具有連接器的金屬管的制作方法
【專利說明】具有連接器的金屬管
[0001] 本發(fā)明涉及一種管元件，該管元件具有金屬管和至少一個金屬連接器，該金屬連 接器固定在金屬管的一個端部上，使得可以在金屬管和金屬連接器之間傳遞扭矩和軸向 力，其中，金屬連接器具有尤其是圓錐形的螺紋或法蘭，通過所述螺紋或法蘭可以將金屬連 接器與另一個管元件的另一個金屬連接器螺紋連接，以便連接兩個管元件。例如使用這種 管元件，以便由其組裝更長的鉆桿，如它在石油鉆孔中所需。此外，本發(fā)明涉及一種用于制 造這種管元件的方法。
[0002] 在現(xiàn)有技術(shù)中，金屬管與金屬連接器通過摩擦焊連接，如它例如在W098/13574A1 中所示。這種連接方式的缺點(diǎn)是，通過在連接區(qū)域內(nèi)的焊接引起金屬管和金屬連接器中的 結(jié)構(gòu)變化，該結(jié)構(gòu)變化不利地影響所使用的高合金鋼的強(qiáng)度特性。因此，在焊接之后需要特 殊的熱處理，這使得制造耗費(fèi)大并且昂貴。
[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，改進(jìn)這種管元件，該管元件具有在金屬管和金屬 連接器之間的更簡單安裝的并且更可靠的連接裝置。
[0004] 該技術(shù)問題對于管元件來說按本發(fā)明解決的方式是，金屬連接器與內(nèi)套筒通過圓 柱形螺紋螺紋連接，使得在設(shè)計成圓錐形地朝管端部變尖的連接區(qū)域內(nèi)，將金屬管面狀地 夾緊在外側(cè)上的金屬連接器與內(nèi)側(cè)上的內(nèi)套筒之間。通過金屬連接器在金屬管上摩擦配合 式的固定，不再需要進(jìn)行再處理。通過圓錐形連接區(qū)域的坡度和長度可以確定夾緊力并且 適應(yīng)于各種要求。圓錐形朝管端部變尖理解為，直徑在連接區(qū)域內(nèi)向外朝圓柱形螺紋減小。 由此可以制造連接裝置，通過該連接裝置可以傳遞較大的力矩和較高的軸向力。因此用于 鉆桿的管元件也是可行的，如它應(yīng)用在石油鉆孔中。在管元件用于鉆桿時，優(yōu)選金屬連接 器可以設(shè)計具有用于連接兩個管元件的圓錐形的螺紋、尤其是在石油工業(yè)中常用的API螺 紋。本發(fā)明的另一個優(yōu)點(diǎn)是，金屬連接器和金屬管之間的連接裝置被設(shè)計為由于螺紋連接 可重新松脫，從而在圓錐形的螺紋磨損時可以例如更換或修理金屬連接器，而不必更換或 輸送整個管元件。這對于具有長至15m的長度的這種管元件是非常有利的。
[0005] 同樣也可以使用按本發(fā)明的管元件用于其他類型的管或管道或管形驅(qū)動軸。例如 用于在海上輸油（用于所謂的立管）中的管連接裝置或作為鉆孔的襯套（所謂的套管或襯 墊）。在管形驅(qū)動軸的情況下，金屬連接器優(yōu)選配設(shè)有法蘭用于與另一個管元件連接。 [0006] 優(yōu)選考慮鋼作為用于金屬連接器和金屬管的材料。對于按本發(fā)明的管元件來說也 可行的是，金屬管和/或金屬連接器由鋁合金、鈦、鈦合金、灰鑄鐵或鑄鋼制成。
[0007] 按本發(fā)明的改善連接裝置的可靠性和可安裝性以及管元件的可應(yīng)用性的實(shí)施方 式的其他有利的特征出現(xiàn)在各從屬權(quán)利要求中。
[0008] 作為第一金屬連接器的補(bǔ)充，在對置的管端部上可以存在第二金屬連接器，該第 二金屬連接器如同權(quán)利要求1中描述一樣與金屬管連接，尤其是如同第一金屬連接器那樣 連接。由這種具有兩個金屬連接器的管元件可以組裝更長的鉆桿或另外的管道。一個金屬 連接器優(yōu)選具有圓錐形的內(nèi)螺紋，并且第二金屬連接器具有圓錐形的外螺紋。因此獲得真 正結(jié)構(gòu)相同的管元件，這簡化了應(yīng)用。備選地，也可以分別設(shè)計一個具有兩個配備了圓錐形 內(nèi)螺紋的金屬連接器的管元件和一個具有兩個配備了圓錐形外螺紋的金屬連接器的管元 件，所述管元件始終交替地組裝。
