CN102985746A - 管道螺纹保护装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于保护具有螺距P1的管道螺纹的保护装置，保护装置具有中心轴线、第一端和与第一端相对的第二端，并且包括位于第一端的基部。另外，保护装置包括从基部轴向延伸至第二端的环形连接构件。连接构件具有径向内表面和径向外表面。连接构件还包括从径向内表面径向向外延伸或者从径向外表面径向向内延伸的螺旋螺纹。螺旋螺纹具有大于管道螺纹的螺距P1的螺距P2。

Description

管道螺纹保护装置
关于联邦政府资助的研究或研发的声明
不适用。
技术领域
本发明总体上涉及用于保护管道端部的装置。更具体地，本发明涉及用于保护管道端部上的螺纹的装置。
背景技术
管道——例如用于油气钻井和生产的管道——常常分区段地被生产并首尾相连地轴向连接。通常，这种连接涉及在一个管道区段的一个端部处的凸形外螺纹部的使用，该凸形外螺纹部能够与轴向相邻的管道区段的端部处的相配合的凹形内螺纹部啮合。管道的凸形外螺纹的端部常称作“销端”(pin end)，而管道的凹形内螺纹的端部常称作“套端”(box end)。
在运输和储存期间，管道的包括螺纹的端部在未处于实际使用中时，会受到例如腐蚀、其他物体的碰撞或坠落之类的损坏。这种损坏可使得管道出现故障或不能使用，导致延误时间、带来麻烦以及增加费用。称作“螺纹保护装置”的装置常用来保护管道的端部，特别是用来保护管道端部上的内螺纹和外螺纹，使其免于遭受这种损坏。“销端”螺纹保护装置连接并保护管道的销端以及相关联的外螺纹，“套端”螺纹保护装置连接并保护管道的套端和相关联的内螺纹。该螺纹保护装置设计为当管道碰撞其他物体、地面或者以其它方式经受外部碰撞时，防止对相应管道端部的损坏。此外，螺纹保护装置设计为密封管道的端部，以降低过早对管道和/或螺纹造成腐蚀的潜在可能。
用于油气的钻井和生产的管道的标称直径能够在两英寸与大于三十英寸之间变化。此外，许多管道制造公司以及探勘与生产(E&P)公司已经研发了规定螺纹几何形状(例如，方螺纹、梯形螺纹)、螺纹尺寸(例如，螺纹高度)和螺距(例如，每英寸的螺纹数)的专用的螺纹形式。另外，美国石油学会(API)有数种螺纹形式标准。因此，存在超过3000种的管道直径与螺纹形式的不同组合。
为了保护管道区段的销端和套端，传统的螺纹保护装置通常分为两部分：销端螺纹保护装置，其围绕管道的销端设置并包括与销端上的外螺纹啮合的内螺纹；以及套端螺纹保护装置，其定位在管道的套端中并包括与套端上的内螺纹啮合的外螺纹。销端螺纹保护装置定尺寸、构造和设计为使得其内螺纹与销端的外螺纹相配合；套端螺纹保护装置定尺寸、构造和设计为使得其外螺纹与套端的内螺纹相配合。换言之，当销端保护装置被拧到销端上时，该销端保护装置的内螺纹装配在销端的外螺纹之间，而当套端保护装置被拧到套端上时，该套端保护装置的外螺纹装配在套端的内螺纹之间。例如，图1A示出了围绕管道区段50的销端20设置的传统销端螺纹保护装置10。销端螺纹保护装置10包括与销端20上的外螺纹21相配合并啮合的内螺纹11。具体地，内螺纹11设计为具有与外螺纹21相同的螺距，并具有允许内螺纹11装配在销端20的外螺纹之间并与其配合的尺寸和几何形状。在图1B中，示出了围绕管道区段50的套端40设置的传统套端螺纹保护装置30。套端螺纹保护装置30包括与套端30上的内螺纹41相配合并啮合的外螺纹31。具体地，外螺纹31设计为具有与内螺纹41相同的螺距，并具有允许外螺纹31装配在套端40的内外螺纹之间并与其配合的尺寸和几何形状。
如前所述，存在超过3000种的管道直径与螺纹形式的不同组合。相应地，存在数百种不同的螺纹保护装置，每种螺纹保护装置定尺寸、构造和设计为与管道直径和管道螺纹形式的具体组合相配合。与制造如此大量的不同螺纹保护装置以及存储如此大量的不同螺纹保护装置相关联的是巨大的时间和费用。
因而，在本技术领域中仍然存在对于能够保护具有不同螺纹形式的管道端部的单独的螺纹保护装置的需求。如果这种螺纹保护装置能够提供降低制造成本和发明成本的潜力并构造为能多次重复使用，则其将受到特别的欢迎。
发明内容
本领域中的这些和其他需求在一个实施方式中通过用于保护具有螺距P1的管道螺纹的保护装置来解决。该保护装置具有中心轴线、第一端和与第一端相对的第二端。在实施方式中，保护装置包括位于第一端的基部。另外，保护装置包括从基部轴向地延伸至第二端的环形连接构件。该连接构件具有径向内表面和径向外表面。该连接构件还包括从径向内表面径向向外延伸或者从径向外表面径向向内延伸的螺旋螺纹。该螺旋螺纹具有比管道螺纹的螺距P1大的螺距P2。
本领域中的这些和其他需求在另一实施方式中通过用于保护管道螺纹的方法来解决。在实施方式中，该方法包括(a)提供具有中心轴线的螺纹保护装置。该螺纹保护装置包括基部和从该基部轴向地延伸的环形本体。该本体具有径向内表面和径向外表面。该螺纹保护装置还包括从本体的径向内表面或者从本体的径向外表面径向延伸的螺旋螺纹。另外，该方法包括(b)有意错扣拧入螺旋螺纹和第一管道的端部上的管道螺纹。
因此，在此描述的实施方式包括旨在解决与某些现有装置、系统和方法相关联的多种缺点的特征和优点的组合。对于本领域的技术人员而言，在参照附图阅读下文中的详细描述后，上文中描述的多种特性以及其他的特征将变得很明显。
附图说明
现在将参照附图，详细地说明本发明的优选实施方式，附图中：
图1A为传统的销端螺纹保护装置的部分截面图；
