JP6888687B2 - ねじ継手 - Google Patents

Description

本発明は、一般に油井やガス井の探査や生産に使用されるチュービングおよびケーシングを包含する油井管に用いられるねじ継手に関する。すなわち、本発明は、ＯＣＴＧ（Oil Country Tubular Goods）、ライザー管、およびラインパイプなどの鋼管の接続に用いられるねじ継手に関する。

ねじ継手は、油井管など産油産業設備に使用される鋼管の接続に広く使用されている。オイルやガスの探索または生産に使用される鋼管の接続には、従来、ＡＰＩ（米国石油協会）規格に規定された標準的なねじ継手が典型的に使用されてきた。

近年、原油や天然ガスの井戸は深井戸化が進み、垂直井から水平井や傾斜井などに移行しており、掘削環境または生産環境がより苛酷になっている。また、海洋または極地などの劣悪な環境における井戸の開発が増加していることなどから、耐圧縮性能、耐曲げ性能、外圧シール性能など、ねじ継手への要求性能が多様化している。このような要求性能のために、近年、プレミアムジョイントと呼ばれる高性能なねじ継手を使用することが増加している。また、井戸開発時の掘削量を低減するためには、井戸をスリムにする必要がある。これに対処するために、プレミアムジョイントの中でも、カップリング部材を介さずに鋼管同士を直接接続するインテグラル形式のねじ継手（以下、「インテグラル継手」とも称する。）への要求も高まっている。

インテグラル継手は、一方の鋼管の端部に雄ねじが設けられたピンと、他方の鋼管の端部に雌ねじが設けられたボックスとを有する。また、インテグラル継手には、雌雄ねじが螺合してなるねじ列が段差（ショルダ）により二分されたものがある。この段差は、継手を締め付ける際にストッパの役目を担う。

特許文献１の図１には、段差を有するインテグラル継手が記載されている。特許文献１では、適当な剛性を維持し、改良されたシールを設けたねじ継手を生産することを課題としている。そして、特許文献１では、段差を有するねじ継手において、ボックスの最先端まで突出した補強セクションを設け、この補強セクションの長さおよび肉厚を規定し、かつ、補強セクションの全長が相対するピンの後端側の素管部と接触を生じないようにしている。

特許第５２３２４７５号公報

特許文献１のねじ継手によれば、補強セクションを設けることにより適当な剛性を維持することができるものの、引張強度については改善の余地があることが判明した。

本発明は、上記課題に鑑み、耐引張強度に優れたねじ継手を提供することを目的とする。

従来、段差（ショルダ）を有するねじ継手においては、鋼管の軸方向に引張負荷を加えると、雌雄ねじの後端部側の端部位置のうち断面積が小さいほうが優先的に破断すると認識されていた。ところが、ねじ継手に所定の荷重を付加する破断試験を実施した際に、破断するはずがないと従来認識されていたショルダ近傍部位において、ねじ継手が破断する場合があることを知見した。

本発明は、上記知見に基づくものであり、その要旨構成は以下のとおりである。
［１］第１の鋼管の先端部側外周に、段差を挟んで第１の雄ねじ部分と第２の雄ねじ部分とを備える雄ねじ部を有するピンと、第２の鋼管の先端部側内周に、段差を挟んで第１の雌ねじ部分と第２の雌ねじ部分とを備える雌ねじ部を有するボックスと、を前記雄ねじ部と前記雌ねじ部との螺合を介して連結するねじ継手であって、
前記第１の雄ねじ部分は、前記第２の雄ねじ部分に対して前記第１の鋼管の先端部側に設けられ、
前記第１の雌ねじ部分は、前記第２の雌ねじ部分に対して前記第２の鋼管の先端部側に設けられ、
前記第１の雄ねじ部分と前記第２の雌ねじ部分との螺合域を第１ねじ列と定義し、前記第２の雄ねじ部分と前記第１の雌ねじ部分との螺合域を第２ねじ列と定義し、
前記第１ねじ列の前記鋼管の軸方向長さをＬ１と定義し、前記第２ねじ列の前記鋼管の軸方向長さをＬ２と定義し、
前記ピンにおける、前記第１ねじ列の前記ピンの先端部逆側の端部位置での径方向断面積をＰ１と定義し、前記第２ねじ列の前記ピンの先端部逆側の端部位置での径方向断面積をＰ２と定義し、
前記ボックスにおける、前記第２ねじ列の前記ボックスの先端部逆側の端部位置での径方向断面積をＢ１と定義し、前記第１ねじ列の前記ボックスの先端部逆側の端部位置での径方向断面積をＢ２と定義したとき、
前記Ｌ１、前記Ｌ２、前記Ｐ１、前記Ｐ２、前記Ｂ１、および前記Ｂ２が下記（１）式および下記（２）式を満足するねじ継手。
記
（Ｐ２，Ｂ２）min≦Ｐ１／｛Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）｝・・・（１）
（Ｐ２，Ｂ２）min≦Ｂ１／｛Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２）｝・・・（２）
但し、（Ｐ２，Ｂ２）minは、Ｐ２およびＢ２のうち小さいほうの値をとる。

