CN112567107A - 管状螺纹连接装置 - Google Patents

Abstract

管状螺纹连接装置(10)包括从第一管状构件(22)的主体(21)延伸的管状母端端头(20)和从第二管状构件(32)的主体(31)延伸的管状公端端头(30)，使得管状公端端头(30)包括第一机加工内表面(68)和第二机加工内圆柱表面(70)，该机加工内圆柱形表面靠近公端自由端(35)，该第二机加工外圆柱形表面位于公端端头的螺纹区段上方，使得第二机加工内圆柱表面(70)的第二内径(JIP2)小于第一机加工内表面(68)的第一内径(JIP)。

Description

管状螺纹连接装置

技术领域

本发明涉及管状螺纹连接装置以及通过螺纹连接的管件接头或管件组件的领域。

更具体地，本发明涉及工业中使用的管件，更具体地涉及在用于管道、或用于管状产品附件构成的管线、或者用于油井或气井的操作或探查或开采的套管或衬管或立管的串接管线中使用的组件或螺纹接合件。

背景技术

本文所述的螺纹组件在用于油井或气井的套管的金属管件的装配中特别有用。需要套管以保持井眼稳定性、防止水砂污染并在钻井、生产和/或修井操作期间控制井压。

根据API标准《套管和管道规范5CT(Specification 5CT for Casing andTubing)》，那些套管管件由钢制成。例如，钢是L80、P110或Q125级标准之一。

这种管状螺纹连接装置承受各种强度或方向可能改变的应力组合，其中应力诸如为例如轴向张力、轴向压缩力、内压弯曲力、扭转力等。因此，管状螺纹连接装置要设计成承受这些应力、防破裂并提供紧密密封。

即使在苛刻的使用条件下，从机械特性和紧密性的观点来看，对于石油或天然气输送管来说，已知多种类型的组件能产生令人满意的结果。

油井或气井的套管面临的第一个挑战是将它们安装在井中而不损坏其内外表面。套管串接装置是一连串的管子，第一系列的套管管件的外径比要结合到该第一系列但在井中安装得更深的第二系列的套管管件的外径大。套管串接装置构造成使其直径随着其在井中更深而逐渐减小。但是过渡应该是平滑的。

因此，需要将新的一系列具有特定外径的套管插入到先前安装的一系列具有较大直径和特定内径的套管中。为了避免损坏已经安置在井中的套管的内表面，需要控制该新的一系列套管的外径。API标准提供了有关该主题的规定。当然，所有系列的套管在两个相邻套管管件之间的每个连接位置处也都应符合效率要求。连接效率或接头效率定义为接头抗拉强度与管主体抗拉强度之比率，该比率在较严苛的井眼条件(如高外部压力、高内部压力、高压缩力或高张紧力)下进行评估。

已知的组件包括在两端设有公端螺纹部的管件，该管件通过具有两个相应的母端螺纹部的联接件进行组装。由于在公端螺纹部和母端螺纹部之间产生正螺纹干涉，这种类型的组件具有使组件的两个部件刚性的优点。

但是，这些联接件的外径大于相应管件的外径，并且当这些组件与套管管件一起使用时，联接件需要钻出直径增大的钻孔以容纳联接件的外径。

为了克服该缺点，通常使用不具有联接件或套筒的组件，这种组件被称为半齐平式、齐平式或整体式组件或接合件或连接装置。那些整体式组件的管状元件各自包括一个公端螺纹端头和一个母端螺纹端头。

通常地，在端头具有设定尺寸的管件上制成整体式组件，其中该设定尺寸分别为在母端螺纹端头具有扩展外径以及在公端螺纹端头具有锻压外径，以便提供足以确保连接的机械强度的连接厚度。扩展和锻压使得能够为连接装置提供更高的效率。两者有助于相应地最小化连接位置处的最大外径和最小内径。因此，该连接装置使得能够保持一定水平的偏移操作性，以易于在钻孔中的安装而不会损坏现有的套管并符合齐平或半齐平式整体连接的标准。齐平式连接使得连接装置的外径与管件的标称外径之比率约为1％；而半齐平式的比率约为2％至3％。

可以参考文献WO 2014/044773，该文献描述了整体的半齐平式管状螺纹连接装置，其包括具有管状公端端头的第一管状构件和具有管状母端端头的第二管状构件。公端端头和母端端头中的每一者都包括轴向渐缩螺纹部的两个台阶段以及包括偏心密封部。该文献的目的是通过在临界横截面区域之间提供特定的关系来提高连接装置的拉伸效率。

但是，行业中关于目标公称直径尺寸公差、锻压和扩展过程的公差以及椭圆度公差使得如下情况可能发生：在一些情况下，由于在装配连接装置的过程中母端端头的自由端(终端)偏斜，母端自由端的外径可能会局部形成外部尖锐的环形边缘。同样可能发生：由于在装配连接装置的过程中公端端头的自由端(终端)发生偏斜，公端自由端的内径可能会局部形成内部尖锐的环形边缘。因此，在将管道安装到套管中或将套管安装到套管中的过程中，在那些尖锐的环形边缘与附加管道或套管之间会发生摩擦。摩擦会导致套管或管道过早破坏，甚至导致前期产品磨损。摩擦会导致密封效率降低。

