JPWO2018163829A1 - 油井管用ねじ継手 - Google Patents

Abstract

厚肉油井管に使用され、継手効率が１よりも小さいねじ継手において、高い密封性能を確保する。ねじ継手（１０）は、油井管（１）同士を連結する。ねじ継手（１０）は、２つのピン部（１１）と、管状のカップリングとを備える。ピン部（１１）の各々は、油井管（１）の端部に設けられ、１２ｍｍ以上の肉厚を有する管本体（１２）と連続して形成される。カップリング（２）は、２つのボックス部（２１）と、リセス部（２２）とを含む。ボックス部（２１）は、カップリング（２）の両端部に設けられる。リセス部（２２）は、１０ｍｍ以上の長さを有する。ねじ継手（１０）の継手効率は、１未満である。管本体（１２）の肉厚をｔｐｉｐｅ、リセス部（２２）の肉厚及び長さをｔ１及び２×Ｌ１、ボックス部（２１）の長さをＬ２として、Ｔ，Ｌを式（１），（２）で定義したとき、Ｔ，Ｌが式（３）を満たす。

Description

本開示は、ねじ継手に関し、より詳しくは、管状のカップリングを介して油井管同士を連結するためのねじ継手に関する。

従来、油井や天然ガス井等（以下、総称して油井という）では、油井管と呼ばれる鋼管が使用されている。油井管は、ねじ継手によって互いに連結されて油井に設置される。

ねじ継手の形式は、インテグラル型とカップリング型とに大別される。インテグラル型では、油井管同士が直接連結される。具体的には、一の油井管の端部の内周に設けられた雌ねじ部に、他の油井管の端部の外周に設けられた雄ねじ部がねじ込まれることにより、油井管同士が連結される。カップリング型では、カップリングを介して油井管同士が連結される。具体的には、カップリングの両端部の内周に設けられた雌ねじ部の各々に、油井管の端部の外周に設けられた雄ねじ部がねじ込まれることにより、油井管同士が連結される。

一般に、雄ねじ部が形成された油井管の端部は、雌ねじ部に挿入される要素を含むことからピンと称される。雌ねじ部が形成された油井管又はカップリングの端部は、雄ねじ部を受け入れる要素を含むことからボックスと称される。

近年、油井の深井戸化が進んでいる。深井戸では、通常、高い耐圧性を有する厚肉の油井管が使用される。厚肉の油井管同士を連結するためのねじ継手には、高い強度及び密封性能が要求されるだけでなく、油井管を多重に配置するために厳しい外径寸法の制約が課されている。

継手部分の外径寸法を小さくするためには、ピン及びボックスの少なくとも一方を薄肉化すればよい。ピン及び／又はボックスを薄肉化したねじ継手として、例えば、スリム型と呼ばれるものを挙げることができる。スリム型のねじ継手は、油井管本体の外径と同程度の外径を有する。スリム型のねじ継手の継手効率は、１よりも小さい。継手効率は、油井管本体の引張強度に対する継手部分の引張強度の比であり、締結状態において引張荷重に耐える面積が最も小さくなる継手部分の横断面（一般に、「危険断面」と称される。）の面積／油井管本体の横断面の面積で定義される。

ねじ継手のシール試験における最大内圧値は、油井管本体の外径及び肉厚によって決定される。このため、スリム型のねじ継手の場合、シール試験において、他のねじ継手と比較して相対的に高い内圧が繰り返し負荷されることとなる。これにより、ボックスが拡径変形して、ピンシール面とボックスシール面との接触により形成されるシール部の接触力が低下し、リークが誘発される可能性がある。

ねじ継手の密封性能を向上させるためには、ねじ部又はシール部の形状を工夫するのが一般的である。例えば、特許文献１（特開平２−８０８８６号公報）には、完全ねじ部のうち、ピンの先端側の一部において半径方向の干渉代をなくすことにより、ねじ部の嵌め合いに起因するシール部の干渉代の低下を防止する技術が記載されている。特許文献２（特許第３７２６３０２号公報）には、ピンに設けられたシール形成用ねじ無し部を２段のテーパ構造とし、ピンの先端側のテーパを他方のテーパよりも小さくすることにより、密封性能を高める技術が記載されている。

