WO1999018382A1 - Joint a vis destine a des tuyaux de puits de petrole, et procede de fabrication associe - Google Patents

Description

明細書

油井管用ね じ継手および製造方法 技術分野

本発明は、 天然ガス ま たは原油の探査や生産に使用 さ れる 油井管用 ね じ継手、 特に高深度で、 かつ厳 し い腐食性環境の井戸等に適 した油井管 用ね じ継手およ び製造方法に関す る。 背景技術

今 日、 深さ数千 mに も 及ぶ天然 ガス 田や原油田等の探査や生産に使用 さ れる 油井管を接続す る 技術と し て、 ね じ継手が広 く 用い ら れて い る。 油井管用ね じ継手に は、 管の一端に ピ ン部を、 他端に ボ ッ ク ス部を形成 し、 一方の管の ピ ン部と 他方の管のボ ッ ク ス部を接続する ィ ン テ グラ ル 方式と、 二つの ボ ッ ク ス部を形成 し た カ ツ プ リ ン グを介 して両端に ピ ン 部を形成 し た管を接続す る カ ッ プ リ ン グ方式と があ る。 こ れ ら ね じ継手 に は、 Π接続さ れた管の 自重に よ る軸方向の引張力 に耐え得る こ と、 2 ) 内部の流体に よ る 内圧に耐え得る こ と、 3 )内部の流体に よ る 局部腐食が 無い こ と、 な どの性能が要求され る。 近年、 井戸の深さ が深 く な る と と も に硫化水素等の腐食成分をふ く む腐食性環境の井戸が多 く な る傾向 に あ り、 上記要求性能の レベルは さ ら に厳 し く な つ て いる。

ま た、 井戸の高深度化に と も ない井戸の径が掘削 コ ス ト を大き く 増大 さ せる ので、 井戸の径を極力小 さ く す る傾向に あ る。 こ のた め継手の外 径 も小 さ く す る こ と が要求さ れ、 し たが っ て ボ ッ ク ス部の肉厚を減少 さ せる要求が高ま つ て い る。

こ の よ う な要求に対応 して シ ー ル部およ び ト ルク シ ョ ルダ部を有す る 継手に関 して多 く の提案がな されて い る。 その代表例 と して特開昭 6 0 — 2 6 8 7 8 号公報に示された ィ ン テ グラ ル方式の継手をつ ぎに説明す る。

図 8 は、 ピン部と ボ ッ ク ス部の 内面に溝を設けて乱流を防止す る こ と に よ り 耐食性を高めた ィ ン テ グラ ル方式の継手の "管軸を含む平面に よ る " 断面図を表す （以下、 "管軸を含む平面に よ る " を省略す る） 。 管 の端の雄ね じ 1 2 を有す る ピ ン部 1 1 の先の外面に設けた シ ール形成用 ね じ無 し部 1 3 と、 内部の雌ね じ 2 2 を有する ボ ッ ク ス部 2 1 の内奥に 設けた シール形成用ね じ無 し部 2 3 と は、 互い に接触す る こ と に よ り シ 一ル部 を形成す る。 こ の シール部に よ っ て 内部流体に よ っ て生 じ る 内圧 に対す る気密性が確保さ れる。

図 8 に示すね じ継手を含めて、 ね じ継手に は一般に "干渉 '' と 呼ばれ る、 ピ ン部の雄ね じ の ピ ッ チ 円直径を ボ ッ ク ス部の雌ね じ のそれよ り 大 き く す る締結力強化機構が設け られて い る。

以下において、 「管」 と い う と き は、 "管端の ピ ン部、 お よびイ ン テ グラ ル方式の場合はボ ッ ク ス部も 含む " こ と と する 力 、 「管本体」 と い う と き は "ピン部お よ びボ ッ ク ス 部を と も に含ま ない " も の とす る。

ピン部 1 1 の先端にあ る ト ルク シ ョ ルダ形成用ね じ無 し部 1 4 と、 ボ ッ ク ス部 2 1 の奥に あ る ト ルク シ ョ ルグ形成用ね じ無 し部 2 4 と は、 互 い に突 き合わさ れる こ と に よ り ト ルク シ ョ ルダ部を形成す る。 こ の ト ル ク シ ョ ルダ部は シール部に適切な接触面圧を生 じ る させ る よ う に締結 ト ル ク を コ ン ト ロ ールする ための も のであ る。

図 8 において は、 さ ら に ト ルク シ ョ ルグ部付近の 内面に滑 ら かな溝 3 0 を設けて お り、 こ れに よ り ト ル ク シ ョ ルダ部近傍の内面を流れ る流体 の乱流発生を防止 し局部腐食を促進 し ない よ う に し てい る。

こ の よ う な継手に は、 つ ぎの よ う な問題があ る。

油井管に は頻度は高 く ないが軸方向 に圧縮力や曲 げ荷重が負荷 さ れ る 場合が あ る。 そ の よ う な荷重負荷後に、 管の 自 重に よ る 引張力が負荷 さ れる と、 シール部および ト ルク シ ョ ルダ部では、 接触面圧が低下 し た り 、 極端な場合に は隙間が生 じ た り する。 こ の現象の ために、 内圧負荷に 対す る 気密性能が低下 し、 内部流体が漏洩する と い う 問題や、 こ の と き 生 じ る隙間に よ り 内部流体の流れが乱さ れ顕著な局部腐食が発生す る と い う 問題が起き る。

ま た、 接触面圧が低下 し、 ま た は隙間が生 じ てい る状態で、 なん ら か の原因で継手を緩め る方向に ね じ り ト ル ク が作用す る と、 継手が外れ、 油井管が井戸の中に落ち込む危険があ る。 井戸中での油井管の再接続は 非常に 困難なので、 開発中あ る い は生産中の油井を放棄 し な ければな ら ない と い う 最悪の事態に いた る場合があ る。 こ の よ う な事態は井戸の深 さ が深 く な る と と も に、 管の 自重に よ る 引張力が増加す る ため、 よ り 起 こ り 易 く な る傾向に あ る。

