CN1136408C - 具有高紧固扭矩的两金属管的螺纹连接 - Google Patents

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Abstract

一种两个金属管的螺纹连接，包括在雄元件上的具有梯形螺齿的锥度外螺纹(3)及在雌元件上的配合的内螺纹(4)。外和内螺齿(11、12)在其螺齿齿顶的长度(13、14)小于在螺齿齿根(11、12)的。齿顶的宽度(13、14)大于相配合螺纹的齿根的宽度(15、16)。雄和雌元件拧到超过外螺纹的两个齿侧面(13、15)与内螺纹的两个齿侧面(14、13)相接触的位置。这种连接提供了高度紧密的扭矩。螺齿可包括一位于螺齿齿顶的槽。

Description

具有高紧固扭矩的两金属管的螺纹连接
技术领域
本发明涉及用于两个金属管的螺纹连接，具有带锥度的螺纹以及梯形的螺齿。
背景技术
这种连接是公知的，尤其是用于铸造管或机加工管的串列或用于油气井的油管串列。
在本说明书的以下部分中，术语“用于两金属管的螺纹连接”将包含在两个长管之间的整体连接以及在第一长管和第二短管，如管接头之间的连接二者。
美国石油学会(API)定义：
在规范API 5CT中，规定了用于油气井生产和构造的金属管和螺纹金属管连接；
并且在规范API 5B中，规定了用于这种连接的标准的带锥度的螺纹形式。
这种API螺纹连接的螺纹为梯形并且在每个雄和雌元件上包括螺齿齿根，螺齿齿顶以及两个齿侧面，即，承载齿侧面(load flank)和穿入齿侧面(stabbing flank)。
螺齿齿顶和螺齿齿根一般与螺纹的锥度平行。
被称为承载齿侧面是由于在连接受到拉力，例如由管的重量产生的拉力时，它们彼此抵靠，以使连接可以承受如此拉力。承载齿侧面位于螺纹上与穿入齿侧面相对。
当拼合(makeup)这种API连接时，取决于螺纹的锥度，在对应一给定的雄和雌元件的相对位置的给定时刻，一个元件的螺齿齿根与另一个元件的螺齿齿顶相接触。
如果，雄元件持续拧入雌元件中超过该位置，雄元件开始径向与雌元件干涉，其导致雌元件膨胀且雄元件压缩；这种干涉必需被限制以便不会产生过大的应力和变形。
径向干涉的转动的两个表面的相配合点之间的径向过盈一般被定义为在那些点的半剖面的直径公差，该公差是在连接前测得并取正，当两个表面一旦连接时，在配合点之间施加接触压力。
为了限制这种应力或变形，可以在每个雄和雌元件上提供一相对于连接轴基本横向定向的环形承载表面，承载表面被定位成在拼合过程的一给定时刻彼此抵靠，从而精确地限定了拼合完成的位置。
例如，在连接拼合结束时的位置，由到达该位置所需的扭矩决定。
利用相抵靠的承载表面定位连接具有的其他优点如下：
将连接螺纹的承载齿侧面置于其能够承受的拉应力下，该应力是工作时连接所承受的应力；
雄和雌元件的精确定位，从而在连接的雄和雌元件中每个都包括密封表面，该表面与位于相配合元件的密封表面径向干涉时，在表面间保证了高的金属接触压力，而不会有其塑性变形的风险；
由于拼合扭矩，减小了偶然脱开的风险，该连接脱开之前必需克服该拼合扭矩，并且该扭矩被适当地限定并在最小值以上。
欧洲专利EP-A-0,488,912描述了一种连接，具有一个拧入另一个的锥形螺纹，一对径向干涉的金属-金属密封表面以及一对抵靠承载表面，即在雄元件的端部的一中凹的锥形表面和在此元件的内部肩台上形成的凸出的环形表面。
这种螺纹连接可以被制成具有较高名义拼合扭矩，例如，其可达到34kN.m(250001bf.ft)，这在大多数情况下都足够了。
