專利名稱：鋼管用螺紋接頭的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及ー種鋼管用螺紋接頭(threaded joint for steel pipe),詳細地說，是涉及優(yōu)選用于包括一般在油井(oil wells)或氣井(gas wells)的探測及生產(chǎn)中使用的配管(tubing)以及套管(casing)在內(nèi)的 0CTG(oil country tubular goods)、升流管(riser pipes)以及線管(line pipe)等鋼管的連接、且密封性與耐壓縮性優(yōu)異的管用螺紋接頭。
背景技術：
螺紋接頭廣泛用于在油井管等產(chǎn)油エ業(yè)設備中所使用的鋼管的連接。對于在油或氣的探測及生產(chǎn)中所使用的鋼管的連接，以往典型地使用API (美國石油協(xié)會(AmericanPetroleum Institute))標準中所規(guī)定的標準螺紋接頭。然而，由于近年來原油或天然氣的 井的深井化不斷發(fā)展，從垂直井向水平井或傾斜井等的轉(zhuǎn)變正在增多，因此挖掘、生產(chǎn)環(huán)境變得嚴唆。并且，由于在海洋或極地等惡劣環(huán)境下的井的開發(fā)正在増加等原因，因此耐壓縮性能、耐彎曲性能、外壓密封性能(耐外壓性能)等對螺紋接頭的要求性能變得多祥化。因此，使用被稱作優(yōu)質(zhì)接頭(premium joints)的高性能的特殊螺紋接頭的情況正在增加,對其性能的要求也日益增加。優(yōu)質(zhì)接頭通常為將形成于管端部的外螺紋部件(以下稱作銷(pin))和與將該銷彼此連結的內(nèi)螺紋部件(以下稱作套筒(box))結合在一起的結合形式的接頭，該外螺紋部件和內(nèi)螺紋部件分別具備圓錐螺紋、密封部(詳細地說，是金屬接觸密封部(metal tometal seal portion))、臺肩部(shoulder portion)(詳細地說，是扭矩臺肩部(torqueshoulder portion))。圓錐螺紋重點用于牢固地固定管接頭,密封部發(fā)揮通過使套筒與銷在該部分進行金屬接觸而確保密封性的作用，臺肩部成為在接頭的緊固中發(fā)揮止擋件的作用的肩面(支承面(bearing face))。圖4是油井管用優(yōu)質(zhì)接頭的示意說明圖，這些圖是圓管的螺紋接頭的縱剖視圖。螺紋接頭具備銷3以及與該銷3對應的套筒1，銷3在其外表面具有外螺紋部7和與外螺紋部7鄰接地設置在銷3的前端側(cè)的作為無螺紋的長度部分的頭部(nose)8(銷頭(pinnose)8)。該頭部8在其外周面具有密封部11，在其端面具有扭矩臺肩部12。相對的套筒I在其內(nèi)表面分別具有作為能夠與銷3的外螺紋部7、密封部11以及臺肩部12螺合或接觸的部分、亦即內(nèi)螺紋部5、密封部13以及臺肩部14。作為與上述優(yōu)質(zhì)接頭相關的現(xiàn)有技術，列舉了專利文獻I 3。在圖4的例子中，雖然金屬接觸密封部位于銷頭8的前端部，但在專利文獻I中，提出為了增加耐外壓性能而在銷頭8的螺紋部附近設置金屬接觸密封部，并將頭部從密封部伸長至臺肩部的螺紋接頭。在該專利文獻I所公開的螺紋接頭中采用以與密封部形成不連續(xù)的形狀的方式延長不與套筒接觸的銷頭，以避免銷頭的厚度變薄的結構，除了上述耐外壓性能的提高之外，也實現(xiàn)了耐軸向壓縮性能的提高。并且，在專利文獻2中同樣記載了如下情況從密封部到銷頭前端設置成為附屬部分(appendix)、并且也具有不與密封部連續(xù)的形狀的部位，從而確保半徑方向的剛性，降低軸向的剛性，在緊固時使該附屬部分變形，在施加拉伸力的載荷時，利用該附屬部分的復原來提高耐拉伸性能。