需要改进整体式管状螺纹连接装置，以增加连接的密封效率和拉伸效率，同时增加管道和套管的耐磨性。

发明内容

本发明的一个目的是克服这些缺点。

本发明的一个具体目的是提供一种管状螺纹连接装置，该管状螺纹连接装置能够吸收轴向和径向载荷并支持在高径向载荷下可能发生的径向变形，同时在径向方向上还特别紧凑。

根据本发明的管状螺纹连接装置包括：

从第一管状构件的主体延伸的管状母端端头，该管状母端端头包括：

-母端外侧螺纹部，该母端外侧螺纹部位于母端肩部和母端自由端之间，以及

-母端内侧螺纹部，使得母端肩部为位于母端外侧螺纹部和母端内侧螺纹部之间的母端中间肩部，

从第二管状构件的主体延伸的管状公端端头，该管状公端端头包括：

-公端外侧螺纹部，公端内侧螺纹部和公端肩部，所述公端外侧螺纹部构造成通过与母端外侧螺纹部螺纹接合而互锁，所述公端内侧螺纹部构造成通过与母端内侧螺纹部螺纹接合而互锁，以及

其中，所述管状公端端头包括所述公端端头的靠近公端自由端的第一机加工内表面，在所述公端外侧螺纹部的至少一个螺纹牙底上方具有第二内径(JIP2)，使得所述第二内径(JIP2)小于第一机加工内表面的第一内径(JIP)。

优选地，管状公端端头的第二内径(JIP2)可以位于公端外侧螺纹部的螺纹牙底的上方。第二内径(JIP2)也可位于中间肩部下方。

例如，管状公端端头的内径小于第一内径(JIP)的内表面可以至少在从管状公端端头的第一公接头临界截面(PCCS1)开始一直到第二公接头临界截面(PCCS2，PCCS3)的部分上延伸。

有利的是，第二内径(JIP2)在公端第二圆柱形表面上可以是恒定的，并且第一机加工内表面包括由该第一内径限定的圆柱形表面。管状公端端头的内径小于第一内径(JIP)的内表面可以非排他性地为圆柱形，其还可以包含向外的截头圆锥形部分、圆柱形部分和/或向内的截头圆锥形部分。

例如，公端第二圆柱形表面可以在中间肩部上方延伸。另外或者可替代地，公端第二圆柱形表面可以在靠近公端主体的公端外侧螺纹部的第一接合螺纹牙底处定位的第二公接头临界横截面(PCCS2)上方延伸。另外或者根据另一个可替代实施方式，公端第二圆柱形表面可以在公端外侧螺纹部的一部分上延伸，于是第一机加工外表面在公端内侧螺纹部的一部分上方延伸。

管状母端端头还可以包括母端内侧密封面，并且相应地，管状公端端头可以包括公端内侧密封面，使得当管状螺纹连接装置装配好时，公端和母端的内侧密封面形成内侧金属对金属密封部，并且管状公端端头的在该公端内侧密封面上方的内径等于第一外径。于是，公端内侧密封面可以位于公端内侧螺纹部和公端自由端之间。

根据本发明的一个实施方式，在连接装置装配好时，公端自由端可以在纵向上未及管状母端端头的内肩部。优选地，当连接装置装配好时，母端中间肩部和公端中间肩部可以抵接。

公端和母端的螺纹部，即各自的外侧螺纹部和内侧螺纹部，优选地可以相对于螺纹连接装置的纵向轴线径向地偏置。因此，即使外侧螺纹部和内侧螺纹部的锥角相同，母端外侧螺纹部的圆锥形包络也不会与母端内侧螺纹部的圆锥形包络对准。

有利地，公端端头的机加工内表面和具有所述第二内径(JIP2)的圆柱形表面可以通过渐缩表面连接，该渐缩表面形成包含在1°至10°之间、优选在5°至7°之间、例如等于6°的装配角(α4)。

具有所述第二内径(JIP2)的圆柱形表面可以通过渐缩表面连接至具有标称内径(ID)的第二管状构件的主体，该渐缩表面形成包含在2°至5°之间、例如等于3°的锻压角(α3)。

另外，管状母端端头可以包括母端外侧密封面，并且相应地，管状公端端头可以包括公端外侧密封面，母端外侧密封面位于母端外侧螺纹部和母端自由端之间，公端外侧密封面位于公端外侧螺纹部和公端主体之间，使得在管状螺纹连接装置装配好时，公端和母端的外侧密封面形成外侧金属对金属密封部，并且其中具有锻压角(α3)的渐缩表面在公端外侧螺纹部上方终止。

优选地，第一内径(JIP)和第二内径(JIP2)之间的增量(JIP-JIP2)可以设置在内侧金属对金属密封部的最大径向干涉值的80％与120％之间，优选地，在91％与116％之间。

第二内径(JIP2)与第二管状构件的主体的标称内径之间的比率(JIP2/ID)可以包含在98.5％和100％之间，优选地在98.9％和99.9％之间，例如等于99.3％。优选地，第二内径(JIP2)与第一内径(JIP)之间的比率(JIP2/JIP)可以包含在99％和99.9％之间，例如等于99.5％。

由于本发明的所述具体结构的益处，在管状母端端头与管状公端端头螺纹接合之后，在管状螺纹连接装置的装配结束时，在外侧螺纹部与内侧螺纹部上方的两个位置处的管状公端端头的内径均保持低于相同的阈值，该阈值为主体的标称内径的105％，优选地103％。

