WO2019093311A1 - 鋼管用ねじ継手 - Google Patents

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box
seal
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洋介 奥
正明 杉野
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日本製鉄株式会社
バローレック・オイル・アンド・ガス・フランス
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    • F16L15/04—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints with additional sealings
    • 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
    • F16L15/006—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints with straight threads
    • F16L15/007—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints with straight threads with more than one threaded section
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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

Definitions

  • the present disclosure relates to a threaded joint for steel pipe.
  • oil wells For example, exploration or production of oil wells or natural gas wells etc. (hereinafter collectively referred to as “oil wells”), development of unconventional resources such as oil sands and shale gas, carbon dioxide recovery and storage (CCS (Carbon (Carbon (Carbon))
  • CCS Carbon (Carbon (Carbon)
  • a steel pipe called an oil well pipe is used in dioxide capture and storage), geothermal power generation, or hot spring.
  • a threaded joint is used to connect the steel pipes.
  • the types of threaded joints for steel pipes of this type are roughly classified into coupling types and integral types.
  • the coupling type of the pair of pipes to be connected, one pipe is a steel pipe, and the other pipe is a coupling.
  • a male screw is formed on the outer circumference of both ends of the steel pipe, and a female screw is formed on the inner circumference of both ends of the coupling.
  • the external thread of the steel pipe is screwed into the internal thread of the coupling, and thereby both are fastened and connected.
  • the pair of pipes to be connected are both steel pipes, and separate couplings are not used.
  • a male screw is formed on the outer periphery of one end of the steel pipe, and a female screw is formed on the inner periphery of the other end. Then, the male screw of one steel pipe is screwed into the female screw of the other steel pipe, and thereby both are fastened and connected.
  • the joint portion of the end of the tube on which the external thread is formed is referred to as a "pin” because it includes an element to be inserted into the internal thread.
  • the joint portion at the end of the tube in which the internal thread is formed is referred to as a "box” because it includes an element for receiving the external thread.
  • the result is a structure in which the well well is disposed in multiple layers.
  • the inner diameter and outer diameter of the joint are steel pipes for the connection of oil well pipes. Threaded joints that are as large as or slightly larger than the inner and outer diameters are often used. By using such a threaded joint, it is possible to minimize the gap between oil well pipes arranged in multiple layers, and even if it is deep, the diameter of the well is not so large and oil wells can be efficiently developed.
  • metal seal As a screw joint for securing sealing performance, one having a seal by metal-metal contact (hereinafter referred to as “metal seal”) is known.
  • the diameter of the sealing surface of the pin is slightly larger than the diameter of the sealing surface of the box (this difference in diameter is called “the amount of interference"), the screw joints are fastened and the sealing surfaces are fitted together. Then, the sealing surface of the pin is reduced in diameter due to the interference amount, the sealing surface of the box is expanded, and the elastic recovery force that each sealing surface tries to return to the original diameter generates contact pressure on the sealing surface. It is in close contact with the circumference and exhibits a sealing performance.
  • Patent Document 1 discloses a threaded joint for steel pipe composed of a pin and a box.
  • the pin has an external thread, a sealing surface and a shoulder surface.
  • the box has an internal thread, a sealing surface and a shoulder surface.
  • the pin has a nose which is provided between the sealing surface and the shoulder surface. The nose does not contact the corresponding part of the box.
  • the shoulder angle is described as being 4 to 16 degrees to a plane perpendicular to the tube axis.
  • Patent Document 2 discloses a threaded joint for steel pipe configured of a pin and a box.
  • the pin has an external thread portion, a nose portion extending from the external thread portion toward the end of the tube, and a shoulder portion provided at the tip of the nose portion.
  • the box has an internally threaded portion screwed with the externally threaded portion to form a threaded portion, a sealing surface facing the outer peripheral surface of the nose portion of the pin, and a shoulder portion abutting the shoulder portion of the pin.
  • the outer peripheral surface of the nose portion of the pin is a curved surface that is convex outward.
  • the sealing surface of the box is a single tapered shape. The outer surface of the nose of the pin and the sealing surface of the box make metal-to-metal contact, and the contact forms a seal.
  • Patent Document 3 discloses a threaded joint of a pipe composed of a pin member and a box member.
  • the pin member has an external thread portion, a nose portion extending toward the end of the tube from the external thread portion, and a shoulder portion provided at the tip of the nose portion.
  • the box member has an internal thread portion screwed to the external thread portion, an inner peripheral surface opposite to the outer peripheral surface of the pin nose which is the nose portion of the pin member, and a shoulder portion contacting the shoulder portion of the pin member.
  • the outer peripheral surface of the pin nose is a convex curved surface.
  • the inner circumferential surface of the box member is a tapered surface that interferes with the convex curved surface of the pin nose when coupled to the pin member.
  • the shoulder angle of the shoulder portion is 0 degrees or more.
  • An object of the present disclosure is to provide a threaded joint for steel pipe that can improve the sealing performance against internal pressure and external pressure.
  • the present inventors have intensively studied factors that affect the sealing performance against internal pressure and external pressure. As a result, the inventors newly found that the distance from the tip of the pin to the metal seal affects the sealing performance. In addition to this finding, the present inventors have newly found that the thickness ratio of the pin and the box in the metal seal, which has not been studied before, affects the sealing performance. Based on these new findings, the present inventors invented the following screw joint.
