JPH0814356B2 - 管継手の締結状態判定方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、管端面との接触によりシール作用をなすシ
ョルダ部をその内側に有し、例えば、油井管の連結に用
いられるねじ込み式の管継手の締結状態の良否を判定す
る方法及びその実施に用いる装置に関する。

〔従来の技術〕

石油採掘の現場において用いられる油井管用の管継手
には、管内の高圧に対する高い密封性能が要求されると
共に、多数本の連結に耐えるだけの十分な強度が要求さ
れる。そこで従来から、メタルタッチによりシール作用
をなすように構成された、第４図に示す如きねじ込み式
の管継手が用いられている。

管継手１は、両端から夫々所定長さの雌ねじ部10,10
をその内周に形成してなる円筒形の部材であり、雌ねじ
部10,10の更に奥側には、奥部に至るに従って縮径され
たテーパ状のシール面11,11と、該シール面11,11に連な
り管継手１の軸心線に略直交するショルダ面12,12とが
形成されている。一方、該管継手１にて連結される管２
の管端部には、該管２の軸心線に略直交するシール端面
22と、該シール端面22の外周側に連なり前記シール面11
と対応するテーパ状のシール面21と、該シール面21に連
なり前記雌ねじ部10に対応する雄ねじ部20とが形成され
ている。而して管継手１と管２との接合は、管継手１の
内側に管２の端部を嵌合した後、管継手１を軸心回りに
回転させて、管２の雄ねじ部20に管継手１の雌ねじ部10
をねじ込むことによりなされる。第５図はこのねじ込み
後の締結部の拡大断面図である。本図に示す如く正しく
ねじ込みがなされた場合、管継手１内周のシール面11と
管２外周のシール面21とが全長に亘って密着して円周シ
ール部が形成され、更に管継手１のショルダ面12に管２
のシール端面22が突き当てられて密着してショルダシー
ル部が形成されており、両シール部でのシール作用によ
り高い密封性能が得られるのである。

以上の如き管継手１への管２の締結は、管継手１を保
持して軸心回りに回転させる回転チャックと、管２を固
定保持する固定チャックとを同心上に備えた締結機によ
り行われるが、このとき、回転チャックを介して管継手
１に加えられる締付けトルクを検出し、この検出結果が
所定の上限トルクに達する直前に締結機の動作を停止し
てねじ込みを終了することにより、管継手１と管２とが
前記上限トルクに近い所定範囲内の締付けトルク下にて
締結されるようになしてある。

第６図は、前記締結機の動作中に管継手１に加えられ
る締付けトルクの変化状態を示すグラフである。本図の
横軸は管継手１のターン数であり、締付けが正しくなさ
れた場合前記締付けトルクは、初期にはターン数の増加
に伴って漸増し、中途から急増して最終締付けトルクに
至る図示の如き変化態様を示す。漸増域から急増域への
転換は、管継手１のショルダ面12に管２のシール端面22
が突き当たった時点において生じる。即ち、管継手１に
加えられる締付けトルクは、前記漸増域においては、雌
ねじ部10と雄ねじ部20との間及びシール部11とシール部
21との間の摩擦抵抗に抗するために専ら消費されるのに
対し、急増域においては、前記ショルダ面12の前記シー
ル端面22への押し付けのために主として消費されるから
である。従って、漸増域から急増域への変曲点Ａの座標
が適正であるか否か、具体的には、変曲点Ａでのターン
数及び締付けトルクが夫々適正な範囲内にあるか否かを
調べることにより締付け状態の良否の判定をなすことが
できる。例えば、前記締付けの過程において雌ねじ部10
と雄ねじ部20との間に焼付きが生じた場合、この焼付き
時点において締付けトルクが急増する結果、図中に破線
にて示す如き変化態様が得られ、また雌ねじ部10と雄ね
じ部20との間及びシール部11とシール部21との間の締め
代が適正値よりも大きい場合、これらの摩擦抵抗が大き
いことから漸増域における傾きが大となり、図中に一点
鎖線にて示す如き変化態様が得られる。これらはいずれ
も、所定のターン数に達する前に最終締付けトルクに到
達し、ショルダ面12とシール端面22との接触が生じない
か又はこの接触が不十分である時点にて締結が終了し、
所望の封止性能が得られない状態であるが、図示の如
く、正規の変曲点Ａと大きく異なる位置に変曲点が生じ
ることから締結不良であると判定されることになり、こ
のような締結がなされた管継手１がそのまま使用される
虞はない。

