动态立管机械连接件的制作方法

优先权要求

本申请要求于2014年9月12日提交的第62/049,947号美国临时专利申请的权益，上述美国临时专利申请的全部内容通过引用整体并入本文。

本发明大致涉及用于管道的高强度耐疲劳的管连接件；以及，更具体但并非限制性地涉及用于海上立管和管道的高强度耐疲劳的管连接件，例如那些连接至主要用于石油和天然气的海上生产的浮式生产系统(floatingproductionsystems,fps)的管连接件。

背景技术：

在本领域中某些同轴(例如，非螺旋形)螺纹销和箱连接件系统使众所周知的，用于连接大直径(例如，12英寸至36英寸)的海上钢筋束和立管。然而，已证明这种连接件系统难以适应较小直径(例如，6英寸至8英寸)的管。例如，这种连接件系统的销件和箱件通常通过在销件和箱件之间的螺纹环中提供高压(通常5000psi至10000psi)的液压流体来使销件和箱件接合和脱离，其中，该液压流体在销件和箱件各自的螺纹直径中使箱件膨胀并使销件收缩。随着连接件设计的直径变小，连接件的箍应力对于径向螺纹位移成比例地增加。因此，这种直径较小的连接件系统所需的螺纹脱离接合可超过通常用于这种连接件的材料(例如，普通钢合金)的屈服强度。虽然这种连接件可使用强度较高的合金和材料，但是使用这些合金和材料可能不现实。例如，这种材料可与管道流体、环境条件(例如，海水)不相容，或可难以焊接至通常用于所连接管子的普通合金。

在美国第8,056,940号专利中公开了管连接件的一个示例。

技术实现要素：

本公开包括连接件系统的实施方式。

本装置提供了一种新颖又实用的高强度且耐疲劳的、用于管道的管连接件，其结构更简单，可以更普遍地用于各种应用，并且在操作中比先前已知的连接件更为通用。

在一些实施方式中，该连接件包括销部件和箱部件，销部件和箱部件每个均包括配合的截头锥体、同轴(非螺旋形)槽形配合表面或螺纹配合表面以及平坦配合表面，同轴(非螺旋形)槽形配合表面或螺纹配合表面配置成使销部件和箱部件螺纹互锁，平坦配合表面通过销件轴向前进至箱件中进行密封并预加载。在至少一些实施方式中，销件轴向运动至锥形配合的箱件中，导致箱件的径向膨胀和销件的径向收缩，直至同轴螺纹图案匹配并互锁地卡扣至连接位置，以使得在卡扣接合后，连接件在销件和箱件的外径(outerdiameter，od)和内径(innerdiameter，id)的对接肩部处进行密封并预加载。在至少一些实施方式中，包括箱部件的外径和/或内径中、和/或在销部件的外径中的轮廓径向突出部，从而加强并控制相应部件的径向顺应性，使得连接件壁不会通过在连接或分离期间所采用的液压加压排量受到过度应力。在至少一些实施方式中，楔形弹性环(例如，能够在箱部件和销部件的连接和分离期间施加的压力和所施加的力作用下弹性变形)配置成设置在连接件的内径处(例如，并且至少部分地对齐)，从而在构成连接件期间容许轴向运动，并在连接件内径中产生密封。

该连接件系统的一些实施方式包括：销部件，限定中空内部区域，该中空内部区域在销部件的近端与邻近销部件的远端的密封部分之间具有大致恒定的第一内径(id)，并且销部件具有锥形外表面，该锥形外表面具有多个齿状部，密封部分具有比销部件的第一内径大的第二内径；以及箱部件，具有锥形内表面，该锥形内表面具有多个齿状部，该多个齿状部配置成接合销部件的齿状部，并且箱部件具有外表面，该外表面具有第一部分和第二轮廓部分，第一部分具有沿箱部件的大部分长度延伸的、大致恒定的第一外径(od)，第二轮廓部分具有可变外径，该可变外径在第一部分与箱部件的远端之间变化。

