CN105143593A - 具有连接器的金属管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种管元件，该管元件具有金属管(1)和至少一个金属连接器(5)，该金属连接器固定在金属管(1)的一端，使得可以在金属管(1)和金属连接器(5)之间传递扭矩和轴向力，其中，金属连接器(5)具有尤其是圆锥形螺纹(11)或法兰，通过圆锥形螺纹(11)或法兰能将金属连接器(5)与另一个管元件的另一个金属连接器螺纹连接，以便连接两个管元件，其中，金属连接器(5)与内套筒(3)通过圆柱形螺纹(7，9)螺纹连接成，使得金属管(1)在圆锥形地朝管端部变尖的连接区域(1.1)中面状地夹在外侧上的金属连接器(5)与内侧上的所述内套筒(3)之间。

Description

具有连接器的金属管
本发明涉及一种管元件，该管元件具有金属管和至少一个金属连接器，该金属连接器固定在金属管的一个端部上，使得可以在金属管和金属连接器之间传递扭矩和轴向力，其中，金属连接器具有尤其是圆锥形的螺纹或法兰，通过所述螺纹或法兰可以将金属连接器与另一个管元件的另一个金属连接器螺纹连接，以便连接两个管元件。例如使用这种管元件，以便由其组装更长的钻杆，如它在石油钻孔中所需。此外，本发明涉及一种用于制造这种管元件的方法。
在现有技术中，金属管与金属连接器通过摩擦焊连接，如它例如在WO98/13574A1中所示。这种连接方式的缺点是，通过在连接区域内的焊接引起金属管和金属连接器中的结构变化，该结构变化不利地影响所使用的高合金钢的强度特性。因此，在焊接之后需要特殊的热处理，这使得制造耗费大并且昂贵。
本发明所要解决的技术问题是，改进这种管元件，该管元件具有在金属管和金属连接器之间的更简单安装的并且更可靠的连接装置。
该技术问题对于管元件来说按本发明解决的方式是，金属连接器与内套筒通过圆柱形螺纹螺纹连接，使得在设计成圆锥形地朝管端部变尖的连接区域内，将金属管面状地夹紧在外侧上的金属连接器与内侧上的内套筒之间。通过金属连接器在金属管上摩擦配合式的固定，不再需要进行再处理。通过圆锥形连接区域的坡度和长度可以确定夹紧力并且适应于各种要求。圆锥形朝管端部变尖理解为，直径在连接区域内向外朝圆柱形螺纹减小。由此可以制造连接装置，通过该连接装置可以传递较大的力矩和较高的轴向力。因此用于钻杆的管元件也是可行的，如它应用在石油钻孔中。在管元件用于钻杆时，优选金属连接器可以设计具有用于连接两个管元件的圆锥形的螺纹、尤其是在石油工业中常用的API螺纹。本发明的另一个优点是，金属连接器和金属管之间的连接装置被设计为由于螺纹连接可重新松脱，从而在圆锥形的螺纹磨损时可以例如更换或修理金属连接器，而不必更换或输送整个管元件。这对于具有长至15m的长度的这种管元件是非常有利的。
同样也可以使用按本发明的管元件用于其他类型的管或管道或管形驱动轴。例如用于在海上输油(用于所谓的立管)中的管连接装置或作为钻孔的衬套(所谓的套管或衬垫)。在管形驱动轴的情况下，金属连接器优选配设有法兰用于与另一个管元件连接。
优选考虑钢作为用于金属连接器和金属管的材料。对于按本发明的管元件来说也可行的是，金属管和/或金属连接器由铝合金、钛、钛合金、灰铸铁或铸钢制成。
按本发明的改善连接装置的可靠性和可安装性以及管元件的可应用性的实施方式的其他有利的特征出现在各从属权利要求中。
