压力测试螺纹构件的方法

摘要

具有与第一元件的螺纹(2)配合的阴螺纹(11)的盖(10)组装到要测试构件的第一阳螺纹元件(1)上，以便在第一元件的和盖的金属表面(7，15)之间挤压密封圈(16)，并在所述构件内形成测试压力，所述阳元件(1)具有环形唇缘(3)，所述唇缘在所述测试压力的作用下可径向向外变形。组装结束时，在所述唇缘(3)径向向外的表面(6)和所述盖的面对表面(19)之间存在间隙，该间隙具有一值(j)，该值选择成足够小，使得在所述测试压力的作用下，所述唇缘支撑在所述面对表面上，且几乎不产生塑性变形。其应用于烃类井的管柱附件。

权利要求

1.一种用于压力测试第一构件的方法，所述第一构件具有第一管状螺纹元件(1)，所述第一管状螺纹元件包括第一螺纹(2)和密封表面(6)，所述的第一螺纹和密封表面在使用中能分别与另一管状螺纹元件的匹配螺纹和密封表面配合，以便通过组装利用所述密封表面之间的金属-金属密封实现两个螺纹元件的连接，在所述方法中，具有与所述第一螺纹匹配的螺纹(11)的、并呈盖或插件即盖/插件形式的第二构件(10)被组装到所述第一管状螺纹元件(1)上，以便在所述第一管状螺纹元件的和所述盖/插件的相面对的金属表面(7，15)之间轴向压缩环形的密封圈(16)，并且在这些构件内部形成测试压力，这些构件中具有阳螺纹(2)的构件在所述阳螺纹与其自由端之间具有环形的唇缘(3)，该唇缘在所述测试压力的作用下能径向向外变形，其特征在于：组装结束时，在所述唇缘(3)的径向向外的表面(6)和另一构件的面对表面(19)之间存在间隙，该间隙在所述唇缘长度的至少一部分上具有一值(j)，该值选择成足够小，使得在所述测试压力的作用下，所述唇缘支撑在所述面对表面上，且几乎不产生塑性变形。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：直径间隙的所述值(j)为至少0.05mm。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述螺纹的标称直径大于200mm，并且直径间隙的所述值(j)为至少0.1mm。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：所述值(j)表示为所述螺纹的标称直径的至多0.3％的直径间隙。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述径向向外的表面包括通常呈锥形的部分(6)，所述间隙在面对所述通常呈锥形的部分处具有所述值(j)，而在面对所述径向向外的表面的其余部分处具有更大值(J)。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述通常呈锥形的部分(6)靠近所述唇缘的自由端(4)。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述通常呈锥形的部分(106)远离所述唇缘的自由端(107)，并通过比起所述通常呈锥形的部分相对于轴线的倾斜度更小的部分(108)与该自由端隔开。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述径向向外的表面包括通常呈锥形的部分、和至少一个比起所述通常呈锥形的部分相对于轴线的倾斜度更小的部分，所述间隙在面对至少所述倾斜度更小的部分处具有所述值(j)，而在面对所述径向向外的表面的其余部分处具有更大值(J)。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述具有阳螺纹(2)的构件是所述第一构件，且所述通常呈锥形的部分构成所述密封表面(6)。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述具有阳螺纹(2)的构件是所述第一构件，且所述间隙在所述径向向外的表面的圆柱形部分(5)与形成于所述面对表面上的圆柱形凸台(332)之间具有所述值(j)。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述密封圈(16)局部容纳在所述盖/插件(10)的环形凹槽(17)内。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述唇缘(3)的自由端(4)具有凸起的V状轮廓，该凸起的V状轮廓能与所述密封圈(216)的凹进的V状轮廓接合。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：所述第一管状螺纹元件的所述密封表面(6)是锥形的，并限定所述凸起的V状轮廓的分支之一。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述盖/插件具有轴向的接合表面，所述接合表面接靠着所述第一构件的对应表面，以便限制对所述密封圈的压缩。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：所述盖/插件(310)包括盖体(330)，插入件(331)安装在所述盖体(330)上，可移除和/或可轴向调节并具有所述轴向的接合表面(342)。

