CN114867960A - 管用螺纹接头 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于,在将作为扭矩台肩发挥功能的中间台肩面设于二段螺纹的中间的管用螺纹接头中,实现承载有反复复合载荷的状况下的耐压缩性能的提高。通过使紧固前的母扣(3)的中间台肩面(33)与端部台肩面(34)之间的距离(LB)比紧固前的公扣(2)的中间台肩面(23)与端部台肩面(24)之间的距离(LP)大,从而在紧固完成时刻,中间台肩面(23、33)相互强力地按压接触以作为扭矩台肩发挥功能,但端部台肩面(24、34)未接触或轻微接触。以如下方式决定轴向距离之差(LB-LP):当在紧固状态的公扣(2)和母扣(3)承载有某一程度的大小的压缩载荷时,公扣(2)和母扣(3)由于压缩载荷而在轴向上稍微压缩,端部台肩面(24、34)相互按压接触以负担压缩载荷的一部分。
Description
技术领域
本公开涉及钢管等的连结所使用的管用螺纹接头。
背景技术
在油井、天然气井等(以下,也统称为“油井”。)中,为了开采地下资源,使用构筑多段井壁的套管、配置于该套管内而生产油、气的管道。上述套管、管道由多个钢管依次连结而成,该连结使用管用螺纹接头。油井所使用的钢管也被称为油井管。
管用螺纹接头的形式大致被分为整体型和组合型。整体型的管用螺纹接头例如公开于下述的专利文献1、专利文献2的图5-图7,组合型的管用螺纹接头例如公开于专利文献2的图4、专利文献3等。
在整体型中,将油井管彼此直接连结。具体而言,在油井管的一端设有内螺纹部,在另一端设有外螺纹部,向一个油井管的内螺纹部拧入另一个油井管的外螺纹部,从而将油井管彼此连结。
在组合型中,借助管状的管接头将油井管彼此连结。具体而言,在管接头的两端设有内螺纹部,在油井管的两端设有外螺纹部。并且,向管接头的一个内螺纹部拧入一个油井管的一个外螺纹部,并且向管接头的另一个内螺纹部拧入另一个油井管的一个外螺纹部,从而借助管接头将油井管彼此连结。即,在组合型中,直接连结的一对管材中的一个管材是油井管,另一个管材是管接头。
通常,形成有外螺纹部的油井管的端部包含向形成于油井管或管接头的内螺纹部插入的元素,因此被称为公扣。形成有内螺纹部的油井管或管接头的端部包含承接形成于油井管的端部的外螺纹部的元素,因此被称为母扣。
在油井管接头的最新的标准例如API 5C5 RP CAL-IV 2017中,与旧标准例如ISO-CAL IV 2002相比,Series A试验中的复合载荷椭圆的拉伸、压缩、内压、外压的各载荷增加。并且,近年,进一步进行高温高压深井的开发,油井管用螺纹接头的使用环境逐渐变得严格,特别是要求针对轴向压缩载荷的性能(在本说明书中也称为“耐压缩性能”。)的提高。
另一方面,在深井中,根据地层压力的深度分布的复杂程度,需要还增加套管的段数等,因此要求接头的最大外径即母扣的外径与油井管的管主体的外径大致相同程度的螺纹接头。母扣外径与油井管的管主体的外径大致相等的螺纹接头也被称为标准直连型(flush-type)螺纹接头。另外,母扣外径小于油井管的管主体的外径的大致108%的螺纹接头也被称为嵌入式直连型(semi-flush-type)螺纹接头。对于上述标准直连型和嵌入式直连型的螺纹接头而言,不仅要求较高的强度和密封性能,而且为了在有限的管壁厚内配置螺纹构造和密封构造,对各部位施加严格的尺寸制约。
如专利文献1所公开的那样,尺寸制约较大的标准直连型和嵌入式直连型的螺纹接头大多采用如下接头设计:在接头部的轴向中间设置中间台肩面,利用在其前后分别配置内侧螺纹部和外侧螺纹部而成的二段螺纹构成外螺纹和内螺纹。根据二段螺纹构造的接头设计,能够确保更大的危险截面的面积。
危险截面(CCS)是指当在紧固状态下承载拉伸载荷时产生最大应力的接头部分的纵截面(与管轴线正交的切断面中的纵截面)。在承载有过大的拉伸载荷的情况下,在危险截面的附近破损的可能性较高。
