WO2020075365A1 - 鋼管用ねじ継手 - Google Patents

Abstract

高いトルク性能と高い引張性能を両立できる鋼管用ねじ継手を提供する。ねじ継手１は、鋼管の一方の先端部に形成される管状のピン１０と、ピン１０が挿入されてピン１０と締結される管状のボックス２０とを備える。ピン１０は、ピン１０の外周に形成され、楔形ねじで構成される雄ねじ１１を含む。ボックス２０は、雄ねじ１１に対応し、ボックス２０の内周に形成され、楔形ねじで構成される雌ねじ２１を含む。ねじ継手１は、次の式（１）を満たす。式（１）中、ＬＰは雄ねじ１１の荷重面１１１間のピッチであり、ＳＰは雄ねじ１１の挿入面１１２間のピッチである。　３％≦（ＬＰ－ＳＰ）／ＬＰ≦８％　（１）

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。

　例えば大深度の油井に用いられるねじ継手に対しては、浅い部分では油井管の自重による大きな引張荷重が負荷され、深い部分では熱膨張による大きな圧縮荷重が負荷される。

　米国再発行特許第３０６４７号明細書（特許文献１）、米国特許第６１５８７８５号明細書（特許文献２）、及び国際公開ＷＯ２０１５／１９４１９３号（特許文献３）は、楔形ねじを用いたねじ継手を開示する。楔形ねじのねじ山幅は螺旋方向に沿って徐々に変化する。楔形ねじは、ダブテイル形とも称され、高いトルク性能を得ることができる。しかし、特許文献１～３のいずれにも楔形ねじのねじ山幅の変化率は全く記載されていない。

　特表２０１２－５１２３４７号公報（特許文献４）もまた、楔形ねじを用いたねじ継手を開示する。雄ねじ領域の両端付近では、雄スタビングフランク間のリード及び雄ロードフランク間のリードはともに一定である。同様に、雌ねじ領域の両端付近でも、雌スタビングフランク間のリード及び雌ロードフランク間のリードはともに一定である。したがって、ねじ領域の両端付近では、ねじ山幅は一定である。ロードフランク間のリードとスタビングフランク間のリードとの間に差があることは認められるが、その差の具体的な数値は全く記載されていない。

　本明細書は、以下の先行技術文献を引用により援用する。

米国再発行特許第３０６４７号明細書 米国特許第６１５８７８５号明細書 国際公開ＷＯ２０１５／１９４１９３号 特表２０１２－５１２３４７号公報

開示の概要

　楔形ねじの荷重面及び挿入面は負のフランク角を有するため、楔形ねじは締結時にかしめ合うことで高いトルク性能を発揮する。また、楔形ねじは、締結を容易にするために、ねじ山幅がピン又はボックスの先端に近づくに連れて狭くされることがある。言い換えれば、荷重面ピッチと挿入面ピッチとの間に差がある。このピッチ差は「デルタリード」と呼ばれる。デルタリードは、ピン及びボックスの先端付近のねじ山幅を決定する。

　ねじピッチの絶対値による影響を考慮し、デルタリードに代えて、「ウェッジ比(Wedge Ratio)」が用いられることもある。ウェッジ比は、デルタリードを荷重面ピッチで除したもので、荷重面ピッチに対するデルタリードの比率としてパーセンテージで表示される。

　ウェッジ比が大きいということは、ねじ山幅の減少率も大きいことを意味する。ウェッジ比が大きいと、ねじ山幅がピン及びボックスの先端付近で狭くなる。ねじ山幅が狭いと、大きな引張荷重がかかったとき、楔形ねじが耐えきれず、ねじ山そのものが破壊される可能性がある。そのため、ウェッジ比の設定には注意が必要である。以下、楔形ねじが引張荷重に耐えうる性能を「引張性能」という。

　上記特許文献４（特表２０１２－５１２３４７号公報）は、ウェッジ比の適正化を開示する。しかし、ウェッジ比が引張性能に加えてトルク性能に及ぼす影響を評価した文献は存在しない。

