CN110952968A - 一种高疲劳寿命型超高压压裂由壬接头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高疲劳寿命型超高压压裂由壬接头，主要由具有连接外螺纹的母接头、具有连接内螺纹和防松内螺纹的翼型螺母、具有防松外螺纹的扇形卡套、公接头、沙漏型密封圈和挡片组成。扇形卡套套在公接头的卡槽里，扇形卡套内环面与卡槽外环面接触；翼型螺母上的防松内螺纹和扇形卡套上的防松外螺纹相互啮合，翼型螺母内弧面与卡套球弧面接触；挡片插入扇形卡套挡槽内；母接头的连接外螺纹与翼型螺母的连接内螺纹相互啮合；母接头端面与内孔之间的45°密封锥面与公接头端面的45°密封锥面硬接触，形成密封面，且密封面下部的端面压紧沙漏型密封圈。本发明由壬接头结构合理紧凑，提高了其抗疲劳性能、防松性能和密封性能。

Description

一种高疲劳寿命型超高压压裂由壬接头
技术领域
本发明设计一种用于页岩气压裂管汇的超高压压裂由壬接头，是一种在超高压压裂下高疲劳寿命型由壬接头。
背景技术
由壬接头螺纹通过连接直管、弯头、旋塞阀、三通等管汇部件，构成水力压裂设备中高压流体控制件的总汇，但由于内压、冲击、振动等复合载荷的作用，导致由壬接头成为了压裂管汇中的薄弱环节。
中国页岩气可采储量巨大，目前勘探得知全国页岩气可采资源量为21.8万亿立方米，国家能源局提出2020年力争实现页岩气产量300亿立方米的目标，可见未来页岩气开发工作量巨大。但中国页岩气整体地质条件复杂，埋深大，使超高压压裂成为常态；高压管汇作为水力压裂设备中高压流体控制件的总汇，又因压裂工作量巨大而造成其持续工作时间发生变化，近年来失效事件急剧增长。在压裂作业时，高压流体快速流动引起的高速振动，连接螺纹常常发生松扣现象，需要施工人员定时预紧，严重时还会导致现有的由壬接头螺纹发生断裂失效，由壬接头螺纹一旦发生失效，高压流体喷出，轻则冲垮连接管汇，重则损坏压裂车，经济损失极其严重，还会对施工人员的人身安全造成巨大威胁。因此，迫切需要一种在超高压作用下具有更高抗疲劳性能、更高密封性能的由壬接头，能够提高在页岩气压裂作业中的安全使用寿命，以降低压裂管汇由壬接头的失效事故率。
针对超高压压裂由壬接头密封性能，现有由壬接头专利只有硬密封，本发明提出了双重密封(沙漏型密封圈密封和锥面硬密封)，沙漏型密封圈置于密封槽内，消除了高速流体对密封圈的影响，提高了由壬接头的密封性能；针对超高压压裂由壬接头防松性能，多采用挡片阻挡翼型螺母松动，但挡片与翼型螺母总存在间隙，会影响公接头与母接头间接触应力，本发明提出放松螺纹，与连接螺纹组成双螺纹防松，大大提高放松性能；针对超高压压裂由壬接头疲劳断裂的问题，本发明基于疲劳寿命，对断裂螺纹进行优化，提高了由壬接头的疲劳性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高疲劳寿命型超高压压裂由壬接头，通过优化啮合螺纹中影响疲劳寿命的关键参数、采用双螺纹连接防松、沙漏型密封圈橡胶密封和硬密封双重密封等方式提高由壬接头的综合性能，以克服现有技术不足，解决上述工程难题，提高由壬接头的抗疲劳性能、防松性能和密封性能，降低失效事故率。
为达到上述目的，本发明解决上述问题所采用的技术方案时：
一种高疲劳寿命型超高压压裂由壬接头，主要由具有连接外螺纹的母接头、具有连接内螺纹和防松内螺纹的翼型螺母、具有防松外螺纹的扇形卡套、公接头、沙漏型密封圈和挡片组成。其特征在于：所述扇形卡套套在公接头的卡槽里，扇形卡套内环面与卡槽外环面接触；所述翼型螺母上的防松内螺纹和扇形卡套上的防松外螺纹相互啮合，翼型螺母内弧面与卡套球弧面接触；所述挡片插入扇形卡套挡槽内，挡片一面与翼型螺母底端面接触；所述母接头的连接外螺纹与翼型螺母的连接内螺纹相互啮合；所述母接头端面与内孔之间的45°密封锥面与公接头端面的45°密封锥面接触，形成密封面，且密封面下部的端面压紧沙漏型密封圈，沙漏型密封圈与母接头密封环槽和公接头密封环槽紧密接触。
