耐疲劳的螺纹管连接结构的螺纹管件和所形成的螺纹管连接结构

摘要

螺纹管件的螺纹包括在螺纹根部，特别是在承载螺纹齿侧面(13)上的至少一个切线方向的多半径连接区(21)。这个区(21)包括半径为(rP1)的一个主要弧(23)，该主要弧的支承圆在点(PRF1)与螺纹齿侧面(13)相交。在点(PPF1)上该圆的切线与螺纹齿侧面(13)形成一个严格为正的角度(D)。比(rP1)小的半径为(rS1和rT1)的辅助弧(25，27)的一端，在切线方向使主要弧与螺纹齿侧面(13)连接，而其另一端与螺纹根部(19)连接。半径(rP1)比标准圆(29)的半径(rH1)大，该标准圆通过点(PRF1)，并单独构成一个切线方向的连接区。这种螺纹管件形成能很好地耐静态和循环应力的螺纹管连接结构。

说明书

技术领域

本发明涉及特别耐受静态和循环应力的螺纹管连接结构的阳螺纹管件或阴螺纹管件。

本发明还涉及特别适用于耐静态和循环应力的螺纹管连接结构。

背景技术

螺纹管连接结构包括在第一根管末端的一个阳螺纹管件和可以是一根很长的管或管接头的第二根管末端的一个阴螺纹管件。这种螺纹连接具体用于构成油气井或类似的井-例如地热井-的一排套管或一排生产管或钻管排。

在美国石油学院(API)说明书5B中，公布了套管之间或带有锥形螺纹、梯形螺纹或倒圆的三角螺纹的生产管之间的螺纹连接。

还已知有使用普通的笔直的螺纹或两种螺距的锥螺纹的其他形式的螺纹连接，例如可参见美国专利US4521042号。

近年来，尽管由于需要开采深井和将各种不同直径的立柱一根插入另一根中，而使套管或生产管的壁厚受限制，但套管或生产管基本上可耐受不同静态应力的组合(拉伸、轴向压缩、平面弯曲、内压力或外压力)。

相反，只用于钻井的钻管受到很大的循环应力作用，但其大小没有限制，因为在一个给定的时间，一个给定直径的一排管是在井下面的。

如果不严格限制，则在工作过程中，循环应力会导致疲劳断裂。这种断裂是在承受负载的承载螺纹齿侧面上的螺纹根部开始的。

这个疲劳裂纹开始的位置是由承载螺纹齿侧面与螺纹根部之间的连接处的应力集中造成的。

为了改善对循环应力的承受，必需通过减小承载螺纹齿侧面上的应力和使承载螺纹齿侧面与螺纹根部之间连接处的角度达到最小，来减小最大的应力。

API说明书7D公布了一种钻管，它具有能承受工作应力的加强的锥螺纹。API说明书7D中公布的螺纹形状为三角形，其承载和不承载的螺纹齿侧面倒圆，这些螺纹齿侧面中的每一个面均与螺纹管件轴线的法线成30°角。

承载螺纹齿侧面位于与螺纹管件自由端相对的一侧上的每一个螺纹上。在本发明中将采用这个定义。

螺纹根部倒成半径为0.97mm(0.038英寸)，中心在螺纹根部轴线上的一个圆弧，该圆弧在切线方向与螺纹齿侧面连接。

由三角形螺纹形成的螺纹齿侧面之间的60°夹角使该圆弧半径足够大。

螺纹齿顶被截短，以避免啮合螺纹的螺纹齿顶和螺纹根部径向干涉。

截短螺纹的高度为3.08mm(0.121英寸)，这相当于API5B螺纹连接高度的二倍。

由于美国专利US4549754号说明一种对API说明书7D的钻管进行改造的，可以进一步减小应力集中的螺纹轮廓，因此，上述的方法就显得不够了。

US4549754号中的螺纹横截面上的螺纹根部不对称，但包括一个倒圆的区域。该倒圆区域的中心偏向不承载的螺纹齿侧面(与承载的螺纹齿侧面相对)，并且倒圆区域的半径比API中所述的半径增加了大约50％，即达到1.45mm(0.057英寸)。

这个倒圆的区域在切线方向与承载螺纹齿侧面连接，而在不太重要的轮廓中，它与不承载的螺纹齿侧面连接。该不太重要的轮廓是这样的：简单的一段直线或倒有半径为0.81mm(0.032英寸)的圆角，接着又是一段直线。

该螺纹根部的根切现象比API螺纹严重，因此，为了切削螺纹，需要管子的开始厚度较大。

这种结构对开采油井用的管排是不适合的，因为这种管排受到静态和动态应力作用。

这种对耐应力的要求在将海床与离开海岸的油气开采平台连接起来的管排中也遇到。

这种讲英语的本领域技术人员称为“立管”的管柱受到循环应力的作用。这种应力是由波浪、潮汐和平台本身可能的移动引起的，使管柱振动的水流造成的。

这种对耐受应力的要求在岸上油井中也会遇到，特别是当为了加固油井，而下降转动的管时是如此，当油井与垂直线有偏离，并有弯曲的地方时，这种情况经常出现。

由于这样，为了提高疲劳强度，需要改善套管、生产管或“立管”的螺纹管连接结构。

专利申请WO98/50720号说明了这种改进的螺纹管连接结构。

该专利申请中所述的螺纹为梯形螺纹，它是由API说明书5B中称为“锯齿”螺纹的螺纹派生出来的。

梯形螺纹形状可减小螺纹管件变形的危险。在连接过程中，特别是由于扭矩过大，这种变形会使螺纹移位。

该螺纹的根部基本上为直线围成的，并通过一个倒圆的区域与每一个螺纹齿侧面连接。该倒圆区域的半径为螺纹根部总宽度的10～50％(最好为该总宽度的16％～26％)，该倒圆区域在切线方向的终端为螺纹齿侧面和螺纹根部。

