專利名稱：用于管狀連接件的浮動楔形螺紋的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及在油氣井鉆井和生產(chǎn)中采用的螺紋管狀接頭，例如 管道、套管、管線以及鉆管，即通常大家總稱的油田管材。具體地，本 發(fā)明涉及通過相對旋轉(zhuǎn)并施加轉(zhuǎn)矩來連接銷釘元件和套管元件以實現(xiàn) 組裝的管狀接頭。更具體地，本發(fā)明涉及具有負載螺紋面、插入螺紋面 和正止動轉(zhuǎn)矩肩部的兩級楔形螺紋，該螺紋在管狀接頭的陽螺紋與套管 元件之間提供可靠的加壓密封連接，而無需為了組裝施加過多轉(zhuǎn)矩和工 作能量。.
背景技術(shù)：
為了以首尾相連關(guān)系連接流動管道以形成運輸加壓流體用的連續(xù) 流動路徑，眾所周知的是采用螺紋管連接。油田管件的一種特定用途是 通過將多段管件連接在一起在所需深度鉆孔。所述接頭被用于支承壓縮 和拉伸載荷，從一個元件向下一元件傳遞旋轉(zhuǎn)力或轉(zhuǎn)矩并對通過管狀元 件內(nèi)部傳送的加壓流體通道進行密封。油田管材通常采用帶螺紋的端部 連接件或接頭連接相鄰區(qū)段的管道、管路或管狀元件。設(shè)計用在油田管
材的這樣的帶螺紋的端部連接的實例在美國專利No.2,239，942、 2,992,019、 3,359,013、 RE30，647和RE34,467中被公開了 ，這些專利都 被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。
在授予Blose的美國專利No.RE30，647中公開了一種用于管狀連接 件的特殊螺紋形式或結(jié)構(gòu)，其提供異常堅固的連接，同時將連接后的銷 釘元件和套管元件內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變控制在容許水平內(nèi)。所述銷釘元件具 有至少一個大體燕尾形的外螺紋，外螺紋的寬度在沿螺紋件的一個方向 上增加，而套管元件具有至少一個大體上燕尾形的匹配內(nèi)螺紋，內(nèi)螺紋 的寬度在另一方向上增加。這樣，這副匹配的螺旋狀螺紋提供了相向的 陽螺紋螺紋面和陰螺紋螺紋面的楔形接合，這種接合限制陽螺紋和套管
元件之間的相對旋轉(zhuǎn)程度并限定實現(xiàn)連接的強制組裝條件。這被稱為 "楔形螺紋"。在這種楔形螺紋結(jié)構(gòu)中，能采用螺牙夾角以及螺紋寬度來 控制給定組裝轉(zhuǎn)矩下在陽螺紋和套管元件內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變預(yù)載荷 狀態(tài)。因此，通過為特定應(yīng)用或用途特制楔形螺紋結(jié)構(gòu)，管狀連接件或 接頭僅受所選材料的特性的限制。
應(yīng)當認識到在此采用的某些術(shù)語同通常對它們的理解一樣，其中管 狀接頭被連接在沿所述管件的中心軸線的豎直位置，例如當為下降到井 孔內(nèi)要組裝支管時。因此，術(shù)語"負載螺紋面"指的是螺紋的側(cè)表面，該 側(cè)表面遠離上面形成螺紋的相應(yīng)陽螺紋或套管元件的外端并支承懸掛 在井孔內(nèi)的下方管件的重量(也就是拉伸載荷)。術(shù)語"插入螺紋面"指 的是螺紋的側(cè)表面，該側(cè)表面面向相應(yīng)陽螺紋或套管元件的外端并承受 彼此相向擠壓所述接頭的力，這樣的力比如是在接頭的初始組裝過程中 上方管件的重力或者推動下方管件壓靠在鉆孔底部所施加的力(也就是 壓緊力)。術(shù)語陰螺紋的"面"是套管元件中從陰螺紋向外面對的一端， 術(shù)語陽螺紋的"前端"是銷釘元件中從連接件的螺紋向外面對的一端。在 組裝連接件時，陽螺紋的前端被插進陰螺紋的所述面并穿過所述面。
如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)的單級連接件IO包括銷釘元件11和套管元 件12。套管元件12在上面形成有錐形內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)14，該內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)適
于與形成在銷釘元件11上互補的錐形外螺紋結(jié)構(gòu)15接合以通過可拆開
的方式機械地固定套管元件和銷釘元件。
套管元件12的內(nèi)螺紋14具有插入螺紋面18、負載螺紋面16、牙 根20和牙頂24。陰螺紋14是楔形螺紋，基本上沿螺紋14的整個螺旋
線長度的一個方向上寬度以均勻比率逐漸增大。銷釘元件11的外螺紋 15具有插入螺紋面19、負載螺紋面17、牙根21和牙頂25。外螺紋15 是楔形螺紋，基本上沿螺紋15的整個螺旋線長度的另一方向?qū)挾纫跃?勻比率逐漸增大。陰螺紋和陽螺紋14和15相向增大的螺紋寬度和錐度 分別促使相應(yīng)螺紋的互補螺紋面、牙根和牙頂在連接件的旋轉(zhuǎn)組裝過程 中同時移動形成強制接合。楔形螺紋可以具有矩形形狀的橫截面，燕尾 形形狀的橫截面、或者連續(xù)沿逐漸成錐形的楔形螺紋的螺旋線長度的其
它形狀。在連接件旋轉(zhuǎn)組裝時，螺紋面對面的接合能夠提供防止流體在 螺紋之間流動的密封表面。在形成楔形螺紋連接的井中設(shè)置螺紋密封。 在組裝時可以在銷釘元件11的錐形部分26和套管元件12的錐形內(nèi)部
27設(shè)置附加密封，例如在連接件端部的重疊部分之間通過徑向干涉形成 的金屬對金屬(metal-to-metal)的密封。
銷釘元件11或套管元件12限定了組裝連接件10的縱向軸線13。 陰螺紋和銷釘元件的牙根和牙頂大體上為平的并平行于連接件的縱向 軸線13，并且具有足夠?qū)挾确乐乖诮M裝連接件時螺紋發(fā)生任何永久變 形。例如，在螺紋的牙根處具有的最小螺紋寬度大于螺紋的高度，這大 體上能夠提供支撐受負載螺紋面的適當剪切面積。通過外螺紋15的牙 根和牙頂?shù)闹睆綇匿N釘元件11的前端到連接處逐漸增大并且通過內(nèi)螺 紋16的牙頂和牙根的直徑從套管元件12的面到連接處逐漸增大形成錐 度。
圖2表示現(xiàn)有技術(shù)的兩級楔形螺紋連接件28。銷釘元件29與套管 元件30螺紋接合以形成沿中心軸線40同軸的連接件28。包括連接件的 螺紋被分成兩個不同的"級"，大級通過括號31表示，小級通過括號32 表示。當銷釘元件29"被插入"套管元件30時，銷釘元件29在小級32 處的螺紋的牙頂33在它們最大設(shè)計高度也不會與套管元件30在大級31 處的螺紋牙頂32干涉。銷釘元件29的小級32比套管元件30在大級31 處的最小的牙頂對牙頂(crest-to-crest)的螺紋直徑小。越過大的陰螺紋 件的外螺紋和數(shù)個嚙合螺紋，小的陽螺紋的外螺紋能夠被"插入"。小螺 紋和大螺紋每轉(zhuǎn)一圈進行接合以組成連接件。因而，在相同數(shù)量的接合 螺紋下減少了螺紋在旋轉(zhuǎn)中相互滑動或摩擦的圈數(shù)。
通常，連接件被設(shè)計成包括金屬對金屬的密封以保持管道流體壓力 在連接處的密閉。 一般來說，沿著圍繞連接處的周向連續(xù)接觸區(qū)域，當 兩金屬表面之間的接觸壓力超過要被密封的流體壓力時，會形成金屬對 金屬的密封。通常在連接件的組裝過程中形成所述接觸壓力，盡管一些 形式的金屬對金屬的密封會通過從內(nèi)部使管道增壓另外被加強。金屬對 金屬的密封的優(yōu)點是不會因在井中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)的高溫或化工產(chǎn)品而性能
變差。光滑、均勻的表面便于形成密封。備選地，可以通過提供進行不 連續(xù)的同時變形和壓縮所需的足夠的力，在相對的陽螺紋與陰螺紋表面 之間形成連續(xù)的圓周接觸壓力區(qū)域來促進形成密封。為此有時采用正止
