假拟两级连接件.pdf

一种具有楔形螺纹的螺纹连接件，以及制造所述螺纹连接件的方法。该螺纹连接件包括分别具有销钉螺纹(106)和套管螺纹(107)的销钉元件(101)和套管元件(102)。所述销钉螺纹具有销钉螺纹牙顶(221)、销钉螺纹齿根(291)、销钉载荷齿侧面(226)以及销钉入扣齿侧面(231)。销钉螺纹(106)至少包括依次在其上形成的第一级(401)、中间级(402)和第二级(403)。套管螺纹(107)具有套管螺纹牙顶(292)、套管螺纹齿根(222)、套管载荷齿侧面(225)以及套管入扣齿侧面(232)。套管螺纹至少包括依次在其上形成的第一级、中间级和第二级。套管螺纹上的级的轴向位置大体上与销钉螺纹上的级相对应。第一级(401)具有第一楔形比，中间级(402)具有过渡楔形比，并且第二级(403)具有第二楔形比。螺纹导程在每个级内基本上恒定。连接件被设计成使得在组装销钉元件与套管元件时，在第一级、中间级和第二级中的至少一个上的相应载荷齿侧面和相应入扣齿侧面中的至少一个之间存在间隙。

1.  一种具有楔形螺纹的螺纹连接件，该螺纹连接件包括：
包括销钉螺纹的销钉元件，所述销钉螺纹具有销钉螺纹牙顶、销钉螺纹齿根、销钉载荷齿侧面以及销钉入扣齿侧面；其中销钉螺纹至少包括依次在其上形成的第一级、中间级和第二级；
包括套管螺纹的套管元件，所述套管螺纹具有套管螺纹牙顶、套管螺纹齿根、套管载荷齿侧面以及套管入扣齿侧面，其中套管螺纹至少包括依次在其上形成的第一级、中间级和第二级，套管螺纹上的级的轴向位置大体上与销钉螺纹上的级相对应，
其中第一级具有第一楔形比，中间级具有过渡楔形比，并且第二级具有第二楔形比，
其中螺纹导程在每个级内基本上恒定，
其中连接件被设计成使得在组装销钉元件与套管元件时，在第一级、中间级和第二级中的至少一个上的相应载荷齿侧面和相应入扣齿侧面中的至少一个之间存在间隙。

2.  如权利要求1所述的螺纹连接件，其特征在于，销钉螺纹上的中间级的起始在轴向位置上与套管螺纹上的中间级的起始偏移。

3.  如权利要求1所述的螺纹连接件，其特征在于，在中间级的相应载荷齿侧面与相应入扣齿侧面之间存在选定的间隙。

4.  如权利要求1所述的螺纹连接件，其特征在于，在第一级和第二级二者上的相应载荷齿侧面与相应入扣齿侧面之间存在选定的间隙。

5.  如权利要求1所述的螺纹连接件，其特征在于，第一楔形比和第二楔形比中的一个比另一个更大。

6.  如权利要求1所述的螺纹连接件，其特征在于，第一楔形比和第二楔形比基本上相等。

7.  如权利要求1所述的螺纹连接件，其特征在于，销钉螺纹和套管螺纹中的一个在第一级、中间级和第二级中的一个上具有更大的高度。

8.  如权利要求1所述的螺纹连接件，其特征在于，在销钉元件与套管元件的组装过程中，在第一级、中间级和第二级上依次形成相应载荷齿侧面和相应入扣齿侧面中的至少一个之间的干涉。

9.  一种采用具有可编程控制的机器制造具有楔形螺纹的螺纹连接件的方法，所述方法包括：
形成包括销钉螺纹的销钉元件，所述销钉螺纹具有销钉螺纹牙顶、销钉螺纹齿根、销钉载荷齿侧面和销钉入扣齿侧面，其中销钉螺纹至少包括依次在其上形成的第一级、中间级和第二级；
形成包括套管螺纹的套管元件，所述套管螺纹具有套管螺纹牙顶、套管螺纹齿根、套管载荷齿侧面以及套管入扣齿侧面，其中套管螺纹至少包括依次在其上形成的第一级、中间级和第二级，套管螺纹上的级的轴向位置大体上与销钉螺纹上的级相对应，
其中第一级具有第一楔形比，中间级具有过渡楔形比，并且第二级具有第二楔形比，
其中螺纹导程在每个级内基本上恒定，
其中连接件被设计成使得在组装销钉元件与套管元件时，在第一级、中间级和第二级中的至少一个上的相应载荷齿侧面和相应入扣齿侧面中的至少一个之间存在间隙。

