CN116583655A - 具有提高的密封性的螺纹管连接件 - Google Patents

具有提高的密封性的螺纹管连接件 Download PDF

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Abstract

提供了一种螺纹管，其具有连接到阴接头构件的阳接头构件。阳接头构件包含楔形阳接头螺纹，所述楔形阳接头螺纹围绕其管端部的外表面沿螺旋方向延伸。阳接头构件渐缩成锥形以导致阳接头螺纹的直径随着远离其管的前端部而逐渐增加。阴接头构件包含楔形阴接头螺纹，所述楔形阴接头螺纹围绕其管端部的内表面沿螺旋方向伸展。阴接头构件渐缩成锥形以导致阴接头螺纹的直径随着远离其管的前端部而逐渐减小。阳接头构件的阳接头牙顶的宽度沿着阳接头螺纹增加，而阴接头螺纹的阴接头牙底的宽度沿着阴接头螺纹减小。当组装在一起时，阳接头螺纹牙顶的宽度增加率与阴接头螺纹牙底的宽度增加率不同。

Description

具有提高的密封性的螺纹管连接件
相关申请的交叉引用
本申请是2020年11月23日提交的美国临时专利申请No.63/117,227的非临时申请并且要求优先权，该申请通过引用全文并入本申请。
技术领域
本发明涉及一种螺纹管连接件，并且更加具体地本发明涉及具有楔形形状的螺纹管连接件，以提高密封性。
背景技术
螺纹管连接件用于石油和天然气工业，特别是具有楔形螺纹牙型的螺纹连接件，例如在美国专利No.6,722,706中所公开的那样。在美国专利No.6,976,711和No.7,562,911以及公开的美国申请No.US2011/0278838中公开了其他螺纹管连接件。所有前述美国专利和申请均通过引用并入本文。
螺纹连接件可以包括金属对金属密封构件以提高连接的密封能力或者可以包括软金属涂层和/或厌氧螺纹油以提高螺纹在连接上的密封能力而同时又无需额外的金属对金属密封构件。在没有金属对金属密封、软金属涂层或特殊厌氧螺纹油的情况下，此类螺纹通常需要相对较高的扭矩才能密封以及按预期运行，这会导致局部高应力，使得可能对疲劳寿命产生不利影响。螺纹牙型往往还有捕获螺纹油的趋势，这可能有助于产生低折断扭矩并且对性能产生不利影响。
发明内容
本发明提供了一种具有连接到阴接头构件的阳接头构件的螺纹管。阳接头构件包含楔形阳接头螺纹，所述楔形阳接头螺纹围绕其管端部的外表面沿着螺旋方向延伸。阳接头构件渐缩成锥形将导致阳接头螺纹的直径随着远离其管的前端部而逐渐增加。阴接头构件包含楔形阴接头螺纹，所述楔形阴接头螺纹围绕其管端部的内表面沿着螺旋方向伸展。阴接头构件渐缩成锥形将导致阴接头螺纹的直径随着远离其管的前端部而逐渐减小。阳接头构件的螺纹牙顶的宽度沿着阳接头螺纹增加，而阴接头螺纹的螺纹牙底的宽度沿着阴接头螺纹减小。当组装在一起时，阳接头螺纹牙顶的宽度增加率与阴接头螺纹牙底的宽度增加率不同。
本发明的一个方面提供了一种螺纹连接件，所述螺纹连接件包括：第一管状部件，所述第一管状部件包括阳接头螺纹，所述阳接头螺纹从第一管状部件前表面朝向与该第一管状部件前表面相对的第一管状部件后表面沿着纵向轴线围绕第一管状部件在螺旋方向上延伸；以及第二管状部件，所述第二管状部件包括阴接头螺纹，所述阴接头螺纹从第二管状部件前表面朝向与该第二管状部件前表面相对的第二管状部件后表面沿着纵向轴线围绕第二管状部件在螺旋方向上延伸并且构造且布置成连接到第一管状部件。在第一管状部件的位于第一管状部件前表面和第一管状部件后表面之间的一部分中间，阳接头螺纹以阳接头锥角渐缩成锥形。在第二管状部件的位于第二管状部件前表面和第二管状部件后表面之间的一部分中间，阴接头螺纹以阴接头锥角渐缩成锥形。阴接头锥角与阳接头锥角不同。阳接头螺纹的牙顶宽度沿着阳接头螺纹的位于阳接头螺纹的起点和阳接头螺纹的端部之间的至少一部分以牙顶宽度变化率变化。阴接头螺纹的牙底宽度沿着阴接头螺纹的位于阴接头螺纹的起点和阴接头螺纹的所述端部之间的至少一部分以牙底宽度变化率变化。阴接头螺纹牙底宽度变化率与阳接头螺纹牙顶宽度变化率不同。
本发明的另一个方面提供第一管端部，所述第一管端部包括阳接头螺纹，所述阳接头螺纹从第一端部前表面朝向与该第一端部前表面相对的第一端部后表面沿着纵向轴线围绕第一端部在螺旋方向上延伸。在第一端部的位于第一端部前表面和第一端部后表面之间的一部分中间，阳接头螺纹以阳接头锥角渐缩成锥形。阳接头螺纹的牙顶宽度沿着阳接头螺纹的位于阳接头螺纹的起点和阳接头螺纹的端部之间的至少一部分以阳接头牙顶宽度变化率变化。第一端部被构造并且布置成与第二管的第二端部相连。第二端部包括阴接头螺纹，所述阴接头螺纹从第二端部前表面朝向与该第二端部前表面相对的第二端部后表面沿着纵向轴线围绕第二端部在螺旋方向上延伸并且被构造且布置成连接到第一端部。在第一端部的位于第一端部前表面和第一端部后表面之间的一部分中间，阴接头螺纹以阴接头锥角渐缩成锥形。阴接头锥角与阳接头锥角不同。阴接头螺纹的牙底宽度沿着阴接头螺纹的位于阴接头螺纹的起点和阴接头螺纹的端部之间的至少一部分以阴接头牙底宽度变化率变化。阴接头牙底宽度变化率与阳接头牙顶宽度变化率不同。
