CN115380150A - 部分处于非锁定接合的自锁螺纹连接件 - Google Patents
部分处于非锁定接合的自锁螺纹连接件 Download PDFInfo
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Abstract
部分处于非锁定接合的自锁螺纹连接件，其具有第一管形件和第二管形件，在其相应的端部分别具有阳螺纹区域(3)和阴螺纹区域(4)。具有变化螺纹宽度和根部的阴螺纹区域第一部分(11，12)一起沿自锁密合布置进行配合。螺纹连接件内的锁定区域(10)位于非锁定部分(22,23)的中部，径向定中心于管体API容差，以便承受高扭矩和密封性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种部分处于非锁定接合的自锁螺纹连接件。本发明的目的是为运行页岩气井的用户优化可靠性和成本效率，尤其是提高这种页岩气井的井完整性。根据本发明的连接件能承受特殊应用如套管钻井所需的高扭矩，甚至在结构复杂的井中，例如定向井和水平井。因此，本发明提出一种用于套管和管子的螺纹接头，其能承受组合荷载例如张力和压应力、内外压力、弯曲的严格试验程序，其在2016年草拟的API(美国石油学会)技术报告(TR)5SF中，用于评价在多断面水平井中套管连接性能的指南中提及。安装负荷要包括使连接件疲劳，激励负荷要模拟液压断裂，并且生产负荷将在弯曲和高温下围绕冯·米塞斯当量测试连接件。
本发明的设计特别适合于中间套管，尤其适用于压裂用套管。
背景技术
螺纹连接件通常具有一个第一管状件和一个第二管状件，一个在第一管体的一端配有阳部件，另一个在第二管体的另一端配有阴部件，每个部件配有螺纹区域。
公知地，通常通过阳螺纹区域与阴螺纹区域的装配，连接阳部件和阴部件，形成一个连接件。
同时，在整体连接件类型的情况下，第一管体和第二管体均为钢管，不使用联轴器。在这种情况下，彼此邻接的钢管直接相互连接，不使用联轴器。由于邻接的钢管具有相同的标称外径和相同的壁厚，因此，需要两个管端的端部成形来提供哪些螺纹区域。优选地，在机械加工螺纹之前，阳部件进行型锻，阴部件进行胀口。
在螺纹连接处，外径的增大和内径的相应减小，由API标准确定，以保持规定的偏差容差，并保持可接受的外径容差，以避免装备这种套管的井的完整性受到干扰。
因此，通常，对于半嵌入螺纹连接，大致上对于主要常规尺寸，螺纹连接件的标称外径应保持低于管体标称外径的106％，螺纹连接件的内径应符合API RP 5C5确定的API偏差要求。
因此，在与井的套管一起钻井时，这样构成的管形件的管柱也可转动。为此，管形件必须装配在一起具有高扭矩，以便能够传输足以使管柱送进到井中的扭矩，而且也不会使管柱损坏。当向管柱提供旋转运动使管柱在管中送进时，旋转运动从具有最大直径的管体逐渐传送到处于最深位置的管柱中的更小管柱。
对于传统产品，通过设置在一管体的自由端的对接面在装配位置与相应凸肩面通过紧固进行的配合，来达到装配扭矩。但是，因为对接面范围是管厚度的一小部分，所以当施加过大的装配扭矩时，尤其是当涉及小直径的管体时，对接面的塑化临界阈值迅速达到。
这些连接件的主要结果是，当它们被布置在井中适当位置时，提供足够的密封性能。生产过程会使连接件暴露于套管内部压力变化强烈的流体中。因此，整体连接件将同时优化扭矩能力和密封性能，同时解决液体密封性的需要。
文献US-7661728提出一种具有足够扭矩能力的整体螺纹连接件，其中，连接件没有任何对接面，而是依靠具有低锥螺纹的两个螺纹区域，两个螺纹区域处于自锁布置。两个螺纹区域具有阳端的螺纹(也称为销构件)和阴端螺纹(也称为盒构件)，它们具有恒定的导程但可变的螺纹宽度，因为插入侧面的插入导程不等于负荷侧面的负荷导程。这种螺纹称为楔形螺纹。根据该文献，密封性能由金属对金属密封提供，以便达到既液密也气密的优良密封性能。每个阳部件和阴部件分别具有密封面，当螺纹区域在自锁装配后进行配合时，密封面能够在紧固接触(也称为干涉接触)中彼此配合。
通常，阳端的螺纹具有销螺纹顶部、销螺纹根部、销负荷侧面、以及销插入侧面。阴端的螺纹具有盒螺纹顶部、盒螺纹根部、盒负荷侧面、以及盒插入侧面。更准确地说，对于楔形螺纹，分别对于阳端或阴端的螺纹，螺纹(或齿)的顶部的宽度随着分别距轴向阳端或轴向阴端的距离增大而逐渐增大。
楔形螺纹的特征在于楔形比，楔形比为负荷侧面导程LFL与插入侧面导程SFL之间非零差，负荷侧面导程LFL绝对大于或者绝对小于插入侧面导程SFL，差值用相应的导程值进行计算。在传统的楔形螺纹中，销构件和盒构件两者的LFL相等，销构件和盒构件两者的SFL也相等。因此，对于销构件和盒构件两者，楔形比是相同的。在装配期间，阳或阴螺纹(或齿)通过在相应于锁紧点的可预测位置上彼此锁紧而完成。