上述專利文獻1、2所記載的將密封部位置設置在銷的螺紋部位置附近而離開銷頭的設計對耐外壓性能(external pressure resistance)、耐拉伸性能(tensionresistance)的提高、以及使螺紋具有穩(wěn)定的功能是有效的，該情況從FEM模擬(finiteelement method simulation)等也能夠進行確認。并且，與密封部形成不連續(xù)的形狀的銷頭在負載有較強的軸向壓縮カ的情況下，其自身變形，從而也具有使套筒部件的扭矩臺肩部的塑性變形(plastic deformation)減輕的效果。但是另一方面，也存螺紋與頭部的邊界的不連續(xù)部發(fā)生過度變形的情況，認為這將依賴于緊固扭矩(make up torque)。由于緊固扭矩受潤滑條件(lubrication condition)、表面性狀等影響，因此,作為不大依賴于此的設計，存在相對地增強了密封接觸壓カ的半徑方向分量，進而增強半徑方向的密封接觸壓カ的半徑方向密封方式。例如，在專利文獻3中，公開了具有較大的銷密封圓弧形狀，且減小了密封圓錐角的半徑方向密封方式的例子。但是，如此減小了密封圓錐 角的半徑方向密封方式的問題在于，在緊固時容易發(fā)生金屬磨損(galling)，特別是在為了密封性能的確保以及密封的穩(wěn)定性而需要増大密封干渉量的情況下，更加容易發(fā)生金屬磨損。專利文獻I :日本專利第4535064號公報專利文獻2 :日本專利第4208192號公報專利文獻3 :日本實公昭61-44068號公報如以上所說明，在以往提出的螺紋接頭中尚存在一些問題，為了充分應對耐壓縮性能(resistance to compressionノ、夕卜 Ji 密封性倉E 、sealability against externa 丄pressure)、耐彎曲性能(resistance to bending)等對螺紋接頭要求的性能的多樣化,還存在進ー步的改良余地。近年來，伴隨著水平井、傾斜井的増加，如圖3所示，對螺紋接頭施加軸カ拉伸，作用較大的彎曲載荷。在對螺紋接頭作用有彎曲載荷的情況下，認為在彎曲的拉伸側(cè)，且是在外螺紋部7和內(nèi)螺紋部5的承載牙側(cè)表面(load flank face) 15(參照圖4)，產(chǎn)生相互之間的嵌合減弱的相對位移，如果彎曲載荷進一步增強，則螺紋脫扣。另一方面，認為在彎曲的壓縮側(cè)，雖然銷3和套筒I的扭矩臺肩部12、14成為支承，從而抑制想要離開密封部的動作，但如果彎曲載荷進一步增強，則在臺肩部12、13產(chǎn)生滑動，無法保持密封性。對于此類彎曲載荷，過去沒有示出能夠保持充分的密封性的螺紋部的承載牙側(cè)角度(load flank angle)、與密封部鄰接的臺肩部12、14的扭矩臺肩角、以及頭部形狀的解決方案的見解。另外，所謂承載牙側(cè)角度是指承載牙側(cè)表面相對于螺紋接頭軸的正交線所形成的角度(圖IB中的角度α)，在該正交線通過承載牙側(cè)表面的下端(銷內(nèi)徑側(cè)的一端)時，上述承載牙側(cè)表面的上端(銷外徑側(cè)的一端)相對于該正交線位于銷前端側(cè)的情況設為正，位于銷后端側(cè)的情況設為負。并且,所謂扭矩臺肩角(torque shoulder angle)是指形成臺肩部12、14的臺肩面相對于螺紋接頭軸的正交線所形成的角度(圖IC中的角度β)，在該正交線通過臺肩面的上端(銷外徑側(cè)的一端)時，上述臺肩面的下端(銷內(nèi)徑側(cè)的一端)相對于該正交線位于銷前端側(cè)的情況設為正，位于銷后端側(cè)的情況設為負。