專利名稱：具有多面螺紋面的螺紋結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種用于管連接的螺紋結(jié)構(gòu)，更具體說(shuō)是涉及用于對(duì)流通管道進(jìn)行固定以形成期望的連續(xù)流通路徑的螺紋連接結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在本領(lǐng)域中已知有各種螺紋連接，對(duì)首尾相接的流通管道進(jìn)行連接，以便形成用于輸送流體的連續(xù)的流通路徑。例如，在從地下地層開采碳?xì)浠衔锖推渌问降哪茉磿r(shí)，把這種螺紋連接用于套管柱中。例如，這些套管柱包括鉆管、油井套管和開采管道，這些都是公知的并被稱作“油田管件”。本發(fā)明的螺紋連接的其它應(yīng)用包括水平/無(wú)溝槽鉆進(jìn)作業(yè)，這些是與建筑行業(yè)相關(guān)的非油田應(yīng)用。所有這些類型的物件都采用所說(shuō)的這種螺紋連接來(lái)連接相鄰的管道段或管接頭。
近年來(lái)，螺紋技術(shù)已有很多的進(jìn)步。在1981年授予Blose的Re.30647中公開了一種具有獨(dú)特螺紋結(jié)構(gòu)的管連接，這種獨(dú)特的螺紋結(jié)構(gòu)提供非常牢固的連接，同時(shí)還能控制相連的外螺紋元件和內(nèi)螺紋元件中的應(yīng)力和張力。這種螺紋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是，使螺旋螺紋配合，這些螺旋螺紋在相反的方向上螺紋寬度呈錐形，從而使相對(duì)的螺紋面呈楔狀配合，以便限制這種連接結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)。
如果對(duì)這種楔形螺紋進(jìn)行適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)，那么這種楔形螺紋就能提供高抗扭性能，從而當(dāng)構(gòu)成這種連接時(shí)，不會(huì)把軸向或徑向應(yīng)力傳遞到這種管連接中。在操作中，具有高抗扭性能的管連接能阻止這種連接中的附加配合，從而在必要時(shí)能更容易地打開這種連接。通過(guò)減小螺紋連接中的軸向或徑向應(yīng)力，來(lái)提供一種更堅(jiān)固的連接，這種連接能經(jīng)受更大的操作應(yīng)力和張力。然而，傳統(tǒng)的螺紋連接采用相互嚙合的螺紋結(jié)構(gòu)，這種螺紋結(jié)構(gòu)設(shè)置在環(huán)形壓縮的外螺紋中以及環(huán)形張力的內(nèi)螺紋中，Blose連接對(duì)嚙合元件內(nèi)所產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行控制，以便把兩個(gè)元件拉在一起，而不是使兩個(gè)元件相互分開。
1986年7月15日授予Blose的美國(guó)專利US4600224是對(duì)基本的楔形螺紋構(gòu)思的一種改進(jìn)和進(jìn)一步的完善。在US4600224所公開的發(fā)明中，公開了一種連接，這種連接具有“人”字形荷載螺紋面。通過(guò)特殊的螺紋結(jié)構(gòu)來(lái)控制螺紋連接的徑向結(jié)合，其中，通過(guò)在螺紋連接的兩個(gè)荷載支承螺紋表面之間的人字形式的相互配合，而不是僅僅依靠螺紋寬度，來(lái)限制螺紋徑向移動(dòng)到相配合的螺紋槽內(nèi)。
由于螺紋的螺旋楔作用以及作用在螺紋上的刺戳和荷載支承表面上的作用力的徑向分量的平衡，在這種連接的外螺紋和內(nèi)螺紋元件的任何一個(gè)中均不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力的徑向分量。還可以控制這種螺紋連接的軸向配合，而無(wú)需通過(guò)這些螺紋本身的楔作用來(lái)使一臺(tái)肩鄰靠到接頭上。通過(guò)控制配合螺紋之間的徑向相互配合，就能控制潤(rùn)滑劑的阻塞。
1992年12月7日授予Reeves的Re34467中，旨在對(duì)基本的Blose楔形螺紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。正如專利權(quán)人所述，當(dāng)Blose連接被轉(zhuǎn)動(dòng)，以便與前部和后部的螺紋荷載螺紋面接合時(shí)，不可壓縮的螺紋潤(rùn)滑劑或其它液體會(huì)被阻擋在相嚙合的荷載螺紋面之間。被阻擋的螺紋潤(rùn)滑劑能阻止力矩的形成，并給出一個(gè)錯(cuò)誤的力矩指示，這會(huì)導(dǎo)致壓力和張力都比在Blose的連接中所期望的壓力和張力小，從會(huì)降低設(shè)計(jì)強(qiáng)度和荷載能力。Re.34467中所描述的發(fā)明旨在通過(guò)把螺紋潤(rùn)滑劑從在連接處相嚙合的荷載螺紋面之間排除，從而排除錯(cuò)誤指示力矩的可能性。
