专利名称：制造油井管螺纹接合的方法
技术领域：
本发明涉及一种制造管子螺纹接合的方法，尤其涉及一种制造具有对抗各种外力的抵抗力的油井管螺纹接合的方法，所述螺纹接合的抵抗力相当于或大于管体的抗力。
这种管子的例子包括开发和生产石油、天然气、蒸汽和热水用的油井管、气井管和地热井管，以及用来向地下注入废物、废气、废水等的注入井等类似井(以下用油井作代表)。因此，更具体地说，本发明涉及一种加工这种管子(以下用油井管作代表)的螺纹接合的方法。
背景技术：
螺纹接合已被用作这种油井管的接合。最常见的类型是符合API分类(美国石油学会的分类)(以下简称“API接合”)的圆形螺纹接合或偏梯形螺纹接合。最近，油井、气井等变得越来越深，同时，井内的压力、温度和腐蚀条件变得越来越严重。在这种环境下，需要一种接合，它具有在管子重荷下能抵抗破裂的强度且具有极好的气密性。
作为一个例子，图1a是显示油井管的管接型螺纹接合(coupling-typethreaded joint)25的横截面示意图，所述螺纹接合用于连接在每个端部具有套部分(box portion)21，21的连接件20和在端部具有销部分(pinportion)11，11的管子10，10。图1b是连接件20的套部分21的放大横截面示意图，图1c是管子10的销部分11的放大横截面示意图。
如图1a所示，套部分21，21设置在连接件20的两端，销部分设置在管子10，10的端部。管子10，10在油井管情况下是钢管，它们被连接件20螺纹连接。
如图1b所示，阴螺纹22形成在套部分21的内表面上，另外，如图1c所示，阳螺纹12形成在销部分11的外表面上。
在这种方式下，管接型螺纹接合25通过将设置在管子10端部且具有阳螺纹12的销部分11旋入设置在连接件20内部且具有阴螺纹22的套部分21来连接两个管子10，10。
然而，如上所述，仅包括阳螺纹12和阴螺纹22形式的螺纹元素的接合，如API接合，不足以满足螺纹接合25的需求，螺纹接合25需要有足够的强度以抵抗由管子10的重量产生的张应力且需要具有高度气密性。因此，如分别在图1b和图1c所示，分别在套部分21和销部分11上具有金属密封部分13，23和扭矩肩部分(torque shoulder portion)14，24的螺纹接合25已经被使用了。
金属密封部分13，23的设置是为了保证合适的接触表面压力。管子10在径向有过盈量(interference)，即销部分11的金属密封部分13的外直径比套部分21的金属密封部分23的内直径大(这个差值叫做“过盈量”)。当销部分11被旋入套部分21时，由于该过盈量的存在，表面压力在金属密封部分13，23的接触表面间产生了，并且所述表面压力保证好的气密性。
设置扭矩肩14，24是为了保证它们之间的合适的接触表面压力。也就是说，通过用适当可控压力使销部分11和套部分21的这些部分相互紧靠邻接，从而保证足够量的螺纹啮合，螺纹接合25的连接被有保障地实现，并且由于对抵力，附加的接触表面压力在金属密封部分13和23中产生了。
在锥形螺纹的情况下，为了有保障地实现连接，并且防止松脱，有很多这种情况其中与金属密封部分13、23中的过盈量相同的过盈量设置在阳螺纹12和阴螺纹22之间。
扭矩肩14，24相对垂直面的斜角θ1被认为是肩角度(shoulderangle)。
发明内容
近几年，井的深度已经逐渐增加，开发环境和井的环境正在恶化。同时，开发油井和气井的技术也在进步，最近，如下列(1)-(5)项的重大需求不得不需要接合来实现。
(1)由于相连的管的荷重，需要经受住轴向拉伸应力。
(2)由于内部流体需要经受住内部压力，以及由于外部流体需要经受住外部压力。
(3)根据用于管子的抗腐蚀材料变得昂贵的趋势需要使重复利用成为可能。
(4)对施加在管子上的扭力，以及对在开发油井期间或油井运作期间，由反复加热和冷却等情况产生的拉应力和压缩力，需要具有足够的抵抗力。
(5)在内部和外部压力下要保持密封，甚至是在反复受到这种负荷时也还要保持密封。
为了满足这些需求，从过去到现在，为了提高如图1a-图1c所示的螺纹接合25的连接状态，已经有许多发明方案。本发明也在日本专利申请Hei 11-183148提交了方案(见日本公开的未审查的专利申请No.2000-81173)。
为了满足下述(i)-(iv)项，或(i)-(iii)和(iv)，所述方案能提供一种具有抵抗力的螺纹接合，在可施加于螺纹接合的所有负荷的作用下，螺纹接合的所述抵抗力在与管体的抗力相同或更大的水平上。
也就是说，它提供了一种油井管的螺纹接合，这种螺纹接合能满足Von Mises对应应力椭圆(Von Mises corresponding stress ellipse)所显示的内部压力和轴向力的整个区域，以及API 5C3确定的管子塌陷(collapse)公式所显示的外部压力和轴向力的整个区域，并且这种螺纹接合能在变轴向力下保持气密性，尤其在承受管子强度的95％的高压力之后，这种螺纹接合在变拉伸和压缩轴向力的作用下不易变松。
