管用螺紋接頭的制作方法
【專利摘要】一種管用螺紋接頭，其包括均具有接觸表面的銷(1)和箱(2)，接觸表面包括螺紋部(3、7)和無螺紋金屬接觸部。無螺紋金屬接觸部包括密封表面(5、8)和肩部表面(9、10、11、12)，銷的肩部表面位于銷的端部表面，銷和箱彼此不接觸的非接觸區(qū)域(13)存在于銷和箱的密封表面與肩部表面之間。螺紋接頭具有在銷和箱中的至少一方的肩部表面中形成的、延伸到非接觸區(qū)域和延伸到螺紋接頭的內(nèi)部的一個或多個槽。在銷和箱中的至少一方的至少接觸表面形成有固體潤滑涂層，固體潤滑涂層表現(xiàn)出塑性或粘塑性流變行為。槽的總?cè)莘eV(mm3)和固體潤滑涂層的涂層重量W(g)滿足下式：V/W≥24(mm3/g)。
【專利說明】管用螺紋接頭

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種管用螺紋接頭（也被稱為管狀螺紋接頭），其適用于連接石油工 業(yè)用管材并且在其肩部表面上具有槽以便允許高壓流體漏出。具體地，本發(fā)明涉及一種通 過固體潤滑劑涂層防止槽的性能劣化的管用螺紋接頭。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，油井變深并且在越來越惡劣的環(huán)境中開發(fā)油井?；谶@個原因，強烈期望 用于連接包括用于油井或氣井的管（tubing)和殼體（casing)的石油工業(yè)用管材的管狀螺 紋接頭具有在內(nèi)部和外部壓力下的增強的壓縮抗性和改善的密封特性。
[0003] 圖1A是示意性地示出典型的管用螺紋接頭的結(jié)構(gòu)的截面圖，圖1B是圖1A中的部 分A的放大示意性截面圖，圖1C是專利文獻1公開的管用螺紋接頭的唇部附近的局部示意 性截面圖。
[0004] 如圖1A至圖1C所示，管狀螺紋接頭0由在鋼管的兩端的外表面上形成的銷 (pin) 1和在作為單獨構(gòu)件的聯(lián)接件的內(nèi)表面上形成的箱（box) 2構(gòu)成。銷1具有螺紋部3 和唇部4,螺紋部3具有陽螺紋（外螺紋），唇部4是靠近管端部的部分。唇部4具有鄰接 螺紋部3的密封表面5和在銷1的前端表面上的肩部表面9。相應(yīng)地，箱2具有螺紋部7、 密封表面8和肩部表面11，螺紋部7具有陰螺紋（內(nèi)螺紋）。銷和箱的螺紋部、密封表面和 肩部表面構(gòu)成了螺紋接頭的接觸表面。
[0005] 螺紋接頭被設(shè)計成使得當陽螺紋與陰螺紋被以預(yù)定扭矩擰緊直到銷與箱的肩部 表面9和11彼此接觸時，銷和箱的密封表面5和8以預(yù)定的過盈量彼此緊密地接觸以形 成保證螺紋接頭的期望的氣密性的金屬到金屬的密封。在擰緊之前，傳統(tǒng)上已經(jīng)將潤滑脂 (通常是復(fù)合脂）涂布到螺紋接頭的接觸表面以便防止螺紋接頭的磨損的發(fā)生。
[0006] 在圖1C中示出的管用螺紋接頭中，銷1的唇部4以如下方式沿軸向延伸：使得在 銷和箱的密封表面5、8與肩部表面9、11之間形成非接觸區(qū)域13,其中在非接觸區(qū)域13處 銷與箱彼此不接觸。通過以這種方式延伸唇部，銷具有比密封表面靠銷的前端部的、耐變形 性增強的部分。其結(jié)果是，即使在壓力與軸向力的組合負荷條件下銷的密封表面也難以變 形，從而使得能夠改善螺紋接頭的氣密性。
[0007] 圖示的螺紋接頭在銷1的最靠近密封表面5的一個或多個陽螺紋與箱2的相對表 面之間具有另一非接觸區(qū)域14。通過在箱的表面中設(shè)置槽來形成非接觸區(qū)域14,且非接觸 區(qū)域14用作容器以收集在螺紋接頭的組合期間從擰緊的螺紋部排出的潤滑脂。
[0008] 在圖1C中示出的螺紋接頭中，銷1在肩部表面9與非接觸表面13之間具有第二 肩部表面10。與肩部表面9相比，第二肩部表面10相對于與管的軸線垂直的平面的傾斜角 度大且徑向尺寸小。內(nèi)側(cè)的、較大的肩部表面9被稱為主肩部表面，外側(cè)的、較小的肩部表 面10被稱為副肩部表面。相應(yīng)地，除了作為主肩部表面的肩部表面11以外，箱2還具有副 肩部表面12。銷和箱的主肩部表面9和11用于承受在螺紋接頭的組合期間施加的壓縮應(yīng) 力并且還限制唇部4的端部的徑向向內(nèi)的變形，而銷和箱的副肩部表面10和12用于限制 當主肩部表面受到壓縮應(yīng)力時主肩部表面的徑向向外的變形。其結(jié)果是，銷和箱的主肩部 表面可以以穩(wěn)定的方式抵接。
[0009] 當通過螺紋接頭的組合使得螺紋接頭的銷和箱的密封表面和肩部表面與相對的 表面緊密接觸時，位于密封表面與肩部表面之間的非接觸區(qū)域13變成封閉的空間。從緊密 接觸的密封表面和肩部表面排出的潤滑脂和產(chǎn)品流體（product fluid)流入到非接觸區(qū)域 13的封閉空間中并被限制在非接觸區(qū)域13中。如果由于流體的量的增加使得限制在非接 觸區(qū)域13中的流體的壓力變高，則由于壓力使得非接觸區(qū)域13趨向于徑向膨脹，并且由銷 與箱的密封表面之間的緊密接觸實現(xiàn)的螺紋接頭的氣密性存在劣化的可能性。
[0010] 因此，專利文件1公開的螺紋接頭具有至少一個槽，該槽在銷和箱中的至少一方 的肩部表面中具有至少〇. 1_的深度，該槽用作用于限制在非接觸區(qū)域13中的高壓流體的 泄漏路徑。
[0011] 圖2A至圖2D是示出在銷的肩部表面中形成的槽的說明圖。如該圖所示，槽部9a-l 和9a-2(合作地形成槽9a)分別形成在銷1的副肩部表面10和主肩部表面9中。
[0012] 槽9a穿過銷1的主肩部表面9和副肩部表面10兩者。槽9a可以形成在箱的肩 部表面中，或者槽9a的一部分可以形成在銷1的肩部表面中，而剩余部分形成在箱2的肩 部表面中。槽9a連接非接觸區(qū)域13與管狀螺紋接頭0的內(nèi)部。因此，即使限制在非接觸 區(qū)域13中的流體產(chǎn)生高壓，高壓流體也能通過槽9a漏出到管狀螺紋接頭0的內(nèi)部，而密封 表面5與8之間的接觸的狀態(tài)不會改變，從而保持了螺紋接頭的氣密性。
[0013] 當執(zhí)行管狀螺紋接頭的組合時，每次執(zhí)行組合時傳統(tǒng)上已經(jīng)涂布了包含大量重金 屬的液體潤滑脂。從環(huán)境保護和工作效率的角度來看，已經(jīng)開發(fā)出表面涂布有不會排放諸 如重金屬等的污染物到周圍環(huán)境的固體潤滑涂層的的管狀螺紋接頭。
[0014] 圖3是示出在專利文獻2中公開的管狀螺紋接頭的表面上形成的涂層結(jié)構(gòu)的說明 圖，這是具有這種固體潤滑涂層的管狀螺紋接頭的示例。在由銷1和箱2構(gòu)成的管狀螺紋 接頭15中，銷1的接觸表面具有預(yù)備表面處理涂層18,出于表面粗糙化的目的使得預(yù)備表 面處理涂層18可以選擇性地設(shè)置在鋼基板17上，在預(yù)備表面處理涂層18的頂上形成基于 可UV固化的樹脂的固體防腐涂層19。箱2的接觸表面具有預(yù)備表面處理涂層21，出于表 面粗糙化的目的使得預(yù)備表面處理涂層21可以選擇性地設(shè)置在鋼基板20上，在預(yù)備表面 處理涂層21的頂上形成固體潤滑涂層22。
