CN111566309B - 部分地处于自锁接合的螺纹连接装置 - Google Patents

部分地处于自锁接合的螺纹连接装置 Download PDF

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Abstract

部分地处于自锁布置的螺纹连接装置包括第一管状部件和第二管状部件，所述第一管状部件和第二管状部件在其各自的端部分别设有阳螺纹区域和阴螺纹区域。当彼此装配在一起时，阳螺纹区域(3)的具有变化螺纹宽度的第一部分(11)的仅一部分(10p)通过自锁紧而与阴螺纹区域(4)的具有变化螺纹宽度的第二部分(12)的仅一部分(10b)彼此协作。该连接装置能够承受特殊应用(例如使用套管或中间套管进行钻探)所需的高扭矩。

Description

部分地处于自锁接合的螺纹连接装置
技术领域
本发明涉及一种部分地处于自锁接合的螺纹连接装置。螺纹连接装置包括第一管状部件和第二管状部件，一个管状部件在一端设有管状阳构件，另一个管状部件在另一端设有管状阴构件，每个构件设有螺纹区域。根据本发明，当将一个构件装配(make up)到另一个构件内时，阳构件的带有变化螺纹宽度的螺纹区域的仅一部分通过与阴构件的带有变化螺纹宽度的螺纹区域的一部分自锁紧固而相互配合。换句话说，具有变化螺纹宽度的每个螺纹区域的仅一部分是锁定的。根据本发明的连接装置能够承受特殊应用(例如用套管钻探)所需的高扭矩。本发明设计适合用于包括深水在内的开发或勘探井的用途。这些应用将特别适合中间套管。
背景技术
以已知的方式，通常通过装配来连接管，所述管旨在在操作烃井的情况下构成套管或管柱。通常，这些管包括设置有阳螺纹区域的端部和设置有阴螺纹区域的端部，每个端部旨在通过与另一部件的相应端部的装配来组装，该组件限定了连接装置。当用井的套管进行钻探时，如此构成的管柱还可以旋转。由于这个原因，必须将这些部件以高扭矩装配在一起，以便能够传递足以使管柱前进到井中并且也不会使其破裂的旋转扭矩。对于常规产品，通常是由于通过拧紧设置在待要装配的每个部件上的抵接表面形成的相互配合而达到装配扭矩。然而，由于抵接表面的范围是管厚度的一部分，所以当施加太大的装配扭矩时，迅速达到抵接表面的临界塑化阈值。
由于这个原因，进行了例如专用于连接装置的开发，例如由申请人以商标名
Figure BDA0002454782950000011
HTF出售的连接装置，特别是关于螺纹连接的连接装置的开发，以便能够从抵接表面撤回它们无法承受的至少部分或所有负载。使用例如在文件US-7661728中描述的自锁螺纹来实现该目的。在这种类型的连接的自锁螺纹中，也如现有技术US Re 30 647和US Re34 467中所述，阳端(也称为销(PIN)构件)的螺纹和阴端(也称为箱(BOX)构件)的螺纹具有恒定的导程但螺纹宽度可变，因为入扣牙侧(stab flanks)的导程不等于负载牙侧(loadflanks)的导程。这种类型的连接称为楔形螺纹(wedge threads)。
常规地，阳端的螺纹具有销螺纹齿顶、销螺纹齿根、销负载牙侧和销入扣牙侧。阴端的螺纹具有箱螺纹齿顶、箱螺纹齿根、箱负载牙侧和箱入扣牙侧。更确切地说，在楔形螺纹的情况下，分别对于阳端或阴端的螺纹而言，螺纹(或齿)的齿顶的宽度分别随着距阳轴向端或阴轴向端的距离的增加而逐渐增大。
楔形螺纹的特征是楔形比，楔形比是指负载牙侧导程LF和入扣牙侧导程SF之间的非零差，负载牙侧导程LF严格大于或严格小于入扣牙侧导程SF，其差值以相应的导程值进行计算。在传统的楔形螺纹中，销构件和箱构件两者的LF相等，并且相应地，销构件和箱构件两者的SF也相等。因此，销构件和箱构件两者的楔形比均相同。在装配过程中，阳螺纹和阴螺纹(或齿)通过彼此锁定在与锁定点相对应的可预测位置中而完成。
更精确地，当阳螺纹(或齿)的所有入扣牙侧和所有负载牙侧都分别锁定在相应的阴螺纹(或齿)的所有入扣牙侧和所有负载牙侧时，就会发生自锁螺纹的锁定。由于这个原因，在牙侧之间的所有接触表面都承受装配扭矩，即，总表面积要比现有技术中的抵接表面所构成的总表面积大得多。
从US-2011-278838还已知另一种类型的自锁螺纹，其中阳螺纹区域包括两个部分。销入扣牙侧导程SFP_p在第一部分中具有第一值SFP_p1，并且在第二部分中具有第二值SFP_p2，第二值等于销负载牙侧导程LFP_p，销负载牙侧导程LFP_p在第一部分和第二部分上保持恒定。第一部分相比第二部分最接近阳远端。距离VPEST定位在第一部分的终止位置和第二部分的起始位置处。从阳远端到VPEST，第一部分为自锁型，且齿宽增加。从VPEST开始，阳螺纹区域的第二部分以恒定的齿和齿根宽度开始。从VPEST朝向管体的螺纹齿顶的宽度在整个阳螺纹区域的第二部分保持恒定。
对于该连接，阴螺纹区域具有单个入扣牙侧导程SFP_b和单个箱负载牙侧导程LFP_b，使得SFP_b等于SFP_p1，并且LFP_b等于LFP_p。因此，阴螺纹区域具有唯一部分，其中该唯一部分的齿的宽度连续增加。阴螺纹区域是自锁型的，在其整个轴向长度上，牙侧之间的导程没有任何变化。
