JP2005351324A - 油井管用ネジ継手 - Google Patents

Abstract

【課題】 シール性能に優れ保全性の高い油井管用ネジ継手を提供する。
【解決手段】 管先端部に凸曲面形状のシール構成部分を備えた雄ネジ管とテーパー状シール部を有する雌ネジ管とよりなるな油井管用ネジ継手において、凸曲面形状とテーパー状シール部とが接触するとき、接触面の受ける最大接触面圧Ｐｃｍａｘの６０％に相当する接触面圧Ｐｃ６０が、ネジ継手に加わる内圧Ｐｉより大きく、且つネジ継手材料の比例限度σｒより小さく、テーパー状シール部のテーパー角度θｓは、テーパネジの角度θｔに対し、θｓ≧θｔであり、凸曲面形状の曲面半径Ｒが９０ｍｍ以上１７０ｍｍ以下であり、前記角度θｓが頂角にて１．４〜９．５度であり、凸曲面形状の軸方向長さが、タンジェントポイントを中心に前後各少なくとも１．５ｍｍ以上の長さを有し、凸曲面およびテーパー状シール部の表面粗さＨが１２ｓ以下である油井管用ネジ継手。
【選択図】 図１

Description

本発明は、油井管用ネジ継手に関するものである。

昨今、発掘される油田、ガス田は高深度化、高圧力化してきている。
それに伴い油井管用に使用されるネジ継手は、そのシール性および耐久性により高い性能が要求されてきている。これに対処するために多くの特殊ネジが開発されている。
従来の特殊ネジは、図１に示すようなＰｉｎ（雄ネジ）先端とＢｏｘ（雌ネジ）内部とでメタルシールを構成するネジである。この特殊ネジのシール形状については、多くの研究、開発がなされている。
その中の一つとして、凸曲面状のシール面を有するＰｉｎおよびテーバー状のシール面を有するＢｏｘの組み合わせにより構成される、タンジェントポイントシールと呼ばれるシールが、比較的に信頼性が高いネジとして開発されている。（例えば、特許文献１参照）
ただし、シールが「凸曲面状のシール面を有するＰｉｎとテーパー状シール面を有するＢｏｘとの組み合わせ」という基本的形状を同じくするシールであっても、その詳細設計において、シールの締め代、長さ、テーバー等の寸法が正しく決定されない場合には、該シールはシール部のカジリ、管にかかる内圧のリーク等の問題を生じる可能性がある。
特開昭６１−６４８８号公報

即ち、従来の特殊ネジにおいては、解決されるべき幾つかの問題点が存在している。
先ず問題の第１点として、シール部の最大接触面圧Ｐｃｍａｘの上限は、嵌め合い時のシールの塑性変形防止の観点から下記の条件を満たすこととなっている。
即ち、Ｐｃｍａｘ＜（ネジ継手材料の降伏応力σｒ）とされている。
しかし、シール部の最大接触面庄Ｐｃｍａｘが降伏応力より低く設定されていても、実際にはネジの嵌め合い時にシール部には塑性変形が起こっており、その後該ネジを巻き戻し、再びネジの嵌め合いをした場合には、この塑性変形分により、シール部は、所定の接触面圧Ｐｃが得られないことが起きる。

また問題の第２点として、従来シール部の最大接触面庄Ｐｃｍａｘの下限は、シールの耐リ一ク性能確保の観点から下記の条件を満たすこととなっている。即ち、（ネジ継手に加わる内圧Ｐｉ）＜（接触面圧Ｐｃｍａｘ）である。
この条件は、必要条件ではあるが十分条件とは言えない。
即ち、シール部の最大接触面庄Ｐｃｍａｘの下限が、上記の条件を満たしていたとしても、シール部の実質の接触長さが短い場合には、シール部はリークを生じる。

さらに問題の第３点として、Ｐｉｎの凸曲面上の表面粗さは、極めてカジリやリークと関係していることである。出願人は、この凸曲面上の表面粗さを含むシール部の精度が、それが良好でない場合には、シール部におけるカジリやリークの原因となると云う知見を得た。
本発明は、上記に鑑み、これらの問題点を改善し、シール性能に優れ保全性の高い油井管用のネジ継手を提供することを、その目的としている。

