CN1142582A - 管用螺纹接头 - Google Patents

Abstract

本发明的管用螺纹接头涉及特别用于石油领域的金属管的头尾密封连接。该接头具有一个套筒(2)，套筒有两个带截锥形螺纹(5、6)的腔(3、4)，腔中拧有带相应螺纹(7、8)的两个金属管的阳端(9、10)，阳端具有无螺纹端区(11、12)，无螺纹端区的前壁(13、14)相互顶住，在这些区的侧壁(15、16)和相对的套筒的环形壁(17)之间有间隙。两对阳/阴止动肩(18、18-1，19、19-1)阻止拧得过紧。阳、阴螺纹牙的高度相等。

Description

管用螺纹接头

本发明的管用螺纹接头涉及为利用地热能勘探和开采油田的管子以及所有需要头尾相接的金属管的应用。

尽管本发明的螺纹接头可用于所有上述应用中，尤其可用于石油领域制造采油管或钻管中，它更适用于较大直径的管子，如用于制造套管的管子。

用于金属管的各种类型的螺纹接头都可以同时提供良好的机械特性和良好的密封性。

正因为如此，人们经常采用各端都有一个带截锥形阴螺纹的腔的接套，带有相应的截锥形阳螺纹的管端拧在其中。

在一般情况下，上述螺纹本身不能保证接头的足够的密封性，因为有间隙，在压力下石油或气体沿着螺纹流出。使用带有固体颗粒的如石墨的油脂可使渗漏延缓，但不能消除渗漏。因此，往往在这些接头上设置一个环形密封区，后者借助于伴有足够的弹性变形的拧紧，实现金属/金属的密封接触。

这就是法国1489013号专利中所述类型的密封接头。这种螺纹接头在接头的阳部件端通过一个截锥形凹面形成一个止动区，截锥形凹面支撑在相应的截锥形凸阴面上。一个靠近阳止动板的截锥形凸支承区同时支撑在截锥形凹阴面上，而保证金属/金属的密封性。欧洲91420417.7号专利申请介绍了对该类接头所作的改进。

这类密封接头非常有效，但是由于有一个在其中设置支承和止动区的根部，需要阴部件有大的厚度。

为了克服这个缺陷，欧洲0027771号专利介绍了一种使用套筒的管子的螺纹接头，其中，管子的阳端有前沿，在套筒内拧紧后，该前沿相互顶住止动。根据该专利，前沿具有特殊的外形，如截锥凹形，以便于这些支撑在套筒内壁上的前沿的直径膨胀延伸，这样在该部位实现金属/金属密封。

这样，套筒的厚度减小了，但是前沿的止动面会弹性变形，在多次拧紧/拧松的过程中，不仅上述止动面处，而且在上述面的外边和套筒内壁之间的接触部位，密封性逐步减弱。此外，随着阳端在套筒中拧紧的程度，这类接头的机械特性可能变化大，因此对于管的前沿在其中相互顶住止动的区段来说，工作条件不太有利，不太可靠。

人们在实践中寻求了大幅度地完善与改进该类接头的设计、以获得足够的密封性的可能性，还进行研究使接头的特性可靠稳定，尽管它连续不断地被拧紧拧松。尤其研究了将接头的各种不同部件的效应结合起来，使截锥形螺纹除了机械连接件的作用外，还起到真正密封的作用。这样，尝试了有效精确地控制各种不同的阳部件相对于接头的阴部件的几何位置。力求制造出的螺纹具有很大的轴向抗拉强度，同时具有很高的抗内压强度，以避免螺纹的破裂，这些螺纹还设计成在允许反复拧紧拧松很少卡死的同时具有良好的密封性。

另外，还特别研究了精确确定在工厂里实施的拧紧程度的可能性，以便有效地保证第一个阳部件在套筒的阴腔中拧得足够紧，且能够在以后例如工地上，以适当的紧度将第二个阳部件拧进同一个套筒的第二个腔中，以获得令人满意的密封性。

最终探索出一种设计，从而获得一种经济的、在工地和工厂易于操作的接头。

本发明的金属管的螺纹接头可以获得上述的研究结果。

该接头具有一个带有两个阴腔的套筒，每个阴腔都具有截锥形内螺纹，阴腔设置在同一轴线上、尺寸相同，每一个腔中都拧有带有与阴腔的螺纹相应的截锥形外螺纹的管的阳部件，阳部件在其螺纹的小直径端之外有一个无螺纹端区，后者端部有一个前壁，两个阳部件的前壁在旋紧结束后相互顶住止动。

