CN100520143C - 油井管用螺纹接头 - Google Patents

Abstract

一种油井管用螺纹接头，包括：在管的前端部具有凸曲面形状的密封构成部分的阳螺纹管和具有锥形密封部的阴螺纹管，其特征在于，凸曲面形状与锥形密封部接触时，相当于接触面所承受的最大接触面压(Pcmax)的60%的接触面压(Pc60)大于施加在螺纹接头上的内压Pi，并且小于螺纹接头材料的比例极限σr，锥形密封部的锥度角度(θs)相对于锥形螺纹的角度(θt)为θs≥θt，凸曲面形状的曲面半径R为90mm以上且170mm以下，上述角度(θs)在顶角处为1.4-9.5度，凸曲面形状的轴向长度以切点为中心沿轴向前后各具有至少1.5mm以上的长度，凸曲面及锥形密封部的表面粗糙度H为12s以下。

Description

油井管用螺纹接头

技术领域

本发明涉及油井管用螺纹接头。

背景技术

近来被挖掘的油田、气田向高深度化和高压力化发展。

与此相伴地，因密封性和耐久性对油井管中所使用的螺纹接头提出了高的性能要求。为了应对该问题，开发出了许多特殊螺纹。

现有技术的特殊螺纹是通过图1所示那样的公接头(pin)(阳螺纹)前端和母接头(box)(阴螺纹)内部构成金属密封的螺纹。关于这种特殊螺纹的密封形状，已经进行了很多开发和研究。

作为其中之一，开发出来的有如特开昭61-6488号公报所述的螺纹，通过具有凸曲面形的密封面的公接头和具有锥形密封面的母接头的组合而构成的被称为切点密封(tangent point seal)的密封，可靠性比较高。

不过，即使密封是将具有凸曲面形的密封面的公接头和具有锥形的密封面的母接头的组合这样的基本形状作成相同的密封，在其具体设计中，如果密封的过盈量、长度、锥度等尺寸没有正确地确定的话，该密封也可能产生密封部的粘扣、施加在管上的内压的泄漏等问题。

发明内容

即，在现有技术的特殊螺纹中，存在着几个需要解决的问题。

首先，作为第一问题点，从防止嵌合时密封的塑性变形的观点出发，密封部的最大接触面压Pcmax的上限应该满足下述条件。

即，Pcmax<(螺纹接头材料的屈服应力σr)。

但是，密封部的最大接触面压Pcmax即使设定得比屈服应力低，实际上在螺纹嵌合时，在密封部上产生塑性变形，之后，反拧该螺纹，再次进行螺纹的嵌合时，因该塑性变形，相应地产生密封部不能获得既定的接触面压Pc的问题。

此外，作为第二问题点，从确保密封的耐泄漏性能的观点出发，以往密封部的最大接触面压Pcmax的下限满足下述条件。

即，(施加在螺纹接头上的内压Pi)<(接触面压Pcmax)。

该条件尽管是必要条件，但是不能说是充分条件。

即，即使密封部的最大接触面压Pcmax的下限满足上述条件，在密封部的实际接触长度短的情况下，密封部产生泄漏。

而且，作为第三问题点，公接头的凸曲面上的表面粗糙度与粘扣以及泄漏非常有关系。

申请人获得了下述见解：包括该凸曲面上的表面粗糙度在内的密封部的精度如果不好的话，就会造成密封部的粘扣或者泄漏。

本发明鉴于此，目的在于改善这些问题点，提供一种密封性能优良且保养性高的油井管用螺纹接头。

本发明的油井管用螺纹接头，是锥形螺纹接头

1)包括：在管的前端部具有相对于管轴方向为凸曲面形状的密封构成部分的阳螺纹管和具有与上述密封构成部分对置的锥形密封部的阴螺纹管，其特征在于，上述凸曲面形状与锥形密封部接触时，相当于接触面所承受的最大接触面压Pcmax的60％的接触面压Pc60设计成大于施加在螺纹接头上的内压Pi，并且小于螺纹接头材料的机械强度的比例极限σe。

