(57)【要約】  ねじ付き金属ジョイントは、そのピン部材（１００）の全体面上に在る第１層（２４）と、そのピン部材か、又はボックス部材か、何れか１つの面の１部上に在る第２層（２５）と、を有するコーティングでカバーされたピン部材（１００）及びボックス部材（２００）のねじ面を有する。第１側面では、コーティングは、ピン部材（１００）の全体面上に在る高摩擦及び焼き付き防止の特性を有する第１層と、ピン部材か又はボックス部材か何れか１つの面の特定部分上に在る低摩擦特性を有する第２層（２５）と、を備える。好ましくは、特定面は、ピン部材及びボックス部材が肩部（９，１０）が隣接する点に達する迄、メークアップ時相互に半径方向に接触する面であるのがよい。第２層はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含んでもよい。第２側面では、高摩擦及び焼き付き防止特性を有する第１層がボックス部材（２００）の全体面上に在る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピン部材（１００）及びボックス部材（２００）を有し、該ピン部材は該ボックス部材のねじに適合されるねじを具備しており、該ピン部材及び該ボックス部材の各々のねじの形は、ジョイントの縦軸線（Ｘ）を包含する断面上に在るねじの形状により規定されており、該ピン部材の表面にコーティングが設けられているバイプ用のねじ付ジョイントにおいて、
前記コーティングは、該ピン部材（１００）の全体面上に在る高摩擦の焼き付き防止特性を有する第１層（２４）と、ピン部材かボックス部材の何れか一方の全体面の特定部分上に在る低摩擦特性を有する第２層（２５）とを備えることを特徴とするねじ付きジョイント。
【請求項２】
ピン部材（１００）及びボックス部材（２００）を有し、該ピン部材は該ボックス部材のねじに適合されるねじを具備し、該ピン部材及び該ボックス部材の各々のねじの形は、ジョイントの縦軸線（Ｘ）を包含する断面上に在るねじの形状により規定されており、該ボックス部材の表面にコーティングが設けられているパイプ用ねじ付ジョイントにおいて、
前記コーティングは、該ボックス部材（２００）の全体面上に在る高摩擦の焼き付き防止特性を有する第１層（２４）と、ピン部材かボックス部材の何れか一方の全体面の特定部分上に在る低摩擦特性を有する第２層（２５）とを備えることを特徴とする該ねじ付きジョイント。
【請求項３】
ピン部材又はボックス部材の何れか一方の全体面の特定部分が相互に半径方向の接触をもたらすよう適合された部分であることを特徴とする請求項１又は２のねじ付きジョイント。
【請求項４】
相互に半径方向の接触をもたらすよう適合された該特定部分は、該ボックス部材のクレスト、該ピン部材のルーツ及び金属対金属シールであることを特徴とする請求項３のねじ付きジョイント。
【請求項５】
前記コーティングは、ピン部材（１００）の全体面上に在る高摩擦の焼き付き防止特性を有する第１層（２４）と、メークアップ時に軸方向接触圧力負荷に耐える面がピン部材又はボックス部材の何れか一方に接するまで相互の半径方向の接触をもたらすよう適合される該全体面の特定部分上に在る低摩擦特性を有する第２層（２５）とを有することを特徴とする請求項１のねじ付きジョイント。
【請求項６】
前記コーティングは、ボックス部材（２００）の全体面上に在る高摩擦の焼き付き防止特性を有する第１層（２４）と、メークアップ時に軸方向接触圧力負荷に耐える面がピン部材又はボックス部材の何れか一方に接するまで相互の半径方向接触をもたらすよう適合される該全体面の特定部分上に在る低摩擦特性を有する第２層（２５）とを有することを特徴とする請求項２のねじ付きジョイント。
【請求項７】
軸方向接触圧力負荷に耐える面が肩部（９，１０）であることを特徴とする請求項５のねじ付きジョイント。
【請求項８】
軸方向接触圧力負荷に耐える面が肩部（９，１０）であることを特徴とする請求項６のねじ付きジョイント。
【請求項９】
腐食抑制材料を組み込んだ層（２６）が該ピン部材又はボックス部材にも付けられることを特徴とする請求項１−８の何れか１つのねじ付ジョイント。
【請求項１０】
第１層（２４）が腐食抑制材料を組み入れることを特徴とする請求項１−８の何れか１つのねじ付ジョイント。
【請求項１１】
