CN103628827B - 抗粘扣三级端面金属密封钛合金管螺纹接头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油天然气工业完井生产管柱连接的螺纹结构，具体地说是一种抗粘扣三级端面金属密封钛合金管螺纹接头。包括油套管接箍和油套管管端，其中油套管接箍上设有API偏梯形内螺纹，油套管管端上设有与API偏梯形内螺纹相配合的偏梯形外螺纹；API偏梯形内螺纹的一端设有退刀槽，该退刀槽通过倒角过渡依次与弧面I、II连接，弧面II通过倒角过渡与负角度扭矩抬肩I连接；偏梯形外螺纹的一端设有与弧面I、II依次相对应的锥面和圆柱面及与负角度扭矩抬肩I相对应的负角度扭矩抬肩II，油套管接箍和油套管管端螺纹配合后，通过弧面I对锥面一级密封结构、弧面II对柱面二级密封结构及负角度扭矩抬肩密封结构的三级金属对金属过盈密封。本发明提高螺纹接头的气密封可靠性能，具有良好抗粘扣性能。

Description

抗粘扣三级端面金属密封钛合金管螺纹接头

技术领域

本发明涉及石油天然气工业完井生产管柱连接的螺纹结构，具体地说是一种抗粘扣三级端面金属密封钛合金管螺纹接头。

背景技术

随着石油天然气开发的进一步深入，许多我国西部和西南油气田具有高温(大于140℃)、高压(大于100MPa)、井深(大于5000m)并含高腐蚀介质(C0₂、H₂S、CL-)等苛刻环境，为了适应这些油气田开发中对油套管耐腐蚀性的要求，钛合金管已经被引入制造油套管，并具有非常优异的性能表现。

在石油天然气工业开发过程中，所采用的油套管是用螺纹拧接连接组成的管柱，螺纹是油套管柱中的最薄弱环节，其结构完整性、密封完整性和可靠性，严重影响油田的安全生产和管柱寿命。普通的API螺纹由于本身结构设计上先天性不足，无法满足在高温、高压、高腐蚀介质含量等“三高”油气田环境中的密封完整性，极易发生严重的油气泄漏事故，由于在这些油气中含有H₂S等有毒物质，给油气安全和周边生态环境和人民生命财产安全带来极大的威胁；同时，钛合金材料本身具有弹性模量低、表面硬度低，耐磨性能差和热传导系数低等特点，用钛合金材料加工普通API螺纹极易发生粘扣现象，以钢铁材料为基础设计的一般特殊螺纹结构也不适用于钛合金油管，容易发生粘扣和密封失效现象，因此为保障“三高”油气田的安全开发，也进一步促进钛合金油套管在石油天然气行业中的推广应用，急需一种专为钛合金材料设计的具有结构完整性、可靠地密封性能和抗粘扣的特殊螺纹结构。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种抗粘扣三级端面金属密封钛合金管螺纹接头。该抗粘扣三级端面金属密封钛合金管螺纹接头主要是为了解决高温、高压、高腐蚀介质含量等“三高”油气田安全开发问题，使用三级密封设计提高螺纹接头的气密封可靠性能，同时在接箍上采用变锥度设计，具有良好抗粘扣性能。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种抗粘扣三级端面金属密封钛合金管螺纹接头，包括油套管接箍和油套管管端，其中油套管接箍上设有API偏梯形内螺纹，所述油套管管端上设有与油套管接箍上的API偏梯形内螺纹相配合的偏梯形外螺纹；所述油套管接箍上API偏梯形内螺纹的一端设有退刀槽，该退刀槽通过倒角过渡依次与弧面I和弧面II连接，所述弧面II通过倒角过渡与负角度扭矩抬肩I连接；所述油套管管端上的偏梯形外螺纹的一端设有与油套管接箍上的弧面I和弧面II依次相对应的锥面和圆柱面及与负角度扭矩抬肩I相对应的负角度扭矩抬肩II，所述油套管接箍和油套管管端螺纹配合后，通过弧面I对锥面的一级密封结构、弧面II对圆柱面的二级密封结构及负角度扭矩抬肩I、II相配合的负角度扭矩抬肩密封结构的三级金属对金属过盈密封。

所述API偏梯形内螺纹的另一端设有变锥度API偏梯形内螺纹。所述变锥度API偏梯形内螺纹的锥度为1∶13.8～1∶15.1。

所述偏梯形外螺纹包括外螺纹牙顶、外螺纹牙底、外螺纹导向面及外螺纹承载面，其中外螺纹牙顶和外螺纹牙底通过导向面依次首尾相连，所述外螺纹牙顶与油套管轴线平行，所述外螺纹牙底的结构与API偏梯形螺纹相同，所述外螺纹承载面与油套管轴线的法线夹角为0°～3°。所述偏梯形外螺纹和API偏梯形内螺纹的锥度均为1∶16。

所述弧面I对锥面的一级密封结构中，弧面I的半径为2.3～7.7mm，锥面的锥度为1∶6～1∶9。所述弧面II对圆柱面的二级密封结构中，弧面II的半径为18.8～37.8mm。所述负角度扭矩抬肩I、II的负角均为7.5°～11.5°。