  • the threaded joint for steel pipe includes a tubular pin formed at one end of a steel pipe, and a tubular box into which the pin is inserted and fastened with the pin.
  • the pin is a male screw formed on the outer periphery of the pin, a nose formed on the tip of the pin and having an outer diameter smaller than the inner diameter of the opposing portion of the box when the pin and the box are fastened; And a pin sealing surface formed on the outer peripheral surface of the pin between the male screw and the nose.
  • the pin seal surface includes a first curved surface located closer to the pin shoulder surface, a second curved surface located farther from the pin shoulder surface, and a first taper located between the first curved surface and the second curved surface. Including faces.
  • the box corresponds to an external thread, an internal thread formed on the inner periphery of the box, a box shoulder surface facing the pin shoulder surface, and contacting the pin shoulder surface with the pin and the box fastened, and a pin sealing surface And a box seal surface that contacts the pin seal surface when the pin and the box are fastened.
  • the box seal surface is located between the third curved surface located closer to the box shoulder surface, the fourth curved surface located farther from the box shoulder surface, and the third curved surface and the fourth curved surface.
  • a second tapered surface is located.
  • the box seal surface has a seal point located at a midpoint in the tube axis direction on the second tapered surface.
  • the seal point distance between the tip of the nose and the seal point in the axial direction is 13 mm or more.
  • the shoulder angle between the pin shoulder surface or box shoulder surface and the plane perpendicular to the tube axis is 2 to 13 degrees.
  • the seal thickness ratio of the box thickness to the pin thickness at the seal point is 1.7 or more.
  • the seal point distance may be 13 to 25 mm.
  • the shoulder angle may be 2 to 10 degrees.
  • the seal thickness ratio may be 1.8 to 3.0.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view along the axial direction of a coupling-type threaded joint for steel pipes according to the embodiment.
  • FIG. 2 is a longitudinal cross-sectional view along an axial direction of a thread joint for integral type steel pipe different from FIG.
  • FIG. 3 is an enlarged vertical cross-sectional view of a portion II in FIG.
  • FIG. 4 is an enlarged vertical sectional view around the seal and the nose in FIG.
  • FIG. 5 is a graph showing a path of load conditions used in FEM analysis.
  • FIG. 6 is a graph showing evaluation results of torque performance.
  • FIG. 7 is a graph showing the evaluation results of sealing performance under a combined load.
  • FIG. 8 is a graph showing evaluation results of sealing performance against external pressure.
  • FIG. 9 is a graph showing the evaluation results of the sealing performance with respect to the internal pressure.
  • the steel pipe threaded joint 1 includes a tubular pin 10 and a tubular box 20.
  • the pin 10 is formed at one end of the steel pipe 2.
  • the pin 10 is inserted and fastened to the pin 10.
  • a portion other than the tip end portion of the steel pipe 2 may be particularly referred to as a “steel pipe main body”.
  • the threaded joint 1 shown in FIG. 1 is of the coupling type and comprises two pins 10, 10 and a coupling 3.
  • One pin 10 is formed at the tip of one steel pipe 2.
  • the other pin 10 is formed at the tip of the other steel pipe 2.
  • the coupling 3 comprises two boxes 20, 20 and an annular projection 31.
  • One box 20 is formed at one end of the coupling 3.
  • the other box 20 is formed at the other end of the coupling 3.
  • the protrusion 31 is formed at the central portion of the coupling 3.
  • One pin 20 is inserted into one box 20 and fastened to one pin 10.
  • the other box 20 is formed on the opposite side of one box 20, and the other pin 10 is inserted and fastened to the other pin 10.
  • the screw joint 1 may be integral type. As shown in FIG. 2, the integral screw joint 1 is for connecting two steel pipes 2 to each other, and includes a pin 10 and a box 20. In the integral screw joint 1, one steel pipe 2 is provided with a pin 10 and the other steel pipe 2 is provided with a box 20.
  • pin 10 includes an external thread 11, a nose 12, a pin shoulder surface 13 and a pin seal surface 14.
  • the male screw 11 is formed on the outer periphery of the pin 10.
  • the nose 12 is formed at the tip of the pin 10 and has an outer diameter smaller than the inner diameter of the opposing portion of the box 20 when the pin 10 and the box 20 are fastened. Therefore, as shown in FIG. 4, a minute gap is formed between the outer peripheral surface of the nose 12 of the pin 10 and the inner peripheral surface of the box 20 opposed thereto.
  • the pin shoulder surface 13 is formed at the tip of the nose 12.
  • the pin seal surface 14 is formed on the outer peripheral surface of the pin 10 between the male screw 11 and the nose 12.
  • the pin seal surface 14 has a curvature surface 141 located closer to the pin shoulder surface 13, a curvature surface 143 located farther from the pin shoulder surface 13, and a tapered surface 142 located between the curvature surface 141 and the curvature surface 143. including. That is, the pin seal surface 14 includes the curvature surface 141, the tapered surface 142, and the curvature surface 143.
  • the curved surface 141, the tapered surface 142, and the curved surface 143 are arranged in order along the tube axis direction CL.
  • the box 20 includes an internal thread 21, a box shoulder surface 23 and a box sealing surface 24.
