專利名稱：具有擾動的螺紋的制作方法
具有擾動的螺紋發(fā)明背景經(jīng)常在鉆孔、完井和形成井的過程中采用套管接頭、襯墊、鉆管和鉆 鋌(總體被稱為"管狀元件")。套管接頭例如可以布置在井孔中以穩(wěn)定 地層，防止地層免受升高的井孔壓力(例如超過地層壓力的井孔壓力)等 等。可以通過螺紋連接、焊接以及本領域已知的其它連接以首尾相連方式 連接套管接頭。連接可以被設計成在連接的套管接頭的內(nèi)部與環(huán)形空間之 間形成密封，所述環(huán)形空間形成于套管接頭的外壁與井孔壁之間。該密封可以是例如彈性密封(例如o形環(huán)密封)、靠近所述連接形成的金屬對金屬的密封、或本領域已知的類似密封。在一些連接中，在內(nèi)螺紋與外螺紋 之間形成密封。具有該特征的密封被稱為具有"螺紋密封"。在此采用的 "螺紋密封"意思是在套管元件的至少一部分內(nèi)螺紋與銷釘元件的外螺紋 之間形成密封。將會認識到在此采用的某些術語通常被理解為管狀接頭例如在組裝 管柱以降入井孔內(nèi)時沿管狀元件的中心軸線連接在垂直位置。因而，術語"載荷齒側(cè)面(load flank)"表示螺紋面向遠離其上形成螺紋的相應銷 釘或套管元件的外端并支承懸掛在井孔中的下管狀元件的重量(也就是拉 伸載荷)的側(cè)壁表面。術語"入扣齒側(cè)面"表示面向相應銷釘或套管元件 的外端并承受相向壓縮接頭的力例如在接頭的初始組裝過程中上管狀元 件的重量或者例如施加成將下管狀元件推壓在鉆孔底部的力(也就是壓縮 力)的螺紋側(cè)壁表面。術語"套管的面"是套管元件面向套管螺紋外部的 一端并且術語"銷釘?shù)那岸?是銷釘元件面向連接件螺紋外部的一端。在 組裝連接件時，銷釘?shù)那岸丝廴氩⒋┻^套管的面。一種通常被用于形成螺紋密封的螺紋是楔形螺紋。在圖1中示出了具 有楔形螺紋的連接。"楔形螺紋"特征在于螺紋寬度(也就是載荷齒側(cè)面 225和226與入扣齒側(cè)面232和231之間的軸向距離)在銷釘元件101和 套管元件102上的相對方向上增大。在授予Blose的美國專利號 RE30， 647、授予Reeves的美國專利號RE34， 467、授予0rtloff的美國專
利號4， 703， 954、以及授予Mott的美國專利號5， 454， 605中全面公開了 楔形螺紋，這些專利都轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人并在此引入作為參考。在銷 釘元件101上，銷釘螺紋牙頂222向著銷釘元件101的遠端收縮，同時套 管螺紋牙頂291變寬。沿軸線105 (從右到左)移動，銷釘螺紋牙頂222 變寬，同時套管螺紋牙頂291收縮。通常，利用具有寬牙頂和齒根并自由運動的螺紋難以獲得螺紋密封， 然而相同的螺紋形式在用于楔形螺紋時可以具有螺紋密封。多種螺紋形式 可以用于以下公開的本發(fā)明的實施方式。一種適當?shù)穆菁y形式的實例是在 授予Klementich并在此結合作為參考的美國專利號5, 360， 239中公開的 半燕尾形螺紋形式。另一螺紋形式包括授予Church并在此引入作為參考 的美國專利號6， 722， 706中公開的多層面載荷齒側(cè)面或入扣齒側(cè)面。在授 予Watts的美國專利號6， 578, 880中公開了具有大體上矩形的開放螺紋形 式。以上每種螺紋形式都是可以用于本發(fā)明具有楔形螺紋或自由運動螺紋 的實施方式的示例性螺紋形式。本領域普通技術人員將會認識到在此包含 的教導并不局限于具體螺紋形式。對于楔形螺紋，通過進行連接組裝時在銷釘載荷齒側(cè)面226與套管載 荷齒側(cè)面225之間以及在銷釘入扣齒側(cè)面232與套管入扣齒側(cè)面231之間 的至少一部分連接上的干涉引起的接觸壓力實現(xiàn)螺紋密封。齒根292和 221與牙頂222和291之間的接近或干涉在其發(fā)生在至少一部分齒側(cè)面干 涉的位置上時實現(xiàn)螺紋密封。利用銷釘元件101和套管元件102上的齒根 和牙頂之間增大的干涉("齒根/牙頂干涉")并通過增大齒側(cè)面干涉而 產(chǎn)生更高壓力。這種特定的連接還包括通過分別位于銷釘元件101和套管 元件102上的相應密封表面103和104之間的接觸實現(xiàn)的金屬對金屬的密封。通常在連接件上不具有正止動轉(zhuǎn)矩肩部的楔形螺紋的屬性是組裝是 "不確定的"，因此銷釘元件和套管元件的相對位置在施加的給定轉(zhuǎn)矩范 圍下比具有正止動轉(zhuǎn)矩肩部的連接件改變更大。在此采用的"組裝"指的 是銷釘元件與套管元件螺紋連接在一起。"選定的組裝"指的是利用一定 量的轉(zhuǎn)矩將銷釘元件和套管元件螺紋連接在一起，或根據(jù)銷釘元件與套管 元件的相對位置(軸向或圓周)進行組裝。對于被設計成在選定組裝時具 有齒側(cè)面干涉和齒根/牙頂干涉的楔形螺紋，當組裝連接件時齒側(cè)面干涉 和齒根/牙頂干涉增大(也就是轉(zhuǎn)矩的增大提高了齒側(cè)面干涉和齒根/牙頂
