JP2013224707A - 鋼管用ねじ継手の皮膜形成方法および鋼管用ねじ継手製品 - Google Patents

Abstract

【課題】十分なシール性を確保しつつ耐摩耗性・耐ゴーリング性を向上させる。
【解決手段】リン酸塩系皮膜処理をする前に、該皮膜処理をされる側であるピン側又はボックス側のシール部４に、切削により管軸方向の平均表面粗さＲａを１．０μｍ以上５．０μｍ以下とする周方向の溝８を付与する。更に前記溝の凹凸を潰さない程度の小さな凹凸をショットブラストにて付与し、その後該皮膜処理を行う。
【選択図】図４

Description

本発明は、鋼管用ねじ継手の皮膜形成方法および鋼管用ねじ継手製品に関し、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を接続するためのねじ継手を、耐ゴーリング性とシール性とに優れたものとなしうる鋼管用ねじ継手の皮膜形成方法、および該方法によるねじ継手製品である鋼管用ねじ継手製品に関する。

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、海洋や極地等々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、例えば図１及び図２に示される様に、各パイプの両端部に形成したピン（雄）１と、該ピン１に結合させるボックス（雌）２とを有してなる。ピン１とボックス２には、相互対応部分として、テーパねじ３と、これに連なる非ねじ部９に設けられたシール部（詳しくはメタルタッチシール部）４と、前記非ねじ部９の端部側に設けられたショルダ部（詳しくはトルクショルダ部）５とが形成されている。

テーパねじ３はねじ継手をタイトに固定するために重要であり、シール部４は、ボックス２とピン１とがメタル‐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５はねじ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。尚、図１のように、シール部４が、前記非ねじ部９の一部で対向面と半径方向に金属接触して流体をシールするように設計されたねじ継手は、ラジアルシール型のねじ継手と呼ばれる。前記ラジアルシール型のねじ継手において、シール部４は、図２に示される様に、対応し合うピン１とボックス２の同一尺度図面同士を、ねじ継手の締付完了時の状態を模す形に重ね合わせたときに雌雄双方の非ねじ部９が干渉し合う領域として設計され、該干渉し合う領域の管軸方向長さＬｓで以てシール接触長Ｌｓが定義される。また、図２の例では、非ねじ部９は雄側の外周面が曲面形状とされ、雌側の内周面がテーパ形状とされている。該テーパ形状を成す円錐の母線が管軸方向７となす角度θで以てシールテーパ角θが定義される。又、ねじ継手を締め付けていったとき雌側シール部内周面と最初に接触する雄側シール部外周面内点で以てシールポイントSPが定義される。そして、前記非ねじ部９の雄側外周面（曲面形状）が管軸方向断面内で成す曲線の、前記シールポイントSP対応位置での、曲率半径Ｒで以てピン１のシール半径Ｒが定義される。

ラジアルシール型のねじ継手ではねじ締付時にシール部４の摺動距離が長くなるためゴーリング（焼き付き）が発生し易くなるという問題がある。
前記問題に対処した従来技術として、油井管用ねじ継手の気密性を確保すると同時に、油井管用ねじ表面に耐ゴーリング性能・耐摩耗性能に優れたリン酸塩系の皮膜を形成すべく、Ｃｒ≧０．０８質量％、Ｍｏ≧０．０２質量％を含有するＣｒ−Ｍｏ鋼を使用した油井管を対象として、前記皮膜形成をする一連の化成処理の前に予めピン（雄）ねじ又はボックス（雌）ねじのどちらか一方のねじ継手表面に、ショットブラスト等により、平均表面粗さＲａが１０μｍ以下の凹凸加工を施すこと（特許文献１参照）が挙げられる。

