JP5704191B2 - 耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手 - Google Patents

Description

本発明は、耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手に関し、詳しくは一般に油井やガス井の探査や生産に使用されるチュービングおよびケーシングを包含する油井管、すなわちＯＣＴＧ(oil country tubular goods)、ライザー管、ならびにラインパイプなどの鋼管の接続に用いるのに好適な、耐焼付き性に優れた油井用ねじ継手に関する。

ねじ継手は、油井管など産油産業設備に使用される鋼管の接続に広く使用されている。オイルやガスの探索や生産に使用される鋼管の接続には、従来ＡＰＩ（米国石油協会）規格に規定された標準的なねじ継手が典型的には使用されてきた。しかし、近年、原油や天然ガスの井戸は深井戸化が進み、垂直井から水平井や傾斜井等が増えていることから、掘削・生産環境は苛酷化している。また、海洋や極地など劣悪な環境での井戸の開発が増加していることなどから、耐圧縮性能、耐曲げ性能、外圧シール性能（耐外圧性能）など、ねじ継手への要求性能は多様化している。そのため、プレミアムジョイントと呼ばれる高性能の特殊ねじ継手を使用することが増加しており、その性能への要求もますます増加している。

プレミアムジョイントは、通常、テーパねじ、シール部（詳しくはメタルタッチシール部）、ショルダ部（詳しくはトルクショルダ部）とをそれぞれ備える、管端部に形成した雄ねじ部材（以下、ピンと呼ぶ）と該ピン同士を連結する雌ねじ部材（以下、ボックスと呼ぶ）とを結合したカップリング形式の継手である。テーパねじは管継手を強固に固定するために重要であり、シール部はボックスとピンとがこの部分でメタル接触することで気密性を確保する役目を担い、ショルダ部は継手の締め付け中にストッパの役目を担うショルダ面になる。

図４は、油井管用プレミアムジョイントの従来例を示す模式的説明図であり、これらは、円管のねじ継手の縦断面図（管軸が断面内で延在する断面図）である。ねじ継手は、ピン３とこれに対応するボックス１とを備えており、ピン３は、その外面に雄ねじ部７と、ピン３の先端側に雄ねじ部７に隣接して設けられたねじの無い長さ部分であるノーズ部（ピンノーズとも云う）８を有する。ノーズ部８は、その外周面にシール部（詳しくは、メタルタッチシール部）１１を、その端面にはショルダ部１２を有する。対応するボックス１は、その内面に、それぞれピン３の雄ねじ部７、シール部１１、およびショルダ部１２と夫々、螺合するか、または接触することができる部分である、雌ねじ部５、シール部１３、および、ショルダ部１４を有している。

尚、ピン３の各ねじ山とこれに対応するボックス１の各ねじ谷とにおいて、反ピン管端側（ボックス端側）の面はロードフランク面３０（ピン側はＰ、ボックス側はＢを夫々付した）、ピン管端側（ボックス中央側）の面はスタビングフランク面３１（ピン側はＰ、ボックス側はＢを夫々付した）と呼ばれる。
図４の従来例では、シール部１１がピン３の先端部にあり、適正な締め付けトルクを与えることにより所望のシール性能を実現できるのであるが、締付けトルクは潤滑条件、表面性状等に影響されるので、これらに大きくは依存しない設計として、シール接触圧力の半径方向成分を相対的に強くした半径方向シール方式（ラジアルシール型とも云う）がある。

尤も、前記ラジアルシール型も、ショルダ部とは異なる部位にシール部を有すると云う点では、ピン先端部にシール部を有する従来のねじ継手と同様である。
ところで、ねじ継手のねじ部は均一に嵌合していくわけではなく、一般的にねじ端部において集中荷重が発生し、この集中荷重が過大となる場合には焼付き（ゴーリング）が発生する。

