JP5776222B2 - Threaded joints for steel pipes - Google Patents
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Description
本発明は、鋼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、シール性と耐圧縮性に優れた鋼管用ねじ継手に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a threaded joint for steel pipes, and in particular, oil well pipes including tubing and casings generally used for exploration and production of oil wells and gas wells, that is, OCTG (oil country tubular goods), riser pipes, line pipes, etc. The present invention relates to a threaded joint for steel pipes that is suitable for use in connecting steel pipes and has excellent sealing properties and compression resistance.
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。 Threaded joints are widely used to connect steel pipes used in oil industry equipment such as oil well pipes. Conventionally, a standard threaded joint specified in the API (American Petroleum Institute) standard has been typically used for connecting steel pipes used for oil and gas exploration and production. However, in recent years, the wells for crude oil and natural gas have been deepened, and the number of vertical wells, horizontal wells, inclined wells, etc. has increased, and the drilling and production environment has become severe. In addition, the demand for screw joints such as compression resistance, bending resistance, and external pressure seal performance (external pressure resistance) has diversified due to the increased development of wells in poor environments such as the ocean and polar regions. ing. For this reason, the use of high-performance special threaded joints called premium joints is increasing, and the demands on the performance are also increasing.
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シール性を確保する役目を担い、ショルダ部は継手の締付け中にストッパの役目を担うショルダ面となる。 A premium joint usually has a male screw member (hereinafter referred to as a pin) formed on a pipe end portion, each having a taper screw, a seal portion (specifically, a metal touch seal portion), and a shoulder portion (specifically, a torque shoulder portion). It is a coupling type joint in which a female screw member (hereinafter referred to as a box) for connecting pins to each other is coupled. The taper screw is important for firmly fixing the pipe joint, and the seal part plays a role of securing the sealing performance by metal contact between the box and the pin at this part, and the shoulder part is a stopper of the joint during tightening. It becomes the shoulder side that plays the role.
図4は、油井管用プレミアムジョイントの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8(ピンノーズ8)を有する。ノーズ部8は、その外周面にシール部11を、その端面にはトルクショルダ部12を有する。相対するボックス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。
FIG. 4 is a schematic explanatory view of a premium joint for an oil well pipe, and these are longitudinal sectional views of a threaded joint of a circular pipe. The threaded joint includes a
前記プレミアムジョイントに関する従来技術として、特許文献1が挙げられる。
図4の従来例では、シール部はピンノーズ8の先端部にあり、適正な締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。
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がある。例えば、特許文献1には、大きなピンシールR形状を持ち、シールテーパ角を小さくした半径方向シール方式の例が開示されている。しかし、このようにシールテーパ角を小さくした、半径方向シール方式の問題点は、締付け時にゴーリングが発生し易い点にあり、特に、シール性能の確保およびシールの安定性を目的として、シール干渉量を大きくとる場合には、ゴーリングの発生のし易さは格段に大きくなる。
In the conventional example of FIG. 4, the seal portion is at the tip of the
Since the tightening torque is affected by lubrication conditions, surface properties, etc., a design that does not depend greatly on this is a radial seal method in which the radial component of the seal contact pressure is relatively strong. For example,
図4におけるシール部11,13或いは上記半径方向シール方式(以下、ラジアルシール型ともいう)のシール部には、必要十分な圧力が負荷されることで、リークやゴーリングの発生しない健全なシール部が形成される。
しかしながら、発明者らが検討したところによれば、ラジアルシール型の鋼管用ねじ継手において、シール性の確保にはピンノーズの剛性の点でまだ改善の余地があった。すなわち、ラジアルシール型でのシール性の確保のためには、ピンノーズ8の剛性が重要であり、シールポイントsp(図1参照;ねじ結合の際にピン3側のノーズ部外周面とこれに相対するボックス1側の内周面(以下、シール面という)とが最初に接触するピン3側のノーズ部外周面上の部位である)における断面積を十分に確保する必要があった。というのは、軸圧縮力が作用する際、シールポイントspにおけるピン断面積と未加工部(ねじ加工前の素管相当部)における断面積の比に応じた圧縮負荷が作用し、軸圧縮力の大部分をショルダ部で受けるねじ継手構造となっているが、前記断面積の比が適正でないと、シール部近傍にも軸圧縮力に伴う塑性変形が発生するのであり、この塑性変形により、ピンノーズ8には圧縮及び曲げ変形が生じ、シールポイントspにおけるピン3外径が縮小し、この縮小が著しい場合、シール部20の圧力が不十分となり、シール性が確保できなくなるからである。このような課題、更にはその解決策についての知見は過去に無かった。
