CN104775761A - 极厚壁油井管用螺纹接头 - Google Patents

极厚壁油井管用螺纹接头 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种极厚壁油井管用螺纹接头，在除了高压缩力以外还作用有高外压的状况下能够兼顾密封性确保和磨损发生防止。使成为密封部(13、11)的销(3)侧的面、盒(1)侧的面分别为凸曲面、锥面，在销(3)中，使销密封厚度ts为15mm以下，使形状参数ts/D(D为销原管部的外径)为0.045以上，使完整螺纹长度比L/t(L为销完整螺纹长度，t为销原管部的壁厚)为4.0以下。

Description

极厚壁油井管用螺纹接头
技术领域
本发明涉及极厚壁油井管用螺纹接头(threaded joint forheavy-walled oil country tubular goods)，详细来说，涉及在如下的管的连接中优选使用的耐久性(durability)优良的极厚壁油井管用螺纹接头：一般在油井(oil well)和气井(gas well)的探查和生产中使用的包括管体(tubing)和壳体(casing)的OCTG(oil country tubular goods：石油专用管材)、立管(riser pipe)、以及线管(line pipe)等钢管。另外，耐久性指的是，在除了高的压缩力(compressing force)例如管的管轴方向的屈服载荷(yield load)(屈服应力×未加工部的截面积)的80％以上的压缩力以外、还作用有高的外压例如API坍塌压力(API5C3记载的APICollapse Pressure)的80％以上相当的外压的状况下，能够不发生磨损(galling)地维持充分的密封性(seal ability against external pressure)的性能。
背景技术
管用螺纹接头广泛应用于在油井管等产油产业(oil industry)的设备(petroleum installation)中使用的钢管的连接。在用于油和气体的探查和生产中的钢管的连接中，通常使用以往API(美国石油协会(American Petroleum Institute))标准规定的标准的螺纹接头。
另外，近些年，原油(crude oil)和天然气(natural gas)的井不断深井化(deep well)，相对于垂直井(vertical well)，水平井(horizontal well)和倾斜井(directional well)等增多，因此挖掘和生产环境严酷化。而且，由于在海洋和极地(polar region)等恶劣的环境(appalling circumstance)下的井的开发增加等，对耐压缩性能(compression resistance)、耐弯曲性能(bending resistance)、外压密封性能(seal ability against externalpressure)(耐外压性能(external pressure resistance)等，对螺纹接头的要求性能变得多样化。由此，使用称为高级接头(premium joint)的高性能的特殊螺纹接头(special threaded joint)的情况增加，对其性能的要求也不断增加。
通常，高级接头为，各自具备锥螺纹(tapered thread)、金属接触密封部(metal to metal seal)(以下，称为密封部(seal portion))以及扭矩肩部(torque shoulder)(以下，称为肩部(shoulder))，将形成于管端部的外螺纹部件(externally-threaded member)(以下，称为销(pin))和连结该销彼此的内螺纹部件(internally-threaded member)(以下，称为盒(box))结合而成的联轴器形式(coupling-type)的接头。锥螺纹对于管接头稳固地固定是重要的，密封部负担着通过盒与销在该部分发生金属接触来确保密封性的作用，肩部成为在接头的紧固中负担止动件(abutment)的作用的肩面(shoulder face)。
