JP2008069883A

JP2008069883A - 鋼管用ねじ継手

Info

Publication number: JP2008069883A
Application number: JP2006249643A
Authority: JP
Inventors: Kunio Goto; 邦夫後藤; Shigeo Nagasaku; 重夫永作; Shigeo Onishi; 滋夫大西; Hiroaki Ikegami; 弘明池上
Original assignee: KANSAI KIKA KOGYO KK; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: KANSAI KIKA KOGYO KK; Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-09-14
Filing date: 2006-09-14
Publication date: 2008-03-27
Anticipated expiration: 2026-09-14
Also published as: RU2406003C1; PL2059704T3; US8857857B2; EP2059704B2; ES2421882T3; BRPI0716886B1; CA2663252C; EP2059704B1; NO342995B1; US20090236850A1; AR062776A1; NO20090999L; WO2008032872A1; BRPI0716886A2; CN101517300A; EP2059704A4; CN101517300B; BRPI0716886B8; CA2663252A1; MX2009002768A

Abstract

【課題】環境や人体への悪影響が懸念される重金属を含有するコンパウンドグリスを使用せずに、耐焼付き性、防錆性、気密性に優れた鋼管用ねじ継手を提供する。
【解決手段】ねじ部とねじ無し金属接触部とを有する接触表面をそれぞれ備えたピンとボックスとから構成される鋼管用ねじ継手において、ピンとボックスの少なくとも一方の部材の接触表面に、下から順に、第１の金属または合金からなるＨｖ１００〜５００の第１層、より軟質な第２の金属または合金からなるＨｖ１０〜１５０の第２層、および最上層の固体潤滑被膜層（潤滑粉を有機または無機結合剤で結合した被膜）を形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、鋼管用ねじ継手、特に油井管用ねじ継手に関し、特にその表面処理に関する。本発明の鋼管用ねじ継手は、油井管の締結の際にねじ継手に塗布されてきたコンパウンドグリスを塗布せずに、優れた耐焼付き性を確実に発揮することができる。したがって、本発明の鋼管用ねじ継手は、コンパウンドグリスに起因する地球環境および人体への悪影響を避けることができる。

原油やガス油の採掘のための油井掘削に用いるチュービングやケーシングといった油井管は、一般にねじ継手を用いて接続される。油井の深さは、従来は２０００〜３０００ｍであったが、近年の海洋油田などの深油井では８０００〜１００００ｍにも達することがある。

油井管のねじ継手には、使用環境下で油井管および継手自体の重量に起因する軸方向引張力といった荷重、内外面圧力などの複合した圧力、さらには地中の熱が作用するため、このような過酷な環境下においても破損することなく、気密性を保持することが要求される。

油井管の締結に使用される典型的なねじ継手は、油井管の端部（ピン）に形成された雄ねじと、カップリング（ねじ継手部品）の内面（ボックス）に形成された雌ねじとを備えた、ピン−ボックス構造をとる。さらに、雄ねじの先端と、雌ねじの基部には、それぞれねじ無し金属接触部が形成されている。油井管の一端をカップリングに挿入し、雄ねじと雌ねじとを締付けることにより、ねじ無し金属接触部同士を当接させて、メタルシール部を形成することにより、気密性が確保される。

チュービングやケーシングの油井への降下作業時には、種々のトラブルにより一度締結した継手を緩め、それらを一旦油井から引き上げた後、再度締結して降下させることがある。ＡＰＩ（米国石油協会）は、チュービング継手においては１０回の、ケーシング継手においては３回の、締付け（メイクアップ）および緩め（ブレークアウト）を行っても、ゴーリングと呼ばれる焼付きの発生がなく、気密性が保持されるという意味での耐焼付き性を要求している。

締付けの際には、耐焼付き性と気密性の向上を図るために「コンパウンドグリス」と呼ばれる重金属粉を含有する粘稠な液状潤滑剤をねじ継手の接触表面（即ち、ねじ部とねじ無し金属接触部）に塗布する。ＡＰＩ規格ＢＵＬ５Ａ２にそのようなコンパウンドグリスが規定されている。コンパウンドグリスには錆発生を防止する効果もある。

このコンパウンドグリスの保持性の向上や摺動性を改善する目的で、ねじ継手の接触表面に窒化処理、亜鉛系めっきや分散めっきを含む各種のめっき、リン酸塩化成処理といった多様な１層または２層以上の表面処理を施すことがこれまでに提案されてきた。しかし、コンパウンドグリスの使用は、次に述べるように、環境や人体への悪影響が懸念されるという問題がある。

コンパウンドグリスは亜鉛、鉛、銅などの重金属粉を多量に含有している。ねじ継手の締結時に、塗布されたグリスが洗い流されたり、外面にあふれ出したりして、特に鉛等の有害な重金属により、環境、特に海洋生物に悪影響を及ぼす可能性がある。また、コンパウンドグリスの塗布作業は作業環境を悪化させ、人体への有害性も懸念される。

近年、北東大西洋の海洋汚染防止に関するオスパール条約（オスロ・パリ条約、ＯＳＰＡＲ）が１９９８年に発効したのを契機に、地球規模での環境に対する厳しい規制が進み、コンパウンドグリスも一部地域では既にその使用が規制されようとしている。したがって、ガス井や油井の掘削作業においては、環境や人体への悪影響を避けるために、コンパウンドグリスを使用せずに優れた耐焼付き性を発揮できるねじ継手が求められるようになってきた。

