Резьбовое соединение для стальных труб

Резьбовое соединение для стальных труб

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

[0001]

Настоящее изобретение относится к резьбовому соединению для использования в соединении стальных труб.

Уровень техники

[0002]

В нефтяных скважинах, скважинах для добычи природного газа и тому подобных (в дальнейшем также в совокупности называемых «нефтяными скважинами») стальные трубы, называемые трубами нефтяного сортамента (oil country tubular goods - OCTG), используют для добычи полезных ископаемых. Стальные трубы последовательно соединяют друг с другом и для соединения используют резьбовые соединения. Резьбовые соединения для стальных труб должны быть снабжены функциональными элементами, которые обеспечивают быстрые операции свинчивания для соединения стальных труб и быстрые операции развинчивания для отсоединения стальных труб. Кроме того, резьбовые соединения для стальных труб должны также обладать высокой надежностью в плане прочностных и уплотняющих характеристик.

[0003]

Вообще резьбовые соединения для стальных труб делятся на два типа: муфтовые соединения и неразъемные соединения. Муфтовые резьбовые соединения образуются посредством пары трубных изделий, которые должны быть соединены друг с другом, из которых одно изделие является стальной трубой, а другое - муфтой. В этом случае упомянутая стальная труба включает участки с наружной резьбой, образованные на внешних перифериях в обоих ее концах, а муфта включает участки с внутренней резьбой, образованные на внутренних перифериях в обоих ее концах. Благодаря этому стальная труба и муфта соединяются друг с другом. Неразъемное резьбовое соединение образуется посредством пары стальных труб в качестве трубчатых изделий, которые должны быть соединены друг с другом, без использования отдельной муфты. В этом случае каждая стальная труба включает участок с наружной резьбой, образованный на внешней периферии в одном ее конце, и участок с внутренней резьбой, образованный на внутренней периферии в другом ее конце. Благодаря этому одна стальная труба и другая стальная труба соединяются друг с другом.

[0004]

Часть соединения в трубном конце, где расположен участок с наружной резьбой, обычно называют ниппелем, поскольку он включает элемент, который вставляют в участок с внутренней резьбой. С другой стороны, часть соединения в трубном конце, где расположен участок с внутренней резьбой, называют муфтой, поскольку он включает элемент, который принимает участок с наружной резьбой. Ниппель и муфта имеют трубчатую форму, поскольку они образованы посредством концевых частей трубчатых изделий.

[0005]

В качестве резьбовых соединений для стальных труб широко используются резьбовые соединения, включающие участки с резьбой, образованные посредством трапецеидальных резьб или круглых резьб, соответствующих стандартам Американского института нефти (American Petroleum Institute - API).

[0006]

Что касается трапецеидальных резьб по стандартам API, то, например, большинство типовых 5TPI резьб (пять витков на дюйм) имеют следующие основные размерные характеристики и формы. Угол наклона наклонных поверхностей (в дальнейшем называемых «опорными сторонами»), которые контактируют друг с другом в свинченном состоянии, относительно плоскости, перпендикулярной оси соединения (оси трубы), равен 3°. Угол наклона наклонных поверхностей (в дальнейшем называемых «закладными сторонами»), которые расположены напротив упомянутых опорных сторон, относительно плоскости, перпендикулярной оси соединения (оси трубы), равен 10°. Высота резьбы равна 1,575 мм. Ширина резьбы приблизительно равна 2,5 мм. Закладные стороны не контактируют друг с другом в свинченном состоянии. В зависимости от размеров труб нефтяного сортамента, между посадочными сторонами предусмотрены зазоры в пределах приблизительно от 0,025 мм до 0,178 мм в направлении оси трубы.

[0007]

Трапецеидальные резьбы по стандартам API содержат опорные стороны, которые расположены под положительным углом, причем угол наклона опорной стороны равен 3°. Поэтому существует риск возникновения явления расстыковки, когда резьбы расцепляются при приложении очень больших растягивающих нагрузок. Кроме того, трапецеидальные резьбы по стандартам API обычно выполнены так, что зазоры в резьбе предусмотрены только между закладными сторонами, причем упомянутые зазоры в резьбе маленькие. Поэтому во время свинчивания применяемая смазка может задерживаться между резьбами и временно подвергаться сильному сжатию, в результате чего крутящий момент, требующийся для завинчивания, становится чрезмерно высоким или нестабильным.

