钢管用螺纹接头的制作方法

专利名称：钢管用螺纹接头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于连接如石油工业用管材(OCTG)等钢管、立管、干线用管等的 螺纹接头，该石油工业用管材包括主要用于油井和天然气井的勘探与生产的油管(tubing) 和套管(casing)。更具体地，本发明涉及一种如下类型的钢管用螺纹接头该螺纹接头除 具有螺纹部外还具有密封面和台肩面，具有抵抗内部压力和外部压力的优良的密封性能以 及重复地受到复合载荷时的优良的耐压缩性。
背景技术：
用于连接钢管的技术包括螺纹接头，其中，该钢管可以在诸如石油工业用管材、立 管和干线用管等石油生产工业的设备中使用。钢管用螺纹接头由销(Pin)和箱(box)构成， 该销具有设置在第一管状构件的端部的阳螺纹元件，该箱是设置在第二管状构件的端部的 阴螺纹元件。通过接合阳螺纹和阴螺纹来拧紧接头。API (美国石油协会)标准规定了标准螺纹接头，但是，近年来，勘探和生产原油 和天然气的环境变得更加恶劣。结果，越来越多地使用非API标准规定的被称为高级接头 (premium joint)的高性能专用接头。在典型的高级接头中，除了用于稳固地连接钢管的锥形螺纹外，销和箱具有能够 形成金属与金属密封从而提供密封性能的密封面、以及用于在拧紧(组装)过程中用作止 动件的扭矩台肩面。过去，由于直井占主流，因此，用于OCTG的螺纹接头能够抵抗由于管的重量而产 生的拉伸载荷并且能够防止流过该螺纹接头的高压流体的泄漏就足够了。然而，近年来，井 变得越来越深，在地下弯曲的倾斜井(deviated well)和水平井增多，而且在诸如海洋或者 极地等严酷环境中开发井的情况增多。因此，螺纹接头所需的性能变得更加多样化且更加 严格，这些性能例如以耐压缩性、耐弯曲性、抵抗外部压力的密封能力和现场使用的容易性 等为代表。结果，用于螺纹接头的质量试验变得越来越严格。在目前的ISO 13679标准的系 列A试验中，内部压力和外部压力与张力或压缩力的组合(内部压力+张力、内部压力+压 缩力、外部压力+张力、外部压力+压缩力)(以下称为重复的复合载荷)被交替地施加三 次。在过去的螺纹接头的发展中，并未考虑这种严格的试验条件。如图2所示，典型的高级接头具有如下结构在该结构中，被称为唇部的非螺纹部 12被设置在具有锥形阳螺纹11的螺纹部的端部，该螺纹部被设置在作为阳螺纹元件的销1 上。用于形成金属与金属密封的密封面13被设置在唇部的外周面上。扭矩台肩面14被设 置在唇部的端面(与销的端面对应)上。自然地，作为对应的阴螺纹元件的箱2设置有阴螺纹21、密封面23和位于箱的后 端的台肩面24，阴螺纹21、密封面23和台肩面24分别与销1的阳螺纹11、密封面13、端面 台肩面14对应或配合。在销的密封面和箱的密封面之间提供被称为干涉(interference)的径向重叠。这种类型的螺纹接头被设置成使得如果拧紧接头直到销的台肩面与箱的台肩面彼此接 触，则销的密封面与箱的密封面在它们的整个周面上紧密接触，并且通过金属与金属接触 来提供密封。从台肩抵接台肩开始直到台肩开始承受塑性变形(通常拧紧状态发生时)的期间 内，当以适当的扭矩执行拧紧时，上述密封性能展现为最高程度。台肩面不仅用作拧紧用的止动件，而且起到承受作用到接头的几乎所有的压缩载 荷的作用。因此，如果台肩面薄或者如果台肩软，则台肩面(台肩)不能承受大的压缩载荷。在WO 2004/109173 (专利文献1)中描述了用于提高高级接头的耐外部压力性和 耐压缩性的现有技术。通过在销的端面的台肩面和密封面之间设置不与箱接触的部分(以 下称为鼻部)，显著提高了螺纹接头的耐外部压力性。同时，使鼻部的锥角为0度(筒状面 (cylindrical surface))或者小于密封面的锥角。由于鼻部的设置，防止了端面台肩面的 厚度的减小，并且能够实现耐压缩性的提高。然而，在专利文献1所描述的螺纹接头中，当同时施加高的压缩力和高的外部压 力时，并且当随后同时施加张力和内部压力时，本发明的发明人发现存在产生泄漏的危险。WO 00/08367(专利文献2)公开了一种螺纹接头，在该螺纹接头中，在唇部的两个 部位设置紧密接触区域，也就是，螺纹部附近的紧密接触区域被定义为密封面，端面(台肩 面)附近的紧密接触区域被定义为保护部。作为设置在唇部的端部附近位置的第二接触区 域的保护部具有对内部压力提供第一密封(从而保护密封面)以优化唇所承受的力和力矩 的目的。在专利文献2所描述的螺纹接头中，保护部的干涉量被设定为大于密封面的干涉 量(保护部的干涉量是密封面的干涉量的1. 15倍至1. 3倍)，以在密封面上获得适中的 接触压力的同时在保护部上保持足够的接触压力。另外，由于专利文献2提倡从台肩到保 护部、从保护部到密封面、从密封面到螺纹都设置足够的距离，因此，唇部被设计得过长，因 此，不能保证台肩面的足够厚度(径向尺寸)。结果，当施加高的压缩载荷时，接头可能不足 以抵抗压缩载荷，从而认为接头的压缩性能不足。DE 4446806 (专利文献3)公开了一种与专利文献2公开的螺纹接头相同类型的螺 纹接头。美国专利No. 4，473，245(专利文献4)公开了一种螺纹接头，在该螺纹接头中，在 管的外部设置金属与金属密封，并且扭矩台肩提供额外的金属与金属密封。