  • the female screw 21 corresponds to the male screw 11 and is formed on the inner periphery of the box 20.
  • the box shoulder surface 23 faces the pin shoulder surface 13 and contacts the pin shoulder surface 13 with the pin 10 and the box 20 fastened.
  • the box seal surface 24 faces the pin seal surface 14 and contacts the pin seal surface 14 with the pin 10 and the box 20 fastened.
  • the box seal surface 24 has a curvature surface 241 located closer to the box shoulder surface 23, a curvature surface 243 located farther from the box shoulder surface 23, and a taper located between the curvature surface 241 and the curvature surface 243. And a face 242. That is, the box seal surface 24 includes the curvature surface 241, the tapered surface 242, and the curvature surface 243.
  • the curved surface 241, the tapered surface 242, and the curved surface 243 are arranged in order along the tube axis direction CL.
  • the male screw 11 and the female screw 21 are trapezoidal screws whose shape is changed based on a buttress screw.
  • the box seal surface 24 has a seal point SP.
  • the seal point SP is located at the midpoint of the box seal surface 24 in the axial direction CL on the tapered surface 242 of the box seal surface 24.
  • the seal point distance L SP is 13 mm or more.
  • the seal point distance L SP is a distance between the tip of the nose 12 and the seal point SP in the pipe axial direction CL.
  • the shoulder angle ⁇ is 2 to 13 degrees.
  • the shoulder angle ⁇ is the angle between the pin shoulder surface 13 or the box shoulder surface 23 and the plane VP perpendicular to the tube axis CL.
  • the seal thickness ratio T B / T P is 1.7 or more.
  • the seal thickness ratio T B / T P is the thickness of the box 20 with respect to the thickness of the pin 10 at the seal point SP (hereinafter referred to as “pin seal thickness”) T P (hereinafter referred to as “box seal thickness”). ) is the ratio of T B.
  • W indicates the outer diameter of the box 20
  • ID indicates the inner diameter of the tube body 2.
  • the lower limit value of the seal point distance L SP is preferably 14 mm, more preferably 15 mm.
  • the upper limit of the sealing point distance L SP is, for example, may be 25 mm, preferably 24 mm, more preferably 23 mm.
  • the lower limit value of the shoulder angle ⁇ is preferably 3 degrees, more preferably 4 degrees.
  • the upper limit value of the shoulder angle ⁇ is preferably 10 degrees, more preferably 9 degrees.
  • the lower limit value of the seal thickness ratio T B / T P is preferably 1.8, and more preferably 1.9.
  • the upper limit value of the seal thickness ratio T B / T P is, for example, such that the outer diameter of the coupling 3 is too large to interfere with the inner surface of the outer pin 10 when inserting a plurality of steel pipes in a multilayer. Although it may be 3.0, it is preferably 2.9, more preferably 2.8.
  • the seal point distance L SP is 13 mm or more
  • the rigidity of the nose 12 is high, and the compressive load is applied to the nose 12 even when a compressive load is applied to the threaded joint 1. It is possible to suppress the deflection of the seal surface of the seal and to suppress the decrease in the contact surface pressure.
  • the seal thickness ratio T B / T P is 1.7 or more, the rigidity of the box 20 is increased, and the adhesion of the seal surface is maintained by the box 20 being particularly raised in push-up resistance by the internal pressure. Therefore, it is possible to suppress the decrease in the contact pressure of the metal seal. As a result, the sealing performance against the internal pressure and the external pressure can be improved.
  • Tables 1 and 2 show the dimensions of the 42 experimental examples tested for analysis and the evaluation results thereof.
  • the outer diameter of the tube body 2, the inner diameter ID of the tube body 2, the outer diameter W of the box 20, the pin seal thickness T P , the box seal thickness T B , and the seal thickness ratio T B / T P are made constant.
  • Seal point (SP) distance L SP and shoulder angle ⁇ were changed.
  • Table 1 sorts by seal point distance L SP and shows yield torque as a result of evaluation of torque performance.
  • Table 2 is sorted by the shoulder angle ⁇ , and shows the minimum seal contact force as a result of the evaluation of the sealing performance. The definition of the yield torque and the minimum seal contact force will be described later.
  • the shoulder angle ⁇ of the pin 10 and the shoulder angle ⁇ of the box are the same.
  • Table 3 shows the dimensions of eight experimental examples different from the above except for the code 5 (identical to the code 33 in Tables 1 and 2) and the evaluation results of the sealing performance thereof.
  • the outer diameter W of the tube 20, the inner diameter ID of the tube 2 ID, the pin seal thickness T P , the seal point distance L SP and the shoulder angle ⁇ are made constant, and the outer diameter W of the box 20 and the box seal thickness T B Changes the seal thickness ratio T B / T P.
  • the minimum seal contact force when the external pressure and the internal pressure are applied is shown.
  • a value MTV (Maximum Torque Value) at which a fastening torque diagram starts to yield was defined as "yield torque” and evaluated using that value.
  • the sealing performance is analyzed under the combined load condition simulating the ISO 13679 series A test shown in FIG. 5, the value of the seal contact force at each load step is determined, and the minimum value is defined as the “minimum seal contact force”. , And evaluated using that value.
