжлення 3 з трапецеїдальними виступами, і його тоній напрям і радіально протидіє з внутрішньою рець, який в той же час є торцем першої тр уби, опорною герметизуючою поверхнею по закінченні має торцеву зовнішню поверхню 7, кільцеву і з'єднання, завдяки чому забезпечується герметипоперечну. чність з'єднання. Внутрішній елемент 2, зображений на Переважно, щоб кожний зовнішній елемент і Фіг.1, має на своїй внутрішній поверхні конічне внутрішній елемент мав, щонайменше, одну оповнутрішнє різьблення 4, зв'язане із зовнішнім рну поверхню в поперечним напрямі, причому, різьбленням 3. щонайменше, одна зовнішня опорна поверхня З'єднання труб 101, 102 отримують шляхом впирається у вн утрішню опорну поверхню по зазагвинчування зовнішнього різьблення З зовнішкінченні з’єднання, забезпечуючи точне положеннього елемента 1 у внутрішнє різьблення 4 внутня герметизуючих поверхонь і визначаючи таким рішнього елемента 2. чином, їх протидію. З'єднання, показане на Фіг.3, може мати або Такі опорні поверхні, навпаки, не мають фунне мати на кожному з елементів додаткові кошти кції визначення положення закінчення з'єднання, для забезпечення герметичності з'єднання, а коли поверхні зчеплення виступів приходять в саме: контакт. а) на зовнішньому елементі герметизуючу зоНа вказаних нижче фігурах представлені внішню поверхню 5, конічної форми, конусність окремі варіанти здійснення винаходу, що не маякої в основному більше конусності зовнішнього ють обмежувального характеру. різьблення 3; конусність герметизуючої поверхФіг.1 - зображає напіврозріз по осі торця труні 5 по відношенню до діаметра становить, би або муфти, що має внутрішній елемент різьбонаприклад, 20%. вого з'єднання, згідно з винаходом. б) на внутрішньому елементі: внутрішню герФіг.2 - напіврозріз по осі торця іншої труби, що метизуючу поверхню 6, конічної форми, конусмає зовнішній елемент різьбового з'єднання, згідність якої в основному ідентична конусності зовно з винаходом. нішньої герметизуючої поверхні 5, і внутрішню Фіг.3 - розріз по осі різьбового з'єднання, за країну з опорною кільцевою і поперечною отриманого після загвинчування елементів за поверхнею 8. Фіг.1 і 2. Поверхня зовнішнього торця 7 можливо, як Фіг.4 - схематично напіврозріз по осі деталі відома, конічної угнутої з напівкутом, дуже відкридекількох внутрішніх виступів внутрішнього елетим на вершині, наприклад, 75°, а внутрішня опомента, показаного на Фіг.1. рна поверхня 8 в цьому випадку є опуклою, також Фіг.5 - схематично напіврозріз по осі деталі з напівкутом на вершині. декількох зовнішніх елементів зовнішнього елеДодаткові засоби 5, 6, 8, які не є обов'язковимента, показаного на Фіг.2. ми, згідно з винаходом, працюють таким чином в Фіг.6 - схематично напіврозріз по осі деталі з'єднанні 100. декількох виступів, показаних на Фіг.4 і 5 в процесі Зовнішня герметизуюча поверхня 5 протидіє в здійснення з'єднання, представленого на Фіг.3. радіальному напрямі з внутрішньою опорною поФіг.7 і 8 зображають варіант Фіг.4.і 5. верхнею 6, тобто до здійснення з'єднання її діаметр в одній контрольній точці більше діаметра в зв'язаній точці внутрішньої герметизуючої 11 71575 12 поверхні 6, причому діаметр також вимірюється кутів ідентичний відповідному куту зовнішнього до здійснення з'єднання. виступу. Продовження загвинчування, після виникненШирина L3 вершини виступу 17 зовнішнього ня контакту між опорними герметизуючими поверрізьблення трохи більше ширини L6 западини 18 хнями в процесі загвинчування, викликає зроставнутрішнього різьблення, наприклад на 0,2мм. ючу діаметральну протидію даних поверхонь. Ширина L4 вершини виступу 