但是，可能需要形成具有更高扭矩的连接，尤其是对于用于多倍偏斜的井或能够在单独一点开采一宽阔区域的水平井中的铸造管。
用于在一端转动包含油管的串列(开采线)的技术的应用也允许水平井更好地加强，但是如果要在串列转动时防止螺纹元件相对彼此地转动，就要求形成的管连接具有大于串列旋转扭矩的扭矩，元件之间的转动会改变连接的使用特性，尤其是它们的密封特性。
下表1给出了用于该用途的理想的拼合扭矩的概念。
        管外径     拼合扭矩的数量级
    (mm)     (”)     (kN.m)     (lbf.ft)
    101.6-139.7     4”-5“1/2     20-34   15,000-25,000
    168.3-177.8     6”5/8-7”     27-41   20,000-30,000
    244.5     9”5/8     54-88   40,000-65,000
表1.拼合扭矩的理想数量级
如果抵靠表面的径向宽度增大的话抵靠承载表面就能承受如此扭矩而不变形，但是就不得不使用很厚的管，其可能与工作需要不相符。
从而，不得不使用抵靠承载表面以外的其他装置来吸收较高的拼合扭矩。
国际专利申请WO94/29627描述了一种具有锥度螺纹和梯形螺齿的螺纹连接，被公知为以大致燕尾形状的楔形螺纹，并具体地说为半个燕尾形。
这种螺纹被公知为楔形螺纹或具有可变宽度的螺纹，由于雄和雌螺纹的宽度从螺纹的一端到另一端以雄和雌螺纹之间相互协同的方式变化。
这种螺纹被称为“半燕尾”，是由于，其只在一侧伸出在螺齿齿根之外，在承载齿侧面上，或在穿入齿侧面上，并且由于承载齿侧面和连接轴法线间的角度和穿入齿侧面与所述法线间的角度为，使螺纹的宽度在齿顶处大于齿根处。
根据WO94/29627，当雄元件与雌元件啮合时，最窄的齿顶面对最宽的齿根并且在相配合的螺纹之间存在较大的轴向间隙。
随雄元件拧入雌元件，轴向间隙减小直到雄螺纹的齿侧面与相配合的雌螺纹的齿侧面相接触的位置。
超过那个位置，雌齿侧面与雄齿侧面相干涉并且在作为转动的函数的拼合扭矩曲线上产生一快速的升高。
根据WO94/29627的这种连接由于被扩大的表面，而确实能够承受较高的拼合扭矩，但是它具有很多重要的缺点：
首先，变宽度楔形螺纹加工成本高并难于检测。
此外，设置于负载齿侧面侧及/或穿入齿侧面侧的燕尾或半燕尾的锐角构成对切割和闪火花敏感的尖角，这种切割对连接的功能有害。
这种尖角也进入螺齿齿根，并且导致螺纹在使用时更易断。
发明内容
本发明目的是提供一种螺纹连接，其可以形成高的拼合扭矩T，免于上述缺陷，并且具体地说，提供一种螺纹连接，其加工成本低，并可以容易地操纵到位。
我们也寻求提供一种螺纹连接，从而在相当大地转动后，例如一圈或更多圈，获得理想的拼合扭矩。
同时我们也在一定的结构中确保，拼合扭矩-转动的曲线的斜度从一给定扭矩减小，导致拼合扭矩的自身抑制特性。
我们也寻求提供一种连接，其对应内部和/或外壁流体特别紧，甚至在许多拼合脱开后。
在本发明的两个金属管之间的螺纹连接包括在第一管端部的雄元件，其拧入在第二管端部的雌元件中。
雄元件具有梯形螺齿的外锥度雄螺纹，此处，在螺齿齿顶的螺纹宽度小于在螺齿齿根的螺纹宽度。
雌元件包括具有梯形螺齿的内锥度雌螺纹，具有与雄螺纹的螺齿相配合的形状。
术语“与雄螺纹相配合的雌螺纹”在此意思为雌螺纹的锥度和螺距与雄螺纹的大致相同，并且雌螺纹的螺齿形状与雄螺纹的大致相同，特别是雌螺纹的承载齿侧面和穿入齿侧面的倾斜度与雄螺纹上的相应的齿侧面的相同，与雄螺纹的一样，雌螺纹的齿顶宽度小于齿根宽度。明显地，雄螺纹的形状与雌螺纹的相互匹配。
