JP6968197B2 - 鋼管用ねじ継手 - Google Patents

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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、地下資源を採掘するために油井管(OCTG:Oil Country Tubular Goods)と呼ばれる鋼管が使用される。鋼管は順次連結される。その連結にねじ継手が用いられる。
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に大別される。カップリング型ねじ継手の場合、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、鋼管とカップリングとが連結される。インテグラル型のねじ継手の場合、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、一方の鋼管と他方の鋼管とが連結される。
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。これらのピンとボックスは、管材の端部であるため、いずれも管状である。
鋼管用ねじ継手のねじはテーパねじである。そのため、ピンにはテーパ雄ねじ部が形成される。ボックスにはそのテーパ雄ねじ部と噛み合うテーパ雌ねじ部が形成される。
基本的な性能として、ねじ継手には密封性能が要求される。また、ねじ継手には耐焼付き性能が要求される。締結の際にボックスへのピンのねじ込みに伴って焼付きが発生すると、ねじ部の噛み合いが不十分となり、所望の密封性能が得られないからである。さらに近年、ねじ継手には耐疲労性能が要求される。油井環境の過酷化及び新たな掘削技術の採用により、大きな曲げ荷重がねじ継手に繰り返し負荷されるからである。
ねじ継手の耐疲労性能を向上させる技術は、例えば特開2005−221038号公報(特許文献1)及び特表2010−537135号公報(特許文献2)に開示されている。特許文献1及び2に開示された技術では、ねじ部(雄ねじ部及び雌ねじ部)の表面のうちの特定の部分にショットピーニングが施される。ショットピーニングが施された特定部分の硬さは上昇し、その特定部分の表層に圧縮残留応力が導入される。その結果、疲労強度が高くなる。
特開2005−221038号公報 特表2010−537135号公報
特許文献1及び2に開示されたねじ継手の場合、ねじ部(雄ねじ部及び雌ねじ部)の特定部分のみにショットピーニングを施すことが必要である。これは以下の理由による。一般に、ショットピーニングが施された領域の表面粗さは大きくなる。そのため、特定部分以外の部分にまでショットピーニングが施されると、締結の際に焼付きが発生するおそれがある。しかしながら、複雑な形状を有するねじ部の特定部分のみに均一にショットピーニングを施すことは極めて難しい。
本開示の目的は、下記の特性を有する鋼管用ねじ継手を提供することである:
耐焼付き性能を確保しつつ、耐疲労性能を向上できること。
本開示の実施形態による鋼管用ねじ継手は、管状のピンと管状のボックスとからなる。ピンはテーパ雄ねじ部を含み、ボックスはテーパ雄ねじ部と噛み合うテーパ雌ねじ部を含む。テーパ雄ねじ部が、管軸方向に沿って、ピンの先端側の第1領域、及びピンの管本体側の第2領域に区分される。第1領域のテーパ率が第2領域のテーパ率よりも大きい。第1領域のテーパ率がテーパ雌ねじ部のテーパ率よりも大きい。第2領域のテーパ率がテーパ雌ねじ部のテーパ率と同じか、それよりも大きい。
本開示の実施形態による鋼管用ねじ継手は、下記の顕著な効果を有する:
