JP2002031279A - 管継手の締め付け方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】管継手の締め付けにおいて、継手の種類や使用
条件に左右されることなく、十分な気密性を確保し、締
め付け過剰による塑性変形を防止する方法を提供する。 【解決手段】管端に雄ねじ部、ねじ無し金属密封面およ
びねじ無し肩部を有するピンと、上記ピンと相対するよ
うに、雌ねじ部、ねじ無し金属密封面およびねじ無し肩
部を有するカップリングとからなる管継手の締め付け方
法において、ショルダリングトルクの1.25〜20倍となる
ように最終締め付けトルクを設定することを特徴とし、
必要に応じて、上記トルク比を1.4〜10倍とし、また、
隙間計測機器、例えば隙間ゲージでねじ無し肩部の衝接
を確認することを特徴とする管継手の締め付け方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、管端にねじ部およ
びねじ無し肩部を有する管継手の締め付け方法に関し、
さらに詳しくは、過酷な油井環境で使用される管継手で
あっても、充分な気密性が確保でき、締め付け過剰によ
る塑性変形を回避することができる締め付け方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、油井やガス井を採掘する環境はま
すます過酷なものとなり、油井等の高深度化が促進され
ることから、これらの採掘に用いられる油井管は多量に
供給されている。一般的に、採掘現場における油井管の
接続には、ねじを有する管継手の螺合による締め付け方
法が用いられる。

【０００３】図１は、アメリカ石油協会（以下、「ＡＰ
Ｉ」という）が規定するねじ継手の締め付け状況を管半
径方向から見た断面図である。同図(a)は丸ねじの場合
を、(b)はバットレス（台形）タイプねじの場合の図示
している。図１に示す通り、丸ねじおよびバットレスタ
イプねじのいずれの場合においても、ピン11の管端に加
工された雄ねじ12がカップリング21に加工された雌ねじ
22で接続される構成である。この構成では、ねじ継手の
締め付け完了後において、ピンの先端は隙間を有し、ピ
ンとカップリングの先端が接することがない。

【０００４】図１に示すねじ継手では、ピン11とカップ
リング21とが接している部分は、雄ねじ12と雌ねじ22と
の接合部だけであるため、前述の通り、井戸環境が過酷
になるにしたがい、管の自重、管の内外面に加わる圧力
等の影響から管継手部での気密性が損なわれるという問
題が発生する。そのため、最近では、このような問題を
解決するために、特殊継手が使用されるようになってい
る。

【０００５】図２は、特殊継手の構造例を管半径方向か
ら見た断面図である。図２に示すように、特殊継手は、
管端に雄ねじ12、ねじ無し金属密封面13およびねじ無し
肩部14を有するピン11と、上記のピン11と相対するよう
に、雌ねじ部22、ねじ無し金属密封面23およびねじ無し
肩部24を有するカップリング21とが接続される構成を有
している。このような構成の特殊継手を使用すれば、雄
ねじ12と雌ねじ22との接合部だけでなく、ねじ無し金属
密封面13、23の間およびねじ無し肩部14、24の間におい
ても、ピン11とカップリング21が衝接することとなり、
より高度の気密性を確保することができる。

【０００６】図２に示す構造を有する特殊継手の締め付
けにおいては、後述する図３に示すように、締め付けト
ルクが段階的に上昇するようになるので、締め付け完了
時の締め付けトルク（以下、必要ある場合には「最終締
め付けトルク」という）をある程度予想することができ
る。これにより、次のような問題を解消することができ
る。

【０００７】すなわち、ＡＰＩで規定するねじ継手では
最終締め付け位置が定められていることから、これを満
足するために締め付けの際に目視で締め付け位置を確認
する必要があり、作業性が悪いという問題があったが、
このような問題を解消することができる。

