專利名稱：具有高緊固扭矩的兩金屬管的螺紋連接的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于兩個(gè)金屬管的螺紋連接，具有帶錐度的螺紋以及梯形的螺齒。
這種連接是公知的，尤其是用于鑄造管或機(jī)加工管的串列或用于油氣井的油管串列。
在本說明書的以下部分中，術(shù)語“用于兩金屬管的螺紋連接”將包含在兩個(gè)長(zhǎng)管之間的整體連接以及在第一長(zhǎng)管和第二短管，如管接頭之間的連接二者。
美國(guó)石油學(xué)會(huì)(API)定義在規(guī)范API 5CT中，規(guī)定了用于油氣井生產(chǎn)和構(gòu)造的金屬管和螺紋金屬管連接；并且在規(guī)范API 5B中，規(guī)定了用于這種連接的標(biāo)準(zhǔn)的帶錐度的螺紋形式。
這種API螺紋連接的螺紋為梯形并且在每個(gè)雄和雌元件上包括螺齒齒根，螺齒齒頂以及兩個(gè)齒側(cè)面，即，承載齒側(cè)面(load flank)和穿入齒側(cè)面(stabbing flank)。
螺齒齒頂和螺齒齒根一般與螺紋的錐度平行。
被稱為承載齒側(cè)面是由于在連接受到拉力，例如由管的重量產(chǎn)生的拉力時(shí)，它們彼此抵靠，以使連接可以承受如此拉力。承載齒側(cè)面位于螺紋上與穿入齒側(cè)面相對(duì)。
當(dāng)拼合(makeup)這種API連接時(shí)，取決于螺紋的錐度，在對(duì)應(yīng)一給定的雄和雌元件的相對(duì)位置的給定時(shí)刻，一個(gè)元件的螺齒齒根與另一個(gè)元件的螺齒齒頂相接觸。
如果，雄元件持續(xù)擰入雌元件中超過該位置，雄元件開始徑向與雌元件干涉，其導(dǎo)致雌元件膨脹且雄元件壓縮；這種干涉必需被限制以便不會(huì)產(chǎn)生過大的應(yīng)力和變形。
徑向干涉的轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)表面的相配合點(diǎn)之間的徑向過盈一般被定義為在那些點(diǎn)的半剖面的直徑公差，該公差是在連接前測(cè)得并取正，當(dāng)兩個(gè)表面一旦連接時(shí)，在配合點(diǎn)之間施加接觸壓力。
為了限制這種應(yīng)力或變形，可以在每個(gè)雄和雌元件上提供一相對(duì)于連接軸基本橫向定向的環(huán)形承載表面，承載表面被定位成在拼合過程的一給定時(shí)刻彼此抵靠，從而精確地限定了拼合完成的位置。
例如，在連接拼合結(jié)束時(shí)的位置，由到達(dá)該位置所需的扭矩決定。
利用相抵靠的承載表面定位連接具有的其他優(yōu)點(diǎn)如下將連接螺紋的承載齒側(cè)面置于其能夠承受的拉應(yīng)力下，該應(yīng)力是工作時(shí)連接所承受的應(yīng)力；雄和雌元件的精確定位，從而在連接的雄和雌元件中每個(gè)都包括密封表面，該表面與位于相配合元件的密封表面徑向干涉時(shí)，在表面間保證了高的金屬接觸壓力，而不會(huì)有其塑性變形的風(fēng)險(xiǎn)；由于拼合扭矩，減小了偶然脫開的風(fēng)險(xiǎn)，該連接脫開之前必需克服該拼合扭矩，并且該扭矩被適當(dāng)?shù)叵薅ú⒃谧钚≈狄陨稀?br> 歐洲專利EP-A-0,488,912描述了一種連接，具有一個(gè)擰入另一個(gè)的錐形螺紋，一對(duì)徑向干涉的金屬-金屬密封表面以及一對(duì)抵靠承載表面，即在雄元件的端部的一中凹的錐形表面和在此元件的內(nèi)部肩臺(tái)上形成的凸出的環(huán)形表面。
這種螺紋連接可以被制成具有較高名義拼合扭矩，例如，其可達(dá)到34kN.m(250001bf.ft)，這在大多數(shù)情況下都足夠了。
但是，可能需要形成具有更高扭矩的連接，尤其是對(duì)于用于多倍偏斜的井或能夠在單獨(dú)一點(diǎn)開采一寬闊區(qū)域的水平井中的鑄造管。
用于在一端轉(zhuǎn)動(dòng)包含油管的串列(開采線)的技術(shù)的應(yīng)用也允許水平井更好地加強(qiáng)，但是如果要在串列轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)防止螺紋元件相對(duì)彼此地轉(zhuǎn)動(dòng)，就要求形成的管連接具有大于串列旋轉(zhuǎn)扭矩的扭矩，元件之間的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)改變連接的使用特性，尤其是它們的密封特性。