[0008]

В последнее время в резьбовых соединениях класса «Премиум», которые обладают улучшенными прочностными и уплотняющими характеристиками и др. по сравнению с резьбовыми соединениями по стандартам API, все больше используются соответственно модифицированные трапецеидальные резьбы, для того чтобы устранить упомянутые недостатки трапецеидальных резьб по стандартам API. Например, для предотвращения расстыковки опорные стороны выполняют с отрицательным углом наклона. Кроме того, для того чтобы предотвратить повышение давления смазки, резьбы выполняют так, что в свинченном состоянии зазоры предусмотрены также между вершинами резьбы и противоположными впадинами резьбы.

[0009]

Фиг.1 представляет собой продольный разрез, показывающий пример модифицированных трапецеидальных резьб в обычном резьбовом соединении класса «Премиум». На фиг.1 направление, в котором происходит завинчивание ниппеля 10 в муфту 20, показано контурной стрелкой.

[0010]

Ниппель 10 включает участок 11 с наружной резьбой, а муфта 20 включает участок 21 с внутренней резьбой, в который завинчивают участок 11 с наружной резьбой ниппеля 10. Участок 11 с наружной резьбой включает плоские вершины 12, плоские впадины 13, закладные стороны 14 и опорные стороны 15, расположенные напротив упомянутых закладных сторон. Участок 21 с внутренней резьбой включает плоские вершины 22, обращенные к впадинам 13 участка 11 с наружной резьбой, плоские впадины 23, обращенные к вершинам 12 участка 11 с наружной резьбой, закладные стороны 24, обращенные к закладным сторонам 14 участка 11 с наружной резьбой, и опорные стороны 25, обращенные к опорным сторонам 15 участка 11 с наружной резьбой.

[0011]

В свинченном состоянии, участок 11 с наружной резьбой ниппеля 10 и участок 21 с внутренней резьбой муфты 20 сцепляются в тесном контакте, при этом опорные стороны 15 контактируют с опорными сторонами 25 и впадины 13 участка 11 с наружной резьбой контактируют с вершинами 22 участка 21 с внутренней резьбой. С другой стороны, вершины 12 участка 11 с наружной резьбой и впадины 23 участка 21 с внутренней резьбой не контактируют друг с другом во время свинчивания, а также в свинченном состоянии, при этом между ними предусмотрены зазоры. Кроме того, в свинченном состоянии закладные стороны 14 не контактируют с закладными сторонами 24, при этом между ними предусмотрены зазоры в резьбе.

[0012]

Хотя и не показано на фиг.1, ниппель 10 и муфта 20 каждый включает упорный участок (моментный упор). Упорные участки приведены в контакт и прижаты вплотную друг к другу посредством завинчивания ниппеля 10 и служат к качестве ограничителей для ограничения завинчивания ниппеля 10. Кроме того, упорные участки служат для оказания так называемого осевого усилия затяжки резьбы на опорные стороны 15, 25 в свинченном состоянии.

[0013]

Резьбы, показанные на фиг.1, почти такие же, как трапецеидальные резьбы по стандартам API, за исключением того, что угол θ наклона опорных сторон 15, 25 равен -3° и зазоры в резьбе приблизительно равны 0,2 мм и предусмотрены между вершинами 12 участка 11 с наружной резьбой и впадинами 23 участка 21 с внутренней резьбой.

[0014]

На рабочем участке нефтяной скважины, платформа и буровая вышка обычно расположены над стволом скважины, и муфта, содержащая участок с внутренней резьбой удерживается, например, на платформе. Стальную трубу в качестве ниппеля, содержащего участок с наружной резьбой, поднимают над муфтой, удерживаемой на платформе, и затем упомянутую стальную трубу опускают и завинчивают.

[0015]

Густое смазочное вещество, которое представляет собой смазку, вносят в участки с резьбой ниппеля и муфты, и их свинчивают, используя специальную свинчивающую машину, называемую машинным трубным ключом.

