CN111148930B - 钢管用螺纹接头 - Google Patents
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Abstract
提供能够提高针对内压和外压的密封性能的钢管用螺纹接头。螺纹接头(1)包括公扣(10)和母扣(20)。公扣10包括外螺纹(11)、头部(12)、公扣台肩面(13)以及公扣密封面(14)。母扣(20)包括内螺纹(21)、母扣台肩面(23)以及母扣密封面(24)。母扣密封面(24)具有位于锥面(242)上的管轴线方向(CL)上的中点的密封点(SP)。头部(12)的顶端与密封点(SP)之间的管轴线方向(CL)上的距离LSP为13mm以上。公扣台肩面(13)或母扣台肩面(23)与垂直于管轴线(CL)的平面(VP)之间的台肩角α为2度～13度。密封点(SP)处的母扣的壁厚TB与公扣(10)的壁厚TP之比TB/TP为1.7以上。
Description
技术领域
本公开涉及一种钢管用螺纹接头。
背景技术
例如，在油井、天然气井等(以下，也统称为“油井”)的勘探或生产、油砂、页岩气等非常规型资源的开发、二氧化碳的回收、贮存(CCS(Carbon dioxide Capture andStorage))、地热发电或者温泉等中，使用被称为油井管的钢管。在钢管彼此的连结中使用螺纹接头。
这种钢管用螺纹接头的形式大致分为组合型和整体型。在组合型的情况下，在作为连结对象的一对管材中，一管材是钢管，另一管材是管接头。在该情况下，在钢管的两端部的外周形成有外螺纹，在管接头的两端部的内周形成有内螺纹。并且，钢管的外螺纹拧入管接头的内螺纹，由此两者紧固而连结。在整体型的情况下，作为连结对象的一对管材均是钢管，不使用另外的管接头。在该情况下，在钢管的一端部的外周形成有外螺纹，在另一端部的内周形成有内螺纹。并且，一钢管的外螺纹拧入另一钢管的内螺纹，由此两者紧固而连结。
通常，形成有外螺纹的管端部的接头部分包括***内螺纹的要素，因此被称为“公扣”。另一方面，形成有内螺纹的管端部的接头部分包括承接外螺纹的要素，因此被称为“母扣”。上述的公扣和母扣是管材的端部，因此均呈管状。
对于油井而言，在利用油井管加强坑壁的同时进行掘进以避免坑壁在挖掘中坍塌，因此结果成为油井管配置为多层的构造。近年，油井的高深度化和超深海化逐渐发展，在这样的环境中，为了高效地开发油井，在油井管的连接中大多使用接头部的内径和外径与钢管的内径和外径为相同程度或接头部的内径和外径比钢管的内径和外径稍大的螺纹接头。通过使用这样的螺纹接头，能够极力减小配置为多层的油井管彼此的间隙，即使较深也能够不怎么扩大井的直径地高效开发油井。在这样的内径和外径的制约下，对于螺纹接头而言，要求针对来自内部的流体压力(以下，也称为“内压”。)和来自外部的流体压力(以下，也称为“外压”。)的优异的密封性能。而且，例如在用于大深度的油井的情况等情况下，由于油井管的热膨胀，较大的拉伸载荷、压缩载荷施加于螺纹接头。在这样的环境中，对于螺纹接头而言也要求具备优异的密封性能。
作为用于确保密封性能的螺纹接头，公知具有基于金属-金属接触的密封(以下，称为“金属密封”。)的螺纹接头。金属密封是指如下构造：公扣的密封面的直径比母扣的密封面的直径稍大(将该直径之差称为“干涉量”。)，若紧固螺纹接头而密封面彼此嵌合，则因干涉量而导致公扣的密封面缩径，母扣的密封面扩径，在各个密封面要恢复为原来的直径的弹性恢复力的作用下，在密封面产生接触压力而整周密合，发挥密封性能。
