CN1190616C - 螺纹保护装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于保护管端部螺纹的螺纹保护装置(50)，包括：基部(84)，从基部的第一端(52a)轴向伸出的、并通过螺纹与管啮合的螺纹部(54)，以及从基部的第二端(50b)轴向伸出的加长环形挡套(62)。加长环形挡套(62)具有的平均长度和宽度之比至少为2。基部和加长挡套的总长至少为2inch。

Description

螺纹保护装置
本申请要求1998年5月22日申请的、名称为螺纹保护装置的、35U.S.C.111(b)临时申请顺序号为60/086446的利益。
背景技术
本发明涉及保护管端部的保护装置，特别是保护管端部上的螺纹的保护装置。
管，例如用于油气钻井和生产的管，常常是分段制造并可在其端部连接。一种类型的连接涉及在一段管一端(销端(pin end))上的外螺纹部的使用，该外螺纹部与另一段管端部(套端(box end))上内螺纹部通过所车螺纹而相啮合。
管的端部包括螺纹在运输和贮藏期间的非实际使用中如与其它物体接触或摔落而易受到损坏。这样的损坏可以使管出现缺陷或不能使用，造成延期、带来麻烦并增加了费用。称为“螺纹保护装置”的装置通常用于保护管的端部特别是其上的管螺纹不受到上述的损坏。“销端”螺纹保护装置连接并保护管的销端，而“套端”螺纹保护装置连接并保护管的套端。螺纹保护装置设计成能防止在管撞击其它物体、地面或其它方面易遭受的外界碰撞时对相应管端部的损坏。现有技术螺纹保护装置实例公开在Dreyfussd等的专利US4957141、US5195562和US5244015中和Strodter的专利US4809752中，这里参考并结合上述专利的整体内容。
优质管的螺纹保护装置的工业标准是“Shell”试验。本文附加名称为“1998年3月用于螺纹保护装置的Shell油技术说明(Shell OilSpecification for Thread Protector March 1988)”的Shell试验的技术说明，并由此在本文中结合参考其整个内容。在作者为E.J.C Spruijt、名称为“经济有效的螺纹管保护装置的性能评价(PerformanceEvaluation of Commercially Available Thread Protector)”的技术论文(Technical Paper)ADC/SPE 17209中也说明了Shell试验，本文也结合参考其整个内容(这里附加该论文的前两页)。Shell试验向螺纹保护装置和管施加冲击能量以便确定受测的螺纹保护装置能否保护管端部不受损坏。一种类型的Shell试验模拟在管上安装螺纹保护装置，从地面上举起该管，接着沿轴向扔下该管，以便通过确定钢管端部是否损坏来评价螺纹保护装置的有效性。Shell试验要求螺纹保护装置防止管端部在改变温度的不同试验中不受损坏。由于管使用在各种环境中并暴露在很宽范围的温度下，在不同温度如150°F、70°F或环境温度和-50°F下完成Shell试验，以保证螺纹保护装置在管在过长时间受热或受冷时保护该管。例如，为了试验标称外径为4英寸和8英寸的管，螺纹保护装置和管可以在150°F的温度下、再在70°F(环境温度)的温度下施加1200ft/lbs的能量。第三种试验在-50°F的温度下向螺纹保护装置和管施加60ft/lbs的能量。例如，重量为430.4lbs、标称外径在4.0英寸和约8英寸之间的一段管落下33.6英寸，将1205ft/lb的冲击能量传递到螺纹保护装置和管端部上。为确定保护装置的保护性能，检查了管的损坏。损坏可以包括凹痕、损坏的螺纹、不圆或本领域其它影响管使用的损坏。尽管最好不损坏螺纹保护装置，但在Shell试验中对螺纹保护装置的损坏并不是一个标准。对于较大直径管的Shell试验要求较大的冲击，如在150°F和70°F或环境温度下为1500ft/lbs，在-50°F下为800ft/lbs。
螺纹保护装置必须防止相当大的冲击能量施加在管端部，以便足以保护管不受冲击能量作用。现有技术螺纹保护装置已经设计得很结实，可以承受预计的冲击能量。这样，现有技术的螺纹保护装置是体积大、笨重并刚硬的部件，可以防止对管以及对螺纹保护装置本身的损坏。
为提供这样的强度和刚度，许多现有技术螺纹保护装置是由钢和塑料复合而成的。大多数大批量生产的螺纹保护装置中的一种是由Drilltec专利和技术公司(Drilltec Patent and Technologies Company，Inc.)制造的，即众所周知的Drilltec的ESPSTM保护装置。该保护装置包括在内塑料件上套压的外钢套。该钢套具有向保护装置提供刚度和硬度的效果，使其承受冲击能量。Drilltec保护装置公开在专利US4957141、US5195562和US5244015中。其它现有技术螺纹保护装置如Drilltec的STPTM、Drilltec的SSPTM和模制特殊产品公司(Molding Specialties，Inc.)的Magnum模制螺纹保护装置由塑料制成，通常包括添加物如其它材料纤维或粒子，但没有钢套。图1A和1B分别显示了类似于由模制特殊产品公司制造的用于具有7英寸标称外径的管的销端螺纹保护装置和套端螺纹保护装置。
现有技术螺纹保护装置具有多个缺点。由于这些保护装置体积大而且笨重，因此为了制造这些保护装置需要大量材料，一般不但有钢还要有塑料。制造保护装置所要求的材料越多，制造费用就越高。现有技术的保护装置因此非常昂贵。此外，保护装置体积越大、越笨重、重量越大，则保护装置加工起来越困难并越费时，同时需要越多的特殊加工设备，特别是对于大直径管螺纹保护装置。
