专利名称：螺齿中包含槽的用于两个金属管的螺纹连接的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于两个金属管的螺纹连接。
这种连接被公知，尤其是在用于铸造管或机加工管的串列或用于油气井的油管串列。
在本说明书的以下部分中，术语“用于两金属管的螺纹连接”将包含在两个长管之间的整体连接以及在第一长管和第二短管，如管接头之间的连接二者。
美国石油学会(API)定义在规范API 5CT中，规定了用于油气井生产和构造的金属管和螺纹金属管连接；并且在规范API 5B中，规定了用于这种连接的标准的带锥度的螺纹形式，以及用于三角形、“圆形”和梯形螺纹的标准螺齿形状。
在每个雄和雌元件上的API 5B的三角形或圆形螺齿形状包括两个横向的齿侧面-承载齿侧面和穿入齿侧面-每个与垂直于连接轴的平面的每侧为30°。
在连接拼合(makeup)结束时，由于螺齿形状的锥度，两个齿侧面的每个在金属-金属接触压力下与相配合的齿侧面相接触，并且在配合的螺齿的齿顶和齿根之间存在间隙，在圆形螺齿的情况下，螺齿的齿顶和齿根被相当大地倒圆。
在每个雄和雌元件上，API 5B梯形螺齿形状包括两个齿侧面-承载齿侧面(load flank)和穿入齿侧面(stabbing flank)-相对垂直于连接轴的平面稍微倾斜，齿根和齿顶一般与螺纹锥度平行，雌螺齿的形状与雄螺齿的完全相配。
在具有API 5B的梯形螺纹的这种类型连接的拼合结束时，由于螺齿形状的锥度，雄或雌元件的至少其一的齿顶在金属-金属接触压力下与相配合元件的齿根相接触；此外，承载齿侧面也相接触，而在穿入齿侧面间存在间隙，至少在经常发生的情况中，连接的元件例如由串列的重量、或由支撑面的承载的反作用而处于拉力之下。
具有轴向间隙的这种连接被称为“具有干涉的螺齿”，由于它们在相配合的螺纹表面之间产生径向过盈，其导致在这些表面之间的金属-金属接触压力，并导致拼合扭矩的增大，该增大是由于要克服的摩擦(增大)。径向过盈的强度由径向过盈的值来衡量。
如所公知的，术语“径向过盈”意味着当元件未连接时，在雄元件上的一点和在雌元件上的相配合点之间的直径不同；径向过盈的正值意味着在连接的接触区域内存在接触压力；径向过盈的零值意味着没有压力的简单接触，并且径向过盈的负值意味着径向间隙。
在连接的其他型式中，如在欧洲专利申请EP-A-0,454,147中描述的，螺齿形状被设计成两个横向的齿侧面在连接形成的末期正好接触；相反，在齿根和相配合的齿顶之间可以设置间隙。
这种连接，在本说明书的剩余部分称为“没有轴向间隙的梯形螺纹”，可以在轴向压缩和轴向拉力或弯曲中工作。
其他连接，如在美国专利US-A-2,211,179、US-A-4,161,332或US-A-4,537,428使用具有梯形螺齿的双台阶形直螺纹。这种螺齿形状一般没有径向过盈，在螺齿之间的接触只发生在承载齿侧面，尤其是当连接承受轴向拉力时的承载齿侧面处。
US-RE30647描述了另一种螺纹连接，具有公知为楔形螺齿的双台阶形螺纹和梯形螺齿形状，雄和雌螺齿的宽度沿螺纹的每个台阶的长度边缘，以相协调的方式改变，以便随雄螺纹逐渐拧入雌元件，在啮合的元件上的雄和雌齿侧面间的轴向空间减小到零；从而横向齿侧面作为支撑面并且定位独立的密封面。
在本说明书的剩余部分，术语“楔形螺纹”或“可变宽度螺纹”将被用于具有如此特征的螺纹。
US RE34467描述了在连接上的变宽度螺纹的改进，包括锥形干涉螺纹，目的为避免在螺纹的齿根和齿顶之间的润滑脂受过渡挤压，该过渡挤压可以产生对与US RE30647有关的类型的连接内的拼合扭矩错误测量。
国际专利申请WO94/29627描述了在连接上的可变宽度螺齿的改进，包括锥形干涉螺齿，目的为形成极高拼合扭矩的连接。在WO94/29627中，在雄横向齿侧面与雌齿侧面相接触之后，楔形螺纹的拼合被继续，齿侧面的整个表面使极高拼合扭矩能够被施加，而没有塑性变形的危险。
