JP2023541481A - 隅肉溶接されたクラッディング部を有する管要素、およびそのような管要素を製造するための方法 - Google Patents

Abstract

開示されているのは、石油・ガス産業用の管要素である。この管要素は、外管と、外管内の内管と、を含む。管は、所定の長さにわたって互いの間に空間を形成するように構成される。内管の各端部は、空間が漏れ止めされるように、円錐台形の隅肉溶接部によって外管の内面に固定される。内管は、管の各端部から始まる第１の長さに沿った第１の内径ＩＤと、第１の長さを超える第２の長さに沿った、より小さい第２の内径ＩＤ’と、を有する。管要素は、少なくとも隅肉溶接部の上に延在する保護金属層をさらに含む。また、管要素の製造方法も開示されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、油井およびガス井で使用するための真空断熱管の分野に関する。さらに、本発明は、真空断熱管のための隅肉溶接されたクラッディング部、およびその隅肉溶接されたクラッディング部を作製するための方法に関する。特に、本発明は、高圧・高温条件用の真空断熱管に関する。

油井およびガス井の領域において、環状圧力の蓄積によって坑井のケーシング環状部における圧力が上昇する。これは、製造中に坑井内で加熱され、閉じ込められた坑井流体の熱膨張によって発生する圧力である。この現象は、「閉じ込められた環状圧力」および「環状流体膨張」など、他の用語でも表現される場合がある。石油・ガスの採掘に使用されるケーシングは、極端な圧力および温度条件に曝されることになる。これにより、ケーシングが圧力下で崩壊し、坑井を消失させる場合がある。

真空断熱管は、環状圧力の蓄積を緩和させるように、上記のような坑井で使用するための既知の装置である。図１を参照すると、従来技術による真空断熱管１が示されている。

真空断熱管は、坑井内に配置される管要素であり、石油およびガスなどの生産流体が管要素を通って流れるように生産管に接続される。真空断熱管１は、真空断熱管１の内管３と外管４との間に、内管の内側と外管４の外側との間の熱的絶縁性を向上させるための真空空間２を有する。真空空間２は、内管３の端部と外管４との間に隅肉溶接部５を有するように形成される。

しかしながら、一部の高圧・高温の坑井において、坑井の圧力が非常に高く、十分な強度をもつ設計要件を満たす真空断熱管は知られていない。また、既存の真空断熱管の内管と外管との間の隅肉溶接部は、腐食しやすく、例えば石油またはＨ_２Ｓは腐食性が高い。このような損傷は、真空断熱管の内管と外管との間の空間が真空でなくなる可能性があり、非常に問題である。隅肉溶接部を腐食から守るために、高速酸素燃料コーティングが試みられているが、この解決策は、高圧・高温の坑井の設計要件を満たすものではない。また、レーザクラッディングも試みられている。しかしながら、レーザクラッディングは、クラッディング対象の表面の加工公差が厳しく、現在の真空断熱管の組み立て技術とは相性が悪い。

必要なのは、腐食および高圧・高温に耐え、崩壊することなく、且つ真空を失うことのない真空断熱管である。そこで、必要なのは、この真空断熱管を高精度で製造する手段および方法である。

一般に、一態様において、本開示は、外管と、外管内の内管と、を含む管要素に関する。外管と内管は、所定の長さにわたって互いの間に空間が形成されるように構成される。内管の各端部は、上記空間が漏れ止めされるように、円錐台形の隅肉溶接部によって外管の内面に固定される。内管は、管の各端部から始まる第１の長さに沿った第１の内径と、第１の長さを超える第２の長さに沿った、より小さい第２の内径と、を有する。さらに、管要素は、少なくとも隅肉溶接部の上に延在する保護金属層を含む。

別の態様によれば、本開示は、上述した管要素を製造するための方法に関する。該方法は、組み立て前に、管の各端部から始まる第１の長さに沿った第１の内径と、第１の長さを超える第２の長さに沿った、より小さい第２の内径と、を有する内管を提供するステップを含む。さらに、内管を外管内に配置するステップと、内管の各端部を外管の内面に溶接して、空間が漏れ止めされるように管を互いに固定する円錐台形の隅肉溶接部を形成するステップと、少なくともその溶接部の上に延在する保護金属層を形成するステップと、を含む。

