JP6689888B2 - オイルパイプおよびガスパイプなどのパイプ用のねじ接続部 - Google Patents

Description

本発明は、石油産業および天然ガス産業で使用されるようなパイプ用のねじパイプおよび継手に関する。例えば、パイプは、継手の一端のボックスに嵌合するピンを有する端部を有することができ、パイプと継手はねじ切り部によって接続される。継手は、別のピンを有する別のパイプ用の第２のボックスを有することができるので、パイプと他のパイプは継手を介して接続される。

米国特許第４６２３１７３号明細書は、オイルパイプ用のねじ接続部結合部を記載している。主シール部には、雄ねじの一端に軸方向が凸状のシール部と、雌ねじの内側がテーパ状のシール部とが設けられ、雄ねじの末端は、雌ねじの内側に形成されたストッパの端部に突き当たる。

米国特許第７３３４８２１号明細書は、雄ねじ要素と雌ねじ要素とのねじ式管状接続部を記載している。雄ねじ要素は、雄ねじ切り部と自由端とを有し、ねじ切り部と自由端との間にねじ無しリップ部を有する。雌ねじ要素は、内部テーパ雌ねじ切り部と、雌ねじ切り部とラグとの間のねじ無し部分とを有する。雌ねじ要素は、環状の軸方向当接面を備える。雌ねじ切り部内に雄ねじ切り部を完全に組み立てた後、自由端は環状の軸方向当接面に突き当たり、他の支承面は、半径方向に干渉し、金属−金属接触圧を受けて金属−金属シール面を構成する。

‘８２１特許では、別の軸方向当接面が雄ねじ要素の自由端の前面に形成され、単一のリップシール面がねじ切り部の端部から所定の軸方向距離にあるリップ上に配置される。リップは、遠位軸方向当接面と単一のリップシール面との間に、リップシール面とは別個の、雌ねじ部材に面する周囲面を有する突出部を備える。

米国特許第４６２３１７３号明細書 米国特許第７３３４８２１号明細書

パイプのようなピンを有するねじ管と継手のようなボックスを有するねじ管との接続部を組み立てる際に、以下のシーケンスが発生する。（１）パイプ上のピンが、ねじ山の頂部が接触するまで継手に刺し込まれる。（２）次に、ピンシール面がボックスシール面に最初に接触するまでピンがボックス内にねじ込まれて、「手締め」と呼ばれる位置が定まる。（３）ピンの端部（いわゆるトルクショルダ）がボックスの対応するトルクショルダにちょうど接触するまでピンがボックスにさらにねじ込まれて、「ショルダ締め」と呼ばれる位置が定まり、手締め位置からショルダ締め位置までさらに回転されることにより、ピンシールとボックスシールとの間に締り嵌めが生じる。（４）追加のトルクが生じるようにピンがさらに締め付けられて、「力嵌め」と呼ばれる最終組み立て位置が定まる。

接続部が手締め位置にある時のピントルクショルダとボックストルクショルダとの間の距離は「スタンドオフ」と呼ばれ、ショルダ締め位置に達するとスタンドオフは解消される。大きなスタンドオフは問題になる可能性があり、スタンドオフが解消されると、シール面が接触する。大きなスタンドオフによって生じる多くの回転は、シール面のかじりを引き起こし、シール部を傷つけてしまう可能性がある。

また、ピンの端部からさらに離れたシール部におけるピンとボックスとの最大接触応力の距離は、シーリングを改善するために望ましいこともある。

本発明の目的は、スタンドオフの量を制限しながら、ピンの端部から十分に離れた最大接触応力点を有するシール部を提供することである。代替または追加の目的は、製造が容易な接続部を提供することである。

本発明は、ピンねじ山と、周方向凹状外側ピン面と、自由端のピントルクショルダとを有するピンを有する第１の管を備えたねじ接続部を提供する。凹状外側ピン面は、ピンシール面と、ピンシール面からピントルクショルダまで延びる連続延長部とを含む。第２の管は、ボックスねじ山と、周方向内側ボックス面と、ボックストルクショルダとを有するボックスを有し、内側ボックス面は、半径方向内側に延びるボックスシール面を有する。ピンシール面は、ボックスシール面と接触してシール部を画定し、シール部は、ピントルクショルダとボックストルクショルダとが接触した時に自由端から離間され、連続延長部は、シール部からピントルクショルダまで連続的に延びる。