20 внутрішнього Точне положення, відповідне закінченню з'єдрізьблення трохи більше ширини L5 западини зонання, визначається спиранням поверхні зовнішвнішнього різьблення 19, наприклад на 0,2мм. нього торця 7 об опорну поверхню 8 внутрішньої Коли зовнішнє різьблення 3 угвинчують у вн узакраїни, що визначає точне значення протидії трішнє різьблення 4, в певний момент, який покаміж герметизуючими поверхнями 5, 6. заний на Фіг.6, обидві поверхні 13, 15 зовнішніх Положення, відповідне закінченню з'єднання, виступів 11 приходять в контакт з обома поверхможе, зокрема, бути визначено за даним значеннями 14, 16 внутрішніх виступів 12 по всій висоті ням моменту загвинчування. даних поверхонь. Конічна опукло-увігнута форма опорних повеЦе відбувається внаслідок того, що ширина рхонь 7, 8 перешкоджає роз'єднанню опорних повершин зовнішніх і внутрішні х виступів L3, L4 біверхонь і збільшує контактний тиск герметизуюльше ширини зв'язаних западин L6, L5, і що зв'ячих поверхонь. зані виступи мають трапецеїдальну форму, де На Фіг.4, 5, 6 більш детально представлені LІ>L3 і L2>L4. характеристики зовнішньої і внутрішньої різьб Якщо продовжити загвинчування, зовнішні з'єднання, згідно з винаходом. виступи 11 увійдуть клином в радіальному напряЗовнішнє різьблення 3 (Фіг.5) - це конічне мі у внутрішні западини і., аналогічно, внутрішні різьблення з кроком Р, директриса 21 найпростівиступи 12 увійдуть клином в радіальному напряшої поверхні якої (або скорочено найпростімі у зовнішні западини. ша лінія) має кут нахилу до осі з'єднання, У зв'язку з цим виникає осьове зчеплення зовнішніх і внутрішніх поверхонь, і для продовження тобто g=arctg(ТТ/200), де ТТ означає конусність загвинчування необхідно значно збільшити морізьблення по відношенню до діаметра і виражається в %. мент. Це виражається на графіку, де крива dT/dN моменту загвинчування відносно числа обертів N Зовнішні виступи 11 - це трапецеїдальні вирізко йде вгору, вра ховуючи площу зчеплених поступи, що мають вершину 17 виступу, дво х бічні верхонь, що знаходяться в контакті по всій своїй поверхні 13 і 15, і розділені западиною 19. висоті і ширині. Вершини 17 виступів і западини 19 паралельні найпростішій лінії 21 зовнішнього різьблення. Нахил кривої dT/dN залежить від модуля пружності металу елементів, від конусності ТТ різьбДо бічних поверхонь відносяться несуча полення, від довжини різьблення, від її середнього верхня 13 і поверхня 15 зчеплення, причому остання повернена до поверхні зовнішнього діаметра, від висоти виступ у, від кута d між поветорця 7. рхнями одного і того ж виступ у і від коефіцієнта Несучі поверхні 13 і поверхні 15 зчеплення зчеплення між зовнішнім і внутрішнім виступами. Отже, можна розрахува ти нахил dT/dN. відповідно нахилені під кутом a і b відносно норДля того, щоб зовнішній і внутрішній виступи малі до осі з'єднання і утворять між собою кут d. могли входити в радіальному напрямі в зв'язані Вершини 17 виступів нависають над западинами 19 з боку несучих поверхонь 13, як зобразападини, кут d клина, утворений поверхнями виступів 11, 12, переважно, не повинен мати дуже жено на Фіг.5, так, що роз'єднання виступів в провеликої величини, і бути, наприклад, меншим 20°. цесі з'єднання усувається. Прийнято вважати, що Небажано, також, щоб величина кута була в цьому випадку кут a має негативне значення, а дуже малою, оскільки в цьому випадку було б кут b з того боку, де немає нависання, позитивне важко отримати ефект клина: переважно вибрати значення. значення кута d в інтервалі 7°, 20°, причому кут d Кут d рівний алгебраїчній сумі (a+b), і його вепереважно рівний 10°. ршина