专利名称：管用螺纹接头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种管用螺纹接头(threaded)，详细地说，是涉及优选用于包括一般在油井(oil wells)或气井(gas wells)的探测及生产中使用的配管(tubing)以及套管(casing)在内的油井管的连接，即优选用于0CTG(oil country tubular goods)、升流管(riser pipes)以及线管(line pipe)等钢管的连接、且密封性与耐压缩性优异的管用螺纹接头。
背景技术：
螺纹接头广泛用于在油井管等产油工业设备中所使用的钢管的连接。对于在油或气的探测及生产中所使用的钢管的连接，以往典型地使用API (美国石油协会(AmericanPetroleum Institute))标准中所规定的标准螺纹接头。然而，由于近年来原油或天然气的井的深井化不断发展，从垂直井向水平井或倾斜井等的转变正在增多，因此挖掘、生产环境 变得严峻。并且，由于在海洋或极地等恶劣环境下的井的开发正在增加等原因，因此耐压缩性能、耐弯曲性能、外压密封性能(耐外压性能)等对螺纹接头的要求性能变得多样化。因此，使用被称作优质接头(premium joints)的高性能的特殊螺纹接头的情况正在增加,对其性能的要求也日益增加。优质接头通常为将形成于管端部的外螺纹部件(以下称作销(pin))和与将该销彼此连结的内螺纹部件(以下称作套筒(box))结合在一起的结合形式的接头，该外螺纹部件和内螺纹部件分别具备圆锥螺纹、密封部(详细地说，是金属接触密封部(metal tometal seal portion))、台肩部(shoulder portion)(详细地说，是扭矩台肩部(torqueshoulder portion))。圆锥螺纹重点用于牢固地固定管接头,密封部发挥通过使套筒与销在该部分进行金属接触而确保密封性的作用，台肩部成为在接头的紧固中发挥止挡件的作用的肩面(支承面(bearing face))。图6A 图6C是现有的油井管用优质接头的示意说明图，这些图是圆管的螺纹接头的纵剖视图。图6A的螺纹接头具备销3以及与该销3对应的套筒1，如图6B、图6C所示，销3在其外表面具有外螺纹部7，在销3的前端侧具有设置成与外螺纹部7相邻的作为无螺纹的长度部分的头部(nose) 8 (销头(pin nose) 8)。该头部8在其外周面具有密封部11，在其端面具有扭矩台肩部12。相对的套筒I在其内表面分别具有作为能够与销3的外螺纹部7、密封部11以及台肩部12螺合或接触的部分的内螺纹部5、密封部13以及台肩部14。作为与所述优质接头相关的现有技术，列举了专利文献I。在图6A 图6C的现有例中，密封部位于销头8的尖端部，通过施加恰当的紧固扭矩能够实现期望的密封性能。由于紧固扭矩受润滑条件、表面性状等影响，因此作为并不十分依赖于此的设计，存在相对地加强密封接触压力的径向成分的径向密封方式。例如，在专利文献I中公开了具有大的销密封倒角形状、且减小了密封锥角的径向密封方式的例子。然而，像这样地减小密封锥角的径向密封方式的问题点在于容易在紧固时产生磨损，特别是当以密封性能的确保以及密封的稳定性为目的增大密封干涉量时，格外易于产生磨损。[专利文献I]日本实公昭61-44068号公报在图6C的密封部11、13或上述径向密封方式(以下，也称作径向密封型)的密封部需要负荷足够的接触压力，由此形成不会产生泄漏或磨损的稳固的密封部。然而，根据发明人讨论的结果，对于径向密封型钢管用螺纹接头，为确保密封性而在销头的刚度这一点上依然存在改善余地。即，为了确保径向密封型的密封性，销头8的刚度很重要，需要充分确保密封点sp(参照图1，当进行螺纹结合时，销3侧的头部外周面和与该头部外周面相对的套筒I侧的内周面(以下称作密封面)最早接触的销3侧的头部外周面上的部位)处的截面积。其理由在于，虽然形成为如下螺纹接头结构当作用有轴向压缩力时，与密封点sp处的销截面积S1和未加工部(螺纹加工之前的坯管相当部)处的截面积Stl的比对应的压缩载荷发挥作用，从而在台肩部承受了大部分轴向压缩力，但是若所述截面积比不恰当，则在密封部附近也会产生与轴向压缩力相对应的塑性变形，因该塑性变 形而在销头8产生压缩及弯曲变形，从而密封点sp处的销3的外径缩小，在该缩小显著的情况下，密封部20的压力变得不足，从而无法确保密封性。以往并不存在关于这样的课题、进而关于其解决方案的见解。
