JPH0227557B2 - Yuseikanyokantsugite - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］ 本発明は、硫化水素等を含む腐食環境下の地下
から産出されてくる天然ガスや原油を採取するた
めに、地中深く堅て込まれる油井管の管継手に関
し、等に耐応力腐食割れに優れた管継手に関する
ものである。 硫化水素等を含む腐食環境下で原油を産出する
井戸の深さは、数1000ｍに及び、近年その深さは
更に増大して10000ｍにも達する傾向にある。こ
のような井戸に竪て込まれる油井管の本数は膨大
な本数にのぼるが、これらは総て管継手によつて
一連に接続される。管継手に対しては各種の苛酷
な力が作用する。第１に、一連に接続された管や
管継手の本体部分等の自重の集積による軸方向の
引張力、第２に、土圧等による外周面への圧縮
力、第３に、内部の流体による内周面への押圧力
その他である。これらの力は、井戸の進化に伴な
つて一層苛酷なものとなることはいうまでもな
い。斯る苛酷な条件下におかれる管継手に対して
要求さる最重要事項は、強大な引張荷重によく耐
えること、確実な気密シール性を保持すること、
腐食割れを生じさせないことの３点である。この
要求に応ずべく、管継手に関する多くの提案が従
来なされてきた。 ［従来の技術］ 従来の管継手のうち、最も基本的なものは第５
図に示す如くである。 第５図に示す管継手は、外観形状が円筒のカツ
プリングＡと、このカツプリングＡの両端から螺
合される管Ｃ，C′とによつて構成される。カツプ
リングＡの内面には、両端から軸線方向の奥に進
むに従い、通常、１／16のテーパをもつて内径が
減少するＡ、Ｐ、Ｉ規格にもとづくバツトレス型
の雌ねじが刻設され、内奥の中央部周壁には、軸
心に向つて突出した環状の型部Ｂが形成されてい
る。他方、管Ｃ，C′は、いずれもその端部にカツ
プリングＡの前記雌ねじに螺合されるべき雄ねじ
の完全ねじ部L₁′及び不完全ねじ部L₂′が刻設され
ている。第５図において、断面で示した部分の左
辺を拡大して示せば第６図の如くである。第６図
に見られる如く、管Ｃの雄ねじが切り止められた
部分より先（右方）には、ねじ山にして1.5〜３
山に相当する範囲で、ねじの無いリツプ部Ｄが設
けられている。このリツプ部Ｄの外周面には、前
段の雄ねじに続く１／16テーパーで平滑に仕上げ
られ外周シール面D₁が形成され、その先端には
オーバーハング状（管Ｃの軸線に対する角度が約
100゜）の先端シール面D₂が平滑仕上げによつて形
成されている。他方、カツプリングＡにおける肩
部Ｂの近傍にも１／16テーパをもつたねじの無い
部分が設けられており、前記リツプ部Ｄの外周シ
ール面D₁に対応する内周シール面B₁と、先端シ
ール面D₂に対する突当シール面B₂が形成されて
いる。そして管ＣとカツプリングＡとの螺合状態
が強力に締付けられた場合に、外周面D₁と内周
シール面B₁、前記先端シール面D₂と突当シール
面B₂とは、それぞれ互いに当接して金属面対金
属面になる気密的シール状態が得られるようにな
つている。 油井管用管継手は上述の如くであるから、管継
手に要求される前記最重要事項のうち耐引張強度
とシール性は、結局、カツプリングＡと管Ｃ，
C′とのねじ螺合によつて確保されるものであり、
この螺合関係に障害が発生すると前記最重要事項
は二つとも全うすることができないものとなる。
ところが従来の管継手は、これが地下深く竪て込
まれると、前述の如く強大な引張力が作用するこ
とによつてねじ部に変形を生じ、ややもすると管
がカツプリングから脱却するおそれさえ発生して
いた。このような障害について、第７図及び第８
図により説明する。第７図は、管継手に引張力が
作用して、第６図中の円で囲んだ部分に変形が生
じた状態を示す。第６図に示す如く管Ｃに白抜き
矢印方向の引張力（５〜1000ton）が作用すると