日本特表2006-526747号公报(专利文献1)公开一种由公扣和母扣构成的钢管用螺纹接头。公扣具有外螺纹、密封面以及台肩面。与之对应，母扣具有内螺纹、密封面以及台肩面。公扣具有设于密封面与台肩面之间的头部。头部不与母扣的对应的部分接触。记载了如下内容：台肩角相对于与管轴线垂直的平面呈4度～16度为佳。
日本特开2013-29176号公报(专利文献2)公开一种由公扣和母扣构成的钢管用螺纹接头。公扣具有：外螺纹部；头部，其自外螺纹部向管端侧延伸；以及台肩部，其设于头部的顶端。母扣具有：内螺纹部，其与外螺纹部螺纹结合而构成螺纹部；密封面，其与公扣的头部外周面相对；以及台肩部，其与公扣的台肩部抵接。公扣的头部外周面呈向外侧凸起的曲面形状。母扣的密封面呈单一的锥形状。公扣的头部外周面与母扣的密封面进行金属-金属接触，其接触部构成密封部。
日本特开2014-13052号公报(专利文献3)公开一种由公扣构件和母扣构件构成的管的螺纹接头。公扣构件具有：外螺纹部；头部，其自外螺纹部向管端侧延伸；以及台肩部，其设于头部的顶端。母扣构件具有：内螺纹部，其与外螺纹部螺纹结合；内周面，其与作为公扣构件的头部的公扣头部的外周面相对；以及台肩部，其与公扣构件的台肩部抵接。公扣头部的外周面是凸曲面。母扣构件的内周面是在与公扣构件结合时与公扣头部的凸曲面干涉的锥面。台肩部的台肩角为0度以上。利用螺纹结合将公扣构件与母扣构件结合从而公扣头部的凸曲面与母扣构件的锥面进行金属-金属接触，其接触界面构成密封部。
本说明书引用下述的文献。
专利文献1：日本特表2006-526747号公报
专利文献2：日本特开2013-29176号公报
专利文献3：日本特开2014-13052号公报
发明内容
本公开的目的在于提供能够提高针对内压和外压的密封性能的钢管用螺纹接头。
本发明人深入研究除了台肩角以外对针对内压和外压的密封性能造成影响的因素。其结果，本发明人新获得从公扣的顶端到金属密封的距离对密封性能造成影响的见解。除了该见解之外，本发明人还新获得以往未研究的金属密封处的公扣与母扣的壁厚比对密封性能造成影响的见解。基于上述的新的见解，本发明人发明了以下的螺纹接头。
本公开的钢管用螺纹接头包括：管状的公扣，其形成于钢管的一顶端部；以及管状的母扣，其供公扣***而与公扣紧固。公扣包括：外螺纹，其形成于公扣的外周；头部，其形成于公扣的顶端部，具有比母扣中的在公扣与母扣紧固的状态下与该头部相对的部分的内径小的外径；公扣台肩面，其形成于头部的顶端；以及公扣密封面，其在外螺纹与头部之间形成于公扣的外周面。公扣密封面包括：第1曲率面，其位于距公扣台肩面较近的一侧；第2曲率面，其位于距公扣台肩面较远的一侧；以及第1锥面，其位于第1曲率面与第2曲率面之间。母扣包括：内螺纹，其与外螺纹对应，形成于母扣的内周；母扣台肩面，其与公扣台肩面相对，在公扣与母扣紧固的状态下与公扣台肩面接触；以及母扣密封面，其与公扣密封面相对，在公扣与母扣紧固的状态下与公扣密封面接触。母扣密封面包括：第3曲率面，其位于距母扣台肩面较近的一侧；第4曲率面，其位于距母扣台肩面较远的一侧；以及第2锥面，其位于第3曲率面与第4曲率面之间。母扣密封面具有位于第2锥面上的管轴线方向上的中点的密封点。头部的顶端与密封点之间的管轴线方向上的密封点距离为13mm以上。公扣台肩面或母扣台肩面与垂直于管轴线的平面之间的台肩角为2度～13度。密封点处的母扣的壁厚相对于公扣的壁厚的密封壁厚比为1.7以上。在此，密封点距离也可以为13mm～25mm。台肩角也可以为2度～10度。密封壁厚比也可以为1.8～3.0。
附图说明