(i)螺纹的负荷牙侧角至少为-20°并且小于0°，入扣牙侧角大于25°并且最多为45°，螺纹过盈量是正值，阳螺纹和阴螺纹的负荷牙侧和入扣牙侧在连接期间和接合连接完全时相互接触，在螺纹的牙顶和牙底之间设有间隙。这个“螺纹过盈量”被定义为阳螺纹和阴螺纹节圆直径之间的差值。
(ii)在螺纹部分的全部长度上，利用如下描述的公式1和公式2计算螺纹过盈量的值时，最小值的2倍被定为上限，上限的5％被定为下限。
It=δy·La2·(1+DI2/La2+dp2/Lb2)E·dp----(1)]]>It=2·δy·La2·dp·(1+DI2/La2+dp2/Lb2)E·(W2+dp2)----(2)]]>这里，It半径上的表观过盈量(apparent interference amount)(mm)δy接合材料的屈服强度(MPa)E接合材料的杨式模量(MPa)W套外径(mm)DI销内径(mm)dp螺纹节圆直径(mm)La2(dp2-DI2)Lb2(W2-dp2)螺纹过盈量小于金属密封部分的过盈量。
(iii)在连接时，销部分的阳螺纹和套部分的阴螺纹的全螺纹啮合长度是(a)当管子壁厚与管子外径的比率至少为0.096时，至少3倍于管体壁厚，(b)当管子壁厚与管子外径的比率至少为0.084但小于0.096时，至少4倍于管体壁厚，(c)当不是(a)或(b)的情况时，至少5倍于管体壁厚。
然而，当管子壁厚与管子外径的比率至多为0.052时，销部分的密封凸缘内直径在允许的范围内至多定为管子内直径。
(iv)扭矩肩的肩角θ1定为5-20°，并且由下述公式确定的密封凸缘的凸缘部分的根部厚度(lt)和管子壁厚(t)的凸缘厚度比率(X)至少为0.52。
(lt/DB)/(t/OD)≥0.52...(3)这里，DB是凸缘部分的根部的外径，OD是管子外径。
当t/OD值小和管壁厚t薄时，上述方式描述的凸缘厚度比率通过诸如锻造管子端部等预处理方法定为至少为0.52。
(v)确定销部分端部的无螺纹部分和套部分后部的无螺纹部分的形状的每个要素，即凸缘长度l(mm)、密封长度SP(mm)、密封锥度Ts、肩角θ1(°)和凸缘厚度比率(X)是在下述范围中的，基于这些要素的线性多项式函数f大于1.26mm≤l(mm)≤30mm，3mm≤SP(mm)≤10mm1/16≤Ts≤1，0°≤θ1(°)≤20°，0.25≤X≤0.75这里，f＝-3.26×10-1+3.19×10-2×θ1+1.43×X-4.67×10-4×l+8.39×10-2×SP-6.22×10-1×Ts...(4)X＝{(销部分侧面上的凸缘部分的根部壁厚)/(销部分的根部外径)}/{(管体壁厚)/(管体外径)}在这种结构下，具有所需性能的油井管的螺纹接合实际上已经能够提供了。然而，按照这个方案，需要作大量的工作，以便为实际加工油井管的螺纹接合而设计每部分的尺寸。
本发明的一个目的就是要提供一种具体的方法，按此方法本领域普通技术人员能容易地制造油井管的螺纹接合，尤其是相对各种外力具有一定强度的螺纹接合，所述螺纹接合的所述一定强度相当于或高于管体的强度。
本发明的更明确的目标是提供一种方法，按此方法本领域普通技术人员能容易的设计和加工日本专利申请Hei 11-183148/1999中提到的螺纹接合。
以下，将日本专利申请Hei 11-183148中提到的上述接合称为“在先螺纹接合”为了解决上述问题，本发明人构造了一种方法，该方法通过分析和重构在先螺纹接合而设计了这种螺纹接合，并且他们完成了本发明。
通过这个设计过程确定每部分的尺寸，这样本领域普通技术人员能够容易地设计和加工高强度的对内外压力显示优良抗漏性的螺纹接合。
如下述的图2所示，本发明是一种加工管子螺纹接合的方法，这个螺纹接合具有销部分和套部分，所述销部分有阳螺纹，所述阳螺纹包括螺纹横截面形状大致为梯形的锥形螺纹，所述套部分有与所述阳螺纹啮合的阴螺纹，所述阴螺纹包括螺纹横截面形状大致为梯形的锥形螺纹，金属密封部分，包括设在销部分上的用于形成金属密封部分的无螺纹部分和设在套部分上的用于形成金属密封部分的无螺纹部分，所述金属密封部分紧邻上述用于形成金属密封部分的无螺纹部分，扭矩肩部分，包括设置在销部分端部的用于形成扭矩肩部分的无螺纹部分，和设置在套部分上用于形成扭矩肩部分的无螺纹部分，所述扭矩肩部分紧邻上述用于形成扭矩肩部分的无螺纹部分，其特征在于确定每部分的尺寸是通过确定具有销部分的管子的管子外径(OD)和管子壁厚(t)，基于已确定的管子外径(OD)和管子壁厚(t)临时确定套部分和销部分的全啮合螺纹长度的允许范围，基于已临时确定的允许范围临时确定全啮合螺纹长度(L)，基于已确定的管子外径(OD)和管子壁厚(t)确定销部分的凸缘内直径(D2)，基于已确定的销部分的凸缘内直径(D2)确定套部分的内直径(D1)，基于已确定的管子外径(OD)和管子壁厚(t)临时确定凸缘厚度比率(X)，基于已临时确定的凸缘厚度比率(X)临时确定销部分的凸缘厚度