干涉)。對于被設計成具有齒根/牙頂間隙的楔形螺紋，當組裝連接件時 間隙減小。無論哪種楔形螺紋的設計，相對應的齒側(cè)面與相對應的齒根和 牙頂在組裝過程中相互逐漸靠近(也就是間隙減小或干涉減小)。不確定 的組裝允許通過提高連接件上的轉(zhuǎn)矩提高齒側(cè)面干涉和齒根/牙頂干涉。 因而，通過將連接件設計成具有更大齒側(cè)面干涉和/或齒根/牙頂干涉或者 通過提高連接件上的轉(zhuǎn)矩使楔形螺紋能夠螺紋密封更高的氣體和/或液體 壓力，然而這樣還在組裝過程中提高了連接件上的應力，從而在使用過程 中導致故障。用于油田管狀連接件的自由運動的螺紋通常在組裝連接件時不會形 成螺紋密封。圖2表示現(xiàn)有技術中具有自由運動的螺紋的連接件。該自由運動的螺紋包括載荷齒側(cè)面154和155、入扣齒側(cè)面157和158、牙頂159 和162以及齒根160和161。由于是通常具有自由運動的螺紋的連接件， 因此該連接件依賴通過分別布置在銷釘元件101和套管元件102上的表面 151和152的接觸形成的正止動轉(zhuǎn)矩肩部。圖2所示的正止動轉(zhuǎn)矩肩部通 常被稱為"銷釘前端肩部"。在其它連接件上，可以通過套管面163和銷 釘元件101上的匹配肩部(未示出)代替形成正止動轉(zhuǎn)矩肩部。正止動轉(zhuǎn) 矩肩部也提供密封。與通過銷釘螺紋和套管螺紋的楔入組裝的楔形螺紋不 同，自由運動的螺紋依賴正止動轉(zhuǎn)矩肩部在組裝過程中加載連接件。為了 組裝圖2所示的連接件，銷釘元件101和套管元件102通過螺紋連接在一 起直至表面151和152形成鄰接，在該鄰接點處銷釘載荷齒側(cè)面154和套 管載荷齒側(cè)面155也處于鄰接。附加轉(zhuǎn)矩施加在銷釘元件101和套管元件 102上以加載表面151和152以及銷釘載荷齒側(cè)面154和套管載荷齒側(cè)面 155，直至所需的組裝轉(zhuǎn)矩量施加在連接件上。圖2所示的連接件不能實現(xiàn)螺紋密封，因為在銷釘入扣齒側(cè)面157 與套管入扣齒側(cè)面158之間存在大間隙153。由于具有正止動轉(zhuǎn)矩肩部的 自由運動的螺紋的加載方式而形成間隙153。在組裝過程中接靠正止動轉(zhuǎn) 矩肩部向連接件施加轉(zhuǎn)矩促使銷釘元件101得到壓縮，同時套管元件102 承受拉力伸長。注意到當采用套管面肩部時，套管元件102得到壓縮，同 時銷釘元件101承受拉力伸長。通過銷釘載荷齒側(cè)面154和套管載荷齒側(cè) 面155在銷釘元件101和套管元件102之間施加力。銷釘入扣齒側(cè)面157 和套管入扣齒側(cè)面158在組裝過程中不會受到加載。這樣在載荷齒側(cè)面 154和155之間形成接觸壓力并在入扣齒側(cè)面157和158之間形成間隙。 如上所述，楔形螺紋(如圖l所示)能夠形成螺紋密封，在某種程度上是因為在載荷齒側(cè)面225和226與入扣齒側(cè)面232和231之間存在干涉。對 于楔形螺紋，由于銷釘螺紋和套管螺紋的寬度改變，因此在鄰近連接件組 裝結束時發(fā)生所述干涉。為了在圓柱形(也就是非錐形)自由運動的螺紋 上的載荷齒側(cè)面154和155與入扣齒側(cè)面157和158之間具有類似的干涉， 應該基本上在連接件的整個組裝過程中存在干涉，因為銷釘螺紋和套管螺 紋具有連續(xù)的寬度。此外，在連接件的整個組裝過程中存在齒根/牙頂干 涉(如果有的話)。這樣導致螺紋磨損以及難以組裝連接件。由于載荷齒側(cè)面具有不同于入扣齒側(cè)面的導程，因此楔形螺紋產(chǎn)生螺 紋寬度的變化。螺紋導程可以用英寸/每轉(zhuǎn)來量化。注意到這是通常采用 的術語"螺距"的倒數(shù)，螺距通常量化為螺紋數(shù)/英寸。在圖3A中示出了 現(xiàn)有技術的楔形螺紋的導程的曲線圖。對于這種連接件，載荷導程14在 連接件的長度上恒定并大于也是恒定的入扣導程12。公稱導程用附圖標 記10表示。在此采用的"公稱導程"指的是載荷導程14和入扣導程12 的平均值。螺紋隨著每轉(zhuǎn)數(shù)而加寬載荷導程14和入扣載荷12的差值。載 荷導程14和入扣導程12的差值有時被稱為"楔形比(wedge ratio)"。 對于自由運動的螺紋(也就是非楔形螺紋)，載荷導程14和入扣導程12 基本上相等，從而促使自由運動的螺紋具有基本上恒定的螺紋寬度(也就 是零楔形比)。通常，采用基本上恒定的螺紋導程(包括載荷導程和入扣導程)在管 狀部件上切削加工螺紋，然而，螺紋導程的一些變化發(fā)生在通常包括利用 研磨機或車床進行加工的制造過程中。在加工過程中，螺紋導程的變化表現(xiàn)為在螺紋導程目標值之上和之下的微小的螺紋導程周期性變化。這種現(xiàn) 象通常被稱為"螺紋竄動(thread drunkenness)"。所發(fā)生的螺紋竄動 的量極大地取決于所采用的機械加工。這種現(xiàn)象可能是由在切削螺紋的加 工工具里溢出或后沖(backlash)引起的。所加工的材料以及所加工的部件 的尺寸也是影響螺紋竄動量的變量。因電子控制裝置"尋找(hunting)" 定位加工工具也會產(chǎn)生螺紋竄動。通常，螺紋竄動處于標準的和肉眼不可 見的0. 00005英寸-O. 0005英寸的量級。螺紋竄動的周期通常每圈螺紋至 少增大一倍。比常規(guī)螺紋竄動更大的是可以看到的螺紋表面上的"顫動" 并且會導致連接件報廢。通常，制造者試圖消除任何不同于標準件的變化， 例如產(chǎn)生螺紋竄動。
