CN106461127A - 钢管用螺纹接头 - Google Patents

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Abstract

螺纹接头包括公扣部(10)和母扣部(20)。公扣部(10)自前端侧依次包括台肩面(11)、突出部(12)、第1密封面(13)、第1外螺纹部(14)、环状部(15a)、第2密封面(16)以及第2外螺纹部(17)。母扣部(20)包括台肩面(21)、凹部(22)、第1密封面(23)、第1内螺纹部(24)、环状部(25a)、第2密封面(26)以及第2内螺纹部(27)。螺纹接头在紧固状态下，台肩面(11、21)彼此接触，第1密封面(13、23)彼此接触，第2密封面(16、26)彼此接触，在突出部(12)与凹部(22)之间形成有间隙，在环状部(15a、25a)彼此之间形成有间隙，第1外螺纹部(14)与第1内螺纹部(24)嵌合，第2外螺纹部(17)与第2内螺纹部(27)嵌合。

Description

钢管用螺纹接头
技术领域
本发明涉及一种用于连结钢管的螺纹接头。
背景技术
在油井、天然气井等(以下总称为“油井”)中，为了开采地下资源而使用套管、配管等的被称为油井管(OCTG：Oil Country Tubular Goods)的钢管。钢管被依次连结，钢管的连结使用螺纹接头。
钢管用螺纹接头的形式大致分为接箍(coupling)型和整体(integral)型。在接箍型的情况下，在连结对象的一对管材中，一个管材为钢管，另一个管材为接箍。在该情况下，在钢管的两端部的外周设有外螺纹部，在接箍的两端部的内周设有内螺纹部。然后，将钢管的外螺纹部旋入到接箍的内螺纹部，由此，将双方紧固并连结起来。在整体型的情况下，连结对象的一对管材均为钢管，而不使用另外的接箍。在该情况下，在钢管的一端部的外周设有外螺纹部，在另一端部的内周设有内螺纹部。然后，将一个钢管的外螺纹部旋入到另一钢管的内螺纹部，由此，将双方紧固并连结起来。
通常，形成有外螺纹部的管端部的接头部分包含***到内螺纹部中的要素，因此，被称为公扣部(pin)。另一方面，形成有内螺纹部的管端部的接头部分包含收入外螺纹部的要素，因此，被称为母扣部(box)。由于该公扣部和母扣部为管材的端部，因此，公扣部和母扣部均为管状。
图1是表示以往的通常的钢管用螺纹接头的一例子的纵剖视图。图1所示的螺纹接头是接箍型的螺纹接头，包括公扣部110和母扣部120。
公扣部110自前端侧朝向基部侧依次包括台肩面111、密封面113以及外螺纹部114。另一方面，母扣部120自基部侧朝向前端侧依次包括台肩面121、密封面123以及内螺纹部124。该母扣部120的台肩面121、密封面123以及内螺纹部124分别与公扣部110的台肩面111、密封面113以及外螺纹部114相对应地设置。公扣部110的外螺纹部114与母扣部120的内螺纹部124相互啮合，由公扣部110的外螺纹部114和母扣部120的内螺纹部124构成的螺纹部为锥螺纹的梯形螺纹。
外螺纹部114和内螺纹部124能够相互旋入，在紧固状态下相互嵌合并紧贴，成为过盈配合的状态。各密封面113、123随着公扣部110的旋入而相互接触，在紧固状态下嵌合并紧贴，成为过盈配合的状态。由此，各密封面113、123形成通过金属接触而实现的密封部。各台肩面111、121随着公扣部110的旋入而相互接触且被按压，发挥限制公扣部110的旋入的止挡件的作用。各台肩面111、121发挥在紧固状态下对公扣部110的外螺纹部114的载荷面施加所谓的螺纹的紧固轴向力的作用。
在这样的结构的螺纹接头中，除了外螺纹部114与内螺纹部124之间的嵌合并紧贴以外，还能够利用密封面113、123彼此的嵌合并紧贴来确保密封性能。
近年，油井环境向高深度化以及超深海化发展，伴随于此，油井环境成为高温·高压且高腐蚀这样严酷的环境。为了应对这样严酷的环境，作为油井管而多使用厚壁的钢管。对于连接这些钢管的螺纹接头，要求针对内压以及外压优异的密封性能。
作为对于厚壁钢管的螺纹接头谋求了密封性能的提高的以往技术，存在下述的技术。
图2是表示谋求了密封性能的提高的以往的钢管用螺纹接头的一例子的纵剖视图。图2所示的螺纹接头包括两处通过金属接触形成的密封部(例如参照国际公开第WO01/029476号(专利文献1))。
具体而言，如图2所示，公扣部210自前端侧朝向基部侧依次包括台肩面211、第1密封面213、第1外螺纹部214、第2密封面216以及第2外螺纹部217。另一方面，母扣部220自基部侧朝向前端侧依次包括台肩面221、第1密封面223、第1内螺纹部224、第2密封面226以及第2内螺纹部227。由第1外螺纹部214和第1内螺纹部224构成的第1螺纹部为锥螺纹的梯形螺纹。由第2外螺纹部217和第2内螺纹部227构成的第2螺纹部也同样为锥螺纹的梯形螺纹。
图3是表示谋求了密封性能的提高的以往的钢管用螺纹接头的另一例子的纵剖视图。与所述图2所示的螺纹接头相比，图3所示的螺纹接头在包括两处通过金属接触形成的密封部的方面相同，但是在变更了台肩面的设置位置的方面不同(例如参照美国专利第4,662,659号(专利文献2))。
