CN1723357A - 制造对外界密封的螺纹管连接的方法 - Google Patents
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Abstract
在具有锥形外螺纹和内螺纹(3，4)的螺纹连接中，一个环形腔(20)设在母管件(2)自由端附近，这个腔容纳了一个沿径向压缩的可变形密封环(130)的一部分，同时由于公管件上的一个肋(53)，使得密封环(130)的一个制动凸区(143)在母管件的另一个环形腔(18)中不能移动。本发明可应用于油气井的管子连接。
Description
本发明涉及了一种制造螺纹管连接的方法，包括：一个带锥形外螺纹的公管件，一个与上述外螺纹配合的带锥形内螺纹的母管件，以及插在公管件和母管件之间的一个可变形密封环，以阻止螺纹管连接的外界和上述螺纹配合区之间的流体连通。
已经知道这种螺纹管连接，其中公管件形成在一个很长管子的一端，母管件形成在另一个很长管子或较短管件的一端，较短管件为一个称为“管接头”的套状连接件，上述连接容许把许多管子端对端地装配成一串，特别是用于油气井，其中上述成串管子用于开采油气(管子串)或者用于支承地面(套管串)。
很早以前，美国石油协会引入了API5B和5CT的技术标准，用于具有倒圆三角形或梯形的锥形螺纹的螺纹连接。但是，这种连接仅采用带固体颗粒的油脂密封，它充填了内外螺纹之间的螺旋空间。
已经做出了各种建议来改进上述连接的密封特性，在公管件和母管件上提供金属密封表面，由于径向干涉造成相互的接触压力，或者依靠如聚四氟乙烯的可变形材料形成的密封环，或者采用这些方法的组合。
EP 0 488 912 A描述了一种螺纹连接，一个截锥形金属密封表面设在带螺纹公管件的一端，以及一个相应的金属密封表面设在带螺纹母管件上。这种螺纹的连接对在连接内和连接外流通的液体均提供了优良的密封。但是，流体可以沿着整个或部分螺纹从外界渗入，如果液体有腐蚀性时造成螺纹腐蚀的危险。
DE 4 317 591 A的螺纹连接显示了同样的优点和缺点，它具有一个可变形密封环，设在带螺纹母管件的一个环形槽中，并且在公管件自由端附近被压入外螺纹中。
当在海床和海上平台之间的竖管上设螺纹连接来把海下油气场的生产管串与海水隔离时，这种外部介质的渗入是一个特别重要问题，因为海水可以在内外螺纹之间的非常有限空间中引起严重腐蚀。
US 5 687 999 A描述了一种锥形螺纹的螺纹连接，在螺纹的两个纵向端具有金属密封表面，因此可避免上述缺点。但是，由于内外螺纹表面的相互滑动，海下水流造成对海下管串的循环应力会在密封表面中发生裂纹。当然，可以设想对螺纹管件的自由端设置轴向贴合支撑来防止这种滑动，但这会造成至少在管子端部的厚度增加，结果增加了成本。
本发明的目的是消除上述缺点，结果是制造出一种螺纹管连接，特别适用于受到循环应力和微小变形的竖管。
尤其是，本发明的目的是提供一种螺纹管连接，它的公管件和母管件非常接近在目前应用的套管串中的管件，特别是它们的厚度，因此制造便宜，可以有效地把连接的螺纹区与外部环境隔离，尤其是与海水隔离。
直接在很长管子的端部(整体连接)，以及在管子和用于连接两个很长管子的管接头之间(接头连接)，均可以制造本发明的螺纹管连接。
本发明涉及了在引言中规定的一种方法，提供了：
·在与公管件自由端对着的螺纹之外，环绕公管件设有一个密封环，密封环包括一个本体和一个径向厚度小于本体的制动凸区，从一个确定了本体的肩部沿轴向朝螺纹延伸，并且在本体附近具有一个变薄区，上述变薄区与在公管件上设成径向突起的一个环形肋接触；以及