動(positive-stop)轉(zhuǎn)矩肩部。
以上所述的圖2表示具有金屬對金屬密封34的管狀接頭的實施方 式，所述密封位于大級31與小級30之間。通過銷釘元件29與套管元 件30上在39處的環(huán)形肩部的金屬表面之間的干涉以及所產(chǎn)生的金屬對 金屬的接觸壓力形成密封34。環(huán)形肩部的表面在提供表面對表面的密封 接合時的壓縮中出現(xiàn)微量彈性變形，同時在兩級上的交互接合螺紋有效 地提供對所施加的轉(zhuǎn)矩的正止動。金屬對金屬的密封還被示出于銷釘元 件29的前端35。當連接件28組裝時通過負載螺紋面的接合和旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生 的軸向力使互補表面被推到一起。還應(yīng)當認識到，在連接件的套管元件 30的底端36處也能形成金屬對金屬的密封。因而，可以在端部35或 36任一處或者在兩級連接件的中間34、或者在位置34， 35和/或36中 不止一個的任意組裝處形成金屬對金屬的密封。
具有一個或多個負夾角負載螺紋面的螺紋連接能促進連接處的密 封。負夾角螺紋面是不與連接件中心線垂直的螺紋面，而具有與互補螺 紋面形成俘獲機構(gòu)的角度。例如，在具有燕尾形橫截面的螺紋中，通過 在內(nèi)外燕尾形螺紋之間的負夾角螺紋面產(chǎn)生相反方向的徑向力。該相反 方向的徑向力將內(nèi)和外螺紋拉在一起。如果內(nèi)和外螺紋具有相應(yīng)的尺寸 和形狀，所述俘獲動作能夠在相鄰表面之間、在牙根與牙頂之間、和/ 或在負載螺紋面與插入螺紋面之間形成足夠的表面對表面的接觸壓力 以在連接處實現(xiàn)壓力密封。
盡管負夾角螺紋面對某些密封作用是有利的，但當旋轉(zhuǎn)管狀元件以 組裝連接件時，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩必須克服接觸力或壓力下一個表面對另一表面 的滑動或摩擦引起的任何摩擦阻力。在大的表面對表面的接觸壓力或者 在大的組裝接觸面積的情況下完成連接件的組裝需要較大的轉(zhuǎn)矩量。用 于給定面積的大接觸壓力或用于給定接觸壓力的大接觸面積需要相應(yīng) 較大的轉(zhuǎn)矩用于組裝。隨著連接件直徑的增大，螺紋摩擦面積增大，這
使得相同量的表面對表面接觸壓力需要更大的轉(zhuǎn)矩量。此外，在螺紋之 間相同摩擦接觸狀態(tài)下完成組裝所需的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)越多，需要的輸入功和 能量越多。
在Enderle所有的美國專利No.6,174,001禾Q No.6，270,127中，公開
了用于管狀連接件的兩級、低轉(zhuǎn)矩楔形螺紋。其中的一級被設(shè)置為在組 裝時沿互補的插入螺紋面、負載螺紋面、牙根和牙頂中的至少一個存在 干涉接觸，并且沿另一級在沿互補的插入螺紋面、負載螺紋面、牙根和 牙頂中的至少一個設(shè)置間隙，目的是減小連接件組裝時的轉(zhuǎn)矩量同時保 持轉(zhuǎn)矩靈敏度、密封性能以及結(jié)構(gòu)用途所必需的螺紋。在楔形螺紋領(lǐng)域 中， 一直需要研究接觸部分與間隙部分之間的所需關(guān)系并需要另外提供 特定的基礎(chǔ)和標準以確定在組裝時形成接觸的楔形螺紋表面之間以及 具有間隙的表面之間的有效關(guān)系。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一方面提供對現(xiàn)有技術(shù)的楔形螺紋連接的改進，這些螺紋 連接在特定螺紋表面之間具有接觸并在其它表面之間具有間隙。本發(fā)明 致力于減小通常在連接件最終強制組裝時對兩級楔形螺紋上的兩級的 負載螺紋面和插入螺紋面保持同時接觸而保證連接所需的組裝轉(zhuǎn)矩的 有效量值。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在典型的兩級楔形螺紋中，組裝轉(zhuǎn)矩被兩 級螺紋上的負載螺紋面和插入螺紋面的大接觸表面面積抵制。因而，已 經(jīng)發(fā)現(xiàn)施加非常大的組裝轉(zhuǎn)矩會導(dǎo)致接觸表面產(chǎn)生非常小的彈性變形。 而且本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)不足的塑性變形會導(dǎo)致拆卸(breakout)阻力不 充足并且會導(dǎo)致形成金屬對金屬的密封的接觸壓力不充足。為了解決這 些結(jié)論和發(fā)現(xiàn)的問題，根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的改進是在以下兩者之 間或者三者之中具有新的且有效的關(guān)系組裝時的變形量、組裝時兩級 楔形螺紋連接件形成接觸的部分的彈性變形限量、以及在楔形螺紋在初 始組裝時不形成接觸的部分上設(shè)置的間隙量。
本發(fā)明的一種實施方式提供兩級楔形螺紋中僅一級的組裝接合。在 組裝時，另一級螺紋在插入螺紋面和負載螺紋面上都具有微量間隙。因 而，需要減小后的組裝轉(zhuǎn)矩量提供可靠密封連接。在組裝過程中不完全
接合的螺紋之間存在的摩擦接觸量減小。特別地，根據(jù)組裝時彈性變形 量以及所涉及的材料的彈性變形極限選定間隙。據(jù)此唯一選定的間隙提 供在組裝時不會超過彈性極限的可靠連接并且為兩級螺紋提供有效的 強度，所述兩級螺紋包括螺紋最初接觸的部分以及隨后在連接件承受大 作用力時會接觸的螺紋間隙部分。
在本發(fā)明的一種實施方式中，帶螺紋的管狀連接件具有銷釘元件和 套管元件，銷釘元件具有在一個方向上寬度增大的兩級外螺紋，套管元 件具有在另一方向上寬度增大的兩級相應(yīng)外螺紋，這使得互補的內(nèi)和外 楔形螺紋在連接件組裝時向內(nèi)或相外移動接合。向連接件施加轉(zhuǎn)矩使第 一級楔形螺紋移動達到接合并在陽螺紋和套管元件的表面之間產(chǎn)生適 當?shù)慕饘賹饘俚慕佑|壓力，從而在連接件組裝時形成壓力密封。第二 級楔形螺紋被設(shè)計并定位成，在施加任何外部作用載荷或力之前，第一 級螺紋組裝時在第二級螺紋的插入螺紋面與負載螺紋面之間存在微小 間隙。在這一實施方式中，第一級楔形組裝時螺紋的最大變形和第二級 楔形螺紋的插入螺紋面之間的間隙的總和不大于形成楔形螺紋的材料 的彈性變形極限。
在一種實施方式中，設(shè)置正止動轉(zhuǎn)矩肩部并且通過第一級楔形螺紋 與正止動轉(zhuǎn)矩肩部之間的軸向力產(chǎn)生金屬對金屬的接觸壓力。根據(jù)本發(fā) 明的一方面，組裝時正止動轉(zhuǎn)矩肩部的最大變形總量處于正止動轉(zhuǎn)矩肩 部的材料的彈性范圍內(nèi)并且不大于第二級楔形螺紋的負載螺紋面之間 的間隙。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，提供一種兩級螺紋連接件。組裝時第 一級接合并止動在固定軸向位置。組裝時和向連接件施加任何作用載荷 或壓縮力之前的固定軸向位置可以被稱為"初始組裝位置"。第二級螺紋 包括楔形螺紋、組裝時不接合的螺紋面。第一級螺紋可以被稱為"接合 螺紋"或"接合級"并且第二組螺紋可以被稱為"浮動楔形螺紋"或"浮動 級"。在接合螺紋的初始組裝位置的浮動楔形螺紋的負載螺紋面與插入 螺紋面之間設(shè)置間隙。該間隙這樣被選定，在超過連接件用的任何材料 的彈性變形極限之前，所述材料在組裝要接合的楔形螺紋時發(fā)生變形，浮動楔形螺紋將承受拉伸載荷。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，提供一種兩級螺紋連接件。第一級接 合并止動在組裝時的固定軸向位置或初始組裝位置。第二級螺紋包括浮 動楔形螺紋，在所述接合螺紋處于初始組裝位置時，浮動楔形螺紋的螺 紋面組裝時不會接合。在浮動楔形螺紋的負載螺紋面與插入螺紋面之間 設(shè)置間隙。該間隙被選定為，在超過連接件用的任何材料的彈性變形極 限之前，所述材料在組裝要接合的楔形螺紋時發(fā)生變形，浮動楔形螺紋 將承受壓縮作用力。