本明細書は、以下の先行技術文献を引用により援用する。
特開平２−８０８８６号公報 特許第３７２６３０２号公報

開示の概要

継手効率が１よりも小さいスリム型のねじ継手では、シール試験中又は使用中において内圧が繰り返し負荷されることにより、ボックスが拡径変形しやすく、結果としてリークが発生する可能性がある。内圧の繰り返しの負荷によるボックスの拡径変形は、ねじ部又はシール部の形状の工夫によって抑制することは難しい。このため、スリム型のねじ継手の場合、従来のようにねじ部又はシール部の形状を工夫したとしても、高い密封性能を確保することは困難である。

本開示は、厚肉油井管に使用され、継手効率が１よりも小さいねじ継手において、高い密封性能を確保することを目的とする。

本開示に係るねじ継手は、油井管同士を連結するためのねじ継手である。ねじ継手は、２つのピン部と、管状のカップリングとを備える。ピン部の各々は、油井管の端部に設けられ、１２ｍｍ以上の肉厚を有する管本体と連続して形成される。カップリングは、２つのボックス部と、リセス部とを含む。ボックス部は、カップリングの両端部に設けられる。ボックス部の各々は、対応するピン部と締結可能である。リセス部は、２つのボックス部の間に位置する。ピン部の各々は、ノーズ部と、ピンショルダ面と、雄ねじ部と、ピンシール面とを含む。ノーズ部は、ピン部の先端部を構成する。ノーズ部の外周面は、ピン部と締結されたボックス部に接触しない。ピンショルダ面は、ノーズ部の先端面に形成される。雄ねじ部は、ピン部の外周面においてノーズ部よりも管本体側に形成される。雄ねじ部は、テーパねじで構成される。ピンシール面は、ピン部の外周面においてノーズ部と雄ねじ部との間に形成される。ボックス部の各々は、雌ねじ部と、ボックスショルダ面と、ボックスシール面とを含む。雌ねじ部は、カップリングの内周面において雄ねじ部に対応して形成される。雌ねじ部は、テーパねじで構成される。ボックスショルダ面は、雌ねじ部よりもカップリングの管軸方向の中央側に形成される。ボックスショルダ面は、締結状態においてピンショルダ面に接触してショルダ部を構成する。ボックスシール面は、カップリングの内周面において雌ねじ部とボックスショルダ面との間に形成される。ボックスシール面は、締結状態においてピンシール面と接触してシール部を構成する。リセス部は、１０ｍｍ以上の管軸方向の長さを有する。継手効率は、１未満である。継手効率は、締結状態において互いに噛み合った雄ねじ部及び雌ねじ部のシール部側の端におけるカップリングの横断面（締結状態において引張荷重に耐える面積が最も小さくなる継手部分の横断面）の面積をＡ１、管本体の横断面の面積をＡ２として、Ａ１／Ａ２によって算出される。管本体の肉厚をｔ_ｐｉｐｅ、リセス部の肉厚及び管軸方向の長さをそれぞれｔ_１及び２×Ｌ_１、ボックスの各々の管軸方向の長さをＬ_２として、Ｔを次の式（１）で定義し、Ｌを次の式（２）で定義したとき、Ｔ，Ｌが次の式（３）を満たす。

本開示によれば、厚肉油井管に使用され、継手効率が１よりも小さいねじ継手において、高い密封性能を確保することができる。

図１は、カップリングの構成の検討に使用したねじ継手の概略構成を示す縦断面図である。 図２は、図１に示すねじ継手のカップリングに近似させた二段円筒のモデルの縦断面図である。 図３は、シール干渉量に関するパラメータａとカップリングのリセス部の長さに関するパラメータＬとの関係を示すグラフである。 図４は、シール干渉量に関するパラメータａとカップリングのリセス部の肉厚に関するパラメータＴとの関係を示すグラフである。 図５は、実施形態に係るねじ継手の概略構成を示す縦断面図である。 図６は、実施形態の変形例に係るねじ継手の概略構成を示す縦断面図である。

上述した通り、スリム型のねじ継手の場合、ねじ部又はシール部の形状を工夫しても、内圧によるボックスの拡径変形を抑制することは難しい。カップリング型のねじ継手であれば、カップリングの剛性を高めることにより、ボックスの拡径変形を抑制することも考えられる。すなわち、ボックスの拡径変形を抑制するために、カップリングの外径及び肉厚を大きくすればよい。しかしながら、スリム型のねじ継手では、厳しい外径寸法の制約により、カップリングの外径の増大に限界がある。

一般に、カップリングにおいて、ボックス間に位置する部分（以下、リセス部という）は、ボックスシール面が設けられている部分と比較して肉厚が大きいため、高い剛性を有する。よって、ねじ継手に対して内圧が負荷された際、リセス部は、あまり拡径せず、ボックスシール面を縮径させる機能を有すると考えられる。

