CN102027186B - 具有增强弹性密封环的螺纹接头 - Google Patents

Abstract

一种螺纹接头(1)包括在轴向平面上具有锥形横截面的第一密封环(30)，该环具有嵌入其中的L形金属加强环(34)，和定位在第一密封环(30)更内部并位于螺纹部分(5)的端部与套管的前端(15)之间的壳体(18)中的第二密封环(6)。第二密封环(6)具有第一底部、与第一底部轴向相对的第二底部以及在外表面上或内表面上的突出的环形肋。

Description

具有增强弹性密封环的螺纹接头

技术领域

本发明涉及螺纹接头，尤其用于连接预定长度的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柱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硬件和装置提出更多要求，因为油田和气田或储集层位于地面以下更深或海床以下难以到达的位置。勘探开采碳氢化合物田要求硬件更耐环境挑战(例如更高载荷和腐蚀)，这一点在过去不太重要。

现代接头大体上被设计成具有通过通常定位在接头的螺纹部分的任一端或两端的两个表面之间的接触形成的金属间密封件。两个接触表面在适当应力级下的弹性模量的弹性范围内相互干涉。然而，在特殊情形下，需要弹性密封件代替或组合金属密封件以防止外部流体渗入螺纹空隙中。

因此需要设计一种接头密封件，其抵制外部流体的渗透，或至少不允许已经渗透的流体与周围流体发生连续交换，以降低接头的腐蚀率。

为了解决上述问题已经提出多种方案，方案之一包括在螺纹部分附近的接头末端插入由聚合材料制成的密封环，例如O形环。

广泛采用的做法是采用预先安装在套管(box)上的O形环，但这一方案存在明显的缺陷：密封环在环的安装过程中和/或在组装过程中会被损坏。

因为这种密封件通常预先安装在套管上，因此在组装套管时密封件与套管一起在销(pin)的螺纹上被拖动。由于在销、套管和用于密封件的密封尺寸之间需要直径干涉以准确发挥作用，连接件的几何参数例如螺纹牙形、节距、锥角、入扣角等也是如此，因此密封件不可避免地被迫在销的螺纹上蠕动，从而对密封件的下表面产生破坏或使密封件产生永久变形，这样在操作过程中危及密封效率。

还已经提出具有更复杂形状的密封环，例如具有“H”或“U”形横截面以提高效率并防止海水渗入接头间隙内的环。然而，这种密封环在初始组装操作过程中和在使用寿命期内遭受所述应力和不利的环境条件，它们的效率在一定时间后降低。尽管预先安装在销上对密封环产生更小的损害，但一些领域应用要求更简单形状的密封环必须预先安装在套管上。

US6550822公开了一种包括隔水密封件的螺纹接头，该密封件是定位在接头每端附近的槽内的压力自紧弹性密封件，从而在接头每端的无螺纹区域与管状部分每端附近的无螺纹圆柱形区域之间形成径向密封。

环部的形状不便于其在组装过程中在螺纹上拖动。出于该形状的原因，尖角碰撞螺纹顶部并容易卡在螺纹中。如果接头打开，则甚至更有可能损坏密封环。

在失效的情况下，销不具有螺纹的部分无法免受可能的外部腐蚀流体的渗入，因为被用于润滑接头的丝扣油很容易被渗入的外部流体冲走。

接头采用市场上有售的标准密封环。因此，在不同连接下必须采用相同的环设计，从而不容易为每个销锥角、入扣角、螺纹高度和节距等定制环尺寸。

位于唇缘之间的腔使壳体变得易碎，很容易在接头打开过程中断裂，从而当壳体的下部在销螺纹上拖动时，产生所述高变形使其折断。

一直存在许多尝试，设计封装在套管前端(nose)附近的增强的密封环构造，但这些设计不足以承受对当前接头设定的更高要求。

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具有两个创新密封环的接头，从而确保简单、可靠的初始组装以及操作过程中的高密封效率，尤其是抵制外部腐蚀流体的渗入。

