CN112576200A - 一种具有内衬层的钢管气密封结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有内衬层的钢管气密封结构，其包括公端管体和母端管体，公端管体和母端管体螺纹连接，在公端管体的壁厚方向上公端管体包括管体基层和复合内衬层，复合内衬层与管体基层复合连接；其中在公端管体的轴向方向上，复合内衬层的轴向长度比管体基层的轴向长度长，以使公端管体在其与母端管体的连接端具有由复合内衬层形成的轴向凸出部；其中，管体基层上具有用以与母端管体密封连接的第一密封面和台肩，所述轴向凸出部上具有用以与母端管体密封连接的第二密封面。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢管连接结构，尤其涉及一种具有气密封结构的钢管连接结构。
背景技术
油井管是将地底深达数千米的油气开采运送至地面的唯一通道，目前油井管的连接均由螺纹结构连接，该螺纹结构必须保证在拉伸、内压、外挤、弯曲、气密封等性能上满足油气开采中不同井况的需求。
随着油气开采逐步向深、低、海、非的难开采区域发展，其中重要的来源在酸性气田开采开发。这些酸性气田区域的开采如果使用普通抗硫油井管不能达到开采安全评估及周期运行的要求，但如果采用镍基合金(吨钢成本达到数十万元)的油井井管成本过高，开发难度增加，性价比低。
结合油井管性能安全与性价比的要求，期望通过由普通抗硫材质油井管复合一层镍基合金内衬，以达到满足腐蚀要求与降低成本的目的。但是，复合油管的连接结构问题是一直困扰复合油管应用的最大难题
复合管在民用管线、石油管线方面已经有成熟的应用案例，但相比复合油井管的连接，前者的服役工况相对宽松，主要体现在：
(1)民用复合管对影响管柱安全的腐蚀要求，如H2S，CL-等相对宽松，其接头的连接可以采用相对宽松的焊机或者普通螺纹连接的方式满足要求；(2)石油管线的连接一般都采用端部焊接的方式，通过焊接工艺与焊丝的优化，在地面可以满足连接性能要求，且石油管线一般都水平放置，仅受内压等物理载荷，轴向受力可以忽略；(3)普通碳钢油井管的螺纹接头一般分为普通API接头和气密封特殊螺纹接头，前者主要应用在原油开采，不具备稳定气密封能力，而普通碳钢的气密封特殊螺纹接头一般是指通过螺纹与金属密封面、扭矩台肩等组成，从而满足接头密封等性能，但普通碳钢油井管的螺纹接头设计时不需要考虑因为材质不同而变化，所有的公螺纹，接箍都为同一材质，或者不用考虑接头材质的腐蚀影响。
基于此，期望获得一种钢管气密封结构，其不仅可以满足油气开采中对于腐蚀性以及气密性的要求，而且制造成本低廉，性价比高。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种具有内衬层的钢管气密封结构，该钢管气密封结构可重复加工，并且该结构可以避免接头间隙腐蚀，具备性价比及可靠性结合。
为了实现上述目的，本发明提出了一种具有内衬层的钢管气密封结构，其包括公端管体和母端管体，公端管体和母端管体螺纹连接，在公端管体的壁厚方向上，公端管体包括管体基层和复合内衬层，复合内衬层与管体基层复合连接；
其中，在公端管体的轴向方向上，复合内衬层的轴向长度比管体基层的轴向长度长，以使公端管体在其与母端管体的连接端具有由复合内衬层形成的轴向凸出部；
其中，管体基层上具有用以与母端管体密封连接的第一密封面和台肩，轴向凸出部上具有用以与母端管体密封连接的第二密封面。
在本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构中，公端管体与母端管体通过旋进拧紧配合，以实现对油气管的连接，并该钢管气密封结构具有很好地密封性，其中，公端管体通过螺纹结构与第一密封面、台肩以及第二密封面的结构设计，使得公端管体与母端管体拧紧配合后保证性能。
尤其是，在本发明所述的技术方案中，公端管体可以利用原有的复合油井管加工处理获得，有效地提高了本案的钢管气密封结构的适用性。公端管体的复合内衬层与管体基层可以通过冶金、机械或是其他复合方式进行复合连接。
进一步地，在本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构中，复合内衬层的材质为不锈钢，母端管体的材质为不锈钢。
在上述方案中，通过将复合内衬层与母端管体设计为同一材质有利于满足接头在拉伸、弯曲等复合载荷情况下的不发生间隙腐蚀。
在一些优选的实施方式中，复合内衬层与母端管体可以采用镍基材质，从而保证母端管体的内壁不用进行处理，避免材质的焊接复合工艺所带来的弊端。
进一步地，在本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构中，复合内衬层的厚度≥0.8mm。
