具有连接器的金属管的制作方法
【专利说明】具有连接器的金属管
[0001] 本发明涉及一种管元件，该管元件具有金属管和至少一个金属连接器，该金属连 接器固定在金属管的一个端部上，使得可以在金属管和金属连接器之间传递扭矩和轴向 力，其中，金属连接器具有尤其是圆锥形的螺纹或法兰，通过所述螺纹或法兰可以将金属连 接器与另一个管元件的另一个金属连接器螺纹连接，以便连接两个管元件。例如使用这种 管元件，以便由其组装更长的钻杆，如它在石油钻孔中所需。此外，本发明涉及一种用于制 造这种管元件的方法。
[0002] 在现有技术中，金属管与金属连接器通过摩擦焊连接，如它例如在W098/13574A1 中所示。这种连接方式的缺点是，通过在连接区域内的焊接引起金属管和金属连接器中的 结构变化，该结构变化不利地影响所使用的高合金钢的强度特性。因此，在焊接之后需要特 殊的热处理，这使得制造耗费大并且昂贵。
[0003] 本发明所要解决的技术问题是，改进这种管元件，该管元件具有在金属管和金属 连接器之间的更简单安装的并且更可靠的连接装置。
[0004] 该技术问题对于管元件来说按本发明解决的方式是，金属连接器与内套筒通过圆 柱形螺纹螺纹连接，使得在设计成圆锥形地朝管端部变尖的连接区域内，将金属管面状地 夹紧在外侧上的金属连接器与内侧上的内套筒之间。通过金属连接器在金属管上摩擦配合 式的固定，不再需要进行再处理。通过圆锥形连接区域的坡度和长度可以确定夹紧力并且 适应于各种要求。圆锥形朝管端部变尖理解为，直径在连接区域内向外朝圆柱形螺纹减小。 由此可以制造连接装置，通过该连接装置可以传递较大的力矩和较高的轴向力。因此用于 钻杆的管元件也是可行的，如它应用在石油钻孔中。在管元件用于钻杆时，优选金属连接 器可以设计具有用于连接两个管元件的圆锥形的螺纹、尤其是在石油工业中常用的API螺 纹。本发明的另一个优点是，金属连接器和金属管之间的连接装置被设计为由于螺纹连接 可重新松脱，从而在圆锥形的螺纹磨损时可以例如更换或修理金属连接器，而不必更换或 输送整个管元件。这对于具有长至15m的长度的这种管元件是非常有利的。
[0005] 同样也可以使用按本发明的管元件用于其他类型的管或管道或管形驱动轴。例如 用于在海上输油（用于所谓的立管）中的管连接装置或作为钻孔的衬套（所谓的套管或衬 垫）。在管形驱动轴的情况下，金属连接器优选配设有法兰用于与另一个管元件连接。 [0006] 优选考虑钢作为用于金属连接器和金属管的材料。对于按本发明的管元件来说也 可行的是，金属管和/或金属连接器由铝合金、钛、钛合金、灰铸铁或铸钢制成。
[0007] 按本发明的改善连接装置的可靠性和可安装性以及管元件的可应用性的实施方 式的其他有利的特征出现在各从属权利要求中。
[0008] 作为第一金属连接器的补充，在对置的管端部上可以存在第二金属连接器，该第 二金属连接器如同权利要求1中描述一样与金属管连接，尤其是如同第一金属连接器那样 连接。由这种具有两个金属连接器的管元件可以组装更长的钻杆或另外的管道。一个金属 连接器优选具有圆锥形的内螺纹，并且第二金属连接器具有圆锥形的外螺纹。因此获得真 正结构相同的管元件，这简化了应用。备选地，也可以分别设计一个具有两个配备了圆锥形 内螺纹的金属连接器的管元件和一个具有两个配备了圆锥形外螺纹的金属连接器的管元 件，所述管元件始终交替地组装。
[0009] 为了实现特别牢固的连接，有利的是，金属连接器设计为，使得它在内侧具有圆锥 形连接区域，该圆锥形连接区域与金属管的连接区域的外侧接触，并且相对于管的轴线具 有在o.r到30°之间、优选0.5°到5°之间的圆锥体的螺旋角。通过该螺旋角获得足够 长的连接区域，以确保在夹持区域内良好的挤压。
[0010] 此外，会有利的是，内套筒在外侧上具有圆锥形连接区域，该圆锥形连接区域与金 属管的连接区域接触，并且相对于管的轴线具有在0.1°到30°之间、优选0.5°到5°之 间的圆锥的螺旋角。
[0011] 为了实现与金属管良好的连接，在内套筒的连接区域（3. 1)的外侧上的粗糙度和 /或在金属管的连接区域（I. 1)的内侧上的粗糙度应当足够高。
[0012] 在金属管的壁厚在连接区域内沿轴向方向保持基本上恒定时，获得特别可靠的连 接和简化的制造可能性。也就是说，在内套筒上的圆锥形区域的螺旋角和在连接区域内的 金属连接器上的圆锥形区域仰角相同，这导致特别好的夹紧。金属管的壁厚在连接区域内 优选为3mm到20mm之间、特别优选在5mm到12mm之间，以便能承受负载。
[0013] 当金属管尤其在未被金属连接器或另一个金属连接器覆盖的整个区域内被由纤 维加强的塑料纤维增强塑料构成的料层包围时，可以明显提高抗内压的强度以及耐磨损强 度。作为纤维增强塑料可以尤其考虑CFK(碳纤维增强塑料）。该料层可以例如通过对金属 管一层或多层的缠绕和之后的硬化而制成。为了实现足够好的效果，该料层的厚度应当优 选为2mm到8mm之间。