·公管件的自由端接合在母管件中，外螺纹螺接在内螺纹中，把密封环逐渐引入设在母管件的一个第一环形腔中，第一环形腔的形式为其轴向孔的增大区，沿轴向从母管件自由端延伸到一个肩部，并且靠近上述肩部具有一个周向表面，沿着至少其轴向长度的一部分与上述密封环的径向外表面配合来沿径向压缩密封环，并且一方面是密封环的上述径向内、外表面，另一方面是母管件第一环形腔的上述周向表面和公管件的面对着的表面，在它们之间建立密封的接触，然后在两个肩部相互贴合之后，由母管件的上述第一腔的肩部，沿着公管件推动密封环本体，在螺接结束时，公管件的环形肋在上述变薄区之外与制动凸区接触，使得制动凸区在离第一腔一定轴向距离上挤入母管件中形成的第二环形腔，以保证密封环被母管件固定了轴向位置。
这里采用的名称“密封”和“密封接触”是指这样的方式，它们不一定要完全防止流体进入与螺纹接触，但至少限制这种进入，实际上防止了流体的补充，结果是防止了任何明显的腐蚀。
本发明的连接具有可以简单安装密封环的优点，因为一旦把密封环放在公管件的肋上时，不需要加热，它足以把公管件拧入母管件，把密封环引入母管件的环形腔中。
可以补充和替代的本发明的供选择特性列出如下：
·密封环由合成材料、延性金属和复合材料中选择的材料形成；
·密封环由具有与公管件材料摩擦系数低的材料形成；
·密封环由充填或不充填的聚四氟乙烯形成；
·在螺接结束时，公管件的环形肋与制动凸区接触，母管件的第二环形腔侧面设在第一腔肩部的一侧；
·与公管件自由端相反的位置上，外螺纹包括一个螺纹尾区，其螺纹径向高度通常从名义值减少到零值；
·第一腔的上述周向表面靠近其肩部包括一个基本上为圆柱形的表面，其直径基本上等于本体的圆柱形外表面的直径；
·第一腔的上述周向表面在靠近母管件自由端上包括一个扩张的表面；
·公管件在靠近其自由端上具有一个轴向贴合表面，该表面可以与母管件的一个轴向贴合表面配合来限制螺纹连接；
·由密封环径向内表面上形成的一个环形槽来确定上述变薄区，它可以容纳公管件的上述环形肋，在把密封环放在公管件上之后，保持密封环的位置；
·在装配之前，除了上述环形槽，密封环的上述径向内表面具有基本上不变的直径；
·上述环形肋由两个环形槽确定，环形槽的底面被机加工成基本上为圆柱形和相同的直径，与上述径向内表面配合；
·在与公管件自由端相反位置上确定上述环形肋的环形槽具有与上述肋对着的侧面，它相对于连接轴线稍有倾斜，在螺接结束时与上述密封环的径向内表面接触，增强上述密封环的压缩性和连接的密封性。
·本体为实心的，与一个径向厚度大于本体厚度的头部连接，它背对着制动凸区从本体沿轴向延伸，并且具有一个设在其径向内外表面之间的凹口；
·密封环的径向压缩包括头部及其凹口的径向压缩；
·上述凹口为环形槽形式，沿径向把头部分成两个区域，分别靠近径向外表面和径向内表面；
·当螺接完成时，靠近径向外表面的头部区域靠在第一腔的基本上为圆柱形的表面上；
·上述环形槽具有V形轮廓；
·头部的上述外表面从本体的基本上为圆柱形的表面逐渐扩张到头部的自由端；
·母管件的第一和第二腔一起确定了一个环形突起，最小直径基本上等于制动凸区的最大外径，以便在螺接时覆盖凸区；
·当密封环压缩开始时，上述环形突起位于公管件的环形肋之外，在公管件的自由端一侧；
·当两个肩部相互贴合时，上述环形突起设置成对准公管件的环形肋；
·母管件的第二环形腔为槽形，其一个侧面与内螺纹相通。
本发明还考虑了用于上述方法的一个可变形密封环和成套组件，以及由该方法得到的螺纹管连接。
本发明的密封环包括一个本体和一个径向厚度小于本体厚度的制动凸区，凸区从一个确定了本体的肩部沿轴向延伸，并且在本体附近具有一个变薄区，变薄区由形成在密封环径向内表面中的环形槽确定。
本发明的成套组件包括：
·一个可变形密封环，它包括一个本体和一个径向厚度小于本体厚度的制动凸区，凸区从一个确定了本体的肩部沿轴向延伸，并且在本体附近具有一个变薄区；
