专利名称:新型钢管接头，其加工工艺及实施这种工艺的成套工具的制作方法
本发明是关于一种主要用于石油开采工业中的钢管螺纹接头、加工这种接头的工艺和实施这种工艺的成套工具。
已知有几种石油开采的钢管螺纹接头，这些接头都包括一个具有一锥形螺纹的内螺纹件，并在螺纹端头有一拧入止挡;一个外螺纹件，它有与内螺纹件螺纹相匹配的锥形螺纹，以及用以与内螺纹件拧入止挡相吻合的端止挡。
当这类接头不在具有厚度余量的钢管端头(通过锻造或镦粗的端头)上加工时，则尤其是对于直径小、壁厚薄的钢管，往往出现，位于内外螺纹件底部和端头的拧入止挡截面太弱，而不能承受其应经受的应力。
例如，对于直径为60毫米，壁厚为5.5毫米的钢管，止挡的宽度只能是3至3.5毫米，这就使得能施加在接头止挡接触处的扭矩限制在150公斤米左右，以免产生危害零件互换性的永久变形。
考虑到装有这类接头的钢管的各种使用条件(轴向拉伸或压缩，内压或外压)，必需在拧入止挡处施加一定的予应力，以确保接头具有一定的坚固耐用性。
另外，同理也必需确保内螺纹件和外螺纹件之间的箍紧力，这种箍紧力通过采用锥形螺纹来获得。
这样，此类接头的拧紧力矩应等于箍紧力矩(即外螺纹件拧入内螺纹件中直至外螺纹件端头顶到内螺纹件止挡时所需的力矩)和外螺纹件端头施加在内螺纹件止挡上的轴向力所需的力矩之和。
同样已知，考虑到制造公差，对不同型式的接头，其外螺纹件端头顶到内螺纹件止挡所需的箍紧力矩可相差至少1倍至4倍。这样，外螺纹件端头轴向可作用在内螺纹件止挡上的力矩也可能在很大范围内变化。
在某些情况下，尤其对于小管径的钢管，考虑到螺纹的加工公差，可能获得非常有限的拧紧力矩范围，公差稍有增加就可能导致，在某些情况下该力矩范围等于零。
为了更好地理解上述现象，图1示出了这类接头的拧紧曲线。横坐标表示在外螺纹件端头顶着内螺纹件止挡时，外螺纹件直径超过内螺纹件直径的量，纵坐标表示作用在接头上的力矩。
曲线OAA′和OBB′相应于同一类型接头，但其螺纹加工公差处于两个极端。OAA′曲线对应于一个接头，对于这个接头，外螺纹件在内螺纹件中受到很小的箍紧力之后，外螺纹件的端头就顶着内螺纹件止挡了。而OBB′曲线对应于另一个接头，对于这个接头，外螺纹件在内螺纹件中受到很大的箍紧力之后，外螺纹件端头才顶着内螺纹件止挡。
图10AB曲线对应于，在外螺纹件端头顶着内螺纹件止挡前，为获得不断增加的箍紧力而需要的力矩增加。
可以看出，OAB曲线的增长比较缓慢。相反，一旦外螺纹件端头顶着内螺纹件止挡后，曲线就急剧上升，而箍紧力不显著增加，因为，此时只要外螺纹件相对于内螺纹件稍微转动，就会出现上述现象。
应注意到，从外螺纹件端头与内螺纹件止挡接触时起，直至在止挡表面产生严重变形时止，作用在接头上的力矩，不管接头的螺纹加工公差是多少，显然是一样的，这在图1中可以看到AA′和BB′显然具有相同长度。
根据OAA′和OABB′曲线，可确定应施加在接头上的拧紧力矩，该力矩应处在C1和C2之间。
在图1中可看出，对于某一已定的拧紧力矩，具有OAA′曲线的接头对应于小的箍紧力和在拧入止挡上有大的压应力。
相反，对于某一已定的拧紧力矩，具有CABB′曲线的接头对应于大的箍紧力和拧入止挡上有较小的压应力。
在这种情况下应认识到，为了确定拧紧力矩的范围(该范围应足够大，以确保既在螺纹处具有足够大的箍紧力，又在拧入止挡上有足够的轴向压应力)，最好使图1曲线A点和B点互相靠近，即尽可能按螺纹位置来精确地确定接头各螺纹件止挡位置。
本发明的内容是一种新型的接头，它的优点是在每个螺纹件上有一个拧入止挡。这种止挡一方面相对其螺纹精确地定位，另一方面具有通过冷变形加工而提高了的机械性能。
