專利名稱：帶有加強接合件的管狀螺紋連接的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及管狀螺紋連接，其包括位于第一管狀元件端部并通過擰螺紋連接到位于第二管狀元件端部的內(nèi)螺紋上的外螺紋。
背景技術(shù)：
這種連接尤其被用以構(gòu)成用于碳氫化合物井或地熱井的管套柱或生產(chǎn)管套或鉆套。
外螺紋和內(nèi)螺紋元件中的每個都被位于長管子的一端，第一管的外螺紋元件被擰入另一管的內(nèi)螺紋元件中，目的是為了構(gòu)成一個完整的螺紋連接。
或者，外螺紋連接被置于長管子的兩端中的每個上，這些長管子通過短管子或聯(lián)接器連接，這些短管子或聯(lián)接器的端部帶有兩個內(nèi)螺紋元件這樣的兩個長管子之間的連接器被認為是“螺紋聯(lián)接器”并使用兩個管狀螺紋連接。
更具體的，本發(fā)明涉及一種被稱為高級(premium)連接的螺紋連接，其包括和接合面相聯(lián)系的徑向干涉金屬-金屬密封面，該接合面是為了精確地定位所述密封面。
這樣的高級螺紋連接在諸如歐洲專利EP 488 912中進行了描述，并且其可以確保在不同應(yīng)用結(jié)構(gòu)(軸向張力或壓力，內(nèi)部或外部壓力，彎曲等)中螺紋連接的流體密封。
用于以傾斜或甚至水平的角度鉆斜井的現(xiàn)有技術(shù)要求管隨著進入井的同時旋轉(zhuǎn)，并用螺紋連接來連接這些管子。
這些技術(shù)要求以大的裝配力矩來構(gòu)成螺紋連接，該力矩總是遠遠大于進入井時使用的力矩，如果不能達到這個條件，密封面的位置可能會變動，而使連接泄漏。
因為所需的力矩，以及作用在被井(斜井)的幾何尺寸所彎曲的部分上的彎曲載荷，接合面受到較大的載荷。
在更為具體的套管柱和管套的情況下，為井提供多個同心管套，并且需要對組成管套的內(nèi)徑和外徑進行限定，以便允許最多的管套進入井內(nèi)。
在螺紋元件上、基本垂直于軸定位的接合面的徑向厚度受到限定，并且在這樣的螺紋連接的情況下，這些接合面受到很大的應(yīng)力的作用，該應(yīng)力會導(dǎo)致不能接受的塑性變形。
國際專利文件WO 97/29627和WO 00/14441公開了允許以很大的力矩構(gòu)成的管狀螺紋連接，該連接導(dǎo)致螺紋的螺紋面全部地或部分地起接合面的作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是制造一種帶有一對凸和凹接合面的高級螺紋連接，該連接尤其抗塑性變形，且不會使螺紋齒側(cè)面起接合面的作用。
本發(fā)明的目的是可應(yīng)用于高級螺紋連接，且對于每一個螺紋元件有一個或多個接合件，但是，其中，主接合件(其首先參與接合接觸并受最大應(yīng)力)設(shè)置在外螺紋的自由前端，并且以對應(yīng)的方式設(shè)置在內(nèi)螺紋元件上。
本發(fā)明的目的是可應(yīng)用于任何其他類型的螺紋，螺紋類型或密封面類型。
本發(fā)明的管狀螺紋連接包括在第一管狀元件的一端的外螺紋元件和在第二管狀元件一端的內(nèi)螺紋元件。
該外螺紋元件包括外螺紋并以凸唇中止。
該凸唇包括●外周邊面，其上形成有凸密封面；●凸環(huán)形接合面，該面基本上橫向定位，靠近凸密封面并與其相連，并且由凸螺紋元件的自由端的前表面所構(gòu)成；●內(nèi)周邊面。
術(shù)語“基本橫向定位的表面”意味著平面和非平面兩者，例如，錐面，該錐面的母線相對螺紋連接軸的法向平面不超過30度。
該內(nèi)螺紋元件為與外螺紋元件上的對應(yīng)裝置配合包括內(nèi)螺紋，帶有凹密封面的內(nèi)周邊面和凹肩。
該凹肩具有凹環(huán)形接合面，該面基本上橫向定位，靠近所述凹密封面或與其相連，并限定出凹環(huán)形肩區(qū)域，隨著所述凸接合面擠壓所述凹接合面，該區(qū)域受軸向壓載荷的作用。
外螺紋被擰進內(nèi)螺紋，直至所述凸接合面抵靠所述凹接合面，所述凸密封面隨后和所述凹接合面發(fā)生徑向干涉。
