JP7248117B2 - 管のねじ継手およびその接続方法 - Google Patents
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Description
1)ねじの嵌合に伴う縮径によって、ピン先端の下向き(管内面側)へのたわみ
2)ショルダー面の垂直加工仕上げ度
3)ピン206とカップリング204のねじテーパー角度差
4)上記2)と3)のAピン側とBピン側との差異
i)イールドトルク(カップリング204の両端にピン206を締付けていく過程で、締付けに抵抗するショルダー面の塑性変形が進み、締付けトルクと締付け回転数の関係が非線形性を示す開始点となるトルク)
ii)締付け締戻し性能(イールドトルク以下に設定したトルクで、ねじ継手200を繰返し締付け締戻ししても所定の回数まで焼付きが生じない)
iii)気密性能(ねじ継手200を締付けた後に、軸方向引張・圧縮、内圧、外圧の複合荷重を負荷しても圧力媒体となるガスや水が継手から漏れない)
カップリングと前記カップリングの両端から挿入された2つのピンについてのショルダー角度パラメータとねじテーパー角度パラメータの関係が下記式(1)で定義され、
下記式(2)で求められるイールドトルクの60%以上85%以下の締付けトルクで締付けられるねじ継手。
-1.5°≦Δθ―Δω≦2.0° ・・・式(1)
Δθ:2つのピンの締付け前のショルダー角度θA、θBの和で構成するショルダー角度パラメータ(Δθ=θA+θB)
Δω:カップリングと2つのピンの締付け前のねじテーパー角度差ΔωA、ΔωBの和で構成するねじテーパー角度パラメータ(Δω=ΔωA+ΔωB)
TS:ショルダリングトルク[inch-lbf]
TD:デルタトルク[inch-lbf]
Pc:ねじ接触圧[psi]
ft:ねじ摩擦係数(=0.035)
fs:ねじ摩擦係数(=0.080)
E7:ねじピッチ径[inch]
L4:ねじ長[inch]
w:カップリング外径[inch]
d:パイプ内径[inch]
Dbv:ベベル径[inch]
P:ねじリード(=1/TPI)[inch]
ρm:ねじ干渉量[inch]
As:ショルダー断面積(=π(Dbv 2-d2)/4)[inch2]
Rt:平均ねじ半径(=E7/2)[inch]
Rs:平均ショルダー半径(=(Dbv+d)/4)
Θ:ねじフランク角[deg.]
E:ヤング率[psi]
Ym:材料の降伏応力[psi]
0°<Δθ―Δω≦2.0° ・・・式(3)
ケース0:ショルダー角度パラメータΔθ=0°
ケース1:ショルダー角度パラメータΔθ=-2°
ケース2:ショルダー角度パラメータΔθ=+2°
本実施形態も非特許文献1のAPIBTCねじ(以下、従来技術とも呼ぶ)と同様に、設計上は1/16のねじテーパーを有している。1/16テーパーとは、軸方向に1inch進むと、径方向に0.0625inchだけ直径が小さくなる傾きを表しており、角度に換算すると3.5763°である。現実の製造ではねじテーパーに公差が設定されており、例えばAPIBTCねじでは、ねじテーパーの公差は、ピンねじ(雄ねじ2)は0.0610inch/inch~0.066inch/inch(3.4907°~3.776°)、カップリングねじ(雌ねじ4)は0.060inch/inch~0.067inch/inch(3.4336°~3.8330°)としている。なお、APIBTCねじの場合、ねじテーパーの狙いはピン3とカップリング5ともに0.0625inch/inch(3.5763°)となっている。
本実施形態のねじ継手1は、ピン3同士が当接する形式なので、ピン先端のショルダー角度の設定は、直接的に接触状態に影響を及ぼす。ショルダー角度の設定は、図4に示すように、直角に切削加工された場合を0°とし、ショルダー外径側に空間が開くショルダー面の傾きを“正”、その反対を“負”として、ここでは表現する。2つのピン3のそれぞれにショルダー部があるので、Aピンのショルダー角度をθA、Bピンのショルダー角度をθBとすると、ショルダー角度パラメータΔθはΔθ=θA+θBとなる。
-1.5°≦Δθ―Δω≦2.0° ・・・式(1)
ピン先端のショルダー面6の当接の状態に影響を与える因子として、既述の図6A、Bに示すように、ねじの嵌合に伴う縮径によって、ピン先端の下向き(管内面側)へのたわみがある。図11に、図1Aに示す従来技術と本実施形態のねじ干渉量を比較して示す。ピンねじ部とカップリング5のねじ部の嵌合により、その接触面での面圧は焼嵌め式(Shrink Fit理論)からねじ干渉量に比例する。また、その面圧をねじ部にわたって発生する等分布荷重Wとみなせば、図6A、Bに示すようにピン断面を片持ち梁として一次近似すると、たわみはねじ干渉量に比例する。ねじの嵌合に伴う縮径によって、ピン先端の下向き(管内面側)のたわみは、結局、ねじ干渉量に比例することが分かる。
