JPWO2016113790A1 - 管用ねじ継手 - Google Patents

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Abstract

シール性と耐圧縮性、さらには、耐ゴーリング性を向上させた、管用ねじ継手を提供する。ピン部材(3)の素管部外径が168.3mm以下である管用ねじ継手であって、ピン部材(3)のノーズ部外周面(30)は、ピン部材(3)の軸方向断面視で外側に凸状の曲線をなし、該凸状の曲線は、雄ねじ部に隣接する円筒形状部の母線に相異なる曲率半径Rを有する外側に凸状の複数の円弧を順次接続してなる複合R曲線を、雄ねじ部(7)から遠ざかるにつれて円弧の曲率半径Rが大きくなり、かつ、円弧の接続点上の接線が接続相手の円弧のそれと一致するような曲線形状としたものであり、ボックス部材(1)の前記内周面は、ピン部材(3)との結合時にピン部材(3)のノーズ部外周面(30)と干渉するテーパ面(20)とし、ピン部材(3)のノーズ部(8)の長さ(L)を5mm以上20mm未満とした。

Description

本発明は、管用ねじ継手に関し、詳しくは一般に油井やガス井の探査や生産に使用されるチュービングおよびケーシングを包含する油井管、すなわちOCTG(oil country tubular goods)、ライザー管、ならびにラインパイプなどの鋼管の接続に用いるのに好適な、シール性と耐圧縮性に優れた、外径168.3mm以下の管用ねじ継手に関する。
ねじ継手は、油井管など産油産業設備に使用される管の接続に広く使用されている。オイルやガスの探索や生産に使用される管の接続には、従来API(米国石油協会)規格に規定された標準的なねじ継手が使用されてきた。
ところで、近年、原油や天然ガスの井戸は深井戸化が進み、垂直井から水平井や傾斜井が増加していることから、掘削・生産環境は苛酷化している。また、海洋や極地など劣悪な環境での井戸の開発が増加していることなどから、耐圧縮性能、耐曲げ性能、外圧シール性能(耐外圧性能)など、ねじ継手への要求性能は多様化している。そのため、プレミアムジョイントと呼ばれる高性能の特殊ねじ継手を使用することが増加している。
プレミアムジョイントは、通常、テーパねじ、シール部(詳しくはメタルタッチシール部)、ショルダ部(詳しくはトルクショルダ部)をそれぞれ備えるピン部材とボックス部材とを結合した継手である。テーパねじは管継手を強固に固定するために重要である。シール部はボックス部材とピン部材とがこの部分でメタル−メタル接触することでシール性を確保する役目を担う。ショルダ部は継手の締付け中にストッパの役目を担うショルダ面となる。
図2〜図4は、油井管用プレミアムジョイントの模式的説明図であり、これらは、円管のねじ継手の縦断面図(軸方向断面図)である。ねじ継手は、ピン部材3とこれに対応するボックス部材1とを備えており、ピン部材3(ピン3)は、その外面に雄ねじ7と、ピン3の先端側に雄ねじ7に隣接して設けられたノーズ部8(ピンノーズ8)と呼ばれるねじ無し部とを有する。ノーズ部8は、その外周面にシール部11を、その端面にはトルクショルダ部12を有する。相対するボックス部材1は、その内面に、それぞれピン3の雄ねじ7、シール部11、およびショルダ部12と螺合するか、または接触することができる部分である、雌ねじ5、シール部13、および、ショルダ部14を有している。
前記プレミアムジョイントに関する従来技術として、特許文献1〜7が挙げられる。
特許第4535064号公報 特許第4208192号公報 実公昭61−44068号公報 特許第4300187号公報 特開2001−124253号公報 特許第2705506号公報 特許第4930647号公報
図2〜図4の例では、メタルタッチシール部(シール部11とシール部13との接触面であるシール部)はピンノーズ8の先端部にある。一方、特許文献1には、耐外圧性能を増すために、ピンノーズ8のねじ部近くにメタルタッチシール部を設け、ノーズ部をシール部からショルダ部まで長く伸ばす、ねじ継手が提案されている。この特許文献1に開示されるねじ継手においては、ボックス部材と非接触なピンノーズを、シール部とは不連続な形状となるように長く伸ばしてピンノーズの厚みが薄くならないように構成されており、前述の耐外圧性能の他に、耐軸圧縮性能の向上も実現している。