该螺纹高度可以完全避免一个螺纹的根部和啮合螺纹的相应的螺纹齿顶之间的径向干涉，因为在两者之间保持至少为0.25mm(0.010英寸)的径向间隙。

考虑在该例子中给出的螺纹发现，该螺纹根部的半径大约为0.5mm，而不是API5B中所述的螺纹根部半径0.15mm。

如果与钻管的螺纹根部倒圆区域半径比较，则这个半径似乎偏小，但梯形螺纹的根部倒圆半径不能象三角形螺纹的根倒圆半径作得那么大，除非可以大大减小互相接触的螺纹齿侧面的承载表面，才能这样做。

专利申请WO98/50720号中的螺纹也不适用于一个螺纹的齿顶和啮合螺纹的相应螺纹根部之间有径向干涉的干涉型螺纹。所示的螺纹，与USRe30647中所示的螺纹一样，是宽度变化的“楔”式螺纹。

发明内容

本发明的目的是提供一种螺纹管连接结构的阳螺纹管件或阴螺纹管件，该螺纹管件可以耐受：

a)静态应力，特别是轴向拉伸、轴向压缩、弯曲、扭转、内压力或外压力，连接过程中的移位产生的静态应力；这种应力可以是简单一种应力或是综合应力(例如拉伸+内压力)；

b)循环应力。

在本说明书的其余部分，将说明具有抗疲劳轮廓的螺纹管件。

本发明还有一个目的是要保证本发明的螺纹管件可制成所有形式的螺纹：锥形、普通笔直的、直的和锥形组合，带有一个螺距或多个螺距，梯形螺纹或三角形螺纹。这些螺纹可以是干涉型的或非干涉型的。非干涉型螺纹例如可以是欧洲专利申请EP0454147号中所述的，两个螺纹齿侧面同时与啮合螺纹的两个螺纹齿侧面接触的形式(也称为“粗螺纹”)，该螺纹轴向为压配合；或者是美国USRe30647中所述的宽度变化的楔式螺纹。

本发明再有一个目的是提供一种容易制造和检查的螺纹管件。

本发明的螺纹管件必需能用于构成油气井生产管排，油井套管或水下开采管排(“立管”)或类似用途的螺纹连接。

本发明还有一个目的是要提供一种在循环应力作用下保持密封，特别是气密的螺纹管连接结构。

本发明的螺纹管件的变型必需能用于钻管排。

本发明再一个目的是要提供一种螺纹管连接结构，其中只有一个螺纹管件(例如阴螺纹管件)经过改造可耐循环应力，但它可与没有经过改造的啮合的螺纹管件配合。

在一个变型中，该螺纹管连接结构的两个螺纹管件都经过改造，可耐循环应力。

根据本发明，在管的末端形成带抗疲劳轮廓的阳螺纹管件或阴螺纹管件。根据该螺纹管件是阳螺纹式或阴螺纹式不同，该螺纹管件可以包括外部阳螺纹或内部阴螺纹。

该螺纹包括螺纹齿顶，螺纹根部，用直线围成的承载螺纹齿侧面，用直线围成的不承载螺纹齿侧面和两个称为“螺纹根部”区的切线方向连接区域。

上述两个切线方向的螺纹根部连接区域中的每一个区域，配置在螺纹根部和两个称为“相应的螺纹齿侧面”的螺纹齿侧面中的一个齿侧面之间，并包括一个圆弧。

上述两个切线方向的螺纹根部连接区域中的至少一个称为“多半径区域”的区域，包括一个称为“主要弧”的圆弧。其中，支承圆在称为“螺纹齿侧面参考点”的点与相应的螺纹齿侧面的支承直线相交；并且在主要弧的任一侧有一条称为“辅助曲线”的标准曲线。该标准曲线在切线方向，将该主要弧与相应的螺纹齿侧面和螺纹根部连接起来。这样，非切线方向的连接会带来在单一一个连接点上对疲劳特别有害的应力峰值。

同样，第二条曲线也必需是标准的，即必需没有一个单一的会在这个位置引起应力峰值的点。

在螺纹齿侧面参考点上，主要弧的支承圆的切线，与相应的螺纹齿侧面的支承直线形成一个严格的正的锐角。

在本说明书的其余部分，正的意义是上述主要弧不与螺纹材料根切，因为切线和螺纹齿侧面之间成负角明显地对疲劳性质特别有害。

主要弧的所述支承圆与螺纹根部的支承直线相交或相切；而所述支承圆的切线，在所述的交点或切点处，与螺纹根部的支承直线形成一个-15°～+15°的角度。

当上述主要弧的支承圆与螺纹根部的支承直线相切时，这个角度为零；并且在螺纹根部上的辅助曲线减小成一个点。

当螺纹根部减小成一个点时，按照惯例，螺纹根部的支承直线为通过螺纹根部，与螺纹管件轴线平行的直线。

在任何多半径区域中，主要弧的形状和配置由下列因素确定：

·螺纹齿侧面参考点的位置；

·主要弧的支承圆切线和相应的螺纹齿侧面之间的角度；和

·所述圆的切线和螺纹根部之间的角度。

螺纹根部每一个多半径区域的主要弧的半径，都比称为“标准弧”的、通过所述螺纹齿侧面参考点的圆弧半径大。该“标准弧”本身又构成相应的螺纹齿侧面和螺纹根部之间的切线方向的一个连接区。

为了不消耗太多的螺纹高度，本发明在靠近有主要弧的连接区域的中间的重要区域中采用大的连接半径；而在与相应的螺纹齿侧面和有辅助曲线的螺纹根部连接的连接区则采用较小的连接半径。

对于给定的螺纹高度，螺纹齿侧面参考点越靠近螺纹根部，则有更多的螺纹齿侧面表面支承在啮合的螺纹管件的相应表面上，从而可提高螺纹连接的静态性能。

在先前技术的螺纹管件的情况下，连接区域的径向高度(螺纹齿侧面参考点与螺纹根部的距离)与这个区域的半径成正比。结果，对于这些螺纹管件和给定的螺纹高度，疲劳特性(循环应力)的提升会造成静态特性的削弱。

在本发明的情况下，因为主要弧的支承圆的切线和螺纹齿侧面之间形成正角，因此，连接区域的径向高度与该主要弧的半径成正比；但当该正角增大时，比例系数更降低。这样，静态条件下的疲劳特性可以改善；或者给定疲劳特性的静态条件可以改善；或者疲劳特性和静态特性同时改善。

