CN115362328A - 钢管用螺纹接头 - Google Patents

Abstract

通过将外螺纹(11)的顶端部的第1螺纹牙(111)的载荷面底部的曲率半径r1设为螺纹牙高度Th×0.14以上，更优选设为Th×0.16以上，从而改善第1螺纹牙(111)的耐剪切性能。并且，通过减小螺距来增加螺纹牙数并增加载荷面接触面积、仅增大外螺纹顶端部的第1螺纹牙的载荷面底部的曲率半径而其他部位设为较小的曲率半径来增大载荷面的接触面积等，从而维持较高的耐扭矩性能。

Description

钢管用螺纹接头

技术领域

本公开涉及钢管的连结所使用的钢管用螺纹接头。

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，借助管状的管接头将钢管彼此连结。典型地，在管接头的两端部的内周分别设有内螺纹，在钢管的两端部的外周分别设有外螺纹。而且，将一个钢管的一端部拧入管接头的一个端部，并且将另一个钢管的一端部拧入管接头的另一个端部，从而将钢管彼此连结。即，在组合型中，直接连结的一对管材中的一个管材是钢管，另一个管材是管接头。

在整体型的情况下，将钢管彼此直接连结，不使用额外的管接头。具体而言，在钢管的一端部的内周设有内螺纹，在另一端部的外周设有外螺纹，向一个钢管的设有内螺纹部的一端部拧入另一个钢管的设有外螺纹部的另一端部，从而将钢管彼此连结。

通常，形成有外螺纹的钢管的管端部包含插入于形成有内螺纹的钢管或管接头的管端部的元素，因此被称为“公扣”。形成有内螺纹的钢管或管接头的管端部包含承接形成有外螺纹的钢管的管端部的元素，因此被称为“母扣”。上述公扣和母扣是管材的端部，因此均为管状。

近年，DwC(Drilling with Casing)、水平挖掘等井开发技术逐渐传播，高扭矩接头的需求急剧增加。本申请申请人以前制造了采用还被称为楔形螺纹的截面形状为燕尾形的锥螺纹的螺纹接头作为比较小径尺寸的钢管用的高扭矩接头。这样的高扭矩接头例如公开于下述的专利文献1。

楔形螺纹具有插入面节距比载荷面节距小的螺纹牙形，由此公扣的外螺纹的螺纹牙宽度随着沿着螺纹的螺旋到达顶端侧而逐渐变窄，相对的母扣的内螺纹的螺纹槽宽度也同样地随着到达顶端侧而逐渐变窄。另外，外螺纹和内螺纹各自的载荷面和插入面均具有负的牙型半角，在公扣和母扣的紧固完成时，载荷面彼此接触且插入面彼此接触，从而外螺纹和内螺纹各自的螺纹牙彼此牢固地嵌合。根据该结构，采用楔形螺纹的螺纹接头能够发挥较高的耐扭矩性能。

另外，在下述专利文献1的图5和0065段公开了如下技术：在螺纹牙的载荷面与螺纹牙顶面之间的连接部和螺纹牙的载荷面与螺纹槽底面之间的连接部设有由具有不同的曲率半径的两个弧构成的弯曲部，由此降低载荷面的基部处的集中载荷因素，改善所述连接部的疲劳性能。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特表2007-504420号公报

发明内容

发明要解决的问题

本申请申请人进行更大径尺寸的钢管用的高扭矩螺纹接头的开发，但若按照与以往同样的设计基准来设计9-5/8″以上的大径尺寸的螺纹接头，则在依据ISO13679：2011Series A的试制品的复合载荷负载试验中，在负载最大拉伸载荷时，产生公扣的外螺纹部的螺纹牙发生剪切破坏这一问题。此外，在本申请申请人的以往的设计基准中，专利文献1所公开的构成上述弯曲部的两个弧中的连接于载荷面的弧(23)的曲率半径为0.125mm，连接于螺纹槽底面或螺纹牙顶面的弧(24)的曲率半径为0.875mm。

本公开的目的在于，在大径尺寸的钢管用螺纹接头中也能够发挥较高的耐扭矩性能，并且能够发挥与连结对象的钢管的尺寸相应的耐剪切性能。

用于解决问题的方案

本发明人为了探明大径尺寸的钢管用的高扭矩螺纹接头的外螺纹部的螺纹牙断裂的原因而反复进行深入研究，结果发现，相对于大径尺寸的钢管所要求的拉伸强度，换言之，耐剪切性能，外螺纹的顶端部的螺纹牙的剪切强度不充分，以外螺纹顶端部的螺纹牙底部为起点而发生剪切破坏。即，当从外螺纹顶端部起一周的螺纹牙(以下，称为“第1螺纹牙”。)最初发生剪切破坏时，载荷集中于在截面中位于其一个内侧(即钢管的管主体侧)的第2螺纹牙而第2螺纹牙发生剪切破坏，当第2螺纹牙发生剪切破坏时，载荷集中于其一个内侧的第3螺纹牙而发生剪切破坏，剪切破坏一个接一个地传播。认为外螺纹的螺纹牙这样在大范围内发生剪切破坏。

另外，在截面为梯形状的通常的外螺纹中，当负载过大的拉伸载荷时，有时公扣和母扣在径向上变形而跳出，但螺纹牙几乎不在大范围内断裂。另一方面，在上述的高扭矩螺纹接头中，由于截面燕尾形状的外螺纹和内螺纹的螺纹牙彼此牢固地啮合，因此外螺纹和内螺纹的啮合不脱离。

