CN102770699A - 密封管接头 - Google Patents

Abstract

一种管接头，在其中，两个管段（14，16）具有可螺纹接合的端部（17，18），接头端（32，34）通过一个管段上的基本抵接另一管段上的密封表面（42，52）的密封表面（40，50）彼此基本密封。在一个接头中，在第一管段中成型环形切口（121，图7），环形间隔件（120）位于所述切口中。间隔件从多个具有稍微不同长度的间隔件中选取，因此间隔件端部接触相应的密封表面（130）。在用于输送腐蚀性流体的管柱中，相邻管段的内表面（44）覆盖有抗腐蚀涂层（70，72）。在密封表面连接到倒圆的角（82，84）的位置，所述涂层延伸到密封表面（40，42）并且沿着所述密封表面延伸。

Description

密封管接头

背景技术

由许多串联连接的管段形成的管柱广泛地用在大海中以在海底与浮体之间或者在浮体之间输送原油和其他碳氢化合物。一种常见的管柱包括许多钢的管段，每个管段长度例如为30米，它们通过位于每个管的相对端的螺纹端部连接在一起。申请人注意到一种螺纹是螺旋螺纹，另一种是轴向间隔开的圆螺纹。一对相邻管段的每端优选地通过一个管段的端部上的密封表面而密封到另一管段，当管段螺纹连接在一起时，所述密封表面压靠在另一管段的端部上的密封表面。以前，管段的相对端部不能都是牢固密封的，除非在制造中使用非常高的精度，这导致了过高的成本。

管柱输送的许多流体是具有高度腐蚀性的。保护涂层或覆层能涂覆到管段的内表面，并涂覆到相邻的管的表面。施加这种涂层的成本能通过使待涂覆的区域（尤其是包括尖角的区域）最小化而减到最低。

管接头包括具有螺纹连接部和在端部上具有密封表面的管，并通常包括位于密封表面旁边的突出部和凹槽接头。在凹槽侧钢管的端部有时发生破裂。

发明内容

根据本发明的一个实施方式，一种抗腐蚀管柱设有构造成基本彼此密封的螺纹管接头。为了确保管段的相对端的密封表面抵接相应的密封表面，申请人缩短了其中一个抵接部以形成切口。申请人还提供了位于切口中的环形间隔件。具有非常微小长度差的多个间隔件是可用的，并且在管柱组装期间，选择刚好填充切口的间隔件。

为了保护管段防止其被腐蚀性流体腐蚀，每个管段的内部例如利用抗腐蚀材料的覆层来进行涂覆。在有倒圆的角存在于管的内部与密封表面之间的位置，涂层围绕所述角并且沿着密封表面延伸，但是不进一步延伸。为了避免涂层围绕倒圆的角延伸，每个密封表面能设有尖角（小的弯曲半径），因此两个角彼此抵接。