本発明者等は、カップリングのリセス部に着目し、リセス部の構成の工夫によって密封性能を向上させることを考えた。本発明者等は、カップリングの外径を増大させることなく、高い密封性能を得るためのリセス部の構成を検討した。

図１は、カップリング型のねじ継手の概略構成を示す縦断面図である。当該ねじ継手のカップリングにおいて、ボックスショルダ面間の管軸方向の長さの１／２をＬ_１、ボックスの管軸方向の長さをＬ_２、ボックスショルダ面からボックスシール面の接触中心までの管軸方向の長さをＬｓとする。リセス部の管軸方向の長さはＬ_１の２倍であるが、説明の便宜上、Ｌ_１をリセス部の長さという。

図１に示すカップリングに近似する二段円筒のモデルを作製し、当該モデルについて、弾性シェル理論を用いて必要十分な剛性を検討した。図２は、検討に使用した二段円筒のモデルの縦断面図である。図２に示す二段円筒のモデルにおいて、肉厚が大きい円筒部Ｓ１はリセス部に対応し、肉厚が小さい円筒部Ｓ２はボックスに対応する。

一様な円筒の場合、端部の影響が無視できる位置において、内圧Ｐによる円筒シェルのたわみ量ｗは、材料力学上、次の式（４）で与えられる。たわみ量ｗは、内圧Ｐによる円筒シェルの拡径量の１／２の値である。式（４）において、Ｅはヤング率、νはポアソン比、ｒは円筒の中心径、ｔは円筒の肉厚とする。

式（４）の右辺は、この問題における特解となる。円筒の軸心から離れる方向のたわみ量を正とすると、内圧Ｐが作用する円筒シェルの基礎式は、次の式（５）で表される。

ここで、円筒部Ｓ１，Ｓ２におけるたわみ量をそれぞれｗ_１，ｗ_２とすると、ｗ_１，ｗ_２は、それぞれ次の式（６）及び（７）で表される。式式（６）及び（７）におけるｒ_ｉは、カップリングのリセス部の内径、すなわち円筒部Ｓ１の内径である。

カップリングの管軸方向にｘ軸をとり、カップリングの管軸方向中央をｘ軸の原点とすると、円筒部Ｓ１の図２における右端（ｘ＝０）ではたわみ角θ_１及びせん断力Ｑ_１が０となる。よって、次の式（８）及び（９）が成り立つ。

また、円筒部Ｓ１と円筒部Ｓ２とは連続しているため、ｘ＝Ｌ_１における円筒部Ｓ１のたわみ角θ_１及び円筒部Ｓ２のたわみ角θ_２は等しい。よって、円筒部Ｓ１，Ｓ２におけるたわみ量ｗ_１，ｗ_２、曲げモーメントＭ_１，Ｍ_２、せん断力Ｑ_１，Ｑ_２もそれぞれ等しくなる。すなわち、次の式（１０）〜（１３）が成り立つ。

さらに、円筒部Ｓ２の図２における左端（ｘ＝Ｌ_１＋Ｌ_２）は自由端であるため、次の式（１４）及び（１５）が成り立つ。

上記式（８）〜（１５）を連立して解くことにより、未知数Ｃ_１１〜Ｃ_１４，Ｃ_２１〜Ｃ_２４が決定される。よって、上記式（６）及び（７）より、円筒部Ｓ１，Ｓ２のそれぞれのたわみ量ｗ_１，ｗ_２が求まる。シール部におけるたわみ量は、式（７）においてｘ＝Ｌ_１＋Ｌ_Ｓとおけば、次の式（１６）で表すことができる。ただし、Ｌ_ｓは、円筒部Ｓ１と円筒部Ｓ２との境界から、ボックスシール面の接触中心に対応する位置までのｘ方向の距離とする。

本発明者等は、次の式（１７）で定義されるパラメータＴ，Ｌ，ａを使用し、リセス部の肉厚及び管軸方向の長さが密封性能に与える影響を検討した。

Ｔは、リセス部の肉厚ｔ_１を管本体の肉厚ｔ_ｐｉｐｅで規格化したパラメータである。Ｌは、リセス部の長さＬ_１をカップリングの半分の長さＬ_１＋Ｌ_２で規格化したパラメータである。ａは、締結時における設計上のシール干渉量δにより、カップリングが拡径した時の実質シール干渉量δ−２ｗ_２（Ｌ_ｓ）を規格化したパラメータである。式（１７）で使用するたわみ量ｗ_２は、式（１６）で表されるシール部のたわみ量ｗ_２とする。