图1是实施方式的组合型的钢管用螺纹接头的沿着管轴线方向的纵剖视图。
图2是与图1不同的整体型的钢管用螺纹接头的沿着管轴线方向的纵剖视图。
图3是放大图1中的II部而得到的纵剖视图。
图4是放大图3中的密封和头部周边而得到的纵剖视图。
图5是表示在FEM分析中使用的载荷条件的路径的图表。
图6是表示扭矩性能的评价结果的图表。
图7是表示复合载荷下的密封性能的评价结果的图表。
图8是表示针对外压的密封性能的评价结果的图表。
图9是表示针对内压的密封性能的评价结果的图表。
具体实施方式
以下，参照附图，说明本实施方式的钢管用螺纹接头。对于图中相同和相当的结构，标注相同的附图标记，不重复进行相同的说明。
参照图1，本实施方式的钢管用螺纹接头1包括管状的公扣10和管状的母扣20。公扣10形成于钢管2的一顶端部。母扣20供公扣10***而与公扣10紧固。以下，有时将钢管2的除了顶端部以外的部分特别称为“钢管主体”。
图1所示的螺纹接头1是组合型，包括两个公扣10、10和管接头3。一公扣10形成于一钢管2的顶端部。另一公扣10形成于另一钢管2的顶端部。管接头3包括两个母扣20、20和环状的突出部31。一母扣20形成于管接头3的一端部。另一母扣20形成于管接头3的另一端部。突出部31形成于管接头3的中央部。一母扣20供一公扣10***而与一公扣10紧固。另一母扣20形成于一母扣20的相反侧，供另一公扣10***而与另一公扣10紧固。
不过，螺纹接头1也可以是整体型。如图2所示，整体型的螺纹接头1用于将两根钢管2相互连接，包括公扣10和母扣20。在整体型的螺纹接头1中，一钢管2具备公扣10，另一钢管2具备母扣20。
参照图1和图3，公扣10包括外螺纹11、头部12、公扣台肩面13以及公扣密封面14。外螺纹11形成于公扣10的外周。头部12形成于公扣10的顶端部，具有比母扣20中的在公扣10与母扣20紧固的状态下与头部12相对的部分的内径小的外径。因此，如图4所示，在公扣10的头部12的外周面与相对的母扣20的内周面之间形成微小的间隙。公扣台肩面13形成于头部12的顶端。公扣密封面14在外螺纹11与头部12之间形成于公扣10的外周面。
公扣密封面14包括：曲率面141，其位于距公扣台肩面13较近的一侧；曲率面143，其位于距公扣台肩面13较远的一侧；以及锥面142，其位于曲率面141与曲率面143之间。即，公扣密封面14由曲率面141、锥面142以及曲率面143构成。曲率面141、锥面142以及曲率面143沿着管轴线方向CL依次排列。
母扣20包括内螺纹21、母扣台肩面23以及母扣密封面24。内螺纹21与外螺纹11对应，形成于母扣20的内周。母扣台肩面23与公扣台肩面13相对，在公扣10与母扣20紧固的状态下与公扣台肩面13接触。母扣密封面24与公扣密封面14相对，在公扣10与母扣20紧固的状态下与公扣密封面14接触。
母扣密封面24包括：曲率面241，其位于距母扣台肩面23较近的一侧；曲率面243，其位于距母扣台肩面23较远的一侧；以及锥面242，其位于曲率面241与曲率面243之间。即，母扣密封面24由曲率面241、锥面242以及曲率面243构成。曲率面241、锥面242以及曲率面243沿着管轴线方向CL依次排列。
外螺纹11和内螺纹21是以锯齿螺纹为基础变更形状而成的梯形型的螺纹。