然而，在专利文 献4所公开的螺纹接头中，唇部的厚度被设计得非常薄，所以难以确保耐高外部压力性和 耐高压缩性。美国专利No. 3，489，473(专利文献5)公开了一种螺纹接头，在该螺纹接头中，设 置金属与金属密封和台肩。然而，在专利文献5所公开的螺纹接头中，根据与图2中示出的 典型的高级接头相同的规则来设计唇部，所以，没有考虑确保耐高外部压力性和耐高压缩 性。美国专利No. 3，870，351 (专利文献6)公开了一种螺纹接头，该螺纹接头的特征在 于，该螺纹接头的台肩面具有特定的外形。在专利文献6所公开的螺纹接头中，台肩面为圆 角外形(销和箱中的一方的台肩面为凸面，销和箱中的另一方的台肩面为凹面)，两个台肩 面起到形成第二密封的功能。该结构试图通过抑制组装时的不对齐或者唇朝向管的轴线的屈曲来使第一密封的两个密封面之间的接触均勻化。 然而，在专利文献6所公开的螺纹接头中，尽管考虑了第一密封的密封接触或者 密封压力的均勻化，但是，没有考虑在向螺纹接头同时施加高的压缩力和高的外部压力的 情况下使用螺纹接头。如专利文献6的图7所示，在箱的凹台肩面的外侧和销的凸台肩面 的外边缘之间存在空间。在向接头施加高的张力和高的外部压力的情况下，销的台肩面和 箱的台肩面可能由于高的张力而容易地分开，并且唇的顶端可能易于朝向外侧(也就是， 沿直径扩展的方向)变形或者移动。因此，在专利文献6所公开的螺纹接头中，难以控制和 抑制如上所述的销的顶端朝向外侧的变形或移动。此外，如果销的台肩面具有凸状外形，则 箱的台肩面的凹状的最内边缘部太薄，当大的压缩载荷施加到接头时，使得箱的台肩面趋 于发生严重的塑性变形。专利文献1:W0 2004/109173
专利文献2:W0 00/08367
专利文献3:DE 4446806
专利文献4美国专利No. 4，473，245
专利文献5美国专利No. 3，489，473
专利文献6美国专利No. 3,870,35
发明内容
本发明的目的是提供一种高级的钢管用螺纹接头，其解决上述现有技术的问题， 并且具有优异的耐压缩性、能够极大地增强受到重复的复合载荷时的整体密封性。如专利文献1所公开的那样，已知通过在销的唇部的密封面与端面台肩面之间 设置不与箱接触的鼻部，极地大提高了高级的钢管用螺纹接头的耐外部压力性。然而，当大的扭矩或者大的压缩载荷作用在具有鼻部的螺纹接头上时，接头可能 有时会产生泄漏。本发明的发明人通过彻底的研究发现产生泄漏的原因与下述方面有关 长鼻部不被支撑且能够沿径向(垂直于接头轴线的方向)移动；从而，销的唇部的端面的台 肩面沿该方向不稳定地变形，由于整个唇部的弯曲产生塑性变形，由位于螺纹附近的密封 面的金属与金属接触而产生的密封性可能会有被削弱的危险。因此，为了使具有鼻部的钢 管用螺纹接头获得稳定地抵抗内部压力和外部压力的良好密封性，需要防止销的唇部的台 肩面不稳定地变形的结构。此外，为了在维持耐扭矩性和抵抗内部压力和外部压力的良好 密封性的同时防止不稳定的变形，需要保证销的唇部的长度和台肩面的厚度的结构。根据本发明，通过使台肩面的主要部分(下面称为主台肩面)具有应对朝向内表 面的变形的形状并且通过设置作为第二台肩面的副台肩面来应对朝向外表面的变形，能够 抑制销的唇部的端面台肩面的径向变形。也就是，台肩面被固定不动，使得朝向内表面和外 表面的变形都不会发生。为了维持良好的耐压缩性，销的台肩面的大部分厚度被主台肩面 占据，该主台肩面相对于与垂直于接头的轴向的表面的倾角较小。副台肩面几乎不受到压 缩载荷，其足以使销的端部的径向向外的变形停止。因此，副台肩面的厚度优选尽可能得 小。仅当高加压缩载荷作用于销和箱之间的螺纹接头上时，通过主台肩的抵接及副台肩的 抵接，销的台肩面由箱的台肩面稳定地支撑，防止了唇部的端部沿径向的不稳定的变形，从 而确保良好的耐压缩性。
本发明涉及一种钢管用螺纹接头，其包括销和箱，所述销具有阳螺纹和设置有台 肩面的唇，所述唇包括密封面和鼻部，所述箱具有阴螺纹、密封面和台肩面，所述阳螺纹与 所述阴螺纹相互接合，所述销的密封面与所述箱的对应的密封面密封地接触，所述销的台 肩面被配置在所述销的端面，所述销的密封面位于接近所述阳螺纹的管端侧，所述鼻部位 于所述销的所述密封面和所述台肩面之间，所述销的鼻部不与所述箱的与所述鼻部相对的 部分接触，所述钢管用螺纹接头的特征在于，所述销的台肩面包括相邻的两个不同的表面 内侧的主台肩面和外侧的副台肩面，所述箱的与所述销的台肩面相对的对应台肩面包括相 邻的两个不同的表面内侧的主台肩面和外侧的副台肩面，所述销的主台肩面和所述箱的 主台肩面被布置成用于防止唇端的径向向内变形，所述销的副台肩面和所述箱的副台肩面 被布置成用于限制所述唇端的径向向外变形，所述销的主台肩面的径向尺寸大于所述销的 副台肩面的径向尺寸，所述销的至少主台肩面与所述箱的至少对应的主台肩面轴向抵接。这里，“销的台肩面包括相邻的两个不同的表面”是指主台肩面和垂直于螺纹接头 的轴线的平面所成的角度与副台肩面和垂直于螺纹接头的轴线的平面所成的角度明显不 同。在本发明的优选实施方式中，销的主台肩面是与垂直于接头轴线的平面成负角的 反向台肩面，副台肩面与垂直于接头轴线的平面成正角。