CN111051756B - 钢管用螺纹接头 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够在维持大径且厚壁的钢管所使用的带管口的螺纹接头的较高的外压密封性能的同时提高内压密封性能的钢管用螺纹接头。对于用于将具有7英寸以上的外径和0.7英寸以上的壁厚的钢管主体相互连接的螺纹接头而言，在将公扣锥面与公扣圆面之间的分界线上的公扣的外表面与母扣的内表面之间的紧固时的间隙量设为δ[mm]、将钢管主体的外径设为D[inch]、将钢管主体的壁厚设为t[inch]、将公扣密封面与母扣密封面接触的区域中的最靠近公扣的顶端的位置即支点与公扣的顶端之间的管轴线方向上的紧固时的长度设为L[mm]、将支点处的公扣的壁厚设为tL[mm]、将支点处的母扣的壁厚设为tB[mm]时，满足说明书中的式(1)，tB/tL＞1.4。

Description

钢管用螺纹接头
技术领域
本公开涉及钢管用螺纹接头，更详细而言，涉及用于将大径且厚壁的钢管相互连接的螺纹接头。
背景技术
例如，在油井、天然气井等(以下，也统称为“油井”)的勘探或生产、油砂、页岩气等非常规型资源的开发、二氧化碳的回收、贮存(CCS(Carbon dioxide Capture andStorage))、地热发电、或者温泉等中，使用被称为油井管的钢管。在钢管彼此的连结中使用螺纹接头。
这种钢管用螺纹接头的形式大致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管材是钢管，另一管材是管接头。在该情况下，在钢管的两端部的外周形成有外螺纹，在管接头的两端部的内周形成有内螺纹。并且，钢管的外螺纹拧入管接头的内螺纹，由此两者紧固而连结。在整体型的情况下，作为连结对象的一对管材均是钢管，不使用另外的管接头。在该情况下，在钢管的一端部的外周形成有外螺纹，在另一端部的内周形成有内螺纹。并且，一钢管的外螺纹拧入另一钢管的内螺纹，由此两者紧固而连结。
通常，形成有外螺纹的管端部的接头部分包括插入内螺纹的要素，因此被称为“公扣”。另一方面，形成有内螺纹的管端部的接头部分包括承接外螺纹的要素，因此被称为“母扣”。上述的公扣和母扣是管材的端部，因此均呈管状。
对于油井而言，在利用油井管加强坑壁的同时进行掘进以避免坑壁在挖掘中坍塌，因此结果成为油井管配置为多重的构造。近年，油井的高深度化和超深海化逐渐发展，在这样的环境中，为了高效地开发油井，在油井管的连接中大多使用接头部的内径和外径与钢管的内径和外径为相同程度的螺纹接头。通过使用这样的螺纹接头，能够极力减小配置为多重的油井管彼此的间隙，即使较深也能够不怎么扩大井的直径而高效地开发油井。在这样的内径和外径的制约下，对于螺纹接头而言要求针对来自内部的流体压力(以下，也称为“内压”)和来自外部的流体压力(以下，也称为“外压”)的优异的密封性能。通常，针对内压的密封性能被称为“内压密封性能”，针对外压的密封性能被称为“外压密封性能”。
作为用于确保密封性能的螺纹接头，公知具有基于金属-金属接触的密封(以下，称为“金属密封”。)的螺纹接头。金属密封是指如下构造：公扣的密封面的直径比母扣的密封面的直径稍大(将该直径之差称为“干涉量”)，若紧固螺纹接头而密封面彼此嵌合，则因干涉量而导致公扣的密封面缩径，母扣的密封面扩径，由于各个密封面要恢复为原来的直径的弹性恢复力而在密封面产生接触压力而整周密合，发挥密封性能。
日本特表2006-526747号公报(专利文献1)公开如下技术：在具备公扣和母扣的钢管用螺纹接头中，通过在公扣设置管口而在维持内压密封性能的同时提高外压密封性能。
日本特开2015-132285号公报(专利文献2)公开如下技术：在具备公扣和母扣的钢管用螺纹接头中，在确保内压密封性能和外压密封性能的同时防止粘扣。
