WO2013057926A1

WO2013057926A1 - 管のねじ継手

Info

Publication number: WO2013057926A1
Application number: PCT/JP2012/006607
Authority: WO
Inventors: 吉川　正樹; 拓也長濱; 博近常; 順高野; 孝将川井; 植田　正輝; 高橋　一成; 信彦森岡
Original assignee: Ｊｆｅスチール株式会社
Priority date: 2011-10-17
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2013-04-25
Also published as: AR088337A1; MY170818A; BR112014009257A8; AU2012324340A1; EP2770239A1; JP5891700B2; RU2562835C1; CA2846584A1; JP2013087829A; SA112330889B1; EP2770239B1; BR112014009257A2; EP2770239A4; ES2677103T3; MX347497B; CN103352662B; CN103352662A; US9470345B2; AU2012324340B2; CN203081334U

Abstract

ラジアルシールタイプの継手で優れた耐ゴーリング性とシール性とを兼ね備えた鋼管用ねじ継手を提供する。ボックスのねじ部およびシール部にあたるボックス内面に、硬さがビッカース硬さで３１０以上のめっきが施されてなり、前記ねじ結合の際にボックス側のノーズ部内周面と最初に接触するピン側のノーズ部外周面上の部位であるシールポイントにおけるピン外径で定義したシール径Dと、前記シールポイントがボックスで縮径されたとしたときの該縮径量で定義した干渉量δとから、δ/Dで算出されるシール部の管周方向のシール干渉量比が0.002以上である管のねじ継手。

Description

管のねじ継手

　本発明は、管のねじ継手に関し、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、シール性と耐ゴーリング性に優れた管のねじ継手に関する。

　ねじ継手は、油井管など産油産業設備に使用される鋼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鋼管の接続には、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典型的には使用されてきた。しかし、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等が増えていることから、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おり、その性能への要求もますます増加している。

　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）とをそれぞれ備える、管端部に形成した雄ねじ部材（以下、ピンと呼ぶ）と該ピン同士を連結する雌ねじ部材（以下、ボックスと呼ぶ）とを結合したカップリング形式の継手である。テーパねじは管継手を強固に固定するために重要であり、シール部はボックスとピンとがこの部分でメタル接触することでシール性を確保する役目を担い、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５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である。ねじ継手は、ピン3とこれに対応するボックス１とを備えており、ピン3は、その外面に雄ねじ部7と、ピン3の先端側に雄ねじ部7に隣接して設けられたねじの無い長さ部分であるノーズ部8（ピンノーズ8）とを有する。ノーズ部8は、その外周面にシール部11を、その端面にはショルダ部12を有する。相対するボックス1は、その内面に、それぞれピン3の雄ねじ部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、雌ねじ部5、シール部13、および、ショルダ部14を有している。尚、15はロードフランク面である。

　油井管のねじ継手には締付け時に、さらには、締付け締戻しを繰り返してもかじりが生じない耐ゴーリング性と、締付け後に継手が受ける軸力や圧力に対しても内部流体の漏洩および外部流体の流入が生じないシール性の両方が求められるが、一般的に耐ゴーリング性とシール性とは相反するものである。たとえば、シール干渉量を小さくするほどかじりが生じる可能性を低下させることができるが、逆にシール部のメタル‐メタル接触が弱まり流体の漏えいや流入の可能性は増大してしまう。またシール性の確保にはピンまたはボックスに設定するシールテーパ角の小さいラジアルシール型が有利であるが、シールテーパ角を小さくすると、締付時の摺動距離が長くなり、かじりのリスクは高まる。

　このかじりを防止するために、摺動面にめっきを施してピンとボックスとの金属間接触を緩和することが行なわれており、油井管用プレミアムジョイントにおいても、締付け時のかじり（ゴーリング）を回避するために、ボックス側の内面にめっきを施すのが一般的である。例えば、特許文献１には、耐焼き付き性を確保するために、ねじ継手のピンまたはボックスのいずれか一方の金属密封部にめっき処理を施すことが記載されている。

特開２００２－１３０５５２号公報

　上記の特許文献１には、ボックス側に施すめっきの硬さをＨｖ３００以下として潤滑剤の役割を担わせ、ピンとボックスとの間のかじりを回避する技術が開示されている。しかしながら、ラジアルシールタイプの継手はシール位置での締付時の摺動距離が長く、シール干渉量も大きい場合には、かじりが発生してしまう場合があった。