管端包括突出部和凹槽连接部。为了避免一个管在凹槽的外侧破裂，凹槽底部设有小半径的弯曲部。这使得凹槽的外侧设有大的弯曲半径，以便于更好地抵抗应力。

为了避免管段的螺纹端部转动以使螺纹连接松动，使至少一个管螺纹被压花，以产生抵抗变松的小的脊部。

由所附的权利要求中的特殊性阐述了本发明的新颖的特征。当结合附图阅读时将从如下的描述中最佳地理解本发明。

附图说明

图1是管柱的接头部的截面视图，示出了两个管段的可螺纹连接的相邻的端部并且示出了在螺纹的相对的端部上的密封表面。

图2是图1的面2-2的截面视图。

图3是图1的面3-3的截面视图。

图4是类似于图3的截面视图，但是在管的整个直的内部上具有抗腐蚀覆层。

图5是类似于图4的截面视图，但是仅在邻近密封表面的内部上具有抗腐蚀覆层。

图6是类似于图1的、管柱的管接头的仅一侧的截面视图，但是具有位于切口中的间隔件。

图7是图6的接头部的切口和间隔件区域的截面视图。

图8是类似于图2的截面视图，但是具有突出部和凹槽的连接部，并且该连接部构造成在凹槽的一侧上有逐步的弯曲。

图9是类似于图3的视图，示出了凹槽一侧的逐步的弯曲。

图10是图1的管段的可螺纹连接的端部的一对螺纹的长度的截面视图，示出了压花。

图11是图10的一个螺纹的长度的一部分的轴测图。

具体实施方式

图1示出了包括许多钢管段的管线或管柱10，每个钢管段的长度比如是30米，它们可通过螺纹串联。申请人注意到一种螺纹接头包括螺旋螺纹，另一种螺纹接头包括（相对于管线轴线）轴向间隔开的位于虚拟锥体上的圆螺纹。图1示出了管接头12，两个管段14，16的相邻的端部17，18在管接头12处连接。该接头包括在两个管段上形成螺纹连接部24的螺纹20，22。将这些螺纹拧紧以在位于轴向（A）相对的接头端33，34上的密封表面40，42，50，52处将两个管端紧密地压在一起。为了在螺纹连接期间使螺纹擦损最小，申请人在径向外部（相对于轴线36）管端18中形成端口51。通过直接经过端口51的流体（液体或气体）能对接头施压，流体压紧径向内部管端17并且使径向外部管端18扩张，从而放松在彼此之上的螺纹20，22。

接头端32具有均位于管线的内侧I的上下抵接部或密封表面40，42。所示出的位于接头12的上端处的接头端34具有径向外部（相对于轴线36）密封表面。

通常仅两个接头端32，34中的一个（是上部、外部抵接位置34）在螺纹完全拧紧时使其抵接表面50，52有力地彼此抵接。需要非常接近的尺寸公差（例如小于大约0.02mm或0.001英寸）以确保在两个接头端32，34处抵接表面的有力地抵接。以这些公差制造管段的端部是困难的并且成本高。

申请人使内密封表面40，42和外密封表面50，52彼此有力地抵接并且在那里形成了防止流体进出的流体密封。这还对接头螺纹进行了预加载从而减小了疲劳应力并在图7中示出的管接头端32，34处稳定了金属对金属的密封运动。

管接头的内侧I（图1）与位于管中的流体60接触，当管线用于输送碳氢化合物和如在原油中常见的腐蚀性成分的混合物时流体60可能包括腐蚀性化学物质。管接头的外侧O与海水或大气环境接触。

在最近几年，海上石油开采已经在更深的水中进行，目前的最大深度为大约7000到10000英尺。在这种深度下，连接到浮动开采单元的钢的管线通常用于将井产流体从海底输送到海面。在大的深度处高的海水压力需要大的管壁厚度来抵抗塌缩，尽管管内径必须足够大以用于经济的碳氢化合物生产率。这导致相对刚性的管和高的弯曲应力，尤其是在以悬链线形状悬挂的管线与海底接触的位置。这种弯曲是反复的，因为表面波浪时常引起的水面船只起伏。这种反复弯曲导致管疲劳。流过这些管的井产流体中的H₂S、CO₂或者其他化学物质的存在能加速这种疲劳，这能导致非常有限的管疲劳寿命。为了将这种化学影响减到最低，申请人优选在管线的内表面44上施加CRA（抗腐蚀合金）覆层（一种涂层），在图3中在70，72处以假想线示出，其中覆层的一部分74，76位于内密封表面40，42上。因为内接头端32在使用期间是封闭的，所以抵接表面处的覆层部分74，76不需要比管内部的余下部分上的覆层更厚。径向内表面44与密封表面40、42之间的角82，84具有至少是0.05英寸的大的弯曲半径，因此覆层在它们上方延伸。

图4示出了接头端32B的一种替代性的构造，其中已经将CRA覆层部分70B，72B施加在管线的内表面上，但是在密封表面40B，42B上没有施加。角86具有小于0.05英寸的小的弯曲半径，因此这些覆层部分成一平面（facewise）地彼此相邻并且不围绕这些角延伸。图5示出了另一个替代性方式，其中覆层在抵接部的内部80的任一侧上仅延伸有限的距离M，N，其中M和N不大于每个管段的长度的一半。