【０００８】したがって、特殊継手の締め付けでは、ト
ルク管理によって締め付けコントロールが可能になるこ
とから、大幅な作業性の改善が達成できる。しかし、特
殊継手のねじ無し肩部に負荷されるトルク、すなわちデ
ルタトルクが小さすぎると、油井管は油井内等で垂直に
挿入して接合されるため、管自重による引張力が作用し
て、ねじ無し肩部の衝接部分が開口し、充分な気密性が
確保できなくなる。また、特殊継手の金属密封面はテー
パー面であるため、ピンとカップリングとの締め付けに
ともなって、締め付けトルクに変曲点が発生することに
なる。

【０００９】図３は、特殊継手の締め付け開始から完了
までの締め付けトルクと締め付けターン数の関係を定性
的に示した図である。図中の第１屈曲点は、特殊継手の
締め付けに際し、初めてテーパー面で構成されるねじ無
し金属密封面13および23が接する点であり、テーパー面
が急勾配になるほど、径方向の分力が大きくなるので、
その屈曲は大きくなる。さらに、第２屈曲点は、初めて
ねじ無し肩部14および24が接する点であり、このときの
締め付けトルクをショルダリングトルクという。

【００１０】図３に示す関係を詳細に説明すると、第１
屈曲点までの締め付けトルクは、雄ねじ12と雌ねじ22と
の干渉によって生じるトルク、すなわち、ねじ部トルク
だけである。次に、第１屈曲点〜第２屈曲点の間の締め
付けトルクは、このねじ部トルクとねじ無し金属密封面
13および23の干渉によって生じるトルクとの和である。
さらに、第２屈曲点における締め付けトルクは、前述の
通り、ねじ部干渉トルクと金属密封面の干渉トルクがね
じ無し肩部14および24の衝接によって制限され、それぞ
れのトルク限界値の和としてショルダリングトルクとな
る。そののちの第２屈曲点以降の締め付けトルクは、こ
のショルダリングトルクに、ねじ無し肩部14および24の
干渉によって生じるデルタトルクを加えたものである。

【００１１】したがって、特殊継手の締め付けトルク
は、図３に示すように、（最終締め付けトルク）＝（シ
ョルダリングトルク）＋（デルタトルク）の関係で整理
することができる。なお、上記のようなねじ無し金属密
封面13および23を有しない特殊継手もあるが、このよう
な構成の特殊継手を締め付ける場合、上記の第１屈曲点
がないことは言うまでもない。

【００１２】従来から、特殊継手の締め付け方法に関し
て提案がなされている。例えば、特開平６−２２１４７
５号公報では、予め設定した目標デルタトルクを確保す
るのに必要な残りのターン数を、実際の継手の締め付け
トルクとターン数との関係を表す曲線から求める方法を
開示している。しかしながら、上記公報で提案された方
法を操業に適用する場合には、管継手の材質や寸法等に
応じ、また潤滑剤の有無等の使用条件が変わる毎に目標
デルタトルクを設定する必要がある。

【００１３】さらに、上記公報には適正なデルタトルク
の設定範囲について言及されていない。目標デルタトル
クの設定値が小さすぎると、十分な気密性を得ることが
できず、一方、目標デルタトルクの設定値が大きすぎる
と管自体に塑性変形が生ずる可能性があるという問題が
ある。したがって、提案された締め付け方法は、実際の
油井等での採掘に採用することができない。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
に鑑みなされたものであり、管継手の締め付けにおい
て、ショルダリングトルクから最終締め付けトルクの適
正な設定範囲を定めることによって、管継手の種類や使
用条件に左右されることなく、十分な気密性を確保で
き、締め付け過剰による塑性変形を防止することができ
る管継手の締め付け方法を提供することを目的としてい
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、管端に雄ねじ
部、ねじ無し金属密封面およびねじ無し肩部を有するピ
ンと、上記ピンと相対するように、雌ねじ部、ねじ無し
金属密封面およびねじ無し肩部を有するカップリングと
からなる管継手の締め付け方法において、最終締め付け
トルクをショルダリングトルクの1.25〜20倍となるよう
に設定することを特徴とする管継手の締め付け方法を要
旨としている。