本发明的另一方面提供一种螺纹管，所述螺纹管包括：第一端部，所述第一端部包括阴接头螺纹，所述阴接头螺纹从第一端部前表面朝向与该第一端部前表面相对的第一端部后表面沿着纵向轴线围绕第一端部在螺旋方向上延伸。在第一端部的位于第一端部前表面和第一端部后表面之间的一部分中间，阴接头螺纹以阴接头锥角渐缩成锥形。阴接头螺纹的牙底宽度沿着阴接头螺纹的位于阴接头螺纹的起点和阴接头螺纹的端部之间的至少一部分以阴接头牙底宽度变化率变化。第一端部被构造且布置成与第二管的第二端部相连。第二端部包括阳接头螺纹，所述阳接头螺纹从第二端部前表面朝向与该第二端部前表面相对的第二端部后表面沿着纵向轴线围绕第二端部在螺旋方向上延伸并且被构造且布置成连接到第一端部。在第一端部的位于第一端部前表面和第一端部后表面之间的一部分中间，阳接头螺纹以阳接头锥角渐缩成锥形。阳接头锥角与阴接头锥角不同。阳接头螺纹的牙顶宽度沿着阳接头螺纹的位于阳接头螺纹的起点和阳接头螺纹的端部之间的至少一部分以阳接头牙顶宽度变化率变化。阳接头牙顶宽度变化率与阴接头牙底宽度变化率不同。
本发明的这些和其他方面将从下面的描述中变得更加显而易见。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的两个螺纹管的阴接头(母)构件和阳接头(公)构件的联接的侧剖面图。
图2是根据本发明的实施例的具有提高的密封性的螺纹管连接件的阴接头(母)构件和阳接头(公)构件的侧剖面图。
图3a至图3c示出了三种不同螺纹管连接件构型中的应力集中。示出针对标称锥度的最小牙底牙顶应力(图3a)；示出针对偏置的锥度构型的靠近阳接头尖的螺纹中的牙底牙顶应力(图3b)；以及示出了根据本发明的实施例针对偏置的螺纹宽度变化率的前几个螺纹上的牙底牙顶应力和集中牙侧载荷(图3c)。
图4a至图4c包括图3a至图3c中所示的螺纹管连接件构型的放大的阳接头尖部分。
图5包括有限元分析图，其示出了针对各种螺纹特征的在图3a至图3c和图4a至图4c中所示的三种不同类型的螺纹连接件在承载牙侧、入扣牙侧和阳接头牙底处的平均接触应力。
具体实施方式
本发明的螺纹管连接件提高了具有楔形螺纹牙型的螺纹连接件的密封能力，而同时又不需要额外的金属对金属密封构件或不需要特殊涂层或特殊螺纹油。螺纹元件经过修改为更靠近阳接头尖的螺纹提供更好的密封能力，从而改善承受管内侧压力的螺纹连接件的密封性能。除了提高密封能力之外，本螺纹管连接件还降低了容易发生疲劳失效的关键阳接头螺纹中的局部应力。同样的原理可以用来提高更靠近阴接头面的螺纹的密封能力，从而提高了承受管外侧压力的螺纹连接件的密封性能。修改后的螺纹特征还有助于螺纹油的受控排空，从而减少螺纹油的截留以及可能导致产生的相关问题的可能性。其还显着提高了连接件的折断扭矩，从而允许连接件在低到足以适应某些紧扣(buck-on)机器的限制的扭矩和高到足以满足关键高扭矩应用的扭矩条件下按预期实施。这些原理的组合可以用于提高更靠近阳接头尖和更靠近阴接头面的螺纹的密封能力，以提高承受外部压力和内部压力两种压力的螺纹连接件的密封性能。
对螺纹连接件的以下需求逐渐增加：具有更好的液体和气体密封能力、更高的操作扭矩容量以及更好的疲劳性能，与此同时保持制造成本低廉并且能够在低到足以适应易于接近的紧扣单元的扭矩限制的上扣扭矩条件下实施。本发明的螺纹管连接件通过结合以下内容满足这些要求：
本发明的螺纹管连接件能够通过至少结合楔形螺纹来满足这些要求。组装螺纹的楔入作用使得能够实现较大的扭矩容量，这将为操作员提供更高的扭矩，以为了在大位移水平页岩井中安装套管时摆脱狭窄点。
本发明的螺纹管连接件也能够通过至少结合不同的螺纹导程来满足这些要求。公构件(即，阳接头)和母构件(即，阴接头)之间的不同导程确保阳接头尖附近的螺纹比所有其他螺纹的啮合度更高。在阳接头尖附近的螺纹中提供更高的应变并且最终填充螺纹牙型中的间隙，由此在相对较低的扭矩条件下提供较大的气体和液体密封性，而同时在高操作扭矩容量下又不会丧失功能。
本发明的螺纹管连接件能够通过至少结合不同的螺纹锥度来满足这些要求。锥度组合使得能够实现更高的螺纹对阳接头尖的干涉，从而在阳接头尖附近产生高接触应力，使得提高密封能力并且降低更靠近联接部端部的应力，由此提高疲劳寿命。
螺纹管连接件的组合特征有助于需要高扭矩、期望合理气密性、需要100％轴向效率和紧密间隙的应用。
本发明可以包括螺纹和组装连接件、整体加厚螺纹连接件、以及整体螺纹连接件，其中在与阴接头螺纹完全啮合的第一完整牙型的阳接头螺纹处，阴接头/联接部的螺纹牙顶直径等于或低于阳接头螺纹牙底直径。
当组装螺纹连接件时，阳接头螺纹的变化宽度小于阴接头螺纹的变化宽度。螺纹宽度变化之间的差异导致产生不会有损性能的应变。阳接头螺纹的锥度小于阴接头螺纹的锥度，这也导致产生不会有损性能的应变。
构型限制适用于带有或不具有相邻金属对金属密封件的、具有楔入作用并且具有燕尾或多面燕尾螺纹牙型的螺纹。
图1和图2示出了根据本发明的实施例的具有提高的密封性的螺纹管连接件的阴接头构件和阳接头构件。控制图1中所示的上阴接头/母构件和下阳接头/公构件的特征以及与这些特征相关联的几何参数或约束，以为了增加密封性。如本文所用，术语“承载牙侧”是指螺纹的侧壁，所述侧壁背对其上形成有螺纹的相应公构件或母构件的外端部。术语“入扣牙侧”是指面向相应公构件或母构件的外端部并且在该构件初始组装期间支撑接头重量的侧壁表面。