雄和雌螺纹中每个的齿顶的宽度比相配合的螺纹的齿根宽度大。
雄元件通过拧入雌元件中到达这两个元件的一相对位置处来定位，这个位置超过了在拼合时两个雄螺纹齿侧面与两个雌螺纹齿侧面相接触的位置，从而由雌螺纹导致了雄螺纹的轴向过盈配合，反之亦然。
取决于所用的雄和雌梯形螺纹的配合形式，以及由于在齿顶的螺纹宽度低于在齿根的螺纹宽度，雄和雌螺纹径向穿入，并随在拼合过程中发生的螺纹轴向前进，由楔嵌效应楔入相配合的凹部内，并从而超过两个相配合齿侧面的接触位置，由雌螺纹导致雄螺纹的轴向过盈配合，反之亦然。
在整个齿侧面的表面上的过盈配合导致在螺纹内吸收较高程度的拼合扭矩T的可能。
这种螺纹的特征为，它们可以廉价地被制造，它们能够容易地检验并在使用时不易断裂。
EP-A-0,454,147描述了一种螺纹连接，具有锥度螺纹及梯形螺齿，其雌螺齿齿顶的宽度大于雄螺齿齿根的宽度并且当连接拼合完成时，一个元件的螺纹的两个齿侧面与相配合元件的齿侧面相接触，至少在螺纹的一部分上是这样的。
然而，在EP-A-0,454,147中，目的只在于配合齿侧面间的简单接触，甚至只部分接触，以便在该连接受到拉应力后受压应力时，由于在穿入齿侧面预先存在的轴向间隙，不会出现其的重新定位，该重新定位可以导致金属的塑性变形，尤其是密封表面，并从而在连接再次受到拉应力时可以导致渗漏的危险。为了在拼合完成时，得到这种螺齿齿侧面的简单接触，EP-A-0,454,147不得不使用用于定位元件的装置，即，在每个元件上的横向承载表面，每个承载表面可以与相配合元件的相抵靠。相配合的雄和雌穿入齿侧面被设置成在承载表面相接触之前它们之间有一最小的轴向间隙，当承载表面相接触时，这个间隙减小至零或几乎为零。一般地，这些承载表面也可以吸收拼合力矩，但是EP-A-0,454,147没有公开高拼合力矩的螺纹连接。
在本发明中，当连接拼合完成时，在两个雄和雌螺纹中的每一个的螺齿齿顶和相配合的螺齿齿根间的过盈优选地为负值或零。
更优选地，在拼合期间，当雄螺纹的两个齿侧面与其相配合的雌螺纹相接触时，在配合螺纹的齿顶和齿根之间至少存在0.15mm的径向间隙。
在一优选的变化中，当拼合完成时，在两个雄或雌螺纹的只一个螺齿齿顶和相配合的螺纹的螺齿齿根之间的径向过盈为正值。
优选地，为了由楔嵌效应获得螺纹的有效的轴向过盈配合，在雄或雌螺纹的承载齿侧面和穿入齿侧面之间的角δ小于或等于20°。
更优选地，其在7°到20°范围内，并具体地说，接近10°。
同样优选地，在承载齿侧面一侧，每个雄和雌螺纹的螺齿齿顶伸出相同螺纹的螺齿齿根之上，从而，承载齿侧面和连接轴的法线之间的角α为负值，并具有范围0到-15°之内的值。
优选地，要消弱导致作为圈数的函数的拼合扭矩曲线的斜度dT/dN过高的太剧烈的楔嵌效应，至少雄和/或雌螺纹之一包括一槽，其开在螺纹或螺齿的整个长度或一部分上的螺齿齿顶内。
这种槽增加螺纹的柔性，并稍微减小轴向的过盈配合力，并随槽具有相当的深度和宽度而更大幅度减小该力。这导致以稍微减小最大拼合扭矩的代价，相当大地减小了作为圈数的函数的拼合扭矩曲线的斜度dT/dN。从而，通过合并两种特征，可以优化最大拼合扭矩和斜度dT/dN。
法国专利FR-A-2,408,061描述了具有梯形螺齿的螺纹连接，其中，螺纹中的一个带有开在齿顶的槽。
然而，那个槽与螺纹齿侧面的结构紧密相关以产生自锁的连接，即，防止脱开：为此目的，带有槽的螺纹齿侧面的斜度与不带有槽的螺纹的齿侧面的不同，并且为，在拼合时，在弯曲力下，槽在其开口处的宽度减小，这是由于相配合的螺纹齿侧面的方向不同。