附图说明

通过研究通过非限制性示例给出并通过附图示出的具体实施方式的详细描述，将更好地理解本发明及其优点，其中：

-图1是根据本发明的一个实施方式的螺纹连接装置处于连接状态的局部截面图；

-图2是图1的母端管状构件的局部截面图；

-图3是图1的公端管状构件的局部截面图；以及

-图4是根据本发明的第二实施方式的螺纹连接装置处于连接状态的局部截面图；

-图5和图6是处于连接状态的根据本发明不同实施方式的替代物的螺纹连接装置的局部截面图；

-图7是在与图3的公端管状构件装配好之后的图2所示的母端管状构件的偏斜的示意图。

为了清楚起见，这些截面图是局部的，它们是沿着横贯管状构件的纵向轴线X-X’的平面的截面图，并且仅示出了管状构件的两个剖切面之一。

具体实施方式

在图1中示出了具有纵向轴线X-X’的管状螺纹连接装置10的实施方式，该管状螺纹连接装置10包括第一管状构件22和第二管状构件32，当相连接时，它们具有相同的纵向轴线X-X’。

第一管状构件22设置有称为“母端主体”的主体21和称为“母接头构件(boxmember)”的管状母端端头20。母接头构件20从母端主体21延伸。母接头构件20限定所述第一管状构件22的终端25。终端25是母接头构件20的母端自由端。母端主体21的标称外径在该主体21沿着XX’轴线的长度上基本恒定。优选地，该母端主体21的标称内径ID在该主体21沿着XX’轴线的长度上基本恒定。

第二管状构件32设置有称为“公端主体”的主体31和称为“公接头构件(pinmember)”的管状公端端头30。公接头构件30从公端主体31延伸。公接头构件30限定所述第二管状构件32的终端35。终端35是公接头构件30的公端自由端。公端主体31的标称外径在该主体31沿着XX’轴线的长度上基本恒定。优选地，该公端主体31的标称内径在该主体31沿着XX’轴线的长度上基本恒定。

主体21和31具有相同的标称内径ID和标称外径OD，因此具有相同的管宽。

与使用联结件或套筒的组件或接合件相对照，所示的管状螺纹连接装置10是整体式连接装置。第一管状构件22上的外径比主体21和31的标称外径大的扩展区域形成了母接头构件20。第二管状构件32上的内径相较于公端主体24的标称内径减小的锻压区域形成了公接头构件30。

为了制造这种母端端头，首先通过使用例如冷成型技术使第一管状元件扩大，以扩展整个母接头构件的外径并提供圆锥形渐缩外表面80，该圆锥形渐缩外表面80与母端主体21的外圆柱形表面形成包含在3°与4°之间、例如等于3°的角α1。

为了制造这种公端端头，首先通过使用例如冷成型技术对第二管状元件进行锻压，以减小整个公接头构件的内径并提供锥形内表面90，该锥形内表面90与公端主体31的内圆柱形表面形成介于3°与4°之间、例如等于3°的角α3。

管状螺纹连接装置10可以是齐平或半齐平整体式螺纹连接装置。

如在图2上详细示出的，自由端25优选地是垂直于XX’轴线限定的环形面。母接头构件20在其内部轮廓上包括母端外侧密封面27和母端外侧螺纹部26，使得母端外侧密封面27位于母端自由端25和母端外侧螺纹部26之间。母接头构件30还相继地包括相对于母端外侧螺纹部26位于最内侧的母端肩部24。

母端螺纹区段23在母端肩部24和母端自由端25之间延伸。

根据图1、2和4，母接头构件30还相继地包括母端内侧螺纹部28和母端内侧密封面29以及另外的肩部18，即所述内肩部18。母端肩部24位于母端外侧螺纹部26与母端内侧螺纹部28之间，使得母端内侧密封面29位于母端内侧螺纹部28与内肩部18之间。内肩部18连接至限定在内肩部18与母端主体21之间的接合面81。根据这些实施方式，母端螺纹区段23是外侧的母端螺纹区段23，而母端内侧螺纹部28属于限定在母端肩部24与内肩部18之间的内侧的母端螺纹区段43。

在已经扩展之后在内表面上对母接头构件20的内部轮廓进行机加工。在已经锻压之后在外表面上对公接头构件30的外部轮廓进行机加工。

母端外侧螺纹部26和母端内侧螺纹部28通过母端肩部24径向偏移并轴向分开。母端肩部24优选地作为垂直于XX’轴线的环形面延伸。

母端外侧螺纹部26和母端内侧螺纹部28设置在渐缩表面上，该渐缩表面的锥度值例如在1/19与1/8之间、优选在1/18与1/16之间。更具体地，母端螺纹部的渐缩轴线与连接装置的纵向轴线XX’之间的锥角为大约10°，使得母接头构件20的内径从自由端25向母端主体21减小。

母端外侧螺纹部26和母端内侧螺纹部28可以具有以下特征：

-同样的螺距，

-为负角度值的相同的承载侧角，

-相同的梯形螺牙牙型，

-相同的纵向长度。

每个螺纹区段的螺纹形式将不再详细描述。常规地，螺纹部的每个螺牙可以包括引导侧(stabbing flank)、承载侧(loading flank)、牙顶面(crest surface)和牙底面(root surface)。两个螺纹区段的螺牙可以倾斜成使得：引导侧具有负角以及引导侧具有正角、或者引导侧具有正角以及引导侧具有负角。替代地，两个螺纹区段的螺牙可以是梯形螺牙。

