JP2015132285A - 極厚肉油井管用ねじ継手 - Google Patents

Abstract

【課題】高い圧縮力に加えて高い外圧も作用する状況下でシール性確保とゴーリング発生防止とを両立させうる極厚肉油井管用ねじ継手を提供すること。
【解決手段】シール部になるピン３側の面、ボックス１側の面を夫々凸曲面、テーパ面とし、ピン３において、ピンシール厚ｔ_sを１５ｍｍ以下とし、形状パラメータｔ_s/Ｄ（Ｄはピン素管部の外径）を０．０４５以上とし、完全ねじ長さ比Ｌ/ｔ（Ｌはピン完全ねじ長さ、ｔはピン素管部の肉厚）を４．０以下とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、極厚肉油井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であるパイプの接続に用いるのに好適な、耐久性に優れた極厚肉油井管用ねじ継手に関する。なおここで、耐久性とは、高い圧縮力例えばパイプの管軸方向の降伏荷重（降伏応力×未加工部の断面積）の８０％以上の圧縮力に加えて高い外圧例えばＡＰＩコラプス圧（ＡＰＩ ５Ｃ３に記載のＡＰＩ Ｃｏｌｌａｐｓｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）の８０％以上相当の外圧も作用する状況下で十分なシール性を、ゴーリングの発生なく、維持できる性能のことである。

管用ねじ継手は、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。オイルやガスの探査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、メタルタッチシール部（以下、シール部と呼ぶ）、トルクショルダ部（以下、ショルダ部と呼ぶ）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および、ピン３と嵌合するボックス１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、その端面にはショルダ部１２を有する。ピン３と嵌合するボックス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。

図３の従来例では、シール部１１、１３がノーズ部８の先端部に位置する所謂ピン先端シール型であって、適正な締付けトルクを与えることにより所望のシール性能を実現できるのであるが、締付けトルクは潤滑条件、表面性状等に影響されるので、これらに大きくは依存しない設計として、シール接触圧力の半径方向成分を相対的に強くした半径方向シール方式（ラジアルシール型とも云う）がある。ラジアルシール型のシール部１１、１３は一般的にノーズ部８の管軸方向中間部に位置する。

ところで、前述した井戸の高深度化に伴い、高温高圧環境に対応するため、高耐食性、高強度かつ極肉厚の油井管が使用されるケースが増加している。
斯かる趨勢下で、ねじ継手自体の気密性能を維持すると同時に、大きい圧縮荷重下でも高い抵抗とシール性能とを有するねじ継手に対する要求に応じるための従来技術として、ピン素管断面積（鋼管端部にピン加工した鋼管のピン未加工部の断面積）に対するボックス側のショルダ部当たり面の断面積（前記当たり面を管軸直交面へ正射影してなる領域の面積）の比を所定値（０．５）以上にすると云う手段が知られている（特許文献１参照）。

特許第４２５７７０７号公報

しかるに、特に、ピンを形成する素鋼管の肉厚（鋼管端部にピン加工した鋼管の未加工部の肉厚）が１８ｍｍ以上であるピンと、該ピン同士を連結するボックスとからなるねじ継手においては、非常に高い軸方向圧縮力と外圧との複合荷重下でのシール性確保が要求されることから、シール部での高い接触面圧が必要となる。一方で、接触面圧が高すぎると、締付け締戻し（Ｍａｋｅ ＆ Ｂｒｅａｋ）時の摺動に伴うゴーリング発生が懸念されることから、接触面圧は、シール性確保とゴーリング発生防止との両者のバランスを取った設計が必要となる。

しかしながら、前記従来技術では、高い圧縮力下での性能確保しか想定しておらず、高い圧縮力に加えて高い外圧も作用する状況下でシール性確保とゴーリング発生防止とを両立させることについての考慮はない。前記従来技術によってピン素管断面積に対するボックス側のショルダ部当たり面の断面積の比を所定値（０．５）以上にするのみでは、高い圧縮力に加えて高い外圧も作用する状況下でシール性確保とゴーリング発生防止とを両立させることはできない。

