專利名稱：管用螺紋接頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及管用螺紋接頭(threaded joint for pipe)，詳細(xì)地說(shuō)，涉及適用于一般在油井、氣井的勘探、生產(chǎn)中使用的包含管材(tubing)和殼體的OCTG(石油專用管材)、 豎管(riser pipe)、以及管線用管(line pipe)等管的連接的、密封性和耐壓縮性優(yōu)異的管用螺紋接頭。
背景技術(shù)：
螺紋接頭廣泛應(yīng)用于油井管等在油以及氣的生產(chǎn)中使用的鋼管的連接。在油、氣的勘探、生產(chǎn)中使用的鋼管的連接中，以往使用API (American Petroleum Institue 美國(guó)石油協(xié)會(huì))規(guī)格規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)的螺紋接頭。但是，近年來(lái)，原油、天然氣的井逐漸深井化，從垂直井增加了水平井、傾斜井，挖掘/生產(chǎn)環(huán)境苛刻化。并且，因海洋、極地等惡劣環(huán)境下的井的開(kāi)發(fā)增加等，耐壓縮性能、耐彎曲性能、耐外壓性能等對(duì)于螺紋接頭的要求性能多樣化。 因此，使用被稱作高級(jí)接頭(premium joint)的高性能的特殊螺紋接頭的情況增加。高級(jí)接頭通常是將分別具備錐形螺紋、密封部(詳細(xì)地說(shuō)是金屬對(duì)金屬密封部、 臺(tái)肩部(詳細(xì)地說(shuō)是扭矩臺(tái)肩部)的銷(xiāo)部件(pin component)和套筒部件(box component) 結(jié)合在一起的接頭。為了對(duì)管接頭牢固地進(jìn)行固定，錐形螺紋是重要的，密封部通過(guò)套筒部件和銷(xiāo)部件在該部分金屬接觸而承擔(dān)確保密封性的作用，臺(tái)肩部是在接頭的緊固中承擔(dān)橋臺(tái)(abutment)的作用的支承面。圖2 圖4是油井管用高級(jí)接頭的示意說(shuō)明圖，這些圖是圓管的螺紋接頭的縱剖視圖。螺紋接頭具備銷(xiāo)部件3和與之對(duì)應(yīng)的套筒部件1，銷(xiāo)部件3(銷(xiāo)幻在其外表面具備外螺紋7和在銷(xiāo)3的前端側(cè)與外螺紋7鄰接設(shè)置的被稱作頭部8 (銷(xiāo)尖8)的無(wú)螺紋部。頭部8在其外周面具有密封部11，在端面具有扭矩臺(tái)肩部12。相對(duì)的套筒部件1在其內(nèi)表面具有能夠分別與銷(xiāo)3的外螺紋7、密封部11、以及臺(tái)肩部12螺合或者接觸的部分，即內(nèi)螺紋 5、密封部13、以及臺(tái)肩部14。關(guān)于上述高級(jí)接頭的現(xiàn)有技術(shù)能夠舉出專利文獻(xiàn)1 6。[專利文獻(xiàn)1]日本特許第4535064號(hào)公報(bào)[專利文獻(xiàn)2]日本特許第4208192號(hào)公報(bào)[專利文獻(xiàn)3]日本實(shí)公昭61-44068號(hào)公報(bào)[專利文獻(xiàn)4]日本特許第4300187號(hào)公報(bào)[專利文獻(xiàn)5]日本特開(kāi)2001-1M253號(hào)公報(bào)[專利文獻(xiàn)6]日本特許第2705506號(hào)公報(bào)在圖2 圖4的例子中，金屬對(duì)金屬密封部位于銷(xiāo)尖(pin nose) 8的前端部，但是， 在專利文獻(xiàn)1中，為了增加耐外壓性能，提出有如下的高級(jí)接頭將金屬對(duì)金屬密封部設(shè)置在銷(xiāo)尖8的螺紋部附近，并使頭部從密封部直到臺(tái)肩部較長(zhǎng)地延伸。在該專利文獻(xiàn)1所公開(kāi)的螺紋接頭中構(gòu)成為，使不與套筒部件接觸的銷(xiāo)尖以形成與密封部不連續(xù)的形狀的方式較長(zhǎng)地延伸，以免銷(xiāo)尖的厚度變薄，除了能夠?qū)崿F(xiàn)上述的耐外壓性能之外，還能夠?qū)崿F(xiàn)耐軸向壓縮性能的提高。并且，在專利文獻(xiàn)2中記載有同樣地從密封部到銷(xiāo)尖前端設(shè)置由附件 (appendix)形成的、且具有與密封部不連續(xù)的形狀的部位，確保半徑方向的剛性并降低軸向的剛性，當(dāng)緊固時(shí)使該附件變形，當(dāng)施以拉力的載荷時(shí)使該附件恢復(fù)，由此來(lái)提高耐拉伸性能。如上述專利文獻(xiàn)1、2所記載的那樣，將密封部位置設(shè)置在銷(xiāo)的螺紋部位置附近、 并使其從銷(xiāo)尖前端離開(kāi)的情況，在提高耐外壓性能、耐拉伸性能，并且相對(duì)于螺紋維持穩(wěn)定的性能的方面是有效的，這從FEM仿真等也能夠確認(rèn)。并且，對(duì)于形成為與密封部不連續(xù)的形狀的銷(xiāo)尖，當(dāng)加載強(qiáng)軸向壓縮力的情況下，銷(xiāo)尖自身變形，具有使套筒部件的扭矩臺(tái)肩部塑性變形減輕的效果。