更准确地说，当阳螺纹(或齿)的插入侧面和负荷侧面两者分别锁定在相应的阴螺纹(或齿)的插入侧面和负荷侧面时，自锁螺纹发生锁紧。为此，装配扭矩由这些侧面之间所有接触面承受，即总表面积显著大于现有技术的对接面构成的总表面积。
但是，当这种连接件被缩小尺寸以适合小外径和小壁厚的管子时，由于螺纹的齿高是计算扭矩能力的一个重要参数，因此缩小尺寸的螺纹区域的行为不能像如预想的那样。因此，这种类型的教导的的连接件设计需要进行全面的检查，因为其在纯小型化时，不能提供所要求的扭矩能力和密封性能。减小公知连接件的尺寸的另一种方式是，减少螺纹区域的匝数，然而随后扭矩能力相应地显著地减小。
从文献WO-2019-076622中已知现有技术的专用于仅具液封性能的半优质连接件的另一种螺纹连接件。该文献提出的连接件具有一个螺纹区域，该螺纹区域由在销构件和盒构件两者的导程型面中具有两次演变的齿构成，以致销螺纹型面和盒螺纹型面两者在它们相应的螺纹区域的两端具有规则齿，规则齿是具有相同顶部宽度和相同根部宽度的邻接齿。在这些规则齿之间，销螺纹区域和盒螺纹区域两者具有楔形螺纹。销螺纹和盒螺纹的楔形螺纹仅仅部分地进行自锁啮合，因为这些楔形螺纹沿锥形螺纹区域不是精准地位于相同的位置。
但是，在对分别与314.33毫米(12.38”)标称内径相应的346毫米(13 5/8”)外径和88.2重量的连接件进行试验时，根据文献WO-2019-076622的连接件设计没有成功通过140ksi以上的更高屈服强度材料的综合载荷试验，和没有通过125ksi及以上的屈服强度材料的弯曲试验。该连接件在销构件和盒构件两者的导程型面中具有如此复杂演变，以致所有管体外径尺寸将被设计成具有相同的连接型面，那么，当以例如346毫米(13 5/8”)外径的尺寸进行试验时，连接件仅达到管体效率的73％的连接效率。此外，连接设计似乎不适合于346毫米(13 5/8”)或以下外径、125ksi或以上屈服强度材料的管子。此外，不能减小连接件的每个部分的尺寸，因为小螺纹会使螺纹扭矩能力显著减小。
需要提供一种为机械加工提供更宽公差同时达到API 5C5：2017CAL-I液体密封的有成本效率的连接件，确保弯曲度和高温弯曲度，即使对于在操作和运行过程中不易损坏的标称直径低于346毫米(13 5/8”)的管子，由于可接受的制动周期数较高，因而具有较长使用寿命。还需要一种具有更高扭矩、更快装配和制造起来更为经济的连接件，尤其是对于外径尺寸在76.2毫米(3英寸)至152.4毫米(6英寸)之间的小管体。这些需要与管体效率的85％以上的连接效率的需要相结合。
为此，尤其是对于外径小于346毫米(13 5/8英寸)以下的管体来说，对能承受这种扭矩要求的解决方案有非常特别的需求，除了页岩的特殊要求之外，例如在将套管安装在井的侧向部分期间和以后暴露于液压断裂过程的高内部压力、弯曲度和高温期间的管柱转动引起的周期性疲劳。执行包括也在弯曲条件下进行的水密封性测试的苛刻测试程序。
发明内容
为此，本发明旨在提供一种半插入半嵌入的连接件，用于页岩钻探，具有自锁螺纹，以致锁紧螺纹具有充分的液密性，而且也提供足够的最大扭矩。除了上述待解决的要求之外，还需要这样一种连接件，该连接件在销构件和盒构件上与机加工插入工具的路径数量方面具有合理的制造成本。
更准确地说，本发明提供一种包括第一管形件和第二管形件，第一管形件具有管体和在该管体的远端的阳部件，第二管形件具有另一个管体和在该另一个管体的远端的阴部件，以致阳部件在其外周表面上具有至少一个阳螺纹区域并终止于阳终端表面，阴部件在其内周表面上具有至少一个阴螺纹区域并终止于阴终端表面，
阳螺纹区域具有阳螺纹，阳螺纹具有第一部分和第二部分，在阳螺纹的第一部分中，螺纹根部宽度(WRp)沿着第一管形件的从阳终端表面向管体定向的方向减小，阳螺纹的第二部分邻接于阳螺纹的第一部分，在阳螺纹的第二部分中，螺纹根部宽度保持在最小恒定宽度值(WRpmin)，最靠近阳终端表面的齿具有阳螺纹的最大根部宽度值(WRpmax)，以及
阴螺纹区域具有阴螺纹，阴螺纹具有第一部分和第二部分，在阴螺纹的第一部分中，螺纹根部宽度(WRb)沿着第二管形件的从阴终端表面向管体定向的方向减小，阴螺纹的第二部分邻接于阴螺纹的第一部分，在阴螺纹的第二部分中，螺纹根部宽度保持在最小恒定宽度值(WRbmin)，最靠近阴终端表面(8)的齿具有阴螺纹的最大根部宽度值(WRbmax，
