CN108798550A - 一种钛合金油管用抗粘扣气密封螺纹接头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石油天然气生产管柱设计领域，特别涉及一种钛合金油管用具有抗粘扣性能的气密封螺纹接头。本发明解决了现有钛合金油管的螺纹结构使用时易发生粘扣和密封失效现象。本发明包括母扣和公扣；母扣由端部向内依次设置有第一梯形内螺纹、第二梯形内螺纹、退刀槽、第一锥面密封段、第一柱面密封段和第一负角度扭矩台肩；公扣由端部向内依次设置有第二负角度扭矩台肩、第二柱面密封段、第二锥面密封段、梯形外螺纹；母扣和公扣配合后形成三级密封结构：锥面对锥面一级密封结构；柱面对柱面二级密封结构；母扣的第一负角度扭矩台肩和公扣的第二负角度扭矩台肩配合形成三级密封结构。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气生产管柱设计领域，特别涉及一种钛合金油管用具有抗粘扣性能的气密封螺纹接头。
背景技术
我国西部和西南油气田的大多油井具有高温(大于140℃)、高压(大于100MPa)、井深(大于5000m)的特点，并且含有高腐蚀介质(CO2、H2S、CL－)，井况比较苛刻，为了适应这些油气田对油套管耐腐蚀性的要求，钛合金已经被引入制造油套管，钛合金由于具有比强度高、耐蚀性优异、弹性模量低、易于冷成型、耐海水冲刷等优良特性，其非常优异的性能成为高端石油管材的优选材料。
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，而螺纹是油套管柱中的最薄弱环节，其结构的完整性、密封的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、周边生态环境和人民生命财产安全带来极大的威胁。
钛合金材料具有弹性模量低、表面硬度低，耐磨性能差和热传导系数低等特点，在钛合金材料管柱加工普通的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、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，急需为钛合金管柱设计一种具有可靠地密封性能和抗粘扣性能的螺纹结构。
发明内容
为解决现有钛合金油管的螺纹结构使用时易发生粘扣和密封失效现象，本发明提出一种钛合金油管用抗粘扣气密封螺纹接头，该螺纹接头在梯形螺纹基础上增加两级金属密封和一个负角度扭矩台肩密封，通过多级密封设计提高螺纹接头的气密封可靠性，同时通过改变螺纹参数减小螺纹接头上的应力状态，提高抗粘扣性能。
本发明解决上述问题的技术方案是，一种钛合金油管用抗粘扣气密封螺纹接头，其特殊之处在于：
包括母扣和公扣；
母扣由端部向内依次设置有第一梯形内螺纹、第二梯形内螺纹、退刀槽、第一锥面密封段、第一柱面密封段和第一负角度扭矩台肩；
公扣由端部向内依次设置有第二负角度扭矩台肩、第二柱面密封段、第二锥面密封段、梯形外螺纹；
第一梯形内螺纹和第二梯形内螺纹均与梯形外螺纹配合，第二梯形内螺纹的锥度与梯形外螺纹的锥度相同，第一梯形内螺纹的锥度大于第二梯形内螺纹的锥度；
母扣和公扣配合后形成三级密封结构：
母扣的第一锥面密封段和公扣的第二锥面密封段形成锥面对锥面一级密封结构；
母扣的第一柱面密封段和公扣的第二柱面密封段形成柱面对柱面二级密封结构；
母扣的第一负角度扭矩台肩和公扣的第二负角度扭矩台肩配合形成三级密封结构。
以上为本发明的基本结构，基于该基本结构，本发明还做出以下优化改进：
进一步地，上述梯形外螺纹的锥度为1:16；第一梯形内螺纹的锥度为1:10～1:14。
进一步地，上述所述母扣的第一负角度扭矩台肩和公扣的第二负角度扭矩台肩的负角均为9°～11°。
进一步地，上述母扣的第一锥面密封段锥度为1:4～1:6；公扣的第二锥面密封段锥度为1:6～1:9。
进一步地，上述第一梯形内螺纹的螺纹长度为25～30mm。
进一步地，上述梯形外螺纹，其牙顶与公扣的轴线平行；其牙底与梯形外螺纹的母线平行。
进一步地，上述梯形外螺纹的承载面与公扣轴线的法线夹角为3～10°；承载面与牙顶之间的倒角为0.3～0.45mm，牙顶与梯形外螺纹的导向面之间的倒角为0.85～0.95mm。
进一步地，上述母扣和公扣配合后形成三级密封结构均采用过盈配合。
进一步地，上述柱面对柱面二级密封结构的过盈量0.01～0.25mm。
