专利名称：用于钢管的螺纹接头的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种螺纹接头，用于连接钢管，例如包括用于油井和天然气井的开采和生产的管道、套管、立管的油井管或者OCTG(石油国管道产品)，尤其涉及到用于钢管的螺纹接头，其相对于外部压力具有极好的密封性和抗压性能。
背景技术：
螺纹接头被广泛地应用于连接钢管，例如用于工业石油生产设备的OCTG和立管。
在过去，通常使用由API(美国石油组织)规定的标准螺纹接头来连接用于石油和天然气开采和生产的钢管。然而，近年来，原油和天然气的开采和生产的环境已经变得不断恶劣，从而越来越多地使用被称为高级接头的专用的高性能螺纹接头。
在每个管上的高级接头通常包括锥形螺纹；金属对金属的密封部分，即，密封面，其具有当与接头的其它构件的金属对金属密封紧密接触时形成密封的性能；扭矩台肩部分，即，在装配接头期间起到止挡件作用的台肩面。
在过去，由于竖直井是最常见的，用于OCTG的螺纹接头能充分发挥作用，只要螺纹接头能承受由于固定在其上的管道重量所导致的拉伸负载并能防止通过其内部的高压流体的泄漏即可。然而，近年来，由于油井变得越来越深，因为具有弯曲钻孔的定向井和水平井的数量增多，并且由于在恶劣的环境例如海面或者高纬度的油井的发展不断增加，要求螺纹接头有越来越多的各种性能，例如抗压性能、抗弯性能、相对于外部压力的密封性以及在油田中的容易操作性。
图2(a)和2(b)为用于OCTG的普通联接型高级接头的示意性说明图，该接头包括外螺纹构件1(以下称为公螺纹构件，或者简称为公螺纹)和对应的内螺纹构件2(以下称为母螺纹构件，或简称为母螺纹)。
公螺纹构件1在其外表面上具有外螺纹11和被称为唇的无螺纹部分12，唇位于公螺纹1的端部并且邻近外螺纹11。唇12具有在唇的外周边表面上的金属对金属的密封部分13和在唇端面上的扭矩台肩部分14。
对应的母螺纹构件2在其内表面上具有内螺纹21、金属对金属的密封部分23和扭矩台肩部分24，它们为能分别与公螺纹1的外螺纹11、金属对金属的密封部分13和扭矩台肩部分14配合或接触的部分。
图3为示出作为API锯齿螺纹示例的梯形螺纹的形状和尺寸的示意图，用于高级接头的大多数螺纹为按照该API锯齿螺纹制造的梯形螺纹。很多螺纹在螺纹齿的长宽比、牙侧角以及其它特征方面几乎都直接利用API锯齿螺纹的尺寸。
在图3中，例如，如果螺纹为具有5TPI(每英寸5个螺纹)的螺距的API锯齿螺纹，螺纹高度74为1.575mm，负载牙侧角71为3度，插入牙侧角72为10度，在插入牙侧之间的轴向间距73平均为大约100μm(即，30-180μm)。
在公螺纹和母螺纹的密封面之间设置被称为干涉或过盈的沿着径向的重叠。当装配接头直到公螺纹和母螺纹的台肩面彼此抵靠时，两个构件的密封部分彼此在接头的整个圆周上发生紧密接触以形成密封。
台肩面在装配期间起止挡件功能，并且它们也承担几乎所有施加在接头上的压缩负载。因此，除非台肩面的壁厚较大(或者除非台肩的刚度很大)，它们不能抵抗较大的压缩负载。
当外部压力施加在如上所述的传统高级接头上时，所施加的外部压力通过在螺纹之间的间距穿透到正好在密封部分前面的图2所示的部分31。
唇在壁厚方面比管体厚得多，从而它会由于穿透的外部压力经受半径减小。当外部压力增大时，在密封面之间形成间距，从而导致泄漏，即，外部流体进入管内部的情况。
如果在诸如当OCTG被设置在水平井或者定向井时的情况下，压缩负载施加在高级接头上，由于在上述API锯齿螺纹的情况下，大多数的接头在插入牙侧之间具有相对较大的间距，所以螺纹具有很差的抗压缩载荷的性能，从而大多数的压缩负载由台肩承受。
然而，台肩面的壁厚(用于压缩负载的负载承受面积)通常远小于管壁的厚度。因此，如果施加相当于管体屈服强度的40-60％的压缩负载，大多数高级接头经历了母螺纹的扭矩台肩部分的相当大的塑性变形，由此导致邻密封面的密封性明显下降。
通过增加公螺纹的刚度以提高其抗径向收缩引起的变形的性能，可改善接头相对于外部压力的密封性。为此，经常使用这样一种方法，即，预先进行减小管端的直径的被称为模锻的工艺处理，以增加唇壁的厚度。
