一种倒梯形螺纹接头的制作方法

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1.本发明涉及油管加工技术，更具体地说，涉及一种倒梯形螺纹接头。

背景技术：

2.在石油天然气等地下资源钻探开发领域，需要使用钻杆钻开地层，套管封隔地层与管内流体，油管输送油气。钻杆、套管和油管常常采用螺纹连接的形式，将钢管一根根连接起来下入深达几千米的地底，每根管子大约长10米。
3.在实际应用中，螺纹连接接头需要承受高拉伸，以及高内压作用，接头连接处往往成为整根管柱的薄弱环节。
4.随着易开采石油的逐渐开采殆尽，如今石油开采难度也越来越大，而且随着新的开采工艺的采用，如酸化压裂、长水平井、旋转下入等，管柱使用条件越来越恶劣。
5.目前，使用量最大的油管螺纹接头为api油套管标准规定的平端管圆螺纹nu和管端外加厚圆螺纹eu，套管螺纹接头为短圆螺纹sc、长圆螺纹lc和偏梯形螺纹bc。
6.平端管圆螺纹油管接头nu为10牙和8牙每英寸，主要使用于外径60.32mm～114.3mm的油管，圆螺纹易于加工，且拧接后只在齿顶、齿底圆角处有间隙，在被螺纹脂填充后，密封性能较好。但该螺纹上扣时易于发生粘扣，而且油管反复使用，更易发生批量粘扣；且圆螺纹抗滑脱性能差，接头抗拉性能只有管体的60％～80％，当拉伸力增大时，接头将发生脱口，使管柱掉井，引发生产事故，因此圆螺纹在井况更恶劣的深井、高压井难以使用。
7.为了提高nu接头的抗拉性能，对油管管端进行加热镦粗，再加工成eu圆螺纹接头。但是加厚端部不仅增加了生产成本，而且加厚长度有限，无法反复切除重新加工螺纹。
8.api标准中的套管圆螺纹sc和lc为8牙每英寸，该螺纹与油管8牙圆螺纹相同，同样易于粘扣；套管外径为114.3mm至508mm，该外径管子采用8牙每英寸，对于大外径套管，该螺距过小，属细牙螺纹，螺纹不仅易损坏，而且上扣效率低。
9.api标准中的偏梯形套管螺纹接头bc为5牙每英寸，内螺纹齿高等于外螺纹齿高，套管外径为114.3mm至508mm，该螺纹提高了抗拉性能，达到了与管体的100％，但是偏梯形螺纹除了四个圆角有间隙之外，螺纹轴向齿宽还有0.05～0.20mm的间隙，这些间隙使得偏梯形螺纹密封性能不如圆螺纹，由于偏梯形螺纹拧接与抗粘扣要求，该齿宽间隙不能够设计得更小或为0。虽然可以使用螺纹脂在一定程序上填充内、外齿之间的孔隙，但是螺纹脂在一定时间后会干燥失效，且螺纹间的接触应力不够，难以保证高密封性能。因此bc螺纹接头也无法用于恶劣的深井、高压井。
10.为了提高api标准中规定的螺纹的性能，国内外钢管厂家都开发了高气密封优质螺纹接头。该接头螺纹通常采用改进的偏梯形螺纹，内螺纹齿高大于外螺纹齿高，有8牙、6牙、5牙和4牙每英寸，可用于从60.32mm到508mm的外径。同时在外螺纹端部增加一个金属对金属过盈密封结构和对顶台肩，在内螺纹底端增加一个金属对金属过盈密封结构和对顶台肩。该结构大大提高的螺纹的性能，但是产品尺寸公差要求高，加工难度大，因此价格也大大提高。

