(57)【要約】  ねじ込み継手は、ピンのねじの谷底とボックスのねじの山の頂との間に、連結部の平均の厚さの１％から５％の間の値の締め代、並びに０．２ｍｍから０．４ｍｍの範囲の谷底から荷重フランクへの半径Ｒを有し、更にピンのねじ区域の始点及び終点に適用されたショットピーニングを含む表面処理を持つ。別の実施例においては、締め代がボックスのねじの谷底とピンのねじ山の頂との間にあるとすることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピンとして定められ雄ねじの設けられたチューブ（２）、及びボックスとして定められ雌ねじの設けられたチューブ（３）を備え、該ピンには第１の当たりショルダー（６）が設けられ、該ボックスには第２の当たりショルダー（７）が設けられ、前記第１及び第２の当たりショルダーが相補する形状を有し、ピン（２）がボックス（３）に組み付けられるようにされており、
ピン又はボックスの一方のねじの谷底とピン又はボックスの他方のねじの山の頂との間に、ピンとボックスの呼び寸法に従って寸法の定められた締め代が設けられ、締め代の値は継手の平均厚さの１％と５％との間に含まれ、ねじの高さの約１／４の値を有する谷底から荷重フランクへの半径（Ｒ）が設けられ、更に、ピン（２）のねじ領域の始点と終点とに適用されたショットピーニングを含む表面処理を有する、ねじ込み継手。
【請求項２】
半径Ｒが０．２０から０．４０ｍｍの間の値を有する請求項１によるねじ込み継手。
【請求項３】
半径Ｒが０．３０ｍｍの値を有する請求項２によるねじ込み継手。
【請求項４】
ａ）ボックスのねじ部分内にピンのねじ部分を差し込む段階、
ｂ）第１及び第２の当たりショルダーが当たるまでボックス内でピンを組み付けるためのトルクを適用する段階、
ｃ）継手（１）の最も応力を受る部分において鋼の降伏強度の５０％と９０％との間の大きさに達するまで割増のトルクを適用する段階、
を有するねじ込み継手の組み付け方法。
【請求項５】
ａ）ボックスのねじ部分内にピンのねじ部分を差し込む段階、
ｂ）第１及び第２の当たりショルダーが当たるまでボックス内でピンを組み付けるためのトルクを適用する段階、
ｃ）正常な組み付けトルクの約１０％と５０％との間の大きさの割増のトルクを適用する段階、を有するねじ込み継ぎ手の組み付け方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ねじ込み継手、特に炭化水素産業、特にＯＣＴＧ（Ｏｉｌ  Ｃｏｕｎｔｒｙ
Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｇｏｏｄｓ、石油産出国用管状製品）の分野において使用されるストリングの作成及び沖合用のラインパイプの作成のために定められた長さのチューブの連結に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油又はより一般的に炭化水素の探索は、近年は、油田又はガス層がより深くにあり又は到達に困難な場所にあるためハードウエア又は装置の点からより困難になってきている。深海底にある炭化水素層の試掘及び開発は費用が大きく、かつ従来はあまり重要ではなった疲労及び腐食のような環境からの挑戦により耐えるハードウエアを必要とする。
【０００３】
深海底にある油田から石油又はガスを取り出すためには、海底に固定された沖合プラットフォームが使用され、更に慣習的にライザーと呼ばれるストリングが使用される。
【０００４】
これらストリングは海中に沈められ、そして海流及び表面波の動きにより生ずる運動にさらされる。これらの継続及び海の周期的な運動のため、ストリングは不動の状態には保たれず継手の幾つかの部分に変形を生じさせ得る小さい横方向の運動を受け、そして特にねじ込み継手の区域に関して管に疲労応力をもたらす荷重に抵抗しなければならない。この応力はねじの近くでチューブの破損を生じさせる傾向があり、ねじ込み継手の耐疲労特性を改良する要求がある。
【０００５】
現在、石油産業用のねじ込み継手の疲労性能及び設計は、他の技術分野から改作され推定される。しかし、特別な標準又は設計／寸法仕様はまだない。基本的な考えは、英国標準／コードオブプラクティスＢＳ７６０８鋼構造体の疲労設計及び評価、並びにＤＮＶクラスＢ  Ｓ−Ｎ曲線において見いだすことができる。
