專利名稱：用于鋼管的螺紋接頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種螺紋接頭，用于連接鋼管，例如包括用于油井和天然氣井的開采和生產(chǎn)的管道、套管、立管的油井管或者OCTG(石油國管道產(chǎn)品)，尤其涉及到用于鋼管的螺紋接頭，其相對于外部壓力具有極好的密封性和抗壓性能。
背景技術(shù)：
螺紋接頭被廣泛地應(yīng)用于連接鋼管，例如用于工業(yè)石油生產(chǎn)設(shè)備的OCTG和立管。
在過去，通常使用由API(美國石油組織)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)螺紋接頭來連接用于石油和天然氣開采和生產(chǎn)的鋼管。然而，近年來，原油和天然氣的開采和生產(chǎn)的環(huán)境已經(jīng)變得不斷惡劣，從而越來越多地使用被稱為高級接頭的專用的高性能螺紋接頭。
在每個管上的高級接頭通常包括錐形螺紋；金屬對金屬的密封部分，即，密封面，其具有當(dāng)與接頭的其它構(gòu)件的金屬對金屬密封緊密接觸時形成密封的性能；扭矩臺肩部分，即，在裝配接頭期間起到止擋件作用的臺肩面。
在過去，由于豎直井是最常見的，用于OCTG的螺紋接頭能充分發(fā)揮作用，只要螺紋接頭能承受由于固定在其上的管道重量所導(dǎo)致的拉伸負(fù)載并能防止通過其內(nèi)部的高壓流體的泄漏即可。然而，近年來，由于油井變得越來越深，因為具有彎曲鉆孔的定向井和水平井的數(shù)量增多，并且由于在惡劣的環(huán)境例如海面或者高緯度的油井的發(fā)展不斷增加，要求螺紋接頭有越來越多的各種性能，例如抗壓性能、抗彎性能、相對于外部壓力的密封性以及在油田中的容易操作性。
圖2(a)和2(b)為用于OCTG的普通聯(lián)接型高級接頭的示意性說明圖，該接頭包括外螺紋構(gòu)件1(以下稱為公螺紋構(gòu)件，或者簡稱為公螺紋)和對應(yīng)的內(nèi)螺紋構(gòu)件2(以下稱為母螺紋構(gòu)件，或簡稱為母螺紋)。
公螺紋構(gòu)件1在其外表面上具有外螺紋11和被稱為唇的無螺紋部分12，唇位于公螺紋1的端部并且鄰近外螺紋11。唇12具有在唇的外周邊表面上的金屬對金屬的密封部分13和在唇端面上的扭矩臺肩部分14。
對應(yīng)的母螺紋構(gòu)件2在其內(nèi)表面上具有內(nèi)螺紋21、金屬對金屬的密封部分23和扭矩臺肩部分24，它們?yōu)槟芊謩e與公螺紋1的外螺紋11、金屬對金屬的密封部分13和扭矩臺肩部分14配合或接觸的部分。
圖3為示出作為API鋸齒螺紋示例的梯形螺紋的形狀和尺寸的示意圖，用于高級接頭的大多數(shù)螺紋為按照該API鋸齒螺紋制造的梯形螺紋。很多螺紋在螺紋齒的長寬比、牙側(cè)角以及其它特征方面幾乎都直接利用API鋸齒螺紋的尺寸。
在圖3中，例如，如果螺紋為具有5TPI(每英寸5個螺紋)的螺距的API鋸齒螺紋，螺紋高度74為1.575mm，負(fù)載牙側(cè)角71為3度，插入牙側(cè)角72為10度，在插入牙側(cè)之間的軸向間距73平均為大約100μm(即，30-180μm)。
在公螺紋和母螺紋的密封面之間設(shè)置被稱為干涉或過盈的沿著徑向的重疊。當(dāng)裝配接頭直到公螺紋和母螺紋的臺肩面彼此抵靠時，兩個構(gòu)件的密封部分彼此在接頭的整個圓周上發(fā)生緊密接觸以形成密封。
臺肩面在裝配期間起止擋件功能，并且它們也承擔(dān)幾乎所有施加在接頭上的壓縮負(fù)載。因此，除非臺肩面的壁厚較大(或者除非臺肩的剛度很大)，它們不能抵抗較大的壓縮負(fù)載。
當(dāng)外部壓力施加在如上所述的傳統(tǒng)高級接頭上時，所施加的外部壓力通過在螺紋之間的間距穿透到正好在密封部分前面的圖2所示的部分31。
唇在壁厚方面比管體厚得多，從而它會由于穿透的外部壓力經(jīng)受半徑減小。當(dāng)外部壓力增大時，在密封面之間形成間距，從而導(dǎo)致泄漏，即，外部流體進(jìn)入管內(nèi)部的情況。
如果在諸如當(dāng)OCTG被設(shè)置在水平井或者定向井時的情況下，壓縮負(fù)載施加在高級接頭上，由于在上述API鋸齒螺紋的情況下，大多數(shù)的接頭在插入牙側(cè)之間具有相對較大的間距，所以螺紋具有很差的抗壓縮載荷的性能，從而大多數(shù)的壓縮負(fù)載由臺肩承受。
然而，臺肩面的壁厚(用于壓縮負(fù)載的負(fù)載承受面積)通常遠(yuǎn)小于管壁的厚度。因此，如果施加相當(dāng)于管體屈服強(qiáng)度的40-60％的壓縮負(fù)載，大多數(shù)高級接頭經(jīng)歷了母螺紋的扭矩臺肩部分的相當(dāng)大的塑性變形，由此導(dǎo)致鄰密封面的密封性明顯下降。
通過增加公螺紋的剛度以提高其抗徑向收縮引起的變形的性能，可改善接頭相對于外部壓力的密封性。為此，經(jīng)常使用這樣一種方法，即，預(yù)先進(jìn)行減小管端的直徑的被稱為模鍛的工藝處理，以增加唇壁的厚度。
然而，如果在套筒、被插入套筒的管卡在模鍛部分上的情況下，以及在敷設(shè)管道的情況下，模鍛量很大，模鍛部分可在管內(nèi)部流動的流體例如原油中形成湍流并產(chǎn)生腐蝕。因此，公螺紋唇的壁厚不能通過模鍛增大太多。