16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一和第二构件的所述螺纹(2，11)不相干涉，以便采用手动设备实现组装。

17.一种用于实施根据前述权利要求中任一项所述的方法的凹形盖(10)，包括：金属主体，其由盖底座(13)和周壁形成；以及环形的密封圈(16)，所述周壁具有阴螺纹(11)，所述阴螺纹能够与要进行压力测试的第一构件的第一管状螺纹元件(1)的阳螺纹(2)配合，从而实现两个螺纹元件的螺纹连接，所述周壁还在所述阴螺纹(11)和所述底座(13)之间轴向限定用于容纳所述第一管状螺纹元件的环形阳唇缘(3)的座槽(12)，所述环形阳唇缘在所述测试压力下承受向外径向变形，其中，螺纹操作结束时，在所述唇缘(3)的径向向外的表面(6)与所述盖的面对表面(19)之间存在间隙，该间隙沿所述唇缘长度的至少一部分具有一值(j)，所述值(j)选定为足够小，使得在测试压力的作用下，所述唇缘支撑在所述面对表面上，且几乎不产生塑性变形。

18.一种用于实施根据权利要求1至15中任一项所述的方法的阳插件(410)，包括：金属主体(430)，其由插件本体(413)和周壁形成；以及环形的密封圈(416)，所述周壁具有阳螺纹(411)，所述阳螺纹能够与要进行压力测试的第一构件的第一管状螺纹元件(401)的阴螺纹(402)配合，从而实现两个螺纹元件的螺纹连接，所述周壁在所述阳螺纹(411)和所述底座(413)之间轴向延伸，并限定能被容纳在所述第一管状螺纹元件的座槽(403)内的阳唇缘(412)，其中，螺纹操作结束时，在所述唇缘(412)的径向向外的表面与所述第一管状螺纹元件(401)的面对表面(419)之间存在间隙，该间隙沿所述唇缘长度的至少一部分具有一值(j)，所述值(j)选定为足够小，使得在测试压力的作用下，所述唇缘支撑在所述第一管状螺纹元件(401)的所述面对表面上，且几乎不产生塑性变形。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于压力测试第一构件的方法，所述第一构件具有第一管状螺纹元件，所述第一管状螺纹元件包括第一螺纹和密封表面，所述的第一螺纹和密封表面在使用中能分别与另一管状螺纹元件的匹配螺纹和匹配密封表面配合，以便通过组装利用所述密封表面之间的金属-金属密封实现两个螺纹元件的连接。

背景技术

根据要求，考虑到在内压下构件的防水或防气密封性能，要经受测试的构件例如是附件(安全阀、管柱悬浮装置、管柱段适配器)或者是用于通过装配插入到烃类井的管柱(tubular string)中的管形附件。
本方法不用于测试第一构件与另一构件的密封连接部件，而是测试第一构件自身，与第一螺纹元件分开，将在其它处讨论其密封连接部件。
已知一种方法，其中具有与第一螺纹配合的螺纹的盖或插件(盖/插件)形式的第二构件组装到第一螺纹元件上，以便轴向压缩第一螺纹元件和盖/插件的面对金属表面之间的环形密封圈，并且在所述构件内部形成测试压力，所述构件中的具有阳螺纹的构件在阳螺纹与其自由端之间具有环形唇缘，所述环形唇缘在所述测试压力的作用下可径向向外变形。
在另一种已知的方法——其中第一构件的密封表面用于通过与盖/插件的干涉金属-金属接触来形成密封——中，所述密封表面具有在测试过程中遭到破坏的风险，并且当交付给顾客时，经过测试的构件不能被认成是新的。这种干涉接触还需要动力钳进行组装。
在采用环形密封圈的方法中，环形唇缘没有被径向地支撑，并且由于测试压力而存在永久变形的风险，由于所测试的构件在操作中会泄露或者盖/插件不能再次使用，导致所涉及的构件不适合于使用。