【０００６】
特許文献１は、疲労強度を改善するためにマイクロショットピーニングを適用された油井用パイプ用のねじ込み継手の製造方法を明らかにする。
【０００７】
この説明された方法は、次の特別な条件下でねじ込み継手にショットピーニングを適用することにより目的を達成するように疲労寿命を大きくさせる：
噴射圧力：０．４ＭＰａ。噴射距離：１００から１５０ｍｍ。噴射時間：約１ｓｅｃ／ｃｍ２。ショット粒子材料：０．８から１．０％Ｃの炭素鋼（ＨＲＣ６０又はそれ以上）。粒子直径は特許文献１の表４に示されるように選定される。炭化及び窒化処理の組み合わせも提案され、これは疲労破損強度を更に改善することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】欧州特許第１７２６８６１号  明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ねじ込み継手の疲労寿命の改善のための可能性がなおある。
【００１０】
従って、本発明の目的は前述された欠点を克服するであろうねじ込み継手を提供することである。
【００１１】
本発明の主な目的は疲労寿命の長い継手を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上の目的は、本発明に従って、ピンとして定められ雄ねじの設けられたチューブ及びボックスとして定められ雌ねじの設けられたチューブを備え、該ピンには第１の当たりショルダーが設けられ、該ボックスには第２の当たりショルダーが設けられ、前記第１及び第２の当たりショルダーが相補する形状を有し、ピンがボックスに組み付けられるようにされており、ピン又はボックスの一方のねじの谷底とピン又はボックスの他方のねじの山の頂との間に、ピンとボックスの呼び寸法に従って寸法の定められた締め代が設けられ、締め代の値はパイプ壁の平均厚さの１％と５％との間よりなり、ねじの高さの約１／４の値の谷底から荷重フランクへの半径Ｒが設けられ、更にピンのねじ領域の始点と終点とに適用されたショットピーニングを含む表面処理を有するねじ込み継手により達成される。
【００１３】
本発明の別の目的は、本発明のねじ込み継手の組み付け方法を提供することである。
【００１４】
請求される本発明に従って、ねじ込み点の耐疲労特性を改善する目的は、適切に設計された継手の組み付け作業の終わりに現れる次の幾つかの特徴の組み合わせ作用により達成される。
ａ）耐疲労特性を改善するために谷底対山の頂の締め代による半径方向の大きい荷重、いわゆるフープ荷重の付与；
ｂ）耐疲労特性を改善するための大きいショルダー荷重の付与；
ｃ）ネジの谷底の応力集中を低下させる谷底からフランクへの大きい半径Ｒの付与；
ｄ）加えて、主にショットピーニングよりなるピン及びボックスの表面の適切な表面処理が継手の耐疲労特性を更に向上させる。
【００１５】
本発明のねじ込み継手は、公知のドープ、液体又は固体の潤滑剤、ドープフリーシステムなどの支援を得て組み付けることができる。
【００１６】
本発明の継手の説明された特徴により、軸方向の締め代は産業において使用される通常の標準値内にあるように選定されるため、軸方向の引っ張り荷重は通常のフランク対フランクの接触を通じて伝達される。一方、ねじ部分の半径方向荷重は通常よりも高い値に達し、そして、これが耐疲労特性の改善を確実化しかつ継手の使用寿命を延ばす。
【００１７】
ねじの半径方向の荷重は主に半径方向の幾何学的な締め代に依存し、この締め代はねじ込みパイプ端部を形作る種々の直径及び許容差を管理することにより達成される。
【００１８】
ピン及びボックスを組み付ける前のこの２個の部材の呼び寸法に従って測定された締め代、即ちピンとボックスの平均厚さの増加分の値は、パイプ設計範囲内の最軽量の場合は、継手又は連結部の平均厚さの１％より小さくはなく、そして、締め代、即ちピンとボックスの平均厚さの増加分の値は、パイプ設計範囲内の最重量の場合は、継手又は連結部の平均厚さの５％より大きくない。
【００１９】
この締め代の値のため、継手内の応力の大きさは高い応力集中係数を避けるような管理下に確実に維持される。
【００２０】
次の表に、異なる直径及び重量を有する２種のパイプの場合における締め代の適切な値の例が示される。
