JP2008185204A

JP2008185204A - 油井管用特殊ねじ継手

Info

Publication number: JP2008185204A
Application number: JP2007022015A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Matsui; 博之松井
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2008-08-14

Abstract

【課題】ピン側の表面性状に起因するガスリークパスを抑止する効果が十分あり、しかも表面改質処理が容易でシール性をさらに向上させ得る油井管用特殊ねじ継手を提供する。
【解決手段】鋼管の管端に雄ねじ部とメタル‐メタル接触によりシール部（４）となる角部を有するピン（１）、およびボックス側（２Ａ）に前記雄ねじ部とねじ結合する雌ねじ部と前記角部とメタル‐メタル接触する環状凹部を有するカップリング（２）とから構成される油井管用特殊ねじ継手において、少なくとも前記シール部（４）となる角部の締結前表面粗さがＲａ１．０〜３．０μｍであり、かつ前記ボックス側（２Ａ）の素地上に厚さ５〜２０μｍのホワイトメタル層が形成されてなる油井管用特殊ねじ継手。
【選択図】図２

Description

本発明は、油井管を接続する油井管用特殊ねじ継手に関する。

近年、開発の容易な油井、ガス井が減少するとともに、より高深度でかつ高温高圧の井戸が増加している。また、掘削技術の進歩に伴い、傾斜井戸、水平井戸など、より複雑な形状の井戸が増加している。これに伴い、油井管のねじ継手に対する要求、例えば、引張、圧縮、内外圧、曲げなどの複合荷重下における気密性などの要求もますます高度化している（非特許文献１）。

油井管用特殊ねじ継手には、図１（ａ）に示すような構造を有するものがある。
この特殊ねじ継手は、雄ねじ部を有するピン１と、この雄ねじ部とねじ結合する雌ねじ部を有するカップリング２とから構成され、シール性を向上させるため、メタル‐メタル接触によりシール部４となる角部がピン１に、この角部とメタル‐メタル接触する環状凹部がカップリング２のボックス側２Ａに設けてある。またシール部４に連なるショルダー部５もメタル‐メタル接触することでガスシール部を形成する。

この特殊ねじ継手の雄ねじ部と雌ねじ部は、テーパねじとされている。ピン１に設けた雄ねじ部をピンねじ部、カップリング２のボックス側２Ａに設けた雌ねじ部をボックスねじ部と呼ぶ。
なお、図１（ｂ）は、ねじ結合部３の状態を示す要部断面図、また図１（ｃ）は、メタル‐メタル接触することで形成されたシール部４とショルダー部５の接触状態を示す要部断面図である。

このねじ結合部３以外のガスシール部となる部分は、一般に先端Ｒ０．８ｍｍ程度のポイントカットツールと呼ばれる菱形の工具で送り０．１ｍｍ／回転程度で切削加工され、加工後の表面粗さがＲａ≦１．６μｍに仕上げられる。
また、９％以上のＣｒを含有する高合金鋼油井管については、継手の締結時に、ゴーリングと呼ばれるかじりがねじ結合部３やシール部４、ショルダー部５に発生しやすいことが知られている。そしてゴーリングを防止するため、通常、鋼管の製造工程で、ガラス、アルミナ、セラミック、ステンレス等からなるショット粒を用いたブラスト処理がピンねじ部の表面に施され、一方、ボックス側２Ａの素地表面には銅めっき等のめっき処理が施される（特許文献１）。

なお、ブラスト処理後のピンねじ部の表面粗さはＲａ１．０〜３．０μｍ程度まで上昇する。継手を締結する時には、このピンねじ部表面の微小な凹みが一種の油溜りとなり、その凹みに溜まった油の潤滑作用により、ゴーリングが防止できると考えられている。
ＪＦＥ技報Ｎｏ．９（２００５年８月）ｐ.４６−５０特開平２００３−７４７６３号公報

しかし、ピンねじ部表面およびシール部に微小な凹みが連続して存在した場合、継手締結後のガスのリークパスとなり、シール性低下の要因となる。
もう一方のボックス側２Ａの素地表面には、厚さ５〜２０μｍ程度のＣｕめっき，Ｃｕ‐Ｓｎめっき等のめっきが施される。このゴーリングを防止するめっきは、継手の締結時に、締付け-締戻し作業を繰り返しても、素地を露呈させるようなものでない、硬質めっきとされる。この硬質めっきは、ゴーリングに起因して生じるガスリークパス発生を抑止する効果はあるものの、ピン側の表面性状に起因するガスリークパスを抑止する効果はない。