在大多数螺纹连接中，尤其是具有锥螺纹的那些，在拼合期间，拼合扭矩逐步增大，且/或在一给定时刻，突然增大，但是在任何情况下，其必需保持在对应金属塑性变形的值以下，由于塑性变形导致金属的永久变形，并且在多个拼合脱开作用后在塑性变形区域存在磨损的危险。
如果拼合扭矩相对拧入的圈数的曲线的斜率很大，最大允许扭矩将在一个元件相对另一个相对少的圈数后达到；例如，这是在具有非常大的过盈的螺纹的螺纹连接中或在具有梯形螺纹的连接上的横向的齿侧面没有轴向间隙或具有相接触的可变宽度螺齿中的情况。
由于加工公差引起在扭矩曲线内的可变的斜率，这取决于雄/雌螺纹的加工，不可能在这种条件下预测对应最大允许的扭矩值，连接的元件的最终相对位置。
当每个雄和雌元件也包括金属-金属密封表面和支撑面如，例如在EP-A-0454147中的，由于螺纹的动作上述的缺点被放大，在螺纹端部的密封表面和支撑面必需在所用的雄-雌元件配合情况下，在连接拼合的末期同步。
本发明寻求提供一种在两个金属管之间的连接，其利用锥形的、直的或直-锥形的具有不同螺齿形状和连接间隙的螺纹，其可以克服上述的缺点。
用在本说明书剩余部分的术语“螺纹”指元件的螺纹部分的整体。从而螺纹可以由一单独的带螺纹部分或由多个带螺纹部分，例如，双台阶形直螺纹部分，或由一锥螺纹部分和一US-A-5437429内描述的型式的圆柱形锥螺纹部分构成，该专利描述的螺纹为直-锥形。
根据本发明，用于两个金属管的螺纹连接包括在第一管端部的雄元件和在第二管端部的雌元件，雄元件包括一雄外螺纹，而雌元件包括一雌内螺纹，其中每个螺纹齿侧面与相应的在雄螺纹上的齿侧面平行，雄和雌螺纹彼此拧合，该螺纹连接为至少雄或雌螺纹之一包括形成在螺纹中的槽，且其开在穿入齿侧面，或螺纹的齿顶，或跨在穿入齿侧面和螺纹齿顶之上。
每个雌螺纹的齿侧面与相应的雄齿侧面平行的事实使元件能够连接成不会只在相配合的齿侧面的一点上承载力。
术语“槽”’指具有两个槽壁和一槽底部的空腔，在螺纹内的扩大的长度相对其宽和深为长向，后者尺寸在穿过管轴的横截面内测得。
槽的形状与横截面的切面相对应，并且槽的宽度在该形状的给定深度上测得。
目前为止，螺齿被认为是整个实心的，并且过去曾尝试增强它。从而，惊人的是我们已经意识到了认为其是一种结构的重要性，该结构的刚度可以通过在其内形成一槽来改变。
形成在本发明的螺纹中的槽的功能是减小在雄和雌螺齿之间的接触力，尤其是从而减小了与接触力成比例的拼合扭矩。
为此目的，槽可以设置于螺纹内，以便增加在相配合的螺纹的压力下接触的螺纹部分的柔性，或减小接触面积，或同时影响这两个方面。
将在下面描述用于不同类型螺纹和用于不同形状螺齿的本发明的螺纹连接上的满足这些功能的槽的布置的示例。
US-A-3882917和法国专利FR-A-2408061描述了螺纹连接，其中螺纹之一具有一种开在齿顶内的槽，但是这种槽与螺纹齿侧面的结构紧密相连以获得自锁连接，即，防脱开。
在US-A-3882917的情况中，螺纹齿侧面之一具有一带三个面的伸出的肋，其一个面抵靠着配合螺纹的相应的齿侧面，另两个面确定了能使肋弯曲的槽的型式。
在FR-A-2408061中，可用于梯形螺齿中，带槽螺齿的齿侧面的斜度不同于不带槽螺齿的斜度，并且为在拼合期间，在弯曲力之下，槽在其开口的宽度减小，这是由于在相配合的螺齿之间的齿侧面的取向不同造成。
那些文献中没有一个公开了根据本发明的在连接中的槽的功能，并且没有一个应用于雌螺齿，该处每个螺齿的齿侧面与雄螺齿的相应的齿侧面平行。
从而，本发明的槽可以被形成在锥形、直的或直-锥形的螺齿中，其具有单独或多个台阶、干涉的螺纹或没有轴向间隙的螺纹以及具有固定的螺纹宽度或具有沿螺纹变化的可变宽度。
槽可以被形成在三角形、圆形或梯形的螺齿中；被用在本说明书的剩余部分的术语“梯形螺齿”包括EP-A-0454147内描述的型式的具有负承载齿侧面角度的螺纹或USRE30647内描述的型式的具有正承载齿侧面以及具有燕尾形螺齿的螺纹，或如WO94/29627所述的半燕尾形螺纹。
槽可以形成在雄或雌螺纹的一部分或全部上或在二者上同时形成。
