JP5779990B2 - ねじ切削方法 - Google Patents

Description

本発明は、ねじ切削方法に関する。このねじ切削方法は、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を製作する際のねじ切り加工に好ましく用いうる。

前記ねじ継手は、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が増加していることから、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いる。

図２〜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、ピン部材3とこれに対応するボックス部材１とを備えており、ピン部材3（ピン3）は、その外面に雄ねじ7と、ピン3の先端側に雄ねじ7に隣接して設けられたノーズ部8（ピンノーズ8）と呼ばれるねじ無し部とを有する。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。相対するボックス部材1は、その内面に、それぞれピン3の雄ねじ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5、シール部13、および、ショルダ部14を有している。

なお、ねじ形状を記述する量として、図５に示すロードフランク角度β（雄ねじのねじ山後面すなわちロードフランク面18が継手軸への垂線に対してなす角度β）、スタブフランク角度γ（雄ねじのねじ山前面すなわちスタブフランク面19が継手軸への垂線に対してなす角度γ）、ねじ隙間Ｇ（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）が用いられる。なお角度β、γは、図示のように、面18,19のそれぞれにおいて頂部が底部からみてこれら両面間の中心側にくる場合を正、その逆側にくる場合を負とされる。

ねじ隙間Ｇの役割について、図６を用いて説明する。ねじ締付け時には、雄ねじのロードフランク面18が雌ねじの対応面で押されることでピン3先端がボックス1にメタル接触してシール部が形成される（図６(a)）。一方、シール部のシール効果を高めるために管軸方向の圧縮力を加えながら締付けを行う場合（図６(b)）も多々ある。この場合、雄ねじのスタブフランク面が雌ねじの対応面と押し合うことで、シール部及びショルダ部における接触面圧を軽減し、シール部及びショルダ部が過大に塑性変形するのを防止する。すなわち耐圧縮性能を向上させる。この効果を十分なものとするにはねじ隙間Ｇを小さくする必要があるが、小さくし過ぎると雄ねじのスタブフランク面19と雌ねじの対応面との間でゴーリング（焼付き、むしれ）が起り易くなる。すなわち耐ゴーリング性能が低下する。また、ねじ締付け後のねじ継手には管軸方向の引張力が加わる場合（図６(c)）も多々ある。この場合、雄ねじのロードフランク面が雌ねじの対応面と押し合うことでシール部の接触面圧低下によるシール性低下を防止する。すなわち耐引張性能を向上させる。この効果を十分なものとするにはねじ隙間Ｇを小さくする必要があるが、小さくし過ぎると雄ねじのロードフランク面と雌ねじの対応面との間でゴーリング（焼付き、むしれ）が起り易くなる。すなわち耐ゴーリング性能が低下する。

このように、ねじ隙間Ｇは、ねじ継手の耐圧縮乃至引張性能、耐ゴーリング性能への主要な影響因子であって、適正範囲に調整する必要があるため、例えば特許文献１では、ねじ隙間Ｇの好適範囲を０．０５〜０．２５ｍｍとしている。
上記ねじ継手の製作時には、ピン部材用とした管体の外周面とボックス部材用とした管体の内周面とに対してそれぞれねじ切削（ねじ切り）加工が施される。このねじ切削方法として、例えば特許文献１に記載されるように、通常、チェザーと呼ばれるねじ切削用刃物を管体の被切削面に押し当て、管体を回転させつつ管軸方向に前後進させる方法が採用される。 このとき１つのねじ切削工程が必要に応じて複数の切削深さ段階に分割され、その相異なる切削深さ段階に応じてチェザーを移動し、切削する。チェザーの送りピッチ（管体に対するチェザーの１周回あたりの管軸方向移動量）は、ねじの規格ピッチに応じた一定の標準に設定される。ねじ隙間Ｇはねじの規格形状の許容範囲内で刃幅を変更することで調整される。

ＷＯ００／０６９３７号公報

上述のとおり、従来のねじ切削加工では、チェザーの送りピッチは、ねじの規格ピッチに応じた一定の標準に設定され、ねじ隙間Ｇはねじの規格形状の許容範囲内で刃幅を変更することで調整される。そのため、必然的に刃形状の異なるチェザーの保有数が増えてねじ継手製造コストが嵩むという課題があった。

本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、その要旨は次のとおりである。
（１）鋼管用ねじ継手の素材とした雌ねじ用管体と雄ねじ用管体とにねじ溝形状に対応した形状の凸部１つのみの凸型の刃形態あるいはねじ山形状に対応した形状の凹部１つのみの凹型の刃形態のねじ切削用刃物であるチェザーを用いてねじ切削加工を施すにあたり、雌ねじ用管体に用いるチェザーと雄ねじ用管体に用いるチェザーとの刃形態を同一形態のものとし、ねじの規格ピッチの許容範囲内で、チェザーの送りピッチを、雄ねじ用管体と雌ねじ用管体との一対ごとに変更することにより前記鋼管用ねじ継手のねじ隙間を変更することを特徴とするねじ切削方法。

本発明によれば、雌ねじ用と雄ねじ用の各１個（計２個）のチェザーで１水準のねじ隙間にしか対応しえなかった従来に比し、これと同一個数のチェザーで複数水準のねじ隙間に対応できるので、チェザー保有数を削減でき、ねじ継手製造コストを低減できる。

本発明の実施形態を示す断面図 鋼管用ねじ継手の例を示す断面図 図２におけるピンノーズ付近を示す拡大断面図 図２におけるねじ部分を示す拡大断面図 ねじ隙間、ロードフランク角度、スタブフランク角度の定義を示す断面図 ねじ隙間の役割を説明するための断面図

