CN212105777U - 开采石油天然气专用的抗粘扣油管接头 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种开采石油天然气专用的抗粘扣油管接头，包括管子和接箍，所述管子的连接端部设有外螺纹，接箍的连接端部设有内螺纹，外螺纹和内螺纹为双线锥管螺纹配合结构；外螺纹的牙形为非对称梯形；内外螺纹的牙形配合轴向间隙为0.01~0.04mm，径向配合间隙为0；管子的连接端部的末端与接箍的连接端部的内端为：金属‑金属接触密封的公、母端采用错位接触角结构的楔形密封。本实用新型克服现有油管螺纹接头上扣速度慢、密封可靠性欠佳、上卸扣过程螺纹及密封配合部位容易出现粘扣性损伤的缺陷，本实用新型从原理上实现螺纹的快速上扣、杜绝螺纹粘扣现象的发生、保证螺纹接头的高连接强度与密封可靠性。
Description
技术领域
本实用新型涉及石油天然气开采工程的管道技术，具体涉及一种开采石油天然气专用的抗粘扣油管接头。
背景技术
石油天然气开采工程，简单说就是将贮藏于地层中的石油天然气通过一个管道将其输送至地面的工程技术，而作为油气井主体结构的油井管及相关附件所组成的管柱就是这样一条可靠的输送管道。数百米乃至数千米的管柱一般是由很多支单根管子用螺纹连接而成，作为管柱最薄弱环节的螺纹接头，其技术性能在油气井建井和油气开发过程中，起着至关重要的关键作用，即使一个螺纹接头出现失效，亦可能造成不可估量的重大损失。
长期以来，符合美国石油协会API（American Petroleum Institute）标准规范的管螺纹存在的性能缺陷在油井管制造领域一直没有得到有效解决。具体表现为：1、API 圆螺纹在上卸、扣过程中出现的粘扣现象在油田施工现场依然存在；2、因连接强度较低，造成螺纹脱扣而引起的掉井事故仍没有彻底杜绝；3、API偏梯螺纹虽然解决了API圆螺纹抗拉强度低的问题，但螺纹接头的抗泄漏性能却出现了明显下降，抗粘扣性能虽稍好于API圆螺纹，但仍然不是十分理想。
后来国内外各油井管制造厂先后发明的各类特殊产品，仅是在API梯形螺纹的基础上采用增加单独金属密封结构的方式，来解决连接强度与密封性问题，螺纹的粘扣问题仍然没有得到有效解决，管柱长期服役的密封可靠性仍稍显不足。
上述列举的API螺纹以及特殊扣螺纹均采用单头螺纹作为管柱连接，存在的共性问题：未能在技术原理上实现螺纹的快速上扣，特别是螺纹的粘扣问题一直未能有效解决，同时现有特殊扣螺纹密封结构采用的同位接触角设计，使其在螺纹接头上紧后公、母扣密封结构在接触压力作用下产生的弹性变形恶化了密封接触面的配合状态，对长期服役管柱的密封可靠性产生了不利的影响。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本实用新型提供了一种开采石油天然气专用的抗粘扣油管接头，克服现有油管螺纹接头上扣速度慢、密封可靠性欠佳、上卸扣过程螺纹及密封配合部位容易出现粘扣性损伤的缺陷，本实用新型从原理上实现螺纹的快速上扣、杜绝螺纹粘扣现象的发生、保证螺纹接头的高连接强度与密封可靠性。
本实用新型解决上述技术问题的方案如下：
开采石油天然气专用的抗粘扣油管接头，包括管子和接箍，所述管子的连接端部设有外螺纹，接箍的连接端部设有内螺纹，外螺纹和内螺纹为双线锥管螺纹配合结构；
所述外螺纹的牙形为非对称梯形；
所述内外螺纹的牙形配合轴向间隙为0.01~0.04mm，径向配合间隙为0；
