專利名稱：能夠經(jīng)受直徑擴(kuò)張的管狀螺紋連接的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能夠經(jīng)受直徑擴(kuò)張所引起的塑性變形的管狀螺紋連接，并涉及在這樣的擴(kuò)張后所獲得的連接。
背景技術(shù)：
已知的管狀螺紋連接形成在兩個(gè)很長(zhǎng)的管之間或很長(zhǎng)的管和聯(lián)接器之間，并尤其適用于生產(chǎn)用于碳?xì)浠衔锞?例如地?zé)峋?的管套柱或管套。
通常，鉆井時(shí)使用不同直徑的工具，鉆井的頂部時(shí)使用例如直徑為500mm數(shù)量級(jí)的大直徑的工具，而使用直徑為150mm數(shù)量級(jí)的小直徑工具鉆井的底部。然后，使用多個(gè)從表面懸掛的共心套柱套在井的內(nèi)部，直徑較大的管從地面延伸到幾百米的深度，直徑較小的管從地面延伸到井的底部。套管和地之間的空間通常被封死。
當(dāng)井被完全鉆透并套住時(shí)，管套被向下放入到直徑較小的管套柱的內(nèi)部，以便允許碳?xì)浠衔锷降孛妗?br> 因此，裝配鉆井設(shè)備要求使用大量的不同尺寸的管，這些管子應(yīng)盡量地薄，這樣在地面附近就不需要太大的套管直徑。
考慮到所需的機(jī)械性能，通常用熱處理后的鋼生產(chǎn)套管和產(chǎn)品管(production pipe)，并通過(guò)螺紋連接把這些管子連接起來(lái)，螺紋連接的厚度通常大于管的常規(guī)部分，并要求共心套柱的直徑之間有縫隙。
來(lái)自美國(guó)石油研究所的API規(guī)范5CT定義了很長(zhǎng)的管(整體連接管，流線型套管)之間的管狀螺紋連接和包括兩個(gè)通過(guò)使用聯(lián)接器來(lái)連接兩個(gè)長(zhǎng)管的螺紋連接的螺紋和聯(lián)接器連接。
很多專利已經(jīng)改進(jìn)了這樣的連接和螺紋連接例如，法國(guó)專利FR1489013，歐洲專利EP0488912和美國(guó)專利US4494777的目的是生產(chǎn)一種管被稱為“高級(jí)”連接的管狀螺紋連接，由于金屬-金屬密封面和凹、外螺紋元件之間的接合，該連接有特別好的密封效果。
最近，人們思考出了在碳?xì)浠衔锞惺褂霉芴字男路椒ǎㄍㄟ^(guò)使用壓入柱內(nèi)側(cè)的心軸來(lái)將管的直徑擴(kuò)張10％到20％參見(jiàn)以下專利或?qū)＠暾?qǐng)WO93/25799，WO98/00626，WO99/06670，WO99/35368，WO00/61951，GB2344606，GB2348657。
這樣的擴(kuò)張，例如，允許放置管套柱時(shí)不必封死管的外周面和鉆入地面的孔的表面之間的空間，或相對(duì)孔向下降低體積很小的套柱。
這樣的擴(kuò)張還使得能夠塞住由于腐蝕或鉆套的摩擦而在套管或油管內(nèi)穿透形成的孔，或使得能夠下降體積很小的管，該管一旦到位便擴(kuò)張到希望的直徑。
但是，擴(kuò)張技術(shù)應(yīng)該首先允許待鉆的井在其整個(gè)長(zhǎng)度上具有均勻的直徑，并且使用直徑恒定的套柱來(lái)裝套管，未擴(kuò)張狀態(tài)下的管被引入，然后擴(kuò)張以適應(yīng)井的直徑。
因此，通過(guò)除去直徑最大且最厚的管可以極大地減少裝配鉆井設(shè)備所需的管數(shù)，并因而減少了井的開(kāi)發(fā)成本。甚至可以考慮直接使用套管柱鉆井，這時(shí)套管柱用作鉆套。
但是現(xiàn)有技術(shù)的管狀螺紋連接(例如US4494777所描述的)無(wú)法實(shí)現(xiàn)如上應(yīng)用。
使用這樣的連接，在擴(kuò)張后●會(huì)發(fā)現(xiàn)缺少密封，該密封專門(mén)防止沿柱液壓心軸來(lái)進(jìn)行擴(kuò)張；●從向著連接內(nèi)部的凸端發(fā)現(xiàn)澆口，通過(guò)產(chǎn)生進(jìn)入由工作內(nèi)徑所限定的空間的內(nèi)部凸起，其很大程度地并不可接受地減小了套柱的工作內(nèi)徑；●可能地，由于超過(guò)了一定的特定的高壓區(qū)域的變形范圍，觀察到唇的斷裂，這是因?yàn)檠赝箖?nèi)螺紋元件的厚度相對(duì)管體的厚度發(fā)生變化。
鑒于上述原因，以上引用的涉及擴(kuò)張技術(shù)的文獻(xiàn)僅僅描述了焊接連接(先前端部焊接的管卷，從表面展開(kāi))或摩擦連接(“滑動(dòng)”)作為管間連接的實(shí)施例，盡管螺紋連接的綜合機(jī)械強(qiáng)度、在所有工作條件下的密封和進(jìn)行一系列順序地裝配和拆卸過(guò)程的可能性是公知的。
應(yīng)該明白，US5924745和WO98/42947描述了連接被稱為“EST”管(可擴(kuò)張開(kāi)槽管)的螺紋連接，這種管設(shè)置有縱向開(kāi)槽，通過(guò)將擴(kuò)張心軸穿過(guò)這些管，該開(kāi)槽允許在碳?xì)浠衔锞牡撞康墓苤睆綌U(kuò)張。這樣的螺紋連接的目的不是提供密封，假定管設(shè)置有橫跨管壁并允許在管外側(cè)的流體(來(lái)自油田的碳?xì)浠衔?進(jìn)入管內(nèi)并上升到地面的開(kāi)槽。