[0015] 固體潤滑涂層22是表現(xiàn)出塑性或粘塑性流變行為的涂層，其中涂層的流動性隨 壓力顯著地變化。與不具有上述流變行為的固體潤滑涂層（諸如由包含潤滑粉末的熱固性 樹脂制成的剛性涂層）相比，具有這種特性的涂層能夠表現(xiàn)出較高的耐磨損性。此外，由于 這種類型的涂層的隨著壓力增大的流動性使得這種類型的涂層能夠表現(xiàn)出自我修復(fù)功能。 [0016] 現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0017] 專利文獻
[0018] 專利文獻 l-W〇2〇〇9/〇6〇729A
[0019] 專利文獻 2-W02009/072486A


【發(fā)明內(nèi)容】

[0020] 專利文獻1中公開的管狀螺紋接頭0是在使用傳統(tǒng)的液體潤滑脂的前提下提出 的。在這種情況下，即使槽9a填充有液體潤滑脂，由于潤滑脂的流動性使得槽也不會被阻 塞。即，如果被限制在非接觸區(qū)域13中的流體的壓力高，則流體能通過槽9a漏出到管狀螺 紋接頭的內(nèi)部，使得非接觸區(qū)域13保持與螺紋接頭的內(nèi)部相同的壓力。
[0021] 然而，如果如專利文獻2中公開的表現(xiàn)出塑性或粘塑性流變行為的固體潤滑涂層 被涂布到專利文獻1公開的管狀螺紋接頭0,則在螺紋接頭的組合時，存在從肩部表面擠出 的固體潤滑涂層的一部分會流入槽9a中的可能性，從而引起槽9a被固體潤滑涂層填充。如 果這種情況發(fā)生，則由于固體潤滑涂層的流動性比液體潤滑脂的流動性低得多的事實，使 得槽被阻塞且不能起到泄漏路徑的作用。其結(jié)果是，增大了非接觸區(qū)域13內(nèi)的壓力，導(dǎo)致 由密封表面實現(xiàn)的螺紋接頭的氣密性劣化。
[0022] 本發(fā)明的目的是提供一種管用螺紋接頭，其具有在構(gòu)成螺紋接頭的銷和箱中的至 少一方的接觸表面上形成的、表現(xiàn)出塑性或粘塑性流變行為的固體潤滑涂層，且該管用螺 紋接頭具有在肩部表面中形成的槽，其中可以防止槽被阻塞，從而防止由于槽的阻塞導(dǎo)致 的螺紋接頭的氣密性的降低。
[0023] 本發(fā)明是一種管用螺紋接頭，其包括均具有接觸表面的銷和箱，接觸表面包括螺 紋部和無螺紋金屬接觸部，無螺紋金屬接觸部包括密封表面和肩部表面，銷的肩部表面位 于銷的端部表面，銷和箱彼此不接觸的非接觸區(qū)域存在于銷和箱的密封表面與肩部表面之 間，螺紋接頭具有在銷和箱中的至少一方的肩部表面中形成的、延伸到非接觸區(qū)域和延伸 到螺紋接頭的內(nèi)部的一個或多個槽，其特征在于，
[0024] 在銷和箱中的至少一方的至少接觸表面形成有固體潤滑涂層，固體潤滑涂層表現(xiàn) 出塑性或粘塑性流變行為，并且
[0025] 槽的總?cè)莘eV和固體潤滑涂層的涂層重量W滿足下式（1)，其中槽的總?cè)莘eV的單 位為mm3,涂層重量W的單位為g :
[0026] V/ff ^ 24mm3/g.....(1)。
[0027] 為了便于涂層的形成，在銷和/或箱的整個表面上形成固體潤滑涂層是有利的。 銷或箱的表面意味著面向另一構(gòu)件且通常從其螺紋部延伸到肩部表面的表面。
[0028] 在管用螺紋接頭的優(yōu)選的實施方式中，銷和箱的肩部表面均由主肩部表面和連接 到該主肩部表面的副肩部表面構(gòu)成。主肩部表面具有反向傾斜角度且延伸到螺紋接頭的內(nèi) 部，副肩部表面位于主肩部表面與非接觸區(qū)域之間并具有相對于與管的軸線垂直的平面的 傾斜角度，副肩部表面的傾斜角度大于主肩部表面的傾斜角度。肩部表面中或主肩部表面 中的槽的開口（上端部）的面積優(yōu)選地不大于肩部表面或主肩部表面的表面面積的40%。
[0029] 在具有在密封表面與肩部表面之間的非接觸區(qū)域和當限制在非接觸區(qū)域中的流 體的壓力變高時用作泄漏路徑的槽的根據(jù)本發(fā)明的管用螺紋接頭中，不管是否存在在銷和 箱中的至少一方的接觸表面上形成的、表現(xiàn)出塑性或粘塑性流變行為的固體潤滑涂層，都 能夠防止槽被潤滑涂層填充，而填充有潤滑涂層可能導(dǎo)致作為泄漏路徑的槽出現(xiàn)故障。其 結(jié)果是，能夠可靠地防止由于限制在非接觸區(qū)域中的流體的壓力過度增大導(dǎo)致的螺紋接頭 的密封性能以及氣密性的劣化。由于接觸表面形成有具有塑性或粘塑性流變行為的固體潤 滑涂層，因此根據(jù)本發(fā)明的管用螺紋接頭具有改善的耐磨損性和防銹性能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030] 圖1A是示意性地示出典型的管用螺紋接頭的結(jié)構(gòu)的截面圖，圖1B是圖1A中的部 分Α的放大示意性截面圖，圖1C是專利文獻1中公開的管用螺紋接頭的唇部附近的局部示 意性截面圖。
[0031] 圖2A至圖2C是示出在銷的主肩部表面和副肩部表面中形成的槽的說明圖，圖2D 是副肩部表面與主肩部表面之間的邊界附近的放大縱向截面圖。
[0032] 圖3是示出在銷和箱的接觸表面上形成的涂層結(jié)構(gòu)的說明圖。
[0033] 圖4是示出在密封試驗中得到的、槽的總?cè)莘e與固體潤滑劑的涂層重量之間的關(guān) 系的圖表。
[0034] 圖5是示出作為專利文獻1中公開的管用螺紋接頭中的槽的寬度的函數(shù)的、主肩 部表面的接觸面積的變化的圖表，該管用螺紋接頭具有形成有槽的兩級肩部表面并且具有 10-3/4〃(27.3cm)的外徑和 60.71b/ft(90.4kg/m)的標稱重量。
[0035] 圖6是示出測量非接觸區(qū)域內(nèi)部的壓力的方法的說明圖。

【具體實施方式】
[0036] 將參照【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明。管用螺紋接頭具有與參照圖1A至圖1C、圖2A至圖2D和 圖3說明的傳統(tǒng)的管用螺紋接頭類似的結(jié)構(gòu)，因此在接下來的說明中，將參照這些附圖。
[0037] 如通過圖1A至圖1C所示，根據(jù)本發(fā)明的管用螺紋接頭30由銷1和箱2構(gòu)成，銷 1是具有陽螺紋或外螺紋的接頭元件，箱2是具有陰螺紋或內(nèi)螺紋的接頭元件。
[0038] 如圖1A所示，典型的管用螺紋接頭屬于聯(lián)接件類型（coupling type)，其中銷1形 成在鋼管的兩端的外表面上且箱2形成在作為單獨構(gòu)件的聯(lián)接件的內(nèi)表面上。還可以是不 使用聯(lián)接件的一體的螺紋接頭，在這種螺紋接頭中，鋼管的一端被制成銷1且另一端被制 成箱2。根據(jù)本發(fā)明的管用螺紋接頭30可以是這些類型中的任意一種。在接下來的說明 中，將相對于圖1A中示出的聯(lián)接件類型的管用螺紋接頭30來說明本發(fā)明。
[0039] 根據(jù)本發(fā)明的管用螺紋接頭30優(yōu)選被應(yīng)用到壁厚t(mm)與外徑D(mm)的比（t/D) 為至少0. 03且至多0. 17的鋼管。將提供壁厚是9mm至16mm且外徑是9-1/2英寸至13-1/2 英寸的情況的示例。
