具有扰动的螺纹的制作方法

专利名称：具有扰动的螺纹的制作方法
具有扰动的螺纹发明背景经常在钻孔、完井和形成井的过程中采用套管接头、衬垫、钻管和钻 铤(总体被称为"管状元件")。套管接头例如可以布置在井孔中以稳定 地层，防止地层免受升高的井孔压力(例如超过地层压力的井孔压力)等 等。可以通过螺纹连接、焊接以及本领域已知的其它连接以首尾相连方式 连接套管接头。连接可以被设计成在连接的套管接头的内部与环形空间之 间形成密封，所述环形空间形成于套管接头的外壁与井孔壁之间。该密封可以是例如弹性密封(例如o形环密封)、靠近所述连接形成的金属对金属的密封、或本领域已知的类似密封。在一些连接中，在内螺纹与外螺纹 之间形成密封。具有该特征的密封被称为具有"螺纹密封"。在此采用的 "螺纹密封"意思是在套管元件的至少一部分内螺纹与销钉元件的外螺纹 之间形成密封。将会认识到在此采用的某些术语通常被理解为管状接头例如在组装 管柱以降入井孔内时沿管状元件的中心轴线连接在垂直位置。因而，术语"载荷齿侧面(load flank)"表示螺纹面向远离其上形成螺纹的相应销 钉或套管元件的外端并支承悬挂在井孔中的下管状元件的重量(也就是拉 伸载荷)的侧壁表面。术语"入扣齿侧面"表示面向相应销钉或套管元件 的外端并承受相向压縮接头的力例如在接头的初始组装过程中上管状元 件的重量或者例如施加成将下管状元件推压在钻孔底部的力(也就是压縮 力)的螺纹侧壁表面。术语"套管的面"是套管元件面向套管螺纹外部的 一端并且术语"销钉的前端"是销钉元件面向连接件螺纹外部的一端。在 组装连接件时，销钉的前端扣入并穿过套管的面。一种通常被用于形成螺纹密封的螺纹是楔形螺纹。在图1中示出了具 有楔形螺纹的连接。"楔形螺纹"特征在于螺纹宽度(也就是载荷齿侧面 225和226与入扣齿侧面232和231之间的轴向距离)在销钉元件101和 套管元件102上的相对方向上增大。在授予Blose的美国专利号 RE30， 647、授予Reeves的美国专利号RE34， 467、授予0rtloff的美国专
利号4， 703， 954、以及授予Mott的美国专利号5， 454， 605中全面公开了 楔形螺纹，这些专利都转让给本发明的受让人并在此引入作为参考。在销 钉元件101上，销钉螺纹牙顶222向着销钉元件101的远端收縮，同时套 管螺纹牙顶291变宽。沿轴线105 (从右到左)移动，销钉螺纹牙顶222 变宽，同时套管螺纹牙顶291收縮。通常，利用具有宽牙顶和齿根并自由运动的螺纹难以获得螺纹密封， 然而相同的螺纹形式在用于楔形螺纹时可以具有螺纹密封。多种螺纹形式 可以用于以下公开的本发明的实施方式。一种适当的螺纹形式的实例是在 授予Klementich并在此结合作为参考的美国专利号5, 360， 239中公开的 半燕尾形螺纹形式。另一螺纹形式包括授予Church并在此引入作为参考 的美国专利号6， 722， 706中公开的多层面载荷齿侧面或入扣齿侧面。在授 予Watts的美国专利号6， 578, 880中公开了具有大体上矩形的开放螺纹形 式。以上每种螺纹形式都是可以用于本发明具有楔形螺纹或自由运动螺纹 的实施方式的示例性螺纹形式。本领域普通技术人员将会认识到在此包含 的教导并不局限于具体螺纹形式。对于楔形螺纹，通过进行连接组装时在销钉载荷齿侧面226与套管载 荷齿侧面225之间以及在销钉入扣齿侧面232与套管入扣齿侧面231之间 的至少一部分连接上的干涉引起的接触压力实现螺纹密封。齿根292和 221与牙顶222和291之间的接近或干涉在其发生在至少一部分齿侧面干 涉的位置上时实现螺纹密封。利用销钉元件101和套管元件102上的齿根 和牙顶之间增大的干涉("齿根/牙顶干涉")并通过增大齿侧面干涉而 产生更高压力。这种特定的连接还包括通过分别位于销钉元件101和套管 元件102上的相应密封表面103和104之间的接触实现的金属对金属的密封。通常在连接件上不具有正止动转矩肩部的楔形螺纹的属性是组装是 "不确定的"，因此销钉元件和套管元件的相对位置在施加的给定转矩范 围下比具有正止动转矩肩部的连接件改变更大。在此采用的"组装"指的 是销钉元件与套管元件螺纹连接在一起。"选定的组装"指的是利用一定 量的转矩将销钉元件和套管元件螺纹连接在一起，或根据销钉元件与套管 元件的相对位置(轴向或圆周)进行组装。对于被设计成在选定组装时具 有齿侧面干涉和齿根/牙顶干涉的楔形螺纹，当组装连接件时齿侧面干涉 和齿根/牙顶干涉增大(也就是转矩的增大提高了齿侧面干涉和齿根/牙顶