在傳統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)中的連接中，在形成連接期間，通常只有一個(gè)單一的荷載螺紋面嚙合，并且在鄰近后部螺紋面處形成間隙。通過(guò)在傳統(tǒng)的螺紋結(jié)構(gòu)的后部螺紋面上提供螺紋間隙，從而在形成連接時(shí)提供一條螺旋狀的排出流動(dòng)通道，或一個(gè)用于接收流動(dòng)的液體螺紋潤(rùn)滑劑的過(guò)多部分的儲(chǔ)蓄池。由于Blose的螺紋成螺旋狀地構(gòu)造成“楔形”，因此，在形成連接時(shí)，必須在螺紋齒頂和齒根之間提供徑向間隙，以便提供所期望的排出路徑來(lái)排出一些被阻擋的潤(rùn)滑劑。Re.34467通過(guò)對(duì)Blose楔形螺紋結(jié)構(gòu)的幾何形狀進(jìn)行優(yōu)化來(lái)消除潤(rùn)滑劑阻擋的問(wèn)題。
正如專利權(quán)人所描述的那樣，在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以便構(gòu)成這種連接期間，外螺紋元件的齒根壁與內(nèi)螺紋元件的齒頂壁接觸，以便在它們之間不會(huì)發(fā)生液體阻擋。在前面的Blose的連接中，螺紋齒根和螺紋齒頂并不嚙合。螺紋潤(rùn)滑劑會(huì)被阻擋在螺紋齒根和螺紋齒頂之間長(zhǎng)長(zhǎng)的螺旋狀空間內(nèi)。在Re.34467中，對(duì)螺紋進(jìn)行了修改，使得在荷載螺紋面嚙合之前齒根和齒頂相互嚙合，從而使得在完全形成連接之前，齒根和齒頂之間的螺紋潤(rùn)滑劑從這些表面之間被擠壓出來(lái)。
在Re.34467和Re.30647中，優(yōu)選的螺紋其斷面呈“燕尾形”，齒頂比齒根寬。US4600224不同于Blose的結(jié)構(gòu)，其區(qū)別在于它公開的是一半燕尾形或部分燕尾形的螺紋。但是，正如傳統(tǒng)上對(duì)術(shù)語(yǔ)“燕尾形”所作的定義那樣，其螺紋齒頂?shù)膶挾热匀淮笥诼菁y齒根的寬度。
本發(fā)明的發(fā)明目的是對(duì)基本的楔形螺紋構(gòu)思作出進(jìn)一步的改進(jìn)，從而提供比現(xiàn)有技術(shù)中更優(yōu)越的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的經(jīng)改進(jìn)的螺紋結(jié)構(gòu)是通過(guò)特殊的螺紋結(jié)構(gòu)來(lái)控制徑向結(jié)合，其中，通過(guò)這種螺紋連接的兩個(gè)嚙合螺紋表面之間的復(fù)合外形的互配，來(lái)對(duì)螺紋進(jìn)入嚙合螺紋槽的徑向移動(dòng)進(jìn)行控制。這種復(fù)合外形可設(shè)置在刺戳螺紋面上、荷載螺紋面上、或設(shè)置在這兩個(gè)螺紋面的組合上。在相互嚙合的螺紋的嚙合齒頂之間設(shè)置一個(gè)受控間隙，以便防止螺紋齒頂和螺紋齒根之間所阻擋的潤(rùn)滑劑造成的液壓增大。刺戳螺紋面的復(fù)合外形可被做成人字形雙傾斜的螺紋面，它適于與配合的內(nèi)螺紋元件的嚙合螺紋面相嚙合。優(yōu)選地是，設(shè)置在螺紋結(jié)構(gòu)的刺戳螺紋面和/或荷載螺紋面上的復(fù)合外形是多面的螺紋面，每個(gè)刺戳螺紋面至少具有三個(gè)面和四個(gè)半徑。外螺紋齒頂具有齒頂寬度，內(nèi)螺紋齒根具有齒根寬度。齒頂?shù)膶挾刃∮邶X根的寬度，該齒根正位于燕尾結(jié)構(gòu)的齒根的相反側(cè)。
本發(fā)明的螺紋結(jié)構(gòu)旨在用于這樣一種類型的管連接，即這種管連接具有一個(gè)帶有內(nèi)螺紋的內(nèi)螺紋元件(box)和一個(gè)帶有外螺紋的外螺紋元件(pin)，其中所說(shuō)的內(nèi)螺紋具有刺戳螺紋面和荷載螺紋面、平的齒根和齒頂，所說(shuō)的外螺紋具有刺戳螺紋面和荷載螺紋面、以及平的齒頂和齒根，所說(shuō)的外螺紋用于與內(nèi)螺紋元件的內(nèi)螺紋嚙合，以便形成管連接。螺紋在內(nèi)螺紋元件上的一個(gè)方向以及在外螺紋元件的另一個(gè)方向上寬度增大，從而在形成管連接期間，螺紋的齒根、齒頂和螺紋面移動(dòng)到一起。
外螺紋具有一復(fù)合外形的刺戳螺紋面，它至少由一內(nèi)壁部分和一交叉的外壁部分組成，該內(nèi)壁部分和交叉的外壁部分一起形成雙傾斜的螺紋面，該雙傾斜的螺紋面與相配合的內(nèi)螺紋元件的一嚙合的刺戳螺紋面相嚙合，從而在外螺紋元件和內(nèi)螺紋元件的刺戳螺紋面之間形成相互配合。這種相互配合用作對(duì)外螺紋進(jìn)入嚙合內(nèi)螺紋元件的配合螺紋結(jié)構(gòu)內(nèi)的徑向移動(dòng)進(jìn)行限制，以便控制管連接的徑向配合。優(yōu)選地是，該復(fù)合外形的刺戳螺紋面是多面的螺紋面，每個(gè)刺戳螺紋面至少具有三個(gè)面和四個(gè)半徑。在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施例中，該外螺紋還具有一復(fù)合外形的荷載螺紋面，用于與配合的內(nèi)螺紋元件的嚙合的荷載螺紋面嚙合。通過(guò)外螺紋元件和內(nèi)螺紋元件的刺戳螺紋面與荷載螺紋面的這種相互配合，在外螺紋和內(nèi)螺紋的齒根和齒頂之間形成一間隙，以允許把受阻擋的螺紋潤(rùn)滑劑排出。
