CN103582739A - 管状连接装置和相关的螺纹牙型 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过母构件和公构件形成的管状连接装置，所述母构件和所述公构件中的每一个均具有锥形定螺距的螺纹。由公构件和母构件中的至少一个构件的螺纹限定的轮廓导致螺距线（44），所述螺距线为阶梯状螺距线。该阶梯状螺距线构造成可以在完全拧紧连接装置时在公构件的对扣牙侧与母构件的对扣牙侧之间产生实质性接触的宽径向带。

Description

管状连接装置和相关的螺纹牙型
技术领域
本申请针对管状连接装置，更加特别地，涉及一种具有一螺纹牙型的管状连接装置，所述螺纹牙型被构造成增加对轴向压缩载荷的阻力。
背景技术
油气上游生产工业钻出日益深和复杂的井，以便发现并且生产出未经处理的碳氢化合物。常规地，工业使用钢管（石油工业用管材），以便保护井孔（套管）和控制井孔（生产管）中的产出流体。套管和生产管以相对短的段制成并且运输，而且一次一段地安装在井孔中。
一种更有效地钻出井孔的方法是使得井孔直径恒定。实现这个目标的最直接的方式是最小化管连接装置的直径。为了这些目的，已经使用了两种类型的优质油田连接装置，即，整体平式接头连接装置和细直径高性能连接装置。平式接头连接装置的外径与管本体的外径基本相等。换言之，连接装置包含在管道本体的壁厚内。
期望提供具有提高的压缩等级的细直径连接装置和平式连接装置以及其它连接装置。为了更好地理解平式和小直径连接装置中的压缩强度，应当确立某些术语。螺纹包括配合到凹陷的螺纹槽中的凸起部分、脊或者齿。螺纹牙型由牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧所限定，所述牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧中的每一个实际上是螺旋延伸的表面。如由图1所举例的，螺纹牙型的轮廓（即，二维）由一横截平面所限定，所述横截平面从管状构件或者螺纹的中心轴线径向向外延伸并且包括重复“顺次”的脊分段10a、10b、10c和槽分段12a、12b、12c，所述每个脊分段皆由对扣牙侧14、牙顶16和承载牙侧18所限定，并且所述每条槽分段皆由承载牙侧18、牙根20和对扣牙侧14所限定。轮廓的每个槽分段均由三维螺纹的螺旋槽的相应轴向分段形成并且轮廓中的每个脊分段均由三维螺纹的螺旋脊的相应轴向分段形成。
“螺距线”是螺纹牙型轮廓上的假想线22，所述螺距线与对扣牙侧和承载牙侧相交，使得螺纹脊的轴向宽度WR等于螺纹槽的轴向宽度WT。承载牙侧和对扣牙侧通常是倾斜的，以便在齿和槽之间产生余隙，因此包括螺纹的两个构件可最初配合在一起并且在没有发生损坏的情况下组装在一起。如图1所示，对扣牙侧角αS和承载牙侧角αL呈正角度。夹角αI是这两个角的代数和。
方螺纹基本没有牙侧角并且因此是理想的，这是因为它们提供了良好的张紧和压缩负荷传递。如在美国专利No.6,322,110中所描述的，方螺纹或者近似方螺纹可以在对扣牙侧上包括至少一个释压表面，所述释压表面从牙顶延伸至对扣牙侧表面上的某一点，即具有更大对扣牙侧角的表面，以便在拧紧连接装置期间为承载牙侧产生额外的余隙。一个或多个较大的角缓解了与大螺纹牙侧余隙有关的问题中的一些问题。承载牙侧之间的余隙在连接装置的端部处于接触状态中并且施加进一步转矩时被“传递”到对扣牙侧。进一步拧紧连接装置可以允许对扣牙侧恢复到接触状态，但是典型地仅仅产生接触或者实质性接触的螺旋点或线，所述螺旋点或线在最后拧紧时仅仅能够吸收如此大的应力。
如在美国专利No.6,322,110的优选实施例中所描述的那样，在对扣牙侧上使用多个角度（即，释压表面）。在“对扣”位置中，即，当一个连接装置的阳（或公）螺纹最初放置到匹配的连接装置的阴（或者母）螺纹中，这些表面使得公螺纹的对扣牙侧能够搁置在母螺纹的对扣牙侧上，而承载牙侧的余隙足以允许在公螺纹旋转以便“拧紧”（即，朝向连接装置的最终完全啮合位置旋转）时进行螺纹啮合。而且，一个或多个释压表面致使螺纹啮合，使得在拧紧期间承载牙侧之间的余隙减小，这是因为某些表面用作凸轮或者倾斜平面以减小螺纹某些部分中的余隙。然而，连接装置的啮合（即，连接装置的除了螺纹之外的部分（诸如金属密封）之间的相互作用）实际上阻止带螺纹的连接装置向前行进并且将使得连接装置的带螺纹部分内的接触从对扣牙侧移动到承载牙侧。该相同的运动使得现有余隙从承载牙侧移动到对扣牙侧。当所施加的使公构件旋转的转矩一起驱动螺纹从而迫使公承载牙侧相对于母承载牙侧运动时实现这种拧紧。对扣牙侧的形状使得当螺纹抵达最终位置（即完全拧紧）时，公螺纹和母螺纹在螺距线处形成二维点接触部。
在美国专利No.6,332,110中，螺纹牙型的螺距线是直线，所述直线在围绕管状构件或者螺纹的中心轴线旋转时产生节锥。螺距线沿着对扣牙侧和承载牙侧中的每一个在牙根与牙顶之间的等距位置处，这是管状连接装置的标准。受制造工艺内的公差限度控制，在完全拧紧条件下在对扣牙侧上的螺距线的实际相交可具有小余隙、表面接触或者略微的过盈配合。如′110专利中所述的，所施加的转矩可足以产生泊松效应，使得伸长一个构件而压缩另一个构件，从而导致围绕螺距线产生窄的接触带。然而，′110专利没有讨论实现接触带的任何可靠技术或者实现宽区域的接触带的任何技术。
发明内容
