CN102691481A - 钢管用螺纹接头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种即使在承受弯曲载荷时也显示优异的密封性的钢管用螺纹接头。具体地说，钢管用螺纹接头的销(3)与套筒(1)利用螺纹结合进行结合，销的头部(8)外周面与套筒的头部内周面进行金属-金属接触，该接触部形成密封部(20)，其中，将螺纹部(外螺纹部(7)与内螺纹部(5)的螺纹结合部)的承载牙侧角度α设为负侧，将台肩部(12)、(14)的扭矩台肩角β设为负侧，将头部的长度L与管外径d0之比L/d0设为0.08以上。

Description

钢管用螺纹接头
技术领域
本发明涉及一种钢管用螺纹接头(threaded joint for steel pipe)，详细地说，是涉及优选用于包括一般在油井(oil wells)或气井(gas wells)的探测及生产中使用的配管(tubing)以及套管(casing)在内的OCTG(oil country tubular goods)、升流管(riser pipes)以及线管(line pipe)等钢管的连接、且密封性与耐压缩性优异的管用螺纹接头。
背景技术
螺纹接头广泛用于在油井管等产油工业设备中所使用的钢管的连接。对于在油或气的探测及生产中所使用的钢管的连接，以往典型地使用API(美国石油协会(American Petroleum Institute))标准中所规定的标准螺纹接头。然而，由于近年来原油或天然气的井的深井化不断发展，从垂直井向水平井或倾斜井等的转变正在增多，因此挖掘、生产环境变得严峻。并且，由于在海洋或极地等恶劣环境下的井的开发正在增加等原因，因此耐压缩性能、耐弯曲性能、外压密封性能(耐外压性能)等对螺纹接头的要求性能变得多样化。因此，使用被称作优质接头(premium joints)的高性能的特殊螺纹接头的情况正在增加，对其性能的要求也日益增加。
优质接头通常为将形成于管端部的外螺纹部件(以下称作销(pin))和与将该销彼此连结的内螺纹部件(以下称作套筒(box))结合在一起的结合形式的接头，该外螺纹部件和内螺纹部件分别具备圆锥螺纹、密封部(详细地说，是金属接触密封部(metal to metal seal portion))、台肩部(shoulder portion)(详细地说，是扭矩台肩部(torque shoulderportion))。圆锥螺纹重点用于牢固地固定管接头，密封部发挥通过使套筒与销在该部分进行金属接触而确保密封性的作用，台肩部成为在接头的紧固中发挥止挡件的作用的肩面(支承面(bearing face))。
图4是油井管用优质接头的示意说明图，这些图是圆管的螺纹接头的纵剖视图。螺纹接头具备销3以及与该销3对应的套筒1，销3在其外表面具有外螺纹部7和与外螺纹部7邻接地设置在销3的前端侧的作为无螺纹的长度部分的头部(nose)8(销头(pin nose)8)。该头部8在其外周面具有密封部11，在其端面具有扭矩台肩部12。相对的套筒1在其内表面分别具有作为能够与销3的外螺纹部7、密封部11以及台肩部12螺合或接触的部分、亦即内螺纹部5、密封部13以及台肩部14。
作为与上述优质接头相关的现有技术，列举了专利文献1～3。
在图4的例子中，虽然金属接触密封部位于销头8的前端部，但在专利文献1中，提出为了增加耐外压性能而在销头8的螺纹部附近设置金属接触密封部，并将头部从密封部伸长至台肩部的螺纹接头。在该专利文献1所公开的螺纹接头中采用以与密封部形成不连续的形状的方式延长不与套筒接触的销头，以避免销头的厚度变薄的结构，除了上述耐外压性能的提高之外，也实现了耐轴向压缩性能的提高。
并且，在专利文献2中同样记载了如下情况：从密封部到销头前端设置成为附属部分(appendix)、并且也具有不与密封部连续的形状的部位，从而确保半径方向的刚性，降低轴向的刚性，在紧固时使该附属部分变形，在施加拉伸力的载荷时，利用该附属部分的复原来提高耐拉伸性能。