图1和图2中所示的本发明的螺纹管连接件由于在靠近阴接头构件内径的第一啮合阳接头螺纹处阳接头和阴接头之间更紧密的相互作用而提供了提高的密封性。当在上扣位置中第一螺纹比其他螺纹更紧密接触时，针对内部压力的密封性能得以改善。
参考图1，示出了两个管端部之间的螺纹连接件100。螺纹连接件100导致包括母管连接配件210的第一管200和包括公管连接配件310的第二管300之间的连接。管200、300可以呈管状，所述管状具有管外径202、302和管内径204、304。管内径204、304可以包围管流动路径206、306，所述管流动路径允许诸如液体或气体的流体行进通过管200、300的中心。
参考图1和图2，母管连接配件210包括布置在第一管200的内表面上的阴接头螺纹220。阴接头螺纹220可以包括阴接头螺纹槽230，所述阴接头螺纹槽从第一管端部表面212沿着纵向轴线110在纵向方向上朝向第一管200的相对端部沿着螺旋方向围绕第一管200的内表面旋转。单个阴接头螺纹231是阴接头螺纹槽230围绕第一管300的内表面旋转的一整圈。阴接头螺纹220包括位于母管连接配件210上的每个单个阴接头螺纹231。
参考图1和图2，公管连接配件310包括布置在第二管300的外表面上的阳接头螺纹320。阳接头螺纹320可以包括阳接头螺纹齿330，所述阳接头螺纹齿从第二管端部表面312沿着纵向轴线110在纵向方向上朝向第二管300的相对端部沿着螺旋方向围绕第二管300的外表面旋转。单个阳接头螺纹331是阳接头螺纹齿330围绕第二管300的外表面旋转的一整圈。阳接头螺纹320包括位于公管连接配件310上的每个阳接头螺纹331。
现在参考图2，在一些非限制性实施例或方面中，当观察母管连接配件210的剖面图时，可以看到一系列单个阴接头螺纹231，所述一系列单个阴接头螺纹包括第一阴接头螺纹232、第二阴接头螺纹234、中间阴接头螺纹235、倒数第二阴接头螺纹236和最后阴接头螺纹238。在剖面图中可以看到的单个阴接头螺纹231的数量可以取决于阴接头螺纹槽230在阴接头螺纹220的长度上完成整圈旋转的圈数。例如，如果阴接头螺纹槽230在阴接头螺纹220的整个长度上完成五整圈旋转，则可以在母管连接配件210的剖面图中看见五个单个阴接头螺纹231。在阴接头螺纹220的整个长度上，旋转少于五整圈或旋转多于五整圈也是可行的，从而导致在剖面图中可以看见少于五个或多于五个阴接头单个螺纹231。
阴接头螺纹槽230可以包括阴接头牙底242、阴接头牙顶244、阴接头承载牙侧246和阴接头入扣牙侧248。阴接头牙底242是最靠近第一管200的外径的表面。母管连接配件210上的阴接头螺纹220径向向内渐缩成锥形，使得阴接头螺纹220的直径在第一管端部表面212处较大而在沿着纵向轴线110朝向第一管200的相对端部的方向上逐渐变小。如图2所示，阴接头螺纹220具有从管的纵向轴线110开始测量的阴接头锥角AB。阴接头锥角AB通常可以在0.1°至10°的范围内，例如在1.5°至5°的范围内。阴接头锥角AB通常可以至少为0.1°，或至少为0.5°，或至少为1°。
阴接头锥角AB在阴接头螺纹220中可以是恒定不变的，从而导致产生穿过每个单个阴接头螺纹231的直线。在一些非限制性实施例或方面中，阴接头锥角AB可以在阴接头螺纹220上变化，从而导致单个阴接头螺纹231形成穿过母管连接配件210的阴接头螺纹220的凹形或凸形曲线。在一些非限制性实施例或方面中，阴接头锥角AB在阴接头螺纹220上变化，从而导致产生穿过阴接头螺纹220的线性、凸形和/或凹形曲线的一些组合。
随着阴接头螺纹槽230沿着母管连接配件210顺着纵向轴线110盘旋时，对于阴接头螺纹槽230的至少一部分而言，阴接头牙底242的直径可以沿着母管连接配件210的锥度减小。与具有阴接头牙底242的较大直径的阴接头螺纹槽230的另一部位相比，阴接头牙底242的减小的直径将导致管壁厚度在阴接头螺纹槽230的该部位处增加。
阴接头入扣牙侧248是阴接头螺纹槽230的面向第一管端部表面212的侧表面。阴接头入扣牙侧边缘258是阴接头入扣牙侧248上的阴接头螺纹槽230的外边缘。在同一剖面图中的两个相邻的阴接头入扣牙侧边缘258之间沿着纵向轴线110的距离是阴接头入扣牙侧导程SFLb。在阴接头螺纹槽230的至少一部分上，阴接头入扣牙侧导程SFLb可以相等或基本相等。第一管200的剖面图中沿着纵向轴线110的阴接头入扣牙侧导程SFLb在整个阴接头螺纹槽230上可以保持恒定不变或保持基本恒定不变。例如，第一阴接头螺纹232的阴接头入扣牙侧导程SFLb和第二阴接头螺纹234的阴接头入扣牙侧导程SFLb可以等于或基本等于倒数第二阴接头螺纹236的阴接头入扣牙侧导程SFLb和最后阴接头螺纹238的阴接头入扣牙侧导程SFLb。