根據(jù)本發(fā)明的一個特征，凹環(huán)形肩區(qū)域包括內(nèi)周邊面，該內(nèi)周邊面的內(nèi)徑至少在接近所述凹接合面處小于凸唇的內(nèi)周邊面的直徑，這兩個直徑的比例R小于1，大于等于0.9。
這樣的特征使得可以在凹環(huán)形肩區(qū)域內(nèi)減小等價von Mises應(yīng)力，在大量的現(xiàn)有技術(shù)的螺紋連接中，該應(yīng)力大于凹接合件內(nèi)應(yīng)力，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明人，這一點是由于鄰近接合面所產(chǎn)生的應(yīng)力的三軸性凹接合件內(nèi)的主應(yīng)力都是壓應(yīng)力，而在凹環(huán)形肩區(qū)域，僅有軸應(yīng)力是壓應(yīng)力，其他的兩個主應(yīng)力是拉伸應(yīng)力。
該特征使得螺紋管狀連接內(nèi)的通路可以保持足夠的內(nèi)徑。
在專利FR1488719和FR1489013的附圖中，公開了一種帶有接合面和密封面的螺紋管狀連接，并且在外螺紋元件的端部設(shè)置凸唇，在內(nèi)螺紋元件上設(shè)置凹肩，凹環(huán)形肩區(qū)域的內(nèi)周邊面的內(nèi)徑在接近所述凹接合面處小于凸唇的內(nèi)周邊面的直徑。
在這兩個文件中，沒有對這些直徑的比例給出數(shù)值的限定。
此外，在專利FR1489013中，沒有功能和內(nèi)徑差相關(guān)聯(lián)；只能假設(shè)凹環(huán)形肩區(qū)域的內(nèi)周邊面的較小的直徑是制造螺紋凹元件而鐓鍛管而產(chǎn)生的。
在涉及用于管套的螺紋連接的專利FR 1488719的情況中，凹環(huán)形肩區(qū)域的內(nèi)徑小于凸唇，以避免在鉆管進入套管柱的過程中沖擊力(shock)損壞凸唇，并因而損害螺紋連接的密封。所以，除了在本發(fā)明的情況下，內(nèi)徑差的功能還有許多。
優(yōu)選地，比例滿足下面的關(guān)系1.7-0.7S2≤R≤1.2-0.2S2]]>其中，S等于所述凸接合面的外邊緣的直徑和凸唇內(nèi)徑之間的比值。
該特征趨于使凸接合件和凹環(huán)形肩區(qū)域之間的等價應(yīng)力的差最小化，并因而優(yōu)化本發(fā)明的螺紋連接的幾何尺寸。
有益地，本發(fā)明的螺紋連接的凹肩部的內(nèi)周邊面在所述內(nèi)周邊面截交最大剪切錐形面的點具有的最小直徑，該最大剪切錐形面限定如下
●它是頂點半角為45度且與凹螺紋元件共軸的錐形面；●其在凹肩區(qū)域內(nèi)的直徑隨著到所述凹接合面的距離的增加而減?。灰约啊衿渫ㄟ^所述凹接合面的外邊緣。
另外，有益地，在所述凹接合面的一側(cè)的端部，凹肩的內(nèi)周邊面的直徑等于凸唇的內(nèi)周邊面的內(nèi)徑。
優(yōu)選地，凹肩的內(nèi)周邊面包括被稱為過渡部分的第一部分和具有最小內(nèi)徑的第二圓柱狀部分，該過渡部分的內(nèi)徑從所述凹接合面開始逐漸減小。
在過渡部分和凹肩的內(nèi)周邊面的圓柱狀部分之間限定出聯(lián)接點。
另外，優(yōu)選地，該聯(lián)接點基本位于所述凹接合面的一側(cè)上的所述過渡部分的一端與凹肩的內(nèi)周邊面和最大剪切力的錐形面的截交點之間的軸向距離的中點。


根據(jù)下面本發(fā)明的詳細描述和附圖，本發(fā)明另外的優(yōu)點和特征將會變得明了，附圖中圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的螺紋聯(lián)接的連接方式；圖2示出了圖1中組件的螺紋連接的凹凸接合件的詳細情況；圖3示出了本發(fā)明的螺紋連接的詳細情況；圖4示出了圖3放大后的詳細情況；圖5示出了圖4的一個變形；圖6是用于過力矩測試的圖表，示出了接合件變形前作為圈數(shù)的函數(shù)的裝配力矩。
具體實施例方式
圖1和圖2示出了在兩個長鋼管子10和10’之間的現(xiàn)有技術(shù)的螺紋聯(lián)接的連接方式。