在装配结束时，所有的入扣牙侧和所有的负载牙侧都在阳螺纹部分的第一部分中处于干涉接触状态。这意味着，阳螺纹部分的第一部分的整个范围与阴螺纹区域处于自锁装配布置。从VPEST位置开始，在第二部分中保留了阳和阴负载牙侧之间的接触，但是在第二部分中，阳和阴入扣牙侧之间的接触消失了。当失去接触时，螺纹部分不再处于自锁装配布置。因此，阳螺纹区域的第二部分的整个范围未处于自锁接合。因此，第一部分中的螺纹是楔形螺纹，而第二部分不是楔形螺纹，因为在第二部分中在销构件上确定的楔形比等于0。
该已知的连接设置有金属对金属的密封，以便对液体和气体都达到优质的密封性能。阳构件和阴构件均分别包括密封表面，当螺纹区域随着自锁装配而相互配合时，所述密封表面可以在紧密接触(也称为干涉接触)中相互配合。密封表面的紧密接触中的配合区域位于阳端的终端表面与螺纹区域之间。这种已知的连接是通过在两端携带阳构件的长管状部件以及携带阴构件的短管状部件(后者称为联接器)形成的，使得具有最小宽度齿的齿在与非螺纹部分的过渡处附近不理想。不理想的螺纹的高度比其他螺纹的常规高度低。
然而，现有技术中已知的自锁螺纹连接在当前的应用中遇到某些限制，在当前的应用中仅需要半高级(premium)连接，并且仅需要液体密封。需要一种连接装置，该连接装置能够提供高的装配扭矩，并且在密封性方面能够承受半高级标准，同时还适合半齐平或齐平的应用，其中箱构件的最大外径超过构成所述连接的管状部件的公称外径小于6％且最好小于3％。
发明内容
需要一种经济有效的连接装置，其在达到ISO 13679：2002CAL-I液体密封保证的同时，为加工提供更大的公差。还需要一种在操作和运行过程中不易损坏的连接装置，由于可接受的制造&制动循环次数更高，因而使用寿命更长。
出于这个原因，本发明的目的是提供一种具有自锁螺纹的半高级、半齐平的连接装置，使得锁定螺纹提供足以抵抗液体进行密封的密封。
更精确地，本发明提供了一种螺纹连接装置，该螺纹连接装置包括第一管状部件和第二管状部件，该第一管状部件设置有管体以及位于该管体的远端处的阳构件，该第二管状部件设置有另外的管体和位于该另外的管体的远端处的阴构件，使得阳构件在其外周表面上包括至少一个阳螺纹区域并且以阳终端表面结束，而阴构件在其内周表面上包括至少一个阴螺纹区域并以阴终端表面结束，
阳螺纹区域包括具有第一部分的阳螺纹，其中所述螺纹齿顶的宽度(CWTp)沿从所述阳终端表面朝向所述第一管状部件的管体取向的方向增加，最接近所述阳终端表面的齿具有阳螺纹的最小齿顶宽度值(CWTpmin)，以及
阴螺纹区域包括具有第二部分的阴螺纹，其中螺纹齿顶的宽度(CWTb)沿着从阴终端表面朝向第二管状部件的管体取向的方向增加，最接近阴终端表面的齿具有阴螺纹的最小齿顶宽度值(CWTbmin)，
其中，当装配好连接时，第一部分的每个齿位于第二部分的两个相邻的齿之间，并且其中，根据自锁装配布置，第一部分的仅一部分与第二部分的仅一部分配合以便在螺纹连接装置中提供锁定区域。
根据本发明的连接装置的技术优点在于，在组装期间不需要遵循特定的装配扭矩表；这样，操作员只需检查是否达到最小装配扭矩目标值即可。为了降低运行该类型连接装置的成本，此优点非常重要。
本发明的另一个优点是，可以用钻机的扭矩能力获得装配扭矩，并且可以以不到一圈的方式装配连接装置。
本发明的另一个优点是，在达到用于液体密封的ISO 13679：2002CAL-I标准之上，该连接装置还满足API RP 5C：2015CAL-I系列A和B测试协议，以保证在弯曲和外部压力条件下的液体密封。
螺纹区域可以优选地是分别从阳构件和阴构件的经螺口加工的表面(tronconical machined surface)出现的单起点连续螺旋轮廓。
“仅一部分”是指并非第一部分的所有齿都处于自锁式装配布置，就它们的负载牙侧和/或入扣牙侧而言，第一部分的某些齿没有与第二部分的相应齿接触。未处于自锁布置的第一部分的齿具有至少一个不与第二部分的任何对应表面接触的其负载牙侧或入扣牙侧。相应地，未处于自锁布置的第二部分的齿具有至少一个不与第一部分的任何对应表面接触的其负载牙侧或入扣牙侧。
第一部分的一部分与第二部分的一部分以自锁装配布置彼此配合，它们的齿使得
-第一部分的所述一部分与第二部分的所述一部分的负载牙侧接触，以及
-第一部分的所述一部分与第二部分的所述一部分的入扣牙侧接触，以及
-第一部分的该部分的齿根或齿顶中的至少一者相应地与第二部分的该部分的相应的齿顶或齿根接触。
这些接触沿整个锁定区域都是连续的。
第一管状部件的管体可以在相对端设置有阴构件，使得该阴构件具有与第二管状构件的阴构件相同的特性。这种类型的管体称为整体的(integral)或齐平的(flush)或者半整体的或半齐平的，这取决于连接装置的最大外径与管体的公称直径之间的比。但是本发明也适用于“T&C”，其中第一管状件的两端均设有阳构件，而第二管状件的两端均具有阴构件。
优选地，在对螺纹进行机加工之前，可以对阳构件进行锻造并且可以使阴构件膨胀。
下面给出本发明的任选的补充或替代特征。
优选地，锁定区域可以包括以自锁布置的一数量(n)的螺纹，其中第一部分和第二部分包括的螺纹数量严格大于锁定区域的螺纹数量(n)。
阳螺纹区域可以具有由与锁定区域中的楔形比不同的楔形比限定的阳远侧部分，该阳远侧部分包括最接近阳终端表面的齿，该阳远侧部分与第一部分相邻。