其特征在于，阳螺纹的第一部分和阴螺纹的第一部分部分地装配成自锁布置，以便在螺纹连接件中提供锁定区域。
本发明的连接件的一个技术优势是，在装配期间，没有需要遵循的特定装配扭矩图，因为本发明的连接件的扭矩图容许具有一个基本装配标记图，容许具有比现有技术的连接件的平均扭矩窗口更宽的容差。为了降低这种连接件的成本，该优越性具有优势。
本发明的另一个优点是，装配扭矩以钻机的扭矩能力来达到，而且当插入侧面和负荷侧面彼此接触接触时，在手工紧固之后，连接件可以在少于1.5圈内完成，也就是说，本发明的连接件从插入到最终装配位置，需要不到4圈。
本发明的另一个优点是，连接件也满足API RP 5C5：2017CAL-I系列B，无弯曲度，但有弯曲，并且还具有弯曲试验规程的高温，以确保弯曲下的液封。连接件在超过40000次的疲劳暴露试验之后也证明有液封性。下面给出本发明的任选但互补或取代特征。
优选地，锁定区域占啮合的阴螺纹和阳螺纹的总装配长度的超过60％。
尤其是，锁定区域定位在两个非锁定区域之间，每个非锁定区域分别邻接于锁定区域的每个纵向侧。
根据本发明的第一实施例，阳螺纹区域具有由单个连续螺旋构成的单个阳螺纹，以致阳插入侧面的导程(SFL_p)在阳螺纹上单个位置(24)处变化，阴螺纹区域具有由单个连续螺旋构成的单个阴螺纹，以致阴插入侧面的导程(SFL_b)在阴螺纹上单个位置(25)处变化，相应的阴螺纹和阳螺纹在插入侧面导程的变化处于不同的位置，以致在这两个位置之间限定锁定区域；并且，阳负荷侧面导程(LFL_p)和阴负荷侧面导程(LFL_b)沿整个阳螺纹区域和相应的阴螺纹区域保持不变。
根据本发明的另一个实施例，阳螺纹区域具有由单个连续螺旋构成的单个阳螺纹，以致阳负荷侧面导程(LFL_p)在阳螺纹上单个位置处变化，阴螺纹区域具有由单个连续螺旋构成的单个阴螺纹，以致阴负荷侧面导程(LFL_b)在阴螺纹上单个位置处变化，相应的阴螺纹和阳螺纹在负荷侧面导程的变化处于不同的位置，以致在这两个位置之间限定锁定区域；并且，阳插入侧面导程(SFL_p)和阴插入侧面导程(SFL_b)沿整个阳螺纹区域和相应的阴螺纹区域保持不变。
例如，锁定区域中的楔形比小于0.15毫米。
优选地，阳螺纹区域和阴螺纹区域具有锥度母线，锥度母线形成一个为锥角的角度θ；锥角是在阴螺纹区域和阳螺纹区域的母线与螺纹连接件的轴线之间的角，锥度在1/6至1/18范围内，优选地选择在1/6至1/10范围内，更优选地选择在约12.5％；并且，锁定区域中的阴螺纹和阳螺纹的顶部和根部平行于螺纹区域的锥度母线。
在锁定区域的轴向半长度处确定中部锁定位置(M)，以致中部锁定位置处的节线直径TDavg限定如下：
(OD+IDmax)÷2-5％WT<TDavg<(OD+IDmax)÷2+10％WT
其中，
OD是根据API 5CT要求的标称管体外径，
WT是根据API 5CT要求的标称管宽度，
IDmax是根据API 5CT要求的最大可接受管体内径(API 5CT提供管的标称OD和WT尺寸，也提供两种尺寸的容差。因此，IDmax以最大可接受管体外径和最小许可管宽度进行计算)。
中部锁定位置节线直径TDavg的上述界定，对使本发明界定的连接件适合于所有类型的管体尺寸有用处。
中部锁定位置确定在锁定区域的轴向半长度处，以致从该中部锁定位置至锁定区域纵向侧的长度Lnl是这样的：
Lnl≤(OD÷2-IDmax÷2-THpitch)÷(2*tan(θ))
其中，
OD是根据API 5CT要求的标称管体外径，
IDmax是根据API 5CT要求的最大可接受管体内径，
THpitch是从节线至锁定区域的根部或顶部的垂直距离，
θ是螺纹区域的锥角。
从中部锁定位置至少锁定区域纵向侧的长度Lnl的上述界定，对使本发明界定的连接件适合于所有类型的管体尺寸有用处，螺纹高度考虑在内。
优选地，阳螺纹和/或阴螺纹的最大根部宽度值被设置为低于相应的阳螺纹或阴螺纹的最小根部宽度值的两倍。这样，机械加工成本更低。
最靠近第二管形件的管体的阴螺纹的根部具有与最靠近第一管形件的管体的阳螺纹的根部相同的根部宽度。
分别靠近管体的阳螺纹和阴螺纹的相应的齿具有不完全的螺纹高度和/或消失的螺纹齿。
阴螺纹从所述阴终端表面开始，阳螺纹从阳终端表面开始。
优选地，为了避免跳出，阳螺纹区域和阴螺纹区域的齿具有燕尾型面，α和β分别是负荷螺纹侧面角和插入螺纹侧面角，垂直于螺纹连接件的轴线，α和β都小于5°。
阳螺纹的齿的顶部和阴螺纹的齿的顶部与锁定区域中相应的根部进行干涉，以致根部/顶部干涉的直径干涉可以是管体标称外径的0.0020倍至0.0030倍之间。
