CN1617994A - 带有塑性膨胀的密封管状接头的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管状接头，当由一个球形件在管状接头中通过而进行膨胀时，分别在径向朝内的阴构件(2)的周面(8)上和径向朝外的阳唇部(1)的周面(7)上形成的倾斜凸肩(41，43)彼此进行相对轴向移动，以便带有径向干预地进行相互密封接触。

Description

带有塑性膨胀的密封管状接头的实现方法

技术领域

本发明涉及管状接头，尤其涉及用于例如碳氢化合物井或类似的井、如地热井的管状接头。

背景技术

这种接头可以布置在两个长管之间，或者布置在一个长管和一个套管之间。这些接头尤其用于组装套管柱和生产管柱。考虑到所需的机械性能，套管和生产管通常由热处理的钢材制成。

接头必须在其侧面经得住拉伸、压缩、弯曲、扭转，以及在内外之间两个方向上承受很大的压差。至少在某些情况下，接头甚至必须不透气。螺纹接头在这方面特别具有优越性。

但是，目前是采用永久性塑性变形就地使管进行径向膨胀。这具有不同的优越性。另外，接头要像管那样在径向膨胀塑性变形之后仍保持有效和实用。因此，希望的是，螺纹接头在塑性径向膨胀后，保留其被欣赏的基本性能，尤其是在有或没有内部或外部过压下拉伸/压缩时的机械强度以及密封性。

如后所述的，传统的接头不能完全令人满意：或者不符合这方面的要求，或者偶然性较大，或者不具有重复性。

文献WO02/01102提出一种用于承受塑性径向膨胀的接头结构。

发明内容

本发明要改进这种现状。

本发明涉及一种高性能密封管状接头的实现方法，其中，从一个初始管状接头开始，该接头包括：

-一个第一阳管状件，具有一个第一阳螺纹和一个环状唇部，该环状唇部具有一个第一轴向支承面，轴向支承在第一管状件的自由端，以及

-一个第二阴管状件，具有一个第二阴螺纹和一个座槽，所述第二阴螺纹与所述第一阳螺纹相对应，所述座槽与所述环状唇部相对应，具有一个第二轴向支承面，

第一螺纹旋紧在第二螺纹上，使两个支承面彼此接触，并且

借助一个膨胀球形件，使初始管状接头在塑性变形的范围内进行径向膨胀，所述球形件的直径大于所述管状件的内径，在接头中进行轴向移动。

根据本发明的一个主要特征，当进行所述径向膨胀时，一个轴向对着所述轴向支承面、在径向朝外的阳唇部的周面上形成的第一倾斜凸肩，以及一个轴向朝向所述轴向支承面、在径向朝内的阴座槽的周面上形成的第一倾斜凸肩，彼此进行相对轴向移动，以便带有径向干预地进行相互密封接触。

所谓“密封接触”，这里指的是一个对另一个用力挤压的两个表面之间的接触，以实施金属对金属的密封。

本发明的补充或替代的可选特征如下：

-径向朝内的座槽周面具有一个呈凹入圆弧轮廓的环形槽，该槽具有一个第一侧面和一个第二侧面，第一侧面轴向朝向轴向支承面，第二侧面轴向对着所述轴向支承面，座槽的第一倾斜凸肩由所述第一侧面加以限定。

-槽的轮廓具有5至30毫米、最好接近10毫米的曲率半径。

-唇部和座槽的第一倾斜凸肩布置在初始管状接头上。

-布置在初始管状接头上的第一倾斜凸肩彼此至少在其一部分径向高度上轴向相对。

-位于其第一倾斜凸肩和轴向支承面之间的唇部部分，当进行膨胀的时候，至少局部压入槽的表面。

-槽在第二轴向支承面一侧连接到一个第一周壁部分上，在第二轴向支承面的相对一侧连接到一个第二周壁部分上，第二周壁部分的直径小于第一周壁部分的直径。

-所述周壁部分的直径之差小于或等于1毫米。

-膨胀时，唇部的第一倾斜凸肩通过其至少局部压入槽的表面而形成。

-槽紧靠第二轴向支承面。

-槽在第二轴向支承面一侧连接到一个第一周壁部分上，在相对一侧与连接到一个第二周壁部分上，第二周壁部分的直径与第一周壁部分的直径基本相同。

-槽在第二轴向支承面一侧与第一周壁部分相连接，在相对一侧与第二周壁部分相连接，第二周壁部分的直径大于第一周壁部分的直径。

-所述周壁的直径之差小于或等于1毫米。

-座槽的第一周壁部分的直径小于面对阳唇部的表面的直径，以便旋紧后在这些表面之间产生径向干预。

-阳唇部的第一倾斜凸肩和/或座槽的第一倾斜凸肩配有一涂层，该涂层的材料比底层材料更具延展性。

-接头的径向膨胀按照至少等于10％的膨胀率进行实施。

-接头的径向膨胀按照约为15％的膨胀率进行实施。

-径向朝内的座槽周面具有一个第二倾斜凸肩，第二倾斜凸肩轴向对着第一倾斜凸肩，并与之一起限定一个环形肋条。

-座槽的第一倾斜凸肩和第二倾斜凸肩通过圆角同环形肋条顶端相连接。

-座槽的第二倾斜凸肩的圆角的曲率半径大于第一倾斜凸肩的圆角的曲率半径。

-阳唇部的倾斜凸肩通过一个凸起的圆角同径向朝外的周面相连接。

-所述凸肩相对于接头的纵向轴线具有5至20°的倾斜度，最好接近10°。

-所述凸肩的径向高度为0.2至1毫米，最好接近0.5毫米。

-第一管状件和第二管状件分别属于一个长管和一个套管，所述套管用于通过一个根据本发明方法制造的第二管状接头使其与另一个长管相连接。

-第一轴向支承面是一个凸起表面，由一个环形舌片和一个邻近舌片的横向表面构成，所述横向表面相对于所述舌片进行轴向收缩，与第一构件的内周面相连接，其特征在于，第二轴向支承面是一个可收起的支承面，由一个环形槽和一个与之邻近的横向表面构成，所述横向表面与第二构件的内周面相连接，舌片与槽相配合。

