專利名稱：管接頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種與用于勘探和生產(chǎn)天然氣和原油的油井管一起使用的管接頭。本發(fā)明特別是涉及這種管接頭，該管接頭降低了螺紋因過(guò)度磨損而咬住，它在上緊時(shí)具有良好的可操作性，由此該管接頭降低了有時(shí)發(fā)生的螺紋損壞的程度。
在許多天然氣田和油田的工地上進(jìn)行接頭的上緊(裝配)，如圖7所示。
由此，具有在工廠預(yù)先上緊到其端部上的短管1的油井管2用朝上的短管1支撐，并且另一個(gè)將連接到其上的油井管2的外螺紋部分2b緊固到短管1上。在這種情況下，當(dāng)將要被連接的油井管2的外螺紋部分2b插入短管1的內(nèi)螺紋部分1a中，油井管2通過(guò)塑料入扣導(dǎo)向件(未示出)垂直地插入短管1中，例如，入扣導(dǎo)向件是夾具，它用于在結(jié)合時(shí)防止損壞，它預(yù)先設(shè)置在短管1的外圓周上。
在管子的插入完成之后，入扣導(dǎo)向件移去，并且被連接的油井管2由帶式扳手或由操作者的力氣被轉(zhuǎn)動(dòng)兩至三圈，達(dá)到這種狀態(tài)，即被連接的油井管的外螺紋部分的螺紋與短管1的內(nèi)螺紋部分1a的螺紋相嚙合。然后，用動(dòng)力大鉗，即用進(jìn)行上緊的扭矩施加裝置(未示出)施加預(yù)定的扭矩。
由操作者進(jìn)行的手工上緊是低扭矩轉(zhuǎn)動(dòng)(達(dá)到19.6-576N·m的數(shù)量)，這僅僅是人力的水平。然而，當(dāng)外螺紋部分和內(nèi)螺紋部分的螺紋不完全彼此配合時(shí)，用達(dá)到576N·m的數(shù)量的扭矩將不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)必須要求比此扭矩更高的扭矩。這意味著外螺紋部分和內(nèi)螺紋部分的螺紋之間的嚙合狀態(tài)是有缺陷的。在這種情況下，操作者通過(guò)稍稍升起被連接的油井管或沿相反的方向稍稍轉(zhuǎn)動(dòng)該油井管以便校正未對(duì)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行微調(diào)。當(dāng)微調(diào)完成后時(shí)，可以用至多576N·m的非常小的扭矩由嚙合的螺紋進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，由此，被連接的油井管沿上緊方向被轉(zhuǎn)動(dòng)兩到三圈。
然而，最近，在離岸(在海上的油田)等的情形下，對(duì)上緊出現(xiàn)了一種需要，即在油井管利用入扣導(dǎo)向件插入之后，上緊不需要由操作者通過(guò)手工上緊轉(zhuǎn)動(dòng)油井管兩到三圈。由此，如圖8所示，自動(dòng)動(dòng)力大鉗3夾緊被連接的油井管2，并且在這種狀態(tài)下，連續(xù)進(jìn)行相應(yīng)于通常的手工上緊和動(dòng)力上緊的上緊。
這種類型的免于手工的動(dòng)力大鉗具有液力驅(qū)動(dòng)裝置(扭矩產(chǎn)生裝置)并且能夠容易施加33810N·m的扭矩到具有178mm數(shù)量級(jí)外徑的油井管上外徑。
然而，由施加576N·m水平的微小扭矩難于控制這種動(dòng)力大鉗的運(yùn)動(dòng)并且難于進(jìn)行操作者進(jìn)行的達(dá)到576N·m的數(shù)量的仔細(xì)的手工上緊。由此，上緊操作總是用強(qiáng)力進(jìn)行，并且當(dāng)螺紋在管子插入時(shí)不完全嚙合時(shí)，有些情況下會(huì)發(fā)生螺紋損壞。
在現(xiàn)有技術(shù)中，例如，在JP H11-223284A中提出了一種管接頭，由該管接頭，在被連接的油井管的外螺紋部分插入短管的內(nèi)螺紋部分后，該油井管能夠以盡可能快的速度并且以較小的圈數(shù)被上緊。該管接的前提是保證油井管的外螺紋利用入扣導(dǎo)向件沿垂直方向正確插入短管的內(nèi)螺紋部分。