在現(xiàn)有技術中已經(jīng)公開了為了載荷分布有意地改變螺紋導程，然而， 本發(fā)明的發(fā)明人為了形成用于楔形螺紋或自由運動螺紋的螺紋密封沒有有意改變螺紋導程。在授予Dearden等人的美國專利號4， 582， 348中公開 了一種為了應力分布改變螺紋導程的實例。該專利在此全部引入作為參 考。Dearden公開了具有自由運動螺紋的連接件，其具有分成不同導程(注 意到Dearden提到被量化為每英寸螺紋數(shù)的螺距)的三個部分的銷釘螺紋 和套管螺紋。在圖3B中，示出了用于套管元件和銷釘元件的螺紋導程曲 線圖。如曲線圖所示，在連接件的一端，銷釘螺紋導程21比套管螺紋導 程22更大。在中間部分，銷釘螺紋導程21和套管螺紋導程22基本上相 等。而后，在連接件的另一端，套管螺紋導程22比銷釘螺紋導程21更大。 根據(jù)Dearden所述，銷釘螺紋導程21和套管螺紋導程22上的變化是階躍 變化(也就是導程基本上同時改變)。Dearden公開的變化的螺紋導程被 用于在連接件的更大部分上分布載荷，并且不會對自由運動螺紋形成螺紋 密封的性能產(chǎn)生任何影響。Dearden沒有公開相互獨立地改變載荷導程或 入扣導程。在名為"用于放射性塑性膨脹的管道的螺紋連接件"("Sivley") 并轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的美國專利申請?zhí)?0/126,918中公開了另一種 連接件。該申請在此全部引入作為參考。Sivley公開了在銷釘元件和套 管元件中的一個或兩個上具有變化的載荷導程和/或入扣導程的連接件。 在圖3C中示出了 Sivley公開的實施方式的曲線圖。Sivley公開了在銷 釘螺紋和/或套管螺紋的至少一部分上相對于入扣導程12以選定比例改 變載荷導程14。在圖3C中，連接件是通過載荷導程14與入扣導程12之 間的差異示出的楔形螺紋。載荷導程14和入扣導程12以限定比率向螺紋 端部會聚。Sivley公開多種其它實施方式，它們具有以線性比率相對改 變的載荷導程14和入扣導程12。螺紋導程的改變在連接件長度上分布由 連接件承受的載荷。在現(xiàn)有技術中，適用于油田管狀部件的自由運動螺紋不能提供螺紋密 封，該螺紋密封實現(xiàn)由在井底環(huán)境的管狀部件承受壓差。楔形螺紋提供螺 紋密封，但難以密封氣體，密封氣體比密封液體更困難。而且，通常需要 對螺紋密封進行改進。還需要提供一種用于自動運動螺紋的螺紋密封以及 一種用于楔形螺紋的改進的螺紋密封
發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明涉及一種包括銷釘元件和套管元件的螺紋連接件。銷 釘元件具有銷釘螺紋，該銷釘螺紋具有銷釘螺紋牙頂、銷釘螺紋齒根、銷 釘載荷齒側(cè)面以及銷釘入扣齒側(cè)面。套管元件具有套管螺紋，該套管螺紋 具有套管螺紋牙頂、套管螺紋齒根、套管載荷齒側(cè)面以及套管入扣齒側(cè)面。 銷釘螺紋牙頂、銷釘載荷齒側(cè)面、銷釘入扣齒側(cè)面、套管螺紋牙頂、套管 載荷齒側(cè)面以及套管入扣中的至少一個具有在其上形成的至少一個擾動。 在銷釘元件與套管元件進行選定組裝時，在至少一個擾動處的銷釘螺紋與 套管螺紋之間存在增大的接觸應力。在另一方面，本發(fā)明涉及一種采用具有可編程控制的加工工具制造螺 紋的方法。該方法包括輸入多個增量下與旋轉(zhuǎn)位置相對應的軸向位置。在 第一組兩個增量之間的軸向位置變化被選定為具有與用于加工工具的原 始軌跡相對應的第一所需螺紋導程。該方法還包括輸入在第二組兩個增量 之間的軸向位置變化，其中所述變化被選定為具有比第一所需螺紋導程更 大的第二所需螺紋導程。該方法還包括輸入在第三組兩個增量之間的軸向 位置變化，其中所述變化被選定為具有比第一所需螺紋導程更小的第三所 需螺紋導程，以及回到第一所需導程。在另一方面，本發(fā)明涉及一種在連接件上形成螺紋密封的方法。所述 連接件包括銷釘元件和套管元件，其中銷釘元件包括具有銷釘螺紋牙頂、 銷釘螺紋齒根、銷釘載荷齒側(cè)面以及銷釘入扣齒側(cè)面的銷釘螺紋，并且套 管元件包括具有套管螺紋牙頂、套管螺紋齒根、套管載荷齒側(cè)面以及套管 入扣齒側(cè)面的套管螺紋。所述方法包括在銷釘螺紋牙頂、銷釘載荷齒側(cè)面、 銷釘入扣齒側(cè)面、套管螺紋牙頂、套管載荷齒側(cè)面以及套管入扣齒側(cè)面中 的至少一個上形成至少一個擾動，使得在銷釘元件與套管元件進行選定的 組裝時，在所述至少擾動的銷釘螺紋與套管螺紋之間存在增大的接觸應 力。從以下描述和附加權利要求中將會清楚地了解到本發(fā)明的其它方面 和優(yōu)點。


圖1表示現(xiàn)有技術中具有楔形螺紋的連接件的橫截面。圖2表示現(xiàn)有技術中具有自由運動螺紋的連接件的橫截面。 圖3A， 3B和3C表示現(xiàn)有技術連接件的螺紋導程的曲線圖。
圖4A表示根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的螺紋導程的曲線圖。圖4B表示與圖4A中所示的曲線圖相對應的展開螺紋的一部分。 圖5A表示根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的螺紋導程的曲線圖。 圖5B和5C表示與圖5A中所示的曲線圖相對應的展開螺紋的一部分。 圖6A表示根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的螺紋導程的曲線圖。 圖6B表示與圖6A中所示的曲線圖相對應的展開螺紋的一部分。 圖7A表示根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的螺紋導程的曲線圖。 圖7B表示與圖7A中所示的曲線圖相對應的展開螺紋的一部分。 圖8表示具有根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的相應螺紋橫截面的螺紋導 程的曲線圖。圖9表示具有根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的相應螺紋橫截面的螺紋導 程的曲線圖。