この点に関連する従来技術として、特許文献１では、ねじ両端部のスタビングフランク面に集中荷重が発生するとし、特にボックス端部での焼付きが課題であるとしている。そこで前記従来技術では、ねじ切り加工の最終パス又は最終数パスのみピッチを僅かに大きくし、ロードフランク面３０のピッチは一定に保ったまま、スタビングフランク面３１を削り込むことにより、両スタビングフランク面３１Ｂ、３１Ｐの間に隙間をあけることで集中荷重を低減している。

特開２００１−２１０７２号公報

然し、ショルダ部１２、１４を有するねじ継手においては、締め付け中にショルダ部１２、１４がストッパの役目を担うショルダ面となって接触し合うと、ピン管端側のねじ部のロードフランク面３０Ｐに軸方向（管軸方向の意）の接触反力が作用し、最大軸方向反力が発生することとなる。ところが、前記従来技術では、スタビングフランク面３１Ｂにて接触する場合を想定したものであるため、ピン管端側のねじ部のロードフランク面３０Ｐに高い集中荷重が作用する場合にはこれを低減することができないという課題があった。

本発明者らは、前記課題を解決するために種々の検討を行った結果、ボックス中央側におけるねじピッチの適正化によりピン管端側のねじ部との接触反力が低減可能であり、これにより焼付き防止可能であることを発見し、この発見に基づき本発明を成した。
本発明は以下の通りである。

（１） 油井管用鋼管の管端部を占有し、雄ねじ部と、該雄ねじ部より管端側に延在するノーズ部と、該ノーズ部の先端をなすショルダ部とを有するピンと、
前記雄ねじ部とねじ結合されてねじ部をなす雌ねじ部と、前記ピンのショルダ部に当接するショルダ部とを有するボックスと、を有し、
前記ねじ結合により前記ピンと前記ボックスとが結合されて夫々のねじ部とショルダ部との間の部位で互いに相手方とメタル‐メタル接触しその接触部がシール部をなし、
前記ピンと前記ボックス夫々のショルダ部はねじ継手締め付け時に相手方と当接するショルダ面となる油井管用ねじ継手であって、
前記雌ねじ部において、雌ねじピッチを、ボックス端側のねじ端部からねじ部全長の１/２位置よりボックス中央側寄りにとったピッチ変更位置までは雄ねじピッチと同じ値とし、前記ピッチ変更位置で雄ねじピッチ未満の値に変更するピッチチェンジにより、下記に定義されるねじギャップを、前記ピッチ変更位置からボックス中央側のねじ端部まで漸減させ、最終的に前記ピッチチェンジより前のねじギャップの０．２倍以上０．８倍以下の値とした
ことを特徴とする耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手。
記
ねじギャップとは、ピンとボックスのねじ部の完全嵌合範囲内において、ボックス端側で向かい合うロードフランク面を隙間なく合わせた状態下で、前記完全嵌合範囲内で向かい合うスタビングフランク面同士間の管軸方向距離のことである。

本発明によれば、上記構成を採用したことで、ピン管端側ねじ部の集中荷重低減が達成され、耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手が得られる。

本発明の実施形態を例示する模式的説明図である。 本発明による管軸方向のねじギャップ分布（ａ）及びねじピッチ分布（ｂ）を例示するグラフである。 締め付け時に雄ねじ部の各ねじのロードフランク面に作用する軸方向反力を例示するグラフである。 従来の特殊ねじ継手を例示する模式的説明図である。

図１を参照して本発明の実施形態を説明する。本発明に係るねじ継手は、油井管用鋼管２の管端部を占有し、雄ねじ部７と、該雄ねじ部７より管端側に延在するノーズ部８と、該ノーズ部８の先端をなすショルダ部１２とを有するピン３と、前記雄ねじ部７とねじ結合されてねじ部をなす雌ねじ部５と、前記ピン３のショルダ部１２に当接するショルダ部１４とを有するボックス１と、を有し、前記ねじ結合により前記ピン３と前記ボックス１とが結合されて夫々のねじ部５、７とショルダ部１２、１４との間の部位で互いに相手方とメタル‐メタル接触しその接触部がシール部１１、１３をなし、前記ピン３と前記ボックス１夫々のショルダ部１２、１４はねじ継手締め付け時に相手方と当接するショルダ面となる（図１(a)参照）、と云う点では、図４に例示した従来のプレミアムジョイントと同様である。