然而，如果在套筒、被插入套筒的管卡在模锻部分上的情况下，以及在敷设管道的情况下，模锻量很大，模锻部分可在管内部流动的流体例如原油中形成湍流并产生腐蚀。因此，公螺纹唇的壁厚不能通过模锻增大太多。
在美国专利No.4,624,488和美国专利No.4,795,200中描述了用于增加公螺纹端部刚度以改善其密封性的其它传统技术。这些专利公开如下技术，其中，通过在公螺纹的密封面的端部处提供不与母螺纹接触的圆柱形部分，以增加相对于公螺纹的密封面的圆周的径向收缩引起的变形的刚度以及使接头的密封面均匀接触，来提高密封性。
在管接头的情况下，即使进行模锻，也必须设置锥形螺纹、密封面和在有限壁厚范围内的台肩面。然而，在上述现有技术中，因为唇的端部不抵靠母螺纹，所以台肩面必须设置在唇上以外的位置，从而必须减小唇的壁厚。
因此，唇的刚度可被增大以便抵抗由外部压力产生的半径减小，但是唇的刚度可被增大的程度具有极限值，并且相对于外部压力的密封性不能明显地被改善。另外，由于不能给予台肩面足够的径向宽度，因此不能得到高的抵抗压缩的性能，在压缩和外部压力的组合下密封性很差。
例如，在美国专利No.5,829,797和美国专利No.5,419,595中描述了用于给螺纹承载压缩负载的能力以便提高抗压性能的技术。美国专利No.5,829,797披露了一种螺纹，其中梯形螺纹的负载牙侧和插入牙侧彼此接触，并且径向间距被设置在螺纹牙底和螺纹牙顶之间。因为插入牙侧始终接触，所以该螺纹具有高的承受压缩负载的性能。
美国专利No.5,419,595披露一种螺纹，其中在梯形螺纹的插入牙侧之间的间距被减小到30μm或者更小，从而仅当施加压缩负载时插入牙侧彼此接触。即使该螺纹承受压缩负载的性能小于美国专利No.5,829,797中所述螺纹的承受压缩负载的性能，但是其远远高于普通锯齿螺纹的承受压缩负载性能。
然而，在美国专利No.5,829,797中披露的螺纹的情况下，如果螺纹齿的宽度变化，抗压性能、防擦伤性能、装配扭矩以及其它性能可发生很大的变化。因此，必须使得制造误差极小，由此，该螺纹具有这样的问题，即，对于成批生产是不适合的，并且制造过于昂贵。
美国专利No.5,419,595具有类似问题。也就是说，在插入牙侧之间的间距必须被设定为0-30μm的值。这样，外螺纹齿和内螺纹齿的宽度的允许变化为每个仅在±7.5μm，从而螺纹切削变得极其昂贵，并且不适于成批生产。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术的问题，并且提供一种用于钢管的螺纹接头，不仅当单独受到外部压力时而且当承受压缩负载和外部压力的组合负载或者张力和外部压力的组合负载时，该螺纹接头相对于外部压力具有极好的抗压性能，并且极大地改善了整个密封性。
图4为在进行与本发明相关的基础研究中使用的唇的示意性说明图。
为了实现上述目的，发明人相对于以下四个设计因素进行有限元分析，这四个设计因素用于确定具有上述结构的高级接头的唇的形状(1)唇厚度41，(2)唇长度42，(3)台肩角度43，(4)密封锥度(密封面的锥度)44。对于每个因素而言，他们研究其相对于外部压力在密封性方面的作用。
由此，发现唇厚度41和唇长度42在相对于外部压力的密封性能上作用最大，并且唇厚度越厚和唇长度越长，改善相对于外部压力的密封性越明显。
发现为了改善抗压性能，优选尽可能地增大唇厚度。对于台肩角度43而言，如果公螺纹的台肩角度为这样的，即，公螺纹的台肩的外部为锥形的，以形成如描述的钩形台肩面(下面该角度被称为钩角度)，则改善了在压缩和外部压力的组合负载下的密封性。然而，这样的台肩角度导致压缩负载对母螺纹构件的台肩面的损坏增大。因此，如果设置有台肩角度，优选强化母螺纹构件的台肩面，或者优选使用具有高的承载压缩负载性能的螺纹。
发现，密封锥度44对相对于外部压力对密封性的影响仅仅很小。但是，如果密封锥度很大，则当施加张力时，在密封部分上的接触压力(密封压力)显著地减小，如果密封锥度太小，则由于在装配(make-up)和拆卸(break-out)期间滑动距离的增大而在密封面上发生擦伤。
基于上述结果，发明人认为，如果尽可能地增大(加长)唇厚度和唇长度，可显著地提高相对于外部压力的密封性，同时可提高抗压性能。
