JP6703191B2 - 鋼管用ねじ継手 - Google Patents

Description

本開示は、鋼管の連結に用いられるねじ継手に関する。

油井、天然ガス井等（以下、総称して「油井」ともいう）においては、地下資源を採掘するためにケーシング、チュービング等の油井管が使用される。油井管は鋼管が順次連結されて成り、その連結に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と呼ばれる短管である。この場合、鋼管の両端部の外周に雄ねじ部が形成され、カップリングの両端部の内周に雌ねじ部が形成される。そして、鋼管の雄ねじ部がカップリングの雌ねじ部にねじ込まれ、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部が形成され、他端部の内周に雌ねじ部が形成される。そして、一方の鋼管の雄ねじ部が他方の鋼管の雌ねじ部にねじ込まれ、これにより両者が締結されて連結される。

一般に、雄ねじ部が形成された管端部の継手部分は、雌ねじ部に挿入される要素を含むことから、ピンと称される。一方、雌ねじ部が形成された管端部の継手部分は、雄ねじ部を受け入れる要素を含むことから、ボックスと称される。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。

近年、例えば水平掘削や傾斜掘削等といった新技術の発達に伴い、ねじ継手に対し、高い耐トルク性能及び密封性能が要求されるようになっている。耐トルク性能及び密封性能を両立するためには、例えば、楔型ねじとも称されるダブテイル形状のテーパねじをねじ部に適用することが有効である。楔型ねじを有するねじ継手では、雄ねじ部（ピン）のねじ山幅がねじの弦巻き線に沿って右ねじの進む方向に先細りに狭くなり、相対する雌ねじ部（ボックス）のねじ谷幅もねじの弦巻き線に沿って右ねじの進む方向に先細りに狭くなる。楔型ねじでは、荷重フランク面（以下、「荷重面」ともいう）及び挿入フランク面（以下、「挿入面」ともいう）の双方が負角であり、荷重面同士及び挿入面同士が互いに接触する。これにより、ねじ部全体が強固に嵌まり合い、高い耐トルク性能を発揮する。また、締結状態において、ねじ部のねじ山頂面とねじ谷底面とが互いに接触するため、密封性能を確保することも可能である。

一方、特許文献１及び２には、楔型ねじを用いることなく、耐トルク性能の向上を図ったねじ継手が開示されている。

特許文献１のねじ継手では、ねじ部の荷重面及び挿入面各々の断面形状がＺ形状に形成されている。当該ねじ継手では、このような形状の荷重面同士及び挿入面同士を接触させることにより、ねじ部における管軸方向及び径方向の締め付けを制御する。

特許文献２のねじ継手では、ねじ部の各荷重面の断面形状が鉤状に形成されている。このため、締結時に、鉤状の荷重面同士が嵌まり合う。これにより、トルクショルダが負担する捻りトルクの一部をねじ部に負担させることができ、トルクショルダの塑性変形が抑制されるとともに高い耐トルク性能も発揮できる。

本明細書は、下記の先行技術文献を引用により援用する。
米国特許出願公開第２００８／００７３９０９号明細書 特開２００２−８１５８４号公報

開示の概要

ところで、楔型ねじをねじ部に適用したねじ継手では、雄ねじ部のねじ山幅及びこれに対応する雌ねじ部のねじ谷幅が変化する。よって、ねじ部の切削が困難であり、かつ切削時間がかかるため、製造コストが高くなる。製造コストを低減する観点から、ＡＰＩ（American Petroleum Institute（アメリカ石油協会））規格のバットレスねじ（台形ねじ）をねじ部に適用することも考えられる。しかしながら、バットレスねじを適用したねじ継手は、トルクショルダ等のトルク増幅機構が設けられていない場合、高い耐トルク性能を発揮することができない。

本開示は、耐トルク性能の確保と製造コストの低減とを両立することができる鋼管用ねじ継手を提供することを目的とする。

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。ピンは、雄ねじ部を外周に有する。ボックスは、雄ねじ部に対応する雌ねじ部を内周に有し、ピンと締結される。雄ねじ部は、主雄ねじと、副雄ねじとを含む。主雄ねじは、一定のねじ山幅及びねじ谷幅を有する台形ねじで構成される。副雄ねじは、主雄ねじのねじ谷に配置され、主雄ねじのねじ山幅及びねじ山高さよりも小さいねじ山幅及びねじ山高さを有する。主雄ねじ及び副雄ねじは、それぞれ、挿入フランク面と、挿入フランク面の反対側に配置される荷重フランク面とを有する。ピンの管軸方向の断面において、隣り合う主雄ねじの挿入フランク面のフランク角及び副雄ねじの荷重フランク面のフランク角は０度よりも大きい。