技术实现要素：

11.针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种倒梯形螺纹接头，具有高密封和高抗扭性能，且方便加工。
12.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
13.一种倒梯形螺纹接头，包括具有内螺纹的母接头和具有外螺纹的公接头；
14.所述母接头、所述公接头上螺纹齿和螺纹齿槽的轴向截面均为倒梯形；
15.所述公接头上齿宽沿周向逐渐增大的所述螺纹齿与所述母接头上齿宽沿周向逐渐减小的所述螺纹齿槽相匹配；
16.所述公接头上齿宽沿周向逐渐增大的所述螺纹齿槽与所述母接头上齿宽沿周向逐渐减小的所述螺纹齿相匹配。
17.较佳的，所述内螺纹、所述外螺纹的锥度为1：16；和/或
18.所述内螺纹、所述外螺纹的导向面螺距ps小于承载面螺距p
l
；和/或
19.所述内螺纹、所述外螺纹的导向面和承载面的角度在-10
°
～0
°
之间。
20.较佳的，所述导向面和所述承载面的角度为-5.71
°
。
21.较佳的，所述螺纹齿的齿顶、所述螺纹齿槽的槽底平行于所述母接头、所述公接头的中心轴线；或
22.所述螺纹齿的齿顶、所述螺纹齿槽的槽底平行于所述内螺纹、所述外螺纹的螺纹锥母线。
23.较佳的，当所述螺纹齿的齿顶、所述螺纹齿槽的槽底平行于所述母接头、所述公接头的中心轴线时，所述内螺纹、所述外螺纹的导向面齿高hs小于承载面齿高h
l
；或
24.当所述螺纹齿的齿顶、所述螺纹齿槽的槽底平行于所述内螺纹、所述外螺纹的螺纹锥母线时，所述内螺纹、所述外螺纹的导向面齿高hs等于承载面齿高h
l
。
25.较佳的，所述内螺纹和所述外螺纹之间为过盈配合。
26.较佳的，当所述螺纹齿的齿顶、所述螺纹齿槽的槽底平行于中心轴线时，所述过盈配合满足以下三个关系式：
27.b
p
+bb＝ps+h
l
tanβ+hstanα-(i
l
+ibtanβ)-(is+ibtanα)
ꢀꢀ
(1)
28.d
bm-d
pm
＝4h
s-2h
l-2ibꢀꢀ
(2)
29.loss＝l
bm
+l
pm
+h
l
tanβ-(i
l
+ibtanβ)
ꢀꢀ
(3)
30.上式中，ps表示导向面螺距，p
l
表示承载面螺距，hs表示导向面齿高，h
l
表示承载面齿高，α表示导向面角度，β表示承载面角度，ib表示齿槽的槽底过盈量，is表示导向面过盈量，i
l
表示承载面过盈量，b
p
表示测量位置外螺纹齿宽，bb表示测量位置内螺纹齿宽，l
pm
表示b
p
对应的轴向测点，d
pm
表示b
p
对应的前一牙齿槽的槽底直径，l
bm
表示bb对应的轴向测点，d
bm
表示bb对应的前一牙齿槽的槽底直径，loss表示拧接到位后外螺纹的旋进长度。
31.较佳的，当b
p
＝bb时：
[0032][0033]
为所述外螺纹选定b
p
、l
pm
、d
pm
值后，则与所述外螺纹配合的所述内螺纹的bb、l
bm
、d
bm
值由公式(1)至(3)得出。
[0034]
较佳的，所述母接头、所述公接头上的最大齿宽/最小齿宽小于等于2.8。
[0035]
较佳的，所述母接头的端部设有内倒角，所述公接头的端部设有外倒角。
[0036]
较佳的，所述内倒角的角度为65
°
，所述外倒角的角度为60
°
。
[0037]
本发明所提供的一种螺纹接头，公接头的展开似一个截面为倒梯形的螺旋的楔子，母接头的齿槽展开也似一个截面为倒梯形的螺旋的楔槽，公接头与母接头在相互旋紧配合过程中，形似一个楔子打入一个楔槽中，内、外螺纹配合后齿侧全啮合，具有高密封和高抗扭性能，且本发明采用优化的齿形，加工方便，只需变换2到3次螺距就可以加工出螺纹。
附图说明
[0038]
图1是本发明倒梯形螺纹接头的公接头与母接头的配合示意图；
[0039]
图2是本发明倒梯形螺纹接头的公接头的轴向剖面示意图；
[0040]
图3是本发明倒梯形螺纹接头的母接头的轴向剖面示意图；
[0041]
图4是本发明倒梯形螺纹接头的齿顶、槽底平行于公、母接头的中心轴线的示意图；
[0042]
图5是本发明倒梯形螺纹接头的齿顶、槽底平行于外、内螺纹的锥母线的示意图；
[0043]
图6是本发明倒梯形螺纹接头的公接头与母接头的最终过盈配合示意图。
