CN101438089B - 管螺纹接头 - Google Patents

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Abstract

一种管螺纹接头，其具有优异的抗压性并且允许在现场作业中在直立状态下容易地进行紧固操作，该接头包括具有阳螺纹区的销和具有阴螺纹区的箱。该销或箱在端部具有端部台肩面，并且箱或销具有抵靠该端部台肩面的台肩面。阳螺纹区和阴螺纹区的螺纹是具有顶部、承载侧面和插入侧面的梯形螺纹。唇部长度是插入侧面间隙的至少140倍，其中该唇部长度是具有端部台肩面的构件在端部台肩面与离该端部台肩面最近的接合螺纹之间的轴线方向距离，该插入侧面间隙是当阳螺纹的承载侧面和阴螺纹的承载侧面彼此接触时在阳螺纹的插入侧面和阴螺纹的插入侧面之间的轴线方向距离。优选对阳螺纹的插入侧面倒角。

Description

管螺纹接头
技术领域
本发明涉及一种管螺纹接头，其适用于连接例如石油工业用管材(OCTG)、立管和干线用管等钢管。更特别地，本发明涉及一种具有优异的抗压性的管螺纹接头，该管螺纹接头使得在现场作业(in the field)中容易连接直立状态下的钢管。
背景技术
通常由管螺纹接头连接例如用于油井和气井的勘探和生产的OCTG(包括油井管、套管和钻管的石油工业用管材)以及立管、干线用管等钢管。
管螺纹接头由销(pin)和箱(box)组成，该销是设置在第一管构件的端部上的阳螺纹元件，该箱是设置在第二管构件的端部上的阴螺纹元件。通过接合均为锥螺纹的阳螺纹和阴螺纹来进行连接。典型地，第一管构件是例如石油工业用管材等管道，第二管构件是管接头(coupling)形式的单独构件(这类管螺纹接头被称为管接头型)。对于这种类型，销形成在管道的两端上，箱形成在管接头的两侧上。
还存在一种不使用管接头的整体型管螺纹接头，在该整体型管螺纹接头中，销形成在管道一端的外表面上，箱形成在管道另一端的内表面上。对于这种类型，第一管构件是第一管道，第二管构件是第二管道。理论上，销形成在管接头上而箱形成在管道上的管接头型管螺纹接头也是可能的。下面，主要描述上文首先说明的类型的管螺纹接头的一个例子，其中销形成在管道的两端上，箱形成在管接头上。
过去，已经连接的石油工业用管材主要采用API(美国石油组织，American Petroleum Institute)标准规定的标准螺纹接头。然而，近年来，因为原油和天然气的勘探和生产的环境变得恶化，逐渐采用被称为保险接头(premium joint)的高性能的专用螺纹接头。
在保险接头中，销和箱除了锥螺纹之外均具有金属-金属密封面和扭矩台肩面，该金属-金属密封面使得在接头的配合构件之间在径向上进行直接的金属接触，从而形成密封，该扭矩台肩面在接头的紧固过程中用作抵接限动件。
图1的(A)和(B)是用于该管接头型石油工业用管材的典型的保险接头的示意性说明图。图1的(A)是整体图，图1的(B)是图1的(A)的局部放大图。如图1的(B)所示，该管螺纹接头具有销1和箱2，其中，销1是设置在管道的每个端部上的阳螺纹元件，箱2是设置在管接头的两侧上的对应的阴螺纹元件。在销1的外表面上，销1具有锥形阳螺纹区11和无螺纹的大致圆柱形的抵接部12，该抵接部12称为唇部(下文中称为唇部区)并且在接近端部的一侧与阳螺纹区11相邻。唇部区12在外周面上具有金属-金属密封面13(下文还简称为密封面)，并且唇部区12在端面上具有扭矩台肩面14(下文还简称为台肩面)。
对应的箱2在内表面上具有锥形阴螺纹区21、金属-金属密封面23和台肩面24，该锥形阴螺纹区21可以与销1的锥形阳螺纹区11相互联接，该金属-金属密封面23可以与销1的金属-金属密封面13接触，该台肩面24可以抵接销1的台肩面14。
图2是用于描述由API规定的偏梯形螺纹代表的梯形螺纹的形状和尺寸的示意图。如在图1的(A)和图1的(B)中那样，11是阳螺纹区，21是阴螺纹区。用于保险接头的螺纹通常是模仿该API偏梯形螺纹的梯形螺纹。大多数保险接头采用API偏梯形螺纹的尺寸，关于螺纹的展弦比(高-宽比)、侧面角(螺纹牙侧的倾斜角)等几乎不作任何改变。
举例来说，在具有5TPI(每英寸5螺纹)的螺距的API偏梯形螺纹的情况下，作为到阳螺纹顶部的高度的螺纹高度74是1.575mm，承载侧面的倾斜角71是3°，插入侧面(stabbingflank)的倾斜角72是10°，并且当承载侧面彼此接触时在阳螺纹和阴螺纹的插入侧面之间沿管道轴线方向的间隙73(插入侧面间隙)的平均值是大约100μm(30-180μm)。