コンパウンドグリスを塗布せずに油井管の締結に使用できるねじ継手としては、例えば、特許文献１において窒化処理や鉄めっき層の上にリン酸マンガン系化成処理を形成し、その上に固体潤滑被膜を形成した鋼管継手が例示されている。また、本発明とは目的が全く異なるが、特許文献２には母材面に軟質金属をめっきし、その上に硬質金属をめっきした油井管継手が、特許文献３には使用温度よりも高い融点を有する材料の表面処理層と、その表面に使用温度よりも融点の低い材料の表面処理層を形成した、高温気密性に優れた油井管用ねじ継手が、それぞれ開示されている。
特開平８−１０５５８２号公報特開昭６０−２６６９５号公報特開平５−１４９４８６号公報

しかし、特許文献１に記載の手段では固体潤滑被膜と下地処理層との密着性が不十分なため比較的早期に固体潤滑被膜が消耗し、また損耗の際の摩耗粉が摩擦面に留まりにくいという欠点があることが判明した。従って、特に高合金製の油井管に適用すると、耐焼付き性が不足し、油井管の締付け・緩めを繰り返した場合の焼付きを防止できない。

特許文献２と特許文献３はともに、ねじ継手に対する軟質金属及び硬質金属の多層処理に関する。しかし、特許文献２は焼付き防止と気密性確保のためにコンパウンドグリスを塗布することを前提にしている。従って、コンパウンドグリスに起因する地球環境および人体への悪影響を避けることはできない。一方、特許文献３では、上層の表面処理層が使用温度で溶融することにより気密性は確保されるものの、この手法では締付け・緩めを繰り返した場合の耐焼付き性や防錆性が不十分となる。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決し、コンパウンドグリスを使用せずに、錆の発生を抑制すると同時に、高合金製の油井管に対しても優れた耐焼付き性能と気密性を長期間にわたって持続し得る、耐焼付き性、防錆性、気密性に優れた鋼管用ねじ継手を提供することを課題とする。

コンパウンドグリスを使用せずに、油井管、特に焼付きの起こり易い高合金製の油井管に、上記ＡＰＩで要求されるレベルの耐焼付き性を付与するには、固体潤滑被膜を利用することが非常に有利である。しかし、特許文献１に対して述べたように、固体潤滑被膜の下地への密着性が不十分であると、固体潤滑被膜による耐焼付き性改善効果は不十分となる。一方、固体潤滑被膜の使用を想定していない特許文献２および３には、固体潤滑被膜の使用を前提とした上でより高い耐焼付き性を如何なる構成で実現しうるのかについて何ら開示されていない。

本発明者らは、最上層が固体潤滑被膜層である場合に高い耐焼付き性を持続的に発現し続けるためにはどのような下地処理層の構成が好ましいのかについて鋭意検討した。その結果、鋼母材表面にまず、相対的に硬質な金属もしくは合金からなる第１層と、その上の第１層より軟質な金属もしくは合金からなる第２層とからなる２層の下地処理層とすることにより、母材との密着性が高まるほか、固体潤滑被膜層の一部が軟質な第２層に押し込まれることで、固体潤滑被膜層が消耗した後も潤滑作用を有し、耐焼付き性を持続させることができることを突き止めた。さらに、第１層および第２層の硬度、第２層の表面粗度、各層の膜厚に好ましい範囲があることを明らかにした。

本発明は、ねじ部とねじ無し金属接触部とを有する接触表面をそれぞれ備えたピンとボックスとから構成される鋼管用ねじ継手であって、ピンとボックスの少なくとも一方の部材の接触表面に、下から順に、第１の金属または合金からなる第１層、第１の金属または合金より軟質な第２の金属または合金からなる第２層、および最上層の固体潤滑被膜層を有することを特徴とする鋼管用ねじ継手である。

本発明に係る好ましい鋼管用ねじ継手は次の通りである：
・第１層の硬さがＨｖ１００〜５００、第２層の硬さがＨｖ１０〜１５０である、
・第２層の表面粗度が１〜６μｍＲａである、
・第１層の膜厚が２〜１５μｍ、第２層の膜厚が５〜３０μｍ、固体潤滑被膜層の膜厚が５〜４０μｍである、
・固体潤滑被膜層が有害重金属を含まない、
・鋼管が油井管である、
・鋼管がＣｒを３％以上含有する。

本発明によると、ねじ無し金属接触部を有する鋼管用ねじ継手の接触表面に、より硬質な金属もしくは合金からなる第１層と、より軟質な金属もしくは合金からなる第２層という、硬度が異なる２層構造の下地処理を施した上に、固体潤滑被膜層を形成する。固体潤滑被膜層はねじ継手締付けおよび締め戻し時に、損耗するものの、潤滑成分の摩耗粉が軟質な第１層表面に埋め込まれるなどして耐焼付き性を持続することができる。また、第１、２層は固体潤滑被膜層による低摩擦化により溶融することなく、該２層の下地処理と共にねじ継手の接触表面に対する防錆効果を発揮する。本発明の鋼管用ねじ継手は、錆の発生を抑制することができ、締付けと緩めを繰り返しても潤滑機能を持続して発揮し、かつ締付け後は気密性を確保することができる。

