CN1172103C - 高压缩率的螺纹连接 - Google Patents

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Abstract

通过增加连接(30)中的扭转台肩(35)的接合面积和通过减小螺纹(33、34)的各啮合侧面之间的间隙来增加可用于承受螺纹连接(30)的压缩载荷的表面面积。该面积由增加部件的尺寸和减小部件制造中所允许的加工公差来增加。连接中邻接扭转台肩的间隙(x)被减小，从而增加扭转台肩的接触表面积，同时连接的各围绕的圆柱壁的贴近减小了能够接纳各扭转台肩角的的塑性变形的间隙。邻接扭转台肩的各表面(37、38)是圆柱形的而不是锥形的，以便降低加工成本和提高连接的制造速度。

Description

高压缩率的螺纹连接
本申请涉及并申明1999年4月30日申报的序号为No.60/131894的U.S.临时申请的权益。
技术领域
本发明涉及用于将各管状体的各端固定在一起的螺纹连接。更确切地说，本发明涉及用于连接在矿井建造中所用的各管状管道的螺纹连接。
背景技术
在钻凿和完成油井、气井以及其他用于从地下开采矿物的矿井中所用的管道一般是通过在各管段的端部设置的螺纹连接固定在一起的一长串管道段的形式。该连接起双重作用，即将连接的管段固定在一起并在连接处形成压力密封。螺纹连接中受各应力作用，该应力是由在它最初组装成串时施加于连接的力、与将该管道串置入矿井内相关的力和由穿过啮合连接的压力差引起的力产生的。当作用在连接上的应力过大或不足时，连接可能失效而导致该管道串分离或破坏连接内的压力密封。
在用于矿井的常用的一套管或管道串的组成和其后的操作和利用的过程中，作用在连接上的力会在高拉伸力与高压缩力之间交变。例如，当该连接是在井表面悬垂的多个管道串的部分时，其施加拉伸力。在组成连接时和在将连接置入井内的过程中产生压缩力，其中该井的井眼偏斜以致管道串必须在井筒内绕一曲线弯曲。在后一情况下，在曲线内侧的连接部分相对于在曲线外侧的连接部分受压缩应力。在连接内部过压缩力的集中可能造成连接的永久性变形或在压缩力超过连接的设计极限时导致破坏。
现行的钻井和实施设备要求提高用于较深的和较偏斜的井的管道串的压缩率。这些临界条件下用的井管道串设计常常要求采用具有与管道的同样的或只稍大于管道体的外径向尺寸的接头。在为减小管直径的尝试中减少形成接头所用的材料体积，就提高了需要由接头的其余材料承受的应力。一般来说，这些减小直径的接头与具有较大外径的接头相比具有较低的弹性压缩率。小直径接头用于易出问题的井中使连接将遭受超过连接部件的弹性极限应力的概率增大。超过连接部件的弹性极限时改变连接的特性，其增加了连接失效的可能性。
传统的螺纹连接一般属于过盈或非过盈，或该两者的组合的种类。没有过盈的螺纹有时又称之为“空转”。具有过盈螺纹连接的尺寸是使一个部件的螺纹与连接部件的螺纹相干涉以使啮合螺纹材料机械变形。在空转的非过盈式连接中的螺纹可以啮合而不在组成的连接中产生任何的机械变形。
一些螺纹连接可以包括过盈和非过盈组合的或空转的螺纹。空转螺纹连接组成的一个重要部分是一机械式限定，例如一扭转台肩，它可以使连接拧紧。在许多情况下，扭转台肩还在接合的各管件截面之间提供密封表面。在一些采用空转螺纹的现有技术设计中，通过使向扭转台肩延伸的各内表面成锥形并迫使该锥形表面在组成时配合在一起来提供台肩附近的径向密封。在过盈配合螺纹之间的密封通常由螺纹的机械啮合辅助以螺纹填隙剂来获得。
图1示出总体用10表示的传统的现有技术的连接，其采用由中心的扭转台肩13分开的两级空转螺纹11和12。扭转台肩由在每个连接件上的圆周的台肩接合形成。