本発明の上述した目的、他の目的、特徴、および利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、および添付の図面を参照してよりよく理解されるであろう。添付の図面は、添付の特許請求の範囲を限定するものではないことに留意されたい。参照符号は、類似する要素、または対応する要素を指定するが、必ずしも同一の要素を指定するものではない。図面は、例示的な実施形態のみを示している。図面に示す要素および特徴は、必ずしも縮尺通りのものではなく、その例示的な実施形態の原理を明確に説明することに重点が置かれている。また、特定の寸法または位置は、そのような原理を視覚的に伝えるのを補助するために膨張される場合がある。
従来技術における管要素の一例の断面図である。 本発明による管要素の一例の断面図である。 外管内の内管の断面図である。 外管内に内管があり、隅肉溶接部によって固定された管要素の断面図である。 隅肉溶接部の開先加工後の図４の管要素の断面図である。 管要素を作製するための例示的な方法のフローチャートである。

一実施形態において、油井またはガス井の坑井ケーシング環状部の環状圧力の蓄積を緩和するための真空断熱管は、高圧・高温条件に耐え、且つ石油およびＨ_２Ｓ腐食に耐える能力を有するように提供される。

図２を参照すると、本発明の真空断熱管１０の一端部の実施形態の一例が示されている。管要素１０とも呼ばれるこの真空断熱管１０は、内管１１を有する。内管１１は、真空空間１４を画定する最大外径１２と最小外径１３とを有する。

内管１１は、管の各端部から始まる第１の長さ１５に沿った第１の内径ＩＤを有する。また、内管１１は、第１の長さ１５を超える第２の長さ１６に沿った、より小さい第２の内径ＩＤ’を有する。例えば、第１の長さ１５は１２．７ｍｍの長さを有し、第１の内径ＩＤは９６．５ｍｍの直径を有し、第２の内径ＩＤ’は９１ｍｍの直径を有する。内管１１は、第１の長さ１５と第２の長さ１６との間の開先部１７を備える。この開先部１７は、例えば、横断面に対して６０°の角度をなす。開先部１７が十分に長くなるように、差ＩＤ－ＩＤ’は、５ｍｍよりも大きくなっている。開先部１７は、内管１１の製造時に作製される。

また、管要素１０は、外管２０を有する。外管２０は、内面２１について一定の内径と、外径２２と、を有する。外管２０は、外管２０の端部が内管１１を越えて延在するように、内管１１の周りに嵌合する。一実施形態において、外管は、１５５ｍｍの外径を有する。内管は、１２７ｍｍの最大外径を有し得る。

外管２０および内管１１は、必要な強度を提供するための適切な材料から作製され得る。一実施形態において、外管２０および内管１１は、少なくとも１２５ｋｓｉの降伏強度を有する合金から作製される。

一実施形態において、外管２０および内管１１は、１３Ｃｒ鋼とも呼ばれる、少なくとも１３％のクロムを含有する溶接可能なクロム鋼合金から作製される。

真空空間１４は、外管２０と内管１１との間に形成され、その間に真空部を有する。真空部は、既知の真空断熱管製造法に採用されている任意の適切な技術を用いて作製される。

円錐台形の隅肉溶接部２３などの溶接部が、内管１１の端部と外管２０の内面２１との間の角部に形成されている。これにより、内管１１と外管２０とが接合され、真空空間１４の真空部を封じることができる。隅肉溶接部２３は、１５Ｃｒ管に適合する適切な溶接材料から作製される。