阳部件和阴腔的尺寸使得在拧紧后，阳部件端区的前壁沿垂直于套筒轴线的平面顶住，该平面总是在精确确定的、最好紧挨着套筒中央的轴向位置上。

根据本发明，套筒中两个阴螺纹腔之间形成的轴向通道的截面的确定，是使得在两个阳部件的两个无螺纹端区的外壁与相对于套筒的上述通道的内壁之间的整个通道长度上有足够的间隙，以便能实施组装。

在装配状态，接头中两个阳部件的两个无螺纹端区的外壁与相对于套筒轴向通道的内壁之间不能保证任何金属/金属的密封性。然而，尽管没有研究过，在套筒的轴向通道的某些区段和相对于无螺纹端区的外壁的区段之间可能有非连续、非密封性的接触。

这些外壁和内壁可有不同的几何形状，它们要根据保证上述间隙的可能性来决定。例如，所述形状可以是共轴的锥形。

尤其有利的是，轴向通道的截面是圆柱形的，两个阳部件的两个无螺纹端区的外壁也一样，公共轴为接头的轴线。

为使每个阳部件在阴腔中的拧紧度能够受控、精确、足够紧但又不过紧，接头具有止动肩。这样，至少在两个阴腔之一配置一个止动肩，后者的支撑面可顶住与之相配套的阳部件上设置的相应凸肩的支撑面。

在只有一个阴腔具有一个凸肩的情况下，在进行接头组装时，应首先在该阴腔这边拧上并拧紧与之对应的阳部件。

为了避免使阳部件特殊，同时又能在它们之间区分哪些具有凸肩、哪些没有凸肩，只有一个阴腔配有凸肩的套筒的形状能使配有凸肩的阴腔在拧紧状态时，可以接受所有与之对应具有或不具有止动肩的阳部件。

最好，两个阴腔中的每一个都配一个止动肩，后者的支撑面可顶在两个阳部件的每一个上的相应凸肩的支撑面上。

两个阳凸肩的两个支撑面的每一个都在距相应的端区前壁的相等距离上，两个阴凸肩的两个支撑面位于距轴向通道的中央平面相等的距离上，一般来说，轴向通道的中央平面与套筒的中央平面相对应，在阳端区的前壁处于顶住不动的状态时，阳凸肩的支撑面之间的间距稍大于阴凸肩的支撑面的间距。根据本发明，这个微小的间距差的确定使得两个阳部件拧紧且前臂顶住之后，至少两对阳/阴凸肩中的一对在其相对的两个支撑面之间留有一个小间隙。

该小间隙预先确定，以便凭借下述阳和阴螺纹的几何图形，对应的阳部件在其阴腔中拧紧时可达到要求的程度，以获得令人满意的密封性和机械结合力，顶住的阳部件的前壁如前所述那样定位。

止动肩相对于螺纹可位于不同的位置上。

阳部件和阴腔的尺寸以及止动肩在套筒和在一个或多个阳部件上的各自位置使得在拧紧状态时，对应的螺纹之间具有精确的、完全受控的相互干预，这体现在由于下述螺纹的几何图形，在螺纹牙顶和牙根之间的接触压力上。

根据本发明，在螺纹区总长度的一部分的轴向长度(该长度包括螺纹尾扣)上，阳螺纹牙的高度为与阴螺纹牙的高度一样的恒定高度。

螺纹区总长度中，阳螺纹牙的高度与阴螺纹牙的高度相等且恒定不变的那部分最好至少等于螺纹区总长度的四分之一。

有利的是，在螺纹牙具有全高的螺纹区的整个长度上，阳螺纹牙和阴螺纹牙的高度相等。

这样，由于阳螺纹牙和阴螺纹牙选择相同的额定值及相同的公差，所以最大限度地扩大了相对的螺纹牙的牙顶和牙根之间具有金属/金属压力的接触面，牙顶和牙根之间的间隙在0.05毫米左右。

