CN1304780C - 螺纹管道接头 - Google Patents

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Abstract

用于连接管道的螺纹接头由凸件(1)和凹件(2)组成，凸件的外表面和凹件的内表面分别具有螺纹连接部分。引入螺纹侧面角β介于10°＜β＜25°，接合面(9)位于上述凸件的顶端，并与凹件上相应的环形接合面(10)接合。凸件(1)和凹件(2)的引入螺纹侧面在配合且接头未负载时，在沿平行于接头的轴(21)方向上留有一个尺寸介于0.01～0.12mm的孔隙。凸件的内径D3和外径D4(位于不和凹件接合的部位)与凹件接合面上的内D1和外径D2之间存在如下关系式(D22-D12)/(D42-D32)≥0.5。

Description

螺纹管道接头
技术领域
本发明通常涉及用于管道的螺纹接头，特别是用于天然气和石油开采工业的管道接头。这些管道既能用于泵送煤气或石油，本身又能作为钻井的井筒使用。
背景技术
在天然气和石油开采工业中，使用的管道是有预先确定长度的，必须将其首尾相接才能达到足够的长度，这样才能到达碳氢化合物通常所处的产地。
通常采用的钻井技术就是钻孔。通过钻孔，油井从地面或海平面一直到达油气储藏区。这些油井的深度可达几千米。在钻孔时，整个油井全长都衬有金属管道。这些金属管道段有约十米长，通过螺纹接头连接在一起。因此，这些管道形成一个管状钻杆柱(tubular string)，并且除了在相应与接头连接的部分外，其整体具有均一的直径，而管道接头处的外径比钻杆柱本身大出约1英寸(25.4m)。
为了能够延伸至整个油井深度，使用了各种钻杆柱(string)，因为机械强度和地层的地质特点，钻杆柱直径越小钻的越深，这样就会形成一种“套筒式(telescopic)”结构。
但是现在的石油开采业却更多地面临开挖相对于垂直位置特别倾斜的油井，甚至几乎是水平的油井，才能达到油气储藏区。那些通常设计用于垂直油井的管道就不能满足要求，这样就存在一种结构性的需求。在开挖水平或非常倾斜的油井时，也有必要尽可能地节约成本。一旦油井开钻完毕，井壁则被包衬，引入另外的钻杆柱，用于把地下的油气从其储藏区中泵出。此钻杆柱沿整个油井敷设，因此可以长达几千米，它也是通过采用与上述相同类型的接头将十米长的管道连接而成。通常这种类型的钻杆柱整体管径是均一的，除了接头处的直径一般大一些，与前述类型钻杆柱类似。
上述两种情况中，管道都是用有螺纹的接头互相连接的，这些接头可以是整体型，既一个管道的端部是阳螺纹，而另一个管道的端部是阴螺纹；也可以是套管接头，既管道两端都是阳螺纹，然后用两端都是阴螺纹的套管接头连接起来。
选择何种类型的接头需要根据钻杆柱所承受的载荷，作用在内部和/或外部的压力，钻杆柱的长度和可能的最大直径等因素来确定，管径与油井直径有关。
如果接头的直径减小了，就有必要寻找方法以能够弥补其较低的结构强度。事实上，在连接区的效率必然比管道主体处的效率低，这是因为结构的因素，比如在一定厚度的管壁上加工的螺纹，密封槽和台肩等，这都会减少凸件或凹件临界区的截面面积。
将导致接头损坏的原因降至最低也是非常重要的。如果管道损坏，特别是已经在地下敷设的管道，因为操作者几乎不可能直接介入将要发生破坏的接头，就可能会造成严重的经济后果，特别是油气储藏区含有腐蚀性元素时。