[0016]

Участки с резьбой выполнены таким образом, что по мере завинчивания впадины участка с наружной резьбой и вершины участка с внутренней резьбой входят в сопряжение (контакт) друг с другом, так что по мере завинчивания крутящий момент затяжки постепенно увеличивается. Затем, после соединения встык упорных участков, сопротивление вращению при завинчивании быстро увеличивается, так что крутящий момент затяжки резко возрастает. Данное явление, когда упорные участки соединяются встык, называется смыканием, а крутящий момент затяжки в момент смыкания называется крутящим моментом смыкания.

[0017]

Если после смыкания продолжать завинчивание, то упорные участки подвергаются пластической деформации, так что крутящий момент затяжки уже не увеличивается или быстро уменьшается. В тот момент, когда возникает данное явление, крутящий момент затяжки называется чрезмерным крутящим моментом. Если свинчивание осуществляется посредством крутящего момента затяжки, который находится в пределах между крутящим моментом смыкания и чрезмерным крутящим моментом, то резьбовое соединение класса «Премиум» может быть приведено в оптимальное состояние. То есть в резьбовом соединении создается надлежащее осевое усилие затяжки, вызывающее прочное зацепление резьб, которое ослабить будет непросто. Кроме того, в том случае, когда ниппель и муфта содержат участки уплотнения «металл к металлу», участки уплотнения будут иметь расчетную посадку с натягом и будут обеспечивать уплотняющие характеристики. Таким образом, операция свинчивания резьб на рабочем участке нефтяной скважины выполняется при контроле крутящего момента затяжки, для чего надлежащим образом установлен заданный крутящий момент, который должен находиться в пределах между крутящим моментом смыкания и чрезмерным крутящим моментом.

[0018]

Если по какой-то причине крутящий момент затяжки увеличивается ненормально и достигает заданного крутящего момента прежде чем действительно происходит смыкание, то свинчивание прекращается, будучи в состоянии так сказать недостаточной затяжки. Данное явление называется сильным смыканием (проблема крутящего момента смыкания, который становится выше заданного крутящего момента).

[0019]

Помимо вышеописанных методов улучшения прочностных и уплотняющих характеристик и т.п. резьбовых соединений для стальных труб, были предложены методы использования твердого или полутвердого смазывающего покрытия или твердого коррозионностойкого покрытия вместо густого смазочного вещества, чтобы удовлетворять требования экологических норм последних лет и потребность в более эффективных операциях свинчивания.

[0020]

WO 2007/042231 (Патентный документ 1) раскрывает резьбовое соединение, снабженное тонким нелипким смазывающим покрытием, образованным на участках с резьбой ниппеля и муфты. Данное смазывающее покрытие образовано из твердой матрицы, обладающей пластичными или вязкопластичными реологическими свойствами (свойствами текучести), и твердых частиц смазки, находящихся в ней во взвешенном состоянии. Упомянутая матрица предпочтительно имеет температуру плавления в пределах 80-320° и превращается в покрытие посредством распыления в расплавленном состоянии (распыления горячего расплава), термического покрытия распылением с использованием порошков или покрытия распылением в виде водной эмульсии. Состав покрытия, используемый в методе горячего расплава, содержит, например, полиэтилен в качестве термопластичного полимера, воск (такой как карнаубский воск) и металлическое мыло (такое как стеарат цинка) в качестве смазывающих компонентов, и сульфонат кальция в качестве ингибитора коррозии.

[0021]

WO 2009/072486 (Патентный документ 2) раскрывает резьбовое соединение для стальных труб, в котором ниппель и муфта содержат разные твердые покрытия, образованные на участках с резьбой. Покрытие ниппеля представляет собой твердое коррозионностойкое покрытие на основе полимера, отверждаемого под действием ультрафиолетового излучения, и упомянутое покрытие предпочтительно является прозрачным. Покрытие муфты представляет собой твердое смазывающее покрытие, которое обладает пластичными или вязкопластичными реологическими свойствами и образовано методом горячего расплава, причем упомянутое покрытие образовано из состава, предпочтительно содержащего термопластичный полимер, воск, металлическое мыло, ингибитор коррозии, нерастворимый в воде жидкий полимер и твердую смазку.