本发明的内容是一种新型钢管螺纹接头，它主要用于石油工业中，包括一个内锥形螺纹件，在其端头设有一个拧入止挡;一个外螺纹件，在其端头上有与内螺纹件的锥形螺纹相匹配的外锥形螺纹和形状与内螺纹件止挡相似的拧入止挡。这种接头的特点是内外螺纹件的止挡均进行了冷变形和冷作硬化加工，这种加工是借助于一个带螺纹的工具，可拧入或拧在相应的螺纹件上。
本发明的内容同样也包括一种加工这种接头的新工艺。这种工艺的特点是在接头内外螺纹件第一次加工时，对螺纹进行精加工，但对拧入止挡的表面仅保持在毛坯状态;将螺纹塞规拧入内螺纹件的螺纹内，将螺纹环规拧到外螺纹件的螺纹上，这两个螺纹量规上均作有一条标誌线，使得用手将这两个螺纹量规互相拧紧时，上述两条标誌线位于同一条母线上;将螺纹塞规上的标誌线相应地转标到接头的内螺纹件上，而将螺纹环规上的标誌线相应地转标到接头的外螺纹件上;将一个用高强度钢制成的外螺纹芯轴拧入内螺纹件中，该芯轴端头的形状就是内螺纹件拧入止挡应具有的形状，该芯轴的圆周面上也相应作有一标誌线，当芯轴拧入螺纹环规，并用手拧紧时，芯轴的标誌线与螺纹环规的标誌线相重合;用一台能产生巨大力矩的机器，使外螺纹芯轴相对于接头的内螺纹件旋转，致使芯轴的标誌线超过内螺纹件标誌线一预先确定的距离，这就可借助外螺纹芯轴的端面来对内螺纹件拧入止挡的表面进行冷变形加工;将外螺纹芯轴旋出内螺纹件;利用一个内螺纹芯轴对外螺纹件进行同样性质的操作，内螺纹芯轴上有与螺纹塞规标誌线相符合的标誌线，内螺纹芯轴加力拧至外螺纹件的端头，并使芯轴的标誌线超过外螺纹件标誌线一预先确定的距离。
本发明的内容还包括实施上述工艺的一套工具，其特点是这套工具包括一个螺纹塞规和一个螺纹环规，这些量规上的螺纹可拧入接头内外螺纹件的螺纹中。每个量规上都有标誌线，使得将这两个量规用手相互拧紧时，这两条标誌线位于同一条母线上。此外，这套工具还包括一个外螺纹芯轴和一个内螺纹芯轴，这些芯轴具有与接头内外螺纹件的螺纹和拧入止挡表面相一致的螺纹和工作面。每个芯轴上都有标誌线，使得将外螺纹芯轴拧入上述螺纹环规中时以及将内螺纹芯轴拧在上述螺纹塞规上时，它们的标誌线位于同一条母线上。
现在，为了更好地理解本发明，将举例无保留地叙述本发明的一个实施例，这个实施例在附图上示出。
在附图中-图1所示曲线为施加在接头上的力矩与内外螺纹件螺纹之间盈差的关系。
-图2示出本发明中螺纹塞规的局部剖视图。
-图3示出本发明中螺纹环规的局部剖视图。
-图4示出为使外螺纹件相对于内螺纹件作一给定的旋转所需的力矩。
-图5示出外螺纹芯轴对内螺纹拧入止挡进行最终加工时的剖视图。
-图6示出在图5中使用的芯轴的示意图。
-图7示出对接头外螺纹件拧入止挡进行最终加工的内螺纹芯轴。
-图8示出拧紧力矩与按本发明制成的接头螺纹之间盈差的关系。
从技术描述的角度已对图1进行了说明。
在图2中以剖视图的形式示出了内螺纹件1，它带有内螺纹2和拧入止挡3。在所示的实施例中，该拧入止挡为一种垂直于管道轴线的平面止挡。但显然，这种止挡可能有其他形状。例如，它可以是锥形的，凹面的或凸面的，或者甚至具有更为复杂的形状，例如由反圆锥形的两个锥面组成的形状。
按照本发明，内螺纹件的螺纹2已进行最终加工，而拧入止挡3的表面仅仅经过预加工。这种预加工使得该止挡上留出进一步加工的余量。在内螺纹件制造时，不管加工公差是多少，这种余量总是存在的。
图2也示出了螺纹塞规4，它带有与内螺纹件螺纹2相匹配的外螺纹5。螺纹塞规4拧到内螺纹件螺纹上时与该内螺纹件的其他部分没有任何接触，这就可以用手将螺纹塞规4自由地拧入螺纹2中。塞规4带有一个凸缘6，该凸缘有一空腔7，它可用来容纳内螺纹件的端头。凸缘7开有一长形缺口8，按照本发明，该缺口是为了在内螺纹件1的母线上作出标誌线9。
标誌线9可用划线针刻出，也可用油漆或类似的涂料划出。
图3示出了接头的外螺纹件10，它带有外螺纹11，其形状与内螺纹件的螺纹件的螺纹2相符合。外螺纹件10在其端头有一拧入止挡12。