阴接头承载牙侧246是阴接头螺纹槽230的背对第一管端部表面212的侧表面。阴接头承载牙侧边缘256是阴接头承载牙侧246上的阴接头螺纹槽230的外边缘。在同一剖面图中两个相邻的阴接头承载牙侧边缘256之间沿着纵向轴线110的距离是阴接头承载牙侧导程LFLb。在阴接头螺纹槽230的至少一部分上，阴接头承载牙侧导程LFLb可以相等或基本相等。第一管200的剖面图中沿着纵向轴线110的阴接头承载牙侧导程LFLb在整个阴接头螺纹槽230上可以保持恒定不变或基本恒定不变。例如，第一阴接头螺纹232的阴接头承载牙侧导程LFLb和第二阴接头螺纹234的阴接头承载牙侧导程LFLb之间的距离可以等于或基本等于倒数第二阴接头螺纹236的阴接头承载牙侧导程LFLb和最后阴接头螺纹238的阴接头承载牙侧导程LFLb。
阴接头牙顶244是阴接头螺纹220的在阴接头螺纹槽230外侧的表面，位于一个阴接头螺纹231的阴接头入扣牙侧边缘258和相邻的阴接头螺纹231的阴接头承载牙侧边缘256之间。
阴接头入扣牙侧248和/或阴接头承载牙侧246可以成角度以创建阴接头螺纹槽230的燕尾形状，使得阴接头牙底242比同一阴接头螺纹231的阴接头入扣牙侧边缘258和阴接头承载牙侧边缘256之间的水平距离更宽。
阴接头螺纹220的阴接头牙底242的宽度可以沿着纵向轴线110在纵向方向上从第一管端部表面212和第二管的相对端部沿着纵向方向减小。如图2所示，阴接头的牙底的宽度用WBN表示，其中N是从第一阴接头的牙底的宽度WB1开始到最后阴接头的牙底的宽度WBL为止的阴接头编号。例如，WB2代表第二阴接头的牙底的宽度，WB3代表第三阴接头的牙底的宽度，WB4代表第四阴接头的牙底的宽度。阴接头螺纹220的宽度变化率通常可以使WBL比WB1小80％，例如，75％以下，或者50％以下。阴接头螺纹220的宽度变化率可以导致最后阴接头的牙底的宽度WBL小于第一阴接头的牙底的宽度WB1。阴接头的每个后续阴接头牙底都可以比前一阴接头牙底更薄。例如，WB1>WB2>WB3>WB4>…>WBL。阴接头牙底242的宽度变化率在整个阴接头螺纹220上可以是恒定不变的。在一些非限制性实施例或方面中，阴接头牙底242的宽度变化率在整个阴接头螺纹220上可以是可变的，例如，阴接头牙底242的宽度变化率逐渐增加和/或逐渐减小。在一些非限制性实施例或方面中，阴接头牙底242的宽度变化率在阴接头螺纹220的一部分中为0，从而导致在阴接头螺纹的螺纹的一部分中阴接头牙底242的宽度恒定不变。例如，WB1>WB2＝WB3＝WB4>…>WBL或WB1>WB2>WB3＝WB4＝…＝WBL。
继续参考图2，在一些非限制性实施例或方面中，当观察公管连接配件310的剖面图时，可以看到一系列单个阳接头螺纹331，所述一系列单个阳接头螺纹包括第一阳接头螺纹332、第二阳接头螺纹334、中间阳接头螺纹335、倒数第二阳接头螺纹336和最后阳接头螺纹338。在剖面图中可以看到的单个阳接头螺纹331的数量可以取决于阳接头螺纹齿330在阳接头螺纹320的长度上完成整圈旋转的圈数。例如，如果阳接头螺纹齿330在阳接头螺纹320的整个长度上完成五整圈旋转，则可以在阳管连接配件310的剖面图中看见五个单个阳接头螺纹331。在阳接头螺纹320的整个长度上旋转少于五整圈或多于五整圈也是可行的，从而导致在剖面图中可见少于五个或多于五个单个阳接头螺纹331。
阳接头螺纹齿330可以包括阳接头牙底342、阳接头牙顶344、阳接头承载牙侧346和阳接头入扣牙侧348。阳接头牙底342是最靠近第二管300的外径的表面。公管连接配件310上的阳接头螺纹320径向向外渐缩成锥形，使得阳接头螺纹320的直径在第二管端部表面312处较小而在沿着纵向轴线110朝向第二管300的相对端部的方向上变得较大。如图2所示，阳接头331具有从管的纵向轴线110开始测量的阳接头锥角Ap。阳接头锥角Ap通常可以在0°至10°的范围内，例如在1.5°至5°的范围内。阳接头锥角Ap可以是至少0.1°，或至少0.5°，或至少1°。
阳接头锥角Ap在阳接头螺纹320中可以是恒定不变的，从而导致产生穿过每个单个阳接头螺纹331的直线。在一些非限制性实施例或方面中，阳接头锥角Ap可以在阳接头螺纹320上变化，从而导致单个阳接头螺纹331形成穿过公管连接配件310的阳接头螺纹320的凹形或凸形曲线。在一些非限制性实施例或方面中，阳接头锥角Ap在阳接头螺纹320上变化，从而导致产生穿过阳接头螺纹320的线性、凸形和/或凹形曲线的一些组合。
阳接头入扣牙侧348是阳接头螺纹齿330的面向第二管端部表面312的侧表面。阳接头入扣牙侧边缘358是阳接头入扣牙侧348上的阳接头牙底342的外边缘。同一剖面图中两个相邻的阳接头入扣牙侧边缘358之间沿着纵向轴线110的距离是阳接头入扣牙侧导程SFLp。在阳接头螺纹齿330的至少一部分上，阳接头入扣牙侧导程SFLp可以相等或基本相等。第二管300的剖面图中沿着纵向轴线110的两个相邻的阳接头入扣牙侧导程SFLp在整个阳接头螺纹齿330上可以保持恒定不变或基本恒定不变。例如，第一阳接头螺纹332的阳接头入扣牙侧导程SFLp和第二阳接头螺纹334的阳接头入扣牙侧导程SFLp可以等于或基本上等于倒数第二阳接头螺纹336的阳接头入扣牙侧导程SFLp和最后阳接头螺纹338的阳接头入扣牙侧导程SFLp。第二管300的剖面图中沿着纵向轴线110的阳接头入扣牙侧导程SFLp可以小于或大于第一管200的剖面图中沿着纵向轴线110的阴接头入扣牙侧导程SFLb。
