JP2001173850A - 鋼管用継手 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、以前より苛酷な作業環境においても
シール性に優れた鋼管用継手を提供することを目的とし
ている。 【解決手段】管体の先端側に環状面、後端側に雄ネジを
設けた外周面を有する雄部材と、この雄部材を内部に収
容する空洞を有し、その空洞に前記雄ネジに螺合する雌
ネジ、前記先端側の環状面に接触、衝合する環状面を有
する雌部材とで形成される鋼管用継手において、管縦断
面でみて、前記雄部材環状面の先端部までの外周側輪郭
を、２つの曲率半径を有する曲線形状とし、雌部材の空
洞内輪郭を前記雄部材の外周側輪郭に対応する形状とし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鋼管用継手に係わ
り、詳しくは、継手の雄部材外周面と雌部材内周面との
間のシール性を改良する技術である。

【０００２】

【従来の技術】天然ガスや原油は、地表から数千ｍにも
及ぶ地中から汲み上げられることが多い。そのために
は、鋼管用継手（以下、単に継手という）を用いて連結
した多数本の油井管が使用される。したがって、油井管
を連結する継手は、高圧、高荷重の下でシール性（管の
外部にガスや原油を漏らさないこと）に優れていること
が要求される。

【０００３】一般に、これら継手は、図５に示すよう
に、雌ネジ１を設けた内周面を有する雌部材（ボックス
という）２と、その雌ネジ１に螺着する雄ネジ３を外周
面に設けた雄部材（ピンという）４とを備えた方式であ
る。それは、油井管５の長手方向の両端にピンを設け、
それをボックスを有する雌部材２（カップリングともい
う）に挿入し、ネジ同士を螺着させるものである。現在
では、シール性を向上させるため、図５に示したよう
に、ピン４の外周面に設けるネジを先端部分の手前で、
ボックス２の内周面に設けるネジも奥手前までとし、ネ
ジを設けていない金属面６同士を接触させるようにして
いる。つまり、雄部材４と雌部材２とを完全に噛み合わ
せた時に、雄部材４の金属面６と雌部材３の金属面６と
の接触でシールを行なうのである。なお、これらの金属
面６の形状は、環状になっている。かかる継手でも、接
触させる金属面６の形状によってシール性に優劣が生じ
るので、従来よりこの継手のシール性を良くする技術の
開発が多々行なわれてきた。

【０００４】本出願人も、特開昭６０−２６０７９２号
公報にて、以前よりシール性が格段と優れた継手を提案
している。それは、「ネジを設けた内周面を有する雌部
材と、この雌部材内に収容するようこの雌部材の前記雌
ネジに螺合する雄ネジを有する外周面を前記雌部材の前
記内周面に対応して設けた雄部材とを具える管継手にお
いて、前記雌部材と前記雄部材とを完全に互いにかみ合
わせた時これら部材の一方の部材の自由端におけるほぼ
接線方向に指向する環状面と、他の部材の対応して対向
するほぼ軸線方向に指向する環状面とが衝合してシール
するよう接触して構成される両部材の衝合面が連続して
湾曲し両部材の半径方向外方に指向する部分と、半径方
向に指向する部分とで構成されたことを特徴とする管継
手」である。具体的には、図４（ａ）及び図４（ｂ）に
示すように、半径方向外方に軸線方向に向き第１の曲率
半径を有する第１の環状面部（記号Ｒ１）と、半径方向
内方に軸線方向に向き第２の曲率半径を有する第２の環
状面部（記号Ｒ２）と、前記第１の曲率半径及び第２の
曲率半径より小さい第３の曲率半径（以下、アールとい
う）を有する第３の環状面部（記号Ｒ３）とを設け、各
環状面部が互いに共通接線を有するようにした継手であ
る。つまり、前記した金属面が所謂３つのアールを有す
る面で形成されている。この継手を使用すると、雄部材
４と雌部材２とを完全に噛み合わせた時、接触面のいず
れにも応力集中が生ぜず、３軸圧縮によってシールが完
全になり、高い内圧や外圧が加わってもシールが損なわ
れることがないと主張した。実際の使用においても、従
来に比べてシール性は著しく向上し、良好な操業成績を
得ていた。