关于螺纹，如果仅仅考虑抗压性能，应用在美国专利No.5,829,797和美国专利No.5,419,595中的传统技术是最好的。但是，这些传统方法具有上述问题，并且不适于批量生产。
发明人发现，即使没有采用不易生产的具有极好性能的螺纹，由于通过具有加厚的唇厚度的上述唇形状可显著地提高台肩自身的抗压性能，所以通过应用容易生产的高性能螺纹可明显地改善整个接头的抗压性能。
基于这样的想法，发明人进行了关于以下发现的实施例研究，即，唇长度越长，相对于外部压力的密封性越好。因此，可以发现，公螺纹和母螺纹的密封面仅仅在其牙底侧(靠近螺纹的一侧)接触，而从接触部分的端部到唇的末端的唇的保持非接触部分的体积的增加起到增大唇相对于外部压力的刚度的作用。
在图4的实施例中，即使增大唇长度，由于从密封面端部到唇末端的唇的非接触部分为锥形的，因此增大唇长度不会明显增加唇的非接触部分的体积，并且这不利地导致台肩面面积的减小，由此减小承载压缩负载的台肩部分的性能。因此，唇形状被变化成如图1所示的形状。
在图1中，为了尽可能地增大台肩面的壁厚，并且尽可能地增加从密封面到唇的端部的唇的非接触部分的体积，在公螺纹构件1的密封部分13和台肩部分14之间的唇12的部分15(以下被称为前端部分)被做成几乎圆柱形，前端部分15的外表面被做成不接触母螺纹构件2。
通过给予公螺纹这样的形状，台肩面的壁厚和密封面的壁厚在管的有限壁厚内成功地尽可能地增大。然而，由于制造误差，管的横截面不是完美的圆形，而是具有变化的壁厚或者椭圆形。因此，可通过对应于管的制造误差的量在公螺纹的端部的内边缘上形成斜面16，以确保公螺纹的端部的内边缘将不会伸到以接头轴线为中心的预定直径的完美的圆之外。这样，母螺纹2的内边缘也可具有如后面所述的对应斜面26。
在公螺纹上，如果螺纹被尽可能紧密地设置在密封面上，进一步提高相对于外部压力的公螺纹唇的刚度，由此也增大了相对于外部压力的密封性。
该概念与在美国专利No.4,624,488和美国专利No.4,795,200中描述的现有技术的概念相当不同的方面在于，公螺纹的端部被用作台肩面，由此与台肩面处于不同位置的现有技术相比较，可极大地增大唇的厚度。
另外，由于前端部分的壁厚可被尽可能地增大，所以仅仅通过略微增加前端部分的轴向长度(下面被称为前端长度)可极大地增大相对于外部压力的密封性。
另外，可加大台肩面，台肩部分可实现其承载压缩负载的最大性能。由此，如果承载压缩负载的性能比锯齿螺纹的承载压缩负载的性能高很多，通过应用具有前端部分的唇可显著地改善螺纹接头的抗压性能。
图1为示出根据本发明的用于钢管的螺纹接头的唇的形状和唇的周边的示意图。
图2(a)和2(b)为用于OCTG的普通联接型高级接头的示意性说明图，其中，图2(a)为图2(b)的一部分的放大图，图2(b)为整体剖视图。
图3为示出由API锯齿螺纹示例的梯形螺纹的形状和尺寸。
图4为确定与本发明相关的基础研究中使用的唇的形状的因素的示意性说明图。
图5为限定根据本发明的用于钢管的螺纹接头的唇的形状和唇的周边的因素的示意性说明图。
图6为根据本发明的用于钢管的螺纹接头的唇的形状和唇的周边的示意性说明图，其中台肩面有角度。
图7(a)为示出在母螺纹槽的内直径和从内螺纹的牙底延伸的线之间的位置关系的示意性说明图，图7(b)为示出在公螺纹的密封面和从外螺纹的牙底延伸的线或者外螺纹和前端部分的切线之间的位置关系的示意性说明图。
图8为示出本发明的另一个实施例的示意图，其中第二台肩设置在母螺纹的端面上。
图9为示出本发明的另一个实施例的示意图，其中第二密封部分设置在母螺纹的端部上。
图10为示出本发明的一个实例的示意图，其中本发明的接头被设置在公螺纹构件上，所述公螺纹构件的端部经过模锻(swaging)。
图11为示出一体接头的示意图。
图12为示出在示例的FEM分析期间在样本上施加负载的次序的示意图。
图13为用作对比示例的传统高级接头的示意说明图。
图14为示出另一个实施例的示意图，其中，外螺纹包括插入部分，在该部分所述外螺纹牙底的包络具有小于所述螺纹锥度的锥度。
图15为另一个实施例的示意图，其中具有与在所述公螺纹上的锥形面一起工作的在所述母螺纹上的复曲面圆锥形(torico-conical)密封面。
具体实施例方式
