Резьбовое соединение труб, снабженное уплотнением

010806 Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к соединению труб, в частности к соединению труб, применяемых для добычи и/или закачки текучих сред, например нефти или газа, которое снабжено уплотняющим устройством. Предшествующий уровень техники В газодобывающей и нефтедобывающей отрасли промышленности применяются отрезки труб предварительно заданной длины, которые приходится соединять вместе на концах, чтобы достигнуть значительных глубин, на которых, как правило, находятся резервуары углеводородов. В процессе бурения скважины обсаживают металлическими трубами по всей длине. Отрезки металлической трубы, как правило, длиной приблизительно 10 м или около того скручивают вместе посредством резьбовых соединений. Чтобы охватить всю глубину скважины, используют также многочисленные (обсадные) колонны,которые по причинам, связанным с механическим сопротивлением и геологическими характеристиками пласта, имеют диаметр, уменьшающийся с увеличением глубины, достигнутой колонной, формируя таким образом конструкцию "телескопического" типа. Как только бурение заканчивается, внутрь скважины, обсаженной, как указано выше, вставляют другую трубчатую колонну, при этом указанная колонна служит для транспортировки газа или нефти в направлении наружной стороны подземного резервуара. Поэтому эта колонна, устанавливаемая на всю глубину скважины, может в некоторых случаях достигать длины в несколько тысяч метров. В обоих случаях отрезки труб соединяют вместе с помощью резьбовых соединений, которые могут быть безмуфтовыми (соединительный замок, представляющий одно целое с трубой), т.е. иметь один охватываемый конец трубы и другой - охватывающий, или же быть муфтового типа, в котором оба охватываемых конца трубы соединяются на обоих концах муфтой с внутренней резьбой. Обычно наличие соединения влечет за собой увеличение наружного диаметра колонны на самом соединении, что приводит к большим габаритам трубопровода и скважины, причем тем большим, чем больше диаметр соединения по сравнению с трубой. С целью ограничения наружного диаметра колонны и, следовательно, стоимости бурения и устанавливаемых материалов изготавливаются резьбовые соединения с уменьшенным наружным диаметром,которые в соответствии с требуемым исполнением и максимально допустимыми общими габаритами могут быть условно разделены на группы трех типов. Первый тип, который часто называют "полугладким", представляет собой соединение муфтового типа, наружный диаметр которого превышает наружный диаметр трубы не более чем на 6%. Второй тип, известный как "почти гладкий", представляет собой соединение безмуфтового типа, наружный диаметр которого в области соединения превышает наружный диаметр трубы на 2-3%. Последний тип, известный как "гладкий", представляет собой безмуфтовое соединение, наружный диаметр которого в области соединения равен наружному диаметру трубы. Выбор различных типов соединения осуществляется в соответствии с нагрузкой, которую должна выдерживать трубчатая колонна, давлением, действующим внутри и/или снаружи колонны, длиной колонны и ее общим диаметром, который максимально допустим по отношению к диаметру скважины. Проблема уплотнения этих резьбовых соединений представляет особую важность. Один тип уплотнения легко создается путем обеспечения контакта между двумя участками поверхности охватываемой и охватывающей труб, на которых поверхности удерживаются в непосредственном металлическом контакте благодаря давлению, подходящему для условий эксплуатации труб. В этих соединениях уплотнение между охватываемым и охватывающим элементами гарантируется в случае, если контактное давление,которое создается во время свинчивания поверхностей уплотнения, будет достаточным для того, чтобы не допустить отделения во всех зонах двух металлических кромок уплотнения в результате сочетания нагрузок, действующих на соединение. Различные виды усилий включают, главным образом, давление текучих сред, присутствующих снаружи и/или циркулирующих внутри труб, которое добавляется к другим нагрузкам, например к нагрузкам осевого растяжения или сжатия и к изгибающим нагрузкам. Результаты действия указанных нагрузок имеют особенно негативный характер, когда эти нагрузки стремятся отделить охватываемый и охватывающий элементы, ликвидируя контакт между поверхностями уплотнения, воздействуя, тем самым, на герметичность или разрушая ее, что вызывает течь в трубе. Следовательно, поверхности уплотнения должны иметь надлежащим образом выбранные размеры с учетом материала, из которого изготовлены