专利名称：油、套管螺纹接头的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种螺纹接头，特别是一种油、套管螺纹接头，属于油井管螺纹连接技术领域。
背景技术：
API(美国石油学会)标准的油、套管圆螺纹接头和偏梯形螺纹接头是我国油田最常用的油、套管螺纹接头，也是我国各油、套管生产厂的主导产品。这种产品的主要优点是技术成熟，易于加工。但由于其结构设计本身的原因，这种螺纹也存在一些固有的缺点。比如(1)易于发生粘扣。API标准规定，油管接头应能承受至少4次、套管接头至少3次上卸而不发生损坏，但按照API标准生产的油套管接头，即使上扣扭矩符合API推荐值，仍易出现粘扣，损坏螺纹齿面，而且粘扣主要发生在接头连接螺纹的两端。(2)连接强度低。API螺纹的连接强度较低，尤其是API圆螺纹，连接强度只有管体的70％左右。(3)抗应力腐蚀性能差。在有腐蚀介质的油、气井中，接头部位最容易发生应力腐蚀而损坏。这些缺点极大地限制了API螺纹接头的应用。研究表明，API螺纹的各牙并非均匀地承担着接头传递的载荷，而是在旋合两端的数牙螺纹承担了绝大部分载荷，旋合段中部的螺纹所分担的载荷十分有限，这就大大恶化了整个接头的应力分布，使接头螺纹的应力呈两头高、中间低的马鞍形，致使螺纹易粘扣，且连接强度低、抗应力腐蚀能力弱。经文献检索发现，中国专利申请号99240438，名称为油、套管偏梯形螺纹接头，申请人为上海宝钢集团公司，该专利公开了一种分段变化管体和管接箍锥度的油、套管偏梯形螺纹接头，试图通过增大管接箍螺纹始端锥度的方法，使管接箍螺纹始端与管体螺纹末端处于不完全接触状态，从而使此处的应力下降，达到优化应力分布，防止螺纹粘扣的目的。但是这种变锥度的方法主要增大螺纹啮合的径向间隙，对轴向间隙影响很小，而要改善接头的应力分布，主要靠增大接头两端的轴向间隙来实现，所以这种方法效果并不理想。同时，该设计仅仅考虑了接头的一端，而未考虑另一端，从而使另一端的应力不能降低。检索中还发现，中国专利申请号为99240437，名称为油、套管圆螺纹接头，申请人为上海宝钢集团公司，该专利公开了一种变化牙型角的油、套管圆螺纹接头，试图通过对管体和管接箍两者中一者或两者的螺纹始端一段长度上改变螺纹牙型角的方法使内、外螺纹以两种牙型角互相啮合，增大两端啮合螺纹的轴向间隙，改善接头的应力分布，防止螺纹粘扣。但该设计没有考虑到根据计算结果，螺纹啮合两端的螺纹轴向间隙应当最外端一扣最大，向里依次减小，才能达到最好的优化效果。如果象该设计那样使两端数扣啮合螺纹的间隙都增大且增大量相同，则只有在少数情况下可降低螺纹的峰值应力，多数情况下达不到目的，甚至使应力分布更加恶化。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种油、套管螺纹接头，可以合理地改变接头两端啮合螺纹的轴向间隙，使间隙的分布更加接近理想值，啮合后螺纹的应力分布更合理，最终达到提高接头连接强度、抗粘扣性能和抗应力腐蚀能力的目的。本发明由管体(一)、(二)和管接箍通过螺纹拧接构成，管接箍通过分段变螺距或者加工好后再车削的方法，使内、外螺纹拧接后在两端的2～3圈螺纹产生一定的轴向间隙，且间隙值从外到里依次减小。
管体(一)、(二)保持原状，管接箍对于偏梯形螺纹来说，对啮合长度两端的2～3圈螺纹变螺距，对于圆螺纹来说，内螺纹加工好后，对啮合长度两端的2～3圈螺纹再车削一次，第1～2或第1～3圈螺纹车削方向向外，最后2～3圈车削方向向里。
对于偏梯形螺纹来说，第1～2或第1～3圈螺纹螺距为P小，最后1～2或1～3圈螺纹螺距为P大，其余部分螺距为标准螺距P，对于圆螺纹来说，再车削时第1～2或第1～3圈螺纹的螺距为P前，最后1～2或1～3圈螺纹的螺距为P后。P-P小和P大-P以及P前-P和P后-P的值一般为0.008～0.05mm。