参照图3和图4，母扣密封面24具有密封点SP。密封点SP位于母扣密封面24的锥面242上的管轴线方向CL上的母扣密封面24的中点。密封点距离LSP为13mm以上。密封点距离LSP是头部12的顶端与密封点SP之间的管轴线方向CL上的距离。台肩角α为2度～13度。台肩角α是公扣台肩面13或母扣台肩面23与垂直于管轴线CL的平面VP之间的角度。密封壁厚比TB/TP为1.7以上。密封壁厚比TB/TP是密封点SP处的母扣20的壁厚(以下，称为“母扣密封壁厚”。)TB与公扣10的壁厚(以下，称为“公扣密封壁厚”。)TP之比。在图3中，W表示母扣20的外径，ID表示管主体2的内径。
在此，密封点距离LSP的下限值优选为14mm，进一步优选为15mm。密封点距离LSP的上限值例如也可以为25mm，但优选为24mm，进一步优选为23mm，从而避免密封点距离LSP过长而制造性降低的状况。台肩角α的下限值优选为3度，进一步优选为4度。台肩角α的上限值优选为10度，进一步优选为9度。密封壁厚比TB/TP的下限值优选为1.8，进一步优选为1.9。密封壁厚比TB/TP的上限值例如也可以为3.0，但优选为2.9，进一步优选为2.8，从而避免在将多个钢管设为多层并***井时管接头3的外径过大而与外侧的公扣10的内表面干涉的状况。
在上述实施方式中，密封点距离LSP为13mm以上，因此头部12的刚度提高，即使在压缩载荷施加于螺纹接头1时，头部12也能够通过负担压缩载荷来抑制金属密封的密封面的挠曲，抑制接触面压的降低。此外，密封壁厚比TB/TP为1.7以上，因此母扣20的刚度提高，母扣20的特别是针对基于内压的推压的阻力提高，从而能够维持密封面的密合，抑制金属密封的接触面压的降低。其结果，能够提高针对内压和外压的密封性能。
以上，说明了实施方式，但本发明不限定于上述实施方式，只要不脱离其主旨，就能够进行各种变更。
实施例
为了验证本实施方式的效果，利用有限元法(FEM)评价扭矩性能和密封性能。将评价对象设为锯齿螺纹接头，使用以下的钢管。
尺寸：7英寸、26#(管主体外径：177.8mm、管主体内径：159.41mm)
材料：API标准的油井管材料L80(公称屈服强度YS＝552MPa(80ksi))
表1和表2表示用于分析的42种实验例的尺寸及其评价结果。在此，将管主体2的外径、管主体2的内径ID、母扣20的外径W、公扣密封壁厚TP、母扣密封壁厚TB以及密封壁厚比TB/TP设为恒定，使密封点(SP)距离LSP和台肩角α变化。表1是以密封点距离LSP分类的表，表示屈服扭矩作为扭矩性能的评价结果。表2是以台肩角α分类的表，表示最小密封接触力作为密封性能的评价结果。屈服扭矩和最小密封接触力的定义在后文叙述。此外，公扣10的台肩角α和母扣的台肩角α设为相同。
[表1]
[表2]
表3除了编号5(与表1和表2中的编号33相同)以外表示与上述不同的8种实验例的尺寸及其密封性能的评价结果。在此，将管主体2的外径、管主体2的内径ID、公扣密封壁厚TP、密封点距离LSP以及台肩角α设为恒定，使母扣20的外径W和母扣密封壁厚TB变化，从而使密封壁厚比TB/TP变化。另外，表示施加了外压和内压时的最小密封接触力作为针对外压和内压的密封性能的评价结果。
[表3]
对于扭矩性能，将紧固扭矩线图开始屈服的值MTV(Maximum Torque Value)定义为“屈服扭矩”，使用该值进行评价。对于密封性能，以模拟图5所示的ISO13679系列A试验的复合载荷条件进行分析，求出各个载荷步骤的密封接触力的值，将其最小值定义为“最小密封接触力“，使用该值进行评价。另外，在评价密封壁厚比TB/TP的影响时，也考虑单纯外压和单纯内压下的密封性能。不施加轴向力而是仅外压或仅内压逐渐增加，评价此时的最小密封接触力。
