用于螺纹连接器的防旋转键的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请主张2015年6月18日提交的标题为“用于螺纹连接器的防旋转键(anti-rotationkeyforthreadedconnectors)”的第62/181,526号同在申请中的美国临时申请的优先权和权益，所述美国临时申请的全部公开内容特此出于所有目的以全文引用的方式并入本文中。

背景技术：

本发明大体上涉及例如用于在海上烃钻探和生产作业中使用的大直径管道的螺纹管状连接件，且明确地说，涉及用以防止管状部件在组装之后旋转的装置。

烃生产井可具有在井中接合的若干直径不同的套管管柱。每个套管管柱可以由具有紧固在一起的螺纹端的管道接头组装。连接器的具有内部螺纹的部分通常称为母连接器或阴螺纹。连接器的具有外部螺纹的部分通常称为公连接器或阳螺纹。一些套管接头在第一末端处具有阳螺纹部件，且在第二末端处具有阴螺纹部件。通常，在将管柱送入到井中时，操作者依赖于组装接点的摩擦来防止螺纹连接器松开。在套管直径较大，例如16英寸到36英寸的情况下，组装连接器的摩擦可能不足以防止在送入套管时松开。

操作者已使用防旋转键来防止松开。一些当前防旋转键设计需要专用工具来安装锁定机构。一些设计需要爆破枪来设定锁定机构。其它设计在有必要拧开管道连接的情况下可能难以解锁。其它当前防旋转键设计需要在组装管道连接件之后钻出用于锁定部件的孔。钻孔可能导致金属碎屑沿管柱落下，这可能造成问题。另外，对组装好的管道连接件进行钻孔需要复杂的钻机。如果断开，接着重新连接，则可能有必要钻出另一孔，且所述孔可能与先前钻出的孔重叠，从而限制锁定能力。

在其它当前套管设置中，可以经由阴螺纹中的孔插入防旋转键，且可以使用锤或扳手来定位并紧固所述键。此种系统的防旋转键可以具有键齿，所述键齿在插入时或在阳螺纹开始从阴螺纹旋转出来时咬合到连接器部件中，从而在连接器部件上施加轴向压缩负载且使连接器部件永久地变形，以便防止阴螺纹与阳螺纹之间的相对旋转。

技术实现要素：

本文中所描述的系统和方法提供一种防旋转键，其产生比当前防旋转装置显著小的轴向压缩负载。本发明的实施例提供一种防旋转键，所述防旋转键不产生对螺纹连接件的径向或轴向压缩，不在阳螺纹与阴螺纹之间产生径向负载，且不改变经过螺纹连接件的负载路径，从而改善螺纹连接件的疲劳寿命。

根据本发明的一个实施例，一种管状部件连接系统包括阳螺纹，所述阳螺纹具有中心轴线、外部阳螺纹螺纹以及在所述阳螺纹的凸肩表面处的环形阳螺纹唇缘。阴螺纹具有内部阴螺纹螺纹和在所述阴螺纹的端面处的环形阴螺纹唇缘。所述阴螺纹螺纹经成形以与所述阳螺纹螺纹配合来以可移除方式将所述阳螺纹紧固到所述阴螺纹。阳螺纹凹部形成于所述阳螺纹的外径表面中，所述阳螺纹凹部在轴向方向上从所述阳螺纹唇缘延伸。阳螺纹键可选择性地扣接在所述阳螺纹凹部内，所述阳螺纹键在所述阳螺纹键的外边缘上具有阳螺纹键齿。阴螺纹键齿位于所述阴螺纹中。所述阴螺纹键齿与所述阳螺纹键齿选择性地配合，且抵抗所述阳螺纹相对于所述阴螺纹的旋转。