［２］前記ピンと前記ボックスとは、鋼管の径方向に金属接触することにより流体をシールするラジアルシール構造を有する、上記［１］に記載のねじ継手。

［３］前記雌雄ねじは、テーパねじである、上記［１］または［２］に記載のねじ継手。

本発明によれば、耐引張強度に優れたねじ継手を得ることができる。

本発明の一実施形態におけるねじ継手１の断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。

図１は、２つの鋼管を相互に接続した状態を示す。本実施形態におけるねじ継手１は、第１の鋼管の先端部側外周に、段差Ｃを挟んで第１の雄ねじ部分と第２の雄ねじ部分とを備える雄ねじ部を有するピン２と、第２の鋼管の先端部側内周に、段差Ｃを挟んで第１の雌ねじ部分と第２の雌ねじ部分とを備える雌ねじ部を有するボックス３と、を当該雄ねじ部と当該雌ねじ部との螺合を介して直接連結するインテグラル形式のねじ継手（以下、「インテグラル継手」と称する。）である。第１の雄ねじ部分は、第２の雄ねじ部分に対して第１の鋼管の先端部側に設けられる。第１の雌ねじ部分は、第２の雌ねじ部分に対して第２の鋼管の先端部側に設けられる。ここで、第１の雄ねじ部分と第２の雌ねじ部分との螺合域を第１ねじ列Ａと称する。また、第２の雄ねじ部分と第１の雌ねじ部分との螺合域を第２ねじ列Ｂと称する。なお、鋼管の軸方向に垂直な断面において、第１ねじ列Ａは、鋼管の内径側に位置し、第２ねじ列Ｂは、鋼管の外径側に位置する。

段差Ｃは、ピン２側のショルダ面とボックス３側のショルダ面とから構成され、ねじ継手１を締め付ける際にストッパの役目を担う。段差Ｃを構成するピン２側のショルダ面の断面積およびボックス３側のショルダ面の断面積は、それぞれ鋼管本体（以下、「素管部」とも称する。）の断面積の１５％以上３５％以下とすることが好ましい。ショルダ面の断面積が１５％以上であれば、管軸方向の圧縮力が作用した場合においても、段差Ｃがストッパとして十分に機能する。ショルダ面の断面積が３５％以下であれば、シール部の断面積を十分に確保することができるので、シール性を十分に発揮する。より好ましいショルダ面の断面積は、素管部の断面積の２０％以上３０％以下とする。

ここで、段差を有するインテグラル継手には、フラッシュ型とセミフラッシュ型とがある。「セミフラッシュ型」とは、雌ねじ側の鋼管端を拡管加工により鋼管の外径側に張り出させてねじ加工した雌ねじと、雄ねじ側の鋼管端を縮径加工により鋼管の内径側に張り出させてねじ加工した雄ねじとを螺合させた継手を意味する。「フラッシュ型」とは、セミフラッシュ型における内外径の張り出しをなくした継手であり、必要に応じて縮径加工を行った後に、一方に雌ねじを、他方に雄ねじを加工して、これらを螺合させた継手を意味する。本発明は、フラッシュ型およびセミフラッシュ型のいずれにも適用することができる。

次に、本実施形態におけるねじ継手１の特徴的部分を説明する。

従来、ねじ継手１の継手効率は、素管部の公称断面積に対する端部位置５におけるピン２の径方向断面積の比率と、素管部の公称断面積に対する端部位置７におけるボックス３の径方向断面積の比率との小さいほうの比率で定義されており、この継手効率に基づいて引張強度が算出されていた。ところが、ねじ継手１において、端部位置４，６における強度が弱い場合、ねじ継手の引張強度が想定を下回り、端部位置５，７以外の位置（具体的には端部位置４，６）において、ねじ継手１が破断するリスクがあることが判明した。これは、以下の理由によると考えられる。すなわち、端部位置５の径方向断面と端部位置７の径方向断面とには、引張負荷のすべてが作用する。これに対して、端部位置４の径方向断面と端部位置６の径方向断面とには、第１ねじ列Ａの鋼管の軸方向長さＬ１および第２ねじ列Ｂの鋼管の軸方向長さＬ２に応じた引張負荷しか作用しない。そのため、各端部位置４，５，６，７における径方向断面積を引張強度の指標に用いるのでは、実際の破断面を正しく特定することができないからである。そして、本発明者らが検討を進めたところ、下記（１）式および下記（２）式を引張強度の指標にすることにより、ねじ継手１に引張負荷を加えても、第１ねじ列Ａの端部位置４および第２ねじ列Ｂの端部位置６において、ねじ継手１が最初に破断することを回避することができることを知見した。その結果、本発明者らは、優れた耐引張強度が得られることを確認した。

