JP2005536701A - 外部環境に影響されない管状ねじ継手 - Google Patents

外部環境に影響されない管状ねじ継手 Download PDF

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Abstract

【課題】 円錐形雄ねじと円錐形雌ねじとを備える管状継手を提供する。
【解決手段】 環状ハウジング(20)は、雌管状部(2)の自由端(14)の近くに配されると共に変形可能シールリング(35)を収容するために使用される。シールリングは、ハウジングの周面(22)と且つ雄ねじの逓減ねじ(13)とシール接触していると共に、自由端に対面する肩部(25)を軸方向に押して、ハウジングを制限する。

Description

本発明は、管状ねじ継手の製造方法であって、管状ねじ継手は、円錐形雄ねじを有する雄管状部と、ねじ込みにより雄ねじと相互作用をする円錐形雌ねじを有する雌管状部と、管状継手の外側と両ねじの相互作用域との間で流体が連通しないように前記雄管状部と雌管状部との間に介在される変形可能なシールリングとを備え、シールリングは雄ねじとシール接触しており、雌管状部はこの雌管状部の自由端と雌ねじとの間に軸方向に配置され、自由端に面する第1の肩部により軸方向に制限されるシールリングを収容するための環状のハウジングを有し、シールリングは第1の肩部を軸方向に当接させると共にハウジングの周面とシール接触する管状ねじ継手の製造方法に関する。
そのような管状ねじ継手としては、雄管状部が非常に長い管材の端部に形成され、かつ雌管状部が他の非常に長い管材又はそれより短い接続スリーブ等の管状の構成部材の端部に形成される管状ねじ継手が知られており、これらの継手は特にハイドロカーボンシャフトで柱を形成するために複数の管材を端部同士でアセンブリするのに用いられ、この柱はハイドロカーボンの活用のため(製品チューブの柱)やアースを抑えるため(ライニング管のコラム)に使用される。
米国石油協会(American Petroleum Institute)は、長期間にわたって、円錐形ねじ及び丸い三角状ねじを有する又は円錐台形ねじを有するこのようなねじ継手に関し仕様API5B及び5CTを定義している。しかしながら、これらの継手は、雄ねじと雌ねじとの間の螺旋状空間を充填する固体粒子が充填されたグリースのみによってシールされている。
雄管状部と雌管状部上に半径方向の締め付けにより相互接触圧下にある金属シーリング面を提供する、若しくはポリテトラフルオロエチレン等の変形可能材料製のシールリングによって、またはこれらの手段の組合せにより、これら継手のシーリング特性を改良することが提案されている。
EP0488912A号公報は、雄ねじ部材の端部に配される切頭円錐金属シーリング面と、雌ねじ部材上に設けられる対応する金属シーリング表面を有するねじ継手を記載している。このねじ継手は、継手の内側または外側を流れる流体に関し良好なシーリング特性を備えている。しかしながら、流体が腐食性である場合、そのねじのいくつか又は全ての外側から流体がしみ込み、ねじが腐食するおそれがある。
DE4317591A号公報のねじ継手には、上記と同じ利点と不具合があり、この文献は雌ねじ部材の環状溝に配置され、かつ、雄管状部の自由端近傍の雄ねじに圧入される変形可能なシールリングを開示している。
このような外部環境からのしみ込みは、水中リザーバシャフト製造管から海水を隔離するための、海底と海上プラットフォーム間に配置される「ライザー」と呼ばれる水中ライジングコラム用のねじ継手の場合に、特に有害である。この海水は、雄ねじと雌ねじとの間の極度に閉鎖された空間に強い腐食作用を引き起こす可能性がある。
US5687999A号公報は、ねじの二つの長手方向端で金属シーリング支持面を備える円錐形ねじを有し、よって上述の不具合がない、ねじ継手を記載する。しかしながら、流れに起因し海中コラムに生ずる循環ストレスは、共に滑る雄表面と雌表面によるシーリング表面のクラッキングを生じる傾向がある。もちろん、この滑りはねじ部材の自由端を軸方向に当接して配することにより防止され得ることが考えられるが、その結果は、少なくともそれらの端部で管材の厚みを増加することになり、その結果、管材のコスト増となる。