具体而言，如图3所示，公扣部210自前端侧朝向基部侧依次包括第1密封面213、第1外螺纹部214、台肩面211、第2密封面216以及第2外螺纹部217。另一方面，母扣部220自基部侧朝向前端侧依次包括第1密封面223、第1内螺纹部224、台肩面221、第2密封面226以及第2内螺纹部227。由第1外螺纹部214和第1内螺纹部224构成的第1螺纹部以及由第2外螺纹部217和第2内螺纹部227构成的第2螺纹部均为锥螺纹的梯形螺纹。
在所述图2所示的螺纹接头的情况下，第1螺纹部的锥面与第2螺纹部的锥面一致。这是因为，在第1螺纹部与第2螺纹部之间仅追加有第2密封面216、226。另一方面，在图3所示的螺纹接头的情况下，第1螺纹部的锥面比第2螺纹部的锥面靠近管轴线CL。这是因为，在第1螺纹部与第2螺纹部之间设有台肩面211、221。
在图2和图3所示的螺纹接头中，第1外螺纹部214和第1内螺纹部224均能够相互旋入，在紧固状态下相互嵌合并紧贴，成为过盈配合的状态。第2外螺纹部217和第2内螺纹部227也同样地成为过盈配合的状态。各第1密封面213、223和各第2密封面216、226分别随着公扣部210的旋入而相互接触，在紧固状态下嵌合并紧贴，成为过盈配合的状态。各台肩面211、221随着公扣部210的旋入相互接触并被按压。
在这样的结构的螺纹接头中，利用第1密封面213、223彼此间的嵌合并紧贴，主要确保针对内压的密封性能。另外，利用第2密封面216、226彼此间的嵌合并紧贴，主要确保针对外压的密封性能。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第WO01/029476号
专利文献2：美国特许第4,662,659号说明书
发明内容
发明要解决的问题
对在近年的严酷的环境下使用的螺纹接头、特别是厚壁钢管的螺纹接头，针对内压以及外压要求进一步提高密封性能。
本发明的目的在于提供具有下述特性的钢管用螺纹接头：
提高针对内压以及外压的密封性能。
用于解决问题的方案
本发明的一实施方式的钢管用螺纹接头包括管状的公扣部和管状的母扣部，通过将所述公扣部旋入到所述母扣部而紧固所述公扣部和所述母扣部，其中，
所述公扣部自前端侧依次包括台肩面、第1密封面、锥螺纹的第1外螺纹部、第2密封面以及锥螺纹的第2外螺纹部，
所述母扣部包括分别与所述公扣部的所述台肩面、所述第1密封面、所述第1外螺纹部、所述第2密封面以及所述第2外螺纹部相对应的台肩面、第1密封面、锥螺纹的第1内螺纹部、第2密封面以及锥螺纹的第2内螺纹部。
另外，所述公扣部在所述台肩面与所述第1密封面之间具备与所述第1密封面相连的突出部，并且，在所述第1外螺纹部与所述第2密封面之间具备与所述第2密封面相连的环状部，
所述母扣部具备与所述公扣部部的所述突出部相对应的凹部，并且，具备与所述公扣部的所述环状部相对应的环状部。
这样的钢管用螺纹接头为以下这样的结构：
在紧固状态下，所述台肩面彼此相互接触，所述第1密封面彼此相互接触，所述第2密封面彼此相互接触，在所述公扣部的所述突出部与所述母扣部的所述凹部之间形成有间隙，在所述公扣部的所述环状部与所述母扣部的所述环状部之间形成有间隙，所述第1外螺纹部与所述第1内螺纹部嵌合，所述第2外螺纹部与所述第2内螺纹部嵌合。
所述螺纹接头能够采用下述的结构。
所述公扣部在所述第1外螺纹部与所述环状部之间具备与所述环状部相连的辅助台肩面，
所述母扣部具备与所述公扣部的所述辅助台肩面相对应的辅助台肩面，
另外，在紧固状态下，所述辅助台肩面彼此相互接触。
该螺纹接头优选采用下述的结构。
在紧固的过程中，所述台肩面彼此的接触和所述辅助台肩面彼此的接触同时进行，或所述辅助台肩面彼此的接触先于所述台肩面彼此的接触进行。
另外，所述螺纹接头优选采用下述的结构。
对于所述公扣部，在将管主体的与管轴线垂直的截面上的截面积设为A0，将所述台肩面向与管轴线垂直的平面的投影面积设为A1时，二者的面积比率A1/A0为30％以上。
另外，所述螺纹接头优选采用下述的结构。
对于所述公扣部，在将管主体的与管轴线垂直的截面上的截面积设为A0，将所述台肩面和所述辅助台肩面分别向与管轴线垂直的平面的投影面积的合计设为A2时，二者的面积比率A2/A0为30％以上。
另外，所述螺纹接头优选采用下述的结构。
对于所述公扣部，在将所述台肩面和所述辅助台肩面分别向与管轴线垂直的平面的投影面积的合计设为A2，将所述台肩面向与管轴线垂直的平面的投影面积设为A1时，二者的面积比率A1/A2为35％以上。
另外，所述螺纹接头优选采用下述的结构。
对于所述公扣部，以外径比所述第2外螺纹部的螺纹槽底面的锥形的延长面小与所述第2外螺纹部的螺纹高度的2倍相对应的量的锥面为标准，所述公扣部的所述环状部的外径大于该标准锥面的直径。
另外，所述螺纹接头优选采用下述的结构。
所述公扣部的所述环状部的沿着管轴线的长度为所述第2外螺纹部的螺距的1倍以上。
