JP4746246B2 - 疲労耐性斜面式ねじ込み管状要素 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に静的及び周期的応力の双方に対抗し得るねじ込み管状つなぎの雄又は雌ねじ込み管状要素に関する。
【0002】
本発明は、同様に特に静的及び周期的応力の双方に対抗するのに適したねじ込み管状つなぎにも関する。
【0003】
ねじ込み管状つなぎは、第1パイプ端の雄ねじ込み要素及び長大なパイプ又はつなぎでもよい第2パイプ端の雌ねじ込み要素から成る。そんなねじ込み管状つなぎは、特に炭化水素井又は、例えば、地熱井のような類似の井戸用のケーシングストリング(穴あけ機械)又は生産ストリング又はドリルパイプストリングを構成するのに用いられる。
【0004】
アメリカ石油協会(API)は、そのAPI仕様5Bにおいて、特に台形又は丸めた三角形ねじ山の先細りねじ切り、即ち、ねじすじを有するケーシングパイプ間又は生産パイプ間のねじ込みつなぎを限定している。
【0005】
直線又は先細り2段ねじ山を用いる他の型のねじ込みつなぎもまた知られている。例えば、米国特許US4,521,042及びUS5,687,999参照のこと。
【0006】
【従来の技術】
最近まで、深井戸を開発し、異なった直径の各種の円柱を互いに挿入し得る必要性から生じる制限された厚さにもかかわらず、ケーシングパイプ又は生産パイプは本質的に異なった組み合わせの静的応力(引っ張り、軸方向圧縮、平面屈曲、内部又は外部圧力)に対抗できなければならなかった。
【0007】
対照的に、井戸掘りのみに用いられるドリルパイプは、実質的な周期的応力(動的のもの)にさらされるが、所定の直径の単一ストリングは所与の時に掘られる孔用なのでサイズ制限は受けない。
【0008】
厳密には制限されないとしても、作動中周期的応力は疲労破裂をもたらし、それは、概して作動中荷重下にある荷重側面側で、特にドリルパイプの各ねじ込み要素の最後にかみ合うねじ山の谷底で始まる。
【0009】
本明細書の以下の記載では「第1ねじ山」の用語は、ねじ込み要素の軸を貫通する縦方向断面においてねじ込み要素の自由端側に位置するねじ山を意味する。その結果として、最後のねじ山はねじ切り(ねじすじ)の他端に位置するものである。
【0010】
「かみ合うねじ山」の用語は、1つのねじ込み管状要素から、かみ合ったねじ込み管状要素へ荷重を移すねじ込み管状つなぎのねじ山を第1に意味する。
【0011】
ねじ込み管状つなぎが引張り荷重にさらされると、かみ合うねじ山では荷重側面が接触して一ねじ込み要素からの荷重をかみ合ったねじ込み要素へ移す。
【0012】
拡張により、本明細書で用いられる「かみ合った管状要素のかみ合うねじ山」の用語は、これらの2つのねじ込み管状要素がねじ込み管つなぎを構成する時にかみ合った管状要素の対応するねじ山に荷重を移すことを意図するねじ山を意味する。ねじ込み管状要素のかみ合ったねじ山の位置はねじ込み要素の設計(デザイン)から知られる。これは連結されるべきねじ込み要素の公称寸法によって限定される理論的要因(ファクタ)である。
【0013】
従って、かみ合った最後又は最初のねじ山の位置は、ねじ込みつなぎを意図するねじ込み管状要素に関して完全に限定される。
【0014】
しかし疲労特性(作用)の問題は、現在ドリルパイプにおいてのみならずある炭化水素井戸に対する生産パイプストリングでも同様に遭遇する。
【0015】
そのようなストリングを生産し得るねじ込み管状つなぎは、高度の静的及び周期的応力を許容し得るものでなければならない。
【0016】
海底炭化水素開発プラットフォームを海岸炭化水素開発プラットフォームと連結する水中ストリングにおいてそのような応力特性上の要求に遭遇している。
【0017】
英語を話す当業者には「竪管(ライザー)」として知られる、そのようなパイプ支柱は、実際、特に支柱に振動を誘導する海流、波、潮流及びプラットフォーム自体の可能な移動によって生じる周期的応力にさらされ、すべての応力は主として周期的な曲げ応力、引っ張り‐圧縮応力を誘導する。
【0018】
陸上井戸でも特に、非常に頻繁に垂直線からそれて曲がりを有する井戸の場合において井戸を固定するために回転するパイプを落下させる時に応力特性上のそのような要求に遭遇する。回転落下は、次いで回転曲がりを発生させる。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
このために、ケーシングパイプ、生産パイプ又は竪管に対するねじ込み管状つなぎの疲労強度を増大させるためにそれらに対する改良が追及されてきた。
【0020】