10.  一种具有楔形螺纹的螺纹连接件，所述螺纹连接件包括：
包括销钉螺纹的销钉元件，所述销钉螺纹具有销钉螺纹牙顶、销钉螺纹齿根、销钉载荷齿侧面以及销钉入扣齿侧面；其中销钉螺纹至少包括依次在其上形成的第一级、中间级和第二级；
包括套管螺纹的套管元件，所述套管螺纹具有套管螺纹牙顶、套管螺纹齿根、套管载荷齿侧面以及套管入扣齿侧面，其中套管螺纹至少包括依次在其上形成的第一级、中间级和第二级，套管螺纹上的级的轴向位置大体上与销钉螺纹上的级相对应，
其中第一级具有第一楔形比，中间级具有过渡楔形比，并且第二级具有第二楔形比，
其中螺纹导程在每个级内基本上恒定，
其中连接件被设计成使得在组装销钉元件与套管元件时，在第一级、中间级和第二级中的至少一个上的相应载荷齿侧面以及相应入扣齿侧面之间存在间隙。

11.  如权利要求10所述的螺纹连接件，其特征在于，销钉螺纹上的中间级的起始在轴向位置上与套管螺纹上的中间级的起始偏移。

12.  如权利要求10所述的螺纹连接件，其特征在于，在中间级的相应载荷齿侧面与相应入扣齿侧面之间存在选定的间隙。

13.  如权利要求10所述的螺纹连接件，其特征在于，在第一级和第二级二者上的相应载荷齿侧面与相应入扣齿侧面之间存在选定的间隙。

14.  如权利要求10所述的螺纹连接件，其特征在于，第一楔形比和第二楔形比中的一个比另一个更大。

15.  如权利要求10所述的螺纹连接件，其特征在于，第一楔形比和第二楔形比基本上相等。

16.  如权利要求10所述的螺纹连接件，其特征在于，销钉螺纹和套管螺纹中的一个在第一级、中间级和第二级中的一个上具有更大的高度。

17.  如权利要求10所述的螺纹连接件，其特征在于，在销钉元件与套管元件的组装过程中，在第一级、中间级和第二级上依次形成相应载荷齿侧面和相应入扣齿侧面中的至少一个之间的干涉。

