專利名稱：：具有高徑向載荷和差動螺紋表面的螺紋接頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及螺紋接頭，其尤其用于預(yù)定長度的連接管以形成在特別用于0CTG(石油工業(yè)用管材)領(lǐng)域的碳?xì)浠衔镄袠I(yè)中采用的管串以及離岸應(yīng)用中的管道。
背景技術(shù)：
：近年來，勘探石油或者更多的是勘探碳?xì)浠衔飳浖脱b置的要求變得更大，因?yàn)橛吞锖蜌馓锘騼瘜游挥诟罨螂y以到達(dá)的位置?？辈旌烷_采布置在深海下方的碳?xì)浠衔锾镆呀?jīng)成為慣例并且需要更耐環(huán)境挑戰(zhàn)(例如疲勞和腐蝕)的軟件，這一點(diǎn)在過去不太重要。為了從位于深海下方的油田中開采油或氣，采用錨固在海床上的離岸平臺并采用通常被稱為立管的管串。這些管串浸入海中并遭受因海流引起的移動以及表面波移動。由于海的這些連續(xù)和周期移動，管柱不能保持穩(wěn)定，而是遭受會在接頭的某些部分產(chǎn)生變形的小量級側(cè)向移動，并且必須承受在管上尤其是在螺紋接頭的區(qū)域上引起疲勞應(yīng)力的載荷。這些應(yīng)力往往在螺紋附近的管上導(dǎo)致破裂并且需要提高螺紋接頭的疲勞強(qiáng)度。目前，用于油氣行業(yè)的螺紋連接件的疲勞性能和設(shè)計(jì)根據(jù)其他工程領(lǐng)域進(jìn)行改編和推知。仍然沒有任何特殊標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計(jì)/尺寸標(biāo)注說明?？梢栽谟糜阡摻Y(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)和評估的英國標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范慣例BS7608以及DNV等級B的S-N曲線中找到基本概念。在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)提出增大螺紋接頭疲勞壽命的方案。文獻(xiàn)EP1726861公開了一種制造油井管所用的螺紋接頭的方法，其中施加微量射出的噴丸以提高其疲勞斷裂強(qiáng)度。所述方法通過在特定條件下向螺紋接頭施加噴丸(shotpeening)來增大疲勞壽命以實(shí)現(xiàn)所述目的噴射壓力0.4MPa。噴射距離100-150mm。噴射時(shí)間大約lsec/cm2。噴射的顆粒材料0.8%-1.0%C(HRC60或更多)的碳鋼。如該文獻(xiàn)的表4中所示選擇顆粒直徑。該文獻(xiàn)還提出可以進(jìn)一步提高疲勞斷裂強(qiáng)度的滲碳和滲氮處理的組合。仍然存在改進(jìn)螺紋接頭疲勞壽命的空間。
發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的目的是提供一種克服上述缺陷的螺紋接頭。本發(fā)明的主要目的是提供一種具有提高的疲勞壽命的接頭。根據(jù)本發(fā)明通過這樣一種螺紋接頭實(shí)現(xiàn)上述目的，其包括定義為銷的外螺紋管和定義為套管的內(nèi)螺紋管，銷具有第一鄰接肩部，套管具有第二鄰接肩部，所述第一和第二鄰接肩部具有互補(bǔ)的形狀，銷適于組裝在套管中，其中在銷或套管中任意一個的螺紋牙底與銷或套管中另一個的螺紋牙頂之間設(shè)置根據(jù)銷和套管的標(biāo)稱尺寸設(shè)置的干涉，干涉值在接頭平均厚度的到5%之間，設(shè)置值為螺紋高度的1/4左右的牙底到載荷側(cè)面的半徑，并且接頭具有表面處理，所述表面處理包括施加在銷的螺紋區(qū)域的開始和終止部分的噴丸。本發(fā)明的另一目的是提供一種本發(fā)明的螺紋接頭的組裝方法。