此外，不用钢套构成的各种现有技术螺纹保护装置是翘曲的并且变得不圆或发生变形，由此难于或不可能将其安装在管端部，因而降低了其有效使用率。另外，由塑料构成的典型的现有技术螺纹保护装置一般不适合承受大的冲击能量。特别是，对于全部由塑料材料或由包含其它材料粒子的塑料构成的典型的现有技术螺纹保护装置，确实一般不为了使用相当大量的材料而加大尺寸就不能通过Shell试验，这样显著提高了制造保护装置的费用。
因此，需要能保护管端部的螺纹保护装置，该保护装置需要较少的材料，因此可以以比现有技术螺纹保护装置更好的成本效果(材料和劳动力)来制造。最好螺纹保护装置不包括钢套并可用比钢更轻的材料制造，螺纹保护装置可以设计成在冲击下进行塑性变形，使得冲击能量转换成内部摩擦和热能；螺纹保护装置因此消耗或显著降低传递能量并防止能量影响或损坏连接管的螺纹。特别是矿井安装的是基本由塑料制成的并通过Shell试验的螺纹保护装置。此外，最好降低许多现有技术螺纹保护装置的螺纹保护装置尺寸和减少其材料，由此减少运输和加工要求。
本发明克服这些现有技术中的一个或多个缺陷。
技术方案
根据本发明，提供用于保护管端部上的螺纹的螺纹保护装置，该螺纹保护装置具有包括第一端和第二端的基部，该第一端具有由其延伸的并与管通过螺纹啮合的螺纹部，该第二端具有由其沿轴向延伸的加长环形挡套。该加长环形挡套的平均长度至少约为1.1英寸(inch)，最好至少约为2inch。加长挡套的长度与其平均宽度之比至少约为1.2，最好约为3或更大。
基部、螺纹部和加长环形挡套可以主要由非金属材料如高密度聚乙烯材料制成。基部、螺纹部和加长环形挡套可以由具有最小冲击屈服点或约5.6ft-lb/inch断裂极限点的材料制成。螺纹保护装置最好能通过Shell试验。
加长挡套最好具有形成锥状内部的内锥。加长挡套可以包括多个切口，每个切口的平均宽度在大约1/32inch和大约1/8inch之间。这些切口可以是贯穿加长挡套末端的槽。
加长挡套可以包括至少两个挡套臂。加长挡套可包括至少一个基部断裂起始点。
在另一实施例中，挡套可以具有至少一个沿其长度方向形成至少约1.8度角的锥度。在又一实施例中，加长挡套的平均长度与螺纹保护装置的最大外径之比至少约为0.20。在另一实施例中，挡套的平均长度与管的标称外径之比至少约为0.22。
下面的说明会使本发明其它目的和优点显而易见。
附图说明
现在参照附图详细说明本发明的优选实施例，其中：
图1A是现有技术的销端螺纹保护装置的局部横截面图；
图1B是现有技术的套端螺纹保护装置的局部横截面图；
图2是本发明销端螺纹保护装置的一个实施例的局部横截面图；
图3是图2所示螺纹保护装置的局部放大图，示出了保护装置的基部和螺纹部件；
图4是图2所示的销端螺纹保护装置挡套末端另一个实施例的侧视图；
图5是图2所示的销端螺纹保护装置挡套又一个实施例的侧视图，其具有本发明的开放切口；
图6是图2所示的销端螺纹保护装置挡套再一个实施例的侧视图，其具有本发明的封闭切口；
图7是图2所示的销端螺纹保护装置另一个实施例的局部横截面图，该保护装置不带盖；
图8是图2所示的销端螺纹保护装置又一个实施例的局部横截面图，该保护装置带有盘形盖；
图9表示当作用于材料的应力(psi)到达其屈服点时，Phillips 66Marlex HXM 50100聚乙烯材料试件百分比应变的曲线；
图10是图9所示曲线当应力作用于Phillips 66 Marlex HXM 50100聚乙烯材料其百分比应变范围为0-20％时的放大图；
图11是本发明套端螺纹保护装置一个实施例的局部横截面图；
图12是本发明销端螺纹保护装置的透视图，其示出了在冲击后保护装置冲击能量的散逸；
图13是本发明具有多个挡套和断裂起始点的销端螺纹保护装置另一个实施例的局部横截面图；
图14是图13所示螺纹保护装置的透视图；
图15是本发明具有多个挡套和断裂起始点的套端螺纹保护装置另一个实施例的局部横截面图；
图16是图15所示螺纹保护装置的透视图；
图17是本发明销端螺纹保护装置另一个实施例的局部横截面图；
图18是本发明套端螺纹保护装置另一个实施例的局部横截面图；
图19是本发明销端螺纹保护装置又一个实施例的局部横截面图；
图20是本发明套端螺纹保护装置又一个实施例的局部横截面图；
图21是本发明套端螺纹保护装置再一个实施例的局部横截面图；
图22是本发明套端螺纹保护装置另一个实施例的局部横截面图。
优选实施例说明
下面将结合附图对本发明的优选实施例进行描述。在所述优选实施例中，相似或相同的标号用于表示相同或相似的部件。附图不是严格成比例的，为清楚和简明起见，图中的某些结构和特征比例放大了或者是示意性地给出。
图2示出了本发明的销端螺纹保护装置50的一个实施例，其可保护管48的销端46外部44上的外螺纹42。图2所示的管48的标称外径为7inch。螺纹保护装置50包括基部56、从基部56沿轴向向一个方向伸出并与管48的销端46相连的套52，和从基部56沿相反的轴方向伸出的挡套62。套52从基部56的一侧延伸到保护装置50的一端50a，而挡套62从基部56的另一侧延伸到保护装置50的另一端50b。
基部56是一个大致位于保护装置50的中部并靠近管48的末端49的环形部分。基部56可以，例如具有厚度为56a、高度为56b的大致为矩形的横截面，并包括一个内环表面或座57，在保护装置50安装到管48上时，上述座57可坐靠在管48的末端49上。座57的径向宽度最好至少等于管48末端49的径向宽度。
