專利名稱：楔形螺紋管連接的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
采用螺紋將管接頭連接在一起以便輸送流體是一項(xiàng)非常古老的技術(shù)，該技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了幾百年以便滿足更堅(jiān)固更好的密封管連接的周期性需要(periodic needs)。管連接的性能要求仍然變化很大，例如從包含有小于80psi流體壓力并且實(shí)際上沒有任何機(jī)械負(fù)載的家庭管道，到需要保持15000psi氣壓同時(shí)承受極大的機(jī)械載荷和大溫度波動(dòng)的油井管道。使用管螺紋來連接結(jié)構(gòu)件也是舊技術(shù)。
由于螺紋管連接過去的脆弱性以及容易松脫、泄漏和/或斷裂，所以其在工廠和煉油廠中的應(yīng)用因?yàn)楣I(yè)法規(guī)而被限制于非常小的管徑和低壓。但是，因?yàn)椴淮嬖谶m當(dāng)可選擇的用在為油&氣井而鉆的非常有限的井眼大小內(nèi)的管連接，所以現(xiàn)在這種井中仍然使用螺紋管連接，因此對(duì)螺紋管連接的大多數(shù)研究和開發(fā)都指向這種用途。傳統(tǒng)管螺紋由于其脆弱并且在使用期間容易松脫和/或斷裂，所以其結(jié)構(gòu)應(yīng)用已經(jīng)受到限制。
背景技術(shù)：
Blose的Re.30647披露了截留楔形螺紋(trapped wedgethread)，它在第2欄第7-11行中提出了一種螺紋密封但是沒有教導(dǎo)如何實(shí)現(xiàn)螺紋密封，實(shí)際上在第3欄第40-43行中提及了在牙根(root)和牙頂(crest)之間的不確定的間隙。在美國專利4600224；4600225；或4822081中也沒有教導(dǎo)如何進(jìn)行螺紋密封。
Ortloff的US4671544還證實(shí)了由以上具有共同受讓人的發(fā)明所獲得的螺紋密封的缺點(diǎn)，在其中，他提到在配合螺紋的中點(diǎn)形成的彈性密封(26)和在圖1的22和24處形成的金屬-金屬密封。在第2欄第18-20行中，提到了該螺紋密封但是沒有教導(dǎo)如何實(shí)現(xiàn)。如果那些螺紋確實(shí)密封，則他所提到的彈性密封和金屬-金屬密封將不必要。在圖4中所示的實(shí)施方案沒有要求保護(hù)螺紋密封，而是要求保護(hù)在50處的金屬-金屬密封。
Reeves的US4703959在第2欄第6-17行中披露了在柔軟密封例如聚四氟乙烯上的截留楔形螺紋連接。還有，他要求保護(hù)螺紋密封但是沒有教導(dǎo)如何實(shí)現(xiàn)它。如果這些螺紋密封了所容納的流體，則柔軟密封是不必要的。
Mott的US5454605描寫了在第2欄第48-61行中所述的并且在圖3&4中所示的截留楔形螺紋。在該文獻(xiàn)第1欄第15行-第2欄第2行中他恰當(dāng)?shù)孛枋隽税惭b和拆卸問題以及燕尾形楔形螺紋的易損性(damagesusceptibility)。在第2欄第60-65行，第4列第61行至第5欄第1行中，他要求保護(hù)了一種螺紋密封，但是仍然沒有教導(dǎo)甚至如何密封泥漿。他指出，“在裝配時(shí)在螺紋之間沒有任何間隙，因此在它們之間甚至沒有截留螺紋潤滑劑”，但是不幸的是，這種的理想情況尤其在管連接的成本界限范圍內(nèi)超出并將始終超出機(jī)械加工能力。
Watts的US2766998教導(dǎo)了如何形成彈性金屬唇形密封和配合座，以便對(duì)氣體進(jìn)行長(zhǎng)久并且在壓力和溫度極端變化的情況下的高壓密封。
Watts的US5427418教導(dǎo)了打開式楔形螺紋和元件，這些元件必須位于管螺紋的完全裝配的位置處，以用螺紋潤滑劑密封高壓。本申請(qǐng)是在‘418專利上的改進(jìn)，該專利披露了每匝可工作的密封比例，即半徑變化對(duì)螺紋寬度變化的比例。
上述六份楔形螺紋專利具有共同的受讓人，并且其中四份具有共同的發(fā)明人，該發(fā)明人證實(shí)已經(jīng)對(duì)楔形螺紋進(jìn)行了25年的長(zhǎng)期、細(xì)致和持續(xù)的改進(jìn)。經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)表明上面其它發(fā)明人的所有截留楔形螺紋的共同特征在于，負(fù)荷螺牙側(cè)面(load flank)沒有嚙合，但是在它們之間截留了潤滑劑，而與此同時(shí)嵌入螺牙側(cè)面(stab flank)嚙合并且在到達(dá)完全裝配的理想位置之前在荷載螺牙側(cè)面間隙中的加壓潤滑劑推壓下產(chǎn)生高的早期(premature)抗摩擦力矩，以及這些螺紋不保持密封。這種早期抗裝配(makeup resisting)力矩用來停止尚未達(dá)到完全構(gòu)成裝配的轉(zhuǎn)動(dòng)，這使得在荷載螺牙側(cè)面間隙中的潤滑劑在超時(shí)并且當(dāng)受到操作載荷作用時(shí)過后地泄漏，并且松開了連接和反過來降低了其被驅(qū)動(dòng)或用作機(jī)械支撐件或密封的能力。在這些陽螺紋第一次轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入這些陰螺紋中時(shí)，牙頂間隙(在配合牙根和牙頂之間的間隙)和荷載螺牙側(cè)面間隙都非常寬，因此多余的潤滑劑從連接處自由地流出。在裝配的后半階段力矩開始增加，此時(shí)，在配合螺紋面之間的所有間隙寬度充分減小，使得通過狹長(zhǎng)螺紋間隙向外擠出的潤滑劑開始密封，并且由此開始構(gòu)建逐漸增加的背壓，反過來又在配合螺紋之間產(chǎn)生出抗摩擦力矩。上述其它人的楔形螺紋專利沒有一個(gè)教導(dǎo)了或甚至提及可工作變化比例(CR＝每匝的螺紋直徑變化對(duì)牙頂寬度變化的比例)的重要性，對(duì)于形成所有配合螺牙側(cè)面的接觸和在牙頂間隙中的潤滑劑厚度，以便(1)進(jìn)行剛性非松散連接；(2)進(jìn)行螺紋密封；以及(3)長(zhǎng)時(shí)間(after time)和/或受到作用力(service force)之后保持密封和非松散特性而言，這種可工作變化比例是必要的。