图1B为传统的套端螺纹保护装置的部分截面图；
图2为根据在此描述的原理的销端螺纹保护装置的实施方式的立体俯视图；
图3为图2的销端螺纹保护装置的立体仰视图；
图4为图2的销端螺纹保护装置的仰视图；
图5为图2的销端螺纹保护装置的截面图；
图6为图2的销端螺纹保护装置沿图5中的剖面线6-6截取的扩大截面图；
图7为图2的销端螺纹保护装置与管道区段的销端联接后的截面图；
图8为图2的销端螺纹保护装置沿图7中的剖面线8-8截取的放大截面图；
图9为根据在此描述的原理的套端螺纹保护装置的实施方式的立体俯视图；
图10为图9的销端螺纹保护装置的立体仰视图；
图11为图9的销端螺纹保护装置的仰视图；
图12为图9的销端螺纹保护装置的截面图；
图13为图9的销端螺纹保护装置沿图12的剖面线13-13截取的放大截面图；
图14为图9的套端螺纹保护装置与管道区段的套端联接后的截面图；
图15为图9的套端螺纹保护装置沿图14的剖面线15-15截取的放大截面图；
图16为根据在此描述的原理的销端螺纹保护装置的实施方式的立体图；
图17为图16的销端螺纹保护装置与管道区段的销端联接后的截面图；
图18为根据在此描述的原理的套端螺纹保护装置的立体图；以及
图19为图18的套端螺纹保护装置与管道区段的套端联接后的截面图。
具体实施方式
以下讨论针对本发明的多种实施方式。虽然这些实施方式中的一个或多个是优选的，但所公开的实施方式不应当被解释为、或者以其它方式作为对本公开(包括权利要求)的限制。另外，本领域普通技术人员将理解，下文中的说明具有宽泛的应用，任何实施方式的讨论对于该实施方式仅是示例性的，而非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)受限于该实施方式。
贯穿以下说明书和权利要求书中的某些术语用于指代特定的特征或部件。本领域普通技术人员将理解，不同的人可用不同的名字来指代相同的特征或部件。本文件并非旨在以名字而非以功能区别不同的部件或特征。附图不一定是按比例绘制的。在此的某些特征和部件可可以以放大的比例示出或以稍微示意性的形式示出，并且，为了清楚和简洁起见，可不在图中示出传统元件的一些细节。
在下文的讨论以及在权利要求中，术语“包含”和“包括”以开放性的方式使用，并且应当被解释为“包含，但不限制于…”。而且，术语“联接”旨在表示直接或间接的连接。因此，如果第一设备联接至第二设备，该连接可通过直接连接，或通过经由其它装置、部件和连接件的间接连接。此外，如在此使用的，术语“轴向的”和“轴向地”通常意味着沿着或平行于中心轴线(例如，本体或端口的中心轴线)，而术语“径向的”和“径向地”通常意味着垂直于中心轴线。例如，轴向距离指的是沿着或平行于中心轴线测量的距离，径向距离意味着垂直于中心轴线测量的距离。
现在参照图2-5，示出了根据在此描述的原理的销端螺纹保护装置100的实施方式。在图7中，示出了螺纹保护装置100联接至管道300的销端310。一旦安装于销端310上，螺纹保护装置100就保护销端310上的外螺纹311免于受到损坏(例如，与其他物体的碰撞、腐蚀等)。
螺纹保护装置100具有中心轴线150、第一或闭合端100a，以及与第一端100a相对的第二或开放端100b。在闭合端100a处，螺纹保护装置100包括基部110。在使用期间，套端310的末端312与基部110(图7)轴向地抵接并密封地接合。环形本体或连接构件120从基部110轴向延伸至第二端100b。如下文中将更详细地描述的，在使用期间，连接构件120通过开放端100b接收管道300的销端310(图7)。因此，连接构件120也可被描述为凹形“套”。
螺纹保护装置100具有在端部100a、100b之间轴向地测量的高度H100。高度H100优选等于或大于销端310的螺纹部的轴向长度，以使得所有的外螺纹311被螺纹保护装置100覆盖并保护。
仍然参照图2-5，在该实施方式中，基部110大体为具有外直径D110的圆形。此外，基部110具有垂直于轴线150定向的平坦外表面110a、与表面110a相对且垂直于轴线150的平坦内表面110b，以及在表面110a、110b之间轴向地测量的厚度T110。内表面110b的径向外部限定环形座111，以用于接合并密封套端310的末端312(图7)。
多个夹持或接合构件112在基部110的径向外周缘近端110从基部110的外表面轴向地延伸。在该实施方式中，每个夹持构件112包括具有垂直于中心轴线150定向的纵向轴线115的长直形肋113。换言之，每个轴线115的投影与轴线150相交。此外，在该实施方式中，设置有围绕轴线150均匀成角度地间隔的两个夹持构件112。夹持构件112提供用于正向地接合螺纹保护装置100并将旋转力矩施加到螺纹保护装置100以在销端310上安装期间围绕轴线150旋转螺纹保护装置100的结构和机构(图7)。虽然在图2-5中示出的实施方式中设置了围绕轴线150均匀成角度地以180°间隔开的两个夹持构件112，但一般来说，可设置任何适合数量的夹持构件(例如，夹持构件112)，此外，夹持构件可均匀地或非均匀地成角度地间隔开。
仍然参照图2-5，套120具有与轴线150同轴地对准的中心轴线125、连接至基部110的第一端或基部端120a，以及远离基部110的第二端或自由端120b。中心孔121在端部120a、120b之间轴向地延伸通过套120并适于至少部分地接收销端310(图7)。在端部120a处，基部110延伸跨越孔121、封闭并堵住孔121。然而，在端部120b处，孔121为开放的，由此限定保护装置100的开口101。
