CN101233357B - 液体和气体密封的螺纹管状连接 - Google Patents
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Abstract
第一轴向抵接面(6)在有螺纹的阳式元件(1)的环形唇状体(5)的自由端处形成，而第二轴向抵接面(9)在有螺纹的阴式元件(2)的腔室(7)的端部处形成，所述抵接面(6)和抵接面(9)具有相同的轴向半区部(S)，其倾斜度在径向上渐进地变化。这种轴向抵接面的结构视其厚度使施加在唇状体端部的径向推力最优化，以在两个元件的相应密封面(10，12)之间获得增加的径向过盈。适用于碳氢化合物井。
Description
技术领域
本发明涉及螺纹管状连接，所述连接包括阳式管状元件——其包括外螺纹和阴式管状元件——其包括可与所述外螺纹在结构上配合的内螺纹，所述阳式管状元件具有第一环形轴向抵接(abutment)面和第一环形密封面，所述第一环形密封面设置在所述阳式管状元件的径向外表面上，所述阴式管状元件具有第二环形轴向抵接面和第二环形密封面，所述第二环形密封面设置在所述阴式管状元件的径向内表面上，所述第一和第二轴向抵接面在结构(makeup)的端部处进行相互抵接，同时所述第一和第二密封面通过径向过盈(interference)进行密封接触，所述第一和第二轴向抵接面之一，称作末端抵接面，在所述管状元件的第一个的自由端处形成，所述元件具有唇状体，所述唇状体在其螺纹和末端抵接面之间径向延伸，并且，第一和第二密封面之一，称作“唇状体上”密封面，被设置在唇状体上，距所述末端抵接面一非零的轴向距离。
背景技术
这种类型的螺纹管状连接可用于碳氢化合物容器或类似物的管体套管的产品。
所述应用已确定，在这种螺纹连接中，当轴向抵接面在轴向上远离密封面并具有呈锥度的形式(称作反向的或具有负顶角)时，以至于当它们达到相互抵接时，它们趋向于将所述唇状体在径向上压向面对的第二管状元件的表面，这样，在某些情况下导致密封面之间的接触压力增加，从而改进防止液体和气体连接的密封，而在其它情况下所述改进不发生，或接触压力甚至被减小。
申请人为了解释这种现象进行的研究显示出，对于一个给出的轴向抵接面的倾角，所述唇状体的工作状况取决于它的轴向抵接面和密封面之间的径向厚度。如果所述厚度比较大，唇状体的硬度足以抵御由第一轴向抵接面上的第二轴向抵接面施加的径向推力，以传递到第一密封面。相反，如果所述厚度比较小，则所述唇状体不够硬并且弯曲(可能不可逆地)，因此不能将压力传递到密封面。
在管状元件上的唇状体厚度可不同于相同的标称直径。此外，根据需求，可用相同的阴式元件结合具有不同唇状体厚度的阳式元件，反之亦然。因而，问题是定义一个轴向抵接面的共同轮廓，无论阳式和阴式唇状体的厚度如何，所述抵接面可以使在密封面之间的接触最有效。
本发明的目的在于解决这一问题。
欧洲专利EP 0 488 912描述了邻近密封面的轴向抵接面。
美国专利US 3 870 351描述了向内弯曲的轴向抵接面，所述抵接面关于轴线的倾斜在径向上改变方向，因而其相互抵接可准确地确定唇状体端部的位置，而对整个唇状体的外表面施加非径向力。
美国专利US 4 611 838描述了在垂直于所述连接的轴向的平面延伸或具有锯齿状侧面以相互锁住的轴向抵接面。
国际专利WO 03/048623描述了在垂直于所述连接的轴向的平面延伸或具有与其它相关的恒定倾斜的以及与轴向抵接面有轴向距离的“唇状体上”密封面的轴向抵接面。
国际专利WO 2004/109173与前述相似。