【００１６】上記管継手の締め付け方法においては、さ
らに最終締め付けトルクをショルダリングトルクの1.4
〜10倍とするのが望ましい。

【００１７】また、ショルダリングトルクを決定する際
には、上記ピンおよびカップリングのねじ無し肩部の衝
接を締め付けトルクとターン数との関係を表す曲線から
求めるとともに、この衝接を隙間計測機器で確認するこ
とが望ましい。上記隙間計測機器は、0.1mm程度の隙間
を計測できる機器であればよく、特に、隙間ゲージを用
いるのが好適である。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の管継手の締め付け方法で
は、最終締め付けトルクをショルダリングトルクの1.25
〜20倍となるように設定することで、デルタトルクその
ものを制御する必要がなく、良好な気密性を確保するこ
とができる。また、従来の方法であれば、締め付け条件
の変動や潤滑剤の有無によって、最終締め付けトルクや
デルタトルクを変化させなければならなかったが、本発
明の方法では、最終締め付けトルクとショルダリングト
ルクの比が所定の範囲内になるように、最終締め付けト
ルクを基準に管理することによって、各種の条件が変動
した場合であっても、管継手の気密性を確保することが
できる。

【００１９】換言すれば、本発明の締め付け方法であれ
ば、いずれの種類、寸法および材質の管継手に対して
も、前記の最終締め付けトルクとショルダリングトルク
の比を1.25〜20の範囲内になるように管理することによ
って、管継手の気密性を確保することができる。

【００２０】本発明において、最終締め付けトルクがシ
ョルダリングトルクの1.25倍未満と低すぎる場合には、
締め付け直後にピンとカップリングのねじ無し肩部が衝
接していても、厳しい井戸環境下に曝された際に、十分
な気密性が得られないことを評価試験によって確認して
いる。このため、最終締め付けトルクをショルダリング
トルクの1.25倍以上とする必要がある。

【００２１】一方、最終締め付けトルクがショルダリン
グトルクの20倍を超える場合、締め付けが過剰となり、
塑性変形が生ずる可能性があるため、最終締め付けトル
クをショルダリングトルクの20倍以下にする必要があ
る。

【００２２】さらに厳しい継手評価試験の条件下におい
ても、気密性が確保できるようにするには、最終締め付
けトルクとショルダリングトルクの比を1.4〜10で管理
するのが望ましいことを確認している。すなわち、最終
締め付けトルクをショルダリングトルクの10倍以下にす
ることによって、さらに高い圧縮力が負荷された場合に
おいても、継手に作用する圧縮力を軽減することができ
る。一方、最終締め付けトルクをショルダリングトルク
の1.4倍以上とすることによって、さらに高い引張力が
負荷された場合においても、良好な気密性を確保するの
に必要な圧縮力を確保できる。

【００２３】前述の通り、ピンおよびカップリングに設
けられた金属密封面は、通常テーパー面であるため、こ
のテーパー面の勾配が急になると径方向分力が大きくな
り、第１屈曲点における屈曲が大きくなる。

【００２４】図４は、第１屈曲点における屈曲が大きい
場合の特殊継手の締め付け開始から完了までの締め付け
トルクと締め付けターン数の関係を定性的に示した図で
ある。図４に示すようなトルクカーブを有する管継手を
締め付ける場合には、第２屈曲点の屈曲が小さくなるの
で、第１屈曲点をショルダリングトルクと読み違えて、
本発明で規定する最終締め付けトルクの範囲よりも低い
値で締め付けを完了するおそれがある。このような場合
には、隙間ゲージ等の隙間計測機器を用いて、ピンとカ
ップリングのねじ無し肩部の衝接を確認するのが望まし
い。なお、隙間計測機器は、例示する隙間ゲージの他
に、機械式、光学式、電気式等いずれの方式のものであ
っても使用することができる。