本发明的挡套62是一个从基部56延伸的且高度或长度为L、厚度为W的加长套状环形件。挡套62的长度L是从挡套62的末端64到靠近基部56的挡套62的另一端63测量的。显然，挡套62的另一端63是不明显的，并大致确定为挡套62锥度A2的起始点，后面将进行说明。如图4所示，挡套62的末端64不一定是均匀一致的，在末端64附近的长度L1、L2、…、Ln是变化的。在该实施例中，标号“L”表示长度L1、L2、…、Ln的平均长度。如果挡套62具有不同的厚度W1、W2、…、Wn，或者是锥形的，如图2所示，标号“W”表示挡套62的平均厚度或宽度。
加长挡套62可具有内锥，沿其长度L形成锥形部分，且横截面面积小于长度L与挡套62的最大厚度W的积确定的矩形横截面面积的100％。例如，挡套62沿其长度L的整个锥形形成约大于1.8度的角度。图2所示的典型挡套62的横截面面积小于端部63和64之间整个矩形横截面积的80％；外锥A1大致从长度L的中点62c延伸到介于约4.0-5.0°角度之间的挡套62的末端64 ；第一内锥A2从挡套62的端部63或从基部56延伸到介于约6.0-6.5°角度之间长度L的大约中点62c处；介于约8.0-8.5°之间的第二内锥A3从大约中点62c延伸到挡套62的末端64。另外，挡套62看上去象具有不均匀的横截面。在图2所示的实施例中，挡套62的厚度范围是从大约0.55inch的厚度W3到约0.46inch的厚度W2再到约0.20inch的厚度W1。挡套62的平均厚度W大约是0.41inch。可以理解，本发明的螺纹保护装置50并不局限于锥形加长挡套62或上述任何特定的例子。
螺纹保护装置50最好由在冲击作用下产生塑性变形的材料制成，这样，冲击能量就可转化为内部摩擦和热能；螺纹保护装置50就消耗掉或基本上减小了传递能量，并防止能量到达或损坏连接管48的螺纹。螺纹保护装置50最好由在承受外力作用时，例如，在进行Shell测试过程中的冲击能量作用时，可吸收大部分能量的材料制成。材料通过扭曲、变形或弯曲和/或屈服或破坏来吸收冲击能量，上述每一种材料变化都需要能量。在图2所示的优选实施例中，螺纹保护装置50主要由具有很大的冲击强度和较大压缩强度的材料制成，冲击强度定义在ASTM指导标号为D256-93a的名称为“确定塑料切口试件的抗摆锤冲击性标准试验方法”(Standard Test Methods for Determining thePendulum Impact Resistance of Notched specimens of Plastics)中，这里作为参考引入，而压缩强度定义在ASTM指导标号为D695-96的名称为“确定刚性塑料的压缩特性标准试验方法”(Standard TestMethods for Compressive Properties of Rigid Plastics)中，这里作为参考引入。具有这些特性的材料具有良好的能量吸收性。见Marlex Phillips66 Brochure名称为“Marlex树脂的工程特性”的第11和12页，这里作为参考将其整体引入。其它相关资料包括Marlex Phillips 66 Brochure名称为“聚乙烯TIB 1的特性和处理工艺”和“吹塑成形树脂：关于Marlex聚乙烯树脂的信息”。
螺纹保护装置50最好主要由高密度聚乙烯材料例如Phillips 66MarlexHHM5502 BN或HXM 50100制成。这些材料的常规物理性能和机械性能在名称为“常规物理性能”的附件中给出，这里作为参考引入。HHM5501的冲击屈服点或破坏点室温下为5.6ft-1b./inch。在此也附带有不同材料的拉伸强度和延伸率的典型值，这里作为参考引入。在Marlex Brochure的名称为“聚乙烯数据表Marlex HXM 50100”(“Polyethylene Data Sheet Marlex HXM 50100”)中关于HXM50100的附加信息也在此附带并作为参考而引入。
图9和10示出了材料HXM 50100的应力—应变曲线80a、80b。曲线80a、80b显示了用于制成本发明螺纹保护装置50的这种材料的屈服强度和极限强度的特性。曲线80a、80b表示了拉伸屈服为4100psi，拉伸破坏为2800psi，屈服点延伸率为9.7％，破坏应力为861psi。曲线80a、80b下方的面积82a、82b表示损失或吸收的冲击能量，从而在材料中形成给定量的变形。(面积＝力×距离(或功))曲线表示了HMX50100材料没有完全被破坏，但会产生变形并消耗了外部冲击能量。因此，外部冲击能量消耗在由这种材料制成的本发明螺纹保护装置50中，并从冲击中吸收了足够的能量，从而消耗了足够量的能量以避免损坏连接管的端部。这种特性在Shell试验的整个温度和冲击能量范围内都保持在材料中。显然，各种材料例如塑料的能量吸收、扭曲和破坏特性是难以精确测量的，在同种材料的同样的试样中也是变化的。
在其它实施例中，螺纹保护装置50由低密度聚乙烯制成。低密度聚乙烯在如-50°F的低温情况下通常就具有本发明所需要的变形特性。对于另一个实施例，保护装置50由如高密度聚乙烯这样的塑料与一种或多种分散在塑料中的添加剂例如金属(如铝)或金属和其它材料制成。
