一种石油套管偏梯形牙型螺纹设计方法技术

本发明专利技术公开了一种石油套管偏梯形牙型螺纹设计方法，初始设计侧的螺纹的齿宽为螺距的一半，且初始设计侧的螺纹的齿高与齿宽之比Φ为：0.61～0.63；另一方面，针对螺纹齿顶单一过渡圆角的设计，为了降低对扣与脱扣时的螺纹齿顶磕碰敏感性，将其设计为以倒角为主的三段式渐缓过渡；本发明专利技术运用螺纹的齿高与齿宽之比Φ为0.61～0.63进行石油套管偏梯形牙型螺纹的齿形设计，这种齿形除了各轮廓尺寸之间具有均匀协调的黄金分割比例关系，还具有稳定的机械结构、优异的承载性能；在螺纹齿顶磕碰敏感区采用三段式渐缓过渡设计，这种过渡方式更缓和，在对扣/脱扣时能够降低磕碰损伤螺纹的风险。险。险。

【技术实现步骤摘要】
一种石油套管偏梯形牙型螺纹设计方法


[0001]本专利技术涉及石油套管设计制造领域，尤其是针对一种石油套管偏梯形牙型螺纹设计方法。
现有技术
[0002]API偏梯形螺纹是5牙/英寸，随着气密封特殊扣螺纹的发展，螺纹的牙数出现了多样化，如行业内常见的3、4、5、6、8牙/英寸等。API偏梯形螺纹的齿形结构对行业内的多种螺纹设计具有借鉴意义，包括锥度、齿高、螺距、甚至齿形等。设计者通过改变螺纹承载角度、改变锥度、甚至改变齿高，创造出了多种螺纹结构。
[0003]螺纹锥度即螺纹齿顶线在螺纹轴线方向上的锥度，常见的如1：12、1：16、1：18等，锥度比值越小，螺纹轴向变化越平缓，在自然退刀情况下，螺纹的尾扣更长。
[0004]螺纹角度主要是指螺纹导入侧角度与承载侧角度。业内常见的导入侧角度为正角度，在拧接时具有认扣导向作用。API偏梯形螺纹承载侧为正角度，为了提高接头的抗拉伸性能，行业内已经出现了承载侧负角度设计的螺纹，俗称勾型齿，勾型齿在承受拉伸载荷时，公母螺纹受力具有拉紧的特点，不容易脱扣。
[0005]螺距与齿高息息相关。通俗的说，螺距越大，每英寸内的牙数少，螺距越小，牙数越多，螺纹的轴向肩宽就越小，即所谓的粗牙与细牙之分。螺距大的螺纹，其齿高也相应高。增加螺纹齿高对螺纹的承载能力有积极的影响，但增加齿高也会出现诸如增加了公螺纹尾扣(非全顶螺纹)长度、并降低了密封台肩厚度等的消极影响。
[0006]螺纹的牙数影响着螺距，常见的螺纹牙数为3、4、5、6、8牙/英寸等，而对于如何确定另一个重要的螺纹参数—齿高，查询国内公开的专利及其他文献，并没有提及关于石油套管螺纹齿高的设计方法。因此，现有的不同齿形的石油套管螺纹齿高参数，在同一螺距下，存在不同齿高的现象。以常见的5牙/英寸为例，其螺距是5.08mm，螺纹齿高在接近API标准偏梯形螺纹齿高1.5748mm的情况下，存在1.4mm、1.6mm、1.8mm等齿高，而对于其他螺距的螺纹，其对应的齿高也存类似的现象。总之，对于螺纹齿高的设计，目前并没有给出一个具有数学意义的设计方法，而是具有一定随意性。
[0007]另一方面，在石油套管偏梯形螺纹的加工上，螺纹的齿侧与齿顶齿底之间都设计了过度圆角，过度圆角使螺纹变得顺滑，在拧接时具有防止粘扣划伤的作用。接头拧接时，在过度圆角的接触区域，公螺纹齿顶的圆角大于母螺纹齿底的圆角，公螺纹齿底的圆角小于母螺纹齿顶的圆角，这些都是为了消除机械干涉，防止螺纹粘扣。在现场应用中，套管接头旋转插入(俗称对扣)和旋转分离(俗称脱扣)时，尤其是在重力作用下的插入和拉力作用下的分离时刻，公母螺纹的齿顶存在磕碰接触的现象。对扣时体现在公/母螺纹导入侧齿顶圆角；脱扣时体现在公/母螺纹承载侧齿顶圆角。增大磕碰接触区域的齿顶圆角能够降低磕碰的敏感性，但直接增大圆角弧度的方法势必降低了螺纹的承载齿高，对螺纹的承载能力不利。因此，在保证连接性能的同时需要最大限度的降低磕碰敏感性。查询国内公开的专利申请及其他文献，在降低螺纹磕碰敏感性方面，目前并没有相关的设计方法。