根据本发明的替代实施例，一种管状部件连接系统包括阳螺纹，所述阳螺纹具有中心轴线、外部阳螺纹螺纹以及在所述阳螺纹的凸肩表面处的环形阳螺纹唇缘。第一管状部件在与所述阳螺纹的所述阳螺纹唇缘相反的方向上从所述阳螺纹延伸。阴螺纹具有内部阴螺纹螺纹和在所述阴螺纹的端面处的环形阴螺纹唇缘。所述阴螺纹螺纹经成形以与所述阳螺纹螺纹配合来以可移除方式将所述阳螺纹紧固到所述阴螺纹。第二管状部件在与所述阴螺纹的端面相反的方向上从所述阴螺纹延伸。阳螺纹凹部形成于所述阳螺纹的外径表面中，所述阳螺纹凹部在轴向方向上从所述阳螺纹唇缘延伸。阴螺纹凹部形成于所述阴螺纹的外径表面中，所述阴螺纹凹部在轴向方向上从所述阴螺纹唇缘延伸且具有阴螺纹凹部轮廓。阳螺纹键可选择性地扣接在所述阳螺纹凹部内，所述阳螺纹键在所述阳螺纹键的外边缘上具有阳螺纹键齿。阴螺纹键可选择性地与所述阴螺纹凹部固持，所述阴螺纹键在第一侧上具有用于与所述阴螺纹凹部轮廓配合的阴螺纹键配合轮廓。所述阴螺纹键进一步在第二侧上具有用于与所述阳螺纹键齿配合且抵抗所述阳螺纹相对于所述阴螺纹的旋转的阴螺纹键齿。

在本发明的又一实施例中，一种用于连接管状部件的方法包括提供阳螺纹，所述阳螺纹具有中心轴线、外部阳螺纹螺纹以及在所述阳螺纹的凸肩表面处的环形阳螺纹唇缘。所述阳螺纹进一步具有形成于所述阳螺纹的外径表面中的阳螺纹凹部，所述阳螺纹凹部在轴向方向上从所述阳螺纹唇缘延伸。所述方法进一步包括提供阴螺纹，所述阴螺纹具有内部阴螺纹螺纹和在所述阴螺纹的端面处的环形阴螺纹唇缘。所述阴螺纹螺纹经成形以与所述阳螺纹螺纹配合来以可移除方式将所述阳螺纹紧固到所述阴螺纹。阴螺纹键齿位于所述阴螺纹中。阴螺纹螺纹与所述阳螺纹螺纹配合从而以可移除方式将所述阳螺纹紧固到所述阴螺纹。阳螺纹键扣接在所述阳螺纹凹部内，所述阳螺纹键在所述阳螺纹键的外边缘上具有阳螺纹键齿。所述阳螺纹键齿与所述阴螺纹键齿配合，以抵抗所述阳螺纹相对于所述阴螺纹的旋转。

附图说明

为了获得且可以更加详细地理解使本发明的特征、优势和目标以及其它特征、优势和目标变得显而易见的方式，上文简单概括的实施例的更特定描述可参考附图中所说明的本发明的实施例，所述附图形成本说明书的部分。然而，应注意，附图说明本发明的实例实施例，且因此不应被视为限制本发明的范围，这是因为本发明可准许其它同等有效的实施例。

图1为根据本发明的一个实施例的具有管状部件连接器系统的管状管柱的侧面视图。

图2为根据本申请案的实施例的管状部件连接器系统的截面图以及防旋转键的示意图。

图3为根据本申请案的实施例的防旋转键的细节部分透视图。

图4为在插入扣接件之前示出的图3的防旋转键的透视图。

图5为图3的防旋转键的透视图，其示出为抵抗阳螺纹与阴螺纹之间的相对旋转移动。

图6为根据本申请案的实施例的防旋转键的透视图。

图7为在拧紧楔形扣接件之前示出的图6的防旋转键的顶部截面图。

图8为在拧紧楔形扣接件之后示出的图6的防旋转键的顶部截面图。

图9为根据本申请案的实施例的阴螺纹键的透视图。

具体实施方式

现将参考其中示出实施例的附图在下文中更全面地描述本发明的方法和系统。本发明的方法和系统可呈许多不同形式，且不应被理解为限于本文中阐述的所说明实施例；确切来说，提供这些实施例是为了使本发明将是透彻且完整的，并且这些实施例将把本发明的范围完整地传达给所属领域的技术人员。相同数字始终指代相同元件。

