带有集成传感器的连接装置的制作方法

1.本发明涉及管状的螺纹部件，更特别地涉及用于钻探、碳氢化合物井开采或石油和燃气运输的，或用于地热井、或甚至用于二氧化碳储存井的管状螺纹接头的钢制管状的连接装置。


背景技术：

2.此处“构件”一词指各类用于钻探或开采井的元件或附接件，包括至少一个连接装置或连接件，或甚至螺纹端部，且其旨在通过螺纹组装至另一个构件，以便与该构件形成管状螺纹接头。构件可以例如是具有相对较长长度(尤其是约十几米长)的管状元件，例如管，或约几十厘米长的管状套节管，或甚至这些管状元件的附接件(吊架或“hanger”、交叉管或“cross-over”、安全阀、用于钻探杆的连接件或“tool joint”、子元件或“sub”以及类似元件)。
3.管状构件具有螺纹端部。这些螺纹端部互补，允许公(“pin”)和母(“box”)两个管状元件相互连接，形成接头。因此有公螺纹端部和母螺纹端部。所述完整或半完整螺纹端部一般而言包括至少一个止动表面。第一止动件可由螺纹端部上的两个自由表面形成，两个自由表面构型为经过螺纹端部彼此通过螺丝固定后，或通过施加压紧应力后，彼此接触。止动件一般而言相对于连接装置成负角。这些接头会受到轴向拉伸或压缩应力、内部或外部流体压力、弯曲或扭转应力，可能是几种情况组合在一起，而且强度大小不同。尽管存在应力，尽管现场的使用条件很恶劣，但必须保证密封性。螺纹接头必须能够多次拧紧和拧开，而不会使其性能劣化，特别是由于卡住而性能劣化。拧开后，管状构件可以在其他操作条件下重新使用。
4.特别地，卡住是可能在连接装置组装时发生的现象。在拧紧时，尤其是通过在组装过程中应用的拧紧速度或扭矩的异常变化，可以识别发生卡住的问题，但不一定所有的卡住都能仅通过这些参数检测出来，因为使用现有的测量装置，组装可能看似正常。此外，仅凭这些参数无法确定卡住发生的位置。卡住可以表现为材料局部撕脱。例如，材料可能在螺纹或甚至密封表面处撕脱。可以理解，螺纹或密封表面的主要功能可能会受损。因此，需要有更多的解决方案允许改善检测组装过程中出现卡住的可靠性。
5.此外，连接装置的功能元件另一种劣化形式是因承受的应力大于正常使用条件下的应力，或因反复承受应力，包括在标准使用范围内连接装置反复承受应力的情况，而出现不希望发生的材料塑化。而且，疲劳应力可能导致材料出现疲劳裂纹，从而导致连接装置的功能元件状况恶化。
6.因此，需要一种允许确定连接装置在组装时或在其使用过程中确定连接装置状态的解决方案。


技术实现要素：

7.本发明允许改善现状。
8.图1示出了现有技术的连接装置的局部剖视图。
9.图2示出了根据本发明的第一变型的连接装置。
10.图3示出了对于一个给定的连接装置，应力分量根据正对密封表面的深度的分布关系图。
11.图4示出了本发明一变型的示意性透视图。
12.图5示出了根据本发明第二变型的连接装置。
13.图6示出了根据本发明第三变型的连接装置。
14.图7示出了根据本发明第四变型的连接装置。
15.图8示出了根据本发明第五变型的连接装置。
16.根据第一方面，本发明涉及用于钢管的管状公螺纹或母螺纹连接装置(1)，其包括至少一个外螺纹(10)或内螺纹(11)、端部唇(12)、布置为容纳至少一个传感器(4)的增材制造制成的部分(3)，传感器与所述连接装置的功能表面(5、6、7)隔开一预定的距离，传感器(4)布置为用于测量与所述功能表面(5，6，7)相关的物理量，并且所述功能表面(5、6、7)选自密封表面、螺纹、止动件、内径或外径。这允许在连接装置中至少有一个传感器，并能获取连接装置物理条件的测量值。
17.根据一个方面，至少一个传感器(4)可以包括选自应变仪、剪切仪、罗氏应变仪、力传感器、温度计、压力传感器或阈值检测器的转换器。这允许获取连接装置内部的应力和温度的物理条件，这些物理量允许获取连接装置的无论是在应力、疲劳或使用条件下的状态。
18.根据另一方面，连接装置可以包括位于所述至少一个传感器(4)附近的，且位于至少一个传感器(4)和通过增材制造添加的部分(3)之间的热保护板(8)。这允许在制造连接装置和添加材料的过程中保护传感器及其相关的电子器件，同时也允许改善所述传感器的测量值。
