CN108952595A - 一种气密封螺纹接头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气密封螺纹接头，包括外螺纹件和内螺纹件，在拧紧状态下，外螺纹件的外表面与内螺纹件的内表面紧贴在一起；在外螺纹件的外表面与内螺纹件的内表面之间设置有至少两个径向金属密封结构，分别为主密封结构和副密封结构，和至少一个轴向金属密封结构，并且，副密封结构位于主密封结构与轴向金属密封结构之间。本发明的接头设置多重金属/金属密封结构，密封作用主要靠主密封结构来保障，但为了增加密封的可靠性，还设置了副密封结构，副密封结构和台肩密封结构也有很好的密封效果，接头的密封可靠性更高，密封效果显著提高。

Description

一种气密封螺纹接头

技术领域

本发明涉及一种气密封螺纹接头，属于油套管螺纹连接技术领域。

背景技术

油套管是开采石油、天然气的专用管材，每根油套管长约10米，通过螺纹连接起来形成长达3000-8000米的管柱，在服役过程中，管柱长时间承受各种载荷的作用，螺纹连接部位是管柱中最薄弱的环节。

螺纹连接部位(一般称为接头)应该具备过硬的技术性能，既要便于加工制造，坚固耐用，又要使接头具有很高的连接强度以及在拉、压、弯、扭等复合载荷下仍能保持良好的密封性能。

目前，普通的油套管通常采用API螺纹，这种螺纹符合API(美国石油学会)标准，技术成熟，可以满足一般的使用要求。但近年来，原油和天然气的开采环境变得更加恶劣，所以特殊螺纹接头(premium joint)的应用增加。

特殊螺纹接头一般由锥管螺纹、金属/金属密封和扭矩台肩三部分组成，这三部分的具体形状，往往随接头设计的出发点不同而改变。中国专利CN1296649C公布了一种改进的套管接头，其锥管螺纹为标准API偏梯形螺纹，金属密封部分采用了外螺纹锥面/ 内螺纹凸面结构，本专利将外螺纹锥面的锥度仅仅2°于管轴，从而使得公接头的末端更坚固。其缺点是螺纹连接效率一般，密封面过于靠近台肩，在油田现场，公接头旋入母接头时，很容易因磕碰而损坏密封面。

美国专利US 4459925公布了一种钢管接头，本发明不但设置有靠近台肩的金属/金属密封结构，为了防止该密封结构损坏而失去密封效果，还在金属/金属密封结构与啮合螺纹之间添加了高分子聚合物材料(如特氟隆)的密封圈。本发明的优点是弹性密封圈与金属/金属密封结构联合作用，增强密封效果。其缺点是高分子聚合物材料容易损坏，而且对温度敏感，接头不能用于开采条件苛刻的高温高压(HTHP)井。

美国专利US 7988205 B2公布了一种带扭矩台肩的楔形螺纹接头，设置有一个锥面 /锥面形式的金属密封结构，同时公接头和母接头上加工有楔形螺纹，公接头螺纹齿宽从前到后线逐渐变大，母接头螺纹齿宽从前到后逐渐减小，接头拧紧后螺纹两侧紧密接触，形成密封效果，从而弥补金属密封结构的密封效果。本发明的优点是金属密封结构的密封效果得到加强，缺点是楔形螺纹不能使用成型梳刀加工，加工速度很慢，大大提高了这种接头的成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种气密封螺纹接头，其具有良好密封性能，且结构牢固。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种气密封螺纹接头，包括外螺纹件和内螺纹件，在拧紧状态下，外螺纹件的外表面与内螺纹件的内表面紧贴在一起；在外螺纹件的外表面与内螺纹件的内表面之间设置有至少两个径向金属密封结构，分别为主密封结构和副密封结构，和至少一个轴向金属密封结构，并且，副密封结构位于主密封结构与轴向金属密封结构之间。

