耐連續壓力載荷的密封帶螺紋的管狀連接件的製作方法

2023-09-15 20:10:00 2

專利名稱：耐連續壓力載荷的密封帶螺紋的管狀連接件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種密封帶螺紋的管狀連接件，其耐靜載荷，例如軸向拉力、軸向壓 縮、平面彎曲、內部或外部壓力及其結合。
背景技術：
這種帶螺紋的管狀連接件，其在下文中將被稱為連接件，能通過連接例如為很長 的管子的第一管狀部件的端部處的凸形元件和例如為很長的管子或耦接件的第二管狀部 件的端部處的凹形元件得以產生，其每個元件都設置有金屬密封表面並且徑向幹涉配合在 另一元件的金屬密封表面上。這些連接件用來產生例如用於油氣井或用於相似的井，例如地熱井的密封套管或 油管柱。更具體地說，本發明涉及被稱為特殊連接件(premium connection)的連接件，其 包括金屬密封表面，這些密封表面徑向幹涉並且與用來精確定位密封表面的內部、外部或 中心的抵靠表面有關。這些密封表面是非常關鍵的區域，其以抵抗包括氣體的流體的高壓力的密封方式 提供連接。在油氣井中，這些連接件經受各種載荷，例如拉力、壓縮、沿著管子的軸的彎曲、或 壓力。這些各種載荷可隨著時間變化，例如，當接合套管(casing stringM外部壓力的增 加)時，或在生產步驟(內部壓力的增加)期間或者甚至在維護操作(停止然後重新開始 生產)期間，並且可單獨或結合作用。不僅期望這些連接件承受這些機械載荷，而且在施加這些載荷時特別是當這些連 接件具有例如僅一個外部抵靠部和/或中心抵靠部但沒有內部抵靠部而施加內部壓力時 保持緊密。術語「內部抵靠部」意味著靠近管狀部件的內部表面的抵靠部並且因此位於凸形 元件的自由端附近。因此，已經尋求改進這些連接件，特別是那些沒有內部抵靠部的連接件，以便通過 特別是優化靠近螺紋的的密封表面的功能來增加它們與內部壓力有關的密封特性。與這些連接件有關的包括或不包括內部抵靠部的現有技術建議了用於改進經受 例如內部壓力的載荷的金屬密封表面的密封的措施。這些措施特別是已經在德國專利DE 4446806和國際專利申請W000/08367中進行了描述。DE 4446806的圖3公開了一種設置有內部抵靠部(10)的連接件，包括凹形元件 (1)和凸形元件，其自由端包括金屬對金屬密封系統，該系統由一對鄰近螺紋的主接觸表面 (4)和一對鄰近內部抵靠部(10)的輔助接觸表面(8)組成，主接觸表面(4)和輔助接觸表 面(8)由過渡表面(11)分開。輔助接觸表面(8)的形狀是錐形的，而與它們所處的元件無 關；主接觸表面(4)的形狀對於位於凸形元件(7)上的表面是穹頂狀的，並且對於位於凹形 元件(1)上的表面是錐形的。為了使連接件對內部壓力的密封優化，鄰近內部抵靠部(10)
4的凸形元件的區域(12)的外部周邊表面被加工為減小在那個水平的唇部的厚度，由此給 凸形元件(7)的自由端提供了更好的彈性因此當施加內部壓力時輔助接觸表面⑶處的接 觸壓力更好。輔助接觸表面(8)還確保在管狀部件的不平整，例如加工缺陷或橢圓度缺陷 的的情況下主接觸表面(4)在其整個周邊之上最優化的徑向定位。W000/08367的圖7描述了沒有內部抵靠部的連接件，其中凸形元件(30)在其自 由端處包括唇部，該唇部包括兩個區域，所述兩個區域適於與布置在凹形元件(40)上的對 應殼體相接觸。布置在螺紋側上的第一接觸區域在其外部周邊表面上具有錐形密封表面 (32)。