优选地，两个螺纹区段的螺纹都不是楔形的。楔形螺纹的特征在于，无论特定的螺纹形式如何，螺纹均沿着一个方向在宽度上增加。

优选地，根据本发明的螺纹具有螺距和导程完全相同的承载侧和引导侧。

优选地，根据本发明的螺纹具有径向干涉。

母端外侧螺纹部26和母端内侧螺纹部28构造成通过与公接头构件30的相应特征螺纹接合而互锁。通过螺纹接合互锁，包含至少2圈、优选至少3圈母端螺纹啮合在限定于相应的2到3圈公端螺纹之间的螺旋形凹槽内。当按照沿着XX’轴线的纵向剖切面观察时，公端螺纹的每个螺牙位于母端螺纹的两个相邻螺牙之间，这在螺纹区段的至少三圈螺纹中可以观察到。

因此，如在图3上详细示出的，公接头构件30在其外轮廓上从公端自由端35开始依次包括：公端内侧密封面39、公端内侧螺纹部38、公端肩部34、公端外侧螺纹部36、公端外侧密封面37和接合至公端主体31的接合面91。公端螺纹区段33在接合面91和公端肩部34之间延伸。根据图1-4的实施方式，公端螺纹区段33是外侧的公端螺纹区段33，而公端内侧螺纹部38属于限定在公端肩部34与公端自由端35之间的内侧的公端螺纹区段53。

公端外侧螺纹部36和公端内侧螺纹部38通过公端肩部34在径向上偏置并在轴向上隔开。公端肩部34优选地作为垂直于XX’轴线的环形面延伸。

母端外侧螺纹部26和母端内侧螺纹部28构造成通过与公端外侧螺纹部36和公端内侧螺纹部38分别螺纹接合而互锁，使得它们分别沿着相同的锥角渐缩。公端外侧螺纹部36和公端内侧螺纹部38具有相同的螺距和导程，其分别与母端外侧螺纹部26和母端内侧螺纹部28的螺距和导程相同。

根据本发明的第一实施方式，母端外侧螺纹部26和母端内侧螺纹部28中的每一者在最靠近母端主体21的一侧上分别包括的引入部分26a和28a以及在相对侧上的引出部分26b和28b。

公端外侧螺纹部36和公端内侧螺纹部38中的每一者在最靠近公端主体31的一侧上分别包括引入部分36a和38a，在相对侧上分别包括引出部分36b和38b。母接头构件20上的每个引入部分26a和28a分别与公接头构件30上的引出部分36b和38b接合，并且公接头构件30上的每个引入部分36a和38a分别与母接头构件20上的引出部分26b和28b接合。引入螺纹和引出螺纹是不完美螺纹，它们对于相应的引入部分和引出部分之间的螺纹部分观察不具有全高。

图1至图4中，母端螺纹部和公端螺纹部包括那些引入部分和引出部分。根据未示出的替代方案，连接装置可以仅包括全高螺纹。

在连接装置10装配好的状态中，当考虑从母端外侧螺纹部和母端内侧螺纹部的引入部分26a或28a分别开始的连续螺纹牙底时，母端螺纹部的第一接合螺纹牙底是第一螺纹牙底位置，即，公端螺纹部36或38的相应螺纹接合的位置。接合的螺纹意味着，在装配好的状态下，母端螺纹部的承载侧的至少一部分与公端螺纹部的相应承载侧接触。当考虑从引入部分26a和28a分别开始的连续螺纹牙底时，要接触的母端螺纹部的承载侧的第一位置与母端外侧螺纹部和母端内侧螺纹部的第一接合螺纹牙底分别相邻。

在连接装置10装配好的状态下，当考虑从公端外侧螺纹部和公端内侧螺纹部的引入部分36a或38a分别开始的连续螺纹牙底时，公端螺纹部的第一接合螺纹牙底是第一螺纹牙底位置，即，母端螺纹部26或28的相应螺纹接合的位置。接合的螺纹意味着，在装配好的状态下，公端螺纹部的承载侧的至少一部分与母端螺纹部的相应承载侧接触。当考虑从引入部分36a和38a分别开始的连续螺纹牙底时，要接触的公端螺纹部的承载侧的第一位置与公端外侧螺纹部和公端内侧螺纹部的第一接合螺纹牙底分别相邻。

根据图1和图4，母端外侧螺纹部的第一接合螺纹牙底在引入部分26a内，而母端内侧螺纹部的第一接合螺纹牙底在引入部分28a内。相应地，公端外侧螺纹部的第一接合螺纹牙底在引入部分36a内，而公端内侧螺纹部的第一接合螺纹牙底在引入部分38a内。

以下横截面是分别横向于XX’轴线限定的母接头构件和公接头构件的截面，并分别命名为：

BCCS1母接头构件在母端外侧螺纹部的第一接合螺纹牙底处的截面，

BCCS2母接头构件在母端内侧螺纹部的第一接合螺纹牙底处的截面，

PCCS1公接头构件在公端内侧螺纹部的第一接合螺纹牙底处的截面，

PCCS2公接头构件在公端外侧螺纹部的第一接合螺纹牙底处的截面。

根据图1至图4，BCCS1落入在引入部分26a内；BCCS2落入在引入部分28a内；PCCS1落入在引入部分38a内；以及PCCS2落入在引入部分36a内。因此，BCCS1更靠近母端肩部24而非母端自由端25。BCCS2更靠近母端内侧密封面29而非母端肩部24。PCCS1更靠近公端肩部34而非公端自由端35，并且PCCS2更靠近公端外侧密封面35而非公端肩部34。