如图2所示，挡套62的尺寸可根据所要保护的管48的尺寸而变化。管48越大，其增大的重量就使得所需要的保护装置就越大。我们可得到下面的标称外径48a为7.0inch的管48的优选尺寸。本发明的加长挡套62的长度L最好至少约为1.1inch，更好是至少约为2.0inch。另外，加长挡套62的长度L和厚度W的比值(L/W)最好至少约为1.2，更好的是至少为3或更大。在图2所示的实施例中，例如，长度L约为2.0inch，(平均)厚度W约为0.41inch；L/W的比值约为4.88。因此，可改变L和W，从而保持最优的L/W比值。另外，挡套62的长度L加上基部56的高度56b最好至少为1.75inch。在图2所示的实施例中，例如，高度56b约为0.38inch；L+56b约为2.38inch。长度L也可根据其与螺纹保护装置50的外径Od的比值来进行确定。根据本发明，长度L与螺纹保护装置50的外径Od的比值(L/Od)约大于0.15。例如，图2所示保护装置50的外径Od约为7.5inch。L/Od的比值约为0.27。测量加长挡套62的长度L的另一种方法可以是长度L与待保护的管48的标称外径48a的比值；本发明的L/48a比值至少约为0.15。例如，为标称外径约为7.0inch的管48设计的图2所示保护装置50的L/48a比值约为0.29。
保护装置50的材料也可根据待保护的管48的尺寸和管所要载运到的最终位置而改变。保护装置50所选材料的性能，例如制造保护装置50的材料的抗冲击性、能量吸收、压缩强度、刚度、温度耐久性、拉伸屈服或其它相应性能也可影响挡套62的尺寸。保护装置50的优选材料为Phillips 66 Marlex HHM5502 BN。例如，由该优选材料制成的并具有长度至少约为1.1的挡套62的保护装置50可通过1200ft/lb的Shell试验。
显然，保护装置50的材料和挡套62的尺寸不一定要大于本发明的上述准则之一；且在每一种情况下，并不局限于所给优选实施例的特定例子。另外，显然，本发明并不局限于通过Shell试验的螺纹保护装置50。
如图2和3所示，套52具有端部52a和52b，并可与销端46的管螺纹42螺纹连接。例如，套52具有内孔54和多个至少部分地形成于其上的螺纹件55。螺纹件55可与管螺纹42螺纹连接，且其每一个具有近似的高度H1和厚度T1(图3)。螺纹件55的高度H1是从螺纹件55的牙顶到牙根的距离，而厚度T1是螺纹件55每侧相邻牙根中心之间的距离。孔54和螺纹件55可形成与管48的管螺纹42螺纹啮合的任何适当的形状和结构。例如，螺纹件55的高度H1和厚度T1的尺寸可与一定形式的管螺纹42相匹配。显然，管螺纹42可具有一个或多个台阶，并可以是直的或锥形的。
套52也可包括一个环形凹槽58，环形凹槽58形成在与最靠近基部56的螺纹件55a相邻的套52的孔54中。另外，第二环形凹槽58c形成在与最靠近套52的端部52a相邻的的螺纹件55b的孔54中。凹槽58和58c可根据本发明任何所需的适当尺寸来形成。在图2和3所示的实施例中，凹槽58的深度58a大致等于或略大于螺纹件55的高度H1。作为一个例子，图2所示螺纹保护装置50中的螺纹件55(用于标称外径48a约为7.0inch的管48)的厚度T1约为0.200inch，高度H1约为0.063inch，而凹槽58的深度58a约为0.200inch。凹槽58的宽度58b也可是特定的，例如是0.063inch。
保护装置50的套52中的凹槽58使螺纹件55成形于套52中，从而使如丝锥装置(未示出)这样的螺纹工具可进入和离开孔54。如果没有凹槽58，当螺纹工具完成孔54的螺纹时，在螺纹工具取出后，材料丝卷、纤维丝或碎屑就会形成并留在套52中。当管48与基部54螺纹连接时，碎屑就嵌入到管螺纹42中，从而妨碍了管48与管接头(未示出)这样的其它装置进行螺纹连接，或者仍留在孔54中并很难除去。凹槽58也可用作润滑脂槽将润滑脂保留在管螺纹42上。
如图12所示，在工作时，当冲击作用于加长的挡套62和管端(未示出)时，冲击能量E就通过挡套62的材料进行扩散，例如，从末端64开始呈扇状扩散。当能量E通过挡套62材料向挡套端部63扩散时，能量就被吸收，并由于挡套62的弯曲、变形和扭曲而得以耗散。由于这些过程中的每一个都需要能量，到达管端(未示出)的能量及其所引起的破坏就大大减小了。作用于末端64的较小的外部冲击力的能量可仅在加长挡套62的一部分中进行吸收或耗散。作用于末端64或加长挡套62的另一位置上的较大的冲击使加长挡套62的长度L内的弯曲、变形和扭曲增大，并增大了能量的吸收量。如果冲击能量较大，就足以使挡套62甚至可能使基部56或套52产生裂缝、撕裂或破裂。材料的这种破坏显著地提高了能量的吸收量，从而当冲击能量到达管48(图2)时，不足以损坏管48。
另外，需要避免螺纹保护装置50过早地产生破裂、屈服或破坏。保护装置50在应力集中或刚度急剧变化的位置，例如，保护装置50几何形状急剧变化的位置，易于屈服和破坏(并因此而过早地产生破坏)。根据各种不同情况，例如保护装置50的形状和结构、保护装置50所用的材料类型和与保护装置50配合的管48的尺寸，需要保护装置50的刚度是逐渐变化的，从而避免或降低保护装置50的应力集中。例如，螺纹保护装置50可在其几何形状急剧变化的各个位置处大致形成倾斜或锥形的。对于另一个例子，在应力集中所处的位置例如螺纹保护装置50的拐角处形成附加的拐角过渡到所存在的拐角位置，从而减小每个拐角处的应力集中。
图2所示实施例具有特定的结构以避免其过早地损坏。凹槽58可处于应力集中位置处，也就是保护装置50易于产生破坏的位置处。为减小这种敏感性，可在保护装置50中靠近凹槽58的地方形成槽66，例如，位于盖81上的环形槽67。另外，如果需要的话，可减小槽66的深度66a(图3)，从而有效地增大基部56的厚度并增强保护装置50在该区域的强度。
此外，可以在槽66和凹槽58之间形成环形肩部68，例如如图2所示。增大肩部68的高度68a一般会提高基部56处的保护装置50的强度并有助于防止保护装置50的过早断裂。肩部68可以起座57的作用以坐靠在管48的末端49。此外，保护装置50可以具有使肩部68与管48的末端49形成基本密封的形状，当管48与具有盖81的保护装置50啮合时防止潮气进入管端部46。此时，可以使肩部68的宽度68b(图3)制作得与管端部49的厚度对应。在其它形状中，可以形成保护装置50，使得肩部68不坐靠在管48的端部49上或与其形成密封。肩部68越远离管48，保护装置50越能更好吸收能量。