技术实现思路

[0008]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种石油套管偏梯形牙型螺纹设计方法。
[0009]为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：
[0010]一种石油套管偏梯形牙型螺纹设计方法，初始设计侧的螺纹的齿宽为螺距的一半，且初始设计侧的螺纹的齿高与齿宽之比Φ为：0.61～0.63。
[0011]所述设计方法通过下式获取套管一侧的公螺纹齿形结构，另一侧母螺纹齿形结构由公母螺纹配合的设计间隙决定：
[0012]L＝25.4/n
[0013]L1＝0.5L
[0014]h＝L1*Φ
[0015]L2＝L1‑△
L
[0016]H＝h+
△
h
[0017]所述设计方法通过下式获取套管一侧的母螺纹齿形结构，另一侧公螺纹齿形结构由公母螺纹配合的设计间隙决定：
[0018]L＝25.4/n
[0019]L2＝0.5L
[0020]H＝L2*Φ
[0021]L1＝L2+
△
L
[0022]h＝H
‑△
h
[0023]其中：n
‑
牙数(牙数指1英寸内的螺纹齿数，1英寸＝25.4mm)；L
‑
螺距；L1‑
公螺纹齿宽；L2‑
母螺纹齿宽；H
‑
母螺纹齿高；h
‑
公螺纹齿高；Φ
‑
螺纹的齿高与齿宽之比；
△
L
‑
公母螺纹齿侧设计间隙，0.02
‑
0.06mm；
△
h
‑
公母螺纹齿顶底设计间隙，0.02
‑
0.10mm。
[0024]为了降低套管对扣与脱扣中的螺纹齿顶磕碰风险，在磕碰区域进行以倒角为主的三段式渐缓过渡设计。即先用大角度进行倒角，再在倒角两端进行小弧度圆角，这种设计降低了对扣/脱扣齿顶的尖端圆角，能够增大接触弧度。螺纹对扣/脱扣时，齿顶与齿侧圆角的直接接触变成了圆角与锥面的接触，有效降低了接触应力。具体的：
[0025]对扣时，对母螺纹齿顶导入侧进行倒角，倒角角度α，高度H1为母螺纹齿高的20～40％；
[0026]脱扣时，对公螺纹齿顶承载侧进行倒角，倒角角度β，高度h1为公螺纹齿高的10～30％；且：α＝20～40
°
，β＝40～60
°
。
[0027]所述设计方法设计的螺纹可以是锥形螺纹，也可以是阶梯形螺纹，螺纹的承载侧可以是正角度，也可以是负角度。
[0028]所述设计方法能设计任意牙数的偏梯形牙型螺纹；如常见的牙数为3、4、5、6、8牙/英寸中的任意一种。
[0029]需要说明的是，在进行设计时，所有的计算结果可考虑保留两位有效数字。
[0030]有益效果
[0031]本专利技术提供了一种石油套管偏梯形牙型螺纹设计方法，具备以下有益效果：
[0032]在齿形设计方面，本专利技术所采取的技术方案是将初始设计侧的螺纹齿高与齿宽的
比值设计为接近黄金分割比例，比值范围0.61
‑
0.63，这种形状的齿形各轮廓尺寸之间具有均匀协调的比例关系，齿形结构除了在齿高与齿宽具良好的有尺寸协调性外，还具有稳定的机械结构与承载性能；在螺纹齿顶圆角细节设计中采用降低磕碰敏感性的三段式渐缓过渡设计，这种过渡方式更缓和，在对扣/脱扣时能够降低磕碰损伤螺纹的风险。
附图说明：
[0033]图1是本专利技术实施例中的齿高与齿宽之比在0.3～1.0范围内齿形结构有限元模型示意图；
[0034]图2是本专利技术实施例中的齿高应变数值分析示意图；
[0035]图3是本专利技术实施例中的降低对扣磕碰敏感性的母螺纹齿顶设计示意图；
[0036]图4为图3中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石油套管偏梯形牙型螺纹设计方法，其特征是：初始设计侧的螺纹的齿宽为螺距的一半，且初始设计侧的螺纹的齿高与齿宽之比Φ为：0.61～0.63。2.根据权利要求1所述的一种石油套管偏梯形牙型螺纹设计方法，其特征是：所述设计方法通过下式获取套管一侧的公螺纹齿形结构，另一侧母螺纹齿形结构由公母螺纹配合的设计间隙决定：L＝25.4/nL1＝0.5Lh＝L1*ΦL2＝L1‑△
LH＝h+
△
h所述设计方法通过下式获取套管一侧的母螺纹齿形结构，另一侧公螺纹齿形结构由公母螺纹配合的设计间隙决定：L＝25.4/nL2＝0.5LH＝L2*ΦL1＝L2+
△
Lh＝H
‑△
h其中：n
‑
牙数；L
‑
螺距；L1‑
公螺纹齿宽；L2‑
母螺纹齿宽；H
‑
母螺纹齿高；h
‑
公螺纹齿高；Φ
‑
螺...

【专利技术属性】
技术研发人员：骆敬辉，闫龙，陈玉鹏，丛国元，胥志雄，张哲平，吕春莉，张军，王春忠，刘洪涛，黄永智，侯振宇，陈涛，耿海龙，熊茂县，李岩，刘家泳，郭强，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：