WO1998054501A1

WO1998054501A1 - Screw joint for oil well pipe

Info

Publication number: WO1998054501A1
Application number: PCT/JP1997/001855
Authority: WO
Inventors: Masaaki Sugino; Miyuki Yamamoto
Original assignee: Sumitomo Metal Industries, Ltd.
Priority date: 1997-05-30
Filing date: 1997-05-30
Publication date: 1998-12-03
Also published as: DK0916883T3; DE69736232T2; EP0916883B1; US6045165A; EP0916883A4; DE69736232D1; EP0916883A1

Description

明細書

油井管用ねじ継手

技術分野

本発明は、地下に埋蔵されている天然ガスや原油の探査およびそれらの採掘などに使用される油井管を接続するためのねじ継手に関する。特に、深さが深く、圧力が高い条件の油井および腐食性の不純物を多く含むガス田や油田からそれらの埋蔵物を汲み上げるのに好適な油井管用ねじ継手に関する。

背景技術

深さ数千 mにも及ぶ天然ガス田や油田等の探査およびそれらの埋蔵物の採掘に使用される油井管を接続するための継手には、ねじ継手が広く用いられている。油井管用ねじ継手にはふたつの方式がある。そのひとつは、管の一端にピン部、他端にボックス部を備え、ピン部と管部をねじ接続することにより 2本の管の端部同士を接続するィンテグラル方式である。もうひとつの方式は、 2つのボックス部を備えるカップリングによって、両端にピン部を持つ 2本の管の端部同士を接続する力ップリング方式である。これらねじ継手には共通して、以下の性能が要求される。

，接続された管の自重に起因する軸方向の引張力に耐えること。 • 管内の流体によつて発生する内圧および管外部の流体の圧力に起因する外圧に耐えること。

• 数十回の繰り返し使用が可能なこと。

• 内部および外部の流体による腐食および浸食に耐えること。

近年、油井の深さが深くなり、また、極地などの厳しい環境下での油

- 1 - 差巷え用紙（規則 26) 井の採掘が多くなつている。そのために、油井管および继手がそのような環境下で使用される場合が多い。さらに、従来対象とされなかった埋蔵物も採掘されるようになった。例えば、鋼に対して腐食性があり、酸化性の不純物を多く含むような埋蔵物である。したがって、このような環境下で、上記の要求に応えることができる継手が要求されており、ねじ継手の性能も急速に向上してきている。

図 1 に、シール部とトルクショルダ部を備えるカップリング方式の継手を示す。図 1 はショルダ部が内面にある場合の油井管用ねじ継手の 1 例である。図 1 ( a ) は管本体 1 0とカップリング 2 0を締結した状態を示す図、同図（b ) は同図（ a ) に示すねじ部、シール形成部およびトルクショルダ形成部の部分拡大図である。

トルクショルダ部は、シール部に塑性変形が生じるような高い接触圧が発生するのを防止することを目的に設けられている。カップリング側のトルクショルダ形成面 2 4と管のトルクショルダ形成面 1 4を突き合わせることにより、締結トルクが適正な値にコントロールできるようになっている。このように、管内面側にトルクショルダ形成面 1 4、 2 4 を備える継手の形式、またはそのトルクショルダ部を内面ショルダと呼んでいる。

図 2に、内面ショルダと外面ショルダを併せ持つ油井管用ねじ継手の 1例を示す。同図（a ) は、締結後の管本体およびカップリングの断面を表す図である。同図（b ) は、同図（a ) の外面側のトルクショルダ形成部の部分拡大図であり、外面ショルダを形成するピン側およびボックス側のトルクショルダ形成面の傾きを表す図である。外面ショルダの場合には、管外面の雄ねじの根元のトルクショルダ形成面 5 4とボックス側先端のトルクショルダ形成面 6 4とが突き当たることによりトルクショルダ部が形成される。

以下、シール部とトルクショルダ部をもつ力ップリング方式のうち、

- 2 - 差替え用紙（規則 26) 内面ショルダタイプの継手について説明する。

図 1 ( b ) において、管 1 0の先端部に設けた雄ねじ 1 2とカツプリング 2 0の内部に設けた雌ねじ 2 2とは互いに螺合される。ピン部 1 1 の先端には回転面であるシール形成面 1 3が設けられている。シール形成面 1 3には管軸方向にテ一パ状の曲面または曲率半径の大きい円弧状の曲面が形成されている。カップリング 2 0のボックス部 2 1のねじ付け根部には、回転面であるシール形成面 2 3があり、このシール形成面 2 3には軸方向にテーパ状曲面が設けられている。上記の管本体のシール形成面 1 3とカツプリングのシール形成面 2 3とが、締結時に接触してシール部が形成される。

このシール部でメタルシールが行われるので、油井管内部の流体による内圧および管外部の流体による外圧に対して気密性が維持される。

トルクショルダ部は、管本体のシール形成面 1 3のさらに先端にあるピン側トルクショルダ形成面 1 4と、カップリングのボックス側シ一ル形成面 2 3内側にあるトルクショルダ形成面 2 4とが突き当たることによつて形成される。