當(dāng)將由其它人制作的楔形螺紋裝配至密合位置(Snug Position)時(shí)，牙頂間隙(crest gap)等于BTD，并且因?yàn)槁菁y的低CR值，一個(gè)螺牙側(cè)面間隙較寬，進(jìn)一步的裝配導(dǎo)致潤滑劑根據(jù)液壓法則流動(dòng)，徑向地以一英寸的一小部分從其長(zhǎng)螺旋路徑剛剛開始被密封的牙頂間隙流動(dòng)到較寬的螺牙側(cè)面間隙內(nèi)，并因此從配合螺紋之間開始向外螺旋形流動(dòng)，因?yàn)檠理旈g隙減少至最小厚度(Q)，螺紋可以在潤滑劑中向下壓縮固體。逐漸提高牙根-牙頂?shù)母缮?，然后其抵抗力矩開始構(gòu)建，因?yàn)檩^寬的螺牙側(cè)面間隙寬度在逐漸減少，這壓迫了在其中的潤滑劑，并因此強(qiáng)迫其他套配合的螺牙側(cè)面逐漸緊靠在一起，開始第二個(gè)逐漸提高的抗摩擦力矩。當(dāng)兩個(gè)抵抗力矩一同構(gòu)建并等于所施加的最大裝配力矩的時(shí)候，在尚未達(dá)到完全裝配的理想位置之前停止旋轉(zhuǎn)，在螺牙側(cè)面間隙中留下流體潤滑劑，而不是將所有的螺牙側(cè)面楔在一起。以后的軸向操作作用力例如振動(dòng)、彎曲、和熱變化，導(dǎo)致潤滑劑從螺牙側(cè)面間隙間歇地流動(dòng)，從而導(dǎo)致通過松脫連接的螺牙側(cè)面間隙螺旋型地泄漏至外面。在泄漏之后，在測(cè)試實(shí)驗(yàn)室中施加給該連接的隨后的裝配力矩可以暫時(shí)地重新密封該螺牙側(cè)面間隙，但是不能合攏牙頂間隙漏縫，因?yàn)檠理旈g隙不含有流體潤滑劑。最重要的是，在該區(qū)域中，通常不可以施加隨后的裝配力矩。本申請(qǐng)通過確定和使用可工作的CR來解決這些問題。

發(fā)明內(nèi)容
本申請(qǐng)將采用下面給出的定義和公式。
螺牙側(cè)面角＝在與管軸線一致的平面中并且在螺紋螺牙側(cè)面和與軸線成90度的平面之間的間隙中所測(cè)量出的角度，該角度在螺牙側(cè)面與軸線垂直的情況下為零；該角度在螺牙側(cè)面更加面朝牙頂?shù)那闆r下為正；該角度在螺牙側(cè)面更加面朝牙根的情況下為負(fù)；夾角＝嵌入螺牙側(cè)面角與荷載螺牙側(cè)面角的代數(shù)和；螺紋匝(thread turn)＝螺紋的一個(gè)360度部分陽螺紋端(pin)＝陽螺紋管端部，最小直徑的螺紋匝是第一個(gè)螺紋匝；陰螺紋(box)＝形成用于與陽螺紋配合的陰螺紋管端部，最大直徑的螺紋匝是第一個(gè)螺紋匝；陽螺紋牙頂間隙＝當(dāng)組裝時(shí)，在陽螺紋牙頂和配合的陰螺紋牙根之間的間隙；陰螺紋牙頂間隙＝當(dāng)組裝時(shí)，陰螺紋牙頂和配合陽螺紋牙根之間的間隙；楔形螺紋＝具有牙頂、牙根、嵌入螺牙側(cè)面和負(fù)載螺牙側(cè)面的螺紋，負(fù)載螺牙側(cè)面以比嵌入螺牙側(cè)面大的螺旋角來形成，從而牙頂?shù)妮S向長(zhǎng)度在第一螺紋匝開始處最小，牙頂長(zhǎng)度逐漸增大至在最后的螺紋匝的端部處的最大軸向長(zhǎng)度，從而陰螺紋和陽螺紋可以擰在一起至完全裝配的理想位置，在該位置，嵌入螺牙側(cè)面和負(fù)載螺牙側(cè)面相接觸，并楔入緊靠它們各自的配合螺牙側(cè)面，這樣停止了該連接的裝配。
截留螺紋＝對(duì)于其螺牙側(cè)面寬度的至少一個(gè)部分具有負(fù)的夾角的螺紋；開放式螺紋＝在其整個(gè)螺牙側(cè)面寬度上沒有負(fù)夾角的螺紋形式；金屬-金屬密封＝完全形成在一部分陽螺紋或陰螺紋周圍的非螺紋表面，所述的陽螺紋或者陰螺紋與另一個(gè)的配合表面連續(xù)接觸，以便對(duì)來自連接內(nèi)或連接外的流體進(jìn)行密封；DT＝在給定條件下在配合螺紋之間的可變間隙寬度和潤滑劑厚度；Q＝當(dāng)潤滑劑自由地從配合面之間向外流動(dòng)時(shí)該潤滑劑將壓緊在這些配合面之間的最小潤滑劑厚度；HTD＝合攏厚度尺寸＝組裝好的配合螺紋表面之間的最小間隙寬度，這將使得潤滑劑能夠瞬間流動(dòng)并且重新密封泄漏通道；BTD＝橋接厚度尺寸＝組裝好的螺紋表面之間的最小間隙寬度，其中所使用的螺紋潤滑劑將密封該間隙；摩擦角＝作用在彼此相對(duì)滑動(dòng)的兩個(gè)固體之間的摩擦系數(shù)的反正切；干緊位置＝陰螺紋和陽螺紋的理論完全裝配位置，不使用任何螺紋潤滑劑，以便獲得在陰螺紋和陽螺紋之間的完全設(shè)計(jì)徑向干涉(redialinterference)；DRI＝當(dāng)處于干緊位置時(shí)在配合螺紋之間的設(shè)計(jì)徑向干涉；SP＝密合位置＝部分裝配位置，在該位置處，牙頂間隙等于橋接厚度尺寸，并且配合的嵌入螺牙側(cè)面相互接觸；G＝在處于密合位置時(shí)在荷載螺牙側(cè)面之間的間隙寬度；陽螺紋壁厚＝在嚙合螺紋的長(zhǎng)度的中點(diǎn)處在徑向上測(cè)量出的尺寸，從陽螺紋螺距直徑延伸到陽螺紋孔；陰螺紋壁厚＝在嚙合螺紋的長(zhǎng)度的中點(diǎn)處在徑向上測(cè)量出的尺寸，從陰螺紋螺距直徑延伸到陰螺紋外徑的；嵌入螺距＝嵌入螺牙側(cè)面之間的軸向長(zhǎng)度，相隔一個(gè)螺紋匝；荷載螺距＝，荷載螺牙側(cè)面之間的軸向長(zhǎng)度，相隔一個(gè)螺紋匝；強(qiáng)力連接＝一種管連接，該管連接將密封并且在該陽螺紋或陰螺紋的任何部分的VME屈服應(yīng)力第一次達(dá)到荷載的任意組合下不斷裂；RCT＝每匝陽螺紋牙頂半徑變化；WCT＝每匝陽螺紋牙頂寬度變化；CR＝變化比＝RCT/WCT。
本發(fā)明可以與用于任意用途的任意類型或尺寸的開放式或截留楔形螺紋實(shí)施方案結(jié)合，這些用途包括但不限于直徑大于管子的傳統(tǒng)雙陰螺紋耦合；雙陽螺紋耦合；整體接頭；平式接頭；鐓粗(upset)管端；焊接在端部上；用于將管子連接在厚壁容器上；用于可拆卸地連接例如結(jié)構(gòu)件等。開放式楔形螺紋對(duì)于一些用途而言具有優(yōu)于截留式楔形螺紋的優(yōu)點(diǎn)，例如便于制造和測(cè)量、更容易預(yù)測(cè)裝配位置以及減小了操作損壞。截留式楔形螺紋通過防止承受極端工作條件的配合螺紋的徑向分離從而在某些情況中具有更好的密封性能。多頭起始螺紋(multiple start thread)也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。本發(fā)明可以通過以最佳地適用于在權(quán)利要求下的任意特定或通常用途的不同組合中選擇地使用各種特征來實(shí)施。本發(fā)明教導(dǎo)了楔形螺紋變化比范圍，這將通過保證在全裝配位置處的密封完成配合螺紋之間的密封所有配合螺牙側(cè)面緊密接觸從而這些螺紋將不會(huì)松脫；牙頂間隙對(duì)于用來密封的潤滑劑而言不是太寬；牙頂間隙對(duì)于瞬時(shí)流動(dòng)的潤滑劑而言不是太窄，但足以重新密封在牙頂間隙中的已經(jīng)由操作力打開的泄漏通道，從而實(shí)現(xiàn)在配合螺紋之間的密封。配合螺牙側(cè)面的徑向?qū)挾瓤梢韵嗟?，陰螺紋螺牙側(cè)面的徑向?qū)挾瓤梢源笥陉柭菁y螺牙側(cè)面的徑向?qū)挾?，或者陽螺紋螺牙側(cè)面的徑向?qū)挾瓤梢源笥陉幝菁y螺牙側(cè)面的徑向?qū)挾取A角可以為零、正或負(fù)。這些螺牙側(cè)面可以徑向伸出，或者它們可以按照任意方式傾斜。
