JP4162651B2 - ねじ込み管継手 - Google Patents

Description

本発明は掘削パイプの継手に関する。より正確には炭化水素の探査及び採取で用いるパイプ特に石油及び（又は）ガスの探査及び（又は）ポンピング（ｐｕｍｐｉｎｇ）に用いる井戸のケーシング（ｃａｓｉｎｇ）用のパイプに用いるねじ込み継手に関する。継手は雄／雌タイプで、過剰の潤滑材を集めるリザーバー（ｒｅｓｅｒｖｏｒ）と共にねじと密封面の特別な設計により、締付け中に潤滑材により生じる圧力ピークを回避し、かつ、軸方向の引張り荷重が高くなっても優れた密封機能を確保する。そのようなパイプは掘削井戸のケーシング用として、又、ガス又は石油のポンピング用ストリング（ｓｔｒｉｎｇｓ ｆｏｒ ｇａｓ ｏｒ ｏｉｌ ｐｕｍｐｉｎｇ）としての両方で使用できる。

天然ガス及び石油の採取産業では、予備掘削段階で、掘削が海上又は陸上で、場合によっては数千メートルの深さにある石油又はガスの鉱床に達するまで掘削が行なわれる。そのような予備段階の間、ドリルロッド（ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｒｏｄ）を保護し、案内するために、井戸には事前設定された長さのパイプ・ケーシングを設けるが、そのパイプの端部は掘削深さが増すと共にねじ込み継手によりお互いに接続される。

掘削が完了すると、他の管状ストリングをケーシング付き井戸の内側に導入し、地下鉱床から地表へガス又は原油を汲み出すのに用いる。このストリングは井戸の全長に沿って配置されるので、長さ数千メートルに達することがあり、さらに、上記と同タイプの継手により、約１０メートルの長さのパイプを接続することにより形成される。

パイプは炭素鋼で又は腐食性要素が存在することにより井戸の腐食が特に激しい場合に耐食性合金で作られ、特に大深度の場合に汲み出す流体の圧力、井戸の温度によるような井戸の底での高い応力、パイプ・サイズの相対的変化、ストリング等の重量により発生した機械的応力に耐えなければならず、常にガス及び石油の両方の密封を行なわなければならない。それゆえ、継手がパイプ本体と同じ性能を有し、流体の気密性密封を維持し、井戸の環境、深さ及び方向転換をしたり、水平にすることもありうる配置による困難な条件でも井戸の壁面の連続性も確保しうることが特に重要である。

継手のねじ込み操作の安全性と信頼性を高め、かつ、継手の密封性と健全性を確保するために、新しい設計のねじ込み継手が継続的に開発されている。又、焼き付きを避けるために、又は、密封に寄与するために用いられる潤滑手段（グリース又はドープ（ｄｏｐｅ）又はねじ込みを助けるケーシング）の挙動及び効果の試験が行なわれている。

潤滑されない領域が存在しないようにするため、継手の雌ねじと雄ねじの間、及び、金属同士の密封領域内の空白の空間内に、そのような潤滑材を挿入する。しかしながら、適当な手段をとらない場合、潤滑材の使用が継手の健全性にとって特に危険になることがある。事実、組立を進めると共に、特に、密封面が相手と接触して、継手の締め付けが始まるとき、潤滑材がねじ部のねじ山の間の空間内及び密封部とねじ部の間の領域内に閉じ込められたままになり、それゆえ、強く圧縮される。しかしながら、潤滑材は非圧縮性なので、極端に高い圧力ピークを生じる。これは非常に有害で、継手の変形特に金属同士の密封面の変形を生じることがある。

この問題を解決するために、特許文献１は潤滑材を収容するため、ねじ間空間を増大することを提案している。しかしながら、継手を締付けるとき、非常に高い圧力ピークを依然として生じていて、それを生じた場合でも、時間が経つと、潤滑剤が流動でき、それゆえ、圧力が低下する。それで、圧力ピークによる問題は未解決のままである。

特許文献２では、継手の締付け中にそのねじ領域から流出した潤滑材を集めるためのリザーバーを設けている。しかしながら、このタイプの継手は距離Ｌｓの長さの定義に注目していて、その距離に沿ってパイプの組立中に密封面の滑りを生じて、擦り傷の現象を無くしていて、それをパイプの外径の特別の機能として決定している。他方、特許文献２は締付け中に生じる高い圧力ピークによる問題を解決していない。特にリザーバーの設計が最適でない場合で、それに対して間隔のみが示唆されているが、その長さはねじの数値により変化する。しかしながら、この場合、継手組立中の高い圧力ピーク発生の問題が満足できるようには克服されていない。

