CN102678065B - 高密封特殊偏梯形螺纹管接头 - Google Patents

高密封特殊偏梯形螺纹管接头 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高密封特殊偏梯形螺纹管接头,包括接箍及管体,接箍的中部设置有内台阶柱面;接箍的两端加工有标准偏梯形内螺纹,偏梯形内螺纹的后端设置有楔形内螺纹,管体端部加工有标准偏梯形外螺纹,偏梯形外螺纹的前端设置有楔形外螺纹;内台阶柱面的两端面与管体的端部之间分别设置有金属密封结构,金属密封结构包括设置在接箍上的内密封结构及设置在管体上的外密封结构;内密封结构包括内圆锥面及向外部凸出的內台肩角;外密封结构包括外圆锥面及向内凹入的外台肩角。本发明在标准偏梯形螺纹的端部增加了楔形螺纹及非平面台肩密封结构,增加了接头的连接强度、密封性能、抗弯曲能力、抗压缩载荷能力和抗扭矩性能。

Description

高密封特殊偏梯形螺纹管接头
技术领域
本发明涉及应用于石油行业的油井管螺纹接头,具体地说是一种高密封特殊偏梯形螺纹管接头。
背景技术
油井管行业中的油套管主要是通过螺纹接头连接起来,形成油套管柱,长度达到数千米,其中螺纹接头的连接强度、密封性能、抗弯曲能力、抗扭矩性能及拉伸载荷等性能的优劣直接影响着油井管的连接质量。不同的地质结构需要不同的螺纹连接形式的油井管,以满足使用要求。
随着油田开采的不断发展,对油井管螺纹接头的要求越来越严格,特别是对油井管的相关主要性能指标要求越来越高。现有的API(美国石油学会)偏梯形螺纹接头,存在抗扭矩性能较弱,连接强度低,密封性能差,抗挤毁能力差等不足。世界各油井管加工企业对螺纹接头不断地创新,出现了不同的螺纹结构连接形式,但是还是不能够满足油田开采的使用要求。
发明内容
本发明针对上述问题,提供一种高密封特殊偏梯形螺纹管接头,该接头连接强度高,密封性能好,抗压缩载荷能强,同时抗扭矩性能高。
按照本发明的技术方案:一种高密封特殊偏梯形螺纹管接头,包括通过螺纹连接的接箍及管体,所述接箍内壁的轴向中部设置有环状的内台阶柱面;所述接箍的两端加工有标准偏梯形内螺纹,所述偏梯形内螺纹靠近所述内台阶柱面的后端设置有楔形内螺纹,所述管体端部的外壁上加工有标准偏梯形外螺纹,所述偏梯形外螺纹的前端设置有楔形外螺纹,所述楔形内螺纹与所述楔形外螺纹的牙侧角为负角度;所述内台阶柱面的两端面与所述管体的端部之间分别设置有金属密封结构,所述金属密封结构包括设置在所述接箍上的内密封结构及设置在所述管体上的外密封结构;所述内密封结构包括设置在所述内台阶柱面端面与所述接箍内螺纹端部之间的内圆锥面,所述内台阶柱面的端面向外部凸出形成內台肩角,所述內台肩角与所述内圆锥面之间设置有內密封面过渡圆弧;所述外密封结构包括设置在所述管体端部外壁上的外圆锥面,所述管体端部的端面向内凹入形成外台肩角,所述外台肩角与所述外圆锥面之间设置有外密封面过渡圆弧。
所述牙侧角的值为5°~15°。
所述楔形内螺纹与所述楔形外螺纹的牙数为1~4牙。
所述內台肩角的值为105°~125°,所述外台肩角比所述內台肩角的值小0~1°;所述內台肩角与所述内台阶柱面之间形成的锐角为內台肩平面倒角,所述內台肩平面倒角为60°~80°,所述外台肩角与所述管体的内壁面之间形成的锐角为管端平面倒角,所述管端平面倒角与所述內台肩平面倒角的值相同。
所述內密封面过渡圆弧与所述內台肩角之间设置有內顶点圆弧,所述內顶点圆弧的半径为0.25~0.60mm;所述外密封面过渡圆弧与所述外台肩角之间设置有外顶点圆弧,所述外顶点圆弧的半径与所述內顶点圆弧的半径相同。
