JP5742885B2 - 耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手 - Google Patents

Description

本発明は、耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手に関し、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、耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手に関する。

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気密性を確保する役目を担い、ショルダ部は継手の締め付け中にストッパの役目を担うショルダ面になる。

図３は、油井管用プレミアムジョイントの従来例を示す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（管軸が断面内で延在する断面図）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（ピンノーズとも云う）８を有する。ノーズ部８は、その外周面にシール部（詳しくは、メタルタッチシール部）１１を、その端面にはショルダ部１２を有する。対応するボックス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と夫々、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。

図３の従来例では、シール部１１がピン３の先端部にあり、適正な締め付けトルクを与えることにより所望のシール性能を実現できるのであるが、締付けトルクは潤滑条件、表面性状等に影響されるので、これらに大きくは依存しない設計として、シール接触圧力の半径方向成分を相対的に強くした半径方向シール方式（ラジアルシール型とも云う）がある。

尤も、前記ラジアルシール型も、ショルダ部とは異なる部位にシール部を有すると云う点では、ピン先端部にシール部を有する図３のねじ継手と同様である。
ところで、ねじ継手の締め付け中にストッパの役目を担うショルダ面に接触が生じると、ピン管端側に軸方向の接触反力が作用し、ピン管端側ねじ部のロードフランク面に最大の軸方向反力が発生することとなって、焼付き（ゴーリング）を招き易くなる。

尚、ボックス端部の接触反力低減により当該ボックス端部での焼付き防止を図る従来技術は存在する（特許文献１参照）。

特開２００１−２１０７２号公報

然し、前記従来技術では、ボックス中央側、すなわちピン管端側の接触反力は高いままであり、ピン管端側の焼付きは防止できない。そこで、前記従来技術である、ねじ切削の軸方向送り変更によるねじギャップ（相対向するスタビングフランク面同士の対面隙間）変更を、ピン管端側にも適用すれば接触反力を低減できそうに考えられる。しかし、そもそもねじギャップは非常に狭く、軸方向送りのバラツキもあるため、ねじギャップの微細な調整を工業的に実施することは困難である。

結局のところ、従来技術では、ピン管端側ねじ部の耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手の工業生産品の提供は困難であると云う課題があった。

本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意検討し、その結果、ピンねじチャンファ長さの適正化によりねじ継手締め付け時のピン管端側ねじ部の接触反力が低減可能であり、これにより焼付き防止可能であることを発見した。
ここで、ピンねじチャンファ長さとは、ねじ切り加工の終盤において通常、ピン管端側のねじ部（雄ねじ部）が或る一律な削り角で削り落とされるのであるが、その削り落とされる部分であるピンねじチャンファ部４０（図１参照）の管軸方向長さのことである。前記一律な削り角はチャンファ角と呼ばれ、管軸直交面からの傾角（但し、鋭角）で定義される。

前記発見に基づいて成された本発明は以下の通りである。
（１） 油井管用鋼管の管端部を占有し、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、該ノーズ部の先端をなすショルダ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、前記ピンのショルダ部に当接するショルダ部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前記ボックスとが結合されて夫々のねじ部とショルダ部との間の部位で互いに相手方とメタル‐メタル接触しその接触部がシール部をなし、
前記ピンと前記ボックス夫々のショルダ部はねじ継手締付時に相手方と当接するショルダ面となる油井管用ねじ継手であって、
ピンの雄ねじ部の削り落としの限界線がピン第１ねじ山のスタビングフランク面の立上がり始点からピンのねじ山頂位置の基線との交点まで一直線に延在する領域の管軸方向長さであるとしたピンねじチャンファ長さを、これの対ねじピッチ比で１．０以上３．０以下としたことを特徴とする耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手。

本発明によれば、上記構成を採用したことで、工業的生産が容易な耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手が得られる。

本発明の実施形態の一例を示す模式的説明図である。 ねじ継手の締め付け（Ｍａｋe-up）時のピンねじ山毎の接触反力を示すグラフである。 特殊ねじ継手の従来例を示す模式的説明図である。