干涉)。对于被设计成具有齿根/牙顶间隙的楔形螺纹，当组装连接件时 间隙减小。无论哪种楔形螺纹的设计，相对应的齿侧面与相对应的齿根和 牙顶在组装过程中相互逐渐靠近(也就是间隙减小或干涉减小)。不确定 的组装允许通过提高连接件上的转矩提高齿侧面干涉和齿根/牙顶干涉。 因而，通过将连接件设计成具有更大齿侧面干涉和/或齿根/牙顶干涉或者 通过提高连接件上的转矩使楔形螺纹能够螺纹密封更高的气体和/或液体 压力，然而这样还在组装过程中提高了连接件上的应力，从而在使用过程 中导致故障。用于油田管状连接件的自由运动的螺纹通常在组装连接件时不会形 成螺纹密封。图2表示现有技术中具有自由运动的螺纹的连接件。该自由运动的螺纹包括载荷齿侧面154和155、入扣齿侧面157和158、牙顶159 和162以及齿根160和161。由于是通常具有自由运动的螺纹的连接件， 因此该连接件依赖通过分别布置在销钉元件101和套管元件102上的表面 151和152的接触形成的正止动转矩肩部。图2所示的正止动转矩肩部通 常被称为"销钉前端肩部"。在其它连接件上，可以通过套管面163和销 钉元件101上的匹配肩部(未示出)代替形成正止动转矩肩部。正止动转 矩肩部也提供密封。与通过销钉螺纹和套管螺纹的楔入组装的楔形螺纹不 同，自由运动的螺纹依赖正止动转矩肩部在组装过程中加载连接件。为了 组装图2所示的连接件，销钉元件101和套管元件102通过螺纹连接在一 起直至表面151和152形成邻接，在该邻接点处销钉载荷齿侧面154和套 管载荷齿侧面155也处于邻接。附加转矩施加在销钉元件101和套管元件 102上以加载表面151和152以及销钉载荷齿侧面154和套管载荷齿侧面 155，直至所需的组装转矩量施加在连接件上。图2所示的连接件不能实现螺纹密封，因为在销钉入扣齿侧面157 与套管入扣齿侧面158之间存在大间隙153。由于具有正止动转矩肩部的 自由运动的螺纹的加载方式而形成间隙153。在组装过程中接靠正止动转 矩肩部向连接件施加转矩促使销钉元件101得到压縮，同时套管元件102 承受拉力伸长。注意到当采用套管面肩部时，套管元件102得到压縮，同 时销钉元件101承受拉力伸长。通过销钉载荷齿侧面154和套管载荷齿侧 面155在销钉元件101和套管元件102之间施加力。销钉入扣齿侧面157 和套管入扣齿侧面158在组装过程中不会受到加载。这样在载荷齿侧面 154和155之间形成接触压力并在入扣齿侧面157和158之间形成间隙。 如上所述，楔形螺纹(如图l所示)能够形成螺纹密封，在某种程度上是因为在载荷齿侧面225和226与入扣齿侧面232和231之间存在干涉。对 于楔形螺纹，由于销钉螺纹和套管螺纹的宽度改变，因此在邻近连接件组 装结束时发生所述干涉。为了在圆柱形(也就是非锥形)自由运动的螺纹 上的载荷齿侧面154和155与入扣齿侧面157和158之间具有类似的干涉， 应该基本上在连接件的整个组装过程中存在干涉，因为销钉螺纹和套管螺 纹具有连续的宽度。此外，在连接件的整个组装过程中存在齿根/牙顶干 涉(如果有的话)。这样导致螺纹磨损以及难以组装连接件。由于载荷齿侧面具有不同于入扣齿侧面的导程，因此楔形螺纹产生螺 纹宽度的变化。螺纹导程可以用英寸/每转来量化。注意到这是通常采用 的术语"螺距"的倒数，螺距通常量化为螺纹数/英寸。在图3A中示出了 现有技术的楔形螺纹的导程的曲线图。对于这种连接件，载荷导程14在 连接件的长度上恒定并大于也是恒定的入扣导程12。公称导程用附图标 记10表示。在此采用的"公称导程"指的是载荷导程14和入扣导程12 的平均值。螺纹随着每转数而加宽载荷导程14和入扣载荷12的差值。载 荷导程14和入扣导程12的差值有时被称为"楔形比(wedge ratio)"。 对于自由运动的螺纹(也就是非楔形螺纹)，载荷导程14和入扣导程12 基本上相等，从而促使自由运动的螺纹具有基本上恒定的螺纹宽度(也就 是零楔形比)。通常，采用基本上恒定的螺纹导程(包括载荷导程和入扣导程)在管 状部件上切削加工螺纹，然而，螺纹导程的一些变化发生在通常包括利用 研磨机或车床进行加工的制造过程中。在加工过程中，螺纹导程的变化表现为在螺纹导程目标值之上和之下的微小的螺纹导程周期性变化。这种现 象通常被称为"螺纹窜动(thread drunkenness)"。所发生的螺纹窜动 的量极大地取决于所采用的机械加工。这种现象可能是由在切削螺纹的加 工工具里溢出或后冲(backlash)引起的。所加工的材料以及所加工的部件 的尺寸也是影响螺纹窜动量的变量。因电子控制装置"寻找(hunting)" 定位加工工具也会产生螺纹窜动。通常，螺纹窜动处于标准的和肉眼不可 见的0. 00005英寸-O. 0005英寸的量级。螺纹窜动的周期通常每圈螺纹至 少增大一倍。比常规螺纹窜动更大的是可以看到的螺纹表面上的"颤动" 并且会导致连接件报废。通常，制造者试图消除任何不同于标准件的变化， 例如产生螺纹窜动。