管子10和10’的各端帶有外螺紋元件11，11’。
外螺紋元件11包括錐形外螺紋12，并且用凸唇18將其在其自由端的一側(cè)中止。
凸唇18包括
●外周邊面，其帶有相對外螺紋元件的軸XX傾斜(例如)20度的錐形凸密封面13；●基本上橫向定位的環(huán)狀凸接合面16，該面由外螺紋元件的自由端的前表面構(gòu)成。該凸接合面16鄰近凸密封面13，并通過復(fù)曲面連接到凸密封面，該復(fù)曲面曲率半徑的數(shù)量級為一毫米以避免使該連接處易碎。示例中所示的凸接合件14是稱為反接合件或負角度接合件的接合件，其中，接合面16是凹陷的錐形面，其頂點半角是75度，因而相對軸XX的法向成15度角。
●內(nèi)周邊面17，其內(nèi)徑IDp通過機械加工獲得，這樣，不論管10厚度發(fā)生怎樣的變化，該面17的軸與外螺紋元件的重合。該表面17一方面與管10的當前的內(nèi)周邊面連接，另一方面，在B點與凸接合面16連接。
管10，10’由包括兩個對稱地布置在聯(lián)接器20的每一端的內(nèi)螺紋元件21，21’的連接器20裝配。
內(nèi)螺紋元件21，21’包括設(shè)置得與外螺紋元件11，11’的相應(yīng)裝置配合的裝置，用以構(gòu)成兩個管狀螺紋連接1，1’。
由于連接的對稱性，將僅描述螺紋連接1。
內(nèi)螺紋元件21包括對應(yīng)于外螺紋12的內(nèi)螺紋22、包括錐形凹密封面23和設(shè)置有基本橫向定位的凹環(huán)形面26的凹肩的內(nèi)周邊面，該凹環(huán)形面由頂點半角是75度的外凸錐形面形成。
凹接合件26的表面鄰近凸密封面23，并且通過曲率半徑較小的復(fù)曲面連接到凸密封面，以防止連接處變得脆弱，在外螺紋元件中也有這種情況。
點A表示出了凹接合面26的外邊，并表示出了在凹密封面23上的凹肩的根部。它與凸接合面16的外邊合在一起。
在螺紋連接的裝配位置，外螺紋12被擰入內(nèi)螺紋22中，直到凸接合件14在接觸應(yīng)力下抵住凹接合件24。
接合面16，26的準橫向配置允許外螺紋元件11相對內(nèi)螺紋元件21定位，該相對位置由裝配力矩精確的確定。
在螺紋連接的裝配位置，凸密封面13徑向地與凹密封面23發(fā)生干涉，即，對于凸密封面和凹封面的對應(yīng)直線部分，凸支承直徑在裝配前稍大于凹支承直徑。
這樣的徑向干涉在密封面13，23之間產(chǎn)生了很高的接觸壓力。該接觸壓力能夠使螺紋連接對于內(nèi)部或外部流體是密封的，而不論是何種應(yīng)力(內(nèi)部或外部應(yīng)力、張力、壓力、扭力、彎曲力，帶有或不帶有周期性的溫度變化)，也無論是單一的或是組合的。
希望有高的裝配力矩以防止外螺紋元件11相對內(nèi)螺紋元件21旋轉(zhuǎn)，尤其是當管套隨著其進入井內(nèi)而旋轉(zhuǎn)時。
該裝配力矩導(dǎo)致金屬接合件14，24的軸向壓縮，但不會導(dǎo)致其塑性變形。
另外，對于斜井，彎曲應(yīng)力包括額外的作用在接合件上的壓載荷。
如果管套受到軸向壓載荷或/或熱周期的作用，也會出現(xiàn)這樣的情況。
總的來說，如圖1和圖2所示，在現(xiàn)有技術(shù)的螺紋連接中，凹肩的頂端具有圓柱形的內(nèi)圓周面27，其內(nèi)徑和凸唇18的凸內(nèi)周邊面17相同。
這樣可以防止●流體的內(nèi)部循環(huán)中產(chǎn)生紊流，尤其是在外螺紋元件11和內(nèi)螺紋元件21之間的連接處，該紊流產(chǎn)生侵蝕腐蝕現(xiàn)象；以及●在操作過程中，工具或設(shè)備掉進管套而導(dǎo)致在連接處出現(xiàn)阻塞和損壞。
本申請的發(fā)明人驚奇地發(fā)現(xiàn)，在圖1和圖2所示的螺紋連接的過力矩測試中，凹環(huán)形肩區(qū)域24的金屬總是在凸接合件14之前發(fā)生塑性變形。
他們做出的解釋使人們認識到密封面的存在所造成的影響，該密封面與在應(yīng)力的三軸對稱性上的接合件鄰近，如圖2所示。