所述管子的连接端部的末端与接箍的连接端部的内端为：金属-金属接触密封的公、母端采用错位接触角结构的楔形密封。
所述非对称梯形的截面形状如下：四个角均倒圆角，高度h＝1.27mm，导入面角度α1＝10°～20°，承载面角度α2＝0°～10°。
所述双线锥管螺纹配合结构的螺距p＝3.175mm，螺纹线数n＝2。
所述楔形密封的错位接触角∠δ=0.5°~2°。
所述内外螺纹的螺纹锥度T=1：16。
本实用新型相对于现有技术具有如下的优点：
1、本开采石油天然气专用的抗粘扣油管接头，双线螺纹设计可以缩短内外螺纹旋合拧紧过程所需要的时间即实现快速上扣，内外螺纹旋合拧紧过程中的摩擦路径与单线螺纹相比减少一倍，从原理上避免了螺纹表面因接触摩擦而造成螺纹粘扣性损伤的可能性；
2、非对称梯形的螺纹牙形设计，可以有效避免螺纹接头在拉伸载荷作用下的滑脱失效，以提高油管接头的抗拉强度；
3、内外螺纹牙形配合留有的轴向间隙，消除了因接箍内螺纹涂层厚度（进行磷化或镀铜等表面处理后，所增加的涂层厚度）对螺纹配合状态的影响，进而实现螺纹牙形的无间隙紧密配合，以提高螺纹配合部位的密封性能，同时使螺纹配合接触应力的分布更加均匀，进一步提升螺纹接头的密封可靠性；
4、密封结构采用的楔形错位接触角设计，可以契合实际工况，使配合接触应力的分布状态更加合理，以保证螺纹接头抗泄漏能力。
附图说明
图1是本实用新型的开采石油天然气专用的抗粘扣油管接头的平面图。
图2为图1的剖视图；
图3为非对称梯形牙形的局部放大剖视图。
图4为内螺纹覆盖涂层之后，非对称梯形牙形的局部放大剖视图；
图5为楔形错位接触角的预紧状态图；
图6为楔形错位接触角的机紧状态图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1-图6所示的开采石油天然气专用的抗粘扣油管接头，包括管子A和接箍B，管子A的连接端部设有外螺纹D，接箍B的连接端部设有内螺纹E，外螺纹D和内螺纹E为双线锥管螺纹配合结构；
管子A的外螺纹D与接箍B的内螺纹E，通过专用梳刀在机床上进行精密加工，加工后的管子A外螺纹D不做表面处理，接箍B内螺纹E及密封结构表面做磷化或镀铜等涂层处理。
为保证接头抗拉强度最大化，管子A外螺纹D采用按螺纹锥度自然退出管体的方式进行加工。内、外螺纹连接时，接箍B端面拧紧至外螺纹D在管体上的消失位置，实现在拉伸载荷作用下的管体危险截面最大化，提升螺纹接头抗拉强度。
如图3和图4所示，外螺纹D的牙形为非对称梯形；
为防止螺纹接头在拉伸载荷作用下，接箍B与管子A脱开即出现滑脱失效，螺纹牙形采用非对称梯形，以减小拉伸载荷传递给螺纹牙形承载侧的径向分力，使螺纹接头在拉伸载荷作用下的失效形式为管体A或接箍B的断裂，实现了螺纹接头抗拉强度的最大化。
内外螺纹的牙形配合轴向间隙为0.01~0.04mm，径向配合间隙为0；如图4所示，在接箍B内螺纹E经磷化或镀铜等表面处理后所形成的涂层F将填补螺纹牙形原始设计的间隙从而达到紧密配合的目的。
为提高螺纹接头螺纹配合部分的密封性能，内、外螺纹配合时其轴向预留一定的的间隙，在接箍B内螺纹E表面磷化或镀铜等涂层厚度F的作用下，最终实现内、外螺纹无间隙紧密配合，使整体螺纹接头的密封性能得到进一步的提高。
如图5和图6所示，管子A的连接端部的末端与接箍B的连接端部的内端为：金属-金属接触密封的公、母端采用错位接触角结构的楔形密封（图2中C位置），以契合管子A与接箍B旋合拧紧的实际工况变化。