本发明的优点及有益效果是：

1.本发明通过合理的弧面对锥面一级密封结构，弧面对柱面二级密封结构和负角度扭矩台肩密封结构的三级金属对金属过盈密封设计，使螺纹接头三级密封部位过盈接触压力都低于材料屈服强度的80％，降低了上扣过程对密封面造成损伤的可能性，同时使接头仍具有较高的密封可靠性，当钛合金管体受拉伸载荷和内压载荷时螺纹接头的密封性能不受影响。

2.本发明由于采用了改进的偏梯形螺纹牙型设计，保证螺纹牙型上有合理的应力分配，有效防止应力集中。

3.本发明在油套管接箍的端部设有一段API偏梯形内螺纹采用了变锥度设计，减小了接箍螺纹大端的解除压力和应力集中。

4.本发明可以有效的防止钛合金油套管粘扣发生，螺纹结构具有优良的抗粘扣性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的局部放大图；

图3为本发明中改进的偏梯形外螺纹牙型结构示意图；

图4为本发明螺纹接头上扣连接后的过盈密封示意图；

图5为图4中的局部放大图；

其中：1为油套管接箍，2为油套管管端，3为API偏梯形内螺纹，4为改进的偏梯形外螺纹，5为变锥度API偏梯形内螺纹，6为负角度扭矩台肩密封结构，7为二级密封结构，8为一级密封结构，9为外螺纹牙顶，10为外螺纹承载面，11为外螺纹导向面，12为外螺纹牙底，13为退刀槽，14为弧面I，15为弧面II，16为负扭矩台肩I，17为锥面，18为圆柱面，19为负角度扭矩抬肩II。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

如图1～5所示，本发明包括油套管接箍1和油套管管端2，其中油套管接箍1上设有标准的API偏梯形内螺纹3，油套管管端2上设有与油套管接箍1上的API偏梯形内螺纹3相配合的偏梯形外螺纹4。油套管接箍1上API偏梯形内螺纹3的一端(小端)设有退刀槽13，用于加工螺纹时螺纹梳刀退刀，同时在螺纹上扣后起储存多余螺纹脂，降低螺纹脂压力对接头密封性能的负面影响。退刀槽13通过倒角过渡依次与弧面I14和弧面II15连接，弧面II15通过倒角过渡与负角度扭矩抬肩I16连接。油套管管端2上的偏梯形外螺纹4的一端设有与油套管接箍1上的弧面I14和弧面II15依次相对应的锥面17和圆柱面18及与负角度扭矩抬肩I16相对应的负角度扭矩抬肩II19。油套管接箍1和油套管管端2螺纹配合后，通过弧面I14对锥面17的一级密封结构8、弧面II15对圆柱面18的二级密封结构7及负角度扭矩抬肩I16和负角度扭矩抬肩II19相配合的负角度扭矩抬肩密封结构6的三级金属对金属过盈密封。弧面I14对锥面17的一级密封结构8，弧面I14的半径为2.3～7.7mm，锥面17的锥度为1∶6～1∶9，这是一对金属对金属密封结构，保证上扣后接头气密封性能。在弧面I14对锥面17的一级密封结构8后面相连的弧面II15对圆柱面18的二级密封结构7，弧面II15的半径为18.8～37.8mm，弧面II15对圆柱面18的二级密封结构7在螺纹上扣后具有金属对金属密封结构，在螺纹接头承受拉伸载荷和内压载荷时，依然具有较高的气密封性能，且当钛合金管体受拉伸载荷和内压载荷时螺纹接头的密封性能不受影响；与弧面II15对圆柱面18的二级密封结构7通过一个过渡倒角连接的负角度扭矩台肩密封结构6，用于控制上扣位置的，同时具有辅助三级密封作用。负角度扭矩台肩I16和负角度扭矩台肩II19的负角均为7.5°～11.5°，所述负角是指抬肩从竖直面沿顺时针方向旋转的角度，合理的负角度设计使负角度扭矩台肩密封结构6在一定拉伸载荷作用下仍可保持辅助密封效果。

油套管管端2上的偏梯形外螺纹4和油套管接箍1上的API偏梯形内螺纹3的锥度均与API偏梯形螺纹相同，锥度均为1∶16。在油套管接箍1的另一端(大端)部设有一段变锥度API偏梯形内螺纹5，锥度为1∶13.8～1∶15.1，通过变锥度设计使内螺纹大端(变锥度API偏梯形内螺纹5)减小了应力集中，可以有效的防止粘扣发生。

API偏梯形螺纹为现有技术，偏梯形外螺纹4包括外螺纹牙顶9、外螺纹牙底12、外螺纹导向面11及外螺纹承载面10，其中外螺纹牙顶9和外螺纹牙底12通过导向面11依次首尾相连，外螺纹牙顶9与油套管的中轴线平行，外螺纹牙底12的结构与标准API偏梯形螺纹相同。外螺纹承载面10与油套管轴线的法线夹角为0～3°，采用了优化的承载面角度，如图3所示。外螺纹的承载面10与外螺纹的牙顶9之间、外螺纹的牙顶9与外螺纹的导向面11之间的倒角尺寸经过重新设计，以保证螺纹牙上有合理的盈力分配，有效防止应力集中而粘扣。