したがって、本発明の鋼管用ねじ継手は、油井管の繰り返しの締付け、緩めにおいて優れた耐焼付き性を持続することができ、また、特に深井戸など高温に曝されたり、硫化水素濃度の高い厳しい環境で使用されることの多い高合金鋼製の油井管用ねじ継手においても焼付きを防止することができる。

以下、本発明の鋼管用ねじ継手の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、出荷時の油井管用鋼管とカップリング（ねじ継手部品）の状態を示す典型的なねじ継手の組み立て構成を模式的に示す。鋼管Ａの両端には外面に雄ねじ部３ａを有するピン１が形成され、カップリングＢの両側には、内面に雌ねじ部３ｂを有するボックス２が形成されている。ピンとは雄ねじを有する方のねじ継手部分を、ボックスとは雌ねじを有する方のねじ継手部分をそれぞれ意味する。鋼管Ａの一端には予めカップリングＢが締付けられている。図示していないが、締付けられていない鋼管ＡのピンとカップリングＢのボックスには、それぞれのねじ部の保護のためのプロテクターが出荷前に装着され、これらはねじ継手の使用前に取り外される。

典型的には、図示のように、ピンは鋼管の両端の外面に、ボックスは別部品であるカップリングの内面に形成される。しかし、逆に、鋼管の両端の内面をボックスとし、カップリングの外面をピンとすることも原理的には可能である。また、カップリングを利用せず、鋼管の一端をピン、他端をボックスとしたインテグラル方式のねじ継手もある。

図２は、代表的な鋼管用ねじ継手（以下、単に「ねじ継手」ともいう）の構成を模式的に示す。ねじ継手は、鋼管Ａの端部の外面に形成されたピン１と、カップリングＢの内面に形成されたボックス２とから構成される。ピン１は雄ねじ部３ａと鋼管先端に位置するねじ無し金属接触部４ａとショルダー部５を備える。これに対応して、ボックス２は、雌ねじ部３ｂと、その内側のねじ無し金属接触部４ｂとを備える。

ピン１およびボックス２のそれぞれのねじ部３ａ、３ｂとねじ無し金属接触部４ａ、４ｂとがねじ継手の接触表面であり、この接触表面には、耐焼付き性、気密性、防食性が要求される。従来は、そのために、重金属粉を含有するコンパウンドグリスを塗布するのが普通であった。しかし、前述したように、これらは、人体や環境面の問題があった。

本発明によれば、図３にねじ無し金属接触部について示すように、ピンとボックスの少なくとも一方の部材の接触表面は、鋼３０の表面上に形成された第１の金属もしくは合金からなる第１層３１ａと、その上に形成された、より軟質の第２の金属もしくは合金からなる第２層３１ｂと、最上層の固体潤滑被膜層３２とで被覆される。以下では、第１の金属または合金を硬質な金属または合金、より軟質の第２の金属または合金を軟質な金属または合金と称する。

本発明のねじ継手は、ねじ継手の締結時には固体潤滑被膜層がその本来の潤滑性を持続的に発揮して、コンパウンドグリスを使用せずに、締付けと緩めを繰り返してもねじ継手の焼付きを防止でき、かつ締結後の気密性も確保できる。

第１層３１ａの下地は粗面とすることもできる。この粗面化は鋼３０の表面をブラスト処理または酸洗により直接粗面化することにより実現できる。
硬質な金属もしくは合金からなる第１層３１ａと、軟質な金属もしくは合金からなる第２層３１ｂとを電気めっき法等の適当な方法で形成した後、固体潤滑被膜を形成する前に、場合によりショットブラストもしくはサンドブラストにより適当な表面粗度を付与してもよい。それにより、固体潤滑被膜の密着性が高まる。

ピンとボックスの両方の接触表面に上記の３層を形成してもよいが、図１に示したように出荷時にピンとボックスとを締結してしまう個所では、ピンとボックスの一方だけに下地処理層と固体潤滑被膜層の形成処理を行ってもよい。一方だけを処理する場合、短い継手部材の方が下地処理や被膜形成のための塗布作業が容易であるので、継手部材の接触表面（通常はボックスの接触表面）に下地処理層と固体潤滑被膜層を形成するのが好都合である。

また、第１層および第２層の下地処理層と固体潤滑被膜層は、ピンおよび／またはボックスの接触表面の全面を被覆すべきであるが、接触表面の一部だけ（例えば、ねじ無し金属接触部だけ）を被覆する場合も本発明は包含する。

［母材］
前述したように、本発明は鋼管用ねじ継手は耐焼付き性に非常に優れているので、焼付きが起こり易い高合金鋼製のねじ継手に対しても締付けと緩めを繰り返した時の焼付きを防止することができる。

従って、本発明のねじ継手で締結する鋼管としては油井管が好ましい。また、ねじ継手（すなわち、油井管等の鋼管と、インテグラル方式以外の場合にはカップリング）を構成する鋼種は、Ｃｒを３％以上含有する高合金鋼であることが耐食性の観点から好ましい。そのような鋼を例示すると、Ｃｒ含有量が５％、１３％、および２５％の鋼を挙げることができる。