“销的主台肩面是与垂直于接头轴线的平面成负角的反向台肩面”是指主台肩面 具有如下的倾斜角度该倾斜角度使主台肩面的最内部分在拧紧螺纹接头时的销的前进方 向上处于最外部分(邻近副台肩面的部分)的后方。类似地，“副台肩面与垂直于接头轴线 的平面成正角”是指副台肩面具有相对于基准角度倾斜的角度该角度使副台肩面的最外 部分在拧紧螺纹接头时的销的前进方向上处于最内部分(邻近主台肩面的部分)的后方。 这些倾斜角度在-90度至+90度之间。在本发明的优选实施方式中，销的仅主台肩面与箱的对应的主台肩面沿轴向抵 接。销的副台肩面和箱的副台肩面之间实质上不紧密接触，更优选根本不接触。更有效地 实现销的密封面与箱的密封面之间的密封性能。在另一优选实施方式中，销的鼻部的至少一部分具有不是销的密封面的延伸部 (prolongation)的外周面。“鼻部的至少一部分具有不是密封面的延伸部的外周面”是指 鼻部的一部分或者整个鼻部的外表面的形状与密封面的形状实质不同。鼻部的具有与密封面的形状不同的形状的所述部分优选是延伸鼻部的轴向长度 的至少一半的区域，也就是指鼻部的主要部分。例如，鼻部的所述(主要)部分可以是不相 对于轴向倾斜的筒状面，或者可以是具有小倾斜角度锥形表面。鼻部的剩余区域优选是短 于所述轴向长度的一半的区域，该剩余部分的形状可以与密封面的形状相同(也就是，可 以是密封面的延伸部)。在其它优选实施方式中，销的主台肩面和箱的主台肩面与垂直于接头轴线的平面 所成的角度的绝对值为5度至25度(也就是，销的主台肩面与垂直于接头轴线的平面所 成的角度在_5度至-25度的范围)，销的副台肩面和箱的副台肩面相对于接头轴线的倾斜 角度在5度至30度的范围(与垂直于接头轴线的平面所成的角度在+60度至+85度的范 围)，销的密封面和箱的密封面相对于接头轴线的倾斜角度在5度至25度的范围。副台肩面(相对于接头轴线)的倾斜角度优选大于密封面的倾斜角度。结果，即使台肩面沿径向 变形，也能防止密封性由于密封面的变形而降低。为了提高耐压缩性，使销的端部处的台肩面的厚度(径向尺寸)尽可能大以及使 比密封面接近端部的部分(也就是，鼻部)的截面尽可能大是有利的。为此，在如上限定的 主要部分中，优选地，鼻部相对于接头轴线的倾角小于密封面和台肩面相对于接头轴线的 倾角。更具体地，销的鼻部的主要部分的外表面的形状可以为筒状面(相对于接头轴线的 倾角为0度)或者为截头圆锥面，该截头圆锥面相对于接头轴线的倾角小于密封面和副台 肩面相对于接头轴线的倾角。如果鼻部的外表面在螺纹接头拧紧之后与箱的内表面接触，则存在接头的密封性 受损的危险。因此，为了确实地防止这种接触，优选在鼻部的上述主要部分的这些表面之间 设置至少0. Imm的间隙(非接触表面之间的径向距离)。在该区域内，箱的内表面优选具有 与销的鼻部的形状相似的形状，优选使两者之间的间隙在主要区域内均一。如在上面对“鼻部的至少一部分具有不是密封面的延伸部的外周面”的说明中提 到的，销的鼻部的与密封面邻接的部分表面可以具有与密封面相同的倾角。销的副台肩面和主台肩面之间的接合部分(junction)优选形成半径最大为 1.5mm的圆角顶点。销的密封面和箱的密封面可以都是截头圆锥面，但是使一个密封面为截头圆锥 面，而另一个密封面为具有至少20mm的曲率半径的旋转曲面(环形面(torical surface)) 或者旋转曲面与截头圆锥面的组合可以提高接头的密封性。销的副台肩面和箱的副台肩面优选都是截头圆锥面。销的主台肩面和箱的主台肩 面优选都是截头圆锥面，但是，如W02007/017082所公开的那样，也可以使一个主台肩面为 突出曲面(凸环形面)，而另一个主台肩面为凹陷曲面(凹环形面)，或者为这些曲面与平 面的组合。作为可选方案，主台肩面可以具有如US 4，611，838所公开的台阶形状，这种台 阶形状防止了销端部的向内变形。主台肩面的厚度(径向尺寸)优选是副台肩面的厚度的至少1.5倍。在根据本发明的高级的钢管用螺纹接头中，不与箱接触的鼻部被设置在销的唇部 的端部，销的端面的台肩面和箱的端面的台肩面是具有主台肩面和副台肩面的双台肩结 构，从而获得良好的耐压缩性。结果，极大地提高了重复地施加复合载荷时的密封性，并且 在根据ISO 13679标准的系列A试验中不再发生泄漏。


图1是根据本发明的钢管用螺纹接头的唇部附近的示意性剖视图，其中，鼻部的 主要部分是截头圆锥面。图2是用于传统的联接式的OCTG的典型高级接头的示意性剖视图，其中图2(A) 是仅示出一侧的局部图，图2(B)是整体图。图3是根据本发明的钢管用螺纹接头的示意性剖视图。图4是根据本发明的钢管用螺纹接头的唇部附近的示意性剖视图，其中，鼻部的 主要部分是筒状面。图5是螺纹的形状的示意性剖视图。
图6(A)至图6(D)是示出形成于销的台肩面的槽的示意图。图6 (A)是局部立体 图，图6(B)至图6(C)是端视图，图6(D)示出销和箱的接近销的端部的轴向剖面。图7和图8示出形成于销的台肩面的槽。
具体实施例方式以下，将参照