阳接头承载牙侧346是阳接头螺纹齿330的背对第二管端部表面312的侧表面。阳接头承载牙侧边缘356是阳接头承载牙侧346上的阳接头牙底342的外边缘。在同一剖面图中两个相邻的阳接头承载牙侧边缘356之间沿着纵向轴线110的距离是阳接头承载牙侧导程LFLp。在阳接头螺纹齿330的至少一部分上阳接头承载牙侧导程LFLp可以相等或基本相等。第二管300的剖面图中沿着纵向轴线110的两个相邻的阳接头承载牙侧导程LFLp在整个阳接头螺纹齿330中可以保持恒定不变或基本恒定不变。例如，第一阳接头螺纹332的阳接头承载牙侧导程LFLp和第二阳接头螺纹334的阳接头承载牙侧导程LFLp可以等于或基本等于倒数第二阳接头螺纹336的阳接头承载牙侧导程LFLp和最后阳接头螺纹338的阳接头承载牙侧导程LFLp。第二管300的剖面图中沿着纵向轴线110的承载牙侧导程LFLp可以大于或小于第一管200的剖面图中沿着纵向轴线110的阴接头承载牙侧导程LFLb。
阳接头牙顶344是沿着阳接头螺纹齿330在单个阳接头螺纹331的末端处的阳接头螺纹320的外表面。
阳接头入扣牙侧348和阳接头承载牙侧346可以成角度以创建阳接头螺纹齿330的燕尾形状，使得阳接头牙底342比阳接头螺纹齿330的相邻单个阳接头螺纹331的两个阳接头牙顶344之间的水平距离更宽。
阳接头螺纹320的牙顶344的宽度可以沿着纵向轴线110在纵向方向上从第二管端部表面312和第二管的相对端部开始沿着纵向方向增加。如图2所示，阳接头的牙顶的宽度用WPN表示，其中N是从第一阳接头的牙顶的宽度WP1开始至最后阳接头的牙顶的宽度WPL为止的阳接头编号。例如，WP2代表第二阳接头的牙顶的宽度，WP3代表第三阳接头的牙顶的宽度，WP4代表第四阳接头的牙顶的宽度。阳接头螺纹320的宽度变化率通常可以使WP1比WPL小80％，例如，75％以下，或者50％以下。在整个阳接头螺纹320中阳接头牙顶的宽度变化率可以是恒定不变的。在一些非限制性实施例或方面中，阳接头牙顶的宽度变化率在整个阳接头螺纹320中可以是可变的，例如，阳接头牙顶的宽度变化率逐渐增加和/或逐渐减小。在一些非限制性实施例或方面中，在阳接头螺纹320的一部分中，阳接头牙顶的宽度变化率为0，从而导致在阳接头螺纹320的一部分中阳接头牙顶344的宽度恒定不变。例如，WPL>…>WP4＝WP3＝WP2>WP1或WPL＝...＝WP4＝WP3>WP4>WP1。
阴接头螺纹220被构型为接收阳接头螺纹320，以为了创建第一管200和第二管300的组件。该组件可以是液密的和/或气密的，从而导致最小泄漏或无泄漏。可以通过较低的扭矩来实现该组件，例如通过用于连接管端部的典型工具(例如紧扣单元)实现所述较低的扭矩(例如，5,000ft-lb至50,000ft-lb)。
该组件可以允许在两根管的连接期间使用最少的螺纹油(例如，丝扣油)。在组装管端部时，螺纹可以允许螺纹油被挤压向组件的一端部，而不是在整个连接件的各个部位处截留螺纹油。这允许组件使用更少的螺纹油。该组件可以制成为在两根管之间具有或没有金属对金属密封构件。
第一管200的锥度和第二管300的锥度可以偏置，使得首先与阳接头螺纹320的一部分接触并且啮合的阴接头螺纹220的部分出现在阳接头螺纹320的更靠近联接部的内径(例如，更靠近第二管端部表面312)的部分处。这创建了联接部的径向啮合。阴接头锥角AB可以与阳接头锥角Ap不同。阴接头锥角AB可以大于阳接头角Ap。阳接头锥角Ap通常比阴接头锥角AB至少小2°。例如，阳接头锥角Ap可以比阴接头锥角AB至少小1°，或比阴接头锥角AB至少小0.5°。在一些非限制性实施例或方面中，阴接头锥角AB可以小于阳接头锥角Ap以在相反方向上使得啮合偏置。在一些非限制性实施例或方面中，阳接头锥角Ap可以是0°，阴接头锥角AB可以大于或小于阳接头锥角AP。在一些非限制性实施例或方面中，阴接头锥角AB可以是0°并且阳接头锥角AP可以大于或小于阴接头锥角AB。
阴接头螺纹220和/或阳接头螺纹320的宽度变化可以偏置，使得最后阴接头的牙底宽度WBL比第一阳接头的牙顶宽度WP1更薄。阴接头入扣牙侧导程SFLb可以小于阳接头入扣牙侧导程SFLp。在一些非限制性实施例或方面中，阴接头入扣牙侧导程SFLb可以大于或等于阳接头入扣牙侧导程SFLp。阴接头承载牙侧导程LFLb可以大于阳接头承载牙侧导程LFLp。在一些非限制性实施例或方面中，阴接头承载牙侧导程LFLb可以小于或等于阳接头承载牙侧导程LFLp。