另外，所述螺纹接头优选采用下述的结构。
所述公扣部的所述突出部的沿着管轴线的长度为5mm以上。
发明的效果
本发明的钢管用螺纹接头具有下述显著的效果：
能够提高针对内压以及外压的密封性能。
附图说明
图1是表示以往的通常的钢管用螺纹接头的一例子的纵剖视图。
图2是表示谋求了密封性能的提高的以往的钢管用螺纹接头的一例子的纵剖视图。
图3是表示谋求了密封性能的提高的以往的钢管用螺纹接头的另一例子的纵剖视图。
图4A是表示本发明的第1实施方式的钢管用螺纹接头的纵剖视图。
图4B是将本发明的第1实施方式的钢管用螺纹接头中的公扣部的前端部附近放大后的纵剖视图。
图5是将本发明的第1实施方式的钢管用螺纹接头中的靠近外部的第2密封部附近放大后的纵剖视图。
图6是表示本发明的第2实施方式的钢管用螺纹接头的纵剖视图。
图7是将本发明的第2实施方式的钢管用螺纹接头中的靠近外部的第2密封部附近放大后的纵剖视图。
具体实施方式
本发明人们关于能够最大限度地发挥密封部的密封性能的结构反复进行了深入研究。此时，是以在公扣部的前端设置台肩面并且设置两处通过金属接触而形成的密封部的螺纹接头为前提的。即，是以包括主要有助于针对内压的密封性能的靠近内部的第1密封部和主要有助于针对外压的密封性能的靠近外部的第2密封部的螺纹接头为前提的。其结果，得到以下的见解。
为了提高针对外压的密封性能，只要使公扣部厚壁化即可。这是因为，随着对螺纹接头施加外压，公扣部发生缩径变形，靠近外部的第2密封面彼此的接触将要成为松弛的状态，此时，利用公扣部的厚壁化能够提高缩径阻力。但是，公扣部的内径由API(AmericanPetroleum Institute(美国石油协会))的标准规定，因油井的结构上的制约，公扣部的外径的扩大有限。因此，使公扣部的特别是第2密封面的区域厚壁化是存在限制的。
于是，在公扣部上，限定于第2密封面与靠近内部的第1外螺纹部之间设置与第2密封面相连并沿管轴线方向伸出的环状部。通过设置该环状部，提高公扣部的第2密封面的区域的缩径阻力。因此，能够抑制第2密封面彼此的接触面压力下降，提高针对外压的密封性能。在该情况下，在母扣部上，与公扣部的环状部的区域相对应地，设置与第2密封面相连的环状部。在该母扣部的环状部与公扣部的环状部之间，在紧固状态下形成有间隙。由于利用该间隙能够收纳在紧固时被涂布的剩余的螺纹润滑脂化合物(以下还称为“涂布油”)，因此，能够避免因涂布油的压力上升而导致第2密封面彼此的接触面压力的意外下降。
另外，还可以限定于公扣部和母扣部各自的第2密封面与靠近外部的第2螺纹部之间，设置与第2密封面相连并沿管轴线方向伸出的、与所述环状部不同的环状部。在该环状部彼此之间，在紧固状态下形成有间隙。利用该间隙，能够抑制基于第2螺纹部的过盈配合作用的第2密封面的实质上的干涉量的下降。因此，第2密封面的面压力下降被抑制，针对外压的密封性能提高。
另一方面，为了提高针对内压的密封性能，考虑有以下两个方法。作为第1方法，在公扣部上，限定于靠近内部的第1密封面与台肩面之间，设置与第1密封面相连并沿管轴线方向伸出的筒状的突出部。在母扣部上，与公扣部的突出部的区域相对应地设置凹部。在紧固状态下，在该凹部与突出部之间形成有间隙。在公扣部的台肩面自母扣部的台肩面分开、并相伴于此第1密封面彼此的接触成为松弛的状态的情况下，通过设置公扣部的突出部和母扣部的凹部，使公扣部的第1密封面与突出部一体地弹性恢复。由此，能够抑制第1密封面彼此的接触面压力下降，即使在施加有过大的拉伸载荷的状态下，也能够获得针对内压的较高的密封性能。
作为第2方法，除了所述的第1方法以外，使公扣部的靠近内部的第1外螺纹部和第1密封面的区域薄壁化。通过公扣部的薄壁化，在对螺纹接头施加有内压时，公扣部有效地扩径变形，因此，能够增加靠近内部的第1密封面彼此的接触面压力。另外，由于随着公扣部的薄壁化而产生刚度的下降，因此，在对螺纹接头未施加有内压时，第1密封面彼此的接触成为松弛的状态。针对该状况，通过利用所述第1方法设置公扣部的突出部，能够抑制第1密封面彼此的接触面压力下降。
在第2方法中，采用以下结构即可：在公扣部上，在第1外螺纹部与环状部之间设置与该环状部相连的辅助台肩面，并且，在母扣部上，与公扣部的辅助台肩面相对应地，在第1内螺纹部与环状部之间设置辅助台肩面。在该结构的情况下，通过设置辅助台肩面，在公扣部中，能够减小第1外螺纹部以及第1密封面的区域的外径，相伴于此，在母扣部中，能够减小第1内螺纹部以及第1密封面的区域的内径。因此，容易确保母扣部的危险截面(内螺纹部的最靠基部侧的截面、即第1内螺纹部的最靠基部侧的截面)的截面积，并能够实现母扣部外径的小径化。
本发明的钢管用螺纹接头即是根据以上的见解而完成的。以下说明本发明的钢管用螺纹接头的实施方式。
第1实施方式
图4A是表示本发明的第1实施方式的钢管用螺纹接头的纵剖视图。图4B是将该钢管用螺纹接头中的公扣部的前端部附近放大后的纵剖视图。图5是将本发明的第1实施方式的钢管用螺纹接头中的靠近外部的第2密封部附近放大后的纵剖视图。如图4A和图5所示，第1实施方式的螺纹接头为接箍型的螺纹接头，包括公扣部10和母扣部20。
