專利名稱：氣密封螺紋接頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種螺紋密封技術(shù)，用于石油鉆探、開發(fā)和生產(chǎn)時(shí)所要用到的石油油
管和套管的氣密封螺紋接頭。
背景技術(shù)：
開采地下天然氣是我國能源工業(yè)的一項(xiàng)重要舉措。用于固定井壁的套管和用于采 氣生產(chǎn)的油管都是一根一根用圓錐管螺紋連接而成的長管柱，每一個(gè)螺紋接頭必須保證具 有可靠的氣密封性能。 幾十年來，用于上述目的的螺紋接頭無一例外地都是在管子外螺紋的小端加工出 一段圓錐形或圓球形的密封面，在與之相配合的接箍的內(nèi)螺紋的小端也加工出一段圓錐形 或圓球形的密封面，依靠合理的設(shè)計(jì)和精確的加工能夠保證當(dāng)外螺紋和內(nèi)螺紋旋緊配合 時(shí)，兩個(gè)密封面之間產(chǎn)生合適的過盈量，實(shí)現(xiàn)密封氣體的目的，其連接關(guān)系如圖1所示。
通常情況下，油管和套管的螺紋主要起連接作用，旋緊配合后，螺紋牙的局部區(qū)域 存在間隙，從而形成螺旋形的泄漏通道。如果沒有以密封為目的的密封面，僅僅依靠螺紋 的旋緊配合是不能起到密封高壓氣體的作用，這是因?yàn)楫?dāng)內(nèi)螺紋和外螺紋配合時(shí)，在螺紋 牙的局部區(qū)域上存在間隙，形成一條或兩條螺旋形的泄漏通道A、B，從而造成高壓氣體的泄 漏，如圖2所示。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種氣密封螺紋接頭，該接頭擯棄了傳統(tǒng)的在油管和套管的公螺紋和 母螺紋的小端設(shè)計(jì)密封面的做法，用來實(shí)現(xiàn)油管和套管連接時(shí)封堵高壓氣體阻止泄漏的性 能為目的。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種氣密封螺紋接頭，該接頭包 括有接箍的母螺紋和管子端部的公螺紋，所述接箍的母螺紋與管子端部的公螺紋相互配 合，其中所述接箍兩端的母螺紋結(jié)構(gòu)對稱設(shè)置，每一端的母螺紋由偏梯形螺紋構(gòu)成，在偏 梯形螺紋前方設(shè)有直角扭矩臺肩，每一端的母螺紋通過退刀槽與所述直角扭矩臺肩相連 接；在所述接箍的母螺紋的第4 7牙螺紋的其中一牙的位置上設(shè)有能阻止高壓氣體泄漏 的突起螺紋段，從而起到密封作用。 所述接箍的母螺紋分為連接螺紋和突起螺紋兩部分，采用連接強(qiáng)度高的偏梯形螺 紋結(jié)構(gòu)，突起螺紋段的牙形錐度為1 : 16，螺距為4牙/英寸，齒高h(yuǎn)二 1.78 2.03mm，導(dǎo) 入側(cè)角度P = 15 45° ，承載側(cè)角度a =0 4° 。 本發(fā)明的效果是該氣密封螺紋接結(jié)構(gòu)通過封堵油管和套管的公螺紋和母螺紋在 旋緊配合后齒頂和齒底存在的泄漏通道，起到氣密封作用。提高了螺紋的連接效率。同時(shí)螺 紋的高度比同規(guī)格API的螺紋高度要高，提高了螺紋的連接強(qiáng)度。本氣密封螺紋接頭的連 接螺紋嚙合后，齒側(cè)沒有間隙，使接頭能承受較大的壓縮載荷，提高了接頭的抗壓縮強(qiáng)度。


圖1為傳統(tǒng)技術(shù)采用密封面密封的特殊扣接頭； 圖中1-公端的密封面 2_母端的密封面 圖2為API偏梯螺紋和圓螺紋齒形圖； 圖中A-API偏梯螺紋的一條螺旋形泄漏通道 B-API圓螺紋的兩條螺旋形泄漏通道 圖3為本發(fā)明的石油油管和套管的氣密封螺紋接頭； 圖中3-母端的突起螺紋 圖4為本發(fā)明的石油油管和套管的氣密封螺紋接頭的公端； 圖中C-公端的螺紋牙可以用傳統(tǒng)技術(shù)加工 圖5為本發(fā)明的石油油管和套管的氣密封螺紋接頭的母端； 圖中L-突起螺紋的齒根低于相鄰的螺紋 M-突起螺紋的齒頂?shù)陀谙噜彽穆菁y 圖6為本發(fā)明的石油油管和套管的氣密封螺紋接頭機(jī)緊位置圖； 圖中D-突起螺紋堵塞螺旋形泄漏通道 圖7為本發(fā)明的石油油管和套管的氣密封螺紋接頭手緊位置圖； 圖中k_螺紋接頭的軸向機(jī)緊量 圖8為本發(fā)明的石油油管和套管的螺紋齒形圖； 圖中a _偏梯螺紋承載側(cè)角度 |3 -偏梯螺紋導(dǎo)入側(cè)角度 h_偏梯螺紋高度 圖9為用有限元方法分析的本發(fā)明的螺紋接觸應(yīng)力的分布； 圖中橫坐標(biāo)為接觸長度，縱坐標(biāo)為接觸壓力 圖10為本發(fā)明的突起螺紋封堵泄漏通道； 圖中N-突起螺紋封堵螺旋形泄漏通道