图2示出图1的连接的扭转台肩的细节。具有空转螺纹的螺纹连接的典型的台肩区域在连接的内螺纹件或套16的表面与连接的外螺纹件或轴17的表面之间具有径向间隙14和15。间隙14和15是由允许的大的加工公差产生的，为的是使接头的制造更容易和更便宜。间隙14和15的存在也便于接头的组装。
扭转台肩13在用18表示的啮合接触区域形成，接触区域18的径向尺寸比在轴部件和套部件上形成的扭转台肩的各个元件的径向尺寸小，相当于小一个间隙14或15的径向尺寸。在一些传统的连接中，由支承表面18代表的接触区域可以小到扭转台肩可利用的总表面区域的70％。
在如图2中所示的连接中，在组成时施加到扭转台肩上的压缩力或连接的其他的压缩载荷可能使具有最小截面尺寸的扭转台肩的区域产生如图4中所示的塑性变形。该塑性变形被容纳邻接于扭转台肩13的间隙15和14中。轴台肩的变形用19表示，而套台肩的变形用20表示。图4说明，在压缩载荷的作用下，扭转台肩13的各角将折曲和弯入开口径向间隙时，这使得小于扭转台肩13的接触区域完全接合时在理论上可耐受的载荷下就产生屈服。如可以理解的那样，如图1～4中所示的连接，在其对导致扭转台肩的最弱点屈服的压缩力的压缩方面是有限的，该屈服发生在扭转台肩的外侧端角的过渡的最小截面上。
图1～4中所示的传统接头的螺纹结构在连接的压缩强度中也起作用。如图3中所示，在这样的连接中一间隙21存在于轴17的螺纹22的啮合侧面与套16的螺纹23的啮合侧面之间。如同围绕扭转台肩13形成的间隙的情况一样，该间隙21由有助于简化接头的制造和组装的大的加工公差引起。当连接受到充分压缩加载时，间隙21被封闭并且各螺纹的啮合侧面可以开始分担施加在扭转台肩上的压缩载荷。然而，为封闭间隙21所需要施加的压缩力的程度可能超过产生图4中所示扭转台肩的变形所需要的。最后的结果是对图1～4中所示连接的额定压缩载荷受限于一个值，该值低于会使扭转台肩最薄弱部分、最细处产生屈服的值。
发明概述
增加螺纹连接中的压缩承载表面区域以提高连接的抗压缩能力。增加的表面区域通过增加在较低的压缩载荷时的螺纹接触区域和通过增加在连接中形成的扭转台肩的接合区域来获得。台肩区域的增加通过缩小制造接头所用的加工公差来得到。增加的扭转台肩接触表面区域减小了单位面积作用的力并限制接纳台肩塑性变形的间隙，这形成更刚性的台肩而减小台肩的挠曲和变形。螺纹尺寸的增加减小各螺纹的啮合侧面之间的间隙，从而啮合的外螺纹与内螺纹之间的间隙在较低压缩载荷时就封闭，使各螺纹在扭转台肩被变形以前与扭转台肩分担压缩载荷。
由以上所述，应该理解本发明的主要目的是提高用于将矿井管道固定在一起的螺纹连接的额定扭转载荷。
本发明的另一目的是提高管接头的额定压缩载荷而不增大接头的外部尺寸。
本发明的一个目的是增加啮合的螺纹管连接中的扭转台肩的接触面积以便减小扭转台肩上的压缩载荷。
本发明又一目的是为利用一扭转台肩的空转螺纹结构提供提高的额定压缩载荷。其中环绕接合的扭矩台肩的有限区域限于沿其最小截面尺寸的区域加强扭转台肩以防止扭转台肩的塑性变形影响邻接扭转台肩薄弱区域的间隙。
本发明的另一目的是提供一种利用一扭转台肩的外螺纹和内螺纹接头部件的连接，其中在相连的接头部件的螺纹之间的啮合侧面尽最大可能地减小，从而使螺纹啮合侧面在压缩力超过扭转台肩的屈服极限以前将啮合以帮助分配该压缩力。
本发明上述的以及其他的目的、特征和优点参照以下附图、说明和权利要求书可以更易于评价和理解。
附图简述
图1为说明现有技术的连接的四分之一剖面图；
图2为传统的现有技术连接的扭转台肩区域的放大详图；
图3为传统的现有技术连接的套端部的详细四分之一剖面图；