油井管用ねじ継手には、上述のような高圧流体対する気密性能に加えて、流体の漏洩の発生やねじ部の破断の原因になるすき間腐食に対する耐食性が要求される。すき間腐食は、腐食性の流体がピン部材とボックス部材との間の微小なすき間に浸入し、滞留して濃縮するような場合に発生する。このような条件下で、継手が高い応力が負荷された状態におかれると、継手内面に全面腐食や応力腐食割れなどのすき間腐食が発生する。ただし、腐食性流体が存在する管内面側または管外面側に微小なすき間が存在しない場合には、すき間腐食は生じない。

すき間腐食に対する耐食性を向上させるために、図 1 に示す継手に改良を加えた次のようなシール形状およびトルクショルダ形状の継手が提案されている。これらの継手は、接触面が軟質材料で被覆された継手、

- 3 - 差替え用紙（規則 26) W パッキングを使用した継手、ピン先端の弾性変形によりシール部の気密性を高めた継手、トルクショルダ形成面の接触を工夫してシール部の気密性を高めた継手の 4種に大別される。

特開昭 5 6— 1 0 9 9 7 5号公報、特開平 1 _ 1 9 9 0 8 8号公報などに開示されている接触面が軟質材料で被覆された継手には、継手の締結および解除を繰り返す間に被覆材の欠落、摩耗が起こるので、気密性能が低下し、数十回の使用には耐えることができないという欠点がある。実開昭 5 8— 1 4 2 4 7 5号公報に示されているパッキングを使用した継手の場合には、パッキングの製作および挿入など製造時に手間と費用がかかる。また、本来トルクショルダ部に要求される、締結トルクを適正な値にコントロールする機能が、この継手にはないので、現場での締結の際に厳密なトルク管理を必要とする。したがって、作業性に劣るという欠点がある。また、製造誤差によっては、パッキングとトルクショルダ面の間にすき間が生じるので、すき間腐食が発生しやすいという問題もある。

ピン先端の弾性変形によりシール部の気密性を高めた継手（例えば、特開昭 6 0— 2 6 8 7 8号公報）の場合には、シール形成部において充分な接触圧を持つ密封面を得るためには、ピン先端リップ部に大きな曲げ変形を起こさせなければならない。そのためには、大きな力でピン先端リップ部をボックス側トルクショルダ形成面に押し付ける必要がある。このため、特にボックス側トルクショルダ形成面の管内面に近い部分 2 6で過度の塑性変形が生じので、目標とする気密性能が得られないという問題がある。

トルクショルダ形成面の接触を工夫してシール部の気密性を高めた継手の 1例を図 3に示す（特開昭 5 2— 1 1 7 6 5号公報）。この継手では、ピン側とボックス側のトルクショルダ形成面の接触により、ピン部先端付近に管外径方向への膨らみを起こさせ、シール部の密封性能を高

- 4 - 差替え用紙（規則 26) めている。すなわち、ピン側シール形成面 1 3を、曲率半径の大きい円弧状の回転面とし、ボックス側シール形成面を円錐面（テーパ状直線の回転面）とする。さらに、ピン側トルクショルダ形成面 1 4とボックス側のトルクショルダ形成面 2 4をそれぞれ異なる曲率 R ₂ および R ₃ をもつ凸曲面および凹曲面とする。ここで、ピン側トルクショルダ形成面の曲率半径 R ₂をボックス側トルクショルダ形成面の曲率半径 R ₃より小さくし、かつ R ₂の曲率半径中心位置を R ₃のそれより管内側とする。この構造の採用により、ピン側リップ部 1 5の管内面方向へのたわみは軽減され、製作誤差に起因して、シール部の周方向に不均一な接触圧が発生した場合でも、自動的に均一な接触圧に再配分される。このため、トルクショルダ部およびシール部の 2箇所で良好な密封状態が得られるとされている。

この継手では、トルクショルダ部の接は、管内面側に近い部分 1 6 および 2 6における円状の線接触である。そのため、この接触部の接触圧が極めて高くなり、上述の特開昭 6 0— 2 6 8 7 8号公報に示されている継手の場合と同じように、過度の塑性変形が生じて気密性能が低下するという問題がある。

本発明は、上記の従来の継手の問題点を解決するためになされたものであって、製造コストの上昇および取り扱い性の低下を招くことなく、すき間腐食の発生を防止することが可能で、かつ数十回繰り返し使用しても高度の気密性を発揮する継手を提供することを目的としている。発明の開示

本発明の油井管用ねじ継手は、すき間腐食の発生が軽微で、数十回繰り返し使用しても実用上十分な気密性を持っているという特長がある。本発明の継手の概要は、下記の（A ) 、 ( B ) および（C ) のとおりである。

- 5 - 差替え用紙（規則 26) (A) 図 5 (a) に示すように、雄ねじが形成された管本体のピン部 ( 1 1 ) の先端の外表面に設けられたシール形成面（ 1 3) と、雌ねじが形成された力ップリングまたは管本体のボックス部（2 1 ) の内面に設けられたシール形成面（23) とが嵌合されることによってシール部が形成され、ピン部の先端部に設けられたトルクショルダ形成面（ 1 4) と、このトルクショルダ形成面（ 1 4) に対面するボックス側に設けられたトルクショルダ形成面（24) とが突き合わされることによって内面ショルダ部が形成される油井管用ねじ継手であって、下記①および② を満足する油井管用ねじ継手。

