JP5298126B2 - 加圧可能なシールを有するねじ接合部 - Google Patents

Description

本発明はねじ接合部に関し、特定すると炭化水素産業で使われ、特にオーシーテージー（ＯＣＴＧ）（産油地チューブ品）及び海底採掘適用設備のパイプラインの分野で使う掘削パイプを創るためチューブを連結するねじ接合部に関する。

石油、もっと一般的には炭化水素の探索は近年ハードウエア及びデバイスの意味で益々厳しくなっているが、それは油田及びガス田又はリザーバーがより深く、又は到達し難い場所に、そして海の下に位置しているからである。炭化水素産地の期待と開発は、前に余り重要でなかった高負荷及び腐食の様な環境的挑戦にもっと耐えるハードウエアを求めている。

或る適用設備ではねじ接合部は接合シールの変形を受ける。

近代的接合部は一般に、通常、接合部の一端又は両端のねじ部分の、適当な応力大きさ用の弾性係数の弾性範囲で干渉する、２面間の接触により作られる金属対金属のシールを用いて設計される。しかしながら、ねじの隙間内への外部流体の貫入を防止するために、金属シールの代わり、又は金属シールと組み合わせた弾性シールが必要となる状況がある。

従って、腐食速度を減ずるために、接合部シールが外部又は内部流体の貫入に抵抗すること、又は少なくとも、既に貫入した流体の周囲流体との連続した交換をさせないことが設計要求である。

最近、ねじ結合を外部からシールする問題の普及している技術的解決策は、弾性又は複合材料で作られた種々の断面のＯ−リング又は弾性シールリングを使うことである。

複雑な弾性シールリング及び簡単なＯ−リングはそれらのシール機能を、接合部材の少なくとも１つに関し予め規定された、ピン及びボックス間の直径方向の幾何学的干渉に基づいて行う。前記幾何学的干渉は結合部の組み立て後に、シールリングを弾性的に変形させ、シールとピン及びボックスの各々との間に接触圧力を誘起するように見え、接合部をシールする機械的バリヤを規定する。シールリングの追加的エネルギー付与は変形を増やし、シールリングが収容されるシートへの接着力を増加させる外部流体圧力により提供される。

ピン及びボックスの間の接合部をシールするＯ−リングの例は特許文献１に開示される。Ｏ−リングは実質的に同じ直径の環状バックアップリングと接する。環状バックアップリングは半径方向膨張を可能にするように分割され、内周よりも外周が大きい厚さを有する。シールされた接合部が高圧下にあると、シールリングはシールされる部材間の何等かのギャップをカバーするためにバックアップリングを半径方向に広がらせ、例え高温状態でもシール容量を保持し、そしてシールリングがギャップ内に押し出されるのを防止する。圧力は海の深さと共に変わり、Ｏ−リングに低い圧力しか作用しない時にシール効率は減じられる。

本文献では、接合部への外圧はＯ−リングに作用する圧力を決める。Ｏ−リングに高い接触圧力を要する時は、Ｏ−リングと接合部材の間にはより高い幾何学的な干渉を要する。これはシールの破壊を引き起こすかも知れない。

Ｏ−リングのシール容量の効率を改善するもう１つの方法は幾何学的な干渉を増やすことであるが、これは大抵の場合、シールリングをハウジングより半径方向に大きくすることに依って達成される。しかしながら、シールリングが大きい程、組み立ての時にシールリングは破損に曝され、特に、シールリングがボックス部材内に予め設置され、ピンねじ範囲全体を乗り越えるように強制された時に破損に曝される。

この場合、他の欠点が生ずる。楕円度、偏心、しわの様な製造過程で生ずる幾つかの幾何学的な結合変数は、シール面の円周全体上で不均一な干渉を招き、不均一な接触圧力を生じ、シール容量を減ずる。

実際に、幾何学的な干渉によるシール容量は、破損されずに、ねじ及び何等かの他の干渉面を横切って組み立てられる時に、引かれる能力に関連する弾性的要素の形状、主に半径方向寸法及び長さによって限定される。