下表1給出了用于該用途的理想的拼合扭矩的概念。
表1．拼合扭矩的理想數(shù)量級(jí)如果抵靠表面的徑向?qū)挾仍龃蟮脑挼挚砍休d表面就能承受如此扭矩而不變形，但是就不得不使用很厚的管，其可能與工作需要不相符。
從而，不得不使用抵靠承載表面以外的其他裝置來吸收較高的拼合扭矩。
國(guó)際專利申請(qǐng)WO94/29627描述了一種具有錐度螺紋和梯形螺齒的螺紋連接，被公知為以大致燕尾形狀的楔形螺紋，并具體地說為半個(gè)燕尾形。
這種螺紋被公知為楔形螺紋或具有可變寬度的螺紋，由于雄和雌螺紋的寬度從螺紋的一端到另一端以雄和雌螺紋之間相互協(xié)同的方式變化。
這種螺紋被稱為“半燕尾”，是由于，其只在一側(cè)伸出在螺齒齒根之外，在承載齒側(cè)面上，或在穿入齒側(cè)面上，并且由于承載齒側(cè)面和連接軸法線間的角度和穿入齒側(cè)面與所述法線間的角度為，使螺紋的寬度在齒頂處大于齒根處。
根據(jù)WO94/29627，當(dāng)雄元件與雌元件嚙合時(shí)，最窄的齒頂面對(duì)最寬的齒根并且在相配合的螺紋之間存在較大的軸向間隙。
隨雄元件擰入雌元件，軸向間隙減小直到雄螺紋的齒側(cè)面與相配合的雌螺紋的齒側(cè)面相接觸的位置。
超過那個(gè)位置，雌齒側(cè)面與雄齒側(cè)面相干涉并且在作為轉(zhuǎn)動(dòng)的函數(shù)的拼合扭矩曲線上產(chǎn)生一快速的升高。
根據(jù)WO94/29627的這種連接由于被擴(kuò)大的表面，而確實(shí)能夠承受較高的拼合扭矩，但是它具有很多重要的缺點(diǎn)首先，變寬度楔形螺紋加工成本高并難于檢測(cè)。
此外，設(shè)置于負(fù)載齒側(cè)面?zhèn)燃?或穿入齒側(cè)面?zhèn)鹊难辔不虬胙辔驳匿J角構(gòu)成對(duì)切割和閃火花敏感的尖角，這種切割對(duì)連接的功能有害。
這種尖角也進(jìn)入螺齒齒根，并且導(dǎo)致螺紋在使用時(shí)更易斷。
本發(fā)明目的是提供一種螺紋連接，其可以形成高的拼合扭矩T，免于上述缺陷，并且具體地說，提供一種螺紋連接，其加工成本低，并可以容易地操縱到位。
我們也尋求提供一種螺紋連接，從而在相當(dāng)大地轉(zhuǎn)動(dòng)后，例如一圈或更多圈，獲得理想的拼合扭矩。
同時(shí)我們也在一定的結(jié)構(gòu)中確保，拼合扭矩-轉(zhuǎn)動(dòng)的曲線的斜度從一給定扭矩減小，導(dǎo)致拼合扭矩的自身抑制特性。
我們也尋求提供一種連接，其對(duì)應(yīng)內(nèi)部和/或外壁流體特別緊，甚至在許多拼合脫開后。
在本發(fā)明的兩個(gè)金屬管之間的螺紋連接包括在第一管端部的雄元件，其擰入在第二管端部的雌元件中。
雄元件具有梯形螺齒的外錐度雄螺紋，此處，在螺齒齒頂?shù)穆菁y寬度小于在螺齒齒根的螺紋寬度。
雌元件包括具有梯形螺齒的內(nèi)錐度雌螺紋，具有與雄螺紋的螺齒相配合的形狀。
術(shù)語“與雄螺紋相配合的雌螺紋”在此意思為雌螺紋的錐度和螺距與雄螺紋的大致相同，并且雌螺紋的螺齒形狀與雄螺紋的大致相同，特別是雌螺紋的承載齒側(cè)面和穿入齒側(cè)面的傾斜度與雄螺紋上的相應(yīng)的齒側(cè)面的相同，與雄螺紋的一樣，雌螺紋的齒頂寬度小于齒根寬度。明顯地，雄螺紋的形狀與雌螺紋的相互匹配。
雄和雌螺紋中每個(gè)的齒頂?shù)膶挾缺认嗯浜系穆菁y的齒根寬度大。
雄元件通過擰入雌元件中到達(dá)這兩個(gè)元件的一相對(duì)位置處來定位，這個(gè)位置超過了在拼合時(shí)兩個(gè)雄螺紋齒側(cè)面與兩個(gè)雌螺紋齒側(cè)面相接觸的位置，從而由雌螺紋導(dǎo)致了雄螺紋的軸向過盈配合，反之亦然。
取決于所用的雄和雌梯形螺紋的配合形式，以及由于在齒頂?shù)穆菁y寬度低于在齒根的螺紋寬度，雄和雌螺紋徑向穿入，并隨在拼合過程中發(fā)生的螺紋軸向前進(jìn)，由楔嵌效應(yīng)楔入相配合的凹部?jī)?nèi)，并從而超過兩個(gè)相配合齒側(cè)面的接觸位置，由雌螺紋導(dǎo)致雄螺紋的軸向過盈配合，反之亦然。