① ピン側およびボックス側のシール形成面はそれぞれ回転面であり、締結前のピン側シール形成面（ 1 3) の有効径の方が、締結前のボックス側シール形成面（23) の有効径よりも大きい。

② 締結前のピン側トルクショルダ形成面の傾き（ S i ) は締結前のボックス側トルクショルダ形成面の傾き (Θ より小さく、両者の傾きの差は、 0. 5 ' 以上 4. 0' 以下である。

(B) 図 2 (b) に示すように、雄ねじが形成された管本体のピン部 ( 1 1 ) の根元の外表面に設けられたシール形成面（53) と、雌ねじが形成されたカップリングまたは管本体のボックス部（2 1 ) の先端内面に設けられたシール形成面（63) とが嵌合されることによってシール部が形成され、ボックス部の先端に設けられたトルクショルダ形成面 (64) と、このこのトルクショルダ形成面（64) に対面する管本体のピン部の根元の外面に設けられたトルクショルダ形成面（54) とが突き合わされることによって外面ショルダ部が形成される油井管用ねじ継手であって、上記①および②を満足する油井管用ねじ継手。

(C) 上記（A) および（B) に記載されているシール部ならびに内面ショルダ部および外面ショルダ部をすベて備える油井管用ねじ継手。さらに、上記（A) 、 (B) および（C) の油井管用ねじ継手は、下

- 6 - 差替え用紙（規則 26) 記③の条件を満足することが望ましい。

③ 締結前のピン側トルクショルダ形成面の傾き（ S i ) と締結前のボックス側トルクショルダ形成面の傾き ( Θ ₂ ) の差（Δ ^ ) は、 D / tおよび 0 r のそれぞれに比例関係にある。また、 D Z tまたはの値が大きい場合は、ピン側およびボックス側のトルクショルダ形成面の傾きの差を大きくし、 D / t または δ r の値が小さい場合はトルクショルダ形成面の傾きの差（Δ を小さくする。

ただし、 D ：ピン部先端またはボックス部先端の外径、

t ：ピン部先端またはボックス部先端の肉厚、

δ r = (シール形成面の径方向の嵌合しろ）

- (ねじ形成面の径方向の嵌合しろ）。

上記の本発明の油井管用ねじ継手は、すき間腐食の発生が起こりにくく、数十回繰り返し使用しても実用上十分な気密性を持っている。また、継手の構造がシンプルなために、継手の製造コストを上昇させることがなく、取,り扱い性も良好である。

なお、ピン側シール形成面およびボックス側シール形成面の有効径とは、次の径を意味する。すなわち、嵌合前の状態のそれぞれのシール形成面部に定めた基準位置の直径、言い換えれば管中心軸またはボックス中心軸からそれぞれのシール形成面の基準位置までの平均距離である。また、基準位置とは、締結が完了したときに、ピン側とボックス側のシール形成面が相互に接触している部分に該当する部位であり、嵌合前の位置を意味する。図面の簡単な説明

図 1 は、シール部とトルクショルダ部をもつカップリング方式の従来の継手であり、内面ショルダタイプのねじ継手の一例を示す図である。

- 7 - 差替え用紙（規則 26) 同図（a ) は管本体とカップリングを締結した状態を示す図、同図（b ) は（a ) のねじ部、シール形成部およびトルクショルダ形成部の部分拡大図である。

図 2は、内面ショルダと外面ショルダを併せ持つカップリング方式のねじ継手を示す図である。同図（a ) は締結後のピン部およびボックス部を示す図、同図（b ) は（a ) に示す外面ショルダ部の部分拡大図である。

図 3は、従来の継手を示す図であり、ピン側トルクショルダ形成面 (凸面）とボックス側トルクショルダ形成面（凹面）の各曲率中心位置をずらせて接触させることにより、ピン部先端付近に発生する管外径方向への膨らみによってシール部の密封性能を高めることを説明するための図である。

図 4は、有効径の大きいピン側シール形成部分に生じる縮径方向への曲げ変形により、ピン側トルクショルダ面がボックス側トルクショルダ面に対してだけ傾くことを説明するための図である。

図 5は、シール部とトルクショルダ部をもつ本発明のねじ継手を示す図である。同図（a ) は締結前のピン側およびボックス側のシール形成面およびトルクショルダ形成面を示す図、同図（b ) は締結後のシール部およびトルクショルダ部に発生する接触圧分布を示す図である。発明を実施するための最良の形態

本発明の油井管用ねじ継手は、前述のように下記の①および②の条件を満足することを特徴としている。これらの条件を満足させることによつて、本発明の継手では、すき間腐食の発生を防止し、数十回の繰り返し使用後であっても高度の気密性を発揮する性能を得ている。さらに、製造コストの上昇もなく、取り扱い性の低下を招くこともない。