图3(a)～图3(c)是油井管用高级接头的示意性说明图，这些是圆管的螺纹接头的纵剖视图。螺纹接头具备销3和与销3嵌合的盒1。销3在其外面具有外螺纹部7和在销3的前端侧与外螺纹部7相邻设置的没有螺纹的长度部分即鼻部(nose)(也称为销鼻(pin nose)))8。鼻部8在其外周面具有密封部13，在其端面具有肩部14。与销3嵌合的盒1在其内面具有分别与销3的外螺纹部7、密封部13和肩部14螺纹连接或者接触的部分、即内螺纹部5、密封部11以及肩部12。在此，图3(a)中的单点划线为管轴。
在图3的现有例中，密封部11、13是位于鼻部8的前端部的所谓销前端密封型，能够通过施加适当的紧固转矩(makeup torque)来实现预期的密封性能。然而，在图3的现有例中，紧固转矩受润滑条件(lubrication condition)以及表面性状(surface quality)等影响。因此，作为受这些条件影响不大的设计，存在着将密封接触压力的半径方向成分相对加强了的半径方向密封方式(也称为径向密封型(radial sealtype))。径向密封型的密封部11、13一般位于鼻部8的管轴方向中间部。
另外，伴随于上述的井的高深度化，为了应对高温高压环境，而使用高耐腐蚀性、高强度且极厚壁的油井管的情况增加。
在这样的趋势下，作为对在维持螺纹接头自身的气密性能(gastight)的同时，在大的压缩载荷(compressive load)下也具有高的耐磨损能力和密封性能的螺纹接头的要求所对应的现有技术，已知有使盒侧的肩部的抵接面的截面积(将所述抵接面正投影到管轴正交面的区域的面积)相对于销原管截面积(对钢管端部进行销加工后的钢管的销未加工部的截面积)的比为规定值(0.5)以上的手段(参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4257707号公报(日本特表2005-526936号公报)
发明内容
然而，特别地，在由形成销的原钢管的壁厚(对钢管端部进行销加工后的钢管的未加工部的壁厚)为18mm以上的销和连结该销彼此的盒构成的螺纹接头中，要求非常高的轴向压缩力和外压的复合载荷下的密封性确保，因此需要在密封部的高接触面压力。另一方面，接触面压力(contact pressure)过高的话，存在着发生与紧固松脱(Make&Break)时的滑动相伴的磨损，需要接触面压力取得密封性确保和磨损发生防止这两者的平衡的设计。
然而，在上述现有技术中，仅假定了高压缩力下的性能确保，并未考虑到在除了高压缩力以外还作用有高外压的状况下兼顾密封性确保和磨损发生防止。通过上述现有技术，仅使盒侧的肩部抵接面的截面积相对于销原管截面积的比为规定值(0.5)以上的话，无法在除了高压缩力以外还作用有高外压的状况下兼顾密封性确保和磨损发生防止。
因此，本发明鉴于上述现有技术的难点，要解决的课题在于，提供一种在除了高压缩力以外还作用有高外压的状况下能够兼顾密封性确保和磨损发生防止的极厚壁油井管用螺纹接头。
本发明者们为了解决上述课题而专研，结果完成了以下的主要结构的本发明。
[1]一种极厚壁油井管用螺纹接头，其具有：销，具有对壁厚18mm以上的原钢管的管端部进行锥螺纹加工而成的外螺纹部、从该外螺纹部向管端侧延伸的无螺纹部即鼻部、及设于该鼻部的前端的肩部；以及盒，具有与所述外螺纹部螺纹结合的内螺纹部、与所述销的鼻部外周面相对的密封孔内周面(inner periphery of seal portion of box)、及与所述销的肩部抵接的肩部，通过所述螺纹结合而将所述销与所述盒结合，所述鼻部外周面与所述密封孔内周面在管半径方向发生金属接触，其接触部构成对流体进行密封的密封部，所述极厚壁油井管用螺纹接头的特征在于，成为所述密封部的销侧的面、盒侧的面分别为凸曲面(convex