作为第一金属连接器的补充，在对置的管端部上可以存在第二金属连接器，该第二金属连接器如同权利要求1中描述一样与金属管连接，尤其是如同第一金属连接器那样连接。由这种具有两个金属连接器的管元件可以组装更长的钻杆或另外的管道。一个金属连接器优选具有圆锥形的内螺纹，并且第二金属连接器具有圆锥形的外螺纹。因此获得真正结构相同的管元件，这简化了应用。备选地，也可以分别设计一个具有两个配备了圆锥形内螺纹的金属连接器的管元件和一个具有两个配备了圆锥形外螺纹的金属连接器的管元件，所述管元件始终交替地组装。
为了实现特别牢固的连接，有利的是，金属连接器设计为，使得它在内侧具有圆锥形连接区域，该圆锥形连接区域与金属管的连接区域的外侧接触，并且相对于管的轴线具有在0.1°到30°之间、优选0.5°到5°之间的圆锥体的螺旋角。通过该螺旋角获得足够长的连接区域，以确保在夹持区域内良好的挤压。
此外，会有利的是，内套筒在外侧上具有圆锥形连接区域，该圆锥形连接区域与金属管的连接区域接触，并且相对于管的轴线具有在0.1°到30°之间、优选0.5°到5°之间的圆锥的螺旋角。
为了实现与金属管良好的连接，在内套筒的连接区域(3.1)的外侧上的粗糙度和/或在金属管的连接区域(1.1)的内侧上的粗糙度应当足够高。
在金属管的壁厚在连接区域内沿轴向方向保持基本上恒定时，获得特别可靠的连接和简化的制造可能性。也就是说，在内套筒上的圆锥形区域的螺旋角和在连接区域内的金属连接器上的圆锥形区域仰角相同，这导致特别好的夹紧。金属管的壁厚在连接区域内优选为3mm到20mm之间、特别优选在5mm到12mm之间，以便能承受负载。
当金属管尤其在未被金属连接器或另一个金属连接器覆盖的整个区域内被由纤维加强的塑料纤维增强塑料构成的料层包围时，可以明显提高抗内压的强度以及耐磨损强度。作为纤维增强塑料可以尤其考虑CFK(碳纤维增强塑料)。该料层可以例如通过对金属管一层或多层的缠绕和之后的硬化而制成。为了实现足够好的效果，该料层的厚度应当优选为2mm到8mm之间。
在许多应用中，期望的是，可以通过管元件传递数据或能量或数据和能量。为此，可以存在电线，该电线从一个管端部延伸到另一个管端部并且与插头连接，该插头位于金属连接器的内部，并且在管元件通过螺纹或法兰与另一个管元件螺纹连接时，该插头适合与在另一个管元件中的另一个插头和电线建立电连接。也可以在管元件上存在多个电线和/或多个插头。当金属管被由纤维增强塑料构成的料层包围时，一根电线或多根电线可以位于金属管和该塑料层之间，使得它们不被损坏。插头可以尤其设计成环形。插头在此一般理解为一个适合建立电连接的部件，通过该部件可以传递数据或能量。在管元件之间的电连接可以通过插头与对应触头的物理接触而建立或通过插头与对应件的电磁耦合、即无线地进行。在此在管元件上也可以存在多根电线和/或多个插头。
若内套筒具有与圆柱形螺纹邻接的护罩，该护罩构造为，使得插头沿径向看完全地位于金属连接器和内套筒之间，则插头特别好地被保护不受来自管内部空间的因素影响，油或其他介质可以在管内部空间中流动。内套筒优选设计成，内套筒在与另一个管元件螺纹连接在一起之后将插头相对内部空间密封。
为了将电线在旋拧金属连接器时不受损地从金属管导引至插头，内套筒优选具有在圆柱形螺纹中的轴向槽或圆柱形螺纹下方的材料中的轴向的纵向孔，通过纵向孔，电线从金属管导引至插头。该槽更容易制造。纵向孔的优点是，螺纹由此不被中断并且不被削弱。当存在多根电线时，也可以提供多个分布在圆周上的槽或纵向孔。
还为了使电线不受损地导引通过连接区域，会有利的是，金属管在连接区域中具有轴向槽，该轴向槽设置在圆柱形螺纹内的轴向槽的延长部中或设置在内套筒的圆柱形螺纹下方的轴向的纵向孔的延长部中。
