CN102713397A

CN102713397A - 螺纹工具接头连接件

Info

Publication number: CN102713397A
Application number: CN2010800397938A
Authority: CN
Inventors: 凯恩·帕切科
Original assignee: HDD Rotary Sales LLC
Current assignee: HDD Rotary Sales LLC
Priority date: 2010-07-12
Filing date: 2010-07-12
Publication date: 2012-10-03

Abstract

一种双轴肩螺纹工具接头连接件，其具有：公接头，该公接头具有形成于公接头外轴肩和公接头内轴肩之间的外螺纹，该公接头还具有前端部分，该前端部分位于内轴肩和外螺纹之间；以及母接头，该母接头具有形成于母接头外轴肩和母接头内轴肩之间的内螺纹。该外螺纹和内螺纹两者具有介于0.666英寸每英尺和1.0英寸每英尺之间的螺纹锥度，并具有均约为33度的入扣侧面角和负载侧面角。

Description

螺纹工具接头连接件

相关技术的描述

美国专利第5,810,401号(“Mosing专利”)公开了公接头和母接头构件上的双配合轴肩和前端面(nose face)(图5和第6栏26-64行)。然而，该Mosing专利未公开：(a)用于利用该双轴肩来实现高扭矩能力的器件，(b)用于通过连接螺纹而抵抗弯曲疲劳的器件，(c)用于减小连接根部中的应力集中的器件，(d)单一的大的根部半径，(e)正负载或入扣侧面角(stab flank angle)，和(f)90°方形配合轴肩。

美国专利第6,030,004号(“Schock专利”)公开了一种双轴肩高扭矩抵抗力的螺纹连接件。该工具接头设置有螺纹和大致为椭圆形的根部表面，所述螺纹具有在螺纹侧面之间75度的夹角(图1、第4栏1-23行和第5栏15-49行、图7和图9)。该Schock专利未公开：(a)用于使用大的根部表面来增强疲劳抵抗力的器件，大的根部表面仅是单一的根部半径的产生物，(b)用于利用浅螺纹锥度而实现高扭矩力的器件，(c)用于实现最小流体压力损失和最大清洁孔能力、同时保持高扭矩、弯曲和拉伸负载抵抗力的器件，(d)优化高拉伸负载、同时具有大的根部表面的技术，(e)减小连接刚度以加强弯曲强度比，和(f)用于在不增加母接头外直径的情况下保持Abcs/Apcs临界横截面之间的平衡比的技术。

美国专利第7,210,710号(“Williamson专利”)公开了一种双轴肩钻杆连接件(图2和图3，以及第9栏41行至第10栏18行)。该Williamson专利公开并讨论了一系列涵盖双轴肩工具接头的专利。该Williamson专利通过引用而并入至本说明书中。在其图2的讨论中，该Williamson专利提出了优选地为1和1/8英寸每英尺的母接头和公接头螺纹的螺纹锥度。通过这种陡峭的锥度，构成的圈数被减少，这是因为入扣深度(stabbing depth)被增大。然而，这种陡峭的锥度大幅度地减小了在辅助(内)轴肩处的面积量，这减小了扭矩能力。另外，由于这种陡峭的锥度，连接件的ID无法与较浅的锥度连接件一样大，这是因为与维持足够坚硬以具有内轴肩将存在抵触。最终，这种陡峭的锥度不允许“小口径孔”的设计，“小口径孔”即具有小的OD和大的ID。

该Williamson专利教导采用不相似的负载侧面。由于该不相似性，该Williamson装置必须使用两个或更多半径以跨接两个负载侧面；因此，如其权利要求7中所述的，内螺纹和外螺纹的根部以椭圆的一部分的形状而形成。

该Williamson专利在对其图2的讨论中还宣称，“公接头前端(pin nose)的长度L.sub.PN应是扩孔长度L.sub.BC的约一倍至一倍半”。然而，申请人发现，该公接头前端的长度应该尽可能的短，这是因为公接头前端用作在用于负载分布的公接头连接部和母接头内轴肩之间的桥梁。也就是说，该公接头前端的长度越短，该公接头前端可承受的压力就越大，从而形成更坚固的连接。