The
However, according to a study by the inventors, in the radial seal type threaded joint for steel pipes, there is still room for improvement in securing the sealing performance in terms of the rigidity of the pin nose. In other words, the rigidity of the
発明者らは、上記の課題を解決するために、前記シールポイントspにおけるピン断面積と未加工部における断面積の比を適正なものとする指針を種々の実験的検討により見出した。
すなわち本発明は次のとおりである。
(1)
ロードフランク角度が−10度〜0度である雄ねじ部と、該雄ねじ部より管端側に延在するノーズ部と、該ノーズ部の先端に設けられた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、前記ピンのノーズ部外周面に相対するシール面と、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ボックスとが結合されてピンの前記ノーズ部外周面とボックスの前記シール面とがメタル‐メタル接触しその接触部がシール部をなす鋼管用ねじ継手であって、
ピン側のノーズ部外周面がテーパ形状であり、ボックス側のシール面が外側に凸の曲面形状であり、
前記ねじ結合の際にボックス側のシール面と最初に接触するピン側のノーズ部外周面上の部位であるシールポイントにおけるピンの断面積が、ピン未加工部である素管部の断面積の35%以上であり、
ねじ部先端からノーズ部先端にかけてのノーズ部の長さLに対する、ねじ部先端から前記シールポイントまでの距離xの比で定義されるシールポイント位置指標x/Lが0.2〜0.8である
ことを特徴とする鋼管用ねじ継手。
In order to solve the above-mentioned problems, the inventors have found a guideline for making the ratio of the cross-sectional area of the pin at the seal point sp and the cross-sectional area of the unprocessed portion appropriate, through various experimental studies.
That is, the present invention is as follows.
(1)
A pin having a male threaded portion with a load flank angle of −10 degrees to 0 degrees, a nose portion extending from the male threaded portion to the tube end side, and a shoulder portion provided at the tip of the nose portion;
A female screw part that is screw-coupled with the male screw part to form a screw part, a seal surface that faces the outer peripheral surface of the nose part of the pin, and a box that has a shoulder part that contacts the shoulder part of the pin, A screw joint for a steel pipe in which the pin and the box are coupled by screw coupling, and the outer peripheral surface of the pin and the seal surface of the box are in metal-metal contact, and the contact portion forms a seal portion,
The pin side nose part outer peripheral surface is a taper shape, the box side seal surface is an outwardly convex curved shape,
The cross-sectional area of the pin at the seal point, which is a portion on the outer peripheral surface of the nose portion on the pin side that first comes into contact with the seal surface on the box side during the screw connection, is the cross-sectional area of the raw pipe portion that is the unprocessed portion of the pin 35% or more,
The seal point position index x / L defined by the ratio of the distance x from the screw tip to the seal point to the length L of the nose from the screw tip to the nose tip is 0.2 to 0.8. A threaded joint for steel pipes, characterized by being.
本発明によれば、ピンノーズの剛性が向上し、大きな軸圧縮力を受けても圧縮及び曲げ変形によるピン外径縮小を生じにくくて、優れたシール性を確保できる鋼管用ねじ継手が実現する。 According to the present invention, the rigidity of the pin nose is improved, and even when a large axial compression force is applied, the pin outer diameter is hardly reduced due to compression and bending deformation, and a threaded joint for steel pipe that can ensure excellent sealing performance is realized.
本発明に係る鋼管用ねじ継手は、例えば図1、図2に示すように、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の先端に設けられたショルダ部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のノーズ部外周面に相対するシール面と、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とボックス1とが結合されてピン3のノーズ部外周面とボックス1のシール面とがメタル‐メタル接触しその接触部がシール部20をなす鋼管用ねじ継手であること(従来のラジアルシール型のプレミアムジョイント相当のねじ継手であること)を前提とした。
The threaded joint for steel pipes according to the present invention includes, as shown in FIGS. 1 and 2, for example, a
上記前提としたねじ継手では、図3(a)に定義を示すところの、ロードフランク角度β、スタビングフランク角度γ、ねじ部のギャップGが、ねじ部の形状パラメータとして使用される。
ロードフランク角度βは、ロードフランク面18がねじ継手軸との直交線に対してなす角度βであり、該直交線がロードフランク面の下端(ピン内径側の端)を通るとき、該直交線に対して前記ロードフランク面の上端(ピン外径側の端)が、ピン先端側に位置する場合は正、ピン後端側に位置する場合は負とされる。通常、β=−10度〜0度とされる。
In the threaded joint based on the above premise, the load flank angle β, stubbing flank angle γ, and thread gap G as defined in FIG. 3A are used as the thread shape parameters.