其也可以在雄和雌螺纹上交替地形成。
其也可以在雄和雌螺纹上连续地或不连续地形成。
对于包括退刀纹的螺纹，槽可以只形成在被成为完好螺纹的螺纹中，即，完整长度的螺纹，或其也可以形成在不完好的螺纹中。
可以用多种类型的槽的形状，例如，半圆形槽、具有平行或不平行的分支的U形、对称或不对称的形或这些形状的组合，尤其是具有给定直径的倒圆的底部的U或V形，或更复杂且不对称的形状。
槽的形状优选地在其所有长度上不变。
当槽开在螺纹的齿顶时，槽形状的轴线可以与连接轴垂直或与其垂线倾斜，取决于具体情况。
当槽开在穿入齿侧面时，槽外形的轴线可以与连接轴平行，或与其倾斜，取决于情况。
可选地，槽的深度和宽度，或二者，可以在其整个长度上变化。
槽的底部优选地具有0.2mm或更大的半径以抑制应力在该位置集中。
优选地，当槽开在螺纹的齿顶内时，槽在其开口处测得的宽度小于或等于螺齿宽度的2/3。
在本说明书余下部分，术语“螺齿宽度”指在螺齿的一半高度处轴向测得的宽度，且术语“螺齿深度”指在与连接轴垂直的平面内螺齿的齿根和齿顶线之间的距离。
优选地，当槽开在穿入齿侧面时，槽在其开口处的宽度小于或等于螺齿深度的2/3。
同样优选地，当槽位于螺齿的穿入齿侧面时，其深度小于或等于螺齿深度的2/3。
同样优选地，当槽位于螺齿齿顶时，其深度小于或等于螺齿深度，因此槽的底部不超过螺齿齿根的连线。
同样优选地，当槽跨在齿顶和穿入齿侧面时，其开口宽度和其深度同时满足对于槽开在齿顶内和槽开在穿入齿侧面的规范。由此原因，其深度小于或等于螺齿深度和螺齿宽度的2/3中的较小值，且其开口宽度小于或等于螺齿宽度和螺齿深度的较小值的2/3。
优选地，本发明的螺纹连接的雄和雌元件各自包括至少一个金属-金属密封表面，位于雄元件上的每个密封表面径向与以相应方式位于雌元件上的雌表面过盈，以便在雄和雌元件之间，在拼合结束时，产生至少一个金属-金属密封接触。
同样优选地，本发明的螺纹连接的雄和雌元件各自包括支撑面，位于雄元件上的支撑面抵靠着位于雌元件上的支撑面以精确确定连接拼合完成的位置并将雄和雌螺纹的承载齿侧面置于接触压力之下。
将描述本发明的不同的非限定性的实施例。
图1是用于带锥螺纹的两个管的现有技术的螺纹和管接头(T&C)连接。
图2是与现有技术的连接相同型式的连接的变化。
图3是利用双台阶形直螺纹的现有技术整体连接的图。
图4是根据本发明的带有形成有槽的圆螺齿的螺纹的细部图。
图5到7是根据本发明的具有形成有槽的梯形过盈螺齿的螺纹的细部图，每个图表示了槽的不同位置。
图8到10也是根据本发明的带有槽的形成无轴向间隙的梯形螺齿的螺纹的细部图，每个图表示了槽的不同位置。
图4到10中每一个包括三个子图，后缀A对应雌螺纹，后缀B为雄螺纹，且后缀C为二者连接在一起。
图11更详细地示出了在图8所示型式的螺齿内的槽的位置，图11A指雌螺纹且图11B指雄螺纹。
图12是根据本发明的具有可变宽度和槽的楔形螺齿的螺纹的细部图，后缀A、B、C、D分别指雌螺纹、雄螺纹、拼合期间的连接以及完成的连接。
图13是对于用根据图12的螺纹的管连接，拼合扭矩T相对于圈数的曲线。
图14是根据本发明的具有可变宽度和槽的楔形螺齿的螺纹的细部图，后缀A、B、C和D分别指雌螺纹、雄螺纹、拼合期间的连接以及完成的连接。
所有图形为简单的示意图，特别是锥度和间隙没有按比例绘出而是被放大以能够更好地理解连接的工作。
图1示出了根据API 5CT规范的利用管接头102在两个金属管101和101’之间的螺纹连接100。
每个管101、101’的端部包括一雄元件，其包括带有圆形螺齿的雄锥螺纹103、103’。
管接头102包括两个雌元件，其相对管接头的中间平面对称设置，每个雌元件包括具有与雄元件的螺齿相匹配的螺齿的雌锥螺纹104、104’。
雄螺纹103、103’拧入相配合的雌螺纹104、104’之内。
对于这种型式的连接，规范API 5B定义了螺纹形式，它们的尺寸、螺纹锥度、螺距等。