根據(jù)所要求保護(hù)的發(fā)明，通過組裝操作結(jié)束時(shí)出現(xiàn)在已經(jīng)得到適當(dāng)設(shè)計(jì)的接頭上的幾個特征的組合作用實(shí)現(xiàn)提高螺紋接頭疲勞強(qiáng)度的目的a)設(shè)置作為牙底-牙頂干涉的函數(shù)的高徑向載荷(通常所稱的環(huán)向載荷)以提高疲勞強(qiáng)度；b)設(shè)置高肩部載荷以提高疲勞強(qiáng)度；c)設(shè)置擴(kuò)大的牙底到側(cè)面的半徑R，其降低螺紋牙底上的應(yīng)力集中；d)另外提供銷和套管表面的適當(dāng)表面制備，包括噴丸處理，以進(jìn)一步提高接頭的疲勞強(qiáng)度。本發(fā)明的螺紋接頭可以借助于已知涂布油、液體或固體潤滑劑、無涂布油系統(tǒng)等得到組裝。借助于本發(fā)明接頭上的上述特征，軸向拉伸載荷通過通常的側(cè)面間接觸進(jìn)行傳遞，因?yàn)檩S向干涉被選定為落入行業(yè)內(nèi)采用的標(biāo)稱標(biāo)準(zhǔn)值內(nèi)。在另一側(cè)，螺紋部分上的徑向載荷達(dá)到比標(biāo)稱更高的值，這樣確保了疲勞強(qiáng)度的提高并延長了接頭的使用壽命。螺紋上的這些徑向載荷主要取決于徑向幾何干涉，所述徑向幾何干涉通過控制構(gòu)造螺紋管端部的多個直徑和公差來獲得。在組裝兩個元件之前根據(jù)銷和套管的標(biāo)稱尺寸設(shè)置的干涉值不小于接頭或連接件的平均厚度的1%，也就是在設(shè)計(jì)管范圍所覆蓋的最輕重量的情況下銷和套管平均厚度的增加量；并且不高于接頭平均厚度的5%，也就是在設(shè)計(jì)管范圍所覆蓋的最大重量的情況下銷和套管的平均厚度的增加量。這些干涉值確保了接頭上的應(yīng)力級保持在控制之下，從而以這種方式避免了高應(yīng)力集中。在以下表中示出了在具有不同直徑和重量的兩個管的情況下適當(dāng)干涉值的實(shí)例管直徑(英寸)重量(lb/ft)干涉(％)干涉(Pm)95/8363%370133/8982%360然而，其他參數(shù)還有助于獲得所需的徑向載荷。這些參數(shù)是管的直徑和厚度，螺紋類型、材料屬性(例如楊氏模量)、連接件的每個元件的表面特性等。參照以下詳細(xì)說明和附圖將會更清楚地了解到上述和其他目的，圖中圖1表示根據(jù)本發(fā)明的接頭沿縱軸向平面的剖視圖；圖2a和2b表示圖1所示的接頭的細(xì)節(jié)的放大圖；圖3表示施加在本發(fā)明的接頭上的組裝轉(zhuǎn)矩趨勢的曲線圖。圖4表示具有對比的疲勞測試結(jié)果的曲線圖。具體實(shí)施例方式具體參照附圖，示出了總體由附圖標(biāo)記1表示的螺紋接頭，其連接兩個管，具有標(biāo)稱外徑D的外螺紋管或銷2，和具有標(biāo)稱外徑D1的內(nèi)螺紋管或套管3。銷2具有螺紋部分4，其具有適當(dāng)輪廓(例如梯形)的外螺紋，并且套管3具有帶相應(yīng)形狀的內(nèi)螺紋的內(nèi)螺紋部分5。銷和套管的共用軸線由A表示。接頭螺紋的設(shè)計(jì)根據(jù)采用正交矩陣?yán)碚摰腡aguchi方法。Taguchi博士基于“正交陣列”實(shí)驗(yàn)開發(fā)了一種方法，該方法利用控制參數(shù)的最佳設(shè)定對實(shí)驗(yàn)提供小得多的方差。該方法利用產(chǎn)品/過程的先前知識?！罢魂嚵小碧峁┮唤M良好平衡(最小值)的實(shí)驗(yàn)并且Taguchi博士的信噪比(S/N)作為最佳結(jié)果優(yōu)化和判斷的目標(biāo)函數(shù)。信噪比需要最大化以降低噪聲的影響；噪聲級被看作是應(yīng)該保持較低的誤差，否則參數(shù)的選擇沒有完成并且部分噪聲實(shí)際上是在測試開始無法準(zhǔn)確識別的信號。采用所述方法進(jìn)行估計(jì)的參數(shù)在下文被示出具有兩個可能的狀態(tài)-螺紋牙形半徑(0.2mm,0.3mm)-螺紋干涉(連接件平均厚度的0.9%，4%)-表面處理(噴丸(peened)，裸露(bare))-相對于因組裝鉗的慣性的值，肩部上的轉(zhuǎn)矩(小于12000ft-lbs，大于18000ft-lbs)。