专利名称：钢管用螺纹接头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于连结在开采、生产埋藏在地下的原油、天然气、甲烷水合物、地下水、温泉等气体状或液体状的地下资源时所采用的钢管(其代表例是油井管)的钢管用螺纹接头。更具体地讲，本发明涉及改良钢管用螺纹接头中的、特别是美国石油协会(American Petroleum Institutes, API)的规格所规定的圆螺纹(round thread)接头。
背景技术：
油井管等地下资源开采用的钢管通常由螺纹接头连接。这种螺纹接头通常采用公扣一母扣构造，该公扣一母扣构造由具有外螺纹部的公扣和具有螺纹接合于该外螺纹部的内螺纹部母扣构成。作为典型的结构，公扣形成在被连结的钢管的两管端部的外表面上，母扣形成在被称作接箍的另外的连结用构件的内表面上。将上述这样的螺纹接头称作接箍方式的螺纹接头。此外，也存在整体(integral)方式的螺纹接头，该整体方式的螺纹接头在钢管的一端的外表面上设有公扣、在其另一端的内表面上设有母扣，不使用接箍而直接将钢管彼此连结起来。公扣和母扣的螺纹牙可从梯形螺纹(偏梯形螺纹)、三角螺纹(圆螺纹)、倒钩螺纹(hook thread)等中选择。在上述这样的钢管用螺纹接头中，存在被称为所谓的API接头的、由美国石油协会规格化的标准的螺纹接头。图4是表示接箍方式的API规格的圆螺纹接头的纵截面形状的剖视图。
图4所示的接箍方式的圆螺纹接头I由分别形成在被连结的钢管2、3的管端部的外表面上的公扣、形成在较短的连结构件(接箍)4的内表面上的母扣构成。公扣通过在钢管2、3的管端部的外表面上设置锥形外螺纹部2a、3a而形成，该锥形外螺纹部2a、3a是螺纹牙在钢管轴向上的截面形状为大致三角形的圆螺纹。与公扣相对的母扣通过在接箍4的内表面的两侧设置由螺纹接合于公扣的外螺纹部2a、3a的圆螺纹构成的锥形内螺纹部4a而形成。除了内螺纹部4a之外，各母扣还在接箍4的轴向两端部包括具有比钢管2、3的外径大的内径的无螺纹套筒部4b。该无螺纹套筒部4b具有嵌入引导的作用。利用机械紧固进行螺纹接头的连结，该机械紧固采用利用液压或水压工作的、被称作动力大钳(power tong)的紧固机进行。通过达到规定的转矩反作用力或到达既定的紧固位置，完成紧固。通过将完成紧固后的公扣和母扣的螺纹彼此从刚好接触的位置进一步旋入而使其紧嵌，从而非常牢固地将其连接起来。例如，由外螺纹及内螺纹的偏芯、砂或石等的咬入以及润滑剂不足这样的紧固时的微小的不良导致螺纹部发生粘结(galling)。通常，为了不发生粘结，对螺纹接头的紧固设备、螺纹接头、涂敷于螺纹部的润滑剂以及现场的紧固过程进行管理。但是，在近年来开发有所增加的、处于恶劣的环境下的油井中，有时无法充分地进行上述管理，经常发生粘结，成为问题。迄今为止，也提出了很多通过改良涂敷于螺纹接头表面的润滑剂、根据情况预先形成在该表面的润滑覆膜以及该表面的表面处理方法(例如表面粗糙化处理)来防止粘结(改善耐粘结性)的尝试。另外，也提出了通过设计螺纹牙的形状来防止粘结的技术方案。对于通过改良润滑覆膜、表面处理来谋求防止粘结的钢管用螺纹接头而言，为了不损伤该润滑覆膜或表面处理，在操作时大多需要细心的注意。由于向油井现场的输送中途、现场的粗暴操作以及不细致的库存管理等，容易发生润滑覆膜的剥离等不良，若发生该不良，则无法提高耐粘结性能。关于螺纹牙形状的改良，在美国专利第6447025号中公开了一种使圆螺纹的公扣的外螺纹牙的顶部的圆角在插入面侧比在载荷面侧大的钢管用螺纹接头。由此，会防止螺纹紧固时的划伤(scratch)、磨损损伤。