本発明の目的は、前記の不具合を除去し、結果として、循環ストレスを受ける海中ライザーに特に良好に適用される管状ねじ継手の製造を可能にすることにある。
本発明の目的は、特に、雄管状部と雌管状部とが、特にそれらの厚みに関してライニング管のコラム用として現在使用されるものと非常に類似しており、結果として製造コストの安い管状ねじ継手を提供することにある。
本発明による管状ねじ継手の製造は、管材とスリーブ間で2つの非常に長い管材間を接続(スリーブ接続アセンブリ)するように、非常に長い管材同士の端部(一体アセンブリ)において直接、かつ、簡単に実施することができる。
本発明は、特に、本明細書の序文で特定されるタイプの方法に関し、変形可能なシールリングが前記雄ねじの回りに配され、前記雄管状部の自由端が係合し、前記雄ねじが雌ねじに螺合され、螺合中に前記シールリングは、前記第1の肩部によって前記雄管状部に沿って押圧され且つ雌管状部によって回転され、更にシールリングが押し込まれる雄ねじとハウジングの前記周面との間で半径方向に圧縮される。
用語「シーリング」及び「シール接触」とは、ここでは流体がねじと接触することを必ずしも防止することではなくて、少なくとも流体の入れ替わりを防止して、その結果顕著な腐食を実質的に防止するような方法でこのようなアクセスを制限することを意図する対策を指す。
本発明の任意の特徴的事項は、追加としてあるいは代替として、以下に示される。
−前記シールリングは、合成材料、展性金属、及び複合材料から選ばれる材料で作られる。
−前記シールリングは、前記雄管状部の材料との間で低摩擦係数を有する材料で作られる。
−前記シールリングは、充填又は未充填ポリテトラフルオロエチレンで作られる。
−前記雄ねじは、雄管状部の自由端とは反対側の端に、半径方向の高さが、通常、公称値からゼロ値まで逓減する逓減ねじ(diminishing threads)と称されるねじを備え、シールリングは、軸方向長の少なくとも一部にわたり前記逓減ねじとシール接触している。
−シールリングは、全軸方向長にわたり前記逓減ねじと接触している。
−シールリングは、前記逓減ねじの回りに配される。
−雄管状部は、逓減ねじの軸方向長の少なくとも一部にわたり、対応するねじの谷の直径よりも大きな一定の直径に機械加工される。
−シールリングは、一定の直径に機械加工された雄管状部の領域の回りに配される。
−ハウジングは、前記第1の肩部に軸方向に対面し、かつ、第1の肩部の最小直径よりも大きな最小直径を有する第2の肩部を有し、前記シールリングの体積の一部は、第1と第2の肩部の間で軸方向に圧縮される。
−第1の肩部、又は第1及び第2の肩部の少なくとも一方が、ねじの軸に対して傾斜される。
−ハウジングは、雌管状部の自由端でフレアに現れる。
−雄管状部は、前記ねじ込みを制限するために、その自由端の近傍に雌管状部の軸方向当接面との相互作用に適する軸方向当接面を有する。
−追加のシーリング手段が、管状継手の内部とねじの相互作用域との間の流体連通を防止するために設けられている。
−シールリングは、雄ねじ上に螺合される。
−シールリングは、その内径が下側のねじの外径よりも大きくなるような温度で雄ねじの回りに配され、周囲温度においては、その内径がその下側のねじの外径よりも小さい。
−シールリングは、軸方向に長い矩形断面のO−リングである。
−雄ねじの回りに配された後のシールリングの外径は、ハウジングの周壁の最小半径よりも僅かに小さい。
本発明による更なる主題は、上記で定義される方法によって得られる管状ねじ継手であって、円錐形雄ねじを有する雄管状部と、ねじ込みによってこの雄ねじと相互作用をする円錐形雌ねじを有する雌管状部と、管状継手の外側と前記ねじの相互作用域との間で流体が連通しないように前記雄管状部と雌管状部との間に介在される変形可能シールリングとを備え、シールリングは、前記雄ねじとシール接触し、雌管状部は、この雌管状部の自由端と雌ねじとの間に軸方向に配置され、自由端に面する第1の肩部により軸方向に関して制限されるシールリング収容用の環状ハウジングを有し、前記シールリングは、前記第1の肩部を軸方向に支えると共に前記ハウジングの周面とシール接触する。
本発明による管状ねじ継手は、以下の特定の特徴の少なくともいくつかを含むものでよい。