在油井管用螺纹接头中,拉伸载荷的自公扣向母扣的传递在整个螺纹嵌合范围沿着轴向分散。因而,公扣的作用有全部拉伸载荷的截面部分位于比螺纹嵌合范围靠公扣的管主体侧的位置,母扣的作用有全部拉伸载荷的截面部分位于比螺纹嵌合范围靠母扣的管主体侧的位置。作用有全部拉伸载荷的截面中的截面积最小的截面成为危险截面。即,在紧固状态下的外螺纹和内螺纹的啮合端中,母扣的包含与外螺纹部的顶端侧的啮合端对应的内螺纹部的螺纹槽底位置的纵截面(与管轴线正交的切断面中的纵截面)成为母扣危险截面(BCCS)。另外,在紧固状态下的外螺纹部和内螺纹部的啮合端中,公扣的包含与外螺纹部的管主体侧的啮合端对应的外螺纹部的螺纹槽底位置的纵截面(与管轴线正交的切断面中的纵截面)成为公扣危险截面(PCCS)。母扣危险截面和公扣危险截面中的面积较小的一者成为该螺纹接头的危险截面(CCS)。将危险截面的面积相对于油井管的管主体的截面积之比称为接头效率,广泛用作接头部分的拉伸强度相对于油井管主体的拉伸强度的指标。
在二段螺纹构造的螺纹接头中,也存在上述母扣危险截面和公扣危险截面。并且,在二段螺纹构造的螺纹接头中,如上所述,在接头部的轴向中间部也存在承受拉伸载荷的接头截面积变小的部位。即,在二段螺纹构造的螺纹接头中,在轴向中间存在没有螺纹嵌合的区段。在该没有螺纹嵌合的区段中,公扣和母扣所分担的拉伸载荷没有增减地沿着轴向传递。因而,在没有螺纹嵌合的区段中公扣的截面积最小的截面成为公扣中间危险截面(PICCS),在没有螺纹嵌合的区段中母扣的截面积最小的截面成为母扣中间危险截面(BICCS)。为了防止接头中间部处的断裂的产生,优选的是,使公扣中间危险截面的面积与母扣中间危险截面的面积之和比螺纹接头的危险截面(CCS)的面积大。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特表2018-536818号公报(国际公开第2017/097700号)
专利文献2:日本特开昭57-186690号公报
专利文献3:国际公开第2014/045973号
发明内容
发明要解决的问题
在专利文献1所公开的二段螺纹构造的嵌入式直连型的整体型螺纹接头中,需要在油井管的管坯的壁厚范围内形成二段螺纹构造,与使用具有与油井管相比较大的外径的管接头的组合型螺纹接头相比接头部分的强度降低,难以确保能够承受较高的压缩载荷的强度。
通常来说,为了提高压缩性能,增加负担压缩载荷的部位的公扣和母扣间的接触面积是有效的。即,认为较大地确保作为紧固时的扭矩限制部发挥功能的中间台肩面彼此的径向的接触宽度(即,接触的部分的径向宽度)有助于压缩性能的提高。
但是,若增大中间台肩面彼此的接触宽度,则会牺牲公扣和母扣的螺纹区段的管壁厚、密封区段的管壁厚,密封性能降低,并且还会导致公扣中间危险截面和母扣危险截面的面积之和减少,招致螺纹接头的拉伸强度的降低。
另外,在专利文献1所记载的螺纹接头中,在紧固时中间台肩面作为扭矩限制部发挥功能,在公扣顶端(20)和母扣的端部肩部(30)分开的状态下完成紧固。在专利文献1中完全没有提及在该紧固状态下承载有轴向压缩载荷时的动作。
因而,在专利文献1所记载的以往的螺纹接头的情况下,需要仅通过中间台肩面(26、28)彼此的接触来负担压缩载荷,难以大幅提高压缩性能。
本公开的目的在于,在二段螺纹构造的管用螺纹接头中,实现耐压缩性能的进一步的提高。
用于解决问题的方案
本公开的管用螺纹接头由管状的公扣和管状的母扣构成,通过将所述公扣拧入所述母扣来将所述公扣和所述母扣紧固。
所述公扣包括:第1外螺纹;第2外螺纹,其设于比所述第1外螺纹靠顶端侧的位置且直径比所述第1外螺纹的直径小;公扣中间台肩面,其设于所述第1外螺纹与所述第2外螺纹之间;公扣端部台肩面,其设于所述公扣的顶端;以及公扣密封面,其设于所述第2外螺纹与所述公扣端部台肩面之间。
