JPH04157283A - 疲労特性の優れた石油掘削管用ねじ継手 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はドリルバイブ、ドリルカラーなどのように石油
掘削機器に使用される管のねじ継手に関するものである
。

（従来の技術） 近年、高傾斜掘りゃ水平掘りに代表されるように、坑井
の曲げ角度は年々増加の一途をたどっている。これに伴
い、ドリルパイプやドリル力ラ−などの石油掘削管はま
すます大きな疲労損傷を受けるようになってきた。特に
、これらの管はテーバ−ねじ継手で接続され使用される
ので、ねじ部の疲労破壊が問題となる。

このような疲労破壊は、例えば復旧作業に時間を要する
ことから掘削コストを上昇させたり、最悪の場合その坑
井を放棄しなければならない事態になる。それゆえ、最
近ではねじ底部を冷間加工したり、ねじ底の応力を緩和
するために第８図で示すように、おねじ付け根部に曲げ
応力を緩和する応力除去溝Ａを設ける方法や、あるいは
、第９図に示したように、おねじ山をめねじ挿入方向に
漸低状に切削し、ねじ山荷重分担を均一化する方法など
疲労特性を改善する手段がこうじられている。しかしな
がら、以下に記すように、いずれの手段も種々の問題を
有し、根本的解決には至っていない。

まず、第１０図は、ねじ底部を冷間加工したドリルカラ
ー継手と冷間加工していない継手の疲労特性の比較であ
る。両者の間に特性上の有異差はみあたらない。これは
、継手締結時にねじ底部応力は降伏強度以上になｔため
、冷間加工をし、なくても塑性領域ができるためである
。すなわ元、冷間加工の効果はほとんどないといえる。

第１１図は、応力除去溝の疲労特性に及ぼす効果を示す
。応力除去溝は、第８図に示すように、ＡＰＩ規格に従
いおねじ付け根部に施されている。

第１表にはねじり試験の結果を示す。

第　　　１　　　表 （ＮＣ４０外径１３３．４＋ｕ＋　　内径７１．４ｍｍ
）（Ｎ１） ＡＰＩ応力除去溝付き継手　　　３３７８０第１１図に
示すように、応力除去溝は疲労特性をかなり向上させる
ことができる。しかしながら、第１表のごとくねじり強
さは通常の継手に比べ劣る。これは、第８図に示したよ
うに、ＡＰＩ規格・で指定されている応力除去溝は第１
および第２ねじ山を削り取、ってしまうため、通常節１
ねじ底にある破壊発生断面が、第３ねじ底に推移し、テ
ーパーねじ故の断面積減少からねじり強度が低下するた
めである。

第１２図は、おねじ山をめねじ挿入方向に漸低状に切削
したねじ継手と通常の継手の疲労特性の比較である。ね
じ山の切削は第９図の如く行った。

第２表にはねじり試験の結果を示す。

第　　　２　　　表 （ＮＣ４０外径１ｇ３．４■■　内径７１．４＋ｗｍ）
漸低状ねじ山削減継手　　　　　３３０７０第１２１ｉ
！！ｌに示すように、ねじ山高さの削減は疲労特性をか
なり向上させることができる。しかしながら、第２表の
ごとくねじり強さは通常の継手に比べ劣る。これは、第
１２図に示したように、ねじ山の切削が第４山目まで及
ぶため、おねじが締めこまれるに従い、おねじ山とめね
じ山のねじ面に沿ったすべり変位から漸低状に加工した
部分の末嵌合が発生し、破壊発生断面が上述した応力除
去溝の場合と同様に断面積減少側に推移するためである
。　　− （発明が解決しようとする課題） 本発明は疲労特性の優れた石油掘削器に用いられる管の
ねじ継手を提供するものである。

（課題を解決するための手段） 本発明の要旨は、相対向する管を接続するテーパーねじ
のおねじ付け根部に応力除去溝を有し、かつ、めねじ先
端側に位置する複数あるいは単数のめねじ山高さを、ま
たはおねじ付け根部側ｉこ位置する複数あるいは単数の
おねじ山高さを削減したことを特徴とする特許 用ねじ継手である。