ねじ込み管状又は非管状つなぎ(例えば、ネジ‐ナット型)に係る先行技術は、周期的に変化し得る軸方向引っ張り荷重にさらされるねじ込みつなぎの疲労強度を改良する手段を提案している。
【0021】
特許出願第WO 00/06931号は、ねじ込み管状つなぎに係る雌ねじ込み要素につき記載している。同つなぎは、その外周面は先細りにされ、第1ねじ山の位置(レベル)においてねじ切り下方の材料厚さが低減されるように雌自由端が近づくにつれて減少する直径を有する。そこでは結果として非常に細い雌自由端への衝撃に対する大きな感度が生じる。
【0022】
US 5,779,416、JP 04,157,280及びJP 04,157,283等多くの文献記載のものは、雄ねじ込み要素の張力下における非ねじ込み部分の最後にかみ合う雄ねじ山を越えるU形溝を用いる。そのような溝は、軸方向張力下で最も応力を受けるねじ込みつなぎの臨界断面を低減させ、従って、ねじ込みつなぎの静的引っ張り性能を低下させる主要な欠点を有する。
【0023】
US3,933,074は、ボルト締付けつなぎ用ナットにつき記載している。そこでは、かみ合う第1雌ねじ山からボルトの軸方向長さの中央に向けてネジ及びナット間の軸方向引っ張り応力に対する最大転移区域を変えるために、かみ合う第1溝山において内部ねじ切りが外周上に規則的に設けられる複数の中空軸方向チャンネルによって中断される。
【0024】
その長さがねじ切りの長さの半分に達すると共にその深さがねじ山の高さの80%に及び得るこれらのチャンネルは、かみ合う第1ねじ山の柔軟性は増加させるが、ねじ山が作られる区域におけるねじ山の支持面は約20%だけ減少させる。これは静的応力に対する高耐性が求められると共につなぎの内部及び外部が密閉されるねじ込みつなぎが求められる場合には不利である。
【0025】
さらに、ナットがネジ‐ケーシングヘッドに対する第1ねじ山の側面(ネジの最後のネジ山の側面)上に支持されるボルトに関する解決策は必ずしもねじ込み管状つなぎに直接適用できない。
【0026】
特許第FR1,317,815号は、ドリルパイプの雌ねじ込み要素の外周面に形成された比較的浅い盆(ボウル)状断面輪郭を有する管状溝につき記載している。
【0027】
同特許の図面では、溝はねじ切りの中央に配置され、第1又は最終溝のレベルにおいて壁に対する影響はない。それは全雄ねじ切り上での応力の集中を拡散させ得ると同時に、該ねじ切りのほぼ中央の溝下方に位置するねじ山のレベルにける応力を増加させる。
【0028】
それにもかかわらず同発明は、同図に示された応力フィールド(ねじれ、張力、圧縮、曲げ)がどの応力に対応するかにつき言及していない。それらは単にドリルパイプのねじ込み要素のまとめられた状態から結果的に生じる応力であると思われる。
【0029】
なお同特許の図において、溝はねじ込みつなぎの軸に平行な平坦底面と、溝底及び外周面に関してほぼ垂直な急勾配の側面とを有することにも注目される。
【0030】
特許出願JP第58‐187684号及びEP第0,032,265号は雄ねじ込み要素につき記載している。同要素は、自由端で非ねじ込み舌状体レベルにおいて雄ねじ込み要素の外周面に形成されるか又は本質的に前記舌状体のレベルにおいて形成された盆状断面輪郭の環状溝を備える。
【0031】
これらの2つの文献は、疲労強度(摩損強度、応力腐食強度、正しい位置でのねじ込み要素の不動化)以外のねじ込み管状つなぎ特性の改良に関して舌状体を規定しているが、雄舌状体下方に形成される(また、日本文献の場合では多分初めの2つの雄ねじ山下方に僅かに突出する)溝によりねじ込み管状つなぎの疲労強度を改良し得ることについては何等の示唆も与えない。
【0032】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、特に下記2項目の応力の双方に耐性を有する、ねじ込み管状つなぎに対する雄又は雌ねじ込み管状要素を製造することである。即ち、
a)単一又は結合(例えば、張力+内部圧力)された静的応力、特に軸方向張力、軸方向圧縮、曲げ、ねじれ、内部又は外部圧力、連結中の移動
b)周期的応力、特に曲げ応力及び引張り‐圧縮応力
以下本明細書では反疲労断面輪郭を有するようなねじ込み要素につき記載する。
【0033】
同様に本発明は、本発明のねじ込み管状要素があらゆる型のねじ切りで形成し得ることを保証することも目的とする。即ち、1つ又はそれ以上の段状部分(ステップ)、干渉又は非干渉でよい、台形又は三角形ねじ山を有する、先細り、直線、直線‐先細りの組合わせ。非干渉ねじ切りは、例えば、ヨーロッパ特許出願 EP第0,454,147号に記載された、かみ合ったねじ山(耐久性ねじ山として知られる)のものと同時接触する2つの側面を有するか、WO 00/14441に記載された型の軸方向締まりばめを有する型のもの、又は、例えば、USRe30,647に記載されたような可変幅を有する楔型のものでよい。