阴螺纹区域可具有由与锁定区域中的楔形比不同的楔形比限定的阴远侧部分，该阴远侧部分包括最接近阴终端表面的齿，该阴远侧部分与第二部分相邻。
例如，阴远侧部分的最接近阴终端表面的齿可具有与阳远侧部分的最接近阳终端表面的齿相同的齿顶宽度(CWTbmin＝CWTpmin)。
根据本发明的第一实施例，阳入扣牙侧导程(SFP_p)在第一部分中可以是恒定的，并且在阳螺纹区域的远侧部分中可以具有不同的值，该不同的值小于或等于在第一部分和远侧部分中保持恒定的阳负载牙侧导程(LFP_p)的值，该阳远侧部分与第一部分相邻。
类似地，根据本发明的第一实施例，阴入扣牙侧导程(SFP_b)在第二部分中可以是恒定的，并且在阴螺纹区域的远侧部分中可以具有不同的值，该不同的值小于或等于在第二部分和远侧部分中保持恒定的阴负载牙侧导程(LFP_b)的值，所述阴远侧部分与第二部分相邻。
根据本发明的第二替代实施例，阳负载牙侧导程(LFP_p)在第一部分中可以是恒定的，并且在阳螺纹区域的远侧部分中可以具有不同的值，该不同的值大于或等于在第一部分和远侧部分中保持恒定的阳入扣牙侧导程(SFP_p)的值，所述阳远侧部分与第一部分相邻。类似地，根据本发明的第二实施例，阴负载牙侧导程(LFP_b)在第二部分中可以是恒定的，并且在阴螺纹区域的远侧部分中可以具有不同的值，该不同的值大于或等于在第二部分和远侧部分中保持恒定的阴入扣牙侧导程(SFP_p)的值，阴远侧部分与第二部分相邻。
阳螺纹区域还可以具有由与锁定区域中的楔形比不同的楔形比限定的阳近侧部分，该近侧部分包括距阳终端表面最远的齿，阳近侧部分与第一部分相邻。
阴螺纹区域可具有由与锁定区域中的楔形比不同的楔形比限定的阴近侧部分，该近侧部分包括距阴终端表面最远的齿，阴近侧部分与第二部分相邻。
根据本发明的第三实施例，阳入扣牙侧导程(SFP_p)在第一部分中也可以是恒定的，并且在阳螺纹区域的近侧部分中具有的值小于或等于在第一部分和近侧部分保持恒定的阳负载牙侧导程(LFP_p)的值，阳近侧部分与第一部分相邻。类似地，根据本发明的第三实施例，阴入扣牙侧导程(SFP_b)在第二部分中也可以是恒定的，并且在阴螺纹区域的近侧部分中具有的值小于或等于在第二部分和近侧部分中保持恒定的阴负载牙侧导程(LFP_b)的值，阴近侧部分与第二部分相邻。
根据第三实施例的替代方案，本发明的第四实施例使得阳负载牙侧导程(LFP_p)在第一部分中也可以是恒定的，并且在阳螺纹区域的近侧部分中的值大于或等于在第一部分和近侧部分中保持恒定的阳入扣牙侧导程(SFP_p)的值，阳近侧部分与第一部分相邻。类似地，根据本发明的第四实施例，阴负载牙侧导程(LFP_b)在第二部分中也可以是恒定的，并且在阴螺纹区域的近侧部分中的值可以大于或等于在第二部分和近侧部分中保持恒定的阴入扣牙侧导程(SFP_b)的值，阴近侧部分与第二部分相邻。
例如，本发明的第五实施例是第一实施例和第三实施例的组合。可替代地，本发明的第六实施例是第二实施例和第四实施例的组合。
优选地，楔形比可以在阳螺纹区域和阴螺纹区域两者上都在两个位置处改变。
例如，阳入扣牙侧导程可在阳螺纹区域上的两个位置处改变，阴入扣牙侧可在阴螺纹区域上的两个位置处改变，阳负载牙侧导程和阴负载牙侧导程分别沿整个阳螺纹区域和阴螺纹区域保持恒定。根据该示例，阳螺纹区域上的变化位置不对应于阴螺纹区域上的变化位置。
优选地，用于阳螺纹区域的设计规则可需要燕尾形螺纹，以使得最接近阳终端表面的齿的宽度的最小值(CWTpmin)满足以下公式中的至少一个：
(a)0.8202*TH≤CWTpmin
Figure BDA0002454782950000081
其中：BTG是阴最小螺纹间隙，该螺纹间隙不包括在锁定区域中，
Figure BDA0002454782950000082
其中：
n是锁定区域的锁定螺纹数，
SFP_p1是第一部分中的入扣牙侧导程，
LFP_p1是第一部分中的负载牙侧导程，
LFPp1-SFPp1也称为楔形比，
TH是第一部分中的公称螺纹高度，
PLH是第一部分中从销节线到齿根的距离。
当考虑牙侧在该第一部分中具有恒定导程时，销节线由牙侧中间高度处的所有点确定。
α是分别关于垂直于连接装置轴线的方向的负载牙侧角和入扣牙侧角，
Figure BDA0002454782950000083
是锥角，其中该锥角是阳螺纹区域和阴螺纹区域的母线与连接装置轴线之间的角度。
优选地，阳螺纹区域和阴螺纹区域具有与连接装置的轴线形成锥角的锥形母线，锥角在1度至5度的范围内。优选地，锥度值可以是1/8或1/6，分别对应于3.6°和4.8°的锥角。
作为螺纹设计的示例，阳螺纹区域和阴螺纹区域的齿可具有燕尾形轮廓，并且阳螺纹区域和阴螺纹区域的齿的齿顶和齿根平行于螺纹连接装置的轴线。例如，阳螺纹区域和阴螺纹区域的齿也可以具有燕尾形轮廓，使得负载牙侧和入扣牙侧各自相对于垂直于连接装置轴线方向处于相同的角度值的角α，角α在1°和6°之间。
优选地，阳螺纹区域的齿的齿顶和阴螺纹区域的齿根可以在锁定区域中干涉接触，使得在齿根/齿顶干涉处的直径干涉可以比管体公称外径大0.0025倍。
根据本发明的连接装置优选地没有任何远侧的抵接表面，使得当连接装置装配好时，所述阳构件的自由端保持远离所述阴构件，并且相应地所述阴构件的自由端保持远离所述阳构件。