【００２５】

【実施例】本発明方法の効果を確認するため、下記の特
殊継手ＡおよびＢを用いて気密試験を実施した。 継手Ａ：ＡＰＩグレードのＬ80（最小降伏強度が550MPa
/80ksi）、 外径：88.9mm、肉厚：6.45mm 継手Ｂ：ＡＰＩグレードのＰ110（最小降伏強度が760MP
a/110ksi） 外径：177.8mm、肉厚：10.36mm 上記特殊継手Ａ、Ｂの締め付けは、最終締め付けトルク
とショルダリングトルクの比を適宜変化させて実施し
た。また、それぞれの気密性能は、ＡＰＩ ５Ｃ５に規
定される継手評価試験法と、同一試験番号の各継手につ
いてさらに厳しい評価条件による圧縮追加試験法とを用
いて継手評価を行った。

【００２６】継手評価試験法では、圧縮負荷荷重をＡＰ
Ｉ ５Ｃ５に規定される管本体の降伏強度の40％として
いるのに対し、圧縮追加試験法では、圧縮負荷荷重を管
本体の降伏強度の40％よりも増加させ、60％までとした
厳しい条件での試験方法である。両者による試験結果を
表１に示す。

【００２７】本実施例では、ショルダリングトルク（Ｔ
Ｓ）および最終締め付けトルク（ＴＦ）の計測は、ロー
ドセルを備えた締め付け装置によってトルクを計測し、
締め付けトルクとターン数との関係を表す曲線から読み
取る方法を採用した。また、一部の試験については、前
述の計測と併せて、ピンとカップリングのねじ無し肩部
の衝接を隙間ゲージで確認して、ショルダリングトルク
を決定した。計測したトルクから最終締め付けトルクと
ショルダリングトルクの比（ＴＦ／ＴＳ）を求めて表１
に示している。

【００２８】継手評価試験法および圧縮追加試験法の試
験結果は、（リーク発生数／試験数）としてリーク発生
率で示した。いずれの各試験番号においても、試験本数
は３本とした。このときの評価結果は、全試験本数でリ
ークが発生せずに気密性が良好な場合を○印で、一部の
試験にリークが発生して気密性がやや不良な場合を△印
で、さらに全試験本数でリークが発生して気密性が不良
な場合を×印で表示した。

【００２９】

【表１】 表１に示すように、試験番号１〜９は継手Ａを使用し、
試験番号10〜18は継手Ｂを使用している。また、試験番
号１、３、４、７、８、９、10、12、13、16、17および
18では、隙間ゲージを用いてピンとカップリングのねじ
無し肩部の衝接を確認した（該当する継手には、ＴＳに
ｇを付している）。試験番号４〜８では、最終締め付け
トルクとショルダリングトルクの比（ＴＦ／ＴＳ）が1.
25〜19.6であり、本発明で規定する範囲内であることか
ら、継手評価試験法（ＡＰＩ）においていずれもリーク
を発生することなく、良好な気密性を示した。

【００３０】これに対して、試験番号３は、最終締め付
けトルクとショルダリングトルクの比（ＴＦ／ＴＳ）が
1.18と、本発明で規定する範囲よりも低過ぎたため、継
手評価試験法（ＡＰＩ）で一部にリークが発生した。試
験番号１および２では、最終締め付けトルクとショルダ
リングトルクの比（ＴＦ／ＴＳ）が1.05〜1.11とさらに
低くなり過ぎたため、継手評価試験法（ＡＰＩ）で全て
リークが発生し、気密性は不良であった。一方、試験番
号９は、最終締め付けトルクとショルダリングトルクの
比（ＴＦ／ＴＳ）が20.6と高過ぎて締め付け過剰とな
り、衝接したねじ無し肩部に塑性変形が生じたため、、
継手評価試験法（ＡＰＩ）で一部にリークが発生し、十
分な気密性は得られなかった。

