具有連接器的金屬管的制作方法
【專利說明】具有連接器的金屬管
[0001] 本發明涉及一種管元件，該管元件具有金屬管和至少一個金屬連接器，該金屬連 接器固定在金屬管的一個端部上，使得可以在金屬管和金屬連接器之間傳遞扭矩和軸向 力，其中，金屬連接器具有尤其是圓錐形的螺紋或法蘭，通過所述螺紋或法蘭可以將金屬連 接器與另一個管元件的另一個金屬連接器螺紋連接，以便連接兩個管元件。例如使用這種 管元件，以便由其組裝更長的鉆桿，如它在石油鉆孔中所需。此外，本發明涉及一種用于制 造這種管元件的方法。
[0002] 在現有技術中，金屬管與金屬連接器通過摩擦焊連接，如它例如在W098/13574A1 中所示。這種連接方式的缺點是，通過在連接區域內的焊接引起金屬管和金屬連接器中的 結構變化，該結構變化不利地影響所使用的高合金鋼的強度特性。因此，在焊接之后需要特 殊的熱處理，這使得制造耗費大并且昂貴。
[0003] 本發明所要解決的技術問題是，改進這種管元件，該管元件具有在金屬管和金屬 連接器之間的更簡單安裝的并且更可靠的連接裝置。
[0004] 該技術問題對于管元件來說按本發明解決的方式是，金屬連接器與內套筒通過圓 柱形螺紋螺紋連接，使得在設計成圓錐形地朝管端部變尖的連接區域內，將金屬管面狀地 夾緊在外側上的金屬連接器與內側上的內套筒之間。通過金屬連接器在金屬管上摩擦配合 式的固定，不再需要進行再處理。通過圓錐形連接區域的坡度和長度可以確定夾緊力并且 適應于各種要求。圓錐形朝管端部變尖理解為，直徑在連接區域內向外朝圓柱形螺紋減小。 由此可以制造連接裝置，通過該連接裝置可以傳遞較大的力矩和較高的軸向力。因此用于 鉆桿的管元件也是可行的，如它應用在石油鉆孔中。在管元件用于鉆桿時，優選金屬連接 器可以設計具有用于連接兩個管元件的圓錐形的螺紋、尤其是在石油工業中常用的API螺 紋。本發明的另一個優點是，金屬連接器和金屬管之間的連接裝置被設計為由于螺紋連接 可重新松脫，從而在圓錐形的螺紋磨損時可以例如更換或修理金屬連接器，而不必更換或 輸送整個管元件。這對于具有長至15m的長度的這種管元件是非常有利的。
[0005] 同樣也可以使用按本發明的管元件用于其他類型的管或管道或管形驅動軸。例如 用于在海上輸油（用于所謂的立管）中的管連接裝置或作為鉆孔的襯套（所謂的套管或襯 墊）。在管形驅動軸的情況下，金屬連接器優選配設有法蘭用于與另一個管元件連接。 [0006] 優選考慮鋼作為用于金屬連接器和金屬管的材料。對于按本發明的管元件來說也 可行的是，金屬管和/或金屬連接器由鋁合金、鈦、鈦合金、灰鑄鐵或鑄鋼制成。
[0007] 按本發明的改善連接裝置的可靠性和可安裝性以及管元件的可應用性的實施方 式的其他有利的特征出現在各從屬權利要求中。
[0008] 作為第一金屬連接器的補充，在對置的管端部上可以存在第二金屬連接器，該第 二金屬連接器如同權利要求1中描述一樣與金屬管連接，尤其是如同第一金屬連接器那樣 連接。由這種具有兩個金屬連接器的管元件可以組裝更長的鉆桿或另外的管道。一個金屬 連接器優選具有圓錐形的內螺紋，并且第二金屬連接器具有圓錐形的外螺紋。因此獲得真 正結構相同的管元件，這簡化了應用。備選地，也可以分別設計一個具有兩個配備了圓錐形 內螺紋的金屬連接器的管元件和一個具有兩個配備了圓錐形外螺紋的金屬連接器的管元 件，所述管元件始終交替地組裝。
[0009] 為了實現特別牢固的連接，有利的是，金屬連接器設計為，使得它在內側具有圓錐 形連接區域，該圓錐形連接區域與金屬管的連接區域的外側接觸，并且相對于管的軸線具 有在o.r到30°之間、優選0.5°到5°之間的圓錐體的螺旋角。通過該螺旋角獲得足夠 長的連接區域，以確保在夾持區域內良好的擠壓。
[0010] 此外，會有利的是，內套筒在外側上具有圓錐形連接區域，該圓錐形連接區域與金 屬管的連接區域接觸，并且相對于管的軸線具有在0.1°到30°之間、優選0.5°到5°之 間的圓錐的螺旋角。
[0011] 為了實現與金屬管良好的連接，在內套筒的連接區域（3. 1)的外側上的粗糙度和 /或在金屬管的連接區域（I. 1)的內側上的粗糙度應當足夠高。
[0012] 在金屬管的壁厚在連接區域內沿軸向方向保持基本上恒定時，獲得特別可靠的連 接和簡化的制造可能性。也就是說，在內套筒上的圓錐形區域的螺旋角和在連接區域內的 金屬連接器上的圓錐形區域仰角相同，這導致特別好的夾緊。金屬管的壁厚在連接區域內 優選為3mm到20mm之間、特別優選在5mm到12mm之間，以便能承受負載。
[0013] 當金屬管尤其在未被金屬連接器或另一個金屬連接器覆蓋的整個區域內被由纖 維加強的塑料纖維增強塑料構成的料層包圍時，可以明顯提高抗內壓的強度以及耐磨損強 度。作為纖維增強塑料可以尤其考慮CFK(碳纖維增強塑料）。該料層可以例如通過對金屬 管一層或多層的纏繞和之后的硬化而制成。為了實現足夠好的效果，該料層的厚度應當優 選為2mm到8mm之間。
