一种基于位置控制的螺纹接头
阅读说明：本技术 一种基于位置控制的螺纹接头 (Screwed joint based on position control ) 是由 宋延鹏 张冬杰 于 2021-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于位置控制的螺纹接头,包括公螺纹以及母螺纹,公螺纹以及母螺纹的截面形状为梯形螺纹、矩形螺纹或倒梯形螺纹；在螺纹结构中齿顶平行于齿底,齿侧与齿顶或齿底夹角≥80°,螺纹锥度为1：8～1：14,螺纹齿高为1.0mm～1.6mm,螺距为6mm/牙～8mm/牙。本发明通过采用特殊螺纹结构形式,实现上扣过程中的管拧位置控制。通过采用这种结构方式,可以避免现有API螺纹接头存在的过拧问题；同时也可以避免常规特殊螺纹接头需要专用扭矩设备进行上扣、操作复杂的问题。(The invention discloses a threaded joint based on position control, which comprises a male thread and a female thread, wherein the cross sections of the male thread and the female thread are trapezoidal threads, rectangular threads or reversed trapezoidal threads; in the thread structure, the tooth top is parallel to the tooth bottom, the included angle between the tooth side and the tooth top or the tooth bottom is more than or equal to 80 degrees, and the thread taper is 1: 8-1: 14, the height of the thread tooth is 1.0 mm-1.6 mm, and the thread pitch is 6 mm/tooth-8 mm/tooth. The invention realizes the control of the pipe screwing position in the screwing process by adopting a special thread structure form. By adopting the structure mode, the over-screwing problem of the existing API threaded joint can be avoided; meanwhile, the problems that a conventional special threaded joint needs special torque equipment to be buckled and is complex to operate can be solved.)
技术领域
本发明涉及石油管工程机械领域，尤其涉及一种基于位置控制的螺纹接头。
背景技术
石油专用管主要用于油、气井的钻探及油、气的输送。它包括石油钻管、石油套管、抽油管。石油钻管主要用于连接钻铤和钻头并传递钻井动力。石油套管主要用于钻井过程中和完井后对井壁的支撑，以保证钻井过程的进行和完井后整个油井的正常运行。抽油管主要将油井底部的油、气输送到地面。
石油套管是维持油井运行的生命线。由于地质条件不同，井下受力状态复杂，拉、压、弯、扭应力综合作用作用于管体，这对套管本身的质量提出了较高的要求。一旦套管本身由于某种原因而损坏，可能导致整口井的减产，甚至报废。
1924年 API制定了第一个油井管标准，油套管接头螺纹是每英寸 10牙和每英寸8牙的 V型螺纹，但后来被 API8牙圆螺纹及偏梯型螺纹取代，并沿用至今。API SPEC 5B标准规定常用套管螺纹为圆螺纹（简写 CSG）和偏梯形螺纹（简写 BCSG）。我国油气田通常普遍采用这两种螺纹接头。
圆螺纹有套管短圆螺纹（英文简写 CSG）与套管长圆螺纹套管（LCSG）之分。油管圆螺纹英文简写为 TBG，细分为不加厚油管螺纹（TBG）、外加厚油管螺纹（UP TBG）。圆螺纹为无台肩锥管螺纹、需要有接箍连接，牙型为三角形、圆顶圆底，牙形角为 60 °，螺纹锥度为1:16，牙形角平分线与轴线垂直，当螺纹旋紧后，靠内外螺纹的牙侧面密封。