所述母扣包括:第1内螺纹,其在紧固状态下供所述第1外螺纹嵌合;第2内螺纹,其在紧固状态下供所述第2外螺纹嵌合;母扣中间台肩面,其在紧固状态下与所述公扣中间台肩面接触;母扣端部台肩面,其与所述公扣端部台肩面对应地设置;以及母扣密封面,其设于所述第2内螺纹与所述母扣端部台肩面之间且在紧固状态下与所述公扣密封面在整周的范围接触。
在本公开的管用螺纹接头中,紧固前的所述母扣的所述母扣中间台肩面与所述母扣端部台肩面之间的轴向距离LB比紧固前的所述公扣的所述公扣中间台肩面与所述公扣端部台肩面之间的轴向距离LP大。由此,紧固过程中,在公扣中间台肩面和母扣中间台肩面开始接触的时刻公扣端部台肩面和母扣端部台肩面不接触。即,公扣中间台肩面和母扣中间台肩面作为扭矩限制部发挥功能。另一方面,在紧固完成时刻,公扣端部台肩面和母扣端部台肩面分开。或者,通过紧固,公扣顶端部相对于公扣中间台肩面向顶端侧拉伸,公扣端部台肩面向公扣顶端侧弹性变形,能够设为以作为扭矩限制部实质上不发挥功能的程度在紧固完成时刻公扣端部台肩面和母扣端部台肩面相互轻微接触的状态。
并且,在本公开的管用螺纹接头中,以如下方式决定所述轴向距离之差(LB-LP):当在紧固状态下承载轴向压缩载荷时,在所述管用螺纹接头屈服之前所述公扣端部台肩面与所述母扣端部台肩面开始接触。由此,在承载轴向压缩载荷时,公扣端部台肩面和母扣端部台肩面接触,能够使轴向压缩载荷的一部分由公扣端部台肩面和母扣端部台肩面负担,能够获得作为接头构造整体要求的屈服压缩强度。并且,通过端部台肩面彼此的接触,能够抑制公扣密封面相对于母扣密封面的轴向的偏移量,能够减小当承载较大的压缩载荷时在公扣密封面附近和母扣密封面附近蓄积的损伤,因此能够维持压缩载荷消失之后的内压密封性能。
优选的是,以如下方式决定所述轴向距离LB、LP:当在紧固状态下没有承载轴向压缩载荷时,在所述公扣端部台肩面与所述母扣端部台肩面之间形成有间隙。由此,能够使公扣端部台肩面和母扣端部台肩面并非作为扭矩台肩发挥功能,而是作为负担轴向压缩载荷的一部分的“伪台肩面(pseudo-shoulders)”发挥功能。
更优选的是,所述第2外螺纹和所述第2内螺纹以如下方式构成:当在紧固状态下没有承载轴向压缩载荷时,在所述第2外螺纹的插入面和所述第2内螺纹的插入面间形成有间隙,并且以如下方式决定所述插入面间的间隙的大小:在承载的轴向压缩载荷逐渐变大的过程中,首先所述插入面彼此开始接触,然后所述公扣端部台肩面和所述母扣端部台肩面开始接触。由此,能够由第2外螺纹和第2内螺纹负担轴向压缩载荷的一部分,能够实现耐压缩性能的进一步的提高。另外,端部台肩面彼此的接触在第2外螺纹和第2内螺纹的插入面彼此的接触开始之后开始,因此能够抑制公扣端部台肩面和母扣端部台肩面负担的压缩载荷的大小。因而,即使端部台肩面彼此的接触面积较小,也能够整体发挥优异的耐压缩性能。
优选的是,将所述公扣密封面的轴向两端连结的直线的斜度为5%以上且25%以下。若斜度大于25%,则难以确保充分的密封干涉量。若斜度小于5%,则紧固时的烧结风险变大。更优选的是,斜度能够设为10%以上且17%以下。母扣密封面也能够具有与公扣密封面同样的斜度,优选的是,母扣密封面的斜度与公扣密封面的斜度相等。公扣密封面和母扣密封面的锥母线既可以是直线,也可以呈凸状稍微弯曲,还可以局部地包含凸曲线和直线。
此外,在本说明书中,“紧固完成时刻”是指,在将公扣紧固于母扣之后,轴向载荷和内外压均未承载于螺纹接头的时刻。另一方面,“紧固状态”是指,与是否承载轴向载荷和内外压无关,公扣和母扣紧固的状态。即使在螺纹接头未被破坏的范围内,或者在公扣和母扣的密封面的接触面压不丧失的范围内,更优选在弹性区域内承载轴向载荷和内外压之后,若公扣和母扣紧固,则也是“紧固状态”。