根據(jù)本發(fā)明的CR數(shù)值在裝配的后面階段期間，留在本發(fā)明的配合螺紋之間的最后間隙為牙頂間隙，這些間隙收集潤滑劑并且對(duì)它進(jìn)行加壓，從而在最終裝配位置處，兩組配合螺牙側(cè)面牢固接觸地楔入。牙頂潤滑劑壓力在裝配的最后階段期間徑向作用在配合的牙頂和牙根上，從而使它們保持分開，這就降低了裝配力矩。(1)當(dāng)夾角為負(fù)時(shí)，在達(dá)到最終裝配位置時(shí)，徑向作用在配合牙頂上的潤滑劑壓力乘以等于(夾角/2+摩擦角)的余切的楔入系數(shù)，并且通過軸向矢量作為在配合螺牙側(cè)面之間的承載壓力被施加，從而使它們充分密封在它們之間的潤滑劑的“Q”厚度上，并且將它們保持在一起而不會(huì)出現(xiàn)可以由操作力推動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。(2)當(dāng)夾角為正時(shí)，牙根-牙頂潤滑劑壓力在裝配期間徑向作用在牙頂和根部上以克服徑向干涉力使它們保持分開，這降低了裝配力矩，并且在完全裝配的位置處，在陰螺紋和陽螺紋之間的徑向干涉力將這兩組配合螺牙側(cè)面推壓成硬楔入接觸，并且減去牙頂潤滑劑壓力的徑向干涉力乘以相同的系數(shù)并且作為軸向密封和承載壓力施加在配合的螺牙側(cè)面之間。(3)當(dāng)兩個(gè)螺牙側(cè)面與軸線垂直時(shí)，牙頂潤滑劑壓力使牙根和牙頂保持分開并且降低了裝配力矩直到在配合螺牙側(cè)面之間的切向楔入力使轉(zhuǎn)動(dòng)停止并且將這些螺牙側(cè)面密封。在每種情況中，通過不寬于BTD的潤滑劑厚度來最終密封這些牙頂間隙。用于解釋本發(fā)明的以下計(jì)算公式包括一些與家庭測(cè)量數(shù)值相比非常小的尺寸，但是它們是當(dāng)前在納米技術(shù)中計(jì)算出的尺寸的幾千倍，并且是用在量子物理中的尺寸的幾十億倍。這些計(jì)算是可靠的，因?yàn)閿?shù)學(xué)是一項(xiàng)完美的科學(xué)。
下面將說明如何確定和應(yīng)用正確的CR當(dāng)以剖面示出的陰螺紋螺紋槽在理論上保持靜止并且陽螺紋通過陽螺紋槽從干緊位置(DTP)向密合位置(SP)后退時(shí)，所形成的陽螺紋牙頂半徑的變化＝設(shè)計(jì)徑向干涉(DRI)+橋接厚度尺寸(BTD)，并且軸向螺牙側(cè)面行程＝G.RCT＝每匝的半徑變化，并且WCT＝每匝的螺紋寬度變化，因此從DTP到SP的后退匝數(shù)為(DRI+BTD)/RCT＝G/WCT。然后，CR＝RCT/WCT，因此后退的CR＝(DRI+BTD)/G。然后，在用潤滑劑涂覆這些螺紋并且將它們從密合位置擰緊到緊固位置之后，所形成的陽螺紋半徑增量＝(DRI+BTD-DT)，并且螺牙側(cè)面行程＝(G-Q)，因此裝配的CR＝(DRI+BTD-DT)/(G-Q)，這等于后退的CR，因?yàn)镃R不能在后退和裝配之間變化。對(duì)G＝Q(DRI+BDT)/DT進(jìn)行求解，并且代替G成為裝配CR。那么，CR＝DT/Q；最大DT＝BTD；最小DT＝HTD，因此最大CR＝MCR＝BDT/Q，并且最小CR＝LCR＝HTD/Q。因此，DRI的數(shù)值和半徑公差消掉并且不會(huì)影響CR的數(shù)值。在陽螺紋和陰螺紋之間的RCT和WCT上的公差差異可以忽略不計(jì)，因?yàn)镃NC機(jī)加工精度為0.0005cm/cm長(zhǎng)度。如果希望使陰螺紋或陽螺紋螺紋深度之中的一個(gè)與另一個(gè)相差一截?cái)喑叽?truncation dimension)“TD”，則MCR＝(BTD-TD)/Q。對(duì)于給定潤滑劑組分的BTD、HTD和Q的數(shù)值可以如下估計(jì)出或者對(duì)于陌生的潤滑劑，可以通過小心控制的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)來確定它們BTD＝由不能通過的相關(guān)篩孔所限定的潤滑劑中的最大固體顆粒等級(jí)的尺寸；HTD＝BTD×(所制出的潤滑劑的全部固體顆粒的體積百分比)；Q＝BTD×(所制出的潤滑劑的可延展顆粒的體積百分比)。實(shí)施例鉛、鎘和銅是可延展的，但是石墨和油是不可延展的。采用通常的API 5A2 Mod潤滑劑BTD＝0.0152cm；HTD＝0.0152cm×0.27＝0.0041cm；Q＝0.0152cm×0.1＝0.00152cm。
在給定范圍內(nèi)選擇一CR數(shù)值時(shí)，最好首先選擇足夠低的WCT，低得足以使RCT對(duì)于在該范圍內(nèi)的CR而言將不會(huì)不必要地高。為了指導(dǎo)WCT的選擇，優(yōu)選但不是強(qiáng)制地將WCT設(shè)定為實(shí)際值；在LCR和MCR之間選擇CR；并且RCT＝WCR/CR。其CR稍小于LCR或稍大于MCR的螺紋可以暫時(shí)密封，但是不容易在工作條件下保持密封。通常在沒有到達(dá)理想裝配位置之前就停止裝配，一匝的一小部分等于2×tan(夾角/2)×DT/WCT。
裝配階段A在密合位置處，第一螺牙側(cè)面間隙(通常為嵌入螺牙側(cè)面間隙)已經(jīng)閉合，因?yàn)樵谒鼈冎g的滑動(dòng)作用已經(jīng)將沒有在微小表面縫隙中的所有潤滑劑挫掉并且從第一螺牙側(cè)面間隙克服非常小的壓力將它擠進(jìn)牙頂間隙中。第二牙頂間隙寬度小于BTD，因此它已經(jīng)開始密封并且因此限制潤滑劑通過其較長(zhǎng)的局部密封長(zhǎng)度螺旋地從第二牙頂間隙流出，但是它可以很容易徑向流動(dòng)幾分之一英寸進(jìn)入到壓力更低的較寬牙頂間隙中。隨著裝配的進(jìn)行，由于油脂和細(xì)小粉末固體顆粒圍繞著在間隙表面之間壓實(shí)成“Q”厚度的可延展固體顆粒流出，所以第二牙頂間隙將降低至“Q”寬度。留在配合螺牙側(cè)面之間的潤滑劑將保持密封，因?yàn)樗喂痰鼐o緊楔入在螺牙側(cè)面之間。但是，在牙頂間隙中的“Q”潤滑劑厚度不能維持密封，因?yàn)樗鼪]有緊緊楔入，但是受到熱、機(jī)械和流體壓力壁撓曲的作用，因此即使短暫的瞬時(shí)振動(dòng)也會(huì)引起在牙根和牙頂之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這會(huì)干涉固體顆粒的薄層，形成泄漏通道并且產(chǎn)生泄漏，因?yàn)椴淮嬖诹黧w潤滑劑以重新密封(合攏)該牙頂泄漏通道。
裝配階段B在最后的螺牙側(cè)面間隙閉合時(shí)，沒有更寬的間隙用于潤滑劑從牙頂間隙的減小寬度中流進(jìn)流出，因此由于更大的漿狀并且逐漸密封的固體顆粒，限制了剩余固體顆粒通過其細(xì)長(zhǎng)螺旋間隙流出。但是，大部分油(和/或油脂)已經(jīng)流出，同時(shí)大部分固體顆粒攔在被夾緊的較大顆粒后面，并且固定作為密封劑，從而由本發(fā)明的可每一個(gè)的工作CR數(shù)值控制得到在BTD和HTD中間的潤滑劑厚度。