根据本发明通过权利要求1所述的螺纹接头实现上述目的，该螺纹接头包括定义为销的阳螺纹管、定义为套管的阴螺纹管，销被构造成组装在套管中，销和套管限定共用的纵向轴线，第一密封环和第二密封环介于销与套管之间，并位于套管在螺纹部分的端部与套管的前端之间的一部分表面上，通过一侧上的相应径向外表面与套管的内表面形成紧密密封接触，并通过相应径向内表面与销的外表面形成紧密密封接触，套管的内表面具有在套管的前端附近用于封装第一密封环的第一凹部，以及在其厚度内形成的用于封装定位在第一凹部与套管的螺纹部分之间的第二密封环的第二凹部。

根据本发明的接头具有两种设计新颖的密封环，在尤其不利的操作条件下能够确保最佳密封性：第二或内部密封环保护接头的螺纹部分；第一和外部密封环又保护第二密封环，从而进一步增强对接头的保护。

同时由于密封环与套管和销的接触表面的形状，可以确保密封环的再利用。

在任何情况下，根据本发明的方案在不利用任何备用O形环的情况下更可靠。与具有现有技术的密封件的接头相反，与具有圆形或类似横截面的O形环一样，根据本发明的接头不会在打开过程中引发对密封环的损坏。这一点的好处在于对于连续的组装操作可以采用相同的密封环。

本发明的另一优点在于提供一种在实地操作状态下更可靠的螺纹接头，其中可靠性是至关重要的并且就时间和任务来说操作成本的降低是合乎要求的。

布置在接头最外部的第一密封环具有一种横截面形状，其尤其适用于像楔子一样被外部流体压力深压入套管的外部唇缘与销的相应外表面之间的空间内，由此增强环的密封能力并因而也增强接头的密封能力。

有利地，使用于套管平截头圆锥形部分的内表面上的第一密封环的壳体与向套管内部成锥形的第一环形成接触的方案进一步增强了第一密封环与金属表面的接触，从而提高了密封能力。还可以确保从限制压力开始，密封环完全装入套管的唇缘与相对销外壁之间的环形空间内。

通过将加强环嵌入第一密封环的主体内来提供另一优势，加强环优选由金属制成并具有L形横截面。这样确保了第一密封环在外部流体压力的作用下发生有限且得到控制的变形。

第一密封环的横截面还可以具有U形形状，这样使密封环能够被楔入平截头圆锥形壳体中，以保持最佳密封能力。

在另一实施方式中，第一密封环具有与其边缘相对应的环形肋，销区域在组装之前封装所述第一密封环的外表面具有相应的环形凹部或阶梯以稳定地封装肋。

布置在接头内部用于第二密封环的壳体被构造成与第二密封环的形状最佳匹配，反之亦然，由此第二密封环在组装时和组装后与其壳体协同作用。为第二密封环设置多种横截面形状，可以根据作用在接头上的外部流体压力进行选择。

有利地，在第二密封环的第一实施方式中，无需提高成本就可以实现密封能力的增强，因为用于根据本发明的接头上的第二密封环的壳体易于制造并且不会比目前采用的封装圆形横截面的标准O形环的凹槽构造更复杂或制造成本更高。

在第二密封环的第二实施方式中，V形剖面的口确保当外部流体压力施加在包含在第一和第二密封环之间的环形空间中的端部上时，环与销和套管的表面形成更有效的接触。在内表面和外表面中的一个或两个上的外部突出的环形肋确保在它们所附着的销和套管的表面上具有更有效的特定压力。密封环内表面确保在形成于销外表面上的密封环壳体上进行良好定位和接触。有利地，在主体定位在接头更内部的部分设置加强金属环确保第二密封环紧密固定在销上，从而形成环箍张力。

在第二密封环的第三实施方式中，加强环紧密装入V形截面口中并且密封环其自身还具有与底部边缘相对应的环形肋，该肋在组装过程中适于接合在肩部下面的套管的内表面与销的外表面之间以进一步增强密封。

在本发明的接头中，所有实施方式中的第一密封环都有利地预先安装在销上，由此避免了在组装过程中对该密封环产生破坏。

对于第二密封环，在其第二和第三实施方式中，其也在组装之前被预先安装在销上。此外，在这些情形下，第二密封环提供额外重叠或冗余的密封功能，从而确保整个接头即使功能之一本身被外部流体排除(overcome)也可以紧密密封。