希望上述多半径区域的主要弧的支承圆的切线和相应的螺纹齿侧面之间，在螺纹齿侧面参考点的角度为+10°～(70°～J)；其中J表示相应的螺纹齿侧面角度，即：螺纹齿侧面的直线围成的部分与螺纹管件轴线的法线之间的夹角。当所述的螺纹齿侧面不伸出在螺纹根部之上时，该螺纹齿侧面的角度可认为是正的。

最好，多半径区域的主要弧的支承圆切线和承载螺纹齿侧面之间，在螺纹齿侧面参考点的角度为+15°～(45°～J)，其中J的意义与上述的相同。

从使应力集中在螺纹根部的观点来看，螺纹齿侧面角度为正或零的形状是较好的。

希望多半径区域的主要弧的半径，为构成通过螺纹齿侧面参考点的切线方向的连接区域的标准弧的半径的150％～250％。

还希望多半径区域的每一条辅助曲线为一个圆弧。

最好，每一条辅助曲线的圆弧半径与主要弧半径之比为0.1～0.4。

这个比例的最小比值避免在辅助曲线处应力过分增大。

这个比例的最大比值限制该多半径区域的总的范围。

通过改造一个螺纹齿侧面上，特别是承载最大的承载螺纹齿侧面上，或两个螺纹齿侧面上的螺纹轮廓，可以得到本发明。

本发明还可用于螺纹牙宽度固定或变化的三角形螺纹和梯形螺纹；以及锥形螺纹，普通的笔直的螺纹，综合螺纹，单螺距或多螺距螺纹。

下面，以非限制性方式来说明表示本发明范围的各种实施例。

本发明还提供了一种耐静态或循环应力能力很强的螺纹管连接结构。该螺纹连接包括在第一根管末端的一个阳螺纹管件，它利用在该阳螺纹管件上的阳螺纹拧入在阴螺纹管件上的阴螺纹中，而与在第二根管末端的一个阴螺纹管件连接。

术语“管”可指很长的管和短管(例如管接头)。

螺纹连接中的每一个螺纹都包括螺纹齿顶、螺纹根部，直线围成的承载螺纹齿侧面、直线围成的不承载螺纹齿侧面和每一个都有一个圆弧的四个连接区域。

在该四个区域中，称为切线方向的螺纹根部连接区的两个区域中的每一个区域，将螺纹根部与称为“相应的螺纹齿侧面”的一个螺纹齿侧面而连接；而称为螺纹齿顶连接区域的两个区域中的每一个区域，将该螺纹齿顶与螺纹齿侧面连接。

每一个螺纹齿顶连接区域的轮廓和配置，应不与啮合螺纹管件的切线方向的螺纹根部连接区域产生干涉。

阳螺纹和阴螺纹两个螺纹中至少有一个螺纹管件，为带有本发明的抗疲劳轮廓的螺纹管件。

最好，在一个变型中，螺纹管件的至少一个螺纹牙齿顶连接区域，与带有抗疲劳轮廓的啮合的螺纹管件中的多半径的一个切线方向的螺纹根部连接区域相对。该至少一个螺纹齿顶连接区域，为称为“跟随器”的一个区域。该跟随器包括在切线方向互相连接的两个圆弧，即主要弧和辅助弧。该辅助弧使螺纹齿顶在切线方向与相应的螺纹齿侧面连接。

另外，在下一个区域的主要弧的支承圆和相应的螺纹齿侧面的支承直线相交的，称为该相应螺纹齿侧面的“高连接”的点上，所述圆的切线与该螺纹齿侧面的支承直线形成一个严格的负的锐角。

在上述的惯例下，这表示螺纹齿顶的主要弧咬入螺纹材料中。

这种结构，对于给定的螺纹高度，可使螺纹齿侧面的接触表面积增加。

从成本观点来考虑，在一个优选实施例中，只有一个阳螺纹管件或阴螺纹管件的螺纹轮廓为本发明的抗疲劳轮廓，它可与先前技术的螺纹管件的另一个螺纹管件配合。

从最大限度地提高性能的观点考虑，在一个优选实施例中，两个螺纹管件(阳螺纹管件和阴螺纹管件)的螺纹轮廓，都是本发明的抗疲劳轮廓。

在一个变型中，本发明的螺纹管连接结构用于一个螺纹的螺纹齿顶，在径向与啮合螺纹的螺纹根部产生干涉的干涉型螺纹。

在另一个变型中，本发明的螺纹管连接结构应用于每一个螺纹的两个螺纹齿侧面，在螺纹连接的长度的至少一部分上，依靠或不依靠接触压力，与啮合螺纹的两个螺纹齿侧面接触的螺纹连接中。因此，本发明可用于带有轴向压配合或宽度变化的楔的、称为“粗螺纹”的螺纹中。