在一个方面中，管状连接装置包括母构件和公构件。公构件具有锥形定螺距的螺纹，所述螺纹具有牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧。公构件螺纹的对扣牙侧具有基部表面和第二表面，所述基部表面以相对于径向的基部角从牙根径向向外延伸并且延伸离开牙根，所述第二表面以相对于径向的第二角从基部表面的端部径向向外延伸并且延伸离开该基部表面的端部。母构件具有锥形定螺距的螺纹，所述螺纹具有牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧。母构件螺纹的对扣牙侧具有基部表面和第二表面，该基部表面以相对于径向的基部角从牙根径向向内延伸并且延伸离开牙根，该第二表面以相对于径向的第二角从基部表面的端部径向向内延伸并且延伸离开该基部表面的端部，该第二角大于该基部角。由公构件或者母构件中的至少一个构件的牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧限定的轮廓导致产生公构件或者母构件的螺距线，所述螺距线是阶梯状螺距线。
在前述段落的连接装置中，阶梯状螺距线的第一周由第一线段和第二线段所限定，所述第一线段经过轮廓的第一螺纹脊分段，第二线段经过轮廓的第一螺纹槽分段，所述第二线段相对于第一线段成角度偏离，使得第一线段不平行于第二线段。
在任一前述段落的连接装置中，阶梯状螺距线的第二周由第一线段和第二线段限定，所述第一线段经过轮廓的第二螺纹脊分段，第二线段经过轮廓的第二螺纹槽分段，所述第一螺纹槽分段由第一螺纹脊分段和第二螺纹脊分段所界定，所述第二螺纹槽分段毗邻第二螺纹脊分段。第二螺纹脊分段的第一线段与第一螺纹脊分段的第一线段平行于但径向偏离。第二螺纹槽分段的第二线段与第一螺纹槽分段的第二线段平行但径向偏离。
在任一前述段落的连接装置中，与母构件或者公构件中的一个相关联的螺纹锥体既相对于第一线段成角度偏离又相对于第二线段成角度偏离。
在任一前述段落的连接装置中，第二线段相对于公构件或者母构件的中心纵向轴线偏离一角度，所述角度大于可能存在于第一线段与中心纵向轴线之间的任意偏离角。
在任一前述段落的连接装置中，公构件的螺距线和母构件的螺距线中的每一个均是阶梯状螺距线。
在任一前述段落的连接装置中，公构件的螺距线在公螺纹相交位置处与对扣牙侧相交，所述公螺纹相交位置位于公构件螺纹的对扣牙侧高度的中点的径向外部，公构件螺纹的对扣牙侧的基部表面向外延伸至公螺纹相交位置。同样地，母构件的螺距线在母螺纹相交位置处与对扣牙侧相交，所述母螺纹相交位置位于母构件螺纹的对扣牙侧高度的中点的径向内部，母构件螺纹的对扣牙侧的基部表面向内延伸至母螺纹相交位置。
在任一前述段落的连接装置中，当完全拧紧连接装置时，公构件螺纹的对扣牙侧和母构件螺纹的对扣牙侧在径向带上处于实质性接触。
在任一前述段落的连接装置中，实质性接触的径向带延伸一径向距离，所述径向距离等于或者大于对扣牙侧高度的17%。
在任一前述段落的连接装置中，当完全拧紧连接装置时，公构件的对扣牙侧高度的中点与母构件的对扣牙侧高度的中点基本对准，并且实质性接触的径向带从基本对准的中点既径向向外延伸又径向向内延伸。
在任一前述段落的连接装置中，公构件螺纹的对扣牙侧和母构件螺纹的对扣牙侧在拧紧连接装置期间相互作用，以使得公构件的承载牙侧运动成与母构件螺纹的承载牙侧实质性接触。
在任一前述段落的连接装置中，公构件螺纹的对扣牙侧和母构件螺纹的对扣牙侧在拧紧连接装置期间相互作用，以使得在公构件螺纹和母构件螺纹达到径向拧紧啮合深度的65%之前公构件的承载牙侧运动成与母构件螺纹的承载牙侧实质性接触。
在另一个方面中，一种带螺纹的管状构件包括细长体，所述细长体具有贯穿细长体的轴向通道。细长体的端部部分具有锥形定螺距的螺纹，所述螺纹具有牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧。对扣牙侧具有基部表面和第二表面，所述基部表面以相对于径向的基部角从牙根径向向外延伸并且延伸离开牙根，所述第二表面以相对于径向的第二角从基部表面的端部径向向外延伸并且延伸离开该基部表面的端部，该第二角大于该基部角。由公构件或者母构件中的至少一个构件的牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧所限定的轮廓导致公构件或者母构件的螺距线，所述螺距线是阶梯状螺距线。
在前述段落的管状构件中，阶梯状螺距线的第一周由第一线段和第二线段限定，所述第一线段经过轮廓的第一螺纹脊分段，第二线段经过轮廓的第一螺纹槽分段，所述第二线段相对于第一线段成角度偏离，使得第一线段与第二线段不平行。
在前述段落的管状构件中，由轮廓所限定的螺纹锥体既相对于第一线段成角度偏离又相对于第二线段成角度偏离。
在另一个方面中，一种管状连接装置包括公构件和母构件。公构件具有锥形定螺距的螺纹，所述螺纹具有牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧。公构件螺纹的对扣牙侧具有基部表面和第二表面，所述基部表面以相对于径向的基部角从牙根径向向外延伸并且延伸离开牙根，所述第二表面以相对于径向的第二角从基部表面的端部径向向外延伸并且延伸离开该基部表面的端部，该第二角大于该基部角。母构件具有锥形定螺距的螺纹，该螺纹具有牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧，所述母构件螺纹的对扣牙侧具有基部表面和第二表面，该基部表面以相对于径向的基部角从牙根径向向内延伸并且延伸离开牙根，该第二表面以相对于径向的第二角从基部表面的端部径向向内延伸并且延伸离开该基部表面的端部，该第二角大于该基部角。当完全拧紧连接装置时，公构件螺纹的对扣牙侧和母构件螺纹的对扣牙侧在宽径向带上实质性接触。
在前述段落的管状连接装置中，实质性接触的宽径向带延伸一径向距离，所述径向距离等于或者大于对扣牙侧高度的至少17%。
