JPH04157282A - 耐焼付き性の優れた管ねじ継手 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は原油、天然ガスを採掘する油井管ねじ継手、あ
るいは採掘した原油、ガスを輸送するラインパイプねじ
継手において、ねじ部の耐焼付き性を著しく向上させた
管ねじ継手に係わる。

（従来の技術） 原油、天然ガスは地下深くの地層から採掘され、採掘時
には井戸の崩壊を防ぐケーシングと呼ばれるバイブ、あ
るいは原油を直接吸い上げるチュービングと呼ばれるバ
イブなどが使用される。これらのバイブはいずれもねじ
継手で結合され、地下深く降ろされる。一方、採掘され
た原油を輸送するラインパイプの結合には従来溶接継手
が使用されていたが、バイブの高合金化に伴う溶接の困
難さからねじ継手の要求がでてきた。

ねじ継手にはＡＰＩ（米国石油協会）に規格されている
バットレス継手、ラウンド継手などがある。しかし、ね
じ部でシール性を維持させようとするためには、ねじを
きつく締め込む、即ちねじの嵌合代を太き（する必要が
あるが、高面圧のため繰り返しの締め緩めでねじ部が焼
き付いたり、継手の応力が過大になったりする。

さらにねじ部ではガスを完全にシールすることはできな
い。そこで近年ではピンネジ先端に金属密封部を有し、
ショルダーと呼ばれる肩部でねじ部とシール部の嵌合代
を制御するプレミアムジヨイントと呼ばれる特殊継手の
需要が飛躍的に増大してきた。

ＡＰＩ継手の場合もプレミアムジヨイントの場合も耐焼
付き性、シール性を向上させる目的から、継手を嵌合す
るときにコンパウンドグリスと呼ばれる潤滑剤が塗布さ
れていた（特開昭５８−３１０９７号公報）。しかし、
このコンパウンドグリス中に含まれる重金属分が環境に
悪影響を及ぼすため、重金属分を含まないコンパウンド
グリスの開発および使用が世界的に急がれている。重金
属分は特に継手の耐焼付き性に有効に作用しているため
、従来のコンパウンドグリスの使用が世界的に規制され
たときには耐焼付き性のより一層優れた継手の開発が必
要になる。

また、表面改質技術の進歩により、グリスを一切塗布し
ないで継手の嵌合を行う場合もねじ部の耐焼付き性の向
上が開発の焦点となる（特開昭８３−２９４７２２号明
細書）。

このような場合、プレミアムジヨイントにおいても従来
のようにねじの嵌合代を制御する方法だけでは不十分で
あり、新たな工夫が必要となる。

無論、プレミアムジヨイントにおいてはねしの嵌合代を
設けなければねじ部が焼付きを起こすことはないが、実
使用上は継手を嵌合する時の金属密封部の心出し効果も
あり、ねじ嵌合代を設けている。

（発明が解決しようとする課題） 従来のプレミアムジヨイントの耐焼付き性を把握するた
め、コンパウンドグリスを塗布せず、７’　ｘ２３　　
ｌｂ／ｆｔの継手で締め緩めを繰り返したところ、第６
図に示すようにビン不完全ねじ終端部とそれに対応する
ボックスで焼付きｌＯが発生した。金属面の焼付きは一
般に面圧、摺動長さ、材質、表面性状、表面温度・環境
温度等に左右され、この中でも面圧に最も依存すること
が知られている。

そこで有限要素法により継手のねじ面圧を計算したもの
を第７図に示す。これより焼付き発生位置で最も面圧が
高くなっており、この高面圧に起因して焼付きが発生し
たことがわかった。

以上から上記ねじ局部面圧を抑えることが耐焼付き性向
上に有効であるといえる。ビン不完全ねじ終端部でねじ
面圧が高くなる理由として、第８図に示すようにねじ嵌
合代によりボックスオーバーハング部１１と母管部１２
を変形させる力が嵌合代の不連続点であるビン不完全ネ
ジ終端部に集中するため、この部分の面圧が局部的に高
くなる。

したがって、局部面圧を軽減するには不完全ねじ部の嵌
合代を徐々に減少させることが有効である。

（課題を解決するための手段） 本発明は内面に雌テーパーねじをもつボックスと、外面
に雄テーパー完全ねじと不完全ねじをもち且つ先端のね
じ無し部に形成した金属密封部をもつピンよりなるねじ
継手において、雌完全ねじ径が雄完全ねじ径よりも小さ
くなるような嵌合代を有し、雄不完全ねじ部と嵌合する
雌ねじテーパーと雄ねじテーパーとの比を１　：　１．
０３〜１．２５とした耐焼付き性ねじ継手である。

以下本発明を図面について説明する。

本発明は耐焼付き性を向上させるためねじ面における局
部面圧を回避することにある。第１図は本発明によるね
じ継手を示し、ボックス１はテーパーねじ７，８と金属
密封部３、肩部４からなり、ピン２はテーパー完全ねじ
５とテーパー不完全ねじ６とボックスに対応する金属密
封部３、肩部４からｔｉる。