上述专利文献1、2所记载的将密封部位置设置在销的螺纹部位置附近而离开销头的设计对耐外压性能(external pressure resistance)、耐拉伸性能(tension resistance)的提高、以及使螺纹具有稳定的功能是有效的，该情况从FEM模拟(finite element method simulation)等也能够进行确认。并且，与密封部形成不连续的形状的销头在负载有较强的轴向压缩力的情况下，其自身变形，从而也具有使套筒部件的扭矩台肩部的塑性变形(plastic deformation)减轻的效果。但是另一方面，也存螺纹与头部的边界的不连续部发生过度变形的情况，认为这将依赖于紧固扭矩(make up torque)。
由于紧固扭矩受润滑条件(lubrication condition)、表面性状等影响，因此，作为不大依赖于此的设计，存在相对地增强了密封接触压力的半径方向分量，进而增强半径方向的密封接触压力的半径方向密封方式。例如，在专利文献3中，公开了具有较大的销密封圆弧形状，且减小了密封圆锥角的半径方向密封方式的例子。但是，如此减小了密封圆锥角的半径方向密封方式的问题在于，在紧固时容易发生金属磨损(galling)，特别是在为了密封性能的确保以及密封的稳定性而需要增大密封干涉量的情况下，更加容易发生金属磨损。
专利文献1：日本专利第4535064号公报
专利文献2：日本专利第4208192号公报
专利文献3：日本实公昭61-44068号公报
如以上所说明，在以往提出的螺纹接头中尚存在一些问题，为了充分应对耐压缩性能(resistance to compression)、外压密封性能(sealability against external pressure)、耐弯曲性能(resistance tobending)等对螺纹接头要求的性能的多样化，还存在进一步的改良余地。近年来，伴随着水平井、倾斜井的增加，如图3所示，对螺纹接头施加轴力拉伸，作用较大的弯曲载荷。在对螺纹接头作用有弯曲载荷的情况下，认为在弯曲的拉伸侧，且是在外螺纹部7和内螺纹部5的承载牙侧表面(load flank face)15(参照图4)，产生相互之间的嵌合减弱的相对位移，如果弯曲载荷进一步增强，则螺纹脱扣。另一方面，认为在弯曲的压缩侧，虽然销3和套筒1的扭矩台肩部12、14成为支承，从而抑制想要离开密封部的动作，但如果弯曲载荷进一步增强，则在台肩部12、13产生滑动，无法保持密封性。
对于此类弯曲载荷，过去没有示出能够保持充分的密封性的螺纹部的承载牙侧角度(load flank angle)、与密封部邻接的台肩部12、14的扭矩台肩角、以及头部形状的解决方案的见解。
另外，所谓承载牙侧角度是指承载牙侧表面相对于螺纹接头轴的正交线所形成的角度(图1B中的角度α)，在该正交线通过承载牙侧表面的下端(销内径侧的一端)时，上述承载牙侧表面的上端(销外径侧的一端)相对于该正交线位于销前端侧的情况设为正，位于销后端侧的情况设为负。
并且，所谓扭矩台肩角(torque shoulder angle)是指形成台肩部12、14的台肩面相对于螺纹接头轴的正交线所形成的角度(图1C中的角度β)，在该正交线通过台肩面的上端(销外径侧的一端)时，上述台肩面的下端(销内径侧的一端)相对于该正交线位于销前端侧的情况设为正，位于销后端侧的情况设为负。
发明内容
本发明的发明者们为了解决上述课题，根据对试验方面的研讨，发现了将承载牙侧角度设为负角度以及将扭矩台肩角设为负角度、和头部的长度与管外径之比的组合。
即，本发明如下上述。
(1)钢管用螺纹接头具有：销，该销具有外螺纹部、从该外螺纹部向管端侧延伸的头部和设置于该头部的前端的台肩部；以及套筒，该套筒具有与所述外螺纹部螺纹结合而形成螺纹部的内螺纹部、与所述销的头部外周面相对的内周面和与所述销的台肩部抵接的台肩部，所述销和所述套筒利用所述螺纹结合而结合在一起，所述销的所述头部外周面和所述套筒的所述头部内周面进行金属-金属接触，该接触部形成密封部，所述钢管用螺纹接头的特征在于，将所述螺纹部的承载牙侧角度设为负侧，将所述台肩部的扭矩台肩角设为负侧，将所述头部的长度L与管外径d0之比L/d0设为0.08以上。
(2)当进行所述螺纹结合时，以与套筒侧的头部内周面最早接触的销侧的头部外周面上的部位亦即密封点处的销外径来定义密封直径D，并以所述密封点被所述套筒缩径时的该缩径量来定义干涉量δ，则由所述密封直径D和所述干涉量δ按照算式ε＝δ/D×100(％)算出的所述密封部的管周方向的应变ε为0.30％以上。
