專利名稱：螺紋管道接頭的制作方法
技術領域：
本發明通常涉及用于管道的螺紋接頭，特別是用于天然氣和石油開采工業的管道接頭。這些管道既能用于泵送煤氣或石油，本身又能作為鉆井的井筒使用。
背景技術：
在天然氣和石油開采工業中，使用的管道是有預先確定長度的，必須將其首尾相接才能達到足夠的長度，這樣才能到達碳氫化合物通常所處的產地。
通常采用的鉆井技術就是鉆孔。通過鉆孔，油井從地面或海平面一直到達油氣儲藏區。這些油井的深度可達幾千米。在鉆孔時，整個油井全長都襯有金屬管道。這些金屬管道段有約十米長，通過螺紋接頭連接在一起。因此，這些管道形成一個管狀鉆桿柱(tubular string)，并且除了在相應與接頭連接的部分外，其整體具有均一的直徑，而管道接頭處的外徑比鉆桿柱本身大出約1英寸(25.4mm)。
為了能夠延伸至整個油井深度，使用了各種鉆桿柱(string)，因為機械強度和地層的地質特點，鉆桿柱直徑越小鉆的越深，這樣就會形成一種“套筒式(telescopic)”結構。
但是現在的石油開采業卻更多地面臨開挖相對于垂直位置特別傾斜的油井，甚至幾乎是水平的油井，才能達到油氣儲藏區。那些通常設計用于垂直油井的管道就不能滿足要求，這樣就存在一種結構性的需求。在開挖水平或非常傾斜的油井時，也有必要盡可能地節約成本。一旦油井開鉆完畢，井壁則被包襯，引入另外的鉆桿柱，用于把地下的油氣從其儲藏區中泵出。此鉆桿柱沿整個油井敷設，因此可以長達幾千米，它也是通過采用與上述相同類型的接頭將十米長的管道連接而成。通常這種類型的鉆桿柱整體管徑是均一的，除了接頭處的直徑一般大一些，與前述類型鉆桿柱類似。
上述兩種情況中，管道都是用有螺紋的接頭互相連接的，這些接頭可以是整體型，既一個管道的端部是陽螺紋，而另一個管道的端部是陰螺紋；也可以是套管接頭，既管道兩端都是陽螺紋，然后用兩端都是陰螺紋的套管接頭連接起來。
選擇何種類型的接頭需要根據鉆桿柱所承受的載荷，作用在內部和/或外部的壓力，鉆桿柱的長度和可能的最大直徑等因素來確定，管徑與油井直徑有關。
如果接頭的直徑減小了，就有必要尋找方法以能夠彌補其較低的結構強度。事實上，在連接區的效率必然比管道主體處的效率低，這是因為結構的因素，比如在一定厚度的管壁上加工的螺紋，密封槽和臺肩等，這都會減少凸件或凹件臨界區的截面面積。
將導致接頭損壞的原因降至最低也是非常重要的。如果管道損壞，特別是已經在地下敷設的管道，因為操作者幾乎不可能直接介入將要發生破壞的接頭，就可能會造成嚴重的經濟后果，特別是油氣儲藏區含有腐蝕性元素時。
因此，過去在改進管道接頭方面做了很多工作，力圖在各種有時會互相矛盾的需求之間尋找一個合適的平衡，以使其達到最優效率，如最小尺寸、最大結構強度以及泄漏和/或對滲漏液體的密封等等。事實上，管道本身在承受由來自管道外部和/或管道內部流體產生的壓力的同時，還一直承受著壓力、拉力、彎折和扭轉載荷等。
接頭還必須具有優良的配合(make-up)和抗咬合性能。
流體的溫度、腐蝕作用或是礦區的環境條件經常會使結構和密封問題變得更糟。
當前的鉆探方法是采用一個單套設備達到各種深度和油氣儲藏區，其油井可以是傾斜的、彎曲或甚至是水平的如果說這一方面代表巨大的經濟利益，但是在另一方面在進行鉆桿柱下放操作過程中，由于管道與井壁之間累積的摩擦力造成的壓縮和扭轉，這也會導致在管道和接頭上產生極高的結構應力。這些管道，特別是在螺紋連接區迫切需要具有抗壓強度，而通常接頭處的弱點正是這種技術的弱點。同樣地，當鉆桿柱被用于注入蒸汽時，由于較高的熱載，也會出現類似的不利條件。因此提出了一些建議以改善接頭的壓縮性能，即采用這樣一種尺寸的螺紋，當接頭被配合時，一個管段的螺紋的兩個側面與另外一個管段的相應螺紋的兩個側面接觸。互相接觸的螺紋的兩個側面對得到與接頭的拉伸行為類似的壓縮行為具有重要貢獻。