【００３１】継手Ｂに関しても同様に、試験番号13〜17
は、最終締め付けトルクとショルダリングトルクの比
（ＴＦ／ＴＳ）が1.27〜19.8であり、本発明で規定する
範囲内であることから、継手評価試験法（ＡＰＩ）にお
いてリークを発生することなく、良好な気密性を示し
た。

【００３２】これに対して、試験番号10〜12は、最終締
め付けトルクとショルダリングトルクの比（ＴＦ／Ｔ
Ｓ）が本発明で規定する範囲よりも低過ぎることから、
継手評価試験法（ＡＰＩ）で良好な気密性を発揮するこ
とができなかった。また、試験番号18は、最終締め付け
トルクとショルダリングトルクの比（ＴＦ／ＴＳ）が本
発明で規定する範囲よりも高過ぎることから、継手評価
試験法（ＡＰＩ）で十分な気密性は得られなかった。次
に、さらに圧縮追加試験法による評価を行ったところ、
最終締め付けトルクとショルダリングトルクの比（ＴＦ
／ＴＳ）が1.4〜10の範囲内にある試験番号６、７、15
および16は、リークを発生することなく、良好な気密性
を発揮することができた。この結果から、最終締め付け
トルクとショルダリングトルクの比（ＴＦ／ＴＳ）が1.
4〜10の範囲で管理できれば、苛酷な継手への荷重負荷
条件においても、良好な気密性を確保できることが明ら
かである。

【００３３】

【発明の効果】本発明の管継手の締め付け方法を用いれ
ば、継手の種類、寸法、材質および使用条件に左右され
ることなく、油井管の接合に際し十分な気密性を確保
し、締め付け過剰による塑性変形を防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＡＰＩが規定するねじ継手の締め付け状況を管
半径方向から見た断面図で示したものであり、(a)は丸
ねじの場合を、(b)はバットレス（台形）タイプねじの
場合の図示している。

【図２】一般的な特殊継手の構造例を管半径方向から見
た断面図である。

【図３】特殊継手の締め付け開始から完了までの締め付
けトルクと締め付けターン数の関係を定性的に示した図
である。

【図４】第１屈曲点における屈曲が大きい場合の特殊継
手の締め付け開始から完了までの締め付けトルクと締め
付けターン数の関係を定性的に示した図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】管端に雄ねじ部、ねじ無し金属密封面およ
   びねじ無し肩部を有するピンと、このピンと相対するよ
   うに、雌ねじ部、ねじ無し金属密封面およびねじ無し肩
   部を有するカップリングとからなる管継手の締め付け方
   法において、管継手の締め付け完了時の締め付けトルク
   を前記ピンおよびカップリングのねじ無し肩部の衝接時
   のショルダリングトルクの1.25〜20倍とすることを特徴
   とする管継手の締め付け方法。
2. 【請求項２】上記管継手の締め付け完了時の締め付けト
   ルクを上記ピンおよびカップリングのねじ無し肩部の衝
   接時のショルダリングトルクの1.4〜10倍とすることを
   特徴とする請求項１に記載の管継手の締め付け方法。
3. 【請求項３】上記ピンおよびカップリングのねじ無し肩
   部の衝接のショルダリングトルクを締め付けトルクとタ
   ーン数との関係を表す曲線から求めるとともに、この衝
   接を隙間計測機器で確認して、前記ショルダリングトル
   クを決定することを特徴とする請求項１または請求項２
   に記載の管継手の締め付け方法。
4. 【請求項４】上記ピンおよびカップリングのねじ無し肩
   部の衝接のショルダリングトルクを締め付けトルクとタ
   ーン数との関係を表す曲線から求めるとともに、この衝
   接を隙間ゲージで確認して、前記ショルダリングトルク
   を決定することを特徴とする請求項１または請求項２に
   記載の管継手の締め付け方法。