本发明的螺纹连接件没有任何远端对接面，阳部件的自由端远离阴部件，相应地，阴部件的自由端远离阳部件。
阴部件和阳部件都没有除锁定区域之外的任何附加密封面。
螺纹连接件是半嵌入式，第一管形件和第二管形件是整体式，每个第一管形件和第二管形件具有阳部件和阴部件。
阳螺纹区域和阴螺纹区域是单头螺纹。
附图说明
本发明的特征和优点在下面参考附图的描述中更详细地公开。
图1是本发明具有自锁螺纹的连接件的一半处于装配状态的纵向横剖视图；
图2是根据本发明第一实施例的示图，示出当连接件装配好，阳部件和阴部件的负荷侧面和插入侧面沿着图1所示阳部件和阴部件的螺纹，在阳部件和阴部件的远端表面之间的导程演变。沿y轴分别为阳插入侧面(SFL_p)、阳负荷侧面(LFL_p)、阴插入侧面(SFL_b)以及阴负荷侧面(LFL_b)的导程数值，其中x轴表示螺纹沿管形件的纵向轴线的位置；
图3是根据本发明的连接件的阴部件的一半的纵向剖视图；
图4是根据本发明的连接件的阴部件的一半的纵向剖视图；
图5是根据本发明的连接件的另一实施例的类似于图2的示图；
图6是根据本发明的连接件的一个实施例的阳端的阳齿与阴端的阴齿装配在一起的详细纵向剖视图；
图7是根据本发明的连接件的阳部件的远端的一半的详细纵向剖面图；
图8是根据本发明的连接件的阴部件的远端的一半的详细纵向剖面图。
具体实施方式
图1所示螺纹管连接件具有一个管形件5和一个第二管形件6，所述管形件5配有一个阳部件1，所述第二管形件6配有一个阴部件2。阳部件1从第一管形件5的管体延伸。阴部件2从第二管形件6的管体延伸。
优选地，两个管形件5和6是整体式，因为两个都配有管体，在管体的第一远端配有一个阳部件，以及在该管体的相对远端配有一个阴部件。两个管形件由钢制成，在一个实施例中，由碳马氏体钢制成，其屈服强度能在80ksi(550兆帕)至140ksi(965兆帕)之间。
例如，材料等级在80ksi(550兆帕)至140ksi(965兆帕)之间。例如，等级超过100ksi(690兆帕)，例如等于125ksi(860兆帕)。
管体可具有在31/2”(88.90毫米)至13 5/8”(346毫米)之间的标称外径，在8至22毫米之间的管体壁宽度，但优选地标称外径小于10”(254毫米)，更优选地小于6”(152.4毫米)。
根据API 5CT 2018年第10版，有规则的管体标称外径表，并且对于每种尺寸，具有相应的连接件可接受外径，如下所述：
| 管体标称外径 | 联轴器外径 |
| 88.9毫米(3.5英寸) | 107.95毫米(4.25英寸) |
| 101.6毫米(4英寸) | 120.65毫米(4.75英寸) |
| 114.3毫米(4.5英寸) | 132.08毫米(5.2英寸) |
| 127毫米(5英寸) | 147.32毫米(5.8英寸) |
| 139.7毫米(5.5英寸) | 160.02毫米(6.3英寸) |
本发明的连接件的外径被选择成与API 5CT下一尺寸的联轴器外径相同。
根据本发明的一个实施例，管体外径可为5.5”(139.7毫米)，管体质量为20磅/英尺，对应于管体壁宽度为0.361”(9.17毫米)。因此，对于这个实施例，联轴器外径是147.32毫米(5.8英寸)。连接件内径取决于具有间隙要求的API 5CT偏差，使得即使根据装配容差装配到最大装配扭矩，仍然有偏差。
阳部件终止于阳终端表面7，形成阳部件或销面的轴向自由端。阳终端表面7也是第一管形件的轴向自由面。阴部件2终止于阴终端表面8，形成阴部件或者盒面的轴向自由端。阴终端表面8也是第二管形件的轴向自由面。阳终端表面7和阴终端表面8相对于连接件的纵向轴线X径向定向。阳终端表面7和阴终端表面8在装配结束时都不接触。
阳部件1和阴部件2两者具有锥形螺纹区域3、4，它们通过两个管形件的装配而互连配合。螺纹区域分别进行机加工。图1示出螺纹连接件完全装配。
根据本发明，连接效率在管体屈服强度的80％以上。
锥形螺纹区域3、4的锥角θ是阳锥形螺纹区域和阴锥形螺纹区域的母线与连接件的纵向轴线X之间的夹角，锥度在1/6至1/18的范围中，并优选在1/6至1/10的范围中，最好约为12.5％。优选地，锥度值可为1/8或者1/6，分别相应于3.6°和4.8°的锥角θ。
根据本发明的第一实施例，阳螺纹区域4和阴螺纹区域3是单头螺纹。单头意味着每个螺纹区域3和4仅具有一个不中断的单螺纹螺旋圈，螺旋圈是一个连续螺旋。
根据图1，螺纹区域3和4分别从阳终端表面7开始和从阴终端表面8开始。