在现有技术中已经公开了为了载荷分布有意地改变螺纹导程，然而， 本发明的发明人为了形成用于楔形螺纹或自由运动螺纹的螺纹密封没有有意改变螺纹导程。在授予Dearden等人的美国专利号4， 582， 348中公开 了一种为了应力分布改变螺纹导程的实例。该专利在此全部引入作为参 考。Dearden公开了具有自由运动螺纹的连接件，其具有分成不同导程(注 意到Dearden提到被量化为每英寸螺纹数的螺距)的三个部分的销钉螺纹 和套管螺纹。在图3B中，示出了用于套管元件和销钉元件的螺纹导程曲 线图。如曲线图所示，在连接件的一端，销钉螺纹导程21比套管螺纹导 程22更大。在中间部分，销钉螺纹导程21和套管螺纹导程22基本上相 等。而后，在连接件的另一端，套管螺纹导程22比销钉螺纹导程21更大。 根据Dearden所述，销钉螺纹导程21和套管螺纹导程22上的变化是阶跃 变化(也就是导程基本上同时改变)。Dearden公开的变化的螺纹导程被 用于在连接件的更大部分上分布载荷，并且不会对自由运动螺纹形成螺纹 密封的性能产生任何影响。Dearden没有公开相互独立地改变载荷导程或 入扣导程。在名为"用于放射性塑性膨胀的管道的螺纹连接件"("Sivley") 并转让给本发明的受让人的美国专利申请号10/126,918中公开了另一种 连接件。该申请在此全部引入作为参考。Sivley公开了在销钉元件和套 管元件中的一个或两个上具有变化的载荷导程和/或入扣导程的连接件。 在图3C中示出了 Sivley公开的实施方式的曲线图。Sivley公开了在销 钉螺纹和/或套管螺纹的至少一部分上相对于入扣导程12以选定比例改 变载荷导程14。在图3C中，连接件是通过载荷导程14与入扣导程12之 间的差异示出的楔形螺纹。载荷导程14和入扣导程12以限定比率向螺纹 端部会聚。Sivley公开多种其它实施方式，它们具有以线性比率相对改 变的载荷导程14和入扣导程12。螺纹导程的改变在连接件长度上分布由 连接件承受的载荷。在现有技术中，适用于油田管状部件的自由运动螺纹不能提供螺纹密 封，该螺纹密封实现由在井底环境的管状部件承受压差。楔形螺纹提供螺 纹密封，但难以密封气体，密封气体比密封液体更困难。而且，通常需要 对螺纹密封进行改进。还需要提供一种用于自动运动螺纹的螺纹密封以及 一种用于楔形螺纹的改进的螺纹密封
发明内容
一方面，本发明涉及一种包括销钉元件和套管元件的螺纹连接件。销 钉元件具有销钉螺纹，该销钉螺纹具有销钉螺纹牙顶、销钉螺纹齿根、销 钉载荷齿侧面以及销钉入扣齿侧面。套管元件具有套管螺纹，该套管螺纹 具有套管螺纹牙顶、套管螺纹齿根、套管载荷齿侧面以及套管入扣齿侧面。 销钉螺纹牙顶、销钉载荷齿侧面、销钉入扣齿侧面、套管螺纹牙顶、套管 载荷齿侧面以及套管入扣中的至少一个具有在其上形成的至少一个扰动。 在销钉元件与套管元件进行选定组装时，在至少一个扰动处的销钉螺纹与 套管螺纹之间存在增大的接触应力。在另一方面，本发明涉及一种采用具有可编程控制的加工工具制造螺 纹的方法。该方法包括输入多个增量下与旋转位置相对应的轴向位置。在 第一组两个增量之间的轴向位置变化被选定为具有与用于加工工具的原 始轨迹相对应的第一所需螺纹导程。该方法还包括输入在第二组两个增量 之间的轴向位置变化，其中所述变化被选定为具有比第一所需螺纹导程更 大的第二所需螺纹导程。该方法还包括输入在第三组两个增量之间的轴向 位置变化，其中所述变化被选定为具有比第一所需螺纹导程更小的第三所 需螺纹导程，以及回到第一所需导程。在另一方面，本发明涉及一种在连接件上形成螺纹密封的方法。所述 连接件包括销钉元件和套管元件，其中销钉元件包括具有销钉螺纹牙顶、 销钉螺纹齿根、销钉载荷齿侧面以及销钉入扣齿侧面的销钉螺纹，并且套 管元件包括具有套管螺纹牙顶、套管螺纹齿根、套管载荷齿侧面以及套管 入扣齿侧面的套管螺纹。所述方法包括在销钉螺纹牙顶、销钉载荷齿侧面、 销钉入扣齿侧面、套管螺纹牙顶、套管载荷齿侧面以及套管入扣齿侧面中 的至少一个上形成至少一个扰动，使得在销钉元件与套管元件进行选定的 组装时，在所述至少扰动的销钉螺纹与套管螺纹之间存在增大的接触应 力。从以下描述和附加权利要求中将会清楚地了解到本发明的其它方面 和优点。


图1表示现有技术中具有楔形螺纹的连接件的横截面。图2表示现有技术中具有自由运动螺纹的连接件的横截面。 图3A， 3B和3C表示现有技术连接件的螺纹导程的曲线图。
图4A表示根据本发明一种实施方式的螺纹导程的曲线图。图4B表示与图4A中所示的曲线图相对应的展开螺纹的一部分。 图5A表示根据本发明一种实施方式的螺纹导程的曲线图。 图5B和5C表示与图5A中所示的曲线图相对应的展开螺纹的一部分。 图6A表示根据本发明一种实施方式的螺纹导程的曲线图。 图6B表示与图6A中所示的曲线图相对应的展开螺纹的一部分。 图7A表示根据本发明一种实施方式的螺纹导程的曲线图。 图7B表示与图7A中所示的曲线图相对应的展开螺纹的一部分。 图8表示具有根据本发明一种实施方式的相应螺纹横截面的螺纹导 程的曲线图。图9表示具有根据本发明一种实施方式的相应螺纹横截面的螺纹导 程的曲线图。
具体实施方式
