一种可重复拆装气密封特殊螺纹接头的制作方法

1.本发明属于钻完井工具用螺纹连接技术领域，具体为一种可重复拆装气密封特殊螺纹接头。


背景技术：

2.随着天然气等清洁能源的大力开发，气密封螺纹在气井中的应用越来越广泛，特别是在地下储气库以及高含硫天然气井中，对管柱接头螺纹连接部位的密封性能要求越来越高，螺纹连接部位是整个管柱中密封最薄弱的环节。
3.目前常用的螺纹连接处密封形式主要包括以下两类：第一类是通过非金属密封件实现密封，如橡胶o型密封圈以及非弹性密封的聚四氟乙烯垫等。第二类是金属螺纹密封接头。非金属密封件加工制造可实现程度高，但是其使用寿命无法有效控制，特别是井下高温、高压和高腐蚀等恶劣工况下，具有可靠性差和易失效的特点，无法满足现有需求。金属螺纹密封接头常采用api气密封螺纹接头型式，这种螺纹符合api(美国石油协会)标准，该螺纹在上紧时需严格控制上扣扭矩，现场因上扣扭矩不足或上扣扭矩过大而导致密封失效的情况时有发生，且该接头形式容易粘扣，导致其只能使用一次。同时目前完井工具的设计理念逐渐向大内径小外径转变，以满足下入性好和内通径大的要求。api气密封螺纹因且结构特点，主要应用于工具上下端部与油套管的连接用，而无法应用于工具内各零部件的连接，因此需自主开发合适的气密封螺纹接头，以满足现场使用需求。
4.美国专利us 7988205 b2公布了一种带扭矩台肩的楔形螺纹接头，其设置有一个锥面/锥面形式的金属密封结构，同时公接头和母接头上加工有楔形螺纹，公接头螺纹齿宽从前到后线逐渐变大，母接头螺纹齿宽从前到后逐渐减小，接头柠紧后螺纹两侧紧密接触，形成密封效果，该发明的优点是金属密封结构的密封效果得到加强；缺点是该螺纹不能使用成型刀具加工，加工速度很慢，加工成本高。
5.专利cn 108952595 a公布了一种气密封螺纹接头，该接头采用三道密封结构形式，密封结构采用锥面-锥面和球面-球面密封形式，螺纹拧紧后密封面紧密贴合，形成密封效果，该发明的优点是密封点多，可靠性高；缺点是加工复杂，三组密封面位置度及轮廓度要求高，若产生偏差，三组密封无法同时产生密封效果，可能产生负作用效果。
6.基于上述存在缺点1：螺纹不能使用成型刀具加工，加工速度很慢，加工成本高；缺点2：加工复杂，三组密封面位置度及轮廓度要求高，若产生偏差，三组密封无法同时产生密封效果，可能产生负作用效果；同时在基于副密封技术上仍然存在一定的缺陷，仅依靠倾斜的定位台肩进行支撑密封，仍然易出现缝隙，长时间使用造成气密封效果不佳，因此需一种可重复拆装气密封特殊螺纹接头来解决上述问题。


技术实现要素：

7.(一)解决的技术问题
8.为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种可重复拆装气密封特殊螺纹接
头，解决了螺纹不能使用成型刀具加工，加工速度很慢，加工成本高，且接头加工复杂，三组密封面位置度及轮廓度要求高，若产生偏差，三组密封无法同时产生密封效果，可能产生负作用效果，同时仅依靠倾斜的定位台肩进行支撑密封，仍然易出现缝隙，长时间使用造成气密封效果不佳的问题。
9.本发明的目的在于提供一种可重复拆装气密封特殊螺纹接头，以解决现有技术中密封可靠性差、加工及检测难度大，以及无法满足大内径小外径要求等技术难题。
10.(二)技术方案
11.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种可重复拆装气密封特殊螺纹接头，包括外螺纹接头、内螺纹接头、副密封结构、连接机构和主密封结构，连接机构的作用下，副密封结构和主密封结构实现密封，副密封结构位于连接机构左侧，主密封结构位于连接机构右侧；