该对比文件没有公开本发明的连接装置的功能并且不能应用于具有本发明特征的螺纹，尤其是，与雄螺纹相配合的雌螺纹的形状。
优选地，根据本发明，槽深最多与螺纹深度相等并且在其开口处的槽的宽度最多为螺纹宽度的2/3，该螺纹深度为垂直于连接轴测得的在锥形包络的螺齿齿顶和螺齿齿根之间的距离，并且螺纹宽度为平行于连接轴在螺纹的中间深度处测得的。
同样优选地，槽在纵轴平面具有U形外形，带有平行或不平行的臂，或为具有倒圆的底部的V形。
非常优选地，槽的倒圆的底部具有至少0.2mm的半径以防止在槽底的应力集中。
同样优选地，每个雄和雌元件包括至少一个密封表面，每个雄的密封表面的方向大致为纵向并且在连接拼合完成时，与相配合的雌密封表面径向干涉，以便使连接密封。
同样优选地，每个雄和雌元件包括至少一个大致横向的承载表面，在连接拼合完成时，至少一个抵靠的雄承载表面与雌承载表面相抵靠以精确定位密封表面并从而限定其过盈。
然而，这种承载表面在连接拼合末期在螺纹的穿入齿侧面相接触使不起限定位置作用。
附图说明
以下附图示出了本发明的具体的非限定性实施例。
图1示出了包含本发明的螺纹连接的雌元件的管或管接头的一端的轴半剖视图；
图2示出了包含本发明的螺纹连接的雄元件的另一管的一端的轴半剖视图；
图3示出了在图1和2的元件拼合后获得的螺纹连接的轴半剖视图；
图4是图1的雌元件的几个雌螺纹的细节的半剖视图；
图5是图2的雄元件的几个雄螺纹的细节的半剖视图；
图6是图4和图5的几个螺纹的细节在拼合时的轴半剖视图，该连接为图3中所示的型式；
图7和图8示出了图4和图5的一种变形；
图9是图7和图8的几个螺纹在接合时的半剖视图；
图10是在图6的连接的两种变形中拼合力矩T作为圈数N的函数的曲线；
图11是在雌螺纹内有槽的图4的变化型式；
图12是在雄螺纹内有槽的图5的变化型式；
图13示出了在图11和12的元件的连接的两种变形中拼合力矩T作为圈数N的函数的曲线；
图14示出了本发明应用于螺纹及配合的连接。
具体实施方式
图3示出了在位于第一金属管101的一端的雄元件1和位于第二金属管102的一端的雌元件2之间的螺纹连接100，该金属管可以为长管或管接头。例如，这种螺纹连接可以构造用于油气井的铸造管或机加工管的串列(string)。
图2中所示的雄元件1包括在其外表面上的有锥度的具有梯形螺齿的雄螺纹3，以及其端部，该端部也为第一管的端部，具有环形的横向雄端面7。
图1所示的雌元件2在其内表面上具有带锥度的螺纹4，其与雄螺纹3相匹配。
管101和102通过将雄元件1上的雄螺纹3拧入雌元件2上的雌螺纹4而连接。
图3的连接在其需要特别紧时可选地在每个元件上包括附加装置，即：
a)在雄元件上，锥度一般比雄螺纹3的锥度大的外锥度雄密封表面5；例如，在直径上测得的雄密封表面5的锥度为20％；
b)在雌元件上：
锥度与雄密封表面5的锥度大致相同的内锥度雌密封表面6；
具有环形且横向的承载表面8的内肩台。
以公知的方式，雄端面7可以被中凹地斜削而具有敞口的顶半角，例如75°，在这种情况下，雌承载面8被中凸成具有相同的顶半角。
对于本发明，为可选的附加装置5、6、8在连接上作用如下。
雄密封面5径向上与雌密封面6过盈，即，连接前，在基准点其的直径比雌密封面6上的配合点的直径大，后者的直径也在连接前测得。
在拼合时，一旦密封面相接触，继续拼合导致在密封面内直径过盈增加。
拼合完成的精确位置由雄端面7抵靠在内部雌肩台的承载面8上来确定，其确定了对于密封面5、6之间的过盈的精确值。
连接完成时的位置可以由一给定的拼合力矩值标记。
凹-凸形的承载面7、8防止了承载面分离并防止了密封面之间接触压力的增加。