日本特许第4535064号公报(专利文献3)公开如下内容：与不具备管口的螺纹接头相比，具备一个金属密封和一个管口的螺纹接头具有较高的外压密封性能。
本说明书引用下述的现有技术文献。
专利文献1：日本特表2006-526747号公报
专利文献2：日本特开2015-132285号公报
专利文献3：日本特许第4535064号公报
发明内容
本公开的目的在于提供一种能够在维持大径且厚壁的钢管所使用的带管口的螺纹接头的较高的外压密封性能的同时提高内压密封性能的螺纹接头。
本公开的钢管用螺纹接头是用于将具有7英寸以上的外径和0.7英寸以上的壁厚的钢管主体相互连接的螺纹接头。该螺纹接头包括管状的公扣和管状的母扣。母扣供公扣插入而与公扣紧固。公扣包括管口、公扣台肩面、公扣锥面、公扣圆面、外螺纹以及公扣密封面。管口形成于公扣的顶端部，具有比母扣中的在紧固状态下相对的部分的内径小的外径。公扣台肩面形成于管口的顶端。公扣锥面形成于管口的外周面。公扣圆面形成于公扣台肩面与公扣锥面之间的角。外螺纹形成于公扣的外周。公扣密封面形成于管口与外螺纹之间且是公扣的外周面。母扣包括母扣台肩面、内螺纹以及母扣密封面。母扣台肩面与公扣台肩面相对，在紧固状态下与公扣台肩面接触。内螺纹与外螺纹对应，形成于母扣的内周。母扣密封面与公扣密封面相对，在紧固时与公扣密封面接触。
在将公扣锥面与公扣圆面之间的分界线上的公扣的外表面与母扣的内表面之间的紧固时的间隙量设为δ[mm]、将钢管主体的外径设为D[mm]、将钢管主体的壁厚设为t[mm]、将公扣密封面与母扣密封面接触的区域中的最靠近公扣的顶端的位置即支点与公扣的顶端之间的管轴线方向上的紧固时的长度设为L[mm]、将支点处的公扣的壁厚设为tL[mm]、将支点处的母扣的壁厚设为tB[mm]时，满足以下的式(1)，tB/tL＞1.4。
0.30+min(antL+bnD，n＝1，2，3)＞δ＞min(antL+bnD，n＝1，2，3) (1)
在此，min是在括号内的3个自变量中取最小值的函数，
a1＝(L/t)×0.0115×(tL/t)-1.68778-0.00247×(tL/t)-2.02052，
b1＝(L/t)×0.0076×(tL/t)-0.65672-0.00120×(tL/t)-1.06817，
a2＝(L/t)×0.00725×(tL/t)-1.67341-0.00157×(tL/t)-1.93212，
b2＝0，
a3＝-(L/t)×0.00256×(tL/t)-2.40620+0.00372×(tL/t)-2.19899，
b3＝(L/t)×0.01986×(tL/t)-0.88615-0.01048×(tL/t)-1.00532。
附图说明
图1是表示实施方式的组合型的螺纹接头的概略结构的纵剖视图。
图2是表示与图1不同的整体型的螺纹接头的概略结构的纵剖视图。
图3是表示图1或图2所示的螺纹接头的管口及其周边的管轴线方向的纵剖视图。
图4是表示与图3不同的螺纹接头的管口及其周边的管轴线方向的纵剖视图。
图5是表示管口的间隙量与外压密封性之间的相关关系的图表。
具体实施方式
[外压密封性能]
在厚壁的钢管用螺纹接头中，API5C3标准的外压值接近VME100％的外压值(即，未计入抗挤强度的材料自身的屈服载荷值)。若承载这样的非常高的外压，则即使在厚壁的钢管用螺纹接头的情况下也产生外压泄漏。
本发明人进行深入研究，结果明确了外压泄漏的原因。即，进入螺纹的较高的外压使公扣的比金属密封靠后方的部分整体缩径，比金属密封靠前方的部分因外压未进入而不缩径，其结果，公扣的比外螺纹靠顶端部的包括金属密封、管口在内的部分(以下，称为“公扣唇”。)在径向上向外侧翘曲。因此，密封点越过密封适合面(针对金属密封形成用而适当地准备表面粗糙度、表面处理，并且，更适合于接头紧固时的适度的滑动的面)而向公扣的顶端侧移动，或者，公扣唇与母扣的内周面强力接触而密封接触力明显减小，因此外压密封性能明显降低。