进一步地，在本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构中，台肩为正向台肩，台肩角度α≤40°。
上述方案中，考虑到母端管体与公端管体是通过管拧至位置后保证其密封性能，但由于管体基层的厚度较小，因而，将台肩角度设置为台肩角度α≤40°，以满足抗扭以及保证轴向凸出部可以被加工出。考虑到本案的钢管气密封结构具有符合内衬层，因而，台肩设计为正向台肩。
进一步地，在本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构中，台肩角度α为0°。
进一步地，在本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构中，公端管体和母端管体的螺纹为偏梯形螺纹。
进一步地，在本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构中，第一密封面与母端管体过盈密封。
进一步地，在本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构中，第一密封面为楔形面或圆弧面。
进一步地，在本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构中，第二密封面为楔形面。
上述方案中，第二密封面为楔形面使得在拧接到位后轴向凸出部与母端管体形成内平结构，保证其不产生紊流，且酸性介质不会直接进入母端管体与公端管体连接所形成的腔体内。此外，第二密封面设置为楔形面还可以使得轴向凸出部在拉伸条件下有反向位移的趋势时，该楔形面仍然保证轴向凸出部与母端管体之间处于密封状态，从而使得酸性介质不会直接进入母端管体与公端管体连接所形成的腔体内。
进一步地，在本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构中，楔形面与公端管体轴线之间的夹角≤20°。
进一步地，在本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构中，轴向凸出部的轴向延伸长度为3-20mm。
进一步地，在本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构中，第二密封面与母端管体过盈密封，过盈密封量为0.3-0.8mm。
本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构相较于现有技术具有如下所述的优点以及有益效果：
本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构相较于现有技术而言，其接头连接强度、管串抗内压强度以及管串抗外挤强度具有所提高，且具有较高的抗腐蚀性，因而，本案的钢管气密封结构可以很好地解决现有技术中的油管接头的内腐蚀问题，并且对酸性气田、高酸性气田以及其他高腐蚀工况具有借鉴意义。并且本案的钢管气密封结构由于兼具高强度以及高耐腐蚀性能，因而可以替代纯镍基金属油管，大幅降低成本。
附图说明
图1为本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构在一些实施方式中的结构示意图。
图2为本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构在一些实施方式中的公端管体的结构示意图。
图3为本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构在一些实施方式中的母端管体的结构示意图。
图4示意性地显示了本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构在一些实施方式中的第二密封面的结构。
图5为本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构在一些实施方式中的防止酸性介质流入的示意图。
图6示意性地显示了本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构在一些实施方式中的受到轴向拉力时产生间隙的趋势。
图7示意了本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构在一些实施方式中的台肩夹角。
图8示意了本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构在一些实施方式中的螺纹以及第一密封面的结构。
具体实施方式
下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
图1为本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构在一些实施方式中的结构示意图。
