螺紋保護裝置的制作方法

專利名稱：螺紋保護裝置的制作方法
本申請要求1998年5月22日申請的、名稱為螺紋保護裝置的、35U.S.C.111(b)臨時申請順序號為60/086446的利益。
管，例如用于油氣鉆井和生產的管，常常是分段制造并可在其端部連接。一種類型的連接涉及在一段管一端(銷端(pin end))上的外螺紋部的使用，該外螺紋部與另一段管端部(套端(box end))上內螺紋部通過所車螺紋而相嚙合。
管的端部包括螺紋在運輸和貯藏期間的非實際使用中如與其它物體接觸或摔落而易受到損壞。這樣的損壞可以使管出現缺陷或不能使用，造成延期、帶來麻煩并增加了費用。稱為“螺紋保護裝置”的裝置通常用于保護管的端部特別是其上的管螺紋不受到上述的損壞。“銷端”螺紋保護裝置連接并保護管的銷端，而“套端”螺紋保護裝置連接并保護管的套端。螺紋保護裝置設計成能防止在管撞擊其它物體、地面或其它方面易遭受的外界碰撞時對相應管端部的損壞。現有技術螺紋保護裝置實例公開在Dreyfussd等的專利US4957141、US5195562和US5244015中和Strodter的專利US4809752中，這里參考并結合上述專利的整體內容。
優質管的螺紋保護裝置的工業標準是“Shell”試驗。本文附加名稱為“1998年3月用于螺紋保護裝置的Shell油技術說明(Shell OilSpecification for Thread Protector March 1988)”的Shell試驗的技術說明，并由此在本文中結合參考其整個內容。在作者為E.J.C Spruijt、名稱為“經濟有效的螺紋管保護裝置的性能評價(PerformanceEvaluation of Commercially Available Thread Protector)”的技術論文(Technical Paper)ADC/SPE 17209中也說明了Shell試驗，本文也結合參考其整個內容(這里附加該論文的前兩頁)。Shell試驗向螺紋保護裝置和管施加沖擊能量以便確定受測的螺紋保護裝置能否保護管端部不受損壞。一種類型的Shell試驗模擬在管上安裝螺紋保護裝置，從地面上舉起該管，接著沿軸向扔下該管，以便通過確定鋼管端部是否損壞來評價螺紋保護裝置的有效性。Shell試驗要求螺紋保護裝置防止管端部在改變溫度的不同試驗中不受損壞。由于管使用在各種環境中并暴露在很寬范圍的溫度下，在不同溫度如150°F、70°F或環境溫度和-50°F下完成Shell試驗，以保證螺紋保護裝置在管在過長時間受熱或受冷時保護該管。例如，為了試驗標稱外徑為4英寸和8英寸的管，螺紋保護裝置和管可以在150°F的溫度下、再在70°F(環境溫度)的溫度下施加1200ft/lbs的能量。第三種試驗在-50°F的溫度下向螺紋保護裝置和管施加60ft/lbs的能量。例如，重量為430.4lbs、標稱外徑在4.0英寸和約8英寸之間的一段管落下33.6英寸，將1205ft/lb的沖擊能量傳遞到螺紋保護裝置和管端部上。為確定保護裝置的保護性能，檢查了管的損壞。損壞可以包括凹痕、損壞的螺紋、不圓或本領域其它影響管使用的損壞。盡管最好不損壞螺紋保護裝置，但在Shell試驗中對螺紋保護裝置的損壞并不是一個標準。對于較大直徑管的Shell試驗要求較大的沖擊，如在150°F和70°F或環境溫度下為1500ft/lbs，在-50°F下為800ft/lbs。
螺紋保護裝置必須防止相當大的沖擊能量施加在管端部，以便足以保護管不受沖擊能量作用。現有技術螺紋保護裝置已經設計得很結實，可以承受預計的沖擊能量。這樣，現有技術的螺紋保護裝置是體積大、笨重并剛硬的部件，可以防止對管以及對螺紋保護裝置本身的損壞。
為提供這樣的強度和剛度，許多現有技術螺紋保護裝置是由鋼和塑料復合而成的。大多數大批量生產的螺紋保護裝置中的一種是由Drilltec專利和技術公司(Drilltec Patent and Technologies Company,Inc.)制造的，即眾所周知的Drilltec的ESPSTM保護裝置。該保護裝置包括在內塑料件上套壓的外鋼套。該鋼套具有向保護裝置提供剛度和硬度的效果，使其承受沖擊能量。Drilltec保護裝置公開在專利US4957141、US5195562和US5244015中。其它現有技術螺紋保護裝置如Drilltec的STPTM、Drilltec的SSPTM和模制特殊產品公司(Molding Specialties,Inc.)的Magnum模制螺紋保護裝置由塑料制成，通常包括添加物如其它材料纖維或粒子，但沒有鋼套。

圖1A和1B分別顯示了類似于由模制特殊產品公司制造的用于具有7英寸標稱外徑的管的銷端螺紋保護裝置和套端螺紋保護裝置。
現有技術螺紋保護裝置具有多個缺點。由于這些保護裝置體積大而且笨重，因此為了制造這些保護裝置需要大量材料，一般不但有鋼還要有塑料。制造保護裝置所要求的材料越多，制造費用就越高。現有技術的保護裝置因此非常昂貴。此外，保護裝置體積越大、越笨重、重量越大，則保護裝置加工起來越困難并越費時，同時需要越多的特殊加工設備，特別是對于大直徑管螺紋保護裝置。
