CN102918312B - 一种改进的管间密封 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到的螺纹管接头，包括：在一端具有阳螺纹部分的销(20)，在一端具有与阳螺纹部分互补的阴螺纹部分的盒(10)。销和盒沿着螺纹啮合，阳螺纹部分延长到一个阳止推肩，该阳止推肩与其它部分上的互补止推肩接合。互补止推肩包括呈一个圆锥容器的凹部，该凹部具有与对应的互补止推肩上的径向面(15)接合的径向面(23)。销(20)上的曲密封面(24)与盒(10)上的互补止推肩的对应曲密封面密封地接合，每个曲密封面(16，24)位于各自圆的弧上，其中所述盒的密封面(16)的曲率大于销(20)上的密封面(24)的曲率。

Description

一种改进的管间密封

技术领域

本发明涉及一种改进的管间密封，所述管特别是应用于石油勘探和天然气钻探行业。

背景技术

对于石油和天然气钻探行业中使用的钢管产品，已经有大量的研究和创新。除了材料和形成圆柱管的手段外，另一受关注的焦点的是接合两个独立的管，使流体密封接头能够承受张力和压力。

接头通常通过螺纹将两个管连接在一起，每个接头具有预先切成的，与每个管的端部互补的螺纹：另外，管的另一活动端不断套接，从而形成管道。作为一种替代但相关的方法，螺纹连接套接已应用于跨接两个管道端部，其原理是相同的。

为了提高管间的接头的密封性能，并使密封能够承受正常操作条件下的重复操作，管端部螺纹部分的轮廓和表面以及朝向管端部的螺纹部分的周围区域，是专门设计并共同操作用以实现密封。通常情况下，在管的端部具有：管外侧切割有螺纹部分(形成销或阳模)，或切割在管内表面上(形成盒或阴模)。形成的螺纹部分的表面可以包括一个锥体，用于辅助接合过程。

可选择地，相比较于占优势的管长，增加密封形成区域的管的直径，通常是通过冷冲压法来形成接头。

在管道上，无螺纹部分通常位于管端和螺纹部分之间，该无螺纹部分通常称为止推肩。特别需要强调的是，对止推肩的研究，因为这往往构成的管接头的主密封区域。销上的止推肩通常与销盒配套使用，用于形成牢靠的密封。当接头投入使用时，施加扭矩到接头并需要保持密封时，通常选择特定的轮廓以有效地分散管承压的应变力。除了轮廓，施用的涂料还可以改善密封的流体性能。

然而，由于许多石油和天然气的储备的开采，石油价格的攀升，对开采已不经济的石油和天然气储备的需求和机会在不断增加。例如，开采需要到达更深的或未抵达过的地方。此外，还存在这样一个需求，开采现存枯竭的油井作作为开始点，开采难度更大的储备点。

这样做的结果是，与之前的情况相比，管的接头需要承受更高的温度和压力及张力。例如，当从垂直方向转为水平方向时，许多管道需要弯曲90°左右。显然，这样的弯曲，压力和张力将共同作用于同一个接头上。

现有的接头遇到的一个问题是，在组成接头时，销的端部的弯曲问题。这可能会导致无法接合：如果不是第一次就组成接头，以及随后的组接就可能存在问题。虽然这个问题可以通过制造时增加耐受性来解决，但这是一个昂贵的解决方案，而且不能完全克服所述问题，特别是在正常的工作条件下。

本发明的目的就在于寻求解决上述问题。

发明内容

基于本发明的第一方面，提供了一种管的接头，该接头包括：

适用于管的螺纹接头，包括：在其一端具有阳螺纹部分的第一管段或销，，在其一端具有互补的阴螺纹部分的第二管段或盒，螺纹部分适于沿着螺纹轴长更大的部分而接合，螺纹在同一方向上倾斜，并与管长的纵轴形成锐角，阳螺纹延伸到与其它部分上的互补止推肩接合的阳止推肩，互补止推肩包括凹部，形成具有圆形顶点的圆锥容器，销上的止推肩包括扭矩肩，与互补止推肩中的对应肩摩擦接合，