12.所述副密封结构包括定位机构和支撑机构，所述定位机构设置在外螺纹接头和内螺纹接头之间，且定位机构的右侧与内螺纹接头的左侧相固定，定位机构为圆台形设计且左侧直径大于右侧直径，所述支撑机构固定于外螺纹接头的右侧面，所述定位机构位于支撑机构的内侧。
13.作为本发明的进一步方案：所述连接机构采用螺纹连接形式，且螺纹为改型的偏梯形直螺纹结构。
14.作为本发明的进一步方案：所述改型偏梯形外螺纹包含外螺纹导向面和外螺纹承载面，外螺纹导向面与牙顶通过次过渡圆弧ⅰ连接，其半径r3为0.45-0.55mm；
15.所述外螺纹承载面与牙顶通过次过渡圆弧ⅱ连接，其半径r1为0.10-0.20mm；
16.所述外螺纹导向面以及外螺纹承载面与牙底通过次过渡圆弧ⅲ过渡连接，其半径r2为0.10-0.20mm；
17.所述外螺纹导向面与竖直方向夹角α为20-25
°
，外螺纹承载面与竖直方向夹角β为1-5
°
，且外螺纹齿高h1为1.05-1.10mm。
18.作为本发明的进一步方案：所述外螺纹导向面与内螺纹导向面相对应，且位于内螺纹接头上，内螺纹导向面与牙底通过过次过渡圆弧
ⅴ
连接，其半径与r3相同；
19.所述内螺纹承载面与牙底通过次过渡圆弧ⅳ连接，其半径与r1相同；
20.所述内螺纹导向面以及内螺纹承载面与牙顶通过次过渡圆弧ⅵ过渡连接，其半径与r2相同；
21.所述内螺纹导向面与竖直方向夹角与α相等，内螺纹承载面与竖直方向夹角与β相等，且内螺纹齿高h2为1.05-1.10mm且与h1相等。
22.作为本发明的进一步方案：所述主密封结构由位于内螺纹接头左侧内部的内螺纹主密封面与外螺纹接头右端的外锥面构成；
23.所述内螺纹主密封面呈锥形，其轴心线内螺纹接头轴心线共线，与水平方向中心轴线夹角θ5为14
°
，其水平方向长度l4为11.00mm；
24.所述外螺纹接头右端的外密封锥面由三段构成，分别为位于左侧的主密封第一锥面，位于中间的主密封第二锥面以及位于右侧的主密封第三锥面，该三段锥面轴心线共线，且与外螺纹接头轴心线共线；
25.其中，主密封第一锥面水平方向长度为2.50mm，主密封第二锥面水平方向长度为
相互靠近，使支环嵌入胶环槽内，使密封胶环分别嵌入挡槽和胶环槽内，通过多组密封胶环和挡槽的设置，进一步增加其连接气密性，同时嵌入环为倾斜设计且外圈设置第一球形密封面和第二球形密封面，第一球形密封面位于第二球形密封面左侧，且第一球形密封面的球冠高度大于第二球形密封面的球冠高度，通过第一球形密封面和第二球形密封面进行密封，第一球形密封面紧贴外螺纹接头内的嵌入槽中产生形变，当前第二球形密封面不产生形变，且承受的接触压力大于第二球形密封面，当该特殊螺纹接头承受过大载荷致使第一球形密封面屈服而丧失密封能力时，第二球形密封面则保持在弹性变形范围从而保证了该特殊螺纹接头不会发生泄漏，通过第一球形密封面与第二球形密封面之间的相互配合，大大增强了该特殊螺纹接头的密封能力和密封的可靠性。
附图说明
42.图1为本发明外螺纹接头和内螺纹接头的装配剖面图；
43.图2为本发明外螺纹接头示意图；
44.图3为本发明内螺纹接头意图；
45.图4为本发明连接机构局部结构示意图；
46.图5为本发明连接机构剖面的结构示意图；
47.图6为本发明主密封结构的局部示意图；
48.图7为本发明外螺纹接头局部的剖面结构示意图；
49.图8为本发明主密封结构处的接触应力分布图；
50.图9为本发明主密封结构处的等效应力分布图；
51.图中：1、外螺纹接头；2、内螺纹接头；3、副密封结构；4、连接机构；5、主密封结构；301、副密封面ⅰ；302、副过渡圆弧ⅰ；303、容脂腔ⅱ；304、定位台肩ⅰ；305、定位台肩ⅱ；306、副密封面ⅱ；307、副过渡圆弧ⅱ；308、定位机构；3081、嵌入环；3082、第一球形密封面；3083、第二球形密封面；3084、胶垫；3085、嵌入槽；309、支撑机构；3091、支环；3092、密封胶环；3093、胶环槽；3094、挡槽；401、次过渡圆弧ⅰ；402、外螺纹导向面；403、次过渡圆弧ⅱ；404、外螺纹承载面；405、次过渡圆弧ⅲ；406、内螺纹承载面；407、次过渡圆弧ⅳ；408、次过渡圆弧