在该第一实施方式中，第二密封环被预先安装在其在套管内壁上的壳体上。

在完成组装之后，第二密封环(无论采用哪种实施方式)通过套管的内表面和销的外表面保持在环形壳体上。该环形壳体还可以具有精整涂层和涂敷层。壳体具有尤其被设计成与密封环共同操作的几何尺寸。

本发明的接头除了常规加工螺纹操作之外仅需要有限的额外机械加工操作。

设置优选多种形状的嵌入密封环中的加强环防止环扭曲、使组装操作更容易并确保密封环本身整体处理和组装更容易。

有利地，向第二密封环所涉及的表面施加涂层以保护销靠近接头无螺纹区域的机械加工表面，该表面有可能露出以与外部腐蚀剂接触。

附图说明

参照以下详细说明和附图将会更清楚地了解到上述和其他目的，图中：

图1表示在组装之前根据本发明的在轴向平面上突出的接头具有一个预先安装的密封环的剖视图，

图2表示在组装之后根据本发明的在轴向平面上突出的接头具有安装的两个密封环的剖视图，

图3表示图1所示的接头的一个密封环处于其未承载(unloaded)位置的放大剖视图，

图4表示根据本发明的在轴向平面上突出的接头的第二实施方式具有安装的两个密封环的剖视图，

图5和6分别表示图2和4所示的接头的一个密封环的两种不同实施方式的剖视图，

图7表示图4所示的接头的另一密封环处于未承载位置，

图8表示根据本发明的在轴向平面上突出的接头的第三实施方式具有安装的两个密封环的剖视图，

图9表示图8所示的接头的密封环处于未承载位置。

具体实施方式

在整个说明书中，接头不同元件的表面相对于接头轴线A被称为外的或内的。

具体参照图1-3，示出了总体由附图标记1表示的螺纹接头的第一实施方式，其将两个管连接在一起：通常被称为销2的阳管(malepipe)，其具有标称外径D，以及还被称为套管3的阴管(female pipe)，其具有等于或大于D的标称外径D1。

销2的外螺纹部分4具有适当牙形例如梯形的阳螺纹，套管3的内螺纹部分5具有与阳螺纹的牙形互补的阴螺纹牙形。

由A表示销2和套管3的共用轴线。套管3结束于前端15。接头限定了包含销和套管的轴线A的内空间16和外空间17，流体例如碳氢化合物(例如天然气或石油或其他类似流体)在内空间16中流动，外空间17可以与多种流体例如在一些应用中的海水接触。

弹性材料的第一密封环30位于套管3的末端。密封环30具有平截头圆锥形(frustoconical shape)并且其外表面31向接头1的内部成锥形。密封环30的外表面31与套管3的唇缘33的内表面32匹配，该内表面32也具有适当长度的互补的平截头圆锥形。

这种特定的形状使密封环30可以在操作中在外部流体施加的压力下沿销2滑动，从其处于插入时的位置直至由所述压力的量级以及由密封环30的容量决定的最终静止位置，从而凭借保持截留在第一密封环30与第二密封环6之间的环形空间50中的流体数量施加的反压力压缩其整个体积。

具体参照图5，密封环30具有嵌入其主体中的加强环34。加强环34具有在轴向平面上投影观察为L形的横截面，两个臂35，36相互垂直。L形的角度ψ还可以略大或略小于90°，备选地根据必须施加在销2上的缠绕力(wrapping force)、根据施加在接头操作环境中的外部流体压力的量级以及根据在外部流体作用下环在其向接头内部初始滑动之后所必须达到的最终位置，两个臂35，36可以具有不同长度。

优选地，加强环34如图2和4所示定位，也就是臂35平行于密封环30的轴线并且臂36垂直于所述环30的轴线。密封环30的轴线与销2和套管3处于同一共用轴线A。

图6表示第一密封环40的第二实施方式具有U形横截面，外臂41优选比内臂42更短。嵌入密封环40的主体中的加强环43具有在轴向平面上投影观察为L形的横截面，两个臂44，45相互垂直。L形的角度ψ也可以略大或略小于90°并且两个臂44，45可以具有不同长度。臂44平行于接头轴线A嵌入密封环40的主体的外臂41中，而臂45垂直于接头轴线A嵌入密封环40的主体中。