附图说明

本发明的其他优点和特性从下面的详细说明和附图中将会了解。附图不但可以清楚地表示本发明，而且表示本发明的结构。

所有的附图都是通过螺纹管件或螺纹连接的轴线的纵截面图。

图1表示使用锥形螺纹的二根管之间的螺纹连接；

图2表示使用普通笔直的，两个螺距的螺纹的二根管之间的称为“整体”连接的螺纹连接；

图3A表示先前技术的阴螺纹管件的几个梯形螺纹；

图3B，3C，3D和3E表示图3A的螺纹表面之间的连接区域；

图4A表示本发明的阴螺纹管件的几个梯形螺纹；

图4B，4C，4D和4E表示在图4A的螺纹表面之间的连接区域；

图4F和4G中的每一个图表示图4B的详细情况；

图5A表示由图3A和图4A所示的螺纹管件连接构成的本发明的螺纹连接的几个梯形螺纹；

图5B表示在图3C和图4B所示的连接区域中的图5A所示的螺纹连接的详细情况；

图6A表示本发明的阴螺纹管件的一个变型的几个梯形螺纹；

图6B，6C，6D和6E表示图6A所示的螺纹表面之间的连接区域；

图7A表示本发明的阳螺纹管件的一个变型的几个梯形螺纹；

图7B，7C，7D和7E表示在图7A所示的螺纹表面之间的连接区域；

图8A表示由图6A和图7A所示的螺纹管件连接构成的本发明的螺纹连接的一个变型的几个梯形螺纹；

图8B表示在图6C和图7B所示的连接区域中，图8A所示的螺纹连接的详细情况；

图8C表示在图6B和图7C所示的连接区域中，图8A所示的螺纹连接的详细情况；

图9A表示本发明的阴螺纹管件的另一个变型的几个三角形螺纹；

图9B和9C表示在图9A所示的螺纹齿侧面之间的连接区域；

图10A表示本发明的阳螺纹管件的另一个变型的几个三角形螺纹；

图10B和10C表示图10A所示的螺纹齿侧面之间的连接区域；

图11A表示由图9A和图10A所示的螺纹管件连接构成的，本发明的螺纹连接的另一个变型的几个螺纹；

图11B表示在图9C和图10B所示的连接区域中，图11A所示的螺纹连接的详细情况；

图11C表示在图9B和图10C所示的连接区域中，图11A所示的螺纹连接的详细情况；

图12为对于螺纹根部连接点的不同角度值，一个连接区域中主要弧的半径与标准圆的半径之比，与在螺纹齿侧面参考点上的角度的函数关系；

图13表示在不同的承载螺纹齿侧面角度下的同一个图形；

图14为表示在受到流体内压力作用的螺纹管连接结构的螺纹根部承载螺纹齿侧面之间主应力的变化与连接区域上的角度位置的函数关系的图。

具体实施方式

图1表示二根长度很大的管101，101′之间的螺纹连接。

术语“长度很大”是指几米长(例如10米长)的管。

按照惯例，这种管子是连接起来构成岸上或离岸的油气井的套管排或生产管或“立管”排；或用于同样油井的钻管排。

管可用一切形式的非合金钢，轻合金钢或高合金钢，或铁类或非铁素合金制成，以适应不同的工作条件：机械应力水平，或管内或管外的流体腐蚀性质。

还可以用抗腐蚀能力低的管子加一层(例如)合成材料的涂层，以防止钢和腐蚀性流体接触。

管101，101′的末端包括相同的阳螺纹管件1，1′，并通过每一端有阴螺纹管件2，2′的管接头连接起来。

阳螺纹管件1，1′分别通过拧入阴螺纹管件2，2′中而连接起来，形成两个对称的螺纹连接结构100，100′。该两个螺纹连接结构又通过几厘米长的一个突出部分10连接起来。

管接头的突出部分的内径与管101，101′的内径基本上相同，因此在内部循环的流体流动不受干扰。

由于螺纹连接结构100，100′是对称的，因此只说明这些连接中的一个连接。

在图1中，螺纹用螺纹齿顶和螺纹根部的母线或包络线示意性地表示。

根据API说明书5B，阳螺纹管件1包括作成锥度的螺纹3，该螺纹可以为三角形或梯形螺纹，作在阳螺纹管件的外表面上。阳螺纹3利用没有螺纹的唇部11，与所述阳螺纹管件的自由端7隔开。自由端7为基本上在横向延伸的一个环形表面。

在唇部11的外表面上与自由端7相邻近的是一个有锥度的支承表面5，其锥度大于阳螺纹3的锥度。

阴螺纹管件2包括与阳螺纹管件1配合的装置，即：它们形状相适应，并且位置也与阳螺纹上相应的装置一致。

因此，阳螺纹管件2包括一个内部的、有锥度的阴螺纹4和在螺纹与突出部分10之间的一个没有螺纹部分。

这个没有螺纹的部分包括在该突出部分末端形成一个肩部的，基本上在横向延伸的环形表面8，和在该肩部后面的有锥度的支承表面6。

将阳螺纹管件1拧入阴螺纹管件2中可进行连接。

当横向延伸的表面7和8互相靠紧时，阳螺纹管件1就停止拧入阴螺纹管件中。支承表面5、6设计成径向互相干涉，因此处于金属对金属的接触压力下。这样，支承表面5、6形成密封表面，即使在内部或外部的流体高压力下，仍可使螺纹连接密封不泄漏。

如果不需要紧密密封，则突出部分10可以不要，因此，横向靠紧表面8和支承表面5、6也可不要。

在图2所示的变型中，二根长度很长的管可以直接拧在一起连接起来。这种只使用一个螺纹连接的连接形式300称为整体式连接。

管301的一端作出阳螺纹管件1，而在第二根管302的相应的一端则作出阴螺纹管件2。

阳螺纹管件1包括一个外部阳螺纹，该阳螺纹在当前情况下由两个直的台阶或卷圈303，303′构成。该阳螺纹为倒园的三角螺纹或梯形螺纹，中间由一个横向延伸的环形肩部307隔开。小直径的卷圈303′设在阳螺纹管件的自由端309′上，而自由端309′为一个横向延伸的环形表面。

在螺纹部分303′和端面309′之间的外表面上，为锥形的支承表面311′。

在阳螺纹管件的相对一侧，有螺纹部分303。该螺纹部分303上有包括锥形的支承表面311和形成肩部的横向延伸的环形表面309的一个没有螺纹的部分。

阴螺纹管件2包括与阳螺纹配合的内部阴螺纹。

这样，阴螺纹管件2包括一个由两个普通螺纹卷圈304，304′构成的阴螺纹，该两个卷圈被一个横向延伸的环形肩部308隔开。直径最大的卷圈304靠近阴螺纹管件的横向延伸的环形自由端310。

阴螺纹管件也包括两个与阳螺纹管件的支承表面311，311′相适应的锥形支承表面312，312′，和一个在与自由端310相对的阳螺纹管件末端上形成一个肩部的横向延伸的环形表面310′。

在装配状态下，阳螺纹部分303，303′分别拧入阴螺纹部分304，304′中，并且中心肩部307，308互相靠紧。横向延伸的端面309，309′分别与肩部310，310′的端面部分接触，并形成主要靠近部分307，308的辅助靠近部分。