母接头临界横截面是母接头构件20的承受所有螺纹上所传递的最大张力并限定了连接装置的效率的横截面区域。公接头临界横截面是公接头构件30的承受所有螺纹上所传递的全张力并限定了连接装置的效率的横截面区域。通常，进行连接而使母接头临界横截面大体上在公接头临界横截面的95％和105％之内。

根据图1至图4的实施方式，在分别具有两个螺纹区段23、43以及33、53的情况下，母接头临界横截面可以通过BCCS1和BCCS2两者来评估，而相应地，公接头临界横截面可以通过PCCS1和PCCS2两者来评估。替代地，母接头临界横截面和公接头临界横截面可以限定在不同的位置。

例如，根据图2，可以在BCCS1位置处以及在限定于内侧螺纹部28与母端密封面29之间的凹槽50内的垂直于XX’轴线的另一横截面BCCS3处限定母接头临界横截面。例如，根据图3，可以在PCCS1位置处以及在限定于公端外侧螺纹部36与接合面91之间的凹槽52内的垂直于XX’轴线的另一横截面PCCS3处限定公接头临界横截面。

如图所示，母端外侧密封面27是圆锥形的，并且公端外侧密封面37也是圆锥形的。圆锥形表面27和37的锥度可以包含在10％与60％之间，例如等于20％或50％。替代地，圆锥形表面27和37的锥度可以是不匹配的。母端外侧密封面27和公端外侧密封面37在连接装置10装配好的位置上形成金属对金属密封部(metal-to-metal seal)。

母端内侧密封面29是凸曲的凸出表面，例如由在10mm与100mm之间、例如等于60mm的圆环半径限定的圆环面；并且公端内侧密封面39是圆锥形的，例如具有在10％与60％之间、例如等于20％或50％的锥度。母端内侧密封面29的凸曲的凸出表面的两端可以在相对XX’轴线成角度的线上，使得该角度等于圆锥形的公端内侧密封面39相对于XX’轴线所成的角度。母端内侧密封面29和公端内侧密封面39在连接装置10装配好的位置上形成金属对金属密封部。替代地，外侧金属对金属密封部和内侧金属对金属密封部可以都是圆锥对圆锥型的，其中锥度基本上相同。替代地，母端外侧密封面27和公端外侧密封面37可以限定环面对圆锥型的金属对金属密封部。

为了实现金属对金属密封部，在母端密封面和公端密封面之间需要径向干涉。径向干涉值是公端密封面的外径减去母端密封面的内径的最大差值，其中直径应考虑为连接装置装配好时沿着XX’轴线的同一位置处的直径，但直径应为装配之前的直径。基于FEA分析和可预测的在装配结束时公接头构件插入母接头构件的最终位置，在装配之前限定出径向干涉。

例如，外侧金属对金属密封部的径向干涉包含在0.5mm与1.7mm之间；优选地，在0.7mm与1.45mm之间；甚至更优选地，在0.81mm与1.33mm之间。例如，内侧金属对金属密封部的径向干涉包含在0.5mm与1.7mm之间；优选地，在0.7mm与1.45mm之间；甚至更优选地，在0.81mm与1.22mm之间。例如，将内侧金属对金属密封部的径向干涉设置为低于外侧金属对金属密封部的径向干涉。但是替代地，内侧金属对金属密封部的径向干涉可以设置为等于外侧金属对金属密封部的径向干涉。

母接头的自由端25由于外侧金属对金属密封部而在连接装置外侧的偏斜以及公接头的自由端35由于内侧金属对金属密封部而在连接装置内侧的偏斜受限于发明的具体特征。

在说明书中，除非另有说明，否则所有外径和内径尺寸均在装配前考虑，因为它们代表在机加工之后的尺寸。根据制造公差，所有尺寸都指定为相较于目标值具有+/-0.2mm的公差。

有利地，母接头构件20的外表面被局部地机加工。在母端外侧密封面27上方对母接头构件进行机加工，以在局部上提供具有第一外径JOB的圆柱形表面58。圆柱形表面58是在金属零件的加工公差内的圆柱形的。

机加工的圆柱形表面58在母端外侧密封面27的两侧上方延伸。根据所有实施方式，圆柱形表面58从母端自由端25延伸直至母端外侧螺纹部26的一部分。圆柱形表面58具有第一外径JOB。

根据本发明，第二外径JOB2限定在母端内侧螺纹部28的至少一个螺纹牙底上方的位置处。

基于每个外径或内径的目标值考虑以下确定的所有其他比率或增量。

例如，第一外径JOB与标称外径OD之间的比率(JOB/OD)包含在100.5％与103.5％之间，优选地在100.8％与103.2％之间，例如等于101.97％。