管Ｃが延伸されて縮径する。管Ｃに作用する引張
力はまた、ねじ螺合を介してカツプリングＡに対
しても作用する。この場合、カツプリングＡは外
面層よりも内面層の方がより多く延伸されるか
ら、先端部A₀の近傍が黒塗り矢印方向に反るよ
うな拡径現象を起こし、管Ｃの雄ねじとカツプリ
ングＡの雌ねじとが離間するようになる。このよ
うな現象に関し、１組の雄ねじについて検討して
見ると第８図の如くである。即ち、管Ｃに白抜き
矢印方向の引張力が作用すると、カツプリングＡ
の雌ねじA₁と管Ｃの雄ねじC₁とが接するねじ斜
面の点Ｏには、雌ねじA₁について、ｆの力が作
用する。この力ｆは軸線方向の力f₁と軸線に垂直
な方向の力f₂との２分力として作用する。分力f₁
はカツプリングＡの内面層を延伸するように作用
し、分力f₂はカツプリングＡを拡径するように作
用する。カツプリングＡの総ての雌ねじA₁には
このような力が作用しているから、それらが第７
図の先端部A₀に集積され、そのため該先端部A₀
は黒塗り矢印方向に反るように拡径されるのであ
る。前記ねじ斜面の点Ｏに作用する力は、雄ねじ
C₁についても同様であり、それらに関する力の
作用については破線で示した。管Ｃには、既に白
抜き矢印方向の引張力によつて延伸傾向が生じて
いるところへ、軸心方向の分力f₂′が相乗的に作
用して縮径現象に拍車をかけることになる。因
に、カツプリングＡの拡径量と管Ｃの縮径量と比
較して見ると、縮径量の方が遥かに大である。こ
のようにカツプリングＡの先端部A₀の近傍にお
いて雄ねじC₁と雌ねじA₁に離間が生ずると、螺
合関係が緩くなり、ねじ山自体の強度は勿論のこ
と管継手全体の耐引張強度も低下し、同時にシー
ル性も悪化する。 更に、前記従来の管継手にあつては、硫化水素
等を含む腐食環境下の油井において地中深く竪て
込まれた場合、第６図に示す管Ｃの雄ねじが刻設
された完全ねじ部L₁′と不完全ねじ部L₂′の境界近
傍の肉部ハに腐食割れが生ずることがあつた。こ
の腐食割れは液洩れを生じさせることは勿論のこ
と、腐食割れ部から亀裂を伝播させて管継手切断
という最悪の事態を招くことがある。 ［本発明が解決しようとする問題点］ 本発明は、上述した従来管継手が有する欠点に
鑑み、優れた耐引張強度、シール性及び耐腐食割
れを確保できる管継手の提供することである。本
発明者は、前記腐食割れの原因を究明するために
前記従来管継手における管本体Ｃの外径219.1mm
φ、肉厚8.94mm及び降伏応力σy＝56Kgf／mm²とし
た場合の応力分布を調査し、第９図に示す如きグ
ラフを得た。なお、図中の曲線Ｆは管材料の降伏
応力σyの0.8倍である後述の相当応力σeqに関する
von Misesの応力楕円を示し更に、曲線Ｇは降伏
応力σyと相当応力σeqが等しいときの応力楕円を
示す。前記相当応力σeqは、継手部の半径応力が
軸方向応力σz及び周方向応力σtに比べ非常に小さ
いことから半径応力を無視することにより次式で
示される。 σeq＝√²−・＋² 同図から明らかな如く、管本体箇所トの応力が応
力楕円Ｆの内側に位置しているときであつても、
腐食割れを生ずる箇所ハの〇印及び△印の応力は
応力楕円Ｆの外側に位置し、降伏応力σyの0.8倍
以上となることが分る。更に、本発明者は、上記
の外、多くの種類の従来管継手について腐食割れ
を生じたときの応力状態を調査したところ、軸方
向応力σzは周方向応力σtの少なくとも１つが正で
且つ前記相当応力σeqが降伏応力σyの0.8倍以上
（σeq≧0.8σy）となる箇所に腐食割れを生ずるこ
とが分つた。前記調査の結果を総合的に判断する
と、前記腐食割れは所謂応力腐食割れに起因する
ものであることが分る。 本発明者は、前記調査結果に基づき更に幾多の
実験を繰返した結果、耐引張強度、シール性及び
耐応力腐食割れの向上を図ることができる技術を
確立した。即ち、不完全ねじ部の刻設領域及びね
じのロードフラン角を所定範囲とすると共に、カ
