JP2017523302A - ロッドのためのカップリング - Google Patents

Abstract

約８〜約２０重量％のニッケルと、約５〜約１１重量％の錫とを含み、残部は、銅であって、少なくとも７５ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強さを有する、冷間加工およびスピノーダル硬化銅合金が、サッカーロッドカップリングまたはサブカップリングを形成するために使用される。各カップリングは、２つの端部を有するコアから形成され、各端部は、雌ねじを有する。これらのボックス端は、サッカーロッドまたは他のロッドのピンに係合する。コアの外部表面は、２つの端部間に延設される溝を含む。

Description

（関連出願への相互参照）
本出願は、２０１４年６月５日に出願された米国仮特許出願番号第６２／００８，３２４号および２０１４年１０月１７日に出願された米国仮特許出願番号第６２／０６５，２７５号に基づく優先権を主張している。上記の出願の内容は、それらの全体が参考として援用される。

（背景）
本開示は、スピノーダル硬化銅合金から作製されるカップリングに関する。カップリングは、特に、サッカーロッドを接続し、電源とポンプとの間の接続に影響を及ぼすために有用であり、また、研磨ロッドカップリングまたはサブカップリング等の油およびガス産業において使用される他のカップリングにも有用であり得る。

炭化水素抽出装置は、典型的には、炭化水素を地下リザーバから抽出するためのポンプと、電力をポンプに提供するための電源と、電源およびポンプを接続するサッカーロッドリフトシステムとを含む。サッカーロッドリフトシステムは、カップリングによってともに継合される、一連のサッカーロッドを含む。サッカーロッドおよびカップリングは、ピンおよびボックス螺合接続によって継合される。かじり（摺動表面間の接着に起因する摩耗）に起因する螺合接続への損傷は、継手の機械的完全性を損なわせ、電源とポンプとの間の接続の故障につながり得る。加えて、サッカーロッドリフトシステムは、導管内で動作する。カップリングの外側表面と導管の内側表面との間の反復接触によって生じる導管への損傷は、導管の機械的完全性を損なわせ、導管によって環境の中に搬送される炭化水素の漏出につながり得る。そのような漏出は、事実上、ポンププロセスを停止させ、多くの場合、そのような故障を是正するために、非常にコストのかかる付加的動作につながる。

サッカーロッドカップリングおよび類似カップリングの所望の特性は、高引張強さ、高疲労強度、高破壊靭性、かじり抵抗、および腐食抵抗を含む。従来のカップリングは、典型的には、鋼鉄またはニッケル合金を含み、好ましい固有の特性、特に、かじり抵抗が完全な補足を欠いている。高価な表面処理が、典型的には、鋼鉄またはニッケル合金から作製されるカップリングならびにカップリングが配置される導管内側上のかじり抵抗を増加させるために使用される。これらの表面処理は、最終的には、摩耗し、効果的であるために、部品の寿命の経過にわたって、周期的に再適用されなければならない。

改良された固有のかじり抵抗ならびに他の望ましい特性を有する、新しいサッカーロッドカップリングを開発することが望ましいであろう。

（簡単な説明）
本開示は、スピノーダル硬化銅合金から作製されるカップリングに関し、より具体的には、サッカーロッドカップリングに関する。カップリングは、高引張強さ、高疲労強度、高破壊靭性、かじり抵抗、および腐食抵抗を含む、特性の一意の組み合わせを有する。これらの特性の組み合わせは、炭化水素回収動作の間、機械的機能性を提供しながら、カップリングおよびそのようなカップリングを使用するポンプシステム内の他の構成要素（例えば、サッカーロッドおよび導管）への破壊的損傷の発生を遅延させる。これはまた、そのような構成要素の有用耐用年数を延長させ、炭化水素を回収するために使用される機器のコストを有意に低減させる。本開示のいくつかのカップリングは、特に、流体流動が妨害されないように、それらの外部表面上に少なくとも１つの溝を含むように成形される。

本明細書の種々の実施形態に開示されるのは、約８〜約２０重量％のニッケルと、約５〜約１１重量％の錫とを含み、残部は、銅である、スピノーダル硬化銅−ニッケル−錫合金を含み、この合金は、少なくとも７５ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強さを有する、サッカーロッドのためのカップリングである。このカップリングは、第１の端部および第２の端部を有するコアから形成され、各端部は、雌ねじを含む。コアの外部表面は、第１の端部から第２の端部に延設される少なくとも１つの溝を含む。

銅−ニッケル−錫合金は、より具体的実施形態では、約１４．５重量％〜約１５．５重量％のニッケルと、約７．５重量％〜約８．５％の錫とを含み、残部は、銅であることができる。この合金は、少なくとも８５ｋｓｉ、または少なくとも９０ｋｓｉ、または少なくとも９５ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強さを有してもよい。

特定の実施形態では、カップリングの合金は、少なくとも９５ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強さと、室温において少なくとも２２フィートポンドのシャルピーＶ切り欠き衝撃エネルギーとを有することができる。代替として、カップリングの合金は、少なくとも１０２ｋｓｉの０．２４％オフセット降伏強さと、室温において少なくとも１２フィートポンドのシャルピーＶ切り欠き衝撃エネルギーとを有することができる。代替として、カップリングは、少なくとも１２０ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強さと、室温において少なくとも１２フィートポンドのシャルピーＶ切り欠き衝撃エネルギーとを有することができる。

