CN101014796A - 用于密封螺纹管状连接的凸形元件 - Google Patents

用于密封螺纹管状连接的凸形元件 Download PDF

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Abstract

在锥形缩减锻造管的端部区域和在该区域中机加工锥形阳螺纹部(2)和凸形唇缘(3)以获得凸形管状元件，从而将凸形管状元件装配入凹形管状元件中以便在径向膨胀以后形成密封螺纹拧接的管状连接部之前，在管的长度的一部分上成形管以便产生圆柱形内表面(20)，该圆柱形内表面(20)通过斜面(21)连接至随后通过机加工获得的唇缘(3)的圆柱形内表面(10)，第一表面的半径(R2)大于第二表面的半径(R1)。本发明应用至碳氢化合物井。

Description

用于密封螺纹管状连接的凸形元件
背景技术
螺纹拧接的连接部的凸形管状元件一般通过机加工管获得，该管被拧紧于作用在管外表面上的卡爪中。
由于种种原因，可能需要机加工凸形管状元件的靠近自由端前表面的内表面。
例如，为了靠近自由端的金属-金属密封表面的效率，理想的做法是绕其周边在所述表面下方设置限定的不变厚度。
替代地，当自由端的前表面用作轴向支座时，该前表面的横向截面必须良好地限定以便确定该部分可接受的最大装配转矩。
还可能出现其它情况。
管的内表面载有缺陷，既有宏观几何缺陷(直径、偏心度相对于外表面的偏差)又有微观几何缺陷(表面质量)。
美国石油学会(API)对于箱体和管道的API规范5CT规定了以下公差：
对于外径，-0.50％至+1％；
对于厚度，+12.5％；
对于质量，-3.5％至+6.5％。
关于内径，API指出公差取决于外径和质量的公差。因此，它们常常比外径的公差更宽。
关于内表面相对于外表面的偏心度，其被包括在厚度的公差中。
通常，在大约20mm的轴向长度上机加工内表面，该经机加工的表面通过带有小倾角的锥形斜面连接至管的剩余部分的内表面：例如，请看由申请人出版的NEW VAM标题之下的VAM目录。
当管厚度不足以容许有效机加工内表面时，在机加工之前，对端部进行缩减锻造(亦称渐缩)。
在某些情况中，例如当密封表面并不邻近自由端或者紧接其附近区域时，或者特别是当凸形元件为构成用于经受径向膨胀和在膨胀之后进行密封的螺纹拧接的连接件的管状元件时，这种已知的措施可能证明还不足够。
更特别而言，我们涉及的螺纹拧接的管状连接部用于使用膨胀工具在塑性变形区域中经受径向膨胀，该膨胀工具的直径大于连接部的内径，其在连接部中轴向移动，例如WO-A-02/01102所述。
已经表明，管的内表面的未机加工区域和机加工区域之间的具有更大直径的过渡区域有害于膨胀心轴的作用，并且对膨胀之后于凸形和凹形元件的密封表面之间的接触质量，特别是接触压力具有负面影响。
相同的缺点由凸形元件在其未机加工部分中的内表面的不规则性所引起，不论其是由于相对于外表面的偏心度、沿轴向的圆度问题或不规则性、还是表面缺陷(接缝、划痕、粗糙度等等)。
发明内容
本发明目的在于克服上述缺点。
本发明涉及一种形成在管的端部区域中的凸形管状元件，该管的外表面和内表面具有直径基本上不变的、大体圆形的横截面，但是可能不完全同心，凸形管状元件包括第一锥形阳螺纹部和至少一个第一密封表面，其通过与凹形管状元件装配而配合，该凹形管状元件包括第二锥形阴螺纹部和至少一个第二密封表面以便形成密封的螺纹拧接的管状连接部，其中所述密封表面为金属对金属的相互密封接触，所述凸形管状元件的内表面具有邻近凸形元件自由端的第一区域，带有圆形横截面并且与管的外表面同心。
本发明特别之处在于，所述凸形管状元件的内表面包括第二区域，该第二区域沿轴向跟随第一区域，并带有与管的外表面同心的圆形横截面，且具有比所述第一区域更大的半径，并且大于管的长度的其余部分的内表面的半径。