〔発明が解決しようとする課題〕

さて以上の如き管継手の締結状態の判定は、一般的に
は、前記締結機の回転チャックに装着されたトルク検出
器及びターン検出器により締結中の締付けトルク及びタ
ーン数を連続的に検出し、これらの検出結果をグラフ又
は数表の形で出力して、この出力表示を視認した判定作
業者により行われているが、専任の作業者を必要とし省
力化の要求に逆行する上、判定結果に作業者間の個人差
が生じることが避けられないという難点がある。

そこで前記判定を自動化して省力化を実現すべく、特
開昭63−229272号公報においては、前記トルク検出器及
びターン検出器の検出結果を締結開始時点から微小な時
間間隔にてサンプリングし、夫々のサンプリングトルク
と前回のサンプリングトルクとの差をリアルタイムにて
演算して、この差が予め設定された基準値を超えること
により前記変曲点Ａを抽出し、このときの締付けトルク
及びターン数が適正範囲内にあるか否かにより締結状態
の良否判定を行う方法が提案されている。ところが変曲
点Ａよりも前の漸増域においては、雌ねじ部10と雄ねじ
部20との螺合部への異物の噛込み等、締付けトルクの変
動を招来する種々の外乱要因が存在し、実際の締付けト
ルクは第６図に示す如く変動しているため、前述の方法
を採用した場合、漸増域での局所的な急増部が変曲点Ａ
として抽出されて、この抽出結果に基づき締結状態の良
否が誤って判定される虞があり、判定結果の信頼性が極
めて低いという難点がある。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、管
継手の締結状態の良否を確実に自動判定でき、高い信頼
性のもとにて判定作業の省力化を図り得る判定方法及び
その実施に用いる装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る管継手の締結状態判定方法は、管端面と
の接触によりシール作用をなすショルダ面をその内側に
有する管継手を、所定の締付けトルクにて管にねじ込み
締結するに際し、該管の端面と前記ショルダ面との接触
により生じる締付けトルクの変曲点を求め、この変曲点
での締付けトルクと前記管継手のターン数とにより前記
締結の良否を判定する方法において、前記締付けトルク
及びターン数を所定時間毎にサンプリングして、相互に
対応させて順次記憶し、前記締結の終了時点における最
終のターン数とこれより所定数だけ少ないターン数との
範囲内にある記憶データ中のターン数夫々に対応する締
付けトルクについてターン当たりの差分演算を行い、得
られた差分値中の最大値に所定の係数を乗じて差分値の
基準値を定めると共に、前記締付けトルク及びターン数
の記憶の順と逆の順にこれらから求めた差分値を前記基
準値と比較し、最初に基準値を下回る差分値を取り出
し、これに対応する記憶データの締付けトルク及びター
ン数を前記変曲点での締付けトルク及びターン数とする
ことを特徴とする。

本発明に係る管継手の締結状態判定装置は、管端面と
の接触によりシール作用をなすショルダ面をその内側に
有する管継手を管にねじ込み締結する締結機と、前記管
継手の締付けトルク及びターン数を夫々検出するトルク
検出器及びターン検出器とを備え、前記トルク検出器の
検出トルクが所定値に達したとき前記締結機を停止させ
てねじ込みを終了し、この間のトルク検出器及びターン
検出器の検出結果に基づいて前記ショルダ面と前記管端
面との接触により生じる締付けトルクの変曲点を求め、
この変曲点での締付けトルクとターン数とにより前記締
結の良否を判定する管継手の締結状態判定装置におい
て、前記ねじ込みの終了までの間、前記トルク検出器及
び前記ターン検出器の検出結果を所定時間毎にサンプリ
ングし、互いに対応させて順次記憶するサンプリング記
憶部と、前記ねじ込みの終了後に前記サンプリング記憶
部の記憶データを一括的に読み出し、前記終了時点に対
応する最終記憶データからさかのぼって各締付けトルク
夫々に対するターン当たりの差分値を演算する差分演算
部と、前記差分値中の最大値を取出し、これに所定の係
数を乗じて差分値の基準値を所定する基準値設定部と、
この基準値と前記記憶部での締付けトルク及びターン数
の記憶順と逆の順に求めた各差分値とを比較し、前記基
準値を最初に下回った差分値に対応する記憶データの締
付けトルク及びターン数を、前記変曲点における締付け
トルク及びターン数として抽出する変曲点抽出部とを具
備することを特徴とする。