[0014] 在許多應用中，期望的是，可以通過管元件傳遞數據或能量或數據和能量。為此， 可以存在電線，該電線從一個管端部延伸到另一個管端部并且與插頭連接，該插頭位于金 屬連接器的內部，并且在管元件通過螺紋或法蘭與另一個管元件螺紋連接時，該插頭適合 與在另一個管元件中的另一個插頭和電線建立電連接。也可以在管元件上存在多個電線和 /或多個插頭。當金屬管被由纖維增強塑料構成的料層包圍時，一根電線或多根電線可以位 于金屬管和該塑料層之間，使得它們不被損壞。插頭可以尤其設計成環形。插頭在此一般 理解為一個適合建立電連接的部件，通過該部件可以傳遞數據或能量。在管元件之間的電 連接可以通過插頭與對應觸頭的物理接觸而建立或通過插頭與對應件的電磁耦合、即無線 地進行。在此在管元件上也可以存在多根電線和/或多個插頭。
[0015] 若內套筒具有與圓柱形螺紋鄰接的護罩，該護罩構造為，使得插頭沿徑向看完全 地位于金屬連接器和內套筒之間，則插頭特別好地被保護不受來自管內部空間的因素影 響，油或其他介質可以在管內部空間中流動。內套筒優選設計成，內套筒在與另一個管元件 螺紋連接在一起之后將插頭相對內部空間密封。
[0016] 為了將電線在旋擰金屬連接器時不受損地從金屬管導引至插頭，內套筒優選具有 在圓柱形螺紋中的軸向槽或圓柱形螺紋下方的材料中的軸向的縱向孔，通過縱向孔，電線 從金屬管導引至插頭。該槽更容易制造。縱向孔的優點是，螺紋由此不被中斷并且不被削 弱。當存在多根電線時，也可以提供多個分布在圓周上的槽或縱向孔。
[0017] 還為了使電線不受損地導引通過連接區域，會有利的是，金屬管在連接區域中具 有軸向槽，該軸向槽設置在圓柱形螺紋內的軸向槽的延長部中或設置在內套筒的圓柱形螺 紋下方的軸向的縱向孔的延長部中。
[0018] 因為在一些應用中流體介質、例如油或鉆孔液通過管元件流動，所以重要的是，將 壓力損失保持得很小。為此，有利的是，對應套筒的內表面具有沿軸向完全連續延伸的內型 材而無邊棱或臺階突變。該連續的類似噴嘴的走向導致在不同管元件的連接部位的區域內 的流動優化的、具有很小壓力損失的管元件。迄今已知的管元件的缺點是，它們在連接的區 域內引起較大的壓力損失。通過在金屬連接器和管之間的按本發明類型的連接可以通過對 應套筒產生流動優化的內型材。
[0019] 對于按本發明的用于上述管元件的制造方法來說，本發明的技術問題解決的方式 是，執行下面的步驟：
[0020] a)內套筒安裝在金屬管的目前還為圓柱形的管端部上，使得內套筒的設計為圓錐 形的連接區域位于金屬管中；
[0021] b)金屬管在該管端部上變形、優選乳制，使得產生圓錐形地朝所述管端部變尖的 連接區域，該連接區域與內套筒的圓錐形連接區域接觸；
[0022] c)金屬連接器通過圓柱形螺紋旋擰內套筒，使得金屬管在連接區域內面狀地夾緊 在內套筒和金屬連接器之間。
[0023] 因此可以制造具有可靠的連接裝置的管元件，該連接裝置也可以傳遞更大的扭矩 和軸向力的連接裝置，而無需耗費的后處理。由于通過圓柱形螺紋與圓錐形連接區域相連 所形成的摩擦接合式連接，可以建立還可以重新松脫的連接，這提供了上述優點。
[0024] 也可以制造具有電線連接裝置的管元件，方式是將電線從一個管端部到另一個管 端部地安置在金屬管的外側上，使得將電線插入圓柱形螺紋的軸向槽中或穿過內套筒的圓 柱形螺紋下方的材料中的軸向的縱向孔，以及插入金屬管的連接區域內的與該縱向孔鄰接 的槽中，并且在實施步驟c)之前將電線連接到插頭上。以相同的方式也可以安設多個電線 和/或多個插頭。通過槽或縱向孔保護電線在將金屬連接器旋擰在內套筒上時不受損。
[0025] 此外，金屬管可以被由纖維增強塑料構成的料層卷繞、優選在未被金屬連接器或 另一個金屬連接器覆蓋的整個區域內卷繞。在卷繞之后，管可以例如在爐中經受簡單的熱 處理，以硬化塑料層。優選為該料層使用CFK(碳纖維增強塑料）。在具有電線連接裝置的 管元件中，電線可以在卷繞之前安置到金屬管上，從而電線稍后受到該料層保護。插頭可以 在硬化之后安裝。
[0026] 根據實施例并且參照附圖闡述本發明其他的有利的特征。所述特征不僅可以以所 述的組合有利地轉化，而且還可以彼此單獨地組合。
[0027] 圖1是現有技術中的連接點（Gestiingerohr)，
[0028] 圖2是按本發明的具有電線的管元件的爆炸圖
[0029] 圖3是按本發明的具有電線的管元件，
[0030] 圖4是內套筒的細節圖。
[0031] 下列詳細描述附圖。在圖1中示出現有技術中的鉆桿元件。金屬管20在每個管 端部處與金屬連接器21a，21b通過摩擦焊連接。所述