-第一螺纹和第二螺纹呈圆锥形，其锥度至多等于12.5％。

-第一螺纹和第二螺纹呈圆柱形。

-唇部的厚度是第一管状构件的厚度的三分之一至三分之二。

-唇部具有一个长度和一个厚度，使唇部的长度与厚度之比为1至4。

-第一管状构件具有一个颈部，位于第一螺纹的端部，在螺纹和唇部之间。

-颈部的深度至多等于第一螺纹的螺纹高度。

-颈部具有一个长度和一个深度，使其长度为其深度的2至15倍。

本发明还涉及一种用于实施上述方法的初始管状接头，这种管状接头包括：

-一个第一阳管状件，具有一个第一阳螺纹和一个环形唇部，所述唇部在第一构件的自由端具有一个第一轴向支承面，以及

-一个第二阴管状件，具有一个第二阴螺纹和一个座槽，所述第二阴螺纹对应于第一螺纹，所述座槽对应于阳唇部，具有一个第二轴向支承面，

第一螺纹适于旋紧在第二螺纹中，以便使两个支承面彼此接触，径向朝内的座槽周面具有一个朝向第二轴向支承面的第一倾斜凸肩。

本发明还旨在提出一种例如可以通过上述方法获得的高性能密封管状接头，这种密封管状接头包括：

-一个第一阳管状件，具有一个第一阳螺纹和一个环形唇部，所述唇部在第一构件的自由端具有一个第一轴向支承面，以及

-一个第二阴管状件，具有一个第二阴螺纹和一个座槽，所述第二阴螺纹对应于第一螺纹，所述座槽对应于阳唇部，具有一个第二轴向支承面。

第一螺纹旋紧在第二螺纹中，一个轴向对着所述轴向支承面、在径向朝外的阳唇部周面上形成的第一倾斜凸肩，以及一个轴向朝着所述轴向支承面、在径向朝内的阴座槽周面上形成的第一倾斜凸肩，径向干预地彼此密封接触。

附图说明

下面的附图非限制性地示出本发明的一些实施方式，所有附图中相同或类似的构件用相同的标号予以标示。

图1示出适合本发明的通常类型的初始螺纹接头；

图2示出图1所示螺纹接头的阳螺纹件；

图3示出图1所示螺纹接头的阴螺纹件；

图4至7示出图1所示的螺纹接头的膨胀过程的不同阶段；

图4示出螺纹接头的膨胀阶段；

图5示出弯曲阶段；

图6示出校正阶段；

图7示出经受膨胀过程的螺纹接头的最终状态；

图8示出本发明接头在膨胀之前的第一旋紧阶段；

图9示出在图8所示阶段时的旋紧力矩曲线；

图10示出本发明接头在膨胀之前的第二旋紧阶段；

图11示出由图10的阶段补充的图9的旋紧扭力曲线；

图12示出本发明接头在膨胀之前的第三旋紧阶段；

图13示出由图12的阶段补充的图11的旋紧力矩曲线；

图14示出本发明接头在膨胀之前的第四旋紧阶段；

图15示出由图14的阶段补充的图13的旋紧力矩曲线；

图16类似于图14，示出一个变型；

图17类似于图16，示出本发明的膨胀后的接头；

图18至23类似于图16和17，示出其它变型，偶数号的图和奇数号图分别示出初始接头和膨胀后的接头。

附图基本包括一些具有一定特征的构件。这些构件不仅有助于更好理解本说明书，而且有助于阐明本发明。

具体实施方式

这里，本发明涉及例如碳氢化合物井或地热井的钻井。

通常，首先使用例如约为500毫米的大直径钻具按照数十米的较浅的深度钻出钻井的高度，并且套装具有该直径的管柱。然后，逐步缩小钻井直径，直至井底，井底可以钻成较小的直径，例如150毫米。这种井用同心管柱进行套装，每个管柱在钻到相应直径时下伸，所有管柱都从地面进行悬置；直径较大的管从地面延伸到数十米的深处，直径较小的管从地面延伸到井底，井深可达数千米。套装管和大地之间的间隔例如用水泥固定。

竖井完全钻好和套装后，可以下伸一个生产管柱，尤其用于将碳氢化合物提升到地面，即竖井的有效开采。所述生产管柱的外径略小于套装管柱的内径。

因此，一个竖井要使用大量尺寸不同的管，这些管往往用便于装配的螺纹接头进行装配。要使这些管尽量薄，以便无需很大直径的套装管靠近地面。螺纹接头的技术要求往往使其厚度大于管延伸部分的厚度，当在竖井中下伸到一定深度时，这要求增大同心柱之间的直径渐进性。

管之间的装配或者通过一个在另一个之中的管螺纹端部(整体接头)的旋紧连接，或者使用覆盖其端部的螺纹套管进行装配。在所述管或套管的端部旋紧后，管依次下伸。

因此，美国石油学院(API)的技术规格API 5 CT定义了两个长管之间的管状螺纹接头，以及套管螺纹装配件，所述套管螺纹装配件具有两个可以借助一个套管装配两个长管的螺纹接头。这种API接头仅通过在螺纹槽中加入载有金属微粒的润滑脂进行密封。

显然，不管当管在下伸到竖井中时、在使用中以及在支承重量的很大限制下经受什么负荷，管之间(或者管和套管之间)的连接应该是密封的，因为每个接头至少部分地支撑位于其下的管，螺纹接头的机械性能与其几何形状相关。

根据API的标准螺纹接头，即使使用带有颗粒的油脂，总存在一个泄露通道，其中，由于不接触的表面之间的间隙，高压流体可在其中流通。对于一个给定的拉伸载荷，存在一个流体压力极限，超过该极限，拉伸和压缩的组合力首先在API的螺纹接头上引起一个泄露，可导致相互接触的阴、阳部件的螺纹的脱离。