套120具有限定外直径D122的径向外表面122和限定内直径D123的径向内表面123。最好如图5所示，在该实施方式中，外表面122相对于套轴线125以锐角α122定向，内表面123相对于套轴线125以锐角α123定向。因此，表面122、123中的每一个可描述为是截头圆锥形的。在该实施方式中，每个表面122、123随着从端部120a轴向地移动至端部120b而倾斜远离中心轴线125。结果，每个直径D122、D123随着从端部120a轴向地移动至端部120b而增加。此外，在该实施方式中，角α122与角α123相同。然而，角α122与角α123无需为相等的。因此，表面122、123彼此平行，形成套120的环形壁的厚度T120(在表面122、123之间径向地测量而得)随着从端部120a轴向地移动至端部120b是恒定的。
钻井和生产管道的销端(例如，图7中示出的管道300的销端310)通常为渐缩的(即，销端的外直径随着远离管道的末端而增加)。角α123优选选择为使得当保护装置100安装于销端上时，内表面123平行于销端(例如，销端310)的径向渐缩的外表面。在大多数应用中，角α123优选介于0°与3°之间，并且更优选介于1°与2°之间。
虽然套120的表面122、123已经被描述为是截头圆锥形的且彼此平行，但在其他实施方式中，套的径向内表面和/或径向外表面(例如，套120的外表面122和/或内表面123)可为圆柱形的(即，具有恒定的直径)，此外，径向内表面可不平行于径向外表面。这种替代性实施方式特别适合用于不具有渐缩的销端的钻井或生产管道。
现在参照图2、5和6，螺旋内螺纹130沿着套130的内表面123从开放端120a延伸至闭合端120b。螺纹130围绕与轴125、150重合的螺旋轴线延伸，并且具有与螺纹130的一个完整的螺圈的轴向宽度(中心到中心)相等的螺距P130。与类似地定尺寸的传统销端螺纹保护装置(即，如同保护装置100，定尺寸以装配相同的管道销端)的内螺纹的螺距相比，螺纹130的螺距P130明显更大。特别地，螺距P130优选介于1英寸与4英寸之间，更优选介于1英寸与2英寸之间。出于比较目的，大多数传统的销端保护装置具有每英寸5至10个内螺纹(TPI)，并且因此，大多数传统销端保护装置的内螺纹的螺距通常在0.1英寸(即，每英寸5个螺纹)和0.2英寸(即，每英寸10个螺纹)之间。另外，为了确保相配合螺纹的啮合，传统销端螺纹保护装置的内螺纹的螺距与该保护装置将安装至的销端的外螺纹的螺距相等。因此，螺距P130大于类似地定尺寸的传统销端螺纹保护装置的内螺纹的螺距，并且也显著地大于保护装置100安装至的销端的外螺纹(例如，图7中示出的销端310的外螺纹311)的螺距。
最好如图5所示，螺纹130相对于垂直于轴线150的参考平面136以螺纹角θ130定向。螺纹角θ130是内直径D123和螺距P130的函数，而不受这些或任何具体理论的限制。通常，对于销端螺纹保护装置(例如，螺纹保护装置100)，螺纹角(例如，螺纹角θ130)与螺纹保护装置的内直径(例如，内直径D123)成反比，并且与螺距(例如，螺距P130)直接相关。换言之，对于特定的螺距，随着螺纹保护装置的内直径增加，螺纹角减小；并且对于特定的螺纹保护装置的内直径，随着螺距增加，螺纹角增加。与类似地定尺寸的销端螺纹保护装置的内螺纹的螺纹角相比，螺纹130的螺纹角θ130明显更大。螺纹130的螺纹角θ130也明显大于保护装置100所安装至的销端的外螺纹(例如，图7中示出的销端310的外螺纹311)的螺纹角。
现在参照图6，示出了内螺纹130的放大的部分截面图。在该实施方式中，螺纹130具有由第一或轴向上部的大体为截头圆锥形的表面131以及相对于表面131以角β130定向的第二或轴向下部的大体为截头圆锥形的表面132所限定的三角形横截面形状。表面131、132从套的内表面123径向向内延伸并在边缘133相交。在该实施方式中，边缘133大体为锋利尖状的，然而，在其他实施方式中，螺纹的表面之间的相交可为圆形的并且包括半径。角β130优选介于45°与180°之间，更优选介于60°与120°之间。在该实施方式中，角β130为90°。虽然螺纹130示出并被描述为具有三角形形状，但通常套端螺纹保护装置的内螺纹(例如，套端螺纹保护装置100的螺纹130)可具有其他的几何形状。例如，该内螺纹可具有梯形横截面、矩形横截面等。
仍然参照图6，内螺纹130具有从内表面123到螺纹230的径向最内点(即，边缘133)径向向内测量的螺纹高度H130。螺纹高度H130优选介于0.015英寸与0.05英寸之间，更优选介于0.020英寸与0.035英寸之间。在该实施方式中，高度H130为0.029英寸。
现在参照图7和8，示出了销端螺纹保护装置100被安装至传统管道300的销端310。销端310具有截头圆锥形的径向外表面314，其限定销端外直径D310。对于钻井和生产管道常规的是，外表面314在朝着末端312轴向移动的方向上向内渐缩。因此，外直径D310在朝着末端312轴向移动的方向上减小。此外，外部螺旋螺纹311从末端312开始并围绕销端310延伸。外螺纹311具有从表面314径向向外至螺纹311的径向最外点测量的螺纹高度H311。在该实施方式中，保护装置内螺纹130的螺纹高度H130为管道外螺纹311的螺纹高度H311的一半。在其他实施方式中，相对高度H130、H311可变化。例如，在其他实施方式中，螺纹高度H130可与管道外螺纹311的螺纹高度H311相同。