耐焼付き性能を確保しつつ、耐疲労性能を向上できること。
図1は、鋼管用ねじ継手の代表的な例を示す縦断面図である。 図2は、図1に示すねじ継手のねじ部の領域を拡大した縦断面図である。 図3は、雄ねじ部のテーパ率が雌ねじ部のテーパ率よりも小さいねじ継手を模式的に示す図である。 図4は、雄ねじ部のテーパ率が雌ねじ部のテーパ率と同じねじ継手を模式的に示す図である。 図5は、雄ねじ部のテーパが1段テーパであり、雄ねじ部のテーパ率が雌ねじ部のテーパ率よりも大きいねじ継手を模式的に示す図である。 図6は、雄ねじ部のテーパが2段テーパであり、雄ねじ部のテーパ率が雌ねじ部のテーパ率よりも大きいねじ継手を模式的に示す図である。
本発明者らは、上記目的を達成するため、ねじ部の形状に着目し、種々の検討を重ねた。その結果、下記の知見を得た。
図1は、鋼管用ねじ継手の代表的な例を示す縦断面図である。図2は、図1に示すねじ継手のねじ部の領域を拡大した縦断面図である。図1には、カップリング型のねじ継手を示す。ねじ継手は、ピン10とボックス20とから構成される。ねじ継手のねじはテーパねじである。
ピン10はテーパ雄ねじ部(以下、単に「雄ねじ部」ともいう)11を備える。ボックス20は、ピン10の雄ねじ部11に対応するテーパ雌ねじ部(以下、単に「雌ねじ部」ともいう)21を備える。
ピン10の雄ねじ部11は、ねじ山頂面11a、ねじ谷底面11b、挿入フランク面11c、及び荷重フランク面11dを備える。一方、ボックス20の雌ねじ部21は、ねじ山頂面21a、ねじ谷底面21b、挿入フランク面21c、及び荷重フランク面21dを備える。雄ねじ部11のねじ山頂面11aは雌ねじ部21のねじ谷底面21bと対向する。雄ねじ部11のねじ谷底面11bは雌ねじ部21のねじ山頂面21aと対向する。雄ねじ部11の挿入フランク面11cは雌ねじ部21の挿入フランク面21cと対向する。雄ねじ部11の荷重フランク面11dは雌ねじ部21の荷重フランク面21dと対向する。荷重フランク面11d及び21dのフランク角は負角であり、締結状態で荷重フランク面11d及び21d同士が強く押し付けられる。挿入フランク面11c及び21cのフランク角は正角である。
締結状態では、雄ねじ部11と雌ねじ部21とが噛み合う。つまり、雄ねじ部11のねじ谷底面11bと雌ねじ部21のねじ山頂面21aとが接触する。雄ねじ部11の荷重フランク面11dと雌ねじ部21の荷重フランク面21dとが接触する。雄ねじ部11のねじ山頂面11aと雌ねじ部21のねじ谷底面21bとの間には、隙間が形成される。雄ねじ部11の挿入フランク面11cと雌ねじ部21の挿入フランク面21cとの間には、隙間が形成される。これらの隙間に潤滑剤が充満している。これにより、雄ねじ部11と雌ねじ部21との噛み合いによるねじシール部が形成される。締結状態で、雄ねじ部11と雌ねじ部21とが所定の干渉量で噛み合っている。
図1に示すねじ継手では、ピン10の先端にショルダ面12が設けられる。ボックス20には、ピン10のショルダ面12に対応するショルダ面22が設けられる。締結状態でピン10のショルダ面12とボックス20のショルダ面22は接触する。これにより、ピン10の雄ねじ部11の荷重フランク面11dに締付け軸力が付与される。
図1に示すねじ継手では、ピン10のショルダ面12と雄ねじ部11との間にシール面13が設けられる。ボックス20のショルダ面22と雌ねじ部21との間にシール面23が設けられる。締結状態でピン10のシール面13とボックス20のシール面23は接触する。これにより、シール面13とシール面23との接触によるシール部が形成される。
