專利名稱：抗粘連高密封高載荷油井管及鉆具螺紋的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及是一種機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種抗粘連高密封高載荷油井管及鉆具螺紋。
背景技術(shù)：
目前，在石油管行業(yè)國際通用的螺紋連接的密封方法主要是在螺紋嚙合部位加工出球面和錐面，利用材料的變形達(dá)到密封的效果?；蛘呒庸こ龆鄠€臺階配合來達(dá)到密封的效果。但是，這些方法的弊端很多1)由于機(jī)械加工時公差的存在，在完全嚙合并達(dá)到密封效果時，螺紋嚙合雙方存在大量的應(yīng)力。2)所有傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的密封面只有1-3道之間，很容易被腐蝕介質(zhì)腐蝕而破壞密封。3)所有傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的密封，無法有效的解決鋼管在自重的作用下，對螺紋部位的拉伸變型。4)所有國內(nèi)的螺紋加工時，必須設(shè)計(jì)退槽，從而導(dǎo)致在規(guī)定長度內(nèi)有效螺紋的減少。5)所有的螺紋設(shè)計(jì)均只能依靠“緊螺紋扭矩”的控制來確定螺紋連接是否到位，無法固定螺紋嚙合的具體位置。6)所有傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的螺紋連接，無法防止螺紋嚙合雙方粘連現(xiàn)象的發(fā)生。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種密封精度更高的抗粘連高密封高載荷油井管及鉆具螺紋。解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明利用車銑復(fù)合加工中心，成型螺紋銑刀，變螺距數(shù)控加工程序，激光表面硬化，溫控相變密封環(huán)，以及硬化錐面對圓弧面的密封技術(shù)疊加后，得到高載荷超高密封的螺紋連接。螺紋等螺距和螺紋變螺距的對比在油管套管連接時，由于鋼管自重的原因。在垂直于地表的工作環(huán)境中，鋼管產(chǎn)生縱向延伸，這種延伸分為彈性變形和塑性變形。不管是那種變形，首先就破壞了通過精密設(shè)備加工得到的螺紋之間的精密配合(圖幻。所以很多傳統(tǒng)螺紋在圖紙，地表測試時表現(xiàn)良好，但是一到下井后就發(fā)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)不盡準(zhǔn)確。為此，我們對螺紋受到縱向載荷后的變形進(jìn)行了精密計(jì)算后，將變形量預(yù)設(shè)在螺距中。使螺紋嚙合雙方在嚙合時產(chǎn)生和工作應(yīng)力相反的配合應(yīng)力，這種配合應(yīng)力在螺紋受到縱向載荷時，能夠互相抵消。從而得到在工作狀態(tài)時沒有內(nèi)應(yīng)力的螺紋連接(圖2-1)。我們的變距螺紋的設(shè)計(jì)分成如下幾種1)等變量漸變按照螺牙排列，螺距依次為
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(假設(shè)起始螺距=A0變量:X螺距公差士0.0762mm)第一牙A第二牙A+x第三牙A+2x第四牙A+3x依次類推x+2x+3x+.....nx 彡螺距公差(0. 0762*2 = 0. 0. 1524mm)2)等變量分段變按照螺牙排列，螺距依次為(假設(shè)16牙螺紋，螺距公差士0.0762mm,前后5牙參與變化中間6牙不變)第一牙至第五牙螺距分別為A，A+x, A+2x, A+3x, A+4x第六牙至第十一牙螺距為A+5x第十二牙至第十六牙螺距分別為A+6x，A+7x, A+8x, A+9x, A+10xx+2x+3x+.....IOx 彡螺距公差(0· 0762*2 = 0. 