此外，在上述日本專利公開文獻(xiàn)中，油井管外螺紋部分的螺紋的入扣釋放角(stabbing relief angle)β傾斜3度。然而，在由API規(guī)定的油井管(至少16英寸)(406.4mm)螺紋的偏梯形螺紋牙型的情形，從過(guò)去，為了改進(jìn)螺紋嚙合，入扣釋放角β等于0度。根據(jù)這種觀點(diǎn)，理論上保證了油井管外螺紋部分的螺紋和短管的內(nèi)螺紋部分的螺紋的嚙合。因此，如果使入扣釋放角β為冒失的角度，螺紋高度變小，并且這會(huì)導(dǎo)致容納軸向力的部分減小。
再者，在上述日本專利公開文獻(xiàn)中，為了改進(jìn)插入時(shí)螺紋之間的嚙合，建議在容易進(jìn)行上緊的位置對(duì)油井管外螺紋部分和短管的內(nèi)螺紋部分的螺紋做標(biāo)記。雖然操作者直到標(biāo)記對(duì)準(zhǔn)再進(jìn)行上緊并非不可能，但當(dāng)黑暗時(shí)，諸如夜晚，難于確定標(biāo)記，因此這不能描述為必定的合適的技術(shù)。
如圖9(b)所示，為了進(jìn)行將油井管放入地下，而不損壞導(dǎo)線4，研制了一種技術(shù)，即油井管以相對(duì)于垂直方向1-1.5度的角度鉆入。
然而，當(dāng)采用這種技術(shù)時(shí)，手工上緊和其后的動(dòng)力上緊必須在外圍設(shè)備也傾斜的狀態(tài)下進(jìn)行。如果所有設(shè)備都保持相對(duì)于垂直方向傾斜1-1.5度角度的狀態(tài)，進(jìn)行手工上緊或動(dòng)力上緊沒(méi)有問(wèn)題，但是，動(dòng)力大鉗非常可能水平安裝，因此在手工上緊或動(dòng)力上緊時(shí)，進(jìn)行上緊的過(guò)程中可能似乎在施加彎曲，并且管接頭經(jīng)受嚴(yán)峻的上緊條件。
然而，在過(guò)去，一直沒(méi)有任何解決這一問(wèn)題的建議。
考慮上述問(wèn)題做出了本發(fā)明，并且本發(fā)明的目的是提供一種管接頭，該管接頭能夠降低螺紋因過(guò)度磨損而咬住，利用這種接頭能夠以滿意的方式進(jìn)行上緊操作，并且該管接頭降低了有時(shí)發(fā)生的螺紋損壞的程度，即使當(dāng)將要被連接到內(nèi)螺紋部分的外螺紋部分沒(méi)有可靠地插入適當(dāng)?shù)奈恢弥袝r(shí)或當(dāng)它被不適當(dāng)?shù)夭迦霑r(shí)，例如，如在以1-2度的傾角鉆井的情形所遇到的情況。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種管接頭，當(dāng)用動(dòng)力大鉗連續(xù)進(jìn)行相應(yīng)于手工上緊和動(dòng)力上緊的上緊時(shí)，即使在將連接到內(nèi)螺紋部分的外螺紋部分沒(méi)有可靠地插入適當(dāng)?shù)奈恢弥械那樾位虍?dāng)它被不適當(dāng)?shù)夭迦霑r(shí)，該管接頭能夠降低螺紋的損壞程度。
在過(guò)去，當(dāng)將連接到內(nèi)螺紋部分的外螺紋部分沒(méi)有可靠地插入適當(dāng)?shù)奈恢弥袝r(shí)或當(dāng)它被不適當(dāng)?shù)夭迦霑r(shí)，在管子插入之后由操作者進(jìn)行精密結(jié)合。然而，在不進(jìn)行操作者執(zhí)行的手工上緊的前提下，為了降低螺紋因過(guò)度磨損而咬住并且達(dá)到滿意而容易的上緊，必須改進(jìn)管接頭自身，以便不必由手工上緊所執(zhí)行的精密結(jié)合。
當(dāng)外螺紋部分相對(duì)于每一部分具有錐螺紋的內(nèi)螺紋部分垂直插入適當(dāng)?shù)奈恢弥袝r(shí)，外螺紋部分的外錐螺紋和內(nèi)螺紋部分的內(nèi)錐螺紋的嚙合可以大體分成

圖10(a)-(c)所示的幾種狀態(tài)。當(dāng)然，在圖10(c)所示的情形中，外螺紋部分2b的外錐螺紋和內(nèi)螺紋部分1a的內(nèi)錐螺紋彼此完全嚙合，并且為了可靠手工上緊必須進(jìn)一步轉(zhuǎn)動(dòng)它們一至兩圈，但是不必進(jìn)行使它們彼此嚙合的轉(zhuǎn)動(dòng)。
另一方面，在圖10(a)和10(b)的情形中，為了從這些不完全嚙合狀態(tài)到圖10(c)所示的期望的嚙合狀態(tài)，必須進(jìn)行一圈或0.5圈的轉(zhuǎn)動(dòng)。