(lt)和销部分的凸缘根部外径(DB)，和基于已确定的管子外径(OD)和管子壁厚(t)确定螺纹啮合高度(h)和螺纹节距(P)，基于已确定的管子外径(OD)和管子壁厚(t)，以及基于已临时确定的销部分的凸缘外径(DB)、螺纹啮合高度(h)和全啮合螺纹长度(L)，临时确定螺纹锥度(Tt)，基于已临时确定的销部分的凸缘厚度(lt)和已临时确定的销部分的凸缘根部外径(DB)确定凸缘长度(l)、销部分的密封长度(SP)、密封锥度(Ts)、肩角(θ1)和凸缘厚度比率(X)，使得函数f大于1.2，从而确定销部分凸缘形状，确定销部分的凸缘厚度(lt)和销部分的凸缘外径(DB)，并且也可确定凸缘部分端部的直径(Papex)，基于已确定的销部分的凸缘厚度(lt)、销部分的凸缘根部外径(DB)和螺纹啮合高度(h)，确定螺纹锥度(Tt)和全啮合螺纹长度(L)，并且确定套部分的螺纹平行部分(thread parallel portion)直径(DA)，确定负荷牙侧角(α)、入扣牙侧角(β)、入扣牙侧之间的间隙(δ)以及螺纹牙顶之间的间隙(γ)，基于销部分的密封长度(SP)和销部分的各部分的尺寸确定密封部分形状，其中包括套部分的密封长度(SB)。
其它项可以相应地确定。例如，中径(Dp)能由已确定的管子外径(OD)、管子壁厚(t)和螺纹啮合高度(h)确定，套部分的外径(W)和销部分中径的位置(LPt)可以被确定，基于已确定的中径(Dp)可以确定螺纹过盈量(It)，基于这些可以确定套部分的肩深度(LB)，基于已确定的管子外径(OD)和管子壁厚(t)可以确定肩长度(IRes)，基于已确定的套部分的肩长度(IRes)和肩深度(LB)可以确定套部分的总长度(NL)，套部分的中径的位置(LBt)可以通过全啮合螺纹长度(L)、销部分的凸缘长度(l)、中径(Dp)和螺纹过盈量(It)确定。
图1a是包括管子轴的横截面示意图，它显示了用于油井管的连接型螺纹接合，此螺纹接合用来连接在两端有套部分的连接件和端部有销部分的管子。
图1b是连接件的套部分的放大横截面示意图。
图1c是管子的销部分的放大横截面示意图。
图2是油井管螺纹接合的设计过程的实施例的例子的流程图。
图3是油井管螺纹接合的设计过程的实施例的另一个例子的流程图。
具体实施例方式
参考附图，将详细解释根据本发明的加工油井管螺纹接合方法的实施例。
图2是显示在本实施例中油井管螺纹接合的设计过程的例子的流程图。
根据本发明的油井管螺纹接合是在先螺纹接合。也就是说，此油井管螺纹接合具有(i)销部分和套部分，所述销部分有阳螺纹，所述阳螺纹包括螺纹横截面形状大致为梯形的锥形螺纹，所述套部分有与所述阳螺纹啮合的阴螺纹，所述阴螺纹包括螺纹横截面形状大致为梯形的锥形螺纹，(ii)金属密封部分，包括设在销部分上且用于形成金属密封部分的无螺纹部分和设在套部分上且用于形成金属密封部分的无螺纹部分，所述金属密封部分紧邻上述用于形成金属密封部分的无螺纹部分，(iii)扭矩肩部分，包括设置在销部分端部且用于形成扭矩肩部分的无螺纹部分，和设置在套部分上用于形成扭矩肩部分的无螺纹部分，所述扭矩肩部分紧邻上述用于形成扭矩肩部分的无螺纹部分。
根据本实施例，当设计此螺纹接合时，需按照下述步骤1到步骤29(以下简称S1-S29)执行。
在S1中，具有销部分的管子的管子外径(OD)和管子壁厚(t)被确定。管子外径(OD)和管子壁厚(t)是由需要这种螺纹接合的管体的外径和壁厚确定的。确定必需的销部分的外径之后，相应的管子壁厚就确定了。
在S2中，销部分和套部分的全啮合螺纹长度是基于已确定的管子外径(OD)和管子壁厚(t)而被临时确定的。
销部分和套部分的全啮合螺纹长度的允许范围是，例如，当{管子壁厚(t)/管子外径(OD)}至少为0.096时，至少3倍于管子壁厚(t)，当{管子壁厚(t)/管子外径(OD)}至少为0.084时，至少4倍于管子壁厚(t)，当{管子壁厚(t)/管子外径(OD)}至少为0.052时，至少5倍于管子壁厚(t)，当{管子壁厚(t)/管子外径(OD)}小于0.052时，至少5倍于管子壁厚(t)，且销部分的凸缘内径(D2)被设为小于或等于管子内径(DI)。
在S3中，基于在S2中确定的全啮合螺纹长度的允许范围临时确定全啮合螺纹长度(L)。
在S4中，销部分的凸缘内径(D2)被确定，这个确定的实现是基于工人的工作能力。
在S5中，套部分的内径(D1)是在S4中确定的凸缘内径(D2)的基础上得出的，为凸缘内径(D2)+α，这里，α是与设计者自己设定的密封过盈量相关的设定值。
在S6中，凸缘厚度比率(X)被临时确定。
在S7中，基于S6中已临时确定的凸缘厚度比率(X)临时确定销部分的凸缘厚度(lt)和凸缘部分的外径(DB)。
具体地说，销部分中的凸缘厚度(lt)是由下述公式5得到的。
lt＝X·(t/OD)·D2/{1-2·X(t/OD)}...(5)另外，销部分的凸缘外径(DB)是由下述公式6得到的。