为此，螺纹接头和装配件得到各种不同的改进：例如，专利FR1489013、EP0488912、US4494777提出的管状螺纹接头借助于彼此径向接触的金属-金属密封接触面以及布置成在密封接触面之间确保一定接触范围的阳螺纹件和阴螺纹件之间的支承面进行密封。

在一个管柱下伸到竖井中之后，使之以持久性塑性变形进行径向膨胀。这是例如借助于一个球形件进行的，球形件在管柱内强制通过：参见专利或专利申请WO93/25799、WO98/00626、WO99/06670、WO99/35368、WO00/61915、GB2344606、GB2348657。这提供很有利的潜在性：

-使外廓尺寸较小的管柱下伸，然后进行强制膨胀；

-以这种方式安装套装管柱；

-就地堵塞套装管的孔或者因腐蚀或钻杆的摩擦而产生的孔，或者使外廓尺寸较小的管下伸到竖井中，一旦到位就使之膨胀到理想直径；

-可以钻出在其整个长度上直径一致的竖井，用完全具有相同直径的管的管柱进行套装，管柱部分以非膨胀状态插入，然后膨胀到已经布置就位的膨胀管柱部分的直径。

因此，可以大大减少竖井所需管的数量，无需使用直径较大和厚度较厚的管。因此，竖井成本降低。甚至可以直接使用套装管柱进行钻井，套装管柱起钻杆传动作用。

制造在膨胀率超过10％甚至达到25％的膨胀后仍保持其性能的接头是比较棘手的，要使之在工作状态下稳定可靠(所有接头必须如此)。

US5924745和WO98/42947提出具有膨胀性能的螺纹装配件。但是，这里涉及称为开槽胀管的管装配件，这种管装配件配有横贯的纵向缝隙，在碳氢化合物井井底进行径向膨胀(通过一个膨胀杆进入这些管)；所述缝隙扩大后，可以使管外的流体(来自矿脉的碳氢化合物)进入管，以便提升到地面。在这种情况下，装配件的密封性不很重要，装配件处于井底时也不具有大的机械负荷。

实际上，密封管柱的塑性膨胀首先是在焊接的接头(预先通过焊接接合的从地面展开的管筒)上或者在摩擦接头(滑动件)上提出来的。但是，尤其是在使用条件下的机械强度、密封性以及多次拆装的可能性方面，这种接头不具有螺纹接头的性能。

普通管状螺纹接头、例如专利US4494777提出的管状螺纹接头不支持径向塑性膨胀。在这些接头上膨胀后，会出现以下情况：

-不存在密封性(采用液压方法在管柱中推进球形件时妨碍进行膨胀)；

-凸端朝向接头内部，在由工作内径限定的空隙中形成一个凸起，使管柱的工作内径大大缩小到令人难以接受的程度；

-由于阳螺纹件和阴螺纹件整个长度上的厚度相对于管体厚度的变化，超出某些区域的变形能力，凸端唇部可能断裂。

因此，要制造一种能够在竖井中承受膨胀作业的并且在所述膨胀作业后不透液体甚至如果可能也不透气体的管状螺纹接头。这种管状螺纹接头要结构简单，生产成本低。此外，这种螺纹接头在使用中在膨胀后要具有良好的冶金特性，尤其是在这种情况下要具有足够的弹性极限，要没有易裂性，要在H₂S的作用条件下具有良好的抗裂性能。

公知的螺纹接头具有一个阳唇部和一个阴座槽(US4611838、US3870351、WO99/08034、US6047997)。这些公知装配件在塑性膨胀后不具有密封性。

一种适用于该技术的指杆式金属对金属密封接头的实施例描述于PCT/FR01/02005。但是，采用这种实施例，达到的最大膨胀率在球形件的通过使指杆脱离其座槽时高于管经受的机械应力，使接头处密封性不足，甚至没有密封性。

图1示出根据公开号为WO02/01102的国际申请PCT/FR01/02005、而非根据本发明的一种接头，这种接头包括一个布置在一个第一管11的端部的阳螺纹件1。该阳螺纹件旋紧在布置在一个第二管12的端部的阴螺纹件2中。阳螺纹件的内径这里等于管11、12的内径DI。在图1所示的实施例中，仅作为实施例，阴螺纹件的外径等于管11、12的外径DE。

图1所示的接头处于径向膨胀作业前只是旋紧在一起的状态。

如图所示的第二管12是一个长管。该第二管可以是(未示出)一个套管，一方面配有阴螺纹件2，另一方面配有一个对称的第二阴螺纹件或不配置后者，旋紧到一个位于另一个长管端部的阳螺纹件上。

图2仅示出阳螺纹件1。

阳螺纹件1具有一种梯形螺纹式锥形阳螺纹3，通过由一个颈部21和一个唇部5构成的一个非螺纹部分朝其自由端延伸，终止于一个阳端部环形面9。

颈部21具有一种不太深的U形形状。

颈部21紧接螺纹外开始，其深度h_g小于螺纹3的螺纹高度。这样，颈部的底部到达螺纹的第一螺纹根部。

颈部l_g的宽度基本等于其深度h_g的四倍。

唇部5具有：

(a)一个圆柱形外周面7；

(b)一个相应于第一管11的圆柱形内周面的端部区域的内周面19。

因此，唇部5具有一个基本等于管11的厚度e_t的一半的均匀厚度e_l。唇部5的从颈部自由端到表面15的铅垂线的长度l_l基本等于唇部厚度e_l的三倍。

阳端部表面9形成一个槽。该槽由一个横向环形阳表面15和一个在横向表面15附近轴向凸出的环形舌片13构成。横向阳表面15位于朝向螺纹接头内部的槽一侧。

舌片13的外周面位于唇部的表面7的延伸段上，而其内周面17例如呈圆柱形。

舌片13的径向厚度基本与横向表面15的厚度相同，而舌片的高度(或其轴向凸出部分)基本等于这同一舌片的径向厚度。它也可以等于该径向厚度的1.5倍，以便膨胀时很好地保持舌片的自由端。