偏梯形螺纹是为了提高抗轴向拉伸或抗轴向压缩载荷能力，并提供泄漏抗力而设计，英文简写 BCSG，无台肩锥管螺纹、需有接箍连接，牙型为偏梯形、平顶平底。规格为 41/2-13 5/8的套管偏梯形螺纹，直径上锥度为 62.5mm/m，每 25.4mm5牙螺纹（螺距为5.08mm）；导向牙侧面与螺纹轴线的垂线间的夹角为 10°；承载侧面与螺纹轴线的垂线间的夹角为 3°；牙顶和牙底为锥形，与螺纹锥度平行；导向侧面牙顶的圆角半径（0.762mm R）比承载侧面牙顶的圆角半径（0.203mm R）大，这有助于对扣和上扣。
随着我国油气的勘探开发，尤其是深井、超深井、高压气井、定向井、含硫化氢等井的增多都对油套管接头的使用性能提出更高要求，API圆螺纹及偏梯型螺纹的气密性、连接强度、耐腐蚀性已不适应要求，为此各国纷纷展开特殊螺纹接头的开发和应用,其中代表性有Tenaris公司Blue系列、Wedge系列，VAM公司VAM TOP系列、VAM 21系列，JFE公司的Lion系列、Tiger系列，Hunting公司SEAL-LOCK系列等。此类螺纹通称为非API螺纹或特殊螺纹。这类螺纹的结构、形状以及使用要求主要参照各个厂家标准或要求执行。
API标准的圆螺纹和偏梯形螺纹都采用了锥形螺纹，且无止扭台肩。API圆螺纹主要通过扭矩进行上扣控制，偏梯形螺纹主要通过管体上的三角形标记进行上扣控制。这两种方式都存在发生过拧造成螺纹接头失效的风险。
特殊螺纹接头一般设置了止扭台肩，同时采用精确的扭矩仪进行上扣控制，显著降低了接头过拧的风险。但这类螺纹接头需要采用扭矩仪进行上扣过程监控和记录，操作较为复杂，部分作业厂家未配置此类设备不具备作业条件。
公告号为 CN201391239Y，名称为“一种扭矩台肩堆焊耐蚀合金加密封圈密封的连接接箍”的中国专利文献公开了一种设有密封圈密封的连接接箍，其包括设置在管体上的钢制接箍基体，该钢制接箍基体中间设置有堆焊耐蚀合金层的扭矩台肩，在扭矩台肩外侧根部设置有堆焊耐蚀合金层的退刀槽，该退刀槽内放置有密封圈。该专利文献所公开的连接接箍结构简单且使用操作方便，通过堆焊耐蚀合金加密封圈达到密封效果，可以用于复合油管和套管的防腐蚀完整性和密封完整性连接，不过其不能与标准套管或接头产品进行互换。
公告号为 CN2409331Y，名称为“油、套管偏梯形螺纹接头”的中国专利文献涉及了一种适用于油田钻井的油、套管偏梯形螺纹接头。它由管体和管接箍通过偏梯形管锥螺纹拧接构成，管体和管接箍的偏梯形管锥螺纹中径、齿底和齿顶的锥度为 1 ∶ T，管接箍偏梯形管锥螺纹始端一段有效长度上的齿顶锥度略为增大为1 ∶ (T-ζ)，ζ为 4 ～ 9。该专利文献所涉及的技术方案通过改变加工工艺或者螺纹形貌达到限位作用，以降低接头粘扣的风险，然而其具有一定的加工难度。
公开号为 CN202125257U，名称为“高抗过扭矩、高密封性、防粘扣油套管接头”的中国专利文献公开了一种抗扭矩性高、密封性强、防粘扣效果好的油套管接头。该油管接头由端部带有外螺纹的管体和带有内螺纹的接箍连接而成，在管体上设有管体台肩、管体密封面和管体直角台肩，在接箍上设有接箍台肩、接箍密封面和接箍直角台肩，在外内螺纹连接后，管体密封面与接箍密封面、管体台肩与接箍台肩、管体直角台肩与接箍直角台肩分别形成三道密封结构，该外内螺纹为牙高不相等的偏梯形螺纹。
专利CN203008801U介绍了一种带气密封结构的整体式油套管螺纹接头，该螺纹接头由位于两端的密封部位和中间的螺纹段组成，其中每个密封部位又由密封面和止扭台肩组成。通过这种优化结构，接头具备良好的密封性能，加工容易，检验方便，可以在大扭矩条件下多次拧接。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于位置控制的螺纹接头，以解决上述技术问题。
为实现上述目的本发明采用以下技术方案：
一种基于位置控制的螺纹接头，包括公螺纹以及母螺纹，公螺纹以及母螺纹的截面形状为梯形螺纹、矩形螺纹或倒梯形螺纹；在螺纹结构中齿顶平行于齿底，齿侧与齿顶或齿底夹角≥80°，螺纹锥度为1：8~1：14，螺纹齿高为1.0mm~1.6mm，螺距为6mm/牙~8mm/牙。
作为本发明进一步的方案，公螺纹以及母螺纹截面在沿螺纹螺旋方向逐步发生变化，表现为齿高不变，公螺纹齿宽逐渐增加，母螺纹齿宽逐渐减小，公螺纹以及母螺纹齿宽变化率相同，为0.2mm/牙~1.0mm/牙，即公螺纹往大端方向每旋转一圈齿宽增加0.2mm~1mm，母螺纹往大端方向每旋转一圈齿宽减少0.2mm~1mm。
