JP4604616B2

JP4604616B2 - 油井管用特殊ねじ継手のねじ部の検査方法

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Publication number: JP4604616B2
Application number: JP2004262383A
Authority: JP
Inventors: 重夫永作; 理彦岩本
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Priority date: 2004-09-09
Filing date: 2004-09-09
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2024-09-09
Also published as: JP2006078327A

Description

本発明は、油井管用特殊ねじ継手のピン用の雄ねじおよび／またはボックス用の雌ねじのねじ部の検査方法に関する。

油井管用特殊ねじ継手の製造にあたり、ピンまたはボックスのねじのテーパは所定の公差内の基準テーパになるように製造されている。
そのようにして製造されたねじ継手の検査に際しては、ねじの形状そのものをゲージとして使用する従来のハードゲージシステムにおいては、ねじのテーパの変動はねじの先端からのゲージの位置（スタンドオフ）の変動の一要素となる。この場合、スタンドオフを管理することにより、ねじ全体の干渉が管理されるので、そのような検査を行う限り、テーパの変動による焼付き等が問題となることは少なかった。

しかし、ねじのある１点における径をマイクロメータのような手段で測定する直接径測定法[NGS(Numerical Gauging System)] の採用により、ねじのテーパの変動、特にピンの不完全ねじ部のテーパの変動がねじの干渉へ影響を与え、継手における焼付きが起こり易くなってきている。特に、これはメタルシール部を有する特殊ねじ継手や、表面に潤滑層を有するねじ継手において顕著となる。API のBTC 、RTC 等のネジのみの継手においても、NGS を使用する場合は同様の傾向となる。

このような状況に鑑み、今後はNGS での検査が主体となる特殊ねじ継手の製造に際して、ねじのテーパの変動の影響を軽減化するために、より正確にねじ部の測定を行なう検査方法が求められてきている。

特許文献１には、管用テーパねじのカップリング構造の技術が開示されている。この技術は、カップリングのみに限定しており、API 規格のねじをベースとして、これを多段ねじテーパとしている。

特許文献２には、耐焼き付き性の優れたねじ継手の技術が開示されており、それによれば、ピンの不完全ねじ部にのみねじテーパの限定を与えて、それに数値限定をすることで、焼き付き性能の改善を提唱している。

これら２つの特許文献が開示するのは、ハードゲージシステム(HGS）による径測定を前提としたねじ継手の製造方法であり、これは、NGS を前提にした特殊ねじ継手の製造方法については何１つ規定するものはない。
特開昭60−116994号公報特開平４−157282号公報

本発明の目的は、NGS を前提とした特殊ねじ継手のねじ部の検査方法であり、ねじ干渉量を正確に管理できる新しい測定方法にもとづく特殊ねじ継手の検査方法を提供することである。

ハードゲージシステムにおいては、ねじのテーパの変動はスタンドオフの変動の要因となる。つまり、ねじテーパが基準よりきついピンは、スタンドオフが規定されているため、ねじ径が小さくなる。逆に、ねじテーパがゆるいピンはねじ径が大きくなる。これはボックスにおけるねじ径の測定においても同様である。

ここに、ピンの雄ねじおよびボックスの雌ねじを総称して単にねじあるいはねじ部といい、それらの外径、内径を総称して単に径という。
従来は、ねじの干渉により発生するトルクは、基本的には、ねじ全長に対する平均的なねじ干渉により規定されていたから、上述のようなスタンドオフによる管理はこれに適合するものである。

しかしながら、NGS の採用により、ねじの干渉は、一断面の径管理により規定され、その結果ねじテーパの変動は、この方法では管理できない要因となった。
NGS で管理されるねじ継手は、ねじテーパの変動によるピンおよびボックスのねじの径の変化がそのままねじの干渉量に反映する。よって、NGS で管理されていてもテーパの変動による締付けトルクは大きく変動することとなる。