图6示出了沿着管线102的另一个管接头100，其中两个管段110，112的相邻的端部104，106可螺纹连接，这在管接头的底部和顶部处的轴向间隔开的内部位置和外部位置，或者接头端114，116处，提供了密封。该密封是通过沿着管线轴线精确间隔开的部件形成的，但是这些部件能以适中的成本做出高的精度。在上部、外部密封位置116处，两个管段的密封表面50，52以与图1相同的方式彼此直接抵接。但是，在下部、内部密封位置114处，申请人提供了位于间隙121（其导致形成了短端（125））中的间隔件120（图7）。该间隔件既抵接在上管段的端部上的肩部122又抵接下管段的端部上的肩部124。

采取环的形式的间隔件120优选地由金属形成，以便于在将两个管段紧紧地螺纹连接在一起时经受所施加的高的压紧力。申请人可以制作多个具有稍微不同高度或轴向厚度T的间隔件。在管被连接的位置附近提供存储容器（其包含具有稍微不同厚度H的许多间隔件）。在一个实例中，对于具有12英寸直径（在内侧）的钢管，设置多个间隔件，它们的厚度以0.02mm（0.001英寸）的增量变化。管段端部的长度优选被精确地构造（具有累计的公差），因此在比如0.2mm（0.1英寸）的间隙高度H内变化。目前的研究显示多个间隔件可不必带到场地，因此在将设备带到场地之前可以将间隔环压入就位。

在组装管段之前，对于要连接的两个管端部，申请人计算和/或测量要由间隔件填充的间隙H的尺寸。这可以用激光范围探测器或更常见的测径器来实现。申请人测量每个管接头端的两个密封表面之间的距离D（图6）。间隔件的高度H选择成等于它们之差。合适厚度的间隔件选择成当将两个管段的端部连接时填充间隙。管段和间隔件优选地被编号并保持在一起，以便于在将两个管段的端部螺纹连接时能使用特定的间隔件。能在拆装以***间隔件之前连接两个管段并测量间隙。但是，该过程是耗时的并且使高成本的工人和用于连接管段最高效的设备空闲。

间隔件120（图7）示出为具有矩形截面，该矩形截面具有稍微倒圆的角126和一个位于管段端部内角处的一个形成斜面的角128。间隔件的密封或抵接面130，132示出为平面。但是，能形成具有一个或多个脊的密封面，正如在134处示出的，从而能以给定的压紧力实现间隔件的更大的轴向压紧。如果发现合适的材料，还能使用除了钢以外的材料，比如更容易压紧的材料。

申请人优选将间隔件120放置在管线的内侧，如果管线被撞击间隔件不能被逐出管线的内部。还能使间隔件120移到外部抵接表面34，在该种情况下，内侧抵接部能加工成没有环形间隔件120。还能以在接头端部32和34处均使用间隔件120的方式简化并调整连接件的加工。

这些图中示出的管线具有20英寸的直径（外侧）和一英寸的壁厚（沿着其大部分长度）。间隔件120具有0.33英寸的径向宽度和0.75英寸的轴向高度。管和间隔件分别由刚制造。

在图7的突出部和凹槽接头部中，一个管端部104形成了以过盈配合容纳在另一个管端部112的凹槽142中的突出部104。在图7中，凹槽端144具有与突出端大约相同的弯曲半径，半径R是横跨凹槽的距离2R的一半。申请人已经发现凹槽142的壁由于反复的弯曲应力有时会在凹槽的外部弯曲部分中破裂。申请人发现通过将邻近于密封表面124A的142A处的凹槽的外部154（图8）形成为具有适当的弯曲半径S而不是直边，申请人避免了这种破裂。凹槽边154具有至少大于距离R50%但是小于10R的弯曲半径S，距离R是凹槽宽度的一半。在图8中，弯曲半径以160为圆形并且是距离R的四倍。凹槽的底部158具有小于宽度2R的一半的小的弯曲半径，但是远离突出部。在凹糟142中制造宽的外部弯曲部时（图7），凹槽变得不对称并且在连接件的内部处以弯曲部结束，如图8和9中所示。图9中示出的上部凹槽162被类似地弯曲。