このように、連続凹状外側ピン面は、有利には、内側ボックス面が相互作用してシール部を形成することができる単一の表面を形成し、小さなスタンドオフだけ端部から離間した最大接触応力を有するシール部を形成することができる。優れたシール部を提供すると同時に、かじりを低減することができる。また、先行技術の異なる表面で必要とされる精度を回避することができ、製造および組み立ての両方を単純化することができる。

ねじ接続部の以下のさらなる特徴は、単独で、または他のさらなる特徴と組み合わせて、利点を有することができる。

ピンシール面は、自由端に向かって半径方向内側に延び、一方、延長部は、自由端において半径方向外側に湾曲している。

ピントルクショルダおよび／またはボックストルクショルダは、断面がＶ字形である。

ピンねじ山は、二条ねじである。

第１の管は、パイプであり、第２の管は、第２の端部にボックスと同様の第２のボックスを有する継手である。

力嵌め組み立て時の最大接触応力点におけるボックスシール面半径およびピンシール面半径に接する線は、第１の管および第２の管の長手方向軸に対して５°〜１５°の角度をなし、最も好ましくは、１０°をなす。

（ピン表面の）ピンの端部からシール部最大応力接触点までの距離は、好ましくは、０．５インチ〜１．５インチ、最も好ましくは、１インチである。

本発明はさらに、ピンねじ山、周方向凹状外側ピン面、および自由端のピントルクショルダを有するピンを有する第１の管であって、凹状外側ピン面はピンシール面とピンシール面からピントルクショルダまで延びる連続延長部とを含む第１の管と、ボックスねじ山、周方向内側ボックス面、およびボックストルクショルダを有するボックスを有する第２の管であって、内側ボックス面は半径方向内側に延びるボックスシール面を有する第２の管と、を有するねじ接続部の組み立て方法を提供する。この方法は、ピンねじ山とボックスねじ山とが接触するまで第１の管を第２の管の中に刺し込むステップと、外側ピン面が内側ボックス面に接触し、ピントルクショルダがボックストルクショルダからスタンドオフ距離だけ離間するまで、ピンねじ山とボックスねじ山を介して第１の管を第２の管にねじ込むステップと、ピントルクショルダがボックストルクショルダとショルダ締め位置でちょうど接触するまで、第１の管を第２の管にさらにねじ込み、ピンシール面がボックスシール面と接触してシール部を画定し、シール部はショルダ締め位置の自由端から離間されるステップと、ショルダ締め位置の後に第１の管を第２の管にさらにねじ込んで、最終組み立て位置を定めるステップと、を含む。

この方法の以下のさらなる特徴は、単独で、または他のさらなる特徴と組み合わせて、利点を有することができる。

さらなるねじ込みステップの間の回転数は０．５未満である。

スタンドオフ距離は、０．０２インチ〜０．２５インチである。

ピンシール面は、自由端に向かって半径方向内側に延び、一方、延長部は、自由端において半径方向外側に湾曲する。

ピントルクショルダおよび／またはボックストルクショルダの断面は、Ｖ字形である。

ピンねじ山は、二条ねじである。

第１の管は、パイプであり、第２の管は、第２の端部にボックスと同様の第２のボックスを有する継手である。

図面は、本発明の例示的な実施形態を示す。

オイルパイプのピンが継手のボックスに刺し込まれた状態の本発明の一実施形態を示した図である。 組み立ての第２の段階の手締め位置のオイルパイプ１０および継手１００との接続部を示した図である。 組み立ての第３の段階のショルダ締めを示した図である。 接続部の組み立ての間に、接続部に加えられるトルクの変化の様子を示したグラフである。 図３のシール領域の拡大図である。 ピンおよびボックスシール半径の範囲を概略的に示した図である。 図１〜図６の実施形態のトルクショルダの細部を示した図である。 本発明の第２の実施形態を示した図である。