图4为传统的现有技术连接的放大的四分之一剖面图，说明在压缩载荷作用下扭转台肩区域的变形；
图5为本发明的接头的四分之一剖面图；
图6为说明本发明的扭转台肩区域的放大的和详细的四分之一剖面图；
图6A为图6的接头的扭转台肩区域的放大的详图，其中为说明起见夸大了两部件间的间距；
图7为说明本发明连接螺纹啮合细节的四分之一剖面图；
图8为说明本发明连接的外侧密封的放大的四分之一的剖面图。
优选实施方案详述
图5示出本发明的总体用30表示的连接。连接30包括一套部件31和一轴部件32。在总体用35表示的一扭转台肩的每一侧形成两级螺纹部分33和34。扭转台肩35是一反向角台肩，并且螺纹33和34是一钩状承载侧面形状。螺纹33和34描述在轴部件32的外表面和套部件31的内表面上形成的螺纹的啮合。
扭转台肩35的细节示于附图的图6和6A中。示出扭转台肩35具有接合接触表面36，其从套31的圆柱形壁37延伸至轴32的圆柱形壁38。轴32上的圆柱形壁37a在套31的圆柱形壁37以下延伸而在两圆柱形壁37a与37之间产生一径向间隙“x”。同样，套31上的圆柱形壁38a在轴32的圆柱形壁38以上延伸而在两圆柱形壁38a与38之间产生一径向间隙“y”。如所述这样，轴壁38的圆柱形表面的直径大于轴壁37a的圆柱形表面的直径而套壁37的圆柱形表面的直径大于套壁38a的圆柱形表面的直径。因此扭转台肩35形成在轴32和套31的各圆柱形壁部分的端部。各圆柱形壁表面之间的间隙x和y经非常放大地示于图6A中以有助于描述在台肩接合区中的连接特性。
轴32设有一环形槽区域39，其在轴与圆柱形表面37的接触点与外螺纹的终端部分之间延伸。该凹槽39是一加工凹槽，其在螺纹的形成与接合套表面37的轴圆柱形表面的形成之间形成一过渡区以便于加工外螺纹。设置在套内部形成的一类似的凹槽40用于对于圆柱形表面38与套接合的同样目的。
接触表面36具有一径向尺寸S，其在壁37与38之间区域中所占百分比显著大于现有技术如图1～4中所示的传统连接。围绕壁37和38形成的紧密的支承消除了在台肩塑性变形时可以使扭转台肩36纳入的空隙。在一优选的例子中，在扭转台肩面积36与围绕的壁37和38之间的间隙x和y分别都为0.00英寸。按照本发明的宗旨，对于在允许的加工公差的最小最大极限值下加工的部件，在壁37与37a间的间隙x和在壁38与38a间的间隙y为0.00英寸或0.004英寸。因此，与采用标准加工公差的最大间隙0.014英寸相比其最大间隙为0.004英寸。
套31与圆柱形区域37a的接合长度和轴32与圆柱形区域38a的接合长度优选为扭转台肩36高度S的两倍；然而，接合表面长度可以小到扭转台肩高度S的一半或更小，只要它能充分地容纳台肩在受压缩载荷时的塑性变形就可。
参照图6这一点可以理解，在相邻扭转台肩的轴表面与套表面之间的间隙的减小限制了扭转台肩的塑性变形而在螺纹联接中提供了增强的压缩和弯曲抗力。在图5～8中所示的本发明的形式中，扭转台肩的各相邻表面之间的径向间隙通过高过螺纹牙根34a的平面的扭转台肩的顶部37a来封闭，这样增加了台肩的压缩面积，并且又提高了台肩的弹性承载能力。
在制造标准接头的圆柱表面中对套半径而言传统的加工公差为+0.007-0″。对直径则该偏差加倍。对于传统的轴半径的标准公差为-0.007+0″。在采用这些标准加工公差时，在传统连接的轴或套的圆柱形壁与扭转台肩壁之间的间隙可以大到0.014英寸。
按照本发明的宗旨，套在半径上加工允许的公差优选为±0.002英寸而不是通常采用的公差0.007-0″。同样，轴上的公差为±0.002英寸而不是如传统采用的公差-0.007+0″。结果是在具有这些公差的连接中，扭转台肩的每一侧与轴和套的环绕圆柱形壁处于紧密的物理接触。
