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CN1433510A - 具有锥螺纹的接头 - Google Patents

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CN1433510A
CN1433510A CN01810763.XA CN01810763A CN1433510A CN 1433510 A CN1433510 A CN 1433510A CN 01810763 A CN01810763 A CN 01810763A CN 1433510 A CN1433510 A CN 1433510A
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CN
China
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thread
width
millimeter
outer cone
tooth
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Application number
CN01810763.XA
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English (en)
Inventor
前田惇
永作重夫
炭谷胜利
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vallourec Oil and Gas France SAS
Nippon Steel Corp
Original Assignee
Vallourec Mannesmann Oil and Gas France SA
Sumitomo Metal Industries Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Vallourec Mannesmann Oil and Gas France SA, Sumitomo Metal Industries Ltd filed Critical Vallourec Mannesmann Oil and Gas France SA
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Pending legal-status Critical Current

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    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/02—Couplings; joints
    • E21B17/04—Couplings; joints between rod or the like and bit or between rod and rod or the like
    • E21B17/042—Threaded
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16L15/001—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints with conical threads
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Abstract

一种具有锥螺纹的接头，间隙L(毫米)是外锥螺纹1的牙顶1a和内锥螺纹2的牙底2b之间的间隙L1(毫米)，与外锥螺纹1的牙底1c和内锥螺纹2的牙顶2c之间的间隙L2(毫米)中较小者，轴向间隙δ(毫米)沿宽度方向形成并且是以螺纹连接方式彼此啮合的外锥螺纹1的螺纹谷宽度和内锥螺纹2的螺纹脊宽度之间的差值，间隙L(毫米)，承载牙侧角α(°)和入扣牙侧角β(°)，及轴向间隙δ(毫米)具有如下关系：δ≤L·(tanα+tanβ)当必须螺纹部分的干涉时，初始设定螺纹干涉H为H＞2L。由此，在制造公差范围内能够容易地制造具有足够的抗拉强度和抗压强度的螺纹，特别是作为用于具有金属密封部分的油井管螺纹接头，它具有良好的密封特性和增加的可靠性。

Description

具有锥螺纹的接头
技术领域
本发明涉及一种将油井管路例如彼此连接起来的具有锥螺纹的接头。
背景技术
