JP6804664B2 - 鋼管用ねじ継手 - Google Patents

Description

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。

油井は、掘削中に坑壁が崩れないように、油井管で坑壁を補強しながら掘り進むため、結果的に油井管が多重に配置された構造になる。近年、油井の高深度化及び超深海化がますます進展しているが、このような環境では、効率よく油井を開発するため、油井管の接続に、継手部の内径及び外径が鋼管の内径及び外径と同程度か又はわずかに大きいねじ継手が多用される。このようなねじ継手を用いることで、多重に配置される油井管同士の隙間を極力小さくすることができ、深くても井戸の径があまり大きくならず効率的に油井を開発できる。このような内径及び外径の制約の下で、ねじ継手には、内部からの流体圧力（以下、「内圧」ともいう。）及び外部からの流体圧力（以下、「外圧」ともいう。）に対し、優れた密封性能が要求される。さらに、例えば大深度の油井に用いられる場合等では油井管の熱膨張によって、ねじ継手に大きな引張荷重や圧縮荷重がかかる。このような環境においても、ねじ継手には優れた密封性能を備えることも要求される。

密封性能を確保するためのねじ継手として、メタル−メタル接触によるシール（以下、「メタルシール」という。）を有するものが知られている。メタルシールとは、ピンのシール面の径がボックスのシール面の径よりも僅かに大きく（この径の差を「干渉量」と呼ぶ。）、ねじ継手を締結してシール面同士が嵌め合わされると、干渉量によりピンのシール面が縮径し、ボックスのシール面が拡径し、それぞれのシール面が元の径に戻ろうとする弾性回復力によってシール面に接触圧力が発生して全周密着し、密封性能を発揮する構造である。

特表２００６−５２６７４７号公報（特許文献１）は、ピン及びボックスから構成される鋼管用ねじ継手を開示する。ピンは、雄ねじと、シール面と、ショルダ面とを有する。これらに対応し、ボックスは、雌ねじと、シール面と、ショルダ面とを有する。ピンは、シール面とショルダ面との間に設けられるノーズ部を有する。ノーズ部は、ボックスの対応する部分と接触していない。ショルダ角は管軸に垂直な平面に対して４〜１６度が良い、と記載されている。

特開２０１３−２９１７６号公報（特許文献２）は、ピン及びボックスから構成される鋼管用ねじ継手を開示する。ピンは、雄ねじ部と、雄ねじ部より管端側に延在するノーズ部と、ノーズ部の先端に設けられたショルダ部とを有する。ボックスは、雄ねじ部とねじ結合されてねじ部をなす雌ねじ部と、ピンのノーズ部外周面に相対するシール面と、ピンのショルダ部に当接するショルダ部とを有する。ピンのノーズ部外周面は外側に凸の曲面形状である。ボックスのシール面は単一のテーパ形状である。ピンのノーズ部外周面とボックスのシール面とがメタル−メタル接触し、その接触部がシール部をなす。

特開２０１４−１３０５２号公報（特許文献３）は、ピン部材及びボックス部材から構成される管のねじ継手を開示する。ピン部材は、雄ねじ部と、雄ねじ部より管端側に延在するノーズ部と、ノーズ部の先端に設けられたショルダ部とを有する。ボックス部材は、雄ねじ部とねじ結合される雌ねじ部と、ピン部材のノーズ部であるピンノーズの外周面に相対する内周面と、ピン部材のショルダ部に当接するショルダ部とを有する。ピンノーズの外周面は凸曲面である。ボックス部材の内周面は、ピン部材との結合時にピンノーズの凸曲面と干渉するテーパ面である。ショルダ部のショルダ角は０度以上である。ねじ結合によりピン部材とボックス部材とが結合されてピンノーズの凸曲面とボックス部材のテーパ面とがメタル−メタル接触し、その接触界面がシール部をなす。