curve)、锥面，包括下述定义的密封点(seal point)的管半径方向剖面内的鼻部的厚度即销密封厚度(seal thickness of pin)ts为15mm以下，所述销密封厚度ts除以销原管部的外径D而得到的形状参数ts/D为0.045以上，所述外螺纹部的完整螺纹部的管轴方向长度即销完整螺纹长度L相对于销原管部的壁厚t的比即完整螺纹长度比L/t为4.0以下，密封点是如下部位的鼻部外周点：将销和盒两者的相同尺度的图以肩部彼此一致的方式重叠而形成的重叠部分中管半径方向长度达到最大的部位。
[2]根据所述[1]记载的极厚壁油井管用螺纹接头，其特征在于，所述形状参数ts/D为0.060以上。
[3]根据所述[1]或[2]记载的极厚壁油井管用螺纹接头，其特征在于，所述销密封厚度ts为12mm以下。
发明效果
根据本发明，实现了一种在除了高压缩力以外还作用有高外压的状况下能够兼顾密封性确保和磨损发生防止的极厚壁油井管用螺纹接头。
附图说明
图1是示出本发明涉及的螺纹接头的设计用各要素的管轴方向剖面的概要图。
图2是示出密封点P以及销密封厚度ts的定义的管轴方向剖面的概要图。
图3是示出现有的管用螺纹接头的一例的管轴方向剖面的概要图。
具体实施方式
参照图1和图2说明本发明的实施方式。
本发明的螺纹接头具有销3和盒1。销3具有对壁厚18mm以上的原钢管的管端部进行锥螺纹加工而成的外螺纹部7、相对于该外螺纹部7向管端侧延伸的无螺纹部即鼻部8和设置在该鼻部8的前端的肩部14。盒1具有与所述外螺纹部7螺纹结合的内螺纹部5(当然是锥螺纹)、与所述销3的鼻部外周面相对的密封孔内周面16和与所述销3的肩部14抵接的肩部12。本发明的前提为一种极厚壁油井管用螺纹接头(参照图1)，通过所述螺纹结合，所述销3与所述盒1结合，所述鼻部外周面17与所述密封孔内周面16在管半径方向发生金属接触，该接触部成为密封流体的密封部(盒1的密封部11、销3的密封部13)。
在本发明中，在上述前提下，出于确保充分的密封性，且提高耐磨损性(galling resistance)，而且使切削加工(cutting work)容易的观点，使在销3成为密封部13的部位的鼻部外周面17为凸曲面，使在盒1成为密封部11的部位的密封孔内周面16成为锥面。所述凸曲面为，在管轴方向剖面内成为曲线，使连接该曲线区域的管轴方向两端的线段位于销体内，形成该曲线区域内的任一点均越靠管端越接近管轴的曲面。所述曲线可以构成为多个线段以具有共通连线的方式连接的结构，也可以是将曲线之间以直线连接。而且，所述锥面为，在管轴方向剖面内成为直线，且该直线内的任一点均越靠肩部12越接近管轴的锥面。
并且，在本发明中，包括密封点SP的管径方向剖面21内的鼻部8的厚度即销密封厚度ts(参照图2)为15mm以下。而且，优选ts为1mm以上，更优选为3mm以上，进而优选为5mm以上。在此，如图2所示，密封点SP指的是，将销3和盒1两者的相同尺度的图以肩部14、12彼此一致的方式重合得到的重叠部分中管半径方向长度达到最大的部位的鼻部8外周点。
而且，在本发明中，使所述销密封厚度ts除以销原管部10的外径D(参照图1)的形状参数ts/D为0.045以上。而且，优选ts/D的上限值为0.30。
而且，在本发明中，使所述外螺纹部7的完整螺纹长度L(参照图1)与销原管部的壁厚t(参照图1)的比即完整螺纹长度比L/t为4.0以下。
本发明者们在对得到具有优良的密封性和耐磨损性的极厚壁油井管用螺纹接头的方式进行各种研究的结果是得到了以下的见解，并基于该见解形成上述的本发明。
所述研究的方法为，对于各种尺寸和形状的螺纹接头，在各种各样的载荷负载条件下，进行基于FEA(有限元分析：Finite Element Analy sis)的数值计算得到的应力-形变状态的评价。
所述研究的结果是，得到的见解如下所述。