阳螺纹管件的支承表面311，311′分别在径向与阴螺纹管件的支承表面312，312′干涉，并形成高的金属对金属的接触压力。这种压力可使螺纹连接密封，不会产生外部或内部流体泄漏。

在没有示出的变型中，螺纹连接可以为直螺纹，而整体式连接结构可以是锥螺纹。

每一个螺纹都可以有锥度不同的两个锥形螺纹部分，或者可以为直锥形；并且同一个螺纹的螺纹部分可以作出台阶或不作出台阶。

下面的图说明可以耐静态应力和循环应力的螺纹管连接结构的螺纹管件的螺纹的变型。

图3A表示图1所示的阴螺纹管件2的锥形内部阴螺纹4的螺纹12。

阴螺纹12为梯形形状，并包括4个用直线围成的面，即：螺纹齿顶20，螺纹根部18和两个螺纹齿侧面-承载螺纹齿侧面14和不承载螺纹齿侧面16。

在图示情况下，螺纹齿顶和根部都与螺纹管件的轴线倾斜一个角度C。角度C是螺纹的锥角，每一个螺纹齿侧面的螺纹高度都是固定不变的。

另一种方案是，锥形螺纹的螺纹齿顶和根部与螺纹管件的轴线平行。因此，对于要作出锥度的螺纹、不承载的螺纹齿侧面的高度要比承载的螺纹齿侧面高度高一些。

不承载的齿侧面16是，当阳螺纹管件和阴螺纹管件互相啮合时，首先与啮合螺纹的相应螺纹齿侧面接触的螺纹齿侧面。该侧面位于螺纹管件自由端一侧上的螺纹上。

这样，承载的螺纹齿侧面14位于与螺纹管件自由端相对的一侧上。

承载的螺纹齿侧面14与螺纹管件的轴线的法线成角A，而不承载的螺纹齿侧面与同一条法线形成角B。

按照惯例，为相应的螺纹齿侧面14和16不伸出螺纹根部18之上时，认为角度A和B是正的。

如图3B，3C，3D和3E所示，螺纹齿侧面由四个切线方向的连接区22，32，42，52与螺纹齿顶和螺纹根部连接。每一个连接区都是由简单的圆弧构成的。

相应半径为r_2fp和r_2fe的连接区域22和52为切线方向的螺纹根部连接区，而半径为r_2sp和r_2se的区域32和42为螺纹齿顶连接区。

术语“连接区22，32，42，52的切线方向”是指构成这些区域的圆弧的末端与其所连接的表面相切。当这些区域处在应力作用下时，这样可避免会产生应力峰值的尖角。

图4A表示图1所示的阳螺纹管件1的外部锥形阳螺纹3的螺纹11。

与阴螺纹管件的螺纹12一样，阳螺纹11为梯形形状，并包括四个由直线围成的表面，即：螺纹齿顶17，螺纹根部19和两个螺纹齿侧面-承载螺纹齿侧面13和不承载螺纹齿侧面15。

阳螺纹11可拧入阴螺纹12中。阳螺纹齿顶和根部的倾斜角度，与阴螺纹齿顶和根部的倾斜角度相同，都是角C。承载螺纹齿侧面的角度A和不承载的螺纹齿侧面的角度B，与阴螺纹12的相应角度相同。

螺纹齿侧面通过四个沿切线方向的连接区21，31，41，51与螺纹齿顶和螺纹根部连接。

如图4C，4D和4E所示，螺纹齿顶的切线方向连接区31，41和螺纹根部的切线方向连接区21，51由相应半径为r_1sp、r_1se和r_1fe的简单圆弧构成。

位于螺纹根部和承载螺纹齿侧面之间的切线方向的螺纹根部连接区21，由半径和切线不同的几个连续的圆弧构成。

图4B，4F和4G详细表示了区域21，因此它称为“多半径区域”。

多半径区21包括：带有一个半径为r_P1的称为“主要弧”23的圆弧的中间部分，和在该主要弧的每一侧，称为“辅助弧”的圆弧。第一个辅助弧25在承载螺纹齿侧面13上，其半径为r_S1，与承载螺纹齿侧面相切，第二辅助弧在螺纹根部19一侧，其半径为r_T1，与螺纹根部相切。

主要弧23的支承圆与承载螺纹齿侧面13的支承直线在称为“螺纹齿侧面参考点”的点P_RF1上相交，不与这条支承直线相切。

这样，在主要弧23的支承圆的切线61和承载螺纹齿侧面13的支承直线之间，在点P_RF1上形成一个角度D。使用已经用过的惯例，当主要弧不切入螺纹材料中时，角度为正，则角度D是严格为正的。因此，切线61相对于承载螺纹齿侧面的支承直线，在螺纹11的内侧。

主要弧23的支承圆在P_RR1点与螺纹根部19的支承直线相交，但不与这条支承直线相切。

在点P_RR1，主要弧23的支承圆的切线63与螺纹根部19的支承直线成一个略微为正值的角度E。

发明者确认，为了使螺纹连接正确工作，角度E必须限制在+15°～-15°范围内(例如10°)。在本发明的情况下，使用我们的符号惯例，负角相当于主要弧切入螺纹或螺纹根部的材料中。

固定在承载螺纹齿侧面B上的点P_RF1的位置，则角度D与E可以完全确定主要弧23的半径r_P1。

当螺纹锥度小(角度C只有几度)和承载螺纹齿侧面13基本上与螺纹根部19垂直时，半径r_P1接近称为“标准圆”的假想圆29的半径r_H1的二倍。该假想圆通过点P_RF1，并且单独构成承载螺纹齿侧面和螺纹根部之间的一个切线方向连接区。这表示通过点P_RF1的标准圆29与螺纹根部19和承载螺纹齿侧面13都相切。