本明細書は、下記の文献を引用により援用する。
特表２００６−５２６７４７号公報 特開２０１３−２９１７６号公報 特開２０１４−１３０５２号公報

開示の概要

本開示の目的は、内圧及び外圧に対する密封性能を向上させることが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、ショルダ角以外に、内圧及び外圧に対する密封性能に影響を及ぼすファクタを鋭意検討していた。その結果、本発明者らは、ピンの先端からメタルシールまでの距離が密封性能に影響を及ぼすことを新たに知見した。この知見に加え、本発明者らは、従来検討されていなかったメタルシールにおけるピンとボックスの肉厚比が密封性能に影響を及ぼすことも新たに知見した。これらの新たな知見に基づき、本発明者らは以下のねじ継手を発明した。

本開示に係る鋼管用ねじ継手は、鋼管の一方の先端部に形成される管状のピンと、ピンが挿入されてピンと締結される管状のボックスとを備える。ピンは、ピンの外周に形成される雄ねじと、ピンの先端部に形成され、ピン及びボックスが締結されている状態でボックスのうち対向する部分の内径よりも小さい外径を有するノーズと、ノーズの先端に形成されるピンショルダ面と、雄ねじとノーズとの間においてピンの外周面に形成されるピンシール面とを含む。ピンシール面は、ピンショルダ面に近い方に位置する第１曲率面と、ピンショルダ面から遠い方に位置する第２曲率面と、第１曲率面と第２曲率面との間に位置する第１テーパ面とを含む。ボックスは、雄ねじに対応し、ボックスの内周に形成される雌ねじと、ピンショルダ面に対向し、ピン及びボックスが締結されている状態でピンショルダ面と接触するボックスショルダ面と、ピンシール面に対向し、ピン及びボックスが締結されている状態でピンシール面と接触するボックスシール面とを含む。ボックスシール面は、ボックスショルダ面に近い方に位置する第３曲率面と、ボックスショルダ面から遠い方に位置する第４曲率面と、第３曲率面と第４曲率面との間に位置する第２テーパ面とを含む。ボックスシール面は、第２テーパ面上の管軸方向における中点に位置するシールポイントを有する。管軸方向におけるノーズの先端とシールポイントとの間のシールポイント距離は１３ｍｍ以上である。ピンショルダ面又はボックスショルダ面と管軸に垂直な平面との間のショルダ角は２〜１３度である。シールポイントにおけるピンの肉厚に対するボックスの肉厚のシール肉厚比は１．７以上である。ここで、シールポイント距離は１３〜２５ｍｍでもよい。ショルダ角は２〜１０度でもよい。シール肉厚比は１．８〜３．０でもよい。

図１は、実施の形態に係るカップリング型の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と異なるインテグラル型の鋼管用ねじ継手の管軸方向に沿った縦断面図である。 図３は、図１中のＩＩ部を拡大した縦断面図である。 図４は、図３中のシール及びノーズ周辺を拡大した縦断面図である。 図５は、ＦＥＭ解析で用いた荷重条件の経路を示すグラフである。 図６は、トルク性能の評価結果を示すグラフである。 図７は、複合荷重下での密封性能の評価結果を示すグラフである。 図８は、外圧に対する密封性能の評価結果を示すグラフである。 図９は、内圧に対する密封性能の評価結果を示すグラフである。

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。

図１に示されるねじ継手１はカップリング型であり、２つのピン１０，１０と、カップリング３とを備える。一方のピン１０は、一方の鋼管２の先端部に形成される。他方のピン１０は、他方の鋼管２の先端部に形成される。カップリング３は、２つのボックス２０，２０と、環状の突出部３１とを含む。一方のボックス２０は、カップリング３の一方端部に形成される。他方のボックス２０は、カップリング３の他方端部に形成される。突出部３１は、カップリング３の中央部に形成される。一方のボックス２０は、一方のピン１０が挿入されて一方のピン１０と締結される。他方のボックス２０は、一方のボックス２０の反対側に形成され、他方のピン１０が挿入されて他方のピン１０と締結される。

ただし、ねじ継手１はインテグラル型でもよい。図２に示されるように、インテグラル型のねじ継手１は、２本の鋼管２を互いに接続するためのものであり、ピン１０と、ボックス２０とを備える。インテグラル型のねじ継手１では、一方の鋼管２がピン１０を備え、他方の鋼管２がボックス２０を備える。