(3)根据(1)或(2)上述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述销以及所述套筒的各自的台肩部的扭矩台肩角均低于-15°。
根据本发明，实现了即使在承受弯曲载荷时也显示优异的密封性的钢管用螺纹接头。
附图说明
图1A是示出本发明的实施方式的一例的整体剖视图。
图1B是示出图1A中的螺纹部分的放大剖视图。
图1C是示出图1A中的销头附近的放大剖视图。
图2是示出密封部的管周方向的应变ε的定义的剖视图。
图3是示出螺纹接头的弯曲载荷状态的示意图。
图4A是示出现有的钢管用螺纹接头的整体剖视图。
图4B是示出图4A中的螺纹部分的放大剖视图。
图4C是示出图4A中的销头附近的放大剖视图。
图5是示出气密B试验的载重条件、以及试验类型2的载重条件的图表。
图6A是示出通过销密封部的销密封面的接头轴的剖面内的轮廓是半径R＝3inch的圆弧的销的剖视图。
图6B是示出与图6B的销嵌合的套筒的密封部的圆锥角度γ为3°的直线锥度的套筒的剖视图。
附图标记说明：
1：套筒；3：销；5：内螺纹部；7：外螺纹部；8：头部(销头)；11、13、20：密封部(详细地说是金属接触密封部)；12、14：台肩部(详细地说是扭矩台肩部)；15：承载牙侧表面；21：销密封部
具体实施方式
例如，如图1A～图1C所示，本发明所涉及的钢管用螺纹接头具有：销3，该销3具有外螺纹部7、从该外螺纹部7向管端侧延伸的头部8、设置于该头部8的前端的台肩部12；以及套筒1，该套筒1具有通过与上述外螺纹部7螺纹结合而形成螺纹部内螺纹部5、与上述销1的头部外周面相对的头部内周面、与上述销1的台肩部12抵接的台肩部14，通过上述螺纹结合使上述销和上述套筒结合在一起，销部件的上述头部外周面与套筒的上述头部内周面进行金属-金属接触，该接触部形成密封部20，其中，虽然是销的密封部为环形线状(圆锥曲线旋转面形状(toroidal sealing surface))、且套筒为直线圆锥、亦即径向密封型的螺纹接头，但在该螺纹接头中，如图1B所示，将上述螺纹部的承载牙侧角度α设为负侧，并且如图1C所示，将上述台肩部12、14的扭矩台肩角β设为负侧，并且将上述头部8的长度L和管外径d0之比L/d0设为0.08以上。
通过将承载牙侧角度α设为负侧，并优选设为-4度以下，由此，能够防止在弯曲的拉伸侧发生的螺纹脱扣。
此外，通过将扭矩台肩角β设为负侧，并优选设为低于-15度，由此，形成克服在弯曲的压缩侧进行弯曲的支点，抑制想要离开密封部的动作。
此外，通过将头部的长度(头长度)L与管外径d0之比L/d0设为0.08以上，由此，能够向螺纹部与台肩部之间的头部赋予挠性，能够降低成为弯曲的支点的螺纹部和台肩部的变形。
通过组合上述设定进行组合，由此，能够防止在管和螺纹接头的接触面打滑，能够通过维持嵌合状态来确保气密性。
另外，由于如果承载牙侧角度α比负侧的角度的绝对值大太多，则对耐金属磨损性这一点不利，因此，承载牙侧角度α优选为-7度以上。进一步优选为-5.5～-4.5度。
由于如果扭矩台肩角β比负侧的角度的绝对值大太多，则对确保压缩载荷后的气密性这一点不利，因此，扭矩台肩角β优选为-20度以上，进一步优选为-18～-16度。
如果头长度和管外径之比L/d0过大，则紧固时的密封部的滑动距离增长，对耐金属磨损性这一点不利，由于密封部的加工时间增大，因此，L/d0优选为0.14以下。进一步优选为0.08～0.11。
为了进一步提高气密性，将利用密封直径D和干涉量δ按照ε＝δ/D×100(％)的算式算出的密封部的管周方向的应变ε设定为0.30％以上是有效的。在此，如图2所示，对于密封直径D和干涉量δ，密封直径D是进行螺纹结合时最早与套筒1侧的头部内周面接触的销3侧的头部外周面上的部位、亦即密封点的销外径，干涉量δ是进行螺纹结合时上述密封点被套筒1缩径时的该缩径量。
另外，由于如果密封部的管周方向的应变过大，则对耐金属磨损性这一点不利，因此优选应变ε为0.7％以下。进一步优选为0.3％～0.6％。
实施例