发明内容
本发明提供了一种在上述介绍中定义的类型的连接，并且提供了一种区段，所述区段构成所述第一和第二轴向抵接面中的每一个轴向抵接面的轴向半区部的至少一部分，所述区段相对于径向方向倾斜，所述区段按增加倾斜度的方式轴向地接近所述螺纹，因此在从所述径向的外表面或内表面离开时，所述轴向半区部不改变它们的倾斜方向。
本发明可选的补充或替代特征在下面陈述：
·所述第一管状元件是阳式元件；
·所述阳式管状元件还具有第三环形轴向抵接面和第三环形密封面，所述第三环形密封面被设置在所述阳式管状元件的径向外密封面上；同时
·所述阴式管状元件还具有第四环形轴向抵接面和第四环形密封面，所述第四环形密封面被设置在所述阴式管状元件的径向内表面上；
·所述第三和第四轴向抵接面在结构的端部处相互抵接，同时第三和第四密封面通过径向过盈进行紧密的密封接触；
·所述第四轴向抵接面，也称作末端抵接面，形成于阴式元件的自由端，所述第四轴向抵接面具有在所述内螺纹和所述第四轴向抵接面之间轴向延伸的阴式唇状体，并且，所述第四密封面被设置在所述阴式唇状体上，在距所述第四轴向抵接面的非零轴向距离处；
·区段构成所述第三和第四轴向抵接面中的每个轴向抵接面的轴向半区部的至少一部分，所述区段相对于径向方向倾斜，按增加倾斜度的方式轴向地接近所述螺纹，因此从所述径向内表面径向离开时，所述轴向半区部不改变它们的倾斜方向；
·所述区段是曲线的；
·所述区段是圆弧；
·所述圆弧的半径在20mm至100mm范围内；
·所述区段的最大倾角是20°或更小；
·所述轴向半区部在它们的接近于所述径向外表面或内表面的端部处径向取向；
·所述倾斜的区段在它的接近于所述径向的外表面或内表面的端部处径向取向，在此处它连接到笔直的径向区段(D)，所述径向区段(D)同样形成所述轴向半区部的一部分；
·所述笔直的径向区段的长度在0.5mm至6mm范围内；
·径向间隙存在于所述阳式和阴式元件的相面对的表面之间，覆盖所述轴向距离；
·所述“唇状体上”密封面与所述螺纹隔开至多3螺距的轴向距离，并且优选为至多2螺距；
·所述唇状体被局部地加厚，以增加轴向抵接的表面积；
·所述螺纹是呈锥度的；
·两个协作的密封面是具有相同顶角的呈锥度的表面；
·两个协作的密封面相应地是一呈锥度的表面和一圆形表面；
·在所述协作的密封面中，所述呈锥度的表面是所述“唇状体上”密封面；
·所述“唇状体上”密封面通过倾斜的中断面被限定在所述末端抵接面的方向上；
·所述阳式和阴式元件的相面对的表面包括覆盖所述轴向距离的圆柱形表面。
附图说明
本发明的特征和优点将结合附图并在下面的描述中更为详细地给出：
图1是本发明的螺纹管状连接的轴向半横截面图；
图2是图1的局部放大图；
图3至6是类似于图2的视图，示出了本发明的连接的各种变型；
图7是类似于图1的视图，示出了所述连接的进一步的变型。
具体实施方式
图1示出了螺纹管状连接的部分，所述连接由包括呈锥度的外螺纹3的阳式管状元件和包括呈锥度的内螺纹4的阴式管状元件2形成。所述阳式元件被形成在大长度的管体的端部处，所述管体用来形成碳氢化合物井中一系列管体的一部分，而所述阴式元件被形成在更大长度的管体的端部处或者在耦合的端部处，所述耦合配设在它的带有另一个阴式元件的其它端部处，以将两个大长度的管体连接在一起。
超出螺纹3之外，元件1形成一个阳式环形唇状体5，所述唇状体5止于大致径向的端部表面6。紧随螺纹4之上的腔室7形成在阴式元件2内，从所述阴式元件2的径向内表面8开始，并且终止于大致径向的端部表面9。呈锥度的环形密封面10形成在唇状体5的径向外表面11上，离开端部表面6一段距离，并且，呈锥度的环形密封面12按面对腔室7的径向外表面13上的前述表面的方式被形成。