就申請(qǐng)人的最好知識(shí)和認(rèn)知而言，沒有楔形螺紋專利教導(dǎo)了在由我的公式限定的范圍內(nèi)的CR數(shù)值，即使偶然落入在該范圍內(nèi)但是沒有認(rèn)識(shí)并且教導(dǎo)CR特征作為優(yōu)點(diǎn)，則本發(fā)明沒有因此受到影響。作為產(chǎn)品系列銷售的所有連接件和/或在任意給定管道系統(tǒng)中所使用的所有連接件必須密封且不會(huì)松開以便該系統(tǒng)安全且正確地操作，例如在油井、化學(xué)工廠、學(xué)校建筑或辦公室建筑，因此如果在管道系統(tǒng)中只有少數(shù)一些連接件沒有出故障，則該系統(tǒng)不能實(shí)際應(yīng)用。例如，在油或氣井中，在那里具有幾排直徑、壁厚和深度不同的管子，它們往往具有不同的結(jié)構(gòu)并且由不同的金屬制成。另外，在每一排中的幾百個(gè)連接件可以為幾種不同的連接類型，因此需要許多不同的管連接來完成一個(gè)井，并且如果一根管子泄漏或松開的話，則可能導(dǎo)致危險(xiǎn)、著火、爆炸、對(duì)環(huán)境造成損害、損失油井和/或極為高昂的費(fèi)用。在申請(qǐng)人50年的管連接的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和申請(qǐng)過程中，他已經(jīng)觀察到許多由不知道產(chǎn)品如何工作的人們作出的錯(cuò)誤產(chǎn)品變化，因此他們無意識(shí)地將該產(chǎn)品改變成不能工作。因此，偶然或隨機(jī)包括特定特征的參考文獻(xiàn)沒有給出預(yù)測(cè)，除非所述參考文獻(xiàn)也教導(dǎo)了如美國案例法的“本領(lǐng)域普通技術(shù)人員”能夠理解和使用的特征。
通過我的相對(duì)陡峭的錐度來實(shí)現(xiàn)優(yōu)選實(shí)施方案的寬嵌入螺牙側(cè)面和大半徑。當(dāng)下降至陰螺紋以進(jìn)行裝配時(shí)，陽螺紋嵌入螺牙側(cè)面壓靠在陰螺紋的配合嵌入螺牙側(cè)面上以支撐所安裝的管接頭，如由我的專利5018771所教導(dǎo)的一樣，這也使陽螺紋有超過一半的長(zhǎng)度被設(shè)置到陰螺紋中，從而對(duì)準(zhǔn)是自動(dòng)的，并且如Mott在‘605中所披露的一樣不會(huì)出現(xiàn)交叉攻絲(crossthreading)。如上面所限定的CR數(shù)值對(duì)螺紋錐度具有影響，理想的是，該錐度應(yīng)該隨著壁厚增加大致在可工作的CR范圍內(nèi)增加，以防止過大的螺紋長(zhǎng)度。我的CR范圍使得能夠針對(duì)給定的設(shè)計(jì)合理地選擇CR數(shù)值。為了防止當(dāng)陽螺紋嵌入進(jìn)陰螺紋時(shí)在陽螺紋牙頂和陰螺紋牙頂之間的錐形鎖緊，優(yōu)選的是，如本領(lǐng)域所公知的一樣，將牙頂和牙根平行于管軸線設(shè)置。對(duì)于給定直徑螺紋而言在荷載螺牙側(cè)面軸向螺距長(zhǎng)度和嵌入螺牙側(cè)面軸向螺距長(zhǎng)度的差異限定了在相鄰螺牙側(cè)面之間的切向楔入角，如果該楔入角太大，則這些螺紋可能松開并且泄漏，但是如果太小，則該連接可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到完全裝配的理想位置之前就停止。通過下面給出的針對(duì)數(shù)值“J”的我的公式可以發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)WCT數(shù)值，并且可以通過分別用于“LF”和“SF”的我的公式來找出負(fù)載螺牙側(cè)面軸向螺距和嵌入螺牙側(cè)面軸向螺距的試驗(yàn)數(shù)值，從而接近在正確CR范圍內(nèi)的其最終數(shù)值。
陰螺紋和陽螺紋的配合螺牙側(cè)面寬度可以相等，或者一個(gè)螺牙側(cè)面其徑向?qū)挾瓤梢源笥诹硪粋€(gè)。當(dāng)配合的螺牙側(cè)面寬度相等時(shí)，則所得到的陰螺紋牙頂間隙將等于所得到的陽螺紋牙頂間隙。如果配合的螺牙側(cè)面寬度不相等，則在下面給出的我的公式中將優(yōu)選的數(shù)值定義為“S”和“B”。為了將在裝配期間局部牙頂損壞的效果減至非常之小，以致于在組裝時(shí)不能用肉眼看到，本發(fā)明教導(dǎo)了可以將螺紋螺牙側(cè)面寬度的尺寸和公差設(shè)置得使得陽螺紋螺牙側(cè)面寬度小于陰螺紋螺牙側(cè)面寬度，從而在裝配時(shí)，最可能受到損壞的陽螺紋牙頂保持與陰螺紋牙根分開，以便防止在它們之間出現(xiàn)磨損。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，陰螺紋螺牙側(cè)面寬度要小于陽螺紋螺牙側(cè)面寬度，從而使陽螺紋牙根保持與陰螺紋牙頂分開，但是如下面所述一樣，這種防損壞特征會(huì)與最佳密封結(jié)構(gòu)一起喪失在螺紋嚙合的小直徑端部處，楔形螺紋的陰螺紋牙頂?shù)妮S向長(zhǎng)度必須比陽螺紋牙頂?shù)妮S向長(zhǎng)度長(zhǎng)許多，因此我的優(yōu)選實(shí)施方案如此設(shè)置，長(zhǎng)度更長(zhǎng)的陰螺紋牙頂限定了更小的間隙寬度以減小在流體壓力通常是最大的地方處的泄漏可能性，并且更短的陽螺紋牙頂長(zhǎng)度限定了更寬的間隙，但是不比橋接厚度尺寸寬。
為了使得陽螺紋和陰螺紋在圓周上彼此一致，在陰螺紋和陽螺紋之間建議設(shè)置預(yù)定量的徑向干涉，從而足以在陰螺紋中產(chǎn)生出最優(yōu)的拉伸周向應(yīng)力并且在陽螺紋中產(chǎn)生出最優(yōu)壓縮周向應(yīng)力。如果裝配周向應(yīng)力過大，則可以降低針對(duì)內(nèi)部流體壓力的陰螺紋定額(box rating)針對(duì)軸向負(fù)載的陽螺紋定額(pin rating)，因?yàn)檫@些應(yīng)力附加在由流體壓力和軸向負(fù)載產(chǎn)生出的周向和軸向應(yīng)力上。因此，本發(fā)明的任選特征教導(dǎo)了，在配合陰螺紋和陽螺紋之間的優(yōu)選直徑干涉應(yīng)該大致為管外徑的1/5×管材料屈服應(yīng)力/管材料的彈性模量。為了得到最佳性能，干涉應(yīng)該沿著在嚙合螺紋的兩個(gè)端部之間的螺旋螺紋長(zhǎng)度一直延伸，并且在規(guī)定直徑和錐度公差時(shí)應(yīng)該考慮干涉應(yīng)力。這種受控的干涉將使得工作接近最大負(fù)荷率，并且也將減小楔形螺紋螺牙側(cè)面永久嚙合的趨勢(shì)。