对表1-1、表1-2以及表1-3所示的钢管外径d0(inch)的钢管的管端进行加工，形成销密封部21为环形线状(圆锥曲线旋转面形状)、且销密封面的通过接头轴的截面内的轮廓(图6A中的R)为半径R＝3inch的圆弧的销3，并做成作为与该销3嵌合的套筒1的密封部20的锥角(图6B中的γ)为3°的直线圆锥的套筒1，从而形成径向密封型(radial seal type)的螺纹接头。以该螺纹接头作为对象，作为试验类型1，将L/d0设为表1-1、表1-2以及表1-3所示的各种值，基于ISO 13679实施气密A试验(Sealability leak test A or tightness leak testA)、气密B(包含弯曲)试验、气密C试验。将其结果合并示于表1。在表1中，将密封失效作为×(坏)示出，将密封未失效作为○(好)示出。在本发明例中，不发生密封失效地完成了试验，显示了优异的密封性。另一方面，在比较例中，观察到了密封失效。
接下来，进而将相对于上述气密试验B进一步增大了载荷的试验作为试验类型2加以实施。以下对该试验进行说明。
图5是示出以ISO 13679所规定的气密B试验的载重条件为例示出的图表。横轴表示因拉伸(压缩)/弯曲而产生于管的轴向应力，纵轴表示作用于管内表面的内压。利用外侧的虚线示出的曲线表示拉伸(压缩)/弯曲/内压复合作用的情况下的相当应力与材料的屈服应力等效(屈服应力的100％)。利用内侧的实线示出的曲线是相当应力与材料的屈服应力的90％对应的曲线。上述试验类型1的气密B试验以该90％的载重曲线的各个点作为考核点来判定是否存在密封失效。
其结果是，如表1-1以及表1-2所示，在头长度和管外径之比L/d0为0.08以上的发明例1～12中，试验类型1的气密试验结果(A、B、C)中不存在密封失效。
在试验类型2中，使用不存在密封失效的发明例1～12的样品，在上述气密B试验(包含弯曲)的LP5点，赋予超过标准所规定的最大弯曲条件的弯曲载荷，研究不发生密封失效的弯曲条件极限。即，在图5中利用实线表示气密B试验的试验载荷曲线中的LP5点，从材料的屈服应力的90％的相当应力进一步增大弯曲载荷，如图中箭头所示，增大相当应力，研究密封开始失效时的载荷条件。
其结果是，如表1-1以及表1-2所示，进一步确认了在干涉量ε为0.30％以上的发明例1～10中，即使将相当应力加载至屈服应力的100％(图5中的箭头与虚线相交的点)，也不会发生密封失效。
并且确认了，在扭矩台肩角β未达到-15度的发明例6～10中，即使将相当应力加载至屈服应力的105％，也不会发生密封失效。
[表1-1]
Figure BDA0000145998380000091
[表1-2]
Figure BDA0000145998380000092
[表1-3]
Figure BDA0000145998380000093

Claims (3)

1.一种钢管用螺纹接头，
该钢管用螺纹接头具有：
销，该销具有外螺纹部、从该外螺纹部向管端侧延伸的头部和设置于该头部的前端的台肩部；以及
套筒，该套筒具有与所述外螺纹部螺纹结合而形成螺纹部的内螺纹部、与所述销的头部外周面相对的内周面和与所述销的台肩部抵接的台肩部，
所述销和所述套筒利用所述螺纹结合而结合在一起，所述销的所述头部外周面和所述套筒的所述头部内周面进行金属-金属接触，该接触部形成密封部，
所述钢管用螺纹接头的特征在于，
将所述螺纹部的承载牙侧角度设为负侧，将所述台肩部的扭矩台肩角设为负侧，将所述头部的长度L与管外径d0之比L/d0设为0.08以上。
2.根据权利要求1所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，
当进行所述螺纹结合时，以与套筒侧的头部内周面最早接触的销侧的头部外周面上的部位亦即密封点处的销外径来定义密封直径D，并以所述密封点被所述套筒缩径时的该缩径量来定义干涉量δ，则由所述密封直径D和所述干涉量δ按照算式ε＝δ/D×100(％)算出的所述密封部的管周方向的应变ε为0.30％以上。
3.根据权利要求1或2所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，
所述销以及所述套筒的各自的台肩部的扭矩台肩角均低于-15°。
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