(57)【要約】【課題】油井管ねじの気密性と耐ゴーリング性は、トレードオフの関係にあり、ねじシール部の干渉量が小さすぎると気密性が損なわれ、逆に大きすぎるとねじの締め付け時の擦り疵（通称、ゴーリング）の懸念が生じる。新たなねじ開発、およびその承認試験を実施する際には、これら値を含め仕様の詳細確定まで試行錯誤が不可避なため、開発期間の長期化や性能の制約、承認試験の費用が増加しやすい課題がある。【解決手段】油井管用の新たなねじの開発に当たり、数値解析による気密性の評価とともに、締め付け時のねじ部とシール部の接触面積圧の総和と締め付け停止までの摺動距離の積をゴーリング指数として求め、ゴーリング指数の結果に基づき、表面処理条件を選定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
油井管のラジアルシール型のねじ継手の表面処理条件を決定するに際し、
ねじシール部の接触面積圧を数値解析により求め、所定の気密性が得られるように仕様範囲を決めた後、
締め付け時のシール部の接触面圧を締め付け停止までの摺動距離に沿って積分した値をゴーリング指数として求め、
前記ゴーリング指数の結果に基づき、表面処理条件を選定することを特徴とするねじ継手の表面処理条件の決定方法。
【請求項２】
請求項１に記載のねじ継手の表面処理条件の決定方法により、表面処理条件の選定を行うことを特徴とするねじ設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油井管用のねじ継手に関し、ねじ継手の表面処理条件の決定方法およびねじ設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、開発の容易な油井、ガス井が限られてきたため、より高深度かつ高温高圧の井戸が増加している。また、掘削技術の進歩に伴い、傾斜井戸、水平井戸など、より複雑多岐な井戸の増加も見られる。これに伴い、油井管用のねじ継手に対する要求、例えば、引張り、圧縮、内外圧など複合荷重環境下における気密性の要求も高度化している。
【０００３】
これらの環境に対応し、実際の鋼管を用いたねじ性能試験規格も更新され、２０００年以降、ＩＳＯ１３６７９：２００２、ＩＳＯ１３６７９：ＦＤＩＳ２０１１、ＡＰＩ５Ｃ５など規格化された。
【０００４】
また、油井管のユーザー企業は、前記の規格による承認を各油井管メーカーに必要とするため、ねじ開発メーカーは承認試験の速やかな完遂が必要になった。これらの一連の承認試験は、テスト費用も巨額となっている。また、開発の遅れ、コスト負担を回避する必要が高まっている。
【０００５】
承認試験に関する技術としては、非特許文献１、非特許文献２に記載の方法がある。これらは、有限要素法を活用し、ねじの性能を評価し速やかなねじ開発を目指して志向されるものである。しかしながら、実際のねじ試験の承認取得には実管を用いた気密試験が不可欠で、これら解析をいかに実管試験に活用するかが重要であり、ねじ開発、および承認試験推進時の本解析技術の活用方法が課題であった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】杉野正明ら 油井管用の高性能特殊ねじ継手“ＶＡＭ(R)２１” 〔新日鉄住金技報第３９７号〕 P9-16    （2013）
【非特許文献２】JFE技報  Ｎｏ．９(２００５年８月)  p46-50
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年の油井管ねじは高圧高温環境下において使用されるため、引張もしくは圧縮のいずれかと内圧もしくは外圧のいずれかの組み合わせた荷重下においても一定の気密性能が満足され必要がある。このため気密性を確保するため、シール部において雄ねじ部と雌ねじ部が強く当たるように、相互の干渉量を一定以上確保することが必要となる。
【０００８】
一方で、複数回ねじを締め付けた場合においても、ねじやシール部分に疵（ゴーリング）が生じないことも必要である。
【０００９】