DB＝D2+2lt...(6)在S8中，螺纹啮合高度(h)被临时确定。螺纹啮合高度(h)是由设计者自己设定的基于管子外径(OD)或者管子外径(OD)和管子壁厚(t)的常数。例如，当OD≤4-1/2英寸时，h设为1.016，当4-1/2英寸＜OD≤7-3/4英寸时，h＝1.575，当7-3/4英寸＜OD≤14英寸时，h＝1.982。
在S9中，螺纹锥度(Tt)是基于已确定的管子外径(OD)、临时确定的销部分凸缘外径(DB)和全啮合螺纹长度(L)而被临时确定的，其中所述销部分凸缘外径(DB)就是销部分凸缘根部的位置。例如，螺纹锥度(Tt)由如下公式7得到。
1/Tt＝(OD-DB-2c-2h-2∈)/L...(7)符号c是螺纹底径和在销部分的凸缘根部位置上的销部分的凸缘根部外直径之间的差值的1/2。符号∈是在凸缘根部位置的螺纹牙顶部分的半径和螺纹斜面顶部(thread bevel top portion)半径之间的差值。
在S10中，全啮合螺纹长度(L)被临时确定。具体地说，为了满足S2中的条件，它由公式8得到。
L＝(OD-DB-2c-2h-2∈)·Tt...(8)在S11和S12中，凸缘长度(l)、销部分的密封长度(SP)、密封锥度(Ts)、肩角(θ1)和凸缘厚度比率(X)是基于已临时确定的销部分的凸缘厚度(lt)和销部分的凸缘外径(DB)而被临时确定的，其中所述的凸缘外径(DB)是凸缘根部外直径，所以函数f大于1.2。
具体地说，函数f由下述公式9得到。
f＝-3.26×10-1+3.19×10-2(θ1)+1.43(X)-4.67×10-4(l)+8.39×10-2(SP)-6.22×10-1(Ts)...(9)其中，5°≤θ1≤20°，0.52≤X≤0.75，6mm≤l≤30mm，3mm≤SP≤10mm和1≤Ts≤16。
在S13，S14和S15中，销部分凸缘的形状是基于在S12中临时确定的凸缘长度(l)、销部分的密封长度(SP)、密封锥度(Ts)、肩角(θ1)和凸缘厚度比率(X)而被确定的，并且销部分螺纹切削开始时的斜面部分的角度(the angle of the bevel portion)(θ2)和销部分的内表面切削角度(θ3)被确定。
在S16中，销部分的凸缘厚度(lt)和销部分的凸缘根部外径(DB)是基于在S12中已临时确定的凸缘长度(l)、销部分的密封长度(SP)、密封锥度(Ts)、肩角(θ1)和凸缘厚度比率(X)而被确定的。
在S17中，螺纹锥度(Tt)和全啮合螺纹长度(L)是基于在S16中已确定的凸缘厚度(lt)和凸缘根部外径(DB)而被确定的。
在S18中，套部分的螺纹平行部分的直径(DA)是基于在S16中已确定的销部分的凸缘厚度(lt)和销部分的凸缘根部外径(DB)而被确定的。
具体地说，套部分的螺纹平行部分的直径(DA)由下述公式10得到。
DA＝DB+2d...(10)这里，符号d是表示销部分的凸缘根部外径和套部分的螺纹平行部分的直径DA之间差值的常数。设计者可以设置此值，如d＝0.2mm。
在S19中，负荷牙侧角(α)、入扣牙侧角(β)、入扣牙侧之间的间隙(δ)以及螺纹牙顶之间的间隙(γ)被确定。具体地说，入扣牙侧角(β)由公式11得到。
β≤tan-1[γtan(α)δtan(α)-γ]----(11)]]>其中0＞α＞-20°，γ是一个极小的值，25°＜β＜45°，并且δ是一个极小的正值，它在工人能够执行加工的范围中，并且是考虑了成本和性能而选出的值。
在S20中，螺纹节距(P)被确定。具体地说，螺纹节距(P)被设为基于管子外径(OD)，或基于管子外径(OD)和管子壁厚(t)的常数。例如，当OD至少为2英寸并且小于2-7/8英寸时，P＝8个牙顶，当OD至少为2-7/8英寸并且小于4-1/2英寸时，P＝6个牙顶，当OD至少为4-1/2英寸并且小于8-5/8英寸时，P＝5个牙顶，当OD至少为8-5/8英寸并且最多为14英寸时，P＝4个牙顶。
在S21中，套部分的密封长度(SB)被确定。
具体地说，当SB＞SP时，SB＞SP+2.0，并且套部分的密封长度(SB)由下述公式12得到，当SB≤SP时，它由下述公式13得到。
SB＞Is·Ts+SP+R4·tan[90-1/2{90+tan-1[I/(2Ts)]+θ5}]·cos{tan-1[I/(2Ts)]}...(12)Ps-cos{tan-1[1/(2Ts)]}·[R1·tan[90-1/2{180-tan-1[1/(2Ts)]+tan-1[1/(2TD)]}]+R4·tan[90-1/2{90-tan-1[1/(2Ts)]+θ5]}]≥SB≥Is·Ts+cos{tan-1[1/(2Ts)]}·[R2·tan[90-1/2{90+tan-1[1/(2Ts)]-θ1}]+R4·tan[90-1/2{90-tan-1[1/(2Ts)]+θ5}]]...(13)这里，Is表示密封过盈量，TD表示销部分凸缘部分的锥度(不是密封部分的)，θ5表示套密封部分的张角。
在S22中，中径(Dp)被确定。
