CN101730810B - 具有可加压密封件的螺纹接头 - Google Patents
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Abstract
一种螺纹接头包括一个或一对密封环(11，11’)，其具有带有一个或多个从其内表面突出的环形肋(9)的截头圆锥形部分，密封环位于销(3)的螺纹部分的端部之后的销表面的部分，通过其外部圆柱形表面(25)与套管(2)的环形凹槽(10)的内表面形成紧密密封接触并通过其环形肋(9)与销(3)的外表面形成紧密密封接触。该螺纹接头具有液压致动装置对密封环(11)向着所述销进行加压，从而提高接头的密封性。
Description
技术领域
本发明涉及螺纹接头，其尤其用于预定长度的连接管以形成在特别用于OCTG(石油工业用管材)领域的碳氢化合物行业中采用的管串以及离岸应用中的管道。
背景技术
近年来，勘探石油或者更多的是勘探碳氢化合物对软件和装置的要求变得更大，因为油田和气田或储集层位于更深或难以勘探的位置以及海床之下。碳氢化合物田的勘察和开采需要采用更耐环境挑战(例如更大载荷和腐蚀)的软件，这一点在过去不太重要。
在一些应用中，螺纹接头会遭受接头密封件的变形。
现代接头通常被设计成具有通过通常在接头的螺纹部分的一端或两端并在适当应力级的弹性模量的弹性范围内发生干涉的两个表面之间的接触形成的金属对金属的密封件。然而在特定情形下，需要弹性密封件代替金属密封件或与其组合，以防止在螺纹空隙渗入外部流体。
因此设计要求是接头密封件抵制外部或内部流体，或者至少是不允许已经渗入的流体与周围流体发生连续交换，以降低腐蚀速度。
目前广泛采用的解决外部密封螺纹连接件的问题的技术方案是采用由弹性体或复合材料制成的O形环或多种横截面的弹性密封环。
复杂的弹性密封环和简单的O形环根据相对于接头元件中的至少一个预先确定的销与套管之间的直径几何干涉实现它们的密封功能。所述几何干涉出现在连接件的组装之后，使密封环弹性变形并由此在密封件与销和套管中的每个之间引起接触压力，从而限定出密封接头的机械阻挡。通过增大变形的流体压力和对封装密封环的支座的粘附提供密封环的额外增能。
在US6173968中公开了用于密封销与套管之间的接头的O形环的实例。O形环邻接基本上相同直径的环形挡圈。环形挡圈被切开以允许径向扩张并在其外周具有比在其内周更大的厚度。当被密封的接头处于高压力下时，密封环偏压挡圈径向扩张以封盖待密封元件之间的任何间隙，从而即使在高温条件下也可以保持密封能力并防止密封环挤入间隙内。压力随着海的深度而改变并且在更低压力作用在O形环上时密封效率降低。
在该文献中，接头上的外部压力也决定了作用在O形环上的压力。当需要有更高接触压力用于O形环时，在O形环与接头元件之间需要更高的几何干涉。这样会导致密封件断裂。
提高O形环的密封能力的另一方式是增大几何干涉，这一目的在大多情况下通过将密封环制造成在径向上比其壳体更大来实现。然而，密封环越大，其在组装过程中尤其在其预先安装在套管元件上并且在其被迫压住整个销的螺纹区域时遭受越大的破坏。
在这种情况下会产生其他缺陷。在制造过程中引起的几个几何连接变量，例如椭圆度、偏心度、粗糙度在密封表面的整个圆周上引起不均匀的干涉，由此产生不均匀的接触应力并降低密封能力。
实践中，因几何干涉形成的密封能力受弹性元件就它们在组装过程中沿螺纹被拖动的能力来说的几何形状、主要径向尺寸和长度以及不受破坏的任何其他干涉表面的限制。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种克服上述缺陷的螺纹接头。
本发明的主要目的是提供一种接头，其具有创新的密封环，从而确保了简单和可靠的初始组装以及在操作过程中的高密封效率。