对于特定的应用(即，特定的管道300)，保护装置100优选定尺寸为使得当螺纹保护装置100安装至销端310时，内螺纹130与外螺纹311径向干涉并重叠。因而，在距离末端312的任何给定的轴向距离处，螺纹保护装置100的内直径D123减去两倍内螺纹高度H130的值优选小于外直径D310加上两倍外螺纹高度H311的值。然而，内螺纹保护装置表面123优选不与外螺纹311径向干涉或重叠，且外销端表面314优选不与内螺纹130径向重叠或干涉。因而，在距离末端312的任何给定的轴向距离处，内直径D123优选与外直径D310加上两倍外螺纹高度H311的值相同或略大，而在距离末端312的任何给定的轴向距离处，外销端直径D310优选与内直径D123减去两倍内螺纹高度H130的值相同或略小。对于沿着内螺纹130为恒定值的螺纹高度H130，以及对于沿着外螺纹311为恒定值的螺纹高度H311，内表面123相对于轴线125的角α123优选选择为使得内表面123相对于轴线125的坡度与销端310的锥度相匹配(即，内表面123与销端310的外表面314平行)。
最好如图8所示，外螺纹311具有与螺纹311的一个完整螺圈的轴向(中心到中心)宽度相等的螺距P311。传统管道(例如，管道300)的销端通常具有每英寸5至10个内螺纹，并且因此具有介于0.1英寸(即，每英寸5个螺纹)与0.2英寸之间的螺距。在销端310上的外螺纹311的螺距P311小于螺纹保护装置100的内螺纹130的螺距P130。
为了将螺纹保护装置100安装至销端310，末端312被轴向地插入到开口101中并被轴向地推进直到外螺纹311在末端312处抵接内螺纹130。接着，旋转力矩经由夹持构件112施加至螺纹保护装置100，以相对于管道300围绕轴线150在箭头161的方向上旋转螺纹保护装置100。在旋转螺纹保护装置100的同时，迫使销端310通过开口101并进入到孔121中。
如前所述，内螺纹130的螺距P130与外螺纹311的螺距P311不同。因此，与传统的销端螺纹保护装置内螺纹——与销端外螺纹配合——不同，螺纹130、311不相匹配。相反，螺纹130、311有意设计为错扣螺纹。为了确保销端310上的螺纹311不被损坏，螺纹130优选由比螺纹311更柔软(即，没有螺纹311的材料坚硬)的材料制成。因而，尽管错扣拧入螺纹130、311，外螺纹311径直切过内螺纹130，但内螺纹130并不切过销端310的外螺纹311或以其它方式损坏销端310的外螺纹311。在图8中由虚线表现了螺纹130上已经被螺纹311错扣拧入和切过的部分。钻井和生产管道(例如，管道300)通常由钢制成。因此，对于这种应用，螺纹保护装置的内螺纹(例如，螺纹130)优选由比钢更柔软的材料制成，例如由前述的用于螺纹保护装置100的优选材料制成。
销端螺纹保护装置100优选错扣拧入到销端310上直至末端312与基部110的环形座111轴向抵接并密封地接合。螺纹130、311的错扣拧入的啮合提供了对于可能以其它方式把螺纹保护装置100从销端310上拉下来的轴向力的充分的抵抗力，因而保持了螺纹保护装置100在销端310上的安装位置。此外，螺纹130、311的错扣拧入的啮合限制和/或防止了进入的水和其他腐蚀性流体在螺纹130、311之间轴向经过。为了将螺纹保护装置100从销端310上移除，旋转力矩经由夹持构件112施加至螺纹保护装置100以在箭头162的方向上相对于管道300围绕轴线150旋转螺纹保护装置100。在螺纹保护装置100旋转的同时，从孔121拉动销端310切过开口101。
销端螺纹保护装置100被设计为重复使用。然而，由于内螺纹130在每次应用中被销端的外螺纹(例如，螺纹311)错扣拧入并切过，螺纹130最终会被损害到一定程度，无法再继续使用。特别地，螺纹130可被错扣拧入和切过足够数量的次数，而不能够(a)抵抗趋于从销端上分开螺纹保护装置100所施加的轴向力，并且/或者(b)与销端外螺纹充分地密封以限制和/或防止水或其他腐蚀性流体进入到螺纹保护装置100和其安装至的销端之间。在此描述的实施方式被认为是在错扣拧入的有害影响出现之前可被使用至少四至六次。
销端螺纹保护装置100被设计为用于具有特定直径的销端(例如，销端310)。然而，与设计为用于特定的螺纹形式和螺距的传统的螺纹保护装置不同，销端螺纹保护装置100实际上可用于任何的螺纹形式以及任何的螺距。相应地，销端螺纹保护装置100的实施方式提供了一种能够使用于具有不同的螺纹形式和螺距的相似尺寸的管道的更通用的螺纹保护装置的潜在性。因此，销端螺纹保护装置100的实施方式还提供了通过减少必须根据销端直径、螺纹形式和螺距的所有组合可能而制造并存放的不同螺纹保护装置的数量而减少了螺纹保护装置的货存和储藏需求的潜在性。
现在参照图9-12，示出了根据在此描述的原理的套端螺纹保护装置200的实施方式。在图14中，示出了联接至管道300的套端320的螺纹保护装置200。一旦安装于套端320上，螺纹保护装置200保护套端300中的内螺纹321免于受到损坏(例如，与其他物体的碰撞、腐蚀等)。
螺纹保护装置200具有中心轴线250、第一或闭合端200a，以及与第一端200a相对的第二或开放端200b。在闭合端200a处，螺纹保护装置200包括基部210。在使用期间，基部210与套端320的末端322轴向地抵接且密封地接合。环形本体或连接构件220从基部210轴向延伸至第二端200b。如下文中将更详细地描述的，在使用期间，连接构件220轴向延伸至管道300的套端320之中(图7)。因此，连接构件220也可被描述为凸形“销”。