本发明的一个优点是，阳构件和阴构件在锁定区域之外可以没有任何附加的密封表面，例如金属对金属的密封。
例如，通过在锁定区域中自锁而配合的阳构件的螺纹区域的第一部分的一部分和阴构件的螺纹区域的第二部分的一部分可均具有各自螺纹区域齿数的大于30％且小于80％、优选大于50％的齿数。
优选地，沿着螺纹区域的纵向截面图、沿着管体的纵向轴线确定齿的数量。非锁定齿可提供结构支撑。
例如，除了具有最小齿顶宽度的齿之外，阳螺纹区域和/或阴螺纹区域的所有齿都可以具有相同的高度。
附图说明
在下面参考附图进行的描述中，将更详细地公开本发明的特征和优点。
图1是根据本发明的包括自锁螺纹的连接装置的局部示意图。
图2是根据本发明的连接装置的管状部件的阴构件的详细纵向截面图。
图3是根据本发明的连接装置的管状部件的阳构件的详细纵向截面图。
图4是在阳自由端附近的根据本发明的连接装置的详细纵向截面图。
图5是根据本发明的阳构件的阳齿的详细视图。
图6至图9是根据本发明不同实施例的图表，示出了当装配连接时，随着距阳构件的远端表面的距离的变化，沿着图1所示的阳构件和阴构件的螺纹分别对于阳构件和阴构件的负载牙侧和入扣牙侧之间的导程的演变。图6至图9的图表表示分别沿y轴的阳入扣牙侧(SFP_p)、阳负载牙侧(LFP_p)、阴入扣牙侧(SFP_b)和阴负载牙侧(LFP_b)的导程值，x轴表示当装配好连接时螺纹在箱面8和销面7之间沿管状部件的纵向轴线的位置。
具体实施方式
图1所示的带螺纹的管状连接装置包括具有阳构件1的管状部件和具有阴构件2的管状部件。阳构件1和阴构件2均设有渐缩的螺纹区域3、4，该渐缩的螺纹区域3、4通过两个部件的装配而协作以相互连接。图1中，示出了螺纹连接已完全装配。
阳构件终止于阳终端表面7，形成销面或阳构件的轴向自由端。阳终端表面7也是第一管状部件的自由轴向表面。阴构件2终止于阴终端表面8，形成箱面或阴构件的轴向自由端。阴终端表面8也是第二管状部件的自由轴向表面。阳终端表面7和阴终端表面8相对于连接装置的纵向轴线X径向地取向。阳终端表面7和阴终端表面8中的任何一个都没有在装配结束时以抵接接触的方式放置。
优选地，两个管状部件是整体式的，因为它们均具有管体、在管体的一个第一远端处的阳构件以及在管体的相对的远端处的阴构件。两个管状部件均由钢制成。分别加工螺纹区域，其中仅对阴构件进行表面处理，并且在装配之前在阳构件周围另外布置涂料。或者，可以对阳构件和阴构件两者进行表面处理。例如，表面处理可以是磷酸锌处理。
例如，材料的等级在80ksi(550MPa)和140ksi(965MPa)之间。例如，等级高于100ksi(690MPa)，例如125ksi(860MPa)。
根据本发明，在拉伸和压缩下的连接效率都大于管体屈服强度的70％。
管体的外径为3 1/2英寸(88.90mm)到16英寸(406.4mm)，管体壁宽为8至22mm。
根据本发明的示例，管体外径可以是135/8英寸(330.2mm)，管体壁宽为0.625英寸(15.8mm)。
螺纹区域可以是单头的。每个螺纹区域可以具有唯一的单螺纹螺旋(spire)。唯一的螺纹螺旋意味着没有间断的螺旋。
当装配时，本发明的连接装置包括锁定部分10，其中螺纹区域3和4的相应部分处于已知的“自锁”构造，其中阳螺纹区域和阴螺纹区域均至少在该锁定区域10中具有螺纹齿顶的轴向宽度的逐渐变化和螺纹之间的间隔的逐渐变化，使得在装配过程中直至最终的锁定位置都产生逐渐的轴向拧紧。
术语“自锁”构造是指以下针对锁紧区域中的齿详细描述的特性。阳螺纹(或齿)32，如同阴螺纹(或齿)42那样，具有恒定的导程，尽管其齿顶宽度分别朝着其各自的终端表面7、8减小，从而在装配过程中，一些阳螺纹32和阴螺纹42(或齿)通过在确定的位置彼此锁定而完成。处于锁定配置中的螺纹使得阳螺纹(或齿)的所有入扣牙侧和所有负载牙侧分别与相应的阴螺纹(或齿)的入扣牙侧和负载牙侧彼此锁定。
在装配结束时，在锁定区域10中，在轴向牙侧(负载牙侧和入扣牙侧)之间均没有轴向间隙。相对于连接装置的轴线，轴向牙侧基本上径向地限定。此外，根据本发明的连接装置的设计使得在锁定区域中至少在阳螺纹齿顶和阴螺纹齿根之间没有径向间隙。因此，锁定区域通过产生足够的接触来形成密封以捕获涂料并承受高的压力。齿顶和齿根处于干涉接触，轴向牙侧也相互干涉。
根据本发明，阳螺纹32和阴螺纹42中的每一个的仅特定数量的螺纹处于该特定锁定构造中，并且被包括在锁定部分10中。锁定部分10远离螺纹区域的第一螺纹和最后螺纹。阳螺纹32和阴螺纹42中的至少第一螺纹和最后螺纹不处于锁定构造。
更准确地，图6中，阳螺纹区域3包括第一部分11，其中，阳入扣牙侧31之间的导程SFP_p恒定为值SFP_p1，而阳负载牙侧30之间的导程LFP_p也恒定，但是为不同的值LFP_p1。在图6的示例中，LFP_p1严格大于SFP_p1。例如，在本发明的一个实施例中：
LFP_p1＝9.7mm，
SFP_p1＝9.4mm。
因此，第一部分的楔形比，这里即负载牙侧导程和入扣牙侧导程之间的差等于0.3mm。
在本发明的范围内，其他的入扣牙侧导程和负载牙侧导程的值是可接受的。
