JP2000081173A - 油井管用ねじ継手 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ミーゼス降伏応力100 ％楕円およびAPI コラ
プス圧100 ％楕円の領域内でどのような荷重変動が繰り
返し生じても耐リーク性および継手強度を保持し、繰り
返し使用可能な油井管用継手を開発する。 【解決手段】管体肉厚・管外径比：Ｒ≧0.096 の場合 必要完全ねじ噛合長さＬ≧管体肉厚の３倍 管体肉厚・管外径比：0.096 ＞Ｒ≧0.084 の場合 必要完全ねじ噛合長さＬ≧管体肉厚の４倍 管体肉厚・管外径比：0.084 ＞Ｒ≧0.052 の場合 必要完全ねじ噛合長さＬ≧管体肉厚の５倍 管体肉厚・管外径比：Ｒ＜0.052 の場合 必要完全ねじ噛合長さＬ≧管体肉厚の５倍

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、石油、天然ガス、
および蒸気や熱水を探査・生産するための油井、ガス
井、地熱井および産業廃棄物を地下に圧入廃棄する圧入
井あるいは、石油・天然ガス等の二・三次回収用圧入井
等を構成する管接続用のねじ継手に関する。なお、以
下、これらをそれぞれ「油井管」、油井管用ねじ継手(
あるいは単に継手) と便宜上総称する。

【０００２】

【従来の技術】油井管用継手には、従来よりねじ継手が
用いられ、現在最も多く用いられているのは、API 規格
(米国石油協会規格) のラウンドねじ継手やバットレス
ねじ継手 (以下 API継手と言う) であるが、油井、ガス
井等の深井戸化および圧力、温度、腐食環境の苛酷化に
伴ない管の自重による破断に対し強度の高いかつ、気密
性のよい継手が求められて来た。

【０００３】図１(a) は、その１例として両端に二つの
ボックス部21を持つカップリング20と両端にピン部11を
持つ鋼管10とを接続するカップリング方式の油井管用ね
じ継手を示す管軸を含む断面図 (以下単に断面図と言
う) である。図１(b) はカップリング20のボックス部21
の断面を示す拡大図であり、図１(c) は鋼管10のピン部
11の拡大断面図である。

【０００４】図１(a) に示す如く、油井管としての鋼管
10、10' はカップリング20によりねじ接続されており、
カップリング20の両側にはボックス部21が、そして鋼管
10、10' の先端にはピン部11が設けられている。図１
(b) に示す如く、ボックス部21にはテーパ状の雌ねじ22
が設けられており、また図１(c) に示す如くピン部11に
はテーパ状の雄ねじ12が設けられている。

【０００５】このように、カップリング方式のねじ継手
は、鋼管10の端部に設けたテーパ状雄ねじ12を有するピ
ン部11と、カップリング20内部に設けたテーパ状雌ねじ
22を有するボックス部21とを互いにねじ込むことにより
２つの鋼管10、10' を接続する。

【０００６】しかし、上述の如く自重による引張に対し
強度の高いかつ、気密性の高い継手の要求に対しては、
単に雄ねじ12、雌ねじ22から成るねじ要素のみで構成さ
れる継手 (例 API継手) では十分でなく図１(b) 、(c)
にそれぞれ示すようにピン部11とボックス部21のそれぞ
れにメタルシール部13、23やトルクショルダ部14、24を
同時に備えるものが多く用いられて来ている。

【０００７】このメタルシール部は、径方向の干渉量つ
まり、ピン部のメタルシール部13の外径がボックス部の
メタルシール部23の内径より大であり、この差を干渉量
と呼ぶが、継手をねじ込むとこの干渉量により両メタル
シール部の接触面に面圧が発生し、この面圧により良好
な気密性の保持が期待される。

【０００８】トルクショルダ部14、24を設けるのは、ピ
ン部11およびボックス部21のこの部分を互いに突き当て
ることにより、過度の塑性変形が生じるような高い接触
面圧がメタルシール部13、23に発生せぬようにかつ、十
分なねじ込み量を確保し、ねじ継手の締結を確実なもの
にするためである。また、メタルシール部のみならずね
じ部においても、その締結を確実にし、容易にゆるまぬ
ようにするため、メタルシール部と同じ意味の干渉量を
有しており、トルクショルダ部14、24の規制により、こ
のねじ部の干渉量も安全域に制限され、ボックス部に過
大な応力の発生することが抑制される。

【０００９】従って、このようなカップリング方式のね
じ継手は、前述のような腐食環境に用いるのに適した構
造と言える。なお、このトルクショルダ部14、24の垂直
面に対する角度をショルダ角度 (θ) と言う。

【００１０】近年、井戸深さも深く、かつ、開発環境、
井戸環境も悪化するに伴い、一方では油井・ガス井の開
発技術も進展し、近年では下記のような過酷な要求が継
手に求められて来ている。

【００１１】1) 接続された管の自重による軸方向の引
張力に耐えること。 2) 内部流体による内圧、あるいは外部流体による外圧
に耐えること。 3) 耐食材料など使用管材料も高価なものになる傾向か
ら何度も繰り返し使用ができること。 4) 井戸の開発過程において管に負荷される圧縮やねじ
りに対する十分な耐力のあること。 5) 以上のような負荷を繰り返し受けても内外圧シール
に耐えること。

【００１２】このような要求に対し、締結状態において
メタルシール部、およびトルクショルダ部を有する継手
に関し、例えば以下にいくつか例示するように多くの提
案がされてきた。