因此，过去在改进管道接头方面做了很多工作，力图在各种有时会互相矛盾的需求之间寻找一个合适的平衡，以使其达到最优效率，如最小尺寸、最大结构强度以及泄漏和/或对渗漏液体的密封等等。事实上，管道本身在承受由来自管道外部和/或管道内部流体产生的压力的同时，还一直承受着压力、拉力、弯折和扭转载荷等。
接头还必须具有优良的配合(make-up)和抗咬合性能。
流体的温度、腐蚀作用或是矿区的环境条件经常会使结构和密封问题变得更糟。
当前的钻探方法是采用一个单套设备达到各种深度和油气储藏区，其油井可以是倾斜的、弯曲或甚至是水平的：如果说这一方面代表巨大的经济利益，但是在另一方面在进行钻杆柱下放操作过程中，由于管道与井壁之间累积的摩擦力造成的压缩和扭转，这也会导致在管道和接头上产生极高的结构应力。这些管道，特别是在螺纹连接区迫切需要具有抗压强度，而通常接头处的弱点正是这种技术的弱点。同样地，当钻杆柱被用于注入蒸汽时，由于较高的热载，也会出现类似的不利条件。因此提出了一些建议以改善接头的压缩性能，即采用这样一种尺寸的螺纹，当接头被配合时，一个管段的螺纹的两个侧面与另外一个管段的相应螺纹的两个侧面接触。互相接触的螺纹的两个侧面对得到与接头的拉伸行为类似的压缩行为具有重要贡献。
在特殊环境下，例如所测量的螺纹引入侧面角与垂直管轴的面相比较非常倾斜，钻杆柱的压缩行为不能令人满意，因为一旦压缩力超限这种方法就会引起一种叫做“跳跃(jump in)”的现象。所谓跳跃是指当超过螺纹的抗压强度后，阳螺纹管段滑入阴螺纹管段内。螺纹引入角越倾斜越容易发生这种现象。
这种螺纹的另外一个缺点是在接头进行旋进操作时，更多的螺纹环相互接合，它所承受的转矩在承载时变化很大，容易产生接头咬合的危险，结果会产生无法保证流体的气密性。这就产生了制造接头的困难，并产生不能精确应用正确转矩的可能性。
提出的另外一种改善管道接头强度性质的方法是设想增加阳螺纹管段和阴螺纹管段靠近承载区的壁厚，这样也能够在阴螺纹管段得到一个较大尺寸的环形台肩。这会增加对管道端面的处理量，特别是在进行攻丝处理前，该处理是永久应变，其后要进行消除应力处理以消除残余应力，这就会增加生产的成本和时间。为了改善强度性质，这种永久应变操作对于厚壁管是尤其必要的。但是，就是在这种情况下，结果也不总是令人满意的，因为在最好的情况下，通过这种方法在连接点处得到的压缩强度也从未超过无螺纹管段强度的70％。
因此迫切需要甚至在高压缩载荷下也具有高强度和高密封性能的接头，同时保持其自身的气密性。接头也必须易于中心定位和装配，这样就能在现场装配，甚至使用自动钻井设备。
接头也要适用于用各种不同的材料制造的用来钻孔的管道。例如，这些材料包括炭钢，铬或抗腐蚀合金钢，如那些铬含量比较高，超过9％，并含有镍和钼，象马氏体钢或双炼不锈钢或奥氏体钢或镍铁合金等。
发明内容
上述提到的问题通过螺纹接头连接管道的方法加以解决，不论是整体式或套管式。接头由一个凸件(male member)和一个凹件(female member)组成，凸件由一个管道组成，该管道的外表面至少有一部分有螺纹，凹件包括一个管道或套管，至少在其内表面的一部分有螺纹，在凸件的一端有一环形台肩，与其相应在凹件内部有一个环形支撑台肩，所述螺纹适合往复和可逆地旋转直到在所述环形支撑面之间建立接触，所述螺纹有一个沿位于工件轴线上的平面的截面，在该截面上螺纹牙形包含有一个载荷侧面(load flank)和一个引入侧面(lead-in flank)，所述引入侧面相对于垂直于所形成螺纹的工件的轴的平面的角度在10°至25°之间变化，所述螺纹是这样的，当上述环形支撑面间互相接触，且当接头未承载时，在凸件螺纹引入侧面和相应的凹件螺纹相对侧面之间有一个间隙，沿平行于接头轴线方向测量，该接头轴线方向与两个所述的工件的轴线一致，当它们互相旋紧时，间隙尺寸在0.01～0.12mm之间，其中所述凸件处于不和凹件接合的部位的内径D3和外径D4与凹件的支撑面上的内径D1和外径D3之间存在关系式(D22-D12)/(D42-D32)≥0.5。