本发明人根据这样的新见解，想到如下内容：若规定间隙量δ的下限，从而即使承载较高的外压，管口的顶端也不与母扣的内周面强力接触，则即使在厚壁的钢管用螺纹接头的情况下也能够防止外压密封性能的明显的降低。然后，基于弹性圆柱壳理论估算承载外压时的管口的翘曲变形量(扩径量的一半)，确定间隙量δ的优选的下限。
[内压密封性能]
在承载内压时，存在公扣唇扩径、密封接触力放大的效果。不过，在大径且厚壁的钢管中，若母扣的壁厚相对于公扣而言相对较薄，则因承载内压而导致的母扣的扩径量也变大，因此密封接触力的放大效果变小。因此，本发明人想到：为了通过提高密封接触力的放大效果而提高内压密封性能，在公扣与母扣的密封壁厚比中存在恰当值。
基于以上那样的见解，本发明人发明了能够在维持大径且厚壁的钢管所使用的带管口的螺纹接头的较高的外压密封性能的同时提高内压密封性能的钢管用螺纹接头。
实施方式的钢管用螺纹接头是用于将具有7英寸以上的外径和0.7英寸以上的壁厚的钢管主体相互连接的螺纹接头。该螺纹接头包括管状的公扣和管状的母扣。母扣供公扣插入而与公扣紧固。公扣包括管口、公扣台肩面、公扣锥面、公扣圆面、外螺纹以及公扣密封面。管口形成于公扣的顶端部，具有比母扣中的在紧固状态下相对的部分的内径小的外径。公扣台肩面形成于管口的顶端。公扣锥面形成于管口的外周面。公扣圆面形成于公扣台肩面与公扣锥面之间的角。外螺纹形成于公扣的外周。公扣密封面形成于管口与外螺纹之间且是公扣的外周面。母扣包括母扣台肩面、内螺纹以及母扣密封面。母扣台肩面与公扣台肩面相对，在紧固状态下与公扣台肩面接触。内螺纹与外螺纹对应，形成于母扣的内周。母扣密封面与公扣密封面相对，在紧固时与公扣密封面接触。
在将公扣锥面与公扣圆面之间的分界线上的公扣的外表面与母扣的内表面之间的紧固时的间隙量设为δ[mm]、将钢管主体的外径设为D[mm]、将钢管主体的壁厚设为t[mm]、将公扣密封面与母扣密封面接触的区域中的最靠近公扣的顶端的位置即支点与公扣的顶端之间的管轴线方向上的紧固时的长度设为L[mm]、将支点处的公扣的壁厚设为tL[mm]、将支点处的母扣的壁厚设为tB[mm]时，满足以下的式(1)，tB/tL＞1.4。
0.30+min(antL+bnD，n＝1，2，3)＞δ＞min(antL+bnD，n＝1，2，3) (1)
在此，min是在括号内的3个自变量中取最小值的函数。
a1、a2、a3、b1、b2、b3以如下方式定义。
a1＝(L/t)×0.0115×(tL/t)-1.68778-0.00247×(tL/t)-2.02052
b1＝(L/t)×0.0076×(tL/t)-0.65672-0.00120×(tL/t)-1.06817
a2＝(L/t)×0.00725×(tL/t)-1.67341-0.00157×(tL/t)-1.93212
b2＝0
a3＝-(L/t)×0.00256×(tL/t)-2.40620+0.00372×(tL/t)-2.19899
b3＝(L/t)×0.01986×(tL/t)-0.88615-0.01048×(tL/t)-1.00532
在本实施方式的钢管用螺纹接头中，限制间隙量δ的下限，因此即使进入螺纹的较高的外压使公扣的比公扣密封面靠后方的部分整体缩径，在其反作用下，管口以支点为界进行翘曲变形，也能够维持管口的外压密封性能。间隙量δ的上限设定为“间隙量的下限值+0.3mm”以避免在切削加工时切入量或道次不必要地增加。
另一方面，壁厚比tB/tL的下限限制为1.4，因此即使在大径且厚壁的钢管的情况下也能够抑制因承载内压而导致的母扣的扩径。因此，密封接触力的放大效果提高，能够提高内压密封性能。
如以上那样，本实施方式的螺纹接头能够在维持大径且厚壁的钢管所使用的带管口的螺纹接头的较高的外压密封性能的同时提高内压密封性能。
优选tB/tL＞2.0，进一步优选tB/tL＞2.2。