特開２００２−３６４７８６号公報

然しながら、発明者らは、前記従来技術を吟味し、以下の様な課題があることが分った。
即ち、例えば図３に示す様に、リン酸塩系（例えばリン酸Ｍｎ）の皮膜は、単体（モード１）では耐摩耗性に乏しく、一方、皮膜の下地材である母材（モード３）は耐ゴーリング性に乏しいのに対し、皮膜と母材との混合領域（モード２）は、リン酸Ｍｎが潤滑性向上に貢献し、母材が耐摩耗性に貢献する為、耐摩耗性と耐ゴーリング性が共に良好であり、前記モード２の厚みが大きいほど優れた耐ゴーリング性が持続する。ところが、前記従来技術により皮膜形成前にショットブラストで母材に表面粗さ（Ｒａ≦１０μm）を付与すると、図５に示す様に、点状凸部２０が多数分散してねじ継手締付時に点接触状態を成し、斯かる多数分散した点接触箇所の間を縫う形でリークパス２１が生じ易くなって、シール性が悪化し易くなる。シール性の悪化を抑制するためにショットブラスト後の表面粗さを小さくした条件では、前記モード２の厚みが薄くなり、耐ゴーリング性が低下してしまう。

つまり、従来技術による耐摩耗性・耐ゴーリング性の改善手法（雄雌いずれか一方へのショットブラストによるＲａ（≦１０μm）付与→リン酸塩系皮膜付与）はシール性の悪化を招来し易いという課題があった。

発明者らは前記課題を解決する為に、十分なシール性を確保しつつ耐摩耗性・耐ゴーリング性を改善する手段を工夫し、本発明を成した。即ち本発明は以下の通りである。
（１） 相対応する雌雄のテーパねじを有してねじ継手を成す雌雄のうちの雄側であるピンと雌側であるボックスとを備え、ねじ継手締付時に、雌雄双方に設けられたショルダ部にて前記ピンと前記ボックスとが軸方向に当接し、且つ前記ショルダ部と前記テーパねじとの間に設けられたシール部にて前記ピンと前記ボックスとが半径方向に金属接触して流体をシールする構造とされた鋼管用ねじ継手の前記ピン又は前記ボックスにリン酸塩系の皮膜処理を施す鋼管用ねじ継手の皮膜形成方法であって、前記皮膜処理をする前に、該皮膜処理をされる側である前記ピン側又は前記ボックス側のシール部に、切削により管軸方向の平均表面粗さＲａを１．０μｍ以上５．０μｍ以下とする周方向の溝を付与し、或いは更に前記溝の凹凸を潰さない程度の小さな凹凸をショットブラストにて付与し、その後前記皮膜処理を行うことを特徴とする鋼管用ねじ継手の皮膜形成方法。
（２） 前記切削にはポイントカットツールを用い、該ポイントカットツールの先端形状、管半径方向切削量及び管軸方向送りを制御することにより、前記周方向の溝を付与することを特徴とする前記（１）に記載の鋼管用ねじ継手の皮膜形成方法。
（３） 前記金属接触をさせる領域の管軸方向長さであるシール接触長Ｌｓに対し、前記ポイントカットツールの１回転当たりの管軸方向送りをＬｓ/10以下とすることを特徴とする前記（２）に記載の鋼管用ねじ継手の皮膜形成方法。
（４） 相対応してねじ継手を成す雌雄のうちの雄側のテーパねじを有するピンと雌側のテーパねじを有するボックスとを備え、ねじ継手締付時に、雌雄双方に設けられたショルダ部にて前記ピンと前記ボックスとが軸方向に当接し、且つ雌雄双方に設けられたショルダ部とテーパねじ部との間の非ねじ部内のシール部にて前記ピンと前記ボックスとが半径方向に金属接触して流体をシールする構造とされた鋼管用ねじ継手製品であって、前記（１）〜（３）の何れかに記載の鋼管用ねじ継手の皮膜形成方法によりリン酸塩系皮膜を形成されてなり、前記リン酸塩系皮膜とその下地材である母材との界面の管軸方向の平均表面粗さＲａが１．０〜５．０μｍであることを特徴とする鋼管用ねじ継手製品。
（５） 前記ピン外面内のシール部は管軸方向断面内でピンのシール半径Ｒが１．０inch以上の円弧形状であり、前記ボックス内面内のシール部は管軸方向断面内でボックスのシールテーパ角θが３．０〜１０．０度の直線形状であることを特徴とする前記（４）に記載の鋼管用ねじ継手製品。

本発明によれば、前記皮膜処理の前に該皮膜処理をされる側である前記ピン又は前記ボックスのシール部に、切削により管軸方向の平均表面粗さＲａを１．０μｍ以上５．０μｍ以下とする周方向の溝を付与し、その後前記皮膜処理を行うこととしたから、十分なシール性を確保しつつ耐摩耗性・耐ゴーリング性を向上させることができる。

