Трубное соединение

Изобретение относится к трубному соединению, в частности газонепроницаемому резьбовому трубному соединению, части которого в зоне соединения соединены согласно DIN 8593 посредством прижатия и запрессовывания, состоящему из внутренней трубы (I) и наружной трубы(А) или двух внутренних труб (I) с наружной муфтой (А). Для улучшения потребительских свойств при практическом полевом использовании, в частности для достижения герметичности соответствующего трубного соединения при наложении нагрузок, согласно изобретению предусмотрено, что соединение выполнено с тремя зонами, причем зоны соединения имеют создающие прессовую посадку (1) и упор (2) труб или труб и муфты, наклоненные в направлении концов от внутренней трубы к оси (х) труб посадочные поверхности (1I, 1 А) в форме усеченного конуса и встречно направленные с торцевой стороны к ним упорные поверхности (2I, 2 А) в форме усеченного конуса, а переход (3) от прессовой посадки (1) к упору (2) находящихся в соединении труб выполнен для них бесконтактным с коаксиальным промежуточным пространством или полостью (R).(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ФСТАЛЬПИНЕ ТУБУЛАРС ГМБХ УНД КО КГ (AT) Изобретение относится к трубному соединению, в частности к газонепроницаемому резьбовому трубному соединению, части которого в зоне соединения соединены согласно DIN 8593 посредством прижатия и запрессовывания, состоящему из внутренней и наружной труб или двух внутренних труб с наружной муфтой. Трубы, в большинстве случаев бесшовные трубы, которые могут быть изготовлены из различных материалов, используются в вертикальном и горизонтальном положениях для транспортировки продуктов нефте- и газодобычи также на большие расстояния и из-за высоких нагрузок требуют высокой герметичности соединений при эксплуатации или практическом использовании. Уже давно применяемое трубное соединение, которое является в основном уровнем техники в отношении основной геометрической концепции, выполнено таким образом, что внутренняя и наружная трубы имеют прилегающие друг к другу уплотнительные поверхности в форме усеченного конуса с наклоном друг к другу в дистальном направлении внутренней трубы примерно 1:10, которые взаимодействуют со встречно направленными в осевом направлении упорными поверхностями в форме усеченного конуса. При этом уплотняющее действие может достигаться за счет взаимного осевого прижатия друг к другу (приведения в полное зацепление) концов труб, например посредством резьбового соединения и т.п. Чтобы повысить герметичность трубного соединения при возникающих в поле нагрузках на трубопроводы, однако чтобы при демонтаже и повторном монтаже трубных компонентов поддержать герметичность трубных соединений, уже предлагалось большое число геометрических вариантов с особой формой уплотнительных и упорных поверхностей соединения. Однако комплексные формы уплотнительных поверхностей в большинстве случаев связаны с более высокими затратами на обработку резанием зон соединений концов труб и с уменьшением рентабельности производства. В документе US 7334821 В 2 раскрыто трубное соединение с бочкообразной, выпуклой в сечении уплотнительной поверхностью внутренней трубы и примыкающим к ней, выступающим продолжением с дистальной упорной поверхностью. Таким образом, при полном зацеплении трубного соединения прижимаемые поверхности трубных компонентов должны иметь повышенную конусность и обеспечивать повышенное уплотняющее действие. Однако производственные затраты на изготовление уплотнительных участков комплексной формы высоки. На основе геометрической концепции трубного соединения из уровня техники задачей изобретения является создание трубного соединения при высокой рентабельности производства, которое обеспечивало бы улучшение потребительских свойств трубопроводов при практическом полевом использовании и способствовало бы демонтажу и повторному монтажу трубопроводов. Улучшенные потребительские свойства трубопроводов касаются, в частности, герметичности соответствующего трубного соединения при высоких внутреннем и наружном давлениях, а