還表示出了一個(gè)具有密封應(yīng)力的螺紋工具接頭適配器連接。該適配器連接的特點(diǎn)是一個(gè)中間元件，具有反向面的外螺紋端部。這個(gè)反向面的外螺紋端部與配合的內(nèi)螺紋元件嚙合，內(nèi)螺紋元件能用于把一標(biāo)準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)的工具接頭連接器連接到鐓粗管上。在一個(gè)實(shí)施例中，這個(gè)中間元件是由防腐合金制成的。內(nèi)螺紋元件是由NACE批準(zhǔn)的材料制成。外螺紋和內(nèi)螺紋可以具有前面所描述的復(fù)合的刺戳和荷載螺紋面，以便在外螺紋元件和內(nèi)螺紋元件的螺紋面之間提供期望的相互配合，也可以具有其它楔形螺紋外形。在這種連接的每一端，在內(nèi)螺紋和外螺紋的嚙合表面和螺紋表面的相對(duì)范圍處形成金屬-金屬密封。這種金屬-金屬密封用于對(duì)連接的螺紋表面進(jìn)行密封，從而把密封表面隔離開，使其不遭受腐蝕。
通過(guò)下面的書面描述，可以清楚地理解本發(fā)明其它的發(fā)明目的、特征以及優(yōu)點(diǎn)。


圖1是采用本發(fā)明的經(jīng)改進(jìn)的螺紋結(jié)構(gòu)的一螺紋工具的接頭適配器連接的側(cè)剖視圖；
圖2是圖1中適配器所用的錐形連接的側(cè)剖視圖，表示出本發(fā)明的螺紋結(jié)構(gòu)；圖3是處于完全連接的位置的本發(fā)明的螺紋結(jié)構(gòu)的部分近視圖；圖4是與圖3類似的本發(fā)明螺紋結(jié)構(gòu)的部分近視圖，其中外螺紋元件的刺戳和荷載螺紋面均具有本發(fā)明的復(fù)合外形；圖5是與圖3和圖4類似的部分近視圖，表示出外螺紋的刺戳螺紋面上的人字形外形；圖6是本發(fā)明優(yōu)選的螺紋結(jié)構(gòu)的部分近視圖，表示出某些角度方面和尺寸方面。
具體實(shí)施例方式
圖1表示出了一個(gè)螺紋工具的接頭適配器連接，其總體上由附圖標(biāo)記11表示，它采用了本發(fā)明的經(jīng)改進(jìn)的螺紋結(jié)構(gòu)。該適配器11包括一中間元件13，中間元件13具有相反朝向的外螺紋端部15、17，每個(gè)外螺紋端部都具有外螺紋19，該外螺紋19與相嚙合的內(nèi)螺紋端部元件23、25上的內(nèi)螺紋嚙合。
在本發(fā)明的一個(gè)特別優(yōu)選的結(jié)構(gòu)中，中部元件13是由防腐合金(CRA)材料制成的，而端部元件23、25是由符合NACE標(biāo)準(zhǔn)的鉆管形成的。防腐合金材料的一些典型的例子包括(1)不銹鋼；傳統(tǒng)的奧氏體，高鋁奧氏體，馬氏體，沉淀硬化，復(fù)式和鐵素體；(2)沉淀硬化和固體溶液鎳基合金；鎳銅合金；(3)鈷基，鈦和鋯合金。防腐合金材料的一般分類的這種描述實(shí)際上包括無(wú)數(shù)的材料選擇，這取決于所考慮的油井應(yīng)用，在這里的介紹只是描述實(shí)施本發(fā)明的一些適合的材料。
除了具有本發(fā)明的嚙合的楔形螺紋19，21以外，這種連接在螺紋區(qū)域的外端和內(nèi)端采用金屬-金屬密封27，29。這種結(jié)構(gòu)確保把在螺紋區(qū)域使基材受到腐蝕的所有的應(yīng)力封閉起來(lái)，使其與外部的或內(nèi)部的腐蝕介質(zhì)隔離開。此外，金屬-金屬密封可保護(hù)接頭的內(nèi)部關(guān)鍵段區(qū)域不受腐蝕流體的侵蝕。應(yīng)力最高的區(qū)域通常是在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生破壞的位置，但是，由于這個(gè)區(qū)域被金屬-金屬密封區(qū)域所保護(hù)，甚至在結(jié)構(gòu)上被支撐，從而把破壞位置發(fā)生在連接邊界外。
正如將要被更詳細(xì)描述的那樣，這種連接沒(méi)有采用剛性的扭矩止擋件。本發(fā)明的楔形螺紋結(jié)構(gòu)吸收所施加的扭矩，并提供半剛性的扭矩止擋件。由于楔形螺紋把外螺紋元件和內(nèi)螺紋元件鎖定在一起，因此，不需要用很高的徑向應(yīng)力來(lái)把這種連接夾持在一起。通過(guò)去除剛性的扭矩阻擋件，從而就不再需要采用一扭矩臺(tái)肩了。這又使得不需要采用加工這種臺(tái)肩所要求的材料。于是，與具有臺(tái)肩連接的且具有相同扭矩能力的連接相比，本發(fā)明的這種連接就能應(yīng)用在具有小外徑OD、更大內(nèi)徑ID或它們的組合的管道上。本發(fā)明的螺紋結(jié)構(gòu)的一個(gè)優(yōu)選的應(yīng)用是用于一更小直徑(2-3/8英寸)的工具接頭，該工具接頭被用于不開挖鉆工業(yè)中的淺的水平鉆進(jìn)。在采礦行業(yè)中也可采用同樣的連接。這種連接適合用在水平鉆孔機(jī)中所用的短長(zhǎng)度的鉆管上，這種鉆孔機(jī)常被用于鉆孔，并把路面、河流和其它地面障礙物下的管道或纜繩拉起。