这样，将螺纹和止动肩的型面特性相结合，可在套筒的两边获得足够的受控的接触压力，以便能在避免套筒的不可控变形的同时，保证密封性。

此外，还将螺纹牙之间在轴线上的间隙、即阳螺纹侧面和阴螺纹侧面之间的间隙限制到避免咬死和卡住而所需的最小程度。

最好在拧紧状态时，以如下方式确定阳、阴螺纹的牙型，即阳/阴工作面相互间具有金属/金属的压力接触，而在啮合面上有约0.03至0.09毫米的间隙。

最好还确定阳凸肩的支撑面和阴凸肩的支撑面之间的间距差，以便阳部件在它们的阴腔中拧紧且前壁相互顶住之后，两对阳/阴凸肩的支撑面间的总间隙最好小于1毫米，平均值为0.4毫米。

本发明还涉及由两个阶段组装螺纹接头的方法。按照该实施方法，在例如工厂中进行第一管子的阳部件和套筒的预组装，将该阳部件拧紧到可以使其阳凸肩的支撑面和对应的阴凸肩的支撑面顶住。这时，通常情况下，无螺纹端区的前壁超越中央平面十分之几毫米。

在例如工地装配第二个阳部件时，旋紧的实施使两个前壁以一定的紧度相互顶住。

最好以足够大的力矩将第二个阳部件拧紧在它的腔中，以使第一个前壁稍稍后退一点，凸肩的支撑面对应于接触或者不接触的第一个阳部件，第一个前壁的后退最好不超越中央平面，最好不使第二个阳部件的对应凸肩的支撑面相接触(如有这类凸肩的话)。

两个无螺纹端区的前壁最好有一个大部分是平的、位于套筒轴线的垂直面上的环形面。

为了获得良好的轴向抗拉强度如阳螺纹在阴腔中的抗拉出强度，最好赋与阳、阴螺纹牙的工作面一个负角。该角的角度相对于螺纹轴线的垂直平面在3°至15°之间为好。

阳螺纹牙的啮合侧面最好具有一个绝对值较大的角度，以便于工具的伸入与退出。该角度相对于螺纹轴线的垂直平面，例如，约在10°至45°之间。此外，为了便于将阳部件拧进阴腔中不卡住损坏螺纹，最好也赋与啮合面的连接阳螺纹牙顶的大直径部分一个角度，有利的是，该角度相对于螺纹轴线的垂直平面为30°至70°之间。

特别是为了更好地控制螺纹加工后的尺寸，在螺纹牙为全高的螺纹区最好使阳、阴螺纹的牙顶和牙根具有一个与螺纹倾斜度平行的倾斜度。该倾斜度相对于接头的轴线约为例如2.5％至8％。

最好，阳止动肩位于小直径的螺纹区端部和无螺纹端区的起始区之间，后者伸入到两个阴腔之间的套筒的环形通道中。这样，阴止动肩位于该环形通道的两边。

对于最常用的接头，根据使用条件可采用合金或非合金碳钢部件。

对于特殊的使用条件，可采用不锈钢或耐热钢、或者其它金属或合金。

为了在接头拧紧/拧松过程中减少卡死的风险，根据本发明，采用一种合适的润滑剂，如粘度适当的润滑油或润滑脂。有利的是，可进行降低摩擦系数及避免卡死的表面处理。该处理可限于套筒，可以在部件为非合金或低合金钢时用例如磷酸锌或磷酸锰进行磷酸盐处理。经过该处理之后，可使用一种润滑油，以保证螺纹接头的装配。也可以通过电解，用适当的薄金属层代替磷酸盐处理，如铜、铬、镍、锡、铅或其它金属，并将采用与阳和阴螺纹之间的极小间隙相兼容的润滑油或润滑脂。

下列图与实例非限定性地描述了本发明的一个接头及其组装方法的实施例。

图1为本发明带有套筒的接头的剖视简图，只示出了对称轴线上方的部分。

图2为示出两个阳部件在拧紧状态相互顶住时的图1中央区域的放大图。

图3为本发明的截锥形阳和阴螺纹的组装状态放大图。

图1为螺纹接头1的剖视总装示意图，它具有一个钢套筒2，套筒2上有两个以X1-X1为轴线的阴腔3、4。阴腔3、4具有截锥形内螺纹5、6，待组装的两个钢管的阳部件9、10的截锥形外螺纹拧在阴腔3、4的截锥形内螺纹5、6中。