　本開示の目的は、高いトルク性能と高い引張性能を両立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、トルク性能及び引張性能をともに向上させる適正なウェッジ比について鋭意検討を重ねた結果、ウェッジ比を変化させることにより高いトルク性能と高い引張性能を両立できることを見出した。

　本開示に係る鋼管用ねじ継手は、管状のピンと、管状のボックスとを備える。管状のピンは、鋼管の一方の先端部に形成される。管状のボックスは、ピンが挿入されてピンと締結される。ピンは、雄ねじを含む。雄ねじは、ピンの外周に形成され、楔形ねじで構成される。ボックスは、雌ねじを含む。雌ねじは、雄ねじに対応し、ボックスの内周に形成され、楔形ねじで構成される。ねじ継手は、次の式（１）を満たす。

　３％≦（ＬＰ－ＳＰ）／ＬＰ≦８％　（１）

　式（１）中、ＬＰは雄ねじの荷重面間のピッチである。ＳＰは雄ねじの挿入面間のピッチである。

図１は、実施の形態に係る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中の雄ねじ及び雌ねじを拡大した縦断面図である。 図３は、荷重面ピッチが８．６４ｍｍの場合におけるウェッジ比と降伏トルクとの関係を示すグラフである。 図４は、荷重面ピッチが１０．８ｍｍの場合におけるウェッジ比と降伏トルクとの関係を示すグラフである。 図５は、荷重面ピッチが７．２ｍｍの場合におけるウェッジ比と降伏トルクとの関係を示すグラフである。 図６は、荷重面ピッチが８．６４ｍｍの場合におけるウェッジ比と相当塑性ひずみとの関係を示すグラフである。 図７は、荷重面ピッチが１０．８ｍｍの場合におけるウェッジ比と相当塑性ひずみとの関係を示すグラフである。 図８は、荷重面ピッチが７．２ｍｍの場合におけるウェッジ比と相当塑性ひずみとの関係を示すグラフである。

　本実施の形態に係る鋼管用ねじ継手は、管状のピンと、管状のボックスとを備える。管状のピンは、鋼管の一方の先端部に形成される。管状のボックスは、ピンが挿入されてピンと締結される。ピンは、雄ねじを含む。雄ねじは、ピンの外周に形成され、楔形ねじで構成される。ボックスは、雌ねじを含む。雌ねじは、雄ねじに対応し、ボックスの内周に形成され、楔形ねじで構成される。ねじ継手は、次の式（１）を満たす。

　３％≦（ＬＰ－ＳＰ）／ＬＰ≦８％　（１）

　式（１）中、ＬＰは雄ねじの荷重面間のピッチである。ＳＰは雄ねじの挿入面間のピッチである。

　好ましくは、上記ねじ継手は、次の式（２）を満たす。

　４％≦（ＬＰ－ＳＰ）／ＬＰ≦７％　（２）

　上記ねじ継手は、次の式（３）を満たしていてもよい。

　－１０度≦α≦－１度　（３）

　式（３）中、αは雄ねじの荷重面及び挿入面のフランク角である。

　雄ねじ及び雌ねじは、完全ねじで構成される完全ねじ部を含んでいてもよい。完全ねじ部は、鋼管の軸方向において、４０～６０ｍｍの長さを有していてもよい。

　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。

　ピン１０は、雄ねじ１１を含む。雄ねじ１１は、ピン１０の外周に形成される。ボックス２０は、雌ねじ２１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。より具体的には、雄ねじ１１は、ピン１０の外周に螺旋状に形成される。雌ねじ２１は、ボックス２０の内周に螺旋状に形成される。雄ねじ１１及び雌ねじ２１は、テーパねじで構成される。雄ねじ１１及び雌ねじ２１はまた、楔形ねじで構成される。

