(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
雄ねじを有するピン部に設けたシール形成用ねじ無し部およびトルクショルダ形成用ねじ無し部と、雌ねじを有するボックス部に設けたシール形成用ねじ無し部およびトルクショルダ形成用ねじ無し部とをそれぞれ接触あるいは突き合わせることにより、シール部およびトルクショルダ部を形成した油井管用ねじ継手において、シール形成用ねじ無し部が２段のテーパ構造を有し、ピン先端側のテーパがピン付け根側のテーパより小さいことを特徴とする油井管用ねじ継手。
【請求項２】
ピン先端側のテーパが1/10以上1/4 未満でありピン付け根側のテーパが1/4 以上１以下であることを特徴とする請求項１記載の油井管用ねじ継手。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、地下から産出される天然ガスや原油の探査・生産に使用される油井管のねじ継手に関するものであり、特に海洋における井戸への使用に適した、また高圧の地下水や泥、ガス層などの地下の埋蔵物を汲み上げる場合の使用に適した継手に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
今日、深さ数千ｍにも及ぶ天然ガス田や原油田等の探査・生産に使用される油井管を接続する技術としてねじ継手が広く用いられている。
このような油井管用ねじ継手には、管の一端にピン部を、他端にボックス部を形成し、管同士を直接に接続するインテグラル方式と、両側に二つのボックス部を形成したカップリングを用い、これと両端にピン部を形成した管とを接続するカップリング方式とがある。
【０００３】
これらのねじ継手には、いずれの方式を採用するものであっても、1)接続された管の自重による軸方向の引張力に耐え得ること、2)内部の流体による内圧に耐え得ること、3)外部の流体あるいは土砂などによる外圧に耐え得ること、4)数十回の繰り返し使用ができること、などの性能が要求されている。
【０００４】
近年、井戸の深さが深くなる傾向にあり、かつ海洋上や極地などの特殊な環境下で使用される場合が多くなり、上記要求性能は更に厳しくなっている。
ところで、上述のようなねじ継手には、ねじ部とねじ無し部とが設けられており、特にねじ無し部にはシール部とトルクショルダ部が設けられ、相手側のそれぞれシール部およびトルクショルダ部に当接してシール性、耐焼付け性、締結力の確保を図っている。したがって、上述のような性能向上に対応して油井管継手のシール部およびトルクショルダ部の構造に関して従来より多くの提案がなされている。
【０００５】
その一例としてカップリング方式の油井管継手の例を図１に示す。
すなわち、図１(a) および同(b) に示す例では、鋼管10の端部に設けた雄ねじ12を有するピン部11の先端にあるテーパ状のシール形成用ねじ無し部13と、カップリング20の内部に設けた雌ねじ22を有するボックス部21の内方にあるテーパ状のシール形成用ねじ無し部23とを、接触させることによりシール部を形成している。この接触領域でメタルシールを構成することにより、油井管内部の流体による内圧負荷あるいは管外部の流体による外圧負荷に対する気密性能を向上させるためである。
【０００６】
また、図１(b) からよく分かるように、ピン部11のシール形成用ねじ無し部13の更に先端にあるトルクショルダ形成用ねじ無し部14と、ボックス部21のシール形成用ねじ無し部23の更に内方にあるトルクショルダ形成用ねじ無し部24とを、突き合わせることによりトルクショルダ部を形成している。これは、この部分を突き合わせることにより、過度な塑性変形が生じる程の高い接触面圧がシール部に発生しないように、締結トルクを適正な値にコントロールするためである。
【０００７】
図１に示した例では、シール形成用ねじ無し部13、23は１段のテーパ形状であり、従来技術では例えば特公平２−27557 号公報に示されるようにそのテーパ量は、ほぼ1/16から1/10の範囲で規定されているものが多い。
【０００８】