在允许的变型中，对比值(r_P1/r_H1)的值最有影响的因素是角度D。

当角度D太小(小于10°)时，比值(r_P1/r_H1)几乎不大于1，因此对疲劳性能只有有限的影响。结果，选择大于10°，最好大于15°的D角。

在承载螺纹齿侧面正的倾斜角很大的情况下，D角太大会造成几何形状不协调。由于这个理由，D角的上限为(70°-A)，最好为(45°-A)。

另外，在正的A角很大的情况下，D角太大会造成比值(r_P1/r_H1)的值太大，需要使用小半径的辅助圆弧，这往往是在这些弧25和27上工作应力出现峰值的原因。

因此，选择角度D和E时，要考虑角度A和C，使比值(r_P1/r_H1)在1.5～2.5范围内。在本发明的情况下，E＝10°，D＝30°。

辅助弧25，27相应的半径r_S1，r_T1比半径r_P1小。

这不会影响螺纹的工作性能，因为发明者研究过，螺纹根部连接区应力最大的部分，因而也是最关键的部分，是在承载螺纹齿侧面上的螺纹根部处的主要弧23的中间部分。

在受到强度大而且强度变化的拉力负荷作用的螺纹连接中，疲劳裂纹一般是在承受螺纹管件上的拉力负荷的承载螺纹齿侧面上的螺纹根部连接区的中间部分上开始的。

然而，辅助弧的半径太小可以在辅助弧25或27上引起第二个应力峰值，该峰值会再次开始造成工作疲劳裂纹。

另一方面，当辅助弧的半径太大时，会导致辅助弧25或27的尺寸太大；特别是，当半径r_P1大时，更会出现这种情况。

最好r_S1/r_P1的值在0.1～0.4范围内。

图5A表示图4A所示的阳螺纹11，和图3A所示的阴螺纹12，在阳螺纹管件1和阴螺纹管件2通过拧入连接起来，构成图1所示的螺纹管连接结构100后的情况。

当一个螺纹的螺纹齿顶20(在这个情况下为阴螺纹)径向与配合的螺纹(在这个情况下为阳螺纹)的螺纹根部19干涉时。图5A所示的螺纹11、12称为干涉型螺纹。

阳螺纹和阴螺纹的承载螺纹齿侧面13、14互相接触，并且受到管排重量产生的轴向拉力负载的作用。在图1所示的螺纹连接情况下，该承载螺纹齿侧面13、14，受到由用几KN·m(千牛·米)的拧入扭矩使螺纹连接的横向延伸的表面7、8靠紧所产生的力的作用。

应当指出，当图2所示的螺纹连接的肩部307，308靠紧时，也可得到同样的拉力负荷。

再回到图5A可看出，在阳螺纹齿顶17和阴螺纹根部18之间，及不承载螺纹齿侧面15、16之间，有间隙。

甚至在互相啮合的连接区之间半径相同的情况下，这些间隙也可减小阳螺纹和阴螺纹连接区-例如31/22，41/52和51/42-之间的干涉危险。

在承载螺纹齿侧面上的阴螺纹齿顶的连接区32的半径r_2SP选择得足够大，使它不与多半径区域21干涉。

区域21和32的干涉会造成应力峰值，和工作中断裂的危险。

如果切线方向的连接区的开始点固定在承载螺纹齿侧面上，则在承载螺纹齿侧面上的阳螺纹根部上，使用多半径区域21，可以增加应力最大的切线方向的连接区的关键部分的半径。关于这点可参见上述对比值r_P1/r_H1值的分析。

还可以固定主要弧的该比值的最小值，和分析螺纹支承表面的增大和螺纹连接的静态特性。如图5B所示，通过在配合的阴螺纹连接区上，使用一个半径r_2SP，可以部分地减小这个比值的增大。

然而，应当注意，当考虑先前技术时，只需要改造在一个螺纹管件上的单一一个连接区(在这种情况下，为阳螺纹管件)。

还可以只改造阴螺纹管件。使用者还可以使用包括先前技术的阳螺纹管件的管101，并且可以只形成带有改造过的阴螺纹的管接头202。该阴螺纹在螺纹根部和承载螺纹齿侧面之间包括一个多半径区。

最后，应当强调指出，带有包括多半径区域的连接区的螺纹的加工或检查，不会比包括单一半径的连接区的标准的先前技术的螺纹的加工或检查更困难。加工可以使用具有适当形状的刀具进行，而检查可以方便地通过放置加工成制造公差的两个极值的两个量具来进行(称为“表层检查”)。

图6A表示整体上与图3A所示的阴螺纹相同的具有梯形螺纹的阴螺纹12。

然而，这个螺纹与图3A所示螺纹的不同点是，这个螺纹涉及两个承载螺纹齿侧面连接区，即：螺纹根部的连接区22和螺纹齿顶的连接区32。这两个连接区都是多半径区域。

图6B详细表示了连接区22。

连接区22包括主要弧24，和一端与主要弧相切，而另一端与承载螺纹齿侧面14相切的辅助弧26。主要弧在切线方向上与螺纹根部18连接，使得不需要在这一点连接第二个辅助弧。主要弧在点P_RF2与承载螺纹齿侧面14相交，并且在点P_RF2上，主要弧24的支承圆的切线62与承载螺纹齿侧面14的支承直线形成一个严格为正的角度D。