尽管未示出，根据规范API 5CT和5B也可以使用偏梯形连接，与图1的类似，但具有梯形螺齿。
图2示出了一种公知的具有锥螺纹203、203并具有梯形螺齿形状的T&C连接200。管接头202在其中部具有突缘，该突缘使流体在管201、201’内流动变得不被扰动并能够包含雌支撑面210，其抵靠着由管的环形端面构成的雄支撑面209。
锥形雄密封表面207和雌密封表面208位于无螺纹部分并且径向过盈，以便在它们之间形成弹性接触压力并以公知的方式使图2的连接密封。
雄和雌支撑面209、210的锥形也增强了密封表面207、208处的接触压力并从而增强了连接的密封。
图3示出了在两个管301和302之间的整体螺纹连接，其包括双台阶形的直螺纹。
管301的末端包括一雄元件，其包括直的双台阶形雄螺纹303、303’，半燕尾形的雄锥形肩台表面307形成在两个雄螺纹台阶和在雄元件每端的支撑面309、309’之间。
管302的端部包括雌元件，其与雄元件配合并包括雌双台阶形螺纹304、304’，半燕尾形的雌锥形肩台表面308形成在两个雌螺纹台阶和在雌元件的每端的支撑面310、310’之间。
连接300的雄和雌螺纹具有梯形螺齿形状并且在拧合后一般不径向干涉。
在拧合完成的状态下，肩台307、308形成主要支撑面，支撑面309、309’、310、310’只作为在主要支撑面嵌入时的安全支撑面。
靠近雄元件的端部，在雄和雌元件上锥面311’、312’分别形成了一对内部金属-金属密封表面。靠近雌元件的端部，锥面311、312形成了一对外部金属-金属密封表面。密封表面的外部一对311、312也可以位于肩台307、308和大直径螺纹台阶303、304之间。
图4到10以及12、14示意性地示出了在图1到3中示出的型式的螺纹连接上的本发明的槽的作用。为清楚起见，图4到10以及12、14只示出了几个雄和雌螺齿。
图4示出了根据本发明的在图1所示型式的连接上的带有圆形螺齿形状的锥螺纹的部分，螺齿形成有槽。
雄螺齿11(图4B)包括承载齿侧面13和穿入齿侧面15，每个面与垂直于连接轴的平面的各侧成30°，而螺齿齿根17是倒圆的。
槽21被径向切入雄螺纹的齿顶，该槽具有倒圆底部的V形形状。
槽21在其开口处的宽度为螺齿11的宽度的25％，其深度等于螺齿深度的50％。
在槽的底部的半径为0.4mm。
雌螺齿12(图4A)包括承载齿侧面14和穿入齿侧面16，其与雄螺齿的相配合，齿根被倒圆。
每个承载齿侧面14和穿入齿侧面16与垂直于连接轴的平面的各侧成30°，并从而分别平行于雄齿侧面13、15。
以虚线示出的、并与槽21为相同形状和位置的槽22，径向切入雌螺纹的齿顶替代或补偿雄螺纹的槽21。
在螺纹齿顶的槽21和/或22增加了螺齿的柔性并从而减小了其的横向齿侧面的接触压力，并相对实心螺齿减小了拼合扭矩。
图5示出了根据本发明的，在图2所示型式的连接上的带有过盈的梯形螺齿形状的锥螺纹的部分，螺齿具有开在穿入齿侧面内的槽。
雄螺齿31(图5B)包括承载齿侧面33，其方向基本与连接轴垂直，以及穿入齿侧面35，其与垂直于该轴的平面倾斜成10度，齿根37和齿顶39。
齿根37和齿顶39与螺纹的锥度平行。
槽41将雄螺齿31部分分隔为两部分；槽具有倒圆底部的V形，被定向为基本与连接轴平行。
槽41在其在穿入齿侧面内的开口处的宽度为齿深的1/3并且其深度为齿宽的50％。
槽41的V形的顶角约30°并且V形在雄螺纹齿根侧的分支42基本与连接轴平行。
槽的底部为半径0.4mm的弧形。
雌螺齿32的形状(图5A)与相应的雄螺齿的相匹配，即，其轮廓线与相应的雄螺齿的轮廓线平行，尤其是承载齿侧面33、34彼此平行，并且穿入齿侧面35、36也如此；但是，雌螺齿的深度稍小于雄螺齿的深度，且雌螺齿的齿根40宽度略大于相配合的雄齿顶39的宽度。
雌螺齿32不包含槽。
图5C示意性地说明了在拼合结束时连接的工作。
在连接拼合结束时，相匹配的承载齿侧面33和34在压力下接触，是由于，例如支撑面或连接上的轴向拉力的反作用力。由于雄承载齿侧面与雌承载齿侧面平行，这个接触压力分布在承载齿侧面的整个宽度上。