图4、5和6示出了本发明的连接的雄和雌螺纹的特征。
雄螺纹3(图5)是具有螺距P的锥螺纹，其的螺距表面准线21(简称螺距线)倾斜成与连接轴成角度γ，因此γ＝arctan(TT/200)，TT为相对于直径的螺纹的锥度，并以a％表示。
雄螺齿11为梯形螺齿，具有齿顶17、两个齿侧面13和15并被齿根19分隔。
螺齿齿顶17和螺齿齿根19与雄螺距线21平行。
螺纹齿侧面包括承载齿侧面13和穿入齿侧面15，后者朝向雄端面7旋转。
承载齿侧面13和穿入齿侧面15相对于连接轴的法线倾斜成角α和β，它们之间成角δ。
在图5中，在承载齿侧面13一侧，螺齿齿顶17伸出于齿根19之上，以便防止在拼合时螺纹跳齿。一般地，角α是负的，在非外伸侧上的角β是正的。
角δ也为α和β的代数和(α+β)，并且它的顶点朝向雄螺纹的外侧，因此，雄螺齿在其齿根的宽度11大于在其齿顶的宽度13。
雌螺纹4(图4)具有与雄螺纹3相匹配的特征。
雌螺纹的雌螺距线22与连接轴倾斜成角γ，该角与雄螺距线21的倾角相同。
雌螺纹的齿顶20和齿根18与雌螺距线22平行。
雌螺纹的承载齿侧面14和穿入齿侧面16相对于连接轴的法线倾斜成角α和β，它们之间成角δ，这些角度中每个都与相应的雄螺纹的角度相同。
雄螺齿齿顶17的宽度13稍大于雌螺齿齿根18的宽度16，例如大0.2mm。
雌螺齿齿顶20的宽度14稍大于雄螺齿齿根19的宽度15，例如大0.2mm。
当雄螺纹3拧入雌螺纹4时，在如图6所示的给定时刻，雄螺齿11的两个齿侧面13、15基本在整个齿侧面的深度上与雌螺齿12的两个齿侧面14、16相接触。
这是由于雄和雌螺纹的齿顶的宽度13、14大于相配合的齿根16、15的宽度以及具有11＞13及12＞14的螺纹的梯形形状这些事实。
如果继续进行拼合，雄螺齿11径向穿入并楔入雌螺齿的凹部内，并且相似地，雌螺齿12径向掩盖并楔入雌螺齿的凹部内。
为此原因，雄螺纹齿侧面和雌螺纹齿侧面存在轴线过盈配合，且这对于显著增加继续进行拼合的扭矩是必需的。其导致作为圈数N的函数的拼合力矩的曲线的非常陡的斜度dT/dN，这取决于在大致整个深度和长度上相接触的过盈配合齿侧面的表面积。
斜度dT/dN是以下参数的函数，即，元件的金属的弹性模量、螺纹的锥度TT、螺纹长度、其中径、螺齿深度、螺齿的齿侧面之间的角度δ、以及雄和雌螺齿间的摩擦系数。从而，有可能预测斜度dT/dN。
为了使雄和雌螺齿能够径向穿入相配合的凹部，由螺齿侧面11、12形成的楔形的角度δ优选地不太大，并例如保持在20°以下。
太小的角度δ也不合适，由于更难于实现楔嵌现象；优选地，角度δ在范围[7°，20°]之内，具有10°的角δ是优选的。
选择螺齿具有承载齿侧面13、14，该齿侧面具有负角α，例如α＝-3°，也使角β能够被利用，+13°的β角具有足够大的斜度以使螺齿能够容易地啮合。
拼合扭矩T的最大允许值由元件材料的弹性极限决定。从而，有可能预测拼合扭矩的最大允许值。
在不过渡挤压雄和雌元件情况下，为了获得优化的楔嵌效果以及使连接前置于螺齿上的润滑脂可流动，应避免两个雄和雌螺纹(3、4)的每一个的螺齿齿顶(17、20)和相配合的螺纹(4、3)的螺齿齿根(18、19)之间的任何径向过盈；从而螺纹可以被设计为当拼合完成时，两个雄和雌螺纹的每一个的螺齿齿顶和相配合的螺纹的螺齿齿根之间的过盈为负值或零，尤其在它们的宽度上。
特别地，螺纹可以设计为：在两个齿侧首次接触时(图6)，雄螺齿齿顶17和雌螺纹的凹部18之间的径向间隙的值x1以及雌螺纹的齿顶20和雄螺纹的凹部19之间的径向间隙值x2至少为0.15mm。
