JP2006506582A - ねじ管継手 - Google Patents

Abstract

石油採掘産業用のねじ付きの管継手は、台形のねじとねじの近くの端部に置かれたトロイド状のシール面（１１）とを有し、シールするために、対応した円錐台状のシール面（１２）と組み合う。このトロイド状のシール面（１１）は、式（Ｉ）により与えらる範囲内に含まれる半径Ｒｓを持つ。

Description

本発明は、ねじ管継手に関し、特に石油又はガスの採取産業において使用される管継手に関する。かかる管は、ガス又は石油の圧送用パイプラインとして、又は坑井自体の配管として使用することができる。

石油及びガス産業において使用される長い管路を形成するための管又は管セグメントの組立は、通常は、ねじ継手を使用して行われる。大部分の応用例は、アメリカ石油協会（ＡＰＩ）により作成され特定された標準の連結方法に従っている。この連結方法は、引張り、圧縮、曲げ又はトルクにより生ずる大きな機械的負荷条件に耐えるとが、石油及びガス井において普通になってきた極端な負荷条件を受けたとき、特に漏洩の危険を避ける必要のある内部及び外部の高いガス圧力に関係する場合に限界がある。

石油及びガス管の継手のシール抵抗性を改良するために提供された一つの解は、選定された継手の設計に応じて継手の種々の点に置かれた金属−金属のシールである。ねじ継手におけるこの形式のシールは、機械的な要求及び差込み（ｓｔａｂｂｉｎｇ）特性及び流動特性に対して概ね満足であると同時にガス又は石油の圧力に対する障壁を提供する。この形式の継手の例はＡＰＩ採取管である。従来技術において、金属−金属シールに代わる幾つかのシールの設計が提案されている。金属−金属シールによる解の一例は、継手の雄部材の端部に置かれた円錐台状の環状の外側シール面を備えたものであり、これが継手の雌部材に置かれた対応する円錐台状の環状の内側シール面と接触する。テーパーの付けられたシール面と限定された最終組立位置とのため、両面間に半径方向の締め代が生じ、大きい接触応力を助長することにより密閉が保証される。

円錐台状のシール面の重要な技術的な特徴は、シール面とねじ部分と間のある円筒状の面と雄部材の円錐台状シール面との交差により形成されたエッヂにおける非常に集中した接触圧力の発生である。現在技術の継手の軸方向断面に沿った応力分布が図６に詳細に示される。
米国特許第４６２３１７３号 明細書

接触応力の集中は数値解析により計算することができ、これは、雄部材の端部の相対回転を引き起こす継手の雄部材と雌部材との間の剛性の差に起因する。シール面に沿った接触応力の分布も、継手の受ける負荷条件、例えば張力、圧縮力、内圧、外圧の差ににより影響される。材料の通常の降伏強度より大きいことが普通である組立中の高い接触応力の存在のため、継手におけるかじり発生の明らかな危険がある。

トーラス−円錐シール組合せが使用されるときの、捩りを与えるシール面の接触応力は、ヘルツ形式の関数により記述される分布を示す。最大接触応力及び有効接触長さは接触力の強さ及びトロイド面の半径に関係する。接触力の強さは、雌雄のシール面間の幾何学的締め代及び継手の雌雄の部材の寸法に関係する。

特許文献１は、半径１００ｍｍ以上のトロイド状シール面を有するねじ継手を説明する。大きい球面半径を有する球−円錐シールは、特定の継手寸法、即ちその直径及び壁厚に応じて、作動時にシール機能を確保するに十分に高くないシールの接触応力を与え、極端な条件下での漏洩の危険を増す可能性がある。一方、この欠点を回避したい場合、シールの接触応力を改良する通常の方法は動的な締め代を増加させることによっているが、これは、継手内部に作用する平均応力を大きくし、更に組立工程中における雌雄部材による滑り距離がかじりの危険を大きくする。

別の極端な場合、非常に小さい球半径の使用は最大シール接触圧の観点からは有利であるが、一般に材料の降伏強さより大きいこの特に高い接触応力のため、継手のかじりの危険を大きくする。この変更例の別の欠点は、シール接触面積が小さく、これが漏洩の危険を大きくする可能性のあることである。表面条件の不完全及び粗さ、潤滑剤、固体粒子などの存在のため、或る最小値以上の接触圧力による最小接触長さを必要とする。

