CN112469938B - 钢管用螺纹接头 - Google Patents

Abstract

提供一种能够兼顾较高的扭矩性能和较高的拉伸性能的钢管用螺纹接头。螺纹接头(1)包括：管状的公扣(10)，其形成于钢管的一个顶端部；以及管状的母扣(20)，其供公扣(10)插入而与公扣(10)紧固。公扣(10)包括外螺纹(11)，该外螺纹(11)形成于公扣(10)的外周，由楔形螺纹构成。母扣(20)包括内螺纹(21)，该内螺纹(21)对应于外螺纹(11)，形成于母扣(20)的内周，由楔形螺纹构成。螺纹接头(1)满足以下的式(1)。在式(1)中，LP是外螺纹(11)的载荷面(111)间的节距，SP是外螺纹(11)的插入面(112)间的节距。3％≤(LP－SP)/LP≤8％(1)。

Description

钢管用螺纹接头

技术领域

本公开涉及一种钢管用螺纹接头。

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。钢管彼此的连结使用螺纹接头。

这种钢管用螺纹接头的形式被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个管材是钢管，另一个管材是管接头。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，一个钢管的外螺纹拧入另一个钢管的内螺纹，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，因此均为管状。

对于例如大深度的油井所使用的螺纹接头，在较浅的部分施加由油井管的自重产生的较大的拉伸载荷，在较深的部分施加由热膨胀产生的较大的压缩载荷。

美国再发行发明专利第30647号说明书(专利文献1)、美国发明专利第6158785号说明书(专利文献2)以及国际公开WO2015/194193号(专利文献3)公开了使用楔形螺纹的螺纹接头。楔形螺纹的螺纹牙宽度沿着螺旋方向逐渐变化。楔形螺纹也被称为燕尾形螺纹，能够获得较高的扭矩性能。然而，在专利文献1～3中均完全没有记载楔形螺纹的螺纹牙宽度的变化率。

日本特表2012-512347号公报(专利文献4)也公开了使用楔形螺纹的螺纹接头。在外螺纹区域的两端附近，外螺纹插入牙侧面间的导程和外螺纹载荷牙侧面间的导程均恒定。同样，在内螺纹区域的两端附近也是，内螺纹插入牙侧面间的导程和内螺纹载荷牙侧面间的导程均恒定。因而，在螺纹区域的两端附近，螺纹牙宽度恒定。虽然认识到在载荷牙侧面间的导程与插入牙侧面间的导程之间存在差异，但完全没有记载该差异的具体的数值。

本说明书引用以下的现有技术文献。

专利文献1：美国再发行发明专利第30647号说明书

专利文献2：美国发明专利第6158785号说明书

专利文献3：国际公开WO2015/194193号

专利文献4：日本特表2012-512347号公报

发明内容

楔形螺纹的载荷面和插入面具有负的牙型半角，因此楔形螺纹在紧固时咬合而发挥较高的扭矩性能。另外，对于楔形螺纹而言，为了容易紧固，有时螺纹牙宽度随着靠近公扣或母扣的顶端而变窄。换言之，在载荷面节距与插入面节距之间存在差异。该节距差被称为“导程变量(delta lead)”。导程变量决定公扣和母扣的顶端附近的螺纹牙宽度。

有时也考虑到由螺距的绝对值产生的影响而使用“楔率(Wedge Ratio)”来代替导程变量。楔率是导程变量除以载荷面节距而得到的数值，因此作为导程变量相对于载荷面节距的比率而以百分比表示。

楔率较大表示螺纹牙宽度的减少率也较大。若楔率较大，则螺纹牙宽度在公扣和母扣的顶端附近变窄。若螺纹牙宽度较窄，则在施加有较大的拉伸载荷时，楔形螺纹无法承受，存在螺纹牙本身被破坏的可能性。因此，在设定楔率时需要注意。以下，将楔形螺纹能够承受拉伸载荷的性能称为“拉伸性能”。

上述专利文献4(日本特表2012-512347号公报)公开了楔率的适当化。然而，不存在除了评价楔率对拉伸性能产生的影响之外还评价楔率对扭矩性能产生的影响的文献。

本公开的目的在于，提供一种能够兼顾较高的扭矩性能和较高的拉伸性能的钢管用螺纹接头。

本发明人对于同时提高扭矩性能和拉伸性能的适当的楔率反复进行深入研究，结果发现：通过改变楔率，能够兼顾较高的扭矩性能和较高的拉伸性能。

本公开的钢管用螺纹接头包括管状的公扣和管状的母扣。管状的公扣形成于钢管的一个顶端部。管状的母扣供公扣插入而与公扣紧固。公扣包括外螺纹。外螺纹形成于公扣的外周，由楔形螺纹构成。母扣包括内螺纹。内螺纹对应于外螺纹，形成于母扣的内周，由楔形螺纹构成。螺纹接头满足以下的式(1)。