具体地说，中径Dp由下述公式14得到。
Dp＝(OD+μ)-h...(14)这里，μ是API确定的值。例如，当OD≤4-1/2英寸时，它是0.009英寸，当OD≤14英寸时，它是0.016英寸。
在S23中，套部分的外直径(W)被确定。设定套部分的外直径W，使得套的临界横截面区域(ABC)比管子的标准横截面区域(APC)大。套的临界横截面区域(ABC)的直径的确定取决于临界横截面位于哪，所以它由设计者确定。
在S24中，销部分中径的位置(LPt)被确定。具体地说，销部分中径的位置(LPt)是由下述公式15得到。
LPt＝L+l+(h+c)/{(1/tanθ2)-(1/2Tt)}...(15)在S25中，螺纹过盈量(It)被确定。具体地说，螺纹过盈量It由下述公式16和17得到。
It=δy·La2·(1+DI2/La2+dp2/Lb2)E·dp----(16)]]>It=2·δy·La2·dp·(1+DI2/La2+dp2/Lb2)E·(W2+dp2)----(17)]]>其中，δy表示材料的屈服强度(MPa)，E表示接合材料的杨式模量(MPa)，W表示套的外直径(mm)，DI表示销的内直径(mm)，dp表示螺纹的节圆直径(mm)，La2表示(dp2-DI2)，Lb2表示(W2-dp2)。
在S26中，套部分的肩深度(LB)被确定。具体地说，套部分的肩深度LB由下述公式18得到。
LB＝l+L+(h+c)/{(1/tanθ1)-(1/2Tt)}+2·(h+2γ)·Tt+(h+2γ)/{tanθ4-1/(2·Tt)}...(18)这里，θ4是套部分端部表面的内部斜面上的角度。
在S27中，套部分的肩长度(IRes)被确定。
在S28中，套部分的总长度(NL)是基于已确定的套部分的肩长度(IRes)而被确定。具体地说，套部分的总长度(NL)是由下述公式19得到。
NL＝2LB+IRes...(19)在S29中，套部分的中径的位置(LBt)被确定。具体地说，套部分的中径的位置(LBt)由下述公式20得到。
LBt＝l+L+(h+c)/{(1/tanθ2)-(1/2Tt)}-(It·Tt)...(20)在S30中，凸缘部分端部的直径(Papex)、销部分密封平行部分的半径(R1)和销部分密封端部的半径(R2)被确定。具体地说，凸缘部分端部的直径(Papex)由公式21和21’得到。
Papex＝DB-SP/Ts ...(21)Papex＝DB-(l-SP-l′)/TD-SP/Ts ...(21′)当除销密封凸缘部分的密封部分以外的部分平行时(当有销密封平行部分时)，利用公式21，当销密封凸缘部分的密封部分之外存在有锥形时(当存在代替销密封平行部分的锥形部分时或当平行部分和锥形部分都存在时)，利用公式21’。
这里，l′表示销凸缘部分的平行部分的长度。
销部分的密封部分的半径(R1)由下述公式22和22’得到。
R1≥1.0/tan[(1/2)·tan-1(1/2Ts)] ...(22)R1≥1.0/tan[(1/2){tan-1(1/2Ts)-tan-1(1/2TD)}]...(22′)销部分密封端部的半径(R2)由设计者自己设定。
在S31中，套部分密封端部的直径(Bapex)是基于已确定的凸缘部分端部的直径(Papex)、销部分密封平行部分的半径(R1)和销部分密封端部的半径(R2)而被确定的。具体地说，套部分密封端部的直径Bapex由公式23得到。
Bapex＝Papex-Is...(23)这里，Is表示密封过盈量。
在S32中，套部分密封端部的半径R3被确定，使得它小于已确定的销部分密封端部的半径(R2)。
在S33中，如果必要，套部分密封根部的半径(R4)被确定，在这种方式下，此实施例中，螺纹接合的每部分的尺寸均被确定。如果螺纹接合的每部分的尺寸根据此实施例的步骤设定，那么油井管的在先螺纹接合能够由本领域普通技术人员容易地、准确地设计和加工出来。
图3显示了本发明的另一种模式。当加工管子的螺纹接合时，其中所述螺纹接合具有销部分和套部分，所述销部分有阳螺纹，所述阳螺纹包括螺纹横截面形状大致为梯形的锥形螺纹，所述套部分有与所述阳螺纹啮合的阴螺纹，所述阴螺纹包括螺纹横截面形状大致为梯形的锥形螺纹，金属密封部分，包括设在销部分上且用于形成金属密封部分的无螺纹部分和设在套部分上且用于形成金属密封部分的无螺纹部分，所述金属密封部分紧邻上述用于形成金属密封部分的无螺纹部分，扭矩肩部分，包括设置在销部分端部且用于形成扭矩肩部分的无螺纹部分，和设置在套部分上且用于形成扭矩肩部分的无螺纹部分，所述扭矩肩部分紧邻上述用于形成扭矩肩部分的无螺纹部分，通过执行下述的第一步骤A到下述的第五步骤E来确定每部分的尺寸。在图中，(A)-(E)对应步骤A-E。
第一步A具有销部分的管子的管子外径(OD)和管子壁厚(t)被确定，基于已确定的管子外径(OD)和管子壁厚(t)确定螺纹节距(P)。
第二步B基于已确定的管子外径(OD)和管子壁厚(t)确定套部分和销部分的全啮合螺纹长度的允许范围，全啮合螺纹长度(L)被临时确定。