また、特許文献2には、同様にシール部からピンノーズ先端にアペンディックスなる、これもシール部と不連続な形状を有する部位を設けて、半径方向の剛性を確保し軸方向の剛性を下げて、締付け時にこのアペンディックスを変形させ、引張力の負荷時にその回復により、耐引張性能を向上させることが記載されている。
これら、特許文献1、2に記載されるように、シール部位置をピンのねじ部位置近くに置き、ピンノーズ先端から離すことは、耐外圧性能、耐引張性能の向上とともに、ねじに対して安定的な性能を持たせる上で有効である。それはFEMシミュレーション等からも確認できる。またシール部と不連続な形状となるピンノーズは、強い軸圧縮力が負荷された場合に、それ自体が変形し、ボックス部材のトルクショルダ部の塑性変形を軽減させる効果もある。しかし、一方で、不連続部に不正な変形が入ることもあり、これは締付けトルクに依存すると考えられる。
締付けトルクは潤滑条件、表面性状等に影響されるので、これに大きくは依存しない設計として、シール接触圧力の半径方向成分を相対的に強くした半径方向シール方式がある。例えば、特許文献3には、大きなピンシールR形状を持ち、シールテーパ角を小さくした半径方向シール方式の例が開示されている。しかし、このようにシールテーパ角を小さくした、半径方向シール方式の問題点は、締付け時にゴーリングが発生し易い点にある。特にシール性能の確保およびシールの安定性のために、シール干渉量を大きくとる必要がある場合には、ゴーリングの発生のし易さは更に大きくなる。
特許文献4では、これらの問題を解決するために、トロイド状(円錐曲線回転面形状)ピンシール面の半径を大きく規定することで、シール接触領域を大きくし、接触圧力を低下させている。この対策は有効であり、メタルタッチシール部のゴーリングリスクを大きく軽減できる。しかし、大きなRをとり接触圧力を低下させることで、何らかの僅かなトラブルで接触圧力の低下が生じ、メタルタッチシール部に微小なリークパスが出来た場合、リークが容易には止まらないという問題がある。また、大きなRであるが故に、メタルタッチシール部をノーズ先端から離すことが物理的に困難であり、メタルタッチシール部とピンノーズ先端の長さをある程度以上に確保する場合、ピンノーズ先端の厚みが小さくなりすぎることにも繋がる。
耐軸圧縮性能に関しては、特許文献5や特許文献6に記載されるように、ねじ部におけるスタブフランク側の隙間を小さくすることが有効である。但し、この隙間が小さすぎる場合には、ねじ部にゴーリングが発生し易くなるため、適切な隙間をとる必要がある。
特許文献7では、特許文献1〜6では未解決であった上述の問題を解決する手段として、ピン部材のノーズ部外周面を軸方向断面視で外側に凸状の複合R曲線形状とし、これと対抗するボックス部材の内周面をテーパ形状とすることを提案している。これにより、シール性と耐圧縮性、さらには、耐ゴーリング性を向上させた管用ねじ継手を得ることが可能となるという効果が期待される。
しかし、特許文献7に記載の技術を、外径が例えば168.3mm以下である管をピン部材の素管とする場合に適用すると、ピン部材の剛性が不十分となって、耐外圧性能が低下する場合があることを、本発明者らは実験および計算による検討から知見した。
以上説明したように、従来提案されているねじ継手においては、未だ何らかの問題を有している。とくにピン部材の素管部外径すなわちピン部材の全長から先端側の雄ねじ加工部を除いた残りの長さ部分の外径が168.3mm以下である場合に、上述した耐圧縮性能、耐曲げ性能、外圧シール性能など、ねじ継手への要求性能の多様化に十分応えるためには、更なる改良の余地がある。本発明は、このような事情に鑑みて、特に素管部外径が168.3mm以下である場合に、シール性と耐圧縮性、さらには、耐ゴーリング性を向上させた、管用ねじ継手を提供することを目的とする。
前述した課題を解決するための手段を見出すべく、発明者らは前記特許文献7に記載の管用ねじ継手をベースとして鋭意検討を重ね、以下の要旨構成になる本発明をなすに至った。すなわち、本発明は以下のとおりである。
(1)雄ねじ部と、該雄ねじ部より管端側に延在するノーズ部と、該ノーズ部の先端に設けられたショルダ部とを有するピン部材と、
前記雄ねじ部とねじ結合される雌ねじ部と、前記ピン部材のノーズ部外周面に相対する内周面と、前記ピン部材のショルダ部に当接するショルダ部とを有するボックス部材とを具備し、