［下地処理層］
本発明はピンおよび／またはボックスの接触表面に、まず相対的に硬質な金属もしくは合金からなる第１層と、相対的に軟質な金属もしくは合金からなる第２層という２層構造の下地処理層を形成する。

第１層に使用する金属もしくは合金は、Ｈｖ硬度で１００〜５００のものが好ましい。Ｈｖ硬度１００未満では、母材との密着性が不足することがある。一方、Ｈｖが５００を超えると、被膜が脆くなり、やはり被膜の密着性が低下したり、あるいは割れが発生しやすくなるために、防食性が低下することがある。

第１層に好適な金属および合金としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ−Ａｕ，Ｃｕ−Ａｇ、Ｃｕ−Ｎｉなどを例示することができ、電気めっき法等の適当な方法により形成すればよい。第１層の膜厚は２〜１５μｍの範囲が好ましい。２μｍ未満では、被膜強度が低下し、剥離しやすくなることがある。一方、１５μｍを超えると、締結時のせん断力に耐えきれず、母材との間で剥離し易くなることがある。

第２層に使用する金属もしくは合金は、Ｈｖ硬度で１０〜１５０のものが好ましい。但し、第１層より低硬度のものである。Ｈｖ硬度１０未満では、固体潤滑被膜層を支えるだけの強度が得られず、固体潤滑被膜層から排出された潤滑粉が埋め込まれても摩耗が早いため潤滑性能が持続しないことがある。一方、Ｈｖが１５０を超えると、固体潤滑被膜層から排出された潤滑粉の埋め込み量が少なくなり、やはり潤滑性を持続することができないことがある。

第２層に好適な金属および合金としては、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｂｉ等を例示することができ、第１層同様に電気めっき法等の適当な方法により形成すればよい。第２層の膜厚は５〜３０μｍの範囲が好ましい。５μｍ未満では、第２層に埋め込み可能な潤滑粉の量が少なく、耐焼付き性が不足することがある。一方、３０μｍを超えると、高い面圧を受けた場合に固体潤滑被膜層を保持する性能が不足することがある。

第２層の表面粗度は、その上に形成される固体潤滑被膜層との密着性を確保するため、ショットブラスト、サンドブラスト等の公知の粗面化法によりＲａが１〜６μｍとなるようにするのが好ましい。Ｒａが１μｍ未満では、固体潤滑被膜層との密着性が不足することがあり、一方、Ｒａが６μｍを超えると、軟質な第２層の膜厚を確保することが難しくなるほか、固体潤滑被膜層から排出された潤滑粉の埋め込み効果が低下することがある。

第１層および第２層の金属または合金層の形成は、電気めっき、無電解めっき、気相めっきなど公知のめっき法を利用して行うことができる。経済性等を勘案すると、電気めっき法が特に好ましい。

本発明に係る第１層の形成前に、Ｎｉストライクめっき層を別途形成しても良く、このような場合も本発明に含まれることは言うまでもない。
Ｎｉストライクめっき層の形成には、例えばＮｉイオン濃度が５５〜８０ｇ／Ｌとなるように塩化ニッケルを脱イオン水に溶解し、３０〜５０ｇ／Ｌの硫酸銅を添加した浴を用いることができる。さらに、市販の光沢剤を添加することもできる。その場合には、めっき浴の温度を２０〜４０℃として、電流密度２〜６Ａ／ｄｍ^２でめっきを行うことにより必要な膜厚とすることができる。

第１層および第２層を電気めっきにより形成する場合、めっき条件は従来と同様でよく、特に制限されるものではない。第２層の形成に利用できる金属または合金めっきのいくつかについて次にめっき条件を簡単に説明する。

Ｓｎめっき層は、例えば、ホウフッ化第一スズを２００ｇ／Ｌ、ホウフッ化水素酸を１２５ｇ／Ｌ、ホウ酸を２５ｇ／Ｌ、ゼラチンを２ｇ／Ｌ、β−ナフトールを１ｇ／Ｌ含有するめっき浴を使用して、浴温２０〜２５℃、電流密度１〜５Ａ／ｄｍ^２で電気めっきを行うことにより形成できる。Ｓｎめっきでは、このホウフッ化浴の使用が一般的であるが、廃水処理のし易さから、市販の有機スルホン酸ベースのＳｎめっき浴を使用することもできる。

Ｓｎ−Ｂｉ合金めっき層の形成には、例えば、アルカリめっき法や酸性めっき法を採用することができる。これらめっき方法において浴中のＳｎにＢｉを添加することにより、めっき層の被膜硬度は純Ｓｎ層の場合に比べて大幅に増大する。例えば０.５〜１０％のＢｉをＳｎに共析させることにより、被膜硬度は、純Ｓｎ（Ｈｖ８〜１０）に比べて２〜３倍に増大する。

アルカリめっき方法のめっき条件は、例えば、スズ酸カリ：１００〜１１０ｇ／Ｌ、苛性カリ：３５〜６０ｇ／Ｌ、ビスマス：０.５〜１.５ｇ／Ｌ、浴温度：７５〜８５℃、電流密度：０.５〜３Ａ／ｄｍ^２である。

