JPH0763289A - 曲げ強度の優れた油井管継手 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 油井又はガス井および地熱井における傾斜・
水平掘技術の普及に伴い、曲げ又は、引張・曲げ複合荷
重に強い油井管継手の需要が予想される。本発明は該ニ
ーズに対応した継手を提供することを目的とする。 【構成】 内面に雌ネジを有するボックスと外面に雄ネ
ジを有するピンよりなる油井管継手において、使用時パ
イプ本体に負荷された曲げモーメントが継手部に伝達さ
れる時、最脆弱部のピンネジ切上り部の曲げ応力を軽減
するために、ボックス端を長くし、その内側がピンネジ
切上り部に隣接するパイプ本体外面と接触させることに
より、実質的に危険部分の曲げ剛性を大きくしたことを
特徴とする油井管継手。 【効果】 ネジ切上り部の曲げ応力をパイプ本体に比べ
大幅に軽減でき、曲げの影響を受けにくい継手を提供で
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、油又はガス井および
地熱井等の傾斜・水平抗井部分のように長さ方向に曲げ
を受ける鋼管継手であって、特に曲げ、又は引張・曲げ
複合荷重に強い油井管継手に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、油・ガス井の掘削において通常の
油井掘削法より油・ガス井の生産性が高く、経済的とい
う理由で傾斜・水平抗井の普及が目ざましい。かかる掘
削技術の急激な進歩に刺激を受け、周辺技術開発も精力
的に行われている。本発明が対象とする油井管継手につ
いても、発明者らが現行のＡＰＩ継手、気密性を具備し
た特殊継手の傾斜・水平抗井荷重環境における性能調査
を行っているが、適用規準については未だ確立されてい
ない。かかる状況において発明者らは、実用性能試験結
果から、現行ＡＰＩのラウンド継手（図６（ａ））とバ
ットレス継手（図６（ｂ））の種々曲げ荷重下における
引張継手強度の劣化状況を調べ、以下の事実を確認し
た。

【０００３】バットレス継手は、ラウンド継手に比べ曲
げ荷重の影響を受けにくく、曲げ荷重下でも強度の低下
は小さく、その理由が継手のネジ切上り部Ａ１の設計に
起因していることをつきとめた。即ち、バットレス継手
はクリティカルポイントであるネジ切上り部Ａ１をテー
パを変えずにスムーズな不完全ネジにして（ランアウ
ト）、極力ボックスと嵌合させ、ピンのネジ切上り部が
嵌合時にむき出しになることを防いでいるのに対し、ラ
ウンドネジのネジ切上り部Ａ２はテーパを変え急な逃げ
をとっているため、この部分は嵌合時むき出しとなって
いる。しかもこの部分に対応するボックス端はネジ切上
り部との干渉を避けるため、窪み（リアス）加工までし
ている。これら両者の相違が継手強度低下率に差が生じ
る原因であることは、とりもなおさずネジ切上り部への
応力負荷の大小が曲げ荷重下における継手強度に大きく
影響することを示している。

【０００４】発明者らは現行継手の上記欠点を補う手段
として、パイプに伝達されてきた曲げモーメントが、継
手のクリティカルポイントに直接作用せず、一旦継手端
で受けて軽減された後、ネジ切上り部に作用するよう継
手構造を工夫した。過去には、後述するように外見上類
似した継手も開発されているが、２重構造にして曲げ剛
性を高めるという着眼ではなく、気密性付与のための金
属対金属接触形状、単なるカップリングのフープストレ
ス抑制策としてパイプ外周との間にクリアランスを持っ
たカップリングスリーブ延長形状等が存在していたにす
ぎない。従って本発明のように曲げ荷重に対して継手強
度が低下しないように改善を加えた油井管継手は見当た
らない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる背景
に鑑み、曲げ荷重下でも高い継手強度を保持する油井管
継手を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のネジ継手は図１
に示すように内面に雌ネジを具備するカラー（ボック
ス）１と外面に雄ネジを具備するパイプ（ピン）２から
構成される。その形状的特徴は、図１に示すようにボッ
クス端３（３ａ，３ｂ）に平行スリーブ加工部Ｂを付
け、ネジ嵌合時にこのスリーブ内面がピンネジ切上り部
に隣接するピン外面に接するように構成している点であ
る。ピン−ボックスタイプの油井管ネジ継手は、ピンネ
ジ切上り部Ａがピンからボックスへの引張、曲げ、捩り
応力の伝達口となり最大の応力が集中する最弱点部にな
っている。本発明は、パイプから伝達される曲げ応力を
この弱点部に入る前にボックス平行スリーブＢで緩和
し、軽減することを目的としている。又密着平行スリー
ブＢで危険部を覆うことで、ネジ切上り部Ａを起点とし
た過度な曲り変形を防止することを目的としている。