应进一步理解，本发明的范围不限于所示出和描述的构造、操作、确切材料或实施例的确切细节，这是因为所属领域的技术人员将显而易见众多修改和等效物。在图式和说明书中已公开了说明性实施例，且虽然利用了特定术语，但所述术语仅用于一般和描述性意义而非出于限制性目的。

参考图1，管状部件连接系统11包括第一或上部管状部件13，其中阳螺纹15形成于上部管状部件13的末端上。术语“上部”和“下部”仅为方便起见而使用，因为如果管状部件倒置，则阳螺纹15可能位于管状部件13的上端上。阳螺纹15具有纵向中心轴线16和位于圆锥形表面上的一组外部阳螺纹螺纹17。阳螺纹15在阳螺纹螺纹17的阳螺纹末端和外侧上具有前缘19，且在阳螺纹螺纹17的相反侧上具有外部环形阳螺纹凸肩20。阳螺纹唇缘21为阳螺纹凸肩20的面朝前缘19的环形表面。上部管状部件13在与阳螺纹15的前缘19相反的方向上从阳螺纹15延伸。

阳螺纹凹部22形成于阳螺纹15的外径表面中。在图1的实例中，阳螺纹凹部22形成于阳螺纹凸肩20中。阳螺纹凹部22在阳螺纹唇缘21处开放，且在远离前缘19的方向上轴向延伸。阳螺纹凹部22具有的深度小于阳螺纹15的侧壁的厚度，以使得阳螺纹凹部22具有背表面23(图2)。

管状部件连接系统11还包括第二或下部管状部件25，其中阴螺纹27形成于下部管状部件25的末端上。阴螺纹27具有内部阴螺纹螺纹29，所述内部阴螺纹螺纹经成形以与阳螺纹螺纹17配合来以可移除方式将阳螺纹15紧固到阴螺纹27。阴螺纹27在阴螺纹27的端面处具有环形阴螺纹唇缘31。下部管状部件25在与阴螺纹27的端面相反的方向上从阴螺纹27延伸。上部管状部件13可以在上部管状部件13的与阳螺纹15对置的末端处具有第二阴螺纹27，且下部管状部件25可以在下部管状部件的与阴螺纹对置的末端处具有第二阳螺纹15。下一或邻近管状部件的阳螺纹15可以按可移除方式紧固到上部管状部件13的阴螺纹27以形成管状管柱。类似地，前一或邻近管状部件的阴螺纹27可以按可移除方式紧固到下部管状部件25的阳螺纹15。

阴螺纹键齿33可以位于阴螺纹41的阴螺纹唇缘31上。如图1和6的实例中所示，阴螺纹键齿33可以直接机械加工于阴螺纹41的阴螺纹唇缘31中。或者，如图3到5的实例中所示，阴螺纹键齿33可以是阴螺纹键47的部分。阴螺纹键47可以位于阴螺纹凹部49内。阴螺纹凹部49形成于阴螺纹27的外径表面中，且在轴向方向上从阴螺纹唇缘31延伸。阴螺纹凹部49具有的周向长度可以大体类似于阴螺纹键47的周向长度，以使得阴螺纹键47的侧端可以接触阴螺纹凹部49的内部侧壁。阴螺纹凹部49具有的深度可以小于阴螺纹27的侧壁厚度以使得阴螺纹凹部49具有后壁。阴螺纹凹部49的后壁与阴螺纹键47的前表面和背表面可以是平坦的或可以是弯曲表面。