上述參數(shù)按照Taguchi用于采用L8正交矩陣-八次實(shí)驗(yàn)性試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法提出的要求得到組合。實(shí)驗(yàn)在具有244mm外徑和13.84mm厚度的管上以兩個應(yīng)力級進(jìn)行實(shí)施。表1總結(jié)了這些參數(shù)。<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>表l-L8Taguchi矩陣和測試結(jié)果圖4的曲線表示標(biāo)準(zhǔn)連接件與根據(jù)上表制造的連接件的結(jié)果之間的差異，采用更高的干涉、更高的肩部上的能量、更大的半徑和噴丸表面是最有效的組合。在超過材料的疲勞極限_90MPa的區(qū)域看到了主要效果。在這一特定的設(shè)計(jì)方法之后，盡管在軸向拉伸載荷通過有效的側(cè)面間的接觸得到傳遞，從而在現(xiàn)有技術(shù)的接頭上采用的數(shù)值范圍內(nèi)限定出軸向干涉，但在本發(fā)明接頭的螺紋上的徑向載荷被限定為達(dá)到比現(xiàn)有技術(shù)更高的值，這樣確保了疲勞強(qiáng)度的提高。這些徑向載荷的大小主要取決于通過適當(dāng)設(shè)計(jì)銷和套管的多種直徑和公差來獲得的徑向幾何干涉。優(yōu)選地，擴(kuò)大牙底到載荷側(cè)面的半徑R對接頭的疲勞強(qiáng)度是有利的。對于銷和套管的螺紋，為了適當(dāng)承受通過徑向干涉引起的更高應(yīng)力，載荷側(cè)面與牙底之間的半徑R具有尤其如圖2b所示的更大的值。測試已經(jīng)表明采用螺紋牙底-牙頂半徑干涉產(chǎn)生更低的應(yīng)力集中，這樣加起來提供擴(kuò)大的半徑R。上述高徑向張力可以形成在銷的螺紋牙頂與套管的螺紋牙底之間，在銷的螺紋牙底與套管的螺紋牙頂之間留出自由空間(該實(shí)施方式在圖中未示出)，或者像圖2b所示那樣反之亦然。兩種選擇還可以同時(shí)存在于相同的接頭中。半徑R可以具有僅通過尤其在徑向跳動螺紋(rimoutthreads)上保持接頭抗拉效率的需要進(jìn)行限制的最大值。如果半徑太大，則往往會產(chǎn)生脫離。半徑R的值一直被設(shè)定在螺紋高度的1/4左右，并且由于可能出現(xiàn)的尺寸應(yīng)用，該值可以在0.2mm-0.4mm，優(yōu)選值0.3mm。根據(jù)所完成的測試的結(jié)果，已經(jīng)證明該值使螺紋接頭性能最優(yōu)化。另外，向接頭提供表面硬化處理，例如噴丸、氮化、碳化和冷卻作業(yè)。這樣產(chǎn)生幾個效果。首先，其提供了提高疲勞強(qiáng)度的壓縮微量預(yù)載荷，如通過眾所周知的疲勞分析所證明的那樣。因而本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式采用噴丸，確保了更高的預(yù)載荷。其次，表面處理增大了表面硬度。已經(jīng)證明并在冷焊理論中詳細(xì)說明，兩個不同表面的硬度和精加工不同，則它們之間的磨損會降低。當(dāng)所述處理施加在銷或套管上，或者以不同大小施加在不同接頭元件上以產(chǎn)生不同表面特性，或者施加在銷和/或套管本身的選定區(qū)域上，優(yōu)選施加在螺紋區(qū)域上時(shí)，所述處理還可以降低磨損趨勢并由此降低因這種磨損導(dǎo)致的對疲勞性能產(chǎn)生不利影響的微裂紋的存在。例如，使表面中的一個磷化以使其與另一個不同更有助于降低磨損。然而，當(dāng)包括高載荷時(shí)僅僅磷化不是有效的，使其還與硬化過程(例如通常所稱的噴丸處理)組合確保了所述性能并且增大了接頭耐高接觸壓力的性能。在優(yōu)選實(shí)施方式中，所述表面硬化處理施加在銷上，其通常比套管受到更大載荷，更特別地施加在承受更高應(yīng)力集中的螺紋區(qū)域的開始和終止部分。這樣沿整個螺紋提供更均勻的應(yīng)力分布。