【０００５】しかしながら、天然ガスや原油の探査、生
産に関する最近の作業環境は、以前に比べ益々悪化し、
深度１万メートルにも達するようになった。そのため、
上記した継手を使用してもシールが損なわれ、最悪な事
態では、やむなく作業の中断や油井の放棄をする場合も
出現している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる事情
に鑑み、以前より苛酷な作業環境においてもシール性に
優れた鋼管用継手を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】発明者は、上記目的を達
成するため、鋼管用継手のシール性について鋭意研究
し、その成果を本発明に具現化した。

【０００８】すなわち、本発明は、管体の先端側に環状
面、後端側に雄ネジを設けた外周面を有する雄部材と、
この雄部材を内部に収容する空洞を有し、その空洞に前
記雄ネジに螺合する雌ネジ、前記先端側の環状面に接
触、衝合する環状面を有する雌部材とで形成される鋼管
用継手において、管縦断面でみて、前記雄部材環状面の
先端部までの外周側輪郭を、２つの異なった曲率を有す
る曲線形状とし、雌部材の空洞内輪郭を前記雄部材の外
周側輪郭に対応する形状としたことを特徴とする鋼管用
継手である。

【０００９】また、本発明は、前記雄ネジ及び雌ネジの
荷重面を負のロード・フランク角を有するネジ山で形成
し、該荷重面を雄ネジの高さ方向で上下に二分する位置
で、前記ロード・フランク角を変化させ、上方のロード
・フランク角を下方よりも０．５〜２．０°小さくした
ことを特徴とする鋼管用ネジ継手である。

【００１０】本発明によれば、環状面の製作が従来より
精度良く行なえるようになり、以前より苛酷な作業環境
においてもシール性が優れた鋼管用継手を提供できるよ
うになった。また、ネジ山の形状を改善することで、こ
のシール性は一層良くなった。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、発明をなすに至った経緯を
交え、本発明の実施の形態について説明する。

【００１２】まず、発明者は、特開昭６０−２６０７９
２号公報に開示された鋼管用継手が、過酷な条件下で使
用されると、シールが損なわれる原因を追求した。その
結果、その継手は、図３に拡大して示すように、シール
作用を果たす雄部材４及び雌部材２の金属面（以下、環
状面という）に凹凸１５が多数生じており、雄部材４と
雌部材２を噛み合わせて接触させた際、その部分に応力
集中が生じて塑性変形し、シールが損なわれることがわ
かった。凸部があれば、そこに応力が集中して塑性変形
し、凹部があればその両端に応力が集中する。その結
果、隙間が生じシールが不完全になるのである。さら
に、凹凸１５が生じる原因を調査したところ、それは、
下記のように、製作時の加工上の問題であることを突き
止めた。

【００１３】特開昭６０−２６０７９２号公報に開示さ
れた鋼管用継手は、雄、雌部材共に所謂「ＮＣ機械」
（バイトの位置をコンピュータを介して数値制御する）
で環状面を切削する。それらの環状面の輪郭は、管縦断
面でみて前記したように異なる３つの曲率を有する曲線
形状である。ところが、「ＮＣ機械」といえども、３つ
の曲率を滑らかに連ねた面を加工することは難しい。コ
ンピュータは、Ｘ軸サーボモータ（刃物の部材径方向移
動量を決める）とＺ軸サーボモータ（刃物の部材軸方向
移動量を決める）に、０．００１ｍｍの単位で移動指令
を出すが、刃物の実際の移動距離は、機械のバック・ラ
ッシュ（ガタ）等で指令値とわずかながら異なった値に
なる。そのため、直線加工と異なり、曲線加工は難し
く、凹凸が生じてしまう。それに加えて、異なる３つの
曲率形状を連ねるように切削するので、一層凹凸の程度
が増す。従来のように異なる３つの曲率を連接する場
合、その連接部を滑らかな曲面にするのは非常に難し
く、凹部が生じて応力集中の要因となり、その部分より
塑性変形やクラックが生じ、シール性が維持できなくな
るのである。つまり、曲率の異なる面が増加するほど、
滑らかな加工に不利となる。