为了降低加工成本，首先以预期螺纹区的锥角冲裁阳部件和阴部件，冲裁锥角将成为螺纹型面的顶部定义。因此，不必机加工螺纹顶部。根据图5所示实施例的顶部平行于锥度轴线。
如图7和8所示，终端表面垂直于纵向轴线X，倒角71、72、81和82从终端表面分别向内表面和向外表面进行机加工。例如，根据本发明的一个优选实施例，所有倒角相对于终端表面的平面都是45°倒角。倒角71和81分别向阳部件和阴部件的内表面进行机加工。倒角72和82分别朝向阳部件和阴部件的外表面机加工。螺纹型面的负荷侧面和插入侧面相继进行机加工。用于分别机加工负荷侧面和插入侧面的机加工插入件的运行位置在分别用于阳螺纹的倒角72和阴螺纹的倒角81内开始。螺纹机加工不影响终端表面高度，从而在销拧入盒的步骤时提供装配容差，和避免损坏最初的插入表面。优选地，机加工开始于在径向方向距终端表面小于0.15毫米处。
螺纹轮廓的根部是由于连续使用第一最终螺纹路径来加工至少负荷侧面而获得的，该负荷侧面也能够加工与负荷侧面相邻的根部轮廓的一部分，然后，利用第二最终螺纹路径机械加工插入侧面，第二最终螺纹路径也能机械加工与插入侧面邻接的部分根部型面。对于销构件，根部型面从最小宽度值WRpmin发展到最大根部宽度值WRpmax时，和对于盒构件，根部型面从最小宽度值WRbmin发展到最大根部宽度值WRbmax时，不需要第三插入件机加工根部型面，以致：
WRbmax≤2*WRbmin
以及
WRpmax≤2*WRpmin
优选地
WRbmax≤4mm
以及
WRbmax≤4mm
优选地
WRbmax≤2*WRbmin-0.5mm
以及
WRpmax≤2*WRpmin-0.5mm
在本发明的一个实施例中，WRpmin可约为2.2毫米。
如图1所示，WRpmax和WRbmax在装配结束时不在同一平面上的实施变型，也包括在本发明范围内。
根部宽度分别沿阳螺纹区域和阴螺纹区域渐增。阳螺纹区域3的阳螺纹具有第一部分11和第二部分15，在所述第一部分11中，螺纹根部宽度WRp沿着第一管形件5的从阳终端表面7向管体定向的方向减小，所述第二部分15与第一部分11邻接，在所述第二部分15中，螺纹根部宽度保持在最小恒定宽度值WRpmin，最靠近阳终端表面7的齿具有阳螺纹的最大根部宽度值WRpmax。
阴螺纹区域4的阴螺纹具有第一部分12和第二部分16，在所述第一部分12，螺纹根部宽度WRb沿着第二管形件的从阴终端表面向管体定向的方向减小，所述第二部分16与第一部分12邻接，在所述第二部分16，螺纹根部宽度保持在最小恒定宽度值WRbmin，最靠近阴终端表面8的齿具有阴螺纹的最大根部宽度值WRbmax。
在第一部分11和12内，螺纹顶部的轴向宽度逐渐变化，相应地，螺纹根部的轴向宽度逐渐变化，以致在这种连接件装配期间，逐渐轴向密合，直至最终的锁定位置。在第二部分15和16内，根部宽度和顶部宽度保持恒定值。
装配时，本发明的连接件具有一个锁定部分10，其中，第一部分11的一些齿与第一部分12的一些齿处于公知的自锁构型。
阳螺纹和阴螺纹的第一部分11和12分别部分地装配在自锁布置中，即第一部分的不是所有齿都处于自锁装配布置中，以致阳螺纹的第一部分11的一些齿在其负荷侧面和/或其插入侧面，都不与阴螺纹的相应齿接触，阴螺纹的第一部分12的一些齿在其负荷侧面和/或其插入侧面，都不与阳螺纹的相应齿接触。第一部分11和12的不在自锁布置里的齿，至少其负荷侧面或插入侧面之一不与另一螺纹的任何相应表面进行接触。
在连接件的装配构型，第二部分15和16的螺纹，不与其所装配的第一部分的相应螺纹装配在自锁布置中。第二部分15和16位于锁定区域10的两个相对侧。第二部分15比第一部分11更靠近第一组件5的管体，以致第二部分15与阴螺纹区域4的接近阴终端表面8的阴螺纹齿相啮合。阳螺纹第二部分15与阴螺纹第一部分12的齿相啮合，以形成第一非锁定区域22。第二部分16比第一部分12更靠近第二组件6的管体，以致第二部分16与阳螺纹区域3的接近阳终端表面7的阳螺纹齿相啮合。阴螺纹第二部分16与阳螺纹第一部分11的齿相啮合，以形成第二非锁定区域23。
第一非锁定区域22邻接于锁定区域10的一个纵向侧24，第二锁定区域23邻接于锁定区域10的相对的纵向侧25。
如图1和2所示，根据API 5CT，沿着纵向轴线X，尤其是在第一管形件5的管体外径接近最大容许公差、第二管形件6的管体厚度接近最小容许公差的情况下，阴螺纹长度可长于阳螺纹长度。因此，当第一管形件5和第二管形件6两者的外径和壁厚接近API 5CT的标称要求时，阴螺纹长度可以等于阳螺纹长度。