雖然在體現(xiàn)本發(fā)明的螺紋結(jié)構(gòu)的圖1中只表示出了工具接頭的螺紋連接，但是應(yīng)當(dāng)知道，利用本發(fā)明的螺紋結(jié)構(gòu)還可以制造出其它各種類型的連接。例如，連接可以被鐓粗(upset)的或不被鐓粗的，可以是錐形的或是“圓筒形的”，或是非錐形的連接。這些連接還可以采用其它形式的楔形螺紋，例如采用在Blose的Re.30647和Reeves的Re.34467中所描述的楔形螺紋。
圖5更詳細(xì)地表示出了本發(fā)明的一種螺紋結(jié)構(gòu)。如圖5所示，外螺紋元件31具有外螺紋，該外螺紋具有螺紋齒頂33和螺紋齒根35。外螺紋元件31的齒頂33和齒根35適合與具有配合螺紋結(jié)構(gòu)的嚙合內(nèi)螺紋元件37嚙合。外螺紋齒頂33形成于該螺紋的一刺戳螺紋面39和一荷載螺紋面41之間。
在這里所用的術(shù)語(yǔ)“荷載螺紋面”(Load flank)是指面向離開各個(gè)設(shè)有螺紋的外螺紋元件或內(nèi)螺紋元件的外端的螺紋的側(cè)壁。術(shù)語(yǔ)“刺戳螺紋面(stab flanks)”是指面向各個(gè)外螺紋元件或內(nèi)螺紋元件的外端，并在接頭起初裝配期間支撐著接頭重量的側(cè)壁表面。
外螺紋刺戳螺紋面39是雙傾斜的人字形螺紋面，它用于與配合的內(nèi)螺紋元件37的嚙合螺紋面43嚙合，以便在外螺紋和內(nèi)螺紋的刺戳螺紋面之間形成人字形的相互配合。如圖5所示，外螺紋人字形刺戳螺紋面39是由一內(nèi)壁部分45和一相交的外壁部分47組成。內(nèi)壁部分45與管連接的縱軸線49之間形成一負(fù)角α。負(fù)角的意思是在內(nèi)壁部分45與相鄰的螺紋齒根35之間所形成的角α是一個(gè)銳角，從而內(nèi)壁部分45向內(nèi)朝著螺紋齒根35張開。如圖5所示，刺戳螺紋面的外壁部分47與縱軸線49之間形成一正角或鈍角β，從而外壁部分47從與螺紋面的內(nèi)壁部分45的交點(diǎn)51向外張開。
外螺紋荷載螺紋面41與縱軸線49之間形成一正角，荷載螺紋面41相對(duì)于相鄰的外螺紋齒根53向內(nèi)張開。因此，荷載螺紋面41與內(nèi)壁部分45不平行。螺紋齒頂33和齒根35可平行于管連接的縱軸線49，但是也可以與該連接的錐度線平行或不平行。
由于外螺紋和內(nèi)螺紋都是螺旋楔形螺紋，因此，它們的軸向?qū)挾妊刂鼈兊穆菪L(zhǎng)度逐漸改變。也就是說(shuō)，從圖5中看外螺紋元件也可以看出，每個(gè)連續(xù)螺紋的螺紋寬度，從沿著螺旋長(zhǎng)度的外螺紋元件外圍55到與外螺紋元件口部相鄰的內(nèi)圍57逐漸減小。因此，如圖5所示，在“X”處外螺紋元件31的螺紋寬度大于螺紋寬度“Y”。內(nèi)螺紋元件37的軸向螺紋寬度沿相反方向逐漸減小。這種外螺紋和內(nèi)螺紋的軸向?qū)挾戎饾u減小就提供了一種楔形相互配合，從而對(duì)管連接的軸向嚙合進(jìn)行限制。
螺紋管連接可以是錐形的，盡管這并不是本發(fā)明所必須的?！板F形”的意思是螺紋被設(shè)置在一錐形體上(如圖5中軸線59所示)。
圖3表示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，其中，外螺紋元件61具有一復(fù)合外形的刺戳螺紋面63，用于與內(nèi)螺紋元件67的一嚙合刺戳螺紋面65相嚙合。在這個(gè)例子中，外螺紋元件的刺戳螺紋面63做成多個(gè)面的螺紋面，每個(gè)刺戳螺紋面至少具有三個(gè)面69，71，73(見圖3)和四個(gè)半徑。這些面以角度的方式表示出來(lái)，它們是圖3中的角τ，Π，γ。應(yīng)注意，相對(duì)于管連接的縱軸線75，角τ和Π為鈍角，而角γ相對(duì)于軸線75則為銳角。如圖3所示，荷載螺紋面77與軸線75形成一鈍角μ，并沿相鄰的齒根79的方向向內(nèi)傾斜。
圖4表示出了與圖3相類似的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，其中，這種連接的相同部分用帶撇號(hào)的附圖標(biāo)記來(lái)表示。然而，在這個(gè)例子中，除了復(fù)合外形的刺戳螺紋面63’以外，外螺紋元件61’還具有一復(fù)合外形的荷載螺紋面81。在圖4所示的實(shí)施例中，復(fù)合外形的荷載螺紋面81也是多個(gè)面的螺紋面，它至少具有三個(gè)面83，85，87。面83，85，87與面69’，71’，73’相同，但朝向相反，并與這種連接的縱軸線75’分別形成角度δ，ε，θ。
