JPH10148281A - 鋼管ネジ継手 - Google Patents

鋼管ネジ継手

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JPH10148281A
JPH10148281A JP30916496A JP30916496A JPH10148281A JP H10148281 A JPH10148281 A JP H10148281A JP 30916496 A JP30916496 A JP 30916496A JP 30916496 A JP30916496 A JP 30916496A JP H10148281 A JPH10148281 A JP H10148281A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
pin
coupling
seal
side seal
steel pipe
Prior art date
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Pending
Application number
JP30916496A
Other languages
English (en)
Inventor
Hiroyuki Matsui
博之 松井
Takeo Ueno
雄夫 上野
Takaaki Toyooka
高明 豊岡
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
JFE Steel Corp
Original Assignee
Kawasaki Steel Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Kawasaki Steel Corp filed Critical Kawasaki Steel Corp
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Publication of JPH10148281A publication Critical patent/JPH10148281A/ja
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16LPIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L15/00Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints
    • F16L15/001Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints with conical threads
    • F16L15/004Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints with conical threads with axial sealings having at least one plastically deformable sealing surface

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Non-Disconnectible Joints And Screw-Threaded Joints (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課 題】 従来よりも一段と高い耐リーク性および耐
ゴーリング性を有する鋼管ネジ継手を提供する。 【解決手段】 ピン側シール面4Sとカップリング側シー
ル面5Sとが円錐面で形成されその母線と管軸とのなす角
として定義されるシールテーパ角に関しカップリング2
側をピン1側よりも大きく設けて(αC >αP )なる鋼
管ネジ継手。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、鋼管ネジ継手に関
し、特に、石油、ガス等の採掘に使用され耐リーク性が
要求される鋼管を接続するための鋼管ネジ継手に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】近年、石油、ガス等の資源の枯渇や掘削
技術の進歩に伴い、油井、ガス井等(以下「資源採掘
井」と総称する)の深さは数千メートルから1万メート
ルにも達しようとしており、このような資源採掘井内に
建て込むために膨大な本数の資源採掘井管が使用され
る。また、そのような膨大な数の資源採掘井管は、管軸
端に設けられた雄ネジ部を有するピンが雄ネジ部を有す
るカップリングによって順次直列に接続されて建て込ま
れる。かかるピンおよびカップリングからなる管継手部
には、管本体および管継手部の重量に起因する軸方向の
引張力、周囲から外周面に及ぼされる地圧力、内部を流
通する流体による内周面への押圧力等、各種の過酷な力
が働き、これらの力は、資源採掘井深度の増大に伴い、
一層過酷なものとなることは言うまでもない。
【0003】そして、このような厳しい条件下で使用で
きるように、前記管継手部に対しては、強大な引張荷重
に耐えうると同時に確実なシール性(耐リーク性)が要
求される。この要求に応じて従来多くの提案がなされて
おり、図5に示すように、耐引張荷重性に関しては、管
継手部(以下、「鋼管ネジ継手」という)における管側
すなわちピン1の雄ネジ部1aおよびカップリング2の雌
ネジ部2aからなるネジ部3のネジ形状やピッチ等を改良
することで所定の継手引張強度を確保し、他方、シール
性に関しては、ピン1の雄ネジ部1aに続く先端部に設け
られたピン側シール部4とカップリング2の最奥部に設
けられたカップリング側シール部5とからなるシール部
(メタルシール部)6によって気密性を確保している。
【0004】すなわち、このような従来の鋼管ネジ継手
は、これを指定された範囲の高トルクTで締めつけ、理
想的には図6に示すように、シール部6のピン側シール
部4とカップリング側シール部5との間に所定の接触面
圧Pを発生させることにより耐リーク性が確保できると
されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図6に
示したのは理想的な形態であり、実際にはこうはならな
い。というのは、従来のシール部6のピン側シール部4
とカップリング側シール部5は、図7に示すように、そ