阴接头螺纹220的阴接头牙底242的宽度变化率可以与阳接头螺纹320的阳接头牙顶344的宽度变化率不同。与阳接头牙顶344随着远离第二管前面312沿着阳接头螺纹320的螺旋方向增宽相比，阴接头螺纹220的阴接头牙底242可以朝向第一管前面212沿着阴接头螺纹220的螺旋方向以更快的速率增宽。组装时，阴接头牙底和阳接头牙顶的宽度变化率的差可能致使阳接头在远离第二管前面312的方向上不太紧密地抵靠阴接头。阴接头牙底宽度和阳接头牙顶宽度之间的差随后可以在第二管端部表面312和第一管端部表面212之间增加。例如，WB1－WPL>...>WB2－WP4>WB3－WP3>WB4－WP2>WBL－WP1。阴接头螺纹220的阴接头牙底242的宽度变化率可以在比阳接头螺纹320的阳接头牙顶344的宽度变化率大0％至大10％的范围内，例如在大0.5％至大5％的范围内。阴接头螺纹220的阴接头牙底242的宽度变化率可以比阳接头螺纹320的阳接头牙顶344的宽度变化率至少大0.1％，例如至少大0.5％，或至少大1％。
阳接头螺纹320的阳接头牙顶344的宽度变化率可以在阳接头螺纹320的整个长度上保持恒定不变，或者仅对于阳接头螺纹320的一部分而言保持恒定不变。阴接头螺纹220的阴接头座242的宽度变化率在阴接头螺纹220的整个长度上可以是恒定不变的，或者仅对于阴接头螺纹220的一部分而言恒定不变。在一些非限制性实施例或方面中，宽度变化率对于阴接头螺纹220和阳接头螺纹320的一部分而言可以是相等的。例如，WB1－WPL>...>WB2－WP4＝WB3－WP3＝WB4－WP2>WBL－WP1。在一些非限制性实施例或方面中，阴接头座242的宽度增加率可以小于阳接头牙顶344的宽度增加率。
锥度偏置和宽度偏置可以将联接部的力集中在承载牙侧表面246、346和/或入扣牙侧表面258、358上。偏置可以确保第一阳接头螺纹332是在联接过程中在管道旋转期间与阴接头螺纹220接触的第一阳接头。然后第二阳接头螺纹334和每个后续阳接头都可以以有序和受控的方式与阴接头螺纹220接触。
一旦组装好，第一管200和第二管300的连接便能够承受极高的扭矩。
管可以在管的一个端部上具有阴接头螺纹220，在管的相对端部上具有阳接头螺纹320，在管的两个端部上具有阴接头螺纹220，或者在管的两个端部上具有阳接头螺纹320。
图3a至图3c和图4a至图4c示出了三种不同螺纹管连接件构型中的应力集中。图3a至图3c和图4a至图4c中较暗的阴影表示增加的应力。较大的应力表明联接部的密封性能更好。
图3a中示出了在具有标称螺纹锥度的情况下与阴接头螺纹520相连的阳接头螺纹510，这导致产生最小的牙底牙顶应力。如图4a中放大所示，在阳接头螺纹510的末端部分410处可以看到最小牙底牙顶应力。第一阳接头螺纹602、第二阳接头螺纹604和第三阳接头螺纹606周围的阴影并不比阳接头螺纹510的相对端部周围的阴影更暗。注意的是倒角600不被视为用于该分析的阳接头螺纹。
图3b示出了在偏置的锥度的情况下与阴接头螺纹540相连的阳接头螺纹530，这导致牙底牙顶应力增加。如图4b中放大所示，在阳接头螺纹530的末端部分420处可以看到增加的牙底牙顶应力。第一阳接头螺纹612周围的阴影示出表示增加的应力的第一阳接头螺纹612周围的阴影与标称锥度的第一阳接头螺纹602相比更暗。第二阳接头螺纹614和第三阳接头螺纹616的应力在后续阳接头中表现出逐渐减小的应力，但该应力仍然保持高于与标称锥度相关联的该阳接头的应力。与图3a一样，倒角610不被视为用于该分析的阳接头。
图3c中示出在偏置的锥度以及前几个阳接头螺纹上的集中牙侧载荷的情况下与阴接头螺纹560相连的阳接头螺纹550，这导致与单个偏置的锥度相比牙底牙顶应力显着增加。如图4c中放大所示，在阳接头螺纹550的末端部分430处可以看到增加的牙底牙顶应力。第一阳接头螺纹622周围的阴影示出在第一阳接头螺纹622的侧部上的高度集中的应力。尽管应力在第一阳接头螺纹622之后的每个后续阳接头螺纹中减小，但这种高度集中的应力仍然存在于第二阳接头螺纹624、第三阳接头螺纹626和随后的阳接头中。还如图3c所示，末端部分430处的单个阳接头螺纹中的应力明显高于阳接头螺纹550后端部处的单个阳接头螺纹中的应力。与图3a和图3b一样，倒角620不被视为用于此分析的阳接头。
图5包括有限元分析图，其示出了针对不同螺纹特征在图3a至图3c和图4a至图4c中所示的三种不同类型的螺纹连接件在承载牙侧、入扣牙侧和阳接头牙底处的平均接触应力。有限元分析表明当引入偏置的锥度和偏置楔形时，承载牙侧、对扣牙侧以及螺纹牙底和/或牙顶的接触应力有所提高。接触应力的提高直接关系到螺纹的密封能力的提高。
本发明的管区段和螺纹管连接件可由本领域技术人员已知的合适材料制成。例如，管区段和连接件可以符合美国腐蚀工程师协会(NACE)标准并且可以包括耐腐蚀合金(CRA)。CRA材料的典型示例包括不锈钢、奥氏体钢、高合金奥氏体钢、马氏体钢、沉淀硬化钢、双相钢、铁素体钢、聚氯乙烯(PVC)、聚合物管材等。
如本文所用，“包括”、“包含”和类似术语在本申请的上下文中被理解为与“包括”同义并且因此是开放式且不排除存在其他未描述或未列举的元件、材料、阶段或方法步骤。如本文所用，“由……组成”在本申请的上下文中被理解为排除任何未指定的元件、材料、阶段或方法步骤的存在。如本文所用，“基本上由……组成”在本申请的上下文中被理解为包括指定的元件、材料、阶段或方法步骤，如果适用，还包括不会对本发明的基本或新颖特征产生实质性影响的任何未指定的元件、材料、阶段或方法步骤。