在美國專利No.4,624,488和美國專利No.4,795,200中描述了用于增加公螺紋端部剛度以改善其密封性的其它傳統(tǒng)技術(shù)。這些專利公開如下技術(shù)，其中，通過在公螺紋的密封面的端部處提供不與母螺紋接觸的圓柱形部分，以增加相對于公螺紋的密封面的圓周的徑向收縮引起的變形的剛度以及使接頭的密封面均勻接觸，來提高密封性。
在管接頭的情況下，即使進(jìn)行模鍛，也必須設(shè)置錐形螺紋、密封面和在有限壁厚范圍內(nèi)的臺肩面。然而，在上述現(xiàn)有技術(shù)中，因為唇的端部不抵靠母螺紋，所以臺肩面必須設(shè)置在唇上以外的位置，從而必須減小唇的壁厚。
因此，唇的剛度可被增大以便抵抗由外部壓力產(chǎn)生的半徑減小，但是唇的剛度可被增大的程度具有極限值，并且相對于外部壓力的密封性不能明顯地被改善。另外，由于不能給予臺肩面足夠的徑向?qū)挾?，因此不能得到高的抵抗壓縮的性能，在壓縮和外部壓力的組合下密封性很差。
例如，在美國專利No.5,829,797和美國專利No.5,419,595中描述了用于給螺紋承載壓縮負(fù)載的能力以便提高抗壓性能的技術(shù)。美國專利No.5,829,797披露了一種螺紋，其中梯形螺紋的負(fù)載牙側(cè)和插入牙側(cè)彼此接觸，并且徑向間距被設(shè)置在螺紋牙底和螺紋牙頂之間。因為插入牙側(cè)始終接觸，所以該螺紋具有高的承受壓縮負(fù)載的性能。
美國專利No.5,419,595披露一種螺紋，其中在梯形螺紋的插入牙側(cè)之間的間距被減小到30μm或者更小，從而僅當(dāng)施加壓縮負(fù)載時插入牙側(cè)彼此接觸。即使該螺紋承受壓縮負(fù)載的性能小于美國專利No.5,829,797中所述螺紋的承受壓縮負(fù)載的性能，但是其遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通鋸齒螺紋的承受壓縮負(fù)載性能。
然而，在美國專利No.5,829,797中披露的螺紋的情況下，如果螺紋齒的寬度變化，抗壓性能、防擦傷性能、裝配扭矩以及其它性能可發(fā)生很大的變化。因此，必須使得制造誤差極小，由此，該螺紋具有這樣的問題，即，對于成批生產(chǎn)是不適合的，并且制造過于昂貴。
美國專利No.5,419,595具有類似問題。也就是說，在插入牙側(cè)之間的間距必須被設(shè)定為0-30μm的值。這樣，外螺紋齒和內(nèi)螺紋齒的寬度的允許變化為每個僅在±7.5μm，從而螺紋切削變得極其昂貴，并且不適于成批生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)的問題，并且提供一種用于鋼管的螺紋接頭，不僅當(dāng)單獨(dú)受到外部壓力時而且當(dāng)承受壓縮負(fù)載和外部壓力的組合負(fù)載或者張力和外部壓力的組合負(fù)載時，該螺紋接頭相對于外部壓力具有極好的抗壓性能，并且極大地改善了整個密封性。
圖4為在進(jìn)行與本發(fā)明相關(guān)的基礎(chǔ)研究中使用的唇的示意性說明圖。
為了實現(xiàn)上述目的，發(fā)明人相對于以下四個設(shè)計因素進(jìn)行有限元分析，這四個設(shè)計因素用于確定具有上述結(jié)構(gòu)的高級接頭的唇的形狀(1)唇厚度41，(2)唇長度42，(3)臺肩角度43，(4)密封錐度(密封面的錐度)44。對于每個因素而言，他們研究其相對于外部壓力在密封性方面的作用。
由此，發(fā)現(xiàn)唇厚度41和唇長度42在相對于外部壓力的密封性能上作用最大，并且唇厚度越厚和唇長度越長，改善相對于外部壓力的密封性越明顯。
發(fā)現(xiàn)為了改善抗壓性能，優(yōu)選盡可能地增大唇厚度。對于臺肩角度43而言，如果公螺紋的臺肩角度為這樣的，即，公螺紋的臺肩的外部為錐形的，以形成如描述的鉤形臺肩面(下面該角度被稱為鉤角度)，則改善了在壓縮和外部壓力的組合負(fù)載下的密封性。然而，這樣的臺肩角度導(dǎo)致壓縮負(fù)載對母螺紋構(gòu)件的臺肩面的損壞增大。因此，如果設(shè)置有臺肩角度，優(yōu)選強(qiáng)化母螺紋構(gòu)件的臺肩面，或者優(yōu)選使用具有高的承載壓縮負(fù)載性能的螺紋。
發(fā)現(xiàn)，密封錐度44對相對于外部壓力對密封性的影響僅僅很小。但是，如果密封錐度很大，則當(dāng)施加張力時，在密封部分上的接觸壓力(密封壓力)顯著地減小，如果密封錐度太小，則由于在裝配(make-up)和拆卸(break-out)期間滑動距離的增大而在密封面上發(fā)生擦傷。
基于上述結(jié)果，發(fā)明人認(rèn)為，如果盡可能地增大(加長)唇厚度和唇長度，可顯著地提高相對于外部壓力的密封性，同時可提高抗壓性能。
