钢管用螺纹接头的制作方法

钢管用螺纹接头的制作方法
【专利摘要】公接头(10)的外螺纹部(11)的载荷齿侧面(15)的牙型半角(θ)和母接头(20)的内螺纹部(21)的载荷齿侧面(24)的牙型半角(θ)小于0°。内螺纹部(21)自靠近密封面(26)的一侧起依次被划分为不完全螺纹部区域(21b)和完全螺纹部区域(21a)。内螺纹部(21)的螺纹牙底面(23)在两个螺纹部区域(21a、21b)的整个区域内位于同一锥面上。不完全螺纹部区域(21b)的长度为螺距的3倍以上，且螺纹高度小于完全螺纹部区域(21a)的螺纹高度。在紧固状态下，各台肩面(17、27)相互接触，各密封面(16、26)相互接触，在不完全螺纹部区域(21b)内，在外螺纹部(11)的螺纹牙底面(13)与内螺纹部(21)的螺纹牙顶面(22)之间形成有间隙。由此，能够维持针对外压的密封性能，且使针对内压的密封性能提高。
【专利说明】
钢管用螺纹接头
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于连结钢管的螺纹接头。
【背景技术】
[0002] 在油井、天然气井等（以下都总称为"油井"）中，使用利用螺纹接头依次连结而成 的钢管作为套管、油管等油井管。这种钢管用螺纹接头的形式大致分为组合(coupling)方 式和整体(integral)方式。
[0003]在组合方式的情况下，在连结对象的一对管材中，一管材为钢管，另一管材为管子 接头。在该情况下，在钢管的两端部的外周设有外螺纹部，在管子接头的两端部的内周设有 内螺纹部。然后，将钢管的外螺纹部拧入到管子接头的内螺纹部，由此，将两者紧固并连结 起来。在整体方式的情况下，连结对象的一对管材均为钢管，而不使用独立的管子接头。在 该情况下，在钢管的一端部的外周设有外螺纹部，在另一端部的内周设有内螺纹部。然后， 将一钢管的外螺纹部拧入到另一钢管的内螺纹部，由此，将两者紧固并连结起来。
[0004]通常，形成有外螺纹部的管端部的接头部分由于包含向内螺纹部插入的要素，因 此，被称为公接头(pin)。另一方面，形成有内螺纹部的管端部的接头部分由于包含接收外 螺纹部的要素，因此，被称为母接头(box)。该公接头和母接头由于是管材的端部，因此，公 接头母接头均呈管状。
[0005]图1是表示钢管用螺纹接头的整体结构的一例子的剖视图。图1所例示的螺纹接头 为组合方式的螺纹接头，该螺纹接头包括公接头10和母接头20。
[0006]公接头10自前端侧朝向基部侧起依次包括台肩面17、密封面16以及外螺纹部11。 密封面16呈锥形形状。严格而言，密封面16设为由与越朝向前端侧去直径越缩小的圆台的 周面相当的面形成的形状，或设为将该圆台的周面和与将圆弧等曲面绕管轴线CL旋转而得 到的旋转体的周面相当的面组合而成的形状。台肩面17为大致沿与管轴线CL垂直的径向延 伸的环形面，严格而言，台肩面17的外周侧朝向公接头10的前端侧略微倾斜。
[0007] 另一方面，母接头20自基部侧朝向前端侧起依次包括台肩面27、密封面26以及内 螺纹部21。该台肩面27、密封面26以及内螺纹部21分别与公接头10的台肩面17、密封面16以 及外螺纹部11相对应地设置。此处的公接头10的外螺纹部11和母接头20的内螺纹部21为相 互啮合的锥螺纹的梯形螺纹。
[0008] 外螺纹部11和内螺纹部21能够相互拧入，且在紧固状态下相互紧配合，成为过盈 配合的状态。各密封面16、26随着公接头10的拧入而相互接触，在紧固状态下紧配合，而成 为过盈配合的状态，形成基于金属与金属接触的密封部。各台肩面17、27随着向母接头20拧 入公接头10而相互接触且被按压，而发挥限制公接头10的拧入的止挡部的作用。而且，各台 肩面17、27在紧固状态下发挥对公接头10的外螺纹部11施加与拧入行进方向（前方)相反的 方向（后方)上的载荷、所谓的螺纹的紧固轴向力的作用。
[0009] 在这样结构的螺纹接头中，利用基于密封面16、26彼此之间的紧配合的密封部，能 够确保密封性能。
[0010] 近年，油井环境向高深度化以及超深海化发展，伴随于此，油井环境成为高温?高 压且高腐蚀这样严酷的环境。在这样严酷的环境下主要使用厚壁的钢管。对于连接这些钢 管的螺纹接头，除了要求耐拉伸性能、耐压缩性能等接头强度以外，还要求针对内压和外压 的优异的密封性能。
