CN107407447B - 用于诸如石油管道和气体管道之类管道的螺纹连接件 - Google Patents

Abstract

一种螺纹连接件，包括具有销(20)的第一管(10)，该销具有销螺纹(22)、周向的凹形外销表面以及自由端部(26)处的销扭矩台肩，凹形外销表面包括销密封表面(24)以及从销密封表面(24)到销扭矩台肩(26)的连续延伸部。第二管(100)具有管套(120)，该管套具有用于与销螺纹相互作用的管套螺纹(122)、周向的内管套表面以及管套扭矩台肩(126)。内管套表面具有径向向内延伸的管套密封表面(124)，销密封表面(24)接触管套密封表面(124)以限定密封部。密封部在销扭矩台肩与管套扭矩台肩接触时与自由端部间隔开，连续延伸部从密封部延续到销扭矩台肩。还提供了一种用于组装螺纹连接件的方法。

Description

用于诸如石油管道和气体管道之类管道的螺纹连接件

技术领域

本发明涉及螺纹管道和用于比如在石油工业和天然气工业中使用的这种管道的连接器。例如，管道可以具有带有销的端部，该销在连接器的一个端部处配装到管套中，管道和连接器通过螺纹连接。连接器可以具有用于带有另一销的另一管道的第二管套，使得该管道和另一管道经由连接器连接。

背景技术

美国专利No.4,623,173描述了一种用于石油管道的螺纹接头联接件。主密封部分设置有在外螺纹的端部处轴向地凸出的密封部分以及在内螺纹的内侧处渐缩的密封部分，并且外螺纹的端点与形成在内螺纹的内侧的止动件的端部部分对接。

美国专利No.7,334,821描述了一种具有外螺纹元件和内螺纹元件的螺纹管状连接件。外螺纹元件具有外螺纹和自由端部，在螺纹与自由端部之间具有非螺纹唇缘。内螺纹元件具有内部的渐缩的内螺纹以及在内螺纹与凸耳之间的非螺纹部分。内螺纹元件包括环形轴向邻接表面。在外螺纹完全组装在内螺纹中之后，自由端部支承环形轴向邻接表面，其他支承表面径向地干涉该环形轴向邻接表面并且处于金属-金属接触压力下以构成金属-金属密封表面。

因此，在‘821专利中，另一轴向邻接表面形成在外螺纹元件的自由端部的前表面上，并且单个唇缘密封表面在距螺纹的端部一定的轴向距离处布置在唇缘上。唇缘包括位于远端轴向邻接表面与单个唇缘密封表面之间的具有外周表面的附件，该外周表面面向与唇缘密封表面不同的内螺纹构件。

发明内容

在具有销的螺纹管、比如管道与具有管套的螺纹管、比如连接器之间的连接组装期间，出现了以下顺序：(1)管道上的销插入连接器中直到螺纹顶部接触为止；(2)然后，销被旋拧到管套中，直到销密封表面刚刚接触管套密封表面为止，以限定称为“手工紧固”的位置；(3)销被进一步旋拧到管套中，直到销的端部、所谓的扭矩台肩刚好接触管套上对应的扭矩台肩为止，以限定称为“台肩紧固”的位置，从手工紧固位置到台肩紧固位置的该附加转动引起了销密封表面与管套密封表面之间的干涉配合；以及(4)销被进一步紧固以产生额外的扭矩，从而限定称为“动力紧固”的最终组装位置。

当连接件处在手工紧固位置时，销扭矩台肩与管套扭矩台肩之间的距离被称为“间隔”，一旦到达台肩紧固位置，则该间隔被消除。较大的间隔可能是有问题的：随着间隔被消除，密封表面接触。由较大的间隔引起的大幅转动可能引起密封表面的磨损，因此损害密封。

密封部处的销和管套的最大接触应力进一步远离销的端部的距离也可以是期望的，以改善密封。

本发明的一个目的是提供密封部，该密封部具有适当远离销端部的最大接触应力点，同时限制间隔量。替代的或附加的目的是提供易于制造的连接件。

本发明提供了一种螺纹连接件，该螺纹连接件包括具有销的第一管，该销具有销螺纹、周向的凹形外销表面以及自由端部处的销扭矩台肩。该凹形外销表面包括销密封表面以及从销密封表面到销扭矩台肩的连续延伸部。第二管具有管套，该管套具有管套螺纹、周向的内管套表面以及管套扭矩台肩，该内管套表面具有径向向内延伸的管套密封表面。销密封表面接触管套密封表面以限定密封部，密封部在销扭矩台肩和管套扭矩台肩接触时与自由端部间隔开，连续延伸部从密封部延续至销扭矩台肩。