螺纹接头既可以是整体型，也可以是组合型。
也可以是，管口在紧固前且在周向上具有钢管主体的0.2％偏置屈服强度的1.05倍以上的0.2％偏置屈服强度。
作为提高0.2％偏置屈服强度的具体的方法，存在如下方法：在螺纹切削加工前对管端实施冷拉加工，或者利用高频加热等进行淬火强化。
也可以是，对外螺纹和内螺纹中的至少一者、公扣密封面和母扣密封面中的至少一者以及公扣台肩面和母扣台肩面中的至少一者实施化学转化处理、喷砂处理、金属镀覆处理中的至少一者。
[实施方式]
以下，参照附图说明钢管用螺纹接头的实施方式。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。
图1是表示实施方式的钢管用螺纹接头1的概略结构的纵剖视图。如图1所示，螺纹接头1是用于将钢管主体2相互连接的螺纹接头。螺纹接头1包括管状的公扣10和管状的母扣20。母扣20供公扣10插入而与公扣10紧固。公扣10的钢管主体2是包括公扣10的钢管中的未插入母扣20的部分。钢管主体2具有7英寸以上的外径和0.7英寸以上的壁厚。即，螺纹接头1用于大径且厚壁的钢管。
图1所示的螺纹接头1是组合型，具备管接头3。管接头3连结两根钢管。管接头3包括两个母扣20。
不过，螺纹接头1也可以是整体型。如图2所示，整体型的螺纹接头1也是用于将钢管主体2相互连接的螺纹接头，包括公扣10和母扣20。在整体型的螺纹接头1中，一钢管具备公扣10，另一钢管具备母扣20。
如图3所示，公扣10包括管口11、公扣台肩面12、公扣锥面15、公扣圆面16、外螺纹13以及公扣密封面14。管口11形成于公扣10的顶端部，具有比母扣20中的在紧固状态下相对的部分的内径小的外径。公扣台肩面12形成于管口11的顶端。公扣锥面15形成于管口11的外周面。公扣圆面16形成于公扣台肩面12与公扣锥面15之间的角。外螺纹13形成于公扣10的外周。公扣密封面14形成于管口11与外螺纹13之间且是公扣10的外周面。
母扣20包括母扣台肩面21、内螺纹22、母扣密封面23、母扣锥面24以及母扣圆面25。母扣台肩面21与公扣台肩面12相对，在紧固状态下与公扣台肩面12接触。内螺纹22与外螺纹13对应，形成于母扣20的内周。母扣密封面23与公扣密封面14相对，在紧固时与公扣密封面14接触。母扣锥面24与公扣锥面15相对。母扣圆面25与公扣圆面16相对。
在将公扣锥面15与公扣圆面16之间的分界线上的公扣10的外表面与母扣20的内表面之间的紧固时的间隙量设为δ[mm]、将钢管主体2的外径设为D[mm]、将钢管主体2的壁厚设为t[mm]、将支点PP与公扣10的顶端之间的管轴线方向CL上的紧固时的长度设为L[mm]、将公扣密封面14与母扣密封面23接触的区域中的最靠近公扣10的顶端的位置即支点PP处的公扣10的壁厚设为tL[mm]、将支点PP处的母扣的壁厚设为tB[mm]时，满足以下的式(1)，tB/tL＞1.4。
0.30+min(antL+bnD，n＝1，2，3)＞δ＞min(antL+bnD，n＝1，2，3) (1)
在此，min是在括号内的3个自变量中取最小值的函数。
a1、a2、a3、b1、b2、b3以如下方式定义。
a1＝(L/t)×0.0115×(tL/t)-1.68778-0.00247×(tL/t)-2.02052
b1＝(L/t)×0.0076×(tL/t)-0.65672-0.00120×(tL/t)-1.06817
a2＝(L/t)×0.00725×(tL/t)-1.67341-0.00157×(tL/t)-1.93212
b2＝0
a3＝-(L/t)×0.00256×(tL/t)-2.40620+0.00372×(tL/t)-2.19899
b3＝(L/t)×0.01986×(tL/t)-0.88615-0.01048×(tL/t)-1.00532
