JP6090210B2 - 耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手 - Google Patents

Description

本発明は、耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手に関し、特に、ねじ継手の締付けに高延性物質成分を含まない潤滑剤を使用してもねじの焼付きが発生しにくい、耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手に関する。

天然ガス田や油田等の探査・生産に使用される油井管を接続する技術として、雌雄のテーパねじの先端に連なる非ねじ部にメタル-メタルシールを有するねじ継手（プレミアムジョイントと呼ばれる）が広く用いられている。前記ねじ継手には、(ａ)油井管の一端部に雄ねじを設けてピンとし、他端部に雌ねじを設けてボックスとし、該ボックスの雌ねじと前記ピンの雄ねじが螺合するインテグラル方式のものと、（ｂ）油井管の両端部に雄ねじを設けてピンとし、別の管の両端部に雌ねじを設けてボックスとし、該ボックスの一端側の雌ねじと一の油井管のピン部の雄ねじが螺合し、同ボックスの他端側の雌ねじと他の油井管のピンの雄ねじが螺合するカップリング方式のものとの２種類がある。

ピンおよびボックスのねじ設置部分を夫々ねじ部、ピンの最先端部からねじ部の１番目のねじ山にかけての非ねじの部分、及びボックスの最奥端部（ピンの最先端部を当接させる部分）からねじ部の１番目のねじ谷にかけての非ねじの部分を夫々ノーズ部、ピンの最先端部とボックスの最奥端部を夫々ショルダ部（詳しくは、トルクショルダ部）という。ねじ継手を締付けると、ピンとボックスのノーズ部同士が局所的に金属接触（メタル‐メタル接触）し、該接触した箇所がシールの役割を担う。

前記ねじ継手に設けるねじ山の管軸方向断面形状は、ＡＰＩ（米国石油協会）規格に規定されたロードフランク角３°、スタビングフランク角１０°の台形が一般的である。ロードフランク角とは、管軸直交線に対するねじ荷重面の傾斜角であり、ねじ荷重面の基端からみてその先端がねじ軸の先端側にある場合を正（＋）、その逆側にある場合を負（−）とする。スタビングフランク角とは、管軸直交線に対するねじ挿入面の傾斜角であり、ねじ挿入面の基端からみてその先端がねじ部の先端側にある場合を負、その逆側にある場合を正とする。

尚、上記ねじ形状では、油井管の軸方向に引張力がかかったとき、ねじ山が浮いてシールが不完全となる問題に対して、ロードフランク角を負にする解決策が知られている（特許文献１、２）。
又、ロードフランク角を負にすると、油井管の接続作業時に雄ねじと雌ねじの荷重面が強接触し、過度の応力集中によりねじの角部が損傷してシールが不完全となる問題に対しては、ねじの荷重面を雄ねじの高さ方向で上下に二分し、上側のロードフランク角を下側よりも小さくする解決策が知られている（特許文献３）。

一方、上述のねじ継手では、シール干渉量を適正に設計・製作することによりシール性が確保される。シール干渉量とは、ピンとボックスの相対する管軸方向の各位置（原点はピン側ではピン最先端を通る管軸直交線と管軸との交点であり、ボックス側ではボックス最奥端を通る管軸直交線と管軸線との交点である。）におけるノーズ部直径差（＝ピンノーズ部直径（外径）−ボックスノーズ部直径（内径））である。又、締付け状態を保持する為に適宜設定されるねじ干渉量とは、ピンとボックスの相対する管軸方向の各位置におけるねじ部直径差（＝ピンねじ谷部直径(外径)−ボックスねじ山部直径（内径））である。前記ねじ干渉量は、一般的に、正（＋）とされる。

一般的なねじ継手の締付け過程を図２に示す。締付けの進行に伴い、先ずねじ部３の干渉が開始し（図２（ａ））、次いで、シール干渉量が正であることがら、ノーズ部４の干渉が開始し（図２（ｂ））、この干渉によりシール部８が形成される。最後にショルダ部５の干渉が開始し、その後締付けが完了する（図２（ｃ））。なお、ねじ継手の締付けにあたっては、通常、ピン１とボックス２の相互接触面の摩擦を低減するために潤滑剤が使用される。

特開平６−２８１０５９号公報 特開平６−２８１０６１号公報 再公表特許ＷＯ００/０６９３７

前述のねじ継手では、ねじ干渉量が正(ピンねじ谷径＞ボックスねじ山径)となっており、ねじ干渉量が大きいほどねじの焼付き（ゴーリング）が発生しやすい。また、ピンとボックスのねじテーパ（ねじ加工される円錐面の管軸に対する勾配）は、同じ設計値とされるが、許容差内でのばらつきがあるため、ねじ干渉量は管軸方向位置により異なる。
また、最近ではねじ継手の耐引張特性を向上させるために、ねじ部長さを増加させたねじ継手が開発されており、このようなねじ継手では、ねじ干渉量の管軸方向位置による値差が拡大し、ねじの焼付きの可能性はより高くなる。元来ねじの焼付きが発生し易い合金鋼の場合、ねじの焼付きの可能性はさらに高くなる。

