JP2010255707A

JP2010255707A - 油井管用特殊ねじ継手の設計方法

Info

Publication number: JP2010255707A
Application number: JP2009104856A
Authority: JP
Inventors: Kazunari Takahashi; 一成高橋
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-04-23
Filing date: 2009-04-23
Publication date: 2010-11-11

Abstract

【課題】ねじ干渉量を増加させる手段を採用し、高い要求トルクを満たしかつシール性能を確保した油井管用特殊ねじ継手の設計方法を提案する。
【解決手段】ピン１が内部に挿入されるボックス２内に、テーパねじ部３、シール部４およびショルダー部５を有する特殊ねじ継手の設計方法であって、要求トルクに応じて、ねじ干渉量を増加させることによるねじ干渉トルク増分を決定する工程と、あらかじめ有限要素法による数値解析（ＦＥＡ）あるいは実物の締め付けテストによって、ねじ干渉量を増加させることよる、シール部でのシール干渉量の減少分を求めておき、求めた減少分を、設計上のシール干渉量に反映する工程を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ねじ干渉量を増加させる手段を採用し、高い要求トルクを満たしかつシール性能を確保した油井管用特殊ねじ継手の設計方法に関する。

近年、低深度で開発の容易な油井、ガス井が減少するとともに、より高深度でかつ高温高圧の井戸が増加している。また、傾斜井戸、水平井戸など、より複雑な形状の井戸も増加している。これに伴い、油井管の降下作業において、油井管を高トルクで回転させながら押し込む必要があり、油井管用特殊ねじ継手（単に特殊ねじ継手ともいう）に対し、要求トルクがますます高くなる傾向にある。

ここで、シール性能向上を狙った特殊ねじ継手の構造について詳述しておく（特許文献１）。
特殊ねじ継手は、図１に示したように、油井管の管端に形成された雄側のピン１が内部に挿入される雌側のボックス２からなり、ボックス内にテーパねじ部３、シール部４およびショルダー部５を有する。このねじ結合部で金属同士の干渉が生じ、さらに雄側のピン１の先端部がシール部４およびショルダー部５とメタル−メタル接触することで、金属同士の干渉が生じるようにしている。

図１中、シールノーズ部厚さＨは、シール部４とショルダー部５のそれぞれの部分の半径方向厚みを合計した値であり、特殊ねじ継手の設計上重要な寸法である。
なお、設計上のねじ干渉量（＝ｄ_１−ｄ_２、ｄ_１：ピン１のねじ径、ｄ_２：ボックス２のねじ径）は、完全ねじ部の長さ中央付近で計ったねじ径で定義される（図１（ｂ）中、＊付き矢印参照）。ねじ部３は、通常長手方向全域（不完全ねじ部を除く）で傾きが一定の直線状テーパが採用されている。

直線状テーパが採用されている特殊ねじ継手を油井管の管端に締め付けてゆくと、ターン（締め付け時の回転数）とトルクの関係は、一般に図２に示す実線のようになる。
すなわち、Ｏ点でねじ干渉が開始し、トルクが直線的（トルク増加率＝トルク増分／ターン増分＝一定）に増加するねじ干渉域（ＯＡ間）が現れ、つぎにシール干渉がＡ点で開始し、それに次いでＢ点でショルダー干渉が開始する。図２中、Ａ点をシール干渉開始ポイント、Ｂ点をショルダー干渉開始ポイント、Ｃ点をイールド開始ポイントと称する。

なお、シール干渉域（ＡＢ間）およびショルダー干渉域（ＢＣ間）では、その前の領域に比べてトルク増加率が大きく、トルクが増える。また、ショルダー干渉域（ＢＣ間）の中間に通常締付域（オプチマムトルクとなる領域）が来るように特殊ねじ継手が設計されている。
ピンテーパ（ピン１のねじ部３のテーパ）とボックステーパ（ボックス２のねじ部３のテーパ）は、要求仕様に応じて種々の組み合せがあり、図１（ｂ）には、ピンテーパ＞ボックステーパとした設定例を示した。

ここで、油井管の降下作業において、油井管の管端から特殊ねじ継手に加わるトルクがイールド開始ポイント（Ｃ点）を越えると、ピン１の先端部とメタル−メタル接触する部分で塑性変形が生じるため、特殊ねじ継手のシールが不十分となる。
そこで、前記した特殊ねじ継手において、高い要求トルクを満たしかつシール性能を確保したものを設計したいという強い要求がある。