図１は、第１の段階の刺し込み位置のオイルパイプ１０と継手１００とを示している。オイルパイプ１０は、ねじ部２２と、ピンシール面２４と、自由端のトルクショルダ２６とを有するピン２０を有する。継手１００は、２つのボックス１２０、２２０を有する。各ボックスは、ねじ部１２２と、ボックスシール面１２４と、半径方向内側の突出部１５０上のトルクショルダ１２６とを有する。継手１００は、２つの自由端１０２および２０２を有する。

図２は、ピンシール面２４およびボックスシール面１２４がちょうど接触し始める組み立ての第２の段階の手締め位置におけるオイルパイプ１０と継手１００との接続部を示している。スタンドオフＳは、手締め位置でピントルクショルダ２６とボックストルクショルダ１２６との間に存在する距離である。この実施形態では、この時点でのスタンドオフＳは、約０．０６０インチであるが、設計されたシール干渉およびシール角度の結果に応じて大きく変化し得る。

図３は、トルクショルダ２６、１２６がちょうど接触しているが、追加のトルクからそれらに力が加えられる前の組み立ての第３の段階であるショルダ締めを示している。このようにして、スタンドオフＳは、好ましくは、０．５回転未満で解消される。ショルダ締め位置では、トルクショルダ２６、１２６が接触するまでピンをボックス内にねじ込むことによって、シール面２４、１２４は互いに押し付けられている。シール面２４、１２４の相対角度のために、密閉シール部を形成するのに十分な接触圧を生じさせるために、シール面２４、１２４は、接続部内に設計されたシール干渉量だけ半径方向に離間させられる。半径方向の距離Ｓ１は、ピン２０の端部と表面ＢＳとの間に存在する距離である。

組み立ての第４の最終段階は、力嵌めである。力嵌め段階の間、追加のトルクがトルクショルダ２６，１２６に加えられるが、追加の回転はほとんど発生しない（図示されている実施形態では約０．０１回）。好ましくは、ねじ山２２は二条ねじであり、かじりがさらに低減される。追加の回転がほとんど発生しないため、接続部は図３に示されているショルダ締め位置とほぼ同様に見える。

図４は、接続部の組み立ての間に接続部に加えられるトルクが変化する様子を示した示すグラフである。ピン２０は、ゼロ回転位置において、図１のようにボックス１２０内に刺し込まれている。この時点では、ピン２０はボックス１２０内に載置されただけであり、回転は加えられていない。接続部が刺し込まれた後に、ピン２０はボックス１２０にねじ込まれる。図示されている実施形態では、このねじ込みは、シール部が接触する前に約８回転行われる。これらの最初の回転の間、この時間ではねじ山が自由回転するので、トルクは上昇しない。約８回転すると、シール面２４、１２４は手締め位置で接触する。シール面２４、１２４が接触すると、トルクが急速に上昇し始める。トルクの上昇は、シール面２４、１２４が無理に押し込まれることによって引き起こされる。トルク上昇量は、シール領域周辺のピン部材およびボックス部材の摩擦、剛性、ねじ干渉量、および存在する場合には、シール部内の干渉量の関数である。トルクショルダ２６、１２６が接触するまで、トルクはほぼ一定の割合で増加し続ける。トルクショルダ２６，１２６が接触すると、所定の力嵌め組み立てトルクに達するまで、追加のトルクが加えられる。トルクショルダが接続部の非常にわずかな追加の回転によって接触した後、トルクは非常に急速に上昇し、約０．０１回転のみで所望の最終組み立てのトルクに達することができる。パワートングのトルクゲージまたはプログラムを使用して、最終組み立てトルクを設定することができる。

