[RU]

Раскрыта конструкция резьбового соединения, характеризующаяся наличием во впадине резьбы двойного эллипса для снижения усталостного напряжения. Канавка впадины содержит первую часть, содержащую первую эллиптическую поверхность, являющуюся частью первого эллипса. Канавка впадины дополнительно содержит вторую часть, содержащую вторую эллиптическую поверхность, являющуюся частью второго эллипса, и вторая эллиптическая поверхность соединена тангенциально на первом конце с первой эллиптической поверхностью в точке соединения, определяющей дно канавки впадины. Вторая эллиптическая поверхность соединена тангенциально на втором конце с нагрузочной боковой стороной.

(57) Реферат / Формула:

Раскрыта конструкция резьбового соединения, характеризующаяся наличием во впадине резьбы двойного эллипса для снижения усталостного напряжения. Канавка впадины содержит первую часть, содержащую первую эллиптическую поверхность, являющуюся частью первого эллипса. Канавка впадины дополнительно содержит вторую часть, содержащую вторую эллиптическую поверхность, являющуюся частью второго эллипса, и вторая эллиптическая поверхность соединена тангенциально на первом конце с первой эллиптической поверхностью в точке соединения, определяющей дно канавки впадины. Вторая эллиптическая поверхность соединена тангенциально на втором конце с нагрузочной боковой стороной.

---

РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ С УЛУЧШЕННЫМ ПРОФИЛЕМ ВПАДИНЫ
Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее изобретение относится, в общем, к соединениям труб и, в частности, к резьбовому соединению, характеризующемуся улучшенной конструкцией профиля впадины резьбы, повышающей усталостную прочность.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
Организации, занимающиеся поиском нефти или, более обще, углеводородов, в последние годы стали более требовательными в части оборудования, аппаратуры и устройств, поскольку исследуемые месторождения (коллекторы) нефти и газа расположены глубже в земной коре или в труднодоступных местах.
Многие буровые работы и работы по добыче на суше требуют трубных соединений, характеризующихся высокими уровнями усталостной прочности; например, применения при бурении и применения в условиях высокой температуры.
Кроме того, увеличились объемы разведки и эксплуатации месторождений углеводородов в глубоководных условиях (морские применения), требующих трубных соединений, более устойчивых к факторам, вызванным воздействием среды, таким как усталость и коррозия.
Морские платформы оснащены эксплуатационным оборудованием, расположенным над поверхностью моря. Это оборудование часто используют для разработки месторождений углеводородов, лежащих ниже морского дна. Эти платформы закрепляют на морском дне, а для доставки углеводородов из скважин, пробуренных в коллекторы ниже морского дна, используют колонны труб. Эти колонны труб в отрасли иногда называются "водоотделяющими колоннами".
Эти водоотделяющие колонны погружены в море и подвержены перемещениям, вызванным морскими течениями и перемещениям поверхностных волн. Из-за непрерывных и периодических перемещений моря колонны труб не остаются неподвижными, а подвергаются боковым перемещениям малой величины, которые могут вызвать деформации в некоторых частях трубных соединений. Эти водоотделяющие колонны должны выдерживать нагрузки, вызывающие усталостные напряжения в трубах и трубных соединениях, в частности, в отношении зоны резьбового соединения. Эти напряжения стремятся вызвать разрывы в трубе и/или
соединении вблизи резьбы, и, соответственно, существует необходимость повысить усталостную прочность резьбовых соединений.
В некоторых патентах, известных из уровня техники, например, US 7 780 202 и US 6 609 735, раскрыты соединения с зацеплением типа "боковая сторона к боковой стороне" ("FtF"), подвергающиеся усталости, включая соединители водоотделяющих колонн.
Другие известные из уровня техники обычные резьбовые соединения с посадкой с натягом (включая формы упорной резьбы Американского института нефти) характеризуются наличием профилей, в которых резьбы при свинчивании труб зацепляются лишь по одной боковой стороне профиля резьбы. Этот тип соединения должен полностью разгружать контактирующую боковую сторону, совершать относительное перемещение между ниппелем и муфтой до контакта противоположных боковых сторон и затем передавать нагрузку на вновь контактирующую боковую сторону. Повторные циклические боковое нагружение и передачи нагрузок делают эти типы соединения особенно подверженными усталостным разрушениям.
В резьбах типа "боковая сторона к боковой стороне" (FtF) при свинчивании труб контакт обеспечивается как между ведущими боковыми сторонами, так и между нагрузочными боковыми сторонами профиля резьбы. Между вершинами и впадинами профиля резьбы существует зазор. Резьба разработана с зубьями резьбы одного элемента шире сопряженных зубьев другого элемента (например, интерференция "боковая сторона к боковой стороне"). Из-за наклона боковых поверхностей профиля резьбы контактные усилия (нормальные к поверхности боковой стороне профиля резьбы) характеризуются основной составляющей, проходящей в аксиальном направлении, воздействующей на материал, образующий зубья резьбы. Для достижения интерференции "боковая сторона в боковую сторону" контактные усилия работают, главным образом, на упругости зубьев. Упругость зубьев очень низка, поэтому при свинчивании труб достигаются высокие контактные давления. Этим объясняется, почему резьбы FtF характеризуются высокой тенденцией к поверхностному повреждению резьбы при свинчивании.
Дополнительные недостатки резьб типа FtF заключаются в очень крутых углах передней боковой стороны резьбы, измеренных относительно поверхности, перпендикулярной оси трубы. Действие сжатия этого соединения неудовлетворительно, поскольку этот тип решения способствует возникновению явления, определенного как "скачок", когда силы сжатия превышают определенные
пределы. Скачок происходит, когда сегмент трубы с наружной резьбой проскальзывает в сегмент с внутренней резьбой с превышением сопротивления, создаваемого резьбой двух сегментов. Это явление происходит тем чаще, чем более наклонен угол ведущей боковой стороны профиля резьбы.
Другие недостатки резьбы типа FtF заключаются в том, что она подвержена высокому риску заедания соединения и, как следствие, риску отсутствия воздухонепроницаемого уплотнения флюидов внутри трубы. Из-за эффекта заедания крутящий момент во время операции закручивания (свинчивания) соединения значительно изменяется. Этому типу соединения обычно присуще большее количество витков. Это привносит трудности свинчивании соединения и создает возможность неточности при прикладывании правильного крутящего момента при свинчивании.
В резьбах типа "вершина во впадину" (CtR) (которые используются в предлагаемом резьбовом соединении) при свинчивании контакт происходит между парой сопряженных боковых сторон (нагруженных боковых сторон для натяжения или ведущей боковой стороны для сжатия), а также происходит контакт между вершиной и впадинами. Резьба типа CtR разработана с интерференцией между вершиной и впадинами. В этом случае основная составляющая контактных усилий (нормальная к поверхности вершины/впадины) проходит в радиальном направлении, и при этом интерференция достигается за счет использования упругости трубчатого тела путем геометрической деформации трубы. Лишь малая часть интерференции обеспечена упругостью зубьев резьбы, и поэтому контактные давления, достигаемые на зубьях, ниже, чем в случае резьб типа FtF, и при этом тенденция к поверхностному повреждению резьбы при свинчивании снижается.
Резьба типа CtR в соответствии с настоящим изобретением характеризуется оптимальной усталостной характеристикой, а также очень низкую тенденцию к поверхностному повреждению резьбы при свинчивании. Следовательно, присутствие микротрещин (из-за этого поверхностного повреждения резьбы) сведено к минимуму.
Настоящее изобретение может быть использовано в выполненных заодно соединениях, резьбовых и муфтовых соединениях и в резьбовых соединениях большого наружного диаметра для применений в море и на суше. Есть два основных типа резьбовых соединителей большого наружного диаметра, используемых для эксплуатационных водоотделяющих колонн. Первый тип именуется в отрасли как "сварной" тип; ниппель и муфту получают отдельно путем механической обработки толстостенного материала, а затем приваривают к трубе. Во втором типе, именуемом в
отрасли как "резьбово-муфтовый" тип, наружную резьбу (ниппель) обычно выполняют непосредственно на концах трубы путем механической обработки. Внутреннюю резьбу (муфту) выполняют путем механической обработки каждого конца соединения, которое используют для соединения концов труб.
Более того, предлагаемая конструкция может быть объединена с конструктивными исполнениями внутренних и/или наружных и/или промежуточных уплотнений металл-металл, внутренними и наружными эластомерными уплотнениями, промежуточными уплотнениями металл-металл и двухступенчатыми резьбами. Для соединителей большого диаметра вместе с предлагаемым профилем резьбы могут использоваться также посадочные направляющие и устройства предотвращения вращения.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
В настоящем описание раскрыта конструкция резьбового соединения, характеризующаяся наличием во впадине резьбы двойного эллипса для снижения усталостного напряжения. В предлагаемой конструкции радиус концентратора напряжений (расположенного в соединении между впадиной и нагрузочной боковой стороной) увеличен за счет использования конфигурации двойного эллипса (криволинейной поверхности, характеризующейся наличием переменного радиуса, а не дуги окружности, которая характеризуется наличием постоянного радиуса). Эта конфигурация позволяет максимально увеличить радиус концентратора напряжений, но и минимизирует потерю контакта между нагрузочными боковыми сторонами, а также минимизирует сечение соединения, в котором "критическое сечение" уменьшено. Еще одним преимуществом этого профиля является то, что концентратор напряжений отнесен от точек контакта между ниппелем и муфтой, благодаря чему состояние растяжения на концентраторе напряжений преимущественнее для усталостного поведения соединения. В новой конструкции, раскрытой в настоящем документе, обеспечен максимально увеличенный контакт между нагрузочными боковыми сторонами и вершиной и впадинами, благодаря чему минимизировано относительное перемещение между частями соединения. Как правило, предлагаемый профиль поверхности впадины состоит из линейной части и криволинейной части, характеризующейся наличием двойного эллиптического профиля.