[0011] 为了提高螺纹接头的密封性能，在密封面之间产生较高的接触面压力即可。以往， 为了提高密封面的接触面压力，采取了增大密封面彼此之间的过盈量(干涉量）的对策。此 外，为了不使螺纹的紧配合作用引起密封面的接触面压力下降，采取了以限定在靠近密封 面的区域内的方式缓和螺纹的紧配合的对策(例如，参照美国专利2062407号公报(专利文 献1)、日本特开平2-80886号公报（专利文献2)、日本特开昭62-196488号公报(专利文献3) 以及日本特开平10-89555号公报(专利文献4))。
[0012] 图2是表示专利文献1、2所公开的以往的钢管用螺纹接头中的密封面附近的结构 的剖视图。在图2所示的以往的螺纹接头中，在紧固状态下，公接头10的外螺纹部11和母接 头20的内螺纹部21相互紧配合，外螺纹部11的载荷齿侧面15和内螺纹部21的载荷齿侧面24 相接触并承受紧固轴向力，并且，外螺纹部11的螺纹牙底面13和内螺纹部21的螺纹牙顶面 22相接触。其中，在靠近密封面16、26的螺纹部区域内，在外螺纹部11的螺纹牙底面13与内 螺纹部21的螺纹牙顶面22之间形成有间隙，而缓和了螺纹的紧配合。
[0013] 在此所述的外螺纹部11的载荷齿侧面15是指构成螺纹牙的前后齿侧面中、与向内 螺纹部21拧入外螺纹部11时位于前方的插入齿侧面14相反的一侧的齿侧面。内螺纹部21的 载荷齿侧面24是指构成螺纹牙的前后齿侧面中、与外螺纹部11的载荷齿侧面15相对的齿侧 面。
[0014] 根据图2所示的螺纹接头，在靠近密封面16、26的螺纹部区域内缓和了螺纹的紧配 合，因此，在作用有内压的情况下，成为公接头10的靠近密封面16的螺纹部区域自内侧被上 推而使直径扩大的状态，而使密封面16、26的接触面压力增大。
[0015]在此，在图2所示的以往的螺纹接头中，载荷齿侧面15、24的各牙型半角Θ大于〇°。 牙型半角Θ是指与管轴线CL垂直的面和齿侧面所成的角度。在此，载荷齿侧面的牙型半角以 顺时针为正，与其相反地，插入齿侧面的牙型半角以逆时针为正。当载荷齿侧面的牙型半角 Θ大于0°时，在作用有内压的情况下，自母接头20的载荷齿侧面24向下压公接头10的方向对 公接头10的载荷齿侧面15作用反作用力。因此，无法获得公接头10的充分的上推效果，在内 压作用时不太能期待密封面16、26的接触面压力的增大。
[0016]图3是表示专利文献3所公开的以往的钢管用螺纹接头中的密封面附近的结构的 剖视图。在图3所示的以往的螺纹接头中，也在靠近密封面16、26的螺纹部区域中，在外螺纹 部11的螺纹牙底面13与内螺纹部21的螺纹牙顶面22之间形成有间隙，而缓和了螺纹的紧配 合。而且，载荷齿侧面15、24的各牙型半角Θ小于〇°。
[0017]根据图3所示的螺纹接头，载荷齿侧面的牙型半角Θ小于〇°，因此，在内压作用时， 不会对公接头10的载荷齿侧面15向下压公接头10的方向作用反作用力。因此，能够获得公 接头1 〇的充分的上推效果，而在内压作用时能够期待密封面16、26的接触面压力的增大。
[0018]在此，在图3所示的螺纹接头中，在靠近密封面16、26的螺纹部区域中，公接头10的 外螺纹部11的螺纹牙顶面12以大斜率的锥角越朝向公接头10的前端侧去越缩小，螺纹高度 越朝向前端侧去越急剧降低。因此，公接头10的刚度下降。由此，公接头10的针对外压的变 形阻力变小，在外压作用时，密封面16、26的接触面压力降低。此外，由于公接头10的外螺纹 部11的前端侧的螺纹高度较低，因此，在将公接头10插入到了母接头20时，螺纹的啮合较 少，公接头10的偏心变大。由此，在开始将公接头10向母接头20拧入时，产生公接头10的外 螺纹部11的螺纹牙角部与母接头20的内螺纹部21局部接触的情况。由于在该局部的接触部 分表面压力升高，因此，容易产生粘扣。
[0019] 另外，在图3所示的螺纹接头中，母接头20的内螺纹部21的螺纹牙底面23的锥角发 生了变化。因此，加工变得复杂，而使加工时间增加、工具寿命下降，因此，还存在制造升本 上升这样的问题。
[0020] 该图2和图3所示的螺纹接头均在靠近密封面的螺纹部区域内在外螺纹部的螺纹 牙底面与内螺纹部的螺纹牙顶面之间形成间隙，从而谋求缓和螺纹的紧配合。此外，作为在 靠近密封面的区域缓和螺纹的紧配合的方法，如专利文献4所示，还存在在母接头的内螺纹 部与密封面之间设置圆周槽(凹槽)的对策。
