(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
管外側に雄ねじ、シール面、ショルダー面を有するピンと管内側に該ピンにそれぞれ対応する雌ねじ、シール面、ショルダー面を有するボックスを嵌合するねじ継手において、金属接触面に固体潤滑剤を形成し、ねじロードフランク面の固体潤滑剤皮膜厚さを５μｍ以下に薄く形成したことを特徴とする鋼管用ねじ継手。
【請求項２】
管外側に雄ねじ、シール面、ショルダー面を有するピンと管内側に該ピンにそれぞれ対応する雌ねじ、シール面、ショルダー面を有するボックスを嵌合するねじ継手において、金属接触面に固体潤滑剤を形成し、ねじロードフランク面、およびショルダー面の固体潤滑剤皮膜厚さを５μｍ以下に薄く形成したことを特徴とする鋼管用ねじ継手。
【請求項３】
管外側に雄ねじ、シール面、ショルダー面を有するピンと管内側に該ピンにそれぞれ対応する雌ねじ、シール面、ショルダー面を有するボックスを嵌合するねじ継手において、ねじロードフランク面以外の金属接触面に固体潤滑剤皮膜を形成したことを特徴とする鋼管用ねじ継手。
【請求項４】
管外側に雄ねじ、シール面、ショルダー面を有するピンと管内側に該ピンにそれぞれ対応する雌ねじ、シール面、ショルダー面を有するボックスを嵌合するねじ継手において、ねじロードフランク面およびショルダー面以外の金属接触面に固体潤滑剤皮膜を形成したことを特徴とする鋼管用ねじ継手。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体潤滑剤を継手構成要素の特定部分に用いた油井管用ねじ継手に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、石油掘削に使用されるケーシング、チュービングなどの油井管はねじ継手で締結される。最近では油井、ガス井は深井戸化し、特にシール性の点で金属接触部を有したプレミアムジョイントが盛んに使用されるようになってきた。また、原油の掘削効率の向上などを狙った水平坑井も隆盛を極め、係る油井では従来にも増して継手の捩り強度が要求されるようになって来た。
【０００３】
一方、環境面では油井管ねじ継手を締結するときに使用されるコンパンドグリスに含まれている重金属粉が環境汚染につながることが指摘され、特に北海、アラスカ地区ではコンパンド中に金属粉を含まないグリスが使用されるようになってきた。また、コンパンドグリスは極寒の使用では暖めて使う必要があり、グリス塗布、洗浄作用自身が作業効率上、省略されることが望ましかった。さらに、使用性能上へのグリスの弊害も指摘され、継手設計上の対策も取られてきた（特開昭６３−２１０４８号公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような問題を抜本的に解決するために、特開昭６１−１３６０８７号公報や特開平８−１０３７２４号公報等の技術が提案されているが、これら技術はコンパンドグリスの第１の目的は継手締結中の耐焼付き防止にあり、その意味で固体潤滑剤はコンパンドグリス同等以上の性能を呈していた。しかしながら、固体潤滑剤では締結トルクがばらつくという新たな問題が生じた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述したような固体潤滑剤での問題を解決するため、発明者らは鋭意開発を進めた結果、コンパンドグリスの代わりに固体潤滑剤を用いる金属接触部、肩部を有する油井管用ねじ継手において、最終トルク抵抗を向上させ、適切な締結トルク範囲を拡大することを目的とした油井管用ねじ継手を提供するものである。
その発明の要旨とするところは、
（１）管外側に雄ねじ、シール面、ショルダー面を有するピンと管内側に該ピンにそれぞれ対応する雌ねじ、シール面、ショルダー面を有するボックスを嵌合するねじ継手において、金属接触面に固体潤滑剤を形成し、ねじロードフランク面の固体潤滑剤皮膜厚さを５μｍ以下に薄く形成したことを特徴とする鋼管用ねじ継手。
【０００６】
（２）管外側に雄ねじ、シール面、ショルダー面を有するピンと管内側に該ピンにそれぞれ対応する雌ねじ、シール面、ショルダー面を有するボックスを嵌合するねじ継手において、金属接触面に固体潤滑剤を形成し、ねじロードフランク面、およびショルダー面の固体潤滑剤皮膜厚さを５μｍ以下に薄く形成したことを特徴とする鋼管用ねじ継手。
【０００７】
（３）管外側に雄ねじ、シール面、ショルダー面を有するピンと管内側に該ピンにそれぞれ対応する雌ねじ、シール面、ショルダー面を有するボックスを嵌合するねじ継手において、ねじロードフランク面以外の金属接触面に固体潤滑剤皮膜を形成したことを特徴とする鋼管用ねじ継手。
