JP6051811B2 - 管用ねじ継手 - Google Patents

Description

本発明は、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、耐圧縮性、耐ゴーリング性に優れた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を有する。

図５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（詳しくは、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。

図５の従来例では、シール部１１がピン３の先端部にあり、適正な締付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。
前記ラジアルシール型のプレミアムジョイントでは、通常、シール形状は、テーパ同士の接触で形成するシール形状である（従来技術Ａと云う）か、あるいは、テーパと、部材軸方向断面視で部材境界面内に在って部材内に弦を持つ円弧である凸円弧の部材軸周りの回転軌跡が成す曲面である凸曲面との接触で形成するシール形状である（従来技術Ｂと云う）かの何れかである。

従来技術Ｂには、例えば、今日の最大範囲の通常の作業条件に対して優秀なシール特性を有する長い管路の作成を許し、かつ数回の組立及び分解の後でも最適性能を保証し、又、運転負荷に対して高度の抵抗を有する継手とする目的で、シール部の継手軸方向断面形状を、ピン側は凸円弧、ボックス側は直線とし、ピン側シール部の凸円弧の半径（曲率半径）を管外径により異なる数値に限定すること（特許文献１参照）などが知られている。

特許第４３００１８７号公報

然し、本発明者らの検討によると、前記従来技術Ａ（テーパ同士の接触で形成するシール形状）や従来技術Ｂ（テーパと凸曲面との接触で形成するシール形状）では、以下に述べる難点があって、シール性、特に圧縮負荷時のシール性を十分向上させる事が困難であると云う課題があることが分った。
従来技術Ａでは、テーパ同士でテーパ角（継手軸に対するテーパの鋭角側の傾斜角度）にミスマッチがあった場合に片当たりが発生する。又、従来技術Ａでは、テーパ同士の接触域両端に極端に高い接触面圧が発生する為ゴーリングが起り易くなる。

従来技術Ｂでは、管軸方向（＝継手軸方向）の圧縮時にテーパと凸曲面との接触域がピン先端側へ拡がる為にピン先端側が縮径方向の塑性変形応力を受け、シール性が低下する問題がある。
尚、本明細書において、シール干渉量とは、ねじ継手のピン側になるピン部材とボックス側になるボックス部材との両部材の部材軸方向断面図同士を、軸同士及びショルダ面同士が一致する様に、重ね合わせてなる継手組立図において、前記重ね合わせにより形成された両部材の干渉部の、部材軸（＝継手軸）方向位置における部材直径寸法の差（ピンの外径とボックスの内径との差＝直径あたりの重なり寸法）を意味する。前記干渉部は、両部材をねじ結合してなるねじ継手のシール部に対応する。又、前記シール干渉量が最大となる部材軸方向位置をシールポイントと称する。

本発明者らは前記課題を解決する手段について鋭意検討した結果、ボックスをなす部材側のシール部にする部材内周面部分を、遠ショルダ部側に位置するテーパに近ショルダ部側に位置する下記に定義される凸曲面が接続されてなる複合曲面とし、ピンをなす部材側のシール部にする部材外周面部分を、下記に定義される凸曲面とする事が効果的であるとの知見を得た。
記
凸曲面とは、部材軸方向断面視で部材境界面内に在って部材内に弦を持つ円弧である凸円弧の部材軸周りの回転軌跡がなす曲面を指す。

本発明は前記知見に基づいて成されたものであり、その要旨構成は以下の通りである。
（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管用ねじ継手であって、
前記ピンをなす部材側のシール部にする部材外周面部分が、下記に定義される凸曲面であり、
前記ボックスをなす部材側のシール部にする部材内周面部分が、遠ショルダ部側に位置するテーパに近ショルダ部側に位置する下記に定義される凸曲面が接続されてなる複合曲面であり、
前記テーパ内に、シール干渉量が最大となる部材軸方向位置であるシールポイントが配位され、
前記複合曲面内の凸円弧の曲率半径Ｒｂが前記ピンの凸曲面内の凸円弧の曲率半径Ｒｐ超であることを特徴とする管用ねじ継手。