该Williamson专利未公开：(a)用于使用大的根部表面来增强疲劳抵抗力的器件，大的根部表面仅仅是由单一的根部半径产生的，和(b)用于具有相等的为33°的负载侧面角(load flank angle)和入扣侧面角的螺纹牙形的器件，其提供在负载侧面上的最佳的表面接触区域。该最佳的要求基于扭矩、张力以及不凭借极端轴向负载或弯曲拉伸负载而连接至交叉螺纹(cross-thread)的能力。该Williamson专利也未公开：(a)公接头前端部分的长度最少为母接头扩孔部分的长度的60％，以减小在该公接头前端部分上的压应力，(b)任何将应力集中系数保持在1.0之下的改进，(c)减少在连接件的临界横截面处的连接件惯性矩，从而减少刚性构件，以及(d)在不损失连接扭矩性能的情况下的快速连接装配的方法。

因此，已知的具有至少两个主要的不足。其缺少：(1)用于使用大的根部表面来增强弯曲疲劳抵抗力的器件件，大的根部表面仅仅是由单一的根部半径产生的，和(2)用于实现最小的流体压力损失和最大清洁孔能力、同时维持高扭矩、弯曲和拉伸负载抵抗力的器件。

根据前述内容，需要一种工具接头螺纹连接件，其能够实现高扭转强度、延长的疲劳寿命、高拉伸负载并且能够将连接应力保持在材料屈服强度内，自始至终具有带有小的外直径和大的内直径的连接部。更特别地，还需要一种高扭矩的螺纹工具接头连接件，其具有：(a)用于实现快速装配且不损失工作能力的器件，(b)用于在不使用底切螺纹牙形(undercutthread form)的情况下承受高循环弯曲应力的器件，所述底切螺纹牙形降低了连接的拉伸能力，(c)用于承受螺纹的临界横截面处的弯曲应力的器件，该弯曲应力与管主体自身能承受的弯曲应力一样大。

发明的简要概述

一种螺纹工具接头连接件，其用在钻杆组件中，并包括：(a)具有外螺纹的公接头(pin)，外螺纹被加工在公接头外轴肩和公接头内轴肩之间；(b)具有内螺纹的母接头(box)，内螺纹被加工在母接头外轴肩和母接头内轴肩之间；(c)锥形螺纹，其针对高扭矩、高循环疲劳以及轴向拉伸负载抵抗力而设计；和(d)螺纹牙形设计，其具有大的齿根部表面，所述大的根部表面是由负载侧面和入扣侧面之间的单一半径产生的。

在本发明的另一特征中，该螺纹连接件具有小口径孔形状且不损失抗扭强度、拉伸能力、连接剪切强度和连接挠曲强度。

在本发明的另外一些特征中，该螺纹工具接头连接件包括：(a)具有承受扭矩的能力以使螺纹的剪切力最多为外轴肩和内轴肩处的合力的70％而不需要长的螺纹长度的螺纹牙形；(b)能够将应力集中系数维持在1.0以下的螺纹牙形；和(c)能够承受附接的管主体的92％至97％的弯曲应力的螺纹牙形，(d)相比于API连接件，关于公接头和母接头的临界横截面的工具接头连接件惯性矩减少13％-14％；以及(e)该连接件具有与API连接件一样的“组成的圈数”比。

附图的几个视图的简要说明

图1是通过根据本发明所建造的工具接头而首尾相接的两个钻管部分的横截面。

图2是图1中的工具接头的放大的横截面，其示出了根据本发明的装配在一起的公接头构件和母接头构件、锥形螺纹以及螺纹牙形。

图3是本发明的螺纹工具接头连接件的公接头的轴向横截面侧剖面视图。

图4是图3的公接头的螺纹的近距特写图。

图5是本发明的螺纹工具接头连接件的母接头轴向横截面的侧剖视图。

图6是图5的母接头的螺纹的近距特写图。

发明的详细描述

在图1中，上部钻管12通过根据本发明的工具接头16而连接至下部钻管14。钻管12、14具有镦锻部分18、20，镦锻部分18、20具有较厚的壁厚以用于钻管12、14的端部至工具接头16的端部处的焊接22、24。工具接头16的外直径23比该钻管12、14的外直径25大。钻管12、14的内直径26比该镦锻部分18、20的内直径28大。内直径28与邻近工具接头16的焊缝端的内直径30基本相同。工具接头的内直径30比内直径32大，所述内直径32是工具接头的与公接头40和母接头42的螺纹接近的部分的内直径。公接头40和母接头42两者的锥度为7/8英寸每英尺，并具有同一中心线41。采用小于1英寸每英尺的锥度，允许本发明具有大的公接头前端直径，这继而允许在辅助轴肩处的大的接触表面区域。这使得连接件在被拧紧在一起时，能够承受较高的转动/扭转扭矩。