进一步，所述外螺纹件上设置有主密封锥面和端面台肩，并且，在主密封锥面与端面台肩之间设置有副密封组合锥面；

所述内螺纹件的对应位置设置有主密封组合面、副密封锥面和扭矩台肩；

当内螺纹件与外螺纹件拧紧后，外螺纹件的主密封锥面与内螺纹件的主密封组合面过盈配合组成所述的主密封结构，外螺纹件的副密封组合锥面与内螺纹件的副密封锥面过盈配合组成所述的副密封结构，外螺纹件的端面台肩与内螺纹件的扭矩台肩过盈配合，组成轴向金属密封结构。

进一步，内螺纹件的主密封组合面由左边段圆弧面、中间段圆弧面和右边段圆弧面组成，

所述中间段圆弧面的半径为R1，R1＝50～60mm，左边段圆弧面的半径为R2，右边段圆弧面的半径为R3，R2＝R3＝25～30mm；

左边段圆弧面的圆心O₂与中间段圆弧面的圆心O₁在同一条直线上，并且左边段圆弧面与中间段圆弧面在连接处相切；右边段圆弧面的圆心O₃与中间段圆弧面的圆心O₁在同一条直线上，并且右边段圆弧面与中间段圆弧面在连接处相切。

进一步，中间段圆弧面的中点与其两边的切点沿轴向的距离为M，M＝1.0～1.5mm，左边段圆弧面与右边段圆弧面沿轴向的距离为N，N＝M+1.0mm。

进一步，外螺纹件上的副密封组合锥面由第一锥面和第二锥面组成，第一锥面和第二锥面与接头轴线的夹角分别为γ和δ，其中γ＝20±1.0°，δ＝35±1.0°。

进一步，内螺纹件上的副密封锥面与扭矩台肩之间设置有应力槽，应力槽由斜面和圆弧组成，副密封锥面与斜面的夹角为θ，θ＝30～35°，圆弧与斜面以及扭矩台肩的延长线相切。

进一步，应力槽在轴向上的长度为L1，第一锥面和第二锥面的交点距离应力槽与扭矩台肩的切点的垂直距离为L2，L1＝1.5～1.8mm，L2小于L1，并且L1-L2＝0.2～ 0.4mm。

进一步，扭矩台肩与端面台肩的接触面与垂线的夹角为ε，ε＝15～20°。

进一步，在所述的主密封结构与所述的副密封结构之间还设置有过渡配合面，所述过渡配合面包括设置在外螺纹件上的用于连接主密封锥面与副密封组合锥面的过渡圆锥和设置在内螺纹件上的用于连接主密封组合面与副密封锥面的过渡圆锥孔，过渡圆锥面与过渡圆锥孔的长度相等，长度为8.5～12.5mm，二者之间存在0.2～0.3mm的间隙，拧紧时，过渡圆锥与过渡圆锥孔相互配合。

进一步，外螺纹件上还设置有外螺纹，内螺纹件的对应位置处设置有内螺纹，所述内螺纹和外螺纹均为锥管螺纹，形状呈倒钩形；在内螺纹件的内螺纹与主密封组合面之间还设有螺纹脂槽，螺纹脂槽与主密封组合面之间通过退刀斜面过渡。

采用了上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：

1)本发明的接头设置多重金属/金属密封结构，密封作用主要靠主密封结构来保障，但为了增加密封的可靠性，还设置了副密封结构，副密封结构和台肩密封结构也有很好的密封效果，接头的密封可靠性更高，密封效果显著提高；

2)副密封结构位于主密封结构与轴向金属密封结构之间设置，主密封结构远离台肩，避免外螺纹件在旋入内螺纹件时因嗑碰而损坏主密封结构，在井场苛刻的操作条件下仍可放心使用；

3)内螺纹件的主密封组合面由3段圆弧相切组成，3段圆弧之间的连接光滑过渡，避免了在交点处产生应力集中，可以防止密封面在反复装卸过程中因应力集中而损坏；而且，主密封是切点密封，主密封结构的接触应力关于中间段圆弧面的中点基本对称分布，密封效果好；