另外,对于轴向距离LP、LB而言,它们的差(LB-LP)实质上唯一决定即可,因此统一测量基准地测量即可,轴向距离LP、LB本身不需要分别严格地定义。例如,轴向距离LB可以是母扣中间台肩面的径向内端部与母扣端部台肩面的径向内端部之间的轴向距离,在该情况下,轴向距离LP成为公扣中间台肩面的与母扣中间台肩面的径向内端部对应的部位(即,与母扣中间台肩面的径向内端部接触的部位)和公扣中间台肩面的与母扣端部台肩面的径向内端部对应的部位(即,与母扣端部台肩面的径向内端部接触的部位)之间的轴向距离。另外,轴向距离LP可以是公扣中间台肩面的径向外端部与公扣端部台肩面的径向外端部之间的轴向距离,在该情况下,轴向距离LB成为母扣中间台肩面的与公扣中间台肩面的径向外端部对应的部位(即,与公扣中间台肩面的径向外端部接触的部位)和母扣中间台肩面的与公扣端部台肩面的径向外端部对应的部位(即,与公扣端部台肩面的径向外端部接触的部位)之间的轴向距离。
发明的效果
根据本公开,在紧固完成时刻公扣端部台肩面与母扣端部台肩面不接触,或者,即使接触,公扣端部台肩面与母扣端部台肩面之间的接触压力也比公扣中间台肩面与母扣中间台肩面之间的接触压力小。因而,在公扣和母扣的紧固完成时刻,不会在具有公扣端部台肩面的公扣顶端部附近产生较大的压缩应力,能够使能够由公扣端部台肩面负担的轴向压缩载荷具有余量。并且,在紧固状态下,在某一程度的较大的轴向压缩载荷承载于管用螺纹接头的情况下,公扣端部台肩面与母扣端部台肩面接触而负担轴向压缩载荷的一部分,因此能够避免对作为扭矩台肩发挥功能的中间台肩面作用过大的压缩应力,能够提高耐压缩性能。
附图说明
图1是实施方式的油井管用螺纹接头的紧固状态的纵剖视图。
图2A是当在紧固状态下没有承载压缩载荷时的公扣顶端部附近部位的放大图。
图2B是在紧固状态下承载有某一程度的大小的压缩载荷时的公扣顶端部附近部位的放大图。
图2C是在紧固状态下承载有较大的压缩载荷(不过,中间台肩面和各螺纹不屈服的程度的压缩载荷)时的公扣顶端部附近部位的放大图。
图3是另一实施方式的油井管用螺纹接头的公扣密封面附近的放大图。
图4是表示在分析中使用的复合载荷条件的路径的图。
图5是单纯内压承载状态的3次载荷条件(Load Point)下的密封接触压力的比较图表。
具体实施方式
如图1所例示,本实施方式的管用螺纹接头1由管状的公扣2和管状的母扣3构成。公扣2和母扣3通过将公扣2拧入母扣3而紧固。公扣2设于第1管P1的管端部,母扣3设于第2管P2的管端部。第1管P1可以是油井管等长管。第2管也可以是用于将长管彼此连接的管接头,但优选为油井管等长管。即,本实施方式的管用螺纹接头1优选为整体型的管用螺纹接头。油井管、管接头典型上是钢制,但也可以是不锈钢、镍基合金等金属制。
公扣2可以形成于第1油井管P1的缩径加工后的一端部。母扣3可以形成于第2油井管P2的扩径加工后的一端部。优选的是,能够在各油井管P1、P2的一端部形成公扣2,在另一端部形成母扣3。更详细而言,第1油井管P1通过以下方式制造:在对由长管构成的管坯的一端部进行缩径加工之后,对缩径加工后的一端部的外周进行切削加工以形成公扣2的构成要素。另外,第2油井管P2通过以下方式制造:在对由长管构成的管坯的一端部进行扩径加工之后,对扩径加工后的一端部的内周进行切削加工以形成母扣3的构成要素。由此,在嵌入式直连型的整体型螺纹接头中,能够确保公扣2和母扣3的壁厚。
在本说明书中,将油井管P1、P2的公扣2和母扣3以外的部分且既未进行缩径加工也未进行扩径加工的部分称为“管主体”。公扣2的管端侧是指自公扣2的管主体朝向公扣2的管端的方向,有时也称为“顶端侧”。公扣2的管主体侧是指自公扣2的管端朝向公扣2的管主体的方向,有时也称为“基端侧”。母扣3的开口端侧是指自母扣3的管主体朝向母扣3的开口端的方向。
公扣2包括:第1外螺纹21;第2外螺纹22,其设于比第1外螺纹21靠公扣2的管端侧的位置且直径比第1外螺纹21的直径小;公扣中间台肩面23,其设于第1外螺纹21与第2外螺纹22之间;公扣端部台肩面24,其设于公扣2的管端部;以及公扣密封面25,其设于第2外螺纹22与公扣端部台肩面24之间。可以是,第1外螺纹21和第2外螺纹22在轴向上分开,在第1外螺纹21和第2外螺纹22之间设置公扣中间台肩面23。
