JPWO2020183860A1 - ねじ継手 - Google Patents

Abstract

耐圧縮性およびシール性に優れたねじ継手を提供する。ねじ継手（１）は、雄ねじ部（４ａ）が、テーパねじ（４）のねじ結合により、ねじ頂面（７）とねじ底面（８）との両方において雌ねじ部（４ｂ）との間に隙間を残した状態で挿入面（９）と荷重面（１０）との両方において雌ねじ部（４ｂ）と接触し、テーパねじ（４）の挿入面フランク角（α）が３０度以上５０度以下であるとともに、テーパねじ（４）の荷重面フランク角（β）が−１０度以上０度未満であり、テーパねじ（４）における管軸方向の単位長さ当たりの直径の変化量であるねじテーパが１／１０以上１／４以下であり、ボックスシール部（１１ｂ）のシールテーパ角（γ）が３度以上１０度以下である。

Description

本発明は、ねじ継手に関し、詳しく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、すなわち、ＯＣＴＧ（ｏｉｌ ｃｏｕｎｔｒｙ ｔｕｂｕｌａｒ ｇｏｏｄｓ）、ライザー管、ならびにラインパイプなどの鋼管の接続に用いるのに好適な、耐圧縮性およびシール性に優れたねじ継手に関する。

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や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は使用されてきた。

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等が増えていることから、掘削・生産環境はより苛酷になっている。また、海洋や極地などの劣悪な環境での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（耐外圧性能）など、ねじ継手への要求性能は多様化している。このような要求性能のために、プレミアムジョイントと呼ばれる高性能の特殊ねじ継手を使用することが近年増加している。

上記のプレミアムジョイントは、通常、相互に接続される管の管端部に、それぞれ、テーパねじと、シール部（メタルタッチシール部）と、トルクショルダ部とを備える。これらは、一方の管に設けられた雄形部であるピンと、他方の管に設けられ雄形部に螺合または嵌合する雌形部であるボックスとのそれぞれを構成する要素である。これら要素は、継手（ねじ継手の意、以下同じ）の締付け時に雌雄の同名要素同士が対面し合うように設計される。

上記のテーパねじは、継手を強固に固定するために必要である。また、上記のシール部は、当該シール部の領域でボックスとピンとの金属接触によりシール性を確保する。シール部は、通常、ピンに設けられたピンシール部が凸状の管軸断面形状を有し、ボックスに設けられたボックスシール部がテーパ状の管軸断面形状を有している。また、上記のトルクショルダ部は、継手の締付け中にストッパの役目を担うショルダ面となる。

ところで、井戸開発時の掘削量を低減するために、継手をスリムにする要求がある。継手をスリムにするためにはトルクショルダ部の排除が有効であり、その場合、ストッパの役目および軸力を受ける役目をねじ部に受け持たせることとなる。上記の効果を発揮するためには、雄ねじ部が、テーパねじのねじ結合により、ねじ頂面とねじ底面との両方において雌ねじ部との間に隙間を残した状態で荷重面と挿入面との両方において雌ねじ部と接触する必要がある。この形態のテーパねじを管軸方向干渉テーパねじと呼ぶこととする。管軸方向干渉テーパねじを有する継手は、軸力をねじ面で受けることから力を受ける面積の総計が大きくなるため、高い耐圧縮性を有する。

管軸方向干渉テーパねじの従来技術の一例が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の発明の課題は、実際に製作する上での加工公差を考慮して、その公差内のいかなる加工結果においても、常に荷重面と挿入面との両方においてねじ結合時に接触を生じさせることである。そして、特許文献１に記載の発明では、荷重面フランク角と、挿入面フランク角と、ねじ頂面およびねじ底面に生ずる隙間と、加工公差から想定される管軸方向隙間との関係を規定する式を提示しており、この式に従うことで、荷重面と挿入面との両方においてねじ結合時に必ず接触を生じさせることができると説明している。