酸性めっき方法のめっき条件は、例えば、有機酸：１３０（ｇ／Ｌ）、Ｓｎ金属：１０ｇ／Ｌ、Ｂｉ金属：３ｇ／Ｌ、浴温度：３０〜４０℃、電流密度：０.３〜３.５Ａ／ｄｍ^２である。

Ｃｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金めっきのめっき条件は、例えば、有機酸：１３０〜１８０ｇ／Ｌ、Ｃｕ金属：１ｇ／Ｌ、Ｓｎ金属：１５ｇ／Ｌ、Ｂｉ金属：１.５ｇ／Ｌ、浴温度：１５〜３０℃、電流密度：０.５〜３.５Ａ／ｄｍ^２である。

［固体潤滑被膜層］
本発明では前記の２層の下地処理層の上に、さらに最上層として潤滑効果を発揮する固体潤滑被膜層を形成する。

本発明に係る固体潤滑被膜層は、環境や人体に悪影響のないものであり、かつ潤滑作用を有すればよい。その構成は潤滑作用を有する粉末（以下、「潤滑性粉末」という）と結合剤をベースに潤滑添加剤、腐食防止剤、顔料等を含んだ一般的なものを使用できる。

潤滑性粉末としては、黒鉛、マイカ、タルク、炭酸カルシウム、粘土鉱物（例、カオリン、ベントナイト）のように、オスパール条約において海洋環境に対する負荷が全く若しくはほとんどないと認定されているものや、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、二硫化スズ、ＰＴＦＥ、ＭＣＡ（メラミンシアヌレート）、ギルソナイト（天然アスファルト）、フッ化黒鉛、窒化ホウ素（ＢＮ）、Ｂｉ_２Ｓ_３のような有害性のないものが使用でき、いずれも市販品をそのまま使用できる。黒鉛を使用する場合は結晶化が８８％以上のものが耐焼付き性の点で特に好ましく、結晶化度が９０以上、９９％以下のものがさらに好ましい。

結合剤としては、有機樹脂、無機高分子化合物のいずれも用いることができる。
有機樹脂としては、耐熱性と適度な硬さと耐摩耗性を有するものが好適である。そのような樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリカルボジイミド樹脂、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトン、フェノール樹脂、フラン樹脂などの熱硬化性樹脂や、ポリエチレン樹脂、シリコーン樹脂などを例示できる。固体潤滑被膜の密着性と耐摩耗性を向上するという観点から、加熱硬化処理をすることが好ましい。この加熱硬化処理の温度は好ましくは１２０℃以上、より好ましくは１５０〜３８０℃であり、処理時間は好ましくは３０分以上、より好ましくは３０〜６０分である。

有機樹脂被膜の形成時に使用する溶媒としては、炭化水素系（例えば、トルエン）、アルコール系（例えば、イソプロピルアルコール）をはじめとする、各種の低沸点溶媒を単独あるいは混合して用いることができる。また、溶媒を一切使用せずに１００〜２２０℃の温度で軟化するようなホットメルト（高温で軟化して低粘度となる）タイプの結合剤を使用することもできる。そのようなものとしては、例えば、各種熱可塑性樹脂、エチレン酢酸ビニル共重合物、ポリアミド、ポリオレフィン共重合物、ポリウレタンなどがある。母材（鋼表面）及び固体潤滑被膜層形成用薬剤を予め軟化点以上の温度に加熱溶融して、スプレーガン等を使用して塗布し、冷却過程で固化させ、被膜化させることができる。

また、光硬化性樹脂を結合剤に使用することも可能である。光硬化性樹脂も溶媒を含まない樹脂系とすることができる。
無機高分子化合物とは、Ｔｉ−Ｏ、Ｓｉ−Ｏ、Ｚｒ−Ｏ、Ｍｎ−Ｏ、Ｃｅ−Ｏ、Ｂａ−Ｏといった、金属−酸素結合が三次元架橋した構造を有する化合物である。この化合物は、金属アルコキシドで代表される加水分解性の有機金属化合物または四塩化チタンなどの加水分解性の無機化合物の加水分解と縮合により形成することができる。

金属アルコキシドとしては、アルコキシ基がメトキシ、エトキシ、イソプロポキシ、プロポキシ、イソブトキシ、ブトキシ、ｔｅｒｔ−ブトキシなどの低級アルコキシ基である化合物が使用できる。好ましい金属アルコキシドは、チタン又はケイ素のアルコキシドであり、特にチタンアルコキシドが好ましい。中でも、チタンイソプロポキシドは造膜性に優れていて好ましい。

無機高分子化合物の原料として使用する有機金属化合物は、アミンやエポキシ基等の官能基で置換されていてもよいアルキル基を含有することもできる。例えば、シランカップリング剤のように、アルコキシ基の一部が官能基を含有していてもよい非加水分解性のアルキル基で置換されている有機金属化合物を無機高分子化合物の原料の一部又は全部として使用することができる。