此外，不用鋼套構成的各種現有技術螺紋保護裝置是翹曲的并且變得不圓或發生變形，由此難于或不可能將其安裝在管端部，因而降低了其有效使用率。另外，由塑料構成的典型的現有技術螺紋保護裝置一般不適合承受大的沖擊能量。特別是，對于全部由塑料材料或由包含其它材料粒子的塑料構成的典型的現有技術螺紋保護裝置，確實一般不為了使用相當大量的材料而加大尺寸就不能通過Shell試驗，這樣顯著提高了制造保護裝置的費用。
因此，需要能保護管端部的螺紋保護裝置，該保護裝置需要較少的材料，因此可以以比現有技術螺紋保護裝置更好的成本效果(材料和勞動力)來制造。最好螺紋保護裝置不包括鋼套并可用比鋼更輕的材料制造，螺紋保護裝置可以設計成在沖擊下進行塑性變形，使得沖擊能量轉換成內部摩擦和熱能；螺紋保護裝置因此消耗或顯著降低傳遞能量并防止能量影響或損壞連接管的螺紋。特別是礦井安裝的是基本由塑料制成的并通過Shell試驗的螺紋保護裝置。此外，最好降低許多現有技術螺紋保護裝置的螺紋保護裝置尺寸和減少其材料，由此減少運輸和加工要求。
本發明克服這些現有技術中的一個或多個缺陷。
技術方案根據本發明，提供用于保護管端部上的螺紋的螺紋保護裝置，該螺紋保護裝置具有包括第一端和第二端的基部，該第一端具有由其延伸的并與管通過螺紋嚙合的螺紋部，該第二端具有由其沿軸向延伸的加長環形擋套。該加長環形擋套的平均長度至少約為1.1英寸(inch)，最好至少約為2inch。加長擋套的長度與其平均寬度之比至少約為1.2，最好約為3或更大。
基部、螺紋部和加長環形擋套可以主要由非金屬材料如高密度聚乙烯材料制成。基部、螺紋部和加長環形擋套可以由具有最小沖擊屈服點或約5.6ft-lb/inch斷裂極限點的材料制成。螺紋保護裝置最好能通過Shell試驗。
加長擋套最好具有形成錐狀內部的內錐。加長擋套可以包括多個切口，每個切口的平均寬度在大約1/32inch和大約1/8inch之間。這些切口可以是貫穿加長擋套末端的槽。
加長擋套可以包括至少兩個擋套臂。加長擋套可包括至少一個基部斷裂起始點。
在另一實施例中，擋套可以具有至少一個沿其長度方向形成至少約1.8度角的錐度。在又一實施例中，加長擋套的平均長度與螺紋保護裝置的最大外徑之比至少約為0.20。在另一實施例中，擋套的平均長度與管的標稱外徑之比至少約為0.22。
下面的說明會使本發明其它目的和優點顯而易見。
優選實施例說明下面將結合附圖對本發明的優選實施例進行描述。在所述優選實施例中，相似或相同的標號用于表示相同或相似的部件。附圖不是嚴格成比例的，為清楚和簡明起見，圖中的某些結構和特征比例放大了或者是示意性地給出。
圖2示出了本發明的銷端螺紋保護裝置50的一個實施例，其可保護管48的銷端46外部44上的外螺紋42。圖2所示的管48的標稱外徑為7inch。螺紋保護裝置50包括基部56、從基部56沿軸向向一個方向伸出并與管48的銷端46相連的套52，和從基部56沿相反的軸方向伸出的擋套62。套52從基部56的一側延伸到保護裝置50的一端50a，而擋套62從基部56的另一側延伸到保護裝置50的另一端50b。
基部56是一個大致位于保護裝置50的中部并靠近管48的末端49的環形部分。基部56可以，例如具有厚度為56a、高度為56b的大致為矩形的橫截面，并包括一個內環表面或座57，在保護裝置50安裝到管48上時，上述座57可坐靠在管48的末端49上。座57的徑向寬度最好至少等于管48末端49的徑向寬度。
本發明的擋套62是一個從基部56延伸的且高度或長度為L、厚度為W的加長套狀環形件。擋套62的長度L是從擋套62的末端64到靠近基部56的擋套62的另一端63測量的。顯然，擋套62的另一端63是不明顯的，并大致確定為擋套62錐度A2的起始點，后面將進行說明。如圖4所示，擋套62的末端64不一定是均勻一致的，在末端64附近的長度L1、L2、…、Ln是變化的。在該實施例中，標號“L”表示長度L1、L2、…、Ln的平均長度。如果擋套62具有不同的厚度W1、W2、…、Wn，或者是錐形的，如圖2所示，標號“W”表示擋套62的平均厚度或寬度。
加長擋套62可具有內錐，沿其長度L形成錐形部分，且橫截面面積小于長度L與擋套62的最大厚度W的積確定的矩形橫截面面積的100％。例如，擋套62沿其長度L的整個錐形形成約大于1.8度的角度。圖2所示的典型擋套62的橫截面面積小于端部63和64之間整個矩形橫截面積的80％；外錐A1大致從長度L的中點62c延伸到介于約4.0-5.0°角度之間的擋套62的末端64；第一內錐A2從擋套62的端部63或從基部56延伸到介于約6.0-6.5°角度之間長度L的大約中點62c處；介于約8.0-8.5°之間的第二內錐A3從大約中點62c延伸到擋套62的末端64。另外，擋套62看上去象具有不均勻的橫截面。在圖2所示的實施例中，擋套62的厚度范圍是從大約0.55inch的厚度W3到約0.46inch的厚度W2再到約0.20inch的厚度W1。擋套62的平均厚度W大約是0.41inch。可以理解，本發明的螺紋保護裝置50并不局限于錐形加長擋套62或上述任何特定的例子。
