專利名稱：具有高和低摩擦涂層的螺紋連接件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種螺紋連接件，尤其適用于連接管段以形成在油 氣提取行業(yè)中采用的管柱，所述螺紋連接件具有封蓋螺紋的表面涂 層以加強扭轉(zhuǎn)連接強度。
背景技術(shù)：
在石油勘探和提取過程中，通常的做法是采用工業(yè)用長度的金 屬管組成管柱，所述管柱的長度足以達(dá)到油氣儲層或池所處的深度。 儲層深度不斷增加，因此連接件必須以這樣的方式進(jìn)行設(shè)計，即它 們可以承受更高的負(fù)荷和應(yīng)力，同時確保良好的密封性能。
通過對銷和套管所有負(fù)荷承載表面也就是螺紋側(cè)面、鄰接肩部 等的適當(dāng)設(shè)計，使它們在連接件的期望操作所處的所有負(fù)荷范圍下 以適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)和尺寸干涉保持相互接觸，從而實現(xiàn)螺紋連接件性能 的提高。這取決于所施加的轉(zhuǎn)矩強度，由此轉(zhuǎn)矩強度由屈服轉(zhuǎn)矩值 與肩部轉(zhuǎn)矩值之間的差值決定。
然而，設(shè)置太高，干涉對上緊操作是不利的，因為這會導(dǎo)致連 接件的卡死或磨損。 一直努力在具有低上緊轉(zhuǎn)矩與具有高屈服轉(zhuǎn)矩 之間達(dá)到很好的平衡，這是用于承受高負(fù)荷并具有良好密封性能的 狀態(tài)。
另外，為了避免在上緊過程中出現(xiàn)卡死，本領(lǐng)域現(xiàn)有技術(shù)通常 采用流體潤滑劑例如潤滑脂或涂布油。
還努力提高屈服轉(zhuǎn)矩極限，這一直是本技術(shù)領(lǐng)域研究的重要方
面。通常通過修改連接件設(shè)計來提高屈服極限(Y.T.)，但目前已 經(jīng)接近涂有涂布油的連接件的技術(shù)極限。
采用涂布油又具有缺陷并優(yōu)選避免采用。采用涂布油所具有的危險包括灰塵積留；因手動操作而導(dǎo)致涂布油分布不均勻。這樣 還會導(dǎo)致過度涂敷在連接件的全部或部分上；以及在油田不利的環(huán) 境條件下必須對連接件實施清潔。
因此，為了降低成本并改進(jìn)操作，已經(jīng)研制了用于連接件的無 涂布油溶液并使用多年。無涂布油溶液已經(jīng)獲得很好的扭轉(zhuǎn)強度， 但在一些情況下它們存在缺陷，因為上緊轉(zhuǎn)矩會達(dá)到很高值。在這 種情況下，通常通過添加油或雜質(zhì)降低用于連接件的無涂布油溶液 的上緊轉(zhuǎn)矩，因而部分或全部損失無涂布油技術(shù)的優(yōu)勢并導(dǎo)致同樣 降低屈服轉(zhuǎn)矩值和使連接件承受超轉(zhuǎn)矩的危險。
已經(jīng)在幾個專利例如US4,414，247、 US6，027，145和US4,692，988 中公開了用于連接件的無涂布油溶液。它們在連接件表面的所有點 上采用單層防卡死涂層代替具有相同摩擦系數(shù)的涂布油。還必須為 這種連接件選定適當(dāng)?shù)哪Σ林?，因為摩擦系?shù)的增加提高了屈服轉(zhuǎn) 矩值，還提高肩部轉(zhuǎn)矩，而摩擦系數(shù)的降低允許利用與已知涂有涂 布油的連接件類似的肩部轉(zhuǎn)矩值完成上緊，但降低了其屈服轉(zhuǎn)矩值。 兩種情況下的結(jié)果都是轉(zhuǎn)矩值低且不符合要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是通過一種用于管的螺紋連接件消除上述缺 陷，所述螺紋連接件通過提供非常高的轉(zhuǎn)矩值而具有良好的上緊特 性并獲得高結(jié)構(gòu)性能。本發(fā)明的另一目的是提供一種螺紋連接件， 該螺紋連接件還在最廣泛的環(huán)境和操作條件范圍內(nèi)具有良好的耐磨 性，從而即使在連接件經(jīng)過幾次上緊和打開操作之后也可以確保最 佳性能。