發(fā)明內(nèi)容
因此，我們尋求開(kāi)發(fā)出一種能夠抵抗井內(nèi)的擴(kuò)張操作、并在所述擴(kuò)張操作后對(duì)流體及對(duì)氣體(如果可能的話)密封的管狀螺紋連接。
我們還尋求一種生產(chǎn)簡(jiǎn)單、便宜的管狀螺紋連接。
我們還尋求一種在工作條件下具有良好的冶金特征的螺紋連接，并因而在擴(kuò)張后具有在該條件下的足夠的屈服強(qiáng)度，并且不具有脆性，具有良好的應(yīng)力裂紋特征。
根據(jù)本發(fā)明，用于擴(kuò)張的管狀螺紋連接包括外螺紋元件和內(nèi)螺紋元件，外螺紋元件帶有在第一管的端部的外螺紋，內(nèi)螺紋元件帶有在第二管的端部的內(nèi)螺紋。
在外螺紋之外并向元件的自由端移動(dòng)，外螺紋元件包括不帶螺紋的凸唇，其具有外周面，外螺紋元件中止在凸端面，該凸端面是環(huán)形的并帶有部分橫向定位。
內(nèi)螺紋元件包括和外螺紋配合的內(nèi)螺紋和用于凸唇的不帶螺紋的凹?xì)?。該殼包括?nèi)周面和環(huán)形的凹肩面，該凹肩面帶有和第二管的內(nèi)周面相連的部分橫向定向部分。
外螺紋和內(nèi)螺紋配合并進(jìn)入凸端的表面對(duì)著凹肩的表面結(jié)合的位置。
根據(jù)本發(fā)明的一般特征，使得管狀螺紋連接能夠被密封，并且，在經(jīng)受塑性變形區(qū)域內(nèi)的直徑擴(kuò)張之后，該管狀螺紋連接具有最大的內(nèi)部截面，在擴(kuò)張前，凸端和凹肩的表面的形狀互補(bǔ)，將凹端面嵌入凹肩面內(nèi)。
此外，凸唇的外周面距凹?xì)さ膬?nèi)周面設(shè)置小縫隙。
將凸端面嵌入凹肩面內(nèi)意味著當(dāng)位于凹端外的第二管的全厚度區(qū)域在擴(kuò)張過(guò)程中相對(duì)連接軸傾斜時(shí)，會(huì)出現(xiàn)彎曲力矩。
嵌入使得在直徑擴(kuò)張的條件下，能夠通過(guò)凸唇的外周面的一部分和凹?xì)さ膬?nèi)周面的對(duì)應(yīng)部分之間的金屬/金屬接觸壓力在螺紋連接上組成環(huán)形密封區(qū)域。
嵌入還可以防止在擴(kuò)張過(guò)程中所述自由端向套柱內(nèi)部的任何自然趨勢(shì)，并在缺少這樣的嵌入的條件下產(chǎn)生內(nèi)部突出。
將在說(shuō)明書(shū)的詳細(xì)部分說(shuō)明在擴(kuò)張過(guò)程中的這種性能，發(fā)明人意外地發(fā)現(xiàn)了該特性。
術(shù)語(yǔ)“凸唇的外周面和凹?xì)さ膬?nèi)周面之間的小縫隙”是指垂直這些面的、測(cè)量值為0.3mm或更小的縫隙。
在凸唇的外周面和凹?xì)さ膬?nèi)周面之間不存在明顯的徑向干涉意味著，在非擴(kuò)張連接中，這些周面不用作密封面。發(fā)明人指出，在擴(kuò)張螺紋連接之前，這些表面之間的徑向干涉對(duì)于擴(kuò)張后生成密封的連接是不必要的。
他們還指出，這些面之間的過(guò)大空間不允許它們?cè)跀U(kuò)張后進(jìn)行獲取密封的螺紋連接所必需的干涉配合。
現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)US4611838描述了一種螺紋連接，其帶有與凹?xì)?duì)應(yīng)的凸唇，還帶有包括環(huán)形齒的凸端的環(huán)形面和包括環(huán)形槽的凹肩的環(huán)形面，這兩個(gè)面彼此靠著，具有環(huán)形外周邊端面的凸唇和具有錐形內(nèi)周面的凹?xì)ぁ?br> 在配合的末尾，這些周面徑向地干涉，從而構(gòu)成密封面；US4611838的目的是由于這些周面的形狀和用于齒的下表面的槽的下表面的支持效果，在配合的末尾，可以最大化凸唇的外環(huán)形周面和凹?xì)さ膬?nèi)錐形周面之間的徑向干涉(并且因而為螺紋連接提供密封)。
但是，該專利中的凸端面沒(méi)有全部地嵌入螺紋連接的凹肩面內(nèi)，所以在凸唇自由端的舌處的側(cè)壁和在凸唇自由端的基處的凹槽的上壁之間的自由空間導(dǎo)致不能向凸唇的自由端傳送彎曲力矩。
在該文獻(xiàn)中沒(méi)有對(duì)帶有塑性變形的直徑擴(kuò)張的表面密封的效果提出暗示，也沒(méi)有對(duì)螺紋連接能夠成功地經(jīng)受這樣的擴(kuò)張做出暗示。依發(fā)明人的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)美國(guó)專利4611838的螺紋連接的密封在這樣的擴(kuò)張后難以保證。
美國(guó)專利3870351描述了一種凸唇和凸凹?xì)さ慕Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)接近美國(guó)專利4611838的結(jié)構(gòu)，自由凸端的表面外突地彎曲，并與內(nèi)凹地彎曲的凹肩的表面配合，以便產(chǎn)生兩組金屬-金屬密封面，一個(gè)在彎曲表面的高度，另一個(gè)在凸唇的外周面并且在凹?xì)さ膬?nèi)周面上。這樣的結(jié)構(gòu)可以增加周邊密封面之間的徑向干涉。