ここで、本発明者らは、図1及び図2に示すねじ継手について、ねじ部の形状が異なる4つのタイプのねじ継手を検討した。図3〜図6に各ねじ継手のねじ部の形状を模式的に示す。図3〜図6に示すいずれのねじ継手でも、雌ねじ部21のテーパ率Tbがねじ部の全域にわたって一定である。つまり、雌ねじ部21のテーパが1段テーパである。
図3〜図5に示すねじ継手では、雄ねじ部11のテーパ率Tpがねじ部の全域にわたって一定である。つまり、雄ねじ部11のテーパが1段テーパである。これに対し、図6に示すねじ継手では、雄ねじ部11が管軸CL方向に沿って2つの領域15及び16に区分され、雄ねじ部11のテーパ率Tp(Tp1及びTp2)が途中で変化している。つまり、雄ねじ部11が、ピンの先端側の第1領域15、及びピンの管本体側の第2領域16に区分され、雄ねじ部11(第1領域15及び第2領域16)のテーパが2段テーパになっている。図3〜図6には、雄ねじ部11の管軸CL方向の総長さをLで示す。図6には、雄ねじ部11のピンの先端側の端から第1領域15と第2領域16との境界までの管軸CL方向の距離をxで示す。
より具体的には、図3に示すねじ継手では、雄ねじ部11のテーパ率Tpが雌ねじ部21のテーパ率Tbよりも小さい。以下、図3に示すねじ継手をPSBF(Pin−Slow Box−Fast)テーパのねじ継手ともいう。図4に示す一般的なねじ継手では、雄ねじ部11のテーパ率Tpが雌ねじ部21のテーパ率Tbと同じである。以下、図4に示すねじ継手を平行(paralell)テーパのねじ継手ともいう。図5に示すねじ継手では、雄ねじ部11のテーパ率Tpが雌ねじ部21のテーパ率Tbよりも大きい。以下、図5に示すねじ継手をPFBS(Pin−Fast Box−Slow)1段テーパのねじ継手ともいう。これに対し、図6に示すねじ継手では、雄ねじ部11(第1領域15及び第2領域16)のテーパ率Tp(Tp1及びTp2)が雌ねじ部21のテーパ率Tbよりも大きくて、第1領域15のテーパ率Tp1が第2領域16のテーパ率Tp2よりも大きい。以下、図6に示すねじ継手をPFBS2段テーパのねじ継手ともいう。
PSBFテーパ、平行テーパ、PFBS1段テーパ、及びPFBS2段テーパのねじ継手について、それぞれサンプルを作製し、曲げ疲労試験を実施した。疲労試験によってねじ継手の耐疲労性能を評価できる。この試験に用いたサンプルの材質及び寸法に関する主な諸特性は下記のとおりとした。
・寸法:9−5/8[inch]、47[lb/ft](外径244.48mm、肉厚11.99mm)
・材質グレード:降伏応力80ksi(552MPa)〜95ksi(655MPa)の炭素鋼(API規格のL80)
ここで、図3に示すPSBFテーパのねじ継手では、雄ねじ部11のテーパ率Tpを5.4%とし、雌ねじ部21のテーパ率Tbを5.7%とした。図4に示す平行テーパのねじ継手では、雄ねじ部11のテーパ率Tp及び雌ねじ部21のテーパ率Tbを5.55%とした。図5に示すPFBS1段テーパのねじ継手では、雄ねじ部11のテーパ率Tpを5.7%とし、雌ねじ部21のテーパ率Tbを5.4%とした。図6に示すPFBS2段テーパのねじ継手では、第1領域15のテーパ率Tp1を5.7%とし、第2領域16のテーパ率Tp2を5.55%とし、雌ねじ部21のテーパ率Tbを5.4%とした。さらに、第1領域15及び第2領域16からなる雄ねじ部11において、xをLの45%とした。
また、PSBFテーパ、平行テーパ、PFBS1段テーパ、及びPFBS2段テーパのねじ継手について、それぞれサンプルを作製し、締結と取外しを繰り返すメイク/ブレイク試験を実施した。メイク/ブレイク試験によって耐焼付き性能を評価できる。この試験に用いたサンプルの材質及び寸法に関する主な諸特性は下記のとおりとした。この試験において、締結の際の締付けトルクは23,650(−1,000/+0)[ft−lbs](32,065(−1,356/+0)Nm)とした。