これら継手においては、好ましいねじは台形の輪郭を有し、これにより、非常に深い坑井における使用の場合、及び非常に重要な水平方向の排出量を有するエクステンデッド・リーチ・ウエル（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｒｅａｃｈ Ｗｅｌｌｓ）の場合、継手自体の負荷容量を大きくする。ねじにおける構造的抵抗性を大きくするために、数種の設計の継手は、フランク−フランク接触の考えを使用する。これにおいては、２個の部材の一方のねじのスタブフランク（ｓｔａｂ ｆｌａｎｋ）とロードフランク（ｌｏａｄ ｆｌａｎｋ）との両者は、組立中及び組立終わりに、他方の部材の対応したフランクと接触状態にある。

台形ねじ概念の使用の主な欠点は、組立中のスタブフランクとロードフランクとの接触がかじりの危険及び所要トルクを大きくし、組立作業を不安定とし更にかかる継手の再使用の可能性を減らすことである。

本発明の主な目的は、今日の最大範囲の通常の作業条件に対して優秀なシール特性を有する長い管路の作成を許し、かつ数回の組立及び分解の後でも最適性能を保証する継手手段により上述の欠点を無くすことである。

本発明の別の目的は、運転負荷に対して高度の抵抗を有する継手を提供することである。

上述の目的及び以下より明らかにされるであろうその他の目的は、本発明により、実質的に円筒状の壁を有する雄部材のねじ端部部分及び雌部材のねじ端部部分を有する管を備え、雄部材は、雄部材と雌部材とが組み立てられた位置にあるとき、シールする目的で組み合っている関係のねじ部分に近いその端部に置かれたトロイド状のシール面を有し、雌部材の対応した円錐台状シール面が関係のねじ部分の近くに置かれたねじ管継手の手段であって、トロイド状シール面が次式の範囲内に含まれる半径Ｒｓの値を有することを特徴とする管ねじ継手の手段により達成される。

ここに、
δ＝半径方向のシールの締め代
Ｅ：材料のヤング率
ｔｎ：ピンノーズの厚さ
ＯＤ：管の外径
σ_ａｄ＝材料の降伏応力
ｗｔ：管の壁厚
Ｒ_ｎ：ピンノーズの半径
υ：ポアソン係数（＝０．３）
ｂ＝接触圧力の作用長さ

本発明のため更なる利点及び態様は、付属図面の手段により、本発明を限定しない方法で以下示される本発明の好ましい実施例の詳細な説明より明らかとなるであろう。

本発明による継手が、図面を参照し本発明を限定しない例として説明される。この継手は、端部に円錐台状の雄ねじの設けられた雄部材１、及び管又は管連結用スリーブの端部に対応する円錐台状の雌ねじの設けられた雌部材２を備える。雄部材の前端は、軸方向に向けられた中低の円錐台状の当たり面９を備え、これは、組立作業の終わりに、雌部材のショルダーを形成している中高の円錐台状の受け面１０に対して押し付けられる。中低の円錐台状当たり面９のピンノーズ（ｐｉｎ ｎｏｓｅ）と半径方向のトロイド状シール面１１との交差により外部エッジ１３が定められる。継手が組み立てられた位置にあるときは、雄部材１のトロイド状シール面１１は、雌部材２の中低の対応する円錐台状支持面１０に連結された雌部材の対応する中高の円錐台状シール面１２に当たる。

当たり面９と支持面１０との相対位置は、雄部材の対応シール面１１と雌部材１２との相対位置と比較して次のように決定される。即ち、２個の部材の組立中、当たり面９と支持面１０によりなされた接触が、無負荷状態における雄部材の初期の正常直径ＤＡと雌部材のＤＢとの間の差によって定義される雄のシール面１１と雌のシール面１２との間の直径方向の正の締め代δを定めるような方法である。この場合、前記締め代は、雄部材のエッジ１３から距離Ｃに置かれかつ継手の長手方向軸線Ｘと直交する平面において測定される。この点Ｃは、雄部材１のトロイド状シール面１１と雌部材２の中高の円錐台状シール面１２との間における長手方向切断面と円周方向接線の間の接点と一致する。

雄部材１のトロイド状シール面１１と雌部材２の円錐台状シール面１２との間の直径方向の締め代δは、雌部材２の直径方向の拡大及び同時に生ずる雄部材１の直径方向の縮小とにより補償される。与えられた直径方向の締め代δに対しては、雄部材と雌部材との間に発生した接触圧力はそれぞれの形状に関係する。締め代δが大きくなると、雄部材と雌部材との間に生ずる平均接触圧力が大きくなる。即ち、直径方向のシールの締め代は、継手の直径に応じて０．２ｍｍから１．０ｍｍの範囲であり、直径が大きくなると直径方向のシール締め代が大きくなる。