但是，另一方面，存在銷(xiāo)頭不當(dāng)?shù)淖冃蔚那闆r，考慮這依賴于緊固扭矩。由于緊固扭矩會(huì)受潤(rùn)滑條件、表面性狀等影響，因此，作為與緊固扭矩?zé)o較大依賴關(guān)系的設(shè)計(jì)，存在相對(duì)地增強(qiáng)了密封接觸壓力的半徑方向分量的、增強(qiáng)了半徑方向的密封接觸壓力的半徑方向密封方式。例如，在專利文獻(xiàn)3中公開(kāi)了如下的半徑方向密封方式的例子使銷(xiāo)尖具有大的圓弧形狀，并縮小密封錐角。但是，這樣縮小密封錐角的半徑方向密封方式的問(wèn)題點(diǎn)在于，當(dāng)緊固時(shí)容易發(fā)生機(jī)械損傷(galling)這點(diǎn)，特別是在為了確保密封性能以及密封的穩(wěn)定性而需要使密封干涉量大的情況下，機(jī)械損傷的發(fā)生的容易度進(jìn)一步增大。在專利文獻(xiàn)4中，為了解決上述的問(wèn)題，將環(huán)狀密封面的半徑規(guī)定得較大，由此來(lái)增大密封接觸區(qū)域，從而使接觸壓力下降。該對(duì)策是有效的，能夠大幅減輕金屬對(duì)金屬密封部的機(jī)械損傷的危險(xiǎn)。但是，由于采用大的圓弧而使接觸壓力下降，在因某些細(xì)微的故障而產(chǎn)生接觸壓力的下降、在金屬對(duì)金屬密封部形成微小的泄漏通道(leak path)的情況下，存在泄漏不易停止的問(wèn)題。并且，由于是較大的圓弧，因此在物理上難以使金屬對(duì)金屬密封部從頭前端離開(kāi)，在確保金屬對(duì)金屬密封部與銷(xiāo)尖前端的長(zhǎng)度在一定程度以上的情況下，會(huì)導(dǎo)致銷(xiāo)尖前端的厚度過(guò)小。關(guān)于耐軸向壓縮性性能，如專利文獻(xiàn)5、專利文獻(xiàn)6所記載的那樣，縮小螺紋部處的入扣齒側(cè)(stab flank)的間隙的方法是有效的。但是，在該間隙過(guò)小的情況下，容易在螺紋部產(chǎn)生機(jī)械損傷，因此需要形成適當(dāng)?shù)拈g隙。

發(fā)明內(nèi)容
如以上說(shuō)明了的那樣，在以往提出的螺紋接頭中，尚存某些問(wèn)題，為了充分地應(yīng)對(duì)上述的耐壓縮性能、耐彎曲性能、外壓密封性能等對(duì)于螺紋接頭的要求性能的多樣化，存在進(jìn)一步改進(jìn)的余地。本發(fā)明是鑒于這種情形而完成的，其目的在于提供一種能夠提高密封性、耐壓縮性、進(jìn)一步提高耐機(jī)械損傷性的管用螺紋接頭。為了找到用于解決上述的課題的方法，發(fā)明人重復(fù)進(jìn)行了專心研究，達(dá)成了形成以下的要點(diǎn)結(jié)構(gòu)的本發(fā)明。即，本發(fā)明如下所述。(1) 一種管用螺紋接頭，其特征在于，上述管用螺紋接頭具有銷(xiāo)部件，該銷(xiāo)部件具有外螺紋部；頭部，該頭部延伸至比該外螺紋部靠管端側(cè)的位置；以及臺(tái)肩部，該臺(tái)肩部設(shè)置于該頭部的前端；以及套筒部件，該套筒部件具有內(nèi)螺紋部，該內(nèi)螺紋部與上述外螺紋部螺紋結(jié)合；與上述銷(xiāo)部件的頭部外周面相對(duì)的內(nèi)周面；以及與上述銷(xiāo)部件的臺(tái)肩部抵接的臺(tái)肩部，上述銷(xiāo)部件和套筒部件借助上述螺紋結(jié)合而結(jié)合在一起，銷(xiāo)部件的頭部外周面與套筒部件的上述內(nèi)周面形成金屬對(duì)金屬接觸，其接觸界面形成密封面，其中，上述銷(xiāo)部件的頭部外周面形成為在銷(xiāo)部件的軸向剖視圖中朝外側(cè)凸出的凸?fàn)畹那€，該凸?fàn)畹那€形成為如下的曲線形狀依次連接具有不同于與外螺紋部鄰接的圓筒形狀部的母線的曲率半徑R的朝外側(cè)凸出的凸?fàn)畹亩鄠€(gè)圓弧而形成復(fù)合圓弧曲線，使該復(fù)合圓弧曲線隨著從外螺紋部遠(yuǎn)離而圓弧的曲率半徑R變大，并且，圓弧的連接點(diǎn)上的切線與連接對(duì)象的圓弧的連接點(diǎn)上的切線一致，上述套筒部件的上述內(nèi)周面形成錐面，在套筒部件與銷(xiāo)部件結(jié)合時(shí)，上述錐面與銷(xiāo)部件的頭部外周面干涉。(2)根據(jù)上述(1)所述的管用螺紋接頭，其特征在于，對(duì)于上述復(fù)合圓弧曲線內(nèi)的各圓弧所成的角度，越是接近上述外螺紋部的圓弧所成的角度越大。(3)根據(jù)上述(1)或( 所述的管用螺紋接頭，其特征在于，上述復(fù)合圓弧曲線內(nèi)的上述連接點(diǎn)中的某一個(gè)成為上述錐面的接觸開(kāi)始點(diǎn)。(4)根據(jù)上述(1) (3)中任一項(xiàng)所述的管用螺紋接頭，其特征在于，上述錐面相對(duì)于接頭的軸向所成的角度為10度以內(nèi)。(5)根據(jù)上述(1) 中任一項(xiàng)所述的管用螺紋接頭，其特征在于，上述銷(xiāo)部件的頭部的長(zhǎng)度為20mm以上。