[0040] 銷1和箱2均具有在組合螺紋接頭時彼此接觸的接觸表面。銷1的接觸表面包括 具有陽螺紋的螺紋部3和位于靠近銷的前端的無螺紋金屬接觸部。銷的比螺紋部3靠近前 端的部分是唇部4。在銷1的唇部4上形成的無螺紋金屬接觸部包括位于螺紋部3附近的 密封表面5和在銷1的端表面上形成的肩部表面（也被稱為扭矩肩部表面）。相應(yīng)地，箱2 具有螺紋部7、密封表面8、和肩部表面，螺紋部7具有陰螺紋。
[0041] 對于通用的優(yōu)質(zhì)接頭，要求具有管體的屈服強度的大約40%至60%的壓縮性能， 在一些油井中，壓縮性能必須超過 80%。當然，不僅由肩部承受、而且還由螺紋部承受壓縮 負荷，如果使用具有良好的承受壓縮負荷的能力的螺紋，則可以將肩部上的負荷降低到一 定程度。但是，唇部4的厚度（銷的在密封表面5的中間處的壁厚）被制成為管體的壁厚 的至少25%、優(yōu)選地為至少50%，使得唇部具有所需的耐壓縮性。
[0042] 銷的密封表面的厚度越大,密封表面的針對外部壓力的密封能力越大。因此可以 在唇部的端部的內(nèi)表面上形成倒角，以便通過由增加圓度來防止湍流。
[0043] 銷1和箱2的密封表面5和8的形狀可以被制成相對于接頭軸線傾斜的直線或者 諸如圓弧等的曲線（前者將被稱為截頭圓錐面，后者將被稱為旋轉(zhuǎn)曲面），或者可以是通過 繞著接頭軸線轉(zhuǎn)動作為兩種線的組合的線段而形成的旋轉(zhuǎn)表面（即，截頭圓錐面和旋轉(zhuǎn)曲 面的組合）。優(yōu)選地，銷1和箱2中的一方的密封表面被制成截頭圓錐面，另一方的密封表 面是旋轉(zhuǎn)曲面或者是旋轉(zhuǎn)曲面與截頭圓錐面的組合。其結(jié)果是，提高了接頭的密封性能，磨 損變得難以發(fā)生。
[0044] 如果密封表面5和8的傾斜角度相對于管的軸線太陡，則導(dǎo)致在有拉伸負荷時，密 封接觸壓力降低，而如果傾斜太平緩，則由于滑動距離的增大導(dǎo)致磨損變得容易發(fā)生。密封 表面的傾斜角度在從5°至25°范圍并優(yōu)選在從10°至20°的范圍。當采用錐形螺紋時， 密封表面的傾斜角度比螺紋3、7的傾斜角度大。例如，螺紋的傾斜角度在Γ至5°之間并 優(yōu)選為大約1.6°。
[0045] 在圖示的實施方式中，如圖1C所示，銷1的肩部表面具有兩級結(jié)構(gòu)，該兩級結(jié)構(gòu)具 有在內(nèi)側(cè)的主肩部表面9和在外側(cè)的與主肩部表面鄰接的副肩部表面10。主肩部表面9是 具有反向傾斜角度（朝向管中心相對于銷插入方向向后傾斜）的反向肩部表面。類似地， 箱2的肩部表面也具有兩級結(jié)構(gòu)，該兩級結(jié)構(gòu)具有主肩部表面11和副肩部表面12。
[0046] 銷和箱的接觸表面，即銷和箱的螺紋部、密封表面和肩部表面被設(shè)計成：使得在銷 1插入到箱2且以預(yù)定扭矩擰緊螺紋直到肩部表面彼此接觸時，銷1和箱2的密封表面以預(yù) 定的過盈量緊密地彼此接觸以形成金屬與金屬的密封。當如圖1C所示肩部表面具有包括 內(nèi)側(cè)的主肩部表面和外側(cè)的副肩部表面的兩級結(jié)構(gòu)時，以預(yù)定扭矩執(zhí)行對螺紋的擰緊，直 到主肩部表面彼此接觸。
[0047] 銷和箱的主肩部表面9、11相對于與管的軸線垂直的平面的傾斜角度Θ i小于副 肩部表面10、12的傾斜角度θ2。主肩部表面9、11的徑向尺寸（壁厚）大于副肩部表面 1〇、12的徑向尺寸。其結(jié)果是，主肩部表面9、11用于承受在螺紋接頭組合期間施加的壓縮 應(yīng)力并且還限制唇部4的端的徑向向內(nèi)變形，而副肩部表面10、12用于當主肩部受到壓縮 應(yīng)力時限制主肩部表面的徑向向外變形。
[0048] 主肩部表面9、11相對于與管的軸線垂直的平面的傾斜角度選地為5°至 25°的范圍，且更優(yōu)選地在10°至20°。主肩部表面具有反向傾斜角度，S卩，主肩部表面朝 向管中心相對于銷插入方向向后傾斜，而副肩部表面朝向管中心相對于銷插入方向向前傾 斜。優(yōu)選地，副肩部表面相對于與管的軸線垂直的平面的傾斜角度9 2是60°至85°，即， 副肩部表面以相對于管的軸線5°至30°的角度傾斜。副肩部表面10、12的傾斜角度優(yōu)選 地大于密封表面5、8的傾斜角度。銷1的主肩部表面9的壁厚優(yōu)選地是副肩部表面10的 壁厚的至少1. 5倍，更優(yōu)選地是副肩部表面10的壁厚的至少2. 5倍且至多6倍，最優(yōu)選地 是副肩部表面10的壁厚的至少3倍且至多5倍。
[0049] 銷1的主肩部表面9與副肩部表面10之間的連接優(yōu)選地形成具有至多1. 5_半 徑的圓形頂端部。其結(jié)果是，可以使得主肩部表面和副肩部表面的接觸面積被最大化，實現(xiàn) 了耐壓縮性的增大和對肩部表面的徑向變形的抑制。
[0050] 在上述專利文獻1中描述了管用螺紋接頭的形狀的細節(jié)。如專利文獻1中描述地， 副肩部表面10、12在組合螺紋接頭時有時未彼此接觸，但在本發(fā)明中副肩部表面10、12被 認為是接觸表面。
[0051] 更具體地，副肩部表面的幾何直徑過盈量（在擰緊銷和箱之前在基準平面處測量 的直徑的差）被制成為密封表面的幾何直徑過盈量的至多1. 1倍，且優(yōu)選地被制成為大致 等于密封表面的幾何直徑過盈量。"大致等于"的表述允許可達5%的變化量。
[0052] 通過將銷和箱的副肩部表面10、12設(shè)計成使得具有與處于正常擰緊狀態(tài)的密封 表面5、8之間的過盈量幾乎相同的過盈量，由于銷和箱的密封表面的過盈量的效果使得銷 的整個唇部將向內(nèi)彎曲（直徑減?。?，且銷的副肩部表面將向內(nèi)至少彎曲與密封表面的過 盈量相同的量，因此在銷和箱的副肩部表面之間將不會發(fā)生接觸。
[0053] 然而，允許副肩部10、12在正常擰緊狀態(tài)彼此接觸。在這種情況下，副肩部的接觸 壓力被制成為密封表面的接觸壓力的至多50%，以便對密封性能沒有不利的影響。
[0054] 正常擰緊狀態(tài)意味著螺紋接頭的銷和箱被擰緊以達到接頭的制造者根據(jù)接頭的 形狀和材料所規(guī)定的適當?shù)臄Q緊扭矩。在正常擰緊狀態(tài)中，銷和箱的肩部表面（在是根據(jù) 本發(fā)明的螺紋接頭的情況下的主肩部表面）以一定量的過盈量彼此接觸而沒有全部屈服 或大程度地塑性變形。
[0055] 可以使得本發(fā)明應(yīng)用成銷和箱的肩部表面中的每一方都不具有副肩部表面而僅 由主肩部表面構(gòu)成的管用螺紋接頭。
