[发明专利]具有改进的齿根螺纹轮廓的螺纹连接件

说明书

技术领域

本发明总体上涉及管连接件，尤其涉及具有提高抗疲劳性能的改进的齿根螺纹轮廓(或牙型)设计的螺纹连接件。

背景技术

近年来勘探石油或更一般地勘探油气在硬件和设备方面要求越来越高，这是因为油气田(储集层)在地里位于更深或难以到达的位置。

大量的陆上钻井和生产活动需要具有高水平抗疲劳性能的管连接件；例如，钻井应用及热应用。

此外，在深水环境(离岸应用)中勘探和生产油气田日益增加，且必需更抗环境挑战诸如疲劳和腐蚀的管连接件。

离岸平台具有位于海面上的生产设施。这些设施经常被用于开采位于海床下的油气田。这些平台锚固到海底，且管柱用于从钻入到海床之下的储集层内的钻井传送油气。在本领域中，管柱有时被称为“立管”。

这些立管浸入海中，并经受海流和表面波浪运动导致的运动。由于海的连续和周期运动，管柱不能保持稳定不动，而是经受会在管连接件的某些部分产生变形的小幅度的侧向移动。这些立管必须承受在管上和在管连接件上导致疲劳应力的负荷，对于螺纹连接件区域尤其如此。这些应力趋于在螺纹附近的管和/或连接件上导致破裂，因此需要提高螺纹连接件的抗疲劳性能。

一些现有技术专利，例如US7,780,202和US6,609,735公开了经受疲劳的齿侧面到齿侧面(“FtF”，flank-to-flank)接合类型的连接件，包括立管连接器。

其它现有技术的传统过盈配合螺纹连接件(包括API偏梯形螺纹形式)具有下述轮廓，其中螺纹在上扣时沿着仅仅一个螺纹齿侧面接合。这种类型的连接件必须完全卸载施加到接触齿侧面上的负荷，经受销和耦合件之间的相对移动直到接触相对的齿侧面，然后将负荷转移到新接触的齿侧面上。反复的周期性侧向负荷以及负荷转移使得这些类型的连接件特别容易疲劳失效。

在齿侧面到齿侧面(FtF)螺纹中，在上扣时，在入扣齿侧面和承载齿侧面两者之间进行接触。在齿顶和齿根之间存在间隙。该螺纹设计成使得一个构件的螺纹齿比另一个构件的配合齿更宽(例如，齿侧面到齿侧面过盈)。由于齿侧面的倾斜，(垂直于齿侧面的表面的)接触力具有位于轴向方向上的主要分量，对形成螺纹齿的材料施压。为了实现齿侧面到齿侧面的过盈，接触力主要作用于齿的弹性上。齿的弹性非常低，因此在上扣过程中达到高的接触压力。这就解释了为何齿侧面到齿侧面的螺纹在上扣过程中具有高的锁死倾向。

与垂直于管轴线的表面相比进行测量，对于螺纹的导入齿侧面具有非常倾斜的角度的情况，齿侧面到齿侧面的螺纹具有附加的缺陷。连接件的压缩作用也不能令人满意，其原因在于这种类型的方案在压缩力超过一定限度时造成称为“跳动”现象的发生。当阳螺纹管段滑入阴螺纹管段、超过由两个部件的螺纹所提供的阻力时，发生跳动现象。螺纹导入的角度越倾斜，这种现象的发生就更频繁。

FtF类型的螺纹的其它缺陷是其经受接头卡住的高风险，随之而来的风险就是不能确保管内流体的气密密封。由于受到卡住的影响，扭矩随着接头的旋拧操作(上扣)的继续而显著改变。这种类型的接头通常具有更多的转数。这给制造接头带来困难，并在应用正确上扣扭矩时可能产生不精确性。

在齿顶到齿根(CtR，Crest-to-Root)螺纹(其用在本发明的螺纹连接件中)中，在上扣时，在一对配合的齿侧面(适于张紧的承载齿侧面或适于压缩的入扣齿侧面)之间进行接触，以及还在齿顶和齿根之间进行接触。CtR螺纹设计成在齿顶和齿根之间过盈。在这种情况下，接触力的主要分量(垂直于齿顶/齿根的表面)位于径向方向上，并因此利用通过使得管几何变形所获得的管体弹性而实现过盈。过盈的仅仅一小部分是通过螺纹齿的弹性所获得的，因此在齿上获得的接触压力低于在FtF螺纹情况下的接触压力，因此降低了在上扣过程中的锁死倾向。

本公开的CtR设计具有最优的疲劳性能，因此具有在上扣过程中的非常低的锁死倾向。因此，将(由于这种锁死造成的)微裂纹的出现最小化。

本发明可用于整体连接件、螺纹连接件和耦合连接件以及大外径(“OD”，outside diameter)的螺纹连接器中，适于离岸和陆上应用。存在用于生产立管的两大类大外径螺纹连接器。第一种类型在本领域内被称为“焊接”类型；阳螺纹和阴螺纹由厚壁材料单独加工，然后焊接到管上。在本领域内被称为“螺纹和耦合”类型的第二种类型中，阳螺纹被直接加工到管端上。阴螺纹被加工到用于将管端结合到一起的耦合件的每一端部内。