优选的是,第1外螺纹21和第2外螺纹22分别由锥螺纹构成。优选的是,第1外螺纹21和第2外螺纹22具有相同的螺纹锥角和相同的螺距。优选的是,构成第2外螺纹22的锥螺纹的锥母线位于比构成第1外螺纹21的锥螺纹的锥母线靠径向内侧的位置。公扣中间台肩面23能够由在第1外螺纹21与第2外螺纹22之间形成于公扣的外周的台阶部的侧面构成。公扣中间台肩面23朝向公扣2的管端侧。第1外螺纹21和第2外螺纹22可以分别是梯形螺纹、API圆形螺纹、API偏梯形螺纹或楔形螺纹等。
母扣3包括:第1内螺纹31,其在紧固完成时刻供第1外螺纹21嵌合;第2内螺纹32,其在紧固完成时刻供第2外螺纹22嵌合;母扣中间台肩面33,其在紧固完成时刻与公扣中间台肩面23接触;母扣端部台肩面34,其与公扣端部台肩面24对应地设置;以及母扣密封面35,其设于第2内螺纹32与母扣端部台肩面34之间且在紧固完成时刻与公扣密封面25在整周的范围接触。上述公扣密封面25和母扣密封面35能够作为用于发挥主要针对内压的密封性能的内压用密封件发挥功能。优选的是,母扣3能够还包括设于比第1内螺纹31靠母扣3的开口端侧的位置的外压用母扣密封面36,公扣2能够还包括在紧固完成时刻与外压用母扣密封面36在整周的范围接触的外压用公扣密封面26。该外压用公扣密封面26设于比第1外螺纹21靠公扣的基端侧的位置。
可以是,第1内螺纹31和第2内螺纹32在轴向上分开,在第1内螺纹31和第2内螺纹32之间设有母扣中间台肩面33。优选的是,第1内螺纹31和第2内螺纹32由分别适合于第1外螺纹21和第2外螺纹22的锥螺纹构成。母扣中间台肩面33能够由在第1内螺纹31与第2内螺纹32之间形成于母扣3的内周的台阶部的侧面构成。母扣中间台肩面33朝向母扣3的开口端侧,与公扣中间台肩面23相对。母扣中间台肩面33至少在紧固完成时刻与公扣中间台肩面23接触,上述中间台肩面23、33作为用于发挥扭矩性能的扭矩台肩发挥功能。第1内螺纹31和第2内螺纹32可以是分别适合于第1外螺纹21和第2外螺纹22的梯形螺纹、API圆形螺纹、API偏梯形螺纹或楔形螺纹等。
优选的是,各螺纹21、22、31、32的螺纹牙顶面和螺纹槽底面的纵截面形状是与管轴线平行地延伸的直线状。
优选的是,在公扣2和母扣3的紧固完成时刻,第1外螺纹21和第1内螺纹31的载荷面21L、31L彼此接触,第2外螺纹22和第2内螺纹32的载荷面22L、32L彼此接触,在第1外螺纹21和第1内螺纹31的插入面21S、31S间形成有间隙,并且,在第2外螺纹22和第2内螺纹32的插入面22S、32S间形成有间隙。
优选的是,在第1外螺纹21和第1内螺纹31的插入面21S、31S间形成的间隙的大小在上述螺纹21、31的嵌合范围的轴向全长范围均匀,但也可以在一部分小区域中形成有更大的间隙。优选的是,在第2外螺纹22和第2内螺纹32的插入面22S、32S间形成的间隙的大小在上述螺纹22、32的嵌合范围的轴向全长范围均匀,但也可以在一部分小区域中形成有更大的间隙。优选的是,在插入面21S、31S间形成的间隙的大小与在插入面22S、32S间形成的间隙的大小相等。
优选的是,在紧固完成时刻在第1外螺纹21和第1内螺纹31的插入面21S、31S间形成的间隙设为如下程度的大小:在承载有比公扣2和母扣3的屈服压缩载荷小的预定的轴向压缩载荷时,通过公扣2和母扣3的变形,插入面21S、31S彼此开始接触以负担轴向压缩载荷的一部分。插入面21S、31S彼此的接触开始时的接触状态可以是各种各样的,既可以是从第1外螺纹21和第1内螺纹31的管轴线方向的预定的部位开始接触,插入面21S、31S彼此的接触区域随着轴向压缩载荷变大而逐渐扩大,另外,也可以是插入面21S、31S整体同时开始接触。在紧固完成时刻形成于插入面21S、31S间的间隙的沿着管轴线方向的方向上的大小例如可以是0.15mm以下。从防止紧固时的烧结的观点出发,上述间隙的大小优选为0.06mm以上。