连续的凹形外销表面因此有利地提供了单个表面，内管套表面可以沿着该单个表面与其相互作用以形成密封部，并且密封部可以形成为最大接触应力远离具有较小间隔的端部。可以减少磨损同时仍然提供良好的密封。此外，可以避免现有技术的不同表面所需的精度，并且可以简化制造和组装。

螺纹连接件的以下的另外的特征可以单独地或者以与其他另外的特征组合的方式具有优点：

销密封表面沿径向向内朝向自由端部延伸，而延伸部在自由端部处径向向外弯曲；

销扭矩台肩和/或管套扭矩台肩的横截面为V形形状；

销螺纹是双头螺纹；

第一管是管道，并且第二管是具有与第二端部上的管套相似的第二管套的连接器；

在动力紧固组装时在最大接触应力点处与管套密封表面半径和销密封表面半径相切的直线与第一管和第二管的纵向轴线形成5度至15度的角度，并且该角度最优选地为10度；以及

从销的端部(销表面处)到密封部最大应力接触点的距离优选地在0.5英寸至1.5英寸的范围内，最优选地为1英寸。

本发明还提供了一种用于组装螺纹连接件的方法，该螺纹连接件具有：具有销的第一管，该销具有销螺纹、周向的凹形外销表面以及在自由端部处的销扭矩台肩，该凹形外销表面包括销密封表面以及从销密封表面到销扭矩台肩的连续延伸部；以及具有管套的第二管，该管套具有管套螺纹、周向的内管套表面以及管套扭矩台肩，该内管套表面具有径向向内延伸的管套密封表面。该方法包括以下步骤：将第一管插入第二管中，直到销螺纹和管套螺纹接触为止；经由销螺纹和管套螺纹将第一管旋拧到第二管中，直到外销表面接触内管套表面并且销扭矩台肩与管套扭矩台肩间隔开一定间隔距离为止；将第一管进一步旋拧到第二管中，直到销扭矩台肩在台肩紧固位置中刚好接触管套扭矩台肩为止，销密封表面接触管套密封表面以限定密封部，密封部在台肩紧固位置中与自由端部间隔开；以及在台肩紧固位置之后，将第一管更进一步旋拧到第二管中以限定最终的组装位置。

该方法的以下的另外的特征可以单独地或者以与其他另外的特征组合的方式具有优点：

在进一步旋拧步骤期间的圈数小于0.5，

间隔距离在0.02英寸至0.25英寸之间；

销密封表面沿径向向内朝向自由端部延伸，而延伸部在自由端部处径向向外弯曲；

销扭矩台肩和/或管套扭矩台肩的横截面为V形形状；

销螺纹是双头螺纹；以及

第一管是管道，并且第二管是具有与第二端部上的管套相似的第二管套的连接器。

附图说明

附图描述了本发明的示例性实施方式。

图1示出了本发明的一个实施方式，其中，石油管道的销插入连接器的管套中；

图2示出了在组装的第二阶段：手工紧固的位置中的具有石油管道10与连接器100的连接件；

图3示出了组装的第三阶段：台肩紧固；

图4示出了在连接件的组装期间施加到连接件的扭矩的变化的曲线图；

图5示出了图3的密封区域的放大图；

图6示意性地示出了销密封半径和管套密封半径的延伸；

图7示出了图1至图6的实施方式的扭矩台肩的细节；并且

图8示出了本发明的第二实施方式。

具体实施方式

图1示出了处于第一阶段的插入位置中的石油管道10和连接器100。石油管道10具有销20，销20具有螺纹部段22、销密封表面24以及自由端部处的扭矩台肩26。连接器100具有两个管套120、220。每个管套具有螺纹部段122、管套密封表面124以及位于径向向内的突出部150上的扭矩台肩126。连接器100具有两个自由端部102和202。

图2示出了在组装的第二阶段：手工紧固位置中的具有石油管道10与连接器100的连接件，其中，销密封表面24和管套密封表面124刚好开始接触。在手工紧固位置中，在销扭矩台肩26与管套扭矩台肩126之间存在间隔S。在该实施方式中，尽管间隔S可以因经设计的密封干涉和密封角度而有很大变化，但是此时的间隔S为约0.060英寸。

图3示出了在扭矩台肩26、126刚好接触但是来自附加扭矩的任何力被施加到扭矩台肩26、126之前时的组装的第三阶段：台肩紧固。因此，间隔S优选地在转动小于0.5圈内被消除。在台肩紧固位置中，已经通过将销旋拧到管套中直到扭矩台肩26和126接触为止以迫使密封表面24、124压在一起。由于密封表面24、124的相对角度，已经通过设计到连接件中的一定量的密封干涉迫使所述表面径向地分离，以产生足够的接触压力，从而形成防泄漏的密封部。在表面BS与销20的端部之间存在沿径向方向的距离S1。