所述內台肩角的顶点处设置有內台肩圆弧,所述內台肩圆弧的半径为0.3~1.0mm;所述外台肩角的顶点处设置有外台肩圆弧,所述外台肩圆弧的半径大于所述內台肩圆弧的半径0~0.5mm。
所述内圆锥面的长度为5~15mm,所述外圆锥面的长度比所述内圆锥面的长度长半个螺距。
所述内密封结构的內密封面厚度为5~10mm,所述外密封结构的外密封面厚度与所述內密封面厚度相等。
本发明的技术效果在于:本发明在标准偏梯形螺纹的端部增加了楔形螺纹及金属与金属的非平面台肩密封结构,增加了接头的连接强度、密封性能、抗弯曲能力、抗压缩载荷能力和抗扭矩性能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明分解后的结构示意图。
图3为本发明中的楔形的牙型图。
图4为本发明中的内密封结构的放大图。
图5为本发明中的外密封结构的放大图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
图1~图5中,包括接箍1、管体2、偏梯形内螺纹3、偏梯形外螺纹4、楔形内螺纹5、楔形外螺纹6、内密封结构7、外密封结构8、中径线9、内台肩柱面10、锥度11、螺距12、齿高13、齿型牙宽14、齿型槽宽15、牙侧角16、齿型圆弧17、内圆锥面18、外圆锥面19、內密封面厚度20、外密封面厚度21、內密封面过渡圆弧22、外密封面过渡圆弧23、內顶点圆弧24、外顶点圆弧25、內台肩圆弧26、外台肩圆弧27、內台肩角28、外台肩角29、內台肩平面倒角30、管端平面倒角31、内台肩曲面深度32、外台肩曲面深度33、管体34等。
如图1、图2所示,本发明是一种高密封特殊偏梯形螺纹管接头,包括通过螺纹连接的接箍1及管体2、34,接箍1和管体2、34是以虚拟的中径线9为基准,以内外螺纹进行旋合,以管体2与管体34通过接箍1进行若干连接形成油、套管柱,满足油气田生产使用要求。
接箍1内壁的轴向中部设置有环状的内台阶柱面10。内台阶柱面10的长度范围是50~200mm,可增加接头的连接强度和抗弯曲能力。
接箍1的两端加工有标准偏梯形内螺纹3,偏梯形内螺纹3靠近内台阶柱面10的后端设置有楔形内螺纹5。管体2、34端部的外壁上加工有标准偏梯形外螺纹4,偏梯形外螺纹4的前端设置有楔形外螺纹6。偏梯形内螺纹3与偏梯形外螺纹4采用API标准。
如图3所示,楔形内螺纹5与楔形外螺纹6尺寸相同公差不同以达到过渡配合时的密封要求。楔形内螺纹5与楔形外螺纹6的牙侧角16为负角度,牙侧角16的值为5°~15°。楔形内螺纹5与楔形外螺纹6的锥度11为1:16、螺距12为5.08mm,其锥度、螺距与API标准相同,楔形螺纹旋合时,在偏梯形螺纹的引导下旋合自如,不会发生任何干涉。楔形内螺纹5与楔形外螺纹6的齿高13为1.00mm~1.43mm、齿型牙宽14为1.50mm~2.07mm、齿型槽宽15为2.55mm~3.03mm、齿型圆弧17半径为0.40mm~0.50mm。楔形内螺纹5与楔形外螺纹6的牙数为1~4牙。
在加工时,偏梯形螺纹向楔形螺纹过渡变形时应平滑过渡,过渡面长度不能超过1个螺距的长度。偏梯形螺纹与楔形螺纹的总长度可以通过减少或增加偏梯形螺纹牙数,也可通过减少或增加楔形螺纹牙数来满足管体2、34端部加工的总长度要求,但其增加或减少的牙数不能超过4牙,其接箍1螺纹的加工相同。
再参见图1及图2,在接箍1内台阶柱面10的两端面与管体2、34的端部之间分别设置有金属密封结构。金属密封结构包括设置在接箍1上的内密封结构7及设置在管体2、34上的外密封结构8。