國(guó)際專利申請(qǐng)WO99/08034描述了方形螺紋的螺紋連接，其具有對(duì)應(yīng)于凹?xì)さ耐勾?，還具有以槽口形狀出現(xiàn)的環(huán)形凸端面和凹肩面，這兩個(gè)面彼此接合并相對(duì)嵌入。凸唇的外周面和凹?xì)さ膬?nèi)周面具有圓柱形的部分，當(dāng)凸凹槽口被嵌入時(shí)，該部分徑向地彼此干涉，以便在配合的末端形成一組周邊密封面。
最后，美國(guó)專利6047997描述了一種用于對(duì)密封沒(méi)有特殊要求的地下輸送管的鉆套結(jié)構(gòu)。該專利中的凸端面嵌入凹肩面內(nèi)，但是數(shù)字顯示凸唇的外周面和凹?xì)さ膬?nèi)周面之間有大的空間。
這些被引用的文檔沒(méi)有一個(gè)描述了和本發(fā)明提出權(quán)利要求的結(jié)構(gòu)相同的結(jié)構(gòu)。此外，它們中沒(méi)有一個(gè)考慮到螺紋連接的直徑擴(kuò)張，也沒(méi)有描述在這樣的擴(kuò)張后產(chǎn)生密封的螺紋連接的可能。
優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明，為了使凸端面能夠嵌入凹肩內(nèi)，凸端面具有槽口的形狀，它是由指向螺紋連接內(nèi)部的一側(cè)上的橫向面和在相對(duì)側(cè)上的軸向伸出的環(huán)形舌構(gòu)成的。為了和凸端面配合，凹肩面具有槽口的形狀，并由指向螺紋連接內(nèi)部一側(cè)上的橫向面和相對(duì)側(cè)上的環(huán)形槽構(gòu)成的，凸槽口的橫向面和凹槽口的橫向面配合，環(huán)形舌與環(huán)形槽配合。
在本發(fā)明中，極為優(yōu)選地，槽的環(huán)形壁和舌的壁進(jìn)行干涉配合。
優(yōu)選地，在配合位置，槽口內(nèi)側(cè)的橫向面彼此接合?；蛘?，它們能簡(jiǎn)單地準(zhǔn)接觸。
優(yōu)選地，凸槽口上的舌的徑向厚度基本上等于同一槽口的橫向面的厚度。
優(yōu)選地，凸槽口的舌的軸向高度基本上等于其徑向厚度。
優(yōu)選地，凸唇的外周面和凹?xì)さ膬?nèi)周面是圓柱形的表面因而，機(jī)械加工這些非干涉面非常簡(jiǎn)單和便宜。
優(yōu)選地，凸唇的厚度在第一管厚度的1/3到2/3的范圍內(nèi)。
凸唇厚度的這個(gè)范圍可以保證在螺紋基部的嚴(yán)格的截面，該截面足以在螺紋連接的軸向拉伸上提供足夠的強(qiáng)度。
優(yōu)選地，凸唇的長(zhǎng)度和厚度之間的比例在范圍1到4之間，凸唇的長(zhǎng)度從凸槽口的橫向面開(kāi)始測(cè)量。
該比例的最大值允許凸唇和凹?xì)ぴ跀U(kuò)張期間的塑性變形；這些塑性變形產(chǎn)生了在很高的接觸壓力下彼此配合的表面，并因而為擴(kuò)張后的螺紋連接提供了密封。
該比例的最大值使得能夠避免凸唇不受控制的扣結(jié)，該扣結(jié)將會(huì)導(dǎo)致所述唇伸入管套柱的內(nèi)側(cè)。
極為優(yōu)選地，外螺紋具有在螺紋和凸唇之間的螺紋端部處的槽。在螺紋連接的擴(kuò)張過(guò)程中，該槽促進(jìn)塑性變形。
優(yōu)選地，槽的深度基本上等于外螺紋的高度，這樣，外螺紋的基部向槽的基部開(kāi)口。
優(yōu)選地，槽的長(zhǎng)度是其深度的2到8倍。如果長(zhǎng)度/深度的比例小于2，那么該槽將不再促進(jìn)唇的塑性變形。如果長(zhǎng)度/深度的比例大于8，在擴(kuò)張期間會(huì)導(dǎo)致材料向柱的內(nèi)部扣結(jié)的高風(fēng)險(xiǎn)。
本發(fā)明還可以有利地應(yīng)用于具有錐形螺紋的螺紋連接和具有單/或多級(jí)的直螺紋的螺紋連接。
優(yōu)選地，在螺紋件和在管體度處第一管和第二管具有相同內(nèi)徑，從而促進(jìn)了擴(kuò)張操作。
優(yōu)選地，對(duì)于外徑也是相同的。
極為優(yōu)選地，螺紋連接本質(zhì)上是整體形的，即，每個(gè)管都是很長(zhǎng)的管，包括位于其一端的外螺紋和位于另一端的內(nèi)螺紋，一個(gè)管的外螺紋配合在另一個(gè)管的內(nèi)螺紋內(nèi)，并延續(xù)下去構(gòu)成一個(gè)套柱。
本發(fā)明的目的是保護(hù)螺紋連接的塑性變形區(qū)域內(nèi)的直徑擴(kuò)張所導(dǎo)致的密封的螺紋連接，如上所定義的。
優(yōu)選地，所進(jìn)行的直徑擴(kuò)張大于10％。
本發(fā)明的目的是保護(hù)如上所述的處于非擴(kuò)張和擴(kuò)張條件下的螺紋連接，其中，通過(guò)加工硬化，用包括使得鋼對(duì)時(shí)效不敏感的固氮元件的鋼生產(chǎn)螺紋件。還要熱處理這種鋼，使其均勻的延伸特征最大化。這也導(dǎo)致工作中的良好性能。
本發(fā)明的目的是保護(hù)用以生產(chǎn)密封的管狀螺紋連接的方法。