本発明の 目的は、 軸方向の圧縮力 ま たは 曲げ荷重の後に引張力が負荷 さ れた と き に起 き る シール部お よ び ト ルク シ ョ ルダ部に おけ る接触面圧 の低下ま た は隙間の発生を防止 し、 合わせて耐食性 も確保さ れた油井管 用ね じ継手を提供す る こ と に あ る。 発明の開示

図 1 は本発明 に係 る ね じ継手の う ち カ ツ プ リ ン グ方式のね じ継手の一 形態を示す継手全体の断面図であ る。 こ の方式の继手では、 上記 し た よ う に両端に ボ ッ ク ス部 2 1 を も つ カ ッ プ リ ン グ 2 0 に よ り 管 1 0 の端に 設けた ピ ン部 1 1 同士が締結さ れる。

図 2 は、 本発明の標準的な継手の ピ ン先端付近 （図 1 の A部） を拡大 し た断面図であ る。 同図 において も 図 8 の継手 と 同様に、 ピ ン部 1 1 の シール形成用ね じ無 し部 1 3 およ び ト ル ク シ ョ ルダ形成用ね じ無 し部 1 4 のそれぞれに対応 して、 ボ ッ ク ス部 2 1 の シ ール形成用ね じ無 し部 2 3 およ び ト ルク シ ョ ルダ形成用ね じ無 し部 2 4 のそれぞれが接触 し、 ま た、 突 き合わせ られ、 シ ール部お よび ト ル ク シ ョ ル ダ部が形成さ れる。 図 2 に おいて は、 先端か ら一定の 内径 d x lを有す る部分は、 シール部に 対応す る位置を超え て さ ら に管本体に近い位置に ま で長 く な っ て いる。 通常は、 図 2 の よ う に厚肉化す る部分を一定の 肉厚 とす る 力 、 一定の 肉 厚でな く、 例え ば、 図 2 の d x 2の部分、 すなわち、 厚肉化す る こ と に よ り 小 さ く し た 内径か ら管本体の内径に移行する部分がシール部に対応す る 位置にかか っ て いて も よ い。 た だ し、 ピ ン部先端か ら管本体の 内径に 等 し く な る 位置ま での長さ （すなわち厚肉化さ れた ピ ン先端部長 さ 1 5 ) は、 ピン部全体の長さ の二分の一以下 と しなければな ら ない。 すなわ ち、 図 2 に おい て d x lに対応する 部分 （内径が一定の部分） と d x 2に対 応する 部分 （内径が管本体のそれに一致す る よ う に漸増す る部分） を加 え た管軸方向の長さ は ピ ン部長さ の二分の一以下でなければな ら ない。 図 3 は ィ ン テ グラ ル方式に おけ る本発明の継手の断面図であ る。 ピ ン部 1 1 の形状は図 1 に示 し た も の と 同 じであ る。

本発明は、 下記の油井管用ね じ継手をそ の要旨 と する （図 1 〜図 3 参 照） 。

『管本体 1 0 の雄ね じ 1 2 を有す る ピ ン部 1 1 のテ ーパ状外面先の シ ー ル形成用ね じ無 し部 1 3 およ びピ ン部先端の ト ルク シ ョ ルダ形成用ね じ 無 し部 1 4 のそれぞれに対応 して、 雄ね じ ょ り 小 さ い ピ ッ チ 円半径の雌 ね じ 2 2 を有す る "カ ッ プ リ ン グま たは管本体のボ ッ ク ス部 2 1 " の テ —パ状内奥の シ ール形成用ね じ無 し部 2 3 および ト ルク シ ョ ルダ形成用 ね じ無 し部 2 4 のそれぞれが、 雌雄ね じ同士の螺合に よ り 接触 し、 ま た 、 突き 合わさ れて、 シール部およ び ト ルク シ ョ ルダ部が形成 され る油井 管用ね じ継手に おいて、 下記①式を満足す る よ う に 内径を小 さ く す る こ と に よ り 厚肉化 さ れた ピ ン先端部長さ 1 5 力；、 ピ ン先端か ら シー ル部に 対応す る位置ま での長さ 1 6 以上で、 かつ ピ ン先端か ら ピ ン部長 さ 1 7 の二分の一ま での長さ 以下であ り、 残 り の管本体に近い側の ピ ン部の 内 径は管本体の 内径と等 し く、 先端側の厚肉化さ れた ピ ン部か ら残 り の管 本体側の ピ ン部へは 内径はゆ る やかに漸増 し、 合わせて、 継手締結状態 におい て ト ルク シ ョ ルダ部のボ ッ タ ス部の 内径が ピ ン部先端の厚肉化 さ れた内径に等 しい油井管用ね じ継手。

厚肉化さ れた ピ ン先端部の内径を d x ( m m ) 、 管本体の 内径を d o ( m m ) と して、

d o > d x ≥ d o - 6 ① 』

上記の発明の要旨 において、 ボ ッ ク ス部 2 1 は、 カ ッ プ リ ン グ方式の カ ツ プ リ ン グ内奥に設けたボ ッ ク ス部で も、 ィ ン テ グラ ル方式の管本体 と一体化された ボ ッ ク ス部で も ど ち ら で も よい。 こ の こ と を 明 ら かにす る 目 的で、 "カ ッ プ リ ン グま たは管本体の ボ ッ ク ス 部 2 1 " と記載 し た

" ピ ン 先端か ら シ ー ル部に対応す る軸方向位置ま での長さ 1 6 " と は、 "締結状態でシ ー ル部を形成す る ピ ン部外面を含んだ管軸に垂直な平面 と ピ ン部内面と の交線 （円） ま での先端か ら の長さ " をいう。 実際に は 、 シール部は面状に形成 される ので、 上記の交線は幅を も っ た も のに な る ので、 その場合、 その幅の う ち の ピ ン部先端に近い端ま での長さ と す る。

ま た、 " ピ ン部長 さ の二分の一ま での長さ " と は、 ピ ン部長さ 1 7 の 中間 （二分の一位置） を通る管軸 に垂直な平面と ピ ン部内面 と の交線 （ 円） ま での長さ をい う。

"先端がわの ピ ン部か ら残 り の管本体がわの ピ ン部へは内径は ゆ る や かに漸増す る " と は、 ピ ン部の内径を次第に大き く し始め、 かつ管本体 の内径に等 し く す る 付近も段差がつかない よ う に漸増さ せて次第に等 し く する こ と をい う。