因此，在利用截面燕尾形状的楔形螺纹构成外螺纹和内螺纹的高扭矩螺纹接头中，为了确保耐跳出性能和耐剪切性能，最初发生剪切破坏的第1螺纹牙的刚度是重要的。

作为提高外螺纹顶端部的耐剪切性能的手段，本发明人着眼于外螺纹的顶端部处的载荷面与螺纹槽底面之间的分界部的曲率半径。认为上述的外螺纹的剪切破坏的原因是应力集中于外螺纹顶端部处的载荷面与螺纹槽底面之间的分界，因此认为通过增大该分界部的曲率半径能够缓和应力集中，耐剪切性能提高。

另外，认为螺纹牙高度越大，即使作用于载荷面的均布载荷的总和相同，作用于上述分界部的弯矩也越大，上述分界部处的等效塑性应变也越大，因此认为需要利用与螺纹牙高度相应的适当的曲率半径的曲面部构成上述分界部。

另一方面，若螺纹牙高度变得过大，则螺纹槽的切削加工深度变大，加工性变差，因此即使是大径尺寸的钢管用的螺纹接头，也优选螺纹牙高度为3.0mm以下。另外，为了发挥充分的耐扭矩性能，需要确保载荷面和插入面的接触面积，因此优选螺纹牙高度为1.8mm以上。

本公开的钢管用螺纹接头是通过综合研究上述的技术见解而发现的。即，本公开的钢管用螺纹接头包括设于钢管的顶端部的管状的公扣和供所述公扣拧入而与所述公扣紧固的管状的母扣。所述公扣具有形成于所述公扣的外周的外螺纹。所述母扣具有形成于所述母扣的内周且在紧固时嵌合于所述外螺纹的内螺纹。所述外螺纹和所述内螺纹具有载荷面、插入面、螺纹牙顶面以及螺纹槽底面，所述外螺纹和所述内螺纹的插入面节距比所述外螺纹和所述内螺纹的载荷面节距小，在紧固状态下，所述外螺纹的载荷面与所述内螺纹的载荷面接触，并且所述外螺纹的插入面与所述内螺纹的插入面接触。优选的是，所述外螺纹和所述内螺纹的载荷面和所述插入面具有负的牙型半角。

另外，距所述外螺纹的顶端部为螺纹螺旋方向的预定范围内的所述外螺纹的所述载荷面和所述螺纹槽底面可以经由纵截面中的曲率半径r1满足下述的式(1)的第1曲面部连接。

r1≥Th×0.14…(1)

其中，Th是距所述外螺纹的顶端部为螺纹螺旋方向的预定范围内的所述外螺纹的载荷面侧的螺纹牙高度。优选的是，螺纹牙高度Th满足1.8mm≤Th≤3.0mm。更优选的是，满足r1≥Th×0.16。

发明的效果

根据本公开，通过利用楔形螺纹构成外螺纹和内螺纹，能够发挥较高的耐扭矩性能，并且对公扣的外螺纹顶端部赋予大径尺寸的钢管所要求的耐剪切性能。

附图说明

图1是第1实施方式的钢管用螺纹接头的沿着管轴线方向的纵剖视图。

图2是包含外螺纹的第1螺纹牙和第2螺纹牙的范围的放大纵剖视图。

图3是外螺纹的第1螺纹牙附近的放大纵剖视图。

图4是外螺纹的第1螺纹牙与第2螺纹牙的连接部的放大立体图。

图5是第2实施方式的钢管用螺纹接头的沿着管轴线方向的纵剖视图。

图6是表示通过FEM分析而得到的等效塑性应变的评价结果的图表。

图7是表示通过FEM分析而得到的耐扭矩性能的评价结果的图表。

具体实施方式

本实施方式的钢管用螺纹接头包括设于钢管的顶端部的管状的公扣和供公扣拧入而与公扣紧固的管状的母扣。公扣具有形成于公扣的外周的外螺纹。母扣具有形成于母扣的内周且在紧固时嵌合于外螺纹的内螺纹。

优选的是，外螺纹是随着到达公扣顶端侧而逐渐缩径的锥螺纹。外螺纹可以具有螺纹牙高度恒定的完全螺纹部和螺纹牙高度比完全螺纹部的螺纹牙高度低的不完全螺纹部。外螺纹通过对钢管的外周面进行切削加工而形成，随着自钢管的管主体侧到达顶端侧而螺纹槽的切削深度从0逐渐变深至成为完全螺纹部的螺纹牙高度，但外螺纹的不完全螺纹部主要由螺纹槽的切削深度比完全螺纹部的螺纹牙高度小的部位构成。在这样的结构中，在完全螺纹部中，外螺纹的螺纹牙顶面和螺纹槽底面均随着沿着螺纹螺旋方向到达公扣顶端侧而逐渐缩径，在不完全螺纹部中，螺纹槽底面随着沿着螺纹螺旋方向到达公扣顶端侧而逐渐缩径，但不完全螺纹部的螺纹牙顶面具有恒定的直径。

优选的是，内螺纹是随着到达母扣顶端侧(即钢管的管主体侧)而逐渐扩径的锥螺纹。内螺纹可以具有螺纹牙高度恒定的完全螺纹部和螺纹牙高度比完全螺纹部的螺纹牙高度低的不完全螺纹部。另外，也能够使内螺纹的完全螺纹部的螺纹牙高度比外螺纹的完全螺纹部的螺纹牙高度稍大。在该情况下，在公扣和母扣的紧固状态下，内螺纹的螺纹牙顶面与外螺纹的螺纹槽底面接触，但在外螺纹的螺纹牙顶面与内螺纹的螺纹槽底面之间形成间隙。通过设置该间隙，能够防止外螺纹和内螺纹嵌合时的粘着、热粘，并且能够将上述间隙适当地利用为润滑剂排出流路。

