JPH08365B2 - ショルダシールを有する特殊継手の締付制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は例えば油井管の接続に使用するショルダシ
ールを有する特殊継手の締付制御方法に関し、特に締付
作業能率の向上に関するものである。

［従来の技術］ 例えば油井管等を密封性良く接合する場合は第７図に
示すような特殊継手１が用いられている。この特殊継手
１は特殊継手１の両端内周部に設けられためねじ２と管
3a,3bの外周部に設けられたおねじ４によりねじ接合さ
れ、シールはメタルシールで行うように構成されてい
る。メタルシール部は第８図の部分拡大図に示すように
特殊継手１の内周面と管3aの外周面との接触点５におけ
る円周シールと、特殊継手１の内部に設けた肩部６と管
3aの管端部とにおけるショルダシール２個所のシール部
を有し、管内の高圧流体を完全に密封するように構成さ
れている。

従来、上記のような管継手の締付制御にはターン制
御、トルク制御及びトルク・ターン制御と呼ばれる制御
方法が使用されている。

ターン制御とトルク制御はいずれも手動操作時に用いら
れる制御方法であり、ターン制御は継手の締付ターン数
が所定の基準範囲に入るまで継手を管に締付けることに
より締付位置を規定する方法、トルク制御は継手の締付
トルクが所定の基準範囲に達するまで締付けることによ
り締付トルクを規定する方法である。

トルク・ターン制御は締付制御の自動化を目的に開発
された制御方法であり、第９図に示すように継手の締付
ターン数と締付トルクの各基準範囲の最小値と最大値を
規定し、締付ターン数と締付トルクの両方が最小値に達
したc,dの場合は締付を停止し合格と判定し、締付トル
クが最小値に達した後締付ターン数の最小値に達する前
に締付トルクの最大値に達したｅの場合、あるいは締付
ターン数が最小値に達した後締付トルクの最小値に達す
る前に締付ターン数の最大値に達したｆの場合は共に締
付不良としている。

これらの締付制御方法は主として第８図に示すようなシ
ョルダシールがない管継手に使用されてきた。

［発明が解決しようとする課題］ 上記締付制御を第８図に示すようなショルダシールを
有する特殊継手に適用すると次のような問題点がある。

すなわち特殊継手１と管3aのねじが緩い場合には、特
殊継手１を管3aに締付けて、継手肩部６と管端部が接触
しショルダタッチを生じた後は締付トルクは第10図のａ
に示すようにショルダタッチトルクＴS1から急速に上昇
する。一方、特殊継手１と管3aのねじがきつい場合に
は、第10図のｂに示すようにショルダタッチトルクＴS2
がＴS1に比べて大きくなり、両者のショルダタッチトル
クには大きなバラツキが生じる。このため、最終締付ト
ルクにもバラツキが生じる。

したがってショルダシールを有する特殊継手１の締付
制御を行うためには、まず第１に、ショルダタッチトル
クの発生点を正確に検出することが必要になる。第２
に、適正な締付トルク範囲で特殊継手１の締付トルクを
制御する必要がある。

しかし、従来のターン制御ではショルダタッチが生じ
た位置を締付ターン数で検出することが困難であり、特
殊継手１の締付制御に適用することは実用上不可能であ
る。またトルク制御ではショルダタッチトルクがトルク
チャート形状から読み取れるため特殊継手１の締付制御
に適用することができるが、手動操作となる。

自動制御によるトルク・ターン制御を特殊継手１の締
付制御に適用すると、特殊継手１のショルダタッチトル
クの大きなバラツキにかかわらず締付の合否判定、すな
わち締付トルクの最小値が一定であるため、第11図のｂ
に示すようにショルダタッチが生じない状態で締付を停
止させる場合が生じ、締付が不充分となる。これを防止
するために、締付トルクの最小値を大きくすると締付け
停止が遅れ、第12図のａに示すように最終締付トルクが
締付トルクの最大値を超えて締付不良となる。これはシ
ョルダタッチトルク発生以後のトルク上昇速度が極めて
速いためである。

