CN112840151A - 钢管用螺纹接头 - Google Patents
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Abstract
提供抑制烧结且内压和外压密封性能优异的螺纹接头。螺纹接头(1)包括公扣(10)和母扣(20)。公扣(10)包含公扣唇(11)、公扣金属密封部(13)、圆筒状内切削面(14)。公扣金属密封部(13)包含公扣密封锥面(16)和公扣密封曲率面(17)。母扣(20)包含与公扣密封锥面(16)平行的母扣金属密封部(22)。公扣金属密封部(13)在密封点(SP)与母扣金属密封部(22)密封接触。螺纹接头满足以下的式(1)和式(2)。L是公扣唇(11)的长度，Lm是从公扣的顶端(AP)到圆筒状内切削面(14)的末端的长度，Ls是公扣(10)的顶端(AP)与密封点(SP)之间的距离，tb是紧固时的密封点(SP)处的母扣(20)的壁厚，tp是密封点(SP)处的公扣(10)的壁厚。L＞Lm＞Ls(1)tb/tp＞1.6(2)。
Description
技术领域
本公开涉及钢管用螺纹接头，更具体而言，涉及用于将两根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、储存(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大致被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，由此两者紧固并连结。在整体型的情况下，作为连结对象的一对管材均是钢管，不使用额外的管接头。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，由此两者紧固并连结。
通常，形成有外螺纹的管端部的接头部分包含插入内螺纹的元素，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含承接外螺纹的元素，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，利用油井管加强井壁的同时进行掘进以避免坑壁在挖掘中崩塌，因此结果油井管成为多重配置的构造。近年，油井的高深度化和超深海化逐渐发展，但在这样的环境下，为了高效地开发油井，油井管的连接大多使用接头部的内径和外径为与钢管的内径和外径相同程度的螺纹接头。通过使用这样的螺纹接头，能够尽量缩小多重配置的油井管彼此的间隙，即使较深也能够不怎么扩大井径地高效地开发油井。在这样的内径和外径的制约下，对于螺纹接头而言，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”)，要求优异的密封性能。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，已知具有基于金属－金属接触的密封部(以下称为“金属密封部”。)的螺纹接头。金属密封部是指以下构造：若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“密封干涉量”)，紧固螺纹接头而密封面彼此嵌合，则由于密封干涉量而使公扣的密封面缩径，母扣的密封面扩径，由于各自的密封面要恢复到原来的直径的弹性恢复力从而在密封面产生接触压力地整周密合，发挥密封性能。
日本特开2012-247028号公报(专利文献1)公开能够消除公扣的偏心壁厚偏差而确保稳定的密封性的钢管用螺纹接头(参照[0010]段)。在该螺纹接头中，公扣侧的管口部外周面是向外侧凸出的曲面形状。母扣侧的管口部内周面是锥形状。公扣通过切削其外径侧和内径侧而成。作为内径侧的被切削的轴向长度范围的内削长度范围的长度是从公扣管口顶端到在螺纹结合时最先与母扣侧的管口部内周面接触的公扣侧的管口部外周面上的部位即密封点为止的轴向长度以上的长度。内削长度范围内的公扣在同一剖面内壁厚偏差率(＝(周向最大壁厚－周向最小壁厚)/周向平均壁厚×100(％))为6％以下。另外，内削长度范围的长度是从公扣管口顶端到作为密封部的螺纹部侧的端的密封部后端为止的轴向长度以下的长度(参照[0011]段和图1)。
本说明书引用以下的现有技术文献。
专利文献1：日本特开2012-247028号公报
专利文献2：WO2019/082612A1