В частности, раскрыта конструкция для наружной или внутренней резьбы, расположенной на конце трубчатого элемента. Наружная или внутренняя резьба
содержит: коническую поверхность впадины, характеризующуюся первым углом конусности ((3), измеренным от продольной оси (аа) резьбы, причем указанная коническая поверхность впадины соединена тангенциально на первом конце выпуклой криволинейной поверхностью постоянного радиуса кривизны с ведущей боковой стороной, причем указанная коническая поверхность впадины соединена на втором конце вогнутой криволинейной поверхностью постоянного радиуса кривизны с канавкой впадины. Канавка впадины проходит от конической поверхности впадины до нагрузочной боковой стороны.
Канавка впадины содержит: первую часть, содержащую первую эллиптическую поверхность, характеризующуюся наличием переменного радиуса кривизны, причем указанная первая эллиптическая поверхность является частью эллипса, и указанная канавка впадины дополнительно содержит вторую часть, содержащую вторую эллиптическую поверхность, характеризующуюся наличием переменного радиуса кривизны, причем указанная вторая эллиптическая поверхность является частью второго эллипса, причем указанная вторая эллиптическая поверхность соединена тангенциально на первом конце с первой эллиптической поверхностью в точке соединения, определяющей дно канавки впадины; а указанная вторая эллиптическая поверхность соединена тангенциально на втором конце с нагрузочной боковой стороной. Дно канавки впадины расположено в боковой стенке трубчатого элемента ниже уровня конической поверхности впадины.
Коническая поверхность (101) впадины содержит первый угол конусности ((3), измеренный между конической поверхностью 101 впадины и продольной осью (аа) резьбы. Согласно некоторым вариантам осуществления первый угол конусности ((3) равен 0 градусов, так что коническая поверхность впадины (101, 301) параллельна оси резьбы (аа). Согласно другим вариантам осуществления первый угол конусности ((3) больше 0, но меньше значения угла, измеренного между ведущей боковой стороной 220 наружной резьбы и осью резьбы (аа).
Согласно некоторым вариантам осуществления угол тета, измеренный между осью резьбы (аа) и продольной осью (dd) боковой стенки трубчатого элемента (11), находится в пределах между 1,5 и 12 градусами.
В настоящем раскрытии большая ось (сс) второго эллипса расположена перпендикулярно нагрузочной боковой стороне, а большая ось (bb) первого эллипса перпендикулярна большой оси (сс) второго эллипса. Большая ось (bb) первого эллипса совпадает с малой осью второго эллипса.
Согласно некоторым вариантам осуществления первый эллипс и второй эллипс характеризуются одинаковым размером. Например, первый эллипс характеризуется первым предопределенным диаметром (D1) по большой оси (bb) и вторым предопределенным диаметром (D2) по малой оси; второй эллипс характеризуется предопределенным диаметром (D3) по большой оси (сс), равным диаметру (D1) по большой оси (bb) первого эллипса, и второй эллипс характеризуется вторым диаметром (D4) по малой оси, равным диаметру (D2) по малой оси первого эллипса.
Согласно другим вариантам осуществления эллипсы могут характеризоваться разными формами. Например, первый эллипс характеризуется первым предопределенным диаметром (D1) по большой оси (bb) и вторым предопределенным диаметром (D2) по малой оси; второй эллипс характеризуется предопределенным диаметром (D3) по большой оси (сс), равным диаметру (D1) по большой оси (bb) первого эллипса, и второй эллипс характеризуется вторым диаметром (D4) по малой оси, который больше диаметра (D2) по малой оси первого эллипса. Согласно другим вариантам осуществления второй диаметр (D4) по малой оси второго эллипса больше диаметра (D2) по малой оси первого эллипса, но диаметр D1 может не обязательно равняться диаметру D3. Согласно другим вариантам осуществления второй диаметр (D4) по малой оси меньше диаметра (D2) по малой оси первого эллипса. Согласно другим вариантам осуществления диаметр (D3) по большой оси (сс) второго эллипса меньше диаметра D1 по большой оси (bb) первого эллипса. Согласно другим вариантам осуществления диаметр (D3) по большой оси (сс) второго эллипса может быть больше диаметра (D1) по большой оси (bb) первого эллипса. Понятно и четко раскрыто, что при реализации настоящего изобретения может быть использовано любое сочетание одного или нескольких вышеупомянутых решений диаметров эллипсов.
Согласно некоторым вариантам осуществления, наклоны нагрузочной боковой стороны в сторону от канавки впадины и угол, измеренный между нагрузочной боковой стороной и линией, перпендикулярной оси резьбы (аа), находятся в пределах 0-5 градусов. Эта конфигурация резьбы называется в отрасли трапецеидальной резьбой. Согласно другим вариантам осуществления наклоны нагрузочной боковой стороны в сторону канавки впадины и угол, измеренный между нагрузочной боковой стороной и линией, перпендикулярной оси резьбы (аа), находятся в пределах от 0 до -9 градусов. Эта конфигурация резьбы называется в отрасли крюковой резьбой.
Различные варианты осуществления предлагаемого профиля впадины в виде двойного эллипса могут быть использованы в резьбовом соединении, которое содержит
охватываемый трубчатый элемент, содержащий коническую наружную резьбу, характеризующуюся наличием оси конуса (аа), и охватывающий трубчатый элемент, содержащий коническую внутреннюю резьбу, характеризующуюся наличием оси конуса (аа), причем при свинчивании резьбового соединения указанная внутренняя резьба взаимодействует с наружной резьбой. Поверхность впадины по меньшей мере одной из резьб - наружной и внутренней - содержит коническую поверхность впадины, характеризующуюся первым углом конусности ((3), измеренным между конической поверхностью 101 впадины и продольной осью (аа) резьбы, причем указанная коническая поверхность впадины соединена тангенциально на первом конце выпуклой криволинейной поверхностью постоянного радиуса кривизны с ведущей боковой стороной, указанная коническая поверхность впадины соединена на втором конце вогнутой криволинейной поверхностью постоянного радиуса кривизны с канавкой впадины. Канавка впадины проходит от конической поверхности впадины до нагрузочной боковой стороны. Канавка впадины содержит: первую часть, содержащую первую эллиптическую поверхность, характеризующуюся наличием переменного радиуса кривизны, причем указанная первая эллиптическая поверхность является частью эллипса, и указанная канавка впадины дополнительно содержит вторую часть, содержащую вторую эллиптическую поверхность, характеризующуюся переменным радиусом кривизны, причем указанная вторая эллиптическая поверхность является частью второго эллипса, причем указанная вторая эллиптическая поверхность соединена тангенциально на первом конце с первой эллиптической поверхностью в точке соединения, определяющей дно канавки впадины; а указанная вторая эллиптическая поверхность соединена тангенциально на втором конце с нагрузочной боковой стороной. Дно канавки впадины расположено в боковой стенке трубчатого элемента ниже уровня конической поверхности впадины.
Раскрыт также способ нарезания конической наружной или внутренней резьбы с предлагаемым профилем впадины в виде двойного эллипса. Способ предусматривает: предоставление трубчатого элемента; нарезание конической наружной или внутренней резьбы на конце указанного трубчатого элемента, причем указанная коническая наружная или внутренняя резьба содержит коническую поверхность впадины, характеризующуюся первым углом конусности ((3), измеренным между конической поверхностью 101 впадины и продольной осью (аа) резьбы, причем указанная коническая поверхность впадины соединена тангенциально на первом конце выпуклой криволинейной поверхностью постоянного радиуса кривизны с ведущей боковой
стороной, указанная коническая поверхность впадины соединена на втором конце вогнутой криволинейной поверхностью постоянного радиуса кривизны с канавкой впадины. Канавка впадины проходит от конической поверхности впадины до нагрузочной боковой стороны. Канавка впадины содержит: первую часть, содержащую первую эллиптическую поверхность, характеризующуюся переменным радиусом кривизны, причем указанная первая эллиптическая поверхность является частью эллипса, и указанная канавка впадины дополнительно содержит вторую часть, содержащую вторую эллиптическую поверхность, характеризующуюся переменным радиусом кривизны, причем указанная вторая эллиптическая поверхность является частью второго эллипса, причем указанная вторая эллиптическая поверхность соединена тангенциально на первом конце с первой эллиптической поверхностью в точке соединения, определяющей дно канавки впадины; а указанная вторая эллиптическая поверхность соединена тангенциально на втором конце с нагрузочной боковой стороной. Дно канавки впадины расположено в боковой стенке трубчатого элемента ниже уровня конической поверхности впадины.