19.传感器(4)可以隔开的距离d大于或等于最小深度pmin，使得：
[0020][0021]
根据一变型，功能表面可以是密封表面(5)，传感器(4)正对着密封表面(5)，与密封表面(5)的径向距离至少为0.6mm。这允许特别是测量与密封表面(5)有关的物理量。
[0022]
根据另一变型，所述传感器(4)选自应变仪、剪切仪、罗氏应变仪、力传感器，且所述传感器(4)正对密封表面(5)，且与密封表面(5)的径向距离至少为2
×
pmin。这允许可靠地测量连接装置中代表密封表面(5)承受应力的应力值。
[0023]
根据一补充或可替换变型，功能表面可以是外螺纹(10)或内螺纹(11)，传感器(4)正对所述外螺纹(10)或内螺纹(11)，距离螺纹底线大于或等于pmin。这允许可靠地测量连接装置中代表螺纹(10、11)承受应力的应力值。
[0024]
根据一补充或可替换变型，功能表面可以是外螺纹(10)或内螺纹(11)，传感器(4)可以以距离螺纹底线大于或等于0.6mm的距离，对着所述外螺纹(10)或内螺纹(11)。
[0025]
根据一补充或可替换变型，功能表面可以是内径(di)，传感器(4)可以对着内径(di)且与内表面(5)的径向距离至少为0.6mm。这允许可靠地测量连接装置中代表内表面(5)承受应力的应力值。
[0026]
根据一补充或可替换变型，功能表面可以是止动表面(6)，传感器距止动表面至少1mm的距离d。这允许可靠地测量连接装置中代表止动件(6)承受应力的应力值，并保护传感器免受通常施加在止动件上的高机械应力。
[0027]
根据一方面，添加的部分(11)可以通过选自堆焊方法、电子束熔化方法、金属粉末床激光熔化方法或“选择性激光融化”、选择性激光烧结方法、直接金属沉积方法或“直接能量沉积”、粘合剂喷涂沉积或激光喷涂沉积方法、弧—线增材制造沉积方法中的一个方法制成。
[0028]
本发明还涉及钢管的螺纹连接装置(1)的制作方法，其包括以下步骤：
[0029]-连接装置主体的初次加工，设置凹槽，
[0030]-在所述凹槽中安装至少一个传感器，可选地带有至少一个热保护板，
[0031]-通过增材制造沉积材料，以便从所述至少一个传感器(4)上方补全所述凹槽，以及可选地从热保护板(8)上方补全所述凹槽，并因此制成增材制造的部分。
[0032]-连接装置的补充加工，包括在所述通过增材制造制成的部分中加工功能表面。
具体实施方式
[0033]
借助于描述和附图，可以更好地理解本发明。
[0034]
图1示出现有技术的公螺纹连接装置(2)和母螺纹连接装置(1)的剖面部分视图，其分别包括外螺纹(10)和内螺纹(11)，母螺纹密封表面(7)和公螺纹密封表面(5)，包括公止挡件(6)的公端部唇(12)；母螺纹连接装置(2)上相应的母止挡件(9)。
[0035]
连接装置也可以包括例如位于母螺纹端部唇(13)和螺纹(10、11)之间额外的密封表面以及与公螺纹元件(1)上的相应密封表面的多个螺纹层。
[0036]
下述实施例描述的是公螺纹连接装置，但描述的特征也适用于母螺纹连接装置。
[0037]
图2示出了本发明第一实施例，其中公螺纹连接装置(1)包括主体(21)、螺纹(11)、端部唇(12)、增材制造制成的部分(3)和传感器(4)。
[0038]
传感器(4)包括允许将物理信号转换为其他信号，特别是电信号的转换器。
[0039]
增材制造制成的部分(3)包括密封表面(5)。传感器(4)与密封表面(5)相距一预定距离d。传感器(4)布置为用于测量与所述功能表面相关的物理量，所述功能表面在这里是密封表面。即传感器布置为能够测量物理量，如在所述功能表面(5)附近的应力、温度、力，这些物理量代表了在功能表面(5)处施加的量。
[0040]
根据一方面，连接装置包括位于传感器(4)附近的热保护板(8)并布置为将传感器(4)与通过增材制造添加的部分(3)分开。热保护板允许保护传感器在通过放热方法的增材制造制成的添加部分的制成步骤中免受热损伤。
[0041]