在前述两段段落中的任一段落的管状连接装置中，当完全拧紧连接装置时，公构件的对扣牙侧高度的中点与母构件的对扣牙侧高度的中点基本对准，实质性接触的宽径向带从基本对准的中点既径向向外延伸又径向向内延伸。
已经发现的是，上述宽带式接触在压缩荷载方面通过增加连接装置的对压缩荷载做出反应并且抵抗压缩荷载的横截面的面积而大大提高了连接性能，从而增加了连接装置对材料屈服的总抗压能力。这种带式接触还立即对压缩载荷做出反应并且限制连接装置内的运动，从而在机械负载或者热负载周期期间隔离和保护金属密封，以及提高了管状连接装置的三轴向压力完整性。
在另一方面中，一种管状连接装置包括公构件和母构件。公构件具有锥形定螺距的螺纹，所述螺纹具有牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧。公构件螺纹的对扣牙侧具有基部表面和第二表面，所述基部表面以相对于径向的基部角从牙根径向向外延伸并且延伸离开牙根，所述第二表面以相对于径向的第二角从基部表面的端部径向向外延伸并且延伸离开该基部表面的端部，该第二角大于该基部角。母构件具有锥形定螺距的螺纹，该螺纹具有牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧，所述母构件螺纹的对扣牙侧具有基部表面和第二表面，该基部表面以相对于径向的基部角从牙根径向向内延伸并且延伸离开所述牙根，该第二表面以相对于径向的第二角从基部表面的端部径向向内延伸并且延伸离开该基部表面的端部，该第二角大于该基部角。公构件螺纹的对扣牙侧与母构件的对扣牙侧在拧紧连接装置期间相互作用，以使得公构件螺纹的承载牙侧运动成与母构件螺纹的承载牙侧实质性接触。
在前述段落的管状连接装置中，公构件螺纹的对扣牙侧和母构件螺纹的对扣牙侧构造成在拧紧连接装置期间相互作用，使得在公构件螺纹和母构件螺纹达到径向拧紧啮合深度的60%之前公构件螺纹的承载牙侧运动成与母构件螺纹的承载牙侧实质性接触。
附图说明
图1是示例性现有技术螺纹牙型的示意图，所述螺纹牙型具有正对扣牙侧角和正承载牙侧角；
图2和图3是本发明的螺纹牙型的一个实施例的示意图；
图4至图7描绘了在包含图2和图3的螺纹牙型的构件的拧紧过程期间的螺纹相互作用；
图8是在示例性的完全拧紧的连接装置中的对扣牙侧实质性接触的放大视图；和
图9和图10描绘了本发明的螺纹牙型能够结合成的示例性连接装置的构造。
具体实施方式
在以下描述中，用相同的附图标记分别表示整个说明书和附图中所标记的相似部件。附图不必按照比例绘制。可以扩大比例或者以某些示意性形式示出本发明的某些特征，而且为了清晰和简洁起见，可以不示出常规元件的某些细节。
首先参照图2，用两个脊分段32a、32b和两个槽分段34a、34b示出了螺纹牙型的轮廓30。应意识到的是整个螺纹的常规轮廓由更多个脊分段和槽分段构成。螺纹牙型利用具有在牙顶40与牙根42之间延伸的对扣牙侧36和承载牙侧38的方形形式或者近似方形形式。以虚线形式示出了螺距线44，所述螺距线44如将在下文更为详细描述的那样是阶梯状螺距线，而且还用虚线形式示出了螺纹锥体46。螺纹牙型30是一种公构件，并且还示出了公构件的轴向中心线48，应当理解的是，中心线48的径向位置不必按比例绘制。
示出了承载牙侧38，所述承载牙侧38具有承载牙侧角α1（针对垂直于管状件的轴向方向的径向轴线测量的）。如图所示，对扣牙侧36包括三个不同的表面：（1）对扣牙侧基部表面50，其从牙根42径向延伸并且具有对扣牙侧基部角α2；（2）对扣牙侧余隙表面54，其从牙顶40径向延伸并且具有对扣牙侧余隙角α4，其中，α4大于α2；和（3）对扣牙侧凸轮表面52，其在对扣牙侧基部表面50与对扣牙侧余隙表面54之间延伸并且具有对扣牙侧凸轮角α3，其中，α3大于α2并且小于α4。如果不使用余隙表面，则凸轮表面以角α3从基部表面的端部延伸到牙顶。作为一个示例，对扣牙侧基部角α2可以为大约1度至3度（例如，大约2度），对扣牙侧凸轮角α3可以为大约8度至12度（例如，大约10度），以及对扣牙侧余隙角α4可以为大约13度至17度（例如，大约15度）。然而，这些角度是近似值并且本领域中的技术人员应意识到其它角度值也是可能的。对扣牙侧余隙表面54可以形成有端部半径部56，以有助于在与匹配构件初始啮合期间有承载牙侧余隙。端部半径部还设置在对扣牙侧的牙根处和设置在承载牙侧的牙顶和牙根二者处。
在所示的实施例中，对扣牙侧基部角α2是比承载牙侧角α1稍大的正角度。而且，牙顶40表面和牙根42表面平行于轴线48。代表性的螺纹是定螺距螺纹。预期的是承载牙侧角也可以是略微正角度而非略微负角度，如图所示。在所示的实施例中，凸轮表面52从螺距线沿着朝向牙顶的方向径向延伸并且停止于一径向位置处，所述径向位置与邻接的上游螺纹脊分段共线（即，凸轮表面的径向外端部定位在与毗邻的较小半径螺纹脊分段相比距离中心线48相等的径向距离处）。
如先前所述，并且如图2所示，螺距线44是阶梯状螺距线。由线段62a和线段64a限定阶梯状螺距线44的第一周60，所述线段62a经过轮廓的螺纹脊分段32a，线段64a经过轮廓的螺纹槽分段34a。线段64a相对于线段62a成角度偏离，使得两线段不平行。在所示的实施例中，当从螺纹或者公构件的较小直径端运动至螺纹或者公构件的较大直径端时，线段62a与构件的中心轴线48平行而线段64a沿径向远离中心轴线成角度。然而，应意识到的是，两个线段62a和64a可相对于轴线48成角度，其中，线段64a的角度大于线段62a的角度。由线段62b和线段64b限定了阶梯状螺距线44的第二周66，所述线段62b经过轮廓的螺纹脊分段32b，所述线段64b经过轮廓的螺纹槽分段34b。如所示的，槽分段34a由螺纹脊分段32a和螺纹脊分段32b二者界定，并且螺纹槽分段34b毗邻螺纹脊分段32b。线段62b与线段62a平行行进但径向偏离。同样，线段64b与线段64a平行行进但径向偏离。显著地，螺纹螺距线46没有与构成阶梯状螺距线44的线段中的任一线段平行，并且因此相对于每条线段成角度偏离。通过使本发明的螺距线围绕连接装置的纵向轴线旋转所产生的三维体是具有重复顺次的圆筒状分段和圆锥状分段的阶梯状体。在线段62a和64a都相对于轴线48成角度的实施例中，通过使得螺距线旋转所产生的三维体将是具有交替锥角的重复顺次的圆锥状分段。