如图4所示,内密封结构7包括设置在内台阶柱面10端面与接箍1内螺纹端部之间的内圆锥面18,内圆锥面18的长度为5~15mm。内台阶柱面10的端面向外部凸出形成內台肩角28,內台肩角28的值为105°~125°。內台肩角28的顶点处设置有內台肩圆弧26,內台肩圆弧26的半径为0.3~1.0mm。內台肩角28与内圆锥面18之间设置有內密封面过渡圆弧22,內密封面过渡圆弧22的半径为1.00mm~2.00mm。內密封面过渡圆弧22与內台肩角28之间设置有內顶点圆弧24,內顶点圆弧24的半径为0.25~0.60mm。內台肩角28与内台阶柱面10之间形成的锐角为內台肩平面倒角30,內台肩平面倒角30为60°~80°。內密封面厚度20为5~10mm,内台肩曲面深度32为1.00mm~2.00mm。
如图5所示,外密封结构8包括设置在管体2、34端部外壁上的外圆锥面19,外圆锥面19的长度比内圆锥面18的长度长半个螺距,以满足楔形内螺纹5与楔形外螺纹6在大扭矩下的紧密配合不发生干涉。管体2、34端部的端面向内凹入形成外台肩角29,外台肩角29比內台肩角28的值小0~1°,以0.5°最佳,满足内、外台肩在机紧情况下造成的塑性变型状态下达到过盈配合状态。外台肩角29的顶点处设置有外台肩圆弧27,外台肩圆弧27的半径大于內台肩圆弧26的半径0~0.5mm,以满足内、外台肩在机紧状态下,内外圆弧配合时造成塑性变型状态下达到过盈配合状态。
外台肩角29与外圆锥面19之间设置有外密封面过渡圆弧23。外密封面过渡圆弧23与外台肩角29之间设置有外顶点圆弧25,外顶点圆弧25的半径与內顶点圆弧24的半径相同。外台肩角29与管体2、34的内壁面之间形成的锐角为管端平面倒角31,管端平面倒角31与內台肩平面倒角30的值相同。外密封面厚度21与內密封面厚度20相等,以满足管体2、34内壁和接箍1内台阶柱面10处于同一个平面,以有效减少气体、液体在管道内通行时的紊流现象,使能量损失降低为最小。外台肩曲面深度33与内台肩曲面深度32相同。
本发明操作时,首先将管体2的外螺纹表面均匀涂抹一层润滑螺纹脂,再将接箍1的任意一端先套入管体2上,套入时应将接箍1的内螺纹与管体2的外螺纹先套入3~7扣,套扣时应轻缓将外外螺纹对扣然后人力旋入,以人力旋合不动是为止,将已经手紧旋合在一起的接箍1和管体2用石油管道拧接机器进行进一步的机器拧接达到机器拧接时的过盈配合状态。
当接箍1与管体2在机器拧接过盈旋紧配合后,其楔形内螺纹5、楔形外螺纹6在偏梯形螺纹的旋合引导下,能够顺利自如旋入配对达到过渡配合状态型成一定的密封性,楔形螺纹能够显著增加其连接强度及抗弯曲能力,其楔形螺纹齿型具有高密封性能,有效提高螺纹接头的高复合承载能力,可提供与管体相当的内压抗力;同时內密封面厚度20与外密封面厚度21达到了过盈配合,大大增加了其高抗扭矩性能和压缩载荷能力及拉伸载荷的能力。内圆锥面18与外圆锥面19两者的外径形成径向过盈配合,大大增加其配合的密封性能。同时内密封结构7与外密封结构8上的非平面台肩在大扭矩旋合后形成的过盈配合也达到了一定的密封性能和抗弯曲能力,使其螺纹接头具有多重密封结构,有效提高螺纹接头的高复合承载能力;机紧的位置和扭矩大小可以按照API标准操作或工艺文件另行规定,但是必须以满足內密封面厚度20与外密封面厚度21在机紧旋合后不得有任何缝隙。同样的紧固方法将其接箍1和管体34是以虚拟的中径线9为基准进行紧密配合,达到管体34与管体2通过接箍1进行若干连接型成油、套管柱满足油气田生产使用要求。在油田下井时将其一个个的连接件机紧连接型成数千米的油套管柱。