严格来说，钢管主体2的外径D和壁厚t在钢管主体2的整体的范围内不恒定，因此也可以是，使用平均外径作为外径D，使用平均壁厚作为壁厚t。平均外径是通过在正交的两个方向上测定距紧固后的接头的母扣端面的距离为1英寸的位置处的紧固前的钢管主体2的外径并进行平均而得到的。平均壁厚是通过测定同样距紧固后的接头的母扣端面的距离为1英寸的位置处的紧固前的钢管主体2的圆周8个部位(45°节距)的壁厚并进行平均而得到的。
在图3所示的管口11中，公扣锥面15与母扣锥面24大致平行地形成。即，公扣锥面15与母扣锥面24之间的间隔成为大致等间隔。不过，如图4所示，公扣锥面15与母扣锥面24之间的间隔也可以随着朝向管口11的顶端而逐渐扩大。在该情况下，也存在在紧固时公扣密封面14与母扣密封面23接触的区域比图3所示的情况的区域大，接近面接触(在纵截面上成为线接触)的情况。因而，支点PP在管轴线方向CL上的位置有时根据紧固力、管口11的翘曲变形量而不同。
以上，说明了实施方式，但本发明不限定于上述实施方式，只要不脱离其主旨就能够进行各种变更。
实施例
为了确认上述实施方式的效果，实施基于弹塑性有限元法的数值模拟分析。
＜试验条件＞
在弹塑性有限元分析中，使用具有图1所示的基本结构的螺纹接头的模型。共通的试验条件如下。
·钢管的尺寸：14英寸、100#(外径355.6mm、壁厚17.78mm)
·材料：API(美国石油协会：American Petroleum Institute)标准的P110钢(屈服强度862N/mm2、弹性模量205kN/mm2、泊松比0.3)
·螺纹接头的类型：组合型(外径386mm)
·螺纹的形状和尺寸：锯齿型的梯形螺纹，载荷牙型半角-3度、插入牙型半角10度、外螺纹高度1.978mm、螺距6.35mm(4TPI)、螺纹锥度1/16
·管口的尺寸：L＝17mm、tL＝10.3mm
·紧固条件：从抵肩起进一步紧固1/100周
·载荷条件：
(1)内压：钢管主体的屈服强度100％的单纯内压载荷
(2)外压：钢管主体的屈服强度100％(API5C3标准100％)的单纯外压载荷
内压施加于公扣和母扣的内周面以及自金属密封的接触部起的内表面侧的整个面(公扣管口的外周面、母扣的内周面的与公扣管口对应的部分、公扣和母扣的台肩面等)。
外压施加于公扣和母扣的外周面以及自金属密封的接触部起的外表面侧的整个面(公扣和母扣的螺纹表面等)。
<评价方法>
如以下的表1所示，对于模型1-6，在以上述试验条件进行模拟紧固的分析之后，算出内压密封性和外压密封性。内压密封性或外压密封性是将承载了前述的载荷条件的内压或外压时的密封接触力(准确而言是每单位周长的密封接触力)除以紧固时的密封接触力而得到的值(即，密封接触力从紧固时降低的降低率)。密封性是承载压力载荷的情况下的密封接触力相对于紧固时的密封接触力之比，值越大则密封性越好。
[表1]
模型 间隙量δ[mm] 壁厚比t<sub>B</sub>/t<sub>L</sub> 内压密封性 外压密封性
1 0.15 2.25 1.21 0.81
2 0.48 2.25 1.23 0.81
3 0.08 2.25 1.21 0.77
4 0.14 1.38 0.8 0.91
5 0.3 2.25 1.22 0.81
6 0.06 2.25 1.21 0.71
在本例中，0.43mm＞δ＞0.13mm。因而，模型1和5是实施例，模型2-4和6是比较例。模型2的间隙量δ为上限值(0.43mm)以上。模型3和6的间隙量δ为下限值(0.13mm)以下。模型4的壁厚比tB/tL为下限值(1.4)以下。
将模型4以外的外压密封性示于图5。根据该图表，表明：外压密封性以间隙量δ的下限值为界显著变化。即，若间隙量δ成为下限值以下，则外压密封性大幅降低。认为其原因在于，管口11翘曲变形，其顶端部与母扣20的内周面接触。