　図２を参照して、雄ねじ１１の荷重面１１１及び雌ねじ２１の荷重面２１１は、フランク角αを有する。雄ねじ１１の挿入面１１２及び雌ねじ２１の挿入面２１２は、フランク角βを有する。フランク角αは、管軸（鋼管２の軸）ＴＡに垂直な平面ＶＰに対する荷重面１１１，２１１の角度である。フランク角βは、管軸ＴＡに垂直な平面ＶＰに対する挿入面１１２，２１２の角度である。荷重面１１１，２１１又は挿入面１１２，２１２が平面ＶＰと平行な場合、フランク角は０度である。雄ねじ１１の荷重面１１１が平面ＶＰよりもピン１０の先端側に傾倒している場合（言い換えれば、雌ねじ２１の荷重面２１１が平面ＶＰよりもボックス２０の先端側に傾倒している場合）、荷重面１１１，２１１のフランク角αは正である。反対に、雄ねじ１１の荷重面１１１が平面ＶＰよりもピン１０の鋼管本体側に傾倒している場合（言い換えれば、雌ねじ２１の荷重面２１１が平面ＶＰよりもボックス２０の鋼管本体側に傾倒している場合）、荷重面１１１，２１１のフランク角αは負である。また、雄ねじ１１の挿入面１１２が平面ＶＰよりもピン１０の鋼管本体側に傾倒している場合（言い換えれば、雌ねじ２１の挿入面２１２が平面ＶＰよりもボックス２０の管本体側に傾倒している場合）、挿入面１１２，２１２のフランク角は正である。反対に、雄ねじ１１の挿入面１１２が平面ＶＰよりもピン１０の先端側に傾倒している場合（言い換えれば、雌ねじ２１の挿入面２１２が平面ＶＰよりもボックス２０の先端側に傾倒している場合）、挿入面１１２，２１２のフランク角は負である。楔形ねじのフランク角α及びβはいずれも負である。

　特に限定されないが、雄ねじ１１及び雌ねじ２１は全て完全ねじで構成され、不完全ねじは存在しないのが好ましい。全てのねじ１１，２１を完全ねじで構成すれば、雄ねじ１１と雌ねじ２１の接触面積が増加し、トルク性能が向上する。完全ねじ部（完全ねじで構成される雄ねじ１１及び雌ねじ２１）の長さは、例えば４０～６０ｍｍである。

　鋼管用ねじ継手１は、次の式（１）を満たす。

　３％≦（ＬＰ－ＳＰ）／ＬＰ≦８％　（１）

　好ましくは、鋼管用ねじ継手１は、次の式（２）を満たす。

　４％≦（ＬＰ－ＳＰ）／ＬＰ≦７％　（２）

　式（１）及び（２）中、ＬＰは雄ねじ１１の荷重面１１１間のピッチ（以下、「荷重面ピッチ」という。）である。ＳＰは雄ねじ１１の挿入面１１２間のピッチ（以下、「挿入面ピッチ」という。）である。（ＬＰ－ＳＰ）／ＬＰはウェッジ比を表す。荷重面ピッチＬＰは、雌ねじ２１の荷重面２１１間のピッチと等しい。挿入面ピッチＳＰは、雌ねじ２１の挿入面２１２間のピッチと等しい。

　すなわち、ウェッジ比の上限は８％、好ましくは７％である。ウェッジ比の下限は３％、好ましくは４％である。

　鋼管用ねじ継手１は、次の式（３）を満たす。

　－１０度≦α≦－１度、かつ、－１０度≦β≦－１度　（３）

　式（３）中、αは雄ねじ１１の荷重面１１１のフランク角である。βは雄ねじ１１の挿入面１１２のフランク角である。雄ねじ１１の荷重面１１１のフランク角αは、雄ねじ１１の挿入面１１２のフランク角βと同じであってもよく、又は異なっていてもよい。雄ねじ１１の荷重面１１１のフランク角αは、雌ねじ２１の荷重面２１１のフランク角αと実質的に同じである。雄ねじ１１の挿入面１１２のフランク角βは、雌ねじ２１の挿入面２１２のフランク角βと実質的に同じである。