【００２１】
パイプ直径            重量              締め代      締め代
244.5mm( 9 5/8”)    53.68kg/m(36lb/ft)      3%        370μm
339.7mm(13 3/8”)   145.82kg/m(98lb/ft)      2%        360μm
【００２２】
しかし、その他のパラメーターも希望の半径方向荷重の達成に寄与する。これらのパラメーターは、パイプの直径と厚さ、ねじの形式、ヤング係数のような材料の特性、連結部の各部材の表面特性などである。
【００２３】
以上の目的及びその他の目的は以下の詳細な説明及び付属図面を参照することにより容易に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による継手の長手方向軸面の断面図を示す。
【図２ａ−２ｂ】図１の継手の拡大図を示す。
【図３】本発明の継手に適用される組み付けトルクの傾向を表している曲線のグラフを示す。
【図４】比較疲労試験結果のグラフを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
特に図面を参照すれば、２個のチューブ、即ち呼び外径Ｄを有する雄のチューブ又はピン２、及び呼び外径Ｄ１の雌のチューブ又はボックス３を連結している全体として番号１で示されたねじ込み継手が示される。
【００２６】
ピン２は、適切な断面形状、例えば台形の雄ねじのあるねじ部分４を有し、ボックス３は対応した形状の雌ねじのある雌ねじ部分５を持つ。
【００２７】
パイプ及びピン及びボックスの共通軸線がＡで示される。
【００２８】
継手のねじの設計は、直交行列の理論を使用するタグチの方法に基づく。
【００２９】
タグチ博士は、制御パラメーターの最適設定により実験に対してより小さい分散を与える「直交配列」実験に基づく方法を開発した。この方法は製品／方法のこれまでの知識を利用する。「直交配列」は１組のうまく平衡の取れた（最少の）実験を提供し、そしてタグチ博士の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）は、最適化及び最適結果の予報のための目的関数として役立つ。信号対雑音比は、雑音の影響を最も小さくするために必要である；雑音のレベルは低く保たれるべき誤差として示される。低く保たれない場合は、パラメーターの選定は完了せず、そして雑音の部分は、実際に試験の開始を正しく確認しない信号である。
【００３０】
この方法を使用し評価するためのパラメーターが、２種の可能な状態に対して下に示されるように定められた：
−ねじの断面半径（０．２，０．３ｍｍ）
−ねじの締め代（連結部の平均厚さの０．９％、４％）
−表面処理（ショットピーニング処理、無処理）
−総合重量の慣性によるショルダー部におけるトルクの目標値（１６２７０Ｎｍ（１２０００ｆｔ−ｌｂｓ）以下、２４４００Ｎｍ（１８０００ｆｔ−ｌｂｓ）以上）
【００３１】
上述のパラメーターが、Ｌ８直交行列を使用した実験−８回の実験の試行の計画に対してタグチの方法により要求されるように組み合わせられた。実験は、外径２４４ｍｍ、厚
さ１３．８４ｍｍのパイプについて、２種の応力レベルで行われた。パラメーターは、表１にまとめられる。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
図４のグラフは、上の表により、大きい締め代、ショルダー上の大きなエネルギー、より大きい半径及びショットピーニング処理した表面を有し製造された連結の結果と標準の連結との差を示す。主な効果は材料の疲労限度〜９０ＭＰａより上の領域において見られる。
【００３４】
この特別な設計方法に従った場合、軸方向の引っ張り荷重は通常のフランク対フランクの接触により伝達され、現状技術の継手において使用される範囲内の軸方向締め代を定めているが、本発明の継手のねじの半径方向荷重は現状技術の値より高い値に達するように定められ、これが改善された耐疲労特性を確保する。
【００３５】
この半径方向の荷重の大きさは、ピン及びボックスの種々の直径及び許容差を適切に設計することにより達成される幾何学的な半径方向の締め代に依存する。
【００３６】