如图1所示，在本实施方式中，钢管气密封结构包括公端管体以及母端管体1，公端管体与母端管体1通过螺纹4连接。在公端管体的壁厚方向上公端管体包括管体基层2和复合内衬层3，并且复合内衬层3与管体基层2复合连接，例如通过冶金复合或机械复合的方式。在公端管体的轴向方向上，复合内衬层3的轴向长度比管体基层2的轴向长度长，以使公端管体在其与母端管体1的连接端具有由复合内衬层形成的轴向凸出部7。在管体基层2上具有用以与母端管体1密封连接的第一密封面5和台肩6，而在轴向凸出部7上具有用以与母端管体1密封连接的第二密封面。
图2为本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构在一些实施方式中的公端管体的结构示意图。
如图2所示，公端管体的复合内衬层3与管体基层2复合连接，其中，管体基层2可以采用普通抗腐蚀管或是普通碳钢材质，其强度可以为758～865MPa，而复合内衬层3则可以采用不锈钢材质，其厚度t≥0.8mm。优选地，复合内衬层3可以采用镍基类不锈钢材质。
此外，需要说明的是，公端管体的外径可以为Φ60.3mm至Φ114.3mm，从而适用于所有API 5CT之间的油管规格。
图3为本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构在一些实施方式中的母端管体的结构示意图。
如图3所示，母端管体1与公端管体通过螺纹4连接，并且与管体基层2之间形成第一密封面5。为了使得母端管体1与复合内衬层接触的内壁8无需进行额外的处理，从而避免由于材质焊接复合工艺所带来的弊端，因而，母端管体1可以采用与复合内衬层相同的材质。在本实施方式中，公端管体和母端管体1的螺纹4为偏梯形螺纹。并且，第一密封面5与母端管体1过盈配合。
图4示意性地显示了本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构在一些实施方式中的第二密封面的结构。
如图4所示，轴向凸出部的轴向延伸长度10与母端管体1的内壁8形成第二密封面9，在本实施方式中，第二密封面9为楔形面。
并且在一些优选的实施方式中，轴向凸出部的轴向延伸长度为3-20mm，第二密封面9与母端管体过盈密封，过盈密封量为0.3-0.8mm，而第二密封面与公端管体轴线之间的夹角≤20°。
图5为本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构在一些实施方式中的防止酸性介质流入的示意图。
结合图4和图5可以看出，当公端管体与母端管体通过螺纹拧接到位后，轴向凸出部与母端管体1形成了内平结构，此时，第二密封面9起到其不产生紊流的作用，且第二密封面9还可以避免酸性介质直接进入母端管体与公端管体连接所形成的腔体内。
图6示意性地显示了本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构在一些实施方式中的受到轴向拉力时产生间隙的趋势。
如图6所示，当公端管体受到轴向拉力F而有反向位移产生间隙G的趋势时，第二密封面9设置为楔形面可以使得公端管体与母端管体的连接仍处于密封状态，从而使得酸性介质不会直接进入母端管体与公端管体连接所形成的腔体内。
图7示意了本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构在一些实施方式中的台肩夹角。
如图7所示，考虑到本案的钢管气密封结构具有符合内衬层，因而，台肩为正向台肩，台肩角度α≤40°。并且在一些优选的实施方式中，台肩角度可以设置为0°，既能满足抗扭，又能保证轴向凸出部可以被加工。
图8示意了本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构在一些实施方式中的螺纹以及第一密封面的结构。
如图8所示，第一密封面5被设置为楔形面。当然在一些其他的实施方式中，第一密封面5也可以为圆弧面，以保证公端管体与母端管体之间的过盈密封。
结合图1至图8可以看出，本案的钢管气密封结构中的公端管体和母端管体1通过螺纹4连接，从而形成了第一密封面5和第二密封面9，以使得本案的钢管气密封结构的密封性能优良，且由于本案中的复合内衬层形成的轴向凸出部7很好地解决了油管接头之间的内腐蚀问题。
为了更好地说明采用本案的钢管气密封性结构对于接头强度的提高，以外径d＝Φ88.9mm，内径d2＝6.45mm的油管规格为例进行说明，其中，对比例1采用的是碳钢油管，而本案实施例1则采用的是管体基层为碳钢，复合内衬层为718，厚度t为1.0mm，轴向凸出部轴向延伸长度为6mm，过盈密封量为0.4mm，楔形面与公端管体轴线之间的夹角为3°，台肩夹角α为0°。最终的强度结果列于表1。
表1.