类似地，雄螺纹的齿顶39与雌螺纹的齿根40径向干涉地接触。相反，由于上述的几何形状，在相配合的穿入齿侧面35和36之间以及雄螺纹齿根37和雌螺纹齿顶38之间提供有间隙。
承受表面39和40的径向过盈的雄螺齿31的上部43可以弹性弯曲，并减小接触压力，并从而减小拼合扭矩。
雄螺齿31的上部43的柔性可以通过调整槽41在穿入齿侧面35上的位置和调节槽的深度来调整。
由于在雄螺纹齿根37和雌螺纹齿顶38之间没有径向过盈，开在雌螺纹的穿入齿侧面36的槽的存在被证明在工作上是不适当的。
在干涉的齿上的槽的这种位置尤其对减小在靠近金属-金属密封表面的螺纹的水平面上的齿顶和齿根之间的接触压力有益；在此的高接触压力导致密封表面之间的泄漏；从而只在靠近承载表面的螺纹部分提供槽。
虽然未被示出，也有可能以对称的方式设想一具有雄螺纹的齿根37和雌螺纹的齿顶38之间的径向过盈的连接，并且在雌螺纹内形成槽，并开在穿入齿侧面36上。
图6示出了根据本发明的具有干涉的梯形螺齿的锥螺纹的部分，与图5的相似，但是具有倒圆底部的V形的槽51形成在雄螺纹内，开在螺纹齿顶39内。
槽51的作用首先为减小表面区域39和40的径向过盈，以便减小与表面面积成比例的摩擦力，其次是增加在承载齿侧面33和34在压力下接触时，螺纹的承载部分53的柔性，其也减小摩擦力，并从而减小连接的拼合扭矩。
槽51的形状与槽41的类似，但是它径向定位并开在齿顶39内，朝向穿入齿侧面35。从而，其开口宽度，例如为雄螺齿的宽度的60％，且其深度为螺齿深度的50％。
如图5所示，在雌螺纹齿顶38存在槽证明是不适当的，由于雄螺纹齿根37在此未产生摩擦。
图7示出了具有干涉的梯形螺齿形状的锥螺纹的部分，其与图5的相类似，除了具有V形并倒圆的底部的槽56设置在雄螺纹上，以便跨立地开在雄螺纹齿顶39和雄穿入齿侧面35上。
由于其跨于二者的位置，在螺齿的整体内的槽56的方向是倾斜的，例如槽形状的轴线与螺纹齿顶39形成45°角。
槽56的布置既可以增加螺齿的柔性，其表面33、39承受接触压力，也可以减小接触表面39、40。
图8示出了根据本发明的带有不形成轴向间隙的梯形螺齿的锥螺纹的部分，槽61形成于雄螺齿31的齿顶39内，另一槽62形成在雌螺齿32的齿顶内。
螺齿31、32的形状与图5内的螺纹的螺齿相类似；尤其是雌螺齿32的轮廓线与相应的雄螺齿31的轮廓线平行，除了雄螺齿31的齿顶39和雌螺齿32的齿根40，雄螺齿的齿根40与雌螺齿的齿顶38被设置以便在拼合时径向不干涉，而横向的齿侧面33、34、35及36被设置成在连接拼合结束时其刚好接触，如图8C所示。
与前面的图相同，雄和雌的槽61、62具有倒圆底部的V形。
与前面的图相同，槽61、62的V形的顶角约为30°，且V形的顶点的半径为0.4mm。
例如，槽61、62的深度为螺齿深度的70％，并且其在齿顶的开口宽度为螺齿宽度的35％。
槽61、62作用为使半齿的63、65切入雄螺纹内且64和65切入雌螺纹内。
在连接拼合结束相配合的齿侧面33、34、35和36相接触时，这些半齿远比实心齿柔软。得益于这种增大的柔性，支撑面如图2内的209、210的动作随相配合的横向齿侧面的接近，可以同步；在这种情况下，由于雄和雌元件的配合不好，这些齿侧面的过早接近，导致在连接拼合结束时螺齿的轻微弹性变形，但是为了获得密封表面207、208所需的支撑面209、210的精确定位可以得到。该过早接近发生在小部分制造装置中。
以下的示例示出了这种结构的应用外管直径177.8mm(7”)；管厚10.36mm(29lb/ft)；材料处理成551Mpa的最小屈服应力；具有6.25％的锥度，每英寸5个梯形螺齿的锥螺纹(即，在螺距锥度45、46和连接轴方向47之间的角为1.79°)。
图11B和11A示出了具有雄和雌螺齿31和32的相应形状的图8的零件，该螺齿尺寸定为在拼合后轴向无任何间隙。