ここでボックステーパーねじ列とピンテーパー完全ねじ
列はボックスとピンの嵌合が終了した時気で半径方向に
嵌合代を有しており、ビン不完全ねじ部６に対応するボ
ックステーパーねじのテーパー８がテーパー６よりも１
．０３〜１．２５倍急勾配であることが重要である。

即ち雄不完全ねじ部と嵌合する雌ねじテーパーと雄ねじ
テーパーとの比を１　：　１．０３〜１．２５とする。

本発明の例として勾配差が１．１４倍の時のねじ面圧分
布を第２図に示す。

第７図との比較でわかるように、最大面圧位置がボック
スねじテーパー変極点とビン不完全ねじ終端部に二極分
化されることで、ビン不完全ねじ終端部の局部面圧を著
しく低減させることに成功した。第７図の従来継手にお
いては、ねじを締め込む過程でボックスねじ人位置が常
に高面圧にさらされるが、本発明においては生じる最高
面圧が低い上に最高面圧発生位置がねじを締め込むに従
って移動するため、同じねじが高面圧にさらされること
はない。

前述したように耐焼付き性は接触面圧とその面圧での摺
動長さに依存することから、最高面圧位置が移動するこ
とは局部面圧の低減に加え、耐焼付き性を向上させる大
きな要因であることがわかる。さらにフィールドでの継
手嵌合初期段階において、ボックスとバイブの軸心が必
ずしも一致していない場合もあり、従来継手であるとボ
ックス端部でのねじの片あたりはさらに助長される。し
かし、本発明によればピンテーパーに比ベボックステー
パーが急勾配になっているため、この片あたりも軽減す
る効果がある。

次にポックねじステーバーの変化量を１．０３〜１．２
５倍にした理由について述べる。

ピン不完全ねじ部に相当するボックスねじ列テーパーを
ピンねじ列テーパーに対して１．３倍にしたときのねじ
面圧分布を第３図に示す。最高面圧は再び第７図の従来
継手と同じレベルにまで上昇する。第３図の例のように
ネジテーパーを急激に変化させすぎるとネジ嵌合代が大
きく変化しすぎ、局部面圧を平滑化する効果が薄れる。

さらに不完全ねじ部の嵌合が甘くなりすぎ継手強度を劣
化させる恐れもある。

ボックスねじテーパーのみを変えてピン不完全ねじ部に
相当するねじの嵌合を甘くした場合の不利な点として、
継手強度の低下が懸念されがちである。しかし、完全ね
じ部は従来継手通りしっかり嵌合している。さらに第４
図に示す有限要素解析結果に見るように、引張軸力を加
えることで不完全ねじ部は縮径し、その縮径量は不完全
ねじ部６の嵌合の甘さに比べ、はるかに大きいため本発
明によるねじ継手の引張強度は従来継手の強度と同等で
あるといえる。

本発明がグリスを塗布することなく嵌合できるねじ継手
に対してねじ部の耐焼付き性を向上させることは既に述
べたとおりであるが、コンパウンドグリスを塗布して嵌
合する継手に対してはさらに有効である。特開昭６３−
２１０４８７号公報に見られるように継手嵌合中ねじ界
面には高いグリス圧力が発生する。このグリス圧力はね
じ面同士の直接接触を軽減するため焼付き防止には極め
て有効である。

一方、ビン不完全ねじ部ではネジクリアランスが大きい
ため、それほど大きなグリス圧は発生しない。ところが
従来継手ではこの低いグリス圧部分で最もねじ面圧が高
くなるためグリスの冷却・潤滑作用のみが焼付き防止に
役だっていた。

これに対し、本発明は前述したように最高面圧を抑止す
ると同時に、第７図に示すねじテーパー変極点近傍の最
大面圧部分で高いグリス圧を発生させることができ、金
属接触はさらに軽減されている。このように高面圧部分
が二極分化されることでグリスの冷却・潤滑作用に加え
、グリス圧力による面圧低減効果も本発明では有意義に
作用する。

この解析ではねじ嵌合代を減少させるために、ピン不完
全ねじ部に相当するボックスねじ列テーパーをボックス
端面に進むに従って直線的に増加させ、そのテーパーが
ピン不完全ねじ部テーパーに対して１．０３〜１．２５
倍である場合を例にとったが、さらに平滑なねじ面圧分
布を得るには曲線的にボックステーパーを増加させる方
法もある。

この場合、ピン不完全ねじ部に相当するボックスねじ列
テーパーの平均値がビン不完全ねじ部テーパーに対して
１．０３〜ｌ、２５倍である場合が最も効果的に局部面
圧を低減することができ、係る継手も本発明に含む。