本發(fā)明的一種實施方式包括兩級楔形螺紋設(shè)計。組裝時， 一級將被 強制接合("接合螺紋")，例如用負載螺紋面將正止動轉(zhuǎn)矩肩部的相對 表面推壓在一起，并且另一級在插入螺紋面和負載螺紋面上都具有間隙 ("浮動楔形螺紋")。組裝時正止動轉(zhuǎn)矩肩部的變形量將小于正止動轉(zhuǎn) 矩肩部的材料的彈性變形極限(沒有任何塑性變形)。在浮動楔形螺紋 上的插入螺紋面之間以及負載螺紋面之間的間隙很小。對于插入和負載 螺紋面的間隙可以相等或不同。在一種實例中，在浮動楔形螺紋插入螺 紋面上的間隙小于或者至少不大于達到正止動轉(zhuǎn)矩肩部的彈性極限所 需的附加變形量。因而，當向被連接的管狀元件施加附加壓縮力時，在 浮動楔形螺紋的插入螺紋面開始承受附加力之前不會被超出正止動轉(zhuǎn) 矩肩部的總彈性變形極限。在另一實例中，所述間隙也小于或至少不大 于正止動轉(zhuǎn)矩肩部的組裝變形，使得在浮動楔形螺紋的負載螺紋面開始 承受增加的載荷力之前不會解除正止動轉(zhuǎn)矩肩部處的接觸。由此便于保 持金屬對金屬的密封。利用浮動楔形螺紋的插入和負載螺紋面二者上的 適當間隙，在不超過彈性極限并且不使正止動轉(zhuǎn)矩肩部處的接觸松動的 情況下能夠處理在彎曲過程中可能同時發(fā)生的拉伸或壓縮以及拉伸和 壓縮。
從以下描述和附加權(quán)利要求中將會清楚地了解到本發(fā)明的其它方 面和優(yōu)點。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)單級螺紋管狀連接件的局部剖視圖。
圖2是現(xiàn)有技術(shù)兩級楔形螺紋管狀連接件的局部剖視圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的管狀連接件的局部剖視圖。
圖4是根據(jù)圖3所示本發(fā)明實施方式的管狀連接件的局部剖視圖。
圖5A是根據(jù)本發(fā)明實施方式的接合螺紋的放大局部剖視圖。 圖5B是根據(jù)本發(fā)明實施方式的接合螺紋的放大剖視圖。 圖5C是根據(jù)本發(fā)明實施方式的接合螺紋的放大剖視圖。 圖5D是根據(jù)本發(fā)明實施方式的接合螺紋的放大剖視圖。 圖6A是根據(jù)本發(fā)明實施方式的浮動楔形螺紋的放大剖視圖。 圖6B是根據(jù)本發(fā)明實施方式的浮動楔形螺紋的放大剖視圖。 圖6C是根據(jù)本發(fā)明實施方式的浮動楔形螺紋的放大剖視圖。 圖6D是根據(jù)本發(fā)明實施方式的浮動楔形螺紋的放大剖視圖。 圖7是根據(jù)本發(fā)明備選實施方式的管狀連接件的局部剖視圖。 圖8是根據(jù)本發(fā)明備選實施方式的管狀連接件的局部剖視圖。 圖9是根據(jù)本發(fā)明備選實施方式的管狀連接件的局部剖視圖。
具體實施例方式
現(xiàn)有技術(shù)的楔形螺紋設(shè)計與其它螺紋設(shè)計相比具有一些顯著的優(yōu) 點，這些優(yōu)點包括高扭力、高壓縮和可靠的內(nèi)和外壓力密封性能。然而， 本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在設(shè)計采用楔形螺紋技術(shù)的連接件時有幾個要涉及 的考慮因素。正在進行的考慮因素是降低組裝連接件所需的轉(zhuǎn)矩量和 功。通過多次反復(fù)的連接和拆開與采用油井管狀元件有關(guān)的連接件，所 述效果會提高。另一考慮因素是提供一種在使用過程中保持固定和密封 的連接件。另一考慮是提供可以充分承載周期工作載荷、力、轉(zhuǎn)矩和彎 曲力矩(也就是具有同時拉伸和壓縮的特性)的連接件。其它考慮包括 與連接件的多次組裝和拆卸相關(guān)的固有的磨損特性、平直率、磨蝕和疲 勞度。另一考慮是在施加組裝轉(zhuǎn)矩和/或使用過程中連接部分塑性變形的 可能性。另一考慮是充分壓縮金屬對金屬的表面所需的轉(zhuǎn)矩量以確?？?靠連接并繞整個螺紋連接件圓周提供高接觸壓力密封。在螺紋之間的接 觸表面或在正止動轉(zhuǎn)矩肩部處于管狀材料彈性極限內(nèi)的變形用于形成 可靠連接并且還可以用于組裝時提供壓力密封。在螺紋上、在任何正止動轉(zhuǎn)矩肩部以及在任何金屬對金屬的密封表面上的組裝轉(zhuǎn)矩和作用力 的組合效果通常不應(yīng)該超過由所涉及材料的屈服強度決定的材料的彈 性極限。
錐形兩級楔形螺紋的采用與均勻尺寸的螺紋相比利于降低了摩擦 和降低消耗的能量。兩級且錐形的陽螺紋和陰螺紋在螺紋首次接觸之前 使螺紋可以深深插入錐形陰螺紋內(nèi)。至少在最終組裝階段之前錐度有助 于防止牙頂和牙根干涉。楔形螺紋組裝還更容易，因為它們在螺紋面之 間具有空間直至組裝時僅留最后少許。當陽螺紋楔形螺紋的尺寸與陰螺 紋楔形螺紋的尺寸嚴格匹配時，克服摩擦并形成適當?shù)穆菁y變形以固定 連接所需的大部分轉(zhuǎn)矩僅在組裝旋轉(zhuǎn)的最后階段產(chǎn)生。因而，兩級錐形 楔形螺紋的采用減小了組裝所需的摩擦、轉(zhuǎn)矩和做功量，這是因為組裝 需要更少的旋轉(zhuǎn)(與均勻螺紋相比)并且楔形螺紋在高的表面對表面的 接觸壓力下不接合直至組裝旋轉(zhuǎn)的最后部分。
總的來說，根據(jù)本發(fā)明的一方面，螺紋管狀連接件具有銷釘元件和 套管元件，所述銷釘元件具有在一個方向上寬度增大的第一級外楔形螺 紋，所述套管元件具有在另一方向上寬度增大的對應(yīng)第一級內(nèi)楔形螺 紋，使得互補的內(nèi)和外楔形螺紋在連接件組裝時移動形成接合。在一種 實施方式中，連接件包括正止動轉(zhuǎn)矩肩部。第一級螺紋和正止動轉(zhuǎn)矩肩 部被設(shè)計并定位成使得在組裝第一級螺紋和正止動轉(zhuǎn)矩肩部時在第二 級螺紋的插入螺紋面之間以及在負載螺紋面之間存在微小間隙。例如， 在第二級插入螺紋面和負載螺紋面處的微小間隙的范圍從幾萬分之一 英寸到幾千分之一英寸。與兩級楔形螺紋兩級同時組裝相比，需要更小 的轉(zhuǎn)矩量提供充分的彈性壓縮并由此在正止動轉(zhuǎn)矩肩部和/或螺紋處提 供可靠組裝和完全的表面對表面的密封。
在一種實施方式中，兩級楔形螺紋的一級中至少負載螺紋面通過施 加組裝轉(zhuǎn)矩得到接合。接合的負載螺紋面由此提供軸向定向的力將正止 動轉(zhuǎn)矩肩部的相對表面推壓在一起。由此這一級楔形螺紋被強制接合并 且另一級楔形螺紋具有間隙。組裝時接合的級和楔形螺紋可以被稱為 "接合級"或"接合螺紋"。具有間隙的級和螺紋可以被稱為"浮動級"和"浮
動楔形螺紋"。施加的組裝轉(zhuǎn)矩量決定了完全組裝時連接件相關(guān)部分的 正止動位置或"初始組裝位置"，并且在施加外部軸向拉伸載荷之前，向 連接件施加壓縮力或彎曲力矩。如此形成連接件以及選擇組裝轉(zhuǎn)矩，以 在組裝時，在陽螺紋和陰螺紋的相應(yīng)負載螺紋面之間以及在浮動楔形螺 紋的陽螺紋和陰螺紋的相應(yīng)插入螺紋面之間都形成選定或調(diào)節(jié)的軸向 間隙。