[0022]

Упомянутое твердое смазывающее покрытие и упомянутое твердое коррозионностойкое покрытие оба в полутвердом состоянии обладают пластичными или вязкопластичными свойствами текучести во время нанесения. Их наносят на резьбовое соединение посредством использования щетки, распылительного устройства или т.п., чтобы образовать покрытие, имеющее по возможности равномерную толщину. Нанесенные смазки каждая подвергается процессу отверждения (охлаждению, воздействию ультрафиолетового излучения и др.), приспособленному для свойств каждого покрытия, и затвердевают, образуя твердые покрытия.

Перечень ссылок

Патентные документы

[0023]

Патентный документ 1: Международная публикация № WO2007/042231

Патентный документ 2: Международная публикация № WO2009/072486

Сущность изобретения

Техническая проблема

[0024] Однако, что подтверждено описанными ниже результатами исследований и наблюдений авторов настоящего изобретения, упомянутые покрытия в действительности имеют неравномерное распределение толщины к тому моменту, когда они затвердевают после нанесения на участки с резьбой. Точнее покрытия имеют меньшую толщину в выпуклых угловых участках резьб и большую толщину в вогнутых галтельных участках впадин. В случае трапецеидальных резьб, которые содержат плоские вершины и плоские впадины, толщина покрытия очень большая в центральной области каждой вершины, и толщина покрытия также большая в центральной области каждой впадины, хотя и не такая большая, как в центральной области вершины. Такое распределение толщины покрытия сохраняется после затвердевания и поэтому образующееся в результате твердое покрытие имеет неравномерную толщину.

[0025]

Если толщина твердого покрытия слишком мала, то базовый металл участка с резьбой будет становиться непокрытым в результате скользящего перемещения, что приводит к возникновению заедания во время свинчивания резьбового соединения. То есть слишком тонкое твердое покрытие не функционирует как смазывающее покрытие. Соответственно, твердые покрытия должны иметь заданную или более значительную толщину. Однако если наносить смазку с намерением получить достаточную толщину покрытия в угловых участках резьбы, там где толщина покрытия минимальная, то толщина покрытия в других областях, в частности в центральной области каждой вершины, становится чрезмерно большой. Толстое твердое покрытие после затвердевания легко отслаивается и соответственно имеет низкие адгезионные свойства и долговечность.

[0026]

Кроме того, в случае модифицированных трапецеидальных резьб, снабженных зазорами в резьбе между вершинами участка с наружной резьбой и противоположными впадинами участка с внутренней резьбой, чрезмерно толстое твердое покрытие, образованное на вершинах участка с наружной резьбой, приводит к заполнению упомянутых зазоров. Такая ситуация препятствует плавному винтовому вращению во время свинчивания, что может вызывать нарушения (выгибание, отсутствие роста) в крутящем моменте затяжки в зависимости от графика оборотов и может вызывать аномальное увеличение крутящего момента смыкания, которое приводит к сильному смыканию. Крутящий момент затяжки в зависимости от графика оборотов представляет собой кривую, показывающую усилия реактивного крутящего момента во время свинчивания, при этом ось ординат показывает крутящий момент затяжки, а ось абсцисс показывает количество оборотов при затяжке. Данный график называется также графиком момента затяжки.

[0027]

Как было описано выше, неравномерная толщина твердого покрытия вызывает множество проблем. Однако в патентных документах 1 и 2 ничего не сказано о недостатках, которые могут быть вызваны неравномерной толщиной твердого покрытия, и не уделяется никакого внимания формированию равномерного твердого покрытия. Кроме того, хотя и существует множество технологий, помимо патентных документов 1 и 2, имеющих отношение к твердым покрытиям для резьбовых соединений для стальных труб, ни одна из них не предлагает решения упомянутых проблем, которые могут быть вызваны неравномерной толщиной покрытия.

[0028]

Задачей настоящего изобретения является создание резьбового соединения для стальных труб, выполненного так, что возникновение заедания и аномального крутящего момента свинчивания может быть предотвращено во время свинчивания, когда участки с резьбой содержат на себе твердое покрытие.

Решение проблемы

[0029]

Резьбовое соединение для стальных труб в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения включает: трубчатый ниппель, содержащий сужающийся участок с наружной резьбой; трубчатую муфту, содержащую сужающийся участок с внутренней резьбой, причем свинчивание ниппеля с муфтой осуществляется посредством ввинчивания упомянутого участка с наружной резьбой в упомянутый участок с внутренней резьбой.