трубы, жесткости двух элементов, и самое главное, в соответствии с сопряжением диаметров между охватываемыми и охватывающими элементами так, чтобы в любом эксплуатационном режиме поддерживалось достаточное контактное давление в зоне "металл-металл". Тем не менее, проблема, которая возникает при конструировании поверхностей уплотнения типа, в котором в соединениях имеется контакт "металл-металл", состоит в том, чтобы не превысить предельное контактное давление. В случае чрезмерного натяга до окончания свинчивания двух элементов может фактически возникнуть даже холодная сварка или схватывание двух поверхностей уплотнения соединений. С другой стороны, однако, если величина натяга остается недостаточной, герметичность соединения под воздействием высокого давления может быть нарушена. Первым примером известного соединения является соединение, описанное в документе US 4795200. В этом документе соединение на конце охватываемого элемента снабжено удлинением, исполь-1 010806 зуемым в сочетании с уплотнением, создаваемым коническими поверхностями. Указанные поверхности не имеют проблем, связанных со схватыванием, которые характерны для других уплотнений типа "металл-металл". Вторым примером известного соединения является соединение, описанное в документе ЕР-А 130178, в котором присутствует наружное уплотнение контактных поверхностей типа "металл-металл". В этом случае при свинчивании двух элементов сопряжение диаметров может вызвать перпендикулярное давление на поверхность наружного элемента, конец которого стремится радиально расшириться в наружном направлении. Указанное расширение заметно еще больше, если возникают большие растягивающие усилия, что в зоне поверхности уплотнения приводит даже к пластической деформации металла. В этом случае после того, как будет превышен предел упругости наружного элемента, могут накапливаться деформации, которые стремятся увеличить его наружный диаметр, уменьшая натяг и, следовательно, степень уплотнения соединения. Поэтому эффективность уплотнения сильно зависит от этого явления, и, в частности, после того как труба подвергнется воздействию особенно высокого внутреннего давления, она может оказаться неспособной выдерживать наружное давление. Соответственно, это может вызвать в трубе утечку с возможными потерями. Разрыв, особенно после того, как трубы будут установлены под землю (что делает вмешательство операторов в какое-либо разорванное соединение практически невозможным), может иметь для добывающей установки исключительно серьезные финансовые последствия, не говоря уже о причинении значительного ущерба окружающей природной среде, особенно, если резервуар содержит агрессивные элементы. Первое решение, предлагаемое в уровне техники с целью избежать упомянутого недостатка, заключается в том, чтобы изготавливать трубы со стенками большей толщины, чтобы они были более жесткими. Альтернативное решение заключается в том, чтобы изготавливать трубы из материала с более подходящими механическими свойствами. Однако оба решения влекут за собой значительное увеличение расходов на изготовление. Поэтому имеется необходимость в инновационных трубных соединениях, которые преодолевают все вышеупомянутые недостатки, ограничивая при этом расходы на изготовление. Сущность изобретения Первоочередная задача настоящего изобретения заключается в создании резьбового соединения труб, снабженного усовершенствованным уплотнением, которое сохраняет достаточную жесткость, в частности, в случае безмуфтовых соединений гладкого или почти гладкого типа, которые имеют относительно малую толщину стенки трубы в зоне соединения. Дополнительная задача изобретения состоит в том, чтобы улучшить конструктивное сопротивление материала соединения высоким нагрузкам, в особенности сжимающим нагрузкам, так, чтобы указанная особенность не повлияла на уплотняющую способность. Таким образом, настоящее изобретение предлагает решение этих задач путем резьбового соединения труб, определяющего продольную ось, охарактеризованного в п.1 формулы изобретения, которое имеет первый и второй отрезки трубы, причем первый отрезок трубы образует охватываемый элемент соединения, а второй отрезок трубы образует охватывающий элемент соединения, при этом первый отрезок на одном конце снабжен наружной резьбой, а второй отрезок снабжен внутренней резьбой, выполненной с возможностью навинчивания на наружную резьбу для образования соединения, причем первый отрезок трубы имеет первую поверхность уплотнения, а второй отрезок трубы имеет вторую поверхность уплотнения, расположенную между одним концом внутренней резьбы и