図５は、ピンシール半径ＰＳＲおよびボックスシール半径ＢＳＲが示された図３のシール領域の拡大図である。この実施形態におけるボックスシール面半径は１．６３８２６インチであり、ピンシール面半径は４．７５インチである。力嵌め組み立て時の最大接触応力点３２４におけるシール面半径に接する線の角度は、約１０°であり、有利な実施形態では、５°〜１５°まで変化し得る。この角度は、軸方向荷重および曲げが加えられる間にシール部に影響を及ぼし、さらに組み立ての間のシール部の耐かじり性にも影響を及ぼす。（ピン表面の）ピン端部Ｅからシール部最大応力接触点までの長さは、最も好ましくは、約１．０インチである。この長さは、好ましくは、０．５インチ〜１．５インチの範囲である。０．５インチ未満の長さでは、シール部接触応力は低下し始めるが、１．５インチより長い長さでは、シール部接触にさらなる影響をほとんど与えない。

点３２４と点Ｅ、およびそれらの間の距離は、すべてピンシール半径ＰＳＲを画定する。ピン半径の大きさは、主としてピンの端部の幾何学的形状によって定義される。また、シール部接触点は一点ではなく、長さにわたって分布していることに留意すべきである。上記の説明では、シール部接触点は、２つの接触する円弧状面に対して、接触長さのほぼ中心に位置する最大応力接触点である。

この設計のボックスシールの半径は、１．６３８２６インチである。ボックスシール半径は、２つのシール面の間に必要とされる接触応力分布によって最終的に決定される。

接続部のシール部接触応力分布は、一般に、ピンの剛性、ボックスの剛性、２つのシール面間の干渉、およびシール面の形状の関数である。

本発明では、ピンの半径を大きくするか、またはボックス半径を小さくした場合、接続部の幾何学的形状の残りの部分がほぼ同じままであれば、接触長さが減少し、ピーク接触応力が増加する。ピーク接触応力を増加させると、接続部のシール性が向上するが、このことは、シール部が組み立ての間にかじりが生じる可能性を増すことにもなり、望ましくない。反対に、ピーク接触応力を低下させると、接続部のシール性が低下するが、このことは、組み立ての間のシール部にかじりが生じる可能性を低くすることになり、望ましい。したがって、組み立ての間にシールしてもかじりが生じないシール部を作製するために、バランスを維持しなければならない。ピンシールは、主としてピンの幾何学的形状によって決まるので、ボックスシール半径は、所定のピンシール半径に対して最適な接触応力分布を達成するように設計されるべきである。接続部はパイプの異なる肉厚に合わせて設計されているため、最適なシール設計基準を維持するためにボックスシール半径が調整される。

図５は、ピンの端部Ｅの小さな丸い領域を示している。この丸い領域は、ピンシール半径ＰＳＲをトルクショルダ面２６に接続する。この領域は、簡単な面取り面または切れエッジのようにすることもできる。鋭利なエッジは、バリがそこで形成され、ピンを検査する人にとって安全上の問題があり、組み立ての間にバリが剥がれてシール面間に入り、シール部を傷つける可能性があるため、望ましくない。

図６は、ピンシール半径ＰＳＲおよびボックスシール半径ＢＳＲの範囲を概略的に示している。これらの範囲は、本発明に影響を及ぼさない程度に、特に、ボックスでは、大幅に変わる可能性がある。本発明は、直線的なカウンターボアＣＢに接するボックス半径を示している。ボックスシール半径は、鋭い角部におけるカウンターボアまたは半径とカウンターボアとの中間と交差するまで延びる可能性がある。この例では、ピンの半径が作る角度ＰＡは１６．２９°であり、ボックスが作る角度ＢＡは１７．９５°である。半径の中心点の位置は、特に重要ではなく、これらの概略図には正確に示されていない。図６の概略図は、かなり正確であるが、単に説明目的の図に過ぎない。

図７に示されているように、図１〜図５の実施形態では、トルクショルダはＶ字形である。Ｖ字形トルクショルダは、ピンを挟み込むことによって、ピンがボックスの角部の中に上向きに押し込まれることを防ぐ。Ｖ字形トルクショルダの底部はまた、外部から加えられた圧力がピンを内側に押し付け、シール部のシール性を損なうことを防止する目的を果たす。したがって、Ｖ字形トルクショルダは、ショルダが半径方向内側または外側のいずれかの方向に動かないように挟み込むのに役立つ。Ｖ字形トルクショルダの上部および下部は、パイプの軸に垂直な線に対して、１５°の角度をなす。この角度は、大幅に変化する可能性があり（おそらく５°〜３０°）、角度は、ボックス部分とピン部分の両方が同じである必要はない。さらに、２つの部分が接触する場所は、描かれているようにショルダの中央にある必要はない。下部は、より長い可能性もあり、多くの設計が考えられるであろう。