关于管螺纹接头的螺纹形状，WO92/15815说明了一种管螺纹接头，在该管螺纹接头中，连接销和箱二者的各螺纹的螺纹顶部和插入侧面的部分被沿着直线或者曲线切去(也就是说，被倒角)，使得其可作为当销插入到箱中时首先接触的接触面。销和箱的接触面意在彼此接触以在销插入箱中的过程中当发生轴线方向不对准时便于插入。
美国专利No.6,322,110公开了一种基于相同思想的管螺纹接头。也就是说，在销和箱二者的螺纹的插入侧面上设置角部倒角(角部的倒角)。当销插入到箱中时，角部倒角相互接合并且便于销的插入。
上述WO92/15815和美国专利No.6,322,110二者均通过在销和箱之间在插入侧面和顶部的倒角部分中产生接触来防止插入角度的未对准，以便于销的插入。因此，在销和箱二者上倒角部分是必要的，并且如果仅仅在两构件之一上设置倒角部分，则不会显示想要的效果。在这些专利文献中没有关于在抗压性方面倒角效果的描述。
在保险接头中，在销和箱的金属-金属密封面之间设置一定量的沿径向的干涉。当紧固接头直到销和箱的台肩面相互抵接时，这些构件的密封面绕接头的整个圆周紧密接触，从而形成密封。
销和箱的台肩面起到在紧固接头时抵接的限动件的作用，并且它们还具有承载作用在接头上的压缩载荷的相当大部分的功能。因此，如果该台肩面的厚度不大(或者如果台肩面的刚度不高)，则这些台肩面承受不住大的压缩载荷。
过去，竖直井是占主导地位的，并且如果用于石油工业用管材的螺纹接头能够承受由于连接到井上的管道的重量而导致的拉伸载荷，并且能够防止通过螺纹接头内部的高压流体的泄漏，则这些螺纹接头就具有足够的性能。然而，近年来，井的深度一直在增加，井眼在地下弯曲的倾斜井和水平井在增加，并且例如在海中或者在极地等不利环境中的井的开发也在增加。结果，对螺纹接头的性能提出了更多样的要求，例如抗压性、抗弯曲性、克服外压的密闭能力以及在现场作业中使用或插入销的容易性。
当外压作用在上述传统保险接头上时，施加的外压通过螺纹之间的间隙传递并且进入到恰在图1的(B)中由31示出的密封面之前的部分。由于唇部区具有比连接的管道主体更小的壁厚，因此，由于进入的外压，唇部区有时会经受直径减少的形式的变形。如果外压变高，则在密封面之间可能产生间隙，导致泄漏的发生，例如发生外部流体通过该间隙渗入管道主体的内部中的情况。
例如，在水平井或者倾斜井中的石油工业用管材的安装期间，当压缩载荷作用在保险接头上时，由于保险接头在插入侧面之间通常具有相对大的间隙，如在具有上述API偏梯形螺纹的情况中那样，因此，接头的螺纹承受压缩载荷的能力较低，并且大部分的压缩载荷由接头的抵接的台肩承受。
然而，台肩面(用于接收压缩载荷的区域，其对应于唇部端面的区域)的壁厚通常大大小于管道主体的壁厚。因此，如果施加对应于管道主体的屈服强度的40-60％的压缩载荷，对于大部分保险接头，销的唇部区经受相当大的塑性变形，导致邻近该部分的密封面的密封性能明显降低。
可以通过增加销的刚度以增加销的抗直径减少的变形性，来增加接头的抵抗外压的密封能力(外压密封能力)。为此，常常将被称为型锻(swaging)的技术应用到管道，朝向轴线地型锻管道，以增加唇部区的壁厚。
然而，如果型锻量太大，对于套管，存在被插入套管内部中的管道卡在型锻部分上的情况，对于油井管，存在由于型锻部分而在油井管内部流动的例如原油等流体中产生湍流并且导致腐蚀的情况。因此，仅可通过型锻到有限程度来增加唇部区的壁厚。
WO2004/109173提出一种管螺纹接头，如图3所示，其具有设置在金属-金属密封面13和销1的端面上的扭矩台肩面14之间的鼻部15。销1的鼻部15的大致圆柱形外周不与箱2的相对部分接触。另一方面，销和箱的金属-金属密封部13和23以及台肩面14和24彼此接触。通过延伸销的唇部区以在密封面的端部处提供无接触的鼻部15，包括台肩面和密封面的唇部区的壁厚可达到有限管道壁厚内的较大值，并且管螺纹接头的抵抗外压的抗压性和密封性能可显著提高。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种管螺纹接头，该管螺纹接头具有优异的抗压性，并且便于在现场作业中连接直立状态下的管道。
本发明的其他目的、优点和特征将从以下说明中变得明显。
在上述WO2004/109173中提出的管螺纹接头中，通过修改比金属-金属密封面更接近于销的端部的部分来实现抗压性的提高。在基于该管螺纹接头进行多次研究之后，本发明人发现，如果螺纹的形状，特别是作为在销的阳螺纹和箱的阴螺纹的插入侧面之间的沿管道轴线方向的间隙的插入侧面间隙以及唇部区的长度满足一定关系，则会防止发生由于压缩产生的唇部区的塑性变形，进一步提高管螺纹接头的抗压性。