[0056] 根據(jù)本發(fā)明的管用螺紋接頭30在銷和箱的密封表面5、8與肩部表面（在是兩級 肩部結(jié)構(gòu)的情況下為靠近密封表面的副肩部表面）之間具有非接觸區(qū)域13,且根據(jù)本發(fā)明 的管用螺紋接頭30還具有在銷和箱中的至少一方的肩部表面中形成的且延伸到非接觸區(qū) 域13和螺紋接頭30的內(nèi)部（肩部的內(nèi)端部）的一個或多個槽。當銷和箱的肩部表面具有 如圖2A至圖2C所示地用于銷肩部表面的兩級結(jié)構(gòu)時，槽由彼此連接的在外側(cè)的副肩部表 面10上形成的槽部9a-l (下文稱為外側(cè)槽部9a-l)和在內(nèi)側(cè)的主肩部表面9上形成的槽 部9a_2(下文稱為內(nèi)側(cè)槽部9a_2)構(gòu)成。由這兩個槽部構(gòu)成的槽被稱為槽9a。
[0057] 以能夠?qū)崿F(xiàn)增加密封表面的耐變形性的上述目的的方式選擇非接觸區(qū)域13的軸 向長度。在是用于石油工業(yè)用管材的管尺寸（外徑在50mm至550mm的范圍）的情況下，非 接觸區(qū)域13的軸向長度（縱向長度）優(yōu)選地為大約4_至20_的范圍。當肩部表面具有 上述的兩級結(jié)構(gòu)時，鑒于副肩部表面可能不彼此接觸的事實，優(yōu)選地非接觸區(qū)域13和副肩 部表面10、12的總軸向長度為4mm至20mm的范圍。非接觸區(qū)域13的徑向（與軸向垂直的 方向）尺寸優(yōu)選地從〇· 1mm至1mm。
[0058] 在圖示的實施方式中，非接觸區(qū)域13由銷和箱的錐形表面構(gòu)成。在這種情況下， 箱的這個區(qū)域的表面用作在銷插入到箱中時的引導(dǎo)部，由此銷和箱的密封表面能夠以穩(wěn)定 的方式接觸，使得密封性能和耐磨損性得到改善。形成非接觸區(qū)域的錐形表面相對于軸向 的傾斜角度優(yōu)選地小于10°且小于密封表面的傾斜角度。銷和箱的形成非接觸區(qū)域13的 表面可以是與管的軸向平行的圓柱形表面。通過采用這種形狀，可以在鋼管的有限的壁厚 內(nèi)增大銷肩部的壁厚，從而提高螺紋接頭的壓縮抗性。
[0059] 在圖示的實施方式中，槽9a形成在銷的肩部表面中。然而，槽9a可以形成在箱的 肩部表面中，或者槽9a的一部分（例如，副肩部表面中的槽部9a_l)可以形成在箱中，剩余 部分（例如主肩部表面中的槽部9a_2)可以形成在銷中。槽9a使得非接觸區(qū)域13與管狀 螺紋接頭〇的內(nèi)部連通。因此，即使非接觸區(qū)域13中的流體的壓力變高，高壓流體也可以 通過槽9a漏到管狀螺紋接頭0的內(nèi)部。在圖示的實施方式中，槽部9a_l和9a_2在肩部表 面中螺旋地（斜向地）形成。
[0060] 為了實現(xiàn)上述功能，當銷和箱中的每一方的肩部表面都具有主肩部表面和副肩部 表面時，在副肩部表面中形成的外側(cè)槽部9a-l和在主肩部表面中形成的內(nèi)側(cè)槽部9a-2必 須彼此連通?；谶@個目的，如圖2D所示，可以設(shè)置凹部9c以在與銷1的肩部表面9和10 的頂端部9b (連接銷1的主肩部表面9和副肩部表面10的部分）相對的箱2的肩部的最 后側(cè)部形成至少從與外側(cè)槽部9a_l的內(nèi)端部相對的點到與內(nèi)側(cè)槽部9a_2的外端部相對的 點的周向的連接通道（如圖2B中通過粗線示出的）。采用這種方式，通過設(shè)置在箱中的沿 著銷的頂端部9b的凹部9c連接槽部9a-l和9a-2?？蛇x地，可以通過沿著頂端部9b至少 從外側(cè)槽部9a_l的內(nèi)端部到內(nèi)側(cè)槽部9a_2的外端部形成倒角或凹部來實現(xiàn)槽部9a_l與 9a_2之間的連接通道?？梢試@整個周長形成這種連接通道。為了避免堵塞，連接通道優(yōu) 選具有槽部9a_l和9a_2的截面面積的至少兩倍、更優(yōu)選地為至少三倍的截面面積。
[0061] 如圖2C所示，在內(nèi)側(cè)槽部9a_2的外端部與外側(cè)槽部9a_l的內(nèi)端部鄰接的狀態(tài) 下，可以直接地連接外側(cè)槽部9a_l和內(nèi)側(cè)槽部9a_2。該配置使得不需要形成如上述那樣的 連接通道，但是如圖2A所示，將外側(cè)槽部9a-l和內(nèi)側(cè)槽部9a-2設(shè)置在周向上的相同位置 使得開槽（形成槽）稍微容易些。例如，在任一情況下，可以使用NC(數(shù)控）機床系統(tǒng)實現(xiàn) 槽部9a_l和9a_2的開槽。
[0062] 在本發(fā)明的另一實施方式中，外側(cè)槽部9a_l和內(nèi)側(cè)槽部9a_2沒有如圖2A至圖2C 示出地斜向地延伸，而是沿徑向延伸，并優(yōu)選地沿徑向延伸的兩個槽部彼此直接連接。采用 這種方式，各槽部的長度被最小化，流體可以容易漏出，可以不使用數(shù)控機床實現(xiàn)開槽。然 而，必須使用專用的開槽設(shè)備。
[0063] 在圖2B和2C中示出的實施方式中，為了確保非接觸區(qū)域13與管狀螺紋接頭的內(nèi) 部之間的連通，在周向的三個等間隔的位置處設(shè)置槽9a。在至少一個位置設(shè)置槽9a是足 夠的，并且在槽9a的位置數(shù)量上沒有特別的上限，但通常8個或更少的位置是足夠的。銷 1優(yōu)選具有2個至4個這種槽9a。
[0064] 在槽9a的截面形狀上沒有特別的限制，但槽9a應(yīng)當具有使得流體能通過的截面 面積。各槽9a的深度為至少0.1mm、優(yōu)選地為至少0.2mm。為了防止由于由槽9a的形成引 起的主肩部表面9的接觸表面面積的減少而導(dǎo)致在壓縮狀態(tài)下螺紋接頭的性能的顯著降 低，內(nèi)側(cè)槽部9a_l和外側(cè)槽部9a_2的周向長度優(yōu)選地使得槽部9a_l和9a_2中的每一方 繞著肩部表面的外周延伸至多180°。例如，如圖2B或2C所示，在槽部9a-l和9a-2分別 設(shè)置在主肩部表面9和副肩部表面10中的情況中，各槽部9a-l和9a-2優(yōu)選地具有沿著圓 弧測量的至多180°、更優(yōu)選地為至多120°的長度。
[0065] 如上所述地，銷1和箱2的螺紋部3和7、密封表面5和8、以及肩部表面9、10和 11、12分別構(gòu)成了管用螺紋接頭30的接觸表面。要求螺紋接頭具有諸如耐磨損性、氣密性、 和耐腐蝕性等的特性?；谶@個目的，過去，在每次執(zhí)行螺紋接頭的組合之前，將諸如包含 重金屬粉末的復(fù)合脂等的潤滑脂涂布到銷和箱中的至少一方的接觸表面。然而，從環(huán)境保 護和工作效率的觀點來看，這種涂布有問題。
[0066] 如圖3所示，根據(jù)本發(fā)明的管用螺紋接頭在銷1和箱2中的至少一方的至少接觸 表面上具有表現(xiàn)出塑性或粘塑性流變行為的固體潤滑涂層22。表現(xiàn)出這種流變行為的涂層 在大氣壓力下不流動，但能在高壓下流動。即，涂層的流動性根據(jù)壓力顯著地變化。其結(jié)果 是，能夠賦予螺紋接頭改善的耐磨損性、氣密性、和耐腐蝕性，從而使得能夠執(zhí)行接頭的組 合而無需涂布潤滑脂并且能夠保護螺紋接頭的表面免于銹蝕。
[0067] 固體潤滑涂層意味著在室溫下是固體的涂層，具體地意味著在40°C或以下時是固 體的涂層。如這里使用的術(shù)語塑性意味著當受到壓力時產(chǎn)生不隨時間變化的永久變形的材 料的特性。術(shù)語粘塑性意味著當受到壓力時產(chǎn)生基于時間變化的永久變形的材料的特性。 表現(xiàn)出塑性或粘塑性流變行為的固體潤滑涂層表現(xiàn)出如下行為：當其處于固態(tài)時涂層的流 動性基于壓力顯著地變化。