【０００７】次にこの目的を達成するためのボックス加
工時の工夫について述べる。第一に、ボックス平行スリ
ーブＢ内径は、嵌合終了時に、ピンネジ切上り部Ａに隣
接し、ピン外周と締まり嵌め状態にならないように設計
すべきである。設計上は、ピンの外径管理とピン締め込
みによるパイプ縮管代を念頭においてスリーブ内径を決
めればよい。もしスリーブＢ内径が小さすぎた場合は、
ネジ切上り部数山が浮いた状態の嵌合となり、ネジ底の
切欠き効果を助長し、かつ応力伝達を不完全とするた
め、継手効率を劣化させ逆効果になる。

【０００８】第二の考慮点は、平行スリーブＢ内側も図
２（ａ）のように平行雌ネジｄを切削する点である。通
常のピン−ボックス継手は、継手引張効率向上、トルク
抵抗向上、気密性向上のため、ピンのテーパネジ部とボ
ックスのテーパネジ部は、相応の嵌め合い代（干渉代）
を持つように製作する。従って継手最終嵌合状態で問題
の平行スリーブＢが締め代がないよう、かつピン外周と
接するようにうまく作るためには、締め込み最終段階
で、ピン最終数ネジ山が、スリーブと干渉量を小さくし
ながら最終位置に収っていくよう設計しておかなければ
ならない。つまりボックススリーブ内側にも、ボックス
中心側のテーパネジとピッチ、ネジ山形状を同じくした
ネジ列を延長して加工しておく必要がある。こうするこ
とで継手締め込み最終段階でピンネジ切上り部Ａをスリ
ーブ内径とオーバラップさせながら、しかも最終締め込
み完了状態でオーバラップがなく、両者が接するように
作り上げることが可能となる。

【０００９】第三に、平行スリーブＢの外面をテーパカ
ットし拡管剛性を小さくし、変形し易くする工夫であ
る。もし平行スリーブがピンネジ切上り延長部のパイプ
外周とうまく接したとしても、スリーブ端内径コーナ部
がテコの支点となりパイプ外周に曲げ応力が集中しスリ
ーブを付けた意味がない。そこで、パイプが曲がった
時、スリーブも容易に外側に曲がるよう剛性を小さくす
る工夫が有意義である。一例として図２（ａ），図２
（ｂ）に示したように、テーパカットａ、即ち管軸平行
ネジ部或いはスリーブ部ｄに、剛性制御面取り加工ａを
施し、単にスリーブ部Ｂのみボックス肉厚を小さくして
もよい。

【００１０】第四の考慮点は、第三と同じくスリーブ端
内径コーナｂの応力集中を軽減するために、大きなＲ加
工を施すことである。Ｒは大きい程接触点ｃの応力集中
は軽減されるが実用上は、１０mmＲ程度以上あれば充分
である。第五の付加的工夫として、第三の考慮事項のス
リーブ剛性軽減策と組合せて、スリーブ端の内面をネジ
なし平滑面とし、継手嵌合完了時も若干の干渉代を持つ
ように設計することもスリーブ内面をパイプ外周に確実
に接触させる方法として実用的である。

【００１１】以下に、本発明継手の使用時の効果につい
て従来継手の場合と比較しながら述べる。図３は、現行
継手（ｂ）図と本発明継手（ａ）図に曲げモーメントＭ
を作用した時、パイプ及び継手内に発生する曲げ応力の
状態を示す。現行継手では、パイプ部分の曲げ応力分布
がそのまま継手の最弱点部に伝わりピンネジ切上り部Ａ
は最大の繰返し引張・圧縮の曲げ応力を受ける。一方本
発明継手では、パイプの曲げ応力分布はスリーブ端平行
部３でボックス１とピン２に再配分され、パイプ外周の
受ける曲げ応力は著しく軽減される。これは、パイプ外
周とスリーブ内面が接触しており曲げに対して一体とな
って力を受けることができるからである。