根据本发明的钢管用螺纹接头。图1、图3和图4是根据本发明的钢管用螺纹接头的示意性剖视图。该螺纹接头是 一种包括销1和箱2的高级螺纹接头。销1包括具有阳螺纹11的螺纹部；以及位于该螺 纹部的前端侧并且具有密封面13的唇部12。在该唇部的顶端的端面上设置有台肩面。如 图1、图3和图4所示，销1的密封面13通常与唇部12的螺纹部邻近或者位于唇部12的 螺纹部的附近。箱2具有具有阴螺纹21的螺纹部，该阴螺纹21与销1的阳螺纹11啮合; 能够与销1的密封面13密封地接触(以获得金属与金属接触密封)的密封面23 ；以及在 接头的轴向上与销的台肩面接触的台肩面。如图5所示，销1的阳螺纹11和箱2的阴螺纹21都是螺纹牙顶(thread crest) 的直径和螺纹牙底(thread root)的直径朝向销的端部逐渐减小的锥形螺纹。类似地，销 1的密封面13和箱2的密封面23是直径朝向销的端部减小的锥形面。销1的螺纹部的阳螺纹的接近顶端的部分(邻近唇部12的一侧)可以是不与箱 2的阴螺纹21啮合的非接合螺纹(non-engagingthread)。在这种情况下，如图3所示，优 选在箱2的与销的非接合螺纹相对的部位形成周向槽32。这样，唇部的刚性增大，接头的耐 压缩性增强。为了相同的目的，可以通过型锻(swaging)或镦锻(upsetting)朝向台肩面 增大销和箱的壁厚(内径减小)。销1的唇部12具有鼻部16，该鼻部16是密封面13与销1的端部的台肩面之间的 不与箱的相对部分接触的非接触区域。因此，与图2所示的在销的密封面的前方不具有非 接触区域的通常的高级接头相比，唇部的长度增加。在本发明中，销1的端部台肩面具有包括主台肩面14和副台肩面15的二级结构， 其中，主台肩面14位于接头的内面侧，副台肩面15位于接头的外面侧。主台肩面14的厚 度(在与接头轴线垂直的平面上的投影厚度)46比副台肩面15的厚度47大。销1的主台 肩面14是与垂直于接头轴线的平面所成的角42是负角的反向台肩面(reverse shoulder surface)。另一方面，副台肩面15与垂直于接头轴线的平面所成的角为正角。当然，箱2 的与销1的台肩面14和15接触的台肩面相应地包括位于接头的内面侧的主台肩面24 ； 以及位于接头的外面侧的副台肩面25。在通常的高级接头的情况下，所要求的压缩性能是管体的屈服强度的大致40 60%，在一些油井中，压缩性能需要超过管体的屈服强度的80%。当然，压缩载荷不仅由台 肩承担而且还由螺纹部承担，如果使用的是能够良好地承担压缩载荷的螺纹，则能够相应 地减小台肩上的载荷。然而，使唇部厚度41 (销在密封面13的中间部分处的厚度)至少为 管体壁厚的25%，优选至少为管体厚度的50%，从而使唇部具有其所需的耐压缩性。唇部的密封面和鼻部的厚度越大，其抵抗外部压力来进行密封的能力就越高，所 以，当在唇部的端部的内表面形成倒角(chamfer) 17以通过增加迂回(circularity)来防 止湍流时，倒角17与接头轴线所成的角优选为9度至30度的范围的较小的角。尽管这不
9是图1、图3和图4的情况，但是可以在箱2的与销1邻接的内表面上类似地设置具有浅角 的倒角。销1的密封面13的形状和箱2的密封面23的形状可以是相对于接头轴线倾斜的 直线或诸如圆弧等曲线(前者将被称为截头圆锥面，后者将被称为旋转曲面)，或者还可以 是通过绕接头轴线旋转两种线的组合线段而形成的旋转面(也就是，截头圆锥面和旋转曲 面的组合)。优选地，销1和箱2中的一方的密封面是截头圆锥面，另一方的密封面是旋转 曲面或者旋转曲面与截头圆锥面的组合。结果，接头的密封性能提高，并且很难发生卡滞 (galling)。如果密封面13和23相对于接头轴线的倾角44(倾斜角度)过大，将导致施加张力 载荷时的密封接触压力减小，而如果该倾角过小，则由于滑动距离的增加很容易发生卡滞。 密封面13和23的倾斜角度44在5度至25度的范围并且优选在10度至20度的范围。当 采用锥形螺纹时，密封面13和23的倾斜角度44大于螺纹11、12的倾斜角度。例如，螺纹 的倾斜角度在1度至5度的范围，优选在1. 6度左右。如果销1的主台肩面14和箱2的主台肩面24被赋予至少一定量的反向角 (reverse angle)，则当施加压缩载荷时，唇部的变形在径向向外的方向上均一地扩散，接 头的密封性能增强。然而，如果反向角太大，则箱的主台肩面24可能发生过大的弹性变形， 从而削弱稳定变形的效果，降低接头的密封性能。因此，主台肩面14和24的反向角42使 得销1的主台肩面14相对于垂直于接头轴线的平面的倾角42 (实际为负角)的绝对值在 5度至25度的范围，优选在10度至20度的范围。销1的副台肩面15和箱2的副台肩面25起到止动件的作用，以抑制销1的唇部 12的端部过大地向外变形。因此，副台肩面15和副台肩面25在通常的拧紧状态下彼此不 接触。当作用高的压缩载荷或施加过大的拧紧扭矩时，副台肩面15和副台肩面25接触并 抑制唇部的向外变形。使两个副台肩面的几何学的直径干涉(拧紧销和箱之前在基准面测量的直径差) 是密封面的几何学的直径干涉的1.1倍以下，优选地，使两个副台肩面的几何学的直径干 涉与密封面的几何学的直径干涉基本相等。该表述“基本相等”的含义是允许最大5%的变 化。通过将销的副台肩面15和箱的副台肩面25设计成在通常拧紧状态下它们的干涉 与密封面13和23之间的干涉几乎相等，销的整个唇将由于销的密封面和箱的密封面的干 涉作用而向内弯曲(直径减小)，并且销的副台肩面将至少向内弯曲与密封面的干涉相同 的量，所以销的副台肩面和箱的副台肩面之间将不发生接触。