正常情況下，不容易將管子插入適當(dāng)?shù)奈恢弥?，即，?shí)現(xiàn)期望的圖10(c)所示的期望的嚙合狀態(tài)。因此，不管發(fā)生了圖10(a)-(c)中所示的那一種嚙合狀態(tài)，都期望外螺紋部分能夠在非常小的手工上緊水平的轉(zhuǎn)動(dòng)力(達(dá)到576N·m的數(shù)量)下具有較小的阻力轉(zhuǎn)動(dòng)。
根據(jù)各種調(diào)查結(jié)果，即牙型對(duì)管子插入時(shí)上緊容易性和螺紋損壞程度的影響，進(jìn)行了本發(fā)明。因此，根據(jù)本發(fā)明，在管接頭中，具有形成在管子端部外圓周表面上的外錐螺紋的外螺紋部分?jǐn)Q入內(nèi)螺紋部分中以便以螺紋連接方式與外錐螺紋嚙合，該內(nèi)螺紋部分具有形成在管子或短管的端部的內(nèi)部圓周表面上的內(nèi)錐螺紋，使螺紋的入扣牙側(cè)之間的間隙C為0.5-1.0毫米，使螺紋的入扣牙側(cè)角θ為15-60度，使以螺紋連接方式嚙合的外錐螺紋和內(nèi)錐螺紋的牙頂表面和牙底表面平行于管子的軸線，使外螺紋入扣牙側(cè)角部的圓形部分的曲率半徑R(下面稱作“外螺紋入扣牙側(cè)角部”)為1.0-1.25mm，并且優(yōu)選方式是使外螺紋部分的不完整螺紋部分的錐度是完整螺紋部分的標(biāo)稱錐度的0.96-0.90倍。
由此，根據(jù)本發(fā)明，即使當(dāng)外螺紋部分沒(méi)有可靠地插入內(nèi)螺紋中的適當(dāng)位置中時(shí)或當(dāng)它不適當(dāng)插入其中時(shí)，無(wú)論由手工上緊進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)之后用動(dòng)力大鉗進(jìn)行上緊還是由用免于手工的動(dòng)力大鉗的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行上緊，都可以降低螺紋部分因過(guò)度磨損而咬住并且進(jìn)行滿意的上緊同時(shí)降低上緊期間有時(shí)發(fā)生的螺紋損壞的程度。
根據(jù)本發(fā)明，不必進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)微調(diào)和其后的通過(guò)轉(zhuǎn)1-0.5圈對(duì)接合的調(diào)節(jié)。
圖2是表示形成在外螺紋部分上的螺紋部分的說(shuō)明圖。
圖3(a)-(c)是說(shuō)明干涉(表面)壓力不同的示意圖，由于外螺紋部分的不完整螺紋部分和內(nèi)螺紋部分的完整螺紋部分之間的錐度不同，在外螺紋部分的不完整螺紋部分中產(chǎn)生該干涉壓力。
圖4是干涉壓力圖，當(dāng)不施加彎曲載荷上緊時(shí)外螺紋部分的不完整螺紋部分中產(chǎn)生該干涉壓力。
圖5是干涉壓力圖，當(dāng)施加彎曲載荷上緊時(shí)外螺紋部分的不完整螺紋部分中產(chǎn)生該干涉壓力，圖5(a)示出了這種情形，即外螺紋部分的不完整螺紋部分的錐度大于或小于內(nèi)螺紋部分的完整螺紋部分的錐度，圖5(b)示出了這種情形，即外螺紋部分的不完整螺紋部分的錐度等于內(nèi)螺紋部分的完整螺紋部分的錐度，圖6給出了表示用于管子插入試驗(yàn)的方法的說(shuō)明圖，圖6(a)示出了垂直插入管子的情形，而圖6(b)示出了傾斜狀態(tài)下插入管子的情形。
圖7是連接式管接頭上緊操作的說(shuō)明圖。
圖8是利用動(dòng)力大鉗的上緊操作說(shuō)明圖。
圖9給出了表示安裝導(dǎo)線的情形的說(shuō)明圖，圖9(a)示出了垂直狀態(tài)而圖9(b)示出了傾斜狀態(tài)。
圖10(a)-(c)是說(shuō)明管子插入時(shí)螺紋嚙合狀態(tài)的示意圖。
當(dāng)該間隙C為零(0)時(shí)，如果小心地進(jìn)行管子插入并且進(jìn)行手工上緊，螺紋可能上緊，但用本發(fā)明的傾斜油井管的螺紋接頭，螺紋之間具有非常大的接觸面積，并且容易出現(xiàn)擦痕。