通过这样一种螺纹管接头实现本发明的上述目的，其限定了轴线，包括定义为销的阳螺纹管和定义为套管的阴螺纹管，以及密封环，所述销适于组装在套管中，所述密封环具有外圆柱形表面、内表面，其包括一个或多个从内表面突出的环形肋、至少一部分具有截头圆锥形形状的第一底部、与第一底部轴向相对并且至少一部分具有截头圆锥形形状的第二底部，第一底部和第二底部向轴线倾斜，由此所述外表面比所述内表面更宽，密封环介于销与套管之间，通过外圆柱形表面与套管的环形凹槽的内表面形成紧密密封接触并通过环形肋与销的外表面形成紧密密封接触，其中螺纹接头具有液压致动装置，其能够对密封环向着所述销加压以提高接头的密封性。在本发明的螺纹接头中，密封环封装在套管元件内，并通过经由固定在套管元件上的止回阀起作用的外部喷射流体的加压、该流体的喷射和加压得到致动和增能。
用于密封环的壳体是形成在螺纹接头的套管元件上的环形凹槽。其封装密封环并在其由加压流体致动之前保护其免受震动。该壳体被构造成提供包围密封环的不透流体的空腔并可以使密封环增能。
合并该密封件的螺纹接头的套管以这样的方式进行制造，即密封环有利的是在管体的圆柱形表面上致动，由此无需改变销。这样接头在张紧载荷下的性能保持完好。
环形凹槽、止回阀和密封环都完全容纳在套管壁厚内，这样的优点是保持连接设计和性能以及保护密封系统。经由FEA的全设计和全尺寸测试形成密封环与环形凹槽的最佳相互作用方式，并且本发明的螺纹接头可以承受高轴向载荷。
附图说明
参照下文详细描述和附图将会更清楚地了解到上述和其他目的，图中：
图1表示根据本发明的接头的局部区段的透视图，
图2表示根据本发明的接头的实施方式沿轴向平面的剖视图，
图2a表示根据本发明的接头的套管的细节沿轴向平面的剖视图，
图3表示根据本发明的接头的一个元件的实施方式沿轴向平面的剖视图，
图4表示根据本发明的接头的一个元件的另一实施方式沿轴向平面的剖视图，
图5表示根据本发明的接头的一个元件的另一实施方式沿轴向平面的剖视图，
图6表示根据本发明的接头的放大细节处于第一工作阶段的剖视图，
图7表示根据本发明的接头的放大细节处于第二工作阶段的剖视图，
图8表示根据本发明的接头的套管的另一实施方式沿轴向平面的剖视图。
具体实施方式
具体参照附图，示出了总体由附图标记1表示的螺纹接头，其连接两个管，具有外部标称直径D的外螺纹管3，通常还被称为销，和具有外部直径D1的内螺纹管2，通常还被称为套管。
销3具有螺纹部分5，其具有适当轮廓(例如梯形)的外螺纹，并且套管2具有带内螺纹的内螺纹部分4。管以及销和套管的共用轴线由A表示。
套管2以前端6终止。套管2靠近其前端6的部分包括非螺纹表面7。
优选但不必要地，接头1在销前端以及套管肩部之间具有内部金属对金属的密封件(图中未示出)。
具体参照图1所示的实施方式，设置被构造成环形凹槽10的壳体，该环形凹槽10形成在套管2位于螺纹4的端部与前端6之间的那部分上，当对接头1组装时其容纳环11形成外部密封。
在大多情况下，密封环11实现布置在套管2与销3或管体之间的外部密封的功能。
密封环11防止外部流体泄漏到接头1的螺纹区域。然而，如果需要，密封环11可以被用于螺纹接头的其他部分。
当外部流体通过阀喷射并被加压进入壳体内时密封环11致动，在空腔13中产生的压力作用在表面25上，使密封环11变形并迫使其压靠在壳体10的侧面14，15，16，17上以及压靠在销3上，以产生密封接头1的机械阻挡。
凹槽或壳体10在致动流体喷射之前与图6所示的位置相对应地保持、隐藏和保护密封环。当致动流体通过阀20喷射并被加压时其与密封环一起构成不透流体的环形压力腔。阀20是止回阀并固定在套管2上，阀顶端有利的是与套管表面平齐，以避免对阀的破坏或给操作者带来危险。在接头1处于其最终的组装位置之后，完成致动流体的喷射以及密封系统随后的增能和启动。