從下文描述中將會顯而易見地了解到上述以及其它目的，根據(jù) 本發(fā)明這些目的通過一種用于管的螺紋連接件實現(xiàn)，其包括銷元件 和套管元件，銷元件具有適于與套管元件的螺紋匹配的螺紋，銷元 件和套管元件各自的螺紋形式由布置在包含連接件縱向軸線(X)的 橫截面上的螺紋型面限定，其中螺紋表面具有涂層，所述涂層包括布置在銷元件整個表面上的第一層，布置在銷元件或套管元件中任 何一個的整個表面的特定部分上的第二層，或者所述涂層包括布置 在套管元件整個表面上的第一層，布置在銷元件或套管元件中任何 一個的整個表面的特定部分上的第二層。
在第一方面，涂層包括布置在銷或套管元件的整個表面上并具 有高摩擦和防卡死性能的第一層，布置在銷或套管元件中任意一個 的整個表面的特定部分上并具有低摩擦性能的第二層。
優(yōu)選地，在特定部分布置具有低摩擦性能的第二層所處的銷或
套管元件中任意一個的整個表面是那些適于產(chǎn)生相互徑向接觸的表面。
更優(yōu)選地，具有低摩擦性能的第二層所處的銷或套管元件中任 意一個的表面部分是那些適于在上緊過程中產(chǎn)生相互徑向接觸直至 承受軸向接觸壓力負(fù)荷的表面鄰接(如肩部)的那些部分。
更優(yōu)選地，適于產(chǎn)生相互徑向接觸的部分是套管元件上的牙頂， 銷元件上的根部以及金屬間密封。
本發(fā)明連接件的主要優(yōu)點如下
由于防卡死干涂層在連接件的不同區(qū)域具有不同的摩擦系數(shù)， 因此所述連接件能夠達(dá)到更高的扭轉(zhuǎn)強度。
所述連接件因而具有低肩部轉(zhuǎn)矩和高屈服轉(zhuǎn)矩，提高了容許轉(zhuǎn) 矩值，可以在不改變連接件幾何形狀并且不提高上緊轉(zhuǎn)矩值的情況 下提高扭轉(zhuǎn)強度。
其克服了現(xiàn)有技術(shù)中的連接件的缺陷，即因為連接件采用的潤 滑劑流入在螺紋之間保持為空的所有空間并封蓋連接件的所有區(qū)域 而導(dǎo)致這些連接件不具有局部高摩擦區(qū)域。
當(dāng)在連接件上采用涂布油時，所獲得的摩擦系數(shù)通常取決于所 施加的涂布油的量，由于在銷和套管的螺紋之間存在小的排空或補 償空間，涂布油壓力通常形成在連接件內(nèi)部。在本發(fā)明的連接件上 取而代之的是，摩擦系數(shù)不受操作者的影響并在制造階段得到確定。
根據(jù)本發(fā)明的另一重要方面，在分別與套管或銷的互補表面徑向接觸的銷或套管的特定螺紋區(qū)域以及金屬間密封上采用低摩擦涂 層，以確保上緊所需的低轉(zhuǎn)矩值，因為這些表面在螺紋擰緊過程中 保持接觸，處于無負(fù)荷狀態(tài)。
在實現(xiàn)軸向接觸的那些表面例如銷前端、轉(zhuǎn)矩肩部和螺紋負(fù)載 側(cè)面上采用高摩擦涂層，以提供增強的扭轉(zhuǎn)強度，因為這些表面在 管連接件達(dá)到最終位置時承受軸向接觸壓力負(fù)荷。通過涂層提供對 連接件上的轉(zhuǎn)矩控制克服了連接件無涂布油溶液的主要缺陷，并且 相比于具有涂布油的連接件存在優(yōu)勢，因為可以單獨地并以高精度 控制現(xiàn)有技術(shù)的連接件上緊密相關(guān)的兩個不同參數(shù)。


現(xiàn)在通過附圖參照以非限制性實例給出的本發(fā)明的優(yōu)選實施方 式對本發(fā)明進(jìn)行描述，圖中
圖la和lb表示根據(jù)本發(fā)明的連接件上的螺紋處于第一操作階
段(在上緊過程中)的細(xì)節(jié)的放大剖視圖。