ツプリングの先端にオーバーハング部を設けた場
合には、管本体に強大な引張力が作用したとして
も、カツプリングにおける雌ねじ山の斜面におい
て軸線と直交する方向に作用する分力を、従来と
は逆に縮径する方向へ作用させると共に、カツプ
リングに反りが生じてようとする現象を先端部に
おいて拘束状に阻止させて、管とカツプリングと
の螺合関係を一層緊締化し且つ継手部に発生する
相当応力σeqを低下し、耐引張強度、シール性及
び耐応力腐食割れの向上が確保されることを発見
し、かかる知見に基づいて本発明を完成するに至
つた。 ［問題点を解決するための手段］ 本発明は、油井管用管継手において、管先端部
の先細りテーパー円筒部には雄ねじの完全ねじ部
及び該完全ねじ部の端部からテーパーのない管外
周面に至つた雄ねじの不完全ねじ部が刻設され、
カツプリングの内周には該雄ねじの完全ねじ部及
び不完全ねじ部と緊締螺合する雌ねじが刻設さ
れ、前記雄ねじと雌ねじとのロードフラン角は負
角とされ、前記カツプリングの先端には有効ねじ
部端から端面に至つてオーバーハング部が設けら
れ、管本体軸方向応力が材料の降伏応力の0.8倍
となる引張荷重及び管本体周方向応力が材料の降
伏応力の0.7倍となる内圧を同時に載荷したとき
の継手部における相当応力の最大値が材料の降伏
応力の0.8倍以下であることである。 ［実施例］ 以下に、本発明に係る油井管用管継手（以下、
本継手という）を第１図乃至第４図に示す実施例
に基づいて説明する。第１図に示す如く、管６の
先端部の先細りテーパー円筒部７には、先端（右
方）に向うに従つて通常１／16テーパをもつて減
径するＡ、Ｄ、Ｉ規格に基づく雄ねじ８が刻設さ
れている。該雄ねじ８は、ねじ山高さが所定のね
じ山高さｈの完全ねじ部Psが長さL₁だけ形成さ
れていると共に、該完全ねじ部Psの端部からテ
ーパーのない管外周面６ａに至つてねじ山の高さ
が所定のねじ山高さｈに達しない不完全ねじ部Is
が長さL₂だけ形成されている。カツプリング１
における継手端部３の内周には、前記雄ねじ８に
対応して螺合関係を得るべく雌ねじ４が内奥（右
方）に向うに従つて減径るように刻設され、内奥
部において雌ねじ４が切り止められた部分より以
奥には、雌ねじ３に続いてねじ山にして1.5〜３
山に相当する範囲に、１／16〜１／10テーパーの
ねじ無し部があり、このねじ無し部の内周面が内
周シール面２ａとなつている。内周シール面２ａ
の最内奥端は、軸心方向に突出した肩部２によつ
て終始し、該肩部２の側面は突当シール面２ｂと
なつている。肩部２はカツプリング１の中央部内
周に位置している。他方、前記管６にも、雄ねじ
８が切り止められた部分より先端に、１／16〜
１／10テーパのねじの内リツプ部９が形成されて
いる。リツプ部９の外周には、前記内周シール面
２ａに対応する外周シール面９ａとなつており、
リツプ部９の先端面は前記突当シール面２ｂに対
応する先端シール面９ｂとなつている。 前記雄ねじ８と雌ねじ４のロードフラン角は負
角となつている。即ち、雄ねじ８におけるねじ山
の管６本体（左方）に向う側面と雌ねじ４におけ
るねじ山のカツプリング１内奥（右方）に向う側
面とを、互いに負角をもつて接する傾斜面もつた
ねじ山に形成してある。従つて、管６に白抜き矢
符方向の引張力Ｔが作用した場合には、雄ねじ８
におけるねじ山の管６本体に向う傾斜面と雌ねじ
４におけるねじ山のカツプリング１内奥に向う傾
斜面は、前記引張力に逆らうように作用する。 前記カツプリング１の先端には、オーバーハン
グ部が、カツプリング１における有効ねじ領域の
最端ねじ４″から以端にL₃の長さ設けられてい
る。オーバーハング部５の内周面は、前記雌ねじ
４の不完全ねじ部又はねじの無い平滑面（図示省
略）から形成されている。 第２図は、第１図中の円で囲んだ部分が拡大し
て示した模式図である。同図により、前記ロード
フランク角の負角に関し、雄ねじ４におけるねじ
山４′と雄ねじ８におけるねじ山８′について説明
