JP2012211683A - 鋼管用ねじ継手 - Google Patents

Abstract

【課題】曲げ負荷を受けたときでも優れたシール性を示す鋼管用ねじ継手を提供する。
【解決手段】ねじ結合によりピン3とボックス1とが結合されてピンのノーズ部8外周面とボックスのノーズ部内周面とがメタル‐メタル接触しその接触部がシール部20をなす鋼管用ねじ継手であって、ねじ部（雄ねじ部7と雌ねじ部5とのねじ結合部）のロードフランク角度αを負側とし、ショルダ部12,14のトルクショルダ角度βを負側とし、ノーズ部の長さLと管外径d₀の比L/d₀を０．０８以上とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼管用ねじ継手に関し、詳しくは一般に油井やガス井の探査や生産に使用されるチュービングおよびケーシングを包含する油井管、すなわちＯＣＴＧ(oil country tubular goods)、ライザー管、ならびにラインパイプなどの鋼管の接続に用いるのに好適な、シール性と耐圧縮性に優れた鋼管用ねじ継手に関する。

ねじ継手は、油井管など産油産業設備に使用される鋼管の接続に広く使用されている。オイルやガスの探索や生産に使用される鋼管の接続には、従来ＡＰＩ（米国石油協会）規格に規定された標準的なねじ継手が典型的には使用されてきた。しかし、近年、原油や天然ガスの井戸は深井戸化が進み、垂直井から水平井や傾斜井等が増えていることから、掘削・生産環境は苛酷化している。また、海洋や極地など劣悪な環境での井戸の開発が増加していることなどから、耐圧縮性能、耐曲げ性能、外圧シール性能（耐外圧性能）など、ねじ継手への要求性能は多様化している。そのため、プレミアムジョイントと呼ばれる高性能の特殊ねじ継手を使用することが増加しており、その性能への要求もますます増加している。

プレミアムジョイントは、通常、テーパねじ、シール部（詳しくはメタルタッチシール部）、ショルダ部（詳しくはトルクショルダ部）とをそれぞれ備える、管端部に形成した雄ねじ部材（以下、ピンと呼ぶ）と該ピン同士を連結する雌ねじ部材（以下、ボックスと呼ぶ）とを結合したカップリング形式の継手である。テーパねじは管継手を強固に固定するために重要であり、シール部はボックスとピンとがこの部分でメタル接触することでシール性を確保する役目を担い、ショルダ部は継手の締付け中にストッパの役目を担うショルダ面となる。

図４は、油井管用プレミアムジョイントの模式的説明図であり、これらは、円管のねじ継手の縦断面図である。ねじ継手は、ピン3とこれに対応するボックス１とを備えており、ピン3は、その外面に雄ねじ部7と、ピン3の先端側に雄ねじ部7に隣接して設けられたねじの無い長さ部分であるノーズ部8（ピンノーズ8）と有する。ノーズ部8は、その外周面にシール部11を、その端面にはトルクショルダ部12を有する。相対するボックス1は、その内面に、それぞれピン3の雄ねじ部7、シール部11、およびショルダ部12と螺合するか、または接触することができる部分である、雌ねじ部5、シール部13、および、ショルダ部14を有している。

前記プレミアムジョイントに関する従来技術として、特許文献１〜３が挙げられる。
図４の例では、メタルタッチシール部はピンノーズ8の先端部にあるが、特許文献１には、耐外圧性能を増すために、ピンノーズ8のねじ部近くにメタルタッチシール部を設け、ノーズ部をシール部からショルダ部まで長く伸ばすものも提案されている。この特許文献１に開示されるねじ継手においては、ボックス部材と非接触なピンノーズを、シール部とは不連続な形状となるように長く伸ばしてピンノーズの厚みが薄くならないように構成されており、前述の耐外圧性能の他に、耐軸圧縮性能の向上も実現している。

また、特許文献２には、同様にシール部からピンノーズ先端にアペンディックスなる、これもシール部と不連続な形状を有する部位を設けて、半径方向の剛性を確保し軸方向の剛性を下げて、締付け時にこのアペンディックスを変形させ、引張力の負荷時にその回復により、耐引張性能を向上させることが記載されている。
これら、特許文献１，２に記載されるように、シール部位置をピンのねじ部位置近くに置き、ピンノーズ先端から離すことは、耐外圧性能、耐引張性能の向上とともに、ねじに対して安定的な性能を持たせる上で有効であり、それはＦＥＭシミュレーション等からも確認できる。またシール部と不連続な形状となるピンノーズは、強い軸圧縮力が負荷された場合に、それ自体が変形し、ボックス部材のトルクショルダ部の塑性変形を軽減させる効果もある。しかし、一方で、不連続部に不正な変形が入ることもあり、これは締付けトルクに依存すると考えられる。

