CN111021965A - 一种双锥度外螺纹杆、双锥度内螺纹座及双锥度组合接头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双锥度外螺纹杆、双锥度内螺纹座及双锥度组合接头，该双锥度外螺纹杆具有分布在螺纹杆大端的第一锥度外螺纹段和分布在螺纹杆小端的第二锥度外螺纹段。该双锥度内螺纹座具有分布在螺纹座孔大端的第一锥度内螺纹段和分布在螺纹座孔小端的第二锥度内螺纹段。该双锥度组合接头包括前述的双锥度外螺纹杆和前述的双锥度内螺纹座，第一锥度外螺纹段与第一锥度内螺纹段配合，第二锥度外螺纹段与第二锥度内螺纹段配合。本发明的技术效果是：在锥螺纹大端增加了第一锥度螺纹段，一方面保证锥螺纹密封性，另一方面有效分担了其余螺纹牙受力，减小了螺纹牙应力幅值，提高了螺纹连接可靠性。

Description

一种双锥度外螺纹杆、双锥度内螺纹座及双锥度组合接头

技术领域

本发明涉及一种钻杆用螺纹接头，该螺纹接头的应用包括但不限于煤炭、石油、天然气等行业中钻柱、钻杆的连接。

背景技术

在煤炭、石油、天然气等行业中，钻杆在井眼钻进过程中施工工况复杂，需要承担高扭矩且存在拉、压、扭、弯等交变应力。目前，钻杆接头一般采用锥螺纹结构，因其具有较好的对中性和密封性。实践表明，螺纹大端几排螺纹牙应力较大；螺纹锥度越大，参与承载的圈数越少，螺纹承载面积逐圈减小的越快，使其承载能力越差，且各圈载荷分配不均，使得螺纹接头成为钻进系统的薄弱环节。

为了改善螺纹牙受力情况，现有技术采用双台肩结构。该结构在接头螺纹紧固状态下，通过副台肩的接触来分担一部分主台肩及螺纹牙承受的扭矩和轴向力。然而在实际螺纹加工时，副台肩的初始间隙公差不易保证，当副台肩初始间隙过大或过小时，采用双台肩结构接头螺纹效果有限。

另一种方式是增大螺纹大端几排螺纹牙底部过渡圆弧的半径来减小应力集中。以煤炭用Φ73钻杆接头螺纹为例，工作螺纹圈数只有8-9圈，螺纹承载面接触面积有限，增大螺纹大端螺纹牙底过渡圆弧半径虽能减小应力集中，但也造成螺纹承载面接触面积减小，降低了螺纹密封性，且在较大扭矩或轴向力的作用下，容易出现脱扣现象。

要改善螺纹牙载荷，可用增加螺纹圈数的方法来实现。对于单锥度螺纹而言，自螺纹大端向螺纹小端，螺纹直径逐渐减小，以目前煤炭企业常用的Φ73、锥度1：6螺纹接头为例，增加圈数不可行，有以下两方面原因：第一，由于锥度存在，螺纹直径逐渐降低，φ73螺纹最多可加工8-9圈螺纹，若再在小端增加螺纹圈，小端直径会变很小；更重要的，小端螺纹因直径小，承载面积小，分担受力十分有限，即使在小端增加螺纹圈也起不到改善受力的目的。所以在单锥度下增设小端螺纹圈不可取。第二，接头直径只有φ73，目前单锥度螺纹大端台肩厚度(即图3中所示的台肩厚度T)为6.5mm，且台肩承担着分担螺纹牙受力和密封两重作用，若在原锥度上增设大端螺纹圈数，会因螺纹圈直径增大导致台肩壁厚过薄甚至超出接头直径范围，在单锥度下增加大端圈数不可行。

发明内容

针对现有技术存在的问题和面临的困难，本发明所要解决的技术问题就是提供一种双锥度外螺纹杆、双锥度内螺纹座及双锥度组合接头，该组合接头能增加螺纹牙工作圈数，在相同工况下各牙间载荷分配更为均匀，减小螺纹牙应力幅值，提高螺纹接头的强度和可靠性。

为了解决上述技术问题：

本发明提供的一种双锥度外螺纹杆，具有分布在螺纹杆大端的第一锥度外螺纹段和分布在螺纹杆小端的第二锥度外螺纹段。

本发明提供的一种双锥度内螺纹座，具有分布在螺纹座孔大端的第一锥度内螺纹段和分布在螺纹座孔小端的第二锥度内螺纹段。

本发明提供的一种双锥度组合接头，包括上述的双锥度外螺纹杆和上述的双锥度内螺纹座，第一锥度外螺纹段与第一锥度内螺纹段配合，第二锥度外螺纹段与第二锥度内螺纹段配合。

本发明的技术效果是：

在单锥度螺纹的基础上，在锥螺纹大端增加了第一锥度螺纹段，一方面保证锥螺纹密封性，另一方面有效分担了其余螺纹牙受力，减小了螺纹牙应力幅值，增加了连接强度，降低了在大载荷工况下因工作螺纹圈数较少而出现的失效风险，提高了螺纹连接可靠性。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为实施例的双锥度外螺纹杆结构示意图；