上述环形支撑面最好是截头圆锥面，并且凸件端部上的支撑面沿工件的轴线旋紧。
根据本发明的更多方面，提供了一种具有确定长度的管道，其至少在一端具有适于形成接头的凸件的外螺纹部分或者具有适于形成接头的凹件的内螺纹部分，从而将提到的上述问题通过定长的管段加以解决。
附图说明
图1为根据发明制造的配合接头的侧面剖视图；
图2为图1的局部放大图，显示了配合的凸件和凹件的端部。
具体实施方式
参见附图，现在用一个非限定的实施例说明根据本发明制造的接头。
图示接头由两个工件构成，即：凸件1和凹件2。在这个例子中，凸件是一个管道，通常两端有阳螺纹，凹件是一个套管，在其两端有阴螺纹依靠两个上面描述的接头连接两个管道。接头定义为一个内部件20，包括凸件1和凹件2的轴21，其中有流体，如天然气或石油或其他类似流体流动，和一个外部件22，其中可以是各种流体，通常也是带压力的。管道的外径D4在此区域未涉及凸件和凹件的连接处，它的尺寸可以比凹件端部连接区的外径D5小，其值在整体“齐平(flush)”型连接情况下的0％至套管接头的15％之间。凸件1有一个端部13，其外表面有螺纹。如图2所示，螺纹在沿位于工件轴线的平面上的具有的螺纹牙形15实质上是梯形。在每个螺牙中有一个引入侧面6，一个载荷侧面4和齿顶7。
引入侧面6相对于垂直于轴21的面之间形成一个角β，角度介于10°～25°之间。如图所示，如果螺牙侧表面从接头轴21的轴线向相反侧面旋紧螺纹，即方向向外侧和向上述内部螺纹轴线方向旋紧，引入侧面和载荷侧面的角度都被限定为正角。
载荷面4的角度α，即与垂直与轴21面形成的角度，可以是正角或负角，介于-4°～3°之间。
凸件1的端部13包括密封面11，如截头梯形，和一个具有平面或截头梯形表面的环形结合面9，锥角值介于0°～20°之间。端部13作为一个截锥体，其外表面可以很方便地加工螺纹，如图所示，锥度最好在6～10％之间。螺距最好是每英寸3～5圈。螺纹可以是完整的或具有部分不完整的螺纹。包括密封面11的端部13的外表面的一部分没有螺纹，并且通常比有螺纹的部分的锥度要大。密封面11在其他可选的实施例中也可以是球形的，但是也有可能是其他形状的。
凹件2的端部14必须螺纹旋进凸件1的端部13。当凹件2带螺纹的端部14上环形结合面10与相对应的环形结合面9接触时，可以认为完成配合。与密封面11对应可以提供一个有尖锐的锥角的密封面12，完成配合后两面接触。密封面11和12形成一个气密性金属-金属密封。凹件螺纹的引入侧面和载荷侧面最好与凸件的相同，标记如上所示。
端部14的螺纹对应于凸件1的端部13的螺纹。这样，配合后，载荷侧面3显然就与凸件的载荷侧面4接触。对未安装接头的情况，即：在凸件1和凹件2上没有轴向或弯曲载荷时，在引入侧面6和凸件的引入侧面5之间沿平行于接头轴线方向测量有一个0.01～0.12mm的间隙。在一个工件的齿顶8与另外一个工件的齿根之间，在两螺纹环之间的区域中有0.05～0.30mm的间隙。