特許第３７１４１９９号公報

特許文献１に記載の式は、テーパねじを締め付けていった際に、ねじ頂面およびねじ底面での接触を防止して、常に荷重面と挿入面との両方での接触を保証するものである。しかし、接触の実現までに必要な締め付け量については考慮されておらず、加工時の寸法バラツキの程度により締め付け完了時の管軸方向位置は大きく影響される。ねじ締め付け時における管軸方向停止位置はシール部の接触状態に大きな影響を与えるため、テーパねじの寸法バラツキにより過小な接触状態となった場合にはシール性が不十分となり、逆に過大な接触状態となった場合には焼付き発生の懸念がある。

本発明は、上記課題に鑑み、耐圧縮性およびシール性に優れたねじ継手を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意検討し、以下の知見を得た。まず、従来の技術において、寸法バラツキがシール性不足や焼付きを引き起こすのは、寸法バラツキがシール部の接触状態（以下、シール干渉量ともいう）に大きな影響を及ぼすからである。したがって、寸法バラツキによるシール干渉量への影響を抑制可能なテーパねじおよびシール部の設計が重要となる。略台形状のねじ山で構成されるテーパねじにおいて、ねじ山頂部の幅とねじ山底部の幅との差を大きくすることにより、テーパねじの締め付け時における回転量に対する管軸方向の隙間の変化量を大きくすることができる。したがって、ねじ山頂部とねじ山底部との幅差を大きくすることにより、寸法バラツキ（管軸方向の隙間のバラツキ）による締め付け完了時の管軸方向停止位置への影響を抑制することができる。ただし、荷重面はジャンプアウト防止のためにマイナスの角度にしておくことが望ましいため、マイナスの角度で絶対値は抑え目に設計し、挿入面は幅差を確保するために大きな角度に設計する必要がある。テーパねじにおける管軸方向の単位長さ当たりの直径の変化量であるねじテーパについては、これを大き目に設定することにより、少ない締め付け量でねじが締まるため、寸法バラツキによる締め付け完了時の管軸方向停止位置への影響を抑制することができる。また、ボックスシール部のシールテーパ角を小さくすることにより、締め付け完了時の管軸方向停止位置によるシール干渉量への影響を抑制できる。

以上の知見に基づき完成した本発明の要旨は、次の通りである。

１．管端部に形成され、テーパねじの雄ねじ部および該雄ねじ部より管端側に位置するノーズ部外周面を備えるピンと、
前記テーパねじの雌ねじ部、および前記ノーズ部外周面に相対するシール孔内周面を備えるボックスとを有し、
前記雄ねじ部が、前記テーパねじのねじ結合により、ねじ頂面とねじ底面との両方において前記雌ねじ部との間に隙間を残した状態で挿入面と荷重面との両方において前記雌ねじ部と接触し、
前記ノーズ部外周面が、凸状の管軸断面形状を有するピンシール部を有し、
前記シール孔内周面が、前記ねじ結合により、前記ピンシール部と管半径方向に金属接触して流体をシールするシール部を形成する、テーパ状の管軸断面形状を有するボックスシール部を有し、
前記テーパねじの挿入面フランク角が３０度以上５０度以下であるとともに、前記テーパねじの荷重面フランク角が−１０度以上０度未満であり、
前記テーパねじにおける管軸方向の単位長さ当たりの直径の変化量であるねじテーパが１／１０以上１／４以下であり、
前記ボックスシール部のシールテーパ角が３度以上１０度以下である、
ねじ継手。

なお、本願で規定するテーパねじ及びシール部の形状、角度及び寸法は、テーパねじの締め付け前の状態（つまり、荷重が未付加の状態）におけるものを意味する。

２．前記雄ねじ部のねじ高さＴが０．０４インチ以上０．１０インチ以下である、前記１のねじ継手。

３．前記雄ねじ部におけるねじ山底部の幅Ｗとねじ高さＴとの比Ｔ／Ｗが０．２以上１．０以下である、前記１または２のねじ継手。

本発明によれば、耐圧縮性およびシール性に優れたねじ継手を得ることができる。

本発明の実施形態の一例であるインテグラル形式のねじ継手を示す管軸断面図である。 本発明の実施形態の一例であるカップリング形式のねじ継手を示す管軸断面図である。 図１および図２のＡ部拡大図である。挿入面と荷重面の双方が接触している状態を示す。 図１および図２のＢ部拡大図である。ピンとボックスの双方の同一尺度図面を図３に示したようにねじ部の挿入面と荷重面の双方が接触するように重ね合わせたときの、シール部の重なりの状態を示す。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について例示説明する。