"管本体の 内径" と は、 " ピ ン部を含ま ない管の 内径の製造公差下限 " をい う。 図面の簡単な説明

図 1 は、 本発明に係る ね じ継手の う ち 力 ッ プ リ ン グ方式のね じ継手の 一形態を示す継手全体の断面図であ る。 符号 Aは、 図 2 に示す拡大部分 を示す。 符号 1 0 は管本体、 符号 1 1 は ピ ン部、 符号 2 0 は カ ッ プ リ ン グ、 符号 2 1 は ボ ッ ク ス 部を示す。

図 2 は、 本発明の標準的な継手の ピ ン部先端付近 （図 1 の A部） を拡 大 し た断面図であ る。 d oは管本体の 内径、 d xlは ピ ン先端付近の厚肉 化 し た一定肉厚部分の内径を示す。 （3 x2は ピ ン先端の厚肉化 し た部分か ら管本体の内径へと漸増す る部分の内径を示す。 1 2 は雄ね じ、 1 3 は ピ ン部の シール形成用ね じ無 し部、 1 4 は ピン部の ト ル ク シ ョ ルダ形成 用ね じ無 し部、 1 5 は厚肉化さ れた ピ ン先端部長さ、 1 6 は ピ ン先端か ら シール部に対応する位置ま での長さ、 1 7 は ピン部長さ、 2 2 は雌ね じ、 2 3 はボ ッ ク ス部の シール形成用ね じ無 し部、 2 4 はボ ッ ク ス部の ト ルク シ ョ ルダ形成用ね じ無 し部をあ らわす。

5 1 は雄ね じの、 ま た 6 1 は雌ね じ の荷重面、 （以下、 雄ね じ、 雌ね じ の順序で） 5 2、 6 2 は揷入面、 5 3、 6 3 は底面、 5 4、 6 4 は頂 面をあ らわす。 雄ね じ と 雌ね じ の荷重面 5 1、 6 1 は締結さ れた状態で は必ず接触 して い る 力 、 一般に は揷入面 5 2、 6 2、 底面 5 3、 6 3、 ま たは頂面 5 4、 6 4 は雄ね じ と 雌ね じのそれぞれの面が接触 し てい る と は限 ら ない。

角度 α は荷重面フ ラ ン ク角 を、 ま た角度 は挿入面フ ラ ン ク角 を示す 。 角度 α は、 管軸に垂直な直線 Χ Υ と 荷重面の断面上での直線と が交わ る角度であ り、 荷重面の断面上での直線が直線 Χ Υに対 して 時計回 り に 回転す る 向 き （直線 Χ Υを 6時の位置 と し て 6時か ら時間経過方向への 回転の 向 き） を正とする。 図 2 に示さ れて いる α は負であ り、 ま た後記 する 図 8 に示さ れてい る α は正の場合であ る。 これに対 して、 角度 は 直線 Χ Υに対 し て反時計回 り に回転す る 向 き （ 6時よ り 前への回転の 向 き） を正とする。 図 2 お よ び図 8 に示さ れてい る は共に正であ る。 図 3 は、 イ ン テ グラ ル方式におけ る 本発明の継手の断面図であ る。 符 号 B は、 図 1 におけ る A部と 同様に図 2 に よ っ て拡大さ れる 部分を示す 図 4 は、 本発明の実施例に用い た継手お よび試験結果を示す図であ る 図 5 は、 本発明の実施例に用いた管の合金組成お よび機械的性質を示 す図であ る。

図 6 は、 内面腐食試験に用 いた継手の断面図であ り、 （ a ) は 内面形 状を滑 ら か に し た本発明例を、 ま た （ b ) は段差がついた比較例を示す 。 符号 1 8、 1 9 は ピン部の腐食減肉厚さ 測定部位をあ ら わす。

図 7 は、 ボ ッ ク ス部の応力腐食割れ試験に用いた継手の断面図であ り 、 （ a ) は厚肉化 し た部分を先端か ら 1 7 %と した本発明例 を、 ま た （ b ) は先端か ら 9 3 % と した比較例を示す。 符号 2 5、 2 6 はボ ッ ク ス 部の応力腐食割れ観測部位を あ ら わす。

図 8 は、 ピン部と ボ ッ ク ス部の 内面に溝を設けて乱流を防止す る こ と に よ り 耐食性を高めた ィ ン テ グラ ル方式の継手の断面図であ る。 符号 3 0 は内面に設け た溝をあ らわす。 発明を実施す る ための最良の形態

本発明者は、 従来の継手に おけ る上記の問題を解決す る た めに、 圧縮 力 ま た は曲げ荷重が作用 した と き のね じ継手の挙動について詳細な検討 を行っ た結果、 下記の事項を確認 した。

1 ) 曲 げ荷重は、 曲げの凸側に引張 り、 ま た、 曲げの凹側に圧縮を生 じ さ せる 力'、、 上記の問題は 曲げの凹側に生 じ る も のであ り、 根本的に は圧 縮力に対す る継手の性能 を向上さ せる こ と が問題の解決策であ る。 すな わち、 曲げ荷重の場合 も圧縮力に対す る解決策に よ り 対処で き る。 2 ) ね じ継手に圧縮力が作用 した場合、 圧縮力はね じ部、 シ ール部、 お よ び ト ルク シ ョ ルダ部で負担さ れ る。 上記 し た従来の継手では ト ルク シ ョ ルダ部近傍の 内面に溝 3 0 があ る た め、 こ の部分の肉厚が相対的に薄 く な っ て お り、 ト ル ク シ ョ ルダ部の圧縮力負担能力 が小 さ い。

3 ) こ のため、 圧縮力の作用 に よ り ト ル ク シ ョ ルダ部に顕著な塑性変形 が生 じ る。 その後、 鋼管の 自 重に よ る 引張力が負荷 さ れ る と、 ト ル ク シ ョ ルダ部では上記塑性変形のため、 接触面圧が低下 した り、 極端な場合 に は隙間が生 じ た り す る。 ト ルク シ ョ ルダ部は シ ー ル部に適切な接触面 圧を生 じ る さ せ る役 目 を して い る ため、 こ の よ う な ト ノレ ク シ ョ ノレダ部の 劣化は シ ー ル部の性能を低下さ せ る。