在第一密封环两种实施方式中的加强环可以完全嵌入密封环中或可以一个表面露在密封环的外部，与底部平齐或突出于该底部。

有利地，第一密封环30，40的内表面37，47具有平截头圆锥形，锥角非常微小，角度Φ低于10°。

套管3接近螺纹5的端部的部分包括在套管前端15与螺纹端之间的环形凹槽18。凹槽18是用于第二密封环6的壳体。

具体参照图3，其表示穿过内部的部分或第二密封环6在套管3的壳体18中处于未承载位置，密封环6具有外表面，其两个环形肋11，12通过环形沟13分离。肋11，12具有优选圆形或任何其他适当形状的顶部。当定位在壳体18中时，第二密封环6的外表面接触凹槽的底部。该底部优选在轴向上是平的以使机械加工更容易。

沟13和肋11，12具有两个主要优点：

-一方面，沟13作为肺(lung)，提供所需的径向变形以使第二密封环6的内表面可以更容易地得到挤压；

-另一方面，肋11，12产生载荷集中，由此提高密封接触并作为双独立密封阻挡层。

密封环6具有轴向相对的两个底部8，9。底部8，9中的一个或两个基本上但不排他地是平的。

第二密封环6的内表面具有两个平截头圆锥形表面或轴向剖面中看为V形的侧翼19，20。两个表面19，20的锥角α可以被定义为螺纹参数例如锥角、入扣角等的函数。角度α的优选值是45°。

每个表面19和20的锥角还可以具有不同值α和γ。该实施方式在图3中具体示出。

在接头的另一尤其有利的实施方式中，第二密封环6具有带特定尺寸的部分。

密封环6在轴向上的厚度“t”由螺纹宽度限定，环6的厚度“t”大于螺纹两个顶部之间的空隙“b”(图1)的轴向长度。这样便于组装过程中顶部由密封环顶点10跳过。

套管3的凹槽18在径向上的深度“d”优选在3到15mm之间。当第二密封环6处于未承载位置时，凹槽18应该封装第二密封环6在径向上的厚度的大于75％。

侧翼19和20的锥角α和γ被选定的尺寸为使得螺纹侧翼的入扣角(stab angle)β和负载角(load angle)δ满足以下关系：α＞β且γ＞δ。

密封环6的顶点10是两个锥形平截头圆锥形表面19和20相交点，当在剖面中观察时，其优选具有圆形倒角(fillet)。第二密封环6简单但与本领域当前采用的常规O形环相比得到有效改进。主要优点是其平截头圆锥形环形表面19，20，其向密封环的中心成锥形并通过它们之间的顶点或倒角10连接，这样便于密封环在螺纹上向前或向后移动，从而避免产生破坏。而且，密封环6的内表面还产生载荷集中，由此在组装时提高密封接触并增强密封环6的密封性。

该密封环6有利地具有嵌入其主体中的不同横截面的加强环7。

具体参照图4，其中上述实施方式中的相同特征由相同附图标记表示，其示出了根据本发明的接头的第二实施方式。定位在接头1的外部区域的第一密封环30与定位在接头更内部的第二密封环相关联。密封环21的横截面形状被构造成提供几个增强的密封功能。

密封环21具有主体，通过环形凹槽22’分离的一个或多个环形肋22设置在其外部上。在更靠近销和套管的螺纹部分4，5的末端，密封环21具有基本上但不必须为平的底部24。

靠近底部24设置另一材料的加强环25，该材料具有更大的刚度，优选但不排他地为金属。

加强环25可以完全嵌入密封环21中或可以使其一个表面露在密封环21的外部，与底部24平齐或突出于所述底部24。加强环25有利地可以具有多种横截面形状。

在其相对于底部24的纵向相对端部，密封环21具有两个环形唇缘26，27，当在图7所示的未承载位置时，两个唇缘分别在相应偏斜方向上相对于轴线A突出超过环21的周围。在两个环形唇缘26和27之间限定的空间中，限定环形凹槽，其在轴向剖面中显示为V形口28。