鄰近第一接觸區域的第二接觸區域布置在距離凸形元件(36)的自由端為較短的距 離處並且具有錐形表面(33)，其錐度比密封表面(32)的錐度大至少20%。在第一接觸區 域(32)處，凸形元件(30)和凹形元件(40)之間的幾何幹涉比第二接觸區域(36)處的幾 何幹涉要小。接觸區域的位置因此使橫向力和連接件在第二接觸區域(36)處經受的彎曲 力矩最優化，由此保護密封表面(32)使其免受塑化的影響從而防止連接件洩露。如在DE 4446806中，該第二接觸區域(36)還在管狀部件中存在不平整，例如加工缺陷或橢圓度缺 陷的的情況下提供密封表面在其整個周邊之上最優化的徑向定位。還已經尋求通過增加所述凸形和凹形元件的密封表面之間的幹涉接觸壓力來使 經受連續內部壓力載荷的這些連接件的密封特性最優化的另一種方法。

發明內容
我們也已尋求一種在所有的各種載荷模式下較好實施的連接件。我們還已經努力確保本發明特別應用到包括內部密封的連接件中，特別是在凸形 和凹形元件之間具有恆定的外徑(齊平)的連接件以及外徑(半齊平)稍微不同的連接件 中。根據本發明，該連接件包括布置在第一管狀部件的端部並包括外螺紋的凸形元件 和布置在第二管狀部件的端部並包括與外螺紋對應的內螺紋的凹形元件。至少一個元件包括唇部，其延伸超過螺紋到達元件自由端。另一元件包括用於唇 部的凹陷。唇部包括第一區域，其周邊表面朝向另一元件彎曲，其上布置有第一密封表面，該 第一密封表面適合於徑向幹涉配合在另一元件的凹陷的周邊表面上設置的相應的第二密 封表面。唇部具有軸向地位於所述第一區域和元件的自由端之間的第二區域。第二區域是 徑向地靠在另一元件的對應部分上並包括第一徑向承載表面的區域，其中所述第一徑向承 載表面朝向另一元件彎曲、與所述另一元件的所述凹陷的周邊表面上的第二徑向承載表面 接觸。根據本發明的主要特徵，所述第一和第二區域在軸向上通過徑向剛度比所述第一 和第二區域小的第三區域分開，並且該第三區域能通過施加在其上的壓力朝向另一元件徑 向變形。有利地，所述第三區域的厚度小於第一區域的厚度和第二區域的厚度。再有利地，所述第三區域的最小厚度在所述唇部厚度的60%到80%的範圍內。有利地，所述第三區域的最小厚度是所述唇部厚度的70%。
優選地，厚度為最小值的所述第三區域的軸向長度在0. 25到5毫米的範圍內。優選地，所述軸向長度為0.5毫米。優選地，所述第二區域位於元件的自由端。優選地，第一徑向承載表面是復曲面的一部分。優選地，所述復曲面部分的半徑為5毫米或更小。有利地，第二徑向承載表面是具有圓柱形表面的一部分。優選地，第一和第二徑向承載表面具有幾何幹涉，其比所述第一和第二密封表面 之間的幾何幹涉大5 %到20 %。優選地，所述第一和第二密封表面是具有大致相等的錐度的錐形表面部分。有利地，所述錐形表面部分具有5%到50%範圍內的錐度。優選地，在唇部的自由端的前表面和另一元件之間存在間隔。優選地，所述唇部位於凸形元件上。根據本發明的一個實施例，所述第三區域由唇部外周邊上的環形凹槽限定。


本發明的其他優點和特性將從以下詳細的描述和附圖中變得顯而易見，其中所述 附圖不僅起到提供更好地理解本發明的作用而且根據需要有助於其定義。圖1示出根據本發明的一個實施例的齊平連接的縱向半段，圖1強調了接觸表面 之間的幾何幹涉；圖2示出本發明的圖1的齊平連接的凸形和凹形元件的優選實施例的縱向半段；圖3示出本發明的經受內部壓力的齊平連接的縱向半段，圖3強調了接觸表面之 間的幾何幹涉；圖4是表示通過對不同類型的經受各種連續載荷模式的齊平連接進行有限元分 析得到的相對接觸壓力測量結果的曲線圖。