また、直線的なテーパでなく、特公平２−31271 号公報に示されているようにピン側のシール形成用ねじ無し部13の形状を比較的大きな曲率半径の球面としているものや、特公昭59−44552 号公報に示されているようにピン先端部のねじ無し部を、階段状に２ヶ所に設けたショルダ部とその中間のシール形成用円錐面で構成し、ピン付け根側のショルダ部にトルクショルダ性能と高い気密性能を持たせたものもあるが、これらの場合にもシール部の形状としては単一のものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来の１段のシール形状においては、1/16から1/10までのテーパを設けたものが一般によく使用されているが、これらテーパ量の小さい１段のテーパ付きシール部では管本体に軸方向の引張力が作用した場合に、金属対金属の接触をしているシール部形成用ねじ無し部を引き離そうとする向きの力が小さいために気密性能の低下が少ないという利点がある。また内圧が作用した場合にも、作用内圧によってピン側先端のシール部形成用ねじ無し部がボックス側シール部形成用ねじ無し部に押しつけられるために気密性能が良好に保たれるという利点を合わせ持っている。
【００１０】
しかしながら、外圧が作用した場合に、シール部形成用ねじ無し部直前のドープ溜め部まで浸透してきた作用外圧によるシール形成用ねじ無し部を口開きさせる向きの力が大きいために気密性能が低下し、最悪の場合漏れが発生するおそれがある。また、所定の気密性能を確保するためにピン部を送り込む量が大きくなるので、シール形成用ねじ無し部を不必要に長くしないといけなくなり、この部分での焼き付きが発生し易くなり、同時に材料コストの増加を招くという問題がある。
【００１１】
また、特公昭59−44552 号公報に示されているような２ヶ所のショルダ部とその中間にシール形成部を有する形状のものについても、ピン先端のショルダ部には隙間が存在しトルクショルダ部の役割を果していないので、機能的には従来のショルダ部形成部分が１ヶ所、シール部形成部分が１ヶ所の従来のシール部形状とほぼ同様である。それゆえこのようなシール部形状を有する継手についても上記と同様の問題が発生する。
【００１２】
一方、図２に示すようなピン側のシール部形成用ねじ無し部13の形状を球面としているものは、接触部において高い接触圧が得られるため良好な気密性能が得られる。またボックス側のシール部形成用ねじ無し部23のテーパを上記の１段のテーパを備えたシール部のように小さくすることにより、引張あるいは内圧が作用した場合にも良好な気密性能が得られ、さらに外圧が作用した場合にも接触部における接触圧が高いために気密性能の低下が少ない。
【００１３】
しかしながら、非常に狭い接触幅において高い接触圧が発生するために接触部において過度の塑性変形を生じるおそれがあり、十数回の繰り返し使用に耐えられないという問題がある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ここに、本発明の目的は、上述のような従来技術の問題を解決し、気密性に優れ、繰り返し使用が可能であり、焼付けの発生の恐れのない油井管用ねじ継手を開発することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ねじ継手に見られるシール部の接触形態の改善によって上述の課題は効果的に達成できるとの着想を得てから、種々研究開発の結果、シール形成用ねじ無し部に２段のテーパを設けることで上述の従来技術の問題が解消されることを知り、本発明を完成した。
【００１６】
すなわち、本発明の要旨とするところは、雄ねじを有するピン部に設けたシール形成用ねじ無し部およびトルクショルダ形成用ねじ無し部と、雌ねじを有するボックス部に設けたシール形成用ねじ無し部およびトルクショルダ形成用ねじ無し部とをそれぞれ接触あるいは突き合わせることにより、シール部およびトルクショルダ部を形成した油井管用ねじ継手において、シール形成用ねじ無し部が２段のテーパ構造を有し、ピン先端側のテーパがピン付け根側のテーパより小さいことを特徴とする油井管用ねじ継手である。
【００１７】
本発明の好適態様によれば、上記シール形成用ねじ無し部の２段テーパ構造が、ピン先端側のテーパが1/10以上1/4 未満でありピン付け根側のテーパが1/4 以上１以下である。
【００１８】
【作用】
次に、本発明の作用について、上述の各構成要件の限定理由とともに、具体的に説明する。
まず、本発明において継手のシール形成部分を２段のテーパ構造とし、ピン先端側のテーパをピン付け根側のテーパより小さくするのは、継手に作用する引張力および内圧と外圧の両方に対してシール形成部分の気密性能を良好にするためである。