但是，在该螺纹牙形状中，虽然在紧固初期能够防 止公扣和母扣相对的螺纹的斜面损伤，但是无法防止由后述的局部的高接触状态引起的粘结。在日本特开2001 - 56075号公报所公开的钢管用螺纹接头中，公扣的外螺纹的螺距被设定在比母扣的内螺纹的螺距小I微米 7微米的范围内。由此抑制由公扣因嵌合时的泊松效果而沿轴向伸长所导致的螺纹斜面的接触力增大，从而提高耐粘结性能。即，在将公扣和母扣的螺纹部充分嵌合，公扣因泊松效果而沿轴向伸长的状态下，该钢管用螺纹接头能够发挥提高耐粘结性的效果。但是，在公扣和母扣的螺纹部尚未嵌合的紧固初期的阶段中，由公扣和母扣的螺纹螺距之差导致在螺纹斜面产生不必要的接触力，反而变得容易发生粘结。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不依赖于润滑覆膜、表面处理的改良且不变更螺纹牙形状、螺纹螺距就能够稳定地发挥优良的耐粘结性能的、包括由API规格化的圆螺纹(即接头轴向的螺纹牙的截面形状为大致三角形的螺纹，在本说明书中称作三角螺纹)的钢管用螺纹接头。本发明人利用接箍方式的螺纹接头对在施工现场产生的API规格的圆螺纹接头的粘结发生状况进行了详细的调查。其结果，自形成在钢管管端部的外表面的公扣的外螺纹部的轴向中央部朝向钢管主体侧地发生粘结，而在形成于接箍内表面的母扣的内螺纹部中，从接箍的端部到内螺纹部的轴向中央附近地发生了粘结。即，在外螺纹部的中央部的钢管顶端侧的位置和内螺纹部的中央部的接箍里侧的位置上，未发生粘结。由于粘结是由螺纹的接触压力局部极大地升高而引起的，因此，本发明人利用有限元法解析的数值模拟详细地研究了在螺纹接头的哪个部位会产生较高的接触压力。其结果，明确了位于接箍的端部的螺纹牙的接触压力与设置在其他部位的螺纹牙的接触压力相t匕，要高出几倍 几十倍左右。即，得到如下见解粘结的主要发生原因是位于接箍的端部的螺纹牙局部地以较高的接触压力接触(以下简记为“高接触状态”)。本发明人认为只要能够缓和接箍的端部(S卩，母扣的作为用于收容公扣的开口部的顶端部)的位置的螺纹牙的高接触状态，就能够消除粘结，进一步研究了接箍的端部的螺纹牙呈高接触状态的原因，其结果，明确了以下列举的(a)及(b)这两个原因。(a)螺纹的接触压力的平均大小是由嵌合力、即通过将大径的外螺纹部强行旋入小径的内螺纹部中而产生的内螺纹与外螺纹之间的互推力决定的。换言之，可以说螺纹的接触压力是由因外螺纹部而发生了扩径的内螺纹部欲收缩成原来的直径的弹性恢复力、因内螺纹部而发生了缩径的外螺纹部欲扩张成原来的直径的弹性恢复力这两种弹性恢复力产生的。在此，在接箍的轴向中央部附近的螺纹牙中，该弹性恢复力由相邻的几个螺纹牙分担，因此，每一个螺纹牙的负担变小，从而会防止螺纹的接触压力的过度上升。相对于此，在接箍端部附近的螺纹牙中，接箍的端部的无螺纹套筒部也负担欲收缩成原来的直径的弹性恢复力，因此，与接箍的轴向中央部附近的螺纹牙相比，接触压力过度上升。(b)接近接箍端部的螺纹牙是具有由内螺纹末端的斜面(bevel)(倒角)切掉螺纹牙的一部分而成的不完整形状的不完整螺纹部，由于该不完整形状的角部为部分接触(partial contact)，因此，接箍的内螺纹端部的螺纹牙的接触压力局部地过度上升。本发明人认为只要能够消除这两个原因或其中任一个原因，或者能够降低这两个原因或其中任一个原因的程度，就能够飞跃性地提高耐粘结性，从而进一步进行了反复研究，其结果，得到如下的见解为了降低API规格的圆螺纹接头中接箍的端部的螺纹牙的局 部接触压力，下述的(i) (iii)是有效的。