在整個(gè)齒側(cè)面的表面上的過盈配合導(dǎo)致在螺紋內(nèi)吸收較高程度的拼合扭矩T的可能。
這種螺紋的特征為，它們可以廉價(jià)地被制造，它們能夠容易地檢驗(yàn)并在使用時(shí)不易斷裂。
EP-A-0,454,147描述了一種螺紋連接，具有錐度螺紋及梯形螺齒，其雌螺齒齒頂?shù)膶挾却笥谛勐蔟X齒根的寬度并且當(dāng)連接拼合完成時(shí)，一個(gè)元件的螺紋的兩個(gè)齒側(cè)面與相配合元件的齒側(cè)面相接觸，至少在螺紋的一部分上是這樣的。
然而，在EP-A-0,454,147中，目的只在于配合齒側(cè)面間的簡(jiǎn)單接觸，甚至只部分接觸，以便在該連接受到拉應(yīng)力后受壓應(yīng)力時(shí)，由于在穿入齒側(cè)面預(yù)先存在的軸向間隙，不會(huì)出現(xiàn)其的重新定位，該重新定位可以導(dǎo)致金屬的塑性變形，尤其是密封表面，并從而在連接再次受到拉應(yīng)力時(shí)可以導(dǎo)致滲漏的危險(xiǎn)。為了在拼合完成時(shí)，得到這種螺齒齒側(cè)面的簡(jiǎn)單接觸，EP-A-0,454,147不得不使用用于定位元件的裝置，即，在每個(gè)元件上的橫向承載表面，每個(gè)承載表面可以與相配合元件的相抵靠。相配合的雄和雌穿入齒側(cè)面被設(shè)置成在承載表面相接觸之前它們之間有一最小的軸向間隙，當(dāng)承載表面相接觸時(shí)，這個(gè)間隙減小至零或幾乎為零。一般地，這些承載表面也可以吸收拼合力矩，但是EP-A-0,454,147沒有公開高拼合力矩的螺紋連接。
在本發(fā)明中，當(dāng)連接拼合完成時(shí)，在兩個(gè)雄和雌螺紋中的每一個(gè)的螺齒齒頂和相配合的螺齒齒根間的過盈優(yōu)選地為負(fù)值或零。
更優(yōu)選地，在拼合期間，當(dāng)雄螺紋的兩個(gè)齒側(cè)面與其相配合的雌螺紋相接觸時(shí)，在配合螺紋的齒頂和齒根之間至少存在0.15mm的徑向間隙。
在一優(yōu)選的變化中，當(dāng)拼合完成時(shí)，在兩個(gè)雄或雌螺紋的只一個(gè)螺齒齒頂和相配合的螺紋的螺齒齒根之間的徑向過盈為正值。
優(yōu)選地，為了由楔嵌效應(yīng)獲得螺紋的有效的軸向過盈配合，在雄或雌螺紋的承載齒側(cè)面和穿入齒側(cè)面之間的角δ小于或等于20°。
更優(yōu)選地，其在7°到20°范圍內(nèi)，并具體地說，接近10°。
同樣優(yōu)選地，在承載齒側(cè)面一側(cè)，每個(gè)雄和雌螺紋的螺齒齒頂伸出相同螺紋的螺齒齒根之上，從而，承載齒側(cè)面和連接軸的法線之間的角α為負(fù)值，并具有范圍0到-15°之內(nèi)的值。
優(yōu)選地，要消弱導(dǎo)致作為圈數(shù)的函數(shù)的拼合扭矩曲線的斜度dT/dN過高的太劇烈的楔嵌效應(yīng)，至少雄和/或雌螺紋之一包括一槽，其開在螺紋或螺齒的整個(gè)長(zhǎng)度或一部分上的螺齒齒頂內(nèi)。
這種槽增加螺紋的柔性，并稍微減小軸向的過盈配合力，并隨槽具有相當(dāng)?shù)纳疃群蛯挾榷蠓葴p小該力。這導(dǎo)致以稍微減小最大拼合扭矩的代價(jià)，相當(dāng)大地減小了作為圈數(shù)的函數(shù)的拼合扭矩曲線的斜度dT/dN。從而，通過合并兩種特征，可以優(yōu)化最大拼合扭矩和斜度dT/dN。
法國(guó)專利FR-A-2,408,061描述了具有梯形螺齒的螺紋連接，其中，螺紋中的一個(gè)帶有開在齒頂?shù)牟邸?br> 然而，那個(gè)槽與螺紋齒側(cè)面的結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)以產(chǎn)生自鎖的連接，即，防止脫開為此目的，帶有槽的螺紋齒側(cè)面的斜度與不帶有槽的螺紋的齒側(cè)面的不同，并且為，在拼合時(shí)，在彎曲力下，槽在其開口處的寬度減小，這是由于相配合的螺紋齒側(cè)面的方向不同。
該對(duì)比文件沒有公開本發(fā)明的連接裝置的功能并且不能應(yīng)用于具有本發(fā)明特征的螺紋，尤其是，與雄螺紋相配合的雌螺紋的形狀。
