CN103556955A

CN103556955A - 一种高密封性油管的密封部结构

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Publication number: CN103556955A
Application number: CN201310535119.4A
Authority: CN
Inventors: 陈文凤
Original assignee: NANTONG YONGDA PIPE INDUSTRY Co Ltd
Current assignee: NANTONG YONGDA PIPE INDUSTRY Co Ltd
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2013-11-01
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2033-11-01
Also published as: CN103556955B

Abstract

一种高密封性油管的密封部结构，包括管体和接箍，管体端部设有管体部螺纹和管体密封部，接箍设有配合管体部螺纹的接箍部螺纹和配合管体密封部的接箍密封部，管体密封部位于管体部螺纹旋进方向的前方，接箍密封部位于接箍部螺纹旋进方向的后方，接箍密封部的轴截面呈外凸平滑曲线，管体部螺纹的轴截面为与外凸平滑曲线配合的波浪线。本发明提供的高密封性油管的密封部结构，具有相互配合的曲线结构，过盈配合后可以形成多个密封环带，减少粘扣和减少管体密封段的弯曲变形，提高连接螺纹抗弯曲变形的能力。

Description

一种高密封性油管的密封部结构

技术领域

本发明涉及高密封性油管制造领域，尤其涉及一种高密封性油管的螺纹结构。

背景技术

石油、天然气、页岩气等等清洁能源的需求越来越大，开采的井深度越来越深，遇到的地层结构越来越复杂，对于其中的开采工具(主要包括：油管、套管和钻杆等)要求越来越高，集中体现在对于材料性能的要求和对于开采工具的螺纹连接性能的要求，技术难度越来越大，尤其在局部细化的结构上。传统API螺纹已经不能满足油田对螺纹连接的气密封性、连接强度、耐蚀能力等性能要求。

现有技术的特殊扣密封的结构是管体密封锥面与接箍密封锥面在强制螺纹连接过程中通过过盈变形形成的。在实际使用中有二大问题：1)变形产生的接触应力大，往往在接触处超过材料的屈服极限，比较容易产生粘结，减少了重复使用的次数；2)用于变形接触应力大，在受到极限弯曲载荷时，密封强度降低，在高压力下产生泄漏。目前在深度超过5700米的油气井中，有10％的井失效，都是粘结和泄漏造成的。

发明内容

本发明的目的是提供一种高密封性油管的密封部结构，解决上述现有技术中螺纹受力形变造成的粘扣而降低了气密性等的问题。

本发明一种高密封性油管的密封部结构，包括管体和接箍，管体端部外周向设有管体部螺纹和管体密封部，接箍的内周向设有配合管体部螺纹的接箍部螺纹和配合管体密封部的接箍密封部，管体密封部位于管体部螺纹旋进方向的前方，接箍密封部位于接箍部螺纹旋进方向的后方，接箍密封部的轴截面呈外凸平滑曲线，管体部螺纹的轴截面为与外凸平滑曲线配合的波浪线。

本发明提供的高密封性油管的密封部结构，具有相互配合的曲线结构，过盈配合后可以形成多个密封环带，减少粘扣和减少管体密封段的弯曲变形，提高连接螺纹抗弯曲变形的能力。

在一些实施方式中，接箍密封部的轴截面呈外凸椭圆曲线，管体密封部的轴截面呈三段椭圆曲线，三段椭圆曲线中位于中部的椭圆曲线内凹设置，三段椭圆曲线中位于两端的两个椭圆曲线均外凸设置。本发明优选接箍的密封结构为一段椭圆曲线，管体的密封结构为三段椭圆曲线，过盈配合后可以形成两道密封环带，减少粘扣和减少管体密封段的弯曲变形，提高连接螺纹抗弯曲变形的能力。

在一些实施方式中，管体密封部在轴截面上所呈的三段椭圆曲线大小相同，管体密封部在轴截面上所呈椭圆曲线的长轴与其短轴之比为1.182：0.711；接箍密封部在轴截面上所呈椭圆曲线的长轴与其短轴之比为1.221：0.701；接箍密封部在轴截面上所呈椭圆曲线的长轴是管体密封部在轴截面上所呈椭圆曲线的长轴的3～4.5倍。倍数太大，椭圆曲线太平，变形难度大，接触应力太大，容易粘扣；倍数太小，密封能力会降低。

在一些实施方式中，在管体的轴截面上，管体的端面与管体的轴线呈70.9～83.9°；接箍设有配合管体的端面的台肩，在接箍的轴截面上，台肩的端面与接箍的轴线的夹角大小比管体的端面在管体的轴截面上与管体的轴线的夹角小0.15～0.35°。夹角太大，连接变形后不能够实现平面接触，夹角太小，连接后的变形使顶端受力大，也不能够实现平面接触。

