一种直连型套管接头的增强型密封结构制造技术

本发明专利技术涉及直连型套管接头的增强型密封结构，所述直连型套管接头的接头公母台肩所形成的间隙内过盈填充有密封圈；且，接头公母台肩所形成的间隙为内宽外窄，台肩间隙公端为斜台肩，母端为直台肩，间隙形成直角梯形结构，斜台肩的径向夹角α＝20°～60°；其中，密封圈的截面形状与台肩间隙相匹配；台肩的柱面外径D与密封圈内径d满足D≤d，并且d‑D＝0.1～0.3mm；公端台肩圆角R与密封圈圆角r满足R≤r，并且R＝0.3～1mm、r＝1～1.5mm；台肩高度H与密封圈宽度h满足H＞h，并且H‑h＝1～1.5mm。本发明专利技术应用于直连型套管接头非对顶台肩间隙消除，对接头的整体安全性能具有增强作用。

An enhanced sealing structure of directly connected casing joint

【技术实现步骤摘要】
一种直连型套管接头的增强型密封结构
本专利技术属于石油套管接头加工制造
，尤其涉及一种直连型套管接头的增强型密封结构。
技术介绍
在石油套管加工领域，直连型套管是一种不带接箍的接头连接形式，套管分别被加工成内螺纹和外螺纹，装配后的整体外径与套管本体相同，相比常规带接箍套管要小，由于修井时需要利用原有井眼，要求套管能够顺畅通过，带接箍的套管接箍外径不能满足这样的要求，因此必须使用直连型套管；另一方面，在固井过程中，井眼与管柱外壁之间的间隙有限，水泥上返困难，这种不带接箍的直连型套管大大增加了环隙空间，便于下井和固井。由于直连型套管接头公母两端具有等外径的特点，因此该类型套管接头至少具有内外两副台肩结构。接头包括公端和母端，公端结构组成包括公内台肩，公内密封面、公螺纹、公外台肩；母端结构组成包括母内台肩，母内密封面，母螺纹，母外台肩。以内台肩对顶的直连型套管接头为例，接头装配时，公螺纹旋入母螺纹，公内密封面与母内密封面接触并随着继续旋入而产生径向过盈，这种过盈也随着旋入而增加，直到公内台肩与母内台肩对顶而完成装配，金属密封面的过盈接触使整个接头具有了密封能力，有效隔离了套管内外的压力介质。根据机械设计理论，在水平方向上，当两个零件存在台阶式的接触面时，其有效接触面不能大于一副，因为加工精度及误差的原因，无法保证两副及以上的接触面同时接触。为了保证接头金属密封的绝对优势并达到其设计性能，多台肩结构的直连型套管接头就需要避免过定位。轴线方向的两副及以上台肩是过定位结构，装配后只能有一副台肩实现完全对顶，为了保证关键的参数达到设计要求，将非关键台肩进行间隙设计才能避免了定位干涉。对于内外双台肩的直连型套管接头，公端螺纹长于母端螺纹，装配后公内台肩与母内台肩对顶而公外台肩与母外台肩之间存在间隙。零件装配中存在的小间隙在腐蚀性介质中会产生缝隙腐蚀。在腐蚀原理中，缝隙中金属离子浓度或溶氧浓度与缝隙周围的浓度存在差异而引起化学反应，由于这种腐蚀的自催化过程，缝隙间金属氯化物水解，使PH降低很快而加速金属的腐蚀；直连型套管接头通过金属密封面的过盈接触与台肩的完全对顶实现了对套管内外压力介质的隔离，但外部腐蚀性压力介质通过非对顶台肩所存在的小间隙侵入螺纹内部而加速了接头的失效。直连类型的套管接头包括纯直连型、半直连型、墩粗直连型等外观形式，其内部构造甚至还存在双段螺纹结构，但无论如何变化，都只能有一副台肩实现完全对顶接触，即始终存在非对顶台肩。台肩缝隙对处于腐蚀性介质中的套管接头的整体安全性产生不利影响，目前所公开的专利中，对于直连类型套管非对顶台肩的抗腐蚀压力介质侵入问题都没有提及防护措施。直连型接头不采用接箍连接，从而减小了整个管柱的外径尺寸。尽管直连型套管接头外径存在着完全齐平(纯直连型)与近似齐平(半直连型与墩粗直连型)两种方式，多台肩构造是直连型接头必须采用的设计方案，过定位问题造成的台肩间隙对接头的安全使用存在消极影响，而现有技术中的直连型接头都没有很好的消除台肩间隙的方法。因此，基于这些问题，提供一种应用于直连型套管接头非对顶台肩的间隙消除，对接头的整体安全性能具有提升作用的套管接头的增强型密封结构，具有重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种应用于直连型套管接头非对顶台肩的间隙消除，对接头的整体安全性能具有提升作用的套管接头的增强型密封结构。本专利技术解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：一种直连型套管接头的增强型密封结构，所述直连型套管接头的接头公母台肩所形成的间隙内过盈填充有密封圈；且，为了保证密封圈在接头装配中稳定性，接头公母台肩所形成的间隙为内宽外窄，台肩间隙公端为斜台肩，母端为直台肩，间隙形成直角梯形结构，斜台肩的径向夹角α＝20°～60°；其中，密封圈的截面形状与台肩间隙相匹配；台肩的柱面外径D与密封圈内径d满足D≤d，并且d-D＝0.1～0.3mm；公端台肩圆角R与密封圈圆角r满足R≤r，并且R＝0.3～1mm、r＝1～1.5mm；台肩高度H与密封圈宽度h满足H＞h，并且H-h＝1～1.5mm。