[0068] 在圖3中示出的實施方式中，銷1的表面具有固體防腐涂層19和在鋼基板17上 的用于表面粗糙化的預(yù)備表面處理涂層18,并且箱2的表面具有固體潤滑涂層22和在鋼基 板20上的用于表面粗糙化的預(yù)備表面處理涂層21。為了使附圖更容易理解，從圖1和圖2 省略固體潤滑涂層22和其它涂層。
[0069] 如圖3所示可以在銷和箱中的一方的表面上形成固體潤滑涂層22。在這種情況 中，在另一構(gòu)件的表面上形成的涂層不限于固體防腐涂層，而可以是不表現(xiàn)出塑性或粘塑 性流變行為的固體潤滑涂層（例如，包含分散在諸如環(huán)氧樹脂等的熱固性樹脂中的固體潤 滑劑的涂層）?？蛇x地，在另一構(gòu)件的表面上，可以不形成涂層或者可以僅形成預(yù)備表面處 理涂層。通常，在銷或箱的整個表面上形成固體潤滑涂層、固體防腐涂層、和預(yù)備表面處理 涂層，但是也可以從表面的除了接觸表面以外的部分（諸如非接觸區(qū)域13的部分）省略這 種涂層。
[0070] 下面，將說明圖3中示出的各種涂層。
[0071] 預(yù)備表面處理
[0072] 通過包括螺紋切削的切削操作來形成螺紋接頭30的銷1和箱2的接觸表面（螺 紋部、密封表面、和肩部表面），并且它們的表面粗糙度通常為3 μ m至5 μ m左右。如果接觸 表面的表面粗糙度制得更大，則能夠增大在它們頂上形成的涂層的粘合性，其結(jié)果是，能夠 改善諸如耐磨損性和耐腐蝕性等性能?；谶@個理由，優(yōu)選地在銷1和箱2中的至少一方、 優(yōu)選兩方的接觸表面上形成涂層之前執(zhí)行能夠增大表面粗糙度的預(yù)備表面處理。
[0073] -種類型的這種預(yù)備表面處理是形成具有增大表面粗糙度的預(yù)備涂層18、21?？?以通過諸如形成增加表面粗糙度的針狀晶體的涂層的磷酸鹽處理、草酸鹽處理、或硼酸鹽 處理等的化學(xué)轉(zhuǎn)化處理或通過噴射涂有鋅或鋅合金的鐵球以形成多孔的鋅基涂層來實現(xiàn) 預(yù)備涂層18、21的形成。
[0074] 其它類型的預(yù)備表面處理包括噴丸（shot blasting)或噴砂（grit blasting)處 理和酸洗。這些處理能夠增大基板自身的表面粗糙度，且不用形成預(yù)備表面處理涂層。
[0075] 盡管沒有表面粗糙化效果，但是也可以采用能夠增大固體潤滑涂層或固體防腐涂 層的粘合性的金屬電鍍作為預(yù)備表面處理。金屬電鍍可以是形成兩層或更多層的多層電 鍍。
[0076] 預(yù)備表面處理通常在螺紋接頭的表面上形成具有均一厚度的涂層，在預(yù)備表面處 理之后，大致保持槽9a的形狀。
[0077] 固體防腐涂層
[0078] 對固體防腐涂層具有如下的要求：在安裝用于保護銷或箱的接觸表面直到螺紋接 頭的組合的現(xiàn)場操作（on-site operation)的保護器時施加力的情況下不容易損壞，當在 運輸或儲存期間暴露于冷凝水時其不會溶解，并且即使在超過40°C的高溫下也不容易軟 化。
[0079] 具有這些特性的固體防腐涂層可以由熱固性樹脂形成，但優(yōu)選的是可UV固化的 樹脂的涂層。因為可UV固化的樹脂涂層通常是高度透明的，優(yōu)選地形成在銷的接觸表面 上。在輸送期間，典型地在鋼管的端部的外表面上形成的銷比箱易受到損壞。因此，在組合 時，通過視覺檢查來頻繁地檢查銷的表面、特別是銷的螺紋部的表面是否存在損壞?？蒛V 固化的樹脂涂層不妨礙這種視覺檢查并使得能夠從涂層頂部檢查而無需去除該涂層。
[0080] 固體防腐涂層的厚度通常在5 μ m至50 μ m的范圍且優(yōu)選地在10 μ m至30 μ m的 范圍。通常在螺紋接頭的包括槽和螺紋部的表面上均勻地形成固體防腐涂層，并且該固體 防腐涂層具有強粘合性以便在運輸和儲存期間保護螺紋接頭的表面。因此，該固體防腐涂 層填充前述肩部表面中的槽9a和阻止槽的作為泄漏路徑的功能的可能性小。
[0081] 可以在上述的專利文獻2中找到可UV固化的樹脂涂層的其它細節(jié)。
[0082] 固體潤滑涂層
[0083] 在本發(fā)明中，表現(xiàn)出塑性或粘塑性流變行為的且能夠為管用螺紋接頭提供改善的 耐磨損性、氣密性、和防銹特性的固體潤滑涂層形成在銷和箱中的至少一方的接觸表面上。 當可UV固化的樹脂涂層如上所述地形成在銷的接觸表面上作為固體防腐涂層時，固體潤 滑涂層形成在箱的接觸表面上。盡管在專利文獻2中詳細地說明了表現(xiàn)出塑性或粘塑性流 變行為的固體潤滑涂層，但下面仍給出簡要說明。
[0084] 這種類型的固體潤滑涂層典型地是包含少量的分散在表現(xiàn)出塑性或粘塑性流變 行為的基質(zhì)中的固體潤滑劑的涂層。優(yōu)選的固體潤滑涂層包括70質(zhì)量百分比（mass%)至 95質(zhì)量百分比的基質(zhì)和5質(zhì)量百分比至30質(zhì)量百分比的固體潤滑劑。由于固體潤滑劑的 比例小，因此涂層整體表現(xiàn)出基質(zhì)的塑性或粘塑性流變行為的特征。
[0085] 基質(zhì)優(yōu)選具有范圍在80°C至320°C的熔點。其結(jié)果是，能夠通過使用通用噴槍噴 涂處于至少基質(zhì)的熔點的溫度條件下的熔融的組合物來形成固體潤滑涂層?；|(zhì)優(yōu)選地 包括熱塑性聚合物、蠟、和金屬皂，并且更優(yōu)選地基質(zhì)還包含腐蝕抑制劑和非水溶性液體樹 脂。
[0086] 基質(zhì)中使用的熱塑性聚合物優(yōu)選是聚乙烯。聚乙烯具有相對低的熔點，因此可以 在150°C或以下的溫度條件下實施熱熔噴涂，形成的涂層具有優(yōu)異的潤滑特性。
[0087] 金屬皂是高級脂肪酸（具有至少12個碳原子的脂肪酸）和除了堿金屬以外的金 屬的皂。金屬皂提供了捕捉在螺紋接頭的組合或分開時形成的碎片和抑制碎片排放到外部 環(huán)境的效果。另外，金屬皂具有通過減小摩擦系數(shù)增大涂層的潤滑性的效果，并且金屬皂還 具有防止腐蝕的效果。優(yōu)選地，金屬皂是硬脂酸鋅和硬脂酸鈣。
[0088] 蠟具有像金屬皂具有的功能一樣的功能。因此，在固體潤滑涂層中，可以僅包含金 屬皂和蠟中的一種，但是固體潤滑涂層優(yōu)選地包含金屬皂和蠟兩者，因為包含兩者改善了 涂層的潤滑特性。蠟具有低熔點，因此具有如下優(yōu)點：降低了涂層組合物的熔點、相應(yīng)地降 低了用于噴涂的溫度。蠟可以是動物、植物、礦物和合成蠟中的任意一種。特別優(yōu)選的蠟是 巴西棕櫚蠟。
[0089] 蠟與金屬皂的質(zhì)量比優(yōu)選在如下的范圍：相對于一份金屬皂有0. 5份至3份的蠟。 這個質(zhì)量比更優(yōu)選是〇. 5至2,最優(yōu)選地是大約1。