根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，組裝轉(zhuǎn)矩這樣進行選擇，接合螺紋在 軸向上的變形小于制成螺紋的材料的彈性極限并且正止動轉(zhuǎn)矩肩部在 軸向上的變形也小于正止動轉(zhuǎn)矩肩部材料的彈性極限。因而，在施加組 裝轉(zhuǎn)矩時，接合螺紋提供軸向定向力以推壓正止動轉(zhuǎn)矩肩部的陽螺紋表 面接靠在正止動轉(zhuǎn)矩肩部的陰螺紋表面上并由此促使在接合楔形螺紋 以及在正止動轉(zhuǎn)矩肩部上都發(fā)生軸向彈性變形。陽螺紋和陰螺紋的浮動 楔形螺紋的相對位置在組裝時于"浮動"負載螺紋面之間在軸向上形成 間隙，該間隙小于接合螺紋的負載螺紋面的軸向變形。此外浮動插入螺 紋面之間的間隙小于正止動轉(zhuǎn)矩肩部的軸向變形。因而，浮動楔形螺紋 在組裝時不會提供任何顯著的軸向定向力并且不會顯著地抵制組裝轉(zhuǎn) 矩。在該實施方式中，最初通過接合螺紋的負載螺紋面承載管狀元件上 的工作載荷。最初通過正止動轉(zhuǎn)矩肩部承載壓縮作用力。浮動楔形螺紋 最初不會承載大量的軸向定向工作載荷或力。浮動楔形螺紋最初不會承 載任何大的拉伸載荷，這是因為在初始的組裝位置在陽螺紋和陰螺紋的 浮動負載螺紋面之間存在間隙。浮動楔形螺紋最初不會承載任何大的壓 縮作用力，這是因為在初始組裝位置在浮動插入螺紋面之間存在間隙。
圖3表示本發(fā)明連接件50的一種實施方式，其包括在兩級楔形構(gòu)
造上沿中心軸線53形成的套管元件52的內(nèi)螺紋54和55以及銷釘元件 51的外螺紋74和75。外螺紋54和55的寬度基本上沿每個螺紋54和 55的整個螺線長度在一個方向上以均勻比率逐漸增大。外螺紋74和75 的寬度基本上沿螺紋74和75的整個螺線長度在另一方向上以均勻比率 逐漸增大。
內(nèi)螺紋54被形成為沿小直徑級41與外螺紋74接合。內(nèi)螺紋55被
形成為沿大直徑級42與外螺紋75浮動接合。盡管在圖3中示出的螺紋
看上去具有大體上矩形的橫截面，但應(yīng)當認識到楔形螺紋可以具有其它 形狀例如燕尾形螺紋或鉤形螺紋，以實現(xiàn)與這些其它形狀的楔形螺紋相 關(guān)的目的和效果。因而，多種不同的螺紋形式可以組合使用并且不會脫 離本發(fā)明的其它方面。
在圖4中，示出了與圖3中所示的兩級楔形構(gòu)造類似的燕尾形楔形 螺紋構(gòu)造的附加細節(jié)。在陰螺紋部分52上并沿小級41形成內(nèi)螺紋54。 內(nèi)螺紋54包括插入螺紋面58、負載螺紋面56、牙根60以及牙頂64。 在陽螺紋部分51上并沿小級41形成互補的外螺紋74。外螺紋74包括 互補的插入螺紋面78、負載螺紋面76、牙根80和牙頂84。
在陰螺紋52上沿大級42形成內(nèi)螺紋55。內(nèi)螺紋55具有插入螺紋 面59、負載螺紋面57、牙根61和牙頂65。在陽螺紋51上沿大級42 形成互補的外螺紋75。外螺紋75包括互補的插入螺紋面79、負載螺紋 面77、牙根81和牙頂85。
在連接件50的旋轉(zhuǎn)組裝過程中，螺紋54和74相對增大的螺紋寬 度(或楔形形狀)促使相應(yīng)螺紋的互補螺紋面在陽螺紋51和陰螺紋52 管狀件的相對旋轉(zhuǎn)時相向移動成強制接合。陽螺紋51和陰螺紋52的相 應(yīng)錐形促使互補的牙根和牙頂相向移動接合。在該實施方式中，在陽螺 紋51的前端表面67與陰螺紋52的內(nèi)徑(ID)表面87之間形成正止動 轉(zhuǎn)矩肩部66。接合的內(nèi)和外螺紋54和74的導(dǎo)程分別推動陽螺紋前端表 面67接靠在陰螺紋ID表面87上以形成防止流體在正止動轉(zhuǎn)矩肩部66 處流動的密封。特別地，施加在連接件50上的組裝轉(zhuǎn)矩促使小級41內(nèi) 的負載螺紋面56和76接合并由此迫使正止動轉(zhuǎn)矩肩部66的表面67和 87達到表面對表面的接合。為了方便，內(nèi)和外螺紋55和75—起可以被 稱為"接合螺紋"43。當施加的組裝轉(zhuǎn)矩足以被接合螺紋43和正止動轉(zhuǎn) 矩肩部66相對表面上的應(yīng)力以及產(chǎn)生的應(yīng)變抵制時，停止旋轉(zhuǎn)。通過 材料的彈性模量和強度確定接合螺紋面56， 76和正止動轉(zhuǎn)矩肩部表面 67， 87的應(yīng)變量以及由此產(chǎn)生的變形量。組裝時陽螺紋51和陰螺紋52 的相對位置由此被固定或正止動在初始組裝位置，該位置可以根據(jù)施加 的組裝轉(zhuǎn)矩量確定。
大級42的內(nèi)和外螺紋55和75這樣形成，當如上所述強制組裝小 級41時，在插入螺紋面59和79之間保持小間隙90并且還在負載螺紋 面57和77之間保持小間隙92。楔形內(nèi)和外楔形螺紋55和75分別與插 入螺紋面59和79之間的間隙90以及負載螺紋面之間的間隙92 —起被 稱為"浮動楔形螺紋"44。
盡管接合的楔形螺紋43在某些情形下適于形成在圖3和4所示的 小級41上，但應(yīng)當認識到接合的楔形螺紋43可以形成在小級41或大 級42的任一個上，并且浮動楔形螺紋44可以形成在另一級上，無論在 大級42或小級41上，都不會脫離本發(fā)明的范圍。
在陽螺紋前端67和陰螺紋內(nèi)徑(ID) 87邊界形成正止動轉(zhuǎn)矩肩部 66。在該實施方式中，接合螺紋43、浮動楔形螺紋44以及正止動轉(zhuǎn)矩 肩部66在陽螺紋51與陰螺紋52之間形成螺紋連接件50。因而，在施 加選定量的組裝轉(zhuǎn)矩以組裝連接件50時，在接合級內(nèi)至少銷釘元件51 的負載螺紋面56和套管元件52的負載螺紋面57形成接合并強制推動 正止動轉(zhuǎn)矩肩部66達到表面對表面的接合。根據(jù)該實施方式的一個有 用方面，正止動轉(zhuǎn)矩肩部66的接觸面積小于負載螺紋面56和57的接 觸面積，使得組裝時連接件上的最大軸向變形處于正止動轉(zhuǎn)矩肩部66 上。這樣便于在陽螺紋和陰螺紋管狀元件51和52的內(nèi)徑上形成壓力密 封。在正止動轉(zhuǎn)矩肩部66上的完全密封防治管狀元件內(nèi)部的受壓流體 進入螺紋連接件50的螺紋54， 74內(nèi)和它們之間。
應(yīng)當認識到盡管組裝時至少接合螺紋43的負載螺紋面56和76將 接合，但接合螺紋43的插入螺紋面58和78也可以在組裝時接合。例 如，如果接合螺紋43是楔形螺紋，則它們可以這樣形成，它們同時在 負載螺紋面56和76以及插入螺紋面58和78處組裝。這一構(gòu)造對于某 些目的是有效的，例如為了使螺紋面與牙根和牙頂?shù)谋砻嫘纬擅芊饨?合。然而，插入螺紋面58和78無需接合，盡管負載螺紋面56和76強 制組裝壓靠在正止動轉(zhuǎn)矩肩部66上。
在組裝時，可以在陰螺紋的面94與陽螺紋的OD 96之間形成軸向
間隙98。因而，陰螺紋的面94和陽螺紋的OD96不會接觸。在接合螺 紋43的級41與浮動楔形螺紋44的級42之間的邊界102上也形成間隙 100。這樣使正止動轉(zhuǎn)矩肩部66的位置、強度和軸向變形成為組裝時建 立浮動楔形螺紋44的內(nèi)和外螺紋55和75的相對位置的主要因素。
參照圖4和5A-5D，可以更詳細地理解多種備選實施方式中接合螺 紋43多個部分的相互作用。在圖5A所示的備選實施方式中，接合螺紋 43的負載螺紋面56和76、插入螺紋面58和78、陰螺紋牙根60和陽螺 紋牙頂80以及陰螺紋牙頂64和陽螺紋牙根84在組裝時都形成表面對 表面的接觸以便于密封。
備選地，如圖5B所示，接合螺紋43可以這樣形成，負載螺紋面 56和76接合并且插入螺紋面57和78被軸向上的小間隙95間隔。這種 構(gòu)造有助于確保通過接合的負載螺紋面56和76產(chǎn)生的整個軸向力的大 部分，如果不是全部，被施加在正止動轉(zhuǎn)矩肩部66上。
在圖5A和5B所示的兩種實施方式中，牙根和牙頂被示出不具有 徑向間隙。參照圖5C應(yīng)當認識到在接合螺紋43的其它備選實施方式中， 可以在陰螺紋牙根60與陽螺紋牙頂84之間形成小徑向間隙104并且可 以在陰螺紋牙頂64與陽螺紋牙根80之間形成小徑向間隙105。參照圖 5D也應(yīng)當認識到可以在成對牙根與牙頂中的一組例如牙根60與牙頂84 之間形成牙根到牙頂?shù)拈g隙105，并且在其它成對的牙根64與牙頂80 之間不存在任何間隙。在牙根60和牙頂80之間沒有任何間隙表示在相 應(yīng)牙根與牙頂表面之間的干涉能夠便于形成壓力密封。