然而，允许副台肩面15和25在通常拧紧状态下彼此接触。在这种情况下，使两 个副台肩面的接触压力是密封面的接触压力的50%以下，从而不会对密封性能产生不利影 响。通常拧紧状态是指螺纹接头的销和箱被拧紧到由接头的制造者根据接头的形状 和材料规定的适当的拧紧扭矩。在通常拧紧状态下，销的台肩面和箱的台肩面(在根据本 发明的螺纹接头的情况下是主台肩面)在不全面屈服或大范围地塑性变形的情况下以一 定量的干涉彼此接触。从保证主台肩面14和24的足够厚度以及抑制台肩面在垂直于接头轴线的方向(径向)上的变形的角度出发，使副台肩面15和25相对于接头轴线的倾角43为5度以上 30度以下(也就是，相对于垂直于接头轴线的方向的倾角为+60度以上+85度以下)，并且 优选地大于密封面相对于接头轴线的倾角(倾角44)。优选地，销的密封面、销的鼻部的外表面和销的副台肩面不对齐，并且箱的密封 面、箱的与销的鼻部的外表面相对的部分的内表面和箱的副台肩面不对齐。从维持耐压缩性和耐扭矩性的角度出发，使销1的副台肩面15的厚度(在垂直于 接头轴线的平面中投影的厚度)比主台肩面14的厚度小。优选地，使销1的主台肩面14 的厚度是副台肩面15的厚度的至少1. 5倍，优选是副台肩面15的厚度的2. 5倍以上6倍 以下，更优选是副台肩面15的厚度的3倍以上5倍以下。销1的鼻部16的长度45 (也就是整个鼻部在轴线方向上的长度，整个鼻部即销和 箱的非接触区域，该非接触区域包括可能与箱接触的副台肩面区域)随着螺纹接头的尺寸 而改变，但是，如果该长度45过短，则增强抵抗外部压力的密封性能的效果消失，而如果该 长度45过长，则增强密封性能的效果供过于求。在用于OCTG的管尺寸的范围(外径为大 约50mm至550mm)内，该长度45优选为大约4mm至20mm。为了提高耐压缩性，有利的是，使销1的端部的台肩面的厚度尽可能得大，以及使 唇部12的比密封面13靠近端部的部分(也就是，鼻部16和台肩面14、15)的体积尽可能 得大。为此，鼻部的外表面优选是筒状面(相对于接头轴线的倾斜角度为0度)或者相对 于接头轴线具有倾角的截头圆锥面，其中，该截头圆锥面的倾角小于密封面和副台肩面在 轴向上的局部区域内的倾角，并且优选该截头圆锥面的倾角小于密封面和副台肩面在长度 为轴向长度的至少一半的主要区域内的倾角。在这种情况下，箱2的与鼻部16相对的部分 的内表面优选是筒状面，或者是在轴向长度的至少一半的区域内与鼻部的形状相似的截头 圆锥面(例如，具有相同的倾角或者实质相似的倾角)从而与鼻部的外表面形成均一的间 隙。在鼻部16的主要部分的外表面是截头圆锥面(也就是，锥形表面)的实施方式 (在图1和图3中示出)中，箱的与鼻部的主要部分相对的具有截头圆锥形状的内表面起到 引导部的作用，因此，可以在为销的唇部的定心(centering)的同时执行拧紧，从而使销1 的密封面13和箱2的密封面23稳定地接触并提高密封能力，而且能够防止卡滞。在销的 鼻部的外周面和箱的与销的鼻部相对的部分的内表面具有大致截头圆锥形状的部分的情 况下，它们的锥角优选小于10度。另一方面，在鼻部具有筒状面的实施方式(图4)中，可以使台肩面的厚度(46+47) 和密封面13的厚度41在有限的管壁厚度的范围内尽可能得大，由此提高耐压缩性。即使 在鼻部的外表面为截头圆锥的实施方式中，通过使副台肩面处在拧紧时可以发生接触，可 以将台肩面的厚度保持成接近具有筒状面的实施方式中台肩面的厚度。如果销的鼻部的外表面与箱的相对面的内表面在拧紧之后接触，则存在削弱密封 能力的可能性。为了防止该接触，销的鼻部的主要部分的外表面与箱的相对部分的内表面 之间的间隙(径向距离)优选在螺纹接头的通常拧紧状态下为0. Imm以上。由于太大的间 隙可能使箱的内表面损失其在拧紧期间引导销的鼻部的能力，所以该间隙优选为1. Omm以 下。然而，如图4所示，鼻部16的邻近销1的密封面13的局部区域可以具有与密封面13的倾角相同的倾角(也就是，该局部区域可以变成密封面的延伸部并且形状与鼻部16的 主要部分的形状(在所示出的示例中为筒状面)明显不同)和/或箱2的与鼻部相对的部 分中的邻近副台肩面25的局部区域可以具有与副台肩面25的倾角相同的倾角(该局部区 域可以变成副台肩面的延伸部并且形状与箱的面对销的鼻部的主要部分的部分的内表面 的形状明显不同)。结果，不仅可以实现鼻部的效果，而且能够在为销的唇部的定心的同时 实现良好的拧紧性能。同样，在这种情况下，鼻部16的主要部分的形状与该主要部分两侧 的密封面13和台肩面15的形状明显不同。销1的主台肩面14和副台肩面15之间的接合部分形成半径1. 5mm以下的圆角顶 点49。结果，可以使主台肩面和副台肩面的接触面积最大化，实现耐压缩性的提高以及抑制 台肩面的径向变形。如前所述，根据本发明的螺纹接头由于如下结构而能够展现高压缩性能以不与 箱的相对面接触的方式被设置在销的唇部的顶端附近的鼻部；以及销的端部的台肩面为具 有主台肩面和副台肩面的两段台肩结构。然而，作为在组装螺纹接头时使用的流体的多脂润滑剂(greasy lubricant)可能 留在销和箱之间的形成在鼻部区域的空间50 (以下将该空间称为鼻部空间)中。