当锥螺纹连接时，外螺纹和内螺纹彼此螺纹啮合。不仅承载牙侧相互发生接触而且外螺纹的牙顶和内螺纹的牙底之间，或外螺纹的牙底和内螺纹的牙顶之间，或与承载牙侧相对侧(后侧)的入扣牙侧(stab flank)之间发生接触时，上紧被阻止，并且沿螺纹径向的相对运动也被阻止。正常情况下，当外螺纹的牙顶或牙底与其相对的牙底或牙顶接触时可以防止上紧，并且防止外螺纹和内螺纹进一步的螺纹啮合。
如果从上述状态进一步增加上紧力(转矩)，外螺纹和内螺纹分别通过径向收缩经受变形或通过径向膨胀经受变形，它们一起在其间产生上紧力。两个元件的变形之和称作螺纹干涉量。调节通常的锥螺纹的上紧力，适当地限制这种干涉的程度。正常情况下，使螺纹的上紧力稍大，以防止螺纹松动并且适当抵抗张力。多数传统的锥螺纹具有这种结构。
具有锥螺纹的接头主要用于连接管件，该接头的结构使得由于上述螺纹干涉引起的轴向作用力，载荷施加在螺纹的承载牙侧，并且该接头的结构使得由于该载荷和螺纹干涉引起的外螺纹(或内螺纹)的牙底的作用力，实现紧的连接，而不会沿轴向或径向松动。
即使当拉力沿轴向施加在已经上紧的锥螺纹上时，由于承载牙侧从上紧的初始阶段接触，因此外螺纹和内螺纹之间不会发生沿拉伸方向的相对运动。这种状态被保持，直到拉力超过螺纹的强度。
然而，正常情况下，在螺纹的入扣牙侧存在间隙。在这种情况下，沿轴向的压力仅仅由外锥螺纹或内锥螺纹的牙底的承载力，以及锥形表面的接触力所产生的摩擦力承担。接触力由施加在锥形部分上的干涉产生。因此，尽管其锥度的数值有些变化，与沿螺纹轴向受拉力的情形相比沿轴向对压力的承载能力相当小。即，通常的锥螺纹甚至不能承受相对较小的压力。相应与轴向间隙尺寸的相对轴向运动是不可避免的，轴向间隙通常存在于外螺纹和内螺纹的入扣牙侧之间。
当接近螺纹部分设置用于限制上紧量的停止部分时，停止部分沿轴向承受上述压力。但由于结构限制，停止部分接触部分的面积必须小于管体的横截面面积。尽管可以使螺纹抗拉强度加大，足以等于管体的强度，但抗压强度与管体强度相比相当小。因此，螺纹不能承受超过该极限的轴向压力。在仅仅上述螺纹入扣牙侧之间间隙大小的运动发生的情况下，停止部分变形并且沿轴向发生相对运动。
当设有金属密封部分时，如在许多油井管中一样，特别是为了保证螺纹连接部分的密封特性时，上述轴向运动极大地影响密封特性，经常导致密封特性失效。
为了适当地承载轴向压力，需要消除螺纹的入扣牙侧之间的间隙并且在入扣牙侧之间以与承载牙侧之间相同的方式设置接触，至少在连接螺纹时。已经构思出具有这种结构的螺纹，即消除了承载牙侧之间和入扣牙侧之间的间隙并且发生接触(见，例如，日本公布未审专利申请Hei9-119564)。
然而，考虑到实际制造中的加工公差，难于使螺纹的承载牙侧和入扣牙侧总是接触。事实上，当需要承载牙侧和入扣牙侧都接触时，各种尺寸条件被单独调节，并且合适的尺寸关系被独立选择。因此，在入扣牙侧形成间隙并且不能获得有效的抗压力强度。
在日本公布未审专利申请Hei9-119564中，提出了具有这种结构用于油井管的螺纹接头，即承载牙侧和入扣牙侧在连接时都接触。然而，根本没有具体描述采用什么类型的结构提供这种螺纹，其承载牙侧和入扣牙侧在连接时都接触。该文献只是声明承载牙侧和入扣牙侧在连接时都接触。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有锥螺纹的接头，该锥螺纹具有一种牙形，利用该牙形，螺纹的承载牙侧之间和入扣牙侧之间的间隙可以消除并且利用该牙形其表面可以始终接触以便沿轴向产生足够的抗压强度。
根据本发明，一种具有锥螺纹的接头由关系式δ≤L·(tanα+tanβ)限定
其中值L(毫米)(下面称作“螺纹的上部或下部间隙L”)即外锥螺纹的牙顶和内锥螺纹的牙底之间的间隙L1与外锥螺纹的牙底和内锥螺纹的牙顶之间的间隙L2中较小者，承载牙侧角α(°)，入扣牙侧角β(°)，及以螺纹连接方式彼此啮合的外锥螺纹的螺纹脊宽度和内锥螺纹的螺纹谷宽度之间的差值或内锥螺纹的螺纹脊宽度和外锥螺纹的螺纹谷宽度之间的差值，即，轴向间隙的最大值δ，最大值δ能够沿螺纹的宽度方向形成。
由此，可以制造具有锥螺纹的接头，该接头可以在任何条件下保持承载牙侧之间和入扣牙侧之间的接触状态。
附图说明
图1示意地说明了根据本发明的的具有锥螺纹的接头的螺纹部分，图1(a)是示意说明图，图中示出了外锥螺纹和内锥螺纹的中径线重合的初始状态，而图1(b)是示意说明图，图中示出了上紧时承载牙侧之间和入扣牙侧之间的接触状态。
图2是表示承载牙侧之间和入扣牙侧之间螺纹连接的接触条件。
