螺纹连接件

阅读:470发布:2020-05-11

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1.一种螺纹管状连接件(1),其包括布置在第一管状部件(2)的端部处的阳螺纹元件(2)和布置在第二管状部件(3)的端部处的阴螺纹元件(3),
所述阳螺纹元件(2a)包括:两个阳螺纹即外阳螺纹(8)和内阴螺纹(10)、布置在所述阳螺纹之间的第一外周表面(14)、位于所述外周表面上的第一阳密封表面(12)、第二外周表面(26)、布置在所述阳螺纹元件(2a)的端部处的阳轴向抵接表面(20)、以及第二阳密封表面(22),所述第二阳密封表面在所述阳螺纹元件(2a)的所述第二外周表面上设置于所述内螺纹和所述阳轴向抵接表面(20)之间;
所述阴螺纹元件(3a)包括:两个阴螺纹即外阴螺纹(9)和内阴螺纹(11)、布置在所述阴螺纹(9,11)之间的内周表面(15)、位于所述内周表面(15)上的至少一个第一阴密封表面(13)、阴轴向抵接表面(21)、以及设置在所述阴轴向抵接表面(21)和所述内阴螺纹(11)之间的第二阴密封表面(23),所述外阳螺纹(8)和所述外阴螺纹(9)的螺纹在联接状态中啮合,所述内阳螺纹(10)和所述内阴螺纹(11)的螺纹在联接状态中啮合;
所述阳轴向抵接表面(20)和所述阴轴向抵接表面(21)在所述联接状态中抵接,所述第一阳密封表面(12)和所述第一阴密封表面(13)在所述联接状态中密封接触,所述第二阳密封表面(22)和所述第二阴密封表面(23)在所述联接状态中密封接触。
其特征在于,所述外阳螺纹(8)包括具有渐增宽度的燕尾螺纹,对应的外阴螺纹(9)包括具有渐增宽度的燕尾螺纹,所述外阳螺纹(8)的螺纹包括承载牙侧(8d)和插入牙侧(8c),所述插入牙侧(8c)在所述联接状态中无接触,所述内阳螺纹(10)的螺纹包括承载牙侧和插入牙侧,所述插入牙侧在所述联接状态中无接触,并且在与所述第一阴密封表面(13)交叉的径向平面中测量的所述阴螺纹元件(3a)的厚度介于所述阳螺纹元件(2a)的标称厚度的
20%至50%之间。
2.根据权利要求1所述的连接件,其中,所述内阳螺纹(10)包括具有渐增宽度的螺纹,对应的内阴螺纹(11)包括具有渐增宽度的螺纹。
3.根据权利要求2所述的连接件,其中,所述内阳螺纹(10)包括具有渐增宽度的燕尾螺纹,对应的内阴螺纹(11)包括具有渐增宽度的燕尾螺纹。
4.根据前述权利要求中的一项所述的连接件,包括布置在所述阴螺纹元件(3a)的孔附近的单个阳轴向抵接表面(20)和单个阴轴向抵接表面(21)。
5.根据前述权利要求中的一项所述的连接件,其中,在上紧状态中,所述外阳螺纹(8)和所述内阳螺纹(10)中的至少一个在螺纹牙底处与对应的阴螺纹径向干涉,并且在螺纹牙顶处具有径向间隙,或者在螺纹牙顶处与对应的阴螺纹径向干涉,而在螺纹牙底处具有径向间隙,所述径向间隙优选地介于0.05mm至0.50mm之间,更加优选地介于0.05mm至0.40mm之间。
6.根据前述权利要求中的一项所述的连接件,其中,在所述联接状态中无接触的所述插入牙侧(8c)与对应的插入牙侧(9c)之间的轴向间隙介于0.002mm至1.000mm之间,优选地介于0.002mm至0.400mm之间。
7.根据前述权利要求中的一项所述的连接件,其中,所述外阳螺纹(8)包括消失螺纹。
8.根据前述权利要求中的一项所述的连接件,其中,所述外阳螺纹(8)包括:承载牙侧(8d),其相对于径向平面的倾介于﹣1°至﹣15°之间,优选地介于﹣5°至﹣8°之间;和插入牙侧(8c),其相对于径向平面的倾角介于+1°至+15°之间,优选地介于+5°至+8°之间。
9.根据前述权利要求中的一项所述的连接件,其中,所述阳轴向抵接表面(20)相对于径向平面成介于0°至30°之间的角度。
10.根据前述权利要求中的一项所述的连接件,其中,所述第一管状部件(2)的规则截面具有大于230mm的外径。
11.根据前述权利要求中的一项所述的连接件,其中,所述阴螺纹元件(3a)的规则截面的外径小于所述第二管状部件(3)的外径的110%,优选103%。
12.根据前述权利要求中的一项所述的连接件,其中,螺纹(8,9,10,11)的锥度介于5%至20%之间。
13.根据前述权利要求中的一项所述的连接件,其中,所述阳螺纹元件(2a)包括唇部,所述唇部的厚度介于所述第一管状部件(2)的规则截面的厚度的20%至35%之间,所述唇部布置在所述内螺纹(10)和所述阳轴向抵接表面(20)之间。
14.根据前述权利要求中的一项所述的连接件,其中,该连接件具有大于80%的效率,所述连接件的外径介于管的标称直径的101.5%至105%之间,优选85%。
15.根据权利要求1至13中的一项所述的连接件,其中,该连接件具有介于60%至68%之间的效率,所述连接件的外径等于管的标称直径,允许存在公差。
16.根据前述权利要求中的一项所述的连接件,其中,使得所述连接件处于联接状态中并且准备好使用的上紧扭矩小于94907Nm,优选地小于67725.5Nm。
17.根据前述权利要求中的一项所述的套管连接件。

说明书全文

螺纹连接件

技术领域

[0001] 本发明涉及特别地用于钻井或者操作油气井的螺纹管状部件的密封连接件的领域。在钻井或者操作时,连接件承受大的压缩和拉伸载荷并且必须防止所述连接件分开。连接件承受轴向拉伸或者压缩、内部或者外部流体、弯曲或者扭转,这些可以组合并且其强度可波动。无论载荷和恶劣的现场使用条件如何,均必须确保密封。螺纹连接件能够被上紧和卸开若干次而同时又不降低它们的性能(特别是由于磨损)。在卸开之后,管状部件可以在其它使用条件下再使用。

背景技术

[0002] 在拉紧时,可能发生跳接(jump-out)的现象,并且从一个螺纹传播到另一螺纹,从而导致面临连接件分开的险。高内部压力促进这种现象的发生。
[0003] 本申请人发现,高外部压力也能够促进这种现象的发生。申请WO 01/29476提出了一种螺纹连接件,所述螺纹连接件具有锥形螺纹、阳螺纹和阴螺纹,所述阳螺纹和阴螺纹分别包括单个螺纹区,在螺纹区的中央区域中布置有中央密封表面。在阳元件的自由端部处设置抵接件。其它密封表面设置在抵接件的附近。多年以来这种连接件非常令人满意。
[0004] 现在需要连接件的性能(特别是在强压缩之后的组合的外部拉伸压力下以及连接效率方面)得以飞跃。连接效率通常定义为连接件的临界截面与管的位于部件两个端部之间的规则部分的截面之间的比率。连接件的临界截面等于阳元件的临界截面和阴元件的临界截面中的最小临界截面。

发明内容

[0005] 本发明提出的连接件在所有这些方面的性能均得以提高。
[0006] 螺纹管状连接件包括布置在第一管状部件的端部处的阳螺纹元件和布置在第二管状部件的端部处的阴螺纹元件。
[0007] 阳螺纹元件包括两个阳螺纹(外阳螺纹和内阴螺纹)、布置在阳螺纹之间的第一外周表面、位于所述外周表面上的第一阳密封表面、第二外周表面、布置在阳螺纹元件的端部处的阳轴向抵接表面、以及第二阳密封表面,所述第二阳密封表面在阳螺纹元件的第二外周表面上设置于内螺纹和阳轴向抵接表面之间。
[0008] 阴螺纹元件包括两个阴螺纹(外阴螺纹和内阴螺纹)、布置在阴螺纹之间的内周表面、位于所述内周表面上的至少一个第一阴密封表面、阴轴向抵接表面、以及设置在阴轴向抵接表面和阴螺纹之间的第二阴密封表面,所述外阳螺纹和外阴螺纹的螺纹在联接状态中啮合,所述内阳螺纹和内阴螺纹的螺纹在联接状态中啮合。
[0009] 阳轴向抵接表面和阴轴向抵接表面在联接状态中抵接。第一阳密封表面和第一阴密封表面在联接状态中密封接触。第二阳密封表面和第二阴密封表面在联接状态中密封接触。
[0010] 外阳螺纹包括具有渐增宽度的燕尾螺纹,对应的外阴螺纹包括具有渐增宽度的燕尾螺纹,所述外阳螺纹的螺纹包括承载牙侧和插入牙侧,所述插入牙侧在联接状态中无接触,所述内阳螺纹的螺纹包括承载牙侧和插入牙侧,所述插入牙侧在联接状态中无接触。在与第一阴密封表面交叉的径向平面中测量的阴元件的厚度介于阳螺纹元件的标称厚度的20%至50%之间。
[0011] 由于本发明,连接件对于外部压力表现非常良好,布置在外螺纹和内螺纹之间的中央密封件防止压力向内部传播并且防止位于连接件的内侧上的密封件发生任何变形。外螺纹的螺纹在拉紧和压缩过程中提供了卓越的稳定性,从而允许中央密封件发挥最优功能。此外,在中央密封件和内部密封件之间选择的距离远远小于螺纹的总长度,这意味着在压缩情况中,能够减小阳中央密封件相对于阴中央密封件的位移并且结果在它们最优区域中保持相互配合合作。而且,密封件之间的距离沿着径向轴线表述,因为材料的径向厚度对密封行为产生主要影响。如果外螺纹和内螺纹的梯度相等,则密封件之间的轴向距离也具有代表性,但是是间接的。
[0012] 阳螺纹元件的内阳螺纹和外阳螺纹在第一变型中可以具有拥有相同梯度的两条不同母线,在第二变型中具有拥有不同梯度的两条母线,并且在第三变型中具有共同母线。术语“外螺纹”和“内螺纹”表示分别具有大直径和小直径的螺纹。密封表面是这样的区域,所述区域被机加工成与另一个螺纹元件的对应区域直径干涉,所述干涉在不可避免的机加工公差内足以确保在联接状态中在正常使用条件下密封。密封表面可以是金属/金属。可以由制造阳螺纹元件和阴螺纹元件。密封表面可以由钢制成。
[0013] 此外,外阴螺纹的螺纹包括承载牙侧和插入牙侧,所述承载牙侧在联接状态中无接触。内阴螺纹的螺纹包括承载牙侧和插入牙侧,所述承载牙侧在联接状态中无接触。旋拧扭矩保持较低。
[0014] 在一个实施例中,内阳螺纹包括具有渐增宽度的螺纹,对应的内阴螺纹包括具有渐增宽度的螺纹。内阳螺纹的螺纹宽度朝向第一阳密封表面增加。内阴螺纹的宽度沿着与第一阴密封表面相反的方向增加。外阳螺纹的螺纹在沿着与第一阳密封表面相反的方向上具有渐增的宽度。外阴螺纹的螺纹朝向第一阴密封表面具有渐增宽度。提高了连接件的机械行为。
[0015] 在一个实施例中,内阳螺纹包括具有渐增宽度的燕尾螺纹,对应的内阴螺纹包括具有渐增宽度的燕尾螺纹。降低了发生跳接的风险。
[0016] 在一个实施例中,连接件包括单个阳轴向抵接表面和单个阴轴向抵接表面。所述轴向抵接表面可以是环形。阴轴向抵接表面可以布置在阴螺纹元件的孔附近。换言之,所述阳抵接表面和阴抵接表面布置在这样的区域中,所述区域特别地相对于第一密封表面具有小直径。阳轴向抵接表面可以布置在位于阳内螺纹的延伸部中的唇部的端部处。唇部在其外表面上具有用于第二阳密封表面的位置。这导致良好的连接效率和卓越的耐内压力性。密封表面的定位是准确的。
[0017] 在一个实施例中,在联接状态中,外阳螺纹在螺纹牙底处与对应的阴螺纹径向干涉而在螺纹牙顶处与对应的阴螺纹具有一径向间隙。
[0018] 在另一实施例中,在联接状态中,外阳螺纹在螺纹牙顶处与对应的阴螺纹径向干涉而在螺纹牙底处与对应的阴螺纹具有一径向间隙。
[0019] 在一个实施例中,在联接状态中,内阳螺纹在螺纹牙底处与对应的阴螺纹径向干涉而在螺纹牙顶处与对应的阴螺纹具有一径向间隙。
[0020] 在另一实施例中,在联接状态中,内阳螺纹在螺纹牙顶处与对应的阴螺纹径向干涉而在螺纹牙底处与对应的阴螺纹具有一径向间隙。
[0021] 在上述四个实施例中,径向间隙优选地介于0.05mm至0.500mm之间,更加优选地介于0.05mm至0.400mm之间。旋拧扭矩在控制下表现良好。
[0022] 在一个实施例中,在联接状态中无接触的插入牙侧与对应的插入牙侧的轴向间隙介于0.002mm至1.000mm之间,优选地介于0.002mm至0.400mm之间。因此这避免插入牙侧之间发生接触并且因此降低了在旋拧扭矩中出现尖峰的风险。
[0023] 在一个实施例中,使得所述连接件处于联接状态中并且准备好使用的旋拧扭矩小于94907Nm,优选地67725.5Nm,这对应于英制的70000英尺磅,优选地50000英尺磅。
[0024] 在一个实施例中,外阳螺纹在大直径端部处逐渐消失。连接件的效率较高。
[0025] 在一个实施例中,内阳螺纹在大直径端部处逐渐消失。连接件的效率较高。
[0026] 在一个实施例中,外阳螺纹包括承载牙侧,所述承载牙侧相对于径向平面的倾介于﹣1°至﹣15°之间,优选地介于﹣5°至﹣8°之间。至少1°的绝对值表示获得径向内聚力的增益。
[0027] 在一个实施例中,外阳螺纹包括插入牙侧,所述插入牙侧相对于径向平面的倾角介于+1°至+15°之间,优选地介于+5°至+8°之间。至少1°的绝对值表示获得径向内聚力的增益。
[0028] 在一个实施例中,阳轴向抵接表面相对于径向平面成介于0°至30°的角度。
[0029] 在一个实施例中,第一管状部件具有大于230mm的标称外径。
[0030] 在一个实施例中,阴螺纹元件的外径小于第二管状部件的外径的110%、优选地103%。
[0031] 在一个实施例中,螺纹具有锥度,所述锥度介于5%至20%之间。上紧快速。
[0032] 在一个实施例中,阳螺纹元件包括唇部,所述唇部的厚度介于阳螺纹元件的标称厚度的15%至40%之间,优选地介于20%至35%之间。这个范围表示母线能够设置有高梯度并且能够获得高连接效率。唇部布置在内螺纹和阳轴向抵接表面之间。唇部承载第二阳密封表面。
[0033] 在一个实施例中,连接件的效率就“半齐平”连接件(即,连接件的外径比管的标称直径大1.5%至5%)而言大于80%,优选地大于85%。
[0034] 在一个实施例中,连接件的效率就“齐平”连接件(即,连接件的外径等于管的标称直径,允许公差)而言大于60%,优选地大于65%。
[0035] 在一个示例中,连接件形成套管柱的一部分。
[0036] 在一个实施例中,阳螺纹的螺距介于5mm至20mm之间。螺距可以等于8.466mm。
[0037] 在一个实施例中,第一管状部件设置有两个阳螺纹元件,第二管状部件设置有两个阴螺纹元件。
[0038] 在另一个实施例中,第一管状部件包括所述阳螺纹元件和布置在另一个端部处的阴螺纹元件。附图说明
[0039] 将从在附图中图解的以非限制性示例方式的实施例的以下详细描述中更好地理解本发明,在附图中:
[0040] 图1是根据本发明的一个方面的螺纹连接件的纵向截面图的示意图;
[0041] 图2是图1的细节图,示出了螺纹;
[0042] 图3是第一密封件的细节图;
[0043] 图4是在旋拧期间的第二密封件的细节图;
[0044] 图5是在联接状态中的第二密封件的细节图;
[0045] 图6是简图,示出了在第一和第二密封表面上对于本发明的连接件和比较连接件而言当由沿着横坐标的连接件承受的负荷改变时在纵坐标上的接触表面;
[0046] 图7是对应于图6的简图,其在纵坐标上示出了第一和第二密封表面的接触长度;并且
[0047] 图8是负荷/压力图。
[0048] 附图不仅仅用于阐明本发明,而且还根据需要有助于其限定。

具体实施方式

[0049] 为了改进连接件,本申请人研发了称为优质连接件的高质量连接件,超过API标准。密封表面可以设置在螺纹区域附近,所述表面在旋拧部件期间干涉接触。
[0050] 螺纹区域设置在管状阳部件和阴部件中的每一个的端部处。管状阴部件可以是大长度管或者相反地为短联接式管。需要在高压下密封流体(液体或者气体),从而针对给定螺纹连接件,使得密封表面或者区域相互径向干涉接触。径向干涉配合的强度是阳螺纹区域和阴螺纹区域的相对轴向位置的函数,通过使得分别设置在阳端部和阴端部上的抵接表面接触来确定所述相对位置。使得抵接件接触而导致相对定位。抵接表面设置在连接件的内侧上。抵接表面位于孔附近。阳端部在其外周上包括螺纹区域,密封表面自身延伸螺纹区域,终止于抵接表面中的终端部分延伸所述密封表面自身。阴端部在其内周上包括螺纹区域,由密封表面延伸所述螺纹区域。
[0051] 本申请人具体关注大直径螺纹连接件,尤其是用于套管的螺纹连接件。这种类型的连接件有时承受强拉紧和压缩负荷。因此,期望的是在拉紧和压缩条件下连接件的高性能。实际上,当拉紧力过大时,脱离现象致使螺纹相互分离,这导致连接件的两个部件分离。从技术和成本的角度来看,结果尤为不利。这在螺纹具有圆锥母线的情况中尤为突出,一个螺纹的跳接能够导致连接件完全分离开。
[0052] 此外,本申请人发现,使得连接件投入使用,即,使其处于准备就绪的联接状态中所需的旋拧扭矩随着管状部件的标称直径增加而增加。然而,具有很高扭矩的旋拧机在全球范围内相对罕见,这是因为它们使用和运输笨重昂贵而且耗费时间。对于大直径部件而言,获得低的旋拧上紧扭矩表示能够利用更通用且容易获得的旋拧机上紧。急需在控制旋拧扭矩、拉紧和压缩条件下的内压性能和外压性能的方面的改进。
[0053] 如图1所示,螺纹管状连接件1包括阳螺纹元件2和阴螺纹元件3。阳螺纹元件2和/或阴螺纹元件3可以属于长度为若干米的管,例如,长度为大约10米至15米的管。其端部中的一个(通常为阴螺纹元件)可以构成联接件的端部,换言之,能够用于连接两根大长度管的短长度管均设置有两个阳端部(螺纹和联接,T&C连接件)。联接件可以设置有两个阴端部。在变型中,大长度管可以设置有阳端部和阴端部,以通过一体螺纹连接形成连接件。连接件1是大批量生产类型。
[0054] 连接件1可以用于构成油气井的套管柱。一旦阳螺纹元件和阴螺纹元件已经施加设想的旋拧扭矩进行连接,连接件1就准备就绪。
[0055] 根据使用情况,管可以制成为不同类型的非合金钢、低合金钢或者高合金钢,或者甚至为合金或者非铁合金,这些管基于它们的使用情况等进行热处理或者加工硬化,使用情况的示例有:机械负荷的平、管内侧或者外侧的流体的腐蚀性等。还能够使用钢管,钢管具有低抗腐蚀性并且涂覆有保护涂层,例如由耐腐蚀合金或者合成材料形成的涂层。
[0056] 术语“旋拧”指的是使一个部件相对于另一个部件相对旋转和平移而使得螺纹区域相互啮合的操作。术语“上紧”指的是继旋拧之后继续相对旋转和平移从而在两个部件之间产生给定上紧扭矩的操作。相对于径向平面(在与牙底相连的倒圆半径的高度处穿过牙侧的基部)沿着顺时针方向测量牙侧角度。
[0057] 具有自螺纹的连接件不能满足这类需要,所述自锁螺纹的连接件的螺纹满足螺纹的传统功能以及轴向抵接的功能。这种类型的连接件需要非常高的扭矩,而与此同时对于磨损敏感并且具有精细的密封。实际上,机加工螺纹在实际上啮合的螺纹的整个长度上产生了摩擦,所述机加工螺纹的承载牙侧和插入牙侧同时与自身互补的螺纹的互补牙侧干涉。而且,螺纹的制造公差意味着不能确保将阳元件非常正确地定位在阴元件中。阳元件和阴元件的相对轴向定位存在不确定性,这种不确定性能够导致密封表面的密封件发生故障。而且,特别地由于螺纹牙顶和螺纹牙底之间所需的间隙而导致产生流体能够在其中前进的径向空间,因此这种类型的连接件不能通过螺纹自身提供令人满意的高密封度。
[0058] 如图1所示,阳螺纹元件2布置在第一管状部件的端部处。第一管状部件还包括本体6,所述本体6在其长度上具有基本恒定的内径和外径。本体6和阳螺纹元件2成一体(通过轧制、增厚或者焊接)。阳螺纹元件2具有孔4。孔4与本体6可以是常见的。还可以轧制、可选地涂覆孔4。通常,孔4不是机加工的。第一管状部件的本体6设置有外轧制表面。阳螺纹元件2在孔4和本体6的外表面之间机加工(至少大部分)。第一和第二管状部件准备好使用,其中,它们的最终外径在其使用期间保持基本不变。由于阳元件/阴元件的干涉而在承载表面或者螺纹的区域中外径可以略微增加。这种增加保持很小,最大增加大约0.2mm至0.3mm。
[0059] 阳螺纹元件2包括布置在本体6附近的外阳螺纹8。外阳螺纹8设置有一个或者两个螺纹。下文描述内容能够应用于单螺纹型式和多螺纹型式,特别地已知为“双头螺纹”型式的双螺纹型式。外阳螺纹8遵循圆锥母线,所述圆锥母线优选地具有范围为5%至20%的梯度。优选的范围为8.33%至20%。外阳螺纹8设置有燕尾螺纹。螺纹在接近螺纹牙顶处具有最大宽度而在远离螺纹牙顶处具有最小宽度。最小宽度大体位于螺纹谷部附近。除了齿根圆角半径之外,螺纹可以具有梯形轮廓,所述梯形轮廓具有由螺纹牙顶形成的长底。梯形可以为等腰梯形。外阳螺纹8在本体6附近包括全螺纹和不完全螺纹或者逐渐消失的螺纹。逐渐消失的螺纹减小了连接件的体积。外阳螺纹8朝向本体6具有渐增的齿宽度而朝向本体6具有逐渐减小的谷宽度。外阳螺纹8具有在本体6的附近的大直径端部和与大直径端部相对的小直径端部。
[0060] 阳螺纹元件2包括内阳螺纹10。之所以说第二阳螺纹10处于内部是因为第二阳螺纹10的直径小于第一阳螺纹8的直径。内阳螺纹10因此朝向连接件的内部定位。内阳螺纹10在这种情况中沿着连接件的轴线的长度大于外阳螺纹8的长度。在优选实施例中,内阳螺纹10的几何结构与外阳螺纹8的几何结构在锥度、螺纹高度、承载牙侧角、插入牙侧角和螺距变化上相同。内阳螺纹10在其小直径区域中具有全螺纹而在最接近外阳螺纹8的其大直径区域中具有不完全螺纹。内阳螺纹10的母线与外阳螺纹8的母线相同。阳螺纹10的母线角度与外阳螺纹8的母线角度相同。
[0061] 在外阳螺纹8和内阳螺纹10之间,阳螺纹元件2包括第一阳外周表面14,见图3。第一阳外表面14是环形。通常,第一阳外表面14轴向布置在一区域中,在所述区域中,阳螺纹元件2的厚度大于或者等于在本体6的附近中获得的其最大厚度的50%。
[0062] 从外阳螺纹8至内阳螺纹10,第一阳外周表面14具有第一斜坡14a,所述第一斜坡14a从外阳螺纹8的具有最小直径的谷部延伸。第一斜坡14a形成外阳螺纹8的攻部,第一齿从所述攻部开始。第一斜坡14a可以具有范围为20°至50°的梯度。在沿着径向方向观察时第一斜坡14a的尺寸为大约0.1mm至3.0mm。第一外周面14包括第一圆柱部分14b。第一圆柱部分14b在此为第一斜坡14a的在第一斜坡14a的小直径一侧上的与外阳螺纹8相对的延伸部。
第一外周表面14包括第二斜坡14c。第二斜坡14c为锥形。第二斜坡14c具有范围为10°至30°的梯度。第二斜坡14c在与第一斜坡14a相对侧上连接到第一圆柱部分14b。第一斜坡14a、第一圆柱部分14b和第二斜坡14c提供环形空间16,所述环形空间16能够根据需要收集多余润滑剂
[0063] 第一外周表面14包括阳密封表面12。阳密封表面12形成阳螺纹元件2的第一密封表面。阳密封表面12布置在阳螺纹元件2的一区域中,所述区域的径向厚度是最大厚度的50%至80%。第一阳密封表面12包括圆柱部分12a和凸出部分12b。在圆柱部分12a和凸出部分12b的接合部处、在所述接合部和孔4之间测量最大厚度。圆柱部分12a毗邻第二斜坡14c。
凸出部分12b远离第二斜坡14c。在圆柱部分12a和凸出部分12b之间测量阳密封表面12。
[0064] 第一阳密封表面12在与第一圆柱表面14b相对的侧部上连接到第二斜坡14c。第一阳密封表面12连接到第二斜坡14c的大直径端部。这个情况中的凸出部分12b具有拱形状,例如,曲率半径范围是30mm至80mm。第一外周表面14包括第二圆柱部分14d,所述第二圆柱部分14d布置在第一阳密封表面12和内阳螺纹10之间。凸出部分12b连接到第二圆柱部分14d。第二圆柱部分14d轴向延伸大约3mm至25mm的距离。第二圆柱部分14d的直径等于内阳螺纹10的齿的最大直径。换言之,由所述直径限定内阳螺纹10的大直径齿的高度。至少最后的螺纹是不完全的。第一阳密封表面12设置成与阴螺纹元件3干涉。第二斜坡14c的大直径区域也可以与阴螺纹元件3干涉。
[0065] 超出与外阳螺纹8相对的侧部上的内阳螺纹10的端部,阳螺纹元件2包括第二外周表面26和阳轴向抵接表面20,所述阳轴向抵接表面20形成所述阳螺纹元件的终端部分。第二外周表面26形成唇部28的外包层,所述唇部28由孔4在相对侧部上界定。第二外周表面26包括圆柱部分26a,所述圆柱部分26a靠近内阳螺纹10的最小直径谷部。圆柱部分26a的直径略微小于内阳螺纹10的最小直径谷部的直径。
[0066] 第二外周表面26包括第二阳密封表面22,第二阳密封表面22在这种情况中形状为锥形,见图4。梯度范围可以是3°至10°。第二阳密封表面22沿着阳轴向抵接表面20的方向从圆柱部分26a延伸。第二阳密封表面22的沿着连接件的轴线的轴向尺寸范围是10mm至35mm。阳螺纹元件的第二外周表面26包括第二锥形表面26b和凸出表面26c,所述凸出表面26c布置在第二阳密封表面22和阳轴向抵接表面20之间。第二锥形表面26b的梯度大于第二阳密封表面22的梯度。第二锥形表面26b的梯度范围是10°至50°。凸出表面26c的梯度大于或者等于第二锥形表面26b的梯度。术语“梯度”在此使用时表示相对于阳螺纹元件的轴线的倾角。在此凸出表面26c具有范围是0.25mm至1.5mm,优选0.5mm至1.0mm的曲率半径。第二密封表面22设置成与阴螺纹元件3产生干涉配合。
[0067] 形成阳螺纹元件的鼻部的阳轴向抵接表面20具有相对于径向平面的角度,所述角度范围是0°至30°(包括端值)。优选地,所述角度范围是10°至30°。在图1的示例中,所述角度等于15°。阳轴向抵接表面20连接到阳螺纹元件2的孔4。
[0068] 阴螺纹元件3包括外阴螺纹9,所述外阴螺纹9在联接状态中与外阳螺纹8啮合。外阴螺纹9可以延伸到紧邻阴螺纹元件3的终端表面3a(在这种状况中是径向的)附近。终端表面3a在上紧状态中是自由的。阴螺纹元件3还包括内阴螺纹11,所述内阴螺纹11在联接状态中,特别地在图1示出的位置中与内阳螺纹10啮合时配合。外阴螺纹9的螺纹是全螺纹。内阴螺纹11的螺纹是全螺纹。在外阴螺纹9和内阴螺纹11之间,阴螺纹元件3包括内周表面15。
[0069] 内周表面15是环形。内周表面15包括第一圆柱部分15a,所述第一圆柱部分15a沿着与终端表面3a相反的方向延伸外阴螺纹9。第一圆柱部分15a径向布置成至少部分面向阳螺纹元件2的外周表面14的第一圆柱部分14b。阴螺纹元件的第一圆柱部分15a和阳螺纹元件的第一圆柱部分14b分离开一径向距离,从而避免干涉,允许制造公差而且形成所述空间16。阴螺纹元件3的第一圆柱部分15a在大于阳螺纹元件2的第一圆柱部分14b的距离上轴向延伸。阴螺纹元件3的第一圆柱部分15a还在阴螺纹9的最小直径螺纹牙顶的延伸部中延伸。
第一圆柱部分15a可以与外阳螺纹8的最小直径谷部干涉接触或者与所述最小直径谷部相距非常小的距离。第一圆柱部分15a还径向面向斜坡14a,所述斜坡14a布置在外阳螺纹8的最小直径谷部和第一圆柱部分14b之间。
[0070] 见图3,阴螺纹元件3的内周表面15包括第一阴密封表面13,所述第一阴密封表面13布置在与外阴螺纹9和内阴螺纹11间隔开一定距离的位置处。第一阴密封表面13位于第一圆柱部分15a的延伸部中。第一阴密封表面13具有中央锥形部分13a。圆锥角的范围可以是1°至20°。第一阴密封表面13包括第一拱形表面13b,所述第一拱形表面13b布置在第一圆柱部分15a和中央部分13a之间。第一拱形表面13b具有范围是1mm至30mm的半径。
[0071] 第一阴密封表面13包括第二拱形表面13c,所述第二拱形表面13c布置在中央部分13a和第二圆柱部分15b之间。第二拱形表面13c具有范围是1mm至15mm的半径。中央部分13a具有与外阴螺纹9相对的最小直径。在如图1所示的连接件的联接状态中,第一阴密封表面
13与具有倒圆凸出状的第一阳密封表面12形成强直径干涉。密封件是“圆锥上环面”密封件。第一阴密封表面13布置在阴螺纹元件3的一区域中,所述区域的径向厚度范围是阳螺纹元件2的最大厚度的20%至50%。在中央部分13a和第二拱形表面13c之间的接合点处,在所述接合部和外表面7之间测量最大厚度。在中央部分13a和第二拱形表面13c之间的接合点处测量第一阴密封表面13的径向厚度。
[0072] 阴螺纹元件3的内周表面15包括第二圆柱部分15b。第二圆柱部分15b布置成面向阳螺纹元件2的外周表面14的第二圆柱部分14d。第二圆柱部分15b在2mm至25mm的长度上延伸。在第二圆柱部分14d和第二圆柱部分15b之间形成了间隙17。第二圆柱部分15b连接到内阴螺纹11的具有最大直径的谷部。
[0073] 阴密封表面23形成阴螺纹元件3的第二密封表面。阴密封表面23和阳密封表面22形成“圆锥上圆锥”密封件。
[0074] 在内阴螺纹11的另一个端部处,见图4,阴螺纹元件3包括设置有阴密封表面23的第二内周表面27。第二内周表面27包括圆柱部分27a,所述圆柱部分27a的直径略微大于阳螺纹元件2的第二外周表面26的对应第一圆柱部分26a的直径。所述圆柱部分27a布置在内阴螺纹11的最后齿的具有最小直径的牙顶的延伸部中。第二阴密封表面23延伸与内阴螺纹11相对的所述圆柱部分27a。超出第二阴密封表面23,第二内周表面27包括倒圆中空部27b。
中空部27b的直径在联接状态中大于阳螺纹元件2的第二外周表面26的凸出部分26c的直径。在非联接状态中,中空部27b的直径可大于凸出部分26c的直径。
[0075] 第二阴密封表面23具有第一锥形部分23a、第二锥形部分23b和第三锥形部分23c。在此,第一锥形部分具有范围是5°至25°的半角。第一锥形部分23a占据第二阴密封表面23的长度的大于15%。第一锥形部分23a连接到圆柱部分27a。第二锥形部分23b布置在第一锥形部分23a和第三锥形部分23c之间。第二锥形部分23b的梯度范围是3°至15°。第二锥形部分23b的梯度小于第一锥形部分23a的梯度。第三锥形部分23c连接到中空部27b。第三锥形部分23c的梯度范围是15°至35°。第三锥形部分23c的梯度大于第二锥形部分23b的梯度。第三锥形部分23c在联接状态中与第二锥形表面26b产生了干涉配合。
[0076] 阴螺纹元件3包括阴轴向抵接表面21,所述阴轴向抵接表面21布置在第二内周表面27和所述阴螺纹元件3的孔5之间。更加精确地,阴轴向抵接表面21布置在中空部27b和孔5之间。阴轴向抵接表面21的方向与阳轴向抵接表面20的方向基本类似(在本情况中相同)。
[0077] 在图1和图5示出的联接状态中,外阴螺纹9和外阳螺纹8啮合。内阴螺纹11和内阳螺纹10啮合。第一阳密封表面12和第一阴密封表面13径向干涉,从而提供了至少针对液体或者甚至在需要时针对气体的密封。第二阳密封表面22和第二阴密封表面23径向干涉,从而提供了至少针对液体或者甚至针对气体的密封。阳轴向抵接表面20和阴轴向抵接表面21相互支承。轴向抵接件的支承确保相对于阴螺纹元件3精确以及可重复地定位阳螺纹元件2。在示出的实施例中,阳轴向抵接表面20是环形并且阴轴向抵接表面21是环形。阳轴向抵接表面和阴轴向抵接表面是唯一的。
[0078] 第二内周表面27的中空部27b与阳螺纹元件2间隔开。更加精确地,中空部27b与阳螺纹元件2的第二外周表面26的凸出表面26c间隔开。形成在中空部27b和凸出表面26c之间的环形空间18意味着能够收集过量的润滑剂。环形空间18能够用于确保实际在阳抵接表面20和阴抵接表面21上执行抵接接触。环形空间18能够用于避免在凸出表面26c和阳轴向抵接表面20之间的接合部处抵接。环形空间18能够用于避免在第三锥形部分23c和阴轴向抵接表面21之间的接合部处抵接,这可能在没有倒圆中空部27b的情况中发生。
[0079] 第二锥形表面26b与第二阴密封表面23的第三锥形部分23c接触或者略微干涉。
[0080] 在图4中,在图5中示出的连接位置之前,在旋拧期间的状态中示出连接件。阳轴向抵接表面20和阴轴向抵接表面21分离开数毫米。图4示出了处于理论状况中的连接件,其中没有考虑两个密封表面22和23相互作用。第二密封表面22和23之间的干涉是理论性的,并且大于真实干涉。这由以下事实来阐释:在图4中孔4的直径略微大于孔5的直径。相反,在表示真实连接状态的图5中,孔4的直径小于孔5的直径数毫米。两个密封表面22和23相互作用致使唇部28径向向内移动。实际上,唇部28的径向厚度远远小于第二阴密封表面23的区域中的螺纹元件3的径向厚度。因此在旋拧结束之前不久,唇部28比阴螺纹元件的对应部分更易于变形。
[0081] 两个密封表面22和23接触唇部28并且唇部28在弹性变形区域中略微向内变形。在旋拧结束时,阳轴向抵接件20和阴轴向抵接件21抵接接触,并且由于它们的梯度而趋于使得径向朝向唇部28的内部的略微弹性变形变得稳定。
[0082] 图2更加详细地示出了外阳螺纹8和外阴螺纹9。内阳螺纹10和内阴螺纹11可以采用相同形状和相同的特征。外阳螺纹8具有锥形母线,所述锥形母线的梯度范围是5%至20%,例如等于15%。外阳螺纹8包括齿8a和谷部8b。外阳螺纹8的螺距范围可以是5mm至
20mm,例如等于8.466mm。外阳螺纹8具有插入牙侧8c和承载牙侧8d。插入牙侧8c的倾角范围是+1°至+15°,例如是+5°至+8°。承载牙侧8d相对于径向平面的倾角范围是﹣1°至15°,例如是﹣5°至﹣8°。因此,齿8a在靠近其牙顶的区域中的宽度高于靠近谷部8b的区域中的宽度。外阳螺纹8是燕尾螺纹。
[0083] 外阴螺纹9是燕尾螺纹。外阴螺纹9包括具有插入牙侧9c和承载牙侧9d的齿9a和谷部9b。与谷部9b附近相比,齿9a在其牙顶附近更宽。齿9a的牙顶基本平行于连接件的轴线。谷部9b的牙底基本平行于连接件的轴线。齿8a的牙顶基本平行于连接件的轴线。谷部8b的牙底基本平行于连接件的轴线。插入牙侧9c的倾角范围是+1°至+15°,例如是+5°至+8°。承载牙侧9d相对于径向平面的倾角范围是﹣1°至﹣15°,例如是﹣5°至﹣8°。
[0084] 在示出的实施例中,齿9a和谷部8b在图2示出的联接状态中径向干涉。所述径向干涉足够小以避免螺纹塑性变形。齿8a和谷部9b分离开。齿8a和谷部9b之间的表示螺纹径向间隙的距离介于0.050mm至0.500mm之间,例如介于0.050mm至0.400mm之间。在联接状态中,外阳螺纹8的插入牙侧8c和外阴螺纹9的插入牙侧9c分离开。表示轴向螺纹间隙的它们分离开的距离TAG介于0.002mm至1.000mm之间,例如介于0.002mm至0.400mm之间。在联接状态中,外阳螺纹8的承载牙侧8d和外阴螺纹9的承载牙侧9d相互支承,特别地由于抵接表面20和21相互作用。如上所述,内阳螺纹10和内阴螺纹11可以采用相同形状。优选地,内螺纹10和11具有插入牙侧和承载牙侧,所述插入牙侧和承载牙侧最多以外螺纹8和9的插入牙侧和承载牙侧的倾角倾斜。
[0085] 在变型中,内螺纹10和11的插入牙侧和承载牙侧可以径向定向,这能够增加拉紧性能。
[0086] 在另一个变型中,内螺纹10和11的插入牙侧是径向,而内螺纹10和11的承载牙侧的倾角与外螺纹8和9的承载牙侧的倾角基本相同。内螺纹10和11的螺距等于外螺纹8和9的螺距。
[0087] 外螺纹8和9具有连续可变的宽度。每的螺纹宽度变化可以介于0.1mm至1mm之间。
[0088] 通过选择内螺纹和外螺纹的插入牙侧和承载牙侧的母线梯度和角度,确定必须完成以获得联接状态的匝数。清楚地,插入牙侧和承载牙侧的定向使得在开始旋拧期间,阳螺纹或者阴螺纹的齿的最宽部分进入到阴螺纹或者阳螺纹的对应谷部的最窄部分中。
[0089] 图6图解了由第二密封表面形成的内密封件和由第一密封表面形成的中央密封件的接触表面的变化。在此通过比较的方式使用参照连接件,所述参照连接件与本发明的连接件的主要区别在于螺纹部分的数量。实际上,参照连接件具有仅仅一级并且密封表面的抵抗外部压力的位置位于本发明的两个螺纹部分之间或者在靠近参照连接件上的本体6的外表面的外侧上。轴向抵接件在本发明中靠近孔5,并且在参照连接件上位于靠近本体6的外表面的外侧。在压力和轴向力变化的步骤中实施接触表面测试。第一步骤对应于连接状态,所述连接状态在连接件的内部和外部之间具有相等压力并且具有零拉紧/压缩负荷。第二步骤保持相等压力,并且在连接件的100%的标称拉紧——弹性限值或者LEC——即,54865kN(12346千磅)下实施。第三步骤相对于565370kPa(82kpsi)的标称压力施加标称拉紧负荷的100%和内压的50%。第四步骤施加100%的标称拉紧负荷和100%的标称内压。第五步骤施加80%的标称拉紧负荷并且内压为689476kPa(100kpsi)。第六步骤施加
751528kPa(109kpsi)的最大内压和由这个压力导致产生的拉紧(端部堵塞),即,24757kN(5571千磅)。第七步骤对应于没有拉紧/压缩负荷的682581kPa(99kpsi)的内压。第八步骤施加33.3%的标称压缩负荷并且内压为标称值的100%。第九步骤施加66.7%的标称压缩负荷并且内压为358527kPa(52kpsi)。第十步骤施加100%的标称压缩负荷,即,﹣54865kN(﹣
12346千磅)以及为0的内压。第十一步骤没有施加负荷。第十二步骤在0压力下施加100%的标称值的压缩。第十三步骤施加100%的标称值的压缩和零压力。第十四步骤施加50%的标称值的压缩和427475kPa(62kpsi)的外压。在不存在压缩/拉紧负荷的条件下,第十五步骤施加﹣427475kPa(﹣62kpsi)的纯外压。第十六步骤在25%的标称值下施加拉紧负荷和
199948kPa(29kpsi)的外压。第十七步骤在不存在内压或者外压的情况下施加50%标称值的拉紧负荷。第十八步骤既没有施加压力负荷也没有施加拉紧/压缩负荷。第十九步骤在不存在压差的情况下施加100%标称值的拉紧。第二十步骤施加100%的标称值的拉紧负荷和
50%的标称值的内压。第二十一步骤施加100%标称值的拉紧负荷和100%标称值的内压。
第二十二步骤施加80%的标称值的拉紧负荷和100psi的内压。第二十三步骤施加最大内压和由这个压力产生的拉紧(端部堵塞)。第二十四步骤施加751528kPa(109kpsi)的内压和
5571kpsi的拉紧负荷。第二十五步骤施加33.3%标称值的压缩负荷和100%标称值的内压。
第二十六步骤施加66.7%标称值的压缩负荷和358527kPa(52kpsi)的内压。第二十七步骤在不存在压差的情况下施加100%标称值的压缩负荷。最后的第二十八步骤对应于不存在压差和拉紧或者压缩负荷的情况。在图8中示出了这些步骤,所述图8示出了载荷点。这些点循环若干次,遵循装载周期。相同的点被经过若干次。因此,较之图8中的承载点在图6和图7中存在更多的步骤。
[0090] 对应于本发明的连接件的密封件和用于比较的连接件的相应视图示出了在大部分情况中性能均得以显著提高,特别是在比较连接件提供了有限性能的情况下。举例说明,在步骤1中,内密封件的接触表面的优良性是比较连接件的表面的大约4倍。中央密封件提供的表面接触是由比较连接件提供的表面接触的大约3倍。在单纯拉紧的作用下,对应于第二步骤,本发明的连接件的内密封件的接触表面是参照连接件的接触表面的三倍。中央密封件提供的接触表面是由本发明的连接件的外密封件提供的接触表面的大约6倍。在第四和第五步骤中,内密封件的接触表面与参照连接件的接触表面相当,并且相比而言本发明的连接件的中央密封件的接触表面是由参照连接件的外密封件提供的接触表面的三倍至四倍。这与仅仅施加内压的步骤基本相同。换言之,通过本发明的中央密封件提高了在没有压缩或者拉紧负荷的情况中的承受高内压的本发明的连接件的性能,原因在于其防止内承载表面免受外压的影响。在高内压和压缩负荷作用下的本发明的连接件的性能大幅提高。
[0091] 在施加压缩的步骤中,特别地在步骤8、9、10、12、13、14、25和26中,内密封件的接触能量提高到1.4倍至6倍,即,增加了40%至500%。最终,由本发明的连接件的内密封件提供的最小接触能量超过参照连接件的内密封件提供的最小接触能量的三倍。本发明连接件的中央密封件的接触能量在2D投影时高于400Nmm﹣1,而参照连接件的外密封件的接触能量可以在拉紧负荷下或不存在负荷的条件下具有非常低的值。
[0092] 在图7中,使用相同模型和相同步骤构造的简图展示了本发明的连接件和参照连接件的内密封件的以毫米为单位的接触长度、以及本发明的连接件的中央密封件和参照连接件的外密封件在顶部和底部处的以毫米为单位的接触长度。本发明的连接件的内密封件的密封接触长度通常在大部分步骤中远远高于参照连接件的密封接触长度,尤其是在纯粹拉紧情况、内压为标称值的0%至50%、在有内压或者没有内压的压缩情况中、在有外压压缩或者没有外压压缩的情况中、在不存在拉紧/压缩时仅仅外部压力作用下、在利用介于标称值的0%至50%的外压中等强度拉紧的作用下。在仅仅压缩的情况中所获得效果尤为显著,其中,密封接触长度增加到4倍或者5倍。在100%压缩以及100%外部压力的作用下性能也很显著,其中,接触长度增加到超过4倍。内部密封件的接触长度的最小值相对于参照连接件增加了大于100%。
[0093] 针对其他密封件、根据本发明的中央密封件和用于参照连接件的外部密封件,与参考连接件相比,接触长度也大大增加,其中,不考虑测试情况的最小长度基本等于内密封件的最小长度,而针对参照连接件的最小长度接近0。因此针对具有内压、单纯内压、不存在负荷、100%标称拉紧和内压介于0至100%的条件下的拉紧情况,中央密封件的性能提高了多于100%。对于在三分之一和三分之二的标称和内部压力条件下的压缩情况,性能大幅提升。
[0094] 压缩具有能够破坏密封表面的作用。在测试期间,检测泄露,尤其是在拉紧条件下检测泄露。
[0095] 作为示例,本发明的连接件的旋拧扭矩针对365.27mm的最大直径等于90000Nm。发现中央密封件不受压力方向的影响针对拉紧负荷特别稳定。外密封件不受压力方向的影响在压缩条件下高度稳定,并且不受拉紧/压缩负荷的影响在没有内部压力的条件下高度稳定。
[0096] 示出的密封件为“圆锥上环面”类型。“环面上环面”类型密封件构成变型方案。“圆锥上圆锥”密封件构成了变型方案。
[0097] 因此,已经示出了双螺纹连接件、内螺纹密封表面、内密封表面、与外燕尾螺纹型螺纹抵接的内轴向抵接件,以关于在内压/外压周期和拉紧/压缩周期的行为提供了特别好的性能,所述外燕尾螺纹型螺纹具有可变宽度、插入牙侧和与第一阴密封表面成直角的针对阴螺纹元件所选的厚度,所述插入牙侧在联接状态中没有接触,所述厚度介于阳螺纹元件的标称厚度的20%至50%之间。
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