具体实施方式
[0044]
为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
[0045]
结合图1所示，本发明所提供的一种倒梯形螺纹接头，包括具有内螺纹21的母接头2以及与其相配合的具有外螺纹14的公接头1。
[0046]
母接头2、公接头1上螺纹齿和螺纹齿槽的轴向截面均为倒梯形。
[0047]
结合图2和图3所示，公接头1的螺纹齿的轴向截面为倒梯形的、螺旋的楔子，母接头2的螺纹齿槽的轴向截面为倒梯形的、螺旋的楔槽，公接头1与母接头2在相互旋紧配合过程中，即为一个楔子打入一个楔槽内。
[0048]
公接头1与母接头2在相互旋紧配合过程中，公接头1上齿宽沿周向逐渐增大的螺纹齿与母接头2上齿宽沿周向逐渐减小的螺纹齿槽相匹配；公接头1上齿宽沿周向逐渐增大的螺纹齿槽与母接头2上齿宽沿周向逐渐减小的螺纹齿相匹配。
[0049]
母接头2、公接头1上的内、外螺纹21、14的尺寸参数设置为最合适的匹配值，当母接头2、公接头1旋转到位时，内、外螺纹21、14的齿顶(见图6中a位置)、齿底(见图6中b位置)和齿侧(见图6中c位置)位置正好相互接触并有一定过盈量，该过盈量根据不同尺寸的母接头2、公接头1设置为不同值，由于上扣到位后，内、外螺纹21、14之间达到全啮合的状态，螺纹间无间隙，且达到过盈配合，因此本发明螺纹接头能够提供较高压力的内外气体密封能力。又因为内、外螺纹21、14之间为螺旋的楔形结构，越往里拧接，配合越紧，过盈越大，所需的拧接扭矩也越大，同时内、外螺纹21、14的螺纹牙齿为粗牙螺纹，且螺纹接触面积大，因此本发明螺纹接头所能承受的最大上扣扭矩值相比于现有接头也要大得多，能够承受大扭矩，适合于旋转下井。还因为内、外螺纹21、14的螺纹齿形为上大下小的倒梯形，螺纹导向面和承载面均为负角度，内、外螺纹21、14相互咬合在一起，只能通过旋转分离，无论承受多大
的拉伸、压缩、弯曲、内压、外压，除非螺纹整体破坏，否则本发明螺栓接头不会相互脱离。
[0050]
内螺纹21、外螺纹14的锥度为1：16。
[0051]
内螺纹21、外螺纹14的导向面螺距ps小于承载面螺距p
l
，因此螺纹齿宽沿母接头2、公接头1的中心轴线呈线性变化。
[0052]
内螺纹21、外螺纹14的导向面和承载面均为负角度，角度范围在-10
°
～0
°
之间，优选为-5.71
°
，因为actan(1/10)≈5.71
°
。
[0053]
螺纹齿的齿顶、螺纹齿槽的槽底(齿底)平行于母接头2、公接头1的中心轴线；或
[0054]
螺纹齿的齿顶、螺纹齿槽的槽底(齿底)平行于内螺纹21、外螺纹14的螺纹锥母线(锥度为1：16)。
[0055]
结合图4所示，当螺纹齿的齿顶、螺纹齿槽的槽底(齿底)平行于母接头2、公接头1的中心轴线时，内螺纹21、外螺纹14的导向面齿高hs小于承载面齿高h
l
；
[0056]
结合图5所示，螺纹齿的齿顶、螺纹齿槽的槽底(齿底)平行于内螺纹21、外螺纹14的螺纹锥母线时，内螺纹21、外螺纹14的导向面齿高hs等于承载面齿高h
l
。
[0057]
再结合图2所示，公接头1的端部外表面加工有外螺纹14，外螺纹14由一段完整螺纹11和一段不完整螺纹12组成。在公接头1的端部设有外倒角13，外倒角13的角度为60
°
。
[0058]
再结合图3所示，为一个两端均设有母接头2的接箍，接箍的两端部均设有内倒角23，内倒角23的角度为65
°
，在接箍中间位置为了防止两侧内螺纹21由乱牙相接，由螺纹刀直接加工出一段柱面22相连接。
[0059]
实施例1
[0060]
本实施例倒梯形螺纹接头由两个公接头1和一个两端带有母接头2的接箍组成，公接头1加工于外径60.32mm至244.48mm的钢管两端，母接头2加工于接箍的两端。公接头1和母接头2需设计并加工成最合适的匹配尺寸，使得两者拧接旋转到位时，螺纹齿顶、齿底和齿侧正好相互接触并有一定过盈量，过盈量根据不同尺寸接头设计成不同值，由于上扣到位后，内外螺纹间达到全啮合的状态，螺纹间无间隙，且达到过盈配合，因此接头能够提供较高压力的内外气体密封能力。同时为了使螺纹侧面达到设计的过盈配合，需要施加一个很大的上紧扭矩，该大扭矩值适用于小井眼深井或水平井的旋转下入。