具體實施方式
本發(fā)明涉及用于管狀部件的螺紋。更具體地，本發(fā)明涉及在銷釘螺紋 和套管螺紋的一部分之間具有增大的接觸壓力的螺紋。為了表示清楚，下文明確限定幾個術語。在此采用的"螺紋導程"總 體指的是包括載荷導程、入扣導程和公稱導程的組。在此采用的"擾動"指的是偏離螺紋上的載荷齒側(cè)面、入扣齒側(cè)面、 齒根或牙頂?shù)脑悸窂?，使得在其上形成沖擊。擾動之后，路徑至少部分 地回到擾動之前的原始路徑。在此采用的"螺旋長度"指的是布置接觸器的螺紋圈數(shù)，并且可以用 繞管狀部件軸線的度數(shù)(也就是360度是一個螺距)來表達。本發(fā)明的實施方式改變了至少一部分螺紋上的至少一個螺紋導程，使 得配合載荷齒側(cè)面和/或配合入扣齒側(cè)面之間的接觸壓力改變。 一些實施 方式還改變螺紋高度(測量從齒根到牙頂)以形成螺紋密封。接觸壓力的 增大提高了由擾動位置處螺紋密封實現(xiàn)的最大密封壓力。減小接觸壓力被 用于在連接件組裝之后為保持在銷釘螺紋與套管螺紋之間數(shù)量增多的螺 紋潤滑劑提供容納位置。回到圖4A，示出了根據(jù)本發(fā)明一種實施方式螺紋導程相對軸向位置 的曲線圖。圖4B表示與圖4A中的曲線圖相對應的展開楔形螺紋。圖4A 中的曲線圖顯示套管載荷導程14B和套管入扣導程12B相對于銷釘載荷導 程14A和銷釘入扣載荷12A。在該實施方式中，銷釘螺紋在所示部分上具
有基本上恒定的載荷導程14A和入扣導程12A，同時套管螺紋具有由載荷導程14B和入扣導程12B的變化引起的擾動。本領域普通技術人員將會認 識到在另一實施方式中擾動可以代替地位于銷釘螺紋上。在圖4A中，套管螺紋的擾動起始于套管載荷導程14B減小以及套管 入扣導程12B增大的點Al和A2。在圖4B中示出了相應的螺紋形狀變化。 在點Al和A2，套管載荷齒側(cè)面226和套管入扣齒側(cè)面231開始"夾緊" 銷釘螺紋。在點B1和B2，套管載荷導程14B和套管入扣導程12B回到原 始值。這種情況在選定的螺旋長度上持續(xù)，從而導致在組裝連接件時一部 分套管螺紋和銷釘螺紋的接觸壓力增大。在點Cl和C2，套管載荷導程14B 增大并且套管入扣導程12B減小。在點C1， C2與點D1， D2之間，套管載 荷齒側(cè)面226和套管入扣齒側(cè)面231在擾動開始之前基本上回到原始路 徑。在一種實施方式中，套管載荷齒側(cè)面226和套管入扣齒側(cè)面231中的 一個或兩個不完全回到原始路徑。此外，在一種實施方式中，螺紋導程變 化的最大值和最小值數(shù)量上不等。例如，螺紋導程比螺旋長度"L."的原 始螺紋導程增加"x"。為了回到原始路徑，同一螺紋導程比螺旋長度2L 下的原始螺紋導程減小72Xx。本領域普通技術人員將會認識到在不脫離 本發(fā)明范圍的前提下可以得到多種擾動變型。在一種實施方式中，擾動具 有小于大約360度的螺旋長度。在另一實施方式中，擾動具有小于大約 180度的螺旋長度。圖4A和4B為了示意提供了放大的螺紋擾動的實例。在圖4B中的楔 形螺紋部分組裝成使得僅有載荷齒側(cè)面225和226與入扣齒側(cè)面231和 232之間的接觸點在點B1， B2與點C1， C2之間擾動。載荷齒側(cè)面225和 226與入扣齒側(cè)面231和232之間的間隙放大成在圖4B中可見。在一種 實施方式中，螺紋導程和其持續(xù)的螺旋長度的變化可以被選定為使得擾動 尺寸處于大約O. 0005英寸到0.005英寸之間。在另一實施方式中，擾動 尺寸在大約0. 001英寸到大約0. 002英寸之間。由于圖4B中的連接件組 裝經(jīng)過擾動處的初始接觸，因此載荷齒側(cè)面225和226與入扣齒側(cè)面231 和232之間的間隙在擾動處的接觸壓力使螺紋局部變形時消失。在連接件 已經(jīng)組裝成銷釘元件和套管元件具有所需轉(zhuǎn)矩或相對位置之后，在圖4B 中點Al， A2與點Dl, D2之間的擾動處的載荷齒側(cè)面225和226與入扣齒 側(cè)面231和232之間存在比螺紋的其余部分更大的接觸壓力。每個擾動的螺旋長度可以按照需要變化，然而，制造方法限制了螺旋 長度的可變性。例如，在一種實施方式中，可以采用計算機數(shù)字控制("CNC")車床。通過CNC程序控制CNC加工。通常，CNC程序包括每 個控制軸線的位置。例如，如果CNC車床具有軸向位置和旋轉(zhuǎn)位置，則所 述程序具有與每個旋轉(zhuǎn)位置相對應的軸向位置值。由于CNC車床通常以通 過每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)("RPM")測得的設定速度旋轉(zhuǎn)，因此當部件在機器中旋 轉(zhuǎn)時，CNC程序通常具有按序并以設定增量變化的旋轉(zhuǎn)位置。旋轉(zhuǎn)位置間 隔所成的增量通常被稱為車床的"分辨率"。