米国特許第６，１７３，９６８号明細書

従って、本発明の目的は前記欠点を克服するねじ接合部を提供することである。

本発明の主要な目的は、簡単で信頼性のある初期の組み立てと、動作時の高いシール効率と、を共に保証する革新的シールリングを有する接合部を提供することである。

上記目的は、軸線を規定しているねじ接合部であって、ピンとして規定される雄ねじチューブ及びボックスとして規定される雌ねじチューブを備え、該ピンが該ボックス内に組み入れられるよう適合されており、外側円柱面と、突出する１つ以上の環状リブを有する内面と、円錐台形の少なくとも１部分を有する第１ベース及び該第１ベースと軸線方向で相対し円錐台形の少なくとも１部分を有する第２ベースとを有するシールリングを備え、該第１及び第２ベースが軸線の方へ傾斜しており、それにより該外面が該内面よりも幅広く、シールリングはピンとボックスの間に間挿され、外側円柱面によりボックスの環状溝の内面と緊密なシール接触をしており、かつ、環状リブによりピンの外面と緊密なシール接触をしており、ねじ接合部の改良したシール能力を提供するようにピンに対してシールリングを加圧するように油圧駆動手段が設けられているねじチューブ接合部による本発明により達成される。

本発明のねじ接合部では、シールリングはボックス部材内に収容され、外部に噴射される流体の加圧により駆動及びエネルギー付与されており、この流体の噴射及び加圧は該ボックス部材に固定された逆止め弁を経由してもたらされる。

シールリング用のハウジングは、ねじ接合部のボックス部材内に形成された環状溝である。このハウジングはシールリングを収容し、加圧流体により賦活される前にシールリングを衝撃から保護する。このハウジングはシールリングを抱き、そのエネルギー獲得を可能にする流体密封型のキャビテイを提供するように構成されている。

このシールを組み入れるねじ接合部のボックスは、シールリングが円柱面、有利なのはチューブボデイの円柱面、上で作動されるような仕方で作られ、従って、ピンは修正される必要がない。このような仕方で、引っ張り負荷の中で接合部の性能は完全のまま保たれる。

環状溝、逆止め弁、そしてシールリングの３者は完全にボックスの厚壁内に収容され、これによってシールシステムを保護するのみならず、結合の設計及び性能をも保存する利点を有する。有限要素法解析（ＦＥＡ）を介した全体設計及び原寸寸法テストは、シールリングの環状溝との最適な相互作用を産み出し、本発明のねじ接合部は高い軸方向負荷に耐えることが出来る。

上記及び他の目的は下記の詳細な説明と添付する図面を参照することにより更に容易に明らかになる。
本発明による接合部の部分的断面の斜視図を示す。 本発明による接合部の実施例の軸線方向平面に沿った断面図を示す。 本発明による接合部のボックスの詳細の軸線方向平面に沿った断面図を示す。 本発明による接合部の要素の実施例の軸線方向平面に沿った断面図を示す。 本発明による接合部の要素のもう１つの実施例の軸線方向平面に沿った断面図を示す。 本発明による接合部の要素のもう１つの実施例の軸線方向平面に沿った断面図を示す。 第１作用段階に於ける本発明による接合部の拡大特定部の断面図を示す。 第２作用段階に於ける本発明による接合部の拡大特定部の断面図を示す。 本発明による接合部のボックスのもう１つの実施例の軸線方向平面に沿った断面図を示す。

図面を特に参照するに、公称外径Ｄを有する一般的にピンとも呼ばれる雄のチューブ３と、外径Ｄ１の、一般的にボックスとも呼ばれる雌のパイプ２と、の２本のチューブを連結する参照数字１で全体的に示めされるねじ接合部が図示されている。

ピンすなわちチューブ３は適当な外形、例えば台形、の雄ねじを有するねじ部分５を備え、ボックスすなわちパイプ２は雌ねじを有する雌ねじ部分４を備える。これらパイプ、ピン及びボックスの共通の軸線がＡで示される。

