WO2005121622A1 - 油井管用ネジ継手 - Google Patents

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WO2005121622A1
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tapered
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convex curved
screw
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Teruaki Suzuki
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Metal One Corporation
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L15/00—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints
    • F16L15/001—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints with conical threads
    • F16L15/004—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints with conical threads with axial sealings having at least one plastically deformable sealing surface
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/02—Couplings; joints
    • E21B17/04—Couplings; joints between rod or the like and bit or between rod and rod or the like
    • E21B17/042—Threaded

Definitions

  • the present invention relates to a threaded joint for oil country tubular goods.
  • seal Seal has been developed as a relatively reliable screw.
  • the seal has the same basic shape as “the combination of a pin having a convex curved sealing surface and a box having a tapered sealing surface”, the detailed design of the seal requires If the dimensions of the margin, length, taber, etc., are not determined correctly, the seal may cause problems such as galling of the seal portion and leakage of internal pressure acting on the pipe.
  • the upper limit of the maximum contact surface pressure Pcmax of the seal part satisfies the following conditions from the viewpoint of preventing plastic deformation of the seal at the time of fitting. That is, Pcmax (the yield stress ⁇ r of the threaded joint material).
  • the lower limit of the maximum contact surface area Pcmax of the conventional seal portion satisfies the following condition from the viewpoint of ensuring the leak resistance of the seal.
  • a third problem is that the surface roughness on the convex curved surface of the Pin is extremely related to the galling leakage.
  • the applicant has obtained the knowledge that if the accuracy of the seal portion including the surface roughness on the convex curved surface is not good, it causes a galling leak in the seal portion.
  • an object of the present invention is to improve these problems and to provide a threaded joint for an oil country tubular good with excellent sealing performance and high maintainability.
  • the threaded joint for an oil country tubular good of the present invention includes:
  • a male screw pipe having a seal component having a convex curved shape in the pipe axis direction at the pipe tip, and a female thread pipe having a tapered seal portion facing the seal component.
  • a contact surface pressure Pc60 corresponding to 60% of the maximum contact surface pressure Pcmax received by the contact surface is applied to the internal pressure PU applied to the threaded joint. It is designed to be large and smaller than the proportional limit ⁇ e of the mechanical strength of the threaded joint material.
  • the threaded joint for oil country tubular goods of the present invention includes:
  • the seal taper angle ⁇ s of the tapered seal portion is set to 0 s ⁇ 0 t with respect to the taper angle ⁇ t of the tapered screw, and the curved surface radius R of the convex curved surface shape is set. , 90mm or more and 170mm or less,
  • the seal taper angle ⁇ t of the tapered seal portion is 1.4 to 9.5 degrees at the apex angle
  • the surface roughness H of the convex curved surface and the tapered seal portion is set to 12 s or less.
  • the threaded joint for oil country tubular goods of the present invention can provide an economical oil country tubular good with good sealing performance and excellent maintainability.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic shape of a threaded joint part of the present embodiment.
  • FIG. 2 is a view showing a calculation result of a contact surface pressure Pc after fitting in a combination of a Pin having a convex curved seal portion and a Box having a tapered seal portion.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a basic shape of a seal portion of the present embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing an influence of a shoulder angle on a surface pressure.
  • FIG. 5 is a schematic view showing a thread cross-sectional shape of a tapered thread portion of the present embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing final design values of the present embodiment.
  • Embodiment 1 of the present invention will be described in detail gradually along a solution corresponding to the above-mentioned problem to be solved.
  • the upper limit of the maximum contact surface pressure Pcmax of the seal portion is, from the viewpoint of preventing plastic deformation of the seal portion at the time of fitting, the upper limit of the maximum contact surface pressure Pcmax of the seal portion is Pcmax> (screw joint material Is designed as the yield stress of ⁇ r).
  • the upper limit of the maximum contact surface pressure Pcmax is set not to the yield stress ⁇ r but to the proportional limit ⁇ e of the mechanical strength of the threaded joint material. It is.
  • the applicant has determined that the surface roughness H of the seal portion of a pin having a convex-curved seal portion should be kept to 12S or less in order to prevent galling leakage at the relevant portion. I learned that it is necessary.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a basic shape of the threaded joint part of the first embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a basic shape of the seal portion of the first embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing the influence of the shoulder angle on the surface pressure.
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a thread cross-sectional shape of the tapered thread portion according to the first embodiment.