Ｔを一定として、リセス部の長さＬ_１を変化させたときのＬとａとの関係を図３に示す。Ｌを一定として、リセス部の肉厚ｔ_１を変化させたときのＴとａとの関係を図４に示す。図３及び図４に示される関係は、それぞれ、次の式（１８）及び（１９）で表すことができる。ただし、ｆ（Ｔ）はＬを含まない任意の関数、ｇ（Ｌ）はＴを含まない任意の関数、ｍは定数とする。

式（１８）及び（１９）より、次の式（２０）を導き出すことができる。

上述した通り、ａは、カップリングの拡径時の実質シール干渉量を締結時のシール干渉量で規格化したパラメータである。よって、ａの値が大きいほど、内圧の負荷時におけるシール部の接触面圧が大きくなり、密封性能が向上する。カップリングの剛性を十分に確保し、結果として高い密封性能を得るためには、Ｔ・Ｌ^１／ｍがある閾値ａ_ｔｈよりも大きければよい。本発明者等は、解析及び検討を重ねた結果、ｍ＝１５、ａ_ｔｈ＝１．４という条件に到達し、実施形態に係るねじ継手を完成させた。

実施形態に係るねじ継手は、油井管同士を連結するためのねじ継手である。ねじ継手は、２つのピン部と、管状のカップリングとを備える。ピン部の各々は、油井管の端部に設けられ、１２ｍｍ以上の肉厚を有する管本体と連続して形成される。カップリングは、２つのボックス部と、リセス部とを含む。ボックス部は、カップリングの両端部に設けられる。ボックス部の各々は、対応するピン部と締結可能である。リセス部は、２つのボックス部の間に位置する。ピン部の各々は、ノーズ部と、ピンショルダ面と、雄ねじ部と、ピンシール面とを含む。ノーズ部は、ピン部の先端部を構成する。ノーズ部の外周面は、ピン部と締結されたボックス部に接触しない。ピンショルダ面は、ノーズ部の先端面に形成される。雄ねじ部は、ピン部の外周面においてノーズ部よりも管本体側に形成される。雄ねじ部は、テーパねじで構成される。ピンシール面は、ピン部の外周面においてノーズ部と雄ねじ部との間に形成される。ボックス部の各々は、雌ねじ部と、ボックスショルダ面と、ボックスシール面とを含む。雌ねじ部は、カップリングの内周面において雄ねじ部に対応して形成される。雌ねじ部は、テーパねじで構成される。ボックスショルダ面は、雌ねじ部よりもカップリングの管軸方向の中央側に形成される。ボックスショルダ面は、締結状態においてピンショルダ面に接触してショルダ部を構成する。ボックスシール面は、カップリングの内周面において雌ねじ部とボックスショルダ面との間に形成される。ボックスシール面は、締結状態においてピンシール面と接触してシール部を構成する。リセス部は、１０ｍｍ以上の管軸方向の長さを有する。継手効率は、１未満である。継手効率は、締結状態において互いに噛み合った雄ねじ部及び雌ねじ部のシール部側の端におけるカップリングの横断面の面積をＡ１、管本体の横断面の面積をＡ２として、Ａ１／Ａ２によって算出される。管本体の肉厚をｔ_ｐｉｐｅ、リセス部の肉厚及び管軸方向の長さをそれぞれｔ_１及び２×Ｌ_１、ボックス部の各々の管軸方向の長さをＬ_２として、Ｔを次の式（１）で定義し、Ｌを次の式（２）で定義したとき、Ｔ，Ｌが次の式（３）を満たす。

上記ねじ継手において、リセス部は、式（３）を満たすような肉厚及び管軸方向の長さを有する。この構成によれば、カップリングの剛性を高めることができる。このため、内圧の負荷時において、ボックス部が拡径変形しにくくなり、ピンシール面に対するボックスシール面の接触力が低下するのを抑制することができる。式（３）を満たすために、カップリングの外径を変更する必要はない。よって、上記ねじ継手によれば、カップリングの外径を増大させること無く、高い密封性能を確保することができる。

以下、実施形態について図面を参照しつつ説明する。図中同一及び相当する構成については同一の符号を付し、同じ説明を繰り返さない。説明の便宜上、各図において、構成を簡略化又は模式化して示したり、一部の構成を省略して示したりする場合がある。