以上より、NGS による検査を伴うねじ継手の製造方法においては、ピン、ボックスのねじのテーパをどのように管理するかが課題となる。
当然、ねじのテーパの影響を少なくするため、公差を極めて狭くすることも可能であるが、製造が極めて困難となる。

そこで、発明者は種々検討を重ねた結果、NGS によるねじ部の径の測定方法を規定することでねじの干渉量を適切に制御し、ねじ継手の焼き付きを防止することができることを知り、本発明を完成した。

これらの多段ねじ径測定を実現する手段として、油井管用特殊ねじ継手のねじ部の測定に際して、完全ねじ部において２箇所、不完全ねじ部において１箇所、少なくとも３箇所測定して、その数値を管理することが効果的であることを見出した。このときの利点は、後述するように、従来は１箇所であった測定点が３箇所に増え、作業の手間が増加するという不利益を相殺して余りある。

本発明によれば、NGS でのねじテーパの変動による締付けトルクへの影響を低減することが可能である。
また、ねじ同士の干渉量が部分的に高くなるために起こるねじの焼き付きも、同時に減少させることができる。

そして、ピン、ボックスのねじの径を個別に管理することにより、ねじテーパが公差内で変化させられた場合でも各々のねじの干渉量を管理することができ、締付トルクのバラツキを低減することができる。

したがって、本発明によれば、NGS にて製造する特殊ねじにおいて、特にピンの不完全ねじ部で発生する焼き付きを防止すると共にショルダリングトルクをハードゲージシステムで検査しているものと同等のレベルに管理できるものであって、その実用上の価値は高い。しかも、３箇所という少ない測定点でもって、焼付きの原因となるテーパの変動を管理することができ、その実際上の利益は大きい。

ねじのかみ合いによるトルクは、一山毎に干渉量を規定して計算することができる。
NGS により求めた径の基準値に対して、ピンのねじのテーパの変動により、各ポイントでのねじの相互の干渉量が規定される。その一山毎のねじの干渉から発生するトルクを積算することにより、ねじ全体でのトルクが規定される。これは主として、FEM による計算にて求めることができる。

次に、添付図面を参照して、具体的に多段ねじにおけるねじ部の径の測定方法について説明する。
図１は、ボックスの場合の多段ねじのねじ部の径の測定方法の測定点の説明図であり、図中、各記号は次の通りである。

Ａ： (ボックスシール先端部から距離ａにある) 内径測定での完全ねじ部内における第一測定部
Ｂ： (ボックスシール先端部から距離ｂにある) 設計図面のピッチ径の径指定部におけるねじ部第二測定部
Ｃ： (ボックスシール先端部から距離ｃにある) ボックス端面から２山目の距離に対応する完全ねじ部内における第三測定部
図２は、ピンの場合の多段ねじ径の測定方法の測定点の説明図であり、図中、各記号は次の通りである。

Ａ： (ピンシール先端部から距離ａにあるねじ径測定) での完全ねじ部内における第一測定部
Ｂ： (ピンシール先端部から距離ｂにある) 設計図面のピッチ径の径指定部ねじ部における第二測定部
Ｃ： (ピンシール先端部から距離ｃにある) ボックス端面から２山目の距離に対応するピンの位置での不完全ねじ部内における第三測定部
本発明におけるねじ部の径の測定手段は特定のものに制限されないが、一般的にはねじ径測定機器(MRP) を用いて容易に測定可能である。

図３は、ボックスおよびピンにおける各３点でねじ干渉量を計算する場合の実際の計算方法の要領の説明図である。
(1) ねじ干渉量の規定からApおよびAbに対しては径測定公差が規定される。

→Ap十α/-β、Ab＋γ/-δ
ねじ干渉量は（Ap＋α/-β）−（Ab＋γ/-δ）
＝（Ap−Ab）＋（α＋δ）−（β＋γ）
(2) ピッチ径の規定部における測定部位Ｂp 、Ｂ_Bは、ねじテーパの公差分での外径変動の影響を配慮するので、以下となる。