・寸法:7[inch]、35[lb/ft](外径177.8mm、肉厚12.65mm)
・材質グレード:降伏応力110ksi(758MPa)〜140ksi(965MPa)のニッケル基合金
疲労試験の結果、PFBS1段テーパのねじ継手(図5参照)の疲労強度とPFBS2段テーパのねじ継手(図6参照)の疲労強度は同等であり、これらの疲労強度が最も高かった。PSBFテーパのねじ継手(図3参照)の疲労強度が最も低かった。疲労強度が高かった、平行テーパ、PFBS1段テーパ、及びPFBS2段テーパのねじ継手では、雄ねじ部の領域のうち、不完全ねじ領域のねじ谷底面でき裂が発生した。雄ねじ部の不完全ねじ領域はピンの管本体側の領域である。一方、疲労強度が最も低かったPSBFテーパのねじ継手では、雄ねじ部の領域のうち、完全ねじ領域のねじ谷底面と荷重フランク面とのコーナ部で応力集中によるき裂が発生した。
これに対し、メイク/ブレイク試験の結果、PFBS1段テーパのねじ継手(図5参照)のメイク/ブレイク回数が最も少なかった。PSBFテーパのねじ継手(図3参照)のメイク/ブレイク回数が最も多かった。PFBS2段テーパのねじ継手(図6参照)のメイク/ブレイク回数は平行テーパのねじ継手(図4参照)のメイク/ブレイク回数と同等であった。特に、PFBS2段テーパのねじ継手のメイク/ブレイク回数はPFBS1段テーパのねじ継手のメイク/ブレイク回数の5倍であった。
以上の試験結果から、下記のことが示される。PFBS1段テーパのねじ継手は、平行テーパのねじ継手及びPSBFテーパのねじ継手と比較して優れた耐疲労性能を有する。PFBS2段テーパのねじ継手は、平行テーパのねじ継手と同等の耐焼付き性能を有し、その上で平行テーパのねじ継手及びPSBFテーパのねじ継手と比較して優れた耐疲労性能を有する。
なお、雄ねじ部11のテーパを1段テーパとし、雌ねじ部21のテーパを2段テーパとしても、PFBS2段テーパ(図6参照)のねじ継手と同等の耐疲労性能及び耐焼付き性能を実現することができるかもしれない。しかしながら、この場合は以下の問題が生じる。雌ねじ部の切り上がりが早くなり、雌ねじ部の十分な有効長さを確保できない。そのため、ねじ継手に引張荷重が負荷されたとき、ねじがすっぽ抜ける現象、いわゆるジャンプアウトが生じ易い。ねじ部のシール性能も低下する。また、ねじ切り加工もし難い。
本開示の鋼管用ねじ継手は、上記の知見に基づいて完成されたものである。
本開示の実施形態による鋼管用ねじ継手は、管状のピンと管状のボックスとからなる。ピンはテーパ雄ねじ部を含み、ボックスはテーパ雄ねじ部と噛み合うテーパ雌ねじ部を含む。テーパ雄ねじ部が、管軸方向に沿って、ピンの先端側の第1領域、及びピンの管本体側の第2領域に区分される。第1領域のテーパ率が第2領域のテーパ率よりも大きい。第1領域のテーパ率がテーパ雌ねじ部のテーパ率よりも大きい。第2領域のテーパ率がテーパ雌ねじ部のテーパ率と同じか、それよりも大きい。
このようなねじ継手によれば、雄ねじ部の第1領域のテーパ率が雌ねじ部のテーパ率よりも大きく、雄ねじ部の第2領域のテーパ率が雌ねじ部のテーパ率以上であることから、耐疲労性能を向上できる。さらに、第1領域のテーパ率が第2領域のテーパ率よりも大きいことから、耐焼付き性能を確保できる。
典型的な例として、本実施形態のねじ継手はカップリング型のねじ継手である。ただし、ねじ継手の形式は特に限定されず、インテグラル型であってもよい。