［全体構成］
図５は、実施形態に係るねじ継手１０の概略構成を示す縦断面図である。詳しくは後述するが、ねじ継手１０は、いわゆるスリム型のねじ継手である。ねじ継手１０は、管状のカップリング２を介して油井管１同士を連結する。各油井管１は、比較的厚肉の鋼管である。各油井管１において、管本体１２は１２ｍｍ以上の肉厚を有する。

図５に示すように、ねじ継手１０は、２つのピン部１１と、管状のカップリング２とを備える。ピン部１１の各々は、油井管１の端部に設けられ、管本体１２に連続して形成される。カップリング２は、２つのボックス部２１と、リセス部２２とを含む。ボックス部２１は、カップリング２の両端部に形成されている。ボックス部２１の各々は、対応するピン部１１と締結される。以下、説明の便宜上、ねじ継手１０の管軸方向において、ピン部１１の先端側を内側、管本体１２側を外側と称する場合がある。

ピン部１１の各々は、ノーズ部１１１と、雄ねじ部１１２と、ピンシール面１１３と、ピンショルダ面１１４とを備える。

ノーズ部１１１は、雄ねじ部１１２及びピンシール面１１３よりもピン部１１の先端側に配置されている。ノーズ部１１１は、ピン部１１の先端部を構成する。ピン部１１とボックス部２１との締結状態において、ノーズ部１１１の外周面はボックス部２１に接触しない。すなわち、締結状態において、ノーズ部１１１の外径は、ボックス部２１のうちノーズ部１１１に対向する部分の内径よりも小さい。例えば、ノーズ部１１１の外周面は、ピンシール面１１３よりもピン部１１の内周側に窪む凹状面によって構成される。

雄ねじ部１１２は、ピン部１１の外周面に形成されている。雄ねじ部１１２は、ピン部１１において、ノーズ部１１１よりも管本体１２側に配置される。雄ねじ部１１２は、テーパねじで構成される。ピン部１１の外周面において、ノーズ部１１１と雄ねじ部１１２との間にはピンシール面１１３が配置されている。

ピンシール面１１３は、雄ねじ部１１２側からノーズ部１１１側に向かって縮径する概ねテーパ状の面である。ピンシール面１１３は、例えば、円弧を管軸ＣＬの周りに回転させた回転体の周面や、管軸ＣＬを軸とする円錐台の周面を１又は２種類以上組み合わせてなる。

ピンショルダ面１１４は、ノーズ部１１１の先端面に形成された環状面である。本実施形態では、ピンショルダ面１１４は、外周側が内周側よりもピン部１１の先端側に配置されるように傾斜している。すなわち、管軸ＣＬを含む平面で切断したピン部１１の断面で見て、ピンショルダ面１１４は、外周側がピン部１１のねじ込み進行方向に傾倒する形状を有する。ただし、ピンショルダ面１１４の形状は、これに限定されるものではない。ピンショルダ面１１４は、管軸ＣＬに対して実質的に垂直な面であってもよい。

各ボックス部２１は、雌ねじ部２１２と、ボックスシール面２１３と、ボックスショルダ面２１４とを備える。

雌ねじ部２１２は、ピン部１１の雄ねじ部１１２に対応して、ボックス部２１の内周面に形成される。雌ねじ部２１２は、雄ねじ部１１２を構成するねじと噛み合うねじで構成される。雌ねじ部２１２は、テーパねじで構成されている。

ボックスシール面２１３は、ピンシール面１１３に対応して、ボックス部２１の内周面に形成されている。ボックスシール面２１３は、ピン部１１とボックス部２１との締結状態において、ピンシール面１１３に接触する。

ピンシール面１１３及びボックスシール面２１３は、干渉量を有する。すなわち、非締結状態において、ピンシール面１１３の径は、ボックスシール面２１３の径よりもわずかに大きい。このため、ピンシール面１１３及びボックスシール面２１３は、ボックス部２１に対するピン部１１のねじ込みに伴って互いに接触し、締結状態では嵌め合い密着して締まりばめの状態となる。これにより、ピンシール面１１３及びボックスシール面２１３は、メタル−メタル接触によるシール部を構成する。

ボックスショルダ面２１４は、ピンショルダ面１１４に対応して、ボックス部２１の管軸方向の内端に形成されている。ボックスショルダ面２１４は、締結状態においてピンショルダ面１１４に接触する。

ピンショルダ面１１４及びボックスショルダ面２１４は、ボックス部２１に対するピン部１１のねじ込みにより、互いに接触して押し付けられる。ピンショルダ面１１４及びボックスショルダ面２１４は、互いの押圧接触によってショルダ部を構成する。