關(guān)于螺紋，如果僅僅考慮抗壓性能，應(yīng)用在美國專利No.5,829,797和美國專利No.5,419,595中的傳統(tǒng)技術(shù)是最好的。但是，這些傳統(tǒng)方法具有上述問題，并且不適于批量生產(chǎn)。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，即使沒有采用不易生產(chǎn)的具有極好性能的螺紋，由于通過具有加厚的唇厚度的上述唇形狀可顯著地提高臺肩自身的抗壓性能，所以通過應(yīng)用容易生產(chǎn)的高性能螺紋可明顯地改善整個接頭的抗壓性能。
基于這樣的想法，發(fā)明人進(jìn)行了關(guān)于以下發(fā)現(xiàn)的實施例研究，即，唇長度越長，相對于外部壓力的密封性越好。因此，可以發(fā)現(xiàn)，公螺紋和母螺紋的密封面僅僅在其牙底側(cè)(靠近螺紋的一側(cè))接觸，而從接觸部分的端部到唇的末端的唇的保持非接觸部分的體積的增加起到增大唇相對于外部壓力的剛度的作用。
在圖4的實施例中，即使增大唇長度，由于從密封面端部到唇末端的唇的非接觸部分為錐形的，因此增大唇長度不會明顯增加唇的非接觸部分的體積，并且這不利地導(dǎo)致臺肩面面積的減小，由此減小承載壓縮負(fù)載的臺肩部分的性能。因此，唇形狀被變化成如圖1所示的形狀。
在圖1中，為了盡可能地增大臺肩面的壁厚，并且盡可能地增加從密封面到唇的端部的唇的非接觸部分的體積，在公螺紋構(gòu)件1的密封部分13和臺肩部分14之間的唇12的部分15(以下被稱為前端部分)被做成幾乎圓柱形，前端部分15的外表面被做成不接觸母螺紋構(gòu)件2。
通過給予公螺紋這樣的形狀，臺肩面的壁厚和密封面的壁厚在管的有限壁厚內(nèi)成功地盡可能地增大。然而，由于制造誤差，管的橫截面不是完美的圓形，而是具有變化的壁厚或者橢圓形。因此，可通過對應(yīng)于管的制造誤差的量在公螺紋的端部的內(nèi)邊緣上形成斜面16，以確保公螺紋的端部的內(nèi)邊緣將不會伸到以接頭軸線為中心的預(yù)定直徑的完美的圓之外。這樣，母螺紋2的內(nèi)邊緣也可具有如后面所述的對應(yīng)斜面26。
在公螺紋上，如果螺紋被盡可能緊密地設(shè)置在密封面上，進(jìn)一步提高相對于外部壓力的公螺紋唇的剛度，由此也增大了相對于外部壓力的密封性。
該概念與在美國專利No.4,624,488和美國專利No.4,795,200中描述的現(xiàn)有技術(shù)的概念相當(dāng)不同的方面在于，公螺紋的端部被用作臺肩面，由此與臺肩面處于不同位置的現(xiàn)有技術(shù)相比較，可極大地增大唇的厚度。
另外，由于前端部分的壁厚可被盡可能地增大，所以僅僅通過略微增加前端部分的軸向長度(下面被稱為前端長度)可極大地增大相對于外部壓力的密封性。
另外，可加大臺肩面，臺肩部分可實現(xiàn)其承載壓縮負(fù)載的最大性能。由此，如果承載壓縮負(fù)載的性能比鋸齒螺紋的承載壓縮負(fù)載的性能高很多，通過應(yīng)用具有前端部分的唇可顯著地改善螺紋接頭的抗壓性能。


圖1為示出根據(jù)本發(fā)明的用于鋼管的螺紋接頭的唇的形狀和唇的周邊的示意圖。
圖2(a)和2(b)為用于OCTG的普通聯(lián)接型高級接頭的示意性說明圖，其中，圖2(a)為圖2(b)的一部分的放大圖，圖2(b)為整體剖視圖。
圖3為示出由API鋸齒螺紋示例的梯形螺紋的形狀和尺寸。
圖4為確定與本發(fā)明相關(guān)的基礎(chǔ)研究中使用的唇的形狀的因素的示意性說明圖。
圖5為限定根據(jù)本發(fā)明的用于鋼管的螺紋接頭的唇的形狀和唇的周邊的因素的示意性說明圖。
圖6為根據(jù)本發(fā)明的用于鋼管的螺紋接頭的唇的形狀和唇的周邊的示意性說明圖，其中臺肩面有角度。
圖7(a)為示出在母螺紋槽的內(nèi)直徑和從內(nèi)螺紋的牙底延伸的線之間的位置關(guān)系的示意性說明圖，圖7(b)為示出在公螺紋的密封面和從外螺紋的牙底延伸的線或者外螺紋和前端部分的切線之間的位置關(guān)系的示意性說明圖。
圖8為示出本發(fā)明的另一個實施例的示意圖，其中第二臺肩設(shè)置在母螺紋的端面上。
圖9為示出本發(fā)明的另一個實施例的示意圖，其中第二密封部分設(shè)置在母螺紋的端部上。
圖10為示出本發(fā)明的一個實例的示意圖，其中本發(fā)明的接頭被設(shè)置在公螺紋構(gòu)件上，所述公螺紋構(gòu)件的端部經(jīng)過模鍛(swaging)。
圖11為示出一體接頭的示意圖。
圖12為示出在示例的FEM分析期間在樣本上施加負(fù)載的次序的示意圖。
圖13為用作對比示例的傳統(tǒng)高級接頭的示意說明圖。
圖14為示出另一個實施例的示意圖，其中，外螺紋包括插入部分，在該部分所述外螺紋牙底的包絡(luò)具有小于所述螺紋錐度的錐度。
圖15為另一個實施例的示意圖，其中具有與在所述公螺紋上的錐形面一起工作的在所述母螺紋上的復(fù)曲面圓錐形(torico-conical)密封面。
具體實施例方式
現(xiàn)在，將參照附圖和優(yōu)選實施例對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。在附圖中，接頭的相同構(gòu)件或部分使用相同的附圖標(biāo)記。