假拟两级连接件
发明背景
经常在钻孔、完井和形成井的过程中采用套管接头、衬垫、钻管和钻铤(总体被称为“管状元件”)。套管接头例如可以布置在井孔中以稳定地层，防止地层免受升高的井孔压力(例如超过地层压力的井孔压力)等等。可以通过螺纹连接、焊接以及本领域已知的其它连接以首尾相连方式连接套管接头。连接可以被设计成在连接的套管接头的内部与环形空间之间形成密封，所述环形空间形成于套管接头的外壁与井孔壁之间。该密封可以是例如弹性密封(例如O形环密封)、靠近所述连接形成的金属对金属的密封、或本领域已知的类似密封。在一些连接件中，在内螺纹与外螺纹之间形成密封。具有该特征的密封被称为具有“螺纹密封”。在此采用的“螺纹密封”意思是在套管元件的至少一部分内螺纹与销钉元件的外螺纹之间形成密封。
将会认识到在此采用的某些术语通常被理解为管状接头例如在组装管柱以降入井孔内时沿管状元件的中心轴线连接在垂直位置。因而，术语“载荷齿侧面(load flank)”表示螺纹面向远离其上形成螺纹的相应销钉或套管元件的外端并支承悬挂在井孔中的下管状元件的重量(也就是拉伸载荷)的侧壁表面。术语“入扣齿侧面”表示螺纹面向相应销钉或套管元件的外端并承受相向压缩接头的力例如在接头的初始组装过程中上管状元件的重量或者例如施加成将下管状元件推压在钻孔底部的力(也就是压缩力)。术语“套管的面”是套管元件面向套管螺纹外部的一端并且术语“销钉的前端”是销钉元件面向连接件螺纹外部的一端。在组装连接件时，销钉的前端扣入并穿过套管的面。
一种通常被用于形成螺纹密封的螺纹是楔形螺纹。在图1中示出了具有楔形螺纹的连接。“楔形螺纹”特征在于螺纹宽度(也就是载荷齿侧面225和226与入扣齿侧面232和231之间的轴向距离)在销钉元件101和套管元件102上的相对方向上增大。在授予Blose的美国专利号RE30,647、授予Reeves的美国专利号RE34,467、授予Ortloff的美国专利号4,703,954、以及授予Mott的美国专利号5,454,605中全面公开了楔形螺纹，这些专利都转让给本发明的受让人并在此引入作为参考。在销钉元件101上，销钉螺纹牙顶222向着销钉元件101的远端收缩，同时套管螺纹牙顶291变宽。沿轴线105(从右到左)移动，销钉螺纹牙顶222变宽，同时套管螺纹牙顶291收缩。在图1中，螺纹表面是锥形的，这意味着销钉螺纹106从开始到末端直径上增大，同时套管螺纹107以互补方式直径减小。具有螺纹锥形提高了销钉元件101扣入套管元件101内的能力并在连接件上分布应力。
通常，利用具有宽牙顶和齿根的自由运动螺纹难以获得螺纹密封，然而相同的螺纹形式在用于楔形螺纹时可以具有螺纹密封。多种螺纹形式可以用于以下公开的本发明的实施方式。一种适当的螺纹形式的实例是在授予Klementich并在此结合作为参考的美国专利号5,360,239中公开的半燕尾形螺纹形式。另一螺纹形式包括授予Church并在此引入作为参考的美国专利号6,722,706中公开的多层面载荷齿侧面或入扣齿侧面。在授予Watts的美国专利号6,578,880中公开了具有大体上矩形的开放螺纹形式。以上每种螺纹形式都是可以用于本发明具有楔形螺纹或自由运动螺纹的实施方式的示例性螺纹形式。本领域普通技术人员将会认识到在此包含的教导并不局限于具体的螺纹形式。
对于楔形螺纹，通过进行连接组装时在销钉载荷齿侧面226与套管载荷齿侧面225之间以及在销钉入扣齿侧面232与套管入扣齿侧面231之间的至少一部分连接件上的干涉引起的接触压力实现螺纹密封。齿根292和221与牙顶222和291之间的接近或干涉在其发生在至少一部分齿侧面干涉的位置上时实现螺纹密封。利用销钉元件101和套管元件102上的齿根和牙顶之间增大的干涉(“齿根/牙顶干涉”)并通过增大齿侧面干涉而产生更高压力。这种特定的连接件还包括通过分别位于销钉元件101和套管元件102上的相应密封表面103和104之间的接触实现的金属对金属的密封。
通常在连接件上不具有正止动转矩肩部的楔形螺纹的属性是组装是“不确定的”，因此销钉元件和套管元件的相对位置在施加的给定转矩范围下比具有正止动转矩肩部的连接件改变更大。在此采用的“组装”指的是销钉元件与套管元件螺纹连接在一起。“选定的组装”指的是利用一定量的转矩将销钉元件和套管元件螺纹连接在一起，或根据销钉元件与套管元件的相对位置(轴向或圆周)进行组装。对于被设计成在选定组装时具有齿侧面干涉和齿根/牙顶干涉的楔形螺纹，当组装连接件时齿侧面干涉和齿根/牙顶干涉增大(也就是转矩的增大提高了齿侧面干涉和齿根/牙顶干涉)。对于被设计成具有齿根/牙顶间隙的楔形螺纹，当组装连接件时间隙减小。无论哪种楔形螺纹的设计，相对应的齿侧面与相对应的齿根和牙顶在组装过程中相互逐渐靠近(也就是间隙减小或干涉减小)。不确定的组装允许通过提高连接件上的转矩提高齿侧面干涉和齿根/牙顶干涉。因而，通过将连接件设计成具有更大齿侧面干涉和/或齿根/牙顶干涉或者通过提高连接件上的转矩使楔形螺纹能够螺纹密封更高的气体和/或液体压力，然而这样还在组装过程中提高了连接件上的应力，从而在使用过程中导致故障。