【００１４】そこで、発明者は、曲率の異なる環状面の
低減を図り、シール性を調査した。そして、管縦断面で
みて、図１に示すように、前記雄部材環状面の先端部７
までの外周側輪郭を、２つの異なった曲率を有する曲線
形状とし、雌部材２の空洞内輪郭を前記雄部材４の外周
側輪郭に対応する形状にすれば良いことを見出した。つ
まり、図１に示したように、前記雄部材環状面の先端部
７より内周側の輪郭を直線形状８（図１に点線で示す）
とすることで、図４のＲ２に相当する曲率を有する環状
面を１つ減らし、環状面同士（Ｒ１とＲ３）の連結を以
前より滑らかにしたのである。その結果、凹凸１５が以
前より低減し、シール性も改善された。

【００１５】また、発明者は、上記改良に加えて、ネジ
山の形状変更も行なった。

【００１６】最近、油井管の施工時に頻度が高くなって
きたが、油井管の軸方向に圧縮力が負荷される。この場
合、その後に管の自重でネジに引張力あるいは曲げ力が
負荷されると、通常用いられていた所謂「ＡＰＩの台形
ネジ」では、ネジ山が浮き、内部流体（天然ガス、原
油）が外部に漏れるという不具合が生じることがある。
そこで、特開平６−２８１０５９号公報や特開平６−２
８１０６１号公報に開示されたように、前記ネジの荷重
面９のロード・フランク角αを負にして、ネジの浮き上
がりを防止することが提案された。しかしながら、この
ロード・フランク角αを負にすると、油井管の施工（接
続）作業時に雄ネジ３と雌ネジ１の荷重面９が強接触し
て応力が集中し、ネジの角部が損傷してしまい、ガス及
び液漏れの原因となる。本発明では、かかる油井管施工
時のネジ山損傷対策についても鋭意検討し、ネジ山の形
状を下記のように改めたものも、本発明としたのであ
る。

【００１７】つまり、図２に示すように、前記雄ネジ３
及び雌ネジ１の荷重面９を負のロード・フランク角を有
するネジ山で形成し、該荷重面９を雄ネジ３の高さ方向
で上下に二分する位置で、前記ロード・フランク角を変
化させ、上方のロード・フランク角を下方よりも０．５
〜２．０°小さくした。このネジ山は、雄ネジ３と雌ネ
ジ１の荷重面９は、互いに接触し、挿入面１０は隙間が
生じるようになっている。また、雄ネジ３の頂面１１と
雌ネジ１の底面１２間は、隙間があり、雄ネジ３の底面
１３と雌ネジ１の頂面１４は接触するようになってい
る。

【００１８】本発明は、かかるネジ部において、前記荷
重面９を、ネジ山の中間位置、つまり雄ネジ３の高さ方
向の中間位置で上方と下方のロード・フランク角α１、
α２が異なるようにしたものである。具体的には、荷重
面９のロード・フランク角を−３°〜−６°の範囲にす
ると共に、上方のロード・フランク角（α１）を下方の
もの（α２）より０．５°〜２．０°小さくしてある。

【００１９】なお、本発明で、雄ネジ３の上方のロード
・フランク角（α１）を下方のもの（α２）より、０．
５〜２．０°小さくしたのは、０．５°未満では、ネジ
加工用刃物の製造公差で０．５°未満のネジは加工でき
ず、２．０°超えでは、下方のロード・フランク角が強
接触しすぎになり、不都合だからである。これによっ
て、油井管の施工時あるいは使用時にネジの角部が損傷
することがなく、圧縮や曲げがかかってもガスや流体の
漏れが防止できるようになった。