内螺纹通过对构成母扣的管接头或钢管的内周面进行切削加工而形成。优选的是，在公扣和母扣的紧固状态下，外螺纹的完全螺纹部的最顶端侧的第1螺纹牙所嵌合的内螺纹的第1螺纹槽具有如下程度的槽深：外螺纹的载荷面和内螺纹的载荷面的接触区域的径向尺寸成为外螺纹的第1螺纹牙的螺纹牙高度的60％以上，更优选成为70％以上。

外螺纹和内螺纹具有载荷面、插入面、螺纹牙顶面以及螺纹槽底面，外螺纹和内螺纹的载荷面和插入面具有负的牙型半角。即，外螺纹和内螺纹在纵截面中具有燕尾形状的螺纹槽和螺纹牙。外螺纹和内螺纹在纵截面中显现多个螺纹牙顶面和多个螺纹槽底面，纵截面中的各螺纹牙顶面的形状和各螺纹槽底面的形状既可以与钢管的管轴线平行，也可以沿着锥螺纹的锥角相对于钢管的管轴线倾斜。载荷面的牙型半角例如可以是-10°～-1°的范围的预定值，更优选可以是-4°～-6°的范围的预定值。另外，插入面的牙型半角例如可以是-10°～-1°的范围的预定值，更优选可以是-4°～-6°的范围的预定值。另外，纵截面中的外螺纹和内螺纹的各螺纹牙的载荷面和插入面的截面形状可以是直线状。

在本实施方式的钢管用螺纹接头中，外螺纹和内螺纹的插入面节距比外螺纹和内螺纹的载荷面节距小。由此，外螺纹形成为随着到达公扣顶端侧而螺纹牙宽度变小且螺纹槽宽度变大的楔形螺纹，内螺纹形成为随着到达母扣顶端侧而螺纹牙宽度变小且螺纹槽宽度变大的楔形螺纹。此外，载荷面节距例如可以是8.0mm～11.0mm的范围的预定值，另外，插入面节距例如可以是7.5mm～10.5mm的范围的预定值。上述载荷面节距和插入面节距的节距差Δp例如可以是0.3mm～0.6mm。

在本公开中，“外螺纹”设为无论是完全螺纹部还是不完全螺纹部，在公扣和母扣的紧固状态下外螺纹的载荷面与内螺纹的载荷面接触且外螺纹的插入面与内螺纹的插入面接触的部位。另外，“内螺纹”设为无论是完全螺纹部还是不完全螺纹部，在公扣和母扣的紧固状态下内螺纹的载荷面与外螺纹的载荷面接触且内螺纹的插入面与外螺纹的插入面接触的部位。此外，例如，如图4所示，也可以在外螺纹11的完全螺纹部的公扣顶端侧设置插入面和载荷面中的至少任一者与内螺纹不接触的不完全螺纹15，但由于这样的不完全螺纹是无助于耐扭矩性能的部位，因此在本公开中不是构成“外螺纹”的部位。另外，也可以在内螺纹的完全螺纹部的母扣顶端侧设置插入面和载荷面中的至少任一者与外螺纹不接触的不完全螺纹，但由于这样的不完全螺纹是无助于耐扭矩性能的部位，因此在本公开中不是构成“内螺纹”的部位。

在本实施方式的钢管用螺纹接头中，距外螺纹的顶端部为螺纹螺旋方向的预定范围内的外螺纹的载荷面和螺纹槽底面经由纵截面中的曲率半径r1满足下述的式(1)的第1曲面部连接。此外，优选的是，第1曲面部的径向内端部与外螺纹的螺纹槽底面平滑地连续。另外，优选的是，第1曲面部的径向外端部与外螺纹的载荷面平滑地连续。

r1≥Th×0.14…(1)

其中，Th是距外螺纹的顶端部为螺纹螺旋方向的预定范围内的外螺纹的载荷面侧的螺纹牙高度，满足1.8mm≤Th≤3.0mm。优选的是，距外螺纹的顶端部为螺纹螺旋方向的预定范围的螺纹牙是外螺纹的完全螺纹部的局部。若螺纹牙高度Th比1.8mm小，则外螺纹和内螺纹的载荷面彼此的接触面积变小，无法得到必要的耐扭矩性能。另一方面，若螺纹牙高度Th比3.0mm大，则切削加工深度变大，切削加工时间和加工成本增大。

在螺纹牙高度Th为1.8mm的情况下，曲率半径r1成为0.252mm以上，另外，在螺纹牙高度为3.0mm的情况下，曲率半径r1成为0.42mm以上，但这样以较大的曲率半径将外螺纹的载荷面和螺纹槽底面连接的方案是由本发明人首次提出的。