① 締結前のピン側シール形成面（ 1 3 ) の有効径の方が、締結前の

- 8 - 差替え用紙（規則 26) ボックス側シール形成面（2 3 ) の有効径よりも大きい。

② 締結前のピン側トルクショルダ形成面の傾き ) はボックス側トルクショルダ形成面の傾き（ ₂ ) より小さく、両者の傾きの差（Δ ）は、 0 . 5 ' 以上 4 . 0 · 以下。

本発明の継手が、すき間腐食を起こしにくく、かつ多くの繰り返し使用にも耐える理由は次のとおりである。

図 4は、ピン側シ一ル形成面に生じる縮径変形によりピン側トルクショルダ形成面がボックス側トルクショルダ形成面に対して a だけ傾くことを表す図である。同図に示すように、本発明の継手では、ピン部の先端近くにシール形成部およびトルクショルダ形成部が配置されているので、締結時にシール形成部 1 3および 2 3に生じた接触圧によってピン先端リップ部 1 5が縮径する方向に曲げ変形を起こす。この曲げ変形によりピン側トルクショルダ形成面 1 4がボックス側トルクショルダ形成面 2 4に対し、 a だけ管の内面側に傾く。その結果、ピン側とボックス側のトルクショルダ形成面が密着するするとともに、両方の面の間に大きな接触圧が発生する。

ピン側とボックス側のトルクショルダ形成面の傾きが同一の従来の継手では、曲げ変形が上記のような変形であるので、トルクショルダ部の管内面側 1 6および 2 6での接触圧が小さい。このため、締結状態で継手を含む管本体に大きな引張応力が作用すると、接触圧はほとんどなくなるので、トルクショルダ内面側にすき間が生じやすい。

一方、本発明の継手の場合には、トルクショルダ形成面の傾きにピン側とボックス側とで予め Δ ^の差を設けている。しかも、この Δ を 0 . 5 - 〜4 . 0 * に制限しているので、嵌合による曲げ変形後、両者が面一、またはは管内面側でやや重複するように接触する。その結果、接触圧が大きく、その分布がもっとも.望ましい状態となる。

図 5を用いて、さらに詳しく説明する。図 5は、ピン側トルクショル

- 9 - 差替え用紙（規則 26) ダ形成面の傾き i をボックス側トルクショルダ形成面の傾き S 2 より小さくした内面ショルダ近傍の構造を表す図である。図 5 ( a ) は、締結前の継手のピン側およびボックス側のシール形成部およびトルクショルダ形成部を表す図である。図 5 ( b ) は、締結後のシール部およびトルクショルダ部に発生する接触圧分布（計算結果）を表す図である。同図より、上記のピン側トルクショルダ形成面の曲げ変形を予測し、ピン側トルクショルダ形成面の傾きをその分小さくすることにより、均一な接触圧が得られることが分かる。

本発明の継手構造は、外面ショルダの場合にも適用可能である。図 2 ( a ) および（b ) に示したように、トルクショルダ形成面の傾きに差を設けることにより、外面ショルダの場合にも均一な接触圧分布を得ることができる。

以下、本発明の継手について、具体的に説明する。

( Δ Θ ：ピン側とボックス側トルクショルダ形成面の傾きの差）

ピン側シール形成面はテーパ状曲線または曲率半径の大きい円弧の回転面からなる。また、ボックス側シール形成面はテーパ状曲線の回転面からなる。

ピン側シール形成面の有効径は、ボックス側シール形成面の有効径ょり大きくする。前述のように、有効径とは、ピン側シール形成面およびボックス側シール形成面のそれぞれの基準部分の直径をいう。

嵌合に際して、中に嵌まる側（ピン側）の有効径が大きい場合、無理に嵌め込もうとすると、剛性の小さいピン先端は縮径変形を起こす。ピン先端が縮径変形すると、ピン先端には、管内面方向への曲げ変形が生じる。したがって、ピン側トルクショルダ形成面は、この曲げ変形の分だけ傾きが変化する（図 4参照）。

図 5 ( a ) に示す継手は、ピン側トルクショルダ形成面 1 4の傾き θ 1 がボックス側トルクショルダ形成面 2 4の傾き S ₂ より Δ ( =

- 1 0 - 差替え用紙（規則 26) θ 2 - Θ l ) だけ小さい。この角度の差は、上記の曲げ変形により実際に生じている傾きの変化と等しいか、 θ Ά よりやや大きく設定するのがよい。図 4に示したように、実際に生じる曲げ変形による傾きの変化は、シール形成部の接触圧によってピン先端リップ部 1 5が曲げ変形を起こしたときのピン側トルクショルダ部 1 4のたわみ角 Θ ' にほぼ相当する。ここで、たわみ角とは、管先端のリップ部 1 5が横荷重または曲げモーメントを受けたときに、たわむ角度を意味する。