本实用新型油井管螺纹接头由管体和管接箍通过圆螺纹或偏梯形螺纹连接在一起，螺纹连接的锥度为1∶16，特点在于外螺纹与API标准螺纹完全相同，通过改变内螺纹的结构尺寸，使内、外螺纹啮合后，两端的2～3圈螺纹产生一定的轴向间隙，而且间隙值越靠近两端越大。这样做的结果使接头在上扣和受到轴向拉力时，各个螺纹牙的变形和受力更加均匀，从而减小了螺纹啮合两端的峰值应力，使接头应力分布更加合理。
当接头受拉力时，在螺纹啮合的最左端(L1范围左边)，外螺纹本体受力和变形为零，而内螺纹本体受力和变形最大，其差值要靠第一对螺纹牙的变形来补偿，导致第一对螺纹受力很大。同样，第二对螺纹受力比第一对小，从左向右依次类推，而在螺纹啮合的最右端(L2范围右边)，内螺纹本体受力和变形为零，外螺纹本体受力和变形最大，啮合螺纹的变形和受力从右向左依次减小。当接头上扣时，由于泊松效应，同样使接头两端的螺纹受力最大。经计算可知，整个接头的应力分布呈两头大、中间小的马鞍形。只要使接头两端的螺纹产生一定的轴向配合间隙，且间隙值从两端到中间按照一定规律依次减小，接头拧紧后和受拉伸时，应力分布就会更加均匀合理。
本发明的技术方案是这样实现的对于偏梯形螺纹接头来讲，采用变螺距的方法来实现，设计中外螺纹螺距为标准螺距，其值为5.08mm，内螺纹的螺距分为3段，前2～3牙的螺距小于标准螺距，为5.08-my，后2～3牙的螺距大于标准螺距，为5.08+mx，中间部分的螺距仍为标准螺距。其中具体选择2牙或3牙，以及mx、my的具体取值，根据油、套管的尺寸而定，根据计算，螺距的变化范围不超过0.05mm。
标准偏梯形螺纹啮合后，偏梯形螺纹拧紧后，内、外螺纹的导向面之间存在一定的间隙，为变螺距提供了可能，因外螺纹螺距与内螺纹螺距不同而产生的累积螺距误差使得螺纹啮合后产生的轴向间隙t1＜t2＜t3，即从两头向内逐渐减小，达到了设计的目的。
对于圆螺纹接头来讲，同样外螺纹保持不变，只变化内螺纹的结构。由于API圆螺纹的齿侧没有间隙，所以仅仅改变内螺纹的螺距而齿形不变会引起接头啮合后在内、外螺纹之间发生干涉。本设计将内螺纹加工好后，用单齿刀再加工一遍，加工时仍然按照变螺距进行。如果原标准螺距为P，第二次加工时内螺纹前2～3牙的螺距为P前(大于P)，后2～3牙的螺距为P后(大于P)，走刀方向相反，中间部分不车削，这样做的结果使内螺纹牙变窄，从而达到形成轴向间隙的目的，经详细计算和有限元分析，这样做的结果对接头的连接强度不会带来不利影响，相反由于应力分布更加合理，连接强度反而提高，P前和P后的值可根据具体尺寸计算得到，不同规格的油、套管，其值不同。
本发明具有实质性特点和显著进步，由于本发明针对API偏梯形螺纹和圆螺纹的不同特点，采用了分段变化螺距和加工好后再车削的方法，可以更加接近接头理想优化方案，使得载荷在各圈螺纹上的分布更加接近等载荷分布，螺纹连接的峰值应力大大减小，使油、套管在上扣时螺纹不易粘扣，同时提高了连接强度和抗应力腐蚀的能力，使其使用性能明显提高。由于本发明采用目前最为成熟的API螺纹形式进行改进，根据现有的数控机床技术，可以很容易实现，与加工标准的API螺纹相比，加工成本提高很少，这种油、套管的价格基本相当于API螺纹油、套管的价格，而性能高于API螺纹油、套管。
图1本发明结构示意图
具体实施例方式如图1所示，本发明由管体1、3和管接箍2通过螺纹4拧接构成，管接箍2通过分段变螺距或者加工好后再车削的方法，使内、外螺纹拧接后在两端的2～3圈螺纹产生一定的轴向间隙，且间隙值从外到里依次减小。
管体1、3保持原状，管接箍2对于偏梯形螺纹来说，对啮合长度两端的2～3圈螺纹变螺距，对于圆螺纹来说，内螺纹加工好后，对啮合长度两端的2～3圈螺纹再车削一次，第1～2或第1～3圈螺纹车削方向向外，最后2～3圈车削方向向里。
管接箍(2)对于偏梯形螺纹来说，第1～2或第1～3圈螺纹螺距为P小，最后1～2或1～3圈螺纹螺距为P大，其余部分螺距为标准螺距P，对于圆螺纹来说，再车削时第1～2或第1～3圈螺纹的螺距为P前，最后1～2或1～3圈螺纹的螺距为P后，P-P小和P大-P以及P前-P和P后-P的值一般为0.008～0.05mm。