在下述第三步C中，基于已确定的管子外径(OD)和管子壁厚(t)临时确定凸缘厚度比率(X)，基于已临时确定的凸缘厚度比率(X)临时确定销部分的凸缘厚度(lt)和销部分的凸缘根部外径(DB)。
基于在本方式中已确定的管子外径(OD)和管子壁厚(t)以及已临时确定的全啮合螺纹长度(L)和已临时确定的销部分的凸缘根部外径(DB)，临时确定螺纹锥度(Tt)。
第三步C基于已确定的管子外径(OD)和管子壁厚(t)确定销部分的凸缘内直径(D2)，基于已确定的销部分的凸缘内直径(D2)确定套部分的内直径(D1)，基于已临时确定的销部分的凸缘厚度(lt)和销部分的凸缘外径(DB)临时确定凸缘长度(l)、销部分的密封长度(SP)、密封锥度(Ts)、肩角(θ1)和凸缘厚度比率(X)，使得函数f大于1.2，从而确定销凸缘的形状，基于已确定的销凸缘的形状，(i)销部分的凸缘厚度(lt)和销部分的凸缘根部外径(DB)被确定，并且基于销部分的凸缘厚度(lt)和凸缘根部外径(DB)确定套部分的螺纹平行部分直径(DA)、螺纹锥度(Tt)和全啮合螺纹长度(L)，和(ii)基于销部分的密封部分的各部分尺寸确定包括套部分的密封长度(SB)的密封部分形状和套部分密封端部的直径(Bapex)。
其它部分尺寸能以相同的方式依次确定。
第四步D基于已确定的管子外径(OD)和管子壁厚(t)确定螺纹啮合高度(h)，基于螺纹啮合高度(h)确定中径(Dp)，并且基于中径(Dp)，(i)确定套部分的外径(W)和销部分中径的位置(LPt)，
(ii)确定螺纹过盈量(It)，以及(iii)确定套部分的肩深度(LB)和套部分的肩长度(IRes)，基于套部分的肩深度(LB)和套部分的肩长度(IRes)确定套部分总长度(NL)。
第五步E基于已确定的管子外径(OD)、管子壁厚(t)、螺纹啮合高度(h)和螺纹节距(P)确定负荷牙侧角(α)、入扣牙侧角(β)、入扣牙侧之间的间隙(δ)和螺纹牙顶之间的间隙(γ)。
例子将参照例子解释本发明。
参照如图2所示的油井管螺纹接合的设计步骤设计油井管的螺纹接合，并且在实现本发明的上述模式中所述螺纹接合被详细阐述。
按这种方式设计的油井管螺纹接合的销部分和套部分的主要部分的尺寸如下所示。
L＝51.1mm，a＝0.3mm，c＝0.24mm，h＝1.475mm，θ1＝15°，X＝0.57，l＝11.0mm，SP＝6mm，Ts＝4，α＝-3°，γ＝0.1mm，β＝35°，δ＝0.06mm，P＝5个牙顶，d＝0.3mm，R2＝1.0mm，IRes＝50.8mm，Is＝0.60mm，R3＝0.9mm，R4＝4.0mm这里，a是D1(套部分的内直径)和D2(销部分凸缘的内直径)之间的差值，c是在销部分的凸缘根部位置上的销部分螺纹牙底直径和销部分凸缘根部外直径之间差值的1/2。
d是DA(套部分的螺纹平行部分的直径)和DB(销部分凸缘根部外直径)之间差值的1/2。
所述油井管螺纹接合具有以下特点(1)它能抵抗由于连接管重量产生的轴向拉伸应力，(2)它能抵抗由于内部流体产生的内部压力或外部流体产生的外部压力，(3)它能被反复利用任何次，(4)它对施加在管子上的扭力，对井开发或运作期间由反复加热冷却等产生的拉伸力和压缩力等具有足够的抵抗力，以及(5)它能对内外压力保持密封属性，甚至当它反复受到上述载荷时也能保持密封属性，它被发现它能满足在先螺纹接合的所有需求。
工业实用性本发明能提供一种具体的方法，按此方法本领域普通技术人员能容易的制造油井管的螺纹接合，尤其是对各种外力具有抵抗力的螺纹接合，所述螺纹接合的抵抗力等于或高于管体的抵力。
更具体地说，本发明提供一种方法，按此方法本领域普通技术人员能容易的设计和加工在先螺纹接合。
具有这样效果的本发明的意义是极其重大的。
权利要求
1.一种制造油井管螺纹接合的方法，所述螺纹接合具有销部分和套部分，所述销部分有阳螺纹，所述阳螺纹包括螺纹横截面形状大致为梯形的锥形螺纹，所述套部分有与所述阳螺纹啮合的阴螺纹，所述阴螺纹包括螺纹横截面形状大致为梯形的锥形螺纹，设在销部分和套部分上的金属密封部分，设置在销部分端部上和套部分与所述销部分端部相邻的部分上的扭矩肩部分，其特征在于确定每部分的尺寸是通过确定具有销部分的管子的外径(OD)和管子壁厚(t)，基于已确定的管子外径(OD)和管子壁厚(t)确定销部分的凸缘内直径(D2)，基于已确定的销部分的凸缘内直径(D2)确定套部分的内直径(D1)，基于已确定的管子外径(OD)和管子壁厚(t)临时确定凸缘厚度比率(X)，基于已临时确定的凸缘厚度比率(X)临时确定销部分的凸缘厚度(lt)和销部分的凸缘根部外径(DB)，和基于已确定的管子外径(OD)和管子壁厚(t)确定螺纹啮合高度(h)和螺纹节距(P)，基于已确定的管子外径(OD)和管子壁厚(t)，以及基于已临时确定的销部分的凸缘外径(DB)、已临时确定的全啮合螺纹长度(L)和已确定的螺纹啮合高度(h)临时确定螺