例如，如果分辨率大約為 90度，則每大約90度的序列增量存在一個數(shù)據(jù)點。為每個增量選定軸向 位置。通常，CNC車床將在點之間以基本上恒定的速度移動軸向位置。按 照要求選定速度以花費與相應旋轉(zhuǎn)位置基本上相等的時間達到下一軸向 位置。通過計算增量值選定螺紋導程，使得對于每一轉(zhuǎn)，軸向位置前進的 距離基本上等于螺紋導程。例如，每轉(zhuǎn)l英寸的導程每90度前進l/4英 寸。本領域的普通技術人員能夠利用在前教導采用其它制造方法。例如， 可以采用具有4個控制軸(X、 Y、 Z和旋轉(zhuǎn)軸)的CNC研磨機。所采用的機器的分辨率可限制擾動的最小螺旋長度。繼續(xù)以90度為 例，最小擾動大約為180度(增大導程90度，減小導程90度)。如果在 延伸長度上需要最大接觸壓力(與圖4A和4B類似)，則擾動的最小螺旋 長度大約為270度(增大導程90度、原始導程90度，減小導程90度)。 更高的分辨率(也就是更小的旋轉(zhuǎn)增量)允許擾動的螺旋長度具有更大的 可變性。本領域普通技術人員將會認識到在不脫離本發(fā)明范圍的前提下可 以采用具有更高或更低分辨率的機器形成擾動。所采用的形成具有擾動的螺紋的制造方法尤其是特定的機器影響擾 動的實際形狀和尺寸。圖5A表示根據(jù)本發(fā)明一種實施方式銷釘載荷導程 14A相對于軸向位置的曲線圖。圖5B表示與圖5A中的曲線圖相對應的擾 動的理想形狀，而圖5C表示采用機器所形成的擾動的實際形狀。在圖5A 中，銷釘載荷導程14A在點A增大選定量以在銷釘載荷齒側(cè)面225與套管 載荷齒側(cè)面226之間獲得增大的接觸壓力。而后，銷釘載荷導程14A在點 B回到原始銷釘載荷導程14A。在點C，銷釘載荷導程14A減小與在前的 增量大約相同的量以使銷釘載荷齒側(cè)面225在點D回到大致其原始路徑。 理想地，與圖5A中銷釘載荷導程14A的曲線圖相對應的銷釘載荷齒側(cè)面 225基本上如圖5B所示。在圖5B中，銷釘載荷齒側(cè)面225在點A并以恒 定線性斜度瞬時改變(大約等于圖5A中銷釘載荷導程14A的改變)直至
點B。而后在點C，銷釘載荷齒側(cè)面225開始回到其原始路徑直至點D。 移動部件的動量以及控制裝置的響應時間形成圖5C所示的更平滑的外擾 動。在一些實施方式中，曲率可以基本上為正弦曲線。盡管可以通過生成 法改變擾動的準確形狀，但仍然可以實現(xiàn)接觸壓力增大。在一種實施方式中，在經(jīng)過螺紋進行加工("刮削")過程中形成擾 動。在此采用的刮削指的是在第一切削之后在螺紋上的切削。通常，刮削 去除0.020英寸或更少的材料。由于在刮削過程中去除更少的材料，因此 可以獲得對于擾動尺寸更高的加工誤差。然而，應該指出所加工的擾動在 尺寸上比編碼在CNC程序內(nèi)的擾動更小。這極大地歸因于切削的同時加工 工具脫離螺紋。因此，如果在CNC程序內(nèi)編碼0.002英寸的擾動，則實際 擾動僅為0. 00075英寸。本領域普通技術人員將會認識到特定機器的特性 導致了在輸入的擾動與所得到的擾動尺寸之間存在差異。對應選定的機器 這一偏差可以通過增大輸入擾動的尺寸來得到修正，從而在已知選定機器 的精度時形成所需的擾動尺寸?；氐綀D6A，示出了根據(jù)本發(fā)明一種實施方式套管載荷導程14B相對 于軸向位置的曲線圖。圖6B表示相應的套管載荷齒側(cè)面226。在圖6B中， 因被用于形成螺紋的機器的緣故，擾動的形狀略微彎曲。為了實現(xiàn)銷釘載 荷齒側(cè)面225與套管載荷齒側(cè)面226之間的接觸壓力增大，套管載荷導程 14B在點A減小。注意到這與圖5A相反，這樣改變了銷釘載荷導程14A 以形成擾動。對比觀察圖5A和6A，表示銷釘螺紋或套管螺紋都可以具有 擾動以獲得并提高螺紋上選定位置的接觸壓力。降低套管載荷導程14B 與增大銷釘載荷導程14A基本上獲得相同的結果。如圖4A所示，入扣導 程12A和12B的變化與載荷導程14A和14B相反。例如，在一種實施方式 中為了在銷釘載荷齒側(cè)面225和銷釘入扣齒側(cè)面232上具有擾動，銷釘載 荷導程14A增大并且銷釘入扣導程12A在大致相同的軸向位置減小。大體 上，銷釘螺紋加寬，從而導致相鄰套管螺紋之間的接觸壓力增大。為了通 過在套管元件上具有擾動而獲得基本上相同的效果，套管載荷導程14B 減小并且套管入扣導程12如圖4A所示減小。在圖7A和7B中，示出了根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的擾動。圖7A表 示銷釘載荷導程14A的曲線圖，圖7B表示在銷釘載荷齒側(cè)面225上相應 的擾動。在該實施方式中，銷釘載荷導程14A在點A增大選定量。在點B， 銷釘載荷導程14A減小大致相同的選定量到原始銷釘載荷導程14A以下。