根據(jù)該過(guò)程，從上述的本發(fā)明的管狀螺紋連接開(kāi)始，其被稱為“初始管狀螺紋連接”，不需要密封性能，通過(guò)使用直徑比初始螺紋連接的管的內(nèi)徑大的擴(kuò)張心軸，使該初始螺紋連接在塑性變形區(qū)經(jīng)受直徑擴(kuò)張，該擴(kuò)張心軸軸向地位于初始螺紋連接內(nèi)。凸唇和凹?xì)さ某叽缡沟迷谛妮S通過(guò)的過(guò)程中，凸唇和凹?xì)ひ黄鹗紫冉?jīng)受塑性彎曲變形，同時(shí)僅有凹?xì)るS后經(jīng)受相反的校直方向的塑性變形，該變形最終使凸唇和凹?xì)じ缮媾浜稀?br> 優(yōu)選地，由于在外螺紋一側(cè)上的凸唇的端部存在槽，可以對(duì)凸唇彎曲進(jìn)行限制。
優(yōu)選地，所采用的管狀螺紋連接本質(zhì)上是整體的，并且擴(kuò)張心軸從外螺紋元件向內(nèi)螺紋元件移位。


附圖展示了本發(fā)明非限定性的實(shí)施例。
圖1示出了直徑擴(kuò)張前的本發(fā)明的螺紋連接；圖2示出了圖1中的螺紋連接的外螺紋元件；圖3示出了圖1中的螺紋連接的內(nèi)螺紋元件；圖4到圖7示出了處于擴(kuò)張過(guò)程的不同階段的本發(fā)明的螺紋連接；圖4示出了螺紋連接的擴(kuò)張階段；圖5示出了彎曲階段；圖6示出校直階段；圖7示出了經(jīng)受擴(kuò)張過(guò)程的螺紋連接的最終階段；圖8示出了圖2在凸自由端的細(xì)節(jié)；圖9示出了圖3在凹?xì)ざ说募?xì)節(jié)；圖10示出了圖1的細(xì)節(jié)。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了本發(fā)明的螺紋連接，包括位于第一管11一端的外螺紋件，該外螺紋件進(jìn)入位于第二管12一端的內(nèi)螺紋件2并與之接合。外螺紋件的內(nèi)徑等于管11，12的內(nèi)徑DI。此外，在本發(fā)明中內(nèi)螺紋件的外徑等于管11，12的外徑DE，但是也可以不等。
圖1所示的螺紋連接處于任何直徑擴(kuò)張操作前的簡(jiǎn)單相接配合狀態(tài)。
所示的第二管12是很長(zhǎng)的管，但也可以是裝配有內(nèi)螺紋元件2和對(duì)稱設(shè)置的第二內(nèi)螺紋元件的聯(lián)接器(未示出)，該第二內(nèi)螺紋元件和位于另一長(zhǎng)管端部的外螺紋元件配合。
圖2單獨(dú)示出了外螺紋元件。
它包括帶有梯形螺齒的錐形外螺紋3，并通過(guò)由槽21和唇5構(gòu)成的非螺紋部分向其自由端延伸，并中止于凸環(huán)形端面9。
槽21是淺U形的形狀。
它緊接著螺紋的考試，且其深度hg等于螺紋3的螺齒的高度。所以，槽的基部到達(dá)螺紋的第一螺齒的根部。
槽的寬度lg基本上等于其深度hg的四倍。
唇5包括a)圓柱狀的外周面7；b)內(nèi)周面19，其對(duì)應(yīng)于第一管11的圓柱狀內(nèi)周面的端部區(qū)域。
所以，唇5具有均勻的厚度e1，該厚度基本上等于管11的厚度et的一半。從槽的端部到表面15(以下對(duì)其限定)所測(cè)量的唇的長(zhǎng)度l1基本上等于唇的厚度e1的三倍。
凸端面9形成了圖8中詳細(xì)示出的槽口。凸環(huán)形橫向面15和軸向伸出的環(huán)形舌13構(gòu)成了該槽口。凸橫向面15位于槽口的一側(cè)上，指向螺紋連接的內(nèi)部。
舌13的壁17，25不是嚴(yán)格平行的，而是稍微地向舌的自由端匯聚；這些壁因而呈稍微錐形的表面承載，這些表面和配件的軸共心，且其頂點(diǎn)半角為1到2度。
舌13的徑向厚度(ed)基本上與橫向面15的相同，而舌的長(zhǎng)度(hd)(或其軸向投影)基本上等于舌的徑向厚度(ed)。
圖3單獨(dú)示出了內(nèi)螺紋元件2。
內(nèi)螺紋元件包括帶有和外螺紋3配合的梯形螺齒的內(nèi)螺紋4和相對(duì)內(nèi)螺紋4位于內(nèi)螺紋元件的自由端的相對(duì)一側(cè)上的非螺紋部分6。該非螺紋部分6形成了和外螺紋元件1上的唇5對(duì)應(yīng)和配合的殼。
凹?xì)?具有內(nèi)周邊殼面8，該面是圓柱狀的，在一側(cè)上和內(nèi)螺紋4連接，在另一端上經(jīng)過(guò)凹肩10和第二管12的圓柱狀內(nèi)周面20連接。
殼8的周面的直徑稍微大于凸唇5的外周面7的直徑，這樣，在外螺紋元件配合進(jìn)入內(nèi)螺紋元件的過(guò)程中面7和8可以以很小的間隙彼此相對(duì)滑動(dòng)，例如0.2mm的間隙。
凹肩(參見(jiàn)圖9)具有環(huán)形肩面10，該面以基本對(duì)應(yīng)的方式設(shè)置，且其形狀基本對(duì)應(yīng)于凸端9的形狀。面10形成由凹橫向面16和環(huán)形槽14構(gòu)成的槽口。
凹橫向面16位于槽口的一側(cè)上，朝向螺紋連接的內(nèi)部。
槽14的軸向深度(Pr)稍微大于舌13的高度，這樣，在連接位置，凹和凸環(huán)形橫向面15，16彼此接合，同時(shí)舌13的端部不會(huì)抵到槽14的基部(參見(jiàn)圖10)。
槽14的壁18，26不是嚴(yán)格平行的，而是向槽的底部稍微匯合；這些壁因而呈稍微錐形的面，這些面和連接的軸共心，并且其頂點(diǎn)半角是1到2度，和舌13的壁17，25的頂點(diǎn)半角相同。
所以，槽的徑向?qū)挾?lr)在槽的整個(gè)長(zhǎng)度上不是嚴(yán)格恒定的；對(duì)其進(jìn)行適應(yīng)性修改，使得舌13的周邊壁在配合位置稍微靠前處接觸槽14的對(duì)應(yīng)壁。