(6)根據(jù)上述(1) (5)中任一項(xiàng)所述的管用螺紋接頭，其特征在于，對(duì)于上述外螺紋部和上述內(nèi)螺紋部，入扣齒側(cè)角度在0度 30度的范圍內(nèi)。(7)根據(jù)上述(1) (6)中任一項(xiàng)所述的管用螺紋接頭，其特征在于，對(duì)于上述外螺紋部和上述內(nèi)螺紋部，載荷齒側(cè)角度在-5度 4度的范圍內(nèi)。(8)根據(jù)上述(1) (7)中任一項(xiàng)所述的管用螺紋接頭，其特征在于，上述臺(tái)肩部的臺(tái)肩角度在0度 20度的范圍內(nèi)。(9)根據(jù)上述(1) (8)中任一項(xiàng)所述的管用螺紋接頭，其特征在于，對(duì)于上述外螺紋部和上述內(nèi)螺紋部，螺紋間隙在0.01 0. Imm的范圍內(nèi)。(10)根據(jù)上述(1) (9)中任一項(xiàng)所述的管用螺紋接頭，其特征在于，代替依次連接具有不同于與外螺紋部鄰接的圓筒形狀部的母線的曲率半徑R的多個(gè)圓弧而形成的復(fù)合圓弧曲線，形成經(jīng)由直線或者長(zhǎng)度為2. 5mm以下的線段依次連接具有不同于與外螺紋部鄰接的圓筒形狀部的母線的曲率半徑R的多個(gè)圓弧而形成的復(fù)合圓弧曲線。(11)根據(jù)上述(1) (9)中任一項(xiàng)所述的管用螺紋接頭，其特征在于，代替依次連接具有不同于與外螺紋部鄰接的圓筒形狀部的母線的曲率半徑R的多個(gè)圓弧而形成的復(fù)合圓弧曲線，形成經(jīng)由長(zhǎng)度為2. 5mm以下、半徑為250mm以上且為鄰接的圓弧的半徑的3倍以上的圓弧依次連接具有不同于與外螺紋部鄰接的圓筒形狀部的母線的曲率半徑R的多個(gè)圓弧而形成的復(fù)合圓弧曲線。根據(jù)本發(fā)明，能夠得到密封性、耐壓縮性、耐機(jī)械損傷性提高了的管用螺紋接頭。


圖1(a)是示出本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的管用螺紋接頭的頭部的剖視圖，示出銷(xiāo)部件3。圖1(b)是示出本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的管用螺紋接頭的頭部的剖視圖，示出套筒部件1。圖1(c)是示出本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的管用螺紋接頭的頭部的剖視圖，示出將銷(xiāo)部件3和套筒部件1結(jié)合在一起后的狀態(tài)。圖2是示出以往的管用螺紋接頭的剖視圖。圖3是示出圖2的銷(xiāo)尖附近的放大剖視圖。圖4是示出圖2的螺紋部分的放大剖視圖。圖5是示出螺紋間隙、載荷齒側(cè)(load flank)角度、入扣齒側(cè)角度的定義的剖視圖。圖6是示出泄漏測(cè)試仿真的加載經(jīng)歷(load schedule)的一覽圖。標(biāo)號(hào)說(shuō)明1 套筒部件；3 銷(xiāo)(銷(xiāo)部件)；5 內(nèi)螺紋(內(nèi)螺紋部)；5a 內(nèi)螺紋的螺紋槽；7 外螺紋(外螺紋部)；7a 外螺紋的螺紋牙；8 頭部(銷(xiāo)尖)；11、13、40 密封部(詳細(xì)地說(shuō)是金屬對(duì)金屬密封部)；12、14:臺(tái)肩部(詳細(xì)地說(shuō)是扭矩臺(tái)肩部)；18:載荷齒側(cè)面；19:入扣齒側(cè)面；20:與銷(xiāo)部件的頭部外周面相對(duì)的套筒部件的內(nèi)周面(錐面)；30:銷(xiāo)部件的頭部外周面(銷(xiāo)尖外周面)；40a:干涉區(qū)域。
具體實(shí)施例方式如上所述，將密封部設(shè)置在從頭前端離開(kāi)的位置、并使頭部從密封部到臺(tái)肩部較長(zhǎng)地延伸的情況，在提高耐外壓性能、耐拉伸性能、且相對(duì)于螺紋使其具有穩(wěn)定的性能的方面是有效的。此外，發(fā)明人對(duì)能夠使密封部從頭前端(或者是臺(tái)肩部)離開(kāi)、且用于避免銷(xiāo)尖前端的厚度過(guò)小的密封部周邊的形狀進(jìn)行了研究。結(jié)果，達(dá)成了以下的設(shè)想，銷(xiāo)部件的頭部外周面形成為在銷(xiāo)部件的軸向剖視圖中呈朝外側(cè)凸出的凸?fàn)畹那€的面形狀，與該銷(xiāo)部件的頭部外周面相對(duì)的套筒部件的內(nèi)周面形成為在套筒部件的軸向剖視圖中呈在兩個(gè)點(diǎn)與銷(xiāo)部件的凸?fàn)畹那€相交的錐面形狀，利用上述銷(xiāo)部件的頭部外周面和與該頭部外周面相對(duì)的套筒部件的內(nèi)周面(以下稱為錐面) 形成金屬對(duì)金屬密封部，該密封部的銷(xiāo)部件側(cè)、套筒部件側(cè)的各界面分別形成該部件的密封面，在該情況下，銷(xiāo)部件的凸?fàn)畹那€形成為如下的曲線形狀依次連接具有不同于與外螺紋部鄰接的圓筒形狀部的母線的曲率半徑R的多個(gè)圓弧而形成復(fù)合圓弧曲線，使該復(fù)合圓弧曲線隨著從外螺紋部遠(yuǎn)離而上述圓弧的曲率半徑R變大，并且，圓弧的連接點(diǎn)上的切線與連接對(duì)象的圓弧的連接點(diǎn)上的切線一致，由此，無(wú)需縮小銷(xiāo)尖前端的厚度就能夠使密封部從頭前端離開(kāi)。