专利文献3：日本特开平5-87275号公报(美国发明专利说明书第5137310号公报)
专利文献4：日本特表2006-526747号公报
发明内容
本公开的目的在于，提供一种抑制紧固时的烧结且内压密封性能和外压密封性能优异的钢管用螺纹接头。
本公开的螺纹接头用于将两根钢管相互连接，该螺纹接头包括：管状的公扣，其形成于钢管中的一个钢管的顶端部；以及管状的母扣，其供公扣插入而与公扣紧固。公扣包含：公扣唇，其形成于公扣的顶端部；外螺纹，其在比公扣唇远离公扣的顶端的那一侧形成于公扣的外周；公扣金属密封部，其形成于公扣唇的外周；圆筒状内切削面(cylindricalinner machining surface)，其形成于距公扣的顶端预定的范围内且形成于公扣唇的内周，在纵剖面中与钢管的轴线平行地形成，具有比一个钢管的内径大的直径；以及退避面，其形成于圆筒状内切削面与一个钢管的内周面之间且形成于公扣唇的内周，与圆筒状内切削面和一个钢管的内周面连接。公扣金属密封部包含：锥状的公扣密封锥面，其具有随着靠近公扣的顶端而逐渐变小的直径；以及公扣密封曲率面，其与公扣密封锥面平滑地连接，在纵剖面中为向外侧凸起的凸状。母扣包含：内螺纹，其与外螺纹对应，形成于母扣的内周；以及母扣金属密封部，其与公扣金属密封部相对，形成于母扣的内周。母扣金属密封部包含锥状的母扣密封锥面，该母扣密封锥面与公扣密封锥面相对，形成于母扣的内周，在紧固前与公扣密封锥面平行且具有比公扣密封锥面的直径小预定的密封干涉量的直径。公扣金属密封部在紧固时在公扣密封锥面与公扣密封曲率面的分界与母扣金属密封部密封接触。螺纹接头满足以下的式(1)和式(2)。
L＞Lm＞Ls (1)
tb/tp＞1.6 (2)
式(1)中，L是公扣唇的钢管的轴向上的长度。Lm是从公扣的顶端到圆筒状内切削面的末端的钢管的轴向上的长度。Ls是公扣的顶端与上述分界之间的钢管的轴向上的距离。式(2)中，tb是在紧固完成时与上述分界接触的位置处的母扣的壁厚。tp是上述分界处的公扣的壁厚。
本公开的另一个螺纹接头用于将两根钢管相互连接，该螺纹接头包括：管状的公扣，其形成于钢管中的一个钢管的顶端部；以及管状的母扣，其供公扣插入而与公扣紧固。公扣包含：公扣唇，其形成于公扣的顶端部；外螺纹，其在比公扣唇远离公扣的顶端的那一侧形成于公扣的外周；公扣金属密封部，其形成于公扣唇的外周；圆筒状内切削面，其在距公扣的顶端预定的范围内形成于公扣唇的内周，在纵剖面中与钢管的轴线平行地形成，具有比一个钢管的内径大的直径；以及退避面，其在圆筒状内切削面与一个钢管的内周面之间形成于公扣唇的内周，与圆筒状内切削面和一个钢管的内周面连接。公扣金属密封部包含锥状的公扣密封锥面，该公扣密封锥面具有随着靠近公扣的顶端而逐渐变小的直径。母扣包含：内螺纹，其与外螺纹对应，形成于母扣的内周；以及母扣金属密封部，其与公扣金属密封部相对，形成于母扣的内周。母扣金属密封部包含：锥状的母扣密封锥面，其与公扣密封锥面相对，形成于母扣的内周，在紧固前与公扣密封锥面平行且具有比公扣密封锥面的直径小预定的密封干涉量的直径；以及母扣密封曲率面，其与母扣密封锥面平滑地连接，在纵剖面中为向内侧凸起的凸状。公扣金属密封部在紧固时在母扣密封锥面与所述母扣密封曲率面的分界与母扣金属密封部密封接触。螺纹接头满足以下的式(1)和式(2)。
L＞Lm＞Ls (1)
tb/tp＞1.6 (2)
式(1)中，L是公扣唇的钢管的轴向上的长度。Lm是从公扣的顶端到圆筒状内切削面的末端的钢管的轴向上的长度。Ls是公扣的顶端与在紧固完成时与上述分界接触的位置之间的钢管的轴向上的距离。式(2)中，tb是上述分界处的母扣的壁厚。tp是在紧固完成时与上述分界接触的位置处的公扣的壁厚。
附图说明
图1是表示第1实施方式的组合型螺纹接头的概略构造的管轴线方向的纵剖视图。
图2是表示与图1不同的整体型螺纹接头的概略构造的管轴线方向的纵剖视图。
图3是表示图1或图2所示的螺纹接头的公扣的构造的管轴线方向的纵剖视图。
图4是表示图1或图2所示的螺纹接头的母扣的构造的管轴线方向的纵剖视图。
图5是表示紧固图3和图4所示的公扣和母扣时的变形前的形状的管轴线方向的纵剖视图。
图6是表示紧固图3和图4所示的公扣和母扣时的变形后的形状的管轴线方向的纵剖视图。
图7是表示第2实施方式的螺纹接头的公扣的构造的管轴线方向的纵剖视图。