【０００８】
（４）管外側に雄ねじ、シール面、ショルダー面を有するピンと管内側に該ピンにそれぞれ対応する雌ねじ、シール面、ショルダー面を有するボックスを嵌合するねじ継手において、ねじロードフランク面、およびショルダー面以外の金属接触面に固体潤滑剤皮膜を形成したことを特徴とする鋼管用ねじ継手にある。
【０００９】
以下、本発明について図面に従って詳細に説明する。
図１は継手締結中のメークアップトルクとターン数曲線との継手締結状態を示す模式図である。この図に示すように、継手嵌合に従い、ねじ部、あるいはシール部の摩擦抵抗によりトルクが生じ、肩部接触と同時にトルクは急激に上昇し、このときのトルクをショルダートルクと呼ぶ。肩部が接触することで図面上のシール干渉代、ねじ干渉代が得られたことになり、プレミアムジョイントでは締結が無事完了したことを示す最低限の指標となる。
【００１０】
締結トルクが最終的には推奨メークアップトルク値に到達した時点で締結終了となる。継手種によってはショルダートルクから最終トルクまでのショルダー吸収トルク（△Ｔ）を実質上、制御しなければならないものもある。ところが、固体潤滑剤を用いた場合、グリス締結に比べ、このショルダートルクも大きくばらつくし、また、ショルダートルクは機械加工公差によっても大きくばらつくため、ショルダートルクが必ず得られるような最終トルクを選定した場合、図２に示すように、ばらつきの下限値のショルダートルクの継手に対してはショルダー吸収トルクが大きくなり過ぎ、肩部、シール部が致命的な塑性変形を被ることが判った。
【００１１】
このようなオーバートルクによる塑性変形の問題は、従来のグリスを用いたメークアップでもあったが、摩擦抵抗、すなわち、ショルダートルクのばらつきはそれほど大きなものではなかった。この理由として、図３に示すように、ねじ界面に生じるグリス圧力がトルクを低位安定化させていることを解明した。
これに対して、図４に示すように、固体潤滑剤のみを設けた場合は摩擦係数のばらつき（０．０５〜０．１５）がそのままトルクのばらつきとなって現れることも突き止めた。従って、固体潤滑剤のみを用いる継手の締結では、従来にも増してトルク抵抗を改善する必要のあることが判った。
【００１２】
そこで、ショルダートルクまでの締結トルクは主にネジ部で発生するトルクであるのに対し、ショルダー吸収トルクは肩部とネジ部のロードフランク面で発生する反力によって生じることに注目した。摩擦抵抗はクーロンの摩擦則で近似できることから発生トルクＴは、Ｔ＝μＮ
ここでμは摩擦係数、Ｎは反力である。従って、ショルダー吸収トルクを大きくするためには摩擦係数μを大きくすればよいことが判る。しかし、μは焼付き性に密接な関係があり、一般的にμを大きくすることは耐焼付き性が劣化することを意味する。この相反する課題を同時に解決するために図５に示すようにねじのロードフランク面６に固体潤滑剤を塗布しないか、塗布しても施工上付着は不可避なレベルまで薄くし、他の面に固体潤滑皮膜を形成すれば良いことを見出したものである。
【００１３】
このような知見に基づいて、本発明に係るねじのロードフランク面、またはロードフランク面およびショルダー面の固体潤滑剤皮膜厚さを５μｍ以下に薄く形成した。このねじのロードフランク面、またはロードフランク面およびショルダー面の固体潤滑剤皮膜厚さを５μｍ以下にした理由は、５μｍを超える厚さであると、本発明の目的とする最終トルク抵抗の向上、および適切な締結トルク範囲の拡大を図ることができないからである。なお、好ましい範囲は１〜３μｍとする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図５は本発明に係る構成図である。図５（ａ）は継手構成部材の組立構成を示す図であり、図５（ｂ）はねじ部３の拡大図であり、また、図５（ｃ）は肩部接触面４の拡大図である。図５（ａ）に示すように、焼付きはピン２とボックス１の摺動面全てで起きる可能性があるが、油井管継手では高面圧になるシール面５で最も起きやすく、次に図５（ｂ）および（ｃ）に示すように、ねじのクレストールート面７、肩部接触面４などとなる。ロードフランク面における大半の面圧は肩部衝接後のわずかな摺動距離に対して生じるのみであり、なおかつ、肩部で生じるほぼ同程度の面圧相当が各ねじ山のロードフランク面に分散されるため、接触面でありながら、ロードフランク面の焼付きは極めて起きにくい。従って、ロードフランク面には固体潤滑剤を塗布しなくとも実質上、焼き付くことはない。一方、ロードフランク面に固体潤滑剤を塗布しないと摩擦抵抗が増大し、最終トルク抵抗が向上すると期待できる。