[0061]
本实施例倒梯形螺纹接头除了选定合适的内螺纹21、外螺纹14的基本参数ps、p
l
、hs、h
l
、α和β之后，需要选定最合适的ib、is和i
l
。
[0062]
ps：导向面螺距；
[0063]
p
l
：承载面螺距(大)；
[0064]hs
：导向面齿高；
[0065]hl
：承载面齿高(小)；
[0066]
α：导向面负角度；
[0067]
β：承载面负角度；
[0068]
ib：齿底过盈量(半径)；
[0069]is
：导向面过盈量(轴向)；
[0070]il
：承载面过盈量(轴向)；
[0071]bp
：测量位置外螺纹齿宽；
[0072]bb
：测量位置内螺纹齿宽；
[0073]
l
pm
：外螺纹齿宽b
p
对应的轴向测点；
[0074]dpm
：外螺纹齿宽b
p
对应的前一牙齿底直径；
[0075]
l
bm
：内螺纹齿宽bb对应的轴向测点；
[0076]dbm
：内螺纹齿宽bb对应的前一牙齿底直径；
[0077]
loss：拧接到位后外螺纹旋进长度；
[0078]
以所述螺纹齿的齿顶、所述螺纹齿槽的槽底平行于中心轴线时为例，本实施例螺纹接头的内螺纹21、外螺纹14将满足以下三个关系式：
[0079]bp
+bb＝ps+h
l
tanβ+hstanα-(i
l
+ibtanβ)-(is+ibtanα)
ꢀꢀ
(1)
[0080]dbm-d
pm
＝4h
s-2h
l-2ibꢀꢀ
(2)
[0081]
loss＝l
bm
+l
pm
+h
l
tanβ-(i
l
+ibtanβ)
ꢀꢀ
(3)
[0082]
当b
p
＝bb时：
[0083][0084]
为所述外螺纹选定b
p
、l
pm
、d
pm
值后，则与所述外螺纹配合的所述内螺纹的bb、l
bm
、d
bm
值由公式(1)至(3)得出。
[0085]
外螺纹宽度b
p
′
的位置对应的轴向与径向测量长度为：
[0086][0087][0088]
内螺纹宽度bb′
的位置对应的轴向与径向测量长度为：
[0089][0090][0091]
为了提高螺纹加工效率，本实施例螺纹接头的内螺纹21、外螺纹14的最大齿宽/最小齿宽小于等于2.8，螺纹加工刀片为单齿刀，齿刀宽度等于最小齿宽或者比最小齿宽稍小，这样车削加工时，只需变换2到3次螺距就可以加工出螺纹，即：
[0092][0093][0094]
实施例2
[0095]
本实施例倒梯形螺纹接头选用规格：端部加工公接头1的钢管，其外径φ88.9mm，壁厚6.45mm，外螺纹14长度为100mm，螺纹导向面齿高为1.475mm，承载面齿高为1.25mm，导向面螺距为7.2mm，承载面螺距为7.4mm，螺纹锥度为1:16，螺纹导向面角为负角度-5.71
°
，螺纹承载面角为负角度-5.71
°
。
[0096]
接箍的外径107.95mm，接箍长度为177.50mm，为了发挥接头最佳的密封性能，不同外径和壁厚接头的齿底过盈量ib、导向面过盈量is、承载面过盈量i
l
、设计成不同值。为了测量方便测量位置外螺纹齿宽b
p
、测量位置内螺纹齿宽bb设计成相同值。
[0097]
因此对于不同外径和壁厚接头，根据公式(1)至(3)外螺纹齿宽b
p
对应的轴向测点l
pm
、外螺纹齿宽b
p
对应的前一牙齿底直径d
pm
、内螺纹齿宽bb对应的轴向测点l
bm
、内螺纹齿宽bb对应的前一牙齿底直径d
bm
，将被设计成有细微差异的不同值。
[0098]
本实施例倒梯形螺纹接头的上扣终止位置由内、外螺纹导向面与承载面限定，当外螺纹导向面和承载面分别与内螺纹导向面和承载面完全接触之后，相互间提供压紧力，上扣扭矩明显增大，上扣终止，此时，外螺纹齿顶与内螺纹齿底、外螺纹齿底与内螺纹齿顶将发生径向过盈，同时，外螺纹导向面与内螺纹导向面、外螺纹承载面与内螺纹承载面发生轴向过盈，此时，整个螺纹接头的内、外螺纹间无任何间隙，且内、外螺纹间有一定的预加应力存在，即使是高压气体也无法通过两接触面间泄漏出来。同时接头螺纹之间需要施加一个很大的上紧扭矩，可用于管柱旋转下入小井眼深井或水平井。
[0099]
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