圖1和圖5為根據(jù)本發(fā)明用于鋼管的螺紋接頭的示意性說明圖，該螺紋接頭包括通過螺紋接合彼此相連的公螺紋構(gòu)件1和母螺紋構(gòu)件2。公螺紋構(gòu)件1具有外螺紋11、至少一個密封面13和至少一個形成在管端部上的臺肩面14。母螺紋構(gòu)件2具有分別對應(yīng)于(能匹配或者接觸)在管端部上形成的公螺紋構(gòu)件1的外螺紋11、密封面13和臺肩面14的內(nèi)螺紋21、至少一個封閉面23、至少一個臺肩面24。該接頭為一種高級接頭。
在用于鋼管的這樣的螺紋接頭中，當(dāng)在公螺紋構(gòu)件1的端面上的臺肩面4與母螺紋構(gòu)件2的對應(yīng)臺肩面24抵靠在一起時，完成裝配。
根據(jù)本發(fā)明，公螺紋構(gòu)件具有前端部分15，該前端部分15不與母螺紋構(gòu)件2的對應(yīng)部分(即，母螺紋構(gòu)件2的面對公螺紋構(gòu)件1的前端部分15的部分)接觸。前端部分15位于密封面13(其位于公螺紋構(gòu)件的外周邊上，比公螺紋構(gòu)件的外螺紋更靠近公螺紋構(gòu)件的端部)和臺肩表面14(其位于公螺紋構(gòu)件的端面上)之間。因此，由于唇12的長度被以沒有減小臺肩表面14的方式增大，所以可以極大地改善接頭相對于外部壓力的密封性。另外，通過將外螺紋11設(shè)置在公螺紋構(gòu)件1的密封面13的附近(優(yōu)選在緊靠的附近)，唇12抵抗直徑減小的剛度增大，并且進(jìn)一步增大相對于外部壓力的密封性。
參照圖5，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過限定其形狀和尺寸可以改善具有上述結(jié)構(gòu)的用于鋼管的螺紋接頭。
也就是說，發(fā)明人對每個部分的尺寸和形狀的范圍進(jìn)行了研究，用于更有效地實現(xiàn)本發(fā)明的上述效果。
對于通常的高級接頭，需要相當(dāng)于大約管體屈服強(qiáng)度的20％的抗壓性能。但是一些油井需要相當(dāng)于屈服強(qiáng)度的60％以上的抗壓性能。
壓縮負(fù)載不僅被施加在臺肩部分上而且還被施加在螺紋上。如果采用具有高的承載壓縮負(fù)載性能的螺紋，相應(yīng)地可減小在臺肩部分上的負(fù)載。然而，如果唇厚度41(在密封接觸區(qū)域50的中央部分處公螺紋的壁厚)具有至少25％并且優(yōu)選至少50％的唇厚度比率(唇厚度與管體壁厚之間的比率)，僅通過唇(沒有使用具有高的承載壓縮負(fù)載性能的螺紋)可得到足夠的抗壓性能。
如果進(jìn)行下述模鍛，唇厚度比率的上限值可增大到大約(管體的壁厚的)85％。
由于隨著密封部分和唇的前端部分的厚度增大，改善了相對于外部壓力的密封性，因此設(shè)在唇端部的內(nèi)表面上的斜面16相對于接頭軸線的角度46優(yōu)選在9-76度。
然而，管內(nèi)直徑的突然變化可產(chǎn)生湍流和侵蝕，從而母螺紋的內(nèi)直徑48被設(shè)定為幾乎等于公螺紋唇的內(nèi)直徑49，并且具有倒角47和與公螺紋斜面形狀類似的斜面26被設(shè)在母螺紋的臺肩表面的內(nèi)周邊上。由此，由于與對公螺紋斜面給出的相同原因，母螺紋部分的倒角優(yōu)選在104至171度的范圍內(nèi)。
這樣，使接頭直徑的變化最小，從而可防止發(fā)生湍流，同時，加強(qiáng)母螺紋的臺肩部分。由此，增大了臺肩部分可承載的壓縮負(fù)載的程度，以提高接頭的抗壓性能。
前端長度45取決于管的尺寸，但是它是大約4mm至20mm，用于用作OCTG的管的尺寸(具有大約50至550mm的外徑)。
如上面所述，前端長度越長越好，但是，當(dāng)前端長度達(dá)到一定長度時，對改進(jìn)密封性的效果飽和，從而對于實際產(chǎn)品而言前端長度的最大值20mm是足夠的。
優(yōu)選地，當(dāng)外螺紋和內(nèi)螺紋為錐形螺紋時，外螺紋包括在形成外螺紋的螺紋切削期間首先形成的在螺紋的密封面?zhèn)鹊牟迦?run-in)部分。在該插入部分中，外螺紋牙底的包絡(luò)(envelope)與螺紋錐形(見圖14)的錐度相比具有減小的錐度。在插入部分中的螺紋牙底包絡(luò)的這種減小的錐度產(chǎn)生幾個優(yōu)點容易以沒有刮擦的方式機(jī)加工出公螺紋的密封面，并且唇的剛度增大，由此增大對外部壓力的密閉性。優(yōu)選地，如后面所述，外螺紋的插入部分沒有與內(nèi)螺紋接合。最為優(yōu)選地，在插入部分中的外螺紋牙底的包絡(luò)為圓柱形面。
公螺紋或母螺紋的密封面的形狀可以為(i)錐形面，其為相對于接頭軸線傾斜的直線圍繞接頭軸線旋轉(zhuǎn)形成的，或者(ii)由曲線圍繞接頭軸線旋轉(zhuǎn)形成的凸面，尤其如果曲線為圓弧的復(fù)曲面(torical surface)，或者(iii)復(fù)曲面圓錐形表面(torico-conical surface)，其由所述傾斜的直線和圓弧的組合線繞接頭軸線旋轉(zhuǎn)形成。
優(yōu)選地，公螺紋和母螺紋中的一個的密封面(例如，公螺紋的密封面)為錐形表面，而其它構(gòu)件的密封面(例如，母螺紋的密封面)或者為復(fù)曲面或者為復(fù)曲面圓錐形(torico-conical)面，在前端側(cè)的復(fù)曲面圓錐形面的錐形部分具有基本上與錐形密封面的錐度相同的錐度(見圖15)。