类似地，阴螺纹区域4包括第二部分12，其中，负载牙侧41之间的导程LFP_b恒定为值LFP_b1，而入扣牙侧40之间的导程SFP_b也恒定，但是为不同的值SFP_b1，其特征在于，负载牙侧41之间的导程大于入扣牙侧40之间的导程。
此外，如图6所示，阳入扣牙侧31和阴入扣牙侧40之间的相应导程SFP_p1和SFP_b1相等并且小于阳负载牙侧30和阴负载牙侧41的负载牙侧之间的相应导程LFP_p1和LFP_b1(它们本身相等)。
如图3和图6所示，除了第一部分11外，阳螺纹区域3还包括阳远侧部分13，所述阳远侧部分邻近于第一部分11并且位于第一部分的最接近阳自由端表面7的一侧上。阳螺纹区域3还包括阳近侧部分15，所述阳近侧部分邻近于第一部分11，但是位于第一部分的另一侧，即离阳自由端表面7最远的那侧。阳远侧部分13和阳近侧部分15中的每一个包括覆盖至少360°、优选两圈的一部分螺纹。阳远侧部分13和阳近侧部分15与第一部分11的区别在于，入扣牙侧和/或负载牙侧中至少一个的导程与在第一部分中观察到的值不同。
在图6的示例中，阳远侧部分13和阳近侧部分15仅通过入扣牙侧导程SFP_p而与第一部分11区别，负载牙侧导程LFP_p始终沿螺纹部分保持相同的值LFP_p1。特别地，在图6中，远侧部分13和近侧部分15中的阳入扣牙侧导程相等并等于阳负载牙侧导程LFP_p1。并且在第一部分11中的阳入扣牙侧导程达到小于阳负载牙侧导程LFP_p1的值SFP_p1。
因此，沿着阳远侧部分和阳近侧部分的阳楔形比等于0，而在阳第一部分11中存在非零楔形比。
作为图6实施例的替代方案，图7提出了通过相对于阳远侧部分和阳近侧部分单独增加第一部分中的负载牙侧导程而获得在第一部分中严格正的、非零的楔形比以及沿阳远侧部分和阳近侧部分的零楔形比。根据该替代实施例，沿着阳远侧部分和阳近侧部分，负载牙侧导程等于入扣牙侧导程，入扣牙侧导程在整个螺纹部分上保持恒定。
根据本发明的另一实施例，替代图6，如图8所示，在阳远侧部分和近侧部分中的楔形比严格高于0，非零，并且严格低于沿第一部分观察到的楔形比(wedge ratio)。阳远侧部分和相应地近侧部分中的入扣牙侧导程低于该阳远侧部分和相应地近侧部分中的负载牙侧导程，而阳远侧部分中的负载牙侧导程保持恒定并等于第一部分中的负载牙侧导程。
根据本发明的另一实施例可以覆盖在阳远侧部分和近侧部分内的变化的楔形比，该变化的值严格地保持低于第一部分的楔形比。沿着远侧部分和近侧部分的楔形比的值和/或楔形比的变化样式可以相同或不同。
类似地，如图2和图6所示，除了第二部分12之外，阴螺纹区域4还包括邻近第二部分12的阴远侧部分14，其位于第二部分的最接近阴自由端表面8的一侧。阴螺纹区域4包括与第二部分12相邻的阴近侧部分16，但是位于第二部分的另一侧，即离阴自由端表面8最远的那侧。阴远侧部分14和阴近侧部分16中的每一个包括覆盖至少360°、优选两圈的一部分螺纹。阴远侧部分14和阴近侧部分16与第二部分12区别在于，入扣牙侧和/或负载牙侧中的至少一个的导程与在第二部分中观察到的值不同。
在图6中，阴远侧部分14和阴近侧部分16与第二部分12的区别仅在于入扣牙侧导程SFL_b，负载牙侧导程LFP_b在整个螺纹部分上保持相同的值LFP_b1。尤其是，远侧部分14和近侧部分16中的阴入扣牙侧导程相等并等于阴负载牙侧导程LFP_b1，阴负载牙侧导程LFP_b1也等于阳负载牙侧LFP_p1。在第二部分12中的阴入扣牙侧导程达到小于阳负载牙侧导程LFP_b1的值SFP_b1。
更具体地说，LFP_b1＝LFP_p1并且SFP_b1＝SFP_p1。
图7和8中，阴远侧部分和近侧部分呈现出与阳螺纹部分中的情况相同的入扣牙侧导程和负载牙侧导程的变化类型，不同之处在于，阴导程的变化位置沿连接装置的纵向轴线与阳导程中那些变化的位置未重叠。
根据本发明，当装配好连接装置时，引起如下至少之一：
-阳近侧部分15的一个齿接合在第二部分12的两个相邻齿之间的间隔中，因此限定了过渡区域20和/或
-阴近侧部分16的一个齿接合在第一部分11的两个相邻齿之间的间隔中，因此限定过渡区域21。
齿接合在间隔中应理解为至少360°的齿接合在至少360°的间隔中。在过渡区域20和21中，负载牙侧和/或入扣牙侧的至少一个之间没有接触。
因此，当装配好根据本发明的连接装置时，
-第二部分12的阴锁定部分10b以自锁构造接合阳螺纹区域3，阴锁定部分10b与阴近侧部分16相邻；和/或
-第一部分11的阳锁定部分10p以自锁构造接合阴螺纹区域4，阳锁定部分10p与阳近侧部分15相邻。
锁定部分10p和10b是限定锁定区域的锁定螺纹。
然后分别在装配位置中，
-第一部分11的阳远侧部分13和其余部分17(不包括在锁定区域10中的部分)，均接合在阴近侧部分16的间隔中；和/或
-第二部分12的阴远侧部分14和其余部分18(不包括在锁定区域10中的部分)均接合在阳近侧部分15的间隔中。
根据上面的“和/或”选项，图1至3表示“和”选项。
在图1至3的示例中，在锁定部分10的两侧上，存在过渡区域20、21，在该过渡区域中，至少入扣牙侧开始彼此不干涉。过渡区域20是第二部分12的阴其余部分18与阳近侧部分15接合的地方。过渡区域21是第一部分11的阳其余部分17接合阴近侧部分16的地方。