考慮在凸接合件14內(nèi)的金屬基礎(chǔ)立方體(elementary cube)15。該立方體15受到一組應(yīng)力的作用，這一組應(yīng)力可以沿軸向、徑向和圓周方向分別簡化成三個主應(yīng)力σAP、σRP和σCP。
軸向應(yīng)力σAP基本上來自于裝配力矩并且是壓應(yīng)力(負號)。
徑向應(yīng)力σRP基本上來自密封面13，23之間的徑向干涉，并且也是壓應(yīng)力。反接合面16，26的負角度趨向于加強密封面在徑向應(yīng)力σRP上的軸向干涉效果。
圓周應(yīng)力σCP主要來自于密封面13，23之間的軸向干涉，該力趨于限定凸唇的直徑以使圓周應(yīng)力σCP仍然是壓應(yīng)力，該力的強度也可以被接合件14，24的反配置所加強。
考慮到環(huán)形區(qū)域24內(nèi)的基本金屬立方體25，該立方體25受到一組三個主應(yīng)力的作用，因而●軸向應(yīng)力σAB也是壓應(yīng)力(負值)。
●徑向應(yīng)力σRB主要由凹密封面23上(并且恰好在反接合面26上)的徑向干涉的影響所造成，是拉伸應(yīng)力(正值)。
●圓周應(yīng)力σCB也由凹密封面23和反接合面26上的徑向干涉所造成，同樣也是拉伸應(yīng)力(正值)。
根據(jù)已知的材料塑性的理論，當例如von Mises應(yīng)力的等價應(yīng)力高于材料的屈服強度時，開始發(fā)生塑性變形，其中，等價應(yīng)力是兩個同一時間的主應(yīng)力之間的代數(shù)差的函數(shù)。
由于三個主應(yīng)力σAP，σRP，σCP具有相同的符號，故對于凸接合件14中的立方體15，該等價von Mises應(yīng)力相對較低；相反，由于兩個主應(yīng)力(σRB，σCB)為正(拉伸應(yīng)力)而同時第三個(σAB)為負(壓應(yīng)力)，故對于在凹環(huán)形肩區(qū)域24內(nèi)的基礎(chǔ)立方體25，該等價應(yīng)力相對較高。
所以，在使螺紋連接受過力矩時，在凹肩的基礎(chǔ)立方體25內(nèi)的等價應(yīng)力將會比凸接合件14的基礎(chǔ)立方體15的等價應(yīng)力更快地超過材料的屈服強度。
本申請的發(fā)明人得出結(jié)論局部地在凹環(huán)形肩區(qū)域24內(nèi)增加材料的屈服強度，例如通過感應(yīng)淬火或壓前噴沙，或者通過增加施加應(yīng)力的表面積來減小受到軸向壓力的凹環(huán)形肩區(qū)域24處的等價應(yīng)力，都是有益的。
考慮到在聯(lián)接器內(nèi)執(zhí)行熱處理或機械處理的困難，發(fā)明人選擇了加厚凹肩部分，如圖3、圖4和圖5所示。
圖3和圖4不同于圖2之處在于凹環(huán)形肩區(qū)域24在內(nèi)側(cè)被加厚，這樣，內(nèi)周邊表面27的最小內(nèi)徑ID8局部地小于凸唇18的內(nèi)周邊表面17的內(nèi)徑IDP。
凹肩的內(nèi)周邊表面27是圓錐形表面，并具有在凹接合面一側(cè)26上的被稱為“過渡部分”的錐形部分29，和直徑為IDB的第二圓柱部分30。
錐形面29和內(nèi)螺紋元件共軸，其頂點半角是30度，且其直徑隨著到凹接合面26的距離的增加而減小。在凹接合面26端部B上的錐形面29的內(nèi)徑與凸唇19的內(nèi)周邊面17的內(nèi)徑IDP相等，以便從外螺紋元件11到內(nèi)螺紋元件21，內(nèi)徑?jīng)]有變化。
角度θ小于45度以限制在流體內(nèi)部循環(huán)流中的紊流的風險，并且也排除了工具掉進管套內(nèi)的風險。我們將在下面看到為什么為將角度θ限制得很小。
所以，錐形面29在凸唇的內(nèi)周邊面17和凹肩的內(nèi)周邊面27的圓柱形部分30之間形成了平緩的連接。
當然，凹肩的內(nèi)周邊面27的圓柱形部分30的直徑IDB小于IDP的值，否則，凹接合件24得不到加強。