參照?qǐng)D6，面89，91形成30度正角面，并作為外螺紋元件61’的荷載螺紋面，而面93，95形成30度的正角面，作為外螺紋元件61’的外螺紋刺戳螺紋面。在圖6中，B1表示內(nèi)螺紋齒根槽寬度，B2表示內(nèi)螺紋齒根的齒寬，P1表示外螺紋齒頂?shù)凝X寬，P2表示外螺紋齒根的齒寬，B3表示內(nèi)螺紋齒頂?shù)凝X寬，P3表示外螺紋齒根槽的寬度，而L1表示荷載螺紋面的長(zhǎng)度(load flanklead)。應(yīng)注意，內(nèi)螺紋齒頂比外螺紋齒根寬，外螺紋齒頂比內(nèi)螺紋齒根寬。由于在寬度方面，齒頂?shù)凝X寬小于齒根的齒寬，因此，螺紋齒的尺寸與傳統(tǒng)的燕尾螺紋是相反的。一旦構(gòu)成這種連接時(shí)，就會(huì)在齒根與齒頂之間形成一偏移間隙94，例如該間隙的數(shù)量級(jí)為0.01英寸，以便排出被阻擋的潤(rùn)滑劑。齒根和齒頂可以平行于管的軸線，也可以平行于或不平行于管的錐度線(見圖6中的96)。
圖2是圖1中的一部分工具接頭適配器連接的一個(gè)近視圖，圖中表示出了利用本發(fā)明的如圖3表示的復(fù)合外形的刺戳螺紋面實(shí)施例的兩段螺紋結(jié)構(gòu)。因此，外螺紋刺戳螺紋面63具有前面所描述的復(fù)合外形。在圖2所示的實(shí)施例中，螺紋結(jié)構(gòu)97設(shè)置在較大的半徑上，而第二段螺紋99設(shè)置在較小半徑上或離這種連接的縱軸線101一定的距離處。這兩段螺紋可以是圓柱形的，也可以是錐形的，并且在安裝期間的組裝速度也是被公認(rèn)的。如果需要的話，可以用螺紋排泄槽103，105，107儲(chǔ)存潤(rùn)滑劑，或把這些螺紋排泄全去掉。在圖2中的109處以近視圖的形式表示出了金屬-金屬密封區(qū)域。位于109處的金屬-金屬密封被設(shè)置成短的、低角度密封，它具有在約0.200與0.400英寸之間的嚙合長(zhǎng)度，優(yōu)選的是約0.250英寸，錐度在1度與5度之間。短密封的目的在于，一旦構(gòu)成這種連接時(shí)，就允許被阻擋的潤(rùn)滑劑隨時(shí)排出，而不會(huì)損壞這種密封，使徑向屈服或外螺紋端部112倒踏。
在111處的金屬-金屬密封設(shè)計(jì)成一長(zhǎng)的低角度密封，該密封的嚙合長(zhǎng)度大約是內(nèi)部密封的三倍。優(yōu)選地是，這個(gè)長(zhǎng)的低角度密封的嚙合長(zhǎng)度至少為0.400英寸，錐度在1度與5度之間。這個(gè)長(zhǎng)密封的目的在于向圖2中“C”所示的關(guān)鍵段提供最大的機(jī)械支撐。已經(jīng)知道，在這種結(jié)構(gòu)中，圖中111處所示的機(jī)械支撐密封，將大大減小由于這種連接的轉(zhuǎn)動(dòng)和彎曲而造成的關(guān)鍵斷面中的疲勞應(yīng)力。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在這種結(jié)構(gòu)中，一旦轉(zhuǎn)動(dòng)地形成這種連接，被阻擋的過(guò)多的螺紋復(fù)合物的流動(dòng)路徑，是在111處從這種連接的外部區(qū)域通向并經(jīng)過(guò)109處的這種連接的內(nèi)部區(qū)域。在圖6中94所示的螺紋齒根與齒頂之間的間隙有利于這種流通，而不會(huì)因阻擋的螺紋潤(rùn)滑劑所產(chǎn)生的壓力而對(duì)這種連接造成結(jié)構(gòu)上的損壞。
在利用單一的人字形或多個(gè)面的復(fù)合螺紋結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行組裝期間，通常是首先與刺戳螺紋面接觸。這種連接通常首先跨在刺戳螺紋面上，直到在人字形上產(chǎn)生一些干擾為止。該干擾一般是結(jié)構(gòu)內(nèi)部的干擾，或者是，在沒(méi)有結(jié)構(gòu)干擾情況下，干擾是由管狀元件的橢圓度造成的。這種連接通常是運(yùn)行自由直到發(fā)生動(dòng)力嚙合為止。其作用把刺戳螺紋面荷載傳遞到荷載螺紋面。一旦發(fā)生這種傳遞，荷載螺紋面嚙合就作為一剛性阻擋。即使內(nèi)螺紋元件齒頂和外螺紋元件齒根還沒(méi)有接觸，也會(huì)使該移動(dòng)停止。如果施加其它扭矩，在螺紋面的接觸表面上的作用力的平衡將停止，就會(huì)發(fā)生內(nèi)螺紋元件的螺紋沿徑向移入外螺紋槽內(nèi)，并且在刺戳和荷載螺紋面之間對(duì)螺紋進(jìn)行軸向擠壓，阻止進(jìn)一步地形成這種連接。位于螺紋齒頂和齒根之間的徑向間隙的大小(圖6中的94)，是由所采用的人字形或其它復(fù)合外形螺紋面的角度來(lái)確定的。通過(guò)正確地確定這些角度，就能控制這個(gè)間隙空間，而不會(huì)象一些現(xiàn)有技術(shù)中的楔形螺紋結(jié)構(gòu)那樣完全取決于螺紋寬度。