図１は本発明の実施形態を示す断面図である。この実施形態では、ねじ溝20の形状に対応した形状の凸型の刃形態を有するチェザー2を用いて、雄ねじ用（ピン用）管体と雌ねじ用（ボックス用）管体との各々を対象とするねじ切削を行う例を示している。ねじ工程は切削深さ分だけチェザーの位置を移動してねじ切削が行われるが、図１には、２つの同じ雌ねじ用管体1Aの最終仕上げ段階において、同一刃形状（刃幅c）のチェザー2を用いて管体ごとにチェザーの送りピッチを変更して行う場合を示している。

図１(a)、(b)では、チェザー2の送りピッチ（＝ねじピッチ）を雌ねじ用管体1AごとにそれぞれP1,P2（P1<P2）としてねじ切削を行う。送りピッチP1,P2はねじの規格ピッチの許容範囲内にある。送りピッチP1、P2でねじ切削した後の雌ねじ用管体1Aのボックス（雌）ねじのねじ山21の幅（以下、単にねじ山幅と呼ぶ）をそれぞれa, bとすると、P1<P2, P1=a+c, P2=b+cより、a<bである。

雄ねじ用管体に対しても同様にねじ切削を行う。但し、図１(c),(d)に示すように、ピン3とボックス1とをねじ結合したときにピン（雄）ねじ山頂部とボックス（雌）ねじ溝底部との間にクリアランスを設けるために、雄ねじ用管体の最終仕上げ段階に用いるチェザーは、雌ねじ用管体1Aのそれと比べて、刃高さの小さいものとされる（図示省略）。もっとも、雌ねじ用の場合との刃形状の相違点はこの点のみなので、送りピッチP1, P2でそれぞれねじ切削してなるピン3のピン（雄）ねじ山幅は、それぞれ対応するボックス（雌）ねじ山幅a, bに等しくなる。よって、送りピッチP1, P2の場合のねじ隙間をそれぞれG1, G2とすると、図１(c),(d)に示すとおり、G1=c-a, G2=c-bであり、かつ、a<bであるから、G1>G2となる。

かくして、チェザーの送りピッチを変更（P1→P2）することで、ねじ継手のねじ隙間を変更（G1→G2）することが可能である。なお、この実施形態ではねじ隙間が２水準である場合を示したが、３水準以上であっても同様にしてねじ隙間を変更できる。
また、この実施形態では、ねじ溝部20の形状に対応した形状の凸型の刃形態を有するチェザーを用いているが、ねじ山部21の形状に対応した形状の凹型の刃形態を有するチェザーを用いるようにしてもよい。但し、雄ねじ用管体を切削するチェザーの刃形態と雌ねじ用管体を切削するチェザーの刃形態とは同一形態としないと、チェザーの送りピッチを雄ねじ用管体と雌ねじ用管体とで同様に変更したとしても、ねじ隙間を変更することはできなくなる。つまり、雄ねじ用管体の切削に凹型の刃形態のチェザーを用いる場合は、雌ねじ用管体の切削に用いるチェザーについても凹型の刃形態とする。

以下の形状のねじ切削へ適用すると良い。
ロードフランク角度が-10〜+3°、スタブフランク角度が+10〜+30°。
ねじ山底部の幅がねじ山頂部の幅よりも大きく、その比率が１．１倍以上。
ねじ山底部の幅がねじ山高さよりも大きく、その比率が１．２倍以上。
雄ねじと雌ねじのスタブ面の間隔Gが0.025〜0.150ｍｍ、特にスタブ面の間隔Gが0.100ｍｍ以下といった狭いねじの切削に適している。

油井管用ねじ継手の製作では、１つまたは切削深さに応じた複数のチェザーを用いてねじ切削が行われる。
前記油井管用ねじ継手のねじ隙間を３水準違えるにあたり、本発明に則りねじ隙間水準ごとにチェザーの送りピッチを変更してねじ切削を行った。このとき、準備するチェザーの総数は、雌雄で各１個、計２個であり、以下に示す比較例に比べチェザー準備工数が大幅に削減できてねじ継手製造コストが削減できた。
（比較例）
前記油井管用ねじ継手のねじ隙間を３水準違えるにあたり、従来通りねじ隙間水準ごとにチェザーの刃幅を変更してねじ切削を行った。このとき、雌雄で合計２個/水準×３水準＝６個の、相異なる刃形状のチェザーを準備する必要があった。

1 ボックス（ボックス部材）
1A 雌ねじ用管体（ボックス用管体）
2 チェザー（ねじ切削用刃物）
3 ピン（ピン部材）
5 雌ねじ（雌ねじ部）
5a 雌ねじのねじ溝
7 雄ねじ（雄ねじ部）
7a 雄ねじのねじ山
8 ノーズ部（ピンノーズ）
11、13 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 スタブフランク面
20 ねじ溝
21 ねじ山

Claims (1)

1. 鋼管用ねじ継手の素材とした雌ねじ用管体と雄ねじ用管体とにねじ溝形状に対応した形状の凸部１つのみの凸型の刃形態あるいはねじ山形状に対応した形状の凹部１つのみの凹型の刃形態のねじ切削用刃物であるチェザーを用いてねじ切削加工を施すにあたり、雌ねじ用管体に用いるチェザーと雄ねじ用管体に用いるチェザーとの刃形態を同一形態のものとし、ねじの規格ピッチの許容範囲内で、チェザーの送りピッチを、雄ねじ用管体と雌ねじ用管体との一対ごとに変更することにより前記鋼管用ねじ継手のねじ隙間を変更することを特徴とするねじ切削方法。
   

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