ピン部とボックス部のトルクショルダ形成面の傾きに、このような角度差をつけることにより、ショルダ部の接触圧分布は次のようになる。

( a ) ピン側およびボックス側のトルクショルダ形成面 1 4および 2 4 の全面にわたるほぼ一様な接触圧分布、または、

( b ) 管内面側 1 6および 2 6の接触圧が高くシール形成部側 1 7および 2 7に近づくにつれて、なだらかに減少する接触圧分布したがって、トルクショルダ部の管内面側近傍 1 6および 2 6にて過度の塑性変形が生じるほどの応力集中が生じることはない。さらに、この部分にすき間を生じさせないようにするのに充分な接触圧を確保することができる。このため、数十回の使用に耐え、すき間腐食がほとんど発生しない油井管用ねじ継手が得られる。

このように、ほぼ一様な接触圧でピン側とボックス側のトルクショルダ形成面 1 4および 2 4が接触しているため、応力集中などによる局部的な塑性変形は発生しない。このような状態で締結されている継手を含む管本体に引張応力が作用すると、トルクショルダ部の接触圧は全面にわたつてほぼ一様に減少するため、従来のトルクショルダ形状を有する継手に比べると、トルクショルダ部の開口が起こる引張応力の臨界値がはるかに高い。このため、締結時の接触圧が充分高い場合には、管本体の降伏強さ相当の引張応力を負荷しても口開きしないトルクショルダ部が形成される。したがって、優れた耐すき間腐食性能が得られる。

差替え用紙（規則 26) ピン側とボックス側のトルクショルダ面 1 4および 2 4の傾きが同一である継手では、トルクショルダ面は一様な接触圧分布にはならない。シール形成部側の接触圧が高く、管の内面側の接触圧は低くなる。その結果、締結後自重など引張応力が作用する場合には、内面側の接触圧は極めて小さくなるので、極端な場合にはこの部分が口開きを起こす。この状態で長時間使用すると、内部の圧力が高く、腐食性のある流体がトルクショルダ部の管内面側 1 6および 2 6の間のすき間から継手内部に浸入する。この結果、シール部、さらにはねじ部の高応力負荷部で腐食が起こり、最悪の場合、流体の漏れまたは継手の破断を招く。本発明の継手では、少なくとも数十回程度の使用回数までは、そのようなトラブルの発生を防止することができる。

引張力ではなく圧縮力を作用させた場合にも、トルクショルダ部の接触圧は全面にわたってほぼ一様である。したがって、トルクショルダ部において応力集中などによる局部的な塑性変形が生じにくいので、繰り返し使用が不可能な程の過度の塑性変形を生じることがない。ここで、繰り返し使用が不可能な程とは、とくにボックス側トルクショルダ部の永久変形により、トルクコントロールおよびサブシールとしての機能が果たせなくなり、継手の適正な締結が不可能となり、所期の性能が発揮できなくなることを意味する。

傾きの差 Δ 6 ま大きすぎるのも好ましくない。が大きすぎる場合には、トルクショルダ部の内面側に応力集中が生じるので、局部的な塑性変形が発生する。 Δ Sには後述のように適正な範囲が存在する。

( Δ Sの適正な範囲）

ピン側シール形成面 1 3とポックス側シール形成面 2 3を嵌合することによって生じるピン側リップ部 1 5の縮径方向の曲げ変形のたわみ角 Θ ' (図 6参照）は古典シェル理論に基づく計算式により求めることができる。さらにこの計算式により得られるたわみ角と実際に発生す

- 1 2 - 差替え用紙（規則 26) る傾きの変化 a との対応は実験により確かめられている。したがって、ピン先端部のたわみ角 ^ ' を求めることにより、実際に発生するピン側トルクショルダ形成面の傾きの変化 a を求めることができる。ピン側トルクショルダ面とボックス側トルクショルダ面との傾きの差 Δ ^は、この傾きの変化 a と等しいか、またはやや大きい値に設定する必要がある。

傾きの差 Δ 6»は、実用的な油井管用ねじ継手では 0. 5 ' 以上 4. 0 ' 以下である。 0. 5 ' 未満の場合には、十分なシール効果が得られない。また、 4. ◦ ' を超える場合には、前述のように、トルクショルダ部の内面側に応力集中が生じるので、局部的な塑性変形が発生する。したがって、繰り返し使用可能な回数が減少するほか、すき間が生じやすくなる。

上記の角度を持つ継手は、コンピュータ制御された N C旋盤を用いることによって、特別な精度管理を必要とすることなく、実用上十分な精度で加工可能である。

(傾きの差 Δ 0の最適値の選択）

傾きの差 Δ は、前記のように 0. 5 · 以上 4. 0 · 以下の範囲であれば、実用上十分な性能がえられる。ただし、管および継手の条件によつて、さらに最適な値を選択することが望ましい。

内面ショルダの場合、は、（ピン部先端の外径： D) （ピン部先端の肉厚： t ) (以下、 D/ t と記す）にほぼ比例させるのがよい。 DZ tが大きい場合は、曲げに対する剛性が小さいので、曲がり易くなる。そのために傾きの差 Δ は大きい方がよい。このように、 D/ tの大きさに応じて最適な Δ を選択するのが望ましい。

また、 Δ Θは、 d r {= (シール形成部の嵌合しろ）一（ねじ形成部の嵌合しろ） } にもほぼ比例させるのがよい。嵌合しろは、ピン部とボックス部の有効径の差であるので、 <5 r が大きい場合には、大きな縮径