The load flank angle β is an angle β formed by the
スタビングフランク角度γは、スタビングフランク面19がねじ継手軸との直交線に対してなす角度γであり、該直交線がスタビングフランク面の下端(ピン内径側の端)を通るとき、該直交線に対して前記スタビングフランク面の上端(ピン外径側の端)が、ピン先端側に位置する場合は負、ピン後端側に位置する場合は正とされる。通常、γ=10度〜30度とされる。
The stubbing flank angle γ is an angle γ made by the
ねじ部のギャップGは、雄ねじのねじ山7aとこれに噛み合う雌ねじのねじ溝5aとの隙間Gである。通常、G=0.03〜0.15mmとされる。
本発明では、上記前提において、図2に示すとおり、ピン3側のノーズ部外周面がテーパ形状であり、ボックス1側のシール面が外側に凸の曲面形状である。該テーパ形状をなすテーパ面のテーパ角度θは、該テーパ面がねじ継手軸に対してなす角度θで定義される。又、シールポイントspは、ねじ結合の際にボックス1側のシール面と最初に接触するピン3側のノーズ部外周面上の部位のことである。
The gap G of the thread portion is a gap G between the
In the present invention, based on the above assumption, as shown in FIG. 2, the outer peripheral surface of the nose portion on the
シールポイントspのねじ継手軸方向の相対位置は、図3(b)に示すとおり、ねじ部先端(ノーズ部後端)からノーズ部先端にかけてのノーズ部8の長さ(ノーズ長さ)Lに対する、ねじ部先端(ノーズ部後端)からシールポイントspまでの距離xの比で定義されるシールポイント位置指標x/Lで表すものとする。
又、図2において、δはシール部20における干渉量であり、この干渉量δとは、ねじ結合の際にシールポイントspが、剛体とみなしたボックス1で縮径されたとしたときの該縮径量のことである。
The relative position of the seal joint sp in the axial direction of the threaded joint is relative to the length (nose length) L of the
In FIG. 2, δ is an interference amount in the
そして本発明では、図1に示すとおり、シールポイントspにおけるピン3の断面積S1を、ピン未加工部である素管部の断面積S0の35%以上、即ち、断面積比S1/S0*100≧35(%)としたことを特徴とする。
断面積比S1/S0*100≧35(%)としたことより、シール部20の耐圧縮性が向上し、大きな軸圧縮力を受けてもピン外径縮小を生じにくくなって、優れたシール性を確保できる。ラジアルシール型のねじ継手において、断面積S1が35%未満であると、所要レベルの接触面積圧(面圧を接触長に亘って積分した指標)を確保することが不可能となる。又、より十分な耐圧縮性を得るためには、断面積比S1/S0*100≧40(%)とすることが好ましい。
In the present invention, as shown in FIG. 1, the cross-sectional area S 1 of the
Since the cross-sectional area ratio S 1 / S 0 * 100 ≧ 35 (%), the compression resistance of the
尚、断面積比S1/S0*100の上限については、特に限定されないが、テーパねじ加工代およびシールテーパ加工代を考慮すると、肉厚/外径が7〜8%程度の厚肉材でも上限は70%程度となる。
本発明では、ピンのシールテーパ角度θが10度以下、より好ましくは5度以下であることが、ピンの半径方向の変形をより効果的に抑制できて好ましい。
The upper limit of the cross-sectional area ratio S 1 / S 0 * 100 is not particularly limited, but in consideration of the taper screw machining allowance and the seal taper allowance, a thick material having a wall thickness / outer diameter of about 7 to 8%. But the upper limit is about 70%.
In the present invention, it is preferable that the seal taper angle θ of the pin is 10 degrees or less, more preferably 5 degrees or less because deformation of the pin in the radial direction can be more effectively suppressed.
本発明では、シールポイント位置指標x/Lは0.2〜0.8とするのが好適である。即ち、シール部20をノーズ先端から離して耐外圧性能、耐引張性能の向上を図り、且つ、ねじに対して安定的な性能を持たせるという観点からは、0.8以下が好ましいが、一方、0.2未満であるとねじ結合時の締め付け(メークアップ;Make Up;略してMU)の際、シール部とねじ部との干渉が生じ易くなるため、0.2以上が好ましい。更に安全のためには0.3以上がより好ましい。
In the present invention, the seal point position index x / L is preferably 0.2 to 0.8. That is, from the viewpoint of separating the
又、ロードフランク角度β、スタビングフランク角度γ、ねじ部のギャップGは、特に限定されず、それぞれ前記通常の値を採用できる。 Further, the load flank angle β, the stubbing flank angle γ, and the gap G of the threaded portion are not particularly limited, and the usual values can be employed.