现在，将参照附图和优选实施例对本发明进行更详细的描述。在附图中，接头的相同构件或部分使用相同的附图标记。
图1和图5为根据本发明用于钢管的螺纹接头的示意性说明图，该螺纹接头包括通过螺纹接合彼此相连的公螺纹构件1和母螺纹构件2。公螺纹构件1具有外螺纹11、至少一个密封面13和至少一个形成在管端部上的台肩面14。母螺纹构件2具有分别对应于(能匹配或者接触)在管端部上形成的公螺纹构件1的外螺纹11、密封面13和台肩面14的内螺纹21、至少一个封闭面23、至少一个台肩面24。该接头为一种高级接头。
在用于钢管的这样的螺纹接头中，当在公螺纹构件1的端面上的台肩面4与母螺纹构件2的对应台肩面24抵靠在一起时，完成装配。
根据本发明，公螺纹构件具有前端部分15，该前端部分15不与母螺纹构件2的对应部分(即，母螺纹构件2的面对公螺纹构件1的前端部分15的部分)接触。前端部分15位于密封面13(其位于公螺纹构件的外周边上，比公螺纹构件的外螺纹更靠近公螺纹构件的端部)和台肩表面14(其位于公螺纹构件的端面上)之间。因此，由于唇12的长度被以没有减小台肩表面14的方式增大，所以可以极大地改善接头相对于外部压力的密封性。另外，通过将外螺纹11设置在公螺纹构件1的密封面13的附近(优选在紧靠的附近)，唇12抵抗直径减小的刚度增大，并且进一步增大相对于外部压力的密封性。
参照图5，在本发明的优选实施例中，已经发现通过限定其形状和尺寸可以改善具有上述结构的用于钢管的螺纹接头。
也就是说，发明人对每个部分的尺寸和形状的范围进行了研究，用于更有效地实现本发明的上述效果。
对于通常的高级接头，需要相当于大约管体屈服强度的20％的抗压性能。但是一些油井需要相当于屈服强度的60％以上的抗压性能。
压缩负载不仅被施加在台肩部分上而且还被施加在螺纹上。如果采用具有高的承载压缩负载性能的螺纹，相应地可减小在台肩部分上的负载。然而，如果唇厚度41(在密封接触区域50的中央部分处公螺纹的壁厚)具有至少25％并且优选至少50％的唇厚度比率(唇厚度与管体壁厚之间的比率)，仅通过唇(没有使用具有高的承载压缩负载性能的螺纹)可得到足够的抗压性能。
如果进行下述模锻，唇厚度比率的上限值可增大到大约(管体的壁厚的)85％。
由于随着密封部分和唇的前端部分的厚度增大，改善了相对于外部压力的密封性，因此设在唇端部的内表面上的斜面16相对于接头轴线的角度46优选在9-76度。
然而，管内直径的突然变化可产生湍流和侵蚀，从而母螺纹的内直径48被设定为几乎等于公螺纹唇的内直径49，并且具有倒角47和与公螺纹斜面形状类似的斜面26被设在母螺纹的台肩表面的内周边上。由此，由于与对公螺纹斜面给出的相同原因，母螺纹部分的倒角优选在104至171度的范围内。
这样，使接头直径的变化最小，从而可防止发生湍流，同时，加强母螺纹的台肩部分。由此，增大了台肩部分可承载的压缩负载的程度，以提高接头的抗压性能。
前端长度45取决于管的尺寸，但是它是大约4mm至20mm，用于用作OCTG的管的尺寸(具有大约50至550mm的外径)。
如上面所述，前端长度越长越好，但是，当前端长度达到一定长度时，对改进密封性的效果饱和，从而对于实际产品而言前端长度的最大值20mm是足够的。
优选地，当外螺纹和内螺纹为锥形螺纹时，外螺纹包括在形成外螺纹的螺纹切削期间首先形成的在螺纹的密封面侧的插入(run-in)部分。在该插入部分中，外螺纹牙底的包络(envelope)与螺纹锥形(见图14)的锥度相比具有减小的锥度。在插入部分中的螺纹牙底包络的这种减小的锥度产生几个优点容易以没有刮擦的方式机加工出公螺纹的密封面，并且唇的刚度增大，由此增大对外部压力的密闭性。优选地，如后面所述，外螺纹的插入部分没有与内螺纹接合。最为优选地，在插入部分中的外螺纹牙底的包络为圆柱形面。
公螺纹或母螺纹的密封面的形状可以为(i)锥形面，其为相对于接头轴线倾斜的直线围绕接头轴线旋转形成的，或者(ii)由曲线围绕接头轴线旋转形成的凸面，尤其如果曲线为圆弧的复曲面(torical surface)，或者(iii)复曲面圆锥形表面(torico-conical surface)，其由所述倾斜的直线和圆弧的组合线绕接头轴线旋转形成。