圖1(a)、圖1(b)以及圖1(c)是示出本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的管用螺紋接頭的頭部的剖視圖，(a)示出銷(xiāo)部件3，(b)示出套筒部件1，(c)示出將銷(xiāo)部件3和套筒部件1 結(jié)合在一起后的狀態(tài)。銷(xiāo)部件3設(shè)置于鋼管的端部，且具有外螺紋部7 ；頭部8，該頭部8 在比該外螺紋部7靠管端側(cè)的位置與該外螺紋部7相連；以及扭矩臺(tái)肩部12，該扭矩臺(tái)肩部12設(shè)置于該頭部8的前端。另一方面，套筒部件1具有內(nèi)螺紋部5，該內(nèi)螺紋部5與銷(xiāo)部件3的外螺紋部7螺紋結(jié)合；銷(xiāo)部件1的內(nèi)周面亦即錐面20，在基于上述螺紋結(jié)合的銷(xiāo)部件3與套筒部件1的結(jié)合狀態(tài)下，該錐面20與頭部8的外周面(頭部外周面30)對(duì)置； 以及臺(tái)肩部14，該臺(tái)肩部14與臺(tái)肩部12抵接。在銷(xiāo)部件3的軸向剖視圖中，頭部外周面30形成為朝外側(cè)凸出的凸?fàn)畹那€。另一方面，與頭部外周面30對(duì)置的套筒部件1的內(nèi)周面形成為相對(duì)于螺紋接頭的軸向具有一定的傾角(稱為錐角)α的錐面20 (圓錐形狀面)。進(jìn)而，當(dāng)使銷(xiāo)部件3與套筒部件1結(jié)合時(shí)，錐面20與頭部外周面30干涉而形成密封部40。上述錐角α設(shè)定成，在銷(xiāo)部件3與套筒部件1的假想的無(wú)干涉結(jié)合狀態(tài)下，在螺紋接頭的軸向剖視圖中，上述凸?fàn)畹那€和錐面20的母線在兩個(gè)點(diǎn)相交，密封部40實(shí)際上形成在由這兩個(gè)交點(diǎn)夾著的范圍(干涉區(qū)域 40a)內(nèi)。使用圖1 (a)所示的基于3個(gè)圓弧的復(fù)合圓弧曲線的情況對(duì)形成于頭部外周面30 的上述凸?fàn)畹那€進(jìn)行說(shuō)明。該曲線是依次連接具有不同于與外螺紋部7鄰接的圓筒形狀部的母線亦即線段Ntl的曲率半徑Ri、R2、R3的圓弧H N3而成的復(fù)合圓弧曲線N，該復(fù)合圓弧曲線N形成為隨著從外螺紋部7遠(yuǎn)離而圓弧的曲率半徑變大、即R1 < & < R3的曲線形狀。由此，能夠獲得較大的銷(xiāo)尖8前端的臺(tái)肩部12的厚度(臺(tái)肩部厚度)t。作為比較， 圖1 (c)中以虛線示出了將凸?fàn)畹那€形成為單一圓弧曲線M(曲率半徑為R的單一圓弧)， 并使該密封部的干涉區(qū)域與復(fù)合圓弧曲線N的密封部40的干涉區(qū)域40a同等的情況，可以看出，在上述單一圓弧曲線M的情況下，與復(fù)合圓弧曲線N的情況相比較，臺(tái)肩部厚度變小。 當(dāng)臺(tái)肩部厚度變小時(shí)，銷(xiāo)尖8的剛性不足，無(wú)法適當(dāng)?shù)卮_保密封部40的接觸面壓力。相反， 如果想要以單一圓弧曲線確保臺(tái)肩部厚度，則密封部40的位置遠(yuǎn)離外螺紋部7，從確保耐外壓性能、耐拉伸性能的觀點(diǎn)出發(fā)并不是優(yōu)選的。并且，復(fù)合圓弧曲線N形成為圓弧的連接點(diǎn)上的切線與連接對(duì)象的圓弧的連接點(diǎn)上的切線一致的曲線形狀。例如，在圓弧N1與N2的連接點(diǎn)處、圓弧N2與N3的連接點(diǎn)處，分別使所連接的兩個(gè)圓弧的切線一致。因此，凸?fàn)畹那€形成為在該曲線上并不存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)的連續(xù)的曲線形狀，能夠抑制頭部的不當(dāng)?shù)淖冃?。另外，上述連接的兩個(gè)圓弧彼此可以直接連接，或者，也可以經(jīng)由與上述圓弧彼此的共通切線重合的線段、或者是實(shí)質(zhì)上可以不考慮角度變化的半徑足夠大的圓弧(半徑250mm以上、且是鄰接的圓弧的3倍以上)連接。為了確保不會(huì)出現(xiàn)泄漏通道的接觸面壓力，優(yōu)選上述的線段或者是半徑足夠大的圓弧的長(zhǎng)度在2. 5mm以下。此處，優(yōu)選圓弧H N3的各圓弧所成的角度θ。θ2、93形成為，越是接近外螺紋部7的圓弧的角度越大、S卩9工> θ2> θ3。否則，難以在受限的銷(xiāo)部件3的頭部8的長(zhǎng)度(圖1 (a)中的銷(xiāo)尖長(zhǎng)度L)或者是受限的干涉區(qū)域40a的長(zhǎng)度(稱為密封接觸長(zhǎng)度)中設(shè)計(jì)復(fù)合圓弧曲線。此外，優(yōu)選復(fù)合圓弧曲線的圓弧的連接點(diǎn)，例如圓弧&和隊(duì)之間的連接點(diǎn)、以及圓弧N2和N3之間的連接點(diǎn)中的某一個(gè)與接觸開(kāi)始點(diǎn)一致，該接觸開(kāi)始點(diǎn)意味著最初和套筒部件1的錐面20接觸的點(diǎn)。通過(guò)將復(fù)合圓弧曲線內(nèi)的圓弧的連接點(diǎn)的某一個(gè)作為接觸開(kāi)始點(diǎn)，能夠在密封部的接觸面壓力分布中形成曲率半徑R大、面壓力低、接觸長(zhǎng)度長(zhǎng)的部位， 以及曲率半徑R小、面壓力高、接觸長(zhǎng)度短的部位，難以形成泄漏通道，密封性能提高。