【００１５】
本発明のようにロードフランク面に固体潤滑剤を形成させないか、付けても極めて僅かしか形成させない施工方法として、カップリングを例に示す。図６は通常の施工でのコーテイング方法を示す図である。この図６に示すように、通常の施工で、カップリングを回転させながら放射状に角度をもって噴霧状にしてねじ面、シール面、ショルダー面に付着させ、さらに左右を入れ換えて均一化を図る。これに対して、図７は、ロードフランク面に密着しにくくする、本発明に通用した方法である。すなわち、一方にマスキングをして、樹脂の付着を防ぎ、常にカップリングの奥から手前方向にスプレーガンを移動させることで、焼付きの起こりやすいシール面、ショルダー面、ねじのクレスト面には十分に密着できるが、ロードフランク面はスプレーの入射角に対して大きな角度を持っていないため、ロードフランク面には樹脂は殆ど付着しなくなる。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明について実施例により具体的に述べる。
供試材として、外径３−１／２゛のＬ−８０材のプレミアムジョイントで、下地処理に燐酸塩処理を施し、固体潤滑剤としてＭｏＳ２  を用い、これをポリアミドイミドをバインダーとしてコーテイングした。カップリングの両側をそれぞれの方法で施工し、片方を試験し、他方の断面を観察した。観察結果と電磁膜厚計から得られる膜厚から判定した結果を表１に示す。ここで焼付きは目視に判定結果であり、限界トルク値は次の図８による方法で判断した。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
表１において、Ｎｏ．９〜Ｎｏ．１１は代表的な従来技術例であり、最も焼付きが起こりやすいシール面の潤滑性を向上させるためにシール面に固体潤滑皮膜を施すとショルダー面、ネジロードフランク面にも固体潤滑剤が付着し、摩擦抵抗が下がり、結果的に限界トルク値が低下する。これに対してネジロードフランク面に固体潤滑皮膜を付着させないか、付着しても極少量、５μｍ以下であった場合、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８に見られるように限界トルクが向上する。さらに、ショルダー面への付着を避けることでも効果はさらに大きくなる。限界トルクのみに着目し、金属接触面全体を薄膜化した場合（Ｎｏ．１２）、限界トルクは高くなるが、シール部やねじ部クレスト面で焼付きが発生し、使用不能となった。
【００１９】
図８は本発明の効果をシール干渉代の減少率とショルダー吸収トルクの関係で示した図である。ここで縦軸は初期シール干渉代に対する残存シール干渉代の割合を示す。干渉代が急激に減少し始めるところがショルダー吸収トルクの限界値と考えられ、これ以上のトルクに対してはシール性が確保できなくなる恐れがある。ロードフランク面に潤滑剤を付着させた従来方法ではトルク限界が６０００Ｎｍであったのに対して、本発明による最終トルク限界は８５００Ｎｍと著しく向上した。このようにロードフランク面への固体潤滑剤を含んだ樹脂付着を意識的に避けることでショルダー吸収トルクが３０％近く向上し、尚且つ、いずれの接触面も焼付きが起こらないことが判った。
【００２０】
ねじのロードフランク面のみならず、ショルダー面に固体潤滑剤付着を意識的に避けることも継手のトルク抵抗を改善するためには有効であるが、継手径が大きくなったり、ショルダー吸収トルクが大きくなった場合、ショルダー面での焼付きが懸念される。この場合、下地処理として燐酸塩処理、窒化処理、鉄めっき、ショットブラスト、サンドフラスト等のそれ自身でも潤滑能力のある処理を行うことで、焼付きが最も厳しい、シール面、ねじのクレストールート面では固体潤滑剤を含む樹脂コーテイングの密着性を一層向上でき、継手サイズや締め付けトルクによっては焼付きの可能性があるショルダー面、ねじのロードフランク面でもある程度の耐焼付き性が確保でき、尚且つ、最終トルク抵抗を上げることが出来る。
【００２１】
本発明は固体潤滑剤の種類、樹脂の種類、下地処理の種類、方法を特定するものではないが、固体潤滑剤としては実施例に挙げたＭｏＳ２  の他、ＷＳ２  やＰＴＦＥが好ましい。樹脂はポリアミドイミドなどのポリイミド系樹脂の他、エポキシ系、フラン系樹脂が好ましい。
【００２２】