本发明涉及用于管状部件的螺纹。更具体地，本发明涉及在销钉螺纹 和套管螺纹的一部分之间具有增大的接触压力的螺纹。为了表示清楚，下文明确限定几个术语。在此采用的"螺纹导程"总 体指的是包括载荷导程、入扣导程和公称导程的组。在此采用的"扰动"指的是偏离螺纹上的载荷齿侧面、入扣齿侧面、 齿根或牙顶的原始路径，使得在其上形成冲击。扰动之后，路径至少部分 地回到扰动之前的原始路径。在此采用的"螺旋长度"指的是布置接触器的螺纹圈数，并且可以用 绕管状部件轴线的度数(也就是360度是一个螺距)来表达。本发明的实施方式改变了至少一部分螺纹上的至少一个螺纹导程，使 得配合载荷齿侧面和/或配合入扣齿侧面之间的接触压力改变。 一些实施 方式还改变螺纹高度(测量从齿根到牙顶)以形成螺纹密封。接触压力的 增大提高了由扰动位置处螺纹密封实现的最大密封压力。减小接触压力被 用于在连接件组装之后为保持在销钉螺纹与套管螺纹之间数量增多的螺 纹润滑剂提供容纳位置。回到图4A，示出了根据本发明一种实施方式螺纹导程相对轴向位置 的曲线图。图4B表示与图4A中的曲线图相对应的展开楔形螺纹。图4A 中的曲线图显示套管载荷导程14B和套管入扣导程12B相对于销钉载荷导 程14A和销钉入扣载荷12A。在该实施方式中，销钉螺纹在所示部分上具
有基本上恒定的载荷导程14A和入扣导程12A，同时套管螺纹具有由载荷导程14B和入扣导程12B的变化引起的扰动。本领域普通技术人员将会认 识到在另一实施方式中扰动可以代替地位于销钉螺纹上。在图4A中，套管螺纹的扰动起始于套管载荷导程14B减小以及套管 入扣导程12B增大的点Al和A2。在图4B中示出了相应的螺纹形状变化。 在点Al和A2，套管载荷齿侧面226和套管入扣齿侧面231开始"夹紧" 销钉螺纹。在点B1和B2，套管载荷导程14B和套管入扣导程12B回到原 始值。这种情况在选定的螺旋长度上持续，从而导致在组装连接件时一部 分套管螺纹和销钉螺纹的接触压力增大。在点Cl和C2，套管载荷导程14B 增大并且套管入扣导程12B减小。在点C1， C2与点D1， D2之间，套管载 荷齿侧面226和套管入扣齿侧面231在扰动开始之前基本上回到原始路 径。在一种实施方式中，套管载荷齿侧面226和套管入扣齿侧面231中的 一个或两个不完全回到原始路径。此外，在一种实施方式中，螺纹导程变 化的最大值和最小值数量上不等。例如，螺纹导程比螺旋长度"L."的原 始螺纹导程增加"x"。为了回到原始路径，同一螺纹导程比螺旋长度2L 下的原始螺纹导程减小72Xx。本领域普通技术人员将会认识到在不脱离 本发明范围的前提下可以得到多种扰动变型。在一种实施方式中，扰动具 有小于大约360度的螺旋长度。在另一实施方式中，扰动具有小于大约 180度的螺旋长度。图4A和4B为了示意提供了放大的螺纹扰动的实例。在图4B中的楔 形螺纹部分组装成使得仅有载荷齿侧面225和226与入扣齿侧面231和 232之间的接触点在点B1， B2与点C1， C2之间扰动。载荷齿侧面225和 226与入扣齿侧面231和232之间的间隙放大成在图4B中可见。在一种 实施方式中，螺纹导程和其持续的螺旋长度的变化可以被选定为使得扰动 尺寸处于大约O. 0005英寸到0.005英寸之间。在另一实施方式中，扰动 尺寸在大约0. 001英寸到大约0. 002英寸之间。由于图4B中的连接件组 装经过扰动处的初始接触，因此载荷齿侧面225和226与入扣齿侧面231 和232之间的间隙在扰动处的接触压力使螺纹局部变形时消失。在连接件 已经组装成销钉元件和套管元件具有所需转矩或相对位置之后，在图4B 中点Al， A2与点Dl, D2之间的扰动处的载荷齿侧面225和226与入扣齿 侧面231和232之间存在比螺纹的其余部分更大的接触压力。每个扰动的螺旋长度可以按照需要变化，然而，制造方法限制了螺旋 长度的可变性。例如，在一种实施方式中，可以采用计算机数字控制("CNC")车床。通过CNC程序控制CNC加工。通常，CNC程序包括每 个控制轴线的位置。例如，如果CNC车床具有轴向位置和旋转位置，则所 述程序具有与每个旋转位置相对应的轴向位置值。由于CNC车床通常以通 过每分钟转数("RPM")测得的设定速度旋转，因此当部件在机器中旋 转时，CNC程序通常具有按序并以设定增量变化的旋转位置。旋转位置间 隔所成的增量通常被称为车床的"分辨率"。例如，如果分辨率大约为 90度，则每大约90度的序列增量存在一个数据点。为每个增量选定轴向 位置。通常，CNC车床将在点之间以基本上恒定的速度移动轴向位置。按 照要求选定速度以花费与相应旋转位置基本上相等的时间达到下一轴向 位置。通过计算增量值选定螺纹导程，使得对于每一转，轴向位置前进的 距离基本上等于螺纹导程。例如，每转l英寸的导程每90度前进l/4英 寸。本领域的普通技术人员能够利用在前教导采用其它制造方法。例如， 可以采用具有4个控制轴(X、 Y、 Z和旋转轴)的CNC研磨机。