阅读说明：本技术 螺纹接头 (Threaded joint ) 是由 川井孝将 吉川正树 高野顺 米山毅 后藤城吾 于 2020-03-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种耐压缩性以及密封性优异的螺纹接头。对于螺纹接头(1)而言,外螺纹部(4a)通过锥形螺纹(4)的螺纹结合,以在螺纹顶面(7)和螺纹底面(8)双方在与内螺纹部(4b)之间余留间隙的状态,在插入面(9)和负载面(10)双方与内螺纹部(4b)接触,锥形螺纹(4)的插入面牙侧角(α)为30度以上且50度以下,并且锥形螺纹(4)的负载面牙侧角(β)为-10度以上且不足0度,锥形螺纹(4)的管轴方向的每单位长度的直径的变化量亦即螺纹锥为1/10以上且1/4以下,母扣密封部(11b)的密封锥角(γ)为3度以上且10度以下。(The invention provides a threaded joint with excellent compression resistance and sealing performance. In a threaded joint (1), a male thread portion (4a) is joined by the thread of a tapered thread (4) so that both a thread top surface (7) and a thread bottom surface (8) are in contact with a female thread portion (4b) on both an insertion surface (9) and a load surface (10) with a clearance between the female thread portion (4b), the insertion surface flank angle (alpha) of the tapered thread (4) is 30 degrees or more and 50 degrees or less, the load surface flank angle (beta) of the tapered thread (4) is-10 degrees or more and less than 0 degree, the taper, which is the amount of change in diameter per unit length in the axial direction of the tapered thread (4), is 1/10 or more and 1/4 or less, and the seal taper angle (gamma) of the female thread seal portion (11b) is 3 degrees or more and 10 degrees or less.)

螺纹接头

技术领域

本发明涉及螺纹接头，详细而言涉及如下螺纹接头：适宜用于通常在油井、气井的探查、生产中使用的包含管道以及套管的油井管、即OCTG(石油专用管材)、立管、以及线管等钢管的连接，且耐压缩性以及密封性优异。

背景技术

螺纹接头广泛应用于油井管等产油工业设施所使用的钢管的连接。以往，在油、气的勘探、生产中使用的钢管的连接中，典型地使用有API(美国石油协会)标准所规定的标准螺纹接头。

近年来，原油、天然气井的深井化取得进展，在直井的基础上增加了水平井、定向井等，因此挖掘·生产环境变得更加苛刻。另外，由于在海洋、极地等恶劣环境下的井的开发增加等，因此耐压缩性能、耐弯曲性能以及外压密封性能(耐外压性能)等对螺纹接头的要求性能正在多样化。由于这种要求性能，近年来，使用被称为特殊接头的高性能的特殊螺纹接头的情况增加。

上述的特殊接头通常在相互连接的管的管端部分别具备锥形螺纹、密封部(金属接触密封部)、以及扭矩台肩部。这些结构是构成设置于一方的管的外螺纹型部亦即公扣、与设置于另一方的管并与外螺纹型部旋合或者嵌合的内螺纹型部亦即母扣的每一个的要素。这些要素设计为在接头(螺纹接头的意思，以下相同)紧固时，内外螺纹的同名要素彼此相互面对。

上述的锥形螺纹对于牢固地固定接头是必要的。另外，上述的密封部在该密封部的区域通过母扣与公扣的金属接触而确保密封性。对于密封部而言，通常，设置于公扣的公扣密封部具有凸状的管轴截面形状，设置于母扣的母扣密封部具有锥状的管轴截面形状。另外，上述的扭矩台肩部成为在接头的紧固中担负限位器的作用的台肩面。

另外，为了缩小井开发时的挖掘量，要求使接头细长。为了使接头细长，排除扭矩台肩部较有效，在该情况下，使螺纹部负担限位器的作用以及承受轴向力的作用。为了发挥上述的效果，需要外螺纹部通过锥形螺纹的螺纹结合，在螺纹顶面和螺纹底面双方与内螺纹部之间余留间隙的状态下，在负载面和***面双方与内螺纹部接触。将该方式的锥形螺纹称为管轴方向干涉锥形螺纹。具有管轴方向干涉锥形螺纹的接头以螺纹面承受轴向力所以承受力的面积的合计变大，因而具有较高的耐压缩性。

管轴方向干涉锥形螺纹的现有技术的一个例子记载于专利文献1。专利文献1所记载的发明的课题为：考虑在实际制作上的加工公差，在该公差内的任何加工结果中，总是在负载面与***面双方，在螺纹结合时产生接触。而且，在专利文献1所记载的发明中，提出对负载面牙侧角、***面牙侧角、在螺纹顶面和螺纹底面产生的间隙、以及根据加工公差假想的管轴方向间隙的关系进行规定的公式，根据该公式，说明在负载面与***面双方，能够在螺纹结合时必然产生接触。