【００１３】(A) 特開平５−87275 号公報で提案された
継手は、メタルシール部のテーパを20°という急なテー
パにすることにより比較的径の大きいサイズでも、メタ
ルシール部の焼付きを生じにくくし、再使用の頻度を上
げる効果を得ている。また、負の荷重面フランク角と締
結した時の挿入面との隙間をAPI バットレスねじよりも
狭く設定し、単純引張力に対し十分な耐力を持つととも
に、圧縮負荷を受けた後の引張負荷時の耐内圧性も比較
的高い。

【００１４】(B) 特開平９−119564号公報にて公開され
た例では、(i) ねじ荷重面フランク角および挿入面フラ
ンク角に制限を設けること、(ii)雄ねじ、雌ねじ間に正
の干渉量を設けること、(iii) 締結途中、および締結完
了時に雄ねじと雌ねじとの荷重面と挿入面の両方が互い
に接触するとともに頂面と底面両方に隙間を設けること
により、管本体以上のすぐれた引張性能を有するととも
に圧縮負荷後も優れた気密性を有し、さらに緩みトルク
に対し高い抵抗力を有する継手を提供し得る。

【００１５】(C) 本出願人にて出願された特願平８−25
1163号にて示された例では、ピン先端とボックス奥部に
シール形成部とショルダ形成部とをそれぞれ設けた継手
において、そのシールリップ部形状の形状因子 (i)ショ
ルダ角度 (°) 、(ii)リップ厚比、(iii) リップ長さ、
(iv)シール長さ、(v) シールテーパを適切に選び、耐外
圧性に優れた継手を提供するものである。

【００１６】(D) 特開平９−119565号公報にて公開され
た例は、(i) ショルダ角度を５°〜20°とすること、(i
i)リップ率 (リップ根元厚さ／リップ外径) ／ (管内厚
／管径) ≧0.52と選定すること、により優れた耐外圧性
を有する継手を提供するものである。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、これ
らの従来の油井管用ねじ継手の継手性能をさらに改善し
た油井管用ねじ継手を提供することである。

【００１８】本発明の目的は、具体的には、図２に図解
するように、(i) 引張、圧縮および内圧・外圧という油
井管用ねじ継手の受けるあらゆる負荷条件 (曲げはその
曲率の外側で引張、内側で圧縮が生じており断面の変形
が生じない限りにおいて、一義的に軸力の負荷と同等と
みなせる) について、内圧領域に関しては、Von Mises
相当応力(VME)100％の楕円の内側全てを含み、外圧領域
に関してはAPI5C3にて規定のAPI コラプス圧 (軸力考
慮)100％内、またはVon Mises 相当応力100 ％の楕円の
内側のうち、小さい方の領域を全てを含む複合荷重条件
にて、耐内・外圧リーク性を保ち、かつ継手強度も保ち
得る継手であり、かつ(ii)上記Von Mises相当応力100
％の楕円および、API5C3コラプス値楕円の内側において
どのように荷重変動が繰り返し生じてもその耐リーク性
および、継手強度を保持できる継手であり、かつ何度も
再使用可能な油井管用ねじ継手を提供することである。

【００１９】なお、繰り返し変動負荷に対する安全性の
目安として、繰り返し変動負荷後のトルク保持率 (変動
負荷をうける前の締結トルクそのものに対する負荷後の
保持トルクの割合) を指標としてその60％を基準とす
る。

【００２０】これらの点に関し、従来技術、例えば前述
の(A) の例では、径の大きいサイズでも再使用可能な継
手となり、かつ耐圧縮力も高くVME 応力楕円の圧縮側50
〜60％位までの範囲はカバーできるが、それ以上の圧縮
力下では、特にその除荷後のシール性が困難であり、繰
り返し負荷に対しても耐性が低い。

【００２１】同じく(B) の例では、ねじフォームの寸法
的制約を設けることにより従来あるものと同じく、十分
に高い耐引張力性 (管体100 ％以上) と共にやはり高い
耐圧縮性と圧縮負荷後の気密性も有するが、まだ50％管
体強度の圧縮力負荷後の気密性であり、100 ％圧縮まで
は負荷できない。

【００２２】(C) の例では、リップ部の形状寸法因子に
制限を加え、かつそれ等の関連する一次式を満たすこと
により、すぐれた耐外圧性を得るものであるが荷重変動
に対する耐性は考えられず、例えば高い圧縮力を受けた
とき、除荷後において十分な耐外圧性を有しているかど
うかは不明である。

【００２３】(D) の例では、ショルダ角度の制限とリッ
プ率の制限とにより、優れた耐外圧性を得んとするもの
であるが、やはり荷重変動に対する耐性は考えられず、
例えば(C) の例の場合と同じく、高い圧縮力を受けたと
き、除荷後において十分な耐外圧性を有しているかどう
かは不明である。

【００２４】つまり、(C) の例も(D) の例も、ピンとボ
ックスとを締結したままの状態では高い耐外圧性を有す
るが、例えば高い軸圧縮力を受けたとき除荷後には、そ
の耐外圧性能をそのまま保持し得るかどうかは不明であ
る。耐内圧性についても同様である。

【００２５】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の課題
を解決するため、メタルシール部、トルクショルダ部を
持つねじ継手が様々な荷重を受ける時の挙動について詳
細な分析・検討を行った結果下記の事項を知見した。

【００２６】(i) 引張力に対しては従来から用いられて
いる負の荷重面フランク角の台形ねじ(APIバットレスね
じ形状を改良した形) で、かつ、ねじの完全噛み合い長
さが管本体肉厚の３倍以上あり、かつピン側ねじをテー
パを変えずに管外面にルート面が消去するまでできるだ
け長く取り、それにボックス側ねじで十分に対応させる
ことにより、管本体の強度以上の引張強度を得ることが
できるということを応用できる。もちろん、ボックス側
の肉厚・強度が十分あることが前提条件であり、目的に
よっては、継手の外径的制約からボックス側の強度を低
くせねばならぬこともあるが、ねじ部の機構は変わらな
い。