‐第1と第2の肩部は、それぞれ、ねじの軸に対して垂直であり、ねじに対して傾斜される。
−ハウジングは、雌管状部の自由端に向かって一定で増加する直径を有し、その周壁は自由端の反対側の端部にねじの軸に対して大きく傾斜してねじ部材同士がねじ結合されるとシールリングを押す肩部を形成し、前記周壁の角度が漸進的に減少する。
−前記フレアと前記第1の肩部は、円筒状面によって共に接続される。
本発明の特徴及び効果は、添付の図面を参照に以下の記載において詳細に説明する。
図1の雄ねじ部材は、非常に長い管材101の端部に作られる。この雄ねじ部材は、円錐台形ねじを有する連続雄円錐形状のねじ3を有する。ねじ3は、その長さの一部11にわたって、共に円錐円錐台形である、ねじの谷15の包絡線とねじのピーク17の包絡線の間で一定で、かつ、公称値に等しいねじ高を有する完全なねじと称されるねじが形成される。ねじの残りの部分にわたり、ねじは、不完全な、即ち逓減しており、円錐台形ねじの谷の包絡線は、完全なねじの包絡線を延長し、かつねじ山のピークの包絡線は、管材101の外側円筒形周面19よりなる。従って、後述される円筒形の機械加工表面の場合、逓減するねじの高さは、前述の公称値からゼロ高さに漸進的に逓減する。
これらの円筒形機械加工表面がない場合、ねじの部分11と13との間の接合点Aは、完全なねじのピークの包絡線17と外周面19との間の交点に相当する。ねじは、機械加工によって、管材101の自由端7に対して精密に位置決めされ、接合点Aの軸方向位置は、管材の有効外径に依存し、従って、公差は、シームレス熱延チューブの場合、例えば±1%である。
部材1は、自由端7とねじ3の間に延出する雄リップ9を有する。この自由端は、ねじの軸に対して垂直な平らな表面によって画定することができる。図示の如く、自由端は、ピークでの半角が、例えば75°である円錐台形凹面7により形成されるのが好ましい。この面は、雄管状部が雌管状部に螺合される時に、軸方向の当接部として働き、その効果は、EP0488912A号公報に詳細に記載されている。
端部面7は、EP0488912A号公報に記載されているように、円錐台形シーリング面5に接続される。
本発明を実施するには、既存の雌管状部を変更する必要ではないことに留意すべきである。
図2は、好ましくは、低い摩擦係数を有する変形可能シーリング材料、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ガラス繊維強化ポリテトラフルオロエチレン、ポリアミドまたは銅等の軟質金属製のリング30を示す。このリング30は、矩形断面を有するトロイダル形状のレボリューションを有し、従って、レボリューションの円筒状の外周面31と、この外周面31と共軸のレボリューションの円筒状の内周面32と、平らな内外周面31、32の軸に対し垂直な二つの端面33、34を備える。内周面32の初期の直径は、リングの配置場所における管状部材1の外径よりも僅かに小さい。例えば、逓減するねじ山13の周囲に配置するための外周面19の直径よりも小さいことが好ましい。外周面31の直径、すなわちリング30の半径方向の厚みは、後述するように、ねじ込み工程で雌管状部に設けられたハウジングにリングを挿入することができ、ねじ込み工程の最後で雄管状部と雌管状部とにリング30がシール接触することができるように選択する。
管材101の外周面19は一般に楕円化を示すので、図3に示すようにレボリューションの円筒状面上に機械加工を行うことにより、逓減するねじを有するねじ部13の長さの少なくとも一部上のこの楕円化を除去又は減少することが有利である。図3に示す例では、機械加工された2つの円筒状面が提供される。ねじ部11に始まり、ねじ部13に主に延出する小径の第1の円筒状面41と、大径の第2の円筒状面43は、弧状凹外形部45の円筒状面41に接続され、かつ、管材101の非ねじ切り部に延び、そこで、弧状凹外形部47の外周面19に接続される。円筒状面41の直径とプロファイル45の軸方向の位置は、機械加工がねじ山の谷の包絡線15に達しないように選択される。リング30は、円筒状面41上に収容されることが有利である。表面43は、雄管状部の雌管状部への挿入を容易にするのに必然的に使用される。