盡管在圖5A-5D中未示出在接合螺紋43內(nèi)所有可行的牙根到牙頂 的間隙的變化，但應(yīng)當認識到無論是僅有負載螺紋面56和76接合(參 見圖5B和5C)或者是負載螺紋面56和76以及插入螺紋面58和78接 合(參見圖5A和5D)，都可以形成牙根到牙頂?shù)拈g隙。此外，應(yīng)當認 識到在組裝時可以形成牙根到牙頂?shù)膹较蜷g隙104而在牙根60和牙頂 84不具有任何牙根到牙頂?shù)膹较蜷g隙，可以形成牙根到牙頂?shù)拈g隙105 而在牙根80和牙頂64不具有牙根到牙頂?shù)拈g隙，或者形成牙根到牙頂 的徑向間隙104和105 二者。
參照圖4和6A-6C，可以更詳細地理解多種備選實施方式中浮動楔
形螺紋44多個部分的相互作用。在圖6A所示的備選實施方式中，浮動 螺紋44這樣形成，使得在組裝時，在陽螺紋51的負載螺紋面77與陰 螺紋52的負載螺紋面57之間于軸向上存在間隙90。還在陽螺紋51的 插入螺紋面79與陰螺紋52的插入螺紋面59之間于軸向上形成間隙92。 因而，在施加足夠大的作用力時允許陽螺紋51的外螺紋75相對于陰螺 紋52的內(nèi)螺紋55軸向移動或"浮動"。如果所施加的作用力足夠大到使 連接件50的一部分產(chǎn)生另外的彈性變形，則它們足夠大到引起"浮動" (或相對移動)。如圖6A所示，可以在陽螺紋牙根81與陰螺紋牙頂 65之間形成微小徑向間隙106，并且可以在陽螺紋牙頂85與陰螺紋牙 根61之間形成微小徑向間隙107。這樣可以例如在浮動螺紋44的區(qū)域 上便于陽螺紋51與陰螺紋52之間的相對移動或浮動。
在圖6B所示的備選實施方式中，浮動楔形螺紋44的陽螺紋牙根 81和陰螺紋牙頂65還有陽螺紋牙頂85和陰螺紋牙根61這樣形成，使 得它們在組裝時形成表面對表面的接觸。這樣可以例如有效地提供附加 剛度、完全的螺紋對螺紋的排列以及流體壓力密封。
在圖6C所示的備選實施方式中，插入螺紋面59和79之間的間隙 93可以小于負載螺紋面57和77之間的間隙91。因而，在浮動楔形負 載螺紋面57和77開始承載施加的工作載荷之前允許接合螺紋43的負 載螺紋面56和76發(fā)生更小量的施加工作載荷的附加變形(在圖6C中 未示出，參見圖4和5A-5B)。
在圖6D所示的備選實施方式中，在插入螺紋面59和79之間形成 相對更大的間隙99并且在負載螺紋面57和77之間形成相對更小的間 隙97。在這種實施方式中，在浮動楔形插入螺紋面59和79開始承載壓 縮作用力之前，允許在正止動轉(zhuǎn)矩肩部66和/或在接合螺紋43的插入螺 紋面58和78處因施加的壓縮作用力引起的更大量的變形。
足量的工作載荷或力能導(dǎo)致在接合楔形螺紋43或者在正止動轉(zhuǎn)矩 肩部66發(fā)生附加變形。因而，例如，可以根據(jù)是附加拉伸工作載荷的 期望量還是壓縮作用力的期望量更大，來調(diào)整本發(fā)明連接件的構(gòu)造。因
而，當附加變形超過浮動楔形螺紋44的負載螺紋面57和77之間的間 隙卯(或圖6C中的93或圖6D中的97)時，浮動楔形螺紋44也開始 承受工作載荷。當附加變形超過浮動楔形螺紋44的插入螺紋面59和79 之間的間隙92 (或圖6C中的91或圖6D中的99)時，浮動楔形螺紋 44也開始承受工作載荷或力。
為了避免或降低材料在拉伸工作載荷下的塑性屈服，接合螺紋43 在組裝時的變形以及在浮動楔形螺紋44的負載螺紋面57和77形成接 觸之前所允許的附加變形量(也就是接合螺紋43的變形加上浮動負載 螺紋面的間隙90，93或97)應(yīng)該不大于接合螺紋43的材料的彈性極限。 同樣，為了避免或降低在正止動轉(zhuǎn)矩肩部66的密封損失，正止動轉(zhuǎn)矩 肩部66在組裝時的變形以及在浮動楔形螺紋44的負載螺紋面57和77 形成接觸之前所允許的附加變形量(也就是負載螺紋面的間隙92， 93 或97)應(yīng)該不大于變形材料的彈性變形極限。
此外，為了避免材料在壓縮作用力下的塑性屈服，正止動轉(zhuǎn)矩肩部 66的變形總量加上浮動楔形螺紋44的插入螺紋面59和79形成接觸之 前所允許的附加壓縮變形量(也就是正止動轉(zhuǎn)矩肩部的變形加上浮動插 入螺紋面的間隙92， 91或99)應(yīng)該不小于變形的正止動轉(zhuǎn)矩肩部材料 的彈性極限。同樣，在接合螺紋43的插入螺紋面58和78作為轉(zhuǎn)矩止 動件的情況下，接合楔形螺紋43的插入螺紋面在組裝時的任何變形總 量加上浮動楔形螺紋44的插入螺紋面59和79形成接合之前所允許的 附加壓縮變形量(也就是接合插入螺紋面的變形加上浮動插入螺紋面間 隙92， 91或99)應(yīng)該不小于變形的插入螺紋面材料的彈性極限。
盡管密封目的并不重要，因為正止動轉(zhuǎn)矩肩部的接觸在壓縮載荷下 增大，但應(yīng)當認識到如果浮動插入螺紋面59和79之間接觸之前所允許 的壓縮變形(也就是浮動插入螺紋面間隙92， 91或99)不大于接合螺 紋43的負載螺紋面56和76的初始組裝變形，則將降低或避免接合螺 紋43的負載螺紋面56和76之間表面對表面的接觸損失。
在拉伸作用載荷的情形下，接合的楔形螺紋43的負載螺紋面56和 76最初承受工作載荷。如果工作拉伸載荷促使接合的負載螺紋面56和 76的軸向變形超過浮動負載螺紋面57和77之間的間隙，則浮動負載螺 紋面57和77將形成接觸并且開始支承拉伸工作載荷。因而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn) 有效地是形成接合螺紋43和浮動楔形螺紋44，使得在組裝時接合的負 載螺紋面56和76的軸向變形總量加上浮動負載螺紋面之間的軸向間隙 總計不大于螺紋接合件材料的彈性變形極限。因此，在浮動楔形螺紋44 開始承受工作載荷之前，不會超出接合的負載螺紋面56和76的彈性變 形極限。
還己經(jīng)發(fā)現(xiàn)有效地是形成接合螺紋43和浮動楔形螺紋44，使得在 接合楔形螺紋43和正止動轉(zhuǎn)矩肩部66組裝時，浮動負載螺紋面57和 77之間的間隙不大于正止動轉(zhuǎn)矩肩部66的軸向變形。在這一構(gòu)造中， 在浮動插入螺紋面78和79開始承受附加壓縮力之前，正止動轉(zhuǎn)矩肩部 66在壓縮作用力下的總變形不會超過彈性極限。在拉伸工作載荷下，正 止動轉(zhuǎn)矩肩部66上的壓力將減小，但在浮動楔形螺紋44的負載螺紋面 開始承受壓縮作用力之前，正止動轉(zhuǎn)矩肩部66相對表面之間的表面對 表面的接觸不會受到損失。
同樣，在壓縮作用力的情形下，正止動轉(zhuǎn)矩肩部66最初承受壓縮 作用力。在接合的負載螺紋面56和76以及正止動轉(zhuǎn)矩肩部66組裝時， 應(yīng)當認識到在接合的楔形螺紋43的插入螺紋面之間會存在微量間隙或 者存在為了接觸和壓縮軸向變形?；蛘邌为氄箘愚D(zhuǎn)矩肩部66或者正 止動轉(zhuǎn)矩肩部66與接合楔形螺紋43的插入螺紋面58和78承受力，直 至軸向變形超過浮動插入螺紋面59和79之間的間隙。如果施加的壓縮 作用力促使浮動楔形螺紋44的軸向位移超過浮動插入螺紋面59和79 之間的間隙，則浮動插入螺紋面59和79將形成接觸并開始支承壓縮作 用力。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有效地是形成兩級楔形螺紋，使得當組裝時，正止動轉(zhuǎn) 矩肩部66的軸向變形總量加上浮動插入螺紋面59和79之間的軸向間 隙總計不大于變形材料的彈性變形極限。因而，在開始由浮動楔形螺紋 44承受壓縮作用力之前不會超出正止動轉(zhuǎn)矩肩部66的彈性變形極限。
還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有效地是形成螺紋43和44，使得在接合楔形螺紋43 和正止動轉(zhuǎn)矩肩部66組裝時，浮動插入螺紋面59和79之間的間隙不大于接合的負載螺紋面56和76的軸向變形。在壓縮作用力下，在接合