對(duì)于極限工作要求而言或因?yàn)橛脩粢?guī)范需要它，所以在嚙合螺紋的任一或兩個(gè)端部附近可以形成用來增大螺紋密封的金屬-金屬密封。設(shè)置在陽螺紋端部附近用來與在靠近陰螺紋的小直徑端部的陰螺紋內(nèi)形成的配合密封表面相協(xié)作的這種密封表面將克服內(nèi)部流體壓力減小密封直徑，由此降低了加載在該連接上的軸向和周向流體壓力。需要通過將陰螺紋的內(nèi)徑表面形成在其表面附近來在配合螺紋的大直徑端部附近形成金屬-金屬密封，用于與在靠近陽螺紋的大直徑端部的陽螺紋周圍形成的配合密封表面合作。這種外密封將提供對(duì)外部流體壓力的最大阻力，并且也可用來在一些情況中防止螺紋的外部腐蝕。當(dāng)在平式接頭連接中需要這種密封時(shí)，則密封唇口厚度所需要的壁厚不再適用于該連接的機(jī)械強(qiáng)度，但是通過使用我的專利5516158所教導(dǎo)的過程中型鍛(in-process swaging)，可以用比鐓鍛或者全型鍛連接低的成本來獲得全力(full strength)近齊平連接。本發(fā)明用于增強(qiáng)連接強(qiáng)度、其密封的能力以及改善其成本的另一個(gè)任選特征是使得所嚙合的螺紋的軸向長(zhǎng)度以及它們的牙頂長(zhǎng)度的尺寸成為實(shí)際的最小值，并使得在螺紋嚙合的該長(zhǎng)度中的螺紋匝的數(shù)量最大，這是通過使得第一陽螺紋匝的最小軸向牙頂長(zhǎng)度的尺寸基本等于第一陰螺紋匝的最小軸向牙頂長(zhǎng)度而實(shí)現(xiàn)的。以下對(duì)于標(biāo)為“A”的平均軸向螺距所給出的公式會(huì)使得未來的設(shè)計(jì)師能為任何大小的連接確定這種尺寸。然后基于“A”的值，通過我的分別如下所示的“SF”和“LF”公式可以求出嵌入螺牙側(cè)面螺距長(zhǎng)度和荷載螺牙側(cè)面螺距長(zhǎng)度。因此，可以避免其它的不可工作的、浪費(fèi)的和/危險(xiǎn)的產(chǎn)品。
為了實(shí)現(xiàn)螺紋密封，在以牢固的接觸使得螺牙側(cè)面楔配合之后，在牙頂和牙根之間存在的間隙寬度必須不超過橋接厚度尺寸。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，通過嵌入螺牙側(cè)面的徑向?qū)挾群秃奢d螺牙側(cè)面的徑向?qū)挾葋砜刂圃撻g隙寬度，可以維持前述的陽螺紋-陰螺紋徑向干涉。當(dāng)陰螺紋牙頂接觸陽螺紋根部時(shí)容易說陽螺紋牙頂準(zhǔn)確地接觸陰螺紋的牙根，但是機(jī)加工公差防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，并且甚至接近空想家的條件，這對(duì)于管連接的制造來說是過于昂貴的。因此如上所解釋的，為了螺紋能夠密封，必須限定最大間隙寬度并且在實(shí)際中不得超過。在保持標(biāo)準(zhǔn)制造實(shí)際中，優(yōu)選的但是不是強(qiáng)制性的，目標(biāo)間隙寬度是在BTD和HTD之間的中間值。
以下解釋本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選特征當(dāng)具有零夾角的配合楔形螺紋牢固地楔在一起時(shí)，不存在因?yàn)檫^量的力矩而將螺紋擠出它們的配合溝槽的傾向。楔形螺紋徑向干涉由螺紋牙根-螺紋牙頂干涉引起，這在到達(dá)最大力矩幅度之前并且與其無關(guān)，這種最大力矩幅度只有在配合螺牙側(cè)面楔入時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。對(duì)于不需要我前面描述的實(shí)施方案可以提供的最大扭矩抵抗力的開放式楔形螺紋有服務(wù)應(yīng)用(service application)，并且對(duì)于這些螺紋，以下任選的實(shí)施方案具有一定的優(yōu)點(diǎn)，例如在一定情況下改善螺紋切割工具的幾何形狀，從而可以按照大于摩擦角兩倍的夾角來形成螺牙側(cè)面。由于裝配扭矩，螺牙側(cè)面上的軸向楔入力比在牙根和牙頂之間的干涉大許多倍，因?yàn)樵诼菅纻?cè)面之間的螺旋形構(gòu)成的夾角非常小。在配合螺牙側(cè)面之間的軸向力的矢量等于楔入力乘以[夾角/2-摩擦角]的正切值。因此很明顯，如果夾角不超過螺牙側(cè)面之間的摩擦角的兩倍，就不會(huì)有這種力存在，但是，當(dāng)干涉迫使具有小于摩擦角二倍的夾角的配合螺紋在一起時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過早的鎖緊。理想的是正的夾角超過摩擦角兩倍，然后在采用這種夾角之前，工程計(jì)算必須首先確認(rèn)陰螺紋和陽螺紋壁足夠強(qiáng)壯以保持該力，同時(shí)不會(huì)受力過大。零度的夾角是優(yōu)選的，以消除這種分開傾向的任何顧慮，但是很明顯，具有正或者負(fù)的夾角的楔形螺紋處于本發(fā)明的范圍內(nèi)。當(dāng)根據(jù)本發(fā)明形成截留或者開放式楔形螺紋時(shí)，優(yōu)選的但是并不是強(qiáng)制的，夾角的絕對(duì)值大于所使用的潤滑劑摩擦角的兩倍，以防止螺紋過早鎖緊。
當(dāng)根據(jù)本發(fā)明使用給定的螺紋連接時(shí)，同時(shí)具有適合于在螺紋之間密封和潤滑的大的和小的固體顆粒的管潤滑劑可以用于螺紋。這種潤滑劑應(yīng)當(dāng)具有大的固體的可延展的顆粒，其寬度不小于在組裝好的螺紋之間可能形成的最寬的牙根-牙頂間隙，其組合體積大于潤滑劑體積的1/200，從而有效的密封牙根-牙頂間隙，但是小于溶液體積的1/20，從而防止在配合螺牙側(cè)面之間截留過量的顆粒，由此保持配合螺牙側(cè)面不會(huì)以牢固的接觸相嚙合，而后者可以允許在投入使用之后連接變松并泄漏。為了防止在配合螺紋之間的所有大小的固體顆粒的過量截留，所有固體顆粒對(duì)潤滑劑體積的體積比應(yīng)當(dāng)不超過可以在配合螺紋之間形成的最小牙根-牙頂間隙與最大牙根-牙頂間隙的比例。
因此現(xiàn)在很清楚，本發(fā)明教導(dǎo)了如何提供有成本效率的、高強(qiáng)度楔形螺紋管連接，它可以容易的和重復(fù)性地組裝，非常接近寬的扭矩范圍內(nèi)的完全裝配的理想位置，從而實(shí)現(xiàn)和保持高壓氣體和/或液體密封，同時(shí)同樣地防止因?yàn)槭褂脳l件而變松，并且即使該連接承受極端的操作負(fù)載例如瞬時(shí)振動(dòng)、機(jī)械加載、流體壓力和/或熱量變化，也可以合攏其牙頂密封。
用于迄今為止的現(xiàn)有技術(shù)沒有教導(dǎo)的我的楔形螺紋的優(yōu)選尺寸，可以按照如下公式來確定，但是本發(fā)明的范圍不限于此。
O.D.＝管外直徑D＝管設(shè)計(jì)O.D.＝在管端部的O.D.公差之內(nèi)的平均直徑P.D.＝螺紋中徑，通常用于工程和制造BL＝在螺紋嚙合的最大直徑處的理想的陽螺紋P.D.
BS＝在螺紋嚙合的最小直徑處的理想的陰螺紋P.D.