本发明涉及一种管螺纹接头，该管螺纹接头包括：销，其是形成在第一管构件的端部上的阳螺纹元件；和箱，其是形成在第二管构件的端部上的阴螺纹元件，销和箱均具有包括螺纹的螺纹区和至少一个扭矩台肩面，销的螺纹区中的阳螺纹与箱的螺纹区中的阴螺纹接合，销的至少一个扭矩台肩面在管接头的轴线方向上抵靠箱的至少一个扭矩台肩面，接触的扭矩台肩面之一是构成管构件的沿横向的端面的端部台肩面，阳螺纹区和阴螺纹区的螺纹是大致梯形螺纹，该梯形螺纹具有(螺纹)顶部、承载侧面和插入侧面并且具有分开螺纹牙侧的根部。
根据本发明的管螺纹接头的特征在于具有端部台肩面的构件的唇部长度是插入侧面间隙的至少140倍并且优选160倍，该唇部长度是端部台肩面与离端部台肩面最近的接合螺纹的承载侧面之间的轴线方向距离，该插入侧面间隙是在接合的阳螺纹和阴螺纹中当阳螺纹的承载侧面和阴螺纹的承载侧面彼此接触时在阳螺纹的插入侧面和阴螺纹的插入侧面之间的轴线方向间隙。
根据本发明的管螺纹接头的一些优选实施例包括如下：
插入侧面间隙至少为0.01mm。
插入侧面间隙至多为0.3mm。
对于阳螺纹区和阴螺纹区中的至少一方的螺纹，插入侧面包括在根部侧的第一部分和在顶部侧的第二部分，并且第二部分与第一部分相比，相对于与接头的纵向轴线垂直的直线具有更大的平均倾斜角。
该插入侧面的第一部分是在纵截面中由直线基本限定的面(如大致锥面)，第二部分是在纵截面中由直线基本限定的面、隆起面或者凹面。
第一部分相对于与接头的纵向轴线垂直的直线的倾斜角在5-25°的范围中。
第二部分相对于与接头的纵向轴线垂直的直线的平均倾斜角在20-70°的范围中。
阳螺纹区和阴螺纹区中的一方的螺纹具有插入侧面，该插入侧面包括第一部分和第二部分，第一部分相对于与螺纹的第一部分的纵向轴线垂直的直线的倾斜角与另一螺纹区的螺纹的插入侧面的角度相同。
插入侧面的第一部分的径向上的高度与螺纹区中的接合螺纹的展开螺纹长度的乘积大于被连接的管道主体的标称径向截面积和接头的抵接台肩面的面积之间的差值。
各螺纹的顶部和根部平行于管螺纹接头的纵向(因此平行于管轴线)。
接合螺纹的承载侧面相对于与接头的纵向轴线垂直的直线的倾斜角在-5°到+5°的范围中。
对于阳螺纹区和阴螺纹区中的至少一方的螺纹，螺纹的承载侧面包括在根部侧的第三部分和在螺纹顶部侧的第四部分的形式的两个部分，并且第四部分与第三部分相比，相对于与纵向轴线垂直的直线具有更大的平均倾斜角。
第四部分具有在纵截面中由直线基本限定的面或者隆起面。
销和箱均在台肩面和螺纹区之间具有金属-金属密封面。
金属-金属密封面被设置在螺纹区的附近。
销和箱均在金属-金属密封面和台肩面之间具有销和箱不相互接触的不接触区域。
根据本发明，通过将唇部区的长度延长至阳螺纹和阴螺纹的插入侧面间隙的至少140倍，优选为至少160倍，由螺纹的插入侧面(或者当已经通过倒角或者斜切去除销或者箱的插入侧面的上部时，由插入侧面的剩余的有效部分或接合部分)有效地产生抗压性，并且增大了管螺纹接头的抗压性，其中，唇部长度是具有管螺纹接头的接触端部台肩面的构件中的在接合螺纹区和端部台肩面之间的距离。
通过将插入侧面间隙控制在一定范围内，可以减少在紧固螺纹接头时紧固力的变化。另外，通过适当地设计螺纹的形状，尤其是顶部和根部的方向、插入侧面的形状和插入侧面侧上的倒角的形状，可以减小例如逐渐自动化的在直立状态下在现场作业中的紧固操作等受限的紧固操作时由于插入角度的偏差导致的问题和螺纹的不接合，从而使得该紧固操作容易。
附图说明
图1的(A)是典型的传统的被称为保险接头的管接头型管螺纹接头的示意性说明图，图1的(B)是图1的(A)的局部放大图。
图2是用于描述由API偏梯形螺纹代表的梯形螺纹的形状和尺寸的示意图。
图3是适用于本发明的管螺纹接头的示意性说明图，其中，延长了唇部区，并且在金属-金属密封面的端部处设置非接触区域。
图4是示出了管螺纹接头的各部分的整体说明图。
图5是示出了管螺纹接头的销和箱的螺纹区的纵(轴线方向)截面形状的说明图。
图6是示出了一个实施例的说明图，在该实施例中，销的阳螺纹的插入侧面具有倾斜角不同的两个部分。
图7是示出图6所示的实施例的变型例的说明图。
图8是类似于图6的实施例的说明图。
图9是类似于图6的实施例的销(阳)螺纹的插入侧面和承载侧面的各部分的说明图。
图10是一个实施例的示意性纵截面图，在该实施例中，在箱的端面上设置第二台肩面。
图11是另一个实施例的示意性纵截面图，在该实施例中，在箱的端部上设置第二金属-金属密封面。
图12是示出一个实施例的示意图，在该实施例中，通过型锻使销构件的壁厚朝向销构件的端部增加。