【0034】
さらなる目的は、ねじ込み要素が容易に製造されかつ検査され得ることである。
【0035】
本発明のねじ込み要素は、炭化水素生産パイプストリング、井戸ケーシング又は水中開発「竪管」用のねじ込みつなぎを構成するか又は同様な用途に用いられ得るものでなければならない。
【0036】
なおさらなる目的は、たとえ周期的応力下でも、特にガス気密に密閉されるねじ込み管状つなぎを生産することである。
【0037】
一変形では、本発明のねじ込み要素はドリルパイプストリングで用いられ得るものでなければならない。
【0038】
なおさらなる目的は、ねじ込み要素、例えば、雌要素の1つのみが周期的応力に対抗するために改変されているが、改変されていないかみ合ったねじ込み要素に配慮するねじ込み管状つなぎを生産することである。
【0039】
一変形では、ねじ込み管状つなぎの両ねじ込み管状要素が周期的応力に対抗するように改変されている。
【0040】
反疲労断面輪郭を有する雄又は雌ねじ込み管状要素がパイプ端において形成され、同ねじ込み管状要素が雄型又は雌型からなるかどうかに依存して、その外周面上の雄ねじ切りか又はその内周面上の雌ねじ切りを含む。
【0041】
前記ねじ込み管状要素は、かみ合う型のねじ込み管状つなぎ(即ち、もし考慮中のねじ込み要素が雄ならば雌であり、逆もまた同じである)にねじ込むことによって静的及び周期的応力の双方に対抗し得るねじ込み管状つなぎを構成するように連結することを意図する。
【0042】
このねじ込み管状要素は、かみ合う第1ねじ山の柔軟性を増加させ、従って、これらの2つの要素が引張り荷重にさらされるねじ込み管状つなぎを形成する時該ねじ込み管状要素のかみ合う第1ねじ山と、かみ合ったねじ込み管状要素の最後にかみ合うねじ山との間の荷重移動を低減させることを意図する手段を含む。
【0043】
この手段は、ねじ切りが形成される壁と反対の周面から始まるねじ込み要素壁上の溝の形のウエストから成る。ねじ山谷底の包絡線 (エンベロープ)及びねじ切りのものと反対の周面間に形成される溝は、ねじ山の外形には影響を与えない。
【0044】
同溝はねじ切りに対応して形成されている。
【0045】
本発明による溝は、かみ合う第1みぞ山のレベルにおいてねじすじ下方の壁厚、即ち、該溝山谷底から始めて測定された壁の厚さは溝によって減少される。
【0046】
この溝の機能は、かみ合う第1みぞ山のレベルにおいてねじすじ下方の壁の剛性を低下させることであり、同壁の剛性はねじすじ下方の壁の剛性と共に変化する。
【0047】
壁の剛性のそのような低下は、かみ合う第1ねじ山の剛性を低下させるか又は各ねじ山の柔軟性を増大させ、従ってそれらのレベルにおいて引っ張り荷重移動の量を低下させる。そこでは考慮中のねじ込み要素とかみ合うと共にねじ込み管状つなぎを構成するように同要素と共に正しく組み込まれた、ねじ込み要素上でかみ合う最終ねじ山レベルにおいて応力ピークを結果的に低減させる。
【0048】
同様な溝寸法で、本発明による溝を設けることで、ねじ込み管状つなぎのかみ合ったねじ込み要素と正しく組合った時、考慮中のねじ込み要素の静的及び動的(疲労)作動特性の双方を最適化しかつ確保し得ることを発明者は立証している。
【0049】
溝は、ねじすじの第1にかみ合うねじ山下方で始まるのが望ましい。
【0050】
溝は、ねじすじ中央の断面及び最後にかみ合うねじ山レベルで位置づけられた断面間に構成された軸方向間隔内で終わるのが望ましい。
【0051】
本発明の溝は、同一横断面内のねじ込み管状要素の軸周りの回転体であるのが望ましい。従ってそれは、ねじ込み管状要素の周りと同一に剛性を円周状に低下させる。
【0052】
本発明の溝は、ねじ込み管状要素の軸方向で徐々に変化するように下方からねじ山を支える壁の剛性を低下させるのもまた望ましい。
【0053】
そのような配置は、荷重移動構造の剛性を低下させる有利な効果を破壊しかつ疲労破裂さえも開始させ得る応力の局部集中を回避する。
【0054】
本発明の溝のレベルにおけるねじすじ下方の壁厚は、望ましくはかみ合う第1及び第6ねじ山間の間隔内に位置する横断平面で最小である。
【0055】
ねじすじ下方のこの最小壁厚は、ねじ山高さより大きいか又は等しくかつ有利にもねじ山高さの2倍とほぼ等しいことが非常に望ましい。
【0056】
そのような深い溝を形成する概念は、ドリル現場でしばしば困難な条件での各ねじ込み要素の用法及び限定された厚さにもかかわらず作動中支持されるべき応力を考慮して、それらの耐性を強化することを志向する一般的意見とは逆である。
【0057】