该连接件系统的一些实施方式还包括：密封环，具有外径并且配置成设置于销部件的内径密封部分中，使得密封环的外径邻接销部件的第二内径。在一些实施方式中，密封环包括具有第一宽度的内表面、具有小于内表面的第二宽度的外表面以及在内表面与外表面之间延伸的两个成角度的侧表面。在一些实施方式中，两个侧表面相对于平分上表面和下表面中的每个的轴线处于相等大小的镜像角度。在其他实施方式中，密封环包括具有第一宽度的内表面、平行于内表面的外表面以及每个都垂直于内表面和外表面的两个侧表面。在这些其他实施方式中的一些中，倒角连接外表面和两个侧表面中的一个。

在该连接件装置的一些实施方式中，销部件的密封部分包括环状纵向突出部，该环状纵向突出部具有限定第二内径的径向内表面。在一些实施方式中，箱部件的近端包括环状纵向内径密封槽部，该环状纵向内径密封槽部配置成接纳内径密封部分的突出部。在一些实施方式中，内径密封槽部配置成以过盈配合接纳内径密封部分的突出部。

在该连接件装置的一些实施方式中，箱部件的远端包括外径密封部分，该外径密封部分具有比箱部件的第一外径小的第二外径，从而限定环状纵向突出部。在一些实施方式中，销部件的近端包括环状纵向外径密封槽部，该环状纵向外径密封槽部配置成接纳外径密封部分的突出部。在一些实施方式中，外径密封槽部配置成以过盈配合接纳外径密封部分的纵向突出部。

在该连接件装置的一些实施方式中，箱部件的第二部分的可变外径首先随着远离箱部件的第一部分的第一外径的距离增加至最大可变外径，然后随着进一步远离第一部分的第一外径的距离减小至最小可变外径。在一些实施方式中，最小可变外径大致与箱部件的第一部分的第一外径相等。在一些实施方式中，箱部件的、沿可变外径减小的部分的侧壁在最大可变外径部分与内径密封部分之间具有大致恒定的厚度。在一些实施方式中，箱部件的侧壁在第一外径密封部分与内径密封部分之间具有大致恒定的厚度。

在该连接件装置的一些实施方式中，销部件和箱部件中的每个的多个齿状部包括同轴的非螺旋形螺纹。在一些实施方式中，销部件的齿状部配置成接合箱部件的齿状部，从而将附接销部件至箱部件。在一些实施方式中，销部件的齿状部和箱部件的齿状部配置成通过在销部件的外表面与箱部件的内表面之间加压而脱离接合。一些实施方式还包括：加压部件，该加压部件配置成在销部件的外表面与箱部件的内表面之间的界面加压。

总之，前述实施方式提供可克服现有技术设备中的缺陷的、高强度耐疲劳的管连接件。例如，前述实施方式可配置为或适于与具有8英寸及更小(例如，6英寸)的公称管径一起使用，和/或上述实施方式可比其连接的管段强度更大(例如，即使当与任何较大直径管一起使用时)。作为另一示例，因为该实施方式不易由于旋转而脱离旋开，并且该实施方式包括内径密封件以减少由于内部腐蚀引起的可能的泄漏，所以前述实施方式可特别适用于可经受扭转载荷的管道、悬链和竖直立管。作为进一步示例，该实施方式可允许使用等级合适的钢(例如，普遍用于立管管连接件的钢)，即：实际焊接至通用立管的管材料；对管道流体或海底环境产生不利影响的可能较小；和/或可承受5,000psi至10,000psi以及高达20,000psi(例如，14,000psi至17,000psi或15,000psi至16,000psi)的、非常高的内部流体压力。另外，该实施方式在现场可比焊接连接更快地构成，可在现场快速脱离连接和重新连接多次，该实施方式进行预加载以抵抗疲劳，并且具有显著大于焊接连接的疲劳寿命，以及/或该实施方式可在比现有技术连接更广泛的应用中使用。