谷底から荷重フランクへの半径Ｒを大きくすることが、継手の耐疲労特性に有利であり好ましい。
【００３７】
ピン及びボックスのねじに対しては、半径方向締め代に起因するより大きい応力に適切に耐えるように、荷重フランクと谷底との間の半径Ｒは、特に図２ｂに示されるようにより大きい値のものである。
【００３８】
試験により、ねじの谷底対山の頂の半径方向締め代の使用が応力集中を減らすことが示された。これは、要するに大きい半径Ｒの付与である。
【００３９】
説明された半径方向の大きい張力は、ピンのねじの谷底とボックスのねじの山の頂との間に自由空間を残しているピンのねじ山の頂とボックスのねじの谷底との間（この実施例は図面には示されない）、又は図２ｂに示されるようにその逆のいずれかで作ることができる。また、同じ継手にこの両方のオプションを同時に与えることもできる。
【００４０】
半径Ｒは、特に不完全ねじ部における継手の引っ張り効率の維持の要求にのみ限定される最大値を持つことができる。半径が大きすぎると組み合い外れの乗り上げを起こし易い。
【００４１】
半径Ｒの値は、ねじの高さの約１／４に設定され、そして可能な寸法の利用のためこの
値は０．２から０．４ｍｍとすることができ、０．３ｍｍが最適値である。この値は、実施された試験の結果によりねじ込みジ継手の性能を最適にすることが証明された。
【００４２】
ショットピーニングのような表面硬化処理に加えて窒化、炭化、及び冷間加工が継手に提供される。これにより幾つかの効果が生ずる。
【００４３】
第１に、これは微小な圧縮予荷重を提供し、よく知られた疲労解析により示されるように耐疲労特性を改善する。本発明の好ましい実施例は、より大きい予荷重を保証するショットピーニングを使用する。
【００４４】
第２に、表面処理は表面硬度を大きくさせる。２個の異なる面間のかじりは、この２面間で面の硬度及び仕上げが異なるとき小さくなることが冷間圧接において示されかつ詳しく述べられている。かかる処理が、ピン又はボックスに、或いは異なる表面特性を作るために異なった継手部材に又はピン及び／又はボックスの選定された区域に、異なる大きさで適用されたとき、ねじの設けられた領域は、かじりのおき易さ、従って疲労性能に有害な影響を与える可能性のあるかかるかじりによる微細クラックの存在を減らすことができる。例えば、表面の一方のリン酸塩処理はこれを他方とは異なるものとし、かじりを減らすことに大きく貢献する。しかし、大きな荷重が加わる場合は、リン酸塩処理のみでは効果的でなく、いわゆるショットピーニング処理のような硬化プロセスとも組み合わせられ、かかる特性を確保し、かつ大きな接触圧力に対する継手の強度の増加させる。
【００４５】
好ましい実施例においては、かかる表面硬化処理は、一般にボックスよりも荷重のより大きいピンに、特により大きい応力集中を受けるねじ域の始点及び終点に適用される。これが、ねじ全体に沿ったより一様な応力分布を提供する。
【００４６】
種々の試験の後、ショットピーニングについての正しいプロセスパラメーターが設定され、これが結果の最適化を導く。
【００４７】
主なパラメーターの一つは、ＳＡＥＪ４４２ａ標準により標準化されたアルメン（Ａｌｍｅｎ）試験により測定し得るショットピーニングの強度である。実施された試験結果によれば００６Ａから０１５Ａの間のアルメン強度が本発明に適している。
【００４８】
別の重要なパラメーターは、ショット（鋼球又はガラス球）の直径であり、これは処理されるピースの形状に従って定められねばならない。本発明に対しては、０．１５ｍｍから０．３５ｍｍの間の直径が適切である。
【００４９】
本発明のねじ込み継手は、組み付けの際、ピンとボックスとの間のショルダー６と７とに大きな荷重を加えることにより継手に対して追加の軸方向の力を与えたとき、疲労寿命を更に増加させることができ有利である。これは、継手に割増の組み付けトルクを与え、従ってショルダーに割増の荷重を加えることによりなされる。これは、継手における改善された耐疲労特性が達成される優れた効果を持つ。
【００５０】
この追加された荷重が追加の圧縮効果を作り、ボックス３を引っ張りかつピン２を圧縮し、これにより疲労応力抵抗を改善する。これは、継手１の全体にわたる、特にピン２にわたる応力分布を平衡化させることにより達成される。
【００５１】