阴螺纹件2单独示于图3。

从阴螺纹件的自由端开始，是阳螺纹3的均匀梯形螺纹式阴螺纹，然后是一个非螺纹部分6。该非螺纹部分6形成一个同阳螺纹件1的唇部5一致并进行配合的座槽。

阴座槽6具有一个周面8，周面8朝内，呈圆柱形，一方面与阴螺纹4相连接，另一方面通过一个阴凸肩10同第二管12的圆柱形内周面20相连接。

一般，座槽的周面8的直径略大于阳唇部5的外周面7的直径。这样，当阳螺纹件旋紧在阴螺纹件中时，周面7和8可以彼此以小间隙滑动，例如0.2毫米的间隙。这种滑动的优越性将在后面描述。

阴凸肩具有一个以基本相应的方式布置的凸肩环形表面10，其形状基本类似于阳端部9的形状。环形表面10形成一个槽，该槽由一个横向环形阴表面16和一个邻近横向表面16的环形槽14构成。

横向阴表面16位于朝螺纹件内的槽一侧。

邻近横向面16的槽14的壁18例如呈圆柱形，可以通过一个倒角或圆角与之相连接。槽的另一个壁位于周面8的延伸段上。拧入螺纹接头时，舌片的表面17“安装”到槽的壁18上，直至舌片的横向自由端25抵达槽14的底部24。舌片14的轴向高度h_r和槽的轴向深度P_r是：横向面15和16仅在补充旋紧后才接触。圆柱形面7和8之间以及舌片和槽的使之延伸的表面之间的小间隙，可以在旋紧时排出润滑脂，因此，可以使唇部5相对于座槽6正确定位。

图4至7示出在由将予以描述的螺纹接头装配的管上通过一个球形件使之进行约为15％的径向膨胀而最终获得一种密封膨胀接头的变形现象。

这种对金属材料进行的变形导致金属的塑性变形。

例如，从位于膨胀上游因而尚未变形的部分的第二管12的139.7毫米的外径，到膨胀的第一管11的157.5毫米的外径(球形件出口锥面33的下游)。为此，管要使用能承受这种塑性变形的金属。

产生的塑性变形增大产品的弹性极限：一个最初具有310MPa(45KSI)弹性极限的管在变形后增大到380MPa(55KSI)的弹性极限。

径向变形采用一个具有最大适当直径的球形件30(图4)以公知方式实施。或者使用钻杆牵引，或者例如通过液压推动，使所述球形件在管中通过。

球形件例如具有一种双锥形形状，一个实施膨胀的入口锥面31、一个中间圆柱形部分32和一个出口锥形部分33。

球形件部分的所有表面用适当的连接辐条彼此连接。

WO93/25800尤其提出特别适于碳氢化合物井开采使用的开槽胀管的径向膨胀的入口锥面角度。

由于管11、12具有基本恒定的截面，因此，只要制造管的金属具有足够的变形能力，其端部在球形件通过时不出现问题。

有待解决的问题是，管端螺纹件的厚度小于管体的厚度，并且局部可变，在相应的阳螺纹部分和阴螺纹部分之间进行不同的变形。

这些不同的变形如果使用本发明螺纹接头加以控制，就可以在径向膨胀后进行密封螺纹连接，不会在管的内周面内部产生可能造成严重阻碍的局部凸起。

螺纹接头的膨胀过程可以由图4至7所示的4个阶段组成。

虽然完全可以按相反方向进行膨胀作业而获得适宜的结果，但是，附图示出球形件从第一管11的阳螺纹件1朝第二管12的阴螺纹件2移动的最佳变形方式。

(a)球形件锥面上的膨胀阶段

图4示出该阶段期间的螺纹接头。

膨胀由球形件30的入口锥面31实施，图4示出径向膨胀过程中的阳螺纹3和阴螺纹4。

如图4所示，球形件30的入口锥面31使阳唇部和对应的阴座槽区域变形，使之弯曲，相对于装配轴线倾斜。

在该膨胀过程中，球形件30通过的反作用力从第一管11朝第二管12逐渐传递。

由于这种反作用力，阳唇部5在该膨胀阶段由阴凸肩环形面10进行轴向压缩。

膨胀阶段结束时，阳螺纹件的自由端到达球形件入口锥面31的终端。

(b)弯曲阶段

在该阶段期间，阳唇部位于球形件的中央部分32处，见图5。

(i)阳唇部

阳唇部5在其两端的每个端部经受反向弯曲力矩。

实际上，由于具有支承15、16的槽以及舌片13/槽14控制系统的缘故，阳端部表面9保持就位在阴凸肩环形表面10上。

槽的控制使阳唇部5的自由端区域跟随超出凸肩的阴螺纹件最大厚度区域22的倾斜度。该区域22仍处于球形件入口锥面31上的膨胀过程中，因而在该处产生弯曲力矩。

阳螺纹3一侧唇部的另一端不再被支承，相反，对唇部施加一个与唇部自由端的弯曲力矩相反的弯曲力矩。

与阳唇部两端相反的标志弯曲力矩使阳唇部5呈香蕉形变形，如图5所示，唇部5的外周面7呈凸面形状。

阳唇部5在膨胀阶段结束时的轴向压缩状态便于其在弯曲力矩作用下进行弯曲。

位于阳唇部5和阳螺纹3之间的颈部21起一个塑性球头关节的作用，增强阳唇部的弯曲，限制进行这种弯曲的宽度。

在这种情况下，要注意的是，阳唇部处的轴向压缩应力不引起颈部之下金属23的皱折。这种皱折表现为颈部之下金属相对于内周面19的凸起。

(ii)阴座槽

同样的弯曲现象发生在阴座槽上。

相对于比较薄的唇部区域比较坚固的最大厚度区域22，在其在中间部分通过时经受附加膨胀，以致区域22的内径大于球形件中间区域32的内径。附加膨胀现象描述于WO93/25800中。