在图中，承载齿侧面33、34为-3°的轻微的负角，而穿入齿侧面35、36都相对连接轴的法线倾斜成13°。螺齿的齿顶38、39和齿根37、40与螺距锥度45、46的母线平行，该母线与连接轴倾斜成1.79°。
螺齿宽度接近2.54mm并且其深度为1.6mm。
分别在雄螺齿31和雌螺齿32上的槽61、62的轴与连接轴垂直并且它们开在齿顶39、38内。
槽61、62具有两个倾斜的槽壁71、71’、72、72’，并且由槽底部73、74相连，以便槽的形状为具有倒圆底部的不对称的V形。
槽61、62的轴与相应的承载齿侧面33、34之间的距离为1.4mm。
V形的顶角为35°，壁71、72指向承载齿侧面33、34，比其他壁71’、72’稍微相对于V形轴更倾斜。
在槽73、74底部的半径为0.4mm。
在图11中槽61、62的深度为1mm，即螺齿深度的62.5％。从而开口宽度为螺齿宽度的38％。
虽然未示出，具有本发明的梯形螺齿的螺纹连接也可以被制造成当拼合时，锥螺纹没有轴向间隙但却具有径向过盈，至少一个螺齿具有开在齿顶内的槽。
本发明的图9示出了带有锥形螺齿和轴向间隙的锥螺纹的部分，如图8的情况一样但槽67在雄螺齿31内加工，开在其穿入齿侧面35上，以减小接触摩擦表面。
槽67具有基本在连接轴附近的轴。
作为一示例，轴向测得的其深度，可以为螺齿宽度的50％，且在开口处的其宽度为雄螺齿的深度的50％。
与前面的图形一样，其形状，为大致30°的V形，其端点终结为0.4mm半径的圆弧。
除了槽67以外，在雌穿入齿侧面内存在槽是不适当的。
图10示出了槽68，其开口成跨在本发明的连接的雄螺齿齿顶39和雄穿入齿侧面35上，具有梯形螺齿形状的锥螺纹，没有如图8所示的轴向间隙。
如图7中的情况一样，槽相对齿项和穿入齿侧面倾斜，并且可以减小在横向相配合齿侧面上的接触压力和摩擦接触表面二者。
虽然未示出，根据本发明有可能加工一直螺齿和带有槽的梯形螺齿形状的连接，例如槽位于齿顶或跨在齿顶和穿入齿侧面上，并用于减小在承载齿侧面上的接触压力。
根据本发明，也有可能构想在直的、锥形的或直的-锥形的梯形的楔形螺齿上的齿顶处的槽，该处雄和雌螺齿的宽度沿螺纹长度变化，以便螺齿的横向齿侧面在拼合结束时建立接触压力。
图12说明了设置在可变宽度楔形螺齿的齿顶处的槽，该螺齿是在图3中所示类型的双台阶形直螺纹连接的螺纹303’、304’上。
图12B的雄螺齿331为梯形并且包括承载齿侧面333、穿入齿侧面335、齿顶339和齿根337，齿顶和齿根位于与连接轴同轴的圆柱形表面上。
相对于连接轴的法线，承载和穿入齿侧面形成一角，该角一般取负值，以便螺齿331为燕尾的形状。
雄螺齿的宽度l1从位于雄元件的自由端侧的螺纹到位于相对侧的螺纹，在每个台阶上连接增大。
图12A的雌元件332为梯形以及成为雄螺齿331的形状相配合的燕尾状，并且它们包括承载齿侧面334、穿入齿侧面336、齿顶338以及齿根340，齿顶和齿根位于与连接轴同轴的圆柱形表面上。
每个雌螺齿齿侧面334、336分别与相应的雄螺齿的齿侧面333、335平行。
在相同的台阶上的雌螺齿的宽度l2从位于雌元件的自由端的螺纹到位于相对侧的螺纹连续增大，以与在雄螺纹的雄螺齿的宽度的递增相协调的方式。
雌螺齿包括槽362，其开在齿顶338内，其的形状和位置与图8A中的槽相似。
图12C示出了拼合过程中一台阶的雄和雌螺纹，在每个与其相配合螺纹啮合的螺纹的承载齿侧面333、334之间存在一不变的空间x。
此外，这种类型的直螺纹，在相配合的齿顶和齿根337-338、339-340之间没有径向过盈。
随雄元件拧入雌元件中，在相配合的横向的齿侧面间的空间减小到零，如图12D所示。
如果连续拧动以超过此点，雄横向齿侧面333、335压入相配合的雌齿侧面334、336中，在配合齿侧面之间的接触压力随连续地拧入而增加。这导致在拼合扭矩上非常快速地增大，并且取决于齿侧面的增大的表面积，拼合可以在极高的扭矩下完成。