圖2a和2b表示根據(jù)本發(fā)明的連接件上的螺紋處于第二操作階 段(連接件達(dá)到最終位置時)的細(xì)節(jié)的放大剖視圖。
圖3a和3b分別表示在根據(jù)本發(fā)明制成的連接件的整個表面的 特定部分上具有第二層的套管和銷的螺紋的細(xì)節(jié)的放大剖視圖。
圖4表示與用于螺紋連接件三種涂層的連接件肩部轉(zhuǎn)矩值相關(guān) 的對比曲線圖。
圖5表示本發(fā)明連接件中包含的銷和套管的表面的放大視圖。 圖6表示本發(fā)明連接件另一實施方式中包含的銷和套管的放大 視圖。
圖7A表示在實例1中論述的三種類型的螺紋連接件經(jīng)過一段時 間測定的摩擦系數(shù)。
圖7B表示在實例1中論述的三種類型的螺紋連接件的平均摩擦 系數(shù)。
圖8表示在實例1中論述的三種類型的螺紋連接件上完成的上緊和打開測試的結(jié)果。
具體實施例方式
特別參照圖1和2，根據(jù)本發(fā)明的管具有螺紋末端，該螺紋末端 在與具有互補螺紋末端的另一管接合時形成連接件。連接件因而包 括限定了通常稱為"銷"的陽元件100和通常稱為"套管"的陰元件 200，所述陽元件100在外表面上具有螺紋4，所述陰元件200在內(nèi) 表面上具有螺紋3。套管200根據(jù)連接件的類型通常為管或套筒。套 管200還具有鄰接肩部9并且銷100具有相應(yīng)的鄰接件10。圖la 和lb表示銷和套管在完成上緊操作之前的位置，在該位置鄰接件9 和10仍然沒有接觸。在通常與管柱組裝相對應(yīng)的這一階段，連接件 上僅有的重要負(fù)荷由螺紋徑向表面之間的接觸構(gòu)成。由設(shè)計階段提 供的干涉所引起的應(yīng)力合成由粗箭頭5'和5"示意性表示。采用適當(dāng) 的潤滑劑(涂布油或涂層)使螺紋牙頂與螺紋根部之間的干涉不會 高到在上緊過程中產(chǎn)生卡死，但在部件中產(chǎn)生運行過程中使銷定心 所需的環(huán)向張力，從而提高其前端定位。
同樣與前端相一致地設(shè)置徑向干涉例如用于形成金屬間密封， 產(chǎn)生的應(yīng)力合成由粗箭頭6，和6"示意性表示。
在圖2a和2b中，示出了螺紋與圖la和lb相同的部分，但該 部分處于完全螺紋連接的位置。在這些圖中，由粗箭頭7，和7"示意 性表示通過轉(zhuǎn)矩在螺紋3和4的側(cè)面產(chǎn)生的接觸壓力的合成，同時 由粗箭頭8'和8"示意性表示通過轉(zhuǎn)矩在鄰接件9和10上產(chǎn)生的接 觸應(yīng)力的合成。箭頭8'和8"接近平行于連接件的縱向軸線X-X,如 圖2所示。
箭頭7'， 7"相對于軸線X-X的傾斜角明顯取決于螺紋側(cè)面的傾 斜度，而螺紋牙頂?shù)募^5'， 5"的傾斜角取決于選定的螺紋設(shè)計。 箭頭6'， 6"， 8'和8"的方向取決于前端的幾何形狀。在附圖所示的 螺紋上，徑向接觸表面以在90°+/-10。范圍內(nèi)的角度接近垂直于管軸 線，而軸向接觸表面與管軸線X-X所成的角度處于0°-+/-25°的范圍內(nèi)。
盡管附圖表示螺紋具有梯形齒，但齒截面可以具有其它形狀，
而不會脫離本發(fā)明的范圍。在圖3a中示出了套管200的螺紋3的放 大圖，并且在圖3b中示出了銷IOO的鄰接或前端區(qū)域的放大圖。在 圖3b中示意性示出了第一層涂層12位于整個表面上，第二層涂層 13例如在本申請中位于銷IOO的外表面上。如圖3a所示，套管200 與銷100匹配的螺紋部分可以在表面上具有極為相似的第一層12' 和第二層13'，或者其可以被制成不具有防護(hù)層，或者還備選的是所 述層被制成具有不同結(jié)構(gòu)或材料。還可以僅在銷的表面上具有涂層 并且在套管的表面沒有任何涂層。