但是，實(shí)際上，因螺紋切削裝置的制作公差的關(guān)系，存在難以使圓弧的連接點(diǎn)與套筒部件的錐面的接觸開(kāi)始點(diǎn)完全一致的情況。在該情況下，只要圓弧的連接點(diǎn)的切線的傾斜比套筒部件的錐面的傾斜小最大0.5度的范圍即可。在實(shí)際的螺紋緊固中，因銷(xiāo)與套筒之間的半徑方向的干涉，會(huì)導(dǎo)致銷(xiāo)的前端產(chǎn)生尖細(xì)的變形，緊固完畢時(shí)刻的銷(xiāo)表面的切線的傾斜比設(shè)計(jì)值大。因此，如果使圓弧的連接點(diǎn)的切線的傾斜比套筒部件的錐面的傾斜小 0. 5度以下的范圍的話，實(shí)質(zhì)上具有與使雙方的傾斜一致的效果同樣的效果。另外，從使密封部從頭前端離開(kāi)的觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選使接觸開(kāi)始點(diǎn)到外螺紋部前端的距離x(參照?qǐng)D1(c))為0.7L。并且，如上所述，L是銷(xiāo)尖長(zhǎng)度，如果接觸開(kāi)始點(diǎn)到外螺紋部前端的距離不足0. 2L，當(dāng)進(jìn)行緊固時(shí)，容易產(chǎn)生密封部與螺紋部的干涉，因此優(yōu)選為 0. 2L以上。此外，為了安全，優(yōu)選為0.3L以上。優(yōu)選套筒部件1的錐面20的錐角α (參照?qǐng)D1 (b))為10度以內(nèi)。通過(guò)使錐角α 為10度以內(nèi)、更優(yōu)選為5度以內(nèi)，能夠適當(dāng)?shù)貙?shí)現(xiàn)半徑方向密封方式，密封性能的緊固扭矩依賴性比較低。優(yōu)選銷(xiāo)尖長(zhǎng)度L(參照?qǐng)D1 (a))為20mm以上。由此，密封部從銷(xiāo)尖前端充分地離開(kāi)，結(jié)果，借助該離開(kāi)距離范圍內(nèi)的彈性變形，能夠大幅度減輕對(duì)密封部的損傷，因此，對(duì)于密封性能的穩(wěn)定化是有效的。由于密封性能穩(wěn)定化，作為半徑方向密封方式，密封干涉量S(參照?qǐng)D1(c))可以比較小，機(jī)械損傷危險(xiǎn)小。另外，對(duì)于復(fù)合圓弧曲線內(nèi)的兩種以上的曲率半徑R，優(yōu)選比較小的曲率半徑R為 1英寸以下，比較大的曲率半徑R為2英寸以上、更優(yōu)選為3英寸以上。詳細(xì)地說(shuō)，優(yōu)選使復(fù)合圓弧曲線的多個(gè)曲率半徑R中的至少1個(gè)為2英寸以上(更優(yōu)選為3英寸以上)，使其余的曲率半徑R中的至少1個(gè)為不足2英寸(更優(yōu)選為1英寸以下)。通過(guò)使復(fù)合圓弧曲線的多個(gè)曲率半徑R中的至少1個(gè)為2英寸以上(更優(yōu)選為3英寸以上)，容易確保密封部的接觸長(zhǎng)度，通過(guò)使其余的R中的至少1個(gè)為不足2英寸(更優(yōu)選為1英寸以下)，容易達(dá)成高的面壓力。并且，復(fù)合圓弧曲線內(nèi)的圓弧的個(gè)數(shù)(具有不同的曲率半徑R的圓弧的個(gè)數(shù))可以是2個(gè)，也可以是圖1(a)所舉例示出的3個(gè)，或者也可以是4個(gè)以上。圓弧的個(gè)數(shù)增加則密封接觸長(zhǎng)度更大，更容易提高密封性能，但是，實(shí)際的制造中的負(fù)擔(dān)或尺寸確認(rèn)等勞力增加，因此，圓弧的個(gè)數(shù)根據(jù)實(shí)際上螺紋接頭所要求的性能設(shè)計(jì)即可。此外，優(yōu)選使上述接觸開(kāi)始點(diǎn)的銷(xiāo)部件的截面積為在前端形成有接頭的管的主體的截面積(銷(xiāo)未加工部截面積)的35%以上。通過(guò)形成為這種銷(xiāo)的截面積，銷(xiāo)部件的接觸開(kāi)始點(diǎn)的剛性增加，特別地，容易得到高的耐外壓性能。另外，優(yōu)選使接觸開(kāi)始點(diǎn)的銷(xiāo)部件的截面積為管主體的截面積的40%以上。除了上述的密封部周邊的形狀限定之外，對(duì)于外螺紋部和內(nèi)螺紋部，通過(guò)將載荷齒側(cè)角度、入扣齒側(cè)角度、螺紋間隙的任意1種或者2種以上規(guī)定為合適的范圍，可以確認(rèn)， 借助它們的組合效果，密封性能整體上進(jìn)一步提高。