需要说明的是，表1中，接头连接强度T＝σs1×S1+σs2×S2，其中，σs1指基体碳钢屈服强度，一般在758MPa～865MPa之间，对比例1以及实施例1取值为110ksi，即758MPa；σs2指内衬复合层屈服强度与结合强度间的较小值，一般＜300MPa，对比例1以及实施例1取值为200MPa，S2指内衬复合层的截面积。管串抗外挤强度Pe按照整体管材强度90～100ksi(即690MPa～700MPa)计算，壁厚按照整体基管与复合层总面积S＝S1+S2计算。管串抗内压强度Pi＝1.75×(σs1×t1/d+σs2×t/d2)，上式中，t1指基体碳钢壁厚，d2基体碳钢名义内径值。
由表1可以看出，本案实施例1相较于对比例1，其接头连接强度、管串抗内压强度以及管串抗外挤程度均有不同程度的提高，尤其是本案实施例1具备完全的抗腐蚀的结构。
综上所述可以看出，本发明所述的具有内衬层的钢管气密封结构相较于现有技术而言，其接头连接强度、管串抗内压强度以及管串抗外挤强度具有所提高，且具有较高的抗腐蚀性，因而，本案的钢管气密封结构可以很好地解决现有技术中的油管接头的内腐蚀问题，并且对酸性气田、高酸性气田以及其他高腐蚀工况具有借鉴意义。并且本案的钢管气密封结构由于兼具高强度以及高耐腐蚀性能，因而可以替代纯镍基金属油管，大幅降低成本。
需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。
此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种具有内衬层的钢管气密封结构，其包括公端管体和母端管体，所述公端管体和母端管体螺纹连接，其特征在于：
在所述公端管体的壁厚方向上所述公端管体包括管体基层和复合内衬层，所述复合内衬层与所述管体基层复合连接；
其中在所述公端管体的轴向方向上，复合内衬层的轴向长度比管体基层的轴向长度长，以使公端管体在其与母端管体的连接端具有由复合内衬层形成的轴向凸出部；
其中，所述管体基层上具有用以与母端管体密封连接的第一密封面和台肩，所述轴向凸出部上具有用以与母端管体密封连接的第二密封面。
2.如权利要求1所述的具有内衬层的钢管气密封结构，其特征在于，所述复合内衬层的材质为不锈钢，所述母端管体的材质为不锈钢。
3.如权利要求1所述的具有内衬层的钢管气密封结构，其特征在于，所述复合内衬层的厚度≥0.8mm。
4.如权利要求1所述的具有内衬层的钢管气密封结构，其特征在于，所述台肩为正向台肩，台肩角度α≤40°。
5.如权利要求4所述的具有内衬层的钢管气密封结构，其特征在于，所述台肩角度α为0°。
6.如权利要求1所述的具有内衬层的钢管气密封结构，其特征在于，所述公端管体和母端管体的螺纹为偏梯形螺纹。
7.如权利要求1所述的具有内衬层的钢管气密封结构，其特征在于，所述第一密封面与母端管体过盈密封。
8.如权利要求1所述的具有内衬层的钢管气密封结构，其特征在于，所述第一密封面为楔形面或圆弧面。
9.如权利要求1-8中任意一项所述的具有内衬层的钢管气密封结构，其特征在于，所述第二密封面为楔形面。
10.如权利要求9所述的具有内衬层的钢管气密封结构，其特征在于，所述楔形面与公端管体轴线之间的夹角≤20°。
11.如权利要求1-8中任意一项所述的具有内衬层的钢管气密封结构，其特征在于，所述轴向凸出部的轴向延伸长度为3-20mm。
12.如权利要求1-8中任意一项所述的具有内衬层的钢管气密封结构，其特征在于，所述第二密封面与母端管体过盈密封，过盈密封量为0.3-0.8mm。
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