направлена назовні відносно зовнішнього Вибір виступів з несучою поверхнею 13, 14 під різьблення, так що ширина L1 зовнішніх виступів негативним кутом a, наприклад, a=-3°, дозволяє, 11 у їх основи більше ширини L3 у їх вершини. крім того, вибрати кут b=+13°, тобто з достатнім Внутрішнє різьблення 4 (Фіг.4) має ті ж харакнахилом для полегшення зчеплення виступів. теристики, що і зовнішнє різьблення 3. Максимально допустиме значення моменту Внутрішня найпростіша лінія 22 внутрішнього загвинчування Τ визначається межею пружносрізьблення нахилена під кутом g стосовно осі з'єдті металу елементів. Отже, можна передбачити нання, яка ідентична куту нахилу зовнішньої наймаксимально допустиме значення моменту простішої лінії 21. загвинчування Т. Вершини 20 виступів і западини 18 внутрішДля отримання оптимального ефекту клина нього різьблення паралельні внутрішній найпросбез надмірних навантажень на зовнішній і внутрітішій лінії 22. шній елементи і забезпечення витікання мастильНесучі поверхні 14 і поверхні 16 зчеплення ної речовини, яке накладається на виступи до повнутрішнього виступ у відповідно нахилені під кучатку з'єднання, можна усун ути всяку радіальну том a і відносно b нормалі до осі з'єднання і утворять між собою кут d, причому кожний з цих 13 71575 14 протидію між вершинами 17, 20 виступів зовнішДля виступів з кутом b=+13° (d=10°), отримунього і внутрішнього різьблення 3, 4 і западинами ють момент 45,9кН-м (33850фунт-сила-фут) на 18, 19 зв'язаного різьблення 4, 3. В цьому випадку 0,47 оберти, що відповідає нахилу 97,5кН-м/оберт. концепція виступів, і, зокрема, їх ширина такі, що Таке з'єднання із зчепленням поверхонь видіаметральна протидія між виступами зовнішнього ступів дає можливість загвинчувати зовнішній і різьблення і внутрішнього різьблення і западинами внутрішній елементи з дуже великим моментом зв'язаного різьблення має негативне або нульове без використання упора, але такий момент досязначення по закінченні загвинчування. гається після неповного оберту зовнішнього і внуЗокрема, виступи можуть бути такі, що, в мотрішнього елементів, що може виявитися недостамент першого контакту обох поверхонь (Фіг.6), тнім, зокрема, якщо на зовнішньому і величина х1 радіального зазору між вершиною 17 внутрішньому елементах бажано розмістити герзовнішнього виступ у і вн утрішньою западиною 18 і метизуючі поверхні, такі, наприклад, як поверхні 5, величина х2 радіального зазору між вершиною 6 на Фіг.3. внутрішнього виступу 20 і зовнішньою западиною Досягнення певного контактного тиску між ге19, щонайменше, рівна 0,15мм. рметизуючими поверхнями вимагає, насправді, Якщо не усувати будь-яку радіальну протидію повороту одного елемента відносно іншого на між вершинами виступів зовнішнього різьблення 3 один оберт після виникнення контакту між гермеі внутрішнього різьблення 4 і западинами зв'язатизуючими поверхнями, а також встановлення ного різьблення 4, 3, то у варіанті концепції точного положення зовнішніх і внутрішніх елеменвиступів 71, 72, їх висота і ширина, зокрема, тів по закінченні загвинчування, яке досягається за може бути такою, щоб створити позитивну діадопомогою упора, отриманого при спиранні обох метральну протидію між вершинами виступів одпоперечних поверхонь, таких як поверхні 7, 8 на нієї з двох різьб зовнішньої або внутрішньої і заФіг.3. падинами зв'язаного різьблення по закінченні У зв'язку з цим важко гарантува ти достатню загвинчування. герметичність при експлуатації різьбового з'єднанТакий варіант поданий на Фіг.7, 8, 9 для відня, що має виступи із зчепленими поверхнями, повідно внутрішнього різьблення 