图3是示意图，图中示出了为了制造承载牙侧和入扣牙侧都接触的螺纹通过实际的螺纹啮合状态下的中径的重合两个表面都接触的状态。
图4示出了为了制造承载牙侧和入扣牙侧都接触的螺纹分别设计和绘出的外锥螺纹和内锥螺纹，图4(a)是表示内锥螺纹的示意说明图，而图4(b)是表示外锥螺纹的示意说明图。
图5示出了为了制造承载牙侧和入扣牙侧都接触的螺纹分别设计和绘出的外锥螺纹和内锥螺纹，图5(a)是表示内锥螺纹的示意说明图，而图5(b)是表示外锥螺纹的示意说明图。
图6示出了承载牙侧和入扣牙侧都接触的螺纹的连接状态，图6(a)是表示满足本发明条件的情形的示意说明图，而图6(b)是表示包括不满足本发明条件的区域的情形的示意说明图。
图7是表示在组合试验中作用在试验材料上的载荷的示意说明图。
具体实施方式
外螺纹和内螺纹彼此连接形成具有锥螺纹的接头。为了保持承载牙侧和入扣牙侧始终彼此接触的状态，必须在螺纹的螺纹啮合状态下在外锥螺纹的牙顶或牙底接触内锥螺纹的牙底或牙顶之前不仅承载牙侧而且入扣牙侧也接触。沿螺纹径向的载荷(由螺纹之间的干涉量等产生的)可以由承载牙侧和入扣牙侧承载。
当螺纹连接外锥螺纹和内锥螺纹时，外锥螺纹和内锥螺纹沿径向彼此相对运动。在外锥螺纹的牙顶和牙底与内锥螺纹的牙底和牙顶之间形成的间隙的尺寸(沿径向的可能运动量)必须使在螺纹上紧过程中在螺纹脊宽度和螺纹谷宽度之间沿中径线的轴向间隙最终为零。正常情况下，因为在螺纹上紧的初始阶段承载牙侧接触，轴向间隙相应于入扣牙侧之间的间隙。
即，在梯形螺纹的情况下，螺纹脊在螺纹上紧过程中进入螺纹谷。在螺纹的螺纹脊和螺纹谷之间的轴向间隙逐渐减小并且变窄。当沿外锥螺纹和内锥螺纹的径向方向的相对运动停止时，该减小停止。因此，在这种螺纹啮合期间在中经线上轴向间隙的减小应当大于入扣牙侧之间的初始轴向间隙。
在中经线上轴向间隙减小的最大值与螺纹承载牙侧的牙侧角α，入扣牙侧的牙侧角β，及“螺纹的上部或下部间隙L”有关。该最大值表示为L·(tanα+tanβ)。该值必须大于入扣牙侧之间沿中径线的初始轴向间隙δ。
对于此关系，螺纹脊宽度(螺纹谷宽度)不必总是常数，并且可以用于它以固定比率增加或减小的情形，或牙型高度(或牙槽深度)以固定比率增加或减小的情形。只要使轴向间隙δ为入扣牙侧之间间隙的最小值，就可以建立同样的关系，即使外螺纹和内螺纹承载牙侧和入扣牙侧的形状不同。
外了连接锥螺纹，典型地需要上述螺纹干涉量，并且给予这种干涉量的方法典型地取外螺纹和内螺纹的中径线重合的时刻为干涉的初始时刻。在这种情况下，外螺纹和内螺纹之间沿径向的可能运动量L`(＝“螺纹之间的上部或下部间隙L”)具有减小该螺纹干涉的作用。因此，有效螺纹干涉(H`)变为(H-2L`)。即，在这种情况下，在干涉H和沿径向方向可能运动的间隙L`之间的关系H＞2L`是必须的。
如果螺纹干涉太大，在内螺纹中沿圆周方向产生过大的拉应力。为了避免这一问题，正常情况下，采用限制螺纹上紧扭矩的方法，或采用限制螺纹上紧位置的方法(这种方法的具体例子是利用限制件)。在任一种情况下，在本发明中对干涉的限制应当被研究并且限于(H-2L`)。在这种情况下，L和δ之间的关系受螺纹干涉设定值H得限制。
这些关系由下式表示。
                           H＞2L
根据本发明的具有锥螺纹的接头根据这种技术理念构造。根据本发明，以螺纹方式彼此啮合的外锥螺纹和内锥螺纹的牙型在整个完整螺纹部分的长度上具有恒定的截面。“螺纹之间的上部或下部间隙L”(毫米)，承载牙侧角α(°)，入扣牙侧角β(°)，及以螺纹连接方式相互啮合的外锥螺纹的螺纹脊宽度和内锥螺纹的螺纹谷宽度之间的差值，即，沿螺纹的宽度方向产生的轴向间隙δ(毫米)具有如下关系
                       δ≤L·(tanα+tanβ)
式中，承载牙侧角α(°)和入扣牙侧角β(°)沿朝向螺纹脊的中心的方向为正，即彼此相对的方向。δ是包括制造公差的值。
这些关系适合于外锥螺纹和内锥螺纹，其中对于外锥螺纹和内锥螺纹牙型高度恒定并且螺纹脊的宽度，即螺纹脊宽度是可变的螺纹脊宽度，该宽度以恒定的比率逐渐增加或逐渐减小。这些关系也适合于外锥螺纹和内锥螺纹，其中对于外锥螺纹和内锥螺纹仅仅牙型高度是变牙型高度，该高度以恒定的比率逐渐增加或逐渐减小。
具有本发明所采用的锥螺纹的接头的关系将参照图1说明如下。
图1(a)给出了外锥螺纹1和内锥螺纹2的中径线重合的状态。这种状态构成螺纹连接的初始状态。啮合的外锥螺纹1和内锥螺纹2的在外锥螺纹1的牙顶1b和内锥螺纹2的牙底2b之间的间隙L1(毫米)，在外锥螺纹1的牙底1c和内锥螺纹2的牙顶2c之间的间隙L2(毫米)，间隙值(下面称为“上部或下部间隙”)L(毫米)，该值是间隙L1和L2中的较小者，承载牙侧1d和2d的牙侧角α(°)，入扣牙侧1e和2e的牙侧角β(°)，及螺纹脊宽度和螺纹谷宽度之间的差值，即沿螺纹的宽度方向形成的轴向间隙δ(毫米)构成初始值，并且它们是利用图上的尺寸计算出的并旦包括制造公差的数值。