ラジアルシール型のプレミアムジョイントの例を示す断面模式図である。 図１のＡ部拡大図である。 リン酸Ｍｎ皮膜形成部の断面構造を示す模式図である。 本発明の実施形態の例を示す断面模式図(a)及び平面模式図(b)である。 従来技術の問題点を示す平面模式図である。

本発明において、図１、図２に示した様な、相対応する雌雄のテーパねじ３を有してねじ継手を成す雌雄のうちの雄側であるピン１と雌側であるボックス２とを備え、ねじ継手締付時に、雌雄双方に設けられたショルダ部５にて前記ピン１と前記ボックス２とが軸方向に当接し、且つ前記ショルダ部５と前記テーパねじ３との間に設けられたシール部４にて前記ピン１と前記ボックス２とが半径方向に金属接触して流体をシールする構造とされた鋼管用ねじ継手の前記ピン１又は前記ボックス２にリン酸塩系の皮膜処理を施す点は従来と同様である。

然しながら、本発明では、前記皮膜処理をする前に、該皮膜処理をされる側である前記ピン１側又は前記ボックス２側のシール部４に、例えば図４にボックス２側に施す場合を示す様に、切削により管軸方向の平均表面粗さＲａを１．０μｍ以上５．０μｍ以下とする周方向の溝８を付与し、その後前記皮膜処理を行う点で従来とは異なる。
前記切削には図４の様にポイントカットツール１０を用い、該ポイントカットツール１０の先端形状、管半径方向切削量及び管軸方向送りを制御することにより、前記周方向の溝８を付与すると、シール形状加工と同時に表面粗さ作り込みが可能となるため効率的である。

この様に切削加工によって周方向の溝８を形成することにより、図４の様に、管軸方向に周期的な凹凸が形成され、切削痕である溝８の溝縁８Aが前記凹凸の凸部を形成し、該溝縁８Aは、その後のリン酸塩系皮膜形成を経てからのねじ継手締付時に、シール接触長Ls部位両端に亘る周面を螺旋状に周回する非常に長い線接触状態を成すから、図５の様なリークパス２１は極めて形成され難くなる。

切削による周方向の溝加工で付与するＲａが１．０μｍ未満であると、前記モード２の厚みが不十分となり十分な耐ゴーリング性が得られない。一方、Ｒａが５．０μｍ超であると、線接触領域の面積が不足して接触面圧が過大となり摩耗が促進されるため、耐ゴーリング性とシール性が低下する。よって、Ｒａは１．０〜５．０μｍとする。
尚、前記切削後の被加工面に更に、前記溝の凹凸を潰さない程度の小さな凹凸をショットブラストにて付与すると、耐ゴーリング性が更に向上するので好ましい。

又、シール性の更なる向上の観点から、前記切削加工では、ポイントカットツール１０の１回転当たりの管軸方向送りをＬｓ/１０以下にするのが好ましい。
又、本発明の皮膜形成方法の適用による効果の顕現性の点から、対象とされるねじ継手は、図１、図２に示した形態の特殊ねじ継手（プレミアムジョイント）において、シール部４のピン側を、ピンのシール半径Ｒが１．０inch以上の、円弧形状とされ、ボックス側を、ボックスのシールテーパ角θが３．０〜１０．０度の、直線形状とされた特殊ねじ継手である事が好ましい。

外径９-5/8inch×肉厚０．５４５inchの炭素鋼Ｐ１１０（ISO11960にて規定）の継目無管材に複数の実験水準で図１、図２の形態の特殊ねじ加工を施したピン及びそれに対応するボックスを用いてＩＳＯ１３６７９に記載のＭａｋｅ＆Ｂｒｅａｋ（略してＭ＆Ｂ）テストを実施し耐ゴーリング性の評価を行った。各水準とも、ボックスのシール部を対象として、ポイントカットツールで螺旋状に切削して周方向の溝を形成し、或いは更にショットブラストを施して、表面粗さを付与した後、リン酸Ｍｎ処理を施してリン酸Ｍｎ皮膜を形成した。実験条件及び実験結果を表１に示す。表１より、リン酸Ｍｎ処理前のボックスのＲａを１．０μm以上とする事により、Ｍ＆Ｂ４回合格が達成され、優れた耐ゴーリング性を示すことが示された。