螺紋保護裝置50最好由在沖擊作用下產生塑性變形的材料制成，這樣，沖擊能量就可轉化為內部摩擦和熱能；螺紋保護裝置50就消耗掉或基本上減小了傳遞能量，并防止能量到達或損壞連接管48的螺紋。螺紋保護裝置50最好由在承受外力作用時，例如，在進行Shell測試過程中的沖擊能量作用時，可吸收大部分能量的材料制成。材料通過扭曲、變形或彎曲和/或屈服或破壞來吸收沖擊能量，上述每一種材料變化都需要能量。在圖2所示的優選實施例中，螺紋保護裝置50主要由具有很大的沖擊強度和較大壓縮強度的材料制成，沖擊強度定義在ASTM指導標號為D256-93a的名稱為“確定塑料切口試件的抗擺錘沖擊性標準試驗方法”(Standard Test Methods for Determining thePendulum Impact Resistance of Notched Specimens of Plastics)中，這里作為參考引入，而壓縮強度定義在ASTM指導標號為D695-96的名稱為“確定剛性塑料的壓縮特性標準試驗方法”(Standard TestMethods for Compressive Properties of Rigid Plastics)中，這里作為參考引入。具有這些特性的材料具有良好的能量吸收性。見Marlex Phillips66 Brochure名稱為“Marlex樹脂的工程特性”的第11和12頁，這里作為參考將其整體引入。其它相關資料包括Marlex Phillips 66 Brochure名稱為“聚乙烯TIB 1的特性和處理工藝”和“吹塑成形樹脂關于Marlex聚乙烯樹脂的信息”。
螺紋保護裝置50最好主要由高密度聚乙烯材料例如Phillips 66MarlexHHM5502 BN或HXM 50100制成。這些材料的常規物理性能和機械性能在名稱為“常規物理性能”的附件中給出，這里作為參考引入。HHM5501的沖擊屈服點或破壞點室溫下為5.6ft-lb./inch。在此也附帶有不同材料的拉伸強度和延伸率的典型值，這里作為參考引入。在Marlex Brochure的名稱為“聚乙烯數據表Marlex HXM 50100”(“Polyethylene Data Sheet Marlex HXM 50100”)中關于HXM50100的附加信息也在此附帶并作為參考而引入。
圖9和10示出了材料HXM 50100的應力一應變曲線80a、80b。曲線80a、80b顯示了用于制成本發明螺紋保護裝置50的這種材料的屈服強度和極限強度的特性。曲線80a、80b表示了拉伸屈服為4100psi，拉伸破壞為2800psi，屈服點延伸率為9.7％，破壞應力為861psi。曲線80a、80b下方的面積82a、82b表示損失或吸收的沖擊能量，從而在材料中形成給定量的變形。(面積=力×距離(或功))曲線表示了HMX50100材料沒有完全被破壞，但會產生變形并消耗了外部沖擊能量。因此，外部沖擊能量消耗在由這種材料制成的本發明螺紋保護裝置50中，并從沖擊中吸收了足夠的能量，從而消耗了足夠量的能量以避免損壞連接管的端部。這種特性在Shell試驗的整個溫度和沖擊能量范圍內都保持在材料中。顯然，各種材料例如塑料的能量吸收、扭曲和破壞特性是難以精確測量的，在同種材料的同樣的試樣中也是變化的。
在其它實施例中，螺紋保護裝置50由低密度聚乙烯制成。低密度聚乙烯在如-50°F的低溫情況下通常就具有本發明所需要的變形特性。對于另一個實施例，保護裝置50由如高密度聚乙烯這樣的塑料與一種或多種分散在塑料中的添加劑例如金屬(如鋁)或金屬和其它材料制成。
如圖2所示，擋套62的尺寸可根據所要保護的管48的尺寸而變化。管48越大，其增大的重量就使得所需要的保護裝置就越大。我們可得到下面的標稱外徑48a為7.0inch的管48的優選尺寸。本發明的加長擋套62的長度L最好至少約為1.1inch，更好是至少約為2.0inch。另外，加長擋套62的長度L和厚度W的比值(L/W)最好至少約為1.2，更好的是至少為3或更大。在圖2所示的實施例中，例如，長度L約為2.0inch，(平均)厚度W約為0.41inch；L/W的比值約為4.88。因此，可改變L和W，從而保持最優的L/W比值。另外，擋套62的長度L加上基部56的高度56b最好至少為1.75inch。在圖2所示的實施例中，例如，高度56b約為0.38inch；L+56b約為2.38inch。長度L也可根據其與螺紋保護裝置50的外徑Od的比值來進行確定。根據本發明，長度L與螺紋保護裝置50的外徑Od的比值(L/Od)約大于0.15。例如，圖2所示保護裝置50的外徑Od約為7.5inch。L/Od的比值約為0.27。測量加長擋套62的長度L的另一種方法可以是長度L與待保護的管48的標稱外徑48a的比值；本發明的L/48a比值至少約為0.15。例如，為標稱外徑約為7.0inch的管48設計的圖2所示保護裝置50的L/48a比值約為0.29。
保護裝置50的材料也可根據待保護的管48的尺寸和管所要載運到的最終位置而改變。保護裝置50所選材料的性能，例如制造保護裝置50的材料的抗沖擊性、能量吸收、壓縮強度、剛度、溫度耐久性、拉伸屈服或其它相應性能也可影響擋套62的尺寸。保護裝置50的優選材料為Phillips 66 Marlex HHM5502 BN。例如，由該優選材料制成的并具有長度至少約為1.1的擋套62的保護裝置50可通過1200ft/lb的Shell試驗。
顯然，保護裝置50的材料和擋套62的尺寸不一定要大于本發明的上述準則之一；且在每一種情況下，并不局限于所給優選實施例的特定例子。另外，顯然，本發明并不局限于通過Shell試驗的螺紋保護裝置50。