公扣部10自前端侧朝向基部侧依次包括台肩面11、突出部12、第1密封面13、第1外螺纹部14、第1环状部15a、第2密封面16、第2环状部15b以及第2外螺纹部17。第1密封面13和第2密封面16均呈锥状。严格而言，第1密封面13和第2密封面16分别设为由与随着朝向前端侧去直径缩小的圆台的周面相当的面形成的形状，或设为将该圆台的周面和与将圆弧等的曲线绕管轴线CL旋转而得到的旋转体的周面相当的面组合而成的形状。
突出部12呈筒状，与靠近内部的第1密封面13相连并沿管轴线方向伸出。其中，突出部12的外周面既可以是倾斜度与第1密封面13的锥形的倾斜度相同的锥面，也可以是倾斜度比第1密封面13的锥形倾斜度小的(平缓的)或大的(陡峭的)锥面。严格而言，设为由与随着朝向前端侧去直径缩小的圆台的周面相当的面形成的形状，或设为将该圆台的周面和与将圆弧等曲线绕管轴线CL旋转而得到的旋转体的周面相当的面组合而成的形状。
在该突出部12的前端设有台肩面11。台肩面11为与管轴线CL大致垂直的环状面。严格而言，该台肩面11的外周侧朝向公扣部10的前端侧略微倾斜。第1环状部15a与靠近外部的第2密封面16的前方相连并沿管轴线方向伸出。与该第1环状部15a相连地设有靠近内部的第1外螺纹部14。第2环状部15b与靠近外部的第2密封面16的后方相连并沿管轴线方向伸出。与该第2环状部15b相连地设有靠近外部的第2外螺纹部17。第1环状部15a的外周面为能够确保其刚度的形状即可，例如既可以是筒面、比第1外螺纹部14的螺纹锥度小的(平缓的)锥面，也可以是弯曲面。第2环状部15b的外周面也是同样的。
另一方面，母扣部20自基部侧朝向前端侧依次包括台肩面21、凹部22、第1密封面23、第1内螺纹部24、第1环状部25a、第2密封面26、第2环状部25b以及第2内螺纹部27。这些母扣部20的台肩面21、凹部22、第1密封面23、第1内螺纹部24、第1环状部25a、第2密封面26、第2环状部25b以及第2内螺纹部27分别与公扣部10的台肩面11、突出部12、第1密封面13、第1外螺纹部14、第1环状部15a、第2密封面16、第2环状部15b以及第2外螺纹部17相对应地设置。
在图4A和图4B中，表示母扣部20的第1密封面23朝向公扣部10的第1密封面13突出的情况。但是，母扣部20的第1密封面23也可以不突出。在该情况下，公扣部10的第1密封面13朝向母扣部20的第1密封面23突出。
公扣部10的第1外螺纹部14和母扣部20的第1内螺纹部24为相互啮合的锥螺纹的梯形螺纹，构成靠近内部的第1螺纹部。公扣部10的第2外螺纹部17和母扣部20的第2内螺纹部27也为相互啮合的锥螺纹的梯形螺纹，构成靠近外部的第2螺纹部。在第1实施方式的螺纹接头的情况下，第1螺纹部的锥面与第2螺纹部的锥面一致。这是因为，在第1螺纹部与第2螺纹部之间仅追加有第2密封面16、26。
第1外螺纹部14和第1内螺纹部24能够相互旋入，在紧固状态下相互嵌合并紧贴，成为过盈配合的状态。第2外螺纹部17和第2内螺纹部27也同样地成为过盈配合的状态。各第1密封面13、23和各第2密封面16、26分别随着公扣部10的旋入而相互接触，在紧固状态下嵌合并紧贴并成为过盈配合的状态。由此，各第1密封面13、23和各第2密封面16、26分别形成通过金属接触而实现的第1密封部和第2密封部。各台肩面11、21随着公扣部10的旋入而相互接触并被按压，发挥限制公扣部10的旋入的止挡件的作用。另外，各台肩面11、21在紧固状态下发挥对公扣部10的第1外螺纹部14和第2外螺纹部17的载荷面施加所谓的螺纹的紧固轴向力的作用。在紧固状态下，在公扣部10的突出部12与母扣部20的凹部22之间形成有间隙，在公扣部10的第1环状部15a与母扣部20的第1环状部25a之间也形成有间隙，在公扣部10的第2环状部15b与母扣部20的第2环状部25b之间也形成有间隙。
在这样的结构的第1实施方式的螺纹接头中，通过靠近内部的第1密封面13、23彼此间的嵌合并紧贴，主要确保针对内压的密封性能。另外，通过靠近外部的第2密封面16、26彼此间的嵌合并紧贴，主要确保针对外压的密封性能。
特别是，由于在公扣部10上与靠近外部的第2密封面16的前方相连地设有第1环状部15a，因此，利用该第1环状部15a的刚度来提高公扣部10的第2密封面16的区域的缩径阻力。因此，即使在对螺纹接头施加有外压时，也能够抑制公扣部10的缩径变形，并能够抑制第2密封面16、26彼此的接触面压力下降。其结果，针对外压的密封性能提高。另外，在母扣部20上与公扣部10的第1环状部15a的区域相对应地设有第1环状部25a，在紧固状态下，在第1环状部15a、25a彼此之间形成有间隙。因此，能够在该间隙内收纳在紧固时被涂布的剩余的涂布油。其结果，能够避免因涂布油的压力上升而导致第2密封面16、26彼此的接触面压力意外下降。