本发明在标准偏梯形螺纹的端部增加了楔形螺纹密封结构,楔形螺纹能够显著增加接头的连接强度及抗弯曲能力,其楔型螺纹齿型具有高密封性能,有效提高螺纹接头的高复合承载能力,可提供与管体相当的内压抗力,楔型螺纹有效提高螺纹接头的防脱扣性能及拉伸载荷性能;本发明同时采用了金属与金属的非平面台肩密封结构,达到了螺纹接头的多重密封结构,大大增加了抗压缩载荷能力和抗扭矩性能及高密封性能。本发明非常适合深井、超深井、高压油井及高压气井使用。

Claims (1)

1.一种高密封特殊偏梯形螺纹管接头,包括通过螺纹连接的接箍(1)及管体(2、34),所述接箍(1)内壁的轴向中部设置有环状的内台阶柱面(10);其特征是:所述接箍(1)的两端加工有标准偏梯形内螺纹(3),所述偏梯形内螺纹(3)靠近所述内台阶柱面(10)的后端设置有楔形内螺纹(5),所述管体(2、34)端部的外壁上加工有标准偏梯形外螺纹(4),所述偏梯形外螺纹(4)的前端设置有楔形外螺纹(6),所述楔形内螺纹(5)与所述楔形外螺纹(6)的牙侧角(16)为负角度;所述内台阶柱面(10)的两端面与所述管体(2、34)的端部之间分别设置有金属密封结构,所述金属密封结构包括设置在所述接箍(1)上的内密封结构(7)及设置在所述管体(2、34)上的外密封结构(8);所述内密封结构(7)包括设置在所述内台阶柱面(10)端面与所述接箍(1)内螺纹端部之间的内圆锥面(18),所述内台阶柱面(10)的端面向外部凸出形成內台肩角(28),所述內台肩角(28)与所述内圆锥面(18)之间设置有內密封面过渡圆弧(22);所述外密封结构(8)包括设置在所述管体(2、34)端部外壁上的外圆锥面(19),所述管体(2、34)端部的端面向内凹入形成外台肩角(29),所述外台肩角(29)与所述外圆锥面(19)之间设置有外密封面过渡圆弧(23);
所述牙侧角(16)的值为5°~15°;
所述楔形内螺纹(5)与所述楔形外螺纹(6)的牙数为1~4牙;
所述內台肩角(28)的值为105°~125°,所述外台肩角(29)比所述內台肩角(28)的值小0~1°;所述內台肩角(28)与所述内台阶柱面(10)之间形成的锐角为內台肩平面倒角(30),所述內台肩平面倒角(30)为60°~80°,所述外台肩角(29)与所述管体(2、34)的内壁面之间形成的锐角为管端平面倒角(31),所述管端平面倒角(31)与所述內台肩平面倒角(30)的值相同;
所述內密封面过渡圆弧(22)与所述內台肩角(28)之间设置有內顶点圆弧(24),所述內顶点圆弧(24)的半径为0.25~0.60mm;所述外密封面过渡圆弧(23)与所述外台肩角(29)之间设置有外顶点圆弧(25),所述外顶点圆弧(25)的半径与所述內顶点圆弧(24)的半径相同;
所述內台肩角(28)的顶点处设置有內台肩圆弧(26),所述內台肩圆弧(26)的半径为0.3~1.0mm;所述外台肩角(29)的顶点处设置有外台肩圆弧(27),所述外台肩圆弧(27)的半径大于所述內台肩圆弧(26)的半径0~0.5mm;
所述内圆锥面(18)的长度为5~15mm,所述外圆锥面(19)的长度比所述内圆锥面(18)的长度长半个螺距;
所述内密封结构(7)的內密封面厚度(20)为5~10mm,所述外密封结构(8)的外密封面厚度(21)与所述內密封面厚度(20)相等。
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