在一些实施方式中，在管体的轴截面上，管体密封部靠近管体部螺纹的一端与管体密封部的另一端所成的直线与管体的轴线呈16.1～36.1°；在接箍的轴截面上，接箍密封部靠近接箍部螺纹的一端与接箍密封部的另一端所成的直线与接箍的轴线所成夹角较管体密封部靠近管体部螺纹的一端与管体密封部的另一端所成的直线与管体的轴线所成夹角大0.3～0.6°。ψ与ψ′两个参数过盈配合，使密封面受力变形后基本平行，过大和过小都不能够实现平行，降低了密封效果。

在一些实施方式中，管体还设有管体过渡带，管体过渡带位于管体部螺纹和管体密封部之间，在管体的轴截面上，管体过渡带呈直线，接箍也设有配合管体过渡带的接箍过渡带。过渡带是为了防止管体螺纹和接箍螺纹起始扣的干涉。

在一些实施方式中，在管体的轴截面上，管体过渡带与管体的中轴线的夹角为4.0～25.0°；在接箍的轴截面上，接箍过渡带与接箍的轴线的角度较管体过渡带12与管体1的中轴线的夹角大0.3～0.5°。过渡带μ与μ'两个参数的配合，保证接箍螺纹过渡带与管体螺纹过渡带在连接时不会干涉。

在一些实施方式中，台肩的端面在接箍轴线方向上的长度较管体的端面在管体轴线上的长度大0.03～0.13mm；保证管体和接箍连接后形变稳定后，其管体和接箍的内直径表面是光滑的，没有台阶，流体输送时阻力小，不产生紊流。范围过大和过小，都不能够保证内表面平滑。更进一步的取值范围要根据材料的变形能力调整。

在一些实施方式中，接箍密封部在接箍轴线方向上的长度较管体密封部在管体轴线上的长度大0.06～0.39mm；保证密封部接触带的宽度，过大和过小都会降低密封能力。

在一些实施方式中，管体过渡带在管体轴线上的长度较接箍过渡带在接箍轴线方向上的长度大0.29～0.69mm。管体过渡带的长度大于接箍过渡带的长度，避免了螺纹连接时的干涉。因为管体部螺纹的起始点在一周是变化的，接箍部螺纹消失的也是变化的，但是管体部螺纹起始点的最小值必须大于接箍部螺纹起始点的最大值，才能避免上述干涉的发生。更进一步，为安全考虑，本发明优选最小值0.29mm。

在一些实施方式中，接箍在台肩处的内径较管体在其端面处的内径大0.04～0.09mm，保证管体和接箍内表面光滑。

在一些实施方式中，管体密封部靠近管体的端面的一侧直径较接箍密封部靠近台肩一侧的直径大0.29～0.69mm；管体密封部直径大于接箍密封部直径，连接后产生过盈配合，实现高压力气体密封，取值过小，密封能力不够，取值过大，连接后容易出现粘扣，破坏了密封表面。具体的取值根据材料的性能和成分，经过试验确定。由于油管的材料成分变化很大，材料的强度变化也很大，上述范围基本包括了目前研发中常用的主要材料和全部钢级。

接箍密封部靠近接箍部螺纹一侧的直径较管体密封部靠近管体部螺纹一侧的直径大0.01～0.13mm。进一步防止螺纹起始扣干涉。

附图说明

图1为本发明一实施方式中一种高密封性油管的密封部结构的结构示意图；

图2为本发明一实施方式中一种高密封性油管的密封部结构的长度关系示意图；

图3为本发明一实施方式中一种高密封性油管的密封部结构的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种高密封性油管的密封部结构，包括管体1和接箍2，管体1端部外周向设有管体部螺纹10和管体密封部11，接箍2的内周向设有配合管体部螺纹10的接箍部螺纹20和配合管体密封部11的接箍密封部21，管体密封部11位于管体部螺纹10旋进方向的前方(如图1所示的A方向即为管体部螺纹10旋进方向如图1所示的A方向)，接箍密封部21位于接箍部螺纹20旋进方向的后方(接箍部螺纹20旋进方向与管体部螺纹10相反，即为A的反方向)，管体1还设有管体过渡带12，管体过渡带12位于管体部螺纹10和管体密封部11之间，在管体1的轴截面上，管体过渡带12呈直线，接箍2也设有配合管体过渡带12的接箍过渡带22。接箍密封部21的轴截面呈外凸平滑曲线，管体部螺纹10的轴截面为与外凸平滑曲线配合的波浪线。