- 13 - 差替え用紙（規則 26) が生じる。前述のように、シール形成部の嵌合しろは、ピン先端の縮径とトルクショルダ形成面の曲げの両方に影響を及ぼす。しかし、シール形成部の嵌合しろが、ねじ形成部の嵌合しろと同じ場合には、一様な縮径のみが生じ、曲げは生じない。管本体に近いねじ形成部の嵌合しろは一様な縮径変形のみを生じる。また、この場合には、シール部の嵌合しろはねじ部の嵌合しろと共にその縮径変形を生ずるだけで均衡する。

すなわち、シール形成部の嵌合しろのうち、曲げに寄与しないねじ形成部の嵌合しろの分を差し引いた嵌合しろ（ 3 Γ) が曲げ変形を発生させることになる。管内面方向への曲げのたわみ角とほぼ等しく設定される

Δ ^は、 <3 r とほぼ比例関係にある。したがって、ピン側およびボックス側それぞれのトルクショルダ形成面の傾きの差 Δ Θは、 (5 rにほぼ比例するような最適値を選ぶのがよい。

以上、内面ショルダの例について説明したが、外面ショルダの場合にも内面ショルダの場合と同じ条件が適用できる。

図 2 ( b ) に示したように、ボックス側シール形成面 6 3の有効径をピン側シ一ル形成面 5 3の有効径より小さくすると、ボックス側トルクショルダ形成面 6 4は締結により外側に曲げられるので、傾きが変化する。内面ショルダと違って外面ショルダの場合は、カップリングの曲げ剛性の影響があるので、ボックス部先端の外径および肉厚をそれぞれ D、 t とする。ボックス側先端が曲げ変形するのは、ボックス側先端は肉厚が薄く、自由端であるため、ボックス部先端の曲げ剛性がピン根元の曲げ剛性より小さいからである。その傾きの変化、または ^ a よりわずかに大きい角度だけ、ボックス側トルクショルダ形成面の傾き ^ 2 をピン側トルクショルダ形成面の傾き 6» , より小さく設定するのがよい。このとき、ほぼ均一な接触圧、または、外面側 5 6および 6 6でやや高くシール形成部側 5 7および 6 7でやや低い接触圧が得られる。

この結果、外面ショルダの場合、引張応力が負荷されても、外面側の

- 1 4 - 差替え用紙（規則 26) 口開きが防止される。その他、上述の内面ショルダの場合の効果が、そのまま外面ショルダの場合にあてはまる。

なお、内面ショルダと外面ショルダを併せ持つ継手にも、本発明で規定する条件がそのまま適用できる。

以上、カップリング方式の場合を例にとって説明したが、本発明をィンテグラル方式に適用することができることはいうまでもない。その場合には、管本体の一端にはピン部を構成する雄ねじ、シール形成面およびショルダ形成面を設け、もう一方の管端には肉盛加工を施した後、ボックス部を構成する雌ねじ、シール形成部およびショルダ形成面を設ければよい。このように、本発明の継手構造をそのまま適用することができる。実施例

つぎに本発明の効果を実施例に基づいて説明する。

表 1、表 2、表 3および表 4は、試験に供した発明例および比較例の継手のトルクショルダ形成面の傾きおよび継手の形式を示す一覧表である。表 1および表 2に示す継手 A〜 Jの D/tは 1 7. 78、 δ _r は 0. 4 mmですベて同じ値である。表 3および表 4に示す継手 Kおよび継手 Lは、それぞれ D/'tが 1 3. 78、 δ _r が 0. 1 99mmおよび D/ tが 2 1. 72、 δ r が 0. 528mmであり、継手 A〜Jに対して D /tおよび 3 r に高低を持たせている。継手 A〜 Jに比較して DZ tおよび 3 _r ともに小さい継手 Kはそのトルクショルダ形成面の傾きの差 Δ

^がほぼ比例して小さく、一方 D/tおよび 3 r が継手 A〜 Iより大きい継手 Lは傾きの差 Δ が比例的大きい値となっている。

表 1〜表 4の発明例の継手は、図 5および図 2に示した継手であり、内面ショルダ、外面ショルダぉよび内外面併設ショルダの 3つのタイプを含んでいる。表 2に示す比較例には、ピン側およびボックス側トルク

- 1 5 - 差替え用紙（規則 26) ショルダ形成面の傾きが同一な継手、軟質金属でシール面などを被覆した継手、滑らかな溝を設けた薄いリップ部を有する継手（特開昭 6 0— 2 6 8 7 8号公報に開示されている継手）またはピン側およびボックス側のトルクショルダ形成面が曲率半径の異なる凸面および凹面を持つ継手（図 3 ) が含まれている。

1 6

差替え用紙（規則 26) 2 継手符号ピン側トルクボックス側トルク備考

ショルダ部の傾き Θ ショルダ部の傾き Θ 2

A 1 5. 0' 1 6. 0' 内面ショルダ本 B 1 5. 0' 1 6. 5'