Более подробная информация об одном или нескольких вариантах осуществления настоящего изобретения приведена на прилагаемых фигурах и последующем описании. Другие признаки, цели и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из описания и фигур, а также из формулы изобретения.
Краткое описание фигур
На Фиг. 1 представлен частичный разрез первого варианта осуществления конструкции резьбового соединения, характеризующейся наличием во впадине резьбы двойного эллипса для снижения усталостного напряжения.
На Фиг. 1А представлена увеличенная часть разреза, представленного на Фиг. 1, на которой угол конуса резьбы в иллюстративных целях дополнительно увеличен.
На Фиг. 2 представлен частичный разрез второго варианта осуществления конструкции резьбового соединения, характеризующейся наличием во впадине резьбы двойного эллипса для снижения усталостного напряжения.
На Фиг. 2А представлена увеличенная часть разреза, представленного на Фиг. 2, на которой угол конуса резьбы в иллюстративных целях дополнительно увеличен.
На Фиг. 3 представлен частичный разрез третьего варианта осуществления конструкции резьбового соединения, характеризующейся наличием во впадине резьбы двойного эллипса для снижения усталостного напряжения.
На Фиг. ЗА представлена увеличенная часть разреза, изображенного на Фиг. 3, на которой угол конуса резьбы в иллюстративных целях дополнительно увеличен.
На Фиг. 4A-4D представлена частичные разрезы, иллюстрирующие разные профили впадины резьбы типа "вершина во впадину" ("CtR").
На Фиг. 5 представлен частичный разрез трубного соединения с профилем резьбы, представленным на Фиг. 1.
На Фиг. 6 представлен частичный разрез трубного соединения с профилем резьбы, представленным на Фиг. 2.
На Фиг. 7 представлен частичный разрез трубного соединения с профилем резьбы, представленным на Фиг. 3.
На Фиг. 8А приведена графическая иллюстрация данных, полученных анализом методом конечных элементов, показывающая расчетные циклы до усталостного разрушения для стандартной известной резьбы типа CtR.
На Фиг. 8В приведена графическая иллюстрация данных, полученных анализом методом конечных элементов, показывающая расчетные циклы до усталостного разрушения для предлагаемой двойной эллиптической резьбы.
На Фиг. 9А приведена графическая иллюстрация данных, полученных анализом методом конечных элементов, показывающая распределение напряжений для стандартной известной резьбы типа CtR.
На Фиг. 9В приведена графическая иллюстрация данных, полученных анализом методом конечных элементов, показывающая распределение напряжений для предлагаемой двойной эллиптической резьбы.
На разных фигурах подобные элементы указаны подобными позициями.
Подробное раскрытие настоящего изобретения
Рассмотрим Фиг. 1, на которой проиллюстрирован первый вариант осуществления конструкции резьбового соединения, характеризующейся наличием во впадине резьбы двойного эллипса для снижения усталостного напряжения. Трубчатый элемент содержит наружную резьбу 100, расположенную на ниппельном конце 12 трубчатого элемента 11. Наружная резьба 100 содержит коническую поверхность 101 впадины. Согласно первому варианту осуществления, проиллюстрированному на Фиг.
1, коническая поверхность 101 впадины параллельна оси резьбы (аа). Ось резьбы (аа) образует угол 8 приблизительно 2,4 градуса с продольной осью (dd) стенки трубы 11. Угол 8 согласно этому варианту осуществления может быть в пределах примерно от 1,5 до 12 градусов, предпочтительнее, в пределах 1,5-4,5 градусов. Понятно, что в этом варианте осуществления, поскольку коническая поверхность 101 впадины параллельна оси аа резьбы, угол (3 между конической поверхностью 101 впадины и осью резьбы (аа) будет равен 0 градусов. Однако в одной модификации этого варианта осуществления угол (3 может характеризоваться другими значениями (например, см. Фиг. 2).
Коническая поверхность 101 впадины соединена тангенциально на первом конце выпуклой криволинейной поверхностью 102 постоянного радиуса кривизны с ведущей боковой стороной 120, и коническая поверхность 101 впадины соединена на втором конце вогнутой криволинейной поверхностью 104 постоянного радиуса кривизны с канавкой 103 впадины. Канавка 103 впадины проходит от конической поверхности 101 впадины до нагрузочной боковой стороны 150.
Канавка 103 впадины содержит первую часть, содержащую первую эллиптическую поверхность 106, характеризующуюся переменным радиусом кривизны. Первая эллиптическая поверхность 106 является частью эллипса 107. Канавка 103 впадины дополнительно содержит вторую часть, содержащую вторую эллиптическую поверхность 108 с переменным радиусом кривизны. Вторая эллиптическая поверхность является частью второго эллипса ПО. Вторая эллиптическая поверхность 108 соединена тангенциально на первом конце с первой эллиптической поверхностью 106 в точке соединения 109, определяющей дно канавки 103 впадины. Вторая эллиптическая поверхность соединена тангенциально на втором конце с нагрузочной боковой стороной 150.
Дно канавки 103 помещено ниже уровня конической поверхности 101 впадины.
Большая ось (bb) первого эллипса 107 расположена перпендикулярно большой оси (сс) второго эллипса 110, и большая ось (bb) первого эллипса 107 совпадает с малой осью второго эллипса ПО (выровнена с ней и лежит поверх ее). Эта конфигурация обеспечивает, что эллипсы 107 и ПО соединяются тангенциально в точке соединения 109.
Согласно первому варианту осуществления, проиллюстрированному на Фиг. 1, большая ось (сс) второго эллипса 110 расположена перпендикулярно нагрузочной боковой стороне 150. Эта конфигурация обеспечивает, что второй эллипс ПО соединен тангенциально с нагрузочной боковой стороной 150.
Согласно первому варианту осуществления, проиллюстрированному на Фиг. 1, первый эллипс 107 характеризуется первым предопределенным диаметром (D1) по большой оси (bb) и вторым предопределенным диаметром (D2) по малой оси; второй эллипс 110 характеризуется предопределенным диаметром (D3) по большой оси (сс), равным диаметру (D1) по большой оси (bb) первого эллипса 107, и второй эллипс ПО характеризуется вторым диаметром (D4) по малой оси, равным диаметру (D2) по малой оси первого эллипса 107. В этой конфигурации первый эллипс 107 и второй эллипс 110 характеризуются идентичной формой. Альтернативно, понятно, что в конструкции резьбы 100 первый эллипс 107 и второй эллипс ПО могут характеризоваться разными относительными диаметрами. Например, первый эллипс 107 может быть более длинным и более узким, чем в варианте осуществления, проиллюстрированному на Фиг. 1 (например, эллипс может характеризоваться формой, подобной форме эллипса 207, проиллюстрированного на Фиг. 2).
Понятно, что муфтовое соединение с внутренней резьбой может иметь те же элементы и профиль, что и наружная резьба 100, проиллюстрированная и описанная выше.
Рассмотрим теперь Фиг. 5, на которой проиллюстрировано трубное соединение 10, содержащее первую трубу 11с охватываемым ниппельным концом 12 с конической наружной резьбой 100 (как проиллюстрировано на Фиг. 1), свинченным с охватывающим муфтовым концом 14 второй трубы 13. Охватывающий муфтовый конец 14 проиллюстрирован с таким же профилем резьбы 100, как у наружной резьбы 100. Как описывается ниже, понятно, что наружная резьба и внутренняя резьба не обязательно должны быть идентичными, и либо наружная резьба, либо внутренняя резьба могут иметь модификации, как описывается ниже.
Согласно первому варианту осуществления, проиллюстрированному на Фиг. 1, 1А и 5, нагрузочная боковая сторона 150 характеризуется положительным наклоном в сторону от канавки 103 впадины (вы заметите, что на Фиг. 1А угол нагрузочной боковой стороны 150 в иллюстративных целях преувеличен). Эта конфигурация резьбы называется в отрасли трапецеидальной резьбой. Угол нагрузочной боковой стороны, измеренный относительно линии, перпендикулярной оси (аа) резьбы, обычно находится в пределах 0-5 градусов, предпочтительнее, 1,5-5 градусов и, предпочтительно, равен примерно 3 градусам. Более того, может быть использован и угол 0° (то есть, нагрузочная боковая сторона перпендикулярна оси (аа) резьбы). Кроме того, для разновидностей этого варианта осуществления могут быть использованы и
отрицательные углы боковой стороны резьбы от -9° до 0 (например, см. Фиг. За). То есть, угол нагрузочной боковой стороны может быть в пределах от -9° до 5°, и предпочтительным диапазоном для этого варианта осуществления является диапазон 1,5-5°, а предпочтительным значением является 3°.
Рассмотрим Фиг. 2, на которой проиллюстрирован второй вариант осуществления конструкции резьбового соединения, характеризующейся наличием во впадине резьбы двойного эллипса для снижения усталостного напряжения. Ось резьбы (аа) образует предпочтительный угол тета приблизительно 2,4 градуса с продольной осью (dd) стенки трубы 21. Угол 8 в этом варианте осуществления может быть в пределах примерно от 1,5 до 12 градусов, предпочтительнее, в пределах 1,5-4,5 градусов.