圆柱形部分58连接渐缩外表面82，该渐缩外表面与XX’轴线形成角α2。角α2包含在5°与7°之间，例如等于6°。渐缩外表面82连接外径等于第二外径JOB2的另一圆柱形表面60。具有角α1的圆锥形渐缩外表面80紧邻具有第二外径JOB2的第二圆柱形表面60。第二圆柱形表面60沿着XX’轴线的长度为第一机加工圆柱形表面58的长度的至少一半，并且优选地小于第一机加工圆柱形表面58的长度的150％，优选地在第一机加工圆柱形表面58的长度的70％与100％之间。

第二外径JOB2与标称外径OD之间的比率(JOB2/OD)包含在100.5％与104％之间，优选地在101.0％与103.5％之间，甚至更优选地在101.5％与102.5％之间，例如等于102.3％。

第二外径JOB2与第一外径JOB之间的比率(JOB2/JOB)包含在100.05％与101％之间，优选地在100.1％与100.4％之间，例如等于100.32％。

如图1和2所示，圆柱形部分58从自由端25延伸到外螺纹部26上方未及BCCS1位置的位置。具有等于第二外径JOB2的恒定直径的圆柱形部分60在中间肩部24上方延伸并延伸直到BCCS2位置。根据本实施方式，渐缩外表面82在BCCS1位置上方延伸。圆锥形渐缩外表面80从BCCS2延伸直到主体21，以便在凹槽50、母端内侧密封面29和内肩部18上方扩展并超出。

图4是本发明的另一实施方式，与图1至图3的实施方式稍有不同，该不同在于锥形渐缩外表面80从BCCS2延伸直到相对于XX’轴线而言位于母端内侧密封面29和内肩部18之间的位置。

图5与图1至图4的实施方式是相区别的，该区别在于外侧金属对金属密封部位于母端外侧螺纹部26与母端中间肩部24之间。根据图5和6的具体实施方式，母端外侧密封面27’和公端外侧密封面37’也可以分别称为母端中间密封面27’和公端中间密封面37’。母端外侧密封面27’位于母端外侧螺纹部26与母端内侧螺纹部28之间，并且优选地位于母端外侧螺纹部26与中间肩部24之间。相应地，公端外侧密封面37’位于公端外侧螺纹部36与公端内侧螺纹部38之间，并且优选地位于公端外侧螺纹部36与中间肩部34之间。

图5中，圆柱形部分58从自由端25延伸直到外侧金属对金属密封部27’上方的位置，使得渐缩部分82至少在中间肩部24上方扩展。具有等于第二外径JOB2的恒定直径的圆柱形部分60至少位于母端内侧螺纹部28的引出部分28b上方。根据图5，圆柱形部分60在母端内侧螺纹部28的一部分上方延伸，而渐缩部分80在内侧金属密封面29上方的位置之前扩展并终止，使得内侧金属密封面29限定在外径等于标称外径的位置处。

根据图5的替代方案，如图6所示，圆柱形部分58从自由端25延伸直到外侧螺纹部26上方未及BCCS1位置的位置，使得BCCS1位置和外侧金属密封面27’均在渐缩部分82下方。根据图6，圆柱形部分60在母端内侧螺纹部28的一部分上方延伸，而渐缩部分80至少在内侧金属密封面29上方扩展。

本发明还可以结合母接头构件的特定外部设计、公接头构件的特定设计而提供。

有利地，公接头构件30的内表面被局部地机加工。在公端内侧密封面39下方，对公接头构件进行机加工以局部地提供第一机加工圆柱形内表面68。圆柱形内表面68为在金属零件的机加工公差范围内的圆柱形。

机加工圆柱形内表面68在公端内侧密封面39的两侧上延伸。根据图1至图4的实施方式，圆柱形内表面68从公端自由端35延伸直到公端内侧螺纹部38的一部分。圆柱形内表面68具有第一内径JIP。根据本发明，第二内径JIP2限定在公端外侧螺纹部36的至少一个螺纹牙底上方的位置处，使得第二内径JIP2小于第一机加工内表面68的第一内径JIP。

圆柱形内部分68连接渐缩内表面92，该渐缩内表面与XX’轴线形成角α4。角α4包含在5°与7°之间，例如等于6°。渐缩内表面92连接具有等于第二内径JIP2的恒定直径的另一圆柱形内表面70。通过锻压工艺获得的具有角α3的圆锥形渐缩内表面90紧邻具有第二内径JIP2的第二圆柱形内表面70。第二圆柱形内表面70沿着XX’轴线的长度为第一机加工圆柱形内表面68的长度的至少一半，并且优选地小于第一机加工圆柱形内表面68的150％，优选地在第一机加工圆柱形内表面68的70％与100％之间。

例如，第二管状构件31的第一内径(JIP)与标称内径(ID)之间的比率(JIP/ID)包含在98％与101.5％之间，优选地在98.5％与100.5％之间，甚至更优选地在99.2％与100.3％之间，例如等于99.73％。

第二内径(JIP2)与第一管状构件的主体的标称内径之间的比率(JIP2/ID)包含在98.5％与100％之间，优选地在98.9％与99.9％之间，例如等于99.3％。