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明者們?yōu)榱私鉀Q上述課題，根據(jù)對試驗方面的研討，發(fā)現(xiàn)了將承載牙側(cè)角度設為負角度以及將扭矩臺肩角設為負角度、和頭部的長度與管外徑之比的組合。S卩，本發(fā)明如下上述。(I)鋼管用螺紋接頭具有銷，該銷具有外螺紋部、從該外螺紋部向管端側(cè)延伸的頭部和設置于該頭部的前端的臺肩部；以及套筒，該套筒具有與所述外螺紋部螺紋結合而形成螺紋部的內(nèi)螺紋部、與所述銷的頭部外周面相對的內(nèi)周面和與所述銷的臺肩部抵接的臺肩部，所述銷和所述套筒利用所述螺紋結合而結合在一起，所述銷的所述頭部外周面和
所述套筒的所述頭部內(nèi)周面進行金屬-金屬接觸，該接觸部形成密封部，所述鋼管用螺紋接頭的特征在于，將所述螺紋部的承載牙側(cè)角度設為負側(cè)，將所述臺肩部的扭矩臺肩角設為負側(cè)，將所述頭部的長度L與管外徑d0之比L/dO設為O. 08以上。(2)當進行所述螺紋結合吋，以與套筒側(cè)的頭部內(nèi)周面最早接觸的銷側(cè)的頭部外周面上的部位亦即密封點處的銷外徑來定義密封直徑D，并以所述密封點被所述套筒縮徑時的該縮徑量來定義干渉量し則由所述密封直徑D和所述干涉量δ按照算式ε = δ/DX 100(% )算出的所述密封部的管周方向的應變ε為O. 30%以上。(3)根據(jù)(I)或(2)上述的鋼管用螺紋接頭，其特征在于，所述銷以及所述套筒的各自的臺肩部的扭矩臺肩角均低于-15°。根據(jù)本發(fā)明，實現(xiàn)了即使在承受彎曲載荷時也顯示優(yōu)異的密封性的鋼管用螺紋接頭。


圖IA是示出本發(fā)明的實施方式的一例的整體剖視圖。圖IB是示出圖IA中的螺紋部分的放大剖視圖。圖IC是示出圖IA中的銷頭附近的放大剖視圖。圖2是示出密封部的管周方向的應變ε的定義的剖視圖。圖3是示出螺紋接頭的彎曲載荷狀態(tài)的示意圖。圖4Α是示出現(xiàn)有的鋼管用螺紋接頭的整體剖視圖。圖4Β是示出圖4Α中的螺紋部分的放大剖視圖。圖4C是示出圖4Α中的銷頭附近的放大剖視圖。圖5是示出氣密B試驗的載重條件、以及試驗類型2的載重條件的圖表。圖6Α是示出通過銷密封部的銷密封面的接頭軸的剖面內(nèi)的輪廓是半徑R = 3inch的圓弧的銷的剖視圖。圖6B是示出與圖6B的銷嵌合的套筒的密封部的圓錐角度Y為3°的直線錐度的套筒的剖視圖。附圖標記說明I :套筒；3 :銷；5 :內(nèi)螺紋部；7 :外螺紋部；8 :頭部(銷頭);11、13、20 :密封部(詳細地說是金屬接觸密封部)；12、14 :臺肩部(詳細地說是扭矩臺肩部)；15 :承載牙側(cè)表面；21 :銷密封部
具體實施例方式例如，如圖IA 圖IC所示，本發(fā)明所涉及的鋼管用螺紋接頭具有銷3，該銷3具有外螺紋部7、從該外螺紋部7向管端側(cè)延伸的頭部8、設置于該頭部8的前端的臺肩部12 ；以及套筒1，該套筒I具有通過與上述外螺紋部7 螺紋結合而形成螺紋部內(nèi)螺紋部5、與上述銷I的頭部外周面相對的頭部內(nèi)周面、與上述銷I的臺肩部12抵接的臺肩部14，通過上述螺紋結合使上述銷和上述套筒結合在一起，銷部件的上述頭部外周面與套筒的上述頭部內(nèi)周面進行金屬-金屬接觸，該接觸部形成密封部20，其中，雖然是銷的密封部為環(huán)形線狀(圓錐曲線旋轉(zhuǎn)面形狀(toroidal sealing surface))、且套筒為直線圓錐、亦即徑向密封型的螺紋接頭，但在該螺紋接頭中，如圖IB所示，將上述螺紋部的承載牙側(cè)角度α設為負偵牝并且如圖IC所示，將上述臺肩部12、14的扭矩臺肩角β設為負側(cè)，并且將上述頭部8的長度L和管外徑d0之比L/dO設為O. 