对于有助于避免过早破坏的一特征的另一实施例，加长挡套62和基部56的交叉区域70(图2)可以是刚度显著变化的位置。在图2的实施例中，加长挡套62的端部63在交叉区域70连接基部56。为有助于降低刚度的显著变化，基部56可具有相对较大宽度56a和厚度56b。此外，挡套62的端部63可以是锥形，其靠近交叉区域70的宽度W3增大，有助于降低应力集中，并降低该区域中保护装置50的极限刚度。
再参照图2，螺纹保护装置50可以任何要求的整体尺寸和材料构成，例如与管48的不同尺寸对应。例如，可以获得螺纹保护装置50的不同尺寸以配合具有从2inch至20inch变化的标称外径48a的管48。此外，可构成螺纹保护装置50使其具有最小重量。例如，螺纹保护装置50能通过Shell试验并保护优质级管48端部46上的螺纹42，该管48具有大约为7.0inch的标称外径48a，可以形成大约2.43磅的重量。
螺纹保护装置50可以由任何合适的制造工艺制成，如通过注模法。例如螺纹保护装置50可以以单独整体模制制成。应该考虑采用的制造工艺的类型会影响螺纹保护装置50的能量吸收、扭曲和破坏特性。
现再参照图5和6，加长挡套62可以包括多个切口72以提高保护装置50的能量吸收性能。切口72形成应力集中以促使保护装置50靠近切口72的材料在冲击下撕裂，由此在大量保护装置材料256上重新分配冲击能量并耗尽冲击能量，进一步使传递到连接管(未示)上的冲击能量最小。切口72可以以任何合适形状、数量和位置形成在挡套62的壁内。例如在图5中，每个切口72最好形成槽76，槽76横切在其端部74的加长挡套62的末端64。槽76因此在其端部74敞口。每个槽76贯穿挡套62的厚度延伸并具有窄宽度(未示)。例如图5实施例中的每个切口72具有在大约1/32inch和大约1/8inch之间的平均宽度。
在切口72的端部73、74处的角C可以成尖角或不圆以增强材料的破裂和撕裂。在图5的实施例中，切口72部分延伸穿过加长挡套62的长度并在其端部73的角78终止。
在图6中，切口72是具有端部73a、74a的内裂缝或槽76a，其全部设置在加长挡套62内。内槽76a由此封闭并具有形成在端部73a、74a的角C。所示的内槽76a还延伸穿过挡套62的厚度，具有窄宽度(未示)和具有成尖角和不圆的角C。
参照图8，根据本发明另一方面，挡套62可以包括两个或多个安装槽62d，如本领域公知的，可以使用工具将保护装置50拧到管48上和从管48上拧下。例如图8的实施例包括四个大约为0.75inch宽、0.50inch深的安装槽62d，这些安装槽与工具啮合，如标准安装棒，用于将保护装置50旋上管48和从管48上旋下。
现在参照图2、7和8，可以整个或部分盖住或打开保护装置50的中心开口51。例如，保护装置50可以完全打开，如图7所示。在另外的实施例中，如图8中的实施例所示，保护装置50可以包括从基部56延伸的中心盖81。可以形成中心盖81以部分或完全盖住开口51，如图8所示的盘形盖81a。例如，当中心盖81完全盖住开口51时，碎屑不能从保护装置50的外部进入管端部46内。在另一结构中，例如如图2所示，中心盖81可以是凹槽件82。该凹槽件82可以由任何要求的形状或结构构成。在图2中，凹槽件82是从基部56延伸的杯形件84，使得可以提升螺纹保护装置50和管48。当管48和连接的螺纹保护装置50处于非垂直位置以提升和/或下降保护装置50和管48时，一装置如钩形件(未示)可以插入杯形件84中。
现在参照图11，显示了根据本发明能够保护管48的套端47内部45上的内螺纹42的套端螺纹保护装置100的实施例。除了这里另做说明，销端螺纹保护装置50的上述说明和其使用一般同样应用于保护装置100。螺纹保护装置100包括基部156、在一个方向从基部156轴向伸出并与管48的套端47啮合的销152，和在相反方向从基部156轴向伸出的加长挡套162。销152这样延伸到保护装置100的一端100a，而挡套162延伸到保护装置100的另一端100b。
基部156是位于靠近管48的末端49的保护装置100的一部分。基部156可以包括当管48与保护装置100啮合时面对并可靠着管48的末端49的环形表面或座57。座57最好具有至少与管48的末端49径向宽度一样大的径向宽度。这使得座57可保护末端49不受损坏。基部156可以由基本为矩形或方形横截面构成，具有从座57向靠近圆锥开始端的挡套162的端部163延伸的高度156b和厚度156a，如图11所示。在另外的实施例(未示)中，基部156可仅仅是靠近座57的位置的保护装置100的横截面，其中加长挡套162基本直接从座57延伸。
图11中保护装置100的挡套162的长度L是从挡套162的末端164到挡套162的相反端163或基部156测得的长度。应该理解挡套162的另一端163不是很明显的，并粗略地定义为挡套162首先开始圆锥A5的起始点，如下文中定义的那样。如果挡套162具有变化厚度W1、W2、……Wn或是锥形的，如图11中实施例所示，标号“W”指挡套162的平均厚度。
根据本发明的加长挡套162的长度L可以至少约为1.5inch。此外，挡套162的长度L加上基部156的高度156b至少为1.8。例如在图11的最佳实施例中，挡套162的长度L至少约为1.8inch，挡套162的长度L加上基部156的高度156b至少约为1.9inch，并最好超过2.2。