する。ねじ山８′の管６本体に向う側面（この図
では、ねじ山４′のカツプリング１内奥に向う側
面と同一に表われている。）は、ねじ山８′の基部
に立てられた垂線ｖに対して−θの傾斜角（ロー
ドフランク角）をもつて形成されている。通常、
ねじ山８′の管６本体に向う側面のロードフラン
ク角は好ましくは−3゜乃至−9゜であり、反対側の
傾斜角度θ′は10゜前後である。 ［作用］ 管Ｃに白抜き矢印方向の強大な引張力Ｔが作用
すると、ねじ山８′とねじ山４′とが接する傾斜面
上の点Ｏには、この傾斜面と直角な方向の力ｆが
作用する。この場合力ｆは、ねじ山４′に対して、
管６の軸線に沿う分力f₁と該軸線と直交する方向
の分力f₂との二分力が作用する。そして分力f₁は
カツプリング１の内面層を延伸するように働き、
分力f₂はカツプリング１を縮径するように働く。
しかしながら分力f₁は分力f₂よりも遥かに大き
い。従つて、いまもし、オーバーハング部５がな
い従来のカツプリングを想定すると、カツプリン
グ１の先端はなお幾分の拡径作用を受け、これが
ねじ山８′とねじ山４′の噛み合を緩くすることと
なる。オーバーハング部５は、この場合の拡径作
用を拘束して阻止するものである。即ち、カツプ
リング１に刻設された総てのねじ山に作用する分
力f₁は、有効ねじの最外端直近にあるねじ山４″
（第１図参照）の近傍に集積されるが、オーバー
ハング部５自体は、直接には分力f₁の作用を受け
ることがなく、却つて集積された分力f₁を吸収
し、拡径作用がオーバーハング部５の端面５ａに
及ぶことはない。その結果、カツプリング１の先
端には縮径する方向の分力f₂のみが集積されるこ
とになる。オーバーハング部５は、その長さL₃
が大きいほど分力f₁の吸収能力が増大し、カツプ
リング１の縮径量も増大するが、ある一定の値で
飽和状態に落ち着く。従つてそれ以上L₃を大き
くしても、カツプリング１の重量を増大させるだ
けである。 第３図は、降伏応力56Kgｆ／mm²、引張強さ70Kg
ｆ／mm²の材料を用いて、外径75mm、先端部の肉厚
8.1mmに形成したカツプリング１に管６を螺合し
た管継手を対象として、第１図に示す白抜き矢印
方向の引張荷重Ｔを負荷したときの、ねじ山４″
の基部点ｐの変位とオーバーハング部５の長さ
L₃との関係を表わすグラフである。同図におい
て＋側変位はカツプリング１が拡径することを意
味し、一側変位は縮径することを意味する。この
図によれば、オーバーハング部５の長さL₃が大
きくなるに従つて縮径するようになるが、L₃が
10mmのあたりから、変位はほぼ一定になることが
わかる。 カツプリング１は円筒シエルの一種と見ること
ができる。そこでカツプリング１を薄肉円筒シエ
ルとみなしてオーバーハング部５の長さL₃につ
いて検討すると、薄肉殻の理論を示す(1)式によ
り、パラメータβを求めることができる。 ここで、ν：ポアソン比 ａ：オーバーハング部の平均半径 ｂ：オーバーハング部の肉厚 なお、ポアソン比は0.3とする。 いま仮に、カツプリング１の外径が75mm、オー
バーハング部５の内径が58.8mmであるとすると、 ａ＝（75＋58.8）／２＝66.9 ｂ＝（75−58.8）／２＝8.1 となる。一方、第３図に示す如く、L₃≧10mmで
はカツプリング１の変位はほぼ一定であることか
ら、 βL₃≧0.55 …(2) が得られる。なお、薄肉殻の理論より、βL₃は、
カツプリング１の一部に変位が生じた場合、その
変位が管６の軸方向に減衰していく様子を表わす
パラメータであることがわかる。そして、これは
管外径や肉厚が異なつても(2)式は一般に成立す
る。従つて、必要なオーバーハング量L₃は次の
(3)式によつて求めることができる。 L₃≧0.55／β …(3) ［試験例］ 本発明者は、本継手に引張力及び内圧が負荷さ
れたとき、それが各部位の相当応力σeqにどの様
な影響を及ぼすかを下記の条件下で調査し、第４