在公扣部10上与靠近外部的第2密封面16的后方相连地设有第2环状部15b，在母扣部20上与靠近外部的第2密封面26的后方相连地设有第2环状部25b，在该第2环状部15b、25b彼此之间，在紧固状态下形成有间隙。因此，能够抑制因基于第2螺纹部的过盈配合作用的第2密封面16、26彼此的实质上的干涉量的下降而导致的面压力下降。其结果，针对外压的密封性能提高。
另外，在公扣部10上与靠近内部的第1密封面13相连地设有突出部12。在母扣部20上与公扣部10的突出部12的区域相对应地设有凹部22。在紧固状态下，在该突出部12与凹部22之间形成有间隙。例如，在对螺纹接头施加有较大的拉伸载荷的情况下，存在公扣部10的台肩面11自母扣部20的台肩面21分开、第1密封面13、23彼此的实质上的干涉量下降且接触松弛的倾向。即使在这样的情况下，也能够利用突出部12的弹性恢复获得增大第1密封面13、23彼此的接触面压力的效果。因此，由于能作为整体抑制接触面压力的下降，所以即使在施加有过大的拉伸载荷的状态下，也能够获得针对内压的较高的密封性能。
以下，对第1实施方式的螺纹接头的较佳的方式进行补充。
在公扣部10中，将管主体的在与管轴线CL垂直的截面上的截面积设为A0，将台肩面11向与管轴线CL垂直的平面的投影面积设为A1。此时，优选的是，二者的面积比率(以下还称为“台肩相对于管主体的面积率”)A1/A0为30％以上。更优选的是，A1/A0为35％以上。其理由如下所述。A1/A0实质上依赖于台肩面11的面积。若A1/A0较小，则台肩面11的面积较小，因此，在对螺纹接头施加有过大的压缩载荷的情况下，台肩面11无法承受该压缩载荷。在该情况下，台肩面11以及与其相连的突出部12和第1密封面13塑性变形，第1密封面13、23彼此的接触状态变得不稳定。其结果，有可能导致第1密封面13、23彼此的接触面压力下降。因此，优选的是，台肩相对于管主体的面积率A1/A0在一定程度上较大。
台肩相对于管主体的面积率A1/A0的上限没有特殊限定。但是，若A1/A0过大，则台肩面11的面积过大，因此，公扣部10的台肩面11的外径变得过大。其结果，在母扣部20中，第1内螺纹部24和第1密封面23的区域的内径变大。为了确保母扣部20的危险截面的截面积，必须增大母扣部20的外径。另外，难以确保第1螺纹部和第2螺纹部的啮合长度。因此，根据实用性，台肩相对于管主体的面积率A1/A0优选在60％以下。
如图5所示，在公扣部10中，优选的是，第1环状部15a的外径的最小直径大于标准锥面19b的直径。标准锥面19b是指外径比第2外螺纹部17的螺纹槽底面的锥形的延长面19a小与第2外螺纹部17的螺纹高度的2倍相对应的量的锥面19b。其理由如下所述。第1环状部15a的外径实际上依赖于第1环状部15a的壁厚。若第1环状部15a的外径较小，则第1环状部15a的壁厚较薄，因此，在对螺纹接头施加有外压的情况下，由第1环状部15a的刚度产生的第2密封面16的区域的缩径阻力变得不充分。在该情况下，可能导致第2密封面16、26彼此的接触面压力下降。因此，优选的是，第1环状部15a的外径在一定程度上较大。
第1环状部15a的外径的上限没有特殊限定。但是，第1环状部15a的外径需要设定为在紧固时不会干涉母扣部20的第2密封面26的尺寸。
在公扣部10中，优选的是，第1环状部15a的沿着管轴线的长度从第2密封面16的前端侧的端部测量为第2外螺纹部17的螺距的1倍以上。这是因为，若第1环状部15a的长度较短，则与第1环状部15a的壁厚较薄时的理由同样地，在对螺纹接头施加有外压的情况下，有可能导致第2密封面16、26彼此的接触面压力下降。
第1环状部15a的长度的上限没有特殊限定。但是，若第1环状部15a的长度过长，则接头的全长变长，并因加工时间、材料费的增加而使制造成本增加。另外，在第1环状部15a的长度成为一定长度以上时，密封性能的提高效果大致饱和。因此，根据实用性，第1环状部15a的长度优选为第2外螺纹部17的螺距的5倍以下。
在公扣部10中，优选的是，第2环状部15b的沿着管轴线的长度从第2密封面16的后端侧的端部测量为第2外螺纹部17的螺距的1倍以上。这是因为，若第2环状部15b的长度较短，则由于基于第2螺纹部的过盈配合作用的第2密封面16、26彼此的实质上的干涉量的下降，有可能导致第2密封面16、26彼此的接触面压力下降。
第2环状部15b的长度的上限没有特殊限定。但是，若第2环状部15b的长度过长，则接头的全长变长，因加工时间、材料费的增加而使制造成本增加。另外，在第2环状部15b的长度成为一定长度以上时，密封性能的提高效果大致饱和。因此，根据实用性，第2环状部15b的长度优选为第2外螺纹部17的螺距的5倍以下。
在公扣部10中，优选的是，突出部12的沿着管轴线的长度为5mm以上。其理由如下所述。若突出部12的长度较短，则在对螺纹接头施加有过大的拉伸载荷的情况下，由突出部12对第1密封面13产生的弹性的恢复力变得不充分。在该情况下，有可能导致第1密封面13、23彼此的接触面压力下降。因此，突出部12的长度优选为在一定程度上较大。