按照一个实施例，对于在标称直径为177.8mm(7英寸)的管体端部处的阴式元件，所述“唇状体上”密封面10的中心被定位在离端部表面6为13mm处和离外螺纹3的端部为3mm(也即大约0.6螺距)处，因此端部表面10几乎接近所述螺纹。如图4所示，在一个变型中，密封面10的中心被定位在离外螺纹的端部大约1.1螺距处。
当外螺纹3被配合进入内螺纹4时，唇状体5渐进地穿入腔室7直到端部表面6和9进行相互抵接。然后密封面10和12随径向过盈配合进行相互接触，从而确保在螺纹连接的内侧和外侧之间对液体和气体的密封。在这个最终位置，径向间隙(例如从十分之几毫米到多于一毫米)存在于表面11和13之间，在抵接面6、9和密封面10、12之间的连接长度的区域内，表面11和13在这一区域内实质上是圆柱形。
在图1和2中示出的配合位置，相互抵接的表面6和9的轴向半截面是重合的，所以下面的描述可适合于它们的每一个。共同半区部S包括圆弧A，该圆弧A由从位于半区部的径向内端点Pl延伸到中间点P2。弧A在点P2的切线按径向取向，并且在弧上其它点的倾斜度从点P2到点P1逐渐地且连续地增加，在轴向距离上，点P2处于比点P1离螺纹3、4更远的距离。弧A在点P2处连接到笔直的区段D，所述区段D径向地取向，所述区段D延伸至点P3，所述点P3代表所述半区部S的径向外端部。弧A具有20mm至100mm数量级的半径R，其径向展幅(垂直于螺纹连接的轴线)达到几毫米。为了简单化图1和2，第一轴向抵接面6被示出，以所述唇状体的径向外表面11的圆柱部分21成直角地直接连接。然而，实际上这两个面是按公知的方式通过凸式倒圆连接。
同样，在实践中和以公知的方法，凹式倒圆将第二轴向抵接面9连接到腔室的轴向外表面13的圆柱部分22。这些倒圆被用于避免带有尖角的突出或凹进边缘的公知缺陷。由于它们对于按抵接方式的相互配合不起作用，因此它们不形成如上述定义的轴向抵接面的一部分，实际上，形成于区段D的径向外端点P3不在表面21上，并且，这个区段在长度上较在点P2和表面21之间的径向距离短。
然而，在如图1和2所示的实施例中，腔室的端部表面9径向延伸到点P3之外，超出相应于圆柱部分21和22之间的径向间隙的长度，在所述凹式倒圆之外按直角地直接连接到所述圆柱部分21和22。
作为实例，对于一个具有标称直径为177.8mm(7英寸)和每单位长度重量为52kg/m(35lb/ft)的螺纹连接，点P1处的倾角可以是4.7°，弧A的半径和径向展幅分别是55mm和4.5mm，点P2从圆柱部分21隔离开1.5mm。
区段A(图1和2中的圆弧)的形状是这样的，它以具有负顶角(反抵接)的、呈锥度的表面的方式作用在抵接面上，而且是按逐渐增加唇状体厚度的表现方式(所述唇状体的厚度随通过螺纹连接组装的管体的每单位长度的重量直接变化)。点P1的倾角随管体的每单位长度重量的增加而变大。在沉重的管体(高的每单位长度重量)情况下，这样导致唇状体5的自由端的巨大的径向向外的推力，由于唇状体的坚硬，该推力被有效地传递到密封面10，从而增加密封面10和12之间的接触压力。在轻便的管体情况下，点P1处的小倾角限制了在唇状体端部处的径向推力，因为所述唇状体的相对厚度以及在密封面10和轴向抵接面6之间的轴向距离，该推力无论如何传递不到密封面10，该推力会以不利的方式使唇状体5弯曲。