内径D3和外径D4位于上述凸件1未涉及与凹件匹配的部位，与凹件2的环形结合面10上的内径D1和外径D2之间有关系式(D22-D12)/(D42-D32)≥0.5。
发明的接头适用于管道承受高轴向压缩应力，该力使引入侧面5和6互相接触，并由此开始承受平行于环形结合面9和10的压缩载荷，而接近上述环形结合面9和10的部位还处于弹性变形条件下。此外，它具有符合抗磨损和抗咬合的强度。
凹件也可以是连接两管形凸件的套管，如例子中所述。另外一种可以是整体接头，既两个工件是两段管道，一个端部有阳螺纹，一个端部是阴螺纹，形成接头。这种情况下，一端是阳螺纹的工件在另外一端可以是阴螺纹(反之亦然)，然后与另外一段管段形成整体连接接头。在此情况下，每段管道在接近阴螺纹段部分可以扩大其外部直径以提供合适的强度，如近平(near-flush)接头。管段的内径最好相同以使管线内部具有连续性。在套管式接头情况下，在不与凸件匹配的区域，其内径最好与连接管道的内径相同，如图所示；所述直径与环形结合面10的内径D1相一致。

Claims (37)

1.一种螺纹管道接头，其定义一个轴(21)，包括一个共轴的凸件(1)，其由一个管道组成，所述管道至少在其一个端部(13)的邻近部位的外表面的一部分上设有螺纹，和一个共轴的凹件(2)，其由一个管道或套管组成，所述管道或套管至少在其一个端部(14)的邻近部位的内表面的一部分上设有螺纹，其中在凸件(1)上具有一个圆柱形部分，在两个端部之间的中间部分具有均匀的厚度的管壁，其中至少在凸件一端(13)具有一个环形接合面(9)，并且在凹件内部相应有一个环形接合面(10)，所述螺纹适合往复和可逆地旋转以在所述环形接合面(9、10)间形成接触，所述螺纹是互补的，其中螺纹牙形在沿含有轴(21)的平面的截面定义为一个载荷侧面(4、3)，其与垂直于轴(21)的面形成第一角(α)，定义一个引入侧面(6、5)，其与垂直于轴(21)的面形成第二角(β)，其特征在于：所述的第二角的值在10°～25°之间，此时当接头被装配时，实现所述环形接合面(9、10)之间的接触，在没有轴向载荷时，在凸件螺纹的引入侧面(6)和凹件螺纹的引入侧面(5)之间，沿平行于接头的轴(21)的轴线方向测量有一个尺寸介于0.01～0.12mm的间隙，其中所述凸件(1)的圆柱状部分内径D3和外径D4与凹件的接合面的内径D1和外径D2之间存在关系(D22-D12)/(D42-D32)≥0.5。
2.根据权利要求1所述的管道接头，其中所述凹件(2)是一个两端具有阴螺纹的套管。
3.根据权利要求1所述的管道接头，其中载荷侧面(4、3)相对于垂直于接头的轴(21)的平面之间形成一个角度(α)，其值介于-4°～3°。
4.根据权利要求2所述的管道接头，其中载荷侧面(4、3)相对于垂直于接头的轴(21)的平面之间形成一个角度(α)，其值介于-4°～3°。
5.根据权利要求1所述的管道接头，其中带有螺纹的部分的锥度值介于6％～15％。
6.根据权利要求2所述的管道接头，其中带有螺纹的部分的锥度值介于6％～15％。
7.根据权利要求3所述的管道接头，其中带有螺纹的部分的锥度值介于6％～15％。
8.根据权利要求4所述的管道接头，其中带有螺纹的部分的锥度值介于6％～15％。
9.根据权利要求1所述的管道接头，其中在凸件的齿顶(8)和凹件的齿根(7)之间有一个介于0.05～0.30mm的间隙，且当配合时凸件的齿根和凹件(2)的齿顶互相接触。