[0021] 但是，在专利文献4所公开的螺纹接头中，由于在母接头上设置圆周槽，因此，在靠 近密封面的区域内，螺纹的啮合减少。因此，在作用有外压时，公接头变得容易缩径，而使针 对外压的密封性能下降。
[0022] 现有技术文献
[0023] 专利文献
[0024] 专利文献1:美国专利2062407号公报 [0025] 专利文献2:日本特开平2-80886号公报 [0026] 专利文献3:日本特开昭62-196488号公报 [0027] 专利文献4:日本特开平10-89555号公报

【发明内容】

[0028] 发明要解决的问题
[0029] 如上所述，以往的螺纹接头仅考虑了紧固状态下的密封面的接触面压力。即，未充 分地考虑作用有内压和外压的情况下的接触面压力的变化。
[0030] 本发明的目的在于提供具有下述的特性的钢管用螺纹接头：
[0031] 维持密封部针对外压的密封性能，并且提高密封部针对内压的密封性能。
[0032] 用于解决问题的方案
[0033] 本发明的一实施方式的钢管用螺纹接头包括管状的公接头和管状的母接头，通过 将所述公接头拧入到所述母接头从而紧固所述公接头和所述母接头。
[0034] 所述公接头自前端侧起依次包括台肩面、密封面以及外螺纹部，该外螺纹部是锥 螺纹且是梯形螺纹。
[0035] 所述母接头包括与所述公接头的所述台肩面相对应的台肩面、与所述公接头的所 述密封面相对应的密封面以及与所述公接头的所述外螺纹部相对应的内螺纹部，该内螺纹 部是锥螺纹且是梯形螺纹。
[0036] 所述外螺纹部包括螺纹牙顶面、螺纹牙底面、在向所述内螺纹部拧入时位于前方 的插入齿侧面以及与该插入齿侧面相反的一侧的载荷齿侧面。
[0037] 所述内螺纹部包括与所述外螺纹部的所述螺纹牙顶面相对的螺纹牙底面、与所述 外螺纹部的所述螺纹牙底面相对的螺纹牙顶面、与所述外螺纹部的所述插入齿侧面相对的 插入齿侧面以及与所述外螺纹部的所述载荷齿侧面相对的载荷齿侧面。
[0038] 所述外螺纹部的所述载荷齿侧面的牙型半角和所述内螺纹部的所述载荷齿侧面 的牙型半角小于〇°。
[0039] 所述内螺纹部自所述母接头的靠近所述密封面的一侧起依次被划分为不完全螺 纹部区域和完全螺纹部区域。
[0040] 所述内螺纹部的所述螺纹牙底面在所述不完全螺纹部区域和所述完全螺纹部区 域的整个区域内位于同一锥面上。
[0041] 所述不完全螺纹部区域的沿着管轴线的长度为所述内螺纹部的螺距的3倍以上， 且螺纹高度小于所述完全螺纹部区域的螺纹高度。
[0042] 在这样的结构的钢管用螺纹接头中，
[0043]在紧固状态下，各所述台肩面相互接触，各所述密封面相互接触。在所述完全螺纹 部区域内，所述外螺纹部的所述螺纹牙底面与所述内螺纹部的所述螺纹牙顶面相互接触， 并且，所述载荷齿侧面相互接触。在所述不完全螺纹部区域内，在所述外螺纹部的所述螺纹 牙底面与所述内螺纹部的所述螺纹牙顶面之间形成有间隙，并且，所述载荷齿侧面相互接 触。
[0044]在所述的螺纹接头中，优选的是，
[0045] 所述不完全螺纹部区域的沿着管轴线的长度为所述内螺纹部的螺距的8倍以下。
[0046] 另外，所述的螺纹接头能够采用这样的结构：
[0047] 所述不完全螺纹部区域的所述螺纹牙顶面位于从所述完全螺纹部区域与所述不 完全螺纹部区域之间的分界开始与管轴线平行的圆筒面上，或者位于从该所述境界开始相 对于管轴线倾斜的锥面上。
[0048] 代替该结构，所述的螺纹接头能够采用这样的结构：
[0049] 所述不完全螺纹部区域的所述螺纹牙顶面位于从所述完全螺纹部区域与所述不 完全螺纹部区域之间的分界开始与所述完全螺纹部区域的所述螺纹牙顶面的螺纹锥度平 行的锥面上。
[0050] 另外，在所述的螺纹接头中能够采用这样的结构：
[0051] 所述外螺纹部的所述螺纹牙顶面在所述不完全螺纹部区域和所述完全螺纹部区 域的整个区域内位于同一锥面上。
[0052]另外，在所述的螺纹接头中能够采用这样的结构：
[0053]所述公接头在所述密封面与所述台肩面之间具有突出部，
[0054]所述母接头具有与所述公接头的所述突出部相对应的凹部，
[0055] 在紧固状态下，所述公接头的所述突出部不与所述母接头的凹部接触。
[0056] 另外，在所述的螺纹接头中能够采用这样的结构：
[0057] 所述母接头在所述不完全螺纹部区域与所述密封面之间具有圆周槽，且所述圆周 槽的沿着管轴线的长度为所述内螺纹部的螺距的3倍以下，