现在参照图2，入扣侧面44和负载侧面46形成由两个相等的角构成的角：33度的入扣侧面角48和33度的负载侧面角50。中心线51分隔角48、50。公接头前端长度52通过利用材料屈服强度的80％的比率作为公接头前端处的压应力来确定。更精确地，前端长度52通过以下公式计算：

其中，D_totm是公接头基部部分和母接头扩孔部分的偏差的和，A_n＝前端的横截面面积，F_n＝作用于前端上的力，以及SMYS是规定的材料屈服强度。

两个轴肩的合力为螺纹剪切力的0.70倍。该安全系数为1.3允许Lpc(公接头连接的长度)在剪切中比由两个轴肩联合产生的轴向力强。用于螺纹剪切力(Thd_sf)的公式为：

{Thd}_{sf} = . 577 * SMYS * π * (\frac{Lpc}{2}) * D_{t},

其中

且其中P.D.＝螺纹中径。

参照图3，螺钉40具有螺纹60，螺纹60具有每英寸3个螺纹的螺距。公接头40具有主(也称为外)轴肩62。主轴肩62用作用于工具接头16的主装配表面。公接头40还具有辅助(也称为内)轴肩64。辅助轴肩64提供与机械止动件一起的附加的表面区域。该附加的表面区域在连接中提供较大的扭转强度。

参照图4，公接头40的螺纹60具有单一地等于0.063英寸的根部半径66。(为了更大的连接尺寸，使用更大的根部半径，如0.070″和0.105″)。大的根部半径66允许螺纹60的根部承受工具接头的临界横截面处的较大的弯曲应力，从而产生对金属疲劳的较大抵抗力。大的根部半径66还向工具接头16提供较高的拉伸负载能力。根部半径66的中心线51与中心线41相垂直。

螺纹60的螺纹牙顶74的顶部被定位为平行于中径线72。中径线是想象出来的线，其在螺纹长度上延伸并将螺纹分成在螺纹牙顶和螺纹根部之间的两半。螺纹牙顶74上的半径用于消除螺纹牙形的任何尖锐的棱角边缘，以防止连接产生磨损。

现在参照图5，母接头42具有螺纹80，螺纹80具有每英寸3个螺纹的螺距。母接头42具有主(也称为外)轴肩82。主轴肩82用作所述工具接头16的主装配表面。母接头42还具有辅助(也称为内)轴肩84。辅助轴肩84提供与机械止动件一起的附加的表面区域。该附加的表面区域在连接中提供较大的扭转强度。

现在参照图6，母接头42的螺纹80具有单一地等于0.063英寸的根部半径66。(为了更大的连接尺寸，使用更大的根部半径，如0.070″和0.105″)。大的根部半径66允许螺纹60的根部承受工具接头的临界横截面处的较大的弯曲应力，从而产生对金属疲劳的较大抵抗力。大的根部半径66还向工具接头16提供较高的拉伸负载能力。根部半径66的中心线51与中心线41相垂直。

螺纹80的螺纹牙顶94的顶部被定位为平行于中径线92。中径线是想象出来的线，其在螺纹长度上延伸并将螺纹分成在螺纹牙顶和螺纹根部之间的两半。螺纹牙顶94上的半径用于消除螺纹牙形的任何尖锐的棱角边缘，以防止连接产生磨损。

重新参照图1，公接头40和母接头42连接形成主密封和辅助密封连接，主密封由公接头外轴肩62压紧母接头外轴肩82形成，辅助密封由公接头内轴肩64压紧母接头内轴肩84形成。