专利文献1：日本专利第3714199号公报

专利文献1所记载的公式为如下公式：在将锥形螺纹紧固时，防止螺纹顶面和螺纹底面处的接触，并总是保证负载面与***面双方处的接触。但是，并未考虑实现接触所需的紧固量，紧固结束时的管轴方向位置被加工时的尺寸偏差的程度较大地影响。因为螺纹紧固时的管轴方向停止位置对密封部的接触状态造成较大的影响，所以在由于锥形螺纹的尺寸偏差而成为过小的接触状态的情况下，密封性变得不充分，相反，在成为过大的接触状态的情况下，存在产生热粘的担忧。

发明内容

本发明鉴于上述课题，其目的在于，提供一种耐压缩性以及密封性优异的螺纹接头。

本发明的发明人们为了解决上述课题而进行深入研究，得到以下的见解。首先，在现有的技术中，尺寸偏差引起密封性不足、热粘是因为，尺寸偏差对密封部的接触状态(以下，也称为密封干涉量)造成较大的影响。因此，能够抑制尺寸偏差对密封干涉量的影响的锥形螺纹以及密封部的设计变得重要。在由大致梯形形状的螺纹牙构成的锥形螺纹中，通过增大螺纹牙顶部的宽度与螺纹牙底部的宽度的差，能够增大锥形螺纹紧固时的管轴方向的间隙相对于旋转量的变化量。因此，通过增大螺纹牙顶部与螺纹牙底部的宽度差，能够抑制尺寸偏差(管轴方向的间隙的偏差)对紧固结束时的管轴方向停止位置的影响。但是，期望负载面为了防止跳出而形成为负的角度，因而以负的角度将绝对值设计为较小，***面为了确保宽度差而需要设计为较大的角度。针对锥形螺纹的管轴方向的每单位长度的直径的变化量亦即螺纹锥，通过将其设定为稍大，以较少的紧固量拧紧螺纹，因而能够抑制尺寸偏差对紧固结束时的管轴方向停止位置的影响。另外，通过缩小母扣密封部的密封锥角，能够抑制紧固结束时的管轴方向停止位置对密封干涉量的影响。

基于以上的见解完成的本发明的主旨如下。

1.一种螺纹接头，具有：

公扣，其形成于管端部，具备锥形螺纹的外螺纹部以及位于比该外螺纹部靠管端侧的管口部外周面；以及

母扣，其具备上述锥形螺纹的内螺纹部、以及与上述管口部外周面相对的密封孔内周面，

上述外螺纹部通过上述锥形螺纹的螺纹结合，以在螺纹顶面和螺纹底面双方与上述内螺纹部之间余留间隙的状态下，在***面和负载面双方与上述内螺纹部接触，

上述管口部外周面具有公扣密封部，上述公扣密封部具有凸状的管轴截面形状，

上述密封孔内周面具有母扣密封部，上述母扣密封部通过上述螺纹结合，与上述公扣密封部在管半径方向上进行金属接触而形成对流体进行密封的密封部，且上述母扣密封部具有锥状的管轴截面形状，

上述锥形螺纹的***面牙侧角为30度以上且50度以下，并且上述锥形螺纹的负载面牙侧角为-10度以上且不足0度，

上述锥形螺纹的管轴方向的每单位长度的直径的变化量亦即螺纹锥为1/10以上且1/4以下，

上述母扣密封部的密封锥角为3度以上且10度以下。

此外，本申请中规定的锥形螺纹和密封部的形状、角度以及尺寸意味着在锥形螺纹紧固前的状态(换句话说，未施加负载的状态)下的形状、角度以及尺寸。

2.根据上述1的螺纹接头，上述外螺纹部的螺纹高度T为0.04英寸以上且0.10英寸以下。

3.根据上述1或2的螺纹接头，上述外螺纹部的螺纹牙底部的宽度W与螺纹高度T的比T/W为0.2以上且1.0以下。

根据本发明，能够得到耐压缩性以及密封性优异的螺纹接头。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的一个例子亦即整体式的螺纹接头的管轴剖视图。

