CN101910548A - 耐连续压力载荷的密封带螺纹的管状连接件 - Google Patents

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Abstract

一种耐连续压力载荷的密封的带螺纹的管状连接件，包括具有外螺纹(3)的凸形元件(1)和具有与所述外螺纹(3)对应的内螺纹(4)的凹形元件(2)。所述元件中的至少一个包括唇部(5)，该唇部延伸超过螺纹(3)到达元件(6)的自由端，另一元件包括所述唇部(5)的凹陷(10)。所述唇部(5)包括第一区域(7)，该第一区域的周边表面朝向其上布置有第一密封表面(13)的另一元件弯曲，其中所述第一密封表面能够径向干涉地装靠对应的布置在另一元件的凹陷(10)的周边表面上的第二密封表面(11)。所述唇部(5)具有轴向地位于所述第一区域(7)和元件(6)的自由端之间的第二区域(8)，该第二区域包括朝向所述另一元件弯曲并与对应的布置在所述另一元件的所述凹陷(10)的周边表面上的第二径向承载表面(12)接触的第一径向承载表面(14)。所述第一和第二区域(7，8)由径向刚度小于所述第一和第二区域(7，8)的径向刚度的第三区域(9)轴向分开。所述第三区域(9)通过施加在其上的压力能够朝向所述另一元件径向变形。

Description

耐连续压力载荷的密封带螺纹的管状连接件
技术领域
本发明涉及一种密封带螺纹的管状连接件，其耐静载荷，例如轴向拉力、轴向压缩、平面弯曲、内部或外部压力及其结合。
背景技术
这种带螺纹的管状连接件，其在下文中将被称为连接件，能通过连接例如为很长的管子的第一管状部件的端部处的凸形元件和例如为很长的管子或耦接件的第二管状部件的端部处的凹形元件得以产生，其每个元件都设置有金属密封表面并且径向干涉配合在另一元件的金属密封表面上。
这些连接件用来产生例如用于油气井或用于相似的井，例如地热井的密封套管或油管柱。
更具体地说，本发明涉及被称为特殊连接件(premium connection)的连接件，其包括金属密封表面，这些密封表面径向干涉并且与用来精确定位密封表面的内部、外部或中心的抵靠表面有关。
这些密封表面是非常关键的区域，其以抵抗包括气体的流体的高压力的密封方式提供连接。
在油气井中，这些连接件经受各种载荷，例如拉力、压缩、沿着管子的轴的弯曲、或压力。这些各种载荷可随着时间变化，例如，当接合套管(casing string)(外部压力的增加)时，或在生产步骤(内部压力的增加)期间或者甚至在维护操作(停止然后重新开始生产)期间，并且可单独或结合作用。
不仅期望这些连接件承受这些机械载荷，而且在施加这些载荷时特别是当这些连接件具有例如仅一个外部抵靠部和/或中心抵靠部但没有内部抵靠部而施加内部压力时保持紧密。
术语“内部抵靠部”意味着靠近管状部件的内部表面的抵靠部并且因此位于凸形元件的自由端附近。
因此，已经寻求改进这些连接件，特别是那些没有内部抵靠部的连接件，以便通过特别是优化靠近螺纹的的密封表面的功能来增加它们与内部压力有关的密封特性。
与这些连接件有关的包括或不包括内部抵靠部的现有技术建议了用于改进经受例如内部压力的载荷的金属密封表面的密封的措施。这些措施特别是已经在德国专利DE 4446806和国际专利申请WO00/08367中进行了描述。