【００２７】(ii)圧縮力に対しては、従来用いられてい
る軸方向に隙間のあるねじでは、管体強度近くの圧縮力
を受けるとはじめに負荷を受けるトルクショルダ部は管
体よりは当然、接触面積が小さく負荷を支えきれず降伏
し塑性変形を生ずる。この塑性変形の軸方向の大きさは
ねじ部の軸方向の隙間に左右され、隙間があるかぎりこ
れは避けられない。このトルクショルダ部の変形はメタ
ルシール部のピン側とボックス側との間でゆるむ側の軸
方向ずれを生じ、特に何度も再使用可能にするために選
択される急なシールテーパの場合、そのゆるみ方が顕著
であり、圧縮負荷後の引張下の耐リーク性に重大な影響
を及ぼす。

【００２８】従って、圧縮力を直接メタルシール部へ影
響させぬためには締結の途中から締結終了後に至るまで
常にねじ挿入面側が接触し、ある程度の面圧を保持して
いることが必要である。また、管体強度と同等程度の高
い圧縮力に耐えるには、少なくとも引張軸力の場合に必
要なねじ長さは必要と想像される。この場合、特開平９
−119564号公報にて検討した内容を活用できる。

【００２９】(iii) 耐内圧性 (気密性) については、ピ
ン先端部にメタルシール部を設け、ピン側とボックス側
との間に適切な正の干渉量を持たせることで十分な気密
性が得られることが知られており、一般にはこれを採用
することで解決できる。

【００３０】ただし、ねじ部の干渉量の存在は、メタル
シール部のピン側とボックス側とを離す方向の作用をお
よぼすことから、メタルシール部の干渉量がねじ部の干
渉量より大きくなくてはならない。

【００３１】(iv)耐外圧性を確保するためには、特開平
９−119565号公報にて検討し結論づけたリップ率52％以
上を確保する方法、あるいは特願平８−251163号にて検
討し、結論づけたシールリップ部の形状因子寸法的制約
条件を考えかつ、実験と解析とで見出した一次関数的相
互関係を与える方法により、耐外圧シール性はAPI5C3に
て計算されるAPI 管体コラプス圧以上が確保されること
が理解できる。

【００３２】(v) 以上 (i)、(ii)、(iii) 、(iv)は、全
て単独負荷あるいは静的負荷についての検討結果であ
り、実際の油井・ガス井等の開発・採集 (生産・圧入作
業) 時には様々な変動負荷が加わり、特に最近の開発技
術の発展進歩によりその傾向は顕著である。従って、変
動負荷に対してもまず上記 (i)〜(iv)の性能を保持でき
てはじめて継手としての性能を信頼できることとなる。

【００３３】そこで、この変動負荷に対する安定性を確
保するには、大きな軸力の変化を受けてもねじ部がゆる
まないこと、いいかえれば締結した時に与えたトルクが
無くならないことが必要である。

【００３４】なお、ねじ継手が加工されている管体は通
常鋼管であり、従って引張・圧縮という正反対の負荷
が、しかも共に降伏点近くの大きな負荷が繰り返し加わ
ればその材料の性質・性能自体が変化してゆき、元のま
まの性質・性能を保持し得ないことは明白な事実であり
避けられない。

【００３５】一方、油井・ガス井等に用いられるケーシ
ングパイプ (井戸を構成する構造用パイプ) やチュービ
ングパイプ (地下流体の生産用パイプ) がその長い使用
期間中にうける、管体が降伏するほどの引張・圧縮負荷
の回数は、さほど多くはなく、おおむね数回であり管体
自体十分に耐えうる範囲である。

【００３６】従って、そのような管体の継手部で考える
変動負荷も同様であり、管体の降伏点近くまでもの高い
変動負荷については数回の繰り返し負荷に耐えられれば
十分であると言える。

【００３７】以上の変動負荷に対する安定性を確保する
ためには上記(i) 、(ii)、(iii) 、(iv)に述べたことば
かりでなく、ねじ長さについて下記の条件を加える必要
があることが判明した。

【００３８】 完全噛合ねじ長さ Ｓ＞管体の肉厚の３倍以上 ・・・管体の肉厚・外径比 0.096以上の時 同上 Ｓ＞管体の肉厚の４倍以上 ・・・管体の肉厚・外径比 0.084以上の時 同上 Ｓ＞管体の肉厚の５倍以上 ・・・管体の肉厚・外径比、上記以外の時 但し、管体・肉厚外径比が0.052 以下の場合はリップ部
の増肉により、リップ部内面を可能な範囲で管内面以下
とする。なお、 (管体の肉厚) ／ (外径) の比を、本明
細書では単に管体の肉厚・外径比あるいは管肉厚対管外
径比と称する。

【００３９】ここに、本発明は、上述のような知見に基
づくものであり、その要旨は次の通りである。 (1) ねじ形状が概ね台形状のテーパねじからそれぞれ成
る、雄ねじを有するピン部と雌ねじを有するボックス部
とを備え、ピン部に設けたメタルシール部形成用のねじ
無し部と、ボックス部に設けたメタルシール部形成用の
ねじ無し部とでメタルシール部を構成し、かつピン部の
先端に設けたトルクショルダ部形成用のねじ無し部とボ
ックス部に設けたトルクショルダ部形成用のねじ無し部
とを突き合わせてトルクショルダ部を構成する油井管用
ねじ継手において、下記各項目を満足することを特徴と
する油井管用ねじ継手。

