CN109563732A - 用于油气管道的螺纹接头 - Google Patents

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Abstract

一种用于油气管道的螺纹接头,包括母部件(1)和公部件(2),母部件(1)是接头管状体,包括螺纹耦接部分(11),延长耦接部分(11)的密封部分(12),公部件(2)包括管状体,公部件(2)的管状体包括具有螺纹外表面(S21)的第一部分(21),具有与母部件密封表面(S12)协作用于密封接头的密封表面(S22)的第二密封部分(S22),母部件(1)的密封表面(S12)由锥形部分(S121,S122)构成,公部件(2)的密封表面(S22)包括更靠近第一部分(21)的近端部分(S221)和远端部分(S222),近端截面部分(S221)具有锥形表面,该锥形表面与母部件(1)的密封表面(S12)形成第一密封(PS),远端部分(S222)具有凸表面(S223),该凸表面(S223)与母部件(1)的密封表面(S12)形成第二密封(DS)。

Description

用于油气管道的螺纹接头
技术领域
本发明涉及用于油气管道的螺纹接头,其类型包括螺纹母部件和螺纹公部件,例如销和盒体或特殊螺纹接头,尤其设计用于在苛刻条件下操作,在外部和内部压力方面都是如此,并且更公知为优质接头。
背景技术
优质接头包括销和具有锥形螺纹的盒体,该锥形螺纹允许通过在形成密封的相互配合的锥形表面中提供密封表面来紧固该锥形螺纹,并且该优质接头包括抵靠在所述盒体的肩部上的销鼻状部,该销鼻状部用作连接中的止动件。所述密封由必须承受外部和内部压力二者、轴向载荷和弯曲的金属与金属紧密接触形成。
WO2004/109173、US2011/0241340和US2015/0001841公开了这些优质接头的主要特征。
耦接器的细节,尤其是在连接期间产生密封的表面的设计,是关键的,因为它必须保证在所有条件下(即在所有操作温度下的内部和外部压力、张力和压缩、弯曲以及所有这些条件下)的总密封性。
出于这个原因,最近的文献描述了基于销和盒体的表面的不同设计以产生密封的非常具体的解决方案。
US2011/0241340描述了基于圆锥到圆锥的接头和基于其中一个零件(销或盒体)的圆形截面和另一个零件的圆柱形截面的连接的几种解决方案。在该文献的图3A至3D中,描述了由交替的锥形和曲面形成的盒体的密封表面的轮廓。在图4和图5中,示出了所得到的密封接头。所有这些组合旨在形成单个接头,必定在其近端和远端分别承受外部压力和内部压力。在本发明的上下文中,远端是指更靠近销鼻状部(或肩部)的部分,而近端是指离销鼻状部更远的那些部分,也即更靠近螺纹的那些部分。
还公开了包括两个密封表面而不是一个密封表面的优质接头。
这些解决方案中的一些解决方案在销和盒体的锥形区域内具有一个密封,并且在纵向支承表面内具有另一个密封,也即在肩部/销鼻状部区域。
其它双密封解决方案在锥形区域中具有两个密封,其中肩部区域仅具有支撑功能。本发明属于这种解决方案。
在DE4446806C1中描述了一个双密封的实例,其被认为是本发明最接近的现有技术。
尤其是在DE4446806C1的图1示出了基于到锥形表面的两个圆形部分的双密封。图3示出了另一种双密封,其中近端密封是圆形部分到锥形的密封,而远端密封是锥形到锥形的密封。
虽然在两个区域中保证密封,但这不是最佳的解决方案,因为两个密封是相同的,并未考虑它们面临不同的条件。远端密封旨在确保相对于内部压力的密封,而近端密封被设计为确保相对于外部压力的密封性。内部压力和外部压力的作用的主要区别在于,内部压力改善了密封,因为它倾向于使销鼻状部膨胀,也即它具有自密封效果。