如果外锥螺纹1相对于内锥螺纹2的上紧从图1(a)所示的状态进一步继续下去，外锥螺纹1和内锥螺纹2在承载牙侧1d和2d上彼此摩擦。外锥螺纹1和内锥螺纹2沿承载牙侧滑动的同时沿径向方向彼此相对运动，并且在螺纹牙顶和牙底之间的间隙L1和L2减小。此外，轴向间隙δ也减小。
当外锥螺纹1相对于内锥螺纹2的上紧进一步进行，如果上部或下部间隙L首先消失，沿外锥螺纹1和内锥螺纹2的径向方向的相对运动，即在承载牙侧1d和2d上的滑动变得不可能进行，尽管沿螺纹的宽度方向仍有剩余间隙δ。在随后的上紧期间中，外锥螺纹1和内锥螺纹2都经受径向变形，并且需要相应的高上紧扭矩。当上紧进行到预先设定的扭矩和相对位置时连接完成。
然而，在这种情况下，微小的轴向间隙δ存在于螺纹的宽度方向中，并且没有实现承载牙侧和入扣牙侧都接触的上紧状态。相反，如果上部和下部间隙L没有首先变为零，但是轴向间隙δ同时或首先变为零，如图1(b)所示，此时达到承载牙侧1d和2d和入扣牙侧1e和2e之间接触的状态。
如果螺距是P并且螺纹锥度是1/T，由于上紧通过外锥螺纹1相对于内锥螺纹2的一圈相对转动上部或下部间隙L和轴向间隙δ的变化ΔL和Δδ为ΔL＝P/2T和Δδ＝P/2T·(tanα+tanβ)。
通过建立关系式(L/ΔL)≥(δ/Δδ)可以同时或在上部或下部间隙变为零之前使轴向间隙δ为零。因此，如果将ΔL＝P/2T和Δδ＝P/2T·(tanα+tanβ)代入上式，得到δ≤L·(tanα+tanβ)。
因此，当相对于上部或下部间隙L，承载牙侧角α，入扣牙侧角β，及轴向间隙δ建立关系式δ≤L·(tanα+tanβ)时，而且当干涉H被设定的情况下相对于H和上部或下部间隙L建立关系式H＞2L时，承载牙侧和入扣牙侧始终接触的连接状态在任何情况下都可以获得。
图2示出了这种关系。如果条件在直线δ＝L·(tanα+tanβ)(如果δ较大)的右下侧，在螺纹连接后入扣牙侧之间残存轴向间隙δ。另一方面，在包括直线δ＝L·(tanα+tanβ)的该关系(如果δ较小)的左上区域中的条件，即由下式(1)
δ≤L·(tanα+tanβ)    (1)给出的情形表明能够实现入扣牙侧之间的接触。随着与直线的距离增加，在上紧期间入扣牙侧之间的接触更早接触。由此，实现固体接触，伴随的螺纹干涉为(H-2L′)，在螺纹牙顶残余间隙，并且抗压强度变大。
为了在螺纹连接后给予有效的螺纹干涉，必须满足下式：
                           L＜H/2即
            L·(tanα+tanβ)＜(H/2)·(tanα+tanβ)    (2)
因此，由式(1)和(2)，必须满足的条件为
              δ/(tanα+tanβ)≤L＜H/2    (3)
即使当接头的尺寸是这样的，即螺纹上部或下部间隙L，承载牙侧角α，入扣牙侧角β，及外螺纹的螺纹脊宽度和内螺纹的螺纹谷宽度之间的外轴向间隙δ在图2中的δ＞L·(tanα+tanβ)的区域，如果外螺纹和内螺纹用足够的上紧扭矩上紧，则出现这种情况，即本会存在的轴向间隙δ消失。由此，呈现出实质上适当水平的抗压强度。
例如，在具有抗扭轴肩(torque shoulder)部分的螺纹接头的情况下，如果上紧条件位于沿扭矩肩部的轴向的弹性变形范围内，由于伴随外螺纹唇(pin lip)部弹性变形的应变，螺纹的螺纹谷宽度减去螺纹脊宽度的值，即，轴向间隙δ减小。轴向间隙可能变成本质上为零。
此外，根据条件，当外螺纹和内螺纹已经被上紧时，由于螺纹的径向干涉量轴向间隙δ减小。
这是由于当外螺纹和内螺纹已经连接时外螺纹通过直径收缩变形并且内螺纹通过直径增加变形，其值为螺纹干涉量，并且根据泊松定律，内螺纹沿轴向伸长而外螺纹沿轴向收缩。即，由于以内螺纹沿轴向伸长和外螺纹沿轴向收缩的形成相对变形，外螺纹的螺纹脊宽度和内螺纹的螺纹谷宽度之间的间隙δ减小。在由上述δ＝L·(tanα+tanβ)所表示的边界线的附近，轴向间隙δ的值可能实质上变为零。
在这种情况下，外螺纹的伸长和内螺纹的收缩的总和是受下列因素影响的数值：形成接头的管子和管套的外经，壁厚，及管子的其它尺寸，材料的机械特性，及在连接时的有效螺纹干涉。在图2中表示合适范围的边界线δ＝L·(tanα+tanβ)仅由该总和沿水平轴(δ轴)的方向移动并且本发明的合适范围增加。例子