前記の気密性と耐ゴーリング性は、トレードオフの関係にあり、干渉量が小さすぎると気密性が損なわれ、逆に大きすぎるとゴーリングの懸念がある。従って、新たなねじ開発、およびその承認試験を実施する際には、これら値を含め仕様の詳細確定まで試行錯誤が不可避で、開発期間の長期化や当初望んでいた性能の制約、試験費用が増加など課題がある。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、ねじ開発期間の短縮、開発費用の低減を達成すること、および、優れた性能のねじ設計、仕様を効率的に決定するための技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、油井管用の新たなねじの開発に当たり、気密性の評価とともに、候補となりうる表面条件からねじ締め付け時のゴーリングを回避出来る表面条件を数値解析により予め抽出しておくことで、実管試験による締め付け、締め戻し試験や、気密性試験の試行錯誤の回数を減らせること、その結果、開発期間の短縮、開発費用の低減を達成できることを見出した。
【００１２】
本発明は以下を特徴とする。
［１］油井管のラジアルシール型のねじ継手の表面処理条件を決定するに際し、ねじシール部の接触面積圧を数値解析により求め、所定の気密性が得られるように仕様範囲を決めた後、締め付け時のシール部の接触面圧を締め付け停止までの摺動距離に沿って積分した値をゴーリング指数として求め、前記ゴーリング指数の結果に基づき、表面処理条件を選定することを特徴とするねじ継手の表面処理条件の決定方法。
［２］上記［１］に記載のねじ継手の表面処理条件の決定方法により、表面処理条件の選定を行うことを特徴とするねじ設計方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、優れた性能のねじ設計、仕様を効率的に決定するための技術を提供できる。その結果、気密性と耐ゴーリング性の相反する要求特性を予め満足する条件を詳細に検討できる。よって、ねじデザインを速やかに確定することが出来る。また、ねじ試験に関わるコストを最小限にすることが出来、開発期間の短縮、開発費用の低減を達成することができる。
また、数値解析に二次元軸対象の有限要素法（以下、ＦＥＡと称することもある）を用いることにより、実験では不可避である実験による図面公差内のわずかな寸法の差異や、材料特性による性能の変化といった情報まで反映出来、一貫性のあるデザイン思想の下、速やか且つ網羅的に設計仕様を決められる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明のねじ継手の表面処理条件の決定方法のフロー図である。
【図２】図２は、従来の実管試験までのフロー図である。
【図３】図３は、ラジアルシール型のねじ継手の形状を示す図である。
【図４】図４は、ＦＥＡで求まるシール接触面積圧を模式的に表した図である。
【図５】図５は、ＦＥＡを使用したゴーリングの試算方法の説明図である。
【図６】図６は、めっきコストと適用可能なゴーリング指数の関係を示す図である。
【図７】図７は、本発明例と比較例による必要な気密試験回数の比較を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明では、ラジアルシールを有するＴ＆Ｃタイプであり、圧縮荷重に耐えられるようショルダを備えたタイプのねじを対象とする。
図３は、ラジアルシール型のねじ継手の形状を示す図であり、ピン２とカップリング１で構成されるねじの一例である。
【００１６】
このようなねじ継手について、図１を用いて、本発明のねじ継手の表面処理条件の決定方法を説明する。図１は、本発明のねじ継手の表面処理条件の決定方法のフロー図である。また、図１には、ねじシール部の接触面積圧を数値解析により求め、所定の気密性が得られるように公差等寸法の仕様範囲を決めた後、締め付け時のシール部の接触面圧を締め付け停止までの摺動距離に沿って積分した値をゴーリング指数として求め、ゴーリング指数の結果に基づき、表面処理条件を選定することが示されている。
【００１７】
以下、詳細に説明する。
【００１８】
まず初めに、対象の素管外径、肉厚、材質に対応した図面の素案を作成し、ねじやシール部分の雄ねじ、雌ねじの形状を描き、干渉量、ねじ山、ショルダ部分の形状と公差の設定を行い基礎設計を行う。