ピンショルダ面１１４とのボックスショルダ面２１４との接触面積、すなわちショルダ部の面積は、管本体１２の横断面の面積の３０％以上であることが好ましい。横断面とは、管軸ＣＬに垂直な平面で切断された断面をいう。ショルダ部の面積が管本体１２の横断面積の３０％以上であれば、ねじ継手１０に過大な圧縮荷重が負荷された場合、ピンショルダ面１１４及びこれに連なるピンシール面１１３の塑性変形が抑制される。このため、シール部の接触状態を安定させることができ、シール部の接触面圧の低下を抑制することができる。

特に限定されるものではないが、ショルダ部の面積は、カップリング２の最小断面積の減少を抑制する観点から、管本体１２の横断面積の６０％以下とすることが好ましい。

上述した通り、ねじ継手１０は、いわゆるスリム型のねじ継手である。よって、ねじ継手１０は、１未満の継手効率を有する。継手効率は、締結状態において引張荷重に耐える面積が最も小さくなるカップリング２の横断面（危険断面）の面積をＡ１、管本体の横断面の面積をＡ２として、Ａ１／Ａ２によって算出することができる。

カップリング２の危険断面の面積Ａ１は、締結状態における雄ねじ部１１２と雌ねじ部２１２との噛み合い端Ｅ１，Ｅ２のうち、シール部側の噛み合い端Ｅ１におけるカップリング２の横断面の面積である。

カップリング２のうち２つのボックス部２１の間には、リセス部２２が形成されている。リセス部２２の内径は、実質的に一定である。カップリング２の外径も実質的に一定である。このため、リセス部２２は、実質的に均一な肉厚を有する。リセス部２２の肉厚は、ボックス部２１の肉厚よりも大きい。このため、リセス部２２は、ボックス部２１と比較して高い剛性を有する。

リセス部２２の内径は、管本体１２の内径よりも小さいことが好ましい。この場合、リセス部２２の肉厚が増加し、その剛性が向上する。ただし、締結状態のねじ継手１０の内周面において、ピン部１１とリセス部２２との間に段差が生じると、ねじ継手１０を内部流体が通過する際に乱流が発生する。これにより、油井における生産性が低下するだけでなく、ねじ継手１０が損傷する可能性がある。よって、リセス部２２の内径は、ピン部１１の先端の内径と実質的に同じであることが好ましい。

ピン部１１の先端の内径をリセス部２２の内径と合わせるために、例えば絞り加工等によって、ピン部１１の先端の内径を管本体１２の内径よりも小さくすることができる。この場合、ピン部１１のうち雄ねじ部１１２よりも先端側の部分（リップ部）が厚肉化される。よって、ピン部１１のリップ部の剛性が高くなる。このため、シール部の接触力が増大し、ねじ継手１０の密封性能をより向上させることができる。

リセス部２２の長さは、１０ｍｍ以上である。カップリング２において、一方のボックスショルダ面２１４の内端から他方のボックスショルダ面２１４の内端までの管軸方向の長さを、リセス部２２の長さという。リセス部２２が少なくとも１０ｍｍの長さを有する場合、一方のボックス部２１がピン部１１と締結された際のショルダ部の変形が、他方のボックス部２１とピン部１１との締結に影響を及ぼして締結不良が生じるのを抑制することができる。よって、ねじ継手１０の密封性能の低下を抑制することができる。

リセス部２２が長いほどカップリング２の剛性が高まり、ねじ継手１０の密封性能が向上する。ただし、リセス部２２がある程度長くなると、密封性能の向上効果は飽和する。よって、リセス部２２の長さは、例えば、最大で１００ｍｍと定めることができる。

リセス部２２の肉厚及び長さは、カップリング２が必要な剛性を得られるように設定される。具体的には、リセス部２２の肉厚及び長さに関するパラメータＴ，Ｌを次の式（１）及び（２）で定義し、次の式（３）を満たすようにＴ，Ｌを設定する。

リセス部２２の肉厚は実質的に一定であるが、式（１）におけるｔ_１は、リセス部２２の管軸方向中央における肉厚とする。すなわち、ｔ_１は、カップリング２において、２つのボックスショルダ面２１４の中間位置で測定したカップリング２の肉厚である。ｔ_ｐｉｐｅは、管本体１２の肉厚である。

式（２）におけるＬ_１は、管軸方向において、ボックスショルダ面２１４の内端からカップリング２の中央までの長さである。すなわち、リセス部２２の管軸方向の長さは、２×Ｌ_１で表すことができる。２×Ｌ_１は、対向するボックスショルダ面２１４間の最短距離と等しい。