纹锥度(Tt)，基于已临时确定的销部分的凸缘厚度(lt)和销部分的凸缘根部外径(DB)确定凸缘长度(l)、销部分的密封长度(SP)、密封锥度(Ts)、肩角(θ1)和凸缘厚度比率(X)，使得函数f大于1.2，从而确定销部分凸缘的形状，确定销部分的凸缘厚度(lt)和销部分的凸缘外径(DB)，并且也可确定凸缘部分端部的直径(Papex)，基于已确定的销部分的凸缘厚度(lt)、销部分的凸缘根部外径(DB)和螺纹啮合高度(h)，确定螺纹锥度(Tt)和全啮合螺纹长度(L)，并且确定套部分的螺纹平行部分直径(DA)，确定负荷牙侧角(α)、入扣牙侧角(β)、入扣牙侧之间的间隙(δ)以及螺纹牙顶之间的间隙(γ)，基于套部分的密封长度(SP)和销部分的各部分尺寸确定密封部分的形状，其中所述密封部分的形状包括套部分的密封长度(SB)。
2.一种制造管子螺纹接合的方法，所述螺纹接合具有销部分和套部分，所述销部分有阳螺纹，所述阳螺纹包括螺纹横截面形状大致为梯形的锥形螺纹，所述套部分有与所述阳螺纹啮合的阴螺纹，所述阴螺纹包括螺纹横截面形状大致为梯形的锥形螺纹，设在销部分和套部分上的金属密封部分，设置在销部分端部上和套部分与所述销部分端部相邻的部分上的扭矩肩部分，其特征在于通过执行下述的步骤1到步骤5确定每部分尺寸步骤1确定具有销部分的管子的外径(OD)和管子壁厚(t)，基于已确定的管子外径(OD)和管子壁厚(t)确定螺纹节距(P)；步骤2基于已确定的管子外径(OD)和管子壁厚(t)临时确定套部分和销部分的全啮合螺纹长度(L)，在下述第三步中，基于已确定的管子外径(OD)和管子壁厚(t)临时确定凸缘厚度比率(X)，基于已临时确定的凸缘厚度比率(X)临时确定销部分的凸缘厚度(lt)和销部分的凸缘根部外径(DB)，并且基于已确定的管子外径(OD)和管子壁厚(t)、以及临时确定的全啮合螺纹长度(L)和临时确定的销部分的凸缘根部外径(DB)，临时确定螺纹锥度(Tt)；步骤3基于已确定的管子外径(OD)和管子壁厚(t)确定销部分的凸缘内直径(D2)，基于已确定的销部分的凸缘内直径(D2)确定套部分的内直径(D1)，基于已临时确定的销部分的凸缘厚度(lt)和销部分的凸缘外径(DB)临时确定凸缘长度(l)、销部分的密封长度(SP)、密封锥度(Ts)、肩角(θ1)和凸缘厚度比率(X)，从而确定销部分凸缘的形状，使得函数f大于1.2，基于已确定的销凸缘的形状，(i)确定销部分的凸缘厚度(lt)和销部分的凸缘根部外径(DB)，基于销部分的凸缘厚度(lt)和凸缘根部外径(DB)确定套部分的螺纹平行部分直径(DA)，并且确定螺纹锥度(Tt)和全啮合螺纹长度(L)，和(ii)基于销部分的密封部分的各部分尺寸确定包括套部分的密封长度(SB)的密封部分的形状和套部分的密封端部的直径(Bapex)；步骤4基于已确定的管子外径(OD)和管子壁厚(t)确定螺纹啮合高度(h)，基于螺纹啮合高度(h)确定中径(Dp)，并且基于中径(Dp)(i)确定套部分的外径(W)和销部分中径的位置(LPt)，(ii)确定螺纹过盈量(It)，以及(iii)确定套部分的肩深度(LB)和套部分的肩长度(IRes)，基于套部分的肩深度(LB)和套部分的肩长度(IRes)确定套部分的总长度(NL)；步骤5基于管子外径(OD)、管子壁厚(t)、螺纹啮合高度(h)和螺纹节距(P)确定负荷牙侧角(α)、入扣牙侧角(β)、入扣牙侧之间的间隙(δ)和螺纹牙顶之间的间隙(γ)。
3.根据权利要求1或2所述的制造管子螺纹接合的方法，其特征在于，销部分和套部分的全啮合螺纹长度(L)的允许范围是，当{管子壁厚(t)/管子外径(OD)}至少为0.096时，至少3倍于管子壁厚；当{管子壁厚(t)/管子外径(OD)}至少为0.084时，至少4倍于管子壁厚；当{管子壁厚(t)/管子外径(OD)}至少为0.052时，至少5倍于管子壁厚；当{管子壁厚(t)/管子外径(OD)}小于0.052时，至少5倍于管子壁厚，且销部分的凸缘内径(D2)小于或等于管子内径(D1)。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的制造管子螺纹接合的方法，其特征在于，销部分中的凸缘厚度(lt)是由下述公式5得到lt＝X·(t/OD)·D2/{1-2·X(t/OD)}...(5)
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的制造管子螺纹接合的方法，其特征在于，基于管子外径(OD)或者管子外径(OD)和管子壁厚(t)确定螺纹啮合高度(h)。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的制造管子螺纹接合的方法，其特征在于，螺纹锥度(Tt)由如下公式7得到1/Tt＝(OD-DB-2c-2h-2∈)/L...(7)其中，符号c是螺纹底径和在销部分的凸缘根部位置上的销部分的凸缘外径之间的差值的.1/2，符号∈是在凸缘根部位置处螺纹牙顶部分的半径与螺纹斜面顶部的半径之间的差。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的制造管子螺纹接合的方法，其特征在于，全啮合螺纹长度(L)由公式8得到L＝(OD-DB-2c-2h-2∈)·Tt...(8)