图1示出了相邻的管端部17，18是通过同心的直螺纹连接的。应该采取步骤以确保在这些螺纹20，22螺纹连接之后，相对于另一个管端部施加到其中一个管端部的扭矩不使它们滑动。申请人优选通过在螺纹上做出压花来实现该步骤。图10和11示出了压花180。在进行压花时，小凹槽通过使压花工具压靠在螺纹上的一个位置而形成。压花的压力使形成螺纹的材料移动，以形成由轻微的凸部182分开的凹部。位移的材料防止螺纹相对于彼此转动除非施加大的扭矩。申请人在螺纹凹槽壁184中的螺纹的一侧而不是在圆柱壁186上设置压花，压花具有0.004英寸的高度和0.030英寸的宽度。申请人通过使相对于彼此转动的并且不是螺纹部分的表面***糙来阻止相对转动，如通过喷丸处理。但是，螺纹是被精确切割的表面，在这些表面中形成的压花比使光滑（没有螺纹的）表面***更精确。

在轴向间隔开的同心螺纹的情况下，能存在压花180的扭转阻力不足以防止连接件滑动的情况。申请人优选地以这种材料做出突出部140（图7）和凹槽142的表面，即，该材料允许滑动而对这些表面不造成破坏。这能利用抗磨损涂层或润滑剂或者通过使用具有不同材料的这些接触表面而起到辅助作用。在该种情况下，不能防止由滑动对这些表面造成的破坏，申请人在凹槽中***了键，键加工到连接件的半部件的螺纹中以防止滑动。

因此，本发明提供了用于连接一对管段的螺纹端的管接头，其使得由腐蚀性流体造成的腐蚀最小，并且能够在接头的每端实现抵接，以便以适中的成本抵接密封表面，并且避免了管在凹槽处的破裂。通过在每个管段的邻近另一管段的内端的位置对每个管段的内端进行涂层避免了腐蚀。在两个管内端的相邻角处存在大的弯曲半径（大于0.05英寸）的位置，对这些角和相面对的表面优选地利用抗腐蚀覆层进行涂层。两个管的内端在尖角（具有小于0.01英寸的弯曲半径）处彼此抵接的位置，没有涂层施加超出这些角而位于相面对的表面上。每个管的相对端处的密封表面能制造成通过使一个管的端部缩短并在端部放置间隔件来彼此抵接，其中间隔件选择成精确填充间隙至相邻的密封表面。在突出部和凹槽接头连接这些管的端部的情况下，通过使一部分凹槽壁具有大的弯曲半径避免了凹槽一个侧壁处的破裂。

尽管这里已经描述并图示了本发明的特殊实施方式，但是可以意识到的是对于本领域技术人员来说可以容易地做出许多修改和改变，因此，希望将权利要求解释为覆盖这些修改和等同替代。

Claims (14)

1.一种包括管接头（12）的管柱（10），所述管接头将一对管段（14，16）的第一和第二螺纹端连接，其中所述管接头具有第一和第二接头端（32，34），所述接头端包括第一接头端（34），所述第一接头端具有成一平面的相邻的第一密封表面（50，52），其中：

所述第二接头端（32）具有与第二密封表面（130）相邻的环形切口（121），因此所述第二接头端具有与所述第二密封表面（130）间隔开的短的第二端（125）；并且包括

环形间隔件（120），所述环形间隔件位于所述短的第二端（125）与所述第二密封表面（130）之间并抵接所述短的第二端和所述第二密封表面。

2.根据权利要求1所述的管柱，其包括：

多个环形间隔件（120），每个所述环形间隔件具有用于桥接所述切口（121）的高度（H），所述多个间隔件与多个其他间隔件中的每一个高度（H）不同，高度差在0.001英寸的数量级。