腐食保護層（２３）が第１層（２４）の前に付けられることを特徴とする請求項１−８の何れか１つのねじ付ジョイント。
【請求項１２】
第１層（２４）がＭｏＳ２、グラフアイト及び／又はボロンナイトライドを組み入れ、１０〜２５μｍの間の範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１−８のねじ付ジョイント。
【請求項１３】
第１層が、バインダーとして有機又は無機ポリマー樹脂を有することを特徴とする請求項１−８の何れか１つのねじ付ジョイント。
【請求項１４】
ポリマー樹脂が、好ましくはエポキシ樹脂又はエステルエポキシ樹脂又はポリマー化及び交差結合が可能な無機バインダーであることを特徴とする請求項１３のねじ付ジョイント。
【請求項１５】
コーティングの第１層が、１０〜２５μｍの間の厚さを有する腐食抑制材料を組み込んだ層（２３）を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２のねじ付ジョイント。
【請求項１６】
ピン部材又はボックス部材の何れかがベア条件の金属であるか、又はブラスチング、燐酸塩処理又はクーパー鍍金の中から選ばれた表面処理を有することを特徴とする請求項１−８の何れか１つのねじ付ジョイント。
【請求項１７】
第２層（２５）がフルオロポリマーを含み、１５〜４０μｍの間に含まれる範囲内の厚さを有することを特徴とする請求項１−８の何れか１つのねじ付ジョイント。
【請求項１８】
第１層が高摩擦の焼き付き防止コーティングであり、選択された仕方でねじクレスト及び／又はルーツ上の摩擦係数を減少するためにコンタミナントが使われることを特徴とする請求項１又は２のねじ付ジョイント。
【請求項１９】
第２層（２５）が半径方向接触面上でコンタミナントのように使われるナノ粒子を含むことを特徴とする請求項１又は２のねじ付ジョイント。
【請求項２０】
高摩擦コーティングが低摩擦コーティングの２倍の又は低摩擦コーティングより高い摩擦係数を有することを特徴とする請求項１又は２のねじ付ジョイント。
【請求項２１】
低摩擦コーティングの摩擦係数の値が、リングオンディスクで行ったテストで評価されて、０．０２から０．０５であり、高摩擦コーティングが０．０５から０．１２の範囲内にあることを特徴とする請求項２０のねじ付ジョイント。
【請求項２２】
ピン部材及び／又はボックス部材の何れかが炭素鋼又は耐腐食合金材料製であることを特徴とする請求項１−８の何れか１つのねじ付ジョイント。
【請求項２３】
ねじのクレストの包絡面が円柱状又は円錐台状の形か、又は両者の組み合わせ、を有することを特徴とする請求項１−８の何れか１つのねじ付ジョイント。
【請求項２４】
１つ以上のねじステップを有することを特徴とする請求項１−８の何れか１つのねじ付ジョイント。
【請求項２５】
雌部材が形成されるのが、パイプの一端部における場合か、又は２つの雄パイプを接合するために両端部に２つの雌部材を有する１つのスリーブが使われる時であることを特徴とする請求項１−８の何れか１つのねじ付ジョイント。
【請求項２６】
第１層（２４）がポリ四フッ化エチレンを有することを特徴とする請求項１又は２のねじ付ジョイント。
【請求項２７】
第２層（２５）がポリ四フッ化エチレンを有することを特徴とする請求項１又は２のねじ付ジョイント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オイル及びガス抽出産業で使われるストリングを作るパイプセグメントの結合に特に好適で、捻りジョイント強さを向上するため、ねじをカバーする表面コーティングを備えたねじ付ジョイントに関する。
【背景技術】
【０００２】
オイルの探査及び抽出では、オイルやガスの層又は溜まりが位置する深さに達するのに充分な長さのストリングを形成するためにメークアップされる商業用長さの金属パイプを使うのが普通の慣例である。溜まりの深さは絶えず深まり、従って、そのジョイントは良好なシール特性を保証しながら、高い負荷と応力に耐えるような仕方で設計されねばならない。
【０００３】
ねじ付ジョイントの性能の改良は、ジョイントが動作を期待される全負荷範囲で、適切な構造と寸法の締まりばめで相互接触を保持させるように、ピン部材及びボックス部材の全ての負荷支持面、すなわち、ねじフランク、当接肩部等、の適切な設計により達成される。これは印加可能なトルク強度に左右され、そこではトルク強度は降伏トルク値と肩部トルク値の間の差によって決定される。