以下、本発明の作用を説明する。

まず、ねじ山高さの削減は、ねじ締結時におこるおねじ
第１ねじ山（おねじ付け根部側から数えて１番目のねじ
山）への荷重集中を低下させる効果がある。第４図はお
ねじ第１ね゜じ山高さを削減した継手、応力除去溝があ
る継手および通常の継手がＡＰＩ推奨トルクにて締結さ
れた場合のねじ重荷重分担を有限要素法にて求めたもの
である。

同図からわかるように、ねじ山高さの削減により第１ね
じ山への荷重集中は２２％程度低下している。これによ
り、ねじ底の平均応力は低下する。

この原理を第５図に分かり易く示した。

まず、めねじ山を片持ち梁とみなす。この片持ち梁はお
ねじ山との接触から荷重をうける。ここで、片持ち梁自
由端におけるたわみ量が、おねじ山高さを削減しない（
ａ）と高さ削減した（ｂ）で同じであると仮定すると、
作用点が固定端からより遠い（ｂ）のほうが、荷重は小
さくて済む。すなわち、ねじ山高さ削減は平均応力低下
の効果がある。

なお、第４図からわかるように、応力除去溝は荷重集中
の緩和に対してほとんど効果がない。

次に、応力除去溝は曲げ応力振幅を減少させる効果があ
る。第６図は応力除去溝がある継手、おねじ第１ねじ山
高さを削減した継手および通常の継手が曲げ荷重をうけ
た場合におけるおねじ第１ねじ底（おねじ付け根部から
数えて第１番目のねじ底）の曲げ応力の変化を有限要素
法解析により求めたものである。

同図かられかるように応力振幅は、応力除去溝を施すこ
とにより５０％以上小さくなることがわかる。すなわち
、応力除去溝は応力振幅減少の効果がある。これは、通
常の継手の場合、おねじ付け根部の大きな剛性から曲げ
が第１ねじ底に集中するが、応力除去溝により剛性が低
下し曲げの集中が緩和されるためである。なお、第６図
かられかるようにねし山高さの削減は応力振幅の減少に
対してほとんど効果がない。

以上述べたように、本発明は、平均応力の低下と応力振
幅の低下の両面から、継手の疲労性能を向上させるもの
である。

以下、本発明の実施例を図面に示す実施例ねじ継手を参
照しながら説明する。

第１〜３図は、本発明の実施例石油掘削管用ねじ継手断
面形状を示す。実施例の継手はＡＰＩ規格ＮＣ４０（外
径１３３．４＋ａ＋ｓ、内径７１．４＋ｎ）に対し、本
発明による加工修正が施されている。

第１図に示した継手の応力除去溝１の管軸方向長さはＡ
ＰＩ規格に従い２５．４ｍｍである。従って、おねじの
第１ねじ山２および第２ねじ山３（おねじ付け根部から
数えて１番目と２番目のねじ山）は削り取られている。

ねじ山高さの削減はおねじの第３ねじ山４および第４ね
じ山５に対し施されている。以後、この継手を継手Ａと
呼ぶ。

第２図に示した継手の応力除去溝１はＡＰＩ規格と異な
り、第１ねじ山および第２ねじ山は削り取られていない
ことが特徴である。すなわち、応力除去溝１の管軸方向
長さは１２ｍ■であり、ＡＰＩ規格に比べ短い。ねじ山
高さの削減はおねじの第１ねじ山２および第２ねじ山３
に対し施されている。以後、この継手を継手Ｂと呼ぶ。

第３図に示した応力除去溝１も同様にＡＰＩ規格と異な
り、第１ねじ山２および第２ねじ山３は削り取られてい
ない。ただし、ねじ山高さの削減はめねじの最終ねじ山
１１（めねじ先端部から数えて１番目のねじ山）に対し
て施されている。以後、この継手を継手Ｃと呼ぶ。

上記のような形状に切削した本発明継手を管継手に使用
したとき、一部のねじ山に集中する荷重を各ねじ山に分
担させ、かつ、ねじ底の応力振幅を減少させることによ
り、継手の疲労特性を改善する。

