专利名称：管的螺纹套管接头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及管的螺纹套管接头，具体而言涉及如下螺纹套管接头:适宜用于包含通常在油井或气井的探查和生产中所使用的管道及套管的油井管即OCTG (石油管材)、立管以及线管等钢管的连接，且具有优良的密封性与耐磨损性。
背景技术：
螺纹套管接头被广泛使用于油井管等在产油产业设备中所使用的钢管的连接。由现有API (美国石油协会)规格所规定的标准的螺纹套管接头能够典型地被使用于在石油或气体的探索和生产中所使用的钢管的连接。然而，近年，由于原油和天然气的井的深井化在发展，且垂直井、水平井以及倾斜井等在增加，因此挖掘、生产环境变得严酷化。另外，由于在海洋或极地等恶劣的环境下的井的开发等在增加，因此耐压缩性、耐弯曲性以及外压密封性(耐外压性能)等对螺纹套管接头的要求性能变得多样化。因此，使用称为高级管接头的高性能的特殊螺纹套管接头的情况增加，且对该高级管接头的性能的要求也在逐渐增加。高级管接头通常为将分别具备锥形螺纹、密封部(具体而言为金属接触密封部)以及台肩部(具体而言为转矩台肩部)的、形成于管端部的外螺纹部件(以下称为公扣)和连结该公扣之间的内螺纹部件(以下称为母扣)结合而形成的组合式接头。锥形螺纹主要用于牢固地固定管的套管接头，密封部具有通过母扣与公扣在该部分进行金属接触而确保密封性的作用，台肩部形成为在接头的紧固中发挥制动器作用的台肩面。图5 (a) 图5 (C)是油井管用高级管接头的示意说明图。这些是圆管的螺纹接头的纵剖视图。螺纹套管接头具备公扣3及与公扣3对应的母扣1，公扣3在其外表面具有外螺纹部7和管口部8 (公扣管口 8)，该管口部8为在公扣3的前端侧与外螺纹部7相邻设置的没有螺纹的长度的部分。管口部8在其外周面具有密封部11，在其端面具有台肩部12。相对的母扣I在其内表面具有能够分别与公扣3的外螺纹部7、密封部11以及台肩部12螺纹结合或接触的部分即内螺纹部5、密封部13以及台肩部14。而且15为负载齿侧面。在油井管的螺纹套管接头中，在进行紧固时，进而，虽然要求即使重复进行紧固和松开也不会产生粘合的耐磨损性以及在紧固后相对于接头所承受的轴力与压力也不会产生内部流体的泄露及外部流体的流入密封性这两方面的性质，但是耐磨损性与密封性通常相反。例如虽然密封干涉量越小粘合产生的可能性越低，但相反地，密封部的金属对金属接触变弱从而流体的泄露与流入的可能性增加。另外，虽然为了确保密封性而设置于公扣或母扣的密封锥角较小的径向密封型是有利的，但是当使密封锥角减小时，紧固时的滑动距离变长，从而粘合的风险增大。为了防止该粘合，进行如下操作:在滑动面实施镀层进而缓和公扣与母扣的金属间接触，即使在油井管用高级管接头中，为了避免紧固时的粘合(金属磨损)，在母扣侧的内表面也通常实施镀层。例如，在专利文献I中如下记载:为了确保耐热粘性，在螺纹套管接头的公扣或母扣的任一方的金属密封部实施镀层处理。专利文献1:日本特开2002 - 130552号公报在上述的专利文献I中公开如下技术:将在母扣侧实施的镀层的硬度设为Hv300以下，而使其发挥润滑剂的作用，由此避免公扣和母扣之间的粘合。然而，径向密封类型的接头在密封位置处的紧固时的滑动距离较长，且密封干涉量也较大的情况下，存在产生粘合的情况。