優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明，槽深最多與螺紋深度相等并且在其開口處的槽的寬度最多為螺紋寬度的2/3，該螺紋深度為垂直于連接軸測(cè)得的在錐形包絡(luò)的螺齒齒頂和螺齒齒根之間的距離，并且螺紋寬度為平行于連接軸在螺紋的中間深度處測(cè)得的。
同樣優(yōu)選地，槽在縱軸平面具有U形外形，帶有平行或不平行的臂，或?yàn)榫哂械箞A的底部的V形。
非常優(yōu)選地，槽的倒圓的底部具有至少0.2mm的半徑以防止在槽底的應(yīng)力集中。
同樣優(yōu)選地，每個(gè)雄和雌元件包括至少一個(gè)密封表面，每個(gè)雄的密封表面的方向大致為縱向并且在連接拼合完成時(shí)，與相配合的雌密封表面徑向干涉，以便使連接密封。
同樣優(yōu)選地，每個(gè)雄和雌元件包括至少一個(gè)大致橫向的承載表面，在連接拼合完成時(shí)，至少一個(gè)抵靠的雄承載表面與雌承載表面相抵靠以精確定位密封表面并從而限定其過盈。
然而，這種承載表面在連接拼合末期在螺紋的穿入齒側(cè)面相接觸使不起限定位置作用。
以下附圖示出了本發(fā)明的具體的非限定性實(shí)施例。


圖1示出了包含本發(fā)明的螺紋連接的雌元件的管或管接頭的一端的軸半剖視圖；圖2示出了包含本發(fā)明的螺紋連接的雄元件的另一管的一端的軸半剖視圖；圖3示出了在圖1和2的元件拼合后獲得的螺紋連接的軸半剖視圖；圖4是圖1的雌元件的幾個(gè)雌螺紋的細(xì)節(jié)的半剖視圖；圖5是圖2的雄元件的幾個(gè)雄螺紋的細(xì)節(jié)的半剖視圖；圖6是圖4和圖5的幾個(gè)螺紋的細(xì)節(jié)在拼合時(shí)的軸半剖視圖，該連接為圖3中所示的型式；
圖7和圖8示出了圖4和圖5的一種變形；圖9是圖7和圖8的幾個(gè)螺紋在接合時(shí)的半剖視圖；圖10是在圖6的連接的兩種變形中拼合力矩T作為圈數(shù)N的函數(shù)的曲線；圖11是在雌螺紋內(nèi)有槽的圖4的變化型式；圖12是在雄螺紋內(nèi)有槽的圖5的變化型式；圖13示出了在圖11和12的元件的連接的兩種變形中拼合力矩T作為圈數(shù)N的函數(shù)的曲線；圖14示出了本發(fā)明應(yīng)用于螺紋及配合的連接。
圖3示出了在位于第一金屬管101的一端的雄元件1和位于第二金屬管102的一端的雌元件2之間的螺紋連接100，該金屬管可以為長(zhǎng)管或管接頭。例如，這種螺紋連接可以構(gòu)造用于油氣井的鑄造管或機(jī)加工管的串列(string)。
圖2中所示的雄元件1包括在其外表面上的有錐度的具有梯形螺齒的雄螺紋3，以及其端部，該端部也為第一管的端部，具有環(huán)形的橫向雄端面7。
圖1所示的雌元件2在其內(nèi)表面上具有帶錐度的螺紋4，其與雄螺紋3相匹配。
管101和102通過將雄元件1上的雄螺紋3擰入雌元件2上的雌螺紋4而連接。
圖3的連接在其需要特別緊時(shí)可選地在每個(gè)元件上包括附加裝置，即a)在雄元件上，錐度一般比雄螺紋3的錐度大的外錐度雄密封表面5；例如，在直徑上測(cè)得的雄密封表面5的錐度為20％；b)在雌元件上錐度與雄密封表面5的錐度大致相同的內(nèi)錐度雌密封表面6；具有環(huán)形且橫向的承載表面8的內(nèi)肩臺(tái)。
以公知的方式，雄端面7可以被中凹地斜削而具有敞口的頂半角，例如75°，在這種情況下，雌承載面8被中凸成具有相同的頂半角。
對(duì)于本發(fā)明，為可選的附加裝置5、6、8在連接上作用如下。
雄密封面5徑向上與雌密封面6過盈，即，連接前，在基準(zhǔn)點(diǎn)其的直徑比雌密封面6上的配合點(diǎn)的直徑大，后者的直徑也在連接前測(cè)得。
在拼合時(shí)，一旦密封面相接觸，繼續(xù)拼合導(dǎo)致在密封面內(nèi)直徑過盈增加。
拼合完成的精確位置由雄端面7抵靠在內(nèi)部雌肩臺(tái)的承載面8上來確定，其確定了對(duì)于密封面5、6之間的過盈的精確值。
連接完成時(shí)的位置可以由一給定的拼合力矩值標(biāo)記。
凹-凸形的承載面7、8防止了承載面分離并防止了密封面之間接觸壓力的增加。
圖4、5和6示出了本發(fā)明的連接的雄和雌螺紋的特征。
雄螺紋3(圖5)是具有螺距P的錐螺紋，其的螺距表面準(zhǔn)線21(簡(jiǎn)稱螺距線)傾斜成與連接軸成角度γ，因此γ=arctan(TT/200),TT為相對(duì)于直徑的螺紋的錐度，并以a％表示。