DE 4446806的图3公开了一种设置有内部抵靠部(10)的连接件，包括凹形元件(1)和凸形元件，其自由端包括金属对金属密封系统，该系统由一对邻近螺纹的主接触表面(4)和一对邻近内部抵靠部(10)的辅助接触表面(8)组成，主接触表面(4)和辅助接触表面(8)由过渡表面(11)分开。辅助接触表面(8)的形状是锥形的，而与它们所处的元件无关；主接触表面(4)的形状对于位于凸形元件(7)上的表面是穹顶状的，并且对于位于凹形元件(1)上的表面是锥形的。为了使连接件对内部压力的密封优化，邻近内部抵靠部(10)的凸形元件的区域(12)的外部周边表面被加工为减小在那个水平的唇部的厚度，由此给凸形元件(7)的自由端提供了更好的弹性因此当施加内部压力时辅助接触表面(8)处的接触压力更好。辅助接触表面(8)还确保在管状部件的不平整，例如加工缺陷或椭圆度缺陷的的情况下主接触表面(4)在其整个周边之上最优化的径向定位。
WO00/08367的图7描述了没有内部抵靠部的连接件，其中凸形元件(30)在其自由端处包括唇部，该唇部包括两个区域，所述两个区域适于与布置在凹形元件(40)上的对应壳体相接触。布置在螺纹侧上的第一接触区域在其外部周边表面上具有锥形密封表面(32)。邻近第一接触区域的第二接触区域布置在距离凸形元件(36)的自由端为较短的距离处并且具有锥形表面(33)，其锥度比密封表面(32)的锥度大至少20％。在第一接触区域(32)处，凸形元件(30)和凹形元件(40)之间的几何干涉比第二接触区域(36)处的几何干涉要小。接触区域的位置因此使横向力和连接件在第二接触区域(36)处经受的弯曲力矩最优化，由此保护密封表面(32)使其免受塑化的影响从而防止连接件泄露。如在DE 4446806中，该第二接触区域(36)还在管状部件中存在不平整，例如加工缺陷或椭圆度缺陷的的情况下提供密封表面在其整个周边之上最优化的径向定位。
还已经寻求通过增加所述凸形和凹形元件的密封表面之间的干涉接触压力来使经受连续内部压力载荷的这些连接件的密封特性最优化的另一种方法。
发明内容
我们也已寻求一种在所有的各种载荷模式下较好实施的连接件。
我们还已经努力确保本发明特别应用到包括内部密封的连接件中，特别是在凸形和凹形元件之间具有恒定的外径(齐平)的连接件以及外径(半齐平)稍微不同的连接件中。
根据本发明，该连接件包括布置在第一管状部件的端部并包括外螺纹的凸形元件和布置在第二管状部件的端部并包括与外螺纹对应的内螺纹的凹形元件。
至少一个元件包括唇部，其延伸超过螺纹到达元件自由端。另一元件包括用于唇部的凹陷。
唇部包括第一区域，其周边表面朝向另一元件弯曲，其上布置有第一密封表面，该第一密封表面适合于径向干涉配合在另一元件的凹陷的周边表面上设置的相应的第二密封表面。
唇部具有轴向地位于所述第一区域和元件的自由端之间的第二区域。第二区域是径向地靠在另一元件的对应部分上并包括第一径向承载表面的区域，其中所述第一径向承载表面朝向另一元件弯曲、与所述另一元件的所述凹陷的周边表面上的第二径向承载表面接触。
根据本发明的主要特征，所述第一和第二区域在轴向上通过径向刚度比所述第一和第二区域小的第三区域分开，并且该第三区域能通过施加在其上的压力朝向另一元件径向变形。
有利地，所述第三区域的厚度小于第一区域的厚度和第二区域的厚度。
再有利地，所述第三区域的最小厚度在所述唇部厚度的60％到80％的范围内。
有利地，所述第三区域的最小厚度是所述唇部厚度的70％。
优选地，厚度为最小值的所述第三区域的轴向长度在0.25到5毫米的范围内。
优选地，所述轴向长度为0.5毫米。
优选地，所述第二区域位于元件的自由端。
优选地，第一径向承载表面是复曲面的一部分。
优选地，所述复曲面部分的半径为5毫米或更小。