隨著間隙C的增加，螺紋之間的松度增加，并且管子插入時(shí)的自由程度增加。然而，根據(jù)本發(fā)明的試驗(yàn)，如果間隙C超過(guò)1.0毫米，實(shí)質(zhì)上，接受軸向力的螺紋寬度b減小，以至不能經(jīng)受所需承受的軸向載荷，并且螺紋自身最終變形。
相反，當(dāng)間隙C極小，由于螺紋上緊時(shí)的彈性變形，外螺紋部分的入扣牙側(cè)和內(nèi)螺紋部分的入扣牙側(cè)接觸，可能發(fā)生因過(guò)度磨損而咬住。然而，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)即使間隙C大于這一數(shù)值，假如當(dāng)插入內(nèi)螺紋部分時(shí)外螺紋部分可能傾斜，對(duì)插入適當(dāng)位置的能力仍有限制。
根據(jù)本發(fā)明人進(jìn)行的管子插入試驗(yàn)的結(jié)果，當(dāng)間隙C減小時(shí)，插入適當(dāng)位置的能力惡化，并且當(dāng)考慮制造時(shí)的公差間隙C小于0.5毫米時(shí)，插入適當(dāng)位置的能力惡化，并且在某些情形下可能發(fā)生因過(guò)度磨損而咬住。因此，間隙C的下限是0.5毫米。
因此，入扣牙側(cè)之間的間隙C考慮到螺紋加工時(shí)的公差是0.5-1.0毫米。入扣牙側(cè)角θ外螺紋部分2b和內(nèi)螺紋部分1a的(螺紋)入扣牙側(cè)角θ在圖1中由θ表示。該角θ越大，定中心效果越大，定中心效果可以通過(guò)外螺紋部分2b和內(nèi)螺紋部分1a的螺紋的入扣牙側(cè)的磨損而出現(xiàn)，并且當(dāng)管子插入后，螺紋沿對(duì)準(zhǔn)的方向上緊，由此對(duì)螺紋的損壞程度減小。然而，如果該角超過(guò)60度，螺紋寬度b變的很小，以至外螺紋部分2b的螺紋消失。由此，作為實(shí)際的螺紋形狀，螺紋的平行部分不再被規(guī)定，并且BTC型的牙型不再能認(rèn)出。
另一方面，入扣牙側(cè)角θ越小，相對(duì)于軸向的承載力越大。然而，當(dāng)在小于15度發(fā)生入扣時(shí)，在入扣接觸部分發(fā)生條紋狀痕跡并且因過(guò)度磨損而咬住。
因此，在本發(fā)明中，入扣牙側(cè)角θ的范圍是15-60度。
附帶地，在通常的BTC中，該螺紋角是10度。外錐螺紋和內(nèi)錐螺紋的螺紋牙頂表面和螺紋牙底表面相對(duì)于軸線的角度當(dāng)油井管的外徑增加時(shí)，其重量也增加，并且施加到每一個(gè)螺紋上的載荷和手工上緊所需要的扭矩也增加，因此，總的趨勢(shì)是管子的插入和手工上緊變得更難。因此，作為對(duì)策，用API規(guī)定的油井管的偏梯形螺紋(buttress thread)，當(dāng)外徑是16英寸(406.4毫米)或更大時(shí)，為了手工上緊時(shí)達(dá)到矯直效果規(guī)定螺紋平行于管子軸線，以便使管子插入后外螺紋部分和內(nèi)螺紋部分的螺紋之間的接觸表面平行于軸線。
另一方面，在油井管外徑是 英寸(339.7毫米)或更小時(shí)，由API標(biāo)準(zhǔn)中長(zhǎng)久的慣例，即對(duì)于16英寸(406.4毫米)或更大直徑管子的原則不反映在較小直徑管子的標(biāo)準(zhǔn)中，其螺紋規(guī)定為平行于錐度(1/16)。
然而，當(dāng)將連接到內(nèi)螺紋部分上的外螺紋部分沒(méi)有可靠地插入適當(dāng)?shù)奈恢弥袝r(shí)或不適當(dāng)?shù)夭迦霑r(shí)，假定管子插入后不允許操作者進(jìn)行微嚙合操作，為了降低螺紋部分因過(guò)度磨損而咬住并且滿意地進(jìn)行上緊操作，優(yōu)選方式是即使在 英寸(339.7毫米)或更小的油井管中也采用與對(duì)至少16英寸(406.4毫米)的管子同樣的原則。