所采用的机器的分辨率可限制扰动的最小螺旋长度。继续以90度为 例，最小扰动大约为180度(增大导程90度，减小导程90度)。如果在 延伸长度上需要最大接触压力(与图4A和4B类似)，则扰动的最小螺旋 长度大约为270度(增大导程90度、原始导程90度，减小导程90度)。 更高的分辨率(也就是更小的旋转增量)允许扰动的螺旋长度具有更大的 可变性。本领域普通技术人员将会认识到在不脱离本发明范围的前提下可 以采用具有更高或更低分辨率的机器形成扰动。所采用的形成具有扰动的螺纹的制造方法尤其是特定的机器影响扰 动的实际形状和尺寸。图5A表示根据本发明一种实施方式销钉载荷导程 14A相对于轴向位置的曲线图。图5B表示与图5A中的曲线图相对应的扰 动的理想形状，而图5C表示采用机器所形成的扰动的实际形状。在图5A 中，销钉载荷导程14A在点A增大选定量以在销钉载荷齿侧面225与套管 载荷齿侧面226之间获得增大的接触压力。而后，销钉载荷导程14A在点 B回到原始销钉载荷导程14A。在点C，销钉载荷导程14A减小与在前的 增量大约相同的量以使销钉载荷齿侧面225在点D回到大致其原始路径。 理想地，与图5A中销钉载荷导程14A的曲线图相对应的销钉载荷齿侧面 225基本上如图5B所示。在图5B中，销钉载荷齿侧面225在点A并以恒 定线性斜度瞬时改变(大约等于图5A中销钉载荷导程14A的改变)直至
点B。而后在点C，销钉载荷齿侧面225开始回到其原始路径直至点D。 移动部件的动量以及控制装置的响应时间形成图5C所示的更平滑的外扰 动。在一些实施方式中，曲率可以基本上为正弦曲线。尽管可以通过生成 法改变扰动的准确形状，但仍然可以实现接触压力增大。在一种实施方式中，在经过螺纹进行加工("刮削")过程中形成扰 动。在此采用的刮削指的是在第一切削之后在螺纹上的切削。通常，刮削 去除0.020英寸或更少的材料。由于在刮削过程中去除更少的材料，因此 可以获得对于扰动尺寸更高的加工误差。然而，应该指出所加工的扰动在 尺寸上比编码在CNC程序内的扰动更小。这极大地归因于切削的同时加工 工具脱离螺纹。因此，如果在CNC程序内编码0.002英寸的扰动，则实际 扰动仅为0. 00075英寸。本领域普通技术人员将会认识到特定机器的特性 导致了在输入的扰动与所得到的扰动尺寸之间存在差异。对应选定的机器 这一偏差可以通过增大输入扰动的尺寸来得到修正，从而在已知选定机器 的精度时形成所需的扰动尺寸。回到图6A，示出了根据本发明一种实施方式套管载荷导程14B相对 于轴向位置的曲线图。图6B表示相应的套管载荷齿侧面226。在图6B中， 因被用于形成螺纹的机器的缘故，扰动的形状略微弯曲。为了实现销钉载 荷齿侧面225与套管载荷齿侧面226之间的接触压力增大，套管载荷导程 14B在点A减小。注意到这与图5A相反，这样改变了销钉载荷导程14A 以形成扰动。对比观察图5A和6A，表示销钉螺纹或套管螺纹都可以具有 扰动以获得并提高螺纹上选定位置的接触压力。降低套管载荷导程14B 与增大销钉载荷导程14A基本上获得相同的结果。如图4A所示，入扣导 程12A和12B的变化与载荷导程14A和14B相反。例如，在一种实施方式 中为了在销钉载荷齿侧面225和销钉入扣齿侧面232上具有扰动，销钉载 荷导程14A增大并且销钉入扣导程12A在大致相同的轴向位置减小。大体 上，销钉螺纹加宽，从而导致相邻套管螺纹之间的接触压力增大。为了通 过在套管元件上具有扰动而获得基本上相同的效果，套管载荷导程14B 减小并且套管入扣导程12如图4A所示减小。在图7A和7B中，示出了根据本发明一种实施方式的扰动。图7A表 示销钉载荷导程14A的曲线图，图7B表示在销钉载荷齿侧面225上相应 的扰动。在该实施方式中，销钉载荷导程14A在点A增大选定量。在点B， 销钉载荷导程14A减小大致相同的选定量到原始销钉载荷导程14A以下。
扰动在点C结束，在那里销钉载荷齿侧面225回到大致其原始路径。图 7B中所示的相应扰动类似于圆形凸起。参照图8，示出根据本发明一种实施方式的多个扰动。图8包括销钉 载荷导程14A和销钉入扣导程12A的曲线图。图8所示的实施方式可以被 称为"引发的螺纹窜动"，因为其与如上所述的加工摇摆效果类似。通过 将螺纹导程变化编程到CNC程序内可以"引发"螺纹窜动。在图8中，引 发的螺纹窜动在点801A和801B开始，在那里销钉载荷导程14A (在该实 施方式中被称为"瞬时销钉载荷导程")和销钉入扣导程12A (在该实施 方式中被称为"瞬时套管载荷导程)开始向上和向下改变，从而形成脉动 的销钉载荷齿侧面225和销钉入扣齿侧面232。为了具有均匀的正和负窜 动，销钉载荷导程14A和销钉入扣导程12A的初始增大具有螺旋长度L， 接着销钉载荷导程14A和销钉入扣导程12A随后递减具有螺旋长度2L， 使得销钉载荷齿侧面225和销钉入扣齿侧面232与它们的原始路径交叉。 