　そこで、本発明は、ラジアルシールタイプの継手でシール干渉量を大きくしてシール性を確保した場合においても耐ゴーリング性を損なうことのない、つまり、耐ゴーリング性とシール性とが両立する、優れたシール部を有する鋼管用ねじ継手を提供することを目的とする。

　発明者らは、相反する性能である耐ゴーリング性とシール性とを両立する優れたシール部を有する鋼管用ねじ継手について種々の検討を行った。その結果、ピンとボックスのいずれか一方のシール部がトロイド状（円錐曲線回転面形状）の形状であり、ピンとボックスの他方のシール部に直線テーパが付与されているラジアルシールタイプのねじ継手において、ピンあるいはボックスに施すめっきの硬度と、シール干渉量δをシール径Ｄで除した比率であるシール干渉量比δ／Ｄとを特定の範囲を満足させることにより、耐ゴーリング性とシール性との両立が達成できることを見出し、本発明を完成させた。

　すなわち、本発明は、以下の通りである。
（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を有するピンと、前記雄ねじ部とねじ結合されてねじ部をなす雌ねじ部と、前記ピンのノーズ部外周面に相対するノーズ部内周面とを有するボックスとを有し、
　前記ねじ結合により前記ピンとボックスとが結合されてピンの前記ノーズ部外周面とボックスの前記ノーズ部内周面とが半径方向にメタル‐メタル接触しその接触部がシール部をなす管のねじ継手であって、
　ボックスのねじ部およびシール部にあたるボックス内面に、硬さがビッカース硬さで３１０以上のめっきが施されてなり、
　前記ねじ結合の際にボックス側のノーズ部内周面と最初に接触するピン側のノーズ部外周面上の部位であるシールポイントにおけるピン外径で定義したシール径Dと、前記シールポイントがボックスで縮径されたとしたときの該縮径量で定義した干渉量δとから、δ/Dで算出されるシール部の管周方向のシール干渉量比が0.002以上であることを特徴とする管のねじ継手。
（２）前記シール部における前記ピンのノーズ部外周面がトロイド状であり、前記シール部における前記ボックスのノーズ部内周面が管軸断面でテーパ状であるラジアルシールタイプであることを特徴とする前記（１）に記載の管のねじ継手。
（３）前記シール部における前記ピンのノーズ部外周面が管軸断面でテーパ状であり、前記シール部における前記ボックスのノーズ部内周面がトロイド状であることを特徴とする前記（１）に記載の管のねじ継手。
（４）前記めっきの硬さがビッカース硬さで３５０以上７００以下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のねじ継手。

　本発明によれば、優れた耐ゴーリング性とシール性とを兼ね備えたねじ継手が得られる。

図1はシール部の管周方向のシール干渉量比δ／Ｄの定義を示す断面図である。図２はシール部の管周方向のシール干渉量比δ／Ｄの定義を示す断面図である。図３はＣｕ-Ｓｎ合金めっきにおいて、Ｓｎ含有量を変化させた場合のめっきのビッカース硬さを示すグラフである。図４は干渉量比δ／Ｄとめっき硬さＨｖの耐ゴーリング性および耐シール性への影響を示すグラフである。図５は従来の鋼管用ねじ継手を示す断面図であり、(a)は全体断面図、(b)は(a)におけるねじ部分を示す拡大断面図、(c)は(a)におけるピンノーズ付近を示す拡大断面図である。

　本発明に係る管のねじ継手は、例えば図１に示すように、雄ねじ部（図１中には図示は省略）と、該雄ねじ部7より管端側に延在するノーズ部8と、該ノーズ部8の先端に設けられたショルダ部12とを有するピン3と、前記雄ねじ部とねじ結合されてねじ部をなす雌ねじ部（図１中には図示は省略）と、前記ピン1のノーズ部外周面に相対するノーズ部内周面と、前記ピン1のショルダ部12に当接するショルダ部14とを有するボックス1とを有し、前記ねじ結合により前記ピンとボックスとが結合されてピン部材の前記ノーズ部外周面とボックスの前記ノーズ部内周面とがメタル‐メタル接触しその接触部がシール部20をなす管のねじ継手である。ここで、図１の例では、シール部20におけるピンのノーズ部外周面がトロイド状（円錐曲線回転面形状）で、シール部20におけるボックスのノーズ部内周面が管軸方向断面でテーパ状（管軸方向に対して傾きを持つ直線）であるラジアルシールタイプのねじ継手であるが、これとは逆に、図２に示すように、シール部20におけるボックスのノーズ部内周面がトロイド状（円錐曲線回転面形状）で、シール部20におけるピンのノーズ部外周面が管軸方向断面でテーパ状（管軸方向に対して傾きを持つ直線）であるラジアルシールタイプのねじ継手であってもよい。