用于油田管状连接件的自由运动螺纹通常在组装连接件时不会形成螺纹密封。图2表示现有技术中具有自由运动的螺纹的连接件。该自由运动的螺纹包括载荷齿侧面154和155、入扣齿侧面157和158、牙顶159和162以及齿根160和161。由于是通常具有自由运动的螺纹的连接件，因此该连接件依赖通过分别布置在销钉元件101和套管元件102上的表面151和152的接触形成的正止动转矩肩部。图2所示的正止动转矩肩部通常被称为“销钉前端肩部”。在其它连接件上，可以通过套管面163和销钉元件101上的匹配肩部(未示出)代替形成正止动转矩肩部。正止动转矩肩部也提供密封。与通过销钉螺纹和套管螺纹的楔入组装的楔形螺纹不同，自由运动的螺纹依赖正止动转矩肩部在组装过程中加载连接件。为了组装图2所示的连接件，销钉元件101和套管元件102通过螺纹连接在一起直至表面151和152形成邻接，在该邻接点处销钉载荷齿侧面154和套管载荷齿侧面155也处于邻接。附加转矩施加在销钉元件101和套管元件102上以加载表面151和152以及销钉载荷齿侧面154和套管载荷齿侧面155，直至所需的组装转矩量施加在连接件上。
图2所示的连接件不能实现螺纹密封，因为在销钉入扣齿侧面157与套管入扣齿侧面158之间存在大间隙153。由于具有正止动转矩肩部的自由运动的螺纹的加载方式而形成间隙153。在组装过程中接靠正止动转矩肩部向连接件施加转矩促使销钉元件101得到压缩，同时套管元件102承受拉力伸长。注意到当采用套管面肩部时，套管元件102得到压缩，同时销钉元件101承受拉力伸长。通过销钉载荷齿侧面154和套管载荷齿侧面155在销钉元件101和套管元件102之间施加力。销钉入扣齿侧面157和套管入扣齿侧面158在组装过程中不会受到加载。这样在载荷齿侧面154和155之间形成接触压力并在入扣齿侧面157和158之间形成间隙。如上所述，楔形螺纹(如图1所示)能够形成螺纹密封，在某种程度上是因为在载荷齿侧面225和226与入扣齿侧面232和231之间存在干涉。对于楔形螺纹，由于销钉螺纹和套管螺纹的宽度改变，因此在邻近连接件组装结束时发生所述干涉。为了在圆柱形(也就是非锥形)自由运动的螺纹上的载荷齿侧面154和155与入扣齿侧面157和158之间具有类似的干涉，应该基本上在连接件的整个组装过程中存在干涉，因为销钉螺纹106和套管螺纹107具有连续的宽度。此外，在连接件的整个组装过程中存在齿根/牙顶干涉(如果有的话)。这样导致螺纹磨损以及难以组装连接件。
由于载荷齿侧面具有不同于入扣齿侧面的导程，因此楔形螺纹产生螺纹宽度的变化。螺纹导程可以用英寸/每转来量化。注意到这是通常采用的术语“螺距”的倒数，螺距通常量化为螺纹数/英寸。在图3A中示出了现有技术的楔形螺纹的导程的曲线图。对于这种连接件，载荷导程14在连接件的长度上恒定并大于也是恒定的入扣导程12。公称导程(nominallead)用附图标记10表示。在此采用的“公称导程”指的是载荷导程14和入扣导程12的平均值。螺纹随着每转数而加宽载荷导程14和入扣载荷12的差值。载荷导程14和入扣导程12的差值有时被称为“楔形比(wedgeratio)”。对于自由运动螺纹(也就是非楔形螺纹)，载荷导程14和入扣导程12基本上相等，从而促使自由运动螺纹具有基本上恒定的螺纹宽度(也就是零楔形比)。
在现有技术中已经公开了为了载荷分布有意地改变螺纹导程，然而，本发明的发明人为了形成用于楔形螺纹或自由运动螺纹的螺纹密封没有有意改变螺纹导程。在授予Dearden等人的美国专利号4,582,348中公开了一种为了应力分布改变螺纹导程的实例。该专利在此全部引入作为参考。Dearden公开了具有自由运动螺纹的连接件，其具有分成不同导程(注意到Dearden提到被量化为每英寸螺纹数的螺距)的三个部分的销钉螺纹和套管螺纹。在图3B中，示出了用于套管元件和销钉元件的螺纹导程曲线图。如曲线图所示，在连接件的一端，销钉螺纹导程21比套管螺纹导程22更大。在中间部分，销钉螺纹导程21和套管螺纹导程22基本上相等。而后，在连接件的另一端，套管螺纹导程22比销钉螺纹导程21更大。根据Dearden所述，销钉螺纹导程21和套管螺纹导程22上的变化是级跃变化(也就是导程基本上同时改变)。Dearden公开的变化的螺纹导程被用于在连接件的更大部分上分布载荷，并且不会对自由运动螺纹形成螺纹密封的性能产生任何影响。Dearden没有公开相互独立地改变载荷导程或入扣导程。
