CN101180490A - 带有密封的管道螺纹接头 - Google Patents

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    • F16L15/004Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints with conical threads with axial sealings having at least one plastically deformable sealing surface

Abstract

一种管道螺纹接头包括至少一个布置在阴螺纹外部的金属对金属干涉型密封。所述接头远离密封具有阴螺纹的加长部分,该部分对密封产生弹性紧固带的效果,从而密封上的过盈干涉没有必要,由此促成了正确的配合。

Description

带有密封的管道螺纹接头

技术领域

本发明涉及管道接头,特别涉及在流体比如油或气的抽/喷中应用的 带有密封设备的管道接头。 背景技术

在天然气和石油的开采工业中,所使用的预定长度的管段必须在它 们的端部连接在一起,以到达通常发现的相当深的碳氢化合物的储藏层。 在钻井过程中,井的整个长度内被排满金属管。金属管的各个段通常大 约十米长,这些管段借助带螺纹的接头拧在一起。为了遍及井的整个深 度,也要使用许多绳子,因为地层的机械阻力和地质特性的原因,绳子 到达的深度越深,这些绳子的直径越来越细,从而构成"望远镜"式结 构。

一旦完成钻井,将另一个管状绳子插进上述被排满的井内,所述绳 子用于向地下储藏层以外输送气或者油。这种绳子,其被布置在整个井 深,因此能够在某些情况下到达几千米的深度。

在两种情况下,各个管段借助螺纹接头被连接在一起,这些接头可 以是整体式的,即螺纹管的一端为阳螺纹而另一端为阴螺纹,或者是套 管式的,即螺纹管的两端都是阳螺纹,在两侧连接阴螺纹套管。通常接 头的存在必然带来绳子在接头处的外径变大,这导致在整个管道的整体 尺寸更大,而且接头的外径相对于管道更大。

为了限制绳子的外径和由此限制钻井成本以及安装的材料成本,生 产了总直径变小的螺纹接头,按照需要的性能和容许的最大总尺寸,这 些接头传统上被分为三种类型。第一种类型通常被称为半齐平型,是一

种套管型接头,其外径不超多管道外径的6%。第二种类型,通常被称为 近齐平型,是一种整体式接头,其外径超过管道的外径为2〜3%。最后 一种类型,被称为齐平型,是整体式接头,其外径在整个接头区域等于 管道的外径。各种接头类型的选择是按照管状绳子必须承受的负荷、它 的内部和/外部施加的压力、它的长度和与井的直径有关的最大容许总直 径确定的。

这些螺纹接头的密封问题是特别重要的。 一种密封类型是通过在阳 螺纹和阴螺纹管的两个表面区域之间的干涉而当前产生,其中所述表面 经由适合于管道的工作条件的压力被保持直接的金属接触。在这些接头 中,如果在组成密封表面的过程中产生的接触压力足够充分,而能防止 由于作用在接头上的复合应力的原因导致的两个金属端头的所有区域的 脱离,那么就能保证阳螺纹件和阴螺纹件之间的密封。各种类型的应力 主要包括管道外部存在的和/或内部循环的流体压力以及其它的负荷,例 如轴向牵引负荷或压縮负荷和弯曲负荷。当这些负荷趋向分离阳螺纹件 和阴螺纹件,消除密封表面之间的接触并由此影响或破坏紧密性,引起 管的泄露时,所述负荷的作用结果在很大程度上是负面的。因此,考虑 到制造管道的材料、两个元件的刚性和最重要的方面即按照阳螺纹件和 阴螺纹件之间的直径干涉,以维持任何工作条件下足够的金属对金属的 接触压力,密封表面必须具有适当地尺寸。然而,发生在设计的这种接 头中金属对金属接触类型的密封表面的问题是,不能超过接触压力极限 。在过盈干涉的情况中,事实上,在完成两个元件的配合之前,会发生 接头两个密封表面的冷焊或者卡死。然而另一方面,如果所述干涉的量 保持不充足的话,当承受高压时,接头的紧密性会受影响。