〔作用〕

本発明においては、管継手の管へのねじ込み開始から
終了までの間、管継手に加えられる締付けトルク及びタ
ーン数を所定時間毎にサンプリングして記憶しておき、
締結終了後に記憶データを読み出し、まず終了時点のタ
ーン数から所定数だけ少ないターン数の範囲内において
各記憶データに対する差分演算を行って締付けトルクの
変化率を求め、次いで最大の差分値に所定の係数を乗じ
て変曲点の抽出基準となる基準値を定め、この基準値と
先に得られた差分値とを、前記記憶の順と逆に、即ちね
じ込み終了時点に対応するものからサンプリング時点を
遡って比較し、この比較により前記基準値を最初に下回
った差分値に対応する記憶データを前記変曲点における
締付けトルク及びターン数として、これらが所定の範囲
内にあるか否かにより締結状態の良否判定を行う。

〔実施例〕

以下本発明をその実施例を示す図面に基づいて詳述す
る。第１図は本発明に係る管継手の締結状態判定方法
（以下本発明方法という）の実施態様を示す模式的ブロ
ック図である。

図中１は管継手、また２は、管継手１にて連結される
管であり、これらは夫々前述した如き構成を有してい
る。管継手１と管２とは、同心上に並設された固定チャ
ック30及び回転チャック31を備えてなる締結機３に装着
され、該締結機３の動作により自動締結される。即ち締
結機３は、管継手１を回転チャック31に、また管２の端
部近傍を固定チャック30に夫々強固に把持し、両者を同
軸上に位置させた後、駆動モータ32を駆動して回転チャ
ック31を回転させ、管継手１を軸心回りに回転させつつ
管２に近付ける動作をなし、これにより、管継手１の内
周に形成された雌ねじ部10（第４図参照）が管２の端部
外周に形成された雄ネジ部20にねじ込まれ、管継手１が
管２に締結される。なおこのとき、管継手１に加えられ
る締付けトルクと締結開始時点からの管継手１の累積回
転数（ターン数）とは、固定チャック30に装着されたト
ルク検出器33と回転チャック31に装着されたターン検出
器34とにより夫々検出され、トルク検出器33による検出
トルクは、締結機３の締結動作を制御する締結制御部４
に与えられており、また前記検出トルクとターン検出部
34にて検出されるターン数とは、本発明方法に従って締
結状態の良否を判定する締結状態判定器５に与えられて
いる。

締結制御部４は、トルク検出器33による検出トルクを
フィードバック信号として用い、駆動制御部６へ駆動指
令を発する動作をなし、この駆動指令に従う駆動制御部
６の動作により回転チャック31の駆動モータ32への駆動
電流が調節される結果、管継手１には、ねじ込み時の抵
抗に抗するだけの十分な締付けトルクが与えられ、管２
への締結が進行する。そして締結制御部４は、トルク検
出器33から与えられる検出トルクが予め設定された上限
トルクに達する直前に前記駆動制御部６への駆動指令の
出力を停止し、この停止に従う駆動制御部６の動作によ
り前記駆動モータ32への給電が遮断されて、管継手１の
管２へのねじ込みが終了する。以上の動作により管継手
１と管２とは、前記上限トルクに近い最終締付けトルク
を有した状態にて締結される。