[0090] 傳統(tǒng)上已經(jīng)作為腐蝕抑制劑而被添加到潤滑油的類型的腐蝕抑制劑是優(yōu)選的， 因為它們具有優(yōu)異的潤滑特性。這種類型的腐蝕抑制劑的典型示例包括路博潤公司 (Lubrizol Corporation)銷售的商標名為Alox?606的磺酸|丐衍生物、哈魯克公司（Halox Corporation)銷售的商標名為Halox? SZP-391的磷硅酸鍶鋅、以及王牌工業(yè)公司（King Industries，Inc)制造的NA-SUL? Ca/W1935。在固體潤滑涂層中的存在腐蝕抑制劑使得即 使沒有在固體潤滑涂層的頂上形成固體防腐涂層而僅通過固體潤滑涂層也能夠在一定程 度上防止接觸表面的腐蝕。基于這個目的，固體潤滑涂層優(yōu)選包含至少5質(zhì)量百分比的腐 蝕抑制劑。
[0091] 非水溶性液體樹脂（在室溫條件下是液體的樹脂）增大了熔融狀態(tài)下的涂層組成 物的流動性，從而減少了噴涂期間的問題。如果以少量存在，則液體樹脂不會使得最終的固 體潤滑涂層產(chǎn)生粘著性。優(yōu)選地，從聚（甲基丙烯酸烷基酯）、聚丁烯、聚異丁烯、聚二烷基 娃氧燒（polydialkylsiloxane)(諸如聚二甲基娃氧燒等的液體娃樹脂）中選擇液體樹脂。 液體聚二烷基硅氧烷還用作表面活性劑。
[0092] 除了上述的組分以外，基質(zhì)還可以包含從表面活性劑、染色劑、抗氧化劑等中選擇 的少量的其它添加劑?；|(zhì)也可以以至多2質(zhì)量百分比的極其少量包含極壓劑（extreme pressure agent)、液體潤滑劑等。
[0093] 固體潤滑涂層的基質(zhì)的優(yōu)選的組合物（質(zhì)量百分比）的示例如下：
[0094] 5%至40%的熱塑性聚合物，
[0095] 5 %至 30 % 的蠟，
[0096] 5 %至30 %的金屬皂，
[0097] 0至50%的腐蝕抑制劑，
[0098] 0至17%的非水溶性液體樹脂，
[0099] 0至2%的表面活性齊[J、染色劑、和抗氧化劑中的每一種，以及
[0100] 〇至2 %的極壓劑和液體潤滑劑中的每一種。
[0101] 對于各組分，可以使用兩種或更多種材料。
[0102] 優(yōu)選的固體潤滑涂層的基質(zhì)的更具體的組合物（質(zhì)量百分比）的示例如下：
[0103] 5 %至40 %的聚乙烯均聚物，
[0104] 5%至30%的巴西棕櫚蠟，
[0105] 5 %至30 %的硬脂酸鋅，
[0106] 5%至50%的腐蝕抑制劑，
[0107] 0至15 %的聚（甲基丙烯酸烷基酯），
[0108] 0至2%的聚（二甲基硅氧烷），
[0109] 0至2%的染色劑，以及
[0110] 〇至1%的抗氧化劑。
[0111] 分散在基質(zhì)中的固體潤滑劑意味著具有潤滑特性的粉末。優(yōu)選地，可以使用從石 墨、氧化鋅、氮化硼、二硫化鑰、二硫化鎢、氟化石墨、硫化錫、硫化鉍、聚四氟乙烯（PTFE)和 聚酰胺中選出的一種或多種固體潤滑劑。
[0112] 除了固體潤滑劑之外，固體潤滑涂層還可以包含用于調(diào)整滑動特性的無機粉末。 這種無機粉末的示例是二硫化鎢和三氧化二鉍。無機粉末可以以高達20質(zhì)量百分比的量 包含在固體潤滑涂層中。
[0113] 優(yōu)選通過熱熔方法形成固體潤滑涂層。通過加熱涂層組合物（包含上述基質(zhì)和固 體潤滑劑的粉末）以熔化基質(zhì)并且從具有溫度保持能力的噴槍噴涂處于熔融狀態(tài)的組合 物來實現(xiàn)這種方法。組合物的加熱溫度優(yōu)選地是比基質(zhì)的熔點高10°c至50°C的溫度。
[0114] 有涂層的基板（諸如箱的接觸表面）優(yōu)選被預(yù)加熱到比基質(zhì)的熔點高的溫度。通 過執(zhí)行預(yù)加熱，能夠得到好的可涂布性能?？蛇x地，當涂層組合物包含少量（諸如至多2質(zhì) 量百分比）的諸如聚二甲基硅氧烷等的表面活性劑時，能夠無需預(yù)加熱基板或通過將基板 預(yù)加熱到低于基質(zhì)的熔點的溫度而形成良好的涂層。
[0115] 通過在配備有合適的攪拌裝置的罐中加熱使得涂層組合物熔化，經(jīng)由計量泵通過 壓縮機將熔融的組合物供應(yīng)到噴槍的噴頭（噴頭被保持在預(yù)定的溫度）并且將熔融的組合 物噴涂在基板上。根據(jù)組合物的基質(zhì)的熔點來調(diào)整罐的內(nèi)部和噴頭保持的溫度。
[0116] 固體潤滑涂層的涂層厚度優(yōu)選地在10 μ m至150 μ m的范圍，更優(yōu)選地在25 μ m至 80 μ m的范圍。如果固體潤滑涂層的涂層厚度太小，則管用螺紋接頭的潤滑特性當然變得不 足，在組合或分開時容易發(fā)生磨損。此外，盡管固體潤滑涂層具有一定程度的耐腐蝕性，但 是如果涂層厚度太小，則耐腐蝕性變得不足。將固體潤滑涂層的涂層厚度制得太大不僅浪 費潤滑劑，而且還與防止環(huán)境污染背道而馳。此外，在組合時有時發(fā)生滑動，則組合可能變 得困難。在本發(fā)明中，固體潤滑涂層的涂層厚度被限制使得滿足下式（1)。
[0117] 當作為預(yù)備表面處理的結(jié)果使得固體潤滑涂層或者防腐涂層形成在具有增大的 表面粗糙度的接觸表面的頂上時，涂層厚度優(yōu)選地大于基板的粗糙度Rz。如果情況不是這 樣，涂層有時不能完全地覆蓋基板。當基板是粗糙的情況下，涂層厚度是整個涂層的涂層厚 度的平均值，可以基于涂層的面積、質(zhì)量和密度計算得到該平均值。
[0118] 根據(jù)本發(fā)明的管用螺紋接頭滿足由下式（1)給出的、優(yōu)選地由下式（Γ )給出的、 更優(yōu)選由下式（1"）給出的槽9a的總?cè)莘eV(mm3)與固體潤滑涂層22的涂層重量W(g)之 間的關(guān)系：
[0119] V/W > 24 (mm3/g).....(1)
[0120] V/W ^ 25 (mm3/g).....(1，）
[0121] V/W 彡 28 (mm3/g).....(〇。
[0122] 槽的總?cè)莘eV是在銷和箱的肩部表面中形成的槽9a (在是具有兩級結(jié)構(gòu)的槽的情 況下的槽部9a_l和9a_2)的總?cè)莘e，并且當有兩個或更多個槽時是所有槽的容積的總和。 當有多個具有相同形狀的槽時，能夠由下式確定槽的總?cè)莘e：（一個槽的截面面積）X ( - 個槽的長度）X(槽的數(shù)量）。
[0123] 固體潤滑涂層的涂層重量W是沉積在螺紋接頭的表面、即螺紋接頭的銷和箱的相 對表面上的固體潤滑涂層的質(zhì)量的總量。當銷和箱兩者都具有固體潤滑涂層時，涂層重量 是銷的涂層重量和箱的涂層重量的總和。即，固體潤滑涂層的涂層重量是每個螺紋接頭的 總量?？梢酝ㄟ^使用諸如紙等的輕質(zhì)材料制備具有相同尺寸的螺紋接頭的虛擬樣品來確定 每個螺紋接頭的固體潤滑涂層的涂層重量，例如，在與真實螺紋接頭上形成固體潤滑涂層 所使用的相同條件下將相同的涂層組合物涂布到虛擬樣品并且計算虛擬樣品的涂布前后 的重量差。
[0124] 在根據(jù)本發(fā)明的管用螺紋接頭中，由于固體潤滑涂層的塑性或粘塑性性質(zhì)使得在 管用螺紋接頭的接觸表面上形成的固體潤滑涂層在組合時施加的重壓力下流動，并且密封 表面和肩部表面上的固體潤滑涂層的相當大的部分被迫出到周圍環(huán)境。被驅(qū)逐的固體潤滑 涂層的部分進入非接觸區(qū)域13。如果進入非接觸區(qū)域13的流體的壓力變高，則通過密封表 面實現(xiàn)的螺紋接頭的氣密性有降低的可能性。為了消除這種可能性，在肩部表面中形成與 非接觸區(qū)域13連通的槽9a并將該槽9a用作泄漏路徑。