典型的な例として、雄ねじ部及び雌ねじ部からなるテーパねじは、バットレス型のテーパねじである。バットレス型のテーパねじには、荷重フランク面が正角に傾斜した単純な台形ねじや、荷重フランク面が負角に傾斜した特殊な台形ねじが含まれる。これらの台形ねじに、API規格で定められるテーパねじも含まれる。
バットレス型のテーパねじが適用されたねじ継手の場合、締結状態で、雄ねじ部(第1及び第2領域)のねじ谷底面と雌ねじ部のねじ山頂面とが接触する。雄ねじ部の荷重フランク面と雌ねじ部の荷重フランク面とが接触する。雄ねじ部のねじ山頂面と雌ねじ部のねじ谷底面との間には、隙間が形成される。雄ねじ部の挿入フランク面と雌ねじ部の挿入フランク面との間には、隙間が形成される。
ただし、雄ねじ部と雌ねじ部との噛み合い状態は、荷重フランク面同士が接触する限り、特に限定されない。例えば、雄ねじ部のねじ谷底面と雌ねじ部のねじ山頂面との接触に代えて、雄ねじ部のねじ山頂面と雌ねじ部のねじ谷底面とが接触してもよい。要するに、締結状態で、雄ねじ部と雌ねじ部とが所定の干渉量で噛み合っていればよい。
上記のねじ継手において、第1領域のテーパ率をTp1とし、第2領域のテーパ率をTp2とし、テーパ雌ねじ部のテーパ率をTbとしたとき、Tp1、Tp2及びTbが式(1)、(2)及び(3)の条件を満足することが好ましい。
1.00<Tp1/Tb<1.10 …(1)
1.00≦Tp2/Tb<1.10 …(2)
0.94<Tp2/Tp1<1.00 …(3)
耐疲労性能の観点から、第1及び第2領域(雄ねじ部)それぞれのテーパ率Tp1及びTp2は、雌ねじ部のテーパ率Tbに対して大きければ大きいほどよい。したがって、式(1)に関しては、Tp1/Tbは1.00を超えることが好ましい。より好ましいTp1/Tbの下限は1.015である。一方、Tp1/Tbが大き過ぎれば、第1領域の雄ねじ部と雌ねじ部との噛み合い長さが短くなり過ぎる。そのため、Tp1/Tbは1.10未満であることが好ましい。より好ましいTp1/Tbの上限は1.08である。また、式(2)に関しても同様であるが、後述する耐焼付き性も考慮して、Tp2/Tbは1.00以上であることが好ましい。より好ましいTp2/Tbの下限は1.005である。
耐焼付き性能の観点から、第2領域(雄ねじ部)のテーパ率Tp2は、雌ねじ部のテーパ率Tbに対して小さければ小さいほどよい。したがって、式(2)に関しては、Tp2/Tbは1.10未満であることが好ましい。より好ましいTp2/Tbの上限は1.07である。また、第2領域のテーパ率Tp2は、第1領域のテーパ率Tp1に対して小さければ小さいほどよい。したがって、式(3)に関しては、Tp2/Tp1は1.00未満であることが好ましい。より好ましいTp2/Tp1の上限は0.985である。一方、Tp2/Tp1が小さ過ぎれば、第2領域の雄ねじ部と雌ねじ部の噛み合い長さと比較し、第1領域の雄ねじ部と雌ねじ部との噛み合い長さが短くなり過ぎる。そのため、Tp2/Tp1は0.94を超えることが好ましい。より好ましいTp2/Tp1の下限は、0.95である。
第1及び第2領域(雄ねじ部)それぞれのテーパ率Tp1及びTp2、並びに雌ねじ部のテーパ率Tbは、式(1)、(2)及び(3)の条件を満足する範囲内に設定される。例えば、テーパ率Tp1、Tp2及びTbは5.0%〜10.5%である。
上記のねじ継手において、テーパ雄ねじ部の管軸方向の総長さをLとし、テーパ雄ねじ部のピンの先端側の端から第1領域と第2領域との境界までの管軸方向の距離をxとしたとき、xがLの20%以上でLの80%以下の範囲内であることが好ましい。