在名为“用于放射性塑性膨胀的管道的螺纹连接件”(“Sivley”)并转让给本发明的受让人的美国专利申请No.10/126,918中公开了另一种连接件。该申请在此全部引入作为参考。Sivley公开了在销钉元件和套管元件中的一个或两个上具有变化的载荷导程和/或入扣导程的连接件。在图3C中示出了Sivley公开的实施方式的曲线图。Sivley公开了在销钉螺纹和/或套管螺纹的至少一部分上相对于入扣导程12以选定比例改变载荷导程14。在图3C中，连接件是通过载荷导程14与入扣导程12之间的差异示出的楔形螺纹。载荷导程14和入扣导程12以限定比率向螺纹端部会聚。Sivley公开多种其它实施方式，它们具有以线性比率相对改变的载荷导程14和入扣导程12。螺纹导程的改变在连接件长度上分布由连接件承受的载荷。
图9表示现有技术中的两级连接件。形成连接件的螺纹在两个不同的“级(step)”，通过括号31表示的较大级以及通过括号32表示的较小级。较大级31与较小级32之间的部分通常被称为中间级901。在一些连接件中，中间级901可以被用作金属对金属的密封。当销钉元件101扣入套管元件102内时，销钉元件101的较小级32上的销钉螺纹牙顶222在其整个设计高度上不会与套管元件101的较大级31上的套管螺纹牙顶221干涉。销钉元件101的较小级32的直径小于套管元件102的较大级31上的最小牙顶对牙顶的螺纹直径。较小级32上的销钉螺纹106可以经过较小级31上的套管螺纹107扣入。较小级32和较大级31上具有基本上相同公称导程的螺纹随着每一转而接合以组装连接件。因而，在相同接合螺纹数量的情况下减少了螺纹相互滑动或摩擦的转数。两级连接件允许每一级具有特性不同的螺纹，只要两级上螺纹的公称导程存在很小或没有任何差异。
在授予Mallis并转让给本发明的受让人的美国专利号6,206,436中公开了一种两级楔形螺纹连接件。该发明在此引入作为参考。Mallis公开了具有不同楔形比的两级螺纹连接件，其中一个被认为是“主动式”楔形比，另一个被认为是“被动式”楔形比。“主动式”楔形比指的是更大的楔形比，“被动式”楔形比指的是更小的楔形比。其它方面都相同，楔形比越大，组装具有更大的确定性。太大的楔形比具有不足的楔入效果，这样使连接件在使用过程中脱开。更小的楔形比能够更好地防止连接件脱开。楔形比太小使组装不确定，在延长的组装距离上发生磨损。Mallis公开了一级具有得到优化以使组装具有更大的确定性的楔形比(“主动式”)，同时另一级具有得到优化以防止连接件脱开的楔形比(“被动式”)。
在授予Enderle并转让给本发明的受让人的美国专利号6,174,001和6,270,127公开了一种用于管状连接件的两级低转矩楔形螺纹。这些专利在此全部引入作为参考。其中一级被设置成使得在组装时沿互补的入扣齿侧面、载荷齿侧面、齿根和牙顶之间的至少一个存在干涉接触，同时沿互补的入扣齿侧面、载荷齿侧面、齿根和牙顶中的至少一个在另一级上设置间隙，这样降低了组装连接件所需的转矩量，同时保持了实现结构用途所需的转矩灵敏度、密封性能和螺纹。
两级连接件的一个缺陷在于连接件厚度必须达到100％管体效率。在此采用的“管体效率”是相对于管状部件抗拉强度的连接件抗拉强度。需要更厚的连接件的主要原因是需要中间级上的未接合空间，使得较大级上的螺纹可以在入扣过程中通过(clear)较小级上的螺纹。由于缺少螺纹接合，中间级不能有利于连接件的总体强度。具有两个独立螺纹的优点经常可以补偿降低的管体效率，然而，要求使单个级螺纹可以具有两级连接件的优点。
发明内容
一方面，本发明涉及一种具有楔形螺纹的螺纹连接件。该螺纹连接件包括分别具有销钉螺纹和套管螺纹的销钉元件和套管元件。销钉螺纹具有销钉螺纹牙顶、销钉螺纹齿根、销钉载荷齿侧面以及销钉入扣齿侧面。销钉螺纹至少包括依次在其上形成的第一级、中间级和第二级。套管螺纹具有套管螺纹牙顶、套管螺纹齿根、套管载荷齿侧面以及套管入扣齿侧面。套管螺纹至少包括依次在其上形成的第一级、中间级和第二级。套管螺纹上的级的轴向位置大体上与销钉螺纹上的级相对应。第一级具有第一楔形比，中间级具有过渡楔形比，并且第二级具有第二楔形比。螺纹导程在每个级内基本上恒定。连接件被设计成使得在组装销钉元件与套管元件时，在第一级、中间级和第二级中的至少一个上的相应载荷齿侧面和相应入扣齿侧面中的至少一个之间存在间隙。