第二内径(JIP2)和第一内径(JIP)之间的比率(JIP2/JIP)包含在99％与99.9％之间，例如等于99.5％。

图1、3和4，圆柱形内部分68从公端自由端35延伸直到内侧螺纹部38上方未及PCCS1位置的位置。具有等于第二内径JIP2的恒定直径的第二圆柱形内部分70从PCCS1位置开始一直到公端外侧螺纹部36上方的介于PCCS2位置和公端外侧螺纹部沿XX’轴线的中间部位之间的位置。根据该实施方式，渐缩内表面92在例如内侧螺纹部38的几个螺纹圈(即1至4个螺纹圈)上方延伸。圆锥形渐缩内表面90直接连接到第二圆柱形内表面70，并在公端外侧螺纹部36的下方终止。标称内径ID限定在公端端头与公端主体31之间的接合面91、公端外侧密封面27和限定在公端外侧密封面37与外螺纹部36之间的凹槽52下方。

如图1-4，当标称外径OD为355.6毫米，且标称内径ID等于313.94毫米时：

-第一圆柱形外表面58的长度包含在98mm与109mm之间；

-第二圆柱形外表面60的长度包含在83mm与87mm之间；

-第一外径JOB2包含在363.52mm与364.02mm之间；

-第一外径JOB包含在362mm与363mm之间，优选地在362.36mm与362.86mm之间；

-第一内径JIP包含在313mm与313.8mm之间，优选地在313.12mm与313.37mm之间；

-第二内径JIP2包含在311mm与312.5mm之间，优选地在312mm与312.25mm之间；

-第一圆柱形内表面68的长度包含在88mm与100mm之间，优选地在89.75与99.75mm之间；

-第二圆柱形内表面70的长度包含在77mm与80mm之间；

-外侧金属对金属密封部的径向干涉包含在1.12mm与1.32mm之间，使得第二外径JOB2与第一外径JOB之间的增量(JOB2-JOB)在外侧金属对金属密封部的径向干涉的85％与90％之间；

-内侧金属对金属密封部的径向干涉包含在1.23mm与1.33mm之间，使得第一内径JIP与第二内径JIP2之间的增量(JIP-JIP2)在内侧金属对金属密封部的径向干涉值的91％与116％之间；

-外螺纹部的径向干涉(如果有)在0与0.18mm之间；

-外螺纹部的径向干涉(如果有)在0与0.18mm之间。

根据图1至图4的实施方式，第二圆柱形内表面70的沿着XX’轴线的长度小于第二圆柱形外表面60的长度。

当连接装置装配好时，由于由母接头构件和公接头构件的相应母端密封面与公端密封面的干涉配合以及螺纹的接合而产生的力，公接头构件的内径轮廓和母接头构件的外径轮廓被改变。

图7示出了装配好之后在母接头构件的鼻部处的外径的视图。由于装配力，第一圆柱形外表面58不再是圆柱形的，而是趋于呈现稍微圆锥形的形状，其最大外径接近自由端25并且在与渐缩外表面82的接合处具有较小直径。在沿圆柱形表面58和第二圆柱形外表面60的所有位置处，连接装置10的外径保持在阈值以下。由于具有第一圆柱形外表面58和第二圆柱形外表面60两者的特定特征，在安装过程中没有与已经就位的母接头鼻部和套管的直接径向接触。实际上，母接头构件20在第二临界横截面BCCS2处的厚度允许母接头构件具有更好的套管耐磨性，同时允许连接装置具有良好的效率。

由于装配力，对称地，第一圆柱形内表面68不再是圆柱形的，而是趋于呈现稍微圆锥形的形状，其最小内径接近公端自由端35且在与渐缩内表面92的接合处具有较大直径。在沿着圆柱形内表面68和第二圆柱形内表面70的所有位置处，连接装置10的内径保持在阈值以上，例如偏移直径。由于具有第一圆柱形内表面68和第二圆柱形内表面70两者的特定特征，因此不存在与公接头鼻部和要安置在井中的另一套管的直接径向接触。实际上，在第一临界横截面PCCS1处的公接头构件30的厚度允许公接头构件具有更好的套管耐磨性，同时允许连接装置具有良好的效率。

由于在母接头和公接头临界截面处的附加厚度，连接装置具有更好的套管耐磨性，同时在连接装置承受轴向张力时具有更高的效率和良好的性能。

由于母接头构件的自由端未处于直接径向接触，因此连接装置的使用寿命也得到了改善。

Claims (20)

1.管状螺纹连接装置(10)，包括：

从第一管状构件(22)的主体(21)延伸的管状母端端头(20)，所述管状母端端头(20)包括：

-母端外侧螺纹部(26)，所述母端外侧螺纹部位于母端肩部(18、24)与母端自由端(25)之间，以及

-母端内侧螺纹部(28)，使得所述母端肩部(24)是位于所述母端外侧螺纹部(26)与所述母端内侧螺纹部(28)之间的母端中间肩部，

从第二管状构件(32)的主体(31)延伸的管状公端端头(30)，所述管状公端端头(30)包括：

-公端外侧螺纹部(36)、公端内侧螺纹部(38)和公端肩部(34)，所述公端外侧螺纹部(36)构造成通过与所述母端外侧螺纹部(26)螺纹接合而互锁，所述公端内侧螺纹部(38)构造成通过与所述母端内侧螺纹部(28)螺纹接合而互锁，并且

其中，所述管状公端端头(30)包括所述管状公端端头(30)的靠近公端自由端(35)的第一机加工内表面(68)，在所述公端外侧螺纹部(36)的至少一个螺纹牙底上方具有第二内径(JIP2)，使得所述第二内径(JIP2)小于所述第一机加工内表面(68)的第一内径(JIP)。