实用新型内容因此，本实用新型的目的在于提供一种具有如下优良的密封部的钢管用螺纹套管接头:即使在径向密封类型的套管接头中使密封干涉量增大来确保密封性的情况下，也不会损失耐磨损性，也就是说，能够同时实现耐磨损性与密封性。设计者们对于具有同时实现作为相反性能的耐磨损性与密封性的优良的密封部的钢管用螺纹套管接头进行了各种讨论。其结果发现了，在径向密封类型的螺纹套管接头中，公扣与母扣的任一方的密封部为圆环面状(圆锥曲线旋转面形状)，公扣与母扣的另一方的密封部形成为直线锥形，通过使对公扣或母扣实施的镀层的硬度和用密封干涉量S除以密封直径D所得的比率即密封干涉量比δ / D满足特定的范围，能够同时实现耐磨损性与密封性，从而完成了本实用新型。也就是说，本实用新型如下所述:(I) 一种管的螺纹套管接头，具有公扣与母扣，所述公扣具有外螺纹部以及从该外螺纹部向管端侧延伸的管口部，所述母扣具有:与所述外螺纹部螺纹结合而构成螺纹部的内螺纹部；以及与所述公扣的管口部外周面相对的管口部内周面，通过所述螺纹结合使所述公扣与母扣结合，公扣的所述管口部外周面与母扣的所述管口部内周面沿半径方 向进行金属对金属接触，该接触部构成密封部，所述管的螺纹套管接头的特征在于，在母扣的螺纹部表面以及与公扣接触的母扣管口部内表面实施有硬度为维氏硬度310以上的镀层，基于密封直径D与干涉量δ，由δ / D计算出的密封部的管周方向的密封干涉量比为0.002以上，其中所述密封直径D定义为:在所述螺纹结合时，与母扣侧的管口部内周面最先接触的公扣侧的管口部外周面上的部位即密封点的公扣外径，所述干涉量S定义为:假设所述密封点被母扣减径时的该减径量。(2)所述(I)所记载的管的螺纹套管接头的特征在于，所述管的螺纹套管接头是径向密封类型的，所述径向密封类型是所述密封部中的所述公扣的管口部外周面为圆环面状，所述密封部中的所述母扣的管口部内周面的管轴方向剖面为锥形。(3)所述(I)所记载的管的螺纹套管接头的特征在于，所述密封部中的所述公扣的管口部外周面的管轴方向剖面为锥形，所述密封部中的所述母扣的管口部内周面为圆环面状。(4)所述(I) (3)中任一项所记载的管的螺纹套管接头的特征在于，所述镀层的硬度为维氏硬度350以上700以下。根据本实用新型，能够得到兼备优良的耐磨损性与密封性的螺纹套管接头。
图1是示出一种螺纹套管接头的一种实施方式的剖视图。图2是示出一种螺纹套管接头的另一实施方式的剖视图。图3是示出在Cu-Sn合金镀层中在使Sn含有量变化的情况下的镀层的维氏硬度的图表。图4是示出干涉量比δ / D与镀层硬度Hv对耐磨损性及耐密封性的影响的图表。图5 Ca)是示出现有的钢管用螺纹套管接头的整体剖视图，图5 (b)是示出图5(a)中的A部的放大剖视图，图5 (C)是示出图5 (a)中的B部的放大剖视图。附图标记说明:I…母扣；2…密封点；3…公扣；5…内螺纹部；7…外螺纹部；8…管口部(公扣管口)；11...密封部；12...台肩部；13...密封部；14...台肩部；15…负载齿侧面；20…密封部。
具体实施方式
本实用新型所涉及的管的螺纹套管接头，例如，如图1所示，具有公扣3与母扣1，其中，所述公扣3具有:外螺纹部(在图1中省略图示)；从该外螺纹部向管端侧延伸的管口部8 ;以及设置在该管口部8的前端的台肩部12，所述母扣I具有:与所述外螺纹部螺纹结合而构成螺纹部的内螺纹部(在图1中省略图示)；与所述公扣I的管口部外周面相对的管口部内周面；以及抵接于所述公扣I的台肩部12的台肩部14，通过所述螺纹结合使所述公扣与母扣结合，公扣部件的所述管口部外周面与母扣的所述管口部内周面进行金属对金属接触，该接触部构成密封 部20。这里，虽然在图1中，管的螺纹套管接头是如下的径向密封类型:密封部20中的公扣的管口部外周面为圆环面状(圆锥曲线旋转面形状)，密封部20中的母扣的管口部内周面的管轴方向剖面为锥形(相对于管轴方向具有倾角的直线)。