(i)去除或者缩短设置在接箍端部的无螺纹套筒部；(ii)在接箍端部一定轴向长度的范围内切削其外表面，使其壁厚变薄(在本说明书中，将通过这样而壁厚变薄的部分称作“洼下部”);(iii)特别是在圆螺纹的情况下，为了降低接箍端部的不完整螺纹部的部分接触，将内螺纹部的螺纹末端的斜角(bevel angle)设定为与圆螺纹的斜面的角度大致相同的值，由此，能够使发生一端接触的不完整螺纹牙的数量最少。本发明是一种钢管用螺纹接头，其由能彼此嵌合的公扣和母扣构成，其特征在于，公扣具有螺纹形状为三角螺纹的外螺纹部，母扣具有螺纹接合于上述外螺纹部的、三角螺纹形状的内螺纹部和位于母扣顶端的无螺纹套筒部；该钢管用螺纹接头的形状与满足由美国石油协会(API)规定的圆螺纹接头的规格的形状的不同点在于，上述母扣的无螺纹套筒部至少被局部地去除，而使该无螺纹套筒部的母扣轴向长度为由上述规格规定的值的I /2以下(包括零)。在此，无螺纹套筒部是指设置在API规格的圆螺纹接头的母扣顶端部的、在母扣轴向上内径恒定(即内表面为圆筒面)的部分。内表面的圆筒面也容许是具有±5°以内的微小的倾斜角度的倾斜面。上述无螺纹套筒部的母扣轴向上的长度也可以是零，该方式较为理想。即，优选除去整个该套筒部，母扣不具有无螺纹套筒部。优选母扣从其端面(顶端面)到后述的位置的轴向长度的母扣部分(将该部分称作母扣“端部”)是将母扣外周面削掉API规格所规定的无螺纹套筒部的壁厚的I / 3以上、I / 2以下的厚度而成的外表面削掉部(洼下部)，该位置是相当于从内螺纹部的最接近母扣端面的螺纹牙朝里至少两个螺距的量的位置。换言之，在无螺纹套筒部的一部分残存下来的情况下，无螺纹套筒部中的洼下部的壁厚为设置洼下部之前的无螺纹套筒部的壁厚的
I/ 2以上、2 / 3以下。如上所述，在本发明的钢管用螺纹接头中，也可以完全去除无螺纹套筒部。在这种情况下，为了设置洼下部而削掉母扣外表面的厚度也以去除无螺纹套筒部之前的、API规格所规定的无螺纹套筒部的壁厚为基准，如上所述为该壁厚的I / 2以上、2 / 3以下。
洼下部的外表面形状可以是圆柱面、锥面或使圆弧、抛物线、双曲线等单纯的几何学曲线旋转而成的旋转体面，也可以是将形状不同的两种以上的面组合而成的面。在除圆柱面之外的情况下，洼下部的壁厚为在洼下部全长上的平均值。母扣还期望其内螺纹部的最接近母扣顶端的末端内螺纹牙的斜角(螺纹末端的倒角)处于三角螺纹的斜面角度(在上述规格中为30° )的±15°的范围内。本发明的钢管用螺纹接头即使在品质管理、作业管理不周而受到粗暴处理这样的油井现场，也能够在通常的润滑剂和表面处理的状态下稳定地发挥优良·的耐粘结性能。
图I是构成本发明的钢管用螺纹接头的母扣的端部的局部剖视图。图2是构成本发明的钢管用螺纹接头的母扣的各种形态例的端部的局部剖视图。图3是在实施例中进行了解析的母扣的端部的局部剖视图。图4是接箍方式的API规格的圆螺纹接头的纵剖视图。
具体实施例方式下面，参照
本发明的实施方式。图I是构成本发明的钢管用螺纹接头的母扣10的端部的局部剖视图。本发明不仅可以应用于接箍方式的钢管用螺纹接头，也可以应用于整体方式的钢管用螺纹接头。因而，具有内螺纹部的母扣如图4所示那样形成在接箍的两侧，或者形成在钢管的一端。下面，主要以接箍方式、即母扣形成在接箍上的形态为例说明本发明。钢管用螺纹接头由可彼此嵌合的公扣和母扣构成。在接箍方式的钢管用螺纹接头的情况下，公扣形成在钢管的两端。由于本发明以满足由API规定的圆螺纹接头的规格的(但是，后述的本发明的变更点除外)钢管用螺纹接头为对象，因此，公扣在钢管管端的外表面具有螺纹形状为三角螺纹的外螺纹部。