図に示すグラフの結果を得た。 〔条件〕（第１図及び第２図参照） (1) 管本体６の条件 外径＝219.1mmφ、肉厚＝8.94mm 降伏応力σy＝56Kgｆ／mm² (2) ねじ山の条件 テーパー＝１／16、ねじ山幅ｗ＝5.08mm ねじ山高さｈ＝1.6mm 完全ねじ部Psの長さL₁＝61mm、不完全ねじ
部Isの長さL₂＝51.2mm ロードフラン角度＝−3゜ (3) カツプリング１の条件 外径245mm オーバーハング量L₃＝20mm なお、図中の曲線Ｆはσeq＝0.8σyの応力楕円を
示し、曲線Ｇはσeq＝σyの応力楕円を示す。図中
チは雄ねじ８の形成部に発生する最大の相当応力
を示し、チの〇印及び△印の応力は応力楕円Ｆの
内側に位置し、降伏応力σyの0.8倍以下となる。 本発明者は、上記外、多くの種類の管継手につ
いて実験したので主要なものを第１表及び第２表
に示す。第１表は寸法別に管継手を分類したもの
であり、第２表は第１表に挙げた管継手の応力腐
食割れの有無及び管継手が破損するまで引張荷重
を増加させた結果を示すものである。この実験結
果から明らかなように、本管継手はいずれも管本
体部の強度より優れており、業界の管継手に対す
る要求に充分応えることができるものである。

【表】

【表】 ［発明の効果］ 本発明は以上の如く、雄ねじの完全ねじ部の端
部からテーパーのない管外周面に至つて雄ねじの
不完全ねじ部を刻設し、完全ねじ部及び不完全ね
じ部のロートフランク角を負角とし、カツプリン
グの先端部にオーバーハング部を設けたことによ
り、管継手の軸方向の引張荷重及び内圧が負荷さ
れた場合に生ずるカツプリングの拡径作用を拘束
阻止して、その緊締力を増大すると共に継手部の
相当応力を低下せしめて応力腐食割れが生じない
ような措置を講じた。それ故に優れた耐引張強
度、シール性及び耐応力腐食割れ性を確保できる
ものであるから、硫化水素等を含む腐食環境下に
おける天然ガスや原油採取産業界の苛酷な使用条
件によく耐え得る管継手を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は本発明に係る管継手を説明
する図であつて、第１図は本管継手の半切左辺を
示す概略断面図、第２図は第１図中円で囲んだ部
分を拡大した模式図、第３図はオーバーハング部
の長さとカツプリングの半径方向変位との関係を
示すグラフ、第４図は引張荷重及び内圧を載荷し
たときの相当応力を示すグラフ、第５図乃至第９
図は従来の管継手を説明する図であつて、第５図
は一部を断面視した管継手の全体概略図、第６図
は第５図における断面視部の左辺を拡大した図、
第７図は第６図中円で囲んだ部分に変形が生じた
ところを示す拡大図、第８図はねじ山に作用する
力を説明するための模式図、第９図は引張荷重及
び内圧を載荷したときの相当応力を示すグラフで
ある。 １…カツプリング、４…雌ねじ、５…オーバー
ハング部、６…管、８…雄ねじ、Ps…完全ねじ
部、Is…不完全ねじ部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 油井管用管継手において、管先端部の先細り
   テーパー円筒部には雄ねじの完全ねじ部及び該完
   全ねじ部の端部からテーパーのない管外周面に至
   つて雄ねじの不完全ねじ部が刻設され、カツプリ
   ングの内周には該雄ねじの完全ねじ部及び不完全
   ねじ部の全域と緊締螺合する雌ねじが刻設され、
   前記雄ねじと雌ねじとのロードフラン角は負角と
   され、前記カツプリングの先端には有効ねじ部端
   から端面に至つてオーバーハング部が設けられ、
   管本体軸方向応力が材料の降伏応力の0.8倍とな
   る引張荷重及び管本体周方向応力が材料の降伏応
   力の0.7倍となる内圧を同時に載荷したときの継
   手部における相当応力の最大値が材料の降伏応力
   の0.8倍以下であることを特徴とする油井管用管
   継手。