为了帮助将阴螺纹键47固持在阴螺纹凹部49内，阴螺纹凹部49可以具有接合阴螺纹键配合轮廓53的阴螺纹凹部轮廓51。阴螺纹键47可以在阴螺纹键47的第一侧上具有阴螺纹键配合轮廓53，且在阴螺纹键47的第二、对置侧上具有阴螺纹键齿33。阴螺纹凹部轮廓51和阴螺纹键配合轮廓53可以防止阴螺纹键47相对于阴螺纹凹部49沿圆周移动。阴螺纹凹部轮廓51和阴螺纹配合轮廓53可以具有凸肩，所述凸肩大体轴向延伸，以使得阴螺纹键47与阴螺纹凹部49之间的任何旋转力可以有效地在此种凸肩之间传递。此外，如可在图4中看出，阴螺纹键47可以具有阴螺纹键槽55，所述阴螺纹键槽装配在阴螺纹凹部轮廓51的阴螺纹突片57(图4)后方，以帮助防止阴螺纹键47向外落出阴螺纹凹部49。在某些实施例中，阴螺纹键47还可以利用扣接件(未示出)紧固在阴螺纹凹部49内，以使得阴螺纹键47与阴螺纹凹部49固持。在替代实施例中，阴螺纹凹部轮廓51和阴螺纹配合轮廓53可以具有替代形状或配置以使阴螺纹键47与阴螺纹27配合。

参见图3到5，在阳螺纹15与阴螺纹27组装之后，阳螺纹键59位于阳螺纹凹部22内。阳螺纹键59可选择性地扣接在阳螺纹凹部22内。扣接件61可以用来将阳螺纹键59固持在阳螺纹凹部22内。阳螺纹键59具有穿过阳螺纹键59的深度的开口63，以使得扣接件61可以延伸穿过开口63且进入阳螺纹15中以利用阳螺纹15固持阳螺纹键59。举例来说，扣接件61可以是例如凸肩螺杆或螺栓等可以通过开口63且螺接到阳螺纹15中的螺纹部件。开口63可以具有比扣接件61的无螺纹部的外部尺寸大但小于扣接件61的头部的外部尺寸的内部尺寸，以使得阳螺纹键59可以相对于阳螺纹15移动，同时仍然利用阳螺纹15加以固持。

阳螺纹键59沿着阳螺纹键59的外边缘具有一排阳螺纹键齿69。阳螺纹键59从阳螺纹凹部22延伸出来，以使得阳螺纹键齿69轴向延伸经过阳螺纹唇缘21。在将阳螺纹键59插入于阳螺纹凹部22中时，可以对准阳螺纹键59，以使得阴螺纹键齿33与阳螺纹键齿69配合且抵抗阳螺纹15相对于阴螺纹27的旋转。在所示出的实例实施例中，阴螺纹键齿33和阳螺纹键齿69成形为齿形结构。在替代实施例中，阴螺纹键齿33和阳螺纹键齿69可以具有其它配合形状和配置。

阳螺纹凹部22可以具有比阳螺纹键59(图4)的宽度67大的宽度65，以使得阳螺纹键59可以在阳螺纹凹部22内侧向移动。作为实例，阳螺纹凹部22可以经设定大小而具有比阳螺纹键59的宽度67大出阳螺纹键齿69的螺距长度的至少一半的宽度65。这允许阳螺纹键59在阳螺纹凹部22内具有一定游隙，在螺纹连接件已组装在阳螺纹15与阴螺纹27之间之后能够使阳螺纹键齿69与阴螺纹键齿33配合。然而，开口63的内部尺寸与阳螺纹凹部22的超出宽度相比不应过大而使得扣接件61在阳螺纹15与阴螺纹27之间的任何相对旋转移动期间经受剪切力。实际上，负载将在阴螺纹键齿33、阳螺纹键齿69与阳螺纹凹部22的内壁之间传递，如本文中进一步描述。阳螺纹凹部22的背表面23可以是平坦表面，且阳螺纹键59的前面和背面也可以是平坦的。在替代实施例中，阳螺纹凹部22的背表面23以及阳螺纹键25的前面和背面可以是弯曲表面，且可以，作为实例，具有与阳螺纹15的侧壁类似的曲率。