【００２０】

【実施例】油井管５の先端に前記ピン４及び雌部材２の
空洞内に、図１に示したように、互いに曲率の異なった
２つの環状面（Ｒ１及びＲ３）を有する鋼管用継手を設
け、両者を接続し、流体漏れの調査を行った。その際使
用した油井管５及び雌部材２のサイズは、表１の通りで
ある。また、同じ油井管５及び雌部材２に従来の継手を
設けたものでの調査も行った。いずれの調査も、流体と
して原油や天然ガスに替え高圧の水及びガスを採用し、
漏れ程度の評価は、ＡＰＩ規格別でクラス−１（最上
級）＋αに準ずる方法で行った。また、環状面ばかりで
なく、ネジ山に本発明に係る改良を加えた継手でも調査
した。なお、ネジ山の荷重面９及び挿入面１０のロード
・フランク角α１、α２は、種々の値を組み合わせるよ
うにした。

【００２１】調査の結果を表２に一括して示す。表２よ
り、本発明に係る鋼管用継手は、いずれの場合も、ガス
及び液漏れも生じないことが明らかである。また、ネジ
山の改良を加えたものは、施工時のネジ山損傷が皆無
で、一層良い結果が得られた。

【００２２】それに対して、従来の継手の場合は、やは
り損傷及び流体漏れが生じていた。なお、表２の損傷
率、あるいは流体漏れ率は、各実施例でそれぞれ油井管
４の接続を５０本行い、それらの発生率で示している。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【表２】

【００２５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明により、環状
面の製作が従来より精度良く行なえるようになり、以前
より苛酷な作業環境においてもシール性が優れた鋼管用
継手を提供できるようになった。また、ネジ山の形状を
改善することで、油井管の接続時に圧縮や曲げが作用し
ても、従来のような損傷及び液漏れは生じなくなった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る鋼管用継手の環状面部を拡大した
図である。

【図２】本発明に係る鋼管用継手のネジ部の一例を示す
図である。

【図３】従来継手の環状面を拡大し、凹凸の存在を説明
した図である。

【図４】従来継手の環状面を示す図であり、（ａ）は雄
部材（ピン）、（ｂ）は雌部材（ボックス）である。

【図５】ネジと環状面を有する一般的な鋼管用継手を示
す図である。

【符号の説明】

１ 雌ネジ ２ 雌部材（ボックス） ３ 雄ネジ ４ 雄部材（ピン） ５ 油井管 ６ 金属面（環状面部） ７ 先端部 ８ 直線状形状 ９ 荷重面 １０ 挿入面 １１ 雄ネジの頂面 １２ 雌ネジの底面 １３ 雄ネジの底面 １４ 雌ネジの頂面 １５ 凹凸

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 管体の先端側に環状面、後端側に雄ネジ
   を設けた外周面を有する雄部材と、この雄部材を内部に
   収容する空洞を有し、その空洞に前記雄ネジに螺合する
   雌ネジ、前記先端側の環状面に接触、衝合する環状面を
   有する雌部材とで形成される鋼管用継手において、 管縦断面でみて、前記雄部材環状面の先端部までの外周
   側輪郭を、２つの異なった曲率を有する曲線形状とし、
   雌部材の空洞内輪郭を前記雄部材の外周側輪郭に対応す
   る形状としたことを特徴とする鋼管用継手。
2. 【請求項２】 前記雄ネジ及び雌ネジの荷重面を負のロ
   ード・フランク角を有するネジ山で形成し、該荷重面を
   雄ネジの高さ方向で上下に二分する位置で、前記ロード
   ・フランク角を変化させ、上方のロード・フランク角を
   下方よりも０．５〜２．０°小さくしたことを特徴とす
   る請求項１記載の鋼管用ネジ継手。