CN110130839A - 一种钢管接头的环式密封结构 - Google Patents

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Abstract

一种钢管接头的环式密封结构，包括内螺纹接头、外螺纹接头和金属密封环；内螺纹接头和外螺纹接头螺纹配合连接后，外螺纹接头的端部与内螺纹接头对应的位置为密封部；金属密封环套设在密封部；本发明将外螺纹接头端部设计成台肩形式，将金属密封环套装在外螺纹接头端部，密封环内外接触面构成主密封面。优点在于外螺纹接头端部为台肩状，使外螺纹接头主密封面与内螺纹接头主密封面之间空间较大，可以安装大厚度金属密封环，增加了密封环厚度方向弹性压缩变形量，增加了密封面弹性过盈量，同时提高了钢管接头密封性。

Description

一种钢管接头的环式密封结构
技术领域
本发明属于石油天然气钻井及开采技术领域，特别涉及一种钢管接头的环式密封结构。
背景技术
一般而言，输送流体的钢管依靠螺纹接头连接，例如开采天然气的油井管，其接头一般由螺纹和密封两部分组成，螺纹用于连接钢管，密封部分用于密封气体或液体，其密封结构由金属对金属径向过盈接触密封部分和扭矩台肩组成，密封部分由各种形状密封面配合组成，如锥面对锥面，锥面对柱面、锥面对球面、柱面对球面等等，依靠密封面钢铁材料过盈接触配合，产生足够接触压力，起到密封作用。特殊螺纹油井管接头结构制造难度大，精度要求高。如果制造偏差过大，或发生损伤，密封面就不能很好接触。在油管、套管等油井管的下井过程中，可能会遇阻，需要多次上提下放，甚至旋转，螺纹接头可能会松动，导致油井管的接头发生泄漏。在油气生产过程中，高压气流导致油管柱发生振动，经过长期振动后，螺纹可能会发生松动，无法保证密封面金属正常接触，压应力下降甚至消失，导致螺纹接头泄漏。针对上述问题，现有技术有一种是在密封位置安装超弹性金属密封圈，以增大密封面弹性应变，提高密封性。但由于钢管外螺纹接头端部外圆与接箍内圆之间的空间有限，所以密封圈厚度不大，密封圈弹性变形量有限。如果为了增大密封圈厚度，就要减少外螺纹接头端部直径，那么外螺纹接头端面承受压力的能力即压缩强度就会下降，影响复合载荷下钢管接头的密封性。另一种端部金属密封环式油井管螺纹接头，在接箍扭矩台肩与外螺纹端部之间安装超弹性金属密封圈，密封效果很好，但是由于密封圈暴露在流体中，超弹性金属与钢铁之间可能存在电位差，发生电偶腐蚀。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钢管接头的环式密封结构，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种钢管接头的环式密封结构，包括内螺纹接头、外螺纹接头和金属密封环；内螺纹接头和外螺纹接头螺纹配合连接，连接后，外螺纹接头的端部与内螺纹接头对应的位置为密封部；金属密封环套设在外螺纹接头端部密封面与内螺纹接头密封面之间；
密封部包括内螺纹接头密封部和外螺纹接头密封部；内螺纹接头密封部包括第一扭矩台肩、第一主密封面和第一台肩副密封面；内螺纹接头靠近端部三分之二长度范围设置有螺纹，远离端部的内螺纹最深处末端内圆表面为第一主密封面；内螺纹接头最深处末端设置与内螺纹接头内径圆面成负角度的第一扭矩台肩；第一主密封面与第一扭矩台肩之间设置垂直于内螺纹接头中心轴线的第一台肩副密封面。
外螺纹接头密封部包括第二扭矩台肩、第二主密封面和第二台肩副密封面；外螺纹接头远离端部处设置有螺纹，该螺纹与内螺纹接头的螺纹相匹配；外螺纹接头端部外圆表面为第二主密封面；第二主密封面与螺纹之间设置第二台肩副密封面，并且第二台肩副密封面垂直于螺纹接头中心轴线；第二主密封面和第二台肩副密封面在外螺纹接头端部形成台肩状；外螺纹接头端面为第二扭矩台肩，并且与外螺纹接头内径圆表面成一定角度；内螺纹接头和外螺纹接头螺纹连接时，金属密封环设置在第二主密封面和第一主密封面之间。