4)副密封组合锥面设置成2段，前段角度δ大于后段角度γ，目的是当接头在井场连接时，外螺纹件更容易导入。

附图说明

图1为本发明的外螺纹件和内螺纹件的装配图(沿轴向局部剖视)；

图2为图1的A部局部放大图；

图3为图2的B部局部放大图；

图4为图2的C部局部放大图；

图5为本发明的外螺纹件和内螺纹件装配后的整体等效VME应力分布；

图6为本发明的主密封结构的接触应力分布示意图；

图7为本发明的主密封结构处的应力分布图；

图8为普通气密封接头密封面处的应力分布图。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

除非别作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。

本发明公开了一种气密封螺纹接头，如图1所示：它是一种锥管螺纹接头，由外螺纹件1和内螺纹件2两部分组成，拧紧状态下外螺纹件1的外表面与内螺纹件2的内表面紧贴在一起。从总体上看，本接头可以分为锥管螺纹、金属/金属密封和扭矩台肩三部分。

图2是金属/金属密封和扭矩台肩部分的局部放大图，即对图1中A部分的放大。图3是主密封结构局部放大图，即对图2中B部分的放大。图4是副密封结构和台肩密封结构局部放大图，即对图2中C部分的放大。本发明中所提到的径向指整个接头的径向，本发明中所提到的轴向指整个接头的轴向。

如图1所示，一种气密封螺纹接头，包括外螺纹件1和内螺纹件2，在拧紧状态下，外螺纹件1的外表面与内螺纹件2的内表面紧贴在一起；在外螺纹件1的外表面与内螺纹件2的内表面之间设置有至少两个径向金属密封结构，分别为主密封结构和副密封结构，和至少一个轴向金属密封结构，以设置两个径向金属密封结构和一个轴向金属密封结构为最优选，在不考虑成本的前提下，径向金属密封结构和轴向金属密封结构可以设置多个，本实施例以设置两个径向金属密封结构和一个轴向金属密封结构为例，并且，副密封结构位于主密封结构与轴向金属密封结构之间。本发明的接头的密封作用主要靠主密封结构来保障，但为了增加密封的可靠性，还设置了副密封结构，并且副密封结构位于主密封结构与轴向金属密封结构之间，避免外螺纹件1在旋入内螺纹件2时因嗑碰而损坏主密封面。本发明的接头设置多重金属/金属密封结构，密封效果显著提高。

优选地，如图2所示，所述外螺纹件1上设置有主密封锥面5和端面台肩8，并且，在主密封锥面5与端面台肩8之间设置有副密封组合锥面7；

所述内螺纹件2的对应位置设置有主密封组合面11、副密封锥面13和扭矩台肩15；

当内螺纹件2与外螺纹件1拧紧后，外螺纹件1的主密封锥面5与内螺纹件2的主密封组合面11过盈配合，组成所述的主密封结构，起主要密封作用，外螺纹件1的副密封组合锥面7与内螺纹件2的副密封锥面13过盈配合，组成所述的副密封结构，起辅助密封作用，外螺纹件1的端面台肩8与内螺纹件2的扭矩台肩15过盈配合，组成轴向金属密封结构。

本实施例中，本接头具有三重金属/金属密封结构，其中两个径向密封结构，一个轴向密封结构，径向密封结构又包括一个主密封结构和一个副密封结构，从而保证径向上的密封性，而且，主密封结构距离端面台肩8较远，在外螺纹件1和内螺纹件2装配时或油套管提拉过程中不易因碰擦而损坏主密封面，密封可靠性高。

首先，主密封结构的优选方案如下：

如图3所示，内螺纹件2的主密封组合面11由左边段圆弧面16、中间段圆弧面17 和右边段圆弧面18组成，

所述中间段圆弧面17的半径为R1，R1＝50～60mm，左边段圆弧面16的半径为R2，右边段圆弧面18的半径为R3，R2＝R3＝25～30mm；

左边段圆弧面16的圆心O₂与中间段圆弧面17的圆心O₁在同一条直线上，并且左边段圆弧面16与中间段圆弧面17在连接处相切；右边段圆弧面18的圆心O₃与中间段圆弧面17的圆心O₁在同一条直线上，并且右边段圆弧面18与中间段圆弧面17在连接处相切。