れぞれのシール面を頂角の相等しい(但し、寸法公差
内)凸と凹の円錐面状に加工され、さらに、所定の接触
面圧を発生させるために、接触面圧がないものとした仮
想状態で両者の間に所定のシール径食い込み代(シール
干渉量という)10を持たせるように設計される。なお、
円錐面状のシール面の半頂角をシールテーパ角、該シー
ルテーパ角の正接(tan )をシールテーパといい、図7
ではピン側、カップリング側のシールテーパ角をそれぞ
れαP、αC で表しており、上記したようにαP ≒αC
である。
【0006】このシール干渉量10の存在下でピン1にカ
ップリング2を係合(雄ネジ部1aと雌ネジ部2aを螺合)
して締め付けていくと、シール干渉量10が打ち消される
ように径方向の変位が生じ、その際、剛性の低いピン1
の方が抑え込まれ、図8に示すように、ピン側シール部
4とカップリング側シール部5とが、メタルシール部6
の全域ではなく局所でのみ強く接触する所謂「片当た
り」が発生する。これは、シール性能を低下させるだけ
でなく、ゴーリングと呼ばれる焼付きの発生原因とな
る。
【0007】この片当たりをなくすために、本出願人は
特開平8-93972 号公報において、カップリング側シール
面をピン側シール面に接するようにその曲率中心および
半径を定めた凸曲面形状とすることを提案したが、その
後の検討により、この対策のみではゴーリング発生を完
全には抑止できないことがわかった。そこで、本発明
は、上記従来技術の問題を解決し、従来よりも一段と高
い耐リーク性および耐ゴーリング性を有する鋼管ネジ継
手を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、鋼管端部に設
けられ雄ネジ部および該雄ネジ部から管端側に延在する
ピン側シール部とを有するピンと、前記雄ネジ部に螺合
可能な雌ネジ部および前記ピン側シール部に対応するカ
ップリング側シール部とを有するカップリングとからな
り、該カップリングを前記ピンに係合させ前記雄ネジ部
と前記雌ネジ部とを螺合させて締め付けた際に、前記ピ
ン側シール部の外径面であるピン側シール面と前記カッ
プリング側シール部の内径面であるカップリング側シー
ル面とが密着してメタルシール部が形成される鋼管ネジ
継手において、ピン側シール面とカップリング側シール
面とが円錐面で形成されその母線と管軸とのなす角とし
て定義されるシールテーパ角に関しカップリング側をピ
ン側よりも大きく設けてなることを特徴とする鋼管ネジ
継手である。
【0009】本発明においては、カップリング側シール
面のプロフィルを、直線状に代えてピン側に凸の円弧状
とすることがさらに好ましい。
【0010】
【発明の実施の形態】図1は、本発明の鋼管ネジ継手の
締め付け時の要部縦断面図であり、1はピン、1aは雄ネ
ジ部、2はカップリング、2aは雌ネジ部、4はピン側シ
ール部、4Sはピン側シール面、5はカップリング側シー
ル部、5Sはカップリング側シール部、6はメタルシール
部(シール部)である。
【0011】同図に示すように、本発明の鋼管ネジ継手
は、鋼管端部に設けられ雄ネジ部1aおよび該雄ネジ部1a
から管端側に延在するピン側シール部4とを有するピン
1と、前記雄ネジ部1aに螺合可能な雌ネジ部2aおよび前
記ピン側シール部4に対応するカップリング側シール部
5とを有するカップリング2とからなるという点、なら
びに、該カップリング2を前記ピン1に係合させ前記雄
ネジ部1aと前記雌ネジ部2aとを螺合させて締め付けた際
に、前記ピン側シール部4の外径面であるピン側シール
面4Sと前記カップリング側シール部5の内径面であるカ
ップリング側シール面5Sとが密着してシール部6が形成
される点については、従来と同様である。
【0012】しかしながら、本発明の鋼管ネジ継手は、
接触面圧がないものとした仮想状態での係合関係を表現
した図2に示すように、ピン側シール面4Sとカップリン
グ側シール面5Sとが円錐面で形成されその母線と管軸と
のなす角として定義されるシールテーパ角に関し、カッ
プリング2側のシールテーパ角(αC )をピン1側のシ
ールテーパ角(αP )よりも大きく設けてなること、す
なわちαC >αP となるように設計されてなることを特
徴とする。これらのシールテーパ角αC 、αPがそれぞ
れ加工寸法公差内で変動した場合にもかかる大小関係
(αC >αP )が維持されるように設計すべきことはい
うまでもない。
【0013】ここでも従来同様、シール干渉量10が設定
され、このシール干渉量10の存在下でピン1にカップリ
ング2を係合(雄ネジ部1aと雌ネジ部2aを螺合)して締
め付けていくと、シール干渉量10が打ち消されるように
径方向の変位が生じるが、本発明においては、αC >α
P としているので、剛性の弱いピン側シール部4が縮径
し、同時に剛性の強いカップリング側シール部5がわず
かながら拡径するにつれて、αP とαC とは互いに近づ
く側に変化し、締め付け完了時には、図3に示すよう
に、ピン側シール面4Sとカップリング側シール面5Sとが
所望の範囲で密着するという理想に近いシール状態が得
られる。よって図8に示したような片当たりによるゴー
リングの発生を抑制できる。
【0014】ところで、シール干渉量10は、耐リーク性
を確保するためのシール面圧を発生させるために必要な
弾性変形量に対応する下限値を有し、これに歩留を考慮
した公差を上乗せすることにより、シール干渉量の製造
公差範囲が決められる。そして、この製造公差範囲の中
央値がシール干渉量の代表値(ノミナル値)として採用
されその値に基づいてシールテーパが定められる。従っ
て、ノミナル値で適合するシールテーパをもつようにピ
ンおよびカップリングを製作しても、実際は製作のバラ
ツキによりシール干渉量の上限と下限に相当するものが
係合することもあって、その場合には片当たりが生じて
しまうことが懸念される。そこで、前述のようにαC
αP とした上で、前記特開平8-93972 号公報で提案した
ように、カップリング側シール面5Sのプロフィルを、直
線状(円錐面の母線7)に代えてピン1側に凸の(例え
ば凸部区間8内に有向線分9で示す曲率半径Rを有す
る)円弧状とすることがさらに好ましい。これにより係
合時に前記バラツキが吸収され、図4に2点鎖線で示す
通り、シール干渉量の変化によりピン側の変形量(縮径
量)が変化したとしてもその変化を吸収でき、シール面
同士の密着性が低下することなく理想に近いシール状態
を確保できる。
【0015】
【実施例】API規格でL80、外径88.9mmφ、肉厚6.