优选地，公螺纹和母螺纹中的一个的密封面(例如，公螺纹的密封面)为锥形表面，而其它构件的密封面(例如，母螺纹的密封面)或者为复曲面或者为复曲面圆锥形(torico-conical)面，在前端侧的复曲面圆锥形面的锥形部分具有基本上与锥形密封面的锥度相同的锥度(见图15)。
锥形密封面和复曲面圆锥形密封面的组合显示出对于各种服务条件的接触压力的极好稳定性(和密封性)，接触压力诸如由如图12的负载的负载循环产生。
对于复曲面圆锥形密封面的凸出的、复曲的(torical)或者复曲的部分，表面的曲率半径优选大于20mm，更为优选地是大于40mm。
出于上述原因，密封面相对于接头轴线的角度，即，密封锥度44优选为5至25度，更优选为10至20度。
存在密封锥度在公螺纹上涉及在密封面和前端的外表面之间的表面的不连续性。
密封面需要具有至少大约为1至1.5mm轴向长度的实质接触区域，以便保证密封性能。但是，如果密封面太长，不能得到足够的扭矩台肩部分的壁厚，并且用于完成密封面所需的费用增加，从而导致生产率下降。
因此，具有实质接触的密封面区域的轴向长度50为2至8mm，优选3至5mm。
如图5所示，台肩面可实质上与接头轴线垂直。但是，根据上述研究，如果如图6所示地设定钩角度，提高在施加有压缩负载时的密封性，如果钩角度太大，母螺纹的台肩面的刚度减小，导致抗压性能下降。因此，如果设置有台肩角度43，相对于垂直于接头轴线的平面台肩角度43优选为4至16度。
图6为当钩角度设置在根据本发明用于钢管的螺纹接头的台肩表面上时唇的形状和唇的周边的示意性说明图。
在这些实施例中，公螺纹台肩为在前部的外表面和内表面之间以非间断的方式延伸的单个表面。
在密封面之间和公螺纹和母螺纹的螺纹之间存在过盈。如果密封面与螺纹的螺纹接合部分太接近，那么由于在螺纹之间的干涉使得在密封面之间的实质过盈的程度被不利地减小。
然而，关于公螺纹，如上所述，需要具有在螺纹和密封面之间的部分中的附加螺纹，以便增加公螺纹的抵抗外部压力的刚度。
因此，公螺纹的结构优选为这样，即，外螺纹延伸，以尽可能地靠近密封面。为此，密封面优选与外螺纹间隔与最多一个螺距相等的距离，以增加唇的刚度。同时，环形槽32设置在母螺纹中，以防止在公螺纹和母螺纹的密封面附近的螺纹部分彼此接合。如果在外螺纹上设置插入部分，外螺纹的插入部分对应于外螺纹的刚提到的部分，槽32防止刚提到的部分与内螺纹接合。
如果环形槽32的轴向长度51很小，由于螺纹过盈使密封面之间的实质过盈减小。另一方面，如果槽32的轴向程度51太大，减小了密封性，使制造成本不必要地增大。槽32的长度51的优选范围为螺距的1.5至3.5倍。
图7(a)为示出了在母螺纹的槽的内直径和沿着内螺纹牙底延伸的线63之间的位置关系的示意性说明图，图7(b)为示出了在公螺纹的密封面和沿着外螺纹牙底延伸的线62或者与外螺纹和前端部分的切线61之间的位置关系的示意说明图。
如图7(a)所示，母螺纹的环形槽的内径优选为这样，即，槽的内表面被设置在相对于母螺纹的轴线的内螺纹牙底的延伸线63的径向的外部。然而，如果槽的内径过度地增大，母螺纹的外直径也被不利地增大。因此，槽的内径应该大于从母螺纹的轴线到内螺纹牙底的延伸线63的径向距离，仅在容易进行制造的程度内。
如图7(b)所示，在公螺纹的螺纹、密封面和前端(外表面)之间的位置关系为这样的，即，密封面被设置在外螺纹牙顶和公螺纹末端(前端部分)的切线61或者外螺纹牙底的延长线62的径向内部(从公螺纹的轴线测量)。
通过采用这样的结构，即使公螺纹端部在油田操作期间碰到某些东西撞，密封面也很难被破坏，并且防止密封性下降。
插入牙侧之间的间距和插入牙侧角明显影响螺纹的抗压性能。如前所述，对于API锯齿螺纹而言在插入牙侧之间的间距为30μm至180μm。假设API锯齿螺纹的制造误差的发生率为正态分布，具有在插入牙侧之间为大约100μm的间距的产品的数量最多。然而，这样的间距尺寸不会形成特别大的抗压性能。
通过进行主要基于有限元方法的研究，发明人发现如果在插入牙侧之间的间距最多为90μm，得到高的抗压性能。
但是，如果插入间距太小，在装配期间涂覆在螺纹上被称为涂料的润滑剂的压力(被称为涂料压力)可上升到不正常水平，并且不利地影响接头的性能。另外，如果插入牙侧彼此接触，如在上述美国专利No.5,829,797所述，会出现磨损或者装配扭矩的变化。