第一層涂層12的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)放置連接件的部分而有所不同。 涂層摩擦學(xué)或摩擦特性上的差異可以在上緊過程中處理并獲得不同 的螺紋特性，從而在操作過程中控制所需轉(zhuǎn)矩。
根據(jù)本發(fā)明實施方式的第一方面，大體上被示為12或12，的高 摩擦防卡死涂層布置在銷和/或套管元件的整個表面上，而大體上被 示為13或13'的低摩擦防卡死涂層布置在具有徑向接觸的區(qū)域上， 通常為螺紋牙頂14、導(dǎo)入側(cè)面14，和/或根部14"。優(yōu)選地，在螺紋 負(fù)荷側(cè)面15上、在鄰接肩部以及前端區(qū)域19上，高摩擦防卡死涂 層12或12'保持作為唯一的層。
備選地，可以采用高摩擦防卡死涂層和雜質(zhì)降低螺紋牙頂和/根 部的摩擦系數(shù)。
由于存在不同的摩擦系數(shù)，這種特有的分布在銷和套管在上緊 過程中產(chǎn)生環(huán)向干涉的接觸表面與在銷前端19達(dá)到套管鄰接肩部時 形成接觸并提高其法向力的表面之間產(chǎn)生差異。
現(xiàn)在特別參照圖5和6更詳細(xì)地描述制成涂層的多種備選結(jié)構(gòu) 和材料。
在圖5和6的實施方式中，銷100的層備選地可以構(gòu)成套管200 的層，反之亦然。
圖5表示在本發(fā)明連接件的第一實施方式中包含的銷100和套
10管200的表面的放大視圖。
這種構(gòu)造尤其適用于碳鋼或CRA (耐腐蝕合金)材料，包括以 下層
在銷上或者優(yōu)選在套管上處于裸露狀態(tài)或具有相應(yīng)表面處理的 基礎(chǔ)金屬制成的第一基底l，所述表面處理例如用于碳鋼的噴砂或者 優(yōu)選進(jìn)行磷化，或?qū)τ贑RA來說進(jìn)行鍍銅。
在套管或者優(yōu)選在銷上處于裸露狀態(tài)或具有相應(yīng)表面處理的基 礎(chǔ)金屬制成的第二基底2，所述表面處理例如為得到磷化或鍍銅或者 優(yōu)選為得到噴砂；
在基底2上可選擇的耐腐蝕防護(hù)層23 ，其優(yōu)選具有1 Opm到25nm 的厚度；
在基底2上通常具有MoS2、石墨、和/或氮化硼等的高摩擦系 數(shù)的防卡死層24，其具有10nm到25pim的厚度；
在基底2上的低摩擦系數(shù)的防卡死層25，例如含氟聚合物(如 聚四氟乙烯)，其具有15pm到4(^m的厚度；以及
在基底1上可選擇的阻蝕劑層26。
在本發(fā)明的連接件上，在上緊操作過程中具有軸向接觸的表面 上不布置低摩擦系數(shù)層25。
在高摩擦系數(shù)的防卡死層24也作為防護(hù)層的情況下可以省去耐 腐蝕防護(hù)層23。
在采用雜質(zhì)以降低特定區(qū)域上的摩擦的情況下，低摩擦系數(shù)的 防卡死層25的厚度可以忽略不計。有利地，采用底層涂料確保粘結(jié)。
圖6表示在本發(fā)明連接件的第二實施方式中包含的銷100和套 管200的表面的放大視圖。
在該實施方式中，在基底2上布置低摩擦系數(shù)的防卡死層25， 例如含氟聚合物(如聚四氟乙烯)，作為基礎(chǔ)金屬的基底2與可選 擇的阻蝕劑層26之間的中間層。
低摩擦系數(shù)的防卡死層25也可以施加在螺紋連接件的相對元件上。同樣在該第二實施方式中，在具有軸向接觸的表面上總是不存
在層25。
在螺紋連接件相對元件上具有適當(dāng)材料和厚度的所有這些層提 高了連接件的徑向干涉，但這種干涉在螺紋機械加工過程中得到有 利地補償。
涂層的重要因素是它們的摩擦系數(shù)，通常不與涂層厚度明顯相 關(guān)?？傊?，厚度的選擇與涂層的耐用性也就是其可以承受上緊和打 開操作的次數(shù)有關(guān)。
在特定實施方式中，防卡死層24有利地可以包含腐蝕防護(hù)層或 者其可以布置在防護(hù)層上。