与为形成一径向密封而采用锥形侧壁的连接结构相比，本发明的连接降低侧壁咬死的发生率并且允许更快速地加工和测量轴和套的表面，它是圆柱形而非锥形的。
图7示出图5的接头的螺纹形式的细节。在连接的轴部件与套部件之间形成一显著减小了的间隙45。间隙45的尺寸取决于扭转台肩的形状和尺寸。按照本发明的宗旨，在连接的压缩载荷作用下，间隙45设计成能封闭而使形成该间隙的各啮合侧面在一个压缩应力值下啮合，该压缩应力值小于造成扭转台肩变形的压缩应力。由于减小间隙的尺寸时，增加了加工要求并且使轴和套的配合变得更为困难。因此本发明的一个目的是将间隙45只减小到将压缩载荷分配到各螺纹上所需的大小而不使扭转台肩产生变形。因为扭转台肩的接触面积增加，降低了减小间隙45的要求。因此本发明的重要特征是连接的优化以便提供最大的扭转台肩的实际接触面积。
在本发明的连接的典型应用中，在各啮合侧面之间的间隙将优选为0.002～0.004英寸。在图1～4中所示形式的传统螺纹结构中各啮合侧面之间的空隙或间隙为0.0200英寸。在本发明的一个连接中，啮合侧面角将优选与垂直于连接的轴线的直线成15°～30°角。此外，承载侧面角将优选与垂直于连接的轴线的直线成-3°至-15°角。虽然本发明的螺纹将优选具有径向螺纹过盈，但螺纹也可以是空转的。
在各啮合侧面之间的间隙优选通过加大内螺纹的宽度来减小。这种改变也增加各啮合的螺纹之间的过盈面积。也可以采用减小间隙45的其他方法而并不背离本发明的范围。
本发明的扭转台肩13优选位于两级锥形螺纹之间，如图5中所示，然而，螺纹可以是笔直的，并且台肩可以位于连接中的其他位置。扭转台肩角优选与垂直于管轴线的直线成15°反向角；然而，该角可以是差不多5°的正角并且实际上可以取任何负角。
该套的外径(OD)经扩大和加工而成，而该轴的内径(ID)经型锻和扩孔而成的。虽然示出的套接头是应用于扩大的管上，但应该理解该管也可以是普通的或镦锻的管子。
图5的连接具有两级轴向间隔开的锥形螺纹。各螺纹具有钩状承载侧面，在轴的牙根套的牙顶上具有径向螺纹过盈。在各啮合侧面间的有一小间隙的外螺纹牙顶/内螺纹牙根上形成有径向螺纹间隙。当受满负荷压缩时，该连接贴着环绕扭转台肩的接合的圆柱形壁形成径向的金属对金属的密封。
图8示出本发明的连接的外部密封中的细节。套31的端部与轴32的外表面形成过盈密封50。密封50的作用是防止在连接以外的区域的流体进入啮合的轴与套之间的螺纹区域。正如参照图5可清楚看出的，在轴32的端部与套31的内表面之间形成一类似的密封51。该密封51防止连接内部的流体进入在包括啮合螺纹的轴与套之间的区域。
在本发明用于9.625英寸外径的套管的连接中，圆柱形表面37和38用±0.002英寸的公差加工，其中该套管具有壁厚0.545英寸、重53.50磅/英尺的钢制的、直径上锥度3/4英寸/英尺的二级连接、公称高度0.061-0.062英寸的每英寸5个牙的螺距以及每级±0.001英寸的导程公差和各级之间的导程公差0.002英寸。在本发明的组装好的
Figure C0080925800121
英寸套管的连接中啮合侧面间隙为0.0035英寸，其比标准间隙0.020英寸显著地减小了。该间隙减小通过增加内螺纹的宽度来达到而不改变外螺纹的尺寸以便保持在具有传统的外螺纹和内螺纹的连接与设有本发明的螺纹结构的连接之间的互换性。
在将由Grant Ptidoco公司制造的一标准的NJO连接与本发明改进的连接相比较的分析中，对于
Figure C0080925800122
英寸、65#/英尺、啮合侧面间隙0.0190英寸的P110管的标准NJO连接的压缩率为13.4％，即1474磅/平方英寸。按本发明所述制造的具有啮合侧面间隙为0.0035英寸的同样连接算得的压缩率为40.1％，即44110磅/平方英寸。