錐形密封面和復(fù)曲面圓錐形密封面的組合顯示出對于各種服務(wù)條件的接觸壓力的極好穩(wěn)定性(和密封性)，接觸壓力諸如由如圖12的負(fù)載的負(fù)載循環(huán)產(chǎn)生。
對于復(fù)曲面圓錐形密封面的凸出的、復(fù)曲的(torical)或者復(fù)曲的部分，表面的曲率半徑優(yōu)選大于20mm，更為優(yōu)選地是大于40mm。
出于上述原因，密封面相對于接頭軸線的角度，即，密封錐度44優(yōu)選為5至25度，更優(yōu)選為10至20度。
存在密封錐度在公螺紋上涉及在密封面和前端的外表面之間的表面的不連續(xù)性。
密封面需要具有至少大約為1至1.5mm軸向長度的實質(zhì)接觸區(qū)域，以便保證密封性能。但是，如果密封面太長，不能得到足夠的扭矩臺肩部分的壁厚，并且用于完成密封面所需的費(fèi)用增加，從而導(dǎo)致生產(chǎn)率下降。
因此，具有實質(zhì)接觸的密封面區(qū)域的軸向長度50為2至8mm，優(yōu)選3至5mm。
如圖5所示，臺肩面可實質(zhì)上與接頭軸線垂直。但是，根據(jù)上述研究，如果如圖6所示地設(shè)定鉤角度，提高在施加有壓縮負(fù)載時的密封性，如果鉤角度太大，母螺紋的臺肩面的剛度減小，導(dǎo)致抗壓性能下降。因此，如果設(shè)置有臺肩角度43，相對于垂直于接頭軸線的平面臺肩角度43優(yōu)選為4至16度。
圖6為當(dāng)鉤角度設(shè)置在根據(jù)本發(fā)明用于鋼管的螺紋接頭的臺肩表面上時唇的形狀和唇的周邊的示意性說明圖。
在這些實施例中，公螺紋臺肩為在前部的外表面和內(nèi)表面之間以非間斷的方式延伸的單個表面。
在密封面之間和公螺紋和母螺紋的螺紋之間存在過盈。如果密封面與螺紋的螺紋接合部分太接近，那么由于在螺紋之間的干涉使得在密封面之間的實質(zhì)過盈的程度被不利地減小。
然而，關(guān)于公螺紋，如上所述，需要具有在螺紋和密封面之間的部分中的附加螺紋，以便增加公螺紋的抵抗外部壓力的剛度。
因此，公螺紋的結(jié)構(gòu)優(yōu)選為這樣，即，外螺紋延伸，以盡可能地靠近密封面。為此，密封面優(yōu)選與外螺紋間隔與最多一個螺距相等的距離，以增加唇的剛度。同時，環(huán)形槽32設(shè)置在母螺紋中，以防止在公螺紋和母螺紋的密封面附近的螺紋部分彼此接合。如果在外螺紋上設(shè)置插入部分，外螺紋的插入部分對應(yīng)于外螺紋的剛提到的部分，槽32防止剛提到的部分與內(nèi)螺紋接合。
如果環(huán)形槽32的軸向長度51很小，由于螺紋過盈使密封面之間的實質(zhì)過盈減小。另一方面，如果槽32的軸向程度51太大，減小了密封性，使制造成本不必要地增大。槽32的長度51的優(yōu)選范圍為螺距的1.5至3.5倍。
圖7(a)為示出了在母螺紋的槽的內(nèi)直徑和沿著內(nèi)螺紋牙底延伸的線63之間的位置關(guān)系的示意性說明圖，圖7(b)為示出了在公螺紋的密封面和沿著外螺紋牙底延伸的線62或者與外螺紋和前端部分的切線61之間的位置關(guān)系的示意說明圖。
如圖7(a)所示，母螺紋的環(huán)形槽的內(nèi)徑優(yōu)選為這樣，即，槽的內(nèi)表面被設(shè)置在相對于母螺紋的軸線的內(nèi)螺紋牙底的延伸線63的徑向的外部。然而，如果槽的內(nèi)徑過度地增大，母螺紋的外直徑也被不利地增大。因此，槽的內(nèi)徑應(yīng)該大于從母螺紋的軸線到內(nèi)螺紋牙底的延伸線63的徑向距離，僅在容易進(jìn)行制造的程度內(nèi)。
如圖7(b)所示，在公螺紋的螺紋、密封面和前端(外表面)之間的位置關(guān)系為這樣的，即，密封面被設(shè)置在外螺紋牙頂和公螺紋末端(前端部分)的切線61或者外螺紋牙底的延長線62的徑向內(nèi)部(從公螺紋的軸線測量)。
通過采用這樣的結(jié)構(gòu)，即使公螺紋端部在油田操作期間碰到某些東西撞，密封面也很難被破壞，并且防止密封性下降。
插入牙側(cè)之間的間距和插入牙側(cè)角明顯影響螺紋的抗壓性能。如前所述，對于API鋸齒螺紋而言在插入牙側(cè)之間的間距為30μm至180μm。假設(shè)API鋸齒螺紋的制造誤差的發(fā)生率為正態(tài)分布，具有在插入牙側(cè)之間為大約100μm的間距的產(chǎn)品的數(shù)量最多。然而，這樣的間距尺寸不會形成特別大的抗壓性能。
通過進(jìn)行主要基于有限元方法的研究，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)如果在插入牙側(cè)之間的間距最多為90μm，得到高的抗壓性能。
但是，如果插入間距太小，在裝配期間涂覆在螺紋上被稱為涂料的潤滑劑的壓力(被稱為涂料壓力)可上升到不正常水平，并且不利地影響接頭的性能。另外，如果插入牙側(cè)彼此接觸，如在上述美國專利No.5,829,797所述，會出現(xiàn)磨損或者裝配扭矩的變化。