  • P is a pin having a convex curved seal
  • B is a box having a tapered seal
  • S is a seal
  • SR is a shoulder
  • TAP is a tapered seal
  • BAR is a convex curved seal
  • R is a convex curved seal.
  • TP is the tangent point that is the contact point between the convex curved shape part and the tapered seal part
  • LP1 is the axial length of the convex curved shape part
  • LB1 is the axial direction of the tapered seal part
  • the length, DP2 is the diameter at the tangent point of the convexly curved portion
  • DB2 is the diameter at the tangent point of the tapered seal.
  • the basic shape of the threaded joint in the first embodiment is a coupling type threaded joint as shown in FIG.
  • the threaded joint portion of the first embodiment is provided at the tip of PinP by being tightened and fitted with a high-precision taper screw provided inside Pin (male thread) P and Box (female thread) B.
  • a convex curved surface portion BR having a convex curved surface with a radius of curvature and a tapered seal portion TAP of Box B are joined and joined at a tangent point TP within an elastic deformation.
  • the shape of the tapered screw in the first embodiment is such that the load angle a is 2 ° as shown in FIG.
  • the stubbing angle is 13 forces.
  • the taper angle ⁇ t of the taper screw was 3.6 ° at the apex angle, the screw standard diameter was 87.3 mm, and the screw length was 77.3 mm.
  • the radius of curvature R of the convex curved surface portion BR was 101.6 mm, and the axial length of the convex curved surface portion BR was 725 mm.
  • each specification is set by the following procedure.
  • Step 1 Determination of the maximum value of ADS for the seal part S
  • ADS ⁇ (proportional limit) is required to prevent plastic deformation.
  • the strain amount corresponding to the proportional limit is 0.3%.
  • OD is the outer diameter of the Pin tube
  • Step 2 Determination of the minimum value of ADS for the seal portion S
  • the finite element method should be used to obtain the detailed distribution of the surface area of the seal. In practice, the following simple method was used.
  • Pm 0.6 ⁇ ADS (R22-R12) (R32-R22) / R23-(R32-R12)
  • E Young's modulus
  • R3 Coupling outer diameter
  • R2 Seal outer diameter
  • Rl However, when the seal part S has a tangent point TP as shown in Fig. 3, Pcmax and Pc60 in Fig. 2 are 6 times, 3.6 times or more of the values obtained by the above formula 1. Indicates a value.
  • the ADS minimum value is 0.07 mm.
  • Pins on a convex curved surface may cause galling leaks if surface roughness accuracy is low, so feed must be performed slowly when turning a lathe, and one disadvantage is that production efficiency is low. It is preferable to shorten the seal part only, but it is necessary to clear the following conditions.
  • Dpl ⁇ Db3 is a necessary condition.
  • a predetermined contact length is required after the Pin on the convex curved surface and the Taber box are fitted around the tangent point TP, which is the point of point contact.
  • the predetermined contact length should be at least 1.5 mm before and after the tangent point TP. If this contact surface is too close to the end of the pin, it will be easily damaged during handling.
  • the position of the tangent point TP is at least 2.5 mm from the end of the pin.
  • the sealing pressure exerts a force to open the seal, which may lower the contact pressure of the seal.
  • a gap called grease pocket GP is required. Therefore, for this purpose, the length of the pin seal should be longer than the tapered seal length of the box by about one peak (2 to 6 mm).
  • the seal length is determined based on the above conditions.
  • the tangent point TP was 3. Omm from the end of the pin.
  • the tapered seal length of the Box was 5.5 mm, and the seal length of the Pin was 8.5 mm.
  • Step 5 Determination of seal taper angle ⁇ s
  • the seal taper angle ss should be set higher than the same angular force as the screw taper angle ⁇ t of the taper screw.
  • the seal taper angle ⁇ s is desirably the same angular force as the screw taper angle ⁇ t, a higher angle, and an angle in the range of 2 ° to 4 °.
  • the taper screw taper angle 0 t was 1.8 °
  • the seal taper angle ⁇ s was 2.4 °.
  • step 4 it is necessary to confirm that the combination of the seal length obtained in step 4 and the seal angle obtained here satisfies the condition of Dpl ⁇ Dp3 in Fig. 3 described in 1) of step 4).