08以上。通過將承載牙側(cè)角度α設為負側(cè)，并優(yōu)選設為-4度以下，由此，能夠防止在彎曲的拉伸側(cè)發(fā)生的螺紋脫扣。此外，通過將扭矩臺肩角β設為負側(cè)，并優(yōu)選設為低于-15度，由此，形成克服在彎曲的壓縮側(cè)進行彎曲的支點，抑制想要離開密封部的動作。此外，通過將頭部的長度(頭長度)L與管外徑dQ之比L/dQ設為O. 08以上，由此，能夠向螺紋部與臺肩部之間的頭部賦予撓性，能夠降低成為彎曲的支點的螺紋部和臺肩部的變形。通過組合上述設定進行組合，由此，能夠防止在管和螺紋接頭的接觸面打滑，能夠通過維持嵌合狀態(tài)來確保氣密性。另外，由于如果承載牙側(cè)角度α比負側(cè)的角度的絕對值大太多，則對耐金屬磨損性這一點不利，因此，承載牙側(cè)角度α優(yōu)選為-7度以上。進ー步優(yōu)選為-5. 5 -4. 5度。由于如果扭矩臺肩角β比負側(cè)的角度的絕對值大太多，則對確保壓縮載荷后的氣密性這一點不利，因此，扭矩臺肩角β優(yōu)選為-20度以上，進ー步優(yōu)選為-18 -16度。如果頭長度和管外徑之比LMtl過大，則緊固時的密封部的滑動距離增長，對耐金屬磨損性這一點不利，由于密封部的加工時間増大，因此，LMtl優(yōu)選為O. 14以下。進ー步優(yōu)選為O. 08 O. 11。為了進ー步提高氣密性，將利用密封直徑D和干渉量δ按照ε = 5/DX100(%)的算式算出的密封部的管周方向的應變ε設定為O. 30%以上是有效的。在此，如圖2所示，對于密封直徑D和干渉量δ，密封直徑D是進行螺紋結合時最早與套筒I側(cè)的頭部內(nèi)周面接觸的銷3側(cè)的頭部外周面上的部位、亦即密封點的銷外徑，干渉量δ是進行螺紋結合時上述密封點被套筒I縮徑時的該縮徑量。另外，由于如果密封部的管周方向的應變過大，則對耐金屬磨損性這一點不利，因此優(yōu)選應變ε為O. 7%以下。進ー步優(yōu)選為O. 3% O. 6%。實施例對表1-1、表1-2以及表1-3所示的鋼管外徑dQ (inch)的鋼管的管端進行加工，形成銷密封部21為環(huán)形線狀(圓錐曲線旋轉(zhuǎn)面形狀)、且銷密封面的通過接頭軸的截面內(nèi)的輪廓(圖6A中的R)為半徑R = 3inch的圓弧的銷3，并做成作為與該銷3嵌合的套筒I的密封部20的錐角(圖6B中的Y)為3°的直線圓錐的套筒I，從而形成徑向密封型(radialseal type)的螺紋接頭。以該螺紋接頭作為對象，作為試驗類型1，將L/も設為表1_1、表1-2以及表1-3所示的各種值，基于ISO 13679實施氣密A試驗(Sealability leak testA or tightness leak test A)、氣密B (包含彎曲)試驗、氣密C試驗。將其結果合并示于表I。在表I中，將密封失效作為X (壞)不出，將密封未失效作為〇(好)不出。在本發(fā)明例中，不發(fā)生密封失效地完成了試驗，顯示了優(yōu)異的密封性。另ー方面，在比較例中，觀察到了密封失效。接下來，進而將相對于上述氣密試驗B進ー步増大了載荷的試驗作為試驗類型2加以實施。以下對該試驗進行說明。圖5是示出以ISO 13679所規(guī)定的氣密B試驗的載重條件為例示出的圖表。橫軸表不因拉伸(壓縮)/彎曲而產(chǎn)生于管的軸向應力，縱軸表不作用于管內(nèi)表面的內(nèi)壓。利用外側(cè)的虛線示出的曲線表示拉伸(壓縮)/彎曲/內(nèi)壓復合作用的情況下的相當應カ與材料的屈服應カ等效(屈服應カ的100% )。