因为在一些应用中流体介质、例如油或钻孔液通过管元件流动，所以重要的是，将压力损失保持得很小。为此，有利的是，对应套筒的内表面具有沿轴向完全连续延伸的内型材而无边棱或台阶突变。该连续的类似喷嘴的走向导致在不同管元件的连接部位的区域内的流动优化的、具有很小压力损失的管元件。迄今已知的管元件的缺点是，它们在连接的区域内引起较大的压力损失。通过在金属连接器和管之间的按本发明类型的连接可以通过对应套筒产生流动优化的内型材。
对于按本发明的用于上述管元件的制造方法来说，本发明的技术问题解决的方式是，执行下面的步骤：
a)内套筒安装在金属管的目前还为圆柱形的管端部上，使得内套筒的设计为圆锥形的连接区域位于金属管中；
b)金属管在该管端部上变形、优选轧制，使得产生圆锥形地朝所述管端部变尖的连接区域，该连接区域与内套筒的圆锥形连接区域接触；
c)金属连接器通过圆柱形螺纹旋拧内套筒，使得金属管在连接区域内面状地夹紧在内套筒和金属连接器之间。
因此可以制造具有可靠的连接装置的管元件，该连接装置也可以传递更大的扭矩和轴向力的连接装置，而无需耗费的后处理。由于通过圆柱形螺纹与圆锥形连接区域相连所形成的摩擦接合式连接，可以建立还可以重新松脱的连接，这提供了上述优点。
也可以制造具有电线连接装置的管元件，方式是将电线从一个管端部到另一个管端部地安置在金属管的外侧上，使得将电线插入圆柱形螺纹的轴向槽中或穿过内套筒的圆柱形螺纹下方的材料中的轴向的纵向孔，以及插入金属管的连接区域内的与该纵向孔邻接的槽中，并且在实施步骤c)之前将电线连接到插头上。以相同的方式也可以安设多个电线和/或多个插头。通过槽或纵向孔保护电线在将金属连接器旋拧在内套筒上时不受损。
此外，金属管可以被由纤维增强塑料构成的料层卷绕、优选在未被金属连接器或另一个金属连接器覆盖的整个区域内卷绕。在卷绕之后，管可以例如在炉中经受简单的热处理，以硬化塑料层。优选为该料层使用CFK(碳纤维增强塑料)。在具有电线连接装置的管元件中，电线可以在卷绕之前安置到金属管上，从而电线稍后受到该料层保护。插头可以在硬化之后安装。
根据实施例并且参照附图阐述本发明其他的有利的特征。所述特征不仅可以以所述的组合有利地转化，而且还可以彼此单独地组合。
图1是现有技术中的连接点()，
图2是按本发明的具有电线的管元件的爆炸图
图3是按本发明的具有电线的管元件，
图4是内套筒的细节图。
下列详细描述附图。在图1中示出现有技术中的钻杆元件。金属管20在每个管端部处与金属连接器21a，21b通过摩擦焊连接。所述一个金属连接器21a具有圆锥形内螺纹22a，另一个金属连接器21b具有圆锥形外螺纹。由此可以组装成更长的钻杆。若圆锥形螺纹22a或22b磨损，钻杆元件则必须更换整个或为再加工而输出，因为金属连接器与金属管20不可分离地连接。
图2示出一个按本发明的管元件的实施例。金属管1设计成在连接区域1.1内圆锥形地朝管端部变尖并且在该区域内具有轴向槽10。在管端部的内部安装有内套筒3，该内套筒以其圆锥形连接区域3.1贴靠在金属管1的内壁上。内套筒3具有圆柱形螺纹7，该圆柱形螺纹7被轴向槽8中断。内套筒上的槽8和金属管的连接区域上的槽10彼此对准，从而使电线4可以嵌入。金属管被由纤维增强塑料、优选CFK构成的料层2卷覆。插头6与电线4连接，金属连接器5通过圆柱形螺纹9，7旋拧在内套筒3上。由此，金属管1在连接区域1.1内夹紧在内套筒的连接区域3.1和金属连接器的连接区域5.1之间。产生可传递扭矩和轴向力的连接装置。金属连接器5在其自由端部上具有圆锥形内螺纹11，通过该圆锥形内螺纹11可以将管元件与另一个管元件螺纹连接。