本发明的优点：
1、本发明一种钛合金油管用抗粘扣气密封螺纹接头，其使用多级密封设计提高了螺纹接头的气密封可靠性；在接箍母扣上采用变锥度设计，即第一梯形内螺纹的锥度大于第二梯形内螺纹的锥度，使其具有良好抗粘扣性，解决了高温、高压、高腐蚀介质含量等“三高”油气田安全开发问题；
2、本发明一种钛合金油管用抗粘扣气密封螺纹接头，通过合理的锥面对锥面一级密封结构、柱面对柱面二级密封结构和负角度扭矩台肩三级密封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，同时由于密封面位置靠近螺纹起始端远离管子端部，可以对密封面提供较好的保护，防止搬运过程中的意外损伤；
3、本发明一种钛合金油管用抗粘扣气密封螺纹接头，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，同时在油套管接箍的端部有一段第二梯形内螺纹，其采用了变锥度设计，减小了接箍螺纹大端的解除压力和应力集中，可以有效的防止钛合金油套管粘扣发生，使本设计螺纹结构具有优良的抗粘扣性能。
附图说明
图1为本发明一种钛合金油管用抗粘扣气密封螺纹接头的整体结构图；
图2为图1中A处放大图；
图3为图1中梯形外螺纹的结构图；
图4为本发明一种钛合金油管用抗粘扣气密封螺纹接头的装配图；
图5为图4中B处放大图。
其中，1-母扣；2-公扣；3-第一梯形内螺纹；4-第二梯形内螺纹；5-退刀槽；6-一级密封结构；61-第一锥面密封段；62-第二锥面密封段；7-二级密封结构；71-第一柱面密封段；72-第二柱面密封段；8-三级密封结构；81-第一负角度扭矩台肩；82-第二负角度扭矩台肩；9-梯形外螺纹；91-牙顶；92-牙底；93-承载面；94-导向面。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1-图5，本发明的钛合金油管用抗粘扣气密封螺纹接头，包括母扣1和公扣2；母扣1由端部向内依次设置有第一梯形内螺纹3、第二梯形内螺纹4、退刀槽5、第一锥面密封段61、第一柱面密封段71和第一负角度扭矩台肩81；公扣2由端部向内依次设置有第二负角度扭矩台肩82、第二柱面密封段72、第二锥面密封段62、梯形外螺纹9。退刀槽5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的作用，降低螺纹脂压力对接头密封性能的负面影响。
第一梯形内螺纹3和第二梯形内螺纹4均与梯形外螺纹9配合，所述第一梯形内螺纹3的锥度为1:10～1:14，螺纹长度为25～30mm。第二梯形内螺纹4和梯形外螺纹9的锥度均为1:16；第一梯形内螺纹3的锥度大于第二梯形内螺纹4的锥度，通过变锥度的梯形内螺纹大端减小了应力集中，可以有效的防止粘扣发生。
母扣1的第一负角度扭矩台肩81和公扣2的第二负角度扭矩台肩82的负角均为9°～11°；母扣1的第一锥面密封段61锥度为1:4～1:6；公扣2的第二锥面密封段62锥度为1:6～1:9。
母扣1和公扣2配合后形成三级密封结构：母扣1的第一锥面密封段61和公扣2的第二锥面密封段62形成锥面对锥面一级密封结构6；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。
母扣1的第一柱面密封段71和公扣2的第二柱面密封段72形成柱面对柱面二级密封结构7；二级密封结构7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。
母扣1的第一负角度扭矩台肩81和公扣2的第二负角度扭矩台肩82配合形成三级密封结构8，三级密封结构8在一定拉伸载荷作用下仍可保持辅助密封效果。
上述三级密封结构均采用过盈配合；柱面对柱面二级密封结构7的过盈量0.01～0.25mm。
参见图3，梯形外螺纹9，其牙顶91与公扣2的轴线平行；其牙底92与梯形外螺纹9的母线平行。梯形外螺纹9的承载面93与公扣2轴线的法线夹角为3～10°；梯形外螺纹9的导向面94，外螺纹的承载面93与外螺纹的牙顶91之间、外螺纹的牙顶91与外螺纹的导向面94之间的倒角尺寸经过重新设计，倒角分别为：承载面93与牙顶91之间的倒角为0.3mm～0.45mm，外螺纹的牙顶91与外螺纹的导向面94之间的倒角为0.85mm～0.95mm，以保证螺纹牙上有合理的应力分配，有效防止应力集中而粘扣。