已知接头的第一个例子是文献US4795200。在这个文献中,接头在 阳螺纹件的端部具有加长部分,该加长部分与由圆锥形表面产生的密封 组合使用。所述表面没有棘手的卡死问题,这些问题属于金属对金属密 封的另一种类型。已知接头的第二个例子是在文献EP-A-130178中描述 的,其中金属对金属接触表面类型存在外部密封。在这种情况中,在两 个元件的配合过程中,直径干涉会引起在阴螺纹件的表面上的正常压力, 阴螺纹件的端部趋向径向向外膨胀。如果发生高的牵引力负荷,所述膨 胀甚至更明显,甚至导致密封表面中的金属塑性变形。在这种情况下, 在已经超过阴螺纹件的弹性极限之后,变形能够积累,这趋向增大它的 内径,减少干涉并由此降低接头的密封能力。因此密封的效率很大程度 上取决于这种现象,而且特别地, 一旦管道已经承受特别高的内部压力,

它会不适合承受外部压力。因此,这能够引起管道的泄露构造,这种构 造具有发生损失的可能。因此特别是在已将管道放置到地下以后,开裂 使得操作员实际上不能在开裂的任一点处直接干预,除了引起相当程度 的环境损害外,特别是如果储藏层含有侵略性元素,对萃取设备具有极 其严重的经济后果。

为了避免上述缺陷由本领域提出的第一个解决方案是,生产带有更 厚管壁的管道,从而管道的刚性更大。

一种替换方案是生产由具有多个适当机械特性的材料制成的管道。 然而两种解决方案都涉及生产成本的大量增加。

因此需要生产一种革新性的管道接头,它克服了所有上述缺陷同时 限制了生产成本。 发明内容

本发明的主要目的是生产一种密封性得到改进的螺纹管道接头,所 述接头保持足够的刚性,特别对于齐平式或近齐平式整体接头在接头区 域具有相对薄的管壁厚度。

另一个目的是改进接头对高负荷特别是对压縮负荷的结构抗力,而 没有影响密封性能。

因此本发明通过生产一种具有纵轴的螺纹管道接头来实现上述目 的,按照权利要求l,该接头具有第一和第二管段,第一段限定接头的阳 螺纹件,第二段限定接头的阴螺纹件,其中第一段在一端具有阳螺纹, 第二段具有设计成被拧到所述阳螺纹以组成接头的阴螺纹,其中第一段 具有第一密封表面,第二段具有位于所述阴螺纹的一端与最接近第二管 段的端部之间的第二密封表面,所述第一和第二密封表面具有的尺寸能 够至少在螺纹连接位置的端部通过第一和第二管段的材料变形产生交互 干涉,从而构成金属对金属型的接头密封,所述接头其特征在于,加强 部分位于第二管段的远离阴螺纹突出的端部,其中所述加强部分在它的 所有点处的内径大于第一管段的公称外径,从而在第一管段和第二管段 之间贯穿加强部分的整个长度不产生任何接触。

有利地,通过接头密封装置的适当尺寸,经过正确平衡各种需求、 不时的冲突,能够实现本发明的目的即良好的效率水平,这些需求是最

小总尺寸、最大结构抗力和保持密封性能以防止流体从管道流出和/或流 进管道,在数次安装和拆卸接头之后也同样如此。

此外,带有密封表面的本发明的接头所选择的尺寸对于轴向负荷和 径向负荷两方面的抗力允许实现良好的折衷。

从属权利要求描述本发明的接头的优选实施方案。 附图说明

在附图的帮助下,参照借助非限定性实施例给出的螺纹管道接头的 优选但非排除性实施方案的详细说明,本发明的其他特征和优点会变得 更清楚。

图1是本发明的接头沿着穿过它的纵轴的平面的截面图; 图2是图1的接头中所述截面由字母A所示区域的放大图。

具体实施方式

参照附图,所述螺纹接头包括两个元件,即管段,其中一个是阳螺 纹件l,另一个是阴螺纹件2。所述接头限定流体比如天然气或原油或其 他类似流体流过的内部10,由自然状态的各种流体或者其它液体,通常 是受压或者仅引起流体静压负荷的流体或者其他液体围绕的外部20。