[0125] 然而，如果固體潤滑涂層的涂層重量太大，則固體潤滑涂層會充滿在肩部表面中 形成的槽9a。由于由組合產(chǎn)生的重壓力沒有施加到槽9a的內(nèi)部，因此槽中的固體潤滑涂層 幾乎不流動。因此，槽變得被固體潤滑涂層阻塞且可能不再起到泄漏路徑的作用，導(dǎo)致非接 觸區(qū)域的堵塞。其結(jié)果是，高壓流體被限制在非接觸區(qū)域13中，導(dǎo)致螺紋接頭的氣密性的 劣化。
[0126] 圖4是示出了在示例中說明的密封試驗中得到的、槽9a的總?cè)莘e與螺紋接頭上的 固體潤滑劑的涂層重量之間的關(guān)系的圖表。在該圖中，NG表示非接觸區(qū)域產(chǎn)生了堵塞，0K 表不該堵塞未發(fā)生。
[0127] 如圖4的圖表所示，隨著槽的總?cè)莘e增大，避免非接觸區(qū)域發(fā)生堵塞的固體潤滑 涂層的最大涂層重量增大。從該圖表中可以看出的是，如果槽9a的總?cè)莘e和固體潤滑涂層 的涂層重量滿足上面的公式（1)，則能夠防止由于槽9a的阻塞導(dǎo)致的非接觸區(qū)域13的堵 塞。即使在非接觸區(qū)域13、14中的表面上未形成固體潤滑涂層，但是由于非接觸區(qū)域的面 積比例在螺紋接頭的總表面面積之中非常有限，因此滿足上面的公式（1)也足夠防止高壓 流體被限制在非接觸區(qū)域13中。
[0128] 槽的容積取決于槽在上端部處的開口的寬度（槽寬）、槽的深度、和槽的截面形 狀。在是V形槽的情況下，槽的寬度和深度取決于在開槽時使用的切削工具的頂端角度。因 此，當已知使得螺紋接頭具有期望的耐磨損性和防銹特性所需的涂層重量時，能夠確定槽 的形狀（槽的開槽角度、寬度、深度和長度）和槽的數(shù)量，以滿足上式（1)。
[0129] 隨著槽9a的總?cè)莘e增加，因為槽不接觸相對的表面，所以肩部表面的接觸面積 (彼此接觸的肩部表面的面積）必然減少。因為肩部表面（在是上述的兩級結(jié)構(gòu)的情況下 的主肩部表面）提供了扭矩性能（起到支撐扭矩和壓縮負荷的作用），所以肩部表面的接觸 面積的過度減少導(dǎo)致扭矩性能的劣化。
[0130] 圖5是示出了專利文獻1公開的管用螺紋接頭的主肩部表面的接觸面積的面積比 (area fraction)與槽的寬度（mm)之間的關(guān)系的圖表，該管用螺紋接頭具有兩級肩部表面 且具有作為壁厚的指示物的10-3/4"（27. 3cm)的外徑和60. 71b/ft (90. 4kg/m)的標稱重 量，在兩級肩部表面上形成三個槽9a。
[0131] 發(fā)現(xiàn)為了保證主肩部表面所需的扭矩性能，期望接觸面積的面積比是至少60%， 換句話說，形成槽的主肩部表面中的槽91的上端部處的開口占據(jù)的面積比小于40%。如能 夠從圖5看到的，在是具有上述形狀的管用螺紋接頭的情況下，如果槽9a-l的寬度是3. 6mm 或更小，則主肩部表面的接觸面積的面積比是至少60%。對于具有不同形狀的管用螺紋接 頭，可以以相同方式確定槽寬的上限。在是不具有兩級結(jié)構(gòu)的螺紋接頭的情況下，被整個肩 部表面中的槽或多個槽的開口占據(jù)的面積比優(yōu)選地小于40%。
[0132] 以下的實施例用于說明本發(fā)明而非限制本發(fā)明。
[0133] 實施例
[0134] 使用具有表1示出的尺寸的管用螺紋接頭來執(zhí)行密封試驗（對螺紋接頭施加內(nèi)部 和外部壓力的同時對螺紋接頭施加拉伸負荷和壓縮負荷的試驗）。螺紋接頭具有在圖1A至 圖1C以及圖2Α和圖2Β中示出的形狀，在肩部表面上形成的槽9a具有表1中示出的寬度 和深度。
[0135] 試驗的管用螺紋接頭中的每一個的銷1和箱2都具有由螺紋部3、7、密封表面5、 8、和肩部表面構(gòu)成的接觸表面，并在密封表面與肩部表面之間形成非接觸區(qū)域13。密封表 面的軸向長度為3mm至5mm且非接觸區(qū)域的軸向長度是5mm至15mm。如圖1C所示，肩部表 面具有主肩部表面9、11和副肩部表面10、12。主肩部的徑向（與管的軸線垂直的方向上） 厚度是副肩部的徑向厚度的2倍至6倍。副肩部表面的傾斜角度0 2是65°至75°，主肩 部表面的傾斜角度相對于與管的軸線垂直的平面是10°至20°。如圖2A和圖2B所 示，銷1的主肩部表面9和副肩部表面11中的每一方均具有槽9a或者更具體地在三個位 置處分別具有槽部9a-2和9a-l。各槽部沿周向延伸50°至75°。如圖2D所示，各對槽 部9a-l和9a-2通過箱2的肩部表面的與銷1的肩部表面的頂端部9b相對的部分中形成 的連接通道9c連接。
[0136] 在通過機器研磨精加工的銷1的表面上（表面粗糙度為3μπι)，以8μπι的厚度 形成具有8 μ m的表面粗糙度的磷酸鋅涂層，且在其頂上，通過噴涂來涂布且通過用UV光 照射來固化市場上可買到的可UV固化的樹脂涂層組合物（由三鍵有限公司（ThreeBond Co.，Ltd.)制造的ThreeBond3113B，其是基于環(huán)氧樹脂的非溶解性可UV固化的樹脂涂層組 合物）以形成具有25μπι厚度的UV固化樹脂涂層。該樹脂涂層是透明的，可以通過用裸眼 或通過放大鏡從涂層頂端部觀察來檢查銷的陽螺紋。
[0137] 在通過機器研磨精加工的箱2的表面上（3 μ m的表面粗糙度），以12 μ m的厚度形 成具有10 μ m的表面粗糙度的磷酸錳涂層。在配備有攪拌器的罐中在150°C條件下加熱具 有下面示出的組合物的潤滑涂層組合物以形成適于涂布的具有粘性的熔融物。通過感應(yīng)加 熱將以上述方式處理的箱表面預(yù)加熱到130°C，使用具有能保持溫度的噴頭的噴槍將熔融 的潤滑涂層組合物涂布到箱表面。涂布的涂層組合物的量被設(shè)定成考慮到箱的表面面積也 足以形成具有50 μ m厚度的涂層的量。在涂布期間，構(gòu)成箱的聯(lián)接件以恒定的周向速度轉(zhuǎn) 動。一旦冷卻，就形成了表現(xiàn)出粘塑性流變行為的固體潤滑涂層。當在相同條件下將相同 的涂層組合物涂布到由紙制成的虛擬箱時，根據(jù)涂布前后的重量差確定固體潤滑涂層的涂 層重量。在表1中示出了固體潤滑涂層的涂層重量以及槽9a的總?cè)莘e除以涂層重量的計 算值。
[0138] 潤滑涂層組合物的組分：
[0139] -9%的聚乙烯均聚物（由科萊恩（Clariant)制造的Licowax? PE520);
[0140] -15 %的巴西棕櫚蠟；
[0141] -15 %的硬脂酸鋅；
[0142] _5 %的液體聚甲基丙烯酸燒基酯（由羅曼克斯（Rohmax)制造的 Viscoplex?6-950)；
[0143] -40%的腐蝕抑制劑（由路博潤仏1*1^2〇1)制造的411?111606);
[0144] -3. 5 %的氟化石墨；
[0145] -1 %的氧化鋅；
[0146] _5 %的二氧化鈦；
[0147] -5 %的三氧化二鉍；