进一步的，金属密封环为圆柱状或圆锥状。
进一步的，第二主密封面为台阶圆柱状、圆锥状或圆柱状。
进一步的，第一主密封面为台阶圆柱状、圆锥状或圆柱状。
进一步的，内螺纹接头的第一主密封面内径小于外螺纹接头第二主密封面外径与二倍金属密封环壁厚之和。外螺纹接头第二主密封面外径大于密封环内径。
进一步的，金属密封环长度大于外螺纹接头的第二主密封面的长度。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明在于将外螺纹接头端部设计成台肩形式，将金属密封环套装在外螺纹接头端部密封圆面上，密封环内外接触面构成主密封面。优点在于外螺纹接头端部直径减少，使外螺纹接头主密封面与内螺纹接头主密封面之间空间增大，可以安装大厚度金属密封环，增加了密封环厚度方向弹性压缩变形量，增加了密封面过盈量，提高了钢管接头密封性。
本发明在于金属密封环长度大于外螺纹接头主密封面长度，也就是大于内螺纹接头台肩副密封面与外螺纹接头台肩副密封面之间的距离，当内外螺纹接头上扣装配，内外螺纹接头扭矩台肩接触后，金属密封环轴向发生弹性压缩变形，密封环两端与外螺纹接头台肩副密封面及内螺纹接头台肩副密封面过盈接触，进一步提高了钢管接头密封性，同时密封环端面承受钢管轴向压缩载荷，使得钢管接头的轴向抗压缩能力不因外螺纹端部直径减少而减少，保证钢管接头在复合载荷下的密封性。
本发明外螺纹接头端部被设计成台肩形式，将金属密封环套装在外螺纹接头端部，当内外螺纹接头上扣装配，内外螺纹接头扭矩台肩接触后，管内流体不能与密封环直接接触，预防了密封环与钢管接头的电偶腐蚀，保证了钢管接头在复杂环境下的密封性。
附图说明
图1为本发明结构图；
图2为本发明内螺纹接头结构图；
图3为本发明外螺纹接头结构图；
图4为本发明金属密封环结构图；
图5a为内螺纹接头的圆锥形主密封面；
图5b为外螺纹接头的圆锥形主密封面；
图5c为内螺纹接头的台阶圆柱式主密封面；
图5d为外螺纹接头的台阶圆柱式主密封面；
图5e为圆柱形金属密封环；
图5f为圆锥形金属密封环；
图5g为两个圆锥形主密封面搭配；
图5h为两个圆锥形主密封面搭配，密封圈长度小于密封面长度；
图5i为圆锥形主密封面与圆柱形主密封面搭配；
图5j为圆柱形主密封面与圆锥形主密封面搭配
图5k为圆锥形主密封面与阶梯形主密封面搭配；
图5l为阶梯形主密封面与圆锥形主密封面搭配；
图5m为阶梯形主密封面与阶梯形主密封面搭配。
其中：1、内螺纹接头；2、外螺纹接头；3、金属密封环；4、第一扭矩台肩；5、第二扭矩台肩；6、第一主密封面；7、第二主密封面；8、第一台肩副密封面；9、第二台肩副密封面。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
一种钢管接头的环式密封结构，包括内螺纹接头1、外螺纹接头2和金属密封环3；内螺纹接头1和外螺纹接头2螺纹配合连接，连接后，外螺纹接头2的端部与内螺纹接头1对应的位置为密封部；金属密封环3套设在的外螺纹接头2端部上密封部；
密封部包括内螺纹接头密封部和外螺纹接头密封部；内螺纹接头密封部包括第一扭矩台肩4、第一主密封面6和第一台肩副密封面8；内螺纹接头靠近端部三分之二长度范围设置有螺纹，远离端部的内螺纹最深处末端内圆表面为第一主密封面6；内螺纹接头最深处末端设置与内螺纹接头内径圆面成负角度的第一扭矩台肩4；第一主密封面6与第一扭矩台肩4之间设置垂直于内螺纹接头中心轴线的第一台肩副密封面8；