如图3所示，螺距线44在公螺纹相交位置70处与对扣牙侧36相交，所述公螺纹相交位置70在对扣牙侧36的高度HS的中点72径向外侧。基部表面50从牙根42向外延伸至公螺纹相交位置70。点72和点70之间的径向距离D可以大约为总对扣牙侧高度HS的8%至16%（例如，至少大约8%至1.5%）。
预期的是，通过具有相同螺纹牙型（在公构件上具有径向向外的螺纹并且在母构件上具有径向向内的螺纹）的公构件和母构件二者可形成良好的管状连接装置，每个所述螺纹牙型均提供了具有阶梯状螺距线的轮廓。参照图3，如果部件代表母构件，则点70将代表螺距线的母螺纹相交位置，所述母螺纹相交位置定位在母构件螺纹的对扣牙侧的高度的中点72的径向内侧。针对这种母构件，构件的中心轴线将位于所示的轮廓上方而不是位于轮廓的下方。在这种情况中，基部表面50将径向向内延伸至母螺纹相交位置。
现在参照图4-7，描绘了针对代表性的公构件80和母构件82（仅仅以局部剖视图示出）的管状连接装置的拧紧过程。
形成在此所描述的组装过程所需的一个带螺纹的构件转动或者旋转到另一个带螺纹的构件的圈数的确切数量可以随着构件所用的各自螺纹牙型的确切几何性能而改变。组装过程是类似的，但是圈数的确切数量可以改变。
角部半径和余隙牙侧相组合以便在图4的对扣位置中提供如图所示的位于螺纹脊的承载牙侧和螺纹槽的承载牙侧之间的余隙。这种余隙有助于使得螺纹脊进入到螺纹槽中。在第一圈期间，对扣牙侧接合部位于两个带螺纹的构件的余隙表面54、54′之间。当螺纹旋转成进一步啮合时，余隙牙侧的角将承载牙侧靠拢在一起。如果构件的螺纹包含凸轮表面52、52′，如图所示，当带螺纹的组件进入其第二圈时（图5），对扣牙侧接触从余隙表面54、54′移动至凸轮表面52、52′。不然的话，在第二圈期间组件保持在余隙牙侧上。继续组装，即，将一个构件旋转到另一个构件将闭合承载牙侧之间的余隙。在所示的示例中，在第二圈结束时（图6），余隙接近闭合。
当连接装置进入其第三圈时，螺纹槽的承载牙侧和螺纹脊的承载牙侧啮合或者运动成实质性接触。在螺纹在对扣牙侧之间小过盈配合的情况中并且如图6所示，这种啮合或者实质性接触能够发生在对扣牙侧基部表面50、50′啮合（即，在对扣牙侧的螺纹相交位置70、70′抵达彼此之前）之前。可替代地，在刚刚接触的螺纹起始于承载牙侧上的螺距线相交部处的情况中，承载牙侧的啮合或者实质性接触还能够在对扣牙侧螺距线相交时发生（即，当对扣牙侧的螺纹相交位置70、70′抵达彼此时）。在另一个替代方案中，在小余隙存在于对扣牙侧之间的情况中，还能够在螺距线已经经过彼此之后发生承载牙侧的啮合或者实质性接触（即，在对扣牙侧的螺纹相交位置70、70′经过彼此之后，按照图7使得位置70′在位置70的径向内侧）。
在这个结合部处，螺纹之间的所有余隙消除，或者由于公差基本消除。不受带螺纹的连接装置内的诸如金属密封或者转矩肩部的接合的其它事件的影响，消除承载牙侧和对扣牙侧之间的较大间隙是本发明管状连接装置的一个显著特征。根据用于机加工螺纹牙型的工具插入件的公差（大约小于0.001英寸），螺纹在牙侧之间可以具有小余隙或者在牙侧之间没有余隙，或者在螺纹牙侧之间有小过盈配合。就这一点而言，如在此所使用，术语“实质性接触”指的是包含直接接触（例如，恰好接触或者经由过盈配合接触）和近似接触（例如，彼此在0.002″的表面内）。图6示出了一种情况，小过盈配合、经过第2圈位置仅仅一小旋转增量，对扣牙侧啮合仍然处于凸轮表面上（或者如果不存在凸轮表面的情况中在余隙表面上）。承载牙侧和对扣牙侧的详细视图示出了在螺纹的对扣牙侧和承载牙侧之间实际上不存在余隙。
随着连接装置继续啮合，对扣牙侧的基部表面和承载牙侧继续在相应的配合表面上滑动，直到牙根和牙顶啮合。注意的是，牙根或者牙顶将首先啮合，随后另一个立即啮合。所述顺序也取决于插入件和机加工部件的公差。
图8是图7的螺纹在完全螺纹组装时的对扣牙侧的详细图。宽的实质性接触带区90是显而易见。如图所示，当完全拧紧连接装置时，公构件的对扣牙侧高度的中点与母构件的对扣牙侧高度的中点基本对准，并且径向的实质性接触带从基本对准的中点既径向向外延伸又径向向内延伸。实质性接触带应该等于或者大于如上所述的对扣牙侧高度HS的17%（例如优选地至少为大约22%）。仅仅通过泊松效应实现这种宽的接触带将导致螺纹损坏，因此不是经济实用的。
应当理解的是，本申请的带螺纹的管状连接装置可以应用在用于管状构件的整体式接头或者联接式接头中。在整体式接头中，公构件和母构件整体啮合到管状构件的端部。在联接式接头中，带螺纹联接件连结管状构件的螺纹端部。本发明的带螺纹的管状连接装置还能够应用于所有类型的油田管状件，包括：钻管、套管和生产管。连接装置可用在普通端管、冷成型的锻造端部或者热锻的镦粗端（upsetend）。