阳螺纹凹部22在阳螺纹15中所位于的位置使得在阳螺纹15螺接到阴螺纹27中直到阳螺纹唇缘21接合阴螺纹唇缘31时，阳螺纹键齿69中的每一个可以接合阴螺纹键齿33。为了确保阳螺纹凹部22在阳螺纹15在完全组装位置以可移除方式紧固到阴螺纹27时将与阴螺纹键齿33对准，可以通过在将阳螺纹凹部22形成于阳螺纹15中之前相对于阳螺纹15标定阴螺纹键齿33的最终组装位置来预先确定阳螺纹凹部22的位置。此标定程序可以通过组装阳螺纹15与虚设阴螺纹来完成，所述虚设阴螺纹与实际阴螺纹41具有相同的阴螺纹螺纹29配置以及阴螺纹键齿33的相对位置。归因于此标定程序来确定阳螺纹凹部22在阳螺纹15上的位置，在将阳螺纹15螺接到阴螺纹41到完全组装位置时，阳螺纹键齿69中的每一个可以接合阴螺纹键齿33。

为了适应阳螺纹凹部22的一定范围的最终位置，阳螺纹键齿69的数目小于阴螺纹键齿33的数目。以此方式，在阳螺纹15以可移除方式紧固到阴螺纹27且阳螺纹键齿69中的每一个接合阴螺纹键齿33中的一个时，可以选择由阳螺纹键齿69啮合哪些阴螺纹键齿33。举例来说，参见图4的实施例，在阳螺纹键59的任一侧上的阴螺纹键齿33之间的两个间隙并不容纳任何阳螺纹键齿69。在替代实例中，在阳螺纹键59的任一侧上的阴螺纹键齿33之间的间隙的数目可以少到零或可以大于二。

参见图4到5，阳螺纹键59在阳螺纹键59的内边缘上具有额外的对置阳螺纹键齿69。阳螺纹键59经成形以使得阳螺纹键59的内边缘或外边缘任一个上的阳螺纹键齿69可以与阴螺纹键齿33配合。以此方式，在将阳螺纹键59插入于阳螺纹凹部22内时，操作者可以选择阳螺纹键59的最佳定向。作为实例，在一些实施例中，阳螺纹键59可以关于轴线ax(图5)对称，而非在内边缘和外边缘上的阳螺纹键齿69彼此偏移例如螺距的二分之一。阳螺纹键齿69之间的此偏移将允许操作者在提供与阴螺纹键齿33的最佳装配的定向上将阳螺纹键插入到阳螺纹凹穴中。在其它实施例中，阳螺纹键59可以关于轴线ax对称，但在阳螺纹键59的末端与内边缘和外边缘中的每一个上的阳螺纹键齿69中的第一个之间具有不同间隔，以便取决于阳螺纹键59在阳螺纹凹部22内的定向而提供不同阳螺纹键齿位置。在其它替代实施例中，阳螺纹键59可以关于轴线ax不对称，以提供阳螺纹键齿69在阳螺纹键59的对置侧上的所需偏移。

参见图6到8，阳螺纹键59为两部分部件，且包括基底键部件71和楔形键部件73。楔形键部件73不含阳螺纹键齿69，以使得楔形键部件73可以相对于阴螺纹键齿33侧向移动。基底键部件71具有可以接合阳螺纹凹部22的背表面23的背面75。基底键部件71还具有楔形前部部分77。楔形键部件73具有楔形后部部分79，所述楔形后部部分可以接合楔形前部部分77且使基底键部件71朝向阳螺纹凹部22的背表面23移动。在楔形键部件73的一侧接合阳螺纹凹部22(图8)的对置侧83时，扣接件61可以绷紧，从而将维持楔形键部件73相对于基底键部件71的位置。此接合将消除阳螺纹15与阴螺纹27之间的游隙，以使得阳螺纹键59将防止阳螺纹15与阴螺纹27之间时任何相对旋转移动。