特開平2007-232012号公報

前記した特殊ねじ継手において、高い要求トルクを満たしかつシール性能を確保する手段としては、ボックス２のシールノーズ部厚さＨを増加させることが考えられる（図２の一点鎖線参照）。ΔＴ_ｎはシールノーズ部厚さＨを増加させた分に見合うイールド・トルク（Yield Torque）上昇分である。
しかし、この対策を採用した場合、以下のような問題があつた。
（１）ボックス２のシールノーズ部厚さＨを増加させた場合、その厚さ増分に見合うように、油井管の管端の縮径およびそれに続く縮径した管端の応力除去焼きなましを行うなどの追加処理が、油井管の製造工程で必要となる。このため、油井管の製造コストアップにつながる。
（２）ボックス２のシールノーズ部の厚さＨを増加させた場合、特殊ねじ継手を油井管の管端に締め付ける時、ピン１の先端部とメタル−メタル接触する部分にゴーリング（かじり）が発生しやすい。このゴーリングが発生すると、前記した特殊ねじ継手において、シール性能が著しく低下してしまうという問題がある。

別な手段として、ねじ干渉量を増加させる手段も考えられる。
しかしながら、この手段を単純に採用した場合、ねじ干渉量を増加させたことによって、ピン１とボックス２の間が拡張され、設計したとおりのシール性能を確保できないという問題があつた。
本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、ねじ干渉量を増加させる手段を採用し、高い要求トルクを満たしかつシール性能を確保した油井管用特殊ねじ継手の設計方法を提案することを目的とする。

本発明者は、ねじ干渉量を増加させると、図４（ａ）に示した、設計上のシール干渉量が減少することを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。
以下に、本発明をなすに至った知見に関して説明する。
なお、図４（ａ）中、Ｐ点は、ピン１の先端部とボックス２のシール部４とが接触を開始する長手方向位置である（図４（ｂ）参照）。
（１）設計上のシール干渉量（＝ピン１のシール径−ボックス２のシール径）は、ピン１を長手方向に相対的に動かした場合に、ピン１の先端部がシール部４と重なる領域である。

このシール部４における重なり領域を、長手方向位置Ｐ点で計ったピン１とボックス２のシール径の差で定義した。
（２）ねじ干渉量を増加させる手段を採用した場合、ピン１とボックス２の間が拡張され、図４（ａ）に示した設計上のシール干渉量が減少することがわかった。
そこで、あらかじめ有限要素法による数値解析（ＦＥＡ）あるいは実物の締め付けテストによって、ねじ干渉量を増加させることよる、シール部でのシール干渉量の減少分を求めておくこととした。

すなわち本発明は、以下のとおりである。
１．ピンが内部に挿入されるボックス内に、テーパねじ部、シール部およびショルダー部を有する特殊ねじ継手の設計方法であって、要求トルクに応じて、ねじ干渉量を増加させることによるねじ干渉トルク増分ΔＴ_１を決定する工程と、あらかじめ有限要素法による数値解析（ＦＥＡ）あるいは実物の締め付けテストによって、ねじ干渉量を増加させることによる、シール部でのシール干渉量の減少分を求めておき、求めた減少分を、設計上のシール干渉量に反映する工程を有することを特徴とする油井管用特殊ねじ継手の設計方法。

本発明によれば、ねじ干渉量を増加させる手段を採用し、高い要求トルクを満たしかつシール性能を確保した特殊ねじ継手を設計することができる。

（ａ）は本発明を適用した特殊ねじ継手の構造を示す要部断面図、（ｂ）は設計上のねじ干渉量を説明する模式図である。従来のねじ継手の特性図である。本発明のねじ継手を従来のねじ継手と比較した特性図である。 (ａ)、（ｂ）は本発明における設計上のシール干渉量を説明する模式図である。

設計上、要求トルクに応じて、ねじ干渉量（＝ｄ_１−ｄ_２、ｄ_１：ピン１のねじ径、ｄ_２：ボックス２のねじ径）を増加させるには、２とおりの手段がある。
（ａ）ピン１のねじ径ｄ_１を大きくするケースと、（ｂ）ボックスのねじ径ｄ_２を小さくするケースであるが、ねじ干渉量を同じとすれば設計上は同じである。
まず、要求トルクに応じて、ねじ干渉量を増加させて得られるねじ干渉トルク増分ΔＴ_１を決定する。次いで、有限要素法による数値解析（ＦＥＡ）あるいは実物の締め付けテストを行い、ねじ干渉量を増加させることによる、シール部でのシール干渉量の減少分を求めておく。求めた減少分を、設計上のシール干渉量に反映する。

なお、ねじ干渉トルク増分ΔＴ_１は、特殊ねじ継手の寸法、材質が定まれば、ねじ干渉量に応じて設計上求まる。したがって、要求トルクに応じて、図３に示したように、従来に比べて上昇させたいイールド・トルク上昇分ΔＴ_３を決定すれば、たとえばΔＴ_１≒ΔＴ_３に見合うねじ干渉量が設計上求まる。
また、有限要素法による数値解析（ＦＥＡ）でシール部４でのシール干渉量の減少分を求めるには、ねじ干渉量を増加させる前と、ねじ干渉量を増加させた後のケースでＦＥＡ解析を行う。その際、シール部４でのシール干渉量の減少分は、図４（ａ）で定義した長手方向位置Ｐ点での値とする。