另一方面，本发明涉及一种采用具有可编程控制的机器制造具有楔形螺纹的螺纹连接件的方法。所述方法包括形成分别具有销钉螺纹和套管螺纹的销钉元件和套管元件。所述销钉螺纹具有销钉螺纹牙顶、销钉螺纹齿根、销钉载荷齿侧面和销钉入扣齿侧面。销钉螺纹至少包括依次在其上形成的第一级、中间级和第二级。套管螺纹具有套管螺纹牙顶、套管螺纹齿根、套管载荷齿侧面以及套管入扣齿侧面。套管螺纹至少包括依次在其上形成的第一级、中间级和第二级。套管螺纹上的级的轴向位置大体上与销钉螺纹上的级相对应。第一级具有第一楔形比，中间级具有过渡楔形比，并且第二级具有第二楔形比。螺纹导程在每个级内基本上恒定。连接件被设计成使得在组装销钉元件与套管元件时，在第一级、中间级和第二级中的至少一个上的相应载荷齿侧面和相应入扣齿侧面中的至少一个之间存在间隙。
另一方面，本发明涉及一种具有楔形螺纹的螺纹连接件。该螺纹连接件包括分别具有销钉螺纹和套管螺纹的销钉元件和套管元件。销钉螺纹具有销钉螺纹牙顶、销钉螺纹齿根、销钉载荷齿侧面以及销钉入扣齿侧面。销钉螺纹至少包括依次在其上形成的第一级、中间级和第二级。套管螺纹具有套管螺纹牙顶、套管螺纹齿根、套管载荷齿侧面以及套管入扣齿侧面。套管螺纹至少包括依次在其上形成的第一级、中间级和第二级。套管螺纹上的级的轴向位置大体上与销钉螺纹上的级相对应。第一级具有第一楔形比，中间级具有过渡楔形比，并且第二级具有第二楔形比。螺纹导程在每个级内基本上恒定。连接件被设计成使得在组装销钉元件与套管元件时，在第一级、中间级和第二级中的至少一个上的相应载荷齿侧面以及相应入扣齿侧面之间存在间隙。
从以下描述和附加权利要求将会清楚地了解导本发明的其它方面和优点。
附图说明
图1表示现有技术中具有楔形螺纹的连接件的横截面图。
图2表示现有技术中具有自由运动螺纹的连接件的横截面图。
图3A，3B和3C表示用于现有技术连接件的螺纹导程的曲线图。
图4A表示根据本发明一种实施方式的展开螺纹的横截面图。
图4B和4C表示与图4A所示的实施方式相对应的螺纹导程对轴向位置的曲线图。
图5A表示根据本发明一种实施方式的展开螺纹的横截面图。
图5B和5C表示与图5A所示的实施方式相对应的螺纹导程对轴向位置的曲线图。
图6A表示根据本发明一种实施方式的展开螺纹的横截面图。
图6B和6C表示与图6A所示的实施方式相对应的螺纹导程对轴向位置的曲线图。
图7A表示根据本发明一种实施方式的展开螺纹的横截面图。
图7B和7C表示与图7A所示的实施方式相对应的螺纹导程对轴向位置的曲线图。
图8A表示根据本发明一种实施方式的展开螺纹的横截面图。
图8B和8C表示与图8A所示的实施方式相对应的螺纹导程对轴向位置的曲线图。
图9表示现有技术中具有自由运动螺纹的两级连接件的横截面图。
具体实施方式
本发明涉及一种用于管状连接件的螺纹。更具体地，本发明涉及形成在锥形连接件的单一螺纹上具有两级特性的螺纹。
为了清楚地表示，以下明确限定了几个术语。在此采用的“螺纹导程”总体指的是包括载荷导程、入扣导程和公称导程的导程组。
在此采用的“螺旋长度”指的是布置接触装置的螺纹圈数，并且可以用绕管状部件轴线的度数(也就是360度是一个螺距)来表达。
本发明的实施方式改变了单一螺纹上的楔形比，使得连接件具有两级连接件的至少一些特性。本发明的实施方式的特征在于至少两个截然不同的部分通过这两个不同部分之间的过渡区连接。这两个截然不同的部分适用于采用用于两级连接件的相同方法，尽管如此本发明的实施方式可以具有单一级。在一些实施方式中，一级可以具有不同的螺纹高度(从齿根到牙顶测得)以形成更高压力的螺纹密封。
回到图4A-C，示出了根据本发明一种实施方式的假拟两级螺纹。图4A-C示意性地提供了一种假拟两级的夸大实例。在图4A中，对应于图4C中的曲线的销钉螺纹106被示出与对应于图4B中的曲线的套管螺纹107进行选定的组装。在该具体实施方式中，销钉螺纹106和套管螺纹107已经被设计成在第一级401(与图9中的较小级32相比)和第二级403(与图9中的较大级31相比)上的载荷齿侧面225和226与入扣齿侧面231和232之间具有干涉，同时在中间级402上的齿侧面之间具有选定的间隙。在一种实施方式中，在组装过程中在另一级之前的一级上产生齿侧面干涉，同时第一级401和第二级403在选定组装下具有干涉。此外，在一种实施方式中，较小级32和较大级31中的一个或两个可以仅在载荷齿侧面或入扣齿侧面之间而不是二者都具有干涉。
为了获得图4A所示的假拟两级构造，载荷导程14和入扣导程12可以在销钉螺纹106和套管螺纹107上以互补方式改变，如图4B和4C所示。公称导程10在销钉螺纹106和套管螺纹107二者的长度上保持基本上恒定。沿第一级401，载荷导程14与入扣导程10之间的差值(也就是楔形比411)基本上恒定。在第一级401端部，通过将载荷导程14增大选定量同时成比例地减小入扣导程12而使楔形比411增大到楔形比412，使得公称导程10基本上得到保持。楔形比412比第一级401上的楔形比411和在第二级403上的楔形比413更大。在增高楔形比412处，螺纹的长度在第一级401与第二级403之间提供了过渡，并且可以适用于利用两级连接件术语的中间级402。中间级402与第一级401和第二级403相比螺旋高度较小。在一些实施方式中，中间级402的螺旋高度具有大约360度的增量以防止连接件受到偏心加载。在中间级402之后，楔形比在第二级403上减小到与该实施方式中第一级401上的楔形比411大致相等的楔形比413。