シール面における特定の応力分布は、シール面自体の特定の形状により定められる。長さｂ、いわゆる接触長さは、接触圧力の発生したシール面１１、１２において軸方向に測定された長さである。ｂの値は接触しているシール面の特定の設計及び締め代δの大きさに直接関連する。もしｂが短い場合は、大きく集中したシール接触圧力を作るであろうし、一方、ｂが長い場合は広くてより小さい接触応力が生ずるであろう。

半径Ｒｓの円筒と平面とが、接触線に沿った平面と直角方向に作用する２個の部材を押している力Ｆにより接触している場合は、両部材間の接触圧力は、塑性変形が生じないとして、ヘルツの関数により記述される。

ここに、Ｐｍａｘは最大接触圧力、Ｅはヤング率、Ｒｓは円筒の半径、Ｆは接触力、そしてＬは接触長さである。これから分かるように、所与の材料について、Ｐｍａｘは円筒体の半径及び雌雄両部材間の接触力と直接関係する。

本発明の重要な態様により、シール面１１と１２との間に発生する最大接触圧力は、密閉するために、シールに対する媒体、例えばガス又は石油の内部圧力より予め定められた倍数より大きい。この方法で、異なった負荷条件下におけるシールの挙動を管理するために、シールにおいて発生する最大接触圧力に対する最小限界値が確保される。直径方向の締め代δに関連する接触力は応力の総発生量及び組立体の幾何学的条件により決定されるので、最大接触圧力は、トロイド状シール面の最大の最適半径の選択に大きく関係する。

本発明により、雄のトロイド状シール面の最大半径Ｒｓ ｍａｘは次の関係式により定義される。

ここに、
δ＝半径方向のシール締め代
Ｅ：材料のヤング率
ｔｎ：ピンノーズ直径
ＯＤ：管の外径
σａｄ＝材料の降伏強さ
ｗｔ：管の壁厚
Ｒｎ：ピンノーズの半径
ν：ポアソンの係数（＝０３）
ｂ＝接触圧力の作動長さ
非常に小さい半径Ｒｓを有するトロイド状シール面の使用は、シール性能の観点から有益であり、提供された高い接触圧力は内部圧力用の障壁として作用するために不可欠である。一方では、Ｒｓが小さすぎると、ヘルツの公式から明らかなように接触圧力は非常に高く、そして高い集中接触圧力によるかじり及び接触圧力が発生する非常に小さい接触長さによるシール性能の観点から危険である。

上述の問題を回避するため、シール接触圧力の発生するシール面１１及び１２上の接触長さｂは、或る最小値より長く選ばれ、このため、通常の表面条件及び表面処理に対しては０．５ｍｍに設定される。そこで、ヘルツの理論により及び有限要素解析により示されるように、決定された材料、継手の寸法及び幾何学的なシールの締め代の条件決定に対しては、雄シール面半径Ｒｓが、両シール面間の接触圧力の発生する長さに直接的に影響する。

同様に、本発明により、雄のトロイド状シール面の最小半径Ｒｓ ｍｉｎが、次の関係式、ヘルツの理論関数から定められる。

ここに、
ｂ＝値０．５ｍｍの接触圧力の作用長さ、そしてＶ_０は次式で与えられる。

次の例は、δ及びｔｎ／ｗｔに対する代表値を使用し、上式の使用により計算された種々の典型的な石油管についての最大及び最小の半径Ｒｓの値を示す。

種々の管直径のための種々のシール半径の数を減らしたい場合は、本発明の好ましい実施例に従って、上式の使用により、２組の単一管直径範囲のための２組の好ましい半径範囲を定めることができる。

異なる負荷条件下におけるシール性能の改良は、上述のシール形状の利点が以下説明されるようなねじ形状と組み合わせて使用される有利な継手実施例により得られる。

引張り荷重又は圧縮荷重下における本発明による継手の最適な挙動は雄部材１及び雌部材２用として台形ねじの使用により与えられ、これにおいては、部材間の軸方向相対運動の可能性が最小にされる。この方法において、シール面における運動及び影響の両者は最小にされる。

雄部材の１のスタブフランク６と雌部材２の対応したスタブフランク５との間の間隙又は隙間が０．１５ｍｍ又はそれ以下のねじが提供される。本発明によるシールを有するかかるねじの組合せは、シールの動き及びシール域の近くにおける塑性歪みを最小にするための良好な構造的抵抗を提供する。