第一部分11由阳锁定部分10p和其余部分17组成。第二部分12由阴锁定部分10b和其余部分18组成。
如图1至图3所示，从过渡区域21到阳自由端7，螺纹连接包括内部螺纹区域23，其中阳远侧部分13与阴近侧部分16接合。对称地，从过渡区域20和阴自由端8开始，螺纹连接装置包括外部螺纹区域22，其中阳近侧部分15与阴远侧部分14接合。在内部螺纹区域23和外部螺纹区域22中，在相应的阳入扣牙侧和阴入扣牙侧之间存在正间隙。例如，该间隙为至少1mm，例如小于5mm。
优选地，锁定区域10轴向地位于螺纹连接装置的中间。因此，第一部分11的部分10p轴向地位于阳螺纹区域3的中间，并且相应地第二部分12的部分10b轴向地位于阴螺纹区域4的中间。作为示例，锁定区域包括8个螺纹，其中全部螺纹连接包括至少10个螺纹，并且优选地多于14个螺纹，例如16个螺纹。根据本发明，其中n＝锁定区域的螺纹数。
那么，连接装置的螺纹数例如至少大于1.25*n；更优选至少大于1.75*n；例如2*n。
根据本发明的第一实施例，在图6中，
-分别在阳远侧部分13和阳近侧部分15中改变阳入扣牙侧导程SFP_p，以达到在第一部分中设定的负载牙侧导程值LFP_p1的值，以及
-分别在阴远侧部分14和阴近侧部分16中改变阴入扣牙侧导程，以达到在第一部分中设定的负载牙侧导程值LFP_p1的值，以及
-在整个连接中，阳负载牙侧导程和阴负载牙侧导程均恒定，分别等于LFP_p1。
阳入扣牙侧导程SFP_p曲线在近侧部分15和第一部分11之间的的变化位于515处，并且相应地在第一部分11和阳远侧部分13之间的变化相反地位于516处。变化513和514是突然的，并且出现小于一圈，优选小于180°。阴入扣牙侧导程SFP_b曲线在近侧部分16和第二部分12之间的变化位于513处，并且相应地在第二部分12和阴远侧部分14之间的变化相反地位于514处。变化514和513是突然的，并且出现小于一圈，优选小于180°。
变化514和515出现在螺纹连接内的不同轴向位置处，过渡区域20在变化514和515之间限定。对称地在螺纹连接内的不同轴向位置处出现变化513和516，过渡区域21在变化513和516之间限定。尽管由于机械加工公差而导致组装元件的轴向定位发生变化，但根据本发明的过渡区域20和21仍能够保留良好的有效锁定部分，锁定区域的有效密封在该锁定部分的多个齿上是有效的。
根据该第一实施例，在内部螺纹部分23和外部螺纹部分22内，阳螺纹和阴螺纹均具有相同的负载牙侧导程和入扣牙侧导程。因此，内部螺纹部分23所包含的阳齿具有与外部螺纹部分22所包含的阴齿(其具有相同的齿顶宽度CWTbmin)具有全部相同的恒定齿顶宽度CWTpmin。内部螺纹部分23包括最接近阳终端表面7的阳远侧部分的齿，这些齿是整个阳螺纹区域3的齿顶宽度值最小的齿。外部螺纹部分22包括最接近阴终端表面8的阴远侧部分的齿，这些齿是整个阴螺纹区域4的齿顶宽度值最小的齿。两种齿具有相同的齿顶宽度最小值CWTmin＝CWTbmin＝CWTpmin。
根据本发明，为了避免早期的螺纹齿顶干涉，在装配过程中，发明人发现需要通过齿顶宽度与箱后部非锁定螺纹间隙宽度之间的关系进行控制。
有利地并且如图4和5所示，阳螺纹和阴螺纹(或齿)具有燕尾形轮廓。该轮廓使得能够避免跳出的风险，跳出的风险对应于当连接承受较大的弯曲或拉应力时阳螺纹和阴螺纹分开的情况。更精确地，与通常称为“梯形”螺纹的螺纹相比，燕尾形螺纹的几何形状增加了其组件的径向刚性，在“梯形”螺纹中轴向齿宽从螺纹的基部到齿顶减小。有利地，螺纹的负载牙侧通过圆角连接到螺纹齿顶和相邻的螺纹齿根，使得这些圆角减小了负载牙侧的脚处的应力集中系数，并因此改善了连接的疲劳性能。
在图4中，阳螺纹区域和阴螺纹区域的齿的齿顶和齿根的根部平行于螺纹连接装置的纵向轴线X。这有利于机加工。
沿螺纹连接的纵向截面，负载牙侧和入扣牙侧均呈笔直轮廓。负载牙侧和入扣牙侧分别与垂直于纵向轴线X的方向形成角α。负载牙侧角度值等于入扣牙侧角度值，同时是相反的并且限定在垂直于纵向轴线X的方向的相对两侧上。例如，角α在1°和6°之间，例如等于5°。因此，当考虑沿纵向轴线X的齿宽度时，齿的齿顶始终是该齿的最大尺寸。
螺纹连接是锥形的，以便于进行装配。节线关于纵向轴线X具有锥角
Figure BDA0002454782950000171
节线定义为穿过沿整个连接装置具有相同导程值的阳螺纹区域的牙侧的对准的中心。根据第一实施例，沿整个阳螺纹区域，负载牙侧的导程保持相同的值，因此销节线定义为穿过负载牙侧的对准中心。例如，锥角
Figure BDA0002454782950000172
例如在1至10°之间，例如等于4.7°。
有利地，根据以下公式，阴近侧部分16的不与齿接合的第一间隙具有间隙宽度BTG：
Figure BDA0002454782950000173
其中：
n是锁定区域的锁定螺纹数；
SFP_p1是第一部分中的入扣牙侧导程；
LFP_p1是第一部分中的负载牙侧导程；
LFPp1-SFPp1也称为楔形比；
TH是第一部分中的公称螺纹高度；
PLH是在第一部分中从销节线到齿根的距离。