如图I所示，母扣10具有无螺纹套筒部11，其设置在母扣的顶端部(插入公扣的开口端部)；内螺纹部12，其接着该无螺纹套筒部11设置在母扣的内部侧，螺纹接合于未图示的公扣的外螺纹部。在接箍方式的螺纹接头的情况下，如图4所示，母扣形成在短管(接箍)的两侧。因而，接箍在其两端部具有无螺纹套筒部11，在比该无螺纹套筒部11靠内侧的内表面上具有内螺纹部12。图I的虚线所示的轮廓表示符合API规格的圆螺纹接头的母扣10的顶端附近部13的形状。S卩，API规格的圆螺纹接头中的母扣具有无螺纹套筒部，该套筒部的母扣轴向上的长度为L2。L2是API规格的圆螺纹接头中无螺纹套筒部的轴向长度的规格值。母扣10的无螺纹套筒部11的内径比利用本螺纹接头连接的钢管主体的外径大。该无螺纹套筒部的内径在API规格中有所规定。母扣的内螺纹部与无螺纹套筒部之间通常以倾斜面(锥面)连接。将该倾斜面的角度Θ称作斜角。在图I中用虚线表示符合API规格的倾斜面。采用本发明，位于母扣10的顶端部的无螺纹套筒部11的母扣轴向上的长度L I为API规格圆螺纹接头中无螺纹套筒部的轴向长度的规格值L2的I / 2以下，也可以是零。即，满足O彡LI彡(I / 2)L2的关系。
S卩，也可以全部去掉无螺纹套筒部11，这样一来，能够获得降低螺纹的接触压力的最大效果，因此较为理想。但是，在由于制造上的原因等难以全部去掉无螺纹套筒部的情况下，如果无螺纹套筒部11的长度为API的规格值L2的一半以下的长度，也可以使无螺纹套筒部11残存下来。在本发明中，“由API (美国石油协会)规格化的圆螺纹接头”的意思是指从由APIspecification 5CT或API standard 5B规定的圆螺纹接头中、特别是从Casing Short —Thread 接头(以下简记为 “STC”)、Casing Long — Thread 接头(以下简记为 “LTC”)、Non —Upset Tubing Thread 接头(以下简记为 “NUE”)、External — Upset Tubing Thread 接头(以下简记为“EUE”)及Integral — Joint Tubing Thread接头(以下简记为“IJC”)中选择的圆螺纹接头。其中，IJC是整体方式的圆螺纹接头，因此不存在接箍。其余的是接箍方式的接头。下面，针对各螺纹接头的种类列举“由API规格化的圆螺纹接头中无螺纹套筒部的轴向长度的规格值L2”。STC在油井管主体的标称外径(以下简记为管0D)为4 一 I / 2英寸 7英寸的情况下，L2 = 0.5英寸，在管OD为7 —5 / 8英寸 13 — 3 / 8英寸的情况下，L2 = 0. 433英寸，在管OD为16英寸 20英寸的情况下，L2 = 0. 366英寸。LTC的情况在管OD为4 — I / 2英寸 7英寸的情况下，L2 = 0.5英寸，在管OD为7 —5 /8英寸 9 一 5 / 8英寸的情况下，L2 = 0.433英寸，在管OD为20英寸的情况下，L2 =0. 366英寸。NUE的情况在管OD为I. 05英寸 3 — 1/2英寸的情况下，L2 = 5/16英寸，在管OD为4英寸或4 一 I / 2英寸的情况下，L2 = 3 / 8英寸。EUE的情况在管OD为I. 05英寸 I. 9英寸的情况下，L2 = 5 / 16英寸，在管OD为2 — 3 /8英寸 4—1/2英寸的情况下，L2 = 3 / 8英寸。I.TC 的情况在管OD为I. 315英寸的情况下，L2 = 5 / 32英寸，在管OD为I. 66英寸 2. 063英寸的情况下，L2 = 5 / 16英寸。