Согласно второму варианту осуществления коническая резьба 200 содержит коническую поверхность 201 впадины, расположенную под углом конусности ((3), измеренным между поверхностью 201 впадины и осью конуса (аа) резьбы. Угол конусности (Р), измеренный от оси конуса (аа) резьбы меньше, чем измеренный угол между ведущей боковой стороной (220) и осью аа резьбы. Коническая поверхность 201 впадины соединена тангенциально на первом конце выпуклой криволинейной поверхностью 202 постоянного радиуса кривизны с ведущей боковой стороной 220, и коническая поверхность 201 впадины соединена на втором конце вогнутой криволинейной поверхностью 204 постоянного радиуса кривизны с канавкой 203 впадины. Канавка 203 впадины проходит от конической поверхности 201 впадины до нагрузочной боковой стороны 250.
Канавка 203 впадины содержит первую часть, содержащую первую эллиптическую поверхность 206 с переменным радиусом кривизны. Первая эллиптическая поверхность 206 является частью эллипса 207. Кроме того, канавка 203 впадины содержит вторую часть, содержащую вторую эллиптическую поверхность 208 с переменным радиусом кривизны. Вторая эллиптическая поверхность является частью второго эллипса 210. Вторая эллиптическая поверхность 208 соединена тангенциально на первом конце с первой эллиптической поверхностью 206 в точке соединения 209, определяющей дно канавки 203 впадины. Вторая эллиптическая поверхность соединена тангенциально на втором конце с нагрузочной боковой стороной 250. Дно канавки 203 помещено ниже уровня конической поверхности 201 впадины.
Большая ось (bb) первого эллипса 207 расположена перпендикулярно большой оси (сс) второго эллипса 210, и большая ось (bb) первого эллипса 207 совпадает с малой
осью второго эллипса 210 (выровнена с ней и лежит поверх ее). Эта конфигурация обеспечивает, что эллипсы 207 и 210 соединяются тангенциально в точке соединения 209.
Согласно второму варианту осуществления, проиллюстрированному на Фиг. 2, большая ось (сс) второго эллипса 210 расположена перпендикулярно нагрузочной боковой стороне 250. Эта конфигурация обеспечивает, что второй эллипс 210 соединен тангенциально с нагрузочной боковой стороной 250.
Согласно второму варианту осуществления первый эллипс 207 характеризуется первым предопределенным диаметром (D1) по большой оси (bb) и вторым предопределенным диаметром (D2) по малой оси; второй эллипс 210 характеризуется предопределенным диаметром (D3) по большой оси (сс), равным диаметру (D1) по большой оси (bb) первого эллипса 207, и второй эллипс 210 характеризуется вторым диаметром (D4) по малой оси, который больше диаметра (D2) по малой оси первого эллипса 207. Альтернативно, понятно, что в конструкции резьбы 200 первый эллипс 207 и второй эллипс 210 могут характеризоваться разными относительными диаметрами. Например, второй эллипс 210 может характеризоваться первым диаметром (D3) по большой оси, который может быть больше диаметра (D1) по большой оси первого эллипса.
Понятно, что муфтовое соединение с внутренней резьбой может характеризоваться наличием тех же элементов и профиля, что и наружная резьба 200, проиллюстрированная и описанная выше.
Рассмотрим теперь Фиг. 6, на которой проиллюстрировано трубное соединение 20, содержащее первую трубу 21с охватываемым ниппельным концом 22 с конической наружной резьбой 200 (как проиллюстрировано на Фиг. 2), свинченным с охватывающим муфтовым концом 24 второй трубы 23. Охватывающий муфтовый конец 24 проиллюстрирован с измененным профилем резьбы 100 (как проиллюстрировано на Фиг. 3). Понятно, что наружная резьба и внутренняя резьба не обязательно должны быть идентичными, как проиллюстрировано на Фиг. 6, но при условии сопряжения поверхностей должным образом. Понятно также, что наружная резьба и внутренняя резьба могут быть идентичными, как уже описывалось в настоящем документе в отношении Фиг. 1 и 5.
Согласно второму варианту осуществления (см. Фиг. 2, 2А и 6) нагрузочная боковая сторона 250 характеризуется положительным наклоном в сторону от канавки 203 впадины (вы заметите, что на Фиг. 2А угол нагрузочной боковой стороны 250 в
иллюстративных целях преувеличен). Эта конфигурация резьбы называется в отрасли трапецеидальной резьбой. Угол нагрузочной боковой стороны 250, измеренный между линией, перпендикулярной оси (аа) резьбы, обычно находится в пределах 0-5 градусов, предпочтительнее, 1,5-5 градусов и, предпочтительно, равен примерно 3 градусам. В разновидностях этого варианта осуществления может быть использован и угол 0° (то есть, нагрузочная боковая сторона перпендикулярна оси (аа) резьбы). Кроме того, для этого варианта осуществления могут быть использованы и отрицательные углы боковой стороны резьбы от -9° до 0 (например, см. Фиг. 3). То есть, угол нагрузочной боковой стороны может быть в пределах от -9° до 5° с предпочтительным диапазоном для этого варианта осуществления 1,5-5° и предпочтительным значением 3°.
Рассмотрим Фиг. 3, на которой проиллюстрирован третий вариант осуществления конструкции резьбового соединения 300, характеризующейся во впадине резьбы двойным эллипсом для снижения усталостного напряжения. Коническая наружная резьба 300 содержит коническую поверхность 301 впадины. Ось резьбы (аа) образует предпочтительный угол тета с продольной осью трубы (dd) приблизительно 8 градусов. Угол 8 в этом варианте осуществления может быть в пределах примерно от 1,5 до 12 градусов, предпочтительнее, в пределах 4,5-12 градусов.
Согласно третьему варианту осуществления, проиллюстрированному на Фиг. 3, коническая поверхность 301 впадины параллельна оси резьбы (аа), как в варианте осуществления на Фиг. 1. Понятно, что в этом варианте осуществления, поскольку коническая поверхность 301 впадины параллельна оси аа резьбы, угол (3 между конической поверхностью 301 впадины и осью резьбы (аа) будет равен 0 градусов. Однако в модификации этого варианта осуществления угол (3 может характеризоваться другими значениями (например, см. Фиг. 2).
Коническая поверхность 301 впадины соединена тангенциально на первом конце выпуклой криволинейной поверхностью 302 постоянного радиуса кривизны с ведущей боковой стороной 320, и коническая поверхность 301 впадины соединена на втором конце вогнутой криволинейной поверхностью 304 постоянного радиуса кривизны с канавкой 303 впадины. Канавка 303 впадины проходит от конической поверхности 301 впадины до нагрузочной боковой стороны 350.
Канавка 303 впадины содержит первую часть, содержащую первую эллиптическую поверхность 306 с переменным радиусом кривизны. Причем первая эллиптическая поверхность 306 является частью эллипса 307. Вторая эллиптическая
поверхность является частью второго эллипса 310. Канавка 303 впадины дополнительно содержит вторую часть, содержащую вторую эллиптическую поверхность 308 с переменным радиусом кривизны. Вторая эллиптическая поверхность 308 соединена тангенциально на первом конце с первой эллиптической поверхностью 306 в точке соединения 309, определяющей дно канавки 303 впадины. Вторая эллиптическая поверхность соединена тангенциально на втором конце с нагрузочной боковой стороной 350. Дно канавки 303 помещено ниже уровня конической поверхности 301 впадины.
Согласно третьему варианту осуществления, проиллюстрированному на Фиг. 3, первый эллипс 307 характеризуется первым предопределенным диаметром (D1) по большой оси (bb) и вторым предопределенным диаметром (D2) по малой оси; второй эллипс 310 характеризуется предопределенным диаметром (D3) по большой оси (сс), равным диаметру (D1) по большой оси (bb) первого эллипса 307, и второй эллипс 310 характеризуется вторым диаметром (D4) по малой оси, равным диаметру (D2) по малой оси первого эллипса 307. Альтернативно, понятно, что в конструкции резьбы 300 первый эллипс 307 и второй эллипс 310 могут характеризоваться разными относительными диаметрами. Например, первый эллипс 307 может быть более длинным и более узким, чем в варианте осуществления, проиллюстрированному на Фиг. 3 (например, эллипс может характеризоваться формой, подобной форме эллипса 207, проиллюстрированного на Фиг. 2).
Большая ось (bb) первого эллипса 307 расположена перпендикулярно большой оси (сс) второго эллипса 310, и большая ось (bb) первого эллипса 307 совпадает с малой осью второго эллипса 310 (выровнена с ней и лежит поверх ее). Эта конфигурация обеспечивает, что эллипсы 307 и 310 соединяются тангенциально в точке соединения 309.
Согласно третьему варианту осуществления, проиллюстрированному на Фиг. 3, большая ось (сс) второго эллипса 310 расположена перпендикулярно нагрузочной боковой стороне 350. Эта конфигурация обеспечивает, что второй эллипс 310 соединен тангенциально с нагрузочной боковой стороной 350. Все ориентации другой оси определены относительно оси сс второго эллипса 310.
Понятно, что муфтовое соединение с внутренней резьбой может характеризоваться наличием тех же элементов и профиля, что и наружная резьба 300, проиллюстрированная и описанная выше.