翼型螺母的连接内螺纹齿顶圆半径大于扇形卡套的防松外螺纹齿顶圆半径；
连接螺纹和防松螺纹具有不同的牙型、螺纹长度；
连接内螺纹和连接外螺纹具有相同的螺距，其螺距为5～10mm。
连接螺纹啮合段长度由螺纹环数表示，其啮合环数为4～10环。
连接内螺纹和连接外螺纹具有相同的导向面夹角和承载面夹角，其导向面夹角为5°～30°，其承载面夹角(b)为5°～30°。
连接内螺纹和连接外螺纹底端均为圆角，其圆角半径为0.2～1.5mm。
沙漏型密封圈三角凹环夹角比母接头密封环槽和公接头密封环槽里的三角凸环夹角小0°～30°，沙漏型密封圈三角凹环底部圆角和母接头密封环槽和公接头密封环槽三角凸环顶部圆角半径相同。
扇形卡套由带防松外螺纹的完整卡套等分切割而成，等分数量为2～12。
本发明具有以下优点：1、通过优化连接螺纹关键参数，降低了由壬接头螺纹在服役过程中的峰值应力，提高了疲劳寿命；2、连接螺纹和放松螺纹不同的牙型，使松扣的轴向位移不同，提高了由壬接头的防松性能；3、沙漏型密封圈两端的三角环形凹槽与母接头密封环槽和公接头密封环槽紧密接触，且母接头的45°锥面与公接头端面的45°锥面形成密封面，两道密封面大大提高了由壬接头的整体密封性能；
本发明能够提高由壬接头在页岩气压裂作业中的安全使用寿命，提高由壬接头的抗疲劳性能、密封性能和防松性能，降低失效事故率。
附图说明
图1是本发明一种高疲劳寿命型超高压压裂由壬接头的结构示意图；
图2是图1中A的放大视图；
图3是图1中B的分解放大视图；
图4是图1中扇形卡套10(三等分)的轴向视图。
图中，1-母接头、2-翼型螺母、3-连接内螺纹、4-防松内螺纹、5-挡片、6-公接头、7-连接外螺纹、8-沙漏型密封圈、9-防松外螺纹、10-扇形卡套、a-连接螺纹啮合段、b-承载面夹角、c-导向面夹角、d-圆角、e-螺距、g-母接头密封环槽、f-公接头密封环槽、α-三角凹环夹角、β-三角凸环夹角。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，本发明一种高疲劳寿命型超高压压裂由壬接头，主要由具有连接外螺纹的母接头、具有连接内螺纹和防松内螺纹的翼型螺母、具有防松外螺纹的扇形卡套、公接头、沙漏型密封圈和挡片组成。其特征在于：所述扇形卡套套在公接头的卡槽里，扇形卡套内环面与卡槽外环面接触；所述翼型螺母上的防松内螺纹和扇形卡套上的防松外螺纹相互啮合，翼型螺母内弧面与卡套球弧面接触；所述挡片插入扇形卡套挡槽内，挡片一面与翼型螺母底端面接触；所述母接头的连接外螺纹与翼型螺母的连接内螺纹相互啮合；所述母接头端面与内孔之间的45°密封锥面与公接头端面的45°密封锥面接触，形成密封面，且密封面下部的端面压紧沙漏型密封圈，沙漏型密封圈与母接头密封环槽和公接头密封环槽紧密接触。
翼型螺母的连接内螺纹齿顶圆半径大于扇形卡套的防松外螺纹齿顶圆半径；连接螺纹和防松螺纹具有不同的牙型、螺纹长度；连接螺纹啮合段长度由螺纹环数表示，其啮合环数为4～10环。
如图2所示，连接内螺纹和连接外螺纹具有相同的螺距，其螺距为5～10mm；连接内螺纹和连接外螺纹具有相同的导向面夹角和承载面夹角，其导向面夹角为5°～30°，其承载面夹角(b)为5°～30°；连接内螺纹和连接外螺纹底端均为圆角，其圆角半径为0.2～1.5mm。
如图3所示，沙漏型密封圈三角凹环夹角比母接头密封环槽和公接头密封环槽里的三角凸环夹角小0°～30°，沙漏型密封圈三角凹环底部圆角和母接头密封环槽和公接头密封环槽三角凸环顶部圆角半径相同。
如图4所示，扇形卡套由带防松外螺纹的完整卡套等分切割而成，等分数量为2～12。