本发明优选接箍密封部21的轴截面呈外凸椭圆曲线，管体密封部11的轴截面呈三段椭圆曲线，三段椭圆曲线中位于中部的椭圆曲线内凹设置，三段椭圆曲线中位于两端的两个椭圆曲线均外凸设置。进一步优选管体密封部11在轴截面上所呈的三段椭圆曲线大小相同，管体密封部11在轴截面上所呈椭圆曲线的长轴与其短轴之比为1182：0711；接箍密封部21在轴截面上所呈椭圆曲线的长轴与其短轴之比为1221：0701；接箍密封部21在轴截面上所呈椭圆曲线的长轴是管体密封部11在轴截面上所呈椭圆曲线的长轴的3-45倍。

如图1、3所示，在管体1的轴截面上，管体1的端面(附图标记为14的位置)与管体1的轴线呈709～839°(λ’)；接箍2设有配合管体1的端面的台肩23，在接箍2的轴截面上，台肩23的端面(附图标记为24的位置)与接箍2的轴线的夹角（λ）大小比管体1的端面在管体1的轴截面上与管体1的轴线的夹角（λ'）小0.15～0.35°。

在管体1的轴截面上，管体密封部11靠近管体部螺纹10的一端与管体密封部11的另一端所成的直线与管体1的轴线呈16.1～36.1°（ψ'）；在接箍2的轴截面上，接箍密封部21靠近接箍部螺纹20的一端与接箍密封部21的另一端所成的直线与接箍2的轴线所成夹角（ψ）较管体密封部11靠近管体部螺纹10的一端与管体密封部11的另一端所成的直线与管体1的轴线所成夹角（ψ'）大0.3～0.6°。

在管体1的轴截面上，管体过渡带12与管体1的中轴线的夹角（μ'）为4.0～25.0°；在接箍2的轴截面上，接箍过渡带22与接箍2的轴线的角度（μ）较管体过渡带12与管体1的中轴线的夹角（μ'）大0.3～0.5°。

此外，如图2所示，台肩23的端面在接箍2轴线方向上的长度（La）较管体1的端面在管体1轴线上的长度（LA）大0.03～0.13mm（0.03mm<La-LA<0.13mm）。保证管体1和接箍2连接后形变稳定后，其管体1和接箍2的内直径表面是光滑的，没有台阶，流体输送时阻力小，不产生紊流。范围过大和过小，都不能够保证内表面平滑。更进一步的取值范围要根据材料的变形能力调整。

接箍密封部21在接箍2轴线方向上的长度（Lb）较管体密封部11在管体1轴线上的长度（LB）大0.06～0.39mm（0.06mm<Lb-LB<0.39mm）。保证密封部接触带的宽度，过大和过小都会降低密封能力。

管体过渡带12在管体1轴线上的长度（LD）较接箍过渡带22在接箍2轴线方向上的长度（Ld）大0.29～0.69mm（0.29mm<LD-Ld<0.69mm）。管体过渡带12的长度大于接箍过渡带22的长度，避免了螺纹连接时的干涉。因为管体部螺纹10的起始点在一周是变化的，接箍部螺纹20消失的也是变化的，但是管体部螺纹10的起始点的最小值必须大于接箍部螺纹20的起始点的最大值，才能避免上述干涉的发生。更进一步，为安全考虑，本发明优选最小值0.29mm

如图3所示，接箍2在台肩23处的内径（Ra）较管体1的端面处的内径（RA）大0.04～0.09mm（0.04mm<Ra-RA<0.09mm）。保证管体1和接箍2内表面光滑。

管体密封部11靠近管体1的端面的一侧直径（RB）较接箍密封部21靠近台肩23一侧的直径（Rb）大0.29～0.69mm（0.29mm<RB-Rb<0.69mm）。管体密封部11直径大于接箍密封部21直径，连接后产生过盈配合，实现高压力气体密封，取值过小，密封能力不够，取值过大，连接后容易出现粘扣，破坏了密封表面。具体的取值根据材料的性能和成分，经过试验确定。由于油管的材料成分变化很大，材料的强度变化也很大，上述范围基本包括了目前研发中常用的主要材料和全部钢级。

接箍密封部21靠近接箍部螺纹20一侧的直径（Rd）较管体密封部11靠近管体部螺纹10一侧的直径（RD）大0.01～0.13mm（0.01mm<Rd-RD<0.13mm）。进一步防止螺纹起始扣干涉。

经过大量的模拟仿真计算和模拟实物试验，证明本发明的特殊螺纹接头在极限受力的情况下，在能够保证密封能力后，螺纹受力状况得到改善，其连接能力收到密封变形的影响得到弥补，得到满足使用工况的目的。满足一定的过盈量以保证螺纹连接的密封性，一方面不发生粘扣保证螺纹的连接强度。