Рассмотрим теперь Фиг. 7, на которой проиллюстрировано трубное соединение 30, содержащее первую трубу 31с охватываемым ниппельным концом 32 с конической наружной резьбой 300 (как проиллюстрировано на Фиг. 3), свинченным с охватывающим муфтовым концом 34 второй трубы 33. Охватывающий муфтовый конец 34 проиллюстрирован с таким же профилем резьбы 300, как у наружной резьбы 300. Как уже отмечалось в отношении Фиг. 2 и 6, понятно, что наружная резьба и внутренняя резьба не обязательно должны быть идентичными, и либо наружная резьба, либо внутренняя резьба могут иметь модификации, но при условии сопряжения профилей.
Согласно третьему варианту осуществления, проиллюстрированному на Фиг. 3, ЗА и 7, нагрузочная боковая сторона 350 характеризуется уклоном в сторону канавки 303 впадины (вы заметите, что на Фиг. ЗА угол нагрузочной боковой стороны 350 в иллюстративных целях преувеличен). Эта конфигурация резьбы называется в отрасли крюковой резьбой. Угол нагрузочной боковой стороны, измеренный относительно линии, перпендикулярной оси (аа) резьбы, обычно находится в пределах от -9 до 0 градусов, предпочтительнее, от -9 до -1,5 градусов и, предпочтительно, равен примерно -3 градусам. Более того, может использоваться и угол 0° (то есть, нагрузочная боковая сторона перпендикулярна оси (аа) резьбы). Кроме того, для разновидностей этого варианта осуществления могут быть использованы и положительные углы боковой стороны резьбы от 0° до 5 градусов (например, см. Фиг. 1а). То есть, угол нагрузочной боковой стороны может быть в пределах от -9° до 5°, предпочтительнее, этот угол может быть в пределах от -9 до -1,5, а предпочтительным значением для этого варианта осуществления является -3°.
Предлагается также способ нарезания наружной или внутренней резьбы 100, 200, 300 на конце трубчатого элемента. Способ предусматривает: предоставление трубчатого элемента 11, 21, 31, 13, 23, 33; нарезание конической наружной или внутренней резьбы на соответствующем ниппельном конце 12, 22, 32 или муфтовом конце 14, 24, 34 трубчатого элемента, причем коническая резьба содержит поверхность 101, 201, 301 впадины. Коническая поверхность 101, 201, 301 впадины соединена тангенциально на первом конце выпуклой криволинейной поверхностью 102, 202, 302 постоянного радиуса кривизны с ведущей боковой стороной 120, 220, 320. Коническая поверхность 101, 201, 301 впадины соединена на втором конце вогнутой криволинейной поверхностью 104 постоянного радиуса кривизны с канавкой 103 впадины. Канавка 103, 203, 303 впадины проходит от конической поверхности 101, 201,
301 впадины до нагрузочной боковой стороны 150, 250, 350. Канавка 103, 203, 303 впадины содержит: первую часть, содержащую первую эллиптическую поверхность 106, 206, 306, характеризующуюся переменным радиусом кривизны, причем указанная первая эллиптическая поверхность 106, 206, 306 является частью эллипса 107, 207, 307, и канавка 103, 203, 303 впадины дополнительно содержит вторую часть, содержащую вторую эллиптическую поверхность 108, 208, 308, характеризующуюся переменным радиусом кривизны, причем указанная вторая эллиптическая поверхность является частью второго эллипса ПО, 210, 310. Вторая эллиптическая поверхность 108, 208, 308 соединена тангенциально на первом конце с первой эллиптической поверхностью 106, 206, 306 в точке соединения, определяющей дно канавки 109, 209, 309. Вторая эллиптическая поверхность соединена тангенциально на втором конце с нагрузочной боковой стороной 105, 205, 305. Вторая эллиптическая поверхность характеризуется наличием большой оси (сс), перпендикулярной нагрузочной боковой стороне 150, 250, 350. Большая ось bb перпендикулярна большой оси сс. Ориентация оси определена с таким расчетом, что ось сс должна быть перпендикулярной нагрузочной боковой стороне, и что оси bb и сс должны быть перпендикулярными друг другу.
Преимущества настоящего изобретения
Предлагаемое решение профиля впадины повышает усталостную прочность резьбового соединения за счет совместного действия нескольких признаков, проявляющихся в конце операции свинчивания соединения:
a) обеспечение больших радиальных нагрузок ("кольцевых нагрузок") как функции интерференции "впадина в вершину". Большие кольцевые нагрузки повышают усталостную прочность;
b) обеспечение больших плечевых нагрузок, которые повышают усталостную прочность; и
c) обеспечение удлиненного радиуса Rb (дуги кривой, соединяющей впадину с боковой стороной) уменьшает концентрацию напряжений во впадинах резьбы.
Предлагаемая конфигурация двух эллипсов позволяет максимально увеличить радиус концентратора напряжений в соединении между нагрузочной боковой стороной 150, 250, 350 и поверхностью 101, 201, 301 впадины, благодаря чему минимизируется влияние концентратора напряжений на усталостную характеристику соединения. Более того, максимально увеличивается и эффективный контакт между сопрягающимися нагрузочными боковыми сторонами охватываемого и охватывающего элементов 12 и
14 соединения 10, и, следовательно, максимально увеличивается и эффективность соединения.
На Фиг. 4А, 4В, 4С и 4D проиллюстрированы проблемы и выгоды последовательного изменения конфигурации конструкции от известной стандартной конструкции типа CtR, представленной на Фиг. 4А, до примерной конструкции впадины в соответствии с настоящим изобретением, проиллюстрированной на Фиг. 4D. На Фиг. 4A-4D, Rb - это радиус дуги, соединяющей впадину наружной резьбы с нагрузочной боковой стороной наружной резьбы. Ri - это радиус дуги, соединяющей вершину резьбы и нагруженную боковую сторону внутренней резьбы. См. Фиг. 4А, на которой Rb и Ri равны.
Рассмотрим Фиг. 4А, на которой проиллюстрирован полный контакт нагрузочной боковой стороны. Проблема: контактные давления над концентратором напряжений и малый радиус концентратора напряжений (Rb). Выгода: высокая эффективность растяжения вследствие максимально увеличенного контакта L1 нагрузочной боковой стороны.
Рассмотрим Фиг. 4В, на которой проиллюстрирован модифицированный профиль типа CtR (подобный известной конструкции, раскрытой в документе US 20110042946 А1). Выгода: радиус Ri увеличен во избежание точек контакта поверх концентратора напряжений. Проблема: на напряженное состояние возле концентратора напряжений в значительной степени влияют контактные напряжения и напряжения на удалении (от зон концентрации). Еще одна проблема этой конфигурации - малый радиус концентратора напряжений (Rb). Эта конфигурация характеризуется таким же радиусом Rb, как на фиг. 4А.
Рассмотрим Фиг. 4С, для максимального увеличения радиуса концентратора напряжений Rb имеется предел (Rb), поскольку это важно во избежание полного контакта нагрузочной боковой стороны. Более того, при увеличении Rb эффект контактных напряжений в напряженном состоянии вокруг концентратора напряжений становится больше, поскольку точки А и С ближе в В.
Рассмотрим Фиг. 4D, на котором радиус концентратора напряжений (Ri) наружной резьбы увеличен для максимального увеличения контакта нагрузочной боковой стороны и контакта вершина-впадина. Более того, напряженное состояние в концентраторе напряжений менее подвержено влиянию контактных напряжений и является лишь функцией напряжений на удалении из-за того, что точки контакта А и С
отстоят дальше от концентратора напряжений. При этой геометрии контактная поверхность L1 восстановлена, но без контакта в концентраторе напряжений.
Рассмотрим Фиг. 4В (известная конструкция, подобная описанной в документе US 2011 0042946 А1) и Фиг. 4D (вариант осуществления предлагаемой конструкции впадины), еще одна выгода использования двойной эллиптической канавки, как проиллюстрировано на Фиг. 1, 2 и 3 настоящего раскрытия, заключается в том, что на напряженное состояние вокруг концентратора напряжений (КТ) меньше влияют составляющие напряжений, обусловленные точками контакта (од+ос), и при этом значения напряжений ниже, чем значения напряжений, полученные для соединения без канавки и подверженные влиянию только напряжений на удалении (ов).
В некоторых известных резьбах типа CtR (см. Фиг. 4В) напряженное состояние вокруг концентратора напряжений КТ является функцией контактных напряжений (од+ос) и напряжений на удалении (ов):
ОкТ=Од+Ов+Ос
Однако, в предлагаемом соединении (см. Фиг. 4D) точки контакта А и С находятся далеко от концентратора напряжений, и поэтому напряженное состояние вокруг концентратора напряжений КТ является функцией лишь напряжений на удалении (ов):
ОкТ=Ов
Важно отметить, что выбор эллипсов для образования канавки основан на том факте, что эллипсы являются функциями, позволяющими соединять две перпендикулярные поверхности криволинейной поверхностью, характеризующийся радиусом кривизны, изменяющимся от точки к точке. Поэтому радиусы можно максимизировать и минимизировать. Например, дуга окружности, характеризующейся таким же радиусом, как и радиус эллипса в КТ, устранит всякую возможность контакта между нагрузочными боковыми сторонами (см. Фиг. 1-3).
Использование второго эллипса для того, чтобы идти от нагрузочной боковой стороны к КТ, осуществляют для максимального увеличения радиуса КТ, затем конструкция переключается на первый эллипс для быстрого восстановления контакта вершины и впадины. Эта конструкция обеспечивает минимальное удаление
поверхности контакта вершины и впадины. Следовательно, контактные давления поддерживаются низкими (см. Фиг. 1-3).