例えば、ねじテーパが1/16の場合（6.25％）で公差が＋0.3 ％/-0.1 ％であれば、
外径への変動として＋Ｘ_1P、−Ｙ_1Pとして
＋Ｘ_1P＝＋ (Ｌ_B−Ｌ_A) ×(0.0625 ＋0.003)、
−Ｙ_1P＝− (Ｌ_B−Ｌ_A) ×(0.0625 −0.001)
となる。

(3) ピンの不完全ねじ部での測定部位Ｃp は、ねじ干渉量の低減をはかるためＣp の径による基準より、小さくする対応が必要である。
例えば、ねじテーパが１/16 の場合（6.25％）で公差が−0.3 ％／−0.7 ％であれば、外径への変動を＋Ｘ_2P、−Ｙ_2pとすると
＋Ｘ_2P＝＋(L_B-L_A) ×（0.0625＋0.003)＋(L_C−L_B) ×(0.0625-0.003)
−Ｙ_2P＝−(L_B-L_A) ×（0.0625−0.001)−(L_C−L_B) ×(0.0625-0.007)
となる。

ここに、ボックスのねじに関してはＢb の部位とＣb の部位は同じ完全ねじ部でＢb での外形変動はテーパの変動を加味すれば、ねじテーパが1/16の場合（6.25％）で、公差が±0.2 ％であれば、
＋Ｘ_1B＝＋(L_B-L_A）×(0.0625+0.002)
−Ｙ_1B＝−(L_B-L_A）×(0.0625-0.002)
となる。

Ｃb での外形変動は、テーパの変動を加味すれば、ねじテーパが1/16の場合（6.25％）で公差が＋0.20％／−0.20％であれば、
＋Ｘ_2B＝＋(L_B-L_A）×(0.0625+0.0002) ＋(L_c-L_B）×(0.0625+0.0020)
−Ｙ_2B＝−(L_B-L_A）×(0.0625-0.002)＋(L_c-L_B）×(0.0625-0.002)
となる。

以上より、各部位でのねじ干渉量は次のようになる。
Ａ部位： (Ａ_P−Ａ_b) 、＋（α＋δ)/-(β＋γ）
Ｂ部位： (Ａ_P−Ａ_b) 、＋（α＋δ）＋ (Ｘ_1P＋Ｙ_1b)/-(β＋γ)-(X_1b＋Y_1P)
Ｃ部位： (Ａ_P−Ａ_b) 、＋（α＋δ）＋ (Ｘ_1P＋Ｙ_1b) ＋ (Ｘ_2P＋Ｙ_2b)
/-（β十γ）−（Ｘ_1b＋Ｙ_1P) −（Ｘ_2b＋Ｙ_2P)
Ａ部、Ｂ部でのねじの干渉量にて、焼き付きは、発生していないので、Ｃ部をＢ部と同じねじ干渉量にすることが、焼き付きを発生させないポイントである。

ねじテーパの管理でなく、各製品のＣ部位で実際のねじ部の径を計ることにより、実際の製品のねじ干渉量を規定値に確実に管理できる。
Ｂ部位とＣ部位のねじ干渉量を同等以下とするためには、上記の式から、下記が得られる。

（Ｘ_1P＋Ｙ_1b）＋（Ｘ_2P＋Ｙ_2b）≦（Ｘ_1P＋Ｙ_1b）
つまり
Ｘ_2P＋Ｙ_2b≦ 0
図３の場合を例とすれば、次の通りである。
（LC−LB) ＊（0.0625−TPP)＋（LC−LB）＊（0.0625−TPB)≦ 0
（TPP ：ピンの不完全ねじ部のテーパ公差上限補正値）
（TPB ：BOX の管端２山部でのテーパ公差下限補正値）
これを整理すれば、
（LC−LB）＊（TPP ＋TPB)≦ 0
ここで、一例として、LA＝17mm、LB＝32.78mm 、LC＝58.905mmの場合を考えると次のようになる。