突出部12的长度的上限没有特殊限定。但是，若突出部12的长度过长，则接头的全长变长，因加工时间、材料费的增加而使制造成本增加。另外，在突出部12的长度成为一定长度以上时，密封性能的提高效果大致饱和。因此，根据实用性，突出部12的长度优选为第1外螺纹部14的螺距的5倍以下。
第2实施方式
图6是表示本发明的第2实施方式的钢管用螺纹接头的纵剖视图。图7是将本发明的第2实施方式的钢管用螺纹接头中的靠近外部的第2密封部附近放大后的纵剖视图。图6和图7所示的第2实施方式的螺纹接头是将所述图4和图5所示的第1实施方式的螺纹接头变形而成的，适当省略与第1实施方式重复的说明。
如图6和图7所示，与所述第1实施方式的螺纹接头相比较，第2实施方式的螺纹接头于在公扣部10的前端设置台肩面11并且设置两处通过金属接触而形成的密封部的方面是共通的，在追加了辅助台肩面18的方面不同。
具体而言，公扣部10在靠近内部的第1外螺纹部14与第1环状部15a之间设置与第1环状部15a相连的辅助台肩面18。该辅助台肩面18为与管轴线CL垂直的环状面。另外，该辅助台肩面18也可以与公扣部10的前端的台肩面11同样地使其外周侧朝向公扣部10的前端侧略微倾斜。另一方面，母扣部20包括与公扣部10的辅助台肩面18相对应的辅助台肩面28。
在第2实施方式的螺纹接头的情况下，第1螺纹部的锥面比第2螺纹部的锥面靠近管轴线CL。这是因为，在第1螺纹部(第1外螺纹部14和第1内螺纹部24)与第2螺纹部(第2外螺纹部17和第2内螺纹部27)之间设有辅助台肩面18、28。因此，在第2实施方式的螺纹接头中，与所述第1实施方式的螺纹接头相比，公扣部10的靠近内部的第1外螺纹部14和第1密封面13的区域的外径变小，使该区域的壁厚薄壁化。
在紧固状态下，台肩面11、21彼此相互被按压并接触，并且，辅助台肩面18、28彼此也相互被按压并接触。各台肩面11、21的按压接触主要对公扣部10的第1外螺纹部14的载荷面施加紧固轴向力。各辅助台肩面18、28的按压接触主要对公扣部10的第2外螺纹部17的载荷面施加紧固轴向力。
在此，关于紧固的过程中的台肩面11、21彼此间的接触和辅助台肩面18、28彼此间的接触的时刻，优选两个接触同时进行，或优选辅助台肩面18、28彼此的接触先于台肩面11、21彼此的接触进行。若设定为这样的接触时刻，则能够保持台肩面11、21彼此的接触载荷与辅助台肩面18、28彼此的接触载荷之间的平衡。其结果，减少公扣部10和母扣部20的损伤。
利用第2实施方式的螺纹接头也能够起到与所述第1实施方式相同的效果。特别是，在第2实施方式中，通过设置辅助台肩面18、28，使公扣部10的靠近内部的第1外螺纹部14和第1密封面13的区域薄壁化。由此，在对螺纹接头施加有内压时，该被薄壁化了的区域有效地扩径变形。因此，第1密封面13、23彼此的接触面压力增大。
以下，对第2实施方式的螺纹接头的较佳的方式进行补充。
在公扣部10中，将管主体的与管轴线CL垂直截面上的截面积设为A0，将台肩面11和辅助台肩面18分别向与管轴线CL垂直的平面的投影面积的合计设为A2。此时，优选的是，二者的面积比率(以下还称为“全台肩相对于管主体的面积率”)A2/A0为30％以上。更优选的是，A2/A0为35％以上。其理由如下所述。A2/A0实质上依赖于台肩面11和辅助台肩面18的面积。若A2/A0较小，则台肩面11和辅助台肩面18的面积较小，因此，在对螺纹接头施加有过大的压缩载荷的情况下，台肩面11和辅助台肩面18无法承受该压缩载荷。在该情况下，台肩面11以及与其相连的突出部12和第1密封面13发生塑性变形，第1密封面13、23彼此的接触状态变得不稳定。与此相应地，辅助台肩面18以及与其相连的第1环状部15a和第2密封面16发生塑性变形，第2密封面16、26彼此的接触状态变得不稳定。其结果，有可能导致第1密封面13、23彼此的接触面压力和第2密封面16、26彼此的接触面压力下降。因此，优选的是，全台肩相对于管主体的面积率A2/A0在一定程度上较大。
全台肩相对于管主体的面积率A2/A0的上限没有特殊限定。但是，若A2/A0过大，则实质上台肩面11和辅助台肩面18的面积过大，因此，公扣部10的台肩面11和辅助台肩面18的外径变得过大。其结果，在母扣部20中，第1内螺纹部24和第1密封面23的区域的内径变大。为了确保母扣部20的危险截面的截面积，则必须增大母扣部外径。另外，难以确保第1螺纹部和第2螺纹部的啮合长度。因此，根据实用性，优选的是，全台肩相对于管主体的面积率A2/A0设为60％以下。
在公扣部10中，将台肩面11和辅助台肩面18分别向与管轴线CL垂直的平面的投影面积的合计设为A2，将台肩面11向与管轴线CL垂直的平面的投影面积设为A1。此时，优选的是，二者的面积比率(以下还称为“台肩相对于全台肩的面积率”)A1/A2为35％以上。更优选的是，A1/A2为40％以上。其理由如下所述。相比于辅助台肩面18，A1/A2实质上依赖于台肩面11的面积。若A1/A2较小，则台肩面11的面积较小，因此，在对螺纹接头施加有过大的压缩载荷的情况下，台肩面11无法承受该压缩载荷。该情况下，台肩面11以及与其相连的突出部12和第1密封面13发生塑性变形，第1密封面13、23彼此的接触状态变得不稳定。其结果，有可能导致第1密封面13、23彼此的接触面压力下降。因此，优选的是，台肩相对于全台肩的面积率A1/A2在一定程度上较大。