径向面，其与互补止推肩上的对应径向面接合，

销上的曲密封面，其与盒互补止推肩上的对应曲密封面密封接合，曲密封面的形状使得可置于各自圆上的圆周弧上，其中盒密封面的曲率大于销的密封面的曲率。

上述设置使得，当压力施加到接头时，可以沿着曲面使密封移动。

优选地，销密封面所在圆的圆心所位于的线与销上的扭矩肩和径向面的延伸线交汇点相距0.30-0.40”(0.762-1.016厘米)。

优选地，销的密封面所在圆的半径取值为0.25-0.35”(0.635-0.890厘米)。

优选地，描述销的密封表面的圆的圆心所在的线，与从圆心的线和两密封面的初始接合点之间的角为7.0-9.0°。

优选地，描述盒的密封表面的圆的圆心所在的线，与从圆心的线和两密封面的初始接合点之间的角为10.0-12.0°。

附图说明

本发明通过参考附图作进一步的说明。所述附图示出了接头的实施例。包括：

图1是管的纵轴截面，示出了盒密封的密封区域；

图2是管的纵轴截面，示出了销密封的密封区域；

图3示出了图1中的管上盒密封的位置；

图4示出了图2中的管上销密封的位置；

图5是示出了组合接头期间获得的扭矩图

图6和图7示出了用于确定密封面半径位置的基准点和线。

具体实施方式

在设计钢管的销和盒之间接头的密封区域时，使用并改变了大量的特征，以尝试和实现设计一种特殊的密封。本发明设计使用了通常所称的径面(radius)，在销和盒两者上，所述径面相互啮合形成接头，并允许销和盒彼此能够部分移动，但所述移动仍然保持密封。当销和盒在纵轴上没有完全对齐时，仍能保持密封，但是所述未对齐并非特别大。沿着管纵轴的横截面显示，径面具有弯曲的线，如附图所示。

虽然在现有技术中这样的径面是已知的，但有令人意外的发现，使用两个径面，一个在销上，一个在盒上，一起协作可以实现密封，其在张力和压力下，以及在高温下，仍能保持稳定的密封。因此，这种密封适用于复杂的环境下，如那些更深的地方，其需要高曲率的管道，其中管道的内部容积和外部之间具有一个大的压力差，那里的温度可能超过200℃。

已知的是，首先，两个径面，优选地彼此具有不同的曲率，其次，每个曲面是圆的圆弧部分，其中圆心在管的主体上。此外还已知的是，表面接合的情况下，结果也改善了，这些圆心彼此以及相对于接合点而纵轴偏移。这种情况下，盒的曲面圆心位于管体的纵轴方向，其中盒是其中一部分。同样，销的曲面圆心纵向地位于接合点的另一侧。

首先说明本发明相对于图1和图2分别示出管的盒部分的止推肩和销部分的止推肩。

首先，管子盒部分10，包括凹部11，其由形成管体12的金属构成。管体本身由阴影线表示，在视觉上具有辅助功能解释的作用。凹部11具有扭矩肩13，其在使用时啮合销相应的表面而构成接头。虽然这种接合在许多现有技术文件中定义为密封啮合，在本发明中这是不必要或不需要的。正如从图1中可以看出，扭矩肩13相对于管纵轴线的垂直平面成15°的角。本领域技术人员将认识到，不有损于主密封的性能的情况下，该角度可以在一定限度内变化。半径0.02”(0.0508厘米)的曲面14将扭矩肩13连接到锥形表面15上。在三维空间中，表面15是锥形的，但在图1中以横截面上的一条直线来表示。表面15与管的纵轴具有7.12°的角度(tan-1(1/8))。

在A点，在A点和B点之间，盒10的横截面轮廓变的弯曲。沿着该截面，A和B之间的曲面16，描述了圆周的圆弧，其圆心位于管10的管体材料上。圆的半径示例性的可以是0.6厘米。

过了B点，另一圆锥面17，其与相对于管10纵轴垂直的平面有65°的角度，并接合曲面16到管10螺纹部分最后的嵴处。

销20，具有这样的结构：它与盒10的凹部11互补。销20具有扭矩肩21，与相对于销20纵轴垂直的平面具有15°的角度。扭矩肩21通过半径为0.0415”(0.1054厘米)的曲面22接合到园锥面23，该锥面相对于销20的纵轴具有0°的锥度。

在C点，销20的横截面轮廓在C和D点之间变成弯曲，曲面24位于半径为0.6厘米的圆的圆周弧上。在D点，进一步的，锥面25连接曲面24到销20螺纹部分26的最后的嵴处。图2所示的凹口27简单地以螺纹部分26作为基础。

销20具有一个倒角面28，所述倒角面28具有直的横截面，如图所示，与销20纵轴的角度为10°。本领域技术人员可以理解，所述表面28也可以是凹的(当以销的内部空间作为视角)，而不脱离本发明的范围。在图1和图2所示的销和盒各自与管的其余部分的关系在图3和图4中示出。

因此，在形成接合时，利用扭矩，销和盒通过螺纹部分的接合而连接在一起。持续施加转矩，直到销和盒两部分形成密封。这种情况通常通过监测施加转矩的大小而予以确认，如图5中所示。在扭矩肩13，21的接合处，以及密封形成中，扭矩以稳步增加一定值和不连续的方式增加。在两曲面16，24之间形成最主要的密封。

使用两个曲面的优点是，提供的密封能够根据在张力和压力下保持密封的完整，包括现在可以看到的接合的弯曲。如果在这种力作用下，曲面互相轧制，虽然密封点可能移动，但其密封完整性则仍保持不变。此外，可以知晓的是，销20的端部具有一种倾角，由于施加在其上的向内弯曲的力，如果此倾角太严重，则变形将变得非常严重以致在随后的接合时，销的端部切入到盒内时将发生错位。

