JP5814338B2 - パイプのジョイント - Google Patents

Description

本発明は、２つのパイプ部間の改良されたジョイントに関する。本パイプ部は特に、石油・ガス採掘産業における活用が期待されるものである。

石油・ガス採掘産業において使用される鋼管の製作に関しては、多くの研究及び技術革新が行われてきた。これは、筒状の管を形成する素材及び手段にではなく、２つの異なるパイプを連結し、圧縮力及び引張力の両方に耐え得る液密のジョイントを提供することに焦点を当てるものである。

通常、ジョイントは、それぞれの端部にあらかじめ相補的なねじが切られた２つのパイプをねじ留めすることにより形成され、その自由端に更にパイプを追加することにより、ストリングが形成される。関連する代替法として、ねじが切られたジョイントスリーブを使用して２つのパイプの端部を接続する方法があるが、その原理は同じである。

パイプ間のジョイントのシール特性を改善するために、かつ、通常の動作条件における繰り返しの取り扱いに耐え得るシールを提供するために、両パイプの端部におけるねじ切り部、及びねじ切り部のすぐ周囲から両パイプの端部への領域の形状及び表面が、協働してシールを実現するように特別に設計されている。具体的には、パイプの端部は、パイプの外側にねじが切られたねじ切り部（ピン又は雄部を形成）、又は、パイプの内面にねじが切られたねじ切り部（ボックス又は雌部を形成）を有する。ねじ切り部を有する面は、連結プロセスを促進するテーパを有していてもよい。

あるいは、多くの場合冷間成形により、シール形成領域のパイプの直径を、パイプの長手方向に沿って大部分を占める直径よりも大きくして、ジョイントを形成するようにしてもよい。

パイプには通常、パイプの端部とねじ切り部との間にねじ切りのない部分が残されており、このねじ切りのない部分はしばしば、ストップショルダーと称される。このストップショルダーは、パイプのジョイントのプライマリーシール領域を構成することが多いため、研究においては特にこのストップショルダーに重点が置かれてきた。ピンにおけるストップショルダーの形状は、通常、ボックス部において対応する凹部と係合するよう形成され、強固なシールが形成される。通常、ジョイントを形成するため、及びジョイントの使用時にシールを保つためにトルクが掛けられた状態において、パイプ内に生じる歪みを効率的に分散させるように、特定の形状が選択される。この形状に加えて、シールの液密特性を向上させるため、コーティングが施されてもよい。

しかし、多くの石油及びガスの埋蔵地から石油及びガスが枯渇しつつあり、石油価格の高騰が続く中、これまでは非経済的であると考えられてきた埋蔵地からの石油及びガスの採掘を行う必要性及びその機会が増えつつある。例えば、より深く、より近づきにくい場所からの採掘を行う必要がある。更に、可能であれば現存する採掘孔を起点として使い、より近づきにくい鉱床に到達したいという要望もある。

この結果、パイプのジョイントは、従来よりも高温、かつ圧縮力と引張力の両方において高圧に耐え得るものである必要がある。例えば、ストリングが垂直方向から水平方向に向かう場合、約９０°の湾曲部が必要となることが多い。このような湾曲部により、当該ジョイントに対して、圧縮力と引張力の両方が加わることは明白である。

従来技術のジョイントにおける問題点としては、ジョイントを組み立てる際にピンの端部を湾曲させることが挙げられる。これによりかじりが生じ得る。最初にジョイントを組み立てる時に発生しなくても、その後の組み立てにおいて発生する可能性がある。この問題点は、製造時の許容範囲を広げることで対処することができるものの、そのためには費用が嵩み、特に通常の動作条件では、この問題を完全に解決することはできない。

本発明の目的は、このような問題点に対処するよう努めることである。

本発明の第１の態様によると、パイプのジョイントが提供され、パイプのためのねじ切りされたジョイントであって、ジョイントは、雄ねじを切った部分を一端に有する第１のパイプ区間、すなわちピンと、相補的に雌ねじを切った部分を一端に有する第２のパイプ区間、すなわちボックスとを備え、これらの部分はねじ切り部の軸の長手方向に沿ってその内部において係合するよう構成され、ねじはパイプ区間の長手軸と同じ方向に傾斜すると共にそれに対して鋭角に傾斜し、雄ねじは他方部分の相補的なストップショルダーに隣接する雄ストップショルダーに向かって延び、相補的なストップショルダーは丸みを帯びた頂点を有し円錐形のレシーバの形状を呈する凹部を備え、ピンのストップショルダーは相補的なストップショルダーの対応するショルダーと摩擦係合するトルクショルダーを備える、パイプのためのねじ切りされたジョイントと、相補的なストップショルダーの対応する半径面に隣接する半径面と、対応するボックスの相補的なストップショルダーの湾曲したシール面に係合し、シールを形成するピンの湾曲したシール面であって、湾曲したシール面はそれぞれ異なる円の円周の弧上に位置するよう形成され、ボックスのシール面の湾曲がピンのシール面の湾曲よりも大きい、ピンの湾曲したシール面と、を備える。