术语“联接(coupled)”被限定为连接，尽管不一定是直接地，而且不一定是机械式地；“联接(coupled)”的两项可能是彼此统一的。除非在本公开中另有明确要求，否则术语“一(a)”和“一(an)”被限定为一个或多个。本领域普通技术人员应理解的是，术语“大致(substantially)”被限定为所指定的大部分，但不一定为所指定的全部(并且包括所指定的；例如，大致90度包括90度，以及大致平行包括平行)。在任何公开的实施方式中，术语“大致(substantially)”、“大约(approximately)”和“约(about)”可用“在所指定的[百分数]之内”，其中百分数包括0.1％、1％、5％、10％和20％。

另外，以某种方式配置的设备或系统至少以这种方式配置，但是该设备或系统还可以以不同于那些所具体描述的方式进行配置。

术语“包括(comprise)”(和包括的任何形式，例如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”)、“具有(have)”(和具有的任何形式，例如“具有(has)”和“具有(having)”)、“包括(include)”(和包括的任何形式，例如“包括(includes)”和“包括(including)”、以及“包括(contain)”(和包括的任何形式，例如“包括(contains)”和“包括(containing)”)是开放式连接动词。因而，“包括(comprises)”、“具有(has)”、“包括(includes)”、或“包括(contains)”一个或多个元件的装置具有那些一个或多个元件，但不限于仅具有那些元件。同样地，“包括(comprises)”、“具有(has)”、“包括(includes)”、或“包括(contains)”一个或多个步骤的方法具有那些一个或多个步骤，但不限于仅具有那些一个或多个步骤。

任何装置、系统和方法的任何实施方式均可由任何所描述的步骤、元件和/或特征组成或基本上由任何所描述的步骤、元件和/或特征组成，而不是包括(comprise)/包括(include)/包括(contain)/具有(have)任何所描述的步骤、元件和/或特征。因而，在任何权利要求中，术语“由……组成”或“基本上由……组成”可代替上述任何开放式连接动词，以便将所给出的权利要求的范围从原本使用开放式连结动词具有的范围进行改变。

除非由本公开或实施方式的性质明确禁止，否则即使没有描述或示出，一个实施方式的一个或多个可应用于其他实施方式。

下面描述与上述实施方式和其他实施方式相关的一些细节。

附图说明

以下附图通过举例而非限制性地方式示出。出于简洁和清晰的目的，并没有在呈现结构的每张附图中对所给定结构的每个特征均进行标记。相同附图标记不一定指代相同的结构。相反，和不相同的附图标记一样，相同附图标记可用于以指代相似特征或具有相似功能的特征。附图是按比例绘制的(除非另有说明)，这意味着所示元件相对于彼此的尺寸至少在附图所示的实施方式中是准确的。