此处使用的术语“密封接触”是指强有力地彼此压靠以便产生金属对金属密封的两个表面之间的接触，尤其是防气体的密封。
本发明的可互补或取代的任选特征限定如下：
由于以上限定的公差，第二区域的半径小于或等于管的最大内直径的一半。
第二区域的半径接近管的最大内直径的一半。
第二区域沿轴向在与自由端相对的侧上延伸，至少到达与自由端相对的螺纹部的端部。
第二区域沿轴向延伸至凸形管状元件的并不自由的端部。
阳螺纹通过唇缘与自由端分离，并且第一区域沿轴向延伸直至唇缘或第一螺纹。
第二区域通过大体锥形的表面连接至第一区域。
连接至第一区域的所述大体锥形的表面具有15°或更小的顶半角。
第二区域通过大体锥形的表面连接至管的其余部分的内表面。
连接至管的其余部分的内表面的所述大体锥形的表面具有15°或更小的顶半角。
第一区域的半径小于管的内表面的直径的标称值的一半。
至少一个密封表面设置在位于阳螺纹部和自由端之间的唇缘上。
至少一个密封表面设置成在与自由端相对的侧上超出阳螺纹部。
自由端的前表面为所述凹形管状元件的轴向支座表面。
第二区域的表面质量比管的长度的其余部分上的内表面更好。
本发明还涉及一种螺纹拧接的管状连接件，其包括如以上限定的凸形管状元件和与凸形管状元件配合的凹形管状元件，并且涉及一种用于生产所述管状元件的方法，其中第一区域通过第一成形获得而第二区域通过第二成形获得。
本发明的方法可包括某些或所有以下特征：
第二成形在第一成形以后进行；
第二区域通过除去材料获得；
第二区域通过机加工获得；
在所述端部区域的长度的一小部分上，在形成所述第一区域之前，管经受缩减锻造操作以便逐渐地减少外径和内径直到自由端；
将第二区域连接至第一区域的所述大体锥形的表面通过缩减锻造操作形成；
缩减锻造操作在第一和第二成形之前进行；
本发明还提供了一种用于生产密封管状连接件的方法，其中如以上限定的初始管状连接件通过使用膨胀工具在塑性变形区域中经受径向膨胀，该膨胀工具的半径大于凸形元件的所述第二区域的内半径，其沿轴向在连接部中移动。
有利地，在后面的方法中：
第二区域从凸形元件的自由端延伸至一轴向距离，该轴向距离至少等于连接部的总长度；
第二区域从凸形元件的自由端延伸至一轴向距离，使得当膨胀工具沿轴向经过超出阳螺纹部设置的所述密封表面下方时，膨胀工具膨胀第二区域。
附图说明
本发明的特征和优点在参考附图进行的下面的说明中更详细地进行描述，在附图的所有各图中，相同或相似的元件由相同的参考数字标示。
图1为现有技术的凸形管状元件局部半剖视图。
图2为关于本发明的凸形管状元件的与图1相似的视图。
图3为本发明的凸形管状元件的局部半剖视图。
图4为示出了本发明的凸形管状元件和管的邻接区域的部分半剖视图，该邻接区域形成管的一部分。
图5为由本发明的凸形管状元件形成的初始管状连接部的局部半剖视图。
具体实施方式
图1中所示为已知凸形管状元件1，其近似绕着轴线A旋转的形状，该轴线A为管的外表面的轴线，该已知凸形管状元件1包括锥形阳螺纹部2和在螺纹部2和元件的自由端4之间延伸的凸形唇缘3。螺纹部2和唇缘3用于与凹形管状元件(未示出)中的锥形阴螺纹部和凹形槽按照已知方式配合，以便通过装配两个元件和在所产生的螺纹拧接的管状连接部的内部空间5与外部介质6之间产生密封而形成连接，至少一个密封表面7设置于唇缘3上以便与凹形槽的相应表面形成密封接触，如果密封表面沿径向例如锥套锥地过盈配合，则密封接触直接在装配之后形成，或者如果管状部意欲在投入使用之前膨胀，则这种密封接触在径向膨胀之后形成，如US-A-6 712 401中所述。
螺纹部2和唇缘3在向意欲形成元件1的管的端部区域施加缩减锻造操作以便使管的内表面8和外表面9在这一区域具有锥形形状之后，通过机加工产生。
在这种已知管状元件中，唇缘3的径向内表面10通过在缩减锻造操作之后的第一成形例如机加工而获得。该表面10与管的外表面同轴并且具有半径R1，R1大于管的其余部分的内半径R0，具有半径R0和R1的部分经由朝向管的自由端的斜面11连接。