外螺纹接头密封部包括第二扭矩台肩5、第二主密封面7和第二台肩副密封面9；外螺纹接头远离端部处设置有螺纹，该螺纹与内螺纹接头的螺纹相匹配；外螺纹接头端部外圆表面为第二主密封面7；第二主密封面7与螺纹之间设置第二台肩副密封面9，并且第二台肩副密封面9垂直于螺纹接头中心轴线；第二主密封面7和第二台肩副密封面9在外螺纹接头端部形成台肩状；外螺纹接头端面为第二扭矩台肩5，并且与外螺纹接头内径圆表面成一定角度；内螺纹接头和外螺纹接头螺纹连接时，金属密封环3设置在第二主密封面7和第一主密封面6之间。由于密封环长度大于外螺纹主密封面长度，也就是大于内外螺纹台肩密封面之间的距离，密封环将发生轴向压缩变形，承担轴向载荷，接头抗压缩强度没有减少。由于密封环厚度大于内外螺纹主密封面之间的间隙，密封环壁厚将发生压缩变形。这样，主密封面、台肩副密封面都将发生弹性过盈接触，保证了钢管接头的密封性。
金属密封环3为圆柱状或圆锥状。
第二主密封面7为台阶圆柱状、圆锥状或圆柱状。
第一主密封面6为台阶圆柱状、圆锥状或圆柱状。
内螺纹接头的第一主密封面6内径小于外螺纹接头第二主密封面7外径与二倍金属密封环3壁厚之和。外螺纹接头第二主密封面7外径大于密封环3内径。。
金属密封环3长度大于外螺纹接头的第二主密封面7的长度。
实施案例1：
密封环为圆柱形状，采用超弹性形状记忆合金制造，壁厚是钢管壁厚的三分之一，内径ds比钢管内径大三分之二壁厚，即长度Ls＝10～15毫米。
钢管外螺纹端主密封面为圆柱面，外径Dsp比密封环内径ds大0.3至1.0毫米，即Dsp＝ds+(0.3～1.0)毫米，长度Lsp比密封环长度Ls小百分之一至百分之五，即Lsp＝Ls×(1-(1％～5％)。
钢管内螺纹主密封面为圆柱面，长度Lsb大约是密封环长度Ls的三分之二，内径dsb比外螺纹端主密封面外径Dsp与2倍密封环壁厚之和小0.1至1.0毫米。
在内外螺纹上扣装配前，可以在密封环一端加工内倒角，将密封环放在内螺纹接箍内后，上紧内外螺纹，密封环将完全套装在外螺纹密封圆柱面上。或者密封环不加工内倒角，采用热膨胀方法或机械法将密封环完全套装在外螺纹接头端部密封圆柱面上。在上紧内外螺纹后，由于密封环长度大于外螺纹主密封面长度，也就是大于内外螺纹台肩副密封面之间的距离，密封环将发生轴向压缩变形。由于密封环厚度大于内外螺纹两个主密封面之间的间隙，密封环在壁厚方向发生压缩变形。由于内螺纹密封面长度小于密封环长度，所以密封环一部分表面没有约束，那么在密封环发生压缩变形时，金属材料将向没有约束的空间流动，使得密封环能顺利发生压缩变形。这样，主密封面、台肩副密封面将发生弹性过盈接触，实现钢管接头的密封性。
实施案例2：
密封环为圆锥形状，采用超弹性形状记忆合金制造，锥度为1：6，壁厚是钢管壁厚的三分之一，小端内径ds比钢管内径大三分之二壁厚，即长度Ls＝10～15毫米。
钢管外螺纹端主密封面为圆锥面，锥度为1：6，小端外径Dsp比密封环小端内径ds大0.3至1.0毫米，即Dsp＝ds+(0.3～1.0)毫米，长度Lsp比密封环长度Ls小百分之一至百分之五，即Lsp＝Ls×(1-(1％～5％)。
钢管内螺纹主密封面为圆锥面，锥度1：6，长度Lsb大约是密封环长度Ls的三分之二，小端内径dsb比外螺纹端主密封面小端外径Dsp与2倍密封环壁厚之和小0.1至1.0毫米。
在内外螺纹上扣装配前，可以先将密封环放在内螺纹接箍内，或套在外螺纹接头端部，然后上紧内外螺纹，密封环将紧配合套装在外螺纹密封圆锥面上。或者采用热膨胀方法或机械法将密封环紧配合套装在外螺纹接头端部密封圆锥面上。在上紧内外螺纹后，由于密封环长度大于外螺纹主密封面长度，也就是大于内外螺纹台肩副密封面之间的距离，密封环将发生轴向压缩变形。由于密封环厚度大于内外螺纹两个主密封面之间的间隙，密封环在壁厚方向发生压缩变形。由于内螺纹密封面长度小于密封环长度，所以密封环一部分表面没有约束，那么在密封环发生压缩变形时，金属材料将向没有约束的空间流动，使得密封环能顺利发生压缩变形。这样，主密封面、台肩副密封面将发生过盈接触，保证钢管接头的密封性。