4, зовнішнього типу поданих на Фіг.4, 5, 6, герметизуючі поверхні і різьблення 3 і з'єднання обох: по закінченні з'єдпоперечні опорні поверхні в упорі, типу представнання (Фіг.9) між вершинами зовнішніх виступів 77 лених на Фіг.3, враховуючи допуски, необхідні і внутрішніми западинами 78 є зазор х, тоді як вепри виготовленні зовнішнього і внутрішнього ршини внутрішні х виступів 80 радіально протидіелементів. ють із зовнішніми западинами 79. Таке положення Зменшення кута d між поверхнями виступів, має відносно малий вплив на величину моменту звичайно, забезпечило б зменшення нахилу кривої загвинчування. моменту загвинчування в залежності від числа Для даного варіанту виконання переважно, обертів, але, якщо тільки не застосовувати кут a щоб контакт між вершинами внутрішніх виступів дуже негативної величини, менше за -15°, що не80 і зовнішніми западинами 79 виникав раніше, бажано, довелося б значно зменшити кут b поверніж контакт між зв'язаними поверхнями 73, 74, 75, хонь зчеплення, що також небажано. 76. Форми виступів, зображені на Фіг.11, 12, доНа Фіг.10 зображена крива моменту загвинчузволяють вирішити проблеми сумісності високих вання Τ в залежності від числа обертів N для значень номінального моменту загвинчування і з'єднання труб, показаного на Фіг.6, що мають наневисокого значення, порядку 10кН-м/оберт, наступні характеристики: приклад, вираженого нахилом dT/dN кривої момедіаметр труб: 177,80мм; нту в залежності від числа обертів. товщина тр уб: 10,36мм Виступи на Фіг.11, 12 особливо переважні в (29фунт/фут); з'єднанні, що має герметизуючі поверхні і упори, матеріал труб: малолегована типу зображених на Фіг.3. сталь з межею Зовнішні виступи 31 на Фіг.12 мають, як і на пружності Фіг.3, несучу поверхню 33, нахилену під негатив551мПа; ним кутом а відносно нормалі до осі з'єднання, різьблення з п'ятьма витками поверхню 35 зчеплення, нахилену під позитивним на дюйм; кутом b відносно тієї ж нормалі, вершину 39 вистуконусність різьб ТТ: 6,25% від діамепу і западину 37, що їх розділяє. тра (g=1,79°); Внутрішні виступи 32 на Фіг.11 мають характекут a несучої поверхні: -3°; ристики, відповідні характеристикам зовнішніх викут b поверхні зчеплення: +9° і +13°; ступів 31 на Фіг.12, тобто несучу поверхню 34, покут d між поверхнями: 6° і 10°. верхню 36 зчеплення, вершину 38 виступу і На даному графіку абсциса N=0 відповідає западину 40, що мають той же крок і ту ж орієнтапершому контакту обох поверхонь 13, 14 і 15, 16 цію, що і зовнішні виступи 31 по відношенню до осі зв'язаних виступів. з'єднання. Ширина вершин 39, 38 зовнішніх і внутрішніх Для виступів з кутом b=+9° (d=6°) отримують момент більше за 35кН-м (26000фунт-сила-фут) виступів більше ширини зв'язаних западин 40, 37, на 0,8 оберти, що відповідає нахилу 44,5кНтак що в певний момент загвинчування поверхні м/оберт. зовнішнього елемента 33, 35 приходять обидві в 15 71575 16 контакт із зв'язаними поверхнями внутрішнього структура з'єднання буде ослаблена, що невиступу 34, 36, тоді як між вершинами 39, 38 виприпустимо. ступів і зв'язаними западинами 40, 37 залишається Ширина паза на його виході на вершині вистузазор, але у варіанті, не представленому на креспу повинна бути меншою або рівна 2/3 ширини ленні, між вершиною виступу одного різьблення і виступу, що вимірюється на половині його висоти з зв'язаною западиною може бути радіальна протитим, щоб зберегти достатню жорсткість нарівні дія з позитивною величиною. елементів 63, 65, 64, 66. Зовнішній виступ 31 має паз 61, що виходить Радіус 0,4мм дна паза дозволяє обмежити на вершину 39 зовнішнього виступу, профіль паза концентрацію