虽然参照整体的接头连接描述了本发明，但应该理解本发明也可以用于匹配的管上。显然本发明可以采用各种不同的螺纹形式和连接结构而不背离本发明的精神和范围。
以上描述和实例说明了本发明选定的实施方案，由此可见，对于本领域的技术人员来说将提出各种变型和修改，所有这些都包括在本发明的精神和权限内。

Claims (38)

1.一种用于将各管状体固定在一起的螺纹连接，其包括：
一轴向延伸的轴部件，其具有形成外螺纹的外部区域，该外螺纹具有一啮合侧面和一承载侧面；
一轴向延伸的套部件，其具有形成内螺纹的内部区域，该内螺纹具有一啮合侧面和一承载侧面，该内螺纹适合于沿所述轴部件和套部件的公共轴线与所述外螺纹螺纹啮合；
一在所述轴部件上形成的轴扭转台肩，该轴扭转台肩在具有不同直径的第一和第二圆柱形轴表面之间形成，并且在所述外部区域与轴部件共轴线形成；
一在所述套部件上形成的套扭转台肩，该套扭转台肩在具有不同直径的第一和第二圆柱形套表面之间形成，并且在所述内部区域与套部件共轴线形成，该套扭转台肩适合于接合所述轴扭转台肩以便轴向限制所述轴和套的螺纹啮合，
其特征在于，所述第一圆柱形套表面的直径被选择成比第一圆柱形轴表面的直径大，并足以限制所述轴和套的扭转台肩，以便在轴和套的扭转台肩受所述连接的压缩载荷产生塑性变形时限制各扭转台肩的塑性变形使圆柱形轴表面与圆柱形套表面之间产生间隙。
2.按照权利要求1所述的连接，其特征在于，所述第一圆柱形套表面的直径大于第一圆柱形轴表面的直径不到0.014英寸。
3.按照权利要求1所述的连接，其特征在于，所述第一圆柱形套表面的直径大于第一圆柱形轴表面的直径不到0.008英寸。
4.按照权利要求1所述的接头，其特征在于，所述外螺纹的啮合侧面和内螺纹的啮合侧面的尺寸确定成闭合并且在该连接的压缩载荷低于造成所述轴或套的扭转台肩塑性变形的压缩载荷时相互啮合，从而该压缩载荷分配到外螺纹、内螺纹以及各扭转台肩上而提高该连接的额定压缩载荷。
5.按照权利要求4所述的连接，其特征在于，所述各啮合外螺纹与内螺纹的啮合侧面之间的轴向间隙在所述连接受压缩载荷以前小于0.0200英寸。
6.按照权利要求4所述的连接，其特征在于，所述各啮合外螺纹与内螺纹的啮合侧面之间的轴向间隙在所述连接受压缩载荷以前在0.0020与0.0040英寸之间。
7.按照权利要求4所述的连接，其特征在于，所述内螺纹相对于外螺纹被轴向加宽以便减小啮合时该啮合外螺纹与内螺纹之间的啮合侧面间隙。
8.按照权利要求1所述的接头，其特征在于，所述外螺纹和内螺纹以外螺纹牙根和内螺纹牙顶上的径向过盈相啮合。
9.按照权利要求1所述的接头，其特征在于，所述外螺纹牙顶与内螺纹牙根之间没有径向过盈。
10.按照权利要求8所述的接头，其特征在于，所述外螺纹牙顶与内螺纹牙根之间没有径向过盈。
11.按照权利要求1所述的接头，其特征在于，所述轴台肩轴向插在各外螺纹之间而套扭转台肩轴向插在各内螺纹之间。
12.按照权利要求1所述的接头，其特征在于，所述轴和套的扭转台肩形成反向角接合表面。
13.按照权利要求1所述的接头，其特征在于，所述套部件在一管状体的径向扩大的端部上加工而成。
14.按照权利要求13所述的接头，其特征在于，所述轴部件在一管状体的型锻和扩孔的内径上形成。
15.按照权利要求1所述的接头，其特征在于，所述圆柱形套表面和圆柱形轴表面的轴向长度在所述轴扭转台肩的径向尺寸的1.5与3倍之间。
16.按照权利要求12所述的接头，其特征在于，所述反向角接合表面与垂直于所述公共轴线的直线成15°至30°角。