  • Step 6 Determination of Radius R of Pin Convex Surface
  • Step 7 Determination of Pin Tip and Shoulder Angle ⁇ If the Box (Coupling) has a protrusion and the Pin tip touches the shoulder, it is necessary to determine the shoulder angle 0. Generally, it is desirable to have 0 degree minus angle.
  • Figure 4 shows that the higher the shoulder negative angle ⁇ obtained by the finite element method, the more effective the seal contact surface pressure during fitting is. However, on the other hand, the higher the angle of this minus, the more difficult it is to pick up the force, so we chose an angle of 12 °, at which the contact surface pressure increased by about 20%.
  • the force stated in the thread joint for oil country tubular goods of API grade N80 with outer diameter x wall thickness 88.9 mm x 6.45 mm
  • the present invention is not limited to this. Are all applied under the conditions in the range.
  • the present invention can be applied as a threaded joint for a pressure pipe applied to any kind of gas or liquid that is fastened by a force taper screw and a seal portion described for a threaded joint for an oil country tubular good.

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Abstract

　管先端部に凸曲面形状のシール構成部分を備えた雄ネジ管とテーパー状シール部を有する雌ネジ管とよりなるな油井管用ネジ継手において、　　　　　凸曲面形状とテーパー状シール部とが接触するとき、接触面の受ける最大接触面圧Ｐｃｍａｘの６０％に相当する接触面圧Ｐｃ６０が、ネジ継手に加わる内圧Ｐｉより大きく、且つネジ継手材料の比例限度σｒより小さく、テーパー状シール部のテーパー角度θｓは、テーパネジの角度θｔに対し、θｓ≧θｔであり、凸曲面形状の曲面半径Ｒが９０ｍｍ以上１７０ｍｍ以下であり、前記角度θｓが頂角にて１．４～９．５度であり、凸曲面形状の軸方向長さが、タンジェントポイントを中心に前後各少なくとも１．５ｍｍ以上の長さを有し、凸曲面およびテーパー状シール部の表面粗さＨが１２ｓ以下であることを特徴とする油井管用ネジ継手。

Description

明 細 書
油井管用ネジ継手
技術分野
[0001] 本発明は、油井管用ネジ継手に関するものである。
背景技術
[0002] 昨今、発掘される油田、ガス田は高深度化、高圧力化してきて 、る。
それに伴い油井管用に使用されるネジ継手は、そのシール性および耐久性により 高 、性能が要求されてきて 、る。これに対処するために多くの特殊ネジが開発されて いる。
従来の特殊ネジは、図 1に示すような Pin (雄ネジ)先端と Box (雌ネジ）内部とでメタ ルシールを構成するネジである。この特殊ネジのシール形状については、多くの研 究、開発がなされている。
その中の一つとして、特開昭 61— 6488号公報に見られるように、凸曲面状のシー ル面を有する Pinおよびテーバー状のシール面を有する Boxの組み合わせにより構 成される、タンジェントポイントシールと呼ばれるシール力 比較的に信頼性が高いネ ジとして開発されている。