螺纹保护装置200具有在端部200a、200b之间轴向地测量的高度H200。高度H200优选等于或大于套端320的螺纹部的轴向长度，使得所有的内螺纹321被螺纹保护装置200覆盖并保护。
仍然参照图9-12，在该实施方式中，基部210大体为具有外直径D210的圆形。另外，基部210具有垂直于轴线250定向的平坦外表面210a、垂直于轴线250定向的平坦内表面210b，以及在表面210a、210b之间轴向地测量的厚度T210。基部219越过销220径向延伸，因而限定了围绕销220延伸的环形凸缘211。沿着凸缘211，平坦表面210b形成环形座212，以用于接合并密封套端320的末端322(图14)。
多个夹持或接合构件213在基部210的径向外周缘近端从基部210的外表面210a轴向地延伸。在该实施方式中，每个夹持构件23与前述的夹持构件112相同。即，每个夹持构件213包括具有垂直于中心轴线250定向的纵向轴线215的长直形肋214。特别地，每个轴线215的投影与轴线250相交。此外，在该实施方式中，设置有围绕轴线250均匀成角度地间隔开的两个夹持构件213。夹持构件213提供用于正向地接合螺纹保护装置200并将旋转力矩施加到螺纹保护装置200以在套端320上安装期间围绕轴线250旋转螺纹保护装置200的结构和机构(图14)。虽然在图9-12中示出的实施方式中设置了围绕轴线250均匀成角度以180°间隔开的两个夹持构件213，但通常可设置任何适合数量的夹持构件(例如，夹持构件213)，并且此外，该夹持构件可均匀地或非均匀地成角度间隔开。
仍然参照图9-12，销220具有与轴线250同轴地对准的中心轴线225、连接至基部210的第一或基部端220a，以及远离基部210的第二或自由端220b。中心孔221在端部220a、220b之间轴向地延伸通过销220。在端部220a处，基部210延伸跨越孔221、封闭并堵住孔221。然而，在该实施方式中，孔121在端部220b处是开放的。在其他实施方式中，套端螺纹保护装置的两个端部(例如，螺纹保护装置200的端部220a、220b)可为封闭且堵住的。具体地，由于销220设置在管道300的套端320的内部，并且孔221不被构造为接收管道300的任何部分，因而端部220a可为开放的或闭合的。
销220具有限定外直径D222的径向外表面222和限定内直径D223的径向内表面223。最好如图12所示，在该实施方式中，外表面222相对于销轴线225以锐角α222定向，内表面223相对于销轴线225以锐角α223定向。因此，表面222、223中的每一个可被描述为是截头圆锥形的。在该实施方式中，内表面222随着从端部220a轴向地移动至端部220b而倾斜远离销轴线225，而外表面222随着从端部220a轴向地移动至端部220b而朝着内表面223和销轴线225倾斜。结果，直径D222随着从端部120a轴向地移动至端部120b而减少，而直径D123随着从端部120a轴向地移动至端部120b而增加。然而，在该实施方式中，表面222、223彼此不平行，并且此外，形成销220的环形壁的厚度T220(在表面222、223之间径向地测量而得)随着从端部120a轴向地移动至端部120b而减少。
大多数钻井和生产管道的套端(例如，图14中示出的管道300的套端320)的接收孔为稍微渐缩的。角α222优选选择为使得当保护装置200安装至管道300上时，外表面222平行于套端(例如，套端320)的渐缩孔。对于大多数应用，角α222优选介于0°与3°之间，并且更优选介于1°与2°之间。
现在参照图9、12和13，螺旋外螺纹230沿着销220的外表面223从端部220b延伸至端部220a。螺纹230围绕与轴225、250重合的螺旋轴线延伸，并且具有与螺纹230的一个完整的螺圈的轴向宽度(中心到中心)相等的螺距P230。与类似地定尺寸的传统销端螺纹保护装置(即，如同保护装置200，定尺寸以装配相同的套端)的外螺纹的螺距相比，螺纹130的螺距P330明显更大。特别地，螺距P230优选介于1英寸与4英寸之间，更优选介于1英寸与2英寸之间。出于比较目的，大多数传统的套端保护装置具有每英寸5至10个外螺纹，并且因此，大多数传统套端保护装置的外螺纹的螺距通常介于0.1英寸(即，每英寸5个螺纹)与0.2英寸(即，每英寸10个螺纹)之间。另外，为了确保相配合螺纹的啮合，传统套端螺纹保护装置的外螺纹的螺距等于保护装置安装至的套端的内螺纹的螺距。由于螺距P230大于类似地被确定尺寸的传统套端螺纹保护装置的外螺纹的螺距，因此螺距P230也显著地大于保护装置200安装至的套端的内螺纹(例如，图14中示出的套端320的内螺纹321)的螺距。
最好如图12所示，螺纹230相对于垂直于轴线250的参考平面236以螺纹角θ230定向。螺纹角θ230是外直径D222和螺距P230的函数，而不受这些或任何具体理论的限制。通常，对于套端螺纹保护装置(例如，螺纹保护装置200)，螺纹角(例如，螺纹角θ230)与螺纹保护装置外直径(例如，外直径D222)成反比，并且与螺距(例如，螺距P230)直接相关。换言之，对于特定的螺距，当螺纹保护装置内直径增加时，螺纹角减小；并且对于特定的螺纹保护装置内直径，当螺距增加时，螺纹角增加。与类似定尺寸的套端螺纹保护装置的外螺纹的螺纹角相比，螺纹230的螺纹角θ230明显更大。
