CN110678685A - 钢管用螺纹接头 - Google Patents

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CN110678685A CN201880033995.8A CN201880033995A CN110678685A CN 110678685 A CN110678685 A CN 110678685A CN 201880033995 A CN201880033995 A CN 201880033995A CN 110678685 A CN110678685 A CN 110678685A
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Abstract

提供一种能够兼顾耐扭矩性能的确保和制造成本的降低的钢管用螺纹接头。钢管用螺纹接头(1)包括：公扣(10)，其在外周具有外螺纹部(11)；以及母扣(20)，其在内周具有内螺纹部(21)，与公扣(10)紧固。外螺纹部(11)具有主外螺纹(111)和副外螺纹(112)。主外螺纹(111)由具有恒定的螺纹牙宽度和螺纹槽宽度的梯形螺纹构成。副外螺纹(112)配置于主外螺纹(111)的螺纹槽，螺纹牙宽度和螺纹牙高度比主外螺纹(111)的螺纹牙宽度和螺纹牙高度小。在公扣(10)的管轴线方向的截面中，相邻的主外螺纹(111)的插入牙侧面(111c)的牙型半角和副外螺纹(112)的载荷牙侧面(112d)的牙型半角比0度大。

Description

钢管用螺纹接头
技术领域
本公开涉及一种用于钢管的连结的螺纹接头。
背景技术
在油井、天然气井等(以下也统称为“油井”)中，为了开采地下资源而使用套管、管道等油井管。油井管由钢管依次连结而成，其连结使用螺纹接头。
这种钢管用螺纹接头的形式大致被分为组合型和整体型。在组合型的情况下，作为连结对象的一对管材中的一个管材是钢管，另一个管材是被称为管接头的短管。在该情况下，在钢管的两端部的外周形成有外螺纹部，在管接头的两端部的内周形成有内螺纹部。并且，通过将钢管的外螺纹部拧入管接头的内螺纹部而将两者紧固并连结。在整体型的情况下，作为连结对象的一对管材均是钢管，不额外使用管接头。在该情况下，在钢管的一端部的外周形成有外螺纹部，在另一端部的内周形成有内螺纹部。并且，通过将一个钢管的外螺纹部拧入另一个钢管的内螺纹部而将两者紧固并连结。
通常，形成有外螺纹部的管端部的接头部分包含插入内螺纹部的要素，因此被称为公扣。另一方面，形成有内螺纹部的管端部的接头部分包含承接外螺纹部的要素，因此被称为母扣。公扣和母扣是管材的端部，因此均呈管状。
近年，随着例如水平挖掘、倾斜挖掘等新技术的发展，对于螺纹接头，要求较高的耐扭矩性能和密封性能。为了兼顾耐扭矩性能和密封性能，例如将也被称为楔形螺纹的燕尾形状的锥螺纹应用于螺纹部的方法是有效的。在具有楔形螺纹的螺纹接头中，外螺纹部(公扣)的螺纹牙宽度沿着螺纹的螺旋线在右旋螺纹的行进方向上随着朝向顶端去而变窄，相对的内螺纹部(母扣)的螺纹槽宽度也沿着螺纹的螺旋线在右旋螺纹的行进方向上随着朝向顶端去而变窄。在楔形螺纹中，载荷牙侧面(以下也称为“载荷面”)和插入牙侧面(以下也称为“插入面”)这两者呈负角，载荷面彼此和插入面彼此相互接触。由此，螺纹部整体牢固地嵌合，发挥较高的耐扭矩性能。另外，在紧固状态下，螺纹部的螺纹牙顶面与螺纹槽底面相互接触，因此也能够确保密封性能。
另一方面，在专利文献1、2中，公开了在不使用楔形螺纹的前提下谋求耐扭矩性能的提高的螺纹接头。