利用內(nèi)側(cè)的實線示出的曲線是相當應カ與材料的屈服應カ的90%對應的曲線。上述試驗類型I的氣密B試驗以該90%的載重曲線的各個點作為考核點來判定是否存在密封失效。其結果是，如表1-1以及表1-2所示，在頭長度和管外徑之比L/dQ為O. 08以上的發(fā)明例I 12中，試驗類型I的氣密試驗結果(A、B、C)中不存在密封失效。在試驗類型2中，使用不存在密封失效的發(fā)明例I 12的樣品，在上述氣密B試驗(包含彎曲)的LP5點，賦予超過標準所規(guī)定的最大彎曲條件的彎曲載荷，研究不發(fā)生密封失效的彎曲條件極限。即，在圖5中利用實線表示氣密B試驗的試驗載荷曲線中的LP5點，從材料的屈服應カ的90%的相當應カ進一步增大彎曲載荷，如圖中箭頭所示，増大相當應力，研究密封開始失效時的載荷條件。其結果是，如表1-1以及表1-2所示，進ー步確認了在干渉量ε為0.30%以上的發(fā)明例I 10中，即使將相當應カ加載至屈服應カ的100% (圖5中的箭頭與虛線相交的點)，也不會發(fā)生密封失效。并且確認了，在扭矩臺肩角β未達到-15度的發(fā)明例6 10中，即使將相當應カ加載至屈服應カ的105%，也不會發(fā)生密封失效。
[表 1-1]
權利要求
1.一種鋼管用螺紋接頭， 該鋼管用螺紋接頭具有 銷，該銷具有外螺紋部、從該外螺紋部向管端側(cè)延伸的頭部和設置于該頭部的前端的臺肩部；以及 套筒，該套筒具有與所述外螺紋部螺紋結合而形成螺紋部的內(nèi)螺紋部、與所述銷的頭部外周面相對的內(nèi)周面和與所述銷的臺肩部抵接的臺肩部， 所述銷和所述套筒利用所述螺紋結合而結合在一起，所述銷的所述頭部外周面和所述套筒的所述頭部內(nèi)周面進行金屬-金屬接觸，該接觸部形成密封部， 所述鋼管用螺紋接頭的特征在干， 將所述螺紋部的承載牙側(cè)角度設為負側(cè)，將所述臺肩部的扭矩臺肩角設為負側(cè)，將所述頭部的長度L與管外徑Cl0之比L/も設為O. 08以上。
2.根據(jù)權利要求I所述的鋼管用螺紋接頭，其特征在干， 當進行所述螺紋結合時，以與套筒側(cè)的頭部內(nèi)周面最早接觸的銷側(cè)的頭部外周面上的部位亦即密封點處的銷外徑來定義密封直徑D，并以所述密封點被所述套筒縮徑時的該縮徑量來定義干渉量δ，則由所述密封直徑D和所述干涉量δ按照算式ε = 5/DX100(%)算出的所述密封部的管周方向的應變ε為O. 30%以上。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的鋼管用螺紋接頭，其特征在干， 所述銷以及所述套筒的各自的臺肩部的扭矩臺肩角均低于-15°。
全文摘要
本發(fā)明提供一種即使在承受彎曲載荷時也顯示優(yōu)異的密封性的鋼管用螺紋接頭。具體地說，鋼管用螺紋接頭的銷(3)與套筒(1)利用螺紋結合進行結合，銷的頭部(8)外周面與套筒的頭部內(nèi)周面進行金屬-金屬接觸，該接觸部形成密封部(20)，其中，將螺紋部(外螺紋部(7)與內(nèi)螺紋部(5)的螺紋結合部)的承載牙側(cè)角度α設為負側(cè)，將臺肩部(12)、(14)的扭矩臺肩角β設為負側(cè)，將頭部的長度L與管外徑d0之比L/d0設為0.08以上。
文檔編號F16L15/06GK102691481SQ201210078338
公開日2012年9月26日 申請日期2012年3月22日 優(yōu)先權日2011年3月22日
發(fā)明者吉川正樹, 園部治, 川井孝將, 植田正輝, 近常博, 長濱拓也, 高橋一成, 高野順 申請人:杰富意鋼鐵株式會社