所述螺纹接头有利地提供外部密封,其中借助密封表面的两个圆周 部分的干涉在阳螺纹1和阴螺纹2的交互配合的过程中产生紧固密封。

在阴螺纹件2中,对组成密封装置有贡献的圆周部分或密封表面4 在管壁的内侧,其适当尺寸和定位是在距离阴螺纹7的初始部分的预定 距离处。

密封表面4或者说简单的密封在形状上基本为球形或者螺旋管形( toroidal)。阴螺纹件2也适当地具有加长部分,也被称为加强部分5,该 部分伸过阴螺纹7和密封表面4。所述加长部分的一个特征是,它的尺寸 被定为这样,即在阳螺纹件1和阴螺纹件2两个元件完成配合以后,它 与阳螺纹件1没有任何接触点或者接触面。因此,这个加强部分5不直 接承受任何来自阳螺纹件1的接触压力。

在阳螺纹件和阴螺纹件的配合过程中,由于在阴螺纹件的密封表面4 与阳螺纹件1的表面之间存在的、在设计阶段适当地限定的干涉,产生 作用在阴螺纹件2的密封表面4上的径向力,该径向力被转换为阴螺纹

件的直径增大。依次,阳螺纹件1经受收縮,但是管道的壁越薄,所述 阳螺纹件的变形越大。结果阳螺纹件在阴螺纹件重大膨胀的时候收縮非 常有限的程度。由于制造管道用的金属的连续性,在密封表面4区域处

的变形被传递给加强部分5,并且随着距密封4的距离增加而产生的力变 小,从而在预定长度之后,加强部分5不经受变形并维持它的公称尺寸 。换句话说,加强部分5的表现就象密封上的弹性紧固带。

加强部分5的这个后部,充当管的金属弹性区域中的弹簧圈,即使 在数次配合和拆卸操作之后以及在各种负载循环之后依旧保持有效,并 且促进增加两个元件1和2的接头表面之间的接触压力,避免阴螺纹件2 的密封表面4与阳螺纹件1的对应表面之间的高度干涉值的出现。实际 上,过盈干涉值会导致配合过程中的接头磨损和其他问题,不能保证接 头在各种负荷状况下的最佳密封。

具有密封的按照本发明的接头尺寸的最优化,是通过接头的不同参 数之间的适当数学关系进行限定的。在所述尺寸下,接头的所有零件在 管道材料的接触压力极限之下工作,而且降低发生磨损的可能性。

由此,加强部分5的壁厚T的值在wt值的10%到30%之间,wt值

代表以管道本体为标准时的壁的公称厚度,因此 0.1wt=T=0.3wt

而加强部分5的长度在下述区间内: 5(ln(wt)/OD0125)=L=20(ln(wt)/OD0125) 此处OD代表管道的公称外径。 在前述公式中的所有参数都以毫米表示。

下面的表格表示对于最常商用的管道的公称尺寸下加强部分5的长 度L和厚度T的最大值和最小值。

<table>table see original document page 8</column></row> <table>有利地,本发明的接头的加强部分5的长度介于大约6到26.5mm之

间,厚度介于大约1到4.5mm之间,螺纹7的起始点与密封表面4之间 的距离在螺距的0.5到5倍之间的区间内。

至于接头的外轮廓,它可以是圆锥形或者是圆柱形。 另一个优点是下述事实体现的,即本发明的接头具有的阴螺纹件在 一端的厚度明显减小,大约等于管道总可利用厚度的25%。这使得在基 本垂直于管道纵轴的平面上介于元件1和元件2之间的肩部面6,, 6"具 有更大的尺寸,大约等于管道总厚的25%。所述肩部面或者说简单的肩 部能交替地被布置在元件1和2的螺纹的中间位置或者在所述螺纹的一

i山顺。

对比按照本发明的技术方案,即采用肩部在螺纹中间的接头,与已 知的肩部总在同一区域的接头类型,在后者中,能够看到受预定外径和 装配尺寸的限制,阴螺纹件的端部通常是管道总可用厚度的大约40%, 而两个元件之间的肩部只有大约10%。因此,所述肩部,其代表承受轴 向压缩负荷的主表面,不如按照本发明的技术方案的、能经受利用所述 管道过程中发生的高压縮负荷的肩部适当,导致管道在低于本发明的接 头所能经受的负荷下的断裂。