按照本发明，对螺纹11进行最终加工，而对拧入止挡12只进行予加工。也就是说，不管外螺纹件端头的加工公差是多少，总留有少量余量。
图3也示出了螺纹环规13，它是一个带内螺纹14的环圈，内螺纹14与外螺纹件螺纹11相符合。
按照本发明，可用手将环规13拧入外螺纹件螺纹11上。此时，除了螺纹以外与外螺纹件没有任何接触。在螺纹环规13的圆周面上开有一个供作标誌线用的长形缺口8。该缺口的位置应是，当螺纹环规13拧紧在螺纹塞规4上时，两个量规上的缺口处在同一条直线上。
换句话说，当这两个量规用手(即不要用较大的力矩)相互拧紧时，螺纹塞规和螺纹环规的两个缺口，对应于同一条母线。
图4示出了AA′D′E′F′曲线，该曲线表示在拧紧时仅由接头止挡承受的力矩与内外螺纹件之间旋转角的关系。
正如对图1所作的说明那样，可以看出，当外螺纹件端头顶着内螺纹件拧入止挡时，力矩与旋转角成线性关系急剧上升，这对应于曲线AA′部分。此后，在拧入止挡处的塑性变形使得曲线弯曲至离A′不远的E′，E′点对应于拧入止挡毁坏了。
值得指出，如果外螺纹件对内螺纹件的旋转只达到D′点(该点对应于由于止挡表面永久变形而产生的冷作硬化)，当将这二个螺纹件拧开，而后再重新拧入时，则可得到ADD′E′F′力矩曲线。
换句话说，可以看出，当以后再拧紧接头时，拧入止挡的永久变形已经使得曲线DD′直线部分的量值增加了。
本发明所用的工艺是建立在利用上述机理的基础上。它可增加力矩曲线直线部分的量值。图5示出了外螺纹芯轴16拧入内螺纹件1的半剖视图。
图6示出了芯轴16的示意图，芯轴16上有与内螺纹件螺纹2相符合的螺纹17以及前端工作面18。该工作面的形状与内螺纹件拧入止挡3应具有的形状一致。
螺纹芯轴用高强度钢制成。
按照本发明，芯轴16上有一标誌线19，其位置的确定是通过将螺纹环规13用手拧紧在该芯轴上时，标誌线19正对着缺口8。
图7示出了内螺纹轴20的半剖视图。该芯轴上有与外螺纹件螺纹11相匹配的螺纹21，并有台肩式工作面22，该工作面的形状与外螺纹件端头应具有的形状一致。
内螺纹芯轴20的外部也有一标誌线23，其位置应是，当螺纹塞规4用手拧入内螺纹芯轴20时，标誌线23应对准塞规4的缺口8。
按照本发明，内外螺纹芯轴的加工应使得在内螺纹芯轴上标誌线23处已定的螺纹面24与表面22之间的距离L等于外螺纹芯轴上标誌线19处同一螺纹面24与位于外螺纹芯轴端面18之间的距离L。
换句话说，当用手(即不要用较大的力矩)将外螺纹芯轴拧到内螺纹芯轴上，并当标誌线19和23一致时，外螺纹芯轴表面18正好与内螺纹芯轴表面22相接触，在其螺纹处刚开始出现箍紧力。
在这种情况下应认识到，用力将外螺纹芯轴拧入到拧入止挡表面有加工余量的内螺纹件中，再对芯轴施加足够大的力矩以使得标誌线19超过标誌线9(该标誌线9如上所述已在内螺纹件上作出。)一预先确定的距离，通过冷变形加工，拧入止挡表面附近金属的硬度及弹性均有提高，并使得止挡表面相对于螺纹精确定位。
同样可以设想，将内螺纹芯轴20拧到外螺纹件端头，通过足够大的力矩使得芯轴标誌线23超过外螺纹件标誌线15一预先确定的距离时，则对于只进行过预加工其端头表面的外螺纹件亦可得到同样的结果。
芯轴标誌线与管件标誌线之间预先确定的距离是与接头拧紧后在螺纹处希望得到的箍紧力大小成函数关系。该距离越大，则箍紧力愈大。
可以看到，按照本发明，通过一种简单而有效的方法便可改善接头的机械特性，而且不管加工公差的大小，都可使拧入止挡表面相对于螺纹精确地定位。
与图1相对应，图8示出了按本发明加工制造的接头的力矩曲线。
应当指出，线性段AA′和BB′比图1(对应于已知的常用接头)中的要大。这是由于拧入止挡能承受更高的应力所致。
此外，按照本发明，拧入止挡表面相对于螺纹非常精确地定位。A点与B点更加靠近了，因而与A点和B点相对应的力矩也更接近了。