为了在点802A和802B回到原始路径，销钉载荷导程14A和销钉入扣导程 12A总的增加量乘以增高的螺纹导程的螺旋长度应该基本上等于销钉载 荷导程14A和销钉入扣导程12A总的减小量乘以螺旋长度。例如，在图8中，销钉载荷导程14A和销钉入扣导程12A在总的5L 的螺旋长度上分别小于平均销钉载荷导程810和平均销钉入扣导程811。 销钉载荷齿侧面225和销钉入扣齿侧面232在销钉载荷导程14A和销钉入 扣导程12A在总的5L的螺旋长度上分别处于平均销钉载荷导程810和平 均销钉入扣导程811之上后在点802A和802B回到它们的原始路径。本领 域普通技术人员将会认识到如果在任意点销钉载荷导程14A和销钉入扣 导程12A减小或增大的绝对值不等，则螺旋长度无需相等。例如，在一种 实施方式中，销钉载荷导程14A的增量可以是每转大约0.002英寸，处于 平均销钉载荷导程810以上，并且销钉载荷导程14A的减小量可以是每转 大约0.001英寸，处于平均销钉载荷导程810以下。在该实施方式中，销 钉载荷导程14A减小的螺旋长度是销钉载荷导程14A增大的螺旋长度的大 约两倍以回到销钉载荷齿侧面225的原始路径。换句话说，本发明的一些 实施方式可以从标准值非对称地改变。本领域普通技术人员将会认识到在 不脱离本发明范围的前提下改变螺纹导程以及它们相应的螺旋长度的增 大量和减小量。此外，本发明的实施方式可以具有不会完全回到它们原始 路径的扰动。
继续参照图8，示出了与曲线图相对应的螺纹的横截面。这些横截面被记为与曲线图上的点A、 B和C相对应的A、 B和C。图4B中的楔形螺 纹得到部分组装，使得仅有载荷齿侧面225和226与入扣齿侧面231和 232之间的接触点处于扰动。在该特定实施方式中，正和负扰动绝对值相 等，使得在每个最大和最小扰动上基本上相同的组装位置形成接触。以分 别处于局部最小和局部最大的横截面A和C表示所述接触。在局部最小扰 动(横截面A)下，入扣齿侧面231和232形成接触。在局部最大扰动(横 截面C)下，载荷齿侧面225和226形成接触。在平均销钉载荷导程810 和平均销钉载荷导程811 (也就是原始路径)下，载荷齿侧面225和226 与入扣齿侧面231和232之间的间隙基本上相等，以横截面B示出。由于图8中的连接件经过扰动处的初始接触得到组装，因此载荷齿侧 面225和226与入扣齿侧面231和232之间的间隙将在扰动处的接触压力 使螺纹局部变形时消失。在连接件已经组装成销钉元件和套管元件具有所 需转矩或相对位置之后，在最大和最小扰动处的载荷齿侧面225和226 与入扣齿侧面231和232之间比螺纹的其余部分存在更大的接触压力。同 样，如上所述，齿根292和221与牙顶291和222之间的间隙在连接件组 装时也分别减小或完全靠近。参照图9，示出了根据本发明一种实施方式的多个扰动。图9包括销 钉载荷导程14A和销钉入扣导程12A的曲线图。图9所示的实施方式与图 8所示的"引发的螺纹窜动"类似，除了销钉载荷导程14A和销钉入扣导 程12A不一致地增大和减小。代替地，销钉载荷导程14A和销钉入扣导程 12A在相对的位置增大和减小，使得销钉螺纹加宽和縮小各自具有扰动。 换句话说，在该实施方式中，销钉载荷导程14A比平均载荷导程810更大， 在基本上相同的位置销钉入扣导程12A小于平均入扣导程811。销钉载荷 导程14A的增大与销钉入扣导程12A的减小结合起来加宽了螺纹(参见横 截面A)，同时销钉载荷导程14A的减小与销钉入扣导程12A的增大结合 起来縮小了螺纹(参见横截面B)。在连接件的组装过程中，齿侧面之间 的接触发生在如横截面A所示的增大宽大部分。当接触发生在加宽部分 时，齿侧面之间的间隙仍然存在于如横截面B所示的縮小部分。在选定的 组装连接件时，基本上所有齿侧面之间的间隙都将消失，并且连接件将在 加宽部分的齿侧面之间具有增大的接触压力。本发明的实施方式还可以在销钉元件和/或套管元件上具有变化的螺
纹高度(也就是在齿根和/或牙顶)上的扰动。图9所示的实施方式包括 改变的销钉螺纹高度。在该特定实施方式中，销钉螺纹高度在与销钉螺纹 宽度增大大致相同的位置增大，从而导致套管螺纹齿根221与销钉螺纹牙顶222之间产生干涉，如与横截面B相比的横截面A所示。齿根/牙顶干涉的变化尤其适用于具有自由运动螺纹的实施方式。如 以上参照图2所述，对于具有与楔形螺纹类似的螺纹密封的自由运动螺 纹，现有技术中具有圆柱形自由运动螺纹的连接件要求在载荷齿侧面154 和155与入扣齿侧面157和158之间存在干涉。这种干涉基本上存在于连 接件的整个组装过程，因为销钉螺纹和套管螺纹具有连续的宽度。此外， 齿根/牙顶干涉(如果存在)基本上存在于连接件的整个组装过程。这样 导致螺纹磨损并且难以组装连接件。在本发明的一种实施方式中，销钉元件和套管元件中的一个或两个具 有自由运动螺纹，在载荷齿侧面、入扣齿侧面、齿根和/或牙顶上具有扰 动。