发明内容

本发明的目的是克服这些缺点。
特别地，本发明提供一种采用环形密封圈的上述类型的方法，并且提出：组装结束时，在所述唇缘的径向向外的表面和另一构件的面对表面之间存在间隙，该间隙在所述唇缘长度的至少一部分上具有一值，该值选择成足够小，使得在所述测试压力的作用下，所述唇缘支撑在所述面对表面上，且几乎不产生塑性变形。
术语“几乎不产生塑性变形”指的是忽略轻微的塑性变形，所述变形可被传感测量装置检测到，但不会对所涉及的构件的操作性能产生影响。
可以补充或者替换本发明的可选择的特征在下面限定：
直径间隙(diametrical clearance)的所述值为至少0.05mm；
所述螺纹的标称直径大于200mm，并且直径间隙的所述值为至少0.1mm；
所述值表示为所述螺纹标称直径的至多0.3％的直径间隙；
所述径向向外的表面包括通常呈锥形的部分，所述间隙在所述通常呈锥形的部分处具有所述值，而在所述径向向外的表面的其余部分处具有更大值；
所述通常呈锥形的部分靠近所述唇缘的自由端；
所述通常呈锥形的部分远离所述唇缘的自由端，并通过比起所述通常呈锥形的部分相对于轴线的倾斜度更小的部分与该自由端隔开；
所述径向向外的表面包括通常呈锥形的部分、和至少一个比起所述通常呈锥形的部分相对于轴线的倾斜度更小的部分，所述间隙在至少所述倾斜度更小的部分处具有所述值，而在所述径向向外的表面的其余部分处具有更大值；
所述具有阳螺纹的构件是所述第一构件，且所述锥形的部分构成所述密封表面；
所述具有阳螺纹的构件是所述第一构件，且所述间隙在所述径向向外的表面的圆柱形部分与形成于所述面对表面上的圆柱形凸台之间具有所述值；
所述密封圈局部容纳在所述盖/插件的环形凹槽内；
所述唇缘的自由端具有凸起的V状轮廓，该凸起的V状轮廓能与所述密封圈的凹进的V状轮廓接合；
所述第一螺纹元件的所述密封表面是锥形的，并限定所述凸起的V状轮廓的分支之一；
所述盖/插件具有轴向的接合表面，所述接合表面接靠着所述第一构件的对应表面，以便限制对所述密封圈的压缩；
所述盖/插件包括其上安装有插入件的盖/插件主体，可移除和/或可轴向调节并具有所述轴向的接合表面；
所述第一和第二构件的所述螺纹不相干涉，以便采用手动设备实现组装。
此处使用的术语“通常呈锥形的”指这样的表面：其具有总体上呈锥形的形状，但其母线不一定是直线的，并且特别在其长度的至少一部分上是穹形的。
本发明还提供了用于实施前面限定的方法的盖/插件。
根据本发明的凹形盖包括：金属主体，其由盖底座和周壁形成；以及环形的密封圈，所述周壁具有阴螺纹，所述阴螺纹能够与要进行压力测试的第一构件的第一管状螺纹元件的阳螺纹配合，并且所述周壁在所述螺纹和所述底座之间轴向限定用于容纳所述第一螺纹元件的阳唇缘的座槽，所述座槽的径向朝内取向的表面具有至少一锥形的和/或圆柱形的部分。
本发明的阳插件包括：金属主体，其由插件底座和周壁形成；以及环形的密封圈，所述周壁具有阳螺纹，所述阳螺纹能够与要进行压力测试的第一构件的第一管状螺纹元件的阴螺纹配合，并且所述周壁在所述螺纹和所述底座之间轴向延伸，阳唇缘能被容纳在所述第一螺纹元件中的座槽内，所述唇缘的径向向外取向的表面具有至少一锥形的和/或圆柱形的部分。

附图说明

下文中将参照附图对本发明的特征和优点做进一步详细描述。
图1-3是轴向半剖视图，示出属于要进行压力测试的构件的阳螺纹管状元件、和组合到所述阳元件内以分别在组合的过程中、组合结束时以及在压力测试的过程中实施本发明方法的凹形盖。
图4和5是与图2相似的视图，涉及所述方法的其它实施方式。
图6是局部轴向半剖视图，示出所述方法的又一实施方式。
图6a是图6的细节。
图7是与图2相似的视图，示出所要测试构件的阴螺纹元件和阳插件。