そこで本出願人は、ピン側の締結前の表面粗さがＲａ１．０〜３．０μｍであり、かつボックス側の素地上に厚さ５〜２０μｍのゴーリング防止用めっき層およびさらにその上に厚さ１μｍ以上の軟質めっき層を有する油井管用特殊ねじ継手を提案した（特願２００６−２３４７７４号：平成１８年８月３１日）が、めっき層が２層で、めっき層の形成が容易でなかった。

そこで本発明は、上記問題点に鑑み、ピン側の表面性状に起因するガスリークパスを抑止する効果が十分あり、しかも表面改質処理が容易でシール性をさらに向上させ得る油井管用特殊ねじ継手を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、鋼管の管端に雄ねじ部とメタル‐メタル接触によりシール部となる角部を有するピン、およびボックス側に前記雄ねじ部とねじ結合する雌ねじ部と前記角部とメタル‐メタル接触する環状凹部を有するカップリングとから構成される油井管用特殊ねじ継手において、少なくとも前記シール部となる角部の締結前表面粗さがＲａ１．０〜３．０μｍであり、かつ前記ボックス側の素地上に厚さ５〜２０μｍのホワイトメタル層が形成されてなることを特徴とする油井管用特殊ねじ継手である。

本発明によれば、ピン側の表面性状に起因するガスリークパスを抑止する効果が十分あり、しかも表面改質処理が容易でガスシール性をさらに向上させ得る。このため、鋼管の製造工程の切削加工ないしブラスト処理で、ピン側の表面性状にばらつきが生じても、安定して優れたシール性を発揮できる油井管用特殊ねじ継手が得られる。

本発明は、少なくとも、メタル‐メタル接触によりシール部４となるピン側の角部をブラスト処理し、その締結前表面粗さをＲａ１．０〜３．０μｍとし、かつボックス側の素地上に厚さ５〜２０μｍのホワイトメタル層を形成してなる。
この本発明にかかる油井管用特殊ねじ継手は、ピン１の角部以外の部分、すなわちピンねじ部などにも鋼管の製造工程でブラスト処理を施すのは構わない。一方、カップリング２を製造する工程で、ボックス側２Ａの素地上に厚さ５〜２０μｍのホワイトメタル層を形成する。このホワイトメタル層を形成するには、先ず、カップリング２の部材に機械加工を施し、ボックスねじ部、環状凹部、ショルダー部５となる部分を形成し、ボックス側２Ａの素地を露呈させれば、継手の締結時に、締付け‐締戻し作業を繰り返しても、ゴーリングが発生しないホワイトメタル層を形成することができる。

図２には、このようにして形成したボックス側２Ａの素地上のホワイトメタル層６を模式的に示した。ｔはホワイトメタル層６の厚みを示す。
本発明にかかる油井管用特殊ねじ継手によれば、継手の締結時に、一方のボックス側２Ａの素地上に設けたホワイトメタル層６により、他方のピン１側のシール部４となる角部の微小な凹み面が埋められ、これにより、シール部４となる部分に微小な凹みが連続して存在することがほとんどなくなるから、結果としてシール性が向上する。

また本発明によれば、図３に示した、ボックス側２Ａの素地上に厚みｔ₁が５〜２０μｍのゴーリング防止用めっき層７、さらにその上に厚みｔ₂が１μｍ以上の軟質めっき層８を有する場合に比べ、めっき層の形成が容易である。なお図３には、特願２００６−２３４７７４号で提案した油井管用特殊ねじ継手のボックス側２Ａの表面構造を示した。
ここでホワイトメタル層６の厚みｔは、５μｍに満たないと、耐ゴーリング性に乏しいため、５μｍ以上とする。ただし、ボックス側２Ａの素地上に設けるホワイトメタル層６の厚みｔが厚くなるほど、継手の締結時、ねじ結合に要する締め付けトルクが上昇することになる。

普通、最終締め付けトルクが所定の範囲内となったときに、継手締め付けが完了した判断するため、ねじ結合に要するトルクが上昇すると、それ以外のシール部となる部分での締め付けトルクが不十分となり、その結果、シール不足となる。このようなハイショルダー現象を防止するうえで、ボックス側２Ａの素地上に設けるホワイトメタル層６の厚みｔは２０μｍ以下とする。なお、継手の締付け戻し作業を行う時の潤滑剤は、通常、Ｃｕ，Ｐｂ等を適量含有するグリース系コンパウンドが用いられる。

