JP2014156913A - 管接続用ねじ継手 - Google Patents

Abstract

【課題】パイプに引張‐圧縮の繰り返し負荷がかかってもボックス側に塑性変形を生じ難く、然も耐ゴーリング性にも優れる管接続用ねじ継手を提供する。
【解決手段】継手のボックス１側の雌ねじ挿入面２１が管軸と垂直な面に対してなす角度θsbと、前記雌ねじ挿入面２１に対向するピン３側の雄ねじ挿入面２０が管軸と垂直な面に対してなす角度θspの関係が、０．０５度≦θsb-θsp≦２．０度を満たす管接続用ねじ継手とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、管接続用ねじ継手に関し、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管の接続に用いる管接続用ねじ継手であって、中でも特にシール性と耐圧縮性とに優れた管接続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（以下、パイプとも云う）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、各パイプに、テーパねじと、メタルタッチシール部と、トルクショルダ部とを備える。テーパねじは管継手をタイトに固定するために重要であり、メタルタッチシール部はねじ継手の雌側をなすボックスと雄側をなすピンとが金属接触することでシール性を確保するものであり、トルク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〜図５は、従来のカップリング形式の油井管用プレミアムジョイントの模式的説明図であり、これは、円管のねじ継手の縦断面図となっている。このねじ継手は雄ねじ部材であるピン３とこれに対応する雌ねじ部材であるボックス１とを備える。
ピン３は、その外面に、雄ねじ部７と、ピン３先端に雄ねじ部７に隣接して設けられたねじ無し部であるノーズ８とを有する。ノーズ８は、その外周面にメタルタッチシール部（ピンシール部とも云う）１１を、その端面にはトルクショルダ部（ピンショルダ部とも云う）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、メタルタッチシール部１１、およびトルクショルダ部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、メタルタッチシール部（ボックスシール部とも云う）１３、およびトルクショルダ部（ボックスショルダ部とも云う）１４を有している。
ところで、井戸へのパイプ敷設は、通常、パイプを回転させながら施工されるが、斜め掘りおよび水平掘りの場合、パイプは途中、曲げられた状態で回転し、その間、パイプには引張-圧縮の力が繰り返し作用する。そこで、圧縮負荷に強い構造として、例えば特許文献１では、ピンのシールリップ部の長さが雄ねじ部と雌ねじ部の螺合状態における管軸方向の隙間の１４０倍以上とすることにより、圧縮時のピンシール部変形を弾性範囲内に留める構造が提案されている。

特許第４９２４６１４号公報

一方、前記引張‐圧縮の繰り返し負荷により、ねじ継手を構成するボックスに著しい塑性変形が生じ、シール性の低下もしくは、最悪の場合、破断に至る場合があるという問題がある。ところが、特許文献１の如く従来はピンシール部変形を抑制する手段の提示はあるものの、ボックス側の変形に伴う前記問題の解消方法については提示がなく、この点に課題があった。

本発明の目的は前記課題を解決し、パイプに引張‐圧縮の繰り返し負荷がかかってもボックス側に塑性変形を生じ難く、然も耐ゴーリング性にも優れる管接続用ねじ継手を提供することにある。

前記課題を解決する為になされた本発明は以下の通りである。
（１） 雄ねじ部の先端にノーズを備えたピンと、該ピンの雄ねじ部と螺合する雌ねじ部および前記ピンのノーズに相対するノーズ部を有するボックスを備え、前記ピンのノーズ先端面に位置するピンショルダ部がこれと相対する前記ボックスのショルダ部であるボックスショルダ部と軸方向に当接し，前記ピンのノーズ外周面が凸曲面で構成され、該凸曲面に相対する前記ボックスの内面がテーパで構成され、前記凸曲面内のピンシール部と前記テーパ内のボックスシール部との双方が半径方向に金属接触して流体をシールする構造を有する管用ねじ継手において、前記ボックス側の雌ねじ挿入面が管軸と垂直な面に対してなす角度θ_sbと、前記雌ねじ挿入面に対向する前記ピン側の雄ねじ挿入面が管軸と垂直な面に対してなす角度θ_spの関係が、０．０５度≦θ_sb-θ_sp≦２．０度を満たすことを特徴とする管接続用ねじ継手。
（２） 前記ボックス側の雌ねじ荷重面と雌ねじ底面との間を結ぶコーナの曲率半径ＲであるＲｌｆが０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることを特徴とする前記（１）に記載の管接続用ねじ継手。
（３） 前記ボックス側の雌ねじ部挿入面と雌ねじ底面との間を結ぶコーナの曲率半径ＲであるＲｓｆが０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の管接続用ねじ継手。
（４） 前記ピンシール部を内包する凸曲面が管軸方向断面視で円弧状であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか１つに記載の管接続用ねじ継手。
（５） 前記ボックスシール部を内包するテーパの管軸に対する角度であるシールテーパ角度θsealが２度以上１５度以下であることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれか１つに記載の管接続用ねじ継手。
（６） 前記シールテーパ角度θsealが２度以上５度以下であることを特徴とする前記（５）に記載の管接続用ねじ継手。