不是为了避免在两个雄和雌螺纹(3、4)的每一个的螺齿齿顶和相配合的螺纹(4、3)的螺齿齿根之间任何径向过盈，在一变形中，螺纹71、72，尤其是在宽度和深度上可以被设计成，在拼合完成时，在雄或雌螺纹之一的螺齿齿顶和相配合的螺纹的螺齿齿根之间产生一径向过盈。
这种变形示于图7、8和9中，分别为雌螺纹4、雄螺纹3以及二者的连接；当拼合完成时(图9)，在雄螺齿齿顶77和雌螺齿齿根78之间存在间隙x，而雌螺齿齿顶80与雄螺齿齿根79径向过盈。这种布置对拼合力矩的大小影响相对小。
对这个变形优选的是，雌螺齿齿顶80和雄螺齿齿根79之间的接触发生在配合齿侧面73、74、75、76之间接触之前。
图10示出了拼合力矩T作为圈数N的函数的曲线，该曲线是对于用于图6中所示的连接的管中的以下几何参数。
管直径：177.80mm
管厚度：10.36mm(291b/ft)；
管材料：低合金钢，屈服应力≥551Mpa；
每英寸螺纹5个螺齿；
螺纹锥度：在直径上(γ＝1.79°)TT＝6.25％；
承载齿侧面的角α＝-3°；
穿入齿侧面的角β：+9°和+13°；
齿侧面之间的角δ：6°和10°。
在这个曲线上，横坐标轴N＝0对应在相配合的螺齿的两个齿侧面13-14和15-16上首次接触。
对于β＝+9°(δ＝6°)的螺纹，对应44.5kN.m/圈的斜度，在0.8圈处获得大于35kN.m(260001bf.ft)的扭矩。
对于β＝+13°(δ＝10°)的螺纹，对应97.5kN.m/圈的斜度，在0.47圈处获得45.9kN.m(338501bf.ft)的扭矩。
这种具有过盈配合螺纹齿侧面的螺纹使雄和雌元件能够以很大扭矩拼合，该扭矩不需抵靠，而是由一圈雄和雌元件的一部分的旋转得到的，该扭矩可能被证实是不足够的，尤其在雄和雌元件上设置有密封表面时，例如，图3中的5、6那样。
在这种密封表面之间的给定的接触压力的增大需要在密封表面相接触后，一元件相对另一元件转动一圈，以及需要在拼合完成时雄和雌元件的准确定位，该定位是利用由两个横向承载表面如图3中的7、8构成的抵靠物得到的。
考虑到适于雄和雌元件的制造公差，在使用具有图4、5、6的型式的过盈配合的螺纹齿侧面、图3中所示型式的密封表面和横向的抵靠承载表面时，难于保证满意的密封。
减小螺齿侧面间的角δ将一定会减小作为圈数的函数的拼合扭矩的曲线的斜度，而除非采用一小于-15°的大的负角α，但这是不合乎要求的，这必将显著减小穿入齿侧面的角度β，这也是不合乎要求的。
如图11和12所示的螺齿形状可以解决名义拼合扭矩的较高的值和10kNm/圈的数量级的不太大值，例如，作为圈数的函数的扭矩曲线的斜度dT/dN的值之间的相容性的问题。
图11和图12的螺纹在图3中所示的用密封表面和抵靠面连接的情况下是特别优选的。
图12的雄螺纹如图5所示具有：相对于连接轴的法线倾斜成负角α的承载齿侧面33，相对同一法线倾斜成正角β的穿入齿侧面35，螺齿齿顶39，并且被螺齿齿根37分隔。
与图12中的雄螺纹31的特征相对应的图11的雌螺纹32的特征相对于连接轴具有与雄螺纹31相同的螺距和方向的承载齿侧面34、穿入齿侧面36、螺齿齿顶38以及螺齿齿根40。
雄和雌螺齿齿顶39、38的宽度大于相配合的螺齿齿根40、37，因此在拼合的一给定时刻，雄螺纹齿侧面33、35都与雌螺纹的相配合的螺齿34、36相接触，虽然在齿顶39、38和相配合的齿根40、37之间存在径向间隙。在一未示出的变形中，在一单个螺纹的齿顶和相配合螺纹的齿根之间可以为正的径向过盈。
雄螺纹31具有一开在齿顶39内的槽61，槽的形状为V形，具有倒圆的底部，并且其中V形的轴基本与连接轴垂直。