另外，本发明的油井管用螺纹接头，

2)在上述1)中，锥形密封部的密封锥度角度θs相对于锥形螺纹的锥度角度θt为θs≥θt，凸曲面形状的曲面半径R为90mm以上且170mm以下。

3)在上述1)或2)中，上述锥形密封部的密封锥度角度θs在顶角处为1.4-9.5度。

4)在上述1)-3)中，上述凸曲面形状的轴向长度以切点为中心沿轴向前后各具有至少1.5mm以上的长度。

5)在上述1)-4)中，上述凸曲面及锥形密封部的表面粗糙度H为12s以下。

通过本发明的油井管用螺纹接头，能够提供一种密封性能好而且保养性优良、经济的油井管系统。

附图说明

图1是表示本实施例的螺纹接头部的基本形状的示意图。

图2是表示具有凸曲面形的密封部的公接头和具有锥形的密封部的母接头的组合中的嵌合后的接触面压Pc的计算结果的图。

图3是表示本实施例的密封部的基本形状的示意图。

图4是表示台肩角度对面压的影响的曲线图。

图5是表示本实施例的锥形螺纹部的螺纹截面形状的示意图。

图6是表示本实施例的最终设计值的图

具体实施方式

实施方式1

按照与上述应解决的问题点相对应的解决方法来依次详细说明本发明的实施方式1。

首先，相对于第一问题点：

如上所述，以往，从防止嵌合时密封部产生塑性变形的观点出发，密封部的最大接触面压Pcmax的上限设计成：

Pcmax>(螺纹接头材料的屈服应力σr)。

但是，实际上，即使密封部的最大接触面压Pcmax设定得比屈服应力低，在螺纹部嵌合时，也在上述密封部上产生塑性变形，反拧该螺纹后，再次进行螺纹的嵌合时，因该塑性变形而使密封部不能获得既定的接触面压Pc。

为了防止此问题，在本发明的实施方式1中，将最大接触面压Pcmax的上限设定为螺纹接头材料的机械强度的比例极限σe以下，而不是屈服应力σr。

另外，接触面压Pc由于与密封过盈量ΔDS成比例，所以需要对ΔDS进行控制。

作为具体的例子，以规格为API N80级的油井管为例，虽然引起屈服的应变量是0.5％，但是比例极限的应变量为0.3％。

即，ΔDS<(比例极限应变量)是必要的。

接着，相对于第二问题点：

从申请人所进行的使用了计算机的有限元法所得出的计算结果可知，具有凸曲面形的密封部的公接头和具有锥形的密封部的母接头的组合中的、嵌合后的密封部的接触面压Pc如图2所示那样分布。

在以往的限定中，条件是最大接触面压Pcmax>内压Pi。

根据实验结果，点接触中即使满足该关系Pcmax>Pi，也有时发生泄漏。

根据进一步的实验结果知道，在某个接触长度范围内，需要满足接触面压Pc≥Pi。

最终被确认的是，在图2所示的接触面压的分布中，如果具有相当于最大接触面压Pcmax的60％的接触面压，且确保接触长度，则具有充分的耐泄漏性能。

另外，相对于第三问题点：

申请人从多个使用实验结果得知，具有凸曲面形的密封部的公接头的密封部的表面粗糙度H需要抑制在12S以下，以防止该部分的粘扣以及泄漏。

密封部的表面粗糙度H如果比12S粗糙，比较有发生泄漏的可能。

此外，作为其他的用于防止粘扣或者泄漏的对策，列举有适当的密封长度的设定、适当的润滑脂杯的设置、密封锥度角度以及螺纹的锥度角度值的适当设定、台肩角度的适当值的设定等。

这些数值，根据通过有限元法进行的确认以及使用实验的结果来设定各自的适当数值。

实施例1

根据上述实施方式，对外径×管壁厚＝3·1/2＂(88.9mm)×0.254＂(6.45mm)中的、API N80级的管道系统用的油井管用螺纹接头的1实施例进行说明。

图1是表示本实施例1的螺纹接头部的基本形状的示意图。

图3是表示本实施例1的密封部的基本形状的示意图。

图4是表示台肩角度对面压的影响的曲线图。

图5是表示本实施例1的锥形螺纹的螺纹截面形状的示意图。

图中，P是具有凸曲面形的密封部的公接头，B是具有锥形密封部的母接头，S是密封部，SR是台肩部，TAP是锥形密封部，BAR是凸曲面形状部，R是凸曲面形状部的曲率半径，TP是凸曲面形状部和锥形密封部的接触点即切点，LP1是凸曲面形状部的轴向长度，LB1是锥形密封部的轴向长度，DP2是凸曲面形状部的切点处的直径，DB2是锥形密封部的切点处的直径。