在特殊環境下，例如所測量的螺紋引入側面角與垂直管軸的面相比較非常傾斜，鉆桿柱的壓縮行為不能令人滿意，因為一旦壓縮力超限這種方法就會引起一種叫做“跳躍(jump in)”的現象。所謂跳躍是指當超過螺紋的抗壓強度后，陽螺紋管段滑入陰螺紋管段內。螺紋引入角越傾斜越容易發生這種現象。
這種螺紋的另外一個缺點是在接頭進行旋進操作時，更多的螺紋環相互接合，它所承受的轉矩在承載時變化很大，容易產生接頭咬合的危險，結果會產生無法保證流體的氣密性。這就產生了制造接頭的困難，并產生不能精確應用正確轉矩的可能性。
提出的另外一種改善管道接頭強度性質的方法是設想增加陽螺紋管段和陰螺紋管段靠近承載區的壁厚，這樣也能夠在陰螺紋管段得到一個較大尺寸的環形臺肩。這會增加對管道端面的處理量，特別是在進行攻絲處理前，該處理是永久應變，其后要進行消除應力處理以消除殘余應力，這就會增加生產的成本和時間。為了改善強度性質，這種永久應變操作對于厚壁管是尤其必要的。但是，就是在這種情況下，結果也不總是令人滿意的，因為在最好的情況下，通過這種方法在連接點處得到的壓縮強度也從未超過無螺紋管段強度的70％。
因此迫切需要甚至在高壓縮載荷下也具有高強度和高密封性能的接頭，同時保持其自身的氣密性。接頭也必須易于中心定位和裝配，這樣就能在現場裝配，甚至使用自動鉆井設備。
接頭也要適用于用各種不同的材料制造的用來鉆孔的管道。例如，這些材料包括炭鋼，鉻或抗腐蝕合金鋼，如那些鉻含量比較高，超過9％，并含有鎳和鉬，象馬氏體鋼或雙煉不銹鋼或奧氏體鋼或鎳鐵合金等。
發明概述上述提到的問題通過螺紋接頭連接管道的方法加以解決，不論是整體式或套管式。接頭由一個凸件(male member)和一個凹件(female member)組成，凸件由一個管道組成，該管道的外表面至少有一部分有螺紋，凹件包括一個管道或套管，至少在其內表面的一部分有螺紋，在凸件的一端有一環形臺肩，與其相應在凹件內部有一個環形支撐臺肩，所述螺紋適合往復和可逆地旋轉直到在所述環形支撐面之間建立接觸，所述螺紋有一個沿位于工件軸線上的平面的截面，在該截面上螺紋牙形包含有一個載荷側面(load flank)和一個引入側面(lead-in flank)，所述引入側面相對于垂直于所形成螺紋的工件的軸的平面的角度在10°至25°之間變化，所述螺紋是這樣的，當上述環形支撐面間互相接觸，且當接頭未承載時，在凸件螺紋引入側面和相應的凹件螺紋相對側面之間有一個間隙，沿平行于接頭軸線方向測量，該接頭軸線方向與兩個所述的工件的軸線一致，當它們互相旋緊時，間隙尺寸在0.01～0.12mm之間，其中所述凸件處于不和凹件接合的部位的內徑D3和外徑D4與凹件的支撐面上的內徑D1和外徑D3之間存在關系式(D22-D12)/(D42-D32)≥0.5。
上述環形支撐面最好是截頭圓錐面，并且凸件端部上的支撐面沿工件的軸線旋緊。
根據本發明的更多方面，依據權利要求8和9的特性，提到的上述問題可以通過定長的管段加以解決。
圖1為根據發明制造的配合接頭的側面剖視圖；圖2為圖1的局部放大圖，顯示了配合的凸件和凹件的端部。