T＝圓錐形螺紋錐度＝直徑變化/軸向長(zhǎng)度L＝嚙合的螺紋的長(zhǎng)度＝(BL-BS)/TJ＝荷載螺牙側(cè)面軸向螺距-嵌入螺牙側(cè)面軸向螺距＝0.063+D/2800cm＝ANSI“RC5”Fit，在處于完全裝配位置之前的一個(gè)匝處的時(shí)候W＝陽螺紋荷載螺牙側(cè)面的徑向?qū)挾龋剑紅/6＝＜第一螺紋牙頂?shù)妮S向長(zhǎng)度A＝平均軸向螺距＝W+(W^2+J×L)^0.5LF＝荷載螺牙側(cè)面軸向螺距＝A+J/2SF＝嵌入螺牙側(cè)面軸向螺距＝A-J/2N＝螺紋匝的數(shù)量＝L/AS＝陽螺紋嵌入螺牙側(cè)面的徑向?qū)挾龋絎+A×T/2B＝陰螺紋荷載螺牙側(cè)面的徑向?qū)挾龋絎+0.08cmC＝陰螺紋嵌入螺牙側(cè)面的徑向?qū)挾龋絊+0.08cmY＝連接材料單元的屈服強(qiáng)度E＝連接材料的彈性模量M＝直徑上的優(yōu)選螺紋干涉＝.2×D×Y/EPS＝在螺紋嚙合的小端處的陽螺紋P.D.＝BS+MPL＝在螺紋嚙合的大端處的陽螺紋P.D.＝BL+MPB＝陽螺紋孔
PR＝管材料的泊松比例R＝陰螺紋壁厚對(duì)陽螺紋壁厚的比例BCS＝陰螺紋軸向壓縮應(yīng)力限制＝M×E/[PR×D×(R+1)]PTS＝陽螺紋軸向張應(yīng)力限制＝R×BCS


圖1表示在嵌入位置處的連接的陰螺紋和陽螺紋的一部分；圖2表示在完全裝配位置處的圖1的連接；圖3表示圖1的螺紋部分的部分放大視圖；圖4表示利用雙陽螺紋偶合的另一個(gè)實(shí)施方案的一部分；圖5表示螺牙側(cè)面角的變化的部分視圖；圖6表示螺牙側(cè)面角的另一個(gè)變化的部分視圖；圖7表示在組裝之后的陷型的陽螺紋和陰螺紋的一部分；圖8表示由圓柱形開放式楔形螺紋形成的一部分；圖9來自圖2，表示陽螺紋牙頂間隙寬度的橋接厚度尺寸；圖10來自圖2，表示陰螺紋牙頂間隙寬度的橋接厚度尺寸。
具體實(shí)施例方式
圖1表示在陰螺紋(2)內(nèi)的嵌入位置處的陽螺紋(1)，從而螺旋形構(gòu)成的陽螺紋嵌入螺牙側(cè)面(3)和它形成于其上的管接頭的重量，由螺旋形構(gòu)成的陰螺紋嵌入螺牙側(cè)面(4)支撐。陽螺紋荷載螺牙側(cè)面(5)和陰螺紋荷載螺牙側(cè)面(6)沒有彼此相接觸。通過將陽螺紋降低到陰螺紋內(nèi)而不旋轉(zhuǎn)，可以保持嵌入位置，其中陽螺紋的螺紋匝向下穿過陰螺紋的螺紋匝，直至每個(gè)匝的陽螺紋嵌入螺牙側(cè)面在直徑上與陰螺紋嵌入螺牙側(cè)面接觸太小以致于它不能通過，從而陽螺紋嵌入螺牙側(cè)面壓靠在陰螺紋嵌入螺牙側(cè)面，并且陽螺紋牙頂(7)水平對(duì)準(zhǔn)在陰螺紋牙根(8)內(nèi)。牙根和牙頂優(yōu)選形成為與連接軸線平行以便防止在嵌入期間出現(xiàn)錐形鎖緊，并且形成更寬度的嵌入螺牙側(cè)面。陽螺紋牙頂?shù)妮S向長(zhǎng)度(9)和直徑(10)在其下開始部分處最小，然后逐漸增加至在其上端部處的最大軸向長(zhǎng)度(11)和最大直徑(12)。在嵌入位置處，陰螺紋牙根(14)的軸向長(zhǎng)度(13)是比陽螺紋牙頂(7)的相鄰軸向長(zhǎng)度(9)大的一恒定的長(zhǎng)度，從而當(dāng)陽螺紋旋轉(zhuǎn)以裝配該連接時(shí)，在嵌入螺牙側(cè)面之間出現(xiàn)滑動(dòng)，并且陽螺紋牙頂螺旋向下并且向外朝著陰螺紋牙根運(yùn)動(dòng)，并且朝著在圖2中所示的全裝配位置運(yùn)動(dòng)，陽螺紋螺牙側(cè)面楔入在陰螺紋螺牙側(cè)面之間，因?yàn)殛幝菁y根部和陽螺紋牙頂?shù)南噜忛L(zhǎng)度(13)和(9)變得基本上相等，并且陽螺紋負(fù)載螺牙側(cè)面(5)與陰螺紋負(fù)載螺牙側(cè)面(6)鄰接而使在其間的潤滑劑厚度為“Q”，這在完全裝配的理想位置處停止轉(zhuǎn)動(dòng)。在這些楔入出現(xiàn)之前，潤滑劑截留在兩組牙根和牙頂之間并且受到加壓，并且在第二螺牙側(cè)面間隙中，通過在陽螺紋牙根(20)和陰螺紋牙頂(21)之間的加壓潤滑劑而使得其間的徑向干涉開始并且逐漸地增加，并且如圖9所示一樣在陽螺紋牙頂(7)和陰螺紋牙根(8)之間形成不寬于BDT的間隙寬度(22)，這兩個(gè)間隙寬度都在HTD和BTD之間，因?yàn)镃R是按照本發(fā)明的。陰螺紋和陽螺紋的嵌入和荷載螺牙側(cè)面的徑向?qū)挾热绱嗽O(shè)定尺寸和公差，從而在完全裝配的位置處如圖9所示的間隙(22)的寬度不大于橋接厚度尺寸。牙頂可以為截頭圓錐形，因此陰螺紋或陽螺紋深度小于配合螺紋深度。
如圖2所示，在螺紋嚙合(23)的中間長(zhǎng)度處，陰螺紋厚度是在中徑和陰螺紋外徑之間徑向測(cè)量出，如在(24)處，并且陽螺紋厚度是在中徑和陽螺紋內(nèi)徑之間徑向測(cè)量出，如在(25)處?？梢岳缭谒枰奈恢?26)和(27)處形成軸向空間以放松端部長(zhǎng)度公差，同時(shí)確保臺(tái)肩在螺牙側(cè)面緊緊楔入之前不會(huì)鄰接。
雖然根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造出的楔形螺紋連接將對(duì)高壓氣體密封，但是當(dāng)特殊用戶規(guī)范需要時(shí)或當(dāng)必須減小流體壓力負(fù)載時(shí)，則對(duì)于在圖4中所示的實(shí)施方案而言，可以在圖2的(28)和(29)處或在圖7的(93)和(97)處等選擇性地設(shè)置配合的金屬-金屬密封表面。這些密封可以包括圓柱形或錐形表面，其中使圖7的陽螺紋密封表面(93)在直徑上稍大于配合的陰螺紋密封表面(95)，以便在組裝時(shí)產(chǎn)生干涉配合(interference fit)。陽螺紋表面(97)同樣其直徑可以稍大于配合的陰螺紋表面(98)。在鄰接時(shí)密封的陰螺紋和陽螺紋上的(26)和(27)處的徑向密封表面在本發(fā)明的范圍內(nèi)，但是需要更緊的公差。
圖3的放大螺紋形式細(xì)節(jié)顯示出將陽螺紋牙根連接至螺牙側(cè)面的大的凹面半徑(30)，以及陰螺紋的類似半徑(31)，它們通常大約是荷載螺牙側(cè)面半徑寬度的15％但不是必須的，以與尖銳邊緣的截留型楔形螺紋的易損壞性相比，減少了應(yīng)力集中和極大的減少在操縱、運(yùn)輸、存儲(chǔ)和組裝過程中的損壞。圖3所形成的螺紋也通過在(34)處的嵌入螺牙側(cè)面的接觸而為嵌入的管接頭提供穩(wěn)定的支撐，以避免在如Mott所述的傳統(tǒng)楔形螺紋連接的組裝過程中所需要的單調(diào)的操縱，它們也提供該連接的軸向和同心的對(duì)準(zhǔn)，以自動(dòng)的用較長(zhǎng)的陰螺紋根部來套準(zhǔn)陽螺紋牙頂，從而有助于確保可靠連接所需要的正確的組裝。夾角(35)可以是負(fù)或者正的，或者可以是0度。如果夾角的絕對(duì)值小于摩擦角的兩倍但是不為0，則螺牙側(cè)面會(huì)在完全裝配的理想位置之前就過早地鎖緊。用于API5A2改性潤滑劑的摩擦角是1.2度。為了避免在因?yàn)闇囟壬呓档蜐櫥詴r(shí)潤滑劑干燥所導(dǎo)致的問題，優(yōu)選的夾角不小于摩擦角的4倍，以便允許在一些較晚的時(shí)候容易拆卸。