装配时，啮合的阴螺纹和阳螺纹的总装配长度17短于阴螺纹区域或阳螺纹区域的最长轴向长度。根据图1和2所示的实施例，总装配长度17相应于阳螺纹区域3的轴向长度。本发明适于根据外径容差和导管宽度容差在API5CT可接受导管的整个范围内生产的导管。
术语“自锁”构型指下面详述的锁定区域10中的齿的特征。阳螺纹(或齿)32，与阴螺纹(或齿)42一样，具有恒定导程，尽管顶部宽度分别向它们相应的终端表面7、8减小，以致在装配期间，阳螺纹32和阴螺纹42(或齿)中一些最终彼此锁紧在确定位置。处于锁定构型10的螺纹是这样的：阳螺纹(或齿)的所有插入侧面和所有负荷侧面彼此分别锁定相应阴螺纹(或齿)的插入侧面和负荷侧面。
装配结束时，在锁定区域10，如图6所示，在轴向侧面之间没有轴向间隙，轴向侧面包括负荷侧面30、40和插入侧面31、41两者。轴向侧面相对于连接件的轴线基本上径向限定。此外，本发明连接件的设计是这样的：在锁定区域10，在阳螺纹顶部34与阴螺纹根部44之间，以及在阳螺纹根部35与阴螺纹顶部45之间，没有径向缝隙。因此，通过产生足够接触以俘获涂料和承受高压来形成密封。顶部34、45和根部44、35进行干涉接触，轴向侧面也干涉。在锁定区域，阴螺纹和阳螺纹的顶部和根部平行于螺纹区域的锥度母线。
有利地，如图6所示，阴螺纹和阳螺纹(或齿)具有燕尾型面。该型面能够避免跳出危险，该跳出对应于当连接件经受大的弯曲应力或拉伸应力时，阴螺纹和阳螺纹分离。更准确地说，与其中轴向齿宽从螺纹根部向顶部减小的通常称为“梯形”螺纹的螺纹相比，燕尾形螺纹的几何形状增大其装配的径向刚度。有利地，螺纹的负荷侧面由倒圆角连接于螺纹顶部和邻接的螺纹根部，以致这些倒圆角减小负荷侧面下部的应力集中系数，从而改善连接件的疲劳特性。
沿着螺纹连接件的纵截面，负荷侧面和插入侧面两者具有直型面。负荷侧面和插入侧面分别与竖直于纵向轴线X的竖直线形成负角α和负角β。负荷侧面角值α小于或等于插入侧面角值β，而彼此相对并限定在竖直于纵向轴线X的竖直线的相对两侧。例如，角α和β在1°至5°之间。因此，当考虑到沿纵向轴线X的齿的宽度时，在两个邻接齿之间的间隙的底部处的根部的宽度始终是该齿的最大尺寸。
根据本发明，只有阳螺纹32和阴螺纹42每一个的特定数量的螺纹处于特定的锁定构型，并啮合在锁定部分10中。锁定部分10离开螺纹区域3和4的第一螺纹和最后螺纹。阳螺纹32和阴螺纹42两者的至少第一螺纹和最后螺纹不处于锁定构型。锁定区域占总装配长度17的60％以上，优选地占70％以上。
例如，锁定区域10具有10至16个螺纹匝，其中，阴螺纹区域全部具有至少16个螺纹匝，阳螺纹区域全部具有至少16个螺纹匝。
根据图2所示的第一实施例，阳螺纹区域3具有第一部分11，其中，阳插入侧面31之间的导程SFL_p是恒定的值SFL_p1，阳负荷侧面30之间的导程LFL_p也是恒定的，但是不同的值LFL_p1。在图6所示的实施例中，LFL_p1绝对大于SFL_p1。对于本发明第一实施方式的第一实施例：
LFP_p1＝8,33mm
SFP_p1＝8,20mm
对于本发明第一实施方式的第二实施例：
LFP_p1＝10mm
SFP_p1＝9,87mm
因此，第一部分的楔形比，即负荷侧面导程与插入侧面导程之差，对于两个实施例均小于0.15毫米。
在本发明范围内，其他的插入侧面导程和负荷侧面导程的值是可接受的。
类似地，阴螺纹在第一部分12的负荷侧面41之间的导程LFL_b恒定于LFL_b1值，插入侧面40之间的导程SFL_b也恒定，但是不同的SFL_b1值，其特征是负荷侧面41之间的导程大于插入侧面40之间的导程。
此外，如图2所示，阳插入侧面31与阴插入侧面40之间相应的导程SFL_p1和SFL_b1等于和小于阳负荷侧面30与阴负荷侧面41之间的相应导程LFP_p1和LFP_b1，后者本身是相等的。
更准确地说，LFP_b1＝LFP_p1以及SFP_b1＝SFP_p1。
根据图2，在非锁定区域22，阳插入侧面导程SFL_p和阳负荷侧面导程LFL_p彼此相等，也等于在锁定区域10的纵向侧位置24的LFL_p1，阳插入侧面导程改变。在第二非锁定区域23内，阴插入侧面导程SFL_b和阴负荷侧面导程LFL_b彼此相等，也等于在锁定区域10的第二纵向侧位置25的LFL_b1，阴插入侧面导程改变。
位置24和25由插入侧面导程在相应螺纹区域上改变的位置限定。阳螺纹区域和阴螺纹区域都仅在插入侧面导程值方面改变，而负荷侧面导程沿螺纹区域始终保持不变。改变是突然的，并且在小于一圈，最好小于180°内出现。
可选择地，根据本发明的第二实施例，如图5所示，阳螺纹区域和阴螺纹区域具有恒定的插入侧面导程，但是，分别在阳螺纹区域和阴螺纹区域的两个不同位置，仅在负荷侧面导程值有唯一改变。