ただし、シールが「凸曲面状のシール面を有する Pinとテーパー状シール面を有す る Boxとの組み合わせ」という基本的形状を同じくするシールであっても、その詳細設 計において、シールの締め代、長さ、テーバー等の寸法が正しく決定されない場合 には、該シールはシール部のカジリ、管に力かる内圧のリーク等の問題を生じる可能 '性がある。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0003] 即ち、従来の特殊ネジにおいては、解決されるべき幾つかの問題点が存在してい る。
先ず問題の第 1点として、シール部の最大接触面圧 Pcmaxの上限は、嵌め合い時 のシールの塑性変形防止の観点から下記の条件を満たすこととなっている。 即ち、 Pcmaxく（ネジ継手材料の降伏応力 σ r) とされて 、る。
しかし、シール部の最大接触面庄 Pcmaxが降伏応力より低く設定されていても、実 際にはネジの嵌め合い時にシール部には塑性変形が起こっており、その後該ネジを 巻き戻し、再びネジの嵌め合いをした場合には、この塑性変形分により、シール部は 、所定の接触面圧 Pcが得られないことが起きる。
[0004] また、問題の第 2点として、従来シール部の最大接触面庄 Pcmaxの下限は、シー ルの耐リーク性能確保の観点から下記の条件を満たすこととなっている。
即ち、（ネジ継手に加わる内圧 Pi)く（接触面圧 Pcmax) である。
この条件は、必要条件ではあるが十分条件とは言えな 、。
即ち、シール部の最大接触面庄 Pcmaxの下限力 上記の条件を満たしていたとし ても、シール部の実質の接触長さが短い場合には、シール部はリークを生じる。
[0005] さらに問題の第 3点として、 Pinの凸曲面上の表面粗さが、極めてカジリゃリークと関 係していることである。
出願人は、この凸曲面上の表面粗さを含むシール部の精度が、それが良好でない 場合には、シール部におけるカジリゃリークの原因となると云う知見を得た。
本発明は、上記に鑑み、これらの問題点を改善し、シール性能に優れ保全性の高 い油井管用のネジ継手を提供することを、その目的としている。
課題を解決するための手段
[0006] 本発明の油井管用のネジ継手は、
1)管先端部に、管軸方向に対して凸曲面形状のシール構成部分を備えた雄ネジ管 と、前記シール構成部分に対向するテーパー状シール部を有する雌ネジ管とよりな るなテーパーネジ管継ぎ手において、前記凸曲面形状とテーパー状シール部とが接 触するとき、接触面の受ける最大接触面圧 Pcmaxの 60%に相当する接触面圧 Pc6 0が、ネジ継手に加わる内圧 PUり大きぐ且つネジ継手材料の機械的強度の比例 限度 σ eより小さくなるように設計されたものである。
[0007] また、本発明の油井管用のネジ継手は、
2)上述の 1)において、テーパー状シール部のシールテーパー角度 Θ sをテーパー ネジのテーパー角度 Θ tに対して、 0 s≥ 0 t とし、また凸曲面形状の曲面半径 Rを 、 90mm以上 170mm以下としたものであり、
3)上述の 1)または 2)において、前記テーパー状シール部のシールテーパー角度 Θ tを頂角にて、 1. 4〜9. 5度としたものであり、
4)上述の 1)〜3)において、前記 凸曲面形状の軸方向長さ力 タンジ ントポイント を中心として、軸方向に前後各少なくとも 1. 5mm以上の長さを有するものであり、
5)上述の 1)〜4)において、前記凸曲面およびテーパー状シール部の表面粗さ Hを 12s以下としたものである。
発明の効果
[0008] 本発明の油井管用のネジ継手により、シール性能のよい、また保全性に優れ、経 済的な油井管システムを提供できる。
図面の簡単な説明
[0009] [図 1]本実施例のネジ継手部の基本的形状を示す模式図である。
[図 2]凸曲面形状のシール部を有する Pinとテーパー状シール部を有する Boxとの組 み合わせにおける、嵌め合い後の接触面圧 Pcの計算結果を示す図である。
[図 3]本実施例のシール部の基本的形状を示す模式図である。
[図 4]ショルダ角度の面圧への影響を示す線図である。
[図 5]本実施例のテーパネジ部のネジ断面形状を示す模式図である。
[図 6]本実施例の最終的な設計値を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
[0010] 実施の形態 1
本発明の実施の形態 1を、上述の解決されるべき問題点に対応する解決方法に沿 つて漸次詳細説明する。
先ず、第 1点の問題点に対して；
前記のごとく従来、シール部の最大接触面圧 Pcmaxの上限は、嵌め合い時のシー ル部の塑性変形防止の観点から、シール部の最大接触面圧 Pcmaxの上限は、 Pcmax> (ネジ継手材料の降伏応力 σ r) として設計されて 、た。