在理想的实施例中，管状连接装置典型地包括在被认定为细线（slim-line）高性能连接装置的广泛组中。连接装置可以使用在多种实施例中，诸如带有或不带有夹紧段的整体平式接头、带有或不带有倾斜分段的整体倾斜连接装置、在一个或两个构件上的热锻的镦粗端、或者联接有或不联接有夹紧的公端部。对于整体连接装置或者联接式连接装置，应想到的是螺纹牙型可不受限制地与其他常见的优质连接结构（诸如一个或多个金属密封（内部和外部）、用于正位置阻挡件（内部、外部、中心）的一个或多个扭矩台肩和引入/退出螺纹）进行联合使用。
图9和10示出了可使用螺纹牙型的示例性连接装置的构造。在图9的细线平式接头100中，公构件80和母构件82都具有单锥形定螺距的螺纹。在图10的中心台肩密封接头102中，公构件和母构件都具有各自的一对彼此相关并且通过中心台肩密封104间隔开的台阶式螺纹。可预见其他与螺纹牙型相结合的连接装置的构造。
通过在此的教导所实现的宽接触带通过增大对压缩负载起作用并且抵抗压缩负载的连接装置的横截面的面积而极大地促进了在压缩负载方面的连接性能，由此增大连接装置的对材料屈服的总体压缩能力。这种宽接触带还对压缩负载立即起作用以及限制连接装置内的运动，从而在机械或热负载循环期间隔离和保护金属密封，以及提高连接装置的三轴向压力整体性。
显然应理解的是上述说明仅仅是说明性和示例性的，不旨在进行限制。可以进行改变和修改。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种管状连接装置，包括：
公构件，所述公构件具有锥形定螺距的螺纹，该螺纹具有牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧，公构件螺纹的对扣牙侧具有基部表面和第二表面，所述基部表面以相对于径向的基部角从牙根径向向外延伸且延伸离开牙根，所述第二表面以相对于径向的第二角从基部表面的端部径向向外延伸并且延伸离开该基部表面的端部，该第二角大于该基部角；和
母构件，所述母构件具有锥形定螺距的螺纹，该螺纹具有牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧，母构件螺纹的对扣牙侧具有基部表面和第二表面，该基部表面以相对于径向的基部角从牙根径向向内延伸并且延伸离开牙根，该第二表面以相对于径向的第二角从基部表面的端部径向向内延伸并且延伸离开该基部表面的端部，该第二角大于该基部角；
其中，由所述公构件或者所述母构件中的至少一个构件的牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧限定的轮廓导致所述公构件或者所述母构件的螺距线，所述螺距线为阶梯状螺距线。
2.根据权利要求1所述的连接装置，其中，所述阶梯状螺距线的第一周由第一线段和第二线段所限定，所述第一线段经过所述轮廓的第一螺纹脊分段，所述第二线段经过所述轮廓的第一螺纹槽分段，所述第二线段相对于所述第一线段成角度偏离，使得所述第一线段与所述第二线段不平行。
3.根据权利要求2所述的连接装置，其中，所述阶梯状螺距线的第二周由第一线段和第二线段所限定，该第一线段经过所述轮廓的第二螺纹脊分段，该第二线段经过所述轮廓的第二螺纹槽分段，所述第一螺纹槽分段由所述第一螺纹脊分段和所述第二螺纹脊分段所界定，所述第二螺纹槽分段毗邻所述第二螺纹脊分段，其中，所述第二螺纹脊分段的第一线段与所述第一螺纹脊分段的第一线段平行但径向偏离，其中，所述第二螺纹槽分段的第二线段与所述第一螺纹槽分段的第二线段平行但径向偏离。
4.根据权利要求2所述的连接装置，其中：
与所述母构件或者所述公构件相关联的螺纹锥体既相对于所述第一线段成角度偏离又相对于所述第二线段成角度偏离。
5.根据权利要求2所述的连接装置，其中，所述第二线段相对于所述公构件或者所述母构件的中心纵向轴线偏离一角度，该角度大于能存在于所述第一线段与所述中心纵向轴线之间的任意偏离角。
6.根据权利要求1所述的连接装置，其中，所述公构件的螺距线和所述母构件的螺距线中的每一个均是阶梯状螺距线。
7.根据权利要求6所述的连接装置，其中：
所述公构件的螺距线在公螺纹相交位置处与所述对扣牙侧相交，所述公螺纹相交位置处在所述公构件螺纹的对扣牙侧高度的中点的径向外部，所述公构件螺纹的对扣牙侧的基部表面向外延伸至所述公螺纹相交位置；
所述母构件的螺距线在母螺纹相交位置处与所述对扣牙侧相交，所述母螺纹相交位置在所述母构件螺纹的对扣牙侧高度的中点的径向内部，所述母构件螺纹的对扣牙侧的基部表面向内延伸至所述母螺纹相交位置。
8.根据权利要求7所述的连接装置，其中：
当完全拧紧所述连接装置时，所述公构件螺纹的对扣牙侧和所述母构件螺纹的对扣牙侧在径向带上处于实质性接触。
9.根据权利要求8所述的连接装置，其中，所述实质接触的径向带延伸一径向距离，所述径向距离等于或者大于对扣牙侧高度的至少17%。
10.根据权利要求9所述的连接装置，其中：
当完全拧紧所述连接装置时，所述公构件的对扣牙侧高度的中点与所述母构件的对扣牙侧高度的中点基本对准，并且实质性接触的径向带从基本对准的中点既径向向外延伸又径向向内延伸。
11.根据权利要求1所述的连接装置，其中：
所述公构件螺纹的对扣牙侧与所述母构件螺纹的对扣牙侧在拧紧连接装置期间相互作用，以使得所述公构件螺纹的承载牙侧运动成与所述母构件螺纹的承载牙侧实质性接触。
12.根据权利要求11所述的连接装置，其中，所述公构件螺纹的对扣牙侧和所述母构件螺纹的对扣牙侧构造成在拧紧连接装置期间相互作用，使得在所述公构件螺纹和所述母构件螺纹达到径向拧紧啮合深度的65%之前所述公构件螺纹的承载牙侧运动成与所述母构件螺纹的承载牙侧实质性接触。
13.一种带螺纹的管状构件，包括：