ⅴ
；409、内螺纹导向面；410、次过渡圆弧ⅵ；501、主密封第一锥面；502、主密封第二锥面；503、主密封第三锥面；504、倒角；505、内螺纹主密封面；506、容脂腔ⅰ；507、弹性凹槽；508、锥面嵌圈；509、锥面嵌槽。
具体实施方式
52.下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
53.如图1-9所示，本发明提供一种技术方案：一种可重复拆装气密封特殊螺纹接头，包括外螺纹接头1、内螺纹接头2、副密封结构3、连接机构4和主密封结构5，连接机构4的作用下，副密封结构3和主密封结构5实现密封，副密封结构3位于连接机构4左侧，主密封结构5位于连接机构4右侧。
54.副密封结构3包括定位机构308和支撑机构309，定位机构308设置在外螺纹接头1和内螺纹接头2之间，且定位机构308的右侧与内螺纹接头2的左侧相固定，定位机构308为圆台形设计且左侧直径大于右侧直径，支撑机构309固定于外螺纹接头1的右侧面，定位机
构308位于支撑机构309的内侧。
55.具体的，如图1、图2、图4和图5所示，连接机构4采用螺纹连接形式，且螺纹为改型的偏梯形直螺纹结构。
56.改型偏梯形外螺纹包含外螺纹导向面402和外螺纹承载面404，外螺纹导向面402与牙顶通过次过渡圆弧ⅰ401连接，其半径r3为0.45-0.55mm。
57.外螺纹承载面404与牙顶通过次过渡圆弧ⅱ403连接，其半径r1为0.10-0.20mm。
58.外螺纹导向面402以及外螺纹承载面404与牙底通过次过渡圆弧ⅲ405过渡连接，其半径r2为0.10-0.20mm。
59.外螺纹导向面402与竖直方向夹角α为20-25
°
，以提高螺纹连接性能，外螺纹承载面404与竖直方向夹角β为1-5
°
，以提高螺纹抗拉强度，避免密封面在轴向拉升载荷作用下，密封面过盈量变小导致泄漏，且外螺纹齿高h1为1.05-1.10mm。
60.外螺纹导向面402与内螺纹导向面409相对应，且位于内螺纹接头2上，内螺纹导向面409与牙底通过过次过渡圆弧
ⅴ
408连接，避免螺纹根部应力集中而破坏，其半径与r3相同。
61.内螺纹承载面406与牙底通过次过渡圆弧ⅳ407连接，避免螺纹根部应力集中而破坏，其半径与r1相同。
62.内螺纹导向面409以及内螺纹承载面406与牙顶通过次过渡圆弧ⅵ410过渡连接，其半径与r2相同。
63.内螺纹导向面409与竖直方向夹角与α相等，内螺纹承载面406与竖直方向夹角与β相等，且内螺纹齿高h2为1.05-1.10mm且与h1相等，以使结构在满足螺纹抗拉强度的前提下，最小化齿高，避免降低接头有效剩余壁厚，从而降低接头整体抗拉强度。
64.主密封结构5由位于内螺纹接头2左侧内部的内螺纹主密封面505与外螺纹接头1右端的外锥面构成。
65.内螺纹主密封面505呈锥形，其轴心线内螺纹接头2轴心线共线，与水平方向中心轴线夹角θ5为14
°
，其水平方向长度l4为11.00mm。
66.具体的，如图1、图2、图6和图7所示，外螺纹接头1右端的外密封锥面由三段构成，分别为位于左侧的主密封第一锥面501，位于中间的主密封第二锥面502以及位于右侧的主密封第三锥面503，该三段锥面轴心线共线，且与外螺纹接头1轴心线共线。