　これらのねじ継ぎ手において、シール性、すなわち、気密性を向上させるためには、シール径Dと干渉量δとから、δ/Dで算出されるシール部の管周方向のシール干渉量比が0.002以上であるものとする。ここで、シール径D、干渉量δとは、図１あるいは図２に示すとおり、シール径Dは、ねじ結合の際にボックス1側のノーズ部内周面と最初に接触するピン3側のノーズ部外周面上の部位であるシールポイントにおけるピン外径のことであり、干渉量δは、ねじ結合の際に前記シールポイントがボックス1で縮径されたとしたときの該縮径量のことである。

　シール干渉量比δ／Ｄは，縮径量δとシールポイントのピン外径Dの比を表し，シールポイントの縮径による管周方向のひずみ量と等価である。ピン3のシールポイントにおける周長をλ₀，ピン3のシールポイントがボックス1により縮径した位置における周長をλとして，λ₀＝πD,　λ＝π（D-δ）である。管周方向ひずみは式１で定義される。シール部における縮径量が大きいほど，シール干渉量比も大きくなり，接触面に発生する応力，ひずみともに大きくなる。

式１

　尚、シール部の管周方向のシール干渉量比δ／Ｄは、大きくしすぎると耐ゴーリング性の点で不利となるため、０．０２０以下が好ましい。

　さらに、本発明では、ボックスのねじ部およびシール部にあたるボックス内面、すなわち、図５（ｂ）における雌ねじ部５と、図１あるいは図２におけるシール部２０に相当するボックス内面に、硬さがビッカース硬さで３１０以上のめっきが施されてなるものとする。これらの部位にめっきを施す理由は、これら部位が最もゴーリングが発生しやすいからであり、めっきを施すことによりピンとボックスとの金属間接触を緩和してゴーリングの発生を抑制することができる。

　ここで、めっきの硬さがビッカース硬さで３１０未満であると、シール干渉量比を0.002以上と高く設定した場合には、ゴーリング発生の抑制効果が十分でない。したがって、めっきの硬さはビッカース硬さで３１０以上、好ましくは３５０以上７００以下とする。めっきの硬さをビッカース硬さで３５０以上７００以下とすることにより、シール干渉量範囲を広く設定することが可能となり、ねじへの加工時の切削精度の公差範囲を大きく設定することが可能となり、ねじ継手製作時の歩留まり向上も期待できる。

　めっきとしてはＣｕ-Ｓｎ合金めっきが挙げられ、ビッカース硬さ３１０以上を満足するめっきとして、Ｓｎ含有量を１５～６５質量％とし残部をＣｕおよび不可避的不純物としためっきが挙げられる。図３は、Ｃｕ-Ｓｎ合金めっきにおいて、Ｓｎ含有量を変化させた場合のめっきのビッカース硬さを示すグラフである。Ｃｕ-Ｓｎ合金めっき中のＳｎ含有量を調整して、めっきの硬さを調整することができる。この他、ビッカース硬さが３１０以上を満足するものとして、Ｃｒめっきが挙げられるが、本発明で用いるめっきは上述のＣｕ-Ｓｎ合金めっきやＣｒめっきに限定されるものではない。

　なお、めっき厚は通常油井管用ねじ継手で行われているめっきと同等でよく、３～３０μmが採用できる。

　外径9-5/8インチ×肉厚0.545インチの鋼管を供試管として、この管を接続するねじ継手を作成した。ねじ継手は、ピンのノーズ部外周面あるいはボックスのノーズ部内周面の一方のシール部がトロイド状（円錐曲線回転面形状）で、このトロイド状の面の管軸方向断面における曲線が半径１インチ～３インチの円弧で構成され、ピンのノーズ部外周面あるいはボックスのノーズ部内周面の他方のシール部が管軸に対して３～５°の範囲の角度をなすテーパ状であるラジアルシールタイプのねじ継手を作成した。ねじ継手のボックスの内面には、Ｃｕめっき、Ｃｕ-Ｓｎ合金めっき、Ｃｒめっきのいずれかを施した。めっき厚は１２μｍとした。表１（表1－１～表１－３のことをいう。以下同じ）に、供試管の材質、シール部の形状、めっき種類、めっき硬さ、シール干渉量比δ／Ｄを示す。なお、表１中の供試管の材質におけるＣｒ鋼は降伏強度１１０ｋｓｉ級の１３％Ｃｒ鋼であり、Ｃ鋼は降伏強度１２５ｋｓｉ級のＡＰＩにて規定された鋼種Ｑ１２５である。