在幾次測試之后設(shè)定用于噴丸的合適的過程參數(shù)，從而產(chǎn)生結(jié)果的最優(yōu)化。主要的過程參數(shù)之一是噴丸的強(qiáng)度，其可以由通過SAEJ442a標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的Almen測試進(jìn)行測量。根據(jù)所完成的測試結(jié)果，Almen強(qiáng)度在006A到015A之間適用于本發(fā)明。另一重要參數(shù)是噴丸(球面鋼或玻璃顆粒)的直徑，其必須根據(jù)所處理的零件的幾何形狀來確定。對于本發(fā)明，0.15mm到0.35mm之間的噴丸直徑是合適的。有利地，當(dāng)在組裝過程中通過在銷與套管之間的肩部6和7上輸入高載荷以向接頭提供附加的軸向增能時(shí)，本發(fā)明的螺紋接頭仍然可以實(shí)現(xiàn)提高的疲勞壽命。這一點(diǎn)通過向接頭提供附加的組裝轉(zhuǎn)矩并由此在肩部上施加附加的載荷來實(shí)現(xiàn)。這樣產(chǎn)生了在接頭上獲得提高的疲勞強(qiáng)度的驚人效果。這一增加的載荷產(chǎn)生了附加的壓縮效果，傾向于張緊套管3并壓縮銷2，由此提高疲勞應(yīng)力強(qiáng)度。這一點(diǎn)通過在接頭1的整個延伸尤其是在銷2上平衡應(yīng)力分布來實(shí)現(xiàn)。參照圖3，示出了Cartesian曲線，其中橫坐標(biāo)軸代表組裝轉(zhuǎn)數(shù)并且縱坐標(biāo)軸代表轉(zhuǎn)矩大小。該曲線示出了曲線10和11。曲線10代表現(xiàn)有技術(shù)的接頭在根據(jù)慣常的方法進(jìn)行組裝的過程中的轉(zhuǎn)矩趨勢變化。曲線10的點(diǎn)“a”表示組裝操作的起始點(diǎn)。區(qū)段“a-b”表示因在許多現(xiàn)有技術(shù)的接頭上通常存在的徑向干涉而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩逐漸增加。區(qū)段“b-c”表示因在銷與套管之間的鄰接肩部的增能而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩大小增加。曲線11表示施加在根據(jù)本發(fā)明的方法的接頭上的轉(zhuǎn)矩趨勢變化。曲線的區(qū)段“a-d”表示具有因銷和套管的螺紋的牙頂與牙底之間更大的徑向干涉引起的更陡角度的轉(zhuǎn)矩逐漸增加。曲線區(qū)段“d-e”代表由鄰接肩部6和7的增能引起的轉(zhuǎn)矩急劇增大達(dá)到與根據(jù)已知組裝方法慣例執(zhí)行的組裝相對應(yīng)的量級。區(qū)段“e_f”代表根據(jù)本發(fā)明的組裝方法通常下文還被稱為“A轉(zhuǎn)矩”的附加轉(zhuǎn)矩。在分析本發(fā)明的組裝方法時(shí)有兩點(diǎn)值得注意1)曲線斜率突然增大的轉(zhuǎn)矩肩部點(diǎn)“d”表示組裝已經(jīng)達(dá)到銷2的肩部6與套管3的肩部7鄰接的肩部位置。該點(diǎn)“d”標(biāo)出了曲線11的第一部分的末端，在該末端螺紋干涉已經(jīng)成為所施加轉(zhuǎn)矩的唯一阻力。2)從點(diǎn)“d”到組裝結(jié)束的最終轉(zhuǎn)矩點(diǎn)“f”，曲線幾乎變成垂線，因?yàn)檗D(zhuǎn)矩值與曲線的在前部分相比在一轉(zhuǎn)的一小部分突然增大。原因在于必須克服軸向干涉，消耗了存儲在接頭中作為彈性能量的相應(yīng)轉(zhuǎn)矩能量。在將銷2組裝在套管3上結(jié)束時(shí)施加附加轉(zhuǎn)矩。例如當(dāng)常規(guī)組裝操作獲得產(chǎn)生的載荷是屈服強(qiáng)度的大約50%的最終載荷時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的方法施加的“△轉(zhuǎn)矩”將載荷提高到屈服強(qiáng)度的80%。