這樣使得可以在唇7、殼8的圓柱狀周面之間提供所需的小間隙，還可以通過(guò)槽14提供舌13的干涉配合。橫向面15，16的干涉配合和接合構(gòu)成了用以確保凸端面9嵌入凹肩10的面的優(yōu)選模式。
圖4到圖7說(shuō)明了當(dāng)通過(guò)心軸將管的直徑擴(kuò)張15％時(shí)所發(fā)生的變形現(xiàn)象，該管使用已經(jīng)描述的能夠最終生產(chǎn)密封擴(kuò)張聯(lián)接的螺紋連接。
在金屬材料上進(jìn)行的這樣的變形導(dǎo)致金屬的塑性變形。
所以，例如，位于擴(kuò)張的上游的第二管12擴(kuò)張前的外徑為139.7mm(51/2”)，并且，結(jié)果，在還未變形部分，該值變?yōu)榈谝还?1的外徑157.5mm(6.2”)。鑒于這個(gè)原因，用于管的金屬必須能夠接受塑性變形。
所產(chǎn)生的塑性變形增加了產(chǎn)品的屈服強(qiáng)度變形后，初始屈服強(qiáng)度為310MPa(45KSI)的管的屈服強(qiáng)度增加到380MPa。
使用帶有合適的最大直徑的心軸30(圖4)以已知的方式擴(kuò)張直徑，通過(guò)使用鉆套拉心軸或在例如液壓下推心軸來(lái)使心軸通過(guò)。
該心軸，例如，是雙錐形的，包括其上進(jìn)行擴(kuò)張的進(jìn)入錐體31，中間圓柱狀部分32和錐形退出部分33。心軸部分的所有表面利用合適的曲率半徑連接在一起。
國(guó)際專利申請(qǐng)WO93/25800公開(kāi)了進(jìn)入錐體的角度，該錐體尤其適用于用于開(kāi)采碳?xì)浠衔锞腅ST管的直徑擴(kuò)張。
在用以制管的金屬的變形能力足夠的前提下，端部截面恒定的管11，12不會(huì)在心軸通過(guò)的過(guò)程中出現(xiàn)任何特殊問(wèn)題。
出現(xiàn)需要克服的問(wèn)題的原因在于管的端部的螺紋元件比管體的薄，且凸部分和對(duì)應(yīng)的凹部分以不同的方式變形。
如果用本發(fā)明的螺紋連接進(jìn)行控制，這些不同的變形使得能夠生產(chǎn)出在直徑擴(kuò)張后密封的螺紋連接，而不需要在管的內(nèi)周面上布置不利的局部輪廓。
如圖4到圖7所示，螺紋連接的擴(kuò)張過(guò)程可被分為4個(gè)階段。
盡管可以在相反的方向進(jìn)行擴(kuò)張操作并能產(chǎn)生滿意的結(jié)果，但是在所示的變形的優(yōu)選實(shí)施模式中，心軸從第一管11的外螺紋元件1向第二管12的內(nèi)螺紋元件2移位。
a)心軸錐體的擴(kuò)張階段圖4示出了該階段的螺紋連接。
利用心軸30的進(jìn)入錐體31進(jìn)行擴(kuò)張，圖4示出了直徑擴(kuò)張過(guò)程中的外螺紋3和內(nèi)螺紋4。
在圖4中，心軸30的進(jìn)入錐體31使凸唇和對(duì)應(yīng)的凹?xì)^(qū)域開(kāi)始變形，這是通過(guò)彎曲它們使它們相對(duì)連接的軸傾斜來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
在該擴(kuò)張階段，在心軸30通過(guò)時(shí)作用的反作用載荷被逐漸從第一管11傳遞到第二管12。
由于這些反作用載荷，凸唇5在該擴(kuò)張過(guò)程中受到凹肩10的環(huán)形面的軸向壓縮。
擴(kuò)張階段的結(jié)束對(duì)應(yīng)著外螺紋元件抵達(dá)心軸30的進(jìn)入錐體31的末端。
b)彎曲階段在該階段，凸唇被位于心軸的中心部分32的高度參見(jiàn)圖5。
i)凸唇凸唇5的每一端受到相反方向的彎曲力矩的作用。
由于配合槽口15，16和舌13/槽14的干涉配合系統(tǒng)，凸端面9嵌入凹肩面10。
槽口的嵌入迫使凸唇5的自由端區(qū)域超越凹肩跟隨內(nèi)螺紋元件的全厚度區(qū)域22傾斜，該區(qū)域22仍然經(jīng)受心軸的進(jìn)入錐體31的擴(kuò)張，并因而在該位置產(chǎn)生彎曲力矩。
在外螺紋3一側(cè)上的凸唇的另一端不再受支承，并且，相反地，在凸唇上施加彎曲力矩，該力矩相對(duì)凸唇的自由端上的力矩是相反的。
在凸唇兩端的帶有相反符號(hào)的彎曲力矩使凸唇5如圖5所示的彎曲成香蕉形，并且凸唇5的外周面成為外凸的弓形。
在擴(kuò)張階段的末尾，凸唇5內(nèi)的軸向壓縮促進(jìn)其在彎曲運(yùn)動(dòng)的效果下的彎折。
位于凸唇5和外螺紋3之間的槽21起塑性支點(diǎn)的作用，其通過(guò)限定彎曲所能影響到的寬度加強(qiáng)了凸唇的彎曲。
但是，在此處必須小心，使凸唇處的軸向壓應(yīng)力不會(huì)引起槽下金屬23的扣結(jié)(bulkling)，這導(dǎo)致槽下的金屬相對(duì)內(nèi)周面19突出。
ii)凹?xì)ぴ诎細(xì)?nèi)也會(huì)發(fā)生相同的彎曲現(xiàn)象。
在心軸的中間部分通過(guò)的過(guò)程中，與凸唇的相對(duì)較薄區(qū)域相比相對(duì)較硬的全厚度區(qū)域22經(jīng)受額外的擴(kuò)張，這樣區(qū)域22的內(nèi)徑變得比心軸30的中間區(qū)域32的大。在WO93/25800中描述了額外擴(kuò)張的現(xiàn)象。