溝のレベルにおけるねじすじ下方の壁の厚さは最小でかつゼロでない軸方向長さにつき一定であることが再び非常に望ましい。
【0058】
溝のために、ねじすじ下方の壁の厚さは「低剛性区域」と呼ばれる区域のねじすじ下方の最小壁厚の100%乃至120%であることが再び非常に望ましい。
【0059】
この低剛性区域は、ねじすじ下方の最小壁厚の横断面のまわりに配置されかつねじ山ピッチの3倍又はそれ以上の軸方向長さに亘って延びる。
【0060】
これは、ねじ込み管状要素の機械加工公差のために、設計に関してかみ合う第1ねじ山の位置づけ上の実際の変化に備えるのに十分な間隔に亘る剛性の実質的最大低減を可能にする。
【0061】
溝の断面輪郭は、特定の引っ張り荷重の軸方向作用力に対するねじ込み要素の臨界部分がウエストの外部に位置づけらるようにするのが望ましい。溝のために、かみ合う最後の3つのねじ山レベルにおけるねじすじ下方の壁厚は、非ウエスト区域の80%乃至100%の範囲にあることが再び望ましい。引っ張り荷重の全部がねじすじの最後のねじ山レベルにおいて壁の臨界断面によって実際吸収されなければならない。
【0062】
溝は各側面を含み、ねじ込み管状要素の軸に関するその傾斜は45°又はそれ未満であることが望ましい。
【0063】
ねじ込み要素の自由端側に向けられた溝側面は、ねじ込み要素の軸に関して他の溝側面より全体的により傾斜するのが望ましい。
【0064】
溝の断面輪郭は、互いに正接接合された有限又は無限の半径を有する一連の円弧によって構成された曲線であることが再び望ましい。無限半径を有する円弧は直線区分に相当する。
【0065】
溝は、周面の現在中空でない部分を接合し、そこでは円環面形状の正接接合区域を介して溝が形成されるのが再び望ましい。
【0066】
一変形では、溝はねじ込み管状要素のものより低い弾性率を有する材料で部分的又は完全に満たし得る。
【0067】
本発明の溝の実施形態にかかわらず、溝山の形状は台形であるのが再び望ましい。
【0068】
本発明は静的及び周期的応力に対して高耐性を有するねじ込み管状つなぎにも関し、同つなぎは、雄ねじ込み管状要素上の雄ねじすじ及び雌ねじ込み管状要素上の雌ねじすじによって第2パイプ端において雌ねじ込み管状要素にねじ込むことによって接続された第1パイプ端の雄ねじ込み管状要素から成る。
【0069】
「パイプ」の用語は、カプリング(連結器)のような長いパイプ及び短いパイプの双方を意味する。
【0070】
有利なことに、2つの雄又は雌ねじ込み管状要素の少なくとも一方は本発明のウエストを有する型からなる。
【0071】
周期的応力下の性能の観点から非常に有利なことに、該2つの雄及び雌要素は本発明のウエストを有する型からなる。
【0072】
本発明の他の利点及び特性は以下の詳細な説明及び添付図から明らかになるであろう。この詳細な説明及び添付図は、本発明の知識を明確にするのみならず、その限定にも適宜貢献する。
【0073】
【発明の実施の形態】
図2は先行技術の雄ねじ込み管状要素1を示す。
【0074】
この雄ねじ込み要素1はパイプ101の端部に形成される。
【0075】
それは、パイプ101の外周面105上に機械加工された長さLFMの先細りにされたねじ込み部分からなる雄ねじすじ(ねじ切り)3から成る。
【0076】
ねじすじ3の各ねじ山11の形状は台形である。ねじ込み要素1の自由端と反対側のねじ山は、ねじ込み管状つなぎを形成するためにこれらの2つのねじ込み要素が連結されて軸方向張力にさらされる時一方のねじ込み要素3から の荷重をかみ合ったねじ込み要素4へ移動し得る荷重側面13を有する。
【0077】
第1ねじ山21はねじ込み要素1の自由端7側に位置するものである。
【0078】
ねじ山23はねじすじの最後のねじ山であり、消滅するねじ山、即ち、その頂部がパイプ101の外周面105によって切頭されるねじ山である。
【0079】
ねじ山21及び23は、連結されたねじ込みつなぎ上の雌ねじ込み管状要素の対応する各ねじ山とそれぞれかみ合うように設計された第1及び最終ねじ山である(図3参照)。
【0080】
ねじ込み要素1の内周面103は、ねじすじが形成される周面104の反対の周面であり、パイプ101の本体からねじ込み要素の自由端7まで一様に延びる。
【0081】
図2は、第1ねじ山21及び自由端7間に配置された自由選択の非ねじ込みリップ(舌状体)をも示す。この舌状体はその外周面上に軸受(ベアリング)面5を有する。
【0082】
ねじすじ下方の壁は、ねじ山谷底19及び内周面103間の壁材料によって構成される。
【0083】
この壁は、非常に硬くはなく、ねじすじ下方の壁厚に比例するある剛性、特に軸方向剛性を有する。
【0084】