与前面的图相似，槽362具有倒圆底部的V形，槽的V形的顶角约为30°，且V形顶点的半径为0.4mm。例如，其深度为螺齿深度的70％，且其在开口处的宽度为螺齿宽度的35％。
槽362将半齿364和366切入雌螺齿332内，该半齿远比实心齿柔软。
在具有可变宽度的这种螺齿331、332内存在槽导致拼合扭矩T-元件转动N曲线的斜度，如图13中的曲线E相对曲线D所示的，曲线D涉及一种没有槽的相似的螺齿，虽然由于槽的存在，最大允许拼合扭矩只稍微减小。
在具有可变宽度的这种螺齿内存在槽也会导致扭矩T超过一特定阀值的自限定效应。这在达到最大允许拼合扭矩之前延长了转动N的可能，并且使一对或多对分离的密封表面307、308利用一对或多对支撑面309、309’、310、310’在所有的雄-雌配合情况下能够正确地定位。
图14示出了位于楔形螺齿的齿顶的槽，该螺齿在图2所示型式的锥螺纹连接的螺纹203、204上宽度可变。
图14B中的雄螺齿为梯形形状并且包括承载齿侧面233、穿入齿侧面235、齿顶239以及齿根237，螺齿的齿顶和齿根位于与连接轴共轴并且具有相同锥度的锥形表面上。
在一种变化(未示出)中，螺齿的齿顶和/或齿根可以与连接轴、螺距表面平行，尽管是锥形的。
相对连接轴的法线，承载齿侧面233形成一角，该角一般取负值，而穿入齿侧面235相对连接轴的法相形成一角，该角一般取正值。
在螺齿的承载齿侧面和穿入齿侧面之间的角为在朝向齿顶239移动的方向上齿侧面233、235岔开，因此，螺齿为一种公知为半燕尾的形状。
雄螺齿的宽度从位于雄元件的自由端处的螺齿到位于相对侧的螺齿连续增加。
雄螺齿包括槽261，其开在螺纹齿顶239内，其的形状和布置与图8B中的61相似。
图14A的雌螺齿232为与雄螺齿231的形状相配合的梯形，并且它们包括承载齿侧面234、穿入齿侧面236、齿顶238以及齿根240。
雌螺齿的每个齿侧面234、236分别与相应的雄螺齿的齿侧面平行。
雌螺齿的宽度从位于雌元件的自由端的螺纹到位于相对侧的螺纹连续增大，以与在雄螺纹的雄螺齿的宽度的递增相协调的方式。
图14C示出了在拼合期间的雄和雌螺齿在与其配合螺齿一同起作用的每个螺齿的承载齿侧面间可以看到有一不变的空间x。
随雄元件拧入雌元件内，在相配合的横向齿侧面间的空间x减小到零，如图14D所示。如果拼合被继续进行以超过该点，雄横向齿侧面233、235压入相配合的雌齿侧面234、236，在相配合的齿侧面之间的接触压力随拼合的持续而增加。
这导致拼合扭矩的非常快速地增大，且取决于齿侧面的增大的表面，拼合可以在非常高的扭矩下完成。
此外，对这种型式的楔形螺齿锥螺纹，可以布置成当拼合完成时，在相配合的螺齿237-238和/或239-240的齿顶和齿根之间存在一径向过盈，从而雄螺纹23完全填充雌螺纹之间的空隙，和/或雌螺纹完全填充雄螺纹之间的空隙。图14D示出了雄和雌螺纹完全填满的情况，从而，螺纹自身锁紧，并且使存在于相配合的齿顶和齿根之间的润滑脂在拼合结束时无效，该情况为拼合扭矩错误测量的原因。优选地，其被布置成先于相配合的横向齿侧面接触产生一径向过盈。
如在前面的图中的，雄槽261具有倒圆底部的V形，槽的V形的顶角约为30°并且V形的顶点的半径为0.4mm。其深度，例如，为螺齿深度的70％，并且其在齿顶的开口处的宽度为螺齿宽度的35％。
槽将半齿263、265切入雄螺齿231内，半齿远比实心螺齿柔软，并且执行与图12的连接中的槽362相同的功能，该功能已描述在上文中。其也可以使在拼合快结束时横向的齿侧面的轴向延伸与齿顶和齿根的径向过盈更好地同步。
本发明的连接可以以多种变化加工，在此提供的几个实施例不起任何限制作用。
尤其是，本发明可以应用于如图3所示的整体的螺纹连接，设置与第一长金属管的端部的雄元件和设置在第二长金属管的端部的雌元件；以及应用于如图1和图2所示的T&C连接，其中两个在其端部具有雄元件的长金属管通过金属管接头连接，该管接头的每端设置有雌元件，这种T&C连接包括两个本发明的螺纹连接。
权利要求