结合本发明的内容提供以下三个实施例实施例一本发明用于偏梯形螺纹的情况，它由管体1、3和管接箍2通过偏梯形螺纹4拧接在一起构成，螺纹的锥度1∶16，螺纹高度1.575mm，螺距为每英寸(25.4mm)5牙，即5.08mm。管体尺寸为Φ139.7×7.72mm，接箍外径W＝153.7mm，大端端面厚度＝5.21mm。啮合螺纹长度为97.155mm，共19牙。材料特性σs＝552Mpa，E＝2.1×105Mpa。经计算选择对外螺纹两端各3牙螺纹变螺距，mx＝0.014mm，my＝0.016mm，外螺纹中部螺距为5.08mm，最右端3牙的螺距为5.08-0.016＝5.064mm，最左端3牙的螺距为5.08+0.014＝5.094mm，此时形成的轴向间隙t3｀＝0.048mm，t3＝0.042mm，t2｀＝0.032mm，t2＝0.028mm，t1｀＝0.016mm，t1＝0.014mm。经过这样处理，螺纹两端的峰值应力下降了近1/2。
实施例二本发明用于圆螺纹的情况，螺纹锥度1∶16，高度1.810mm，螺距为每英寸(25.4mm)8牙，即3.175mm。管体尺寸为Φ139.7×7.72mm，接箍外径W＝153.7mm，大端端面厚度＝5.79mm。啮合螺纹长度为81.661mm，共26牙。材料特性σs＝552Mpa，E＝2.1×105Mpa。经计算选P前＝P后＝3.175+0.015＝3.190mm，对外螺纹两端各3牙螺纹再车削，经过这样处理，螺纹两端的峰值应力下降了1/3多。
实施例三本发明用于圆柱螺纹的情况，螺纹为柱螺纹，齿高1.575mm，螺距5.08mm。管体外径140mm，壁厚10mm，接箍外径160.3mm，壁厚8.565mm，啮合螺纹长度45.72mm，共9牙。材料特性σs＝552Mpa，E＝2.1×105Mpa。经计算选择对外螺纹两端各2牙螺纹变螺距，mx＝my＝0.009mm，外螺纹中部螺距为5.08mm，最右端2牙的螺距为5.08-0.009＝5.071mm，最左端2牙的螺距为5.08+0.009＝5.089mm，此时形成的轴向间隙最两端2牙为t1＝0.018mm和再靠里面的2牙t2＝0.009mm。经过这样处理，螺纹两端的峰值应力下降了近1倍。
权利要求
1.一种油、套管螺纹接头，由管体(1)、(3)和管接箍(2)通过螺纹(4)拧接构成，其特征在于管接箍(2)通过分段变螺距或者加工好后再车削的方法，内、外螺纹拧接后在两端的2～3圈螺纹产生轴向间隙，且间隙值从外到里依次减小。
2.根据权利要求1所述的这种油、套管螺纹接头，其特征是管接箍(2)对于偏梯形螺纹来说，对啮合长度两端的2～3圈螺纹变螺距，对于圆螺纹来说，内螺纹加工好后，对啮合长度两端的2～3圈螺纹在车削一次，第1～2或第1～3圈螺纹车削方向向外，最后2～3圈车削方向向里。
3.根据权利要求1所述的这种油、套管螺纹接头，其特征是管接箍(2)对于偏梯形螺纹来说，第1～2或第1～3圈螺纹螺距为P小，最后1～2或1～3圈螺纹螺距为P大，其余部分螺距为标准螺距P，对于圆螺纹来说，再车削时第1～2或第1～3圈螺纹的螺距为P前，最后1～2或1～3圈螺纹的螺距为P后，P-P小和P大-P以及P前-P和P后-P的值一般为0.008～0.05mm。
全文摘要
油、套管螺纹接头属于油井管螺纹连接技术领域。本发明由管体(一)、(二)和管接箍通过螺纹拧接构成,管接箍通过分段变螺距或者加工好后再车削的方法,内、外螺纹拧接后在两端的2～3圈螺纹产生一定的轴向间隙,且间隙值从外到里依次减小。本发明具有实质性特点和显著进步,采用了分段变化螺距和加工好后再车削的方法,更加接近接头理想优化方案,使得载荷在各圈螺纹上的分布更加接近等载荷分布,螺纹连接的峰值应力大大减小,油、套管在上扣时螺纹不易粘扣,提高了连接强度和抗应力腐蚀的能力,使用性能明显提高,而且根据现有的数控机床技术,容易实现,成本提高很少,性能高于API螺纹油、套管。
文档编号E21B17/02GK1386953SQ02112259
公开日2002年12月25日 申请日期2002年6月27日 优先权日2002年6月27日
发明者高连新, 金烨 申请人:上海交通大学