在完成组 装时，由于润滑剂被限制在鼻部空间50中导致鼻部空间50的压力增大，该增大的压力可能 使销的密封面13和箱的密封面23之间的接触压力减小，从而削弱接头的密封能力。在本发明的优选实施方式中，销和箱中的至少一方的台肩面具有从鼻部空间向螺 纹接头的内表面延伸的至少一个槽或者排出腔(bleed concavity)。由此，该槽延伸过销和 /或箱的主台肩面和副台肩面两者。可以将槽的一部分定位在销的台肩面上，而将槽的剩余 部分定位在箱的台肩面上。因而，鼻部空间50经由该槽与螺纹接头的内部空间连通。因此， 当限制在鼻部空间中的流体的压力增大时，流体可以经由该槽流到螺纹接头的内部空间。可以允许鼻部空间中的流体经由延伸到台肩部内的通孔而流出，但是很难形成这 种通孔。在特别优选的实施方式中，如图6(A)至图6(D)所示，至少一个槽被设置在销的台
肩面上。在图6(A)所示的情况下，销的作为唇部的端面的台肩面具有包括两个槽部的槽， 这两个槽部是第一槽部即外槽部51A以及第二槽部即内槽部51B。外槽部51A倾斜地延伸 过副台肩面15，内槽部51B倾斜地延伸过主台肩面14。图6 (B)示出了具有三个槽的唇部 的端视图，每个槽均具有沿着唇端部的圆周定位的两个槽部51A、51B。图7示出了在台肩面 具有由这样的两段槽构成的槽的销端部的照片图示。为了实现上述功能，槽部51A和槽部51B必须彼此连通。为此，如图6 (D)所示，沿 着箱台肩的与销台肩的顶点49(销的主台肩面和副台肩面的接合部分或交点)相对的最内 周部，可以设置作为连接通道的腔52，该腔52从与外槽部51A的内端部相对的部位延伸到 与内槽部51B的外端部相对的部位，从而使销台肩上的槽部51A、51B经由沿着箱台肩的与 销台肩的周向顶点49相对的最内周部延伸的腔52彼此连通。作为可选方案，可以通过在 销台肩的表面上沿着周向顶点49形成从外槽部51A的内端部延伸到内槽部51B的外端部 的倒角或腔，来实现槽部51A、51B之间的连接通道。更优选地，在销台肩面和箱台肩面两者 上都形成这种连接腔或连接通道。
如图6(C)所示，外槽部51A和内槽部51B可以被定位成直接彼此连通(也就是， 外槽部51A的内端部与内槽部51B的外端部连接)。图8示出了具有直接彼此连通的外槽 部和内槽部的台肩部的销端部的照片图示。尽管当外槽部和内槽部位于如图6(A)所示的 相同的周向位置时开槽(形成槽)稍微容易些，但是外槽部和内槽部直接彼此连通的这种 配置不需要形成上述连接通道。无论是哪种情况，都可以通过使用NC(数字控制)加工系 统来执行槽或排出腔的形成。在另一实施方式中，副台肩面上的外槽部51A和主台肩面上的内槽部51B可以沿 径向延伸，而不是沿如图6(A)至图6(C)所示的倾斜方向延伸，优选地，使得这两个径向延 伸的槽部直接彼此连通。在这种情况下，各槽部的长度最小，使得流体更容易流出，并且无 需NC加工系统就可以形成槽。然而，需要专门的槽形成机。在图6(B)和图6(C)所示的实施方式中，用于在鼻部空间与螺纹接头的内部空间 之间建立连通且均包括外槽部和内槽部的三个槽沿着销端部的台肩面的周向等距离地设 置。可以具有至少一个这种槽，尽管八个这种槽就足够了，但是槽的数目没有上限。优选地， 销台肩和/或箱台肩具有2个至4个这种槽。槽的截面形状不受限制，但是槽的截面积应当足以允许流体流过。槽的深度优选 为0. Imm以上，更优选为0. 2mm以上。为了防止由于由槽的形成而引起的主台肩面的接触 面积的减小而使螺纹接头在受到压缩时的性能明显降低，内槽部和外槽部的周向长度均优 选地使得每个槽沿着台肩面的周向延伸过最多180度。因而，如果如图6(B)和图6(C)所 示地在主台肩面和副台肩面上都设置三个槽部，则每个槽部优选沿着圆弧延伸180度以下 的角度，更优选延伸120度以下的角度。槽可以形成在箱的台肩面而不是销的台肩面上。当沿周向设置多个槽时，一些槽 可以形成在销上，而剩余的槽形成在箱上。如图6(A)至图6(C)所示，当槽包括外槽部和内 槽部时，可以在销上形成外槽部而在箱上形成内槽部，反之亦然。除了上面描述的部分之外，钢管用螺纹接头的其它部分的形状可以与传统的高级 接头式钢管用螺纹接头的形状相同。例如，根据本发明的钢管用螺纹接头的销1的阳螺纹11和箱2的阴螺纹12可 以是与典型的传统钢管用螺纹接头相同的锥形螺纹(例如由API偏梯形螺纹(buttress thread)规定的梯形螺纹或者具有源自API偏梯形螺纹形状的梯形形状的螺纹)。关于钢管 用螺纹接头的锥形螺纹的形状(例如，螺纹的插入牙侧面和载荷侧面的倾斜角度、倒角、插 入牙侧面之间的间隙、牙顶面和牙底部之间的分离、圆角部的曲率半径)，已有多种提议，可 以采用这些提议中的任何一种。例如，尽管图5中未示出，但可以在阳螺纹和/或阳螺纹的 插入牙侧面(螺纹的位于图5的右侧的侧面)中设置倒角(通过成斜角产生的水平变化)。在阳螺纹11和阴螺纹12的锥形螺纹中，可以使各牙顶的牙顶面和牙底部与锥形 螺纹的锥度平行，但是，优选地，使各牙顶的牙顶面和牙底部与接头的轴向平行。由此，能够 减小在现场连接操作时的插入角(stabbing angle)的偏离引起的问题。众所周知，钢管用螺纹接头包括联接式(coupling type)和一体式。