そこで、本発明は、前記従来技術の難点に鑑み、高い圧縮力に加えて高い外圧も作用する状況下でシール性確保とゴーリング発生防止とを両立させうる極厚肉油井管用ねじ継手を提供することを、本発明が解決しようとする課題とした。

本発明者らは、前記課題を解決する為に鋭意検討し、その結果、以下の要旨構成になる本発明を成した。
［１］ 肉厚１８ｍｍ以上の素鋼管の管端部をテーパねじ加工してなる雄ねじ部と、該雄ねじ部より管端側に延在するねじ無し部であるノーズ部と、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、
並びに、前記雄ねじ部とねじ結合される雌ねじ部と、前記ピンのノーズ部外周面に相対するシール孔内周面と、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を有し、
前記ねじ結合により前記ピンと前記ボックスとが結合されて前記ノーズ部外周面と前記シール孔内周面とが管半径方向に金属接触しその接触部が流体をシールするシール部をなす極厚肉油井管用ねじ継手であって、
前記シール部になるピン側の面、ボックス側の面が夫々、凸曲面、テーパ面であり、
下記に定義されるシールポイントを含む管半径方向断面内のノーズ部の厚みであるピンシール厚ｔ_sが１５ｍｍ以下であり、
前記ピンシール厚ｔ_sをピン素管部の外径Ｄで除してなる形状パラメータｔ_s/Ｄが０．０４５以上であり、
ピン素管部の肉厚ｔに対する前記雄ねじ部の完全ねじ部の管軸方向長さであるピン完全ねじ長さＬの比すなわち完全ねじ長さ比Ｌ/ｔが４．０以下である
ことを特徴とする極厚肉油井管用ねじ継手。
記
シールポイントとは、ピンとボックス両者の同一尺度図面をショルダ部同士が一致するように重ね合わせてなる重なり代の管半径方向長さが最大となる部位のノーズ部外周点のことである。

［２］ 前記形状パラメータｔ_s/Ｄが０．０６０以上であることを特徴とする前記［１］に記載の極厚肉油井管用ねじ継手。
［３］ 前記ピンシール厚ｔ_sが１２ｍｍ以下であることを特徴とする前記［１］又は［２］に記載の管のねじ継手。

本発明によれば、高い圧縮力に加えて高い外圧も作用する状況下でシール性確保とゴーリング発生防止とを両立させうる極厚肉油井管用ねじ継手が実現する。

本発明に係るねじ継手の設計用諸元を示す管軸方向断面の概略図である。 シールポイント及びピンシール厚の定義を示す管軸方向断面の概略図である。 従来の管用ねじ継手の一例を示す管軸方向断面の概略図である。

図１、図２を参照して本発明の実施形態を説明する。
本発明は、肉厚１８ｍｍ以上の素鋼管の管端部をテーパねじ加工してなる雄ねじ部７と、該雄ねじ部７より管端側に延在するねじ無し部であるノーズ部８と、該ノーズ部８の先端に設けられたショルダ部１４とを有するピン３、並びに、前記雄ねじ部７とねじ結合される雌ねじ部５（当然ながらテーパねじである）と、前記ピン３のノーズ部外周面１７に相対するシール孔内周面１６と、前記ピン３のショルダ部１４に当接するショルダ部１２とを有するボックス１を有し、前記ねじ結合により前記ピン３と前記ボックス１とが結合されて前記ノーズ部外周面１７と前記シール孔内周面１６とが管半径方向に金属接触しその接触部が流体をシールするシール部（ボックス１のシール部１１、ピン３のシール部１３）をなす極厚肉油井管用ねじ継手（図１参照）であることを前提とする。