当在第一部分中入扣牙侧导程恒定时，利用在入扣牙侧的中间高度处的点确定销节线。相反，当在第一部分中入扣牙侧导程变化并且在第一部分中负载牙侧导程恒定时，利用负载牙侧的中间高度处的点确定销节线。
α是分别关于垂直于连接装置轴线的负载牙侧角和入扣牙侧角。
Figure BDA0002454782950000181
是锥角，其中锥角是阳螺纹区域和阴螺纹区域的母线与连接装置的轴线之间的角度。
BTG还是不包括在锁定区域中的螺纹齿的阴最小螺纹间隙，例如阴近侧部分16的螺纹间隙。
齿的齿顶宽度或该齿的最大宽度尺寸使得最接近阳终端表面7的齿的齿顶宽度的最小值(CWTpmin)满足以下两个公式的至少其中之一，并且优选满足两个：
(a)0.8202*TH≤CWTpmin
Figure BDA0002454782950000182
例如，根据本发明，并且至少对于图6的第一实施例：
1.804mm≤CWTpmin≤3.262mm
BTG＝3.5mm。
图7是图6的替代实施例，其中与图6的差异主要为负载牙侧导程和入扣牙侧导程的有差别的变化。根据本发明的第二实施例，在图7中，
-阳负载牙侧导程LFP_p分别从远侧部分13和阳近侧部分15改变，以便达到如在第一部分中设置的负载牙侧导程值LFP_p1的值，以及
-阴负载牙侧导程LFP_b分别从远侧部分13和阳近侧部分15改变，以达到如在第一部分中设置的负载牙侧导程值LFP_p1的值，并且
-在整个连接中，阳入扣牙侧导程和阴入扣牙侧导程均恒定，分别等于SFP_p1。
图8是图6的另一个替代实施例，其中与图6的不同主要是：阴、阳构件在其各自的远侧部分和近侧部分中的负载牙侧导程大于阳负载牙侧导程和阴负载牙侧导程的值。在整个连接中，负载牙侧导程是恒定的，分别等于LFP_p1。
图9将图6中的阳导程变化与图7中的阴导程变化结合在一起，阳导程和阴导程变化的轴向位置的恒定特征是不重叠。
本发明包括螺纹连接装置，该螺纹连接装置包括邻近过渡部分的锁定部分，该过渡部分邻近远侧部分或近侧部分，使得齿在过渡部分和远侧部分和近侧部分中的至少一个中均不自锁接合。例如，未处于自锁布置的齿使得入扣牙侧不干涉，并且阳齿或阴齿具有相同的最小齿顶宽度。
本发明包括螺纹连接装置，该螺纹连接装置包括锁定部分，该锁定部分在锁定部分的两个轴向端部处与过渡部分相邻，使得齿在两个过渡部分中不处于自锁定接合状态。
所需的最小装配扭矩可在55000ft.lbs(74570N.m)和70000ft.lbs(94907N.m)之间。

Claims (25)

1.一种螺纹连接装置，包括第一管状部件和第二管状部件，所述第一管状部件设置有管体和位于所述管体的远端处的阳构件(1)，所述第二管状部件设置有另外的管体和位于所述另外的管体的远端处的阴构件(2)，使得阳构件(1)包括位于其外周表面上的至少一个阳螺纹区域(3)并且终止于阳终端表面(7)，阴构件(2)包括位于其内周表面上的至少一个阴螺纹区域(4)并且终止于阴终端表面(8)，
所述阳螺纹区域(3)包括具有第一部分的阳螺纹，在所述阳螺纹区域中，螺纹齿顶宽度(CWTp)沿从所述阳终端表面朝向所述第一管状部件的管体取向的方向增加，最接近所述阳终端表面(7)的齿具有阳螺纹的最小齿顶宽度值(CWTpmin)，和
所述阴螺纹区域(4)包括具有第二部分的阴螺纹，在所述阴螺纹区域中，螺纹齿顶宽度(CWTb)沿从所述阴终端表面朝向所述第二管状部件的所述另外的管体取向的方向增加，最接近所述阴终端表面(8)的齿具有阴螺纹的最小齿顶宽度值(CWTbmin)，
其中在所述螺纹连接装置装配好时，所述第一部分的每个齿位于所述第二部分的两个相邻的齿之间，并且其中根据自锁装配布置，所述第一部分的仅一部分与所述第二部分的仅一部分彼此配合，以便在所述螺纹连接装置中提供锁定区域。
2.根据权利要求1所述的螺纹连接装置，其特征在于，所述锁定区域包括处于自锁布置的一定数量(n)的螺纹，其中所述第一部分和所述第二部分包括严格大于所述锁定区域的螺纹数量(n)的若干个螺纹。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的螺纹连接装置，其中所述阳螺纹区域具有由与所述锁定区域中的楔形比不同的楔形比限定的阳远侧部分，所述阳远侧部分包括最接近所述阳终端表面(7)的齿，所述阳远侧部分与所述第一部分相邻。
4.根据权利要求3所述的螺纹连接装置，其中，所述阴螺纹区域具有由与所述锁定区域中的楔形比不同的楔形比限定的阴远侧部分，所述阴远侧部分包括最接近所述阴终端表面(8)的齿，所述阴远侧部分与所述第二部分相邻。
5.根据权利要求4所述的螺纹连接装置，其中，所述阴远侧部分的最接近所述阴终端表面的所述齿具有与所述阳远侧部分的最接近所述阳终端表面的所述齿相同的齿顶宽度(CWTbmin＝CWTpmin)。
6.根据权利要求1或2所述的螺纹连接装置，其中，阳入扣牙侧导程(SFP_p)在所述第一部分中是恒定的并且在所述阳螺纹区域的阳远侧部分中具有不同的值，所述不同的值小于或等于在所述第一部分和所述阳远侧部分中保持恒定的阳负载牙侧导程(LFP_p)的值，所述阳远侧部分与所述第一部分相邻。