已经表明，在膨胀工具沿着斜面11穿过期间，这种构型影响连接部的性能，因此在膨胀之后损害连接部的密封。相同的影响由沿纵向方向和沿圆周方向半径R0的变化引起，并且由元件的未加工内表面相对于机加工外表面的偏心度引起，具有参考数字A的轴线为管的外表面的轴线，管被保持于用于机加工元件1的车床的卡爪中。
这些缺点通过本发明的方法的第二成形步骤消除，由于该第二成形步骤，在机加工螺纹部2和唇缘3和表面10的第一成形之后，元件1至少在其长度的邻近唇缘3的一部分上具有半径为R2的圆柱形内表面20，R2大于唇缘3的内表面10的半径R1，表面10和20然后经由沿与元件的自由端4相反的方向朝向的斜面21连接。另外，优选地通过车床机加工形成的表面20沿纵向和沿圆周方向都具有精确不变的半径R2，并且与元件1的机加工外表面同心。
可以执行其它用于生产表面20的方法：化学加工、通过电腐蚀或任何其它装置进行的电解加工、通过热或冷变形或者通过使用成形件的材料切除(激光、离子束腐蚀等等)或者不切除材料。
如图3中可看到，成形表面20优选地在螺纹元件的除唇缘3以外的整个长度L上延伸，即沿轴向延伸直至管13的外部表面的机加工部分12与该外表面的其余未加工部分14之间的连接处。
在下面的情况中，除了密封表面7之外，或者代替密封表面7，凸形元件1具有与其自由端4相对位于螺纹部2之外的密封表面15，有利的是，如图4中所示，成形表面20从自由端4延伸距离L1，该距离L1略微大于元件1的长度L，因此当膨胀工具沿轴向经过密封表面15时，膨胀工具使得该表面20膨胀。
图5示出了通过将图3的凸形元件1装配至本身已知的适当凹形元件30而获得的拧接的管状连接件。
实例
凸形管状元件根据图3由公称直径为193.68mm(外直径)而单位长度质量为44.2kg/m的生产，产生的标称内直径为174.63mm(根据API最小直径和最大直径分别为172.24mm和177.47mm)。该元件具有位于唇缘3上的密封表面7(内密封表面)和相对于螺纹部2与自由端4相反的密封表面15(外密封表面)。它还具有以下数字特征：
半径RI 87.315mm
半径R2 88.025mm
(API最大半径＝88.735mm)
斜面21倾角5°
斜面22倾角6°
长度L1101mm
所获得的凸形元件被装配于适当的凹形元件中，并且直径为194mm的膨胀工具穿入所形成的连接部中。于是内密封表面具有两个与凹形元件的相应表面有效接触的环形区域，并且外密封表面具有与凹形元件的相应表面有效接触的环形接触区域。使用计算计模拟(完工的元件)来确定有效接触区域的轴向长度和这三个接触区域中每一个的接触压力的分布，其容许计算在区域的长度上的总体的接触压力，这是对接触质量的最有效的测量。
对比实例
遵循实例的步骤，省略成形步骤。在膨胀以后，获得了类似于实例的接触区域，基于等于最小内直径的一半的半径R0对其执行相同的计算。
结果在下表中给出，在对比实例中，其为相对于内密封区域1或相对于外密封表面的总体接触压力的百分比。
对于两个内密封区域的描述应当参考WO-A-03/60370。
表
           实例          对比实例
      内密封 外密封       内密封  外密封
  区域1   区域2   区域1   区域2
  总体P(％)   267   99 102    100   24  100
可以看出，本发明对膨胀之后的接触压力提供了显著的改进，特别是在内密封的两个接触区域方面。
本发明适用于各种构型的螺纹拧接的管状连接件，特别是US-A-6712401、WO-A-03/60370和WO-A-04/003416中描述的构型，2004年3月4日提交的国际专利申请PCT/EP2004/002196中描述的构型，2003年11月28日提交的法国专利申请0314037、0314038和0314039中描述的构型。