(c)校正阶段

图6所示的该阶段相当于阴最大厚度区域22在球形件30的中间部分32上通过。

(i)阴座槽

上述阶段产生的弯曲在圆周应力的作用下趋于零，这产生一种与弯曲相反的弯曲轴向应力状态，从而进行校正。

这些应力产生的弯曲力矩在校正上游同材料的厚度成正比。在管12上到达最大厚度(区域22)时，弯曲力矩不足以校正朝产品轴线伸入的阴座槽的内周区域。这种情况表现为管12外径的局部缩小。

(ii)阳唇部

随着阴部分的校正，弯曲产生的轴向尺寸的不同得到减少。因此，阳唇部5逐渐失去其压缩状态。这样继续进行初始支承的面15、16的分离。这种现象由于产生支承面15、16的开启作用的阴座槽内周面8的下降而得到加强。

上述阶段中的香蕉变形得以保持。

(d)最终状态

图7示出球形件通过后螺纹接头的最终状态。

膨胀产生的圆周应力状态导致阴座槽的内周面8卡紧阳唇部的外周面7。因此，可以说螺纹接头的周面7、8在膨胀状态下自动卡紧，这可以确保密封性。阳唇部5不朝轴线伸入，因为槽9、10的限制所导致的径向偏心率足以产生塑性变形。

螺纹接头的构件在球形件通过后的弹性恢复在有关的塑性变形之前可以忽略不计。

径向卡紧产生数十兆帕甚至100MPa的接触压力，足以确保螺纹接头在内外压力下的密封性。卡紧的长度足以在接触面的整个周边上确保其间的稳定密封性。

采用液压方法在10至30MPa的压力下推进球形件以实施膨胀时，也需要密封，在已经膨胀的接头处的任何泄漏都会阻止球形件进一步在管柱中推进，从而阻碍膨胀进程。

在最终状态，显然可以是舌片13不再支承在槽14中。

在初始支承横向表面15和16分离时，不限定在阴凸肩表面10上的阳端部表面9使该端部下降，因而在管柱内使阳唇部的下端产生不能接受的凸起。因此，管柱不再从具有一定体积的设备或工具下降。

膨胀前螺纹接头上阳唇部5的周面7和阴座槽的周面8之间很大的间隙在膨胀作业结束时不能使这些周面卡紧。

膨胀前初始状态下这些周面之间相互的径向影响易产生差动变形(弯曲、校正)，差动变形可以在膨胀作业结束时使这些周面卡紧。其危险性是，拧动时这些表面会卡住，构件定位不良，表面9和10限制不当，因而膨胀后表面7和8卡紧得不太好。

在所示的实施方式中，具有横向表面15、16和舌片13/槽14系统的环形槽形状可以在膨胀时阻止阳自由端下降。采用其它实施方式可以获得相同效果。

阳唇部5很薄，其厚度le小于管11、12的厚度et的三分之一，在横向表面15、16处不能实现有效支承。

相反，如果阳唇部5的厚度e_l大于管11、12的厚度的2/3，那么，阴座槽区域处管12的厚度致使阴螺纹4的临界截面很小，因此，抗螺纹拉力不足。

阳唇部5的长度/厚度比决定阳唇部5的压缩性能和弯曲性能。

一个其长度l_l小于其厚度le的阳唇部5不能使阳唇部5的周面7进行足够弯曲和/或校正阴座槽的周面8。

一个其长度l_l大于其厚度e_l四倍的阳唇部5可以使阳唇部弯曲，也可以使螺纹一侧的阳唇部在内部凸起。

这种作用由于在阳螺纹3和阳唇部5之间配置颈部21而得到加强。

这就是为什么颈部优先地具有限定在螺纹高度的深度以及相对于其深度加以限定的长度。

一个径向厚度不足、轴向高度小于径向厚度的舌片13，在膨胀时不能完全得到保持。

图8示出旋紧阶段本发明接头第一实施方式中轴向剖面的两个对称部分之一。

如图8所示，接头具有阳螺纹件1，阳螺纹件1具有阳螺纹3，阳螺纹3配置在第一管11的端部。该阳螺纹件在旋紧过程中处于阴螺纹件2中，阴螺纹件2具有阴螺纹4，阴螺纹4布置在第二管12的端部。

环形唇部5具有径向朝外的周面7。唇部周面7从阳螺纹开始具有颈部21，接着是一个第一圆柱形表面，然后是一个倾斜凸肩43和一个第二圆柱形表面。第一圆柱形表面的直径小于第二圆柱形表面的直径。

座槽6具有径向朝内的周面8。该座槽的周面8从阴螺纹开始具有一个第一倾斜凸肩42，接着是一个第二倾斜凸肩41，以便在两个倾斜凸肩之间的圆柱形顶端形成一个环形肋条40。环形肋条具有大约十分之几毫米的高度(例如0.4毫米)。

图8、10、12和14示出本发明接头的安装阶段。图9、11、13和15示出安装阶段有关的旋紧力矩。

图8示出本发明接头旋紧的初始阶段。唇部的周面7对着座槽的周面8进行旋转移动。图9示出旋紧阶段A所要求的旋紧力矩的小斜率线性展开。

图10示出唇部5通过肋条40的顶部。因此，当阳构件1进行轴向移动的时候，形成阴构件上肋条40的倾斜凸肩42阻碍阳构件1的轴向移动。因此，旋紧力矩的数值增大，使唇部5在倾斜凸肩42上通过。唇部因而经受对它进行径向弹性压缩的径向应力。该旋紧阶段示于图11：旋紧力矩的斜率在部分B增大。然后，只要肋条40的顶部与第二圆柱形表面接触，旋紧力矩就保持同样的斜率。