现在参照图13，示出了外螺纹230的放大的部分截面图。在该实施方式中，螺纹230具有由第一或轴向上部的大体为截头圆锥形的表面231以及相对于表面231以角β230定向的第二或轴向下部的大体为截头圆锥形的表面232所限定的三角形横截面形状。表面231、232从套外表面222径向向外延伸并与边缘233相遇。在该实施方式中，边缘233大体为锋利尖状的，然而，在其他实施方式中，在螺纹的表面之间的错扣可为圆形的并且包括半径。角β230优选介于45°与180°之间，更优选介于60°与120°之间。在该实施方式中，角β为90°。虽然螺纹230被示出并描述为具有三角形形状，但通常套端螺纹保护装置的外螺纹(例如，套端螺纹保护装置200的螺纹230)可具有其他几何形状。例如，该外螺纹可具有梯形横截面、矩形横截面等。
仍然参照图13，外螺纹230具有从外表面222径向向外至螺纹230的径向最外点测量的螺纹高度H230。螺纹高度H230优选介于0.015英寸与0.05英寸之间，更优选介于0.020英寸与0.035英寸之间。在该实施方式中，高度H230为0.025英寸。
现在参照图14和15，示出了套端螺纹保护装置200被安装至传统管道300的套端320。套端320具有截头圆锥形的径向内表面324，其限定内直径D320。对于钻井和生产管道中常规的是，内直径D320在远离末端322轴向移动的方向上减小。此外，内螺旋螺纹321从末端322开始并沿着套端320的内表面324延伸。内螺纹321具有从表面324径向向内至螺纹321上的径向最内端的点测量的螺纹高度H321。在该实施方式中，保护装置内螺纹230的螺纹高度H230为管道内螺纹321的螺纹高度H321的一半。在其他实施方式中，相对高度H230、H321可变化。例如，在其他实施方式中，螺纹高度H230可与管道内螺纹321的螺纹高度H321相同。
对于特定的应用(即，特定的管道300)，保护装置200优选定尺寸为使得当销220设置到套端320中时，外螺纹230与外螺纹321径向地干涉并重叠。因而，在距离末端322的任何给定的轴向距离处，销220的外直径D222加上两倍外螺纹高度H230的值优选大于内直径D320减去两倍内螺纹高度H321的值。然而，销外表面222优选不与内螺纹321径向干涉或重叠，且套端内表面324优选不与外螺纹230径向重叠或干涉。因而，在距离末端322的任何给定的轴向距离处，外直径D222优选与内直径D320减去两倍内螺纹高度H321的值相同或略小，而在距离末端332的任何给定的轴向距离处，内直径D320优选与外直径D222加上两倍外螺纹高度H230的值相同或略大。对于沿着外螺纹230为恒定值的螺纹高度H230，以及对于沿着内螺纹311为恒定值的螺纹高度H321，外表面222的角α222优选选择为使得外表面222的斜度与内表面324的斜度相匹配(即，外表面222与套端320的内表面324平行)。
最好如图15所示，内螺纹321具有与螺纹321的一个完整螺圈的轴向宽度(中心到中心)相等的螺距P321。传统管道(例如，管道300)的套端上的内螺纹(例如，套端320的内螺纹321)通常具有介于0.1英寸(即，每英寸10个内螺纹)与0.2英寸(每英寸5个内螺纹)的螺距。套端310上的内螺纹321的螺距P321小于螺纹保护装置200的外螺纹230的螺距P230。
为了将螺纹保护装置200安装至套端320，端部200b被轴向地插入到套端320中并被轴向地推进直到外螺纹230在端部230处抵接内螺纹321。接着，旋转力矩经由夹持构件213施加至螺纹保护装置200，以相对于管道300围绕轴线250在箭头261的方向上旋转螺纹保护装置200。在螺纹保护装置200旋转的同时，套端320被轴向的推到套端320中。
如前所述，外螺纹230的螺距P230与内螺纹321的螺距P321不同。因此，与传统的套端螺纹保护装置内螺纹——与套端内螺纹配合——不同，螺纹230、321不相匹配。相反，螺纹230、321有意设计为错扣螺纹。为了确保套端320上的螺纹321不受损坏，螺纹230优选由比螺纹321更柔软(即，没有螺纹321的材料坚硬)的材料制成。因而，尽管错扣拧入螺纹230、321，内螺纹321径直切过内螺纹230，但外螺纹230并不切过套端320的内螺纹321或其其它方式损坏套端320的内螺纹321。在图15中由虚线表现了螺纹230上已经被螺纹321错扣拧入和切过的部分。钻井和生产管道(例如，管道300)通常由钢制成。因此，对于这种应用，螺纹保护装置的内螺纹(例如，螺纹230)优选由比钢柔软的材料制成，例如，由比前述的用于螺纹保护装置100的优选材料制成。
销端螺纹保护装置200优选地错扣拧入到套端320上直到末端322与凸缘211的环形座212轴向抵接并密封地接合。螺纹230、321的错扣拧入的啮合提供了对于可能以其它方式把螺纹保护装置200从套端320上拉下来的轴向力的充分的抵抗力，因而保持了螺纹保护装置200在套端320中的位置。此外，座212和末端322的密封接合限制和/或防止了进入的水和其他腐蚀性流体在螺纹230、321之间轴向经过。为了将螺纹保护装置200从套端320上移除，旋转力矩经由夹持构件213施加至螺纹保护装置200以相对于管道300围绕轴线150在箭头262的方向上旋转螺纹保护装置200。在螺纹保护装置200旋转的同时，套端320从螺纹保护装置200被轴向拉动。