【０００４】
しかしながら、余り強い締まりばめの配備はメークアップ動作用に有害であり、何故ならば、これはジョイントの焼き付き又は摩滅を引き起こすからである。高い負荷に耐え、良好なシール特性を有する条件である、低メークアップトルクの保有と高降伏トルクの保有との間の良好なバランスに達するために努力が払われて来た。
【０００５】
一方では、メークアップ時の焼き付きを避けるために、当該技術は流体潤滑剤、例えば、グリース又はドープを使うのが一般的である。
【０００６】
この技術分野で常に重要な研究課題であった降伏トルク限界を高めるためにも努力が払われて来た。降伏トルクは一般にジョイント設計を変型することにより高められるが、ドープされたジョイント用では今やその技術的限界が近付いている。
【０００７】
翻って、ドープの使用は欠点を有し、避けるのが好ましい。ドープの使用により提起されるリスクには、泥の不測の巻き込み、ジョイントの全部又は１部での過剰ドープ施工を引き起こすかも知れぬ手作業がもたらす不均一ドープ分布、そして、有害環境条件の油田内で行われねばならぬジョイントの清掃、がある。
【０００８】
従って、コストを下げ、動作を改良するため、ジョイント用ドープフリー解決策が開発され、数年間使用されて来た。ドープフリー解決策は良好な捻り強さを達成したが、或る場合にはそのメークアップトルクが高い値に達し得るので欠点を有した。この様な場合、ジョイント用のドープフリー解決策のメークアップトルクは、オイル又はコンタミナントを付加することにより通常下げられ、かくしてドープフリー技術の利点は部分的又は全体で失われ、降伏トルク値の減少そしてそのジョイントの過大トルクの危険が引き起こされる。
【０００９】
ジョイント用のドープフリー解決策は幾つかの特許、例えば、特許文献１、２及び３で開示されている。それらは、ジョイント面の全点に於いて同じ摩擦係数を有する、ドープの代わりの、１つの焼き付き防止コーティングを使う。又、このようなジョイント用には適当な摩擦値が選ばれねばならず、何故ならば、降伏トルク値を高める摩擦係数の増加は肩部トルクをも高めるが、摩擦係数の減少は、既知のドープジョイントにおけると同様な肩部トルク値でメークアップを行うことを可能にするが、その降伏トルクを減じる。両方の場合の結果はトルク値が低く、不満足なことである。
【特許文献１】米国特許第４，４１４，２４７号明細書
【特許文献２】米国特許第６，０２７，１４５号明細書
【特許文献３】米国特許第４，６９２、９８８号明細書
【発明の開示】
【００１０】
本発明の主な目的は、優れたメークアップ特性を有するパイプ用ねじ付ジョイントにより上記欠点を取り除くが、なお非常に高い値を有するトルクを提供することにより高い構造的性能を達成することである。本発明のもう１つの目的は、最も幅広い環境及び動作条件範囲内で良好な腐食抵抗性を有し、ジョイントの幾つかのメークアップ及びブレークアウト動作後でも最適性能を保証する、ねじ付ジョイントを提供することである。
【００１１】
上記目的と、下記説明を見れば明らかになるその他の点とは、ピン部材とボックス部材とを具備するパイプ用のねじ付ジョイントによる、本発明により達成されるが、ピン部材はボックス部材のねじと適合されるねじを有し、該ピン部材と該ボックス部材の各々のねじの形はジョイントの縦軸線（Ｘ）を含む断面上にあるねじの形状により規定され、該ねじ面はコーティングを備えており、前記コーティングは、該ピン部材の面全体上に在る第１層と、ピン部材又はボックス部材の何れか一方の面全体の特定部分上に在る第２層と、を有するか、又は該コーティングは該ボックス部材の面全体上に在る第１層と、ピン部材又はボックス部材の何れか一方の面全体上の特定部分上に在る第２層と、を有する。
【００１２】
第１の側面では、該コーティングは該ピン部材又はボックス部材の面全体上に在り高摩擦の焼き付き防止の特性を有する第１層と、ピン部材又はボックス部材の何れか一方の面全体の特定部分上に在る低摩擦特性を有する第２層とを備える。
【００１３】
低摩擦特性を有する第２層が特定部分に在るピン部材又はボックス部材の何れか一方の面全体は、好ましくは相互の半径方向の接触をもたらすよう適合された面であるのがよい。