4 ) ト ルク シ ョ ルダ部近傍の 肉厚を増加 さ せれば、 圧縮力 に よ る ト ル ク シ ョ ル ダ部での塑性変形は抑制 さ れる。 し か し、 厚肉化をむやみにお こ な う と 内部流体に乱流が生 じ、 局部腐食が発生す る ので、 乱流を発生 さ せない滑 ら かな 内面形状に しなければな ら ない。

5 ) 前記 し た雄ね じ と雌ね じの "干渉'' に よ る締結力強化機構に起因 し て、 上記の厚肉化を ピ ン部の根元ま でお こ な う と、 ピン部が高剛性化 し すぎて ボ ッ ク ス部の外面に大き な引張応力が作用 し て ボ ッ ク ス部外面に 応力腐食割れが発生 しゃすい。 ピ ン部の厚肉化を ピ ン部の先の一定範囲 に と どめ る場合には、 ボ ッ ク ス部の肉厚の厚い部分が、 引張応力 を分担 し引張応力 は小 さ く な る ので応力腐食割れは発生 し ない。

つぎ に本発明 のね じ继手の限定理由 について説明す る。 .

1 . 内径

厚肉化された ピ ン先端部長さ 1 5 に おいて は、 ピ ン部の 内径 d x は管 本体の 内径 d o に対 し て、 下記①式を満足 さ せ る。

d o > d x ≥ d o - 6 ① d x ≥ d o — 6 は、 厚肉化 さ れた ピ ン先端部の内径は、 管本体の 内径 d o よ り 6 m m以下だけ小 さ く す る こ と を意味す る 力；、 こ れは 肉厚 でいえ ば半径の差に対応する ので、 3 m m以下だけ厚 く する こ と に相当 する。 シール部、 ト ルク シ ョ ルダ部の 肉厚を厚 く す る こ と に よ り、 こ れ ら部分の圧縮力 を分担す る能力は向上す る。

こ の よ う な効果を十分に得る に は、 こ の厚肉化す る ピ ン先端部長さ 1 5 は、 最小で も ピ ン先端か ら シー ル部に対応す る位置ま での長さ 1 6 以 上と し、 最大では ピ ン先端か ら ピ ン部長さ 1 7 の二分の一ま での長さ と す る。 最小で も ピン先端か ら シール部に対応す る位置ま での長さ 1 6 と す る の は、 最小限その範囲を厚肉化す る こ と に よ り、 圧縮応力を十分小 さ く でき る か ら であ り、 それよ り 小 さ い範囲、 例え ば、 ピ ン部先端の ボ ッ ク ス部 と 突 き 当た る局所部分だけでは不十分であ る。

厚肉化す る範囲に上限を設けて、 最大で も ピ ン先端か ら ピ ン部長さ 1 7 の二分の一ま での長さ とす る の は、 こ の範囲を超えて、 ピ ン部の根元 近 く ま で厚肉化する と、 ピ ン部の剛性が高 く な り す ぎ前記 し た干渉の機 構に よ り、 ボ ッ ク ス部の薄肉部分の外面に大き な引張応力が発生 し、 応 力腐食割れを誘発 しやす く す る か らであ る。

管本体の製造公差下限の内径を基準 と し て、 ピ ン部の内径をそれよ り 6 m m以下だけ小さ く す る のは、 Λ径を 6 m m を超え て小 さ く す る と、 その部分におけ る 内部空間の大き さ が減少 し、 それに よ つ て 内部流体の 流量が影響され る ほ どに な る か ら であ る。 上記の圧縮力の負担能力の観 点か ら は厚肉化すればす る ほ ど効果的であ る力 そ の分 ピ ン部先端付近 の内部空間が狭 く な り 必要な 内部流体の流量が確保でき な く な る。 こ の 部分の圧縮力の負担能力 を大き く して、 通常発生す る圧縮力 に よ っ て も ト ルク シ ョ ルダ部に塑性変形を発生さ せないために は、 上記厚肉化さ れ た ピ ン先端部長 さ 1 5 におけ る 内径は、 管本体の内径よ り 小 さ く する こ と が望ま しい。 すなわち 内径を O m mを超えて小さ く す る こ と が望ま し い。 さ ら に望ま し く は、 0 . 5 〜 5 m mの範囲で小 さ く する こ と が望ま しい。 2 . 内面形状

継手を締結 し た状態で ト ルク シ ョ ルダ部のボ ッ ク ス の 内径 d b を ピ ン 部先端の内径と 等 し く し て、 ピ ン部と ボ ッ ク ス部の境を滑 ら かに して段 差をつけない こ と が必要であ る。 こ れは こ の部分に乱流を発生さ せない ためであ る。

ピ ン部において 内径が変化す る 部分の内径 d x 2の漸増の程度は、 ①ー 定の内径 d x lを有する部分か ら d x2へ変わ る境 目 の 内面付近、 お よび② 管本体の内径に等 し く な る 内面付近の両方において乱流が発生 し ない ほ ど とす る。 ①の d x lか ら d x 2への変わ り めの内面は、 その内面ど う し の なす角力 例え ば、 管軸を含む平面に よ る 断面上で、 内面がわの角度で 2 3 0 度か ら 1 8 0 度 （平坦） の範囲にあ る のが望ま しい （後記す る 図 5、 図 6 参照） 。 ②の管本体の内径に等 し く な る 内面において は、 上記 の角度において 1 5 0 度か ら 1 8 0 度 （平坦） の範囲に あ る こ と が望ま しい。

その ほかに上記①およ び②において、 断面上で直線同士が交わ る角度 と しないで、 境の部分を 曲線 と し て ゆ るやかな曲率半径を も たせる こ と も で き る。 その場合、 曲線部分か ら十分離れた直線部分 どう し を延長さ せ交わ っ てでき る角度は、 上記①およ び②に述べた角度の範囲に あ る こ と が望ま しい。

d x 2が変化 し て形成す る 内面 と管軸を含む平面と の交線を、 図 2 の よ う に直線と しないで曲線 と し て、 その 曲線を管本体の 内面に近づ く 滑 ら かな漸増曲線と する こ と も で き る。 その場合で も 内径を小さ く す る部分 は先端か ら ピン部の 2 分の 1 ま での範囲 と する。