（Ｐ２，Ｂ２）min≦Ｐ１／｛Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）｝・・・（１）
（Ｐ２，Ｂ２）min≦Ｂ１／｛Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２）｝・・・（２）
但し、（Ｐ２，Ｂ２）minは、Ｐ２およびＢ２のうち小さいほうの値をとる。Ｐ２＝Ｂ２の場合は、Ｐ２およびＢ２のいずれの値を用いてもよい。

上記（１）式および上記（２）式において、Ｐ１、Ｐ２、Ｂ１、Ｂ２、Ｌ１、及びＬ２は以下の定義に従う。図１を参照して、第１ねじ列Ａのピン後端側の端部位置４におけるピン２の径方向断面積をＰ１と定義する。第２ねじ列Ｂのピン後端側の端部位置５におけるピン２の径方向断面積をＰ２と定義する。第２ねじ列Ｂのボックス後端側の端部位置６におけるボックス３の径方向断面積をＢ１と定義する。第１ねじ列Ａのボックス後端側の端部位置７におけるボックス３の径方向断面積をＢ２と定義する。第１ねじ列Ａの鋼管の軸方向長さをＬ１と定義する。第２ねじ列Ｂの鋼管の軸方向長さをＬ２と定義する。Ｌ１の始点（端部位置７）は、第１ねじ列Ａにおいて、ピンチャンファ部の傾きを示す直線とピンねじ山の頂部を結ぶ直線との交点である。Ｌ１の終点（端部位置４）は、第１ねじ列Ａにおいて、ボックスチャンファ部の傾きを示す直線とボックスねじ山の頂部を結ぶ直線との交点である。Ｌ２の始点（端部位置６）は、第２ねじ列Ｂにおいて、ピンチャンファ部の傾きを示す直線とピンねじ山の頂部を結ぶ直線との交点である。Ｌ２の終点（端部位置５）は、第２ねじ列Ｂにおいて、ボックスチャンファ部の傾きを示す線とボックスねじ山の頂部を結ぶ線との交点である。

上記（１）式および上記（２）式は、ねじ継手１に引張負荷を加えると、第２ねじ列Ｂの端部位置５および第１ねじ列Ａの端部位置７のいずれかにおいて、ねじ継手１に加わる応力が最大となるように、ねじ継手を設計することに相当する。これにより、ねじ継手１に引張負荷を加えても、第１ねじ列Ａの端部位置４および第２ねじ列Ｂの端部位置６において、ねじ継手１が最初に破断することを回避することができる。その結果、優れた耐引張強度が得られる。

ピン２は、ピン先端側において、第１ねじ列Ａに隣接し、かつ雄ねじが形成されていないピンノーズ部を有することができる。ボックス３は、ボックス先端側において、第２ねじ列Ｂに隣接し、かつ雌ねじが形成されていないボックスノーズ部を有することができる。そして、ねじ継手１を締め付けると、ピンノーズ部の外周面と該外周面に相対するボックス３の内周面とが鋼管の径方向に金属接触して、ピン先端部側のシール部８を形成する。これにより、鋼管内側の流体が第１ねじ列Ａの領域に進入するのを防止することができる。また、ボックスノーズ部の内周面と当該内周面に相対するピン２の外周面とが鋼管の径方向に金属接触して、ボックス先端部側のシール部９を形成する。これにより、鋼管外側の流体が第２ねじ列Ｂの領域に進入するのを防止することができる。このように、ねじ継手１は、ピン２とボックス３とが鋼管の径方向に金属接触することによって流体をシールする構造（すなわち、「ラジアルシール構造」）を有することができる。なお、シール部８の鋼管の軸方向長さは、特に限定されず、例えば５〜２５ｍｍとすることができる。また、シール部９の鋼管の軸方向長さは、特に限定されず、例えば５〜２５ｍｍとすることができる。

本実施形態における雌雄ねじの形状は、特に限定されず、例えばねじ継手に一般的なテーパ形状とすることができる。また、スタビングフランク角度（雄ねじのねじ山前面が鋼管軸への垂線に対してなす角度）およびロードフランク角度（雄ねじのねじ山後面が鋼管軸への垂線に対してなす角度）も、特に限定されない。例えば、スタビングフランク角度は、１０°〜３０°とすることができる。ロードフランク角度は、−１０°〜０°とすることができる。なお、これらの角度の符号は、ねじ山前面およびねじ山後面のそれぞれにおいて、ねじ山頂部が、ねじ山底部からみてこれら両面間の中心側に位置する場合を正と定義し、その逆側に位置する場合を負と定義する。