此外,如果两个密封是相同类型的,并且期望在一侧上相对于另一侧增加密封性,则这可以确保足够的密封性,但是其中一个密封将承受过大的应力,这可能加速接触表面的磨损,这是要避免的另一过程。
在现有技术解决方案中并非最优的另一个方面是,耦接过程必须确保有效的耦接以及在整个管道的所有接头中正确地形成双密封。耦接过程涉及销和盒体之间的相对位移,其结果可取决于执行耦接的条件。
本发明还旨在确保密封在销和盒体之间的短的相对位移中形成,并且对于不同的接头,应力分布是相同的。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷,本发明提出一种用于油气管道的螺纹接头,所述接头包括母部件和公部件,其中,限定了所述公部件和所述母部件之间的耦接方向和耦接构造,其中所述母部件是接头管状体,所述母部件包括具有螺纹内表面的耦接部分,在所述耦接方向上以减小的直径延长所述耦接部分的密封部分,所述密封部分在其端部处具有内密封表面和肩部用于在所述耦接构造中支撑所述公部件的端部,并且其中所述公部件包括管状体,所述公部件的管状体包括具有螺纹外表面且该螺纹外表面与所述母部件的螺纹内表面互补的第一部分和包括在所述耦接构造中与所述母部件的密封表面协作用于密封所述接头的密封表面的第二密封部分,其特征在于,
所述母部件的内密封表面由锥形部分构成;
所述公部件的密封表面包括两部分,更靠近所述第一部分的近端部分和更靠近所述公部件端部的远端部分;
所述近端部分具有锥形表面,该锥形表面在所述耦接构造中与所述母部件的密封表面形成第一密封;
所述远端部分具有凸表面,该凸表面在所述耦接构造中与所述母部件的密封表面形成第二密封。
在整个说明书中,近端密封是指更靠近螺纹的密封,远端密封是指布置得更靠近肩部的密封。
这种布置在组装期间提供良好的密封能力,因为接触应力彼此互补,从而在完全组装时提供最佳的密封接触长度。当与凸表面处的应力相比时,在与密封位置初始接触期间围绕锥形密封的应力以高得多的速率增加。
尤其地,该构造提供双密封装置的非对称构造,该双密封装置又提供承受外部压力和内部压力两者,外部压力是来自螺纹之间的间隙的压力,内部压力是来自管道/管内部的压力。
已知对于各种条件密封的连接能力是密封应力和接触长度的函数。在组装期间,低接触面积/高应力(锥形)和高接触面积/低应力(环形)的组合降低了磨损的风险,同时为各种载荷组合在每个密封中提供足够的应变能。由锥形-锥形密封产生的峰值锥形应力防止来自外部压力的进入,同时该设计降低了由楔形效应引起的负载的风险。密封设计和位置还在诸如张力与外部压力的最困难组合期间提供最大应变能。
不需要高的凸形密封应力,因为内部压力辅助密封接触压力。尽管当与锥形密封相比时凸形或环形密封的应力明显更低,但是密封接触压力由作用在公部件端部上的内部压力辅助。
因此,密封设计应力集中程度、接触面积和位置被优化以承受磨损和任何负载条件。
在一些实施例中,公部件的近端截面部分的锥形表面的孔径角和母部件的近端锥形部分的孔径角不同。
在一些实施例中,近端截面部分的锥形表面的角度大于母部件的近端锥形部分的角度。
其它实施例包括其中近端截面部分的锥形表面的角度低于母部件的近端锥形部分的角度的布置。
在一些特定实施例中,母部件的母线和锥形部分的轴线所形成的角度在10°和20°之间,并且公部件的母线和近端部分的锥形部分的轴线所形成的角度在10°和20°之间。
在一些实施例中,母部件的密封表面的锥形部分属于相同的圆锥,因此具有相同的角度。
在一些实施例中,母部件的密封表面的锥形部分具有不同的角度。
在一些实施例中,凸表面是环形部分,并且优选地产生环形部分的圆的半径在45cm和70cm之间,并且优选地为50cm。