保護金属層２４は、隅肉溶接部２３の表面を完全に覆う。保護金属層２４は、ガスタングステンアーク溶接またはタングステン不活性ガス溶接によって得られる肉盛溶接部であり、クラッディング部とも呼ばれる。隅肉溶接部２３および保護金属層２４は、内管１１の第１の内径ＩＤを越えて延在していない、すなわち突出していないので、管要素の第２の内径ＩＤ’は、隅肉溶接部２３および保護金属層２４によって影響を受けない。一実施形態において、保護金属層２４は、約３ｍｍ～約３．５ｍｍの厚さを有する。例えば、厚さは、３．２ｍｍであり得る。保護金属層２４は、２つのパスに材料を堆積させることで形成され得る。１つのパスに堆積された保護金属層２４の材料は、実質的に同じ厚さを有することができる。例えば、２つのパスのそれぞれの厚さは、１．６ｍｍであり得る。一実施形態において、保護金属層２４の堆積の前に、隅肉溶接部２３を開先加工、修正、または研磨して、隅肉溶接部２３の肉盛溶接によって完全に被覆および結合するのを助けることによって、隅肉溶接部２３の表面が準備される。保護金属層２４は、隅肉溶接部の縁を越えて、例えば管要素１０の軸方向に１２．７ｍｍ延在して、内管１１の隣接する内面および外管２０の隣接する内面を覆うことができる。例えば、内管１１の内面の第１の長さ１５は、例えば１２．７ｍｍの第１の特定の距離ＦＤだけ延在、すなわち重なることができる。一実施形態において、保護金属層２４のクラッディングは、開先部１７に対して正確に行われる。例えば１２．７ｍｍの第２の特定の距離ＳＤは、外管２０の内面２１に重なることができる。内管１１の第１の内径ＩＤを超えて突出しないように、保護金属層２４の厚さは、第１の長さ１５に対して（ＩＤ－ＩＤ’）／２以下である。ここで、差ＩＤ－ＩＤ’は、４ｍｍよりも大きく、好ましくは５．５ｍｍよりも大きい。保護金属層２４は外管２０の内面２１に対してより厚くすることができる。

保護金属層２４は、現場システムで管要素が経験する条件下で隅肉溶接部２３を保護するための適切な肉盛溶接材料から作製される。一実施形態において、肉盛溶接材料は、５０％超のニッケルを含有するニッケル、クロムおよびモリブデンを含む合金など、耐食性ニッケルベース合金から作製される。一実施形態において、保護金属層２４の材料は、優れた接合性を可能にするインコネル６２５である。

鉄の希釈を、肉盛溶接の耐食性のために５％～１０％以下とすることができる。下層とその上に少なくとも上層を作製することで保護金属層２４の材料を２つのパスで堆積させて、層の自由表面付近での鉄の希釈を低減させることができる。そのため、保護金属層２４の厚さが厚くなる。このクラッディングのために管要素１０のドリフトを低下させないために、上述したように、内管１１の第１の内径ＩＤおよび開先部１７を有する第１の長さ１５が設計されている。この第１の内径ＩＤは、第２の内径ＩＤ’よりも大きく、ドリフトを減少させることなく、クラッディング部を収容するための管の既存の設計に許容するものである。また、第１の内径ＩＤは、隅肉溶接部が必要とされる管の強度と一致し、隅肉溶接部２３の溶接が容易になるように小さくなっている。

外管２０は、２つの外管を接続して真空断熱管の２つのセグメントを接続するための内部ねじ付きプロファイルを有するカップリング（図示せず）を取り付けるために、外管の端部に近接する長さの部分に沿って外部ねじ２５を有することができる。

保護金属層２４は、管要素に溶接の完全性を提供する。これは、隅肉溶接部２３の腐食または亀裂を防止し、真空空間１４の真空損失の防止になる。

この真空断熱管は、崩壊することなく、また、真空損失を生じさせることなく、既知の真空断熱管が耐え得る圧力よりも高い圧力に耐えることができる。

以下、図３～図６を参照して本明細書に記載の管要素の製造方法を紹介する。

図３は、上述したように、外管２０内に内管１１を挿入した後の管要素１０を示している。

図４は、真空空間１４が漏れ止めされるように管を互いに固定する円錐台形の隅肉溶接部２３を作製するように、内管１１の各端部を外管２０の内面２１に溶接した後の管要素１０を示している。

図５は、隅肉溶接部２３を開先加工した後の管要素１０を示している。特に、隅肉溶接部２３のトウ２６は、外管２０の壁厚の減少を避けるために開先加工されていない。

図６を参照すると、ステップ３１において、内管１１および外管２０を提供する。ステップ３２において、外管２０を、内管１１の周りに配置する。これにより、図３に示すように、且つ上述したように、内管１１と外管２０との交差部に角部２７が形成される。ステップ３３において、図４に示すように、且つ上述したように、隅肉溶接部２３を角部２７に形成する。ステップ３４において、図５に示すように、且つ上述したように、欠点および表面酸化物を除去し、溶接面への保護金属層２４の適用を容易にするために、隅肉溶接部２３の溶接面を開先加工する。開先加工は、隅肉溶接部２３と横断面との間に５０°～６０°の範囲の角度を得るために実現される。例えば、角度は、５６．１°とすることができる。開先部１７は、開先加工ステップ３４の深さ制御のための基準として使用される。これにより、溶接が十分に強いままであることを保証することができる。開先部１７が管要素１０の製造のための基準であることで、機械加工後の溶接部が、必要な強度を提供するのに十分な部分を有しているという確証を提供する。クラッディングステップ３５において、図２に示すように、且つ上述したように、保護金属層２４を隅肉溶接面上に形成する。