したがって特殊継手１の締付制御にトルク・ターン制
御を適用するとショルダタッチトルク無しに締付けが完
了する等の締付不良が発生するため、全数の目視監視と
異常時の手動処理を行う必要がある。またトルク制御で
は手動操作となり、いずれの場合もショルダシールを有
する特殊継手の締付能率はショルダシール無しの継手の
場合と比べて格段に落ちてしまう。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたも
のであり、ショルダシールを有する特殊継手の締付を自
動で行い、かつ、ショルダタッチトルクの発生点を正確
に検出し、適正な締付トルクを与えることができる締付
制御方法を提案することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る特殊継手の締付制御方法は、継手の内
周面と管の外周面との接触点における円周シールと、継
手内部に設けた肩部と管端部におけるショルダシールと
の２個所のメタルシールを有する特殊継手の締付けにお
いて、 締付トルク値を微小時間Δｔ毎にサンプリングし、 Δｔ時間経過時のサンプリングトルク値とΔｔ時間経
過前のサンプリングトルク値との差ΔＴを演算し、 この値ΔＴを一定のサンプリング回数ｎ回について加
算し、かつ、加算に際してはｍ回目の加算では（ｍ−ｎ
＋１）回目からｍ回目までの値を加算し、次の（ｍ＋
１）回目の加算では（ｍ＋１−ｎ＋１）回目からｍ＋１
回目までの値を加算するように、加算する値を１つずつ
シフトさせ、 このように加算したサンプリングトルク値の差の和Σ
ΔＴをｎ回目以降毎回、あらかじめ設定した設定値ΔT0
と比較し、 このサンプリングトルク値の差の和が上記設定値を超
えた時、ショルダタッチトルクが発生したことを判断
し、 上記ショルダタッチトルクの発生を判断した時からカ
ウンタにより所定回数をカウントし、 上記カウンタの回数が所定回数に達した時の停止信号
により締付機が停止した時のサンプリングトルク値を最
終締付トルクとして検出し、 上記検出した最終締付トルクをあらかじめ締付けの管
理基準として数段階に区分して定めた合否判定基準値と
比較し、その比較結果に基づいて締付け状態を自動判定
するとともに、上記最終締付トルクが適正トルク範囲に
入るように締付制御を行うことを特徴とする。

［作用］ この発明においては、締付トルク値を微小時間Δｔ毎
にサンプリングし、Δｔ時間経過時のサンプリングトル
ク値とΔｔ時間経過前のサンプリングトルク値との差Δ
Ｔを演算し、さらに、この値ΔＴを一定のサンプリング
回数ｎ回について加算し、かつ、加算に際してはｍ回目
の加算では（ｍ−ｎ＋１）回目からｍ回目までの値を加
算し、次の（ｍ＋１）回目の加算では（ｍ＋１−ｎ＋
１）回目からｍ＋１回目までの値を加算するように、加
算する値を１つずつシフトさせ、このように加算したサ
ンプリングトルク値の差の和ΣΔＴをｎ回目以降毎回、
あらかじめ設定した設定値ΔT0と比較し、このサンプリ
ングトルク値の差の和が上記設定値を超えた時に、その
位置をショルダタッチトルクの発生点として検出するも
のであり、さらに、そのショルダタッチトルクの検出時
からカウンタによりサンプリング回数をカウントし、そ
の回数が所定回数に達した時に発する停止信号により締
付機が停止した時のサンプリングトルク値、すなわち最
終締付トルクを検出し、その最終締付トルクとあらかじ
め締付けの管理基準として数段階に区分して定めた合否
判定基準値とを比較することにより締付け状態を自動判
定する。この判定結果により、最終締付トルクが適正ト
ルク範囲に入るように締付制御を行うことによりショル
ダシール部、円周シール部の各々に適正な接触圧を得る
ことができる。

［実施例］ 第１図はこの発明の一実施例に係る締付制御装置のブ
ロック図を示し、図において10はトルク検出器であり、
トルク検出器10は第７図に示した特殊継手１の締付トル
クを検出する。11はサンプリング時間設定器、12はトル
ク検出器10で検出した締付トルクを一定時間毎にサンプ
リングするサンプリング手段、13はサンプリング手段12
でサンプリングした締付トルクを記憶する記憶手段、14
はサンプリングした締付トルクの一定時間毎のトルク差
ΔＴを求める減算器、15はサンプリング手段12でサンプ
リングする回数を出力するサンプリング回数出力手段、
16は減算器14で求めた締付トルク差ΔＴをサンプリング
回数ｎ回について加算することにより締付トルクの差の
和ΣΔＴを求める加算器、17は基準値設定器、18はショ
ルダタッチトルクを検出するために予め設定された基準
値ΔT0と加算器16で求めたサンプリング回数ｎ回毎の締
付トルクの差の和ΣΔＴとを比較する比較器、19はΣΔ
Ｔ＞ΔT0のときにのみ比較器18から出力される高レベル
の出力信号によって、サンプリング回数出力手段15から
のサンプリング回数を出力するアンド回路、20はアンド
回路19から出力されるΣΔＴ＞ΔT0のときのサンプリン
グ回数をカウントするカウンタで、ΣΔＴ＜ΔT0のとき
は常に零にリセットされる。