P-螺旋形泄漏通道 圖11為本發(fā)明專用量具檢驗(yàn)接箍的特殊螺紋。 圖中Q-專用量具
具體實(shí)施例方式
結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明的氣密封螺紋接頭結(jié)構(gòu)加以說明。 本發(fā)明的氣密封螺紋接頭結(jié)構(gòu)是該接頭包括接箍的母螺紋和管子端部的公螺 紋，所述接箍的母螺紋與管子端部的公螺紋相互配合，所述接箍兩端的母螺紋結(jié)構(gòu)對稱設(shè) 置，每一端的母螺紋由偏梯形螺紋構(gòu)成，在偏梯形螺紋前方設(shè)有直角扭矩臺肩，每一端的母 螺紋通過退刀槽與所述直角扭矩臺肩相連接；在所述接箍的母螺紋的第4 7牙螺紋的其 中一牙螺紋的位置上設(shè)有能阻止高壓氣體泄漏的突起螺紋段，從而起到密封作用。
所述母螺紋段分為連接螺紋和突起螺紋兩部分，并采用連接強(qiáng)度高的偏梯形螺紋 結(jié)構(gòu)，所述突起螺紋的牙形齒高h(yuǎn) = 1. 78 2. 03mm，承載側(cè)角度a = 0 4° ，導(dǎo)入側(cè)角 度P = 20 45° 。
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本發(fā)明的接箍的母螺紋與直角扭矩臺肩通過退刀槽相連，該直角扭矩臺肩能使油 管和套管的公螺紋和母螺紋旋緊配合時(shí)準(zhǔn)確定位。本氣密封螺紋接頭的油管和套管的公螺 紋端部沒有密封面，端部厚度比傳統(tǒng)氣密封連接形式厚1mm以上，剛度較大，在擰接力矩過 大的時(shí)候，所述的公螺紋端部不容易產(chǎn)生變形。 如圖5所示，本氣密封螺紋接頭的母螺紋的連接螺紋部分起連接作用，與公螺紋 嚙合后，在公螺紋和母螺紋齒側(cè)沒有間隙，在齒底和齒頂存在間隙，形成兩條螺旋形的泄漏 通道；母螺紋的突起螺紋處的中徑略小，與公螺紋旋緊配合后，與相嚙合位置的公螺紋之間 產(chǎn)生較大的徑向過盈量，消除了嚙合螺紋齒底和齒頂存在間隙，封堵公母螺紋配合之間的 泄漏通道，實(shí)現(xiàn)密封高壓氣體的功能。密封結(jié)構(gòu)是一個(gè)完整的齒形，呈凹凸形，密封的總長 度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)油管和套管的公螺紋和母螺紋的小端采用密封面結(jié)構(gòu)的密封長度，密封效果 更加可靠。 —般來說，螺紋的螺距越大，上扣時(shí)就越不容易錯(cuò)扣。API圓螺紋的螺螺距是10牙 /英寸和8牙/英寸，API偏梯形螺紋的螺距是5牙/英寸，在管子直徑較大時(shí)，公、母螺紋 稍微偏斜就容易錯(cuò)扣，為此，本氣密封螺紋接頭采用4牙/英寸的大螺距和高于API螺紋的 齒高，使接頭更容易對扣。 本氣密封螺紋接頭螺紋的導(dǎo)入側(cè)角度與接頭的上扣性能有關(guān)，導(dǎo)入側(cè)角度越大， 越容易上扣，本氣密封螺紋接頭的螺紋的導(dǎo)入側(cè)角度e為15 45° ，這樣能使降低接頭錯(cuò) 扣的可能性。螺紋承載側(cè)角度a為0 4° ，這樣在套管受到拉伸載荷時(shí)，軸向載荷產(chǎn)生的 徑向分力較小，提高了螺紋的連接效率。同時(shí)螺紋的高度比同規(guī)格API的螺紋高度要高，提 高了螺紋的連接強(qiáng)度。 本氣密封螺紋接頭的油管和套管的公螺紋和母螺紋的連接螺紋嚙合后，齒側(cè)沒有
間隙，使接頭能承受較大的壓縮載荷，提高了接頭的抗壓縮強(qiáng)度。以石油油管和套管的氣密 封螺紋接頭為例，在接箍的內(nèi)螺紋的規(guī)定位置上設(shè)計(jì)出不同于其它螺紋的突起螺紋，如圖5 所示。加工時(shí)，通過在數(shù)控車床上改變切削軌跡的編程方法可以加工出滿足設(shè)計(jì)要求的突 起螺紋。管端的外螺紋按照常規(guī)的螺紋加工方法加工，如圖4所示。 本氣密封螺紋接頭的適用范圍可適于管子直徑為小60. 32 小273.05mm之范圍。 本氣密封螺紋接頭的螺紋基本參數(shù)螺紋錐度1 : 16，螺距6. 35mm 適當(dāng)?shù)穆菁y接頭的軸向機(jī)緊量k是實(shí)現(xiàn)上述功能的充分條件，如圖7所示。適當(dāng)