本発明によれば、パイプに引張‐圧縮の繰り返し負荷がかかってもボックス側に塑性変形を生じ難く、然も耐ゴーリング性にも優れる管接続用ねじ継手が得られる。

本発明の実施形態の１例を示す雄ねじと雌ねじの螺合部周辺の管軸方向断面図である。 本発明の実施形態の１例を示すノーズ周辺の管軸方向断面図である。 カップリング形式の油井管用プレミアムジョイントの従来例を示す模式的説明図（管軸方向断面図）である。 図３のノーズ周辺の管軸方向断面図である。 図３の雄ねじと雌ねじの螺合部周辺の管軸方向断面図である。

図１、図２は本発明の実施形態の１例を示す管軸方向断面図であり、図１には雄ねじと雌ねじの螺合部周辺、図２にはノーズ周辺を、夫々示している。図１、図２において、２０はピン側の雄ねじ挿入面、２１はボックス側の雌ねじ挿入面、２２はボックス側の雌ねじ底面、２３はピン側の雄ねじ荷重面、２４はボックス側の雌ねじ荷重面であり、前掲図と同一の又は相当する部分には同じ符号を付し、説明を省略する。

図１、図２に示される通り、本発明に係る管接続用ねじ継手は、雄ねじ部７の先端にノーズ８を備えたピン３と、該ピン３の雄ねじ部７と螺合する雌ねじ部５および前記ピン３のノーズ８に相対するノーズ部を有するボックス１を備え、前記ピン３のノーズ先端面に位置するピンショルダ部１２がこれと相対する前記ボックス１のショルダ部であるボックスショルダ部１４と軸方向に当接し、前記ピン３のノーズ外周面が凸曲面で構成され、該凸曲面に相対する前記ボックス１の内面がテーパで構成され、前記凸曲面内のピンシール部１１と前記テーパ内のボックスシール部１３との双方が半径方向に金属接触して流体をシールする構造を有する事を前提とする。

本発明者らの研究結果によれば、前記前提の管接続用ねじ継手において、塑性変形に伴うひずみが最も蓄積するのはボックス１側の雌ねじ荷重面２４と雌ねじ底面２２とを結ぶコーナ部であり、次いで、ボックス１側の雌ねじ部挿入面２１と雌ねじ底面２２のなすコーナ部である。これらの箇所のひずみを低減することが、斜め掘り井戸および水平掘り井戸へのパイプ敷設時における異常変形もしくは破断の防止に重要である。

本発明者らの更なる研究の結果、ボックス１側の雌ねじ挿入面２１が管軸と垂直な面に対してなす角度θ_sbと、これに対向するピン３側の雄ねじ挿入面２０が管軸と垂直な面に対してなす角度θ_spの関係を、０．０５度≦θ_sb-θ_spに限定することにより、圧縮負荷付与時にボックス１側の雌ねじ部５とピン３側の雄ねじ部との互いに対向する挿入面での接触が、ボックス１側の雌ねじ挿入面２１の雌ねじ底面２２側の端部から開始し、ボックス１側の雌ねじ山を隔てて隣接するボックス１側の雌ねじ荷重面２４と雌ねじ底面２２との間のコーナ部に作用するモーメントを軽減できるため、この部分に蓄積するひずみを軽減可能であることが判明した。

但し、θ_ｓｂ-θ_spが過大であると、ピン３とボックス１との締め付けの際、双方の前記挿入面においてピン３の雄ねじ山側とボックス１の雌ねじ谷側が過度に強く接触し、ゴーリングが発生しがちとなる。これを防止するために、θ_sb-θ_sp≦２．０度とする必要がある。
尚、ピン外周面の凸曲面は、ねじ切削加工の容易性の観点から、管軸方向断面視で円弧状（ピン１内側に弦を有する円弧状）であることが好ましい。