總的來說，防護(hù)涂層具有范圍在lOpm到40nm之間變化的總厚 度。如果防卡死層24滿足防護(hù)和潤滑兩種功能，則連接件的銷和套 管的涂層的總體厚度將處于這一范圍內(nèi)。相反，如果防卡死層和腐 蝕防護(hù)層是不同材料，則涂層的總厚度將更大。
在一些情況下，低摩擦系數(shù)的涂層施加在高摩擦涂層上，如圖5 所示。對于銷和套管具有徑向接觸的那些表面來說，層的厚度疊加， 但對于僅有軸向接觸的表面來說，僅考慮高摩擦涂層的厚度以獲得 最好的結(jié)果。
對于層中包含的材料，具有高摩擦系數(shù)的防卡死層24包含石墨、 氮化硼和/或MoS2作為潤滑劑，通常采用聚合物樹脂作為粘合劑(優(yōu) 選聚合物樹脂是環(huán)氧樹脂或酯化環(huán)氧樹脂)，而低摩擦系數(shù)的防卡 死層25優(yōu)選基于含氟聚合物(例如聚四氟乙烯)，或者可以包含極 小顆粒作為在徑向接觸表面上的雜質(zhì)，這樣無需突出的層厚度就可 以顯著降低表面之間的摩擦。
層24， 25的摩擦系數(shù)不同。通常，高摩擦涂層的摩擦系數(shù)是低 摩擦涂層的兩倍或更高。經(jīng)利用盤上的環(huán)做出的測試估算，低摩擦 涂層的常規(guī)值為0.02-0.05，高摩擦層在0.05到0.12。
為了使轉(zhuǎn)矩、涂層厚度與產(chǎn)品之間具有最佳關(guān)系，通常低摩擦 系數(shù)的層應(yīng)該足夠厚以在上緊過程中封蓋整個特定表面，從而降低轉(zhuǎn)矩，但超過規(guī)定極限，過大的厚度會增大接觸壓力，還增大了所 需轉(zhuǎn)矩。
在牙頂-根部類型的螺紋保險連接件上的肩部轉(zhuǎn)矩(S.T.)是幾
個因素的函數(shù)
S .T. = f(tp,tb，5，nth，Dth，L)+Ts tp:螺紋上銷的平均壁厚； tb:螺紋上套管的平均壁厚； S:螺紋干涉；
pth:徑向接觸表面上的摩擦系數(shù)； Dth:螺紋的平均直徑； L:接合螺紋長度；
Ts:因密封干涉而產(chǎn)生的最小收益。
同時在屈服轉(zhuǎn)矩(Y.T.)與肩部轉(zhuǎn)矩(S.T.)之間存在差異的AT 或Delta轉(zhuǎn)矩
AT二f(hn，lth，一)
hn:肩部厚度；
lth:螺紋導(dǎo)程(tpi);
^sh:軸向接觸表面上的摩擦系數(shù)。
分別在軸向和徑向接觸表面上采用高和低摩擦系數(shù)，(通常高 摩擦涂層具有的摩擦系數(shù)是低摩擦涂層的兩倍或更高)，可以減小
比率S.T./Y.T.,這樣將擴(kuò)大特定連接件的容許轉(zhuǎn)矩極限。
圖4中的曲線圖表示同一連接件根據(jù)本發(fā)明釆用低摩擦系數(shù)的 涂層(曲線A)、高摩擦系數(shù)的涂層(曲線B)以及局部摩擦區(qū)域 (曲線C)的期望轉(zhuǎn)矩一圈數(shù)曲線之間的對比。曲線沿橫坐標(biāo)表示 連接件達(dá)到肩部結(jié)合點的上緊圈數(shù)的數(shù)量并沿縱坐標(biāo)表示在上緊過 程中施加的轉(zhuǎn)矩值。
當(dāng)轉(zhuǎn)矩曲線具有值由Y.T.值與S.T.值之間差值給定的長區(qū)段50 時，連接件的性能更好。區(qū)段的值越大，連接件提供的安全性越好。 在表示與曲線C相對應(yīng)的曲線的圖4中，本發(fā)明的連接件在徑向接觸表面上具有低摩擦系數(shù)，其提供適當(dāng)?shù)哪Σ林狄源_保連接件在與
現(xiàn)有采用涂布油的情況相比更合理的轉(zhuǎn)矩值下得到上緊；在軸向接 觸表面上具有高摩擦系數(shù)，其提供具有髙摩擦的局部區(qū)域，從而能 夠在肩部達(dá)到接觸時給連接件提供高扭轉(zhuǎn)強度。