本発明の油井管用のネジ継手は、
１）管先端部に、管軸方向に対して凸曲面形状のシール構成部分を備えた雄ネジ管と、前記シール構成部分に対向するテーパー状シール部を有する雌ネジ管とよりなるなテーパーネジ管継ぎ手において、前記凸曲面形状とテーパー状シール部とが接触するとき、接触面の受ける最大接触面圧Ｐｃｍａｘの６０％に相当する接触面圧Ｐｃ６０が、ネジ継手に加わる内圧Ｐｉより大きく、且つネジ継手材料の機械的強度の比例限度σｅより小さくなるように設計されたものである。

２）上述１）において、テーパー状シール部のシールテーパー角度θｓをテーパーネジのテーパー角度θｔに対し、θｓ≧θｔとし、また凸曲面形状の曲面半径Ｒを、９０ｍｍ以上１７０ｍｍ以下としたものであり、
３）上述１）または２）において、前記テーパー状シール部のシールテーパー角度θｔを頂角にて、１．４〜９．５度としたものであり、
４）上述１）〜３）において、前記 凸曲面形状の軸方向長さが、タンジェントポイントを中心に軸方向に前後各少なくとも１．５ｍｍ以上の長さを有するものであり、
５）上述１）〜４）において、前記凸曲面およびテーパー状シール部の表面粗さＨを１２ｓ以下としたものである。

本発明の油井管用のネジ継手により、シール性能のよい、また保全性に優れ、経済的な油井管システムを提供できる。

本発明の実施の形態を、上述の解決されるべき問題点に対応する解決方法に沿って漸次詳細説明する。
先ず、第１点の問題点に対して；
前記のごとく従来、シール部の最大接触面圧Ｐｃｍａｘの上限は、嵌め合い時のシール部の塑性変形防止の観点から、シール部の最大接触面圧Ｐｃｍａｘの上限は、Pｃｍａｘ＞（ネジ継手材料の降伏応力σｒ）として設計されていた。
しかし、実際にはシール部の最大接触面圧Ｐｃｍａｘが降伏応力より低くても、前記シール部は、ネジ部の嵌め合い時に塑性変形を起こしており、ネジ部を巻き戻し後、再び嵌め合いした場合には、この塑性変形分により所定の接触面圧Ｐｃが得られないことが起きる。
これを防止するために本発明の実施の形態においては、最大接触面圧Ｐｃｍａｘの上限を、降伏応力σｒではなくネジ継手材料の機械的強度の比例限度σｅ以下としたものである。
また、接触面圧Ｐｃはシール締め代△ＤＳに比例するので、△ＤＳをコントロールする必要がある。
具体的な例として油井管の規格であるＡＰＩグレードＮ８０を例にとると、降伏を起こす歪量は0．５％であるが、比例限度の歪量は0．３％である。
即ち、ΔＤＳ＜（比例限度歪量）であることが必要である。

次ぎに第２点の問題点に対して；
出願人が行ったコンピュータを使った有限要素法による計算結果から、凸曲面形状のシール部を有するＰｉｎとテーパー状シール部を有するＢｏｘとの組み合わせにおける、嵌め合い後のシール部の接触面圧Ｐｃは、図２のように分布をすることがわかった。
従来の規定では、最大接触面圧Ｐｃｍａｘ＞内圧Ｐｉが条件であった。試験の結果、点接触でこのＰｃｍａｘ＞Ｐｉを満足してもリークが発生するケースがあった。
更なる試験結果、ある接触長さに亘り、接触面圧Ｐｃ≧Ｐｉを満足する必要があることがわかった。
最終的に図２のような接触面圧の分布において、最大接触面圧Ｐｃｍａｘの６０％に相当する接触面圧をもち、接触長さが確保されれば、十分な耐リーク性能を持つことが確認された。

また、第３点の問題点に対して；
出願人は、多くの実用試験の結果から、凸曲面形状のシール部を有するＰｉｎのシール部表面粗さＨは、当該部分のカジリやリークを防止するためには、１２Ｓ以下に抑える必要があることの知見を得た。シール部表面粗さＨが１２Ｓより粗いと、比較的にリークが発生する可能性がある。

また、その他のカジリやリークを防止するための方策として、適正なシール長さの設定、適当なグリスポケットの配設、シールテーパ角度およびネジのテーパ角度の適正値の設定、ショルダー角度の適正値の設定等が挙げられる。これらは有限要素法による確認および実用試験による結果より、各適正数値が設定された。