В целях усиления эффекта первого эллипса его можно сузить, как проиллюстрировано согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения (см. Фиг. 2).
Если дополнительно увеличить конусность конической части поверхности впадины, как проиллюстрировано согласно второму варианту осуществления (Фиг. 2), контактная поверхность между вершиной и впадиной увеличивается, и, следовательно, контактные давления минимизируются, и поверхностное повреждение резьбы минимизируется. Длина контакта на вершине/впадине согласно второму варианту осуществления приблизительно вдвое больше по сравнению с конструкцией, проиллюстрированной согласно первому варианту осуществления. Эта конструкция минимизирует поверхностное повреждение резьбы. Кроме того, положительный угол (более 0) угол конусности ((3), измеренный относительно оси конуса (аа) резьбы помогает поддерживать резьбу запертой. Угол ((3) также используется при увеличении контактной поверхности вершина/впадина и одновременно обеспечивает дополнительное место для канавки с тем, чтобы снизить напряжения в вершине резьбы ниппеля (см. Фиг. 2).
Рассмотрим теперь Фиг. 8А, 8В, 9А и 9В, на которых использован анализ методом конечных элементов для получения данных, сравнивающих параметры для стандартной резьбы типа "вершина во впадину" (CtR) (проиллюстрированной на Фиг. 4А) с примерной двойной эллиптической конструкцией в соответствии с настоящим изобретением (проиллюстрированной на Фиг. 4D). На Фиг. 8А иллюстрируются циклы до усталостного разрушения для стандартной конструкции резьбы типа CtR. На Фиг. 8В иллюстрируются циклы до усталостного разрушения для двойной эллиптической конструкции в соответствии с настоящим изобретением. На Фиг. 8А и 8В можно видеть, как предлагаемая двойная эллиптическая конструкция непосредственно влияет на число циклов до разрушения в зоне, где помещен концентратор напряжений. Первый слой материала (в зоне концентратора напряжений, то есть, в соединении между нагрузочной боковой стороной и поверхностью впадины) в стандартной конструкции типа CtR, представляет собой слой материала, характеризующийся меньшим числом циклов 1,120х10+3 до усталостного разрушения (Фиг. 8А), а показанная точками зона (зона возле концентратора напряжений) в двойном эллиптическом профиле (Фиг. 8В) представляет собой зону, характеризующуюся
меньшим числом циклов 1,0x10 . Можно видеть, что усталостная стойкость компонента повышается в случае предлагаемой двойной эллиптической конструкции.
Рассмотрим Фиг. 9А и 9В, на Фиг. 9А проиллюстрировано распределение напряжений и соответствующие значения по фон Мизесу для стандартной резьбы типа CtR, а на Фиг. 9В проиллюстрирован профиль предлагаемой двойной эллиптической конструкции. Можно видеть, что на Фиг. 9А (известная конструкция типа CtR) вокруг концентратора напряжений и возле точек контакта между наружной и внутренней резьбами возле концентратора напряжений существуют высокие значения напряжения по фон Мизесу. С другой стороны, на Фиг. 9В (профиль двойной эллиптической резьбы в соответствии с настоящим изобретением) продемонстрирован более низкий уровень значений напряжений и более равномерное распределение напряжения возле концентратора напряжений. Точки контакта между элементами с наружной резьбой и внутренней резьбой желательно отстоят от концентратора напряжений и поэтому не влияют на напряженное состояние области возле концентратора напряжений.
Описан ряд вариантов осуществления настоящего изобретения. Однако ясно, что возможны различные изменения и модификации в пределах сущности и объема настоящего изобретения. Соответственно, в пределах объема последующей формулы изобретения и другие варианты осуществления.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Трубчатый элемент, содержащий наружную резьбу, расположенную на
конце указанного трубчатого элемента, причем указанная наружная резьба содержит:
коническую поверхность впадины, характеризующуюся наличием первого угла конусности ((3), измеренного между конической поверхностью впадины и продольной осью (аа) резьбы, причем указанная коническая поверхность впадины соединена тангенциально на первом конце выпуклой криволинейной поверхностью постоянного радиуса кривизны с ведущей боковой стороной, указанная коническая поверхность впадины соединена на втором конце вогнутой криволинейной поверхностью постоянного радиуса кривизны с канавкой впадины;
причем указанная канавка впадины проходит от конической поверхности впадины до нагрузочной боковой стороны, причем указанная канавка впадины содержит:
первую часть, содержащую первую эллиптическую поверхность, характеризующуюся переменным радиусом кривизны, причем указанная первая эллиптическая поверхность является частью эллипса, и
указанная канавка впадины дополнительно содержит вторую часть, содержащую вторую эллиптическую поверхность, характеризующуюся переменным радиусом кривизны, причем указанная вторая эллиптическая поверхность является частью второго эллипса, причем указанная вторая эллиптическая поверхность соединена тангенциально на первом конце с первой эллиптической поверхностью, и указанная вторая эллиптическая поверхность соединена тангенциально на втором конце с нагрузочной боковой стороной.
2. Трубчатый элемент по п. 1, в котором первый угол конусности ((3) равен 0 градусов, при этом коническая поверхность впадины параллельна оси резьбы (аа).
3. Трубчатый элемент по п. 1, в котором первый угол конусности ф) меньше значения угла, измеренного между ведущей боковой стороной наружной резьбы и осью резьбы (аа).
4. Трубчатый элемент по п. 1, в котором угол тета, измеренный между осью резьбы (аа) и продольной осью (dd) боковой стенки трубчатого элемента (11), находится в пределах между 1,5 и 12 градусами.
5. Трубчатый элемент по п. 1, в котором большая ось (сс) второго
эллипса расположена перпендикулярно нагрузочной боковой стороне.
6. Трубчатый элемент по п. 1, в котором большая ось (bb) первого эллипса перпендикулярна большой оси (сс) второго эллипса.
7. Трубчатый элемент по п. 1, в котором большая ось (bb) первого эллипса совпадает с малой осью второго эллипса.
8. Трубчатый элемент по п. 1, в котором первый эллипс характеризуется первым предопределенным диаметром (D1) по большой оси (bb) и вторым предопределенным диаметром (D2) по малой оси; при этом второй эллипс характеризуется предопределенным диаметром (D3) по большой оси (сс), равным диаметру (D1) по большой оси (bb) первого эллипса, и второй эллипс характеризуется вторым диаметром (D4) по малой оси, равным диаметру (D2) по малой оси первого эллипса.
9. Трубчатый элемент по п. 1, в котором первый эллипс характеризуется первым предопределенным диаметром (D1) по большой оси (bb) и вторым предопределенным диаметром (D2) по малой оси; при этом второй эллипс характеризуется предопределенным диаметром (D3) по большой оси (сс), равным диаметру (D1) по большой оси (bb) первого эллипса, и второй эллипс характеризуется вторым диаметром (D4) по малой оси, который больше диаметра (D2) по малой оси первого эллипса.
10. Трубчатый элемент по п. 1, в котором первый эллипс характеризуется первым предопределенным диаметром (D1) по большой оси (bb) и вторым предопределенным диаметром (D2) по малой оси; при этом второй эллипс характеризуется предопределенным диаметром (D3) по большой оси (сс) и характеризуется вторым диаметром (D4) по малой оси, который больше диаметра (D2) по малой оси первого эллипса.
11. Трубчатый элемент по п. 1, в котором первый эллипс характеризуется первым предопределенным диаметром (D1) по большой оси (bb) и вторым предопределенным диаметром (D2) по малой оси; при этом второй эллипс характеризуется предопределенным диаметром (D3) по большой оси (сс) и характеризуется вторым диаметром (D4) по малой оси, который меньше диаметра (D2) по малой оси первого эллипса.
12. Трубчатый элемент по п. 1, в котором первый эллипс характеризуется первым предопределенным диаметром (D1) по большой оси (bb) и вторым предопределенным диаметром (D2) по малой оси; при этом второй эллипс
6.
характеризуется предопределенным диаметром (D3) по большой оси (сс) и характеризуется вторым диаметром (D4) по малой оси; и диаметр (D3) по большой оси (сс) второго эллипса меньше диаметра D1 по большой оси (bb) первого эллипса.
13. Трубчатый элемент по п. 1, в котором первый эллипс характеризуется первым предопределенным диаметром (D1) по большой оси (bb) и вторым предопределенным диаметром (D2) по малой оси; при этом второй эллипс характеризуется предопределенным диаметром (D3) по большой оси (сс) и характеризуется вторым диаметром (D4) по малой оси; и диаметр (D3) по большой оси (сс) второго эллипса больше диаметра (D1) по большой оси (bb) первого эллипса.
14. Трубчатый элемент по п. 1, в котором нагрузочная боковая сторона расположена под углом, измеренным между нагрузочной боковой стороной и линией, перпендикулярной оси резьбы (аа), причем указанный угол находится в пределах от -9 до 5 градусов.
15. Трубчатый элемент по п. 1, в котором вторая эллиптическая поверхность соединена тангенциально на первом конце с первой эллиптической поверхностью в точке соединения, определяющей дно канавки впадины.