1．一种用于两个金属管的螺纹连接，包括在第一管端部的雄元件和在第二管端部的雌元件，雄元件包括雄外螺纹，雌元件包括雌内螺纹，其中每个螺齿齿侧面与相应的雄螺齿的齿侧面平行，雄和雌螺纹彼此拧合，其特征在于，为了减小雄和雌螺纹之间的接触力的目的，至少雄或雌螺纹之一包括槽，该槽包括两个槽壁和一槽底部，其设置于螺齿的体内并且开在穿入齿侧面内或齿顶内或跨在穿入齿侧面和齿顶之上。
2．如权利要求1所述的螺纹连接，其特征在于，槽在螺齿或螺纹的前进的长度方向上是连续的。
3．如权利要求1或2所述的螺纹连接，其特征在于，槽具有V形轮廓和倒圆的底部。
4．如权利要求1到3中任一项所述的螺纹连接，其特征在于，槽的底部具有0.2mm或更大的半径。
5．如权利要求1到4中任一项所述的螺纹连接，其特征在于，开在齿顶的槽(21、22、51、61、62、261、362)的开口的宽度小于或等于螺齿宽度的2/3。
6．如权利要求1到4中任一项所述的螺纹连接，其特征在于，开在穿入齿侧面的槽(41、67)的开口的宽度小于或等于螺齿深度的2/3。
7．如权利要求1到4中任一项所述的螺纹连接，其特征在于，跨在齿顶和穿入齿侧面的槽(56、58)的开口的宽度小于或等于螺齿的宽度或深度的较小值的2/3。
8．如权利要求1到4中任一项所述的螺纹连接，其特征在于，位于齿顶的槽(21、22、51、61、261、362)的深度小于或等于螺齿的深度。
9．如权利要求1到4中任一项所述的螺纹连接，其特征在于，形成在穿入齿侧面内的槽(41、67)的深度小于或等于螺齿宽度的2/3。
10．如权利要求1到4中任一项所述的螺纹连接，其特征在于，跨在齿顶和穿入齿侧面的槽(56、58)的深度小于或等于螺齿宽度的2/3和螺齿深度中的较小值。
11．如权利要求1到10中任一项所述的螺纹连接，其特征在于，雄和雌螺纹为锥形的，具有梯形螺齿，其设置在一个台阶上或多个台阶上。
12．如权利要求11所述的螺纹连接，其特征在于，在拼合完成时，至少一个雄和雌螺纹的齿项与相配合的齿根径向干涉。
13．如权利要求11所述的螺纹连接，其特征在于，雄和雌螺纹为梯形的，无径向间隙。
14．如权利要求1到10中任一项所述的螺纹连接，其特征在于，雄和雌螺纹为直的，设置于一个或多个台阶上，或为直-锥形的。
15．如权利要求11到14中任一项所述的螺纹连接，其特征在于，雄和雌螺齿的宽度沿螺纹的或每个带螺纹部分的整个长度以相互协调的方式变化以构成楔形螺纹。
16．如权利要求1到10中任一项所述的螺纹连接，其特征在于，雄和雌螺纹是锥形的，具有根据规范API 5B的圆形螺齿。
17．如权利要求1到16中任一项所述的螺纹连接，其特征在于，雄元件包括至少一个雄密封表面(207、311、311’)，且雌元件包括至少一个雌密封表面(208、312、312’)，当拼合结束时，相应的雄和雌密封表面径向过盈以便在雄和雌元件之间产生至少一个金属-金属密封接触。
18．如权利要求1到17中任一项所述的螺纹连接，其特征在于，雄和雌元件各自包括至少一个支撑面，在连接拼合结束时，雄元件的支撑面(209、307)抵靠相应的雌元件的支撑面(210、308)。
19．如权利要求1到18中任一项所述的螺纹连接，其特征在于，其为整体型(300)。
20．如权利要求1到18中任一项所述的螺纹连接，其特征在于，其为螺纹和管接头型式(100、200)。
全文摘要
一种两个金属管的螺纹连接，包括在第一管端部的雄元件和在第二管端部的雌元件，雄元件包括外雄螺纹，雌元件包括内雌螺纹，雄和雌螺纹彼此拧合，雄或雌螺纹的至少其一包括槽，产生在接合齿侧面(33、34)或在齿顶(39、38)，或跨在它们之间。槽(61)被布置在螺齿(31)中以便增加与相配合的螺齿(32)一起承受接触压力的螺齿部分(63、64)的柔性，和/或减小接触表面。
文档编号F16B7/18GK1317078SQ9981057
公开日2001年10月10日 申请日期1999年9月2日 优先权日1998年9月7日
发明者西里·诺埃尔, 伊曼纽尔·瓦伦尼 申请人:法国瓦罗里克·曼尼斯曼油汽公司