本发明钛合金油管用抗粘扣气密封螺纹接头结构组成及尺寸要求参见表1：
表1
本发明可应用于不同规格的钛合金油套管上，采用数控机床加工，加工时，首先加工内外螺纹一级和二级密封面，然后加工负角度扭矩台肩，最后再加工螺纹结构。
实施例一：外径Φ88.9mm油管接头
采用同钢级接箍与管体，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，夹持接箍，工厂端采用最大扭矩上扣，现场端采用最佳扭矩上扣。
表2实施例一螺纹接头加工参数：
加工后的外径Φ88.9mm油管接头经试验验证，10次上卸扣无粘扣现象发生，在轴向载荷890KN，内压载荷110MPa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：外径Φ114.mm套管接头
采用同钢级接箍与管体，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，夹持接箍，工厂端采用最大扭矩上扣，现场端采用最佳扭矩上扣。
表3实施例一螺纹接头加工参数：
加工后的外径Φ114.3mm钛合金油管接头经试验验证，3次上卸扣无粘扣现象发生，在轴向载荷1100KN，内压载荷105MPa时无气体泄漏发生，满足结构完整性、密封完整性要求。
Claims (9)
1.一种钛合金油管用抗粘扣气密封螺纹接头，其特征在于：包括母扣(1)和公扣(2)；
母扣(1)由端部向内依次设置有第一梯形内螺纹(3)、第二梯形内螺纹(4)、退刀槽(5)、第一锥面密封段(61)、第一柱面密封段(71)和第一负角度扭矩台肩(81)；
公扣(2)由端部向内依次设置有第二负角度扭矩台肩(82)、第二柱面密封段(72)、第二锥面密封段(62)和梯形外螺纹(9)；
第一梯形内螺纹(3)和第二梯形内螺纹(4)均与梯形外螺纹(9)配合，第二梯形内螺纹(4)的锥度与梯形外螺纹(9)的锥度相同，第一梯形内螺纹(3)的锥度大于第二梯形内螺纹(4)的锥度；
母扣(1)和公扣(2)配合后形成三级密封结构：
母扣(1)的第一锥面密封段(61)和公扣(2)的第二锥面密封段(62)形成锥面对锥面一级密封结构(6)；
母扣(1)的第一柱面密封段(71)和公扣(2)的第二柱面密封段(72)形成柱面对柱面二级密封结构(7)；
母扣(1)的第一负角度扭矩台肩(81)和公扣(2)的第二负角度扭矩台肩(82)配合形成三级密封结构(8)。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金油管用抗粘扣气密封螺纹接头，其特征在于：梯形外螺纹(9)的锥度为1:16；第一梯形内螺纹(3)的锥度为1:10～1:14。
3.根据权利要求2所述的一种钛合金油管用抗粘扣气密封螺纹接头，其特征在于：所述母扣(1)的第一负角度扭矩台肩(81)和公扣(2)的第二负角度扭矩台肩(82)的负角均为9°～11°。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种钛合金油管用抗粘扣气密封螺纹接头，其特征在于：所述母扣(1)的第一锥面密封段(61)锥度为1:4～1:6；公扣(2)的第二锥面密封段(62)锥度为1:6～1:9。
5.根据权利要求4所述的一种钛合金油管用抗粘扣气密封螺纹接头，其特征在于：所述第一梯形内螺纹(3)的螺纹长度为25～30mm。
6.根据权利要求5所述的一种钛合金油管用抗粘扣气密封螺纹接头，其特征在于：所述梯形外螺纹(9)，其牙顶(91)与公扣(2)的轴线平行；其牙底(92)与梯形外螺纹(9)的母线平行。
7.根据权利要求6所述的一种钛合金油管用抗粘扣气密封螺纹接头，其特征在于：所述梯形外螺纹(9)的承载面(93)与公扣(2)轴线的法线夹角为3～10°，承载面(93)与牙顶(91)之间的倒角为0.3～0.45mm，牙顶(91)与梯形外螺纹(9)的导向面(94)之间的倒角为0.85～0.95mm。
8.根据权利要求7所述的一种钛合金油管用抗粘扣气密封螺纹接头，其特征在于：所述母扣(1)和公扣(2)配合后形成三级密封结构均采用过盈配合。
9.根据权利要求8所述的一种钛合金油管用抗粘扣气密封螺纹接头，其特征在于：所述柱面对柱面二级密封结构(7)的过盈量0.01～0.25mm。
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