しかし、実際にはシール部の最大接触面圧 Pcmaxが、降伏応力より低くても、前記 シール部は、ネジ部の嵌め合い時に塑性変形を起こしており、ネジ部を巻き戻し後、 再び嵌め合 ヽした場合には、この塑性変形分により所定の接触面圧 Pcが得られな ヽ ことが起きる。
これを防止するために本発明の実施の形態 1にお 、ては、最大接触面圧 Pcmaxの 上限を、降伏応力 σ rではなくネジ継手材料の機械的強度の比例限度 σ e以下とし たものである。
また、接触面圧 Pcはシール締め代 ADSに比例するので、 ADSをコントロールす る必要がある。
具体的な例として油井管の規格である APIグレード N80を例にとると、降伏を起こ す歪量は 0. 5%であるが、比例限度の歪量は 0. 3%である。
即ち、 A DS< (比例限度歪量） であることが必要である。
[0011] 次ぎに第 2点の問題点に対して；
出願人が行ったコンピュータを使った有限要素法による計算結果から、凸曲面形 状のシール部を有する Pinとテーパー状シール部を有する Boxとの組み合わせにお ける、嵌め合い後のシール部の接触面圧 Pcは、図 2のように分布をすることがわかつ た。
従来の規定では、最大接触面圧 Pcmax >内圧 Pi が条件であった。
試験の結果によると、点接触でこの Pcmax > Pi を満足してもリークが発生するケ ースがあった。
更なる試験結果により、ある接触長さに亘り、接触面圧 Pc≥ Piを満足する必要があ ることがわかった。
最終的に、図 2のような接触面圧の分布においては、最大接触面圧 Pcmaxの 60% に相当する接触面圧をもち、接触長さが確保されれば、十分な耐リーク性能を持つこ とが確認された。
[0012] また、第 3点の問題点に対して；
出願人は、多くの実用試験の結果から、凸曲面形状のシール部を有する Pinのシ ール部の表面粗さ Hは、当該部分のカジリゃリークを防止するためには、 12S以下に 抑える必要があることの知見を得た。
シール部表面粗さ Hが 12Sより粗いと、比較的にリークが発生する可能性がある。 [0013] また、その他のカジリゃリークを防止するための方策として、適正なシール長さの設 定、適当なグリスポケットの配設、シールテーパ角度およびネジのテーパ角度の適正 値の設定、ショルダー角度の適正値の設定等が挙げられる。
これらは有限要素法による確認および実用試験による結果より、各適正数値が設 定された。
実施例 1
[0014] 上述の実施の形態に基づき、外径 X管肉厚 = 3 · 1Ζ2" (88. 9mm) X O. 254" (6 . 45mm)における、 APIグレード N80の Tubing用の油井管用ネジ継手の 1実施例 にっき説明する。
図 1は、本実施例 1のネジ継手部の基本的形状を示す模式図である。
図 3は、本実施例 1のシール部の基本的形状を示す模式図である。
図 4は、ショルダ角度の面圧への影響を示す線図である。
図 5は、本実施例 1のテーパネジ部のネジ断面形状を示す模式図である。 図において、 Pは凸曲面形状のシール部を有する Pin、 Bはテーパー状シール部を 有する Box、 Sはシール部、 SRはショルダー部、 TAPはテーパー状シール部、 BAR は凸曲面形状部、 Rは凸曲面形状部の曲率半径、 TPは凸曲面形状部とテーパー状 シール部との接触点であるタンジェントポイント、 LP1は凸曲面形状部の軸方向長さ 、 LB1はテーパー状シール部の軸方向長さ、 DP2は凸曲面形状部のタンジェントポ イントにおける直径、 DB2はテーパー状シール部のンジェントポイントにおける直径 である。
[0015] 本実施例 1におけるネジ継手部の基本的形状は、図 1のようなカップリングタイプの ネジ継手である。
本実施例 1のネジ継手部は、 Pin (雄ネジ) Pと Box (雌ネジ) Bの内部に設けられた 精度の良いテーパーネジにより締め付け嵌合されることにより、 PinPの先端に設けら れた曲率半径尺の凸曲面を有する凸曲面形状部 BRと、 BoxBのテーパー状シール 部 TAPとを、タンジェントポイント TPにおいて、弾性変形内で接合嵌め合わせするも のである。
[0016] 本実施例 1における前記テーパーネジの形状は、図 5に示すようにロード角 aが 2° 、スタビング角 13力 である。テーパーネジのテーパー角度 Θ tは頂角にて 3. 6°、 ネジ基準直径は 87. 3mm,ネジ長さは 77. 3mmとした。
また、凸曲面形状部 BRの曲率半径 Rは 101. 6mm、凸曲面形状部 BRの軸方向 長さは 7. 25mmとした。