[0058] 所述公接头的所述外螺纹部形成到所述圆周槽的区域。
[0059] 另外，在所述的螺纹接头中能够采用这样的结构：
[0060] 所述公接头在所述外螺纹部的后端部和中间部中的至少一者具有外压用密封面，
[0061]所述母接头具有与所述公接头的所述外压用密封面相对应的外压用密封面。 [0062] 发明的效果
[0063] 本发明的钢管用螺纹接头具有下述的显著的效果：
[0064] 能够维持密封部针对外压的密封性能，并且能够提高密封部针对内压的密封性 能。
【附图说明】
[0065] 图1是表示钢管用螺纹接头的整体结构的一例子的剖视图。
[0066] 图2是表示专利文献1、2所公开的以往的钢管用螺纹接头中的密封面附近的结构 的剖视图。
[0067] 图3是表示专利文献3所公开的以往的钢管用螺纹接头中的密封面附近的结构的 剖视图。
[0068] 图4是表示作为本发明的一实施方式的钢管用螺纹接头中的密封面附近的结构的 剖视图。
[0069] 图5是表示作为本发明的一实施方式的钢管用螺纹接头中的母接头内螺纹部的形 式的一例子的剖视图。
[0070] 图6是表示作为本发明的一实施方式的钢管用螺纹接头中的母接头内螺纹部的形 式的另一例子的剖视图。
[0071] 图7是表示作为本发明的一实施方式的钢管用螺纹接头中的母接头内螺纹部的形 式的又一例子的剖视图。
[0072] 图8是表示作为本发明的一实施方式的钢管用螺纹接头中的密封面附近的结构的 变形例的剖视图。
[0073] 图9是表示作为本发明的一实施方式的钢管用螺纹接头中的密封面附近的结构的 另一变形例的剖视图。
[0074] 图10是表示作为本发明的一实施方式的钢管用螺纹接头的变形例的剖视图。
[0075] 图11是表示作为本发明的一实施方式的钢管用螺纹接头的另一变形例的剖视图。
[0076] 图12是表示实验例的试验结果的图。
【具体实施方式】
[0077] 本发明人基于利用内压对公接头的上推效果能够提高密封面的接触面压力的构 思，实施了在靠近密封面的区域内对螺纹的紧配合的形态进行了各种变更的有限元分析， 并评价了针对内压和外压的密封性能。其结果发现了：在相互啮合的公接头的外螺纹部和 母接头的内螺纹部中，以限定在母接头的内螺纹部的方式在靠近其密封面的螺纹部区域内 降低螺纹高度而缓和螺纹的紧配合的方法较为有效。以下，说明本发明的钢管用螺纹接头 的优选的实施方式。
[0078] 图4是表示作为本发明的一实施方式的钢管用螺纹接头中的密封面附近的结构的 剖视图。本实施方式的螺纹接头以所述图1~图3所示的以往的螺纹接头的结构为基本，外 螺纹部11的载荷齿侧面15的牙型半角Θ和内螺纹部21的载荷齿侧面24的牙型半角Θ小于〇°。 即，本实施方式的螺纹接头中的锥螺纹为载荷齿侧面以钩状倾斜的梯形锥螺纹。
[0079] 母接头20的内螺纹部21自靠近密封面26的一侧起依次被划分为不完全螺纹部区 域21b和完全螺纹部区域21a。不完全螺纹部区域21b的沿着管轴线CL的长度被设定为内螺 纹部21的螺距的3倍以上。并且，不完全螺纹部区域21b的内螺纹部21的螺纹高度低于完全 螺纹部区域21a的螺纹高度。不完全螺纹部区域21b的螺纹牙底面23与完全螺纹部区域21a 的螺纹牙底面23位于同一锥面上。即，内螺纹部21的螺纹牙底面23在两个螺纹部区域21a、 21b的整个区域内位于同一锥面上。
[0080] 在紧固状态下，各台肩面17、27相互接触，各密封面16、26相互接触。在完全螺纹部 区域21a和不完全螺纹部区域21b内，外螺纹部11的载荷齿侧面15和内螺纹部21的载荷齿侧 面24均相互接触。其中，在完全螺纹部区域21a内，外螺纹部11的螺纹牙底面13和内螺纹部 21的螺纹牙顶面22相互接触，相对于此，在靠近密封面16、26的不完全螺纹部区域21b内，在 外螺纹部11的螺纹牙底面13与内螺纹部21的螺纹牙顶面22之间形成有间隙，缓和了螺纹的 紧配合。