在专利文献1的螺纹接头中，螺纹部的载荷面和插入面各自的截面形状形成为Z形状。在该螺纹接头中，使这样的形状的载荷面彼此和插入面彼此接触，从而控制螺纹部的管轴线方向和径向的紧固。
在专利文献2的螺纹接头中，螺纹部的各载荷面的截面形状形成为钩状。因此，在紧固时，钩状的载荷面彼此嵌合。由此，能够使螺纹部承载扭矩台肩所承载的扭矩的一部分，能够抑制扭矩台肩的塑性变形，并且发挥较高的耐扭矩性能。
本说明书引用下述的现有技术文献。
专利文献1：美国发明专利申请公开第2008/0073909号说明书
专利文献2：日本特开2002-81584号公报
发明内容
不过，在将楔形螺纹应用于螺纹部的螺纹接头中，外螺纹部的螺纹牙宽度和与其相对应的内螺纹部的螺纹槽宽度变化。由此，螺纹部的切削困难，并且耗费切削时间，因此制造成本变高。从降低制造成本的观点来看，还想到将API(American PetroleumInstitute(美国石油协会))标准的锯齿螺纹(梯形螺纹)应用于螺纹部。然而，在应用锯齿螺纹的螺纹接头未设置扭矩台肩等扭矩放大机构的情况下，无法发挥较高的耐扭矩性能。
本公开的目的在于，提供一种能够兼顾耐扭矩性能的确保和制造成本的降低的钢管用螺纹接头。
本公开的钢管用螺纹接头包括管状的公扣和管状的母扣。公扣在外周具有外螺纹部。母扣在内周具有与外螺纹部相对应的内螺纹部，与公扣紧固。外螺纹部包含主外螺纹和副外螺纹。主外螺纹由具有恒定的螺纹牙宽度和螺纹槽宽度的梯形螺纹构成。副外螺纹配置于主外螺纹的螺纹槽，具有比主外螺纹的螺纹牙宽度和螺纹牙高度小的螺纹牙宽度和螺纹牙高度。主外螺纹和副外螺纹分别具有插入牙侧面和配置于与插入牙侧面相反的一侧的载荷牙侧面。在公扣的管轴线方向的截面中，相邻的主外螺纹的插入牙侧面的牙型半角和副外螺纹的载荷牙侧面的牙型半角比0度大。
根据本公开的钢管用螺纹接头，能够确保耐扭矩性能，同时降低制造成本。
附图说明
图1是实施方式的钢管用螺纹接头的纵剖视图。
图2是图1所示的钢管用螺纹接头的螺纹部的纵剖视图。
图3是现有技术(比较例)的钢管用螺纹接头的纵剖视图。
图4是表示实施例和比较例的钢管用螺纹接头的屈服扭矩的图表。
图5是表示实施例和比较例的钢管用螺纹接头的最小密封接触力的图表。
具体实施方式
实施方式的钢管用螺纹接头的设计者考虑主要使螺纹部发挥耐扭矩性能，以API标准的锯齿螺纹(梯形螺纹)为基础变更了螺纹形状。
实施方式的钢管用螺纹接头包括管状的公扣和管状的母扣。公扣在外周具有外螺纹部。母扣在内周具有与外螺纹部相对应的内螺纹部，与公扣紧固。外螺纹部包含主外螺纹和副外螺纹。主外螺纹由具有恒定的螺纹牙宽度和螺纹槽宽度的梯形螺纹构成。副外螺纹配置于主外螺纹的螺纹槽，具有比主外螺纹的螺纹牙宽度和螺纹牙高度小的螺纹牙宽度和螺纹牙高度。主外螺纹和副外螺纹分别具有插入牙侧面和配置于与插入牙侧面相反的一侧的载荷牙侧面。在公扣的管轴线方向的截面中，相邻的主外螺纹的插入牙侧面的牙型半角和副外螺纹的载荷牙侧面的牙型半角比0度大。
在上述螺纹接头的外螺纹部中，在主外螺纹的螺纹槽配置有螺纹牙宽度和螺纹牙高度比主外螺纹的螺纹牙宽度和螺纹牙高度小的副外螺纹。内螺纹部以与该外螺纹部相对应的方式构成。根据该结构，能够使外螺纹部与内螺纹部的啮合面积比以往的锯齿螺纹的啮合面积大。由此，能够确保较高的耐扭矩性能。
另外，在上述螺纹接头的外螺纹部中，主外螺纹由螺纹牙宽度和螺纹槽宽度恒定的梯形螺纹构成。由此，与楔形螺纹相比，能够以较短的时间切削螺纹部。因此，能够降低制造成本。
[实施方式]
以下，参照附图，说明实施方式。对图中相同和相当的结构标注相同的附图标记，不重复进行相同的说明。
(钢管用螺纹接头的结构)