具体实施方式

图1显示的是要经受压力测试的管状或中空构件的阳螺纹管端或者螺纹元件1，这里不对所述构件做进一步展示，其结构和功能不涉及本发明。所述阳端具有阳锥形螺纹2和无螺纹部3，所述无螺纹部朝向螺纹元件1的自由端4设置在所述螺纹以外，并且被称为唇缘。螺纹2用于接下来与烃类井用的管柱中的另一个管状构件组装在一起。
所述唇缘的径向向外表面从螺纹朝向自由端包括：圆柱形部分5、接着是锥形的密封表面6，所述密封表面6邻近凹状锥形的端表面7，所述端表面具有接近90°的峰半角(peak half angle)并形成接合表面。
所述密封表面6和接合表面7用于在井内作业中与上述提到的所述另一管状构件的互补表面配合，以便产生两个管状构件之间的金属/金属密封。
图1还示出要测试的螺纹凹形盖10，该凹形盖用于隔离要进行压力测试的构件的内部空间。所述盖由具有锥形阴螺纹11并限定用于唇缘3的座槽12的周壁、以及被受压流供给装置14穿过的底壁13形成。所述螺纹11与螺纹2配合，并且螺纹11优选设计为容许将所述盖手动装配到元件1上，例如利用提供大约1000Nm的装配扭矩的键链。
座槽12终止于肩部15，该肩部具有与接合表面7基本相同的锥度，从附图中可以看到，在组装过程中所述肩部将面向所述接合表面。由可变形合成材料制成的螺旋环形密封圈16安置在设于肩部15内的凹槽17中，并从肩部伸出。
座槽12的周表面包括圆柱形部18和锥形部19，圆柱形部18和锥形部19分别对应于唇缘3的表面部分5和6。
图2示出处于组装位置的盖10和阳元件1。
在该位置中，所述密封圈16在接合表面7与凹槽17的底部之间被轴向地压缩例如20％，以便确保盖和所要测试的构件之间装配的密封性能。
此外，所述盖的表面部分18和19可分别面向且平行于所要测试构件的表面部分5和6，并且在锥形部6和19之间存在有0.3mm的直径间隙j，而在圆柱形部5和18之间具有更大的直径间隙J，例如0.8mm。
图3示出经受特定内部测试压力的图2的设备，所述测试压力例如可达到几百巴。在该压力下，所述唇缘3稍微径向向外变形(bell变形)，但是其变形受到唇缘的密封表面6与盖的面对周表面19之间接触的限制。在施压之前具有间隙j，从而由于保持在弹性变形区域内的唇缘变形而实现接触。在测试结束时，唇缘以及特别是密封表面返回到它们的最初位置，没有永久变形。密封表面的永久变形将会使所述表面以后在井内不能正确地工作，并因此会带来使用过程中管柱发生泄露的风险。
施压前密封表面6与盖的面对周表面之间的直径间隙优选在0.05mm到螺纹2和11的标称直径的0.3％之间。该间隙的最小值选择成允许唇缘3自由接合在盖的座槽内，没有接触，且因此不会损坏密封表面。初始直径间隙的最大值选择为通过避免塑性变形来限制测试过程中唇缘的变形。
可根据所要测试构件的特定特征来改变这些值。
由此，如果它具有较大直径的螺纹元件(螺纹的标称直径大于200mm)的话，最小值可增大到0.10mm或者甚至0.20mm。
至于最大值，可以通过下述计算获得。如果ΔD代表在等于屈服应力的常规值的应力下承受内部压力的中空圆柱的直径D的变化值的话，对于600MPa数量级的常规屈服应力而言，直径变形ΔD/D的值基本等于0.5％，而对于800MPa数量级的屈服应力所述值为0.6％，并且对于400MPa数量级的屈服应力所述值是0.4％。
通过选择为标称直径的0.3％的最大直径间隙，确保了该间隙在测试过程中由直径扩张所占用，且基本不会使唇缘塑化。
由于锥形表面之间的间隙取决于构件的相对轴向定位，因此必须要调整所述相对轴向定位，例如通过配合设于构件上的标记如API三角形或者T型标记。更为有效的方式是采用参照附图5在下文描述的轴向接合面。