图1是本发明销和箱连接件装置处于连接配置或制成配置的实施方式的剖视图。

图2是图1的连接件装置的2-2部分的放大剖视图。

图3是图1的连接件装置的3-3部分的放大剖视图。

图4是图1的连接件装置的4-4部分的放大剖视图。

图5是图1的连接件装置的分解剖视图。

图6是图1的连接件组件的剖视图，示出确定的尺寸和几何关系。

图7是图6的局部放大图。

图8是本发明的销和箱连接件装置处于连接配置或制成配置的第二实施方式的剖视图。

图9是图8的连接件装置的9-9部分的放大剖视图。

图10是图8的连接件装置的分解剖视图。

图11是图8的连接件组件的剖视图，示出确定的尺寸和几何关系。

图12是图8的局部放大图。

具体实施方式

用于静态和动态立管应用的机械连接件包括管状的管销与箱连接件。销件和箱件包括配合的截头锥体的和平坦的同轴槽形配合表面，这些配合表面通过销件轴向前进至箱件中而螺纹地互锁、密封和预加载。销件轴向运动至锥形配合的箱件中导致箱件径向膨胀和销件径向收缩，直至同轴的螺纹图案匹配并互锁地卡扣至连接位置。在卡扣接合后，连接件在销件和箱件的外径和内径的对接肩部处进行密封和预加载。连接件的外径和/或内径中的轮廓径向突出加强并控制径向顺应性，使得连接件壁不会通过在连接或分离期间所采用的液压加压排量受到过度应力。在构成连接件以及在连接件内径中实现密封期间，连接件内径中的楔形或矩形(截面)的柔性(例如，弹性)顺应环容许轴向运动。

现参见附图，更具体地，参见图1至图7，图中更具体地示出了本发明动态立管连接件的一个实施方式。

图1示出了动态立管机械连接件的实施方式的剖视图，该机械连接件是用于海上立管和管道的高强度、耐疲劳的管连接件，例如可连接至主要用于石油和天然气生产的浮式生产系统(fps)。在所示实施方式中，管柱10的相邻的段12和段13通过管道连接件11连接，管道连接件11包括箱件15、销件16和密封件(环)14。在所示实施方式中，密封环14包括内表面、外表面39以及两个成角度的侧表面28a和侧表面28b，其中内表面(面向销件16和管柱10的内部)具有第一宽度，外表面39具有小于内表面的第二宽度，两个成角度的侧表面28a和侧表面28b在内表面与外表面之间延伸。在该实施方式中，侧表面28a、侧表面29a相对于平分上表面和下表面中的每个的轴线成相等大小的镜像角度。管柱通常会具有6-5/8英寸至24英寸的外径(od)尺寸o，其中内径(id)i由通常范围从1/2英寸至2英寸的管柱壁厚限定，并且管柱可配置成承载和/或容纳诸如油、气体和/或水的加压流体50。在该实施方式中，箱件15包括同轴(非螺旋形)内螺纹21，并且销件16包括同轴(非螺旋形)外螺纹22，如图所示，外螺纹22配置成接合箱件15的螺纹21(如附图标记20所示)。如图所示，螺纹20和螺纹21每个均通过以切割或其他方式形成于截头锥体表面中的多个凹槽来限定(或以其它形状在所示的截头锥体轮廓中成形)。尽管未在附图中示出，但是如对于其它轴向构成的销和箱连接件的本领域所已知的是，连接件(例如，至少箱件15)还包括至少一个端口，可通过该端口输送液压流体，以对箱件与销件之间的空间加压，从而使箱件和销件分离。

在所示的实施方式中，箱件15和销件16可包括通常用于这种连接件的钢材(例如，普通钢合金)，以及密封环14可包括与箱件15和销件16相同的材料(例如，低合金钢、c-mn钢、普通碳钢、钛合金、铝合金等)或可包括诸如耐腐蚀合金(cra，例如，铬镍铁合金625、耐热铬镍铁合金825、316不锈钢、309不锈钢等)或不同的耐腐蚀合金(cra)的相异材料，其中，该不同的耐腐蚀合金(cra)选择(例如，钛合金)是为了额外符合能够与连接件相比较的强度，而弹性模量比钢材低。

在所示实施方式中，连接件11的销件和箱件包括分别与钳位槽19a和钳位槽19b相邻的、用于处理和支承管柱的肩部18a、肩部18b，钳位槽19a、钳位槽19b用于接合制成工具，制成工具可用于将销构件和箱构件轴向地压合在一起。连接件系统的制成强制地预加载连接件外部对接面24、25和内部锥形对接密封界面30a、30b(分别介于密封件14的上表面28a和下表面28b与所对应的箱件15的表面29a和销件16的表面29b之间)。因为所描绘的连接件被设计成通过锥形箱件和销件共同的轴线前进而制成，所以连接件箱件由箱件外径(od)的一个或多个突出部17加强，以防止当箱件膨胀和销件收缩时的塑性屈服，从而使螺纹滑过销件螺纹来实现螺纹21与螺纹22之间最终的接合20以及邻接表面的预加载。在该实施方式中，如图5中更详细地所示，箱件的轮廓26(例如，沿着突出部17的至少部分的、箱件的内部或内径轮廓)配置成在加强箱件的至少部分处(例如，在螺纹21与箱件邻接部27的远端之间的部分)提供恒定厚度t，从而使得能够在不降低箱件的强度的情况下实现足够的顺应性。销件16的外径(od)或外表面包括应力消除轮廓23a、23b，应力消除轮廓23a、23b配置成分配在管柱10中传递的轴向应力和弯曲应力。