【００１９】
次に、本発明においては、上記基礎設計で得られた情報を基に、ねじシール部の接触面積圧を数値解析により求め、所定の気密性が得られるように仕様範囲を決める。
【００２０】
例えば、二次元軸対象の有限要素法による解析を実施し、その履歴を考慮した各複合荷重条件において気密性の評価を行う。この際、材料強度（応力ひずみ曲線）なども考慮する。通常、降伏強度が低い場合も高い場合も同一のデザインとする必要がある。８０Ｋｓｉ（５５２MPa）から１２０Ｋｓｉ (８２７MPa)程度まで想定するが、場合によっては、５５Ｋｓｉ(３７９MPa)クラスまで、高強度側では１４０Ｋｓｉ(９６５MPa)程度まで対応する場合もある。幾何学的形状が決定後は、締め付け条件を設定する必要がある。
同規定での荷重の付与方法は、それぞれの規格（たとえば、ＩＳＯ１３６７９：２００２）に定義されており、ＦＥＡなど数値解析で再現することが出来る。
【００２１】
ＦＥＡ解析における気密性の評価は、例えば図４に示すようにシール部を含む領域に生じる接触面積の分布全体の総和による評価（接触面圧を管軸方向の接触長に渡って積分した指標）が考えられる。この値は、認証試験の素管へ付与される軸方向の引張や圧縮などの条件により変化し、ＦＥＡ解析結果と実管試験結果のリークの発生有無と採取し各条件を比較することにより、その値を知り、閾値として使用すれば、個々の解析条件が所定の気密性を得られるか判定することが出来る。実管を用いた気密性を評価するための荷重条件は、ねじ試験規格のいずれにおいても、幾つかの要因が重なり合って最悪条件となった場合の評価を前提としている。具体的には、シール干渉量や、締め付けトルクなどの組み合わせが最悪になるように設定されている。例えば気密性の評価においては、シール干渉量は公差範囲のうち小さい値を、ねじの干渉量は公差内の大きい値を前提とするが、耐ゴーリング性の解析においては、シール干渉量を大きく、ねじ干渉量を小さく取るケーススタディーが必要となる。
【００２２】
一連のねじ開発の検討において、ＦＥＡでもし所定の気密性能が得られない場合には、図面の公差範囲などを更新し再び同様に新たなＦＥＡモデルを作成し、所定の性能が得られるまで繰り返しこの評価を行う。
【００２３】
次いで、締め付け時のシール部の接触面圧を締め付け停止までの摺動距離に沿って積分した値をゴーリング指数として求める。
気密性の確認後、次に、耐ゴーリング性能の検討を行う。ゴーリングは、ねじを締め付けした際に、雄ねじと雌ねじの接触部分において発生する擦れ疵を言う。特に特殊ねじなどテーパーのあるねじの場合においては、締め付けに伴い雄ねじと雌ねじの隙間が小さくなり、所定の締め付け位置やトルクの条件では図面上互いに幾何学的に干渉する位置まで達する。このため、何等かの条件が適切でない場合には、締め付け時にゴーリングが誘発され、引いてはねじの気密性にも悪影響を及ぼすため新たなねじの設計検討においても十分考慮しておく必要がある。
【００２４】
ゴーリング指数の算出方法に関して図５を用いて説明する。ゴーリング指数は、ねじのピンをカップリングに締め付けるときの、例えばねじ締め付けの際のシール部分の接触面圧をピンとカップリングが相互に接触する線長（すべり距離）に沿って積分した値として表せばよい。こうすると、締め付け初期のわずかにピンとカップリングが接触するときから、最後にねじが締まり切るまでの間の履歴を表現することが可能で、摺動距離が長くなる大径のねじの場合にその値が大きくなり、シール部の干渉量が大きくなるとその値が大きくなる。この結果は、実験結果とよく対応することが確認出来、ゴーリングのリスクを評価し得る指数として使用することが出来る。
【００２５】
次いで、ゴーリング指数の結果に基づき、表面処理条件を選定する。
例えば、めっき条件と耐ゴーリング性との比較については、予め実験を実施すれば、表面硬度が高いめっき（複合金属でのめっきなど）で耐えうるゴーリング指数と、一般的な燐酸マンガンや燐酸亜鉛で耐えうるゴーリング指数とで適用可能なゴーリング指数は、判別出来、基礎データとすることが出来る。開発モデルのゴーリング指数が適用可能な表面処理条件と合致するようにすると、実管試験におけるゴーリング発生の危険を回避することが出来、遅延なく承認試験を進めることが出来る。