本開示に係る鋼管用ねじ継手によれば、耐トルク性能を確保しつつ、製造コストを低減することができる。

図１は、実施形態に係る鋼管用ねじ継手の縦断面図である。 図２は、図１に示す鋼管用ねじ継手におけるねじ部の縦断面図である。 図３は、従来技術（比較例）に係る鋼管用ねじ継手の縦断面図である。 図４は、実施例及び比較例に係る鋼管用ねじ継手の降伏トルクを示すグラフである。 図５は、実施例及び比較例に係る鋼管用ねじ継手の最小シール接触力を示すグラフである。

実施形態に係る鋼管用ねじ継手の考案者等は、主にねじ部で耐トルク性能を発揮させようと考え、ＡＰＩ規格のバットレスねじ（台形ねじ）をベースにねじ形状を変更した。

実施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。ピンは、雄ねじ部を外周に有する。ボックスは、雄ねじ部に対応する雌ねじ部を内周に有し、ピンと締結される。雄ねじ部は、主雄ねじと、副雄ねじとを含む。主雄ねじは、一定のねじ山幅及びねじ谷幅を有する台形ねじで構成される。副雄ねじは、主雄ねじのねじ谷に配置され、主雄ねじのねじ山幅及びねじ山高さよりも小さいねじ山幅及びねじ山高さを有する。主雄ねじ及び副雄ねじは、それぞれ、挿入フランク面と、挿入フランク面の反対側に配置される荷重フランク面とを有する。ピンの管軸方向の断面において、隣り合う主雄ねじの挿入フランク面のフランク角及び副雄ねじの荷重フランク面のフランク角は０度よりも大きい。

上記ねじ継手の雄ねじ部では、主雄ねじのねじ谷に、主雄ねじよりもねじ山幅及びねじ山高さが小さい副雄ねじが配置されている。雌ねじ部は、この雄ねじ部に対応するように構成されている。この構成によれば、雄ねじ部と雌ねじ部との噛み合い面積を従来のバットレスねじよりも大きくすることができる。よって、高い耐トルク性能を確保することができる。

また、上記ねじ継手の雄ねじ部では、ねじ山幅及びねじ谷幅が一定の台形ねじによって主雄ねじが構成されている。よって、楔型ねじに比べて、短い時間でねじ部を切削することが可能となる。このため、製造コストを低減することができる。

［実施形態］
以下、実施形態について図面を参照しつつ説明する。図中同一及び相当する構成については同一の符号を付し、同じ説明を繰り返さない。

（鋼管用ねじ継手の構成）
図１は、本実施形態に係る鋼管用ねじ継手１を示す縦断面図（管軸ＣＬを含む平面での断面図）である。ねじ継手１は、インテグラル型のねじ継手であってもよいし、カップリング型のねじ継手であってもよい。ねじ継手１は、ピン１０と、ボックス２０とを備える。

ピン１０は、雄ねじ部１１と、シール面１２と、ショルダ面１３とを備える。雄ねじ部１１は、主雄ねじ１１１及び副雄ねじ１１２を含む。雄ねじ部１１及びシール面１２は、ピン１０の外周に設けられている。シール面１２は、雄ねじ部１１よりもピン１０の先端側に配置される。ショルダ面１３は、ピン１０の先端に設けられている。

ボックス２０は、雌ねじ部２１と、シール面２２と、ショルダ面２３とを備える。雌ねじ部２１、シール面２２、及びショルダ面２３は、それぞれ、ピン１０の雄ねじ部１１、シール面１２、及びショルダ面１３に対応して設けられる。

雄ねじ部１１及び雌ねじ部２１は、締結状態では互いに嵌め合い、締まりばめの状態となる。

シール面１２、２２は、ボックス２０に対するピン１０のねじ込みに伴って互いに接触し、締結状態では嵌め合い、締まりばめの状態となる。これにより、シール面１２、２２同士は、メタル接触によるシール部を形成する。

ショルダ面１３、２３は、ボックス２０に対するピン１０のねじ込みに伴い、互いに接触して押し付けられる。ショルダ面１３、２３は、ボックス２０に対するピン１０のねじ込みを制限するとともに、ねじ込み進行方向と逆方向への荷重、つまりねじの締め付け軸力を雄ねじ部１１に付与する。