カップリングの第１の端部および第２の端部上の雌ねじは、同一ボックスねじ山サイズを有することができる。代替として、サブカップリングに関して、第１の端部および第２の端部上の雌ねじは、異なるボックスねじ山サイズを有することができる。

時として、ボアが、コアを通して第１の端部から第２の端部に延設され、各端部の雌ねじは、ボア内に位置する。カップリングの各端部はまた、端部表面にカウンタボアを含むことができる。

雌ねじは、圧延成形によって形成されることができる。カップリングの雌ねじは、約２０〜約４０のロックウェルＣ硬度（ＨＲＣ）を有してもよい。カップリングは、冷間加工およびスピノーダル硬化によって成形されることができる。

カップリングのいくつかの実施形態では、少なくとも１つの溝が、第１の端部から第２の端部に延在する長手軸と平行に延設される。他の実施形態では、少なくとも１つの溝は、第１の端部から第２の端部に渦巻状に延設され、または言い換えると、外部表面の周囲に巻き付く。溝は、弧状断面または四辺形断面を有することができる。

特定の実施形態では、カップリングの第１の端部および第２の端部は、下向きにテーパ状（すなわち、各端部における直径が、カップリングの中央における直径未満である）である。例えば、端部は、直線状または放物線状にテーパ状であることができる。

また、本明細書に開示されるのは、各ロッドが雄ねじを伴うピンを有する端部を含む、第１のロッドおよび第２のロッドと、上記ならびに本明細書に説明されるような構造を有するカップリングとを備える、ロッドストリングである。カップリングの第１の端部の雌ねじは、第１のロッドの雄ねじと相補的であって、カップリングの第２の端部の雌ねじは、第２のロッドの雄ねじと相補的である。再び、カップリングは、約８〜約２０重量％のニッケルと、約５〜約１１重量％の錫とを含み、残部は、銅である、スピノーダル硬化銅−ニッケル−錫合金を含み、合金は、少なくとも７５ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強さを有する。

また、本明細書に開示されるのは、坑内ポンプと、坑内ポンプに給電するための電源と、坑内ポンプと電源との間に位置するロッドストリングとを備え、ロッドストリングは、各ロッドが雄ねじを伴うピンを有する端部を含む、第１のロッドおよび第２のロッドと、本明細書に説明されるようなカップリングとを備える、ポンプシステムである。

また、本明細書の種々の実施形態に開示されるのは、約８〜約２０重量％のニッケルと、約５〜約１１重量％の錫とを含み、残部は、銅である、スピノーダル硬化銅−ニッケル−錫合金を含む、この合金は、少なくとも７５ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強さを有する、サッカーロッドのためのカップリングである。

銅−ニッケル−錫合金は、より具体的実施形態では、約１４．５重量％〜約１５．５重量％ニッケルと、約７．５重量％〜約８．５％錫とを含むことができ、残部は、銅である。この合金は、少なくとも８５ｋｓｉ、または少なくとも９０ｋｓｉ、または少なくとも９５ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強さを有してもよい。

特定の実施形態では、カップリングの合金は、少なくとも９５ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強さと、室温において少なくとも２２フィートポンドのシャルピーＶ切り欠き衝撃エネルギーとを有することができる。代替として、カップリングの合金は、少なくとも１０２ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強さと、室温において少なくとも１２フィートポンドのシャルピーＶ切り欠き衝撃エネルギーとを有することができる。代替として、カップリングは、少なくとも１２０ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強さと、室温において少なくとも１２フィートポンドのシャルピーＶ切り欠き衝撃エネルギーを有することができる。

カップリングは、第１の端部および第２の端部を有するコアを含んでもよく、各端部は、雌ねじを含む。第１の端部および第２の端部上の雌ねじは、同一ボックスねじ山サイズを有することができる。代替として、サブカップリングに関して、第１の端部および第２の端部上の雌ねじは、異なるボックスねじ山サイズを有することができる。

時として、ボアが、コアを通して第１の端部から第２の端部に延設され、各端部の雌ねじは、ボア内に位置する。カップリングの各端部はまた、端部表面にカウンタボアを含むことができる。

雌ねじは、圧延成形によって形成されることができる。カップリングの雌ねじは、約２０〜約４０のロックウェルＣ硬度（ＨＲＣ）を有してもよい。カップリングは、冷間加工およびスピノーダル硬化によって形成されることができる。

また、本明細書に開示されるのは、ロッドストリングであって、各ロッドが雄ねじを伴うピンを有する端部を含む、第１のロッドおよび第２のロッドと、第１の端部および第２の端部を有するコアを含み、各端部が雌ねじを含む、カップリングとを備え、カップリングの第１の端部の雌ねじは、第１のロッドの雄ねじと相補的であって、カップリングの第２の端部の雌ねじは、第２のロッドの雄ねじと相補的であって、カップリングは、約８〜約２０重量％のニッケルと、約５〜約１１重量％の錫とを含み、残部は、銅である、スピノーダル硬化銅−ニッケル−錫合金を含み、合金は、少なくとも７５ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強さを有する、ロッドストリングである。