【００１４】
更に好ましくは、ピン部材又はボックス部材の何れか１つの面の、低摩擦特性を有する第２層が在る部分は、軸方向接触圧力負荷に耐える面が（肩部のように）接するまでメークアップ時に相互の半径方向接触をもたらすのに好適な面であるのがよい。
【００１５】
更に、相互の半径方向接触をもたらすのに好適な部分は、ボックス部材内のクレスト、ピン部材内のルーツそして金属対金属シールである。
【００１６】
本発明のジョイントの主な利点は下記の通りである。
【００１７】
ジョイントの種々の範囲で種々の摩擦係数を有する焼き付き防止ドライコーティングのお陰で、より高い捻り強さを達成するようできる。
【００１８】
かくして低い肩部トルクとより高い降伏トルクを有し、許容トルクの値を増やし、ジョイント形状を変えることなく、そしてメークアップトルクの値を増加すること無しに、捻り強さの向上を可能にする。
【００１９】
ねじ間の空で残った全空間内に流れて、ジョイントの全範囲をカバーする潤滑剤を使うので、高い摩擦の局所化された範囲を有し得ない従来技術の欠点を克服する。
【００２０】
ジョイント内にドープを使う時、得られる摩擦係数は、ピン部材とボックス部材のねじ間で得られる小さな脱気又は補償空間のために、ジョイント内部にドープ圧力が形成されるので、通常塗布されるドープ量に左右される。代わりに、本発明のジョイントでは、摩擦係数はオペレーターの影響から独立しており、製造段階で決定される。
【００２１】
本発明のもう１つの重要な側面では、低摩擦コーティングが、ピン部材又はボックス部材の特定のねじ範囲と、それぞれボックス部材又はピン部材の相補的な面と半径方向接触を有する金属対金属シールと、に使われ、メークアップ用に低トルク値を保証する。何故ならば、これらは無負荷条件でねじのねじ込み時に接触する面だからである。
【００２２】
高摩擦コーティングは、軸方向接触を行う面、例えば、ピンノーズ、トルク肩部、そしてねじの負荷フランク上で使用され、高められた捻り強さを提供する。何故ならば、これらの面は、パイプ結合が最終位置に達する時、軸方向接触圧力負荷に耐えるからである。コーティングによりジョイント内のトルク制御を提供することは、ジョイント用のドープフリー解決策の主な欠点を取り除き、ドープジョイントに関する利点をもたらすが、何故ならば、それは、従来のジョイントで密接に相関付けられた２つの異なるパラメーターを、別々に、そして高精度で、制御することを可能にするからである。
【００２３】
添付図面に限定されない例により与えられる推奨実施例に従って以下に本発明が説明されよう。
【実施例１】
【００２４】
特に図１及び２を参照すると、本発明のパイプは、ねじ付き端部を有しており、これら端部は、相補的なねじ付きの端部を有する他のパイプと結合された時、ジョイントを形成する。かくして、ジョイントは、外面にねじ４を備えた、雄部材１００，いわゆる”ピン”部材を規定するパイプと、内面にねじ３を有する雌部品２００、いわゆる”ボックス”部材と、を備える。ボックス部材２００は一般に、ジョイントの種類により、パイプか又はスリーブか何れかである。ボックス部材２００はアバットメント肩部９を有し、ピン部材１００は対応するアバットメント１０を有する。図１ａ及び１ｂはアバットメント９及び１０が未だ接触しない、メークアップ動作を完了する前のピン部材とボックス部材の位置を示す。パイプストリングの組立に通常対応するこの段階で、ジョイントへの唯一の重要な負荷は、ねじの半径方向の面の間の接触により構成される。設計段階で提供される締まりばめにより引き起こされる最終応力は、太矢印５’及び５”で略図的に示される。ねじクレストとねじルーツの間の締まりばめは、適当な潤滑剤（ドープ又はコーティング）を使い、メークアップ時の焼き付きを生じる程充分には高くないが、操作中ピン部材を中央に位置付けるに必要な構成要素内にフープテンションを発生し、そのノーズ位置付けを改良する。
【００２５】
ノーズの対応において、例えば、金属対金属シールを創るために、半径方向締まりばめが設けられる。これは太矢印６’と６”により最終形が略図的に表される応力を発生する。
【００２６】