67.其中，主密封第一锥面501水平方向长度为2.50mm，主密封第二锥面502水平方向长度为2.00mm，主密封第三锥面503水平方向长度为3.50mm，主密封第一锥面501与水平方向的夹角为θ，主密封第二锥面502与水平方向的夹角为θ2，主密封第三锥面503与水平方向的夹角为θ3，且其值满足θ1＜θ2＜θ3，θ2＝θ3-1，优选的取θ1＝8
°
，θ2＝14
°
，θ2＝15
°
，该结构可有效保证主密封面第二锥面与内螺纹主密封面505在拧紧状态下，紧密贴合，可精准控制接触面接触长度，接触应力分布均匀，密封可靠性高。
68.内螺纹主密封面505右侧内端面与外密封锥面右侧端面间需留有间隙l5，取l5为2-3mm，以使主密封锥面可自由变形，保证轴向过盈量，主密封第三锥面503与其右侧端面间，设有倒角504，避免装配时尖角损伤内螺纹主密封面505。
69.外螺纹接头1右端内侧设有弹性凹槽507，呈圆柱状，其水平方向长度l7为17.00-18.00mm，厚度l6为4.50-4.60mm，该弹性凹槽507可使主密封第一锥面501、主密封第二锥面
502和主密封第三锥面503在给定的轴向过盈量下，产生弹性弯曲变形，而非塑性变形，以达到设定的初始密封比压，在工作过程中，内部高压流体挤压弹性凹槽507内壁，使主密封面第二锥面502与内螺纹主密封面505505贴合更加紧密，从而接触压力进一步提高，以达到自紧密封的效果。
70.外螺纹接头1内部呈中空状，其左侧内腔直径为l8，右侧弹性凹槽507直径为l9，且其值满足l8＜l9-1.00mm，以保证在给定的轴向过盈量下，内螺纹主密封面505可产生弹性弯曲变形，并达到设定的初始密封比压。
71.主密封机构与连接机构4间设有容脂腔ⅰ506，容脂腔ⅰ506用于存储多余的螺纹密封脂，接头上紧后，主密封结构5密封面上多余的螺纹密封脂可进入容脂腔ⅰ506，避免因螺纹密封脂压力过高而影响主密封面的接触压力，同时也可起辅助密封的作用。
72.外螺纹接头1的右侧面与锥面嵌圈508的左侧面相固定，且锥面嵌圈508嵌入锥面嵌槽509内，且锥面嵌槽509开设在内螺纹接头2内壁的右侧。
73.副密封结构3由副密封面ⅰ301、副密封面ⅱ306、副过渡圆弧ⅰ302、副过渡圆弧ⅱ307、定位机构308和支撑机构309组成。
74.副过渡圆弧ⅰ302与副密封面ⅰ301相切过渡，避免产生应力集中现象，副过渡圆弧ⅱ307与副密封面ⅱ306相切过渡，避免产生应力集中现象，同时可避免装配过程中损伤副密封面ⅰ301，副密封面ⅰ301呈倒内锥形，其与水平方向夹角θ4为45
°
或30
°
，副密封面ⅱ306呈外锥形，其与水平方向夹角θ4为45
°
或30，与副密封面ⅰ301水平倾角相等，该密封结构具有较高的可靠性。
75.副密封结构3内侧设有容脂腔ⅱ303，容脂腔ⅱ303用于存储多余的螺纹密封脂，接头上紧后，副密封结构3密封面上多余的螺纹密封脂可进入容脂腔ⅱ303，避免因螺纹密封脂压力过高而影响副密封面的接触压力，同时也可起辅助密封的作用。
76.具体的，如图1、图2和图3所示，定位机构308包括嵌入环3081，嵌入环3081的右侧面与内螺纹结构的左侧面相固定，且嵌入环3081为倾斜设计，且与水平方向夹角为20
°‑
30
°
，嵌入环3081嵌合在嵌入槽3085内，且嵌入槽3085设置在外螺纹接头1的内侧，且嵌入槽3085内底部设有胶垫3084，且胶垫3084与嵌入环3081的左侧搭接，嵌入槽3085内壁外圈设有垫圈。
77.嵌入环3081的外壁设有第一球形密封面3082和第二球形密封面3083，第一球形密封面3082位于第二球形密封面3083左侧，且第一球形密封面3082的球冠高度大于第二球形密封面3083的球冠高度。
78.支撑机构309包括支环3091，支环3091的左侧面与外螺纹接头1的右侧相固定，支环3091嵌入胶环槽3093内，支环3091的内圈和外圈均设置有五组密封胶环3092，且五组密封胶环3092分别嵌入挡槽3094内，且五组挡槽3094分别设置与胶环槽3093的内圈与外圈。
