CN1296649C - 改进的套管接头 - Google Patents

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Abstract

一种用于管道的螺纹接头，包括一端有外螺纹部分的公接头(10)，一端有具有互补螺纹的内螺纹部分的母接头(20)。所述接头适于沿着螺纹部分的轴向长度的大部分相互接合，螺纹在同一方向上倾斜，并与管段的纵轴成锐角，外螺纹延伸到邻近另一部分上的互补的止动肩的外止动肩(15)，该互补的止动肩包括带有圆顶的锥形接纳部形式的凹部。基本上平行于管道轴的外螺纹部分的圆锥形止动肩的第一个圆锥表面(13)、或内螺纹部分的圆锥形接纳部包括一个或多个凸面(24)。

Description

改进的套管接头
技术领域
本发明涉及一种管接头，该接头尤其用于连接需要在地下使用的管道，例如在石油和燃气工业中使用的管道。在管道可能承受垂直于管轴线的不均匀的作用力的地方，该接头经过特别的设计。
背景技术
当在两个地点之间传输流体，如石油或天然气的时候，成本效率最高的方法采用管线。这种管线通常由单独的管道接合在一起构成。该运送流体的管道也通常被保留在另外的管道内，常常被称作套管。该套管用于保护运输管道并使运输管道能容易地定位。在流体从运输管道泄漏的情况下，该套管也能作为安全屏障，因为泄漏的流体被保留在套管内并避免与直接的外界环境接触。由于这种原因，该套管必须具有对变形和运输管道所承受的压力的抵抗力。
管道的接口区域，在管道的内部和外部表面都构成中断，并且这是完成的管道中的缺陷来源。任何这种缺陷被尽可能减小到最小是重要的，因为管道中流体的任何损失不但浪费资源，而且潜在地破坏环境。此外，流体流失也能增加火灾或爆炸对员工的危险。替换效率低或漏泄的接头并不简单。尤其在石油和燃气工业的情况，管道常常处于相对难以接近的位置，并且替换是非常困难和昂贵的。
在管道之间拼接运输管道或套管的管间接头通常通过使用螺纹接头，同时每个单独的管道具有与邻接管道的螺纹相互补的螺纹来实现。这种接头应该有能力抵抗住在管道的内部和外部之间的大的压差。此外，接头也必须能够在由单独的直管道形成的管道制成曲线形状或因岩层等原因稍微偏离线性结构时，保持流体不泄漏。
当这种弯曲力施加于其上时，常规的管道趋于功能变差，其结果是管道的性能减弱，并且发生弯曲的地方有泄漏的危险。
本发明的目的是提供一种管接头，该管接头致力于解决上述问题，并且当管道非同轴连接时该管接头运行良好。在描述中术语套管和管道能替换使用，套管常常只表示比所说的管道的直径大的管道。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于管道的螺纹接头，该螺纹接头包括：第一管段或公接头，在其一端有外螺纹部分；第二管段或母接头，在其一端有具有互补螺纹的内螺纹部分，所述部分适于沿着螺纹部分的轴向长度的大部分相互接合，螺纹在同一方向上倾斜，并与管段的纵轴成锐角，外螺纹延伸到邻近另一部分上的互补的止动肩的外止动肩，该互补的止动肩包括带有圆顶的锥形接纳部形式的凹部，其特征在于基本上平行于管道轴的外螺纹部分的圆锥形止动肩的第一个圆锥表面、或内螺纹部分的圆锥形接纳部包括一个或多个弯曲部分。
所述或每个弯曲部分的表面优选地位于一个圆的圆周上。适宜的圆周半径是2cm～10.5cm，并且尤其有利的是2.2cm～4cm。
优选地，公接头的内表面末端经过切角，该切角边与公接头的纵轴成18°～25°角。该切角边能使管道的主体变得较厚，并因此更牢固，但在接合区域周围保持平滑的表面以降低流体物质流动产生的紊流。
优选地，止动肩的第一圆锥表面包括平坦的部分。上述第一圆锥表面的平坦部分适宜相对管道的纵轴成1°～15°的角度，并且尤其适宜为1.5°～4°的角度。角度越小，管道越粗，并因此更坚硬，增强接头抵抗开口的能力。
优选地，止动肩的第二圆锥表面相对垂直于管道纵轴的平面成11°～20°的角度，并且尤其优选地为11°～13°角。
附图说明
本发明将通过参考仅仅作为示例的附图描述，一个套管接头的具体实施例。
图中：
图1是一个公接头的止动肩的剖视图；
图2是对应的母接头的止动肩的剖视图；
图3a～3c示出止动轴肩内的应力分布；
图4a～4c示出因图3a～3c所示的应力产生的塑性应变的分布；和
图5a～5c是对受到弯曲力和压力差的管接头的稳定性的模拟。
具体实施方式
图1示出了管道、套管接头的连接件的公接头10的止动肩、或外螺纹端。在公接头10中，示出了最终的螺纹的牙顶11。公接头10有内表面12，当公接头10连接到相对应的母接头20或内螺纹端时，(图2)内表面12形成部分管道的内部。外表面13有基本笔直的横截面，其从牙顶11朝向止动肩15的顶点14以近似2°的角度轻微地减小。当两个管道旋紧在一起时，外表面13接合对应的母接头表面22，以形成密封表面。