图2是表示本发明的实施方式的一个例子亦即组合式的螺纹接头的管轴剖视图。

图3是图1以及图2的A部放大图。表示***面与负载面双方接触的状态。

图4是图1以及图2的B部放大图。表示公扣和母扣双方的相同尺度附图在如图3所示那样使螺纹部的***面与负载面双方以接触的方式重合时的、密封部的重叠的状态。

附图标记说明：

1…螺纹接头；2…公扣；3…母扣；4…锥形螺纹；4a…外螺纹部；4b…内螺纹部；5…管口部外周面；6…密封孔内周面；7、7’…螺纹顶面；8、8’…螺纹底面；9、9’…***面；10、10’…负载面；11…密封部；11a…公扣密封部；11b…母扣密封部；α…***面牙侧角；β…负载面牙侧角；γ…密封锥角；X…管轴心；S…基准面；T…螺纹高度；W…螺纹牙底部的宽度。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行例示说明。

如图1以及图2所示，本发明的实施方式所涉及的螺纹接头1是利用公扣2和母扣3将油井管连接的特殊接头。螺纹接头1可以是如图1所示那样的、用公扣2和母扣3将钢管彼此直接连接的整体式，也可以是如图2所示那样的、经由具有母扣3的组合将具有公扣2的钢管彼此连接的组合式。此外，在图1以及图2中，仅示出管轴心X的一侧的截面。螺纹接头1也可以应用于油井管以外的钢管等的连接。

公扣2形成于管端部，具有锥形螺纹4的外螺纹部4a以及位于比该外螺纹部4a靠管端侧的管口部外周面5。母扣3具有锥形螺纹4的内螺纹部4b、以及与管口部外周面5相对的密封孔内周面6。

如图3所示，外螺纹部4a构成为：通过锥形螺纹4的螺纹结合，以在螺纹顶面7和螺纹底面8双方在与内螺纹部4b之间余留间隙的状态下，在***面9和负载面10双方与内螺纹部4b接触。即，锥形螺纹4构成为：通过其螺纹结合，在外螺纹部4a的螺纹顶面7与内螺纹部4b的螺纹底面8’之间余留间隙并且在外螺纹部4a的螺纹底面8与内螺纹部4b的螺纹顶面7’之间余留间隙的状态下，外螺纹部4a的***面9与内螺纹部4b的***面9’相互接触并且外螺纹部4a的负载面10与内螺纹部4b的负载面10’相互接触。上述的“间隙”意味着，在锥形螺纹4螺纹结合时亦即紧固结束时足以使***面9、9’和负载面10、10’双方产生紧固的间隙。

锥形螺纹4通过在***面9、9’和负载面10、10’双方进行接触，实现牢固的连接。将包括管轴心X的截面亦即管轴截面中***面9与垂直于管轴心X的直线所成的锐角的角度设为***面牙侧角α，如图3所示，***面牙侧角α的附图标记在***面9朝向管轴心X的径向外侧(以下，也仅称为径向外侧)且向负载面10侧倾斜的情况设为正。另外，将管轴截面中负载面10与垂直于管轴心X的直线所成的锐角的角度设为负载面牙侧角β，负载面牙侧角β的附图标记在负载面10朝向径向外侧且向***面9侧倾斜的情况设为正(图3所示的负载面牙侧角β的附图标记为负)。

为了确保螺纹牙顶部与螺纹牙底部的宽度差，***面牙侧角α需要设为30度以上。通过将***面牙侧角α设为30度以上，能够增大锥形螺纹4紧固时的管轴方向(换句话说，沿着管轴心X的方向)的间隙(换句话说，***面9、9’以及负载面10、10’处的间隙)相对于旋转量的变化量，另外，能够抑制尺寸偏差(管轴方向的间隙的偏差)对管轴方向停止位置的影响。但是，若过度增大***面牙侧角α，则不再高效地承受管轴方向的压缩力，因而需要设为50度以下。为了防止跳出，负载面牙侧角β需要设为负的值，虽然需要设为不足0度，但若过度增大绝对值，则不再能够确保螺纹牙顶部与螺纹牙底部的宽度差，因而需要设为-10度以上。优选负载面牙侧角β为-10度以上且-3度以下。

外螺纹部4a的与螺纹底面8一致的基准面S的管轴方向的每单位长度的直径的变化量亦即螺纹锥需要设为1/10以上。通过将螺纹锥设为1/10以上，能够以较少的紧固量拧紧锥形螺纹4，从而抑制尺寸偏差对紧固结束时的管轴方向停止位置的影响。但是，若过度增大螺纹锥，则不再能够确保后述的公扣密封部11a处的壁厚、不再能够保证密封性，因而螺纹锥需要设为1/4以下。

如图4所示，管口部外周面5具有公扣密封部11a，公扣密封部11a具有弯曲为凸状的管轴截面形状(换句话说，管轴截面处的形状)。但是，公扣密封部11a的管轴截面形状并不限定于弯曲为凸状，为凸状即可。密封孔内周面6具有母扣密封部11b，母扣密封部11b通过锥形螺纹4的螺纹结合，与公扣密封部11a在管半径方向(换句话说，管轴心X的半径方向)上进行金属接触而形成对流体进行密封的密封部11，且母扣密封部11b具有锥状的管轴截面形状。换句话说，由公扣密封部11a和母扣密封部11b构成径向密封构造的密封部11。