本発明では、前記前提の下で、十分なシール性を確保し、かつ耐ゴーリング性を高め、しかも切削加工をし易くすると云う観点から、ピン３ではシール部１３になる部位のノーズ部外周面１７を凸曲面とし、ボックス１ではシール部１１になる部位のシール孔内周面１６をテーパ面とした。前記凸曲面は、管軸方向断面内で曲線をなし、該曲線領域の管軸方向両端を結ぶ線分がピン体内に位置し、該曲線領域内のいずれの点も管端に近づくにつれ管軸に近づくと云う曲面である。前記曲線は複数の線分が共通接線を有するように接続された構成でもよく、曲線間が直線で接続されていてもよい。また、前記テーパ面は、管軸方向断面内で直線をなし、該直線内のいずれの点もショルダ部１２に近づくにつれ管軸に近づくと云う錐面である。

そして、本発明では、シールポイントＳＰを含む管径方向断面２１内のノーズ部８の厚みであるピンシール厚ｔ_s（図２参照）を１５ｍｍ以下とした。ここで、シールポイントＳＰとは、図２に示すように、ピン３とボックス１両者の同一尺度図面をショルダ部１４、１２同士が一致するように重ね合わせてなる重なり代の管半径方向長さが最大となる部位のノーズ部８外周点のことである。

また、本発明では、前記ピンシール厚ｔ_sをピン素管部１０の外径Ｄ（図１参照）で除してなる形状パラメータｔ_s/Ｄを０．０４５以上とした。
また、本発明では、ピン素管部の肉厚ｔ（図１参照）に対する前記雄ねじ部７の完全ねじ長さＬ（図１参照）の比である完全ねじ長さ比Ｌ/ｔを４．０以下とした。
本発明者らは、優れたシール性及び耐ゴーリング性を有する極厚肉油井管用ねじ継手を得る手段について種々の検討を行った結果、以下の知見を得るに至り、この知見に基づいて上述の本発明をなした。

前記検討の方法は、種々のサイズ及び形状のねじ継手に対し、種々の荷重負荷条件下で、ＦＥＡ（有限要素解析：Ｆｉｎite Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ）に基づく数値計算による応力-ひずみ状態の評価を行うと云うものである。
前記検討の結果、得られた知見は次のとおりである。
（ア） 接触面圧は、形状パラメータｔ_s/Ｄで整理できる。該整理した結果によると、高外圧下でのシール性確保に必要な接触面圧は、形状パラメータｔ_s/Ｄを０．０４５以上としなければ達成できない。
なお、外圧としてＡＰＩコラプス圧の１００％相当の外圧を加えてもシール性が確保できるようにするには、形状パラメータｔ_s/Ｄは０．０６０以上とするのが好ましい。

（イ） 摺動エネルギーは、形状パラメータｔ_s/Ｄに、摺動距離と密接な関係のあるピン素管部１０の外径Ｄを乗じてなるパラメータすなわちシール部厚みｔ_sで整理できる。該整理した結果によると、摺動エネルギーを耐ゴーリング性確保可能な範囲に制限するには、ピンシール厚ｔ_sを１５ｍｍ以下とする必要がある。
なお、耐ゴーリング性をより改善し、例えばビッカース硬さ３１０以上の硬質めっきを適用せずともゴーリング発生防止ができると云った効果を得るためには、ピンシール厚ｔ_sを１２ｍｍ以下とするのが好ましい。

（ウ） ピン完全ねじ長さＬ（図１参照）が必要以上に長いと加工コスト及び素材コストが高くなるだけでなく、ねじリード（ねじの１周回転当たりの前進距離）やねじテーパ（ねじリードの単位距離当たりのねじ直径の減少量）のばらつきによる局所的な異常接触に伴うゴーリングの発生が懸念される。このゴーリングの発生を防止するためには、ピン完全ねじ長さＬは、ピン素管部の肉厚ｔ（図１参照）の４．０倍以下（完全ねじ長さ比Ｌ/ｔ≦４．０）とするとよい。

一方、引張負荷時に管本体（ピン素管部１０）より先にねじ部が過大に塑性変形して破断（ジャンプアウト）することを防止するために、ねじ継手引張強度が管本体のそれの１００％であるねじ継手に対しては、ピン完全ねじ長さＬは剪断係数√３以上の値すなわちピン素管部１０の肉厚ｔの１．８倍以上（ピン完全ねじ長さ比Ｌ/ｔ≧１．８）とするのが好ましい。なお、ねじ継手引張強度が管本体のそれのＭ％（Ｍ＜１００）である場合には、ピン完全ねじ長さ比Ｌ/ｔ≧１．８×Ｍ、とすればよい。