Упомянутое резьбовое соединение включает твердое покрытие, образованное на по меньшей мере одной из поверхности участка с наружной резьбой и поверхности участка с внутренней резьбой, причем упомянутое твердое покрытие обладает текучестью по время нанесения и отверждается после нанесения.

Упомянутое резьбовое соединение имеет одну из следующих конфигураций в свинченном состоянии:

предусмотрены зазоры между вершинами участка с наружной резьбой и впадинами участка с внутренней резьбой, которые обращены к упомянутым вершинам участка с наружной резьбой, при этом упомянутые вершины и упомянутые впадины представляют собой плоские поверхности;

предусмотрены зазоры между впадинами участка с наружной резьбой и вершинами участка с внутренней резьбой, которые обращены к упомянутым впадинам участка с наружной резьбой, при этом упомянутые впадины и упомянутые вершины представляют собой плоские поверхности; или

предусмотрены зазоры между вершинами участка с наружной резьбой и впадинами участка с внутренней резьбой, которые обращены к упомянутым вершинам участка с наружной резьбой, при этом упомянутые вершины и упомянутые впадины представляют собой плоские поверхности, а также предусмотрены зазоры между впадинами участка с наружной резьбой и вершинами участка с внутренней резьбой, которые обращены к упомянутым впадинам участка с наружной резьбой, при этом упомянутые впадины и упомянутые вершины представляют собой плоские поверхности.

В упомянутом резьбовом соединении из числа плоских поверхностей, снабженных зазором, плоские поверхности, на которые должно быть нанесено упомянутое твердое покрытие, содержат по меньшей мере одну винтовую канавку, предварительно образованную в ней, при этом упомянутая винтовая канавка имеет угол подъема, равный углу подъема резьб; и упомянутая канавка имеет максимальную глубину, равную по меньшей мере 30 мкм, причем упомянутая глубина составляет самое большее одну пятую часть высоты резьб.

[0030]

Упомянутое резьбовое соединение может иметь следующую конфигурацию. Упомянутый участок с наружной резьбой и упомянутый участок с внутренней резьбой каждый включает вершины, впадины, закладные стороны и опорные стороны.

[0031]

Упомянутое резьбовое соединение может иметь следующую конфигурацию. Упомянутое твердое покрытие образовано на участке с наружной резьбой; упомянутые зазоры предусмотрены между плоскими вершинами участка с наружной резьбой и плоскими впадинами участка с внутренней резьбой; и упомянутая канавка образована в вершинах участка с наружной резьбой.

[0032]

В качестве альтернативы, упомянутое резьбовое соединение может иметь следующую конфигурацию. Упомянутое твердое покрытие образовано на участке с наружной резьбой; упомянутые зазоры предусмотрены между плоскими впадинами участка с наружной резьбой и плоскими вершинами участка с внутренней резьбой; и упомянутая канавка образована во впадинах участка с наружной резьбой.

[0033]

В качестве альтернативы, упомянутое резьбовое соединение может иметь следующую конфигурацию. Упомянутое твердое покрытие образовано на участке с наружной резьбой; упомянутые зазоры предусмотрены между плоскими вершинами участка с наружной резьбой и плоскими впадинами участка с внутренней резьбой, а также между плоскими впадинами участка с наружной резьбой и плоскими вершинами участка с внутренней резьбой; и упомянутая канавка образована в вершинах участка с наружной резьбой и в его впадинах.

[0034]

В качестве альтернативы, упомянутое резьбовое соединение может иметь следующую конфигурацию. Упомянутое твердое покрытие образовано на участке с внутренней резьбой; упомянутые зазоры предусмотрены между плоскими вершинами участка с наружной резьбой и плоскими впадинами участка с внутренней резьбой; и упомянутая канавка образована во впадинах участка с внутренней резьбой.

[0035]

В качестве альтернативы, упомянутое резьбовое соединение может иметь следующую конфигурацию. Упомянутое твердое покрытие образовано на участке с внутренней резьбой; упомянутые зазоры предусмотрены между плоскими впадинами участка с наружной резьбой и плоскими вершинами участка с внутренней резьбой; и упомянутая канавка образована в вершинах участка с внутренней резьбой.