本發(fā)明連接件的其它實施方式根據(jù)這些連接件所處的銷或套管 元件提供不同的層，或者備選地沾染同--涂層上的不同表面以改變 它們的摩擦系數(shù)。
在另一優(yōu)選實施方式中，層24還可以作為耐腐蝕層，并省去腐 蝕層。
為了提高連接件涂層的質(zhì)量，提供表面處理以提高涂層與螺紋 表面的粘合性，例如噴砂、磷化或鍍銅。
本發(fā)明的表面處理可以施加在每種類型的螺紋上，可以是具有 一個或多個螺紋節(jié)距的、具有圓柱形或截頭圓錐形的螺紋牙頂包絡(luò) 面或二者組合。
本發(fā)明的連接件可以施加在每種連接件上，特別是在陰元件形 成在管的端部或采用兩端具有兩個陰元件以連接兩個陽元件管的套 筒的情況下。
實例1
涂層系統(tǒng)施加在本發(fā)明的連接上。富含鋅的環(huán)氧樹脂的第一層 施加在銷表面(表面硬度Ra在2^im-6pm)作為腐蝕抑制涂層。該涂 層的最終厚度為2(Him。在該第一層上施加厚度為2(Hrni的第二層干 燥潤滑劑涂層，該涂層包括在無機粘結(jié)劑中的MoS2和其它固體潤 滑劑的混合物。通過噴射施加涂層并利用加熱加速固化。
套管的內(nèi)表面涂有低摩擦涂層。套管的表面得到磷化表面處理 并向牙頂和套管的金屬間密封選擇性施加聚四氟乙烯(PTFE)涂層。 這種低摩擦涂層是聚合物涂層，包含分散在活性環(huán)氧樹脂和溶劑中 的PTFE粉末。該溶劑為2-甲氧基-1甲基-乙基乙酸酯和二甲苯。 為了確保PTFE粉末的均勻分散，平穩(wěn)攪動混合物20分鐘。25。C下 以四號福特杯(Ford No 4 cup)測定樹脂的粘度在26秒-28秒的范圍內(nèi)。
采用氣動無氣噴霧器將PTFE分散物施加在套管上。分散物隨后 在140。C下固化30分鐘。應(yīng)該指出固化時間將根據(jù)所采用的溫度而 改變。例如環(huán)氧樹脂可以在130。C下固化60分鐘或在140。C下固化 30分鐘。備選地，如果采用紅外線燈固化環(huán)氧樹脂，則推薦的固化 時間在140-145°C下大致為15分鐘。
通過向平盤和向環(huán)形圓筒(環(huán))施加涂層來確定本實例聚合物 涂層的摩擦系數(shù)。測量通過旋轉(zhuǎn)盤上的環(huán)而傳遞的轉(zhuǎn)矩。為了模擬 本發(fā)明的套管-銷的構(gòu)造，銷的涂層被施加在盤上，同時套管的涂層 被施加在環(huán)上。
圖7A表示經(jīng)過一段時間測得的摩擦系數(shù)，同時圖7B表示平均 摩擦系數(shù)。在圖7A和7B中，對三個不同的無涂布油的系統(tǒng)進(jìn)行比 較(溶液A、溶液B和溶液C)。無涂布油溶液A具有包括在銷上 的耐腐蝕層和潤滑劑層的涂層系統(tǒng)。無涂布油溶液B與溶液A具有 相同的涂層系統(tǒng)，但在上層施加阻蝕劑層。本實例的溶液一無涂布 油溶液C具有施加在銷上溶液B的涂層方案并且向套管內(nèi)表面的特 定部分施加PTFE涂層。
在圖7A和7B中可以看到，聚合物涂層在根據(jù)本發(fā)明得到施加 時，尤其與傳統(tǒng)銷-套管構(gòu)造相比明顯減小了摩擦系數(shù)。
除了摩擦系數(shù)測試之外，在3.5英寸的連接件上完成了上緊和打 開測試。在圖8中示出了這些測試的結(jié)果。在圖8中，在具有兩個 不同構(gòu)造的連接件上評估無涂布油溶液A、 B和C，分別是最大螺紋 /最大密封和最小螺紋/最大密封干涉。在圖8中，主柱代表每個構(gòu)造 第一次上緊5圈的平均肩部轉(zhuǎn)矩，點代表第一上緊的肩部轉(zhuǎn)矩，誤 差條線表示標(biāo)準(zhǔn)偏差。在圖例中，HHN代表具有常規(guī)螺紋錐度的高 螺紋-高密封干涉，同時LHN代表具有常規(guī)螺紋錐度的低螺紋-高密 封干涉。在圖8中可以看到，應(yīng)用PTFE涂層極大地降低了肩部轉(zhuǎn) 矩。