ближайшим концом второго отрезка трубы, причем первая и вторая поверхности уплотнения имеют размеры, выбранные из условия создания взаимного контакта путем деформирования материала первого и второго отрезков труб,по меньшей мере, в конце положения свинчивания, образуя таким образом соединительное уплотнение металл-металл. Отличительной особенностью соединения является то, что предусмотрен участок усиления, расположенный на конце второго отрезка трубы, который выходит за пределы внутренней резьбы и имеет во всех своих точках внутренний диаметр, больший номинального наружного диаметра первого отрезка трубы, так что отсутствует какой-либо контакт между первым и вторым отрезками трубы по всей длине участка усиления. Путем надлежащего задания размеров уплотнительного устройства соединения, являющегося предметом настоящего изобретения, может быть достигнут превосходный уровень эффективности при правильном соотношении различных потребностей, которые иногда вступают во взаимный конфликт, с тем, чтобы получить минимальные общие габариты, максимальное сопротивление материала и сохранение уплотняющей способности с целью недопущения вытекания и/или втекания текучих сред из трубы или в трубу, в том числе после того, как узел будет собран и разобран множество раз. Кроме того, габариты, выбранные для соединения по изобретению с уплотняющими поверхностями, позволяют достигать отличного компромисса в отношении сопротивления как осевым, так и радиальным нагрузкам. Зависимые пункты формулы изобретения характеризуют предпочтительные варианты осуществления соединения по изобретению.-2 010806 Краткий перечень чертежей Дополнительные особенности и преимущества изобретения станут яснее в свете подробного описания предпочтительного, но не исключительного варианта осуществления резьбового соединения труб,представленного путем иллюстрации, но не ограничения с помощью прилагаемых чертежей, где фиг. 1 показывает разрез соединения в соответствии с настоящим изобретением вдоль плоскости,проходящей через продольную ось; фиг. 2 - увеличенное изображение участка разреза сечения соединения, обозначенного на фиг. 1 буквой А. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения Со ссылкой на чертежи резьбовое соединение включает два элемента, представляющих собой отрезки труб, один из которых является охватываемым элементом 1 или "концом трубы с наружной резьбой", а другой является охватывающим элементом 2 или "концом трубы с внутренней резьбой". Соединение определяет внутреннюю часть 10, в которой протекает текучая среда, например природный газ или сырая нефть, или же иная подобного рода текучая среда, и наружную часть 20, которая тоже может быть окружена текучими средами или другими жидкостями различной природы, как правило, находящимися под давлением или вызывающими только гидростатические нагрузки. Резьбовое соединение преимущественно предусматривает уплотнение на внутренней части, в которой герметизация создается во время взаимного свинчивания концов 1 и 2 посредством обеспечения контакта двух кольцевых участков металлических поверхностей. В охватывающем элементе 2 кольцевой участок, или поверхность уплотнения 4, участвующий в образовании уплотняющего устройства, является внутренним по отношению к стенке трубы, имеет надлежащие размеры и расположен на предварительно заданном расстоянии от начального участка внутренней резьбы 7. Поверхность уплотнения 4, или просто уплотнение, имеет, по существу, сферическую или тороидальную форму. Охватывающий элемент 2 также соответственно снабжен удлинением, определяемым так же, как участок усиления 5, который выходит за пределы внутренней резьбы 7 и поверхности уплотнения 4. Одна из особенностей указанного удлинения заключается в том, что оно имеет такие размеры,при которых у него нет никаких точек или поверхностей соприкосновения с охватываемым элементом 1 после полного свинчивания двух элементов - охватываемого элемента 1 и охватывающего элемента 2. Таким образом, участок усиления 5 непосредственно не подвергается контактному напряжению со стороны охватываемого элемента 1. Благодаря контакту, который существует между поверхностью уплотнения 4 охватывающего элемента и поверхностью охватываемого элемента 1, надлежащим образом определенных на этапе конструирования, при свинчивании конца трубы с наружной резьбой и конца трубы с внутренней резьбой создаются радиальные силы, которые действуют на поверхность уплотнения 4 охватывающего элемента 2 и приводят к увеличению диаметра охватывающего элемента. В свою очередь, охватываемый элемент 1 подвергается сужению, но чем тоньше