但是，管的螺纹套管接头也可以与此相反，如图2所示是如下的径向密封类型:密封部中的母扣的管口部内周面为圆环面状(圆锥曲线旋转面形状)，密封部20中的公扣的管口部外周面的管轴方向剖面为锥形(相对于管轴方向具有倾角的直线)。这些螺纹套管接头形成为如下结构:为了使密封性即气密性提高，基于密封直径D与干涉量δ，由δ / D计算出的密封部的管周方向的密封干涉量比为0.002以上。这里，密封直径D与干涉量δ如图1或图2所示，密封直径D为:在螺纹结合时，与母扣I侧的管口部内周面最先接触的公扣3侧的管口部外周面上的部位即密封点的公扣外径，干涉量δ为:在螺纹结合时，假设所述密封点被母扣I减径时的该减径量。密封干涉量比δ / D表示密封部的管周方向的应变。并且，公扣3的密封点处的周长λ 0=jiD，公扣3的密封点被母扣I减径的位置处的周长λ = Ji (D-δ )，密封部的管周方向的应变ε =I1-XMOl = S/D0而且，由于密封部的管周方向的密封干涉量比δ / D在过大时不利于耐磨损性的方面，因此优选0.020以下。进而，在本实用新型中，形成为如下结构:在母扣的螺纹部表面以及与公扣接触的母扣管口部内表面、即在图5 (b)中的内螺纹部5以及图1或图2中的与公扣接触的的母扣管口部的内表面，实施有硬度为维氏硬度310以上的镀层。在这些部位实施镀层的理由是:这些部位最容易产生金属磨损，因此通过实施镀层能够缓和公扣与母扣的金属间接触，进而抑制金属磨损的产生。这里，当镀层的硬度不足维氏硬度310时，在将密封干涉量比较高地设定为0.002以上的情况下，抑制金属磨损产生的效果不明显。因此，将镀层的硬度设为维氏硬度310以上，优选350以上700以下。通过将镀层的硬度设为350以上700以下，而能够较宽地设定密封干涉量的范围，进而能够较大地设定对螺纹进行加工时的切削精度的公差范围，从而也能够期待螺纹套管接头制作时的成品率的提高。作为镀层列举有Cu-Sn合金镀层，作为满足维氏硬度310以上的镀层列举有如下镀层:将Sn含有量设为15 65质量％，剩余部分为Cu及无法避免的杂质。图3是示出在Cu-Sn合金镀层中在使Sn含有量变化的情况下的镀层的维氏硬度的图表。通过对Cu-Sn合金镀层中的Sn含有量进行调整，而能够对镀层的硬度进行调整。另外，虽然作为维氏硬度满足310以上的镀层可以列举出Cr镀层，但是在本实用新型中使用的镀层并不限定于上述的Cu-Sn合金镀层或Cr镀层。而且，镀层厚度可以与在通常油井用螺纹套管接头进行的镀层相同，能够采用3 30 μ m0实施例将外径9-5/8英寸X壁厚0.545英寸的钢管作为试样管，制作了连接该管的螺纹套管接头。制作了如下螺纹套管接头:所述螺纹套管接头是径向密封类型的，公扣的管口部外周面或母扣的管口部内周面的一方的密封部为圆环面状(圆锥曲线旋转面形状)，该圆环面状的面的管轴方向剖面的曲线由半径I英寸 3英寸的圆弧构成，公扣的管口部外周面或母扣的管口部内周面的另一方的密封部为相对于管轴成3° 5°范围的角度的锥形。在螺纹套管接头的母扣的内表面实施了 Cu镀层、Cu-Sn合金镀层、Cr镀层的任一种。镀层厚度设为12 μ m。在表I示出试管的材质、密封部的形状、镀层种类、镀层硬度以及密封干涉量比δ / D0而且，表 I中的试样管的材质的Cr钢为屈服强度IlOksi级的13%Cr钢，C钢为屈服强度125ksi级的由APT所规定的钢种Q125。以这些螺纹套管接头为对象，实施了由IS013679所规定的M & B测试、以及评价气密性的A系列测试。