优选地，扰动定位成使得在一个或多个位置形成螺纹密封。这一点可 以通过选择扰动的尺寸和位置来实现，使得载荷齿侧面干涉、入扣齿侧面 干涉和齿根/牙顶干涉相互接近。因而，可以在本发明的一个或多个实施 方式中采用自由运动螺纹形成螺纹密封。通过仅在自由运动螺纹的一部分 上形成螺纹密封，磨损的危险与在整个连接件上存在齿侧面干涉和齿根/ 牙顶干涉相比得到减小。本领域普通技术人员将会认识到由于在自由运动 螺纹的载荷齿侧面上具有固有的高接触压力，因此可以不需要在连接件组 装过程中得到加载的载荷齿侧面上具有形成螺纹密封的扰动。由于楔形螺纹的组装不确定，因此更需要在销钉元件和套管元件上都 具有扰动。备选地，在销钉元件和套管元件上的扰动可以处于螺纹不相互 接触的部分上(也就是在充分不同的轴向位置，使得扰动不会相互作用)。 对于通常具有正止动转矩肩部的自由运动螺纹，还需要在销钉元件或套管元件上具有扰动，因为销钉元件和套管元件的相对位置的不可确定性尽管 比楔形螺纹更小，但仍然在一定程度上存在。本领域普通技术人员将会认识到由扰动形成的接触压力的所需量值 可以根据密封压力、密封的物质以及用于连接件的材料而改变。如上所述， 更高的接触压力能够密封更大的压力。此外，如果由连接件密封比液体更 加难以密封的气体，则需要更大的接触压力。用于连接件的材料限制了最 大允许接触压力。例如，耐腐蚀合金(CRA)通常比其它高强度钢更能承
受局部应力(例如由扰动导致的)的破坏。本领域普通技术人员能够根据 用于连接件的材料选择所需的接触压力。备选地，可以根据所需的接触压 力选择材料。本发明的实施方式可以包括在销钉螺纹和/或套管螺纹的齿根上的一个或多个应力释放槽。在授予Enderle等人并转让给本发明的受让人的美 国专利号6， 050， 610中教导了这种应力释放槽。该专利在此全部引入作为 参考。Enderle公开的应力释放槽使在连接件的组装过程积存的润滑剂排 出。积存的润滑剂导致转矩读数失效，这会导致连接件不正确的组装。此 外，如果在连接件内形成压力，积存的润滑剂会在组装过程中损坏连接件。 这一问题通常发生在更冷的环境下，这时润滑剂更粘稠并且从连接件中排 出以释放所形成的压力的能力更差。如果在高旋转速度下组装连接件，则 情况更严重。在销钉螺纹和/或套管螺纹的齿根上起到压力释放作用的应力释放槽 固有的一个问题是应力释放槽降低了对螺纹具有螺纹密封的部分的螺纹 密封能力。由于正如Enderle公开的，可以在螺纹的有限部分采用具有任何形状或深度改变的应力释放槽，因此螺纹的其余部分被用于形成内部和 外部压力密封(例如通过在螺纹上形成一个或多个扰动)。在这样的实施 方式中，螺纹密封存在于一个或多个扰动大致远离任何应力释放槽定位的 位置。在一种实施方式中，采用图8和9所示的扰动代替Enderle公开的应 力释放槽。图8和9所示的周期或引发的螺纹窜动导致沿螺纹形成接触压 力降低的小的、间隔的凹腔或间隙。由Enderle公开的应力释放槽通过为 过量的螺纹润滑剂(dope)提供出口而发挥很大的作用。作为备选方案，间 隔的凹腔可以为收集在连接件中而不是排出连接件的润滑剂提供空间。本 发明的发明人相信润滑剂不确定地积存在具有增大的接触压力的扰动之 间可以形成提高的螺纹密封。此外，具有积存润滑剂确保了阻力的润滑存 在于连接件中以在使用后有助于拆开管状部件。如上所述，与标准尺寸的周期偏差("自然偏差")自然发生在制造 过程中。尽管制造者采取多种措施减小自然偏差，但至少存在一定的距标 准值的偏差，并且如果其处于所需误差内则是可以接受的。由于自然偏差 的准确位置和程度在制造过程中是未知的，因此要求扰动的尺寸应该被选 定为使得无论扰动相对于自然偏差的位置如何都是有利的。例如，在特定
加工配置(例如机器、加工工具、夹具、材料、部件的尺寸)具有典型的 大约+ / — 0.001英寸量级的自然偏差发生率。为了确保扰动在连接件中 产生一定有利(而不是被自然偏差消除)，扰动的尺寸被选定为是自然偏差的尺寸的大约两倍(也就是+ / —0.002英寸)。连接件的特性影响扰动的所需尺寸。理想地，当形成金属对金属的密 封(也就是螺纹密封)时，形成接触的表面短距离摩擦以使表面"上光"。 在此采用的"上光"意思是表面略微抛光或光滑。如果表面在太大的接触 压力下接触太长的距离，在会产生磨损。磨损发生在润滑剂在滑动接触持 续的同时从表面之间移动的情况下，从而导致摩擦提高并生热。为了避免 不符合要求的磨损，扰动的尺寸应该被设计成防止在组装过程中形成长度 延伸的滑动接触。为了形成螺纹密封，配合表面(例如载荷齿侧面、入扣齿侧面以及齿根和牙顶)之间的接触压力通常从材料的屈服强度的25% 到100%。闭合的螺纹形式(例如燕尾形螺纹)大体上允许接触压力达到 所述范围的更高一端。理想地，通过在短距离上以急剧升高的接触压力结 合在一起的表面形成螺纹密封，所述急剧升高的接触压力最终落入形成螺 纹密封的有效范围内。