CN103291228A - 一种油套管特殊螺纹及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油套管特殊螺纹及其加工方法，包括相互配合的接头内螺纹和接头外螺纹，接头外螺纹和接头内螺纹的螺纹螺距均为σmm，σ取值4.0～10.0，接头外螺纹的起始扣齿宽为A mm，A取值2.0～4.5，接头外螺纹沿锥度方向每进一周齿宽增加μA mm，μ取值为0.01～0.09，接头内螺纹的齿宽与接头外螺纹的相对应，接头内螺纹的齿宽沿锥度另一方向上逐渐增加。本发明解决了现有油套管特殊接头的联接螺纹部分没有自密封性能的技术问题，本发明提出的螺纹形式在一定锥度方向上螺距不变，齿宽逐渐增加，内外螺纹的牙形为梯形并相互配合。

Description

一种油套管特殊螺纹及其加工方法

技术领域

本发明属于石油天然气行业油套管特殊螺纹及加工技术领域，具体涉及一种用于油套管接头用特殊螺纹形式及其加工方法。

背景技术

随着各大油田深井、超深井、高温高压气井、热采井以及含腐蚀气体等高难度井逐渐增多，对油井管螺纹接头的密封性能、连接强度以及抗腐蚀能力都有了更高的要求，而API标准螺纹接头已经不能满足这些高难度井的要求。国内外很多钢管公司和科研机构均在研发特殊螺纹接头结构及加工工艺。目前公认性能最好、应用最广泛的特殊螺纹接头主要来自欧洲瓦卢内克·曼内斯曼、美国汉廷Hunting、美国Hydril、阿根廷Tenaris等企业,他们也占了世界特殊螺纹产量的绝大多数。我国特殊螺纹接头开发相对落后，攀钢集团成都钢铁有限责任公司在1996年自主开发了CGT螺纹接头。之后国内的天津钢管公司、上海宝钢、华菱衡钢、无锡西姆莱斯、沧州钢管等几大厂家也相继开发出各自的特殊螺纹接头。由于特殊螺纹精度要求高，尤其某些特殊螺纹形状复杂，国内钢管企业加工技术不强，加工方法陈旧，生产的特殊接头误差范围大，难以达到设计要求。

现有的特殊螺纹接头主要形式由联接螺纹、密封部分及扭矩台肩三部分组成，其中联接螺纹主要采用API标准螺纹形式或其改进形式，密封部分或采用金属对金属密封或采用密封环密封，扭矩台肩由直角或负角度，有单台肩也有双台肩。对于此类形式的特殊螺纹接头，其主要密封部位在密封部分和台肩部分，联接螺纹部分均有泄漏通道，因此如果密封部位和台肩部分密封失效，这个螺纹接头就会失去密封性能，而这种情况在苛刻井况下发生几率会很大。因此需设计一种具有自密封的特殊螺纹，并研究出其特殊的加工方法，以使加工出的特殊螺纹能达到设计要求。

发明内容

为了解决现有油套管特殊接头的联接螺纹部分没有自密封性能的技术问题，本发明提出一种油套管特殊螺纹及其加工方法。

本发明的技术解决方案是：

一种油套管特殊螺纹，其特殊之处在于：包括相互配合的接头内螺纹和接头外螺纹，所述接头外螺纹和接头内螺纹的螺纹螺距均为σmm，σ取值4.0～10.0，接头外螺纹的起始扣齿宽为A mm，A取值2.0～4.5，接头外螺纹沿锥度方向每进一周齿宽增加μA mm，μ取值为0.01～0.09，所述接头内螺纹的齿宽与接头外螺纹的相对应，接头内螺纹的齿宽沿锥度另一方向上逐渐增加。

上述接头内螺纹和接头外螺纹的牙型为梯形。

牙形导向面角度为8度，承载面角度为5度。

上述油套管特殊螺纹为有接箍形式或无接箍形式。

上述接头内螺纹和接头外螺纹均设置金属对金属密封面和扭矩台肩。

上述接头外螺纹的锥度为1：16。

油套管特殊螺纹的加工方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1】加工外螺纹：

1.1】采用刀片进行粗车加工：

采用刀片，按照螺纹锥度比例，从原料管的一端车削，形成带有锥面的中间产物；

1.2】采用成型螺纹刀，使用N次螺纹切削循环指令在中间产物上加工得到接头外螺纹：

所述成型螺纹刀齿宽与接头外螺纹最窄齿齿宽相同，且与接头外螺纹的牙型相同；

所述N次螺纹切削循环指令包括每一次循环指令的切削速率、每一次循环指令中走刀起点及终止点坐标、每一次循环指令的给进步数以及每一次循环指令的切削深度，N取值由接头外螺纹最宽齿齿宽B除以最窄齿齿宽A得到的数值向上圆整后的值确定；

1.2.1】确定每一次循环指令的切削速率：

第N次循环指令的切削速率V_N的计算公式为：

其中L为接头外螺纹长度，V₁为第1次循环指令的切削速率，V₁在数值上等于接头外螺纹的螺距σ；

1.2.2】确定每一次循环指令中的起点及终止点坐标：

第N次循环指令中走刀起点的Z轴坐标计算公式为：

其中Z₁为第一次循环指令走刀起点Z轴坐标，各次循环指令走刀起点X轴坐标根据螺纹中径位置及锥度线计算，

每一次循环指令相同步数的走刀终止点坐标相同；

1.2.3】确定每一次循环指令的给进步数：

根据加工原料管材质和成型螺纹刀片性能确定，每一次循环指令的给进步数相同，取5～11次；

1.2.4】每一次循环指令相同步数的切削深度相同；

1.2.5】数控系统在所确定N次螺纹切削循环指令的指导下，采用成型螺纹刀，加工中间产物得到接头外螺纹；

2】按照与步骤1】同样的方法加工接头内螺纹；

3】将加工成型的接头外螺纹与接头内螺纹配合拧接形成油套管接头。

上述刀片为棱形刀片或圆形刀片。

本发明所具有的有益效果：

1、本发明提出的螺纹形式在一定锥度方向上螺距不变，齿宽逐渐增加，内外螺纹的牙形为梯形并相互配合。内外螺纹拧紧后，齿顶、齿底、齿侧面均接触，形成一定接触压力，实现螺纹密封。

2、本发明针对所提出的特殊螺纹形式，提出了一种采用高精度数控车床加工此螺纹的方法，该方法分粗车和车螺纹两步进行车削，降低了刀具磨损，提高了加工效率。

3、本发明提出的多次采用循环指令进行变齿宽螺纹车削方法，在仅采用一种成型螺纹刀片的条件下就能加工出符合要求的特殊螺纹，加工方法简单，效果良好。

附图说明

图1为本发明实施例提供的螺纹接头结构形式示意图；

图2为本发明实施例提供的接头外螺纹结构形式示意图；

图3为本发明实施例提供的外螺纹加工第一步骤示意图；

图4为本发明实施例提供的外螺纹加工第二步骤示意图；

其中附图标记：1-接头外螺纹，2-接头内螺纹。

具体实施方式

实施例：

如图1所示，采用无接箍、无金属密封面和扭矩台肩方式，接头内外平齐，螺纹锥度为1：16，外螺纹在螺纹直径增加的锥度方向上齿宽逐渐增加。内外螺纹的牙形采用梯形并相互配合，牙形导向面角度为8度，承载面角度为5度。螺纹螺距设置为8mm。外螺纹起始扣齿宽为3mm，螺纹沿锥度方向每进一周齿宽增加0.24mm，螺纹长度设置为64mm。内螺纹齿宽与外螺纹相对应，在另一方向上齿宽逐渐增加。内外螺纹拧紧后，内外螺纹的齿顶、齿底、齿侧面均接触，形成一定接触压力，实现螺纹密封。

下面以锥度为1:16为例，说明油套管接头的加工过程：

如图3所示，为外螺纹加工第一步骤示意图，采用菱形或圆形刀片进行粗车加工，按照H->I->J->K->M->N的路线加工出1：16的锥面JK和两端的倒角IJ和KM。

如图4所示，为外螺纹加工第二步骤示意图，采用单齿成型刀片进行螺纹车削，针对此实施列，经过计算后采用两次循环指令进行螺纹车削，考虑钢管为API N80Q钢级，刀片为硬质合金刀片，设置每次循环指令的的给进步数为7次。

第一个循环指令加工走刀轮廓为O->P->Q->R->O，切削速率为，8mm/min，以FANUC数控系统为例，采用G92螺纹车削循环指令，语句如下，其中R₁=（X_Q-X_P）/2。