细长体，所述细长体具有贯穿细长体的轴向通道，所述细长体的端部部分具有锥形定螺距的螺纹，所述螺纹具有牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧，所述对扣牙侧具有基部表面和第二表面，所述基部表面以相对于径向的基部角从牙根径向向外延伸并且延伸离开牙根，所述第二表面以相对于径向的第二角从基部表面的端部径向向外延伸并且延伸离开该基部表面的端部，该第二角大于该基部角，其中，由所述公构件或者所述母构件中的至少一个构件的牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧所限定的轮廓导致所述公构件或者所述母构件的螺距线，所述螺距线是阶梯状螺距线。
14.根据权利要求13所述的管状构件，其中，所述阶梯状螺距线的第一周由第一线段和第二线段限定，所述第一线段经过所述轮廓的第一螺纹脊分段，所述第二线段经过所述轮廓的第一螺纹槽分段，所述第二线段相对于所述第一线段成角度偏离，使得所述第一线段与所述第二线段不平行。
15.根据权利要求14所述的管状构件，其中，由所述轮廓限定的螺纹锥体既相对于所述第一线段成角度偏离又相对于所述第二线段成角度偏离。
16.一种连接装置，包括：
公构件，所述公构件具有锥形定螺距的螺纹，所述螺纹具有牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧，所述公构件螺纹的对扣牙侧具有基部表面和第二表面，所述基部表面以相对于径向的基部角从牙根径向向外延伸并且延伸离开牙根，所述第二表面以相对于径向的第二角从基部表面的端部径向向外延伸并且延伸离开基部表面的端部，该第二角大于该基部角；和
母构件，所述母构件具有锥形定螺距的螺纹，所述母构件的螺纹具有牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧，所述母构件螺纹的对扣牙侧具有基部表面和第二表面，该基部表面以相对于径向的基部角从牙根径向向内延伸并且延伸离开牙根，该第二表面以相对于径向的第二角从基部表面的端部径向向内延伸并且延伸离开该基部表面的端部，该第二角大于该基部角；
其中，当完全拧紧所述连接装置时，所述公构件螺纹的对扣牙侧和所述母构件螺纹的对扣牙侧在宽径向带上处于实质性接触。
17.根据权利要求16所述的连接装置，其中，所述实质性接触的宽径向带延伸一径向距离，所述径向距离等于对扣牙侧高度的至少20%。
18.根据权利要求17所述的连接装置，其中：
当完全拧紧所述连接装置时，所述公构件的对扣牙侧高度的中点与所述母构件的对扣牙侧高度的中点基本对准，并且所述实质性接触的宽径向带从基本对准的中点既径向向外延伸又径向向内延伸。
19.一种连接装置，包括：
公构件，所述公构件具有锥形定螺距的螺纹，所述螺纹具有牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧，所述公构件螺纹的对扣牙侧具有基部表面和第二表面，所述基部表面以相对于径向的基部角从牙根径向向外延伸并且延伸离开牙根，所述第二表面以相对于径向的第二角从基部表面的端部径向向外延伸并且延伸离开该基部表面的端部，该第二角大于该基部角；和
母构件，所述母构件具有锥形定螺距的螺纹，所述母构件的螺纹具有牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧，所述母构件螺纹的对扣牙侧具有基部表面和第二表面，该基部表面以相对于径向的基部角从牙根径向向内延伸并且延伸离开牙根，所述第二表面以相对于径向的第二角从基部表面的端部径向向内延伸并且延伸离开该基部表面的端部，该第二角大于该基部角；
其中，所述公构件螺纹的对扣牙侧和所述母构件螺纹的对扣牙侧在拧紧所述连接装置期间相互作用，以使得所述公构件螺纹的承载牙侧运动成与所述母构件螺纹的承载牙侧实质性接触。
20.根据权利要求19所述的连接装置，其中，所述公构件螺纹的对扣牙侧和所述母构件螺纹的对扣牙侧构造成在拧紧连接装置期间相互作用，使得在所述公构件螺纹和所述母构件螺纹达到径向拧紧啮合深度的65%之前所述公构件螺纹的承载牙侧运动成与所述母构件螺纹的承载牙侧实质性接触。
21.一种管状连接装置，包括：
公构件，所述公构件具有锥形的螺纹，所述螺纹具有牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧，所述公构件螺纹的对扣牙侧具有基部表面和第二表面，所述基部表面以相对于径向的基部角从牙根径向向外延伸并且延伸离开牙根，所述第二表面以相对于径向的第二角从基部表面的端部径向向外延伸并且延伸离开该基部表面的端部，该第二角大于该基部角；和
母构件，所述母构件具有锥形的螺纹，该螺纹具有牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧，所述母构件螺纹的对扣牙侧具有基部表面和第二表面，该基部表面以相对于径向的基部角从牙根径向向内延伸并且延伸离开牙根，该第二表面以相对于径向的第二角从基部表面的端部径向向内延伸并且延伸离开该基部表面的端部，该第二角大于该基部角；
其中，由所述公构件或者所述母构件中的至少一个构件的牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧限定一螺纹轮廓，一假想线与所述螺纹轮廓的对扣牙侧和承载牙侧相交以使得螺纹脊的轴向宽度等于螺纹槽的轴向宽度，所述假想线是阶梯状线。
22.根据权利要求21所述的连接装置，其中，所述阶梯状线的第一周由第一线段和第二线段所限定，所述第一线段经过所述螺纹轮廓的第一螺纹脊分段，所述第二线段经过所述螺纹轮廓的第一螺纹槽分段，所述第二线段从所述第一线段成角度偏离，使得所述第一线段不平行于所述第二线段。