上記のように構成した制御装置により特殊継手１の締
付制御を行う場合の動作を第２図に示した締付トルクと
締付時間特性及び第３図のフローチャートに基づいて説
明する。なお、ここでは、特殊継手１と一方の管3aとの
締付を工場管理する場合について述べる。他方の管3bと
の締付は現場において管理される。

まず、特殊継手１と管3aの締付時の締付トルク（締付
機による締付トルク）をトルク検出器10で検出してサン
プリング手段12に送る（ステップ31）。サンプリング手
段12はサンプリング時間設定器11により設定された微小
時間Δｔ毎のサンプリング信号を受けて、このサンプリ
ング時間Δｔ毎に締付トルクをサンプリングし、逐次サ
ンプリングした締付トルクを記憶手段13と減算器14に送
る（ステップ32）。減算器14ではサンプリング手段12か
ら送られる締付トルクと記憶手段13に記憶されている前
回のサンプリング時の締付トルクの差ΔＴを演算して加
算器16に送る（ステップ33）。加算器16はサンプリング
回数出力手段15が出力するサンプリング回数毎に減算器
14から送られる締付トルクの差ΔＴの和を演算し、あら
かじめ定めたサンプリング回数ｎ毎にその和 すなわち一定の締付時間ｎ・Δｔ毎の締付トルクの差の
和を比較器18に送る（ステップ34）。例えば、ｎ＝５に
設定されているときには、１回目から５回目までの締付
トルクの差の和を求め、次いで２回目から６回目までの
締付トルクの差の和を求めるといった具合に、順次、Δ
ｔ時間ずつシフトさせながら締付トルクの差の和を求め
てこれを比較器18に送る。

一方、基準値設定器17にはショルダタッチトルク発生
後に急上昇する締付トルクを検出するための基準値ΔT0
が、あらかじめ設定されており、この基準値ΔT0も比較
器18に送られている。比較器18では加算器16から送られ
るサンプリング回数ｎ毎の締付トルクの差の和と基準値
設定器17から送られる基準値ΔT0とを比較し、締付トル
クの差の和が基準値ΔT0より大きくなったとき、すなわ
ちショルダタッチトルクTsが発生し締付トルクが急上昇
を始めたときにアンド回路19に高レベルの信号を送る
（ステップ35）。すなわち、ｎ回の締付トルクの差の和
（締付時間ｎ・Δｔの（Ｎ＋ｎ）番目の締付トルクデー
タと、その締付時間ｎ・Δｔ前のＮ番目の締付トルクデ
ータとの差）を求め、その差が基準値ΔT0より大きくな
ったときにアンド回路19に高レベルの信号を送る。なお
締付トルクの差の和が基準値ΔT0より小さい時はカウン
タ20は常に零にリセットされている（ステップ36）。

アンド回路19に比較器18からの出力信号が送られると
サンプリング回数出力手段15から送られるサンプリング
回数をカウンタ20に出力し、カウンタ20でショルダタッ
チトルクTsが発生後のサンプリング回数をカウントする
（ステップ37）。すなわち、カウンタ20はサンプリング
回数ｎ回毎の締付トルクの差の和が基準値ΔT0より大き
い状態が継続していることを確認するためのものであ
り、これによりノイズ等による誤検出を防止している。
したがって、アンド回路19から出力されるサンプリング
回数をカウンタ20でカウントすることにより、ショルダ
タッチトルクTsが発生したことによるものか、それとも
他の原因によるものかを識別することができる。このカ
ウンタ20のカウンタ数があらかじめ定めた設定値に達す
るとカウンタ20から不図示の締付機に停止信号を送り
（ステップ38）、特殊継手１の締付を停止する（ステッ
プ39）。

なお、上記特殊継手１の締付制御において、特殊継手
１と管3aの締付制御時に急激な立上りトルクが生じる
が、締付開始時に締付トルクがあらかじめ定めた立上り
トルクを超えたときから締付制御を開始することにより
立上りトルクの影響を除去することができる。

また、ショルダタッチトルクTSが発生後の締付トルク
は急激に上昇するため、カウンタ20の設定値で定めるシ
ョルダタッチトルク発生後締付を停止するまでの時間は
精度よく定める必要があり、したがって締付トルクのサ
ンプリング時間は短いほど良好に締付トルクの制御を行
うことができる。