有利地，热保护板(8)布置为限制传感器(4)附近外表面处的应力传递损失。在第一实施例中，传感器附近的表面是密封表面(5)。因此，保护板布置为可以传递施加在密封表面(5)处并传递到密封表面(5)附近材料中的应力。转换器(4)和热保护板(8)可以通过胶合、螺丝固定、打孔而相互连接，转换器可以例如印刷在环氧树脂板上。在实践中，热保护板是大体上平的板。它可以包括折叠或弯曲的端部，使热保护板具有倒u型或h型轮廓，这用于横向保护传感器(4)和/或改善保护板在连接装置中的贴合。
[0042]
根据一方面，传感器(4)选自应变仪、剪切仪、罗氏应变仪、力传感器、温度计、压力
传感器、阈值检测器。
[0043]
作为示例，传感器(4)可以是薄膜网格型的压阻式应变仪，由印刷在环氧树脂支撑板上的电路制成，环氧树脂支撑板上拧紧固定在保护板上。可替换地，应变片可以是粘合在支撑板上的金属丝应变片。可替换地，传感器可以是焊接的或印刷的。
[0044]
有利地，支撑板是热保护板(4)。通过增材制造的材料添加是在热保护板上进行的，使得热保护板和添加的材料之间的紧密允许将添加的材料的应力向热保护板传递。
[0045]
热保护板可具有大于0.3mm的厚度。热保护板可以由钢、不锈钢或钛合金、铜合金和/或铝制成。热保护板可以是双层组合，一层是钢或不锈钢或钛合金层，一层是铜和/或铝合金层，即一层是低导热性的，用来阻止热量传播，一层是高导热性的，用来散热。
[0046]
根据另一方面，传感器(4)可以是集成型的。集成传感器除了将物理组件转换为电信号或测量信号的转换器外，还包括布置为将所述测量信号格式化为测量输出信号的电子件，可选地为存储模块和通信模块，以数据集的形式存储完成的测量值，并根据外部控制单元的请求进行测量数据通信。传感器还可包括电源。
[0047]
在图2所示的第一实施例中，传感器(4)位于密封表面(5)上。传感器(4)与密封表面(5)之间的距离d至少为0.6mm。
[0048]
更一般而言，当传感器(4)选自应力或力传感器时，如应变仪、剪切仪、罗氏应变仪、力传感器、压力传感器、阈值检测器，最好所述传感器(4)位于距离密封表面最小距离，距离d大于或等于深度pmin，如
[0049]
(1)
[0050]
这个方程式(1)适用于环形或环锥型的密封表面，即金属对金属的密封，其中一个表面具有曲率半径r。
[0051]
该最小距离pmin取决于密封表面的直径d、过盈量intf、支撑密封表面的唇的厚度e、环形部分的半径r和材料的泊松系数。应用乘法系数5.031。该系数相当于接触长度的一半乘以0.7861，允许计算出剪切应力最大的对应深度，即(12.8/2)x0.7861≈5.031数字0.7861对应于线性接触的赫兹理论系数。
[0052]
超过深度pmin后，应力值的变化是稳定的，值的变化没有拐点。此外，传感器的存在可能意味着材料中的应力由于不连续而重新分布，即使这种效应相对于密封表面的圆周而言仍然是点状的。
[0053]
尽管如此，已经确定从传感器到受力表面的最小距离为0.6mm，在大多数情况下，其允许避免应力突然变化，也允许限制应力重新分布的影响。传感器距离密封表面(5)最多5mm，以确保传感器(4)能够测量密封表面接触状态的代表性应力，特别是与母连接装置相应的密封表面接触的应力。
[0054]
连接装置可以包括超过一个的传感器，优选地周向分布。这些传感器可以是相同或不同的类型。补充地或可替换地，连接装置可以包括超过一个传感器，所有传感器都包含在同一个通过增材制造制成的部分(3)中。
[0055]
例如，图4中的管状螺纹连接装置(1)包括三个传感器(4a、4b、4c)。这三个传感器(4a、4b、4c)是应变仪。应变仪具有称为纵向方向的朝向。三个传感器(4a，4b，4c)布置为用于测量连接装置承受的应力的三个组成部分：轴向法向应变仪(4a)，其纵向方向基本平行
于连接装置的轴线；环向普通应变仪(即“hoop stress”)(4b)，其纵向方向大体上垂直于连接装置的轴线；剪切应变仪(4c)，其纵向方向与平行于连接装置的轴线的直线成45
°
角，并通过应变仪上的一个点。
[0056]