另外，母扣10其除了无螺纹套筒部11的轴向长度LI之外的母扣的整体的尺寸和形状满足由美国石油协会规格化的圆螺纹接头的规格值。但是，如后述那样，可以对母扣端部施加设置洼下部、变更斜角这样的改良(即，自API规格进行的变更)。但是，母扣和公扣的螺纹牙形状及螺纹螺距如API规格那样，不需要变更。作为母扣端部中API规格所规定的尺寸，除了无螺纹套筒部的轴向长度L2之外，还有母扣(在接箍方式的接头的情况下是接箍)的外径W (图I中的半径r2的两倍)、无螺纹套筒部的内径Q (图I中的半径r3的两倍)以及内螺纹端部的斜角Θ。在这些规格值中，内螺纹端部的斜角Θ在上述STC、LTC、NUE、EUE、IJC中全部是 65°。另一方面，对于接箍的外径W、无螺纹套筒部的内径Q，在表I 表4中记载了各接头的具体数值。另外，不言而喻，(w — Q) / 2相当于无螺纹套筒部的壁厚t2。另外，至此说明的API规格值全部是标称值，其公差全部遵照由APIspecification 5CT 或 API standard 58规定的公差。表 1
STC, LTC的接箍的无螺纹套筒部的各部的规格值
权利要求
1.ー种钢管用螺纹接头，其由能彼此嵌合的公扣和母扣构成，其特征在干， 公扣具有螺纹形状为三角螺纹的外螺纹部，母扣具有螺纹接合于上述外螺纹部的、三角螺纹形状的内螺纹部和位于母扣顶端的无螺纹套筒部； 该钢管用螺纹接头的形状与满足由美国石油协会(API)规定的圆螺纹接头的规格的形状的不同点在于，上述母扣的无螺纹套筒部至少被局部地去除，而使该无螺纹套筒部的母扣轴向长度为由上述规格规定的值的I / 2以下(包括零)。
2.根据权利要求I所述的钢管用螺纹接头，其中， 上述无螺纹套筒部的母扣轴向长度为零。
3.根据权利要求I或2所述的钢管用螺纹接头，其中， 上述母扣在从其端面到后述的位置的轴向长度的母扣部分具有将母扣外周面削掉API规格所规定的无螺纹套筒部的壁厚的I / 3以上、I / 2以下的厚度而成的洼下部，该位置是相当于从内螺纹部的最接近母扣端面的螺纹牙朝里至少两个螺距的量的位置。
4.根据权利要求3所述的钢管用螺纹接头，其中， 上述洼下部由圆柱面、锥面或使曲线旋转而成的旋转体面中的ー种或者两种以上构成。
5.根据权利要求3或4所述的钢管用螺纹接头，其中， 上述洼下部的母扣轴向长度不长于从母扣端面到后述的位置的母扣轴向长度，该位置是相当于从内螺纹部的最接近母扣端面的螺纹牙朝里至少10个螺距的量的位置。
6.根据权利要求I 5中任ー项所述的钢管用螺纹接头，其中， 上述母扣的、连接上述内螺纹部的最接近母扣顶端的末端螺纹牙和上述无螺纹套筒部的斜面的斜角处于构成上述内螺纹部的三角螺纹的斜面角度的±15°的范围内。
7.根据权利要求6所述的钢管用螺纹接头，其中， 上述斜角为30° ±15°。
全文摘要
本发明提供一种钢管用螺纹接头。该钢管用螺纹接头由具有螺纹形状为三角螺纹的外螺纹部的公扣，及具有螺纹接合于该外螺纹部的三角螺纹的内螺纹部和设置于顶端的无螺纹套筒部的母扣构成，满足由美国石油协会规定的圆螺纹接头的规格，改善了耐粘结性。缩短或者删除无螺纹套筒部，使得母扣的无螺纹套筒部的母扣轴向长度为由上述规格规定的值的1／2以下(包括零)。并且，也可以在母扣端部设置洼下部，及／或变更由上述规格规定的母扣形状，使得内螺纹部末端的斜角在内螺纹牙的斜面角度的±15°以内。
文档编号F16L15/04GK102667290SQ20108005283
公开日2012年9月12日 申请日期2010年9月17日 优先权日2009年9月29日
发明者杉野正明, 永作重夫 申请人:住友金属工业株式会社