這些值可以在到99%之間的總體可行范圍內(nèi)變化。對于每種類型的商用接頭，具體優(yōu)化值已經(jīng)確定，它們已經(jīng)根據(jù)以下計(jì)劃得到設(shè)計(jì)、測試和驗(yàn)證。在第一步驟，考慮接頭參數(shù)，例如直徑、厚度、鋼號、螺紋類型。預(yù)先估計(jì)、建模和仿真最佳組裝參數(shù)。在第二步驟，所述值得到全尺寸的測試并且在迭代循環(huán)中初始過程被回復(fù)反饋(retro-fed)0作為第三和最終步驟，得到組裝的接頭經(jīng)歷附加的驗(yàn)證測試，模擬實(shí)際操作條件以驗(yàn)證并確保接頭和組裝過程合格。出于過程的復(fù)雜性，組裝參數(shù)(例如連接件的直徑或壁厚)不是以絕對參數(shù)得到限定。A轉(zhuǎn)矩或曲線11的區(qū)段“e-f”被定義為附加轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)矩延伸與轉(zhuǎn)數(shù)相對的曲線。作為通常的規(guī)則，標(biāo)稱轉(zhuǎn)矩或Δ轉(zhuǎn)矩不超過材料肩部區(qū)域上的屈服強(qiáng)度。有利地，“Δ轉(zhuǎn)矩”被限定為大小在標(biāo)稱轉(zhuǎn)矩的10%到50%之間，或者被設(shè)計(jì)成使得最終的轉(zhuǎn)矩值也就是標(biāo)稱轉(zhuǎn)矩加上“Δ轉(zhuǎn)矩”達(dá)到一個值，該值包括在鋼的屈服強(qiáng)度的50%到90%之間。標(biāo)稱或最大標(biāo)稱組裝轉(zhuǎn)矩由每個具體接頭的制造商限定。本發(fā)明優(yōu)選被用于OCTG領(lǐng)域以及油氣行業(yè)尤其是離岸應(yīng)用中使用的管路連接件。權(quán)利要求一種螺紋接頭，包括定義為銷的外螺紋管(2)和定義為套管的內(nèi)螺紋管(3)，銷具有第一鄰接肩部(6)，套管具有第二鄰接肩部(7)，所述第一和第二鄰接肩部具有互補(bǔ)的形狀，銷(2)適于組裝在套管(3)中，其中在銷或套管中任意一個的螺紋牙底與銷或套管中另一個的螺紋牙頂之間設(shè)置根據(jù)銷和套管的標(biāo)稱尺寸設(shè)置的干涉，干涉值在接頭平均厚度的1％到5％之間，設(shè)置值為螺紋高度的1/4左右的牙底到載荷側(cè)面的半徑(R)，并且接頭具有表面處理，所述表面處理包括施加在銷(2)的螺紋區(qū)域的開始和終止部分的噴丸。2.如權(quán)利要求1所述的螺紋接頭，其特征在于，半徑R的值在0.20mm到0.40mm之間。3.如權(quán)利要求2所述的螺紋接頭，其特征在于，半徑R的值為0.30mm。4.一種具有權(quán)利要求1所述特征的螺紋接頭的組裝方法，包括以下步驟a)將銷的螺紋部分插入套管的螺紋部分內(nèi)，b)施加轉(zhuǎn)矩以將銷組裝在套管中，直至第一和第二鄰接肩部鄰接，c)施加附加轉(zhuǎn)矩，直至在接頭(1)的最受應(yīng)力部分大小達(dá)到鋼的屈服強(qiáng)度的50%到90%之間。5.一種具有權(quán)利要求1所述特征的螺紋接頭的組裝方法，包括以下步驟a)將銷的螺紋部分插入套管的螺紋部分內(nèi)，b)施加轉(zhuǎn)矩以將銷組裝在套管中，直至第一和第二鄰接肩部鄰接，c)施加附加轉(zhuǎn)矩，其值在標(biāo)稱組裝轉(zhuǎn)矩的10%到50%之間。全文摘要一種螺紋接頭具有位于銷的螺紋牙底與套管的螺紋牙頂之間的干涉，干涉值在連接件平均厚度的1％到5％之間，牙底到載荷側(cè)面的半徑(R)在0.2mm到0.4mm的范圍內(nèi)并且表面處理包括施加在銷的螺紋區(qū)域的開始和終止部分的噴丸。在另一實(shí)施方式中，干涉可以形成在套管的螺紋牙底與銷的螺紋牙頂之間。文檔編號F16L15/06GK101802473SQ200880102045公開日2010年8月11日申請日期2008年8月21日優(yōu)先權(quán)日2007年8月24日發(fā)明者內(nèi)斯托爾·J·桑蒂申請人:特納瑞斯連接股份公司