由于以下描述的特征，表面13的锥度仅仅是2°于管轴。这使公接头10的末端变得比用其他的方法更坚固。因此，穿过管道接头部分的外螺纹和内螺纹之间的、并趋于推开这两部分的管外压力，由于公接头10的加强效果而被抵抗住。本发明能够使用的角度是1°～15°，特别地为1.5°～4°。
止动肩具有用来接合母接头20上的对应表面的另一密封表面16，并因此形成另一密封来阻止流体通过接头漏出。密封表面16通过弯曲部分14连接到外表面13。密封表面16和与公接头10的主轴垂直的平面成12°角。由于接头的密封特性改善，这个表面相对上述平面的角比传统的接头要浅。这样，可包括11°～20°角。
图1中的公接头10与被连接的管道上的互补的母接头部分接合。母接头20具有一个内表面21，当管道连接在一起时，该表面21和表面12、17一起形成管道内表面。母接头20还有多个另外的表面22、23，表面22、23一起形成与公接头10的止动肩15在外形上互补的止动肩，并接合公接头10以形成多个密封表面。纵向密封表面与相应的纵向密封表面接合。表面22(在母接头上)包括凸面24。
当扭矩被施加到两个管道上以旋紧它们时，凸面24引起应变在止动肩分布，使应变主要集中在凸面24周围的区域。
所述凸面的横截面位于半径近似为2.5cm的圆上，虽然半径从2～10.5cm证实可被接受。在圆的半径从2.2cm到4cm的地方，所产生的密封性特别强。
图3a到3c示出了计算出的在接头的止动肩区域引起的应变。在这些图中，较暗的阴影指代该特定的区域受较大的应变。凸面的中心的坐标为-0.165cm，22.05cm，且图3b中凸面的中心(-0.292cm，22.05cm)。在这些坐标中，x轴参照图2所示的x轴，并参照假想点A。y坐标从管中心计算。
接头的母接头部分在图3a和3b中示出，并且包括半径2.5cm的凸面。两个主要的不同点能从依照本发明的两个接头和图3c中的现有技术的接头之间的应力分布中看出。首先在具有凸起部分的接头中的主要应力位于两个区域，第一个区域围绕在密封边缘31。第二个区域是两个瓣叶30，分别在两个管道的部分上，基本上远离密封表面。
可以看到瓣叶30放射状地伸入公接头和母接头部件的主体中。这导致比传统的接头抗弯曲力更强的密封性。此外，如图3a～3c所示，较暗的区域表示高变形区域。在图4c所示的现有技术的接头中，可以看到塑性变形主要在密封表面16和23的区域45，并在平面13上带有小部分46，相对靠近弯曲顶点14。这个塑性变形导致密封表面16、23产生的密封性显著地薄弱。
此外，沿着该轴的密封用于阻止沿螺纹向下的外部压力迫使两个止动肩受力分离而破坏密封。
相反，在图4a和4b中分别示出的接头的相应区域42、44中引起的塑性变形在这些区域是较少的，对这些由密封表面形成的密封的损坏相应的减少。此外，尽管少量的塑性变形被示出在从图3a和3b看到处于大量应变下的区域中，但变形相对地小，指明了维持了牢固的密封。
不局限于一个特定的原理，凸起部分增强接头的强度和接头受弯曲时抗薄弱的能力的更进一步的原因如下所述。众所周知，表面产生应变是由两个管接头的连接产生的，集中在远离密封表面16、23的接头区域。该储藏能量的集中本质上提供了非常牢固的密封，并且该能量集中在管道相对坚固的部分，该部分能抵抗塑性变形。
虽然图解说明凸面22具有位于圆的圆周上的表面，该凸面也可具有许多其它曲面形式，诸如描述具有归纳公式x2/a2+y2/b2＝1的曲线的椭圆。该表面也能由不平坦的部分形成，在这种情形下在顶点14和螺纹牙顶11的底部之间的表面是纯粹的凸起面。
可选地，在顶点14和螺纹牙顶11的底部之间的表面能包含多于一个的凸起面，该凸起面在它们之间可能有或没有基本平坦的部分。
结合弯曲密封表面的改进密封性能在图5a到5c中示出，在这些图中示出的密封对应于在图3a到3c中示出的密封。这些图示出了特定管接头对管内和管外之间压力差和管道被弯曲的模拟响应。阴影区域对应管接头稳定处的弯曲度和压力差的组合。内部黑暗区域对应管接头，该管接头中的连接到一起的单个管道已不同轴。从图5a和5b中可以看到，稳定的区域延伸覆盖大范围的瓣叶和压差。这些结果可与图5c中示出的只在一个有限的范围内稳定，即在图的第一象限稳定的现有技术的管接头的响应进行对比。
切角的表面可以包括沿着至少其长度的一段的凹入部分，用以提供更光滑的连接并且减少在流过管道的流体中产生的紊流。
当然，本发明不仅限于这里特定的仅仅作为示例的细节描述，并且在所附权利要求的范围内可有各种修改和变更。