（58.905−32.78) ＊（TPP ＋TPB)≦ 0
これを整理すれば
TPP ≦−TPB
ケース l：TPB ：0.002 であれば、TPP ≦−0.002
ケース 2：TPB ：0.001 であれば、TPP ≦−0.001
ケース 3：TPB ：0 なら TPP ≦ 0
ここに、ケース１であれば、ピンのＣ部位での外径測定レンジは、次のように規定できる。
（LB−LA）＊（0.0655）＋（LC−LB）＊（0.0625＋0)＋Ap＋α
（LB−LA）＊（0.0615）＋（LC−LB）＊（0.0625−0.004)＋Ap−β
さらにボックスのＣ部位での外径測定レンジは、次のように規定できる。
（LB−LA）＊（0.0645）＋（LC−LB）＊（0.0625＋0.002)＋Ab＋γ
（LB−LA）＊（0.0605）＋（LC−LB）＊（0.0625−0.002)＋Ab−δ
ケース 2であればピンのＣ部位での外径測定レンジは、次のように規定できる。
（LB−LA) ＊（0.0655）＋（LC−LB）＊（0.0625＋0.001)＋Ap＋α
（LB−LA）＊（0.0615）＋（LC−LB）＊（0.0625−0.003)＋Ap−β
さらにボックスのＣ部位での外径測定レンジは、次のように規定できる。
（LB−LA) ＊（0.0645）＋（LC−LB）＊（0.0625＋0.003)＋Ab＋γ
（LB−LA）＊（0.0605）＋（LC−LB）＊（0.0625−0.001)＋Ab−δ
ケース 3であれば、ピンのＣ部位での外径測定レンジは、次のように規定できる。
（LB−LA) ＊（0.0655）＋（LC−LB）＊（0.0625＋0.002)＋Ap＋α
（LB−LA）＊（0.0615）＋（LC−LB）＊（0.0625−0.002)＋Ap−β
さらにボックスのＣ部位での外径測定レンジは、次のように規定できる。
（LB−LA) ＊（0.0645）＋（LC−LB）＊（0.0625＋0.004)＋Ab＋γ
（LB−LA）＊（0.0605）＋（LC−LB）＊（0.0625−0.00 )＋Ab−δ
同様の作業を、各サイズの継手に適用して、Ａ、Ｂ、Ｃの各部位での測定に対して、設定値を規定することができる。

このような計算式を踏まえてそれぞれ３箇所での測定をすることで、ねじ干渉量を確実に規制する測定法を実施でき、その結果として、焼付きが発生せず、またショルダリングトルクのレベルを管理するねじが製造できる。

このように、本発明によれば、３点という少ない測定点でもって焼付きの原因となるテーパの変動を管理することができる。
さらに、この方法で管理した場合、ピンの不完全ねじ部のテーパは完全ねじ部のテーパとは全体的にずれた範囲で管理される。すなわち、ピンであれば、先端の不完全ねじ部のテーパは完全ねじ部のテーパよりも大きい、つまり傾斜が大きく、ボックスとの干渉量は少ない範囲で管理され、根元の不完全ねじ部のテーパは完全ねじ部のテーパより小さい、つまり傾斜が小さく、ボックスとの干渉量が少ない範囲となる。これはボックスにおいても同様である。このテーパの変動の範囲はねじ継手の設計の範囲内で管理されることになるが、それぞれ独立して管理する場合、ハードゲージシステムで全体を管理する場合に比べて、焼付きに影響のない範囲で緩い管理をすることになり、ねじの製造能率が向上し、コストの低減に寄与する。

比較例として１箇所測定したもので合格したものについて、締め付けテストを行いトルクの変化および焼付きを調べた。

種々の外径・肉厚（単位長さ当りの質量）・鋼種でメタルシールを有する特殊ねじ継手を有する油井管およびカップリングを作製した。その際、ねじのテーパを規格内で変化させた。その油井管をNGS にて検査した。そして本発明例 (３箇所測定) および比較例として１箇所測定したもので合格したものについて、締め付けテストを行い、トルクの変化および焼付きを調べた。