【００４０】(イ) ねじの荷重面フランク角が−20℃以上
０℃未満、挿入面フランク角が25°を越え45°以下で、
さらに雄ねじと雌ねじとの間に正のねじ干渉量を有し、
継手の締結途中および締結完了時に雄ねじと雌ねじの荷
重面および挿入面が相互に共に接触すると共に、ねじの
頂面と底面とに共に隙間を設けること。

【００４１】(ロ) ねじ干渉量 (δ) として下記(1) また
は(2) 式を用いてねじ部全長について算出した値のう
ち、最も小さい値の２倍をその上限値とし、該上限値の
５％をその下限とすること。

【００４２】

【数１】

【００４３】 ここで、 δ：半径分ねじ干渉量(mm) σy ：継手材料の降伏強度(kgf/mm²) Ｅ：継手材料のヤング率(kgf/mm²) D ：ボックス外径(mm) ｄ：ピン内径(mm) dp ：ねじのピッチ円直径(mm) La²：(dp²−d²) Lb²： (D²−dp²) 但し、ねじ干渉量はメタルシール部の干渉量より小さい (ねじ干渉量＜メタル シール部干渉量) 。

【００４４】(ハ) ピン部の雄ねじとボックス部の雌ねじ
との完全ねじの噛み合い長さが締結時に管本体肉厚の (a) ３倍以上：管肉厚対管外径比が 0.096以上のとき、 (b) ４倍以上： 〃 0.084以上、0.096 未
満のとき、 (c) ５倍以上：上記(a) 、(b) 以外のとき、であるこ
と。ただし、管肉厚対管外径比0.052 以下のものはピン
部のシールリップ部内径を可能な範囲で管内径以下とす
る。

【００４５】(ニ) トルクショルダ部のショルダ角度を
θ：５〜20°とし、かつシールリップ部のリップ部の根
元の厚さ(S1)と管肉厚(Wt)との間の下記式で定義したリ
ップ率を0.52以上とする。 (S1/DB)／(Wt/OD) ≧0.52 ここで、DB：リップ部の根元の外径 OD：管外径 但し、Wt/OD が小さく且つWtが薄肉の場合、管端スエー
ジ等の前加工により上記で定めたリッブ率が≧0.52を満
足させる。

【００４６】または、 (ホ) ピン部先端のねじ無し部、およびボックス部奥のね
じ無し部の形状を決める各因子、リップ長さ：We(mm):
シール長さ：Ｓ(mm)、シールテーパ：Ts、ショルダ角
度：θ( °) 、リップ率：Ｒがそれぞれ下記の範囲にあ
り、かつこれ等による一次多項式である関数ｆがｆ＞1.
2 を満足すること ６mm≦We(mm)≦30mm、 ３mm≦Ｓ(mm)≦10mm 1/16≦Ts≦１、 ０°≦θ (°) ≦20°、 0.25≦Ｒ≦
0.75 ここで ｆ＝−3.26×10^-1＋3.19×10^-2 (1/°) ×θ (°)＋1.4
3×Ｒ−4.67×10^-4(1/mm)×We(mm)＋8.39×10^-2(1/mm)
×Ｓ(mm)−6.22×10^-1×Ts Ｒ＝｛ (ピン側リップ部の根元の肉厚) ／ (リップ部の
根元の外径) ｝／｛ (管本体肉厚) ／ (管本体外径) ｝ を特徴とする、油井管用ねじ継手である。

【００４７】

【発明の実施の形態】次に、本発明にかかる上述の各構
成要件 (イ) ないし (ホ) についてその限定理由を詳述
する。構成要件(イ) 、(ロ) によって、ねじの締結の途中
から締結終了までねじ荷重面と挿入面両方でピン側とボ
ックス側とが接しており、引張力のみならず圧縮力をも
ねじ部でその負荷の初期から負荷する機構となる。従っ
て、メタルシール部を有するショルダ部に過剰な負荷が
加わらずショルダ部の変形やそれに起因すると思われる
圧縮負荷後、引張負荷中のシール性の破壊ないし減退を
防止できる。

【００４８】ここで、挿入面フランクの角度を45°以下
と限定したのは、圧縮力を負担した場合にその力がねじ
面で管半径方向に分担されボックス部をおし広げる作用
が働き、特に45°を越えるとその作用が圧縮力以上にな
ると考えられるため、45°以下に制限した。25°超に限
定するのは焼付きを防止するためである。ねじの荷重面
フランク角は、継手の引張性能を確保するため、−20°
以上で０°未満とした。好ましくは−10°以上、−３°
以下である。

【００４９】本発明において継手締結完了時に１対１で
対応して噛み合う雄ねじと雌ねじのそれぞれのピッチ円
直径の差で定義されるねじ干渉量を正値とすること、す
なわち、所定のねじ干渉量をもたせることとしているの
は、継手の締結途中でもねじ部にある程度のトルクを発
生させて、締結トルクを増加させるためである。

【００５０】継手のねじ干渉量の上限値は、前述の(1)
、(2) 式から求められる値のうち最も小さい値の２倍
とする。ここで、最も小さい値とは、テーパねじの場合
にはピッチ円直径は直線的に変化するため、ねじ部全長
に亘って(1) 、(2) 式で算出した値の最も小さい値のこ
とであり、通常、ピン部およびボックス部の先端になる
ほどその肉厚が減少するので、それぞれの先端部での諸
元に基づいて算出された値となる。

【００５１】一方、ねじ干渉量が小さ過ぎると、締結完
了時に発生するねじの接触面圧が小さくなり、ねじ部に
適度のトルクを発生させることができない。そこで、ね
じ干渉量の下限を、上記(1) 、(2) 式から算出されたね
じ干渉量の上限の５％とする。