ステップ３６において、応力除去操作を用いて８００°Ｆを超える温度で、隅肉溶接部２３および保護金属層２４を同時に熱処理（テンパリング）することができる。一実施形態において、溶接後熱処理は、保護金属層２４を中心とした、保護金属層２４の両側で１２．７ｍｍの軸方向に延在する領域上で行われる。応力除去機器は、非磁性材料の界面反応に対する危険性を制限するために、低周波誘導を用いてる。

なお、本開示に関連する構成要素のみが図面に示されており、通常、坑井または真空断熱管の一部である他の構成要素は、図面の簡略化のために示されていない場合があることに留意されたい。

本明細書および添付の特許請求の範囲の目的上、特に明示されない限り、本明細書および特許請求の範囲で使用される量、パーセンテージまたは割合、および他の数値を表すすべての数値は、すべての場合において「約」という用語によって修飾されていることに留意されたい。したがって、そうでないと明示されない限り、本明細書および添付の特許請求の範囲に記載の数値パラメータは、本発明によって得られる所望の特性に応じて変化し得る近似値である。本明細書および添付の特許請求の範囲で使用される単数形の「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、明示的且つ明白に１つを参照することに限定されていない限り、複数を表すことに留意されたい。

特に明示されない限り、個々の構成要素または構成要素の組み合わせを選択することができるある種の要素、材料、または他の構成要素に関する説明は、列挙された構成要素およびそれらの組み合わせのすべての可能なサブ組み合わせを含むことを意図している。また、「備える」、「含む」およびその変化形は、リスト内の項目の説明が、本発明の材料、組成、方法、およびシステムにおいて有用であり得る他の同様の項目を除外するものではない。

Claims (33)