上述の実施の形態に基づき、外径×管肉厚＝３・１／２”（８８．９ｍｍ）×０．２５４”（６．４５ｍｍ）における、ＡＰＩグレードＮ８０のＴｕｂｉｎｇ用の油井管用ネジ継手の１実施例につき説明する。
図１は、本実施例のネジ継手部の基本的形状を示す模式図である。
図３は、本実施例のシール部の基本的形状を示す模式図である。
図４は、ショルダ角度の面圧への影響を示す線図である。
図５は、本実施例のテーパネジ部のネジ断面形状を示す模式図である。
図において、Ｐは凸曲面形状のシール部を有するＰｉｎ、Ｂはテーパー状シール部を有するＢｏｘ、Ｓはシール部、ＳＲはショルダー部、ＴＡＰはテーパー状シール部、ＢＡＲは凸曲面形状部、Ｒは凸曲面形状部の曲率半径、ＴＰは凸曲面形状部とテーパー状シール部との接触点であるタンジェントポイント、ＬＰ１は凸曲面形状部の軸方向長さ、ＬＢ１はテーパー状シール部の軸方向長さ、ＤＰ２は凸曲面形状部のタンジェントポイントにおける直径、ＤＢ２はテーパー状シール部のンジェントポイントにおける直径である。

本実施例におけるネジ継手部の基本的形状は、図１のようなカップリングタイプのネジ継手である。
本実施例のネジ継手部は、Ｐｉｎ（雄ネジ）ＰとＢｏｘ（雌ネジ）Ｂの内部に設けられた精度の良いテーパーネジにより締め付け嵌合されることにより、ＰｉｎＰの先端に設けられた、曲率半径Ｒの凸曲面を有する凸曲面形状部ＢＲと、ＢｏｘＢのテーパー状しーる部ＴＡＰとをタンジェントポイントＴＰにおいて弾性変形内において接合嵌め合わせするものである。

本実施例における前記テーパーネジの形状は、図５に示すようにロード角αが２度、スタピング角βが４５度である。テーパーネジのテーパー角度θｔは頂角にて３．６度、ネジ基準直径は８７．３ｍｍ、ネジ長さは７７．３ｍｍとした。
また、凸曲面形状部ＢＲの曲率半径Ｒは１０１．６ｍｍ、凸曲面形状部ＢＲの軸方向長さは７．２５ｍｍとした。

本実施例は、次の手順により各仕様が設定された。
手順１：シール部Ｓの締め代△ＤＳの最大値の決定
塑性変形を防ぐために△ＤＳ≦比例限度が必要であり、ＡＰＩグレードＮ８０であると比例限度に相当する歪量は０．３％である。
したがって、
△ＤＳ最大値＝０．００３×ＯＤ＝０．００３×８８．９＝０．２７ｍｍ
（但し、ＯＤはＰｉｎ管の外径）

手順２：シール部Ｓの締め代△ＤＳの最小値の決定
図２において、接触面圧Ｐｃ６０が、対象となる管の規格の最小耐圧性能値より高くなるように、すなわち、（規格の最小耐圧性能値）≦（シール接触面圧Ｐｃ６０）となるようにシール締め代△ＤＳを決定する。
本来は有限要素法によりシール部の面庄の詳細分布を求めるべきであるが、実用上には次のような簡易法を用いた。
締め代を有す二つの円筒間に発生する面圧を“焼きばめ”の式を適用し計算する。
即ち、
Ｐｍ＝０．６Ｅ・ΔＤＳ（Ｒ₂ ²−Ｒ₁ ² ）（Ｒ₃ ²−Ｒ₂ ² ）／Ｒ₂ ³・（Ｒ₃ ²−Ｒ₁ ² ） 式１

ここで、E：ヤング率、Ｒ₃：カップリング外径、Ｒ₂：シール外径、Ｒ₁：Ｐｉｎ内径
ただし図３に示すようにシール部ＳにタンジェントポイントＴＰを有する場合、図２上でのＰｃｍａｘおよびＰｃ６０は、上記の式１で求めた値のおのおの６倍、３．６倍以上の値を示す。
従って、安全を見て、 Ｐｃ６０＝３．６Ｐｍと仮定できる。
次に、外径×肉厚＝８８．９ｍｍ×６．４５ｍｍのＡＰＩグレードＮ８０の規格の最小耐圧は７１．４ＭＰａであるので、式１の３．６Ｐｍが規格の最小耐圧を超えるように△ＤＳを求める。ここで△ＤＳ最小値＝０．０７ｍｍとなる。