c)校直階段圖6示出了該階段，該階段對(duì)應(yīng)于全厚度凹區(qū)域22的在心軸30的中間部分32上通過(guò)。
i)凹?xì)ぴ诶鞈?yīng)力和圓周應(yīng)力的作用下，前一階段產(chǎn)生的彎曲趨于減小到0，產(chǎn)生和彎折相反的軸向彎曲應(yīng)力，并因而進(jìn)行校直。
這些應(yīng)力所產(chǎn)生的彎曲力矩和校直部分上游的材料的厚度成比例。當(dāng)?shù)竭_(dá)全厚度管12(區(qū)域22)的時(shí)刻，彎曲力矩不足以將凹?xì)さ膬?nèi)周邊區(qū)域校直，該內(nèi)周邊區(qū)域隨后趨于向產(chǎn)品的軸傾斜(dip)。該行為顯示為管12外徑的局部減小。
ii)凸唇由于凹部被校直，彎曲所導(dǎo)致的軸向尺寸的差異被減小。因而凸唇5逐漸地失去其受壓狀態(tài)。隨后，最初接合的面15，16分開(kāi)。該現(xiàn)象通過(guò)凹?xì)?nèi)周面8的傾斜(dip)而產(chǎn)生打開(kāi)接合面15，16的效果而加強(qiáng)。
b)最終階段圖7示出了心軸通過(guò)后，螺紋連接的最終階段。
由擴(kuò)張產(chǎn)生的圓周應(yīng)力導(dǎo)致凸唇的外周面7和凹?xì)さ膬?nèi)面8的干涉配合。表面7和8在擴(kuò)張階段顯示出了自動(dòng)干涉配合，確保了密封。由于槽口9、10的嵌入產(chǎn)生了足夠的塑性變形，凸唇5沒(méi)有向軸傾斜。
心軸通過(guò)后，考慮塑性變形，螺紋聯(lián)接件的回彈可以被忽略。
徑向的干涉配合引起了幾十個(gè)MPa的接觸壓力，在螺紋連接上施加的內(nèi)部壓力或外部壓力的條件下，足夠確保密封。
當(dāng)在10到30MPa的壓力下，液壓地推動(dòng)心軸30來(lái)進(jìn)行擴(kuò)張時(shí)，密封也是必須的；已經(jīng)擴(kuò)張了的聯(lián)接的任何程度的泄漏會(huì)阻礙心軸進(jìn)一步地沿套柱進(jìn)入并因而阻礙了擴(kuò)張過(guò)程。
應(yīng)該明白，在最終階段，可能出現(xiàn)舌13不再在槽14內(nèi)并尤其不再在槽的內(nèi)壁18上。
權(quán)利要求1及其附屬權(quán)利要求中所提出的特征可以獲取希望的結(jié)果。
由于凸端面9不與凹肩10的面配合，所以導(dǎo)致在校直過(guò)程中，該端傾斜并導(dǎo)致初始接合的橫向面15和16分開(kāi)，還導(dǎo)致凸唇的下端伸入套柱內(nèi)部，這是無(wú)法接受的。套柱不再允許給定尺寸的裝置或工具被向下移動(dòng)。
擴(kuò)張前，螺紋連接的凸唇5的周面7和凹?xì)?的周面之間的間隙過(guò)大將不能在擴(kuò)張的末尾提供這些面之間的干涉配合。
擴(kuò)張前的初始狀態(tài)下的這些面之間的徑向干涉配合易于受到擴(kuò)張階段這些面之間的變形差異(彎曲度，校直)的負(fù)面影響，該變形差異在擴(kuò)張操作的末尾產(chǎn)生了這些面之間的干涉配合。
帶有橫向面15，16的環(huán)形槽口和舌13/槽14系統(tǒng)的優(yōu)選形狀可以防止在擴(kuò)張過(guò)程中凸自由端的傾斜，但是這僅是嵌入面9，10的可能的實(shí)施例的一個(gè)示例；能產(chǎn)生相同效果的其他實(shí)施例也是可以的。
凸唇5的厚度e1如果小于管11，12的厚度et的三分之一，那么過(guò)薄的凸唇不能使橫向面15，16之間產(chǎn)生有效的接合。
相比之下，如果凸唇5的厚度e1大于管11，12的厚度et的三分之二，在凹?xì)^(qū)域的管12的厚度只能和內(nèi)螺紋4地極小的一部分有效截面配合，結(jié)果，螺紋沒(méi)有足夠的抵抗拉伸的能力。
凸唇5的長(zhǎng)度/厚度比例控制著凸唇5的壓縮和彎曲行為。
長(zhǎng)度l1小于其厚度e1的凸唇5不能提供凸唇5的周面7的足夠的彎曲和/或凹?xì)さ闹苊?的校直。
長(zhǎng)度l1大于其厚度e1四倍的凸唇5將會(huì)導(dǎo)致凸唇的扣結(jié)并在螺紋一側(cè)突出到螺紋內(nèi)。
外螺紋5和凸唇5之間的槽21的存在加強(qiáng)了該效果。
出于這個(gè)原因，槽的深度最好能限定在螺紋高度，并且長(zhǎng)度最好相對(duì)其深度進(jìn)行限定。
示例管的外徑ED為139.7mm、標(biāo)稱厚度et為7.72mm(51/2”×17.00lb/ft)，由熱處理到最小屈服強(qiáng)度為290MPa(42KSI)的碳鋼材料制成。
適當(dāng)?shù)卣{(diào)整鋼的組分及其熱處理，以便在拉伸測(cè)試的過(guò)程中，AR面積減小之前(例如，AR為15％或更大)，形成可能的最高的延展性和更高的均勻延長(zhǎng)特征。
例如，在我們選擇的鋼中，碳含量足夠小，接近0.14％(重量)；而鎂含量相對(duì)較高，為1％的級(jí)數(shù)；并加入鋁來(lái)固定殘留在鋼中的氮。
如果通過(guò)退火或淬火并隨后用回火來(lái)熱處理鋼，則加入的鋁的固氮效果很明顯，帶有用以固定0.010％的氮的0.035％的鋁的鋼尤其適合。其他已知的固氮的化學(xué)元素也可以和鋁一起使用。