实用新型内容为了解决上述课题，根据对各种各样的实验的探讨，本实用新型人发现了将所述密封点SP处的销截面积与未加工部处的截面积的比形成恰当的值的方针。进而，本实用新型人还发现通过使将销的管轴方向截面上的密封点sp的位置和销肩下端连结的直线、与接头轴向间的夹角处于特定范围内，能够减小销的密封点SP处负荷轴压缩力时的变形，从而能够确保密封性。S卩，本实用新型如下所述。(I)本实用新型的管用螺纹接头具有销，该销具有外螺纹部、比外螺纹部更朝管端侧延伸的头部、以及设置于该头部的前端的台肩部；以及套筒，该套筒具有与所述外螺纹部螺纹结合而形成螺纹部的内螺纹部、与所述销的头部外周面对置的密封面、以及与所述销的台肩部抵接的台肩部，所述销与套筒通过所述螺纹结合而结合在一起，使销的所述头部外周面与套筒的所述密封面进行金属-金属接触，该接触部形成密封部，该管用螺纹接头的特征在于，销侧的头部外周面为突向外侧的凸曲面形状，套筒侧的密封面为圆锥形状，当进行所述螺纹结合时，与套筒侧的密封面最早接触的销侧的头部外周面上的部位亦即密封点处的销的截面积，是销未加工部亦即坯管部的截面积的35%以上。(2)根据所述⑴所记载的管用螺纹接头，其特征在于，对所述密封点的位置进行设定，使得在接头轴向截面的视角下，连结所述销的台肩部的内径侧端部与所述密封点的直线相对于接头轴线的夹角小于45°。根据本实用新型，实现了如下钢管用螺纹接头，该钢管用螺纹接头的销头的刚度得以提高，即使承受了大的轴向压缩力也难以产生基于压缩及弯曲变形的销外径缩小的情况，从而能够确保优异的密封性。[0019]进而，通过将密封点设定于恰当的位置，即使因轴向压缩力而产生了销外径的缩小也能够抑制对密封部的影响，由此能够确保优异的密封性。
图I是示出本实用新型的实施方式的接头轴向剖视图。图2是将图I的密封部形状、与对密封圆锥角度Θ以及干涉量δ的定义一起示出的放大剖视图。图3Α是示出承载牙侧角度(load flank) β、插入牙侧角度(stabbing flank) Y、以及螺纹部的间隙G的定义的剖视图。图3B是示出密封点sp的位置指标x/L的定义的剖视图。图4是用于对将销的台肩部的内径侧端部和密封点连结的直线相对于接头轴所成角度α进行说明的接头轴向剖视图。图5是示出利用有限元分析(FEA)对复合承载试验后的等效塑性应变分布(equivalent plastic strain distribution)进行求解所得结果的图。图6A是示出现有的钢管用螺纹接头的整体剖视图。图6B是示出图6A中的螺纹部分的放大剖视图。图6C是示出图6A中的销头附近的放大剖视图。标号说明I...套筒；3...销；5...螺纹部；5a...内螺纹的螺纹沟槽；7...外螺纹部；
7a...外螺纹的螺纹凸部；8...头部(销头)；11、13、20...密封部(详细地说，为金属接触密封部)；12、14...台肩部(详细地说，为扭矩台肩部)；18...承载牙侧面；19...插入牙侧面；L...销头长度；S...将台肩部12的内径侧端面12a与密封点sp连结的直线；Θ...密封圆锥角度；δ...干涉量；sp...密封点；α...直线S相对于接头轴的夹角；β ...承载牙侧角度；Y ...插入牙侧角度；G...螺纹部的间隙。
具体实施方式
例如图I、图2中的接头轴向剖视图所示，本实用新型所涉及的管用螺纹接头以下述情况为前提，该管用螺纹接头具有销3，该销3具有外螺纹部7、比该外螺纹部7更朝管端侧延伸的头部8、以及设置于该头部8的前端的台肩部12 ;以及套筒1，该套筒I具有与所述外螺纹部7螺纹结合而形成螺纹部的内螺纹部5、与所述销3的头部外周面对置的密封面、以及与所述销3的台肩部12抵接的台肩部14，通过所述螺纹结合使所述销3与套筒I结合在一起，销3的头部8的外周面与套筒I的密封面进行金属-金属接触，该接触部形成密封部20(是与套筒I的密封圆锥角度为3度以上、10度以下的现有的径向密封型优质接头相当的螺纹接头)。对于上述前提下的螺纹接头，将图3A所示定义中的承载牙侧角度β、插入牙侧角度(stabbing flank) Y、以及螺纹部的间隙G用作螺纹部的形状参数。承载牙侧角度β是承载牙侧面18相对于螺纹接头轴线的正交线所成的角度β，当该正交线通过承载牙侧面的下端(销内径侧的一端)时，若所述承载牙侧面的上端(销外径侧的一端)相对于该正交线位于销前端侧，则将该角度β设为正，若所述承载牙侧面的上端相对于该正交线位于销后端侧，将该角度β设为负。