每个阳部件9、10在螺纹部分的小直径端32之外有一个无螺纹端区11、12，后者具有一个前壁13、14。这些尺寸一样的前壁都有一个大部分是平的环形止动面，该环形止动面位于垂直于套筒X1-X1轴线的平面上。各端区11、12的长度以下列方式确定：即当每个阳部件9、10在它的腔中拧得足够紧时，前壁13、14可以以一定的密封度相互顶住止动。因而这些前壁的止动面邻近套筒2的沿X2-X2线的中央平面。无螺纹端区11、12的外表面15、16为圆柱形，其直径小于套筒2轴向环形通道的也是圆柱形的内表面17的直径。上述两个相对的环形表面之间具有足够的间隙，为的是阳部件9、10在它们的腔3、4中拧紧及前壁13、14相互顶住压紧而造成弹性变形时，不会使上述外表面15、16和内表面17在整个周边上发生连续且密封的接触。

为了控制各个阳部件9、10在相应的阴腔3、4中的拧紧位置及避免拧得过紧，采用两对阳/阴止动肩18、18-1和19、19-1控制拧紧度。阳止动肩的两个支撑而18、19位于距离对应的端区11、12的前壁13、14相等的距离上，阴止动肩的两个支撑面18-1、19-1位于距套筒的X2-X2中央平面相等的距离上。此外，两个阴止动肩的支撑面18-1、19-1的间距在端区11、12的前表面13、14相互顶住时，比两个阳止动肩的支撑面的间距小。两个间距差以下列方式确定，即：既使两个阳部件9、10被紧紧地拧在它们的腔3、4中，同时前表面13、14相互压紧顶住时，如图1、图2所示，至少在一对支撑面如18、18-1部位仍有一个小间隙“d1”。值得注意的是，如果不考虑弹性变形，该间隙“d1”为构成止动面的相应的阳部件的前表面的平面和套筒的中央平面之间的距离的两倍。如组装例如外径为14英寸(355.6毫米)的管子，总间隙“d1”通常情况下可约为0.15至0.4毫米。

为实施本发明的螺纹接头，如图2所示，可先例如在工厂里将阳部件10和套筒2组装拧在其腔4中，直至相应的一对止动肩的支撑面19、19-1相互顶住。这时，端区12的前壁14超过X2-X2中央平面，差值大约等于总间隙“d1”的一半。端区12及其前壁14的这个位置用虚线表示。然后，例如在工地，在第一次装配时或在修理套管柱时，将另一个阳部件9拧装在其腔3中，直到它前壁13顶住前壁14。这时，会看到在相应的阳和阴止动肩的支撑面18、18-1之间有一个等于“d1”的间隙。在实践中，前表面需要顶得足够紧。这种顶紧可以引起支撑面19、19-1的分离，过紧时，还可能使表面18、18-1相接触。在前壁顶上之后，拧紧力矩很快加大，因此可以通过测量力矩和/或测量角移控制达到前壁13、14相互顶住的理想紧度所需的拧紧度。止动肩的这种设置以及如下所述的阳和阴螺纹牙型可使螺纹中的接触压力控制在理想的等级，因此，在螺纹部位获得了所需的密封度。

值得注意的是，在阳部件9拧得过紧时，在止动肩的18、18-1支撑面顶住之后，阳部件不能再前进，同时使前臂13、14之间的止动面相应后移，支撑面18、18-1的如此顶住构成螺纹接头适当拧紧的附加保险措施。

图3为根据本发明的既保证机械稳定性又保证密封性的截锥形螺纹的组装状态放大图。

在螺纹区的包括螺纹尾扣的整个长度的至少四分之一长度上，以及最好在牙高为全高的螺纹区的整个长度上，所选用的阳螺纹的牙高hm与阴螺纹的牙高hf相等，hm和hf的公差也相同，最好在±0.025毫米左右。

高度hm和hf沿接头的X1-X1轴线的一条垂直线测量，图3上只画出了与X1-X1轴线平行的X5-X5轴线。

因此，不考虑公差造成的间隙，该间隙最大为0.05毫米，拧紧状态时，图1、图2中的阳部件9的螺纹7的阳螺纹牙(如22)的牙顶(如21)与阴螺纹的位于属于套筒2的螺纹5的阴螺纹牙24和25之间的牙根23相接触。