第1曲面部可以跨外螺纹的全长地设置。

提高耐扭矩性能的方法之一是通过使载荷面节距和插入面节距比较小而使在纵截面显现的螺纹牙的数量比较多。优选的是，能够规定所述外螺纹和所述内螺纹的螺纹牙形，使得在紧固状态下自外螺纹的顶端部沿着螺纹螺旋方向至少跨8周，更优选跨9周以上的螺纹牙部分的载荷面和插入面与内螺纹的载荷面和插入面接触。更优选的是，能够将载荷面节距设为8.50mm以下，将插入面节距设为8.10mm以下，将上述载荷面节距和插入面节距的节距差设为0.35mm以上且0.45mm以下，将外螺纹的顶端部处的螺纹牙底部的最小螺纹牙宽度设为2.0mm以上。另外，优选的是，内螺纹的母扣顶端部处的螺纹牙底部的最小螺纹牙宽度也为2.1mm以上。此外，也可以在比内螺纹的顶端部靠母扣顶端侧的位置形成有载荷面和插入面中的至少任一者与外螺纹不接触的不完全螺纹，但由于这样的不完全螺纹是无助于耐扭矩性能的部位，因此该不完全螺纹的螺纹牙宽度也可以根据切削加工上的情况等而成为小于2.00mm。上述不完全螺纹在本公开中不构成“内螺纹”。

也可以是，具有较大的曲率半径的第1曲面部不跨全长地设置，而是自外螺纹的顶端部沿着螺纹螺旋方向至少跨1/2周，更优选至少跨1周地设置。由此，利用第1曲面部加强螺纹牙宽度最窄的外螺纹的第1螺纹牙的基部处的剪切刚度，能够避免以第1螺纹牙为起点而发生剪切破坏。

另外，例如，如图4所示，外螺纹11可以包括：第1螺纹部分111，其具有第1曲面部111A；以及第2螺纹部分112，其与第1螺纹部分111在螺纹螺旋方向上连续。第2螺纹部分112的载荷面和螺纹槽底面可以经由具有与第1曲面部111A相比较小的曲率半径r2的第2曲面部112A连接。此外，优选的是，使第1曲面部111A和第2曲面部112A平滑地连接，在上述第1曲面部111A和第2曲面部112A的分界部不形成台阶。

第1曲面部可以自外螺纹的顶端部沿着螺纹螺旋方向至少跨x周地设置。其中，x满足下述的式(2)。

x＝(r1－r2)/Δp…(2)

在此，Δp是外螺纹的载荷面节距与插入面节距之间的节距差。

通过这样构成外螺纹，在具有比较小的曲率半径r2的第2螺纹部分中，通过使母扣20的内螺纹中的与上述曲率半径r2对应的部分的载荷面与螺纹牙顶面的分界部的曲率半径也比较小，能够确保外螺纹和内螺纹的载荷面间的接触面积较大，在耐扭矩性能这一点上是有利的。并且，第2螺纹部分的顶端部成为在第2螺纹部分中螺纹牙宽度最窄的部分，但通过满足上述式(2)，在第2螺纹部分中最小的螺纹牙宽度成为与通过具有较大的曲率半径r1的第1曲面部而增加螺纹牙底部的螺纹牙宽度的第1螺纹部分的顶端部的螺纹牙宽度同等的大小，能够避免发生以第2螺纹部分的顶端部为起点的剪切破坏。

即，例如，如图3所示，若载荷面的牙型半角为-10°～-1°左右，则将载荷面和螺纹槽底面连接的第1曲面部111A在纵截面中大致成为四分之一圆弧。因而，第1曲面部111A的径向内端部Pi和径向外端部Po的管轴线方向距离与第1曲面部111A的曲率半径r1大致相等。在图3中，为了进行螺纹牙宽度的比较，将在自第1螺纹部分111的顶端部沿着螺纹螺旋方向大致半周的位置存在第2螺纹部分的顶端部的情况的第2曲面部112A’和在自第1螺纹部分111的顶端部沿着螺纹螺旋方向大致3/4周的位置存在第2螺纹部分的顶端部的情况的第2曲面部112A”重叠于第1螺纹部分111的顶端部并用假想线分别表示。第2曲面部的径向内端部与径向外端部之间的轴向距离也与第2曲面部的曲率半径r2大致相同。在此，若沿着螺纹螺旋方向绕1周，则螺纹牙宽度变化载荷面节距和插入面节距的节距差Δp。因而，若绕x周，则螺纹牙宽度变大Δp×x。当在绕x周的位置存在第2螺纹部分的顶端部的情况下，若将第1螺纹部分的顶端部处的第1曲面部的径向内端部处的螺纹牙宽度(在图3中Pi的位置处的螺纹牙宽度)设为W1，则第2曲面部的径向内端部处的螺纹牙宽度W2(在图3中与Pi对应的位置处的螺纹牙宽度)能够由以下的式(3)表示。

W2＝W1－r1+Δp×x+r2…(3)

在此，W1－r1即近似地表示Po的位置。(W1－r1)+Δp×x近似地表示与Po对应的第2曲面部112A’、112A”的外端部的位置。并且，上述式(3)近似地表示与Pi对应的第2曲面部112A’、112A”的内端部的位置。第1螺纹部分111的螺旋方向的长度越长，W2越大。因而，根据第1螺纹部分111的长度，既存在W2比W1小的情况，也存在W2比W1大的情况。

在W2比W1小的情况下，第2曲面部112A’以较小的曲率半径r2立起，因此在该第2曲面部112A’的部分中第2螺纹部的螺纹牙宽度比第1螺纹部111的底部小(即，如图3所示，成为曲面部112A’相对于曲面部111A的表面陷入的状态。)，该第2螺纹部的螺纹牙宽度变小的部位有可能在强度上成为弱点。因而，优选的是，W2与W1大致相等或W2比W1大。因而，根据上述式(3)和W2≥W1的条件，导出x≥(r1－r2)/Δp。即，当定义为x＝(r1－r2)/Δp时，优选的是，第1曲面部自外螺纹的顶端部沿着螺纹螺旋方向至少跨x周地设置。