7.根据权利要求1或2所述的螺纹连接装置，其中，阳负载牙侧导程(LFP_p)在所述第一部分中是恒定的并且在所述阳螺纹区域的阳远侧部分中具有不同的值，所述不同的值大于或等于在所述第一部分和所述阳远侧部分中保持恒定的阳入扣牙侧导程(SFP_p)的值，所述阳远侧部分与所述第一部分相邻。
8.根据权利要求1或2所述的螺纹连接装置，其中，所述阳螺纹区域具有由与所述锁定区域中的楔形比不同的楔形比限定的阳近侧部分，所述阳近侧部分包括最远离所述阳终端表面的齿，所述阳近侧部分与所述第一部分相邻。
9.根据权利要求1或2所述的螺纹连接装置，其中，所述阴螺纹区域具有由与所述锁定区域中的楔形比不同的楔形比限定的阴近侧部分，所述阴近侧部分包括最远离所述阴终端表面的齿，所述阴近侧部分与所述第二部分相邻。
10.根据权利要求1或2所述的螺纹连接装置，其中，阳入扣牙侧导程(SFP_p)在所述第一部分中是恒定的并且在所述阳螺纹区域的阳近侧部分中的值小于或等于在所述第一部分和所述阳近侧部分中保持恒定的阳负载牙侧导程(LFP_p)的值，所述阳近侧部分与所述第一部分相邻。
11.根据权利要求1或2所述的螺纹连接装置，其中，阳负载牙侧导程(LFP_p)在所述第一部分中是恒定的并且在所述阳螺纹区域的阳近侧部分中的值大于或等于在所述第一部分和所述阳近侧部分中保持恒定的阳入扣牙侧导程(SFP_p)的值，所述阳近侧部分与所述第一部分相邻。
12.根据权利要求1或2所述的螺纹连接装置，其中，在所述阳螺纹区域和所述阴螺纹区域两者上楔形比都在两个位置处改变。
13.根据权利要求1或2所述的螺纹连接装置，其中，阳入扣牙侧导程在所述阳螺纹区域上的两个位置处变化，并且阴入扣牙侧导程在所述阴螺纹区域上的两个位置处变化，并且其中阳负载牙侧导程和阴负载牙侧导程分别沿整个阳螺纹区域和阴螺纹区域保持恒定。
14.根据权利要求1或2所述的螺纹连接装置，其中，所述阳螺纹区域包括燕尾形螺纹，并且最接近所述阳终端表面的齿的宽度的最小值(CWTpmin)满足以下公式中的至少一个：
〔a〕0.8202*TH≤CWTpmin
〔b〕
Figure FDA0003488931280000031
其中：BTG是不包括在所述锁定区域中的螺纹间隙的阴最小螺纹间隙，
Figure FDA0003488931280000032
其中，n是所述锁定区域的锁定螺纹的数量；
SFP_p1是所述第一部分中的入扣牙侧导程；
LFP_p1是所述第一部分中的负载牙侧导程；
LFPp1-SFPp1也被称为楔形比；
TH是所述第一部分中的公称螺纹高度；
PLH是所述第一部分中从销节线到齿根的距离；
所述销节线由牙侧的中间高度处的所有点确定，这些牙侧在所述第一部分中具有恒定的导程；
α分别是关于垂直于所述螺纹连接装置的轴线的方向的负载牙侧角和入扣牙侧角；
Figure FDA0003488931280000041
是锥角，其中所述锥角是所述阳螺纹区域和所述阴螺纹区域的母线与所述螺纹连接装置的轴线之间的角。
15.根据权利要求1或2所述的螺纹连接装置，其中，所述阳螺纹区域(3)和所述阴螺纹区域(4)具有与所述螺纹连接装置的轴线(10)形成在1度至5度范围内的角的锥形母线。
16.根据权利要求1或2所述的螺纹连接装置，其中，所述阳螺纹区域(3)和所述阴螺纹区域(4)的齿具有燕尾形轮廓，并且所述阳螺纹区域(3)和所述阴螺纹区域(4)的齿顶和齿根平行于所述螺纹连接装置的轴线(10)。
17.根据权利要求16所述的螺纹连接装置，其中，所述阳螺纹区域(3)和所述阴螺纹区域(4)的齿具有燕尾形轮廓使得负载牙侧和入扣牙侧分别相对于垂直于所述螺纹连接装置的轴线的方向处于相同的角α值，所述角α在1°至6°之间。
18.根据权利要求1或2所述的螺纹连接装置，其中，在所述锁定区域中，所述阳螺纹区域的齿的齿根与所述阴螺纹区域的齿顶或者所述阴螺纹区域(4)的齿根与所述阳螺纹区域的齿的齿顶中仅一个发生干涉，使得齿根/齿顶干涉处的直径干涉超过管体公称外径的0.0025倍。
19.根据权利要求1或2所述的螺纹连接装置，其中，所述螺纹连接装置不具有任何远侧抵接表面，所述阳构件的自由端远离所述阴构件，并且相应地所述阴构件的自由端远离所述阳构件。
20.根据权利要求1或2所述的螺纹连接装置，其中，所述阳构件和阴构件两者除所述锁定区域之外均没有任何额外的密封表面。
21.根据权利要求1或2所述的螺纹连接装置，其中，所述螺纹连接装置是半齐平的，并且所述第一管状部件和所述第二管状部件是整体的，所述第一管状部件和所述第二管状部件均包括阳构件和阴构件。
22.根据权利要求1或2所述的螺纹连接装置，其中，通过在所述锁定区域中自锁而彼此配合的所述阳构件的螺纹区域的所述第一部分的一部分和所述阴构件的螺纹区域的所述第二部分的一部分均具有其各自的螺纹区域中的齿数的大于30％且小于80％的齿数。
23.根据权利要求1或2所述的螺纹连接装置，其中，除了具有最小的齿顶宽度的齿以外，所述阳螺纹区域和/或所述阴螺纹区域的所有齿具有相同的高度。
24.根据权利要求1或2所述的螺纹连接装置，其中，所述阳螺纹区域和所述阴螺纹区域分别是单根连续螺纹。
25.根据权利要求1或2所述的螺纹连接装置，其中，所述阳螺纹区域和所述阴螺纹区域是单头螺纹。
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