  • the seal thickness ratio T B / T P sealing performance under simple external pressure and simple internal pressure was also considered. Only the external pressure or only the internal pressure was gradually increased without applying an axial force, and the minimum seal contact force at that time was evaluated.
  • FIG. 6 shows the yield torque obtained by FEM. It was found from FIG. 6 that the yield torque depends on the seal point distance L SP and the shoulder angle ⁇ . As the seal point distance L SP is increased, the rigidity is increased, and thus the torque performance is considered to be improved. On the other hand, when the shoulder angle ⁇ is 5 degrees, the yield torque is maximized, and when the shoulder angle ⁇ becomes larger than 5 degrees, the yield torque decreases. As described above, since the torque performance is largely influenced by the shoulder angle ⁇ , it has been found that the shoulder angle ⁇ is preferably 2 to 13 degrees.
  • FIG. 7 shows the evaluation results of sealing performance under a combined load.
  • the minimum sealing contact force was generated at the simple external pressure of the load step (12) in FIG. From FIG. 7, it was found that the sealing performance is improved regardless of the shoulder angle ⁇ if the seal point distance L SP is 13 mm or more. From these evaluation results, it was found that the shoulder angle ⁇ should be 2 to 13 degrees and the seal point distance L SP should be 13 mm or more in order to achieve both high sealing performance and high torque performance.
  • the shoulder angle ⁇ was fixed at 5 degrees
  • the seal point distance L SP was fixed at 13 mm
  • the seal thickness ratio T B / T P was changed.
  • the sealing performance was evaluated using the load paths of the simple internal pressure and the simple external pressure shown in FIG. FIG. 8 shows the evaluation results of the sealing performance under simple external pressure and FIG. 9 in simple internal pressure.
  • the sealing performance improved as the seal thickness ratio T B / T P increased, but from FIG. 9 in particular, the sealing performance against the internal pressure is remarkable when the seal thickness ratio T B / T P is less than 1.7. Low and saturated at 1.7 or more. Therefore, it was found that the seal thickness ratio T B / T P is desirably 1.7 or more.