図８は、Ｖ字形のトルクショルダを有さず、ピントルクショルダ３２６がボックストルクショルダ４２６に接触するように内側に傾斜した、本発明のあまり好ましくない第２の実施形態を示している。

Claims (11)

1. ピンねじ山、周方向凹状外側ピン面、および自由端のピントルクショルダを有するピンを有する第１の管であって、凹状外側ピン面は凹状のピンシール面と凹状のピンシール面からピントルクショルダまで延びる連続延長部とを含む第１の管と、
   ピンねじ山と相互作用するボックスねじ山、周方向内側ボックス面、およびボックストルクショルダを有するボックスを有する第２の管であって、内側ボックス面は半径方向内側に延びるボックスシール面を有する第２の管と、
   を備えるねじ接続部であって、凹状のピンシール面は、ボックスシール面と接触してシール部を画定し、シール部は、ピントルクショルダとボックストルクショルダとが接触した時に自由端から離間され、連続延長部は、シール部からピントルクショルダまで連続的に延びる、ねじ接続部。
2. ボックスシール面が、ピン面曲率半径よりも小さいボックスシール曲率半径を有する凸面である、請求項１に記載のねじ接続部。
3. 凹状のピンシール面が、自由端に向かって半径方向内側に延びており、延長部が、自由端において半径方向外向きに湾曲している、請求項１に記載のねじ接続部。
4. ピントルクショルダおよびボックストルクショルダの少なくとも一方の断面がＶ字形である、請求項１に記載のねじ接続部。
5. ピンねじ山が、二条ねじである、請求項１に記載のねじ接続部。
6. 第１の管が、パイプであり、第２の管が、第２の端部にボックスと同様の第２のボックスを有する継手である、請求項１に記載のねじ接続部。
7. 力嵌め組み立て時の最大接触応力点におけるボックスシール面半径および凹状のピンシール面半径に接する線が、第１の管および第２の管の長手方向軸に対して５°〜１５°の角度をなす、請求項１に記載のねじ接続部。
8. ピンの端部からシール部最大応力接触点までの距離が、０．５〜１．５インチの範囲内にある、請求項１に記載のねじ接続部。
9. ピンねじ山、周方向凹状外側ピン面、および自由端のピントルクショルダを有するピンを有する第１の管であって、凹状外側ピン面が凹状のピンシール面と凹状のピンシール面からピントルクショルダまで延びる連続延長部とを含む第１の管と、ボックスねじ山、周方向内側ボックス面、およびボックストルクショルダを有するボックスを有する第２の管であって、内側ボックス面が半径方向内側に延びるボックスシール面を有する第２の管と、を備えるねじ接続部を組み立てる方法であって、
   ピンねじ山とボックスねじ山とが接触するまで、第１の管を第２の管の中に刺し込むステップと、
   外側ピン面が内側ボックス面に接触し、ピントルクショルダがボックストルクショルダからスタンドオフ距離だけ離間するまで、ピンねじ山とボックスねじ山を介して第１の管を第２の管にねじ込むステップと、
   ピントルクショルダがボックストルクショルダとショルダ締め位置でちょうど接触するまで、第１の管を第２の管にさらにねじ込み、凹状のピンシール面がボックスシール面と接触してシール部を画定し、シール部がショルダ締め位置の自由端から離間されるステップと、
   ショルダ締め位置の後に第１の管を第２の管にさらにねじ込んで、最終組み立て位置を定めるステップと、
   を含む方法。
10. さらなるねじ込みステップの間の回転数が、０．５未満である、請求項９に記載の方法。
11. スタンドオフ距離が、０．０２〜０．２５インチである、請求項１０に記載の方法。

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