前記ねじ結合により前記ピン部材とボックス部材とが結合されてピン部材のノーズ部外周面とボックス部材の前記内周面とがメタル‐メタル接触しその接触界面がシール面になる管用ねじ継手であって、
前記ピン部材のノーズ部外周面は、ピン部材の軸方向断面視で外側に凸状の曲線をなし、該凸状の曲線は、雄ねじ部に隣接する円筒形状部の母線に相異なる曲率半径Rを有する外側に凸状の複数の円弧を順次接続してなる複合R曲線を、雄ねじ部から遠ざかるにつれて円弧の曲率半径Rが大きくなり、かつ、円弧の接続点上の接線が接続相手の円弧のそれと一致するような曲線形状としたものであり、
前記ボックス部材の前記内周面は、ピン部材との結合時にピン部材のノーズ部外周面と干渉するテーパ面とし、
前記ピン部材の素管部外径を168.3mm以下とし、前記ノーズ部の長さを5mm以上20mm未満としたことを特徴とする、管用ねじ継手。
(2)前記複合R曲線内の各円弧がなす角度は、前記雄ねじ部に近い円弧のものほど大きいことを特徴とする前記(1)に記載の管用ねじ継手。
(3)前記複合R曲線内の前記接続点のいずれかが前記テーパ面との接触開始点になることを特徴とする前記(1)又は(2)に記載の管用ねじ継手。
(4)前記テーパ面は、継手の軸方向となす角度が10度以内であることを特徴とする前記(1)〜(3)のいずれかに記載の管用ねじ継手。
(5)前記雄ねじ部と前記雌ねじ部とは、スタブフランク角度が0度〜30度の範囲内であることを特徴とする前記(1)〜(4)のいずれかに記載の管用ねじ継手。
(6)前記雄ねじ部と前記雌ねじ部とは、ロードフランク角度が−5度〜4度の範囲内であることを特徴とする前記(1)〜(5)のいずれかに記載の管用ねじ継手。
(7)前記ショルダ部のショルダ角度が0度〜20度の範囲内であることを特徴とする前記(1)〜(6)のいずれかに記載の管用ねじ継手。
(8)前記雄ねじ部と前記雌ねじ部とは、ねじ隙間が0.01〜0.1mmの範囲内であることを特徴とする前記(1)〜(7)のいずれかに記載の管用ねじ継手。
(9)前記(1)〜(8)のいずれかにおいて、雄ねじ部に隣接する円筒形状部の母線に相異なる曲率半径Rを有する複数の円弧を順次接続した複合R曲線に代えて、雄ねじ部に隣接する円筒形状部の母線に相異なる曲率半径Rを有する複数の円弧を直接もしくは長さ2.5mm以下の線分を介して順次接続した複合R曲線としたことを特徴とする管用ねじ継手。
(10)前記(1)〜(8)のいずれかにおいて、雄ねじ部に隣接する円筒形状部の母線に相異なる曲率半径Rを有する複数の円弧を順次接続した複合R曲線に代えて、雄ねじ部に隣接する円筒形状部の母線に相異なる曲率半径Rを有する複数の円弧を長さ2.5mm以下で、半径が250mm以上かつ隣接する円弧の半径の3倍以上となる円弧を介して順次接続した複合R曲線としたことを特徴とする管用ねじ継手。
本発明によれば、ピン部材の素管部外径が168.3mm以下であっても、シール性と耐圧縮性、さらには、耐ゴーリング性を向上させた、管用ねじ継手を得ることが可能となる。
図1は、本発明の実施形態に係る管用ねじ継手のノーズ部を示す断面図である。 図2は、従来の管用ねじ継手を示す断面図である。 図3は、図2におけるピンノーズ付近を示す拡大断面図である。 図4は、図2におけるねじ部分を示す拡大断面図である。 図5は、ねじ隙間、ロードフランク角度、スタブフランク角度の定義を示す断面図である。 図6は、リークテストシミュレーションにおける負荷履歴を示すチャート図である。
上述のとおり、ノーズ先端から離れた位置にシール部を設け、ノーズ部をシール部からショルダ部まで長く伸ばすことは、耐外圧性能、耐引張性能の向上とともに、ねじに対して安定的な性能を持たせる上で有効である。そこで、発明者らは、シール部をノーズ先端(あるいはショルダ)から離すことができ、かつ、ピンノーズ先端の厚みが小さくなり過ぎないようにするための、シール部周辺の形状について検討した。
その結果、下記の条件1〜3を満たす場合に、下記の要件1〜3を満たすことで、ピンノーズ先端の厚みを小さくせずに、シール部をノーズ先端から離すことが可能であるとの発想に至った。
(条件1)ピン部材のノーズ部外周面が、ピン部材の軸方向断面視で外側に凸状の曲線をなす面形状とされる。