通常设定为β =-10度 O度。插入牙侧角度Y是插入牙侧面19相对于螺纹接头轴线的正交线所成的角度Y，当该正交线通过插入牙侧面的下端(销内径侧的一端)时，若所述插入牙侧面的上端(销外径侧的一端)相对于该正交线位于销前端侧，则将该角度Y设为正，若所述插入牙侧面的上端相对于该正交线位于销后端侧，则将该角度Y设为负。通常设定为Y = 10度 30度。螺纹部的间隙G是外螺纹的螺纹凸起7a、与和该螺纹突起7a啮合的内螺纹的螺纹沟槽5a之间的间隙G。通常设定为G = O. 025mm O. 250mm。在本实用新型中，在上述前提下，如图2所示，销3侧的头部外周面为突向外侧的 凸曲面形状，套筒I侧的密封面为圆锥形状。利用该圆锥面相对于螺纹接头轴线所成的角度Θ来定义形成该圆锥形状的圆锥面的圆锥角度Θ。并且，密封点sp是当进行螺纹结合时与套筒I侧的内周面最早接触的销3侧的头部外周面上的部位。如图3B所示，对于密封点sp的螺纹接头轴向的相对位置，利用作为X相对于L的比的密封点的位置指标x/L进行表示，其中，X定义成从螺纹部前端(头部后端)开始到密封点sp为止的距离，L定义成从螺纹部前端(头部后端)开始到头部前端为止的头部8的长度(头部长度)。并且，在图2中，δ是密封部20的干涉量，该干涉量δ是指在进行螺纹结合时当密封点sp因被视作刚体的套筒I而缩径时的该缩径量。进而，如图I所示，本实用新型的特征在于，将密封点sp处的销3的截面积(与接头轴向正交的截面的面积)S1设定为作为销未加工部的坯管部的截面积(与接头轴向正交的截面的面积)Stl的35%以上，即设定为截面积比S/SflOO ^ 35(% )0通过设定为截面积比Si/SflOO ^ 35(% ),能够提高密封部20的耐压缩性，即使承受大的轴向压缩力也难以产生销外径缩小，从而能够确保优异的密封性。在径向密封型螺纹接头中，若截面积S1小于坯管部的截面积的35%，则无法确保所需水平的接触面积压力(遍及接触长度地对面压力进行积分的指标)。并且，为了获得更足够的耐压缩性，优选设定为截面积比Si/SflOO ^40(%).另外，虽然未对截面积比Si/SflOO的上限进行特殊限定，但是若考虑到圆锥螺纹加工量及密封圆锥加工量，则即使是壁厚/外径为7% 8%左右的厚壁材料也将上限设为70%左右。在本实用新型中，优选套筒的密封圆锥角度Θ为10度以下，更加优选为7度以下，进一步优选为能够有效地抑制到5度以下。并且，在本实用新型中，优选将密封点位置指标x/L设定为0. 2 0. 8。S卩，通过使密封部20与销头前端分离而实现耐外压性能、耐拉伸性能的提高、且使螺纹具有稳定的性能，根据上述这样的观点，优选x/L为0. 8以下，但是另一方面，若x/L不足0. 2，则由于当进行螺纹结合时的紧固(组合；Make Up ;略记为MU)时易于产生密封部与螺纹部的干涉，因此优选x/L为0.2以上。进而为了安全，优选x/L为0.3以上。进而，如图4所示，优选地，对所述密封点的位置进行如下设定，使得在观察管轴向截面时，连结销3的台肩部12的内径侧端部12a与密封点sp的直线S相对于接头轴线的夹角α不足45°。由于形成为在台肩部承受轴向压缩力的结构，因此在作用有大的轴向压缩力的情况下，无法避免在销前端产生塑性变形的情况。由于塑性变形向作为剪断方向的45度方向发展，因此通过使连结台肩部的内径侧端部与密封点的直线相对于接头轴线(负荷轴向压缩力的方向)的倾斜角度不足45度，能够抑制台肩部的塑性变形对密封部的影响，从而能够确保密封性。此处，上述角度在实际应用过程中为15度以上。若使角度极小，则销前端的厚度变得过薄，从而存在塑性变形或压曲的问题。因确保前端厚度以及前述的密封点位置的制约而使得不足15度的设计无法成立。发明人利用有限元分析(FEA)对ISO试验(IS013679 :2002)中所规定的复合承载试验后的等效塑性应变分布进行了求解，如图5所示，结果表明对于销3而言，在台肩部的内径侧端部12a与外径侧端部12b的附近产生了大的塑性变形，在内径侧端部12a产生的变形朝作为剪断方向的相对于接头轴向的角度为45度的方向发展，比位置Q更靠前端侧的等效塑性应变大于后端侧(外螺纹部7所处的一侧)的等效塑性应变，该位置Q是从内径侧端部12a起所引出的具有相对于接头轴线成45度的角度的直线与头部8的外周面交叉的位置。