CN116122744A - 一种小接箍的外密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种小接箍的外密封结构，所述小接箍的内螺纹向外方向设有抗泄漏的外密封面，所述小接箍的外端形成环状体，所述环状体与所述外密封面连接；所述环状体的长度是通过有限元分析设计获得；本发明的环状体能够提高外密封面的抗变形能力，特别是在拉伸及外压的复合载荷下，能够保持小接箍外密封面的密封指数不降低，有效保证了小接箍外部密封结构的有效性，提高了接头的抗泄漏能力。

Description

一种小接箍的外密封结构

技术领域

本发明属于石油套管接头加工制造技术领域，尤其涉及了一种小接箍的外密封结构。

背景技术

在油气开采的井身设计中，为了兼顾套管的足够连接性能与环空间隙，诞生了一种介于直连型与接箍型之间的小接箍型连接形式，该接箍外径小于该规格的API接箍外径而大于套管外径。在加工中，公螺纹的尾扣部分通常设计为非自然退刀的台阶状结构，该台阶与接箍的部分端面进行配合，使接箍的部分端面沉浸在管体之下，形成小接箍结构。

小接箍连接形式在一定程度上降低了管体的连接性能，接头性能为管体连接性能的70～90％，按照管串性能取决于整个管串中最薄弱点的原则，通常将接头的公母螺纹的拉伸效率按照等强度设计，即按照公母端等同危险截面积设计，该危险截面积与管体截面积之比即为接头的拉伸效率。

与常规接箍结构类似，小接箍结构主要也是由螺纹及密封组成，专利为200820144760.X提供了一种小间隙接箍套管螺纹的连接结构，该申请文件中将密封设计在接箍内部，在拧接时与管端的密封结构形成过盈配合的金属密封形式，一定程度上能够防止接箍内部的压力介质向外泄漏；由于公端螺纹尾部退刀区为非全顶螺纹，加之接箍端部也没有设计密封结构，外部压力介质很容易进入螺纹内部，降低了接头的密封性能，使得整个接头的抗外压泄漏能力不足。

专利号为20172151913.3提供了一种双密封面特殊螺纹接头，该接头具有公外密封面与母外密封面，由管体和接箍过盈接触形成；理论分析该接头具有对内外压力介质的双重密封能力。根据螺纹的加工退刀形式判断其也属于小间隙接箍的连接方式，接箍端部厚度小于正常的API接箍，在此设计的外密封面存在刚度不足的缺陷，在实际应用时，尤其是在拉伸载荷的作用下，接箍端部容易出现向外的径向变形，使接头的外密封性能大大降低，甚至出现泄漏。

本发明提供了一种小接箍的外密封结构，特别的是，该外密封结构由环状体与外密封面构成，环状体增强了外密封结构的刚度，提高了小接箍在拉伸、压缩、内外压、以及复合载荷下的抗泄漏能力，大大减小了小接箍在拉伸状态下外密封面的径向变形，提高了小接箍的密封稳定性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种小接箍的外密封结构，特别是在拉伸载荷作用下，该环状体能够限制外密封面的径向变形，能够大大提升小接箍的密封能力，使小接箍的密封性能保持稳定。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种小接箍的外密封结构，所述小接箍的内螺纹向外方向设有抗泄漏的外密封面，所述小接箍的外端均形成环状体，所述环状体与所述外密封面连接；

所述环状体的长度是通过有限元分析设计获得。

进一步的，所述环状体的长度通过有限元分析获得的方法为：通过有限元软件，对环状体的长度进行分析，在同一设计条件下，小接箍外密封指数随着环状体长度的增加而增加，当环状体长度达到一定值后对小接箍外密封指数的影响趋于缓和，此时的环状体长度值即为设计的环状体长度最佳值。

进一步的，环状体位于小接箍端部，环状体对应处的管体外径为D₁＝D*(95％～99％)；D为管体名义外径。

进一步的，所述小接箍的内螺纹向内方向的端部设有内密封面，所述小接箍通过内密封面与管体密封接触。

进一步的，所述外密封面与管体的密封形式为锥-锥、弧-锥或弧-弧密封结构，管体与小接箍的外密封面是过盈接触，其密封径向过盈量m＝dp-db＝(1.0～1.5)*n；dp为管体外密封设计值；db为小接箍外密封设计值；dp、db分别为距台肩尖点同一长度Lsh并在管体和小接箍外密封面中部位置的直径值；n为内密封过盈量。

进一步的，当所述外密封面与管体的密封形式为锥-锥时，环状体的内径D₂＝D₁-S₁sinα-m+S₂sinα+e，环状体的厚度t_s＝(W-D₂)/2；W为小接箍外径；e为间隙调整量，取值范围0.5～2.5mm；S₁为管体外密封面长度；S₂为小接箍外密封面长度；α为外密封面角度。