下面将结合传统的例子和比较例子根据例子描述具有根据本发明的接头的效果。
(例1)
如图3所示，为了制造承载牙侧和入扣牙侧都具有接触的螺纹，绘出一种情况，其中在已经螺纹啮合的状态下，由于中径等重合两个表面都接触。然后，可以确定每个件的尺寸。此时，如果外锥螺纹1和内锥螺纹2的螺纹形状相同，确定尺寸变的更加容易。
如图4(a)和4(b)及图5(a)和5(b)所示，当外锥螺纹1和内锥螺纹2分别设计和绘图时，在确定相同的基本牙型和尺寸后，可以确定每一部分的尺寸。
然而，在实际制造期间，加工期间必须考虑尺寸公差。当确定基本尺寸时，制造公差必须包括在内。
下面将说明形成具有锥螺纹的接头的本发明的实施例。在图3-5中的任一种情形，外锥螺纹和内锥螺纹的螺纹宽度之间的相对关系相同。因此，例如，当上部或下部间隙L(毫米)，承载牙侧α(°)和入扣牙侧角β(°)具有下表1所示的数值时，对任一种情形的轴向间隙δ的极限值(最大允许值)是如下面表2所示的值。
因此，包括公差的最大值δ可以设定为不高于该极限的值。
                  表1
  α(°)   β(°)     L(mm)
   图3     3     25     0.1016
   图4     0     45     0.5334
   图5     7     45     1.0414
           表2
 δ的最大允许值(mm)
   图3      0.0526
   图4      0.0533
   图5      0.1169
由此，获得包括外锥螺纹和内锥螺纹的螺纹脊宽度和螺纹谷宽度的公差的值，即沿螺纹的宽度方向形成的轴向间隙的最大值δ。相反，例如，由于对制造公差的限制，当轴向间隙的最大值δ需要是0.1毫米时，由本发明的关系式在螺纹的牙顶和牙底之间的间隙，即螺纹的“上部或下部间隙L”的最小值变为与表3中所示的值一样的值。
即，通过利用本发明的关系式，从上部或下部间隙L可以容易地得到对基线(baseline)轴向间隙δ，或从轴向间隙δ的最大值可以容易地获得基线上部或下部间隙L。
                  表3
    δ   L的最小值(mm)
   图3     0.1      0.193
   图4     0.1      0.100
   图5     0.1      0.089
(例2)
本例示出了满足本发明(试样1)关系式的情形和包括不满足本发明关系式的区域的情形(试样2)。试样1和试样2的于关系式有关的每一部分的尺寸和L·(tanα+tanβ)如下表4所示。
                                         表4
试样 α(°) β(°)     L(mm)(Min)    δ(mm)(Max) L·(taα+tanβ)(Min)   预定螺纹干涉H(mm)     有效螺纹干涉H’(mm)
  1    -3    35    0.10    0.06     0.1016    0.40      0.215
  2    -3    15    0.10    0.06     0.5334    0.40       0.20
这里，包括公差的L和δ的值为L＝0.10+0.05/-0.0，及δ＝0.03±0.03。
实际螺纹公差(H`)：0.40-2δ/(tanα+tanβ)或0.40-2L
图6(a)和6(b)是与图2所示的图形一样的具有表4中所示尺寸的试样1和2的图。
图6中的阴影线的区域是考虑公差的区域。在这种情况下，轴向间隙δ的最大值是0.06毫米，而最小值是0毫米，螺纹的上部或下部间隙L的最大值是0.15毫米，而最小值是0.1毫米。(L＝0.10毫米+0.05毫米/-0.0毫米，δ＝0.03毫米±0.03毫米)。
在表示试样1的图6(a)中，L·(tanα+tanβ)的值是在范围0.0648-0.0972毫米中，而δ的值是在范围0.0-0.06毫米中。螺纹干涉存在，并且根据设定的螺纹干涉0.40毫米利用H·(tanα+tanβ)/2的值确定L·(tanα+tanβ)的极限植为0.1296。
因此，在满足本发明的关系式的试样1的情形，在所有的制造公差的范围内，δ，L，α和β之间的关系在直线δ＝L·(tanα+tanβ)的左上侧(在δ较小的区域)，并且承载牙侧和入扣牙侧始终接触。
在表示试样2的图6(b)中，其中包括不满足本发明关系式的区域，L·(tanα+tanβ)的值是在范围0.0216-0.0323毫米中，而δ的值是在范围0.0-0.06毫米中，与试样1的情形一样。由于螺纹干涉存在，根据预定的螺纹干涉0.40毫米通过计算H·(tanα+tanβ)/2确定对L·(tanα+tanβ)的限制。当L·(tanα+tanβ)的值变得大于该值时，螺纹干涉本质上消失。