组装的第四阶段和最后阶段是动力紧固。在动力紧固阶段，附加的扭矩被施加到扭矩台肩26、126，但是出现了非常小的附加旋转，在所示的实施方式中为约0.01圈。优选地，螺纹22是双头螺纹，使得磨损进一步减小。因为产生的附加旋转非常小，所以连接件看起来像大致处于如图3所示的台肩紧固位置。

图4示出了在连接件的组装期间施加到连接件的扭矩的变化的曲线图。在零圈位置处，销20已经插入管套120中，如图1所示。此时，销20仅仅放置在管套120中并且没有施加转动。在连接件插入之后，销20被旋拧到管套120中。在示出的实施方式中，在密封接触之前需要旋拧约8圈。在这些初始转动期间，由于螺纹在该时间段期间的自由运行而没有扭矩积累。在约8圈时，密封表面24、124在手工紧固的位置处接触。一旦密封表面24、124接触，扭矩开始迅速积累。扭矩积累是由密封表面24、124被楔入在一起而引起的。扭矩的积累量是密封区域周围的销和管套构件的摩擦力、刚度、可能存在的螺纹干涉量以及密封部中的干涉量的函数。扭矩以大致恒定的速率持续增加，直到台肩26、126接触为止。一旦台肩26、126接触，施加附加的扭矩，直到达到了预定的动力紧固组装扭矩为止。在台肩与连接件的非常小的附加旋转接触之后，扭矩非常迅速地积累，其中，仅转动大约0.01圈就能够达到所需的最终组装扭矩。可以使用动力钳的扭矩测量仪或扭矩程序来设定最终的组装扭矩。

图5示出了图3的密封区域的放大图，其中，示出了销密封半径PSR和管套密封半径BSR。该实施方式中的管套密封表面的半径为1.63826英寸，并且销密封表面的半径为4.75英寸。在动力紧固组装时在最大接触应力点324处与密封表面半径相切的直线的角度为大约10度，并且在有利的实施方式中该角度可以在5度至15度之间变化。该角度在施加轴向载荷和弯曲期间影响密封，并且该角度在组装期间还影响密封部的抗磨损性。从销的端部E(销表面处)到密封最大应力接触点的长度最优选地为约1.0英寸。该长度优选地在0.5英寸至1.5英寸的范围内。当长度小于0.5英寸时，密封接触应力开始减小，而当长度超过1.5英寸时几乎不会对密封接触有额外的影响。

点324和点E以及它们之间的距离一起限定了销密封半径PSR。销半径的大小主要由销的端部的几何形状限定。还应当注意的是，密封接触不是一个点，而是分布在一定长度上。在上述讨论中，密封接触点是最大应力接触点，其中，两个接触弧形表面大致位于接触长度的中央。

该设计中的管套密封半径为1.63826英寸。管套密封半径最终由两个密封表面之间所需的接触应力分布决定。

连接件的密封接触应力分布通常是下述参数的函数：

销的刚度；

管套的刚度；

两个密封表面之间的干涉；以及

密封表面的形状。

在本发明中，如果使销半径变大或使管套半径变小，并且如果连接件几何形状的其余部分保持大致相同，则接触长度减小并且峰值接触应力增加。尽管增加峰值接触应力增加了连接件的密封能力，但是这也增加了组装期间密封部磨损的机会，这是不期望的。相反，降低峰值接触应力降低了连接件的密封能力，但是这降低了组装期间密封部磨损的可能性，这是期望的。因此，必须保持平衡，以便在组装期间形成既可以密封又不会磨损的密封部。由于销密封部主要由销的几何形状决定，所以管套密封半径应设计为实现对于给定的销密封半径的最佳接触应力分布。由于连接件设计成用于不同壁厚的管道，所以管套密封半径调节成保持最佳密封设计标准。

图5示出了销的端部E处的小的圆形区域。该圆形区域将销密封半径PSR连接至扭矩台肩表面26。该区域可以仅仅容易地为倒角或断裂边缘。尖锐的边缘是不期望的，因为毛刺可以形成在尖锐的边缘且成为对于检查销的人员的安全问题，并且毛刺可能在组装期间折断并困在密封表面之间并且损害密封。