有利地，第二径向承载表面是具有圆柱形表面的一部分。
优选地，第一和第二径向承载表面具有几何干涉，其比所述第一和第二密封表面之间的几何干涉大5％到20％。
优选地，所述第一和第二密封表面是具有大致相等的锥度的锥形表面部分。
有利地，所述锥形表面部分具有5％到50％范围内的锥度。
优选地，在唇部的自由端的前表面和另一元件之间存在间隔。
优选地，所述唇部位于凸形元件上。
根据本发明的一个实施例，所述第三区域由唇部外周边上的环形凹槽限定。
附图说明
本发明的其他优点和特性将从以下详细的描述和附图中变得显而易见，其中所述附图不仅起到提供更好地理解本发明的作用而且根据需要有助于其定义。
图1示出根据本发明的一个实施例的齐平连接的纵向半段，图1强调了接触表面之间的几何干涉；
图2示出本发明的图1的齐平连接的凸形和凹形元件的优选实施例的纵向半段；
图3示出本发明的经受内部压力的齐平连接的纵向半段，图3强调了接触表面之间的几何干涉；
图4是表示通过对不同类型的经受各种连续载荷模式的齐平连接进行有限元分析得到的相对接触压力测量结果的曲线图。
具体实施方式
图1示出齐平连接的优选实施例，其包括布置在第一管状部件1’的端部处的凸形元件1和布置在第二管状部件2’的端部处的凹形元件2。连接轴由虚线XX’表示。
凸形元件1包括外螺纹3和从外螺纹3延伸到凸形元件6的自由端的凸形唇部5。
凸形唇部5包括(参见图2b)：
第一区域7，其位于螺纹3之后，带有外部周边表面，其中第一密封表面13位于所述外部周边表面上；
第二区域8，其位于凸形元件1的端部处，其外部周边表面转向凹形元件2，其上定位有第一径向承载表面14，所述第一径向承载表面14能与设置在凹形元件2上的相应的第二径向承载表面12相接触；
第三区域，其轴向地定位在第一区域7和第二区域8之间，该第三区域的刚度小于第一和第二区域7、8的刚度。
凹形元件2包括内螺纹4，其对应于外螺纹3，形成凹陷10的非螺纹部分与凸形元件1的唇部5对应并且与该唇部配合。
凹形凹陷10具有向内弯曲的周边表面，该周边表面上形成有第二密封表面11，其适合于径向干涉对应的凸形元件1的第一密封表面13；还具有第二径向承载表面12，该承载表面12能够接触唇部5的第一径向承载表面14，参见图2a。
该周边表面在一侧被连接到内螺纹4并且在另一侧经由凹形凸肩15被连接到第二管状部件2’的主体或匀称部分的圆柱形内部周边表面。
在凹形元件的凸肩15和凸形元件自由端的前表面6之间留有间隙。
凹形元件的自由端构成了大致横向布置地环形的轴向抵靠表面16。该外部抵靠表面16允许外部密封表面18、19和内部密封表面13、11相对于彼此轴向定位并且因此限定了它们的径向干涉配合。
图1示出内部密封表面13、11和外部密封表面18、19之间以及径向承载表面14、12之间的几何干涉。术语“几何干涉”意味着在绘制连接元件或在拼接之前在每个元件上测量的凸形元件1和凹形元件2的对应表面之间的直径差。
图2示出本发明的用于凸形唇部5(图2b)和凹形凹陷10(图2a)的优选实施例。连接轴由虚线XX’表示。
图2b所示的凸形唇部5具有外部周边表面和与第一管状部件1’的内部周边表面的端部区域对应的内部周边表面。凸形唇部5因此具有厚度e1，在套扣之后测量该厚度例如大致等于管状部件1’的厚度et的30％。
从螺纹3开始并朝向凸形元件6的自由端移动，凸形唇部5的内部周边表面包括第一区域7，第一密封表面13位于其上，该第一密封表面13能够径向干涉设置在如图2a所示的凹形元件2上的对应第二密封表面11。