在一变型中(图中未示)，压力测试过程中，所要测试的凹形盖和阳端之间的接触可以在唇缘的外圆柱形表面与待测试盖的面对表面之间获得，施压之前的间隙要比唇缘的锥形密封表面与盖的面对表面之间的间隙大。
图4示出一变型，其中所要测试构件的阳管状螺纹元件1的端接合面107的表面垂直于轴线，并且其中锥形密封表面106设置在距接合面107一段轴向距离处，并且分别经由圆柱形表面108和5连接到所述接合面107和螺纹2。
所要测试的凹形盖110的座槽12具有锥形表面119和圆柱形表面120及18，在组装位置所述锥形表面和圆柱形表面分别面向表面106、108及5。
在该实施例中，表面106和119之间的间隙j选择成：在测试压力的作用下这些表面通过所述唇缘的弹性变形而支撑在彼此上，表面5和18之间的间隙J以及表面108和120之间的间隙J’更大。
图5示出与改变过的凹形盖210关联的阳管状螺纹元件1，所述元件与图1-3中的元件1相同。
所述环形密封圈216由以下表面限定：两个圆柱形周表面即外部圆柱形周表面221和内部圆柱形周表面222；与唇缘3相对的轴向朝向的平表面223；和轴向朝着唇缘3的一表面，该后一表面具有中空的V形轮廓，其各个侧面224和225承接唇缘的密封表面6和接合表面7。表面221、222和223支承在凹槽217的壁上，所述凹槽217具有圆柱形侧面和平底部，在盖10的座槽12中切削出。密封圈216的具有V形轮廓的表面确保在组装过程中受到压缩时它不会被弹出或者在压力测试过程中不会被挤出。
相对于凹槽217径向向内的盖肩部的剩余表面215具有一锥度，该锥度与其接触的接合表面7的锥度相对应以限制盖的组装。这可以确保无论在什么样的组装条件下(操作者、工具等)都可重复组装，且由此确保可变形密封圈的可重复压缩。
通过座槽12的圆柱形周表面218确保压力测试过程中对唇缘3的支撑操作，所述周表面218从螺纹11延伸到凹槽217的底部，并且形成其径向向外的侧面。为此，上文所描述的间隙j设置在唇缘3的圆柱形表面5与表面218之间。
除了将圆柱形表面5替换为具有小锥度——例如该锥度与所述螺纹的锥度相等，即为直径的6.25％——的锥形表面305外，图6和6a显示的阳管状螺纹元件301与图1-3中的相同。在一变型中，表面305可包括具有所述锥度的锥形部。
所述阳元件301与经过改变的凹形盖310联合，所述凹形盖包括三个部分：金属盖体330、可变形密封圈316和金属接合套管331。
与上述实施例中的盖相同的是，盖体330具有阴螺纹11、用于所要测试构件的唇缘3的座槽312、和被受压流入口314穿过的锁止底座313。
所述盖体的座槽312从所述螺纹到盖的底部依次包括：第一部分，该第一部分带有与唇缘表面305具有相同锥度的锥形周表面332，由环形凸台的顶部限定；第二部分，该第二部分具有相对于第一部分332稍稍回退的圆柱形周表面333、两个锥形表面334和335，这些锥形表面的锥度基本相应于所要测试构件的密封表面6和接合表面7的锥度(例如分别具有20°和75°的峰半角)；及第三部分，其带有邻近底座313的圆柱形周表面336。
所述可变形密封圈——例如其由聚亚安酯制成——正如图5中的密封圈216一样被以下表面限定：两表面即外部周表面321和内部圆柱形表面322；以及轴向朝着唇缘3的表面，该后一表面具有中空的V形轮廓，其侧面324和325分别承接唇缘3的密封表面6和接合表面7。与密封圈216相比，轴向远离唇缘3的表面具有凸形的V状轮廓，所述轮廓对应于盖体330的锥形表面334和335所限定的中空或者凹形的V状轮廓。