图8是表示图7所示的第2实施方式的螺纹接头的母扣的构造的管轴线方向的纵剖视图。
图9是表示紧固图7和图8所示的公扣和母扣时的变形前的形状的管轴线方向的纵剖视图。
图10是表示紧固图7和图8所示的公扣和母扣时的变形后的形状的管轴线方向的纵剖视图。
图11是表示母扣壁厚/公扣壁厚与施加内压时的峰值接触压力/紧固时的峰值接触压力的关系的图表。
图12是表示圆筒状内切削面的长度与施加内压时的峰值接触压力/紧固时的峰值接触压力的关系的图表。
图13是表示圆筒状内切削面的长度与紧固时的公扣唇的弯躬角的关系的图表。
具体实施方式
[防止烧结]
在螺纹接头的金属密封部设有密封干涉量(嵌合余量)，在紧固中公扣和母扣的密封面彼此以较高的接触力接触的同时进行滑动，并且在紧固完成后也保持较高的接触力，发挥密封性能。影响耐烧结性的因素有润滑、表面处理、滑动速度、基体的导热率等多种，但其中被接触滑动中的局部接触压力即密封面的峰值接触压力大幅影响。
特殊螺纹接头制造商各公司想要通过各种设计来减小该紧固中的局部接触压力。例如，减小密封干涉量，或者为了缩短接触滑动距离而增大密封面的倾角(在存在锥面的情况下是其锥角)等。
但是，对于前者而言，若使密封干涉量过小，则存在以下风险：紧固后的接触力变得过小，密封性能也降低。另外，对于后者而言也是，存在以下风险：对于复合载荷下的密封性能而言，例如在承受较高的压缩载荷之后承受较高的拉伸载荷时等密封接触力的减小量较大，导致密封性能的降低。
即，本发明的发明人认为，若设为密封面的局部接触压力(峰值接触压力)在紧固中的接触滑动时变低且在紧固完成时的停止滑动之后变高，则能够兼顾优异的耐烧结性和密封性。
本发明的发明人研究了具化上述的技术思想的密封构造。其结果，发现了以下内容：若将公扣和母扣这两者的密封面设为具有相同倾角的锥面，并且，在公扣和母扣中的任一较短的一者的锥面的端部配置与该锥面平滑地连接的曲率面，则在紧固过程的大半过程中锥面彼此以较大的宽度接触滑动，局部接触压力(峰值接触压力)被抑制得较低而能够防止烧结，在紧固完成后，由于由公扣唇的密封干涉量引起的“弯躬变形”，密封部的主接触位置向密封部的锥面与其端部的曲率面的分界移动，接触宽度减小，从而峰值接触压力升高，能够得到优异的密封性能。以下，将在该紧固完成时成为密封部的主接触位置的上述分界(密封部的锥面与其端部的曲率面的分界)定义为密封点(SP)。
关于上述内容，更准确来说，在公扣金属密封部的锥面比母扣金属密封部的锥面短的情况下，在公扣金属密封部的锥面的端(距公扣的顶端较远的那一侧)设置与锥面平滑地连接的曲率面。相反，在母扣金属密封部的锥面比公扣金属密封部的锥面短的情况下，在母扣金属密封部的锥面的端(距母扣的开口较近的那一侧)设置与锥面平滑地连接的曲率面。
上述的公扣唇的“弯躬变形”是指，由于密封干涉量而强制缩径的公扣唇在以包含管轴线的平面剖切而得到的公扣的纵剖面中像弯躬那样向内径侧弯曲变形。
由于该公扣的弯躬变形，即使公扣金属密封部的锥面的角度在紧固前与母扣金属密封部的锥面的角度相同，角度也会在紧固过程的特别是后半程逐渐变大，在紧固完成时刻成为比母扣金属密封部的锥面的角度大的角度，因此主要在金属密封部的锥面与其端部的曲率面的分界(密封点)接触。
[外压密封性能]
当对在比公扣的外螺纹靠顶端侧(比母扣的内螺纹靠内里侧)的位置具有1个金属密封部的螺纹接头施加外压载荷时，外压载荷沿着螺纹的间隙进入到接头内部，或者作用于填充螺纹的间隙的润滑材料，在任一情况下外压载荷的影响都会波及到接头内部的紧靠密封点的近前。
上述外压载荷在ISO13679、API5C5等螺纹接头试验标准中通常被规定为钢管主体不产生坍塌变形的大小。但是，设有外螺纹、金属密封部等的公扣的壁厚通常比钢管主体的壁厚小，因此进入到接头内部的外压载荷使公扣整体(与钢管主体相比)大幅缩径，最坏的情况是金属密封部开口而发生泄漏。即，为了针对较高的外压载荷维持密封性能，公扣的壁厚越厚越好。
另一方面，为了使金属密封部在整周范围不中断地均匀地进行密封接触，特别需要使公扣侧的金属密封部的壁厚在整周范围均匀(母扣侧特别是组合型的母扣侧通常被进行内外切削，因此周向的壁厚的偏差较小)。因此，特别是在无缝钢管那样的内周面的偏心壁厚偏差较大的钢管设置螺纹接头的情况下，切削公扣顶端的内周面，使金属密封部的壁厚均匀。