【００５２】継手締結途中および締結完了時に雄ねじと
雌ねじの荷重面と挿入面の両方を相互に接触させるの
は、一つには、継手の圧縮性能を確保するためである。
すなわち、継手に圧縮力が作用しても、雄ねじと雌ねじ
が互いに軸方向にずれることなく、圧縮力をねじ部で分
担させるためである。これにより、前述のように規定さ
れた挿入面フランク角の効果を十分に発揮させることが
できる。

【００５３】また、いま一つの理由は、締結途中でも荷
重面と挿入面を接触させることにより、ねじ面での接触
面圧を適度に増加させ、締結完了時の締結トルクを高く
保持し、継手の緩みを防止するためである。

【００５４】(ハ) 本発明によれば、ねじの荷重面、挿入
面の両方の面でピン部とボックス部とが接している故、
締結トルクはゆるみにくく、また高い圧縮負荷を受けて
もシールリップ部のトルクショルダ部の変形が無い故に
締結トルクを高い割合で保持できる傾向を持つ。しか
し、実際のねじ継手にて圧縮負荷除荷後、引張負荷中の
シール性を確保する (いいかえれば、ねじ継手性能の安
定性を確保する）ためには、一定以上のねじ長さが必要
であり、それは引張負荷の場合の例から管肉厚の３倍以
上であることは容易に想像つくが、引張の場合、ねじの
荷重負荷面のフランク角は通常＋３°〜−10°程度であ
り、引張力が加わってもそれが径方向への力となってピ
ン部およびボックス部を拡げる作用は小さいと言える。
また、圧縮力の負担面である挿入面の角度も、より小さ
い、管軸に立った角度にした方がよい。それは、圧縮力
を受けた時にその力が挿入面で分散されてボックス部を
押し広げる作用が少なくなり、ボックス部に生ずるフー
プ応力が小さくできることやピン部のねじ部を軸芯方向
に押し込む作用も小さくなり、大きな繰り返し圧縮負荷
に対する耐性が高くなるからである。

【００５５】しかし、ねじ加工上のねじ幅の公差の最大
値は工場での大量生産を考えれば最小限0.06mmまでは必
要であることや、ねじの荷重面と負荷面の両面でピン部
とボックス部とが接する機構を保持するためには、ねじ
頂面と底面とに隙間を設け、上記ねじ幅方向の加工公差
による隙間代を吸収する必要がある。しかし、この頂
面、底面の隙間を大きく取ることは、ねじの有効噛み合
い幅は一定であるから、ねじ山高さをそれだけ余計に高
くすることになり、ねじ長さも長く、相対的に長大なね
じとなりコスト上も不利である。従い、この頂面、底面
の隙間は0.1 mm程度としたい。荷重面の角度を−３°と
すると、上記条件から挿入面フランク角θは下記式より
33.12°以上必要となる。

【００５６】

【数２】

【００５７】従って耐圧縮性の場合、必要ねじ長さは耐
引張性に比べより長い。引張負荷時に比べ、より大きな
力が径方向に働く。しかも、この力はピン側ねじの根元
側、およびボックス側ねじのメタルシール部に近い側で
顕著となり、管体強度に近い高い圧縮力が働けば、それ
だけ大きな力が狭い部分に働くことになる故、その部分
のフランク面の接触状態に変化を生じ、締結トルクもそ
の部分では小さくなってしまうことは想像に難くない。
つまり、何回か大きな圧縮負荷を受ければピン部とボッ
クス部とのねじ結合部分の両端部から徐々にその締結ト
ルクが無くなってゆくと考えられる。

【００５８】従って、耐圧縮負荷の場合に必要なねじ長
さとしては、上記締結が高い圧縮負荷で弛緩してゆく部
分の長さを見込んだものでなければならず、結果として
より長いねじ長さが必要となる。

【００５９】この場合、圧縮力により生ずる径方向の力
でねじ部が変形を生ずる生じ易さはその部分の環状体の
剛性によると考えられ、詳細な検討の結果、 管体肉厚・管外径比：Ｒ≧0.096 の場合 必要な完全ねじ噛合長さＬ≧管体肉厚の３倍 管体肉厚・管外径比： 0.096＞Ｒ≧0.084 の場合 必要な完全ねじ噛合長さＬ≧管体肉厚の４倍 管体肉厚・管外径比： 0.084＞Ｒ≧0.052 の場合 必要な完全ねじ噛合長さＬ≧管体肉厚の５倍 管体肉厚・管外径比：Ｒ＜0.052 の場合 必要な完全ねじ噛合長さＬ≧管体肉厚の５倍 但し、この場合、ピン部のシールリップ部内径は、管本
体基準内径まで下げて、 (インターナルフラッシュ状
態) 圧縮力の一部をトルクショルダ面で支え、ねじ部の
負担を軽くする必要がある、ということが判明した。

【００６０】継手性能のうち残る耐外圧性について単純
負荷状態にて耐外圧シール性さえ確保されていれば、上
記構成要件(イ) 〜(ハ) によりねじ継手の安定性が確保さ
れている限り失われるものではない。

【００６１】従って、前述の構成要件(ニ) または(ホ) が
成立することが耐外圧性を保持するための十分条件であ
る。以上により本発明の目的は、(イ) 〜(ニ) または(イ)
〜(ハ) と(ホ) が成立することにより達成できる。

【００６２】図３はピン部の寸法関係の説明図であり、
以下における本発明の説明に関連させて説明すると次の
通りである。ピン部11は管外径(OD)、管内径(ID)、肉厚
(Wt)を有し、シールリップ部17を単にリップ部と云い、
その長さ(We)をリップ長さと云い、リップ部は根元外径
(DB)、根元肉厚(S1)および根元内径(Dy)を有している。
そしてメタルシール部13の長さをシール長さ(S) 、その
テーパをシールテーパ(Ts)と云う。