M & B测试是对耐磨损性进行评价的测试，预先在密封部、螺纹部涂敷润滑剂，将通过20次以上的紧固和松开而未产生热粘的情况评价为良好(◎)，将通过10次 9次的紧固和松开而产生热粘的情况评价为可(〇)，将通过5次 9次的紧固和松开而产生热粘的情况评价为不可(Λ)，将通过4次以内的紧固和松开而产生热粘的情况评价为差(X )。A系列测试在进行I次的紧固后实施，将具有密封失效的情况评价为X，将没有密封失效的情况评价为〇。密封失效以由IS013679所规定的漏液的基准值为基础来进行评价。在表I示出耐磨损性及密封性的评价。另外，在表I中，将耐磨损性为〇或◎且密封失效为无(〇)的情况表示为综合评价(〇)，将除此之外的情况表示为综合评价(X )。另外，图4是示出将干涉量比δ / D作为横轴，将镀层硬度Hv作为纵轴，构成表I中的综合评价的图表。在图4的区域A中，通过20次的M & B测试而未产生金属磨损，且在气密性评价的A系列测试中没有密封失效，在图4的区域B中，通过10次的M & B测试而未产生金属磨损，且在气密性评价的A系列测试中没有密封失效。[表I]
权利要求1.一种管的螺纹套管接头，具有公扣与母扣，所述公扣具有外螺纹部以及从该外螺纹部向管端侧延伸的管口部，所述母扣具有:与所述外螺纹部螺纹结合而构成螺纹部的内螺纹部；以及与所述公扣的管口部外周面相对的管口部内周面， 通过所述螺纹结合使所述公扣与母扣结合，公扣的所述管口部外周面与母扣的所述管口部内周面沿半径方向进行金属对金属接触，该接触部构成密封部， 所述管的螺纹套管接头的特征在于， 在母扣的螺纹部表面以及与公扣接触的母扣管口部内表面实施有硬度为维氏硬度310以上的镀层， 基于密封直径D与干涉量δ，由δ / D计算出的密封部的管周方向的密封干涉量比为0.002以上，其中所述密封直径D定义为:在所述螺纹结合时，与母扣侧的管口部内周面最先接触的公扣侧的管口部外周面上的部位即密封点的公扣外径，所述干涉量S定义为:假设所述密封点被母扣减径时的该减径量。
2.根据权利要求1所述的管的螺纹套管接头，其特征在于， 所述管的螺纹套管接头是径向密封类型的，所述径向密封类型是所述密封部中的所述公扣的管口部外周面为圆环面状，所述密封部中的所述母扣的管口部内周面的管轴方向剖面为锥形。
3.根据权利要求1所述的管的螺纹套管接头，其特征在于， 所述密封部中的所述公扣的管口部外周面的管轴方向剖面为锥形，所述密封部中的所述母扣的管口部内周面为圆环面状。
4.根据权 利要求1 3中任一项所述的管的螺纹套管接头，其特征在于， 所述镀层的硬度为维氏硬度350以上700以下。
专利摘要本实用新型提供一种管的螺纹套管接头，其为径向密封类型的接头且兼备优良的耐磨损性与密封性的钢管用螺纹套管接头。在母扣的螺纹部表面以及与公扣接触的母扣管口部内表面实施有硬度为维氏硬度310以上的镀层，基于密封直径D与干涉量δ，由δ/D计算出的密封部的管周方向的密封干涉量比为0.002以上，其中所述密封直径D定义为在所述螺纹结合时，与母扣侧的管口部内周面最先接触的公扣侧的管口部外周面上的部位即密封点的公扣外径，所述干涉量δ定义为假设所述密封点被母扣减径时的该减径量。
文档编号E21B17/08GK203081334SQ20122053106
公开日2013年7月24日 申请日期2012年10月17日 优先权日2011年10月17日
发明者吉川正树, 长滨拓也, 近常博, 高野顺, 川井孝将, 植田正辉, 高桥一成, 森冈信彦 申请人:杰富意钢铁株式会社