使用如上述一样的标记惯例。

在图4B中，角度D为+30°。

因为角D为正，主要弧24的半径r_P2比单独构成承载螺纹齿侧面14和螺纹根部18之间的切线方向的连接区的标准圆30的半径r_H2大。

r_P2/r_H2的比值满足如图4B所示的对连接区21所述的同样的要求。本发明的情况是一个角度E为零的特殊情况。

由于在图4B所示情况中已经说明的原因，辅助弧26的半径比主要弧的半径小。

图6C详细表示螺纹齿顶连接区32。

连接区32包括一个主要弧34和一个辅助弧36。后者的一端与主要弧34相切，而另一端与承载螺纹齿侧面14相切。

主要弧34的支承圆与承载螺纹齿侧面在称为“高连接点”的点P_RH2相交。

在点P_RH2，主要弧34的切线66与承载螺纹齿侧面14形成一个H角。

利用我们的符号规定，角H是严格的负角，即：主要弧34切入或卡入螺纹12的材料中。

连接区32的这种形状的重要性在于，在同样的半径下，它可以比在诸如由一个简单的圆弧42构成的(参照图6D)连接区的情况下，更靠近螺纹齿顶。

如果希望的话，可以用图6C中没有示出的方法，通过第二个辅助弧使区域32和螺纹齿顶之间的连接区位于切线方向。

另外，如果有需要，可以使主要弧34的半径r_P6无穷大，这样，弧34变成一直线。

辅助弧36的半径r_S6总是比主要弧34的半径r_P6小。对于在螺纹齿顶一侧上的另一个辅助弧也是一样。

图7A表示与图4A所示的阳螺纹相同的、整体为梯形形状的阳螺纹11。

该螺纹的形状适合于拧入图6A所示的阴螺纹12中。

如同在图6A中一样，不承载的螺纹齿侧面一侧的连接区41，51具有简单的一个半径(参见图6D和6E)，而承载螺纹齿侧面的连接区21和31具有多个半径。

除了角E为零以外，切线方向的螺纹齿顶连接区(图7C)与图4A所示的连接区21相同，并且不需要用辅助弧去连接主要弧23和螺纹根部19。这样，连接区21完全与图6B所示的连接区22匹配，特别是当角度D＝+30°时更是如此。

螺纹齿顶连接区31(图7B)也相同，并与图6C所示的连接区32匹配。

图8A表示螺纹管件1，2通过拧入连接，构成图1所示的螺纹管连接结构100后，图7A所示的阳螺纹11和图6A所示的阴螺纹12。

图8A所示的螺纹11，12为干涉型螺纹，与图5A所示的螺纹相同；只是阴螺纹的螺纹齿顶20在接触压力下，与阳螺纹的螺纹根部19接触，而阳螺纹和阴螺纹的承载螺纹齿侧面13，14也在接触压力下接触。

图8B和8C表示连接的多半径连接区21，32，31，32的相对配置。因为螺纹齿顶的连接经过改进，阳螺纹和阴螺纹的承载螺纹齿侧面13，14的表面比图5A所示的情况大，因此可以承受更大的静态拉力负荷。

另外，阳螺纹管件和阴螺纹管件都经过改进，因此，螺纹连接的疲劳性能不受没有改进的螺纹管件的疲劳性能的限制，如同在图5A中的情况那样。

相反，这种形式的螺纹连接要求准备经过改进的具有抗疲劳轮廓式的阳螺纹管件和阴螺纹管件。

图9A表示在图1所示的阴螺纹管件上，具有三角形螺纹的阴螺纹12。

阴螺纹12包括：

·螺纹齿顶S2；

·螺纹根部F2；

·与螺纹管件2的轴线的法线成角度A的承载螺纹齿侧面14；

·与螺纹管件2的轴线的法线成角度B的承载的螺纹齿侧面16。

角度A和B与在API说明书5B中一样，都为30°。

承载螺纹齿侧面和不承载螺纹齿侧面的定义与以上给出的定义相同。

由于螺纹4作有锥度，连接螺纹齿顶的线和连接螺纹根部的线与螺纹管件轴线形成角度C。

螺纹齿侧面14，16利用切线方向的连接区22，32，42，52，与螺纹齿顶52和螺纹根部F₂连接。

螺纹齿顶的连接区32，42相对于通过螺纹齿顶52的螺纹管件的轴线的法线对称。两个连接区是由半径为r_2S的一个简单圆弧构成的(参见图9C)。

螺纹根部的连接区22，52相对于通过螺纹根部F₂的螺纹管件的轴线的法线不对称。该两个连接区由多个半径构成(参见图9B)。

连接区22包括半径为r_P2的主要弧24，它与螺纹根部F₂的支承直线相切。主要弧24的支承圆与承载螺纹齿侧面14，在点P_RF2处相交。

使用上述的惯例，在三角形螺纹情况下，螺纹根部的支承直线定义为，与通过螺纹根部F₂的螺纹连接的轴线平行的直线。

在点P_RF2，主要弧24的切线62与承载螺纹齿侧面14形成一个正的角度D。角度D例如为30°。

连接区22还包括一条半径为r_S2的辅助弧26，该弧的一端与主要弧24的末端相切，而其另一端则与承载螺纹齿侧面14相切。

主要弧24的半径r_P2比标准圆的半径r_H2大，在点P_RF2有一条没有画出的承载螺纹齿侧面的切线，和螺纹根部F₂的支承直线的切线，这样，在螺纹根部和承载螺纹齿侧面之间形成抗疲劳的特性。

半径r_S2比半径r_P2小，最好是r_P2的(0.1～0.4)倍。

连接区52包括半径为r_P4的一个主要弧54，它与螺纹根部F₂的支承直线相切。主要弧54的支承圆与不承载的螺纹齿侧面的支承直线在点P_RF4相交。

在点P_RF4，主要弧24的切线68与不承载的螺纹齿侧面(stabbing flank)16形成正的角度F。角度F例如为15°。

连接区52还包括半径为r_S4的一条辅助弧56，该弧的一端与主要弧54的末端相切，而其另一端与不承载的螺纹齿侧面16相切。

主要弧54的半径r_P4比标准圆的半径r_H4大，在点P_RF4有一条没有画出的不承载螺纹齿侧面16的切线和螺纹根部F₂的支承直线的切线，这样，在螺纹根部和承载螺纹齿侧面之间，形成抗疲劳的特性。

半径r_S4比半径r_P4小，最好为r_P4的(0.1～0.4)倍。

这样，螺纹管件的设计可以在两个螺纹齿侧面14，16受到循环应力作用，而且承载螺纹齿侧面应力更增大时，改善整个螺纹根部的疲劳特性。一般，当管排受压缩或受弯曲作用时，也能改善上述疲劳特性。

图10A表示可以拧入图9A所示的阴螺纹12中的阳螺纹11。

阳螺纹11包括螺纹齿顶S₁，螺纹根部F₁，承载螺纹齿侧面13和不载承螺纹齿侧面15。

螺纹齿侧面13，15利用连接区21，31，41，51与螺纹齿顶S₁和螺纹根部F₁连接。

螺纹齿顶的连接区31，41表示在图10B中，它们由半径为r_1S的圆弧构成，与图9C所示的连接区32，42相同。

螺纹根部连接区21，51表示在图10C中，它们是多半径区域，与图9B所示的连接区22，52相同，并与连接区22，52配合。

图11A表示在拧入构成图1所示的螺纹管连接结构后连接起来的图10A所示的阳螺纹11和图9A所示的阴螺纹12。

螺纹11，12在接触压力作用下，与其两个螺纹齿侧面接触，阳螺纹的承载螺纹齿侧面13与阴螺纹的承载螺纹齿侧面14接触，而阳螺纹的不承载螺纹齿侧面15与阴螺纹的不承载螺纹齿侧面16接触。