452mm の仕様の油井管用の鋼管ネジ継手を、ピン側につ
いてはシール面のシールテーパ(tan αP )を1/16に、
長さを6.5mm に、シール径(カップリング側で設定する
シール長の定義区間に設計上対応する部位の中央位置に
おける外径)を84.02mm に設計・製作し、カップリング
側についてはシール面のシールテーパ(tan αC )を本
発明の規定(αC >αP )に従い1/12に、シール長を4.
1mm に、該シール長の定義区間(図4の凸部区間8に該
当)におけるプロフィルを直線状に代えて本発明のより
好ましい形態であるピン側に凸の円弧状(曲率半径R=
50.0mm)とし該定義区間の中央での内径であるシール径
を83.69mm に設計・製作して実施例とした。なお、シー
ル干渉量は両者のシール径の差0.33mmである。
【0016】一方、実施例と同一仕様の油井管用でシー
ルテーパがピン側、カップリング側とも同じ値(1/1
6)、かつ、ピン、カップリング両者ともプロフィルが
直線状である他は実施例と同じ寸法諸元の鋼管ネジ継手
を設計・製作し従来例とした。これら実施例、従来例の
鋼管ネジ継手を450kgf・m のトルクで締め付けたとこ
ろ、従来例では、軸方向引張荷重65.8tonf(軸方向応力
39.4kgf/mm2 で70%SMYS(規格最小降伏応力)に相
当)と内圧490kgf/cm2(60%SMYSに相当)の組み合
わせ負荷でリークしたのに対し、実施例では、軸方向引
張荷重89.2tonf(軸方向応力53.4kgf/mm2 で95%SMY
Sに相当)、内圧780kgf/cm2(95%SMYSに相当)と
従来例よりも高い組み合わせ負荷においてもリークが発
生しないという優れた耐リーク性が得られた。
【0017】また、ピンのシール径を84.09mm 、カップ
リングのシール径を83.52mm とシール干渉量を大きく
(0.57mm)し、締め付けトルク580kgf・m でゴーリング
試験を行ったところ、従来例では4回のMake/Break(締
め付け/除荷)で片当たりによるゴーリングが発生した
のに対し、実施例では10回のMake/Breakでもゴーリング
が発生しなかった。
【0018】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、従来より
も一段と高い耐リーク性および耐ゴーリング性を有する
鋼管ネジ継手が得られるという格段の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の鋼管ネジ継手の締め付け時の要部縦断
面図である。
【図2】接触面圧がないものとした仮想状態における本
発明の鋼管ネジ継手のピン側シール部とカップリング側
シール部との係合関係を示す図である。
【図3】本発明の鋼管ネジ継手のシール状態の説明図で
ある。
【図4】本発明の鋼管ネジ継手のさらに好ましい形態の
説明図である。
【図5】メタルシール部を有する鋼管ネジ継手の説明図
である。
【図6】メタルシール部の理想的なシール形態の説明図
である。
【図7】接触面圧がないものとした仮想状態における従
来の鋼管ネジ継手のピン側シール部とカップリング側シ
ール部との係合関係を示す図である。
【図8】片当たりの説明図である。
【符号の説明】
1 ピン 1a 雄ネジ部 2 カップリング 2a 雌ネジ部 3 ネジ部 4 ピン側シール部 4S ピン側シール面 5 カップリング側シール部 5S カップリング側シール面 6 シール部(メタルシール部) 7 円錐面の母線 8 凸部区間 9 曲率半径を表す有向線分 10 シール径食い込み代(シール干渉量)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 鋼管端部に設けられ雄ネジ部および該雄
    ネジ部から管端側に延在するピン側シール部とを有する
    ピンと、前記雄ネジ部に螺合可能な雌ネジ部および前記
    ピン側シール部に対応するカップリング側シール部とを
    有するカップリングとからなり、該カップリングを前記
    ピンに係合させ前記雄ネジ部と前記雌ネジ部とを螺合さ
    せて締め付けた際に、前記ピン側シール部の外径面であ
    るピン側シール面と前記カップリング側シール部の内径
    面であるカップリング側シール面とが密着してメタルシ
    ール部が形成される鋼管ネジ継手において、ピン側シー
    ル面とカップリング側シール面とが円錐面で形成されそ
    の母線と管軸とのなす角として定義されるシールテーパ
    角に関しカップリング側をピン側よりも大きく設けてな
    ることを特徴とする鋼管ネジ継手。
  2. 【請求項2】 カップリング側シール面のプロフィル
    を、直線状に代えてピン側に凸の円弧状とした請求項1
    記載の鋼管ネジ継手。
JP30916496A 1996-11-20 1996-11-20 鋼管ネジ継手 Pending JPH10148281A (ja)

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