図１および図２に示すように、本発明の実施形態に係るねじ継手１は、ピン２とボックス３とにより油井管を接続するプレミアムジョイントである。ねじ継手１は、図１に示すような、ピン２とボックス３とで鋼管同士を直接接続するインテグラル形式であってもよいし、図２に示すような、ピン２を有する鋼管同士を、ボックス３を有するカップリングを介して接続するカップリング形式であってもよい。なお、図１および図２には、管軸心Ｘの一方側の断面のみを示している。ねじ継手１は、油井管以外の鋼管などの接続に適用してもよい。

ピン２は、管端部に形成され、テーパねじ４の雄ねじ部４ａおよび該雄ねじ部４ａより管端側に位置するノーズ部外周面５を有している。ボックス３は、テーパねじ４の雌ねじ部４ｂ、およびノーズ部外周面５に相対するシール孔内周面６を有している。

図３に示すように、雄ねじ部４ａは、テーパねじ４のねじ結合により、ねじ頂面７とねじ底面８との両方において雌ねじ部４ｂとの間に隙間を残した状態で挿入面９と荷重面１０との両方において雌ねじ部４ｂと接触するように構成されている。すなわち、テーパねじ４は、そのねじ結合により、雄ねじ部４ａのねじ頂面７と雌ねじ部４ｂのねじ底面８’との間に隙間を残すとともに雄ねじ部４ａのねじ底面８と雌ねじ部４ｂのねじ頂面７’との間に隙間を残した状態で、雄ねじ部４ａの挿入面９と雌ねじ部４ｂの挿入面９’とが相互に接触するとともに雄ねじ部４ａの荷重面１０と雌ねじ部４ｂの荷重面１０’とが相互に接触するように構成されている。上記の「隙間」とは、テーパねじ４のねじ結合時である締め付け完了時に挿入面９，９’と荷重面１０，１０’との両方で締め付けを生じさせるのに十分な隙間を意味する。

テーパねじ４は、挿入面９，９’と荷重面１０，１０’との両方において接触することにより、強固な接続を達成する。管軸心Ｘを含む断面である管軸断面において挿入面９が管軸心Ｘに垂直な直線となす鋭角の角度を挿入面フランク角αとし、挿入面フランク角αの符号は、図３に示すように挿入面９が管軸心Ｘの径方向外側（以下、単に径方向外側ともいう）に向けて荷重面１０の側に傾斜する場合を正とする。また、管軸断面において荷重面１０が管軸心Ｘに垂直な直線となす鋭角の角度を荷重面フランク角βとし、荷重面フランク角βの符号は、荷重面１０が径方向外側に向けて挿入面９の側に傾斜する場合を正とする（図３に示す荷重面フランク角βの符号は負）。

挿入面フランク角αは、ねじ山頂部とねじ山底部との幅差を確保するために３０度以上とする必要がある。挿入面フランク角αを３０度以上とすることで、テーパねじ４の締め付け時における回転量に対する管軸方向（つまり、管軸心Ｘに沿う方向）の隙間（つまり、挿入面９，９’および荷重面１０，１０’での隙間）の変化量を大きくすることができ、もって、寸法バラツキ（管軸方向の隙間のバラツキ）による管軸方向停止位置への影響を抑制することができる。ただし、挿入面フランク角αを大きくし過ぎると管軸方向の圧縮力を効率的に受けられなくなるため５０度以下にする必要がある。荷重面フランク角βはジャンプアウト防止のために負の値にする必要があり、０度未満とする必要があるが、絶対値を大きくし過ぎるとねじ山頂部とねじ山底部との幅差が確保できなくなるため、−１０度以上とする必要がある。荷重面フランク角βは、−１０度以上−３度以下であることが好ましい。

