JP2012247027A - 鋼管用ねじ継手 - Google Patents

Abstract

【課題】ラジアルシール型の鋼管用ねじ継手において、ピンは、ボックスに比べて肉厚が小さく剛性も低いため、偏芯偏肉によりシール性が阻害される問題が発生する場合がある。ピンの偏芯偏肉が解消して安定したシール性を確保しうる鋼管用ねじ継手を提供する。
【解決手段】ピン３側のノーズ部外周面がテーパ形状であり、ボックス１側のノーズ部内周面が外側に凸の曲面形状であり、ピン３は、内径側、外径側が切削されてなり、その内削長さ範囲をピンノーズ８先端から少なくともシールポイントｓｐまでの範囲にとり、その範囲内の偏肉率を規定した。
【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３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）とを有する。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３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

図３におけるシール部11,13或いは上記半径方向シール方式（以下、ラジアルシール型ともいう）のシール部には、必要十分な圧力が負荷されることで、リークやゴーリングの発生しない健全なシール部が形成される。
しかしながら、ねじ継手の素管とされる継目無鋼管には、製造時に避けられない肉厚分布の偏り（偏芯偏肉）やオーバリティ（楕円形状）が生じるため、メタルタッチシール部の圧力にも不均一分布が生じてしまうことが想定される。ラジアルシール型のねじ継手においては、シール部表面は精度良く切削加工されるため、ピン側のシール部の外径とボックス側のシール部の内径とは十分な精度を保っており、又、ボックス側のシール部は全体的に肉厚が大きくて剛性が高いため、偏芯偏肉がシール性に及ぼす悪影響は小さい。更に、より大きな外径から削るという事情もあり、外径の精度も高い。しかし、ピンは、ボックスに比べて肉厚が小さく剛性も低いため、偏芯偏肉によりシール性が阻害される問題が発生する場合があった。すなわち、図２に示すように、シール部断面内でピン3に偏芯偏肉があると、ピン肉厚不均一により接触面圧が不均一となり、接触面圧の小さい薄肉箇所でリークが発生しやすい。そこで、安定したシール性を得るためには、ピンの内径側の切削（略して内削という）をして、肉厚不均一を解消する必要があり、この点が課題であった。

ねじ継手において、単なる内削自体は行われることが多いが、シール性を確保する観点からの内削の指針に資する知見は過去に見当たらない。又、内削実施には切削時間が余計にかかるため、内削長さの指針も必要であるが、かかる指針に資する知見も過去に見当たらない。
本発明は、上記の課題を解決し、ピンの偏芯偏肉が解消して安定したシール性を確保しうる鋼管用ねじ継手を提供することを目的とする。

発明者らは、上記の課題を解決するために、ピン内径側先端から、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までの長さ以上の長さ範囲内のピン内径側を切削して、偏肉率を低減する必要があることを種々の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、
ピン側のノーズ部外周面がテーパ形状であり、ボックス側のノーズ部内周面が外側に凸の曲面形状であり、
前記ピンは、その外径側及び内径側を切削されてなり、
前記内径側の前記切削された軸方向長さ範囲である内削長さ範囲の長さが、ピンノーズ先端から、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までの軸方向長さ以上の長さであり、前記内削長さ範囲内のピンは、同一断面内において次式で定義される偏肉率が６％以下であることを特徴とする鋼管用ねじ継手。
偏肉率＝（円周方向最大肉厚-円周方向最小肉厚）/円周方向平均肉厚＊１００（％）
(2)
前記内削長さ範囲の長さが、ピンノーズ先端から、前記シール部のねじ部側の端であるシール部後端までの軸方向長さ以下の長さであることを特徴とする上記(1)に記載の鋼管用ねじ継手。

本発明によれば、必要最小限の内削時間でピンノーズの偏芯偏肉が解消されて、シール性の安定した鋼管用ねじ継手が実現する。

本発明の実施形態を示す断面図である。 従来の問題点を示すシール部断面図である。 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。

本発明に係る鋼管用ねじ継手は、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12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ノーズ部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（詳しくは、メタルタッチシール部）をなす鋼管用ねじ継手であること（従来のラジアルシール型のプレミアムジョイント相当のねじ継手であること）を前提とした。

本発明では、上記前提において、図１に示すとおり、ピン3側のノーズ部外周面がテーパ形状であり、ボックス1側のノーズ部内周面が外側に凸の曲面形状である。該テーパ形状をなすテーパ面のテーパ角度であるシールテーパ角度θは、該テーパ面がねじ継手軸に対してなす角度θで定義される。又、シールポイントsp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のことである。又、シール部後端seは、シール部20のねじ部側の端である。