台肩相对于全台肩的面积率A1/A2的上限没有特殊限定。但是，若A1/A2过大，则相比于辅助台肩面18，实质上台肩面11的面积过大，因此，与公扣部10的台肩面11相连的突出部12的壁厚、以及第1外螺纹部14和第1密封面13的区域变得过厚。其结果，在对螺纹接头施加有内压的情况下，该区域无法有效地扩径变形，无法获得增大第1密封面13、23彼此的接触面压力的效果。在该情况下，可能导致第1密封面13、23彼此的接触面压力下降。因此，根据实用性，优选的是，台肩相对于全台肩的面积率A1/A2设为55％以下。
与公扣部10的第1环状部15a的外径和长度、以及突出部12的长度相关的较佳的方式与所述第1实施方式相同。
另外，本发明并不限定于所述实施方式，在不偏离本发明的主旨的范围内，能够进行各种变更。例如，还可以附加以下这样的方法：在对螺纹接头施加有内压时，将靠近内部的第1螺纹部的嵌合并紧贴限定于接近第1密封部的区域进行缓和。由此，公扣部10的靠近内部的第1密封面13的区域更有效地发生扩大变形，能够更加增大第1密封面13、23彼此的接触面压力。作为该方法，能够采用在第1螺纹部的接近第1密封部的区域将第1外螺纹部14或第1内螺纹部24设为螺纹形状不完全的不完全螺纹的结构。作为该结构的一例子，在该不完全螺纹的区域中，将母扣部20的第1内螺纹部24的螺纹牙顶面设为与管轴线CL平行的圆筒面，使螺纹高度低于标准的螺纹高度。由此，只在不完全螺纹的区域中，在第1内螺纹部24的螺纹牙顶面与第1外螺纹部14的螺纹槽底面之间设有间隙。在该情况下，不完全螺纹的区域的长度设为第1内螺纹部24的螺距的3倍～9倍(15mm～45mm左右)。
另外，上述实施方式的螺纹接头能够应用于整体型和接箍型的任一类型螺纹接头。
实施例
为了确认本发明的效果，实施了基于弹塑性有限元法的数值模拟分析。
＜实验条件＞
在FEM分析中，对于接箍型的油井管用螺纹接头，制作了对公扣部的第1环状部、突出部以及台肩面(包含辅助台肩面)的各尺寸进行了各种变更的模型。钢管(公扣部)和接箍(母扣部)的主要尺寸采用以下两种。
(1)钢管的尺寸：10-1/8[英寸]×0.8[英寸](外径257.2mm，壁厚20.3mm)，接箍的外径：276.6mm
(2)钢管的尺寸：7-5/8[英寸]×1.2[英寸](外径193.7mm，壁厚30.5mm)，接箍的外径：217.8mm
通用的条件如下所述。
·钢管和接箍的等级：API标准的Q125(屈服应力为125[ksi]的碳钢)
·螺纹形状：锥度为1/10(10-1/8[英寸]用)或1/11(7-5/8[英寸]用)，螺纹高度为1.575[mm]，螺距为5.08[mm]，载荷面的齿侧面角为-3°，***面的齿侧面角为10°，***面间隙为0.15[mm]
在FEM分析中，使用以将材料设为各向同性硬化的弹塑性体、使弹性系数为210[GPa]、作为0.2％屈服点的标称屈服强度为125[ksi](＝862[MPa])的方式模型化的螺纹接头。紧固进行到公扣部与母扣部之间的台肩面相接触后再旋转1.5/100的状态为止。
变更后的尺寸条件如下述表1所示。
表1
表1
备注)标记*表示偏离本发明所规定的范围。
试验No.1～No.3是不满足本发明所规定的条件的比较例，在公扣部上均未设有突出部。试验No.4～No.17是满足本发明所规定的条件的本发明例。其中的试验No.4是基于所述图4和图5所示的第1实施方式的螺纹接头的模型，试验No.5～No.17是基于所述图6和图7所示的第2实施方式的螺纹接头的模型。
＜评价方法＞
在FEM分析中，对紧固状态下的模型施加有模拟了ISO13679Series A试验的载荷记录。通过比较该记录的内压循环(第一象限、第二象限)和外压循环(第三象限、第四象限)中的密封面的平均接触面压力的最小值(该值越高则表示密封面的密封性能越好)，从而评价密封面的密封性能。
密封面的密封性能的评价按照以下的四个标准进行。
·E：极好。密封面的平均接触面压力的最小值在内压循环和外压循环中均为300MPa以上。
·G：好。密封面的平均接触面压力的最小值在外压循环中在300MPa以上，在内压循环中在250MPa以上且小于300MPa。
·A：可接受。密封面的平均接触面压力的最小值在外压循环中在300MPa以上，在内压循环中在200MPa以上且小于250MPa。
·NA：不可接受。密封面的平均接触面压力的最小值在外压循环中小于300MPa，在内压循环中小于200MPa。
＜试验结果＞
将试验结果表示在上述的表1中。
在比较例的试验No.1～No.3中，由于在公扣部未设有突出部，因此，针对内压的密封性能不佳。另外，在其中的试验No.1中，由于在公扣部未设有第1环状部，因此，针对外压的密封性能也不佳。