图13是示出了一个例子的结果的图。
图14是示出了另一个例子的结果的图。
附图标记列举：
1：销
2：箱
11：阳螺纹区
12：唇部区
13：销的金属-金属密封面
14：端部台肩面
21：阴螺纹区
23∶箱的金属-金属密封面
24：箱的台肩面
71：螺纹的承载侧面角
72：螺纹的插入侧面角
73：螺纹的插入侧面间隙
具体实施方式
根据本发明的管螺纹接头可应用于管接头型或者整体型管螺纹接头。在管接头型的情况下，典型地，销形成在管道的两端上，箱形成在管接头的两侧，但也可采用相反的组合。
将参考附图4和5描述根据本发明的管螺纹接头的基本思想。如在附图4中的示意图所示，在通常的管螺纹接头中，销具有：螺纹区，其具有阳螺纹，该阳螺纹与相对的阴螺纹接合(在图中的接合螺纹区)；和唇部区，该唇部区在销的端部侧并且不具有接合螺纹。在销的末端处沿横向的端面是用作扭矩台肩面的端部台肩面。相应地，箱在外端部上具有带阴螺纹的螺纹区，该阴螺纹与相对的阳螺纹接合，并且箱在内侧具有不带接合螺纹的大致圆筒面。在箱的最内部分的沿横向的表面是抵靠销的端部台肩面的扭矩台肩面。
如图所示，销和箱的相互抵靠的台肩面在许多情况下是销的端部台肩面和箱的对应的最内台肩面。然而，在整体型接头的情况下，在管道一端的外表面上形成有阳螺纹的销的端面的表面区域有时小于在管道的另一端上形成有阴螺纹的箱的端部表面的表面区域。在这种情况下，有利的是采用箱的端面作为扭矩台肩面，这是因为能够提高抗压性。
因此，在本发明中，唇部区意味着螺纹接头构件(销或者箱)的具有端部台肩面(其在紧固螺纹接头时用作扭矩台肩面)的部分，该端部台肩面的位置比接合的螺纹部分靠近接头构件的端部。
销和箱的螺纹区的螺纹彼此接合。然而，螺纹不必沿着整个长度接合。如图1的(B)所示，一个或者两个构件的螺纹的端部，特别是在箱的末端附近的螺纹不必与另一个构件的螺纹接合。另外，如图3所示，未接合的阳螺纹能够增加到销的外表面的在接合的螺纹区和唇部区之间的部分。这样，可以增大销抵抗外压的刚度。在本发明中，在具有端部台肩面的构件(销或者箱)的螺纹区的外端(靠近末端)上形成的未接合的螺纹被包括在该构件的唇部区内。
虽然不是本发明的必要特征，典型地，管螺纹接头具有金属-金属密封部。例如，如图3所示，销的唇部区的外表面和箱的无螺纹的大致圆筒内表面具有如下部分，在该部分中，该外表面和内表面彼此接触而形成金属-金属密封面13和23。从提高唇部区的抗压性的角度看，金属-金属密封面优选设置在唇部区的靠近螺纹区的区域中，如图所示。同样，尽管不是本发明的必要特征，如图3所示，销和箱的大致圆柱面不彼此接触的无接触区域优选设置在唇部区中的金属-金属密封面13、23和台肩面14、24之间的部位处。如WO2004/109173中所述，唇部区中的无接触区域能够进一步提高该部分的抗压性。另外，如图3所示，可以去除销和箱的在台肩面两侧的内表面以形成倒角部分16和26。结果，能够实现环绕抵接的台肩面的管道内部的圆度，使得可以防止流过该接头的流体发生湍流。
图5示意地示出了在接头的纵截面中的管螺纹接头的螺纹。为了便于描述，在此示出的所有的螺纹角部都没有被倒角。如已经参考图2描述的那样，销和箱的每个接合螺纹具有：顶部；承载侧面，其是在销的插入方向上的后侧的螺纹牙侧；和插入侧面，其是在销的插入方向上的前侧的螺纹牙侧，并且相邻的螺纹牙侧由根部分开。如图5所示，在销的阳螺纹和箱的阴螺纹的承载侧面彼此接触(施压)的状态下，在阳螺纹和阴螺纹的插入侧面之间的纵向(轴线方向)间隙是(螺纹)插入侧面间隙。如图所示，在阳螺纹的顶部和阴螺纹的根部之间也存在间隙。这些间隙是必要的，使得可在不产生磨损的情况下进行螺纹接合。
图5示出了一个例子，在该例子中，阳螺纹和阴螺纹的插入侧面是平行的，从而插入侧面间隙在接合的螺纹的整个插入侧面上是一致的。
在本发明中，在具有端部台肩面的构件(销或者箱)中，构件的在端部台肩面和位置最靠近端部台肩面的接合螺纹的承载侧面之间的轴线方向(纵向)距离(该距离基本上对应于唇部区的长度，所以下文中将其称为唇部长度)是插入侧面间隙的至少140倍，并且优选至少160倍。如图3所示，当螺纹区(在示出例子中为销的螺纹区)在最接近台肩面14的端部上具有未接合的螺纹时，该未接合的螺纹部分的轴线方向长度，也就是图3中的设置在箱2上的圆柱形凹槽32的轴线方向长度，被包含在唇部长度中。
如上所述，具有端部台肩面的构件典型地为销，该端部台肩面抵靠管螺纹接头的另一个构件的相对的最内台肩面。在此情况下，销的唇部长度满足相对于插入侧面间隙的上述要求。然而，如上所述，特别对于整体型管螺纹接头，该端部台肩面有时设置在箱上。在此情况下，使箱的唇部长度满足上述要求。当螺纹接头的销和箱二者均具有端部台肩面并且因此具有唇部区时，使销和箱中至少之一的唇部长度满足该要求。