如圖2和3所示，套52具有端部52a和52b，并可與銷端46的管螺紋42螺紋連接。例如，套52具有內孔54和多個至少部分地形成于其上的螺紋件55。螺紋件55可與管螺紋42螺紋連接，且其每一個具有近似的高度H1和厚度T1(圖3)。螺紋件55的高度H1是從螺紋件55的牙頂到牙根的距離，而厚度T1是螺紋件55每側相鄰牙根中心之間的距離。孔54和螺紋件55可形成與管48的管螺紋42螺紋嚙合的任何適當的形狀和結構。例如，螺紋件55的高度H1和厚度T1的尺寸可與一定形式的管螺紋42相匹配。顯然，管螺紋42可具有一個或多個臺階，并可以是直的或錐形的。
套52也可包括一個環形凹槽58，環形凹槽58形成在與最靠近基部56的螺紋件55a相鄰的套52的孔54中。另外，第二環形凹槽58c形成在與最靠近套52的端部52a相鄰的的螺紋件55b的孔54中。凹槽58和58c可根據本發明任何所需的適當尺寸來形成。在圖2和3所示的實施例中，凹槽58的深度58a大致等于或略大于螺紋件55的高度H1。作為一個例子，圖2所示螺紋保護裝置50中的螺紋件55(用于標稱外徑48a約為7.0inch的管48)的厚度T1約為0.200inch，高度H1約為0.063inch，而凹槽58的深度58a約為0.200inch。凹槽58的寬度58b也可是特定的，例如是0.063inch。
保護裝置50的套52中的凹槽58使螺紋件55成形于套52中，從而使如絲錐裝置(未示出)這樣的螺紋工具可進入和離開孔54。如果沒有凹槽58，當螺紋工具完成孔54的螺紋時，在螺紋工具取出后，材料絲卷、纖維絲或碎屑就會形成并留在套52中。當管48與基部54螺紋連接時，碎屑就嵌入到管螺紋42中，從而妨礙了管48與管接頭(未示出)這樣的其它裝置進行螺紋連接，或者仍留在孔54中并很難除去。凹槽58也可用作潤滑脂槽將潤滑脂保留在管螺紋42上。
如圖12所示，在工作時，當沖擊作用于加長的擋套62和管端(未示出)時，沖擊能量E就通過擋套62的材料進行擴散，例如，從末端64開始呈扇狀擴散。當能量E通過擋套62材料向擋套端部63擴散時，能量就被吸收，并由于擋套62的彎曲、變形和扭曲而得以耗散。由于這些過程中的每一個都需要能量，到達管端(未示出)的能量及其所引起的破壞就大大減小了。作用于末端64的較小的外部沖擊力的能量可僅在加長擋套62的一部分中進行吸收或耗散。作用于末端64或加長擋套62的另一位置上的較大的沖擊使加長擋套62的長度L內的彎曲、變形和扭曲增大，并增大了能量的吸收量。如果沖擊能量較大，就足以使擋套62甚至可能使基部56或套52產生裂縫、撕裂或破裂。材料的這種破壞顯著地提高了能量的吸收量，從而當沖擊能量到達管48(圖2)時，不足以損壞管48。
另外，需要避免螺紋保護裝置50過早地產生破裂、屈服或破壞。保護裝置50在應力集中或剛度急劇變化的位置，例如，保護裝置50幾何形狀急劇變化的位置，易于屈服和破壞(并因此而過早地產生破壞)。根據各種不同情況，例如保護裝置50的形狀和結構、保護裝置50所用的材料類型和與保護裝置50配合的管48的尺寸，需要保護裝置50的剛度是逐漸變化的，從而避免或降低保護裝置50的應力集中。例如，螺紋保護裝置50可在其幾何形狀急劇變化的各個位置處大致形成傾斜或錐形的。對于另一個例子，在應力集中所處的位置例如螺紋保護裝置50的拐角處形成附加的拐角過渡到所存在的拐角位置，從而減小每個拐角處的應力集中。
圖2所示實施例具有特定的結構以避免其過早地損壞。凹槽58可處于應力集中位置處，也就是保護裝置50易于產生破壞的位置處。為減小這種敏感性，可在保護裝置50中靠近凹槽58的地方形成槽66，例如，位于蓋81上的環形槽67。另外，如果需要的話，可減小槽66的深度66a(圖3)，從而有效地增大基部56的厚度并增強保護裝置50在該區域的強度。
此外，可以在槽66和凹槽58之間形成環形肩部68，例如如圖2所示。增大肩部68的高度68a一般會提高基部56處的保護裝置50的強度并有助于防止保護裝置50的過早斷裂。肩部68可以起座57的作用以坐靠在管48的末端49。此外，保護裝置50可以具有使肩部68與管48的末端49形成基本密封的形狀，當管48與具有蓋81的保護裝置50嚙合時防止潮氣進入管端部46。此時，可以使肩部68的寬度68b(圖3)制作得與管端部49的厚度對應。在其它形狀中，可以形成保護裝置50，使得肩部68不坐靠在管48的端部49上或與其形成密封。肩部68越遠離管48，保護裝置50越能更好吸收能量。
對于有助于避免過早破壞的一特征的另一實施例，加長擋套62和基部56的交叉區域70(圖2)可以是剛度顯著變化的位置。在圖2的實施例中，加長擋套62的端部63在交叉區域70連接基部56。為有助于降低剛度的顯著變化，基部56可具有相對較大寬度56a和厚度56b。此外，擋套62的端部63可以是錐形，其靠近交叉區域70的寬度W3增大，有助于降低應力集中，并降低該區域中保護裝置50的極限剛度。
再參照圖2，螺紋保護裝置50可以任何要求的整體尺寸和材料構成，例如與管48的不同尺寸對應。例如，可以獲得螺紋保護裝置50的不同尺寸以配合具有從2inch至20inch變化的標稱外徑48a的管48。此外，可構成螺紋保護裝置50使其具有最小重量。例如，螺紋保護裝置50能通過Shell試驗并保護優質級管48端部46上的螺紋42，該管48具有大約為7.0inch的標稱外徑48a，可以形成大約2.43磅的重量。