这些第一和第二密封表面13、11例如是锥形表面的一部分，在此情况下锥度为10％。
小于5％的锥度更易于引起擦伤这样的问题，大于50％的锥度具有需要太厚的唇部的风险。
在凸形元件6的自由端，凸形唇部5的内部周边表面包括第二区域8，第一径向承载表面14位于其上，该第一径向承载表面14适于接触布置在如图2a所示的凹形元件2的对应凹陷10上的第二径向承载表面12。
第一和第二径向承载表面14、12优选具有几何干涉，其比第一和第二密封表面13、11的几何干涉高大约5％到20％，优选5％到15％。
径向承载表面14、12之间的干涉小于或等于密封表面13、11之间的干涉将不能确保在拼接之后唇部5的第二区域8的径向支承面抵靠凹形元件2。太多的干涉具有降低密封表面13、11的密封特性的风险。
如果尽管与凸形元件1和凹形元件2经受的拉力和压缩载荷相关联的轴向变化也要保持径向承载表面之间恒定的接触压力，则第一径向承载表面14可以是半径大致小于或等于5毫米的复曲面部分，布置在凹形元件2上的对应的第二径向承载表面12可以是具有圆柱形表面的一部分。
凸形唇部5的内部周边表面包括在第一区域7和第二区域8之间的第三区域9，该第三区域的径向刚度比第一和第二区域7、8的小。
第三区域9在此由唇部5的外部周边表面上的环形凹槽限定。
凹槽9的周边表面例如包括圆柱形表面，该圆柱形表面经由带锥形表面的部分连接到第一密封表面13并且经由带复曲面的部分连接到第一径向承载表面14。圆柱形表面17构成第三区域9的最小厚度部分。
第三区域9的最小厚度部分的轴向长度lr在此情况下等于0.5毫米。该轴向长度1r是在连接到第一密封表面13的具有锥形表面的部分和连接到第一径向承载表面14的具有复曲面的部分之间测得的。小于0.25毫米的轴向长度lr导致径向刚度不足，大于5毫米的轴向长度lr引起太笨重。
在圆柱形表面17和凸形唇部5的外部周边表面之间测量的第三区域9的厚度er小于恰好在螺纹3之后测得的凸形唇部e1的厚度。
厚度er在凸形唇部5的厚度e1的60％到80％的范围内。优选，厚度er为凸形唇部5的厚度e1的70％。
这种厚度减小引起第三区域9的径向刚度减小，因此当在其上施加内部压力(IP)时允许其朝向凹形元件2的径向变形。在能够定义连接件的密封性能的质量测试过程中施加第二内部压力循环(IP)时，凸形唇部5的厚度e1小于60％或大于80％的厚度不太容许确保第一和第二径向承载表面14、12之间的接触。
这些质量测试特别是在国际标准ISO 13679(套管和油柱管的连接件的测试过程)中进行了限定，其中，连接件在油井使用过程中经受的载荷的各种组合循环被施加来检验连接件的密封性是否完好。
在此情况下“径向刚度”的概念包括材料固有的特性和尺寸特性。
图3描述了在拼接状态下本发明的连接件，其包括凸形元件1和凹形元件2，内部压力(IP)施加其上。在螺纹3之后并且朝向自由端，凸形元件1包括凸形唇部5，它的外部周边表面包括第一密封表面13、第一径向承载表面14以及具有位于第一密封表面13和第一径向承载表面14之间的圆柱形周边表面17的环形凹槽9。凹形元件2包括与凸形唇部5对应的凹陷10，该凹陷10具有第二密封表面11和第二径向承载表面12。这些表面13、14、11、12和17的几何形状如图2a和2b所述。在拼接的状态下，凸形元件1的自由端6的前表面没有接触凹形元件2，因此在两个元件之间留有间隙。
将内部压力(IP)施加到连接件会使第三区域9产生径向变形，在图3中由曲线示意性地示出。