从而，区段A可以使密封面之间的接触压力最优化，而不管组合的管体每单位长度重量如何。
选择随管体外径的增加而变大的圆弧半径R将是有益的。
在现有技术中，由于呈锥度的轴向抵接面与径向方向所成的角度通常限定在20°，在点P1处与径向方向的倾角将有利地被限定在20°。
区段D使螺纹连接的检查容易进行，特别地，使其尺度检查容易进行，因为抵靠在平面上比抵靠在拱球面上更容易定位检查设备。
区段D的长度随管体的外径可有利地变化。
对于给定的管体外径，对于不同的线密度，区段D的长度将是有利地一致，这样点P2的位置保持不变。
在图1和2的实施例中，所述唇状体和所述腔室的端部表面6和9的轴向半区部径向向内地延伸到相同的点P1，因此，所述环形表面具有相同的内径。所述直径相当于阴式元件的圆柱内表面25的直径。相反，阳式元件具有圆柱形内表面26，所述表面26通常不被加工，因而其直径与管体的外径比较实质上是变化的。由于这种原因，点P1被有利地定位于较表面26的直径更大的直径处，这可通过机加工获得。圆柱形表面26和径向表面6之间的连接是通过机加工的倒圆进行的，所述倒圆例如是呈锥度的斜面27，其半区部从点P1延伸超出唇状体5的长度的一部分。然而，也可使用其它公知类型的连接。
图3不同于图2，在图3中，笔直的区段D被取消，两个轴向抵接面的半区部S1与圆弧A是相重合的。
图3还示出了一个大的径向凹式倒圆，所述倒圆在圆柱形表面22内形成了一个凹槽23。所述凹槽的唯一目的是使腔室7的加工容易进行。
所述凹式倒圆和所述凹槽可被有利地用于本发明其它具体化实施例中，特别是在其它图例中示明的实施例。
图4不同于图2，在图4中，阳式元件1所属管体的内圆柱形表面26的直径大于阴式元件2的内圆柱形表面25的直径。进行压缩型锻(reduction swaging)以产生唇状体5的自由端的内径，所述内径在表面25的下面，并且，内圆柱形表面28——其具有与表面25相同的直径且接近于唇状体的自由端——通过机加工而形成，经由所述压缩型锻而形成的基本呈锥度的表面29将所述表面28连接到表面26。此外，相同的点P1代表唇状体5和腔室7的端部表面6和9的轴向半区部的径向内端点。由于管体具有相对于图2示出的令人满意的特征，这些改进例如产生在点P1处的7.6°倾角和7.3mm的弧A的径向展幅。
图4还不同于图2，在图4中，呈锥度的密封面12被圆形密封面12′代替，也就是，其表面轮廓是一个凸起的弧，它与呈锥度的密封面10协作。“唇状体上”密封面10的轮廓具有一相对于圆柱形表面部分21的直线轮廓倾斜的中断面PA(break)，所述中断面有利地由凹形倒圆形成。
在图5和6的实施例中，与图1和2所述一样，由阳式元件1组成的管体的内圆柱形表面26是通过经机加工的呈锥度的表面27被连接到唇状体5的端部表面6。
图5的阴式元件2与图1和2的阴式元件相同，同时阳式元件的内表面26和27的直径大于图1和2的相应表面的直径。除涉及图1和2描述的笔直的区段D之外，元件1和2的轴向抵接面的轮廓包括从点P2延伸至点P1M的圆弧A1，其代表呈锥度的表面27末端的轴向半区部轮廓。腔室7的端部表面的轴向半区部也包括圆弧A2，该圆弧A2从点P1M到点P1F地延伸弧A1。弧A1和A2一起形成与图1和2的弧A相同的圆弧。
比较图2和图5，其示出，在图2中，轴向抵接面6，9的平均倾角更大些，因此，大的径向向外的推力被施加在唇状体的端部，因为所述唇状体的硬度，在密封面10，12之间获得有效的径向过盈配合是必须的。在图5中，更小的轴向抵接面的平均倾角和更小的唇状体端部上的径向推力避免使弯曲发生，因为所述唇状体更小的厚度导致更低的硬度。