【００２６】
図２に実管試験までのフローを示す。図２においては、実管試験前のＦＥＡ解析は気密性のみ行い、ゴーリングの解析を行っていない。このため、実管を用いた締め付け締め戻し試験のやり直しのリスクが高くなる。耐ゴーリング性を改善する方法には、めっきを変える方法や図面のシール部の干渉量を変更する方法もあって、試行錯誤が増え、デザインの一貫性が崩れるリスクがある。
【００２７】
以上のように、本発明は、ＦＥＡモデルを気密性評価のみならず、締め付け時のゴーリング性の評価にも適用し、安価且つ必要十分な最適めっき条件を選定することを特徴とする。さらに、めっき条件を選定した上で、実管による規定の試験を実施する技術を提供するものであり、非常に高価な実管試験で試行錯誤での失敗を最小化し、合格率を上げ、試験費用を最小化する。本発明は、Ｔ＆Ｃタイプの特殊ねじのみならず、フラッシュ、セミフラッシュねじ、アップセットねじなどに関しても対象として、使用することが出来る。また、Ｔ＆Ｃタイプのねじにおいても、特に高いトルクで締め付けて使用するハイトルクねじなど限定された用途について開発する場合においても、同技術を用いれば、ねじ開発を確実に進めることが可能となる。
【００２８】
さらに、以上からなるねじ継手の表面処理条件の決定方法により、表面処理条件の選定を行い、ねじを設計することができる。すなわち、ねじを設計するにあたっては、公差を含む形状情報の確定、表面処理条件、トルクなどの締め付け条件があり、いずれもねじ設計の対象となる。このうち、表面処理条件については、上記の通り、本発明のねじ継手の表面処理条件の決定方法により、表面処理条件の選定を行うことができる。
【実施例１】
【００２９】
下記の４条件について９０％圧縮性能の各サイズのねじ開発の設計を行った。素材は（１）はAPI5CT記載のＬ８０、（２）〜（４）は、API5CT記載のＱ１２５とし、いずれもケーシング用を対象とした。ねじ試験規格は、ＩＳＯ１３６７９：２００２とし、テストシリーズＡが組まれているサンプル番号（４番、５番）の２サンプルを対象とした。
【００３０】
（１）外形７“×肉厚０．３１７”、
（２）外径９-５/８”×肉厚０．５４５”、
（３）外径９-５/８”×肉厚０．７３４”、
（４）外径１３−５/８”×肉厚０．６２５”、
ＩＳＯ１３６７９の規格の概要について、以下に、簡単に示す。
ＩＳＯ１３６７９規格はねじの締め付け性能や気密性能を実管において検証する手続きを記載したものであり、最も厳しいｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ  ａｐｐｌｉｃａｔｏｉｎ  ｌｅｖｅｌ（ＣＡＬ  IV）について記載したものである。この中にはサンプルの１番から８番までの記載があり、例えばサンプル１番ではねじおよびシールの干渉量は、それぞれ図面公差の高い方、低い方を選ぶ。締め付けに関しては、コンパウンド量を多い設定とし、トルクは許容の設定範囲のうち低い範囲を選ぶ。以下、各サンプル毎に規定された締め付けを実施した各サンプルをフレームに投入し、テストシリーズＢとテストシリーズＣの試験を実施する。一連の試験を実施後には、Ｌｉｍｉｔ  Ｌｏａｄ試験を実施する。一連の気密試験のリスクは、ここに記載のテストシリーズＡ、Ｂ、Ｃ内でリーク（漏れ、すなわち気密性の不足）が発生すると、サンプルの作製準備から締め付けまで含め、再試験が必要となる点にある。
【００３１】
その判定は、素材の降伏応力や肉厚の条件から規定される複合荷重の履歴を付与し、リーク検出装置にてその計測が一定値以下であることが規定されている。
【００３２】
耐ゴーリング性に関しては、締め戻しをして確認する際に、脱脂しコンパウンドを除去し疵がないことを確認しなければならない。今回は、規定の締め付け締め戻し試験に追加し、サンプルのゴーリング性を評価するためゴーリングが発生するまでの限界を見極める試験も実施した。
【００３３】