由此，可如此得到本发明的效果，即，考虑到制造误差的正态分布，将在插入牙侧之间的间距设定在10μm至150μm的范围中。优选地，在插入牙侧之间的间距为从20至90μm，以便进一步得到改善的效果。
螺纹承受压缩负载的性能随着插入牙侧角减小而增大。相反，当插入牙侧角增大时，外螺纹和内螺纹沿着一个斜面滑动，并且螺纹承受压缩负载的性能下降。在承受压缩负载的性能没有严重下降时，插入牙侧角的上限值大约36度。
另一方面，如果插入牙侧角太小，由于螺纹切削工具的磨损而使损坏变得严重，变得难以保持制造公差。因此，下限值被设定为3度。
在以上描述中，描述了本发明的实施例，其中在公螺纹端部处的唇上设置密封面和台肩面，但是除了上述实施例之外的实施例可以用于专用钢管。
例如，如图8和9所示，当本发明应用于具有加厚端的钻杆或者具有极大壁厚的OCTG时，可以有这样的实施例，即，公螺纹1和母螺纹2设有第二系列台肩面33和/或第二系列密封面34，并结合根据本发明具有前端部分的公螺纹唇12的结构。
图8为示出本发明的实施例的示意图，其具有在母螺纹端面处的母螺纹和公螺纹的第二系列台肩面。
图10为示出本发明实施例的一个示例的示意图，其中本发明的接头被设置在公螺纹构件上，该公螺纹构件具有经过模锻以减小在端部处的管的直径并且增大公螺纹唇的壁厚的端部。
即使公螺纹的端部没有经过模锻，本发明也提供了充分的密封性。然而，例如，如果需要得到很大的抗扭矩性能或者抗压性能，通过在公螺纹的端部形成本发明的螺纹接头可增大台肩面的壁厚，该端部预先已经经过模锻(见图10)。然而，在这种情况下，可适当地选择接头的内直径变化，从而不会出现湍流。
以在图2中示出的联接型接头作为示例对本发明的实施例进行说明。然而，如图11所示，上述的本发明可应用于一体接头(一种通过不使用联接件而是在管体的一端上设置公螺纹和在另一端上设置母螺纹将彼此直接相连)。
图11为示出一体接头的示意图，其中设置在管体的相应端部的公螺纹构件1和母螺纹构件2彼此直接接合，以形成螺纹接头。示例为了清楚地示出本发明的效果，对表1示出的样本进行弹塑性(elastoplastic)有限元方法数字模拟分析。
在表1示出的样本都是用于OCTG的联接型螺纹接头(如在图2中示出螺纹接头)，该螺纹接头与5-1/2″20#(lb/ft)钢管(外径139.7mm和壁厚为9.17mm)一起使用。所有样本使用的钢材为由API标准规定为P110的材料。
样本B为传统高级接头形式的比较例。其具有如图13中所示的公螺纹唇形状。在图13中，与之前使用的附图标号相同的附图标号表示相同构件。
样本C-O具有基本上与样本Q相同的接头结构，除了各部分的尺寸如表1所示地变化。
但是，对于样本J，具有上述尺寸的管体端部经受通过外部包覆(external overlaying)而加厚(upsetting)，从而其外直径增大到148.4mm，并且如图8所示，第二台肩被设置在母螺纹的端面上和对应的公螺纹上，第二台肩每个都由垂直于接头轴线的平面构成，并具具有与管体被加厚的量对应的厚度。
样本L为另一个对比例，其中台肩面被设置在母螺纹的端面上(而不是在根据本发明的公螺纹的端面上)和公螺纹的对应位置上。
在图3中限定的螺纹形状对所有样本相对于锥度(1/8)，螺纹高度74(1.575mm)，螺距(5.08mm)以及负载牙侧角71(3度)都相同。插入牙侧的轴向间距73和插入牙侧角72变化，并且与接头的其它尺寸一起在表1中示出，其它尺寸包括唇厚度比率(唇厚度41与管壁厚度的比率，其中，唇厚度在接触密封部分50的中央处测得)，前端部分的长度(前端长度)45，密封面的锥度(密封锥度)44，密封接触部分的轴向长度(密封长度)50，台肩角度43、公螺纹和母螺纹的台肩46、47的倒角，环形槽32的有和没有，以及在公螺纹的螺纹和密封面之间的距离(以螺距计算)(见图5和图6)。
在有限元分析中，以弹塑性材料作为典型，该材料各向同性地硬化并且具有210GP的弹性模量，以及具有0.2％误差的屈服强度110ksi(758Mpa)的名义屈服强度。
通过使公螺纹和母螺纹的台肩面接触，然后进行附加的1.5/100圈的转动对每个样本进行装配。