  • Threaded joint 2 Steel pipe (steel pipe body) 3: Coupling 10: Pin 11: Male thread 12: Nose 13: Pin shoulder face 14: Pin seal face 20: Box 21: Female thread 23: Box shoulder face 24: Box seal face 141, 143, 241, 243: Curvature faces 142, 242 : Tapered surface SP: Seal point L SP : Seal point distance ⁇ : Shoulder angle T B / T P : Seal thickness ratio CL: Pipe axis

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Abstract

内圧及び外圧に対する密封性能を向上できる鋼管用ねじ継手を提供する。ねじ継手１は、ピン１０及びボックス２０を備える。ピン１０は、雄ねじ１１、ノーズ１２、ピンショルダ面１３、及びピンシール面１４を含む。ボックス２０は、雌ねじ２１、ボックスショルダ面２３、及びボックスシール面２４を含む。ボックスシール面２４は、テーパ面２４２上の管軸方向ＣＬにおける中点に位置するシールポイントＳＰを有する。管軸方向ＣＬにおけるノーズ１２の先端とシールポイントＳＰとの間の距離ＬＳＰは１３ｍｍ以上である。ピンショルダ面１３又はボックスショルダ面２３と管軸ＣＬに垂直な平面ＶＰとの間のショルダ角αは２～１３度である。シールポイントＳＰにおけるピン１０の肉厚ＴＰに対するボックスの肉厚ＴＢの比ＴＢ／ＴＰは１．７以上である。

Description

鋼管用ねじ継手
　本開示は、鋼管用ねじ継手に関する。
　例えば、油井や天然ガス井等（以下、総称して「油井」ともいう）の試掘又は生産、オイルサンドやシェールガス等の非在来型資源の開発、二酸化炭素の回収や貯留（ＣＣＳ（Carbon dioxide Capture and Storage））、地熱発電、あるいは温泉等では、油井管と呼ばれる鋼管が用いられる。鋼管同士の連結には、ねじ継手が用いられる。
　この種の鋼管用ねじ継手の形式は、カップリング型とインテグラル型とに大別される。カップリング型の場合、連結対象の一対の管材のうち、一方の管材が鋼管であり、他方の管材がカップリングである。この場合、鋼管の両端部の外周に雄ねじが形成され、カップリングの両端部の内周に雌ねじが形成される。そして、鋼管の雄ねじがカップリングの雌ねじにねじ込まれ、これにより両者が締結されて連結される。インテグラル型の場合、連結対象の一対の管材がともに鋼管であり、別個のカップリングを用いない。この場合、鋼管の一端部の外周に雄ねじが形成され、他端部の内周に雌ねじが形成される。そして、一方の鋼管の雄ねじが他方の鋼管の雌ねじにねじ込まれ、これにより両者が締結されて連結される。
　一般に、雄ねじが形成された管端部の継手部分は、雌ねじに挿入される要素を含むことから、「ピン」と称される。一方、雌ねじが形成された管端部の継手部分は、雄ねじを受け入れる要素を含むことから、「ボックス」と称される。これらのピン及びボックスは、管材の端部であるため、いずれも管状である。
　油井は、掘削中に坑壁が崩れないように、油井管で坑壁を補強しながら掘り進むため、結果的に油井管が多重に配置された構造になる。近年、油井の高深度化及び超深海化がますます進展しているが、このような環境では、効率よく油井を開発するため、油井管の接続に、継手部の内径及び外径が鋼管の内径及び外径と同程度か又はわずかに大きいねじ継手が多用される。このようなねじ継手を用いることで、多重に配置される油井管同士の隙間を極力小さくすることができ、深くても井戸の径があまり大きくならず効率的に油井を開発できる。このような内径及び外径の制約の下で、ねじ継手には、内部からの流体圧力（以下、「内圧」ともいう。）及び外部からの流体圧力（以下、「外圧」ともいう。）に対し、優れた密封性能が要求される。さらに、例えば大深度の油井に用いられる場合等では油井管の熱膨張によって、ねじ継手に大きな引張荷重や圧縮荷重がかかる。このような環境においても、ねじ継手には優れた密封性能を備えることも要求される。
　密封性能を確保するためのねじ継手として、メタル－メタル接触によるシール（以下、「メタルシール」という。）を有するものが知られている。メタルシールとは、ピンのシール面の径がボックスのシール面の径よりも僅かに大きく（この径の差を「干渉量」と呼ぶ。）、ねじ継手を締結してシール面同士が嵌め合わされると、干渉量によりピンのシール面が縮径し、ボックスのシール面が拡径し、それぞれのシール面が元の径に戻ろうとする弾性回復力によってシール面に接触圧力が発生して全周密着し、密封性能を発揮する構造である。
　特表２００６－５２６７４７号公報（特許文献１）は、ピン及びボックスから構成される鋼管用ねじ継手を開示する。ピンは、雄ねじと、シール面と、ショルダ面とを有する。これらに対応し、ボックスは、雌ねじと、シール面と、ショルダ面とを有する。ピンは、シール面とショルダ面との間に設けられるノーズ部を有する。ノーズ部は、ボックスの対応する部分と接触していない。ショルダ角は管軸に垂直な平面に対して４～１６度が良い、と記載されている。
　特開２０１３－２９１７６号公報（特許文献２）は、ピン及びボックスから構成される鋼管用ねじ継手を開示する。ピンは、雄ねじ部と、雄ねじ部より管端側に延在するノーズ部と、ノーズ部の先端に設けられたショルダ部とを有する。ボックスは、雄ねじ部とねじ結合されてねじ部をなす雌ねじ部と、ピンのノーズ部外周面に相対するシール面と、ピンのショルダ部に当接するショルダ部とを有する。ピンのノーズ部外周面は外側に凸の曲面形状である。ボックスのシール面は単一のテーパ形状である。ピンのノーズ部外周面とボックスのシール面とがメタル－メタル接触し、その接触部がシール部をなす。