0°<Δθ―Δω≦2.0° ・・・式(3)
カップリング5の両端からねじ接続されるピン3同士がカップリング5の軸方向の中央で当接する形式の鋼管用のねじ継手1のイールドトルクについて、本発明者らは、調査、実験の結果、非特許文献2のAPI7G Recommended Practice for Drill Stem Design and Operating Limits のAPPENDIX-Aに示される以下の式の変数をピン当接形式のねじ継手1にも適用することで安全側に評価出来ることを見出した。
T:イールドトルク/Yield torque[ft-lbf]
TS:ショルダリングトルク/Shouldering torque[inch-lbf]
TD:デルタトルク/Delta torque[inch-lbf]
Pc:ねじ接触圧/Contact pressure in the threads[psi]
ft:ねじ摩擦係数/Friction coefficient of threads(=0.035)
fs:ねじ摩擦係数/Friction coefficient of threads(=0.080)
E7:ねじピッチ径/Thread pitch Dia.[inch]
L4:ねじ長/Thread length[inch]
w:カップリング外径/Coupling OD[inch]
d:パイプ内径/Pipe ID[inch]
Dbv:ベベル径/Bevel Dia.[inch]
P:ねじリード/Lead of thread(=1/TPI)[inch]
ρm:ねじ干渉量/Thread interference on dia.[inch]
As:ショルダー断面積/Shoulder cross section(=π(Dbv 2-d2)/4)[inch2]
Rt:平均ねじ半径/Average mean thread radius(=E7/2)[inch]
Rs:平均ショルダー半径/Mean shoulder radius(=(Dbv+d)/4)
Θ:ねじフランク角/Thread flank angle[deg.]
E:ヤング率/Young's modulus[psi]
Ym:材料の降伏応力/Material yield stress[psi]
カップリング5の両端からねじ嵌合によって挿入されるピン3のショルダー面6同士の接触状態が、本実施形態のねじ継手1の性能に重要であるので、ピン3とカップリング5の締付けには留意が必要である。ねじ継手1の締付けに際しては、ピン3とカップリング5の両方のねじ表面とショルダー面6あるいはどちらか一方のねじ表面とショルダー面6に潤滑剤を均等に塗布して、金属同士の直接の接触とならないように締付けを行う。しかしながら、潤滑剤の個体差による摩擦係数の差異、締付け機械のパイプとカップリング5の掴む位置、公差範囲内ではあっても各ねじデザイン要素のばらつきなどによって、締付けトルクが同じであっても、カップリング5内に収まるピン3の軸方向位置がカップリング5の軸方向の中央(Center Line)からずれる可能性がある。
ねじ部およびショルダー部に、潤滑剤を塗布し、継手の締付け締戻し試験を最大10回繰返し行った。各回の締戻し後にねじ部とショルダー部の焼付きの有無を確認した。各回の締付けトルクは、表2、表3の諸元で58段落で説明した締付けトルク19,890 ft-lbf(26,970 N-m)を最大、締付けトルク14,050 ft-lbf(19,050 N-m)を最小の合格範囲として各回の締付けを行った。つまり、式(2)で求められるイールドトルクの60%以上85%以下の締付けトルクで各回の締付けを行った。繰返し締付け締戻し試験を10回問題なく完了した試験体について、次の気密試験を実施した。
繰返し締付け締戻し試験後の試験体を再度締付けて、ISO13679:2002年版のCAL2のシリーズB気密試験を行った。最大引張はAPI5CTのP110規格の最小降伏応力の95%に相当する荷重、最大圧縮は60%に相当する荷重を試験体に負荷した。気密試験は、ISO13679:2002年版に示す各荷重点で定められた軸力と圧力を負荷して、内部からの漏れの有無を確認しつつ実行した。表4に繰返し締付け締戻し試験と気密試験の結果を合わせて示す。比較例では繰返し締付け締戻し試験で焼付きが発生しているが、式(1)に適合する本発明例に係る試験体はいずれも繰返し締付け締戻し試験と気密試験の両方で合格している。