手順３：以上から△ＤＳ最大値＝０．２７ｍｍ、最小値＝０．０７ｍｍが得られ、これより△ＤＳ＝０．２２ｍｍと決めた。
手順４：シール長さの条件
凸曲面上Ｐｉｎは表面粗さの精度が低いとカジリやリークの原因となるため、旋盤加工時に送りをゆっくり行わなければならず、生産能率が低いのがひとつの欠点であった。
そのため出来るだけシール部を短くするのが好ましいが、次のような条件をクリアーする必要がある。
１）ネジを嵌合する時にＰｉｎがＢｏｘ内部に進んで行き、シール部Ｓの嵌め合いが起こる。このとき図３に示すＰｉｎの先端径Ｄｐ１がＢｏｘの入り口径Ｄｂ３より十分小さくないと局部的に大きな面圧が発生しカジリを生ずる。
すなわちＤｐ１＜Ｄｂ３が必要条件となる。
２）凸曲面上Ｐｉｎとテーバー状Ｂｏｘが点接触するポイントであるタンジェントポイントＴＰを中心に嵌め合い後、所定の接触長さが必要である。所定の接触長さは、タンジェントポイントＴＰを中心に前後最小１．５ｍｍを確保することが望ましい。またこの接触面があまりＰｉｎ端に近づくとハンドリング時にダメージを受けやすいので最小１．０ｍｍ程度入ることが望ましい．
したがってタンジェントポイントＴＰは、Ｐｉｎ先端から最小でも２．５ｍｍとなる。

３）Ｂｏｘのテーパー状シール部のタンジェントポイントＴＰから入り口にかけても１．５ｍｍの接触面＋１．０ｍｍの余裕代で２．５ｍｍ確保することが好ましい。
以上からＢｏｘのテーパー状シールの最小長さは５．０ｍｍとする。
４）次に、Ｐｉｎのシール長さの設定条件を述べる。
ＰｉｎとＢｏｘが嵌め合わされるときに、図６に示すようにテーパーネジ端部とシール部の間の隙間にネジグリース封入されるが、その封入圧によってシールを開く力が加わりシールの接触圧を下げてしまう恐れがある。これを防ぐためにグリースポケットＧＰと呼ばれる隙間が必要となる。そのためＰｉｎシール長きをＢｏｘのテーパー状シール長さより約１山分（２〜６ｍｍ）ほど長くすべきである。
以上の条件に基づきシール長さを決定する。
タンジェントポイントＴＰは、Ｐｉｎ先端から３．０ｍｍとした。それよりＢｏｘのテーパー状シール長は５．５ｍｍ、Pｉｎのシール長さは8，5ｍｍとした。

手順５：シールテーパー角度θｓの決定
まずシールテーパー角度θｓは、テーパーネジのネジテーパー角度θｔと同じ角度か、より高角度に設定すべきである。
シールテーパーは高角度になるほど、嵌め合い時にシールが回転しながらすべる距離が短くなり耐力ジリに有利になる。 ただしＰｉｎシール先端の残肉が少なくなるのと、引張り下でシール面圧が下がる欠点がある。
また、シールテーパーの角度が低角度になると、すべる距離が長くなり耐カジリ上不利になる。
これらを考慮してシールテーパー角度θｓは、ネジテーパー角度θｔと同じ角度か、より高角度とし、且つ２〜４度の範囲が望ましい。ここではテーパーネジのネジテーパー角度θｔが１．８度であり、シールテーパー角度θｓは２．４度とした。
ここで手順４で求めたシール長さと、ここで求めたシール角度の組み合わせで手順４の１）で述べた図３におけるＤｐ１＜Ｄｐ３の条件を満たすことを確認する必要がある。