さて締結制御部４が発する駆動指令は、前記締結状態
判定器５にも与えられており、締結状態判定器５は、こ
の駆動指令に従って後述の如く締結状態の良否を判定す
る。

図示の如く締結状態判定器５は、サンプリング記憶部
50、差分演算部51、基準値設定部52、変曲点抽出部53及
び判定部54を備えてなり、締結制御部４が発する駆動信
号は、サンプリング記憶部50及び差分演算部51に与えら
れ、またトルク検出器33及びターン検出器34夫々の検出
信号はサンプリング記憶部50に与えられている。サンプ
リング記憶部50は、締結制御部４からの駆動信号が与え
られている間、換言すれば締結機３による締結動作がな
されている間、トルク検出器33及びターン検出器34にて
夫々検出される締付けトルク及びターン数を所定時間毎
にサンプリングし、これらを相互に対応させて順次記憶
する動作をなす。なおこの際のサンプリング間隔は、外
部に設けたサンプリング間隔設定器７への手動設定によ
り自在に変更できるようになしてあり、サンプリング記
憶部50でのサンプリング間隔は、ねじ込み長さの長短、
要求される判定精度等、締結条件に応じて適宜に設定さ
れる。以上の動作の結果、例えば、締結終了までの間に
ｎ回のサンプリングがなされた場合、サンプリング記憶
部50には、締付けトルクの変化状態を示す第２図のグラ
フ上に○印を付して示す各サンプリング時点において得
られる締付けトルク及びターン数の検出値の組がｎ組記
憶されることになる。

差分演算部51は、締結制御部４からの駆動指令の停
止、即ち締結機３による締結動作の終了と共にその動作
を開始し、まずサンプリング記憶部50に記憶されている
ｎ組の記憶データを一括的に読み出し、締結終了直前に
得られたｎ組目の記憶データにおけるターン数N_nとの差
が所定値αよりも小さいターン数を有するという条件を
満たす記憶データの組を抽出する。第２図中に示す如
く、例えば、ｍ組目までの記憶データにおいて前記条件
が満たされた場合、即ち、N_n−N_m＜αである場合、ｍ組
目からｎ組目までの（ｎ−ｍ＋１）組の記憶データが抽
出され、以後の処理はこれらについてのみ実施される。
なお前記所定値αは、適正な締結がなされた際に予想さ
れる締付けトルクの変化態様を示すグラフ上において、
締付けトルクの漸増域と急増域との間の変曲点Ａが前記
抽出範囲内に十分に含まれるように予め設定してあるか
ら、以後の処理は、急増域全体と漸増域の一部とを含む
範囲内にて実施される。以上の如く処理データを抽出し
た後、差分演算部51は、これらの夫々に対する差分値X_i
を次式により演算する。

このように演算される差分値X_iは、ｉ番目のサンプリ
ング時点における締付けトルクの変化率に相当し、これ
らは基準値設定部52及び変曲点抽出部53に与えられる。
基準値設定部52においては、差分演算部51から与えられ
る（ｎ−ｍ）個の差分データX_i中の最大値X_max、即ち前
述の処理範囲内での締付けトルクの変化率の最大値を求
め、次いで、これに予め設定された所定の係数を乗じて
変曲点Ａの抽出基準となる基準値Ｘを設定し、この結果
を変曲点抽出部53に与える。なお前記係数は、多くの締
結実績に基づいて経験的に決められる定数であり、管継
手１の種類、内径等、締結条件に応じて異なる。第３図
は（１）式にて算出される差分値X_iを対応するターン数
に対してプロットした一例を示すグラフである。本図に
示す如く差分値X_iは一般的に、急増域への突入と共に急
増し、締付け終了の直前においては、締結機３の停止に
備えて駆動モータ32への駆動電流が漸減されることか
ら、やや減少する傾向を示す。この場合、前記最大値X
_maxと基準値Ｘとは夫々図示の如く決定され、X_maxは急
増域内に存在することは言うまでもない。

さて変曲点抽出部53においては、差分演算部51から与
えられる前記処理範囲内での差分データと基準値設定部
52にて設定された基準値Ｘとの比較を、前記サンプリン
グ記憶部50における記憶の順と逆に、即ち最終の記憶デ
ータに対応するX_nから順に行い、基準値Ｘを最初に下回
った差分値を抽出し、この差分値に対応する記憶データ
を差分演算部51から読み出し、この記憶データを変曲点
Ａに対応するものとして判定部54に与える。例えば、第
３図に示す差分データが得られた場合、変曲点抽出部53
においては、前記基準値Ｘを最初に下回った差分値に対
応するターン数N_xがまず決定され、このターン数N_xに対
応する締付けトルクT_xが第２図に示す如く決定されて、
これらが変曲点Ａにおけるターン数及び締付けトルクと
して判定部54に与えられる。判定部54は、これらの締付
けトルク及びターン数が夫々所定の適正範囲内にある場
合、良好な締結がなされていると判定し、適正範囲内に
ない場合、締結不良であると判定して、この結果を表示
器８に与え、該表示器８に表示せしめる動作をなす。な
お第１図に示す如く、表示器８にサンプリング記憶部50
の記憶データもまた与え、判定部54での判定結果と共に
全ての記憶データも表示するようにしてもよい。