[0036]

В качестве альтернативы, упомянутое резьбовое соединение может иметь следующую конфигурацию. Упомянутое твердое покрытие образовано на участке с внутренней резьбой; упомянутые зазоры предусмотрены между плоскими вершинами участка с наружной резьбой и плоскими впадинами участка с внутренней резьбой, а также между плоскими впадинами участка с наружной резьбой и плоскими вершинами участка с внутренней резьбой; и упомянутая канавка образована во впадинах участка с внутренней резьбой и в его вершинах.

[0037]

Кроме того, упомянутое резьбовое соединение может иметь следующую конфигурацию. В свинченном состоянии закладные стороны участка с наружной резьбой и закладные стороны участка с внутренней резьбой, которые обращены к закладным сторонам участка с наружной резьбой, не контактируют друг с другом.

[0038]

Кроме того, упомянутое резьбовое соединение может иметь следующую конфигурацию. Упомянутая канавка имеет форму поперечного сечения, которая является трапецеидальной, прямоугольной, треугольной, изогнутой или эллиптически изогнутой.

[0039]

Упомянутое резьбовое соединение может иметь следующую конфигурацию. Упомянутая канавка содержит закругленные угловые участки на обоих своих концах в поперечном сечении, причем упомянутые закругленные угловые участки имеют радиус кривизны, который меньше чем радиус кривизны закругленных угловых участков между вершинами и опорными сторонами.

[0040]

Упомянутое резьбовое соединение предпочтительно может иметь следующую конфигурацию. В каждой плоской поверхности, содержащей упомянутую канавку, канавка имеет полную ширину, составляющую по меньшей мере одну третью часть полной ширины упомянутой плоской поверхности.

[0041]

Упомянутое резьбовое соединение может иметь следующую конфигурацию. Ниппель и муфта каждый включает упорный участок, при этом в процессе завинчивания упомянутые упорные участки приводятся в контакт друг с другом.

[0042]

Кроме того, упомянутое резьбовое соединение может иметь следующую конфигурацию. Ниппель и муфта каждый включает участки уплотнения, при этом в свинченном состоянии упомянутые участки уплотнения контактируют друг с другом.

[0043]

Кроме того, упомянутое резьбовое соединение может иметь следующую конфигурацию. Участок с наружной резьбой ниппеля и участок с внутренней резьбой муфты каждый образован посредством двухступенчатых резьб или трехступенчатых резьб, содержащих два или три отдельных участка с резьбой вдоль оси трубы.

Полезные эффекты изобретения

[0044]

Резьбовое соединение для стальных труб настоящего изобретения имеет преимущество в том, что возникновение заедания и аномального крутящего момента при свинчивании может быть предотвращено во время свинчивания, даже когда участки с резьбой содержат на себе твердое покрытие.

Краткое описание чертежей

[0045]

Фиг.1 представляет собой продольный разрез, показывающий пример модифицированных трапецеидальных резьб, которые используются в участках с резьбой обычного резьбового соединения класса «Премиум».

Фиг.2 представляет собой продольный разрез, показывающий пример, в котором покрытие образовано на модифицированных трапецеидальных резьбах участка с наружной резьбой ниппеля.

Фиг.3 представляет собой продольный разрез, показывающий пример, в котором покрытие образовано на участке с наружной резьбой ниппеля, в резьбовом соединении в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4 представляет собой продольный разрез, показывающий пример, в котором покрытие образовано на участке с наружной резьбой ниппеля, в резьбовом соединении в соответствии с вторым вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.5 представляет собой продольный разрез, показывающий пример, в котором покрытие образовано на участке с наружной резьбой ниппеля, в резьбовом соединении в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.6 представляет собой продольный разрез, показывающий пример, в котором покрытие образовано на участке с наружной резьбой ниппеля, в резьбовом соединении в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.7 представляет собой продольный разрез, показывающий пример, в котором покрытие образовано на участке с внутренней резьбой муфты, в резьбовом соединении в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.8 представляет собой продольный разрез, показывающий пример, в котором покрытие образовано на участке с внутренней резьбой муфты, в резьбовом соединении в соответствии с шестым вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.9 представляет собой продольный разрез, показывающий пример, в котором покрытие образовано на участке с наружной резьбой ниппеля, в резьбовом соединении в соответствии с седьмым вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.10 представляет собой продольный разрез, показывающий примерный участок с резьбой резьбового соединения в соответствии с восьмым вариантом осуществления настоящего изобретения, в котором используются резьбы повышенной моментоемкости.