結合剤が無機高分子化合物である場合、例えば、金属アルコキシドの溶液に潤滑性粉末を加えて分散させ、ピンとボックスの少なくとも一方の接触表面に塗布し、加湿処理した後、必要に応じて加熱し、金属アルコキシドの加水分解と縮合を進めると、金属−酸素結合からなる無機高分子化合物中に潤滑性粉末が分散した固体潤滑被膜層が形成される。

金属アルコキシドの溶媒としては、アルコール（例えば、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、ブチルアルコール）やケトン等の極性溶剤、炭化水素、ハロゲン化炭化水素等、各種の有機溶媒が使用できる。造膜を促進するため、溶液中の金属アルコキシドを塗布前に予め部分加水分解しておいてもよい。また、塗布後の加水分解を促進するため、金属アルコキシドの溶液に、水及び／又は加水分解触媒の酸を少量添加してもよい。

金属アルコキシドの加水分解を進めるための加湿処理は、大気中に所定時間放置することにより行うことができるが、湿度が７０％以上の大気中で行うことが望ましい。好ましくは、加湿処理後に加熱を行う。加熱硬化処理により加水分解及び加水分解物の縮合と、加水分解の副生物であるアルコールの排出が促進され、短時間で造膜でき、形成される固体潤滑被膜の密着性が強固となり、耐焼き付き性が向上する。この加熱は、分散媒が蒸発した後に行うことが好ましい。加熱温度は副生するアルコールの沸点に近い１００〜２００℃の温度とするのがよく、熱風を当てるとより効果的である。

固体潤滑被膜層中の結合剤の含有量（Ａ）に対する潤滑性粉末の含有量（Ｂ）の質量比（Ｂ／Ａ）は０.３〜９.０とするのが好ましい。この質量比が０.３未満では、形成される固体潤滑被膜層の潤滑性向上の効果が少なく、耐焼き付き性の改善が不十分である。この質量比が９.０より大きくなると、固体潤滑被膜層の密着性が低下し、固体潤滑被膜層からの潤滑性粉末の剥離が著しいなどの問題が生じる。耐焼付き性がさらに要求される、例えば、ねじ部干渉量の厳しい場合には、上記質量比は０.５〜７.０がより好ましい。高合金鋼のように、より一層の耐焼付き性が要求される場合には、上記質量比はさらに好ましくは０.５〜５.０の範囲である。

固体潤滑被膜層の厚さは５μｍ以上あることが望ましい。潤滑層に含まれる潤滑性粉末は、高い面圧を受けて接触面全体に広がり、下地処理層の軟質な第２層中に一部埋め込まれ、優れた耐焼付き性を持続するものであるが、潤滑層の厚さが５μｍ未満では含有する潤滑性粉末の絶対量が少なくなり、潤滑性向上の効果が少なくなることがある。

一方、潤滑層の厚さが４０μｍより大きくなると、ねじ間の干渉により締め付け量が不十分となり気密性が低下するといった問題や気密性を確保するために面圧を高めると焼き付きが発生しやすくなるといった問題、さらに、固体潤滑被膜層が剥離しやすくなるといった欠点が懸念されるものの、ねじの幾何学形状によっては使用も可能である。環境への排出を少しでも軽減することや経済性、耐焼付き性、防錆性の観点からより好ましくは、固体潤滑被膜の膜厚は１０μｍ以上、４０μｍ以下である。

固体潤滑被膜層を形成するための塗布は、刷毛塗り、浸漬処理、エアースプレー法等の公知の適当な方法で実施すればよい。
なお、固体潤滑被膜層には、防錆剤をはじめとする各種添加剤を、耐焼付き性を損なわない範囲で添加することができる。例えば、亜鉛粉、クロム顔料、アルミナ顔料の１種若しくは２種以上を添加することで、固体潤滑被膜層自身の防錆性を向上させることができる。その他、本発明の目的、効果を損なわない範囲で、潤滑添加剤、酸化防止剤、着色剤などを固体潤滑被膜層に適宜添加することもできる。潤滑添加剤の例としては、ワックスや脂肪酸アルカリ土類金属塩などである。

ワックスとしては、動物性、植物性、鉱物性および合成ワックスのいずれでもよい。使用できるワックスとしては蜜蝋、鯨蝋（以上、動物性）、木蝋、カルナバワックス、キャンデリラワックス、ライスワックス（以上、植物性）、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、ペトロラタム、モンタンワックス、オゾケライト、セレシン（以上、鉱物性）、酸化ワックス、ポリエチレンワックス、フィッシャー・トロプッシュワックス、アミドワックス、硬化ひまし油（カスターワックス）（以上、合成ワックス）などがある。なかでも、分子量１５０〜５００のパラフィンワックスが好ましい。

脂肪酸アルカリ土類金属塩の脂肪酸としては、炭素数１２〜３０のものが、潤滑性や防錆性の観点から好ましい。脂肪酸は飽和と不飽和のいずれでもよく、また牛脂、ラード、羊毛脂、パーム油、菜種油および椰子油などの天然油脂由来の混合脂肪酸と、ラウリン酸、トリデシル酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ラノパルミチン酸、ステアリン酸、イソステアリン酸、オレイン酸、エライジン酸、アラキン酸、ベヘン酸、エルカ酸、リグノセリン酸、ラノセリン酸などの単一化合物のいずれでもよい。塩の形としてはカルシウム塩が好適であり、中性塩、塩基性塩のいずれでもよい。ステアリン酸カルシウムの形で含有させることがより好ましい。