締付けトルクは潤滑条件、表面性状等に影響されるので、これに大きくは依存しない設計として、半径方向のシール接触圧力を強くした半径方向シール方式がある。例えば、特許文献３には、大きなピンシールＲ形状を持ち、シールテーパ角を小さくした半径方向シール方式の例が開示されている。しかし、このようにシールテーパ角を小さくした、半径方向シール方式の問題点は、締付け時にゴーリングが発生し易い点にある。また、半径方向シール方式では、シール性能の確保およびシールの安定性のために、シール干渉量を大きくとる必要があり、ゴーリングの発生のし易さは更に大きくなる。

特許第４５３５０６４号公報 特許第４２０８１９２号公報 実公昭６１−４４０６８号公報

以上説明したように、従来提案されているねじ継手においては、未だ何らかの問題を有しており、耐圧縮性能、外圧シール性能、耐曲げ性能など、ねじ継手への要求性能の多様化に十分応えるためには、更なる改良の余地がある。近年、水平井や傾斜井の増加に伴い、ねじ継手には、図３に示すように、軸力引張に加えて大きな曲げ負荷が作用する。ねじ継手に曲げ負荷が作用した場合、曲げの引張側では雄ねじ部7と雌ねじ部5のロードフランク面15（図４参照）に互いの嵌合が弱まるような相対変位が生じ、更に曲げ負荷が強まるとねじが脱落することが考えられる。一方、曲げの圧縮側ではピン3とボックス1のトルクショルダ部12,14が支えとなり、シール部の離れようとする動きを抑えているが、更に曲げ負荷が強まるとショルダ部12,14に滑りが生じ、シール性が保持できなくなることが考えられる。

このような曲げ負荷に対しても十分なシール性を保持できるねじ部のロードフランク角度、シール部に隣接するショルダ部12,14のトルクショルダ角度、及びノーズ部形状の指針を示す知見は過去に無かった。
尚、ロードフランク角度とは、ロードフランク面15がねじ継手軸との直交線に対してなす角度（図１(b)中の角度α）であり、該直交線がロードフランク面の下端（ピン内径側の端）を通るとき、該直交線に対して前記ロードフランク面の上端（ピン外径側の端）が、ピン先端側に位置する場合は正、ピン後端側に位置する場合は負とされる。

又、トルクショルダ角度とは、ショルダ部12,14をなすショルダ面がねじ継手軸との直交線に対してなす角度（図１(ｃ)中の角度β）であり、該直交線がショルダ面の上端（ピン外径側の端）を通るとき、該直交線に対して前記ショルダ面の下端（ピン内径側の端）が、ピン先端側に位置する場合は正、ピン後端側に位置する場合は負とされる。

発明者らは、上記の課題を解決するために、ロードフランク角度を負の角度とすること及びトルクショルダ角度を負の角度とすることと、ノーズ部の長さと管外径の比との組み合わせを実験的検討により見出した。
すなわち本発明は次のとおりである。
(1)
雄ねじ部と、該雄ねじ部より管端側に延在するノーズ部と、該ノーズ部の先端に設けられたショルダ部とを有するピンと、
前記雄ねじ部とねじ結合されてねじ部をなす雌ねじ部と、前記ピンのノーズ部外周面に相対するノーズ部内周面と、前記ピンのショルダ部に当接するショルダ部とを有するボックスとを有し、
前記ねじ結合により前記ピンとボックスとが結合されてピンの前記ノーズ部外周面とボックスの前記ノーズ部内周面とがメタル‐メタル接触しその接触部がシール部をなす鋼管用ねじ継手であって、
前記ねじ部のロードフランク角度を負側とし、
前記ショルダ部のトルクショルダ角度を負側とし、
前記ノーズ部の長さLと管外径d₀の比L/d₀を０．０８以上とした
ことを特徴とする鋼管用ねじ継手。
(2)
前記ねじ結合の際にボックス側のノーズ部内周面と最初に接触するピン側のノーズ部外周面上の部位であるシールポイントにおけるピン外径で定義したシール径Dと、前記シールポイントがボックスで縮径されたとしたときの該縮径量で定義した干渉量δとから、
ε＝δ/D＊１００（％）
で算出されるシール部の管周方向のひずみεが０．３０％以上であることを特徴とする(1)に記載の鋼管用ねじ継手。
(3)
前記ピンおよび前記ボックスのショルダ部のトルクショルダ角度が−１５°未満であることを特徴とする(1)または(2)に記載の鋼管用ねじ継手。