具體實施例方式圖1示出齊平連接的優選實施例，其包括布置在第一管狀部件1』的端部處的凸形 元件1和布置在第二管狀部件2』的端部處的凹形元件2。連接軸由虛線XX』表示。凸形元件1包括外螺紋3和從外螺紋3延伸到凸形元件6的自由端的凸形唇部5。凸形唇部5包括(參見圖2b)第一區域7，其位於螺紋3之後，帶有外部周邊表面，其中第一密封表面13位於所 述外部周邊表面上；第二區域8，其位於凸形元件1的端部處，其外部周邊表面轉向凹形元件2，其上定 位有第一徑向承載表面14，所述第一徑向承載表面14能與設置在凹形元件2上的相應的第 二徑向承載表面12相接觸；第三區域，其軸向地定位在第一區域7和第二區域8之間，該第三區域的剛度小於 第一和第二區域7、8的剛度。凹形元件2包括內螺紋4，其對應於外螺紋3，形成凹陷10的非螺紋部分與凸形元 件1的唇部5對應並且與該唇部配合。
凹形凹陷10具有向內彎曲的周邊表面，該周邊表面上形成有第二密封表面11，其 適合於徑向幹涉對應的凸形元件1的第一密封表面13 ；還具有第二徑向承載表面12，該承 載表面12能夠接觸唇部5的第一徑向承載表面14，參見圖2a。該周邊表面在一側被連接到內螺紋4並且在另一側經由凹形凸肩15被連接到第 二管狀部件2』的主體或勻稱部分的圓柱形內部周邊表面。在凹形元件的凸肩15和凸形元件自由端的前表面6之間留有間隙。凹形元件的自由端構成了大致橫向布置地環形的軸向抵靠表面16。該外部抵靠表 面16允許外部密封表面18、19和內部密封表面13、11相對於彼此軸向定位並且因此限定 了它們的徑向幹涉配合。圖1示出內部密封表面13、11和外部密封表面18、19之間以及徑向承載表面14、 12之間的幾何幹涉。術語「幾何幹涉」意味著在繪製連接元件或在拼接之前在每個元件上 測量的凸形元件1和凹形元件2的對應表面之間的直徑差。圖2示出本發明的用於凸形唇部5(圖2b)和凹形凹陷10 (圖2a)的優選實施例。 連接軸由虛線XX』表示。圖2b所示的凸形唇部5具有外部周邊表面和與第一管狀部件1』的內部周邊表面 的端部區域對應的內部周邊表面。凸形唇部5因此具有厚度ei，在套扣之後測量該厚度例 如大致等於管狀部件1，的厚度et的30%。從螺紋3開始並朝向凸形元件6的自由端移動，凸形唇部5的內部周邊表面包括 第一區域7，第一密封表面13位於其上，該第一密封表面13能夠徑向幹涉設置在如圖2a所 示的凹形元件2上的對應第二密封表面11。這些第一和第二密封表面13、11例如是錐形表面的一部分，在此情況下錐度為 10%。小於5%的錐度更易於引起擦傷這樣的問題，大於50%的錐度具有需要太厚的唇 部的風險。在凸形元件6的自由端，凸形唇部5的內部周邊表面包括第二區域8，第一徑向承 載表面14位於其上，該第一徑向承載表面14適於接觸布置在如圖2a所示的凹形元件2的 對應凹陷10上的第二徑向承載表面12。第一和第二徑向承載表面14、12優選具有幾何幹涉，其比第一和第二密封表面 13、11的幾何幹涉高大約5%到20%，優選5%到15%。徑向承載表面14、12之間的幹涉小於或等於密封表面13、11之間的幹涉將不能確 保在拼接之後唇部5的第二區域8的徑向支承面抵靠凹形元件2。太多的幹涉具有降低密 封表面13、11的密封特性的風險。如果儘管與凸形元件1和凹形元件2經受的拉力和壓縮載荷相關聯的軸向變化也 要保持徑向承載表面之間恆定的接觸壓力，則第一徑向承載表面14可以是半徑大致小於 或等於5毫米的復曲面部分，布置在凹形元件2上的對應的第二徑向承載表面12可以是具 有圓柱形表面的一部分。凸形唇部5的內部周邊表面包括在第一區域7和第二區域8之間的第三區域9，該 第三區域的徑向剛度比第一和第二區域7、8的小。第三區域9在此由唇部5的外部周邊表面上的環形凹槽限定。