【００６３】ここに、構成要件(ニ) においてリップ率を
0.52以上とするのは、API 規定の最小コラプス圧に対し
てピン部のリップ部の変形を小さくし、メタルシール部
のシール性を保持するに必要な剛性をシールリップ部に
もたせるためであり、もちろんショルダ角度 (θ) が５
〜20°であることと共に所定の耐外圧機能を持たせるも
ので、リップ厚単独ではそのようなすぐれたシール性を
保持できるとは限らない。つまりピン部のシールリップ
部がある程度大きく変形するとメタルシール部のシール
機構がこわされて耐外圧シール性を保持できなくなる。
このリップ率の上限は特に制限はないが、好ましくは55
〜65％である。但し、Wt/OD が小さく且つWtが薄肉の場
合、上記で定めたリッブ率が≧0.52を満足しないときは
管端スエージ等の前加工により≧0.52を満足させる。

【００６４】また構成要件(ホ) における限定理由は次の
通りである。ショルダ角θのとりうる値の範囲を０°以
上20°以下とするのは、次の理由による。すなわち、上
限を20°とするのは、ショルダ角が20°を超えると、と
くにボックス側トルクショルダ部の最奥肩部で過度の塑
性変形を生じ、トルクの制限機能が損なわれて使用でき
なくなるからである。下限を０°とするのは、ショルダ
角が０°未満 (すなわち、管軸に垂直な断面を挟んで反
対側への角度＝ａ＞０) になると、ピン側のメタルシー
ル部形成面をボックス側のメタルシール部形成面から引
き離す方向に作用するためにメタルシール部の密封面圧
が低下し、その結果十分な気密性能が得られなくなるか
らである。

【００６５】リップ率Ｒを0.25以上0.75以下とするの
は、次の理由による。すなわち、上限を0.75とするの
は、実用上、0.75超のリップ厚比を考慮する必要がない
ためである。一方、下限を0.25とするのは、ピン部先端
のリップ部の厚みがこれよりも薄いと、リップ部の剛性
が小さくなりすぎ、わずかな締め過ぎに対してもピン部
先端のリップ部に過度の塑性変形が生じ気密性能が低下
するという、いわゆるオーバートルク性能が悪化するか
らである。

【００６６】リップ長さWeのとりうる値の範囲を６mm以
上30mm以下とするのは、次の理由による。すなわち、
[メタルシール部形成部端からねじの切れ上がりまでの
間] である[ねじ無し平行部] に接して形成されるピン
部およびボックス部のすき間 (空間) のことを [ねじラ
ンアウトグルーブ] と呼ぶが、リップ長さは、 (リップ
長さ) ＝ (メタルシール部長さ) ＋ [ねじランアウトグ
ルーブ＝ねじ無し平行部] で表される。このねじランア
ウトグルーブは、ボックス側のねじ切り加工時の、チェ
ザーと呼ばれるねじ切り工具の切削屑の逃げ場の役目を
果している。したがってリップ長さの下限を６mmとする
のは、最低限必要な大きさのねじランアウトグルーブを
確保するためである。反対に上限を30mmとするのは、ね
じランアウトグルーブ長さをいたずらに長くしても継手
の気密性能、耐引張性能、耐圧縮性能はほとんど向上せ
ず、逆に材料コストが増加するだけだからである。

【００６７】シール長さＳのとりうる値の範囲を３mm以
上10mm以下とするのは、次の理由による。すなわちシー
ル長さの上限を10mmとするのは、シール長さが長いとメ
タルシール部形成部の接触面が大きくなるとともに接触
面圧が小さくなり、気密性能が低下してしまうからであ
る。また、もし気密性能を確保できるだけの接触面圧を
得るためにメタルシール部形成部の嵌合しろを大きくす
ると、今度はメタルシール部形成面で焼き付きが発生し
てしまうからである。

【００６８】一方、シール長さの下限を３mmとするのは
次の理由による。すなわち、シール長さが短すぎると、
メタルシール部形成面の接触形態が線接触に近い状態に
なり、接触圧が高くなりすぎてメタルシール部形成面の
焼き付きあるいは過度の塑性変形が生じてしまうからで
ある。

【００６９】最後に、シールテーパTsのとりうる値の範
囲を1/16以上１以下とするのは、次の理由による。すな
わち、シールテーパの上限を１とするのは、これより大
きいと締結されたる継手を含む管本体に軸方向に引張力
が作用したときに、メタルシール部形成面の接触面圧の
低下率が大きく、気密性能が大幅に低下してしまうから
である。一方、シールテーパの下限を1/16とするのは、
1/16より小さいとメタルシール部形成面が接触しながら
回転する距離、すなわち摺動距離が長くなり、メタルシ
ール部形成面で焼き付きが生じる原因になるからであ
る。

【００７０】本発明の不等式(ニ) のなかに示される関数
ｆは、内部シールの形状の範囲内で様々な形状のリップ
部を有するカップリング形式の油井管用ねじ継手を作製
し、外圧負荷の実体試験を行い、その結果を解析するこ
とによって決定された。

【００７１】

【実施例】図１に示したカップリング方式の継手で、ね
じの肉厚を表１のように種々変更した継手を試作した。
この時、ねじ継手のその他の諸元は次の通りである。

【００７２】 管体外径 177.8mm 肉厚 表１ ねじフォーム 荷重面フランク角 −３° 挿入面フランク角 35° ねじ高さ 1.575 mm ねじピッチ 5.08mm (５山／インチ) 頂部隙間 0.10mm 底部隙間 0.10mm ねじタイプ ねじ荷重面と挿入面の両面接触ねじ ねじ干渉量 0.20mm メタルシール部干渉量 0.60mm 管およびカップリングの材質 13Cr鋼 (降伏強度56kgf/mm²) 従って、ねじは本発明の構成要件(イ) 、(ロ) を満たし、
また(ニ) を満たすべくリップ率 (Ｒ) を一定にしたサン
プルである。なお、ねじテーパは、以上より各サンプル
で一律に決まる。例Ａにおいては、管端スエージ加工を
行った。