図２は、ねじ継手１におけるねじ部の縦断面図（管軸ＣＬを含む平面での断面図）である。図２では、説明の便宜上、雄ねじ部１１と雌ねじ部２１とを離して示している。

上述したように、雄ねじ部１１は、主雄ねじ１１１及び副雄ねじ１１２を含む。主雄ねじ１１１は、雄ねじ部１１の全体にわたって一定のねじ山幅及びねじ谷幅を有する台形ねじで構成されている。主雄ねじ１１１は、縦断面において、各々複数のねじ山頂面１１１ａ、ねじ谷底面１１１ｂ、挿入フランク面（以下、「挿入面」ともいう）１１１ｃ、及び荷重フランク面（以下、「荷重面」ともいう）１１１ｄを有する。各挿入面１１１ｃは、ピン１０の先端側に位置する。各荷重面１１１ｄは、主雄ねじ１１１の各ねじ山に関して挿入面１１１ｃの反対側に配置される。

主雄ねじ１１１の各挿入面１１１ｃ及び各荷重面１１１ｄは、同一方向に傾斜している。具体的には、各挿入面１１１ｃのフランク角は、０度よりも大きい正角である。各荷重面１１１ｄのフランク角は、０度よりもわずかに小さい負角である。ここでいうフランク角とは、管軸ＣＬに垂直な面ＶＰと各挿入面１１１ｃ又は各荷重面１１１ｄとがなす角度である。図２において、各挿入面１１１ｃのフランク角は反時計回りを正とし、各荷重面１１１ｄのフランク角は時計回りを正とする。

副雄ねじ１１２は、主雄ねじ１１１のねじ谷に配置されている。すなわち、副雄ねじ１１２のねじ山は、縦断面において、主雄ねじ１１１のねじ山間に設けられている。副雄ねじ１１２は、主雄ねじ１１１のねじ山幅及びねじ山高さよりも小さいねじ山幅及びねじ山高さを有する。例えば、副雄ねじ１１２のねじ山の縦断面積は、主雄ねじ１１１のねじ山の縦断面積の５０％以下である。

副雄ねじ１１２は、縦断面において、各々複数のねじ山頂面１１２ａ、挿入フランク面（以下、「挿入面」ともいう）１１２ｃ、及び荷重フランク面（以下、「荷重面」ともいう）１１２ｄを有する。各挿入面１１２ｃは、ピン１０の先端側に位置する。各荷重面１１２ｄは、副雄ねじ１１２の各ねじ山に関して挿入面１１２ｃの反対側に配置される。副雄ねじ１１２の各挿入面１１２ｃは、主雄ねじ１１１の各荷重面１１１ｄに対向する。副雄ねじ１１２の各荷重面１１２ｄは、主雄ねじ１１１の各挿入面１１１ｃに対向する。

副雄ねじ１１２の各挿入面１１２ｃ及び各荷重面１１２ｄは、反対方向に傾斜している。すなわち、各挿入面１１２ｃ及び各荷重面１１２ｄのフランク角は、それぞれ、０度よりも大きい正角となっている。ここでいうフランク角とは、管軸ＣＬに垂直な面と各挿入面１１２ｃ又は各荷重面１１２ｄとがなす角度である。図２において、各挿入面１１２ｃのフランク角は反時計回りを正とし、各荷重面１１２ｄのフランク角は時計回りを正とする。

ピン１０の縦断面（管軸方向の断面）において、隣り合う主雄ねじ１１１の挿入面１１１ｃのフランク角θ１１１ｃ及び副雄ねじ１１２の荷重面１１２ｄのフランク角θ１１２ｄは、それぞれ、０度よりも大きい正角である。特に図示しないが、主雄ねじ１１１の荷重面１１１ｄのフランク角は０度よりも小さい負角である。副雄ねじ１１２の挿入面１１２ｃのフランク角は０度よりも大きい正角である。特に限定されないが、荷重面１１１ｄのフランク角の絶対値は、挿入面１１２ｃのフランク角の絶対値よりも小さい。

雌ねじ部２１は、縦断面において、各々複数のねじ山頂面２１ａ、ねじ谷底面２１ｂ、挿入フランク面（以下、「挿入面」ともいう）２１ｃ、及び荷重フランク面（以下、「荷重面」ともいう）２１ｄを有する。雌ねじ部２１のねじ山には、副ねじ溝２１ｅが形成されている。