リング30を雄管状部1上に配するために、リング30の内径がそれを受けるべき場所の雄管状部の外径よりも大きい、例えば、円筒状面41の直径よりも大きくなるような温度までリング30が加熱されることが有利である。リング30は、当接面7上に押し付けるツールによって位置決めすることができる。冷却後に、リングは、雄管状部上への半径方向への締め付けにより所定位置に保持される。
図4に示されるねじ構造を有する雌管状部2は、101で示すような非常に長い2つの管材の「ねじ構造スリーブの連結」と称されるアセンブリを可能とする短い管材またはスリーブ102の端部に作られ、雄ねじ部は、スリーブの両端に形成される2つの雌ねじ部にそれぞれ螺合される。変形例として、雌ねじ部は、雌ねじ部が管材101と組み付けられるように非常に長い管材の端部に形成され、次に、雄雌管状部1、2は、一体と称されるねじ継手を形成する。
図示の雌管状部2は、完全なねじ山が形成された円錐台形ねじを有する連続する雌円錐ねじ4を備える。
ねじ3と4の幾何学的形状(特徴)は、ねじ込みによってそれらが相互作用を行うことができるように設計される。
部材2は、管材102の軸に対して垂直な平らな面14によって画定される自由端までねじ4を越えて延出する雌のリップ10を有する。リップの長手方向の中間領域において、リップ10は、自由端14に対して開口し、且つ管材101の外周面19の最大直径よりも僅かに大きな最小直径を有する僅かに円錐台形状の内周面16を有する。内周面16の各側において、リップは内部が中空とされ、ねじ4の側で環状溝18を形成し、自由端14の側ではシールリング用のハウジング20を形成する。ねじ4は、ねじを作るために使用されるツールの係合を解除可能とする溝18内に現れる。ハウジング20は、ナックルによって互いに接続された一連の円錐台形表面と円筒状表面と平らな表面によって画定される。雄管状部の端部の挿入を容易にするために入口面取り部を形成する第1の円錐台形の表面21は、端部表面14に繋がり、内周面16よりも大きな直径の円筒状面22が後に続く。円筒状面22は、端部14から離れる方向を向く円錐台形表面24によってより大きな直径の他の円筒状面23に繋がり、且つその軸に垂直な平らな表面25は、円筒形用面16と23をつなげる。このように、表面21、22、23及び24は、ハウジングの周面を画定し、後者の最小半径は、表面22の半径である。
雌管状部2は、自由端14とは反対側にねじ4を越えて、雄管状部の表面7と相互作用可能な円錐台形当接面8と雄管状部のシーリング表面5と相互作用可能な円錐台形シーリング表面6を有する。
部材1と2が共に螺合されると、上述のように雄管状部上に先に配置され且つ外径が表面22の直径よりも僅かに小さいリング30が雄管状部にフィットし、その後、リングが表面23、24及び25によって画定される拡大部に入れられる。リングが半径方向の表面25に当接すると、リングは、雄管状部1に沿って表面25によって押され、雄管状部に対して雌管状部と共に回転する。リングは、変形して雄ねじに入り、逓減するねじ山の谷の直径の増加に従って広がる。
シールリングの最終状態は、図5に示されている。シールリングは、表面22と雄管状部の逓減するねじ山の間で半径方向に圧縮され、リングは、その長さの一部で、圧縮され、雄ねじに沿って継手の内側に向かって延出すると共に、半径方向表面25まで部分的に前述の拡大部を充填する。更に、リングの体積の一部は、表面24と25との間で軸方向に圧縮され、シールとリングの位置の安定性に寄与する。シールリングの軸方向長は、少なくともねじの半ピッチに対応し、ピッチの数倍であることが有利である。
上述のように、ハウジング20の及びリング30の形状は、制限されず、本発明から逸脱することなく変更され得る。そのような変更の2乃至3例が図6から図8に示されている。
このように、図6は、雌管状部2のリップ10の変形例を示しており、ここでは、ハウジング20は、円筒壁16から自由端14に向かって一定で増加する直径を有し、ハウジングの周壁26は、管材の軸に関して漸進的に減少する角度を形成している。この傾斜は、ねじ切り部材が共に螺合された時にシールリングを押圧する肩部27を形成するために壁16の近傍において大きくなっている。ここで、初期のリング30は、また、図2に示される矩形横断面を備えていても良い。