根据具体工况的要求，选用不同规格的钛合金油套管。采用数控机床加工，加工时，首先加工内外螺纹的一级和二级密封结构，然后加工扭矩台肩密封结构，最后再加工螺纹结构。

实施例一：加工外径Φ88.9mm油套管接头

采用同钢级油套管接箍1与油套管体，内螺纹镀铜10um厚，外螺纹表面喷丸硬化。上扣时两端均匀涂抹API螺纹脂，夹持油套管接箍1，工厂端采用最大扭矩上扣，现场端采用最佳扭矩上扣。

加工参数：

加工后的外径Φ88.9mm油套管螺纹接头经试验验证，9次上卸扣无粘扣现象发生，在轴向载荷890KN，内压载荷80MPa时无气体泄漏发生，满足结构完整性、密封完整性要求。

实施例二：加工外径Φ117.8mm油套管接头

采用同钢级油套管接箍1与油套管体，内螺纹镀铜15um厚，外螺纹表面喷丸硬化。上扣时两端均匀涂抹API螺纹脂，夹持油套管接箍1，工厂端采用最大扭矩上扣，现场端采用最佳扭矩上扣。

加工参数：

加工后的外径Φ177.8mm钛合金油套管接头经试验验证，3次上卸扣无粘扣现象发生，在轴向载荷1100KN，内压载荷65MPa时无气体泄漏发生，满足结构完整性、密封完整性要求。

Claims (7)

1.一种抗粘扣三级端面金属密封钛合金管螺纹接头，其特征在于：包括油套管接箍(1)和油套管管端(2)，其中油套管接箍(1)上设有API偏梯形内螺纹(3)，所述油套管管端(2)上设有与油套管接箍(1)上的API偏梯形内螺纹(3)相配合的偏梯形外螺纹(4)；所述油套管接箍(1)上API偏梯形内螺纹(3)的一端设有退刀槽(13)，该退刀槽(13)通过倒角过渡依次与弧面Ⅰ(14)和弧面Ⅱ(15)连接，所述弧面Ⅱ(15)通过倒角过渡与负角度扭矩抬肩Ⅰ(16)连接；所述油套管管端(2)上的偏梯形外螺纹(4)的一端设有与油套管接箍(1)上的弧面Ⅰ(14)和弧面Ⅱ(15)依次相对应的锥面(17)和圆柱面(18)及与负角度扭矩抬肩Ⅰ(16)相对应的负角度扭矩抬肩Ⅱ(19)，所述油套管接箍(1)和油套管管端(2)螺纹配合后，通过弧面Ⅰ(14)对锥面(17)的一级密封结构(8)、弧面Ⅱ(15)对圆柱面(18)的二级密封结构(7)及负角度扭矩抬肩Ⅰ、Ⅱ(16、19)相配合的负角度扭矩抬肩密封结构(6)的三级金属对金属过盈密封；所述API偏梯形内螺纹(3)的另一端设有变锥度API偏梯形内螺纹(5)。

2.按权利要求1所述的抗粘扣三级端面金属密封钛合金管螺纹接头，其特征在于：所述变锥度API偏梯形内螺纹(5)的锥度为1:13.8～1:15.1。

3.按权利要求1所述的抗粘扣三级端面金属密封钛合金管螺纹接头，其特征在于：所述偏梯形外螺纹(4)包括外螺纹牙顶(9)、外螺纹牙底(12)、外螺纹导向面(11)及外螺纹承载面(10)，其中外螺纹牙顶(9)和外螺纹牙底(12)通过导向面(11)依次首尾相连，所述外螺纹牙顶(9)与油套管轴线平行，所述外螺纹牙底(12)的结构与API偏梯形螺纹相同，所述外螺纹承载面(10)与油套管轴线的法线夹角为0°～3°。

4.按权利要求1所述的抗粘扣三级端面金属密封钛合金管螺纹接头，其特征在于：所述偏梯形外螺纹(4)和API偏梯形内螺纹(3)的锥度均为1:16。

5.按权利要求1所述的抗粘扣三级端面金属密封钛合金管螺纹接头，其特征在于：所述弧面Ⅰ(14)对锥面(17)的一级密封结构(8)中，弧面Ⅰ(14)的半径为2.3～7.7mm，锥面(17)的锥度为1:6～1:9。

6.按权利要求1所述的抗粘扣三级端面金属密封钛合金管螺纹接头，其特征在于：所述弧面Ⅱ(15)对圆柱面(18)的二级密封结构(7)中，弧面Ⅱ(15)的半径为18.8～37.8mm。

7.按权利要求1所述的抗粘扣三级端面金属密封钛合金管螺纹接头，其特征在于：所述负角度扭矩抬肩Ⅰ、Ⅱ(16、19)的负角均为7.5°～11.5°。