螺紋保護裝置50可以由任何合適的制造工藝制成，如通過注模法。例如螺紋保護裝置50可以以單獨整體模制制成。應該考慮采用的制造工藝的類型會影響螺紋保護裝置50的能量吸收、扭曲和破壞特性。
現再參照圖5和6，加長擋套62可以包括多個切口72以提高保護裝置50的能量吸收性能。切口72形成應力集中以促使保護裝置50靠近切口72的材料在沖擊下撕裂，由此在大量保護裝置材料256上重新分配沖擊能量并耗盡沖擊能量，進一步使傳遞到連接管(未示)上的沖擊能量最小。切口72可以以任何合適形狀、數量和位置形成在擋套62的壁內。例如在圖5中，每個切口72最好形成槽76，槽76橫切在其端部74的加長擋套62的末端64。槽76因此在其端部74敞口。每個槽76貫穿擋套62的厚度延伸并具有窄寬度(未示)。例如圖5實施例中的每個切口72具有在大約1/32inch和大約1/8inch之間的平均寬度。
在切口72的端部73、74處的角C可以成尖角或不圓以增強材料的破裂和撕裂。在圖5的實施例中，切口72部分延伸穿過加長擋套62的長度并在其端部73的角78終止。
在圖6中，切口72是具有端部73a、74a的內裂縫或槽76a，其全部設置在加長擋套62內。內槽76a由此封閉并具有形成在端部73a、74a的角C。所示的內槽76a還延伸穿過擋套62的厚度，具有窄寬度(未示)和具有成尖角和不圓的角C。
參照圖8，根據本發明另一方面，擋套62可以包括兩個或多個安裝槽62d，如本領域公知的，可以使用工具將保護裝置50擰到管48上和從管48上擰下。例如圖8的實施例包括四個大約為0.75inch寬、0.50inch深的安裝槽62d，這些安裝槽與工具嚙合，如標準安裝棒，用于將保護裝置50旋上管48和從管48上旋下。
現在參照圖2、7和8，可以整個或部分蓋住或打開保護裝置50的中心開口51。例如，保護裝置50可以完全打開，如圖7所示。在另外的實施例中，如圖8中的實施例所示，保護裝置50可以包括從基部56延伸的中心蓋81。可以形成中心蓋81以部分或完全蓋住開口51，如圖8所示的盤形蓋81a。例如，當中心蓋81完全蓋住開口51時，碎屑不能從保護裝置50的外部進入管端部46內。在另一結構中，例如如圖2所示，中心蓋81可以是凹槽件82。該凹槽件82可以由任何要求的形狀或結構構成。在圖2中，凹槽件82是從基部56延伸的杯形件84，使得可以提升螺紋保護裝置50和管48。當管48和連接的螺紋保護裝置50處于非垂直位置以提升和/或下降保護裝置50和管48時，一裝置如鉤形件(未示)可以插入杯形件84中。
現在參照圖11，顯示了根據本發明能夠保護管48的套端47內部45上的內螺紋42的套端螺紋保護裝置100的實施例。除了這里另做說明，銷端螺紋保護裝置50的上述說明和其使用一般同樣應用于保護裝置100。螺紋保護裝置100包括基部156、在一個方向從基部156軸向伸出并與管48的套端47嚙合的銷152，和在相反方向從基部156軸向伸出的加長擋套162。銷152這樣延伸到保護裝置100的一端100a，而擋套162延伸到保護裝置100的另一端100b。
基部156是位于靠近管48的末端49的保護裝置100的一部分。基部156可以包括當管48與保護裝置100嚙合時面對并可靠著管48的末端49的環形表面或座57。座57最好具有至少與管48的末端49徑向寬度一樣大的徑向寬度。這使得座57可保護末端49不受損壞。基部156可以由基本為矩形或方形橫截面構成，具有從座57向靠近圓錐開始端的擋套162的端部163延伸的高度156b和厚度156a，如圖11所示。在另外的實施例(未示)中，基部156可僅僅是靠近座57的位置的保護裝置100的橫截面，其中加長擋套162基本直接從座57延伸。
圖11中保護裝置100的擋套162的長度L是從擋套162的末端164到擋套162的相反端163或基部156測得的長度。應該理解擋套162的另一端163不是很明顯的，并粗略地定義為擋套162首先開始圓錐A5的起始點，如下文中定義的那樣。如果擋套162具有變化厚度W1、W2、……Wn或是錐形的，如圖11中實施例所示，標號“W”指擋套162的平均厚度。
根據本發明的加長擋套162的長度L可以至少約為1.5inch。此外，擋套162的長度L加上基部156的高度156b至少為1.8。例如在圖11的最佳實施例中，擋套162的長度L至少約為1.8inch，擋套162的長度L加上基部156的高度156b至少約為1.9inch，并最好超過2.2。
加長擋套162可隨待保護的管48的尺寸而改變。已經找到用于標稱外徑為7.0inch的管48的下述優選尺寸。根據本發明可以形成加長擋套162的長度L和厚度W，使得長度L與厚度W之比(L/W)至少約為2.0，最好超過3。例如在圖11的實施例中，長度L約為1.8inch，而平均厚度W約為0.45inch；因此比值L/W約為4.0。還可根據與其它變量如螺紋保護裝置100的外徑Od的比值測量長度L。根據本發明，長度L與螺紋保護裝置100的外徑Od的比值可以大于約0.20。例如圖11的保護裝置100的外徑Od約為7.7inch。比值L/Od因此約為0.23。另一種測量加長擋套162長度的方法可以是長度L與要保護的管48的標稱外徑48a的比值；根據本發明的比值L/48a至少約為0.22。例如，圖11的保護裝置100可與具有約為7.0inch的標稱外徑48a的管48配合；因此比值L/48a約為0.26。