また、本明細書に開示されるのは、ポンプシステムであって、坑内ポンプと、坑内ポンプに給電するための電源と、坑内ポンプと電源との間に位置するロッドストリングとを備え、ロッドストリングは、各ロッドが雄ねじを伴うピンを有する端部を含む、第１のロッドおよび第２のロッドと、第１の端部および第２の端部を有するコアを含み、各端部が雌ねじを含む、カップリングとを備え、カップリングの第１の端部の雌ねじは、第１のロッドの雄ねじと相補的であって、カップリングの第２の端部の雌ねじは、第２のロッドの雄ねじと相補的であって、カップリングは、約８〜約２０重量％のニッケルと、約５〜約１１重量％の錫とを含み、残部は、銅である、スピノーダル硬化銅−ニッケル−錫合金を含み、この合金は、少なくとも７５ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強さを有する、ポンプシステムである。

本開示のこれらおよび他の非限定的特性が、以下により具体的に開示される。

次に示す図面の簡単な説明は、本明細書で開示される典型的実施形態の図解を目的とするもので、開示の限定を目的とするものではない。

図１は、本開示のポンプシステムの実施形態の略図である。 図２は、２つのサッカーロッドを伴う、サッカーロッドカップリングの係合を示す、断面図である。 図３Ａは、サッカーロッドカップリングの内部を示す、断面図である。図３Ｂは、サブカップリングの内部を示す、断面図である。 図４は、本開示の例示的サッカーロッドカップリングの平面図（すなわち、長手軸を下に見て）であって、コアの外部表面上に４つの溝を有する。溝は、弧状断面を有する。 図５は、図４の平面ＡＡに沿ったカップリングの側面外部図である。溝が、カップリングの２つの端部間に延在する長手軸と平行に延設されている。カップリングの端部は、直線状にテーパ状である。 図６は、図４の平面ＢＢに沿ったカップリングの側面断面図である。本カップリングは、カウンタボアおよび雌ねじを含む。 図７は、図４の平面ＡＡに沿った別のカップリングの側面外観図である。本カップリングは、同一平面図を有するが、外観図は、異なる。ここでは、カップリングの端部は、放物線状にテーパ状である。 図８は、本開示の別のサッカーロッドカップリングの平面図であって、コアの外部表面上に４つの溝を有する。溝は、渦巻または螺旋断面を有する。 図９は、図８の平面ＣＣに沿ったカップリングの側面外観図である。溝は、渦巻断面を有する、すなわち、カップリングの２つの端部間に延在する長手軸に対して角度付けられる。カップリングの端部は、直線状にテーパ状である。 図１０は、本開示の別のサッカーロッドカップリングの平面図であって、コアの外部表面上に６つの溝を有する。溝は、四辺形断面を有する。 図１１は、本開示による銅合金から作製されるサッカーロッドカップリングの一端の写真である。 図１２は、本開示による銅合金から作製されるカップリングの雌ねじを横断して測定される硬度を示す、写真である（５０倍）。 図１３は、ねじ山全体の粒子構造を示す、５０倍拡大率における顕微鏡写真である。 図１４は、ねじ山の先端の粒子構造を示す、１００倍拡大率における顕微鏡写真である。 図１５は、ねじ山の中心における粒子構造を示す、１００倍拡大率における顕微鏡写真である。 図１６は、ねじ山の根元における粒子構造を示す、１００倍拡大率における顕微鏡写真である。 図１７は、ねじ山の側面における粒子構造を示す、２００倍拡大率における顕微鏡写真である。

（詳細な説明）
本書に開示される構成要素、プロセス、および装置は、添付図を参照することでより完全に理解することができる。これらの図は、本開示の明示を簡便かつ容易にすることに重きを置いた模式的な略図にすぎず、したがって、装置またはその構成要素の相対的寸法や大きさを示すものではなく、および／または、例示的実施形態の範囲を画定もしくは限定するものでもない。

以下の記述には明確性のため特定の用語が用いられているが、これらの用語は、図中での説明のために選定された実施形態に特有の構成のみを示すことを意図しており、本開示の範囲を画定または限定することを意図しない。添付図および以下の記述において、各数字表示は同様の機能を有する構成要素を示すものと理解されるべきである。

「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」の単数形は、別の明確な指示がない限り、複数の指示対象を含む。

明細書および請求項で用いられるように、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」は、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（を含む）」および「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ（本質的に成る）」実施形態を含んでもよい。用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（ｓ）（備える）」、「ｉｎｃｌｕｄｅ（ｓ）（含む）」、「ｈａｖｉｎｇ（有する）」、「ｈａｓ（有する）」、「ｃａｎ（できる）」、「含む（ｃｏｎｔａｉｎ（ｓ））」、およびこれらの変形は、本明細書で使用されるように、指名された構成要素／ステップの存在を要求するもので、かつ他の構成要素／ステップの存在を許容するオープンエンドな移行部、用語、または単語であることを意図する。しかしながら、列挙された構成要素／ステップ「から成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」および「本質的に成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」等と記された組成物またはプロセスの記述は、指名された構成要素／ステップと、その結果生じ得る不純物の存在のみを許容し、他の構成要素／ステップを排除するものと解釈されるべきである。

本願の明細書および請求範囲の数値は、同数の有効数字に四捨五入した際に同じ値となる数値、ならびに示された数値との差異が、本願に示されたものと同種の従来の計測手法における実験誤差より小さな数値を含むものと理解されるべきである。