雄螺齒11為梯形螺齒，具有齒頂17、兩個(gè)齒側(cè)面13和15并被齒根19分隔。
螺齒齒頂17和螺齒齒根19與雄螺距線21平行。
螺紋齒側(cè)面包括承載齒側(cè)面13和穿入齒側(cè)面15，后者朝向雄端面7旋轉(zhuǎn)。
承載齒側(cè)面13和穿入齒側(cè)面15相對(duì)于連接軸的法線傾斜成角α和β，它們之間成角δ。
在圖5中，在承載齒側(cè)面13一側(cè)，螺齒齒頂17伸出于齒根19之上，以便防止在拼合時(shí)螺紋跳齒。一般地，角α是負(fù)的，在非外伸側(cè)上的角β是正的。
角δ也為α和β的代數(shù)和(α+β)，并且它的頂點(diǎn)朝向雄螺紋的外側(cè)，因此，雄螺齒在其齒根的寬度l1大于在其齒頂?shù)膶挾萳3。
雌螺紋4(圖4)具有與雄螺紋3相匹配的特征。
雌螺紋的雌螺距線22與連接軸傾斜成角γ，該角與雄螺距線21的傾角相同。
雌螺紋的齒頂20和齒根18與雌螺距線22平行。
雌螺紋的承載齒側(cè)面14和穿入齒側(cè)面16相對(duì)于連接軸的法線傾斜成角α和β，它們之間成角δ，這些角度中每個(gè)都與相應(yīng)的雄螺紋的角度相同。
雄螺齒齒頂17的寬度l3稍大于雌螺齒齒根18的寬度l6，例如大0.2mm。
雌螺齒齒頂20的寬度l4稍大于雄螺齒齒根19的寬度l5，例如大0.2mm。
當(dāng)雄螺紋3擰入雌螺紋4時(shí)，在如圖6所示的給定時(shí)刻，雄螺齒11的兩個(gè)齒側(cè)面13、15基本在整個(gè)齒側(cè)面的深度上與雌螺齒12的兩個(gè)齒側(cè)面14、16相接觸。
這是由于雄和雌螺紋的齒頂?shù)膶挾萳3、l4大于相配合的齒根l6、l5的寬度以及具有l(wèi)1＞l3及l(fā)2＞l4的螺紋的梯形形狀這些事實(shí)。
如果繼續(xù)進(jìn)行拼合，雄螺齒11徑向穿入并楔入雌螺齒的凹部?jī)?nèi)，并且相似地，雌螺齒12徑向掩蓋并楔入雌螺齒的凹部?jī)?nèi)。
為此原因，雄螺紋齒側(cè)面和雌螺紋齒側(cè)面存在軸線過盈配合，且這對(duì)于顯著增加繼續(xù)進(jìn)行拼合的扭矩是必需的。其導(dǎo)致作為圈數(shù)N的函數(shù)的拼合力矩的曲線的非常陡的斜度dT/dN，這取決于在大致整個(gè)深度和長(zhǎng)度上相接觸的過盈配合齒側(cè)面的表面積。
斜度dT/dN是以下參數(shù)的函數(shù)，即，元件的金屬的彈性模量、螺紋的錐度TT、螺紋長(zhǎng)度、其中徑、螺齒深度、螺齒的齒側(cè)面之間的角度δ、以及雄和雌螺齒間的摩擦系數(shù)。從而，有可能預(yù)測(cè)斜度dT/dN。
為了使雄和雌螺齒能夠徑向穿入相配合的凹部，由螺齒側(cè)面11、12形成的楔形的角度δ優(yōu)選地不太大，并例如保持在20°以下。
太小的角δ也不合適，由于更難于實(shí)現(xiàn)楔嵌現(xiàn)象；優(yōu)選地，角度δ在范圍[7°,20°]之內(nèi)，具有10°的角δ是優(yōu)選的。
選擇螺齒具有承載齒側(cè)面13、14，該齒側(cè)面具有負(fù)角α，例如α=-3°，也使角β能夠被利用，+13°的β角具有足夠大的斜度以使螺齒能夠容易地嚙合。
拼合扭矩T的最大允許值由元件材料的彈性極限決定。從而，有可能預(yù)測(cè)拼合扭矩的最大允許值。
在不過渡擠壓雄和雌元件情況下，為了獲得優(yōu)化的楔嵌效果以及使連接前置于螺齒上的潤(rùn)滑脂可流動(dòng)，應(yīng)避免兩個(gè)雄和雌螺紋(3、4)的每一個(gè)的螺齒齒頂(17、20)和相配合的螺紋(4、3)的螺齒齒根(18、19)之間的任何徑向過盈；從而螺紋可以被設(shè)計(jì)為當(dāng)拼合完成時(shí)，兩個(gè)雄和雌螺紋的每一個(gè)的螺齒齒頂和相配合的螺紋的螺齒齒根之間的過盈為負(fù)值或零，尤其在它們的寬度上。
特別地，螺紋可以設(shè)計(jì)為在兩個(gè)齒側(cè)首次接觸時(shí)(圖6)，雄螺齒齒頂17和雌螺紋的凹部18之間的徑向間隙的值x1以及雌螺紋的齒頂20和雄螺紋的凹部19之間的徑向間隙值x2至少為0.15mm。