因此，依L和δ的实际值，δ，L，α和β之间的关系可以在直线δ＝L·(tanα+tanβ)的左上侧(在δ较小的区域)，并且承载牙侧和入扣牙侧始终接触。然而，即使在这种情况下，一部分区域在右下侧(在δ较大的区域)，并且在入扣牙侧之间形成间隙。
对于实际的螺纹，可以设定轴向间隙δ的值为负的，但即使在这种情况下，情况也是相同的。即，如果条件是在直线δ＝L·(tanα+tanβ)的左上侧(在δ较小的区域)，承载牙侧和入扣牙侧始终接触。相反，如果条件是在右下侧的区域(在δ较大的区域)，在入扣牙侧之间形成间隙。
然而，设定δ为负值导致很大的有效螺纹干涉H`变得太大的倾向，从H`的表达式H-2δ/(tanα+tanβ)可以看出这一点。因此，预定值H必须设定在下侧，并且这随δ的可能区域而变化。
如上所述，即使在图2中的区域δ＞L·(tanα+tanβ)，当外螺纹和内螺纹用足够的上紧扭矩上紧时，本来会存在的轴向间隙δ消失。呈现出实质上合适水平的抗压强度。与由关系式δ≤L·(tanα+tanβ)所规定的δ的区域相比，δ值的范围可以延伸的程度由下面的计算求出。(a)具有扭矩肩部的螺纹接头的情形：
在外螺纹唇部的末端形成扭矩肩并且外螺纹唇部的长度是10，考虑弹性变形范围的应变是0.1-0.2％，在这种接头的情形，可以预期δ值的合适范围可以超出图2所示的区域δ≤L·(tanα+tanβ)延伸0.0 1-0.02毫米。
即，Dδ1＝0.01-0.02毫米。(b)基于外螺纹和内螺纹之间的径向干涉的宽度方向的变形的情形
如果外螺纹和内螺纹之间的干涉是H，相应的中径(直径)是PD，由于螺纹干涉外螺纹部分(pin portion)直径的收缩为hp，内螺纹部分(box portion)直径的膨胀为hb，外螺纹部分和内螺纹部分由同样的材料制造，并且其泊松比为(1/m)，则内螺纹和外螺纹沿轴向的应变∈p和∈b近似表示为如下形式：
∈p＝(hp/PD)·(1/m)...(伸长)
∈b＝(hb/PD)·(1/m)...(收缩)
轴向总应变为∈＝∈p+∈b，并且H＝hp+hb，因此总轴向应变由下式表示。
∈＝(H/PD)·(1/m)
因此，如果螺距是P，则外螺纹的螺纹脊宽度和内螺纹的螺纹谷宽度沿轴向每一圈螺纹缩减量Dδ2表示如下：
Dδ2＝(H/PD)·(1/m)·P
如果H＝0.3毫米，PD＝176.5毫米，P＝5.08毫米，及1/m＝0.3，则
Dδ2＝0.0026毫米。
该值当然与螺纹干涉成比例。(例3)
利用API钢管和普通管制作外螺纹，标称外径7英寸并且标称壁厚为0.408英寸(测试材料：API 5CT N-80，屈服强度为601.72×106Pa，极限抗张强度为725.2×106Pa)，制造专用螺纹接头，该接头具有例2中的试样1和试样2的牙形并且相同的锥度。比较以这种方式制造的具有锥螺纹的接头的特性。被测试螺纹的条件如下表5所示。
                                                      表5
 试样   螺纹类型    δ(mm)     L(mm)    α(°)    β(°)    L·(tanα+tanβ) H H`     接触类型   标记
A    No.1 0.05 0.135 -3 35 0.0875 0.4 0.246    两牙侧接触 ○
B   No.1 0.03 0.120 -3 35 0.0777 0.4 0.307    两牙侧接触 ○
C No.2 0.05 0.110 -3 15 0.0237 0.4 0.180    入扣牙侧不接触 ×
D No.2 0.04 0.105 -3 15 0.0226 0.4 0.190    入扣牙侧不接触 ×
E No.3 0.09 0.110 -3 35 0.0713 0.4 0.180    入扣牙侧不接触 ×
F   No.4 -0.02 0.125 -3 15 0.0269 0.1 0.286    两牙侧接触 ○
G   No.5 -0.05 0.115 -3 35 0.0745 0.2 0.277    两牙侧接触 ○
H`＝H-2δ/(tanα+tanβ)...δ≤L(tanα+tanβ)
  ＝H-2·L                δ＞L(tanα+tanβ)
○＝发明，×＝比较
接头具有上述条件螺纹的锥形螺纹，该接头以下述方法组装，即在外锥螺纹和内锥螺纹的扭矩限制停止部分之间接触后，施加预定的扭矩。应用满足API修正标准的标准涂料。装配后，进行复合试验，接下来进行剖析。