ボックス２はノーズ６で終っている。このノーズ６に近いボックス２の部分はねじが切られていない面７を有する。

ねじ接合部１がピンのノーズとボックスの肩部の間に内側の金属対金属シールを有する（図には示されてない）ことは好ましいが、しかし必要なことではない。

図１の実施例を特に参照すると、ねじ４の端部とノーズ６の間のボックス２の部分上に作られる環状溝１０として構成されるハウジングが設けられ、このハウジングは、ねじ接合部１が組み立てられる時に外側シールを形成するシールリング１１を収容する。

大抵の場合、シールリング１１はボックス２と、ピン３すなわちチューブのボデイと、
の間に置かれる外側シールの機能を行う。

シールリング１１は、外部流体のねじ接合部１のねじ帯域内への漏れを防止する。しかしながら、シールリング１１は、もし必要なら、ねじ接合部の他の部分内で使われてもよい。

シールリング１１は、外部流体が噴射されて、弁を通してハウジング内に加圧された時に作動され、室１３内に発生したこの圧力が面２５上に作用して、シールリング１１を変形して、ハウジング１０の側部１４，１５，１６，１７及びピン３の両者に対するようにシールリング１１を押して、ねじ接合部１をシールする機械的バリヤを作るようになる。

図６に示す位置に対応して、溝又はハウジング１０は、駆動流体の噴射の前はシールリングを保持し、隠匿して保護する。シールリングと一緒に、ハウジングは、作動流体が噴射されて弁２０を介して加圧された時、流体密封の環状圧力室を構成する。弁２０は逆止め弁であり、ボックス２に固定され、弁の先端は、弁への損傷又は操作者への危険を避けるために、ボックス面と同じになるのが好適である。作動流体の噴射と、続くシール用システムのエネルギー付与及び賦活は、ねじ接合部１が最終組み立て位置になった後に行われる。

シールリング１１は、ボックスに沿うハウジングの位置に依り、ピン部材３又はチューブボデイの円柱面に対するように作動される。シールリング１１がピン３と接触するこの面は、ロール加工か又は機械加工されるかの何れかであり、ねじの逃げ部分を有する帯域にも対応して有利であるが、他の仕方を取ってよい。この仕方では、ピンの形状は修正されず、従って、ねじ接合部の引っ張り効率は影響されずに留まる。

作動流体は、オイル、グリース、ドープ、ゲル、他の又は噴射後に固化するポリマーの様な、高粘性又は低粘性の流体か、或いは実際に、ねじ結合部の外部にある流体、すなわちシールがねじ接合部内への漏れを防止しようと意図している同じ流体か、何れであってもよい。

本発明の利点は、シールリング１１が、組み立ての時、隠匿されて留まるので、保護され、そしてどんな種類の損傷も受けることを防止されることであり、この目的は接合部性能に影響することなく達成される。

本発明のもう１つの利点はシール用システムにより展開される接触圧力が作動流体の圧力に比例しており、この圧力は良く知られており、作動流体を噴射して加圧する瞬間に規定されている、ことである。他方、作動圧力の大きさはねじ接合部の外部の流体により発生される圧力から完全に独立している。更に、シールリング１１により作られる接触圧力も、楕円度、偏心、しわ及び結合の種類の様な接合部自身の幾何学的パラメーターから独立しており、そしてシール及び接触部の両範囲の構造、形状、長さがねじ接合部の種類から独立した変数である時、ねじ接合部１の円周全体に亘り均一である。

シールリング１１の内面は複数の突出するリブ９を有するよう構成され、従ってシールリングが負荷を受けた時に隣接リブ９が外部流体に対して多数の連続するバリヤを設けるので、シール能力を付加する。もし、１つ以上のバリヤが漏れるなら、なお次のバリヤが外圧に耐え、充分なシール能力を保証する。

図２に示すねじ接合部１の第１の実施例では、環状溝形状は軸線方向の断面でダブテイル（ばち形）又は楔の形を有している。すなわちその形は、軸線Ａに平行に測定した断面幅が軸線の方向に減少し、２つの横方向の面１６，１７が互の方に傾斜されている。