在典型的联 接式钢管用螺纹接头中，销被形成于要被连接的钢管的两个端部的外表面，箱被形成于作 为分离构件的联接件(coupling)的两侧的内表面。在一体式钢管用螺纹接头中，销被形成 于钢管的一端的外表面，箱被形成于另一端的内表面，钢管无需使用联接件而彼此连接。本发明可以应用于这两种钢管用螺纹接头中的任一种。实施例为了说明本发明的效果，对表1所示的五种试验管进行根据ISO 13679标准的系 列A试验。表1中示出的试验管#1至#5具有图2所示的用于OCTG的联接式螺纹接头(T&C 接头)的基本形状。它们是壳体测量的三种尺寸9_5/8英寸53. 5#(外径为244. 48mm，壁 厚为 13. 84mm)、10-3/4 英寸 60. 7# (外径为 273. 05mm,壁厚为 13. 84mm)、以及 10-3/4 英寸 65. 7# (外径为 273. 05mm,壁厚为 15. 1 Imm)。管的材料是API (美国石油协会)标准的L 80材料(碳钢)。作为比较，#4是根 据API标准的Q125材料(碳钢)。在表1中示出了销的鼻部的轴向长度45和鼻部的非接 触主要区域的轴向长度48。对于试验管#1至#4，鼻部的主要区域的外表面和箱的相对的 内表面均为如图1所示的截头圆锥面，对于试验管#5，鼻部的主要区域的外表面和箱的相 对的内表面为图4所示的筒状面。对于试验管#1至#4，销和箱之间在鼻部的主要部分处的 间隙为0. 2mm，对于试验管#5，销和箱之间的在鼻部的主要部分处的间隙为0. 9mm。所有试 验管的倒角部17的角度都是15度。在表1中还示出了根据ISO 13679标准的系列A试验 的结果。表权利要求
一种钢管用螺纹接头，其包括销和箱，所述销具有阳螺纹和设置有台肩面的唇，所述唇包括密封面和鼻部，所述箱具有阴螺纹、密封面和台肩面，所述阳螺纹与所述阴螺纹相互接合，所述销的密封面与所述箱的对应的密封面密封地接触，所述销的台肩面被配置在所述销的端面，所述销的密封面位于接近所述阳螺纹的管端侧，所述鼻部位于所述销的所述密封面和所述台肩面之间，所述销的鼻部不与所述箱的与所述鼻部相对的部分接触，所述钢管用螺纹接头的特征在于，所述销的台肩面包括相邻的两个不同的表面内侧的主台肩面和外侧的副台肩面，所述箱的与所述销的台肩面相对的对应台肩面包括相邻的两个不同的表面内侧的主台肩面和外侧的副台肩面，所述销的主台肩面和所述箱的主台肩面被布置成用于防止唇端的径向向内变形，所述销的副台肩面和所述箱的副台肩面被布置成用于限制所述唇端的径向向外变形，所述销的主台肩面的径向尺寸大于所述销的副台肩面的径向尺寸，所述销的至少主台肩面与所述箱的至少对应的主台肩面轴向抵接。
2.根据权利要求1所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述销的主台肩面是与垂直 于接头轴线的平面成负角的反向台肩面。
3.根据权利要求1或2所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述销的副台肩面与垂直 于接头轴线的平面成正角。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，在位于所述销的 端部的台肩面中，仅所述主台肩面与所述箱的对应的主台肩面轴向抵接。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述销的鼻部的 至少一部分具有不是所述销的密封面的延伸部的外周面。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述销的副台肩 面被设计成与所述箱的副台肩面干涉配合，所述销的副台肩面与所述箱的副台肩面之间的 几何学的直径干涉量是所述销的密封面与所述箱的密封面之间的几何学的直径干涉量的 1.1倍以下。
7.根据权利要求6所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述销的副台肩面与所述箱 的副台肩面之间的几何学的直径干涉量与所述销的密封面与所述箱的密封面之间的几何 学的直径干涉量基本相等。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述反向台肩面 与垂直于接头轴线的平面所成的角度为5度至25度。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述台肩面是大 致截头圆锥状。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，当所述销的主 台肩面和副台肩面受到压缩载荷时，所述销的主台肩面和副台肩面能够由所述箱的对应的 主台肩面和副台肩面支撑。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述销的密封 面和所述箱的密封面相对于所述钢管用螺纹接头的轴线倾斜5度至25度的角度。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述销的副台 肩面和所述箱的副台肩面相对于所述钢管用螺纹接头的轴线倾斜5度至30度的角度。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述副台肩面 的倾角大于所述密封面的倾角。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述销的鼻部 的主要部分与所述箱的与所述主要部分相对的部分间隙配合，且径向上的最小间隙配合值 为 0. Imm0