图6示意性地示出了销密封半径PSR和管套密封半径BSR的延伸。在不影响本发明的情况下，这些延伸可以有显著地变化，特别是管套上的延伸可以显著地变化。本发明示出了与直的沉孔CB相切的管套半径。管套密封半径可以延续以在尖锐的拐角处或在半径与沉孔之间的融合部处与沉孔相交。在该示例中，销半径所产生的角度PA为16.29度，并且管套所产生的角度BA为17.95度。半径中心点的位置不是特别重要，并且未在这些示意图中正确地示出。图6中的示意图尽管相当准确，但是仅用于说明目的。

如图7所示，在图1至图5的实施方式中，扭矩台肩为V形形状。V形扭矩台肩通过固定住销来防止销被向上驱动到管套拐角中。V形台肩的底部还用于防止外部施加的压力迫使销向内并使密封部断开的目的。因此，V形台肩用于固定住台肩，以防止台肩沿径向向内或径向向外的任一方向移动。V形台肩的上部部分和下部部分相对于垂直于管道的轴线呈15度的角度。该角度可以显著地变化(可能为5度至30度)，并且管套部分和销部分两者的角度不必相等。此外，两个部分相交的地方不必如图所示的在台肩的中央。下部部分可以更长，并且在许多设计中下部部分更长。

图8示出了没有V形形状的扭矩台肩的本发明的次优选的实施方式，销扭矩台肩326向内形成角度以与管套扭矩台肩426接触。

Claims (11)

1.一种螺纹连接件，包括：

具有销的第一管，所述销具有销螺纹、周向的凹形外销表面以及自由端部处的销扭矩台肩，所述凹形外销表面包括销密封表面以及从所述销密封表面到所述销扭矩台肩的连续延伸部；以及

具有管套的第二管，所述管套具有用于与所述销螺纹相互作用的管套螺纹、周向的内管套表面以及管套扭矩台肩，所述内管套表面具有径向向内延伸的管套密封表面，所述销密封表面接触所述管套密封表面以限定密封部，所述密封部在所述销扭矩台肩和所述管套扭矩台肩接触时与所述自由端部间隔开，所述连续延伸部从所述密封部延续至所述销扭矩台肩。

2.根据权利要求1所述的螺纹连接件，其中，所述管套密封表面是凸形表面，所述凸形表面具有小于销表面曲率半径的管套密封曲率半径。

3.根据权利要求1所述的螺纹连接件，其中，所述销密封表面沿径向向内朝向所述自由端部延伸，而所述延伸部在所述自由端部处径向向外弯曲。

4.根据权利要求1所述的螺纹连接件，其中，所述销扭矩台肩和所述管套扭矩台肩中的至少一者的横截面为V形形状。

5.根据权利要求1所述的螺纹连接件，其中，所述销螺纹是双头螺纹。

6.根据权利要求1所述的螺纹连接件，其中，所述第一管是管道，并且所述第二管是连接器，所述连接器具有与第二端部上的所述管套相似的第二管套。

7.根据权利要求1所述的螺纹连接件，其中，在动力紧固组装时在最大接触应力点处与管套密封表面半径和销密封表面半径相切的直线与所述第一管和所述第二管的纵向轴线形成了5度至15度的角度。

8.根据权利要求1所述的螺纹连接件，其中，从所述销的所述端部到密封部最大应力接触点的距离在0.5英寸至1.5英寸的范围内。

9.一种用于组装螺纹连接件的方法，所述螺纹连接件具有：具有销的第一管，所述销具有销螺纹、周向的凹形外销表面以及自由端部处的销扭矩台肩，所述凹形外销表面包括销密封表面以及从所述销密封表面到所述销扭矩台肩的连续延伸部；以及具有管套的第二管，所述管套具有管套螺纹、周向的内管套表面以及管套扭矩台肩，所述内管套表面具有径向向内延伸的管套密封表面，所述方法包括以下步骤：

将所述第一管插入所述第二管中，直到所述销螺纹和所述管套螺纹接触为止；

经由所述销螺纹和所述管套螺纹将所述第一管旋拧到所述第二管中，直到所述外销表面接触所述内管套表面并且所述销扭矩台肩与所述管套扭矩台肩间隔开一定间隔距离为止；

将所述第一管进一步旋拧到所述第二管中，直到所述销扭矩台肩在台肩紧固位置中刚好接触所述管套扭矩台肩为止，所述销密封表面接触所述管套密封表面以限定密封部，所述密封部在所述台肩紧固位置中与所述自由端部间隔开；以及

在所述台肩紧固位置之后，将所述第一管更进一步旋拧到所述第二管中以限定最终的组装位置。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述进一步旋拧步骤期间的圈数小于0.5。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述间隔距离为0.02英寸至0.25英寸。