该示例相对于添加额外传感器是非限制性的，例如不同性质的传感器，如温度计、力传感器。例如，压力传感器可以是不同性质的。可以用另一种罗式应变仪，或剪切仪来代替应变仪。有利地，温度计允许了解传感器的工作温度，温度数据可以用来对一个或多个应变仪测量的应力值进行修正计算。
[0057]
可替换地，对于应变仪类型的传感器而言，应变仪可以通过增材制造方法制成，通过连续打印不导电和导电的层，并布置为允许制成导电和绝缘电路的图案。通常来说，导电路具有网格、梳尺和罗氏桥的形状，即传统应变仪形状。
[0058]
在包括多个圆周分布的传感器的连接装置变型中，根据本发明的连接装置可以包括圆形凹槽，其中放置有一圈传感器，通过增材制造进行材料沉积将凹槽补充完整。
[0059]
传感器(4)可以包括与传感器(4)的转换器相连的处理电子件。处理电子件可以包括信号调节级，其可包括转换器子级、放大器子级和滤波器子级。处理电子件可包括布置为用于存储测量数据的存储器。这样，传感器(4)可通过外部设备询问，以记录一段时间内完成的测量。
[0060]
变型中，传感器(4)可具有布置为对测量到的应力强度超过预定应力强度阈值的周期数量进行计数的电路。这样，传感器可记录连接装置在被监测功能表面处经历的周期数。
[0061]
处理电子件可通过导体或发射器连接，以允许将测量信号无线传输至控制单元。该控制单元布置为用于传输、处理或显示测量的量。
[0062]
图3为图表，其示出的曲线对应与对于现有技术的连接装置，材料中的应力分量随深度和对着密封范围的变化。纵轴对应于相对于密封表面的深度，单位为mm。横轴代表应力值，单位为mpa。可以确认，在超过1mm的深度后，应力变化急剧下降，而且应力变化趋于稳定，即没有曲线拐点，就像在距离密封表面约1mm的距离上，剪应力值的曲线一样。因此，在这种连接装置的情况下，最有利地是从距离密封表面1mm的地方引入材料的不连续性。计算表明，大多数连接装置的最小深度为0.6mm。另外，也可以使用根据上述公式(1)计算的最小深度pmin的计算值。
[0063]
优选地，传感器(4)与被监测的功能表面的距离至多为5mm，因为超过这个距离，待测量的物理量的某些分量，如应力，可能不再能以有效的方式或以能在物体表面处可靠地找到相应的代表性的量的方式进行测量。
[0064]
因此，传感器(4)可以布置为用于测量密封表面处的应力、力或温度，例如测量密封表面处的扭转应力。实际上，传感器具有给定的方向，因此应力分量已知，与密封表面预定距离的几何形状已知，因此可以根据传感器(4)测量的应力确定密封表面(5)的应力。
[0065]
螺纹加工
[0066]
根据图5所示的第二实施例，连接装置包括通过增材制造制成的部分(3)、位于与外螺纹(10)或内螺纹(11)相距一预定的距离的传感器(4)，依照连接装置分别为公连接装置或母连接装置，传感器(4)布置为用于测量与内螺纹或外螺纹相关的物理量。在图5所示的侧面图中，外螺纹(10)或内螺纹(11)包括一系列螺纹(61)，螺纹(61)包括峰顶(62)、根部
(63)、接合侧面(64)和加载侧面(65)。在剖视图中看到的螺纹根部(63)虚拟地由螺纹根部线(66)连接，螺纹根部线(66)是连接螺纹根部的虚拟线。传感器(4)与螺纹根线的距离至少为0.6mm。优选地，传感器(4)位于距离螺纹根部线至多5mm处。距离指从点到直线的距离，因此对应于直线上的点和直线之间的最短距离，即传感器和螺纹根部线的一个点之间的最短距离。
[0067]
连接装置包括多个螺纹级，如果螺纹级是对齐的，可以具有一条螺纹根线，或者当螺纹级没有对齐时，每个螺纹级可以具有自己的螺纹根线。
[0068]
因此，传感器(4)可布置为用于测量施加在螺纹中的应力、力或温度，例如，用于测量螺纹牙根部的剪切应力。事实上，传感器具有给定的定向，因此应力分量已知，离螺纹牙根部具有预定的距离，而且牙的几何形状已知，可以根据传感器(4)测量的应力确定施加在螺纹牙根部的应力。
[0069]
止动件
[0070]