继续参照图4A-4C，该实施方式在销钉螺纹106和套管螺纹107上的中间级402之间具有偏移405。套管螺纹107上的中间级402比销钉螺纹106上的中间级402以略微更早的选定轴向位置起始。这样促使套管螺纹107比销钉螺纹106略微更早地“展开”或加宽，这样导致在中间级402上的齿侧面之间产生选定间隙。为了使螺纹回到在第二级403上具有齿侧面干涉，第二级413在套管螺纹107上也以更早的选定轴向位置起始，这样使销钉螺纹106可以在宽度上“锁止”。螺纹长度上的载荷导程14和入扣导程12的变化可以使连接件表现为如同其具有两个独立级和中间级，与在两级连接件中相同。这样使连接件可以被设计成在连接件的每个部分具有不同的性能。本领域技术人员将会认识到在了解本发明公开的教导之后，采用本领域已知的两级连接件的特征可以获得第一级401、中间级402和第二级403的许多组合。以下对这些组合的实例进行说明。
在图5A-5C中，示出了根据本发明一种实施方式的假拟两级螺纹。在图5A中，对应于图5C中曲线的销钉螺纹106被示出与对应于图5B中曲线的套管螺纹107进行选定的组装。在该具体实施方式中，销钉螺纹106和套管螺纹107被设计成在第一级401和第二级403上的载荷齿侧面225和226与入扣齿侧面231和232之间具有干涉，同时在中间级402的齿侧面之间具有选定的间隙。图5A-5C所示的螺纹与图4A-4C所示的螺纹不同，因为第二级403的楔形比413比第一级401的楔形比411更大。在如上所述的授予Mallis的美国专利号6,206,436中公开了具有不同楔形比的两级连接件。Mallis的教导(包括所有优点)在应用于具有两个不同楔形比的两级连接件时大体上适用于在此公开的假拟两级连接件。在图5A-5C所示的实施方式中，采用来自Mallis的术语，第二级403具有“主动式”楔形比413，同时第一级401具有“被动式”楔形比411。
参照图6A-6C，示出了根据本发明一种实施方式的另一假拟两级螺纹。在该具体实施方式中，销钉螺纹106和套管螺纹107被设计成在中间级上的载荷齿侧面225和226与入扣齿侧面231和232之间具有干涉，同时在第一级401和第二级403上的齿侧面之间存在选定的间隙。需要采用图6A所示的实施方式在中间级402处形成螺纹密封。在一种实施方式中，中间级402如同在同时提交的名为“具有扰动的螺纹”的美国专利申请中公开的那样也可以具有增大的齿根/牙顶干涉。在该具体实施方式中，在第一级401和第二级403之间承受载荷的中间级402的螺旋高度大约为360度以防止偏心加载。尽管图6A表示在第一级401与第二级403上的齿侧面之间的选定间隙大致相等，但本领域技术人员将会认识到，在其它实施方式中，选定的间隙可以是不同的。例如，连接件可以被设计成使得第二级403比第一级401具有更小的选定间隙。在这一实施方式中，第二级403在第一级401之前受到拉伸加载。在其它实施方式中，同一级上的载荷齿侧面和入扣齿侧面之间的选定间隙可以不同。
在图7A-7C中，示出了根据本发明一种实施方式的另一假拟两级螺纹。在该具体实施方式中，销钉螺纹106和套管螺纹107被设计成在第一级401上的载荷齿侧面225和226与入扣齿侧面231和232之间具有干涉，同时在中间级402和第二级403上的齿侧面之间存在选定的间隙。图7B和7C表示如何获得图7A中的假拟两级螺纹。在该实施方式中，套管螺纹107上的中间级402具有从销钉螺纹106上的中间级402的偏移405，这样促使套管螺纹107在销钉螺纹106加宽之前展开。这样在中间级402上的齿侧面之间形成选定的间隙。为了在第二级403上的齿侧面之间保持至少一定的间隙，销钉螺纹106上的中间级402比套管螺纹107上的中间级402具有更短的螺旋长度，使得其与套管螺纹107上的中间级402结束在大致相同的轴向位置。图7A所示的构造允许根据连接件承受的应力值沿连接件分布应力。例如，假拟两级连接件可被设计成在承受拉力被拉动时最初加载第一级401，随后在第一级401上的螺纹屈服之前加载第二级403。在同时提交的名为“用于管状连接件的浮动楔形螺纹”的美国专利申请中公开了用于两级连接件的这种设计。