但是，发明人认为，若过度切削公扣顶端的内周面，则外压密封性能受损，因此对于公扣顶端的内周面的切削而言存在适当的长度。
[内压密封性能]
当施加内压载荷时，施加于公扣的特别是金属密封部与外螺纹之间的内周面的内压起到使公扣的该部分扩径的作用，将公扣密封面更强力地按压于母扣密封面，具有增大密封接触力而提高密封性能的效果。
另一方面，施加于母扣的比金属密封部靠内里侧的内表面(在组合型的情况下为夹在两端的接头的金属密封部之间的内周面)的内压起到使母扣的该部分扩径的作用，使母扣密封面要自公扣密封面分开，起到减小密封接触力而降低密封性能的作用。
即，根据基于内压载荷的上述公扣密封部的按压效果和上述母扣密封部要分开的作用中的哪一者较大，来决定内压施加下的密封性能变好还是变差。发明人认为，这些效果、作用的大小由公扣密封部周边、母扣密封部周边的变形的难度(刚度)即壁厚之比决定，本发明的发明人发现，为了维持提高内压密封性能，存在适当的公扣密封部和母扣密封部的壁厚比。
[本实施方式的概要]
在将上述的技术思想具化时，发明人注意到：控制由密封干涉量引起的公扣唇的弯躬变形和由外压载荷引起的公扣唇的缩径变形的是公扣唇的内周面的切削长度，使用弹塑性有限元法对适当的范围进行了深入研究，结果发现较佳的是将公扣唇的圆筒状内切削面的末端设于从公扣密封部的密封点到外螺纹的始端之间。
对于上述内容，换言之，若将公扣唇的管轴线方向的长度设为L，将公扣密封面的密封点的距公扣顶端的距离设为Ls，将从公扣顶端到圆筒状内切削面的末端的长度设为Lm，则该适当范围为L＞Lm＞Ls。
发明人进一步通过弹塑性有限元分析对内压密封性能的提高效果显著的密封点处的公扣的壁厚tp和密封点处的母扣的壁厚tb之比进行了研究，发现若tb/tp＞1.6，则能够得到优异的内压密封性能。
通过将从公扣顶端到圆筒状内切削面的末端的长度设为上述那样，公扣密封面在紧固中的大部分过程与母扣密封面宽幅地接触滑动，局部接触压力被抑制得较低，耐烧结性提高，并且在紧固完成时公扣唇充分地弯躬变形，主接触位置(密封点)向公扣密封面与其端部的曲率面的分界移动，接触宽度变窄且局部接触压力变高，由此密封性能提高。沿着螺纹的间隙进入到密封点的近前的外压要使公扣整体缩径，但由于在公扣的内切削(innermachining)中成为薄壁的是比螺纹部靠顶端侧的部分，因此即使该部分要因外压而缩径，也能够在相邻的螺纹部的刚度的作用下将缩径余量抑制得较小，能够抑制外压密封性能的降低。由于母扣密封部的壁厚比公扣密封部的壁厚大得多，因此作用于公扣金属密封部与外螺纹之间的内表面的内压将公扣密封面按压于母扣密封面的效果胜于母扣密封面因内压而扩径的作用，内压密封性能也提高。
基于以上那样的见解，本发明的发明人发明了以下的螺纹接头。
1个实施方式的螺纹接头用于将两根钢管相互连接，该螺纹接头包括：管状的公扣，其形成于钢管中的一个钢管的顶端部；以及管状的母扣，其供公扣插入而与公扣紧固。公扣包含：公扣唇，其形成于公扣的顶端部；外螺纹，其在比公扣唇远离公扣的顶端的那一侧形成于公扣的外周；公扣金属密封部，其形成于公扣唇的外周；圆筒状内切削面，其在距公扣的顶端预定的范围内形成于公扣唇的内周，在纵剖面中与钢管的轴线平行地形成，具有比一个钢管的内径大的直径；以及退避面，其在圆筒状内切削面与一个钢管的内周面之间形成于公扣唇的内周，与圆筒状内切削面和一个钢管的内周面连接。公扣金属密封部包含：锥状的公扣密封锥面，其具有随着靠近公扣的顶端而逐渐变小的直径；以及公扣密封曲率面，其与公扣密封锥面平滑地连接，在纵剖面中为向外侧凸起的凸状。母扣包含：内螺纹，其与外螺纹对应，形成于母扣的内周；以及母扣金属密封部，其与公扣金属密封部相对，形成于母扣的内周。母扣金属密封部包含锥状的母扣密封锥面，该母扣密封锥面与公扣密封锥面相对，形成于母扣的内周，在紧固前与公扣密封锥面平行且具有比公扣密封锥面的直径小预定的密封干涉量的直径。公扣金属密封部在紧固完成时在公扣密封锥面与公扣密封曲率面的分界与母扣金属密封部密封接触。螺纹接头满足以下的式(1)和式(2)。
L＞Lm＞Ls (1)
tb/tp＞1.6 (2)
式(1)中，L是公扣唇的钢管的轴向上的长度。Lm是从公扣的顶端到圆筒状内切削面的末端的钢管的轴向上的长度。Ls是公扣的顶端与上述分界之间的钢管的轴向上的距离。式(2)中，tb是在紧固完成时与上述分界接触的位置处的母扣的壁厚。tp是上述分界处的公扣的壁厚。