以上、本実施形態を例にして、本発明のねじ継手を説明したが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲において適宜変更することができる。

各発明例および比較例として、表１に示す外径および肉厚を有するＡＰＩ−５ＣＴの鋼種Ｑ１２５の鋼管をそれぞれ用意した。各鋼管に公知の切削加工を施して、図１に示す第１ねじ列Ａの鋼管の軸方向長さＬ１、第２ねじ列Ｂの鋼管の軸方向長さＬ２、第１ねじ列Ａのピン後端側の端部位置４におけるピン２の径方向断面積Ｐ１、第２ねじ列Ｂのピン後端側の端部位置５におけるピン２の径方向断面積Ｐ２、第２ねじ列Ｂのボックス後端側の端部位置６におけるボックス３の径方向断面積Ｂ１、第１ねじ列Ａのボックス後端側の端部位置７におけるボックス３の径方向断面積Ｂ２、段差Ｃの接触高さ、ロードフランク角、スタビングフランク角が表１に示す値であるねじ継手を作製した。

各発明例および比較例で得られたねじ継手を適切なトルクで締め付けた後に、各ねじ継手に対して、ＩＳＯ１３６７９：２００２に規定されているＬｉｍｉｔ Ｌｏａｄ試験をＬＰ３の条件で実施することにより、引張強度を評価した。表１に評価結果を示す。

本発明によれば、耐引張強度に優れたねじ継手を得ることができる。本発明は、フラッシュ型およびセミフラッシュ型のいずれにも適用することができ、いずれにおいても優れた耐引張強度を得ることができる。

１ ねじ継手
２ ピン
３ ボックス
４ ピンにおける、第１ねじ列のピン後端側の端部位置
５ ピンにおける、第２ねじ列のピン後端側の端部位置
６ ボックスにおける、第２ねじ列のボックス後端側の端部位置
７ ボックスにおける、第１ねじ列のボックス後端側の端部位置
８ ピン先端部側のシール部
９ ボックス先端部側のシール部
Ａ 第１ねじ列
Ｂ 第２ねじ列
Ｃ 段差
Ｌ１ 第１ねじ列の鋼管の軸方向長さ
Ｌ２ 第２ねじ列の鋼管の軸方向長さ

Claims (3)

1. 第１の鋼管の先端部側外周に、段差を挟んで第１の雄ねじ部分と第２の雄ねじ部分とを備える雄ねじ部を有するピンと、第２の鋼管の先端部側内周に、段差を挟んで第１の雌ねじ部分と第２の雌ねじ部分とを備える雌ねじ部を有するボックスと、を前記雄ねじ部と前記雌ねじ部との螺合を介して連結するねじ継手であって、
   前記第１の雄ねじ部分は、前記第２の雄ねじ部分に対して前記第１の鋼管の先端部側に設けられ、
   前記第１の雌ねじ部分は、前記第２の雌ねじ部分に対して前記第２の鋼管の先端部側に設けられ、
   前記第１の雄ねじ部分と前記第２の雌ねじ部分との螺合域を第１ねじ列と定義し、前記第２の雄ねじ部分と前記第１の雌ねじ部分との螺合域を第２ねじ列と定義し、
   前記第１ねじ列の前記鋼管の軸方向長さをＬ１と定義し、前記第２ねじ列の前記鋼管の軸方向長さをＬ２と定義し、
   前記ピンにおける、前記第１ねじ列の前記ピンの先端部逆側の端部位置での径方向断面積をＰ１と定義し、前記第２ねじ列の前記ピンの先端部逆側の端部位置での径方向断面積をＰ２と定義し、
   前記ボックスにおける、前記第２ねじ列の前記ボックスの先端部逆側の端部位置での径方向断面積をＢ１と定義し、前記第１ねじ列の前記ボックスの先端部逆側の端部位置での径方向断面積をＢ２と定義したとき、
   前記Ｌ１、前記Ｌ２、前記Ｐ１、前記Ｐ２、前記Ｂ１、および前記Ｂ２が下記（１）式、下記（２）式および下記（３）式を満足するねじ継手。
   記
   （Ｐ２，Ｂ２）min≦Ｐ１／｛Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）｝ ・・・（１）
   （Ｐ２，Ｂ２）min≦Ｂ１／｛Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２）｝ ・・・（２）
   Ｌ１≠Ｌ２ ・・・（３）
   但し、（Ｐ２，Ｂ２）minは、Ｐ２およびＢ２のうち小さいほうの値をとる。
2. 前記ピンと前記ボックスとは、鋼管の径方向に金属接触することにより流体をシールするラジアルシール構造を有する、請求項１に記載のねじ継手。
3. 前記雌雄ねじは、テーパねじである、請求項１または２に記載のねじ継手。

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