(a)密封点SP的接触面压力能够由形状参数(shape parameter)ts/D整理。根据该整理的结果，高外压下的密封性确保所需的接触面压力在形状参数ts/D不为0.045以上时无法达成。另外，为了即使作为外压施加与API坍塌压力的100％相当的外压也能够确保密封性，优选形状参数ts/D为0.060以上。而且，优选ts/D的上限值为0.30。
(b)滑动能量(sliding energy)能够以形状参数ts/D乘以与滑动距离(sliding distance)关系紧密的销原管部10的外径D得到的参数即密封部厚度ts整理。根据该整理的结果，为了将滑动能量限制在能够确保耐磨损性的范围内，需要使销密封厚度ts为15mm以下。
另外，为了得到进一步改善耐磨损性，例如即使不采用维氏硬度(Vickers hardness)310以上的硬质镀层(hard plating)也能够防止磨损发生的效果，优选使销密封厚度ts为12mm以下。而且，优选ts为1mm以上，更优选为3mm以上，进而优选为5mm以上。
(c)销完整螺纹长度(complete thread length of pin)L(参照图1)长度超过必要的话，不仅加工成本和原料成本升高，而且担心发生与螺纹导程(thread lead)(螺纹每旋转一周的前进距离)和螺纹锥度(threadtaper)(螺纹导程的单位距离的螺纹直径的减少量)的偏差导致的局部的异常接触(abnormal contingence)相伴的磨损。为了防止该磨损的发生，可以使销完整螺纹长度L为销原管部的壁厚t(参照图1)的4.0倍以下(完整螺纹长度比L/t≤4.0)。
另一方面，为了防止拉伸负载时比管主体(销原管部10)前端的螺纹部过大而塑性变形(plastic deformation)并断裂(断开(jump out))，优选的是，相对于螺纹接头拉伸强度是管主体的拉伸强度的100％的螺纹接头，销完整螺纹长度L为剪断系数(shear factor)√3以上的值即销原管部10的壁厚t的1.8倍以上(销完整螺纹长度比L/t≧1.8)。另外，在螺纹接头拉伸强度为管主体的拉伸强度的M％(M<100)的情况下，使销完整螺纹长度比L/t≥1.8×M即可。
在销密封厚度ts确定后，求得密封点SP的位置处的销外径。在各种螺纹接头的设计中，密封点SP与外螺纹部7的销管端侧的最终完整螺纹牙的相对位置另行确定。因此，通过所述另行确定的最终完整螺纹牙部位25(参照图1)的销外径与销原管部10的外径D的差(图1所示的最终完整螺纹牙部位25的销原管外周面位置19到外螺纹部7的螺纹锥基线20为止的管径方向距离Δr的2倍)能够求得销完整螺纹部(销完整螺纹长度L的区域)的管径方向的螺纹切削量。在如此求得的螺纹切削量中，通过以使销完整螺纹长度L收敛在本发明限定的范围内的方式选定螺纹锥度(设图1的外螺纹部7的螺纹锥度基线20与管轴30的锐角交叉角为θ的话，螺纹锥度＝2×tanθ)，从而实现了一种在除了高压缩力以外还作用有高外压的状况下能够兼顾密封性确保和磨损发生防止的极厚壁油井管用螺纹接头。
实施例
作为API标准的Q125碳素钢(降服压力130ksi＝896MPa)的钢管用螺纹接头，在图1所示的形态下，设计制作了由具有表1所示各标准的元素的销和与其对应(嵌合)的盒构成的螺纹结构。另外，使成为密封部的销侧的面为凸曲面，使盒侧的面为锥面。通过改变螺纹锥度能够使螺纹长度取得任意的值。
对于这些螺纹接头的样本，在销的外螺纹部以及鼻部的外周面，对硬质镀层(Hv310以上的Cu-Sn合金镀层(alloy plating))以及比其耐磨损性差的磷酸锰皮膜(manganese phosphate film)，对于不同的水准均分别以相同处理条件应用。此后，进行下述试验T1的耐磨损性试验，调查有无磨损发生(有为不合格，无为合格)，对于没有磨损发生的样本(sample)，继续进行下述试验2的密封性试验(seal test)，调查有无泄漏(Leakage)的产生(有为不合格，无为合格)。