當(dāng)荷載螺牙側(cè)面與嵌入螺牙側(cè)面平行形成從而圖3中的夾角(35)等于0時(shí)，為了改善尺寸準(zhǔn)確性以及減少制造成本和檢查連接，提供一種迄今為止不能獲得的有成本效率的楔形螺紋連接。對(duì)于一般的應(yīng)用，兩種螺牙側(cè)面優(yōu)選相對(duì)于軸以90°形成，但這不是必須的。例如，當(dāng)陰螺紋壁厚(24)以及在陽螺紋壁厚(25)尺寸適當(dāng)接近時(shí)，則陰螺紋和陽螺紋會(huì)在裝配過程中以及當(dāng)處于附加的負(fù)載之下而不需要其上形成有螺紋的管狀部件的儲(chǔ)備徑向約束強(qiáng)度(reserve radial restraining strength)的時(shí)候同等的收縮和膨脹，以防止配合螺紋的分離，而這種分離會(huì)導(dǎo)致泄漏和/或跳出(jumpout)。
如果陰螺紋和陽螺紋的厚度差極大并且軸向負(fù)載如此接近額定負(fù)載，以至于可以通過導(dǎo)致不同的尺寸應(yīng)變的徑向力來克服在較薄壁的部件中的徑向螺紋干涉，然后當(dāng)拉伸負(fù)荷對(duì)于給定應(yīng)用來說是最重要的時(shí)候，嵌入螺牙側(cè)面(50)，(51)和荷載螺牙側(cè)面(52)，(53)可以向上傾斜離開軸，如圖5所示，或者當(dāng)壓縮負(fù)載對(duì)于另一個(gè)應(yīng)用來說是最重要的時(shí)候，嵌入螺牙側(cè)面(60)，(61)和荷載螺牙側(cè)面(62)，(63)可以向下傾斜離開軸，如圖6所示。在任何一種情況中，它們都會(huì)以足以抵抗不然會(huì)導(dǎo)致不同的應(yīng)變的徑向機(jī)械力的角度來傾斜，從而防止配合螺紋的分離。當(dāng)拉伸和壓縮的高負(fù)載同時(shí)施加在這種不相等的陰螺紋和陽螺紋壁厚上時(shí)，兩個(gè)都是負(fù)的螺牙側(cè)面角可能是最合適的。
盡管夾角(35)的優(yōu)選值對(duì)于一般應(yīng)用來說是0，但是在一定的情況下，正的夾角可能是最適合的，從而改善螺紋切割工具的幾何形狀，或者用于在不具有現(xiàn)代的車螺紋機(jī)械的完全靈活性的機(jī)械上進(jìn)行制造。當(dāng)夾角是正的時(shí)候，楔入力將螺紋排出它們的配合溝槽的傾向直接提高為(夾角/2-摩擦角)的正切值。在這種情況中，陰螺紋和陽螺紋的壁厚必須都提供一個(gè)大于該排斥力的儲(chǔ)備約束力，以便防止分離和承受所有其它的操作負(fù)載，同時(shí)不會(huì)使得其上形成有螺紋的管壁發(fā)生應(yīng)力過度。
圖10是從圖2截取的的片段的中心部分的剖面圖，它顯示了圖9的實(shí)施方案的替換實(shí)施方案，其中陽螺紋牙頂和陰螺紋牙根在裝配時(shí)干涉，并且其中在陽螺紋牙根和陰螺紋牙頂之間形成寬度不大于橋接厚度尺寸的間隙(36)。該實(shí)施方案可以在不需要上述針對(duì)圖9所示實(shí)施方案所解釋的防止損壞的優(yōu)點(diǎn)的運(yùn)行中使用。
本發(fā)明教導(dǎo)了可工作的變化比例的重要性和使用，從而即使在其承受了后面的工作負(fù)載例如極度的瞬時(shí)振動(dòng)、突發(fā)的沖擊和溫度變化之后，也能防止楔形螺紋連接的松脫和泄漏。
以下實(shí)施例采用了API5A2改性的潤滑劑，但是在確定了潤滑劑的BTD、HTD和Q值之后，它可以用于任何螺紋潤滑劑。最大的CR＝MCR＝BTD/Q＝.0152cm/.00152cm＝10，最小的CR＝LCR＝HTD/Q＝.00406cm/.00152cm＝2.67，這樣建立了一個(gè)2.67-10的CR范圍。采用我的用于理想WCT的公式，可以選擇WCT值，然后根據(jù)應(yīng)用特征，設(shè)計(jì)者可以容易地在該范圍內(nèi)選擇用于CR的值，并知道其連接將會(huì)密封，在經(jīng)受了工作負(fù)載之后不會(huì)松脫或泄漏。
權(quán)利要求
1.一種利用螺紋潤滑劑進(jìn)行裝配的螺紋管連接，具有形成有錐形配合楔形螺紋的一陰螺紋(2)和陽螺紋(1)，所述陰螺紋具有牙頂(21)、牙根(8)、嵌入螺牙側(cè)面(4)和負(fù)載螺牙側(cè)面(6)，所述陽螺紋具有牙頂(7)、牙根(20)、嵌入螺牙側(cè)面(3)和負(fù)載螺牙側(cè)面(5)，在所述螺牙側(cè)面之間的間隙中測(cè)得的一夾角(35)，所述螺紋具有位于(17)處的一第一軸向牙頂寬度和位于(54)處的一第二軸向牙頂寬度，所述第一和第二牙頂寬度設(shè)置成相隔一個(gè)螺紋匝，第一牙頂寬度(17)的尺寸由第一半徑(18)計(jì)算并且第二牙頂寬度(54)的尺寸由第二半徑(55)計(jì)算，尺寸為潤滑劑可以在配合螺紋之間密封的最寬間隙寬度的一橋接厚度，尺寸是潤滑劑可以在配合螺紋之間壓緊的一最小厚度，包括所述第一牙頂半徑減去所述第二牙頂半徑為一第一數(shù)值；所述第一牙頂寬度減去所述第二牙頂寬度為一第二數(shù)值，所述第一數(shù)值除以所述第二數(shù)值為一改變比；所述改變比不大于所述橋接厚度尺寸除以所述最小厚度尺寸所得到的比例。
2.如權(quán)利要求1所述的管連接，其中還包括一合攏厚度尺寸，為所述潤滑劑可以在其中流動(dòng)以合攏一泄漏的最小間隙寬度；所述改變比大于所述合攏厚度尺寸除以所述最小厚度尺寸的所得到的比例。
3.如權(quán)利要求1所述的連接，其中還包括所述夾角(35)為負(fù)角。
4.如權(quán)利要求1所述的連接，其中還包括所述夾角(35)不小于零度。
5.如權(quán)利要求1所述的連接，其中還包括所述夾角(35)具有大于作用在所述配合螺牙側(cè)面之間的摩擦角的兩倍的一絕對(duì)值。
6.如權(quán)利要求1所述的連接，其中還包括所述夾角(35)具有不大于作用在所述配合螺牙側(cè)面之間的摩擦角的兩倍的一絕對(duì)值。
7.如權(quán)利要求1所述的連接，其中還包括所述夾角(35)為大于作用在所述配合螺牙側(cè)面之間的所述摩擦角兩倍的一正角。
8.如權(quán)利要求7所述的管連接，其中還包括在裝配所述連接時(shí)，所述配合螺牙側(cè)面相對(duì)于彼此施加一楔入力，所述楔入力具有一軸向分量和一徑向分量；陰螺紋壁(24)和陽螺紋壁(25)除了在承受裝配力矩和不會(huì)使得這些壁受到高于極限設(shè)計(jì)應(yīng)力的應(yīng)力的所有操作負(fù)載所需要的強(qiáng)度之外還具有足夠的儲(chǔ)備強(qiáng)度，足以防止承受所述楔入力所加負(fù)荷的所述配合螺紋的分離。