なお、別途実施したFEAの結果においても、図13に示すように、ショルダー角度パラメータΔθとねじテーパー角度パラメータΔωの関係が式(1)を満たす場合に、ショルダー面での最大接触圧が顕著に低下していることが確認されている。つまり、図13に示す結果は、ショルダー角度パラメータとねじテーパー角度パラメータを好適範囲に設定することが、耐焼付き性の向上に寄与する最大接触圧(と最大接触圧が生じる部分の周辺の接触圧分布)の低減に効果的であることを示している。また、上記実験ではパイプ外径5.5inchのものを使用したが、4.5~7inchのものでも同様の結果が得られることが確認されている。
2 雄ねじ
3 ピン
4 雌ねじ
5 カップリング
6 ショルダー面
7 治具
Claims (5)
- 第1の鋼管の先端の外周面に雄のテーパーねじである雄ねじが設けられた2つのピンと、第2の鋼管の両端の内周面に前記雄ねじと螺合する雌のテーパーねじである雌ねじが設けられたカップリングとを含むねじ継手であって、前記カップリングの両端の雌ねじのそれぞれに前記雄ねじを螺合させた際に、2つのピンの先端のショルダー面同士が接触するよう構成されたねじ継手において、
カップリングと前記カップリングの両端から挿入された2つのピンについてのショルダー角度パラメータとねじテーパー角度パラメータの関係が下記式(1)で定義され、
下記式(2)で求められるイールドトルクの60%以上85%以下の締付けトルクで締付けられるねじ継手。
-1.5°≦Δθ―Δω≦2.0° ・・・式(1)
Δθ:2つのピンの締付け前のショルダー角度θA、θB(ショルダー角度は、管軸方向に直角な場合を0°とし、ショルダー外径側に空間が開くショルダー面の傾きを“正”、その反対を“負”とする)の和で構成するショルダー角度パラメータ(Δθ=θA+θB)
Δω:カップリングと2つのピンの締付け前のねじテーパー角度差ΔωA、ΔωB(ねじテーパー角度差は、ピンのねじテーパー角度とカップリングのねじテーパー角度との差であり、ピンのねじテーパー角度がカップリングのねじテーパー角度よりも浅く、ピンがカップリングねじ面に沿って内径側に傾く場合を“正”、その反対を“負”とする)の和で構成するねじテーパー角度パラメータ(Δω=ΔωA+ΔωB)
TS:ショルダリングトルク[inch(25.4mm)-lbf(4.4482216152605N)]
TD:デルタトルク[inch(25.4mm)-lbf(4.4482216152605N)]
Pc:ねじ接触圧[psi(6894.76Pa)]
ft:ねじ摩擦係数(=0.035)
fs:ねじ摩擦係数(=0.080)
E7:ねじピッチ径[inch(25.4mm)]
L4:ねじ長[inch(25.4mm)]
w:カップリング外径[inch(25.4mm)]
d:パイプ内径[inch(25.4mm)]
Dbv:ベベル径[inch(25.4mm)]
P:ねじリード(=1/TPI)[inch(25.4mm)]
ρm:ねじ干渉量[inch(25.4mm)]
As:ショルダー断面積(=π(Dbv 2-d2)/4)[inch(25.4mm)2]
Rt:平均ねじ半径(=E7/2)[inch(25.4mm)]
Rs:平均ショルダー半径(=(Dbv+d)/4)
Θ:ねじフランク角[deg.]
E:ヤング率[psi(6894.76Pa)]
Ym:材料の降伏応力[psi(6894.76Pa)] - 前記関係が下記式(3)で定義される、請求項1に記載のねじ継手。
0°<Δθ―Δω≦2.0° ・・・式(3) - ショルダー角度パラメータΔθが、-1.21°≦Δθ≦1.83°である、請求項1または2に記載のねじ継手。
- ねじ干渉量をピンのねじ代表径で除したねじ嵌合比が0.0032以上0.0059以下である、請求項1~3のいずれか1項に記載のねじ継手。
- 請求項1~4のいずれか1項に記載のねじ継手を接続するために、先に前記カップリングとねじ嵌合する一方の前記ピンの締付けを、前記カップリングの一方の端側から予め挿入した前記一方のピンの締付け停止位置を示すストッパとなる治具で前記カップリングの軸方向中央に位置制御して、その後、他方の前記ピンの締付けで前記一方のピンと前記他方のピンのショルダー面同士を当接する、ねじ継手の接続方法。
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