(条件2)このピン部材のノーズ部外周面と相対するボックス部材の内周面が、ボックス部材の軸方向断面視でピン部材の凸状の曲線と二点で交わるテーパ面形状とされる。
(条件3)前記ピン部材のノーズ部外周面とこのノーズ部外周面に相対するボックス部材の内周面(以下テーパ面ともいう)とでメタルタッチシール部が形成され、該シール部のピン部材側、ボックス部材側の各界面がそれぞれ同部材のシール面となる。
(要件1)ピン部材の凸状の曲線は、雄ねじ部に隣接する円筒形状部の母線に相異なる曲率半径Rを有する複数の円弧を順次接続した複合R曲線とする。
(要件2)雄ねじ部から遠ざかるにつれて前記円弧の曲率半径Rが大きくなる。
(要件3)円弧の接続点上の接線が接続相手の円弧のそれと一致するような曲線形状とする。
そして、さらなる検討の結果、ピン部材の素管部外径が168.3mm以下であると、ノーズ部およびボックス部材の形状を上記のようにしても、ピン部材のノーズ部長さによっては、ピン部材の剛性が不十分となって、十分なシール性を確保することが難しいことが分った。そこで、さらなる検討の結果、ノーズ部の長さを5mm以上20mm未満にすることで、素管部外径が168.3mm以下であっても十分な特性を実現できることを見出した。
図1は、本発明の実施形態に係る管用ねじ継手のノーズ部を示す断面図である。(a)はピン部材3を、(b)はボックス部材1を、(c)はピン部材3とボックス部材1とを結合した状態を示す。ピン部材3は、管の端部に設けられるものであり、雄ねじ部7と、該雄ねじ部7より管端側に連なるノーズ部8と、該ノーズ部8の先端に設けたトルクショルダ部12とを有する。ピン部材3の素管部外径は168.3mm以下である。又、ピン部材の素管部外径は、OCTG、ライザー管、ラインパイプで通常使用される60.3mm以上が好ましい。一方、ボックス部材1は、ピン部材3の雄ねじ部7とねじ結合される雌ねじ部5と、前記ねじ結合によるピン部材3とボックス部材1との結合状態下でノーズ部8の外周面(ノーズ部外周面30)に対向するボックス部材1の内周面であるテーパ面20と、ショルダ部12に当接されるショルダ部14とを有している。
ノーズ部外周面30は、ピン部材3の軸方向断面視で外側に凸状の曲線をなしている。一方、ノーズ部外周面30に対向するボックス部材1の内周面はねじ継手の軸方向に対して一定の傾角(テーパ角という)αを持つテーパ面20(円錐形状面)とされている。そして、ピン部材3とボックス部材1とを結合させると、テーパ面20とノーズ部外周面30とが干渉してシール部40を形成する。前記テーパ角αは、ピン部材3とボックス部材1との仮想的無干渉結合状態におけるねじ継手の軸方向断面視で前記凸状の曲線とテーパ面20の母線とが二点で交わるように設定され、実際にはその二交点で挟まれた範囲(干渉域40a)内にシール部40は形成される。
ノーズ部外周面30に形成される前記凸状の曲線を、図1に示す3つの円弧による複合R曲線の場合を用いて説明する。この曲線は、雄ねじ部7に隣接する円筒形状部の母線である線分N0に相異なる曲率半径R1,R2,R3を持つ円弧N1,N2,N3を順次接続した複合R曲線Nである。この複合R曲線Nは、雄ねじ部7から遠ざかるにつれて円弧の曲率半径が大きくなる、すなわち、R1<R2<R3である曲線形状とされている。これによりピンノーズ8先端のショルダ部12の厚み(ショルダ厚み)tを大きくとることが可能となる。比較として凸状の曲線を単一R曲線M(曲率半径Rの単一円弧)とし、そのシール部の干渉域を複合R曲線Nのシール部40の干渉域40aと同等とした場合を図1(c)中に破線で示した。かかる単一R曲線Mでは複合R曲線Nの場合に比較してショルダ厚みが小さくなってしまうことがわかる。ショルダ厚みが小さくなると、ピンノーズ8の剛性が不足し、シール部40の接触面圧を適正に確保できなくなる。逆に、単一R曲線でショルダ厚みを確保しようとすると、シール部40の位置が雄ねじ部7から遠ざかることとなり、耐外圧性能、耐引張性能の確保の観点から好ましくない。