如图1所示，在非锁定区域22和23，在相应的阴插入侧面和阳插入侧面之间存在正间隙。例如，间隙至少为1毫米，例如小于5毫米。
优选地，锁定区域10的中部M径向位于螺纹连接件的中部。M确定在锁定区域10的轴向半长度处，以致中部锁定位置M处节线直径TDavg如下：
(OD+IDmax)÷2-5％WT<TDavg<(OD+IDmax)÷2+10％WT
OD是根据API 5CT要求的标称管体外径，
WT是根据API 5CT要求的标称管宽度，
IDmax是根据API 5CT要求的最大可接受管体内径。
根据本发明第一种实施方式的一个实施例，
OD＝5.5in或139.7mm
壁厚WT＝0.361in或9.1694mm
API最大管道OD容差ODmax是标称管体外径的101％，API最小壁厚容差WTmin是保持管体壁厚的87.5％。
IDmax＝ODmax-2*WTmin＝139.7*1.01-2*9.1694*0.875＝125.0506
为了在连接件的中部具有中部M，中部锁定位置M的可接受都节线直径TDavg是
TDavg＝average(OD,IDmax)＝(139.7+125.0506)/2＝132.375mm
根据本发明，即使考虑到最坏条件的API管容差，完整锁紧螺纹用于锁定区域10。优选地，因为完美螺纹区域的长度取决于管的参数和外径容差，所以完美螺纹区域选择成在比需要锁定区域长的长度上具有完美螺纹。
不完美螺纹是这样的：阳螺纹区域和阴螺纹区域的齿的顶部和/或根部平行于螺纹连接件的纵向轴线X。这便于机械加工。阳不完美螺纹被发现在第二部分16。第二部分15和16内的不完美螺纹提高连接件的张紧效率。
具有最小根部宽度的齿，在接近于朝向管体的非螺纹部分过渡段，是不完美的。不完美螺纹的高度低于锁定区域10中另外螺纹的规则高度。
中部锁定位置M确定在锁定区域的轴向半长度处，以致从中部锁定位置至锁定区域纵向侧24或25的长度Lnl是这样的：
Lnl≤(OD÷2-IDmax÷2-THpitch)÷(2*tan(θ))
THpitch是从节线P至锁定区域的顶部34的竖直距离，其在0.5至1.0毫米之间。
根据本发明第一种实施方式的上述实施例，
Lnl可在50至60毫米之间。所需最小装配扭矩可为30000英尺.磅(40674牛顿.米)至50000英尺.磅(67790牛顿.米)。
为了易于装配，仅对阴部件进行表面处理，另外，涂料在装配前围绕阳部件布置。另外，阳部件和阴部件两者可进行表面处理。例如，表面处理可以是磷酸锌处理。
Claims (19)
1.螺纹连接件，包括第一管形件和第二管形件，第一管形件(5)具有管体和在该管体的远端的阳部件(1)，第二管形件(6)具有另一个管体和在该另一个管体的远端的阴部件(2)，以致阳部件(1)在其外周表面上具有至少一个阳螺纹区域(3)并终止于阳终端表面(7)，阴部件(2)在其内周表面上具有至少一个阴螺纹区域(4)并终止于阴终端表面(8)，
阳螺纹区域(3)具有阳螺纹，阳螺纹具有第一部分和第二部分，在阳螺纹的第一部分中，螺纹根部宽度(WRp)沿着第一管形件的从阳终端表面向管体定向的方向减小，阳螺纹的第二部分邻接于阳螺纹的第一部分，在阳螺纹的第二部分中，螺纹根部宽度保持在最小恒定宽度值(WRpmin)，最靠近阳终端表面(7)的齿具有阳螺纹的最大根部宽度值(WRpmax)，以及
阴螺纹区域(4)具有阴螺纹，阴螺纹具有第一部分和第二部分，在阴螺纹的第一部分中，螺纹根部宽度(WRb)沿着第二管形件的从阴终端表面向管体定向的方向减小，阴螺纹的第二部分邻接于阴螺纹的第一部分，在阴螺纹的第二部分中，螺纹根部宽度保持在最小恒定宽度值(WRbmin)，最靠近阴终端表面(8)的齿具有阴螺纹的最大根部宽度值(WRbmax)，
其特征在于，阳螺纹的第一部分和阴螺纹的第一部分部分地装配成自锁布置，以便在螺纹连接件中提供锁定区域(10)。
2.根据权利要求1所述的螺纹连接件，其特征在于，锁定区域占啮合的阴螺纹和阳螺纹的总装配长度的超过60％。