楔形螺纹的楔形比是影响所需的扰动尺寸的参数。大体上，楔形比确 定了表面"快速"形成接触的程度(也就是在组装过程中表面接触的线性 英寸)。通常，更大的楔形比允许形成比更小楔形比更大的扰动。在一种 实施方式中，扰动的尺寸可以被选定为在楔形比的大约0. 1倍到大约0. 2 倍之间。例如，如果楔形比(载荷导程与入扣导程之间的差值)大约为 0. 020英寸，则所需的扰动尺寸处于大约0. 002英寸到大约0. 004英寸之 间。选择扰动尺寸的另一考虑因素是材料，其影响对磨损的敏感性。例如， CRA比碳钢更容易磨损。因而，由CRA制成的连接件(假定所有其它的参 数都相等)比由碳钢制成并具有相同扰动尺寸的连接件具有螺纹磨损的可 能性更大。为了防止磨损，由CRA制成的连接件具有更小的扰动。尽管已经参照有限数量的实施方式描述了本发明，但受到公开内容启 示的本领域技术人员将会认识到可以想到不脱离在此公开的本发明范围 的其它实施方式。因而，本发明的范围仅应该由附加权利要求来限定。
权利要求
1.一种螺纹连接件，包括包括销钉螺纹的销钉元件，所述销钉螺纹具有销钉螺纹牙顶、销钉螺纹齿根、销钉载荷齿侧面以及销钉入扣齿侧面；包括套管螺纹的套管元件，所述套管螺纹具有套管螺纹牙顶、套管螺纹齿根、套管载荷齿侧面以及套管入扣齿侧面，其中销钉螺纹牙顶、销钉载荷齿侧面、销钉入扣齿侧面、套管螺纹牙顶、套管载荷齿侧面以及套管入扣齿侧面中的至少一个具有在其上形成的至少一个扰动，在销钉元件与套管元件进行选定的组装时，在销钉螺纹与套管螺纹之间的所述至少一个扰动处存在增大的接触应力。
2. 如权利要求1所述的螺纹连接件，其特征在于，销钉螺纹和套管 螺纹是楔形螺纹。
3. 如权利要求1所述的螺纹连接件，其特征在于，所述至少一个扰 动中的每个仅位于销钉螺纹和套管螺纹中的一个上。
4. 如权利要求1所述的螺纹连接件，其特征在于，所述至少一个扰 动定位成使得靠近其形成螺纹密封。
5. 如权利要求1所述的螺纹连接件，其特征在于，销钉螺纹和套管 螺纹是自由运动螺纹并且所述至少一个扰动中的一个形成在销钉入扣齿 侧面和套管入扣齿侧面中的一个上。
6. 如权利要求1所述的螺纹连接件，其特征在于，在销钉螺纹和套 管螺纹中的一个上以基本上正弦曲线的方式形成多个扰动。
7. 如权利要求1所述的螺纹连接件，其特征在于，所述至少一个扰 动的尺寸在大约0. 0005英寸到大约0. 005英寸之间。
8. 如权利要求l所述的螺纹连接件，其特征在于，所述至少一个扰 动的尺寸在大约0. 001英寸到大约0. 002英寸之间。
9. 如权利要求l所述的螺纹连接件，其特征在于，还包括仅在销钉螺纹齿根和套管螺纹齿根中的至少一个的一部分上形成槽， 其中所述至少一个扰动选择性地定位成在远离槽的位置形成螺纹密封。
10. —种采用具有可编程控制的加工工具制造螺纹的方法，所述方法 包括输入多个增量下与旋转位置相对应的轴向位置，其中在第一组两个增 量之间的轴向位置变化被选定为具有与用于加工工具的原始轨迹相对应 的第一所需螺纹导程；输入在第二组两个增量之间的轴向位置变化，其中所述变化被选定为具有比第一所需螺纹导程更大的第二所需螺纹导程；输入在第三组两个增量之间的轴向位置变化，其中所述变化被选定为 具有比第一所需螺纹导程更小的第三所需螺纹导程；以及回到第一所需导程。
11. 如权利要求IO所述的方法，其特征在于，加工工具回到原始路径。
12. —种在包括销钉元件和套管元件的连接件上形成螺纹密封的方 法，其中销钉元件包括具有销钉螺纹牙顶、销钉螺纹齿根、销钉载荷齿侧 面以及销钉入扣齿侧面的销钉螺纹，并且套管元件包括具有套管螺纹牙 顶、套管螺纹齿根、套管载荷齿侧面以及套管入扣齿侧面的套管螺纹，所述方法包括在销钉螺纹牙顶、销钉载荷齿侧面、销钉入扣齿侧面、套管螺纹牙顶、套管载荷齿侧面以及套管入扣齿侧面中的至少一个上形成至少一个扰动；其中在销钉元件与套管元件进行选定的组装时，在所述至少扰动的销 钉螺纹与套管螺纹之间存在增大的接触应力。
全文摘要
一种包括销钉元件和套管元件的螺纹连接件，以及用于制造和形成所述螺纹连接件的方法。销钉元件具有销钉螺纹，该销钉螺纹具有销钉螺纹牙顶、销钉螺纹齿根、销钉载荷齿侧面以及销钉入扣齿侧面。套管元件具有套管螺纹，该套管螺纹具有套管螺纹牙顶、套管螺纹齿根、套管载荷齿侧面以及套管入扣齿侧面。销钉螺纹牙顶、销钉载荷齿侧面、销钉入扣齿侧面、套管螺纹牙顶、套管载荷齿侧面以及套管入扣中的至少一个具有在其上形成的至少一个扰动。在销钉元件与套管元件进行选定组装时，在至少一个扰动处的销钉螺纹与套管螺纹之间存在增大的接触应力。
文档编号E21B17/042GK101163850SQ200580048003
公开日2008年4月16日 申请日期2005年12月22日 优先权日2004年12月30日
发明者小哈里斯·A·雷诺兹 申请人:海德瑞有限公司