この剛性は、ねじすじの先細りのためにねじすじの一方端から他方端非常に僅かに変化するが、この変化はねじすじの先細りが低下(API仕様5Bによる「バットレス(支持部)」ねじすじの場合には6.25%)するにつれて限定される。
【0085】
【実施例】
図1は本発明の雌ねじ込み管状要素2を示す。
【0086】
雌ねじ込み要素2はパイプ102の端部に形成される。
【0087】
それはパイプ102の内周面に機械加工された長さLFFの先細りねじ込み部分から構成された雌ねじすじ(ねじ切り)4から成る。
【0088】
この雌ねじすじ4は雄ねじ込み要素1の雄ねじすじ3とかみ合う。即ち、それらは同一ねじ山ピッチ、同一先細り、同一基準ピッチ直径及び同一ねじ山形状を有する。
【0089】
雌ねじすじ4のねじ山12の形状も台形である。それらは雄ねじ山3の荷重側面とかみ合う荷重側面4を含む。
【0090】
第1ねじ山22はねじ込み要素2の自由端10側に設けられ、最終ねじ山24はねじすじの他端に設けられる。それらも同様に以下で分かるようにかみ合う第1及び最終ねじ山である。
【0091】
外周面104はねじすじ4が形成される面と反対である。
【0092】
この面は、極く僅かに傾斜した側面を有する溝30によってねじすじ4に対応して中空にされるか又はくびれるようにされる。ねじ込み要素2の軸XXに関して自由端側の側面36は15°に傾斜され、側面38は9°に傾斜される。従って、前記軸に関して側面36は側面38より全体的にさらに傾斜される。
【0093】
溝30はねじすじ下方の材料の厚さ、従ってねじすじ下方の壁の剛性を有意に低減させる。
【0094】
この場合には溝によって生じた厚さの減少は、くびれていない区域の点Bで測定したねじすじ下方の壁厚の80%を超える。
【0095】
溝はかみ合う第1ねじ山22の点Aから始まる。
【0096】
みぞの位置のために、かみ合う第1ねじ山(図1のねじ山22及びその右側の3つのねじ山)におけるねじすじの壁の剛性は低減され、その結果かみ合う第1ねじ山の柔軟性を増大させる。
【0097】
自由端10側のねじすじ外部から始まる溝は、強度耐性に関して有効性が低いか又は有効性が高くなることは殆どなく、自由端10の頑丈さを低下させるであろう。
【0098】
ねじすじのさらに下方で始まる溝は、溝D又はそれを僅かに超えた底部のレベルにおけるねじすじ下方の軸方向張力の静的応力に対して壁断面を危機的にさせ得るが、それに反して通常の危機的部分は最終ねじ山の下方のものである。即ち、それではそれは特に軸方向張力のもとに、ねじ込みつなぎの静的性能劣化に帰着するであろう。
【0099】
溝30はねじ込み管状要素12の軸周りの回転体である。
【0100】
縦断面における溝30の断面輪郭は、構造体の剛性が軸方向において極めて徐々に変化するように、互いに正接する円又は直線の一連の弧によって構成される。
【0101】
特に、溝底の断面輪郭は、無限にさえなり得る、従って直線に相当する、例えば、先細りねじすじと平行になり得る大きな半径を有する円弧で構成される。
【0102】
ねじすじ下方にある壁の厚さは、かみ合う4番目及び5番目のねじ山間に位置する点Dで最少(emin)になる。横断平面40上の点Dではねじすじ下方の壁の剛性は従って最少になる。
【0103】
有利なことに、上記の通り、溝底は2つのねじ山ピッチ程度の短い軸方向長さに亘って先細りねじすじと等しい傾斜を有する直線に従うので、ねじすじ下方の壁の厚さ、従って壁の剛性は前記軸方向長さに亘って最少かつ一定になるようにされる。
【0104】
先細りに垂直に測定された厚さemin2はねじ山高さhfと等しい。
【0105】
ねじすじ下方の壁の剛性は、点E及びF間に位置する低剛性区域で殆ど最少になり、そこでは厚さは厚さemin2より僅かに高いだけである。即ち、高さは、例えば、最少厚さの100%乃至120%の範囲内にあり、そこでの剛性は当該厚さの最小値に関して同一比で変化する。
【0106】
点E及びF間の軸方向距離はねじ山ピッチの3乃至4倍の範囲内にあり、点E及びFは平面40上の点Dを囲み、そこでは厚さ及び剛性は最少である。
【0107】
溝30は、かみ合う最後のねじ山のレベルにおいて自由端10の反対側の34で終わる。かみ合う最後のねじ山を丁度超えたBにおいて溝はなくなる。
【0108】
かみ合う最後の各ねじ山レベルにおけるねじ山下方の壁の厚さは、くびれていない区域(例えば、Bにおいて)におけるねじすじeT2下方の壁の厚さの80%乃至100%の範囲にあるので、かみ合う最後の3つのねじ山レベルにおいてねじすじ下方の壁の剛性はくびれていない壁のものに関して殆ど減少されない。その結果、軸方向引張り応力に対するねじ込み要素2の臨界部分はBの部分であり、同部分は同様なねじ込み要素であるが溝のないものに比べて減少されていない。