例如，在载荷面节距为9.845mm、插入面节距为9.400mm、第1曲面部的曲率半径r1为0.4mm、第2曲面部的曲率半径r2为0.1mm的情况下，优选的是，跨(0.4－0.1)/(9.845－9.400)≈2/3周以上地设置第1曲面部。在第2曲面部的曲率半径r2为0.2mm而其他与上述相同的情况下，优选的是，跨大致半周以上地设置第1曲面部。

此外，通过在外螺纹设置具有曲率半径较小的第2曲面部的第2螺纹部，使内螺纹中的与第2螺纹部啮合的螺纹牙部分的载荷面与螺纹牙顶面之间的曲率半径比后述的第3曲面部小，能够确保载荷面彼此的接触面积整体较大，也能够发挥较大的耐扭矩性能。

在本实施方式的钢管用螺纹接头中，优选的是，能够将内螺纹的载荷面和螺纹牙顶面经由在紧固状态下与外螺纹的第1曲面部相对且具有与第1曲面部相比较大的曲率半径的第3曲面部连接。由此，能够防止内螺纹的载荷面和螺纹牙顶面的分界角部与第1曲面部干涉的情况。

并且，在作为内螺纹的局部的在紧固状态下与外螺纹的顶端部的载荷面接触的部分的螺纹牙顶面和与该螺纹牙顶面相对的外螺纹的螺纹槽底面之间可以设有径向的间隙。更优选的是，上述内螺纹的局部的螺纹牙顶面可以是内螺纹的位于母扣最里部的内螺纹端部的螺纹牙顶面。并且，上述内螺纹的局部的螺纹牙顶面可以具有与设于比内螺纹靠母扣里侧的位置的管状无螺纹延长部的内周面相同的直径。另外，优选的是，公扣可以包括与母扣的无螺纹延长部对应的管状无螺纹延长部，在紧固状态下公扣的无螺纹延长部的外周面与母扣的无螺纹延长部的内周面不接触。并且，优选的是，公扣包括位于比公扣的无螺纹延长部靠公扣顶端侧的位置的公扣密封面，优选的是，母扣包括位于比母扣的无螺纹延长部靠母扣里侧的位置的公扣密封面。上述公扣密封面和母扣密封面构成金属－金属密封部，该金属－金属密封部在公扣和母扣的紧固状态下相互接触而发挥针对外压和内压的密封性。上述无螺纹延长部起到如下作用：防止因作用于外螺纹和内螺纹的压缩－拉伸载荷而在公扣密封面和母扣密封面产生应变的影响。另外，通过使上述内螺纹的局部的螺纹牙高度比内螺纹的完全螺纹部的螺纹牙高度小来形成上述间隙，从而与通过加深公扣顶端侧的螺纹槽深度来形成上述间隙的情况相比，能够确保公扣顶端部附近的公扣壁厚较大。另外，通过存在上述间隙，能够防止内螺纹的螺纹牙顶部与螺纹牙宽度最小的外螺纹顶端部的载荷面的螺纹牙底部直接接触，能够减轻对外螺纹的最弱的部位的直接损伤。

此外，也能够分别设置外压用密封部和内压用密封部，在该情况下，能够将内压用密封部设于比外螺纹和内螺纹靠公扣顶端侧的位置，将外压用密封部设于比外螺纹和内螺纹靠管主体侧的位置。

优选的是，使第1曲面部的径向外端部位于比与第1曲面部相对的第3曲面部的径向内端部靠径向外侧的位置，并且使第1曲面部的径向外端部位于比与第1曲面部相对的第3曲面部的径向外端部靠径向内侧的位置。由此，能够使外螺纹和内螺纹的载荷面彼此的接触范围的径向内端部与第1曲面部的径向外端部之间的距离尽量小，能够进一步提高耐扭矩性能。

以下，参照附图，说明本实施方式的钢管用螺纹接头。图中，对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。

参照图1，本实施方式的钢管用螺纹接头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的端部。母扣20形成于管接头3的端部，供公扣10插入而与公扣10紧固。在本说明书中，有时将钢管2的端部以外的部分称为“管主体”。

本实施方式的钢管用螺纹接头能够在钢管2的管主体的外径OD为240mm以上的情况下适当地实施，更优选能够在钢管2的管主体的外径OD为245mm以上的情况下适当地实施，进一步优选能够在钢管2的管主体的外径OD为270mm以上的情况下适当地实施。能够在钢管2的管主体的外径OD为400mm以下的情况下适当地实施，更优选能够在钢管2的管主体的外径OD为350mm以下的情况下适当地实施，进一步优选能够在钢管2的管主体的外径OD为310mm以下的情况下适当地实施。优选的是，钢管2的管主体在轴向全长的范围具有大致均匀的壁厚。另外，优选的是，钢管2的管主体在轴向全长的范围具有大致均匀的外径OD和内径ID。公扣设于钢管2的管主体的端部。此外，在图1中还示出钢管2的管轴线CL。

公扣10具有由随着到达公扣顶端侧而逐渐缩径的锥螺纹构成的外螺纹11和唇部12。外螺纹11由在公扣10的外周面呈螺旋状形成的螺纹牙构成。外螺纹11由螺纹牙宽度随着到达公扣10的顶端侧而逐渐变窄的楔形螺纹构成。外螺纹11的螺纹牙和螺纹槽具有燕尾形状的截面形状。唇部12经由相对于外螺纹11的顶端部向顶端侧延伸的无螺纹延长部连接于外螺纹11。在唇部12的外周面设有公扣密封面13。公扣密封面13在图示例中由截面圆弧状的圆筒状密封面构成，但公扣密封面13的截面形状也可以是直线状，也可以是使直线和圆弧组合而成的形状。