本明細書で開示される全ての範囲は、示された端点を含むものであり、独立して組み合わせ可能である（例えば、「２グラム〜１０グラム」の範囲は、端点２グラムおよび１０グラムと、さらにそれらの間の値の全てとを含む）。

用語「約」は、その値の基本機能を変化させずに変動し得る、任意の数値を含むように使用されることができる。ある範囲とともに使用されるとき、「約」はまた、２つの端点の絶対値で画定される範囲を開示し、例えば、「約２〜約４」は、「２〜４」の範囲も開示する。用語「約」は、示される数の±１０％を指し得る。

本開示は、スピノーダル強化銅系合金から作製される、カップリングに関する。本開示の銅合金は、強度、延性、高歪み率破壊靭性、およびかじり保護の組み合わせを有する、銅−ニッケル−錫合金であり得る。より具体的には、カップリングは、特に、炭化水素回収システムのために油およびガス産業において使用される、人工リフトカップリング、サッカーロッドカップリング、またはサブカップリングに対して検討される。

図１は、ポンプシステム１００の種々の部品を図示する。システム１００は、研磨されたロッド部分１２５を含む、ロッドストリング１２４を往復運動させる、移動ビーム１２２を有する。ロッドストリング１２４は、坑井１２８の底部に配置される坑内ポンプ１２６を作動させるために、ビームから懸架される。

移動ビーム１２２は、順に、ギヤボックス１３４等のギヤ減速機構を通してクランクアーム１３０に結合される、電源１３２（例えば、電気モータ）によって駆動される、クランクアーム１３０によって往復運動される、ピットマンアームによって作動される。電源は、３相ＡＣ誘導モータまたは同期モータであってもよく、ポンプユニットを駆動させるために使用される。ギヤボックス１３４は、クランクアーム１３０を駆動するために、モータトルクを、低速であるが高トルクの出力に変換する。クランクアーム１３０は、ビーム１２２から懸架されたロッドストリング１２４を平衡させる役割を果たす、平衡錘１３６が提供される。平衡力はまた、空気平衡ユニット上に見出されるもの等の空気シリンダによっても提供されることができる。ベルト付きポンプユニットは、平衡力のために、ロッドストロークまたは空気シリンダの反対方向に延設される平衡錘を使用してもよい。

坑内ポンプ１２６は、ロッドストリング１２４の端部に取り付けられるプランジャ１３８と、坑井１２８内の管類の端部に取り付けられるポンプ筒１４０とを有する、往復運動式ポンプであってもよい。プランジャ１３８は、移動弁１４２と、筒１４０の底部に位置付けられる静止弁１４４とを含む。ポンプのアップストローク時、移動弁１４２は、閉鎖し、プランジャ１３８の上方の油および／または水等の流体を坑井の上部に持ち上げ、静止弁１４４は、開放し、リザーバからの付加的流体がポンプ筒１４０の中に流動することを可能にする。ダウンストローク時、移動弁１４２は、開放し、静止弁１４４は、閉鎖し、次のサイクルに備える。ポンプ１２６の動作は、ポンプ筒１４０内に維持される流体レベルが、そのストローク全体にわたって、ロッドストリング１２４の下側端部を流体内に維持するために十分であるように制御される。ロッドストリング１２４は、導管１１１によって取り囲まれ、これは、順に、坑井ケーシング１１０によって取り囲まれる。研磨されたロッド部分１２５の下方のロッドストリング１２４は、サッカーロッドカップリング１２３を介してともに保持される、サッカーロッドから作製される。

図２は、２つのサッカーロッド２１０、２２０とサッカーロッドカップリングとの間の係合を図示する、側面図である。各サッカーロッド２１０、２２０は、ロッド本体２１２、２２２、および２つのロッド端部２１４、２２４（１つのみの端部がロッド毎に示される）を含む。ロッド端部は、雄ねじ付きピン（またはオス型コネクタ）２１６、２２６と、カップリングの端部表面に当接するように適合される、肩部２１８、２２８と、サッカーロッドをトルク締めおよび緊締するためのツールによって係合され得る、駆動ヘッド２１９、２２９とを含む。

サッカーロッドカップリング２３０自体が、第１の端部２３４および第２の端部２３６を有する、コア２３２であって、各端部は、サッカーロッドのピンに係合するためのボックスに対応し、雌ねじ（すなわち、メス型コネクタ）２３８、２４０を有する。コアは、略円筒形形状を有し、その長さは、直径を上回る。各端部は、サッカーロッドの肩部に当接する、端部表面２３５、２３７を有する。ここに図示されるように、ボア２４２が、コアの長手軸に沿って、コア全体を通して第１の端部２３４から第２の端部２３６に延設される。雌ねじ２３８、２４０は両方とも、ボアの表面上に位置し、点線は、２つの端部がコアの中心で衝合する場所を示す。ここでは、雌ねじは両方とも、同一ボックスねじ山サイズを有し、サッカーロッド上の雄ねじに相補的である。サッカーロッドの寸法およびサッカーロッドカップリングの種々の部品は、２０１０年５月に発行された第２７版のＡＰＩ仕様書１１Ｂによって定義されている。