本实施例1中的螺纹接头部的基本形状是图1的耦合型螺纹接头。

本实施例1的螺纹接头部通过设于公接头(阳螺纹)P和母接头(阳螺纹)B内部的良好精度的锥形螺纹进行紧固嵌合，将设于公接头P前端的具有曲率半径为R的凸曲面的凸曲面形状部BAR和母接头B的锥形密封部TAP在切点TP处、在弹性变形内接合嵌合。

本实施例1中的上述锥形螺纹的形状如图5所示，负载角(loadangle)α是2°、插入角(stabbing angle)β是45°。锥形螺纹的锥度角θt在顶角处为3.6°、螺纹基准直径87.3mm、螺纹长度为77.3mm。

另外，凸曲面形状部BR的曲率半径R为101.6mm、凸曲面形状部BR的轴向长度为7.25mm。

本实施例1通过下述步骤设定各规格。

步骤1：密封部S的过盈量ΔDS的最大值的确定

为了防止塑性变形，需要是ΔDS≤(比例极限)，如果是API N80级，则与比例极限相当的应变量为0.3％。

因此，

ΔDS最大值＝0.003×0D＝0.003×88.9＝0.27mm

(其中，0D是公接头管的外径)

步骤2：密封部S的过盈量ΔDS的最小值的确定

图2中，将密封过盈量ΔDS确定成使得接触面压Pc60高于对象管的规格的最小耐压性能值，即、使得(规格最小耐压性能值)≤(密封接触面压Pc60)。

本来，应该利用有限元法求取密封部的面压的详细分布，但是，实际使用上采用了下述简易方法。

在具有过盈量的两个圆筒之间产生的面压代入到热压配合(thermal insert)公式中进行计算。

即，

Pm＝0.6E·ΔDS(R22-R12)(R32-R22)/R23·(R32-R12)   式1

其中，E为杨式模量，R3是耦合外径，R2是密封外径，R1是公接头内径；

但是如图3所示，在密封部S上有切点TP时，图2上的Pcmax以及Pc60显示出是上述式1所求取的值的各自的6倍、3.6倍以上。

因此，安全起见可以假定Pc60＝3.6Pm。

接着，由于外径×管壁厚＝88.9mm×6.45mm的API N80级的规格的最小耐压为71.4MPa，所以按照式1的3.6Pm超过规格的最小耐压的方式求取ΔDS。

在此，ΔDS最小值＝0.07mm。

步骤3：以上，获得了ΔDS最大值＝0.27mm、ΔDS最小值＝0.07mm，由此确定ΔDS＝0.22mm。

步骤4：密封长度的条件

凸曲面上公接头如果表面粗糙度的精度低的话，会造成粘扣或者泄漏，所以车床加工时，必须慢慢地进行进给而使生产效率低，这是其缺点之一。

因此，优选的是尽量缩短密封部，但是需要明确下述条件：

1)嵌合螺纹时，公接头进入到母接头内部，产生密封部S的嵌合。此时，图3所示的公接头前端直径Dp1如果不充分小于母接头的入口直径Db3，则局部产生大的面压，发生粘扣。