擾動在點C結束，在那里銷釘載荷齒側(cè)面225回到大致其原始路徑。圖 7B中所示的相應擾動類似于圓形凸起。參照圖8，示出根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的多個擾動。圖8包括銷釘 載荷導程14A和銷釘入扣導程12A的曲線圖。圖8所示的實施方式可以被 稱為"引發(fā)的螺紋竄動"，因為其與如上所述的加工搖擺效果類似。通過 將螺紋導程變化編程到CNC程序內(nèi)可以"引發(fā)"螺紋竄動。在圖8中，引 發(fā)的螺紋竄動在點801A和801B開始，在那里銷釘載荷導程14A (在該實 施方式中被稱為"瞬時銷釘載荷導程")和銷釘入扣導程12A (在該實施 方式中被稱為"瞬時套管載荷導程)開始向上和向下改變，從而形成脈動 的銷釘載荷齒側(cè)面225和銷釘入扣齒側(cè)面232。為了具有均勻的正和負竄 動，銷釘載荷導程14A和銷釘入扣導程12A的初始增大具有螺旋長度L， 接著銷釘載荷導程14A和銷釘入扣導程12A隨后遞減具有螺旋長度2L， 使得銷釘載荷齒側(cè)面225和銷釘入扣齒側(cè)面232與它們的原始路徑交叉。 為了在點802A和802B回到原始路徑，銷釘載荷導程14A和銷釘入扣導程 12A總的增加量乘以增高的螺紋導程的螺旋長度應該基本上等于銷釘載 荷導程14A和銷釘入扣導程12A總的減小量乘以螺旋長度。例如，在圖8中，銷釘載荷導程14A和銷釘入扣導程12A在總的5L 的螺旋長度上分別小于平均銷釘載荷導程810和平均銷釘入扣導程811。 銷釘載荷齒側(cè)面225和銷釘入扣齒側(cè)面232在銷釘載荷導程14A和銷釘入 扣導程12A在總的5L的螺旋長度上分別處于平均銷釘載荷導程810和平 均銷釘入扣導程811之上后在點802A和802B回到它們的原始路徑。本領 域普通技術人員將會認識到如果在任意點銷釘載荷導程14A和銷釘入扣 導程12A減小或增大的絕對值不等，則螺旋長度無需相等。例如，在一種 實施方式中，銷釘載荷導程14A的增量可以是每轉(zhuǎn)大約0.002英寸，處于 平均銷釘載荷導程810以上，并且銷釘載荷導程14A的減小量可以是每轉(zhuǎn) 大約0.001英寸，處于平均銷釘載荷導程810以下。在該實施方式中，銷 釘載荷導程14A減小的螺旋長度是銷釘載荷導程14A增大的螺旋長度的大 約兩倍以回到銷釘載荷齒側(cè)面225的原始路徑。換句話說，本發(fā)明的一些 實施方式可以從標準值非對稱地改變。本領域普通技術人員將會認識到在 不脫離本發(fā)明范圍的前提下改變螺紋導程以及它們相應的螺旋長度的增 大量和減小量。此外，本發(fā)明的實施方式可以具有不會完全回到它們原始 路徑的擾動。
繼續(xù)參照圖8，示出了與曲線圖相對應的螺紋的橫截面。這些橫截面被記為與曲線圖上的點A、 B和C相對應的A、 B和C。圖4B中的楔形螺 紋得到部分組裝，使得僅有載荷齒側(cè)面225和226與入扣齒側(cè)面231和 232之間的接觸點處于擾動。在該特定實施方式中，正和負擾動絕對值相 等，使得在每個最大和最小擾動上基本上相同的組裝位置形成接觸。以分 別處于局部最小和局部最大的橫截面A和C表示所述接觸。在局部最小擾 動(橫截面A)下，入扣齒側(cè)面231和232形成接觸。在局部最大擾動(橫 截面C)下，載荷齒側(cè)面225和226形成接觸。在平均銷釘載荷導程810 和平均銷釘載荷導程811 (也就是原始路徑)下，載荷齒側(cè)面225和226 與入扣齒側(cè)面231和232之間的間隙基本上相等，以橫截面B示出。由于圖8中的連接件經(jīng)過擾動處的初始接觸得到組裝，因此載荷齒側(cè) 面225和226與入扣齒側(cè)面231和232之間的間隙將在擾動處的接觸壓力 使螺紋局部變形時消失。在連接件已經(jīng)組裝成銷釘元件和套管元件具有所 需轉(zhuǎn)矩或相對位置之后，在最大和最小擾動處的載荷齒側(cè)面225和226 與入扣齒側(cè)面231和232之間比螺紋的其余部分存在更大的接觸壓力。同 樣，如上所述，齒根292和221與牙頂291和222之間的間隙在連接件組 裝時也分別減小或完全靠近。參照圖9，示出了根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的多個擾動。圖9包括銷 釘載荷導程14A和銷釘入扣導程12A的曲線圖。圖9所示的實施方式與圖 8所示的"引發(fā)的螺紋竄動"類似，除了銷釘載荷導程14A和銷釘入扣導 程12A不一致地增大和減小。代替地，銷釘載荷導程14A和銷釘入扣導程 12A在相對的位置增大和減小，使得銷釘螺紋加寬和縮小各自具有擾動。 換句話說，在該實施方式中，銷釘載荷導程14A比平均載荷導程810更大， 在基本上相同的位置銷釘入扣導程12A小于平均入扣導程811。銷釘載荷 導程14A的增大與銷釘入扣導程12A的減小結合起來加寬了螺紋(參見橫 截面A)，同時銷釘載荷導程14A的減小與銷釘入扣導程12A的增大結合 起來縮小了螺紋(參見橫截面B)。在連接件的組裝過程中，齒側(cè)面之間 的接觸發(fā)生在如橫截面A所示的增大寬大部分。當接觸發(fā)生在加寬部分 時，齒側(cè)面之間的間隙仍然存在于如橫截面B所示的縮小部分。在選定的 組裝連接件時，基本上所有齒側(cè)面之間的間隙都將消失，并且連接件將在 加寬部分的齒側(cè)面之間具有增大的接觸壓力。本發(fā)明的實施方式還可以在銷釘元件和/或套管元件上具有變化的螺