优选的是,在紧固完成时刻在第2外螺纹22和第2内螺纹32的插入面22S、32S间形成的间隙设为如下程度的大小:在承载有比公扣2和母扣3的屈服压缩载荷小的预定的轴向压缩载荷时,通过公扣2和母扣3的变形,插入面22S、32S彼此开始接触以负担轴向压缩载荷的一部分。插入面22S、32S彼此的接触开始时的接触状态可以是各种各样的,既可以是从第2外螺纹22和第2内螺纹32的管轴线方向的预定的部位开始接触,插入面22S、32S彼此的接触区域随着轴向压缩载荷变大而逐渐扩大,另外,也可以是插入面22S、32S整体同时开始接触。另外,也可以是,插入面22S、32S彼此开始接触的轴向压缩载荷与插入面21S、31S彼此开始接触的轴向压缩载荷不同。在紧固完成时刻形成于插入面22S、32S间的间隙的沿着管轴线方向的方向上的大小例如可以是0.15mm以下。从防止紧固时的烧结的观点出发,上述间隙的大小优选为0.06mm以上。
母扣端部台肩面34由径向内端相对于径向外端向母扣3的开口端侧倾倒的锥面构成。公扣端部台肩面24既可以在紧固完成时刻与母扣端部台肩面34接触,也可以如图2A所示那样在紧固完成时刻在与母扣端部台肩面34之间形成有间隙。至少在承载有比螺纹接头的屈服压缩载荷小的预定的轴向压缩载荷的情况下,通过公扣2和母扣3的弹性变形,公扣2和母扣3的端部台肩面24、34彼此接触,负担轴向压缩载荷的一部分。
公扣端部台肩面24和母扣端部台肩面34的接触区域的径向宽度(参照图2C)可以小于1mm。通过这样使端部台肩面24、34彼此的接触宽度狭小化,容易确保其他部位的壁厚。此外,公扣2和母扣3的端部台肩面24、34彼此的接触区域是指,由于密封干涉量而向公扣2和母扣3导入径向的变形的状态的接触区域,该接触区域比紧固前即变形前的公扣2和母扣3的端部台肩面34的自管轴线方向观察到的重叠范围小。
更优选的是,能够以如下方式决定紧固完成时刻的插入面22S、32S间的间隙的大小和端部台肩面24、34间的间隙的大小:如图2B所示,第2外螺纹22和第2内螺纹32的插入面22S、32S彼此首先开始接触,当承载的压缩载荷进一步变大时,如图2C所示,端部台肩面24、34彼此的接触开始。由此,即使端部台肩面24、34彼此的接触宽度较小,也能够减小在承载轴向压缩载荷时端部台肩面24、34负担的压缩载荷,因此能够减小由压缩载荷引起的端部台肩面24、34附近的塑性应变。此外,能够期待作用于公扣2的第2外螺纹22的插入面22S的压缩载荷的一部分以使公扣顶端侧呈喇叭状扩径的方式发挥作用,也能够期待维持内压用密封面25、35彼此的接触压力的效果。
取而代之,也能够以如下方式构成:端部台肩面24、34彼此首先开始接触,当承载的压缩载荷进一步变大时,插入面22S、32S彼此的接触开始。由此,通过使端部台肩面24、34彼此更可靠地接触,能够抑制公扣顶端部附近的缩径变形。
母扣端部台肩面34的端部台肩角θsh优选为大于5°,更优选为大于10°。另外,端部台肩角θsh优选为45°以下,更优选为25°以下。优选的是,公扣端部台肩面24的端部台肩角与母扣端部台肩面34的端部台肩角θsh相等。
此外,公扣2和母扣3的中间台肩面23、33由与管轴线正交的平坦面构成,但也可以由径向外端相对于径向内端向公扣2的管端侧倾倒的锥面构成。
另外,各密封面25、35、26、36的纵截面形状可以是适当的形状,在图1~图2所示的螺纹接头1中,各密封面由在纵截面中呈直线状倾斜的锥面构成。取而代之,也能够由凸曲面构成相互接触的密封面中的一者,也能够由凸曲面构成两个密封面。总之,以随着公扣2向母扣3的里侧压入而密封干涉量变大的方式构成各密封面。将各密封面的轴向两端部连结的直线的斜度优选为5%(作为锥度比为10%)以上,更优选为10%(作为锥度比为20%)。另外,将各密封面的轴向两端部连结的直线的斜度优选为25%(作为锥度比为50%)以下,更优选为17%(作为锥度比为34%)以下。