销端螺纹保护装置200被设计为重复使用。然而，由于外螺纹230在每次应用中被内螺纹321错扣拧入并切过，螺纹230最终会被损害到一定程度，无法再继续使用。特别地，螺纹230可被错扣拧入和切过足够量的次数，而不能够(a)抵抗趋于将螺纹保护装置200从销端上分开所施加的轴向力，并且/或者(b)保持凸缘211与末端321之间的充分接合以限制和/或防止水或其他腐蚀性流体进入到螺纹保护装置200与套端之间。在此描述的实施方式被认为是在错扣拧入的有害影响出现之前可被使用至少四至六次。
销端螺纹保护装置200被设计为用于具有特定直径的套端(例如，套端320)。然而，与传统的设计为用于特定的螺纹形式和螺距的螺纹保护装置不同，套端螺纹保护装置200实际上可用于任何的螺纹形式以及任何的螺距。因而，套端螺纹保护装置200的实施方式提供了一种能够使用于具有不同的螺纹形式和螺距的类似定尺寸的管道的更通用的螺纹保护装置的潜在性。结果，套端螺纹保护装置200的实施方式还提供了通过减少必须根据销端直径、螺纹形式和螺距的所有组合可能而制造并存放的不同螺纹保护装置的数量而减少了螺纹保护装置的货存和储藏需求的潜在性。
在图2-5中示出的销端螺纹保护装置100的实施方式为整体的单件结构。特别地，包括夹持构件112的基部110和套120被铸造、模制或以其它方式形成为单件。因此，基部110和套120为整体式的。在其他实施方式中，销端螺纹保护装置的两个或更多个部分(例如，基部110、套120、夹持构件212等)可以形成为分开的工件，随后再彼此附接。
与销端螺纹保护装置100类似，图9-12中示出的套端螺纹保护装置200的实施方式为整体的单件结构。特别地，包括夹持构件213的基部210和销220被铸造、模制或以其它方式形成为单件。因此，基部210和销220为整体式的。在其他实施方式中，套端螺纹保护装置的两个或更多个部分(例如，基部210、销220、夹持构件213等)可形成为分开的工件，随后再彼此附接。
销端螺纹保护装置100和套端螺纹保护装置200每个都优选由耐用、抗腐蚀材料构造而成，这种材料在碰撞下塑性地变形为使得冲击能转换为内摩擦和热能；螺纹保护装置100、200因此耗尽或大体减少传递的能量并防止能量到达或损坏附接的管道300的螺纹。每个螺纹保护装置100、200因此优选由当经受例如冲击能的外力时吸收大部分能量的材料构成。该材料通过偏移、变形或弯曲和/或屈服或失效(每个动作都需要能量)而吸收该冲击能。在此描述的用于螺纹保护装置(例如，螺纹保护装置100、200)的实施方式的适合的材料的例子包括、但不限于高密度聚乙烯材料(例如，菲利普斯66Marlex(马来克司聚乙烯).RTM.HHM 5502BN或HXM 50100)。
现在参照图16和17，示出了根据在此描述的原理的销端螺纹保护装置400的另一实施方式。在图17中，示出了螺纹保护装置400联接至前述的管道300的销端310。一旦安装至销端310上，螺纹保护装置400就保护销端310上的外螺纹311免于受到损坏(例如，与其他物体的撞击、腐蚀等)。
螺纹保护400与前述的螺纹保护装置100大体相同。即，螺纹保护装置400具有中心轴线450、第一或闭合端400a，以及与第一端400a相对的第二或开放端400b。在闭合端400a处，螺纹保护装置400包括基部410。环形连接构件420从基部410轴向延伸至第二端400b。由于连接构件420通过开放端400b接收管道300的销端310(图17)，因此，连接构件420也可被描述为凹形“套”。套420包括由图16中的虚线示出的内螺纹430。内螺纹430构造为与前述的内螺纹130相同。例如，内螺纹430的螺距大于销端310的内螺纹311的螺距。
与前述的销端螺纹保护装置100不同，在该实施方式中，基部410不包括夹持构件112。相反，在该实施方式中，基部410包括具有多个周向地间隔开的凹部413的环形缓冲器412。在该实施方式中，设置四个周向均匀间隔牢的凹部413。与前述的夹持构件112类似，凹部413提供用于正向地接合螺纹保护装置400并将旋转力矩施加到螺纹保护装置400以在销端310上安装期间围绕轴线450旋转螺纹保护装置400的结构和机构(图17)。
现在参照图18和19，示出了根据在此描述的原理的套端螺纹保护装置500的另一实施方式。在图19中，示出了螺纹保护装置500联接至前述的管道300的套端320。一旦被安装，螺纹保护装置500就保护套端300中的内螺纹321免于受到损坏(例如，与其他物体的撞击、腐蚀等)。
螺纹保护500与前述的螺纹保护装置200大体相同。即，螺纹保护装置500具有中心轴线550、第一或闭合端500a，以及与第一端500a相对的第二或开放端500b。在闭合端500a处，螺纹保护装置500包括基部510。环形连接构件520从基部510轴向延伸至第二端500b。在使用期间，连接构件520轴向地延伸至管道300的套端320之中(图19)。因此，连接构件520也可被描述为凸形“销”。销520包括构造为与前述的内螺纹230相同的外螺纹530。例如，外螺纹530的螺距大于套端320的内螺纹321的螺距。
与前述的销端螺纹保护装置200不同，在该实施方式中，基部510不包括夹持构件213。相反，在该实施方式中，基部510包括具有多个周向间隔开的凹部513的环形缓冲器512。在该实施方式中，设置四个周向均匀间隔开的凹部513。与前述的夹持构件312类似，凹部513提供用于正向地接合螺纹保护装置500并将旋转力矩施加到螺纹保护装置500以在销端310上安装期间围绕轴线550旋转螺纹保护装置500的结构和机构(图19)。
