JP5066316B2

JP5066316B2 - 管継手

Info

Publication number: JP5066316B2
Application number: JP2001536845A
Authority: JP
Inventors: クルーク，ゲルハルト; レンツェ，フリードリヒ; クアートフリーク，エーリヒ
Original assignee: ファウ・ウント・エム・ドイチュラント・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング
Priority date: 1999-11-10
Filing date: 2000-10-10
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2020-10-10
Also published as: AR026011A1; US20020017788A1; NO20021962D0; JP2003514201A; MXPA02002846A; US6511102B2; BR0015454A; WO2001034936A1; DE50002679D1; DE19955377C2; EP1232322B1; AU2148001A; CA2389216A1; ATE243807T1; NO20021962L; DE19955377A1; EP1232322A1; NO326307B1; CA2389216C

Description

【０００１】
本発明は、請求項１の前文に記載されたピン要素とソケット要素とを有する管継手に関する。
【０００２】
ガスを求める海洋掘削穴はますます深くなる水深部に掘り下げられ、貯留圧力が高くなる。これらの掘削穴は維持し修理されねばならない。しかし、そのために、満足しうる工具、すなわち１つの管列へとねじ込み可能な特殊管が市場にはない。掘削作業が変更されると、下記要件を満足する管継手を備えた工具が求められる：
−高い耐内圧強度とガス気密性、
−大まかな操作用に抵抗力の強い頑丈な設計とこの工具の多重反復使用、
−密封機能を失うことなく多重ねじ締め、
−ワークオーバ（Workover）作業用に高いねじ締めトルク、従って繰返し曲げ応力もしくは高いトルクに対する高い初期応力、
−容易で迅速な取付けと解体、
−容易で安価な修理の可能性。
【０００３】
海洋／ワークオーバ作業は現在、比較的大きなガス気密性チュービングねじ継手で実施され、これらのチュービングねじ継手は高いガス内圧に耐えるのに適しているが、しかし再ねじ締め能力が乏しいのでかなりの頻度で修理され、こうして数回利用できるにすぎず、すなわち費用が高くなる。さらに、このような継手はうねり、潮流または渦振動による海洋／ワークオーバ作業時に不可避な繰返し曲げ応力用に設計されてはおらず、繰返し曲げ強度が乏しいので再利用の可能性は著しく限定されている。
【０００４】
フランジ継手もやはり使用できるが、しかしこれは取付けや解体時に高い時間支出を必要とし、それゆえに費用が高くなる。
【０００５】
提起された要件に対しては一般に、特別に実施されたドリルパイプ継手、特に内肩部と外肩部とを備えたものが適していよう。というのも、二重衝合（Doppelstoss）を有する構造によって高いねじ締めトルクを、従って高い作業トルクも、吸収できるからである。しかしドリルパイプ継手は比較的高いガス圧力に対して透過性である。例えばテフロン（登録商標）材料からなる付加的シールリングによってガス内圧に対する密封を行いうることが公知である。しかしこの密封は限定的に再利用可能であり、低い圧力用にのみ適している（会社冊子−Mannesmann OCTG−“Premium Test Drill Pipe for high pressure oil and gas wells”（高圧油井・ガス井用ドリルパイプのプレミアムテスト）" No. 2/89参照）。
【０００６】