在图3所示的实施方式中,母扣密封面35由在纵截面中呈直线状倾斜的锥面构成,另一方面,公扣密封面25由在纵截面中呈直线状倾斜的锥面25b和轴向中央部朝向母扣密封面35凸出的凸曲面25a构成。锥面25b形成为与凸曲面25a的顶端侧端部平滑地连续。在本实施方式中,公扣密封面25以如下方式形成:在紧固时凸曲面25a作为与母扣密封面35强力地按压接触的密封点发挥功能。在本实施方式中,能够保证公扣密封面25的密封点位于远离公扣端部台肩24的位置,能够减轻在承载较大的轴向压缩载荷时在公扣端部台肩面24产生的应力对公扣密封面25的密封点附近造成的影响。
另外,图3还表示为平缓锥化而成的公扣密封面25和母扣密封面35的一例。在图示例中,母扣密封面35相对于管轴线的斜度为10%(作为锥度比为20%),将公扣密封面25的凸曲面25a的轴向两端部连结的直线的斜度是与母扣密封面35的斜度相同的10%,公扣密封面25的锥面25b的斜度为17.5%(作为锥度比为35%),将公扣密封面25整体的轴向两端部连结的直线的斜度为(6+17.5)/(100+60)≒15%。这样,通过使公扣密封面25和母扣密封面35平缓锥化,能够增大公扣端部台肩面24和母扣端部台肩面34的径向宽度,能够实现耐压缩性能的进一步的提高。另外,能够由上述端部台肩24、34负担更多的压缩载荷,相应地在中间台肩23、33、各螺纹21、31、22、32的设计上也产生余量,也能够进行用于提高耐压缩性能以外的其他性能的改良。
在本实施方式的管用螺纹接头1中,在将公扣2紧固于母扣3时,公扣2的中间台肩面23与母扣3的中间台肩面33接触。此时的紧固扭矩也被称为台肩扭矩。在进一步将公扣2向母扣3紧固时,由于中间台肩面23、33彼此的滑动接触,紧固扭矩急剧增大。然后,中间台肩面23、33作为扭矩台肩发挥功能。当紧固扭矩超过屈服扭矩时,中间台肩面23、33的附近、外螺纹21、22和内螺纹31、32被破坏,即使增加紧固旋转量,紧固扭矩也不上升。因而,应当在紧固扭矩达到屈服扭矩之前完成紧固。
在螺纹接头1中,在紧固完成时刻,如图2A所示,外螺纹21、22和内螺纹31、32的载荷面彼此接触,另一方面,在外螺纹21、22和内螺纹31、32的插入面间形成有微小间隙,并且在端部台肩面24、34间也形成有微小间隙。
当承载于紧固状态的螺纹接头1的轴向压缩载荷逐渐增加时,由于由压缩载荷引起的压缩应变,比公扣中间台肩面23靠公扣2的管主体侧的部位和比母扣中间台肩面33靠母扣3的管主体侧的部位稍微在轴向上压缩。当压缩载荷增加至某一程度的大小时,如图2B所示,在端部台肩面24、34彼此开始接触之前,第2外螺纹22和第2内螺纹32的插入面22S、32S彼此开始接触,从此以后,上述插入面22S、32S也负担压缩载荷的一部分。此外,不需要螺旋状的插入面22S、32S整体接触,插入面22S、32S的轴向和周向的一部分开始接触即可。
当压缩载荷进一步增大时,在达到屈服压缩载荷之前,端部台肩面24、34彼此开始接触,在端部台肩面24、34处也负担压缩载荷的一部分,并且能够限制由压缩载荷引起的公扣密封面25和母扣密封面35的相对偏移量。当公扣密封面25相对于母扣密封面35的轴向的偏移量较大时,由于上述密封面35的锥形状而在公扣密封面25附近和母扣密封面35附近产生较大的压力而蓄积损伤,即使之后去除压缩载荷而弹性复原,也无法得到初始的密封接触压力,特别是内压密封性能降低。根据本实施方式的螺纹接头1,抑制由压缩载荷引起的公扣密封面25和母扣密封面35的相对偏移量,因此在公扣密封面25附近和母扣密封面35附近蓄积的损伤也减小,能够维持压缩载荷消失之后的内压密封性能。
本公开不仅可以应用于整体型的螺纹接头,也可以应用于组合型的螺纹接头。此外,本公开不限定于上述的实施方式,能够在本公开的技术思想的范围内进行各种变更。
实施例
为了确认本实施方式的油井管用螺纹接头1的效果,对于在承载轴向压缩载荷时端部台肩24、34彼此接触的实施例和端部台肩彼此不接触的比较例,实施基于弹塑性有限元法的数值分析模拟并评价内压密封性能。