图6表示在FEM中获得的屈服扭矩。根据图6表明：屈服扭矩取决于密封点距离LSP和台肩角α。认为：若密封点距离LSP变长，则刚度提高，因此扭矩性能提高。另一方面，在台肩角α为5度时屈服扭矩成为最大，在台肩角α比5度大时屈服扭矩降低。这样表明：扭矩性能被台肩角α大程度影响，因此台肩角α优选为2度～13度。
图7表示复合载荷下的密封性能的评价结果。最小密封接触力在图5的载荷步骤(12)的单纯外压下产生。根据图7表明：若密封点距离LSP为13mm以上，则与台肩角α无关地密封性能提高。根据这些评价结果表明：为了兼顾较高的密封性能和较高的扭矩性能，台肩角α为2度～13度，并且，密封点距离LSP为13mm以上即可。
此外，如表3所示，将台肩角α固定为5度，将密封点距离LSP固定为13mm，使密封壁厚比TB/TP变化。调查密封壁厚比TB/TP对密封性能造成的影响，因此使用图5所示的单纯内压和单纯外压的载荷路径评价密封性能。图8表示单纯外压下的密封性能的评价结果，图9表示单纯内压下的密封性能的评价结果。在任一情况下，密封性能均随着密封壁厚比TB/TP增加而提高，特别是根据图9，针对内压的密封性能在密封壁厚比TB/TP小于1.7时显著较低，在1.7以上时饱和。因而表明：优选的是，密封壁厚比TB/TP为1.7以上。
附图标记说明
1、螺纹接头；2、钢管(钢管主体)；3、管接头；10、公扣；11、外螺纹；12、头部；13、公扣台肩面；14、公扣密封面；20、母扣；21、内螺纹；23、母扣台肩面；24、母扣密封面；141、143、241、243、曲率面；142、242、锥面；SP、密封点；LSP、密封点距离；α、台肩角；TB/TP、密封壁厚比；CL、管轴线。
Claims (3)
1.一种钢管用螺纹接头，其中，
该钢管用螺纹接头包括：
管状的公扣，其形成于所述钢管的一顶端部；以及
管状的母扣，其供所述公扣***而与所述公扣紧固，
所述公扣包括：
外螺纹，其形成于所述公扣的外周；
头部，其形成于所述公扣的顶端部，具有比所述母扣中的在所述公扣与所述母扣紧固的状态下与该头部相对的部分的内径小的外径；
公扣台肩面，其形成于所述头部的顶端；以及
公扣密封面，其在所述外螺纹与所述头部之间形成于所述公扣的外周面，
所述公扣密封面包括：第1曲率面，其位于距所述公扣台肩面较近的一侧；第2曲率面，其位于距所述公扣台肩面较远的一侧；以及第1锥面，其位于所述第1曲率面与所述第2曲率面之间，
所述母扣包括：
内螺纹，其与所述外螺纹对应，形成于所述母扣的内周；
母扣台肩面，其与所述公扣台肩面相对，在所述公扣与所述母扣紧固的状态下与所述公扣台肩面接触；以及
母扣密封面，其与所述公扣密封面相对，在所述公扣与所述母扣紧固的状态下与所述公扣密封面接触，
所述母扣密封面包括：第3曲率面，其位于距所述母扣台肩面较近的一侧；第4曲率面，其位于距所述母扣台肩面较远的一侧；以及第2锥面，其位于所述第3曲率面与所述第4曲率面之间，
所述母扣密封面具有位于所述锥面上的管轴线方向上的中点的密封点，
所述头部的顶端与所述密封点之间的管轴线方向上的密封点距离为13mm～25mm，
所述公扣台肩面或所述母扣台肩面与垂直于管轴线的平面之间的台肩角为2度～13度，并且，
所述密封点处的所述母扣的壁厚相对于所述公扣的壁厚的密封壁厚比为1.7以上。
2.根据权利要求1所述的钢管用螺纹接头，其中，
所述密封点距离为13mm～18mm，
所述台肩角为5度～13度。
3.根据权利要求1所述的钢管用螺纹接头，其中，
所述台肩角为2度～10度，并且，
所述密封壁厚比为1.8～3.0。
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