также при наложении растягивающей, сжимающей и изгибающей нагрузок на трубопровод, причем должны быть минимизированы так называемые явления заедания в зоне соединения, а также улучшены разъединение и повторное приведение в полное зацепление соединения. Поставленная задача решается согласно изобретению в трубном соединении описанного выше рода посредством того, что соединение выполнено с тремя зонами, причем зоны соединения имеют создающие прессовую посадку и упор труб или труб и муфты, наклоненные в направлении концов от внутренней трубы к оси труб посадочные поверхности в форме усеченного конуса и встречно направленные с торцевой стороны к ним упорные поверхности в форме усеченного конуса, а переход от прессовой посадки к упору находящихся в соединении труб выполнен для них бесконтактным с коаксиальным промежуточным пространством или полостью. Достигаемые благодаря изобретению преимущества заключаются в основном в повышении удельного давления на поверхностях прессовой посадки и в их предпочтительном позиционировании на расстоянии от упорных поверхностей. С этим связаны также общая оптимизация величины локальных механических нагрузок на материал в зоне соединения и предотвращение пиков напряжения в отношении возникновения пластических деформаций и трещинообразования в материале. В ходе обширных исследований было обнаружено, что уплотняющее свойство предложенного трубного соединения полностью сохраняется при давлениях выше номинального и при наложении растягивающей, сжимающей и изгибающей нагрузок. Расчеты по методу конечных элементов и определение упругости показали, что предложенная геометрия в зоне соединения, а именно с выполнением полости между посадочными и упорными поверхностями, дает многие преимущества. Во-первых, за счет полости при одинаковой с уровнем техники продольной протяженности соединение поверхностей прессовой и плотной посадки укорочено или уменьшено, что приводит к более высоким давлениям на уплотнительные поверхности. Бесконтактный переход обеспечивает в отношении кинетики нагрузки повышенное, в значительной степени однородное удельное давление и, тем самым, герметичность на поверхностях прессовой посадки, причем за счет осевого удаления от упорных поверхностей при изгибании системы возникают допустимые отличия в локальном удельном давлении. Возможное наложение растягивающих и сжимающих напряжений лишь незначительно сказывается на герметичности соединения, поскольку поверхности прессовой посадки имеют незначительный наклон примерно 1:10. Полость в зоне соединения предпочтительно действует в качестве кармана для смазочного материала, улучшает распределение и уменьшает давление смазочного при герметизирующей сборке полевого трубопровода. Если согласно одному предпочтительному варианту выполнения изобретения, бесконтактный переход между трубами в зонах соединения прессовая посадка и упор образован коаксиальной выемкой во внутренней стенке наружной трубы, то достигаются благоприятные механические нагрузки на материал и способствующие герметичности соединения напряженные состояния. При вдавливании внутренней трубы в наружную трубу в случае приведения в полное зацепление соединения возникают высокие, в основном радиально направленные усилия в зоне поверхностей прессовой посадки, которые в этой зоне приводят к расширению с тангенциальным упругим растяжением материала стенки наружной трубы. За счет коаксиальной выемки во внутренней стенке наружной трубы в примыкающей переходной зоне и, тем самым, отсутствия контакта труб на участке до упорных поверхностей, больше не возникает упругих растяжений в тангенциальном направлении стенки наружной трубы, однако в этом направлении действуют осевые растягивающие усилия, которые возникают в результате напрессовывания упорной поверхности внутренней трубы на упорную поверхность наружной трубы и вызывают упругое растяжение в осевом направлении. В зоне соединения локально-комплексные напряженные состояния в самой значительной степени уменьшены, причем согласно изобретению выполнение переходной зоны вызывает большие значения