参照图8A-8C，示出了根据本发明一种实施方式的另一假拟两级螺纹。在该具体实施方式中，销钉螺纹106和套管螺纹107被设计成在级上的载荷齿侧面225和226与入扣齿侧面231和232之间具有交替的干涉和间隙。在设计图8A所示的螺纹时，第一级401被形成为在入扣齿侧面231和232之间具有干涉，同时在载荷齿侧面225和226之间具有间隙。为了在干涉和间隙之间进行交替变化，销钉螺纹106和套管螺纹107中的一个的载荷导程14和入扣导程12可以在它们的轴向位置上相互偏移。在该实施方式中，销钉螺纹106具有偏移407。在另一实施方式中，偏移407可以在套管螺纹107上。
继续参照图8A-8C所示的实施方式，在套管螺纹107的载荷导程14增大之前销钉螺纹106的载荷导程14开始增大。这样导致销钉螺纹106在载荷齿侧面一侧加宽，从而使载荷齿侧面225和226在中间级402形成干涉。而后，在销钉螺纹106的入扣导程12减小之前套管螺纹107的入扣导程12开始减小，这样使入扣齿侧面231和232在中间级402脱开干涉。随后通过在轴向位置使载荷导程14减少并使入扣导程12增大相同偏移量使齿侧面干涉回到中间级402的端部。这样促使第二级403在入扣齿侧面231和232之间具有干涉，同时在载荷齿侧面225和226之间具有间隙。在另一实施方式中，干涉和间隙的交替变化可以颠倒(也就是在第一级401上的载荷齿侧面225和226之间具有干涉，同时在入扣齿侧面231和232之间具有干涉)。
尽管以上每个实施方式示出在齿侧面之间具有至少一定的间隙，但应该注意到假拟两级连接件的一些实施方式可以被设计成进行选定组装时在第一级、中间级和第二级中的每一个上的齿侧面之间具有变化数量的干涉。假拟两级连接件可以被形成为使得以连续方式在第一级、中间级和第二级上的载荷齿侧面与入扣齿侧面之间形成干涉。例如，通过采用针对以上实施方式所述的载荷导程和入扣导程变化的偏移方法，假拟两级连接件可以被设计成使得在组装过程中，第二级上的齿侧面形成干涉。而后当继续安装时，第一级上的齿侧面形成接触，中间级上的齿侧面最后形成干涉。如上所述，在楔形螺纹连接件的组装过程中齿侧面干涉增大。因此，在进行选定的组装时，其上首先发生齿侧面干涉的级具有最多的干涉。本领域技术人员将会认识到利用本发明的教导可以实现齿侧面之间干涉和间隙的多种组合和排序。因而，本发明的范围不应该局限于在此公开的选定数量的实施方式。
另一可行的变化是第一级、中间级和第二级的相对螺旋长度。尽管以上实施方式示出的第一级的螺旋长度基本上等于第二级，但本领域技术人员将会认识到第一级和第二级的螺旋长度可以不等。例如，在具有大约10圈螺纹(也就是螺旋高度大约3600度)的连接件上，第一级可以是大约4圈螺纹(也就是螺旋高度大约1440度)，同时中间级可以是大约1圈螺纹并且第二级可以是大约5圈螺纹。
应该指出用于以上实施方式的螺纹导程的曲线理想地作为螺纹导程上的级变化。实践中，螺纹导程的变化因所采用形成螺纹的制造过程而不与曲线所示的同步。例如，在一种实施方式中，可采用计算机数字控制(“CNC”)的车床。可以通过CNC程序控制CNC机器。通常，CNC程序包括每一控制轴线的位置。例如，如果CNC车床具有轴向位置和旋转位置，程序将具有与每个旋转位置相对应的轴向位置值。由于CNC车床通常以通过每分钟转数(“RPM”)测得的设定速度进行旋转，因此当部件在机器中旋转时，CNC程序通常具有按次序并以设定增量变化的旋转位置。旋转位置间隔的增量通常被称为车床的“分辨率”。例如，如果分辨率大约为90度，则大约90度的每个连续增量存在一个数据点。为每一增量选定一个轴向位置。通常，CNC车床以点之间基本上恒定的速度移动轴向位置。所述速度按照需要被选定为在与相应旋转位置基本上相同的时间达到下一轴向位置。通过计算增量的值选定螺纹导程，使得在每一转下，轴向位置前进基本上等于螺纹导程的距离。例如，1英寸/每转的导程每90度前进1/4英寸。本领域普通技术人员能够将以上教导用于其它制造方法。所采用的车床的分辨率影响两级之间的偏移量。采用加工工具的另一效果是控制装置中移动部件的动量和响应时间会产生更平滑的螺纹导程变化。尽管通过生产方法可以改变第一级、中间级和第二级之间的螺纹导程的精确变化，但仍然可以实现假拟两级连接件的优点。
应该指出本发明的实施方式至少具有第一级和第二级，具有连接第一级和第二级的过渡区(也就是中间级)。在销钉螺纹和套管螺纹上依次形成第一级、中间级和第二级。本领域普通技术人员将会认识到可以在不脱离本发明范围的前提下在销钉螺纹和套管螺纹上增加附加级。此外，本发明的实施方式可以在实际的两级连接件上实施。例如，根据以上内容的假拟两级形成在两级连接件的较小级和较大级中的一个上，使得连接件大体上具有三级。
尽管已经参照有限数量的实施方式描述了本发明，但受到公开内容启示的本领域技术人员将会认识到可以想到不脱离在此公开的本发明范围的其它实施方式。因而，本发明的范围仅应该由附加权利要求来限定。