1. 外管と、前記外管内の内管と、を備える管要素であって、前記外管および前記内管は、所定の長さにわたって互いの間に空間が形成されるように構成され、
   （ａ）前記内管の各端部は、前記空間が漏れ止めされるように、円錐台形の隅肉溶接部によって前記外管の内面に固定され、
   （ｂ）前記内管は、
   （ｉ）前記管の各端部から始まる第１の長さに沿った第１の内径ＩＤと、
   （ｉｉ）前記第１の長さを超える第２の長さに沿った、より小さい第２の内径ＩＤ’と、
   を有し、
   （ｃ）前記管要素は、少なくとも前記隅肉溶接部の上に延在する保護金属層をさらに含む、
   管要素。
2. 前記保護金属層は、肉盛溶接部である、請求項１に記載の管要素。
3. 前記肉盛溶接部は、ガスタングステンアーク溶接またはタングステン不活性ガス溶接によって得られる、請求項２に記載の管要素。
4. 前記保護金属層は、５０％超のニッケルを含有するニッケル、クロムおよびモリブデンを含む合金など、耐食性ニッケルベース合金から作製される、請求項１に記載の管要素。
5. 前記保護金属層は、前記隅肉溶接部を越えて、前記内管の内側に向けて、および前記外管の内側に向けてさらに延在する、請求項１に記載の管要素。
6. 前記保護金属層は、好ましくは１２．７ｍｍ未満の第１の特定の距離だけ前記内管の内面に重なる、請求項１に記載の管要素。
7. 前記保護金属層は、前記第１の長さにわたって前記内管の内面に重なる、請求項１に記載の管要素。
8. 前記保護金属層は、好ましくは１２．７ｍｍ未満の第２の特定の距離だけ前記外管の内面に重なる、請求項１に記載の管要素。
9. 前記保護金属層の厚さは、前記第１の特定の距離に対して（ＩＤ－ＩＤ’）／２以下である、請求項６に記載の管要素。
10. 差ＩＤ－ＩＤ’は、４ｍｍよりも大きく、好ましくは５．５ｍｍよりも大きい、請求項１に記載の管要素。
11. 前記内管は、前記第１の長さと前記第２の長さとの間に開先部を備える、請求項１に記載の管要素。
12. 前記外管は、鋼から作製され、好ましくはステンレス鋼から作製され、好ましくは少なくとも１３％のクロムを含有するステンレス鋼から作製される、請求項１に記載の管要素。
13. 前記内管は、鋼から作製され、好ましくはステンレス鋼から作製され、好ましくは少なくともは１３％のクロムを含有するステンレス鋼から作製される、請求項１に記載の管要素。
14. 前記外管は、管状要素への接続を可能にするように、少なくとも一方の端部において外部ねじを含む、請求項１に記載の管要素。
15. 前記管要素は、石油・ガス産業用、特に高圧・高温の坑井条件下で使用されるものである、請求項１に記載の管要素。
16. 外管と、前記外管内の内管と、を備える管要素の製造方法であって、前記外管および前記内管は、所定の長さにわたって互いの間に空間が形成されるように構成され、前記方法は、
    （ａ）組み立て前に内管を提供するステップであって、前記内管は、
    （ｉ）前記内管の各端部から始まる第１の長さに沿った第１の内径ＩＤと、
    （ｉｉ）前記第１の長さを超える第２の長さに沿った、より小さい第２の内径ＩＤ’と、
    を有する、ステップと、
    （ｂ）前記内管を前記外管内に配置するステップと、
    （ｃ）前記空間が漏れ止めされるように前記内管と前記外管とを互いに固定する円錐台形の隅肉溶接部を作製するように、前記内管の各端部と前記外管の内面とを溶接するステップと、
    （ｄ）少なくとも前記隅肉溶接部の上に延在する保護金属層を形成するステップと、
    を含む方法。
17. 前記保護金属層は、肉盛溶接部である、請求項１６に記載の方法。
18. 前記肉盛溶接部は、ガスタングステンアーク溶接またはタングステン不活性ガス溶接によって得られる、請求項１７に記載の方法。
19. 前記保護金属層は、５０％超のニッケルを含有するニッケル、クロムおよびモリブデンを含む合金など、耐食性ニッケルベース合金から作製される、請求項１６に記載の方法。
20. 前記保護金属層は、前記隅肉溶接部を越えて、前記内管の内側に向けて、および前記外管の内側に向けてさらに延在する、請求項１６に記載の方法。
21. 前記保護金属層は、好ましくは１２．７ｍｍ未満の第１の特定の距離だけ前記内管の内面に重なる、請求項１６に記載の方法。
22. 前記保護金属層は、前記第１の長さにわたって前記内管の内面に重なる、請求項１６に記載の方法。
23. 前記保護金属層は、好ましくは１２．７ｍｍ未満の第２の特定の距離だけ前記外管の内面に重なる、請求項１６に記載の方法。
24. 前記保護金属層の厚さは、前記第１の特定の距離に対して（ＩＤ－ＩＤ’）／２以下である、請求項２１に記載の方法。
25. 差ＩＤ－ＩＤ’は、４ｍｍよりも大きく、好ましくは５．５ｍｍよりも大きい、請求項１６に記載の方法。
26. 前記内管は、前記第１の長さと前記第２の長さとの間に開先部を備える、請求項１６に記載の方法。
27. 下層と前記下層の上に少なくとも上層を作製することで前記保護金属層を２つのパスで形成して、これにより、前記層の自由表面付近での鉄の希釈を低減させることができる、請求項１６に記載の方法。
28. 表面酸化物を除去するように前記隅肉溶接部に開先加工を行うステップをさらに含み、前記開先加工は、好ましくは前記溶接のステップの後、且つ前記保護金属層を形成するステップの前に行われる、請求項１６に記載の方法。
29. 溶接後熱処理による応力除去操作をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
30. 前記外管は、鋼から作製され、好ましくはステンレス鋼から作製され、好ましくは少なくとも１３％のクロムを含有するステンレス鋼から作製される、請求項１６に記載の方法。
31. 前記内管は、鋼から作製され、好ましくはステンレス鋼から作製され、好ましくは少なくともは１３％のクロムを含有するステンレス鋼から作製される、請求項１６に記載の方法。
32. 前記外管は、管状要素への接続を可能にするように、少なくとも一方の端部において外部ねじを含む、請求項１６に記載の方法。
33. 前記管要素は、石油・ガス産業用、特に高圧・高温の坑井条件下で使用されるものである、請求項１６に記載の方法。

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