この実施例で、溝は又相互に相対し、平行な２つの環状の平面１４，１５を有するのが好適である。溝１０のこの特別な形状は、ねじ接合部１が組み立てられる時に、シールリング１１を収縮させ、環状室１３内の作動流体により押される時に、エネルギー付与される。

軸線方向の平面上のシールリング１１の断面は、溝１０内に収容されるように構成され、種々の代わりの形状を有しており、その形状の幾つかが図５に示され、溝１０の形状を補っている。この形状では円錐台形の部分を有する第１ベース２６と、第１ベースと軸線方向で相対する円錐台形の部分を有する第２ベース２７と、を有し、第１及び第２ベース２６及び２７は軸線Ａの方へ傾斜しているので、その外面２５はリブ９を有するシールリングの内面より幅広である。

図２ａに示す、溝１０の代わりの実施例では、溝１０は簡単なばち形の断面を有し、組み合わせられるシールリング１１は図３及び４に示すものに似た形を有するのが好ましい。

図３及び５の実施例では、シールリング１１は又、環の形を有する、各第１及び第２ベースの部分２８，２９を有する。

これらの形のシールリング１１は最適の接触面と最適のシールリング変形を生ずる。

溝１０の半径方向深さとシールリング１１の厚さと、はボックス２の壁厚さに依り、室１３が加圧されない時にシールを溝１０内に完全に隠匿する要求を考慮して規定される。

溝１０は約１５ｍｍの幅を有し、シールリングは、溝の形状、シールリングの形と材料、作動流体の種類と圧力に依り、溝の幅に対して類似の、より小さい、より大きい又は等しい幅を有する。

室１３の圧力は約６８９４．８ｈＰａ［約１００ピーエスアイ（６．８９バール）］と約３４．４７４ＭＰａ［約５０００ピーエスアイ（３４４．７３バール）］の間の値に設定されてもよい。この範囲は、過渡及び定常の両状態で運転条件の期待範囲に好適な良好なシールリング変形パターンと、シールの完全性を評価するのに必要な、集中点での最適な変形／応力比と、を与える。この様な大きさの圧力のもう１つの利点は、流体密封キャビテイを評価するのに必要なシールと溝の間の良好な接触パターンと、接合部シール容量を評価するのに必要な、シールとピンの間の良好な大きさ及び接触パターンと、である。

シールリング１１を加圧する作動流体は、オイル、グリース、ドープ、ゲル、他の又は噴射後に固化するポリマーの様な、高粘性又は低粘性流体か、又は、実際に、連結部の外部にある流体、すなわち、シールが接合部内に漏れるのを防止する同じ流体か、何れかを有してもよい。

ねじ接合部１の追加の利点は接合部の引っ張り効率がこのシールリング１１により改良され得ることである。このシールリングは、ピン上へ予め設置される場合に、シールリングがねじ上を引かれねばならぬので、ピン上への予めの設置に際し、接合部がシールリングの破損を防止する様にされる時、ねじの端部にねじの逃げの帯域（すなわち、切頭型頂上を有するねじ）を作るのを不要にする。最悪の応力条件は、ピンノーズより大きい直径を有するねじの最後の帯域のシールリング上で発生するが、これがねじの切頭される理由である。従って、この様な場合、シールリング１１を保護するために価値のあるねじ高さが失われる。これと反対に、本発明のねじ接合部は、もし構造的理由で要求されるなら、
ねじ帯域を伸ばすことを可能にするか又は切頭ねじ山又は頂上の消えるねじ山の使用を避けることを可能にするが、それはシールリングがシールリングをボックス内に隠匿し、保護するボックスの溝内に設置されるからである。

図８を特に参照すると、ボックス２内に形成された２つの環状溝１０，１０’内に挿入された２つのシールリング１１，１１’を有する、本発明の接合部のもう１つの実施例が示される。この実施例では、１つのシールリング１１は、組み立て後、ねじ部分５の後のピン３の部分に面するノーズ６の近くのボックスの部分内に位置付けられる。第２のシールリング１１’は、組み立て後、ノーズに近いピン３の先頭部分に面するボックス２のねじ無し部分内に位置付けられる。