ピン3は外径側及び内径側を切削されてなるが、該内径側の前記切削された軸方向長さ範囲である内削長さ範囲の長さは、ピンノーズ8の先端からシールポイントseまでの軸方向長さ以上の長さである。且つ、前記内削長さ範囲内のピン3は、同一断面内で前記偏肉率が６％以下である。これにより、シール部20におけるピンの偏芯偏肉が解消し、肉厚が均一化して安定したシール性が得られる。

シールポイントspが内削長さ範囲を外れると、シール部20内で最も圧力の高くなる部位の偏芯偏肉が解消されないため、シール性安定化の効果に乏しい。又、内削長さ範囲内で前記偏肉率が６％超であると、偏芯偏肉の解消程度が不十分となって、シール性安定化の効果に乏しい。
内削長さ範囲内にシールポイントspが入る限りにおいて、内削長さ範囲の長さは大きくとってもかまわないが、シール部後端seよりも素管側の部位を内削長さ範囲内に入れようとするのは、それ以上のシール部安定化効果が期待できないばかりか、徒な内削時間の延長を招いて生産性が低下する。それゆえ、内削長さ範囲の長さは、ピンノーズ先端からシール部後端seまでの軸方向長さ以下の長さとするのが好ましい。

内削長さ範囲の好適内削方法としては、次の方法が挙げられる。
・内削に先行してピンノーズの外径側の切削（略して外削という）を行う。
・外削に際しては、素管長さ方向の２箇所以上の箇所を支点として素管を支持し、回転させつつ所定の切削工具送り速度で外径側切削を行う。
・内削に際しては、外削のときと同一の箇所を支点として素管を支持し、同一の回転方式で回転させつつ、同一の切削工具送り速度で、内径側切削を行う。

この内削方法によれば、素管長さ方向の曲がり（継目無鋼管製造上不可避的に生じる小さい曲がり）があっても、その素管長さ方向の曲がりによる、内削進行中の切削部断面内の芯位置の変化が、外削時と同一の変化を辿るため、外削時と同芯の状態を保って内削が進行する。従って、この好適内削方法によれば、偏肉率を６％以下に安定して低減させることができる。

外径9-5/8インチ、肉厚0.545インチの鋼管端部を加工してなるピンと、これに対応するボックスとからなるねじ継手について、ISO13679の条件で有限要素解析（ＦＥＡ）によるシミュレーションを実施し、同ISO13679の条件のLP2で、接触面積圧（面圧を接触長に亘って積分した指標）を同一とした設計で、以下のサンプルを製作し、ISO13679のシリーズＡテストを実施した。
（サンプル）
・本発明例１
ピンのノーズ部外周面＝テーパ形状、ピンのシールテーパ角度θ＝3.5度、内削長さ範囲＝ピンノーズ先端からシールポイントまでの軸方向長さ範囲、内削方法＝上記の好適内削方法
ボックスのノーズ部内周面＝外側に凸の曲面形状
・本発明例２：
本発明例１において、内削長さ範囲＝ピンノーズ先端からシールポイントまでの軸方向長さの２倍の軸方向長さ範囲（ピンノーズ先端からシール部後端よりも遠い部位までの軸方向長さ範囲）と変更し、これ以外は本発明例１と同様とした。

比較例１：
本発明例１において、内削せず（内削長さ範囲＝無、内削方法＝無）と変更し、これ以外は本発明例１と同様とした。
各サンプルの偏肉率、シール性能を表１に示す。
表１より、本発明例は比較例に比べて優れたシール性を有することが明らかである。尚、本発明例２は、シール部後端よりも遠くまで内削したため、本発明例１に比較して生産性が低下した。

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）

Claims (2)

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、
   ピン側のノーズ部外周面がテーパ形状であり、ボックス側のノーズ部内周面が外側に凸の曲面形状であり、
   前記ピンは、その外径側及び内径側を切削されてなり、
   前記内径側の前記切削された軸方向長さ範囲である内削長さ範囲の長さが、ピンノーズ先端から、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までの軸方向長さ以上の長さであり、前記内削長さ範囲内のピンは、同一断面内において次式で定義される偏肉率が６％以下であることを特徴とする鋼管用ねじ継手。
   偏肉率＝（円周方向最大肉厚-円周方向最小肉厚）/円周方向平均肉厚＊１００（％）
2. 前記内削長さ範囲の長さが、ピンノーズ先端から、前記シール部のねじ部側の端であるシール部後端までの軸方向長さ以下の長さ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。

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