式（２）におけるＬ_２は、各ボックス部２１の管軸方向の長さである。Ｌ_２は、カップリング２の一方端から、当該一方端に近い方のボックスショルダ面２１４の内端までの管軸方向の距離とする。

式（１）及び（２）によってＴ，Ｌを算出する際、各変数の単位は任意であるが、ｔ_１とｔ_ｐｉｐｅ、Ｌ_１とＬ_２は、それぞれ単位を統一する必要がある。

［効果］
本実施形態において、カップリング２のリセス部２２は、上述の式（３）を満たすように肉厚及び管軸方向の長さが調整されている。式（３）を満たすためにカップリング２の外径を調整する必要はない。このようにすることで、カップリング２の外径を増大させなくても、カップリング２の剛性を向上させることができる。このため、外径寸法の制約が厳しいスリム型のねじ継手であっても、内圧の負荷時における各ボックス部２１の拡径変形を抑制することができ、シール部の接触力を維持することができる。よって、高い密封性能を確保することができる。

一般に、管本体の肉厚が１５ｍｍ以上の場合、継手部分に負荷される荷重が増大し、ボックスの変形がより生じやすくなる。これに対し、本実施形態に係るねじ継手１０は、リセス部２２の肉厚及び長さを調整してカップリング２の剛性を向上させているため、ボックス部２１の変形を抑制することができる。よって、ねじ継手１０は、管本体の肉厚が１５ｍｍ以上の場合にも非常に有効であると考えられる。

スリム型のねじ継手は、通常、１未満の継手効率を有し、比較的低い剛性を有する。継手効率が０．８以下の場合、継手部分の剛性が特に不足し、密封性能の低下が生じやすい。一方、本実施形態に係るねじ継手１０は、リセス部２２の肉厚及び長さを調整してカップリング２の剛性を向上させるものである。このため、ねじ継手１０は、継手効率が０．８以下の場合にも非常に有効であると考えられる。

［変形例］
以上、実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態に係るねじ継手１０では、シール部が１箇所に設けられているが、２箇所以上にシール部が設けられていてもよい。

上記実施形態では、ピン部１１の先端の内径及びカップリング２のリセス部２２の内径が管本体１２の内径よりも小さい。しかしながら、図６に示すねじ継手１０ａのように、ピン部１１ａの先端の内径及びカップリング２ａのリセス部２２ａの内径は、管本体１２の内径以上であってもよい。この場合も、締結状態において、ピン部１１ａの先端の内径は、リセス部２２ａの内径と実質的に等しいことが好ましい。

本開示に係るねじ継手による効果を確認するため、実体シール試験及び弾塑性有限要素法による数値解析を実施した。

［実体シール試験］
図５に示す基本構成を有するカップリング型のねじ継手の供試体を２つ準備し、実体シール試験を実施した。両供試体に共通する条件を以下に示す。
・使用対象：８−５／８”５７．４＃鋼管（外径２１９．１ｍｍ、肉厚１６．３ｍｍ）
・鋼材：ＡＰＩ規格の炭素鋼Ｑ１２５（公称降伏応力１２５ｋｓｉ（＝８６２ＭＰａ））・ねじ：全ねじで共通して、ねじピッチ５．０８ｍｍ、荷重面のフランク角−３°、挿入面のフランク角１０°、挿入面すき間０．１５ｍｍ

シール試験では、ピン部の表面仕上げを切削まま、ボックス部の表面仕上げをりん酸マンガン処理として、継手部分の全面にＡＰＩドープを塗布した。シール試験は、ＩＳＯ１３６７９：２０１１に準じて実施し、継手部分に負荷される最大引張荷重は、管本体の引張降伏荷重の７５%とした。

表１に示すように、２つの供試体は、上述の式（３）で求められるＴ・Ｌ^１／１５が互いに異なる。

表１に示すように、比較例１の供試体は、シール試験においてリークが発生した。比較例１の供試体では、Ｔ・Ｌ^１／１５が１．４よりも小さく、上述の式（３）を満たさなかったため、カップリングのリセス部の剛性が不足したと考えられる。

これに対し、実施例１の供試体は、シール試験においてリークが発生せず、シール試験に合格した。実施例１の供試体は、Ｔ・Ｌ^１／１５が１．４よりも大きく、上述の式（３）を満たすことから、カップリングのリセス部の剛性が十分に高かったと考えられる。