図１は、本発明の実施形態の一例を示す模式的説明図であり、これはピン管端のねじ部（雄ねじ部）近傍の縦断面図である。図１において、２０は管軸平行線、２１は管軸直交線、２２はねじ谷底位置の基線、２３はねじ山頂位置の基線、２４は削り落としの限界線、３０はロードフランク面、３１はスタビングフランク面、４０はピンねじチャンファ部、Ｌはピンねじチャンファ長さ、θはチャンファ角、αはねじテーパ角、７_１，７_２は夫々ピン管端側から１番目、２番目のねじ山であるところのピン第１ねじ山、ピン第２ねじ山、ｈはねじ高さ、ｐはねじピッチ、Ａ点とＢ点は夫々ピンの各ねじ山のスタビングフランク面３１の立上がり始点と立上がり終点である。ねじ谷底位置の基線２２とねじ山頂位置の基線２３とは互いに平行とされる。ねじテーパ角αは、管軸平行線２０とねじ谷底位置の基線２２との交差角（但し、鋭角）である。ねじ高さｈは、ねじ谷底位置の基線２２からねじ山頂位置の基線２３までの管半径方向距離である。ねじピッチｐは、ピンの隣り合うねじ山（例えばピン第１ねじ山７_１とピン第２ねじ山７_２）のＡ点同士間の管軸方向距離である。チャンファ角θは、削り落としの限界線２４が管軸直交線２１となす傾角である。チャンファ角θの角度領域であるチャンファ角度領域の収束点をピン第１ねじ山７_１のＡ点に配位したとき、そのチャンファ角度領域内に入る雄ねじ部７の部分が、ねじ山の一部を削り取られることになる部分、すなわちピンねじチャンファ部４０となる。このピンねじチャンファ部４０の管軸方向長さがピンねじチャンファ長さＬである。尚、削り落としの限界線２４とねじ山頂位置の基線２３との交点は、ピンねじチャンファ部４０の反管端側の端点になる。本例では、この端点がピン第２ねじ山７_２のＢ点と一致する場合を図示している。但し、前記端点は、常に第２ねじ山７_２のＢ点と一致するとは限らず、或る１つのピンねじ山のＢ点からロードフランク面３０の立下がり終点にかけてのねじ山外形線上の何処かの一点と一致する場合もありうる。

本発明では、ピンねじチャンファ長さＬの対ねじピッチｐ比（略してチャンファ長さ比）Ｌ/ｐを１．０以上３．０以下とした。つぎに、この理由を述べる。
雄ねじ部７においてピンねじ山の一部を削り落とされた部分は、不完全なねじ形状を有する不完全ねじ部となる。該不完全ねじ部は、これの反管端側に連なる完全なねじ形状を有する部分である完全ねじ部よりも剛性が低いために、雌ねじ部５との締結時に変形が生じ易く、その結果接触反力はねじ部長さ方向に分散されて低減され、この不完全ねじ部が長いほど接触反力の低減効果は大きい。とはいえ、Ｌ/ｐが１．０未満では接触反力の低減効果は不十分である。一方、Ｌ/ｐが３．０超では接触反力の低減効果が頭打ちとなり、徒に切削時間が長引くだけとなる。従って、Ｌ/ｐ＝１．０〜３．０とした。これにより、ピン管端側ねじ部の接触反力が低減し、耐焼付き性が向上する。

因みに図２は、ピンねじ山数が２０山のねじ継手において、Ｌ/ｐ＝０．９０（比較例）、１．５０（本発明例）の二水準としその余のねじ形状条件は同一とした各ねじのねじ締め付け時のピンねじ山毎の接触反力をＦＥＡ（有限要素解析）により計算した結果を示すグラフであり、図２に示すとおり、本発明例では比較例に比べてピン管端側ねじ部の接触反力が低減することが分る。