図7の変形例において、ハウジングは、図3に示されているのと同様のエントリ面取り21と肩部25を有する円筒状面28によって共に接続される。シールリング35を形成する元のリングは、もはや矩形の外形はなく、肩部25を押圧する端面34を越えて雌管状部の円筒状表面16を覆う薄いリップ形態の付属物36を有し且つ溝18に入り、それによってリングを雌管状部に連結させる。
図8は、他の変形例を示し、ここでは、ハウジング20は、図3におけるのと同じ符号によって示される同様の表面21、22、23及び25を有し、円錐台形表面24が、肩部25に面する平らな表面28によって置き換えられている。シールリングは、元来矩形断面を有し、螺合された後は、肩部25と28との間に全体として収容される。この変形例においては、溝18が除去されており、その機能は、表面23,25及び28によって画定される環状空間によって実行される。
本発明による管状ねじ継手の一部を形成する雄管状部の軸方向の半断面図である。 図1と図4の部材が一体に螺合された後の、本発明による管状ねじ継手のシールリング形成用のシーリング材料のリングの軸方向における半断面図である。 図1の拡大詳細図である。 本発明による管状ねじ継手を形成するために図1の雄管状部に関連する雌管状部の軸方向における半断面図である。 本発明による組み付けられた継手の軸方向における半断面図である。 雌管状部の雌リップの変形例に関連するシールリングの軸方向における半断面図である。 関連するシールリングを示す半断面図である。 雌管状部の雌リップの変形例と関連するシールリングの軸方向における半断面図である。

Claims (22)

  1. 管状ねじ継手の製造方法であって、前記管状ねじ継手は、円錐状の雄ねじ(3)を有する雄管状部(1)と、前記雄ねじ(3)と螺合することにより相互作用する円錐状の雌ねじ(4)を有する雌管状部(2)と、前記管状ねじ継手の外側と両ねじの相互作用域との間で流体が連通しないように前記雄管状部と雌管状部との間に介在される変形可能なシールリング(35)とを備え、前記シールリングは前記雄ねじとシール接触し、前記雌管状部はこの雌管状部の自由端(14)と雌ねじとの間に軸方向に配置され、前記自由端に面する第1の肩部(25)により軸方向に制限される前記シールリング収容用の環状ハウジング(20)を有し、前記シールリングは前記第1の肩部を軸方向に当接させると共に前記ハウジングの周面(22)とシール接触しており、前記方法は、変形可能なシールリング(30)が前記雄ねじの回りに配され、前記雄管状部(1)の自由端(7)が係合し、前記雄ねじ(3)が雌ねじ(4)にねじ螺合され、螺合中に前記シールリングは、前記第1の肩部(25)により前記雄管状部沿って押圧され、雌管状部により回転され、更にシールリングが押し込まれる雄ねじとハウジング(20)の前記周面(23)との間で半径方向に圧縮されることを特徴とする管状ねじ継手の製造方法。
  2. 前記シールリングは、合成材料、展性金属、及び複合材料から選ばれる材料で作られることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 前記シールリングは、前記雄管状部の材料との間で低摩擦係数を有する材料で作られることを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記シールリングは、充填又は未充填ポリテトラフルオロエチレンで作られることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記雄ねじは、雄管状部の自由端(7)とは反対側の端部に、半径方向の高さが、通常公称値からゼロ値まで逓減する逓減ねじ(13)と称されるねじを備え、シールリングは、軸方向長の少なくとも一部にわたり前記逓減ねじとシール接触していることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記シールリングは、全軸方向長にわたり前記逓減ねじと接触していることを特徴とする請求項5に記載の方法。
  7. 前記シールリング(30)は、前記逓減ねじ(13)の回りに配されることを特徴とする請求項6に記載の方法。