こ の よ う に、 ピン部お よ びボ ッ ク ス部の 内面形状を滑 ら か にす る の は 、 硫化水素等の腐食成分 をふ く む腐食性環境の井戸が多 く な る近年の傾 向 に対応 して、 乱流を発生さ せないよ う にする こ と に よ り、 内部流体に よ る局部腐食を抑制す る ためであ る。 上記の説明は ィ ン テ グラ ル方式の継手に も その ま ま適用で き る。 図 3 において、 ピン部 1 1 の形状は図 1 に示 し た も の と 同 じであ る。 ボ ッ ク ス部の 内径は、 ト ルク シ ョ ルダ部 2 4 の近傍で ピ ン部の内面 と ほぼ面一 をな し て滑 らかな内面を形成す る。 すなわち、 イ ン テ グラ ル方式におけ る ボ ッ ク ス部の ト ルク シ ョ ルダ部付近の内径は、 ボ ッ ク ス部が接続さ れ てい る 管本体の 内径よ り 0 を超え 6 m m以下だけ小 さ く す る こ と に よ り 、 管本体よ り 厚肉化されていなければな ら ない。 そ の厚肉化 された部分 か ら ボ ッ ク ス部が接続さ れてい る管本体に近い側 （図 3 では右側） に 向 か っ て、 ボ ッ ク ス部の内径は次第に大き く な り 始め、 ほぼテ 一パ形状を な して漸増 し、 管本体の 内径 と滑 ら かに等 し く な る。 こ の イ ン テ グラ ル 方式の ボ ッ ク ス 部の内径の変化、 と く に "ゆ る やかな漸増 " の意味に つ いて は、 図 2 の ピ ン部の 内径変化について の限定範囲がその ま ま適用 さ れる。

ま た、 図 3 中の B部を拡大する と 図 2 と等 し く な る。 すなわち図 2 に おいて説明 した ピ ン部の 内径について の限定範囲はそのま ま 図 3 のィ ン テ グラ ル方式の ピ ン部に ついて も 適用でき る。 ィ ン テ グラ ル方式のボ ッ ク ス部において 内径を小 さ く する範囲 は、 内面形状が上記の意味でなめ ら かであ る かぎ り と く に 限定 しない。

本発明は管本体の 肉厚 と 外径の比 （以下、 "肉厚比" と い う） が 0 . 0 5 5 以下の場合に適用する と、 さ ら に大き な効果が得 られ る。 肉厚比 が 0 . 0 5 5 以下の管が各種の負荷を受けた場合、 肉厚が実質的に薄い 場合 と 同様な大 き な変形を受け、 こ れに伴 っ て ピ ン部先端も 同様に大 き く 変形する。 こ のため、 例え ば特開平 6 — 2 8 1 0 6 1 号公報ゃ特開平 6 - 2 8 1 0 5 9 号公報に提示さ れて いる 圧縮力分担能力の 向上を図 つ たね じ を採用 し て も継手全体の耐圧縮性能が十分でない場合があ る。 こ の よ う な場合に本発明に係る継手を適用すればよ り 高い耐圧縮性能を確 保する こ と がで き る。 本発明の継手に使用す るね じの形状は A P I (American Petroleum In stitute)規格に示さ れて いる よ う な通常の三角ね じ、 台形ね じ を使用す る こ と ができ る。 さ ら に、 本発明 の主 目 的であ る耐圧縮性能の向上に は 、 ね じ部において も圧縮力の分担能力 を向上さ せる こ と が よ り 一層効果 的であ り、 例え ば、 特開平 6 — 2 8 1 0 5 9号公報 ま たは特開平 6 — 2 8 1 0 6 1 号公報に示さ れて い る よ う なね じ形状も 採用でき る。

特開平 6 — 2 8 1 0 5 9号公報に記載さ れて い る ね じ形状はつ ぎの通 り であ る。 「締結時に雄ね じ と雌ね じ の荷重面 5 1、 6 1 が相互に接触 し、 頂面 5 4、 6 4 ま た は底面 5 3、 6 3 のいずれか一方において接触 し他方に は隙間があ り、 雄ね じ と 雌ね じの挿入面 5 2、 6 2 の間に は 0 m mを超え 0. 0 3 m m以下の隙間あ る 台形状のね じ」 であ る。 ね じ を こ の よ う な形状に と っ た理由 は、 圧縮力負荷後 も 高い気密性を有 し、 か つ繰 り 返 し使用 に対 して 耐久性を確保す る ためであ る。

頂面 5 4、 6 4 ま たは底面 5 3、 6 3 のいずれか一方において接触さ せる の は、 こ の よ う なね じ面の接触状態がね じ面の損傷を防 ぐの に好ま し いか ら であ る。 ま た、 他方に隙間を設け る理由は、 継手締結時に用い られる ダ リ ス等の潤滑剤が こ の隙間に浸透する こ と に よ り、 ね じ面の損 傷防止を さ ら に確実な も の と する と と も に、 締結時に ピ ン部 と ボ ッ ク ス 部の シ ー ル部が接触 して 閉 じ こ め られた空気を外部に逃がすためであ る ト ル ク シ ョ ルダを有す る継手では、 ト ル ク シ ョ ル ダの接触に と も な う 反力 をね じ の荷重面 5 1、 6 1 の接触に よ り 分担す る ので荷重面 5 1、 6 1 は必ず接触さ せ る。 さ ら にね じの嚙み合わせを安定さ せ る ために は 、 他の 3面の う ち少な く と も 1 面を接触さ せる 必要があ り、 上記の よ う に頂面 5 4、 6 4 ま たは底面 5 3、 6 3のいずれか一方において接触さ せる こ と とする。 挿入面 5 2、 6 2 の間の隙間を O mmを超え 0. 0 3 m m以下とする のは、 継手に圧縮力が作用 した と き に発生す る シ ー ル部 およ び ト ル ク シ ョ ルダ部の塑性変形を低減する ためであ る。