在本發(fā)明中，無(wú)論外徑的尺寸，外錐螺紋和內(nèi)錐螺紋的牙頂表面和牙底表面分別規(guī)定為平行于軸線，即，其標(biāo)稱值平行于管子縱軸5，如圖1所示。當(dāng)然，具有規(guī)定的公差，并且在本發(fā)明中，公差規(guī)定為表示為錐度的0±0.2％。外螺紋入扣牙側(cè)角部的曲率半徑對(duì)于API規(guī)定的油井管的偏梯形螺紋，內(nèi)螺紋部分1a的入扣接受部分的角部1aa的半徑規(guī)定為0.2毫米。當(dāng)以傾斜狀態(tài)將外螺紋部分2b插入內(nèi)螺紋部分2a中時(shí)，在內(nèi)螺紋部分1a的入扣接受部分的角部1aa和外螺紋部分2b的入扣牙側(cè)角部2ba之間首先發(fā)生接觸。根據(jù)本發(fā)明者的試驗(yàn)，在發(fā)生該接觸時(shí)，當(dāng)外螺紋部分2b的入扣牙側(cè)角部2ba的曲率半徑R(下面稱作“半徑R”)小于1.0毫米時(shí)，局部應(yīng)力加大，并且這將變成條紋狀痕跡和因過(guò)度磨損而咬住的原因。
另一方面，當(dāng)外螺紋部分2b的入扣牙側(cè)角部2ba的半徑R變大時(shí)，與內(nèi)螺紋部分1a的入扣接受部分的間隙Ca可以增大。該間隙Ca越大，在管子插入時(shí)外螺紋部分2b和內(nèi)螺紋部分1a之間的自由程度越大。然而，如果外螺紋部分2b的入扣牙側(cè)角部2ba的半徑R超過(guò)1.25毫米時(shí)，外螺紋部分2b的入扣牙側(cè)的平行部分消失，并且不再能夠被認(rèn)為是螺紋。因此，在本發(fā)明中，使外螺紋部分2b的外螺紋的入扣牙側(cè)角部2ba的半徑R為1.0-1.25毫米。
API BCT螺紋的外螺紋的角部半徑R是0.76毫米，但根據(jù)本發(fā)明者的試驗(yàn)，當(dāng)在傾斜狀態(tài)進(jìn)行入扣時(shí)，發(fā)生角部創(chuàng)傷。因此，通過(guò)考慮0.25毫米的公差，使半徑R為1.0毫米。
并不希望增加內(nèi)螺紋部分的入扣接受部分的角部的半徑，因?yàn)檫@會(huì)減小入扣面積，可能引起入扣牙側(cè)因過(guò)度磨損而咬住，并且降低嚙合螺紋的手工上緊的穩(wěn)定性。
其次，將描述本發(fā)明的更優(yōu)選的方式。外螺紋部分的不完整螺紋部分的錐度圖2是形成在外螺紋部分上的螺紋部分的說(shuō)明圖。
圖3(a)-(c)是說(shuō)明干涉壓力不同的示意圖，由于外螺紋部分的不完整螺紋部分和內(nèi)螺紋部分的完整螺紋部分之間的錐度不同，在外螺紋部分的不完整螺紋部分中產(chǎn)生該干涉壓力。
如圖2所示，在接頭上緊時(shí)外螺紋部分2b的不完整螺紋部分2bb與內(nèi)螺紋部分的完整螺紋部分干涉并且緊固到其上。
此時(shí)，如圖3(a)所示，如果外螺紋部分2b的不完整螺紋部分2bb與內(nèi)螺紋部分1a的完整螺紋部分的錐度相同，外螺紋部分2b的牙底和內(nèi)螺紋部分1a的牙頂之間發(fā)生與設(shè)計(jì)一樣的干涉，并且在上緊時(shí)，在不完整螺紋部分2bb中由外螺紋部分2b的牙底和內(nèi)螺紋部分1a的牙頂之間的干涉所產(chǎn)生的壓力b0變得等于壓力a，壓力a是在完整螺紋部分中由外螺紋部分2b的牙底和內(nèi)螺紋部分1a的牙頂之間的干涉所產(chǎn)生的。
如圖3(b)所示，當(dāng)外螺紋部分2b的不完整螺紋部分2bb的錐度大于內(nèi)螺紋部分1a的完整螺紋部分的錐度時(shí)，外螺紋部分2b的牙底和內(nèi)螺紋部分1a的牙頂之間發(fā)生高于設(shè)計(jì)值的較大的干涉，并且在上緊時(shí)，在不完整螺紋部分2bb中由外螺紋部分2b的牙底和內(nèi)螺紋部分1a的牙頂之間的干涉所產(chǎn)生的壓力b1變得大于完整螺紋部分中的壓力a，并且在不完整螺紋部分2bb中在外螺紋部分2b的牙底和內(nèi)螺紋部分1a的牙頂之間發(fā)生因過(guò)度磨損而咬住。
相反，如圖3(c)所示，當(dāng)外螺紋部分2b的不完整螺紋部分2bb的錐度小于內(nèi)螺紋部分1a的完整螺紋部分的錐度時(shí)，在外螺紋部分2b的牙底和內(nèi)螺紋部分1a的牙頂之間的干涉變得小于設(shè)計(jì)值，并且在上緊時(shí)，在不完整螺紋部分2bb中由外螺紋部分2b的牙底和內(nèi)螺紋部分1a的牙頂之間的干涉所產(chǎn)生的壓力b2變得小于完整螺紋部分中的壓力a，因此，即使在上緊時(shí)，在不完整螺紋部分2bb中在外螺紋部分2b的牙底和內(nèi)螺紋部分1a的牙頂之間也不會(huì)發(fā)生因過(guò)度磨損而咬住。