　厳密には、荷重面ピッチＬＰ、挿入面ピッチＳＰ、及びフランク角α，βは、締結前の値が用いられる。

　本実施の形態は、雄ねじ１１及び雌ねじ２１を楔形ねじで構成し、かつ、そのウェッジ比を３～８％に設定しているため、高いトルク性能と高い引張性能を両立することができる。

　ねじ継手１は、カップリング型でもインテグラル型でもよい。カップリング型ねじ継手は、２つのピンと、カップリングとを備える。一方のピンは、一方の鋼管の先端部に形成される。他方のピンは、他方の鋼管の先端部に形成される。カップリングは、２つのボックスを含む。一方のボックスは、カップリングの一方端部に形成される。他方のボックスは、カップリングの他方端部に形成される。一方のボックスは、一方のピンが挿入されて一方のピンと締結される。他方のボックスは、一方のボックスの反対側に形成され、他方のピンが挿入されて他方のピンと締結される。一方、インテグラル型ねじ継手は、２本の鋼管を互いに接続するためのものであり、ピンと、ボックスとを備える。インテグラル型ねじ継手では、一方の鋼管がピンを備え、他方の鋼管２がボックスを備える。

　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。

　本実施の形態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引張性能を評価した。評価対象を楔型ねじ継手とし、以下の鋼管を用いた。

　サイズ：９－５／８インチ（管本体外径：２４４．４８ｍｍ、管本体内径：２１６．８ｍｍ）
　材料：ＡＰＩ規格の油井管材料Ｌ８０（公称耐力ＹＳ＝５５２ＭＰａ（８０ｋｓｉ））
　ねじテーパ：１／１２
　ねじ長さ：５０ｍｍ（ピン）、６０ｍｍ（ボックス）
　ねじ高さ：１．８ｍｍ
　フランク角：－５度（荷重面及び挿入面の両方とも）
　荷重面ピッチ：７．２ｍｍ、８．６４ｍｍ、又は１０．８ｍｍ
　ウェッジ比：２～１０％
　挿入面ピッチ：ウェッジ比に応じて逆算

　評価対象のねじ継手は、図１に示されるように、雄ねじ１１及び雌ねじ２１のみで構成される。雄ねじ１１及び雌ねじ２１は全て楔形ねじかつ完全ねじで構成される。

　表１は、解析に供試した２７種類のねじ継手（サンプル）の寸法等を示す。

　解析の際には、図１に示されるねじ継手１をベースにして、雄ねじ１１及び雌ねじ２１の寸法を変更し、トルク性能及び引張性能を評価した。

　［トルク性能の評価］
　トルク性能については、締結トルク線図において締結トルクが降伏し始める値ＭＴＶ(Maximum Torque Value)を降伏トルクと定義し、その値で評価した。

　［引張性能の評価］
　引張性能については、ねじ継手１が降伏する引張荷重と同等の荷重を締結されたねじ継手に負荷し、雄ねじ１１及び雌ねじ２１の中で最も先端側に位置するねじの荷重面１１１，２１１及び挿入面１１２，２１２の付け根部分に生じる相当塑性ひずみの最大値で評価した。本発明者らの実管試験からの経験上、相当塑性ひずみが０．０８程度になると、ねじ山が破壊するリスクが高くなる。そのため、相当塑性ひずみの閾値を０．０８として、これよりも低い値であれば引張性能に優れると評価した。ただし、さらに安全側に余裕を見て、相当塑性ひずみの閾値を０．０７０としてもよい。

　［解析結果］
　図３～図５は、有限要素解析で得た降伏トルクの値を示す。横軸にウェッジ比、縦軸にそれに対応するＭＴＶの値をプロットした。ねじピッチに関係なく、ＭＴＶはウェッジ比に応じて増加し、特に２～３％の領域で最も上昇した。図３及び図５で確認できる通り、ウェッジ比が９％付近でＭＴＶが最大になり、その後、下降に転じた。