按照API 5CT标准要求，管体外径D存在一定的公差，4.5in规格以下为±0.79mm，4.5in规格及以上为(-0.5～+1.0)％D；在装配时，为了消除环状体与管体可能存在的干涉，对管体上与环状体配合的区域进行倒圆加工，加工直径为：

D₁＝D*(95～99)％

在设计时，环状体内径D₂与管体对应处的倒圆直径D₁与存在一定的防干涉间隙，以外密封为锥-锥密封形式为例，密封角度α，管体外密封长度S₁，小接箍外密封长度S₂，外密封的径向过盈设计值m＝dp–db＝(1.0～1.5)*n，与规格相关的径向间隙调整量e取值范围0.5～2.5mm，管体规格D增大时，径向间隙调整量e也相应增加，环状体内径D₂值按下式确定：

D₂＝D₁-S₁sinα-m+S₂sinα+e

针对本发明的一种小接箍的外密封结构，在小接箍端部设计的环状体由外密封面向外进行柱状延伸而成，环状体的厚度t_S受到接箍外径W与管体外径D的双重制约，根据式2确定的环状体内径D₂受到小接箍外密封面及径向过盈量等因素的影响，可以得到环状体的厚度t_S：

t_S＝(W-D₂)/2

从端面起，小接箍由外向内依次是环状体、外密封面、螺纹、内密封面、台肩；本发明的小接箍外密封结构将外密封面进行了内置，并在小接箍端部设计了一定厚度与长度的环状体。

本发明的优点和积极效果是：

本发明所设计的一种小接箍的外密封结构，将外密封面的设计位置进行内置，并在小接箍端部设计了环状体，环状体增强了小接箍外密封结构的稳定性，提高了小接箍在拉伸、压缩、内外压、以及复合载荷下的抗泄漏能力，大大减小了小接箍在拉伸状态下外密封面的径向变形，提高了小接箍的密封稳定性。

附图说明

以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。

图1为本发明的一种小接箍的外密封结构的结构示意图；

图2为本发明的管体与小接箍装配示意图；

图3为本发明的小接箍对应管体外密封设计示意图；

图4为本发明的小接箍外密封设计示意图；

图5为小接箍没有环状体时在拉伸状态下外密封的状态；

图6为本发明的小接箍的环状体长度L与密封指数K的关系示意图；

图7为本发明的小接箍的环状体作用对比分析图；

图8为本发明的小接箍的实施例中环状体长度L于密封指数K的关系图；

具体实施方式

首先，需要说明的是，以下将以示例方式来具体说明本发明的具体结构、特点和优点等，然而所有的描述仅是用来进行说明的，而不应将其理解为对本发明形成任何限制。此外，在本文所提及各实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征，仍然可在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或删减，从而获得可能未在本文中直接提及的本发明的更多其他实施例。另外，为了简化图面起见，相同或相类似的技术特征在同一附图中可能仅在一处进行标示。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面就结合图1至图8来具体说明本发明。

实施例：

本实施例提供的一种小接箍的外密封结构，所述小接箍的内螺纹向外方向设有抗泄漏的外密封面，所述小接箍的外端均形成环状体，所述环状体与所述外密封面连接；

所述环状体的长度是通过有限元分析设计获得。

具体的，如图1～4所示，小接箍的外密封结构，包括小接箍2，小接箍2具有母台肩2-1、母内密封面2-2、母螺纹2-3、母外密封2-4、环状体2-5；而管体1具有公台肩1-1、公内密封面1-2、公螺纹1-3、公外密封1-4；管体1与小接箍2装配后，公台肩1-1与母台肩2-1产生金属对顶接触，公外密封1-4与母外密封2-4产生过盈配合，环状体2-5与管体1不接触。

此外，环状体位于小接箍外端部，环状体对应处的管体外径为D₁＝D*(95％～99％)；D为管体名义外径。

所述外密封面与管体的密封形式为锥-锥、弧-锥或弧-弧密封结构，管体与小接箍的外密封面是过盈接触，其密封径向过盈量m＝dp-db＝(1.0～1.5)*n；dp为管体外密封设计值；db为小接箍外密封设计值；dp、db分别为距台肩尖点同一长度Lsh并在管体和小接箍外密封面中部位置的直径值，m为外密封过盈量；n为内密封过盈量。

当所述外密封面与管体的密封形式为锥-锥时，环状体的内径D₂＝D₁-S₁sinα-m+S₂sinα+e，环状体的厚度t_s＝(W-D₂)/2；W为小接箍外径；e为径向间隙调整量，取值范围0.5～2.5mm；S₁为管体外密封面长度；S₂为小接箍外密封面长度；α为外密封面角度。