第４図は上記締付制御により特殊継手１と管3aを締付
けた場合の締付トルクの合否を判定する装置のブロック
図を示し、図において10,20は第１図に示したものと全
く同じものであり、カウンタ20が出力する停止信号はト
ルク検出器10に送られる。なお21は第１図に示した制御
装置を示す。

22は記憶手段であり、記憶手段22にはカウンタ20から
送られる停止信号により締付機が停止した時、トルク検
出器10から出力する最終締付トルクが記憶される。23は
比較器であり、比較器23は記憶手段22に記憶された最終
締付トルクにより特殊継手１の締付トルクの合否を判定
する。

この比較器23による締付トルクの合否判定の動作を第
５図、第６図に示したフローチャートに基づいて説明す
る。ここで、第５図における最小、最大ショルダタッチ
トルク及び最小、最大締付トルクはいずれも設定値であ
り、最終締付トルクの合否判定に用いる。最小ショルダ
タッチトルクはめねじ２とおねじ４の寸法精度を考慮し
て定められたトルクである。最大ショルダタッチトルク
はその特殊継手１と管3aの塑性変形を考慮して定められ
たトルクである。また、締付トルクは締付最終点のトル
クであり、その最小値、最大値は、一般に管径に対応し
た標準値に対する割合で定められている（例えば、基準
値の75％を最小値、標準値の125％を最大値とする）。
これらの合格判定基準値は特殊継手１の締付けを工場管
理する場合の運用基準として定めたものである。ここで
は４つの合格判定基準値により以下に述べるようにＡ〜
Ｅの５つのランクに分けている。Ａ〜Ｅの判定により判
定後の処置が変わる。各ランクごとの処置は実績や経験
に基づくものである。以下説明する。

第５図に示すように比較器23に最終締付トルクが送ら
れると（ステップ50）、最終締付トルクはまず、あらか
じめ定められている管内圧をシールするために必要な最
小ショルダタッチトルクと比較され（ステップ51）、最
終締付トルクが最小ショルダタッチトルクより小さいと
きはフラグａをセットする（ステップ52）。最終締付ト
ルク最が小ショルダタッチトルクより大きいときはフラ
グｂをセットする（ステップ53）と共にフラグａをリセ
ットする。この状態で最終締付トルクはあらかじめ定め
られた最小締付トルクと比較され（ステップ54）、最終
締付トルクが大きいときにはフラグｃをセットし（ステ
ップ55）、フラグｂをリセットする。次に最終締付トル
クは締付による塑性変形を考慮した最大ショルダタッチ
トルク、例えば特殊継手１の塑性変形が生じる限界の80
％程度のトルクと比較され（ステップ56）、最終締付ト
ルクが大きいときにはフラグｄをセットし（ステップ5
7）、フラグｃをリセットする。さらに最終締付トルク
はあらかじめ定めた最大締付トルクと比較され（ステッ
プ58）、最終締付トルクが大きいときにはフラグｅをセ
ットし（ステップ59）、フラグｄをリセットする。

最終締付トルクの合否を判定するには、第６図に示すよ
うに、上記のどのフラグがセットされているかを順番に
判定していく（ステップ60）。まず、フラグａがセット
されているか否かが判断され（ステップ61）、フラグａ
がセットされているときは判定Ａを表示する（ステップ
62）。フラグａがセットされていないときはフラグｂが
セットされているか否かが判断され（ステップ63）、フ
ラグｂがセットされているときは、最終締付トルクが最
終締付トルクにまで達していないため、締付けを再開し
（ステップ64）、最小締付トルクに達したら（ステップ
65）、判定Ｂを表示する（ステップ66）。フラグｂがセ
ットされていないときはフラグｃがセットされているか
否かが判断され（ステップ67）、フラグｃがセットされ
ているときは判定Ｃを表示する（ステップ68）。フラグ
ｃがセットされていないときは以下同様にフラグd,eが
セットされているか否かを判断し（ステップ69,71）、
それぞれ判定D,判定Ｅを表示する（ステップ70,72）。

上記のようにして表示された判定Ａ〜Ｅにより特殊継
手１の締付トルクの合否が判断される。すなわち判定Ａ
の場合は最終締付トルクが最小ショルダタッチトルクに
まで達していないため、ショルダシール部の接触圧が低
くシールが完全にはなされていないため締付トルクが不
良と判定される。この場合は、例えば特殊継手１を締め
戻してネジ要素、ダメージの有無を検査し、再度締付け
ても同じ結果なら再度ネジを切り直す。