図１及び図３を参照して、ピン１０は、雄ねじ１１と、ノーズ１２と、ピンショルダ面１３と、ピンシール面１４とを含む。雄ねじ１１は、ピン１０の外周に形成される。ノーズ１２は、ピン１０の先端部に形成され、ピン１０及びボックス２０が締結されている状態でボックス２０のうち対向する部分の内径よりも小さい外径を有する。そのため、ピン１０のノーズ１２の外周面と対向するボックス２０の内周面との間には、図４に示されるように微小な隙間が形成されている。ピンショルダ面１３は、ノーズ１２の先端に形成される。ピンシール面１４は、雄ねじ１１とノーズ１２との間においてピン１０の外周面に形成される。

ピンシール面１４は、ピンショルダ面１３に近い方に位置する曲率面１４１と、ピンショルダ面１３から遠い方に位置する曲率面１４３と、曲率面１４１と曲率面１４３との間に位置するテーパ面１４２とを含む。すなわち、ピンシール面１４は、曲率面１４１、テーパ面１４２、及び曲率面１４３からなる。曲率面１４１、テーパ面１４２、及び曲率面１４３は、管軸方向ＣＬに沿って順に並ぶ。

ボックス２０は、雌ねじ２１と、ボックスショルダ面２３と、ボックスシール面２４とを含む。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。ボックスショルダ面２３は、ピンショルダ面１３に対向し、ピン１０及びボックス２０が締結されている状態でピンショルダ面１３と接触する。ボックスシール面２４は、ピンシール面１４に対向し、ピン１０及びボックス２０が締結されている状態でピンシール面１４と接触する。

ボックスシール面２４は、ボックスショルダ面２３に近い方に位置する曲率面２４１と、ボックスショルダ面２３から遠い方に位置する曲率面２４３と、曲率面２４１と曲率面２４３との間に位置するテーパ面２４２とを含む。すなわち、ボックスシール面２４は、曲率面２４１、テーパ面２４２、及び曲率面２４３からなる。曲率面２４１、テーパ面２４２、及び曲率面２４３は、管軸方向ＣＬに沿って順に並ぶ。

雄ねじ１１及び雌ねじ２１は、バットレスねじをベースに形状を変更した台形型のねじである。

図３及び図４を参照して、ボックスシール面２４は、シールポイントＳＰを有する。シールポイントＳＰは、ボックスシール面２４のテーパ面２４２上の管軸方向ＣＬにおけるボックスシール面２４の中点に位置する。シールポイント距離Ｌ_ＳＰは１３ｍｍ以上である。シールポイント距離Ｌ_ＳＰは、管軸方向ＣＬにおけるノーズ１２の先端とシールポイントＳＰとの間の距離である。ショルダ角αは２〜１３度である。ショルダ角αは、ピンショルダ面１３又はボックスショルダ面２３と管軸ＣＬに垂直な平面ＶＰとの間の角度である。シール肉厚比Ｔ_Ｂ／Ｔ_Ｐは１．７以上である。シール肉厚比Ｔ_Ｂ／Ｔ_Ｐは、シールポイントＳＰにおけるピン１０の肉厚（以下、「ピンシール肉厚」という。）Ｔ_Ｐに対するボックス２０の肉厚（以下、「ボックスシール肉厚」という。）Ｔ_Ｂの比である。図３において、Ｗはボックス２０の外径を示し、ＩＤは管本体２の内径を示す。

ここで、シールポイント距離Ｌ_ＳＰの下限値は、好ましくは１４ｍｍ、さらに好ましくは１５ｍｍである。シールポイント距離Ｌ_ＳＰが長すぎて製造性が低下しないように、シールポイント距離Ｌ_ＳＰの上限値は、例えば２５ｍｍでもよいが、好ましくは２４ｍｍ、さらに好ましくは２３ｍｍである。ショルダ角αの下限値は、好ましくは３度であり、さらに好ましくは４度である。ショルダ角αの上限値は、好ましくは１０度であり、さらに好ましくは９度である。シール肉厚比Ｔ_Ｂ／Ｔ_Ｐの下限値は、好ましくは１．８であり、さらに好ましくは１．９である。複数の鋼管を多層にして井戸に挿入する際にカップリング３の外径が大きすぎて外側のピン１０の内面と干渉しないように、シール肉厚比Ｔ_Ｂ／Ｔ_Ｐの上限値は、例えば３．０でもよいが、好ましくは２．９であり、さらに好ましくは２．８である。