本發(fā)明具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明能控制螺紋連接的軸向嚙合，而無(wú)需通過(guò)螺紋本身的楔緊作用把一臺(tái)肩鄰接在接頭上。徑向嚙合能通過(guò)特殊的螺紋結(jié)構(gòu)來(lái)控制，其中，通過(guò)刺戳螺紋面、荷載螺紋面或它們的組合上的復(fù)合外形，對(duì)螺紋沿徑向移入嚙合螺紋槽內(nèi)的移動(dòng)進(jìn)行限制。通過(guò)控制嚙合螺紋之間的徑向互配合，就能防止?jié)櫥瑒┑淖枞?。荷載螺紋面和刺戳螺紋面的多個(gè)面的復(fù)合外形，在螺紋楔形嚙合時(shí)產(chǎn)生平衡的應(yīng)力。通過(guò)正確地設(shè)計(jì)多面的螺紋面的角度，能平衡由扭矩支承荷載所造成的徑向應(yīng)力、與由刺戳螺紋面和荷載螺紋面之間螺紋楔緊作用所造成的相反應(yīng)力。從而形成應(yīng)力平衡，使得當(dāng)嚙合螺紋的齒頂和齒根處于間隙內(nèi)時(shí)不能產(chǎn)生徑向作用力。
本發(fā)明的無(wú)臺(tái)肩連接消除了在臺(tái)肩接合點(diǎn)處的應(yīng)力集中。這種無(wú)臺(tái)肩連接還省去了臺(tái)肩的加固作用。這種減少是剛性的使得管組件比在其它情況下能通過(guò)一個(gè)更緊的半徑。本發(fā)明的楔形螺紋結(jié)構(gòu)具有一低外形連接，這種連接允許管元件的內(nèi)徑是張開的。本發(fā)明的螺紋工具接頭適配器利用金屬-金屬密封對(duì)外螺紋元件和內(nèi)螺紋元件的螺紋區(qū)域進(jìn)行密封，從而密封了內(nèi)部壓力和外部壓力，確保把那些會(huì)使基材遭受腐蝕的所有應(yīng)力密封起來(lái)并被分隔開。此外，金屬-金屬密封可以保護(hù)接頭的內(nèi)部關(guān)鍵段，使其不受腐蝕性流體侵蝕。保護(hù)了應(yīng)力最高的區(qū)域，從而消除了傳統(tǒng)上的缺點(diǎn)。
雖然上述只表示出了本發(fā)明的三種結(jié)構(gòu)，但是本發(fā)明并不局限于這三種結(jié)構(gòu)，在未脫離本發(fā)明的構(gòu)思情況下，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改變和變型。
權(quán)利要求
1.一種用于管連接的螺紋結(jié)構(gòu)，具有一外螺紋元件，該外螺紋元件適于與一內(nèi)螺紋元件嚙合，從而形成管連接，它包括一外螺紋元件，該外螺紋元件具有外螺紋，外螺紋具有螺紋齒頂和螺紋齒根，這些螺紋齒頂和螺紋齒根用于與一嚙合內(nèi)螺紋元件嚙合，該嚙合內(nèi)螺紋元件具有一互補(bǔ)的螺紋結(jié)構(gòu)，外螺紋齒頂設(shè)置在外螺紋的一刺戳螺紋面和一荷載螺紋面之間；所說(shuō)的外螺紋具有一復(fù)合外形的刺戳螺紋面，該刺戳螺紋面至少由一內(nèi)壁部分和一相交的外壁部分組成，該內(nèi)壁部分和外壁部分一起形成雙傾斜螺紋面，用于與互補(bǔ)的內(nèi)螺紋元件的嚙合刺戳螺紋面嚙合，以便在外螺元件和內(nèi)螺紋元件的刺戳螺紋面之間提供相互配合，這種相互配合用作對(duì)外螺紋移入內(nèi)螺紋元件的互補(bǔ)螺紋結(jié)構(gòu)內(nèi)的徑向移動(dòng)進(jìn)行限制，以便控制該管連接的徑向嚙合；和其中外螺紋元件上的螺紋被螺旋地制造成一楔形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺紋結(jié)構(gòu)，其中復(fù)合外形的刺戳螺紋面是多面的螺紋面，每個(gè)刺戳螺紋面至少具有三個(gè)面和四個(gè)半徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺紋結(jié)構(gòu)，其中外螺紋還具有一復(fù)合外形的荷載螺紋面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的螺紋結(jié)構(gòu)，其中該復(fù)合外形的荷載螺紋面是多面的螺紋面，每個(gè)刺戳螺紋面至少具有三個(gè)面和四個(gè)半徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺紋結(jié)構(gòu)，其中外螺紋齒頂具有一個(gè)齒頂寬度，外螺紋齒根具有一個(gè)齒根寬度，螺紋齒頂?shù)膶挾刃∮诼菁y齒根的寬度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺紋結(jié)構(gòu)，其中外螺紋元件具有水平軸線，外螺紋齒根和齒頂平行于外螺紋元件的水平軸線。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺紋結(jié)構(gòu)，其中外螺紋元件具有一水平軸線，外螺紋齒根和齒頂不平行于外螺紋元件的水平軸線。