母扣20具有承接公扣10的开口端部。母扣20包含：内螺纹21，其设于该母扣20的内周面且由随着到达母扣顶端侧而逐渐缩径的锥螺纹构成；以及母扣密封面22。内螺纹21由与外螺纹11对应地在母扣20的内周面呈螺旋状形成的螺纹牙构成。内螺纹21由螺纹牙宽度随着自母扣20的开口端部到达里侧而逐渐变宽的楔形螺纹构成。内螺纹21的螺纹牙和螺纹槽具有燕尾形状的截面形状。母扣密封面22由设于比内螺纹21靠母扣20的里侧的位置的锥面构成。此外，母扣密封面22既可以由截面圆弧状的圆筒状密封面构成，也可以是在截面中使直线和圆弧组合而成的形状。在母扣密封面22与公扣密封面13之间设定预定的干扰量，在紧固状态下密封面13、22彼此在整周的范围没有间隙地接触，从而形成金属密封。

如图1和图2所示，本实施方式的外螺纹11具有完全螺纹部和不完全螺纹部。外螺纹11的完全螺纹部是如下部分：具有预定的螺纹牙高度Th，以预定的载荷面节距LP和插入面节距SP形成有螺纹牙。图示实施例的外螺纹11的螺纹牙高度Th设为2.2mm。

外螺纹11的不完全螺纹部是如下部分：由于定义锥螺纹的锥形状的假想锥面与钢管2的外表面相交，从而钢管2的外表面的切削深度不足，未形成预定的螺纹牙高度Th。在本实施方式的外螺纹11中，在公扣完全螺纹部和公扣不完全螺纹部中的任一者中，均在载荷面和插入面这两者与内螺纹21接触。此外，在图1所示的螺纹接头1中，载荷面节距LP设为9.845mm，插入面节距SP设为9.400mm，外螺纹11的顶端部的螺纹牙高度方向的底部处的最小螺纹牙宽度设为2.8mm左右。

另外，内螺纹21也具有完全螺纹部和不完全螺纹部。内螺纹21的完全螺纹部自母扣20的开口端部侧设置至公扣10的外螺纹11的第2螺纹牙附近。内螺纹21的不完全螺纹部的螺纹牙在公扣10和母扣20的紧固状态下与公扣10的外螺纹11的第1螺纹牙11A卡合。在本实施方式的内螺纹21中，在母扣完全螺纹部和母扣不完全螺纹部中的任一者中，均在载荷面和插入面这两者与外螺纹11接触。此外，在图示实施方式中，在比内螺纹21的完全螺纹部靠母扣20的开口端部侧的位置与内螺纹21连续地形成有在载荷面和插入面中的至少任一者与外螺纹11不接触的螺纹牙23、24，但在本实施方式中螺纹牙23、24不包含于内螺纹21。

外螺纹11的完全螺纹部的螺纹牙高度比内螺纹21的完全螺纹部的螺纹牙高度稍小。由此，在紧固状态下，如图2所示，在外螺纹11的螺纹牙顶面与内螺纹21的螺纹槽底面之间形成有微小的间隙(例如0.1mm左右)，内螺纹21的螺纹牙顶面和外螺纹11的螺纹底面接触。在紧固状态下外螺纹11与内螺纹21啮合的范围即外螺纹11的载荷面与内螺纹21的载荷面接触且外螺纹11的插入面与内螺纹21的插入面接触的范围优选具有60～100mm的轴向长度。

另外，如图2所示，外螺纹11和内螺纹21的螺纹牙的载荷面和插入面分别具有负的牙型半角θ。载荷面和插入面的牙型半角θ既可以相同，也可以设定成不同的牙型半角。在图示例中，载荷面和插入面的牙型半角θ均为-5.0°。另外，在图示例中，外螺纹11和内螺纹21的螺纹锥度设为1/16。

通过在公扣10和母扣20紧固的状态下使外螺纹11的螺纹牙的插入面和载荷面分别与内螺纹21的螺纹牙的插入面和载荷面接触而将公扣10锁定于母扣20，由此发挥较高的耐扭矩性能，并且公扣密封部13以过盈配合的状态嵌合于母扣密封部22而发挥较高的密封性能。

如图2～图4所示，本实施方式的外螺纹11包含：第1螺纹部分111，其具有比较大的曲率半径r1的第1曲面部111A；以及第2螺纹部分112，其在螺纹螺旋方向上与第1螺纹部分111连续。第2螺纹部分112构成第1螺纹部分111以外的外螺纹11的剩余的全部的部位。第2螺纹部分112的载荷面和螺纹槽底面经由具有与第1曲面部111A相比较小的曲率半径r2的第2曲面部112A连接。在图示例中，第1曲面部111A的曲率半径r1为0.4mm，第2曲面部112A的曲率半径R2为0.1mm。

如图4所示，第1螺纹部分111从外螺纹11的顶端部沿着螺纹螺旋方向跨大致1周地设置。这成为由上述式(2)求出的(0.4－0.1)/(9.845－9.400)＝0.674周以上，第2螺纹部分112的顶端部的基部处的螺纹牙宽度完全比第1螺纹部分111的顶端部的基部处的螺纹牙宽度大。