  8. 前記雄管状部は、前記逓減ねじの軸方向長の少なくとも一部にわたり、対応するねじの谷の直径よりも大きな一定の直径に機械加工される(41)ことを特徴とする請求項6または7に記載の方法。
  9. 前記シールリング(30)は、一定の直径に機械加工された前記雄管状部の領域(41)の回りに配されることを特徴とする請求項8に記載の方法。
  10. 前記ハウジングは、前記第1の肩部に軸方向に対面し、かつ、第1の肩部の最小直径よりも大きな最小直径を有する第2の肩部(24)を有し、前記シールリングの体積の一部は、第1と第2の肩部の間で軸方向に圧縮されることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記第1の肩部または前記第1及び第2の肩部の少なくとも一方が、ねじの軸に対して傾斜することを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。
  12. 前記ハウジングは、前記雌管状部の自由端(14)でフレア(21)に現れることを特徴とする請求項1〜11のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記雄管状部(1)は、前記ねじ込みを制限するために、その自由端の近傍に雌管状部(2)の軸方向当接面(8)との相互作用に適する軸方向当接面(7)を有することを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項に記載の方法。
  14. 追加のシーリング手段(5,6)が、管状継手の内部とねじの相互作用域との間の流体の連通を防止するために設けられていることを特徴とする請求項1〜13のいずれか一項に記載の方法。
  15. 前記シールリングは、前記雄ねじ上に螺合されることを特徴とする請求項1〜14のいずれか一項に記載の方法。
  16. 前記シールリングは、その内径が下側のねじの外径よりも大きくなるような温度で雄ねじの回りに配され、周囲温度においては、その内径が下側のねじの外径よりも小さいことを特徴とする請求項1〜15のいずれか一項に記載の方法。
  17. 前記シールリング(30)は、軸方向に長い矩形断面のO−リングであることを特徴とする請求項1〜16のいずれか一項に記載の方法。
  18. 雄ねじの回りに配された後のシールリングの外径は、前記ハウジングの周壁の最小半径よりも僅かに小さいことを特徴とする請求項17に記載の方法。
  19. 請求項1〜18に記載の方法により得られる管状ねじ継手であって、円錐形雄ねじ(3)を有する雄管状部(1)と、ねじ込みによってこの雄ねじ(3)と相互作用をする円錐形雌ねじ(4)を有する雌管状部(2)と、当該管状継手の外側と両ねじの相互作用域との間で流体が連通しないように前記雄管状部と雌管状部との間に介在される変形可能シールリング(35)とを備え、前記シールリングは前記雄ねじとシール接触し、前記雌管状部はこの雌管状部の自由端(14)と雌ねじとの間に軸方向に配置され、前記自由端に面する第1の肩部(25)により軸方向に制限される前記シールリング収容用の環状ハウジング(20)を有し、前記シールリングは、前記第1の肩部を軸方向に当接すると共に前記ハウジングの周面(22)とシール接触することを特徴とする管状ねじ継手。
  20. 第1と第2の肩部(25,24)は、それぞれ、ねじの軸に対して垂直であり、ねじの軸に対し傾斜されることを特徴とする請求項10に従属する請求項19に記載の管状ねじ継手。
  21. 前記ハウジング(20)は、雌管状部の自由端(14)に向かって一定で増加する直径を有し、その周壁(26)は、前記自由端の反対側の端部にねじの軸に対して大きく傾斜してねじ部材同士がねじ結合されるとシールリングを押す肩部(27)を形成し、前記周壁の角度が漸進的に減少することを特徴とする請求項19に記載の管状ねじ継手。
  22. 前記フレア(21)と前記第1の肩部(25)は、円筒状面(28)によって共に接続されることを特徴とする請求項12に従属する請求項19に記載の管状ねじ継手。
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