這樣的化學(xué)組分的目的是消除自由填隙原子，例如氮，并且還能使鋼在加工硬化后不易受有害的老化現(xiàn)象的影響，該老化現(xiàn)象還會(huì)影響延展性。
鋼可以處于退火狀態(tài)(例如，在冷加工后的正?；鼗鸹驊?yīng)力釋放退火)或在結(jié)構(gòu)上等效的條件下。
本發(fā)明的整體螺紋連接●錐形螺紋3，4(直徑上的錐度＝12.5％)，帶有徑向高度為1mm、軸向間距為4mm的梯形螺齒；●圓柱狀的凸唇5；●厚度e1為3.2mm(管厚度的41％)的凸唇；●凸唇長(zhǎng)度l1＝11.5mm；●外螺紋3和凸唇5之間的槽21，其深度hg為1mm，長(zhǎng)度lg為4mm；●凸端面9，帶有軸向長(zhǎng)度為1.8mm、徑向厚度為1.8mm的舌13；●螺紋連接的拉伸強(qiáng)度≥管體11，12的每一個(gè)的拉伸強(qiáng)度的50％。
管套柱擴(kuò)張后的結(jié)果●管11，12的外徑＝157.5mm(6.2”)；●管厚度7.2mm；●管的屈服強(qiáng)度≥415MPa；●硬度≤22HRc(最大值，NACE規(guī)格MR0175)；●在擴(kuò)張狀態(tài)及擴(kuò)張+時(shí)效狀態(tài)下經(jīng)受下面的測(cè)試→內(nèi)部壓力斷裂測(cè)試；
→在外部壓力測(cè)試下塌陷；→V形擺錘沖擊測(cè)試；→根據(jù)NACE規(guī)格的SSC(硫化物應(yīng)力裂縫)促使TM 01-77(NBNACE＝國(guó)家腐蝕工程師聯(lián)合會(huì)，美國(guó))。
公開(kāi)實(shí)施例的說(shuō)明并沒(méi)有將本發(fā)明限定于這些實(shí)施例，沒(méi)有詳細(xì)公開(kāi)的實(shí)施例也包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種可以擴(kuò)張的管狀螺紋連接，包括在第一管(11)一端的外螺紋元件(1)和在第二管(12)一端的內(nèi)螺紋元件(2)，該外螺紋元件包括向所述外螺紋元件自由延伸的外螺紋(3)和凸唇(5)，該凸唇包括以環(huán)形的凸端面(9)相對(duì)螺紋連接的軸橫向終止的外周面(7)，該內(nèi)螺紋元件(2)包括對(duì)應(yīng)于外螺紋(3)的內(nèi)螺紋(4)和用以容納凸唇的非螺紋凹?xì)げ糠?6)，所述凹?xì)ぐ▋?nèi)周面(8)和凹肩面(10)，該凹?xì)な黔h(huán)形的并具有部分橫向的定向，外螺紋(3)和內(nèi)螺紋(4)配合并到達(dá)凸環(huán)形端面(9)和凹肩面(10)相接合的位置，其特征在于，為了使所述螺紋連接在經(jīng)受塑性變形區(qū)域內(nèi)的直徑擴(kuò)張后能夠密封并具有用于通道的最大的內(nèi)部截面，在擴(kuò)張前，凸端面(9)和凹肩(10)的環(huán)形面具有互補(bǔ)的形狀，以便將凸端面(9)嵌入凹肩(10)的面，并且，凸唇(5)的外周面(7)到凹?xì)?6)的內(nèi)周面(8)之間設(shè)置小的縫隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管狀螺紋連接，其特征在于，凸端面(9)具有槽口形，由螺紋連接的內(nèi)側(cè)上的橫向面(15)和在槽口另一側(cè)的軸向伸出環(huán)形舌(13)構(gòu)成，凹肩面(10)具有槽口形，由指向螺紋連接內(nèi)部的一側(cè)上的橫向面(16)和在另一側(cè)上的環(huán)形槽(14)構(gòu)成，凸槽口的橫向面(15)和凹槽口的橫向面(16)配合，舌(13)和槽(14)配合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的管狀螺紋連接，其特征在于，舌(13)和槽(14)的環(huán)形壁設(shè)置得使槽的環(huán)形壁(18，26)在螺紋連接的連接位置內(nèi)徑向地和舌的環(huán)形壁(17，25)干涉配合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的管狀螺紋連接，其特征在于，舌(13)的環(huán)形壁(17，25)稍微成錐形并向舌的自由端匯合，并且，槽(14)的環(huán)形壁(18，26)稍微成錐形并向槽的基部匯合，槽的壁的傾斜度等于舌的壁的傾斜度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2到4中的任一項(xiàng)所述的管狀螺紋連接，其特征在于，凸凹槽口的橫向面(15，16)彼此相對(duì)接合。