该径向变形在第一和第二密封表面(13，11)的接触区域和第一和第二径向承载表面14、12的承载区域处产生过大的弹性干涉接触能量，其允许接触压力，特别是在第一和第二密封表面13，11的接触区域处的接触压力增加。
过大的能量还产生在第一和第二径向承载表面14、12处，但是这些第一和第二径向承载表面14、12之间的接触压力会由于径向承载表面14、12在端部的位置以及密封表面13、11和径向承载表面14、12之间的相对几何干涉而小于第一和第二密封表面13、11之间的接触压力。
第一和第二径向承载表面14、12的作用是不仅当施加内部压力(IP)时确保凸形元件1和凹形元件2之间的第二接触点能够增加第一和第二密封表面13、11之间的接触压力，而且确保在当前情况下保持第一和第二径向承载表面14、12之间的干涉配合恒定，无论在维修过程中连接件经受的拉力和/或压缩载荷所引起的凸形元件1和凹形元件2之间的轴向位移如何。
图4的曲线允许接触区域，在下文中被称为接触压力积分，在经受载荷循环下的几个连接件的第一和第二密封表面之间进行比较。横坐标表示施加的各种载荷，纵坐标表示沿着第一和第二密封表面的接触(接触区域)获得的接触压力积分。该接触压力积分是通过有限元分析测量的。获得的值是相对值，其被表示为百分数并且相对于基准的第一和第二密封表面，即，没有第二径向承载表面也没有第三区域的本发明的连接件的那些标准化。
下面的表1限定了图4的曲线的横坐标上的附图标记的意义。
  横坐标的附图标记 施加的载荷
  1 拉力
  2 拉力+内部压力
  3 加盖端的压力
  4 内部压力
  5 压缩+内部压力
  6 压缩
  7 无
  8 压缩+内部压力
  9 外部压力
  10 拉力+外部压力
表1：图4上的附图标记的意义
以下连接件的接触压力积分然后进行模拟：
例子A：没有径向承载表面的基准连接件；
例子B：根据图1的本发明的实施例的连接件。
和基准连接件(例子A)进行比较，能够看到图1的连接件的密封特性(例子B)在施加内部压力时明显更好。
本发明的图1的连接件所提供的第一和第二径向承载表面(14，12)以及第三区域9的有益效果因此已被表明。
本发明的一个优点是在凸形唇部5处提供在内部压力(IP)的作用下能够变形的区域，其中由变形获得的能量用来在第一和第二密封表明13、11处产生补充的接触压力。
图2所示的本发明的实施例的另一优点是内部压力(IP)能被第一和第二径向承载表面14、12阻碍或至少受到限制。结果，第一和第二密封表面13、11免受到任何损坏。
然而，将注意到，第一和第二径向承载表面不需要是在拼接之后完全紧密接触的表面。
图2所示的本发明的优选实施例的再一优点是径向承载表面14、12的几何形状能够保持恒定的干涉配合，尽管在维修中连接件经受的拉力和/或压缩载荷使得凸形元件1和凹形元件2产生轴向移动。
虽然未被描述，但是环形凹槽9可位于唇部的内部表面上。
第一和第二密封表面13、11可在一个元件上是复曲面的并且在另一个元件上是锥形的，或者都为复曲面，或者在一个元件上为复曲面和锥形表面的结合并且在另一个元件上为锥形表面，这公开在法国专利FR2833335中。
当然，本发明能够应用于在凹形元件的唇部上设置第一、第二和第三区域的情况。
因此，本发明能够应用到不是齐平类型的连接件的那种类型的连接件，例如被称为“半齐平”的连接件(在此，凹形元件的外部直径仅仅稍微大于凸形元件的外部直径)，具有中心抵靠部或无抵靠部的连接件，或者耦接的连接件。

Claims (16)