前文に係る管継手はＷＯ９６／０３６０５により公知である。ドリルパイプとして使用される管継手はピン要素とこのピン要素にねじ締め可能なソケット要素とからなり、ピン要素は外肩部とピン端面との間に配置される円錐形雄ねじ部分と、外肩部と雄ねじ部分との間および雄ねじ部分とピン端面との間に配置されるねじ無し部分とを有し、ソケット要素は内肩部とソケット端面との間に配置される円錐形雌ねじ部分と、内肩部と雌ねじ部分との間および雌ねじ部分とソケット端面との間に配置されるねじ無し部分とを有し、ピン要素およびソケット要素のねじ締め状態時に向き合う、外肩部の領域にあるねじ無し部分は内肩部の領域にあるねじ無し部分よりも長い。ねじ締め時にソケット端面に接触する外肩部は一次肩部を形成する。
【０００７】
匹敵する管継手がＤＥ３２４５８１９Ｂ１に開示されている。やはりドリルパイプ継手として構成されるこの管継手は上記管継手と同じ特徴を有し、この構造でも外肩部はねじ締め時に最初に作動される一次肩部を形成する。外肩部の領域にあるねじ無し部分の長さは内肩部の領域にあるねじ無し部分よりもやはり長い。さらに、ソケット端面から内肩部までの距離をピン端面から外肩部までの距離よりも大きく選択することが提案される。これにより、手でねじ合せ時にソケット端面が外肩部に当接するとき隙間が形成される。
【０００８】
両方の公知管継手は、海洋／ワークオーバ作業用管継手に要求されねばならない特別な要件を満たさない。
【０００９】
本発明の課題は、二重衝合を備えた公知の管継手を改良して、海洋／ワークオーバ作業用の特別な要件をそれが満たすようにすることである。特別な要件とは内圧＞１００００ｐｓｉの高いガス気密性、繰返し曲げ応力に対する高い抵抗力、操作時の頑丈さ、気密性を損なうことなく頻繁な再利用の可能性、迅速な取付けと解体、容易で安価な修理の可能性である。
【００１０】
この課題は、請求項１の前文から出発して、特徴部分の特徴と合わせて解決される。有利な諸構成はそれぞれ従属請求項の対象である。
【００１１】
所要の高いトルクを吸収するために周知の如く通常の外部衝合と内部衝合が利用される。二次的に有効となる内部衝合の負荷を付加的に制限するためにピン要素の長いねじ無し部分が構成され、この部分が金属シールの要素を担持する。内部衝合でのピン要素のねじ無し部分が以下ではリップ（Lippe）と称される。リップの長さは外肩部のねじ無し部分の少なくとも２倍、好ましくは３倍までの長さである。これにより、ねじ締めトルクの上昇に伴って外肩部は持分に応じて一層負荷され、内圧負荷能力を下げる軸方向圧縮応力はリップ内で僅かなものに抑えられる。しかし、比較的長いリップが強い撓みを受け、こうして密封座の機能を危うくすることが不利に作用する。この問題は支持接触面を配置することによって解決され、これにより撓みは害のない程度に低減される。柔軟性を高めるためにソケット要素のねじ領域と密封領域との間に溝が設けられており、溝の機能は、応力除去溝の意味で応力ピークを減成することによってソケット体から応力除去することにあるのではなく、もともとは、この領域を一層柔軟にしてリップの圧縮を減らすことにある。同時にこの溝はそこに集まることのある過剰のねじ締め用油脂を、有害な圧力を密封系に加えることなくねじから受容するのに役立つ。さらに溝の寸法設計ではねじを経済的に製造するために多歯チェーザの利用が考慮されている。
【００１２】
ソケット要素の球形に構成される接触面の半径を好適に選択し、密封座と衝合面との距離、密封座と支持接触面の位置との距離という相互に影響し合う距離を最適化することによって、重なり部の製造公差とピン要素およびソケット要素の長さ差とに極力左右されない一定した十分に強い接面圧力が密封座に生成されかつ支持接触面での変動が捕捉されることが達成される。球形に構成される接触面は選択的に内肩部に向けられたピン要素のねじ無し部分に配置しておくこともでき、その場合これと協動するソケット要素のねじ無し部分は直線的傾斜面として構成される。
【００１３】
計算と分析から、主要パラメータの下記条件において希望する結果が達成されることが判明した。
【数４】