8.一種螺紋管連接，包括一個(gè)具有內(nèi)螺紋的內(nèi)螺紋元件和一個(gè)具有外螺紋的外螺紋元件，其中，所說(shuō)的內(nèi)螺紋具有刺戳螺紋面和荷載螺紋面、平的齒根和齒頂，所說(shuō)的外螺紋具有刺戳螺紋面和荷載螺紋面、以及平的齒頂和齒根，所說(shuō)的外螺紋用于與內(nèi)螺紋元件的內(nèi)螺紋嚙合，以便形成管連接，螺紋在內(nèi)螺紋元件上的一個(gè)方向以及在外螺紋元件的另一個(gè)方向上寬度增大，從而在形成管連接期間，螺紋的齒根、齒頂和螺紋面移動(dòng)到一起；和所說(shuō)外螺紋具有一復(fù)合外形的刺戳螺紋面，它至少由一內(nèi)壁部分和一相交的外壁部分組成，該內(nèi)壁部分和相交的外壁部分一起形成雙傾斜螺紋面，用于與互補(bǔ)的內(nèi)螺紋元件的一嚙合刺戳螺紋面相嚙合，以便在外螺紋元件和內(nèi)螺紋元件的刺戳螺紋面之間形成相互配合，這種相互配合用作對(duì)外螺紋移入內(nèi)螺紋元件的互補(bǔ)螺紋結(jié)構(gòu)內(nèi)的徑向移動(dòng)進(jìn)行限制，從而控制該管連接的徑向嚙合。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的管連接，其中所說(shuō)的復(fù)合外形的刺戳螺紋面是多面的螺紋面，每個(gè)刺戳螺紋面至少具有三個(gè)面和四個(gè)半徑。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的管連接，其中外螺紋還具有一復(fù)合外形的荷載螺紋面，用于與互補(bǔ)的內(nèi)螺紋元件的嚙合荷載螺紋面嚙合。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的管連接，其中復(fù)合外形的荷載螺紋面是多面的螺紋面，每個(gè)刺戳螺紋面至少具有三個(gè)面和四個(gè)半徑。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的管連接，其中外螺紋齒頂具有一個(gè)齒頂寬度，外螺紋齒根具有一個(gè)齒根寬度，螺紋齒頂?shù)膶挾刃∮邶X根的寬度。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的管連接，其中外螺紋元件具有一水平軸線，外螺紋齒根和齒頂平行于外螺紋元件的水平軸線。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的管連接，其中外螺紋元件具有一水平軸線，外螺紋齒根和齒頂相對(duì)于外螺紋元件的水平軸線呈錐形。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的管連接，其中外螺紋元件和內(nèi)螺紋元件的刺戳螺紋面和荷載螺紋面的這種相互配合，在外螺紋和內(nèi)螺紋的齒根和齒頂之間形成一間隙，以便允許排出任何被阻塞的螺紋潤(rùn)滑劑。
16.一種用于具有水平軸線的管的螺紋管連接，這種連接包括一內(nèi)螺紋元件和一外螺紋元件，其中的內(nèi)螺紋元件具有錐形的內(nèi)螺紋，該內(nèi)螺紋具有刺戳螺紋面和荷載螺紋面以及不平行于管的縱軸線的平的齒頂和齒根，其中的外螺紋元件具有錐形的外螺紋，該外螺紋具有刺戳螺紋面和荷載螺紋面以及不平行于管的縱軸線的平的齒頂和齒根，外螺紋元件上的外螺紋與內(nèi)螺紋元件的內(nèi)螺紋嚙合，從而形成管連接，螺紋在內(nèi)螺紋元件上的一個(gè)方向以及在外螺紋元件的另一個(gè)方向上寬度增大，從而在形成管連接期間，螺紋的齒根、齒頂和螺紋面移動(dòng)到一起；和所說(shuō)外螺紋具有一復(fù)合外形的多角度的刺戳螺紋面，它至少由一內(nèi)壁部分和一相交的外壁部分組成，該內(nèi)壁部分和相交的外壁部分一起形成雙傾斜螺紋面，用于與互補(bǔ)的內(nèi)螺紋元件的一嚙合刺戳螺紋面相嚙合，以便在外螺紋元件和內(nèi)螺紋元件的刺戳螺紋面之間形成相互配合，這種相互配合用作對(duì)外螺紋移入內(nèi)螺紋元件的互補(bǔ)螺紋結(jié)構(gòu)內(nèi)的徑向移動(dòng)進(jìn)行限制，從而控制管連接的徑向嚙合，并在外螺紋和內(nèi)螺紋的齒頂和齒根之間形成一偏移間隙，以允許排出任何被阻擋的螺紋潤(rùn)滑劑。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的螺紋連接，其中復(fù)合的多角度的刺戳螺紋面是多面的螺紋面，每個(gè)刺戳螺紋面至少具有三個(gè)面和四個(gè)半徑。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的螺紋連接，其中外螺紋還具有一復(fù)合的多角度的荷載螺紋面。