·一个公管件，它包括一个锥形外螺纹，以及在与其自由端对着的上述螺纹之外的一个径向突出的环形肋；以及
·一个母管件，它包括一个与外螺纹配合的内螺纹，一个设在母管件中的第一环形腔，形式为其轴向孔的增大区，从其自由端沿轴向延伸到一个肩部，并且具有一个靠近上述肩部的周向表面，以及一个第二环形腔，设置在离第一腔的一定轴向距离上。
本发明的连接包括一个具有锥形外螺纹的公管件，一个具有与外螺纹配合的锥形内螺纹的母管件，以及一个插在公管件和母管件之间的可变形密封环，以阻止螺纹管连接的外界和上述螺纹配合区之间的液体连通，密封环沿轴向位于上述螺纹和母管件自由端之间，包括一个本体和一个径向厚度小于本体厚度的制动凸区，凸区从一个确定了本体的肩部沿轴向朝上述螺纹延伸，并且在本体附近具有一个变薄区，本体容纳在一个设在母管件中的第一环形腔，腔的形式为其轴向孔的增大区，从其自由端沿轴向延伸到一个肩部，并且具有靠近上述肩部的周向表面，与密封环接触来沿径向压缩密封环，设在公管件上的径向突出的环形肋在上述变薄区之外与制动凸区接触，使得制动凸区挤入离第一腔一定轴向距离的母管件中的一个第二环形腔内，保证由母管件固定了密封环的轴向位置。
从参照附图的以下描述，本发明的其他特性和优点将会更明显。
图1是一个公管件的半剖视图，设想形成本发明螺纹管连接的一部分。
图2是一个母管件的半剖视图，设想与图1的公管件一起，形成本发明的螺纹管连接。
图3是一个密封环的半剖视图，设想在图1和2管件螺接之后，提供螺纹管连接的外部密封。
图4到7是半剖视图，说明在管件螺接中的不同阶段。
附图包括了特性的基本件。因此，它们不仅用于提供对描述的更好理解，而且也在必要时有助于确定本发明。
图1的带螺纹公管件或杆形成在一个很长管子101，即几米长管子的一端。它包括一个梯形的连续锥形外螺纹3。在其长度的一个区域11上，螺纹3由具有不变螺纹高度的完全螺纹形成，螺纹高度等于在螺纹根部包络线15和螺纹顶部包络线16之间的名义值，根部和顶部均为截锥形。在螺纹的其余区域13上，螺纹是不完全的，或者为螺纹尾部，截锥形螺纹根部的包络线延伸到完全螺纹的包络线，螺纹顶部的包络线由管子101的柱形外表面19构成。
管件1包括一个公凸区9，在其自由端7和螺纹3之间延伸。自由端可以由垂直于螺纹轴线的一个平面确定。如图所示，最好它由一个凹的截锥形表面7确定，其半顶角例如为75°。这个表面在公管件螺接到母管件时作为轴向的贴合支撑，其效果在EP 0 488 912 A中有更详细的描述。
端面7与一个截锥形密封面5连接，它也在EP 0 488 912 A中有描述。
在与其自由端7对着的螺纹3之外，管件1具有由机加工得到的接连的两个槽51和52，包括具有相同直径的圆柱形底面。在两个槽51和52之间存在的非机加区形成了一个环形突起(肋)53。突起的形状设计成不引起有害的疲劳效应。一个倾斜约5°锥形表面54保证了槽52的圆柱形底面(锥形表面54通过一个圆角半径与槽52连接)和圆柱形外表面19之间的连接。在螺纹13一端，螺纹根部的直径大于槽51底部的直径，这意味着槽不仅作为弹性密封的底座，而且也作为缓和螺纹中应力的槽。
图2所示的带螺纹的母管件2或套形成在称为“管接头”的一个短管或套102的一端，它容许“螺接”如101的两个长管子，带螺纹的公管件分别螺接到形成在接头两端的两个母管件中。在一个变化方式中，带螺纹的母管件可以形成在一个很长管子的一端，容许它与管子101连接，然后管件1和2形成一个整体的螺纹连接。
图示的管件2包括一个连续的锥形内螺纹4，具有唯一由完全螺纹形成的梯形螺纹。
螺纹3和4的几何特征设计成容许它们相互配合。