同样，阴螺纹牙(如25)的牙顶(如27)与阳螺纹的位于属于螺纹7的阳螺纹牙22和28之间的牙根26相接触。

阳、阴螺纹的根部和顶部的切线X3-X3及X4-X4之间相互平行且相对于螺纹的X1-X1轴线的平行线X5-X5倾斜一个角度“A”。该角度可在相当宽的范围内根据管的直径和螺纹的螺距而变化，例如其值约在1.79°和3.58°之间。

为了保证阳部件9-10和阴腔3-4之间在拧紧-组装状态的相互影响，考虑到总锥度，要确定套筒2的螺纹5-6和阳部件9-10的螺纹7-8的几何图形、尺寸和加工。由于有止动肩，完全可以控制和稳定这种相互影响。这样，如图3所示，可获得一个如下所述的机械整体性强、强化的接头，因为工作面29有一个负倾斜度。

如图3所示，阳螺纹22和阴螺纹24的每个牙的工作面29的角度全都是负的，即该面相对于该工作面根部的相邻的螺纹轴线X1-X1的垂直平面向外倾斜。在本例中，该角度“B1”为-10°，最好选择约-3°至-15°的角度。值得注意的是，在阳螺纹22拧紧在阴腔23中的情况下，工作面29和它所顶靠的阴螺纹牙24的面之间没有间隙。

阳螺纹牙22的啮合面的下部30相对垂直于与该啮合面30的根部相邻的X1-X1轴线的平面向内倾斜约20°的一个角度“B2”。

该角度“B2”可在例如约10°到45°的范围内变化。该角的绝对值最好大于工作面的角的绝对值，以便于接头的加工和装配。啮合的上部可以有利地具有一个倾斜角为“B3”的切边31，在图3中，该角度相对于与切边相交的垂直于X1-X1的平面约为55°。该角B3可在例如约30°和70°之间变化。该切边如概述中所述，在定位不准确的情况下，在将阳部件拧进腔中的过程中及在开始旋拧时，可减少阳螺纹和阴螺纹之间卡住的可能性。

如图3所示，在啮合面和与阴螺纹相对的面之间保留一个小间隙“d2”，为的是在拧紧时阳、阴螺纹牙顶和它们各自的腔之间产生相互干预、造成微小的弹性变形以保证有效拧紧。

不管怎样，该间隙“d2”都应保持相当小，以便在沿着螺纹的螺旋形轨迹上不造成渗漏或不密封。

减少或堵塞渗漏的一个方法是使用一种可含有一定量的固体如石墨或铅的细小颗粒的润滑剂、润滑油或润滑脂。在重新拧紧之前可清除这些沉积的颗粒，但是要增加操作程序。因此，最好在至少一部分螺纹的轴向长度上，例如至少在三分之一的螺纹轴向总长度上，利用一个尽可能小的间隙，该间隙在啮合面上的值“d2”大约可在0.03和0.09毫米之间，在工作面上，间隙被看作零。因而使用一种粘度适当的润滑油或润滑脂可控制与宽度“d2”相应的密封度。

有利的是，对表面采取预处理，如在套筒为碳钢或低合金钢时进行磷酸锌或磷酸锰处理，并与粘度适当的润滑油相配合，以降低钢的摩擦系数。

通常，只需对套筒进行表面处理。

不进行磷酸盐处理，可采用低厚度的金属沉淀，例如铜、铬、镍、锡、铅或其它金属的电解沉淀。可在宽的非合金或合金、不锈钢或耐高温钢的系列中以及其它金属或合金中采用上述沉淀。也可采用已知的其它沉淀方法，以降低摩擦系数并防止卡死。

这样，借助于阳螺纹牙相对于阴螺纹牙的几何图形和尺寸，结合上述止动肩系统，可完善控制阴腔和阳部件之间在组装状态时的相互干预，接头的两端当作独立件进行处理和装配。

这样，尽管没有分开的螺纹金属-金属密封面，接头仍能保证在石油工业中严酷的开采条件下，不能使用标准螺纹接头时，对水或石油类液体的极高的密封性。

此外，本发明的接头的优点是经济，因为套筒无需加厚以制造阳部件的止动板的根部，且在工地装配简便，主要是借助于套筒中制成的轴向通道的构形和间隙。

这种接头尽管可用于很宽的尺寸范围内，但特别适用于组装大直径的管子，例如油井的钻管，例如外径在127毫米(5英寸)至508毫米(20英寸)的范围，上述这些实施例及尺寸毫无局限性。