加长挡套162可随待保护的管48的尺寸而改变。已经找到用于标称外径为7.0inch的管48的下述优选尺寸。根据本发明可以形成加长挡套162的长度L和厚度W，使得长度L与厚度W之比(L/W)至少约为2.0，最好超过3。例如在图11的实施例中，长度L约为1.8inch，而平均厚度W约为0.45inch；因此比值L/W约为4.0。还可根据与其它变量如螺纹保护装置100的外径Od的比值测量长度L。根据本发明，长度L与螺纹保护装置100的外径Od的比值可以大于约0.20。例如图11的保护装置100的外径Od约为7.7inch。比值L/Od因此约为0.23。另一种测量加长挡套162长度的方法可以是长度L与要保护的管48的标称外径48a的比值；根据本发明的比值L/48a至少约为0.22。例如，图11的保护装置100可与具有约为7.0inch的标称外径48a的管48配合；因此比值L/48a约为0.26。
应该明白根据本发明挡套162不需要满足以上标准；在每种情况下，不限于提供的特定实施例。
再参照图11，加长挡套162可沿其长度L至少部分呈锥形，并具有小于长度L乘以挡套162的最大厚度W的矩形横截面积的100％的横截面积。例如，挡套162可具有形成至少约1.8度角的沿其长度L的整个锥形。例如图11的示例挡套162具有一横截面积，该横截面积约为端部163、164之间整个矩形横截面积的70％  从大约长度L的中点162c延伸至挡套162的末端164的外锥A4具有约4.0-5.0度之间的锥度，在约12.0-13.0度之间的内锥A5从末端164向挡套162的端部163延伸。在另一实施例中，挡套162可以由类似于上述关于图2的保护装置50的挡套62的锥A1、A2和A3构成。另外，可以看到挡套162具有非均匀横截面。例如在图11的实施例中，挡套162具有从约0.68inch的厚度W3至约0.20inch的厚度W1变化的厚度。挡套162的平均厚度W约为0.45inch。但是应该明白，本发明的螺纹保护装置100不限于圆锥加长挡套162或任何上述特定实施例。
销152具有端部152a、152b，能至少部分啮合套端47和管48的管螺纹42。例如，所示的图11实施例的销152具有外表面154，其上至少部分形成有多个螺纹件155。形成的螺纹件155与管螺纹42配合，并具有类似于上述关于保护装置50的螺纹件55的形状和尺寸。
再参照图11，螺纹保护装置100可以以任何要求的总体尺寸构成，如与管48的不同尺寸相对应。例如，不同尺寸螺纹保护装置100可以配合管48，管48具有从2inch至20inch变化的标称外径48a。此外，构成的螺纹保护装置100可以具有最小重量。例如，通过Shell试验的并保护具有约7.0inch标称外径48a的高质量管的螺纹保护装置100可以具有约1.75磅的重量。
关于保护装置50的如上所述包括槽66和肩部68的选择方案不适用于螺纹保护装置100。此外，再参照图11，保护装置100的中心开口51可以全部或部分盖住或打开，类似于上面关于保护装置50的描述。在图11的实施例中，中心盖81由销152的端部152a延伸。
图17-22显示了本发明具有不同直径的管的实施例。图17显示销螺纹保护装置400，用于具有5.5inch标称直径48n的管48的销端46。挡套长度L大约为2.0inch，平均挡套宽度W大约为0.48inch，比值W/L为4.19。外径Od大约为6.20inch，则L/Od大约为0.32，而L/48a大约为0.36。基部长度56b大约为0.20inch，在挡套末端64和靠近管48末端49的肩部57之间形成2.19inch的冲击传递距离D。端宽度W1大约为0.32inch，基部宽度W3大约为0.63inch。具有内锥部402的挡套62的横截面积大约为基部宽度W3乘以挡套长度L的矩形面积的75％。
图18显示套螺纹保护装置410，用于具有5.5inch标称直径48a的管48的套端47。挡套长度L大约为1.20inch，平均挡套宽度W大约为0.38inch，获得的比值W/L为3.19。外径Od大约为6.27inch，获得的L/Od大约为0.19，L/48a大约为0.22。基部长度156b大约为1.08inch，在挡套末端164和靠近管48末端49的肩部157之间形成2.28inch的冲击传递距离D。肩部157部分由从基部156向外延伸的环形保持凸缘159构成，以便保证管48的末端49由肩部157盖住并由此形成保护。应该理解，由于螺纹类型和管尺寸上的差别，会使管48的外径Od变化。端宽度W1大约为0.25inch，基部宽度W3大约为0.50inch。具有内锥部402的挡套62的横截面积大约为基部宽度W3乘以挡套长度L的矩形面积的75％。
图19显示用于管48的销端46的销螺纹保护装置420，管48的标称直径48a等于7-5/8inch。挡套长度L大约为2.06inch，平均挡套宽度W大约为0.52inch，二者之比W/L等于3.94。外径大约为8.14inch，则L/Od约为0.25，L/48a约为0.27。基部长度56b大约为0.43inch，则在挡套末端64和靠近管48末端49的肩部157之间形成2.50inch的冲击传递距离D。端宽度W1大约为0.37inch，基部宽度W3大约为0.68inch。具有内锥部402的挡套62的横截面积大约为基部宽度W3乘以挡套长度L的矩形面积的71％。