另一个实施方式的螺纹接头用于将两根钢管相互连接，该螺纹接头包括：管状的公扣，其形成于钢管中的一个钢管的顶端部；以及管状的母扣，其供公扣插入而与公扣紧固。公扣包含：公扣唇，其形成于公扣的顶端部；外螺纹，其在比公扣唇远离公扣的顶端的那一侧形成于公扣的外周；公扣金属密封部，其形成于公扣唇的外周；圆筒状内切削面，其在距公扣的顶端预定的范围内形成于公扣唇的内周，在纵剖面中与钢管的轴线平行地形成，具有比一个钢管的内径大的直径；以及退避面，其在圆筒状内切削面与一个钢管的内周面之间形成于公扣唇的内周，与圆筒状内切削面和一个钢管的内周面连接。公扣金属密封部包含锥状的公扣密封锥面，该公扣密封锥面具有随着靠近公扣的顶端而逐渐变小的直径。母扣包含：内螺纹，其与外螺纹对应，形成于母扣的内周；以及母扣金属密封部，其与公扣金属密封部相对，形成于母扣的内周。母扣金属密封部包含：锥状的母扣密封锥面，其与公扣密封锥面相对，形成于母扣的内周，在紧固前与公扣密封锥面平行且具有比公扣密封锥面的直径小预定的密封干涉量的直径；以及母扣密封曲率面，其与母扣密封锥面平滑地连接，在纵剖面中为向内侧凸起的凸状。公扣金属密封部在紧固时在母扣密封锥面与所述母扣密封曲率面的分界与母扣金属密封部密封接触。螺纹接头满足以下的式(1)和式(2)。
L＞Lm＞Ls (1)
tb/tp＞1.6 (2)
式(1)中，L是公扣唇的钢管的轴向上的长度。Lm是从公扣的顶端到圆筒状内切削面的末端的钢管的轴向上的长度。Ls是公扣的顶端与在紧固完成时与上述分界接触的位置之间的钢管的轴向上的距离。式(2)中，tb是分界处的母扣的壁厚。tp是在紧固完成时与上述分界接触的位置处的公扣的壁厚。
优选的是，螺纹接头满足以下的式(3)。
Lm＞Lp (3)
式(3)中，Lp是公扣的顶端与公扣金属密封部的外螺纹侧的端之间的钢管的轴向上的距离。
也可以是，公扣还包含公扣台肩，该公扣台肩形成于公扣唇的顶端面。也可以是，母扣还包含母扣台肩，该母扣台肩与公扣台肩相对，在紧固时与公扣台肩接触。
也可以是，公扣密封锥面和母扣密封锥面在紧固前具有1～22度的锥角。
也可以是，公扣密封曲率面或母扣密封曲率面在紧固前具有80mm以下的曲率半径。
也可以是，退避面为锥状。
也可以是，退避面在紧固前具有5～30度的锥角。
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，不重复相同的说明。
[第1实施方式]
图1是表示第1实施方式的钢管用螺纹接头1的概略构造的纵剖视图。如图1所示，螺纹接头1用于将两根钢管2相互连接。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的顶端部。母扣20供公扣10插入而与公扣10紧固。
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2。管接头3包含两个母扣20。
不过，螺纹接头1也可以是整体型。如图2所示，整体型螺纹接头1也用于将两根钢管2相互连接，包括公扣10和母扣20。在整体型螺纹接头1中，一个钢管具备公扣10，另一个钢管具备母扣20。
在图1和图2中，CL表示钢管2的轴向(以下简称为“管轴线方向”。)。
如图3所示，公扣10包含公扣唇11、外螺纹12、公扣金属密封部13、圆筒状内切削面14以及退避面15。公扣唇11形成于公扣10的顶端部。外螺纹12在比公扣唇11远离公扣10的顶端AP的那一侧形成于公扣10的外周。公扣金属密封部13形成于公扣唇11的外周。圆筒状内切削面14在距公扣10的顶端预定范围Lm内形成于公扣唇11的内周，在纵剖面中与钢管2的轴线(以下简称为“管轴线”。)平行地形成，具有比钢管2的内径大的直径。退避面15在圆筒状内切削面14与钢管2的内周面18之间形成于公扣唇11的内周，与圆筒状内切削面14和钢管2的内周面18连接。
公扣金属密封部13包含公扣密封锥面16和公扣密封曲率面17。公扣密封锥面16具有随着靠近公扣10的顶端AP而逐渐变小的直径，为锥状。公扣密封曲率面17与公扣密封锥面16平滑地连接，在纵剖面中为向外侧凸起的凸状。具体而言，也可以是，公扣密封曲率面17与公扣密封锥面16在切线方向上连接。更具体而言，也可以是，公扣密封曲率面17和公扣密封锥面16以在连接点处公扣密封曲率面17的法线与公扣密封锥面16的法线一致的方式连接。