[0014] 在许多应用中，期望的是，可以通过管元件传递数据或能量或数据和能量。为此， 可以存在电线，该电线从一个管端部延伸到另一个管端部并且与插头连接，该插头位于金 属连接器的内部，并且在管元件通过螺纹或法兰与另一个管元件螺纹连接时，该插头适合 与在另一个管元件中的另一个插头和电线建立电连接。也可以在管元件上存在多个电线和 /或多个插头。当金属管被由纤维增强塑料构成的料层包围时，一根电线或多根电线可以位 于金属管和该塑料层之间，使得它们不被损坏。插头可以尤其设计成环形。插头在此一般 理解为一个适合建立电连接的部件，通过该部件可以传递数据或能量。在管元件之间的电 连接可以通过插头与对应触头的物理接触而建立或通过插头与对应件的电磁耦合、即无线 地进行。在此在管元件上也可以存在多根电线和/或多个插头。
[0015] 若内套筒具有与圆柱形螺纹邻接的护罩，该护罩构造为，使得插头沿径向看完全 地位于金属连接器和内套筒之间，则插头特别好地被保护不受来自管内部空间的因素影 响，油或其他介质可以在管内部空间中流动。内套筒优选设计成，内套筒在与另一个管元件 螺纹连接在一起之后将插头相对内部空间密封。
[0016] 为了将电线在旋拧金属连接器时不受损地从金属管导引至插头，内套筒优选具有 在圆柱形螺纹中的轴向槽或圆柱形螺纹下方的材料中的轴向的纵向孔，通过纵向孔，电线 从金属管导引至插头。该槽更容易制造。纵向孔的优点是，螺纹由此不被中断并且不被削 弱。当存在多根电线时，也可以提供多个分布在圆周上的槽或纵向孔。
[0017] 还为了使电线不受损地导引通过连接区域，会有利的是，金属管在连接区域中具 有轴向槽，该轴向槽设置在圆柱形螺纹内的轴向槽的延长部中或设置在内套筒的圆柱形螺 纹下方的轴向的纵向孔的延长部中。
[0018] 因为在一些应用中流体介质、例如油或钻孔液通过管元件流动，所以重要的是，将 压力损失保持得很小。为此，有利的是，对应套筒的内表面具有沿轴向完全连续延伸的内型 材而无边棱或台阶突变。该连续的类似喷嘴的走向导致在不同管元件的连接部位的区域内 的流动优化的、具有很小压力损失的管元件。迄今已知的管元件的缺点是，它们在连接的区 域内引起较大的压力损失。通过在金属连接器和管之间的按本发明类型的连接可以通过对 应套筒产生流动优化的内型材。
[0019] 对于按本发明的用于上述管元件的制造方法来说，本发明的技术问题解决的方式 是，执行下面的步骤：
[0020] a)内套筒安装在金属管的目前还为圆柱形的管端部上，使得内套筒的设计为圆锥 形的连接区域位于金属管中；
[0021] b)金属管在该管端部上变形、优选乳制，使得产生圆锥形地朝所述管端部变尖的 连接区域，该连接区域与内套筒的圆锥形连接区域接触；
[0022] c)金属连接器通过圆柱形螺纹旋拧内套筒，使得金属管在连接区域内面状地夹紧 在内套筒和金属连接器之间。
[0023] 因此可以制造具有可靠的连接装置的管元件，该连接装置也可以传递更大的扭矩 和轴向力的连接装置，而无需耗费的后处理。由于通过圆柱形螺纹与圆锥形连接区域相连 所形成的摩擦接合式连接，可以建立还可以重新松脱的连接，这提供了上述优点。
[0024] 也可以制造具有电线连接装置的管元件，方式是将电线从一个管端部到另一个管 端部地安置在金属管的外侧上，使得将电线插入圆柱形螺纹的轴向槽中或穿过内套筒的圆 柱形螺纹下方的材料中的轴向的纵向孔，以及插入金属管的连接区域内的与该纵向孔邻接 的槽中，并且在实施步骤c)之前将电线连接到插头上。以相同的方式也可以安设多个电线 和/或多个插头。通过槽或纵向孔保护电线在将金属连接器旋拧在内套筒上时不受损。
[0025] 此外，金属管可以被由纤维增强塑料构成的料层卷绕、优选在未被金属连接器或 另一个金属连接器覆盖的整个区域内卷绕。在卷绕之后，管可以例如在炉中经受简单的热 处理，以硬化塑料层。优选为该料层使用CFK(碳纤维增强塑料）。在具有电线连接装置的 管元件中，电线可以在卷绕之前安置到金属管上，从而电线稍后受到该料层保护。插头可以 在硬化之后安装。
[0026] 根据实施例并且参照附图阐述本发明其他的有利的特征。所述特征不仅可以以所 述的组合有利地转化，而且还可以彼此单独地组合。
[0027] 图1是现有技术中的连接点（Gestiingerohr)，
[0028] 图2是按本发明的具有电线的管元件的爆炸图
[0029] 图3是按本发明的具有电线的管元件，
[0030] 图4是内套筒的细节图。
[0031] 下列详细描述附图。在图1中示出现有技术中的钻杆元件。金属管20在每个管 端部处与金属连接器21a，21b通过摩擦焊连接。所述