記
凸曲面とは、部材軸方向断面視で部材境界面内に在って部材内に弦を持つ円弧である凸円弧の部材軸周りの回転軌跡がなす曲面を指す。
なお、以下では、「水準３」に係る「本発明例」は、「参考例」と読み替えるものとする。

本発明によれば、上記構成を採用した事で、圧縮負荷時のピン先端部の塑性変形が従来よりも抑制できてシール性に優れる管用ねじ継手が得られる。

本発明の実施形態の一例を示す継手軸方向断面図である。 ＩＳＯ１３６７９：２００２のシール性評価試験におけるシリーズＡテストの引張／圧縮および内圧／外圧による複合負荷を示す模式図である。 Ｍａｋｅ-ｕｐ時（ａ）、引張負荷時（ｂ）及び圧縮負荷時（ｃ）のＦＥＡ（有限要素解析）による接触面圧の接触長方向分布を示す線図である。 ＦＥＡによる複合荷重負荷時のロードステップ２、１２、１３に対する接触面積圧を本発明例（水準３）と比較例（水準７）とで比較した棒グラフである。 シール部がピン先端部にある従来例を示す継手軸方向断面図である。

図１は、本発明の実施形態の一例を示す軸方向断面図である。この図はピン３とボックス１の軸方向断面図同士を、軸同士及びショルダ面２２，２４同士が一致する様に、重ね合わせてなる継手組立状態を示している。尚、ねじ結合時には同心軸化して継手軸になる、ピン軸（管軸との同心軸である）、ボックス軸の何れかである部材軸、略して軸は、図示を省略した。この図において、前記重ね合わせにより形成されたピン３外径側とボックス１内径側との干渉部２０は、ピン３とボックス１とのねじ結合時にシール部となる。

干渉部２０において、ピン３側の外周面は凸曲面１０（曲率半径Ｒｐの凸円弧９のピン軸周回転軌跡）であり、一方、ボックス１側の内周面は、遠ショルダ部側（ショルダ部１４から遠い側）に位置するテーパ１５に近ショルダ部側（ショルダ部１４に近い側）に位置する凸曲面１８（曲率半径Ｒｂの凸円弧１７のボックス軸周回転軌跡）を接続してなる複合曲面１９である。テーパ１５のテーパ角αは、テーパ１５が継手軸となす鋭角側の角度である。テーパ角αの範囲は従来と同様、３〜１０度の範囲が好ましい。

シールポイントＳＰは、テーパ角αのテーパ１５内に配位されている。
前記曲率半径Ｒｂ、Ｒｐは、Ｒｂ≧Ｒｐを満たしている。
ボックス１側の凸曲面１８は、テーパ１５をショルダ部１４側へ展延した態様の余テーパ（図示省略）をボックス１の部材内側へ削り込んで形成された。斯かる削り込みにより、ピンノーズ８へのボックス１の接触領域を、前記削り込みをする前のシール形状（テーパと凸曲面との接触で形成するシール形状；従来技術Ｂ）の場合よりも縮小でき、以て、圧縮負荷時にピン３先端側に発生する縮径方向の接触面圧を有効に低減する事ができる。

シールポイントＳＰは、テーパ１５内に配位する必要がある。と云うのは、シールポイントＳＰがボックス１側の凸曲面１８内に配位されると、該凸曲面１８とピン３側の凸曲面１０との接触により過大な接触面圧が発生し、ゴーリング発生に至る懸念があるからである。
ボックス１側においてシールポイントＳＰがテーパ１５内に配位されたとしても、凸円弧１７の曲率半径Ｒｂが過小であると、圧縮負荷時に過大な接触面圧が発生する為、Ｒｂはピン側の凸円弧９の曲率半径Ｒｐ以上とする必要がある。但し、Ｒｂを大きくとり過ぎると、前記過大な接触面圧の発生を抑制する効果が十分発現し難くなるので、ＲｂはＲｐの５倍以下とするのが好ましい。