综上所述，可以选择一个力矩区C1C2，它明显地大于图1所示的力矩区，同时确保拧入止挡可承受更大的轴向力，并对防止过渡拧紧有更高的安全性。
权利要求
1.主要用于石油工业的一种钢管接头，它包括一个带有锥形螺纹(2)的内螺纹件(1)，在锥形螺纹端头有一拧入止挡(3)；一个外螺纹件(10)，在其端头有一与内螺纹件螺纹相匹配的外锥形螺纹(11)和拧入止挡(12)；该止挡的形状与内螺纹件(1)止挡(3)的形状一致。这种接头的特点是外螺纹件(12)和内螺纹件(1)的止挡均借助一个工具(16，20)对其进行了冷变形和冷作硬化加工。这种工具上有能拧入或拧到相应管件螺纹(2，11)上去的螺纹(17，21)。
2.根据权项1所述接头的加工工艺的特点是对外螺纹件和内螺纹件进行第一次加工时，对螺纹(2，11)进行精加工，而对拧入止挡(3，12)的表面仅保持在毛坯状态;将螺纹塞规(6)拧入内螺纹件的螺纹(2)内，将螺纹环规(13)拧到外螺纹件的螺纹(11)上，这两个螺纹量规上均作有一条标誌线(8)，使得用手将这两个螺纹量规互相拧紧时，上述两条标誌线(8)位于同一条母线上;将螺纹塞规上的标誌线(8)相应地转标到接头的内螺纹件上，而将螺纹环规上的标誌线(8)相应地转标到接头的外螺纹件上;将一个用高强度钢制成的外螺纹芯轴(16)拧入内螺纹件中，该芯轴端头的形状就是内螺纹件拧入止挡(3)应具有的形状，该芯轴(16)的圆周面上也相应作有一标誌线(19)，当芯轴拧入螺纹环规，并用手拧紧时，芯轴的标誌线(19)与螺纹环规的标誌线(8)相重合;用一台能产生巨大力矩的机器，使外螺纹芯轴(16)相对于接头的内螺纹件旋转，致使在同一母线上芯轴的标誌线(19)超过内螺纹件的标誌线(9)一预先确定的距离，这就可借助外螺纹芯轴的端面来对内螺纹件拧入止挡(3)的表面进行冷变形加工;将外螺纹芯轴(16)旋出内螺纹件(1);利用一个内螺纹芯轴(20)对外螺纹件(10)进行同样性质的操作，内螺纹芯轴(20)上有与螺纹塞规标誌线(8)相符合的标誌线(23)，内螺纹芯轴加力拧至外螺纹件的端头，并使芯轴(20)的标誌线(23)超过外螺纹件(15)标誌线一预先确定的距离。
3.根据权项2所述的实施这种工艺的成套工具的特点是这套工具包括一个螺纹塞规(6)和一个螺纹环规(13)，这些量规上的螺纹(5，14)可拧入接头内外螺纹件的螺纹中。每个量规上都有标誌线(9，15)，使得将这两个量规(6，13)用手相互拧紧时，这两条标誌线(9，15)位于同一条母线上。此外，这套工具还包括一个外螺纹芯轴(16)和一个内螺纹芯轴(20)，这些芯轴具有与外螺纹件(10)和内螺纹件(1)的螺纹(2，11)和拧入止挡(3，12)表面相一致的螺纹(17，21)和工作面(18，22)。每个芯轴上都有标誌线(19，23)，使得将外螺纹芯轴拧入上述螺纹环规中时以及将内螺纹芯轴拧在上述螺纹塞规上时，量规的标誌线(9，15)与芯轴的标誌线(19，23)位于同一条母线上。
专利摘要
本发明是关于一种主要用于石油工业的钢管接头，它包括一个带有锥形螺纹(2)的内螺纹件(1)，在锥形螺纹端头有一拧入止挡(3)，一个外螺纹件，在其端头有一个与内螺纹件螺纹相匹配的外锥形螺纹和拧入止挡，该止挡的形状与内螺纹件止挡的形状一致。外螺纹件止挡和内螺纹件止挡(3)均借助一个工具(16)对其进行了冷变形和冷作硬化加工，这种工具上有能拧入或拧到相应管件螺纹上去的螺纹。
文档编号E21B17/02GK85101442SQ85101442
公开日1987年1月24日 申请日期1985年4月1日
发明者贝尔纳·普拉契, 路易斯·弗拉迪安 申请人:瓦洛海克股份有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan