專利名稱：管用螺紋接頭的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及管用螺紋接頭(threaded joint for pipe),詳細地說,涉及適用于一般在油井、氣井的勘探、生產中使用的包含管材(tubing)和殼體的OCTG(石油專用管材)、豎管(riser pipe)、以及管線用管(line pipe)等管的連接的、密封性和耐壓縮性優(yōu)異的管用螺紋接頭。
背景技術：
螺紋接頭廣泛應用于油井管等在油以及氣的生產中使用的鋼管的連接。在油、氣的勘探、生產中使用的鋼管的連接中，以往使用API (American Petroleum Institue :美國石油協(xié)會)規(guī)格規(guī)定的標準的螺紋接頭。但是，近年來，原油、天然氣的井逐漸深井化，從垂 直井增加了水平井、傾斜井，挖掘/生產環(huán)境苛刻化。并且，因海洋、極地等惡劣環(huán)境下的井的開發(fā)增加等，耐壓縮性能、耐彎曲性能、耐外壓性能等對于螺紋接頭的要求性能多樣化。因此，使用被稱作高級接頭(premium joint)的高性能的特殊螺紋接頭的情況增加。高級接頭通常是將分別具備錐形螺紋、密封部(詳細地說是金屬對金屬密封部、臺肩部(詳細地說是扭矩臺肩部)的銷部件(pin component)和套筒部件(box component)結合在一起的接頭。為了對管接頭牢固地進行固定，錐形螺紋是重要的，密封部通過套筒部件和銷部件在該部分金屬接觸而承擔確保密封性的作用，臺肩部是在接頭的緊固中承擔橋臺(abutment)的作用的支承面。圖2 圖4是油井管用高級接頭的示意說明圖，這些圖是圓管的螺紋接頭的縱剖視圖。螺紋接頭具備銷部件3和與之對應的套筒部件1，銷部件3(銷3)在其外表面具備外螺紋7和在銷3的前端側與外螺紋7鄰接設置的被稱作頭部8 (銷尖8)的無螺紋部。頭部8在其外周面具有密封部11，在端面具有扭矩臺肩部12。相對的套筒部件I在其內表面具有能夠分別與銷3的外螺紋7、密封部11、以及臺肩部12螺合或者接觸的部分，即內螺紋
5、密封部13、以及臺肩部14。關于上述高級接頭的現有技術能夠舉出專利文獻I 6。[專利文獻I]日本特許第4535064號公報[專利文獻2]日本特許第4208192號公報[專利文獻3]日本實公昭61-44068號公報[專利文獻4]日本特許第4300187號公報[專利文獻5]日本特開2001-124253號公報[專利文獻6]日本特許第2705506號公報在圖2 圖4的例子中，金屬對金屬密封部位于銷尖(pin nose) 8的前端部，但是，在專利文獻I中，為了增加耐外壓性能，提出有如下的高級接頭將金屬對金屬密封部設置在銷尖8的螺紋部附近，并使頭部從密封部直到臺肩部較長地延伸。在該專利文獻I所公開的螺紋接頭中構成為，使不與套筒部件接觸的銷尖以形成與密封部不連續(xù)的形狀的方式較長地延伸，以免銷尖的厚度變薄，除了能夠實現上述的耐外壓性能之外，還能夠實現耐軸向壓縮性能的提高。并且，在專利文獻2中記載有同樣地從密封部到銷尖前端設置由附件(appendix)形成的、且具有與密封部不連續(xù)的形狀的部位，確保半徑方向的剛性并降低軸向的剛性，當緊固時使該附件變形，當施以拉力的載荷時使該附件恢復，由此來提高耐拉伸性能。如上述專利文獻1、2所記載的那樣，將密封部位置設置在銷的螺紋部位置附近、并使其從銷尖前端離開的情況，在提高耐外壓性能、耐拉伸性能，并且相對于螺紋維持穩(wěn)定的性能的方面是有效的，這從FEM仿真等也能夠確認。并且，對于形成為與密封部不連續(xù)的形狀的銷尖，當加載強軸向壓縮力的情況下，銷尖自身變形，具有使套筒部件的扭矩臺肩部塑性變形減輕的效果。但是，另一方面，存在銷頭不當的變形的情況，考慮這依賴于緊固扭矩。由于緊固扭矩會受潤滑條件、表面性狀等影響，因此，作為與緊固扭矩無較大依賴關系的設計，存在相對地增強了密封接觸壓力的半徑方向分量的、增強了半徑方向的密封 接觸壓力的半徑方向密封方式。例如，在專利文獻3中公開了如下的半徑方向密封方式的例子使銷尖具有大的圓弧形狀，并縮小密封錐角。但是，這樣縮小密封錐角的半徑方向密封方式的問題點在于，當緊固時容易發(fā)生機械損傷(galling)這點，特別是在為了確保密封性能以及密封的穩(wěn)定性而需要使密封干涉量大的情況下，機械損傷的發(fā)生的容易度進一步增大。在專利文獻4中，為了解決上述的問題，將環(huán)狀密封面的半徑規(guī)定得較大，由此來增大密封接觸區(qū)域，從而使接觸壓力下降。該對策是有效的，能夠大幅減輕金屬對金屬密封部的機械損傷的危險。但是，由于采用大的圓弧而使接觸壓力下降，在因某些細微的故障而產生接觸壓力的下降、在金屬對金屬密封部形成微小的泄漏通道(leak path)的情況下，存在泄漏不易停止的問題。并且，由于是較大的圓弧，因此在物理上難以使金屬對金屬密封部從頭前端離開，在確保金屬對金屬密封部與銷尖前端的長度在一定程度以上的情況下，會導致銷尖前端的厚度過小。關于耐軸向壓縮性性能，如專利文獻5、專利文獻6所記載的那樣，縮小螺紋部處的入扣齒側(stab flank)的間隙的方法是有效的。但是，在該間隙過小的情況下，容易在螺紋部產生機械損傷，因此需要形成適當的間隙。

實用新型內容如以上說明了的那樣，在以往提出的螺紋接頭中，尚存某些問題，為了充分地應對上述的耐壓縮性能、耐彎曲性能、外壓密封性能等對于螺紋接頭的要求性能的多樣化，存在進一步改進的余地。本實用新型是鑒于這種情形而完成的，其目的在于提供一種能夠提高密封性、耐壓縮性、進一步提高耐機械損傷性的管用螺紋接頭。為了找到用于解決上述的課題的方法，實用新型人重復進行了專心研究，達成了形成以下的要點結構的本實用新型。即，本實用新型如下所述。(I) 一種管用螺紋接頭，其特征在于，上述管用螺紋接頭具有銷部件，該銷部件具有外螺紋部；頭部，該頭部延伸至比該外螺紋部靠管端側的位置；以及臺肩部，該臺肩部設置于該頭部的前端；以及套筒部件，該套筒部件具有內螺紋部，該內螺紋部與上述外螺紋部螺紋結合；與上述銷部件的頭部外周面相對的內周面；以及與上述銷部件的臺肩部抵接的臺肩部，上述銷部件和套筒部件借助上述螺紋結合而結合在一起，銷部件的頭部外周面與套筒部件的上述內周面形成金屬對金屬接觸，其接觸界面形成密封面，其中，上述銷部件的頭部外周面形成為在銷部件的軸向剖視圖中朝外側凸出的凸狀的曲線，該凸狀的曲線形成為如下的曲線形狀依次連接朝外側凸出的凸狀的多個圓弧而形成復合圓弧曲線，上述多個圓弧具有不同于與外螺紋部鄰接的圓筒形狀部的母線的曲率半徑，使該復合圓弧曲線隨著從外螺紋部遠離而圓弧的曲率半徑R變大，并且，圓弧的連接點上的切線與連接對象的圓弧的連接點上的切線一致，上述套筒部件的上述內周面形成錐 面，在套筒部件與銷部件結合時，上述錐面與銷部件的頭部外周面干涉。(2)根據上述(I)所述的管用螺紋接頭，其特征在于，對于上述復合圓弧曲線內的各圓弧所成的角度，越是接近上述外螺紋部的圓弧所成的角度越大。(3)根據上述(I)或(2)所述的管用螺紋接頭，其特征在于，上述復合圓弧曲線內的上述連接點中的某一個成為上述錐面的接觸開始點。(4)根據上述(I) (3)中任一項所述的管用螺紋接頭，其特征在于，上述錐面相對于接頭的軸向所成的角度為10度以內。(5)根據上述(I) (4)中任一項所述的管用螺紋接頭，其特征在于，上述銷部件的頭部的長度為20mm以上。(6)根據上述(I) (5)中任一項所述的管用螺紋接頭，其特征在于，對于上述外螺紋部和上述內螺紋部，入扣齒側角度在0度 30度的范圍內。(7)根據上述(I) ￠)中任一項所述的管用螺紋接頭，其特征在于，對于上述外螺紋部和上述內螺紋部，載荷齒側角度在-5度 4度的范圍內。(8)根據上述(I) (7)中任一項所述的管用螺紋接頭，其特征在于，上述臺肩部的臺肩角度在0度 20度的范圍內。(9)根據上述(I) (8)中任一項所述的管用螺紋接頭，其特征在于，對于上述外螺紋部和上述內螺紋部，螺紋間隙在0.01 0. Imm的范圍內。(10)根據上述(I) (9)中任一項所述的管用螺紋接頭，其特征在于，代替依次連接多個圓弧而形成的復合圓弧曲線，形成經由直線或者長度為2. 5mm以下的線段依次連接多個圓弧而形成的復合圓弧曲線，上述多個圓弧具有不同于與外螺紋部鄰接的圓筒形狀部的母線的曲率半徑。(11)根據上述(I) (9)中任一項所述的管用螺紋接頭，其特征在于，代替依次連接多個圓弧而形成的復合圓弧曲線，形成經由長度為2. 5mm以下、半徑為250mm以上且為鄰接的圓弧的半徑的3倍以上的圓弧依次連接多個圓弧而形成的復合圓弧曲線，上述多個圓弧具有不同于與外螺紋部鄰接的圓筒形狀部的母線的曲率半徑。根據本實用新型，能夠得到密封性、耐壓縮性、耐機械損傷性提高了的管用螺紋接頭。


[0039]圖1(a)是示出本實用新型的實施方式所涉及的管用螺紋接頭的頭部的剖視圖，示出銷部件3。圖1(b)是示出本實用新型的實施方式所涉及的管用螺紋接頭的頭部的剖視圖，示出套筒部件I。圖1(c)是示出本實用新型的實施方式所涉及的管用螺紋接頭的頭部的剖視圖，示出將銷部件3和套筒部件I結合在一起后的狀態(tài)。圖2是示出以往的管用螺紋接頭的剖視圖。圖3是示出圖2的銷尖附近的放大剖視圖。圖4是示出圖2的螺紋部分的放大剖視圖。圖5是示出螺紋間隙、載荷齒側(load flank)角度、入扣齒側角度的定義的剖視圖。圖6是示出泄漏測試仿真的加載經歷(load schedule)的一覽圖。標號說明I :套筒部件；3 :銷(銷部件)；5 :內螺紋(內螺紋部)；5a :內螺紋的螺紋槽；7 :夕卜螺紋(外螺紋部)；7a :外螺紋的螺紋牙；8 :頭部(銷尖)；11、13、40 :密封部(詳細地說是金屬對金屬密封部)；12、14 :臺肩部(詳細地說是扭矩臺肩部)；18 :載荷齒側面；19 :入扣齒側面；20 :與銷部件的頭部外周面相對的套筒部件的內周面(錐面)；30:銷部件的頭部外周面(銷尖外周面)；40a:干涉區(qū)域。
具體實施方式
如上所述，將密封部設置在從頭前端離開的位置、并使頭部從密封部到臺肩部較長地延伸的情況，在提高耐外壓性能、耐拉伸性能、且相對于螺紋使其具有穩(wěn)定的性能的方面是有效的。此外，實用新型人對能夠使密封部從頭前端(或者是臺肩部)離開、且用于避免銷尖前端的厚度過小的密封部周邊的形狀進行了研究。結果，達成了以下的設想，銷部件的頭部外周面形成為在銷部件的軸向剖視圖中呈朝外側凸出的凸狀的曲線的面形狀，與該銷部件的頭部外周面相對的套筒部件的內周面形成為在套筒部件的軸向剖視圖中呈在兩個點與銷部件的凸狀的曲線相交的錐面形狀，利用上述銷部件的頭部外周面和與該頭部外周面相對的套筒部件的內周面(以下稱為錐面)形成金屬對金屬密封部，該密封部的銷部件側、套筒部件側的各界面分別形成該部件的密封面，在該情況下，銷部件的凸狀的曲線形成為如下的曲線形狀依次連接具有不同于與外螺紋部鄰接的圓筒形狀部的母線的曲率半徑R的多個圓弧而形成復合圓弧曲線，使該復合圓弧曲線隨著從外螺紋部遠離而上述圓弧的曲率半徑R變大，并且，圓弧的連接點上的切線與連接對象的圓弧的連接點上的切線一致，由此，無需縮小銷尖前端的厚度就能夠使密封部從頭前端離開。圖I (a)、圖1(b)以及圖1(c)是示出本實用新型的實施方式所涉及的管用螺紋接頭的頭部的剖視圖，(a)示出銷部件3，(b)示出套筒部件1，(C)示出將銷部件3和套筒部件I結合在一起后的狀態(tài)。銷部件3設置于鋼管的端部，且具有外螺紋部7 ;頭部8，該頭部8在比該外螺紋部7靠管端側的位置與該外螺紋部7相連；以及扭矩臺肩部12，該扭矩臺肩部12設置于該頭部8的前端。另一方面，套筒部件I具有內螺紋部5，該內螺紋部5與銷部件3的外螺紋部7螺紋結合；銷部件I的內周面亦即錐面20，在基于上述螺紋結合的銷部件3與套筒部件I的結合狀態(tài)下，該錐面20與頭部8的外周面(頭部外周面30)對置；以及臺肩部14，該臺肩部14與臺肩部12抵接。在銷部件3的軸向剖視圖中，頭部外周面30形成為朝外側凸出的凸狀的曲線。另一方面，與頭部外周面30對置的套筒部件I的內周面形成為相對于螺紋接頭的軸向具有一定的傾角(稱為錐角)a的錐面20 (圓錐形狀面)。進而，當使銷部件3與套筒部件I結合時，錐面20與頭部外周面30干涉而形成密封部40。上述錐角a設定成，在銷部件3與套筒部件I的假想的無干涉結合狀態(tài)下，在螺紋接頭的軸向剖視圖中，上述凸狀的曲線和錐面20的母線在兩個點相交，密封部40實際上形成在由這兩個交點夾著的范圍(干涉區(qū)域40a)內。使用圖I (a)所示的基于3個圓弧的復合圓弧曲線的情況對形成于頭部外周面30的上述凸狀的曲線進行說明。該曲線是依次連接具有不同于與外螺紋部7鄰接的圓筒形狀部的母線亦即線段Ntl的曲率半徑％、R2、R3的圓弧H N3而成的復合圓弧曲線N，該復合圓弧曲線N形成為隨著從外螺紋部7遠離而圓弧的曲率半徑變大、即R1 < R2 < R3的曲線形狀。由此，能夠獲得較大的銷尖8前端的臺肩部12的厚度(臺肩部厚度)t。作為比較，圖I (c)中以虛線示出了將凸狀的曲線形成為單一圓弧曲線M(曲率半徑為R的單一圓弧)，并使該密封部的干涉區(qū)域與復合圓弧曲線N的密封部40的干涉區(qū)域40a同等的情況，可以看出，在上述單一圓弧曲線M的情況下，與復合圓弧曲線N的情況相比較，臺肩部厚度變小。當臺肩部厚度變小時，銷尖8的剛性不足，無法適當地確保密封部40的接觸面壓力。相反，如果想要以單一圓弧曲線確保臺肩部厚度，則密封部40的位置遠離外螺紋部7，從確保耐外壓性能、耐拉伸性能的觀點出發(fā)并不是優(yōu)選的。 并且，復合圓弧曲線N形成為圓弧的連接點上的切線與連接對象的圓弧的連接點上的切線一致的曲線形狀。例如，在圓弧N1與N2的連接點處、圓弧N2與N3的連接點處，分別使所連接的兩個圓弧的切線一致。因此，凸狀的曲線形成為在該曲線上并不存在轉折點的連續(xù)的曲線形狀，能夠抑制頭部的不當的變形。另外，上述連接的兩個圓弧彼此可以直接連接，或者，也可以經由與上述圓弧彼此的共通切線重合的線段、或者是實質上可以不考慮角度變化的半徑足夠大的圓弧(半徑250mm以上、且是鄰接的圓弧的3倍以上)連接。為了確保不會出現泄漏通道的接觸面壓力，優(yōu)選上述的線段或者是半徑足夠大的圓弧的長度在2. 5mm以下。此處，優(yōu)選圓弧H N3的各圓弧所成的角度0。02、03形成為，越是接近外螺紋部7的圓弧的角度越大、S卩0:> 02> 03。否則，難以在受限的銷部件3的頭部8的長度(圖1(a)中的銷尖長度L)或者是受限的干涉區(qū)域40a的長度(稱為密封接觸長度)中設計復合圓弧曲線。此外，優(yōu)選復合圓弧曲線的圓弧的連接點，例如圓弧N1和N2之間的連接點、以及圓弧N2和N3之間的連接點中的某一個與接觸開始點一致，該接觸開始點意味著最初和套筒部件I的錐面20接觸的點。通過將復合圓弧曲線內的圓弧的連接點的某一個作為接觸開始點，能夠在密封部的接觸面壓力分布中形成曲率半徑R大、面壓力低、接觸長度長的部位，以及曲率半徑R小、面壓力高、接觸長度短的部位，難以形成泄漏通道，密封性能提高。但是，實際上，因螺紋切削裝置的制作公差的關系，存在難以使圓弧的連接點與套筒部件的錐面的接觸開始點完全一致的情況。在該情況下，只要圓弧的連接點的切線的傾斜比套筒部件的錐面的傾斜小最大0. 5度的范圍即可。在實際的螺紋緊固中，因銷與套筒之間的半徑方向的干涉，會導致銷的前端產生尖細的變形，緊固完畢時刻的銷表面的切線的傾斜比設計值大。因此，如果使圓弧的連接點的切線的傾斜比套筒部件的錐面的傾斜小0. 5度以下的范圍的話，實質上具有與使雙方的傾斜一致的效果同樣的效果。另外，從使密封部從頭前端離開的觀點出發(fā)，優(yōu) 選使接觸開始點到外螺紋部前端的距離x(參照圖1(c))為0.7L。并且，如上所述，L是銷尖長度，如果接觸開始點到外螺紋部前端的距離不足0. 2L，當進行緊固時，容易產生密封部與螺紋部的干涉，因此優(yōu)選為
0.2L以上。此外，為了安全，優(yōu)選為0. 3L以上。優(yōu)選套筒部件I的錐面20的錐角a (參照圖I (b))為10度以內。通過使錐角a為10度以內、更優(yōu)選為5度以內，能夠適當地實現半徑方向密封方式，密封性能的緊固扭矩依賴性比較低。優(yōu)選銷尖長度L(參照圖I (a))為20mm以上。由此，密封部從銷尖前端充分地離開，結果，借助該離開距離范圍內的彈性變形，能夠大幅度減輕對密封部的損傷，因此，對于密封性能的穩(wěn)定化是有效的。由于密封性能穩(wěn)定化，作為半徑方向密封方式，密封干涉量S(參照圖1(c))可以比較小，機械損傷危險小。另外，對于復合圓弧曲線內的兩種以上的曲率半徑R，優(yōu)選比較小的曲率半徑R為I英寸以下，比較大的曲率半徑R為2英寸以上、更優(yōu)選為3英寸以上。詳細地說，優(yōu)選使復合圓弧曲線的多個曲率半徑R中的至少I個為2英寸以上(更優(yōu)選為3英寸以上)，使其余的曲率半徑R中的至少I個為不足2英寸(更優(yōu)選為I英寸以下)。通過使復合圓弧曲線的多個曲率半徑R中的至少I個為2英寸以上(更優(yōu)選為3英寸以上)，容易確保密封部的接觸長度，通過使其余的R中的至少I個為不足2英寸(更優(yōu)選為I英寸以下)，容易達成高的面壓力。并且，復合圓弧曲線內的圓弧的個數(具有不同的曲率半徑R的圓弧的個數)可以是2個，也可以是圖1(a)所舉例示出的3個，或者也可以是4個以上。圓弧的個數增加則密封接觸長度更大，更容易提高密封性能，但是，實際的制造中的負擔或尺寸確認等勞力增加，因此，圓弧的個數根據實際上螺紋接頭所要求的性能設計即可。此外，優(yōu)選使上述接觸開始點的銷部件的截面積為在前端形成有接頭的管的主體的截面積(銷未加工部截面積)的35%以上。通過形成為這種銷的截面積，銷部件的接觸開始點的剛性增加，特別地，容易得到高的耐外壓性能。另外，優(yōu)選使接觸開始點的銷部件的截面積為管主體的截面積的40%以上。除了上述的密封部周邊的形狀限定之外，對于外螺紋部和內螺紋部，通過將載荷齒側角度、入扣齒側角度、螺紋間隙的任意I種或者2種以上規(guī)定為合適的范圍，可以確認，借助它們的組合效果，密封性能整體上進一步提高。此處，載荷齒側角度為圖5所示的載荷齒側角度0、即載荷齒側面18相對于接頭軸正交面(與螺紋接頭的軸向正交的面的意思。以下相同)所成的角度P。并且，入扣齒側角度為圖5所示的入扣齒側角度Y、即入扣齒側面19相對于接頭軸正交面所成的角度Y。并且，螺紋間隙是圖5所示的螺紋間隙G，即外螺紋的螺紋牙7a和與之嚙合的內螺紋的螺紋槽5a之間的間隙G。[0066]載荷齒側角度P的優(yōu)選范圍為-5度 4度，該優(yōu)選范圍的下限是從螺紋部的耐機械損傷性和工具壽命的觀點出發(fā)而確定的，上限是從耐彎曲性的觀點出發(fā)而確定的。入扣齒側角度Y的優(yōu)選范圍為0 30度，該優(yōu)選范圍的下限是從螺紋部的耐機械損傷性、工具壽命、緊固性的觀點出發(fā)而確定的，上限是從耐軸向壓縮性的觀點出發(fā)而確定的。螺紋間隙G的優(yōu)選范圍為0. 01 0. 1mm，該優(yōu)選范圍的下限是從減輕機械損傷危險的觀點出發(fā)而確定的，上限是從當施加軸向壓縮載荷時減輕銷前端的負擔的觀點出發(fā)而確定。另外，如果考慮切削螺紋時的導程的誤差，優(yōu)選螺紋間隙G最小為大約0.03_。并且，發(fā)現螺紋間隙G為大約0. 045mm能夠有效地發(fā)揮充分的性能，因此根據狀況不同可以使螺紋間隙G為大約0. 045mm。通過以上述方式規(guī)定載荷齒側角度、入扣齒側角度、螺紋間隙的I種或者2種以上而導致的密封性能的整體提高效果，特別是在暫時加載軸向壓縮之后加載軸向拉伸+內壓力或者外壓力的條件下是顯著的。 并且，臺肩部的臺肩部角度(臺肩部的接頭軸向的端面相對于接頭軸正交面所成的角度，設從銷內周側觀察該界面的銷外周側朝接頭軸向外側伸出的情況為正的角度)優(yōu)選為0度 20度。在臺肩部角度不足0度的情況下，在密封性能、緊固特性的方面是不利的，另一方面，在臺肩部角度超過20度的情況下，在容易產生套筒臺肩部的塑性變形、密封部的局部變形的方面是不利的。優(yōu)選為15度以下。此外，根據狀況不同，優(yōu)選為7度以下。[實施例]作為實用新型例，對圖1(a)所示的、或者是在圖1(a)中復合圓弧曲線的圓弧的任意2個經由線段連接的形態(tài)的本實用新型所涉及的管用螺紋接頭實施評價。本實用新型的實施例以及比較例的尺寸形狀和評價結果在表I以及表2中示出。銷部件聚形成于外徑244. 48mm、壁厚13. 84mm的鋼管的前端。并且，螺紋形成有5TPI (每I英寸的螺紋牙數為5個)。作為基于FEM解析的評價，對依據IS013679 :2002的泄漏測試進行仿真，對測試的密封部處的接觸面壓力(ksi inch)進行評價。另外，接觸面積壓力通過在密封接觸區(qū)域中對接觸面壓力進行積分計算而求出。對于該泄漏測試，對管用螺紋接頭實施基于與原材料的屈服條件的95%對應的2軸應力、內壓、與IS010400 2007所記載的Collapse條件對應的2軸應力或者與原材料的屈服條件的95%對應的2軸應力中的較小一方的2軸應力、夕卜壓的加載試驗，以圖6所示的經歷進行加載。并且，作為表示螺紋緊固時的機械損傷危險的指標，利用FEM解析求出以從緊固開始到緊固完畢的密封部的軸向各位置的滑動距離(inch)和接觸面壓力(psi)之積定義的、機械損傷指標(psi *inch)=接觸面壓力X滑動距離的值。該值也通過積分計算求出?？梢哉f，機械損傷指標越小則機械損傷危險越小。并且，作為比較例，針對 比較例1、3、4 :將銷尖8的外周面的母線形成為具有單一的曲率半徑R的凸狀的曲線(圖1(c)中以虛線示出的單一圓弧曲線M)的形狀的情況， 比較例2 :雖然將銷尖8的外周面的母線形成為復合圓弧曲線，但并不滿足越是遠離外螺紋部7則圓弧的曲率半徑R越大的條件的情況，同樣求出接觸面積壓力以及機械損傷指標。[0078]此外，針對上述的實用新型例以及比較例，制作使螺紋干涉量為相對于直徑為
0.305mm且密封干涉量不同的多個樣本，并利用IS013679 :2002所規(guī)定的試驗方法實施物理測試。并且，制作使螺紋干涉量為相對于直徑為0. 127mm且變更密封干涉量的多個樣本，并實施13次的反復緊固試驗。通過上述的試驗，求出在物理測試中不發(fā)生泄漏的最小密封干涉量以及在反復緊固試驗中在13次緊固期間不產生機械損傷的最大密封干涉量，將其差作為能夠設定的密封干涉量范圍。針對實用新型例以及比較例，在表I中與螺紋接頭的各部分尺寸一起示出利用FEM計算求出的接觸面壓力以及機械損傷指標、和利用實際的物理測試以及反復緊固試驗求出的最大以及最小密封干涉量。此處，表I以及表2中的密封干涉量為與直徑對應的值，是與圖1(c)中所示的密封干涉量SX2相當的值。另外，對于FEM計算中的內壓條件下的接觸面積壓力，任一例子中均在圖6的經歷中的加載步驟L3、L18附近(2軸拉伸應力+內壓)示出極小值(相當于最容易產生泄漏的狀態(tài))。對于該加載點，雖然在IS013679中并無規(guī)定，但在內壓+拉伸的條件下是最嚴格的條件，是必要的，因此進行比較。另一方面，對于FEM計算中的外壓條件下的接觸面積壓力，在任一例子中均在圖6的經歷中的加載步驟L15附近(2軸拉伸應力+外壓)示出極小值。在表I以及表2中以相對極小值表示各例的接觸面積壓力的極小值。此處，由于內壓由氣體加載，外壓由水加載，因此泄漏的容易度不同，以內壓條件和外壓條件的各自的極小值作為基準求出相對極少值。即，對于L3和L18的極少值，將所有例子中的L3以及L18的最小的極小值設為100，其他的極小值以相對于該最小的極小值的比表示。并且，對于L15的極小值，將所有例子中的L15的最小的極小值設為100，其他的極小值以相對于該最小的極小值的比表示。經受一次壓縮經歷后的加載步驟L18的密封性能比經受壓縮經歷前的同一加載點的加載步驟L3的密封性能下降，特別是在不具有足夠的臺肩部厚度的比較例3中能夠看出顯著的下降。在任一結果中，本實用新型例都在壓縮經歷后的L18中示出良好的密封性。并且，機械損傷指標示出極大值(相當于機械損傷危險最高的狀態(tài))的接頭軸向位置根據每個例子而不同。表I以及表2中以相對極大值表示各例的機械損傷指標的極大值(將所有例子中的最大的極大值設為100，其他的極大值以相對于該最大的極大值的比表不)。表3中示出其他尺寸下的評價結果。對象材料為外徑139. 7mm、壁厚7. 72mm、5TPI,以及外徑346. 08mm、壁厚15. 88mm、4TPI。在任一尺寸下，本實用新型例都示出壓縮經歷后的優(yōu)異的密封性、以及緊固時的優(yōu)異的耐機械損傷性。根據表I、表2、以及表3所示的評價結果，可以清楚，在任一實用新型例中，與比較例相比較，均能夠實現雖然接觸面積壓力高但機械損傷指標小或者為相同程度、并且能夠設定的密封干涉量范圍廣、密封性以及耐機械損傷性優(yōu)異的螺紋接頭。權利要求1.一種管用螺紋接頭， 所述管用螺紋接頭具有 銷部件，該銷部件具有外螺紋部；頭部，該頭部延伸至比該外螺紋部更靠管端側的位置；以及臺肩部，該臺肩部設置于該頭部的前端；以及 套筒部件，該套筒部件具有內螺紋部，該內螺紋部與所述外螺紋部螺紋結合；與所述銷部件的頭部外周面相對的內周面；以及與所述銷部件的臺肩部抵接的臺肩部，所述銷部件和套筒部件借助所述螺紋結合而結合在一起，銷部件的頭部外周面與套筒部件的所述內周面形成金屬對金屬接觸，其接觸界面形成密封面，所述管用螺紋接頭的特征在于，所述銷部件的頭部外周面形成為在銷部件的軸向剖視圖中朝外側凸出的凸狀的曲線，該凸狀的曲線形成為如下的曲線形狀依次連接朝外側凸出的凸狀的多個圓弧而形成復合圓弧曲線，所述多個圓弧具有不同于與外螺紋部鄰接的圓筒形狀部的母線的曲率半徑，使該復合圓弧曲線隨著從外螺紋部遠離而圓弧的曲率半徑變大，并且，圓弧的連接點上的切線與連接對象的圓弧的連接點上的切線一致，所述套筒部件的所述內周面形成錐面，在套筒部件與銷部件結合時，所述錐面與銷部件的頭部外周面干涉。
2.根據權利要求I所述的管用螺紋接頭，其特征在于， 對于所述復合圓弧曲線內的各圓弧所成的角度，越是接近所述外螺紋部的圓弧所成的角度越大。
3.根據權利要求I或2所述的管用螺紋接頭，其特征在于， 所述復合圓弧曲線內的所述連接點中的某一個成為所述錐面的接觸開始點。
4.根據權利要求I或2所述的管用螺紋接頭，其特征在于， 所述錐面相對于接頭的軸向所成的角度為10度以內。
5.根據權利要求I或2所述的管用螺紋接頭，其特征在于， 所述銷部件的頭部的長度為20mm以上。
6.根據權利要求I或2所述的管用螺紋接頭，其特征在于， 對于所述外螺紋部和所述內螺紋部，入扣齒側角度在0度 30度的范圍內。
7.根據權利要求I或2所述的管用螺紋接頭，其特征在于， 對于所述外螺紋部和所述內螺紋部，載荷齒側角度在-5度 4度的范圍內。
8.根據權利要求I或2所述的管用螺紋接頭，其特征在于， 所述臺肩部的臺肩角度在0度 20度的范圍內。
9.根據權利要求I或2所述的管用螺紋接頭，其特征在于， 對于所述外螺紋部和所述內螺紋部，螺紋間隙在0. 01 0. Imm的范圍內。
10.根據權利要求I或2所述的管用螺紋接頭，其特征在于， 代替依次連接多個圓弧而形成的復合圓弧曲線，形成經由直線或者長度為2. 5mm以下的線段依次連接多個圓弧而形成的復合圓弧曲線，所述多個圓弧具有不同于與外螺紋部鄰接的圓筒形狀部的母線的曲率半徑。
11.根據權利要求I或2所述的管用螺紋接頭，其特征在于， 代替依次連接多個圓弧而形成的復合圓弧曲線，形成經由長度為2. 5_以下、半徑為250mm以上且為鄰接的圓弧的半徑的3倍以上的圓弧依次連接多個圓弧而形成的復合圓弧曲線，所述多個圓弧具有不同于與外螺紋部鄰接的圓筒形狀部的母線的曲率半徑。
12.根據權利要求5所述的管用螺紋接頭，其特征在于， 對于所述外螺紋部和所述內螺紋部，入扣齒側角度在O度 30度的范圍內。
13.根據權利要求5所述的管用螺紋接頭，其特征在于， 對于所述外螺紋部和所述內螺紋部，載荷齒側角度在-5度 4度的范圍內。
14.根據權利要求5所述的管用螺紋接頭，其特征在于， 所述臺肩部的臺肩角度在0度 20度的范圍內。
15.根據權利要求5所述的管用螺紋接頭，其特征在于， 對于所述外螺紋部和所述內螺紋部，螺紋間隙在0. 01 0. Imm的范圍內。
16.根據權利要求5所述的管用螺紋接頭，其特征在于， 代替依次連接多個圓弧而形成的復合圓弧曲線，形成經由直線或者長度為2. 5mm以下的線段依次連接多個圓弧而形成的復合圓弧曲線，所述多個圓弧具有不同于與外螺紋部鄰接的圓筒形狀部的母線的曲率半徑。
17.根據權利要求5所述的管用螺紋接頭，其特征在于， 代替依次連接多個圓弧而形成的復合圓弧曲線，形成經由長度為2. 5_以下、半徑為250mm以上且為鄰接的圓弧的半徑的3倍以上的圓弧依次連接多個圓弧而形成的復合圓弧曲線，所述多個圓弧具有不同于與外螺紋部鄰接的圓筒形狀部的母線的曲率半徑。
專利摘要本實用新型提供管用螺紋接頭，提高了密封性、耐壓縮性、耐機械損傷性。具體地說，銷尖外周面(30)形成為在軸向剖視圖中朝外側凸出的凸狀的曲線，該凸狀的曲線形成為如下的曲線形狀依次連接具有不同于與外螺紋部(5)鄰接的圓筒形狀部的母線的曲率半徑(R)的朝外側凸出的凸狀的多個圓弧而形成復合圓弧曲線(N)，使該復合圓弧曲線(N)隨著從外螺紋部(5)遠離而圓弧的曲率半徑(R)變大，并且，圓弧的連接點上的切線與連接對象的圓弧的連接點上的切線一致，套筒部件(1)的與銷尖(30)相對的內周面形成當套筒部件(1)與銷部件(3)結合時與銷尖外周面(30)干涉的錐面(20)。
文檔編號F16L15/04GK202469289SQ20112023562
公開日2012年10月3日 申請日期2011年6月30日 優(yōu)先權日2010年6月30日
發(fā)明者吉川正樹, 園部治, 川井孝將, 長濱拓也, 高橋一成, 高野順 申請人:杰富意鋼鐵株式會社