上記の構成により、ジョイントに応力が加わった時に、湾曲面に沿ったシールの移動が可能となる。

好ましくは、ピン部のシール面が位置する円の中心は、ピンのトルクショルダーを延長した線と半径面を延長した線との交点から０．３０〜０．４０インチ（０．７６２〜１．０１６ｃｍ）離れた線上に位置する。

ピン部のシール面が描く円の半径は０．２５〜０．３５インチ（０．６３５〜０．８９０ｃｍ）であれば有利となる。

好ましくは、ピンのシール面が描く円の中心が位置する線と、円の中心と２つのシール面の最初の接触点とを結ぶ線との間の角度は７．０〜９．０°である。

好ましくは、ボックスのシール面が描く円の中心が位置する線と、円の中心と２つのシール面の最初の接触点とを結ぶ線との間の角度は１０．０〜１２．０°である。

ジョイントの一実施形態を示す以下の添付の図面を参照して、本発明の説明を行う。
パイプ部の長手軸の断面図であり、ボックスのシールのシール領域を示す。 パイプ部の長手軸の断面図であり、ピンのシールのシール領域を示す。 パイプ部内における図１のボックスのシールの位置を示す。 パイプ部内における図２のピンのシールの位置を示す。 ジョイント組み立て時に得られるトルクのグラフを表す。 シール面の半径部の位置を決めるために用いられる基準点及び基準線を示す。 シール面の半径部の位置を決めるために用いられる基準点及び基準線を示す。

鋼管のピン部とボックス部との間のジョイントのシール領域の設計に際して、特定のシールを実現するという目的に挑戦すると共にその実現のために、数多くの機能が活用及び変更されてきた。本発明は、ピン部及びボックス部の半径部としばしば称される部分の使用に関するものであり、この半径部はジョイントを組み立てる際に互いに係合し、ピン及びボックスが、互いに対してある程度移動することを可能にしながら、シールを保つものである。このシールは、ピン部及びボックス部の長手軸が完全に一致していない場合でも、その不一致が非常に大きいものでない限り保たれ得る。パイプを長手軸に沿って断面図として示した場合、添付の図面に示されるように、半径部は曲線として示される。

このような半径部は従来技術において既知であったが、驚くべきことに、２つの半径部−ピン部の半径部とボックス部の半径部−を使用することにより、それらが協働して、圧縮力及び引張力下、並びに高温下においても安定したシールが提供されることが判明した。よって、これにより形成されるシールは、非常に深い場所、ストリングが大きく湾曲しなければならないような場所、パイプの内側本体と外との間の圧力差が大きい場所、温度が２００℃より高くまで上昇し得る場所などの厳しい環境における使用に適している。

まず、２つの半径部がそれぞれ異なる湾曲を有することが好ましいことが判明した。次に、それぞれのカーブ面が、パイプ本体内に中心を有する円の弧の一部であると画定され得ることが判明した。また、面同士が接触している場合、長手方向において、これらの円の中心が互いに対してずれている状況で、また、接触点からずれている状況で、結果が改善することが判明した。この場合、ボックス部のカーブ面の円の中心は、ボックス部がその一部をなすパイプ本体の長手方向に位置する。同様に、ピン部のカーブ面の円の中心は、接触点に対して反対側の長手方向に位置する。

ここでまず本発明を、パイプのボックス部のストップショルダーの凹部及びピン部のストップショルダーをそれぞれ示す図１及び図２において図示する。

パイプのボックス部１０について最初に述べるが、これは、パイプ本体１２を形成する金属によって画定される凹部１１によって構成される。パイプ本体は、その特徴の理解を視覚的に助けるため、斜線によって示される。凹部１１は、ジョイントの組み立て時に対応するピンの表面と係合して使用されるトルクショルダー１３を有する。この係合については、シーリング係合として数多くの従来技術文献において規定されているが、これは本発明においては必要でも望ましいものでもない。図１から分かるように、トルクショルダー１３は、パイプの長手軸に垂直な面に対して１５°の角度を画定する。この角度は、メインシール性能を損なわない範囲で変更可能であることが、当業者によって認識されるであろう。トルクショルダー１３に接続する半径０．０２インチ（０．０５０８ｃｍ）のカーブ面１４は、更に、テーパ面１５に接続する。面１５は、三次元においては円錐形であるが、図１に示す断面図においては直線として示される。面１５は、パイプの長手軸に対して７．１２°（ｔａｎ^−１（１／８））の角度を有する。