図２ａ及び２ｂでは、完全にねじ込まれた位置であるが、図１ａ及び１ｂと同じねじ部分が示される。これらの図では、ねじ３及び４のフランクにトルクにより作用される最終接触圧力は太矢印７’及び７”により略図で表されるが、アバットメント９及び１０にトルクにより作用される最終接触圧力は太矢印８’及び８”により略図的に表される。これら矢印８’及び８”は図２で示されるジョイントの縦軸線Ｘ−Ｘに平行に近い。
【００２７】
軸線Ｘ−Ｘ’に対する矢印７’、７”の傾斜角は明らかにねじのフランクの傾斜に左右されるが、ねじクレストの矢印５’、５”の傾斜角は選択されたねじ設計に左右される。矢印６’、６”、８’そして８”の方向はノーズの形状に左右される。図に示されたねじでは、半径方向接触面は、９０°＋／−１０°の範囲内の角度でパイプ軸線に直角に近いが、軸線方向接触面はパイプ軸線Ｘ−Ｘ’に対して０°から＋／−２５°の範囲内の角度にある。
【００２８】
図は台形歯を有するねじを示すが、歯の断面は本発明の範囲を離れることなく、他の形を有してもよい。ボックス部材２００のねじ３の拡大図が図３ａで示され、ピン部材１００のアバットメント又はノーズの領域の拡大図が図３ｂで示される。全体面の表面上の第１層コーティング１２と第２層コーティング１３が図３ｂで、例えばこの場合ピン部材１００の外面上で略図で示される。図３ａで示される様に、ピン部材１００と適合するボックス部材３００のねじ部分はその表面上に完全に同様な第１層１２’と第２層１３’を有し、或いはねじ部分は保護層無しとされてもよく、或いはなお代わりにこれら第１、２層は異なる構造又は材料で作られてもよい。ピン部材の表面上のみにコーティングを有し、ボックス部材の表面上にはコーティングを有しないこともあり得る。
【００２９】
第１層コーティング１２の構造は、コーティングが付けられるジョイントの部品により異なってもよい。コーティングトライボロジー又は摩擦特性の差はメークアップ時のねじ動作での手扱い、異なる特性の取得を可能にして、動作時に必要なトルクを制御する。
【００３０】
本発明の実施例の第１の形態に依れば、１２又は１２’として広く示される、高摩擦及び焼き付き防止コーティングがピン部材及び／又はボックス部材の全体面を覆って堆積されるが、１３又は１３’として広く示される低摩擦及び焼き付き防止コーティングは半径方向接触を有する範囲、一般的に、ねじクレスト１４，リードインフランク１４’及び／又はルーツ１４”、に堆積される。好ましくは、ねじ負荷フランク１５上，アバットメント肩部及びノーズ範囲１９上は、高摩擦及び焼き付き防止コーティング１２又は１２’がユニーク層として残るのがよい。
【００３１】
代わりに、高摩擦及び焼き付き防止コーティングとコンタミナントがねじクレスト及び／又はルーツ上の摩擦係数を減少するために使われてもよい。
【００３２】
異なる摩擦係数のために、この特異な分布は、メークアップ時のフープ締まりばめが発生するピン部材及びボックス部材の接触面と、一旦ピンノーズ１９がボックスアバットメント肩部に達した時の接触して法線力を増す面と、の間の差を形成する。
【００３３】
コーティングを作る構造及び材料の種々の代替えが、特に図５及び６を参照して詳細にここで説明される。
【００３４】
図５及び６の実施例で、ピン部材１００の層は、ボックス部材２００の層を代わりに構成してもよく、その逆であってもよい。
【００３５】
図５は本発明のジョイントの第１実施例に組み入れられたピン部材１００及びボックス部材２００の表面の拡大図を示す。
【００３６】
炭素鋼又は耐腐食合金材料用に特に好適なこの構成は、下記の層、すなわち、
ベア条件の、又はブラストされた又は炭素鋼用に完全に燐酸塩処理された又は耐腐食合金の場合にクーパー鍍金された、ような対応する表面処理された、ピン部材又は好ましくはボックス部材上の、ベース金属の第１基板１、
ベア条件の、又は燐酸塩処理された又はクーパー鍍金された又は好ましくはブラスとされた、様な対応する表面処理された、ボックス又は好ましくはピン上の、ベース金属の第２基板２、
好ましくは１０から２５μｍの間の厚さを有するのがよい、基板２上の、オプションの腐食保護層２３、
１０から２５μｍの間の厚さを有し、典型的にはＭｏＳ２、グラフアイト、及び／又はボロンナイトライドを有する、基板２上の高摩擦係数及び焼き付き防止層２４、
１５から４０μｍの間に含まれる厚さのフルオロポリマー（例えば、ポリテトラフルオロエチレン）のような、基板２上の低摩擦係数及び焼き付き防止層２５、そして