本发明还涉及一种用于油气管道的螺纹接头,所述接头包括母部件和销,其中,限定了所述公部件和所述母部件之间的耦接方向和耦接构造,其中所述母部件是接头管状体,所述母部件包括具有螺纹内表面的耦接部分,在所述耦接方向上以减小的直径延长所述耦接部分的密封部分,所述密封部分在其端部处具有内密封表面和肩部用于在所述耦接构造中支撑所述公部件的端部,并且其中所述公部件包括管状体,所述公部件的管状体包括具有螺纹外表面且该螺纹外表面与所述母部件的螺纹内表面互补的第一部分和包括在所述耦接构造中与所述母部件的密封表面协作用于密封所述接头的密封表面的第二密封部分,其特征在于,
所述公部件的密封表面由更靠近所述螺纹的近端锥形部分和更靠近所述公部件端部的远端部分构成;
所述母部件的内密封表面包括两部分,更靠近所述螺纹的近端截面部分和更靠近所述肩部的远端截面部分;
所述母部件的近端截面部分是锥形表面并在所述耦接构造中与所述销的近端锥形部分形成第一密封;
所述远端截面部分具有凸表面,该凸表面在所述耦接构造中与所述销的远端部分形成第二密封。
这是前述构造的第二替代方案,但是其中凸表面具有相反的位置,该位置现在在母部件中而不是在销中。这些优点与前述发明概念的优点相同。
在该第二替代方案的一些实施例中:
公部件的近端锥形部分的锥形表面的角度和母部件的近端截面部分的角度不同,并且优选地,母部件的近端截面部分的锥形表面的角度大于销的近端锥形部分的角度;或
公部件的密封表面的锥形部分属于同一锥形。
对于所公开的所有实施例,优选地,肩部具有圆形截面,凸表面属于销。由于机器加工的原因,也可以考虑直的负肩角。
带有圆形截面或负直线截面或台阶的肩部,在外部压力作用下,公部件可得到更好的支撑。
在一些实施例中,鼻状部包括在密封表面中用于存储润滑剂的环形凹部,该凹部位于近端部分和远端部分之间。
本发明可应用于干接头和湿接头。在后一种情况下,润滑剂放置在互相接触的表面之间。根据本发明,建立了两个金属对金属的密封,并且当进行耦接时,在湿接头的情况下可能发生这样的情况,即在建立第一密封时,向前抽吸了太多的润滑剂,为第二密封留下很少的量。这种影响可以通过环形凹部来减轻。
最后,在特别优选的实施例中,母部件和公部件分别是特殊螺纹接头的盒体和销。在其它实施例中,公部件和母部件属于齐平型连接。
附图说明
为了完成描述并且为了提供对本发明的更好理解,提供了一组附图。所述附图为说明书不可分割的一部分并且说明了本发明的实施例,其不应被解释为限制本发明的范围,而是仅仅作为如何能够实现本发明的接头的示例。附图包括以下附图:
图1示出了根据本发明的优选实施例的特殊螺纹接头的不同部分的截面图。
图2示意性地示出了根据优选实施例的双密封连接。
图3示出了一个实施例,其中圆形表面被设置在盒体中,并且其中所有的销密封表面都是锥形的。
图4和5示出了具有锥形表面的部件(销或盒体)具有带有不同锥形孔的两个不同部分的实施例。
图6a至6h示出了在组装特殊螺纹接头期间密封大致是如何表现的。
具体实施方式
如图1所示,根据优选实施例,本发明涉及一种用于油气管道的螺纹接头,该螺纹接头包括盒体1和销2。虽然在本节中参考了销和盒体接头,但是本发明显然可以应用于齐平接头,也即其中管元件的一端包括螺纹母部件,而另一端包括螺纹公部件,使得该管元件可以拧入下一个元件中。
限定了所述销2和所述盒体1之间的耦接方向CD以及耦接构造。从图1到图5和在图6中示出了所述耦接构造。其它附图示出了耦接过程。
所述盒体1是包括耦接部分11的接头管状体,所述管状体包括螺纹内表面S11。
密封部分12在所述耦接方向上延长所述耦接部分(11)。该密封部分12在所述耦接方向上具有减小的直径。
所述密封部分12在其端部处具有内密封表面S12和肩部13,用于在所述耦接构造中支撑所述销2的鼻状部23(或端部)。