直徑IDB是IDP的0.9倍或更大，以便保持管套內(nèi)側(cè)足夠的流截面。小于IDP的0.9倍的直徑IDB只能允許少數(shù)的管套被一個插入到另一個的內(nèi)側(cè)，并且設(shè)計這種管套本身就是很昂貴的。
當知道為使凹接合件和凸接合件的強度一樣大將凹環(huán)形肩區(qū)域24的厚度增加到超過直徑IDP并不起作用時，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)IDB和IDP之間的比例R應(yīng)該在1.7-0.7S2]]>和1.2-0.2S2]]>范圍內(nèi)，并且最好等于1.3-0.3S2]]>，其中，S等于ODA/IDP，并且ODA是凹接合面16的外邊緣的直徑，該直徑等于通過位于凹肩24根部的點A的直徑。
根據(jù)IDP和ODA的當前值可以得到在0.95到0.98之間的R值。
有益地，對于給定直徑的管子，直徑IDB大于由API確定或由管狀螺紋連接制造商指定的“偏移”直徑，通過移動和管相連的、具有給定直徑的心軸監(jiān)測該偏移，以確保該管套可以使直徑大到給定值的工具掉進去，卻不存在工具阻塞的風險。管10，10’的內(nèi)徑因而必須大于偏移直徑，尤其是在它們的當前部分。
發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，根據(jù)附圖3，在內(nèi)周邊表面27的整個長度上加厚肩部沒有什么作用。
他們指出，凹環(huán)形肩區(qū)域24的最大變形區(qū)域是與內(nèi)螺紋元件共軸的錐形面32，該內(nèi)螺紋元件通過在凹軸承表面23一側(cè)上的凹肩根部穿的A點，該錐形面的頂點半角為45度并且在凹環(huán)形肩區(qū)域24內(nèi)的直徑隨著到接合面26的距離的增加而減小。
沿錐形面的變形為剪切變形，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)通過在最大剪切變形的錐形面32和凹肩的內(nèi)周邊表面27之間的D的截面處形成最小的內(nèi)徑IDB，可以使剪應(yīng)力最小化。
所以，應(yīng)該明白，如果錐形面29的角度θ小于15度，在錐形部分29內(nèi)直徑不是最小內(nèi)徑IDB的地方，最大剪切錐形面32可能會截交內(nèi)周邊面27，其結(jié)果是直徑為IDB的柱狀部分30被不必要地加厚。
有益地，連接面29和面30的點C基本定位在點B和點D之間的中間位置。
圖5示出了圖4的變形，其中，過渡部分不是錐形面，而是和內(nèi)螺紋元件共軸的復(fù)曲面39。
在如圖5所示的縱向截面中，該復(fù)曲面39是以弧形或圓形的形式出現(xiàn)的●其直徑大約是10mm；●其中，中心指向內(nèi)螺紋元件的材料；●通過和凸唇的內(nèi)周邊面17連接的點B；●其中，B點的切線與螺紋元件的軸線XX成30度角，因而也與內(nèi)周邊面17的母線成30度角；●在C點有凹肩的內(nèi)周邊面27的柱狀部分30的切線。
這樣的復(fù)曲面同時在內(nèi)周邊面17和直徑為IDB的柱狀部分之間形成了連續(xù)的連接，這樣其在B點的切線與軸XX的角度在15度到45度的范圍內(nèi)。
凹肩的內(nèi)周邊面的過渡部分也可能是其他的連續(xù)形式，例如，兩個一組的彼此鄰接并相切的復(fù)曲面，并具有相反的曲率和切線，一個在B點與內(nèi)周邊面17相切，另一個在C點的柱狀面30相切。
本發(fā)明的范圍還涵蓋不緊挨著接合面16，26的密封面；另外，圖2到圖5示出了密封面13，23和對應(yīng)的接合面16，26之間的具有小的曲率半徑的復(fù)曲面連接面。其他類型的面也可以提供在本發(fā)明范圍內(nèi)的連接，只要密封面處的徑向干涉能夠減小凹環(huán)形肩區(qū)域的徑向拉伸應(yīng)力和圓周應(yīng)力即可。