本発明によれば、曲げ負荷を受けたときでも優れたシール性を示す鋼管用ねじ継手が実現する。

本発明の実施形態の１例を示す断面図であり、(a)は全体断面図、(b)は(a)におけるねじ部分を示す拡大断面図、(c)は(a)におけるピンノーズ付近を示す拡大断面図である。 シール部の管周方向のひずみεの定義を示す断面図である。 ねじ継手の曲げ負荷状態を示す模式図である。 従来の鋼管用ねじ継手を示す断面図であり、(a)は全体断面図、(b)は(a)におけるねじ部分を示す拡大断面図、(c)は(a)におけるピンノーズ付近を示す拡大断面図である。 気密Ｂ試験の荷重条件、および、試験タイプ２の荷重条件を示すグラフである。

本発明に係る鋼管用ねじ継手は、例えば図１に示すように、雄ねじ部7と、該雄ねじ部7より管端側に延在するノーズ部8と、該ノーズ部8の先端に設けられたショルダ部12とを有するピン3と、前記雄ねじ部7とねじ結合されてねじ部をなす雌ねじ部5と、前記ピン1のノーズ部外周面に相対するノーズ部内周面と、前記ピン1のショルダ部12に当接するショルダ部14とを有するボックス1とを有し、前記ねじ結合により前記ピンとボックスとが結合されてピン部材の前記ノーズ部外周面とボックスの前記ノーズ部内周面とがメタル‐メタル接触しその接触部がシール部20をなす鋼管用ねじ継手であり、ピンのシール部がトロイド状（円錐曲線回転面形状）で、ボックスが直線テーパであるラジアルシールタイプのねじ継手であるが、このねじ継ぎ手において、前記ねじ部のロードフランク角度αを、図１(b)に示すとおり負側とし、且つ、前記ショルダ部12,14のトルクショルダ角度βを負側とし、且つ、前記ノーズ部8の長さLと管外径d₀の比L/d₀を０．０８以上としたものである。

ロードフランク角度αを負側、好ましくは−４度以下とすることで、曲げの引張側でのねじの脱落を防止することができる。トルクショルダ角度βを負側、好ましくは−１５度未満とすることで、曲げの圧縮側での曲げに抗する支点となり、シール部の離れようとする動きを抑える。ノーズ部の長さ（ノーズ長さ）Lと管外径d₀の比L/d₀を０．０８以上とすることで、ねじ部とショルダ部の間のノーズ部に可撓性を与え、曲げの支点となるねじ部とショルダ部の変形を低減することができる。これらを組み合わせることにより、管とねじ継手の接触面での滑りを防ぎ、嵌め合い状態を維持することで気密性を確保することができる。

尚、ロードフランク角度αは、負側の角度の絶対値を大きくしすぎると耐ゴーリング性の点で不利となるため、−7度以上が好ましい。トルクショルダ角度βは、負側の角度の絶対値を大きくしすぎると圧縮負荷後の気密性の確保の点で不利となるため、−20度以上が好ましい。ノーズ長さと管外径の比L/d₀は、大きくしすぎると耐圧縮性能の点で不利となることと、シール部の加工時間が大となるためL/d₀は0.14以下とすることが好ましい。

更に気密性を向上させるためには、シール径Dと干渉量δとから、ε＝δ/D＊１００（％）で算出されるシール部の管周方向のひずみεが０．３０％以上であるものとすることが有効である。ここで、シール径D、干渉量δとは、図２に示すとおり、シール径Dは、ねじ結合の際にボックス1側のノーズ部内周面と最初に接触するピン3側のノーズ部外周面上の部位であるシールポイントにおけるピン外径のことであり、干渉量δは、ねじ結合の際に前記シールポイントがボックス1で縮径されたとしたときの該縮径量のことである。