図３Ａは、サッカーロッドカップリング２３０の断面図を提供し、図３Ｂは、サブカップリング２５０の断面図である。図３Ａのサッカーロッドカップリング２３０は、カウンタボア２５２、２５４を各端部表面２３５、２３７に含む。換言すると、雌ねじは、図２におけるように端部表面にわたって延設されない。ここでは、雌ねじは両方とも、参照番号２４４、２４６によって示されるように、同一ボックスねじ山サイズを有する。長手軸もまた、線２６０によって示される。

図３Ｂにおけるサブカップリング２５０は、サッカーロッドカップリングと同一構造を有するが、第１の端部２３４のボックスねじ山サイズが、参照番号２５６、２５８によって示されるように、第２の端部２３６のボックスねじ山サイズと異なるという点において異なる。長手軸もまた、線２６０によって示される。

特定の実施形態では、図２および図３Ａのサッカーロッドカップリング２３０ならびに図３Ｂのサブカップリング２５０は、それぞれ、実質的に平滑な湾曲外部表面２６２および２６４を有する。言い換えると、外径は、湾曲外部表面２６２および２６４が均一であるように、これらのカップリングの長さに沿って一定のままである。特定の実施形態では、これらのカップリングの外径は、サッカーロッドの外径と比較して、直径が有意に大きくない。

そのようなカップリングに関する付加的変形例は、図４−６に開示される。より具体的には、これらのカップリングの外径は、サッカーロッドの外径を上回る。これは、サッカーロッドがロッドストリングを取り囲む生産用管類（すなわち、図１の導管１１１）に接触しないように防止する。図４は、平面図である。図５は、図４の平面ＡＡに沿った外観図である。図６は、図４の平面ＢＢに沿った断面図である。

最初に、図４を参照すると、カップリング４３０は、コア４３２から形成される。コアの断面は、略円形形状を有し、ボア４４２が、長手軸に沿ってコア全体を通して延設される。コアの外部表面４６２は、少なくとも１つの溝を有する。ここでは、４つの溝４７１、４７２、４７３、４７４が、示される。コアは、ボアの直径にも対応する、内径４２５を有し、コアはまた、外径４２７を有する。各溝は、コアの外径に対して測定される、深度４７５を有する。各溝は、任意の所望の深度を有してもよく、カップリングに継合されるロッドを支持するためのコアの十分な材料が残っている限り、任意の数の溝も同様に存在してもよい。特定の実施形態では、溝深度４７５の比率は、多くても、外径４２７と内径４２５との間の差異の１／２である。特定の実施形態では、複数の溝が存在し、溝は、概して、コアの周縁の周囲に均一に離間される。

サッカーロッド上の摩耗を低減させるように、望ましくは、サッカーロッドが任意の生産用管類に接触する代わりに、カップリングがそれらに接触することが検討される。このようにする手段の１つは、サッカーロッドカップリングの外径を増加させることである。しかしながら、これは、生産用管類内の流体流動を妨害し得る。溝の存在は、流体流動のための経路を提供し、カップリングの断面積を低減させ、かつカップリングの使用に起因する流体流動内の任意のインピーダンスを低減させる。

ここで図５の外観図を参照すると、カップリングは、第１の端部４３４および第２の端部４３６と、中央部４２８とを有する。第１の端部４３４および第２の端部４３６は、下向きにテーパ状である、すなわち、中央部４２８の直径は、各カップリングの端部における直径を上回る。用語「テーパ状」は、ここでは、直径が中央部から各端部に減少することのみを指し、直径の変化が任意の所与の様式において生じることを要求しない。この図５では、コアの端部は、直線状に、すなわち、真っ直ぐな線でテーパ状になる。溝４７１および４７２も同様に、可視である。長手軸４６０もまた、参照のために描かれる（破線）。

ここで図６の断面図を参照すると、カップリングの各端部４３４、４３６は、ボックスに対応し、サッカーロッドのピンに係合するための雌ねじ（すなわち、メス型コネクタ）４３８、４４０を有する。各端部は、サッカーロッドの肩部に当接する、端部表面４３５、４３７を有する。ボア４４２が、コアの長手軸４６０に沿って、コア全体を通して第１の端部４３４から第２の端部４３６に延設される。雌ねじ４３８、４４０は両方とも、ボアの表面上に位置する。ここでは、雌ねじは両方とも、同一ボックスねじ山サイズを有する。カウンタボア４５２、４５４が、各端部４３４、４３６に存在し、雌ねじは、端部表面にわたって延設されない。

図７は、サッカーロッドカップリングの別の実施形態である。ここでは、カップリング４３０は、図４に図示されるものと同一平面図を有するが、端部４３４、４３６は、直線状の代わりに、放物線状にテーパ状である。中央部から各端部への遷移は、側面から見ると弧状である。溝４７１および４７２も依然として、可視である。

図８および図９は、本開示の別の側面を図示する。図８は、平面図であって、図９は、図８の平面ＣＣに沿った側面図である。ここでは、溝は、長手軸４６０と平行に延設されない。むしろ、溝４７１、４７２は、第１の端部４３４から第２の端部４３６に渦巻状に、または換言すると、ねじのねじ山と同様に、周縁の片側から周縁の他側に延設される。溝の完全な１回転によって網羅される長手軸に沿った距離（見越し距離とも呼ばれる）は、所望に応じて、変動されることができる。