ボックス１側の複合曲面１９は、局所的な接触面圧の過大化を避ける観点から、滑らかな曲面（曲面内の点の微小変位に対する接線の傾きの変化が連続的である曲面）である事が好ましい。

外径９-５/８”×肉厚０．５４５”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管用ねじ継手について、有限要素解析（ＦＥＡ）を実施してＭＵ（Ｍａｋｅ-Ｕｐ；締付）時の接触面積圧（接触面圧を管軸方向の接触長に渡って積分した指標）を同一とした設計で、表１にシール形状及び評価パラメータを示すサンプルを製作し、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。尚、実験では、ＭＵ完了時の接触面積圧が６０００ｐｓｉ-ｉｎｃｈとなる様にシール干渉量とＭＵトルクを調整した。

実験結果を表１に示す。この表より、比較例と比べて、本発明例では、より優れた耐圧縮性が発現した事が分る。

図２は、ＩＳＯ１３６７９：２００２のシール性評価試験におけるシリーズＡテストの引張／圧縮および内圧／外圧による複合負荷を示す模式図である。耐内圧シールにて問題となるのが最大引張力および内圧が作用するＬｏａｄ Ｐｏｉｎｔ ２である。一方で耐外圧シールにて問題となるのが最大外圧のみが作用するＬｏａｄ Ｐｏｉｎｔ １２および高い外圧に加えて引張力も作用するＬｏａｄ Ｐｏｉｎｔ １３である。これらのＬｏａｄ Ｐｏｉｎｔ（以下、ＬＰとも云う）において十分な接触面積圧を有することがシール性確保に必要となる。

図３は、Ｍａｋｅ-ｕｐ時（ａ）、引張負荷時（ｂ）および圧縮負荷時（ｃ）のＦＥＡ（有限要素解析）による接触面圧の接触長方向分布を示す線図である。図中の曲線は表１の水準３（本発明例）および水準７（比較例）に対する結果である。なお、接触長および接触面圧は水準７（比較例）のＭａｋｅ-ｕｐ時の分布に基づき無次元化して表示している。この図より、本発明例ではＭａｋｅ-ｕｐ時の分布は接触長が短く最大面圧が高いことがわかる。引張負荷時の分布は同様の形態となっているが、圧縮時には比較例ではピン先端側に接触長が拡がることがわかる。ピン先端側に接触面圧が発生すると縮径方向の塑性変形が発生してシール性が低下する。

図４は、表１の水準３（本発明例）および水準７（比較例）について、ＦＥＡにより求めた複合荷重負荷時のロードステップ２、１２、１３における接触面積圧を、水準７（比較例）の各ロードステップの値に基づき無次元化した棒グラフである。このグラフより、本発明例では比較例に比べ、接触面積圧が向上してシール性が向上することがわかる。

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）
９ 凸円弧（ピン側）
１０ 凸曲面（ピン側）
１１，１３ シール部（メタルタッチシール部）
１２，１４ ショルダ部（トルクショルダ部；１２はピン側、１４はボックス側）
１５ テーパ（ボックス側）
１７ 凸円弧（ボックス側）
１８ 凸曲面（ボックス側）
１９ 複合曲面（ボックス側）
２０ 干渉部
２２，２４ ショルダ面（２２はピン側、２４はボックス側）
ＳＰ シールポイント

Claims (1)

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管用ねじ継手であって、
   前記ピンをなす部材側のシール部にする部材外周面部分が、下記に定義される凸曲面であり、
   前記ボックスをなす部材側のシール部にする部材内周面部分が、遠ショルダ部側に位置するテーパに近ショルダ部側に位置する下記に定義される凸曲面が接続されてなる複合曲面であり、
   前記テーパ内に、シール干渉量が最大となる部材軸方向位置であるシールポイントが配位され、
   前記複合曲面内の凸円弧の曲率半径Ｒｂが前記ピンの凸曲面内の凸円弧の曲率半径Ｒｐ超であることを特徴とする管用ねじ継手。
   記
   凸曲面とは、部材軸方向断面視で部材境界面内に在って部材内に弦を持つ円弧である凸円弧の部材軸周りの回転軌跡がなす曲面を指す。
   

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