Claims (24)

1.一种形成在管(13)的端部区域中的凸形管状元件(1)，该管(13)的外表面和内表面具有直径基本上不变的、大体圆形的横截面，但是可能不完全同心，所述凸形管状元件包括第一锥形阳螺纹部(2)和至少一个第一密封表面(7)，其通过与凹形管状元件装配而配合，该凹形管状元件包括第二锥形阴螺纹部和至少一个第二密封表面以便形成密封的螺纹拧接的管状连接部，其中所述密封表面为金属对金属的相互密封接触，所述至少一个密封表面(7、15)设置在位于阳螺纹和自由端(4)之间的唇缘(13)上，和/或在与自由端(4)相对的一侧上设置在阳螺纹之外，所述凸形管状元件的内表面具有邻近凸形元件的自由端(4)的第一区域(10)，带有圆形横截面并且与管的外表面同心，其特征在于，所述凸形管状元件的内表面包括第二区域(20)，该第二区域(20)沿轴向跟随第一区域(10)，带有与管的外表面同心的圆形横截面，具有比所述第一区域的半径(R1)更大的半径(R2)，并且该半径(R2)大于管的长度的其余部分的内表面的半径。
2.根据权利要求1所述的凸形管状元件(1)，其特征在于，第二区域(20)的半径(R2)小于或等于管(13)的最大内直径的一半。
3.根据权利要求2所述的凸形管状元件(1)，其特征在于，第二区域(20)的半径(R2)接近管(13)的最大内直径的一半。
4.根据前述权利要求中任一项所述的凸形管状元件(1)，其特征在于，第二区域(2)在与自由端(4)相对的侧沿轴向延伸，至少到达螺纹部(2)的与自由端(4)相对的端部。
5.根据前述权利要求中任一项所述的凸形管状元件(1)，其特征在于，第二区域(20)沿轴向延伸至凸形管状元件的并不自由的端部。
6.根据前述权利要求中任一项所述的凸形管状元件(1)，其特征在于，阳螺纹部(2)通过唇缘与自由端(4)分离，并且第一区域(10)沿轴向延伸直至唇缘或第一螺纹部。
7.根据前述权利要求中任一项所述的凸形管状元件(1)，其特征在于，第二区域(20)通过大体锥形的表面连接至第一区域(10)。
8.根据权利要求7所述的凸形管状元件(1)，其特征在于，连接至第一区域的所述大体锥形的表面具有15°或更小的顶半角。
9.根据前述权利要求中任一项所述的凸形管状元件(1)，其特征在于，第二区域(20)通过大体锥形的表面连接至管(13)的其余部分的内表面。
10.根据权利要求9所述的凸形管状元件(1)，其特征在于，连接至管的其余部分的内表面的所述大体锥形的表面具有15°或更小的顶半角。
11.根据前述权利要求中任一项所述的凸形管状元件(1)，其特征在于，第一区域(10)的半径(R1)小于管的内表面的直径的标称值的一半。
12.根据前述权利要求中任一项所述的凸形管状元件(1)，其特征在于，自由端的前表面为所述凹形管状元件的轴向支座表面。
13.根据前述权利要求中任一项所述的凸形管状元件(1)，其特征在于，第二区域的表面质量比管的长度的其余部分上的内表面的表面质量更好。
14.一种螺纹拧接的管状连接件，其包括根据前述权利要求中任一项所述的凸形管状元件(1)和与凸形管状元件配合的凹形管状元件(30)。
15.一种用于生产根据前述权利要求1-13中任一项所述的凸形管状元件的方法，其中通过第一成形获得第一区域(10)，并且通过第二成形获得第二区域(20)。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，第二成形在第一成形以后进行。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，第二区域(20)通过除去材料获得。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，第二区域(20)通过机加工获得。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，其特征在于，在所述端部区域的长度的一部分上，在形成所述第一区域(10)之前，管(13)经受缩减锻造操作以便逐渐地减少外直径和内直径直到自由端(4)。
20.根据权利要求19述的方法，其用于形成根据权利要求7所述的凸形管状元件，其中将第二区域(20)连接至第一区域(10)的所述大体锥形的表面通过缩减锻造操作形成。
21.根据权利要求19或20所述的方法，其特征在于，所述缩减锻造操作在第一和第二成形之前进行。
22.一种用于生产密封管状连接件的方法，其中根据权利要求14所述的初始管状连接件(1)通过使用膨胀工具在塑性变形区域中经受径向膨胀，该膨胀工具的半径大于凸形元件的所述第二区域的内半径(R2)，该膨胀工具沿轴向在连接件中移动。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，第二区域(20)从凸形元件的自由端(4)延伸至一轴向距离，该轴向距离至少等于连接件的总长度(L)。
24.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，至少一个密封表面(15)在与自由端(4)相对的侧上设置在阳螺纹部之外，并且第二区域(20)从凸形元件的自由端(4)延伸至一轴向距离，使得当膨胀工具沿轴向经过位于阳螺纹之外的所述密封表面(15)下方时，膨胀工具使第二区域(20)膨胀。
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