CN102191916A

CN102191916A - 抗粘连高密封高载荷油井管及钻具螺纹

Info

Publication number: CN102191916A
Application number: CN2010101221605A
Authority: CN
Inventors: 陈伟琛
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-03-11
Filing date: 2010-03-11
Publication date: 2011-09-21

Abstract

本发明涉及是一种机械技术领域，尤其涉及一种抗粘连高密封高载荷油井管及钻具螺纹。本发明利用车铣复合加工中心，成型螺纹铣刀，变螺距数控加工程序，激光表面硬化，温控相变密封环，以及硬化锥面对圆弧面的密封技术叠加后，得到高载荷超高密封的螺纹连接。本发明生产效率高，密封精度高。

Description

抗粘连高密封高载荷油井管及钻具螺纹

技术领域

本发明涉及是一种机械技术领域，尤其涉及一种抗粘连高密封高载荷油井管及钻具螺纹。

背景技术

目前，在石油管行业国际通用的螺纹连接的密封方法主要是在螺纹啮合部位加工出球面和锥面，利用材料的变形达到密封的效果。或者加工出多个台阶配合来达到密封的效果。

但是，这些方法的弊端很多：

1)由于机械加工时公差的存在，在完全啮合并达到密封效果时，螺纹啮合双方存在大量的应力。

2)所有传统设计的密封面只有1-3道之间，很容易被腐蚀介质腐蚀而破坏密封。

3)所有传统设计的密封，无法有效的解决钢管在自重的作用下，对螺纹部位的拉伸变型。

4)所有国内的螺纹加工时，必须设计退槽，从而导致在规定长度内有效螺纹的减少。

5)所有的螺纹设计均只能依靠“紧螺纹扭矩”的控制来确定螺纹连接是否到位，无法固定螺纹啮合的具体位置。

6)所有传统设计的螺纹连接，无法防止螺纹啮合双方粘连现象的发生。

发明内容

本发明目的是克服现有技术的不足，提供一种密封精度更高的抗粘连高密封高载荷油井管及钻具螺纹。

解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明利用车铣复合加工中心，成型螺纹铣刀，变螺距数控加工程序，激光表面硬化，温控相变密封环，以及硬化锥面对圆弧面的密封技术叠加后，得到高载荷超高密封的螺纹连接。

螺纹等螺距和螺纹变螺距的对比

在油管套管连接时，由于钢管自重的原因。在垂直于地表的工作环境中，钢管产生纵向延伸，这种延伸分为弹性变形和塑性变形。不管是那种变形，首先就破坏了通过精密设备加工得到的螺纹之间的精密配合(图2)。所以很多传统螺纹在图纸，地表测试时表现良好，但是一到下井后就发现测试数据不尽准确。为此，我们对螺纹受到纵向载荷后的变形进行了精密计算后，将变形量预设在螺距中。使螺纹啮合双方在啮合时产生和工作应力相反的配合应力，这种配合应力在螺纹受到纵向载荷时，能够互相抵消。从而得到在工作状态时没有内应力的螺纹连接(图2-1)。

我们的变距螺纹的设计分成如下几种：

1)等变量渐变：按照螺牙排列，螺距依次为：

(假设：起始螺距：A。变量：x螺距公差：±0.0762mm)

第一牙：A 第二牙：A+x 第三牙：A+2x 第四牙：A+3x依次类推

x+2x+3x+.....nx≤螺距公差(0.0762*2＝0.0.1524mm)

2)等变量分段变：按照螺牙排列，螺距依次为：

(假设：16牙螺纹，螺距公差：±0.0762mm，前后5牙参与变化中间6牙不变)

第一牙至第五牙螺距分别为：A，A+x，A+2x，A+3x，A+4x

第六牙至第十一牙螺距为：A+5x

第十二牙至第十六牙螺距分别为：A+6x，A+7x，A+8x，A+9x，A+10x

x+2x+3x+.....10x≤螺距公差(0.0762*2＝0.0.1524mm)

螺纹啮合双方中，一方的螺纹承载面激光表面硬化

在本人以前递交的专利申请书中已经提出利用激光表面硬化技术，在石油钻具以及油套管的相应部位做局部表面硬化处理，以提高产品的使用寿命以及安全性。在本专利中继续使用这项技术，利用激光的瞬间高温熔除机械加工后在加工表面留下的凹凸缺陷，同时通过调整功率与光斑速度来得到不同深度的硬化层。

在螺纹啮合双方中的一方(通常是可更换部分，如：油套管接箍)表面进行激光表面硬化处理，得到螺纹表面光滑并且表面硬化后的螺纹(图3)，含碳量0.35％的材料，处理后表面硬度达到洛氏55度以上)。利用螺纹啮合双方间存在的硬度差异，达到啮合时螺纹承载面不粘连的目的。

螺纹圆周角度定位啮合和扭矩控制啮合的对比

在卧室车铣加工中心配合成型螺纹铣刀加工螺纹的基础上，对螺纹退刀槽加以修磨和内外圆周面得铣削，螺纹起始位置用内圆或者外圆表面铣刀将螺纹的渐始部分铣至一标准螺牙加3mm的内外圆，再将螺纹终止部分的退刀槽加以修磨。得到顿始顿止螺纹。这样的螺纹在啮合的时候，外螺纹的起始面和内螺纹的终止面，以及外螺纹的终止面和内螺纹的起始面会形成二个台阶面。这二个台阶面在螺纹完全啮合时会产生反作用力(图4)。同时在生产过程中在内外螺纹表面标志出螺纹终止和起始位置，所以在现场使用时，操作人员只要看到内外螺纹的标志对齐，即表示螺纹已经拧接到位了。