本發(fā)明可以應(yīng)用在各種螺紋連接結(jié)構(gòu)中，包括●整體或聯(lián)接的螺紋連接；●用于直徑很大或很小的管的螺紋連接(例如，管套或套管柱)；●與外部接合件(凹接合件在內(nèi)螺紋元件的自由端)的連接或幾套接合件的連接；●與密封面的螺紋連接，該密封面是錐形的或非錐形的，例如，兩個螺紋元件都是復(fù)曲面或一個螺紋元件是復(fù)曲面而相對元件是錐形的；●與直(平)接合面或與負角度的螺紋連接；在接合件是反接合件或接合件帶有負角度的情況下，優(yōu)選的接合件相對螺紋元件的軸XX的法線的角度是20度或更小，最好在5度到10度的范圍內(nèi)；●與錐形或者螺紋的單階或多階的(single-step or multistep)的螺紋連接；●與各種形狀螺紋的螺紋連接，如三角形、圓形或梯形螺紋；●與各種寬度的螺紋的連接。示例第一示例在兩系列的VAM TOP型螺紋連接上進行裝配-拆卸實驗，該螺紋連接取自Vallourec Oil & Gas 1994年7月的VAM目錄n°940●外管直徑177.8mm(7”)；●管厚1036mm(29lb/ft)；●凸出端的外徑(ODA)170.8mm；●凸唇內(nèi)徑(IDP)161.3mm；●偏移直徑153.90mm(6.059”)；●管級APIL80(屈服強度552MPa或更大)。
根據(jù)圖2的是標準P系列，其凹肩區(qū)域的凹內(nèi)徑IDB等于凸內(nèi)徑IDP。
根據(jù)本發(fā)明對Q系列進行了修改，其對應(yīng)于圖5的圖在該Q系列中的凹接合件的加強致使柱狀部分30的直徑IDB為156.2mm，比偏移直徑大；直徑為10mm的復(fù)曲面部分39在柱狀部分30的前端，這樣最大剪切錐形32和凹內(nèi)周邊面27的截交點D出現(xiàn)在直徑為IDB的柱狀部分30內(nèi)。
對于Q系列，比例R＝IDB/IDP等于0.97，且正好在根據(jù)ODA的值由權(quán)利要求3所限定的范圍(0.96-0.99)內(nèi)。
在這些裝配-拆卸測試中，裝配力矩被作為裝配圈數(shù)的函數(shù)來記錄，相對同一系列在每次裝配測試中增加一圈以逐漸升高最大力矩，直至接合件發(fā)生塑性變形。
在所有的裝配拆卸測試中，螺紋、密封面和接合面首先被涂覆上API 5A2類型的油脂。
圖6示出了Q系列的螺紋連接的最終裝配測試中，裝配力矩T作為圈數(shù)N的函數(shù)的圖表。
在該圖表上，力矩在E點(力矩TE)上方幾乎垂直地迅速上升，E點表示接合件相遇。該迅速上升在點F(力矩TF)前基本是直線。
在點F(圖形不再是線性部分)以上，至少一個管開始發(fā)生塑性內(nèi)陷。
值Topt對應(yīng)于裝配力矩的推薦值；該值在LE和TF之間。

表一裝配力矩的結(jié)果從表1中的值可以看出，測量由接合件所產(chǎn)生的裝配力矩部分的數(shù)值(TF-TE)在用于Q系列的本發(fā)明的螺紋連接的情況下相對現(xiàn)有技術(shù)螺紋連接P明顯地增加了(+60％)。第二示例在兩種尺寸為A和B的VAM ACE型螺紋連接上進行測試，螺紋連接取自在第一實施例中限定的VAM的目錄的L80級。
測試樣品的特征顯示在表2中。


(*)帶有API5A2型油脂表2測試樣本表3示出了在力矩Topt下裝配前后的內(nèi)徑。
可以看出，對于標準螺紋連接(A3，B3)和對于根據(jù)本發(fā)明修改過的連接(A1，A2，B1，B2)來說，內(nèi)徑IDB總是大于偏移直徑(見表2)。

(*)(附圖標記29，圖4)表3內(nèi)徑測量結(jié)果a)表4示出了導(dǎo)致塑性變形的過力矩測試的結(jié)果。螺紋、密封面和接合面已經(jīng)被涂覆API5A2型油脂。

表4過力矩測試結(jié)果過力矩測試結(jié)果可以以遞減的次序進行分類，尤其是依據(jù)力矩TF的標準以及接合件和肩部的視覺外觀1)被35°的錐形倒角加強的凹接合件(測試A1，B1)；2)被10°的錐形倒角加強的凹接合件(測試A2，B2)；3)標準凹接合件(測試A3，B3)。
在A1和B1中的TF的值比在標準螺紋連接中的大40％到70％；該值比A2和B2中的標準螺紋連接的大5％到23％。
通過圖4中的點C和D的相對位置可以解釋用于帶有35°錐形倒角的螺紋連接的結(jié)果相比帶有10°錐形倒角的螺紋連接是最好的原因。