第３表に示すＡＰＩ規格のテーパーねじ継手に対し、第
４表に示した種々の加工修正を施した継手について、回
転曲げ疲労試験およびねじり試験を行った。

第　　　３　　　表 ねじ種　　寸　法（■ｌ）　　引張特性（にＰ、ａ）Ｎ
Ｃ４０外径　１３３．４　　　降伏強さ　９３５内径　
７１．４　　　引張強さ　１０６３第　　　４　　　表 継手。種類　　疲労限度　ねじり降伏強さ（Ｎ−ｍ）　
　　’　　　（Ｎ−ａ） 本発明　継手Ａ　　　３２０００　　　　３３０５０本
発明　継手Ｂ　　　３４０００　　　　３５０３０本発
明　継手Ｃ３４０００３５０１０ ＡＰＩ応力除去　　３００００　　　　３３７８０溝付
き継手 漸低状ねじ山　２８００１）　　　　３３０７０削減継
手 ＡＰＩ規格通常　　２３０００　　　　３５５８０継手 第４表かられかるように、継手Ａは、第８図に示したＡ
ＰＩ応力除去溝付き継手、第９図に示した漸低状ねじ山
削減継手および通常のＡＰＩ継手に比べ、疲労特性が向
上している。しかしながら、ねじ山高さの削減を第４ね
じ山まで行ったため、ねじり特性はＡＰＩ規格継手に比
べ劣っている。

したがって、ねじり性能が要求されないドリルカラーの
継手について有効である。

一方、継手ＢおよびＣは、応力除去溝の管軸方向長さを
短くしねじ山の削り取りを避け、あわせて高さ削減する
ねじ山の数を少なくしたため、ＡＰＩ継手に対しねじり
特性が劣ることなく、疲労性能を著しく向上させている
。

第７図は平均応力及び応力振幅について比較例と本発明
例との比較図表である。

本発明例のものは、比較例に比し、顕著な効果を有する
。

（発明の効果） 以上述べたように本発明継手を管継手に使用することに
より、一部のねじ山に集中する荷重を各ねじ山に分担さ
せ、かつ、ねじ底の応力振幅を減少させることから、疲
労特性を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明継手の一例であり、おねじの部分断面図
、第２図は本発明の他の例のおねじの部分断面図、第３
図は本発明の更に他の例であり、（ａ）はめねじの断面
図、（ｂ）はおねじの断面図、第４図はねじ山荷重分担
とねじ山番号の図表、第５図はねじ山高さ削減による荷
重分担軽減の原理を示したもので、（ａ）は通常ねじ山
（ｂ）は高さ削減したねじ山の例で、（イ）はねじ自模
式図、（ロ）は荷重の作用図、第６図（ａ）は曲げ応力
の図表、（ｂ）は曲げ荷重条件の説明図、第７図（ａ）
は平均応力の図表、（ｂ）は応力振幅の図表、第８図は
従来例の説明図、第９図は他の従来例の説明図、第１Ｏ
図〜第１２図は曲げ荷重−破壊までの繰り返し数の図表
である。 代　理　人　　弁理士　　茶野木　立　夫！　応力除去
溝 ２　第１あ木、しねし山 ３　第２あ入じ木じ山 ４　第３あ、ねし第２し山 ５　第４あ木じれじ山 第２図 第３図 （０Ｌ） （ｂ） 第４図 第５図 （０−）　　　　　（ｂ） 第６図 （ｃｔ）　　　　　（ｂ） Ｊｌ＋ｌｑ　　　　１′″”　　　　　　　　−Ｊ２０
０ＱＮ−ｍ第７図 （α）平カ丈力 （ｂ）ｉ・力坂幅 ５ｔｒｅｓｓ　Ｃｈｊ／−−り 第１０図 第１１図 慶壇までの神す逐−材

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 相対向する管を接続するテーパーねじのおねじ付け根部
   に応力除去溝を有し、かつ、めねじ先端側に位置する複
   数あるいは単数のめねじ山高さを、またはおねじ付け根
   部側に位置する複数あるいは単数のおねじ山高さを、削
   減したことを特徴とする疲労特性の優れた石油掘削管用
   ねじ継手。