6.根據(jù)權(quán)利要求2到5中的任一項(xiàng)所述的管狀螺紋連接，其特征在于，舌(13)的徑向厚度(ed)基本等于凸唇(9)的橫向面(15)的厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求2到6中的任一項(xiàng)所述的管狀螺紋連接，其特征在于，舌(13)的軸向測(cè)量的長(zhǎng)度(hd)基本上等于其徑向厚度(ed)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7中的任一項(xiàng)所述的管狀螺紋連接，其特征在于，凸唇的外周面(7)和凹?xì)さ膬?nèi)周面(8)是圓柱狀的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到8中的任一項(xiàng)所述的管狀螺紋連接，其特征在于，凸唇(5)的厚度(e1)在第一管(11)的厚度的1/3到2/3的范圍內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到9中的任一項(xiàng)所述的管狀螺紋連接，其特征在于，唇(5)的長(zhǎng)度(l1)和厚度(e1)滿足唇的長(zhǎng)度和厚度的比值在范圍1到4之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求1到10中的任一項(xiàng)所述的管狀螺紋連接，其特征在于，外螺紋元件(1)具有槽(21)，其在螺紋和凸唇(5)之間的外螺紋(3)的端部。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的管狀螺紋連接，其特征在于，槽(21)的深度(hg)等于外螺紋(3)的高度。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的管狀螺紋連接，其特征在于，槽(21)的長(zhǎng)度(lg)和深度(hg)使得唇的長(zhǎng)度在其深度的2倍到8倍的范圍內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1到13中的任一項(xiàng)所述的管狀螺紋連接，其特征在于，第一管和第二管(11，12)在螺紋件(1)(2)和管體處具有相同的內(nèi)徑(DI)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的管狀螺紋連接，其特征在于，第一管和第二管(11，12)在螺紋件(1)(2)和管體處具有相同的外徑(DE)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述得管狀螺紋連接，其特征在于，它是整體型的。
17.一種密封的管狀螺紋連接，其特征在于，該螺紋連接是從根據(jù)權(quán)利要求1到16中的任一項(xiàng)的管狀螺紋連接在塑性變形區(qū)域內(nèi)直徑擴(kuò)張后得到的。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的管狀螺紋連接，其特征在于，管狀螺紋連接所經(jīng)受的直徑擴(kuò)張大于10％。
19.根據(jù)權(quán)利要求1到18中的任一項(xiàng)所述的管狀螺紋連接，其特征在于，用包括固氮元素的鋼制造螺紋元件(1)(2)，這樣，通過(guò)加工硬化使鋼對(duì)時(shí)效不敏感，其中，對(duì)鋼進(jìn)行熱處理，使其均勻的延長(zhǎng)特征最大化。
20.一種生產(chǎn)密封管狀螺紋連接的方法，其特征在于，采用如權(quán)利要求1到16中的任一項(xiàng)所述的管狀螺紋連接，稱為“初始管狀螺紋連接”，其不要求密封特征，其中，通過(guò)使用直徑大于初始螺紋連接的內(nèi)徑(DI)的心軸(30)使初始管狀螺紋連接在塑性變形區(qū)域內(nèi)經(jīng)受直徑擴(kuò)張，凸唇(5)和凹?xì)?6)的尺寸應(yīng)滿足在心軸通過(guò)的過(guò)程中，凹?xì)ず屯勾阶畛豕餐?jīng)受塑性彎曲變形，而僅有凹?xì)るS后在相反的校直方向經(jīng)受塑性變形，其最終導(dǎo)致凸唇和凹?xì)じ缮媾浜稀?br> 21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的生產(chǎn)密封管狀螺紋連接的方法，其特征在于，在外螺紋的一側(cè)上的凸唇的端部處存在槽(21)，使得凸唇(5)的彎曲被限制。
22.根據(jù)權(quán)利要求20或21所述的生產(chǎn)密封管狀螺紋連接的方法，其特征在于，所采用的管狀螺紋連接是整體型的，并且其中，擴(kuò)張心軸(30)從外螺紋元件(1)向內(nèi)螺紋元件(2)移位。
全文摘要
本發(fā)明涉及被擴(kuò)張的螺紋連接，包括在外螺紋元件(1)一端的唇(5)和用于所述唇的在內(nèi)螺紋元件(2)上的殼，用以使螺紋連接能夠被密封并在經(jīng)受了大于10％的直徑擴(kuò)張后具有最大的內(nèi)部通路截面。在擴(kuò)張前，通過(guò)所述面的形狀的配合，自由凸端面(9)被插入凹?xì)さ牟糠謾M向的凹肩面(10)內(nèi)，并且凸唇(5)的外周面(7)與凹?xì)?6)的內(nèi)周面(8)之間有間隙。這樣的螺紋連接特別適用于在油井中使用的套管或管。
文檔編號(hào)F16L15/04GK1440497SQ01812158
公開(kāi)日2003年9月3日 申請(qǐng)日期2001年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月30日
發(fā)明者讓－盧克·庫(kù)龍, 蒂里·諾埃爾, 加布里爾·魯西, 伊曼紐爾·瓦倫尼 申請(qǐng)人:法國(guó)瓦羅里克·曼尼斯曼油汽公司