所述销2包括管状体,所述销2的管状体包括具有螺纹外表面S21且该螺纹外表面S21与所述盒体1的螺纹内表面S11互补的第一部分21和包括在所述耦接构造中与所述盒体1的内密封表面S12协作用于密封所述接头的密封表面S22的第二密封部分22。
根据本发明:
所述盒体1的内密封表面S12由锥形部分S121、S122构成;
所述销2的密封表面S22包括两个部分S221、S222,更靠近所述第一部分21的近端部分S221和更靠近所述鼻状部23的远端部分S222;
所述近端部分S221是锥形表面,所述近端部分S221的锥形表面在所述耦接构造中与所述盒体1的内密封表面S12形成第一密封PS(见图6g);和
所述远端部分S222具有凸表面S223,所述凸表面S223在所述耦接构造中与所述盒体1的内密封表面S12形成第二密封件DS(见图6g)。
如图1、2和图6a至6h所示,并且根据优选实施例,所述销的近端部分S221的锥形表面的角度大于所述盒体的近端锥形部分S121的角度。还可以看出,根据该优选实施例,所述盒体2的圆锥表面S121、S122具有相同的角度。这也在图2中示出,图2的相对尺寸被放大以示出所述密封PS、DS的定性几何方面。
图1还示出了密封的空间应力分布。该应力分布是表示应力相对于沿着产生密封表面的线的位置的函数。所述近端密封的应力分布具有参考线DPS,所述远端密封的应力分布具有参考线DDS。所述近端密封具有邻近螺纹区的峰值P,该峰值P是应力分布中的最大值(见图1)。因此所述近端密封用作承受外部压力的屏障,而远端密封是对称的并且具有较低的最大压力。图6h进一步示出了在所述肩部13、23中产生的应力分布。
在所示的实施例中,由盒体的母线和锥形部分的轴线形成的角度在10°和20°之间,并且由所述销2母线和近端部分S221的锥形部分的轴线形成的角度在10°和20°之间。
现在将参照图2至图5公开一些特定情况。
所述盒体的锥形部分是一个单一的锥形区域
在这种情况下,如图1所示,所述盒体1的内密封表面S12的锥形部分S121、S122属于相同的圆锥,因此具有相同的角度。
在所述盒体中具有单个锥形区域具有两个主要优点。
1.制造相当简单。
2.所述盒体锥形区域的测量很简单。
所述盒体有两个不同角度的锥形区域
在这种情况下,如图4所示,所述盒体1的密封表面S12的锥形部分S121、S122具有不同的角度。
通过使用两个不同的角度,可以更好地优化密封接触面积和接触压力。
所述凸表面位于所述盒体中而不是所述销中
如图3和5所示,其它实施例包括在所述销2和所述盒体1之间交换凸形/环形表面的位置。虽然这些替代方案从制造的观点来看是次要的,但是两个不同密封的定位效果与上面公开的优选实施例中的效果相同。
模拟密封的建立
现在将参照图6a至6h描述在耦接过程中形成密封的方式。还将描述由根据优选实施例的特征提供的有利效果。
尤其地,这些图示出了形成在构成所述近端密封SP,即更靠近所述螺纹的密封,和远端密封SD,即布置成更靠近所述肩部13、23的密封的两个大致环形的带中的应力分布更靠近。
在所述销2和所述盒体1之间第一次接触时,所述远端密封SD开始形成。如图所示,在所述销鼻状部23的凸曲面S223和所述盒体1的远端(锥形)表面S122之间出现的反作用应力产生沿着大致垂直于所述接触表面的轴线对称的应力分布。从整个耦接过程中可以看出,该分布非常稳定,并且在引入期间保持该分布大小和分布对称性。
然而,对应于所述近端密封的圆锥-圆锥接触具有与所述远端密封DS不同的演变和不同的分布。尤其地,所述近端密封仅从图6D所示的时刻开始出现。
应当指出的是,图6a至6h是是大致规则间隔的连续位置。
所述近端密封中的应力的升高是由于圆锥-圆锥接触以及由于所述销2和所述盒体1的接触表面相对于引入轴线,也即所述表面的移动方向,倾斜。