最後に、図１０は、本開示のさらに別の側面を図示する。溝の断面は、再び、カップリングに継合されるロッドを支持するためにコア４３０の十分な材料が残っている限り、所望に応じて、変動することができる。この図１０では、溝４７１は、３つの辺４８１、４８２、４８３（第４の辺は、点線によって示されるコアの周縁）から形成される、四辺形断面を有する。対照的に、図４の溝は、弧状断面を有する。

概して、本開示のカップリングを形成するために使用される銅合金は、再加熱し、微小構造のスピノーダル分解に影響を及ぼすのに先立って、冷間加工されている。冷間加工は、塑性変形によって、金属の形状またはサイズを機械的に改変するプロセスである。これは、金属または合金の圧延、引抜、押圧、旋圧、押出、もしくは圧造によって行われることができる。金属が、塑性的に変形されると、原子の転位が、材料内で生じる。特に、転位は、金属の粒子を横断して、またはその中で生じる。転位は、相互に重複し、材料内の転位密度は、増加する。重複転位の増加は、さらなる転位の移動をより困難にする。これは、概して、合金の延性および衝撃特性を低減させながら、結果として生じる合金の硬度および引張強さを増加させる。冷間加工はまた、合金の表面仕上げを改善する。機械的冷間加工は、概して、合金の再結晶化点を下回る温度で行われ、通常、室温において行われる。

スピノーダルエイジング／分解とは、複数の成分が、異なった化学組成および物理的特性を有する別個の領域または微小構造に分離できる機構である。特に、状態図の中央域にあるバルク組成を有する結晶は、離溶を起こす。本開示の合金の表面で起こるスピノーダル分解は、表面が硬化する結果を招く。

スピノーダル合金の構造は、初期相が特定の温度で分離し、高温に達した混和性ギャップと呼ばれる組成が形成されたときに作られる均一な２相混合物でできた構造である。これらの合金相は、結晶構造は同じでありながら、構造内の原子が同程度のサイズを保ちつつ変化した他の相に自然分解する。スピノーダル硬化は、ベース金属の降伏強さを増大させ、組成および微小構造の高い程度の均一性を含む。

スピノーダル合金は、殆どの場合、その状態図中に、混和性ギャップと呼ばれる異常を呈する。混和性ギャップの比較的に狭い温度範囲内において、原子規則性が、既存の結晶格子構造内に生じる。結果として生じる２相構造は、ギャップを有意に下回る温度で安定する。

本明細書で利用される銅−ニッケル−錫合金は、約９．０重量％〜約１５．５重量％のニッケルと、約６．０重量％〜約９．０重量％の錫とを概して含み、残部は、銅である。この合金は、硬化可能で、さらに、様々な産業的・商業的用途で使用できる高降伏強さ製品に容易に成形可能である。この高性能合金は、銅−ベリリウム合金と同様の特性を提供するように設計されている。

より具体的には、本開示の銅−ニッケル−錫合金は、約９重量％〜約１５重量％のニッケルと、約６重量％〜約９重量％の錫とを含み、残部は、銅である。より具体的実施形態では、銅−ニッケル−錫合金は、約１４．５重量％〜約１５．５％のニッケルと、約７．５重量％〜約８．５重量％の錫とを含み、残部は、銅である。

三元銅−ニッケル−錫スピノーダル合金は、海中および酸環境において、高強度、優れた摩擦学的特性、および高腐食耐性等の特性の有益な組み合わせを呈する。主金属の降伏強さの増加は、銅−ニッケル−錫合金におけるスピノーダル分解から生じ得る。

銅合金は、ベリリウム、ニッケル、および／またはコバルトを含んでもよい。いくつかの実施形態では、銅合金は、約１〜約５重量％のベリリウムを含有し、コバルトおよびニッケルの合計は、約０．７〜約６重量％の範囲内である。具体的実施形態では、合金は、約２重量％のベリリウムと、約０．３重量％のコバルトおよびニッケルとを含む。他の銅合金実施形態は、約５〜７重量％のベリリウムの範囲を含有することができる。

いくつかの実施形態では、銅合金は、クロムを含有する。クロムは、約０．５重量％〜約２．０重量％または約０．６重量％〜約１．２重量％のクロムを含む、合金の約５重量％未満の量で存在してもよい。

いくつかの実施形態では、銅合金は、シリコンを含有する。シリコンは、約１．０重量％〜約３．０重量％または約１．５重量％〜約２．５重量％のシリコンを含む、５重量％未満の量で存在してもよい。

本開示の合金は、随意に、小量の添加剤（例えば、鉄、マグネシウム、マンガン、モリブデン、ニオブ、タンタル、バナジウム、ジルコニウム、およびそれらの混合物）を含有する。添加剤は、最大１重量％、好適には、最大０．５重量％の量で存在してもよい。さらに、小量の自然不純物が、存在してもよい。アルミニウムおよび亜鉛等の小量の他の添加剤も、存在してもよい。付加的元素の存在は、結果として生じる合金の強度をさらに増加させる効果を有し得る。

いくつかの実施形態では、ある量のマグネシウムが、合金の酸素含有量を低減させるために、初期合金の形成の間に添加される。酸化マグネシウムが、合金質量から除去され得るように形成される。