以图7所示的下列顺序进行复合试验。
(1)施加达到管体强度95％的拉伸载荷(载荷点1)，并且在保持该载荷的同时，施加内部压力，并且条件设定为Von Mises椭圆(应力椭圆)(VME)的95％(载荷点2)。
(2)调整内部压力，从而保持校正条件VME的95％，并且改变拉伸载荷到80％(载荷点3)，60％(载荷点4)，及0％(载荷点5)。此外，当保持条件VME的95％的同时，施加50％的压力(载荷点6)，90％的压力(载荷点7)，100％的压力(载荷点8)，并且使条件为0内部压力的纯压缩。
(3)轴向力再一次返回到零(载荷点9)。
(4)施加达到管体强度95％的压缩载荷(载荷点10)，并且在从该95％载荷点施加载荷条件VME的95％的同时，压缩载荷从95％减小到90％(载荷点11)，50％(载荷点12)，及0％(载荷点13)。
(5)在施加相同的载荷条件VME的95％的同时，施加60％的拉伸载荷(载荷点14)，80％的拉伸载荷(载荷点15)，及95％的拉伸载荷(载荷点16)。
(6)减小内部压力，施加95％的纯轴向力(载荷点17)，然后轴向力也减小，并且移去全部载荷(载荷点18)。
(7)重复上述的(1)-(6)。
(8)照例，在每一个载荷点保持的时间是每一个位置15分钟，但载荷点1，8，9，10和17是1分钟。
试验结果如下表6所示。对于满足本发明的关系式的试样A和B，试验成功完成，而对任一个没有问题。
                       表6
 试样   螺纹类型            试验结果
  A   试样No.1            成功完成
  B   试样No.1            成功完成
  C   试样No.2   在载荷点15泄漏(在第一个循环)
  D   试样No.2   在载荷点15泄漏(在第一个循环)
  E   试样No.3          在载荷点14泄漏
  F   试样No.4            成功完成
  G   试样No.5            成功完成
另一方面，用不满足本发明的关系式的试样C和D，在施加压缩载荷后，在拉伸核内部压力的条件下发生泄漏。这种情况被认为是由于螺纹连接不能抵抗高压力并且接近金属密封部分的肩部变形，由此这种情况导致在拉伸载荷的条件下泄漏。
试样F和G具有负轴向间隙δ，但是上紧后的干涉是与试样A和B同一水平的数值。在复合试验中没有问题，并且不仅试验结果好，而且也没有卡住。即，即使轴向间隙值δ是负的，通过调节有效的螺纹间隙值能够获得本发明的效果。
如在上述例子中一样，具有根据本发明的锥螺纹接头不限于这类接头，即为了限制内螺纹和外螺纹的螺纹啮合的数量(上紧量)在螺纹的附近具有停止部分的接头，或为了保证螺纹连接部分的密封特性具有金属密封的接头。本发明当然也能应用于仅仅具有螺纹的接头或仅仅具有连接到螺纹上的扭矩停止部分的接头，或仅仅具有连接到螺纹上的金属密封部分的接头。工业适用性，
采用具有根据本发明的锥螺纹的接头，螺纹的承载牙侧和入扣牙侧总是接触，具有这种结构的螺纹能够容易制造。由此，在制造公差范围内确实能够提供不仅具有足够的抗拉强度而且具有足够的抗压强度的螺纹。因此，即使重复经受大的压力，特别是专用于具有金属密封部分的油井管螺纹接头，也可以获得密封能力不会损坏的高可靠性的接头。

Claims (10)

1.一种具有锥螺纹的接头，包括以螺纹连接方式彼此啮合的外锥螺纹和内锥螺纹，外螺纹和内螺纹的牙型在全部螺纹部分的整个长度上具有恒定的截面，其特征是所述接头由下面等式所表示的关系限定：
                       δ≤L·(tanα+tanβ)
其中
L(毫米)： 外锥螺纹的牙顶和内锥螺纹的牙底之间的间隙L1(毫
          米)，与外锥螺纹的牙底和内锥螺纹的牙顶之间的间隙
          L2(毫米)中较小者的间隙尺寸
α(°)：  承载牙侧角
β(°)：  入扣牙侧角
δ(毫米)：以螺纹连接方式彼此啮合的外锥螺纹的螺纹脊宽度和
          内锥螺纹的螺纹谷宽度之间的差值和以螺纹连接方式
          彼此啮合的内锥螺纹的螺纹脊宽度和外锥螺纹的螺纹
          谷宽度之间的差值中的最大值。