备选地，金属连接器也可以在榫上具有圆锥形外螺纹或其他的螺纹。金属连接器也可以具有法兰，通过法兰可以将金属连接器与另一个金属连接器螺纹连接。
在右侧显示一个被切断的图。管元件的另一个端部可以具有第二金属连接器，该第二金属连接器以相同的方式与金属管1连接。第二金属连接器在所示的实施形式中优选具有与第一金属连接器5匹配的圆锥形外螺纹。
所示的管元件特别适合用于钻杆，如它在石油工业中所使用。在这种钻杆中，圆柱形螺纹7，9的螺纹直径大多数处于80mm到180mm之间。特别优选的实施形式的钻杆在该直径区域内具有长度为50mm到150mm之间的圆柱形螺纹。与所述螺纹长度无关地，对于这种管元件，连接区域的轴向长度优选在150mm到250mm之间。
在图3中示出组装在一起的管元件的所述一个端部的放大图。金属管1在该连接区域1.1内夹在外侧的金属连接器5与内侧的内套筒3之间。连接区域尺寸设计得足够大，使得可以传递更大的扭矩和轴向力。电线4受保护地在由纤维增强塑料构成的料层2下方延伸。电缆在连接区域中位于槽10中并且在圆柱形螺纹7，9的区域内位于槽8中。该电线在端部处与插头6连接。插头完全位于内套筒3与金属连接器5之间并因此设计成，使得在螺纹连接两个管元件时建立一种用于数据和/或能量传递的电连接。
在图4中，仅可见内套筒3。清楚可见，在圆柱形螺纹7中的槽8。圆锥形连接区域3.1在该实施形式中向在内套筒3的更厚端部上的圆柱形区域3.2过渡。护罩3.3存在于更薄的端部上，此处设计成圆柱形区域，在该圆柱形区域安装插头6。
附图标记列表
1金属管
2复合包皮
3内套筒
3.1圆锥形连接区域
3.2厚端部处的圆柱形区域
3.3厚端部处的护罩
4电线
5金属连接器
5.1圆锥形连接区域
6插头
7内套筒上的圆柱形螺纹
8螺纹中的槽
9金属连接器中的圆柱形螺纹
10金属管中的槽
11圆锥形螺纹
12内套筒的内型材
20金属管
21a第一金属连接器
21b第二金属连接器
22a圆锥形内螺纹
22b圆锥形外螺纹

Claims (14)

1.一种管元件，所述管元件具有金属管(1)和至少一个金属连接器(5)，所述至少一个金属连接器(5)固定在所述金属管(1)的端部上，使得能在金属管(1)和金属连接器(5)之间传递扭矩，其中，所述金属连接器(5)具有尤其是圆锥形的螺纹(11)或法兰，通过所述螺纹或法兰能将所述金属连接器(5)与另一个管元件的另一个金属连接器螺纹连接，以便连接两个管元件，
其特征在于，
所述金属连接器(5)与内套筒(3)通过圆柱形螺纹(7，9)螺纹连接，使得所述金属管(1)在设计成朝所述管端部圆锥形地变尖的连接区域(1.1)内面状地夹在所述外侧的金属连接器(5)和所述内侧的内套筒(3)之间。
2.根据权利要求1所述的管元件，其特征在于，在对置的管端部上存在第二金属连接器，所述第二金属连接器如同权利要求1中所述一样、尤其是如同所述金属连接器(5)那样与所述金属管(1)连接。
3.根据前述权利要求之一所述的管元件，其特征在于，所述金属连接器(5)在内侧具有圆锥形连接区域(5.1)，所述圆锥形连接区域与金属管的连接区域(1.1)接触，并且所述圆锥相对所述管的轴线的螺旋角为0.1°到30°之间、优选0.5°到5°之间。
4.根据前述权利要求之一所述的管元件，其特征在于，所述内套筒(3)在所述外侧具有圆锥形连接区域(3.1)，所述圆锥形连接区域(3.1)与所述金属管的连接区域(1.1)接触，并且所述圆锥相对所述管的轴线的螺旋角在0.1°到30°之间、优选在0.5°到5°之间。