此處，載荷齒側(cè)角度為圖5所示的載荷齒側(cè)角度β、即載荷齒側(cè)面18相對(duì)于接頭軸正交面(與螺紋接頭的軸向正交的面的意思。 以下相同)所成的角度β。并且，入扣齒側(cè)角度為圖5所示的入扣齒側(cè)角度Y、即入扣齒側(cè)面19相對(duì)于接頭軸正交面所成的角度Y。并且，螺紋間隙是圖5所示的螺紋間隙G，即外螺紋的螺紋牙7a和與之嚙合的內(nèi)螺紋的螺紋槽fe之間的間隙G。載荷齒側(cè)角度β的優(yōu)選范圍為-5度 4度，該優(yōu)選范圍的下限是從螺紋部的耐機(jī)械損傷性和工具壽命的觀點(diǎn)出發(fā)而確定的，上限是從耐彎曲性的觀點(diǎn)出發(fā)而確定的。入扣齒側(cè)角度Y的優(yōu)選范圍為0 30度，該優(yōu)選范圍的下限是從螺紋部的耐機(jī)械損傷性、工具壽命、緊固性的觀點(diǎn)出發(fā)而確定的，上限是從耐軸向壓縮性的觀點(diǎn)出發(fā)而確定的。螺紋間隙G的優(yōu)選范圍為0. 01 0. Imm,該優(yōu)選范圍的下限是從減輕機(jī)械損傷危險(xiǎn)的觀點(diǎn)出發(fā)而確定的，上限是從當(dāng)施加軸向壓縮載荷時(shí)減輕銷(xiāo)前端的負(fù)擔(dān)的觀點(diǎn)出發(fā)而確定。另外，如果考慮切削螺紋時(shí)的導(dǎo)程的誤差，優(yōu)選螺紋間隙G最小為大約0.03mm。并且，發(fā)現(xiàn)螺紋間隙G為大約0. 045mm能夠有效地發(fā)揮充分的性能，因此根據(jù)狀況不同可以使螺紋間隙G為大約0. 045mm。通過(guò)以上述方式規(guī)定載荷齒側(cè)角度、入扣齒側(cè)角度、螺紋間隙的1種或者2種以上而導(dǎo)致的密封性能的整體提高效果，特別是在暫時(shí)加載軸向壓縮之后加載軸向拉伸+內(nèi)壓力或者外壓力的條件下是顯著的。并且，臺(tái)肩部的臺(tái)肩部角度(臺(tái)肩部的接頭軸向的端面相對(duì)于接頭軸正交面所成的角度，設(shè)從銷(xiāo)內(nèi)周側(cè)觀察該界面的銷(xiāo)外周側(cè)朝接頭軸向外側(cè)伸出的情況為正的角度)優(yōu)選為0度 20度。在臺(tái)肩部角度不足0度的情況下，在密封性能、緊固特性的方面是不利的，另一方面，在臺(tái)肩部角度超過(guò)20度的情況下，在容易產(chǎn)生套筒臺(tái)肩部的塑性變形、密封部的局部變形的方面是不利的。優(yōu)選為15度以下。此外，根據(jù)狀況不同，優(yōu)選為7度以下。[實(shí)施例]作為發(fā)明例，對(duì)圖1(a)所示的、或者是在圖1(a)中復(fù)合圓弧曲線的圓弧的任意2 個(gè)經(jīng)由線段連接的形態(tài)的本發(fā)明所涉及的管用螺紋接頭實(shí)施評(píng)價(jià)。本發(fā)明的實(shí)施例以及比較例的尺寸形狀和評(píng)價(jià)結(jié)果在表1以及表2中示出。銷(xiāo)部件聚形成于外徑M4. 48mm、壁厚 13. 84mm的鋼管的前端。并且，螺紋形成有5TPI (每1英寸的螺紋牙數(shù)為5個(gè))。作為基于 FEM解析的評(píng)價(jià)，對(duì)依據(jù)IS013679 :2002的泄漏測(cè)試進(jìn)行仿真，對(duì)測(cè)試的密封部處的接觸面壓力(ksi -inch)進(jìn)行評(píng)價(jià)。另外，接觸面積壓力通過(guò)在密封接觸區(qū)域中對(duì)接觸面壓力進(jìn)行積分計(jì)算而求出。對(duì)于該泄漏測(cè)試，對(duì)管用螺紋接頭實(shí)施基于與原材料的屈服條件的95% 對(duì)應(yīng)的2軸應(yīng)力、內(nèi)壓、與IS010400 2007所記載的Collapse條件對(duì)應(yīng)的2軸應(yīng)力或者與原材料的屈服條件的95%對(duì)應(yīng)的2軸應(yīng)力中的較小一方的2軸應(yīng)力、外壓的加載試驗(yàn)，以圖 6所示的經(jīng)歷進(jìn)行加載。并且，作為表示螺紋緊固時(shí)的機(jī)械損傷危險(xiǎn)的指標(biāo)，利用FEM解析求出以從緊固開(kāi)始到緊固完畢的密封部的軸向各位置的滑動(dòng)距離(inch)和接觸面壓力(psi)之積定義的、機(jī)械損傷指標(biāo)(psi -inch)=接觸面壓力X滑動(dòng)距離的值。該值也通過(guò)積分計(jì)算求出。 可以說(shuō)，機(jī)械損傷指標(biāo)越小則機(jī)械損傷危險(xiǎn)越小。并且，作為比較例，針對(duì) 比較例1、3、4 將銷(xiāo)尖8的外周面的母線形成為具有單一的曲率半徑R的凸?fàn)畹那€(圖1(c)中以虛線示出的單一圓弧曲線M)的形狀的情況，·比較例2 雖然將銷(xiāo)尖8的外周面的母線形成為復(fù)合圓弧曲線，但并不滿足越是遠(yuǎn)離外螺紋部7則圓弧的曲率半徑R越大的條件的情況，