由此，可如此得到本發(fā)明的效果，即，考慮到制造誤差的正態(tài)分布，將在插入牙側(cè)之間的間距設(shè)定在10μm至150μm的范圍中。優(yōu)選地，在插入牙側(cè)之間的間距為從20至90μm，以便進(jìn)一步得到改善的效果。
螺紋承受壓縮負(fù)載的性能隨著插入牙側(cè)角減小而增大。相反，當(dāng)插入牙側(cè)角增大時，外螺紋和內(nèi)螺紋沿著一個斜面滑動，并且螺紋承受壓縮負(fù)載的性能下降。在承受壓縮負(fù)載的性能沒有嚴(yán)重下降時，插入牙側(cè)角的上限值大約36度。
另一方面，如果插入牙側(cè)角太小，由于螺紋切削工具的磨損而使損壞變得嚴(yán)重，變得難以保持制造公差。因此，下限值被設(shè)定為3度。
在以上描述中，描述了本發(fā)明的實施例，其中在公螺紋端部處的唇上設(shè)置密封面和臺肩面，但是除了上述實施例之外的實施例可以用于專用鋼管。
例如，如圖8和9所示，當(dāng)本發(fā)明應(yīng)用于具有加厚端的鉆桿或者具有極大壁厚的OCTG時，可以有這樣的實施例，即，公螺紋1和母螺紋2設(shè)有第二系列臺肩面33和/或第二系列密封面34，并結(jié)合根據(jù)本發(fā)明具有前端部分的公螺紋唇12的結(jié)構(gòu)。
圖8為示出本發(fā)明的實施例的示意圖，其具有在母螺紋端面處的母螺紋和公螺紋的第二系列臺肩面。
圖10為示出本發(fā)明實施例的一個示例的示意圖，其中本發(fā)明的接頭被設(shè)置在公螺紋構(gòu)件上，該公螺紋構(gòu)件具有經(jīng)過模鍛以減小在端部處的管的直徑并且增大公螺紋唇的壁厚的端部。
即使公螺紋的端部沒有經(jīng)過模鍛，本發(fā)明也提供了充分的密封性。然而，例如，如果需要得到很大的抗扭矩性能或者抗壓性能，通過在公螺紋的端部形成本發(fā)明的螺紋接頭可增大臺肩面的壁厚，該端部預(yù)先已經(jīng)經(jīng)過模鍛(見圖10)。然而，在這種情況下，可適當(dāng)?shù)剡x擇接頭的內(nèi)直徑變化，從而不會出現(xiàn)湍流。
以在圖2中示出的聯(lián)接型接頭作為示例對本發(fā)明的實施例進(jìn)行說明。然而，如圖11所示，上述的本發(fā)明可應(yīng)用于一體接頭(一種通過不使用聯(lián)接件而是在管體的一端上設(shè)置公螺紋和在另一端上設(shè)置母螺紋將彼此直接相連)。
圖11為示出一體接頭的示意圖，其中設(shè)置在管體的相應(yīng)端部的公螺紋構(gòu)件1和母螺紋構(gòu)件2彼此直接接合，以形成螺紋接頭。示例為了清楚地示出本發(fā)明的效果，對表1示出的樣本進(jìn)行彈塑性(elastoplastic)有限元方法數(shù)字模擬分析。
在表1示出的樣本都是用于OCTG的聯(lián)接型螺紋接頭(如在圖2中示出螺紋接頭)，該螺紋接頭與5-1/2″20#(lb/ft)鋼管(外徑139.7mm和壁厚為9.17mm)一起使用。所有樣本使用的鋼材為由API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為P110的材料。
樣本B為傳統(tǒng)高級接頭形式的比較例。其具有如圖13中所示的公螺紋唇形狀。在圖13中，與之前使用的附圖標(biāo)號相同的附圖標(biāo)號表示相同構(gòu)件。
樣本C-O具有基本上與樣本Q相同的接頭結(jié)構(gòu)，除了各部分的尺寸如表1所示地變化。
但是，對于樣本J，具有上述尺寸的管體端部經(jīng)受通過外部包覆(external overlaying)而加厚(upsetting)，從而其外直徑增大到148.4mm，并且如圖8所示，第二臺肩被設(shè)置在母螺紋的端面上和對應(yīng)的公螺紋上，第二臺肩每個都由垂直于接頭軸線的平面構(gòu)成，并具具有與管體被加厚的量對應(yīng)的厚度。
樣本L為另一個對比例，其中臺肩面被設(shè)置在母螺紋的端面上(而不是在根據(jù)本發(fā)明的公螺紋的端面上)和公螺紋的對應(yīng)位置上。
在圖3中限定的螺紋形狀對所有樣本相對于錐度(1/8)，螺紋高度74(1.575mm)，螺距(5.08mm)以及負(fù)載牙側(cè)角71(3度)都相同。插入牙側(cè)的軸向間距73和插入牙側(cè)角72變化，并且與接頭的其它尺寸一起在表1中示出，其它尺寸包括唇厚度比率(唇厚度41與管壁厚度的比率，其中，唇厚度在接觸密封部分50的中央處測得)，前端部分的長度(前端長度)45，密封面的錐度(密封錐度)44，密封接觸部分的軸向長度(密封長度)50，臺肩角度43、公螺紋和母螺紋的臺肩46、47的倒角，環(huán)形槽32的有和沒有，以及在公螺紋的螺紋和密封面之間的距離(以螺距計算)(見圖5和圖6)。
在有限元分析中，以彈塑性材料作為典型，該材料各向同性地硬化并且具有210GP的彈性模量，以及具有0.2％誤差的屈服強(qiáng)度110ksi(758Mpa)的名義屈服強(qiáng)度。
通過使公螺紋和母螺紋的臺肩面接觸，然后進(jìn)行附加的1.5/100圈的轉(zhuǎn)動對每個樣本進(jìn)行裝配。