【００７３】 リップ率：Ｒ＝｛1/2(DB-Dy)／DB｝／(Wt/OD) ボックスの外径はそれぞれの寸法でボックスの危険断面
部強度が管体強度の102 ％となるように設定、試作し
た。

【００７４】図３は本例で用いる継手の寸法を示す模式
的説明図である。これ等のねじ継手を、繰返し締結試験
・ (引張／圧縮＋内圧) ・ (引張／圧縮＋外圧) 試験、
圧縮除荷後の引張内圧試験、繰返し引張・圧縮下のねじ
戻し試験を行い、その性能を評価した。

【００７５】ここで、繰返し締結試験は潤滑用グリスを
ねじ部に塗布し、継手の締結・解放をねじ部またはシー
ル部に焼付きが生じるまで繰り返し行った。なお、最大
繰り返し回数は10回とした。

【００７６】また、 (引張／圧縮＋内圧) ・ (引張／圧
縮＋外圧) 試験は、95％ Vom Mises相当応力楕円上、内
圧を保持しつつ管体強度の95％引張から95％圧縮までを
往復負荷した後、API5C3で規定のAPI コラプス圧100 ％
の楕円上をやはり、引張85％から圧縮100 ％までを往復
負荷し、各複合負荷状態での内外圧の濡れの有無を調査
した。また、圧縮除荷後の引張＋内圧試験では、あらか
じめ95％管体強度の圧縮力を加え除荷した後、つづけて
95％引張を加え内圧をVME 95％となるように加え引張力
を下げつつ内圧力を上げ、VME 95％のままで変化させ、
95％CEYPまで軸力を下げ、後内圧も下げる、との試験を
３回繰り返した。

【００７７】また、繰返し引張・圧縮下のねじ戻し試験
では、一定トルクで締結した継手に締結トルクの60％相
当の一定逆方向トルクを加えて、保持したまま、引張力
と圧縮力とが管体強度の70％から５％ピッチで上昇させ
つつ交互に加え、ねじのゆるみがどの時点で生じるかを
調べた。

【００７８】図４は、 (引張／圧縮＋内圧) ・ (引張／
圧縮＋外圧) 試験の荷重負荷条件を図解して示す模式図
である。 (圧縮／引張＋内圧) 試験：０→１→２→３→４→５→
６→７→０→７→６→５→４→３→２→１→０ (圧縮／引張＋外圧) 試験：０→イ→ロ→ハ→ニ→ホ→
０→ホ→ニ→ハ→ロ→イ→０→イ→ヘ→ト→チ→リ→０
→リ→チ→ト→ヘ→イ→０ 以上の結果を表２に示す。この表に示す結果から明らか
なように本発明例では全く良好な結果であったが、比較
例では、いずれかの試験で不具合が生じている。

【００７９】例えば、継手Ｈでは１回目の圧縮後の引張
内圧で漏れを生じておりかつ、ねじり試験では70％圧縮
負荷後ゆるみが生じている。その他の継手ＩからＭまで
多少の違いはるが、ほぼ同様の結果である。一方、本発
明側の継手は (引張／圧縮＋内圧) ・ (引張／圧縮＋外
圧) 試験で、ほぼVME 相当応力楕円および、API コラプ
ス圧楕円の全ての領域を満足することを示し得た上に
(比較例の各継手もこの範囲においては同様に満足のい
く結果であったが) 95％単純圧縮負荷後の引張内圧試験
においても漏れ等が生じない。

【００８０】また、一方ゆるみ試験においても高軸力ま
でゆるみが生じず軸力に対する安定性が高いことが示さ
れた。従って、変動負荷に対し十分な安定性を有すると
言える。

【００８１】次に、構成要件(ニ) に代えて構成要件(ホ)
を満足する継手について上記と同様にして肉厚を変更し
たところ、同様の結果が得られ、この点についての本発
明の有効性が確認された。

【００８２】

【表１】

【００８３】

【表２】

【００８４】

【発明の効果】本発明による油井管用ねじ継手は、Vom
Mises の相当応力楕円で表された内圧と軸力の全領域と
API5C3の管体コラプスの式で表された外圧と軸力の全領
域を満足すると共に軸力の変動下、特に管体強度の95％
という高い圧縮力の負荷を受けた後でも気密性を保ち、
さらに引張・圧縮の軸力変動下でも緩みにくいという緩
みトルクに対する高い抵抗力を有すため、今後ますます
厳しくなる井戸開発条件に対しても十分に使用できるも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１(a) は、カップリング方式の油井管用ねじ
継手の基本的構成を示す軸方向断面図、図１(b) は、ボ
ックス部の拡大断面図、図１(c) は、ピン部の拡大断面
図である。