стенка трубы, тем больше деформация указанного охватываемого элемента. Поэтому охватываемый элемент сужается в очень ограниченной степени, тогда как охватывающий элемент расширяется значительно. Деформации на участке поверхности уплотнения 4 передаются на участок усиления 5 благодаря непрерывности металла, из которого изготовлена труба, и создают силу, уменьшающуюся по мере увеличения расстояния от уплотнения 4, так что после предварительно заданной длины участок усиления 5 не подвергается деформациям и сохраняет свои номинальные размеры. Другими словами, участок усиления 5 ведет себя на уплотнении как упругая затягивающая лента. Эта последняя часть участка усиления 5, работающая в зоне упругости металла трубы как пружинное кольцо, остается эффективной даже после многочисленных операций свинчивания и развинчивания(и даже после различных циклов загрузки) и участвует в увеличении контактного давления между поверхностями соединения двух элементов 1 и 2, что избавляет от использования больших величин натяга между поверхностью уплотнения 4 охватывающего элемента 2 и соответствующей поверхностью охватываемого элемента 1. Величины чрезмерного натяга фактически могут привести к поверхностным повреждениям резьбы (заеданию) соединения во время свинчивания и другим проблемам, что не обеспечивает оптимального уплотнения соединения в различных условиях загрузки. Оптимизация установления размеров соединения, снабженного уплотнением, в соответствии с изобретением определяется соответствующими математическими зависимостями между различными параметрами соединения. С указанными размерами все части соединения работают ниже предела контактного давления материала труб, а вероятность повреждений резьбы уменьшается. Таким образом, толщина Т стенки участка усиления 5 имеет величину в диапазоне между 10 и 30% от величины wt, которая представляет собой номинальную толщину стенки на уровне тела трубы, следовательно 0,1wt = T = 0,3wt При этом длина участка усиления 5 находится в следующем интервале: 5(ln(wt)/OD0,125) = L = 20(ln(wt)/OD0,125),-3 010806 где OD представляет собой номинальный наружный диаметр трубы. Все параметры в представленных выше формулах выражаются в миллиметрах. В нижеследующей таблице приведены максимальные и минимальные величины длины L и толщины Т участка усиления 5 для самых распространенных серийных номинальных диаметров труб. Преимущественно длина участка усиления 5 соединения по изобретению находится в диапазоне между приблизительно 6 и 26,5 мм, толщина - между приблизительно 1 и 4,5 мм, а расстояние между начальной точкой резьбы 7 и поверхностью уплотнения 4 находится в интервале между 0,5 и пятью величинами шага резьбы. Что касается наружного профиля соединения, то он может быть либо коническим, либо цилиндрическим. Дополнительное преимущество заключается в том, что соединение по изобретению имеет охватывающий элемент, или конец трубы с внутренней резьбой, с концом значительно уменьшенной толщины,равным приблизительно 25% суммарно располагаемой толщины трубы. Это позволяет создать в плоскости, по существу, перпендикулярной продольной оси трубы торцевые поверхности буртиков 6', 6 между элементами 1 и 2 с большими размерами, равными приблизительно 25% суммарной толщины трубы. Указанные торцевые поверхности буртиков, или просто буртики, могут быть в качестве альтернативы расположены в промежуточном положении по отношению к резьбам элементов 1 и 2 или же на конце указанных резьб. Сравнивая решение в соответствии с данным изобретением применительно к соединению с буртиками, расположенными в промежуточном положении по отношению к резьбе, с известными соединениями типа, который снабжен буртиками, расположенными всегда в одной и той же зоне, можно заметить, в последнем случае конец охватывающего элемента, будучи ограничен предварительно заданным наружным диаметром и диаметром соединительной детали, обычно составляет приблизительно 40% суммарно располагаемой толщины трубы, при этом буртики между двумя элементами составляют приблизительно лишь 10%. Поэтому указанные буртики, которые составляют основную поверхность, противостоящую осевым сжимающим нагрузкам, являются менее пригодными для того, чтобы противостоять большим сжимающим нагрузкам, возникающим при использовании указанных труб, нежели буртики в соответствии с изобретением, что приводит к разрыву трубы от нагрузок, меньших чем те, которые способно выдерживать соединение, выполненное в соответствии с данным изобретением. Этот предпочтительный вариант осуществления изобретения касается безмуфтового соединения(соединительный