另外，图5的结果是在以下设定条件下求出的通过对外径5-1/2英寸、壁厚O. 415英寸、钢种PllO的钢管的端部进行加工而形成销，对于由该销和与该销对应的套筒 构成的螺纹接头，使其负荷由VME(Von Mises Equivalent stress)为95%、且压缩率为95%构成的系列A试验(series A test)的负载计划。因此，通过将密封点sp配置成使其比从内径侧端部12a起所引出的具有相对于接头轴线成45度的角度的直线与头部8的外周面交叉的位置Q更靠后端侧，也就是说，对密封点的位置进行设定，使得连结销3的台肩部12的内径侧端部12a与密封点sp的直线相对于接头轴线的夹角α (参照图4)小于45°，由此能够在负荷轴向压缩力时抑制在密封点sp的变形，从而即使在负荷压缩力以后也能够确保密封性。并且，并未对承载牙侧角度β、插入牙侧角度Y、以及螺纹部的间隙G进行特殊限定，各自能够采用所述常用值。[实施例]针对由对外径9+5/8英寸、壁厚O. 545英寸的钢管端部进行加工而形成的销、以及与该销对应的套筒构成的螺纹接头，实施有限元分析(FEA)，将MU (Make Up)时的接触面积压力(遍及管轴方向的接触长度地对面压力进行积分的指标)形成为相同，以上述设计制作样品并实施了 IS013679的系列A试验。当实施该试验时，以在表I所示的实验条件下的各标准进行了实验。并且，作为表I中未示出的实验条件，设定为承载牙侧角度β =-5度、插入牙侧角度Y =25度、以及螺纹部的间隙G = O. 06mm，这在所有标准中是共通的。并且，设计成使密封点的位置指标x/L处于O. 5 O. 8的范围内。该试验是在负荷系列A试验中的拉伸力/压缩力、与内压/外压的复合载荷的情况下对密封性进行评价的试验，利用VME95 %与APICollapse压力对承载计划(loadschedule)进行了定义。然而，最大压缩率(负荷最大压缩应力相对于屈服应力YS的比率)是制造者任意设定的，并按照螺纹接头的性能与顾客要求对其进行了规定。在本试验中，将试验中的最大压缩率设为80%。进而，对于在最大压缩率为80%的试验中并未发生泄漏的螺纹接头，设定了超过80%的最大压缩率而实施了密封试验，从而求出了不会发生泄漏的最大压缩率的上限。另外，在为了获得规定的接触面积压力而需要非常大的干涉量δ的比较例2的条实的邝型I沐 U .新4与 ρ他用Si
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权利要求1.ー种管用螺纹接头，该管用螺纹接头具有 销，该销具有外螺纹部、比外螺纹部更朝管端侧延伸的头部、以及设置于该头部的前端的台肩部；以及 套筒，该套筒具有与所述外螺纹部螺纹结合而形成螺纹部的内螺纹部、与所述销的头部外周面对置的密封面、以及与所述销的台肩部抵接的台肩部， 所述销与套筒通过所述螺纹结合而结合在一起，使销的所述头部外周面与套筒的密封面进行金属-金属接触，该接触部形成密封部， 该管用螺纹接头的特征在干， 销侧的头部外周面为突向外侧的凸曲面形状，套筒侧的密封面为圆锥形状， 当进行所述螺纹结合时，与套筒侧的密封面最早接触的销侧的头部外周面上的部位亦即密封点处的销的截面积，是销未加工部亦即坯管部的截面积的35%以上。
2.根据权利要求I所述的管用螺纹接头，其特征在干， 对所述密封点的位置进行设定，使得在接头轴向截面的视角下，连结所述销的台肩部的内径侧端部与所述密封点的直线相对于接头轴线的夹角小于45°。
专利摘要本实用新型提供一种管用螺纹接头。对于径向密封型的钢管用螺纹接头，为确保密封性而在销头的刚度这一点上依然存在改善余地。具体地说，该管用螺纹接头形成为如下结构销(3)侧的头部外周面为凸向外侧的曲面形状，套筒(1)侧的密封面为圆锥形状，当进行所述螺纹结合时，与套筒侧的密封面最早接触的作为销侧的头部外周面上的部位的密封点(sp)处的销的截面积，是作为销未加工部的坯管部的截面积的35％以上。
文档编号E21B17/042GK202611607SQ20122006973
公开日2012年12月19日 申请日期2012年2月28日 优先权日2011年2月28日
发明者川井孝将, 高桥一成, 近常博, 吉川正树, 高野顺, 长滨拓也, 植田正辉, 园部治 申请人:杰富意钢铁株式会社