借助于实例，对于螺纹连接——其标称直径为177.8mm(7英寸)和阳式元件的每单位长度重量为43.1kg/m(29lb/ft)且阴式元件的每单位长度重量为52kg/m(35lb/ft)，点P′1的倾角可以是2.6°以及弧A1的径向展幅为2.5mm。
在图6中，阴式元件2的内圆柱形表面25的直径被增加，以便大于呈锥度的表面27的最大直径。在这些条件下，唇状体5的轴向端部表面6的半区部包括上面描述的圆弧A的全部，从点P2到点P1M，腔室7的端部表面9的半区部仅包括所述弧的一部分A3，邻接于所述笔直的区段D并且终止在点P1F。
图5和6显示，阳式元件和具有相同直径但不同的线密度的阴式元件可以配合在一起：点P2和P3处于这些元件上的相同位置，点P1M和P1F随元件的每单位长度重量而变化。
图7的连接不同于图1和2的连接，在图7中，阴式元件2具有唇状体30，并且，阳式元件1具有接受所述唇状体的腔室31，唇状体30和腔室31关于螺纹3和4与唇状体5和腔室7相对地轴向布置。唇状体30和腔室31具有相应的轴向抵接面32、33、相应的密封面34、35以及相应的圆柱形表面36、37，它们类似于上述的表面6、9、10、12、21和22，但是在轴向和径向上都处于相反的布置。
明显地，按照本发明，可能的是，省略图7的轴向抵接面6、9和唇状体5的密封面10、12以及腔室7，密封仅由表面32到35提供。
然而，倒圆的密封面已被描述为仅在阴式元件上的腔室形成，在一个变型中，这样倒圆的密封面可以形成在阳式元件的唇状体上和/或阴式元件的唇状体上或阳式元件的腔室上。
Claims (20)
1.螺纹管状连接，所述连接包括：阳式管状元件(1)，其包括外螺纹(3)；和阴式管状元件(2)，其包括能够与所述外螺纹在结构上配合的内螺纹(4)，
所述阳式管状元件具有第一环形轴向抵接面(6)和第一环形密封面(10)，所述第一环形密封面设置在所述阳式管状元件的径向外表面(11)上，
所述阴式管状元件具有第二环形轴向抵接面(9)和第二环形密封面(12)，所述第二环形密封面设置在所述阴式管状元件的径向内表面(13)上，
所述第一和第二环形轴向抵接面在结构的端部处进行相互抵接，同时所述第一和第二密封面通过径向过盈进行密封接触，
所述第一和第二环形轴向抵接面之一，称作末端抵接面，在所述管状元件中的一个管状元件(1)的自由端处形成，所述管状元件中的所述一个管状元件(1)具有唇状体(5)，所述唇状体在其螺纹和末端抵接面之间径向延伸，
并且，所述第一和第二环形密封面之一(10)，其对应地位于所述管状元件中的所述一个管状元件(1)，称作“唇状体上”密封面，被设置在唇状体上，距所述末端抵接面一非零的轴向距离，
其特征在于，
区段(A)构成所述第一和第二轴向抵接面中的每一个轴向抵接面的轴向半区部(S)的至少一部分，所述区段(A)相对于径向方向倾斜，所述区段按增加倾斜度的方式轴向地接近所述螺纹，因此在从所述径向的外表面或内表面离开的方向上，所述轴向半区部(S)不改变它们的倾斜方向。
2.按照权利要求1所述的螺纹管状连接，其特征在于，所述管状元件中的所述一个管状元件(1)是阳式元件(1)。
3.按照权利要求2所述的螺纹管状连接，其特征在于，
·所述阳式管状元件还具有第三环形轴向抵接面(33)和第三环形密封面(35)，所述第三环形密封面(35)被设置在所述阳式管状元件的径向外密封面(11)上；