〔効果〕

以上詳述した如く本発明方法及び本発明装置において
は、管継手の管へのねじ込み間締付けトルクとターン数
とを記憶しておき、締結終了後にこの記憶データを締結
終了点を起点として締付けトルクの急増減から漸増減へ
向かう順にトルクのターン数当たりの差分値を調べ、締
付け差分値が基準値を下回った点を変曲点の締付けトル
ク、ターン数とするから、締付け開始から終了までの作
業効率が高く、また途中で外乱によるトルク変動の影響
を回避することが出来て、高い信頼性のもとでの判定が
可能となる優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の実施状態を示す模式的ブロック
図、第２図は締付けトルク及びターン数のサンプリング
態様の説明図、第３図は差分結果の一例を示すグラフ、
第４図は本発明方法を適用する管継手及び管の断面図、
第５図は管継手と管との締結部の拡大断面図、第６図は
管への締結に際し管継手に加えられる締付けトルクの種
々の変化状態を示すグラフである。 １……管継手、２……管、３……締結機、５……締結状
態判定器、12……ショルダ面、22……シール端面、33…
…トルク検出器、34……ターン検出器、50……サンプリ
ング記憶部、51……差分演算部、52……基準値設定部、
53……変曲抽出部、54……判定部、Ａ……変曲点

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−229272（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−182781（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−54430（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】管端面との接触によりシール作用をなすシ
   ョルダ面をその内側に有する管継手を、所定の締付けト
   ルクにて管にねじ込み締結するに際し、該管の端面と前
   記ショルダ面との接触により生じる締付けトルクの変曲
   点を求め、この変曲点での締付けトルクと前記管継手の
   ターン数とにより前記締結の良否を判定する方法におい
   て、 前記締付けトルク及びターン数を所定時間毎にサンプリ
   ングして、相互に対応させて順次記憶し、前記締結の終
   了時点における最終のターン数とこれより所定数だけ少
   ないターン数との範囲内にある記憶データ中のターン数
   夫々に対応する締付けトルクについてターン当たりの差
   分演算を行い、得られた差分値中の最大値に所定の係数
   を乗じて差分値の基準値を定めると共に、前記締付けト
   ルク及びターン数の記憶の順と逆の順にこれらから求め
   た差分値を前記基準値と比較し、最初に基準値を下回る
   差分値を取り出し、これに対応する記憶データの締付け
   トルク及びターン数を前記変曲点での締付けトルク及び
   ターン数とすることを特徴とする管継手の締結状態判定
   方法。
2. 【請求項２】管端面との接触によりシール作用をなすシ
   ョルダ面をその内側に有する管継手を管にねじ込み締結
   する締結機と、前記管継手の締付けトルク及びターン数
   を夫々検出するトルク検出器及びターン検出器とを備
   え、前記トルク検出器の検出トルクが所定値に達したと
   き前記締結機を停止させてねじ込みを終了し、この間の
   トルク検出器及びターン検出器の検出結果に基づいて前
   記ショルダ面と前記管端面との接触により生じる締付け
   トルクの変曲点を求め、この変曲点での締付けトルクと
   ターン数とにより前記締結の良否を判定する管継手の締
   結状態判定装置において、 前記ねじ込みの終了までの間、前記トルク検出器及び前
   記ターン検出器の検出結果を所定時間毎にサンプリング
   し、互いに対応させて順次記憶するサンプリング記憶部
   と、 前記ねじ込みの終了後に前記サンプリング記憶部の記憶
   データを一括的に読み出し、前記終了時点に対応する最
   終記憶データからさかのぼって各締付けトルク夫々に対
   するターン当たりの差分値を演算する差分演算部と、 前記差分値中の最大値を取出し、これに所定の係数を乗
   じて差分値の基準値を所定する基準値設定部と、 この基準値と前記記憶部での締付けトルク及びターン数
   の記憶順と逆の順に求めた各差分値とを比較し、前記基
   準値を最初に下回った差分値に対応する記憶データの締
   付けトルク及びターン数を、前記変曲点における締付け
   トルク及びターン数として抽出する変曲点抽出部と を具備することを特徴とする管継手の締結状態判定装
   置。