密封环11根据壳体沿套管的位置向着销元件3的圆柱形表面或在管体上致动。密封环11接触销3的这一表面得到滚压或机械加工，并且有利地但不是排他地与包括螺纹耗尽(run out)部分的区域相对应。这样销的几何形状不变，因此接头的张紧效率保持不受影响。
致动流体可以是高或低粘度流体，例如油，油脂、涂料、凝胶等，或者是喷射之后固化的聚合物，或者实际上是存在于连接件外侧的流体，也就是与密封件所要防止泄漏到接头内的流体相同的流体。
本发明的优点在于密封环11得到保护，因为在组装过程中其保持被隐藏，并免受任何类型的破坏，这一目的的实现不会影响接头的性能。
本发明的另一优点在于由密封系统采用的接触压力与致动流体的压力成比例，这些是众所周知的并在喷射和压入致动流体的时候得到限定。另一方面，该致动压力的大小与由接头外部的流体产生的压力完全无关。此外，由密封环11产生的接触压力也与接头本身的几何产生无关，例如椭圆度、偏心度、粗糙度以及连接的类型，并且在接头的整个圆周上保持均匀，因为密封件和接触区域的几何形状、形状、长度都是与接头类型无关的参数。
密封环11的内表面被构造成具有多个突出肋9，由此增加了密封性，因为当密封环得到加载时相邻肋9提供多个随后形成的防外部流体的阻挡。如果一个或多个阻挡泄漏，随后形成的阻挡仍然可以承受外部压力并确保足够的密封能力。
在图2所示的螺纹接头1的第一实施方式中，环形凹槽的几何形状在轴向剖面上为燕尾形或楔形，也就是其形状被设计成使得平行于轴线A测得的剖面宽度在轴线方向上降低，同时两个侧向表面16，17彼此相向倾斜。
在该实施方式中，凹槽还有利地具有彼此相对并平行的两个环形平面14，15。当接头1得到组装时，凹槽10的特定形状迫使密封件11在由环形空腔13中的致动流体加压时收缩并得到增能。
密封环11在轴向平面上的区段被构造成封装在壳体10内并具有多个可选形状，这些形状中的一些在图5中被示出与凹槽10的形状互补。其具有一部分为截头圆锥形的第一底部26、一部分为接头圆锥形并与第一底部轴向相对的第二底部27，第一底部26和第二底部27向轴线A倾斜，使得其外表面25比具有肋9的密封环的内表面更宽。
在图2a所示的凹槽10的可选实施方式中，凹槽10具有简单的燕尾形剖面并且相关的密封环11优选具有与图3和4所示相同的形状。
在图3和5所示的实施方式中，密封环11还具有第一和第二底部具有环带形状的部分28，29。
密封环11的这些形状产生最佳接触表面和最佳密封环变形。
根据套管2的壁厚并考虑当空腔13未得到加压时将密封件完全隐藏在凹槽10中的要求限定凹槽10的径向深度和密封环11的厚度。
凹槽10具有大约15mm的宽度并且密封环根据凹槽的几何形状、密封环的形状和材料、致动流体的类型和压力具有与凹槽宽度相比类似的宽度、更小的宽度、更大或相等的宽度。
空腔13中的压力可以被设定为大约100psi(＝6,89bar)与5000psi(＝344,73bar)之间的值。这一范围在瞬时以及在稳态下提供适用于操作条件期望范围的有效的密封环变形模式，以及评价密封完整性所需的集中点处的最佳变形/应力比。这样大小的压力的另一优点是评价不透流体空腔所需的密封件与凹槽之间的有效接触模式，以及评价接头密封能力所需的密封件与销之间的大小和有效接触模式。
用于对密封环11加压的致动流体可以具有高或低粘度流体，例如油、油脂、涂料、凝胶等，或者是喷射后固化的聚合物，或者实际上是存在于连接件外侧的流体，也就是与密封件所要防止漏入接头内的流体相同的流体。
螺纹接头1的其他优点在于可以通过该密封环11提高螺纹接头的张紧效率。其致使螺纹末端处形成的螺纹耗尽区域(也就是具有截顶的螺纹)的冗余，这样做是防止密封环在预先安装在销上的过程中受到破坏，因为在这种情况下密封环必须在螺纹上被拖动。在螺纹最后区域中的密封环上产生较差的应力条件，该区域具有比销前端更大的直径并且这是螺纹被截顶的原因。因此，这种情况下，为了保护密封环11损失了重要的螺纹高度。与此相反，如果出于结构上的需要，根据本发明的接头允许延长螺纹区域或避免采用截顶或尾扣螺纹，因为密封环安装在套管的凹槽内，从而将其隐藏和保护在套管内。