[试验T1]重复两次在以高转矩(最大转矩的0.95倍以上的转矩)紧固(Make-up)后松缓(Break-out)的紧固松缓(Make&Break)。
[试验T2]相对于以低转矩(最低转矩的1.05倍以下的转矩)紧固的样本，作为ISO13679规定的复合载荷条件(Load Envelope)，负载80％外压(API坍塌压力的80％相当的外压)或者100％外压(坍塌压力的100的外压)。
将所述试验的结果在表1中示出。另外，在表1中，“磷酸锰皮膜也合格”指的是不仅硬质镀层合格，而且磷酸锰皮膜也合格，“硬质镀层合格”指的是磷酸锰皮膜不合格(在密封部有磨损发生)而硬质镀层是合格的，“100％外压下也合格“指的是不仅80％外压下合格而且100％外压下也合格，”80％外压下合格”指的是100％外压不合格(有泄漏发生)而80％外压下合格。
根据表1，本发明例(标准1～7)为，销密封厚度ts为15mm以下，且形状参数ts/D为0.045以上，且完整螺纹长度比L/t为4.0以下，均在硬质镀层下耐磨损性试验合格，在80％外压下的密封性试验也合格。
而且，本发明例(标准1～7)中，销密封厚度ts为12mm以下的例子(标准1、2、4、5)为，在磷酸锰皮膜下耐磨损性试验也合格。而且，本发明例(标准1～7)中，形状参数ts/D为0.060以上的例子(标准2、3、4)为，在100％外压下密封性试验也合格。
另一方面，销密封厚度ts超过15mm的比较例(标准8)为，耐磨损性试验不合格(在密封部具有磨损发生)。而且，完整螺纹长度比L/t超过4.0的比较例(标准9)为，耐磨损性试验不合格(在螺纹部有磨损发生)。而且，形状参数ts/D小于0.045的比较例(水平10)在80％外压下的密封性试验不合格(有泄漏发生)。
如上所述，根据本发明，实现了一种在除了高压缩力以外还作用有高外压的状况下能够兼顾密封性确保和磨损发生防止的极厚壁油井管用螺纹接头。
标号说明
1：盒；
3：销；
5：内螺纹部；
7：外螺纹部；
8：鼻部；
10：销原管部；
11：盒的密封部；
12：盒的肩部；
13：销的密封部；
14：销的肩部；
15：拉伸应力和形变最大的部位；
16：密封孔内周面；
17：鼻部外周面；
19：销原管外周面位置；
20：外螺纹部的螺纹锥度基线；
21：包括密封点的管径方向剖面；
25：最终完整螺纹牙部位；
30：管轴；
D：销原管部的外径；
L：销完整螺纹长度；
SP：密封点；
t：销原管部的壁厚；
ts：销密封厚度。

Claims (3)

1.一种极厚壁油井管用螺纹接头，其具有：
销，具有对壁厚18mm以上的原钢管的管端部进行锥螺纹加工而成的外螺纹部、从该外螺纹部向管端侧延伸的无螺纹部即鼻部、及设于该鼻部的前端的肩部；以及
盒，具有与所述外螺纹部螺纹结合的内螺纹部、与所述销的鼻部外周面相对的密封孔内周面、及与所述销的肩部抵接的肩部，
通过所述螺纹结合而将所述销与所述盒结合，所述鼻部外周面与所述密封孔内周面在管半径方向发生金属接触，其接触部构成对流体进行密封的密封部，
所述极厚壁油井管用螺纹接头的特征在于，
成为所述密封部的销侧的面、盒侧的面分别为凸曲面、锥面，
包括下述定义的密封点的管半径方向剖面内的鼻部的厚度即销密封厚度ts为15mm以下，
所述销密封厚度ts除以销原管部的外径D而得到的形状参数ts/D为0.045以上，
所述外螺纹部的完整螺纹部的管轴方向长度即销完整螺纹长度L相对于销原管部的壁厚t的比即完整螺纹长度比L/t为4.0以下，
密封点是如下部位的鼻部外周点：将销和盒两者的相同尺度的图以肩部彼此一致的方式重叠而形成的重叠部分中管半径方向长度达到最大的部位。
2.根据权利要求1所述的极厚壁油井管用螺纹接头，其特征在于，
所述形状参数ts/D为0.060以上。
3.根据权利要求1或2所述的极厚壁油井管用螺纹接头，其特征在于，
所述销密封厚度ts为12mm以下。
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