[0148] -1 %的硅樹脂（聚二甲基硅氧烷）；以及
[0149] -由 0· 3% 的 Irganox? L150 和 0· 2% 的 Iragafos?168 組成的抗氧化劑（由汽 巴-嘉基（Ciba-Geigy)制造）。
[0150] 在密封試驗中，測量非接觸區(qū)域13內(nèi)部的壓力變化。如圖6所示，通過形成僅通 過箱2以到達非接觸區(qū)域13的鉆孔2a并測量該區(qū)域中的壓力來執(zhí)行該測量。
[0151] 在根據(jù)IS013679:2002,系列A和系列B (室溫和高溫）的條件下執(zhí)行密封試驗。 IS013679:2002是用于石油工業(yè)用管材接頭的試驗用國際標準且包括對接頭在各種負荷和 溫度情況下的氣密性進行試驗的如下三種密封試驗和對接頭能承受多少次組合與分開的 組合分開試驗。
[0152] 系列A :以對處于組合狀態(tài)的接頭施加拉伸/壓縮負荷的狀態(tài)施加內(nèi)部和外部壓 力；
[0153] 系列B :以對處于組合狀態(tài)的接頭施加拉伸/壓縮/彎曲負荷的狀態(tài)施加內(nèi)部壓 力；
[0154] 系列C :在處于拉伸和內(nèi)部壓力的條件下，對處于組合狀態(tài)的接頭施加加熱循環(huán)。
[0155] 在本實施例中，如下所述地，作為在同一螺紋接頭上執(zhí)行系列A的試驗之后執(zhí)行 系列B的試驗的結(jié)果，基于非接觸區(qū)域內(nèi)部的壓力變化來確定非接觸區(qū)域中是否產(chǎn)生對高 壓流體的限制。
[0156] 所有試驗的管用螺紋接頭由P110碳鋼制成。P110碳鋼遵守作為石油工業(yè)用管材 的國際標準的API規(guī)范5CT(IS011960:2004)。涉及螺紋接頭的規(guī)范是llOpsi至140psi的 屈服應(yīng)力和至少125psi的抗拉強度。
[0157] 使用具有35°或55°的尖端角度的切削工具，槽9a形成為具有0.4mm、0. 6mm、或 0.8mm的深度的V狀。在表1中示出了這些槽中的每一個的開口處的寬度?；诟鞑鄣膶?度和長度以及槽的數(shù)量計算銷的主肩部表面的被槽9a (在槽9a的開口處）占據(jù)的面積比。 如表1所示，對于試驗螺紋接頭中的任何一個，被槽的開口占據(jù)的面積比小于40%，因此接 觸表面的面積比為至少60%。
[0158] 為了評價在非接觸區(qū)域13中是否限制高壓流體，記錄在該區(qū)域的壓力和管用螺 紋接頭的內(nèi)部的壓力。當兩個壓力之間的差呈現(xiàn)即使使得螺紋接頭內(nèi)部的壓力降低而非接 觸區(qū)域內(nèi)部的壓力也不降低的情況下，可以確定在非接觸區(qū)域內(nèi)部限制了高壓流體。在表 1中示出了試驗結(jié)果。
[0159] 表 1
[0160] ^鋼管的尺寸~~~~槽的形狀~~Γ155? 丨^…L一 -r--：---滑劑的 νΛλΜ 對高壓 槽的面積 外徑標S重深度寬度1 令層f (mm7g) 比** ( ')i 'J ) 乂t、 （mm) (mm) ψ. (g' k 限制 （％) (lb/It) v v 頭.） 7 29 0.4 2.21 10.6 15.1 紀 24.5 7 29 0.6 2.9 10.6 27.3 ^ 30.7 9.625 53.5 0.4 2.21 15.6 16.8 紀 22.8 9.625 53.5 0.6 2.9 15.6 30.5 ? 1? 29.1 10.75 60.7 0.4 2.21 18.2 16.2 是 23.6 10.75 60 7 0.6 2.9 18.2 29.4 否 30.2
[0161] 13.375 72 0.6 2.9 24 22.9 處 35.7 13.375 72 0.8 2.52 24 28.2 t 1? 31.5
[0162] *V/W:槽的總?cè)莘e/固體潤滑涂層的涂層重量。
[0163] **銷的主肩部表面被槽占據(jù)的面積比。
[0164] 如表1所示，即使當管用螺紋接頭的外徑和標稱重量（壁厚）變化（導(dǎo)致肩部表 面面積變化）時，如果槽9a的總?cè)莘e和固體潤滑涂層的涂層重量滿足上式（1)，則能夠防止 在非接觸區(qū)域13的內(nèi)部限制高壓流體。
【權(quán)利要求】
1. 一種管用螺紋接頭，其包括均具有接觸表面的銷和箱，所述接觸表面包括螺紋部和 無螺紋金屬接觸部，所述無螺紋金屬接觸部包括密封表面和肩部表面，所述銷的肩部表面 位于所述銷的端部表面，所述銷和所述箱彼此不接觸的非接觸區(qū)域存在于所述銷和所述箱 的密封表面與肩部表面之間，所述螺紋接頭具有在所述銷和所述箱中的至少一方的肩部表 面中形成的、延伸到非接觸區(qū)域和延伸到螺紋接頭的內(nèi)部的一個或多個槽，其特征在于： 在所述銷和所述箱中的至少一方的至少接觸表面形成有固體潤滑涂層，所述固體潤滑 涂層表現(xiàn)出塑性或粘塑性流變行為，并且 槽的總?cè)莘eV和固體潤滑涂層的涂層重量W滿足下式（1)，其中槽的總?cè)莘eV的單位為 mm3,涂層重量W的單位為g : V/ff ^ 24mm3/g.....(1)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的管用螺紋接頭，其特征在于，所述銷和所述箱的肩部表面均 由主肩部表面和連接到該主肩部表面的副肩部表面構(gòu)成，所述主肩部表面具有反向傾斜角 度且延伸到所述螺紋接頭的內(nèi)部，所述副肩部表面位于所述主肩部表面與所述非接觸區(qū)域 之間并具有相對于與管的軸線垂直的平面的傾斜角度，所述副肩部表面的傾斜角度大于所 述主肩部表面的傾斜角度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的管用螺紋接頭，其特征在于，所述肩部表面中的所述槽的上 端部的面積不超過所述肩部表面的表面面積的40 %。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的管用螺紋接頭，其特征在于，所述主肩部表面中的所述槽的 上端部的面積不超過所述主肩部表面的表面面積的40%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的管用螺紋接頭，其特征在于，在所述箱的接觸表 面形成所述固體潤滑涂層。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的管用螺紋接頭，其特征在于，所述銷的表面具有由可UV固化 的樹脂形成的固體防腐涂層。
【文檔編號】F16L15/04GK104114926SQ201380005943
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2013年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月19日
【發(fā)明者】大島真宏, 鵜飼信, 岡田隆志, 佐佐木優(yōu)嘉, 山口優(yōu), 杉野正明 申請人:新日鐵住金株式會社, 瓦盧瑞克石油天然氣法國有限公司