雌ねじ部２１のねじ山頂面２１ａ、ねじ谷底面２１ｂ、挿入面２１ｃ、及び荷重面２１ｄは、それぞれ、主雄ねじ１１１のねじ谷底面１１１ｂ、ねじ山頂面１１１ａ、挿入面１１１ｃ、及び荷重面１１１ｄと対向する。雌ねじ部２１の副ねじ溝２１ｅは、副雄ねじ１１２のねじ山を受け入れる。

締結状態では、雌ねじ部２１のねじ山頂面２１ａ及び荷重面２１ｄは、それぞれ、主雄ねじ１１１のねじ谷底面１１１ｂ及び荷重面１１１ｄと接触する。雌ねじ部２１の副ねじ溝２１ｅの底面及び側壁面には、副雄ねじ１１２のねじ山頂面１１２ａ、挿入面１１２ｃ、及び荷重面１１２ｄが接触する。

雌ねじ部２１のねじ山に設けられた副ねじ溝２１ｅの幅Ｗ２は、副雄ねじ１１２のねじ山の幅Ｗ１よりもわずかに小さい。雌ねじ部２１のねじ山において、挿入面２１ｃから副ねじ溝２１ｅの側壁面までの管軸方向の長さＬ２１は、主雄ねじの挿入面１１１ｃから副雄ねじ１１２の荷重面１１２ｄまでの管軸方向の長さＬ１１よりもわずかに大きい。また、雌ねじ部２１のねじ山において、荷重面２１ｄから副ねじ溝２１ｅの側壁面までの管軸方向の長さＬ２２は、主雄ねじの荷重面１１１ｄから副雄ねじ１１２の挿入面１１２ｃまでの管軸方向の長さＬ１２よりもわずかに大きい。このように構成することで、副雄ねじ１１２が雌ねじ部２１とかしめ合い、雄ねじ部１１と雌ねじ部２１とで構成されるねじ部の噛み合い強さを大きくすることができる。

（実施形態の効果）
以上のように、本実施形態に係るねじ継手１では、主雄ねじ１１１のねじ谷に、主雄ねじ１１１よりもねじ山幅及びねじ山高さが小さい副雄ねじ１１２が配置されている。副雄ねじ１１２のねじ山は、締結状態において、雌ねじ部２１の副ねじ溝２１ｅに受け入れられる。このため、雄ねじ部１１と雌ねじ部２１との噛み合い面積を従来のバットレスねじよりも大きくすることができ、高い耐トルク性能を確保することができる。

また、本実施形態では、雄ねじ部１１における主雄ねじ１１１のねじ山幅及びねじ谷幅、並びに雄ねじ部１１に対応する雌ねじ部２１のねじ山幅及びねじ谷幅は、ねじ部の全体にわたって一定である。よって、楔型ねじに比べて、短い時間でねじ部を切削することができる。その結果、製造コストを低減することができる。

本実施形態では、副雄ねじ１１２を受け入れる雌ねじ部２１の副ねじ溝２１ｅの幅Ｗ２は、副雄ねじ１１２のねじ山の幅Ｗ１よりもわずかに小さい。雌ねじ部２１のねじ山において、挿入面２１ｃから副ねじ溝２１ｅの荷重面（挿入面２１ｃと反対側の側面）２１ｆまでの管軸方向の長さＬ２１は、主雄ねじの挿入面１１１ｃから副雄ねじ１１２の荷重面１１２ｄまでの管軸方向の長さＬ１１よりもわずかに大きい。また、雌ねじ部２１のねじ山において、荷重面２１ｄから副ねじ溝２１ｅの挿入面（荷重面２１ｄと反対側の側面）２１ｇまでの管軸方向の長さＬ２２は、主雄ねじの荷重面１１１ｄから副雄ねじ１１２の挿入面１１２ｃまでの管軸方向の長さＬ１２よりもわずかに大きい。これにより、副雄ねじ１１２と雌ねじ部２１とがかしめ合うため、ねじ部の噛み合い強さを増大させることができる。結果として、耐トルク性能をさらに向上させることができる。

上述したように、本実施形態では、雄ねじ部１１に副雄ねじ１１２を設けたことにより、ねじ部の噛み合い面積及び噛み合い強さが大きくなる。これにより、ねじ部に外圧が負荷された場合であっても、ねじ部及びシール部に対する外圧の浸透が抑制される。よって、外圧に対する密封性能を向上させることができる。