Claims

1.一种双轴肩螺纹工具接头连接件(16)，其用于钻杆中，并包括：

a.具有外螺纹(60)的公接头(40)，所述外螺纹(60)形成在公接头外轴肩(62)和公接头内轴肩(64)之间，所述公接头(40)具有前端部分(52)，所述前端部分(52)位于所述内轴肩(64)和所述外螺纹(60)之间；

b.具有内螺纹(80)的母接头(42)，所述内螺纹(80)形成在母接头外轴肩(82)和母接头内轴肩(84)之间；

其中，所述内螺纹(80)和所述外螺纹(60)被设置和设计为彼此连接，以使所述母接头(42)和所述公接头(40)被连接成具有共同的中心线并且形成主密封和辅助密封，所述主密封由所述公接头外轴肩(62)压紧所述母接头外轴肩(82)而形成，所述辅助密封由所述公接头内轴肩(64)压紧所述母接头内轴肩(84)而形成，且其中，所述接头连接件(16)的特征在于所述外螺纹(60)和所述内螺纹(80)两者：

a.具有在0.666英寸每英尺和1.0英寸每英尺之间的螺纹锥度；

b.具有均约为33度的入扣侧面角和负载侧面角；以及

c.具有以圆的一部分的形状而形成的根部。

2.如权利要求1所述的连接件，其中，所述外螺纹(60)和所述内螺纹(80)具有大致为0.875英寸每英尺的螺纹锥度。

3.如权利要求1所述的连接件，其中，所述前端部分(52)的长度通过以下公式计算：

其中，D_totm是公接头基部部分和母接头扩孔部分的偏差的和，A_n＝所述前端的横截面面积，F_n＝作用于所述前端上的力，以及SMYS是规定的材料屈服强度。

4.如权利要求1所述的连接件，其中，螺纹剪切力(Thd_sf)通过以下公式计算：

{Thd}_{sf} = . 577 * SMYS * π * (\frac{Lpc}{2}) * D_{t},

其中

SMYS＝规定的材料屈服强度，以及P.D.＝螺纹中径。

5.一种双轴肩螺纹工具接头连接件(16)，其用于钻杆中，并包括：

a.具有在0.75英寸每英尺和0.95英寸每英尺之间的螺纹锥度；

b.具有均约为33度的入扣侧面角和负载侧面角；以及

c.具有以圆的一部分的形状而形成的根部。

6.如权利要求5中所述的连接件，其中，所述外螺纹(60)和所述内螺纹(80)具有大致为0.875英寸每英尺的螺纹锥度。

7.如权利要求5所述的连接件，其中，所述前端部分(52)的长度通过以下公式计算：

8.如权利要求5所述的连接件，其中，螺纹剪切力(Thd_sf)通过以下公式计算：

{Thd}_{sf} = . 577 * SMYS * π * (\frac{Lpc}{2}) * D_{t},

其中

SMYS＝规定的材料屈服强度，以及P.D.＝螺纹中径。

9.一种双轴肩螺纹工具接头连接件(16)，其用于钻杆中，并包括：

其中，所述内螺纹(80)和所述外螺纹(60)：

a.被设置和设计为彼此连接，以使所述母接头(42)和所述公接头(40)被连接成具有共同的中心线并且形成主密封和辅助密封，所述主密封由所述公接头外轴肩(62)压紧所述母接头外轴肩(82)而形成，所述辅助密封由所述公接头内轴肩(64)压紧所述母接头内轴肩(84)而形成；

b.具有大致为0.875英寸每英尺的螺纹锥度；

c.具有均约为33度的入扣侧面角和负载侧面角；以及

d.具有以圆的一部分的形状而形成的根部，且

其中，所述前端部分(52)的长度通过以下公式计算：

其中，D_totm是公接头基部部分和母接头扩孔部分的偏差的和，A_n＝所述前端的横截面面积，F_n＝作用于所述前端上的力，以及SMYS是规定的材料屈服强度，

且其中，螺纹剪切力(Thd_sf)通过以下公式计算：

{Thd}_{sf} = . 577 * SMYS * π * (\frac{Lpc}{2}) * D_{t},

其中SMYS＝规定的材料屈服强度，以及P.D.＝螺纹中径。