特定の実施形態では、カップリングの雌ねじは、切断によってではなく、圧延成形によって形成される。本プロセスは、ねじ山の外側表面上の粒子を伸長させると考えられる。圧延されたねじ山は、剪断破損が、粒子とともにではなく、粒子を横断して生じるはずであるため、剥離に抵抗することが見出されている。本冷間加工プロセスはまた、付加的強度および疲労抵抗を提供する。その結果、雌ねじは、約２０〜約４０のロックウェルＣ硬度（ＨＲＣ）を有し得る。ＨＲＣは、ねじ山全体を通して変動することができ、本詳述は、ねじ山全体が同一ＨＲＣを有することを要求するものとして解釈されるべきではない。特定の実施形態では、ねじ山のＨＲＣは、最小で２２である。ねじ山の外側表面は、少なくとも３５のＨＲＣを有してもよい。

本開示のカップリングを作製するために使用される合金は、少なくとも８５ｋｓｉ、または少なくとも９０ｋｓｉ、または少なくとも９５ｋｓｉを含む、少なくとも７５ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強さを有してもよい。

本開示のカップリングを作製するために使用される合金は、以下の表１に示されるように、０．２％オフセット降伏強さと、室温シャルピーＶ切り欠き衝撃エネルギーの組み合わせを有してもよい。これらの組み合わせは、本開示の銅合金に一意である。これらの測定を行うために使用される試験サンプルは、長手方向に配向された。列挙される値は、最小値（すなわち、少なくとも列挙される値）であって、望ましくは、オフセット降伏強さおよびシャルピーＶ切り欠き衝撃エネルギー値は、ここに列挙される組み合わせより高い。換言すると、合金は、ここに列挙される値に等しいまたはそれを上回る、０．２％オフセット降伏強さと、室温シャルピーＶ切り欠き衝撃エネルギーの組み合わせを有する。

表２は、サッカーロッドカップリングまたはサブカップリングにおいて使用するための本開示に好適な銅系合金の別の例示的実施形態の特性を提供する。

本開示のロッドカップリングは、当技術分野において公知の鋳造および／または成形技法を使用して作製されることができる。

スピノーダル分解銅合金から作製されるカップリングは、高破壊靭性、かじり抵抗、および腐食抵抗と組み合わせて、高引張強さならびに疲労強度を一意に有する。特性の一意の組み合わせは、カップリングが、システム構成要素をかじり損傷から確実に保護しながら、必要とされる基本的機械的および腐食特性を満たすことを可能にし、それによって、システムの寿命を大幅に延長させ、予期しない故障のリスクを低減させる。

別のタイプの人工リフトカップリングは、坑井穴内に配置されるか、または坑井穴の外側に配置される、没水型電気モータによって給電される人工リフトポンプの駆動シャフト内で使用される。カップリングは、ポンプ駆動シャフトの区画をともに継合し、かつ駆動シャフトをモータおよびポンプインペラに継合するために使用される。これらのカップリングはまた、部品間に確実な接続を保証するために、キー溝特徴を含む。キー溝特徴は、局所応力を増加させ得、特に、モータ開始時、ねじり荷重下における亀裂の潜在的発生源となる。そのような故障は、高歪み率破壊靭性を有する、本開示の銅合金を使用することによって軽減され得る。

以下の実施例は、本開示のカップリング、プロセス、および特性を例証するために提供される。これらの実施例は、単に説明用であり、そこに記された材料、条件、またはプロセスパラメータに本開示を限定することを意図しない。

（実施例）
２つのサッカーロッドカップリングが、スピノーダル硬化銅合金から作製された。銅合金は、１５．１重量％ニッケル、８．２重量％錫、０．２３重量％マンガンであって、０．０５重量％未満のＮｂ、０．０２重量％未満のＺｎおよびＦｅ、ならびに０．０１重量％未満のＭｇおよびＰｂを含有していた。銅合金は、１０２ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強さと、１１２ｋｓｉの極限引張強さとを有していた。カップリングは、ＡＰＩ仕様書１１Ｂに従って、１インチの公称サイズを有していた。ねじ山が、動作のために、タップを使用して圧延形成された。図１１は、カップリングの１つの端部の写真である。

破壊試験が、行われた。サンプルは、半分に鋸で切断され、ねじ山は、分析のために、搭載および研磨された。硬度試験が、部品上の種々の場所で行われた。図１２は、測定された値を示す、写真である。測定されたビッカース硬度（ＨＶ）は、上に報告され、ロックウェルＣ硬度（ＨＲＣ）は、下に報告されている（ＨＶから変換された）。ここに見られるように、ＨＲＣは、ねじ山の内部における２１．７の低さから、ねじ山の外側表面における３８．７の高さまで変動した。ねじ山の外側表面上のＨＲＣ値は全て、３５を上回った。平均粒子サイズは、２３ミクロンであった。粒子は、ねじ山の外側表面上で伸長された。