應(yīng)該指出除了實例1中的PTFE涂層之外可以采用其它類型的聚合物涂層并且實例1并不是要限制本發(fā)明的范圍。本領(lǐng)域普通技術(shù) 人員將會認(rèn)識到在不脫離本發(fā)明范圍的前提下其它涂層可以施加在 聚合物涂層下方或上方。例如，耐腐蝕層可以施加在聚合物涂層上， 假定該耐腐蝕層不會影響整個系統(tǒng)的摩擦性能。另外，在此描述的 各種涂層可以施加在銷元件或套管元件的整個表面上，或僅施加在 選定區(qū)域上。例如，涂層可以施加在銷元件和套管元件的螺紋部分， 施加在銷元件和套管元件的金屬間密封部分，或者施加在銷元件和 套管元件的肩部，而不會脫離本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于管的螺紋連接件，包括銷元件(100)和套管元件(200)，銷元件具有適于與套管元件的螺紋匹配的螺紋，銷元件和套管元件各自的螺紋形式由布置在包含連接件縱向軸線(X)的橫截面上的螺紋型面限定，其中銷元件的表面具有涂層，其特征在于，所述涂層包括布置在銷元件(100)整個表面上并具有高摩擦和防卡死性能的第一層(24)，布置在銷元件或套管元件中任何一個的整個表面的特定部分上并具有低摩擦性能的第二層(25)。
2. —種用于管的螺紋連接件，包括銷元件(100)和套管元件 (200)，銷元件具有與套管元件的螺紋匹配的螺紋，銷元件和套管元件各自的螺紋形式由布置在包含連接件縱向軸線(X)的橫截面上 的螺紋型面限定，其中套管元件的表面具有涂層，其特征在于，所 述涂層包括布置在套管元件(200)整個表面上并具有高摩擦和防卡 死性能的第一層(24)，布置在銷元件或套管元件中任何一個的整 個表面的特定部分上并具有低摩擦性能的第二層(25)。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的螺紋連接件，其特征在于，銷元件 或套管元件中任何一個的整個表面的特定部分是那些適于產(chǎn)生相互 徑向接觸的部分。
4. 如權(quán)利要求3所述的螺紋連接件，其特征在于，適于產(chǎn)生相 互徑向接觸的特定部分是套管元件上的牙頂，銷元件上的根部以及 金屬間密封。
5. 如權(quán)利要求1所述的用于管的螺紋連接件，其特征在于，所 述涂層包括布置在銷元件(100)的整個表面上并具有高摩擦和防卡死性能 的第一層(24)，布置在整個表面的特定部分上并具有低摩擦性能的第二層 (25)，所述特定部分適于在上緊過程中產(chǎn)生相互徑向接觸，直至 承受軸向接觸壓力負(fù)荷的表面與銷元件或套管元件中的任何一個鄰接。
6. 如權(quán)利要求2所述的用于管的螺紋連接件，其特征在于，所述涂層包括布置在套管元件(200)的整個表面上并具有高摩擦和防卡死性 能的第一層(24)，布置在整個表面的特定部分上并具有低摩擦性能的第二層 (25)，所述特定部分適于在上緊過程中產(chǎn)生相互徑向接觸，直至 承受軸向接觸壓力負(fù)荷的表面與銷元件或套管元件中的任何一個鄰 接。
7. 如權(quán)利要求5所述的用于管的螺紋連接件，其特征在于，承 受軸向接觸壓力負(fù)荷的表面是肩部(9， 10)。
8. 如權(quán)利要求6所述的用于管的螺紋連接件，其特征在于，承 受軸向接觸壓力負(fù)荷的表面是肩部(9， 10)。
9. 如權(quán)利要求1-8中任意一項所述的連接件，其特征在于，還 向銷或套管施加包含腐蝕抑制材料的層(26)。
10. 如權(quán)利要求1-8中任意一項所述的連接件，其特征在于，第 一層(24)包含腐蝕抑制材料。
11. 如權(quán)利要求1-8中任意一項所述的連接件，其特征在于，在 第一層(24)之前施加耐腐蝕防護(hù)層(23)。