また、複合R曲線Nは、円弧の接続点上の接線が接続相手の円弧のそれと一致するような曲線形状とされている。例えば、円弧N1とN2との接続点、円弧N2とN3との接続点ではそれぞれ、接続される両円弧の接線を一致させてある。したがって、凸状の曲線は当該曲線上に屈曲点が存在しない連続的な曲線形状となり、ノーズ部の不正な変形が抑制される。尚、前記接続される両円弧同士は、直接接続しても、直接接続しなくてもよい。直接接続しない場合には長さ2.5mm以下の線分を介して順次接合することが好ましい。又、前記円弧同士の共通接線と重なる線分、または、角度変化を実質考えなくても良い半径が十分大きな円弧(半径が250mm以上、かつ、隣接する円弧の3倍以上)を介して接続してもよい。リークパスができないような接触面圧を確保するためには、上記の線分または半径が十分大きな円弧の長さは2.5mm以下とすることが好ましい。
ここで、円弧N1,N2,N3の各円弧のなす角度θ123は、雄ねじ部7に近い円弧のものほど大きいこと、すなわち、θ1>θ2>θ3であることが好ましい。さもないと、限られたピン部材3のノーズ部8の長さ(図1(a)中のピンノーズ長さL)あるいは限られた干渉域40aの長さ(シール接触長さという)の中で複合R曲線を設計するのが困難となる。
さらに、複合R曲線における円弧の接続点、例えば、円弧N1とN2との接続点、及び、円弧N2とN3との接続点、のいずれかが、ボックス部材1のテーパ面20と最初に接触する点を意味する接触開始点と一致していることが好ましい。複合R曲線内の円弧の接続点のいずれかを接触開始点にすることで、シール部の接触面圧分布には、Rが大きくて面圧が低く接触長が長い部位と、Rが小さくて面圧が高く接触長が短い部位とができ、リークパスができにくく極限シール性能が向上する。
しかし、実際には、ねじ切り装置の製作公差の関係で、円弧の接続点をボックス部材のテーパ面との接触開始点と完全に一致させることは難しい場合がある。この場合、円弧の接続点における接線の傾きをボックス部材のテーパ面の傾きより最大0.5度までの範囲で小さくするとよい。実際のねじ締付においては、ピンとボックスとの半径方向の干渉に起因して、ピンの先端が先細りするような変形が起こり、締付完了時点におけるピン表面の接線の傾きは設計値より大きくなる。このため、円弧の接続点における接線の傾きがボックス部材のテーパの傾きよりも0.5度以下の範囲で小さくすれば、実質的に双方の傾きが一致するのと同様な効果がある。
なお、接触開始点は、シール部をノーズ先端から離す観点から、雄ねじ部先端からの距離x(図1(c)参照)が0.7L(上述のとおりLはピンノーズ長さである)以下になる位置に置くのがよい。更には、接触開始点の雄ねじ部先端からの距離が0.2L未満となると、締め付けの際、シール部とねじ部の干渉が生じ易くなるため、0.2L以上が良い。更に安全のためには0.3L以上が良い。
ピンノーズ長さLは、5mm以上20mm未満とする必要がある。Lが5mm未満ではシール部の管軸方向長さの確保が困難である。一方、ピン部材の素管部外径が168.3mm以下では、素管肉厚が小さく、ショルダ厚が小さくなるので、ピンノーズ長さLが20mm以上になるとピンノーズ8の剛性が不足し、耐外圧性能が低下する。本発明では、ピンノーズ長さLを5mm以上20mm未満に限定することにより、剛性を確保しながら、シール部がピンノーズ先端から十分離間する。その結果、この離間距離範囲内の弾性変形により、シール部へのダメージをより大きく軽減できるため、シール性能の安定化に効果的である。
ボックス部材1のテーパ面20のテーパ角αは10度以内であることが好ましい。テーパ角αを10度以内、更に好ましくは5度以内とすることで、半径方向シール方式が好適に実現でき、シール性能の締付けトルク依存性が比較的低くなる。
シール性能が安定化するため、シール干渉量S(図1(c)参照)は、半径方向シール方式としては比較的小さくとることが可能であり、ゴーリングリスクが小さい。
なお、複合R曲線内の2種類以上のRは、比較的小さいRについては1インチ以下、比較的大きいRについては2インチ以上、さらに大きいRについては3インチ以上にとるのが好ましい。詳しくは、複合R曲線の複数のRのうち少なくとも1つを2インチ以上(より好ましくは3インチ以上)、残りのRを少なくとも1つを2インチ未満(より好ましくは1インチ以下)とすることが好ましい。複合R曲線の複数のRのうち少なくとも1つを2インチ以上(より好ましくは3インチ以上)とすることで、シール部の接触長さを確保し易くなり、残りのRを少なくとも1つを2インチ未満(好ましくは1インチ以下)とすることで、高い面圧を達成し易くなる。