内螺纹件2的主密封组合面11由3段圆弧相切组成，3段圆弧之间的连接光滑过渡，避免了在交点处产生应力集中，可以防止密封面在反复装卸过程中因应力集中而损坏。

如图3所示，内螺纹件2的主密封组合面11与外螺纹件1的主密封锥面5配合，拧紧时，主密封锥面5与中间段圆弧面17相切，切点也为中间段圆弧面17的中点。中间段圆弧面17的中点与其两边的切点沿轴向的距离为M，M＝1.0～1.5mm，左边段圆弧面16与右边段圆弧面18沿轴向的距离为N，N＝M+1.0mm。

主密封是切点密封，三段圆弧光滑过渡，中间段圆弧面17与主密封锥面5首先接触，发生一定弹性变形后，左边段圆弧面16和右边段圆弧面18也开始接触，中间段圆弧面17的过盈量最大，其两边的左边段圆弧面16和右边段圆弧面18的过盈量减小，从而使主密封结构的接触应力关于中间段圆弧面17的中点基本对称分布，密封效果好。

其次，副密封结构的优选方案如下：

内螺纹件2上的副密封锥面13与外螺纹件1上的副密封组合锥面7过盈配合，组成第二个径向金属密封结构，这是一个锥面/锥面结构，起辅助密封作用。

外螺纹件1上的副密封组合锥面7由第一锥面21和第二锥面22组成，第一锥面21和第二锥面22与接头轴线的夹角分别为γ和δ，其中γ＝20±1.0°，δ＝35±1.0°。将副密封组合锥面7设置成2段，前段角度δ大于后段角度γ，目的是当接头在井场连接时 (内螺纹件2悬在卡瓦座上，外螺纹件1垂直吊起来旋入内螺纹件2)，外螺纹件1更容易导入。

优选地，如图4所示，内螺纹件2上的副密封锥面13与扭矩台肩15之间设置有应力槽14，应力槽14由斜面19和圆弧20组成，副密封锥面13与斜面19的夹角为θ，θ＝30～35°，圆弧20与斜面19以及扭矩台肩15的延长线相切。如果不设置该应力槽 14，接头拧紧后在扭矩台肩15的根部会发生严重的应力集中，降低接头的承载能力，尤其是抗扭能力。通过在内螺纹件2的扭矩台肩15的根部设置应力槽14，能有效降低扭矩台肩15根部的应力集中，进一步提高接头的密封效果。

应力槽14在轴向上的长度为L1，第一锥面21和第二锥面22的交点距离应力槽14与扭矩台肩15的切点的垂直距离为L2，L1＝1.5～1.8mm，L2小于L1，并且L1-L2＝0.2～0.4mm。这一结构缩短了副密封结构的接触长度，降低了扭矩台肩15根部的应力集中，还可以存储多余螺纹脂，保护副密封结构的接触应力不受螺纹脂影响，从而最大限度地发挥副密封结构的密封作用。

最后，轴向密封结构的优选方案如下：

如图4所示，扭矩台肩15与端面台肩8的接触面与垂线的夹角为ε，ε＝15～20°。这种逆向台肩与普通的直角台肩相比，具有更好的密封效果。该垂线沿本发明的接头的径向。

进一步，在所述的主密封结构与所述的副密封结构之间还设置有过渡配合面，所述过渡配合面包括设置在外螺纹件1上的用于连接主密封锥面5与副密封组合锥面7的过渡圆锥6和设置在内螺纹件2上的用于连接主密封组合面11与副密封锥面13的过渡圆锥孔12，过渡圆锥面6与过渡圆锥孔12的长度相等，长度为8.5～12.5mm，过渡圆锥面6与过渡圆锥孔12之间存在0.2～0.3mm的间隙，拧紧时，过渡圆锥6与过渡圆锥孔 12相互配合。这样设置的目的是使主密封结构远离油套管的端面，避免在油套管在提拉过程中磕碰到密封面。在将外螺纹件1与内螺纹件2装配时，过渡圆锥面6和过渡圆锥孔12起引导作用，利于接头对扣。