的負載螺紋面56和76上的變形將減小，但在浮動插入螺紋面59和79 開始承受作用力之前接合的負載螺紋面56和76的表面之間的接觸不會 受到損失。
圖7-9表示具有不同構(gòu)造的兩級楔形螺紋結(jié)構(gòu)的本發(fā)明備選實施方 式的橫截面圖。圖7-9各自表示具有根據(jù)本發(fā)明備選實施方式形成的螺 紋的銷釘元件和套管元件的一部分。
圖7中所示的實施方式是在管狀銷釘元件U4和管狀套管元件116 之間形成錐形接頭或連接件112的兩級楔形螺紋110。在陰螺紋的面120 與陽螺紋的外徑(OD) 122之間形成正止動轉(zhuǎn)矩肩部118。兩級楔形螺 紋110的大級142在連接件組裝時至少接合在銷釘元件114的負載螺紋 面126與套管元件116的負載螺紋面128之間。正止動轉(zhuǎn)矩肩部118在 組裝時也得到接合。組裝轉(zhuǎn)矩的選定量決定了陽螺紋114和陰螺紋116 的相對組裝位置。在一種實施方式中，通過施加選定組裝轉(zhuǎn)矩，陽螺紋 114的插入螺紋面130和陰螺紋116的插入螺紋面132也可以在正止動 轉(zhuǎn)矩肩部118形成完全接合時得到接合。在其它實施方式中，插入螺紋 面130和插入螺紋面132之間可以具有軸向間隔，或者可以被構(gòu)造成與 以上參照圖5A-5D所述的各種構(gòu)造的接合螺紋類似。
圖7所示的兩級楔形螺紋110的另一級螺紋141，即小級141這樣 形成，使得在組裝時，分別在陽螺紋114和陰螺紋116的負載螺紋面138 和140之間于軸向上存在間隙134，并且使得分別陽螺紋114和陰螺紋 116的插入螺紋面135和145之間于軸向上也存在間隙136。因而，在 這一級上，陽螺紋114的螺紋可以相對于陰螺紋116的螺紋在軸向上移 動或"浮動"。
在陽螺紋114的前端146與陰螺紋116的內(nèi)徑(ID) 148之間形成 軸向間隔的間隙150。因而前端146和ID 148不會形成正止動轉(zhuǎn)矩肩部。 還在這兩個不同直徑即不同級的螺紋141和142之間的內(nèi)部邊界154上 形成間隙152。
還可以在組裝時在接合螺紋144的大級142的牙根127， 131與相
應(yīng)牙頂129， 133之間形成小徑向間隙。備選地，牙根127， 131和牙頂 129， 133可以在組裝時形成表面對表面的干涉接觸以便于密封。類似地， 浮動楔形螺紋144的小級141上的牙根137， 147和相應(yīng)牙頂139， 149 在組裝時形成表面對表面的干涉接觸。備選地，為了在浮動螺紋144的 區(qū)域上便于陽螺紋與陰螺紋之間的相對移動或"浮動"，可以在浮動楔形 螺紋143的牙根137， 147與相應(yīng)牙頂139， 149之間形成微小徑向間隙。
盡管接合楔形螺紋144的級被示為具有比浮動楔形螺紋143的級更 大的直徑，例如參照以上圖3和4應(yīng)當認識到在備選實施方式中，更小 直徑的螺紋可以是接合螺紋，被用于靠在正轉(zhuǎn)矩止動件上與之接合，并 且更大直徑的螺紋級是浮動楔形螺紋，被形成為在組裝時于負載和插入 螺紋面二者之間具有間隙。而且，浮動楔形螺紋可以被形成為具有與以 上參照圖6A-6D所述類似的多種其它構(gòu)造。
在圖8中，在兩級螺紋連接件212的兩級之間的邊界211處的管狀 銷釘元件214與管狀套管元件216之間形成正止動轉(zhuǎn)矩肩部210。在該 實施方式中，接合螺紋218被示為是相對更小直徑的螺紋并且浮動螺紋 220被示為是相對更大直徑的螺紋。在備選實施方式中，浮動螺紋可以 具有相對更小的直徑并且接合螺紋可以具有相對更大的直徑。在陰螺紋 216的底座224與陽螺紋214的OD 216之間形成軸向間隙222。還可以 在陽螺紋214的前端230與陰螺紋216的ID 232之間形成軸向間隙228。
在圖9所示的備選實施方式中，兩級楔形螺紋連接件234被示出處 于陽螺紋236與陰螺紋238之間。雖然不是特定具有正止動轉(zhuǎn)矩肩部， 但通過兩級楔形螺紋連接件234的一級240中的負載螺紋面258， 260 和插入螺紋面262， 264都表面對表面的匹配接合，形成正轉(zhuǎn)矩止動。 在施加選定的組裝轉(zhuǎn)矩時，級240中的接合楔形螺紋241被強制接合在 插入和負載螺紋面并由此固定陽螺紋236和陰螺紋238的相對軸向位 置。另一螺紋級242是浮動楔形螺紋243，其在組裝時定位成在形成浮 動楔形螺紋243的負載螺紋面270， 268與插入螺紋面274， 272之間具 有軸向間隙。在陰螺紋底部250與陽螺紋OD 252之間形成軸向間隙244。 在接合楔形螺紋241的級240與浮動楔形螺紋243的級242之間的內(nèi)部
邊界244上形成軸向間隙246。在陽螺紋前端254與陰螺紋ID 256之間 形成軸向間隙248。
陽螺紋236和陰螺紋238的接合螺紋241組裝成在負載螺紋面258 和260與插入螺紋面262和264之間的完全楔形接合以形成相應(yīng)接合的 負載螺紋面與相應(yīng)接合的插入螺紋面之間的表面對表面的密封。在一種 實施方式中，接合螺紋241的牙根261和263以及牙頂265和267也形 成表面對表面的接觸以進一步便于組裝時的密封并且可以被稱為金屬 對金屬的密封。這種結(jié)構(gòu)提供了效果與其它實施方式中的正止動轉(zhuǎn)矩肩 部相同的正轉(zhuǎn)矩止動件，因為它實現(xiàn)與負載與插入螺紋面之間的金屬對 金屬的接觸相同的功能。
根據(jù)其它實施方式，通過在螺紋連接件的任意一端或者在螺紋連接 件兩級之間的內(nèi)部邊界246處形成常規(guī)的金屬對金屬的密封，進一步便 于密封，使得在正轉(zhuǎn)矩止動件上實現(xiàn)接合螺紋的組裝接合的同時，具有 附加的金屬對金屬的密封。例如，這種金屬對金屬的密封可以被形成有 小的錐角，使得它不會提供正止動件。正止動件的設(shè)置可以替換，例如 通過接合楔形螺紋241的負載螺紋面和插入螺紋面的正止動接合。
因而，在多種實施方式中描述的內(nèi)容包括兩級楔形螺紋設(shè)計。在組 裝時， 一級被強制接合，例如利用負載螺紋面將正止動轉(zhuǎn)矩肩部的相對 表面推到一起，另一級在插入和負載螺紋面("浮動楔形螺紋")處都具 有間隙。組裝時正止動轉(zhuǎn)矩肩部的變形量將小于正止動轉(zhuǎn)矩肩部的材料 的彈性變形極限(沒有任何塑性變形)。浮動楔形螺紋中插入螺紋面之 間以及負載螺紋面之間的間隙將變小。所述間隙小于達到正止動轉(zhuǎn)矩肩 部彈性極限所需的附加變形量。因而，當向連接的管狀元件施加附加壓 縮力時，在浮動楔形螺紋的插入螺紋面開始承受附加力之前，不會超出 正止動轉(zhuǎn)矩肩部的總彈性變形極限。在一種實施方式中，所述間隙還小 于正止動轉(zhuǎn)矩肩部的組裝變形，使得在浮動楔形螺紋的負載螺紋面開始 承受增加的載荷力之前，不會解除在正止動轉(zhuǎn)矩肩部處的接觸。通過在 浮動楔形螺紋的插入和負載螺紋面處的適當間隙，在不超過彈性極限并 且在不放松在正止動轉(zhuǎn)矩肩部處的接觸的情況下，能夠處理在彎曲過程
中可能同時發(fā)生的拉伸或壓縮以及拉伸和壓縮。
盡管已經(jīng)參照有限數(shù)量的實施方式描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人 員在本說明書的受益下將會認識到，能夠想到不脫離在此公開的本發(fā)明 的范圍的其它實施方式。因此，本發(fā)明的范圍僅應(yīng)該由附加權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種管狀連接件，包括銷釘元件，在銷釘元件的接合級上具有第一外螺紋并在銷釘元件的浮動級上具有第二外螺紋，第一外螺紋具有負載螺紋面、插入螺紋面、牙根和牙頂，并且第二外螺紋具有負載螺紋面、插入螺紋面、牙根和牙頂；套管元件，在套管元件的接合級上具有第一內(nèi)螺紋并在套管元件的浮動級上具有第二外楔形螺紋，第一外螺紋具有負載螺紋面、插入螺紋面、牙根和牙頂，并且第二外螺紋具有負載螺紋面、插入螺紋面、牙根和牙頂；以及其中，當連接件組裝時在第二外楔形螺紋的負載螺紋面和插入螺紋面與第二內(nèi)楔形螺紋的相應(yīng)插入螺紋面和負載螺紋面之間存在至少一個選定的間隙，根據(jù)組裝時的彈性變形以及組裝時管狀連接件至少一種材料的彈性變形極限選擇所述至少一個選定的間隙。