0. 1524mm)螺紋嚙合雙方中，一方的螺紋承載面激光表面硬化在本人以前遞交的專利申請書中已經(jīng)提出利用激光表面硬化技術(shù)，在石油鉆具以及油套管的相應(yīng)部位做局部表面硬化處理，以提高產(chǎn)品的使用壽命以及安全性。在本專利中繼續(xù)使用這項(xiàng)技術(shù)，利用激光的瞬間高溫熔除機(jī)械加工后在加工表面留下的凹凸缺陷， 同時通過調(diào)整功率與光斑速度來得到不同深度的硬化層。在螺紋嚙合雙方中的一方(通常是可更換部分，如油套管接箍)表面進(jìn)行激光表面硬化處理，得到螺紋表面光滑并且表面硬化后的螺紋(圖幻，含碳量0. 35%的材料，處理后表面硬度達(dá)到洛氏陽度以上)。利用螺紋嚙合雙方間存在的硬度差異，達(dá)到嚙合時螺紋承載面不粘連的目的。螺紋圓周角度定位嚙合和扭矩控制嚙合的對比在臥室車銑加工中心配合成型螺紋銑刀加工螺紋的基礎(chǔ)上，對螺紋退刀槽加以修磨和內(nèi)外圓周面得銑削，螺紋起始位置用內(nèi)圓或者外圓表面銑刀將螺紋的漸始部分銑至一標(biāo)準(zhǔn)螺牙加3mm的內(nèi)外圓，再將螺紋終止部分的退刀槽加以修磨。得到頓始頓止螺紋。這樣的螺紋在嚙合的時候，外螺紋的起始面和內(nèi)螺紋的終止面，以及外螺紋的終止面和內(nèi)螺紋的起始面會形成二個臺階面。這二個臺階面在螺紋完全嚙合時會產(chǎn)生反作用力(圖4)。 同時在生產(chǎn)過程中在內(nèi)外螺紋表面標(biāo)志出螺紋終止和起始位置，所以在現(xiàn)場使用時，操作人員只要看到內(nèi)外螺紋的標(biāo)志對齊，即表示螺紋已經(jīng)擰接到位了。而傳統(tǒng)的螺紋嚙合擰接到位是以擰接扭矩值來控制，儀表的損壞，螺紋機(jī)械加工公差等因素均會造成螺紋嚙合位置的不當(dāng)，因而使得螺紋嚙合時不到位或者扭矩過載情況的發(fā)生。螺紋圓周角度定位嚙合螺紋能在現(xiàn)場沒有扭矩儀表的情況下達(dá)到螺紋準(zhǔn)確嚙合的目的，給最終使用者降低了成本，提高了生產(chǎn)效率。錐面硬化后拋光對球面過盈配合密封絕大部分的螺紋密封是依靠內(nèi)、外圓周錐面對內(nèi)、外圓周球面的過盈配合得到的。 這種密封方式的缺點(diǎn)是在過盈配合過程中，配合雙方是高摩擦過程中逐漸得到的。假設(shè)在直徑177. 8mm的套管螺紋和接箍的配合中，螺距為5. 08mm，過盈量為0. 03mm。那么，為了達(dá)到密封配合，配合雙反必須經(jīng)過2. 82mm長度漸增應(yīng)力下的摩擦配合過程。這種摩擦配合使得配合雙方的表面粗糙度遭到破壞，一旦有必要卸扣后再次配合的話。將會失去原設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)據(jù)?；谏鲜鲈虻目紤]，本設(shè)計(jì)將在內(nèi)、外園錐面表面進(jìn)行可控表面硬化后再加以拋光工藝，得到硬度超過HRC55以上的近鏡面光潔度錐表面。這樣的錐表面和球面進(jìn)行過盈配合的時候，能有效的降低摩擦系數(shù)，能迫使球表面變型而形成密封。由于錐表面的高硬度和高光潔度(圖5)，能使這種配合重復(fù)多次而不失密封性能。溫控相變密封環(huán)由于所有鉆具及油套管均垂直于地表使用，所以每根鉆具或者油套管所承受的縱向載荷是不同的，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)及工業(yè)化生產(chǎn)均沒有考慮到縱向應(yīng)力的漸變和配合間隙之間的關(guān)系。考慮到地表和目的深度之間的溫度也是漸變的，所以在螺紋連接時加裝以溫度為觸發(fā)介質(zhì)的密封環(huán)，這種密封環(huán)隨著溫度的變化而改變自身的形狀。鑒于目前井底溫度的平均狀況，這種密封環(huán)的變型溫度從攝氏40° -300°分段設(shè)置，隨著溫度的升高變型量減少。以此來抵消隨著溫度降低，載荷增加，螺紋連接間隙變型量加大的狀況。使得螺紋嚙合時，始終有一道過盈配合的密封保護(hù)。同時，這種密封環(huán)回到常溫狀態(tài)時，外形也恢復(fù)到裝配前狀態(tài)(圖6)，可以重復(fù)使用，有效的降低了使用單位的成本。本發(fā)明的有益效果1)工件低速旋轉(zhuǎn)保證了床身的穩(wěn)定，利用刀具高速旋轉(zhuǎn)的線速度得到高質(zhì)量的加