最佳實施例的詳細描述參見附圖，現在用一個非限定的實施例說明根據本發明制造的接頭。
圖示接頭由兩個工件構成，既凸件1和凹件2。在這個例子中，凸件是一個管道，通常兩端有陽螺紋，凹件是一個套管，在其兩端有陰螺紋依靠兩個上面描述的接頭連接兩個管道。接頭定義為一個內部件20，包括管段1和2的軸部21，其中有流體，如天然氣或石油或其他類似流體流動，和一個外部件22，其中可以是各種流體，通常也是帶壓力的。管道的外徑D4在此區域未涉及凸件和凹件的連接處，它的尺寸可以比凹件端部連接區的外徑D5小，其值在整體“齊平(flush)”型連接情況下的0％至套管接頭的15％之間。凸件1有一個端部13，其外表面有螺紋。如圖2所示，螺紋在沿位于工件軸線的平面上的具有的螺紋牙形15實質上是梯形。在每個螺牙中有一個引入側面6，一個載荷側面4和齒頂7。
引入側面6相對于垂直于軸21的面之間形成一個角β，角度介于10°～25°之間。如圖所示，如果螺牙側表面從接頭軸線21向相反側面旋緊螺紋，即方向向外側和向上述內部螺紋軸線方向旋緊，引入側面和載荷側面的角度都被限定為正角。
載荷面4的角度α，即與垂直與軸21面形成的角度，可以是正角或負角，介于-4°～3°之間。
凸件1的端部13包括密封面11，如截頭梯形，和一個具有平面或截頭梯形表面的環形臺肩9，錐角值介于0°～20°之間。端部13作為一個截錐體，其外表面可以很方便地加工螺紋，如圖所示，錐度最好在6～10％之間。螺距最好是每英寸3～5圈。螺紋可以是完整的或具有部分不完整的螺紋。包括密封面11的端部13的外表面的一部分沒有螺紋，并且通常比有螺紋的部分的錐度要大。密封面11在其他可選的實施例中也可以是球形的，但是也有可能是其他形狀的。
凹件2的端部14必須螺紋旋進凸件1的端部13。當凹件2帶螺紋的端部14上環形表面10與相對應的表面9接觸時，可以認為完成配合。與面11對應可以提供一個有尖銳的錐角的表面12，完成配合后兩面接觸。面11和12形成一個氣密性金屬—金屬密封。凹件螺紋的引入側面和載荷側面最好與凸件的相同，標記如上所示。
端部14的螺紋對應于凸件1的端部13的螺紋。這樣，配合后，載荷側面3顯然就與凸件的載荷側面4接觸。對未安裝接頭的情況，既在工件1和2上沒有軸向或彎曲載荷時，在引入側面6和凸件的引入側面5之間沿平行于接頭軸線方向測量有一個0.01～0.12mm的間隙。在一個工件的齒頂8與另外一個工件的齒根之間，在兩螺紋環之間的區域中有0.05～0.30mm的間隙。
內徑D3和外徑D4位于上述凸件1未涉及與凹件匹配的部位，與凹件2支撐面10上的內徑D1和外徑D2之間有關系式(D22-D12)/(D422-D32)≥0.5。
發明的接頭適用于管道承受高軸向壓縮應力，該力使引入側面5和6互相接觸，并由此開始承受平行于支撐面9和10的壓縮載荷，而接近上述表面9和10的部位還處于彈性變形條件下。此外，它具有符合抗磨損和抗咬合的強度。
凹件也可以是連接兩管形凸件的套管，如例子中所述。另外一種可以是整體接頭，既兩個工件是兩段管道，一個端部有陽螺紋，一個端部是陰螺紋，形成接頭。這種情況下，一端是陽螺紋的工件在另外一端可以是陰螺紋(反之亦然)，然后與另外一段管段形成整體連接接頭。在此情況下，每段管道在接近陰螺紋段部分可以擴大其外部直徑以提供合適的強度，如近平(near-flush)接頭。管段的內徑最好相同以使管線內部具有連續性。在套管式接頭情況下，在不與凸件匹配的區域，其內徑最好與連接管道的內徑相同，如圖所示；所述直徑與支撐面10的內徑D1相一致。