凹槽9的周邊表面例如包括圓柱形表面，該圓柱形表面經由帶錐形表面的部分連 接到第一密封表面13並且經由帶復曲面的部分連接到第一徑向承載表面14。圓柱形表面 17構成第三區域9的最小厚度部分。第三區域9的最小厚度部分的軸向長度1,在此情況下等於0. 5毫米。該軸向長度 込是在連接到第一密封表面13的具有錐形表面的部分和連接到第一徑向承載表面14的具 有復曲面的部分之間測得的。小於0. 25毫米的軸向長度L導致徑向剛度不足，大於5毫 米的軸向長度L引起太笨重。在圓柱形表面17和凸形唇部5的外部周邊表面之間測量的第三區域9的厚度e, 小於恰好在螺紋3之後測得的凸形唇部ei的厚度。厚度 在凸形唇部5的厚度ei的60%到80%的範圍內。優選，厚度 為凸形唇 部5的厚度el的70%。這種厚度減小引起第三區域9的徑向剛度減小，因此當在其上施加內部壓力(IP) 時允許其朝向凹形元件2的徑向變形。在能夠定義連接件的密封性能的質量測試過程中施 加第二內部壓力循環(IP)時，凸形唇部5的厚度el小於60%或大於80%的厚度不太容許 確保第一和第二徑向承載表面14、12之間的接觸。這些質量測試特別是在國際標準ISO 13679(套管和油柱管的連接件的測試過 程)中進行了限定，其中，連接件在油井使用過程中經受的載荷的各種組合循環被施加來 檢驗連接件的密封性是否完好。在此情況下「徑向剛度」的概念包括材料固有的特性和尺寸特性。圖3描述了在拼接狀態下本發明的連接件，其包括凸形元件1和凹形元件2，內部 壓力(IP)施加其上。在螺紋3之後並且朝向自由端，凸形元件1包括凸形唇部5，它的外部 周邊表面包括第一密封表面13、第一徑向承載表面14以及具有位於第一密封表面13和第 一徑向承載表面14之間的圓柱形周邊表面17的環形凹槽9。凹形元件2包括與凸形唇部 5對應的凹陷10，該凹陷10具有第二密封表面11和第二徑向承載表面12。這些表面13、 14、11、12和17的幾何形狀如圖2a和2b所述。在拼接的狀態下，凸形元件1的自由端6的 前表面沒有接觸凹形元件2，因此在兩個元件之間留有間隙。將內部壓力(IP)施加到連接件會使第三區域9產生徑向變形，在圖3中由曲線示 意性地示出。該徑向變形在第一和第二密封表面(13，11)的接觸區域和第一和第二徑向承載 表面14、12的承載區域處產生過大的彈性幹涉接觸能量，其允許接觸壓力，特別是在第一 和第二密封表面13，11的接觸區域處的接觸壓力增加。過大的能量還產生在第一和第二徑向承載表面14、12處，但是這些第一和第二徑 向承載表面14、12之間的接觸壓力會由於徑向承載表面14、12在端部的位置以及密封表面 13、11和徑向承載表面14、12之間的相對幾何幹涉而小於第一和第二密封表面13、11之間 的接觸壓力。第一和第二徑向承載表面14、12的作用是不僅當施加內部壓力(IP)時確保凸形 元件1和凹形元件2之間的第二接觸點能夠增加第一和第二密封表面13、11之間的接觸壓 力，而且確保在當前情況下保持第一和第二徑向承載表面14、12之間的幹涉配合恆定，無 論在維修過程中連接件經受的拉力和/或壓縮載荷所引起的凸形元件1和凹形元件2之間