注意，尽管阳螺纹凹部22已在本文中描述为形成于阳螺纹15上且阴螺纹键齿33在本文中描述为形成于阴螺纹27中，但在替代实施例中，用于收纳防旋转键的凹部可以形成于阴螺纹27中，且配合键齿可以形成于阳螺纹15中。

在操作实例中，阴螺纹27可以提供于下部管状部件25上，且阴螺纹键齿33可以形成于阴螺纹唇缘31中。作为实例，阴螺纹键齿33可以通过在阴螺纹唇缘31中机械加工出阴螺纹键齿33而形成于阴螺纹唇缘31中。或者，为了简化阴螺纹27的制造，可以在阴螺纹27中机械加工出阴螺纹凹部49，且阴螺纹键47可以位于阴螺纹凹部49中。阳螺纹15可以提供于上部管状部件13上。阳螺纹凹部22可以例如通过在阳螺纹15中机械加工出阳螺纹凹部22而形成于阳螺纹15的外径表面中。可以标定阳螺纹凹部22的位置，以使得在阳螺纹15和阴螺纹27完全组装时，阳螺纹凹部22将与阴螺纹键齿33对准。

可以接着将阳螺纹15的前缘19定位于阴螺纹27内，且可以旋转阳螺纹15以使得阴螺纹螺纹29可以与阳螺纹螺纹17配合。阳螺纹15可以在组装旋转方向上螺接到阴螺纹27，直到阳螺纹唇缘21接合阴螺纹唇缘31。一旦阳螺纹15与阴螺纹27完全组装，就可以将阳螺纹键59插入到阳螺纹凹部22中且扣接在所述阳螺纹凹部内。在将阳螺纹键59插入于阳螺纹凹部22内时，在一些实施例中，操作者可以选择阳螺纹键59的定向以优化阳螺纹键59相对于阴螺纹键齿33的位置。

在某些其它实施例中，基底键部件71首先以允许基底键部件71相对于阳螺纹凹部22移动的方式利用扣接件61扣接在阳螺纹凹部22内。楔形键部件73可以通过拧紧通过楔形键部件73的扣接件61来接合基底键部件71。楔形键部件73的楔形后部部分79与基底键部件71的楔形前部部分77的交互可以将基底键部件71的背面75朝向阳螺纹凹部22的背表面23推动。楔形键部件73的一侧将接合阳螺纹凹部22的对置侧83。此可使得进一步拧紧阳螺纹15与阴螺纹27之间的螺纹连接件。在某些实施例中，基底键部件71的所述侧将接合阳螺纹凹部22的第一侧。在替代实施例中，可以在阴螺纹27中不再旋转阳螺纹15，且基底键部件71的所述侧不接合阳螺纹凹部22的第一侧。阴螺纹键齿33与阳螺纹键齿69的交互连同楔形键部件73的所述侧与阳螺纹凹部22的对置侧83的接合将防止阳螺纹15与阴螺纹27之间的任何相对旋转。

通常，管状部件连接系统11一旦组装就不拧开。然而，在某些情况下，操作者可能希望拧开管状部件连接系统11。在此情况下，操作者可以手动地移除阳螺纹键59，且可以使阳螺纹15相对于阴螺纹27在拧开方向上旋转以从阴螺纹27释放阳螺纹15，以使得上部管状部件13可以从下部管状部件25分离。

因此，此处公开的系统和方法较好地适于进行所述目标，并达到所提到的目的和优势以及其中固有的其它目的和优势。虽然已出于本发明的目的给出本发明的实例实施例，但实现所要结果的程序的细节存在众多改变。所属领域的技术人员将容易地想到这些和其它类似修改，且所述修改希望涵盖在本发明的精神内以及所附权利要求书的范围内。术语“垂直”、“水平”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”在本文中仅为方便起见而使用，因为管状部件可以安装在各种位置。