C 1 6. 0' 1 5. 0' 外面ショルダ明 D 1 6. 5' 1 5. 0

例 E 1 5. 0 1 6. 0 内面ショルダ

1 6. 0 1 5. 0 外面併設¹¹

F 1 5. 0° 1 5. 0° 内面ショルダ比 G 1 5. 0° 1 5. 0。外面ショルダ較 H 1 5. 0° 1 5. 0。 C u被覆¹² 例 I 1 5. 0。 1 6. 0。薄リップ ¹³ J 6 mm 8 mm 曲率面ショルダ'

* 1 ：内面ショルダと外面ショルダを併せ持つ継手（図 2と同じ形式の継手）。

* 2 ：ボックス側のシール形成面とトルクショルダ形成面が C uで被覆された継手。

* 3 ：ピン側先端リップ部およびボックス側トルクショルダ部の内面側に滑らかな溝を刻設することによりピン側先端リップ部を薄肉化し、弾性変形を利用して密封性能を高めた継手（特開昭 60— 26878号公報に開示されているものと同じ形式の継手）。

*4 ：ピン側先端部の凸面状のトルクショルダ形成面に対応するボックス側の位置に凹面状のトルクショルダ形成面を有する継手（図 3と同じ形式の継手）。

17 - 差替え用紙（規則 26) 継手符号

K L

管本体の外径 8 8. 9 mm 2 7 3. 0 5 mm 管本体の肉厚 6. 4 5 mm 1 2. 5 7 mm カップリングの外径 9 8. 9 4 mm 2 9 3. 5 4 mm 管および L 8 0炭素鋼

カップリングの材料 (降伏強度 5 6. 2 kgf/mm²) ねじの形状台形ねじ

ねじピッチ 4. 2 3 3 mm 6. 3 5 mm ねじテ一ノく 1 / 1 8

ねじ山高さ 1 . 0 1 6 mm 1 . 9 8 2 mm ねじ嵌合しろ（径方向） 0. 2 2 1 mm 0. 2 7 2 mm シールテーパ 1 / 1 0

シール長さ 6. 5 mm

シール嵌合しろ（径方向） 0. 4 2 mm 0. 8 mm

8 0 %引張荷重値 7 5. 2 ton 4 6 2. 8 ton

8 0 %内圧圧力値 6. 5 3 kgf/mm² 4. 1 4 kgf/圆 ²

4

1 8 差替え用紙（規則 26) これらの継手について、以下の試験を行うことにより、その性能を評価した。

(繰り返し締結試験）

潤滑用グリスをねじ部およびねじ無し部に塗布し、継手の締結および解体を 1 0回繰り返し行った後、シール部およびトルクショルダ部の変化を調査した。

(引張応力下におけるすき間発生試験）

上記の繰り返し締結試験の後、継手を締結し、管本体に降伏強度の 8 0 %に相当する応力が生じるような軸方向の引張力（2 4 5 . 2 t o n ) を負荷した状態でトルクショルダ内面または外面のすき間の有無を調査した。

(複合荷重下における腐食試験）

上記すき間発生試験における引張力を負荷した状態で、継手を含む管内部に、硫化水素と二酸化炭素の混合気体を封入した。混合気体の圧力は、管本体に降伏強度の 8 0 %に相当する応力を生じる圧力 5 . 2 4 k g f /m m ² とした。その状態で 5 0 0時間保持した後に継手を解体し腐食箇所を調査した。

表 5および表 6は、上記の 3つの試験についての結果を示す一覧表である。表 5および表 6より、比較例の継手の場合には、 3つの試験結果のうち、少なくとも 1 つの試験結果が不良であった。一方、本発明例の継手の場合には、いずれの試験においても良好な結果が得られた。表 6 は、 D / tおよび 3 r に比例させて、傾きの差 Δ を変化させた継手 K および継手 Lの試験結果である。この結果から、 D / tおよび (5 r にほぼ比例させて傾きの差 Δ Sを変化させることが有効であることが確認された。

- 1 9 - 差替え用紙（規則 26) 繰り返し軸方向引張応力複合荷重下における腐食試黩結果継手符号締結試験結果下でのショルタ'部

のすさ「曰 Ί 漏れの有無腐食箇所本 A 変化なしなしなしなし発 B 変化なしなしなしなし明 C 変化なしなし

例 D 変化なしなし

E 変化なしなしなしなし

F 変化なし有りなしシール部比 G 変化なし有り

較 H 被覆部磨耗有り有り（4. 62) ¹² 一例 I ショルタ"内側変形有り有り (3. 23) "

J ショル夕'面焼付きなしなしボックス肩部

* 1 ：外面ショルダの場合は軸方向引張試験のみ実施。

* 2 ： 0内数字は漏れの発生した圧力値（kgf/mm²)。腐食試験実施できず。

* 3 ：内圧試験にて漏れが発生した場合は、その時点で直ちに試験を中止。

- 2 0 - 差替え用紙（規則 26) 産業上の利用の可能性

本発明の油井管用ねじ継手は、連結された管の自重などによる引張負荷を受ける条件下で使用されても、内面ショルダではトルクショルダ部の内面側、または外面ショルダではトルクショルダ部の外面側で、すき間が生じることがない。このため、内部または外部の流体がトルクショルダ部のすき間から継手内部に浸入することによって生じるすき間腐食が起こりにくい。また、トルクショルダ部に過度の塑性変形が生じないので、数十回の繰り返し使用にも耐える。さらに、本発明のねじ継手は、通常の機械加工によって、通常の工数で製造することが可能であるので、製造コス卜が高くなることもない。