尽管阐明本发明广泛范围的数值范围和参数是近似值，但在具体实施例中阐述的数值被尽可能精确地报道。然而，任何数值都固有地包含某些误差，这些误差必然是由在它们各自的测试测量中发现的标准偏差所引起。
此外，应当理解的是本文中列举的任何数值范围旨在包括包含在其中的所有子范围。例如，“1至10”的范围旨在包括在所列举的最小值1和所列举的最大值10之间(端值包括在内)的所有子范围，即最小值等于或大于1以及最大值等于或小于10。
在本申请中，单数的使用包括复数并且复数包括单数，除非另有具体说明。此外，在本申请中，除非另有明确说明，否则“或”的使用表示“和/或”，即使在某些情况下可能明确使用“和/或”。在本申请和所附权利要求中，冠词“一”、“一个”和“该”包括复数对象，除非清楚且明确地限于一个对象。
尽管上文出于说明的目的描述了本发明的特定实施例，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，可以在不脱离本发明的前提下对本发明的细节进行多种改变。

Claims (29)

1.一种螺纹连接件，所述螺纹连接件包括：
第一管状部件，所述第一管状部件包括至少一个阳接头螺纹，所述至少一个阳接头螺纹从第一管状部件前表面朝向与所述第一管状部件前表面相对的第一管状部件后表面沿着纵向轴线围绕所述第一管状部件在螺旋方向上延伸；和
第二管状部件，所述第二管状部件包括至少一个阴接头螺纹，所述至少一个阴接头螺纹从第二管状部件前表面朝向与所述第二管状部件前表面相对的第二管状部件后表面沿着所述纵向轴线围绕所述第二管状部件在所述螺旋方向上延伸并且被构造且布置成连接到所述第一管状部件；
其中，所述至少一个阳接头螺纹沿着所述第一管状部件的位于所述第一管状部件前表面和所述第一管状部件后表面之间的一部分以阳接头锥角渐缩成锥形；
其中，所述至少一个阴接头螺纹沿着所述第二管状部件的位于所述第二管状部件前表面和所述第二管状部件后表面之间的一部分以阴接头锥角渐缩成锥形；
其中，所述阴接头锥角与所述阳接头锥角不同；
其中，所述至少一个阳接头螺纹的牙顶的宽度沿着所述至少一个阳接头螺纹的位于所述至少一个阳接头螺纹的起点和所述至少一个阳接头螺纹的端部之间的至少一部分以阳接头牙顶宽度变化率变化；
其中，所述至少一个阴接头螺纹的牙底的宽度沿着所述至少一个阴接头螺纹的位于所述至少一个阴接头螺纹的起点和所述至少一个阴接头螺纹的端部之间的至少一部分以阴接头牙底宽度变化率变化；并且
其中，所述阴接头牙底宽度变化率与所述阳接头牙顶宽度变化率不同。
2.根据权利要求1所述的螺纹连接件，其特征在于，所述阳接头锥角比所述阴接头锥角至少小2°。
3.根据权利要求1所述的螺纹连接件，其特征在于，所述阳接头锥角比所述阴接头锥角至少小1°。
4.根据权利要求1所述的螺纹连接件，其特征在于，所述阴接头牙底宽度变化率比所述阳接头牙顶宽度变化率至少大10％。
5.根据权利要求1所述的螺纹连接件，其特征在于，所述阴接头牙底宽度变化率比所述阳接头牙顶宽度变化率至少大5％。
6.根据权利要求1所述的螺纹连接件，其特征在于，在所述至少一个阳接头螺纹的所述端部处所述至少一个阳接头螺纹的牙顶的宽度小于在所述至少一个阳接头螺纹的起点处所述至少一个阳接头螺纹的牙顶的宽度的两倍。
7.根据权利要求1所述的螺纹连接件，其特征在于，所述阴接头牙底宽度变化率大于所述阳接头牙顶宽度变化率。
8.根据权利要求1所述的螺纹连接件，其特征在于，所述阳接头锥角小于所述阴接头锥角。
9.根据权利要求1所述的螺纹连接件，其特征在于，所述螺纹连接件包括金属对金属密封构件。
10.一种螺纹管，所述螺纹管包括：
第一端部，所述第一端部包括至少一个阳接头螺纹，所述至少一个阳接头螺纹从第一端部前表面朝向与所述第一端部前表面相对的第一端部后表面沿着纵向轴线围绕所述第一端部在螺旋方向上延伸；
其中，所述至少一个阳接头螺纹沿着所述第一端部的位于所述第一端部前表面和所述第一端部后表面之间的一部分以阳接头锥角渐缩成锥形；
其中，所述至少一个阳接头螺纹的牙顶的宽度沿着所述至少一个阳接头螺纹的位于所述至少一个阳接头螺纹的起点和所述至少一个阳接头螺纹的端部之间的至少一部分以阳接头牙顶宽度变化率变化；
其中，所述第一端部被构造且布置成与第二管的第二端部相连，其中所述第二端部包括：
至少一个阴接头螺纹，所述至少一个阴接头螺纹从第二端部前表面朝向与所述第二端部前表面相对的第二端部后表面沿着纵向轴线围绕所述第二端部在螺旋方向上延伸并且被构造且布置成连接到所述第一端部；
其中，所述至少一个阴接头螺纹沿着所述第二端部的位于所述第二端部前表面和所述第二端部后表面之间的一部分以阴接头锥角渐缩成锥形；
其中，所述阴接头锥角与所述阳接头锥角不同；
其中，所述至少一个阴接头螺纹的牙底的宽度沿着所述阴接头螺纹的位于所述至少一个阴接头螺纹的起点和所述至少一个阴接头螺纹的端部之间的至少一部分以阴接头牙底宽度变化率变化；并且
其中，所述阴接头牙底宽度变化率与所述阳接头牙顶宽度变化率不同。
11.根据权利要求11所述的螺纹管，其特征在于，所述螺纹管还包括与所述第一端部相对的相对端部；
其中，所述相对端部包括至少一个相对阴接头螺纹，所述至少一个相对阴接头螺纹从相对前表面朝向所述第一端部前表面沿着纵向轴线围绕所述相对端部在螺旋方向上延伸并且被构造且布置成连接到所述第一端部；