また、近年、環境問題のために、ねじ継手の締付けに使用する潤滑剤も、鉛や銅などの高延性物質成分を含むもの（従来剤）から、かかる高延性物質成分を含まないもの（代替剤）へと変更される情勢であるが、代替剤は未だ従来剤と比べ、ねじの焼付き防止性能が低いのが現状である。
そこで、本発明は、ねじ継手の締付けに鉛や銅などの高延性物質成分を含まない潤滑剤を使用してもねじの焼付きが発生しにくい、耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手を提供することを、本発明が解決しようとする課題とした。

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、その結果、ピンのねじ谷面とボックスのねじ山面との面接触域に潤滑剤を溜める溝を設けることにより、ねじ継手の締付けに鉛や銅などの高延性物質成分を含まない潤滑剤を使用してもねじの焼付きが発生しにくくなると云う知見を得、この知見に基づいて、以下の要旨構成になる本発明を成した。
［１］ 雌雄のテーパねじにてねじ結合される雄側のピンと雌側のボックスとからなり、これら双方が相対する部位に、ねじ部と、該ねじ部の先端側に順次連なるノーズ部および該ノーズ部端のショルダ部とを有し、前記ノーズ部はピンとボックスとを半径方向に金属接触させるシール部を有し、前記ねじ部はねじ干渉量が正である雄ねじ谷面と雌ねじ山面との面接触域を有する油井管用ねじ継手において、前記面接触域のピン側である雄ねじ谷面を溝加工対象面として、潤滑剤を溜める１条或いは複数条の溝を設けたことを特徴とする耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手。
［２］ 前記溝は、その全条の幅が、前記面接触域の幅に対する比率である溝幅率で１．０％超５０％以下であり、前記溝の溝深さが０．００５ｍｍ以上かつ前記溝の溝加工部位の下記溝加工後肉厚の下記溝加工前肉厚に対する比率である溝部残厚率が、溝の管軸方向位置を変域とする溝部残厚率値域における最小値で、６０％以上であることを特徴とする［１］に記載の耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手。
記
溝加工前肉厚＝雄ねじ谷面からピン内面までの管半径方向距離
溝加工後肉厚＝溝加工前肉厚−溝深さ
［３］ 前記潤滑剤がノンメタル系潤滑剤であることを特徴とする［１］または［２］に記載の耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手。

本発明によれば、前記要旨構成としたから、ねじ締付けに鉛や銅などの高延性物質成分を含まない潤滑剤を使用してもねじの焼付きが発生しにくい、耐焼付き性に優れた油井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管軸方向断面図である。 一般的なねじ継手の締付け過程を示す管軸方向断面図である。 本発明を従来と対比して示す管軸方向断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す実施形態では、雌雄のテーパねじにてねじ結合される雄側のピン１と雌側のボックス２とからなり、これら双方が相対する部位に、ねじ部３と、該ねじ部３の先端側に順次連なるノーズ部４および該ノーズ部４端のショルダ部５とを有し、前記ノーズ部４はピン１とボックス２とを半径方向に金属接触させるシール部８を有し、前記ねじ部３はねじ干渉量が正である雄ねじ谷面と雌ねじ山面との面接触域６を有する油井管用ねじ継手において、前記面接触域６のピン１側を溝加工対象面として、潤滑剤を溜める１条の溝７を設けた。

溝７の溝加工対象面は、図１（ｂ）の例では面接触域６のピン１側としたが、これに代えて面接触域６のボックス２側としてもよく（図１(ｄ)参照）、面接触域６のピン１側とボックス２側の双方としてもよい（図１（ｅ）参照）。ただし、図１（ｄ）および（ｅ）は参考例とする。溝７は面接触域６と同様、ねじのらせんに沿って延在する。
溝７の条数は、図１（ｂ）の例では１条としたが、２条以上（図示省略）としてもよい。

ねじ継手の締付け途中で面接触域６の接触面圧は漸増し、締付け完了時にこの接触面圧は最大となるが、従来では、図３（ａ）に示すように、面接触域６に潤滑剤を溜める箇所がないから、締付けの過程で面接触域６に潤滑剤を満遍なく供給するのが困難であり、ねじの焼付きが発生しやすい。これに対し、本発明では、面接触域６に潤滑剤を溜める溝７を設けたから、図３（ｂ）に示すように締付けの進行に伴う面接触域６の接触面圧の漸増につれ溝７が徐々に管半径方向に潰れていき、溝７に溜められた潤滑剤が徐々に押し出されて、面接触域６に満遍なく供給されやすくなり、ねじの焼付きが発生しにくくなる。