上記実施の形態では、シールポイント距離Ｌ_ＳＰは１３ｍｍ以上であるため、ノーズ１２の剛性が高くなり、ねじ継手１に圧縮荷重がかかっているときでも、ノーズ１２が圧縮荷重を負担することでメタルシールのシール面のたわみを抑制し、接触面圧の低下を抑えることができる。加えて、シール肉厚比Ｔ_Ｂ／Ｔ_Ｐは１．７以上であるため、ボックス２０の剛性が高くなり、ボックス２０が特に内圧による押上げ抵抗が高くなることで、シール面の密着が維持され、メタルシールの接触面圧の低下を抑えることができる。その結果、内圧及び外圧に対する密封性能を向上させることができる。

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密封性能を評価した。評価対象をバットレスねじ継手とし、以下の鋼管を用いた。
サイズ：７インチ、２６＃（管本体外径：１７７．８ｍｍ、管本体内径：１５９．４１ｍｍ）
材料：ＡＰＩ規格の油井管材料Ｌ８０（公称耐力ＹＳ＝５５２ＭＰａ（８０ｋｓｉ））

表１及び表２は、解析に供試した４２通りの実験例の寸法及びその評価結果を示す。ここでは、管本体２の外径、管本体２の内径ＩＤ、ボックス２０の外径Ｗ、ピンシール肉厚Ｔ_Ｐ、ボックスシール肉厚Ｔ_Ｂ、及びシール肉厚比Ｔ_Ｂ／Ｔ_Ｐを一定にし、シールポイント（ＳＰ）距離Ｌ_ＳＰ及びショルダ角αを変化させた。表１は、シールポイント距離Ｌ_ＳＰでソートしたもので、トルク性能の評価結果として降伏トルクを示す。表２は、ショルダ角αでソートしたもので、密封性能の評価結果として最小シール接触力を示す。降伏トルク及び最小シール接触力の定義は後述する。なお、ピン１０のショルダ角α及びボックスのショルダ角αは同一とした。

表３は、代符５（表１及び表２中の代符３３と同一）以外は上記と異なる８通りの実験例の寸法及びその密封性能の評価結果を示す。ここでは、管本体２の外径、管本体２の内径ＩＤ、ピンシール肉厚Ｔ_Ｐ、シールポイント距離Ｌ_ＳＰ、及びショルダ角αを一定にし、ボックス２０の外径Ｗ及びボックスシール肉厚Ｔ_Ｂを変化させることによりシール肉厚比Ｔ_Ｂ／Ｔ_Ｐを変化させた。また、外圧及び内圧に対する密封性能の評価結果として、外圧及び内圧がかかったときの最小シール接触力を示す。

トルク性能については、締結トルク線図が降伏し始める値ＭＴＶ(Maximum Torque Value)を「降伏トルク」と定義し、その値を用いて評価した。密封性能については、図５に示されるＩＳＯ１３６７９シリーズＡ試験を模擬した複合荷重条件で解析を行い、荷重ステップごとにおけるシール接触力の値を求め、その最小値を「最小シール接触力」と定義し、その値を用いて評価した。また、シール肉厚比Ｔ_Ｂ／Ｔ_Ｐの影響を評価する際には、単純外圧及び単純内圧における密封性能も考慮した。軸力を負荷せずに外圧のみ又は内圧のみを徐々に増加していき、その際の最小シール接触力を評価した。

図６は、ＦＥＭで得た降伏トルクを示す。図６から、降伏トルクはシールポイント距離Ｌ_ＳＰ及びショルダ角αに依存することが判明した。シールポイント距離Ｌ_ＳＰが長くなると、剛性が高くなるため、トルク性能が向上していると思われる。一方、ショルダ角αが５度で降伏トルクが最大になり、ショルダ角αが５度よりも大きくなると、降伏トルクは低下した。このようにトルク性能はショルダ角αに大きく影響されることから、ショルダ角αは２〜１３度が好ましいことが判明した。