　特開２０１４－１３０５２号公報（特許文献３）は、ピン部材及びボックス部材から構成される管のねじ継手を開示する。ピン部材は、雄ねじ部と、雄ねじ部より管端側に延在するノーズ部と、ノーズ部の先端に設けられたショルダ部とを有する。ボックス部材は、雄ねじ部とねじ結合される雌ねじ部と、ピン部材のノーズ部であるピンノーズの外周面に相対する内周面と、ピン部材のショルダ部に当接するショルダ部とを有する。ピンノーズの外周面は凸曲面である。ボックス部材の内周面は、ピン部材との結合時にピンノーズの凸曲面と干渉するテーパ面である。ショルダ部のショルダ角は０度以上である。ねじ結合によりピン部材とボックス部材とが結合されてピンノーズの凸曲面とボックス部材のテーパ面とがメタル－メタル接触し、その接触界面がシール部をなす。
　本明細書は、下記の文献を引用により援用する。
特表２００６－５２６７４７号公報 特開２０１３－２９１７６号公報 特開２０１４－１３０５２号公報
開示の概要
　本開示の目的は、内圧及び外圧に対する密封性能を向上させることができる鋼管用ねじ継手を提供することである。
　本発明者らは、ショルダ角以外に、内圧及び外圧に対する密封性能に影響を及ぼすファクタを鋭意検討していた。その結果、本発明者らは、ピンの先端からメタルシールまでの距離が密封性能に影響を及ぼすことを新たに知見した。この知見に加え、本発明者らは、従来検討されていなかったメタルシールにおけるピンとボックスの肉厚比が密封性能に影響を及ぼすことも新たに知見した。これらの新たな知見に基づき、本発明者らは以下のねじ継手を発明した。
　本開示に係る鋼管用ねじ継手は、鋼管の一方の先端部に形成される管状のピンと、ピンが挿入されてピンと締結される管状のボックスとを備える。ピンは、ピンの外周に形成される雄ねじと、ピンの先端部に形成され、ピン及びボックスが締結されている状態でボックスのうち対向する部分の内径よりも小さい外径を有するノーズと、ノーズの先端に形成されるピンショルダ面と、雄ねじとノーズとの間においてピンの外周面に形成されるピンシール面とを含む。ピンシール面は、ピンショルダ面に近い方に位置する第１曲率面と、ピンショルダ面から遠い方に位置する第２曲率面と、第１曲率面と第２曲率面との間に位置する第１テーパ面とを含む。ボックスは、雄ねじに対応し、ボックスの内周に形成される雌ねじと、ピンショルダ面に対向し、ピン及びボックスが締結されている状態でピンショルダ面と接触するボックスショルダ面と、ピンシール面に対向し、ピン及びボックスが締結されている状態でピンシール面と接触するボックスシール面とを含む。ボックスシール面は、ボックスショルダ面に近い方に位置する第３曲率面と、ボックスショルダ面から遠い方に位置する第４曲率面と、第３曲率面と第４曲率面との間に位置する第２テーパ面とを含む。ボックスシール面は、第２テーパ面上の管軸方向における中点に位置するシールポイントを有する。管軸方向におけるノーズの先端とシールポイントとの間のシールポイント距離は１３ｍｍ以上である。ピンショルダ面又はボックスショルダ面と管軸に垂直な平面との間のショルダ角は２～１３度である。シールポイントにおけるピンの肉厚に対するボックスの肉厚のシール肉厚比は１．７以上である。ここで、シールポイント距離は１３～２５ｍｍでもよい。ショルダ角は２～１０度でもよい。シール肉厚比は１．８～３．０でもよい。
図１は、実施の形態に係るカップリング型の鋼管用ねじ継手の管軸方向に沿った縦断面図である。 図２は、図１と異なるインテグラル型の鋼管用ねじ継手の管軸方向に沿った縦断面図である。 図３は、図１中のＩＩ部を拡大した縦断面図である。 図４は、図３中のシール及びノーズ周辺を拡大した縦断面図である。 図５は、ＦＥＭ解析で用いた荷重条件の経路を示すグラフである。 図６は、トルク性能の評価結果を示すグラフである。 図７は、複合荷重下での密封性能の評価結果を示すグラフである。 図８は、外圧に対する密封性能の評価結果を示すグラフである。 図９は、内圧に対する密封性能の評価結果を示すグラフである。
　以下、図面を参照し、本実施の形態に係る鋼管用ねじ継手を説明する。図中同一及び相当する構成には同一の符号を付し、同じ説明を繰り返さない。
　図１を参照して、本実施形態に係る鋼管用ねじ継手１は、管状のピン１０と、管状のボックス２０とを備える。ピン１０は、鋼管２の一方の先端部に形成される。ボックス２０は、ピン１０が挿入されてピン１０と締結される。以下、鋼管２の先端部以外の部分を特に「鋼管本体」という場合がある。
　図１に示されるねじ継手１はカップリング型であり、２つのピン１０，１０と、カップリング３とを備える。一方のピン１０は、一方の鋼管２の先端部に形成される。他方のピン１０は、他方の鋼管２の先端部に形成される。カップリング３は、２つのボックス２０，２０と、環状の突出部３１とを含む。一方のボックス２０は、カップリング３の一方端部に形成される。他方のボックス２０は、カップリング３の他方端部に形成される。突出部３１は、カップリング３の中央部に形成される。一方のボックス２０は、一方のピン１０が挿入されて一方のピン１０と締結される。他方のボックス２０は、一方のボックス２０の反対側に形成され、他方のピン１０が挿入されて他方のピン１０と締結される。
　ただし、ねじ継手１はインテグラル型でもよい。図２に示されるように、インテグラル型のねじ継手１は、２本の鋼管２を互いに接続するためのものであり、ピン１０と、ボックス２０とを備える。インテグラル型のねじ継手１では、一方の鋼管２がピン１０を備え、他方の鋼管２がボックス２０を備える。