應該明白根據本發明擋套162不需要滿足以上標準；在每種情況下，不限于提供的特定實施例。
再參照圖11，加長擋套162可沿其長度L至少部分呈錐形，并具有小于長度L乘以擋套162的最大厚度W的矩形橫截面積的100％的橫截面積。例如，擋套162可具有形成至少約1.8度角的沿其長度L的整個錐形。例如圖11的示例擋套162具有一橫截面積，該橫截面積約為端部163、164之間整個矩形橫截面積的70％；從大約長度L的中點162c延伸至擋套162的末端164的外錐A4具有約4.0-5.0度之間的錐度，在約12.0-13.0度之間的內錐A5從末端164向擋套162的端部163延伸。在另一實施例中，擋套162可以由類似于上述關于圖2的保護裝置50的擋套62的錐A1、A2和A3構成。另外，可以看到擋套162具有非均勻橫截面。例如在圖11的實施例中，擋套162具有從約0.68inch的厚度W3至約0.20inch的厚度W1變化的厚度。擋套162的平均厚度W約為0.45inch。但是應該明白，本發明的螺紋保護裝置100不限于圓錐加長擋套162或任何上述特定實施例。
銷152具有端部152a、152b，能至少部分嚙合套端47和管48的管螺紋42。例如，所示的圖11實施例的銷152具有外表面154，其上至少部分形成有多個螺紋件155。形成的螺紋件155與管螺紋42配合，并具有類似于上述關于保護裝置50的螺紋件55的形狀和尺寸。
再參照圖11，螺紋保護裝置100可以以任何要求的總體尺寸構成，如與管48的不同尺寸相對應。例如，不同尺寸螺紋保護裝置100可以配合管48，管48具有從2inch至20inch變化的標稱外徑48a。此外，構成的螺紋保護裝置100可以具有最小重量。例如，通過Shell試驗的并保護具有約7.0inch標稱外徑48a的高質量管的螺紋保護裝置100可以具有約1.75磅的重量。
關于保護裝置50的如上所述包括槽66和肩部68的選擇方案不適用于螺紋保護裝置100。此外，再參照圖11，保護裝置100的中心開口51可以全部或部分蓋住或打開，類似于上面關于保護裝置50的描述。在圖11的實施例中，中心蓋81由銷152的端部152a延伸。
圖17-22顯示了本發明具有不同直徑的管的實施例。圖17顯示銷螺紋保護裝置400，用于具有5.5inch標稱直徑48a的管48的銷端46。擋套長度L大約為2.0inch，平均擋套寬度W大約為0.48inch，比值W/L為4.19。外徑Od大約為6.20inch，則L/Od大約為0.32，而L/48a大約為0.36。基部長度56b大約為0.20inch，在擋套末端64和靠近管48末端49的肩部57之間形成2.19inch的沖擊傳遞距離D。端寬度W1大約為0.32inch，基部寬度W3大約為0.63inch。具有內錐部402的擋套62的橫截面積大約為基部寬度W3乘以擋套長度L的矩形面積的75％。
圖18顯示套螺紋保護裝置410，用于具有5.5inch標稱直徑48a的管48的套端47。擋套長度L大約為1.20inch，平均擋套寬度W大約為0.38inch，獲得的比值W/L為3.19。外徑Od大約為6.27inch，獲得的L/Od大約為0.19，L/48a大約為0.22。基部長度156b大約為1.08inch，在擋套末端164和靠近管48末端49的肩部157之間形成2.28inch的沖擊傳遞距離D。肩部157部分由從基部156向外延伸的環形保持凸緣159構成，以便保證管48的末端49由肩部157蓋住并由此形成保護。應該理解，由于螺紋類型和管尺寸上的差別，會使管48的外徑Od變化。端寬度W1大約為0.25inch，基部寬度W3大約為0.50inch。具有內錐部402的擋套62的橫截面積大約為基部寬度W3乘以擋套長度L的矩形面積的75％。
圖19顯示用于管48的銷端46的銷螺紋保護裝置420，管48的標稱直徑48a等于7-5/8inch。擋套長度L大約為2.06inch，平均擋套寬度W大約為0.52inch，二者之比W/L等于3.94。外徑大約為8.14inch，則L/Od約為0.25，L/48a約為0.27。基部長度56b大約為0.43inch，則在擋套末端64和靠近管48末端49的肩部157之間形成2.50inch的沖擊傳遞距離D。端寬度W1大約為0.37inch，基部寬度W3大約為0.68inch。具有內錐部402的擋套62的橫截面積大約為基部寬度W3乘以擋套長度L的矩形面積的71％。
圖20顯示用于管48的套端47的套螺紋保護裝置430，管48具有7-5/8inch的標稱直徑48a。擋套長度L大約為1.94inch，平均擋套寬度W大約為0.51inch，二者之比W/L等于3.80。外徑Od大約為7.66inch，則L/Od約為0.25，L/48a約為0.25。基部長度156b大約為0.29inch，則在擋套末端164和靠近管48末端49的肩部157之間形成2.23inch的沖擊傳遞距離D。端寬度W1大約為0.30inch，基部寬度W3大約為0.72inch。具有內錐部402的擋套62的橫截面積大約為基部寬度W3乘以擋套長度L的矩形面積的71％。