【0109】
溝30は、断面輪郭が縦断面で円弧をなす環状面を介して、32におけるパイプ102の中空にされていない外部周面104に接合する。
【0110】
溝はまた34における自由端を、環状面を介して、Aにおける壁厚がBにおける壁厚に関して低減されるように面104のものより小さい直径を有する円筒面106に接合する。
【0111】
横断当接面8及びねじ山4を超えてパイプ本体に向けて延びる軸受け面6の自由選択的存在に注目のこと。
【0112】
図3は、ねじ込み環状つなぎ100を形成する図1及び2のねじ込み要素の連接を示す。このねじ込みつなぎ100では、ねじ込み要素1及び2の雄及び雌ねじすじ3、4は、例えば、ねじ込み要素1及び2の自由選択的横断面7及び8が当接する点まで組込まれる。
【0113】
自由選択的軸受け面5及び6は接触圧力下で接触して一対の金属−金属軸受け密閉面を形成する。
【0114】
ねじ込み環状つなぎ100は、例えば、井戸のストリングに垂直に取付けられた各パイプの重力に起因する軸方向引張り荷重にさらされる。
【0115】
さらに、図3に示す場合には、ねじ込みつなぎ100は、荷重側面13、14を張力下に置く、数kN.mの高トルクのもとで当接する横断面7、8の反作用によって軸方向引張り荷重にさらされる。
【0116】
溝のない類似のねじ込み要素のものに比べて軸方向引張り応力に対するねじ込み要素2の臨界部分は低減されないが、軸方向引張り応力に対するねじ込みつなぎ100の静的性能は先行技術のねじ込み要素のものに比べて変化されない。
【0117】
周期的力がこれらの周期的力に重ねられ得る。
【0118】
ねじすじの各ねじ山は引張り荷重の一部分をかみ合ったねじすじの対応するねじ山に移さなければならない。
【0119】
この部分は、同一ねじすじの一方のねじ山から他方のものに対して一定ではなく、雌ねじ込み要素上の溝30の役目は、図3の場合ではかみ合う第1ねじ山及びかみ合う最後のねじ山の少なくとも側面において、異なったねじ山間の荷重移動を平衡させることである。
【0120】
この溝なしでは、これらのねじ山のレベルにおいて荷重移動は遥かに大きいであろう。最後の雄ねじ山は、荷重側面及びねじ山谷底間の接合半径内のこれらねじすじの谷底における幾何学形状応力の集中効果によってさらに増幅された大きな応力にさらされるであろう。過度の荷重移動及び応力集中の結合によって、それでは接合半径は周期的荷重にさらされたねじ込みつなぎに疲労亀裂が生じる場所となるが、一方静的荷重の場合のそのような応力の増大は破壊にまで及び得ない。
【0121】
第1雌ねじ山下方の壁の剛性を低下させることよって本発明で得られた荷重移動の平衡と、荷重側面13、14及びねじ山谷底19、20間のそれ自体公知の広接合半径の選択とで、かみ合う第1雌ねじ山に相当するかみ合う最後の雄ねじ山のレベルにおいて作動中疲労破裂の危険を避けるために臨界区域内の応力を十分に低減させ得る。
【0122】
雄ねじ込み要素上の溝がない場合かみ合う第1雄ねじ山及びかみ合う最後の雌ねじ山のレベルにおいて荷重移動は不平衡のまま残るが、先行技術のねじ込みつなぎ上のこれらの区域では疲労亀裂発生の頻度は少ないことに注目のこと。
【0123】
最後に、組み込みが完成した時低剛性区域EFにおいて雌要素の半径方向膨張の危険を避けるために台形ねじ山を選択することが望ましいことは注目すべきである。そのような膨張はねじ込み要素1、2の破局的移転を起こしてストリングを井戸の中に落下させる可能性がある。
【0124】
図5は本発明のねじ込み環状つなぎの一変形200を示し、同つなぎでは雄及び雌の2つの要素の各々が溝を備える。
【0125】
雌ねじ込み要素2は従って図1のものと同一である。
【0126】
雄ねじ込み要素51は図4に示す。
【0127】
同図の雄ねじ込み要素51は、このねじ込み要素の内周面103の溝31を中空化することによって図2の雄ねじ込み要素1から得られる。この周面103は雌ねじすじ3が形成される面と反対の面である。
【0128】
溝31は、かみ合う第1ねじ山(図5参照)である第1ねじ山21から始まってねじすじの中央に向けて終わる。
【0129】
それは第1雄ねじ山のレベルにおけるねじすじ下方の壁の剛性を低減させる。
【0130】
この低減は、かみ合う第2及び第3ねじ山間に位置するGで最大であり、平面41ではねじすじ下方の壁厚は最少である。この最少厚さeminはねじ山高さの約2倍と等しい。
【0131】
剛性の低減は、H及びI間の低剛性区域で実質的に最大であり、これらの2点間の軸方向距離はねじ山ピッチの僅かに4倍以上である。
【0132】