手順６：Ｐｉｎ凸曲面の半径Ｒの決定
上記のごとくシール長さＰＣ３とシールテーパー（ｔａｎθ）が決まると半径Ｒは、
Ｒ＝Ｐｃ３／ｔａｎθｓで決まる。
ＰＣ３＝４．２５ｍｍ、θｓ＝２．４度とすると、Ｒ＝１０１．６ｍｍとなる。
実用的なテーパーネジのテーパーねじのテーパー角度θｔは、１．４〜７．１度であり、実用としてのシール長さを４〜１５ｍｍとすると、半径Ｒは９０＝１７０ｍｍが望ましい。
手順７：Ｐｉｎ先端およびショルダー角度γの決定
Ｂｏｘ（Ｃｏｕｐｌｉｎｇ）に突起があってＰｉｎ先端と、ショルダーが当るタイプではショルダーの角度γを決める必要がある。一般的には０度か、マイナスの角度を持つことが望ましい。
図４は、有限要素法で求めたショルダーのマイナスの角度γが高いほど、嵌め合い時のシール接触面圧をより高める効果があることを示している。しかし、一方このマイナスの角度が高くなるほど加工が難しくなるので、接触面圧が２０％ほど高くなる１２度を選んだ。
図６に最終的な設計値を示す。
なお、本実施例では、外径×肉厚＝８８．９ｍｍ×６．４５ｍｍのＡＰＩグレードＮ８０の油井管用ネジ継手について述べられているが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲における条件において全て適用されるものである。

本発明においては、油井管用のネジ継手について述べられているが、テーパネジとシール部により締結されるあらゆる種類のガス、液体に適用する圧力管のネジ継手として適応することができる。

本実施例のネジ継手部の基本的形状を示す模式図である。 凸曲面形状のシール部を有するＰｉｎとテーパー状シール部を有するＢｏｘとの組み合わせにおける、嵌め合い後の接触面圧Ｐｃの計算結果を示す図である。 本実施例のシール部の基本的形状を示す模式図である。 ショルダ角度の面圧への影響を示す線図である。 本実施例のテーパネジ部のネジ断面形状を示す模式図である。 本実施例の最終的な設計値を示す図である。

符号の説明

Ｐ 凸曲面形状のシール部を有するＰｉｎ、Ｂ テーパー状シール部を有するＢｏｘ、Ｓ シール部、ＳＲ ショルダー部、ＴＡＰ テーパー状シール部、ＢＡＲ 凸曲面形状部、Ｒ 凸曲面形状部の曲率半径、ＴＰ 凸曲面形状部とテーパー状シール部との接触点であるタンジェントポイント、ＬＰ１ 凸曲面形状部の軸方向長さ、ＬＢ１ テーパー状シール部の軸方向長さ、ＤＰ２ 凸曲面形状部のタンジェントポイントにおける直径、ＤＢ２ テーパー状シール部のタンジェントポイントＴＰにおける直径、Ｐｃｍａｘ 凸曲面における理論的な最大接触面圧、Ｐｃ６０ 最大接触面圧の６０％に相当する接触面圧、ＧＰ グリスポケット。

Claims (5)

1. 管先端部に、管軸方向に対して凸曲面形状のシール構成部分を備えた雄ネジ管と前記シール構成部分に対向するテーパー状シール部を有する雌ネジ管とよりなる油井管用ネジ継手において、前記凸曲面形状とテーパー状シール部とが接触するとき、接触面の受ける最大接触面圧Ｐｃｍａｘの６０％に相当する接触面圧Ｐｃ６０が、ネジ継手に加わる内圧Ｐｉより大きく、且つネジ継手材料の機械的強度の比例限度σｒより小さくなるように設計されたことを特徴とする油井管用ネジ継手。
2. テーパー状シール部のシールテーパー角度θｓは、テーパネジのテーパー度θｔに対し、θｓ≧θｔであり、凸曲面形状の曲面半径Ｒが９０ｍｍ以上１７０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の油井管用ネジ継手。
3. 前記テーパー状シール部のシールテーパー角度θｓが頂角にて、１．４〜９．５度であることを特徴とする請求項１または２に記載の油井管用ネジ継手。
4. 前記凸曲面形状の軸方向長さが、タンジェントポイントを中心に軸方向に前後各少なくとも１．５ｍｍ以上の長さを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の油井管用ネジ継手。
5. 前記凸曲面およびテーパー状シール部の表面粗さＨが１２ｓ以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の油井管用ネジ継手。
   

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