[0081] 根据本实施方式的螺纹接头，载荷齿侧面的牙型半角Θ小于〇°，因此，在内压作用 时，不对公接头10的载荷齿侧面15向下压公接头10的方向作用反作用力。因此，能够获得公 接头10的充分的上推效果，在内压作用时能够期待密封面16、26的接触面压力的增大。 [0082]公接头10的外螺纹部11在母接头20的不完全螺纹部区域21b内也被确保为与完全 螺纹部区域21a内的公接头10的外螺纹部11相同的形式。即，外螺纹部11的螺纹牙顶面12在 内螺纹部21的不完全螺纹部区域21b和完全螺纹部区域21a的整个区域内位于同一锥面上。 因此，在不完全螺纹部区域21b能够确保公接头10的刚度，并且，能够充分地确保螺纹的啮 合。由此，在外压作用时公接头10的针对缩径的变形阻力升高，能够维持针对外压的密封性 能。而且，由于在不完全螺纹部区域21b内也确保了公接头10的外螺纹部11的螺纹高度，因 此，在将公接头10插入到了母接头20时，螺纹的啮合稳定，而难以产生粘扣。
[0083]母接头20的不完全螺纹部区域21b的长度设定为内螺纹部21的螺距的3倍以上。这 是根据以下的理由设定的。当不完全螺纹部区域21b的长度小于螺距的3倍时，内压对公接 头10的上推效果起作用的区域减小。因此，无法获得使密封面16、26的接触面压力增大那样 程度的充分的上推力。
[0084]但是，随着不完全螺纹部区域21b的范围增长，母接头20的刚度下降而使母接头20 容易变形。因此，复合载荷下的密封面16、26的接触面压力下降。另外，实际的螺纹的啮合面 积减少。因此，有可能产生公接头10自母接头20不经意地脱出的情况(脱扣）。因而，不完全 螺纹部区域21b的长度最大优选设为螺距的8倍。该长度更优选设为螺距的6倍以下，进一步 优选设为螺距的5倍以下。
[0085]另外，在本实施方式的螺纹接头中，如上所述，为了在内压作用时不妨碍公接头10 的上推效果，外螺纹部11的载荷齿侧面15的牙型半角Θ和内螺纹部21的载荷齿侧面24的牙 型半角Θ小于0°。该牙型半角Θ的下限没有特殊限定，但是，考虑到螺纹切削加工的实用性， 优选设为-15°以上，更优选设为-10°以上。
[0086] 设于母接头20的内螺纹部21(完全螺纹部区域21a和不完全螺纹部区域21b)的形 式能够应用下述(1)~(3)的形式。
[0087] (1)图5是表示作为本发明的一实施方式的钢管用螺纹接头中的母接头内螺纹部 的形式的一例子的剖视图。图5所示的内螺纹部21的不完全螺纹部区域21b的螺纹牙顶面22 位于从完全螺纹部区域21a与不完全螺纹部区域21b之间的分界开始与管轴线CL平行的圆 筒面上。通过适当地设定在螺纹切削加工之前预先形成于母接头20的螺纹底孔的形状，能 够容易地获得这样的内螺纹部21的形式。
[0088] 具体而言，设置与完全螺纹部区域21a的螺纹牙顶面22相对应的锥面的螺纹底孔 作为完全螺纹部区域21a的螺纹底孔。然后，从两个螺纹部区域21a、21b之间的分界开始设 置与管轴线CL平行的圆筒面的螺纹底孔作为不完全螺纹部区域21b的螺纹底孔。对于这样 的螺纹底孔，在自完全螺纹部区域21a到不完全螺纹部区域21b的整个区域内，使螺纹的锥 角和螺距恒定并实施螺纹切削加工即可。
[0089] (2)图6是表示作为本发明的一实施方式的钢管用螺纹接头中的母接头内螺纹部 的形式的另一例子的剖视图。图6所示的内螺纹部21的不完全螺纹部区域21b的螺纹牙顶面 22位于从完全螺纹部区域21a与不完全螺纹部区域21b之间的分界开始相对于管轴线CL倾 斜的锥面上。为了获得这样的内螺纹部21的形式，设置与完全螺纹部区域21a的螺纹牙顶面 22相对应的锥面的螺纹底孔作为完全螺纹部区域21a的螺纹底孔。另外，从两个螺纹部区域 21a、21b之间的分界开始设置越朝向前端侧去越成为广口（日文：口広私⑴的锥面的螺纹底 孔作为不完全螺纹部区域21b的螺纹底孔。对于这样的螺纹底孔，在自完全螺纹部区域21a 到不完全螺纹部区域21b的整个区域内，使螺纹的锥角和螺距恒定并实施螺纹切削加工即 可。
[0090] (3)图7是表示作为本发明的一实施方式的钢管用螺纹接头中的母接头内螺纹部 的形式的又一例子的剖视图。图7所示的内螺纹部21的不完全螺纹部区域21b的螺纹牙顶面 22位于从完全螺纹部区域21a与不完全螺纹部区域21b之间的分界开始与完全螺纹部区域 21a的螺纹牙顶面的螺纹锥度平行的锥面上。为了得到这样的内螺纹部21的形式，设置与完 全螺纹部区域21a的螺纹牙顶面22相对应的锥面的螺纹底孔作为完全螺纹部区域21a的螺 纹底孔。另外，从两个螺纹部区域21a、21b之间的分界开始沿径向下降一节、设置相对于与 完全螺纹部区域21a的螺纹牙顶面22相对应的锥面平行的锥面的螺纹底孔作为不完全螺纹 部区域21b的螺纹底孔。对于这样的螺纹底孔，在自完全螺纹部区域21a到不完全螺纹部区 域21b的整个区域内，使螺纹的锥角和螺距恒定并实施螺纹切削加工即可。