进一步的，所述直连型套管接头具有至少一副非对顶台肩，在装配后存在台肩间隙，间隙范围为2～4mm。进一步的，所述接头公母台肩所形成的间隙可以为外台肩间隙，也可以为内台肩间隙。本专利技术利用PTFE硬质材料密封圈将直连型接头台肩缝隙进行填充。由于密封圈与金属材质存在根本的不同，在装配过程中，公母台肩挤压密封圈而产生一定的接触应力，而相对刚度较低的密封圈不会对接头的金属密封面过盈和对顶台肩达到设计要求产生消极影响，装配后，具有内应力的密封圈完全封堵了台肩间隙，从而阻止了外部腐蚀介质的侵入，更好的保护了接头。本技术方案所采用的PTFE(聚四氟乙烯)材料具有耐高温、耐腐蚀、抗老化等特性优势，由其制成的密封圈具有良好的物理、化学稳定性能，同时具有良好的热稳定性，能够在-200℃至300℃的温度范围内正常工作。服役中的密封圈处于压应力状态填充缝隙，在装配前，密封圈的静态厚度要比台肩设计间隙大，足够的压缩变形才能维持这种接触应力；另外密封圈本身还要具有一定的厚度，以便于安装固定，这就需要通过计算来确定密封圈的最小厚度。密封圈变形量与接触应力之间的关系满足下式：E＝应力/应变＝(F/S)/((t-t1)/t)＝σ/(△t/t)＝σ*t/△t其中，t-密封圈初始厚度，mm；t1-台肩间隙宽度，mm；△t-密封圈的轴向变形量，mm，△t＝t-t1；E-密封圈抗压缩弹性模量，Mpa；(PTFE密封圈抗压缩弹性模量280Mpa)S-密封圈与台肩之间的接触面积，mm2；F-密封圈与台肩之间的接触力，N；σ-密封圈与台肩之间的接触应力，Mpa；则：σ＝(E*△t/t)≥(k*P)P-介质压力，Mpa；k-安全系数,根据工况确定(1.5～2)；密封圈与台肩之间的接触应力σ体现了密封圈的封堵能力，密封圈的压紧变形量△t直接影响接触应力σ，因此，根据接头的工况情况就可以计算密封圈的最小厚度t。接头拧接前安装密封圈，随着螺纹旋入，内母台肩缓慢靠近，由于密封圈的厚度t大于台肩的设计间隙t1，密封圈受公母台肩挤压变形直至接头定位台肩完全对顶接触而停止，钢铁材料的抗压缩弹性模量是206GPa，密封圈的抗压缩弹性模量是280MPa，两种材料的强度差异巨大，(280/206000)*100％≈0.00136％因此，密封圈受压变形的阻力对金属材料的影响可以忽略不计。为了便于密封圈的制造，其厚度t＝4～10mm为宜，这样密封圈本身具有足够的刚度，又有充分的变形量以提供足够的接触应力，台肩间隙值即为密封圈的最终挤压厚度t1。公端连接长度L1，母端连接长度L2，则间隙t1＝L1-L2。本专利技术的优点和积极效果是：本专利技术与现有技术相比，使用PTFE密封本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种直连型套管接头的增强型密封结构，其特征在于：所述直连型套管接头的接头公母台肩所形成的间隙内过盈填充有密封圈；/n且，接头公母台肩所形成的间隙为内宽外窄，台肩间隙公端为斜台肩，母端为直台肩，间隙形成直角梯形结构，斜台肩的径向夹角α＝20°～60°；/n其中，密封圈的截面形状与台肩间隙相匹配；台肩的柱面外径D与密封圈内径d满足D≤d，并且d-D＝0.1～0.3mm；公端台肩圆角R与密封圈圆角r满足R≤r，并且R＝0.3～1mm、r＝1～1.5mm；台肩高度H与密封圈宽度h满足H＞h，并且H-h＝1～1.5mm。/n

【技术特征摘要】
1.一种直连型套管接头的增强型密封结构，其特征在于：所述直连型套管接头的接头公母台肩所形成的间隙内过盈填充有密封圈；
且，接头公母台肩所形成的间隙为内宽外窄，台肩间隙公端为斜台肩，母端为直台肩，间隙形成直角梯形结构，斜台肩的径向夹角α＝20°～60°；
其中，密封圈的截面形状与台肩间隙相匹配；台肩的柱面外径D与密封圈内径d满足D≤d，并且d-D＝0.1～0.3mm；公端台肩圆角R与密封圈圆角r满足R≤r，并且R＝0.3～1mm、r＝1～1.5mm；台肩高度H与密封圈宽度h满足H＞h，并且H-h＝1～1.5mm。


2.根据权利要求1所述的直连型套管接头的增强型密封结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：骆敬辉，黄永智，闫龙，陈涛，陈玉鹏，张军，郭强，吕春莉，侯振宇，王春忠，马俊，王旭，刘家泳，杨腾飞，
申请(专利权)人：天津钢管制造有限公司，
类型：发明
国别省市：天津;12