xがLの20%以上でLの80%以下の範囲内であれば、耐焼付き性能を有効に確保でき、耐疲労性能を有効に向上できる。特に、耐疲労性能の観点から、xがLの25%以上であることが好ましい。より好ましくは、xがLの50%以上である。一方、耐焼付き性能の観点から、xがLの75%以下であることが好ましい。より好ましくは、xがLの60%以下である。
典型的な例として、ピンはピンの先端に配置されたショルダ面を含み、ボックスはピンのショルダ面に対応するショルダ面を含む。締結状態でピンのショルダ面とボックスのショルダ面は接触する。この場合、ピンはショルダ面とテーパ雄ねじ部との間に配置されたシール面を含み、ボックスはピンのシール面に対応するシール面を含んでもよい。締結状態でピンのシール面とボックスのシール面は接触する。
その他、本開示は上記の実施形態に限定されず、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能であることは言うまでもない。
本開示のねじ継手は、油井管として用いる鋼管の連結に有効に利用できる。
10 ピン
11 テーパ雄ねじ部
11a ねじ山頂面
11b ねじ谷底面
11c 挿入フランク面
11d 荷重フランク面
12 ショルダ面
13 シール面
15 テーパ雄ねじ部の第1領域
16 テーパ雄ねじ部の第2領域
20 ボックス
21 テーパ雌ねじ部
21a ねじ山頂面
21b ねじ谷底面
21c 挿入フランク面
21d 荷重フランク面
22 ショルダ面
23 シール面
CL 管軸

Claims (5)

  1. 管状のピンと管状のボックスとからなる鋼管用ねじ継手であって、
    前記ピンはテーパ雄ねじ部を含み、前記ボックスは前記テーパ雄ねじ部と噛み合うテーパ雌ねじ部を含み、
    前記テーパ雄ねじ部が、管軸方向に沿って、前記ピンの先端側の第1領域、及び前記ピンの管本体側の第2領域に区分され、
    前記テーパ雄ねじ部のテーパは、2段テーパであり、
    前記第1領域のテーパ率が前記第2領域のテーパ率よりも大きく、前記第1領域の前記テーパ率が前記テーパ雌ねじ部のテーパ率よりも大きく、前記第2領域の前記テーパ率が前記テーパ雌ねじ部の前記テーパ率よりも大きい、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、
    前記第1領域の前記テーパ率をTp1とし、前記第2領域の前記テーパ率をTp2とし、前記テーパ雌ねじ部の前記テーパ率をTbとしたとき、Tp1、Tp2及びTbが下記式(1)、(2)及び(3)の条件を満足する、鋼管用ねじ継手。
    1.00<Tp1/Tb<1.10 …(1)
    1.00Tp2/Tb<1.10 …(2)
    0.94<Tp2/Tp1<1.00 …(3)
  3. 請求項1又は2に記載の鋼管用ねじ継手であって、
    前記テーパ雄ねじ部の管軸方向の総長さをLとし、前記テーパ雄ねじ部の前記ピンの前記先端側の端から前記第1領域と前記第2領域との境界までの管軸方向の距離をxとしたとき、xがLの20%以上でLの80%以下の範囲内である、鋼管用ねじ継手。
  4. 請求項1から3のいずれか1項に記載の鋼管用ねじ継手であって、
    前記ピンは前記ピンの先端に配置されたショルダ面を含み、前記ボックスは前記ピンの前記ショルダ面に対応するショルダ面を含む、鋼管用ねじ継手。
  5. 請求項4に記載の鋼管用ねじ継手であって、
    前記ピンは前記ショルダ面と前記テーパ雄ねじ部との間に配置されたシール面を含み、前記ボックスは前記ピンの前記シール面に対応するシール面を含む、鋼管用ねじ継手。
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