相反，在配合螺纹的螺纹齿顶和螺纹根部之间(F₁/S₂和F₂/S₁)与相应的连接区(21/42，51/32，41/52，31/22)之间有间隙(可参见图11B和11C)。

这个间隙和螺纹的形状，以及螺纹根部的带有大半径的主要弧的连接区，形成具有三角形螺纹的螺纹管连接结构的良好的拉伸-压缩疲劳特性或弯曲特性。

图12和图13表示角度A，E和D的不同组合对螺纹根部的多半径区域的主要弧的半径，与单独构成切线方向连接区的标准圆弧的半径的比r_P1/r_H1的值的影响。

从图12和图13可看出，r_P1/r_H1比值随着角度D的增加而增加。图12表示角度E的影响是适中的，并且与这个角度允许的小变化一致的。E＝15°时的比值r_P1/r_H1比E＝0°时的该比值稍大一些。

对于一般倾斜不大和相应于(A-C)接近0°的梯形螺纹的承载螺纹齿侧面，角度D最好在15°～45°范围内选择，这相当于A＝0°时的这个角的优选范围。

图13表示角度A的影响-当角度A增大时，比值r_P1/r_H1是代数曲线增加。

略微负的角度A(伸出在螺纹之上的承载螺纹齿侧面称为“钩形螺纹”)需要一个较大的角度D，以便使r_P1大大增加。

A角为很大的正值时，将角度D限制为30°，甚至20°。角度A的这种值在三角螺纹中会碰到。

梯形螺纹的不承载螺纹齿侧面一般比承载螺纹齿侧面的倾斜更陡些，因此，角度B的影响可以直接追溯至角度A的影响。

图14表示在海床和离岸油田开采用的平台之间进行连接的“立管”的螺纹连接的下列形状的螺纹中间部分上的螺纹根部和承载螺纹齿侧面之间的连接区中的主应力的变化：

·与图1所示的螺纹连接的外径为339.7mm(133/8英寸)的管；

·锥形螺纹(1/6锥度，即C角为4.8°)；

·每英寸4个螺纹(螺纹螺距为6.35mm)；

·螺纹高度为2.1mm，螺纹齿顶和螺纹根部与管轴线平行的梯形螺纹；

·直线围成的承载螺纹齿侧面(A＝0°)；

·倾斜的不承载螺纹齿侧面(B＝15°)；

·拉伸作用下的轴向负载引起管体的拉伸应力为材料弹性极限的80％；

·利用标准的拧紧扭矩能够贴合的螺纹连接。

图14比较了在带有半径为0.375mm的单一圆弧的标准连接区(STD曲线)和多半径连接区(RM曲线)情况下，在螺纹根部和承载螺纹齿侧面之间的连接区表面上一个单元立方体材料上的主拉伸应力的计算值。

多半径区域的参数为：

D＝30°，E＝0°，

R_P1＝0.64mm，r_S1＝0.19mm，r_P1/r_S1＝0.3。

在承载螺纹齿侧面上的点P_RF1的位置，离开螺纹根部的支承直线0.32mm。

图14表示在角度位置θ处的连接区的表面上的单元立方体材料，和在该连接区的表面切线的法线上的立方体表面上的主拉伸应力σ的值与角度位置θ的函数关系。0°的位置是连接区的末端与螺纹根部相适应，90°的位置相当于在承载螺纹齿侧面上的连接区的另一个末端。

在连接区的中间部分上，特别是在角度位置30°周围，主应力σ达到最大。

使用多半径连接区可以使螺纹齿侧面参考点的位置从标准连接区的0.375mm略微降低至0.32mm，而主应力σ的最大值降低大约20％。

这种螺纹齿侧面参考点位置的降低，使得在螺纹连接疲劳断裂之前的循环次数大大增加。

使用比值r_S1/r_P1＝0.3可以限制在70°位置处的第二次应力峰值的出现。

本发明不是仅限于上述实施例。

本发明特别适用于图2所示的螺纹管连接结构300中所使用的以303，303’，304，304’表示的笔直的螺纹(角度C＝0°)。

本发明也可用于两个螺纹齿侧面以接触压力，或不以接触压力与啮合螺纹的两个螺纹齿侧面接触的梯形螺纹。

存在着称为粗螺纹的螺纹用于在拉伸和压缩作用下工作的螺纹连接的情况，如在EP0454147中所述那样。在这个专利文件中，阳螺纹和阴螺纹的承载螺纹齿侧面在接触压力下接触，并且，阳螺纹和阴螺纹的不承载的螺纹齿侧面，也在螺纹长度的相应大部分上接触。

还存在着在WO00/14441中所述的情况，即螺纹齿侧面轴向为压配合。

还存在着在WO94/29627中所述的情况，即楔形螺纹的宽度是变化的。

在每一个螺纹齿侧面上带有多半径的螺纹根部连接区的三角形螺纹的说明，可直接用于这种梯形螺纹，因为梯形螺纹就是螺纹齿顶和螺纹根部被截短的三角形螺纹。

在这种梯形螺纹情况下，可以在螺纹根部使用多半径的连接区，该连接区的主要弧的半径在与承载螺纹齿侧面有关的区和与不承载螺纹齿侧面有关的区之间是不同的。

由于一般在两个螺纹齿侧面与啮合螺纹管件的相应螺纹齿侧面接触的梯形螺纹中，不承载的螺纹齿侧面的负载比承载螺纹牙的齿侧面小，因此承载螺纹齿侧面的连接区21和/或22的主要弧半径r_P，比不承载螺纹齿侧面的连接区51和/或52上的主要弧半径大。

另一种方案是，主要弧半径r_P对连接区21，22，51和52都相同。