19.一種螺紋工具接頭適配器連接，其具有被密封的應(yīng)力，該適配器連接包括一個(gè)具有內(nèi)螺紋的內(nèi)螺紋元件和一個(gè)具有外螺紋的外螺紋元件，其中，所說(shuō)的內(nèi)螺紋具有刺戳螺紋面和荷載螺紋面、平的齒根和齒頂，所說(shuō)的外螺紋具有刺戳螺紋面和荷載螺紋面、以及平的齒頂和齒根，所說(shuō)的外螺紋用于與內(nèi)螺紋元件的內(nèi)螺紋嚙合，以便形成管連接，螺紋在內(nèi)螺紋元件上的一個(gè)方向以及在外螺紋元件的另一個(gè)方向上寬度增大，從而在形成管連接期間，螺紋的齒根、齒頂和螺紋面移動(dòng)到一起；所說(shuō)外螺紋具有一復(fù)合外形的刺戳螺紋面，用于與互補(bǔ)的內(nèi)螺紋元件的一配合刺戳螺紋面相嚙合，以便在外螺紋元件和內(nèi)螺紋元件的刺戳螺紋面之間形成相互配合，這種相互配合用作對(duì)外螺紋移入內(nèi)螺紋元件的互補(bǔ)螺紋結(jié)構(gòu)內(nèi)的徑向移動(dòng)進(jìn)行限制，從而控制管連接的徑向嚙合，和一個(gè)金屬-金屬密封，形成于螺紋表面的相反范圍上的內(nèi)螺紋元件和外螺紋元件的嚙合表面之間，該金屬-金屬密封形成一內(nèi)部密封和一個(gè)相反設(shè)置的外部密封，該密封用于把該連接的螺紋表面密封起來(lái)，從而把密封表面分隔開，使密封表面不遭受腐蝕。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的螺紋工具接頭適配器連接，其中復(fù)合外形的刺戳螺紋面是多面的螺紋面，每個(gè)刺戳螺紋面至少具有三個(gè)面和四個(gè)半徑。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的螺紋工具接頭適配器連接，其中外螺紋還具有一復(fù)合外形的荷載螺紋面，用于與所說(shuō)的互補(bǔ)的內(nèi)螺紋元件的一嚙合荷載螺紋面嚙合。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的螺紋工具接頭適配器連接，其中復(fù)合外形的荷載螺紋面是多面的螺紋面，每個(gè)刺戳螺紋面具有至少三個(gè)面和四個(gè)半徑。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的螺紋工具接頭適配器連接，其中外螺紋齒頂具有一個(gè)齒頂寬度，外螺紋齒根具有一齒根寬度，其中齒頂寬度小于齒根寬度。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的螺紋工具接頭適配器連接，其中外螺紋元件具有一水平軸線，外螺紋齒根和齒頂平行于該外螺紋元件的水平軸線。
25.根據(jù)權(quán)利要求19所述的螺紋工具接頭適配器連接，其中外螺紋元件具有一水平軸線，外螺紋齒根和齒頂相對(duì)于外螺紋元件的水平軸線呈錐形。
26.根據(jù)權(quán)利要求19所述的螺紋工具接頭適配器連接，其中外螺紋和內(nèi)螺紋的刺戳螺紋面和荷載螺紋面的相互配合，在外螺紋和內(nèi)螺紋的齒根和齒頂之間形成一間隙，以允許排出任何被阻塞的螺紋潤(rùn)滑劑。
27.根據(jù)權(quán)利要求19所述的螺紋工具接頭適配器連接，其中內(nèi)密封是一個(gè)短的低角度密封，該內(nèi)密封的嚙合長(zhǎng)度在0.200英寸與0.400英寸之間，錐度在1度至5度之間，外密封是一個(gè)長(zhǎng)的低角度的密封，該外密封的嚙合長(zhǎng)度至少為0.400英寸，錐度在1度和5度之間。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的螺紋工具接頭適配器連接，其中外密封的嚙合長(zhǎng)度大于內(nèi)密封的嚙合長(zhǎng)度，外密封的嚙合長(zhǎng)度與內(nèi)密封的嚙合長(zhǎng)度的比大于2∶1。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的螺紋工具接頭適配器連接，其中外密封的嚙合長(zhǎng)度大于內(nèi)密封的嚙合長(zhǎng)度，外密封的嚙合長(zhǎng)度與內(nèi)密封的嚙合長(zhǎng)度的比大于2∶1。
全文摘要
一種用于管連接的螺紋結(jié)構(gòu),它具有一外螺紋元件(31),該外螺紋元件(31)用于與一內(nèi)螺紋元件(37)嚙合,以便形成示出的管連接。外螺紋元件具有外螺紋,該外螺紋具有螺紋齒頂(33)和螺紋齒根(35),外螺紋適于與具有互補(bǔ)螺紋結(jié)構(gòu)的配合內(nèi)螺紋元件(37)嚙合。外螺紋齒頂形成于外螺紋的一刺戳螺紋面(39)與一荷載螺紋面(41)之間。外螺紋具有多面(69,71,73)的復(fù)合外形的刺戳螺紋面,用于與互補(bǔ)的內(nèi)螺紋元件上的配合刺戳螺紋面嚙合,以便在外螺紋與內(nèi)螺紋的表面之間提供一楔形互相配合。外螺紋和內(nèi)螺紋都螺旋地構(gòu)成為楔形。
文檔編號(hào)F16L15/06GK1355876SQ00808520
公開日2002年6月26日 申請(qǐng)日期2000年4月12日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月23日
發(fā)明者克里斯·L·丘奇 申請(qǐng)人:約翰·甘迪公司