判定Ｂの場合はそのまま増し締めして、判定Ｃになる
ようにする。

判定Ｃの場合はそのまま締付トルクは合格とする。

判定Ｄの場合は判定Ａと同じ処置をとる。

判定Ｅの場合はネジが堅いためであり、再度ネジを切
り直す。

結局、最終締付トルクが判定Ｃの範囲、すなわち最小
締付トルク以上、最大ショルダタッチトルク未満の範囲
に入るように特殊継手１の締付制御を行う。

なお、円周シールの調整については、まず最初にショル
ダタッチトルクが発生していれば、寸法上円周シールが
必要とする締め代を得られる位置に達したことを示して
おり、次いで最大締付トルク以下であれば、円周シール
部が塑性変形を起こしていないことを示しているため、
結局、最終締付トルクが適正トルク範囲内であれば良い
ことになる。

上記のように最終締付トルクを締付トルク特性に応じ
て区分して判断し、この結果を記憶しておくことにより
最終締付トルクの平均値、標準偏差、合格率等を得るこ
とができ、この結果を締付制御にフィードバックするこ
とにより特殊継手１の締付制御の精度向上を図ることが
できると共に締付の品質管理の向上を図ることができ
る。

［発明の効果］ この発明は以上説明したように大幅に変動するショル
ダタッチトルクの発生点を正確に検出できるので、検出
したショルダタッチトルクを基準にして最終締付トルク
が適正トルク範囲に入るように締付制御を行うことによ
り、特殊継手のショルダシール部、円周シール部の各々
に適正な接触圧を得ることができ、かつ、安定した締付
けを自動操作で行うことができるから、特殊継手の締付
作業能率の大幅な向上を図ることができる。

また最終締付トルクを締付トルク特性に応じて数段階
に区分した合否判定基準値を基に管理できるので、特殊
継手締付けにおける品質管理の向上を図ることができる
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例に係る締付制御装置を示すブ
ロック図、第２図はこの発明に係る特殊継手の締付トル
ク−締付時間特性図、第３図は上記実施例の動作を示す
フローチャート、第４図は上記実施例の締付トルク合否
安定装置を示すブロック図、第５図、第６図は上記実施
例の合否判定動作を示すフローチャート、第７図はこの
発明に係る特殊継手を示す構成図、第８図は第７図に示
した特殊継手のシール部を示す部分断面図、第９図、第
10図、第11図及び第12図は各々従来例の動作を示す締付
トルク−締付ターン特性図である。 １……特殊継手、3a,3b……管、10……トルク検出器、1
1……サンプリング時間設定器、12……サンプリング手
段、13,22……記憶手段、14……減算器、15……サンプ
リング回数出力手段、16……加算器、17……基準値設定
器、18,23……比較器、19……アンド回路、20……カウ
ンタ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】継手の内周面と管の外周面との接触点にお
   ける円周シールと、継手内部に設けた肩部と管端部にお
   けるショルダシールとの２個所のメタルシールを有する
   特殊継手の締付けにおいて、 締付トルク値を微小時間Δｔ毎にサンプリングし、 Δｔ時間経過時のサンプリングトルク値とΔｔ時間経過
   前のサンプリングトルク値との差ΔＴを演算し、 この値ΔＴを一定のサンプリング回数ｎ回について加算
   し、かつ、加算に際してはｍ回目の加算では（ｍ−ｎ＋
   １）回目からｍ回目までの値を加算し、次の（ｍ＋１）
   回目の加算では（ｍ＋１−ｎ＋１）回目からｍ＋１回目
   までの値を加算するように、加算する値を１つずつシフ
   トさせ、 このように加算したサンプリングトルク値の差の和ΣΔ
   Ｔをｎ回目以降毎回、あらかじめ設定した設定値ΔT0と
   比較し、 このサンプリングトルク値の差の和が上記設定値を超え
   た時、ショルダタッチトルクが発生したことを判断し、 上記ショルダタッチトルクの発生を判断した時からカウ
   ンタにより所定回数をカウントし、 上記カウンタの回数が所定回数に達した時の停止信号に
   より締付機が停止した時のサンプリングトルク値を最終
   締付トルクとして検出し、 上記検出した最終締付トルクをあらかじめ締付けの管理
   基準として数段階に区分して定めた合否判定基準値と比
   較し、その比較結果に基づいて締付け状態を自動判定す
   るとともに、上記最終締付トルクが適正トルク範囲に入
   るように締付制御を行うことを特徴とするショルダシー
   ルを有する特殊継手の締付制御方法。