鋼管用ねじ継手のピンとボックスの一方の部材の接触表面だけに、本発明に従って、硬質の第１層とその上の軟質な第２層、さらにその上に固体潤滑被膜層を形成した場合、これらの被膜で被覆されない他方の部材の接触表面は、未処理のままでもよいが、好ましくは、防食性の観点から前述した下地処理層かもしくは固体潤滑被膜層を施してもよい。

あるいは、公知の防食被膜を形成して、大気との接触を遮断することにより、保管中に露点の関係で水と接触することがあっても、接触表面に錆が発生することが防止される。このような防錆被膜は、最初の締付け時の衝撃で破壊され、相手部材に施されている固体潤滑被膜層と一体化して、潤滑作用を示すので、潤滑性を阻害することはない。

次に、本発明の下地処理層及び固体潤滑被膜層を、典型的なねじ継手に適用した場合の実施の形態について説明する。

以下の実施例と比較例により、本発明の効果を例証する。なお、以下、ピンのねじ部とねじ無し金属接触部を含む接触表面を「ピン表面」、ボックスのねじ部とねじ無し金属接触部とを含む接触表面を「ボックス表面」という。表面粗さはＲａである。

表１に示す１３％Ｃｒ鋼Ａ、高合金鋼Ｂのいずれかからなるねじ継手（外径：１７.７８ｃｍ（７インチ）、肉厚：１.０３６ｃｍ（０.４０８インチ））のピン表面とボックス表面に、表２に示す表面処理を施した。下地処理層の形成には電気めっき法を、固体潤滑被膜層の形成には、エアースプレー塗布を用いた。なお、下地処理の第２層表面の粗さは軽くショットブラストすることにより調整した。各被膜形成用組成物中の各成分の割合は質量比にて示す。

締付けは、締付け速度１０ｒｐｍ、締付けトルク１４ｋＮ・ｍで行い、緩めた後のピンおよびボックスの接触表面の焼付き状況を調査した。締付けにより発生した焼付き疵が軽微で、手入れをすれば再締結が可能である場合は、手入れをして締付け・緩めを続行した。締付け・緩め試験の結果を表３に示す。

（実施例１）
表１に示す組成Ａの１３Ｃｒ鋼製ねじ継手に下記の表面処理を施した。

ボックス表面は、機械研削仕上げ（表面粗さ３μｍ）の後、まず電気めっきによりＨｖ２００のＣｕめっきを４μｍの膜厚に形成し、電気めっきによりＨｖ１０のＳｎめっきを５μｍ形成した後、ショットブラストを軽く実施して表面粗さ１μｍＲａにした。その後、二硫化タングステンを分散したエポキシ樹脂からなる固体潤滑被膜層（潤滑粉／結合剤質量比＝４.０）を２０μｍの膜厚に形成した。

ピン表面は、機械研削仕上げ（表面粗さ３μｍ）のままとした。
締付け・緩め試験では、表３に示すように、１０回の締付け・緩めにおいて、焼付きの発生はなく、極めて良好であった。

（実施例２）
表１に示す組成Ａの１３Ｃｒ鋼製のねじ継手に下記の表面処理を施した。
ボックス表面は、機械研削仕上げ（表面粗さ３μｍ）の後、まずＮｉストライクめっきを膜厚１μｍに形成した後、電気めっきによりＨｖ１５０のＣｕめっきを５μｍの膜厚に形成し、電気めっきによりＨｖ３０のＣｕ−Ｓｎ合金めっきを１２μｍ形成した後、ショットブラストを軽く実施して表面粗さ２μｍＲａにした。その後、結晶化度９６.４％の土状黒鉛を分散したホットメルト結合剤（カルナバワックス、ポリアミド）からなる固体潤滑被膜層（潤滑粉／結合剤質量比＝２.０）をボックス表面及び固体潤滑被膜層形成用薬剤を１５０℃に加熱してから、エアスプレーガンにより２５μｍの膜厚に形成した。

ピン表面は、機械研削仕上げ（表面粗さ３μｍ）の後、防錆被膜としてアクリル樹脂を１０μｍの膜厚に形成した。
締付け・緩め試験では、表３に示すように、１０回の締付け・緩めにおいて、焼付きの発生はなく、極めて良好であった。

（実施例３）
表１に示す組成Ｂの高合金製のねじ継手に下記の表面処理を施した。
ボックス表面は、機械研削仕上げ（表面粗さ３μｍ）後、電気めっきによりＨｖ２５０のＮｉめっきを５μｍの膜厚に形成し、さらにその上に電気めっきによりＨｖ５０のＳｎ−Ｚｎ合金めっきを１０μｍ形成した後、ショットブラストを軽く実施して表面粗さ１.５μｍＲａにした。その後、マイカ、タルク、ベントナイトを分散したポリアミドイミド樹脂からなる固体潤滑被膜層（潤滑粉／結合剤質量比＝８.０）を１５μｍの膜厚に形成した。