【００１９】
すなわち、図３に示すように、継手に軸方向に引張力が作用するとピン側のシール形成用ねじ無し部13にはピンを引き抜こうとする軸方向の力Ｆが生じるが、この力Ｆはシール形成用ねじ無し部の表面に対して垂直な成分Ｆ・sin α (αはねじ無し部の表面と軸線のなす角度) と水平な成分Ｆ・cos αに分解される。
【００２０】
このうちピン側シール形成用ねじ無し部13をボックス側ねじ無し部23から離そうとする力Ｆ・sin αは、角度αすなわちシール形成用ねじ無し部のテーパが小さい程少なくなる。
【００２１】
また継手に内圧が負荷された場合、図４に示すように、作用内圧によってピン側のシール形成用ねじ無し部13に半径方向の力Ｐ1 が生じる。この力Ｐ1 はシール形成用ねじ無し部13、23の表面に対して垂直方向の力Ｐ1 ・cos αと、水平方向の力Ｐ1 ・sin αに分解される。
【００２２】
このうちピン側のシール形成用ねじ無し部13を緩める方向に滑らせようとする水平方向の力Ｐ1 ・sin αは、αすなわちシール形成用ねじ無し部13、23のテーパが小さい程少なくなる。
【００２３】
また、図５のようにシール形成用ねじ無し部13、23の直前のドープ溜め部27にまで浸透してきた外圧は、ドープ溜め部27を膨らます方向に作用し、特に薄肉部分である半径方向に押し広げようとする強い力Ｐ0 が生じる。
【００２４】
この力Ｐ0 のうちシール形成用ねじ無し部13、23を口開きさせようとする力は、ねじ無し部13、23の表面に対して垂直な成分Ｐ0 ・cos α’であり、ねじ無し部の傾きα’が大きくなるほどこのＰ0 ・cos α’は小さくなる。
【００２５】
以上の理由から、シール形成部分は、外圧が侵入するピン付け根側のシール形成用ねじ無し部13、23のテーパは大きく、ピン先端側のシール形成用ねじ無し部13、23のテーパはそれよりも小さくする２段テーパ構造とする。
次に、本発明の好適態様におけるそれぞれのシール形成用ねじ無し部のテーパの範囲の限定理由について述べる。
【００２６】
ピン先端側のシール形成用ねじ無し部13、23のテーパの下限を1/10以上とするのは、焼き付きの防止ならびに材料コストの低減のためである。すなわち、この部分のテーパが小さ過ぎると、所定の接触圧を確保するためにピン部を送り込む量が大きくなって焼き付きが発生し易くなり、さらに、シール形成用ねじ無し部を不必要に長くしないといけなくなり、材料コストの増加を招くからである。
【００２７】
一方、この部分のテーパの上限を1/4 未満とするが、これはテーパが大き過ぎると内圧に対する気密性能が低下するのと、ピン付け根側に設けるテーパと区別するためである。
【００２８】
次にピン付け根側のシール形成用ねじ無し部13、23のテーパの上限を１とするのは、限られた肉厚の範囲内で２段シール形成用ねじ無し部を設けなければならないため、テーパの大きさにはおのずと限界があるためであり、さらに、このシール形成用ねじ無し部において所定の接触圧を生じさせるため、継手締結時に締め付けトルクが大きくなり、ねじ面などで焼き付けが起こり易くなり数十回の繰り返し使用に耐えられなくなるためである。またこの部分のテーパの下限を1/4 とするのは前述のように、これが余り小さいと、外圧に対する気密性能が低下するのと、ピン先端側のテーパと区別するためである。
【００２９】
ここに、ピン先端側およびピン付け根側のそれぞれのテーパ領域は所定の接触圧を保持し、かつそれぞれ内圧、外圧に対する気密性能に影響がなければその長さ、割合は制限ない。したがって、例えば各テーパ領域の境界はシール形成用ねじ無し部13、23の中間点とすることもでき、また外圧、接触圧の大きさに応じて各テーパ領域の長さの割合を変えてもよい。
次に、実施例によって本発明の作用効果をさらに具体的に説明する。
【００３０】
【実施例】
図６に本発明によるシール部近傍形状の一例を示す。
本例は図１の形状の継手において、シール形成用ねじ無し部13、23を図６に示すように２段のテーパ構造に変更し、それぞれねじ無し部15、16、ねじ無し部25、26に区画し、ピン先端側のねじ無し部15、25のテーパをピン付け根側のねじ無し部16、26のテーパより小さくしている。
【００３１】