Фиг.11 представляет собой продольный разрез, показывающий пример, в котором покрытие образовано на участке с наружной резьбой ниппеля, в обычном резьбовом соединении с использованием резьб повышенной моментоемкости.

Фиг.12 представляет собой продольный разрез, показывающий пример, в котором покрытие образовано на участке с наружной резьбой ниппеля, в резьбовом соединении с использованием резьб повышенной моментоемкости в соответствии с восьмым вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.13 представляет собой продольный разрез примерного резьбового соединения в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.14 представляет собой продольный разрез примерного резьбового соединения в соответствии с настоящим изобретением.

Описание вариантов осуществления

[0046]

Прежде всего авторы настоящего изобретения провели широкие исследования и наблюдения, посвященные предварительно отвержденному покрытию, наносимому на участок с резьбой для образования твердого покрытия, и изучили механизм, который вызывает неравномерность распределения толщины покрытия и тенденцию распределения толщины.

[0047]

Фиг.2 представляет собой продольный разрез, показывающий пример, в котором покрытие образовано на поверхности модифицированных трапецеидальных резьб, которые используются в обычном резьбовом соединении класса «Премиум». Участок 11 с наружной резьбой ниппеля 10, показанный на фиг.2, представляет собой участок с наружной резьбой, используемый в обычном резьбовом соединении, показанном на фиг.1, и он образует пару с участком с внутренней резьбой муфты. В свинченном состоянии предусмотрены зазоры между вершинами 12 участка 11 с наружной резьбой и впадинами участка с внутренней резьбой, и предусмотрены зазоры между закладными сторонами 14 участка 11 с наружной резьбой и закладными сторонами участка с внутренней резьбой. В то же время впадины 13 участка 11 с наружной резьбой находятся в контакте (сопряжении) с вершинами участка с внутренней резьбой. Опорные стороны 15 участка 11 с наружной резьбой и опорные стороны участка с внутренней резьбой приводятся в контакт друг с другом посредством осевого усилия затяжки. Вершины 12 и впадины 13 представляют собой плоские поверхности.

[0048]

Покрытие, обладающее текучестью, как описано выше, наносят на участок 11 с наружной резьбой ниппеля 10. Данное покрытие отверждают, чтобы образовать твердое покрытие 30. Как показано на фиг.2, твердое покрытие 30 имеет наименьшую толщину в угловых участках резьбы, то есть закругленном угловом участке 12а, который соединяет вершину 12 с опорной стороной 15, и закругленном угловом участке 12b, который соединяет вершину 12 с закладной стороной 14. Твердое покрытие 30 имеет наибольшую толщину в галтельных участках на впадине, то есть закругленном галтельном участке 13а, который соединяет впадину 13 с опорной стороной 15, и закругленном галтельном участке 13b, который соединяет впадину 13 с закладной стороной 14. Твердое покрытие 30 имеет другую наименьшую толщину в опорной стороне 15 и закладной стороне 14. Твердое покрытие 30 имеет другую наибольшую толщину в центральной области вершины 12. Толщина покрытия в центральной области впадины 13 большая, хотя и не такая большая как в центральной области вершины 12.

[0049]

Такое неравномерное распределение толщины твердого покрытия возникает по следующим причинам. Покрытие, до того как оно затвердевает, находится в полутвердом состоянии, обладает текучестью и поэтому растекается под действием поверхностного натяжения. Эффект поверхностного натяжения на покрытие в полутвердом состоянии проявляется в разных направлениях, так что свободная энергия граничной поверхности покрытия, подверженной воздействию атмосферы, становится меньше. Другими словами, поверхностное натяжение действует в разных направлениях так, чтобы как можно больше уменьшить площадь поверхности свободной поверхности покрытия. В то же время поверхность участка с резьбой, на которую должно быть нанесено покрытие, представляет собой неровную поверхность как поверхность резьб. Таким образом, покрытие в полутвердом состоянии, наносимое на участок с резьбой, растекается до затвердевания под действием эффекта поверхностного натяжения таким образом, что площадь поверхности покрытия становится меньше в участках поверхности, обладающих кривизной, таких как угловые участки резьбы и галтельные участки впадины, даже если покрытие нанесено по возможности равномерно с использованием щетки, распылительного устройства или т.п. Кроме того, на покрытие в полутвердом состоянии, наносимое на участок с резьбой, в какой-то степени оказывает действие гравитация. Эти факторы приводят к неравномерности распределения толщины покрытия.