另外，在本实施方式中，内螺纹21的载荷面和螺纹牙顶面经由具有比外螺纹11的第1曲面部111的曲率半径r1大的曲率半径r3的第3曲面部21A连接。在图示例中，第3曲面部21A的曲率半径r3设为0.5mm。此外，在图示例中，在内螺纹21整体的范围设有第3曲面部21A，但能够仅在当公扣10和母扣20紧固的状态下与第1曲面部111A相对的部位设置具有比较大的曲率半径r3的第3曲面部21A，在其他部位的内螺纹21的载荷面与螺纹牙顶面之间设置具有比曲率半径r3小的例如0.5～2.0mm的曲率半径的曲面部。

另外，如图2和图3所示，在当紧固状态下与外螺纹11的顶端部的第1螺纹部111的载荷面接触的内螺纹21的第1螺纹牙211的螺纹牙顶面的与所述载荷面接触的部分的所述螺纹牙顶面和与该螺纹牙顶面相对的外螺纹11的螺纹槽底面之间设有径向的间隙。该间隙的尺寸比第1曲面部111A的曲率半径r1小，在图示实施例中为0.3mm左右。

并且，第1曲面部111的径向外端部位于比第3曲面部21A的径向内端部靠径向外侧的位置，并且位于比第3曲面部21A的径向外端部靠径向内侧的位置。

图5表示第2实施方式的钢管用螺纹接头，相对于第1实施方式的螺纹接头，使载荷面节距和插入面节距小一些，由此，增加在纵截面中显现的螺纹牙的数量。具体而言，将载荷面节距设为8.466mm，将插入面节距设为8.084mm。由此，外螺纹11的顶端部的螺纹牙底部的最小螺纹牙宽度成为2.1mm左右。

本公开不仅能够应用于组合型的螺纹接头，也能够应用于整体型的螺纹接头。此外，本公开不限定于上述的实施方式，能够在不脱离本公开的主旨的范围内进行各种变更。

实施例

为了确认本实施方式的钢管用螺纹接头的效果，通过基于弹塑性有限元法的数值分析模拟来评价耐剪切性能和耐扭矩性能。

＜试验条件＞

在有限元分析(FEM分析)中，制成改变螺纹牙形的多个试样(分析模型)，对各试样分别实施弹塑性有限元法分析而比较性能之差。

试样#1～#4是以上述的第1实施方式的螺纹接头为基本构造且在外螺纹全长的范围设有第1曲面部的试样。另外，试样#1是将第1曲面部的曲率半径设为0.1mm的试样，试样#2是将第1曲面部的曲率半径设为0.2mm的试样，试样#3是将第1曲面部的曲率半径设为0.3mm的试样，试样#4是将第1曲面部的曲率半径设为0.4mm的试样。

试样#5～#8是以上述的第2实施方式的螺纹接头为基本构造且在外螺纹全长的范围设有第1曲面部的试样。另外，试样#1是将第1曲面部的曲率半径设为0.1mm的试样，试样#2是将第1曲面部的曲率半径设为0.2mm的试样，试样#3是将第1曲面部的曲率半径设为0.3mm的试样，试样#4是将第1曲面部的曲率半径设为0.4mm的试样。

材料均设为API标准的油井管材料Q125(公称屈服强度YS＝862MPa(125ksi))。

此外，为了与现有产品进行比较，制成在外螺纹的载荷面和螺纹底底面的分界部具有两个曲率半径(0.125mm的曲率半径和0.875mm的曲率半径)的比较模型，对该现有产品也同样地进行评价。

[耐剪切性能]

关于耐剪切性能，负载钢管的管主体屈服的拉伸载荷的100％，计算成为外螺纹的剪切破坏的起点的外螺纹顶端部的载荷面侧的螺纹底部的第1曲面部处的等效塑性应变，该值越小，评价为耐剪切性能越优异。将其评价结果示于图6。

[耐扭矩性能的评价]

关于耐扭矩性能，将紧固扭矩线图开始屈服的值MTV(Maximum Torque Value)定义为屈服扭矩，该值越高，评价为耐扭矩性能越优异。将其评价结果示于图7。

[评价结果]

如图6所示，在具有两个曲率半径的现有产品中，集中于曲率半径0.125mm的部分的应变在曲率半径0.875mm的部分缓和，因此认为示出比较低的等效塑性应变。在具有第1曲面部的试样#1～#4和试样#5～#8中，能够评价为：随着曲率半径增加而在第1曲面部处产生的等效塑性应变降低，在试样#1～#4中，从曲率半径超过0.30mm时起，与现有产品相比等效塑性应变较小，在试样#5～#8中，在曲率半径超过0.35mm时，与现有产品相比等效塑性应变较小。由于上述试样的螺纹牙高度Th为2.2mm，因此能够评价为：在试样#1～#4的情况下，在满足曲率半径r1≥Th×0.14的情况下与现有产品相比等效塑性应变较小，另外，在试样#5～#8的情况下，在满足曲率半径r1≥Th×0.16的情况下与现有产品相比等效塑性应变较小。

另一方面，耐扭矩性能几乎不受外螺纹载荷面底部的第1曲面部的曲率半径的变化的影响，试样#1～#4和试样#5～#8分别示出同等的值。关于试样#1～#4，可以认为，由于通过使内螺纹的载荷面顶部的曲率半径比现有产品大而引起的载荷面接触面积的减少，从而与现有产品相比耐扭矩性能降低。另一方面，在为了增大载荷面接触面积而缩窄载荷面节距和插入面节距的试样#5～#8中，示出与现有产品相比较高的耐扭矩性能。