他の解決策、例えば、特許文献３では、継手の軸方向に対する密封面の傾斜を増すことにより、密封面が接触する瞬間と継手の最終締付けの瞬間の間の時間的間隔を最小限に短縮して、閉じ込められる潤滑材の体積を最小限に低減している。これらの解決策は、潤滑材の圧力ピークを低減するという観点からは有効であるけれども、密封面の傾斜が大きいことにより、高い軸方向の引張り荷重の下での密封という観点から弱点が認められる。

それゆえ、現在まで、潤滑されていて、組立が容易で、好ましくない付随効果無しに完全に締付けることができ、それにより強い軸方向の引張り荷重の下でも密封できるという問題が好ましい形では解決されていない。
米国特許第４，８３０，４１１号 米国特許第５，６４９，７２５号 米国特許第５，１３７，３１０号

本発明の目的は、締付けた後でも継手の潤滑材の圧力を低減し、優れた性能レベルを有する継手を提供することである。

本発明の他の目的はユーザーが運転中に添加したときに、添加が正しくないために潤滑材を過剰に用いたときでも、優れた性能を維持することである。

本発明の他の目的は設置中の組立及び運転状態での締め付けが容易な継手を提供すること、それゆえ、自動プラントと共に使用できることである。

本発明の他の目的は炭素鋼及び耐食合金の両方で製造でき、それらと共に使用できる継手を提供することである。耐食合金はクロム含有率が高いステンレス鋼又はクロム／ニッケル合金のようなもので、クロムが存在することは密封面の焼き付きを生じやすく、それゆえ、計画と実行で特別な注意を必要とする。

今回の説明から明らかになるこれら及び他の目的は、本発明に基づくパイプ用ねじ込み継手により達成される。そのパイプ用ねじ込み継手は請求項１に従っていて、全体として管状の雄エレメントが公称外径を有し、その端部の一方の近くにそれぞれ雄ねじを設けていて、それぞれ食い付き用と耐荷重用の側面を有するねじ山から成り、ねじ山の間にねじ底を有し、前記端部と前記各ねじ部の間に第一の密封面を設けた第一のねじ無し面があり、又、全体として管状の雌エレメントがその端部の一方近くにそれぞれ雌ねじを設けていて、それぞれ食い付き用と耐荷重用の側面を有するねじ山から成り、ねじ山の間にねじ底を有し、前記端部と前記各ねじ部の間に第二の密封面があって、前記第一の密封面と補完的になっている。前記の雄ねじと雌ねじがお互いにねじ込まれた時にそれらの間に潤滑材を蓄える空間を形成している。前記の雄エレメントと雌エレメントは継手の共通対称軸を定義している。さらに前記雌エレメントの前記各雌ねじと前記第二の密封面の間に、実質的にトロイダル（ｔｏｒｏｉｄａｌ）形状のノッチ（ｎｏｔｃｈ）を設けていて、それが継手の締付け中に雄エレメントと雌エレメントのねじ間空間から流出する潤滑材のためのリザーバーになっていて、前記ノッチが継手の軸に平行に測定した長さが４から１０ミリメートルあること、それが雌エレメントの突合わせ面から５から１２ミリメートルの間の距離で始まり、前記雄エレメントのミリメートルで表示した公称外径の数値の少なくとも２５倍の絶対値を立方ミリメートルで表示した体積を有することを特徴としている。

本発明の特別な実施例では、上記のリザーバーと共に、ねじ部内の空間が、雄ねじのねじ山の頂部と雌エレメントのねじ底の間に存在すること、かつ、対応するねじ山の食い付き用側面の間にも継手の長軸断面内の面積が０．４平方ミリメートルより大きな空白領域が形成されていることも継手の特徴になっている。

さらに、継手の組立中に雄エレメントと雌エレメントの端部の各密封面同士が最初に接触する点とその密封面がねじ込まれた最終位置の間の軸方向距離として特に低い値を、かつ、ノッチの長さより実質的に低い値を選択することは、密封部の形成を遅くし、継手用のドープ又はグリースのためのリザーバーとして機能するノッチの閉鎖が遅れ、閉じ込められるドープの量が減少する結果になる。

最後になるが、継手の設計、特に、ねじ部とノッチの相対的位置に関する設計は、継手を完全に締付けた時、リザーバーに最も近い雄ねじのねじ山がリザーバー自体の空間を全面的に占めることが無いようにしている。