當(dāng)以1-2度的傾角掘油井時(shí)，情況是總是施加彎曲，因此不論在外螺紋部分的不完整螺紋部分的錐度和內(nèi)螺紋部分的完整螺紋部分的錐度之間存在上述關(guān)系中的那一種，在外螺紋部分的不完整螺紋部分中，相應(yīng)于受彎曲的內(nèi)側(cè)的表面(處于受壓狀態(tài))具有較高的上述干涉壓力，同時(shí)相應(yīng)于受彎曲的外側(cè)在180度的相對(duì)側(cè)的表面(處于受拉狀態(tài))具有較低的施加在其上的螺紋干涉壓力。
圖4示出了垂直掘油井的情形中上緊時(shí)在螺紋部分中的干涉壓力，而圖5示出了在以1-2度的傾角掘油井的情形中上緊時(shí)在螺紋部分中的干涉壓力。
在圖4和圖5中，標(biāo)記○表示在外螺紋部分的不完整螺紋部分的錐度與內(nèi)螺紋部分的完整螺紋部分的錐度相同的情況下不完整螺紋部分的干涉壓力，標(biāo)記△表示在外螺紋部分的不完整螺紋部分的錐度大于內(nèi)螺紋部分的完整螺紋部分的錐度的情況下不完整螺紋部分的干涉壓力，及標(biāo)記□表示在外螺紋部分的不完整螺紋部分的錐度小于內(nèi)螺紋部分的完整螺紋部分的錐度的情況下不完整螺紋部分的干涉壓力。這些標(biāo)記分別相應(yīng)于圖3(a)，3(b)和3(c)。
從圖4的結(jié)果下述內(nèi)容將很明顯。
當(dāng)外螺紋部分的不完整螺紋部分的錐度大于內(nèi)螺紋部分的完整螺紋部分的錐度時(shí)(標(biāo)記△)，不完整螺紋部分的干涉壓力變大，而當(dāng)外螺紋部分的不完整螺紋部分的錐度小于內(nèi)螺紋部分的完整螺紋部分的錐度時(shí)(標(biāo)記□)，不完整螺紋部分的干涉壓力變小。
此外，當(dāng)外螺紋部分的不完整螺紋部分的錐度等于內(nèi)螺紋部分的完整螺紋部分的錐度時(shí)(標(biāo)記○)，不完整螺紋部分的干涉壓力介于上述兩種情況的數(shù)值之間。
在圖5(a)和5(b)所示的標(biāo)記○，標(biāo)記△，和標(biāo)記□的全部九個(gè)曲線中，具有相同標(biāo)記的三個(gè)曲線中在上部位置的曲線表示在管接頭的彎曲期間在相應(yīng)于內(nèi)側(cè)的表面中的干涉壓力，在中部位置的曲線表示在彎曲期間在相應(yīng)于中性位置的表面中的干涉壓力，及在下部位置的曲線表示在彎曲期間在相應(yīng)于外側(cè)的表面中的干涉壓力。
如圖5(a)中的帶有標(biāo)記△的曲線所示，當(dāng)外螺紋部分的不完整螺紋部分的錐度大于內(nèi)螺紋部分的完整螺紋部分的錐度時(shí)，如果管接頭以傾斜狀態(tài)上緊，在相對(duì)于管接頭的軸線的左表面和右表面(受彎曲的外側(cè)表面和受彎曲的內(nèi)側(cè)表面)之間螺紋干涉部分中壓力出現(xiàn)很大的不同，并且干涉壓力的絕對(duì)值也變高。
相反，如標(biāo)記□所示，當(dāng)外螺紋部分的不完整螺紋部分的錐度小于內(nèi)螺紋部分的完整螺紋部分的錐度時(shí)，即使管接頭以傾斜狀態(tài)上緊，在相對(duì)于管接頭的軸線的左表面和右表面上螺紋干涉部分的壓力差值變小，并且壓力的絕對(duì)值也變小。
如圖5(b)中的帶有標(biāo)記○的曲線所示，當(dāng)外螺紋部分的不完整螺紋部分的錐度等于內(nèi)螺紋部分的完整螺紋部分的錐度時(shí)，不完整螺紋部分的干涉壓力是介于上述兩種情況的數(shù)值之間的數(shù)值。
由此，通過(guò)調(diào)節(jié)外錐螺紋的不完整螺紋部分的錐度，可以使當(dāng)上緊在傾斜狀態(tài)下進(jìn)行時(shí)螺紋被分配的壓力與在垂直狀態(tài)進(jìn)行上緊的正常狀態(tài)相同。
根據(jù)上述內(nèi)容，在本發(fā)明中，優(yōu)選使外錐螺紋的不完整螺紋部分的錐度小于完整螺紋部分的標(biāo)稱錐度。根據(jù)本發(fā)明者的試驗(yàn)，當(dāng)以1-2度的傾角掘油井時(shí)，當(dāng)使不完整螺紋部分的錐度是完整螺紋部分的標(biāo)稱錐度的0.96-0.90倍時(shí)，在不完整螺紋部分中不會(huì)發(fā)生因過(guò)度磨損而咬住和條紋狀痕跡。在本發(fā)明中，外螺紋部分的不完整螺紋部分的錐度優(yōu)選是完整螺紋部分的標(biāo)稱錐度的0.96-0.90倍的范圍。