外螺纹件1上还设置有外螺纹3，内螺纹件2的对应位置处设置有内螺纹4，所述内螺纹4和外螺纹3均为锥管螺纹，形状呈倒钩形，具有连接效率高、应力分布合理的特点；在内螺纹件2的内螺纹4与主密封组合面11之间还设有螺纹脂槽9，螺纹脂槽9 可以存储多余的螺纹脂，接头拧紧后，密封面上多余的螺纹脂可以进入螺纹脂槽9，避免因螺纹脂压力过高而影响主密封面的接触压力。螺纹脂槽9与主密封组合面11之间通过退刀斜面10过渡。

内螺纹件2的两端对称设置有内螺纹4、螺纹脂槽9、退刀斜面10、主密封组合面11、过渡圆锥孔12、副密封锥面13、应力槽14、扭矩台肩15，可在内螺纹件2的两端分别连接一个外螺纹件1。

为了清楚地表示出本发明的效果，以Φ177.8×10.36mm P110钢级的接头为例，进行有限元模拟分析，并与普通的气密封接头比较。

外螺纹件1的外径是177.8mm，壁厚是10.36mm，内螺纹件2的外径是200.03mm，长度是310mm。螺纹中径是176.457mm，螺纹过盈量0.175mm，主密封面过盈量 0.700mm，副密封过盈量0.665mm。材料为P110钢级，屈服强度756MPa，抗拉强度 862MPa，弹性模量2.1×105MPa。

外螺纹件1与内螺纹件2上扣后，其整体等效VME应力分布云图见图5。主密封面上的接触应力分布示意图见图6，密封面处的应力分布见图7。作为对比，图8为普通气密封接头密封面处的应力分布云图。

从图5可见，接头应力分布合理，螺纹部分应力水平低，应力集中发生在主密封面和台肩密封面这2处，整个接头的最大应力位于主密封面切点，为735MPa，没有超出材料的屈服强度756MPa。这说明接头没有发生永久性屈服变形，可以反复使用。

图6为主密封面上的接触应力分布示意图，最大接触应力达到1318MPa，发生在圆弧17的切点，接触应力基本上沿切点对称分布。

图7为密封面处的应力分布，也就是对图5中密封面部分的局部放放大。图8为普通气密封接头密封面处的应力分布云图。图8中主密封面距离台肩很靠近，而图7的主密封面距离台肩较远。

这种规格的接头的连接强度大于4134kN，最小气密封压力是77.4MPa，而且具有良好的上、卸扣性能，可以反复上、卸5次以上而不发生粘扣。

以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气密封螺纹接头，其特征在于：包括外螺纹件(1)和内螺纹件(2)，在拧紧状态下，外螺纹件(1)的外表面与内螺纹件(2)的内表面紧贴在一起；在外螺纹件(1)的外表面与内螺纹件(2)的内表面之间设置有至少两个径向金属密封结构，分别为主密封结构和副密封结构，和至少一个轴向金属密封结构，并且，副密封结构位于主密封结构与轴向金属密封结构之间。

2.根据权利要求1所述的气密封螺纹接头，其特征在于：所述外螺纹件(1)上设置有主密封锥面(5)和端面台肩(8)，并且，在主密封锥面(5)与端面台肩(8)之间设置有副密封组合锥面(7)；