[0091] 所述(1)、（2)的形式具有在完全螺纹部区域21a与不完全螺纹部区域21b之间的分 界不产生螺纹牙的高度差这样的优点。另一方面，所述(3)的形式在完全螺纹部区域21a与 不完全螺纹部区域21b之间的分界产生螺纹牙的高度差，但是由于在不完全螺纹部区域21b 内外螺纹部11的螺纹牙底面13与内螺纹部21的螺纹牙顶面22之间的间隙恒定，因此，具有 该间隙管理较为容易这样的优点。
[0092] 另外，在不完全螺纹部区域21b内，外螺纹部11的螺纹牙底面13与内螺纹部21的螺 纹牙顶面22之间的间隙根据螺纹的锥角以及沿管轴线CL的位置而不同，但设定为在内压作 用时不会妨碍公接头10的上推效果。该间隙大概为公接头10的外螺纹部11与母接头20的内 螺纹部21之间的螺纹牙高度的差(通常为0.1mm~0.2mm左右）以上即可。
[0093] 此外，本发明并不限定于所述的实施方式，在不偏离本发明的主旨的范围内，能够 进行各种变更。例如，如图8所示，还能够采用如下结构:公接头10在密封面16与台肩面17之 间具有朝向前端侧伸出的突出部（日文：y-X'部）18，母接头20包括与公接头10的突出部 18相对应的凹部28。该情况下，在紧固状态下，成为公接头10的突出部18不与母接头20的凹 部28接触的结构。在这样的结构的螺纹接头中，通过设置突出部18,公接头10的刚度提高。 因此，针对外压的密封性能大幅提高。
[0094]另外，如图9所示，能够采用如下结构:母接头20在不完全螺纹部区域21b与密封面 26之间具有圆周槽29,公接头10的外螺纹部11形成到圆周槽29的区域。该圆周槽29在螺纹 部上涂布了过多的润滑剂(潤滑剤）的情况下收容润滑剂，由此，带来抑制润滑剂压力异常 上升而防止密封面16、26的接触面压力下降的效果。该情况下，圆周槽29的沿着管轴线CL的 长度设为内螺纹部21的螺距的3倍以下。这是根据以下的理由设定的。
[0095]在所述的不完全螺纹部区域21b的基础上，圆周槽29的长度越长，则内压对公接头 10的上推效果起作用的区域越增加，密封面16、26的接触面压力越增大。但是，当圆周槽29 的长度过长时，螺纹的啮合面积减少，由此，出现针对外压的密封性能下降的趋势。若圆周 槽29的长度为螺距的3倍以下，则几乎不会对针对外压的密封性能产生不良影响。
[0096] 另外，本实施方式的螺纹接头为仅在螺纹部区域的前端侧具有密封面16、26的螺 纹接头。另外，还可以独立于该密封面16、26地在螺纹部区域的后端部或中间部设置用于确 保针对外压的密封性能的外压用密封部。
[0097] 具体而言，如图10所示，还能够采用如下结构:公接头10在外螺纹部21的后端部具 有外压用密封面16A，母接头20具有与该外压用密封面16A相对应的外压用密封面26A。另 外，如图11所示，还能够采用如下结构：公接头10在螺纹部21的中间部具有外压用密封面 16B，母接头20具有与该外压用密封面16B相对应的外压用密封面26B。还能够并列设置图10 所示的后端部的外压用密封面16A、26A和图11所示的中间部的外压用密封面16B、26B。在具 有这样的外压用密封面164、26六、168、268的螺纹接头中，即使在因某种理由而导致外压越 过外压用密封面16六、26六、168、268而渗透到内压用密封面16、26的情况下，内压用密封面 16、26也会针对外压弥补密封性能。
[0098] 另外，本实施方式的螺纹接头能够应用于整体方式和组合方式中的任一方式。
[0099] 实施例
[0100] 为了确认本发明的效果，实施了基于弹塑性有限元法的数值模拟分析。
[0101] <实验条件>
[0102] 在FEM分析中，对于组合方式的油井管用螺纹接头，制作了对螺纹部区域的长度进 行了各种变更的模型。通用的条件如下所述。
[0103] ?钢管的尺寸:8-5/8[inch]，64[lb/ft](外径为 219.1mm，壁厚为 19.05mm)
[0104] ?管子接头的外径:235.8mm
[0105] ?钢管（公接头）和管子接头（母接头）的等级：API (Amer i can Petro 1 eum Institute(美国石油协会））规格的Q125(屈服应力为125[ksi]的碳钢）