可移除的接合套管331由以下表面限定：外圆柱形周表面340；内圆柱形周表面334；指向唇缘3的第一侧表面，其包括与接合表面7具有相同锥度的锥形部342；和指向盖体的底座313的第二侧表面343。
外周表面340与表面部分336形成轻度干涉配合。
为了压力测试，如附图所示，套管331设置紧靠于盖体的底座。当将该盖组装到管状构件上时，所述套管331一方面轴向邻接于盖体330的底座，而另一方面邻接于所要测试构件的接合表面7的径向向内的部分。
可移除的组装接合套管的采用能确保重复组装，并由此保证密封圈316的恒定压缩，例如20％。可通过采用不同长度的可移除组装接合套管来改变这种压缩，由此确保灵活使用所测试的盖。
而且，最初没有密封圈但存在可移除组装接合套管的组装方式使得：组装结束时的轴向位置由所要测试构件外侧上的第一标记、以及在所述盖的外侧上沿第一标记延伸方向上的第二标记进行标记。这些标记是可以实现轴向定位和圆周方向定位的标记类型，例如采用已知的API三角形或者T型标记。在最后的装配过程中，操作者由此可以确保能实现接合位置，并因此通过使两个标记重合来实现所期望的密封圈压缩。
套管331的外径选择为充分大于密封圈316的内周表面的直径，从而由密封圈316轴向压缩所产生的该密封圈径向向内的变形是自由的，且不受套管外周表面的阻碍。
按照上述所选定的间隙j设置在唇缘3的稍倾斜表面305与所述盖的周表面332的圆柱形部分之间。
设置在凸台之外的周表面333的回退圆柱形部分面向密封圈316的外周表面321，并且距其一段距离，以便实现组装结束时密封圈的自由径向变形。
在接合套管331的周表面之间加工出的通孔可避免所要测试构件内部、与设置在所述组装套管和密封圈之间的空间之间的压差。
在附图7中，经受压力测试的构件的凹形元件401——其整体没有示出——具有阴螺纹402和无螺纹管状部，所述无螺纹管状部相对于螺纹元件的自由端404设置在所述螺纹以外，从而限定座槽403。所述无螺纹部包括靠近锥形接合表面407的锥形密封表面406，所述螺纹和所述两个锥形表面设置用于分别与阳元件1的螺纹2和表面6及7配合，所述阳元件与图1到图3中的阳元件相同，属于管柱中的管。
阳插件410包括金属主体430，所述主体由底壁413和周壁形成，所述周壁具有与阴螺纹402匹配的锥形阳螺纹411，并限定唇缘412，所述唇缘412在与底座413相反的方向上延伸到一自由端，该自由端由与元件1的表面6和7相似的两个锥形表面419和425形成。所述底座413被测试压力流入口414穿过。
插件410还包括：可变形的环形密封圈416，所述密封圈设置在插件的自由端并具有与密封圈316相同的形状，由此通过凸出的和凹进的V状轮廓一方面与表面419和415配合，且另一方面与表面406和407配合；和可移除的金属组装接合套管431，所述套管局部容纳在靠近端表面415和唇缘的径向向内表面的主体内的凹部中。
所述唇缘412在螺纹411和锥形表面419之间具有环形凸台，凸台的顶部432是具有与阴螺纹402相同锥度的锥形表面，在组装结束时，其面向靠近它并与它之间具有合适间隙j的端部区域设置，从而在压力测试过程中支撑螺纹，由此防止插件永久变形，而插件的永久变形将阻止它的再次使用。
这种布置方式使得插件可以加工有相对薄的唇缘，并且因此可减小其质量，对于具有339.73mm(133/8″)或者更大标称直径的螺纹，所述质量可能超过200kg。
在本说明书中，应用于表面的术语“圆柱形”应当理解为扩展到具有轻微锥度的锥形表面。相似地，虽然仅仅描述了直线密封表面或直线接合型面，但是本发明还可应用于局部或完全呈曲线的密封表面或接合型面。