基板１上の、オプションの腐食抑制層２６、を有する。
【００３７】
本発明の継手では、低摩擦係数層２５は設置動作時の軸方向接触を有する面上には置かれない。
【００３８】
腐食保護層２３も、高摩擦係数及び焼き付き防止層２４が保護コーティングとして作用する場合は避けられてもよい。
【００３９】
特定範囲に局所化して、摩擦を減じるために、コンタミナントを使う場合、低摩擦係数及び焼き付き防止層２５の厚さは無視出来る。有利なように、接着を保証するプライマーが使用されてもよい。
【００４０】
図６は、本発明のジョイントの第２実施例に組み込まれたピン部材１００及びボックス部材２００の表面の拡大図を示す。
【００４１】
この実施例では、フルオロポリマー（例えば、ポリテトラフルオロエチレン）のような低摩擦係数及び焼き付き防止層２５が、ベース金属の基板２とオプションの腐食抑制剤２６の間の中間層として基板２上に置かれる。
【００４２】
低摩擦係数及び焼き付き防止層２５はねじ込まれるジョイントの相対する部材上にも付けられてもよい。
【００４３】
又この第２実施例では、層２５は軸方向接触を有する面上には常に無い。
【００４４】
ねじ込まれたジョイントの相対する部材上の、適当な材料及び厚さの全てのこれらの層は、ジョイントの半径方向の締まりばめを強めるが、この差はねじ加工時に有利に補償され得る。
【００４５】
コーティングの重要な要因はそれらの摩擦係数であり、コーティング厚さには概して強く関連してはいない。ともかく、厚さの選択は、コーティングの耐久性に関連し、すなわち、如何に多くのメークアップ及びブレークアウトにコーティングが耐え得るかに関連する。
【００４６】
特定の実施例では、焼き付き防止層２４は腐食保護を有利に組み込むか、又は防止層が保護層上に付けられてもよい。
【００４７】
一般に、保護コーティングは１０から４０μｍの範囲内で変化する大局的な厚さを有する。もし焼き付き防止層２４が保護と潤滑の両機能を果たすなら、ジョイントのピン部材及びボックス部材のコーティングの全体的な厚さはこの範囲内にあるだろう。逆に、もし焼き付き防止層と腐食保護層が異なる材料であるあるなら、大局的なコーティングの厚さはもっと大きいだろう。
【００４８】
或る場合には、低摩擦係数のコーティングは図５に図解する様に、高摩擦コーティング上に付けられる。半径方向接触を有するピン部材及びボックス部材の表面の場合、層の厚さは加算されるが、軸方向接触面の場合、高摩擦コーティング厚さのみが最良の結果を得るよう考慮される。
【００４９】
層内に含まれる材料に関して、高摩擦係数を有する焼き付き防止層２４は、潤滑剤としてグラフアイト、ボロンナイトライド及び／又はＭｏＳ２を有し、バインダーとして一般にポリマー樹脂（好ましくは、ポリマー樹脂はエポキシ又はエステルエポキシ樹脂がよい）を使うが、低摩擦係数及び焼き付き防止層２５はフルオロポリマー（例えば、ポリテトラフルオロエチレン）に基づくのが好ましいか、又は、有意な層厚さ無しに面間の摩擦を劇的に減じる、半径方向の接触面上のコンタミナントのように使われるナノ粒子を含んでもよい。
【００５０】
両層２４，２５の摩擦係数は異なる。典型的に、高摩擦コーティングは低摩擦コーティングの２倍の、又は、低摩擦コーティングより高い、摩擦係数を有する。典型的な値は、リングオンディスクで行われたテストで評価された場合で、低摩擦コーティングで０．０２から０．０５であり、高摩擦層については０．０５から０．１２の範囲にある。
【００５１】
トルク、コーティング厚さ及び製品の間の最適な関係を有するために、一般に、低摩擦係数の層は、メークアップ時の全体の特定面をカバーするのに充分な厚さであるべきで、トルクを減じるが、特定の限界を越えたら、過剰な厚さは接触圧力を増加させ、必要トルクをも増加させる。
【００５２】
クレストツールーツ型ねじプレミアムジョイント内の肩部トルク（Ｓ．Ｔ．）は下記のように幾つかの要因の関数であり、
Ｓ．Ｔ．＝ｆ（ｔｐ、ｔｂ、δ、μｔｈ、Ｄｔｈ、Ｌ）＋ＴＳ
ここで、
ｔｐはねじ上のピン部材の平均壁厚さ
ｔｂはねじ上のボックス部材の平均壁厚さ
δはねじ締まりばめしろ
μｔｈは半径方向接触面上の摩擦係数
Ｄｔｈはねじの平均直径
Ｌは契合ねじの長さ
ＴＳは締まりばめをシールする予定の最小寄与である。
【００５３】