また、複合R曲線内の円弧の個数(相異なるRを持つ円弧の個数)は、2個でもよく、図1に例示した3個でもよく、あるいは4個以上でもよい。円弧の個数が増えるとシール接触長さがより大きくなり、よりシール性能を向上させやすいが、実際の製造における負荷や寸法確認などの手間が増えたりもする。そこで、円弧の個数は実際にねじ継手に要求される性能に応じて設計するのがよい。
さらに、上記接触開始点におけるピン部材の断面積を、継手を先端に形成させるパイプの本体の断面積(ピン未加工部断面積)の35%以上とすることがよい。このようなピンの断面積とすることで、ピン部材の接触開始点における剛性が増し、特に高い耐外圧性能が得られ易くなる。なお、好ましくは、接触開始点におけるピン部材の断面積をパイプ本体の断面積の40%以上とするとよい。
上記のシール部周辺の形状限定に加えて、雄ねじ部と雌ねじ部とについて、ロードフランク角度、スタブフランク角度、ねじ隙間のいずれか1種又は2種以上を好適範囲に規定することで、よりシール性能が全体的に向上することが確認された。ここで、ロードフランク角度は、図5に示すロードフランク角度β、すなわち、ロードフランク面18が継手軸直交面(ねじ継手の軸方向と直交する面の意。以下同じ)に対してなす角度βである。また、スタブフランク角度は、図5に示すスタブフランク角度γ、すなわち、スタブフランク面19が継手軸直交面に対してなす角度γである。また、ねじ隙間は、図5に示すねじ隙間G、すなわち、雄ねじのねじ山7aとこれに噛み合う雌ねじのねじ溝5aとの隙間Gである。
ロードフランク角度βの好適範囲は−5度〜4度であり、該好適範囲の下限はねじ部の耐ゴーリング性と工具寿命の観点から、上限は耐曲げ性の観点から、それぞれ定められた。
スタブフランク角度γの好適範囲は0度〜30度であり、該好適範囲の下限はねじ部の耐ゴーリング性と工具寿命、締め付け性の観点から、上限は耐軸圧縮性の観点から、それぞれ定められた。
ねじ隙間Gの好適範囲は0.01〜0.1mmであり、該好適範囲の下限はゴーリングリスクを軽減する観点から、上限は軸圧縮負荷時にピン先端の負担を軽減させる観点から、それぞれ定められた。なお、ねじ切り時のリードの誤差を考慮すると、ねじ隙間Gは小さくとも0.03mm程度が好ましい。また、ねじ隙間Gは0.045mm程度で十分な性能を効果的に発揮できることを見出したので、状況に応じて0.045mm程度としてもよい。ねじ隙間Gの好ましい範囲は0.03〜0.05mmである。
ロードフランク角度、スタブフランク角度、ねじ隙間の1種又は2種以上を上記のとおりに規定することによるシール性能の全体的向上効果は、特に、一旦軸圧縮を負荷した後の軸引張+内圧もしくは外圧を負荷する条件下で顕著である。
また、ショルダ部のショルダ角度(ショルダ部の継手軸方向の端面が継手軸直交面に対してなす角度であり、当該界面のピン外周側がピン内周側からみて継手軸方向外側に張り出す場合を正の角度とする)は、0度〜20度であることが好ましい。ショルダ角度が0度未満ではシール性能や、締め付け特性の点で不利となり、一方、20度超ではボックスショルダ部の塑性変形や、シール部の局所変形が発生し易いという点で不利となる。好ましくは15度以下が良い。更に状況に応じては、7度以下が好ましい。
発明例として、図1に示した、あるいは図1において複合R曲線の円弧のいずれか2つを線分を介して接続した形態とした(発明例4等の線分を介するものを除き、接続される両円弧の接線が一致するようにした。)、本発明に係る管用ねじ継手について評価を実施した。本発明の実施例(発明例)および比較例の寸法形状と評価結果を表1及び表2に示す。ピン部材は、いずれも外径127.00mm、肉厚9.19mmの鋼管の先端に形成させた。また、ねじは5TPI(1インチあたりのねじ山数が5つ)で形成させた。FEM解析による評価として、ISO13679:2002に準拠したリークテストをシミュレートし、この際のシール部での接触面積圧(ksi・inch)を評価した。なお、接触面積圧は接触面圧をシール接触領域にて積分計算することによりで求める。このリークテストは、管用ねじ継手に対し、素材の降伏条件の95%に対応した2軸応力と内圧、および、ISO10400:2007に記載のCollapse条件に対応した2軸応力あるいは素材の降伏条件の95%に対応した2軸応力のうちの小さい方の2軸応力と外圧に基づく負荷試験を実施するものであり、図6に示す履歴で負荷させるものである。