表１に、図１に示す本発明のねじ継手の表面処理条件の決定方法をもとに開発したねじの試験条件と結果を、表２に、図２に示す従来の開発手順で得られたねじの試験条件と結果を示す。外径、肉厚、材料は、素材のそれぞれ素材の外径、肉圧、材質を示す。
【００３４】
表１の本発明例では、実管試験前に、まずねじシール部の接触面積圧をＦＥＡにより求め、所定の気密性が得られるように仕様範囲を決めた後、締め付け時のねじ部とシール部の接触面積圧の総和と締め付け停止までの摺動距離の積をゴーリング指数として求め、ゴーリング指数の結果に基づき、表面処理条件を選定した。
【００３５】
表２の比較例では、実管試験前のＦＥＡ解析は気密性のみ行い、ゴーリングの解析を行わなかった。
【００３６】
実施しためっき条件を、表１、表２に示す。
燐酸マンガン（ＭｎＰ）は比較的安価で汎用性がある利点はあるが、耐ゴーリング性は、複合めっき（今回は、銅と錫の複合めっき）には及ばない。燐酸マンガン（ＭｎＰ）と銅と錫の複合めっきについて、燐酸マンガンを１とした場合のコストと耐えうるゴーリング指数の関係を図６に示す。複合めっきでは、燐酸マンガンに比較しめっきコストは１．４と高いが、適用可能なゴーリング指数は燐酸マンガンの場合を１００とした場合の１８０まで適用出来る。
本発明例では、No（３）、（４）の２条件でゴーリング指数が燐酸マンガンを１００とした比較でそれぞれ１１０、１２５と高かったため、ＭｎＰの適用は不可能と判断しＭｎＰを適用せずに、実管を用いた試験では、初めから複合めっきを採用した。
比較例では、いずれも初めはＭｎＰを適用した。No（７）、（８）の２条件で２回の締め付けまででゴーリングが発生したため、めっき条件を複合めっきに変更した。
【００３７】
次いで、表１の本発明例および表２の比較例に対して、実管試験を行った。
実管試験は、最終製品として確定するまでのＭＢ可能回数（締め付け、締め戻し可能回数）と基礎設計完了後見直しを経て最終形状が得られるまでに必要とした気密試験の回数を測定し評価した。
ＭＢ可能回数は、ケーシングの場合２回と最終締め付けの１回を合わせ、合計３回を達成すれば合格である。さらには、追加でより多く締め付け出来ればより安定した耐ゴーリングを有する締め付け性能であると言える。本実施例では、公差範囲内でねじ干渉量が大きく、シール干渉量が小さいサンプルをそれぞれ作製し、ゴーリングの発生なく締め付け締め戻しが出来る回数を記録した。
【００３８】
以上より、比較例で開発したねじの性能は、Ｎｏ（５）の条件では気密試験の回数は１サンプル当たり１回、総計２回で完了することが出来たものの、Ｎｏ（６）、（７）、（８）の条件では気密試験の試行回数は本発明を上回る複数回の試験が必要となり、時間と追加の試験費用が必要となった。また、ＭＢ可能回数は、本発明に比較して劣る結果となった。
【００３９】
一方、本発明例で開発したねじは、ＭＢ可能回数は比較例よりも優れ、また気密試験の試行回数はいずれも１サンプル当たり最小の１回、総計２回で完了することが出来た。
【００４０】
以上の結果をもとに、一連の検討の必要とした気密試験結果を図７に示す。Ｎｏ（１）とＮｏ（５）では、本発明例と比較例で必要とした気密試験回数に相違がなかった。しかし、Ｎｏ（２）〜（４）とＮｏ（６）〜（８）では、いずれの条件でも本発明例では比較例よりも少ない気密試験回数で試験を完了することが出来た。
以上より、当初の目標であった試験の失敗、再試験回数の削減、および試験費用の低減に、本発明例が有効であることが確認することが出来た。
【００４１】
【表１】
2019065863.tif 000003
【００４２】
【表２】
2019065863.tif 000004
【符号の説明】
【００４３】
１  ボックス
２  ピン
３  雌ねじのねじ溝
４  雄ねじのねじ山
５  ノーズ部（ピンノーズ）
６、７  ショルダ部（トルクショルダ部）
８  シール部（メタルタッチシール部）
【図１】
2019065863.tif 000005
【図２】
2019065863.tif 000006
【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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