点Ａにおいて、ボックス１０の断面形状は、点Ａと点Ｂとの間において曲線となる。ＡとＢとの間のカーブ面１６のこの部分に沿って、パイプ１０本体材の中に中心を有する円の円周の弧が描かれる。例示される円の半径は０．６ｃｍである。

点Ｂを超えると、パイプ１０の長手軸に垂直な面に対して６５°の角度を有する円錐形の面１７が更にカーブ面１６に接続され、パイプ１０のねじ切り部の最後の頂へと接続される。

ピン２０の構成の一部は、ボックス１０の凹部１１と相補的な態様を有する。ピン２０は、ピン２０の長手軸に垂直な面に対して１５°の角度を有するトルクショルダー２１を備える。トルクショルダー２１は、半径０．０４１５インチ（０．１０５４ｃｍ）のカーブ面２２を介して、ピン２０の長手軸に対して０°のテーパを有する円錐形の面２３に接続される。

点Ｃにおいて、ピン２０の断面形状は、点Ｃと点Ｄとの間において曲線となり、カーブ面２４は半径０．６ｃｍの円の円周の弧上に位置する。点Ｄを超えると、カーブ面２４に更に円錐形の面２５が接続され、ピン２０のねじ切り部２６の最後の頂へと接続される。図２に示すノッチ２７は、単に、ねじ切り部２６のベースである。

ピン２０は面取り面２８を有し、この面取り面２８は図に示すように直線の断面形状を有し、ピン２０の長手軸に対して１０°の角度を有する。前記面２８はまた、本発明の範囲から逸脱することなく、（ピンの内側本体から見て）窪んだ形状を有していてもよいということが、当業者には理解されるであろう。図１及び図２に示すピンとボックス部分との関係を、図３及び図４において、それぞれのパイプの残りの部分とともに省略して示す。

使用時、ジョイントを組み立てるにあたり、ピン及びボックスのねじ切りされた部分にトルクをかけて係合させることにより、ピン及びボックス部が接続される。２つの部分の間にシールが形成されるまで、トルクがかけられる。この状態は、通常、かけられるトルクの大きさを計測することにより認識され、典型的なグラフを図５に示す。トルクショルダー１３、２１が係合されシールが形成された時点で、それまで安定したペースで上昇していたトルクの値が、非連続的に上昇する。２つのカーブ面１６、２４の間にプライマリーシールが形成される。

圧縮力及び引張力下において完全性を保つことのできるシールを２つのカーブ面を使用することにより提供する利点について、ジョイントの湾曲も含め、ここで検討する。このような力が働くと、カーブ面はそれぞれに対して「ロール」して、シール箇所が移動してもその完全性は損なわれることがない。更に、ピンの端部は、力が加えられると内側に湾曲する傾向があることが認識されている。このプロセスが極端になると、鋭角に変形し、その後の組み立てにおいてボックス部にピンの端部が食い込んでかじりが発生する可能性がある。

本発明の更なる特徴として、ピン及びボックスの湾曲したシール面の位置及び態様が挙げられる。これを図６及び図７に示す。まず、図６におけるボックスのカーブ面１６について述べると、その円周に位置する円の中心の位置は、ボックス１０の金属本体内に位置する虚点Ｐを基準にして規定される。点Ｐは、トルクショルダー１３を延長した線と、平らな部分１５を延長した線の交点として求められる（図６において延長線を破線で示す）。この点が求められたら、ボックスの軸に対して垂直であり、交点Ｐからのねじ切り部に向けた最小距離が０．２インチ（０．５０８ｃｍ）である線Ｒ上に、円の中心を位置させる。図６においてこの線Ｒを点線で示す。この線上に円の中心を有する半径部の位置は、そこから描かれる円の円周によって決定されるが、Ｂにおいてカーブが面１７と滑らかに一致する、すなわち、この接触点において、面が円と接するようにする。ＰからのＲの最小距離の値は、０．１５インチ〜０．２５インチ（０．３８０〜０．６３５ｃｍ）であり得ることが判明した。例えば、４ １／２インチ（１ １．４３ｃｍ）のボックス部に対して、０．１９３インチ（０．４９０２ｃｍ）の距離が適しており、７インチ（１７．７８ｃｍ）のボックス部に対しては０．２００２インチ（０．５０８５ｃｍ）が適していることが判明した。