工表面。2)由于工件的低速旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致螺紋銑刀能非常及時的退刀，有效的控制了無效螺紋的長度。在規(guī)定長度內(nèi)能得到更多的有效螺紋(能增加10%左右)3)生產(chǎn)效率高，直徑73mm的螺紋加工用時4秒，生產(chǎn)效率提高將近8倍。4)銑削方式加工螺紋時，刀具縱向只需1-2個螺距的行程，所以以5. 08mm螺距和 101. 6mm螺紋長度計(jì)算，在相同精度的加工設(shè)備上(300mm士0. 00 車削方式加工的螺紋精度為士0. 00085mm。而銑削的螺紋精度為0. 000169mm。所以，銑削螺紋的精度比車削螺紋的精度提高了 5倍。
圖1是本發(fā)明發(fā)生變形時的結(jié)構(gòu)示意2是等變量漸變螺紋的示意3是等變量分段變螺紋的示意4是表面硬化后的螺紋的結(jié)構(gòu)示意5是本發(fā)明的剖視示意6是螺紋未密封前的示意7是螺紋密封后的示意8是本發(fā)明的裝配前的結(jié)構(gòu)示意中，1鋼管在工作環(huán)境中產(chǎn)生的縱向延伸而導(dǎo)致螺紋之間的精密配合得到破壞， 2內(nèi)螺紋的起始面，3外螺紋的終止面，，5接箍上的球面，6硬化后的錐面，7接箍上的球面發(fā)生形變，使其跟螺紋上的錐面密封。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明禾O用車銑復(fù)合加工中心，成型螺紋銑刀，變螺距數(shù)控加工程序，激光表面硬化，溫控相變密封環(huán)，以及硬化錐面對圓弧面的密封技術(shù)疊加后，得到高載荷超高密封的螺紋連接。
權(quán)利要求
1.一種抗粘連高密封高載荷油井管及鉆具螺紋，其特征是利用車銑復(fù)合加工中心， 成型螺紋銑刀，變螺距數(shù)控加工程序，激光表面硬化，溫控相變密封環(huán)，以及硬化錐面對圓弧面的密封技術(shù)疊加后，得到高載荷超高密封的螺紋連接。
2.如權(quán)利要求1所述的抗粘連高密封高載荷油井管及鉆具螺紋，其特征是對螺紋受到縱向載荷后的變形進(jìn)行了精密計(jì)算后，將變形量預(yù)設(shè)在螺距中；使螺紋嚙合雙方在嚙合時產(chǎn)生和工作應(yīng)力相反的配合應(yīng)力，這種配合應(yīng)力在螺紋受到縱向載荷時，能夠互相抵消。 從而得到在工作狀態(tài)時沒有內(nèi)應(yīng)力的螺紋連接。
3.如權(quán)利要求1所述的抗粘連高密封高載荷油井管及鉆具螺紋，其特征是螺紋嚙合雙方中，一方的螺紋承載面激光表面硬化。
4.如權(quán)利要求1所述的抗粘連高密封高載荷油井管及鉆具螺紋，其特征是錐面硬化后拋光對球面過盈配合密封。
全文摘要
本發(fā)明涉及是一種機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種抗粘連高密封高載荷油井管及鉆具螺紋。本發(fā)明利用車銑復(fù)合加工中心，成型螺紋銑刀，變螺距數(shù)控加工程序，激光表面硬化，溫控相變密封環(huán)，以及硬化錐面對圓弧面的密封技術(shù)疊加后，得到高載荷超高密封的螺紋連接。本發(fā)明生產(chǎn)效率高，密封精度高。
文檔編號B23G1/32GK102191916SQ201010122160
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月11日
發(fā)明者陳偉琛 申請人:陳偉琛