[0106] ?螺纹形状:锥度为1/18,螺纹高度为1.575[mm]，螺距为5.08[mm]，载荷齿侧面的 牙型半角为-3°，插入齿侧面的牙型半角为10°，插入齿侧面间隙为0.15[_]
[0107] 在FEM分析中，将材料设为各向同性硬化的弹塑性体。弹性系数设定为210[GPa]， 作为0.2%屈服强度的公称屈服强度设为125[ksi](=862[MPa])。紧固进行到公接头与母 接头之间的台肩面相接触后再旋转1.0/100圈的状态为止。
[0108] 变更后的尺寸条件如下述表1所示。
[0109] 藍
[0110] 表1
[0111]
[0112] 备注)标记*表示偏离本发明所规定的范围。
[0113] 密封性能和螺纹啮合面积表示将No. 1设为1时的比率。
[0114]试验No. 1~No. 5是基于所述图8所示的螺纹接头的模型，在母接头上未设置圆周 槽。其中的试验No. 1~No.3是母接头的不完全螺纹部区域的长度不满足本发明所规定的范 围（螺距的3倍以上）的比较例。试验No. 4和No. 5是不完全螺纹部区域的长度满足本发明所 规定的范围的本发明例。
[0115] 试验No.6~No. 12是基于所述图9所示的螺纹接头的模型，在母接头上设有圆周 槽。其中的试验No. 6和No. 7是母接头的不完全螺纹部区域的长度不满足本发明所规定的范 围的比较例。试验No.8~No. 12是不完全螺纹部区域的长度满足本发明所规定的范围的本 发明例。
[0116] <评价方法〉
[0117] 在FEM分析中，对紧固状态的模型施加了模拟IS013679Series A试验的载荷历程。 通过对该历程的内压循环(第一象限、第二象限）以及外压循环(第三象限、第四象限）中的 密封面的平均接触面压力的最小值(该值越高则表示密封面的密封性能越好)进行比较，评 价了密封面的密封性能。将试验No. 1的针对内压的密封性能以及针对外压的密封性能分别 设为1，并以相对于该试验No. 1的比率进行了该评价。作为评价基准，针对内压的密封性能 需要为1.2以上，针对外压的密封性能需要为0.85以上。
[0118] 另外，计算螺纹的啮合面积，对该啮合面积进行比较，从而评价了耐脱扣性。将试 验No . 1的啮合面积设为1，并以相对于该试验No . 1的比率进行了该评价。作为评价基准，啮 合面积最低需要为0.55以上，期望需要为0.7以上。
[0119] 而且，将密封面的密封性能满足评价标准并且啮合面积为0.55以上的模型设为 "〇：良"，并且，将啮合面积为ο. 7以上的模型设为:优"。密封面的密封性能和啮合面积 中的任一者均未满足评价基准的模型设为"Λ:不良"。
[0120] <试验结果>
[0121] 将试验结果表示在所述的表1和下述的图12中。
[0122] 在作为比较例的试验No.2、No.3以及No.6中，不完全螺纹部区域的长度较短，而无 法充分地获得公接头的上推效果。因此，未发现针对内压的密封性能的改善。
[0123] 在作为本发明例的试验No .4和No . 5中，能够获得充分的公接头的上推效果，针对 内压的密封性能提高了20%以上，并且能够将针对外压的密封性能维持得较高。
[0124] 在作为比较例的试验No . 7中，针对内压的密封性能提高。但是，圆周槽的长度过 长，在密封面的附近螺纹的啮合消失，而使外压作用时的公接头的缩径变大。因此，针对外 压的密封性能也下降了 25%。
[0125] 在作为本发明例的试验No. 8~No. 12中，除了针对内压的密封性能的提高以外，还 能够获得圆周槽对润滑剂压力的异常上升的抑制效果。
[0126] 在作为本发明例的试验No.4、No.5、No.8~No. 12的任一模型中，母接头的不完全 螺纹部区域的长度均为螺距的3倍以上且6倍以下，能够确保0.55以上的螺纹的啮合面积。 因此，能够期待较高的耐脱扣性。其中，试验No. 4、No. 5、No. 8、No . 9的母接头的不完全螺纹 部区域的长度为螺距的3倍以上且5倍以下，啮合面积较大，因而最优选。
[0127] 根据以上的结果，能够证实本发明的钢管用螺纹接头的针对内压以及外压的密封 性能优异。
[0128] 产业上的可利用性
[0129] 本发明的螺纹接头能够有效地应用于在严酷的环境下连结作为油井管使用的厚 壁钢管。
[0130] 附图标记说明