图1是表示本实施方式的钢管用螺纹接头1的纵剖视图(包含管轴线CL的平面处的剖视图)。螺纹接头1既可以是整体型的螺纹接头，也可以是组合型的螺纹接头。螺纹接头1包括公扣10和母扣20。
公扣10包括外螺纹部11、密封面12以及台肩面13。外螺纹部11包含主外螺纹111和副外螺纹112。外螺纹部11和密封面12设于公扣10的外周。密封面12配置于比外螺纹部11靠公扣10的顶端侧的位置。台肩面13设于公扣10的顶端。
母扣20包括内螺纹部21、密封面22以及台肩面23。内螺纹部21、密封面22以及台肩面23分别与公扣10的外螺纹部11、密封面12以及台肩面13相对应地设置。
外螺纹部11和内螺纹部21在紧固状态下相互嵌合，成为过盈配合的状态。
密封面12、22随着公扣10相对于母扣20的拧入而相互接触，在紧固状态下嵌合，成为过盈配合的状态。由此，密封面12、22彼此形成基于金属接触的密封部。
台肩面13、23随着公扣10相对于母扣20的拧入而相互接触并按压。台肩面13、23限制公扣10相对于母扣20的拧入，并且对外螺纹部11施加朝向与拧入行进方向相反的方向的载荷，即螺纹的紧固轴向力。
图2是螺纹接头1的螺纹部的纵剖视图(包含管轴线CL的平面处的剖视图)。在图2中，为了方便说明，分开地表示外螺纹部11和内螺纹部21。
如上所述，外螺纹部11包含主外螺纹111和副外螺纹112。主外螺纹111由在外螺纹部11的整体范围内具有恒定的螺纹牙宽度和螺纹槽宽度的梯形螺纹构成。主外螺纹111在纵截面中分别具有多个螺纹牙顶面111a、螺纹槽底面111b、插入牙侧面(以下也称为“插入面”)111c以及载荷牙侧面(以下也称为“载荷面”)111d。各插入面111c位于公扣10的顶端侧。各载荷面111d在主外螺纹111的各螺纹牙中配置于与插入面111c相反的一侧。
主外螺纹111的各插入面111c和各载荷面111d向同一方向倾斜。具体而言，各插入面111c的牙型半角是比0度大的正角。各载荷面111d的牙型半角是比0度稍小的负角。在此所谓的牙型半角是垂直于管轴线CL的面VP与各插入面111c或各载荷面111d所成的角度。在图2中，各插入面111c的牙型半角以逆时针为正，各载荷面111d的牙型半角以顺时针为正。
副外螺纹112配置于主外螺纹111的螺纹槽。即，副外螺纹112的螺纹牙在纵截面中设于主外螺纹111的螺纹牙间。副外螺纹112具有比主外螺纹111的螺纹牙宽度和螺纹牙高度小的螺纹牙宽度和螺纹牙高度。例如，副外螺纹112的螺纹牙的纵截面积为主外螺纹111的螺纹牙的纵截面积的50％以下。
副外螺纹112在纵截面中分别具有多个螺纹牙顶面112a、插入牙侧面(以下也称为“插入面”)112c以及载荷牙侧面(以下也称为“载荷面”)112d。各插入面112c位于公扣10的顶端侧。各载荷面112d在副外螺纹112的各螺纹牙中配置于与插入面112c相反的一侧。副外螺纹112的各插入面112c与主外螺纹111的各载荷面111d相对。副外螺纹112的各载荷面112d与主外螺纹111的各插入面111c相对。
副外螺纹112的各插入面112c和各载荷面112d向相反方向倾斜。即，各插入面112c和各载荷面112d的牙型半角分别成为比0度大的正角。在此所谓的牙型半角是垂直于管轴线CL的面与各插入面112c或各载荷面112d所成的角度。在图2中，各插入面112c的牙型半角以逆时针为正，各载荷面112d的牙型半角以顺时针为正。
在公扣10的纵截面(管轴线方向的截面)中，相邻的主外螺纹111的插入面111c的牙型半角θ111c和副外螺纹112的载荷面112d的牙型半角θ112d分别是比0度大的正角。虽未特别图示，但主外螺纹111的载荷面111d的牙型半角是比0度小的负角。副外螺纹112的插入面112c的牙型半角是比0度大的正角。虽未特别限定，但载荷面111d的牙型半角的绝对值比插入面112c的牙型半角的绝对值小。