降伏トルク（Ｙ．Ｔ．）と肩部トルク（Ｓ．Ｔ．）の間の差であるΔＴ、又はデルタトルクは下記であり、
ΔＴ＝ｆ（ｈｎ、ｌｔｈ、μｓｈ）
ここで、
ｈｎは肩部厚さ
ｌｔｈはねじのリード（ｔｐｉ）
μｓｈは軸方向接触面上の摩擦係数である。
【００５４】
それぞれ軸方向及び半径方向接触面上の高及び低摩擦係数を使って（典型的に、高摩擦コーティングは低摩擦コーティングの２倍の又は低摩擦コーティングより高い摩擦係数を有する）、特定のジョイント用の承認可能なトルク窓を拡大する関係Ｓ．Ｔ．／Ｙ．Ｔ．を減少することが出来る。
【００５５】
図４のグラフ線図は、低摩擦係数コーティング（曲線Ａ）、高摩擦係数コーティング（曲線Ｂ）そして本発明の局所化した摩擦範囲（曲線Ｃ）を使った同じジョイントについて期待されるトルク−ターングラフ線図間の比較を示す。このグラフ線図は横軸に沿って肩部のアバットメントに達するジョイントのメークアップターン数を示し、縦軸に沿ってメークアップ時に印加されたトルク値を示す。
【００５６】
ジョイントの性能は、トルク曲線が、Ｙ．Ｔ．の値とＳ．Ｔ．の値の間の差によって値が与えられる長いセグメント５０を有する時に良い。このセグメントの値が大きい程、ジョイントにより提供される安全性が高い。図４で、曲線Ｃに対応する曲線を示す本発明のジョイントは、ドープ使用時に存在する値と比肩される妥当なトルク値での、ジョイントのメークアップを保証する適当な摩擦を提供する低摩擦係数を半径方向接触面内で有し、そして一旦肩部が接触すると、ジョイントに高捻り強さを提供出来る高摩擦を局所範囲に提供する高摩擦係数を軸方向接触面上で有する。
【００５７】
本発明のジョイントの他の実施例は、上に置かれるピン部材又はボックス部材に依って異なる層か、代わりに摩擦係数を修正するために同じコーティング上で汚染する異なる面か、を提供する。
【００５８】
もう１つの好ましい実施例では、層２４は腐食保護部として作用し、腐食層が避けられてもよい。
【００５９】
ジョイントのコーティングの質を高めるために、ねじ面へのコーティングの接着を改良するように表面処理、例えば、ブラスチング、燐酸塩処理又はクーパー鍍金が設けられる。
【００６０】
本発明の表面処理は、ねじのクレストの円柱状又は円錐台状の形の包絡面か、又は１つ以上のねじステップを有する両者の組み合わせか、何れかを有する全ての種類のねじに適用されてもよい。
【００６１】
本発明のジョイントは、特に雌部材がパイプの一端部に形成される場合、又は２本の雄パイプを接合するため両端に２つの雌部材を有するスリーブが使われる場合、の何れかで、全ての種類のジョイントに適用されてもよい。
【００６２】
例１
コーティングシステムが本発明の結合部に適用された。亜鉛リッチエポキシ樹脂の第１層が腐食抑制用コーティングとしてピン部材表面（面粗さＲａは２−６μｍの間に含まれる）に付けられた。コーティングの最終厚さは２０μｍである。この第１層上に、無機バインダー内のＭｏＳ２と他の固体潤滑剤の混合物から成るドライ潤滑コーティングの第２層が２０μｍの厚さで付けられた。コーティングはスプレイで付けられ、硬化を加速するため熱が使われた。
【００６３】
ボックス部材の内面は低摩擦コーティングでコートされた。ボックス部材の表面は燐酸塩表面処理を与えられ、ボックス部材のクレスト及び金属対金属シール上にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）コーティングが選択的に付けられた。この低摩擦コーティングは、反応性エポキシ樹脂及び溶媒中に分散されたＰＴＦＥ粉末を有するポリマーコーティングである。溶媒は２−メトキシ−１−メチル−エチルアセテート及びキシレンであった。ＰＴＦＥ粉末の均質な分散を保証するため、混合物は２０分間スムーズに攪拌された。樹脂は２５℃で、Ｆｏｒｄ  Ｎｏ．４カップで２６−２８秒の範囲内の粘性を有した。
【００６４】
ＰＴＦＥ分散液は空圧式エヤレススプレイヤーを使ってボックス部材に付けられた。分散液は次いで３０分間１４０℃で硬化された。硬化時間は、使われる温度に依り変えられることが注意されるべきである。例えば、エポキシは１３０℃では６０分、１４０℃では３０分で硬化され得る。代わりに、もしエポキシが赤外線ランプを使って硬化されるなら、推奨硬化時間は１４０−１４５℃で約１５分である。
【００６５】