所述内螺纹件(2)的对应位置设置有主密封组合面(11)、副密封锥面(13)和扭矩台肩(15)；

当内螺纹件(2)与外螺纹件(1)拧紧后，外螺纹件(1)的主密封锥面(5)与内螺纹件(2)的主密封组合面(11)过盈配合组成所述的主密封结构，外螺纹件(1)的副密封组合锥面(7)与内螺纹件(2)的副密封锥面(13)过盈配合组成所述的副密封结构，外螺纹件(1)的端面台肩(8)与内螺纹件(2)的扭矩台肩(15)过盈配合，组成轴向金属密封结构。

3.根据权利要求2所述的气密封螺纹接头，其特征在于：内螺纹件(2)的主密封组合面(11)由左边段圆弧面(16)、中间段圆弧面(17)和右边段圆弧面(18)组成，

所述中间段圆弧面(17)的半径为R1，R1＝50～60mm，左边段圆弧面(16)的半径为R2，右边段圆弧面(18)的半径为R3，R2＝R3＝25～30mm；

左边段圆弧面(16)的圆心O₂与中间段圆弧面(17)的圆心O₁在同一条直线上，并且左边段圆弧面(16)与中间段圆弧面(17)在连接处相切；右边段圆弧面(18)的圆心O₃与中间段圆弧面(17)的圆心O₁在同一条直线上，并且右边段圆弧面(18)与中间段圆弧面(17)在连接处相切。

4.根据权利要求3所述的气密封螺纹接头，其特征在于：中间段圆弧面(17)的中点与其两边的切点沿轴向的距离为M，M＝1.0～1.5mm，左边段圆弧面(16)与右边段圆弧面(18)沿轴向的距离为N，N＝M+1.0mm。

5.根据权利要求2所述的气密封螺纹接头，其特征在于：外螺纹件(1)上的副密封组合锥面(7)由第一锥面(21)和第二锥面(22)组成，第一锥面(21)和第二锥面(22)与接头轴线的夹角分别为γ和δ，其中γ＝20±1.0°，δ＝35±1.0°。

6.根据权利要求5所述的气密封螺纹接头，其特征在于：内螺纹件(2)上的副密封锥面(13)与扭矩台肩(15)之间设置有应力槽(14)，应力槽(14)由斜面(19)和圆弧(20)组成，副密封锥面(13)与斜面(19)的夹角为θ，θ＝30～35°，圆弧(20)与斜面(19)以及扭矩台肩(15)的延长线相切。

7.根据权利要求6所述的气密封螺纹接头，其特征在于：应力槽(14)在轴向上的长度为L1，第一锥面(21)和第二锥面(22)的交点距离应力槽(14)与扭矩台肩(15)的切点的垂直距离为L2，L1＝1.5～1.8mm，L2小于L1，并且L1-L2＝0.2～0.4mm。

8.根据权利要求2所述的气密封螺纹接头，其特征在于：扭矩台肩(15)与端面台肩(8)的接触面与垂线的夹角为ε，ε＝15～20°。

9.根据权利要求1或2所述的气密封螺纹接头，其特征在于：在所述的主密封结构与所述的副密封结构之间还设置有过渡配合面，所述过渡配合面包括设置在外螺纹件(1)上的用于连接主密封锥面(5)与副密封组合锥面(7)的过渡圆锥(6)和设置在内螺纹件(2)上的用于连接主密封组合面(11)与副密封锥面(13)的过渡圆锥孔(12)，过渡圆锥面(6)与过渡圆锥孔(12)的长度相等，长度为8.5～12.5mm，过渡圆锥面(6)与过渡圆锥孔(12)之间存在0.2～0.3mm的间隙，拧紧时，过渡圆锥(6)与过渡圆锥孔(12)相互配合。

10.根据权利要求2所述的气密封螺纹接头，其特征在于：外螺纹件(1)上还设置有外螺纹(3)，内螺纹件(2)的对应位置处设置有内螺纹(4)，所述内螺纹(4)和外螺纹(3)均为锥管螺纹，形状呈倒钩形；在内螺纹件(2)的内螺纹(4)与主密封组合面(11)之间还设有螺纹脂槽(9)，螺纹脂槽(9)与主密封组合面(11)之间通过退刀斜面(10)过渡。