упругого растяжения и гарантирует герметичность соединения даже при комплексных нагрузках на трубопровод. Предпочтительным является то, что выемка в переходной зоне имеет в сечении безугловой профиль, поскольку за счет этого пики напряжения на внутренней поверхности наружной трубы в самой значительной степени предотвращены, а трещинообразование и опасность усталостного разрушения исключены. Если внутренняя труба в зоне перехода от ведущей дистально дальше поверхности прессовой посадки к упорной поверхности выполнена скругленной, то локальные пики напряжения с локальными пластическими деформациями материала могут быть исключены, а взаимодействие упорных поверхностей может быть улучшено. Особенно хорошие результаты были достигнуты при скруглении кромок с радиусом RC=0,9-1,5 мм или для тюбингов (Tubings) RT=0,2-0,6 мм. Предпочтительно коаксиальная выемка в наружной трубе выполнена в сечении от поверхности прессовой посадки к своему профилю с переходным радиусом 0,5-1,0 мм и без кромок до упорной поверхности. Это позволяет надежно избежать пиков сжимающей нагрузки в граничной зоне между поверхностью прессовой посадки и выемкой. Обширные и целенаправленные испытания показали, что отношение длины бесконтактного перехода к длине эффективной прессовой посадки должно предпочтительно иметь значение 0,4-1,7, наиболее предпочтительно 0,6-1,5, чтобы достичь оптимальных условий герметичности трубного соединения. Этот кажущийся широким диапазон значений возник из-за включения всех обычных диаметров труб. Отнесенные к размерам оценки показали, что отношение для труб, так называемых обсадных труб или (Casings), наружным диаметром более 4,5 дюймов предпочтительно составляет 0,4-1,2, наиболее предпочтительно 0,6-1,0. Напротив, для подъемных или транспортирующих труб, имеющих наружный диаметр 4,5-1,66 дюйма и менее, т.е. тюбингов, оптимальные отношения длины бесконтактного перехода к длине прессовой посадки составляют 0,9-1,7, предпочтительно 1,1-1,5. Чтобы достичь благоприятного и высококачественного компактного выполнения трубного соединения повышенной герметичности, наружная труба должна иметь наклон поверхности прессовой посадки примерно 1:10 по отношению к диаметру в направлении упорных поверхностей, а встречно направленная упорная поверхность должна иметь угол =10-20, предпочтительно около 15, к нормали к оси. Если, как показали испытания, поверхности прессовой посадки и/или упорные поверхности имеют шероховатость менее Ra=3,2 мкм, однако более Ra=0,4 мкм, измеренную в качестве значения среднего арифметического отклонения профиля согласно DIN 4777 ISO/DIN 4287/1, то в значительной степени без так называемого заедания поверхностей прессовой посадки может использоваться высокая удельная сжимающая нагрузка и возможен значительный неограниченный демонтаж трубного соединения. В этом отношении предполагается, что в углублениях шероховатого поверхностного профиля в упомянутых пределах шероховатости может размещаться оптимальное количество смазочного материала для достижения желаемых свойств. Трубное соединение может быть приведено в полное зацепление различными средствами, которые аксиально сжимают трубы. Предпочтительно зарекомендовали себя известные резьбовые соединения. Вариант выполнения предложенного трубного соединения поясняется ниже с помощью схематичного чертежа, на котором оно изображено в осевом разрезе. Трубное соединение состоит из внутренней I и наружной А труб. В зоне соединения внутренняя труба I имеет поверхность в форме усеченного конуса с поверхностью 1I прессовой посадки, которая по отношению к диаметру трубы наклонена дистально со значением 1:10. За поверхностью 1I дистально следует встречно направленная упорная поверхность 2I, которая наклонена к продольной оси х труб под углом 15 и представляет собой упор 2 с торцевой уплотнительной поверхностью и конец внутренней трубы. В случае находящегося в полном зацеплении трубного соединения наружная труба А в зоне 1 соединения проксимально прилегает к поверхности 1I прессовой посадки внутренней трубы поверхностью А 1 прессовой посадки. Между зоной 1 соединения, охватывающей поверхности 1I и А 1 прессовой посадки, и зоной 2 с упорными поверхностями труб предусмотрена переходная зона 3, в которой во внутренней стенке наружной трубы А выполнена выемка RA, которая образует полость R между трубами I и А и препятствует их касанию в этой зоне. В наружной трубе А граничная зона между поверхностью А 1 прессовой посадки и профилем 3 А выемки скруглена с радиусом 0,8 мм, причем вследствие этого вся внутренняя стенка 3 А коаксиальной выемки RA вплоть до упорной поверхности 2 А выполнена лишенной кромок и скругленной. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Газонепроницаемое резьбовое трубное соединение, состоящее из внутренней трубы (I) и наружной трубы (А) или двух внутренних труб (I) с наружной муфтой (А), в котором трубы в зоне соединения соединены согласно DIN 8593 посредством прижатия и запрессовывания, причем зоны соединения прессовая посадка (1) и упор (2) труб или труб и муфты имеют посадочные поверхности (1I, 1 А) в форме усеченного конуса, наклоненные в направлении концов от внутренней трубы к оси (х) труб, и встречно направленные с торцевой стороны к ним упорные поверхности (2I, 2 А) в форме усеченного конуса, отличающееся тем, что переход (3) от прессовой посадки (1) к упору (2) находящихся в соединении труб выполнен для них бесконтактным с коаксиальным промежуточным пространством или полостью (R) таким образом, что отношение длины бесконтактного перехода (3) к длине прессовой посадки (1) составляет от 0,4 до 1,7. 2. Соединение по п.1, отличающееся тем, что бесконтактный переход (3) между трубами в зонах соединения прессовая посадка (1) и упор (2) образован коаксиальной выемкой (RA) во внутренней стенке(3 А) наружной трубы (А). 3. Соединение по п.1 или 2, отличающееся тем, что выемка (RA) в переходной зоне (3) имеет в сечении безугловой профиль (3 А). 4. Соединение по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что внутренняя труба (I) в зоне перехода (3) от ведущей дистально дальше поверхности (1I) прессовой посадки к упорной поверхности (2I) выполнена скругленной. 5. Соединение по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что коаксиальная выемка (RA) в наружной трубе (А) выполнена в сечении от поверхности (1 А) прессовой посадки к своему профилю (3 А) с переходным радиусом (Ro) от 0,5 до 1,0 мм и без кромок до упорной поверхности (2 А). 6. Соединение по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что отношение длины бесконтактного перехода (3) к длине прессовой посадки (1) составляет от 0,6 до 1,5. 7. Соединение по п.6, отличающееся тем, что для труб Casing по API 5CT, выполненных в основном в виде обсадных труб наружным диаметром более 4,5 дюймов, отношение длины бесконтактного перехода (3) внутренней трубы (I) к длине прессовой посадки (1) составляет от 0,4 до 1,2, предпочтительно от 0,6 до 1,0. 8. Соединение по п.6, отличающееся тем, что для труб Tubing по API 5CT, выполненных в основном в виде подъемных или транспортирующих труб наружным диаметром 4,5 дюйма и менее, в частности 1,66 дюйма, отношение длины бесконтактного перехода (3) внутренней трубы (I) к длине прессовой посадки (1) составляет от 0,9 до 1,7, предпочтительно от 1,1 до 1,5. 9. Соединение по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что наружная труба (А) имеет наклон поверхности (1 А) прессовой посадки в основном 1:10 по отношению к диаметру, а упорная поверхность(2 А) имеет уголот 10 до 20, предпочтительно в основном 15, к нормали к оси. 10. Соединение по любому из пп.1-9, отличающееся тем, что материал труб, по меньшей мере, в зоне соединения термообработан или улучшен и имеет повышенную прочность. 11. Соединение по любому из пп.1-10, отличающееся тем, что поверхности (1I, 1 А) прессовой посадки и/или упорные поверхности (2I, 2 А) имеют шероховатость Ra менее 3,2 мкм, но более 0,4 мкм, измеренную в качестве значения среднего арифметического отклонения профиля по DIN 4777 ISO/DIN 4287/1. 12. Соединение по любому из пп.1-11, отличающееся тем, что трубы соединены посредством резьбового соединения.