管件2具有一个母凸区10，在螺纹4之外延伸到其自由端，自由端由垂直于管子102轴线的平面14确定。在其长度的中间区域，凸区10有一个圆柱形内表面16，它具有短的轴向长度和大于管子101表面19直径的直径。在表面16的两侧，凸区在内部做成空心，形成在螺纹4一侧的环形槽18和在自由端14一侧的腔20，用于容纳密封环的相关部分。螺纹4通入槽18，容许制造螺纹的刀具脱离。腔20具有一个圆柱形表面22，其旋转轴线相同于管件2的纵向轴线，以及一个垂直于轴线并靠近表面16的平面25。腔20通过一个倒角21通到管件2的端面14，倒角有助于把公管件1和密封环引入母管件2中。
在与自由端14对着的螺纹4之外，母管件2具有一个截锥形贴合表面8，它可以与公管件的表面7配合，以及一个截锥形密封表面6，它可以与公管件的密封表面5配合。
图3所示的密封环130由可变形弹性密封材料形成，最好具有低摩擦系数，例如聚四氟乙烯、玻璃纤维增强的聚四氟乙烯、聚酰胺，或者如铜的软金属。
密封环130为旋转的圆环形，沿轴向分成三个区域，即一个头部136、137，一个本体146和一个制动凸区143。
头部通过一个环形槽135分成两个凸区136和137，槽135具有形成在密封环一个端面133中的V形轮廓。凸区136沿径向向外受到截锥形表面139限制，其直径从表面133朝本体减少，并且与本体的外圆柱表面131连接。与头部相反，本体146为实心的，即不包括任何凹口。制动凸区143沿轴向延伸到与面133相反位置的端面134上，并且具有一个圆柱形外表面147，其直径小于表面131，并且通过一个平肩部144与表面131连接。密封环130沿径向向内受一个圆柱形表面132限制，表面132从面133延伸到134，并且仅被一个槽145断开，槽145在本体146附近形成在制动凸区143中，其形状适于容纳公管件上的突起(肋)53。
在图4到7所示的装配模式中，密封环14在常温下开始装在公管件1的槽51和52的圆柱形底面上，跨在肋53上。其设计的柔性容许它通过螺纹。
适应于公管件的肋53的槽145形状使得密封环134能够保持在公管件上，在开始把公管件拧入母管件时防止移动。然后本体146和凸区143被母管件的相关圆柱形表面22和16覆盖而不受到应力(图4和5)，它在受到应力时具有沿径向保持密封环130位置的效果。
然后密封环在公管件上轴向位置的固定容许头部挤入腔20，它需要更多的应力来使凸区136变形，而槽(凹口)135收缩。当腔20的表面25贴合到密封环的肩部144时，密封环停止挤入腔20，槽145和肋53的位置面对着表面16(图6)。
然后密封环沿着公管件1前进，同时凸区143的后部被公管件1的肋53抬高，挤入母管件2的槽18中，从而对上述后部形成一个腔。当螺接完成时，这个后部沿轴向被挤压在肋53和表面16附近的槽18侧面之间，除了肩部25和144之间的配合，这个挤压使得密封环130相对于管件1和2不能沿轴向移动。同时，凸区137被截锥形表面54抬高，加强了密封环头部的压缩和改进了低压下的密封。凹口135也保证了例如在150到400巴的高外压下的密封，外压施加在密封环V形凹口侧面上的力的径向分量增加了由母管件腔表面22和公管件表面54之间凸区136、137的径向干涉造成的接触压力。
Claims (26)
1.一种制造螺纹管连接的方法，包括：一个带锥形外螺纹(3)的公管件(1)，一个与上述外螺纹(3)配合的带锥形内螺纹(4)的母管件(2)，以及插在公管件和母管件之间的一个可变形密封环(130)，以阻止螺纹管连接的外界和上述螺纹配合区之间的流体连通，特征在于：
·在与公管件(1)自由端(7)对着的螺纹(3)之外，环绕公管件(1)设有一个密封环(130)，密封环包括一个本体和一个径向厚度小于本体的制动凸区(143)，从一个确定了本体的肩部(144)沿轴向朝螺纹(3)延伸，并且在本体附近具有一个变薄区(145)，上述变薄区(145)与在公管件上设成径向突起的一个环形肋(53)接触；以及