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的制造管子螺纹接合的方法，其特征在于，函数f由下述公式9得到f＝-3.26×10-1+3.19×10-2(θ1)+1.43(X)-4.67×10-4(l)+8.39×10-2(SP)-6.22×10-1(Ts)...(9)其中，5°≤θ1≤20°，0.52≤X≤0.75，6mm≤l≤30mm，3mm≤SP≤10mm和1≤Ts≤16。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的制造管子螺纹接合的方法，其特征在于，入扣牙侧角β由公式11得到β≤tan-1[γtan(α)δtan(α)-γ]---(11)]]>其中0＞α＞-20°，γ是一个极小的值，25°＜β＜45°，并且δ是在考虑成本和性能的基础上工人可掌握的范围中的一个极小的正值。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的制造管子螺纹接合的方法，其特征在于，螺纹节距(P)是基于管子外径(OD)，或基于管子外径(OD)和管子壁厚(t)而被确定的。
11.根据权利要求1-10中任意一项所述的制造管子螺纹接合的方法，其特征在于，当SB＞SP时，SB＞SP+2.0，并且由下述公式12得到，当SB≤SP时，它由下述公式13得到。SB＞Is·Ts+SP+R4·tan[90-1/2{90+tan-1[1/(2Ts)]+θ5}]·cos{tan-1[1/(2Ts)]}...(12)Ps-cos{tan-1[1/(2Ts)]}·[R1·tan[90-1/2{180-tan-1[1/(2Ts)]+tan-1[1/(2TD)}]+R4·tan[90-1/2{90-tan-1[1/(2Ts)+θ5]}]≥SB≥Is·Ts+cos[tan-1{1/(2Ts)}]·[R2·tan[90-1/2{90+tan-1[1/(2Ts)]-θ1}]+R4·tan[90-1/2{90-tan-1[1/(2Ts)]+θ5}]]...(13)这里，Is表示密封干涉量，TD表示销凸缘锥形部分的锥度，θ5表示套密封部分的张角。
12.根据权利要求1-11中任意一项所述的制造管子螺纹接合的方法，其特征在于，中径Dp由下述公式14得到Dp＝(OD+μ)-h...(14)其中μ是基于管子外径(OD)设定的常数。
13.根据权利要求1-12中任意一项所述的制造管子螺纹接合的方法，其特征在于，螺纹过盈量It由下述公式16或17得到，在整个长度上由公式12或公式13计算的值中，最小值被定为螺纹过盈量It的上限，上限值的5％被定为螺纹过盈量It的下限It=δy·La2·(1+DI2/La2+dp2/Lb2)E·dp----(16)]]>It=2·δy·La2·dp·(1+DI2/La2+dp2/Lb2)E·(W2+dp2)----(17)]]>其中，δy表示材料的屈服强度(MPa)，E表示接合材料的杨式模量(MPa)，W表示套的外直径(mm)，DI表示销的内直径(mm)，dp表示螺纹的节圆直径(mm)，La2表示(dp2-DI2)，Lb2表示(W2-dp2)。
14.根据权利要求1-13中任意一项所述的制造管子螺纹接合的方法，其特征在于，套部分的肩深度LB由下述公式18得到LB＝l+L+(h+c)/{(1/tan(θ1))-(1/2Tt)}+2·(h+2γ)·Tt+(h+2γ)/{tan(θ4)-1/(2·Tt)}...(18)其中，θ4是套部分端部表面的内部斜面上的角度。
15.根据权利要求1-14中任意一项所述的制造管子螺纹接合的方法，其特征在于，套部分密封端部直径Bapex由公式23得到Bapex＝Papex-Is...(23)其中Is表示密封过盈量。
16.根据权利要求1-15中任意一项所述的制造管子螺纹接合的方法，其特征在于，所述管子是油井管。
全文摘要
一种制造油井管螺纹接合的方法，其中所述螺纹接合包括具有阳螺纹的销部分、具有阴螺纹的套部分、分别设在销部分和套部分上的金属密封部分以及分别设置在销部分端部上和套部分与所述销部分端部相接触的部分上的扭矩肩部分，包括为确定每部分尺寸提供的设计程序的步骤，由此可以设计和制造具有极好的抵抗内外压力的抗漏性的高强度螺纹接合。
文档编号F16L15/00GK1507546SQ0182327
公开日2004年6月23日 申请日期2001年3月19日 优先权日2001年3月19日
发明者前田惇, 前田 申请人:住友金属工业株式会社, 法国瓦卢莱克曼内斯曼石油天然气公司