G01X X_o Z Z_o F1.0;

G92X X_W Z Z_W R–R₁F8.0;

X X₂;

X X₃;

X X₄;

X X₅;

X X₆;

X X_Q;

其中，F8.0是速率，X X_W Z Z_W是坐标，第一次车削的深度就是(X_W-X₂)/2，第二次车削的深度就是（X₂-X₃）/2依次类推。

第二个循环指令加工走刀轮廓为O->P->Q->R->O，切削速率为，7.75mm/min，仍以FANUC数控系统为例，首先将起刀点移至U点，然后采用G92螺纹车削循环指令，语句如下，其中R₂=（X_Q-X_V）/2。

G01X X_U Z Z_U F0.2;

G92X X_W Z Z_W R-R₂F7.75;

X X₂;

X X₃;

X X₄;

X X₅;

X X₆;

X X_Q;

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种油套管特殊螺纹，其特征在于：包括相互配合的接头内螺纹和接头外螺纹，所述接头外螺纹和接头内螺纹的螺纹螺距均为σmm，σ取值4.0～10.0，接头外螺纹的起始扣齿宽为A mm，A取值2.0～4.5，接头外螺纹沿锥度方向每进一周齿宽增加μA mm，μ取值为0.01～0.09，所述接头内螺纹的齿宽与接头外螺纹的相对应，接头内螺纹的齿宽沿锥度另一方向上逐渐增加。

2.根据权利要求1所述的油套管特殊螺纹，其特征在于：所述接头内螺纹和接头外螺纹的牙型为梯形。

3.根据权利要求2所述的油套管特殊螺纹，其特征在于：，牙形导向面角度为8度，承载面角度为5度。

4.根据权利要求1或2或3所述的油套管特殊螺纹，其特征在于：所述油套管特殊螺纹为有接箍形式或无接箍形式。

5.根据权利要求4所述的油套管特殊螺纹，其特征在于：所述接头内螺纹和接头外螺纹均设置金属对金属密封面和扭矩台肩。

6.根据权利要求5所述的油套管特殊螺纹，其特征在于：所述接头外螺纹的锥度为1：16。

7.基于权利要求1-6所述的油套管特殊螺纹的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

1】加工外螺纹：

1.1】采用刀片进行粗车加工：

采用刀片，按照螺纹锥度比例，从原料管的一端车削，形成带有锥面的中间产物；

1.2】采用成型螺纹刀，使用N次螺纹切削循环指令在中间产物上加工得到接头外螺纹：

所述成型螺纹刀齿宽与接头外螺纹最窄齿齿宽相同，且与接头外螺纹的牙型相同；

所述N次螺纹切削循环指令包括每一次循环指令的切削速率、每一次循环指令中走刀起点及终止点坐标、每一次循环指令的给进步数以及每一次循环指令的切削深度，N取值由接头外螺纹最宽齿齿宽B除以最窄齿齿宽A得到的数值向上圆整后的值确定；

1.2.1】确定每一次循环指令的切削速率：

第N次循环指令的切削速率V_N的计算公式为：

其中L为接头外螺纹长度，V₁为第1次循环指令的切削速率，V₁在数值上等于接头外螺纹的螺距σ；

1.2.2】确定每一次循环指令中的起点及终止点坐标：

第N次循环指令中走刀起点的Z轴坐标计算公式为：

其中Z₁为第一次循环指令走刀起点Z轴坐标，各次循环指令走刀起点X轴坐标根据螺纹中径位置及锥度线计算，

每一次循环指令相同步数的走刀终止点坐标相同；

1.2.3】确定每一次循环指令的给进步数：

根据加工原料管材质和成型螺纹刀片性能确定，每一次循环指令的给进步数相同，取5～11次；

1.2.4】每一次循环指令相同步数的切削深度相同；

1.2.5】数控系统在所确定N次螺纹切削循环指令的指导下，采用成型螺纹刀，加工中间产物得到接头外螺纹；

2】按照与步骤1】同样的方法加工接头内螺纹；

3】将加工成型的接头外螺纹与接头内螺纹配合拧接形成油套管接头。

8.根据权利要求7所述的油套管特殊螺纹的加工方法，其特征在于：所述刀片为棱形刀片或圆形刀片。

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