母扣密封部11b是截头为圆锥状的锥面。将管轴截面中母扣密封部11b与跟管轴心X平行的直线所成的锐角的角度设为密封锥角γ。为了缩小锥形螺纹4的螺纹结合时的管轴方向停止位置对密封部11的接触状态(密封干涉量)的影响，密封锥角γ需要设为10度以下。但是，若过度缩小密封锥角γ，则滑动距离变长、热粘的风险增加，因而密封锥角γ需要设为3度以上。此外，若密封锥角γ不足3度，则在密封部与螺纹部的边界能够容易地形成较大的阶差，在该情况下，很难说设计本身成立。这是因为，若在螺纹结合时公扣与阶差部分接触，则容易产生热粘。

优选外螺纹部4a的螺纹高度T为0.04英寸(＝0.04英寸×25.4mm/英寸＝1.016mm)以上且0.10英寸(＝0.10英寸×25.4mm/英寸＝2.54mm)以下。这里，螺纹高度T是管轴截面的、垂直于管轴心X的直线跟基准面S的交点、与该直线跟螺纹顶面7的交点的距离。在螺纹高度T不足0.04英寸的情况下，存在如下担忧：不能充分地确保接触面而由于轴向力在锥形螺纹4产生过大的塑性变形，失去作为接头的功能。另一方面，在螺纹高度T超过0.10英寸的情况下，存在危险截面的截面积变小、不能充分地确保接头的拉伸强度的担忧。

优选外螺纹部4a的螺纹牙底部的宽度W与螺纹高度T的比T/W为0.2以上且1.0以下。这里，螺纹牙底部的宽度W是管轴截面中的、包含包括负载面10的直线跟包括基准面S的直线的交点且垂直于管轴心X的直线、与包含包括***面9的直线跟包括基准面S的直线的交点且垂直于管轴心X的直线的距离。在T/W不足0.2的情况下，存在不能充分地确保接触面的担忧。在T/W超过1.0的情况下，存在不能充分地确保危险截面的截面积的担忧。

如上述那样，螺纹接头1满足***面牙侧角α为30度以上且50度以下，并且负载面牙侧角β为-10度以上且不足0度，螺纹锥为1/10以上且1/4以下，密封锥角γ为3度以上且10度以下的条件，从而能够发挥优异的耐压缩性以及密封性。

以上，对本实施方式进行了例示说明，但本发明并不限定于此，能够在权利要求书中适当地变更。

实施例

针对由对API 5CT的钢种P110的外径5.5英寸×壁厚0.415英寸(外径139.70mm×壁厚10.54mm)的钢管端部进行加工而成的公扣、以及与该对应的母扣构成的螺纹接头，制作样本，并实施以ISO13679：2002为基础的紧固松缓试验以及气密试验。在该实施时，按照表1所示的各水准的实验条件进行了实验。作为尺寸公差导致的偏差的影响，如附图，当拧入时，将在管轴方向存在间隙的情况设为正，相反，将干涉的情况设为负，对存在绝对值为0.004英寸的偏差的情况进行了评价。另外，作为表1中未示出的实验条件，在所有水准中共用，每1英寸的螺纹牙的数量设为5(5TPI)，外螺纹部的螺纹高度T为0.05英寸，将(从基准面S开始朝向垂直于管轴心X的方向的)高度0.03英寸处的(与管轴心X平行的方向的)螺纹宽度设为0.1英寸(半间距)。外螺纹部的螺纹牙底部的宽度W能够根据***面牙侧角α和负载面牙侧角β进行计算，螺纹牙底部的宽度W与螺纹高度T的比T/W为0.38～0.47。接头效率在所有水准中设计为75％，在气密试验中，相对于95％VME，施以拉伸/压缩的同时施加75％的负荷而进行试验。

在满足上述条件的发明例中，能够将尺寸偏差对密封干涉量的影响抑制至没有问题的水平，试验结果为合格。与此相对地，在不满足上述条件(特别是，***面牙侧角为30度以上、螺纹锥为1/10以上、密封锥角为10度以下的条件)的比较例中，产生热粘或者泄露，试验结果为不合格。在比较例中，在管轴方向停止位置较大地成为正且密封干涉量过大的条件下，在紧固松缓试验时产生了热粘，相反，在管轴方向停止位置较大地成为负且密封干涉量过小的条件下，在气密试验时产生了泄露。

[表1]