·公管件(1)的自由端接合在母管件(2)中，外螺纹螺接在内螺纹中，把密封环逐渐引入设在母管件的一个第一环形腔(20)中，第一环形腔的形式为其轴向孔的增大区，沿轴向从母管件自由端(14)延伸到一个肩部(25)，并且靠近上述肩部(25)具有一个周向表面(21，22)，沿着至少其轴向长度的一部分与上述密封环的径向外表面(131，139)配合来沿径向压缩密封环，并且一方面是密封环的上述径向内(132)、外(139)表面，另一方面是母管件第一环形腔(21)的上述周向表面(21，22)和公管件的面对着的表面(52)，在它们之间建立密封的接触，然后在两个肩部(25，144)相互贴合之后，由母管件(2)的上述第一腔(20)的肩部(25)，沿着公管件推动密封环本体(146)，在螺接结束时，公管件(1)的环形肋(53)在上述变薄区(145)之外与制动凸区(143)接触，使得制动凸区在离第一腔(20)一定轴向距离上挤入母管件(2)中形成的第二环形腔(18)，以保证密封环被母管件固定在轴向位置。
2.按照权利要求1的方法，其中密封环由合成材料、延性金属和复合材料中选择的材料形成。
3.按照权利要求1或权利要求2的方法，其中密封环由具有与公管件材料摩擦系数低的材料形成。
4.按照以上权利要求之一的方法，其中密封环由充填或不充填的聚四氟乙烯形成。
5.按照以上权利要求之一的方法，其中在螺接结束时，公管件(1)的环形肋(53)使制动凸区(143)与设在第一腔(20)肩部(25)的一侧的，母管件(2)的第二环形腔(18)侧面接触。
6.按照以上权利要求之一的方法，其中与公管件自由端(7)相反的位置上，外螺纹包括一个螺纹尾区(13)，其螺纹径向高度通常从名义值减少到零值。
7.按照以上权利要求之一的方法，其中第一腔(20)的上述周向表面(21，22)靠近其肩部(25)包括一个基本上为圆柱形的表面(22)，其直径基本上等于本体的圆柱形外表面(131)的直径。
8.按照以上权利要求之一的方法，其中第一腔(20)的上述周向表面(21，22)在靠近母管件自由端(14)上包括一个扩张的表面(21)。
9.按照以上权利要求之一的方法，其中公管件(1)在靠近其自由端上具有一个轴向贴合表面(7)，该表面可以与母管件(2)的一个轴向贴合表面(8)配合来限制螺纹连接。
10.按照以上权利要求之一的方法，其中由密封环(130)径向内表面(132)上形成的一个环形槽(145)来确定上述变薄区，它可以容纳公管件的上述环形肋(53)，在把密封环(130)放在公管件上之后，保持密封环的位置。
11.按照权利要求10的方法，其中在装配之前，除了上述环形槽(145)，密封环(130)的上述径向内表面(132)具有基本上不变的直径。
12.按照权利要求11的方法，与权利要求10有关，其中上述环形肋(53)由两个环形槽(51，52)确定，环形槽的底面被机加工成基本上为圆柱形和相同的直径，与上述径向内表面(132)配合。
13.按照权利要求12的方法，其中在与公管件自由端(7)相反位置上确定上述环形肋(53)的环形槽(52)具有与上述肋(53)对着的侧面(54)，它相对于连接轴线稍有倾斜，在螺接结束时与上述密封环的径向内表面(132)接触，增强上述密封环的压缩性和连接的密封性。
14.按照以上权利要求之一的方法，其中本体(146)为实心的，与一个径向厚度大于本体厚度的头部(136，137)连接，它背对着制动凸区从本体沿轴向延伸，并且具有一个设在其径向内(132)、外(139)表面之间的凹口(135)。
15.按照权利要求14的方法，其中密封环的径向压缩包括头部(136，137)及其凹口(135)的径向压缩。