9.如權(quán)利要求1所述的連接，其中還包括陰螺紋牙根(8)和陽螺紋牙頂(7)的尺寸如此設(shè)置，使得在裝配期間快要達(dá)到完全裝配的位置之前之時(shí)，通過殘余潤滑劑，在所述陽螺紋牙根(20)和所述陰螺紋牙頂(21)之間，啟動(dòng)一增大的徑向力，足以在陽螺紋和陰螺紋之間建立徑向干涉，從而在完全裝配位置處，在所述陰螺紋和陽螺紋之間存在一理想幅值的徑向干涉，以便保持它們彼此的干涉，使得在陽螺紋牙頂(9)和陰螺紋牙根(13)之間存在其大小不大于所述橋接厚度尺寸的一間隙，所述間隙用潤滑劑填充。
10.如權(quán)利要求1所述的連接，其中還包括陽螺紋牙根(20)和陰螺紋牙頂(21)的尺寸如此設(shè)定，使得在裝配期間快要達(dá)到完全裝配的位置之前之時(shí)，一增大的徑向力被啟動(dòng)并通過被截留在陽螺紋根部(8)和陰螺紋牙頂(7)之間的潤滑劑傳遞，足以在陽螺紋和陰螺紋之間建立徑向干涉，從而在完全裝配位置處，在所述陰螺紋和陽螺紋之間存在一理想幅值的徑向干涉，以便保持它們彼此的干涉，使得在陽螺紋牙頂(21)和陰螺紋根部(20)之間存在其大小不大于所述橋接厚度尺寸的一間隙，所述間隙用潤滑劑填充。
11.如權(quán)利要求1所述的連接，其中還包括在連接裝配時(shí)在所述配合螺紋之間的一理想幅值的徑向干涉基本上沿著螺紋嚙合的整個(gè)長(zhǎng)度延伸。
12.如權(quán)利要求1所述的連接，其中還包括所述連接的尺寸是為使用API5A2改性螺紋潤滑劑而設(shè)定的，使得改變比的數(shù)值大于2.67并且小于10。
13.如權(quán)利要求1所述的連接，其中還包括所述配合楔形螺紋具有一預(yù)定螺紋嚙合軸向長(zhǎng)度，所述螺紋具有一嵌入螺牙側(cè)面軸向螺距長(zhǎng)度和一負(fù)載螺牙側(cè)面軸向螺距長(zhǎng)度，包括所述陽螺紋牙頂(10)的最小軸向長(zhǎng)度(9)的尺寸設(shè)定為與所述陰螺紋牙頂(16)的最小軸向長(zhǎng)度大小基本相等，以便加大對(duì)于最小軸向牙頂長(zhǎng)度而言在理想的螺紋嚙合長(zhǎng)度內(nèi)的螺紋匝數(shù)。
14.如權(quán)利要求1所述的連接，其中還包括所述螺紋具有一嵌入螺牙側(cè)面軸向螺距長(zhǎng)度和一負(fù)載螺牙側(cè)面螺距長(zhǎng)度；所述負(fù)載螺牙側(cè)面(5)的軸向螺距長(zhǎng)度減去嵌入所述螺牙側(cè)面(3)的軸向螺距長(zhǎng)度，基本上等于0.0064cm加上0.00036倍的以cm測(cè)量的管外徑得到的總和。
15.如權(quán)利要求1所述的連接，其中還包括所有牙頂和牙根平行于連接軸線設(shè)置。
16.如權(quán)利要求1所述的連接，其中還包括所述陰螺紋螺牙側(cè)面的徑向?qū)挾仍诔叽缟吓c所述配合陽螺紋螺牙側(cè)面的徑向?qū)挾戎g的差異不大于所述橋接厚度尺寸，從而在組裝時(shí)，牙頂間隙不大于所述橋接厚度尺寸。
17.如權(quán)利要求1所述的連接，其中還包括嵌入螺牙側(cè)面(4)具有一恒定的軸向螺距長(zhǎng)度，負(fù)載螺牙側(cè)面(6)具有幅值大于嵌入螺牙側(cè)面軸向螺距長(zhǎng)度的一恒定軸向螺距長(zhǎng)度，一平均軸向螺距長(zhǎng)度等于所述嵌入螺牙側(cè)面和負(fù)載螺牙側(cè)面軸向螺距長(zhǎng)度的算術(shù)平均值，在所述第一螺紋匝(10)的開始處的螺紋牙頂?shù)淖钚≥S向長(zhǎng)度(9)為一第一尺寸，負(fù)載螺牙側(cè)面軸向螺距長(zhǎng)度減去嵌入螺牙側(cè)面軸向螺距長(zhǎng)度為一第二尺寸，包括平均軸向螺距長(zhǎng)度在幅值上基本上等于以下數(shù)值，即第一尺寸的平方加上第二尺寸，乘以嚙合螺紋的長(zhǎng)度，所有這些取0.5次冪，加上第一尺寸。
18.如權(quán)利要求17所述的連接，其中還包括所述負(fù)載螺牙側(cè)面軸向螺距長(zhǎng)度基本上等于以下數(shù)值，即平均軸向螺距長(zhǎng)度加上第二尺寸的一半；所述嵌入螺牙側(cè)面軸向螺距長(zhǎng)度基本上等于以下數(shù)值，即平均軸向螺距長(zhǎng)度減去第二尺寸的一半。
19.如權(quán)利要求1所述的連接，其中還包括所述陽螺紋具有靠近螺紋的小直徑端圍繞其周邊形成的一外密封表面(97)，以便與在所述配合陰螺紋內(nèi)在靠近所述螺紋的小直徑端形成的一配合密封表面(98)相合作，以在組裝所述連接的時(shí)候，形成能克服來自所述連接內(nèi)部的流體壓力的一金屬-金屬密封。
20.如權(quán)利要求1所述的連接，其中還包括所述陽螺紋具有靠近螺紋的大直徑端圍繞其周邊形成的一外密封表面(93)，以便與在所述配合陰螺紋內(nèi)在靠近所述螺紋的大直徑端形成的一配合密封表面(95)相合作，以在組裝所述連接的時(shí)候，形成能克服來自所述連接外部的流體壓力的一金屬-金屬密封。
21.用于如權(quán)利要求1所述連接的螺紋潤滑劑，其中還包括所述潤滑劑包括一油脂類材料和固體顆粒，足以在配合陰螺紋和陽螺紋之間密封和潤滑，所述固體顆粒的一部分是其寬度不小于所述橋接厚度尺寸的可延展固體顆粒。
22.如權(quán)利要求1的發(fā)明，其中還包括所述可延展固體顆粒不大于潤滑劑體積的1/20，并且不小于潤滑劑體積的1/200。
23.用于如權(quán)利要求1所述連接的螺紋潤滑劑，其中還包括所述潤滑劑包括油脂類材料和固體顆粒，足以在所述配合陰螺紋和陽螺紋之間密封和潤滑，所有固體顆粒的組合的體積除以總的潤滑劑體積，成為體積比例；所述體積比例乘以所述橋接厚度尺寸，不大于潤滑劑可以被壓縮至所述配合螺紋之間的最小間隙寬度。
全文摘要
一種利用螺紋潤滑劑進(jìn)行裝配的螺紋管連接，具有形成有錐形配合楔形螺紋的一陰螺紋(2)和陽螺紋(1)，所述陰螺紋具有牙頂(21)、牙根(8)、嵌入螺牙側(cè)面(4)和負(fù)載螺牙側(cè)面(6)，所述陽螺紋具有牙頂(7)、牙根(20)、嵌入螺牙側(cè)面(3)和負(fù)載螺牙側(cè)面(5)，在所述螺牙側(cè)面之間的間隙中測(cè)得的一夾角(35)，所述螺紋具有位于(17)處的一第一軸向牙頂寬度和位于(54)處的一第二軸向牙頂寬度，所述第一和第二牙頂寬度設(shè)置成相隔一個(gè)螺紋匝，第一牙頂寬度(17)的尺寸由第一半徑(18)計(jì)算并且第二牙頂寬度(54)的尺寸由第二半徑(55)計(jì)算，尺寸為潤滑劑可以在配合螺紋之間密封的最寬間隙寬度的一橋接厚度，尺寸是潤滑劑可以在配合螺紋之間壓緊的一最小厚度，包括所述第一牙頂半徑減去所述第二牙頂半徑為一第一數(shù)值；所述第一牙頂寬度減去所述第二牙頂寬度為一第二數(shù)值，所述第一數(shù)值除以所述第二數(shù)值為一改變比；所述改變比不大于所述橋接厚度尺寸除以所述最小厚度尺寸所得到的比例。
文檔編號(hào)E21B17/042GK1639494SQ03805348
公開日2005年7月13日 申請(qǐng)日期2003年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月6日
發(fā)明者約翰·D·沃茨 申請(qǐng)人:貝弗利·W·拉莫斯, 約翰·D·沃茨