また、ねじ締付け時のゴーリングリスクを表す指標として、締付け開始から完了までのシール部の軸方向各位置における摺動距離(inch)と接触面圧(psi)との積で定義した、ゴーリング指標(psi・inch)=接触面圧×摺動距離、の値をFEM解析により求めた。これも積分計算で求める。ゴーリング指標が小さいほどゴーリングリスクは小さいといえる。また、比較として、ピンノーズ8の外周面の母線を単一のRを有する凸状の曲線(図1に破線で示した単一R曲線M)形状とした場合(比較例1,3,4)、および、ピンノーズ8の外周面の母線を複合R曲線としたが、円弧のRが雄ねじ部7から遠ざかるほど大きくなるという要件を満たさないとした場合(比較例2)、について、同様に接触面積圧およびゴーリング指標を求めた。
なお、比較例2、4では、上記に加えてさらにピンノーズ長さLを本発明範囲外である20mm以上とした。
さらに、これらの発明例および比較例について、ISO13679:2002に規定された試験方法にて、ねじ干渉量を直径あたり0.305mmとして、シール干渉量の異なる複数のサンプルを作製し、物理テストを実施した。また、ねじ干渉量を直径あたり0.127mmとしてシール干渉量を変更した複数のサンプルを作製し、13回繰り返し締付試験を実施した。これらの試験により、物理テストでリークの発生しなかった最小シール干渉量および繰り返し締付試験で13回の締付の間にゴーリングの発生しなかった最大シール干渉量を求め、その差をもって設定可能シール干渉量範囲とした。
発明例および比較例について、ねじ継手の各部寸法と併せて、FEM計算で求めた接触面積圧およびゴーリング指標と、実際の物理テストおよび繰り返し締付試験により求めた最大および最小シール干渉量を表1に示す。ここで、表1中のシール干渉量は直径あたりの値であり、図1(c)に示したシール干渉量S×2に相当する値である。
なお、FEM計算における内圧条件での接触面積圧は、いずれの例も図6の履歴中のロードステップL3、L18近傍(2軸引張応力+内圧)において極小値(最もリークが起こり易い状態に相当)を示した。このロードポイントは、ISO13679では規定が無いものであるが、内圧+引張り条件では、最も厳しい条件であり、必要とされることもあるため、ここでの比較とした。一方、FEM計算における外圧条件での接触面積圧は、いずれの例も図6の履歴中のロードステップL15近傍(2軸引張応力+外圧)で極少値を示した。表1には各例の接触面積圧の極小値を相対極小値で表示した。ここで、内圧はガスで負荷し外圧は水で負荷するためにリークのしやすさが異なっており、内圧条件および外圧条件のそれぞれの極小値を基準として相対極少値を求めた。すなわち、L3とL18の極少値は、L3およびL18についての全例の中で最小の極小値を100とし、他はこれに対する比で表した。また、L15の極少値は、L15についての全例の中で最小の極小値を100とし、他はこれに対する比で表した。
判定基準値は、シール性について、接触面積圧が100以下を不適、ゴーリング指数について、100以上を不適とした。
一度、圧縮履歴を受けた後であるロードステップL18は、圧縮履歴を受ける前の同じロードポイントであるロードステップL3よりシール性能が低下しており、特に十分なショルダ厚を有さない比較例3にて顕著な低下が見られる。いずれの結果においても、本発明例は圧縮履歴後のL18にて良好なシール性を示した。
また、ゴーリング指標は、極大値(最もゴーリングリスクが高い状態に相当)を示す継手軸方向位置が例ごとに異なった。表1には各例のゴーリング指標の極大値を相対極大値(全例の中で最大の極大値を100とし、他はこれに対する比で表したもの)で表示した。
他サイズでの評価結果を表3に示す。対象材は外径139.70mm、肉厚7.72mm、5TPI、および、外径88.90mm、肉厚10.92mm、6TPIである。いずれのサイズにおいても、本発明例は圧縮履歴後の優れたシール性、および、締付け時の優れた耐ゴーリング性を示した。
表1、表2および表3に示した評価結果より、発明例ではいずれも、比較例に比べ、接触面積圧が高いにもかかわらずゴーリング指標が小さいか同程度であり、また、設定可能シール干渉量範囲が広く、シール性および耐ゴーリング性に優れたねじ継手が実現したことがわかる。