3％≤(LP－SP)/LP≤8％(1)

在式(1)中，LP是外螺纹的载荷面间的节距。SP是外螺纹的插入面间的节距。

附图说明

图1是实施方式的钢管用螺纹接头的沿着管轴线方向的纵剖视图。

图2是放大图1中的外螺纹和内螺纹而得到的纵剖视图。

图3是表示载荷面节距为8.64mm的情况下的楔率与屈服扭矩之间的关系的图表。

图4是表示载荷面节距为10.8mm的情况下的楔率与屈服扭矩之间的关系的图表。

图5是表示载荷面节距为7.2mm的情况下的楔率与屈服扭矩之间的关系的图表。

图6是表示载荷面节距为8.64mm的情况下的楔率与等效塑性应变之间的关系的图表。

图7是表示载荷面节距为10.8mm的情况下的楔率与等效塑性应变之间的关系的图表。

图8是表示载荷面节距为7.2mm的情况下的楔率与等效塑性应变之间的关系的图表。

具体实施方式

本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。管状的公扣形成于钢管的一个顶端部。管状的母扣供公扣插入而与公扣紧固。公扣包括外螺纹。外螺纹形成于公扣的外周。由楔形螺纹构成。母扣包括内螺纹。内螺纹对应于外螺纹，形成于母扣的内周，由楔形螺纹构成。螺纹接头满足以下的式(1)。

3％≤(LP－SP)/LP≤8％ (1)

在式(1)中，LP是外螺纹的载荷面间的节距。SP是外螺纹的插入面间的节距。

优选的是，上述螺纹接头满足以下的式(2)。

4％≤(LP－SP)/LP≤7％ (2)

也可以是，上述螺纹接头满足以下的式(3)。

-10度≤α≤-1度 (3)

在式(3)中，α是外螺纹的载荷面和插入面的牙型半角。

也可以是，外螺纹和内螺纹包括由完全螺纹构成的完全螺纹部。也可以是，完全螺纹部在钢管的轴向上具有40～60mm的长度。

以下，参照附图，说明本实施方式的钢管用螺纹接头。对于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。

参照图1，本实施方式的钢管用螺纹接头1包括管状的公扣10和管状的母扣20。公扣10形成于钢管2的一个顶端部。母扣20供公扣10插入而与公扣10紧固。以下，有时将钢管2的除了顶端部以外的部分特别称为“钢管主体”。

公扣10包括外螺纹11。外螺纹11形成于公扣10的外周。母扣20包括内螺纹21。内螺纹21对应于外螺纹11，形成于母扣20的内周。更具体而言，外螺纹11呈螺旋状形成于公扣10的外周。内螺纹21呈螺旋状形成于母扣20的内周。外螺纹11和内螺纹21由锥螺纹构成。外螺纹11和内螺纹21还由楔形螺纹构成。

参照图2，外螺纹11的载荷面111和内螺纹21的载荷面211具有牙型半角α。外螺纹11的插入面112和内螺纹21的插入面212具有牙型半角β。牙型半角α是载荷面111、211相对于与管轴线(钢管2的轴线)TA垂直的平面VP的角度。牙型半角β是插入面112、212相对于与管轴线TA垂直的平面VP的角度。在载荷面111、211或插入面112、212与平面VP平行的情况下，牙型半角是0度。在外螺纹11的载荷面111相对于平面VP向公扣10的顶端侧倾倒的情况(换言之，内螺纹21的载荷面211相对于平面VP向母扣20的顶端侧倾倒的情况)下，载荷面111、211的牙型半角α为正。相反，在外螺纹11的载荷面111相对于平面VP向公扣10的钢管主体侧倾倒的情况(换言之，内螺纹21的载荷面211相对于平面VP向母扣20的钢管主体侧倾倒的情况)下，载荷面111、211的牙型半角α为负。另外，在外螺纹11的插入面112相对于平面VP向公扣10的钢管主体侧倾倒的情况(换言之，内螺纹21的插入面212相对于平面VP向母扣20的管主体侧倾倒的情况)下，插入面112、212的牙型半角为正。相反，在外螺纹11的插入面112相对于平面VP向公扣10的顶端侧倾倒的情况(换言之，内螺纹21的插入面212相对于平面VP向母扣20的顶端侧倾倒的情况)下，插入面112、212的牙型半角为负。楔形螺纹的牙型半角α和β均为负。