径向测得的槽61的深度为雄螺齿的深度的65％，并且其底部为半径为0.4mm的圆弧。
槽61的V形的两个臂之间的角度为35°，并且在图12的雄螺纹31内产生的在其齿顶的开口处的槽宽为在雄螺齿中间深度测得的宽度的34％。
雌螺纹32在雌螺齿38的齿顶内开有一槽62，具有与雄螺纹31内的槽61相同的几何形状，并且与槽61以相同的方式设置在雌螺齿中。
这些槽61、62使每个在两个齿侧面33、34、35、36上承受压应力的螺纹31、32变形为两个悬臂梁63+65、64+66，承受弯曲应力。
合成的弹性导致当连接形成时在齿侧面的同时接触的点上的过盈配合的力减小，并且，导致作为旋转的函数的拼合扭矩曲线的斜度dT/dN的减小。
在螺齿齿顶开口处的槽深和槽宽作为参数，其在获得作为转动的函数的拼合扭矩的曲线的斜度dN/dT时起作用，该斜度不太大，例如为20kN.m/圈的数量级。
槽的深度必须小于或等于螺纹深度，否则其将连接结构减弱到不可接收的程度。
在齿顶开口处的槽宽必须小于或等于螺齿在其中间高度处测得的宽度的2/3，以保持在悬臂63、64、65、66的水平面的足够强度。
用于槽底的0.4mm的半径抑制了在槽底的应力集中。
在图13中的曲线E示出了具有槽的这种螺纹结构，其允许用超过用于在研究中(27kN.m：见表1)的管尺寸的最小理想值的名义扭矩来拼合。拼合扭矩的曲线的斜度dT/dN变形超过25kN.m；斜度在起始处为24kN/圈的数量级并且其将25kN.m以上的减小为9kN.m/圈左右，这就本身限制了拼合扭矩并精确地定为抵靠和密封表面。通过对比，图13中的曲线D涉及相似的螺纹但没有槽，并且具有40kN/圈的相对恒定的斜度。
本发明的连接可以多种变形来加工；在此描述的实施例并不是限制。
特别是，本发明可以应用于以下二者：
整体的螺纹连接100，设置在第一长金属管101的端部的雄元件1和设置在第二长金属管102端部的雌元件2；
以及应用于图14所示的螺纹及管接头连接中，其中在端部包含雄元件1、1’的两个长金属管101、101’通过金属管接头202连接，该管接头202在其每端具有雌元件2、2’，这种螺纹及管接头连接使用两个本发明的螺纹连接100、100’。

Claims (15)

1.一种用于两个金属管的螺纹连接(100)，包括在第一金属管末端的雄元件(1)，其拧入在第二金属管末端的雌元件(2)中，雄元件(1)包括带有梯形螺齿(11、71、31)的外锥螺纹(3)，螺齿包括两个齿侧面，即承载齿侧面(13、73、33)和穿入齿侧面(15、75、35)，在雄螺齿齿顶(17、77、39)的螺纹宽度(13)小于在雄螺齿齿根的螺纹宽度(11)，雌元件(2)包括带有梯形螺齿(12、72、32)的内锥雌螺纹(4)，所述螺齿具有与雄螺纹(3)相配合的形状，在每个雄和雌螺纹的螺齿齿顶的宽度(13、14)大于所配合的螺齿齿根的宽度(16、15)，其特征在于，雄元件(1)通过拧入雌元件(2)内到达一这两个元件的相对位置，所述位置超过在拼合过程中雄螺齿(11、71、31)的两个齿侧面(13、15、73、75、33、35)与雌螺齿(12、72、32)的两个齿侧面(14、16、74、76、34、36)相接触的位置，以便由雌螺纹产生雄螺纹的轴向过盈配合。
2.如权利要求1所述的螺纹连接，其特征在于，在拼合完成时，两个雄和雌螺纹(3、4)的每一个的螺齿齿顶(17、20)和相配合的螺纹(4、3)的螺齿齿根(18、19)之间的径向过盈为零或存在径向间隙。
3.如权利要求1或2所述的螺纹连接，其特征在于，在拼合过程中，当雄螺齿的两个齿侧面(13、15)与其雌配合齿侧面相接触时，在相配合的螺齿齿顶和齿根之间存在至少0.15mm的径向间隙(x1，x2)。