其中，所述至少一个相对阴接头螺纹沿着所述相对端部的位于相对端部前表面和所述第一端部前表面之间的一部分以相对阴接头锥角渐缩成锥形；
其中，所述相对阴接头锥角与所述阳接头锥角不同；
其中，所述至少一个相对阴接头螺纹的牙底的宽度沿着所述至少一个相对阴接头螺纹的位于所述至少一个相对阴接头螺纹的起点和所述至少一个相对阴接头螺纹的端部之间的至少一部分以相对阴接头牙底宽度变化率变化；并且
其中，所述相对阴接头牙底宽度变化率与所述阳接头牙顶宽度变化率不同。
12.根据权利要求10所述的螺纹连接件，其特征在于，所述阳接头锥角比所述阴接头锥角至少小2°。
13.根据权利要求10所述的螺纹连接件，其特征在于，所述阳接头锥角比所述阴接头锥角至少小1°。
14.根据权利要求10所述的螺纹连接件，其特征在于，所述阴接头牙底宽度变化率比所述阳接头牙顶宽度变化率至少大10％。
15.根据权利要求10所述的螺纹连接件，其特征在于，所述阴接头牙底宽度变化率比所述阳接头牙顶宽度变化率至少大5％。
16.根据权利要求10所述的螺纹连接件，其特征在于，在所述至少一个阳接头螺纹的所述端部处所述至少一个阳接头螺纹的牙顶的宽度小于在所述至少一个阳接头螺纹的起点处所述至少一个阳接头螺纹的牙顶的宽度的两倍。
17.根据权利要求10所述的螺纹连接件，其特征在于，所述阴接头牙底宽度变化率大于所述阳接头牙顶宽度变化率。
18.根据权利要求10所述的螺纹连接件，其特征在于，所述阳接头锥角小于所述阴接头锥角。
19.根据权利要求10所述的螺纹连接件，其特征在于，所述螺纹连接件包括金属对金属密封构件。
20.一种螺纹管，所述螺纹管包括：
第一端部，所述第一端部包括至少一个阳接头螺纹，所述至少一个阳接头螺纹从第一端部前表面朝向与所述第一端部前表面相对的第一端部后表面沿着纵向轴线围绕所述第一端部在螺旋方向上延伸；
其中，所述至少一个阴接头螺纹沿着所述第一端部的位于所述第一端部前表面和所述第一端部后表面之间的一部分以阴接头锥角渐缩成锥形；
其中，所述至少一个阴接头螺纹的牙底的宽度沿着所述至少一个阴接头螺纹的位于所述至少一个阴接头螺纹的起点和所述至少一个阴接头螺纹的端部之间的至少一部分以阴接头牙底宽度变化率变化；
其中，所述第一端部被构造且布置成与第二管的第二端部相连，其中所述第二端部包括：
至少一个阳接头螺纹，所述至少一个阳接头螺纹从第二端部前表面朝向与所述第二端部前表面相对的第二端部后表面沿着纵向轴线围绕所述第二端部在螺旋方向上延伸并且被构造且布置成连接到所述第一端部；
其中，所述至少一个阳接头螺纹沿着所述第二端部的位于所述第二端部前表面和所述第二端部后表面之间的一部分以阳接头锥角渐缩成锥形；
其中，所述阳接头锥角与所述阴接头锥角不同；
其中，所述至少一个阳接头螺纹的牙顶的宽度沿着所述至少一个阳接头螺纹的位于所述至少一个阳接头螺纹的起点和所述至少一个阳接头螺纹的端部之间的至少一部分以阳接头牙顶宽度变化率变化；并且
其中，所述阳接头牙顶宽度变化率与所述阴接头牙底宽度变化率不同。
21.根据权利要求20所述的螺纹管，其特征在于，所述螺纹管还包括与所述第一端部相对定位的相对端部；
其中，所述相对端部包括至少一个相对阳接头螺纹，所述至少一个相对阳接头螺纹从相对前表面朝向第一端部前表面沿着纵向轴线围绕所述相对端部在螺旋方向上延伸并且被构造且布置成连接到所述第一端部；
其中，所述至少一个相对阳接头螺纹沿着所述相对端部的位于所述相对端部前表面和所述第一端部前表面之间的一部分以相对阳接头锥角渐缩成锥形；
其中，所述相对阳接头锥角与所述阴接头锥角不同；
其中，所述至少一个相对阳接头螺纹的牙顶的宽度沿着所述至少一个相对阳接头螺纹的位于所述至少一个相对阳接头螺纹的起点和所述至少一个相对阳接头螺纹的端部之间的至少一部分以相对阳接头牙顶宽度变化率变化；并且
其中，所述相对阳接头牙顶宽度变化率与所述阴接头牙底宽度变化率不同。
22.根据权利要求20所述的螺纹连接件，其特征在于，所述阳接头锥角比所述阴接头锥角至少小2°。
23.根据权利要求20所述的螺纹连接件，其特征在于，所述阳接头锥角比所述阴接头锥角至少小1°。
24.根据权利要求20所述的螺纹连接件，其特征在于，所述阴接头牙底宽度变化率比所述阳接头牙顶宽度变化率至少大10％。
25.根据权利要求20所述的螺纹连接件，其特征在于，所述阴接头牙底宽度变化率比所述阳接头牙顶宽度变化率至少大5％。
26.根据权利要求20所述的螺纹连接件，其特征在于，在所述阳接头螺纹的所述端部处所述至少一个阳接头螺纹的牙顶的宽度小于在所述至少一个阳接头螺纹的起点处所述至少一个阳接头螺纹的牙顶的宽度的两倍。
27.根据权利要求20所述的螺纹连接件，其特征在于，所述阴接头牙底宽度变化率大于所述阳接头牙顶宽度变化率。
28.根据权利要求20所述的螺纹连接件，其特征在于，所述阳接头锥角小于所述阴接头锥角。
29.根据权利要求20所述的螺纹连接件，其特征在于，所述螺纹连接件包括金属对金属密封构件。
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