技术特征：

1.一种倒梯形螺纹接头，其特征在于：包括具有内螺纹的母接头和具有外螺纹的公接头；所述母接头、所述公接头上螺纹齿和螺纹齿槽的轴向截面均为倒梯形；所述公接头上齿宽沿周向逐渐增大的所述螺纹齿与所述母接头上齿宽沿周向逐渐减小的所述螺纹齿槽相匹配；所述公接头上齿宽沿周向逐渐增大的所述螺纹齿槽与所述母接头上齿宽沿周向逐渐减小的所述螺纹齿相匹配。2.根据权利要求1所述的倒梯形螺纹接头，其特征在于：所述内螺纹、所述外螺纹的锥度为1：16；和/或所述内螺纹、所述外螺纹的导向面螺距p
s
小于承载面螺距p
l
；和/或所述内螺纹、所述外螺纹的导向面和承载面的角度在-10
°
～0
°
之间。3.根据权利要求2所述的倒梯形螺纹接头，其特征在于：所述导向面和所述承载面的角度为-5.71
°
。4.根据权利要求2所述的倒梯形螺纹接头，其特征在于：所述螺纹齿的齿顶、所述螺纹齿槽的槽底平行于所述母接头、所述公接头的中心轴线；或所述螺纹齿的齿顶、所述螺纹齿槽的槽底平行于所述内螺纹、所述外螺纹的螺纹锥母线。5.根据权利要求4所述的倒梯形螺纹接头，其特征在于：当所述螺纹齿的齿顶、所述螺纹齿槽的槽底平行于所述母接头、所述公接头的中心轴线时，所述内螺纹、所述外螺纹的导向面齿高h
s
小于承载面齿高h
l
；或当所述螺纹齿的齿顶、所述螺纹齿槽的槽底平行于所述内螺纹、所述外螺纹的螺纹锥母线时，所述内螺纹、所述外螺纹的导向面齿高h
s
等于承载面齿高h
l
。6.根据权利要求1所述的倒梯形螺纹接头，其特征在于：所述内螺纹和所述外螺纹之间为过盈配合。7.根据权利要求8所述的倒梯形螺纹接头，其特征在于，当所述螺纹齿的齿顶、所述螺纹齿槽的槽底平行于所述母接头、所述公接头的中心轴线时，所述过盈配合满足以下三个关系式：b
p
+b
b
＝p
s
+h
l tanβ+h
s tanα-(i
l
+i
b tanβ)-(i
s
+i
b tanα)
ꢀꢀꢀꢀ
(1)d
bm-d
pm
＝4h
s-2h
l-2i
b
ꢀꢀꢀꢀ
(2)loss＝l
bm
+l
pm
+h
l tanβ-(i
l
+i
b tanβ)
ꢀꢀꢀꢀ
(3)上式中，p
s
表示导向面螺距，p
l
表示承载面螺距，h
s
表示导向面齿高，h
l
表示承载面齿高，α表示导向面角度，β表示承载面角度，i
b
表示齿槽的槽底过盈量，i
s
表示导向面过盈量，i
l
表示承载面过盈量，b
p
表示测量位置外螺纹齿宽，b
b
表示测量位置内螺纹齿宽，l
pm
表示b
p
对应的轴向测点，d
pm
表示b
p
对应的前一牙齿槽的槽底直径，l
bm
表示b
b
对应的轴向测点，d
bm
表示b
b
对应的前一牙齿槽的槽底直径，loss表示拧接到位后外螺纹的旋进长度。8.根据权利要求7所述的倒梯形螺纹接头，其特征在于，当b
p
＝b
b
时：
为所述外螺纹选定b
p
、l
pm
、d
pm
值后，则与所述外螺纹配合的所述内螺纹的b
b
、l
bm
、d
bm
值由公式(1)至(3)得出。9.根据权利要求1所述的倒梯形螺纹接头，其特征在于：所述母接头、所述公接头上的最大齿宽/最小齿宽小于等于2.8。10.根据权利要求1所述的倒梯形螺纹接头，其特征在于：所述母接头的端部设有内倒角，所述公接头的端部设有外倒角。11.根据权利要求10所述的倒梯形螺纹接头，其特征在于：所述内倒角的角度为65
°
，所述外倒角的角度为60
°
。

技术总结

本发明公开了一种倒梯形螺纹接头，包括具有内螺纹的母接头和具有外螺纹的公接头；所述母接头、所述公接头上螺纹齿和螺纹齿槽的轴向截面均为倒梯形；所述公接头上齿宽沿周向逐渐增大的所述螺纹齿与所述母接头上齿宽沿周向逐渐减小的所述螺纹齿槽相匹配；所述公接头上齿宽沿周向逐渐增大的所述螺纹齿槽与所述母接头上齿宽沿周向逐渐减小的所述螺纹齿相匹配。本发明具有高密封和高抗扭性能，且方便加工。工。工。