權利要求
1.一種螺紋管道接頭，其定義一個軸(21)，包括一個共軸的凸件(1)，其由一個管道組成，所述管道至少在其一個端部(13)的鄰近部位的外表面的一部分上設有螺紋，和一個共軸的凹件(2)，其由一個管道或套管組成，所述管道或套管至少在其一個端部(14)的鄰近部位的內表面的一部分上設有螺紋，其中在凸件(1)上具有一個圓柱形部分，在兩個端部之間的中間部分具有均勻的厚度的管壁，其中至少在凸件一端(13)具有一個環形接合面(9)，并且在凹件內部相應有一個環形接合面(10)，所述螺紋適合往復和可逆地旋轉以在所述環形接合面(9、10)間形成接觸，所述螺紋是互補的，其中螺紋牙形在沿含有軸(21)的平面的截面定義為一個載荷側面(4、3)，其與垂直于軸(21)的面形成第一角(α)，定義一個引入側面(6、5)，其與垂直于軸(21)的面形成第二角(β)，其特征在于所述的第二角的值在10°～25°之間，此時當接頭被裝配時，實現所述環形接合面(9、10)之間的接觸，在沒有軸向載荷時，在凸件螺紋的引入側面(6)和凹件螺紋的引入側面(5)之間，沿平行于接頭軸線(21)方向測量有一個尺寸介于0.01～0.12mm的間隙，其中所述凸件(1)的圓柱狀部分內徑D3和外徑D4與凹件的接合面的內徑D1和外徑D2之間存在關系(D22-D12)/(D42-D32)≥0.5。
2.根據權利要求1所述的管道接頭，其中所述凹件(2)是一個兩端具有陰螺紋的套管。
3.根據前述權利要求的任何一個所述的管道接頭，其中載荷側面(4、3)相對于垂直于接頭的軸(21)的平面之間形成一個角度(α)，其值介于-4°～3°。
4.根據前述權利要求的任何一個所述的管道接頭，其中帶有螺紋的部分的錐度值介于6％～15％。
5.根據前述權利要求的任何一個所述的管道接頭，其中在凸件的齒頂(8)和凹件的齒根(7)之間有一個介于0.05～0.30mm的間隙，且當配合時凸件的齒根和凹件(2)的齒頂互相接觸。
6.根據前述權利要求的任何一個所述的管道接頭，其中螺紋每英寸有3～5圈。
7.根據前述權利要求的任何一個所述的管道接頭，其中環形接合面(9、10)是互補的和截頭圓錐形的，凸件(1)的接合面(9)具有的角度介于0°～20°，且頂點指向凸件內部。
8.一種管道，其具有確定的長度，至少在其一端具有外螺紋部分，適于形成接頭的凸件(1)，其具有權利要求1至7中一個或多個特征。
9.一種管道，其具有確定的長度，至少在其一端具有內螺紋部分，適于形成接頭的凹件(1)，其具有權利要求1至7中一個或多個特征。
全文摘要
用于連接管道的螺紋接頭由凸件(1)和凹件(2)組成，凸件的外表面和凹件的內表面分別具有螺紋連接部分。引入螺紋側面角β介于10°＜β＜25°，接合面(9)位于上述凸件的頂端，并與凹件上相應的環形接合面(10)接合。凸件(1)和凹件(2)的引入螺紋側面在配合且接頭未負載時，在沿平行于接頭的軸(21)方向上留有一個尺寸介于0.01～0.12mm的孔隙。凸件的內徑D3和外徑D4(位于不和凹件接合的部位)與凹件接合面上的內D1和外徑D2之間存在如下關系式(D文檔編號F16L15/04GK1653290SQ03810359
公開日2005年8月10日 申請日期2003年4月29日 優先權日2002年4月30日
發明者加布里埃爾·E·卡爾卡尼奧, 朱塞佩·德拉皮納, 麗塔·G·托斯卡諾, 托馬索·科波拉 申請人:特納瑞斯連接股份公司