本発明の特徴は、前記雌ねじ部５において、雌ねじピッチ２０Ｂを、ボックス端側のねじ端部からねじ部全長の１/２位置よりボックス中央側寄りにとったピッチ変更位置ＰＣＰまでは雄ねじピッチ２０Ｐと同じ値とし（図１（ｂ）参照）、前記ピッチ変更位置ＰＣＰで雄ねじピッチ２０Ｐ未満の値に変更するピッチチェンジにより、前記定義したねじギャップ１０を、前記ピッチ変更位置ＰＣＰからボックス中央側のねじ端部位置まで漸減させ（図１（ｃ）参照）、最終的に前記ピッチチェンジより前のねじギャップの０．２倍以上０．８倍以下の値としたことにある。

前記ピッチチェンジを行うことで、図１（ｃ）に示される様に、ピッチチェンジ後（ピッチ変更位置ＰＣＰよりピン管端側）は、ピン管端に近づくにつれてロードフランク面３０Ｂがボックス端側に徐々にシフトしていく結果、ねじギャップ１０が漸減し、これに伴って、向かい合うロードフランク面３０Ｐ、３０Ｂ同士間に隙間３２が生成し、この隙間３２はピン管端側に近づくほど拡大するから、ピン管端側のロードフランク面３０Ｐに作用する接触面圧を低減する効果（面圧低減効果）が発現し、従って、締め付け時にピン管端側のロードフランク面３０Ｐに作用する集中荷重が分散されて有効に軽減する効果（荷重分散効果と云う）が得られる。

但し、前記漸減したねじギャップ１０の最終値が、ピッチチェンジ前（ピッチ変更位置ＰＣＰよりボックス端側の領域）のそれの０．２倍未満であると、前記面圧低減効果に乏しく、一方、前記最終値がピッチチェンジ前の０．８倍を超えると、ピン管端側のスタビングフランク面３１Ｐ、３１Ｂ同士間の干渉による焼付き発生が懸念される。よって、漸減させるねじギャップ１０は最終的にピッチチェンジ前のそれの０．２〜０．８倍とする必要がある。

又、ピッチ変更位置ＰＣＰからボックス中央側の雌ねじ部５端までの管軸方向長さ領域（短ピッチ化領域と云う）を長くしすぎると、非常に精度の高いピッチチェンジが必要となって工業生産に適さないと云う難点、及び、接触面圧が増大するのはピン管端側近傍のみであるのに集中荷重の無い広範な領域までも前記短ピッチ化領域に含めると、前記荷重分散効果に乏しくなると云う難点から、前記短ピッチ化領域は、ねじ部全長の１/２未満とする必要がある。

尤も、前記短ピッチ化領域長さが短すぎる場合は、荷重分散効果が不十分となって前記短ピッチ化領域の外側のねじ部に集中荷重が発生する虞が無きにしも非ずであるため、前記短ピッチ化領域長さはねじ山数で３山分（ねじピッチ単位では３ピッチ分）に相当する長さ以上とするのが好ましい。
図２は、本発明に係るピッチチェンジの一例を示すグラフであって、（ａ）はピン管端側からの管軸方向距離の指標としたねじ山数とねじギャップとの関係の設定線図、（ｂ）は前記ねじ山数と雌ねじピッチとの関係の設定線図である。尚、本例では、外径７-５/８”×肉厚０．６２５”の鋼管の管端部をねじ切削加工してなるピンと、これに対応するボックスとからなるねじ継手を対象とした。ピッチ変更位置ＰＣＰはねじ山数＝５の位置にとり、この位置で雌ねじピッチを０．２０００”から０．１９９６”に変更した。尚ここで、ねじ部全長では、ねじ山数＞２０、である。