　図１及び図３を参照して、ピン１０は、雄ねじ１１と、ノーズ１２と、ピンショルダ面１３と、ピンシール面１４とを含む。雄ねじ１１は、ピン１０の外周に形成される。ノーズ１２は、ピン１０の先端部に形成され、ピン１０及びボックス２０が締結されている状態でボックス２０のうち対向する部分の内径よりも小さい外径を有する。そのため、ピン１０のノーズ１２の外周面と対向するボックス２０の内周面との間には、図４に示されるように微小な隙間が形成されている。ピンショルダ面１３は、ノーズ１２の先端に形成される。ピンシール面１４は、雄ねじ１１とノーズ１２との間においてピン１０の外周面に形成される。
　ピンシール面１４は、ピンショルダ面１３に近い方に位置する曲率面１４１と、ピンショルダ面１３から遠い方に位置する曲率面１４３と、曲率面１４１と曲率面１４３との間に位置するテーパ面１４２とを含む。すなわち、ピンシール面１４は、曲率面１４１、テーパ面１４２、及び曲率面１４３からなる。曲率面１４１、テーパ面１４２、及び曲率面１４３は、管軸方向ＣＬに沿って順に並ぶ。
　ボックス２０は、雌ねじ２１と、ボックスショルダ面２３と、ボックスシール面２４とを含む。雌ねじ２１は、雄ねじ１１に対応し、ボックス２０の内周に形成される。ボックスショルダ面２３は、ピンショルダ面１３に対向し、ピン１０及びボックス２０が締結されている状態でピンショルダ面１３と接触する。ボックスシール面２４は、ピンシール面１４に対向し、ピン１０及びボックス２０が締結されている状態でピンシール面１４と接触する。
　ボックスシール面２４は、ボックスショルダ面２３に近い方に位置する曲率面２４１と、ボックスショルダ面２３から遠い方に位置する曲率面２４３と、曲率面２４１と曲率面２４３との間に位置するテーパ面２４２とを含む。すなわち、ボックスシール面２４は、曲率面２４１、テーパ面２４２、及び曲率面２４３からなる。曲率面２４１、テーパ面２４２、及び曲率面２４３は、管軸方向ＣＬに沿って順に並ぶ。
　雄ねじ１１及び雌ねじ２１は、バットレスねじをベースに形状を変更した台形型のねじである。
　図３及び図４を参照して、ボックスシール面２４は、シールポイントＳＰを有する。シールポイントＳＰは、ボックスシール面２４のテーパ面２４２上の管軸方向ＣＬにおけるボックスシール面２４の中点に位置する。シールポイント距離ＬＳＰは１３ｍｍ以上である。シールポイント距離ＬＳＰは、管軸方向ＣＬにおけるノーズ１２の先端とシールポイントＳＰとの間の距離である。ショルダ角αは２～１３度である。ショルダ角αは、ピンショルダ面１３又はボックスショルダ面２３と管軸ＣＬに垂直な平面ＶＰとの間の角度である。シール肉厚比ＴＢ／ＴＰは１．７以上である。シール肉厚比ＴＢ／ＴＰは、シールポイントＳＰにおけるピン１０の肉厚（以下、「ピンシール肉厚」という。）ＴＰに対するボックス２０の肉厚（以下、「ボックスシール肉厚」という。）ＴＢの比である。図３において、Ｗはボックス２０の外径を示し、ＩＤは管本体２の内径を示す。
　ここで、シールポイント距離ＬＳＰの下限値は、好ましくは１４ｍｍ、さらに好ましくは１５ｍｍである。シールポイント距離ＬＳＰが長すぎて製造性が低下しないように、シールポイント距離ＬＳＰの上限値は、例えば２５ｍｍでもよいが、好ましくは２４ｍｍ、さらに好ましくは２３ｍｍである。ショルダ角αの下限値は、好ましくは３度であり、さらに好ましくは４度である。ショルダ角αの上限値は、好ましくは１０度であり、さらに好ましくは９度である。シール肉厚比ＴＢ／ＴＰの下限値は、好ましくは１．８であり、さらに好ましくは１．９である。複数の鋼管を多層にして井戸に挿入する際にカップリング３の外径が大きすぎて外側のピン１０の内面と干渉しないように、シール肉厚比ＴＢ／ＴＰの上限値は、例えば３．０でもよいが、好ましくは２．９であり、さらに好ましくは２．８である。
　上記実施の形態では、シールポイント距離ＬＳＰは１３ｍｍ以上であるため、ノーズ１２の剛性が高くなり、ねじ継手１に圧縮荷重がかかっているときでも、ノーズ１２が圧縮荷重を負担することでメタルシールのシール面のたわみを抑制し、接触面圧の低下を抑えることができる。加えて、シール肉厚比ＴＢ／ＴＰは１．７以上であるため、ボックス２０の剛性が高くなり、ボックス２０が特に内圧による押上げ抵抗が高くなることで、シール面の密着が維持され、メタルシールの接触面圧の低下を抑えることができる。その結果、内圧及び外圧に対する密封性能を向上させることができる。
　以上、実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の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種々の変更が可能である。
　本実施の効果を検証するため、有限要素法（ＦＥＭ）によってトルク性能及び密封性能を評価した。評価対象をバットレスねじ継手とし、以下の鋼管を用いた。
　サイズ：７インチ、２６＃（管本体外径：１７７．８ｍｍ、管本体内径：１５９．４１ｍｍ）
　材料：ＡＰＩ規格の油井管材料Ｌ８０（公称耐力ＹＳ＝５５２ＭＰａ（８０ｋｓｉ））
　表１及び表２は、解析に供試した４２通りの実験例の寸法及びその評価結果を示す。ここでは、管本体２の外径、管本体２の内径ＩＤ、ボックス２０の外径Ｗ、ピンシール肉厚ＴＰ、ボックスシール肉厚ＴＢ、及びシール肉厚比ＴＢ／ＴＰを一定にし、シールポイント（ＳＰ）距離ＬＳＰ及びショルダ角αを変化させた。表１は、シールポイント距離ＬＳＰでソートしたもので、トルク性能の評価結果として降伏トルクを示す。表２は、ショルダ角αでソートしたもので、密封性能の評価結果として最小シール接触力を示す。降伏トルク及び最小シール接触力の定義は後述する。なお、ピン１０のショルダ角α及びボックスのショルダ角αは同一とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表３は、代符５（表１及び表２中の代符３３と同一）以外は上記と異なる８通りの実験例の寸法及びその密封性能の評価結果を示す。