环状体的长度L依据下述方法确定：

以外密封面为锥-锥密封形式为例，环状体的长度L是指小接箍端面至外密封面接触中心的距离；具有一定厚度与长度的环状体与外密封面构成整个外密封结构，环状体不与管体接触，管体与小接箍的外密封面是过盈接触，从而在接触面之间产生接触应力，起到密封的作用。但在较高的拉伸载荷作用下，使得小接箍的密封面部位产生环向拉应力，而管体的密封面为环向压应力，即小接箍外密封面有径向胀开的趋势，而管体的外密封面有径向收缩的趋势；这一应力分布状态会大幅降低外密封面的接触应力，甚至出现密封面完全分离的现象，起不到应有的密封效果，见图5所示。根据本发明，具有环状体设计的小接箍，在拉伸载荷的作用下，环状体的存在阻止了外密封面接触应力的降低趋势，对小接箍外密封面分离趋势具有制约作用，从而使小接箍外密封面的密封指数保持稳定，降低了接头泄漏的风险。通过有限元软件，对环状体的长度L进行了分析，在同一设计条件下，小接箍外密封指数随着环状体长度L的增加而增加，见图6所示，表明环状体对小接箍的外密封性能具有明显的加强作用，但长度L达到一定值后对外密封指数的影响趋于缓和，该L值即为设计的最佳值。

同样条件下建立两种模型，A模型-有环状体设计，B模型-没有环状体设计，有限元对比分析在不同载荷状态下的小接箍外密封指数值K，得到图7。可见，包括在上扣状态下，有环状体设计的小接箍外密封指数明显高于无环状体设计，在纯拉伸T77(接头最大抗拉载荷为管体的77％)作用下，无环状体的小接箍外密封指数接近零，而有环状体设计的小接箍外密封指数K达到1.7，随着其他载荷的施加，外密封指数都得到增加，但有环状体设计的小接箍明显高于无环状体设计。

本发明改变了小接箍外密封面的布局方式，将外密封面进行内置，并在小接箍端面与外密封面之间设计了环状体，通过结构设计计算得到环状体的厚度t_S，利用有限元软件，对环状体的长度L进行分析，得到了最佳长度L。

在本实施例中，拧接装配时，随着螺纹旋入，管体与小接箍内台肩对顶接触，其相应的内外密封面实现过盈配合，从受力形式上说，处于悬臂状态的环状体2-5增强了小接箍外密封面抗变形的能力，尤其是在接头受到拉伸在与外压载荷的作用下，对小接箍外密封面的径向变形具有约束作用。

作为举例，在本实施例中，套管管体为8.125in规格，管体螺纹非自然退刀设计，小接箍设计为具有环状体的外密封结构，其中：

管体外倒圆D₁为管体外径D的98％，D₁＝206.38*0.98＝202.25mm；内密封过盈量n＝0.6mm，外密封面为锥对锥结构设计，且α＝10°，管体外密封面S₁＝5.5mm，小接箍外密封面S₂＝5.0mm，外密封过盈量m是内密封过盈量n的1.25倍，即m＝dp-db＝1.25*n＝0.75mm，用户要求的小接箍外径W＝220mm，该规格的间隙调整量e＝1.6mm，以保证D₂-D₁

≥0.5mm，计算得到环状体的厚度t_s＝8.49mm。

在等同的条件下，以环状体的长度L为变量，借助有限元模型分析小接箍模型外密封面的密封指数K，见图8所示，外密封面的密封指数K随着环状体长度L的增加而增加，当环状体长度L≥22mm时，密封指数K趋于稳定，得到环状体的最佳设计长度L＝22mm。

以上实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (5)

1.一种小接箍的外密封结构，其特征在于：所述小接箍的内螺纹向外方向设有抗泄漏的外密封面，所述小接箍的外端均形成环状体，所述环状体与所述外密封面连接；所述环状体的长度是通过有限元分析设计获得。

2.根据权利要求1所述的一种小接箍的外密封结构，其特征是：所述环状体的长度通过有限元分析获得的方法为：通过有限元软件，对环状体的长度进行分析，在同一设计条件下，小接箍外密封指数随着环状体长度的增加而增加，当环状体长度达到一定值后对小接箍外密封指数的影响趋于缓和，此时的环状体长度值即为设计的环状体长度最佳值。

3.根据权利要求1所述的一种小接箍的外密封结构，其特征是：其外密封径向过盈量m＝dp-db＝(1.0～1.5)*n；dp为管体外密封设计值；db为小接箍外密封设计值；n为内密封过盈量。

4.根据权利要求3所述的一种小接箍的外密封结构，其特征是：环状体位于小接箍端部，环状体的内径D₂＝D₁-S₁sinα-m+S₂sinα+e，环状体对应处的管体外径为D₁＝D*(95％～99％)，环状体的厚度t_s＝(W-D₂)/2；其中，D为管体名义外径，W为小接箍外径；e为间隙调整量，取值范围0.5～2.5mm；S₁为管体外密封面长度；S₂为小接箍外密封面长度；α为外密封面角度。

5.根据权利要求4所述的一种小接箍的外密封结构，其特征是：管体与小接箍的外密封面是过盈接触，其外密封式为锥-锥、弧-锥或弧-弧密封结构。

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