ピン２０のカーブ面２４に関して用いられる円の中心の位置も同様にして規定される。まず、トルクショルダー２１を延長した線と、平らな部分２３を延長した線の交点として虚点Ｑを求める。ボックスの軸に対して垂直であり、交点Ｑからのねじ切り部に向けた最小距離が０．３５インチ（０．８８９ｃｍ）である線Ｓ上に、円の中心を位置させる。ＱからのＳの最小距離の値は、０．３０インチ〜０．４０インチ（０．７６２０〜１．０１６ｃｍ）であり得ることが判明した。例えば、４ １／２インチ（１ １．４３ｃｍ）のピン部に対して、０．３３インチ（０．８３８２ｃｍ）の距離が適しており、７インチ（１７．７８ｃｍ）のピン部に対しては０．３２９８インチ（０．８３７７ｃｍ）が適していることが判明した。

良好なシールの完全性を確保するために、また、力が加えられてもシールが損なわれないようにするために、形成される円の半径部は注意深く選択する必要がある。更なる重要な特徴として、最初のシール接触点と円の中心とを結ぶ線と、パイプの長手軸に対して垂直であってその上に円の中心が位置する線との間の角度が挙げられる。

ピンのシール面の湾曲は、ボックスの対応する面の湾曲より小さいことが好ましい。ピンについては、適切な半径は０．２５インチ〜０．３５インチ（０．６３〜０．８９ｃｍ）の範囲になるように選択され、上記角度は７〜９°になるように選択される。ボックスに関しては、半径は０．０５〜０．０７インチ（０．１２〜０．１８ｃｍ）から選択され、角度は１０〜１２°から選択される。よって、ピンとボックスでは円の半径が互いに異なるように設定されることが理解されよう。

本発明は、本明細書において例示的にのみ示された詳細事項に限定されるものではなく、本発明の範囲から逸脱しない範囲で、様々な修正や変更が可能であることが当然のこととして理解されよう。

Claims (5)

1. パイプのジョイントであって、
   パイプのためのねじ切りされたジョイントであって、雄ねじを切った部分を一端に有する第１のパイプ区間、すなわちピン（２０）と、相補的に雌ねじを切った部分を一端に有する第２のパイプ区間、すなわちボックス（１０）とを備え、これらの部分はねじ切り部の軸の長手方向に沿ってその内部において係合するよう構成され、ねじはパイプ区間の長手軸と同じ方向に傾斜すると共にそれに対して鋭角に傾斜し、雄ねじは他方部分の相補的なストップショルダーに隣接する雄ストップショルダーに向かって延び、相補的なストップショルダーは丸みを帯びた頂点（１４）を有し円錐形のレシーバの形状を呈する凹部を備え、ピン（２０）のストップショルダーは相補的なストップショルダーの対応するショルダー（１３）と摩擦係合するトルクショルダー（２１）を備える、パイプのためのねじ切りされたジョイントと、
   相補的なストップショルダーの対応する半径面（１５）に隣接する半径面（２３）と、
   対応するボックス（１０）の相補的なストップショルダーの湾曲したシール面（１６）に係合し、シールを形成するピン（２０）の湾曲したシール面（２４）であって、湾曲したシール面（１６、２４）はそれぞれ異なる円の円周の弧上に位置するよう形成され、ボックスのシール面（１６）の湾曲がピン（２０）のシール面（２４）の湾曲よりも大きい、ピン（２０）の湾曲したシール面（２４）と、
   を備える、パイプのジョイント。
2. 請求項１に記載のパイプのジョイントであって、ピンのシール面（２４）が位置する円の中心は、ピンのトルクショルダーを延長した線と半径面を延長した線との交点から０．３０〜０．４０インチ（０．７６２〜１．０１６ｃｍ）離れた線上に位置する。
3. 請求項１又は２に記載のパイプのジョイントであって、ピン部のシール面が描く円の半径は０．２５〜０．３５インチ（０．６３５〜０．８９０ｃｍ）である。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のパイプのジョイントであって、ピンのシール面が描く円の中心が位置する線と、円の中心と２つのシール面の最初の接触点とを結ぶ線との間の角度は７．０〜９．０°である。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のパイプのジョイントであって、ボックスのシール面が描く円の中心が位置する線と、円の中心と２つのシール面の最初の接触点とを結ぶ線との間の角度は１０．０〜１２．０°である。

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