JP4691904B2 - 油井鋼管用継手 - Google Patents

Description

本発明は、油井鋼管用継手に係わり、詳しくは、継手の雄部材外周面と雌部材内周面とによって構成されるシールを改良する技術である。

天然ガスや原油は、地表から数千ｍにも及ぶ地中から汲み上げられることが多い。そのためには、鋼管用継手（以下、単に継手ともいう）を用いて連結した多数本の油井鋼管が使用される。したがって、各油井鋼管同士を互いに連結する継手には、高圧、高荷重の下でシール性（管の外部にガスや原油を漏らさないこと）に優れていることが要求される。

一般に、これら継手は、図８に断面視で示すように、空洞の内周に雌ネジ１及びカップリングの平行部６´を有する雌部材（ボックス又はカップリングという）２と、その雌ネジ１に螺着する雄ネジ３及び環状のニブ部６を設けた雄部材（ピンという）４とを備えた方式である。つまり、各油井鋼管５の長手方向の両端に雄部材（ピン）４を設け、それをボックスである雌部材２内に挿入して連結し、それぞれのネジ同士を螺着させるものである。

ところが、最近は、シール性を一層向上させるため、図７に断面視で示すように、ピン４の外周に設ける雄ネジ３を先端部分の手前とし、またボックス２の内周に設ける雌ネジ１も奥手前までとし、ネジを設けていない環状の内周面７（カップリングのシール部ともいう）及び外周面８（ピンのシール部ともいう）同士を接触させるようにした継手が多用されるようになっている（例えば、特許文献１参照）。つまり、図７から明らかなように、ピン及びボックス２の連結させる（「締め付け」ともいう）際に、該ピン４の先端が該ボックス２の内周奥に突き当たると、ボックス２の環状内周面７とピン４の環状外周面８とが接触してシール面（金属面対金属面のシールと称されている）が形成される。なお、このピン４とボックス２とを完全に連結した時に、雄部材４の環状外周面８と雌部材３の環状内周面７との接触で生じるシール面は、断面視で上方（上方接触部１４という）及び下方（ショルダ１５）の二箇所で形成されることになる。そして、この継手は、以前のネジを主体としたものに比べてシール性が著しく向上した。

しかしながら、上記したネジ及び金属面対金属面シールの二種類のシールを備えた従来の継手は、高い耐リーク性を確保するため、ボックス２の環状内周面７（カップリングのシール部ともいう）及びピン４の環状外周面８（ピンのシール部ともいう）同士の接触で形成させるシール部にかける面圧を高めて、両方のシール部を局所的に圧着するようにしていた。そのため、両シール部の材が塑性変形したり、ゴーリングと称する「むしれ」現象を起こし易くなる。このような現象が生じると、継手のリークテストにおける圧縮や引っ張りによって、シール部がずれて試験媒体（ガス）がリークし、不合格になる恐れがある。

また、天然ガスや原油の探査、生産に関する最近の作業環境は、以前に比べ益々悪化し、深度１万５千メートルにも達するようになったので、継手の使用条件が従来より複雑、且つ厳しくなった。そのため、上記のような従来の継手を利用したのでは、シール性が不十分であるばかりでなく、最悪な場合として、やむなく作業の中断や油井の放棄をする場合も予想される。
特開２００１−１２４２５３号公報

本発明は、かかる事情に鑑み、従来の継手に簡単な工夫を凝らすだけで、従来より苛酷な作業環境においてもシール性に優れると共に、製造コストの安価な油井鋼管用継手を提供することを目的としている。

発明者は、上記目的を達成するため、従来の金属面対金属面のシールを一層改良することに着眼した研究を重ね、その成果を本発明に具現化した。

すなわち、本発明は、鋼管の先端側に環状外周面及び引き続き雄ネジを設けた雄部材（ピン）と、この雄部材を内部に収容する空洞を有し、該空洞に前記雄ネジに螺合する雌ネジ、前記雄部材の環状外周面に接触、衝合する環状内周面を有する雌部材（ボックス）とで形成された油井鋼管用継手において、前記雌部材の環状内周面を凹円弧状に、前記雄部材の環状外周面を凸円弧状に形成してなり、前記雄部材の環状外周面の曲率半径が、前記雄部材と該雌部材とを連結する前の状態で、該雌部材の環状内周面の曲率半径より小さく、前記雄部材と該雌部材とを連結した際に、前記雄部材の環状外周面と前記雌部材の環状内周面とが互いに弾性変形の範囲内で接触してシール面を形成してなることを特徴とする油井鋼管用継手である。