【００１２】最後に、本発明と見かけ上類似している継
手構造を挙げ、本発明との相違点を示し、本発明の独自
性を明確にする。図４は気密性を付与した油井管継手
（管端アップセットタイプ）を示す。ピンの外側に配置
した平滑部とボックス端スリーブとを金属接触させ気密
構造としている。この構造自体は、曲げに対し本発明と
同じ効果を発揮するが、平滑面を持った面をピン奥に配
置するにはその平滑面の外半径は、ネジ山先端外半径よ
り大きくする必要がある。つまり対応するボックススリ
ーブ３内径はピンネジ最大外径より大きくしないと、ネ
ジ嵌合の際不具合が生じる。このことは、管端アップセ
ット等によりピン先端の肉厚をパイプ本体の肉厚より厚
くする必要があり、ピン先端の増肉手段を伴って初めて
実現可能となる。本発明は、気密性をピン奥に付与する
ことを目的としていないので、ともかく接触しておれば
よく、ネジ山ネジ底同士の歯の抜けたような接触で目的
を達成できる。そのためパイプ管端をわざわざ増肉する
ことをしなくても、ボックス端を２重管構造とし曲げ剛
性を高めることが可能である。又、増肉なしでピン奥に
気密部を設置しようとすれば危険断面積を小さくするこ
とを犠牲にしなければならない。

【００１３】図５は、テーパネジ継手の嵌合によるボッ
クスのフープ応力を軽減する手段として考案された、ス
リーブ延長ボックスを示す。考え方の基本は、もし図の
平行部スリーブがない継手では、薄くなったボックス端
に過度の応力が発生し、応力腐食割れが問題となる硫化
水素環境では大変危険である。従って、ボックス端に膨
み防止のためスリーブを延長させ応力発生を抑制してい
る。本発明との違いは、図５の場合、スリーブ延長がボ
ックスの拡管防止を目的としているのでスリーブ内径と
ピンの奥パイプ外周部とは、隙間を設け接触しないよう
にしている点である。もし接触してしまえばボックス端
のフープストレスが多少でも惹起する結果となり本発明
の目的が達成されない。

【００１４】このように見かけ上は同じ形状をしていて
も、ボックス端は通常、引張応力に対して最弱点となる
部分の曲げ剛性を高くすることを狙った本発明は、気密
性或いは周方向応力制御を狙った図４，５に示す継手と
はアップセットの有無、スリーブ／パイプ外周との隙間
の有無等、機能・継手構成要素に関し明確な差異があ
る。

【００１５】

【発明の効果】以上説明したように本発明は油井管継手
において、ボックス端を延長しその内面がピン雄ネジ切
上り部に隣接するピン外周に接触させるようにしたた
め、使用時パイプ本体に負荷された曲げモーメントの継
手部に伝達される時、最脆弱部であるピンネジ切上り部
の曲げ応力を軽減でき、曲げ荷重下でも優れた強度を有
する油井管継手を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の油井管継手継手の断面模式図。

【図２】（ａ）は図１の３ａ部分（平行ネジ加工タイ
プ）、（ｂ）は図１の３ｂ部分（ネジ加工逃しタイプ）
の部分拡大断面図。

【図３】（ａ）は本発明の継手、（ｂ）は現行継手にお
ける曲げモーメント伝達・曲げ応力発生状況を示す図。

【図４】本発明の他のタイプへの適用例を示す図。

【図５】本発明の継手締め込みによるボックス周方向応
力の発生と抑制のためのボックス端スリーブの働きを説
明する図。

【図６】（ａ）は従来のラウンドネジタイプ、（ｂ）は
従来のバットレスタイプ継手の概略断面図。

【符号の説明】 １ ボックス（カップリング） ２ ピン（パイプ） ３（３ａ，３ｂ） ボックス端（エンド） Ａ ネジ切上り部 Ｂ 平行スリーブ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内面に雌ネジを有するカップリング（ボ
   ックス）と外面に雄ネジを有するパイプ（ピン）よりな
   る油井管継手であって、継手嵌合端のピン雄ネジ切上り
   部に相当するボックス端を延長して、嵌合時にその内面
   が前記ピン雄ネジ切上り部に隣接するピン外周に接触さ
   せるように構成したことを特徴とする曲げ強度の優れた
   油井管継手。
2. 【請求項２】 延長したボックス端の外表面を面取り加
   工を施したことを特徴とする請求項１記載の曲げ強度の
   優れた油井管継手。
3. 【請求項３】 延長したボックス端の内面の接触部を平
   滑仕上げ部としたことを特徴とする請求項１記載の曲げ
   強度の優れた油井管継手。