3.根据前述权利要求中任一项所述的螺纹连接件，其特征在于，锁定区域定位在两个非锁定区域(22,23)之间，每个非锁定区域分别邻接于锁定区域的每个纵向侧(24,25)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的螺纹连接件，其特征在于，阳螺纹区域具有由单个连续螺旋构成的单个阳螺纹，以致阳插入侧面的导程(SFL_p)在阳螺纹上单个位置(24)处变化，阴螺纹区域具有由单个连续螺旋构成的单个阴螺纹，以致阴插入侧面的导程(SFL_b)在阴螺纹上单个位置(25)处变化，相应的阴螺纹和阳螺纹在插入侧面导程的变化处于不同的位置，以致在这两个位置之间限定锁定区域；并且，阳负荷侧面导程(LFL_p)和阴负荷侧面导程(LFL_b)沿整个阳螺纹区域和相应的阴螺纹区域保持不变。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的螺纹连接件，其特征在于，阳螺纹区域具有由单个连续螺旋构成的单个阳螺纹，以致阳负荷侧面导程(LFL_p)在阳螺纹上单个位置处变化，阴螺纹区域具有由单个连续螺旋构成的单个阴螺纹，以致阴负荷侧面导程(LFL_b)在阴螺纹上单个位置处变化，相应的阴螺纹和阳螺纹在负荷侧面导程的变化处于不同的位置，以致在这两个位置之间限定锁定区域；并且，阳插入侧面导程(SFL_p)和阴插入侧面导程(SFL_b)沿整个阳螺纹区域和相应的阴螺纹区域保持不变。
6.根据前述权利要求中任一项所述的螺纹连接件，其特征在于，锁定区域中的楔形比小于0.15毫米。
7.根据前述权利要求中任一项所述的螺纹连接件，其特征在于，阳螺纹区域(3)和阴螺纹区域(4)具有锥度母线，锥度母线形成一个为锥角的角度θ；锥角是在阴螺纹区域和阳螺纹区域的母线与螺纹连接件的轴线(10)之间的角，锥度在1/6至1/18范围内，优选地选择在1/6至1/10范围内，更优选地选择在约12.5％；并且，锁定区域中的阴螺纹和阳螺纹的顶部和根部平行于螺纹区域的锥度母线。
8.根据前述权利要求中任一项所述的螺纹连接件，其特征在于，在锁定区域的轴向半长度处确定中部锁定位置(M)，以致中部锁定位置处的节线直径TDavg限定如下：
(OD+IDmax)÷2-5％WT<TDavg<(OD+IDmax)÷2+10％WT
OD是根据API 5CT要求的标称管体外径，
WT是根据API 5CT要求的标称管宽度，
IDmax是根据API 5CT要求的最大可接受管体内径。
9.根据前述权利要求中任一项所述的螺纹连接件，其特征在于，中部锁定位置(M)确定在锁定区域的轴向半长度处，以致从该中部锁定位置至锁定区域纵向侧的长度Lnl是这样的：
Lnl≤(OD÷2-IDmax÷2-THpitch)÷(2*tan(θ))
OD是根据API 5CT要求的标称管体外径，
IDmax是根据API 5CT要求的最大可接受管体内径，
THpitch是从节线至锁定区域中的根部或顶部的竖直距离，
θ是螺纹区域的锥角。
10.根据前述权利要求中任一项所述的螺纹连接件，其特征在于，阳螺纹和/或阴螺纹的最大根部宽度值被设置为低于相应的阳螺纹或阴螺纹的最小根部宽度值的两倍，
WRbmax≤2*WRbmin
和/或
WRpmax≤2*WRpmin。
11.根据前述权利要求中任一项所述的螺纹连接件，其特征在于，最靠近第二管形件的管体的阴螺纹的根部具有与最靠近第一管形件的管体的阳螺纹的根部相同的根部宽度(WRbmin＝WRpmin)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的螺纹连接件，其特征在于，分别靠近管体的阳螺纹和阴螺纹的相应的齿具有不完全的螺纹高度和/或消失的螺纹齿。
13.根据前述权利要求中任一项所述的螺纹连接件，其特征在于，阴螺纹从所述阴终端表面(8)开始，阳螺纹从阳终端表面(7)开始。
14.根据前述权利要求中任一项所述的螺纹连接件，其特征在于，阳螺纹区域(3)和阴螺纹区域(4)的齿具有燕尾型面，α和β分别是负荷螺纹侧面角和插入螺纹侧面角，垂直于螺纹连接件的轴线，α和β都小于5°。
15.根据前述权利要求中任一项所述的螺纹连接件，其特征在于，阳螺纹的齿的顶部和阴螺纹的齿的顶部与锁定区域中相应的根部进行干涉，以致根部/顶部干涉的直径干涉可以是管体标称外径的0.0020倍至0.0030倍之间。
16.根据前述权利要求中任一项所述的螺纹连接件，其特征在于，螺纹连接件没有任何远端对接面，阳部件的自由端远离阴部件，相应地，阴部件的自由端远离阳部件。
17.根据前述权利要求中任一项所述的螺纹连接件，其特征在于，阴部件和阳部件都没有除锁定区域之外的任何附加密封面。
18.根据前述权利要求中任一项所述的螺纹连接件，其特征在于，螺纹连接件是半嵌入式，第一管形件和第二管形件是整体式，每个第一管形件和第二管形件具有阳部件和阴部件。
19.根据前述权利要求中任一项所述的螺纹连接件，其特征在于，阳螺纹区域和阴螺纹区域是单头螺纹。
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