本開示に係る鋼管用ねじ継手による効果を確認するため、弾塑性有限要素法による数値シミュレーション解析を実施した。

［試験条件］
実施例として、主雄ねじ１１１のねじ谷に副雄ねじ１１２を設けたねじ継手１のモデルを作製した（図１）。比較のための従来技術（比較例）として、バットレスねじを採用したねじ継手２のモデルを作製した（図３）。比較例に係るねじ継手２は、副雄ねじ１１２を備えていない点を除き、実施例に係るねじ継手１と同様の構成を有する。鋼管のサイズは５” １８＃（管本体外径：１２７．００ｍｍ、管本体内径：１０８．６１ｍｍ）、材料はＡＰＩ炭素鋼のＰ１１０（公称降伏応力（ＹＳ）：７５８ＭＰａ）とした。

［評価方法］
解析では、作製した各モデルについて、ピン１０及びボックス２０のショルダ１３、２３が互いに接触した後に締結ターンを増加していき、締結トルク線図の傾きが変化する点を降伏トルクと定義し、この降伏トルクの値で耐トルク性能を評価した。また、作製した各モデルについて、ＩＳＯ１３６７９のシリーズＡ試験を模擬した荷重条件下で得たシール接触力の最小値（最小シール接触力）により、密封性能を評価した。

図４及び図５に、それぞれ、得られた降伏トルク及び最小シール接触力を示す。図４及び図５に示すように、実施例に係るねじ継手１（図１）の方が比較例に係るねじ継手２（図３）よりも降伏トルク及び最小シール接触力が顕著に大きい。よって、主雄ねじ１１１のねじ谷に副雄ねじ１１２を設けることにより、耐トルク性能及び密封性能を格段に向上させられることがわかった。

［範囲の規定］
副雄ねじ１１２のねじ山の縦断面積は、ある程度の大きさを確保した方がよい。締結時のねじ部の接触面積を増加させるとともに、耐トルク性能を従来に比べて大幅に改善するためである。それは前述した外圧密封性能に対しても言えることである。本実施例を参考にすると、外圧密封性能を向上するには、副雄ねじ１１２のねじ山の縦断面積Ｓ１が主雄ねじ１１１のねじ山の縦断面積Ｓ２の１５％以上であることが望ましいと考えられる。しかし、副ねじ１１２のねじ山の縦断面積Ｓ１を大きくし過ぎると、ねじ部の製造及び締結に不具合を生じる可能性があるため、副雄ねじ１１２のねじ山の縦断面積Ｓ１は、主雄ねじ１１１のねじ山の縦断面積Ｓ２の４０％以下とした方が良い。ここで、副雄ねじ１１２のねじ山の縦断面積Ｓ１は、図２に示されるように、副雄ねじ１１２のねじ山の縦断面において、副雄ねじ１１２のねじ山の輪郭と、ねじ谷底面１１１ｂ同士を結ぶ直線Ｌとによって囲まれる面積である。また、主雄ねじ１１１のねじ山の縦断面積Ｓ２は、図２に示されるように、主雄ねじ１１１のねじ山の縦断面において、主雄ねじ１１１のねじ山の輪郭と、ねじ谷底面１１１ｂ同士を結ぶ直線Ｌとによって囲まれる面積である。

１：鋼管用ねじ継手
１０：ピン
１１：雄ねじ部
１１１：主雄ねじ
１１１ｃ：挿入フランク面
１１１ｄ：荷重フランク面
１１２：副雄ねじ
１１２ｃ：挿入フランク面
１１２ｄ：荷重フランク面
２０：ボックス
２１：雌ねじ部

Claims (2)

1. 鋼管用ねじ継手であって、
   雄ねじ部を外周に有する管状のピンと、
   前記雄ねじ部に対応する雌ねじ部を内周に有し、前記ピンと締結される管状のボックスと、
   を備え、
   前記雄ねじ部は、
   一定のねじ山幅及びねじ谷幅を有する台形ねじで構成される主雄ねじと、
   前記主雄ねじのねじ谷に配置され、前記主雄ねじのねじ山幅及びねじ山高さよりも小さいねじ山幅及びねじ山高さを有する副雄ねじと、
   を含み、
   前記主雄ねじ及び前記副雄ねじは、それぞれ、挿入フランク面と、前記挿入フランク面の反対側に配置される荷重フランク面とを有し、
   前記ピンの管軸方向の断面において、互いに隣り合う前記主雄ねじの挿入フランク面のフランク角及び前記副雄ねじの荷重フランク面のフランク角は０度よりも大きい、鋼管用ねじ継手。
2. 請求項１に記載の鋼管用ねじ継手であって、
   前記副雄ねじのねじ山は、前記副雄ねじと隣接する主雄ねじのねじ山の縦断面積の１５〜４０％の縦断面積を有する、鋼管用ねじ継手。

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