不是為了避免在兩個(gè)雄和雌螺紋(3、4)的每一個(gè)的螺齒齒頂和相配合的螺紋(4、3)的螺齒齒根之間任何徑向過盈，在一變形中，螺紋71、72，尤其是在寬度和深度上可以被設(shè)計(jì)成，在拼合完成時(shí)，在雄或雌螺紋之一的螺齒齒頂和相配合的螺紋的螺齒齒根之間產(chǎn)生一徑向過盈。
這種變形示于圖7、8和9中，分別為雌螺紋4、雄螺紋3以及二者的連接；當(dāng)拼合完成時(shí)(圖9)，在雄螺齒齒頂77和雌螺齒齒根78之間存在間隙x，而雌螺齒齒頂80與雄螺齒齒根79徑向過盈。這種布置對(duì)拼合力矩的大小影響相對(duì)小。
對(duì)這個(gè)變形優(yōu)選的是，雌螺齒齒頂80和雄螺齒齒根79之間的接觸發(fā)生在配合齒側(cè)面73、74、75、76之間接觸之前。
圖10示出了拼合力矩T作為圈數(shù)N的函數(shù)的曲線，該曲線是對(duì)于用于圖6中所示的連接的管中的以下幾何參數(shù)。
管直徑177.80mm管厚度10.36mm(29lb/ft)；管材料低合金鋼，屈服應(yīng)力≥551Mpa；每英寸螺紋5個(gè)螺齒；螺紋錐度在直徑上(γ=1.79°)TT=6.25％；承載齒側(cè)面的角α=-3°；穿入齒側(cè)面的角β:+9°和+13°；齒側(cè)面之間的角δ:6°和10°。
在這個(gè)曲線上，橫坐標(biāo)軸N=0對(duì)應(yīng)在相配合的螺齒的兩個(gè)齒側(cè)面13-14和15-16上首次接觸。
對(duì)于β=+9°(δ=6°)的螺紋，對(duì)應(yīng)44.5kN.m/圈的斜度，在0.8圈處獲得大于35kN.m(26000lbf,ft)的扭矩。
對(duì)于β=+13°(δ=10°)的螺紋，對(duì)應(yīng)97.5kN.m/圈的斜度，在0.47圈處獲得45.9kN.m(33850lbf.ft)的扭矩。
這種具有過盈配合螺紋齒側(cè)面的螺紋使雄和雌元件能夠以很大扭矩拼合，該扭矩不需抵靠，而是由一圈雄和雌元件的一部分的旋轉(zhuǎn)得到的，該扭矩可能被證實(shí)是不足夠的，尤其在雄和雌元件上設(shè)置有密封表面時(shí)，例如，如圖3中的5、6那樣。
在這種密封表面之間的給定的接觸壓力的增大需要在密封表面相接觸后，一元件相對(duì)另一元件轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，以及需要在拼合完成時(shí)雄和雌元件的準(zhǔn)確定位，該定位是利用由兩個(gè)橫向承載表面如圖3中的7、8構(gòu)成的抵靠物得到的。
考慮到適于雄和雌元件的制造公差，在使用具有圖4、5、6的型式的過盈配合的螺紋齒側(cè)面、圖3中所示型式的密封表面和橫向的抵靠承載表面時(shí)，難于保證滿意的密封。
減小螺齒側(cè)面間的角δ將一定會(huì)減小作為圈數(shù)的函數(shù)的拼合扭矩的曲線的斜度，而除非采用一小于-15°的大的負(fù)角α，但這是不合乎要求的，這必將顯著減小穿入齒側(cè)面的角度β，這也是不合乎要求的。
如圖11和12所示的螺齒形狀可以解決名義拼合扭矩的較高的值和10kNm/圈的數(shù)量級(jí)的不太大值，例如，作為圈數(shù)的函數(shù)的扭矩曲線的斜度dT/dN的值之間的相容性的問題。
圖11和圖12的螺紋在圖3中所示的用密封表面和抵靠面連接的情況下是特別優(yōu)選的。
圖12的雄螺紋如圖5所示具有相對(duì)于連接軸的法線傾斜成負(fù)角α的承載齒側(cè)面33，相對(duì)同一法線傾斜成正角β的穿入齒側(cè)面35，螺齒齒頂39，并且被螺齒齒根37分隔。
與圖12中的雄螺紋31的特征相對(duì)應(yīng)的圖11的雌螺紋32的特征相對(duì)于連接軸具有與雄螺紋31相同的螺距和方向的承載齒側(cè)面34、穿入齒側(cè)面36、螺齒齒頂38以及螺齒齒根40。
雄和雌螺齒齒頂39、38的寬度大于相配合的螺齒齒根40、37，因此在拼合的一給定時(shí)刻，雄螺紋齒側(cè)面33、35都與雌螺紋的相配合的螺齒34、36相接觸，雖然在齒頂39、38和相配合的齒根40、37之間存在徑向間隙。在一未示出的變形中，在一單個(gè)螺紋的齒頂和相配合螺紋的齒根之間可以為正的徑向過盈。
雄螺紋31具有一開在齒頂39內(nèi)的槽61，槽的形狀為V形，具有倒圓的底部，并且其中V形的軸基本與連接軸垂直。