次に、ねじ形状と本発明との関係を示す。図９はねじ形状の例とコーテイング位置を示す図である。図９（ａ）は固体潤滑剤を用いた場合であって、最も好適と考えられるねじ形状でカップリング雌ねじ側に潤滑処理が施されている。この場合、カップリングクレスト面（ねじ山面）１１、ロードフランク面１２が接触しており、スタピングフランク面１３、カップリングルートーピンクレスト間１４は接触していない。この組み合わせの利点として、カップリングに固体潤滑剤を塗布した場合、カップリングルート面（ねじ底面）には固体潤滑剤が付着しにくいため、ねじ設計上間隙を設け、接触を避けた方が焼き付く恐れがない。また、クレスト面、ルート面が同時に接触するようなねじ設計にしておいてもカップリングクレスト面にはルート面より厚く固体潤滑剤が付着するため、同様の効果が現れる。ピン側に潤滑処理を行うときはこの逆になるが、通常、カップリング側への処理が容易なため、各種の組み合わせがよい。
【００２３】
一方、図９（ｂ）は他のねじ形状の例とコーテイング位置を示す図である。  図９（ｂ）に示すようにロードフランク面１２が負角の場合、スプレー方式による通常の施工方法においても、ロードフランク面１２への固体潤滑剤の付着は実質上殆どないが、施工方法、ねじ形状にかかわらず、ロードフランク面１２への固体潤滑剤の塗布を行わないという点で本発明に含まれる。
図９（ｃ）は更に他のねじ形状の例とコーテイング位置を示す図である。  図９（ｃ）に示すように、ロードフランク面１２とスタピングフランク面１３が接触するねじ形状の例である。この場合もロードフランク面１２への固体潤滑剤の付着を避けることでトルク抵抗は上昇し、本発明に含まれる。
【００２４】
本発明は金属接触、ねじ部と実質上の肩部を有していることを条件に皮膜位置を特定したものであり、それぞれの形状に特定されるものではない。例えば、図１０に示すように、カップリング側に肩部を有さず、お互いピン先端同時が衝接することで実質上の肩部の効果がある場合でもロードフランク面１２への実質上の固体潤滑皮膜がなければ本発明に含まれる。また、ＡＰＩのＥＬケーシングのように内面にシール部、外面に肩部がある場合でもロードフランク面１２への潤滑処理を行わないことでトルク抵抗は向上でき、本発明に含まれる。
さらに、ねじ界面、あるいはピン先端部にシール目的や耐食目的から樹脂リングが装着される継手においても樹脂リングに加え、金属接触部、肩部、ねじ部があれば本発明に含まれる。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によるねじ継手は、ねじロードフランク面およびショルダー面の固体潤滑皮膜厚さを５μｍ以下に極めて薄く形成したこと、またはねじロードフランク面およびショルダー面以外の金属接触面に固体潤滑皮膜を形成したことにより、最終トルク抵抗を向上させ、適切な締結トルク範囲の拡大を図ることが出来る工業上極めて優れた管ねじ継手を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】継手締結中のメークアップトルクとターン数曲線との継手締結状態を示す模式図である。
【図２】オーバートルクによる継手の変形の説明図である。
【図３】グリスを用いた締め付けによるトルクのばらつきを示す図である。
【図４】固体潤滑剤を用いた締め付けによるトルクのばらつきを示す図である。
【図５】本発明に係る構成図である。
【図６】通常の施工でのコーテイング方法を示す図である。
【図７】本発明に係るコーテイング方法を示す図である。
【図８】本発明の効果をシール干渉代の減少率とショルダー吸収トルクの関係で示した図である
【図９】ねじ形状の例とコーテイング位置を示す図である。
【図１０】本発明に係る適用継手の例を示す図である。
【符号の説明】
１  ボックス
２  ピン
３  ねじ部
４  肩部
５  シール部
６  ロードフランク面
７  カップリングねじ山
８  カップリングねじ底
９  スタピングフランク面
１０  固体潤滑剤含有コーテイング
１１  カップリングねじ山−ピンねじ底の接触面
１２  ロードフランク面
１３  スタピングフランク面
１４  カップリングねじ底−ピンねじ山面
【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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【図７】
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【図８】
0003605253.tif 000010
【図９】
0003605253.tif 000011
【図１０】
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