以上所述仅是本发明的优选方式，应当指出，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干相似的变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高密封性油管的密封部结构，其特征在于，包括管体（1）和接箍（2），所述管体（1）端部外周向设有管体部螺纹（10）和管体密封部（11），所述接箍（2）的内周向设有配合所述管体部螺纹（10）的接箍部螺纹（20）和配合所述管体密封部（11）的接箍密封部（21），所述管体密封部（11）位于所述管体部螺纹（10）旋进方向的前方，所述接箍密封部（21）位于所述接箍部螺纹（20）旋进方向的后方，所述接箍密封部（21）的轴截面呈外凸平滑曲线，所述管体部螺纹（10）的轴截面为与所述外凸平滑曲线配合的波浪线。

2.根据权利要求1所述的一种高密封性油管的密封部结构，其特征在于，所述接箍密封部（21）的轴截面呈外凸椭圆曲线，所述管体密封部（11）的轴截面呈三段椭圆曲线，所述三段椭圆曲线中位于中间的椭圆曲线内凹设置，所述三段椭圆曲线中位于两端的两个椭圆曲线均外凸设置。

3.根据权利要求2所述的一种高密封性油管的密封部结构，其特征在于，所述管体密封部（11）在轴截面上所呈的三段椭圆曲线大小相同，所述管体密封部（11）在轴截面上所呈椭圆曲线的长轴与其短轴之比为1.182：0.711；所述接箍密封部（21）在轴截面上所呈椭圆曲线的长轴与其短轴之比为1.221：0.701；所述接箍密封部（21）在轴截面上所呈椭圆曲线的长轴是所述管体密封部（11）在轴截面上所呈椭圆曲线的长轴的3～4.5倍。

4.根据权利要求1所述的一种高密封性油管的密封部结构，其特征在于，在所述管体（1）的轴截面上，所述管体（1）的端面与所述管体（1）的轴线呈70.9～83.9°；所述接箍（2）设有配合所述管体（1）的端面的台肩（23），在所述接箍（2）的轴截面上，所述台肩（23）的端面与所述接箍（2）的轴线的夹角大小比所述管体（1）的端面在所述管体（1）的轴截面上与所述管体（1）的轴线的夹角小0.15～0.35°。

5.根据权利要求1所述的一种高密封性油管的密封部结构，其特征在于，在所述管体（1）的轴截面上，所述管体密封部（11）靠近所述管体部螺纹（10）的一端与所述管体密封部（11）的另一端所成的直线与所述管体（1）的轴线呈16.1～36.1°；在所述接箍（2）的轴截面上，所述接箍密封部（21）靠近所述接箍部螺纹（20）的一端与所述接箍密封部（21）的另一端所成的直线与所述接箍（2）的轴线所成夹角较所述管体密封部（11）靠近所述管体部螺纹（10）的一端与所述管体密封部（11）的另一端所成的直线与所述管体（1）的轴线所成夹角大0.3～0.6°。

6.根据权利要求4所述的一种高密封性油管的密封部结构，其特征在于，所述管体（1）还设有管体过渡带（12），所述管体过渡带（12）位于所述管体部螺纹（10）和所述管体密封部（11）之间，在所述管体（1）的轴截面上，所述管体过渡带（12）呈直线，所述接箍（2）也设有配合所述管体过渡带（12）的接箍过渡带（22）。

7.根据权利要求6所述的一种高密封性油管的密封部结构，其特征在于，在所述管体（1）的轴截面上，所述管体过渡带（12）与所述管体（1）的中轴线的夹角为4.0～25.0°；在所述接箍（2）的轴截面上，所述接箍过渡带（22）与所述接箍（2）的轴线的角度较所述管体过渡带（12）与所述管体（1）的中轴线的夹角大0.3～0.5°。

8.根据权利要求7所述的一种高密封性油管的密封部结构，其特征在于，所述台肩（23）的端面在所述接箍（2）轴线方向上的长度较所述管体（1）的端面在所述管体（1）轴线上的长度大0.03～0.13mm；所述接箍密封部（21）在所述接箍（2）轴线方向上的长度较管体密封部（11）在所述管体（1）轴线上的长度大0.06～0.39mm；所述管体过渡带（12）在所述管体（1）轴线上的长度较所述接箍过渡带（22）在所述接箍（2）轴线方向上的长度大0.29～0.69mm。

9.根据权利要求4所述的一种高密封性油管的密封部结构，其特征在于，所述接箍（2）在所述台肩（23）处的内径较所述管体（1）在其端面处的内径大0.04～0.09mm，所述管体密封部（11）靠近所述管体（1）的端面的一侧直径较所述接箍密封部（21）靠近所述台肩（23）一侧的直径大0.29～0.69mm；所述接箍密封部（21）靠近所述接箍部螺纹（20）一侧的直径较所述管体密封部（11）靠近所述管体部螺纹（10）一侧的直径大0.01～0.13mm。