1.一种密封的带螺纹的管状连接件，包括布置在第一管状部件(1’)的端部并包括外螺纹(3)的凸形元件(1)和布置在第二管状部件(2’)的端部并包括与所述外螺纹(3)对应的内螺纹(4)的凹形元件(2)，所述元件中的至少一个包括唇部(5)，该唇部延伸超过螺纹(3)到达元件(6)的自由端，另一元件包括用于所述唇部(5)的凹陷(10)，所述唇部(5)包括第一区域(7)，该第一区域的周边表面朝向另一元件弯曲，且其上布置有第一密封表面(13)，该第一密封表面与布置在另一元件的凹陷(10)的周边表面上的相应的第二密封表面(11)径向干涉，所述唇部(5)具有轴向地位于所述第一区域(7)和所述元件(6)的自由端之间的第二区域(8)，该第二区域包括第一径向承载表面(14)，该第一径向承载表面(14)朝向所述另一元件弯曲并与布置在所述另一元件的所述凹陷(10)的周边表面上的对应第二径向承载表面(12)接触，其特征在于，所述第一和第二区域(7，8)由第三区域(9)轴向分开，其中该第三区域的径向刚度小于所述第一和第二区域(7，8)的径向刚度，并且该第三区域通过施加在其上的压力能够朝向所述另一元件径向变形。
2.根据权利要求1所述的带螺纹的管状连接件，其特征在于，所述第三区域(9)的厚度小于所述第一区域(7)的厚度和所述第二区域(8)的厚度。
3.根据权利要求2所述的带螺纹的管状连接件，其特征在于，所述第三区域(9)的最小厚度在所述唇部(5)的厚度的60％到80％的范围内。
4.根据权利要求2所述的带螺纹的管状连接件，其特征在于，所述第三区域(9)的最小厚度是所述唇部(5)的厚度的70％。
5.根据前述权利要求中任一项所述的带螺纹的管状连接件，其特征在于，厚度最小的所述第三区域(9)的轴向长度在0.25毫米到5毫米的范围内。
6.根据权利要求5所述的带螺纹的管状连接件，其特征在于，厚度最小的所述第三区域(9)的轴向长度是0.5毫米。
7.根据前述权利要求中任一项所述的带螺纹的管状连接件，其特征在于，所述第二区域(8)位于所述元件(6)的自由端处。
8.根据前述权利要求中任一项所述的带螺纹的管状连接件，其特征在于，所述径向承载表面(14)在其周边表面上包括具有复曲面的一部分，其周边表面朝向所述另一元件弯曲。
9.根据权利要求8所述的带螺纹的管状连接件，其特征在于，所述复曲面部分的半径为5毫米或更小。
10.根据前述权利要求中任一项所述的带螺纹的管状连接件，其特征在于，所述径向承载表面(12)是具有圆柱形表面的一部分。
11.根据前述权利要求中任一项所述的带螺纹的管状连接件，其特征在于，所述第一和第二径向承载表面(14，12)具有比所述第一和第二密封表面(13，11)之间的几何干涉大5％到20％的几何干涉。
12.根据前述权利要求中任一项所述的带螺纹的管状连接件，其特征在于，所述第一和第二密封表面(13，11)是具有大致相等锥度的锥形表面部分。
13.根据权利要求12所述的带螺纹的管状连接件，其特征在于，所述锥形表面部分具有在5％到50％的范围内的锥度。
14.根据前述权利要求中任一项所述的带螺纹的管状连接件，其特征在于，所述唇部(5)的自由端(6)的前表面和所述另一元件之间存在间隙。
15.根据前述权利要求中任一项所述的带螺纹的管状连接件，其特征在于，所述唇部(5)位于所述凸形元件(1)上。
16.根据前述权利要求中任一项所述的带螺纹的管状连接件，其特征在于，所述第三区域(9)由所述唇部(5)的外部周边上的环形凹槽来限定。
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