Ｒ_D＝密封接触面の半径
Ｒ_L＝シールリップの平均半径
Ｒ_S＝支持接触面の半径
【数５】

Ｕ_D＝密封接触面における過寸法
σ_0.2＝降伏点
Ｅ＝弾性係数
Ｕ_S＝支持接触面における過寸法
【数６】

Ｌ_ID＝内肩部と密封座との間の距離
Ｓ_L＝平均リップ厚
Ｌ_DS＝密封座と支持接触面との間の距離
Ｌ_SG＝支持接触面とねじ導入部との間の距離
【００１４】
さらに、ねじ部分に生成されるねじは軸方向荷重の結果としての半径方向成分を減らすために、匹敵するねじ（例えばＡＰＩ）よりも急峻な１５〜２０°（好ましくは１８°）の荷重フランク（Lastflanke）を有し、ねじピッチ（Gewindesteigung）が２．５〜４ねじ山（Gang）／インチ（好ましくは３ねじ山／インチ）、テーパが１：４〜１：８（好ましくは１：６）であることが計算の基礎とされている。密封テーパは１：３〜１：５（好ましくは１：４）とすべきである。大きなねじピッチと急峻な密封テーパはねじ締めおよび解除中の摩擦行程を短くし、こうして摩耗を減らす。
【００１５】
本発明の他の特徴によれば内肩部が９０°肩部として構成されている。そのことの利点として、密封系に不利に作用するであろうような半径方向力の発生が圧縮時に回避される。
【００１６】
本発明により構成された管継手が図面において１実施例に基づいて詳しく説明される。
【００１７】
図１ａには本発明により構成されたソケット要素１が、また図１ｂには本発明により構成されたピン要素２が片側縦断面図で示してある。ソケット要素１は内肩部３とソケット端面４との間に位置する円錐形雌ねじ部分５を有する。雌ねじ部分５の始端とソケット端面４との間に円錐形ねじ無し部分６が配置されている。ソケット要素１の第２ねじ無し部分２０は雌ねじ部分５の終端と内肩部３との間にある。ソケット要素１の外径は矢印８で示してある。ソケット要素１にねじ締め可能な本発明により構成されるピン要素２は外肩部９とピン端面１０との間に位置する雄ねじ部分１１を有する。雄ねじ部分１１の終端と外肩部９との間には円筒形に構成されるねじ無し部分１２があり、ピン要素２の第２ねじ無し部分１９は雄ねじ部分１１の始端とピン端面１０との間にある。
【００１８】
本発明によればソケット要素１の第２ねじ無し部分２０が密封部２６と溝７とに区分されており、この溝は雌ねじ部分５の終端から密封部２６の始端まで延設されている。密封部２６には２つの球形輪郭の接触面１３、１４が配置されている。内肩部３に近い方の接触面１３は密封座として構成されており、遠く離れた方の接触面１４は支持接触面として構成されている。密封座１３と支持接触面１４はねじ締め時、ピン要素２のねじ無し部分１９に配置される直線的円錐面１５と協動する。この円錐面１５の傾きは急峻に選択され、好ましくは１：４である。雄ねじ部分１１の方向でこの円錐面が第２円錐面１６に移行しており、第２円錐面は一層浅く傾き、好ましくは１：６の傾きを有する。傾き差に基づいて移行面１６は密封座の損傷保護部として役立つ。移行円錐面１６の傾きは好ましくは雌ねじ部分５および雄ねじ部分１１の傾きにも一致する。
【００１９】
ピン要素２の外肩部９は、強力ねじ締め時に最初に作用する一次肩部を形成する。これは、内肩部３とソケット端面との間の距離１７が外肩部９とピン端面１０との間の距離１８よりも大きいことによって達成される。本発明により構成される管継手の他の主要特徴は、内部衝合領域におけるピン要素２のねじ無し部分１９の長さが外部衝合領域におけるソケット要素１のねじ無し部分６の長さの少なくとも２倍の大きさであることにある。ピン要素２の内径は矢印２１で示してある。
【００２０】
図２には本発明により構成されたねじ形状が拡大尺度で示してある。図２の上部はソケット要素１の雌ねじ部分５の１１／２歯２２．１、２２．２を部分的に示す。下部はピン要素２の雄ねじ部分１１の歯２３．１を部分的に示す。両方のねじ部分５、１１の基本形状はＡＰＩ規格に基づく並目丸ねじであり、１００回以上のこともある、所要の頻繁なねじ締めにとって、そして迅速な噛合わせ、いわゆるピン要素２とソケット要素１との「スタビング（Stabbing）」にとって有利である。案内フランク２４はＡＰＩ回転ねじと同様に３０°の角度を有する。ＡＰＩとは異なり、荷重フランク２５の角度は１５〜２０°、好ましくは１８°の範囲で一層急峻である。これは、ピン要素２の雄ねじ部分１１の歯２３．１にも同様にあてはまる。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】本発明により構成されたソケット要素を片側縦断面図で示す。
【図１ｂ】本発明により構成されたピン要素を片側縦断面図で示す。
【図２】本発明により構成されたねじ形状を拡大尺度で示す。