本例のポリマーコーティングについての摩擦係数は、コーティングを平らなディスク及び環状円柱（リング）に付けることにより決定された。ディスク上でリングを廻すことにより伝達されるトルクが測定された。本発明のボックス−ピン構成をシミュレートするために、ピン部材のコーティングがディスクに付けられ、他方、ボックス部材のコーティングがリングに付けられた。
【００６６】
図７Ａは時間に亘り測定された摩擦係数を描き、一方、図７Ｂは平均係数を表す。図７Ａ及び図７Ｂの両図で、３つのドープフリーシステムが比較された（溶液Ａ、溶液Ｂ、溶液Ｃ）。ドープフリー溶液Ａは、ピン部材上の耐腐食層及び潤滑層から成るコーティングシステムを有する。ドープフリー溶液Ｂは、溶液Ａと同じコーティングシステムを有するが、トップに腐食抑制層が付けられた。本例の溶液のドープフリー溶液Ｃは、ピン部材に付けられた溶液Ｂのコーティングスキームを有し、ボックス部材の内面の特定部分にＰＴＦＥが付けられた。
【００６７】
図７Ａ及び図７Ｂで見られるように、ポリマーコーティングは、特に従来のピン−ボックス構成に比較して、本発明に依り付けられた時、摩擦係数を顕著に減少した。
【００６８】
摩擦係数テストに加えて、メークブレークテストが約８８．９ｍｍ（３．５インチ）結合部で行われた。これらのテストの結果は図８に示される。図８で、ドープフリー溶液Ａ、Ｂ、Ｃが、２つの異なる構成、すなわち、最大ねじ／最大シール及び最小ねじ／最大シールの締まりばめを有する結合部で評価された。図８で、主バーは各構成用の最初の５つのメークアップについての平均肩部トルクを表し、ドットは最初のメークアップ用の肩部トルクを表し、そして誤差バーは標準偏差を示す。凡例で、ＨＨＮは公称のねじテーパーを有する高ねじ−高シール締まりばめを表し、一方、ＬＨＮは公称ねじテーパーを有する低ねじ−高シール締まりばめを表す。図８で見られるように、ＰＴＦＥの塗布は肩部トルクを可成り減少した。
【００６９】
例１のＰＴＦＥに加えて、他の種類のポリマーコーティングが使われてもよく、例１は本発明の範囲を限定するよう意図されてないことが注意されるべきである。当業者が理解するように、本発明の範囲から離れることなく、ポリマーコーティングの下か又は上かの何れかに他のコーティングが付けられてもよい。例えば、耐腐食層が全体システムの摩擦特性に影響しない限り、ポリマーコーティングの上に耐腐食層が付けられてもよい。加えて、ここで説明された種々のコーティングが、ピン部材又はボックス部材の全体面に又は選択された範囲のみに付けられてもよい。例えば、本発明の範囲を離れることなく、コーティングはピン部材及びボックス部材のねじ部分に、ピン部材及びボックス部材の金属対金属シール部分に、或いはピン部材及びボックス部材の肩部部分に、付けられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１ａ−１ｂ】第１動作段階（メークアップ時）の、本発明の、ジョイント内のねじの詳細の拡大断面図を示す。
【図２ａ−２ｂ】第２動作段階（結合が最終位置に達する時）の、本発明の、ジョイント内のねじの詳細の拡大断面図を示す。
【図３ａ−３ｂ】本発明により作られたジョイントの表面全体の特定部分上の第２層を有するボックス部材及びピン部材のねじの拡大断面詳細をそれぞれ示す。
【図４】ねじ込まれたジョイントの３種類のコーティングについて、ジョイント内の肩部トルク値に関する比較グラフを示す。
【図５】本発明のジョイント内に組み込まれたピン部材及びボックス部材の面の拡大図を示す。
【図６】本発明のジョイントのもう１つの実施例に組み込まれたピン部材及びボックス部材の面の拡大図を示す。
【図７Ａ】例１で論じた３種のねじ込まれたジョイントについて時間に亘り測定された摩擦係数を示す。
【図７Ｂ】例１で論じた３種のねじ込まれたジョイントについて平均摩擦係数を示す。
【図８】例１で論じた３種のねじ込まれたジョイントに関して行われたメーク、ブレークテストの結果を示す。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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【国際調査報告】
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