圖17也顯示了用于管48的銷端46的銷螺紋保護裝置，管48的標稱直徑48a為9-5/8inch。擋套長度L大約為2.09inch，平均擋套寬度W大約為0.59inch，二者之比W/L等于3.56。外徑Od大約為10.71inch，則L/Od約為0.20，而L/48a約為0.22。基部長度56b大約為0.46inch，則在擋套末端64和靠近管48末端49的肩部157之間形成2.55inch的沖擊傳遞距離。端寬度W1大約為0.43inch，基部寬度W3大約為0.74inch。具有內錐部402的擋套62的橫截面積大約為基部寬度W3乘以擋套長度L的矩形面積的66％。
圖21顯示用于管48的套端47的套螺紋保護裝置440，管48的標稱直徑48a為9-5/8inch。擋套長度L大約為2.06inch，平均擋套寬度W大約為0.52inch，二者之比W/L等于3.96。外徑Od大約為9.86inch，則L/Od約為0.21，而L/48a約為0.21。基部長度156b大約為0.20inch，在擋套末端164和靠近管48末端49的肩部157之間形成2.26inch的沖擊傳遞距離D。端寬度W1大約為0.25inch，基部寬度W3大約為0.79inch。具有內錐部402的擋套62的橫截面積大約為基部寬度W3乘以擋套長度L的矩形面積的66％。
圖17也顯示了用于管48的銷端46的銷螺紋保護裝置，管48的標稱直徑48a為13-3/8inch。擋套長度L大約為2.03inch，平均擋套寬度W大約為0.55inch，二者之比W/L等于3.71。外徑Od大約為14.02inch，則L/Od約為0.14，而L/48a約為0.15。基部長度56b大約為0.41inch，則在擋套末端64和靠近管48末端49的肩部157之間形成2.44inch的沖擊傳遞距離。端寬度W1大約為0.40inch，基部寬度W3大約為0.70inch。具有內錐部402的擋套62的橫截面積大約為基部寬度W3乘以擋套長度L的矩形面積的70％。
圖22顯示了用于管48的套端47的套螺紋保護裝置，管48的標稱直徑48a為13-3/8inch。擋套長度L大約為1.79inch，平均擋套寬度W大約為0.44inch，二者之比W/L等于4.03。外徑Od大約為13.91inch，則L/Od約為0.13，而L/48a約為0.13。基部長度156b大約為0.47inch，則在擋套末端164和靠近管48末端49的肩部157之間形成2.26inch的沖擊傳遞距離。端寬度W1大約為0.25inch，而基部寬度W3大約為0.64inch。具有內錐部402的擋套62的橫截面積大約為基部寬度W3乘以擋套長度L的矩形面積的70％。
圖13至16顯示本發明的其它實施例。圖13和14的銷端螺紋保護裝置250用于保護管48的銷端46外部44上的外螺紋42，而圖15和16的套端螺紋保護裝置300用于保護管48的套端47內部45上的內螺紋42。除非這里另作說明，圖13至16實施例中的保護裝置250、300大體類似于上述關于圖2至12的保護裝置50和100的實施例。
參照圖13，基部256是設置在靠近管48末端49的保護裝置250的一部分。基部256可以由一般的矩形或方形橫截面構成。在圖13的實施例中，例如，基部256具有厚度256a和高度256b。基部256可以包括座257，當管48與保護裝置250嚙合時座257靠緊管48的末端49。在圖13和14的實施例中，所示的蓋281從基部256延伸。套252能通過螺紋嚙合銷端46的管螺紋42。例如，所示的套252具有包括至少部分形成在其上的多個螺紋件255的內孔254。
保護裝置250的基部256外表面253可以形成有一個或多個斷裂起始點259。這些斷裂起始點259可以以多種合適的形狀、數量和位置形成在基部256上。例如，在圖13實施例中的斷裂起始點259包括形成在外表面253內的、圍繞基部256圓周并部分延伸到基部256厚度256a內的一對環形槽260a、260b。但是，保護裝置250可以改變成一個或兩個以上的斷裂起始點259或槽260a、260b。
保護裝置250的加長擋套262可以包括兩個或多個軸向延伸擋套臂286。在圖13的實施例中，包括兩擋套臂286，擋套臂286是環形內、外伸長的圈形部288a、288b。此外，兩個或多個擋套壁286可以具有不同長度L。例如，圖13實施例的徑向最外圈形部288a的長度為L1，而圈形部288b具有小于長度L1的長度L2。
當沖擊作用在擋套262上時，沖擊能量可以在兩個或多個擋套臂286之間傳遞。例如在圖13和14中，外環形伸長圈形部288a可以在其上作用外沖擊時彎曲或變形。沖擊能量會圍繞外圈形部288a傳遞并傳遞到內圈形部288b，引起內圈形部288b彎曲或變形。在能量到達基部256或套252之前，可以將其基本耗散或吸收。
如果沖擊能量到達基部256，斷裂起始點259形成應力集中以促使保護裝置250靠近斷裂起始點259的材料彎曲或撕裂，由此在大量基部材料256上重新分配沖擊能量并耗盡沖擊能量，進一步減小傳遞到連接管(未示)上的沖擊能量。例如圖13至14所示的實施例，保護裝置250可以在環形槽260a和260b斷裂或損壞，而不使能量傳遞到管48。
上面參照圖13和14對銷端螺紋保護裝置250進行了說明，除了另作說明，其使用與圖15和16所示的套端保護裝置300相同。螺紋保護裝置300(圖15)包括基部356、在一個方向從基部356軸向伸出并與管48的套端47嚙合的銷352，和在相反方向從基部356軸向伸出的加長擋套362。銷352由此延伸到保護裝置300的一端300a，而擋套362延伸到另一端300b。