図３のグラフを参照すれば、横軸が組み付け回転量を示し、縦軸がトルクの大きさを表しているカルテシアン座標が示される。このグラフは２個の曲線１０と１１とを示す。
【００５２】
曲線１０は、従来の方法により組み付けられる際の現状技術の継手に対するトルクの傾
向を示す。曲線１０の点ａは組み付け作業の開始点を示す。線分ａ−ｂは多くの現状技術において普通である従来の半径方向の締め代によるトルクの漸増を示す。線分ｂ−ｃは、ピンとボックスとの間の当たりショルダーの加圧によりトルクの大きさの増加を示す。
【００５３】
曲線１１は、本発明の方法に従って継手に加えられるトルクの傾向を示す。この曲線の線分ａ−ｄは、ピン及びボックスのねじの山の頂と谷底との間のより大きい半径方向締め代により生じた傾斜のより急なトルクの増加を示す。曲線の線分ｄ−ｅは、公知の組み付けの通常の方法により作られた組み付け体に相当する大きさまで当たりショルダー６及び７への加圧により生じたトルクの急増を表す。線分ｅ−ｆは、本発明の組み付け方法による割増のトルク（便宜上、以下Δトルクと呼ぶ）を表す。
【００５４】
本発明の組み付け方法の解析に当たり二つの注目される重要な点がある。
１）トルクの傾斜が急激に増加するトルクショルダー点ｄは、組み付けが、ピン２のショルダー６とボックス３のショルダー７とが当たるショルダーリング位置に達したことを示す。この点ｄは、ねじの締め代が加えられるトルクに対する特有の抵抗であった曲線１１の第１の部分の終点を示す。
２）この曲線は、点ｄから組み付けの終了を示す最終トルク点ｆまでの間、曲線のそれまでの部分と比べて回転量に対するトルクの上昇が急激なため実際上は垂直線となる。この理由は、軸方向の締め代を克服しなければならず相当するトルクエネルギーを消費するためである。このエネルギーは継手における弾性エネルギーとして蓄えられるであろう。
【００５５】
割増のトルクは、ボックス３上へのピン２の組み付けの終わりに加えられる。例えば、従来の組み付け作業が降伏強度の約５０％の負荷を生ずる最終トルクに達したとき、本発明の方法によりΔトルクを適用して降伏強度の８０％まで荷重を大きくする。この値は１％から９９％の間の可能な全範囲内で変えることができる。
【００５６】
市販の各形式の継手に対して、以下の計画に従って設計され、試験され確認された特定の最適値が定められた。
【００５７】
第１段階において、直径、厚さ、鋼の等級、ねじの形式のような継手のパラメーターが考慮される。最適の組み付けパラメーターが予め評価され、モデル化されそして模擬実験される。
【００５８】
第２段階において、これらの値が実寸で試験され、そして反復ループで最初の方法が改定される。
【００５９】
第３及び第４の段階において、継手及び組み付け工程を実証し認定するために組み付けられた継手が追加の実証試験を受け、実際の作業条件をシミュレーションする。
【００６０】
工程の複雑さのため、例えば、直径、連結部に壁厚のような組み付けのパラメーターを絶対パラメーターにより定めることはできない。Δトルク又は曲線１１の線分ｅ−ｆは、追加トルク又はトルク対回転量の曲線の延長部として定義される。一般に、正常トルクもΔトルクもショルダー領域の材料の降伏強度を越えない。Δトルクは正常トルクの１０％から５０％の間の大きさに、或いは、最終トルク値、即ち正常値とΔトルクとの和が、鋼の降伏強度の５０％から９０％の間の値に達するように定められることが有利である。正常又は最大の呼び組み付けトルクは各特定の継手について製造者により定められる。
【００６１】
本発明は、ＯＣＴＧ、並びに石油及びガス産業用のラインパイプ連結の分野において、特に沖合用に好ましく使用される。
【図１】
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【図２ａ】
2010537134.tif 000005
【図２ｂ】
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【図３】
2010537134.tif 000007
【図４】
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【国際調査報告】
2010537134.tif 000009
2010537134.tif 000010