在第一分析中，對應(yīng)于管體的100％的屈服強(qiáng)度的壓縮負(fù)載(2852kN)被施加在每個裝配的樣本上，并且基于殘余扭矩比率評估抗壓性能，該殘余扭矩比率被定義為在撤掉負(fù)載(對應(yīng)于作為在加載之后連接的不緊固扭矩的拆卸扭矩)之后殘留的保持扭矩值除以裝配扭矩。(比率越大，越少發(fā)生接頭變松，至少40％的值被認(rèn)為是必須的)。
在第二分析中，在圖12和表2中示出的負(fù)載次序被施加在每個裝配樣本上。通過以這個次序比較平均密封接觸壓力的最小值來評估相對于外部壓力的密封性。(值越大，密封性越好)在表3中示出這些結(jié)果。從表3中的結(jié)果可以看出，根據(jù)本發(fā)明用于鋼管的螺紋接頭具有高于任何一個對比接頭的殘留抗扭矩性能并保持高于任何一個對比接頭的密封接觸壓力，因此，其相對于外部壓力具有極好的抗壓性能和密封性。
由此，根據(jù)本發(fā)明得到了用于鋼管的螺紋接頭，該螺紋接頭相對于外部壓力具有極好抗壓性能和密封性。同時，可便于在油田處理接頭。雖然，即使沒有進(jìn)行諸如模鍛的處理本發(fā)明也具有足夠的性能，但是如果進(jìn)行模鍛以增大公螺紋唇壁厚，不但相對于外部壓力的抗壓性能和密封性而且抗扭性能可進(jìn)一步提高。對于專用管，例如具有極大壁厚的管，通過另外提供第二臺肩和/或金屬對金屬(metal-to-metal)密封部分，可得到相對于外部壓力的高抗壓性能、抗扭性能和/或密封性能。
盡管已經(jīng)參照優(yōu)選實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是它們僅僅是說明性的，而不是意圖限定本發(fā)明。應(yīng)該可以理解，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在不脫離如權(quán)利要求所述的本發(fā)明范圍的情況下對上述實施例進(jìn)行修改和變化。
表1

唇厚度比率為唇厚度與管壁厚度的比率，其中，唇厚度是在密封部分的接觸部分的中央的公螺紋壁厚。
表2

PBYS管體屈服強(qiáng)度，即，管體的屈服強(qiáng)度。
API在API規(guī)范5C3中規(guī)定的管體的破壞壓力(壓碎外部壓力)
表3

(在撤掉負(fù)載之后的保持的扭矩)/裝配扭矩
權(quán)利要求
1.一種用于鋼管的螺紋接頭，包括公螺紋和母螺紋，所述公螺紋具有外螺紋、密封面和臺肩面，所述母螺紋具有內(nèi)螺紋、密封面和臺肩面，所述外螺紋與所述內(nèi)螺紋相互接合，所述公螺紋的密封面與所述母螺紋的對應(yīng)的所述密封面徑向過盈，并且所述公螺紋的所述臺肩面與所述母螺紋的對應(yīng)的所述臺肩面軸向鄰接，其特征在于，(i)所述公螺紋的所述臺肩面設(shè)置在所述公螺紋的端面處，(ii)所述公螺紋的所述密封面位于所述外螺紋附近的管端側(cè)，以及(iii)前端部分設(shè)置在所述公螺紋上、所述密封面和所述臺肩面之間，所述前端部分不與面對所述公螺紋的所述前端部分的所述母螺紋的部分接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鋼管的螺紋接頭，其特征在于，所述前端部分具有圓柱形的外表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于鋼管的螺紋接頭，其特征在于，所述前端部分的軸向長度對于外徑在50和550mm之間的管為在4mm和20mm之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的用于鋼管的螺紋接頭，其特征在于，所述螺紋接頭包括裝置，該裝置用于允許位于所述密封面附近的所述外螺紋的一部分與內(nèi)螺紋避免接合。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于鋼管的螺紋接頭，其特征在于，所述裝置為環(huán)形槽，該環(huán)形槽設(shè)置在所述母螺紋的所述內(nèi)螺紋和所述密封面之間、在所述母螺紋的內(nèi)表面上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于鋼管的螺紋接頭，其特征在于，在所述母螺紋的所述內(nèi)螺紋和所述密封面之間測得的所述環(huán)形槽的軸向長度在1.5至3.5個螺距之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的用于鋼管的螺紋接頭，其特征在于，當(dāng)從所述公螺紋的軸線測量時，所述公螺紋的所述密封面被設(shè)置在(i)所述公螺紋的所述外螺紋的牙頂和末端的切線的徑向的內(nèi)部，以及(ii)所述外螺紋的牙底的延長線(62)的徑向的內(nèi)部。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的用于鋼管的螺紋接頭，其特征在于，所述公螺紋的所述密封面位于距離所述外螺紋不大于一個螺距的距離處。