對(duì)于API BTC螺紋，外螺紋部分的螺紋錐度的標(biāo)稱值是6.25％并且公差是+0.35％-0.25％(寫為“6.25％+0.35％-0.25％”)，并且內(nèi)螺紋部分的螺紋錐度是6.25％±0.25％。因此，為了使外螺紋部分的螺紋錐度小于內(nèi)螺紋部分的最小螺紋錐度，外螺紋部分的螺紋錐度優(yōu)選至多6.0％。因此，作為6.0/6.26所計(jì)算出的錐度比值至多是0.96倍。為了確保螺紋嚙合，不可能極大地減小外螺紋部分的螺紋錐度，并且從本發(fā)明者的拉伸斷裂試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)與具有6.5％的最大螺紋錐度的內(nèi)螺紋部分結(jié)合的外螺紋部分的錐度優(yōu)選至多5.8％。由此，優(yōu)選使比率至少0.9倍。
在小于0.9倍的情況下，觀察到拉伸斷裂強(qiáng)度惡化。
為了滿足上述的關(guān)系，必須限制內(nèi)螺紋部分的螺紋錐度的制造公差，該公差典型地是0.3％。
因此，內(nèi)螺紋部分的螺紋錐度優(yōu)選為6.0％-6.3％。例子為了證實(shí)根據(jù)本發(fā)明的管接頭的效果，進(jìn)行了試驗(yàn)，下面將描述試驗(yàn)結(jié)果。
本發(fā)明者研究了管子插入之后牙型對(duì)上緊的容易度和對(duì)螺紋的損壞的影響，所用油井管的外徑是177.8毫米并且壁厚是11.51毫米。
所用牙型如表1所示，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。表1中所用的符號(hào)與圖1中的相同。然而，“R”是外螺紋的入扣牙側(cè)角部的曲率半徑。
為了評(píng)價(jià)插入適當(dāng)位置中的能力，在如圖6(a)所示方式進(jìn)行接合時(shí)油井管2是垂直的情形和如圖6(b)所示油井管2有意以0.4度，0.8度，1.2度，1.6度或2.5度傾角的傾斜狀態(tài)插入以便不出現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)的情形。
表1

1在公差范圍內(nèi)的1.0倍表2

首先，對(duì)上面表1內(nèi)的No.1-No.3完成了證實(shí)。
從表2的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，如果能夠確保進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)傳統(tǒng)的牙型沒(méi)有問(wèn)題，但是，當(dāng)從0.4度到0.8度逐漸發(fā)生傾斜，由于在外螺紋和內(nèi)螺紋之間的不穩(wěn)定接觸(局部施加彎曲的狀態(tài))發(fā)生螺紋表面損壞。當(dāng)傾角超過(guò)1.2度時(shí)管子插入變得不可能。
在表2中，圓圈標(biāo)記(○)表示螺紋部分不損壞的情況下可能手工上緊，三角形標(biāo)記(△)表示可以手工上緊，但一些部分發(fā)生螺紋牙頂能夠修復(fù)的損壞，X形標(biāo)記(X)表示可以手工上緊，但具有許多螺紋損壞的情況，該損壞不能修復(fù)，及負(fù)號(hào)標(biāo)記(-)表示管子插入不可能。
其次，研究了No.4-6，12和23的入扣牙側(cè)角θ的效果，及研究了No.7-9，15和21的入扣牙側(cè)之間的間隙C的效果。再者，研究了No.8，10，20和24的外錐螺紋和內(nèi)錐螺紋的螺紋牙頂表面和螺紋牙底表面分別相對(duì)于軸線的角度的效果，研究了No.10，11，12，13，17和22的外螺紋的入扣牙側(cè)角部的半徑R的效果，及研究了No.12-20和25的外螺紋部分的不完整螺紋部分的錐度的效果。
從表2的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)。
(1)用較大的入扣牙側(cè)角θ可以獲得良好的結(jié)果，入扣牙側(cè)角θ的合適范圍是15-60度。