图20显示用于管48的套端47的套螺纹保护装置430，管48具有7-5/8inch的标称直径48a。挡套长度L大约为1.94inch，平均挡套宽度W大约为0.51inch，二者之比W/L等于3.80。外径Od大约为7.66inch，则L/Od约为0.25，L/48a约为0.25。基部长度156b大约为0.29inch，则在挡套末端164和靠近管48末端49的肩部157之间形成2.23inch的冲击传递距离D。端宽度W1大约为0.30inch，基部宽度W3大约为0.72inch。具有内锥部402的挡套62的横截面积大约为基部宽度W3乘以挡套长度L的矩形面积的71％。
图17也显示了用于管48的销端46的销螺纹保护装置，管48的标称直径48a为9-5/8inch。挡套长度L大约为2.09inch，平均挡套宽度W大约为0.59inch，二者之比W/L等于3.56。外径Od大约为10.71inch，则L/Od约为0.20，而L/48a约为0.22。基部长度56b大约为0.46inch，则在挡套末端64和靠近管48末端49的肩部157之间形成2.55inch的冲击传递距离。端宽度W1大约为0.43inch，基部宽度W3大约为0.74inch。具有内锥部402的挡套62的横截面积大约为基部宽度W3乘以挡套长度L的矩形面积的66％。
图21显示用于管48的套端47的套螺纹保护装置440，管48的标称直径48a为9-5/8inch。挡套长度L大约为2.06inch，平均挡套宽度W大约为0.52inch，二者之比W/L等于3.96。外径Od大约为9.86inch，则L/Od约为0.21，而L/48a约为0.21。基部长度156b大约为0.20inch，在挡套末端164和靠近管48末端49的肩部157之间形成2.26inch的冲击传递距离D。端宽度W1大约为0.25inch，基部宽度W3大约为0.79inch。具有内锥部402的挡套62的横截面积大约为基部宽度W3乘以挡套长度L的矩形面积的66％。
图17也显示了用于管48的销端46的销螺纹保护装置，管48的标称直径48a为13-3/8inch。挡套长度L大约为2.03inch，平均挡套宽度W大约为0.55inch，二者之比W/L等于3.71。外径Od大约为14.02inch，则L/0d约为0.14，而L/48a约为0.15。基部长度56b大约为0.41inch，则在挡套末端64和靠近管48末端49的肩部157之间形成2.44inch的冲击传递距离。端宽度W1大约为0.40inch，基部宽度W3大约为0.70inch。具有内锥部402的挡套62的横截面积大约为基部宽度W3乘以挡套长度L的矩形面积的70％。
图22显示了用于管48的套端47的套螺纹保护装置，管48的标称直径48a为13-3/8inch。挡套长度L大约为1.79inch，平均挡套宽度W大约为0.44inch，二者之比W/L等于4.03。外径Od大约为13.91inch，则L/Od约为0.13，而L/48a约为0.13。基部长度156b大约为0.47inch，则在挡套末端164和靠近管48末端49的肩部157之间形成2.26inch的冲击传递距离。端宽度W1大约为0.25inch，而基部宽度W3大约为0.64inch。具有内锥部402的挡套62的横截面积大约为基部宽度W3乘以挡套长度L的矩形面积的70％。
图13至16显示本发明的其它实施例。图13和14的销端螺纹保护装置250用于保护管48的销端46外部44上的外螺纹42，而图15和16的套端螺纹保护装置300用于保护管48的套端47内部45上的内螺纹42。除非这里另作说明，图13至16实施例中的保护装置250、300大体类似于上述关于图2至12的保护装置50和100的实施例。
参照图13，基部256是设置在靠近管48末端49的保护装置250的一部分。基部256可以由一般的矩形或方形横截面构成。在图13的实施例中，例如，基部256具有厚度256a和高度256b。基部256可以包括座257，当管48与保护装置250啮合时座257靠紧管48的末端49。在图13和14的实施例中，所示的盖281从基部256延伸。套252能通过螺纹啮合销端46的管螺纹42。例如，所示的套252具有包括至少部分形成在其上的多个螺纹件255的内孔254。
保护装置250的基部256外表面253可以形成有一个或多个断裂起始点259。这些断裂起始点259可以以多种合适的形状、数量和位置形成在基部256上。例如，在图13实施例中的断裂起始点259包括形成在外表面253内的、围绕基部256圆周并部分延伸到基部256厚度256a内的一对环形槽260a、260b。但是，保护装置250可以改变成一个或两个以上的断裂起始点259或槽260a、260b。
保护装置250的加长挡套262可以包括两个或多个轴向延伸挡套臂286。在图13的实施例中，包括两挡套臂286，挡套臂286是环形内、外伸长的圈形部288a、288b。此外，两个或多个挡套壁286可以具有不同长度L。例如，图13实施例的径向最外圈形部288a的长度为L1，而圈形部288b具有小于长度L1的长度L2。
当冲击作用在挡套262上时，冲击能量可以在两个或多个挡套臂286之间传递。例如在图13和14中，外环形伸长圈形部288a可以在其上作用外冲击时弯曲或变形。冲击能量会围绕外圈形部288a传递并传递到内圈形部288b，引起内圈形部288b弯曲或变形。在能量到达基部256或套252之前，可以将其基本耗散或吸收。
如果冲击能量到达基部256，断裂起始点259形成应力集中以促使保护装置250靠近断裂起始点259的材料弯曲或撕裂，由此在大量基部材料256上重新分配冲击能量并耗尽冲击能量，进一步减小传递到连接管(未示)上的冲击能量。例如图13至14所示的实施例，保护装置250可以在环形槽260a和260b断裂或损坏，而不使能量传递到管48。