徑向測(cè)得的槽61的深度為雄螺齒的深度的65％，并且其底部為半徑為0.4mm的圓弧。
槽61的V形的兩個(gè)臂之間的角度為35°，并且在圖12的雄螺紋31內(nèi)產(chǎn)生的在其齒頂?shù)拈_口處的槽寬為在雄螺齒中間深度測(cè)得的寬度的34％。
雌螺紋32在雌螺齒38的齒頂內(nèi)開有一槽62，具有與雄螺紋31內(nèi)的槽61相同的幾何形狀，并且與槽61以相同的方式設(shè)置在雌螺齒中。
這些槽61、62使每個(gè)在兩個(gè)齒側(cè)面33、34、35、36上承受壓應(yīng)力的螺紋31、32變形為兩個(gè)懸臂梁63+65、64+66，承受彎曲應(yīng)力。
合成的彈性導(dǎo)致當(dāng)連接形成時(shí)在齒側(cè)面的同時(shí)接觸的點(diǎn)上的過盈配合的力減小，并且，導(dǎo)致作為旋轉(zhuǎn)的函數(shù)的拼合扭矩曲線的斜度dT/dN的減小。
在螺齒齒頂開口處的槽深和槽寬作為參數(shù)，其在獲得作為轉(zhuǎn)動(dòng)的函數(shù)的拼合扭矩的曲線的斜度dN/dT時(shí)起作用，該斜度不太大，例如為20kN.m/圈的數(shù)量級(jí)。
槽的深度必須小于或等于螺紋深度，否則其將連接結(jié)構(gòu)減弱到不可接收的程度。
在齒頂開口處的槽寬必須小于或等于螺齒在其中間高度處測(cè)得的寬度的2/3，以保持在懸臂63、64、65、66的水平面的足夠強(qiáng)度。
用于槽底的0.4mm的半徑抑制了在槽底的應(yīng)力集中。
在圖13中的曲線E示出了具有槽的這種螺紋結(jié)構(gòu)，其允許用超過用于在研究中(27kN.m見表1)的管尺寸的最小理想值的名義扭矩來拼合。拼合扭矩的曲線的斜度dT/dN變形超過25kN.m；斜度在起始處為24kN/圈的數(shù)量級(jí)并且其將25kN.m以上的減小為9kN.m/圈左右，這就本身限制了拼合扭矩并精確地定為抵靠和密封表面。通過對(duì)比，圖13中的曲線D涉及相似的螺紋但沒有槽，并且具有40kN/圈的相對(duì)恒定的斜度。
本發(fā)明的連接可以多種變形來加工；在此描述的實(shí)施例并不是限制。
特別是，本發(fā)明可以應(yīng)用于以下二者整體的螺紋連接100，設(shè)置在第一長(zhǎng)金屬管101的端部的雄元件1和設(shè)置在第二長(zhǎng)金屬管102端部的雌元件2；以及應(yīng)用于圖14所示的螺紋及管接頭連接中，其中在端部包含雄元件1、1’的兩個(gè)長(zhǎng)金屬管101、101’通過金屬管接頭202連接，該管接頭202在其每端具有雌元件2、2’，這種螺紋及管接頭連接使用兩個(gè)本發(fā)明的螺紋連接100、100’。
權(quán)利要求
1．一種用于兩個(gè)金屬管的螺紋連接(100)，包括在第一金屬管末端的雄元件(1)，其擰入在第二金屬管末端的雌元件(2)中，雄元件(1)包括帶有梯形螺齒(11、71、31)的外錐螺紋(3)，螺齒包括兩個(gè)齒側(cè)面，即承載齒側(cè)面(13、73、33)和穿入齒側(cè)面(15、75、35)，在雄螺齒齒頂(17、77、39)的螺紋寬度(l3)小于在雄螺齒齒根的螺紋寬度(l1)，雌元件(2)包括帶有梯形螺齒(12、72、32)的內(nèi)錐雌螺紋(4)，所述螺齒具有與雄螺紋(3)相配合的形狀，在每個(gè)雄和雌螺紋的螺齒齒頂?shù)膶挾?l3、l4)大于所配合的螺齒齒根的寬度(l6、l5)，其特征在于，雄元件(1)通過擰入雌元件(2)內(nèi)到達(dá)一這兩個(gè)元件的相對(duì)位置，所述位置超過在拼合過程中雄螺齒(11、71、31)的兩個(gè)齒側(cè)面(13、15、73、75、33、35)與雌螺齒(12、72、32)的兩個(gè)齒側(cè)面(14、16、74、76、34、36)相接觸的位置，以便由雌螺紋產(chǎn)生雄螺紋的軸向過盈配合，且反之亦然。
2．如權(quán)利要求1所述的螺紋連接，其特征在于，在拼合完成時(shí)，兩個(gè)雄和雌螺紋(3、4)的每一個(gè)的螺齒齒頂(17、20)和相配合的螺紋(4、3)的螺齒齒根(18、19)之間的徑向過盈為負(fù)值或零。