17.按照权利要求1所述的接头，其特征在于，所述轴和套的承载侧面与垂直于所述公共轴线的直线成-3°至-15°角。
18.按照权利要求11所述的接头，其特征在于，所述外螺纹和内螺纹包括两级锥螺纹。
19.按照权利要求1所述的接头，其特征在于，所述轴和套连接设置在管状体的任一端。
20.按照权利要求19所述的接头，其特征在于，所述管状体设有逐个的外螺纹，而所述套部件由匹配啮合于所述管状体的一外螺纹的逐个内螺纹接合而成。
21.按照权利要求1所述的接头，其特征在于，所述轴扭转台肩具有高过所述外螺纹的牙根平面的顶部。
22.一种用于将各管状体固定在一起的螺纹连接，其包括：
一轴向延伸的轴部件，其具有形成外螺纹的外部区域，该外螺纹具有一啮合侧面和一承载侧面；
一轴向延伸的套部件，其具有形成内螺纹的内部区域，该内螺纹具有一啮合侧面和一承载侧面，该内螺纹适合于沿所述轴部件和套部件的公共轴线与外螺纹螺纹啮合；
一在所述轴部件的外部区域上形成的轴扭转台肩；
一在所述套部件的内部区域上形成的套扭转台肩，该套扭转台肩适合于接合所述轴扭转台肩以轴向限制所述轴和套的螺纹连接，
其特征在于，所述外螺纹和内螺纹的啮合侧面的尺寸确定成在该连接的压缩载荷低于造成所述轴或套的扭转台肩塑性变形的压缩载荷时外螺纹和内螺纹的啮合侧面相互封闭和啮合，从而该压缩载荷分配到外螺纹、内螺纹以及各扭转台肩上以提高该连接的额定压缩载荷。
23.按照权利要求22所述的连接，其特征在于，所述各啮合外螺纹与内螺纹的啮合侧面之间的轴向间隙在所述连接受压缩载体以前小于0.0200英寸。
24.按照权利要求22所述的连接，其特征在于，所述各啮合外螺纹与内螺纹的啮合侧面之间的轴向间隙在所述连接受压缩载荷以前在0.0020与0.0040英寸之间。
25.按照权利要求22所述的连接，其特征在于，所述内螺纹相对于外螺纹被轴向加宽以便在所述连接受压缩载荷以前减小该啮合的外螺纹与内螺纹之间的啮合侧面间隙。
26.按照权利要求22所述的接头，其特征在于，所述外螺纹和内螺纹以外螺纹牙根和内螺纹牙顶上的径向过盈相啮合。
27.按照权利要求22所述的接头，其特征在于，所述外螺纹牙顶与所述内螺纹牙根之间没有径向过盈。
28.按照权利要求26所述的接头，其特征在于，所述外螺纹牙顶与内螺纹牙根之间没有径向过盈。
29.按照权利要求22所述的接头，其特征在于，所述轴和套的扭转台肩分别轴向插在各外螺纹和各内螺纹之间。
30.按照权利要求22所述的接头，其特征在于，所述轴和套的扭转台肩形成反向角接合表面。
31.按照权利要求22所述的接头，其特征在于，所述套部件在一管状体的径向扩大的端部上加工而成。
32.按照权利要求31所述的接头，其特征在于，所述轴部件在一管状体的型锻和扩孔的内径上形成。
33.按照权利要求22所述的接头，其特征在于，所述圆柱形套表面和圆柱形轴表面的轴向长度在所述轴扭转台肩的径向尺寸的1.5与3倍之间。
34.按照权利要求30所述的接头，其特征在于，所述反向角接合表面与垂直于所述公共轴线的直线成15°至30°角。
35.按照权利要求22所述的接头，其特征在于，所述外螺纹和内螺纹的承载侧面与垂直于所述公共轴线的直线成-3°至-15°角。
36.按照权利要求29所述的接头，其特征在于，所述外螺纹和内螺纹包括两级锥螺纹。
37.按照权利要求22所述的接头，其特征在于，所述轴和套连接设置在管状体的任一端。
38.按照权利要求37所述的接头，其特征在于，所述管状体设有逐个的外螺纹，而所述套部件由匹配啮合于该管状体的一外螺纹的逐个内螺纹接合而成。
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