内压密封性能通过依次承载对图4所示的模拟2017年版的API5C5 CAL IV基准的Series A试验的复合载荷椭圆进行描迹的(1)~(52)的复合载荷条件来评价。此外,图中,“压缩”是压缩载荷,“拉伸”是拉伸载荷,“IP”是内压(Internal Pressure),“EP”是外压(External Pressure),“管的VME 100%”是油井管的管主体的屈服曲线,“CYS”(Connection Yield Strength)是螺纹接头的强度,“CYS 100%”是螺纹接头的屈服曲线,“CYS 95%”是相对于CYS 100%而言95%的屈服曲线,“接头的高破裂”是螺纹接头的由外压导致的破裂曲线。“CYS 100%”是对“管的VME 100%”的轴向力(压缩或拉伸)乘以接头效率JE而得到的曲线。
在图5中,比较地表示承载单纯内压时的3个载荷条件(7)(27)(45)下的公扣密封面25和母扣密封面35的密封接触力。此外,实施例是“有伪台肩”,比较例是“无伪台肩”。
LP7表示在反复复合载荷的路径(1)~(52)中最初承载单纯内压的载荷条件(7)下的密封接触力,LP27表示第2次承载单纯内压时的载荷条件(27)下的密封接触力,LP45表示第3次承载单纯内压时的载荷条件(45)下的密封接触力。
由图可知,与“有伪台肩”相比,在“无伪台肩”的情况下,密封接触力的降低显著。由此确认,根据本公开,能够抑制承载反复复合载荷之后的内压密封性能的降低。
附图标记说明
1、管用螺纹接头;2、公扣;21、第1外螺纹;22、第2外螺纹;23、中间台肩面;24、端部台肩面;25、公扣密封面;3、母扣;31、第1内螺纹;32、第2内螺纹;33、中间台肩面;34、端部台肩面;35、母扣密封面。
Claims (4)
1.一种管用螺纹接头,其由管状的公扣和管状的母扣构成,通过将所述公扣拧入所述母扣来将所述公扣和所述母扣紧固,其中,
所述公扣包括:第1外螺纹;第2外螺纹,其设于比所述第1外螺纹靠顶端侧的位置且直径比所述第1外螺纹的直径小;公扣中间台肩面,其设于所述第1外螺纹与所述第2外螺纹之间;公扣端部台肩面,其设于所述公扣的顶端;以及公扣密封面,其设于所述第2外螺纹与所述公扣端部台肩面之间,
所述母扣包括:第1内螺纹,其在紧固状态下供所述第1外螺纹嵌合;第2内螺纹,其在紧固状态下供所述第2外螺纹嵌合;母扣中间台肩面,其在紧固状态下与所述公扣中间台肩面接触;母扣端部台肩面,其与所述公扣端部台肩面对应地设置;以及母扣密封面,其设于所述第2内螺纹与所述母扣端部台肩面之间且在紧固状态下与所述公扣密封面在整周的范围接触,
紧固前的所述母扣的所述母扣中间台肩面与所述母扣端部台肩面之间的轴向距离LB比紧固前的所述公扣的所述公扣中间台肩面与所述公扣端部台肩面之间的轴向距离LP大,
以如下方式决定所述轴向距离之差(LB-LP):当在紧固状态下承载轴向压缩载荷时,在所述管用螺纹接头屈服之前,所述公扣端部台肩面与所述母扣端部台肩面开始接触。
2.根据权利要求1所述的管用螺纹接头,其中,
以如下方式决定所述轴向距离LB、LP:当在紧固状态下没有承载轴向压缩载荷时,在所述公扣端部台肩面与所述母扣端部台肩面之间形成有间隙。
3.根据权利要求2所述的管用螺纹接头,其中,
所述第2外螺纹和所述第2内螺纹以如下方式构成:当在紧固状态下没有承载轴向压缩载荷时,在所述第2外螺纹和所述第2内螺纹的插入面间形成有间隙,并且
以如下方式决定所述插入面间的间隙的大小:在承载的轴向压缩载荷逐渐变大的过程中,首先所述插入面彼此开始接触,然后所述公扣端部台肩面和所述母扣端部台肩面开始接触。
4.根据权利要求1、2、3中任一项所述的管用螺纹接头,其中,
将所述公扣密封面的轴向两端连结的直线的斜度大于5%且小于25%。
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