23.根据权利要求22所述的连接装置，其中，所述阶梯状线的第二周由第一线段和第二线段所限定，该第一线段经过所述螺纹轮廓的第二螺纹脊分段，该第二线段经过所述螺纹轮廓的第二螺纹槽分段，所述第一螺纹槽分段由所述第一螺纹脊分段和所述第二螺纹脊分段界定，所述第二螺纹槽分段毗邻所述第二螺纹脊分段，其中，所述第二螺纹脊分段的第一线段与所述第一螺纹脊分段的第一线段平行但径向偏离，其中，所述第二螺纹槽分段的第二线段与所述第一螺纹槽分段的第二线段平行但径向偏离。
24.根据权利要求22所述的连接装置，其中：
与所述螺纹轮廓有关的螺纹锥体既相对于所述第一线段成角度偏离又相对于所述第二线段成角度偏离。
25.根据权利要求22所述的连接装置，其中，所述第二线段相对于所述公构件或母构件的中心纵向轴线偏离一角度，所述角度大于能存在于所述第一线段与所述中心纵向轴线之间的任意偏离角。
26.根据权利要求21所述的连接装置，其中，所述螺纹轮廓是所述公构件的螺纹轮廓，所述母构件也包括具有假想线的螺纹轮廓，与所述母构件螺纹轮廓的对扣牙侧和承载牙侧相交以使得螺纹脊的轴向宽度等于螺纹槽的轴向宽度的假想线也是阶梯状线。
27.根据权利要求26所述的连接装置，其中：
所述公构件的假想线在公螺纹相交位置处与所述对扣牙侧相交，所述公螺纹相交位置位于所述公构件螺纹的对扣牙侧高度的中点的径向外部，所述公构件螺纹的对扣牙侧的基部表面向外延伸至所述公螺纹相交位置；
所述母构件的假想线在母螺纹相交位置处与所述对扣牙侧相交，所述母螺纹相交位置位于所述母构件螺纹的对扣牙侧高度的中点的径向内部，所述母构件螺纹的对扣牙侧的基部表面向内延伸至母螺纹相交位置。
28.根据权利要求27所述的连接装置，其中：
当完全拧紧所述连接装置时，所述公构件螺纹的对扣牙侧和所述母构件螺纹的对扣牙侧在径向带上处于实质性接触。
29.根据权利要求28所述的连接装置，其中，实质性接触的径向带延伸一径向距离，所述径向距离等于或者大于对扣牙侧高度的至少17%。
30.根据权利要求29所述的连接装置，其中：
当完全拧紧所述连接装置时，所述公构件的对扣牙侧高度的中点与所述母构件的对扣牙侧高度的中点基本对准，所述实质性接触的径向带从所述基本对准的中点既径向向外延伸又径向向内延伸。
31.根据权利要求20所述的连接装置，其中：
所述公构件螺纹的对扣牙侧与所述母构件螺纹的对扣牙侧在拧紧连接装置期间相互作用，以使得所述公构件螺纹的承载牙侧运动成与所述母构件螺纹的承载牙侧实质性接触。
32.根据权利要求31所述的连接装置，其中，所述公构件螺纹的对扣牙侧和所述母构件螺纹的对扣牙侧构造成在拧紧连接装置期间相互作用，使得在所述公构件螺纹和所述母构件螺纹达到径向拧紧啮合深度的65%之前所述公构件螺纹的承载牙侧运动成与所述母构件螺纹的承载牙侧实质性接触。

Claims (20)

1.一种管状连接装置，包括：
公构件，所述公构件具有锥形定螺距的螺纹，该螺纹具有牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧，公构件螺纹的对扣牙侧具有基部表面和第二表面，所述基部表面以相对于径向的基部角从牙根径向向外延伸且延伸离开牙根，所述第二表面以相对于径向的第二角从基部表面的端部径向向外延伸并且延伸离开该基部表面的端部，该第二角大于该基部角；和
母构件，所述母构件具有锥形定螺距的螺纹，该螺纹具有牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧，母构件螺纹的对扣牙侧具有基部表面和第二表面，该基部表面以相对于径向的基部角从牙根径向向内延伸并且延伸离开牙根，该第二表面以相对于径向的第二角从基部表面的端部径向向内延伸并且延伸离开该基部表面的端部，该第二角大于该基部角；
其中，由所述公构件或者所述母构件中的至少一个构件的牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧限定的轮廓导致所述公构件或者所述母构件的螺距线，所述螺距线为阶梯状螺距线。
2.根据权利要求1所述的连接装置，其中，所述阶梯状螺距线的第一周由第一线段和第二线段所限定，所述第一线段经过所述轮廓的第一螺纹脊分段，所述第二线段经过所述轮廓的第一螺纹槽分段，所述第二线段相对于所述第一线段成角度偏离，使得所述第一线段与所述第二线段不平行。
3.根据权利要求2所述的连接装置，其中，所述阶梯状螺距线的第二周由第一线段和第二线段所限定，该第一线段经过所述轮廓的第二螺纹脊分段，该第二线段经过所述轮廓的第二螺纹槽分段，所述第一螺纹槽分段由所述第一螺纹脊分段和所述第二螺纹脊分段所界定，所述第二螺纹槽分段毗邻所述第二螺纹脊分段，其中，所述第二螺纹脊分段的第一线段与所述第一螺纹脊分段的第一线段平行但径向偏离，其中，所述第二螺纹槽分段的第二线段与所述第一螺纹槽分段的第二线段平行但径向偏离。
4.根据权利要求2所述的连接装置，其中：
与所述母构件或者所述公构件相关联的螺纹锥体既相对于所述第一线段成角度偏离又相对于所述第二线段成角度偏离。
5.根据权利要求2所述的连接装置，其中，所述第二线段相对于所述公构件或者所述母构件的中心纵向轴线偏离一角度，该角度大于能存在于所述第一线段与所述中心纵向轴线之间的任意偏离角。
6.根据权利要求1所述的连接装置，其中，所述公构件的螺距线和所述母构件的螺距线中的每一个均是阶梯状螺距线。
7.根据权利要求6所述的连接装置，其中：
所述公构件的螺距线在公螺纹相交位置处与所述对扣牙侧相交，所述公螺纹相交位置处在所述公构件螺纹的对扣牙侧高度的中点的径向外部，所述公构件螺纹的对扣牙侧的基部表面向外延伸至所述公螺纹相交位置；