この場合、前記雄ネジ及び前記雌ネジの荷重面を負のロード・フランク角を有するネジ山で形成させたり、あるいは、そのロード・フランク角を−０．５°〜−２５°とすると一層良い。

本発明によれば、以前より苛酷な作業環境、つまり継手の降伏強度の９５％においてもシール性が優れた油井鋼管用継手を安価に供給できるようになる。

以下、発明をなすに至った経緯をまじえ、本発明の最良の実施形態について説明する。

まず、発明者は、従来の継手（図８参照）のシール構造について見直した。その結果、過酷な条件下で使用してもシール性が損なわれないようにするには、前記した金属面対金属面のシールを改良する必要があると考えた。その理由は、従来の金属面対金属面のシールのうちの上方接触部１４は、図７に示したように、ピン４側のシール部８（環状外周面）とボックス２側のシール部７（環状内周面）との接触部分が少なく（断面視では線状で接触）、継手に高荷重（引っ張り力等）が負荷され、材に塑性変形等が生じた場合、接触が保障できないように見受けられたからである。ちなみに、１３Ｃｒの鋼種で、シール部７の角度が水平より３０°の空洞内周面を備えたボックス２と、シール部８を有するピン４とからなる従来の継手に、ある高荷重を加えた時の接触状況を有限要素法で計算した概要を図５に示す。このピン４を備えた鋼管のサイズは、後述の表１に示す通りである。図５では、従来の金属面対金属面シールの上方接触部１４は、高荷重が負荷された際でも、ほとんど接触していないように見え、接触状況が不安定であることが明らかである。

このような接触状況が劣る原因を追究するため、同一継手を用いて締め付け時のピン４側及びボックス２側のシール部８，７同士の接触長さ（以下、シール長さという）を調査した。つまり、１回の締め付け（ピンとボックスの連結）を行う毎に、締め戻しをして金属面の干渉で変化したシール長さを測定した。ここで、このシール長さは、ピン４とボックス（カップリング）２とのシール干渉量に対応するので、シール長さの変化量としてピンとカップリングのシール径から生じる干渉量を測定してそのシール径変化量とした。

図４に１０回の締め付けにおけるシール長さの変化を示す。図４より、１回毎にシール長さが減少していくが、ピン４のシール部８は塑性変形し、締め付けの都度シール長さが変化することが明らかである。

そこで、発明者は、ピン４の環状外周面８とボックス２の環状内周面７とが局部的に高い面圧を受けないように圧着させ、弾性変形だけで互いになじみ合って変形するようにしてやれば、従来よりシール長さを長くできると考えた。つまり、前記ボックス２の環状内周面７を、前記ピンと前記ボックスとを連結させた際に、前記環状外周面と前記環状内周面とが互いに弾性変形の範囲内で接触してシール面を形成させるのである（ピンの環状外周面とボックスの環状内周面とが共通の曲率半径を有するようになる）。

そして、具体的に、シール長さを１ｍｍ以上にすることを目標として、同一鋼種で、ピンの環状外周面８及びボックスの環状内周面７の形状を、種々変化させることを試みた。実際には、ＮＣ数値制御機能を備えた旋盤で切削する。

その結果、図１（ａ）に示すように、ピン４及びボックス２の連結時（締め付け時）に主にピン４の弾性変形が起きて、ボックス２の環状内周面７の曲率半径とピン４の環状外周面８の曲率半径とが共通になる場合に、非常に良好なシール成績を得ることができた。また、前記と同様に、有限要素法で計算した結果を図２に示すが、シール長さ１１が長くなることが確認できた。つまり、図１（ａ）の破線で囲った部分を拡大した図１（ｂ）に断面視で示すように、本発明では、従来は直線状であったボックス２の環状内周面７を凹円弧状に、ピン４の先端を凸円弧状に形成してあるので、ボックス２とピン４とを連結した際の弾性変形で、前記上方接触部１４及びショルダ１５での両者の接触長さ１１が従来より格段に増大するのである。ちなみに、上方接触部１４は、従来より約３倍の長さとなる。なお、図１（ｂ）の破線状円は、弾性変形後のピン先端に生じる仮想の円弧を表している。

そこで、ボックスの環状内周面７を、ピン４をボックス２で締め付けた際に、該ピン４の環状外周面８とボックス２の環状内周面７とが互いに接触して弾性変形の範囲内でシール面を形成するような形状にすることを要件に本発明を完成させたのである。