没有特别限定，但优选的是，外螺纹11和内螺纹21全部由完全螺纹构成，不存在不完全螺纹。若由完全螺纹构成全部的螺纹11、21，则外螺纹11与内螺纹21的接触面积增加，扭矩性能提高。完全螺纹部(由完全螺纹构成的外螺纹11和内螺纹21)的长度例如是40～60mm。

钢管用螺纹接头1满足以下的式(1)。

3％≤(LP－SP)/LP≤8％ (1)

优选的是，钢管用螺纹接头1满足以下的式(2)。

4％≤(LP－SP)/LP≤7％ (2)

在式(1)和式(2)中，LP是外螺纹11的载荷面111间的节距(以下，称为“载荷面节距”。)。SP是外螺纹11的插入面112间的节距(以下，称为“插入面节距”。)。(LP－SP)/LP表示楔率。载荷面节距LP与内螺纹21的载荷面211间的节距相等。插入面节距SP与内螺纹21的插入面212间的节距相等。

即，楔率的上限为8％，优选为7％。楔率的下限为3％，优选为4％。

钢管用螺纹接头1满足以下的式(3)。

-10度≤α≤-1度，并且，-10度≤β≤-1度 (3)

在式(3)中，α是外螺纹11的载荷面111的牙型半角。β是外螺纹11的插入面112的牙型半角。外螺纹11的载荷面111的牙型半角α既可以与外螺纹11的插入面112的牙型半角β相同，或者也可以与外螺纹11的插入面112的牙型半角β不同。外螺纹11的载荷面111的牙型半角α与内螺纹21的载荷面211的牙型半角α实质相同。外螺纹11的插入面112的牙型半角β与内螺纹21的插入面212的牙型半角β实质相同。

严格来说，载荷面节距LP、插入面节距SP以及牙型半角α、β使用紧固前的值。

在本实施方式中，由楔形螺纹构成外螺纹11和内螺纹21，并且，将其楔率设定为3～8％，因此能够兼顾较高的扭矩性能和较高的拉伸性能。

螺纹接头1既可以是组合型，也可以是整体型。组合型螺纹接头包括管接头和两个公扣。一个公扣形成于一个钢管的顶端部。另一个公扣形成于另一个钢管的顶端部。管接头包括两个母扣。一个母扣形成于管接头的一个端部。另一个母扣形成于管接头的另一个端部。一个母扣供一个公扣插入而与一个公扣紧固。另一个母扣形成于一个母扣的相反侧，供另一个公扣插入而与另一个公扣紧固。另一方面，整体型螺纹接头用于将两根钢管相互连接，包括公扣和母扣。在整体型螺纹接头中，一个钢管包括公扣，另一个钢管2包括母扣。

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，就可以进行各种变更。

实施例

为了验证本实施方式的效果，利用有限元法(FEM)评价扭矩性能和拉伸性能。将评价对象设为楔型螺纹接头，使用以下的钢管。

尺寸：9-5/8英寸(管主体外径：244.48mm、管主体内径：216.8mm)

材料：API标准的油井管材料L80(公称屈服强度YS＝552MPa(80ksi))

螺纹锥度：1/12

螺纹长度：50mm(公扣)、60mm(母扣)

螺纹高度：1.8mm

牙型半角：-5度(载荷面和插入面这两者均是)

载荷面节距：7.2mm、8.64mm或10.8mm

楔率：2～10％

插入面节距：根据楔率进行逆运算

如图1所示，作为评价对象的螺纹接头仅由外螺纹11和内螺纹21构成。外螺纹11和内螺纹21全部由楔形螺纹且完全螺纹构成。

表1表示供分析的27种螺纹接头(样品)的尺寸等。

[表1]

在分析时，以图1所示的螺纹接头1为基础，变更外螺纹11和内螺纹21的尺寸，评价扭矩性能和拉伸性能。

[扭矩性能的评价]

关于扭矩性能，将在紧固扭矩线图中紧固扭矩开始屈服的值MTV(Maximum TorqueValue)定义为屈服扭矩，以该值进行评价。

[拉伸性能的评价]