内螺纹部21在纵截面中分别具有多个螺纹牙顶面21a、螺纹槽底面21b、插入牙侧面(以下也称为“插入面”)21c以及载荷牙侧面(以下也称为“载荷面”)21d。在内螺纹部21的螺纹牙形成有副螺纹槽21e。
内螺纹部21的螺纹牙顶面21a、螺纹槽底面21b、插入面21c以及载荷面21d分别与主外螺纹111的螺纹槽底面111b、螺纹牙顶面111a、插入面111c以及载荷面111d相对。内螺纹部21的副螺纹槽21e承接副外螺纹112的螺纹牙。
在紧固状态下，内螺纹部21的螺纹牙顶面21a和载荷面21d分别与主外螺纹111的螺纹槽底面111b和载荷面111d接触。副外螺纹112的螺纹牙顶面112a、插入面112c以及载荷面112d与内螺纹部21的副螺纹槽21e的底面和侧壁面接触。
设于内螺纹部21的螺纹牙的副螺纹槽21e的宽度W2比副外螺纹112的螺纹牙的宽度W1稍小。在内螺纹部21的螺纹牙中，从插入面21c到副螺纹槽21e的侧壁面的管轴线方向上的长度L21比从主外螺纹的插入面111c到副外螺纹112的载荷面112d的管轴线方向上的长度L11稍大。另外，在内螺纹部21的螺纹牙中，从载荷面21d到副螺纹槽21e的侧壁面的管轴线方向上的长度L22比从主外螺纹的载荷面111d到副外螺纹112的插入面112c的管轴线方向上的长度L12稍大。通过这样构成，副外螺纹112与内螺纹部21密合，能够增大由外螺纹部11和内螺纹部21构成的螺纹部的啮合强度。
(实施方式的效果)
如以上那样，在本实施方式的螺纹接头1中，在主外螺纹111的螺纹槽配置有螺纹牙宽度和螺纹牙高度比主外螺纹111的螺纹牙宽度和螺纹牙高度小的副外螺纹112。副外螺纹112的螺纹牙在紧固状态下承接于内螺纹部21的副螺纹槽21e。因此，能够使外螺纹部11与内螺纹部21的啮合面积比以往的锯齿螺纹的啮合面积大，能够确保较高的耐扭矩性能。
另外，在本实施方式中，外螺纹部11的主外螺纹111的螺纹牙宽度和螺纹槽宽度以及与外螺纹部11相对应的内螺纹部21的螺纹牙宽度和螺纹槽宽度在螺纹部的整体范围内恒定。由此，与楔形螺纹相比，能够以较短的时间切削螺纹部。其结果，能够降低制造成本。
在本实施方式中，承接副外螺纹112的内螺纹部21的副螺纹槽21e的宽度W2比副外螺纹112的螺纹牙的宽度W1稍小。在内螺纹部21的螺纹牙中，从插入面21c到副螺纹槽21e的载荷面(与插入面21c相反的一侧的侧面)21f的管轴线方向上的长度L21比从主外螺纹的插入面111c到副外螺纹112的载荷面112d的管轴线方向上的长度L11稍大。另外，在内螺纹部21的螺纹牙中，从载荷面21d到副螺纹槽21e的插入面(与载荷面21d相反的一侧的侧面)21g的管轴线方向上的长度L22比从主外螺纹的载荷面111d到副外螺纹112的插入面112c的管轴线方向上的长度L12稍大。由此，副外螺纹112与内螺纹部21密合，因此能够增大螺纹部的啮合强度。作为结果，能够进一步提高耐扭矩性能。
如上所述，在本实施方式中，在外螺纹部11设置副外螺纹112，由此螺纹部的啮合面积和啮合强度变大。由此，即使在对螺纹部施加有外压的情况下，也能够抑制外压对于螺纹部和密封部的渗透。由此，能够提高针对外压的密封性能。
实施例
为了确认本公开的钢管用螺纹接头的效果，实施了基于弹塑性有限元方法的数值模拟分析。
[试验条件]