紋高度(也就是在齒根和/或牙頂)上的擾動。圖9所示的實施方式包括 改變的銷釘螺紋高度。在該特定實施方式中，銷釘螺紋高度在與銷釘螺紋 寬度增大大致相同的位置增大，從而導致套管螺紋齒根221與銷釘螺紋牙頂222之間產(chǎn)生干涉，如與橫截面B相比的橫截面A所示。齒根/牙頂干涉的變化尤其適用于具有自由運動螺紋的實施方式。如 以上參照圖2所述，對于具有與楔形螺紋類似的螺紋密封的自由運動螺 紋，現(xiàn)有技術中具有圓柱形自由運動螺紋的連接件要求在載荷齒側(cè)面154 和155與入扣齒側(cè)面157和158之間存在干涉。這種干涉基本上存在于連 接件的整個組裝過程，因為銷釘螺紋和套管螺紋具有連續(xù)的寬度。此外， 齒根/牙頂干涉(如果存在)基本上存在于連接件的整個組裝過程。這樣 導致螺紋磨損并且難以組裝連接件。在本發(fā)明的一種實施方式中，銷釘元件和套管元件中的一個或兩個具 有自由運動螺紋，在載荷齒側(cè)面、入扣齒側(cè)面、齒根和/或牙頂上具有擾 動。優(yōu)選地，擾動定位成使得在一個或多個位置形成螺紋密封。這一點可 以通過選擇擾動的尺寸和位置來實現(xiàn)，使得載荷齒側(cè)面干涉、入扣齒側(cè)面 干涉和齒根/牙頂干涉相互接近。因而，可以在本發(fā)明的一個或多個實施 方式中采用自由運動螺紋形成螺紋密封。通過僅在自由運動螺紋的一部分 上形成螺紋密封，磨損的危險與在整個連接件上存在齒側(cè)面干涉和齒根/ 牙頂干涉相比得到減小。本領域普通技術人員將會認識到由于在自由運動 螺紋的載荷齒側(cè)面上具有固有的高接觸壓力，因此可以不需要在連接件組 裝過程中得到加載的載荷齒側(cè)面上具有形成螺紋密封的擾動。由于楔形螺紋的組裝不確定，因此更需要在銷釘元件和套管元件上都 具有擾動。備選地，在銷釘元件和套管元件上的擾動可以處于螺紋不相互 接觸的部分上(也就是在充分不同的軸向位置，使得擾動不會相互作用)。 對于通常具有正止動轉(zhuǎn)矩肩部的自由運動螺紋，還需要在銷釘元件或套管元件上具有擾動，因為銷釘元件和套管元件的相對位置的不可確定性盡管 比楔形螺紋更小，但仍然在一定程度上存在。本領域普通技術人員將會認識到由擾動形成的接觸壓力的所需量值 可以根據(jù)密封壓力、密封的物質(zhì)以及用于連接件的材料而改變。如上所述， 更高的接觸壓力能夠密封更大的壓力。此外，如果由連接件密封比液體更 加難以密封的氣體，則需要更大的接觸壓力。用于連接件的材料限制了最 大允許接觸壓力。例如，耐腐蝕合金(CRA)通常比其它高強度鋼更能承
受局部應力(例如由擾動導致的)的破壞。本領域普通技術人員能夠根據(jù) 用于連接件的材料選擇所需的接觸壓力。備選地，可以根據(jù)所需的接觸壓 力選擇材料。本發(fā)明的實施方式可以包括在銷釘螺紋和/或套管螺紋的齒根上的一個或多個應力釋放槽。在授予Enderle等人并轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的美 國專利號6， 050， 610中教導了這種應力釋放槽。該專利在此全部引入作為 參考。Enderle公開的應力釋放槽使在連接件的組裝過程積存的潤滑劑排 出。積存的潤滑劑導致轉(zhuǎn)矩讀數(shù)失效，這會導致連接件不正確的組裝。此 外，如果在連接件內(nèi)形成壓力，積存的潤滑劑會在組裝過程中損壞連接件。 這一問題通常發(fā)生在更冷的環(huán)境下，這時潤滑劑更粘稠并且從連接件中排 出以釋放所形成的壓力的能力更差。如果在高旋轉(zhuǎn)速度下組裝連接件，則 情況更嚴重。在銷釘螺紋和/或套管螺紋的齒根上起到壓力釋放作用的應力釋放槽 固有的一個問題是應力釋放槽降低了對螺紋具有螺紋密封的部分的螺紋 密封能力。由于正如Enderle公開的，可以在螺紋的有限部分采用具有任何形狀或深度改變的應力釋放槽，因此螺紋的其余部分被用于形成內(nèi)部和 外部壓力密封(例如通過在螺紋上形成一個或多個擾動)。在這樣的實施 方式中，螺紋密封存在于一個或多個擾動大致遠離任何應力釋放槽定位的 位置。在一種實施方式中，采用圖8和9所示的擾動代替Enderle公開的應 力釋放槽。圖8和9所示的周期或引發(fā)的螺紋竄動導致沿螺紋形成接觸壓 力降低的小的、間隔的凹腔或間隙。由Enderle公開的應力釋放槽通過為 過量的螺紋潤滑劑(dope)提供出口而發(fā)揮很大的作用。作為備選方案，間 隔的凹腔可以為收集在連接件中而不是排出連接件的潤滑劑提供空間。本 發(fā)明的發(fā)明人相信潤滑劑不確定地積存在具有增大的接觸壓力的擾動之 間可以形成提高的螺紋密封。此外，具有積存潤滑劑確保了阻力的潤滑存 在于連接件中以在使用后有助于拆開管狀部件。如上所述，與標準尺寸的周期偏差("自然偏差")自然發(fā)生在制造 過程中。盡管制造者采取多種措施減小自然偏差，但至少存在一定的距標 準值的偏差，并且如果其處于所需誤差內(nèi)則是可以接受的。由于自然偏差 的準確位置和程度在制造過程中是未知的，因此要求擾動的尺寸應該被選 定為使得無論擾動相對于自然偏差的位置如何都是有利的。例如，在特定
加工配置(例如機器、加工工具、夾具、材料、部件的尺寸)具有典型的 大約+ / — 0.001英寸量級的自然偏差發(fā)生率。為了確保擾動在連接件中 產(chǎn)生一定有利(而不是被自然偏差消除)，擾動的尺寸被選定為是自然偏差的尺寸的大約兩倍(也就是+ / —0.002英寸)。連接件的特性影響擾動的所需尺寸。理想地，當形成金屬對金屬的密 封(也就是螺紋密封)時，形成接觸的表面短距離摩擦以使表面"上光"。 在此采用的"上光"意思是表面略微拋光或光滑。如果表面在太大的接觸 壓力下接觸太長的距離，在會產(chǎn)生磨損。磨損發(fā)生在潤滑劑在滑動接觸持 續(xù)的同時從表面之間移動的情況下，從而導致摩擦提高并生熱。為了避免 不符合要求的磨損，擾動的尺寸應該被設計成防止在組裝過程中形成長度 延伸的滑動接觸。為了形成螺紋密封，配合表面(例如載荷齒側(cè)面、入扣齒側(cè)面以及齒根和牙頂)之間的接觸壓力通常從材料的屈服強度的25% 到100%。