如图4所示，母扣20包含内螺纹21和母扣金属密封部22。内螺纹21与外螺纹12对应，形成于母扣20的内周。母扣金属密封部22与公扣金属密封部13相对，形成于母扣20的内周。
母扣金属密封部22包含母扣密封锥面23。母扣密封锥面23与公扣密封锥面16相对，形成于母扣20的内周。如图5所示，母扣密封锥面23在紧固前与公扣密封锥面16平行且具有比公扣密封锥面16的直径小预定干涉量(2×ΔS)的直径。
如图6所示，公扣金属密封部13在紧固时在公扣密封锥面16与公扣密封曲率面17的分界SP与母扣金属密封部23密封接触。
螺纹接头1满足以下的式(1)和式(2)。
L＞Lm＞Ls (1)
tb/tp＞1.6 (2)
式(1)中，L是公扣唇11的管轴线方向CL上的长度。Lm是从公扣10的顶端AP到圆筒状内切削面14的末端的管轴线方向CL上的长度。Ls是公扣10的顶端AP与分界SP之间的管轴线方向CL上的距离。
式(2)中，tb是在紧固完成时与分界SP接触的位置处的母扣20的壁厚。tp是分界SP处的公扣10的壁厚。
优选的是，螺纹接头1满足以下的式(3)。
Lm＞Lp (3)
式(3)中，Lp是公扣10的顶端AP与公扣金属密封部13的外螺纹12侧的端EG之间的管轴线方向CL上的距离。
在本实施方式中，公扣10还包含公扣台肩19。公扣台肩19形成于公扣唇11的顶端面。母扣20还包含母扣台肩29。母扣台肩29与公扣台肩19相对，在紧固时与公扣台肩19接触。公扣密封锥面16和母扣密封锥面23在紧固前具有1～22度的锥角。公扣密封曲率面17在紧固前具有80mm以下的曲率半径。退避面15为锥状。退避面15在紧固前具有5～30度的锥角。
设为Lm＞Ls的理由：
钢管用螺纹接头的金属密封部通过利用由于密封干涉量而缩径的公扣金属密封部和扩径的母扣金属密封部要恢复到原来的直径的弹性恢复力而在整周范围密合接触，从而发挥密封性能。该弹性恢复力的大小与公扣和母扣各自的密封部的刚度密切相关，壁厚越厚(越难以变形)则弹性恢复力越大，壁厚越薄(越易于变形)则弹性恢复力越小。若在周向上金属密封部的壁厚存在偏差，则密封接触力也在周向上发生偏差而形成强接触的部分、弱接触的部分，容易自弱接触的部分发生泄漏，密封性能变得不稳定。为了使密封部整周均匀地密合接触，需要(作为公扣和母扣的密封部中的壁厚较薄的一者的)公扣密封接触部和比公扣密封接触部靠顶端侧的部位的壁厚整周均匀。
设为Lm＞Ls的原因在于，根据上述理由，使公扣密封部和比公扣密封部靠顶端侧的部位的壁厚整周均匀而使密封性能稳定。若为Lm＜Ls，则特别是在无缝钢管中，周向的壁厚的偏差的影响波及到公扣密封部，无法得到整周均匀的密封密合，密封性能变得不稳定。
[第2实施方式]
图7～图10所示的第2实施方式的螺纹接头1与图3～图6所示的第1实施方式的螺纹接头1在以下的方面不同。即，在第1实施方式中，公扣密封锥面16比母扣密封锥面23短，与此相对，在第2实施方式中，母扣密封锥面23比公扣密封锥面16短。另外，在第1实施方式中，公扣金属密封部13包含公扣密封曲率面17，该公扣密封曲率面17与公扣密封锥面16平滑地连接，在纵剖面中为向外侧凸起的凸状，与此相对，在第2实施方式中，母扣金属密封部22包含母扣密封曲率面27，该母扣密封曲率面27与母扣密封锥面23平滑地连接，在纵剖面中为向内侧凸起的凸状。
第2实施方式的螺纹接头1也与第1实施方式的螺纹接头1同样地满足以下的式(1)和式(2)。
L＞Lm＞Ls (1)
tb/tp＞1.6 (2)
式(1)中，L是公扣唇11的管轴线方向上的长度。Lm是从公扣10的顶端AP到圆筒状内切削面14的末端的管轴线方向CL上的长度。Ls是从公扣10的顶端AP与在紧固完成时与上述分界SP接触的位置(SP)之间的管轴线方向CL上的距离。
式(2)中，tb是上述分界SP处的母扣20的壁厚。tp是在紧固完成时与上述分界SP接触的位置处的公扣10的壁厚。
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，实施了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，使用了图1所示的组合型螺纹接头。共通的试验条件如下。
钢管的尺寸：9-5/8英寸，53.5#
(外径：244.48mm，壁厚：13.84mm)
