JP2015137748A - 管のねじ継手 - Google Patents

Abstract

【課題】引張‐圧縮や曲げの繰返し負荷を受けてもボックス側のねじコーナ部に応力やひずみの集中が生じにくいねじ継手構造を提供する。
【解決手段】ラジアルシール型の管のねじ継手において、ボックス１の管周方向断面のうち最も引張応力およびひずみの高くなる部位１５を含む断面であるＣＣＳ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｃｒｏｓｓ Ｓｅｃｔｉｏｎ）の断面積Ｓ_Ｃと管本体１０の断面積Ｓ_Ｐの比Ｓ_Ｃ/Ｓ_Ｐで定義される継手効率ＴＥ（％）が、ボックス１の雌ねじ高さｔと雌ねじ底荷重面側コーナ部６の曲率半径ρの比t/ρと、式ＴＥ（％）≧２．２５×ｔ/ρ＋９９．９の関係を満たすねじ継手とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、管のねじ継手に関し、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、シール性と耐圧縮性に優れた管のねじ継手に関する。

管のねじ継手は、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、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るが、これとは別に、シール部１１、１３をノーズ部８の管軸方向中間部に位置させてピン３とボックス１を管半径方向に金属接触させるラジアルシール型のプレミアムジョイントも知られている。
ところで、井戸へのパイプ敷設工事では、パイプを回転させながら敷設する場合がある。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する。このときパイプには引張‐圧縮の力が繰返し作用する。井戸の深井戸化が進み、前記引張‐圧縮の力も増加する。この繰返し負荷により、ねじ継手を構成するボックスのねじ部とシール部に塑性変形が生じ、シール性の低下もしくは、最悪の場合、亀裂が進展し、破断に至る場合がある。

そこで、引張‐圧縮や曲げの繰返し負荷に強いねじ継手構造として、ピン側、ボックス側の何れか一方または両方のねじ噛合い端部の片端もしくは両端のねじ底に、螺旋状の応力緩和溝を設けて、応力集中を緩和する構造が提案された（例えば特許文献１参照）。

特許第３４０１８５９号公報

しかし、ボックス側のねじコーナ部に作用する応力やひずみは、ねじ形状や前記応力緩和溝のみで定まるものではなく、ボックスの最弱部断面積のパイプ本体断面積に対しての裕度によって影響を受けるので、ねじ形状の工夫や前記応力緩和溝の付設によるのではボックス側のねじコーナ部の応力集中を十分緩和することができないと云う問題があった。
そこで、本発明は、前記従来技術の問題に鑑み、引張‐圧縮や曲げの繰返し負荷を受けてもボックス側のねじコーナ部に応力集中が生じにくいねじ継手構造を実現することを、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］ 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ボックスシール面と、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ボックスシール面とが管半径方向に金属接触しその接触部がシール部をなすラジアルシール型の管のねじ継手であって、
前記ボックスの管周方向断面のうち最も引張応力およびひずみの高くなる部位を含む断面の断面積Ｓ_Ｃと管本体の断面積Ｓ_Ｐの比Ｓ_Ｃ/Ｓ_Ｐで定義される継手効率ＴＥ（％）が、前記ボックスの雌ねじ高さｔと雌ねじ底荷重面側コーナ部の曲率半径ρの比t/ρと次式（１）の関係を満たすことを特徴とする管のねじ継手。
ＴＥ（％）≧２．２５×ｔ/ρ＋９９．９ ‥‥（１）
［２］ 前記ピンのシール部が管軸方向断面視で外側に張り出した円弧をなし、相対する前記ボックスのシール部が、ショルダ部への方向に収束するテーパ面をなし、該テーパ面が管軸となす角度であるシールテーパ角が２度以上１５度以下であることを特徴とする前記［１］に記載の管のねじ継手。
［３］ 前記シールテーパ角が２度以上５度以下であることを特徴とする前記［２］に記載の管のねじ継手。

本発明によれば、管のねじ継手はボックス側のねじコーナ部の応力、ひずみが低減し、引張‐圧縮や曲げの繰返し負荷を受けても応力集中が生じにくくなって、管のねじ継手の疲労強度および耐破断性能をさらに向上させることができる。

本発明の実施形態を示す管軸方向断面の概略図である。 式（１）の妥当性を示すグラフである。 従来の管のねじ継手の一例を示す管軸方向断面の概略図である。 継手効率ＴＥの定義を示す管軸方向断面の概略図である。

図１、図２及び図４を参照して本発明の実施形態を説明する。本発明は、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とねじ結合されてねじ部をなす雌ねじ部５と、前記ピン３のノーズ部外周面１７に相対するボックスシール面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と前記ボックスシール面１６とが管半径方向に金属接触しその接触部がシール部（ピン３のシール部１３およびボックス１のシール部１１）をなすラジアルシール型の管のねじ継手（図１参照）であることを前提とする。ラジアルシール型は、引張‐圧縮や曲げの繰返し負荷に伴うボックスの塑性変形がシール性に及ぼす悪影響を抑制する効果の点で、ピン先端シール型よりも優れるので、本発明ではラジアルシール型を前提とした。