図７は、複合荷重下における密封性能の評価結果を示す。最小シール接触力は図５における荷重ステップ（１２）の単純外圧で発生した。図７から、シールポイント距離Ｌ_ＳＰが１３ｍｍ以上あれば、ショルダ角αに関係なく、密封性能が向上することが判明した。これらの評価結果から、高い密封性能と高いトルク性能を両立するには、ショルダ角αが２〜１３度で、かつ、シールポイント距離Ｌ_ＳＰが１３ｍｍ以上であればよいことが判明した。

加えて、表３に示されるように、ショルダ角αを５度に、シールポイント距離Ｌ_ＳＰを１３ｍｍに固定し、シール肉厚比Ｔ_Ｂ／Ｔ_Ｐを変化させた。シール肉厚比Ｔ_Ｂ／Ｔ_Ｐが密封性能に及ぼす影響を調査するため、図５に示される単純内圧及び単純外圧の荷重経路を用いて密封性能を評価した。図８は、単純外圧下、図９に単純内圧下における密封性能の評価結果を示す。いずれの場合もシール肉厚比Ｔ_Ｂ／Ｔ_Ｐが増加するにつれて密封性能が向上したが、特に図９から、内圧に対する密封性能はシール肉厚比Ｔ_Ｂ／Ｔ_Ｐが１．７未満では顕著に低く、１．７以上で飽和した。したがって、シール肉厚比Ｔ_Ｂ／Ｔ_Ｐは１．７以上であることが望ましいことが判明した。

１：ねじ継手
２：鋼管（鋼管本体）
３：カップリング
１０：ピン
１１：雄ねじ
１２：ノーズ
１３：ピンショルダ面
１４：ピンシール面
２０：ボックス
２１：雌ねじ
２３：ボックスショルダ面
２４：ボックスシール面
１４１，１４３，２４１，２４３：曲率面
１４２，２４２：テーパ面
ＳＰ：シールポイント
Ｌ_ＳＰ：シールポイント距離
α：ショルダ角
Ｔ_Ｂ／Ｔ_Ｐ：シール肉厚比
ＣＬ：管軸

Claims (2)

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る雄ねじと、
   前記ピンの先端部に形成され、前記ピン及び前記ボックスが締結されている状態で前記ボックスのうち対向する部分の内径よりも小さい外径を有するノーズと、
   前記ノーズの先端に形成されるピンショルダ面と、
   前記雄ねじと前記ノーズとの間において前記ピンの外周面に形成されるピンシール面とを含み、
   前記ピンシール面は、前記ピンショルダ面に近い方に位置する第１曲率面と、前記ピンショルダ面から遠い方に位置する第２曲率面と、前記第１曲率面と前記第２曲率面との間に位置する第１テーパ面とを含み、
   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る雌ねじと、
   前記ピンショルダ面に対向し、前記ピン及び前記ボックスが締結されている状態で前記ピンショルダ面と接触するボックスショルダ面と、
   前記ピンシール面に対向し、前記ピン及び前記ボックスが締結されている状態で前記ピンシール面と接触するボックスシール面とを含み、
   前記ボックスシール面は、前記ボックスショルダ面に近い方に位置する第３曲率面と、前記ボックスショルダ面から遠い方に位置する第４曲率面と、前記第３曲率面と前記第４曲率面との間に位置する第２テーパ面とを含み、
   前記ボックスシール面は、前記テーパ面上の管軸方向における中点に位置するシールポイントを有し、
   管軸方向における前記ノーズの先端と前記シールポイントとの間のシールポイント距離は１３ｍｍ〜２５ｍｍであり、
   前記ピンショルダ面又は前記ボックスショルダ面と管軸に垂直な平面との間のショルダ角は２〜１３度であり、かつ、
   前記シールポイントにおける前記ピンの肉厚に対する前記ボックスの肉厚のシール肉厚比は１．７以上である、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、
   前記ショルダ角は２〜１０度であり、かつ、
   前記シール肉厚比は１．８〜３．０である、鋼管用ねじ継手

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