本発明に基づいて継手を構成するエレメント及びこれらのエレメントの革新的形状特性の組合わせにより、序文で求めているような最適の性能を持つ継手が得られる。

この方法で、継手内のグリースの圧力を低減すること及び継手の両エレメント間の密封形成を改善することの両方が達成される。それでも、特に軸方向の高い応力をが存在する場合でも使用できる構造面の高い性能レベルを維持しているので、それを利用することは特別な用途で利点がある。

本発明の別の特別な実施例は従属する請求項内で示されている。

ここで、本発明を好ましい実施例を参照して示していて、添付図面内で本発明の目的と範囲を限定しない実例により示している。

図面を参照して、ここで本発明に基づく継手を限定しない例で示す。

本発明に基づく継手は公称直径Ｄのパイプを接続するのに用いられ、外ねじ１’を設けた雄エレメント１、及び、内ねじ２’を設けた雌エレメント２から成っている。パイプ及び雄エレメントと雌エレメントの共通軸はＡとして示されている。

ねじ１’及び２’のそれぞれの全てのねじ山１’’、１’’’及び２’’が、図２を参照すると軸Ａに対する垂線Ｐに対して１０°から２５°の間の角度βで左に傾斜した食い付き用側面それぞれ６及び５、図２を参照すると軸Ａに対する垂線Ｐに対して−４°から３°の間の角度αで傾斜した耐荷重用側面それぞれ４及び３を有する。ねじ山の頂部８とねじ底７が０°から４°の間の値を持つ角度γでパイプの軸Ａに対して傾斜している。

雄エレメント１の内側部分は傾斜したねじ無し面１２を含み、部分１０で終わっている。継手の雌エレメント２の最も内側の部分にはノッチ１３と端部の面１１を有している。継手が完全に締付けられると、端部の面１１が面１０と接触する。雄エレメント１の内側端部は円錐台形状の突合わせ面１４を有するが、それは対応する雌エレメント２の円錐台の面１５と平行で、両エレメント１及び２が完全に組立てられたとき、お互いに接触することを意図している。

継手のねじ込み中に、ねじ山の側面６、５及び８、７がお互いからある距離だけ離れることにより、継手の長軸の断面上に形成され、雄ねじの頂部８、雌ねじの底７及び食い付き用側面５及び６の表面の間に含まれている領域Ｓのドープを保持するように意図した側面間の空間を形成している。この領域Ｓが０．４平方ミリメートルより大きく、好ましくは、０．４から０．６平方ミリメートルである。

継手をねじ込んでいる間に、ねじ部に置かれたドープが領域Ａのねじ間空間に流れて、ノッチないしリザーバー１３に向かう。それは雌エレメントの突当て面１５から事前設定された距離Ｌで、５から１２ミリメートルの間に含まれる値で始まる。前記ノッチ１３は継手の軸に平行に測定して４から１０ミリメートルの間、好ましくは４から８ミリメートルの間、より好ましくは５から８ミリメートルの長さＸを有する。リザーバー１３の体積は立方ミリメートル単位で示した絶対値で、パイプ１のミリメートル単位で表示した公称外径Ｄの数値の少なくとも２５倍に等しく、好ましくはＤより３０倍高い。

継手には、密封面１０及び１１の形状が、ねじ込み中に両方の密封面１０及び１１の間の最初の接触点と両エレメント１及び２のねじ込みの最終位置の間を軸方向に測定した距離δが長さＸより小さく、好ましくは０．６Ｘ未満、さらに好ましくは０．５Ｘ未満となるように有利に図られている。ねじ込み中に、密封面１０及び１１が最初の接触を確立した後で、密封部とねじ部の間にある潤滑材はもはや外部に流出できず、ノッチないしリザーバー１３に蓄積される。距離δを最小限にすることによりリザーバー１３の閉鎖を遅らせて、結果として、閉じ込められたドープの量が低下する。

継手を恒久的に締付けることにより、支持面１４及び１５が恒久的に接触し、継手の締め付けを完了した信号が出され、継手の密封にさらに貢献するまでは、密封面１０及び１１が外力により相互にスライド（ｓｌｉｄｅ）して、金属同士の密封領域を形成する。

特に有利な実施例で、継手が完全に組立てられた時、密封面１０に最も近い雄ねじのねじ山１６はリザーバー１３の空間を占めていない。言い換えると、雄ねじが最も前進した位置で、側面６は側面３’とほぼ位置合わせされる。それゆえ、リザーバー１３の全体積を潤滑材が利用可能になるので、そのような方法で、有害な圧力ピークの発生を防止する。

本発明で採用したサイズと体積により、流路が閉じられた時、継手に残るグリースの量はそれを含めるように定められた体積より小さい。そのようにして、継手内の潤滑材は圧縮されず、それゆえ、圧力ピークは生じない。リザーバー１３の最適体積は、継手を容認できないほど弱くしないで、この利点を提供している。