Figure 2016113790
Figure 2016113790
Figure 2016113790
1 ボックス部材
3 ピン(ピン部材)
5 雌ねじ(雌ねじ部)
5a 雌ねじのねじ溝
7 雄ねじ(雄ねじ部)
7a 雄ねじのねじ山
8 ノーズ部(ピンノーズ)
11、13、40 シール部(詳しくはメタルタッチシール部)
12、14 ショルダ部(詳しくはトルクショルダ部)
18 ロードフランク面
19 スタブフランク面
20 ピン部材のノーズ部外周面に相対するボックス部材の内周面(テーパ面)
30 ピン部材のノーズ部外周面(ピンノーズ外周面)
40a 干渉域

Claims (10)

  1. 雄ねじ部と、該雄ねじ部より管端側に延在するノーズ部と、該ノーズ部の先端に設けられたショルダ部とを有するピン部材と、
    前記雄ねじ部とねじ結合される雌ねじ部と、前記ピン部材のノーズ部外周面に相対する内周面と、前記ピン部材のショルダ部に当接するショルダ部とを有するボックス部材と、を具備し、
    前記ねじ結合により前記ピン部材とボックス部材とが結合されてピン部材のノーズ部外周面とボックス部材の前記内周面とがメタル−メタル接触しその接触界面がシール面になる管用ねじ継手であって、
    前記ピン部材のノーズ部外周面は、ピン部材の軸方向断面視で外側に凸状の曲線をなし、該凸状の曲線は、雄ねじ部に隣接する円筒形状部の母線に相異なる曲率半径Rを有する外側に凸状の複数の円弧を順次接続してなる複合R曲線を、雄ねじ部から遠ざかるにつれて円弧の曲率半径Rが大きくなり、かつ、円弧の接続点上の接線が接続相手の円弧のそれと一致するような曲線形状としたものであり、
    前記ボックス部材の前記内周面は、ピン部材との結合時にピン部材のノーズ部外周面と干渉するテーパ面とし、
    前記ピン部材の素管部外径を168.3mm以下とし、前記ノーズ部の長さを5mm以上20mm未満としたことを特徴とする、管用ねじ継手。
  2. 前記複合R曲線内の各円弧がなす角度は、前記雄ねじ部に近い円弧のものほど大きいことを特徴とする請求項1に記載の管用ねじ継手。
  3. 前記複合R曲線内の前記接続点のいずれかが前記テーパ面との接触開始点になることを特徴とする請求項1又は2に記載の管用ねじ継手。
  4. 前記テーパ面は、継手の軸方向となす角度が10度以内であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の管用ねじ継手。
  5. 前記雄ねじ部と前記雌ねじ部とは、スタブフランク角度が0度〜30度の範囲内であることを特徴とする前記請求項1〜4のいずれかに記載の管用ねじ継手。
  6. 前記雄ねじ部と前記雌ねじ部とは、ロードフランク角度が−5度〜4度の範囲内であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の管用ねじ継手。
  7. 前記ショルダ部のショルダ角度が0度〜20度の範囲内であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の管用ねじ継手。
  8. 前記雄ねじ部と前記雌ねじ部とは、ねじ隙間が0.01〜0.1mmの範囲内であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の管用ねじ継手。
  9. 請求項1〜8のいずれかにおいて、雄ねじ部に隣接する円筒形状部の母線に相異なる曲率半径Rを有する複数の円弧を順次接続した複合R曲線に代えて、雄ねじ部に隣接する円筒形状部の母線に相異なる曲率半径Rを有する複数の円弧を直接もしくは長さ2.5mm以下の線分を介して順次接続した複合R曲線としたことを特徴とする管用ねじ継手。
  10. 請求項1〜8のいずれかにおいて、雄ねじ部に隣接する円筒形状部の母線に相異なる曲率半径Rを有する複数の円弧を順次接続した複合R曲線に代えて、雄ねじ部に隣接する円筒形状部の母線に相異なる曲率半径Rを有する複数の円弧を長さ2.5mm以下で、半径が250mm以上かつ隣接する円弧の半径の3倍以上となる円弧を介して順次接続した複合R曲線としたことを特徴とする管用ねじ継手。
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