实施案例3：
密封环为圆柱形状，采用超弹性形状记忆合金制造，壁厚是钢管壁厚的三分之一，内径ds比钢管内径大三分之二壁厚，即长度Ls＝10～15毫米。
钢管外螺纹端主密封面为阶梯圆柱面，阶梯在密封面中部，阶梯长度为密封面长度的三分之一，阶梯圆柱面小端外径Dsp比密封环小端内径ds大0.1至0.5毫米，阶梯圆柱面大端外径比其小端外径Dsp大0.2至1.0毫米，阶梯圆柱面长度Lsp比密封环长度Ls小百分之一至百分之五，即Lsp＝Ls×(1-(1％～5％)。
钢管内螺纹主密封面为圆锥面，锥度1：6，长度Lsb大约是密封环长度Ls的三分之二，小端内径dsb比密封环小端外径小0.1至1.0毫米。
在内外螺纹上扣装配前，可以在密封环一端加工内倒角，将密封环放在内螺纹接箍内后，上紧内外螺纹，密封环将完全套装在外螺纹密封阶梯圆柱面上。或者密封环不加工内倒角，采用热膨胀方法或机械法将密封环完全套装在外螺纹接头端部密封阶梯圆柱面上。由于密封环长度大于外螺纹主密封面长度，也就是大于内外螺纹台肩密封面之间的距离，密封环将发生轴向压缩变形。由于密封环厚度大于内外螺纹主密封面之间的间隙，密封环壁厚将发生压缩变形。由于内螺纹密封面长度小于密封环长度，所以密封环一部分表面没有约束，那么在密封环发生压缩变形时，金属材料将向没有约束的空间流动，使得密封环能顺利发生压缩变形。这样，主密封面、台肩密封面将发生过盈接触，保证钢管接头的密封性。

Claims (6)

1.一种钢管接头的环式密封结构，其特征在于，包括内螺纹接头(1)、外螺纹接头(2)和金属密封环(3)；内螺纹接头(1)和外螺纹接头(2)螺纹配合连接，连接后，外螺纹接头(2)的端部与内螺纹接头(1)对应的位置为密封部；金属密封环(3)套设在外螺纹接头(2)与内螺纹接头(1)的密封部；
密封部包括内螺纹接头密封部和外螺纹接头密封部；内螺纹接头密封部包括第一扭矩台肩(4)、第一主密封面(6)和第一台肩副密封面(8)；内螺纹接头靠近端部三分之二长度范围设置有螺纹，远离端部的内螺纹最深处末端内圆表面为第一主密封面(6)；内螺纹接头最深处末端设置与内螺纹接头内径圆面成负角度的第一扭矩台肩(4)；第一主密封面(6)与第一扭矩台肩(4)之间设置垂直于内螺纹接头中心轴线的第一台肩副密封面(8)；
外螺纹接头密封部包括第二扭矩台肩(5)、第二主密封面(7)和第二台肩副密封面(9)；外螺纹接头远离端部处设置有螺纹，该螺纹与内螺纹接头的螺纹相匹配；外螺纹接头端部外圆表面为第二主密封面(7)；第二主密封面(7)与螺纹之间设置第二台肩副密封面(9)，并且第二台肩副密封面(9)垂直于螺纹接头中心轴线；第二主密封面(7)和第二台肩副密封面(9)在外螺纹接头端部形成台肩状；外螺纹接头端面为第二扭矩台肩(5)，并且与外螺纹接头内径圆表面成一定角度；内螺纹接头和外螺纹接头螺纹连接时，金属密封环(3)设置在第一主密封面(6)与第二主密封面(7)之间。
2.根据权利要求1所述的一种钢管接头的环式密封结构，其特征在于，金属密封环(3)为圆柱状或圆锥状。
3.根据权利要求1所述的一种钢管接头的环式密封结构，其特征在于，第二主密封面(7)为台阶圆柱状、圆锥状或圆柱状。
4.根据权利要求1所述的一种钢管接头的环式密封结构，其特征在于，第一主密封面(6)为台阶圆柱状、圆锥状或圆柱状。
5.根据权利要求1所述的一种钢管接头的环式密封结构，其特征在于，内螺纹接头的第一主密封面(6)内径小于外螺纹接头第二主密封面(7)外径与二倍金属密封环壁厚之和；外螺纹接头第二主密封面(7)外径大于密封环内径。
6.根据权利要求1所述的一种钢管接头的环式密封结构，其特征在于，金属密封环长度大于外螺纹接头的第二主密封面(7)的长度。
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