ピン表面は、機械研削仕上げ（表面粗さ３μｍ）のままとした。
鋼種が非常に焼付きの起こり易い高合金鋼であったため、締付け・緩め試験では、表３に示すように、１０回の締付け・緩めにおいて、７回目終了時に僅かな焼付きが発生したが、手入れにより引き続き使用可能であった。この結果は、耐焼付き性能としては全く問題ないレベルである。

（実施例４）
表１に示す組成Ｂの高合金鋼製のねじ継手に下記の表面処理を施した。
ボックス表面は、機械研削仕上げ（表面粗さ３μｍ）後、電気めっきによりＮｉストライクめっきを膜厚１μｍに形成した後、電気めっきによりＨｖ２５０のＣｕめっきを８μｍの膜厚に形成し、電気めっきによりＨｖ１００のＣｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金めっきを２０μｍ形成した。その際、表面粗さは５μｍＲａであった。その後、黒鉛、二硫化モリブデンを分散したＴｉＯ系無機高分子化合物からなる固体潤滑被膜層（潤滑粉／結合剤質量比＝２.３）を１０μｍの膜厚に形成した。

ピン表面は、機械研削仕上げ（表面粗さ３μｍ）の後、防錆被膜としてアクリル樹脂を１０μｍの膜厚に形成した。
締付け・緩め試験では、表３に示すように、１０回の締付け・緩めにおいて、８回目終了時に僅かな焼付きが発生したが、手入れにより引き続き使用可能であった。この結果は、耐焼付き性能としては全く問題ないレベルである。

（比較例１）
表１に示す組成Ａの１３％Ｃｒ鋼製のねじ継手に下記の表面処理を施した。
ボックス表面は、機械研削仕上げ（表面粗さ３μｍ）後、その表面を電気めっきによりＨｖ１５０のＣｕめっきを膜厚６μｍ形成した。さらに、その上に、二硫化タングステンを分散したエポキシ樹脂からなる固体潤滑被膜層（潤滑粉／結合剤質量比＝４.０）を２０μｍの膜厚に形成した。

ピン表面は、機械研削仕上げ（表面粗さ３μｍ）のままとした。
締付け・緩め試験では、表３に示すように、１０回の締付け・緩めにおいて、２回目までは焼付きの発生はなかった。しかし、３回目に激しい焼付きが発生したため試験を終了した。

（比較例２）
表１に示す組成Ａの１３％Ｃｒ鋼製のねじ継手に下記の表面処理を施した。
ボックス表面は、機械研削仕上げ（表面粗さ３μｍ）後、その表面をまず電気めっきによりＨｖ１０のＳｎめっきを膜厚５μｍ形成し、さらに同様に電気めっきによりＨｖ１５０のＣｕめっきを膜厚１０μｍ形成した。その後、２層のめっき層の上に二硫化タングステンを分散したエポキシ樹脂からなる固体潤滑被膜層（潤滑粉／結合剤質量比＝４.０）を２０μｍの膜厚に形成した。

防錆性については、別途準備したクーポン試験片（７０ｍｍ×１５０ｍｍ×２ｍｍ厚）に、表２のボックス側の各被膜を形成し、湿潤試験（温度５０℃、湿度９８％、２００時間）を実施して評価した。その結果、実施例はいずれも錆の発生がないことを確認している。

以上に、本発明を現時点で好ましいと考えられる実施形態に関連して説明したが、本発明は以上に開示された実施形態に限定されるものではない。特許請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の技術思想に反しない範囲で変更を加えることが可能であり、そのような変更を伴うねじ継手もまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。

鋼管出荷時の鋼管とカップリングの組み立て構成を模式的に示す。ねじ継手の締付け部を模式的に示す。本発明にしたがって鋼管用ねじ継手の接触表面に形成された被膜を示す説明図。

符号の説明

Ａ：鋼管；Ｂ：カップリング；１：ピン；２：ボックス；３ａ：雄ねじ部；３ｂ：雌ねじ部；４ａ、４ｂ：ねじ無し金属接触部；５：ショルダー部；３０：鋼表面；３１ａ：硬質な第１層；３１ｂ：軟質な第２層；３２：固体

Claims

ねじ部とねじ無し金属接触部とを有する接触表面をそれぞれ備えたピンとボックスとから構成される鋼管用ねじ継手であって、ピンとボックスの少なくとも一方の部材の接触表面に、下から順に、第１の金属または合金からなる第１層、第１の金属または合金より軟質な第２の金属または合金からなる第２層、および最上層の固体潤滑被膜層を有することを特徴とする鋼管用ねじ継手。
第１層の硬さがＨｖ１００〜５００、第２層の硬さがＨｖ１０〜１５０である、請求項１に記載の鋼管用ねじ継手。
第２層の表面粗度が１〜６μｍＲａである、請求項１または２に記載の鋼管用ねじ継手。
第１層の膜厚が２〜１５μｍ、第２層の膜厚が５〜３０μｍ、固体潤滑被膜層の膜厚が５〜４０μｍである、請求項１〜３のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
固体潤滑被膜層が有害重金属を含まない、請求項１〜４のいずれか１項に記載の鋼管用ねじ継手。
鋼管が油井管である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の鋼管用ねじ継手。
鋼管がＣｒを３％以上含有する、請求項６に記載の鋼管用ねじ継手。