【図２】ミーゼスの降伏領域とAPI5C3 100％コラプス圧
領域を図解して示すグラフである。

【図３】実施例においてもちいた継手形状の模式的説明
図である。

【図４】実施例における実験の要領の説明図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ねじ形状が概ね台形状のテーパねじから
   それぞれ成る、雄ねじを有するピン部と雌ねじを有する
   ボックス部とを備え、ピン部に設けたメタルシール部形
   成用のねじ無し部と、ボックス部に設けたメタルシール
   部形成用のねじ無し部とでメタルシール部を構成し、か
   つピン部の先端に設けたトルクショルダ部形成用のねじ
   無し部とボックス部に設けたトルクショルダ部形成用の
   ねじ無し部とを突き合わせてトルクショルダ部を構成す
   る油井管用ねじ継手において、下記各項目を満足するこ
   とを特徴とする油井管用ねじ継手。 (イ) ねじの荷重面フランク角が−20℃以上０℃未満、挿
   入面フランク角が25°を越え45°以下で、さらに雄ねじ
   と雌ねじのそれぞれのピッチ内直径の差で定義されるね
   じ干渉量が正の値を有し、継手の締結途中および締結完
   了時に雄ねじと雌ねじの荷重面および挿入面が相互に共
   に接触すると共に、ねじの頂面と底面とに 共に隙間を設けること。(ロ) 前記ねじ干渉量として下記
   (1) または(2) 式を用いてねじ部全長について算出した
   値のうち、最も小さい値の２倍をその上限値とし、該上
   限値の５％をその下限とすること。 【数１】 ここで、 δ₁,δ₂ ：半径分見掛けねじ干渉量(mm)、σy ：継手材料の降伏強度(kgf/m m²) Ｅ：継手材料のヤング率(kgf/mm²) 、Ｄ：ボックス外径(mm) ｄ：ピン内径(mm)、 dp：ねじのピッチ円直径(mm) La²：(dp²−d²) Lb²： (D²−dp²) 但し、ねじ干渉量はメタルシール部の干渉量より小さい。 (ハ) ピン部の雄ねじとボックス部の雌ねじとの完全ねじ
   の噛み合い長さが締結時に管本体肉厚の (a) ３倍以上：管肉厚対管外径比が 0.096以上のとき、 (b) ４倍以上： 〃 0.084以上、0.096 未
   満のとき、 (c) ５倍以上：上記(a) 、(b) 以外のとき、であるこ
   と。ただし、管肉厚対管外径比0.052 以下のものはピン
   部のシールリップ部内径を可能な範囲で管内径以下とす
   る。 (ニ) トルクショルダ部のショルダ角度をθ：５〜20°と
   し、かつシールリップ部のリップ部の根元厚さ(S1)と管
   肉厚(Wt)との間の下記式で定義したリップ率を0.52以上
   とする。 (S1/DB)／(Wt/OD) ≧0.52 ここで、DB：リップ部の根元の外径 OD：管外径 但し、Wt/OD が小さく且つWtが薄肉の場合、管端スエー
   ジ等の前加工により上記で定めたリッブ率が≧0.52を満
   足させる。
2. 【請求項２】 ねじ形状が概ね台形状のテーパねじから
   それぞれ成る、雄ねじを有するピン部と雌ねじを有する
   ボックス部とを備え、ピン部に設けたメタルシール部形
   成用のねじ無し部と、ボックス部に設けたメタルシール
   部形成用のねじ無し部とでメタルシール部を構成し、か
   つピン部の先端に設けたトルクショルダ部形成用のねじ
   無し部と、ボックス部に設けたトルクショルダ部形成用
   のねじ無し部とを突き合わせてトルクショルダ部を構成
   する油井管用ねじ継手において、下記各項目を満足する
   ことを特徴とする油井管用ねじ継手。 (イ) ねじの荷重面フランク角が−20℃以上０℃未満、挿
   入面フランク角が25°を越え45°以下で、さらに雄ねじ
   と雌ねじとの間に正のねじ干渉量を有し、継手の締結途
   中および締結完了時に雄ねじと雌ねじの荷重面および挿
   入面が相互に共に接触すると共に、ねじの頂面と底面と
   に共に隙間を設けること。 (ロ) ねじ干渉量として下記(1) または(2) 式を用いてね
   じ部全長について算出した値のうち、最も小さい値の２
   倍をその上限値とし、該上限値の５％をその下限とする
   こと。 【数１】 ここで、 δ：半径分ねじ干渉量(mm) σy ：継手材料の降伏強度(kgf/mm²) Ｅ：継手材料のヤング率(kgf/mm²) D ：ボックス外径(mm) ｄ：ピン内径(mm) dp ：ねじのピッチ円直径(mm) La²：(dp²−d²) Lb²： (D²−dp²) 但し、ねじ干渉量はメタルシール部の干渉量より小さい。 (ハ) ピン部の雄ねじとボックス部の雌ねじとの完全ねじ
   の噛み合い長さが締結時に管本体肉厚の (a) ３倍以上：管肉厚対管外径比が 0.096以上のとき、 (b) ４倍以上： 〃 0.084以上、0.096 未
   満のとき、 (c) ５倍以上：上記(a) 、(b) 以外のとき、であるこ
   と。ただし、管肉厚対外径比0.052 以下のものはピンの
   リップ部内径を可能な範囲で管内径以下とする。 (ホ) ピン部先端のねじ無し部、およびボックス部奥のね
   じ無し部の形状を決める各因子、リップ長さ：We(mm):
   シール長さ：Ｓ(mm)、シールテーパ：Ts、ショルダ角
   度：θ( °) 、リップ率：Ｒがそれぞれ下記の範囲にあ
   り、かつこれ等による一次多項式である関数ｆがｆ＞1.
   2 を満足する。 ６mm≦We(mm)≦30mm、 ３mm≦Ｓ(mm)≦10mm 1/16≦Ts≦１、 ０°≦θ (°) ≦20°、 0.25≦Ｒ≦
   0.75 ここで ｆ＝−3.26×10^-1＋3.19×10^-2 (1/°) ×θ (°)＋1.4
   3×Ｒ−4.67×10^-4(1/mm)×We(mm)＋8.39×10^-2(1/mm)
   ×Ｓ(mm)-6.22×10^-1×Ts Ｒ＝｛ (ピン側リップ部の根元の肉厚) ／ (リップ部の
   根元の外径) ｝／｛ (管本体肉厚) ／ (管本体外径) ｝