图2中示出了连接件的2-2部分(图1)的放大剖视图。在该实施方式中，销件16包括内径尖端密封件32，尖端密封件32配置成插入至箱件15的内部尖端密封槽部31中，并在内部尖端密封槽部31中具有过盈配合，从而提供高压内部密封接触部33、34。如图所示，在所示实施方式中，内径高压密封件(例如，接触部33、34)由预加载的锥形密封件14保护，密封件14配置成当连接件系统处于图1的配合结构中时，在界面30a、30b处形成密封接触，从而防止来自管道内表面的砂粒颗粒和管道中的流体到达尖端密封。例如，密封件14防止管道中的流体进出，从而防止缝隙腐蚀。在其他实施方式中，密封件14可用作独立的高压内径密封件，从而允许完全省略内径尖端密封件31、32，并允许连接件壁厚最小化。

图3中示出了连接件的3-3部分(图1)的放大剖视图。在该实施方式中，箱件15包括外径尖端密封件38，外径尖端密封件38配置成插入至销件16的内部尖端密封槽部35中，并在内部尖端密封槽部35中具有过盈配合，从而提供高压内部密封接触部36、37。在该实施方式中，外径尖端密封件的高压密封接触部36、37在管柱内形成用于加压流体的、冗余密封的最终屏障。另外，在所示实施方式中，在箱件15与销件16之间的外径对接表面24、25(图1)为箱件和销件的螺纹接合(20)提供主要预加载作用，同时稳定外径尖端密封件38在管柱的动态载荷条件下的微动运动。

图4中示出了连接件的4-4部分(图1)的放大剖视图。如更详细的示出，在该实施方式中，轮廓26具有与外径突出部17类似的形状，并从而与外径突出部17协作，以沿突出部17的至少部分(例如，在螺纹21与箱件的末端之间)限定恒定厚度t。

图6描绘了剖视图，示出了连接件的不同部分的相对尺寸。例如，在该实施方式中的至少一些中，螺纹21、螺纹22是锥形的，具有2度至5度(例如，在2度、2.25度、2.5度、2.75度、3度、3.25度、3.5度、3.75度、4度、4.25度、4.5度、4.75度和5度中的任何两个之间，例如，2.5度-3.5度、2.75度-3.25度、3度-4度、3.5度-4.5度和/或类似的)的锥角a。如图所示，长度l1是外径对接面27与螺纹21的始端之间的跨度长度，长度l2是接合螺纹20的长度，长度l3是螺纹22的始端与内径对接界面30a(在表面29a的最远端部分处)之间的跨度长度，以及t1是穿过锥形接合螺纹的平均内径至平均外径的厚度。在该实施方式中的至少一些中，l2/t1的比率为2至3(例如，在2、2.2、2.4、2.6、2.8和/或3中的任何两个之间，例如，在2.4与2.8之间、和/或类似的)，l1/l2和l3/l2的比率不小于0.9(例如，大于0.9、0.95、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.75和/或2中的任何一个或在0.9、0.95、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.75和/或2中的任何两个之间)，以及跨度长度l1和l3足够长以允许(并且可延长以提高)充足的顺应性，该顺应性用于在连接件制成和分离的操作期间的均匀分离和螺纹21、螺纹22中的允许应力。在所示实施方式中，附图是按比例绘制的，并且管道10具有85/8英寸的公称直径。例如，在所示实施方式中，螺纹21、螺纹22以3±0.25度的角度a逐渐变锥，l2/t1的比率为2.6±0.2，l1/l2的比率为0.95±0.05，以及l3/l2的比率为1±0.05。