[0017] 本実施例 1は、次の手順により各仕様が設定された。
手順 1：シール部 Sの締め代 ADSの最大値の決定
塑性変形を防ぐために、 ADS≤ (比例限度） が必要であり、 APIグレード N80で あると比例限度に相当する歪量は 0. 3%である。
したがって、
△DS最大値 =0. 003 X OD = 0. 003 X 88. 9 = 0. 27mm
(但し、 ODは Pin管の外径）
[0018] 手順 2：シール部 Sの締め代 ADSの最小値の決定
図 2において、接触面圧 Pc60が、対象となる管の規格の最小耐圧性能値より高く なるように、すなわち、（規格の最小耐圧性能値）≤ (シール接触面圧 Pc60) となる ようにシール締め代 ADSを決定する。
本来は有限要素法によりシール部の面庄の詳細分布を求めるべきである力 実用 上には次のような簡易法を用いた。
締め代を有する二つの円筒間に発生する面圧を"焼きばめ"の式を適用し計算する 即ち、
Pm=0. 6Ε· A DS (R22-R12 ) (R32-R22 ) /R23 - (R32-R12 ) 式 ここで、 E:ヤング率、 R3 :カップリング外径、 R2 :シール外径、 Rl : Pin内径 ただし、図 3に示すようにシール部 Sにタンジェントポイント TPを有する場合、図 2上 での Pcmaxおよび Pc60は、上記の式 1で求めた値のおのおの 6倍、 3. 6倍以上の 値を示す。
従って、安全を見て、 Pc60 = 3. 6Pm と仮定できる。
次に、外径 X肉厚 = 88. 9mm X 6. 45mm の APIグレード N80の規格の最小耐 圧は 71. 4MPaであるので、式 1の 3. 6Pmが規格の最小耐圧を超えるように ADS を求める。
ここで ADS最小値 =0. 07mmとなる。
[0019] 手順 3 :以上から、 ADS最大値 =0. 27mm, ADS最小値 =0. 07mmが得られ、こ れらより ADS = 0. 22mm が決められた。
手順 4 :シール長さの条件
凸曲面上 Pinは、表面粗さの精度が低いとカジリゃリークの原因となるため、旋盤カロ ェ時に送りをゆっくり行わなければならず、生産能率が低いのが一つの欠点であった そのため出来るだけシール部を短くするのが好ましいが、次のような条件をクリア一 する必要がある。
1)ネジを嵌合する場合に、 Pinが Box内部に進んで行き、シール部 Sの嵌め合いが 起こる。このとき図 3に示す Pinの先端径 Dpiが Boxの入り口径 Db3より十分小さくな いと局部的に大きな面圧が発生しカジリを生ずる。
すなわち、 Dpl < Db3 が必要条件となる。
2)凸曲面上 Pinとテーバー状 Boxとが、点接触するポイントであるタンジェントポイン ト TPを中心に嵌め合された後において、所定の接触長さが必要である。
該所定の接触長さは、タンジュントポイント TPを中心に前後最小 1. 5mmを確保す ることが望ましい。またこの接触面があまり Pin端に近づくとハンドリング時にダメージ を受けやすいので、最小 1. 0mm程度入ることが望ましい.
したがってタンジェントポイント TPの位置は、最小でも Pin先端から 2. 5mmとなる。
[0020] 3) Boxのテーパー状シール部のタンジェントポイント TPから入り口にかけても、
(1. 5mmの接触面） + (1. Ommの余裕代） = 2. 5mm を確保することが好ましい。 以上から、 Boxのテーパー状シールの最小長さは 5. Ommとする。
4)次に、 Pinのシール長さの設定条件を述べる。
Pinと Boxが嵌め合わされる場合に、図 6に示すようにテーパーネジ端部とシール 部の間の隙間にネジグリースが封入される。しかし、その封入圧によってシールを開 く力が加わりシールの接触圧を下げてしまう恐れがある。 これを防ぐために、グリースポケット GPと呼ばれる隙間が必要となる。 従ってそのために、 Pinシール長さを Boxのテーパー状シール長さより約 1山分（2 〜6mm)ほど長くすべきである。
以上の条件に基づきシール長さを決定する。
タンジェントポイント TPは、 Pin先端から 3. Ommとした。それより Boxのテーパー状シ 一ル長は 5. 5mm、 Pinのシール長さは 8. 5mmとした。
[0021] 手順 5 :シールテーパー角度 Θ sの決定
まずシールテーパー角度 Θ sは、テーパーネジのネジテーパー角度 Θ tと同じ角度 力 より高角度に設定すべきである。
シールテーパーは高角度になるほど、嵌め合い時にシールが回転しながらすべる 距離が短くなり、耐カジリに対して有利になる。 ただし Pinシール先端の残肉が少な くなるのと、引張り下でシール面圧が下がる欠点がある。