この実施例では、シールリング１１’は、シールリング１１の様に、上記説明の変形部品の１つにより形成されてもよい。代わりに、最もよいシール結果を得るために適当であるなら、第１シールリングは上記で説明した中の１つの変形部品に依り、第２シールリングが異なる変形部品による様に、シールリング１１と１１’が相互に異なるように形成されてもよい。

ねじ接合部の或る特定の実施例では、２つのシールリングは、１つのシールリングにより印加される圧力がもう１つより大きいか、又は小さいか、何れかになるよう、異なる圧力の作動流体で作動されてもよい。

代わりに、図に示されないもう１つの実施例では、ねじ接合部１は図８に示す位置のシールリング１１のみを有し、シールリング１１’無しで、使われてもよい。この実施例は、必ずしも必要なことではないが、例えば、ピン３のノーズの近傍に配置された金属対金属シールと組み合わされて使われてもよい。本発明のねじ接合部は、ねじ接合部の種々の実施例では、殆ど完全に漏れを防止し、充分な締まりを提供する。

本発明は特に海底採掘適用設備に於ける、石油及びガス産業用のオーシーテージー及びパイプライン接続の分野で使われるのが好ましい。

Claims (11)

1. 軸線（Ａ）を規定しているねじ接合部（１）であって、ピンとして規定される雄ねじチューブ（３）及びボックスとして規定される雌ねじチューブ（２）を備え、該ピン（３）が該ボックス（２）内に組み入れられるように適合されており、該ピン（３）と該ボックス（２）の間に間挿されたシールリング（１１）を備えたねじ接合部（１）において、
   該シールリング（１１）は、外側円柱面（２５）と、突出する１つ以上の環状リブ（９）を有する内面と、円錐台形の少なくとも１部分を有する第１ベース（２６）及び該第１ベースと軸線方向で相対し円錐台形の少なくとも１部分を有する第２ベース（２７）とを有し、該第１（２６）及び第２（２７）ベースは軸線（Ａ）の方へ傾斜しており、それにより外側円柱面（２５）が内側円柱面よりも幅が広く、該シールリング（１１）が、シールリングの外側円柱面（２５）によりボックス（２）の環状溝（１０）の内面と緊密なシール接触をしており、かつ、シールリングの環状リブ（９）によりピン（３）の外面と緊密なシール接触をしており、接合部の改良したシール能力を提供するように前記ピンに対してシールリング（１１）を加圧するように出来る油圧駆動手段が設けられていることを特徴とするねじ接合部。
2. シールリング（１１）が均一直径のシールリングの外側円柱面（２５）を備える請求項１記載のねじ接合部。
3. シールリング（１１）がシールリングの内面上に突出する環状リブ（９）を備える請求項２記載のねじ接合部。
4. 第１及び第２ベースが軸線（Ａ）により近いそれぞれの環形の部分（２８，２９）を有する請求項１記載のねじ接合部。
5. シールリング（１１）がポリマー材料で作られてる請求項１記載のねじ接合部。
6. 溝（１０）が軸線方向の平面上の断面でばち形を有する請求項１記載のねじ接合部。
7. ボックスの外面と同一面にある弁を有する請求項１記載のねじ接合部。
8. シールリング（１１）がボックス（２）のノーズ（６）の近位のねじ部分（４）の第１端部と前記ノーズ（６）の間に収容される請求項１から７の何れか１つに記載のねじ接合部。
9. ボックス（２）のノーズ（６）から遠位のボックス（２）のねじ部分（４）の第２端部を超えてボックス（２）に収容された第２シールリング（１１’）が設けられている請求項８記載のねじ接合部。
10. シールリング（１１’）がボックス（２）のノーズから遠位のねじ部分（５）の端部を超えて収容される請求項１から７の何れか１つに記載のねじ接合部。
11. シールリング（１１，１１’）がピン及びボックスのねじのない部分に配置される請求項９又は１０の何れかに記載のねじ接合部。

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