外径9+5/8インチ、肉厚0.545インチの鋼管端部を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について、有限要素解析(FEA)を実施してMU時の接触面積圧を同一とした設計で、サンプルを製作し、ISO13679のシリーズAテストを実施した。この実施に当たっては表1に実験条件を示す各水準で実験した。又、表1に示さなかった実験条件として、全ての水準に共通して、シールポイント位置指標x/L=0.7、ロードフランク角度β=−5度、スタビングフランク角度γ=25度、ねじ部のギャップG=0.06mm、最大引張率(降伏応力比)=95%とした。 A finite element analysis (FEA) is performed on a threaded joint consisting of a steel pipe end machined with an outer diameter of 9 + 5/8 inch and a wall thickness of 0.545 inch, and a box corresponding to this pin. Samples were produced with the same area pressure, and ISO 13679 series A tests were conducted. In carrying out this experiment, the experiment was conducted at various levels shown in Table 1. Further, as experimental conditions not shown in Table 1, the seal point position index x / L = 0.7, the load flank angle β = −5 degrees, the stubbing flank angle γ = 25 degrees, common to all levels, The thread gap G was 0.06 mm, and the maximum tensile rate (yield stress ratio) was 95%.
尚、所定の接触面積圧を得るために非常に大きな干渉量δが必要となる比較例2の条件においてはMake&Break(締め付け-締め戻し)テスト時にゴーリングが発生したため、干渉量δを本発明例2と同一レベルまで下げた比較例2Aの条件にて実験した。
表1に示されるとおり、本発明例は優れたシール性を有することが明らかである。
In the condition of Comparative Example 2 where a very large amount of interference δ is required to obtain a predetermined contact area pressure, goling occurred during the Make & Break test. The experiment was conducted under the conditions of Comparative Example 2A, which was lowered to the same level as in Example 1.
As shown in Table 1, it is clear that the examples of the present invention have excellent sealing properties.
1 ボックス
3 ピン
5 雌ねじ部
5a 雌ねじのねじ溝
7 雄ねじ部
7a 雄ねじのねじ山
8 ノーズ部(ピンノーズ)
11,13,20 シール部(詳しくはメタルタッチシール部)
12,14 ショルダ部(詳しくはトルクショルダ部)
18 ロードフランク面
19 スタビングフランク面
1 box
3 pin
5 Female thread
5a Female thread groove
7 Male thread
7a Male thread thread
8 Nose (pin nose)
11,13,20 Seal (Details are metal touch seal)
12,14 Shoulder (For details, Torque shoulder)
18 Road flank surface
19 Stubbing flank surface
Claims (1)
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、前記ピンのノーズ部外周面に相対するシール面と、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ボックスとが結合されてピンの前記ノーズ部外周面とボックスの前記シール面とがメタル‐メタル接触しその接触部がシール部をなす鋼管用ねじ継手であって、
ピン側のノーズ部外周面がテーパ形状であり、ボックス側のシール面が外側に凸の曲面形状であり、
前記ねじ結合の際にボックス側のシール面と最初に接触するピン側のノーズ部外周面上の部位であるシールポイントにおけるピンの断面積が、ピン未加工部である素管部の断面積の35%以上であり、
ねじ部先端からノーズ部先端にかけてのノーズ部の長さLに対する、ねじ部先端から前記シールポイントまでの距離xの比で定義されるシールポイント位置指標x/Lが0.2〜0.8である
ことを特徴とする鋼管用ねじ継手。 A pin having a male threaded portion with a load flank angle of −10 degrees to 0 degrees, a nose portion extending from the male threaded portion to the tube end side, and a shoulder portion provided at the tip of the nose portion;
A female screw part that is screw-coupled with the male screw part to form a screw part, a seal surface that faces the outer peripheral surface of the nose part of the pin, and a box that has a shoulder part that contacts the shoulder part of the pin, A screw joint for a steel pipe in which the pin and the box are coupled by screw coupling, and the outer peripheral surface of the pin and the seal surface of the box are in metal-metal contact, and the contact portion forms a seal portion,
The pin side nose part outer peripheral surface is a taper shape, the box side seal surface is an outwardly convex curved shape,
The cross-sectional area of the pin at the seal point, which is a portion on the outer peripheral surface of the nose portion on the pin side that first comes into contact with the seal surface on the box side during the screw connection, is the cross-sectional area of the raw pipe portion that is the unprocessed portion of the pin 35% or more,
The seal point position index x / L defined by the ratio of the distance x from the screw tip to the seal point to the length L of the nose from the screw tip to the nose tip is 0.2 to 0.8. A threaded joint for steel pipes, characterized by being.
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