在压缩载荷下，有必要在管螺纹接头中使螺纹在唇部区的应变保持在弹性区域中的同时受压。如果唇部长度是插入侧面间隙的至少140倍并且优选至少160倍，则即使由于外压使螺纹接头在管道轴线方向上受压，唇部区也不会开始发生塑性变形，并且在唇部区的应变保持在弹性变形状态下的同时，螺纹的插入侧面能够有助于抗压性。结果，管螺纹接头的抗压性明显增加。
插入侧面间隙优选至少0.01mm(10μm)并且至多0.3mm(300μm)。如果插入侧面间隙小于0.01mm，则间隙太小使得螺纹接头的紧固变得不稳定，并且容易发生磨损。另一方面，如果插入侧面间隙大于0.3mm，则该间隙太大使得外压容易进入，从而在紧固期间过度增加将被施加到唇部区的外压。如图5所示，在阳螺纹的顶部和与该阳螺纹接合的阴螺纹的根部之间也存在沿接头径向的间隙。对该径向间隙的尺寸没有特别限制，但是通常该尺寸设计成使得考虑到螺纹高度的公差时能够实现足够的间隙。
对于销和箱中至少之一的螺纹(优选销的阳螺纹，如图6-9所示)，每个螺纹的插入侧面包括在根部侧的第一部分和在顶部侧的第二部分的形式的两个部分。第二部分优选具有比第一部分大的相对于与纵向轴线垂直的直线的平均倾斜角(也就是说，第二部分比第一部分具有更陡的坡度)。结果，如下面所述，可在保持足够的抗压性的同时使在现场作业中紧固螺纹接头更容易。
总的来说，管螺纹接头的接合螺纹区中的总的螺纹高度(从螺纹的根部到顶部的径向高度)被设计成使得接头的强度至少是拉伸载荷下的管道主体的强度。在压缩载荷下，抵接台肩面还接收施加的载荷。因此，由螺纹承受的压缩载荷减少了由抵接台肩面的截面积接收的量。也就是说，用于支撑载荷所需的螺纹高度在压缩载荷下比在拉伸载荷下小。在图5所示的承载侧面彼此接触的状态中，由接头的接合螺纹的承载侧面承受拉伸载荷，而在插入侧面彼此接触的未示出的状态中，由接合螺纹的插入侧面承受压缩载荷。因此，在螺纹的插入侧面一侧的螺纹高度包括余量(margin)。
在具有均有助于抗压性或者接收压缩负载的抵接台肩面和接合螺纹的管螺纹接头中，可由接头的受压面的横向或径向上的总截面积与管道主体的径向截面积之比来表示接头的压缩率，其由如下公式给出。
压缩率(％)＝{[(接合的螺纹的累计投影截面积)+(抵接台肩面的截面积)]/(管道主体的截面积)}×100。
该抵接台肩面的截面积典型为管道主体的截面积的大约40-50％。因此，即使对于100％的压缩率，其中对应于管道主体的屈服强度的压缩载荷被施加到管螺纹接头，如果插入侧面的螺纹高度是总的螺纹高度的至少50-60％，则该接头也能够承受该压缩载荷。因此，如果插入侧面的根部侧的第一部分具有至少支撑压缩载荷所需的高度(例如总的螺纹高度的50-60％)，则在插入侧面的顶部侧的剩余的第二部分可具有更大的倾斜角，这使得该部分不能接收压缩载荷，即使在该情况下，也能够实现足够的抗压性。
关于管螺纹接头的抗压性，从过去开始，设置在唇部区的端部处的端部台肩面的塑性变形被认为是抗压性损失的主要原因，所以台肩区域的截面积与管道主体的截面积之比是重要的因素。在本发明中，在唇部区的变形保持在弹性区域中时发生螺纹插入侧面的最初接触，所以由抵接台肩部分的截面积和接合的(有效)螺纹插入侧面的累计投影截面积之和来控制管螺纹接头的抗压性，该接合的(有效)螺纹插入侧面对应于插入侧面的上述第一部分。能够以该方式确定有助于螺纹插入侧面的压缩率的第一部分的高度。
例如，销的阳螺纹的倒角插入侧面的第一部分的径向上的高度优选设定成：该第一部分的径向上的高度和接合螺纹(彼此接合的销和箱的螺纹)的展开的螺纹长度的乘积大于连接的管道主体的标称径向截面积(nominal radial cross-sectionalarea)和接头的抵接台肩面的径向截面积之间的差值。这样，接头可具有能够经受对应于上述100％压缩率的压缩载荷的抗压性。当然，管道主体的截面积意味着管道壁在径向上的截面积。当螺纹接头在两个或多个部位具有抵接台肩面时，抵接台肩面的截面积是在两个或多个部位处的截面积的总和。
通过赋予插入侧面的第二部分以从现场作业中的紧固操作的角度看是最佳的倒角形状，可实现在保持由第一部分实现的优异的抗压性的同时在现场作业中容易地进行紧固操作。
构件(例如，销)的螺纹的插入侧面的第一部分应该与另一个构件的螺纹的插入侧面平行，以在第一部分中产生均一的插入侧面间隙，并且使插入侧面的第一部分在紧固接头时均匀地接触另一螺纹的插入侧面。因此，螺纹的插入侧面的第一部分和另一螺纹的插入侧面优选为大致锥面。