4.如权利要求1所述的螺纹连接，其特征在于，在拼合结束时，两个雄和雌螺纹(3、4)的其中之一的螺齿齿顶(77、80)和相配合螺纹(4、3)的螺齿齿根(78、79)之间的径向过盈为正。
5.如权利要求1，2和4中任一项所述的螺纹连接，其特征在于，雄或雌螺齿的承载齿侧面(13、14、73、74、33、34)和穿入齿侧面(15、16、35、36、75、76)之间的角δ为20°或更小。
6.如权利要求5所述的螺纹连接，其特征在于，角δ在7°到20°范围内。
7.如权利要求1，2和4中任一项所述的螺纹连接，其特征在于，对于每个雄和雌螺纹(3、4)，在承载齿侧面(13、14、73、74、33、34)上，螺齿齿顶(17、20、77、80、39、38)伸出螺齿齿根(19、18、79、78、37、40)之上，所述承载齿侧面与连接轴法线之间的角(α)在0到-15°范围内。
8.如权利要求1，2和4中任一项所述的螺纹连接，其特征在于，至少雄和/或雌螺纹(3、4)中的一个包括槽(61、62)，其在螺纹长度的整个或一部分上开在螺齿齿顶(39、38)内。
9.如权利要求8所述的螺纹连接，其特征在于，槽(61、62)的深度最多等于螺纹的深度。
10.如权利要求8所述的螺纹连接，其特征在于，槽(61、62)在其螺齿齿顶(39、38)内的开口处的宽度最多为在螺纹中间深度处测得的螺纹宽度的2/3。
11.如权利要求8所述的螺纹连接，其特征在于，槽(61、62)具有U形或带有倒圆的底部的V形的形状。
12.如权利要求1，2和4中任一项所述的螺纹连接，其特征在于，每个雄和雌元件(1、2)包括至少一个密封表面(5，6)，每个雄密封表面(5)具有大致纵向的取向，并且在拼合时，与相配合的雌密封表面(6)径向过盈配合。
13.如权利要求1，2和4中任一项所述的螺纹连接，其特征在于，每个雄和雌元件(1、2)包括至少一个具有大致横向取向的承载表面(7、8)，在拼合时，至少一个雄承载表面(7)与雌承载表面(8)相抵靠。
14.如权利要求1，2和4中任一项所述的螺纹连接(100)，其特征在于，其包括设置在第一长金属管(101)的端部的雄元件(1)，以及设置在第二长金属管(102)的端部的雌元件(2)。
15.一个组件，其特征在于，其包括两个如权利要求1，2和4中任一项所述的螺纹连接(100、100’)，以连接两个长金属管(101、101’)，所述长金属管在它们的端部包括雄元件，而每个螺纹连接在一金属管接头的端部设置有雌元件。
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Assignor: Vallourec Mannesmann Oil & Gas France|Sumitomo Metal Industries Ltd.

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Denomination of invention: Threaded connection of two metal tubes with high tightening torque

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License type: General permission

Record date: 2009.2.23

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