ねじ嵌合代を漸次減少させる方法として、第５図１４す
ようにビン不完全ねじ部のテーパーをボックステーパー
に対して緩くすることが考えられる。この場合、本発明
と同様に局部面圧を軽減でき同じように耐焼付き性を向
上できるが、バイブ上に不完全ねじ部６を必要以上に長
（残すことになり、加工効率上望ましくない。さらにボ
ックスねじと全くかみ合わないビン不完全ねじ部がボッ
クス外に露出する。

また、これを防ぐためにはカップリング長さを必要以上
に長くしなければならず継手製作コストの上昇を導く。

したがって、同じ耐焼付き性が向上する効果を得るには
本発明の如く、ボックスねじ列テーパーを急勾配にした
方かより好適である。

コンパウンドグリスを塗布せず、ねじ継手の締め緩めを
繰り返した結果を表１に示す。これより同じ寸法諸元の
サンプルに対しても本発明の焼付き性が優れていること
がわかる。

ネジテーパーの公差を規定した公知例にＡＰＩ規格のバ
ットレスねじがあり、ボックステーパーを１／１６．６
７〜ｌ／１４．９３、ビン完全ねしテーパーを１／１８
．３９〜ｌ／１５．１５、ビン不完全ねじテーパーを１
／１６．３９〜ｌ／１４．９３と規格しており、公差に
よってはボックステーパーがビンテーパーの１．０３倍
になる場合もあるが、本発明のようにピン不完全ねじ部
のボックステーパーを意識的に急勾配にし、局部面圧低
減したものとは認められず、本発明とは異なる。同じく
公知例としてＡＰＩ規格のＥＬ炉ケーシングあり、５′
〜７−５／８’の継手に対し、ビンねじテーパーの公差
が１／８．１３〜１／７．８７であり、ボックスねじテ
ーパーＡの公差が１／８．１３〜１／７．８１でボック
スねじテーパーＢの公差が１／８．１３〜ｌ／７．８７
とあるが、この程度のテーパー差（１，００８倍）では
局部面圧を回避するために十分な効果は得られず、係る
規格は加工精度上設けられたものと考えられる。

ボックス完全のねしテーパーを変えた公知例として特開
昭６２−１５１６９０号および特開昭６２−１９６４８
７号公報かある。これらの発明はボックス終端部でねし
テーパーを変えるという点のみが本発明と同一であるか
、ビン、ボックスのテーパーを同割合で変化させること
、耐焼付き性を改善する上で必要なねじ嵌合代をボック
ス端部に行くにしたがって漸次減少させていく工夫につ
いて触れていないことからも、これらの発明は継手強度
向上を狙ったもので、本発明のように耐焼付き性改善効
果は得られず、本発明とは異なる。

ボックス端部のねじ嵌合代を無くした公知例として特開
昭６２−１９８４８６号公報かある。しかし、係る発明
もねじ嵌合代を漸次減少させてねし局部面圧を平滑化す
る工夫に付いては触れておらず、継手強度改善を狙った
発明ではあるがねじ部の耐焼付き性は改善されず、本発
明とは異なる。

（発明の効果） 本発明は雄不完全ねじ部と嵌合する雌ねじテーパーと雄
ねじテーパーとの比を１　＋　１．０３〜１．２５とし
て急勾配に形成したので、耐焼付き性が優れた管ねし継
手をうろことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の説明図、第２図は発明ねじ継手の計算
ねし面圧例で、（ａ）は部分断面図、（ｂ）は面圧と第
１ねじからの距離の図表、第３図はねじ嵌合代を急激に
変化させすぎたときの面圧計算例で、（ａ）は部分断面
図、（ｂ）は面圧と第１ねじからの距離の図表、第４図
はねじ継手に引張軸力を管体の塑性変形領域まで負荷し
たときの継手変形図、第５図はねじ嵌合代を漸次減少さ
せるためにピン不完全ねじ部のテーパーを緩やかにした
説明図、第６図は従来例のねし継手のねじ部での焼付き
発生説明図、第７図は従来継手のねじ面圧分布の計算例
で、（ａ）は部分断面図、（ｂ）は面圧と第１ねじから
の距離の図表、第８図は従来継手を混合したときの変形
模式図である。 １：ボックス　　　　　　２：ピ　ン ３：金属密封部　　　　　４：肩　部 ５：ピン完全ねじ部 ６：ピン不完全ねじ部 ７：ビン完全ねし部に 対応するボックス完全ねし部 ８・ピン不完全ねし部に 対応するボックスねし部 代　理　人　　弁理士　　茶野木　立　夫第４図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 内面に雌テーパーねじをもつボックスと、外面に雄テー
   パー完全ねじと不完全ねじをもち且つ先端のねじ無し部
   に形成した金属密封部をもつピンよりなるねじ継手にお
   いて、雌完全ねじ径が雄完全じ径よりも小さくなるよう
   な嵌合代を有し、雄不完全ねじ部と嵌合する雌ねじテー
   パーと雄ねじテーパーとの比を１：１．０３〜１．２５
   としたことを特徴とする耐焼付き性ねじ継手。