ここでは、管本体２の外径、管本体２の内径ＩＤ、ピンシール肉厚ＴＰ、シールポイント距離ＬＳＰ、及びショルダ角αを一定にし、ボックス２０の外径Ｗ及びボックスシール肉厚ＴＢを変化させることによりシール肉厚比ＴＢ／ＴＰを変化させた。また、外圧及び内圧に対する密封性能の評価結果として、外圧及び内圧がかかったときの最小シール接触力を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　トルク性能については、締結トルク線図が降伏し始める値ＭＴＶ(Maximum Torque Value)を「降伏トルク」と定義し、その値を用いて評価した。密封性能については、図５に示されるＩＳＯ１３６７９シリーズＡ試験を模擬した複合荷重条件で解析を行い、荷重ステップごとにおけるシール接触力の値を求め、その最小値を「最小シール接触力」と定義し、その値を用いて評価した。また、シール肉厚比ＴＢ／ＴＰの影響を評価する際には、単純外圧及び単純内圧における密封性能も考慮した。軸力を負荷せずに外圧のみ又は内圧のみを徐々に増加していき、その際の最小シール接触力を評価した。
　図６は、ＦＥＭで得た降伏トルクを示す。図６から、降伏トルクはシールポイント距離ＬＳＰ及びショルダ角αに依存することが判明した。シールポイント距離ＬＳＰが長くなると、剛性が高くなるため、トルク性能が向上していると思われる。一方、ショルダ角αが５度で降伏トルクが最大になり、ショルダ角αが５度よりも大きくなると、降伏トルクは低下した。このようにトルク性能はショルダ角αに大きく影響されることから、ショルダ角αは２～１３度が好ましいことが判明した。
　図７は、複合荷重下における密封性能の評価結果を示す。最小シール接触力は図５における荷重ステップ（１２）の単純外圧で発生した。図７から、シールポイント距離ＬＳＰが１３ｍｍ以上あれば、ショルダ角αに関係なく、密封性能が向上することが判明した。これらの評価結果から、高い密封性能と高いトルク性能を両立するには、ショルダ角αが２～１３度で、かつ、シールポイント距離ＬＳＰが１３ｍｍ以上であればよいことが判明した。
　加えて、表３に示されるように、ショルダ角αを５度に、シールポイント距離ＬＳＰを１３ｍｍに固定し、シール肉厚比ＴＢ／ＴＰを変化させた。シール肉厚比ＴＢ／ＴＰが密封性能に及ぼす影響を調査するため、図５に示される単純内圧及び単純外圧の荷重経路を用いて密封性能を評価した。図８は、単純外圧下、図９に単純内圧下における密封性能の評価結果を示す。いずれの場合もシール肉厚比ＴＢ／ＴＰが増加するにつれて密封性能が向上したが、特に図９から、内圧に対する密封性能はシール肉厚比ＴＢ／ＴＰが１．７未満では顕著に低く、１．７以上で飽和した。したがって、シール肉厚比ＴＢ／ＴＰは１．７以上であることが望ましいことが判明した。
１：ねじ継手
２：鋼管（鋼管本体）
３：カップリング
１０：ピン
１１：雄ねじ
１２：ノーズ
１３：ピンショルダ面
１４：ピンシール面
２０：ボックス
２１：雌ねじ
２３：ボックスショルダ面
２４：ボックスシール面
１４１，１４３，２４１，２４３：曲率面
１４２，２４２：テーパ面
ＳＰ：シールポイント
ＬＳＰ：シールポイント距離
α：ショルダ角
ＴＢ／ＴＰ：シール肉厚比
ＣＬ：管軸

Claims (2)

  1. 　鋼管用ねじ継手であって、
    　前記鋼管の一方の先端部に形成される管状のピンと、
    　前記ピンが挿入されて前記ピンと締結される管状のボックスとを備え、
    　前記ピンは、
    　前記ピンの外周に形成される雄ねじと、
    　前記ピンの先端部に形成され、前記ピン及び前記ボックスが締結されている状態で前記ボックスのうち対向する部分の内径よりも小さい外径を有するノーズと、
    　前記ノーズの先端に形成されるピンショルダ面と、
    　前記雄ねじと前記ノーズとの間において前記ピンの外周面に形成されるピンシール面とを含み、
    　前記ピンシール面は、前記ピンショルダ面に近い方に位置する第１曲率面と、前記ピンショルダ面から遠い方に位置する第２曲率面と、前記第１曲率面と前記第２曲率面との間に位置する第１テーパ面とを含み、
    　前記ボックスは、
    　前記雄ねじに対応し、前記ボックスの内周に形成される雌ねじと、
    　前記ピンショルダ面に対向し、前記ピン及び前記ボックスが締結されている状態で前記ピンショルダ面と接触するボックスショルダ面と、
    　前記ピンシール面に対向し、前記ピン及び前記ボックスが締結されている状態で前記ピンシール面と接触するボックスシール面とを含み、
    　前記ボックスシール面は、前記ボックスショルダ面に近い方に位置する第３曲率面と、前記ボックスショルダ面から遠い方に位置する第４曲率面と、前記第３曲率面と前記第４曲率面との間に位置する第２テーパ面とを含み、
    　前記ボックスシール面は、前記テーパ面上の管軸方向における中点に位置するシールポイントを有し、
    　管軸方向における前記ノーズの先端と前記シールポイントとの間のシールポイント距離は１３ｍｍ以上であり、
    　前記ピンショルダ面又は前記ボックスショルダ面と管軸に垂直な平面との間のショルダ角は２～１３度であり、かつ、
    　前記シールポイントにおける前記ピンの肉厚に対する前記ボックスの肉厚のシール肉厚比は１．７以上である、鋼管用ねじ継手。
  2. 　請求項１に記載の鋼管用ねじ継手であって、
    　前記シールポイント距離は１３～２５ｍｍであり、
    　前記ショルダ角は２～１０度であり、かつ、
    　前記シール肉厚比は１．８～３．０である、鋼管用ねじ継手。
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