Claims (10)

1、一种用于管道的螺纹接头，包括：公接头，在其一端有外螺纹部分；母接头，在其一端有具有互补螺纹的内螺纹部分，所述部分适于沿着螺纹部分的轴向长度的大部分相互接合，螺纹在同一方向上倾斜，并与管段的纵轴成锐角，外螺纹延伸到邻近另一部分上的互补的止动肩的外止动肩，该互补的止动肩包括带有圆顶的锥形接纳部形式的凹部，其特征在于基本上平行于管道轴的外螺纹部分的圆锥形止动肩的第一个圆锥表面、或内螺纹部分的圆锥形接纳部包括一个或多个凸面。
2、如权利要求1所述的接头，其中，所述凸面位于一个圆的圆周上。
3、如权利要求2所述的接头，其中，该圆的半径为2cm～10.5cm。
4、如权利要求3的接头，其中，该圆的半径为2.2cm～4cm。
5、如上述任一项权利要求所述的接头，其中，公接头的内表面的末端被切角，该切角边与公接头的纵轴成18°～25°角。
6、如上述权利要求1至4中任一项所述的接头，其中，止动肩的第一圆锥表面包括平坦的部分。
7、如权利要求6所述的接头，其中，所述的第一圆锥表面的平坦部分相对管道的纵轴成1°～15°角。
8、如权利要求7所述的接头，其中，平坦部分成1.5°～4°角。
9、如上述权利要求1至4中任一项所述的接头，其中，止动肩的第二圆锥表面相对与管道纵轴垂直的平面成11°～20°角。
10、如权利要求9所述的接头，其中，第二圆锥表面成11°～13°角。
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