图12示出唇部5通过肋条40的顶部结束。因此，当阳唇部5的倾斜凸肩43到达座槽的倾斜凸肩41处时，径向应力在唇部5上减小，唇部5因而进行弹性膨胀。因此，旋紧力矩也大为减小。如图13所示，这种现象表现为部分C的负旋紧力矩的斜率。然后，舌片13与槽14的上表面接触，以接纳在槽14中。因此，旋紧力矩与具有正旋紧力矩的斜率的部分D相一致。这种斜率略大于部分A的斜率。

由于舌片13的径向厚度略小于槽14的径向厚度，其下表面不相互接触。

图14示出舌片13嵌入到槽14中之后的情况。因此，如图4所示，舌片13的轴向尺寸足以使之轴向支承在槽14的底部24。图15示出部分E的相应于舌片13和槽14之间的接触压力的过旋紧力矩。此外，在舌片13和槽14的上周面之间的该阶段可以获得一定的密封性。

在舌片13的其它几何形状实施方式中，舌片13不具有接触槽14底部的足够长的轴向尺寸。图15所示的过旋紧力矩与阳环形表面15支承在阴环形表面16上的情形相一致。

在旋紧阶段D和E，座槽的倾斜凸肩41和唇部的倾斜凸肩43彼此相对。

有利地，安装接头时，部分B和C可确定肋条已通过，表示这是最后的旋紧阶段。

形成第一轴向支承面的唇部的阳端部表面9具有其环形边缘为圆角的舌片13。

形成第二轴向支承面的座槽的阴凸肩表面10具有槽14和阴横向环形表面16，使槽连接到环形表面16上的边缘为圆角。该圆角边缘在旋紧阶段与舌片13的圆角内边缘相配合，在阶段C和D之间需要将舌片嵌入到槽14中。

同样，阳唇部的倾斜凸肩43通过圆角朝向唇部的端部，同径向朝外的周面部分相连接。该环形圆角具有大约几毫米(例如5毫米)的曲率半径。

座槽的倾斜凸肩41和42最好限定环形肋条。该环形肋条的顶部具有一个圆柱形表面，该圆柱形表面在每侧由一个圆角加以限定。每个倾斜凸肩41和42的环形圆角具有大约几毫米(例如分别为5毫米和9毫米)的曲率半径。

在旋紧阶段B和C时，座槽的倾斜凸肩41和42的这些环形圆角与舌片13的外圆角边缘相配合。

因此，座槽的倾斜凸肩42的环形圆角可以在舌片通过时减少卡住的危险。

在图16所示的实施方式中，径向朝内的座槽周面8具有一个环形槽44，环形槽44具有一个半径约为10毫米的基本呈圆弧形的凹轮廓，在第二轴向支承面10一侧连接到第一周壁部分45上，在另一侧连接到构成肋条40顶部的第二周壁部分上，其直径小于周壁部分45，第一倾斜凸肩41在肋条一侧确定槽44的侧面。

在该实施方式中，径向朝外的唇部周面7具有一个圆柱形部分47，圆柱形部分47布置在第一倾斜凸肩43和第一轴向支承面9之间。槽44的底部和圆柱形部分47之间的空隙和间隙可以在旋紧时排出润滑脂。

接头膨胀时，槽44的凹入形状给出相应于唇部周面7的凸出形状，因此，其最大直径大于采用图14所示结构而获得的最大直径，使两个构件密封面的接触压力增大，导致更稳定的密封性。

在本发明最佳实施方式中，处于最后旋紧阶段的接头适于按照10％至25％的膨胀率进行膨胀，优选膨胀率为15％。

如图16所示，座槽的倾斜凸肩41和唇部的倾斜凸肩43相距轴向距离l。该轴向距离l随接头的选择的膨胀率而变化，在根据选择的膨胀率的径向变形下，座槽的倾斜凸肩41和唇部的倾斜凸肩43彼此密封接触。

实际上，径向膨胀引起轴向变形，使座槽的倾斜凸肩41和唇部的倾斜凸肩43进行相对移动。膨胀的轴向方向无关紧要，倾斜凸肩41和43之间的接触或者使座槽的倾斜凸肩41靠在唇部的倾斜凸肩43上，或者使唇部的倾斜凸肩43靠在座槽的倾斜凸肩41上。

在膨胀率为15％的情况下，轴向距离l为几毫米(例如2毫米)。

如图17所示，接头处于按照例如15％的所选膨胀率膨胀后的情况。

因此，膨胀的径向变形引起唇部5和座槽6的轴向变形。唇部的倾斜凸肩43至少在点F与座槽的倾斜凸肩41接触，反之亦然。这种密封接触甚至在应力作用下也保持稳定。如果膨胀率大于所选的理论数值，则密封接触得到增强。

槽使阳唇部具有较大的局部曲率，有利于舌片13和槽14的侧面18之间的接触。这种接触可以在流体的压力尤其是内部压力下锁紧唇部，使唇部的性能稳定。

图18示出的初始管状接头的阴螺纹件2与图16示出的阴螺纹件的不同之处在于，一方面不配置凸肩42以及阴螺纹件2与凸肩41一起限定的肋条40，另一方面不配置周壁部分45。因此，径向朝内的座槽周面8由直接连接到槽14底部24的槽44以及由连接到与槽14相对的槽44上的圆柱形壁部分50组成。阳螺纹件1的凸肩43也不予配置，以便径向朝外的唇部周面7具有一个圆柱形表面部分51，该圆柱形表面部分51以连续方式从颈部21延伸至舌片13的端部25。圆柱形表面50和51彼此具有轻微的间隙，处于颈部21和槽44之间接头的长度区域，这样，旋紧时，不会发生卡住的危险。

