JP5949953B2 - 鋼管用ねじ継手 - Google Patents

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。

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。

図３は、油井管用プレミアムジョイントの説明図としての、円管のねじ継手の縦断面模式図であり、(a)は全体図、(b)は(a)におけるねじ部を示す拡大図、(c)は(a)におけるピンノーズ付近を示す拡大図である。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。

一方、特に外圧負荷に強いねじ継手の提案として、例えば特許文献１には、ピン先端側のノーズ部がボックス内面と半径方向にメタル-メタル接触して該接触部がシール部になるラジアルシール型のねじ継手において、シール部とショルダ部の間に、シール部との不連続性（ノーズ部の外面がシール面の延長線より半径方向外側となるという不連続性）を有するピンノーズ部分を設け、この部分をボックスと接触させないものとする方法が開示されている。この方法では、シール部をピン先端から離れた箇所に設けることにより、ピンが比較的薄肉の場合でも高い気密性が得られる。

特許第４５３５０６４号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、ピンノーズ部にシール部との不連続性を付与するため、形状が複雑となり、加工能率を犠牲にするという課題があった。

発明者らは、上記課題を解決するために、ＦＥＡ（有限要素解析）によるシミュレーション計算と実験とにより検討を重ね、その結果、特定の数式で定義されるシールポイントを特定の範囲に制限することで、単純なピンノーズ形状でありながら外圧環境においても高い気密性を有するねじ継手が得られるという知見を得て本発明をなした。
すなわち本発明は次のとおりである。
(1) 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、ピンのノーズ部外周面が単一のテーパ形状であり、ボックスのシール面が外側に凸の曲面形状であり、下記式で定義されるシールポイントｘ_ｐが０．２インチ以上であることを特徴とする鋼管用ねじ継手。

本発明によれば、単純なピンノーズ形状でありながら外圧環境においても高い気密性を有する鋼管用ねじ継手が得られる。

図１は本発明の実施形態の１例を示す縦断面模式図である。 図２は本発明の実施形態の１例を示す縦断面模式図である。 図３は従来の鋼管用ねじ継手を示す縦断面模式図である。

本発明に係る鋼管用ねじ継手は、図１乃至図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21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21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。

本発明では、上記前提において、図１に示すように、ピン3のノーズ部外周面（ピンノーズ外周面31）が単一のテーパ形状であり、ボックス1のシール面21が外側に凸の曲面形状であるものを対象として、前記数１に示した式（図１中にも記載）で定義されるシールポイントｘ_ｐを０．２インチ（＝0.2インチ×25.4mm/インチ=5.08mm）以上とすることとした。尚、図１にはｘに対するｐの模式的分布図も併示した。

x_pを０．２インチ以上とすることにより、外圧環境下での著しいピン外径縮小を免れ、高い気密性を確保できる。シール部20の対ねじ部側の境界からねじ部先端にかけて存在する隙間であるピンノーズ基部隙間41は、螺合したねじ部に存在する隙間であるねじ隙間を介して外界と連通しているので、外圧環境下ではピンノーズ基部隙間41内に外圧が作用し、この外圧によってピンノーズ外周面31は押し力を受けるが、x_pが０．２インチに満たないと、前記押し力にピン3が抗しきれなくなってピン外径が著しく縮径し、ピンノーズ外周面31とシール面21との接触不良状態をきたして気密性を確保できなくなる。

尤も、ｘ_ｐを１．０インチ程度超まで大きくしても、気密性の更なる向上につながるわけではなく、むしろシール部を含むノーズ部の長さが徒に長くなって加工生産性を落とすことになるだけなので、ｘ_ｐは１．０インチ程度以下とするのが好ましい。
シールポイントｘ_ｐの計算において、積分範囲の下限、上限であるx₁,x₂は、ピン3とボックス1の同寸縦断面図をそれらの管軸同士及びショルダ面同士が互いに一致するように重ね合わせたときの、ピンノーズ外周面31とシール面21との二交点（これら二交点はそれぞれ、シール部20のピン先端側の端点とねじ側の端点とに対応する）の各ｘ座標と同定される。ここでｘ軸は管軸方向に平行であり、ピンノーズ先端を原点とする。つまり、ｘはピンノーズ先端からの管軸方向の距離である。又、接触面圧ｐは、ISO13679のシリーズＡテストにおけるＬＰ２を模擬したＦＥＡ計算から、ｘの関数として求められる。ここで、同ＦＥＡ計算では、要素サイズは0.001〜0.01インチとされ、ボックスおよびピンは弾塑性体であると仮定される。

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、ピンテーパ形状及び/又はボックスシール面の外側に凸の曲面形状を種々変更したサンプルを製作した。該サンプルについて、ISO13679のシリーズＡテストにおけるＬＰ２を模擬したＦＥＡ計算により求めた接触圧力ｐを用い、数１に示した式にてシールポイントｘ_ｐを算出した。又、同サンプルについて同Ａテストを実施した。その結果を表１に示す。

表１に示されるとおり、本発明例は比較例よりも優れたシール性を有することが明らかである。

1 ボックス
3 ピン
5 雌ねじ部
7 雄ねじ部
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）
21 シール面
31 ピンノーズ外周面（ピンのノーズ部外周面）
41 ピンノーズ基部隙間

Claims (1)

1. 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の接続に用いる鋼管用ねじ継手であって、
   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、ピンのノーズ部外周面が単一のテーパ形状であり、ボックスのシール面が外側に凸の曲面形状であり、下記式で定義されるシールポイントｘ_ｐが０．２インチ以上であることを特徴とする鋼管用ねじ継手。