尚、シール部の管周方向のひずみεは、大きくしすぎると耐ゴーリング性の点で不利となるため、0.7％以下が好ましい。

表１に示す鋼管外径ｄ₀（inch）の鋼管の管端を加工して、ピンシール部がトロイド状（円錐曲線回転面形状）でピンシール面の、継手軸を通る断面内のプロフィールが、半径Ｒ＝３inchの円弧であるピンとし、これに嵌合するボックスとして、のシール部がテーパ角度が３°の直線テーパであるボックスを作成し、ラジアルシールタイプのねじ継手とした。このねじ継手を対象に、試験タイプ１として、Ｌ／ｄ₀、ε＝δ／ｄ（％）を表１に示す種々の値とし、ISO 13679に基づき気密Ａ試験、気密Ｂ（曲げを含む）試験、気密Ｃ試験を実施した。その結果を表１に併せて示す。表１には、シール失効有のものを×、シール失効無のものを○として示した。本発明例では、シール失効することなく試験を完了し、優れたシール性を示した。一方、比較例では、シール失効が認められた。

次に、さらに前述の気密試験Ｂに対してさらに負荷を増大させた試験を試験タイプ２として実施した。以下のこの試験について説明する。
図５は、例としてISO 13679に規定されている気密Ｂ試験の荷重条件を示すグラフである。横軸は引張（圧縮）／曲げによってパイプに生じる軸方向応力を、縦軸はパイプ内面に作用する内圧を示す。外側の破線で示した曲線は引張（圧縮）／曲げ／内圧が複合して作用した場合の相当応力が材料の降伏応力と等価（降伏応力の１００％）であることを示している。内側の実線で示した曲線は相当応力が材料の降伏応力の９０％に対応する曲線である。前述の試験タイプ１の気密Ｂ試験は、この９０％の荷重曲線の各点を評価点としてシール失効の有無を判定するものである。

試験タイプ２では、シール失効の無かった発明例１〜１２のサンプルを用いて、前述の気密Ｂ試験（曲げを含む）のＬＰ５の点において、規格に規定されている最大曲げ条件を超えた曲げ負荷を付与してシール失効のない曲げ条件限度を調査した。すなわち、図５に実線で示す気密Ｂ試験の試験荷重曲線におけるＬＰ５の点において、材料の降伏応力の９０％の相当応力から、さらに曲げ負荷を増大させて図中の矢印に示すように相当応力を増大させ、シール失効が始まる負荷条件を調査した。

その結果、表１に示すように、干渉量εが0.30％以上である発明例１〜１０では、相当応力を降伏応力の１００％（図５中の矢印と破線が交わる点）まで負荷してもシール失効がないことが確認された。

1 ボックス
3 ピン
5 雌ねじ部
7 雄ねじ部
8 ノーズ部（ピンノーズ）
11,13,20 シール部（詳しくはメタルタッチシール部）
12,14 ショルダ部（詳しくはトルクショルダ部）
15 ロードフランク面

Claims (3)

1. 雄ねじ部と、該雄ねじ部より管端側に延在するノーズ部と、該ノーズ部の先端に設けられたショルダ部とを有するピンと、
   前記雄ねじ部とねじ結合されてねじ部をなす雌ねじ部と、前記ピンのノーズ部外周面に相対するノーズ部内周面と、前記ピンのショルダ部に当接するショルダ部とを有するボックスとを有し、
   前記ねじ結合により前記ピンとボックスとが結合されてピンの前記ノーズ部外周面とボックスの前記ノーズ部内周面とがメタル‐メタル接触しその接触部がシール部をなす鋼管用ねじ継手であって、
   前記ねじ部のロードフランク角度を負側とし、
   前記ショルダ部のトルクショルダ角度を負側とし、
   前記ノーズ部の長さLと管外径d₀の比L/d₀を０．０８以上とした
   ことを特徴とする鋼管用ねじ継手。
2. 前記ねじ結合の際にボックス側のノーズ部内周面と最初に接触するピン側のノーズ部外周面上の部位であるシールポイントにおけるピン外径で定義したシール径Dと、前記シー
   ルポイントがボックスで縮径されたとしたときの該縮径量で定義した干渉量δとから、
   ε＝δ/D＊１００（％）
   で算出されるシール部の管周方向のひずみεが０．３０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の鋼管用ねじ継手。
3. 前記ピンおよび前記ボックスのショルダ部のトルクショルダ角度が−１５°未満であることを特徴とする請求項１または２に記載の鋼管用ねじ継手。

Images