例如，对于外径为193.7毫米的一个管状接头，槽44的轮廓可以具有6.31毫米的曲率半径、6.76毫米的宽度和约零点几毫米的深度。

当膨胀球形件通过时，由于阳唇部经受的径向作用，与槽44相对的圆柱形表面部分51凸起，以便进入它所限定的自由间隙中。因此，在周面7上形成一个凸肩52，凸肩52与由槽44的侧面限定的凸肩41相结合。与图17所示的凸肩41和43一样，图19所示的凸肩41和52在膨胀过程中一个相对于另一个进行轴向移动，越来越大的轴向锁紧导致密封接触。

在图20局部示出的初始管状接头中，阳螺纹件1与图18所示的相同。相反，阴螺纹件2的槽44与图18所示的阴螺纹件的槽轴向错开。因此，座槽的周面8在槽44两侧并且与之相连地具有两个直径相同的圆柱形表面部分，即一个延伸到槽14底部24的第一部分55和一个与槽相对地进行延伸的第二部分56。部分55以略微的间隙相对于阳唇部的圆柱形表面进行布置，部分56与颈部21相对。由于这种结构，旋紧时不会发生卡住的危险。

槽的轮廓例如与图18所示的相同，其曲率中心距槽底部24的距离为9.38毫米，以致与槽相对的槽边缘相对于阳唇部的外圆柱形表面部分51。

在径向膨胀过程中，一个凸肩52以图19所示的方式形成于阳凸肩上，该凸肩以所述的方式与凸肩41相配合。

图22所示的阳唇部的轮廓类似于图16所示的唇部的轮廓。因此，其径向朝外的周面7，从舌片13的端部25开始，具有一个第一圆柱形壁部分47，第一圆柱形壁部分47由一个倾斜凸肩43连接到一个直径较小的第二圆柱形壁部分60上，接着也是颈部21。图22所示的阴螺纹件的座槽轮廓类似于图20所示的轮廓，除了槽44和槽14底部24之间的圆柱形壁部分61的直径小于同槽14相对的连接到槽上的圆柱形表面部分62的直径。因此，表面部分61的直径略小于表面部分47的直径，在接头旋紧时，产生这些表面的径向干预。

相反，表面部分62的直径大于表面部分47的直径，这样，旋紧时不会出现这些表面卡住的危险。

例如，对于一个外径为152.4毫米的初始管状接头，槽44的轮廓可以具有10.4毫米的曲率半径，从舌片13的端面25定心在3.7毫米，其轴向宽度为4.9毫米，槽的最大轴向深度相对于表面部分61为0.445毫米，相对于表面部分62为0.19毫米，因此，这些表面之间的直径差为0.51毫米。

在径向膨胀过程中，在预先存在的凸肩43一侧，一个凸肩63形成于阳唇部的周面7的区域43和47上，如图19所示，并且与凸肩41相配合。

槽使阳唇部具有较大的局部曲率，有利于舌片13和槽14的侧面18之间的接触。这种接触可以在流体的压力尤其是内部压力下锁紧唇部，使唇部的性能稳定。

在图16、18、20和22所示的实施方式中，槽的深度以0.05至1毫米为好，最好小于0.05毫米，当槽处于两个具有不同直径的周壁部分之间时，该深度确定为其两个侧面的较高的径向高度。

在生产初始管状接头时，最好在用于彼此进行密封接触的一个和/或另一个表面上涂覆一层易延展材料，如2002年1月3日的专利申请0200053所述。该易延展层可以填补用于阳螺纹件1和阴螺纹件2的金属的不平处。膨胀后的接触区域在唇部的倾斜凸肩和座槽的倾斜凸肩之间得到增大。

众所周知，为了避免螺纹不对称因而减小接头的机械强度，由于管的内径和外径在车螺纹前生产出来时不同心，因此，可以在车螺纹前从阴螺纹件的自由端开始以及在待加工螺纹的整个或部分长度上实施外径膨胀。

同样，可以通过加工前的收缩，减小阳螺纹件端部附近的内径。

可以用恒定的直径，或者对于阴螺纹件以递增的直径、对于阳螺纹件以递减的直径，在端部方向上实施膨胀和收缩。

Claims (37)

1.一种高性能密封管状接头的实现方法，其中，从一个初始管状接头开始，该管状接头包括：

-一个第一阳管状件(1)，具有一个第一阳螺纹(3)和一个环状唇部(5)，所述环状唇部具有一个第一轴向支承面(9)，位于第一管状件的自由端，以及，

-一个第二阴管状件(2)，具有一个第二阴螺纹(4)和一个座槽(6)，所述第二阴螺纹与所述第一螺纹(3)相对应，所述座槽与所述阳唇部相对应，具有一个第二轴向支承面(10)，

第一螺纹旋紧在第二螺纹上，使两个支承面彼此接触，并且，借助一个膨胀球形件(30)，使初始管状接头在塑性变形的范围内进行一个径向膨胀，所述球形件的直径大于所述管状件的内径(DI)，在接头中进行轴向移动，其特征在于，当进行所述径向膨胀时，一个轴向对着所述轴向支承面、在径向朝外的阳唇部的周面上形成的第一倾斜凸肩(43)，以及一个轴向朝向所述轴向支承面、在径向朝内的阴座槽的周面上形成的第一倾斜凸肩(41)，彼此进行相对轴向移动，以便带有径向干预地进行相互密封接触。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，径向朝内的座槽周面(8)具有一个呈凹入圆弧轮廓的环形槽(44)，该槽具有一个第一侧面和一个第二侧面，第一侧面轴向朝向轴向支承面，第二侧面轴向对着所述轴向支承面，座槽的第一倾斜凸肩(41)由所述第一侧面加以限定。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，槽的轮廓具有5至30毫米、最好接近10毫米的曲率半径。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述第一侧面和第二侧面的最高的径向高度为0.05至1毫米，最好小于0.5毫米。