ところで、図１において、幾何学的関係から、式（１）が成り立つ。
ｈ＝Ｌ×（１/tanθ−tanα） …（１）
式（１）においてＬ＝ｍ×ｐと置いて以下の様に式を変形していくと式（２）となる。
ｈ/（ｍ×ｐ）＝１/tanθ−tanα ⇒ １/tanθ＝tanα＋ｈ/（ｍ×ｐ） ⇒ tanθ＝１/｛tanα＋ｈ/（ｍ×ｐ）｝ ⇒
θ＝tan^-1[１/｛tanα＋ｈ/（ｍ×ｐ）｝] …（２）
式（２）と、本発明の要件である、Ｌ/ｐ＝ｍ＝１．０〜３．０、とから、チャンファ角θは式（３）を満たす設定とすればよいことになる。
tan^-1[１/｛tanα＋ｈ/（１．０×ｐ）｝]≦θ≦tan^-1[１/｛tanα＋ｈ/（３．０×ｐ）｝] …（３）
現状のねじ切削加工技術水準においては、式（３）を満たすチャンファ角θの設定は比較的容易なことであるから、本発明によれば、工業的生産が容易な耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手が得られるのである。

外径９-５/８”×肉厚０．５４５”の鋼管の管端部をねじ切削加工してなるピンと、これに対応するボックスとからなる、表１にピンねじ形状及びピンねじチャンファ形状の水準を示すところの、油井管用ねじ継手について、ＩＳＯ１３６７９：２００２に準拠した、繰り返し締め付け締め戻しを行うＭａｋe ＆ Ｂｒｅａｋ試験を行った。試験条件は、ねじ干渉量「High」（0.305ｍｍ）、シール干渉量「High」（1.016ｍｍ）、締め付けトルク「Higｈ」（50,000Ｎ・ｍ）とした。ここで、シール干渉量とは、ピン図面とボックス図面とをそれらの管軸同士及びショルダ部同士が一致するように重ね合わせた時の、ピン側シール部にする部分とボックス側シール部にする部分とが干渉し合う領域の管半径方向寸法の最大値の２倍（直径あたりの値）のことであり、ねじ干渉量とは、その際のピン側ねじ部にする部分とボックス側ねじ部にする部分とが干渉し合う領域の管半径方向寸法の２倍（直径あたりの値）のことである。又、表１において、「ピンねじ形状」欄中の「テーパ（直径）」とは、１インチあたりのねじ部の直径の変化量のことであり、ねじテーパ角αを用いると 2 tanα にて表される値のことである。

試験結果を表１に示す。表１に示されるとおり、本発明例は何れの水準においてもゴーリングすることなく、Ｍａｋe ＆ Ｂｒｅａｋ試験合格となった。

１ ボックス
３ ピン
５ 雌ねじ部（ボックス側）
７ 雄ねじ部（ピン側）
７_１ ピン第１ねじ山
７_２ ピン第２ねじ山
８ ノーズ部（ピンノーズ）
１１，１３ シール部（メタルタッチシール部）
１２ ショルダ部（ピン側）
１４ ショルダ部（ボックス側）
２０ 管軸平行線
２１ 管軸直交線
２２ ねじ谷底位置の基線
２３ ねじ山頂位置の基線
２４ 削り落としの限界線
３０ ロードフランク面
３１ スタビングフランク面
４０ ピンねじチャンファ部

Claims (1)

1. 油井管用鋼管の管端部を占有し、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、該ノーズ部の先端をなすショルダ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、前記ピンのショルダ部に当接するショルダ部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前記ボックスとが結合されて夫々のねじ部とショルダ部との間の部位で互いに相手方とメタル‐メタル接触しその接触部がシール部をなし、
   前記ピンと前記ボックス夫々のショルダ部はねじ継手締付時に相手方と当接するショルダ面となる油井管用ねじ継手であって、
   ピンの雄ねじ部の削り落としの限界線がピン第１ねじ山のスタビングフランク面の立上がり始点からピンのねじ山頂位置の基線との交点まで一直線に延在する領域の管軸方向長さであるとしたピンねじチャンファ長さを、これの対ねじピッチ比で１．０以上３．０以下としたことを特徴とする耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手。

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