上面参照图13和14对销端螺纹保护装置250进行了说明，除了另作说明，其使用与图15和16所示的套端保护装置300相同。螺纹保护装置300(图15)包括基部356、在一个方向从基部356轴向伸出并与管48的套端47啮合的销352，和在相反方向从基部356轴向伸出的加长挡套362。销352由此延伸到保护装置300的一端300a，而挡套362延伸到另一端300b。
再参照图15，基部356是位于靠近管48的末端49的保护装置300的一部分。基部356可以由基本为矩形或方形横截面构成。例如在图15的实施例中，基部356具有厚度356a和高度356b。基部356可以包括座357，当管48与保护装置300啮合时座357靠紧管48的末端49。在图15和16的实施例中，所示的盖381从基部356延伸。
环形槽260b的基部和座357构成环形保持凸缘359，保持凸缘359具有与销352的厚度和其末端49成比例的深度和高度。在螺纹保护装置300的端部受其它物体的冲击作用时，保持凸缘359间歇并靠着销352的末端49保持就位。由于没有主应力通过保持凸缘359，因此保护装置300易于从管352移开。由于保持凸缘300就位，则不会损坏管352的末端49。保持凸缘359还防止外界物质进入并因此防止环境引起的损坏。
销352具有端部352a、352b，能至少部分啮合管48的套端47和管螺纹42。例如，显示的图15实施例中的销352具有至少部分形成于其上的多个螺纹件355。螺纹件355可以类似于上述关于图11的保护装置100而构成。
尽管已经显示和说明了本发明的优选实施例，但本领域的普通技术人员可以作出变形而不背离本发明的精神或教导。这里说明的实施例只是示例性的而不是为了限定。上述实施例的特定特征是本发明的范例，可以用于不必包括所有相同特征的不同实施例。例如，图2实施例的保护装置50基部56可以具有断裂起始点259(图13)，图14实施例的加长挡套262可以具有切口72(图5)。可以有许多改变和变形并包括在本发明的范围内。因此，本发明的范围不限于这里说明的实施例。

Claims (18)

1.一种保护管端部的保护装置，包括：
具有基部和一定高度的主体部；
所述主体部具有与管相连的连接件，所述连接件具有一定厚度的壁；
所述主体部具有挡套，所述挡套具有末端并具有邻近所述基部的基端；
所述挡套具有特定构形，该构型具有在所述基端和所述末端之间轴向延伸出一定距离的实体环形部分，该距离大于所述壁厚并大于所述高度，且挡套基本由非金属材料制成；并且
所述构形和材料能在环境温度和150°F下耗散1200ft/lbs的能量。
2.如权利要求1所述的保护装置，其中所述材料是高密度聚乙烯。
3.如权利要求2所述的保护装置，其中所述聚乙烯具有HHM5502的冲击强度和压缩性能。
4.如权利要求1所述的保护装置，其中所述挡套是长度至少为2inch的套状件。
5.如权利要求1所述的保护装置，其中
所述挡套是从所述基部的第二端轴向延伸的、并具有平均长度和平均厚度的细长环形件，所述平均长度至少约为1.1 inch，所述平均长度与所述平均厚度之比至少约为1.2。
6.如权利要求5所述的保护装置，其中所述挡套还包括具有一个内锥的内部。
7.如权利要求5所述的保护装置，其中所述基部、螺纹部和细长环形挡套主要由非金属材料构成。
8.如权利要求5所述的保护装置，其中所述基部、螺纹部和细长环形挡套通过Shell试验。
9.如权利要求5所述的保护装置，其中所述基部、螺纹部和细长环形挡套主要由高密度聚乙烯材料构成。
10.如权利要求5所述的保护装置，其中所述基部、螺纹部和细长环形挡套主要由具有约5.6ft-lb/inch的冲击强度极限点的材料构成。
11.如权利要求5所述的保护装置，其中所述细长挡套包括多个切口。
12.如权利要求11所述的保护装置，其中所述切口的平均宽度在大约1/32inch和大约1/8inch之间。
13.如权利要求11所述的保护装置，其中所述切口包括贯穿所述细长挡套的所述末端的槽。
14.如权利要求1所述的保护装置，其中所述细长挡套包括至少两个挡套臂。
15.如权利要求1所述的保护装置，其中所述细长挡套包括至少一个断裂起始点。
16.一种用于保护管端部螺纹的螺纹保护装置，所述螺纹保护装置具有最大外径，包括：
具有第一长度、一定高度和第一和第二端部的基部；
从所述基部的第一端轴向延伸的、并可与管螺纹啮合的螺纹部；
由所述基部的第二端轴向延伸的、并具有一平均长度的实体细长环形挡套，该平均长度大于所述高度。
17.一种用于保护管端部螺纹的螺纹保护装置，包括：
具有第一和第二端部的基部；
从所述基部的第一端轴向延伸的、并与所述管通过螺纹啮合的螺纹部；
从所述基部的所述第二端轴向延伸的、并具有平均长度和平均宽度的具有一个内表面的实体细长环形挡套，其中所述平均长度与所述平均宽度之比至少为2；以及
所述细长挡套在所述内表面的至少一部分上为锥形。
18.一种用于保护管端部螺纹的螺纹保护装置，包括：
具有一定长度和第一和第二端的基部；
从所述基部的第一端轴向延伸的、并与所述管通过螺纹啮合的螺纹部；以及
从所述基部的所述第二端轴向延伸的细长环形挡套，所述细长挡套具有末端、实体环形部分，和切口部分；
所述实体环形部分邻近所述基部的所述第二端，并轴向延伸到所述切口部分；
所述切口部分从所述实体部分轴向延伸到所述末端，所述细长环形挡套具有最大长度和最大宽度，所述细长环形挡套的横截面小于所述最大长度乘以所述最大宽度的至少80％，其中所述最大长度大于所述基部的所述长度。
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