閉合的螺紋形式(例如燕尾形螺紋)大體上允許接觸壓力達到 所述范圍的更高一端。理想地，通過在短距離上以急劇升高的接觸壓力結 合在一起的表面形成螺紋密封，所述急劇升高的接觸壓力最終落入形成螺 紋密封的有效范圍內(nèi)。楔形螺紋的楔形比是影響所需的擾動尺寸的參數(shù)。大體上，楔形比確 定了表面"快速"形成接觸的程度(也就是在組裝過程中表面接觸的線性 英寸)。通常，更大的楔形比允許形成比更小楔形比更大的擾動。在一種 實施方式中，擾動的尺寸可以被選定為在楔形比的大約0. 1倍到大約0. 2 倍之間。例如，如果楔形比(載荷導程與入扣導程之間的差值)大約為 0. 020英寸，則所需的擾動尺寸處于大約0. 002英寸到大約0. 004英寸之 間。選擇擾動尺寸的另一考慮因素是材料，其影響對磨損的敏感性。例如， CRA比碳鋼更容易磨損。因而，由CRA制成的連接件(假定所有其它的參 數(shù)都相等)比由碳鋼制成并具有相同擾動尺寸的連接件具有螺紋磨損的可 能性更大。為了防止磨損，由CRA制成的連接件具有更小的擾動。盡管已經(jīng)參照有限數(shù)量的實施方式描述了本發(fā)明，但受到公開內(nèi)容啟 示的本領域技術人員將會認識到可以想到不脫離在此公開的本發(fā)明范圍 的其它實施方式。因而，本發(fā)明的范圍僅應該由附加權利要求來限定。
權利要求
1.一種螺紋連接件，包括包括銷釘螺紋的銷釘元件，所述銷釘螺紋具有銷釘螺紋牙頂、銷釘螺紋齒根、銷釘載荷齒側(cè)面以及銷釘入扣齒側(cè)面；包括套管螺紋的套管元件，所述套管螺紋具有套管螺紋牙頂、套管螺紋齒根、套管載荷齒側(cè)面以及套管入扣齒側(cè)面，其中銷釘螺紋牙頂、銷釘載荷齒側(cè)面、銷釘入扣齒側(cè)面、套管螺紋牙頂、套管載荷齒側(cè)面以及套管入扣齒側(cè)面中的至少一個具有在其上形成的至少一個擾動，在銷釘元件與套管元件進行選定的組裝時，在銷釘螺紋與套管螺紋之間的所述至少一個擾動處存在增大的接觸應力。
2. 如權利要求1所述的螺紋連接件，其特征在于，銷釘螺紋和套管 螺紋是楔形螺紋。
3. 如權利要求1所述的螺紋連接件，其特征在于，所述至少一個擾 動中的每個僅位于銷釘螺紋和套管螺紋中的一個上。
4. 如權利要求1所述的螺紋連接件，其特征在于，所述至少一個擾 動定位成使得靠近其形成螺紋密封。
5. 如權利要求1所述的螺紋連接件，其特征在于，銷釘螺紋和套管 螺紋是自由運動螺紋并且所述至少一個擾動中的一個形成在銷釘入扣齒 側(cè)面和套管入扣齒側(cè)面中的一個上。
6. 如權利要求1所述的螺紋連接件，其特征在于，在銷釘螺紋和套 管螺紋中的一個上以基本上正弦曲線的方式形成多個擾動。
7. 如權利要求1所述的螺紋連接件，其特征在于，所述至少一個擾 動的尺寸在大約0. 0005英寸到大約0. 005英寸之間。
8. 如權利要求l所述的螺紋連接件，其特征在于，所述至少一個擾 動的尺寸在大約0. 001英寸到大約0. 002英寸之間。
9. 如權利要求l所述的螺紋連接件，其特征在于，還包括僅在銷釘螺紋齒根和套管螺紋齒根中的至少一個的一部分上形成槽， 其中所述至少一個擾動選擇性地定位成在遠離槽的位置形成螺紋密封。
10. —種采用具有可編程控制的加工工具制造螺紋的方法，所述方法 包括輸入多個增量下與旋轉(zhuǎn)位置相對應的軸向位置，其中在第一組兩個增 量之間的軸向位置變化被選定為具有與用于加工工具的原始軌跡相對應 的第一所需螺紋導程；輸入在第二組兩個增量之間的軸向位置變化，其中所述變化被選定為具有比第一所需螺紋導程更大的第二所需螺紋導程；輸入在第三組兩個增量之間的軸向位置變化，其中所述變化被選定為 具有比第一所需螺紋導程更小的第三所需螺紋導程；以及回到第一所需導程。
11. 如權利要求IO所述的方法，其特征在于，加工工具回到原始路徑。
12. —種在包括銷釘元件和套管元件的連接件上形成螺紋密封的方 法，其中銷釘元件包括具有銷釘螺紋牙頂、銷釘螺紋齒根、銷釘載荷齒側(cè) 面以及銷釘入扣齒側(cè)面的銷釘螺紋，并且套管元件包括具有套管螺紋牙 頂、套管螺紋齒根、套管載荷齒側(cè)面以及套管入扣齒側(cè)面的套管螺紋，所述方法包括在銷釘螺紋牙頂、銷釘載荷齒側(cè)面、銷釘入扣齒側(cè)面、套管螺紋牙頂、套管載荷齒側(cè)面以及套管入扣齒側(cè)面中的至少一個上形成至少一個擾動；其中在銷釘元件與套管元件進行選定的組裝時，在所述至少擾動的銷 釘螺紋與套管螺紋之間存在增大的接觸應力。
全文摘要
一種包括銷釘元件和套管元件的螺紋連接件，以及用于制造和形成所述螺紋連接件的方法。銷釘元件具有銷釘螺紋，該銷釘螺紋具有銷釘螺紋牙頂、銷釘螺紋齒根、銷釘載荷齒側(cè)面以及銷釘入扣齒側(cè)面。套管元件具有套管螺紋，該套管螺紋具有套管螺紋牙頂、套管螺紋齒根、套管載荷齒側(cè)面以及套管入扣齒側(cè)面。銷釘螺紋牙頂、銷釘載荷齒側(cè)面、銷釘入扣齒側(cè)面、套管螺紋牙頂、套管載荷齒側(cè)面以及套管入扣中的至少一個具有在其上形成的至少一個擾動。在銷釘元件與套管元件進行選定組裝時，在至少一個擾動處的銷釘螺紋與套管螺紋之間存在增大的接觸應力。
文檔編號E21B17/042GK101163850SQ200580048003
公開日2008年4月16日 申請日期2005年12月22日 優(yōu)先權日2004年12月30日
發(fā)明者小哈里斯·A·雷諾茲 申請人:海德瑞有限公司