5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，唇部和座槽的第一倾斜凸肩布置在初始管状接头上。

6.根据根据权利要求5所述的方法，其特征在于，布置在初始管状接头上的第一倾斜凸肩彼此至少在其一部分径向高度上轴向相对。

7.根据权利要求5或6、从属于权利要求2所述的方法，其特征在于，位于其第一倾斜凸肩(43)和轴向支承面(9)之间的唇部部分，当进行膨胀的时候，至少局部压入槽的表面。

8.根据权利要求5至7之一、从属于权利要求2所述的方法，其特征在于，槽(44)在第二轴向支承面(10)一侧连接到一个第一周壁(45)部分上，在第二轴向支承面的相对一侧连接到一个第二周壁(40)部分上，第二周壁部分的直径小于第一周壁部分的直径。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述周壁部分的直径之差小于或等于1毫米。

10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，膨胀时，唇部的第一倾斜凸肩通过其至少局部压入槽的表面而形成。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，槽紧靠第二轴向支承面。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，槽(44)在第二轴向支承面(10)一侧连接到一个第一周壁(55)部分上，在相对一侧连接到一个第二周壁(56)部分上，第二周壁部分的直径与第一周壁部分的直径基本相同。

13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，槽(44)在第二轴向支承面(10)一侧与第一周壁(61)部分相连接，在相对一侧与第二周壁(62)部分相连接，第二周壁部分的直径大于第一周壁部分的直径。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述周壁部分的直径之差小于或等于1毫米。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，座槽的第一周壁部分(61)的直径小于面对阳唇部的表面的直径，以便旋紧后在这些表面之间产生径向干预。

16.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，阳唇部的第一倾斜凸肩(43)和/或座槽的第一倾斜凸肩(41)配有一涂层，该涂层的材料比底层材料更具延展性。

17.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，接头的径向膨胀按照至少等于10％的膨胀率进行实施。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，接头的径向膨胀按照约为15％的膨胀率进行实施。

19.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，径向朝内的座槽周面具有一个第二倾斜凸肩(42)，所述第二倾斜凸肩轴向对着第一倾斜凸肩(41)，并与之一起限定一个环形肋条(40)。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，座槽的第一和第二倾斜凸肩(41和42)通过圆角同环形肋条顶端相连接。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，座槽的第二倾斜凸肩(42)的圆角的曲率半径大于第一倾斜凸肩(41)的圆角的曲率半径。

22.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，阳唇部的倾斜凸肩(43)通过一个凸起的圆角同径向朝外的周面相连接。

23.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述凸肩相对于接头的纵向轴线具有5至20°的倾斜度，最好接近10°。

24.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述凸肩的径向高度为0.2至1毫米，最好接近0.5毫米。

25.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，第一管状件和第二管状件分别属于一个长管和一个套管，所述套管用于通过一个根据前述权利要求之一所述方法制造的第二管状接头使其与另一个长管相连接。

26.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，第一轴向支承面是一个凸起表面(9)，由一个环形舌片(13)和一个邻近舌片的横向表面(15)构成，所述横向表面相对于所述舌片进行轴向收缩，与第一构件的内周面相连接，其特征还在于，第二轴向支承面是一个可收起的支承面(10)，由一个环形槽(14)和一个与之邻近的横向表面(16)构成，所述横向表面与第二构件的内周面相连接，舌片(13)与槽(14)相配合。

27.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，第一螺纹(3)和第二螺纹(4)呈圆锥形，其锥度至多等于12.5％。

28.根据权利要求1至26之一所述的方法，其特征在于，第一螺纹(3)和第二螺纹(4)呈圆柱形。

29.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，唇部(5)的厚度(e₁)是第一管状构件(1)的厚度的三分之一至三分之二。

30.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，唇部(5)具有一个长度(1₁)和一个厚度(e₁)，使唇部的长度与厚度之比为1至4。

31.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，第一管状构件(1)具有一个颈部(21)，位于第一螺纹(3)的端部，在螺纹和唇部(5)之间。

32.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，颈部(21)的深度(h_g)至多等于第一螺纹(3)的螺纹高度。

33.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，颈部(21)具有一个长度(1_g)和一个深度(h_g)，使其长度为其深度的2至15倍。

34.用于实施前述权利要求之一所述方法的初始管状接头，它包括：

-一个第一阳管状件(1)，具有一个第一阳螺纹(3)和一个环形唇部(5)，所述唇部在第一构件的自由端具有一个第一轴向支承面(9)，以及

-一个第二阴管状件(2)，具有一个第二阴螺纹(4)和一个座槽(6)，所述第二阴螺纹与第一螺纹(3)相对应，所述座槽与阳唇部相对应，具有一个第二轴向支承面(10)，

第一螺纹适于旋紧在第二螺纹中，以便使两个支承面彼此接触，径向朝内的座槽周面具有一个朝向第二轴向支承面的第一倾斜凸肩(41)。

35.根据权利要求34所述的管状接头，其特征在于，它用于由一个球形件沿一个方向或另一个方向的轴向通过而进行膨胀。

36.高性能密封管状接头，如可以通过权利要求1至33之一所述的方法获得，它包括：

-一个第一阳管状件(1)，具有一个第一阳螺纹(3)和一个环形唇部(5)，所述唇部在第一构件的自由端具有一个第一轴向支承面(9，15)，以及

-一个第二阴管状件(2)，具有一个第二阴螺纹(4)和一个座槽(6)，所述第二阴螺纹对应于第一螺纹(3)，所述座槽对应于阳唇部，具有一个第二轴向支承面，

第一螺纹旋紧在第二螺纹中，一个轴向对着所述轴向支承面、在径向朝外的阳唇部周面上形成的第一倾斜凸肩(43)，以及一个轴向朝着所述轴向支承面、在径向朝内的阴座槽周面上形成的第一倾斜凸肩(41)，径向干预地彼此密封接触。

37.根据权利要求36所述的密封管状接头，例如可以通过权利要求26所述的方法获得，其特征在于，舌片(13)与槽(14)的侧面(18)接触，所述槽(14)邻近第二轴向支承面的所述横向表面(16)。

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