在第一实施方式中，如图7所示，密封环21的内表面23在轴向上波动并在投影在轴向平面上的剖面中包括至少一个由环形凹槽29’分离的环形肋29。

在另一实施方式(未示出)中，密封环21的内表面23不具有突然的变化。在这种情况下，其可以具有圆柱形形状，或备选地圆形或环形形状或平截头圆锥形形状，参照轴线A表面23具有大约3°的锥形角

这样便于环21安装在销2上。

通过加强环25(类似于上述接头的之前的实施方式)，密封环21施加缠绕力将其内表面压靠在外部销表面上，由此提高了密封环21与销2的外表面之间的紧密度。

通过密封环21施加的这种缠绕力可以在组装完成之后通过销2在设计用于第二密封环21的区域中的表面的小锥形得到进一步增强。该区域的表面可以向轴线A倾斜小于15°优选3°的角度ε。这样起到了防止密封环21在操作过程中通过对增强夹持力的反作用而滑离其位置。在这种情况下，密封环21通过摩擦力和通过销表面锥度产生的增强圆周应力使密封环21保持在适当位置。

具体参照图8，其中上述实施方式的相同特征由相同的附图标记表示，示出了根据本发明的接头的第三实施方式。

弹性材料的第一密封环60位于套管3的末端。该密封环60在轴向平面上具有基本上为矩形的横截面并具有与所述横截面的边缘相对应的小肋61。小肋61(图9)处于环形突出部在轴向上突出的部分。

密封环60还可以具有加强环，例如具有L形横截面，其完全嵌入密封环中或其一个表面露在密封环的外部，与底部平齐或突出于该底部。

套管3的前端15的内表面是与密封环60的外表面的形状互补的圆柱形。

组装之前封装所述环60的销2的区域的外表面也具有圆柱形，但其具有环形凹部或阶梯以通过稳定方式固定肋61。

同时在本发明的实施方式中，第一密封环有利地预先安装在销2上，由此避免在组装过程中对该密封环产生破坏。

对于第二密封环70，在接头的第三实施方式中，其也在组装之前被预先安装在销上。

第二密封环70在图9中被示出安装在接头上处于未承载位置。密封环70的横截面形状被构造成提供增强的密封功能。

设置适于接靠在套管3的肩部80上的底部74。密封环70在其相对于底部74的纵向相对端部具有两个环形唇缘76，77，它们在被认为处于图9所示的未承载位置时分别在相对于轴线A的偏斜方向上突出超过环70的外周。环形凹槽限定在两个环形唇缘76和77之间的空间中，其在轴向剖面中显示为V形口。

该环形凹槽有利地封装紧密装配在所述凹槽中的加强环75。环75优选具有圆形横截面并由与弹性体不同但更大刚度的材料(优选但不排他地为金属)制成。

与上述接头之前的实施方式一样，凭借加强环75，密封环70施加缠绕力将其内表面压靠在销的外表面上，由此提高密封环70与销2的外表面之间的紧密度。

第二密封环70自身还具有与底部74的边缘相对应的环形肋79。该环形肋79在组装过程中能够接合在肩部80下面的套管3的内表面与销2的外表面之间以进一步增强密封。

在图8和9中，密封环70的外表面和内表面都不具有急剧变化。在这种情况下，它们可以具有圆柱形形状，或备选地具有圆形或环形或平截头圆锥形形状。

然而，在其他可行的实施方式中，密封环70可以具有设置在外部和/或内部的其主体，当在剖面中投影在图7的轴向平面上时，一个或多个环形肋由环形凹槽分离。

第一或外部密封环30，40，60的实施方式与内部或第二密封环6，21，70的任意所述实施方式的组合对接头1提供最佳保护。位于套管末端的第一和第二密封环都将它们各自的密封功能组合以防止在接头外部占据空间17的外部流体漏入接头1的螺纹区域。