2. 如權(quán)利要求1所述的管狀連接件，其特征在于，還包括具有彈性變形極限的正止動轉(zhuǎn)矩肩部，并且所述正止動轉(zhuǎn)矩肩部在組裝時得到接合，并且通過組裝時接合級中 的負載螺紋面的變形以及正止動轉(zhuǎn)矩肩部的相向表面的變形確定初始 組裝位置；以及浮動級中插入螺紋面之間的間隙加上組裝時正止動轉(zhuǎn)矩肩部的變 形不大于正止動轉(zhuǎn)矩肩部的彈性變形極限。
3. 如權(quán)利要求2所述的管狀連接件，其特征在于，通過施加選定的 組裝轉(zhuǎn)矩在選定位置于浮動級中插入螺紋面之間形成所述間隙，以將正 止動轉(zhuǎn)矩肩部的變形保持在正止動轉(zhuǎn)矩肩部所用材料的彈性變形范圍 內(nèi)。
4. 如權(quán)利要求2所述的管狀連接件，其特征在于， 接合級中的所述負載螺紋面具有彈性變形極限；并且 組裝時浮動級中的所述負載螺紋面之間的間隙加上接合級中所述 負載螺紋面的變形不大于所述第一螺紋的負載螺紋面的彈性變形極限。
5. 如權(quán)利要求l所述的管狀連接件，其特征在于，還包括正止動轉(zhuǎn) 矩肩部，并且接合級中的所述負載螺紋面具有彈性變形極限；組裝時接合級中的所述負載螺紋面接合并且正止動轉(zhuǎn)矩肩部的相 向表面接合，通過組裝時接合級中的所述負載螺紋面的變形以及組裝時正止動轉(zhuǎn)矩肩部的變形確定初始組裝位置；并且組裝時浮動級中所述負載螺紋面之間的間隙加上接合級中所述負 載螺紋面的變形小于接合級中的所述負載螺紋面的彈性變形極限。
6. 如權(quán)利要求l所述的管狀連接件，其特征在于，還包括具有第一彈性變形極限的正止動轉(zhuǎn)矩肩部，并且通過組裝時接合級中所述負載螺紋面的變形以及組裝時正止動轉(zhuǎn) 矩肩部的變形確定初始組裝位置；組裝時正止動轉(zhuǎn)矩肩部的變形不大于正止動轉(zhuǎn)矩肩部的彈性極限；并且浮動級中所述負載螺紋面之間的所述間隙不大于組裝時正止動轉(zhuǎn) 矩肩部的變形。
7. 如權(quán)利要求l所述的管狀連接件，其特征在于，在連接件的任意 一端或在中間存在金屬對金屬的密封。
8. 如權(quán)利要求l所述的管狀連接件，其特征在于，還包括正止動轉(zhuǎn)矩肩部被定位成使接合級中正止動轉(zhuǎn)矩肩部在組裝時發(fā)生變形；并且浮動級中的插入螺紋面之間的所述間隙被選定為將正止動轉(zhuǎn)矩肩 部的變形保持在正止動轉(zhuǎn)矩肩部所用材料的彈性變形范圍內(nèi)。
9. 如權(quán)利要求8所述的管狀連接件，其特征在于，所述浮動級中的 插入螺紋面之間的間隙被選定為加上正止動轉(zhuǎn)矩肩部的初始變形產(chǎn)生 的總和不大于正止動轉(zhuǎn)矩肩部的彈性極限，使得在超過正止動轉(zhuǎn)矩肩部 的彈性變形極限之前，浮動級中插入螺紋面將接合以支承壓縮作用力， 由此將正止動轉(zhuǎn)矩肩部的變形保持在彈性變形范圍內(nèi)。
10. 如權(quán)利要求1所述的管狀連接件，其特征在于，還包括 正止動轉(zhuǎn)矩肩部被定位成使連接件接合級中正止動轉(zhuǎn)矩肩部在組裝時發(fā)生彈性變形；并且浮動級中負載螺紋面之間的所述間隙被選定為將正止動轉(zhuǎn)矩肩部 的變形保持在正止動轉(zhuǎn)矩肩部所用材料的彈性變形范圍內(nèi)。
11. 如權(quán)利要求IO所述的管狀連接件，其特征在于，浮動級中負載 螺紋面之間的所述間隙被選定為不大于組裝時正止動轉(zhuǎn)矩肩部的彈性 變形，使得在解除正止動轉(zhuǎn)矩肩部的彈性變形之前，浮動級中負載螺紋 面接合以支承拉伸作用載荷，由此將壓縮的正止動轉(zhuǎn)矩肩部保持在正止 動轉(zhuǎn)矩肩部所用材料的彈性變形范圍內(nèi)。
12. 如權(quán)利要求l所述的管狀連接件，其特征在于，還包括 正止動轉(zhuǎn)矩肩部被定位成接合級中所述負載螺紋面在連接件組裝時發(fā)生變形；并且浮動級中負載螺紋面之間的所述間隙被選定為將接合的負載螺紋 面的變形保持在接合的負載螺紋面所用材料的彈性變形范圍內(nèi)。
13. 如權(quán)利要求l所述的管狀連接件，其特征在于，所述接合級包括接合楔形螺紋，并且所述接合楔形螺紋中所述負載螺紋面具有彈性變形極限；通過接合楔形螺紋的插入和負載螺紋面在選定組裝轉(zhuǎn)矩的組裝確定初始組裝位置；并且組裝時浮動楔形級中負載螺紋面之間的所述間隙以及組裝時浮動 楔形螺紋中插入螺紋面之間的所述間隙被選定為，接合級中負載螺紋面 的變形加上浮動楔形級中負載螺紋面之間的所述間隙處于接合楔形螺 紋的彈性范圍內(nèi)，并且接合級中插入螺紋面的變形加上浮動楔形級中插 入螺紋面之間的所述間隙處于接合楔形螺紋的插入螺紋面的彈性范圍 內(nèi)。
14. 如權(quán)利要求1所述的管狀連接件，其特征在于， 所述接合級包括接合楔形螺紋并且接合級中所述插入螺紋面具有彈性變形極限；通過所述插入螺紋面和所述負載螺紋面在選定組裝轉(zhuǎn)矩的組裝確 定初始組裝位置；并且所述浮動級的插入螺紋面上的間隙加上接合級的插入螺紋面的組 裝變形的總和不大于所述接合級插入螺紋面的彈性變形極限。
15. 如權(quán)利要求l所述的管狀連接件，其特征在于，所述接合級包括接合楔形螺紋，并且接合楔形螺紋中所述負載螺紋 面具有彈性變形極限；通過接合楔形螺紋的插入螺紋面和負載螺紋面在選定組裝轉(zhuǎn)矩的 組裝確定初始組裝位置；并且組裝時浮動楔形級中負載螺紋面之間的所述間隙加上接合楔形螺 紋的負載螺紋面的組裝變形不大于接合楔形螺紋的負載螺紋面的彈性 變形極限。
16. 如權(quán)利要求1所述的管狀連接件，其特征在于， 所述接合級包括負載螺紋面和正止動轉(zhuǎn)矩肩部，并且通過組裝時正止動轉(zhuǎn)矩肩部的初始變形確定初始組裝位置；并且浮動楔形螺紋的負載螺紋面上的所述間隙不大于正止動轉(zhuǎn)矩肩部 的組裝變形。
17. 如權(quán)利要求l所述的管狀連接件，其特征在于， 所述銷釘元件具有外徑肩部； 所述套管元件具有面；并且正止動轉(zhuǎn)矩肩部位于所述陰螺紋的面與所述陽螺紋的外徑肩部的 邊界。
18. 如權(quán)利要求l所述的管狀連接件，其特征在于， 所述銷釘元件具有前端； 所述套管元件具有內(nèi)徑肩部；并且正止動轉(zhuǎn)矩肩部位于所述陽螺紋的前端與所述陰螺紋的內(nèi)徑肩部 的邊界。
19. 如權(quán)利要求1所述的管狀連接件，其特征在于， 正止動轉(zhuǎn)矩肩部位于在所述接合級與所述浮動級之間的所述銷釘元件與所述套管元件的邊界。
20. 如權(quán)利要求1所述的管狀連接件，其特征在于，所述第一和所 述第二外和內(nèi)螺紋具有大體上矩形的橫截面。
21. 如權(quán)利要求1所述的管狀連接件，其特征在于，第一和第二外 和內(nèi)螺紋具有大體上燕尾形的橫截面。
22. 如權(quán)利要求1所述的管狀連接件，其特征在于，第一和第二外和內(nèi)螺紋具有大體上鉤形的橫截面。
23. 如權(quán)利要求1所述的管狀連接件，其特征在于，所述套管元件的內(nèi)螺紋包括錐形螺紋并且所述銷釘元件的外螺紋包括相應(yīng)錐形螺紋。