具体参照图9，示出了根据本发明的接头的另一实施方式，其具有插入在套管2上形成的两个环形凹槽10，10’内的两个密封环11，11’。在该实施方式中，一个密封环11定位在套管靠近其前端6的部分，该部分在组装后与销3在螺纹部分5之后的部分相对。第二密封环11’定位在套管2的无螺纹部分，该部分在组装之后与销3靠近其前端的最前部分相对。
在该实施方式中，密封环11’与密封环11相同，都可以根据如上所述的变形之一而形成。备选地，如果为了获得最佳的密封效果，密封环11和11’可以被形成为相互不同：第一密封环根据如上所述的一种变形，第二密封环根据不同的变形。
在接头的一些特定实施方式中，两个环可以由不同压力的致动流体致动，使得通过一个密封环施加的压力大于或小于另一密封环施加的压力。
可选的，在附图中未示出的另一实施方式中，接头1可以单独利用密封环11处于图8所示的位置，而无需密封环11’。该实施方式可以被用于例如但不必要地与位于销3的前端附近的金属对金属的密封件组合。
本发明多种实施方式的接头几乎可以完全防止泄漏，提供完整的紧密度。
本发明优选被用于OCTG领域以及油气行业尤其是离岸应用中使用的管路连接件。
Claims (12)
1.一种螺纹接头，限定了轴线(A)，包括定义为销的阳螺纹管(3)和定义为套管的阴螺纹管(2)，以及密封环(11)，所述销适于组装在套管中，所述密封环具有圆柱形外表面、内表面，其包括一个或多个从内表面突出的环形肋(9)、至少一部分具有截头圆锥形形状的第一底部(26)、与第一底部轴向相对并且至少一部分具有截头圆锥形形状的第二底部(27)，第一底部(26)和第二底部(27)向轴线(A)倾斜，由此所述外表面比所述内表面更宽，密封环(11)介于销与套管之间，通过其圆柱形外表面与套管的环形凹槽(10)的内表面形成紧密密封接触并通过其环形肋(9)与销的外表面形成紧密密封接触，其中螺纹接头具有液压致动装置，其能够对密封环(11)向着所述销加压以提高接头的密封性。
2.如权利要求1所述的螺纹接头，其特征在于，密封环(11)具有均匀直径的圆柱形外表面。
3.如权利要求2所述的螺纹接头，其特征在于，密封环(11)在其内表面上具有突出环形肋(9)。
4.如权利要求1所述的螺纹接头，其特征在于，第一和第二底部具有靠近轴线(A)环带形状的各自的部分(28，29)。
5.如权利要求1所述的螺纹接头，其特征在于，密封环(11)由聚合材料制成。
6.如权利要求1所述的螺纹接头，其特征在于，凹槽(10)在轴线平面的剖面中具有燕尾形形状。
7.如权利要求1所述的螺纹接头，其特征在于，所述液压致动装置包括用于提供加压流体给密封环的阀，所述阀与套管外表面平齐。
8.如权利要求1-7中的任意一项所述的螺纹接头，其特征在于，密封环(11)封装在螺纹部分接近套管(2)的前端(6)的第一端与所述前端(6)之间。
9.如权利要求8所述的螺纹接头，其特征在于，设置第二密封环(11’)，其被封装超过螺纹部分(5)的第二端，该螺纹部分(5)的第二端远离套管(2)的前端(6)。
10.如权利要求1-7中的任意一项所述的螺纹接头，其特征在于，设置第二密封环(11’)，其被封装超过螺纹部分(5)的端部，该螺纹部分(5)的端部远离套管(2)前端。
11.如权利要求9所述的螺纹接头，其特征在于，第一密封环(11)和第二密封环(11’)位于销和套管的无螺纹部分。
12.如权利要求10所述的螺纹接头，其特征在于，第一密封环(11)和第二密封环(11’)位于销和套管的无螺纹部分。
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