的牙形角度a和！3，牙形高度h是實(shí)現(xiàn)上述功能的必要條件，如圖8所示。 如圖9所示，用有限元分析方法分析上述結(jié)構(gòu)，縱坐標(biāo)為油管和套管的公母螺紋
旋緊配合后每個(gè)齒的完整輪廓上的接觸應(yīng)力，橫坐標(biāo)為距離油管和套管的管端的距離，相
嚙合的螺紋接觸應(yīng)力可以得出與預(yù)期目的相一致的結(jié)論，在突起螺紋處，在該螺紋的完整
輪廓上的接觸應(yīng)力都大于零，當(dāng)氣體通過泄漏通道達(dá)到該突起螺紋處時(shí)，被該突起螺紋封
堵住。如圖io所示。 用專用量具Q檢驗(yàn)這段突起螺紋，如圖11所示。 本氣密封螺紋接頭已經(jīng)得到實(shí)驗(yàn)室中多個(gè)規(guī)格的實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證。 實(shí)現(xiàn)本氣密封螺紋接頭的螺紋加工技術(shù) 本氣密封螺紋接頭的石油油管和套管螺紋接頭，其管子的公螺紋與普通API偏梯
5螺紋加工類似；加工接箍的母螺紋時(shí)，要加工出一段突起螺紋，在接箍螺紋的小端部位加工 退刀槽和直扭矩臺肩。 實(shí)現(xiàn)本氣密封螺紋接頭的螺紋檢驗(yàn)技術(shù)，即對于石油油管和套管螺紋接頭及管端 的公螺紋均使用常規(guī)方法檢驗(yàn)，接箍的母螺紋非突起螺紋處使用常規(guī)方法檢驗(yàn)，突起螺紋 處使用專用量具檢驗(yàn)。
權(quán)利要求
一種氣密封螺紋接頭，該接頭包括有接箍的母螺紋和管子端部的公螺紋，所述接箍的母螺紋與管子端部的公螺紋相互配合，其特征是所述接箍兩端的母螺紋結(jié)構(gòu)對稱設(shè)置，每一端的母螺紋由偏梯形螺紋構(gòu)成，在偏梯形螺紋前方設(shè)有直角扭矩臺肩，每一端的母螺紋通過退刀槽與所述直角扭矩臺肩相連接；在所述接箍的母螺紋的第4～7牙螺紋的其中一牙的位置上設(shè)有能阻止高壓氣體泄漏的突起螺紋段，從而起到密封作用。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣密封螺紋接頭，其特征是所述接箍的母螺紋分為連接螺 紋和突起螺紋兩部分，采用連接強(qiáng)度高的偏梯形螺紋結(jié)構(gòu)，所述突起螺紋段的牙形錐度為 1 : 16，螺距為4牙/英寸，齒高h(yuǎn) = 1.78 2.03mm，導(dǎo)入側(cè)角度|3 = 15 45° ，承載側(cè) 角度a = 0 4° 。
全文摘要
本發(fā)明提供一種氣密封螺紋接頭，該接頭包括有接箍的母螺紋和管子端部的公螺紋，接箍的母螺紋與管子端部的公螺紋相互配合，接箍兩端的母螺紋結(jié)構(gòu)對稱設(shè)置，每一端的母螺紋由偏梯形螺紋構(gòu)成，在偏梯形螺紋前方設(shè)有直角扭矩臺肩，每一端的母螺紋通過退刀槽與所述直角扭矩臺肩相連接；在所述接箍的母螺紋的第4～7牙螺紋的其中一牙的位置上設(shè)有能阻止高壓氣體泄漏的突起螺紋段，從而起到密封作用。本發(fā)明的效果是該氣密封螺紋接結(jié)構(gòu)通過封堵泄漏通道，起到氣密封作用，提高了螺紋的連接效率。同時(shí)螺紋的高度比同規(guī)格API的螺紋高度要高，提高了螺紋的連接強(qiáng)度。該氣密封螺紋接頭的連接螺紋嚙合后，齒側(cè)沒有間隙，使接頭能承受較大的壓縮載荷，提高了接頭的抗壓縮強(qiáng)度。
文檔編號E21B17/02GK101696621SQ200910071149
公開日2010年4月21日 申請日期2009年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月4日
發(fā)明者盧小慶, 史彬, 張軍, 徐志謙, 梅麗, 王京, 王春忠, 閆龍, 陳濤 申請人:天津鋼管集團(tuán)股份有限公司;