ピンシール厚ｔ_sを決定すればシールポイントＳＰの位置でのピン外径が求められる。各種ねじ継手の設計において、シールポイントＳＰと雄ねじ部７のピン管端側の最終完全ねじ山との相対位置は別途決定される。そこで、前記別途決定された最終完全ねじ山部位２５（図１参照）でのピン外径とピン素管部１０の外径Ｄとの差（図１に示す最終完全ねじ山部位２５におけるピン素管外周面位置１９から雄ねじ部７のねじテーパ基線２０までの管径方向距離Δｒの２倍）から、ピン完全ねじ部（ピン完全ねじ長さＬの領域）での管径方向のねじ切削量を求めることができる。画して求められるねじ切削量の中で、ピン完全ねじ長さＬが本発明で規定した範囲内に収まるようにねじテーパ（図１の雄ねじ部７のねじテーパ基線２０と管軸３０との鋭角交差角をθとすると、ねじテーパ＝２×tanθである）を選定することにより、高い圧縮力に加えて高い外圧も作用する状況下でシール性確保とゴーリング発生防止とを両立させうる極厚肉油井管用ねじ継手が実現する。

ＡＰＩ規格のＱ１２５炭素鋼（降伏応力１３０ｋｓｉ＝８９６ＭＰａ）の鋼管用ねじ継手として、図１に示した形態において、表１に示す各水準の諸元を有するピンと、これに対応（嵌合）するボックスとで構成されるねじ継手を設計製作した。なお、シール部になるピン側の面は凸曲面とし、ボックス側の面はテーパ面とした。ねじ長さはねじテーパを変えることにより任意の値をとらせることができる。

これらのねじ継手のサンプルについて、ピンの雄ねじ部及びノーズ部の外周面に、硬質めっき（Ｈｖ３１０以上のＣｕ‐Ｓｎ合金めっき）と、これよりもゴーリング防止性能に劣るリン酸Ｍｎ皮膜とをそれぞれ、いずれの水準に対しても同一の処理条件で適用した。その後、下記試験Ｔ１による耐ゴーリング性試験を行い、ゴーリング発生の有無（有は不合格、無は合格）を調査し、ゴーリング発生の無かったサンプルについて、更に下記試験Ｔ２によるシール性試験を行い、リーク発生の有無（有は不合格、無は合格）を調査した。
［試験Ｔ１］ Ｈｉｇｈトルク（Ｍａｘ.トルクの０．９５倍以上のトルク）にて締付け（Ｍａｋe‐ｕｐ）した後に締戻し（Ｂｒｅａｋ‐ｏｕｔ）すると云う締付け締戻し（Ｍａｋｅ ＆ Ｂｒｅａｋ）を２回繰り返す。
［試験Ｔ２］ Ｌｏｗトルク（Ｍｉｎ.トルクの１．０５倍以下のトルク）にて締付けしたサンプルに対し、ＩＳＯ１３６７９にて規定される複合荷重条件（Ｌｏａｄ Ｅｎｖｅｌｏｐｅ）として８０％外圧（ＡＰＩコラプス圧の８０％相当の外圧）または１００％外圧（ＡＰＩコラプス圧の１００％相当の外圧）を負荷する。

前記試験の結果を表１に示す。なお、表１において、「リン酸Ｍｎ皮膜でも合格」とあるのは、硬質めっきのみならずリン酸Ｍｎ皮膜でも合格であったことを意味し、「硬質めっきにて合格」とあるのは、リン酸Ｍｎ皮膜では不合格（シール部でゴーリング発生有）であったが硬質めっきにて合格であったことを意味し、「１００％外圧でも合格」とあるのは、８０％外圧のみならず１００％外圧でも合格であったことを意味し、「８０％外圧にて合格」とあるのは、１００％外圧では不合格（リーク発生有）であったが８０％外圧では合格であったことを意味する。