对于壁厚比比下限值小的模型4而言，内压密封性明显较低。模型2具有与模型1和5同等的内压密封性和外压密封性，但若间隙量δ为上限值以上，则切削量增多，因此制造成本提高。
根据以上的结果，表明：与比较例的螺纹接头相比，实施例的螺纹接头的内压密封性和外压密封性均优异。
附图标记说明
1、钢管用螺纹接头；2、钢管主体；10、公扣；11、管口；12、公扣台肩面；13、外螺纹；14、公扣密封面；15、公扣锥面；16、公扣圆面；20、母扣；21、母扣台肩面；22、内螺纹；23、母扣密封面；24、母扣锥面；25、母扣圆面。

Claims (5)

1.一种螺纹接头，其用于将具有7英寸以上的外径和0.7英寸以上的壁厚的钢管主体相互连接，其中，
该螺纹接头包括：
管状的公扣；以及
管状的母扣，其供所述公扣插入而与所述公扣紧固，
所述公扣包括：
管口，其形成于所述公扣的顶端部，具有比所述母扣中的在紧固状态下相对的部分的内径小的外径，
公扣台肩面，其形成于所述管口的顶端；
公扣锥面，其形成于所述管口的外周面；
公扣圆面，其形成于所述公扣台肩面与所述公扣锥面之间的角；
外螺纹，其形成于所述公扣的外周；以及
公扣密封面，其形成于所述管口与所述外螺纹之间且是所述公扣的外周面，
所述母扣包括：
母扣台肩面，其与所述公扣台肩面相对，在紧固状态下与所述公扣台肩面接触；
内螺纹，其与所述外螺纹对应，形成于所述母扣的内周；以及
母扣密封面，其与所述公扣密封面相对，在紧固时与所述公扣密封面接触，
在将所述公扣锥面与所述公扣圆面之间的分界线上的所述公扣的外表面与所述母扣的内表面之间的紧固时的间隙量设为δ、将所述钢管主体的外径设为D、将所述钢管主体的壁厚设为t、将所述公扣密封面与所述母扣密封面接触的区域中的最靠近所述公扣的顶端的位置即支点与所述公扣的顶端之间的管轴线方向上的紧固时的长度设为L、将所述支点处的所述公扣的壁厚设为tL、将所述支点处的所述母扣的壁厚设为tB时，满足以下的式(1)，tB/tL＞1.4，
0.30+min(antL+bnD，n＝1，2，3)＞δ＞min(antL+bnD，n＝1，2，3) (1)，
在此，min是在括号内的3个自变量中取最小值的函数，
a1＝(L/t)×0.0115×(tL/t)-1.68778-0.00247×(tL/t)-2.02052，
b1＝(L/t)×0.0076×(tL/t)-0.65672-0.00120×(tL/t)-1.06817，
a2＝(L/t)×0.00725×(tL/t)-1.67341-0.00157×(tL/t)-1.93212，
b2＝0，
a3＝-(L/t)×0.00256×(tL/t)-2.40620+0.00372×(tL/t)-2.19899，
b3＝(L/t)×0.01986×(tL/t)-0.88615-0.01048×(tL/t)-1.00532，
其中，δ的单位是mm，D的单位是mm，t的单位是mm，L的单位是mm，tL的单位是mm，tB的单位是mm。
2.根据权利要求1所述的螺纹接头，其中，
tB/tL＞2.0。
3.根据权利要求2所述的螺纹接头，其中，
该螺纹接头是组合型。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的螺纹接头，其中，
所述管口在紧固前且在周向上具有所述钢管主体的0.2％偏置屈服强度的1.05倍以上的0.2％偏置屈服强度。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的螺纹接头，其中，
对所述外螺纹和所述内螺纹中的至少一者、所述公扣密封面和所述母扣密封面中的至少一者以及所述公扣台肩面和所述母扣台肩面中的至少一者实施化学转化处理、喷砂处理、金属镀覆处理中的至少一者。
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