材料等级：AP(American Petroleum Institute)标准L80钢
(屈服强度：552N/mm2，弹性系数：210kN/mm2，泊松比：0.3)
螺纹的形状和尺寸：API偏梯型的梯形螺纹
(载荷面角度：-3度，插入面角度：10度，外螺纹高度：1.978mm，螺距：6.35mm(4TPI)、螺纹锥度：1/16)
公扣唇的长度(L)：15mm
公扣和母扣密封锥面的锥角：15度
公扣和母扣密封曲率面的曲率半径：5mm
退避面的锥角：15度
在上述共通的试验条件下，如以下的表1所示，制作出17种螺纹接头(模型)。
[表1]
＜评价方法＞
分析(1)：
螺纹接头的紧固模拟分析
在进行公扣和母扣的紧固时，自台肩抵接进一步旋转1/100圈。
分析(2)：
内压密封性能评价分析
将钢管的屈服强度100％的单纯内压施加于从接头内表面(钢管内表面)到金属密封部的整个表面。
分析(3)：
外压密封性能评价分析
将API5C3标准的坍塌压力100％的单纯外压施加于从接头外表面(钢管外表面)到金属密封部的整个表面。
在分析(1)中，评价了紧固中的烧结容易程度。作为烧结容易程度的指标，使用了在公扣唇的外周面的特定位置处在紧固过程(自台肩抵接旋转1/100圈)中产生的接触压力的积分量Pintegral(接触压力×滑动距离)。接触压力的积分量Pintegral是在公扣唇的外周面的特定位置产生的摩擦热量的指标，该值越小则烧结风险越低。
表1示出了各模型的Pintegral的最大值。除了模型2以外，在模型1、3～17中，密封部锥度失配为0度，也就是说，公扣密封锥面与母扣密封锥面平行。判断出：模型1、3～17的Pintegral比模型2的Pintegral低，模型1、3～17的烧结风险比模型2的烧结风险低。
在分析(2)中，评价了内压密封性能。如图11所示，若对仅管接头的外径不同的模型1、13、17比较施加内压时的峰值接触压力，则判断出：模型1、13的峰值接触压力比模型17的峰值接触压力大，模型1、13的内压密封性能优异。
在分析(3)中，评价了外压密封性能。如图12所示，若对密封点的位置Ls和管接头的外径(C/P OD)相同的模型标记施加外压时的峰值接触压力，则判断出：圆筒状内切削面的长度Lm比公扣唇的长度L(＝15mm)长的模型6、8、10、11、15、16的外压密封性能较低。
若综合分析(1)和(3)的结果，则判断出：模型1、4、7、9、13、14均如图13所示，基于密封干涉量的弯躬角充分，并且，即使在施加外压时也具有较高的峰值接触压力，因此兼具优异的耐烧结性和外压密封性。并且，基于分析(2)的结果，判断出：若为tb/tp＞1.6，则内压密封性能也优异。
基于以上的结果，判断出：与其他模型相比，模型1、4、7、9、13、14的耐烧结性优异且内压密封性和外压密封性也优异。
附图标记说明
1、螺纹接头；2、钢管；10、公扣；11、公扣唇；12、外螺纹；13、公扣金属密封部；14、圆筒状内切削面；15、退避面；16、公扣密封锥面；17、公扣密封曲率面；18、钢管的内周面；19、公扣台肩；20、母扣；21、内螺纹；22、母扣金属密封部；23、母扣密封锥面；27、母扣密封曲率面；29、母扣台肩；ΔS、密封干涉量；SP、分界(密封点)；L、公扣唇的长度；Lm、从公扣的顶端到圆筒状内切削面的末端的长度；Ls、公扣的顶端与密封点之间的距离；tb、密封点处的母扣的壁厚；tp、密封点处的公扣的壁厚。
Claims (8)
1.一种螺纹接头，其用于将两根钢管相互连接，其中，
该螺纹接头包括：
管状的公扣，其形成于所述钢管中的一个钢管的顶端部；以及
管状的母扣，其供所述公扣插入而与所述公扣紧固，
所述公扣包含：
公扣唇，其形成于所述公扣的顶端部；
外螺纹，其在比所述公扣唇远离所述公扣的顶端的那一侧形成于所述公扣的外周；
公扣金属密封部，其形成于所述公扣唇的外周；
圆筒状内切削面，其在距所述公扣的顶端预定的范围内形成于所述公扣唇的内周，在纵剖面中与所述钢管的轴线平行地形成，具有比所述一个钢管的内径大的直径；以及
退避面，其在所述圆筒状内切削面与所述一个钢管的内周面之间形成于所述公扣唇的内周，与所述圆筒状内切削面和所述一个钢管的内周面连接，
所述公扣金属密封部包含：
锥状的公扣密封锥面，其具有随着靠近所述公扣的顶端而逐渐变小的直径；以及
公扣密封曲率面，其与所述公扣密封锥面平滑地连接，在纵剖面中为向外侧凸起的凸状，