[0050]

Конечное распределение толщины покрытия зависит от баланса между поверхностным натяжением и гравитацией, как описано выше, и текучестью (вязкостью) и смачиваемостью покрытия в полутвердом состоянии. Кроме того, когда нанесение покрытия осуществляется при вращении ниппеля, центробежные силы и др. также оказывают влияние на распределение толщины покрытия. Хотя вершина и впадина представляют собой плоские поверхности, покрытие имеет очень большую толщину в центральной области вершины, поскольку там нарастает покрытие, стекающее с угловых участков в обоих концах резьбы. С другой стороны, в центральной области впадины толщина покрытия не такая большая, как в центральной области вершины, поскольку покрытие абсорбируется галтельными участками в обоих концах впадины. Данная ситуация возникает также в участке с внутренней резьбой муфты.

[0051]

Распределение толщины покрытия может очень сильно зависеть от свойств покрытия, наносимого в полутвердом состоянии. Например, при использовании покрытия, обладающего свойствами, близкими к свойствам покрытия, раскрытого в патентном документе 1, толщина покрытия в центральной области вершины будет больше 100 мкм, если толщина покрытия, которая составляет по меньшей мере примерно 10-20 мкм, должна быть получена в угловых участках резьбы, там где покрытия склонны иметь наименьшую толщину, для того чтобы предотвратить заедание или т.п. во время свинчивания резьбового соединения.

[0052]

Авторы настоящего изобретения попытались уменьшить неравномерность распределения толщины покрытия посредством регулирования свойств покрытия, которые влияют на текучесть и смачиваемость покрытия в полутвердом состоянии. Однако они пришли к выводу, что невозможно эффективно уменьшить неравномерность распределения толщины покрытия только посредством регулирования свойств покрытия, которые имеют свои пределы.

[0053]

Тогда авторы настоящего изобретения обратили свое внимание на то, что важным фактором, который вызывает неравномерность распределения толщины покрытия, является поверхностное натяжение на основе механизма, посредством которого осуществляется распределение толщины покрытия, и они пришли к следующим заключениям. Поверхностное натяжение вызывает разность давлений, пропорциональную кривизне граничной поверхности (обратно пропорциональной радиусу кривизны) в граничной поверхности. Разность давлений создает движущую силу, которая вызывает растекание покрытия. Покрытие в полутвердом состоянии растекается пока упомянутая движущая сила и объемные силы, такие как гравитация, не будут уравновешены, и в результате получается неравномерное распределение толщины покрытия. Другими словами, движущая сила, которая вызывает неравномерное распределение толщины покрытия, в значительной степени зависит от кривизны граничной поверхности, т.е. профиля поверхности, на которую должно быть нанесено покрытие. Таким образом, необходимо понимать, что управление распределением толщины твердого покрытия может быть достигнуто посредством придания поверхности, на которую должно быть нанесено покрытия, надлежащей формы.

[0054]

На основании упомянутых заключений авторы настоящего изобретения сформулировали идею активного использования поверхностного натяжения, которое действует на покрытие, наносимое на участок с резьбой, таким образом, чтобы можно было уменьшить неравномерность распределения толщины покрытия. Например, рассматривается пример, когда твердое покрытие 30 образовано на участке 11 с наружной резьбой ниппеля 10 и зазоры предусмотрены между плоскими вершинами 12 и плоскими впадинами участка с внутренней резьбой в свинченном состоянии, как показано на фиг.2. В этом случае, посредством предварительного образования неглубокой канавки в центральной области плоской вершины 12, покрытие в полутвердом состоянии на вершине 12 будет способно распределяться в разных направлениях так, что толщина покрытия становится меньше, так что оно станет более тонким. Упомянутая канавка может представлять собой винтовую канавку, имеющую угол подъема, равный углу подъема резьб участка 11 с наружной резьбой. Как было описано выше, когда вершина