如图5所示，密封结构采用公、母端错位接触角（∠δ）的楔形结构，随着拧紧过程，因接箍B的刚度远大于管端的刚度，故管端密封楔被接箍密封楔下压产生弹性变形，最终实现无间隙紧密接触，同时在位置1及位置2 处产生了较大的接触压力，实现了双重密封的目的（如图6所示），配合接触应力分布状态的改变及双重密封的实现，提高了油管接头的抗泄漏能力。
非对称梯形的截面形状如下：四个角均倒圆角，高度h＝1.27mm，导入面角度α1＝15°，承载面角度α2＝5°。
双线锥管螺纹配合结构的螺距p＝3.175mm，螺纹线数n＝2。
楔形密封的错位接触角∠δ=1°。
内外螺纹的螺纹锥度T=1：16。
本抗粘扣油管接头的设计思想是：螺纹上任意一点沿同一条螺旋线旋转一周所移动的轴向距离称为导程，导程S在数值上等于螺纹线数n乘以螺距p即导程S=n×p 。显然，双线螺纹与同螺距单线管螺纹相比，在上扣钳（或其它拧接设备）转速不变的条件下，内、外螺纹旋合拧接过程所需要的圈数（时间）减少一倍，提高螺纹接头上扣拧接工序的作业效率，特别是油田现场管子连接下井时的作业效率。与此同时，内、外螺纹之间的摩擦路径（距离）亦减少一倍，使螺纹表面因摩擦或材料粘接而造成粘扣性损伤的几率明显降低，避免螺纹因多次上扣或卸扣而发生损坏的可能性，提高螺纹的抗粘扣性能。
油管接头的螺纹连接采用非对称梯形的螺纹牙形设计，以保证螺纹接头具有高抗拉强度的特点，避免螺纹接头在拉伸载荷作用下的滑脱失效，螺纹接头在拉伸载荷作用下的失效形式为管体或接箍断裂。
油管接头螺纹的螺旋升角满足轴向机械自锁条件，以螺旋升角最大的4-1/2in规格油管为例，平均螺旋升角仅为1.02°，小于机械自锁的临界摩擦角，计算如下：
螺旋升角=arctan（2*3.175/114.3/π）=1.02°；
机械自锁摩擦角的计算公式为：
机械摩擦角=arctanμ………式中：μ-机械摩擦系数；
查阅机械设计手册（化学工业出版社1987年第二版），得钢材-钢材的摩擦系数为0.05～0.10，取较小值0.05代入上式得：
机械摩擦角= arctanμ=arctan0.05=2.86°。
上述为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.开采石油天然气专用的抗粘扣油管接头，其特征在于：包括管子和接箍，所述管子的连接端部设有外螺纹，接箍的连接端部设有内螺纹，外螺纹和内螺纹为双线锥管螺纹配合结构；
所述外螺纹的牙形为非对称梯形；
所述内外螺纹的牙形配合轴向间隙为0.01~0.04mm，径向配合间隙为0；
所述管子的连接端部的末端与接箍的连接端部的内端为：金属-金属接触密封的公、母端采用错位接触角结构的楔形密封。
2.根据权利要求1所述的开采石油天然气专用的抗粘扣油管接头，其特征在于：所述非对称梯形的截面形状如下：四个角均倒圆角，高度h＝1.27mm，导入面角度α1＝10°～20°，承载面角度α2＝0°～10°。
3.根据权利要求1所述的开采石油天然气专用的抗粘扣油管接头，其特征在于：所述双线锥管螺纹配合结构的螺距p＝3.175mm，螺纹线数n＝2。
4.根据权利要求1所述的开采石油天然气专用的抗粘扣油管接头，其特征在于：所述楔形密封的错位接触角∠δ=0.5°~2°。
5.根据权利要求1所述的开采石油天然气专用的抗粘扣油管接头，其特征在于：所述内外螺纹的螺纹锥度T=1：16。
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