　トルク性能が増加した要因として以下の点が考えられる。ウェッジ比が高いと、ピン１０の先端付近でねじ山幅が狭くなり、ねじ山幅が狭いピン１０をねじ山幅が広いボックス２０で締付けることにより、高い接触圧が発生したためと考えられる。

　図６～図８は、前述した通り、引張荷重を締結されたねじ継手１にかけたときに生じる相当塑性ひずみの最大値とウェッジ比との関係を示すグラフである。この相当塑性ひずみは、雄ねじ１１及び雌ねじ２１の中で最も先端側に位置するねじの荷重面１１１，２１１及び挿入面１１２，２１２の付け根部分に生じるものである。

　図６に示されるように、荷重面ピッチＬＰ＝８．６４ｍｍの場合、ウェッジ比が９％以上になると、雄ねじに生じる相当塑性ひずみの最大値が０．０７０を超え、ウェッジ比が１０％になると、相当塑性ひずみの最大値が０．０８０を超えることが判明した。

　図７に示されるように、荷重面ピッチＬＰ＝１０．８ｍｍの場合、ウェッジ比が１０％になっても、相当塑性ひずみが０．０７０に達しなかった。ただし、ウェッジ比が高くなるに連れて雄ねじに生じる相当塑性ひずみが急激に上昇する傾向が認められた。

　図８に示されるように、荷重面ピッチＬＰ＝７．２ｍｍの場合、ウェッジ比が９％以上になると、雄ねじに生じる相当塑性ひずみの最大値が０．０８０を超え、ウェッジ比が１０％になると、雄ねじ及び雌ねじともに、０．０８０を超え、ねじが破壊される可能性が高くなることが判明した。

　上記結果より、トルク性能を向上するには、ウェッジ比は高いほど良い。しかし、前述の通り、ウェッジ比が高すぎると、ピン（雄ねじ）及び／又はボックス（雌ねじ）の先端付近のねじ山が破壊されるリスクが高くなるため、ウェッジ比は８％以下としておいたほうが良い。また、ねじ山幅の減少はねじ底幅の増加に等しく、ねじ切り時のパス数の増加、インサートの寿命の低下につながることから、製造の観点からも極端に高いウェッジ比も望ましくない。以上より、適切なウェッジ比は３～８％であった。

１：鋼管用ねじ継手
１０：ピン
１１：雄ねじ
２０：ボックス
２１：雌ねじ
１１１，２１１：荷重面
１１２，２１２：挿入面
ＬＰ：荷重面ピッチ
ＳＰ：挿入面ピッチ

Claims (4)

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、楔形ねじで構成される雄ねじを含み、
   　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、楔形ねじで構成される雌ねじを含み、
   　次の式（１）を満たす、鋼管用ねじ継手。
   　３％≦（ＬＰ－ＳＰ）／ＬＰ≦８％　（１）
   　式（１）中、ＬＰは前記雄ねじの荷重面間のピッチであり、ＳＰは前記雄ねじの挿入面間のピッチである。
2. 　請求項１に記載の鋼管用ねじ継手であって、
   　次の式（２）を満たす、鋼管用ねじ継手。
   　４％≦（ＬＰ－ＳＰ）／ＬＰ≦７％　（２）
3. 　請求項１又は２に記載の鋼管用ねじ継手であって、
   　次の式（３）を満たす、鋼管用ねじ継手。
   　－１０度≦α≦－１度、かつ、－１０度≦β≦－１度　（３）
   　式（３）中、αは前記雄ねじの荷重面のフランク角であり、βは前記雄ねじの挿入面のフランク角である。
4. 　請求項１～３のいずれか１項に記載の鋼管用ねじ継手であって、
   　前記雄ねじ及び前記雌ねじは、完全ねじで構成される完全ねじ部を含み、
   　前記完全ねじ部は、前記鋼管の軸方向において、４０～６０ｍｍの長さを有する、鋼管用ねじ継手。

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