5.根据前述权利要求之一所述的管元件，其特征在于，所述金属管(1)的壁厚在所述连接区域(1.1)内沿轴向方向的基本上保持恒定并且优选为3mm到20mm之间、特别优选在5mm到12mm之间。
6.根据前述权利要求之一所述的管元件，其特征在于，所述金属管(1)尤其是在未被金属连接器(5)或另一个金属连接器覆盖的整个区域内被由纤维增强塑料制成的料层包围，其中，所述料层的厚度优选为2mm到8mm之间。
7.根据前述权利要求之一所述的管元件，其特征在于，存在电线(4)，所述电线从一个管端部延伸至另一个管端部并且与插头(6)连接，所述插头位于所述金属连接器(5)的内部，并且在所述管元件与所述另一个管元件通过所述螺纹(11)或所述法兰螺纹连接时，所述插头适合与在另一个管元件中的另一个插头或电线建立电连接。
8.根据权利要求7所述的管元件，其特征在于，所述内套筒(3)具有邻接在所述圆柱形螺纹(7)上的护罩(3.3)，所述护罩(3.3)构造为，使得所述插头(6)沿径向看完全地位于金属连接器(5)和内套筒(3)之间。
9.根据权利要求7或8所述的管元件，其特征在于，所述内套筒(3)具有在所述圆柱形螺纹(7)中的轴向槽(8)或具有在所述圆柱形螺纹(7)下方的材料中的轴向的纵向孔，所述电线(4)通过所述轴向槽或纵向孔从所述金属管(1)导引至所述插头(6)。
10.根据权利要求7至9之一所述的管元件，其特征在于，所述金属管(1)在所述连接区域(1.1)中具有轴向槽，所述轴向槽设置在所述圆柱形螺纹中的所述轴向槽(8)的延长部中或在所述内套筒(3)的所述圆柱形螺纹下方的所述轴向的纵向孔的延长部中。
11.根据权利要求7至10之一所述的管元件，其特征在于，所述内套筒(3)的所述内表面具有沿轴向完全连续延伸的内型材(12)而无边棱或台阶突变。
12.一种用于制造管元件的方法，所述管元件按前述权利要求之一构造，其特征在于，执行下面的步骤：
a)将所述内套筒(3)安装在所述金属管(1)的目前还为圆柱形的管端部中，使得所述内套筒的设计为圆锥形的连接区域(3.1)位于所述金属管(1)中；
b)使所述金属管(1)在所述管端部处变形、优选轧制，从而形成圆锥形地朝所述管端部变尖的连接区域(1.1)，所述连接区域(1.1)与所述内套筒的圆锥形连接区域(3.1)接触；
c)通过所述圆柱形螺纹(7，9)将所述金属连接器(5)旋拧在所述内套筒(3)上，使得所述金属管(1)在所述连接区域(1.1)内面状地夹在内套筒(3)和金属连接器(5)之间。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，将电线(4)从管端部到另一个管端部安置在所述金属管(1)的外侧上，使得所述电线(4)插入所述圆柱形螺纹(7)中的轴向槽(10)或穿过所述内套筒(3)的圆柱形螺纹(7)下方的材料中的轴向的纵向孔，并且插入所述金属管的连接区域(1.1)内的与所述纵向孔邻接的槽(10)中，并且在实施步骤c)之前，将所述电线(4)连接到插头(6)上。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述金属管(1)优选在未被所述金属连接器(5)或另一个金属连接器覆盖的整个区域内被由纤维增强塑料(2)构成的料层缠绕。
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