这里，大致锥面是指在纵截面(沿着管道轴线)中由直线基本限定的表面。更具体地，大致锥面指的是高度的至少50％并且优选至少80％是圆锥状或者在纵截面中由直线限定。因此，大致锥面包括上端和/或下端稍微变圆的情况。
插入侧面的具有更大的倾斜角的第二部分是倒角部分。该倒角使得在现场作业中紧固时容易将销插入箱中。如图6所示，第二部分的倒角可以是管道轴线方向上的截面为直线的倒角(具有大致锥面的倒角)，或者如图7所示，第二部分的倒角可以是轴线方向截面为弧形(凸状隆起面或者凹面)的倒角。图7示出了隆起面的一个例子。倒角还可以结合这些形状。
当插入侧面的第一部分具有大致锥状时，表面相对于与管道轴线(管道和接头的纵向轴线)垂直的直线的倾斜角优选在5-25°范围中。与作为倒角部分的第二部分的倒角形状无关地，第二部分相对于与管道轴线垂直的直线的平均倾斜角优选在20-70°范围中，如图8所示。
在上述WO92/15815和美国专利No.6,322,110中描述的管螺纹接头中，不仅是对阳螺纹的插入侧面在顶部附近倒角，而且对阴螺纹的相对部分也赋予相应的形状。因此，各阴螺纹也具有倾斜角不同的两个部分。在本发明中，如图6-8所示，不必对阴螺纹的插入侧面赋予与阳螺纹的倒角对应的形状。
对于所有阳螺纹和阴螺纹而言，螺纹的顶部和根部优选平行于管道轴线方向。也就是说，虽然管螺纹接头的销和箱的螺纹区是锥螺纹的形式，但是优选每个螺纹的顶部和根部不平行于锥形斜坡，而是平行于管道轴线。以该方式，可减少在现场作业中进行紧固操作时由于销的插入角度的偏差而导致的问题。
销和箱的螺纹的承载侧面相对于与管道轴线垂直的直线的角度优选在-5°到+5°的范围中。这里，当承载侧面的倾斜角为负时，意味着如图5-9所示，例如，承载侧面相对于与管道轴线垂直的直线在图中向左倾斜。
如图6-9并且优选如图9所示，销和箱中至少之一的螺纹的承载侧面，并且优选是销的阳螺纹的承载侧面，还包括在根部侧的第三部分和在顶部侧的第四部分的形式的两个部分。第四部分应该具有比第三部分大的相对于与管道轴线垂直的直线的平均倾斜角(在正侧)。在该情况下，承载侧面的第三部分优选是大致锥面，其倾斜角优选在-5°到+5°的范围中。第四部分可以是如图所示的大致锥面，或者可以是隆起面。
在现场作业中紧固时，承载侧面的第四部分也是一种使得容易将销插入到箱中的倒角。拉伸载荷仅由承载侧面承受，并且台肩面没有起到抵抗拉力的作用。因此，有必要使承载侧面的阳螺纹和阴螺纹的接触部分(承载侧面的第三部分)的面积大于插入侧面的阳螺纹和阴螺纹的接触部分(插入侧面的第一部分)的面积。因而，优选承载侧面的第四部分具有比插入侧面的第二部分小的高度，使得用于接触的充分面积留在承载侧面的第三部分上，这有助于拉伸性能。为此，第四部分的高度优选是螺纹高度的至多20％。
销和箱二者优选在台肩面和接合螺纹部分之间，即，在唇部区中，具有金属-金属密封面。在本发明中，唇部长度是螺纹的插入侧面间隙的至少140倍，这与传统的唇部长度相比长得多。在该情况下，如果在唇部区的整个长度上设置金属-金属密封面，则在紧固操作期间容易发生磨损。因此，在唇部区的一部分上设置金属-金属密封面，并且优选在唇部区的靠近螺纹区的区域中设置金属-金属密封面。金属-金属密封部分的长度优选是唇部长度的至多25％。
销和箱均优选在金属-金属密封面和台肩面之间具有不接触区域(在该区域，销和箱不相互接触)。通过在金属-金属密封面和台肩面之间设置该不接触区域，可以增加唇部区的长度，并且在施加压缩载荷时，可以在唇部区的应变保持在弹性区域中的同时由销和箱的螺纹区的接触的插入侧面以及抵接的台肩面来支撑压缩载荷，并且包括金属-金属密封面的唇部区采用抗压缩产生的塑性变形的设计。
该不接触区域可以是如图3所示销和箱都不具有螺纹的部分，或者可以是仅销和箱中之一的构件具有螺纹的非接合螺纹部分，或者可包括上述两个部分。该不接触区域的长度优选是唇部长度的至少15％。不接触区域的在任一构件中均不具有螺纹的部分的长度优选是唇部长度的至多33％。
除了插入侧面间隙和唇部长度之间的上述关系、以及至少一个构件并且优选是销的接合螺纹的插入侧面和承载侧面的优选形状之外，对于管螺纹接头的形状或者结构没有特别的限制。例如，端部台肩面和金属-金属密封面不限于一个部位，并且如图10所示，可在箱2的末端设置第二端部台肩面33，或者如图11所示，可以在接近箱2的末端在两个构件上设置第二金属-金属密封面34。此外，如图12所示，可通过型锻或者叠加(overlaying)来增加接头附近的管道和/或管接头的厚度。