图2为实施例的双锥度内螺纹座结构示意图；

图3为实施例的双锥度组合接头结构示意图；

图4为在轴向起拔力150KN工况下，单锥度双台肩螺纹杆和双锥度双台肩螺纹杆的螺纹牙应力分布情况。

图中，110、双锥度外螺纹杆；111、第一锥度外螺纹段；112、第二锥度外螺纹段；113、第一锥度外螺纹段的螺纹牙高；114、第一锥度外螺纹段的螺纹牙底过渡圆弧；120、双锥度内螺纹座；121、第一锥度内螺纹段；122、第二锥度内螺纹段；123、第一锥度内螺纹段的螺纹牙高；124、第一锥度内螺纹段的螺纹牙底过渡圆弧；1～13、螺纹牙序。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1和图3所示，本发明的双锥度外螺纹杆110具有分布在螺纹杆大端的第一锥度外螺纹段111和分布在螺纹杆小端的第二锥度外螺纹段112。

如图2和图3所示，本发明的双锥度内螺纹座120具有分布在螺纹座孔大端的第一锥度内螺纹段121和分布在螺纹座孔小端的第二锥度内螺纹段122。

如图3所示，本发明的双锥度组合接头包括上述的双锥度外螺纹杆110和上述的双锥度内螺纹座120，第一锥度外螺纹段111与第一锥度内螺纹段121配合，第二锥度外螺纹段112与第二锥度内螺纹段122配合。

为了进一步限定螺纹和锥度的技术特征，本领域技术人员容易理解：外螺纹和内螺纹能够统一称为螺纹，螺纹杆的锥度和与之相配合螺纹座孔的锥度能够统一称为锥度。另外，第一锥度螺纹段的锥度简称第一锥度，第二锥度螺纹段的锥度简称第二锥度，因此，对于螺纹和锥度具有以下技术特征：

为便于加工第二锥度螺纹段，第一锥度应小于第二锥度。第二锥度按相关标准选取，锥度取值范围一般为1:16～1:6；第一锥度的

确定方法为：

式中，

为第一锥度，θ₁为第一锥度圆锥母线与水平线夹角，参见图3：D为接头直径，D₁为第一锥度螺纹段小端螺纹大径，T为内螺纹台肩厚度，L为第一锥度螺纹段长度。其中，接头直径D、第一锥度螺纹段小端螺纹大径D₁随接头选型确定，第一锥度螺纹段长度L随增加的螺纹圈数确定，内螺纹台肩厚度T根据台肩分担螺纹受力情况和密封性功能确定。根据本公式可确定第一锥度取值。

为保证双锥度外螺纹杆与双锥度内螺纹座的正常旋合，防止装配过程中螺纹牙受损，螺纹杆和螺纹座的第一锥度螺纹段小端螺纹大径D₁应不小于第二锥度螺纹段大端螺纹大径，第二锥度螺纹段按相关标准取基本尺寸和公差带，第一锥度螺纹小端螺纹大径的最小值的确定原则为：以第二锥度螺纹大端大径取上偏差作为基本尺寸，公差带取正。

实践表明，第一锥度螺纹段大端前几排螺纹牙底所受应力较大。因此，可根据实际工况合理增大螺纹杆和螺纹座第一锥度螺纹段螺纹牙底的过渡圆弧半径，降低螺纹牙高，以减小该区域的应力集中现象。

实施例

本实施例为双锥度双台肩螺纹接头。

如图1所示，双锥度外螺纹杆110具有分布在螺纹杆大端的第一锥度外螺纹段111和分布在螺纹杆小端的第二锥度外螺纹段112。

本实施例中，第一锥度为1:16，第二锥度为1:10。双锥度外螺纹杆110螺纹牙型为三角形牙型，牙型角为60度，螺距为6.35mm。第一锥度外螺纹段的螺纹牙底过渡圆弧114半径为1.5mm、第一锥度外螺纹段的螺纹牙高113为1.92mm，第一锥度外螺纹段的螺纹牙顶过渡圆角半径为0.381mm；第二锥度螺纹牙型按照相关标准取标准牙型参数。