在螺紋連接A1和B1的情況下，圖4中的點D和點B相比位于點C的上方，所以位于直徑為最小直徑IDB的恒定區(qū)域內(nèi)，但這并不適用于螺紋連接A2和B2見表5

(*)IDD＝D點的內(nèi)徑表5點C和D的相對位置在測試A和B1的情況下，點C大約在點B和點D軸向的中間。
b)內(nèi)壓下的扭力實驗首先以表2中的推薦裝配力矩(Topt)裝配從A和B系列中選出的類似的螺紋連接。
這些螺紋連接隨后經(jīng)受合成應(yīng)力以便模擬出連接的管旋轉(zhuǎn)著進入井內(nèi)，同時施加a)對樣品A1到A3施加43.7MPa的內(nèi)壓，對樣品B1到B3施加56.0MPa的內(nèi)壓，這樣的內(nèi)壓導(dǎo)致在管體內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力等于特定最小屈服強度(根據(jù)表2是552MPa)的80％；及b)變化的扭力矩。
表6給出了力矩T1的值，超過該值時，連接開始泄漏。
應(yīng)該注意，對于由10°的倒角(樣品A2和B2)加強的接合件，泄漏T1之前的最大扭力矩與現(xiàn)有技術(shù)參考(樣品A3，B3)相比稍微增加(小于10％)；相反，對于由35°的倒角(樣品A1，B1)加強的接合件，該值增加了30％到45％。

表6內(nèi)壓下的扭力測試結(jié)果c)裝配-拆卸周期。
樣品A1在裝配力矩為圖2所示的推薦裝配力矩的1.5倍時，經(jīng)受10個連續(xù)的裝配-拆卸周期。在記錄裝配-拆卸力矩中沒有遇到問題，并且從視覺上看，在10個裝配-拆卸周期后，樣品沒有顯示出異常。
權(quán)利要求
1.一種管狀螺紋連接，包括在第一管狀元件(10)的端部的外螺紋元件(11)和在第二管狀元件(20)的端部的內(nèi)螺紋元件(21)，該外螺紋元件設(shè)置有外螺紋(12)并且終止于凸唇(18)，該凸唇首先包括其上形成有凸密封面(13)的外周邊面，還包括基本橫向定位的靠近所述凸密封面且與其相連的并由外螺紋元件的自由端的前表面構(gòu)成的凸環(huán)形接合面(16，14)，接下來包括內(nèi)周邊面(17)，為了和外螺紋元件的對應(yīng)裝置配合，該內(nèi)螺紋元件包括內(nèi)螺紋(22)、其上形成有凹密封面(23)的內(nèi)周邊面和凹肩，該凹肩一方面具有位于所述凹密封面附近且與其相連的基本橫向定位的凹環(huán)形接合面(26)，另一方面限定出凹環(huán)形肩區(qū)域(24)，當所述凸接合面(16)擠壓所述凹接合面(26)時該區(qū)域受軸向壓載荷，該外螺紋被擰進內(nèi)螺紋直至所述凸接合面抵靠所述凹接合面，然后所述凸密封面與所述凹密封面發(fā)生徑向干涉，其特征在于，凹環(huán)形肩區(qū)域(24)包括內(nèi)周邊面(27)，其內(nèi)徑(IDB)至少在靠近所述凹接合面(26)處小于凸唇(18)的內(nèi)周邊面(17)的直徑(IDP)，這兩個直徑(IDB-IDP)之間的比例R小于1，但大于或等于0.9。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管狀螺紋連接，其特征在于，比例R滿足以下關(guān)系1.7-0.7S2≤R≤1.2-0.2S2]]>其中，S等于所述凸接合面(16)的外邊緣的直徑(ODA)和凸唇(18)內(nèi)徑(IDP)之間的比值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的管狀螺紋連接，其特征在于，比例R基本等于1.3-0.3S2]]>。