測定地点は図３における通りであり、それぞれの場合の測定点の距離は表１にまとめて示す。

表中のPNBNは、ピン(P) がノミナル(N) でボックス(B) もノミナル(N) の場合であり、PFBSはピンがファースト(F) 、ボックスがスロー(S) の場合であり、PSBFの場合はピンがスロー、ボックスがファーストの場合である。ここで、ノミナル(N) とはテーパが基準値通りのもの、ファースト(F) とは、テーパが基準値よりきついもの、スロー(S) とはテーパが基準値よりゆるいものである。

また、ショルダリングトルク比率は、締め付け時のショルダリングトルク／締付点推奨トルクであり、これが多すぎると締付不良となる。
ピンに本発明の径測定を実施することにより、ショルダリングトルク比率の低減と、ねじの焼き付きを防止することが可能となった。

ピンに本発明の径測定を行うことにより、ショルダリングトルク比率が、従来の検査方法に較べ、確実に低下することが確認できた。

但し、本発明のねじ径測定の採用により、PSBFの場合、ショルダリングトルク比率が、一段テーパのPSBFの場合よりさらに低くなる。ショルダリングトルクが低すぎても締付け不良となるので、これを従来のショルダリングトルク比率の範囲へ入れるためには、ピンのねじテーパの目標値を変更する必要がある。

つまり、PSBFの場合、ピンは6.05％がテーパ目標値で、ボックスは6.45％がテーパ目標値である。全体のショルダリングトルクをあげるために、ピンは6.15％をテーパ目標値とする。よって、NOMINAL 値は6.35％となり、MAX テーパは6.55％となる。製造を考慮してレンジとして0.4％とした。この方法で再度油井管を作製し、テストを実施した結果を、以下の表３、表４に記載する。

また、ピン不完全ねじ部のねじ底での焼き付き発生レベルを検証した。その結果を以下の表５に記す。

表４で示された通りピンの３箇所でねじ径測定を行い、PSBFのピンのねじテーパを従来の一段ねじテーパより、きつくすること[PS(6.05％）→（6.15％)]により、PFBSでのショルダリングトルクを、従来の一段ねじテーパでのショルダリングトルクより低くしつつ、PSBFでのショルダリングトルクを、従来の一段ねじテーパでのショルダリングトルクと同等にすることが可能になる。

表５、６で示された通り本発明の多段ねじ径測定品にすることにより、ねじ底で発生する焼き付きが大幅に低減したことが、分かる。

ボックスの場合の本発明にかかる多段ねじ径の測定方法の測定点の説明図である。ピンの場合の本発明にかかる多段ねじ径の測定方法の測定点の説明図である。ボックスおよびピンにおける各３点でのねじ径を測定する場合の実際の計算方法の要領の説明図である。

Claims

ねじテーパを有する完全ねじ部、及び、ねじテーパを有する不完全ねじ部により構成される雄ねじ部を有するピンと、ねじテーパを有する完全ねじ部により構成される雌ねじ部を有するボックスとを備える油井管用特殊ねじ継手における前記雄ねじ部及び前記雌ねじ部を、直接径測定法を用いて検査する検査方法であって、
前記ピン及び前記ボックスそれぞれの軸方向における、当該ピン及び前記ボックスがいずれも完全ねじ部である２箇所の部位と、
前記ピン及び前記ボックスそれぞれの軸方向における、当該ピンが不完全ねじ部である１箇所の部位との少なくとも３箇所の部位における前記雄ねじ部及び前記雌ねじ部それぞれのねじ径を測定し、
得られた測定値と管理範囲とを比較すること
を特徴とする油井管用特殊ねじ継手のねじ部の検査方法。