本発明は、前記前提の下で、前記ボックス１の管周方向断面のうち最も引張応力およびひずみの高くなる部位１５を含む断面であるＣＣＳ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｃｒｏｓｓ Ｓｅｃｔｉｏｎ）の断面積Ｓ_Ｃと管本体１０の断面積Ｓ_Ｐの比Ｓ_Ｃ/Ｓ_Ｐで定義される継手効率ＴＥ（％）（図４参照）が、前記ボックス１の雌ねじ高さｔと雌ねじ底荷重面側コーナ部６の曲率半径ρ（図１（ｂ）参照）の比t/ρと前記式（１）の関係にあることを特徴とする。

前記式（１）の関係を満たすＴＥとｔ/ρの領域は、ＴＥを横軸、ｔ/ρを縦軸にとった図２において、式ＴＥ＝２．２５×ｔ/ρ＋９９．９で表される直線及び該直線の右側の範囲である。この範囲内に、「Ｎｏ Ｆａｉｌｕｒｅ」（後述する気密試験結果でリークなし、かつ繰返し負荷試験結果で破断なし）のプロット点が位置し、一方、この範囲外に、「Ｆａｉｌｕｒｅ」（後述する気密試験結果でリーク発生、又は繰返し負荷試験結果で破断）のプロット点が位置することから、式（１）による規定が妥当であることが分る。

ボックス１において、塑性変形に伴うひずみが最も多く蓄積するのは雌ねじ底荷重面側コーナ部６（ボックス１の雌ねじ部５の荷重面と雌ねじ底面とがなすコーナ部）であり、次に多く蓄積するのは雌ねじ底挿入面側コーナ部９（ボックス１の雌ねじ部５の挿入面と雌ねじ底面とがなすコーナ部）（図１（ｂ）参照）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。

本発明者らは、ラジアルシール型の管のねじ継手について、継手形状を種々変えて、ＦＥＡ（有限要素解析：Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ）による引張‐圧縮負荷状態下の応力‐ひずみ計算、及び引張‐圧縮の繰返し負荷実験を鋭意遂行し、その結果、以下の知見を得た。
すなわち、ボックス１のＣＣＳの断面積Ｓ_Ｃと管本体１０の断面積Ｓ_Ｐの比Ｓ_Ｃ/Ｓ_Ｐで定義される継手効率ＴＥ（％）（図４参照）が、前記ボックス１の雌ねじ高さｔと雌ねじ底荷重面側コーナ部６の曲率半径ρの比t/ρと前記（１）式の関係を満たすように、管のねじ継手を設計、製造することにより、ボックス１のねじ底コーナ部（雌ねじ底荷重面側コーナ部６或いは雌ねじ底挿入面側コーナ部９）に発生し、疲労破壊やボックス１の全断面破断の起点となりうる初期亀裂の発生を抑制することができる。

前記ＣＣＳは、ノーズ側にある第１ねじ、あるいはＦＥＡを用いた数値計算によりその管軸方向位置を特定することができる。該ＣＣＳは、管本体１０に引張力が負荷された際に、ねじ部を介してその引張力がボックスに伝達されて、最も平均応力が高くなる断面となる。継手効率ＴＥとは、前記ＣＣＳの断面積Ｓ_Ｃと管本体１０の断面積Ｓ_Ｐの比Ｓ_Ｃ/Ｓ_Ｐで定義されるが、一般的には、ｔ/ρとは無関係に、単に１００％以上とされていた。継手効率ＴＥの増加は、ＣＣＳにおける平均引張応力及びひずみの低減に効果があるが、単にＴＥを１００％以上に大きくしても、引張‐圧縮や曲げの繰返し負荷を受けた際の雌ねじ部の応力集中を低減することは困難である。前記応力集中やひずみ集中を低減するためには、本発明に則り、前記ＴＥと前記ｔ/ρとが前記（１）式の関係を満足するように、管のねじ継手を設計、製作する必要がある。

前記雌ねじ底荷重面側コーナ部６の曲率半径ρ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、雌ねじ底荷重面側コーナ部６がこれに相対するピン３側の雄ねじ部荷重面と接触し、引張荷重を受ける直線部が不足して、局部的な塑性変形の原因となるため、ρ＝０．３〜１．０ｍｍが好ましい。前記雌ねじ底挿入面側コーナ部９の曲率半径ρ’についても同様に、ρ’＝０．３〜１．５ｍｍが好ましい。

また、前述のとおり、ラジアルシール型は、引張‐圧縮や曲げの繰返し負荷に伴うボックスの塑性変形がシール性に及ぼす悪影響を抑制する効果の点で、ピン先端シール型よりも優れるので、本発明ではラジアルシール型を前提としたが、なかでも好ましくは、前記ピン３のシール部１３が管軸方向断面視で凸曲面で構成され、相対する前記ボックス１のシール部１１が、ショルダ部１２に向かって収束するテーパ面をなすねじ継手であって、前記テーパ面が管軸となす角度であるシールテーパ角θ_ｓｅａｌ（図１（ｃ）参照）が１５度以下、より好ましくは５度以下のものである。一方、θ_ｓｅａｌが小さ過ぎると、締付け時のシール部摺動距離が大きくなり、ゴーリングを誘発するため、θ_ｓｅａｌは２度以上が好ましい。