8的軸向位移如何。圖4的曲線允許接觸區域，在下文中被稱為接觸壓力積分，在經受載荷循環下的 幾個連接件的第一和第二密封表面之間進行比較。橫坐標表示施加的各種載荷，縱坐標表 示沿著第一和第二密封表面的接觸(接觸區域)獲得的接觸壓力積分。該接觸壓力積分是 通過有限元分析測量的。獲得的值是相對值，其被表示為百分數並且相對於基準的第一和 第二密封表面，即，沒有第二徑向承載表面也沒有第三區域的本發明的連接件的那些標準 化。下面的表1限定了圖4的曲線的橫坐標上的附圖標記的意義。 表1 圖4上的附圖標記的意義以下連接件的接觸壓力積分然後進行模擬例子A 沒有徑向承載表面的基準連接件；例子B 根據圖1的本發明的實施例的連接件。和基準連接件(例子A)進行比較，能夠看到圖1的連接件的密封特性(例子B) 在施加內部壓力時明顯更好。本發明的圖1的連接件所提供的第一和第二徑向承載表面(14，12)以及第三區域 9的有益效果因此已被表明。本發明的一個優點是在凸形唇部5處提供在內部壓力(IP)的作用下能夠變形的 區域，其中由變形獲得的能量用來在第一和第二密封表明13、11處產生補充的接觸壓力。
圖2所示的本發明的實施例的另一優點是內部壓力(IP)能被第一和第二徑向承 載表面14、12阻礙或至少受到限制。結果，第一和第二密封表面13、11免受到任何損壞。然而，將注意到，第一和第二徑向承載表面不需要是在拼接之後完全緊密接觸的 表面。圖2所示的本發明的優選實施例的再一優點是徑向承載表面14、12的幾何形狀能 夠保持恆定的幹涉配合，儘管在維修中連接件經受的拉力和/或壓縮載荷使得凸形元件1 和凹形元件2產生軸向移動。雖然未被描述，但是環形凹槽9可位於唇部的內部表面上。第一和第二密封表面13、11可在一個元件上是復曲面的並且在另一個元件上是 錐形的，或者都為復曲面，或者在一個元件上為復曲面和錐形表面的結合併且在另一個元 件上為錐形表面，這公開在法國專利FR2833335中。當然，本發明能夠應用於在凹形元件的唇部上設置第一、第二和第三區域的情況。因此，本發明能夠應用到不是齊平類型的連接件的那種類型的連接件，例如被稱 為「半齊平」的連接件(在此，凹形元件的外部直徑僅僅稍微大於凸形元件的外部直徑)，具 有中心抵靠部或無抵靠部的連接件，或者耦接的連接件。
權利要求
一種密封的帶螺紋的管狀連接件，包括布置在第一管狀部件(1』)的端部並包括外螺紋(3)的凸形元件(1)和布置在第二管狀部件(2』)的端部並包括與所述外螺紋(3)對應的內螺紋(4)的凹形元件(2)，所述元件中的至少一個包括唇部(5)，該唇部延伸超過螺紋(3)到達元件(6)的自由端，另一元件包括用於所述唇部(5)的凹陷(10)，所述唇部(5)包括第一區域(7)，該第一區域的周邊表面朝向另一元件彎曲，且其上布置有第一密封表面(13)，該第一密封表面與布置在另一元件的凹陷(10)的周邊表面上的相應的第二密封表面(11)徑向幹涉，所述唇部(5)具有軸向地位於所述第一區域(7)和所述元件(6)的自由端之間的第二區域(8)，該第二區域包括第一徑向承載表面(14)，該第一徑向承載表面(14)朝向所述另一元件彎曲並與布置在所述另一元件的所述凹陷(10)的周邊表面上的對應第二徑向承載表面(12)接觸，其特徵在於，所述第一和第二區域(7，8)由第三區域(9)軸向分開，其中該第三區域的徑向剛度小於所述第一和第二區域(7，8)的徑向剛度，並且該第三區域通過施加在其上的壓力能夠朝向所述另一元件徑向變形。
2.根據權利要求1所述的帶螺紋的管狀連接件，其特徵在於，所述第三區域(9)的厚度 小於所述第一區域(7)的厚度和所述第二區域(8)的厚度。