在形成所述近端密封PS的过程结束时,可以理解,作为位置的函数的应力图朝向所述螺纹偏置,也即该应力图是不对称的,在压力趋于更大的螺纹侧,主要应力更大。
因此,由本发明提供的不对称性允许将高应力集中在需要的地方,从而相对于现有技术解决方案在组装期间提供更好的密封性和更少的磨损。
此外,图表应力示出了容易控制两个密封的同时实现,因为它们中的一个形成在整个引入过程中而几乎没有变化,而另一个,所述近端密封PS,以一定的间隔形成,其必然与所述远端密封DS的形成重叠,并且当所述销鼻状部抵接所述肩部时产生所述近端密封PS的峰值。
最后,必须指出的是,尽管累积位移非常短,但是通过正确地调节螺纹公差,可以使由在解耦方向上的牵引引起的位移甚至更短,从而确保在所有载荷条件下两个密封都将是有效的。
在本文中,术语"包括"及其派生词(例如"包含"等)不应在排除意义上理解,也即这些术语不应被解释为排除所描述和定义的内容可包括其他元素、步骤等的可能性。
本发明显然不限于这里描述的特定实施例,而是还包括本领域技术人员可以考虑的在权利要求所限定的本发明的一般范围内的任何变化(例如,关于材料、尺寸、组件、构造等的选择)。

Claims (17)

1.一种用于油气管道的螺纹接头,所述接头包括母部件(1)和公部件(2),其中,限定了所述公部件(2)和所述母部件(1)之间的耦接方向(CD)和耦接构造,所述公部件具有鼻状部(23),其中所述母部件(1)是接头管状体,所述母部件(1)包括具有螺纹内表面(S11)的耦接部分(11),所述管状体的轴线具有所述耦接方向(CD),在所述耦接方向上以减小的直径延长所述耦接部分(11)的密封部分(12),所述密封部分(12)在其端部处具有内密封表面(S12)和肩部(13)用于在所述耦接构造中抵接所述公部件(2)的所述鼻状部(23),其中所述公部件(2)包括管状体,所述公部件(2)的管状体包括具有螺纹外表面(S21)且该螺纹外表面(S21)与所述母部件(1)的螺纹内表面(S11)互补的第一部分(21)和包括在所述耦接构造中与所述母部件(1)的所述密封表面(S12)协作用于密封所述接头的密封表面(S22)的第二密封部分(22),其特征在于,
所述母部件(1)的内密封表面(S12)由锥形部分(S121,S122)构成;
所述公部件(2)的密封表面(S22)包括更靠近所述第一部分(21)的近端部分(S221)和更靠近所述端部(23)的远端部分(S222);
所述近端部分(S221)具有锥形表面,该锥形表面在所述耦接构造中与所述母部件(1)的内密封表面(S12)的锥形部分(S121)中的一个形成第一密封(PS);
所述远端部分(S222)具有凸表面(S223),该凸表面(S223)在所述耦接构造中与所述母部件(1)的内密封表面(S12)的锥形部分(S122)中的另一个形成第二密封(DS)。
2.根据权利要求1所述的螺纹接头,其特征在于,所述公部件的近端部分(S221)的锥形表面的孔径角和所述母部件的近端锥形部分(S121)的孔径角不同。
3.根据权利要求2所述的螺纹接头,其特征在于,所述近端部分(S221)的锥形表面的角度大于所述母部件的近端锥形部分(S121)的角度。
4.根据权利要求3所述的螺纹接头,其特征在于,由所述母部件(1)的母线和所述锥形部分的轴线形成的角度在10°和20°之间,并且由所述公部件(2)的母线和所述近端部分(S221)的锥形部分的轴线形成的角度在10°和20°之间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的螺纹接头,其特征在于,所述母部件(1)的密封表面(S12)的锥形部分(S121,S122)属于同一圆锥。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的螺纹接头,其特征在于,所述母部件(1)的密封表面(S12)的锥形部分(S121,S122)具有不同的角度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的用于油气管道的螺纹接头,其特征在于,所述凸表面(S223)是环形部分。