3.根据权利要求1所述的管柱，其中：

所述管接头具有径向内侧I和外侧O；

所述切口和所述间隔件均位于所述内侧。

4.根据权利要求1所述的管柱，其中：

其中一个所述密封表面（134）在径向宽度上渐缩，以在其抵接另一个所述密封表面（134）的位置具有最小的宽度。

5.一种通过将相邻管段对的第一和第二螺纹端部（32，34）螺纹连接以形成具有相对的接头端（32，34）的管接头（12）并且将螺纹拧紧因此所述第一和第二管段端的密封表面（40，42；50，52）彼此抵接从而来安装管柱的方法，该方法包括：

将所述第一接头端在第一端部处构造出切口（121），并将环形间隔件（120）安装在所述切口中，其中所述间隔件具有合适的轴向长度（T），以允许密封表面（40，42，50，52）在两个所述接头端处均彼此抵接；

所述安装所述间隔件的步骤包括提供具有稍微不同长度的多个间隔件，并且选择和安装具有合适轴向长度的间隔件，以允许密封表面对在每个所述接头端处彼此抵接。

6.一种输送腐蚀性流体的管柱，其包括具有螺纹端部的第一和第二管段，所述螺纹端部可螺纹接合并且形成相对的接头端（32，34），两个管段的密封表面（40，42，50，52）成一平面地彼此相邻，其中第一对相邻密封表面（40，42）邻近于管段的内侧（I），其中：

在每个接头端处每个管段的内表面（44）包含保护材料涂层（70，72），所述涂层沿着管段的内表面在至少所述第一对相邻密封表面（40，42）处延伸，并且每个管段的外部没有所述涂层。

7.根据权利要求6所述的管柱，其中：

在所述第一接头端处，所述第一管段具有由管的轴向延伸的内表面（70，72）和相邻的密封表面（74，76）形成的角（82，84），所述角以至少0.1英寸的弯曲半径倒圆，所述涂层围绕所述角并且沿着所述密封表面延伸。

8.根据权利要求6所述的管柱，其中：

在所述第一接头端处，所述第一管段具有由管的轴向延伸内表面（70B，72B）和相邻的密封表面（40B，42B）形成的角（80），所述角具有小于0.02英寸的弯曲半径，所述涂层在所述角处终止。

9.根据权利要求6所述的管柱，其中：

其中一个所述管段端部（17）形成管接头的内表面（44），另一管段端部（18）形成外表面；

所述另一管段端部具有通孔（51），通过所述通孔流体能被泵送，以便于所述管段端部的螺纹组装和拆装。

10.一种包括第一和第二管段的管柱，所述第一和第二管段具有相邻的第一端，其中所述第一管段具有密封表面（124A）并且具有轴向延伸的凹槽（142A），其中所述第二管段具有轴向延伸的突出部（156），该突出部具有进入所述凹槽的增大的并且倒圆的突出端，其中：

所述凹槽具有径向相对的侧部并且具有形成凹槽底部（158）的轴向端；

所述凹槽具有径向宽度（2R），并且所述凹槽的相对的侧部中的每一个沿着所述凹槽底部上方的区域具有大于所述径向宽度（2R）的大的弯曲半径，所述凹槽底部（158）具有小于所述径向宽度（2R）的弯曲半径。

11.根据权利要求10所述的管柱，其中：

所述凹槽底部的弯曲半径不大于所述径向宽度的一半。

12.一种具有第一和第二管段的管柱，所述第一和第二管段具有可螺纹连接的螺纹端，其中：

至少一个所述螺纹端沿着其螺纹进行压花加工，以沿着一部分螺纹形成交替的凹部和突起。

13.根据权利要求12所述的管柱，其中：

所述螺纹具有螺纹凹槽壁（184）并且具有连接螺纹凹槽的圆柱表面（186），所述压花位于所述螺纹凹槽壁（184）中。

14.一种有助于拧紧一对管段的第一和第二螺纹端（17，18）之间的螺纹连接的方法，其中所述第一螺纹端位于所述第二螺纹端的径向内侧，所述方法包括：

在所述第二螺纹端中形成孔，这导致所述螺纹端之间的交叉，并且迫使流体在压力下穿过所述孔，以推离所述螺纹端，同时转动一个所述螺纹端。

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