　これらのねじ継手を対象に、ISO 13679に規定されているＭ＆Ｂテスト、および、気密性を評価するシリーズＡテストを実施した。

　Ｍ＆Ｂテストは耐ゴーリング性を評価するものであり、予めシール部、ねじ部に潤滑剤を塗布し、２０回以上の締付け締戻しで焼付きが生じない場合を良好（◎）、１０回～１９回の締付け締戻しで焼付きが生じた場合を可（○）、５回～９回の締付け締戻しで焼付きが生じた場合を不可（△）、４回までの締付け締戻しで焼付きが生じた場合を悪（×）として評価した。

　シリーズＡテストは、１回の締付けを行なった後に実施し、シール失効有のものを×、シール失効無のものを○として評価した。シール失効はＩＳＯ１３６７９で規定された流体漏洩の基準値を元に判定される。

　表１に耐ゴーリング性およびシール性の評価を示す。また、表１には、耐ゴーリング性が○あるいは◎であり、かつ、シール失効が無い（○）場合を総合評価（○）、それ以外を総合評価（×）として示した。

　また、図４には、干渉量比δ／Ｄを横軸に、めっき硬さＨｖを縦軸にとり、表１中の総合評価をプロットしたグラフを示す。なお、図４中の領域Ａは「２０回のＭ＆Ｂテストでゴーリング無、かつ気密性評価のシーリングテストＡテストでシール失効無」の領域、領域Ｂは「１０回のＭ＆Ｂテストでゴーリング無、かつ気密性評価のシーリングテストＡテストでシール失効無」の領域をそれぞれ示す。

　表１、図４の結果から、シール干渉量比δ／Ｄおよびめっき硬さが本発明の範囲を満足する場合、総合評価は○であり、高いシール性と耐ゴーリング性とを両立していることがわかる。特に、めっき硬さＨｖを３５０以上とした場合には、２０回のＭ＆Ｂテストでゴーリングが生じておらず、特に耐ゴーリング性が高いことがわかる。

1　ボックス
3　ピン
5　雌ねじ部
7　雄ねじ部
8　ノーズ部（ピンノーズ）
11　シール部
12　ショルダ部
13　シール部
14　ショルダ部
15　ロードフランク面
20　シール部

Claims

　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を有するピンと、前記雄ねじ部とねじ結合されてねじ部をなす雌ねじ部と、前記ピンのノーズ部外周面に相対するノーズ部内周面とを有するボックスとを有し、
　前記ねじ結合により前記ピンとボックスとが結合されてピンの前記ノーズ部外周面とボックスの前記ノーズ部内周面とが半径方向にメタル‐メタル接触しその接触部がシール部をなす管のねじ継手であって、
　ボックスのねじ部およびシール部にあたるボックス内面に、硬さがビッカース硬さで３１０以上のめっきが施されてなり、
　前記ねじ結合の際にボックス側のノーズ部内周面と最初に接触するピン側のノーズ部外周面上の部位であるシールポイントにおけるピン外径で定義したシール径Dと、前記シールポイントがボックスで縮径されたとしたときの該縮径量で定義した干渉量δとから、δ/Dで算出されるシール部の管周方向のシール干渉量比が0.002以上であることを特徴とする管のねじ継手。
　前記シール部における前記ピンのノーズ部外周面がトロイド状であり、前記シール部における前記ボックスのノーズ部内周面が管軸断面でテーパ状であるラジアルシールタイプであることを特徴とする請求項１に記載の管のねじ継手。
　前記シール部における前記ピンのノーズ部外周面が管軸断面でテーパ状であり、前記シール部における前記ボックスのノーズ部内周面がトロイド状であることを特徴とする請求項１に記載の管のねじ継手。
　前記めっきの硬さがビッカース硬さで３５０以上７００以下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のねじ継手。