本发明工作原理是：将翼型螺母插入公接头管汇端，扇形卡套放入公接头卡槽内，拼接成完整卡套；翼型螺母防松内螺纹与卡套防松外螺纹啮合，此时翼型螺母内弧面与卡套球弧面接触；挡片插入扇形卡套挡槽内，挡片一面与翼型螺母底端面接触；通过施加上扣扭矩使母接头外连接螺纹和翼型螺母内连接螺纹啮合；母接头端面与内孔之间的45°密封锥面与公接头端面的45°密封锥面硬接触，形成密封面，且密封面下部的端面压紧沙漏型密封圈。在压裂作业中，放松螺纹不受载荷，由球弧面承受载荷；通过翼型螺母内螺纹和母接头外螺纹较大的螺距、承载面夹角和底端圆角较大的半径降低了复合载荷作用下的峰值应力，增大了整体疲劳寿命；沙漏型密封圈两面具有三角环形凹槽，与母接头和公接头密封环槽紧密接触，沙漏型密封圈三角凹环与母接头三角凸环和公接头三角凸环夹角不同，紧密接触后产生更大的接触力，提高了由壬接头的密封性能；防松螺纹、挡片和卡套整体结构，提高了由壬接头的放松性能。

Claims (9)

1.一种高疲劳寿命型超高压压裂由壬接头，主要由具有连接外螺纹(7)的母接头(1)、具有连接内螺纹(3)和防松内螺纹(4)的翼型螺母(2)、具有防松外螺纹(9)的扇形卡套(10)、公接头(6)、沙漏型密封圈(8)和挡片(5)组成。其特征在于：所述扇形卡套(10)套在公接头(6)的卡槽里，扇形卡套(10)内环面与卡槽外环面接触；所述翼型螺母(2)上的防松内螺纹(4)和扇形卡套(10)上的防松外螺纹(9)相互啮合，翼型螺母(2)内弧面与卡套(10)球弧面接触；所述挡片(5)插入扇形卡套(10)挡槽内，挡片(5)一面与翼型螺母(2)底端面接触；所述母接头(1)的连接外螺纹(7)与翼型螺母(2)的连接内螺纹(3)相互啮合；所述母接头(1)端面与内孔之间的45°密封锥面与公接头(6)端面的45°密封锥面接触，形成密封面，且密封面下部的端面压紧沙漏型密封圈(8)，沙漏型密封圈(8)与母接头(1)密封环槽(g)和公接头(6)密封环槽(f)紧密接触。
2.根据权利要求1所述的高疲劳寿命型超高压由壬接头，其特征是：翼型螺母(2)的连接内螺纹(3)齿顶圆半径大于扇形卡套(10)的防松外螺纹(9)齿顶圆半径。
3.根据权利要求1或2所述的高疲劳寿命型超高压由壬接头，其特征是：连接螺纹(3)(7)和防松螺纹(9)(4)具有不同的牙型、螺纹长度。
4.根据权利要求1或2或3所述的高疲劳寿命型超高压由壬接头，其特征是：连接内螺纹(3)和连接外螺纹(7)具有相同的螺距，其螺距为5～10mm。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的高疲劳寿命型超高压由壬接头，其特征是：连接螺纹啮合段(a)长度由螺纹环数表示，其啮合环数为4～10环。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的高疲劳寿命型超高压由壬接头，其特征是：连接内螺纹(3)和连接外螺纹(7)具有相同的导向面夹角(c)和承载面夹角(b)，其导向面夹角(c)为5°～30°，其承载面夹角(b)为5°～30°。
7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的高疲劳寿命型超高压由壬接头，其特征是：连接内螺纹(3)和连接外螺纹(7)底端均为圆角(d)，其圆角半径为0.2～1.5mm。
8.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7所述的高疲劳寿命型超高压由壬接头，其特征是：沙漏型密封圈(8)三角凹环夹角(α)比母接头(1)密封环槽(g)和公接头(6)密封环槽(f)里的三角凸环夹角(β)小0°～30°，沙漏型密封圈(8)三角凹环底部圆角和母接头(1)密封环槽(g)和公接头(6)密封环槽(f)三角凸环顶部圆角半径相同。
9.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7或8所述的高疲劳寿命型超高压由壬接头，其特征是：扇形卡套(10)由带防松外螺纹(9)的完整卡套等分切割而成，等分数量为2～12。
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