本例のねじ継手（本発明例）について、各ねじ山部位のロードフランク面に作用する管軸方向反力（集中荷重）をＦＥＭ（有限要素法）にて計算し、ピッチチェンジを行わない場合（従来例）と比較すると、図３に示すとおり、本発明例では従来例に比べ集中荷重が低減し、最大値は半減していることが分る。

外径９-５/８”×肉厚０．５４５”の鋼管の管端部をねじ切削加工してなるピンと、これに対応するボックスとからなる、表１にねじ部寸法諸元の水準を示すところの、油井管用ねじ継手について、ＩＳＯ １３６７９：２００２に準拠した、繰り返し締め付け締め戻しを行うＭａｋe ＆ Ｂｒｅａｋ試験を行った。試験条件は、ねじ干渉量「High」（0.305ｍｍ）、シール干渉量「High」（1.016ｍｍ）、締め付けトルク「Higｈ」（50,000Ｎ・ｍ）とした。ここで、シール干渉量とは、ピン図面とボックス図面とをそれらの管軸同士及びショルダ部同士が一致するように重ね合わせた時の、ピン側シール部にする部分とボックス側シール部にする部分とが干渉し合う領域の管半径方向寸法の最大値の２倍（直径あたりの値）のことであり、ねじ干渉量とは、その際のピン側ねじ部にする部分とボックス側ねじ部にする部分とが干渉し合う領域の管半径方向寸法の２倍（直径あたりの値）のことである。

試験結果を表１に示す。表１に示されるとおり、本発明例は何れの水準においても焼付きは発生せず、Ｍａｋe ＆ Ｂｒｅａｋ試験合格となった。

１ ボックス
２ 油井管用鋼管
３ ピン
５ 雌ねじ部（ボックス側）
７ 雄ねじ部（ピン側）
８ ノーズ部（ピンノーズ）
１０ ねじギャップ
１１，１３ シール部（メタルタッチシール部）
１２ ショルダ部（ピン側）
１４ ショルダ部（ボックス側）
２０ ねじピッチ（副号のＰはピン側、Ｂはボックス側）
３０ ロードフランク面（副号のＰはピン側、Ｂはボックス側）
３１ スタビングフランク面（添符号のＰはピン側、Ｂはボックス側）
３２ 隙間（向かい合うロードフランク面同士間の隙間）
ＰＣＰ ピッチ変更位置

Claims (1)

1. 油井管用鋼管の管端部を占有し、雄ねじ部と、該雄ねじ部より管端側に延在するノーズ部と、該ノーズ部の先端をなすショルダ部とを有するピンと、
   前記雄ねじ部とねじ結合されてねじ部をなす雌ねじ部と、前記ピンのショルダ部に当接するショルダ部とを有するボックスと、を有し、
   前記ねじ結合により前記ピンと前記ボックスとが結合されて夫々のねじ部とショルダ部との間の部位で互いに相手方とメタル‐メタル接触しその接触部がシール部をなし、
   前記ピンと前記ボックス夫々のショルダ部はねじ継手締め付け時に相手方と当接するショルダ面となる油井管用ねじ継手であって、
   前記雌ねじ部において、雌ねじピッチを、ボックス端側のねじ端部からねじ部全長の１/２位置よりボックス中央側寄りにとったピッチ変更位置までは雄ねじピッチと同じ値とし、前記ピッチ変更位置で雄ねじピッチ未満の値に変更するピッチチェンジにより、下記に定義されるねじギャップを、前記ピッチ変更位置からボックス中央側のねじ端部まで漸減させ、最終的に前記ピッチチェンジより前のねじギャップの０．２倍以上０．８倍以下の値とした
   ことを特徴とする耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手。
   記
   ねじギャップとは、ピンとボックスのねじ部の完全嵌合範囲内において、ボックス端側で向かい合うロードフランク面を隙間なく合わせた状態下で、前記完全嵌合範囲内で向かい合うスタビングフランク面同士間の管軸方向距離のことである。

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