16. Трубчатый элемент по п. 15, в котором дно канавки впадины расположено в боковой стенке трубчатого элемента ниже уровня конической поверхности впадины.
17. Резьбовое трубное соединение, содержащее:
охватываемый трубчатый элемент, содержащий коническую наружную резьбу, характеризующуюся наличием оси конуса (аа), и
охватывающий трубчатый элемент, содержащий коническую внутреннюю резьбу, характеризующуюся наличием оси конуса (аа), причем при свинчивании резьбового соединения указанная внутренняя резьба взаимодействует с наружной резьбой;
при этом поверхность впадины по меньшей мере одной из наружной резьбы и внутренней резьбы содержит: коническую поверхность впадины, характеризующуюся первым углом конусности ((3), измеренным между конической поверхностью впадины и продольной осью (аа) резьбы, причем указанная коническая поверхность впадины соединена тангенциально на первом конце выпуклой криволинейной поверхностью постоянного радиуса кривизны с ведущей боковой стороной, указанная коническая поверхность впадины соединена на втором конце вогнутой криволинейной поверхностью постоянного радиуса кривизны с канавкой впадины;
причем указанная канавка впадины проходит от конической поверхности впадины до нагрузочной боковой стороны, причем указанная канавка впадины содержит:
первую часть, содержащую первую эллиптическую поверхность, характеризующуюся переменным радиусом кривизны, причем указанная первая эллиптическая поверхность является частью эллипса, и
указанная канавка впадины дополнительно содержит вторую часть, содержащую вторую эллиптическую поверхность, характеризующуюся переменным радиусом кривизны, причем указанная вторая эллиптическая поверхность является частью второго эллипса, причем указанная вторая эллиптическая поверхность соединена тангенциально на первом конце с первой эллиптической поверхностью, и указанная вторая эллиптическая поверхность соединена тангенциально на втором конце с нагрузочной боковой стороной.
18. Резьбовое трубное соединение по п. 17, в котором первый угол
конусности ((3) равен 0 градусов, при этом коническая поверхность впадины
параллельна оси резьбы (аа).
19. Резьбовое трубное соединение по п. 17, в котором первый угол конусности (Р) меньше значения угла, измеренного между ведущей боковой стороной наружной резьбы и осью резьбы (аа).
20. Резьбовое трубное соединение по п. 17, в котором угол тета, измеренный между осью резьбы (аа) и продольной осью (dd) боковой стенки трубчатого элемента, находится в пределах между 1,5 и 12 градусами.
21. Резьбовое трубное соединение по п. 17, в котором большая ось (сс) второго эллипса расположена перпендикулярно нагрузочной боковой стороне.
22. Резьбовое трубное соединение по п. 17, в котором большая ось (bb) первого эллипса перпендикулярна большой оси (сс) второго эллипса.
23. Резьбовое трубное соединение по п. 17, в котором большая ось (bb) первого эллипса совпадает с малой осью второго эллипса.
24. Резьбовое трубное соединение по п. 17, в котором первый эллипс характеризуется первым предопределенным диаметром (D1) по большой оси (bb) и вторым предопределенным диаметром (D2) по малой оси; при этом второй эллипс характеризуется предопределенным диаметром (D3) по большой оси (сс), равным диаметру (D1) по большой оси (bb) первого эллипса, и второй эллипс характеризуется вторым диаметром (D4) по малой оси, равным диаметру (D2) по малой оси первого
19.
эллипса.
25. Резьбовое трубное соединение по п. 17, в котором первый эллипс характеризуется первым предопределенным диаметром (D1) по большой оси (bb) и вторым предопределенным диаметром (D2) по малой оси; при этом второй эллипс характеризуется предопределенным диаметром (D3) по большой оси (сс), равным диаметру (D1) по большой оси (bb) первого эллипса, и второй эллипс характеризуется вторым диаметром (D4) по малой оси, который больше диаметра (D2) по малой оси первого эллипса.
26. Резьбовое трубное соединение по п. 17, в котором первый эллипс характеризуется первым предопределенным диаметром (D1) по большой оси (bb) и вторым предопределенным диаметром (D2) по малой оси; при этом второй эллипс характеризуется предопределенным диаметром (D3) по большой оси (сс) и характеризуется вторым диаметром (D4) по малой оси, который больше диаметра (D2) по малой оси первого эллипса (207).
27. Резьбовое трубное соединение по п. 17, в котором первый эллипс характеризуется первым предопределенным диаметром (D1) по большой оси (bb) и вторым предопределенным диаметром (D2) по малой оси; при этом второй эллипс характеризуется предопределенным диаметром (D3) по большой оси (сс) и характеризуется вторым диаметром (D4) по малой оси, который меньше диаметра (D2) по малой оси первого эллипса.
28. Резьбовое трубное соединение по п. 17, в котором первый эллипс характеризуется первым предопределенным диаметром (D1) по большой оси (bb) и вторым предопределенным диаметром (D2) по малой оси; при этом второй эллипс характеризуется предопределенным диаметром (D3) по большой оси (сс) и характеризуется вторым диаметром (D4) по малой оси; и диаметр (D3) по большой оси (сс) второго эллипса меньше диаметра D1 по большой оси (bb) первого эллипса.
29. Резьбовое трубное соединение по п. 17, в котором первый эллипс характеризуется первым предопределенным диаметром (D1) по большой оси (bb) и вторым предопределенным диаметром (D2) по малой оси; при этом второй эллипс характеризуется предопределенным диаметром (D3) по большой оси (сс) и характеризуется вторым диаметром (D4) по малой оси; и диаметр (D3) по большой оси (сс) второго эллипса больше диаметра (D1) по большой оси (bb) первого эллипса.
30. Резьбовое трубное соединение по п. 17, в котором нагрузочная боковая сторона расположена под углом, измеренным между нагрузочной боковой стороной и
25.
линией, перпендикулярной оси резьбы (аа), причем указанный угол находится в пределах от -9 до 5 градусов.
31. Резьбовое трубное соединение по п. 17, в котором вторая эллиптическая поверхность соединена тангенциально на первом конце с первой эллиптической поверхностью в точке соединения, определяющей дно канавки впадины.
32. Способ нарезания конической наружной резьбы на конце трубчатого элемента, причем указанный способ предусматривает:
предоставление трубчатого элемента;
нарезание конической наружной резьбы на конце указанного трубчатого элемента, при этом указанная коническая наружная резьба содержит: коническую поверхность впадины, характеризующуюся первым углом конусности ((3), измеренным между конической поверхностью впадины и продольной осью (аа) резьбы, причем указанная коническая поверхность впадины соединена тангенциально на первом конце выпуклой криволинейной поверхностью постоянного радиуса кривизны с ведущей боковой стороной, указанная коническая поверхность впадины соединена на втором конце вогнутой криволинейной поверхностью постоянного радиуса кривизны с канавкой впадины;
причем указанная канавка впадины проходит от конической поверхности впадины до нагрузочной боковой стороны, причем указанная канавка впадины содержит:
первую часть, содержащую первую эллиптическую поверхность, характеризующуюся переменным радиусом кривизны, причем указанная первая эллиптическая поверхность является частью эллипса, и
указанная канавка впадины дополнительно содержит вторую часть, содержащую вторую эллиптическую поверхность, характеризующуюся переменным радиусом кривизны, причем указанная вторая эллиптическая поверхность является частью второго эллипса, причем указанная вторая эллиптическая поверхность соединена тангенциально на первом конце с первой эллиптической поверхностью, и указанная вторая эллиптическая поверхность соединена тангенциально на втором конце с нагрузочной боковой стороной.
33. Способ нарезания конической наружной резьбы по п. 32, в котором
первый угол конусности ((3) равен 0 градусов, при этом коническая поверхность
впадины коническая поверхность впадины параллельна оси резьбы (аа).
34. Способ нарезания конической наружной резьбы по п. 32, в котором
первый угол конусности ((3) меньше значения угла, измеренного между ведущей боковой стороной наружной резьбы и осью резьбы (аа).
35. Способ нарезания конической наружной резьбы по п. 32, в котором угол тета, измеренный между осью резьбы (аа) и продольной осью (dd) боковой стенки трубчатого элемента (11), находится в пределах между 1,5 и 12 градусами.
36. Способ нарезания конической наружной резьбы по п. 32, в котором большая ось (сс) второго эллипса расположена перпендикулярно нагрузочной боковой стороне.
37. Способ нарезания конической наружной резьбы по п. 32, в котором большая ось (bb) первого эллипса перпендикулярна большой оси (сс) второго эллипса.
38. Способ нарезания конической наружной резьбы по п. 32, в котором большая ось (bb) первого эллипса совпадает с малой осью второго эллипса.
39. Способ нарезания конической наружной резьбы по п. 32, в котором первый эллипс характеризуется первым предопределенным диаметром (D1) по большой оси (bb) и вторым предопределенным диаметром (D2) по малой оси; при этом второй эллипс характеризуется предопределенным диаметром (D3) по большой оси (сс), равным диаметру (D1) по большой оси (bb) первого эллипса, и второй эллипс характеризуется вторым диаметром (D4) по малой оси, равным диаметру (D2) по малой оси первого эллипса.