根据图6所示第三实施例，连接装置包括通过增材制造制成的部分(3)、传感器(4)和止动表面(6)，传感器(4)与止动表面(6)相距一预定的距离，并布置为用于测量与止动表面(6)相关的物理量。优选地，传感器(4)与止动表面(6)相距大体上轴向的距离d至少为1mm，且至多为7mm。传感器距离止动表面的距离比其他功能表面的情况基本上更大，因为止动表面处的力要大于其他功能表面上的力。
[0071]
与其他实施例类似，在传感器(4)处测量的应力允许确定在止动表面处对应的应力。例如，这允许检测止动件的塑化风险，或者当传感器配备了存储器和超过预定阈值的计数器时，允许为止动表面施加应力的周期数计数。
[0072]
内径
[0073]
根据图7所示的第四实施例，连接装置是公螺纹连接，且包括布置为用于容纳传感器(4)和内表面(81)的通过增材制造制成的部分(3)，传感器(4)与内表面(81)相距一预定是距离，并布置为用于测量与内表面(81)相关的物理量。通过增材制造制造的部分将传感器(4)与内表面(81)分开。该通过增材制造制成的部分包括内表面(81)的一部分。优选地，传感器(4)与内表面相距的大体上径向的距离d至少为0.6mm，以保护传感器(4)免受内表面(81)在使用中可能出现的磨损。优选地，传感器(4)与内表面(81)的距离小于或等于7mm。
[0074]
所有四个实施例互不排斥，它们可相互完美结合，也可以全部结合在一起。
[0075]
图8示出了结合多个所述实施例的一变型，具有接头，其中母螺纹连接装置2包括两个通过增材制造添加的区域(3a、3b)，这两个区域被布置为用于容纳两个传感器(4a、4b)，传感器分别布置在与母止动表面(9)和密封表面(7)相距预定距离的位置。密封表面(7)附近的传感器(4b)连接至处理电子件(22)和位于外表面(25)附近的传输电子件(23)。
[0076]
根据本发明的另一方面，传感器(4)可以连接至处理电子件(22)和/或传输电子件(23)。这些处理和/或传输电子件(22、23)可以布置在传感器附近，这些电子件可以植入在集成传感器的同一壳体中。
[0077]
当这些电子件(22，23)的至少一部分与传感器(4)有一定距离时，连接装置可以包括导电轨道，特别是隔开定位于布置的槽座中的导线，其壁的部分通过增材制造制成。这些导体优选地通向不完全的螺纹附近，或在油脂袋附近，或甚至在公螺纹连接装置情况中的内表面上，或在母螺纹连接装置或套筒情况下的外表面上。与完全的螺纹、密封表面或止动
件相比，这些布置承受的机械载荷更低。
[0078]
电子件
[0079]
处理电子件(22)包括电路，该电路布置为用于通过输入接收来自传感器的电信号，并通过输出发射经转换因子k修正的由传感器测量的量的代表信号。该转换因子k可以预先确定，以考虑到传感器的位置、其相对于相关功能表面的深度或距离、补充元件的存在如保护板(8)，保护板能够在材料中引入不连续性并扰乱机械应力或温度在部件体积中的分布。转换因子k可以是线性的。转换因子可以是非线性的。优选地，转换因子是通过基于连接装置模型、传感器配置和所述传感器的植入进行的校准来确定。具有足够的植入深度，应力值随深度的变化就会越小并允许获得从一个配备有传感器的连接装置到另一个具有相通配置的连接装置的测量值的良好的重复性。因此可以根据标准模型校准传感器和处理电子件(22)。
[0080]
获取方法
[0081]
根据一个方面，本发明还涉及获得配备有至少一个传感器的连接装置的方法，其中通过铣削或车削对管状元件进行初次加工。
[0082]
初次加工可以是凹槽，形式为镂空部分或沟槽，镂空部分或沟槽从在对管状元件钻孔后、或在可能的呈锥形步骤后获得的管状元件出发制得，获得的管状元件被称为连接装置的主体。
[0083]
接着的第二个安装步骤包括放置一个或多个传感器(4)的动作，传感器可能地布置在一个或多个热保护板附近。
[0084]
第三步骤是通过增材制造在一个或多个传感器(4)上放置材料，以填充加工后的镂空部分或沟槽。在环形沟槽的情况下，通过增材制造的材料沉积可以用非旋转打印头和旋转管完成。
[0085]
第四步包括连接装置的补充加工，以制成功能表面，其中的至少部分加工是通过增材制造添加材料进行的，功能表面选自密封表面、止动表面、内表面或外表面、螺纹。