溝31の側面37、39は極僅かに傾斜する。即ち、それらは33、35における環状面を介して雄ねじ込み要素51の内側周面103に接合する。
【0133】
溝31それ自体は、互いに正接する一連の数個の弧によって構成される断面輪郭を有する。
【0134】
溝31の断面輪郭及び配置を考慮すると、軸方向引っ張り応力に対するねじ込み要素51の臨界部分はかみ合う最後のねじ山23のレベルにおけるものである。類似のねじ込み要素であるが溝のないものの同部分と比べると前記臨界部分は低減されていない。
【0135】
図5のねじ込みつなぎ200は、雌ねじ込み要素2内で雄ねじ込み要素51の正しい位置に組込まれた後では、図3のものより良好な疲労性能さえ可能にする。その理由は各要素の各々に溝が形成されていると共に各要素の2つの端部において荷重移動が一様になされているからである。
【0136】
その軸方向引張り応力に対する静的性能は、先行技術のねじ込みつなぎのものに比べて依然として変わらず、ねじ込み要素2及び51の臨界部分は類似のねじ込み要素であるが溝のないもののそれと比べて低減されない。
【0137】
図6は、2つのねじ込み環状つなぎ100、100によって構成されたねじ込み・連結つなぎを示す。
【0138】
雄ねじ込み要素1、1は各巨大長パイプの端部に形成される。
【0139】
雌ねじ込み要素2、2は、非常に短いと考えられ得るパイプ継ぎ手202に対称的に形成される。
【0140】
各ねじ込みつなぎ100、100’は図3のものと同一である。
【0141】
この種の周知のつなぎはさらなる解説は不要である。
【0142】
継ぎ手202上の溝30、30’の機能は、図1及び3の雌ねじ込み要素2’内の溝30のものと同一である。
【0143】
我々は、溝のない先行技術の同一ねじ山に比べて図3に示す型のねじ山環状つなぎで最も高度に荷重された、かみ合う最後の雄ねじ山の荷重側面13及びねじ山谷底19間の接合半径の最大応力値の増加(利得)を評価しようと試みてきた。
【0144】
疲労特性データを考慮して、溝による最大応力σmaxの増加はねじ山上で20%程度であると評価され、これは疲労作動寿命の非常に実質的な増大を意味する。
【0145】
また本発明は、本明細書に詳記した溝と同じように、かみ合う第1ねじ山のレベルにおいてねじすじ下方の壁の剛性を低下させ得る実施態様をも包含する。
【0146】
また本発明は、かみ合う第1ねじ山のレベルにおけるねじすじ下方の壁の剛性を低下させ手段が溝によってのみ構成されるもの以外の実施形態をも含む。
【0147】
図7に示す通り、例えば、溝30は従ってねじ込み環状要素62のものより低い弾性率の材料50によって部分的に又は完全に満たし得る。この材料50は特に溝の表面に接着され、例えば、合成材料で形成し得る。
【0148】
また本発明は、ねじすじが幾つかの別個のねじ込み部分を含むねじ込み要素の実施形態をも包含する。
【0149】
この場合には、本発明で請求された対象は、溝が少なくともねじ込み部分下方に形成され、もしそこで溝がないならば第1ねじ山の柔軟性が最も低減されて疲労亀裂が生じる危険に及ぶことを意味するものと解釈されなければならない。
【0150】
この場合の一変形では、溝は各ねじ込み部分下方に形成されて各ねじ込み部分のかみ合う第1ねじ山の柔軟性が増加するようにされる。
【図面の簡単な説明】
以下の図面は、本発明のねじ込み管状要素及びねじ込み管状つなぎの実施形態及び用法に係る非限定的描写である。図1−7は、考慮中のねじ込み管状要素又はねじ込み管状つなぎの軸を通る半縦断面図である。
【図1】 本発明の雌ねじ込み管状要素を示す。
【図2】 先行技術の雄ねじ込み管状要素を示す。
【図3】 図1及び2のねじ込み要素を連結することによって得られた本発明のねじ込み管状つなぎを示す。
【図4】 本発明の雄ねじ込み管状要素を示す。
【図5】 図1乃至4のねじ込み要素を連結することによって得られた本発明のさらなるねじ込み管状つなぎを示す。
【図6】 図3に示す型からなる本発明の2つのねじ込み管状つなぎから成るねじ込み及び連結つなぎを示す。
【図7】 図1からなる本発明の雌ねじ込み管状要素の一変形を示す。
Claims (19)
- パイプ(101,102,202)端に形成される、静的及び周期的応力の双方に対抗し得るねじ込み管状つなぎ(100,200)のための疲労耐性断面輪郭を有する雄又は雌ねじ込み管状要素(2,51,62)であって、該ねじ込み要素が雄又は雌型のいずれかに依存して、その外周面上の雄ねじ切り(3)又はその内周面上の雌ねじ切り(4)から成り、
前記ねじ込み管状要素は、ねじ山(11,12)の外形に影響を与えることなく、ねじ切りが形成される場所と反対側のねじ込み管状要素の外周面(103,104)から開始し、ねじ切り(3,4)に対応して形成される、ねじ込み要素の壁の回転体の溝(30,31)の形のウエストを含み、