·所述阴式管状元件还具有第四环形轴向抵接面(32)和第四环形密封面(34)，所述第四环形密封面(34)被设置在所述阴式管状元件的径向内表面(13)上；
·所述第三和第四轴向抵接面在结构的端部处相互抵接，同时第三和第四密封面通过径向过盈进行紧密的密封接触；
·所述第四轴向抵接面，也称作末端抵接面，形成于阴式元件的自由端，所述第四轴向抵接面具有在所述内螺纹和所述第四轴向抵接面之间轴向延伸的阴式唇状体，并且，所述第四密封面被设置在所述阴式唇状体上，在距所述第四轴向抵接面的非零轴向距离处；
·区段构成所述第三和第四轴向抵接面中的每个轴向抵接面的轴向半区部的至少一部分，所述区段相对于径向方向倾斜，按增加倾斜度的方式轴向地接近所述螺纹，因此从所述径向内表面径向离开时，所述轴向半区部不改变它们的倾斜方向。
4.按照权利要求1所述的螺纹管状连接，其特征在于，所述区段(A)是曲线的。
5.按照权利要求4所述的螺纹管状连接，其特征在于，所述区段(A)是圆弧。
6.按照权利要求5所述的螺纹管状连接，其特征在于，所述圆弧(A)的半径在20mm至100mm范围内。
7.按照权利要求1所述的螺纹管状连接，其特征在于，所述区段(A)的最大倾角是20°或更小。
8.按照权利要求1所述的螺纹管状连接，其特征在于，所述轴向半区部在它们的接近于所述径向外表面(11)或内表面(13)的端部(P3)处径向取向。
9.按照权利要求8所述的螺纹管状连接，其特征在于，所述倾斜的区段(A)在它的接近于所述径向的外表面或内表面的端部(P2)处径向取向，在此处所述倾斜的区段(A)连接到笔直的径向区段(D)，所述径向区段(D)同样形成所述轴向半区部(S)的一部分。
10.按照权利要求9所述的螺纹管状连接，其特征在于，所述笔直的径向区段(D)的长度在0.5mm至6mm范围内。
11.按照上述权利要求1至10中任一项所述的螺纹管状连接，其特征在于，径向间隙存在于所述阳式和阴式元件的相面对的表面(21，22)之间，覆盖所述轴向距离。
12.按照上述权利要求1至10中任一项所述的螺纹管状连接，其特征在于，所述“唇状体上”密封面(10)与所述螺纹(3)隔开至多3螺距的轴向距离。
13.按照上述权利要求1至10中任一项所述的螺纹管状连接，其特征在于，所述唇状体被局部地加厚，以增加轴向抵接的表面积。
14.按照上述权利要求1至10中任一项所述的螺纹管状连接，其特征在于，所述螺纹(3，4)是呈锥度的。
15.按照上述权利要求1至10中任一项所述的螺纹管状连接，其特征在于，相互协作的两个环形密封面(10，12)中的至少一对是具有相同顶角的呈锥度的表面。
16.按照权利要求1至10中任一项所述的螺纹管状连接，其特征在于，相互协作的两个环形密封面(10，12′)中的至少一对相应地是一呈锥度的表面和一圆形的表面。
17.按照权利要求16所述的螺纹管状连接，其特征在于，所述呈锥度的表面(10)是所述“唇状体上”密封面。
18.按照上述权利要求1至10中任一项所述的螺纹管状连接，其特征在于，所述“唇状体上”密封面在朝向所述对应的末端抵接面(6)的方向上由倾斜的中断面(PA)界定。
19.按照上述权利要求1至10中任一项所述的螺纹管状连接，其特征在于，所述阳式和阴式元件的相面对的表面包括覆盖所述轴向距离的圆柱形表面(21，22)。
20.按照上述权利要求1至10中任一项所述的螺纹管状连接，其特征在于，所述“唇状体上”密封面(10)与所述螺纹(3)隔开至多2螺距的轴向距离。
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