2.根据权利要求1所述的具有锥螺纹的接头，其特征是螺纹的牙底和牙顶之间的间隙值L(毫米)，及螺纹的螺纹脊宽度和螺纹谷宽度之间的差值δ值(毫米)位于从相应的考虑了制造公差的最小值到最大值的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的具有锥螺纹的接头，其特征是螺纹的螺纹谷宽度减去螺纹脊宽度的包括公差的值δ(毫米)是负值，并且有效螺纹干涉H`(毫米)在这样的一个范围内，即所述范围使应力小于外锥螺纹和内锥螺纹的任何部分中形成螺纹的材料的屈服强度。
4.一种具有锥螺纹的接头，包括以螺纹连接方式彼此啮合的外锥螺纹和内锥螺纹，外螺纹和内螺纹的牙型在全部的螺纹部分的整个长度具有恒定的截面，并且螺纹脊宽度从螺纹的牙底到牙顶均匀地减小，其特征是所述接头由下面的等式所表示的关系限定：
                       δ≤L·(tanα+tanβ)
其中
L(毫米)： 外锥螺纹的牙顶和内锥螺纹的牙底之间的间隙L1(毫
          米)，与外锥螺纹的牙底和内锥螺纹的牙顶之间的间隙
          L2(毫米)中较小者的间隙尺寸
α(°)：  承载牙侧角
β(°)：  入扣牙侧角
δ(毫米)：以螺纹连接方式彼此啮合的内锥螺纹的螺纹谷宽度减
          去外锥螺纹的螺纹脊宽度的值，或以螺纹连接方式彼
          此啮合的外锥螺纹的螺纹谷宽度减去内锥螺纹的螺纹
          脊宽度的值。
5.根据权利要求4所述的具有锥螺纹的接头，其特征是螺纹的牙底和牙顶之间的间隙值L(毫米)，及螺纹的螺纹谷宽度减去螺纹脊宽度的值δ(毫米)位于各自的从相应的考虑了制造公差的最小值到最大值的范围内。
6.根据权利要求4所述的具有锥螺纹的接头，其特征是螺纹的螺纹谷宽度减去螺纹脊宽度的值δ(毫米)是负值，并且有效螺纹干涉H`(毫米)在这样的一个范围内，即所述范围使应力小于外锥螺纹和内锥螺纹的任何部分中形成螺纹的材料的屈服强度。
7.根据权利要求5所述的具有锥螺纹的接头，其特征是螺纹的螺纹谷宽度减去螺纹脊宽度的值δ(毫米)是负值，并且有效螺纹干涉H`(毫米)在这样的一个范围内，即所述范围使应力小于外锥螺纹和内锥螺纹的任何部分中形成螺纹的材料的屈服强度。
8.根据权利要求4-7任一项所述的具有锥螺纹的接头，其特征是外锥螺纹和内锥螺纹具有金属密封部分，并且有效螺纹干涉H`(毫米)至多是金属密封部分的干涉。
9.一种具有锥螺纹的接头，包括以螺纹连接方式彼此啮合的外锥螺纹和内锥螺纹，外螺纹和内螺纹的牙型在全部螺纹部分的整个长度具有恒定的截面，并且螺纹脊宽度从螺纹的牙底到牙顶均匀地减小，其特征是所述接头满足由下面的等式所表示的关系：
                    δ≤L·(tanα+tanβ)+Dδ1
当δ减小时Dδ1是正值，
其中
L(毫米)：   外锥螺纹的牙顶和内锥螺纹的牙底之间的间隙L1(毫
            米)，与外锥螺纹的牙底和内锥螺纹的牙顶之间的间隙
            L2(毫米)中较小者的间隙尺寸，包括制造公差
α(°)：    承载牙侧角
β(°)：    入扣牙侧角
δ(毫米)：  以螺纹连接方式彼此啮合的内锥螺纹的螺纹谷宽度减
            去外锥螺纹的螺纹脊宽度的值，或以螺纹连接方式彼
            此啮合的外锥螺纹的螺纹谷宽度减去内锥螺纹的螺纹
            脊宽度的值，包括制造公差
Dδ1(毫米)：当螺纹上在一起时由扭矩肩部之间的接触所引起的沿
            螺纹唇部的轴向方向的弹性变形所引起的δ的减小。
10.一种具有锥螺纹的接头，包括以螺纹连接方式彼此啮合的外锥螺纹和内锥螺纹，外螺纹和内螺纹的牙型在全部螺纹部分的整个长度具有恒定的截面，并且螺纹脊宽度从螺纹的牙底到牙顶均匀地减小，其特征是所述接头满足由下面的等式所表示的关系：
             δ≤L·(tanα+tanβ)+Dδ2
当δ减小时Dδ2是正值，
其中
L(毫米)： 外锥螺纹的牙顶和内锥螺纹的牙底之间的间隙L1(毫
          米)，与外锥螺纹的牙底和内锥螺纹的牙顶之间的间隙
          L2(毫米)中较小者的间隙尺寸，包括制造公差
α(°)：  承载牙侧角
β(°)：  入扣牙侧角
δ(毫米)：以螺纹连接方式彼此啮合的内锥螺纹的螺纹谷宽度减
          去外锥螺纹的螺纹脊宽度的值，或以螺纹连接方式彼
        此啮合的外锥螺纹的螺纹谷宽度减去内锥螺纹的螺纹
        脊宽度的值，包括制造公差Dδ2(毫米)：当螺纹上在一起时由沿螺纹的轴向方向的弹性变形所
        引起的沿轴向方向的螺纹的弹性变形所引起的δ的减
        小。
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