在第一分析中，对应于管体的100％的屈服强度的压缩负载(2852kN)被施加在每个装配的样本上，并且基于残余扭矩比率评估抗压性能，该残余扭矩比率被定义为在撤掉负载(对应于作为在加载之后连接的不紧固扭矩的拆卸扭矩)之后残留的保持扭矩值除以装配扭矩。(比率越大，越少发生接头变松，至少40％的值被认为是必须的)。
在第二分析中，在图12和表2中示出的负载次序被施加在每个装配样本上。通过以这个次序比较平均密封接触压力的最小值来评估相对于外部压力的密封性。(值越大，密封性越好)在表3中示出这些结果。从表3中的结果可以看出，根据本发明用于钢管的螺纹接头具有高于任何一个对比接头的残留抗扭矩性能并保持高于任何一个对比接头的密封接触压力，因此，其相对于外部压力具有极好的抗压性能和密封性。
由此，根据本发明得到了用于钢管的螺纹接头，该螺纹接头相对于外部压力具有极好抗压性能和密封性。同时，可便于在油田处理接头。虽然，即使没有进行诸如模锻的处理本发明也具有足够的性能，但是如果进行模锻以增大公螺纹唇壁厚，不但相对于外部压力的抗压性能和密封性而且抗扭性能可进一步提高。对于专用管，例如具有极大壁厚的管，通过另外提供第二台肩和/或金属对金属(metal-to-metal)密封部分，可得到相对于外部压力的高抗压性能、抗扭性能和/或密封性能。
尽管已经参照优选实施例对本发明进行了描述，但是它们仅仅是说明性的，而不是意图限定本发明。应该可以理解，本领域的技术人员可以在不脱离如权利要求所述的本发明范围的情况下对上述实施例进行修改和变化。
表1
唇厚度比率为唇厚度与管壁厚度的比率，其中，唇厚度是在密封部分的接触部分的中央的公螺纹壁厚。
表2
PBYS管体屈服强度，即，管体的屈服强度。
API在API规范5C3中规定的管体的破坏压力(压碎外部压力)
表3
(在撤掉负载之后的保持的扭矩)/装配扭矩
权利要求
1.一种用于钢管的螺纹接头，包括公螺纹和母螺纹，所述公螺纹具有外螺纹、密封面和台肩面，所述母螺纹具有内螺纹、密封面和台肩面，所述外螺纹与所述内螺纹相互接合，所述公螺纹的密封面与所述母螺纹的对应的所述密封面径向过盈，并且所述公螺纹的所述台肩面与所述母螺纹的对应的所述台肩面轴向邻接，其特征在于，(i)所述公螺纹的所述台肩面设置在所述公螺纹的端面处，(ii)所述公螺纹的所述密封面位于所述外螺纹附近的管端侧，以及(iii)前端部分设置在所述公螺纹上、所述密封面和所述台肩面之间，所述前端部分不与面对所述公螺纹的所述前端部分的所述母螺纹的部分接触。
2.根据权利要求1所述的用于钢管的螺纹接头，其特征在于，所述前端部分具有圆柱形的外表面。
3.根据权利要求1或2所述的用于钢管的螺纹接头，其特征在于，所述前端部分的轴向长度对于外径在50和550mm之间的管为在4mm和20mm之间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于钢管的螺纹接头，其特征在于，所述螺纹接头包括装置，该装置用于允许位于所述密封面附近的所述外螺纹的一部分与内螺纹避免接合。
5.根据权利要求4所述的用于钢管的螺纹接头，其特征在于，所述装置为环形槽，该环形槽设置在所述母螺纹的所述内螺纹和所述密封面之间、在所述母螺纹的内表面上。
6.根据权利要求5所述的用于钢管的螺纹接头，其特征在于，在所述母螺纹的所述内螺纹和所述密封面之间测得的所述环形槽的轴向长度在1.5至3.5个螺距之间。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的用于钢管的螺纹接头，其特征在于，当从所述公螺纹的轴线测量时，所述公螺纹的所述密封面被设置在(i)所述公螺纹的所述外螺纹的牙顶和末端的切线的径向的内部，以及(ii)所述外螺纹的牙底的延长线(62)的径向的内部。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的用于钢管的螺纹接头，其特征在于，所述公螺纹的所述密封面位于距离所述外螺纹不大于一个螺距的距离处。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的用于钢管的螺纹接头，其特征在于，所述外螺纹和所述内螺纹是锥形螺纹，并且所述外螺纹具有插入部分，在插入部分处，与所述螺纹锥形的锥度相比，所述外螺纹牙底的包络具有减小的锥度。