10.根据权利要求2所述的管道接头，其中在凸件的齿顶(8)和凹件的齿根(7)之间有一个介于0.05～0.30mm的间隙，且当配合时凸件的齿根和凹件(2)的齿顶互相接触。
11.根据权利要求3所述的管道接头，其中在凸件的齿顶(8)和凹件的齿根(7)之间有一个介于0.05～0.30mm的间隙，且当配合时凸件的齿根和凹件(2)的齿顶互相接触。
12.根据权利要求4所述的管道接头，其中在凸件的齿顶(8)和凹件的齿根(7)之间有一个介于0.05～0.30mm的间隙，且当配合时凸件的齿根和凹件(2)的齿顶互相接触。
13.根据权利要求5所述的管道接头，其中在凸件的齿顶(8)和凹件的齿根(7)之间有一个介于0.05～0.30mm的间隙，且当配合时凸件的齿根和凹件(2)的齿顶互相接触。
14.根据权利要求6所述的管道接头，其中在凸件的齿顶(8)和凹件的齿根(7)之间有一个介于0.05～0.30mm的间隙，且当配合时凸件的齿根和凹件(2)的齿顶互相接触。
15.根据权利要求7所述的管道接头，其中在凸件的齿顶(8)和凹件的齿根(7)之间有一个介于0.05～0.30mm的间隙，且当配合时凸件的齿根和凹件(2)的齿顶互相接触。
16.根据权利要求8所述的管道接头，其中在凸件的齿顶(8)和凹件的齿根(7)之间有一个介于0.05～0.30mm的间隙，且当配合时凸件的齿根和凹件(2)的齿顶互相接触。
17.根据权利要求1所述的管道接头，其中螺纹每英寸有3～5圈。
18.根据权利要求2所述的管道接头，其中螺纹每英寸有3～5圈。
19.根据权利要求3所述的管道接头，其中螺纹每英寸有3～5圈。
20.根据权利要求4所述的管道接头，其中螺纹每英寸有3～5圈。
21.根据权利要求5所述的管道接头，其中螺纹每英寸有3～5圈。
22.根据权利要求6所述的管道接头，其中螺纹每英寸有3～5圈。
23.根据权利要求7所述的管道接头，其中螺纹每英寸有3～5圈。
24.根据权利要求8所述的管道接头，其中螺纹每英寸有3～5圈。
25.根据权利要求9所述的管道接头，其中螺纹每英寸有3～5圈。
26.根据权利要求10所述的管道接头，其中螺纹每英寸有3～5圈。
27.根据权利要求11所述的管道接头，其中螺纹每英寸有3～5圈。
28.根据权利要求12所述的管道接头，其中螺纹每英寸有3～5圈。
29.根据权利要求13所述的管道接头，其中螺纹每英寸有3～5圈。
30.根据权利要求14所述的管道接头，其中螺纹每英寸有3～5圈。
31.根据权利要求15所述的管道接头，其中螺纹每英寸有3～5圈。
32.根据权利要求16所述的管道接头，其中螺纹每英寸有3～5圈。
33.根据权利要求1-32中的任何一个所述的管道接头，其中环形接合面(9、10)是互补的和截头圆锥形的，凸件(1)的环形接合面(9)具有的角度介于0°～20°，且顶点指向凸件内部。
34.一种管道，其具有确定的长度，至少在其一端具有外螺纹部分，适于形成权利要求1到32中任何一个所述的接头的凸件(1)。
35.一种管道，其具有确定的长度，至少在其一端具有外螺纹部分，适于形成权利要求33所述的接头的凸件(1)。
36.一种管道，其具有确定的长度，至少在其一端具有内螺纹部分，适于形成权利要求1到32中任何一个所述的接头的凹件(1)。
37.一种管道，其具有确定的长度，至少在其一端具有内螺纹部分，适于形成权利要求33所述的接头的凹件(1)。
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