各ねじ山の剛性を低減させるように、少なくともかみ合う第1ねじ山の位置において該溝(30,31)によって谷底から測定される該ねじ切り下方の該壁の厚さが低減されること、および
該溝の該位置において該ねじ切り下方の該壁の厚さは、かみ合う該第1ねじ山(21,22)及びかみ合う第6ねじ山(28,29)間の該区間に位置する横断平面(40,41)で最小になることを特徴とする雄又は雌ねじ込み管状要素。 - 該溝は、かみ合う該第1ねじ山(21,22)下方から始まることを特徴とする、請求項1のねじ込み管状要素。
- 該溝は、該ねじ切り中央の断面及びかみ合う該最終ねじ山の該位置の断面間に含まれる軸方向区間で終わることを特徴とする、請求項1又は2のねじ込み管状要素。
- 該溝(30,31)は、該ねじ込み管状要素の軸(XX)に関する回転体であることを特徴とする、請求項1乃至3のいずれか1つのねじ込み管状要素。
- 該溝(30,31)は、該ねじ込み管状要素の軸方向で漸進的に変化し得るように、該ねじ山を支持する直下の壁の剛性を低減させることを特徴とする、請求項1乃至4のいずれか1つのねじ込み管状要素。
- 該溝の該位置において、該ねじ切り(emin1,emin2)下方の該壁の最小厚さは該ねじの高さ(hf)より大きいか又は等しいことを特徴とする、請求項6のねじ込み管状要素。
- 該ねじ切り(emin1,emin2)下方の該壁の最小厚さは該ねじの高さ(hf)のほぼ2倍であることを特徴とする、請求項1のねじ込み管状要素。
- 該ねじ切り下方の該壁の厚さは最小でゼロでない軸方向距離で一定であることを特徴とする、請求項1の要素。
- 該溝のために、該ねじ切り下方の該壁の厚さは、該ねじ切り(40,41)下方の壁の最小厚さの横断平面のあたりに設けられる低剛性区域と呼ばれる区域(EF,HI)の該ねじ切り下方の該壁の最小厚さの100%乃至120%の範囲にあり、この低剛性区域はねじ山ピッチの3倍より大きいか又はそれと等しい軸方向長さに亘って延びることを特徴とする、請求項1乃至8のいずれか1つのねじ込み管状要素。
- 該溝断面輪郭は、引っ張り応力に対する該ねじ込み要素の臨界断面がウエスト区域の外部に位置するようにされることを特徴とする、請求項1乃至9のいずれか1つのねじ込み管状要素。
- 該溝のために、かみ合う該最後の3つのねじ山位置における該ねじ切り下方の該壁の厚さは、非ウエスト区域(eT1,eT2)の該ねじ切り下方の該壁厚の80%乃至100%の範囲にあることを特徴とする、請求項1乃至10のいずれか1つのねじ込み管状要素。
- 該溝は側面(36,37,38,39)を有し、該ねじ込み管状要素の軸に関する該側面の傾斜が45°又はそれ未満であることを特徴とする、請求項1乃至11のいずれか1つのねじ込み管状要素。
- 該ねじ込み要素の自由端側に向けられた該溝側面(36,37)は、反対側に向けられた該溝側面(38,39)より該ねじ込み要素の軸に関してより傾斜するようにされることを特徴とする、請求項12のねじ込み管状要素。
- 該溝の断面輪郭は、互いに正接的に連結された有限又は無限の各半径の一連の円弧によって構成された角のない曲線であることを特徴とする、請求項1乃至13のいずれか1つのねじ込み管状要素。
- 該溝は該周面の現在くぼんでいない部分に連結し、そこでは円環形状の正接接合区域(32,33,35)を介して該溝が形成されることを特徴とする、請求項1乃至14のいずれか1つのねじ込み管状要素。
- 該ねじ込み管状要素のものより低い弾性率を有する材料(50)で該溝が部分的又は完全に満たされることを特徴とする、請求項1乃至15のいずれか1つの要素。
- 該ねじ切りは台形ねじ山(11,12)を有することを特徴とする、請求項1乃至16のいずれか1つのねじ込み管状要素。
- 静的及び周期的応力の双方に対抗するねじ込み管状つなぎ(100,200)であって、雄ねじ込み管状要素上の雄ねじ切り(3)及び雌ねじ込み管状要素上の雌ねじ切り(4)を用いてねじ留めにより第2パイプ(102,202)端に設けられた該雌ねじ込み管状要素に連結された第1パイプ(101)端の該雄ねじ込み管状要素から成り、該2つのねじ込み管状要素の、雄又は雌の、少なくとも1つが請求項1乃至17のいずれか1つによる型(2,51,62)で作られることを特徴とするねじ込み管状つなぎ。
- 雄又は雌の、該2つのねじ込み管状要素が請求項1乃至17のいずれか1つによる型(2,51,62)で作られることを特徴とする、請求項18のねじ込み管状つなぎ。
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