再參照圖15，基部356是位于靠近管48的末端49的保護裝置300的一部分。基部356可以由基本為矩形或方形橫截面構成。例如在圖15的實施例中，基部356具有厚度356a和高度356b。基部356可以包括座357，當管48與保護裝置300嚙合時座357靠緊管48的末端49。在圖15和16的實施例中，所示的蓋381從基部356延伸。
環形槽260b的基部和座357構成環形保持凸緣359，保持凸緣359具有與銷352的厚度和其末端49成比例的深度和高度。在螺紋保護裝置300的端部受其它物體的沖擊作用時，保持凸緣359間歇并靠著銷352的末端49保持就位。由于沒有主應力通過保持凸緣359，因此保護裝置300易于從管352移開。由于保持凸緣300就位，則不會損壞管352的末端49。保持凸緣359還防止外界物質進入并因此防止環境引起的損壞。
銷352具有端部352a、352b，能至少部分嚙合管48的套端47和管螺紋42。例如，顯示的圖15實施例中的銷352具有至少部分形成于其上的多個螺紋件355。螺紋件355可以類似于上述關于圖11的保護裝置100而構成。
盡管已經顯示和說明了本發明的優選實施例，但本領域的普通技術人員可以作出變形而不背離本發明的精神或教導。這里說明的實施例只是示例性的而不是為了限定。上述實施例的特定特征是本發明的范例，可以用于不必包括所有相同特征的不同實施例。例如，圖2實施例的保護裝置50基部56可以具有斷裂起始點259(圖13)，圖14實施例的加長擋套262可以具有切口72(圖5)。可以有許多改變和變形并包括在本發明的范圍內。因此，本發明的范圍不限于這里說明的實施例。
權利要求
1．一種保護管端部的保護裝置，包括主體部；所述主體部具有與管相連的連接件；所述主體部具有擋套；所述擋套具有特定構形，并基本由非金屬材料制成；并且所述構形和材料能在環境溫度和150°F下耗散1200ft/lbs的能量。
2．如權利要求1所述的保護裝置，其中所述材料是高密度聚乙烯。
3．如權利要求2所述的保護裝置，其中所述聚乙烯具有HHM5502的沖擊強度和壓縮性能。
4．如權利要求1所述的保護裝置，其中所述擋套是長度至少為2inch的套狀件。
5．如權利要求1所述的保護裝置，其中所述主體部具有基部；所述連接件是從所述基部的第一端軸向延伸的、并與所述管嚙合的螺紋部；以及所述擋套是從所述基部的第二端軸向延伸的、并具有平均長度和平均厚度的加長環形件，所述平均長度至少約為1.1inch，所述平均長度與所述平均厚度之比至少約為1.2。
6．如權利要求5所述的保護裝置，其中所述加長環形擋套是圓錐形。
7．如權利要求5所述的保護裝置，其中所述基部、螺紋部和加長環形擋套主要由非金屬材料構成。
8．如權利要求5所述的保護裝置，其中所述基部、螺紋部和加長環形擋套通過Shell試驗。
9．如權利要求5所述的保護裝置，其中所述基部、螺紋部和加長環形擋套主要由高密度聚乙烯材料構成。
10．如權利要求5所述的保護裝置，其中所述基部、螺紋部和加長環形擋套主要由具有約5.6ft-lb/inch的沖擊強度極限點的材料構成。
11．如權利要求5所述的保護裝置，其中所述加長擋套包括多個切口。
12．如權利要求11所述的保護裝置，其中所述切口的平均寬度在大約1/32inch和大約1/8inch之間。
13．如權利要求11所述的保護裝置，其中所述加長擋套具有末端，所述切口包括貫穿所述加長擋套的所述末端的槽。
14．如權利要求5所述的保護裝置，其中所述加長擋套包括至少兩個擋套臂。
15．如權利要求5所述的保護裝置，其中所述加長擋套包括至少一個斷裂起始點。
16．一種用于保護管端部螺紋的螺紋保護裝置，所述螺紋保護裝置具有最大外徑，包括具有第一長度和具有第一和第二端部的基部；從所述基部的第一端軸向延伸的、并可與管螺紋嚙合的螺紋部；由所述基部的第二端軸向延伸的、并具有一平均長度的加長環形擋套；以及所述第一長度與所述平均長度之和至少為2inch。
17．一種用于保護管端部螺紋的螺紋保護裝置，包括具有第一和第二端部的基部；從所述基部的第一端軸向延伸的、并與所述管通過螺紋嚙合的螺紋部；以及從所述基部的所述第二端軸向延伸的、并具有平均長度和平均寬度的加長環形擋套，其中所述平均長度與所述平均寬度之比至少為2。
18．一種用于保護管端部螺紋的螺紋保護裝置，包括具有第一和第二端的基部；從所述基部的第一端軸向延伸的、并與所述管通過螺紋嚙合的螺紋部；以及從所述基部的所述第二端軸向延伸的加長環形擋套，所述加長環形擋套具有最大長度和最大寬度，所述加長環形擋套的橫截面小于所述最大長度乘以所述最大寬度的至少80％。
全文摘要
一種用于保護管端部螺紋的螺紋保護裝置(50),包括:基部(84),從基部的第一端(52a)軸向伸出的、并通過螺紋與管嚙合的螺紋部(54),以及從基部的第二端(50b)軸向伸出的加長環形擋套(62)。加長環形擋套(62)具有的平均長度和寬度之比至少為2。基部和加長擋套的總長至少為2inch。
文檔編號F16F7/00GK1311846SQ99809095
公開日2001年9月5日 申請日期1999年5月20日 優先權日1998年5月22日
發明者達雷爾·R·理查德, 科林·拉什, 威廉·桑頓, 亨利·坎貝爾·金, 文森特·丹科·格里貝克, 埃德加·L·馮羅森伯格 申請人:筑泰克專利技術有限公司