замок, представляющий одно целое с трубой) полугладкого типа, но та же обладающая признаками изобретения концепция может быть применена к другим различным типам соединения. Особенно полезный вариант использования изобретения может быть получен в случае соединений,снабженных длинной резьбой, малой конусностью и буртиком для упора свинчивания не рядом с поверхностью уплотнения, а на соответствующем расстоянии от нее. Поэтому с заданными таким образом размерами охватывающего элемента 2 можно увеличить жесткость элемента 2, гарантирующую оптимальное уплотнение, и в то же время улучшить осевую эффективность соединения. Преимущественно тороидальная форма поверхности уплотнения 4 облегчает техническое обслуживание контакта между двумя элементами 1, 2. В вышеупомянутом описании охватывающий элемент 2 или конец трубы с внутренней резьбой рассмотрен как самый тонкий элемент. Вышесказанное относится также и к случаю, когда охватываемый элемент 1 или конец трубы с наружной резьбой тоже является самым тонким элементом. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Резьбовое соединение, определяющее продольную ось, включающее в себя первый и второй отрезки труб, причем первый отрезок трубы (1) образует охватываемый элемент соединения, а второй отрезок трубы (2) образует охватывающий элемент соединения, при этом первый отрезок трубы (1) на одном конце снабжен по меньшей мере одной наружной резьбой, а второй отрезок трубы (2) снабжен по меньшей мере одной внутренней резьбой (7), выполненной с возможностью навинчивания на наружную резьбу для образования соединения, причем первый отрезок трубы (1) имеет первую поверхность уплотнения, а второй отрезок трубы (2) имеет вторую поверхность уплотнения (4), расположенную между одним концом внутренней резьбы и ближайшим концом второго отрезка трубы, причем первая и вторая (4) поверхности уплотнения имеют размеры, выбранные из условия создания взаимного контакта путем деформирования материала первого и второго отрезков труб, по меньшей мере, в конце положения свинчи-4 010806 вания, образуя таким образом соединительное уплотнение металл-металл, при этом предусмотрен участок усиления (5), расположенный на конце второго отрезка трубы, выходящий за пределы внутренней резьбы (7) и имеющий во всех своих точках внутренний диаметр, больший номинального наружного диаметра первого отрезка трубы, отличающееся тем, что участок усиления (5) имеет минимальную осевую длину Lminimum, определяемую по следующей формуле:Lminimum=5(ln(wt)/OD0,125),где OD - номинальный наружный диаметр первого и второго отрезков труб, a wt - номинальная толщина стенки первого и второго отрезков труб, так что отсутствует контакт между первым и вторым отрезками труб по всей длине участка усиления (5). 2. Соединение по п.1, в котором участок усиления (5) имеет толщину стенки Т, выражаемую как 0,1wtТ 0,3wt. 3. Соединение по п.2, в котором участок усиления (5) имеет осевую длину L, выражаемую какL20(ln(wt)/OD0,125). 4. Соединение по п.3, в котором осевая длина L находится в диапазоне между порядка 6 и 26,5 мм. 5. Соединение по п.4, в котором расстояние между начальной точкой внутренней резьбы (7) и поверхностью уплотнения (4) находится в диапазоне между 0,5 и пятью величинами шага резьбы. 6. Соединение по п.5, в котором на первом отрезке трубы (1) предусмотрена по меньшей мере одна первая торцевая поверхность буртика (6'), а на втором отрезке трубы (2) - по меньшей мере одна вторая торцевая поверхность буртика (6), имеющая форму, дополняющую первую поверхность, причем первая и вторая торцевые поверхности буртика определяют конец положения свинчивания резьбового соединения, при этом первая и вторая торцевые поверхности буртика (6', 6) находятся в промежуточном положении по отношению к наружной и внутренней резьбам. 7. Соединение по п.5, в котором на первом отрезке трубы (1) предусмотрена по меньшей мере одна первая торцевая поверхность буртика (6'), а на втором отрезке трубы (2) - по меньшей мере одна вторая торцевая поверхность буртика (6"), имеющая форму, дополняющую первую поверхность, причем первая и вторая торцевые поверхности буртика определяют конец положения навинчивания резьбового соединения, при этом первая и вторая торцевые поверхности буртика (6', 6") расположены на соответствующих концах наружной и внутренней резьб. 8. Соединение по п.6 или 7, в котором резьбы соединения имеют конусную форму в секущей плоскости, проходящей через ось соединения. 9. Соединение по п.6 или 7, в котором резьбы соединения имеют цилиндрическую форму в секущей плоскости, проходящей через ось соединения.