[0009] 為了實(shí)現(xiàn)特別牢固的連接，有利的是，金屬連接器設(shè)計為，使得它在內(nèi)側(cè)具有圓錐 形連接區(qū)域，該圓錐形連接區(qū)域與金屬管的連接區(qū)域的外側(cè)接觸，并且相對于管的軸線具 有在o.r到30°之間、優(yōu)選0.5°到5°之間的圓錐體的螺旋角。通過該螺旋角獲得足夠 長的連接區(qū)域，以確保在夾持區(qū)域內(nèi)良好的擠壓。
[0010] 此外，會有利的是，內(nèi)套筒在外側(cè)上具有圓錐形連接區(qū)域，該圓錐形連接區(qū)域與金 屬管的連接區(qū)域接觸，并且相對于管的軸線具有在0.1°到30°之間、優(yōu)選0.5°到5°之 間的圓錐的螺旋角。
[0011] 為了實(shí)現(xiàn)與金屬管良好的連接，在內(nèi)套筒的連接區(qū)域（3. 1)的外側(cè)上的粗糙度和 /或在金屬管的連接區(qū)域（I. 1)的內(nèi)側(cè)上的粗糙度應(yīng)當(dāng)足夠高。
[0012] 在金屬管的壁厚在連接區(qū)域內(nèi)沿軸向方向保持基本上恒定時，獲得特別可靠的連 接和簡化的制造可能性。也就是說，在內(nèi)套筒上的圓錐形區(qū)域的螺旋角和在連接區(qū)域內(nèi)的 金屬連接器上的圓錐形區(qū)域仰角相同，這導(dǎo)致特別好的夾緊。金屬管的壁厚在連接區(qū)域內(nèi) 優(yōu)選為3mm到20mm之間、特別優(yōu)選在5mm到12mm之間，以便能承受負(fù)載。
[0013] 當(dāng)金屬管尤其在未被金屬連接器或另一個金屬連接器覆蓋的整個區(qū)域內(nèi)被由纖 維加強(qiáng)的塑料纖維增強(qiáng)塑料構(gòu)成的料層包圍時，可以明顯提高抗內(nèi)壓的強(qiáng)度以及耐磨損強(qiáng) 度。作為纖維增強(qiáng)塑料可以尤其考慮CFK(碳纖維增強(qiáng)塑料）。該料層可以例如通過對金屬 管一層或多層的纏繞和之后的硬化而制成。為了實(shí)現(xiàn)足夠好的效果，該料層的厚度應(yīng)當(dāng)優(yōu) 選為2mm到8mm之間。
[0014] 在許多應(yīng)用中，期望的是，可以通過管元件傳遞數(shù)據(jù)或能量或數(shù)據(jù)和能量。為此， 可以存在電線，該電線從一個管端部延伸到另一個管端部并且與插頭連接，該插頭位于金 屬連接器的內(nèi)部，并且在管元件通過螺紋或法蘭與另一個管元件螺紋連接時，該插頭適合 與在另一個管元件中的另一個插頭和電線建立電連接。也可以在管元件上存在多個電線和 /或多個插頭。當(dāng)金屬管被由纖維增強(qiáng)塑料構(gòu)成的料層包圍時，一根電線或多根電線可以位 于金屬管和該塑料層之間，使得它們不被損壞。插頭可以尤其設(shè)計成環(huán)形。插頭在此一般 理解為一個適合建立電連接的部件，通過該部件可以傳遞數(shù)據(jù)或能量。在管元件之間的電 連接可以通過插頭與對應(yīng)觸頭的物理接觸而建立或通過插頭與對應(yīng)件的電磁耦合、即無線 地進(jìn)行。在此在管元件上也可以存在多根電線和/或多個插頭。
[0015] 若內(nèi)套筒具有與圓柱形螺紋鄰接的護(hù)罩，該護(hù)罩構(gòu)造為，使得插頭沿徑向看完全 地位于金屬連接器和內(nèi)套筒之間，則插頭特別好地被保護(hù)不受來自管內(nèi)部空間的因素影 響，油或其他介質(zhì)可以在管內(nèi)部空間中流動。內(nèi)套筒優(yōu)選設(shè)計成，內(nèi)套筒在與另一個管元件 螺紋連接在一起之后將插頭相對內(nèi)部空間密封。
[0016] 為了將電線在旋擰金屬連接器時不受損地從金屬管導(dǎo)引至插頭，內(nèi)套筒優(yōu)選具有 在圓柱形螺紋中的軸向槽或圓柱形螺紋下方的材料中的軸向的縱向孔，通過縱向孔，電線 從金屬管導(dǎo)引至插頭。該槽更容易制造。縱向孔的優(yōu)點(diǎn)是，螺紋由此不被中斷并且不被削 弱。當(dāng)存在多根電線時，也可以提供多個分布在圓周上的槽或縱向孔。