次に、ＩＳＯ１３６７９に記載のシリーズＡテストを実施しシール性の評価を行った。その結果を表１に示す。表１より、耐ゴーリング性向上の為にショットブラストにてＲａを高くした条件ではリークが発生した。一方で、切削にてＲａを高くした条件でも、リン酸Ｍｎ処理前のボックスのＲａを高くし過ぎた場合はリークが発生した。これに対して本発明例は優れたシール性を有することが明らかとなった。特に、シール部の接触長Ｌｓに対するポイントカットツールの送り量の割合を１/１０以下とするとともに、ピンのシール半径Ｒを１．０inch以上とすることにより、シリーズＡテストにおいてより厳しい条件となる高圧縮率条件下でもシール性が確保できることが示された。

１ ピン
２ ボックス
３ テーパねじ
４ シール部
５ ショルダ部
６ 管軸
７ 管軸方向
８ 周方向の溝
８A 溝縁
９ 非ねじ部
１０ ポイントカットツール
２０ 点状凸部
２１ リークパス
Ls：シール部の接触長
θ：シールテーパ角
Ｒ：ピンのシール半径
SP：シールポイント

Claims (5)

1. 相対応する雌雄のテーパねじを有してねじ継手を成す雌雄のうちの雄側であるピンと雌側であるボックスとを備え、ねじ継手締付時に、雌雄双方に設けられたショルダ部にて前記ピンと前記ボックスとが軸方向に当接し、且つ前記ショルダ部と前記テーパねじとの間に設けられたシール部にて前記ピンと前記ボックスとが半径方向に金属接触して流体をシールする構造とされた鋼管用ねじ継手の前記ピン又は前記ボックスにリン酸塩系の皮膜処理を施す鋼管用ねじ継手の皮膜形成方法であって、前記皮膜処理をする前に、該皮膜処理をされる側である前記ピン側又は前記ボックス側のシール部に、切削により管軸方向の平均表面粗さＲａを１．０μｍ以上５．０μｍ以下とする周方向の溝を付与し、或いは更に前記溝の凹凸を潰さない程度の小さな凹凸をショットブラストにて付与し、その後前記皮膜処理を行うことを特徴とする鋼管用ねじ継手の皮膜形成方法。
2. 前記切削にはポイントカットツールを用い、該ポイントカットツールの先端形状、管半径方向切削量及び管軸方向送りを制御することにより、前記周方向の溝を付与することを特徴とする請求項１に記載の鋼管用ねじ継手の皮膜形成方法。
3. 前記金属接触をさせる領域の管軸方向長さであるシール接触長Ｌｓに対し、前記ポイントカットツールの１回転当たりの管軸方向送りをＬｓ/10以下とすることを特徴とする請求項２に記載の鋼管用ねじ継手の皮膜形成方法。
4. 相対応してねじ継手を成す雌雄のうちの雄側のテーパねじを有するピンと雌側のテーパねじを有するボックスとを備え、ねじ継手締付時に、雌雄双方に設けられたショルダ部にて前記ピンと前記ボックスとが軸方向に当接し、且つ雌雄双方に設けられたショルダ部とテーパねじ部との間の非ねじ部内のシール部にて前記ピンと前記ボックスとが半径方向に金属接触して流体をシールする構造とされた鋼管用ねじ継手製品であって、請求項１〜３の何れかに記載の鋼管用ねじ継手の皮膜形成方法によりリン酸塩系皮膜を形成されてなり、前記リン酸塩系皮膜とその下地材である母材との界面の管軸方向の平均表面粗さＲａが１．０〜５．０μｍであることを特徴とする鋼管用ねじ継手製品。
5. 前記ピン外面内のシール部は管軸方向断面内でピンのシール半径Ｒが１．０inch以上の円弧形状であり、前記ボックス内面内のシール部は管軸方向断面内でボックスのシールテーパ角θが３．０〜１０．０度の直線形状であることを特徴とする請求項４に記載の鋼管用ねじ継手製品。

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