навантажень на дні паза. має V-образну форму із закругленим дном, причоЯк показує крива Ε на Фіг.13, така структура му його вісь нормальна до осі з'єднання. виступів з пазом дозволяє проводити загвинчуГлибина паза 61, що вимірюється в радіальвання з номінальним моментом загвинчування, що ному напрямі, становить 65% від висоти зовнішперевищує мінімальне бажане значення для труб нього виступу 31, а його дно являє собою дугу з даного розміру (27кН-м, див. таблицю 1). Крива радіусом 0,4мм. моменту загвинчування показує зміну нахилу Кут між двома сторонами V паза рівний 35°, і dT/dN за межами 25кН-м: зростання початкової ширина паза на його виході на вершині зовнішньокривої порядку 24кН-м/оберт знижується за відмітго виступ у 31 на Фіг.12 рівна 35% ширини зовнішкою вище за 25кН-м до 9кН-м/оберт, що забезпенього паза, взятої на половині його висоти. чує самообмеження моменту загвинчування і Внутрішній виступ 32 має паз 62, що ви ходить встановлення упорів і герметизуючих поверхонь в на вершині 38 внутрішнього виступу, що має ту ж точне положення. Для порівняння можна привести геометрію, що і паз 61 у зовнішньому виступі 31, і криву D на Фіг.13, що відноситься до подібних вирозташований у внутрішньому виступі так само, як ступів, але без паза, яка має відносно постійний паз 61. нахил порядку 40кН-м/оберт. Такі пази 61, 62 перетворюють кожний з виЗ'єднання, згідно з даним винаходом, може ступів 31, 32, що сприймають стискаючі навантабути виконане в численних варіантах, причому ження на поверхнях 33, 34, 35, 36 в елементи, наведені приклади не мають обмежувального працюючі як балки із закріпленими кінцями 63+65, характеру. 64+66, схильні до пружних навантажень. Зокрема, даний винахід може застосовуватися Внаслідок цього виникає еластичність, яка також до різьбового з'єднання 100, зовнішній елеспричиняє зменшення сил зчеплення, коли загвимент 1 якого розташований на торці першої метанчування з'єднання продовжують за межами точки левої труби 101, що має велику довжину, а внутодночасного контакту поверхонь і, отже, зменшенрішній елемент 2 якого розташований на торці ня нахилу dT/dN кривої моменту загвинчування другої металевої труби 102, також що має велику відносно обертання. довжину, і до різьбового муфтового з'єднання 200, Глибина паза і його ширина є параметрами, як показано на Фіг.14, в якому дві металеві труби які можна регулювати для отримання не дуже різ101, 100’ великої довжини, що мають на торці зовкого нахилу dT/dN кривої моменту загвинчування нішній елемент 1, 1’, сполучені за допомогою мевідносно обертання, який залишається порядку талевої муфти 202, на кожному кінці якої є внутрі20кН-м/оберт. шній елемент 2, 2', таке різьбове муфтове Глибина паза повинна бути меншою або рівз'єднання здійснюють два з'єднання 100, 100' згідна висоті виступ у, оскільки в іншому випадку но із винаходом. 17 71575 18 19 Комп’ютерна в ерстка О. Воробей 71575 Підписне 20 Тираж 37 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601

Дивитися

Додаткова інформація

Назва патенту англійською

Threaded joint of two metal tubes with large screwing moment

Назва патенту російською

Резьбовое соединение двух металлических труб с большим моментом завинчивания

МПК / Мітки

МПК: F16L 15/00

Мітки: моментом, металевих, загвинчування, труб, різьбове, великим, з'єднання, двох

Код посилання

<a href="http://uapatents.com/10-71575-rizbove-zehdnannya-dvokh-metalevikh-trub-z-velikim-momentom-zagvinchuvannya.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Різьбове з’єднання двох металевих труб з великим моментом загвинчування</a>

Подібні патенти