若减小载荷面节距和插入面节距，则导致外螺纹顶端部的螺纹牙宽度的减少，担忧耐剪切性能是否大幅降低，但如图6所示，通过曲率半径的增加，耐剪切性能也得到与现有产品相比良好的评价结果，判断根据本公开能够提供与现有产品相比耐剪切性能和耐扭矩性能均良好的螺纹接头。

对于试样#1～#4而言，认为耐扭矩性能与现有产品相比降低，但通过使第1曲面部的曲率半径比0.3mm大而得到与现有产品相比良好的耐剪切性能，在不要求较高的耐扭矩性能的用途中具有利用价值，另外，通过应用提高耐扭矩性能的其他手段，也能够应用于要求耐扭矩性能的产品。

此外，对仅增加被认为是剪切破坏的起点的外螺纹的第1螺纹牙的载荷面底部的曲率半径的试样也进行同样的评价，结果仅第1螺纹牙的曲率半径的变化对耐扭矩性能和耐剪切性能的影响是轻微的。

不过，认为通过在不与外螺纹的第1螺纹牙啮合的部分处减小内螺纹的载荷面顶部的曲率半径而增加载荷面接触面积，能够大幅提高耐扭矩性能。

附图标记说明

1、钢管用螺纹接头；2、钢管；10、公扣；20、母扣；11、外螺纹；111、第1螺纹部；111A、第1曲面部；r1、曲率半径；112、第2螺纹部；112A、第2曲面部；r2、曲率半径；21、内螺纹；21A、第3曲面部；r3、曲率半径；2、钢管。

Claims (8)

1.一种钢管用螺纹接头，其包括设于钢管的顶端部的管状的公扣和供所述公扣拧入而与所述公扣紧固的管状的母扣，所述公扣具有形成于所述公扣的外周的外螺纹，所述母扣具有形成于所述母扣的内周且在紧固时嵌合于所述外螺纹的内螺纹，所述外螺纹和所述内螺纹具有载荷面、插入面、螺纹牙顶面以及螺纹槽底面，所述外螺纹和所述内螺纹的插入面节距比所述外螺纹和所述内螺纹的载荷面节距小，在紧固状态下，所述外螺纹的载荷面与所述内螺纹的载荷面接触，并且所述外螺纹的插入面与所述内螺纹的插入面接触，所述外螺纹和所述内螺纹的载荷面和所述插入面具有负的牙型半角，其中，

距所述外螺纹的顶端部为螺纹螺旋方向的预定范围内的所述外螺纹的所述载荷面和所述螺纹槽底面经由纵截面中的曲率半径r1满足下述的式(1)的第1曲面部连接，

r1≥Th×0.14…(1)

其中，Th是距所述外螺纹的顶端部为螺纹螺旋方向的预定范围内的所述外螺纹的载荷面侧的螺纹牙高度，满足1.8mm≤Th≤3.0mm。

2.根据权利要求1所述的钢管用螺纹接头，其中，

所述外螺纹包括：第1螺纹部分，其具有所述第1曲面部；以及第2螺纹部分，其与该第1螺纹部分在螺纹螺旋方向上连续，该第2螺纹部分的所述载荷面和所述螺纹槽底面经由具有与所述第1曲面部相比较小的曲率半径r2的第2曲面部连接，

所述第1曲面部自所述外螺纹的顶端部沿着螺纹螺旋方向至少跨x周地设置，

其中，x满足下述的式(2)，

x＝(r1－r2)/Δp…(2)

在此，Δp是所述外螺纹的载荷面节距与插入面节距之间的节距差。

3.根据权利要求1所述的钢管用螺纹接头，其中，

所述第1曲面部自所述外螺纹的顶端部沿着螺纹螺旋方向至少跨1/2周地设置。

4.根据权利要求1所述的钢管用螺纹接头，其中，

所述第1曲面部跨所述外螺纹的全长地设置。

5.根据权利要求1所述的钢管用螺纹接头，其中，

所述内螺纹的所述载荷面和所述螺纹牙顶面经由在紧固状态下与所述第1曲面部相对且具有与所述第1曲面部相比较大的曲率半径的第3曲面部连接，

在作为所述内螺纹的局部的在紧固状态下与所述外螺纹的顶端部的所述载荷面接触的部分的所述螺纹牙顶面和与该螺纹牙顶面相对的所述外螺纹的所述螺纹槽底面之间设有径向的间隙，

所述第1曲面部的径向外端部位于比与所述第1曲面部相对的所述第3曲面部的径向内端部靠径向外侧的位置，并且位于比与所述第1曲面部相对的所述第3曲面部的径向外端部靠径向内侧的位置。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的钢管用螺纹接头，其中，

规定所述外螺纹和所述内螺纹的螺纹牙形，使得在紧固状态下自所述外螺纹的顶端部沿着螺纹螺旋方向至少跨8周的部分的所述载荷面和所述插入面与所述内螺纹的所述载荷面和所述插入面接触。

7.根据权利要求6所述的钢管用螺纹接头，其中，

所述载荷面节距为8.50mm以下，所述插入面节距为8.10mm以下，所述载荷面节距和所述插入面节距的节距差为0.35mm以上且0.45mm以下，所述外螺纹的顶端部处的螺纹牙底部的最小螺纹牙宽度为2.1mm以上。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的钢管用螺纹接头，其中，

所述钢管的外径比240mm大。

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