即，Dp1<Db3是必要条件。

2)凸曲面上公接头和锥形母接头以点接触的点即切点TP为中心嵌合后，既定的接触长度是必要的。

该既定的接触长度优选是以切点TP为中心前后确保最小1.5mm。另外，如果该接触面太靠近公接头端，处理时容易受到损害，所以希望进入最小1.0mm左右。

因此，切点TP的位置最小也是距公接头前端2.5mm。

3)从母接头的锥形密封部的切点TP到入口也优选地确保(1.5mm的接触面)+(1.0mm的余量)＝2.5mm。

以上可知，母接头的锥形密封的最小长度为5.0mm。

4)接着对公接头的密封长度的设定条件进行说明。

公接头和母接头被嵌合时，如图6所示，锥形螺纹端部和密封部之间的缝隙中封入螺纹润滑脂。但是，在该封入压力的作用下，作用了使密封打开的力，可能降低密封的接触压力。

为了防止该问题，需要称为润滑脂杯GP的间隙。

因此，应该使公接头密封长度比母接头的锥形密封长度长1螺纹牙(2-6mm)左右。

根据上述条件确定密封长度。

切点TP距离公接头前端为3.0mm。由此，母接头的锥形密封长度为5.5mm、公接头的密封长度为8.5mm。

步骤5：密封锥形角度θs的确定

首先，密封锥形角度θs应该设定成与锥形螺纹的螺纹锥度角度θt相同或者比之更大的角度。

密封锥形的角度越大，嵌合时密封边旋转边滑动的距离越短，相对于耐粘扣是有利的。不过，如果公接头密封前端的剩余厚度减少的话，则有在拉力作用下密封面压降低的缺点。

此外，密封锥形的角度如果变小，则滑动距离变长，从耐粘扣的角度是不利的。

考虑到这些，密封锥形的角度θs优选与螺纹锥度角θt相同或者比其大、并且是2°～4°的范围。其中，锥形螺纹的螺纹锥度角θt是1.8°，密封锥形角度θs为2.4°。

其中，需要通过步骤4中所求得的密封长度与此处所求得的密封角度的组合，来确认满足步骤4的1)中所述的图3中的Dp1<Db3的条件。

步骤6：公接头凸曲面半径R的确定。

如上所述，密封长度PC3和密封锥度角度θs确定的话，半径R用R＝Pc3/tanθs确定。

如果PC3＝4.25mm，θs＝2.4°，那么R＝101.6mm。

实用的锥形螺纹的锥度角度θt为1.4°-7.1°，如果使作为实用的密封长度为4-15mm，那么半径R希望是90-170mm。

步骤7：公接头前端和台肩角度γ的确定

在母接头(耦合)上有突起、台肩抵于公接头前端的类型中，需要确定台肩的角度γ。一般地优选为0度或者具有负的角度。

图4示出了用有限元法求出的台肩的负角度γ越大、具有越能够提高嵌合时的密封接触面压的效果。但是，另一方面，该负角度越大加工越难，所以选择了接触面压高20％左右的角度12°。

图6示出了最终的设计值。

另外，本实施例1中，对外径×管壁厚＝88.9mm×6.45mm中的、API N80级的管道系统用的油井管用螺纹接头进行了说明，但是本发明并不限于此，在权利要求书的条件中全部使用。

工业实用性

本发明中，尽管对油井管用螺纹接头进行了说明，但是通过锥形螺纹和密封部所连接的所有种类的应用于气体、液体的压力管道的螺纹接头都可以应用。

附图标记说明

P 具有凸曲面形状的密封部的公接头

B 具有锥形密封部的母接头

S 密封部

SR 台肩部

TAP 锥形密封部

BAR 凸曲面形状部

R 凸曲面形状部的曲率半径

TP 作为凸曲面形状部和锥形密封部的接触点的切点

LP1 凸曲面形状部的轴向长度

LB1 锥形密封部的轴向长度

DP2 凸曲面形状部的切点处的直径

DB2 锥形密封部的切点TP处的直径

Pcmax 凸曲面上的理论最大接触面压

Pc60 相当于最大接触面压的60％的接触面压

GP 润滑脂杯

DB1 锥形部的前端部直径LP2凸曲面形状部的从切点至前端侧的轴向长度

LP3 凸曲面形状部的从切点至根部侧的轴向长度

LB3 锥形密封部的从切点至前端侧的轴向长度

LB2 锥形密封部的从切点至根部侧的轴向长度

h 螺纹高度

其中图5中部分符号表示为：

p：螺纹节距8螺纹牙/英寸

h：螺纹高度   1.27mm

θt：螺纹锥部的锥角角度

              1.8°

Claims (5)

1.一种油井管用螺纹接头，包括：在管的前端部具有相对于管轴方向为凸曲面形状的密封构成部分的阳螺纹管、和具有与上述密封构成部分对置的锥形密封部的阴螺纹管，其特征在于，上述凸曲面形状与锥形密封部接触时，相当于接触面所承受的最大接触面压(Pcmax)的60％的接触面压(Pc60)设计成大于施加在螺纹接头上的内压Pi，并且小于螺纹接头材料的机械强度的比例极限σr。

2.如权利要求1所述的油井管用螺纹接头，其特征在于，锥形密封部的密封锥度角度θs相对于锥形螺纹的锥度角度θt为θs≥θt，凸曲面形状的曲面半径R为90mm以上且170mm以下。

3.如权利要求2所述的油井管用螺纹接头，其特征在于，上述锥形密封部的密封锥度角度θs在顶角处为1.4-9.5度。

4.如权利要求3所述的油井管用螺纹接头，其特征在于，上述凸曲面形状的轴向长度以切点为中心沿轴向前后各具有至少1.5mm以上的长度。

5.如权利要求4所述的油井管用螺纹接头，其特征在于，上述凸曲面及锥形密封部的表面粗糙度H为12s以下。

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