作为本发明进一步的方案，公螺纹以及母螺纹的截面形状为矩形螺纹为例子，截取其中一段螺纹，其中公螺纹和母螺纹呈渐变齿形且互相啮合；
在截取的一段螺纹中，dp为公螺纹对应啮合位置齿宽，db为母螺纹对应啮合位置齿宽，do为前后母螺纹之间的齿槽间隙，d为螺纹螺距，则有：
db+do=d ；
在旋进方向上公螺纹dp逐渐变小；母螺纹db逐渐变大，螺纹螺距d为定值，母螺纹对应do逐渐减小，
随着螺纹逐步旋进，当dp和db旋至对应位置使得：
db+dp=d ；
即dp=do，此时公母螺纹贴合，由于公母螺纹的渐变齿形形成楔形效应，螺纹无法继续旋入，则公母螺纹到达理想拧接位置并止拧；
在公母螺纹上分别取合适位置点，使得该点对应公母螺纹的齿宽dp、db满足：
db+dp=d ；
该点距离公螺纹台肩端面长度为Lp，该点距离母螺纹端面长度为Lb，使得Lp大于Lb，设定
Δd=Lp-Lb ；
在实际上扣管拧过程中，凭借观察拧接后公螺纹台肩端面与母螺纹端面的间隙判断管拧是否到位，当管拧结束公母端面间隙小于等于Δd，表明管拧到位；否则判断管拧不到位。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明开发了一种新的螺纹接头，通过采用特殊螺纹结构形式，实现上扣过程中的管拧位置控制。通过采用这种结构方式，可以避免现有API螺纹接头存在的过拧问题；同时也可以避免常规特殊螺纹接头需要专用扭矩设备进行上扣、操作复杂的问题。
附图说明
图1为本发明螺纹截面示意图（其中a为梯形螺纹，b为矩形螺纹，c为倒梯形螺纹）。
图2为本发明螺纹啮合示意图。
图3为本发明螺纹拧接配合示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细阐述。
一种基于位置控制的螺纹接头，包括公螺纹以及母螺纹，公螺纹以及母螺纹的截面形状为梯形螺纹、矩形螺纹或倒梯形螺纹；在螺纹结构中齿顶平行于齿底，齿侧与齿顶或齿底夹角≥80°，螺纹锥度为1：8~1：14，螺纹齿高为1.0mm~1.6mm，螺距为6mm/牙~8mm/牙。公螺纹以及母螺纹截面在沿螺纹螺旋方向逐步发生变化，表现为齿高不变，公螺纹齿宽逐渐增加，母螺纹齿宽逐渐减小，公螺纹以及母螺纹齿宽变化率相同，为0.2mm/牙~1.0mm/牙，即公螺纹往大端方向每旋转一圈齿宽增加0.2mm~1mm，母螺纹往大端方向每旋转一圈齿宽减少0.2mm~1mm。
如图2，以公螺纹、母螺纹的截面形状为矩形螺纹为例子，截取其中一段螺纹，其中公螺纹和母螺纹呈渐变齿形且互相啮合；
在截取的一段螺纹中，dp为公螺纹对应啮合位置齿宽，db为母螺纹对应啮合位置齿宽，do为前后母螺纹之间的齿槽间隙，d为螺纹螺距，则有：
db+do=d ；
在旋进方向上公螺纹dp逐渐变小；母螺纹db逐渐变大，螺纹螺距d为定值，母螺纹对应do逐渐减小，
随着螺纹逐步旋进，当dp和db旋至对应位置使得：
db+dp=d ；
即dp=do，此时公母螺纹贴合，由于公母螺纹的渐变齿形形成楔形效应，螺纹无法继续旋入，则公母螺纹到达理想拧接位置并止拧；
在公母螺纹上分别取合适位置点，使得该点对应公母螺纹的齿宽dp、db满足：
db+dp=d ；
该点距离公螺纹台肩端面长度为Lp，该点距离母螺纹端面长度为Lb，使得Lp大于Lb，设定
Δd=Lp-Lb ；
在实际上扣管拧过程中，凭借观察拧接后公螺纹台肩端面与母螺纹端面的间隙判断管拧是否到位，当管拧结束公母端面间隙小于等于Δd，表明管拧到位；否则判断管拧不到位。
具体案例：选取101.6mm×7.8mm规格，设计使用倒梯形螺纹。齿顶平行于齿底，齿侧与齿顶或齿底夹角为84.5°。螺纹锥度为1：2，螺纹齿高为1.475mm，螺距为7mm/牙。公母螺纹齿宽变化率为0.3mm/牙，即公螺纹往大端方向每旋转一圈齿宽增加0.3mm，母螺纹往大端方向每旋转一圈齿宽减少0.3mm。
在该螺纹上选取一点，使得：；
db=dp=3.5mm ；
满足管拧拧紧螺纹配合要求。
根据螺纹结构关系，测绘得Lp=37.3mm，Lb=37mm。则Δd=0.3mm。
在实际管拧中观察拧接后公螺纹台肩端面与母螺纹端面的间隙判断管拧是否到位。如果管拧结束公母端面间隙小于等于0.3mm，表明管拧到位；否则判断管拧不到位。
以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。
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