本发明可包括众多的变型实施例，它们均属于权利要求的范畴。

Claims (15)

1.管用螺纹接头，它具有一个套筒(2)，套筒(2)具有两个带有截锥形内螺纹(5、6)的阴腔(3、4)，在每个阴腔中都拧有带有相应的截锥形外螺纹(7、8)的管的阳部件(9、10)，阳部件具有一个无螺纹端区(11、12)，无螺纹端区(11、12)插在套筒(2)的轴向环形通道(17)中，端区有一个前壁(13、14)，两个阳部件(9、10)的前壁在拧紧后相互顶住，其特征是：无螺纹端区(11、12)在轴向环形通道(17)中带有间隙地滑动，至少一对设置在阳部件和对应的阴腔上的阳、阴止动肩(18、18-1，19、19-1)能允许每一个阳部件(9、10)在其阴腔(3、4)中的及每一个顶住的前壁(13、14)的轴向精确定位，在螺纹区总长度的一部分的轴向长度上的阳螺纹牙高度恒定，与阴螺纹牙的高度相等，阳螺纹和阴螺纹之间形成相互干预。

2.根据权利要求1所述的螺纹接头，其特征是，它配有两对设置在两个腔和相应的阳部件上的阳、阴止动肩。

3.根据权利要求2所述的螺纹接头，其特征是，每个阳止动肩(18、19)位于阳螺纹区小直径端和无螺纹端区(11、12)的起始端之间，每个阴止动肩(18-1、19-1)位于阴螺纹区的小直径端和套筒的轴向通道的起始端之间。

4.根据权利要求2或3所述的螺纹接头，其特征是，在前壁(13、14)顶住时，阳止动肩的支撑面(18、19)的间距大于阴止动肩的支撑面(18-1、19-1)的间距。

5.根据权利要求1至4之一所述的螺纹接头，其特征是，具有高度恒定的与阴螺纹牙高度相等的阳螺纹牙的轴向长度至少等于螺纹区总长度的四分之一。

6.根据权利要求1至5之一所述的螺纹接头，其特征是，在螺纹牙具有全高的整个螺纹区的长度上，阳螺纹牙高度恒定且等于阴螺纹牙的高度。

7.根据权利要求1至6之一所述的螺纹接头，其特征是，阳螺纹牙和阴螺纹牙的工作面具有一个负角。

8.根据权利要求1至7之一所述的螺纹接头，其特征是，阳螺纹牙的啮合面的倾斜度的绝对值比工作面倾斜度的绝对值大。

9.根据权利要求1至8之一所述的螺纹接头，其特征是，啮合面的上部具有一个30°至70°的倾斜度。

10.根据权利要求1至9之一所述的螺纹接头，其特征是，阳螺纹牙啮合面(30、31)处的剩余间隙(d2)约为0.03至0.09毫米。

11.根据权利要求1至10之一所述的螺纹接头，其特征是，螺纹牙顶和牙根之间的间隙约为0至0.05毫米。

12.根据权利要求1至10之一所述的螺纹接头，其特征是，阳、阴螺纹牙的牙顶(21、27)和牙根(23、26)平行于螺纹的斜度线(X3-X3)。

13.根据权利要求1至12之一所述的螺纹接头，其特征是，套筒的表面状态由于经过降低摩擦系数和避免卡死的处理而有所改变。

14.根据权利要求1至12之一所述的螺纹接头，其特征是，前壁具有位于套筒轴线的垂直平面上的大部分是平的环形面。

15.根据权利要求1至14之一所述的螺纹接头的组装方法，其特征是，先将套筒(2)和第一个阳螺纹部件(10)拧在一起进行第一次组装，且拧紧到相对应的第一对止动肩的支撑面(19、19-1)相互顶住，然后拧进第二个阳部件(9)，直到该两个阳部件的前壁(13、14)相互顶住，同时在第二对止动肩的支撑面(18、18-1)之间保留一个间隙。

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