12. 如權(quán)利要求1-8中任意一項所述的連接件，其特征在于，第 一層(24)包含MoS2、石墨和/或氮化硼，并具有1(Hxm到25nm的 厚度。
13. 如權(quán)利要求1-8中任意一項所述的連接件，其特征在于，第 一層還包含有機或無機聚合物樹脂作為粘合劑。
14. 如權(quán)利要求13所述的連接件，其特征在于，聚合物樹脂優(yōu) 選是環(huán)氧樹脂或酯化環(huán)氧樹脂，或者是能夠聚合和交聯(lián)的無機粘合 劑。
15. 如權(quán)利要求1或12所述的連接件，其特征在于，第一層涂 層包括層(23)，該層(23)包含厚度在l(Him到25pm的腐蝕抑制材料。
16. 如權(quán)利要求1-8中任意一項所述的連接件，其特征在于，銷 或套管是處于裸露狀態(tài)的金屬，或者得到在噴砂、磷化或鍍銅中選 定的表面處理。
17. 如權(quán)利要求1-8中任意一項所述的連接件，其特征在于，第 二層(25)包含含氟聚合物并且厚度范圍在15pm到40^rni之間。
18. 如權(quán)利要求1或2所述的連接件，其特征在于，第一層是高 摩擦防卡死涂層并以選擇性方式采用雜質(zhì)減小螺紋牙頂和/或根部的 摩擦系數(shù)。
19. 如權(quán)利要求1或2所述的連接件，其特征在于，第二層(25) 包含用作徑向接觸表面上的雜質(zhì)的極小顆粒。
20. 如權(quán)利要求1或2所述的連接件，其特征在于，高摩擦涂層 具有的摩擦系數(shù)是低摩擦涂層的兩倍或更高。
21. 如權(quán)利要求23所述的連接件，其特征在于，經(jīng)利用盤上的 環(huán)做出的測試估算，低摩擦涂層的摩擦系數(shù)值在0.02-0.05并且高摩 擦層的摩擦系數(shù)值在0.05-0.12。
22. 如權(quán)利要求1-8中任意一項所述的連接件，其特征在于，銷 和/或套管由碳鋼或耐腐蝕合金材料制成。
23. 如權(quán)利要求1-8中任意一項所述的連接件，其特征在于，連 接件具有圓柱形或截頭圓錐形螺紋牙頂包絡(luò)面，或二者的組合。
24. 如權(quán)利要求1-8中任意一項所述的連接件，其特征在于，連 接件具有一個或多個螺紋導(dǎo)程。
25. 如權(quán)利要求1-8中任意一項所述的連接件，其特征在于，陰 元件形成在管的端部，或者采用在兩端具有兩個陰元件以連接兩個 陽元件管的套筒。
26. 如權(quán)利要求1或2所述的連接件，其特征在于，第一層(24) 包含PTFE。
27. 如權(quán)利要求1或2所述的連接件，其特征在于，第二層(25) 包含PTFE。
全文摘要
一種螺紋金屬連接件具有覆蓋有涂層的銷(100)和套管(200)的螺紋表面，所述涂層包括布置在銷元件(100)的整個表面上的第一層(24)，以及布置在銷或套管元件中任何一個的一部分表面上的第二層(25)。在第一方面，涂層包括布置在銷元件(100)的整個表面上并具有高摩擦和防卡死性能的第一層，以及布置在銷或套管元件中任何一個的表面的特定部分上并具有低摩擦性能的第二層(25)。優(yōu)選地，特定表面是那些在上緊過程中相互徑向接觸直至銷和套管達(dá)到肩部鄰接位置的那些表面。第二層可以包含聚四氟乙烯(PTFE)。在第二方面，第一層布置在套管元件(200)的整個表面上并具有高摩擦和防卡死性能。
文檔編號F16L58/18GK101317015SQ200680044680
公開日2008年12月3日 申請日期2006年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月30日
發(fā)明者加布里埃爾E·卡爾卡尼奧, 埃內(nèi)斯托·加洛 申請人:特納瑞斯連接股份公司