特别地，如图10所示，当具有端部台肩面的唇部区被设置在箱和销中的每一个的末端时，或者换句话说，当管螺纹接头具有两个均具有在紧固接头时用作扭矩台肩面的端部台肩面的唇部区时，至少一个唇部区应该满足本发明规定的唇部长度和插入侧面间隙之间的关系。
下面例子进一步解释本发明。这些例子在各个方面都应被认为是说明性的而不是限制性的。
例1
为了清楚地证明本发明的效果，通过紧固将压缩载荷施加到表1中所示的测试构件，并且对唇部区的变形进行观察。
在表1中所示的每个测试构件是如图3所示的用于管接头型的石油工业用管材的螺纹接头。它们用于9.625″x53.5(1磅/英尺)钢管(244.5mm的外径和13.84mm的壁厚)。用于所有测试构件的钢由API规格P110所规定。台肩面是位于销的端部的端部台肩面和箱的对应的台肩面。唇部区在外周上具有位于螺纹区附近的金属-金属密封面(5.5mm的长度)并且在外端侧具有不接触区域。与图3相比，在螺纹区的端部上没有非接合螺纹。
对于所有的测试构件，螺纹形状是一样的，其具有1/18的锥度、1.3mm的阳螺纹高度74、5.08mm的螺距、10°的插入侧面角72以及-3°的承载侧面角71。对于阳螺纹和阴螺纹二者，插入侧面和承载侧面的倒角仅是如图2所示的最小圆角，并且插入侧面实质上仅由一部分构成。接头的插入侧面间隙73和唇部区的长度如表1所示改变。
对于每个测试构件，在销和箱的台肩面彼此抵靠之后，接头的紧固立即终止。在表1和图13中示出结果。
表1
Figure G2007800166630D00191
*O：在施加压缩载荷之后唇部没有塑性变形；
X：发生塑性变形。
如从表1和图13的结果可见，如果满足本发明的唇部长度是插入侧面间隙的至少140倍的要求，则即使当施加对应于管道主体的屈服强度的100％的压缩力时，也不会发生唇部区的塑性变形，并且仅发生弹性变形，因此抗压性优异。
例2
以与例1中相同的方式进行评价试验，但是在该例子中，销的阳螺纹的插入侧面被分成具有不同倾斜角的根部侧的第一部分和顶部侧的第二部分。在该例子中，为了简化分析，如图6和8所示，插入侧面的第一部分和第二部分均被制成锥面(也就是说，具有基本上由直线形成的沿着管道轴线的纵截面)。插入侧面的倾斜角对于第一部分是10°并且对于第二部分是45°。唇部长度与插入侧面间隙的比率是200(插入侧面间隙是0.1mm，唇部长度是20mm)。通过改变插入侧面的第一部分的高度，第一部分的高度相对于总的螺纹高度的比率(在表2中的螺纹插入侧面高度比率)如表2所示地改变。此外，通过改变唇部区的端部的直径，即销的端部台肩面的面积，抵接的台肩面的截面积相对于管道主体的截面积的比率、以及接合(有效)的插入侧面的累计截面积(＝阳螺纹的插入侧面的第一部分的螺纹高度与接合螺纹的展开螺纹长度的乘积)相对于管道主体的截面积的比率如表2中的截面积比率栏所示地改变。在此表中，对于情况7、8和9，销的端部经过型锻从而具有增加的壁厚，因此，在销的端部处的端部台肩部分的截面积增加。
在施加对应于管道主体的屈服强度100％的压缩载荷(也就是说，由上述公式计算的弹性压缩率)和由API规定的外压之后，通过评价唇部区的情况(是否存在变形或者破坏)来进行分析。该结果在表2和图14中示出。在表2中，抵接台肩面的截面积和接合插入侧面的累计截面积示出为相对于由螺纹接头连接的管道主体的被认为是100％的标称截面积的比率(％)。
表2
 
情况 截面积比率(相对于管道主体截面积) 插入侧面高度的比 施加的压缩载荷程 施加的外压 (唇部长度)/(螺纹 发生破坏
 
抵接台肩面 累计接合插入侧面 率(相对于总的螺纹高度) 度(相对于管道主体的屈服强度) 的插入侧面间隙)
1 30％ 91％ 76％ 100％ API5C3 200 未破坏
2 30％ 80％ 57％ 100％ API5C3 200 未破坏
3 30％ 48％ 35％ 100％ API5C3 200 唇部变形
4 40％ 76％ 76％ 100％ API5C3 200 未破坏
5 40％ 70％ 57％ 100％ API5C3 200 未破坏
6 40％ 48％ 35％ 100％ API5C3 200 唇部变形
7 50％ 76％ 76％ 100％ API5C3 200 未破坏
8 50％ 70％ 57％ 100％ API5C3 200 未破坏
9 50％ 48％ 35％ 100％ API5C3 200 唇部变形
从表2和图14中可见，当螺纹的接合插入侧面的累计截面积大于管道主体的标称截面积(100％)与端部台肩面的截面积之间的差值时，即，当满足下面关系式时，螺纹接头的抗压性超过管道主体的抗压性，结果，唇部区不会变形。