所述母扣包含：
内螺纹，其与所述外螺纹对应，形成于所述母扣的内周；以及
母扣金属密封部，其与所述公扣金属密封部相对，形成于所述母扣的内周，
所述母扣金属密封部包含锥状的母扣密封锥面，该母扣密封锥面与所述公扣密封锥面相对，形成于所述母扣的内周，在紧固前与所述公扣密封锥面平行且具有比所述公扣密封锥面的直径小预定的密封干涉量的直径，
所述公扣金属密封部在紧固完成时在所述公扣密封锥面与所述公扣密封曲率面的分界与所述母扣金属密封部密封接触，
该螺纹接头满足以下的式(1)和式(2)，
L＞Lm＞Ls (1)
tb/tp＞1.6 (2)
式(1)中，
L是所述公扣唇的所述钢管的轴向上的长度，
Lm是从所述公扣的顶端到所述圆筒状内切削面的末端的所述钢管的轴向上的长度，
Ls是所述公扣的顶端与所述分界之间的所述钢管的轴向上的距离，
式(2)中，
tb是在紧固完成时与所述分界接触的位置处的所述母扣的壁厚，
tp是所述分界处的所述公扣的壁厚。
2.一种螺纹接头，其用于将两根钢管相互连接，其中，
该螺纹接头包括：
管状的公扣，其形成于所述钢管中的一个钢管的顶端部；以及
管状的母扣，其供所述公扣插入而与所述公扣紧固，
所述公扣包含：
公扣唇，其形成于所述公扣的顶端部；
外螺纹，其在比所述公扣唇远离所述公扣的顶端的那一侧形成于所述公扣的外周；
公扣金属密封部，其形成于所述公扣唇的外周；
圆筒状内切削面，其在距所述公扣的顶端预定的范围内形成于所述公扣唇的内周，在纵剖面中与所述钢管的轴线平行地形成，具有比所述一个钢管的内径大的直径；以及
退避面，其在所述圆筒状内切削面与所述一个钢管的内周面之间形成于所述公扣唇的内周，与所述圆筒状内切削面和所述一个钢管的内周面连接，
所述公扣金属密封部包含锥状的公扣密封锥面，该公扣密封锥面具有随着靠近所述公扣的顶端而逐渐变小的直径，
所述母扣包含：
内螺纹，其与所述外螺纹对应，形成于所述母扣的内周；以及
母扣金属密封部，其与所述公扣金属密封部相对，形成于所述母扣的内周，
所述母扣金属密封部包含：
锥状的母扣密封锥面，其与所述公扣密封锥面相对，形成于所述母扣的内周，在紧固前与所述公扣密封锥面平行且具有比所述公扣密封锥面的直径小预定的密封干涉量的直径；以及
母扣密封曲率面，其与所述母扣密封锥面平滑地连接，在纵剖面中为向内侧凸起的凸状，
所述公扣金属密封部在紧固完成时在所述母扣密封锥面与所述母扣密封曲率面的分界与所述母扣金属密封部密封接触，
该螺纹接头满足以下的式(1)和式(2)，
L＞Lm＞Ls (1)
tb/tp＞1.6 (2)
式(1)中，
L是所述公扣唇的所述钢管的轴向上的长度，
Lm是从所述公扣的顶端到所述圆筒状内切削面的末端的所述钢管的轴向上的长度，
Ls是所述公扣的顶端与在紧固完成时与所述分界接触的位置之间的所述钢管的轴向上的距离，
式(2)中，
tb是所述分界处的所述母扣的壁厚，
tp是在紧固完成时与所述分界接触的位置处的所述公扣的壁厚。
3.根据权利要求1或2所述的螺纹接头，其中，
该螺纹接头满足以下的式(3)，
Lm＞Lp (3)
式(3)中，
Lp是所述公扣的顶端与所述公扣金属密封部的所述外螺纹侧的端之间的所述钢管的轴向上的距离。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的螺纹接头，其中，
所述公扣还包含公扣台肩，该公扣台肩形成于所述公扣唇的顶端面，
所述母扣还包含母扣台肩，该母扣台肩与所述公扣台肩相对，在紧固时与所述公扣台肩接触。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的螺纹接头，其中，
所述公扣密封锥面和所述母扣密封锥面在紧固前具有1～22度的锥角。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的螺纹接头，其中，
所述公扣密封曲率面或所述母扣密封曲率面在紧固前具有80mm以下的曲率半径。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的螺纹接头，其中，
所述退避面为锥状。
8.根据权利要求7所述的螺纹接头，其中，
所述退避面在紧固前具有5～30度的锥角。
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