図１３−１７は、サンプルの種々の顕微鏡写真である。図１３は、ねじ山全体の粒子構造を示す、５０倍拡大率における顕微鏡写真である。図１４は、ねじ山の先端の粒子構造を示す、１００倍拡大率における顕微鏡写真である。図１５は、ねじ山の中心における粒子構造を示す、１００倍拡大率における顕微鏡写真である。図１６は、ねじ山の根元における粒子構造を示す、１００倍拡大率における顕微鏡写真である。図１７は、ねじ山の側面における粒子構造を示す、２００倍拡大率における顕微鏡写真である。

上記開示の変形、他の特徴や機能、または、これらの代替を組み合させて他の多くのシステムや用途とすることができることを理解されるであろう。今のところ予測または予期できない様々な代替、変更、変形、もしくは改良が当業者によって今後行われる可能性があるが、これらもまた添付の請求範囲に含まれることが意図される。

Claims (20)

1. 約８〜約２０重量％のニッケルと、約５〜約１１重量％の錫とを含み、残部は、銅である、スピノーダル硬化銅−ニッケル−錫合金を含む、サッカーロッドのためのカップリングであって、前記合金は、少なくとも７５ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強さを有する、カップリング。
2. 前記スピノーダル硬化銅−ニッケル−錫合金は、約１４．５重量％〜約１５．５重量％のニッケルと、約７．５重量％〜約８．５％の錫とを含み、残部は、銅である、請求項１に記載のカップリング。
3. 前記合金は、少なくとも８５ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強さを有する、請求項１に記載のカップリング。
4. 前記合金は、少なくとも９５ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強さを有する、請求項１に記載のカップリング。
5. 前記合金は、少なくとも９５ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強さと、室温において少なくとも２２フィートポンドのシャルピーＶ切り欠き衝撃エネルギーとを有する、請求項１に記載のカップリング。
6. 前記合金は、少なくとも１０２ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強さと、室温において少なくとも１２フィートポンドのシャルピーＶ切り欠き衝撃エネルギーを有する、請求項１に記載のカップリング。
7. 前記合金は、少なくとも１２０ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強さと、室温において少なくとも１２フィートポンドのシャルピーＶ切り欠き衝撃エネルギーとを有する、請求項１に記載のカップリング。
8. 前記カップリングは、第１の端部および第２の端部を有するコアから形成され、各端部は、雌ねじを含む、請求項１に記載のカップリング。
9. 前記第１の端部および前記第２の端部上の雌ねじは、同一ボックスねじ山サイズを有する、請求項８に記載のカップリング。
10. 前記第１の端部および前記第２の端部上の雌ねじは、異なるボックスねじ山サイズを有する、請求項８に記載のカップリング。
11. ボアが、前記コアを通して前記第１の端部から前記第２の端部に延設され、各端部の雌ねじは、前記ボア内に位置する、請求項１に記載のカップリング。
12. 各端部はまた、前記端部の表面にカウンタボアを含む、請求項１に記載のカップリング。
13. 前記雌ねじは、約２０〜約４０のロックウェルＣ硬度（ＨＲＣ）を有する、請求項１に記載のカップリング。
14. 前記コアの外部表面は、前記第１の端部から前記第２の端部に延設される少なくとも１つの溝を含む、請求項１に記載のカップリング。
15. 前記少なくとも１つの溝は、前記第１の端部から前記第２の端部に延在する長手軸と平行に延設される、請求項１４に記載のカップリング。
16. 前記少なくとも１つの溝は、前記第１の端部から前記第２の端部に渦巻状に延設される、請求項１４に記載のカップリング。
17. 前記少なくとも１つの溝は、弧状断面または四辺形断面を有する、請求項１４に記載のカップリング。
18. 前記カップリングの前記第１の端部および前記第２の端部は、下向きに、直線状に、または放物線状にテーパ状である、請求項１４に記載のカップリング。
19. ロッドストリングであって、
    各ロッドが雄ねじを伴うピンを有する端部を含む、第１のロッドおよび第２のロッドと、
    第１の端部および第２の端部を有するコアを含み、各端部が雌ねじを含む、カップリングと、
    を備え、
    前記カップリングの第１の端部の雌ねじは、前記第１のロッドの雄ねじと相補的であって、前記カップリングの第２の端部の雌ねじは、前記第２のロッドの雄ねじと相補的であって、
    前記カップリングは、約８〜約２０重量％のニッケルと、約５〜約１１重量％の錫とから成り、残部は、銅である、スピノーダル硬化銅−ニッケル−錫合金を含み、前記合金は、少なくとも７５ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強さを有する、
    ロッドストリング。
20. ポンプシステムであって、
    坑内ポンプと、
    前記坑内ポンプに給電するための電源と、
    前記坑内ポンプとおよび前記電源との間に位置するロッドストリングと、
    を備え、前記ロッドストリングは、
    各ロッドが雄ねじを伴うピンを有する端部を含む、第１のロッドおよび第２のロッドと、
    第１の端部および第２の端部を有するコアを含み、各端部が雌ねじを含む、カップリングと、
    を備え、
    前記カップリングの第１の端部の雌ねじは、前記第１のロッドの雄ねじと相補的であって、前記カップリングの第２の端部の雌ねじは、前記第２のロッドの雄ねじと相補的であって、
    前記カップリングは、約８〜約２０重量％のニッケルと、約５〜約１１重量％の錫とを含み、残部は、銅である、スピノーダル硬化銅−ニッケル−錫合金を含み、前記合金は、少なくとも７５ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強さを有する、
    ポンプシステム。