40. Способ нарезания конической наружной резьбы по п. 32, в котором первый эллипс характеризуется первым предопределенным диаметром (D1) по большой оси (bb) и вторым предопределенным диаметром (D2) по малой оси; при этом второй эллипс характеризуется предопределенным диаметром (D3) по большой оси (сс), равным диаметру (D1) по большой оси (bb) первого эллипса, и второй эллипс характеризуется вторым диаметром (D4) по малой оси, который больше диаметра (D2) по малой оси первого эллипса.
41. Способ нарезания конической наружной резьбы по п. 32, в котором первый эллипс характеризуется первым предопределенным диаметром (D1) по большой оси (bb) и вторым предопределенным диаметром (D2) по малой оси; при этом второй эллипс характеризуется предопределенным диаметром (D3) по большой оси (сс) и характеризуется вторым диаметром (D4) по малой оси, который больше диаметра (D2) по малой оси первого эллипса.
42. Способ нарезания конической наружной резьбы по п. 32, в котором первый эллипс характеризуется первым предопределенным диаметром (D1) по
35.
большой оси (bb) и вторым предопределенным диаметром (D2) по малой оси; при этом второй эллипс характеризуется предопределенным диаметром (D3) по большой оси (сс) и характеризуется вторым диаметром (D4) по малой оси, который меньше диаметра (D2) по малой оси первого эллипса.
43. Способ нарезания конической наружной резьбы по п. 32, в котором первый эллипс характеризуется первым предопределенным диаметром (D1) по большой оси (bb) и вторым предопределенным диаметром (D2) по малой оси; при этом второй эллипс характеризуется предопределенным диаметром (D3) по большой оси (сс) и характеризуется вторым диаметром (D4) по малой оси; и диаметр (D3) по большой оси (сс) второго эллипса меньше диаметра D1 по большой оси (bb) первого эллипса.
44. Способ нарезания конической наружной резьбы по п. 32, в котором первый эллипс характеризуется первым предопределенным диаметром (D1) по большой оси (bb) и вторым предопределенным диаметром (D2) по малой оси; при этом второй эллипс характеризуется предопределенным диаметром (D3) по большой оси (сс) и характеризуется вторым диаметром (D4) по малой оси; и диаметр (D3) по большой оси (сс) второго эллипса больше диаметра (D1) по большой оси (bb) первого эллипса.
45. Способ нарезания конической наружной резьбы по п. 32, в котором нагрузочная боковая сторона расположена под углом, измеренным между нагрузочной боковой стороной и линией, перпендикулярной оси резьбы (аа), причем указанный угол находится в пределах от -9 до 5 градусов.
46. Способ нарезания конической наружной резьбы по п. 32, в котором вторая эллиптическая поверхность соединена тангенциально на первом конце с первой эллиптической поверхностью в точке соединения, определяющей дно канавки впадины.
47. Способ нарезания конической внутренней резьбы на конце трубчатого элемента, причем указанный способ предусматривает:
предоставление трубчатого элемента;
нарезание конической внутренней резьбы на конце указанного трубчатого элемента, при этом указанная коническая внутренняя резьба содержит:
коническую поверхность впадины, характеризующуюся первым углом конусности ((3), измеренным между конической поверхностью впадины и продольной осью (аа) резьбы, причем указанная коническая поверхность впадины соединена тангенциально на первом конце выпуклой криволинейной поверхностью постоянного радиуса кривизны с ведущей боковой стороной, указанная коническая поверхность
впадины соединена на втором конце вогнутой криволинейной поверхностью постоянного радиуса кривизны с канавкой впадины;
причем указанная канавка впадины проходит от конической поверхности впадины до нагрузочной боковой стороны, причем указанная канавка впадины содержит:
первую часть, содержащую первую эллиптическую поверхность, характеризующуюся переменным радиусом кривизны, причем указанная первая эллиптическая поверхность является частью эллипса, и
указанная канавка впадины дополнительно содержит вторую часть, содержащую вторую эллиптическую поверхность, характеризующуюся переменным радиусом кривизны, причем указанная вторая эллиптическая поверхность является частью второго эллипса, причем указанная вторая эллиптическая поверхность соединена тангенциально на первом конце с первой эллиптической поверхностью, и указанная вторая эллиптическая поверхность соединена тангенциально на втором конце с нагрузочной боковой стороной.
48. Способ нарезания конической внутренней резьбы по п. 47, в котором первый угол конусности ((3) равен 0 градусов, при этом коническая поверхность впадины параллельна оси резьбы (аа).
49. Способ нарезания конической внутренней резьбы по п. 47, в котором первый угол конусности ((3) меньше значения угла, измеренного между ведущей боковой стороной наружной резьбы и осью резьбы (аа).
50. Способ нарезания конической внутренней резьбы по п. 47, в котором угол тета, измеренный между осью резьбы (аа) и продольной осью (dd) боковой стенки трубчатого элемента, находится в пределах между 1,5 и 12 градусами.
51. Способ нарезания конической внутренней резьбы по п. 47, в котором большая ось (сс) второго эллипса расположена перпендикулярно нагрузочной боковой стороне.
52. Способ нарезания конической внутренней резьбы по п. 47, в котором большая ось (bb) первого эллипса перпендикулярна большой оси (сс) второго эллипса.
53. Способ нарезания конической внутренней резьбы по п. 47, в котором большая ось (bb) первого эллипса совпадает с малой осью второго эллипса.
54. Способ нарезания конической внутренней резьбы по п. 47, в котором первый эллипс характеризуется первым предопределенным диаметром (D1) по большой оси (bb) и вторым предопределенным диаметром (D2) по малой оси; при этом
48.
второй эллипс характеризуется предопределенным диаметром (D3) по большой оси (сс), равным диаметру (D1) по большой оси (bb) первого эллипса, и второй эллипс характеризуется вторым диаметром (D4) по малой оси, равным диаметру (D2) по малой оси первого эллипса.
55. Способ нарезания конической внутренней резьбы по п. 47, в котором первый эллипс характеризуется первым предопределенным диаметром (D1) по большой оси (bb) и вторым предопределенным диаметром (D2) по малой оси; при этом второй эллипс характеризуется предопределенным диаметром (D3) по большой оси (сс), равным диаметру (D1) по большой оси (bb) первого эллипса, и второй эллипс характеризуется вторым диаметром (D4) по малой оси, который больше диаметра (D2) по малой оси первого эллипса.
56. Способ нарезания конической внутренней резьбы по п. 47, в котором первый эллипс характеризуется первым предопределенным диаметром (D1) по большой оси (bb) и вторым предопределенным диаметром (D2) по малой оси; при этом второй эллипс характеризуется предопределенным диаметром (D3) по большой оси (сс) и характеризуется вторым диаметром (D4) по малой оси, который больше диаметра (D2) по малой оси первого эллипса.
57. Способ нарезания конической внутренней резьбы по п. 47, в котором первый эллипс характеризуется первым предопределенным диаметром (D1) по большой оси (bb) и вторым предопределенным диаметром (D2) по малой оси; при этом второй эллипс характеризуется предопределенным диаметром (D3) по большой оси (сс) и характеризуется вторым диаметром (D4) по малой оси, который меньше диаметра (D2) по малой оси первого эллипса.
58. Способ нарезания конической внутренней резьбы по п. 47, в котором первый эллипс характеризуется первым предопределенным диаметром (D1) по большой оси (bb) и вторым предопределенным диаметром (D2) по малой оси; при этом второй эллипс характеризуется предопределенным диаметром (D3) по большой оси (сс) и характеризуется вторым диаметром (D4) по малой оси; и диаметр (D3) по большой оси (сс) второго эллипса меньше диаметра D1 по большой оси (bb) первого эллипса.
59. Способ нарезания конической внутренней резьбы по п. 47, в котором первый эллипс характеризуется первым предопределенным диаметром (D1) по большой оси (bb) и вторым предопределенным диаметром (D2) по малой оси; при этом второй эллипс характеризуется предопределенным диаметром (D3) по большой оси (сс) и характеризуется вторым диаметром (D4) по малой оси; и диаметр (D3) по большой
55.
оси (сс) второго эллипса больше диаметра (D1) по большой оси (bb) первого эллипса.
60. Способ нарезания конической внутренней резьбы по п. 47, в котором нагрузочная боковая сторона расположена под углом, измеренным между нагрузочной боковой стороной и линией, перпендикулярной оси резьбы (аа), причем указанный угол находится в пределах от -9 до 5 градусов.
61. Способ нарезания конической внутренней резьбы по п. 47, в котором вторая эллиптическая поверхность соединена тангенциально на первом конце с первой эллиптической поверхностью в точке соединения, определяющей дно канавки впадины.
60.
60.
60.
Фиг. ЗА
Легенда (циклы до разрушения)
8,335е+06
5.005е+06
2.508е+06
1.676е+06
8.425е+05 \0ССе+С4 ^
1.120е+03
Фиг. 8А
Легенда (циклы до разрушения)
9.168е+06
8.335е+06
5.005е+06
2,508е+06
1.676е+06
8.425е+05
1.000е+04
Фиг. 8В
Легенда (напряжение по фон Мизесу)
5.250е+02
6.000е+02
6.750е+02
7.500е+02 ао
^
Легенда (напряжение по фон Мизесу)
5.250е+С2
6.000е+02
6.750е+02
7,500е+02 ^
8.250е+02
9-000е+02
Фиг. 9В
2/9
4/9
4/9