10.根据权利要求9所述的用于钢管的螺纹接头，其特征在于，在所述插入部分中的所述外螺纹牙底的所述包络为圆柱面。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的用于钢管的螺纹接头，其特征在于，所述公螺纹和所述母螺纹的所述台肩面为垂直于接头轴线的平面。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的用于钢管的螺纹接头，其特征在于，所述公螺纹和所述母螺纹的所述台肩面为锥形的，并且与所述接头轴线的垂线的角度小于16度，从而所述公螺纹的所述台肩面被所述母螺纹的所述台肩面钩住。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的用于钢管的螺纹接头，其特征在于，所述公螺纹和所述母螺纹的每一个的所述密封面的形状可独立地从以下各项选择(i)锥形面，锥形面由相对于接头轴线倾斜的直线围绕接头轴线旋转而产生，(ii)由曲线围绕接头轴线旋转产生的凸面，尤其如果曲线为圆弧的复曲面，以及(iii)复曲面圆锥形表面，复曲面圆锥形表面由所述倾斜的直线和所述圆弧的组合线绕接头轴线旋转而形成。。
14.根据权利要求13所述的用于钢管的螺纹接头，其特征在于，所述公螺纹和所述母螺纹中的一个的所述密封面为锥形面，而所述公螺纹和所述母螺纹中的另外一个的所述密封面为复曲面或复曲面圆锥形面，所述复曲面圆锥形密封面的锥形部分处于所述前端侧，并具有与所述锥形密封面实质相同的锥度。
15.根据权利要求13或14所述的用于钢管的螺纹接头，其特征在于，密封面的锥度在5至25度之间。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的用于钢管的螺纹接头，其特征在于，在所述台肩面附近的所述公螺纹的内表面被倒角，从而公螺纹台肩的内边缘形成与所述接头轴线同心的圆。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的用于钢管的螺纹接头，其特征在于，在所述台肩面附近的所述母螺纹的内表面被倒角。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的用于钢管的螺纹接头，其特征在于，所述外螺纹和所述内螺纹每个都具有大体梯形形状，该梯形形状包括负载牙侧、插入牙侧、螺纹牙底和螺纹牙顶，所述插入牙侧与所述接头轴线的法线的角度不小于3度并且不大于36度。
19.根据权利要求18所述的用于钢管的螺纹接头，其特征在于，在所述负载牙侧之间存在接触，当装配所述螺纹接头时，在所述外螺纹和所述内螺纹的所述插入牙侧之间的轴向间距不小于10μm并且不大于150μm。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的用于钢管的螺纹接头，其特征在于，用于钢管的所述螺纹接头还在所述母螺纹的端部处设置有第二系列的台肩面和/或第二系列的密封面。
全文摘要
一种用于钢管的螺纹接头，其包括公螺纹(1)和母螺纹(2)，所述公螺纹具有外螺纹(11)、密封面(13)和位于所述公螺纹的端面上的台肩面(14)。相应的，所述母螺纹具有与所述公螺纹的相应部分配合或者接触的内螺纹(21)、密封面(23)和台肩面(24)。所述公螺纹(1)的台肩面(14)被设置在所述公螺纹的端面上。所述公螺纹(1)的密封面(13)位于靠近接头(11)的管端面上。前端部分(15)在密封面(13)和台肩面(14)之间被设置在公螺纹(1)上，前端部分(15)没有与母螺纹(12)的对应部分接触。
文档编号E21B17/042GK1798940SQ20048001520
公开日2006年7月5日 申请日期2004年6月4日 优先权日2003年6月6日
发明者杉野正明, 山本三幸, 岩本理彦, 永作重夫, 皮埃尔·迪蒂耶尔, 加布里埃尔·鲁西耶, 埃里奇·贝赫尔 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