作为实施例，制作了在主外螺纹111的螺纹槽设置副外螺纹112的螺纹接头1的模型(图1)。作为用于比较的现有技术(比较例)，制作了采用锯齿螺纹的螺纹接头2的模型(图3)。对于比较例的螺纹接头2而言，除了不具备副外螺纹112这一点以外，具有与实施例的螺纹接头1同样的结构。钢管的尺寸设为5”18#(管主体外径：127.00mm，管主体内径：108.61mm)，材料设为API碳钢的P110(公称屈服应力(YS)：758MPa)。
[评价方法]
在分析中，对于制作的各模型，在公扣10的台肩13与母扣20的台肩23相互接触之后，增加紧固圈数，将紧固扭矩线图的斜率变化的点定义为屈服扭矩，用该屈服扭矩的值评价了耐扭矩性能。另外，对于制作的各模型，利用在模拟了ISO13679的系列A试验的载荷条件下获得的密封接触力的最小值(最小密封接触力)评价了密封性能。
在图4和图5中分别示出获得的屈服扭矩和最小密封接触力。如图4和图5所示，实施例的螺纹接头1(图1)的屈服扭矩和最小密封接触力明显大于比较例的螺纹接头2(图3)的屈服扭矩和最小密封接触力。由此可知：通过在主外螺纹111的螺纹槽设置副外螺纹112，能够显著提高耐扭矩性能和密封性能。
[范围的规定]
确保副外螺纹112的螺纹牙的纵截面积具有一定程度的大小为佳。其原因在于，增加紧固时的螺纹部的接触面积，并且与以往相比大幅改善耐扭矩性能。这对于前述的外压密封性能而言也可以说是同样的。以本实施例作为参考，为了提高外压密封性能，考虑优选的是，副外螺纹112的螺纹牙的纵截面积S1为主外螺纹111的螺纹牙的纵截面积S2的15％以上。不过，若副螺纹112的螺纹牙的纵截面积S1过大，则存在螺纹部的制造和紧固产生不良情况的可能性，因此副外螺纹112的螺纹牙的纵截面积S1设为主外螺纹111的螺纹牙的纵截面积S2的40％以下为佳。在此，如图2所示，副外螺纹112的螺纹牙的纵截面积S1是在副外螺纹112的螺纹牙的纵截面中由副外螺纹112的螺纹牙的轮廓和将螺纹槽底面111b彼此连结的直线L包围的面积。另外，如图2所示，主外螺纹111的螺纹牙的纵截面积S2是在主外螺纹111的螺纹牙的纵截面中由主外螺纹111的螺纹牙的轮廓和将螺纹槽底面111b彼此连结的直线L包围的面积。
附图标记说明
1、钢管用螺纹接头；10、公扣；11、外螺纹部；111、主外螺纹；111c、插入牙侧面；111d、载荷牙侧面；112、副外螺纹；112c、插入牙侧面；112d、载荷牙侧面；20、母扣；21、内螺纹部。

Claims (2)

1.一种钢管用螺纹接头，其中，
该钢管用螺纹接头包括：
公扣，其呈管状，在外周具有外螺纹部；以及
母扣，其呈管状，在内周具有与所述外螺纹部相对应的内螺纹部，与所述公扣紧固，
所述外螺纹部包含：
主外螺纹，其由具有恒定的螺纹牙宽度和螺纹槽宽度的梯形螺纹构成；以及
副外螺纹，其配置于所述主外螺纹的螺纹槽，具有比所述主外螺纹的螺纹牙宽度和螺纹牙高度小的螺纹牙宽度和螺纹牙高度，
所述主外螺纹和所述副外螺纹分别具有插入牙侧面和配置于与所述插入牙侧面相反的一侧的载荷牙侧面，
在所述公扣的管轴线方向的截面中，彼此相邻的所述主外螺纹的插入牙侧面的牙型半角和所述副外螺纹的载荷牙侧面的牙型半角比0度大。
2.根据权利要求1所述的钢管用螺纹接头，其中，
所述副外螺纹的螺纹牙具有与所述副外螺纹相邻的主外螺纹的螺纹牙的纵截面积的15～40％的纵截面积。
CN201880033995.8A 2017-05-25 2018-04-09 钢管用螺纹接头 Withdrawn CN110678685A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

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