所述密封环由弹性材料制成，所述材料在本申请中意图包括具有弹性属性的任何天然或合成材料，包括橡胶、塑料、聚合物等。

完全或部分地嵌入或紧密装入以上说明的任意实施方式中的密封环主体内的加强环由比密封环的弹性材料更坚硬的多种材料(优选为金属)制成。例如，加强环可以由铝、铜、银、镍、钢或不锈钢制成。一些加强环具有镀层或涂敷有镉、铜、镍、银、金或铟。其他的得到热处理、时效硬化或退火。优选地，加强环的径向厚度必须一直小于弹性密封环的径向厚度，从而在被压缩在销与套管之间的空间中时允许弹性体变形。

有利地，向销和套管在多种实施方式中保持与第一和第二密封环接触的那些表面涂敷涂层。

本发明的螺纹接头因此通过上述特征提供增强密封性和对组装和断开损坏的防护。接头优选被用在OCTG领域和用于油气行业尤其是离岸应用中的管路连接件。其可以在达到3500m的深度下使用，在该深度螺纹部分仍然保持防止外部水渗入。

图2，4和8示意性表示具有处于承载位置的密封环的接头。因此，密封环的形状根据不同的载荷状态与所示不同。

Claims (14)

1.一种螺纹接头，包括定义为销的阳螺纹管（2）、定义为套管的阴螺纹管（3），销被构造成组装在套管中，销和套管限定共用的纵向轴线（A），

弹性材料的第一密封环（30，40，60）和第二密封环（6，21，70）介于销与套管之间，并位于套管（3）在螺纹部分（5）的端部与套管（3）的前端（15）之间的一部分表面上，通过一侧上的相应径向外表面与套管（3）的内表面形成紧密密封接触，并通过相应径向内表面与销（2）的外表面形成紧密密封接触，

套管的内表面具有在套管的前端附近用于封装弹性材料的第一密封环的第一凹部，以及在其厚度内形成的用于封装定位在第一凹部与套管的螺纹部分之间的第二密封环的第二凹部，其中，在处于未承载位置时，第二密封环（6）的内表面包括向所述第二密封环（6）的中心成锥形并通过倒角（10）连接的两个平截头圆锥形环形表面（19，20）。

2.如权利要求1所述的螺纹接头，其特征在于，第一密封环具有平截头圆锥形的径向外表面。

3.如权利要求2所述的螺纹接头，其特征在于，第一密封环（30，40）的径向内表面（37，47）具有平截头圆锥形。

4.如权利要求1所述的螺纹接头，其特征在于，第一密封环具有圆柱形的径向外表面。

5.如权利要求4所述的螺纹接头，其特征在于，第一密封环（60）的径向内表面具有圆柱形形状，其具有与边缘相对应的环形肋（61）。

6.如权利要求1所述的螺纹接头，其特征在于，所述平截头圆锥形环形表面（19，20）具有不同或相同值的相应锥角α，γ。

7.如权利要求6所述的螺纹接头，其特征在于，所述平截头圆锥形环形表面（19，20）的角度α，γ的值满足关系α>β且γ>δ，其中β是螺纹部分的螺纹侧翼的入扣角，δ是其负载角。

8.如权利要求7所述的螺纹接头，其特征在于，第二密封环（6）在其外表面上具有两个突出的环形肋（11，12）。

9.如权利要求8所述的螺纹接头，其特征在于，第一密封环（6）具有彼此相对的基本上平的底部（8，9）。

10.如权利要求1-5中任意一项所述的螺纹接头，其特征在于，第二密封环（21，70）具有至少两个以偏斜角度相对于轴线（A）定位的突出的环形唇缘（26，27，76，77）。

11.如权利要求10所述的螺纹接头，其特征在于，第二密封环（21，70）至少在其外表面上具有一个或多个突出的环形肋（22）。

12.如权利要求10所述的螺纹接头，其特征在于，第二密封环（70）其自身具有与底部（74）的边缘相对应的环形肋（79）。

13.如权利要求10所述的螺纹接头，其特征在于，在第一密封环（30，40，60）和/或第二密封环（6，21，70）上设置加强环（34，43，7，25，75）。

14.如权利要求13所述的螺纹接头，其特征在于，第一密封环（30，40）的加强环（34，43）在投射在轴向平面上时具有L形横截面。

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