雄ねじ部４ａのねじ底面８と一致する基準面Ｓにおける管軸方向の単位長さあたりの直径の変化量であるねじテーパは、１／１０以上とする必要がある。ねじテーパを１／１０以上とすることにより、少ない締め付け量でテーパねじ４が締まるため、寸法バラツキによる締め付け完了時の管軸方向停止位置への影響を抑制することができる。ただし、ねじテーパを大きくしすぎると、後述するピンシール部１１ａでの肉厚が確保できなくなりシール性が保証できなくなるため、ねじテーパは１／４以下とする必要がある。

図４に示すように、ノーズ部外周面５は、凸状に湾曲する管軸断面形状（つまり、管軸断面における形状）を有するピンシール部１１ａを有している。しかし、ピンシール部１１ａの管軸断面形状は、凸状に湾曲するものに限らず、凸状であればよい。シール孔内周面６は、テーパねじ４のねじ結合により、ピンシール部１１ａと管半径方向（つまり、管軸心Ｘの半径方向）に金属接触して流体をシールするシール部１１を形成する、テーパ状の管軸断面形状を有するボックスシール部１１ｂを有している。つまり、ピンシール部１１ａとボックスシール部１１ｂとでラジアルシール構造のシール部１１を構成している。

ボックスシール部１１ｂは、切頭円錐状のテーパ面である。管軸断面においてボックスシール部１１ｂが管軸心Ｘと平行な直線となす鋭角の角度をシールテーパ角γとする。シールテーパ角γは、テーパねじ４のねじ結合時の管軸方向停止位置によるシール部１１の接触状態（シール干渉量）への影響を小さくするために、１０度以下とする必要がある。しかし、シールテーパ角γを小さくし過ぎると摺動距離が長くなり焼付きのリスクが増すため、シールテーパ角γは３度以上とする必要がある。なお、シールテーパ角γが３度未満では、シール部とねじ部の境界に大きな段差ができやすく、その場合は設計自体が成立しているとは言い難い。なぜなら、ねじ結合時に段差部分にピンが接触すると容易に焼付きが発生するためである。

雄ねじ部４ａのねじ高さＴは、０．０４インチ（＝０．０４インチ×２５．４ｍｍ／インチ＝１．０１６ｍｍ）以上０．１０インチ（＝０．１０インチ×２５．４ｍｍ／インチ＝２．５４ｍｍ）以下であることが好ましい。ここで、ねじ高さＴとは、管軸断面における、管軸心Ｘに垂直な直線と基準面Ｓとの交点と、当該直線とねじ頂面７との交点との距離である。ねじ高さＴが０．０４インチ未満の場合には、接触面が十分に確保できずに軸力によってテーパねじ４に過大な塑性変形が生じ、継手としての機能が失われる懸念がある。一方でねじ高さＴが０．１０インチを超える場合には、危険断面の断面積が小さくなり継手の引張強度を十分に確保できない懸念がある。

雄ねじ部４ａにおけるねじ山底部の幅Ｗとねじ高さＴとの比Ｔ／Ｗは、０．２以上１．０以下であることが好ましい。ここで、ねじ山底部の幅Ｗとは、管軸断面における、荷重面１０を含む直線と基準面Ｓを含む直線との交点を含み且つ管軸心Ｘに垂直な直線と、挿入面９を含む直線と基準面Ｓを含む直線との交点を含み且つ管軸心Ｘに垂直な直線との距離である。Ｔ／Ｗが０．２未満の場合には、接触面が十分に確保できない懸念がある。Ｔ／Ｗが１．０を超える場合には、危険断面の断面積を十分に確保できない懸念がある。

ねじ継手１は、上述したように、挿入面フランク角αが３０度以上５０度以下であるとともに、荷重面フランク角βが−１０度以上０度未満であり、ねじテーパが１／１０以上１／４以下であり、シールテーパ角γが３度以上１０度以下であるという条件を満たしていることにより、優れた耐圧縮性およびシール性を発揮することができる。