同樣求出接觸面積壓力以及機(jī)械損傷指標(biāo)。此外，針對(duì)上述的發(fā)明例以及比較例，制作使螺紋干涉量為相對(duì)于直徑為0. 305mm 且密封干涉量不同的多個(gè)樣本，并利用IS013679 :2002所規(guī)定的試驗(yàn)方法實(shí)施物理測(cè)試。 并且，制作使螺紋干涉量為相對(duì)于直徑為0. 127mm且變更密封干涉量的多個(gè)樣本，并實(shí)施 13次的反復(fù)緊固試驗(yàn)。通過(guò)上述的試驗(yàn)，求出在物理測(cè)試中不發(fā)生泄漏的最小密封干涉量以及在反復(fù)緊固試驗(yàn)中在13次緊固期間不產(chǎn)生機(jī)械損傷的最大密封干涉量，將其差作為能夠設(shè)定的密封干涉量范圍。針對(duì)發(fā)明例以及比較例，在表1中與螺紋接頭的各部分尺寸一起示出利用FEM計(jì)算求出的接觸面壓力以及機(jī)械損傷指標(biāo)、和利用實(shí)際的物理測(cè)試以及反復(fù)緊固試驗(yàn)求出的最大以及最小密封干涉量。此處，表1以及表2中的密封干涉量為與直徑對(duì)應(yīng)的值，是與圖 1(c)中所示的密封干涉量SX2相當(dāng)?shù)闹?。另外，?duì)于FEM計(jì)算中的內(nèi)壓條件下的接觸面積壓力，任一例子中均在圖6的經(jīng)歷中的加載步驟L3、L18附近O軸拉伸應(yīng)力+內(nèi)壓)示出極小值(相當(dāng)于最容易產(chǎn)生泄漏的狀態(tài))。對(duì)于該加載點(diǎn)，雖然在IS013679中并無(wú)規(guī)定，但在內(nèi)壓+拉伸的條件下是最嚴(yán)格的條件，是必要的，因此進(jìn)行比較。另一方面，對(duì)于FEM計(jì)算中的外壓條件下的接觸面積壓力，在任一例子中均在圖6 的經(jīng)歷中的加載步驟L15附近O軸拉伸應(yīng)力+外壓)示出極小值。在表1以及表2中以相對(duì)極小值表示各例的接觸面積壓力的極小值。此處，由于內(nèi)壓由氣體加載，外壓由水加載，因此泄漏的容易度不同，以內(nèi)壓條件和外壓條件的各自的極小值作為基準(zhǔn)求出相對(duì)極少值。S卩，對(duì)于L3和L18的極少值，將所有例子中的L3以及L18的最小的極小值設(shè)為100， 其他的極小值以相對(duì)于該最小的極小值的比表示。并且，對(duì)于L15的極小值，將所有例子中的L15的最小的極小值設(shè)為100，其他的極小值以相對(duì)于該最小的極小值的比表示。經(jīng)受一次壓縮經(jīng)歷后的加載步驟L18的密封性能比經(jīng)受壓縮經(jīng)歷前的同一加載點(diǎn)的加載步驟L3的密封性能下降，特別是在不具有足夠的臺(tái)肩部厚度的比較例3中能夠看出顯著的下降。在任一結(jié)果中，本發(fā)明例都在壓縮經(jīng)歷后的L18中示出良好的密封性。并且，機(jī)械損傷指標(biāo)示出極大值(相當(dāng)于機(jī)械損傷危險(xiǎn)最高的狀態(tài))的接頭軸向位置根據(jù)每個(gè)例子而不同。表1以及表2中以相對(duì)極大值表示各例的機(jī)械損傷指標(biāo)的極大值(將所有例子中的最大的極大值設(shè)為100，其他的極大值以相對(duì)于該最大的極大值的比表不)O表3中示出其他尺寸下的評(píng)價(jià)結(jié)果。對(duì)象材料為外徑139. 7mm、壁厚7.72mm、 5TPI，以及外徑346. 08mm、壁厚15. 88mm、4TPI。在任一尺寸下，本發(fā)明例都示出壓縮經(jīng)歷后的優(yōu)異的密封性、以及緊固時(shí)的優(yōu)異的耐機(jī)械損傷性。根據(jù)表1、表2、以及表3所示的評(píng)價(jià)結(jié)果，可以清楚，在任一發(fā)明例中，與比較例相比較，均能夠?qū)崿F(xiàn)雖然接觸面積壓力高但機(jī)械損傷指標(biāo)小或者為相同程度、并且能夠設(shè)定的密封干涉量范圍廣、密封性以及耐機(jī)械損傷性優(yōu)異的螺紋接頭。
權(quán)利要求
1.一種管用螺紋接頭， 所述管用螺紋接頭具有銷(xiāo)部件，該銷(xiāo)部件具有外螺紋部；頭部，該頭部延伸至比該外螺紋部更靠管端側(cè)的位置；以及臺(tái)肩部，該臺(tái)肩部設(shè)置于該頭部的前端；以及套筒部件，該套筒部件具有內(nèi)螺紋部，該內(nèi)螺紋部與所述外螺紋部螺紋結(jié)合；與所述銷(xiāo)部件的頭部外周面相對(duì)的內(nèi)周面；以及與所述銷(xiāo)部件的臺(tái)肩部抵接的臺(tái)肩部，所述銷(xiāo)部件和套筒部件借助所述螺紋結(jié)合而結(jié)合在一起，銷(xiāo)部件的頭部外周面與套筒部件的所述內(nèi)周面形成金屬對(duì)金屬接觸，其接觸界面形成密封面， 所述管用螺紋接頭的特征在于，所述銷(xiāo)部件的頭部外周面形成為在銷(xiāo)部件的軸向剖視圖中朝外側(cè)凸出的凸?fàn)畹那€， 