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的用于鋼管的螺紋接頭，其特征在于，所述外螺紋和所述內(nèi)螺紋是錐形螺紋，并且所述外螺紋具有插入部分，在插入部分處，與所述螺紋錐形的錐度相比，所述外螺紋牙底的包絡(luò)具有減小的錐度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于鋼管的螺紋接頭，其特征在于，在所述插入部分中的所述外螺紋牙底的所述包絡(luò)為圓柱面。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的用于鋼管的螺紋接頭，其特征在于，所述公螺紋和所述母螺紋的所述臺肩面為垂直于接頭軸線的平面。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的用于鋼管的螺紋接頭，其特征在于，所述公螺紋和所述母螺紋的所述臺肩面為錐形的，并且與所述接頭軸線的垂線的角度小于16度，從而所述公螺紋的所述臺肩面被所述母螺紋的所述臺肩面鉤住。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項所述的用于鋼管的螺紋接頭，其特征在于，所述公螺紋和所述母螺紋的每一個的所述密封面的形狀可獨(dú)立地從以下各項選擇(i)錐形面，錐形面由相對于接頭軸線傾斜的直線圍繞接頭軸線旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生，(ii)由曲線圍繞接頭軸線旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的凸面，尤其如果曲線為圓弧的復(fù)曲面，以及(iii)復(fù)曲面圓錐形表面，復(fù)曲面圓錐形表面由所述傾斜的直線和所述圓弧的組合線繞接頭軸線旋轉(zhuǎn)而形成。。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的用于鋼管的螺紋接頭，其特征在于，所述公螺紋和所述母螺紋中的一個的所述密封面為錐形面，而所述公螺紋和所述母螺紋中的另外一個的所述密封面為復(fù)曲面或復(fù)曲面圓錐形面，所述復(fù)曲面圓錐形密封面的錐形部分處于所述前端側(cè)，并具有與所述錐形密封面實質(zhì)相同的錐度。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的用于鋼管的螺紋接頭，其特征在于，密封面的錐度在5至25度之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項所述的用于鋼管的螺紋接頭，其特征在于，在所述臺肩面附近的所述公螺紋的內(nèi)表面被倒角，從而公螺紋臺肩的內(nèi)邊緣形成與所述接頭軸線同心的圓。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一項所述的用于鋼管的螺紋接頭，其特征在于，在所述臺肩面附近的所述母螺紋的內(nèi)表面被倒角。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至17中任一項所述的用于鋼管的螺紋接頭，其特征在于，所述外螺紋和所述內(nèi)螺紋每個都具有大體梯形形狀，該梯形形狀包括負(fù)載牙側(cè)、插入牙側(cè)、螺紋牙底和螺紋牙頂，所述插入牙側(cè)與所述接頭軸線的法線的角度不小于3度并且不大于36度。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的用于鋼管的螺紋接頭，其特征在于，在所述負(fù)載牙側(cè)之間存在接觸，當(dāng)裝配所述螺紋接頭時，在所述外螺紋和所述內(nèi)螺紋的所述插入牙側(cè)之間的軸向間距不小于10μm并且不大于150μm。
20.根據(jù)權(quán)利要求1至19中任一項所述的用于鋼管的螺紋接頭，其特征在于，用于鋼管的所述螺紋接頭還在所述母螺紋的端部處設(shè)置有第二系列的臺肩面和/或第二系列的密封面。
全文摘要
一種用于鋼管的螺紋接頭，其包括公螺紋(1)和母螺紋(2)，所述公螺紋具有外螺紋(11)、密封面(13)和位于所述公螺紋的端面上的臺肩面(14)。相應(yīng)的，所述母螺紋具有與所述公螺紋的相應(yīng)部分配合或者接觸的內(nèi)螺紋(21)、密封面(23)和臺肩面(24)。所述公螺紋(1)的臺肩面(14)被設(shè)置在所述公螺紋的端面上。所述公螺紋(1)的密封面(13)位于靠近接頭(11)的管端面上。前端部分(15)在密封面(13)和臺肩面(14)之間被設(shè)置在公螺紋(1)上，前端部分(15)沒有與母螺紋(12)的對應(yīng)部分接觸。
文檔編號E21B17/042GK1798940SQ20048001520
公開日2006年7月5日 申請日期2004年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月6日
發(fā)明者杉野正明, 山本三幸, 巖本理彥, 永作重夫, 皮埃爾·迪蒂耶爾, 加布里埃爾·魯西耶, 埃里奇·貝赫爾 申請人:住友金屬工業(yè)株式會社, 法國瓦盧萊克曼內(nèi)斯曼石油天然氣公司