台形状のね じ とする の は、 3角形状のね じ に比べね じ ピ ッ チに対す る ね じ高 さ の比を小さ く す る こ と がで き、 そ の分、 継手効率を高 く 設定で き る か ら であ る。

特開平 6 — 2 8 1 0 6 1 号公報に記載さ れて い る ね じの形状はつ ぎの 通 り であ る。 「締結時のね じ の荷重面フ ラ ン ク 角 α が ー 2 0 · 以上 0 · 未満、 挿入面フ ラ ン ク角 が 3 0 · を超え 6 0 · 以下であ り、 かつ締結 時に雄ね じ と雌ね じ の荷重面 5 1、 6 1 お よび揷入面 5 2、 6 2 の両方 において接触 し、 かつ頂面 5 4、 6 4 およ び底面 5 3、 6 3 の両方にお いて隙間があ る 台形状のね じ」 であ る。 ね じ を こ の よ う な形状にす る 理 由は、 過大な引張力が作用 し た と き、 雄ね じ と雌ね じが相対的に半径方 向にずれる こ と に よ り 発生す る雄ね じ と雌ね じ の離脱現象 （ジ ャ ン プァ ゥ ト 現象） を防止 し、 かつ圧縮力負荷後 も 高い気密性を確保する ためで あ る。

荷重面フ ラ ン ク 角 α を 0 · 未満 とす る の は、 引張力が作用 した と き の ね じ部の変形を考慮 して雄ね じ と 雌ね じ の離脱を防止す る ためであ る。 ま た、 — 2 0 · 未満ではね じ の根元.部の破壊が早期に生 じ る ため、 — 2 0 · 以上とす る。 挿入面フ ラ ン ク 角 0 が 3 0 ' 以下では接触面圧が材料 の降伏強さ を超え、 ね じ の焼付き が発生す る危険性が高い。 一方、 S が 6 0 · を超え る と シール部お よび ト ル ク シ ョ ルダ部に塑性変形を生 じ や す く な る ので 6 0 ' 以下 とす る。

継手締結時に雄ね じ と雌ね じの荷重面 5 1、 6 1 およ び揷入面 5 2、 6 2 の両方において接触させる の は継手の圧縮性能を確保す る ためであ る。 ま た、 締結時に頂面 5 4、 6 4お よ び底面 5 3、 6 3 の両方におい て隙間を設け る のは、 グ リ ス の浸透お よ び空気を逃がすためであ る。 台 形状のね じ とす る理由 は前記 した と お り である。

本発明 に係る 継手は、 例え ば、 管端を熱間あ る い は冷間に て縮径あ る いは増肉加工 し た後、 機械加工す る こ と に よ り 製造す る こ と がで き る。 耐食性の観点か ら は、 炭素鋼ま た は低合金鋼を冷間で加工 し た場合は、 加工歪を減少ま たは除去す る ため に変態を生 じ さ せない温度域で焼鈍す る こ と が望ま し い。 ス テ ン レ ス鋼の場合は焼鈍が必ず し も耐食性を向上 す る と は限 ら ないので鋼に応 じ て適切な熱処理をお こ な う こ と が望ま し い。 こ の縮径量あ る いは増肉量は比較的小 さ いので、 ね じ継手の製造コ ス ト 全体に 占め る製造コ ス ト 増加は大き い も のでは ない。 実施例

下記に本発明の効果を実施例に基づいて示す。

[実施例 1 ] ： 複合荷重試験

図 4 は、 図 1 〜図 3 に示 し た本発明の限定範囲内の 力 ッ プ リ ン グ方式 の継手、 および図 8 に示 した形状 と 同 じ形状の比較のための継手をあ ら わす一覽表であ る。 これ ら継手は、 外径 8 8. 9 m mか ら 3 3 9. 7 m mま での 1 3 % C r 鋼の鋼管を対象 と す る も のであ る。 図 5 は、 こ の 1

3 % C r鋼の鋼管の化学組成お よ び強度を示す表であ る。 ボ ッ ク ス部 も 同 じ鋼に よ り 製造さ れた。

継手は、 ピ ン部先端の 内面以外の諸形状はすべて の継手に ついて 同一 と した。 すなわち、 ね じ形状、 ね じ長 さ、 シールテ 一パ長さ 等は下記の と お り と して、 本発明に よ る継手 と従来技術に よ る継手で同一と した。 ね じ形状 ： A P I 規格の台形ね じ

ね じ長 さ ： 管本体の 肉厚の 4倍

ね じ干渉量 ： 0. 3 mm

ね じ テ ーノ、° ： 1 ノ 1 6

シ ー ル形状 ： テ 一パ シ ー ル （ テ ーノ、。 ： 1 / 1 0、 シ ー ル長 さ ： 1 0 m m )

図 4 において、 「 ピ ン先端の内径差」 は、 本発明例の場合は一定の 内 径 d xlを有する部分 と管本体と の、 ま た、 比較例の場合は一定の深さ の 溝の部分 と管本体と の、 それぞれ差を あ ら わす。 厚肉化ま た は薄肉化 （ すなわ ち溝をつ けた） し て一定厚さ と した軸方向長 さ は、 本発明例の場 合 （厚肉化） は、 ピ ン先端か ら ピ ン長さ の 2 1 %、 薄肉化 し た比較例の 場合は ピ ン先端か ら 1 6 % と した。 ま た、 厚肉化ま たは薄肉化 した一定 厚さ の部分か ら なめ ら か に漸増さ せて管本体の 内径に等 し く し た位置は 、 本発明例の場合は先端か ら ピ ン長さ の 3 0 %、 比較例の場合は 1 9 % と し、 本発明例およ び比較例のなかで同一 と し た。

こ れ ら の継手を下記の試験条件に よ る複合荷重試験に供試 し、 その性 能を評価 し た。

继手を締結 し た後、 管本体に降伏強 さ の 5 0 %に相当する 応力が生 じ る よ う な軸方向 の圧縮力 を負荷 し た後、 継手と反対側の鋼管端部を溶接 に よ り 封 じ た う えで継手に 内圧を負荷 して、 継手に おいて 内圧の漏れが 発生す る ま で内圧を順次増加 させた。 こ こ で、 内圧負荷試験に よ り 管本 体に発生す る ミ ーゼ ス の相当応力 a eqは下記の②式 と な る ので、 内圧の 厳 し さ を漏れ発生の相当応力 a eqと材料の降伏強さ の比 a eq/CT yで表す こ と に し、 内圧は こ の比が最高で 1 0 0 %と な る ま で負荷 し た。