在本发明例的试验No.4～No.17中，由于在公扣部上设有突出部和第1环状部，因此，针对内压以及外压的密封性能都得到了提高。特别是，在试验No.4～No.8、No.10～No.14以及No.17中，由于台肩相对于管主体的面积率A1/A0、全台肩相对于管主体的面积率A2/A0以及台肩相对于全台肩的面积率A1/A2较大，因此，针对内压以及外压的密封性能都较高。
在试验No.9和No.15中，由于台肩相对于全台肩的面积率A1/A2相对较小，因此，针对内压的密封性能的提高程度较小。另外，在试验No.16中，由于全台肩相对于管主体的面积率A2/A0相对较小，因此，针对内压的密封性能的提高程度较小。
根据以上的结构，能够证实本发明的钢管用螺纹接头能够提高针对内压以及外压的密封性能。
产业上的可利用性
本发明的螺纹接头能够有效地应用于在严酷的环境下作为油井管使用的厚壁钢管的连结。
附图标记说明
10、公扣部；11、台肩面；12、突出部；13、第1密封面、14、第1外螺纹部；15a、第1环状部；15b、第2环状部；16、第2密封面；17、第2外螺纹部；18、辅助台肩面；19a、第2外螺纹部的螺纹槽底面的锥形的延长面；19b、标准锥面；20、母扣部；21、台肩面；22、凹部；23、第1密封面；24、第1内螺纹部；25a、第1环状部；25b、第2环状部；26、第2密封面；27、第2内螺纹部；28、辅助台肩面；CL、管轴线。

Claims (9)

1.一种钢管用螺纹接头，该钢管用螺纹接头包括管状的公扣部和管状的母扣部，通过将所述公扣部旋入到所述母扣部而紧固所述公扣部和所述母扣部，其中，
所述公扣部自前端侧依次包括台肩面、第1密封面、锥螺纹的第1外螺纹部、第2密封面以及锥螺纹的第2外螺纹部，
所述母扣部包括分别与所述公扣部的所述台肩面、所述第1密封面、所述第1外螺纹部、所述第2密封面以及所述第2外螺纹部相对应的台肩面、第1密封面、锥螺纹的第1内螺纹部、第2密封面以及锥螺纹的第2内螺纹部，另外，
所述公扣部在所述台肩面与所述第1密封面之间具备与所述第1密封面相连的突出部，并且，在所述第1外螺纹部与所述第2密封面之间具备与所述第2密封面相连的环状部，
所述母扣部具备与所述公扣部的所述突出部相对应的凹部，并且，具备与所述公扣部的所述环状部相对应的环状部，
在紧固状态下，所述台肩面彼此相互接触，所述第1密封面彼此相互接触，所述第2密封面彼此相互接触，在所述公扣部的所述突出部与所述母扣部的所述凹部之间形成有间隙，在所述公扣部的所述环状部与所述母扣部的所述环状部之间形成有间隙，所述第1外螺纹部与所述第1内螺纹部嵌合，所述第2外螺纹部与所述第2内螺纹部嵌合。
2.根据权利要求1所述的钢管用螺纹接头，其中，
所述公扣部在所述第1外螺纹部与所述环状部之间具备与所述环状部相连的辅助台肩面，
所述母扣部具备与所述公扣部的所述辅助台肩面相对应的辅助台肩面，
另外，在紧固状态下，所述辅助台肩面彼此相互接触。
3.根据权利要求2所述的钢管用螺纹接头，其中，
在紧固的过程中，所述台肩面彼此的接触和所述辅助台肩面彼此的接触同时进行，或所述辅助台肩面彼此的接触先于所述台肩面彼此的接触进行。
4.根据权利要求1所述的钢管用螺纹接头，其中，
对于所述公扣部，在将管主体的与管轴线垂直的截面上的截面积设为A0，将所述台肩面向与管轴线垂直的平面的投影面积设为A1时，二者的面积比率A1/A0为30％以上。
5.根据权利要求2或3所述的钢管用螺纹接头，其中，
对于所述公扣部，在将管主体的与管轴线垂直的截面上的截面积设为A0，将所述台肩面和所述辅助台肩面分别向与管轴线垂直的平面的投影面积的合计设为A2时，二者的面积比率A2/A0为30％以上。
6.根据权利要求2、3以及5中任一项所述的钢管用螺纹接头，其中，
对于所述公扣部，在将所述台肩面和所述辅助台肩面分别向与管轴线垂直的平面的投影面积的合计设为A2，将所述台肩面向与管轴线垂直的平面的投影面积设为A1时，二者的面积比率A1/A2为35％以上。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的钢管用螺纹接头，其中，
对于所述公扣部，以外径比所述第2外螺纹部的螺纹槽底面的锥形的延长面小与所述第2外螺纹部的螺纹高度的2倍相对应的量的锥面为标准，所述公扣部的所述环状部的外径的最小直径大于该标准锥面的直径。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的钢管用螺纹接头，其中，
所述公扣部的所述环状部的沿着管轴线的长度为所述第2外螺纹部的螺距的1倍以上。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的钢管用螺纹接头，其中，
所述公扣部的所述突出部的沿着管轴线的长度为5mm以上。
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