（弾塑性有限要素法による数値解析）
表２に示す複数の供試体について、弾塑性有限要素法による数値解析を実施した。各供試体に対してねじの締め付けの解析を行った後、ISO13679 CAL4 Series A試験を模擬した荷重を負荷し、内外圧に対する密封性能を評価した。密封性能は荷重履歴におけるシール部の平均接触面圧の最小値(最小シール平均接触面圧)により評価した。最小シール平均接触面圧の値が高いほど、シール部の密封性能が良好であることを意味する。弾塑性有限要素解析では、材料を等方硬化の弾塑性体とし、弾性係数が２１０ＧＰａ、０．２％耐力として降伏強度が１２５ｋｓｉ（＝８６２ＭＰａ）になるようにモデル化したものを使用した。

表２に示す複数の供試体は、いずれも図５に示す基本構成を有するカップリング型のねじ継手であるが、カップリングの寸法が各々異なる。弾塑性有限要素解析では、リセス部の長さ及びカップリングの外径を変化させて検証を行った。使用対象、鋼材、ねじの条件は、全供試体で共通であり、上述の実体シール試験と同様である。

実施例２−５の供試体は、実体シール試験に合格した実施例１の供試体とカップリングの寸法が等しい。この実施例２−５の供試体の最小シール平均接触面圧が５００ＭＰａ以上であったため、各供試体について、最小シール平均接触面圧が５００ＭＰａ以上のものを密封性能良好、５００ＭＰａ未満のものを密封性能不芳と評価した。

比較例２−１及び２−２の供試体では、最小シール平均接触面圧が５００ＭＰａ未満となり、密封性能が不芳であった。比較例２−１及び２−２の供試体では、いずれもＴ・Ｌ^１／１５が１．４未満であり、カップリングのリセス部の剛性が不十分であったと考えられる。

一方、実施例２−１〜２−７の供試体では、いずれも最小シール平均接触面圧が５００Ｐａ以上となり、密封性能が良好であった。実施例２−１〜２−７の供試体では、Ｔ・Ｌ^１／１５が１．４よりも大きく、カップリングのリセス部の剛性を十分に確保することができたと考えられる。

上記の実体シール試験及び弾塑性有限要素解析により、Ｔ・Ｌ^１／１５＞１．４であれば、良好な密封性能が得られることを確認することができた。

Claims (1)

1. 油井管同士を連結するためのねじ継手であって、
   各々が、前記油井管の端部に設けられ、１２ｍｍ以上の肉厚を有する管本体と連続して形成される２つのピン部と、
   両端部に設けられ、各々が対応するピン部と締結可能な２つのボックス部と、前記２つのボックス部の間に位置するリセス部とを含む管状のカップリングと、
   を備え、
   前記ピン部の各々は、
   前記ピン部の先端部を構成し、前記ピン部と締結されたボックス部に外周面が接触しないノーズ部と、
   前記ノーズ部の先端面に形成されるピンショルダ面と、
   前記ピン部の外周面において前記ノーズ部よりも前記管本体側に形成され、テーパねじで構成される雄ねじ部と、
   前記ピン部の外周面において前記ノーズ部と前記雄ねじ部との間に形成されるピンシール面と、
   を含み、
   前記ボックス部の各々は、
   前記カップリングの内周面において前記雄ねじ部に対応して形成され、テーパねじで構成される雌ねじ部と、
   前記雌ねじ部よりも前記カップリングの管軸方向の中央側に形成され、締結状態において前記ピンショルダ面に接触してショルダ部を構成するボックスショルダ面と、
   前記カップリングの内周面において前記雌ねじ部と前記ボックスショルダ面との間に形成され、締結状態において前記ピンシール面と接触してシール部を構成するボックスシール面と、
   を含み、
   前記リセス部は、１０ｍｍ以上の管軸方向の長さを有し、
   締結状態において互いに噛み合った前記雄ねじ部及び前記雌ねじ部の前記シール部側の端における前記カップリングの横断面の面積をＡ１、前記管本体の横断面の面積をＡ２として、Ａ１／Ａ２によって算出される継手効率が１未満であり、
   前記管本体の肉厚をｔ_ｐｉｐｅ、前記リセス部の肉厚及び管軸方向の長さをそれぞれｔ_１及び２×Ｌ_１、前記ボックス部の各々の管軸方向の長さをＬ_２として、Ｔを次の式（１）で定義し、Ｌを次の式（２）で定義したとき、Ｔ，Ｌが次の式（３）を満たす、ねじ継手。
   

   

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