79.主密封结构5的密封面轴向过盈量为0.40-0.50mm，该过盈量下，主密封结构5既可实现密封，也不发生塑性变形，从而实现可反复拆卸使用的特点，定位台肩ⅰ304和定位台肩ⅱ305构成挤压密封面，保证密封面的接触应力分布以及密封面结构的强度，而无需控制上扣扭矩，操作非常方便，可靠性高。
80.实施例：
81.为清楚地表示出本发明的效果，以φ138.7x16.41mm p110钢级的接头为例，进行
描述，并进行有限元模拟分析。
82.该外螺纹大径φ119.06mm，内螺纹小径117.21mm，主密封面过盈量0.40mm，材料为p110钢级，屈服强度756mpa，抗拉强度862mpa，弹性模量2.1e5mpa，密封介质压力105mpa。
83.装配时，外螺纹接头1内套于内螺纹接头2，并通过连接机构4进行导向引入并紧固，使定位台肩ⅰ304和定位台肩ⅱ305紧密贴合，以保证主密封结构5密封面轴向过盈量为0.40mm，此时，主密封面第二锥面与内螺纹主密封面505紧密贴合，并相互挤压，产生接触应力，同时主密封结构5密封面上多余的螺纹脂可进入容脂腔ⅰ506，避免因螺纹脂压力过高而影响内螺纹主密封面505的接触压力，同时也可起辅助密封的作用。
84.主密封结构5上紧的同时，副密封结构3的副密封面ⅰ301和副密封面ⅱ306紧密贴合，实现密封，副密封结构3密封面上多余的螺纹密封脂可进入容脂腔ⅱ303，避免因螺纹密封脂压力过高而影响副密封面的接触压力，同时也可起辅助密封的作用。
85.外螺纹接头1与内螺纹接头2上紧后，主密封结构5等效应力云图见图9，内螺纹主密封面505最大等效应力为559mpa，小于材料的屈服强度，密封面结构只发生弹性变形，未发生塑性变形，从而验证了该接头的可重复拆装性能，多次拆装而不发生粘扣，内螺纹主密封面505接触应力分布见图8，其最大接触应力为771mpa，大于密封介质压力，可满足密封要求。
86.综上所得：
87.通过螺纹采用偏梯改进型，承载面正角度(1-5
°
)；导向面正角度(20～25
°
)；螺纹具有抗拉能力强，易对扣的特点；主、副密封面采用锥面对锥面结构形式，具有易加工和测量，加工成本低，质量可控性高；采用主副双密封结构形式，密封性可靠性好；主密封采用自紧密封形式，压力越高，密封可靠性越好，与现场使用要求符合度高，该螺纹采用定位台阶定位，无需控制上扣扭矩，可多次重复使用，使用方便。
88.通过定位机构308与支撑结构之间的相互配合，定位台肩ⅰ304与定位台肩ⅱ305相互靠近，使支环3091嵌入胶环槽3093内，使密封胶环3092分别嵌入挡槽3094和胶环槽3093内，通过多组密封胶环3092和挡槽3094的设置，进一步增加其连接气密性，同时嵌入环3081为倾斜设计且外圈设置第一球形密封面3082和第二球形密封面3083，第一球形密封面3082位于第二球形密封面3083左侧，且第一球形密封面3082的球冠高度大于第二球形密封面3083的球冠高度，通过第一球形密封面3082和第二球形密封面3083进行密封，第一球形密封面3082紧贴外螺纹接头1内的嵌入槽3085中产生形变，当前第二球形密封面3083不产生形变，且承受的接触压力大于第二球形密封面3083，当该特殊螺纹接头承受过大载荷致使第一球形密封面3082屈服而丧失密封能力时，第二球形密封面3083则保持在弹性变形范围从而保证了该特殊螺纹接头不会发生泄漏，通过第一球形密封面3082与第二球形密封面3083之间的相互配合，大大增强了该特殊螺纹接头的密封能力和密封的可靠性。
89.上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。