[0017] 還為了使電線不受損地導(dǎo)引通過連接區(qū)域，會有利的是，金屬管在連接區(qū)域中具 有軸向槽，該軸向槽設(shè)置在圓柱形螺紋內(nèi)的軸向槽的延長部中或設(shè)置在內(nèi)套筒的圓柱形螺 紋下方的軸向的縱向孔的延長部中。
[0018] 因?yàn)樵谝恍?yīng)用中流體介質(zhì)、例如油或鉆孔液通過管元件流動，所以重要的是，將 壓力損失保持得很小。為此，有利的是，對應(yīng)套筒的內(nèi)表面具有沿軸向完全連續(xù)延伸的內(nèi)型 材而無邊棱或臺階突變。該連續(xù)的類似噴嘴的走向?qū)е略诓煌茉倪B接部位的區(qū)域內(nèi) 的流動優(yōu)化的、具有很小壓力損失的管元件。迄今已知的管元件的缺點(diǎn)是，它們在連接的區(qū) 域內(nèi)引起較大的壓力損失。通過在金屬連接器和管之間的按本發(fā)明類型的連接可以通過對 應(yīng)套筒產(chǎn)生流動優(yōu)化的內(nèi)型材。
[0019] 對于按本發(fā)明的用于上述管元件的制造方法來說，本發(fā)明的技術(shù)問題解決的方式 是，執(zhí)行下面的步驟：
[0020] a)內(nèi)套筒安裝在金屬管的目前還為圓柱形的管端部上，使得內(nèi)套筒的設(shè)計為圓錐 形的連接區(qū)域位于金屬管中；
[0021] b)金屬管在該管端部上變形、優(yōu)選乳制，使得產(chǎn)生圓錐形地朝所述管端部變尖的 連接區(qū)域，該連接區(qū)域與內(nèi)套筒的圓錐形連接區(qū)域接觸；
[0022] c)金屬連接器通過圓柱形螺紋旋擰內(nèi)套筒，使得金屬管在連接區(qū)域內(nèi)面狀地夾緊 在內(nèi)套筒和金屬連接器之間。
[0023] 因此可以制造具有可靠的連接裝置的管元件，該連接裝置也可以傳遞更大的扭矩 和軸向力的連接裝置，而無需耗費(fèi)的后處理。由于通過圓柱形螺紋與圓錐形連接區(qū)域相連 所形成的摩擦接合式連接，可以建立還可以重新松脫的連接，這提供了上述優(yōu)點(diǎn)。
[0024] 也可以制造具有電線連接裝置的管元件，方式是將電線從一個管端部到另一個管 端部地安置在金屬管的外側(cè)上，使得將電線插入圓柱形螺紋的軸向槽中或穿過內(nèi)套筒的圓 柱形螺紋下方的材料中的軸向的縱向孔，以及插入金屬管的連接區(qū)域內(nèi)的與該縱向孔鄰接 的槽中，并且在實(shí)施步驟c)之前將電線連接到插頭上。以相同的方式也可以安設(shè)多個電線 和/或多個插頭。通過槽或縱向孔保護(hù)電線在將金屬連接器旋擰在內(nèi)套筒上時不受損。
[0025] 此外，金屬管可以被由纖維增強(qiáng)塑料構(gòu)成的料層卷繞、優(yōu)選在未被金屬連接器或 另一個金屬連接器覆蓋的整個區(qū)域內(nèi)卷繞。在卷繞之后，管可以例如在爐中經(jīng)受簡單的熱 處理，以硬化塑料層。優(yōu)選為該料層使用CFK(碳纖維增強(qiáng)塑料）。在具有電線連接裝置的 管元件中，電線可以在卷繞之前安置到金屬管上，從而電線稍后受到該料層保護(hù)。插頭可以 在硬化之后安裝。
[0026] 根據(jù)實(shí)施例并且參照附圖闡述本發(fā)明其他的有利的特征。所述特征不僅可以以所 述的組合有利地轉(zhuǎn)化，而且還可以彼此單獨(dú)地組合。
[0027] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的連接點(diǎn)（Gestiingerohr)，
[0028] 圖2是按本發(fā)明的具有電線的管元件的爆炸圖
[0029] 圖3是按本發(fā)明的具有電線的管元件，
[0030] 圖4是內(nèi)套筒的細(xì)節(jié)圖。
[0031] 下列詳細(xì)描述附圖。在圖1中示出現(xiàn)有技術(shù)中的鉆桿元件。金屬管20在每個管 端部處與金屬連接器21a，21b通過摩擦焊連接。所述