[0131] 10、公接头；11、外螺纹部；12、外螺纹部的螺纹牙顶面；13、外螺纹部的螺纹牙底 面；14、外螺纹部的插入齿侧面；15、外螺纹部(7)载荷齿侧面；16、公接头的内压用密封面； 16A、16B、公接头的外压用密封面；17、公接头的台肩面；18、突出部;20、母接头;21、内螺纹 部；22、内螺纹部的螺纹牙顶面;23、内螺纹部的螺纹牙底面;24、内螺纹部的载荷齿侧面； 25、内螺纹部的插入齿侧面;21a、完全螺纹部区域21b;21b、不完全螺纹部区域;26、母接头 的内压用密封面;26A、26B、母接头的外压用密封面;27、母接头的台肩面;28、凹部;29、圆周 槽;Θ、载荷齿侧面的牙型半角;CL、管轴线。
【主权项】
1. 一种钢管用螺纹接头，其包括管状的公接头和管状的母接头，通过将所述公接头拧 入到所述母接头从而紧固所述公接头和所述母接头，其中， 所述公接头自前端侧起依次包括台肩面、密封面以及外螺纹部，该外螺纹部是锥螺纹 且是梯形螺纹， 所述母接头包括与所述公接头的所述台肩面相对应的台肩面、与所述公接头的所述密 封面相对应的密封面以及与所述公接头的所述外螺纹部相对应的内螺纹部，该内螺纹部是 锥螺纹且是梯形螺纹， 所述外螺纹部包括螺纹牙顶面、螺纹牙底面、在向所述内螺纹部拧入时位于前方的插 入齿侧面以及与该插入齿侧面相反的一侧的载荷齿侧面， 所述内螺纹部包括与所述外螺纹部的所述螺纹牙顶面相对的螺纹牙底面、与所述外螺 纹部的所述螺纹牙底面相对的螺纹牙顶面、与所述外螺纹部的所述插入齿侧面相对的插入 齿侧面以及与所述外螺纹部的所述载荷齿侧面相对的载荷齿侧面， 所述外螺纹部的所述载荷齿侧面的牙型半角和所述内螺纹部的所述载荷齿侧面的牙 型半角小于0°， 所述内螺纹部自所述母接头的靠近所述密封面的一侧起依次被划分为不完全螺纹部 区域和完全螺纹部区域， 所述内螺纹部的所述螺纹牙底面在所述不完全螺纹部区域和所述完全螺纹部区域的 整个区域内位于同一锥面上， 所述不完全螺纹部区域的沿着管轴线的长度为所述内螺纹部的螺距的3倍以上，且螺 纹高度小于所述完全螺纹部区域的螺纹高度， 在紧固状态下，各所述台肩面相互接触，各所述密封面相互接触，在所述完全螺纹部区 域内，所述外螺纹部的所述螺纹牙底面与所述内螺纹部的所述螺纹牙顶面相互接触，并且， 所述载荷齿侧面相互接触，在所述不完全螺纹部区域内，在所述外螺纹部的所述螺纹牙底 面与所述内螺纹部的所述螺纹牙顶面之间形成有间隙，并且，所述载荷齿侧面相互接触。2. 根据权利要求1所述的钢管用螺纹接头，其中， 所述不完全螺纹部区域的沿着管轴线的长度为所述内螺纹部的螺距的8倍以下。3. 根据权利要求1或2所述的钢管用螺纹接头，其中， 所述不完全螺纹部区域的所述螺纹牙顶面位于从所述完全螺纹部区域与所述不完全 螺纹部区域之间的分界开始与管轴线平行的圆筒面上，或者位于从所述分界开始相对于管 轴线倾斜的锥面上。4. 根据权利要求1或2所述的钢管用螺纹接头，其中， 所述不完全螺纹部区域的所述螺纹牙顶面位于从所述完全螺纹部区域与所述不完全 螺纹部区域之间的分界开始与所述完全螺纹部区域的所述螺纹牙顶面的螺纹锥度平行的 锥面上。5. 根据权利要求1~4中任一项所述的钢管用螺纹接头，其中， 所述外螺纹部的所述螺纹牙顶面在所述内螺纹部的所述不完全螺纹部区域和所述完 全螺纹部区域的整个区域内位于同一锥面上。6. 根据权利要求1~5中任一项所述的钢管用螺纹接头，其中， 所述公接头在所述密封面与所述台肩面之间具有突出部， 所述母接头具有与所述公接头的所述突出部相对应的凹部， 在紧固状态下，所述公接头的所述突出部不与所述母接头的凹部接触。7. 根据权利要求1~6中任一项所述的钢管用螺纹接头，其中， 所述母接头在所述不完全螺纹部区域与所述密封面之间具有圆周槽，所述圆周槽的沿 着管轴线的长度为所述内螺纹部的螺距的3倍以下， 所述公接头的所述外螺纹部形成到所述圆周槽的区域。8. 根据权利要求1~7中任一项所述的钢管用螺纹接头，其中， 所述公接头在所述外螺纹部的后端部和中间部中的至少一者具有外压用密封面， 所述母接头具有与所述公接头的所述外压用密封面相对应的外压用密封面。
【文档编号】F16L15/04GK105899864SQ201580003780
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2015年1月9日
【发明人】井瀬景太, 太田文雄, 鹈饲信, 杉野正明
【申请人】新日铁住金株式会社, 瓦卢瑞克石油天然气法国有限公司