在所示实施方式中，箱件15包括具有大致恒定的第一外径(od)的第一部分和具有变化外径的第二部分(突出部17)，其中第一部分沿箱件的大部分长度延伸(例如，在槽部19a与突出部17之间)，第二部分的变化外径在第一部分与箱部件的远端之间(例如，长度之间的至少部分)变化。在所示实施方式中，突出部17包括可变化的外径(沿突出部17的长度变化)。在该实施方式中，箱件15的外径首先随远离箱部件的第一部分的第一外径(例如，从点od1)的距离而增加至最大可变外径(至点od2)，并随后随进一步远离第一部分的第一外径(例如，从点od3)的距离而减小至最小可变外径(例如，在点od4处)。在该实施方式中，厚度t在点od3与箱件15的密封部分(点od4的远端)之间大致恒定。在其他实施方式中，突出部17是螺纹的远端，并且厚度t沿突出部17的整个长度恒定。

图8至图12示出了该销和箱连接件装置的第二实施方式。图8至图12的实施方式与图1至图7的实施方式大致相似(图2和图3还示出了图8中实施方式的2-2部分和3-3部分)，除了密封环14a的形状不同于密封环14，以及箱件15和销件16的相应表面29c、29d分别成形为不同于箱件15和销件16的表面29a、29b(图9示出了图8中实施方式的9-9部分)。因此，以下将会描述差异，其中，将其余特征理解为与图1至图7中的第一实施方式的那些特征大致相似。

更具体地，在第二实施方式中，密封环14a包括内表面、外表面39a和两个侧表面28c、28d，内表面(面向销件16和管柱10的内部)具有第一宽度，外表面39a平行于内表面，侧表面28c、28d每个均垂直于内表面和外表面(导致密封环14a具有大致矩形的截面形状)。在该实施方式中，倒角连接外表面39a和侧面28d。在所示实施方式中，连接件具有85/8英寸的公称外径，并且密封环14a的径向截面(如图9所示)具有0.75英寸的宽度和0.57英寸的厚度(在密封环14a的内表面与外表面之间)。在其他实施方式中，例如，在具有较大直径连接件的那些实施方式中，密封环14a的尺寸可变化。在所示的第二实施方式中，箱件15a和销件16a的相应表面29c、29d也分别成形为与密封件14a的侧表面28c、28d相对准。

除了用于管道(例如，立管)的高强度耐疲劳的管连接之外，该实施方式还可用于结构连接中的高效率耐疲劳的管状连接。

上述说明书和示例提供了对示意性实施方式的结构和用途的完整描述。尽管以上已经以具体的某种程度或参照一个或多个单独实施方式描述了某些实施方式，但是本领域的技术人员可在不背离本发明的范围的情况下对所公开的实施方式进行大量的替换。因此，方法和系统的各种示意性实施方式不旨在局限于所公开的具体形式。相反，方法和系统的各种示意性实施方式包括落在权利要求范围内的所有修改和替换，并且除了所示实施方式之外的多个实施方式可包括所述实施方式的一些或全部特征。例如，元件可省略或组合为单一结构，和/或连接件可被代替。另外，在适当的情况下，上述任何示例的方面可与所述的任何其他示例的方面组合，以形成具有可比较的或不同的属性和/或功能的、并且解决相同或不同的问题的另外的示例。类似地，应理解的是，上述的益处和优点可涉及一个实施方式或可涉及若干个实施方式。

除非在给定的权利要求中分别使用短语“用于……的方法”或“用于……的步骤”明确地叙述，否则权利要求书并不旨在包括，也不应被解释为包括方法加功能或步骤加功能的限制。