この場合、前記ピンを前記ボックスで締め付ける前の状態で、前記ピン４の環状外周面の曲率半径が前記ボックス２の曲率半径より小さいことが好ましい。弾性変形でのシール面が形成し易いからである。

また、前記雄ネジ３及び雌ネジ１の荷重面９は、図６に示したように、負のロード・フランク角（θ）を有するネジ山で形成するのが好ましく、さらに前記ロード・フランク角（θ）は−０．５°〜−２５°とすると一層良い。このようなネジ山にすると、雄部材４と雌部材２のネジ山の噛み合いが外れ難くなるからであり、前記ロード・フランク角（θ）を−０．５°〜−２５°とするのは、−０．５°未満では、噛み合い外れの抑止効果がなく、−２５°超えでは、効果が飽和し、それ以上の角度にする必要がないからである。

図１に示した本発明に係る油井鋼管用継手を製作し、流体漏れの調査を行った。その際、ピン４とボックス２とを連結して、弾性変形の範囲内でシール面を形成させた。ＮＣ数値制御機能を備えた旋盤で製作したピン４及びボックス２の各部のサイズを、表１に示す。図４に示した締め付け試験と同様に、上方接触部１４についてのピン４及びボックス２のシール長さ１１の変化量を測定したが、その結果は、図３に示すように、複数回の締め付け毎の値が一定であり、弾性変形が起きていることが明らかである。また、本発明の効果を確認するため、ネジ山のロードフランク角（θ）が負の従来の継手での流体漏れ調査も行った。

いずれの調査も、流体として原油や天然ガスに替え高圧の水及びガスを採用し、漏れ程度の評価は、ＩＳＯ規格の（最上級）＋αに準ずる方法で行うものである。

その結果、本発明に係る油井用鋼管用継手は、降伏強度の９５％の圧縮力がかかった後でも、ガス（ヘリウム）漏れは一切生じなかった。

本発明に係る油井鋼管用継手を示す断面図であり、（ａ）は、ピンとボックスとで共通の曲率半径を有する接触面のシールを形成することを説明し、（ｂ）は、ピンとボックスとを締め付けた際に、互いの接触面に形成される仮想の円弧を示している。 本発明に係る油井鋼管用継手のピンとボックスとの接触状況を有限要素法で計算した結果を示す図である。 本発明に係る油井鋼管用継手の締め付け試験におけるピンとボックスとの干渉量変化を示す図である。 従来の油井鋼管用継手の締め付け試験におけるピンとボックスとの干渉量変化を示す図である。 従来の油井鋼管用継手のピンとボックスとの接触状況を有限要素法で計算した結果を示す図である。 負のロードフランク角を有するネジ山を示す図である。 金属面対金属面シールを備えた継手の断面図である。 一般的な油井鋼管用継手を示す断面図である。

符号の説明

１ 雌ネジ
２ 雌部材（ボックス又はカップリング）
３ 雄ネジ
４ 雄部材（ピン）
５ 油井鋼管
６ ニブ部
６´ カップリング又はボックスの平行部
７ カップリング又はボックスのシール部（環状内周面）
８ ピンのシール部（環状外周面）
９ ネジの荷重面
１０ ネジの挿入面
１１ 接触長さ（シール長さ）
１３ 隙間
１４ 上方接触部
１５ 肩部（ショルダ）

Claims (3)

1. 鋼管の先端側に環状外周面及び引き続き雄ネジを設けた雄部材（ピン）と、この雄部材を内部に収容する空洞を有し、該空洞に前記雄ネジに螺合する雌ネジ、前記雄部材の環状外周面に接触、衝合する環状内周面を有する雌部材（ボックス）とで形成された油井鋼管用継手において、
   前記雌部材の環状内周面を凹円弧状に、前記雄部材の環状外周面を凸円弧状に形成してなり、
   前記雄部材の環状外周面の曲率半径が、前記雄部材と該雌部材とを連結する前の状態で、
   該雌部材の環状内周面の曲率半径より小さく、
   前記雄部材と該雌部材とを連結した際に、前記雄部材の環状外周面と前記雌部材の環状内周面とが互いに弾性変形の範囲内で接触してシール面を形成してなることを特徴とする油井鋼管用継手。
2. 前記雄ネジ及び前記雌ネジの荷重面を負のロード・フランク角を有するネジ山で形成してなることを特徴とする請求項１記載の油井鋼管用継手。
3. 前記ロード・フランク角を−０．５°〜−２５°としたことを特徴とする請求項２記載の油井鋼管用継手。

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