[接合的插入侧面的累计截面积]>[管道主体的标称截面积]-[抵接台肩面的截面积]
虽然已经参考优选实施例描述了本发明，但这些实施例仅仅是例子并且不限制本发明。本领域技术人员明白上述实施例能够以多种方式进行修改，而不会偏离权利要求书所述的本发明的范围。

Claims (19)

1.一种管螺纹接头，其包括：销，其是形成在第一管构件的端部上的阳螺纹元件；和箱，其是形成在第二管构件的端部上的阴螺纹元件，所述销和所述箱均具有螺纹区和至少一个扭矩台肩面，所述销的阳螺纹区与所述箱的阴螺纹区接合，所述销的所述至少一个扭矩台肩面在管道的轴线方向上抵靠所述箱的所述至少一个扭矩台肩面，抵接的扭矩台肩面之一是构成所述构件的沿横向的端面的端部台肩面，所述阳螺纹区和所述阴螺纹区的螺纹是大致梯形螺纹，该梯形螺纹具有螺纹顶部、承载侧面和插入侧面并且具有分开螺纹的根部，
特征在于，具有端部台肩面的所述构件的唇部长度是插入侧面间隙的至少140倍，该唇部长度是所述端部台肩面与离所述端部台肩面最近的接合螺纹的承载侧面之间的轴线方向距离，该插入侧面间隙是在所述销和所述箱的接合的螺纹中当所述阳螺纹的承载侧面和所述阴螺纹的承载侧面彼此接触时在所述阳螺纹的插入侧面和所述阴螺纹的插入侧面之间的间隙的轴线方向距离。
2.根据权利要求1所述的管螺纹接头，其特征在于，所述唇部长度是所述插入侧面间隙的至少160倍。
3.根据权利要求1所述的管螺纹接头，其特征在于，所述插入侧面间隙至少为0.01mm。
4.根据权利要求2所述的管螺纹接头，其特征在于，所述插入侧面间隙至少为0.01mm。
5.根据权利要求1所述的管螺纹接头，其特征在于，所述插入侧面间隙至多为0.3mm。
6.根据权利要求2所述的管螺纹接头，其特征在于，所述插入侧面间隙至多为0.3mm。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的管螺纹接头，其特征在于，所述销和所述箱中的至少一方的螺纹具有包括在根部侧的第一部分和在螺纹顶部侧的第二部分的插入侧面，所述第二部分与所述第一部分相比，相对于与所述接头的纵向轴线垂直的直线具有更大的平均倾斜角。
8.根据权利要求7所述的管螺纹接头，其特征在于，所述第一部分具有在纵截面中由直线基本限定的面，所述第二部分具有从以下面中选择出的面：在纵截面中由直线基本限定的面、隆起面和凹面。
9.根据权利要求8所述的管螺纹接头，其特征在于，所述第一部分相对于与所述接头的纵向轴线垂直的直线的倾斜角在5-25°的范围中。
10.根据权利要求8所述的管螺纹接头，其特征在于，所述第二部分相对于与所述接头的纵向轴线垂直的直线的平均倾斜角在20-70°的范围中。
11.根据权利要求7所述的管螺纹接头，其特征在于，所述销和所述箱中的一方的螺纹具有包括所述第一部分和所述第二部分的插入侧面，所述第一部分相对于与所述纵向轴线垂直的直线的倾斜角与所述销和所述箱中的另一方的螺纹的插入侧面的角度相同。
12.根据权利要求7所述的管螺纹接头，其特征在于，所述插入侧面的所述第一部分的径向上的高度与螺纹区中的接合螺纹的展开螺纹长度的乘积大于被连接的管道主体的标称径向截面积和所述接头的抵接的扭矩台肩面的径向截面积之间的差值。
13.根据权利要求1～6中任一项所述的管螺纹接头，其特征在于，所述阳螺纹和所述阴螺纹的螺纹顶部和根部平行于所述管螺纹接头的轴线方向。
14.根据权利要求1～6中任一项所述的管螺纹接头，其特征在于，所述阳螺纹和所述阴螺纹的所述承载侧面相对于与所述接头的纵向轴线垂直的直线的倾斜角在-5°到+5°的范围中。
15.根据权利要求7所述的管螺纹接头，其特征在于，对于所述销和所述箱中的至少一方的螺纹，所述承载侧面包括在根部侧的第三部分和在螺纹顶部侧的第四部分的形式的两个部分，并且所述第四部分与所述第三部分相比，相对于与纵向轴线垂直的直线具有更大的平均倾斜角。
16.根据权利要求15所述的管螺纹接头，其特征在于，所述第四部分具有在纵截面中由直线基本限定的面或者隆起面。
17.根据权利要求1～6中任一项所述的管螺纹接头，其特征在于，所述销和所述箱均在扭矩台肩面和螺纹区之间具有金属-金属密封面。
18.根据权利要求17所述的管螺纹接头，其特征在于，所述金属-金属密封面被设置在所述螺纹区的附近。
19.根据权利要求17所述的管螺纹接头，其特征在于，所述销和所述箱均在所述金属-金属密封面和所述扭矩台肩面之间具有所述销和所述箱不相互接触的不接触区域。
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