2.根据权利要求1所述的管状螺纹连接装置，其中，所述管状公端端头的所述第二内径(JIP2)位于所述公端外侧螺纹部(36)的螺纹牙底上方。

3.根据权利要求1或2所述的管状螺纹连接装置，其中，所述第二内径(JIP2)位于所述中间肩部(34)下方。

4.根据前述权利要求中任一项所述的管状螺纹连接装置，其中，所述管状公端端头的、内径小于所述第一内径(JIP)的内表面至少在从第一公接头临界横截面(PCCS1)开始直到所述管状公端端头的第二公接头临界横截面(PCCS2,PCCS3)的部分上延伸。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的管状螺纹连接装置，其中，所述第二内径(JIP2)在公端第二圆柱形表面(70)上是恒定的，并且所述第一机加工内表面(68)包括以所述第一内径限定的圆柱形表面。

6.根据权利要求5所述的管状螺纹连接装置，其中，所述公端第二圆柱形表面(70)在所述中间肩部上方延伸。

7.根据权利要求5或6所述的管状螺纹连接装置，其中，所述公端第二圆柱形表面(70)在位于靠近所述公端主体(31)的所述公端外侧螺纹部(28)的第一接合螺纹牙底处的第二公接头临界横截面(PCCS2)上方延伸。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的管状螺纹连接装置，其中，所述公端第二圆柱形表面(70)在所述公端外侧螺纹部的一部分的上方延伸，并且所述第一机加工外表面(68)在所述公端内侧螺纹部的一部分的上方延伸。

9.根据前述权利要求中任一项所述的管状螺纹连接装置，其中，所述管状母端端头(20)包括母端内侧密封面(29)，并且所述管状公端端头(30)包括公端内侧密封面(39)，使得当所述管状螺纹连接装置装配好时，所述公端内侧密封面和所述母端内侧密封面(29、39)形成内侧金属对金属密封部，并且所述管状公端端头的在所述公端内侧密封面(29)上方的内径等于所述第一外径。

10.根据权利要求9所述的管状螺纹连接装置，其中，所述公端内侧密封面(39)位于所述公端内侧螺纹部与所述公端自由端之间。

11.根据前述权利要求中任一项所述的管状螺纹连接装置，其中，在所述连接装置装配好时，所述公端自由端(35)在纵向上未及所述管状母端端头的内肩部(18)。

12.根据前述权利要求中任一项所述的管状螺纹连接装置，其中，当所述连接装置装配好时，所述母端中间肩部和所述公端中间肩部相抵接。

13.根据前述权利要求中任一项所述的管状螺纹连接装置，其中，所述公端和母端的螺纹部，即各自的外侧螺纹部和内侧螺纹部，相对于所述管状螺纹连接装置的纵向轴线径向地偏置。

14.根据前述权利要求中任一项所述的管状螺纹连接装置，其中，所述管状公端端头的所述第一机加工内表面(68)与具有所述第二内径(JIP2)的圆柱形表面(70)通过渐缩表面(92)相连接，所述渐缩表面形成包含在5°与7°之间、例如等于6°的装配角(α4)。

15.根据前述权利要求中任一项所述的管状螺纹连接装置，其中，具有所述第二内径(JIP2)的圆柱形表面(70)通过渐缩表面(90)连接至具有标称内径(ID)的所述第二管状构件的所述主体，所述渐缩表面形成包含在2°与4°之间、例如等于3°的锻压角(α3)。

16.根据前一权利要求所述的管状螺纹连接装置，其中，所述管状母端端头(20)包括母端外侧密封面(27)，所述管状公端端头(30)包括公端外侧密封面(37)，其中，所述母端外侧密封面(27)位于所述母端外侧螺纹部(26)与母端自由端(25)之间，所述公端外侧密封面(37)位于所述公端外侧螺纹部(36)与公端主体(31)之间，使得当所述管状螺纹连接装置装配好时，所述公端外侧密封面和所述母端外侧密封面(27、37)形成外侧金属对金属密封部，

并且其中所述渐缩表面(90)以锻压角(α3)在所述公端外侧螺纹部(36)的上方终止。

17.根据前述权利要求中任一项所述的管状螺纹连接装置，其中，所述第一内径(JIP)与所述第二内径(JIP2)之间的增量(JIP-JIP2)在所述内侧金属对金属密封部的最大径向干涉值的80％和120％之间，优选地91％和116％之间。

18.根据前述权利要求中任一项所述的管状螺纹连接装置，其中，所述第二内径(JIP2)与第二管状构件的主体的标称内径之间的比率(JIP2/ID)包含在98.5％和100％之间，优选地在98.9％和99.9％之间，例如等于99.3％。

19.根据前述权利要求中的任一项所述的管状螺纹连接装置，其中，所述第二内径(JIP2)与所述第一内径(JIP)之间的比率(JIP2/JIP)包含在99％和99.9％之间，例如等于99.5％。

20.根据前述权利要求中任一项所述的管状螺纹连接装置，其中，在所述管状母端端头与所述管状公端端头螺纹接合之后，在所述管状螺纹连接装置装配结束时，所述管状公端端头在所述外侧螺纹部与所述内侧螺纹部两者上方的位置处的内径均低于同一阈值，所述阈值为所述主体(21)的标称内径的105％，并且优选地103％。

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