3.根據權利要求2所述的帶螺紋的管狀連接件，其特徵在於，所述第三區域(9)的最小 厚度在所述唇部(5)的厚度的60%到80%的範圍內。
4.根據權利要求2所述的帶螺紋的管狀連接件，其特徵在於，所述第三區域(9)的最小 厚度是所述唇部(5)的厚度的70%。
5.根據前述權利要求中任一項所述的帶螺紋的管狀連接件，其特徵在於，厚度最小的 所述第三區域(9)的軸向長度在0. 25毫米到5毫米的範圍內。
6.根據權利要求5所述的帶螺紋的管狀連接件，其特徵在於，厚度最小的所述第三區 域(9)的軸向長度是0.5毫米。
7.根據前述權利要求中任一項所述的帶螺紋的管狀連接件，其特徵在於，所述第二區 域⑶位於所述元件(6)的自由端處。
8.根據前述權利要求中任一項所述的帶螺紋的管狀連接件，其特徵在於，所述徑向承 載表面(14)在其周邊表面上包括具有復曲面的一部分，其周邊表面朝向所述另一元件彎 曲ο
9.根據權利要求8所述的帶螺紋的管狀連接件，其特徵在於，所述復曲面部分的半徑 為5毫米或更小。
10.根據前述權利要求中任一項所述的帶螺紋的管狀連接件，其特徵在於，所述徑向承 載表面(12)是具有圓柱形表面的一部分。
11.根據前述權利要求中任一項所述的帶螺紋的管狀連接件，其特徵在於，所述第一和 第二徑向承載表面(14，12)具有比所述第一和第二密封表面(13，11)之間的幾何幹涉大 5%到20%的幾何幹涉。
12.根據前述權利要求中任一項所述的帶螺紋的管狀連接件，其特徵在於，所述第一和 第二密封表面(13，11)是具有大致相等錐度的錐形表面部分。
13.根據權利要求12所述的帶螺紋的管狀連接件，其特徵在於，所述錐形表面部分具 有在5%到50%的範圍內的錐度。
14.根據前述權利要求中任一項所述的帶螺紋的管狀連接件，其特徵在於，所述唇部(5)的自由端(6)的前表面和所述另一元件之間存在間隙。
15.根據前述權利要求中任一項所述的帶螺紋的管狀連接件，其特徵在於，所述唇部 (5)位於所述凸形元件(1)上。
16.根據前述權利要求中任一項所述的帶螺紋的管狀連接件，其特徵在於，所述第三區 域(9)由所述唇部(5)的外部周邊上的環形凹槽來限定。
全文摘要
一種耐連續壓力載荷的密封的帶螺紋的管狀連接件，包括具有外螺紋(3)的凸形元件(1)和具有與所述外螺紋(3)對應的內螺紋(4)的凹形元件(2)。所述元件中的至少一個包括唇部(5)，該唇部延伸超過螺紋(3)到達元件(6)的自由端，另一元件包括所述唇部(5)的凹陷(10)。所述唇部(5)包括第一區域(7)，該第一區域的周邊表面朝向其上布置有第一密封表面(13)的另一元件彎曲，其中所述第一密封表面能夠徑向幹涉地裝靠對應的布置在另一元件的凹陷(10)的周邊表面上的第二密封表面(11)。所述唇部(5)具有軸向地位於所述第一區域(7)和元件(6)的自由端之間的第二區域(8)，該第二區域包括朝向所述另一元件彎曲並與對應的布置在所述另一元件的所述凹陷(10)的周邊表面上的第二徑向承載表面(12)接觸的第一徑向承載表面(14)。所述第一和第二區域(7，8)由徑向剛度小於所述第一和第二區域(7，8)的徑向剛度的第三區域(9)軸向分開。所述第三區域(9)通過施加在其上的壓力能夠朝向所述另一元件徑向變形。
文檔編號F16L15/04GK101910548SQ200880123398
公開日2010年12月8日 申請日期2008年12月22日 優先權日2007年12月28日
發明者勞倫特·吉洛特 申請人:法國瓦羅裡克.曼尼斯曼油汽公司;住友金屬工業株式會社