15.根据权利要求1至14中任一项所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述销的密封 面、所述销的鼻部的外表面以及所述销的副台肩面不对齐，并且所述箱的密封面、所述箱的 与所述销的鼻部的外表面相对的部分的内表面以及所述箱的副台肩面不对齐。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述箱的密封 面的倾角、所述箱的与所述销的鼻部的外表面相对的部分的内表面的倾角以及所述箱的副 台肩面的倾角是单调的。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述销包括位 于所述销的副台肩面和主台肩面之间的圆角顶点，该顶点的半径小于1. 5mm。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述销的密封 面和所述箱的密封面中的一方为截头圆锥面，所述销的密封面和所述箱的密封面中的另一 方为曲率半径大于20mm的环形面或者所述环形面与截头圆锥面的组合。
19.根据权利要求1至17中任一项所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述销的副台 肩面和所述箱的副台肩面都是截头圆锥面。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述主台肩面 的径向尺寸是所述副台肩面的径向尺寸的至少1. 5倍。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述销的鼻部 的外周面和所述箱的与所述销的鼻部相对的部分的内表面具有大致筒状形状。
22.根据权利要求1至20中任一项所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述销的鼻部 的外周面和所述箱的与所述销的鼻部相对的部分的内表面具有大致截头圆锥形状，锥角小 于10度。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述销和所述 箱中的至少一方的台肩面具有至少一个槽，所述槽从所述销的鼻部和所述箱的与所述鼻部 相对的部分之间的空间延伸到所述钢管用螺纹接头的内部空间。
24.根据权利要求23所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述槽包括形成于所述副 台肩面的第一槽部和形成于所述主台肩面的第二槽部，该第二槽部在所述副台肩面和所述 主台肩面之间的界面处与所述第一槽部直接连通。
25.根据权利要求23所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述槽包括形成于所述副 台肩面的第一槽部和形成于所述主台肩面的第二槽部，该第二槽部在所述副台肩面和所述 主台肩面之间的界面处不与所述第一槽部直接连通，所述第二槽部经由连接通道与所述第 一槽部连通。
26.根据权利要求25所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述连接通道是形成于所 述箱的台肩面的腔。
27.根据权利要求25所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述连接通道是形成于所 述销的台肩面的腔。
28.根据权利要求26或27所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述腔是通过倒角或 开槽而形成的。
全文摘要
一种钢管用螺纹接头，其包括销(1)和箱(2)。销具有阳螺纹(11)和设置有台肩面的唇(12)，该唇(12)包括密封面(13)和鼻部(16)。箱具有阴螺纹(21)、密封面(23)和台肩面。销的台肩面包括相邻的两个不同的表面内侧的主台肩面(14)和外侧的副台肩面(15)。相应地，箱的台肩面包括相邻的两个不同的表面内侧的主台肩面(24)和外侧的副台肩面(25)。销的主台肩面和箱的主台肩面被布置成用于防止唇端的径向向内变形，销的副台肩面和箱的副台肩面被布置成用于限制唇端的径向向外变形。销的主台肩面的径向尺寸大于销的副台肩面的径向尺寸，销的至少主台肩面与箱的至少对应的主台肩面沿轴向抵接。
文档编号F16L15/00GK101960195SQ20088011545
公开日2011年1月26日 申请日期2008年10月17日 优先权日2007年11月8日
发明者中村圭一, 伯川德·梅龙, 克莱尔·帕图里奥, 加百列·伯里奎特, 山口优, 岩本理彦, 杉野正明, 西尔万·贝格尼克斯, 达利·达利 申请人:住友金属工业株式会社;法国瓦卢莱克曼内斯曼石油天然气公司