図４には、ハイショルダー現象により、不合格となる場合（破線：ねじ結合トルク大）とそうでない場合（実線：ねじ結合トルク小）を、ピン１周りの回転数であるターンと締付けトルクの関係で例示した。
図中、点Ａ〜Ｂ間がねじ結合のみが進行する区間、点Ｂ〜Ｃ間がメタル−メタル接触によりシール部４が形成される区間、締付けトルクが急上昇する点Ｃ以降が、ショルダー部５がガスシール部となる区間であり、そして最大トルクと最小トルクの範囲内のＴ_fが最終締め付けトルクである。

締付けトルクが急上昇しはじめる点Ｃのトルクをショルダートルクという。このショルダートルクがある判定値Ｔ₁を超えた場合（破線）、ハイショルダー現象によって締め付けトルクが不十分であると判定し、判定値Ｔ₁を超えない場合（実線）、締め付けトルクが十分であると判定する。例えばショルダートルクの判定値Ｔ₁＝０．７５×Ｔ₂といった値に設定される。ハイショルダー現象が生じると、ねじ結合部３以外でのシール性が不十分となる。

ホワイトメタルとしては、軸受合金として一般的に用いられるＰｂ−Ｓｎ−Ｓｂ系ホワイトメタル（ＪＩＳ５４０１）のうち、Ｓｂ含有量：５〜２０mass％、Ｃｕ含有量：３〜１０mass％、残部Ｐｂ、Ｓｎおよび不可避的不純物のものが、継手の締結作業を繰り返しても、剥がれず、またハイショルダー現象を防止するうえで好適である。
またピン１側のシール部４となる角部の表面粗さは、小さすぎると、ゴーリング防止効果が不十分となり、逆に大きすぎると、ガスリークパスの封鎖が困難となるので、Ｒａ１．０〜３．０μｍとする。

１３％Ｃｒ鋼からなる外径５．５”、肉厚０．４１５”の１１０ｋｓｉグレード油井管用特殊ねじ継手において、最大トルク：２４８７７Ｎ・ｍとしたサンプルのガスシール試験を行なった。この試験に供した発明例、比較例、従来例のサンプルの概略仕様を表１に示す。
発明例、比較例ともに、機械加工でカップリング２の内側であるボックス側２Ａの素地を露呈させてボックス側２Ａの素地上にホワイトメタル層を形成した。従来例には、ボックス側２Ａの素地上にCuめっき層を形成した。

ガスシール試験に供した特殊ねじ継手は、発明例、比較例とも各１０組とした。そのうち各５組は、１回目の継手の締結時、最終締付けを行った（グループＡとする）。残りの５組は、３回目の継手の締結時、最終締付けを行った（グループＢとする）。

グループＡ：１回目の継手の締結時、最終締付けを行った場合のガスシール試験結果を表２に、グループＢ：３回目の継手の締結時、最終締付けを行った場合のガスシール試験結果を表３に示した。

この結果から、従来例では、グループＡにおいて、図３に示す９５％ＶＭＥ（フォンミーゼス[Von Mises]の相当応力）曲線上の点ＬＰ２（ＩＳＯのロードポイント‘２’）でリークが発生した。

これに対して発明例では、グループＡおよびＢにおいて、全サンプルにゴーリングが発生せず、またリーク発生もなく合格した。また比較例では、ハイショルダー現象によって、リークが発生した。

油井管用特殊ねじ継手の１例を示す部分断面模式図である。本発明にかかるボックス側のめっき層構造を示す断面模式図である。特願２００６−２３４７７４号で提案したボックス側のめっき層構造を示す断面模式図である。継手の締結時の特性図である。ガスシール試験における荷重負荷条件の概念図である。

符号の説明

Ｗ油井管（鋼管）
ｔ、ｔ₁、ｔ₂ 厚み
１ピン
２カップリング
２Ａボックス側
３ねじ結合部
４シール部
５ショルダー部
６ホワイトメタル層
７ゴーリング防止用めっき層
８軟質めっき層

Claims

鋼管の管端に雄ねじ部とメタル‐メタル接触によりシール部（４）となる角部を有するピン（１）、およびボックス側（２Ａ）に前記雄ねじ部とねじ結合する雌ねじ部と前記角部とメタル‐メタル接触する環状凹部を有するカップリング（２）とから構成される油井管用特殊ねじ継手において、少なくとも前記シール部（４）となる角部の締結前表面粗さがＲａ１．０〜３．０μｍであり、かつ前記ボックス側（２Ａ）の素地上に厚さ５〜２０μｍのホワイトメタル層が形成されてなることを特徴とする油井管用特殊ねじ継手。