8.根据权利要求7所述的螺纹接头,其特征在于,产生所述环形部分的圆的半径在45和70cm之间,并且优选为50cm。
9.一种用于油管道的螺纹接头,所述接头包括母部件(1)和公部件(2),其中,限定了所述公部件(2)和所述母部件(1)之间的耦接方向和耦接构造,所述公部件具有鼻状部(23),其中所述母部件(1)是接头管状体,所述母部件(1)包括具有螺纹内表面(S11)的耦接部分(11),所述管状体的轴线具有所述耦接方向(CD),在所述耦接方向上以减小的直径延长所述耦接部分(11)的密封部分(12),所述密封部分(12)在其端部处具有内密封表面(S12)和肩部(13)用于在所述耦接构造中抵接所述公部件(2)的所述鼻状部(23),其中所述公部件(2)包括管状体,所述公部件(2)的管状体包括具有螺纹外表面(S21)且该螺纹外表面(S21)与所述母部件(1)的螺纹内表面(S11)互补的第一部分(21)和包括在所述耦接构造中与所述母部件(2)的密封表面(S12)协作用于密封所述接头的密封表面(S22)的第二密封部分(22),所述鼻状部(23)在所述耦接构造中抵靠在所述肩部(13)上,其特征在于,
所述公部件(2)的密封表面(S22)由更靠近所述螺纹的近端锥形部分(S221′)和更靠近所述公部件鼻状部(23)的远端部分(S222′)构成;
所述母部件(1)的内密封表面(S12)包括更靠近所述螺纹的近端截面部分(S121′)和更靠近所述肩部(13)的远端截面部分(S122′);
所述母部件(1)的近端截面部分(S121′)是锥形表面并在所述耦接构造中与所述公部件(2)的近端锥形部分(S221′)形成第一密封;
所述母部件(S122′)的远端截面部分具有凸表面(S223)并在所述耦接构造中与所述公部件(2)的远端部分(S222′)形成第二密封(DS)。
10.根据权利要求9所述的螺纹接头,其特征在于,所述公部件的近端锥形部分(S221′)的锥形表面的角度和所述母部件的近端部分(S121′)的角度不同。
11.根据权利要求10所述的螺纹接头,其特征在于,所述母部件的近端部分(S121′)的锥形表面的角度大于所述公部件(2)的近端锥形部分(S221′)的角度。
12.根据权利要求9或10所述的螺纹接头,其特征在于,所述公部件(2)的密封表面(S22)的锥形部分(S221′,S222′)属于同一圆锥。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的螺纹接头,其特征在于,所述凸表面(S223)是环形部分。
14.根据前述权利要求中任一项所述的螺纹接头,其特征在于,所述肩部(13)具有圆形截面、直线截面或阶梯截面。
15.根据前述权利要求中任一项所述的螺纹接头,其特征在于,所述母部件(1)和所述公部件(2)分别是特殊螺纹接头的所述盒体(1)和所述销(2)。
16.根据前述权利要求中任一项所述的螺纹接头,其特征在于,所述鼻状部(23)包括位于所述密封表面(S22)中的用于存储润滑剂的环形凹部,所述凹部位于所述近端部分(S221)和所述远端部分(S222)之间。
17.一种油气管道,包括根据前述权利要求中任一项所述的接头。
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