以上、本実施形態を例示説明したが、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。

ＡＰＩ ５ＣＴの鋼種Ｐ１１０の外径５．５インチ×肉厚０．４１５インチ（外径１３９．７０ｍｍ×肉厚１０．５４ｍｍ）の鋼管端部を加工してなるピンと、これに対応するボックスとからなるねじ継手について、サンプルを製作し、ＩＳＯ１３６７９：２００２に基づく締め付け締め戻し試験および気密試験を実施した。この実施にあたっては、表１に示す各水準の実験条件で実験した。寸法公差によるバラツキの影響として、図面通りに締め込んだときに管軸方向に隙間がある場合を正とし、逆に干渉する場合を負として、絶対値０．００４インチのバラツキがある場合について評価を行った。また、表１に示さなかった実験条件として、全ての水準に共通して、１インチあたりのねじ山の数は５（５ＴＰＩ）とし、雄ねじ部のねじ高さＴは０．０５インチであり、（管軸心Ｘに垂直な方向への基準面Ｓからの）高さ０．０３インチでの（管軸心Ｘと平行な方向の）ねじ幅を０．１インチ（半ピッチ）とした。雄ねじ部におけるねじ山底部の幅Ｗは、挿入面フランク角αと荷重面フランク角βとから算出でき、ねじ山底部の幅Ｗとねじ高さＴとの比Ｔ／Ｗは０．３８〜０．４７となった。継手効率は７５％となるように全ての水準で設計し、気密試験では９５％ＶＭＥに対して、引張／圧縮ともに７５％の負荷を掛けて試験を行った。

上述の条件を満たす発明例では寸法バラツキによるシール干渉量への影響を問題ないレベルまでを抑止できており、試験結果は合格であった。これに対し、上述の条件（特に、挿入面フランク角が３０度以上、ねじテーパが１／１０以上、シールテーパ角が１０度以下という条件）を満たさない比較例では、焼付きまたはリークが発生し、試験結果は不合格であった。比較例では、管軸方向停止位置が大きくプラスとなりシール干渉量が過大となる条件では締め付け締め戻し試験時に焼付きが発生し、逆に管軸方向停止位置が大きくマイナスとなりシール干渉量が過小となる条件では気密試験時にリークが発生してしまった。

１ ねじ継手
２ ピン
３ ボックス
４ テーパねじ
４ａ 雄ねじ部
４ｂ 雌ねじ部
５ ノーズ部外周面
６ シール孔内周面
７，７’ ねじ頂面
８，８’ ねじ底面
９，９’ 挿入面
１０，１０’ 荷重面
１１ シール部
１１ａ ピンシール部
１１ｂ ボックスシール部
α 挿入面フランク角
β 荷重面フランク角
γ シールテーパ角
Ｘ 管軸心
Ｓ 基準面
Ｔ ねじ高さ
Ｗ ねじ山底部の幅

Claims (3)

1. 管端部に形成され、テーパねじの雄ねじ部および該雄ねじ部より管端側に位置するノーズ部外周面を備えるピンと、
   前記テーパねじの雌ねじ部、および前記ノーズ部外周面に相対するシール孔内周面を備えるボックスとを有し、
   前記雄ねじ部が、前記テーパねじのねじ結合により、ねじ頂面とねじ底面との両方において前記雌ねじ部との間に隙間を残した状態で挿入面と荷重面との両方において前記雌ねじ部と接触し、
   前記ノーズ部外周面が、凸状の管軸断面形状を有するピンシール部を有し、
   前記シール孔内周面が、前記ねじ結合により、前記ピンシール部と管半径方向に金属接触して流体をシールするシール部を形成する、テーパ状の管軸断面形状を有するボックスシール部を有し、
   前記テーパねじの挿入面フランク角が３０度以上５０度以下であるとともに、前記テーパねじの荷重面フランク角が−１０度以上０度未満であり、
   前記テーパねじにおける管軸方向の単位長さ当たりの直径の変化量であるねじテーパが１／１０以上１／４以下であり、
   前記ボックスシール部のシールテーパ角が３度以上１０度以下である、
   ねじ継手。
2. 前記雄ねじ部のねじ高さＴが０．０４インチ以上０．１０インチ以下である、請求項１に記載のねじ継手。
3. 前記雄ねじ部におけるねじ山底部の幅Ｗとねじ高さＴとの比Ｔ／Ｗが０．２以上１．０以下である、請求項１または２に記載のねじ継手。

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