而传统的螺纹啮合拧接到位是以拧接扭矩值来控制，仪表的损坏，螺纹机械加工公差等因素均会造成螺纹啮合位置的不当，因而使得螺纹啮合时不到位或者扭矩过载情况的发生。

螺纹圆周角度定位啮合螺纹能在现场没有扭矩仪表的情况下达到螺纹准确啮合的目的，给最终使用者降低了成本，提高了生产效率。

锥面硬化后抛光对球面过盈配合密封

绝大部分的螺纹密封是依靠内、外圆周锥面对内、外圆周球面的过盈配合得到的。这种密封方式的缺点是在过盈配合过程中，配合双方是高摩擦过程中逐渐得到的。假设在直径177.8mm的套管螺纹和接箍的配合中，螺距为：5.08mm，过盈量为0.03mm。那么，为了达到密封配合，配合双反必须经过2.82mm长度渐增应力下的摩擦配合过程。这种摩擦配合使得配合双方的表面粗糙度遭到破坏，一旦有必要卸扣后再次配合的话。将会失去原设计技术数据。

基于上述原因的考虑，本设计将在内、外园锥面表面进行可控表面硬化后再加以抛光工艺，得到硬度超过HRC55以上的近镜面光洁度锥表面。这样的锥表面和球面进行过盈配合的时候，能有效的降低摩擦系数，能迫使球表面变型而形成密封。由于锥表面的高硬度和高光洁度(图5)，能使这种配合重复多次而不失密封性能。

温控相变密封环

由于所有钻具及油套管均垂直于地表使用，所以每根钻具或者油套管所承受的纵向载荷是不同的，传统的设计及工业化生产均没有考虑到纵向应力的渐变和配合间隙之间的关系。考虑到地表和目的深度之间的温度也是渐变的，所以在螺纹连接时加装以温度为触发介质的密封环，这种密封环随着温度的变化而改变自身的形状。鉴于目前井底温度的平均状况，这种密封环的变型温度从摄氏40°-300°分段设置，随着温度的升高变型量减少。以此来抵消随着温度降低，载荷增加，螺纹连接间隙变型量加大的状况。使得螺纹啮合时，始终有一道过盈配合的密封保护。同时，这种密封环回到常温状态时，外形也恢复到装配前状态(图6)，可以重复使用，有效的降低了使用单位的成本。

本发明的有益效果：

1)工件低速旋转保证了床身的稳定，利用刀具高速旋转的线速度得到高质量的加工表面。

2)由于工件的低速旋转，导致螺纹铣刀能非常及时的退刀，有效的控制了无效螺纹的长度。在规定长度内能得到更多的有效螺纹(能增加10％左右)

3)生产效率高，直径73mm的螺纹加工用时4秒，生产效率提高将近8倍。

4)铣削方式加工螺纹时，刀具纵向只需1-2个螺距的行程，所以以5.08mm螺距和101.6mm螺纹长度计算，在相同精度的加工设备上(300mm±0.005)车削方式加工的螺纹精度为：±0.00085mm。而铣削的螺纹精度为：0.000169mm。所以，铣削螺纹的精度比车削螺纹的精度提高了5倍。

附图说明

图1是本发明发生变形时的结构示意图

图2是等变量渐变螺纹的示意图

图3是等变量分段变螺纹的示意图

图4是表面硬化后的螺纹的结构示意图

图5是本发明的剖视示意图

图6是螺纹未密封前的示意图

图7是螺纹密封后的示意图

图8是本发明的装配前的结构示意图

图中，1钢管在工作环境中产生的纵向延伸而导致螺纹之间的精密配合得到破坏，2内螺纹的起始面，3外螺纹的终止面，，5接箍上的球面，6硬化后的锥面，7接箍上的球面发生形变，使其跟螺纹上的锥面密封。

具体实施方式

本发明利用车铣复合加工中心，成型螺纹铣刀，变螺距数控加工程序，激光表面硬化，温控相变密封环，以及硬化锥面对圆弧面的密封技术叠加后，得到高载荷超高密封的螺纹连接。

Claims

1.一种抗粘连高密封高载荷油井管及钻具螺纹，其特征是：利用车铣复合加工中心，成型螺纹铣刀，变螺距数控加工程序，激光表面硬化，温控相变密封环，以及硬化锥面对圆弧面的密封技术叠加后，得到高载荷超高密封的螺纹连接。

2.如权利要求1所述的抗粘连高密封高载荷油井管及钻具螺纹，其特征是：对螺纹受到纵向载荷后的变形进行了精密计算后，将变形量预设在螺距中；使螺纹啮合双方在啮合时产生和工作应力相反的配合应力，这种配合应力在螺纹受到纵向载荷时，能够互相抵消。从而得到在工作状态时没有内应力的螺纹连接。

3.如权利要求1所述的抗粘连高密封高载荷油井管及钻具螺纹，其特征是：螺纹啮合双方中，一方的螺纹承载面激光表面硬化。

4.如权利要求1所述的抗粘连高密封高载荷油井管及钻具螺纹，其特征是：锥面硬化后抛光对球面过盈配合密封。