所述母构件的螺距线在母螺纹相交位置处与所述对扣牙侧相交，所述母螺纹相交位置在所述母构件螺纹的对扣牙侧高度的中点的径向内部，所述母构件螺纹的对扣牙侧的基部表面向内延伸至所述母螺纹相交位置。
8.根据权利要求7所述的连接装置，其中：
当完全拧紧所述连接装置时，所述公构件螺纹的对扣牙侧和所述母构件螺纹的对扣牙侧在径向带上处于实质性接触。
9.根据权利要求8所述的连接装置，其中，所述实质接触的径向带延伸一径向距离，所述径向距离等于或者大于对扣牙侧高度的至少17%。
10.根据权利要求9所述的连接装置，其中：
当完全拧紧所述连接装置时，所述公构件的对扣牙侧高度的中点与所述母构件的对扣牙侧高度的中点基本对准，并且实质性接触的径向带从基本对准的中点既径向向外延伸又径向向内延伸。
11.根据权利要求1所述的连接装置，其中：
所述公构件螺纹的对扣牙侧与所述母构件螺纹的对扣牙侧在拧紧连接装置期间相互作用，以使得所述公构件螺纹的承载牙侧运动成与所述母构件螺纹的承载牙侧实质性接触。
12.根据权利要求11所述的连接装置，其中，所述公构件螺纹的对扣牙侧和所述母构件螺纹的对扣牙侧构造成在拧紧连接装置期间相互作用，使得在所述公构件螺纹和所述母构件螺纹达到径向拧紧啮合深度的65%之前所述公构件螺纹的承载牙侧运动成与所述母构件螺纹的承载牙侧实质性接触。
13.一种带螺纹的管状构件，包括：
细长体，所述细长体具有贯穿细长体的轴向通道，所述细长体的端部部分具有锥形定螺距的螺纹，所述螺纹具有牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧，所述对扣牙侧具有基部表面和第二表面，所述基部表面以相对于径向的基部角从牙根径向向外延伸并且延伸离开牙根，所述第二表面以相对于径向的第二角从基部表面的端部径向向外延伸并且延伸离开该基部表面的端部，该第二角大于该基部角，其中，由所述公构件或者所述母构件中的至少一个构件的牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧所限定的轮廓导致所述公构件或者所述母构件的螺距线，所述螺距线是阶梯状螺距线。
14.根据权利要求13所述的管状构件，其中，所述阶梯状螺距线的第一周由第一线段和第二线段限定，所述第一线段经过所述轮廓的第一螺纹脊分段，所述第二线段经过所述轮廓的第一螺纹槽分段，所述第二线段相对于所述第一线段成角度偏离，使得所述第一线段与所述第二线段不平行。
15.根据权利要求14所述的管状构件，其中，由所述轮廓限定的螺纹锥体既相对于所述第一线段成角度偏离又相对于所述第二线段成角度偏离。
16.一种连接装置，包括：
公构件，所述公构件具有锥形定螺距的螺纹，所述螺纹具有牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧，所述公构件螺纹的对扣牙侧具有基部表面和第二表面，所述基部表面以相对于径向的基部角从牙根径向向外延伸并且延伸离开牙根，所述第二表面以相对于径向的第二角从基部表面的端部径向向外延伸并且延伸离开基部表面的端部，该第二角大于该基部角；和
母构件，所述母构件具有锥形定螺距的螺纹，所述母构件的螺纹具有牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧，所述母构件螺纹的对扣牙侧具有基部表面和第二表面，该基部表面以相对于径向的基部角从牙根径向向内延伸并且延伸离开牙根，该第二表面以相对于径向的第二角从基部表面的端部径向向内延伸并且延伸离开该基部表面的端部，该第二角大于该基部角；
其中，当完全拧紧所述连接装置时，所述公构件螺纹的对扣牙侧和所述母构件螺纹的对扣牙侧在宽径向带上处于实质性接触。
17.根据权利要求16所述的连接装置，其中，所述实质性接触的宽径向带延伸一径向距离，所述径向距离等于对扣牙侧高度的至少20%。
18.根据权利要求17所述的连接装置，其中：
当完全拧紧所述连接装置时，所述公构件的对扣牙侧高度的中点与所述母构件的对扣牙侧高度的中点基本对准，并且所述实质性接触的宽径向带从基本对准的中点既径向向外延伸又径向向内延伸。
19.一种连接装置，包括：
公构件，所述公构件具有锥形定螺距的螺纹，所述螺纹具有牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧，所述公构件螺纹的对扣牙侧具有基部表面和第二表面，所述基部表面以相对于径向的基部角从牙根径向向外延伸并且延伸离开牙根，所述第二表面以相对于径向的第二角从基部表面的端部径向向外延伸并且延伸离开该基部表面的端部，该第二角大于该基部角；和
母构件，所述母构件具有锥形定螺距的螺纹，所述母构件的螺纹具有牙根、牙顶、对扣牙侧和承载牙侧，所述母构件螺纹的对扣牙侧具有基部表面和第二表面，该基部表面以相对于径向的基部角从牙根径向向内延伸并且延伸离开牙根，所述第二表面以相对于径向的第二角从基部表面的端部径向向内延伸并且延伸离开该基部表面的端部，该第二角大于该基部角；
其中，所述公构件螺纹的对扣牙侧和所述母构件螺纹的对扣牙侧在拧紧所述连接装置期间相互作用，以使得所述公构件螺纹的承载牙侧运动成与所述母构件螺纹的承载牙侧实质性接触。
20.根据权利要求19所述的连接装置，其中，所述公构件螺纹的对扣牙侧和所述母构件螺纹的对扣牙侧构造成在拧紧连接装置期间相互作用，使得在所述公构件螺纹和所述母构件螺纹达到径向拧紧啮合深度的65%之前所述公构件螺纹的承载牙侧运动成与所述母构件螺纹的承载牙侧实质性接触。
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