本发明的另一个特征涉及销和盒上的密封曲面的位置。这将通过图6和图7说明。首先来看图6所示的盒的曲面16，其周圆所在的圆心的位置根据盒10金属体积内的假设点P而确定。P点通过扭矩肩13的平台15的延长线的交汇而得(延长在图6中以虚线表示)。一旦获得这一点，圆心位于线R上，其与销的轴线垂直，在螺纹部分的方向上，销与交点P的最小距离为0.2”(0.508厘米)。线R在图6中以虚线表示。这条线上的圆心径向位置受制于所绘圆周，以确保该曲线在B点与表面17平滑交汇，即表面在交汇点与圆相切。可见，从R到P的最小距离值可以是从0.15”-0.25”(0.380-0.635厘米)，对于例如41/2”(11.43厘米)的盒的距离可以为0.193”(0.4902厘米)，对于7”(17.78厘米)盒，0.2002”(0.5085厘米)的距离也是合适的。

销20上的曲面24的圆心位置可以用相同方式确定。首先，假设Q点是扭矩肩21和平面23的延长线的交汇点。圆心位于与盒轴垂直的线S上，所述盒在Q到螺纹部分的方向上具有最小距离为0.35”(0.889厘米)。可见，从Q到S的最小距离值可以是从0.30”-0.40”(0.7620-1.016厘米)。对于例如41/2”(11.43厘米)的销，距离为0.33”(0.8382厘米)，对于7”(17.78厘米)的销，距离为0.3298”(0.8377厘米)是合适的。

圆的半径需要仔细选择，以确保良好的密封完整性，并且在力的影响下仍能保持密封的完整性。另外非常重要的特征是，接合初始密封连接点的线，与圆心和与圆心所在管的纵轴垂直的线之间的角度的设置。

销上密封面的曲率优选小于相应的盒上的密封面的曲率。销的合适半径可以从0.25”-0.35”(0.63-0.89厘米)中选择，上述定义的角度可以从7-9°范围内选择。对于盒，可以从0.05-0.07”(0.12-0.18厘米)和10-12°角度范围内选择。可以明了的是，由此设定的销与盒的圆的半径彼此不同。

可以理解的是本发明不仅限于上述实施例，所述实施例仅仅是示例性的，本发明可以具有多种修改和变形而不脱离本发明的范围。

Claims (9)

1.一种管的接头，该接头包括：

适用于管的螺纹接头，其包括：在一端具有阳螺纹部分的销(20)，在一端具有互补的阴螺纹部分的盒(10)，所述阳螺纹部分和阴螺纹部分适于沿着螺纹轴长更大的部分而互相接合，螺纹在同一方向上倾斜，并与管段的纵轴形成锐角，阳螺纹延伸到与其它部分上的互补止推肩接合的阳止推肩，所述互补止推肩包括凹部，从而形成了具有圆形顶点(14)的圆锥容器，销(20)上的止推肩包括扭矩肩(21)，与互补止推肩中的对应肩(13)摩擦接合，

径向面(23)，其与互补止推肩上的对应径向面(15)接合，

销(20)上的弯曲的密封面(24)，其与盒(10)的互补止推肩上的对应的弯曲的密封面(16)密封接合，弯曲的密封面(16，24)的形状使得位于各自圆的弧上，其中盒的密封面(16)的曲率大于销(20)的密封面的曲率。

2.如权利要求1所述的管的接头，其中销的密封面(24)所在圆的圆心所位于的与销的轴线垂直的线与销上的扭矩肩和径向面的延伸线的交汇点相距0.762厘米-1.016厘米。

3.如权利要求1或2所述的管的接头，其中销的密封面所在圆的半径取值为0.635厘米-0.890厘米。

4.根据权利要求1或2所述的管的接头，其中销的密封面的圆的圆心所在的与销的轴线垂直的线，与从圆心到两密封面的初始接合点的线之间的角为7.0-9.0°。

5.根据权利要求3所述的管的接头，其中销的密封面的圆的圆心所在的与销的轴线垂直的线，与从圆心到两密封面的初始接合点的线之间的角为7.0-9.0°。

6.根据权利要求1或2所述的管的接头，其中盒的密封面的圆的圆心所在的垂直于销的轴线的线，与从所述盒的密封面的圆的圆心到两密封面的初始接合点的线之间的夹角为10.0-12.0°。

7.根据权利要求3所述的管的接头，其中盒的密封面的圆的圆心所在的与销的轴线垂直的线，与从所述盒的密封面的圆的圆心到两密封面的初始接合点的线之间的角为10.0-12.0°。

8.根据权利要求4所述的管的接头，其中盒的密封面的圆的圆心所在的与销的轴线垂直的线，与从所述盒的密封面的圆的圆心到两密封面的初始接合点的线之间的角为10.0-12.0°。

9.根据权利要求5所述的管的接头，其中盒的密封面的圆的圆心所在的与销的轴线垂直的线，与从所述盒的密封面的圆的圆心到两密封面的初始接合点的线之间的角为10.0-12.0°。