(2)用較大的入扣牙側(cè)之間的間隙C可以獲得良好的結(jié)果，間隙C的合適范圍是0.5-1.0毫米。
(3)優(yōu)選外錐螺紋和內(nèi)錐螺紋的螺紋牙頂表面和螺紋牙底表面平行于軸線。
這里，平行于軸線表示相對(duì)于軸線0±0.2％的錐度(比較No.8，10，20，及24)。
(4)外螺紋的入扣牙側(cè)角部的半徑R較大，可以獲得良好的結(jié)果，半徑R的合適范圍是1.0-1.25毫米。
(5)當(dāng)外螺紋部分的不完整螺紋部分的錐度小于完整螺紋部分的錐度時(shí)，可以獲得良好的結(jié)果，其合適的范圍是0.90-0.96倍(比較No.12，13，16，18-20，及25)。
從表2的結(jié)果，可以確定No.14，16-20，及25滿足本發(fā)明的所有范圍，即使當(dāng)以1.5度或更大的傾角掘井時(shí)，也能夠獲得合適的上緊能力并且防止螺紋的損壞。
此外，No.17-20滿足外螺紋部分的不完整螺紋部分錐度的優(yōu)選范圍，可以獲得更優(yōu)良的上緊能力并且更能夠防止螺紋的損壞。
在本說(shuō)明書中，描述了連接式管接頭，但根據(jù)本發(fā)明的管接頭當(dāng)然能夠應(yīng)用于一體管接頭。此外，根據(jù)本發(fā)明的管接頭當(dāng)然能夠應(yīng)用于具有金屬密封部分的管接頭。
工業(yè)實(shí)用性如上所述，用根據(jù)本發(fā)明的管接頭，即使當(dāng)外螺紋部分沒(méi)有可靠地插入內(nèi)螺紋部分中的適當(dāng)位置中或當(dāng)它不適當(dāng)?shù)夭迦霑r(shí)，也能夠減少螺紋部分因過(guò)度磨損而咬住，能夠滿意地進(jìn)行上緊操作，及由此能夠降低有時(shí)發(fā)生的螺紋損壞的程度。
權(quán)利要求
1.一種管接頭，所述管接頭具有形成在管子端部外圓周表面上的外錐螺紋的外螺紋部分，及具有形成在管子或短管的端部的內(nèi)部圓周表面上的內(nèi)錐螺紋以便與所述外錐螺紋螺紋嚙合的內(nèi)螺紋部分，其特征在于，螺紋的入扣牙側(cè)之間的間隙C為0.5-1.0毫米，螺紋的入扣牙側(cè)角θ為15-60°，螺紋嚙合的外錐螺紋和內(nèi)錐螺紋的螺紋牙頂表面和螺紋牙底表面平行于管子的軸線，及外螺紋入扣牙側(cè)角部的半徑R為1.0-1.25mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管接頭，其特征在于，外螺紋部分的不完整螺紋部分的錐度是完整螺紋部分的標(biāo)稱錐度的0.96-0.90倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的管接頭，其特征在于，管接頭是連接式接頭。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的管接頭，其特征在于，管接頭是一體式接頭。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的管接頭，其特征在于，管接頭在相對(duì)于鉛垂線傾斜1-2度的狀態(tài)下被上緊。
全文摘要
一種管接頭，其形成方式是將具有形成在管子端部外圓周表面上的外錐螺紋的外螺紋部分?jǐn)Q入內(nèi)螺紋部分中以便以螺紋連接方式與外錐螺紋嚙合，該內(nèi)螺紋部分具有形成在管子或短管的端部的內(nèi)部圓周表面上的內(nèi)錐螺紋，該管接頭具有以下形狀螺紋入扣牙側(cè)之間的間隙C0.5－1.0毫米螺紋的入扣牙側(cè)角θ15－60度螺紋牙頂表面和螺紋牙底表面平行于管子的軸線外螺紋入扣牙側(cè)角部的半徑R 1.0－1.25mm此外，優(yōu)選方式是外螺紋部分的不完整螺紋部分的錐度是完整螺紋部分的標(biāo)稱錐度的0.96－0.90倍。
文檔編號(hào)F16L15/06GK1436289SQ01810921
公開日2003年8月13日 申請(qǐng)日期2001年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月9日
發(fā)明者永作重夫, 前田惇, 炭谷勝利 申請(qǐng)人:住友金屬工業(yè)株式會(huì)社, 法國(guó)瓦盧萊克曼內(nèi)斯曼石油天然氣公司