关于拉伸性能，将与螺纹接头1屈服的拉伸载荷相等的载荷施加于紧固的螺纹接头，以产生于在外螺纹11和内螺纹21中位于最靠顶端侧的螺纹的载荷面111、211和插入面112、212的根部部分的等效塑性应变的最大值进行评价。在本发明人的来自实管试验的经验中，若等效塑性应变成为0.08程度，则螺纹牙被破坏的风险变高。因此，将等效塑性应变的阈值设为0.08，若为比该阈值低的值，则评价为拉伸性能优异。不过，考虑到安全方面具有更大的余地，也可以将等效塑性应变的阈值设为0.070。

[分析结果]

图3～图5表示在有限元分析中获得的屈服扭矩的值。在横轴标注楔率，在纵轴标注与该楔率对应的MTV的值。与螺距无关，MTV根据楔率而增加，特别是在2～3％的区域中最大程度上升。根据图3和图5能够确认，MTV在楔率为9％附近处成为最大，之后，转为下降。

作为扭矩性能增加的主要原因，考虑到以下的方面。考虑其原因在于，若楔率较高，则螺纹牙宽度在公扣10的顶端附近变窄，以螺纹牙宽度较宽的母扣20紧固螺纹牙宽度较窄的公扣10，从而产生较高的接触压。

图6～图8是表示如前述那样在将拉伸载荷施加于紧固的螺纹接头1时产生的等效塑性应变的最大值与楔率之间的关系的图表。该等效塑性应变产生于在外螺纹11和内螺纹21中位于最靠顶端侧的螺纹的载荷面111、211和插入面112、212的根部部分。

判明以下内容：如图6所示，在载荷面节距LP＝8.64mm的情况下，若楔率成为9％以上，则在外螺纹产生的等效塑性应变的最大值超过0.070，若楔率成为10％，则等效塑性应变的最大值超过0.080。

如图7所示，在载荷面节距LP＝10.8mm的情况下，即使楔率成为10％，等效塑性应变也没有达到0.070。不过，确认到随着楔率变高而在外螺纹产生的等效塑性应变急剧地上升的倾向。

判明以下内容：如图8所示，在载荷面节距LP＝7.2mm的情况下，若楔率成为9％以上，则在外螺纹产生的等效塑性应变的最大值超过0.080，若楔率成为10％，则在外螺纹和内螺纹产生的等效塑性应变的最大值均超过0.080，螺纹被破坏的可能性变高。

根据上述结果，为了提高扭矩性能，楔率越高越好。然而，如前述那样，若楔率过高，则公扣(外螺纹)和/或母扣(内螺纹)的顶端附近的螺纹牙被破坏的风险变高，因此较好的是，楔率设为8％以下。另外，螺纹牙宽度的减少等同于螺纹槽宽度的增加，导致螺纹切削时的道次数的增加、嵌件的寿命的减少，因此从制造的观点来看也不期望极高的楔率。根据以上内容，恰当的楔率是3～8％。

附图标记说明

1、钢管用螺纹接头；10、公扣；11、外螺纹；20、母扣；21、内螺纹；111、211、载荷面；112、212、插入面；LP、载荷面节距；SP、插入面节距。

Claims (3)

1.一种钢管用螺纹接头，其中，

该钢管用螺纹接头包括：

管状的公扣，其形成于所述钢管的一个顶端部；以及

管状的母扣，其供所述公扣插入而与所述公扣紧固，

所述公扣包括外螺纹，该外螺纹形成于所述公扣的外周，由楔形螺纹构成，

所述母扣包括内螺纹，该内螺纹对应于所述外螺纹，形成于所述母扣的内周，由楔形螺纹构成，

该钢管用螺纹接头满足以下的式(1)，

7％≤(LP－SP)/LP≤8％(1)

在式(1)中，LP是所述外螺纹的载荷面间的节距，SP是所述外螺纹的插入面间的节距。

2.根据权利要求1所述的钢管用螺纹接头，其中，

该钢管用螺纹接头满足以下的式(3)，

-10度≤α≤-1度，并且，-10度≤β≤-1度(3)

在式(3)中，α是所述外螺纹的载荷面的牙型半角，β是所述外螺纹的插入面的牙型半角。

3.根据权利要求1或2所述的钢管用螺纹接头，其中，

所述外螺纹和所述内螺纹包括由完全螺纹构成的完全螺纹部，

所述完全螺纹部在所述钢管的轴向上具有40～60mm的长度。

Images