本発明に基づく継手の組立後の断面図を示す。 図１の部分的拡大図で、特に、ねじの端部、ドープのためのリザーバー及び密封面を示している。 図２の部分的拡大図である。

Claims (10)

1. 全体として管状の雄エレメント（１）が公称外径（D)を有し、その端部の一方の近くにそれぞれ雄ねじを設けていて、それぞれ食い付き用（６）と耐荷重用（４）の側面を有するねじ山（１’）から成り、ねじ山の間にねじ底を有し、前記端部と前記各ねじ部の間に第一の密封面（１０）を設けた第一のねじ無し面（１２）があり、又、全体として管状の雌エレメント（２）がその端部の一方近くにそれぞれ雌ねじを設けていて、それぞれ食い付き用（５）と耐荷重用（３）の側面を有するねじ山（２’）から成り、ねじ山の間にねじ底を有し、前記端部と前記各ねじ部の間に第二の密封面（１１）があって、前記第一の密封面（１０）と補完的になっていて、前記の雄ねじと雌ねじがお互いにねじ込まれた時にそれらの間に潤滑材を蓄える空間を形成していて、前記の雄エレメント（１）と雌エレメント（２）は継手の共通対称軸（Ａ) を規定していて、さらに前記雌エレメント（２）の前記各雌ねじと前記第二の密封面（１１）の間に、実質的にトロイダル形状のノッチ（１３）を設けていて、それが継手の締付け中に雌エレメント（２）と雄エレメント（１）のねじ間空間から流出する潤滑材のためのリザーバーになっているねじ込み管継手で、前記ノッチ（１３）が継手の軸に平行に測定した長さ（Ｘ) が４から１０ミリメートルであり、それが雌エレメントの突合わせ面（１５）から５から１２ミリメートルの間の距離で始まり、前記雄エレメント（１）のミリメートルで表示した公称外径（D) の数値の少なくとも２５倍の絶対値を立方ミリメートルで表示した体積を有することを特徴としているねじ込み管継手。
2. 前記ノッチ（１３）が４から８ミリメートルの間の長さ（Ｘ）を有している請求項１に基づくねじ込み継手。
3. 前記ノッチ（１３）が５から８ミリメートルの間の長さ（Ｘ）を有している請求項２に基づくねじ込み継手。
4. ノッチ（１３）の体積がミリメートルで表示した雄エレメント（１）の公称外径（Ｄ）の数値より３０倍を超えて大きくなっている請求項１に基づくねじ込み継手。
5. 雄エレメント（１）のねじ山の頂部（８）と雌エレメント（２）の隣接するねじ山の間の底（７）の間、及び、同じねじ山の食い付き用側面（６）及び（５）の間で空間を形成し、継手の長軸断面内のその面積（Ｓ）が０．４平方ミリメートルより大きく、その場合、密封面（１０）及び（１１）の形状が、両方の密封面の間で最初の接触を生じる位置が雄エレメント（１）及び雌エレメント（２）両方の最終ねじ込み位置から前記ノッチ（１３）の長さ（Ｘ）より小さな値δだけ軸方向に離れている請求項１に基づくねじ込み継手。
6. 前記空間の面積（Ｓ）が０．４から０．６平方ミリメートルの間にある請求項５に基づくねじ込み継手。
7. δの値が前記ノッチ（１３）の長さ（Ｘ）の０．６倍未満である請求項５に基づくねじ込み継手。
8. δの値が前記ノッチ（１３）の長さ（Ｘ）の０．５倍未満である請求項５に基づくねじ込み継手。
9. 継手を完全に締めた時で、面（１４）及び（１５）がお互いに接触している時、第一の密封面（１０）に最も近い雄エレメント（１）のねじ山の側面（６）が前記雌エレメント（２）の端面に最も近い前記ノッチの側面（３’）と円周方向でほぼ位置合わせしているので、リザーバー（１３）の全体積を潤滑材が利用可能である請求項１に基づく継手。
10. 雄エレメント（１）と雌エレメント（２）のそれぞれのねじ山（１’’、１’’’）及び（２’’）が、軸（Ａ）に対する垂線（Ｐ）に対して１０°から２５°の間の値をもつ角度βで傾斜した食い付き用側面それぞれ（６）及び（５）、及び、軸（Ａ）に対する垂線（Ｐ）に対して−４°から３°の間の値をもつ角度αで傾斜した耐荷重用側面それぞれ（４）及び（３）を有している請求項１に基づく継手。

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