16.按照权利要求14或权利要求15的方法，其中上述凹口为环形槽(135)形式，沿径向把头部分成分别靠近径向外表面(139)和径向内表面(132)的两个区域(136，137)。
17.按照权利要求16的方法，与权利要求7有关，其中当螺接完成时，靠近径向外表面(139)的头部区域(136)靠在第一腔的基本上为圆柱形的表面(22)上。
18.按照权利要求16或权利要求17的方法，其中上述环形槽(135)具有V形轮廓。
19.按照权利要求14到18之一的方法，其中头部的上述外表面(139)从本体的基本上为圆柱形的表面(131)逐渐扩张到头部的自由端(136，137)。
20.按照以上权利要求之一的方法，其中母管件(2)的第一和第二腔(20，18)一起确定了一个环形突起(16)，它的最小直径基本上等于制动凸区的最大外径，以便在螺接时覆盖制动凸区。
21.按照权利要求20的方法，其中当密封环(130)的压缩开始时，上述环形突起(16)位于公管件(1)的环形肋(53)之外，在公管件的自由端(7)一侧。。
22.按照权利要求20或权利要求21的方法，其中当两个肩部(25，144)相互贴合时，上述环形突起(16)设置成对准公管件(1)的环形肋(53)。
23.按照以上权利要求之一的方法，其中母管件(2)的第二环形腔为槽(18)形，其一个侧面与内螺纹(4)相通。
24.一个可变形密封环(130)，用于按照以上权利要求之一的方法中，密封环包括一个本体(146)和一个径向厚度小于本体厚度的制动凸区(143)，该凸区从一个确定了本体的肩部(144)沿轴向延伸，并且在本体附近具有一个变薄区，变薄区由形成在密封环(130)径向内表面(132)中的环形槽(145)确定。
25.用于按照权利要求1到23之一的方法中的成套组件，包括：
·一个可变形密封环(130)，它包括一个本体(146)和一个径向厚度小于本体厚度的制动凸区(143)，该凸区从一个确定了本体的肩部(144)沿轴向延伸，并且在本体附近具有一个变薄区；
·一个公管件(1)，它包括一个锥形外螺纹(3)，以及在与其自由端(7)对着的上述螺纹(3)之外的一个径向突出的环形肋(53)；以及
·一个母管件(2)，它包括一个与外螺纹(3)配合的内螺纹(4)，一个设在母管件中的第一环形腔(20)，该腔的形式为其轴向孔的增大区，从其自由端(14)沿轴向延伸到一个肩部(25)，并且具有一个靠近上述肩部(25)的周向表面(22)；以及一个第二环形腔(18)，设置在离第一腔(20)的一定轴向距离上。
26.一个由权利要求1到23之一的方法得到的螺纹管连接，包括一个具有锥形外螺纹(3)的公管件(1)，一个具有与外螺纹(3)配合的锥形内螺纹(4)的母管件(2)，以及一个插在公管件和母管件之间的可变形密封环(130)，以阻止螺纹管连接的外界和上述螺纹配合区之间的流体连通，密封环(130)沿轴向位于上述螺纹和母管件(2)自由端之间，包括一个本体(146)和一个径向厚度小于本体厚度的制动凸区(143)，该凸区从一个确定了本体的肩部(144)沿轴向朝上述螺纹(3，4)延伸，并且在本体附近具有一个变薄区(145)，本体容纳在一个设在母管件中的第一环形腔(20)中，腔的形式为其轴向孔的增大区，从其自由端(14)沿轴向延伸到一个肩部(25)，并且具有靠近上述肩部(25)的周向表面(22)，该周向表面(22)与密封环接触来沿径向压缩密封环，设在公管件上的径向突出的环形肋(53)在上述变薄区(145)之外与制动凸区(143)接触，使得制动凸区挤入离第一腔(20)一定轴向距离的母管件(2)中的一个第二环形腔(18)内，保证由母管件固定的密封环的轴向位置。
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