3．如權(quán)利要求1或2所述的螺紋連接，其特征在于，在拼合過程中，當(dāng)雄螺齒的兩個(gè)齒側(cè)面(13、15)與其雌配合齒側(cè)面相接觸時(shí)，在相配合的螺齒齒頂和齒根之間存在至少0.15mm的軸向間隙(x1,x2)。
4．如權(quán)利要求1所述的螺紋連接，其特征在于，在拼合結(jié)束時(shí)，兩個(gè)雄和雌螺紋(3、4)的其中之一的螺齒齒頂(77、80)和相配合螺紋(4、3)的螺齒齒根(78、79)之間的徑向過盈為正。
5．如權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)所述的螺紋連接，其特征在于，雄或雌螺齒的承載齒側(cè)面(13、14、73、74、33、34)和穿入齒側(cè)面(15、16、35、36、75、76)之間的角δ為20°或更小。
6．如權(quán)利要求5所述的螺紋連接，其特征在于，角δ在7°到20°范圍內(nèi)。
7．如權(quán)利要求1到6中任一項(xiàng)所述的螺紋連接，其特征在于，對(duì)于每個(gè)雄和雌螺紋(3、4)，在承載齒側(cè)面(13、14、73、74、33、34)上，螺齒齒頂(17、20、77、80、39、38)伸出螺齒齒根(19、18、79、78、37、40)之上，所述承載齒側(cè)面與連接軸法線之間的角(α)在0到-15°范圍內(nèi)。
8．如權(quán)利要求1到7中任一項(xiàng)所述的螺紋連接，其特征在于，至少雄和/或雌螺紋(3、4)中的一個(gè)包括槽(61、62)，其在螺紋長(zhǎng)度的整個(gè)或一部分上開在螺齒齒頂(39、38)內(nèi)。
9．如權(quán)利要求8所述的螺紋連接，其特征在于，槽(61、62)的深度最多等于螺紋的深度。
10．如權(quán)利要求8或9所述的螺紋連接，其特征在于，槽(61、62)在其螺齒齒頂(39、38)內(nèi)的開口處的寬度最多為在螺紋中間深度處測(cè)得得螺紋寬度的2/3。
11．如權(quán)利要求8到10中任一項(xiàng)所述的螺紋連接，其特征在于，槽(61、62)具有U形或帶有倒圓的底部的V形的形狀。
12．如權(quán)利要求1到11中任一項(xiàng)所述的螺紋連接，其特征在于，每個(gè)雄和雌元件(1、2)包括至少一個(gè)密封表面(5,6)，每個(gè)雄密封表面(5)具有大致縱向的取向，并且在拼合時(shí)，與相配合的雌密封表面(6)徑向干涉。
13．如權(quán)利要求1到12中任一項(xiàng)所述的螺紋連接，其特征在于，每個(gè)雄和雌元件(1、2)包括至少一個(gè)具有大致橫向取向的承載表面(7、8)，在拼合時(shí)，至少一個(gè)雄承載表面(7)與雌承載表面(8)相抵靠。
14．如權(quán)利要求1到13中任一項(xiàng)所述的螺紋連接(100)，其特征在于，其包括設(shè)置在第一長(zhǎng)金屬管(101)的端部的雄元件(1)，以及設(shè)置在第二長(zhǎng)金屬管(102)的端部的雌元件(2)。
15．兩個(gè)如權(quán)利要求1到13中任一項(xiàng)所述得螺紋連接(100、100’)的使用，通過在其每一端部設(shè)置有雌元件(2、2’)的金屬管接頭(202)，以連接兩個(gè)在它們的端部包括雄元件(1、1’)的長(zhǎng)金屬管(101、101’)。
全文摘要
一種兩個(gè)金屬管的螺紋連接,包括在雄元件上的具有梯形螺齒的錐度外螺紋(3)及在雌元件上的配合的內(nèi)螺紋(4)。外和內(nèi)螺齒(11、12)在其螺齒齒頂?shù)拈L(zhǎng)度(l3、l4)小于在螺齒齒根(l1、l2)的。齒頂?shù)膶挾?l3、l4)大于相配合螺紋的齒根的寬度(l5、l6)。雄和雌元件擰到超過外螺紋的兩個(gè)齒側(cè)面(13、15)與內(nèi)螺紋的兩個(gè)齒側(cè)面(14、13)相接觸的位置。這種連接提供了高度緊密的扭矩。螺齒可包括一位于螺齒齒頂?shù)牟邸?br> 文檔編號(hào)F16B33/02GK1316043SQ99810450
公開日2001年10月3日 申請(qǐng)日期1999年9月2日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月7日
發(fā)明者西里·諾埃爾, 伊曼紐爾·瓦倫尼 申請(qǐng)人:法國(guó)瓦羅里克·曼尼斯曼油汽公司