ボックス１側の雌ねじ荷重面２４と雌ねじ底面２２とを結ぶコーナ部の曲率半径ＲであるＲｌｆは、大きいほどひずみの蓄積防止に有効であるが、大きすぎると、相対するピン３側の雄ねじ荷重面２３と接触し引張荷重を受ける直線部が不足し、局部的な塑性変形の原因となるため、０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下が好ましい。ボックス１側の雌ねじ挿入面２１と雌ねじ底面２２とを結ぶコーナ部の曲率半径ＲであるＲｓｆについても同様である。

また、引張-圧縮の繰り返し負荷に伴うボックス１の塑性変形がシール性に及ぼす悪影響を抑制するためには、シール構造そのものについても、実質的に半径方向シール構造であることが好ましい。具体的には、ボックスシール部１３を内包するテーパの管軸に対する角度であるシールテーパ角度θsealを１５度以下とすることが好ましく、より好ましくは５度以下である。一方、θsealが小さすぎると、締め付け時のシール部摺動距離が大きくなりゴーリングを誘発し易くなるため、θsealは２度以上が好ましい。

外径９−５/８”、肉厚０．５４５”（５３．５lb/ft）の１３Ｃｒ鋼管およびこれに対応させるカップリング素管にねじ切削加工を施して、図１乃至図２に示した形状を有するところの、管軸方向断面視で円弧状のピンシール部１１を有するピン３と、テーパ状のボックスシール部１３を有するボックス１とのサンプルを、表１に示す種々の形状条件で製作し、これらについて、１０回の繰返し締付け試験を実施した。そしてこの繰り返し締付け試験でゴーリングが発生しなかったサンプルについて、ＩＳＯ１３６７９に規定された気密試験Ａテストを、繰り返し最大3回連続で実施した。

前記各試験の結果を表１に示す。表１より、本発明例では前記繰り返し締付け試験でのゴーリング発生は無く、かつ、前記気密試験においても少なくとも１回はリーク発生なく成功した。また、より好適な形態の本発明例（No.１〜８及びNo.１１）では、３回の気密試験を経てもリークが発生しなかった。

１ ボックス
３ ピン
５ 雌ねじ部
７ 雄ねじ部
８ ノーズ
１１ メタルタッチシール部（ピンシール部）
１２ トルクショルダ部（ピンショルダ部）
１３ メタルタッチシール部（ボックスシール部）
１４ トルクショルダ部（ボックスショルダ部）
２０ 雄ねじ挿入面（ピン側に位置する）
２１ 雌ねじ挿入面（ボックス側に位置する）
２２ 雌ねじ底面（ボックス側に位置する）
２３ 雄ねじ荷重面（ピン側に位置する）
２４ 雌ねじ荷重面（ボックス側に位置する）

Claims (6)

1. 雄ねじ部の先端にノーズを備えたピンと、該ピンの雄ねじ部と螺合する雌ねじ部および前記ピンのノーズに相対するノーズ部を有するボックスを備え、前記ピンのノーズ先端面に位置するピンショルダ部がこれと相対する前記ボックスのショルダ部であるボックスショルダ部と軸方向に当接し，前記ピンのノーズ外周面が凸曲面で構成され、該凸曲面に相対する前記ボックスの内面がテーパで構成され、前記凸曲面内のピンシール部と前記テーパ内のボックスシール部との双方が半径方向に金属接触して流体をシールする構造を有する管用ねじ継手において、前記ボックス側の雌ねじ挿入面が管軸と垂直な面に対してなす角度θ_sbと、前記雌ねじ挿入面に対向する前記ピン側の雄ねじ挿入面が管軸と垂直な面に対してなす角度θ_spの関係が、０．０５度≦θ_sb-θ_sp≦２．０度を満たすことを特徴とする管接続用ねじ継手。
2. 前記ボックス側の雌ねじ荷重面と雌ねじ底面との間を結ぶコーナの曲率半径ＲであるＲｌｆが０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の管接続用ねじ継手。
3. 前記ボックス側の雌ねじ部挿入面と雌ねじ底面との間を結ぶコーナの曲率半径ＲであるＲｓｆが０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の管接続用ねじ継手。
4. 前記ピンシール部を内包する凸曲面が管軸方向断面視で円弧状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の管接続用ねじ継手。
5. 前記ボックスシール部を内包するテーパの管軸に対する角度であるシールテーパ角度θsealが２度以上１５度以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の管接続用ねじ継手。
6. 前記シールテーパ角度θsealが２度以上５度以下であることを特徴とする請求項５に記載の管接続用ねじ継手。
   

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