ミ ーゼ ス の相当応力 ：

σ eq = ( σ θ び ζ σ θ - σ ζ ) ②

こ こ で、

円周方向応力 ： σ θ = ρ X { (D ²/d o²) +1} / { (D d ο²) -1} 軸方向応力 ： σ z = p / { (D ²/ d o²) -1}

た だ し、 D ： 管本体の外径 （mm)

d o ： 管本体の 内径 （ mm)

P ： 試験で負荷す る 内圧 （単位は任意）

〔結果〕

図 4 の最 も右側の 「漏れ発生荷重 （％) 」 の欄に、 試験結果であ る 漏 れが発生 し た と き の ff eq/a yの値 （％ ) を示す。 図 4 に示す よ う に、 比 較例の従来継手では ff eq/a yの比が 6 0〜 9 0 %で内圧の漏れが発生す る の に対 し、 本発明の継手では a eq/ff yの比が 1 0 0 %で も 内圧の漏れ は発生せず、 管の降伏強 さ に匹敵す る圧縮応力が作用 し て も 健全な継手 性能を有 し てい る こ と がわか る。 さ ら に 肉厚比が 0. 0 5 5 以下の本発 明例であ る、 継手代符じ、 D、 E と それぞれ同 じ 肉厚比の比較例であ る 継手代符 じ、 d、 e を比べる と、 本発明 に係る継手は漏れ発生荷重は 2 5 %以上高い。 肉厚比が 0. 0 5 5 を超え る場合、 本発明 に係る継手 A 、 Bの比較例 a、 b に対する漏れ発生荷重の向上代 1 0〜 1 5 %以上は 、 肉厚比が 0. 0 5 5以下のそれ よ り も小 さ い。 すなわち、 薄肉大径管 の場合に本発明 の継手の効果がよ り 大 き い こ と が判 る。

[実施例 2 ] ： 継手内面について の腐食試験

継手の内外面の腐食試験を行い、 本発明が腐食を確実に抑制 してい る こ と をつ ぎに示す。

供試材は、 図 4 に示 し た継手代符 A、 すなわち 1 3 % C r 鋼か ら な る 外径 8 8. 9 m m, 肉厚 6. 4 0 m mの鋼管を対象 と す る。

図 6 ( a ) は、 本発明 に係 る継手の要部を、 ま た 図 6 ( b ) は比較例 の継手の要部を示す断面図であ る。 こ れ ら继手を締結 し た状態で、 内部 に 1 5 0 °C、 5 % N a C l 水溶液に 3 0気圧で C 0₂ を過飽和に溶解さ せた流体を流速 7 m 秒で循環さ せ、 2週間 （ 3 3 6時間） 後の減肉量 を測定 した。

〔結果〕

本発明 に係る 継手は、 測定部位 1 8 において最大減肉厚さ 0. 0 2 m mで、 通常認め られる減肉厚さ であ つ たの に対 して、 比較例の継手に お いて は測定部位 1 9 において最大減肉厚さ 0. 2 m mを示 し た。 こ の減 肉厚さ の差は、 ち ょ う ど 1 0倍であ り、 内面形状を本発明の も の とす る こ と に よ る効果が明 白であ る。 [実施例 3 ] ： ボ ッ ク ス部外面の応力腐食割れ試験

供試材は、 上記 [実施例 2 ] の供試材と 同 じ、 表 1 に記載 し た継手代 符 A (材質 1 3 % C r 鋼、 外径 8 8. 9 m m、 肉厚 6. 4 0 m m) を用 いた。

図 7 ( a ) は、 本発明 に係 る厚肉化 し た ピン部を先端か ら 二分のー以 下 と し た継手を、 ま た図 7 ( b ) は、 ピ ン部の根元ま で厚肉化 し た比較 例の継手の断面図を示す。 図 7 ( a ) において は、 内面先端か ら ピン部 の 1 7 %ま でを一定厚さ に厚肉化 し、 図 7 ( b ) のそれは約 9 3 %を厚 肉ィ匕 し た も のであ る。

こ れ ら継手を締結 した状態で、 2 5 °C、 5 % N a C l 水溶液に 1 % H 2 S を含む C O ₂ ガス をパブ リ ン グ し た液に浸漬 し て、 2週間 （ 3 3 6 時間） 後に ボ ッ ク ス外面を調査 し た。

〔結果〕

比較例の継手のボ ッ ク ス外面部位 2 6 に は応力腐食割れが発生 して い たのに対 して、 本発明例の該当部位 2 5 に は全 く 割れは認め られなか つ た。 こ れは、 比較例において は ピ ン部根元ま で ピ ン部の内径を小 さ く し たため に当該部位の剛性が高 く な り、 ね じ の干渉に よ り 発生する ボ ッ ク ス部外面の応力 も高 く な っ た こ と に起因す る。 こ れを回避す る方法 と し て、 ボ ッ ク ス部を大き く し 肉厚を厚 く する 方法があ る 力 、 そ のため に は 拡大 し た継手を挿入可能 とす る ため に井戸の径を大き く する 必用があ り 、 その分井戸の掘削 コ ス ト が増加する と い う 別の問題を生 じ る。

なお、 上記実施例 1 〜 3では図 1 に示 し た構成の カ ツ プ リ ン グ方式の 継手を示 したが、 図 3 に示 した ィ ン テ グラ ル方式の継手で も 同様な効果 が得られる こ と は、 前記 した と お り 図 3 の Bの部分が図 2 と 同 じであ る こ と か ら 明 ら かであ る。 産業上の利用可能性 本発明 に よ る 油井管用 ね じ継手は、 圧縮力ま たは 曲げ荷重の負荷後 も 優れた気密性能 を有す る ため、 今後ま すま す深 く な る傾向 に あ る油井の 掘削作業に おいて作業能率を低下 さ せ る繊細な取扱いを必要 と し ない。 かつ、 腐食環境が厳 し く な る井戸において十分な耐久性を有す る ので天 然ガ ス や原油の採取産業に と っ て 非常に有益であ る。