图1中示出了实施例的外螺纹牙的牙序1～13。为便于对比，双锥度外螺纹杆110中第一锥度外螺纹段的螺纹牙序号为1-4，单锥度螺纹杆和第二锥度外螺纹段的螺纹牙序号为5-13(9个螺纹牙)。

如图2所示，双锥度内螺纹座120，具有分布在螺纹座孔大端的第一锥度内螺纹段121和分布在螺纹座孔小端的第二锥度内螺纹段122。

本实施例中，第一锥度为1:16，第二锥度为1:10。双锥度内螺纹座120螺纹牙型为三角形牙型，牙型角为60度，螺距为6.35mm，第一锥度内螺纹段的螺纹牙底过渡圆弧124半径为1.5mm、第一锥度内螺纹段的螺纹牙高123为1.92mm，第一锥度外螺纹段的螺纹牙顶过渡圆角半径为0.381mm；第二锥度螺纹牙型按照相关标准取标准牙型参数。

如图3所示，双锥度组合接头包括：图1所示的双锥度外螺纹杆110和图2所示的双锥度内螺纹座120，第一锥度外螺纹段111与第一锥度内螺纹段121配合，第二锥度外螺纹段112与第二锥度内螺纹段122配合。

利用有限元分析，在相同螺纹直径下，现有的单锥度双台肩外螺纹杆与本实施例的外螺纹受载相对比。单锥度双台肩外螺纹杆的锥度为1:10，工作螺纹圈数为9。本实施例的第一锥度为1:16、工作螺纹圈数为4；第二锥度为1:10、工作螺纹圈数为9。

图4为在轴向起拔力150KN工况下，单锥度双台肩螺纹杆和本实施例的螺纹牙应力分布情况。从图4的对比看出：双锥度双台肩螺纹所受的最大应力，比现有单锥度双台肩螺纹降低了16.6％，各螺纹牙应力值均有所降低，螺纹牙受力更为均匀，增加的小锥度螺纹段(第一锥度螺纹段)起到了改善螺纹受力的作用。

与现有的单锥度螺纹相比，本实施例增加了第一锥度螺纹段，增加大直径工作螺纹牙圈数的方式，增加螺纹接头抗扭、抗拉伸能力而不必增加螺纹接头直径。第一锥度螺纹段将有效分担其余螺纹牙受力，增强螺纹连接可靠性。

本发明易于加工，可以用于单台肩接头螺纹，也可以用于双台肩螺纹接头。

Claims (9)

1.一种双锥度外螺纹杆，其特征是：具有分布在螺纹杆大端的第一锥度外螺纹段(111)和分布在螺纹杆小端的第二锥度外螺纹段(112)。

2.根据权利要求1所述的双锥度外螺纹杆，其特征是：第一锥度外螺纹段小端螺纹大径不小于第二锥度外螺纹段大端螺纹大径。

3.根据权利要求2所述的双锥度外螺纹杆，其特征是：第一锥度外螺纹段的锥度小于第二锥度外螺纹段的锥度。

4.根据权利要求3所述的双锥度外螺纹杆，其特征是：第二锥度外螺纹段的锥度按锥螺纹标准选取，第一锥度外螺纹段的锥度

计算式为：

式中，

为第一锥度，θ₁为第一锥度圆锥母线与水平线夹角，D为接头直径，D₁为第一锥度外螺纹段小端螺纹大径，T为台肩厚度，L为第一锥度外螺纹段长度。

5.一种双锥度内螺纹座，其特征是：具有分布在螺纹座孔大端的第一锥度内螺纹段(121)和分布在螺纹座孔小端的第二锥度内螺纹段(122)。

6.根据权利要求5所述的双锥度外螺纹杆，其特征是：第一锥度内螺纹段小端螺纹大径不小于第二锥度内螺纹段大端螺纹大径。

7.根据权利要求6所述的双锥度内螺纹座，其特征是：第一锥度内螺纹段的锥度小于第二锥度内螺纹段的锥度。

8.根据权利要求7所述的双锥度内螺纹座，其特征是：第二锥度内螺纹段的锥度按锥螺纹标准选取，第一锥度内螺纹段的锥度

计算式为：

式中，

为第一锥度，θ₁为第一锥度圆锥母线与水平线夹角，D为接头直径，D₁为第一锥度内螺纹段小端螺纹大径，T为台肩厚度，L为第一锥度内螺纹段长度。

9.一种双锥度组合接头，其特征是：包括权利要求1至4任一所述的双锥度外螺纹杆和权利要求5至8任一所述的双锥度内螺纹座，第一锥度外螺纹段(111)与第一锥度内螺纹段(121)配合，第二锥度外螺纹段(112)与第二锥度内螺纹段(122)配合。

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