Claims

ピン要素が、外肩部とピン端面との間に配置される円錐形雄ねじ部分と、前記外肩部と前記雄ねじ部分との間に配置される第１のピンねじ無し部分と、前記雄ねじ部分と前記ピン端面との間に配置される第２のピンねじ無し部分とを有し、
前記ピン要素にねじ締め可能なソケット要素が、内肩部とソケット端面との間に配置される円錐形雌ねじ部分と、前記内肩部と前記雌ねじ部分との間に配置される第１のソケットねじ無し部分と、前記雌ねじ部分と前記ソケット端面との間に配置される第２のソケットねじ無し部分とを有し、
ねじ締め状態時に、前記内肩部の領域にて向き合う前記第１のピンねじ無し部分および前記第２のソケットねじ無し部分が、前記外肩部の領域にて向き合う前記第１のソケットねじ無し部分および前記第２のピンねじ無し部分とが異なる長さを有する管継手において、
ねじ締め時に前記ソケット端面（４）に接触する前記ピン要素（２）の外肩部（９）が一次肩部を形成し、かつ前記ピン端面（１０）と前記外肩部（９）との間の距離（１８）が前記ソケット要素（１）のソケット端面（４）と前記内肩部（３）との間の距離（１７）よりも短く、
前記第２のピンねじ無し部分（１９）または前記第１のソケットねじ無し部分（２０）が、前記第１のピンねじ無し部分（１２）または前記第２のソケットねじ無し部分（６）のそれぞれ少なくとも２倍の長さであり、
その際、前記第１のソケットねじ無し部分（２０）が溝（７）と密封部（２６）とを有し、
前記第２のピンねじ無し部分（１９）が前記ピン要素（２）のピン端面（１０）に最も近い直線的接触面（１５）を有し、該直線的接触面（１５）が、縦断面視で斜めに延び、ねじ締め状態時に前記ソケット要素（１）の密封部（２６）に接触し、かつ金属シールを形成し、
前記密封部（２６）が軸方向で離間し、かつ波状に形成される２つの接触面（１３，１４）を備えており、前記２つの接触面（１３，１４）が、前記ピン要素（２）の直線的接触面と当接するように凸面球形に形成され、前記２つの接触面（１３，１４）の一方であり、かつ密封座として役立つ密封接触面（１３）が前記内肩部（３）の近くに配置され、前記２つの接触面（１３，１４）のもう一方であり、かつ支持作用を及ぼす支持接触面（１４）が前記内肩部（３）から遠くに配置されており、
柔軟性を高めるために設けられる前記溝（７）が、前記ソケット要素（２）の前記雌ねじ部分（５）と前記密封部（２６）との間で前記密封部（２６）と連続して連結されるように配置され、かつ縦断面視で略矩形状に形成されており、
前記第２のピンねじ無し部分（１９）が、前記ソケット要素の溝（７）に対応する移行面（１６）を有し、
前記移行面（１６）のテーパの傾きが、前記雄ねじ部分（１１）の傾きと一致しており、
前記直線的接触面（１５）のテーパの傾きが、前記移行面（１６）のテーパの傾きよりも急峻となっていることを特徴とする、管継手。
前記第２のピンねじ無し部分（１９）または前記第１のソケットねじ無し部分（２０）が前記第１のピンねじ無し部分（１２）または前記第２のソケットねじ無し部分（６）の３倍の長さであることを特徴とする、請求項１記載の管継手。
前記雌ねじ部分（５）と前記雄ねじ部分（１１）とが並目標準ねじを備えており、前記標準ねじの荷重フランク（２５）が１５°〜２０°の角度範囲を有し、また前記標準ねじの案内フランク（２４）が３０°の角度を有することを特徴とする、請求項１又は２記載の管継手。
前記荷重フランク（２５）が１８°の角度を有することを特徴とする、請求項３記載の管継手。
前記雌ねじ部分（５）および前記雄ねじ部分（１１）のねじピッチが２．５ねじ山／インチ〜４ねじ山／インチの範囲内であることを特徴とする、請求項３又は４記載の管継手。
前記雌ねじ部分（５）および前記雄ねじ部分（１１）のねじピッチが３ねじ山／インチであることを特徴とする、請求項５記載の管継手。
前記雌ねじ部分（５）および前記雄ねじ部分（１１）のテーパが１：４〜１：８の範囲内であることを特徴とする、請求項３〜６のいずれか一項記載の管継手。
前記雌ねじ部分（５）および前記雄ねじ部分（１１）のテーパが１：６であることを特徴とする、請求項７記載の管継手。
前記ソケット要素（１）の球形に構成される前記接触面（１３、１４）の半径が前記ピン要素（２）のリップの平均半径よりも大きく、前記密封接触面（１３）の半径が支持接触面（１４）の半径よりも常に小さく、

Ｒ_D＝前記密封接触面の半径Ｒ_L＝シールリップの平均半径Ｒ_S＝前記支持接触面の半径であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の管継手。
前記接触面（１３，１４）における過寸法（前記ソケット要素（１）−前記ピン要素（２）の直径差）が素材に依存しており、前記支持接触面（１４）における過寸法が前記密封接触面（１３）の過寸法よりも常に小さく、

Ｕ_D＝前記密封接触面における過寸法σ_0.2＝降伏点Ｅ＝弾性係数Ｕ_S＝前記支持接触面における過寸法であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の管継手。
前記密封接触面（１３）と前記ピン要素（２）の末端（１０）との間の距離、前記密封接触面（１３）と前記支持接触面（１４）との間の距離、そして前記支持接触面（１４）と前記雄ねじ部分のねじ導入部（１１）との間の距離が、下記条件

Ｌ_ID＝前記内肩部と密封座との間の距離Ｓ_L＝平均リップ厚Ｌ_DS＝前記密封座と前記支持接触面との間の距離Ｌ_SG＝前記支持接触面と前記ねじ導入部との間の距離を、満足することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の管継手。
前記ピン要素（２）の直線的接触面（１５）のテーパの傾きが１：３〜１：５の範囲内となっていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の管継手。
前記ピン要素（２）の直線的接触面のテーパの傾きが１：４であることを特徴とする、請求項１２に記載の管継手。
前記内肩部（３，１０）が９０°肩部として構成されていることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の管継手。