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中的任一項所述的管狀螺紋連接，其特征在于，在內(nèi)周邊面(27)截交最大剪切錐形面(32)的點(D)處，凹肩的內(nèi)周邊面(27)具有最小的直徑(IDB)，該錐形面與內(nèi)螺紋元件共軸，頂點半角為45度，其中，凹肩區(qū)域(24)內(nèi)的直徑隨著到所述凹接合面(26)的距離的增加而減小并且通過所述凹接合面(26)的外邊緣(A)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中的任一項所述的管狀螺紋連接，其特征在于，凹肩的內(nèi)周邊面(27)在所述凹接合面(26)的一側(cè)上的端部(B)處的直徑基本等于凸唇(18)的內(nèi)周邊面(17)的內(nèi)徑(IDP)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的管狀螺紋連接，其特征在于，凹肩的內(nèi)周邊面(27)包括被稱為過渡部分(29，39)的第一部分和具有最小內(nèi)徑(IDB)的第二柱狀部分(30)，第一部分的內(nèi)徑從凹接合面(26)開始逐漸減小。
7.根據(jù)權(quán)利要求4和6所述的管狀螺紋連接，其特征在于，凹肩的內(nèi)周邊面(27)的過渡部分(29，39)和圓柱狀部分(30)在點(C)相交，該點被稱作聯(lián)接點，位于在凹接合面(26)的一側(cè)上的所述過渡部分的端部(B)與凹肩的內(nèi)周邊面(27)和最大剪切錐形面(32)的截交點(D)之間的軸向間距的大致中間。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的管狀螺紋連接，其特征在于，所述的凹肩的內(nèi)周邊面(27)的過渡部分包括和內(nèi)螺紋元件共軸且頂點半角在15度到45度之間的錐形面(29)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的管狀螺紋連接，其特征在于，所述的凹肩的內(nèi)周邊面(27)的過渡部分包括和內(nèi)螺紋元件共軸且頂點半角在30度到45度之間的錐形面(29)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的管狀螺紋連接，其特征在于，所述的凹肩的內(nèi)周邊面(27)的過渡部分至少包括一個和內(nèi)螺紋元件共軸的復(fù)曲面(39)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的管狀螺紋連接，其特征在于，所述的凹肩的內(nèi)周邊面(27)的過渡部分包括復(fù)曲面(39)，其中，在該復(fù)曲面的在所述凹接合面(26)的一側(cè)上的切線相對螺紋連接的軸(XX)形成的角度在15度到45度之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的管狀螺紋連接，其特征在于，所述的凹肩的內(nèi)周邊面(27)的過渡部分包括復(fù)曲面(39)，該復(fù)曲面在其對著所述凹接合面(26)的一端處與凹肩的內(nèi)周邊面(27)的圓柱狀部分(30)相切。
13.根據(jù)權(quán)利要求1到12中的任一項所述的管狀螺紋連接，其特征在于，所述凹、凸接合面(16，26)形成反接合表面，其相對螺紋元件的軸(XX)成負角，該負角為20度或更小。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種其尖端帶有凸唇(18)的外螺紋連接器(1)，凸唇具有凸接合面(13)和凸止動(14)橫向面(16)鄰近凸接合面；還涉及內(nèi)螺紋元件(21)，為了與外螺紋元件的相應(yīng)裝置配合，包括凹接合面(23)和設(shè)置在凹肩上且鄰近凹接合面的凹止動橫向面。由凸止動面(16)和凹止動面(26)的壓力所產(chǎn)生的軸向壓應(yīng)力作用下的環(huán)形凹肩區(qū)域(24)具有內(nèi)周邊面(27)，該面的直徑(ID
文檔編號E21B17/042GK1437673SQ0181156
公開日2003年8月20日 申請日期2001年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月20日
發(fā)明者西萊恩·謝斯, 杉野正明, 伊曼紐爾·瓦倫尼, 山本三幸 申請人:法國瓦羅里克·曼尼斯曼油汽公司, 住友金屬工業(yè)株式會社