Claims

請求の範囲

1. 管本体 （ 1 0 ) の雄ね じ （ 1 2 ) を有する ピ ン部 （ 1 1 ) の テ ーパ 状外面先の シール形成用 ね じ無 し部 （ 1 3 ) および ピ ン部先端の ト ルク シ ョ ルダ形成用ね じ無 し部 （ 1 4 ) のそれぞれに対応 して、 雄ね じ ょ り 小さ い ピ ッ チ 円半径の雌ね じ （ 2 2 ) を有する カ ッ プ リ ン グま た は管本 体のボ ッ ク ス部 （ 2 1 ) のテ ーパ状内奥の シール形成用ね じ無 し部 （ 2 3 ) お よび ト ル ク シ ョ ル ダ形成用ね じ無 し部 （ 2 4 ) のそれぞれが、 雌 雄ね じ 同士の螺合に よ り 接触 し、 ま た、 突 き合わさ れて、 シ ール部およ び ト ル ク シ ョ ルダ部が形成さ れる 油井管用 ね じ継手において、 下記①式 を満足する よ う に ピ ン先端部の内径を小さ く す る こ と に よ り 厚肉化さ れ た ピ ン先端部長 さ （ 1 5 ) 力 ピ ン先端か ら シ ール部に対応す る 位置ま での長 さ （ 1 6 ) 以上で、 かつ ピ ン先端か ら ピ ン部長さ （ 1 7 ) の二分 の一ま での長さ 以下であ り、 残 り の管本体に近い側の ピ ン部の内径は管 本体の 内径 と等 し く、 先端側の厚肉化された ピ ン部か ら残 り の管本体側 の ピン部へは内径は ゆ る やかに漸増 し、 合わせて、 継手締結状態におい て ト ル ク シ ョ ルダ部のボ ッ ク ス部の.内径が ピ ン部先端の厚肉化さ れた 内 径に等 しい こ と を特徴 と する油井管用ね じ継手。

厚肉化さ れた ピ ン先端部の 内径を d x ( mm) 、 管本体の内径を d o (mm) と して、

d o > d x ≥ d o — 6 ①

2. 管本体 （ 1 0 ) の肉厚と 外径の比が 0. 0 5 5 以下であ り、 管本体 ( 1 0 ) の雄ね じ （ 1 2 ) を有す る ピ ン部 （ 1 1 ) のテ ーパ状外面先の シール形成用ね じ無 し部 （ 1 3 ) およ び ピ ン部先端の ト ル ク シ ョ ルダ形 成用ね じ無 し部 （ 1 4 ) のそれぞれに対応 して、 雄ね じ ょ り 小さ い ピ ッ チ円半径の雌ね じ （ 2 2 ) を有す る カ ッ プ リ ン グま た は管本体の ボ ッ ク ス部 （ 2 1 ) の テーパ状内奥の シ ー ル形成用ね じ無 し部 （ 2 3 ) およ び ト ルク シ ョ ルダ形成用ね じ無 し部 （ 2 4 ) のそれぞれが、 雌雄ね じ同士 の螺合 に よ り 接触 し、 ま た、 突 き 合わ さ れて、 シ ー ル部およ び ト ル ク シ ョ ルダ部が形成される油井管用ね じ継手に おいて、 下記①式を満足す る よ う に ピ ン先端部の内径を小 さ く する こ と に よ り 厚肉化 された ピ ン先端 部長さ （ 1 5 ) 力 ピ ン先端か ら シ ー ル部に対応す る位置ま での長さ （ 1 6 ) 以上で、 かつ ピン先端か ら ピ ン部長 さ （ 1 7 ) の二分の一ま での 長さ 以下であ り、 残 り の管本体に近い側の ピ ン部の 内径は管本体の内径 と等 し く、 先端側の厚肉化さ れた ピ ン部か ら残 り の管本体側の ピ ン部へ は 内径は ゆ る やかに漸増 し、 合わせて、 継手締結状態に おいて ト ル ク シ ョ ルダ部のボ ッ ク ス 部の 内径が ピ ン部先端の厚肉化 さ れた内径に等 し い こ と を特徴 と す る油井管用ね じ継手。

厚肉化さ れた ピ ン先端部の内径を d x ( mm) 、 管本体の内径を d o (m m) と して、

d o > d x ≥ d o — 6 ①

3. 締結時に雄ね じ と雌ね じ の荷重面 （ 5 1 ) ( 6 1 ) が相互に接触 し 、 頂面 （ 5 4 ) ( 6 4 ) ま た は底面 （ 5 3 ) ( 6 3 ) の いずれか一方に おいて接触 し他方に は隙間があ り、 かつ雄ね じ と雌ね じ の挿入面 （ 5 2 ) ( 6 2 ) の間に は、 O mmを超え 0. 0 3 m m以下の範囲の隙間が あ る 台形形状のね じ を有す る こ と を特徴 とす る 上記 1. ま たは 2. に記載 す る油井管用ね じ継手。

4. ね じの荷重面フ ラ ン ク角 α力； 一 2 0 · 以上 0 · 未満、 挿入面フ ラ ン ク 角 0 が 3 0 · を超え 6 0 · 以下であ り、 かつ締結時に雄ね じ と雌ね じ の荷重面 （ 5 1 ) ( 6 1 ) およ び揷入面 （ 5 2 ) ( 6 2 ) の両方におい て接触 し、 かつ頂面 （ 5 4 ) ( 6 4 ) およ び底面 （ 5 3 ) ( 6 3 ) の両 方において隙間があ る 台形形状のね じ を有する こ と を特徵と する上記 1 - ま た は 2 . に記載す る油井管用 ね じ継手。

5 . 炭素鋼管ま たは ス テ ン レ ス鋼管の管端を熱間ま たは冷間 にて縮径 し 増肉加工 し た後、 必要に応 じ て熱処理を施 した後に機械加工をす る こ と を特徵 とす る上記 1 ま た は 2 に記載す る油井管用ね じ継手の製造方法。