表１より、本発明例（水準１〜７）は、ピンシール厚ｔ_sを１５ｍｍ以下とし、かつ形状パラメータｔ_s/Ｄを０．０４５以上とし、かつ完全ねじ長さ比Ｌ/ｔを４．０以下としたことで、いずれも硬質めっきにて耐ゴーリング性試験に合格し、８０％外圧でのシール性試験にも合格した。
また、本発明例（水準１〜７）のうち、ピンシール厚ｔ_sを１２ｍｍ以下とした例（水準１、２、４、５）は、リン酸Ｍｎ皮膜でも耐ゴーリング試験に合格した。また、本発明例（水準１〜７）のうち、形状パラメータｔ_s/Ｄを０．０６０以上とした例（水準２、３、４）は、１００％外圧でもシール性試験に合格した。

一方、ピンシール厚ｔ_sを１５ｍｍ超とした比較例（水準８）は、耐ゴーリング性試験に不合格（シール部にゴーリング発生有）であった。また、完全ねじ長さ比Ｌ/ｔを４．０超とした比較例（水準９）は、耐ゴーリング性試験に不合格（ねじ部にゴーリング発生有）であった。また、形状パラメータｔ_s/Ｄを０．０４５未満とした比較例（水準１０）は、８０％外圧でのシール性試験に不合格（リーク発生有）であった。

以上のように、本発明によれば、高い圧縮力に加えて高い外圧も作用する状況下でシール性確保とゴーリング発生防止とを両立させうる極厚肉油井管用ねじ継手が実現する。

１ ボックス
３ ピン
５ 雌ねじ部
７ 雄ねじ部
８ ノーズ部
１０ ピン素管部
１１ ボックスのシール部
１２ ボックスのショルダ部
１３ ピンのシール部
１４ ピンのショルダ部
１５ 最も引張応力およびひずみの高くなる部位
１６ シール孔内周面
１７ ノーズ部外周面
１９ ピン素管外周面位置
２０ 雄ねじ部のねじテーパ基線
２１ シールポイントを含む管径方向断面
２５ 最終完全ねじ山部位
３０ 管軸
Ｄ ピン素管部の外径
Ｌ ピン完全ねじ長さ
ＳＰ シールポイント
ｔ ピン素管部の肉厚
ｔ_s ピンシール厚

Claims (3)

1. 肉厚１８ｍｍ以上の素鋼管の管端部をテーパねじ加工してなる雄ねじ部と、該雄ねじ部より管端側に延在するねじ無し部であるノーズ部と、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、
   並びに、前記雄ねじ部とねじ結合される雌ねじ部と、前記ピンのノーズ部外周面に相対するシール孔内周面と、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を有し、
   前記ねじ結合により前記ピンと前記ボックスとが結合されて前記ノーズ部外周面と前記シール孔内周面とが管半径方向に金属接触しその接触部が流体をシールするシール部をなす極厚肉油井管用ねじ継手であって、
   前記シール部になるピン側の面、ボックス側の面が夫々、凸曲面、テーパ面であり、
   下記に定義されるシールポイントを含む管半径方向断面内のノーズ部の厚みであるピンシール厚ｔ_sが１５ｍｍ以下であり、
   前記ピンシール厚ｔ_sをピン素管部の外径Ｄで除してなる形状パラメータｔ_s/Ｄが０．０４５以上であり、
   ピン素管部の肉厚ｔに対する前記雄ねじ部の完全ねじ部の管軸方向長さであるピン完全ねじ長さＬの比すなわち完全ねじ長さ比Ｌ/ｔが４．０以下である
   ことを特徴とする極厚肉油井管用ねじ継手。
   記
   シールポイントとは、ピンとボックス両者の同一尺度図面をショルダ部同士が一致するように重ね合わせてなる重なり代の管半径方向長さが最大となる部位のノーズ部外周点のことである。
2. 前記形状パラメータｔ_s/Ｄが０．０６０以上であることを特徴とする請求項１に記載の極厚肉油井管用ねじ継手。
3. 前記ピンシール厚ｔ_sが１２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の管のねじ継手。

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