また、シールテーパーの角度が低角度になると、すべる距離が長くなり耐カジリ上 不利になる。
これらを考慮してシールテーパー角度 Θ sは、ネジテーパー角度 Θ tと同じ角度力、 より高角度とし、且つ角度 2°〜4°の範囲が望ましい。ここではテーパーネジのネジテ 一パー角度 0 tが 1. 8°であり、シールテーパー角度 Θ sは 2. 4°とした。
ここで手順 4で求めたシール長さと、ここで求めたシール角度の組み合わせで、手 順 4の 1)で述べた図 3における Dpl < Dp3の条件を満たすことを確認する必要があ る。
[0022] 手順 6 : Pin凸曲面の半径 Rの決定
上記のごとくシール長さ PC3とシールテーパー（tan Θ )が決まると半径 Rは、 R=Pc3/tan Θ s で決まる。
PC3=4. 25mm, Θ s = 2. 4°とすると、 R= 101. 6mm となる。
実用的なテーパーネジのテーパーねじのテーパー角度 0 tは、 1. 4°〜7. 1°であ り、実用としてのシール長さを 4〜 15mmとすると、半径 Rは 90= 170mm が望まし い。
手順 7： Pin先端およびショルダー角度 γの決定 Box (Coupling)に突起があって Pin先端と、ショルダーが当るタイプではショルダ 一の角度 0を決める必要がある。一般的には 0度力 マイナスの角度を持つことが望 ましい。
図 4は、有限要素法で求めたショルダーのマイナスの角度 γが高いほど、嵌め合い 時のシール接触面圧をより高める効果があることを示している。しかし、一方このマイ ナスの角度が高くなるほど力卩ェが難しくなるので、接触面圧が 20%ほど高くなる角度 12°を選んだ。
図 6に最終的な設計値を示す。
なお、本実施例 1では、外径 X肉厚 = 88. 9mm X 6. 45mm の APIグレード N80 の油井管用ネジ継手について述べられている力 本発明はこれに限定されるもので はなぐ特許請求の範囲における条件において全て適用されるものである。
産業上の利用可能性
[0023] 本発明においては、油井管用のネジ継手について述べられている力 テーパネジ とシール部により締結されるあらゆる種類のガス、液体に適用する圧力管のネジ継手 として適応することができる。
符号の説明
[0024] P 凸曲面形状のシール部を有する Pin、
B テーパー状シール部を有する Box、
S シール部、
SR ショルダー部、
TAP テーパー状シール部、
BAR 凸曲面形状部、
R 凸曲面形状部の曲率半径、
TP 凸曲面形状部とテーパー状シール部との接触点であるタンジェントポイント、
LP1 凸曲面形状部の軸方向長さ、
LB1 テーパー状シール部の軸方向長さ、
DP2 凸曲面形状部のタンジェントポイントにおける直径、
DB2 テーパー状シール部のタンジェントポイント TPにおける直径、 Pcmax 凸曲面における理論的な最大接触面圧、 Pc60 最大接触面圧の 60%に相当する接触面圧、 GP グリスポケット。

Claims

請求の範囲
[1] 管先端部に、管軸方向に対して凸曲面形状のシール構成部分を備えた雄ネジ管と 前記シール構成部分に対向するテーパー状シール部を有する雌ネジ管とよりなる油 井管用ネジ継手において、前記凸曲面形状とテーパー状シール部とが接触するとき
、接触面の受ける最大接触面圧 Pcmaxの 60%に相当する接触面圧 Pc60が、ネジ 継手に加わる内圧 PUり大きぐ且つネジ継手材料の機械的強度の比例限度 σはり 小さくなるように設計されたことを特徴とする油井管用ネジ継手。
[2] テーパー状シール部のシールテーパー角度 Θ sは、テーパネジのテーパー度 Θ t に対し、 0 s≥ 0 tであり、凸曲面形状の曲面半径 Rが 90mm以上 170mm以下であ ることを特徴とする請求項 1に記載の油井管用ネジ継手。
[3] 前記テーパー状シール部のシールテーパー角度 Θ sが頂角にて、 1. 4〜9. 5度で あることを特徴とする請求項 1または 2に記載の油井管用ネジ継手。
[4] 前記凸曲面形状の軸方向長さが、タンジ ントポイントを中心に軸方向に前後各少 なくとも 1. 5mm以上の長さを有することを特徴とする請求項 1乃至 3のいずれか 1項 に記載の油井管用ネジ継手。
[5] 前記凸曲面およびテーパー状シール部の表面粗さ Hが 12s以下であることを特徴 とする請求項 1乃至 4のいずれ力 1項に記載の油井管用ネジ継手。
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