24. —種管狀連接件，包括在第一級中具有初始安裝位置的第一螺紋；以及在第二級中的第二螺紋，所述第二螺紋為楔形螺紋，并且在第一螺 紋的初始組裝位置處的插入螺紋面和負載螺紋面上具有至少一個選定 間隙，根據(jù)組裝時管狀連接件的至少一種材料的彈性變形以及管狀連接 件的至少一種材料的彈性變形極限選擇所述至少一個選定間隙。
25. 如權(quán)利要求24所述的管狀連接件，其特征在于，還包括在所述 第一螺紋上的相向負載螺紋面以及具有彈性變形極限的帶相向表面的 正止動轉(zhuǎn)矩肩部，并且組裝時所述第一螺紋上的相向負載螺紋面將接合并且正止動轉(zhuǎn)矩 肩部的相向表面將接合，通過組裝時所述第一螺紋負載螺紋面的變形以 及正止動轉(zhuǎn)矩肩部的變形確定初始組裝位置；并且所述第二楔形螺紋的插入螺紋面之間的間隙加上組裝時正止動轉(zhuǎn) 矩肩部的變形不大于正止動轉(zhuǎn)矩肩部的彈性變形極限。
26. 如權(quán)利要求25所述的管狀連接件，其特征在于，通過施加選定 組裝轉(zhuǎn)矩在選定位置形成所述第二螺紋的插入螺紋面之間的所述間隙， 以將正止動轉(zhuǎn)矩肩部的變形保持在正止動轉(zhuǎn)矩肩部所用材料的彈性變 形范圍內(nèi)。
27. 如權(quán)利要求24所述的螺紋管狀連接件，其特征在于， 所述第一螺紋的負載螺紋面具有彈性變形極限；并且所述第二楔形螺紋的負載螺紋面之間的間隙加上組裝時第一螺紋 的負載螺紋面的變形小于第一螺紋的負載螺紋面的彈性變形極限。
28. 如權(quán)利要求24所述的管狀連接件，其特征在于，所述第一螺紋的插入螺紋面具有彈性變形極限；并且所述第二楔形螺紋的插入螺紋面之間的間隙加上組裝時第一螺紋 的插入螺紋面的變形小于第一螺紋的插入螺紋面的彈性變形極限。
29. 如權(quán)利要求24所述的管狀連接件，其特征在于， 第二級中負載螺紋面之間的所述間隙以及第二級中插入螺紋面之間的所述間隙被選定為，將組裝時第二級負載螺紋面之間的間隙加上組 裝時第一級的負載螺紋面的變形保持在負載螺紋面所用材料的彈性變 形范圍內(nèi)，并且將第二級中插入螺紋面的間隙加上第一級中插入螺紋面 的變形保持在第一級中插入螺紋面的彈性變形范圍內(nèi)。
30. 如權(quán)利要求24所述的管狀連接件，其特征在于，在連接件的任意一端或中間存在金屬對金屬的密封。
31. 如權(quán)利要求24所述的管狀連接件，其特征在于，在連接件的任 意一端或中間存在正止動轉(zhuǎn)矩肩部。
32. —種兩級螺紋管狀連接件，包括具有寬度在一個方向上增加的第一和第二外螺紋的銷釘元件，所述 第一外螺紋的直徑小于第二外螺紋的直徑，并且所述第一和第二外螺紋 包括第一和第二外負載螺紋面和外插入螺紋面；具有寬度在另一方向上的增加的第一和第二內(nèi)螺紋的套管元件，所 述內(nèi)螺紋寬度的增加與外螺紋的寬度增加成比例，使得互補的第一和第 二內(nèi)和外螺紋在連接件組裝時相向移動接合，所述第一內(nèi)螺紋的直徑大 于第二內(nèi)螺紋的直徑并且第一和第二內(nèi)螺紋包括第一和第二內(nèi)負載螺 紋面和內(nèi)插入螺紋面；具有預(yù)定彈性的正止動轉(zhuǎn)矩肩部，允許在以預(yù)定轉(zhuǎn)矩進行組裝時可 以產(chǎn)生預(yù)定軸向壓縮距離；并且第二內(nèi)和外螺紋的寬度被選定為在第二內(nèi)負載螺紋面與第二外負 載紋面之間提供選定的負載螺紋面間隙并且在第二內(nèi)插入螺紋面與第二外插入螺紋面之間提供選定的插入螺紋面間隙，其中選定的負載螺紋 面間隙不大于連接件以預(yù)定轉(zhuǎn)矩最終組裝時正止動轉(zhuǎn)矩肩部的預(yù)定軸 向壓縮，并且選定的插入螺紋面間隙加上最終組裝時正止動轉(zhuǎn)矩肩部的 預(yù)定軸向壓縮不大于正止動轉(zhuǎn)矩肩部的彈性變形極限。
33. 如權(quán)利要求32所述的螺紋連接件，其特征在于，第一和第二外 和內(nèi)螺紋具有矩形橫截面。
34. 如權(quán)利要求32所述的螺紋連接件，其特征在于，第一和第二外 和內(nèi)螺紋具有燕尾形橫截面。
35. 如權(quán)利要求32所述的螺紋連接件，其特征在于，第一和第二外和內(nèi)螺紋具有鉤形橫截面。
36. 如權(quán)利要求32所述的螺紋連接件，其特征在于，套管元件的內(nèi) 螺紋包括錐形螺紋并且銷釘元件的外螺紋包括相應(yīng)的錐形螺紋。
37. —種兩級螺紋管狀連接件，包括具有寬度在一個方向上增加的第一和第二外螺紋的銷釘元件，所述 第一外螺紋的直徑小于第二外螺紋的直徑，并且第一和第二外螺紋包括 第一和第二外負載螺紋面和外插入螺紋面；具有寬度在另一方向上的增加的第一和第二內(nèi)螺紋的套管元件，所 述內(nèi)螺紋寬度的增加與外螺紋的寬度增加成比例，使得互補的第一和第 二內(nèi)和外螺紋在連接件組裝時相向移動接合，第一內(nèi)螺紋的直徑大于第 二內(nèi)螺紋的直徑并且第一和第二內(nèi)螺紋包括第一和第二內(nèi)負載螺紋面 和內(nèi)插入螺紋面；正止動轉(zhuǎn)矩肩部，其具有彈性變形極限并且允許預(yù)定軸向壓縮距離，所述軸向壓縮距離小于在以預(yù)定轉(zhuǎn)矩組裝時正止動轉(zhuǎn)矩肩部的彈性變形極限的一半；并且第一內(nèi)螺紋和外螺紋的寬度被選定為，在第一內(nèi)負載螺紋面和插入 螺紋面與第一外負載螺紋面和插入螺紋面之間提供選定的間隙，其中選定的間隙小于連接件以預(yù)定轉(zhuǎn)矩進行最終組裝時預(yù)定軸向壓縮的一半。
38. —種方法，包括旋轉(zhuǎn)接合銷釘元件和套管元件，所述銷釘元件具有寬度在一個方向上增大的第一和第二外螺紋，所述外螺紋包括負載螺紋面和插入螺紋 面，所述套管元件具有寬度在另一方向上增大的第一和第二內(nèi)螺紋，所 述內(nèi)螺紋包括負載螺紋面和插入螺紋面，所述銷釘元件和所述套管元件 限定了具有預(yù)定彈性的正止動轉(zhuǎn)矩肩部，所述彈性允許在第一或第二外 和內(nèi)螺紋中的一個以預(yù)定轉(zhuǎn)矩組裝時產(chǎn)生軸向壓縮距離；并且第二或第 一外螺紋和內(nèi)螺紋中的另一個的寬度是楔形螺紋并被選定為，在以預(yù)定 轉(zhuǎn)矩進行最終組裝時根據(jù)正止動轉(zhuǎn)矩肩部的彈性在外螺紋和內(nèi)螺紋的 負載螺紋面和插入螺紋面之間存在間隙。
39. —種形成管狀連接件的方法，包括使銷釘元件與套管元件旋轉(zhuǎn)接合在一起，所述銷釘元件在銷釘元件 的接合級中具有第一外楔形螺紋并在銷釘元件的浮動級中具有第二外 楔形螺紋，所述第一外楔形螺紋具有負載螺紋面、插入螺紋面、牙根和 牙頂，并且所述第二外螺紋具有負載螺紋面、插入螺紋面、牙根和牙頂， 所述套管元件在套管元件的接合級中具有第一內(nèi)楔形螺紋并且在套管 元件的浮動級中具有第二外楔形螺紋，第一外螺紋具有負載螺紋面、插 入螺紋面、牙根和牙頂，并且第二外螺紋具有負載螺紋面、插入螺紋面、牙根和牙頂；并且當連接件組裝在第一外和內(nèi)楔形螺紋處時在第二外楔形螺紋的負載螺紋面和插入螺紋面與第二內(nèi)楔形螺紋的相應(yīng)插入螺紋 面和負載螺紋面之間存在至少一個選定的間隙，所述至少一個選定間隙 根據(jù)組裝時管狀連接件的至少一種材料的彈性變形進行選擇。
全文摘要
一種管狀連接件(50)包括在第一級(41)上具有初始組裝位置的第一螺紋(74，54)以及在第二級(42)上的第二螺紋(55，75)，所述第二螺紋是楔形螺紋并在第一螺紋的初始組裝位置處于插入螺紋面(79)和負載螺紋面(59)上具有選定間隙(90)。
文檔編號F16L15/06GK101194126SQ200580047273
公開日2008年6月4日 申請日期2005年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月30日
發(fā)明者小哈里斯·A·雷諾茲, 羅伯特·S·西夫勒四世, 達維德·盧埃林·馬利斯 申請人:海德瑞有限公司