このようにして設計して得た本発明の特殊ねじ継手の、ターン（締め付け時の回転数）とトルクの関係を図３に実線で示した。図３中、ΔＴ_２は、あらかじめねじ干渉量を増加させることによる、シール部でのシール干渉量の減少分を求め、求めた減少分を、設計上のシール干渉量に反映したことによるシール干渉域でのトルク増分である。
なお、設計上、シール干渉域（ＤＥ間）でのトルク増分ΔＴ_２、ショルダー干渉域（ＥＦ間）でのトルク増分は、従来のシール干渉域（ＡＢ間）、ショルダー干渉域（ＢＣ間）でのトルク増分と同じとした。破線は、本発明の対象とした、ねじ干渉量を増加させる前の従来の特殊ねじ継手の特性カーブである。

本発明の特殊ねじ継手によれば、ねじ干渉量を増加させることよる、シール部でのシール干渉量の減少分をあらかじめ求めておき、求めた減少分を、設計上のシール干渉量に反映したので、シール干渉域（ＤＥ間）でトルク増分ΔＴ_２だけ上昇している。この結果、従来の特殊ねじ継手の特性カーブに対し、設計したとおり、イールド・トルク上昇分ΔＴ_３（≒ΔＴ_１）が生じている。

寸法が外径100ｍｍ×肉厚12.6ｍｍである13％Ｃｒ鋼：80ksiグレードの油井管に対し、オプチマムトルクの1.5倍のトルクに耐えられる特殊ねじ継手の要求（要求トルク＝オプチマムトルク×1.5）があった。
最大締め付けトルクの検証結果によれば、ねじ干渉量を増加させる前の従来の特殊ねじ継手は、オプチマムトルクの1.4倍の締め付けトルクでピン１の先端部とメタル−メタル接触する部分に変形が起こる（イールド・トルク＝オプチマムトルク×1.4）。したがって、要求トルクを満足させるには、従来の特殊ねじ継手のイールド・トルクに比べて、イールド・トルク上昇分ΔＴ_３＞オプチマムトルク×0.1とする必要がある。

これに対して本発明を以下のように適用した。
（１）要求トルクに応じて、オプチマムトルクの20％を余裕代とし、オプチマムトルクの30％（20％＋10％）をイールド・トルク上昇分ΔＴ_３とした。また、ねじ干渉量を増加させることで、それに見合うだけのトルク上昇分を達成することとした。つまり、ねじ干渉トルク増分ΔＴ_１≒ΔＴ_３とし、これに対し、ねじ干渉量の増分が＋0.2ｍｍ必要であると設計上判断した。
（２）次いで、公知の有限要素法による数値解析（ＦＥＡ）を行い、ねじ干渉量を＋0.2ｍｍだけ増加させることによる、シール部でのシール干渉量の減少分を求めた。この結果、ねじ干渉量の増分＋0.2ｍｍの70％分（＝0.14ｍｍ）が、ピンとボックスの間の拡張分として無効となることが分かった。
（３）そこで設計上のシール部におけるシール干渉量を0.14ｍｍだけ増やした。具体的には、図４（ａ）で定義した長手方向位置Ｐ点でのピン１のシール径を0.14ｍｍだけ大きくするか、またはボックス２のシール径を0.14ｍｍだけ小さくする設計とした。

このようにして設計したことで、オプチマムトルク×1.5のトルクで、油井管の管端と特殊ねじ継手とを締め付けても、ピン１の先端部とメタル−メタル接触する部分になんらの変形もなく、シール性能が良好である特殊ねじ継手を実現できた。

ｄ_１ピンのねじ径
ｄ_２ボックスのねじ径
ΔＴ_１ねじ干渉トルク増分
ΔＴ_２シール干渉域でのトルク増分
ΔＴ_３、ΔＴ_ｎイールド・トルク上昇分
Ａ点、Ｄ点シール干渉開始ポイント
Ｂ点、Ｅ点ショルダー干渉開始ポイント
Ｃ点、Ｆ点イールド開始ポイント
Ｐ点ピン１の先端部とボックス２のシール部４とが接触を開始する長手方向位置
１ピン
２ボックス（又は特殊ねじ継手）
３ねじ部
４シール部
５ショルダー部

Claims

ピンが内部に挿入されるボックス内に、テーパねじ部、シール部およびショルダー部を有する特殊ねじ継手の設計方法であって、要求トルクに応じて、ねじ干渉量を増加させることによるねじ干渉トルク増分ΔＴ_１を決定する工程と、あらかじめ有限要素法による数値解析（ＦＥＡ）あるいは実物の締め付けテストによって、ねじ干渉量を増加させることによる、シール部でのシール干渉量の減少分を求めておき、求めた減少分を、設計上のシール干渉量に反映する工程を有することを特徴とする油井管用特殊ねじ継手の設計方法。