したがって、本発明のねじ継手は、今後ますます厳しくなる油井等の採掘条件下での使用に極めて好適である。

- 2 1 - 差替え用紙（規則 26)

Claims

請求の範囲

1. 雄ねじが形成された管本体のピン部（ 1 1 ) の先端の外表面に設けられたシール形成面（ 1 3) と、雌ねじが形成されたカップリングまたは管本体のボックス部（2 1 ) の内面に設けられたシール形成面（23) とが嵌合されることによってシール部が形成され、ピン部の先端部に設けられたトルクショルダ形成面（ 1 4) と、このトルクショルダ形成面

( 1 4) に対面するボックス側に設けられたトルクショルダ形成面（ 2 4) とが突き合わされることによって内面ショルダ部が形成される油井管用ねじ継手であって、下記①および②を満足する油井管用ねじ継手。

② 締結前のピン側トルクショルダ形成面の傾き（S i ) は、締結前のボックス側トルクショルダ形成面の傾き（ ₂) より小さく、両者の傾きの差（Δ ^ ) は、 0. 5' 以上 4. 0 ' 以下である。

2. 雄ねじが形成された管本体のピン部（ 1 1 ) の根元の外表面に設けられたシール形成面（53) と、雌ねじが形成されたカップリングまたは管本体のボックス部（2 1 ) の先端内面に設けられたシール形成面

(63) とが嵌合されることによってシール部が形成され、ボックス部の先端に設けられたトルクショルダ形成面（64) と、このトルクショルダ形成面（64) に対面する管本体のピン部の根元の外面に設けられたトルクショルダ形成面（54) とが突き合わされることによって外面ショルダ部が形成される油井管用ねじ継手であって、下記①および②を満足する油井管用ねじ継手。

① ピン側およびボックス側のシール形成面はそれぞれ回転面であり、

- 22 - 差替え用紙（規則 26) 締結前のピン側シール形成面（53) の有効径の方が、締結前のボックス側シール形成面（63) の有効径よりも大きい。

② 締結前のピン側トルクショルダ形成面の傾き（！ ) は、締結前のボックス側トルクショルダ形成面の傾き（^ 2) より大きく、両者の傾きの差は、 0. 5· 以上 4. 0 · 以下である。

3. 雄ねじが形成された管本体のピン部（ 1 1 ) の先端の外表面に設けられたシール形成面（ 1 3) と、雌ねじが形成された力ップリングまたは管本体のボックス部（2 1 ) の内面に設けられたシール形成面（23) およびピン部（ 1 1 ) の根元の外表面に設けられたシール形成面（53 ) と、ボックス部（2 1 ) の先端内面に設けられたシール形成面（63) とが嵌合されることによつてそれぞれの部位にシール部が形成され、ピン部の先端部に設けられたトルクショルダ形成面（ 1 4) と、このトルクショルダ形成面に対面するボックス側に設けられたトルクショルダ形成面（24) およびボックス部の先端に設けられたトルクショルダ形成面（64) と、このトルクショルダ形成面に対面する管本体のピン部の根元の外面に設けられたトルクショルダ形成面（54) とが突き合わされることによって、それぞれ内面ショルダ部、外面ショルダ部が形成される油井管用ねじ継手であって、下記①および②を満足する油井管用ねじ継手。

① ピン側およびボックス側のシール形成面はそれぞれ回転面であり、締結前のピン側シール形成面（ 1 3、 53) の有効径の方が、締結前のボックス側シール形成面（23、 63) の有効径よりも大きい。

② 締結前のピン側トルクショルダ形成面の傾き（ ) は、締結前のボックス側トルクショルダ形成面の傾き（ 0 2) より小さく、両者の傾きの差（Δ ^ ) は、 0. 5' 以上 4. 0 ' 以下である。

- 23 - 差替え用紙（規則 26)

4. 下記③を満足する請求の範囲 1、 2または 3に記載の油井管用ねじ継手。

③ 締結前のピン側トルクショルダ形成面の傾き（ > ) と締結前のボックス側トルクショルダ形成面の傾き Θ の差は、 D tおよび (5 r のそれぞれに比例関係にある。また、 D/ tまたは <5 r の値が大きい場合は、ピン側およびボックス側のトルクショルダ形成面の傾きの差を大きくし、 DZ tまたは δ r の値が小さい場合はトルクショルダ形成面の傾きの差（Δ ) を小さくする。

ただし、 D ：ピン部先端またはボックス部先端の外径、

t ：ピン部先端またはボックス部先端の肉厚、

δ r= (シール形成面の径方向の嵌合しろ）

一（ねじ形成面の径方向の嵌合しろ）。

- 24 - 差替え用紙（規則 26)