本发明的该优选实施方案关注的是近齐平式的整体接头,但是同样 的发明思想能应用到各种其它类型的接头。

本发明特别有效的应用是在接头具有长螺纹、具有小锥度和用于螺 纹的端部止动的肩部不靠近密封表面而是距其适当距离的情况下获得 的。

因此在阴螺纹件2的这种设计尺寸下,在保证最佳密封的情况下增 加元件2的刚性并同时提高接头的轴向效率是可能的。

有利地,密封表面4的螺旋管形形状促进维持两个元件1, 2之间的 接触。

在上述说明中,阴螺纹件2被认为是最薄的元件。如果阳螺纹件1 是最薄的元件,上述内容也能应用。

Claims (8)

1、具有纵轴的螺纹接头,包括第一管段和第二管段, 所述第一管段限定接头的阳螺纹件(1), 所述第二管段限定接头的阴螺纹件(2), 其中所述第一管段(1)具有至少一个位于一端的阳螺纹,所述第二管段(2)具有用于被拧到所述阳螺纹以组成接头的至少一个阴螺纹(7), 其中在所述第一段(1)上设置第一密封表面,在所述第二段(2)上设置第二密封表面(4),第二密封表面被布置在所述阴螺纹的一端与第二管段的最近端之间, 所述第一和第二密封表面(4)具有的尺寸能够至少在配合位置的端部通过第一和第二管段的材料变形产生交互干涉,从而构成金属对金属型的接头密封,所述接头其特征在于, 设置加强部分(5),位于第二管段的端部,其远离阴螺纹(7)突出,其中所述加强部分(5)在它的所有点处的内径大于第一管段的公称外径,从而在第一管段和第二管段之间贯穿加强部分(5)的整个长度不产生任何接触。
2、 如权利要求l所述的接头,其特征在于所述加强部分(5)的壁厚 T由下述公式给出0.1wt=T=0.3wt其中wt是管道第一和第二段的公称壁厚。
3、 如权利要求2所述的接头,其特征在于所述加强部分(5)的轴向 长度L由下述公式给出5(ln(wt)/OD0125)=L=20(ln(wt)/OD0125)此处OD是第一和第二管段的公称外径。
4、 如权利要求3所述的接头,其特征在于所述阴螺纹(7)的起始点 与密封表面(4)之间的距离是螺距值的0.5到5倍。
5、 如权利要求4所述的接头,其特征在于在第一管段(1)上设置至 少一个第一肩部面(6')和在第二管段(2)上设置至少一个第二肩部面(6"), 第二肩部面的形状与第一表面的形状互补,所述第一和第二肩部面限定螺纹接头的配合位置的一端,其中所述第一和第二肩部面(6',6")被布置在所述阳螺纹和阴螺纹的中间位置。
6、 如权利要求4所述的接头,其特征在于在第一管段(1)上设置至 少一个第一肩部面(6,)和在第二管段(2)上设置至少一个第二肩部面(6"), 第二肩部面的形状与第一表面的形状互补,所述第一和第二肩部面限定螺 纹接头的螺纹连接位置的一端,其中所述第一和第二肩部面(6',6")被布 置在所述阳螺纹和阴螺纹的相应端部。
7、 如权利要求5或6所述的接头,其特征在于所述接头螺纹在穿过 接头的轴线的横截面内具有锥形形状。
8、 如权利要求5或6所述的接头,其特征在于所述接头螺纹在穿过 接头的轴线的横截面内具有圆柱形形状。
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