図６において、ねじ無し部16、26の領域は外圧( 例えば地中からの圧力) に対する気密性能を高めるためにテーパを大きくする。外圧はドープ溜め部27まで進入してきている。外圧はねじ無し部16、26の領域によって管内部への侵入を防止しなければならない。また、ねじ無し部15、25の領域は、内圧 (例えば油圧、蒸気圧) に対する気密性能を高めるためにテーパを小さくする。管内部の油等はトルクショルダ形成用ねじ無し部14等のすき間を通って漏れる。そのため、ねじ無し部15、25の領域をシールして漏れを防ぐのである。
次に、本発明の効果を実施例に基づいて示す。
【００３２】
図１に示した構成のカップリング方式の継手で、シール部の諸元を表１のように種々変更した継手を試作した。このとき、以下の条件はすべての継手で等しくした。
管本体の外径：177.8 mm、
管本体の肉厚：11.51 mm、
カップリングの外径：194.49mm、
管およびカップリングの材料：Ｌ80炭素鋼 (降伏強度56.2kgf/mm2)
ねじの形状：台形ねじ、
ねじピッチ：5.08mm、
ねじテーパ：１／18、
ねじ山高さ：1.575 mm、
トルクショルダ角：15°、
シール長さ：10.3mm (１段目シール長さ6.5mm 、２段目シール長さ3.8mm)
ただし、１段のみのシールの場合は表１中にシール長さを示す。
【００３３】
なお、１段目シール長さを6.5 mmとしているが、通常管外径にかかわらずこの程度である。また２段目シール長さを3.8 mmとしているが、これも通常管外径によらずこの程度であり、余り長すぎると管と継手をつなぐときに焼付けをおこすことがあるからである。
【００３４】
【表１】
0003726302.tif 000002
【００３５】
これらの継手を以下の試験に供試し、その性能を評価した。
▲１▼繰返し締結試験:
潤滑用グリスをねじ部およびねじ無し部に塗布し、継手の締結・着脱を行い、ねじ部に焼き付きが生じるまでこれを繰り返した。なお、最大繰返し回数は10回とした。
【００３６】
▲２▼単純外圧試験:
継手を締結した後、外圧を負荷し、破断あるいは外圧の漏れの発生した圧力を記録した。
【００３７】
▲３▼複合荷重試験:
継手を締結した後、管本体に降伏強度の95％に相当する応力が生じるような軸方向の引張力を負荷した後、管本体に降伏強度の80％に相当する応力が生じるような内圧を負荷し、内圧の漏れを調査した。
以上の試験結果を表２にまとめて示す。
【００３８】
【表２】
0003726302.tif 000003
【００３９】
表２に示す結果より、比較例ではいずれかの試験で不具合が生じているが、本発明の継手はいずれの試験においても良好な結果となっていることが分かる。
ところで、上述の実施例では、カップリング方式の場合を説明したが、本発明の技術によりインテグラル方式の場合でも同様な効果が得られることは明らかである。
【００４０】
【発明の効果】
本発明による油井管用ねじ継手は、内圧ならびに外圧の両方に対して優れた気密性能を有すると共に引張負荷時もその気密性が低下しないため、今後ますます厳しくなる採掘環境にも十分に使用し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】カップリング方式の油井管用ねじ継手の構成例を示す説明図であり、図１(a) はその全体図、図１(b) はその部分拡大図である。
【図２】球状ねじ無し部を有するシール形成部分を示す説明図である。
【図３】軸方向引張力Ｆのシール形成用ねじ無し部表面での分担状況を示す説明図である。
【図４】半径方向の力Ｐ1 のシール形成用ねじ無し部表面での分担状況を示す説明図である。
【図５】外圧による力Ｐ0 のシール形成用ねじ無し部端での分担状況を示す説明図である。
【図６】シール形成用ねじ無し部の２段テーパ構造の形状を示す説明図である。
【符号の説明】
10：管本体                11：ピン部
12：雄ねじ                20：カップリング
21：ボックス部            22：雌ねじ
13, 23：シール形成用ねじ無し部
14, 24：トルクショルダ形成用ねじ無し部
15, 25：２段シール形成用ピン先端側ねじ無し部
16, 26：２段シール形成用ピン付け根側ねじ無し部
27：ドープ溜め部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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