図５は、本発明による継手に対するシール接触圧力の変動を示す。図において、Ｘ軸はシール接触圧力とシールに対する最大圧力との比、材料の最小特定降伏限度１００％に対する最大の荷重条件を表す。

本発明の更なる利点は、内部ショルダー１０及び当たり面９及び継手の軸線Ｘと直交する平面により定義される角度γを提供することにより得られ、この値は−５゜から−１５゜の範囲にある。この方法で、本発明の継手はシールの割込み又はシールの高度の変形の発生の危険を無くす。

かかる値の範囲は、更に、組立中に生ずるかじり又は変形の問題を防止するという大きな長所を持つ。一方では、−５゜より小さい角度は、高圧縮荷重又は高トルクの場合に同様に割込みの問題を生ずるであろう。他方、−２０゜より大きい角度は高圧縮荷重又は高トルクの条件下で大きな変形が生ずるであろう。

本発明の継手は、雌部材が管の端部に設けられたとき、或いは両端に雌部材のある連結用スリーブが使用されるときのいずれにも使用することができる。

以上の説明より本発明が前文に述べられた全ての目的を達成することが明らかである。

組み立てられた位置における本発明による継手の長手方向の平面に沿った断面図を示す。 図１の継手の拡大詳細図である。 組み立てられた状態における図１の継手のシール部分の更に大尺度の拡大詳細図を示す。 分解状態における図１の継手のシール部分の更に大尺度の拡大詳細図を示す。 本発明の継手の種々の条件下におけるシール接触圧力の変動のグラフを示す。 現在技術の継手の軸方向断面に沿ったシール部分の応力分布を示す。

Claims (9)

1. 実質的に円筒状の壁を有する雄ねじ管部材（１）及び雌ねじ管部材（２）を備え、雄部材（１）は、雄部材（１）と雌部材（２）とが組み立てられた位置にあるとき、シールする目的で組み合っているそのねじ部分に近いその端部に置かれたトロイド状のシール面（１１）を有し、雌ねじ管部材（２）の対応した円錐台状シール面（１２）がねじ部分の近くに置かれるねじ管継手であって、トロイド状シール面が２１から３９８ｍｍの範囲に含まれる予め決定された半径Ｒｓを有し、前記Ｒｓの値が次式により管の外径（ＯＤ）に関連して決定され、
   ここに、
   δ＝半径方向のシールの締め代
   Ｅ：材料のヤング率
   ｔｎ：ピンノーズの厚さ
   ＯＤ：管の外径
   σ_ａｄ＝材料の降伏応力
   ｗｔ：管の壁厚
   Ｒ_ｎ：ピンノーズの半径
   υ：ポアソン係数（＝０．３）
   ｂ＝接触圧力の作用長さ
   であることを特徴とする管ねじ継手である。
2. 台形状の輪郭を有し、かつ組み立てられた位置において雄部材（１）のスタブフランク（６）と雌部材（２）の対応したスタブフランク（５）との間に０．１５ｍｍに等しいか又はこれより小さい隙間を有するねじが設けられる請求項１による継手。
3. 雄部材（１）が、継手により定められた長手方向軸線（Ｘ）に直角な平面と−１５゜から−５゜の間の範囲に含まれる角度（γ）を形成している前端の円錐台状の当たり面（９）を有する請求項２による継手。
4. 外径（ＯＤ）が１４０ｍｍより小さい管に対して、Ｒｓが３０から７５ｍｍの間の範囲に含まれる値を有する請求項３による継手。
5. 外径（ＯＤ）が１４０ｍｍより小さい管に対して、Ｒｓが３０から１００ｍｍの間の範囲に含まれる値を有する請求項３による継手。
6. 管セグメントの端部に雄部材（１）が設けられ、更に２個の雌端部のある管連結用スリーブの端部に雌部材（２）が設けられる請求項４又は５のいずれかによる継手。
7. 第１の管セグメントの端部部分に雄部材（１）が設けられ、更に第２の管セグメントの端部に雌部材（２）が設けられる請求項４又は５のいずれかによる継手。
8. 請求項１ないし７の一つ以上の特徴を有する継手の雄部材（１）を形成するようにされた外面上のねじの設けられた先端部の少なくも一部分を有する有限長の管。
9. 請求項１ないし７の一つ以上の特徴を有する継手の雌部材（２）を形成するようにされた内面上にねじが設けられた先端部の少なくも一部分を有する有限長の管。