次に、溝７の全条の幅（１条のみの場合はその１条の幅であり、複数条の場合は複数条全部を合計した幅である）、及び溝７の深さについて説明する。ここで幅とは管軸方向寸法を意味し、深さとは管径方向寸法を意味する。溝７の全条の幅が、面接触域６の幅に対する比率である溝幅率で１．０％以下であると、潤滑剤を溜める溝７の容積が不十分であり、面接触域６に満遍なく潤滑剤を供給するのが難しくなる。一方、溝７の全条の幅が前記溝幅率で５０％超であると、面接触域６の接触面圧が高くなりすぎて却ってねじの焼付きが発生しやすくなる。よって、溝７の全条の幅は、前記溝幅率で１．０％超５０％以下とするのが好ましい。

溝７の溝深さが０．００５ｍｍ未満であると、ねじ継手の締付け時の溝７の潰れ代が不足し、溝７からの潤滑剤の押し出し量が不足し、面接触域６に満遍なく潤滑剤を供給するのが難しくなる。一方、溝７の溝加工部位の溝加工後肉厚の溝加工前肉厚に対する比率である溝部残厚率が６０％に満たない場合は、パイプのねじ継手連結部で破壊が生じる危険性が高い。よって、溝７の溝深さは０．００５ｍｍ以上とするのが好ましく、かつ溝７の溝部残厚率は６０％以上とすることが好ましい。

１３％Ｃｒ鋼相当鋼種の外径２９８．４５ｍｍ×肉厚１４．７８ｍｍの油井管用鋼管の管端部をテーパねじ切削加工してなるピンと、これとねじ結合するボックス（鋼種＝ピンのそれと同じ）とからなるカップリング方式で、図１(ａ)（ｂ）（ｃ）に例示した形態の油井管用ねじ継手のサンプルを製作した。ねじ継手設計製作条件は、溝７の溝加工条件を表１に示す水準のとおり種々変えた以外は、いずれのサンプルでも同一とした。

前記製作したサンプルを供試材として、ＩＳＯ１３６７９に準拠した締付け試験において通常の締付け完了時の所定トルクをかけての締付け及びその後の締戻しを行う締付け締戻し（Ｍａｋｅ ＆ Ｂｒｅａｋ）試験を１０回繰返し行う実験を行い、ねじの焼付きが発生するまでの繰返し回数（焼付き発生Ｍ＆Ｂ回数と云う）を調査した。この焼付き発生Ｍ＆Ｂ回数は、毎回締戻し後に焼付き発生の有無を目視で判定することで特定した。なお、この実験では各水準ともねじ部３に対し、潤滑剤として、環境負荷性能を考慮し、Ｃｕ及びＰｂを含有しないグリーンドープ（ノンメタル系）を使用した。

前記調査の結果を表１に示す。表１に示す通り、従来例（水準１）では焼付き発生Ｍ＆Ｂ回数が３回であるのに対し、本発明例（水準２〜１０）では焼付き発生Ｍ＆Ｂ回数が４回以上であり、本発明によるねじの焼付き防止効果の発現が認められた。また、本発明例のうち溝幅率、溝深さ、溝部残厚率とも好ましい値域（課題を解決するための手段の［２］参照）にあるもの（水準４〜８）では、焼付き発生Ｍ＆Ｂ回数が１０回超であり、他（水準２、３、９、１０）と比べて、ねじの焼付き防止効果がさらに向上することが認められた。

１ ピン
２ ボックス
３ ねじ部
４ ノーズ部
５ ショルダ部
６ 面接触域（雄ねじ谷面と雌ねじ山面との面接触域）
７ 溝
８ シール部

Claims (3)

1. 雌雄のテーパねじにてねじ結合される雄側のピンと雌側のボックスとからなり、これら双方が相対する部位に、ねじ部と、該ねじ部の先端側に順次連なるノーズ部および該ノーズ部端のショルダ部とを有し、前記ノーズ部はピンとボックスとを半径方向に金属接触させるシール部を有し、前記ねじ部はねじ干渉量が正である雄ねじ谷面と雌ねじ山面との面接触域を有する油井管用ねじ継手において、前記面接触域のピン側である雄ねじ谷面を溝加工対象面として、潤滑剤を溜める１条或いは複数条の溝を設けたことを特徴とする耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手。
2. 前記溝は、その全条の幅が、前記面接触域の幅に対する比率である溝幅率で１．０％超５０％以下であり、前記溝の溝深さが０．００５ｍｍ以上かつ前記溝の溝加工部位の下記溝加工後肉厚の下記溝加工前肉厚に対する比率である溝部残厚率が、溝の管軸方向位置を変域とする溝部残厚率値域における最小値で、６０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手。
   記
   溝加工前肉厚＝雄ねじ谷面からピン内面までの管半径方向距離
   溝加工後肉厚＝溝加工前肉厚−溝深さ
3. 前記潤滑剤がノンメタル系潤滑剤であることを特徴とする請求項１または２に記載の耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手。

Images