該凸?fàn)畹那€形成為如下的曲線形狀依次連接具有不同于與外螺紋部鄰接的圓筒形狀部的母線的曲率半徑的朝外側(cè)凸出的凸?fàn)畹亩鄠€(gè)圓弧而形成復(fù)合圓弧曲線，使該復(fù)合圓弧曲線隨著從外螺紋部遠(yuǎn)離而圓弧的曲率半徑變大，并且，圓弧的連接點(diǎn)上的切線與連接對(duì)象的圓弧的連接點(diǎn)上的切線一致，所述套筒部件的所述內(nèi)周面形成錐面，在套筒部件與銷(xiāo)部件結(jié)合時(shí)，所述錐面與銷(xiāo)部件的頭部外周面干涉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管用螺紋接頭，其特征在于，對(duì)于所述復(fù)合圓弧曲線內(nèi)的各圓弧所成的角度，越是接近所述外螺紋部的圓弧所成的角度越大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的管用螺紋接頭，其特征在于，所述復(fù)合圓弧曲線內(nèi)的所述連接點(diǎn)中的某一個(gè)成為所述錐面的接觸開(kāi)始點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的管用螺紋接頭，其特征在于， 所述錐面相對(duì)于接頭的軸向所成的角度為10度以內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的管用螺紋接頭，其特征在于， 所述銷(xiāo)部件的頭部的長(zhǎng)度為20mm以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 5中任一項(xiàng)所述的管用螺紋接頭，其特征在于，對(duì)于所述外螺紋部和所述內(nèi)螺紋部，入扣齒側(cè)角度在0度 30度的范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1 6中任一項(xiàng)所述的管用螺紋接頭，其特征在于，對(duì)于所述外螺紋部和所述內(nèi)螺紋部，載荷齒側(cè)角度在-5度 4度的范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1 7中任一項(xiàng)所述的管用螺紋接頭，其特征在于， 所述臺(tái)肩部的臺(tái)肩角度在0度 20度的范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1 8中任一項(xiàng)所述的管用螺紋接頭，其特征在于， 對(duì)于所述外螺紋部和所述內(nèi)螺紋部，螺紋間隙在0. 01 0. Imm的范圍內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1 9中任一項(xiàng)所述的管用螺紋接頭，其特征在于，代替依次連接具有不同于與外螺紋部鄰接的圓筒形狀部的母線的曲率半徑的多個(gè)圓弧而形成的復(fù)合圓弧曲線，形成經(jīng)由直線或者長(zhǎng)度為2. 5mm以下的線段依次連接具有不同于與外螺紋部鄰接的圓筒形狀部的母線的曲率半徑的多個(gè)圓弧而形成的復(fù)合圓弧曲線。
11.根據(jù)權(quán)利要求1 9中任一項(xiàng)所述的管用螺紋接頭，其特征在于，代替依次連接具有不同于與外螺紋部鄰接的圓筒形狀部的母線的曲率半徑的多個(gè)圓弧而形成的復(fù)合圓弧曲線，形成經(jīng)由長(zhǎng)度為2. 5mm以下、半徑為250mm以上且為鄰接的圓弧的半徑的3倍以上的圓弧依次連接具有不同于與外螺紋部鄰接的圓筒形狀部的母線的曲率半徑的多個(gè)圓弧而形成的復(fù)合圓弧曲線。
全文摘要
本發(fā)明提供管用螺紋接頭，提高了密封性、耐壓縮性、耐機(jī)械損傷性。具體地說(shuō)，銷(xiāo)尖外周面(30)形成為在軸向剖視圖中朝外側(cè)凸出的凸?fàn)畹那€，該凸?fàn)畹那€形成為如下的曲線形狀依次連接具有不同于與外螺紋部(5)鄰接的圓筒形狀部的母線的曲率半徑(R)的朝外側(cè)凸出的凸?fàn)畹亩鄠€(gè)圓弧而形成復(fù)合圓弧曲線(N)，使該復(fù)合圓弧曲線(N)隨著從外螺紋部(5)遠(yuǎn)離而圓弧的曲率半徑(R)變大，并且，圓弧的連接點(diǎn)上的切線與連接對(duì)象的圓弧的連接點(diǎn)上的切線一致，套筒部件(1)的與銷(xiāo)尖(30)相對(duì)的內(nèi)周面形成當(dāng)套筒部件(1)與銷(xiāo)部件(3)結(jié)合時(shí)與銷(xiāo)尖外周面(30)干涉的錐面(20)。
文檔編號(hào)F16L15/04GK102313085SQ201110189469
公開(kāi)日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2011年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者吉川正樹(shù), 園部治, 川井孝將, 長(zhǎng)濱拓也, 高橋一成, 高野順 申請(qǐng)人:杰富意鋼鐵株式會(huì)社