虽然已经示出并描述了优选实施方式，但是本领域普通技术人员能够在不脱离文中的范围或教导下做出修改。在此描述的实施方式仅是示例性的而非限制性的。在本发明的范围内，可以对文中描述的系统、装置和方法做出多种变形和修改。例如，可以改变各种零件的相对尺寸、制成各种零件的材料以及其他的参数。因此，保护范围不局限于文中描述的实施方式，而仅由所附权利要求限定，权利要求的范围应当包括权利要求的主题的所有等同物。

Claims (24)

1.一种用于保护具有螺距P1的管道螺纹的保护装置，所述保护装置具有中心轴线、第一端和与所述第一端相对的第二端，所述保护装置包括：
位于所述第一端的基部；
从所述基部轴向延伸至所述第二端的环形连接构件，所述连接构件具有径向内表面和径向外表面；
其中，所述连接构件包括从所述径向内表面径向向外延伸的螺旋螺纹或者从所述径向外表面径向向内延伸的螺旋螺纹，所述螺纹具有大于所述管道螺纹的螺距P1的螺距P2。
2.根据权利要求1所述的保护装置，其中，所述螺距P2大于1英寸。
3.根据权利要求2所述的保护装置，其中，所述螺距P2介于1英寸与4英寸之间。
4.根据权利要求1所述的保护装置，其中，所述螺旋螺纹设置在所述连接构件的所述径向内表面上。
5.根据权利要求1所述的保护装置，其中，所述螺旋螺纹具有三角形横截面。
6.根据权利要求1所述的保护装置，其中，所述螺旋螺纹包括截头圆锥形上表面和相对于所述截头圆锥形上表面以角β定向的截头圆锥形下表面，其中，所述角β介于60°与120°之间。
7.根据权利要求6所述的保护装置，其中，所述截头圆锥形上表面和所述截头圆锥形下表面在边缘处相交。
8.根据权利要求1所述的保护装置，其中，所述径向内表面或所述径向外表面为相对于所述中心轴线以锐角定向的截头圆锥形表面。
9.根据权利要求1所述的保护装置，其中，所述螺旋螺纹构造为错扣拧入所述管道螺纹。
10.一种用于保护管道螺纹的方法，所述方法包括如下步骤：
(a)提供具有中心轴线的螺纹保护装置，所述螺纹保护装置包括：
基部；
从所述基部轴向延伸的环形本体，所述本体具有径向内表面和径向外表面；
螺旋螺纹，所述螺旋螺纹从所述本体的所述径向内表面或所述本体的所述径向外表面径向延伸；
(b)有意错扣拧入所述螺旋螺纹和第一管道的端部上的管道螺纹。
11.根据权利要求10所述的方法，其中步骤(b)进一步包括：
(b1)将所述螺纹保护装置和所述第一管道同轴地对准；
(b2)相对于所述第一管道围绕所述中心轴线旋转所述螺纹保护装置；
(b3)朝向所述第一管道的所述端部轴向推进所述螺纹保护装置；以及
(b4)将所述第一管道的所述管道螺纹与所述螺旋螺纹啮合。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一管道的所述管道螺纹具有螺距P1，所述螺旋螺纹具有大于所述螺距P1的螺距P2。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述螺距P2大于1英寸。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，步骤(b)进一步包括用所述第一管道的所述管道螺纹切过所述螺旋螺纹。
15.根据权利要求10所述的方法，进一步包括步骤(g)在所述螺纹保护装置的所述基部与所述第一管道的末端之间形成环形密封件。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一管道的所述端部为销端，所述螺旋螺纹设置在所述连接构件的所述径向内表面上。
17.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一管道的所述端部为套端，所述螺旋螺纹设置在所述连接构件的所述径向外表面上。
18.根据权利要求11所述的方法，其中，所述螺旋螺纹具有三角形横截面。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述螺旋螺纹包括截头圆锥形上表面和相对于所述截头圆锥形上表面以角β定向的截头圆锥形下表面，其中，所述角β为90°。
20.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：
(c)在步骤(b)之后，将所述螺纹保护装置从所述第一管道的所述端部上移除；以及
(d)有意错扣拧入所述螺旋螺纹和第二管道的管道螺纹。
21.根据权利要求20所述的方法，其中步骤(d)进一步包括：
(d1)将所述螺纹保护装置和所述第二管道同轴地对准；
(d2)相对于所述第二管道围绕所述中心轴线旋转所述螺纹保护装置；
(d3)朝向所述第二管道的所述端部轴向推进所述螺纹保护装置；以及
(d4)将所述第二管道的所述管道螺纹与所述螺旋螺纹啮合。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第二管道的所述管道螺纹具有小于所述螺旋螺纹的螺距P1的螺距P3。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，所述螺距P2大于1英寸。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，步骤(d)进一步包括用所述第二管道的所述管道螺纹切过所述螺旋螺纹。
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