ここで、前記凸曲面とは、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。前記曲線は曲率の異なる複数の円孤が共通接線を有するように直接もしくは線分を介して接続された構成でもよい。また、前記テーパ面とは、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。

また、ねじ形状および継手形状を上述の本発明範囲とした上で、さらに、ボックス１の雌ねじ部５表面にショットブラストを適用することで、圧縮の残留応力を付与し、引張応力の最大値を低減することも、亀裂発生の抑制や疲労寿命の延長意効果がある。また、ゴーリング防止のためにボックス１とピン３との相互摺動面のボックス側、ピン側の何れか一方又は両方の面に電気めっきを施す場合、めっき時間が過剰となって、ねじ継手をなす鋼材内へ水素が過剰に侵入してトラップされ、該トラップされた水素による破壊のリスクが懸念される場合がある。この懸念を払拭するために、例えばめっき後に、ＩＳＯ９５８８で規定されているベーキングを施すことも好ましい。

外径２４４．４７５ｍｍ、肉厚１３．８４ｍｍのクロム系鋼管及びそのカップリング素管を加工して、前記クロム系鋼管からは管軸方向断面視で外側に張り出した円弧（ピン材料内に弦を有する円弧）をなすシール部１３を有するピン３、前記カップリング素管からはショルダ部１２への方向に収束するテーパ面をなすシール部１１を有するボックス１を、夫々設計、製造し、前記ピン３と前記ボックス１とからなる管のねじ継手とした。設計条件の諸元を表１に示す。

なお、表１中のショルダ角とは、締付け時のショルダ部１２、１４のなすショルダ面が管軸直交面となす鋭角側の角度である。
クロム系はカーボン系に比べてゴーリングのリスクが高いため、ボックス１の雌ねじ部５表面及びボックスシール面１６には電気めっきを施した。これらのサンプルについて、１０回の繰返し締付け‐締戻し試験を実行し、ゴーリングが無いことを確認した後、ＩＳＯ１３６７９に規定された気密試験Ａテストを圧縮１００％の条件で実行し、リーク発生の有無を調査した。さらに、リーク発生無しであったサンプルについては、曲げに伴う繰返し負荷を模擬するため、引張‐圧縮荷重を１００回繰返しで付与するテストを実行した。これらの試験結果を表１及び図２に示す。図２のプロット点（Ｆａｉｌｕｒｅ、Ｎｏ Ｆａｉｌｕｒｅ）の意味は前述のとおりである。

表１及び図２より明らかなように、ＴＥとｔ/ρとを前記式（１）の成立範囲内とした本発明例（図２中のＮｏ Ｆａｉｌｕｒｅ）は、気密試験結果がリークなし、かつ繰返し負荷試験結果が破断なしであり、これに対し、ＴＥとｔ/ρとを前記式（１）の成立範囲外とした比較例（図２中のＦａｉｌｕｒｅ）は、気密試験でリークが発生し、或いはリークなしであっても繰返し負荷が１００回に達する前に破断した。

これらの結果から分るように、本発明によれば、ボックス１のねじコーナ部の応力-ひずみを低減し、管のねじ継手の疲労強度及び耐破断性能を向上させることができる。

１ ボックス
３ ピン
５ 雌ねじ部
６ 雌ねじ底荷重面側コーナ部
７ 雄ねじ部
８ ノーズ部
９ 雌ねじ底挿入面側コーナ部
１０ 管本体
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 ボックスシール面
１７ ノーズ部外周面（ピンシール面）

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ボックスシール面と、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ボックスシール面とが管半径方向に金属接触しその接触部がシール部をなすラジアルシール型の管のねじ継手であって、
   前記ボックスの管周方向断面のうち最も引張応力およびひずみの高くなる部位を含む断面の断面積Ｓ_Ｃと管本体の断面積Ｓ_Ｐの比Ｓ_Ｃ/Ｓ_Ｐで定義される継手効率ＴＥ（％）が、前記ボックスの雌ねじ高さｔと雌ねじ底荷重面側コーナ部の曲率半径ρの比t/ρと次式（１）の関係を満たすことを特徴とする管のねじ継手。
   ＴＥ（％）≧２．２５×ｔ/ρ＋９９．９ ‥‥（１）
2. 前記ピンのシール部が管軸方向断面視で外側に張り出した円弧をなし、相対する前記ボックスのシール部が、ショルダ部への方向に収束するテーパ面をなし、該テーパ面が管軸となす角度であるシールテーパ角が２度以上１５度以下であることを特徴とする請求項１に記載の管のねじ継手。
3. 前記シールテーパ角が２度以上５度以下であることを特徴とする請求項２に記載の管のねじ継手。

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