(57)【要約】【課題】  従来の油井管用ネジ継手を改良することによって十分な疲労破壊強度を確保した、油井管用ネジ継手、及びその製造方法を提供する。【解決手段】  ネジ底部の軸方向残留応力が表面から４０μｍまでの深さの間、Ｘ線応力解析での値として−４００ＭＰａ以下にする。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ネジ底部の軸方向残留応力が表面から４０μｍまでの深さの間、Ｘ線応力解析での値として−４００ＭＰａ以下である油井管用ネジ継手。
【請求項２】
被処理材の表面に、ＨＲＣ５０以上の硬さを有するとともに粒子径が３０〜３００μｍの粒子を、空圧０．３〜０．５ＭＰａで噴射・吹き付ける工程を含む、油井管用ネジ継手の製造方法。
【請求項３】
前記油井管用ネジ継手のネジ形状が、ＡＰＩのバットレスネジ、又はラウンドネジのいずれかである請求項２に記載の油井管用ネジ継手の製造方法。
【請求項４】
前記粒子径が５０〜１００μｍである請求項２又は３に記載の油井管用ネジ継手の製造方法。
【請求項５】
前記噴射・吹き付け処理は、不完全ネジ部にのみ行う請求項２〜４のいずれか１項に記載の油井管用ネジ継手の製造方法。
【請求項６】
前記噴射・吹き付け処理は、３秒／ｃｍ２以下で行われる請求項２〜５のいずれか１項に記載の油井管用ネジ継手の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油井管用ネジ継手、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、油田やガス田の探査技術、及び採掘技術が向上して、深度数千メートルの油田から産油が行われることも珍しくなくなってきた。このような油井で使用される油井管は膨大な数に上り、各油井管はネジ継手によりシール性を確保しつつ一連に連結されて使用に供されている。
【０００３】
特許文献１には、表面硬度を上げることによる耐焼付性向上を目的として、鋼管継手のメタル対メタルシール部にショットピーニング処理を行う技術が開示されている。また、特許文献２には、Ｃｒを重量比で１０％以上含有する高クロム鋼に対して、雄ネジか雌ネジのどちらか一方のネジ部シール部の硬度を上げて、かつ硬度を上げた方の表面粗さを０．２５〜１．００μｍに規定することで、耐焼付性を向上させる技術が開示されている。
【特許文献１】特開平６−９９３５４号公報
【特許文献２】特開平８−１４５２４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年海洋部の油田、又はガス田の開発が、より深い所、より開発困難な所へと広がっている。それに伴って、海底と海上リグとの間の海中部分のパイプに対し、耐焼付性よりはむしろ疲労破壊強度が重視され、疲労破壊強度の高い継手が要求される場合が多くなりつつある。
【０００５】
油井管用ネジ継手の疲労破壊強度を高める方法の一つとして、もともと疲労破壊強度が高く作られた産油用ライナー継手を転用したり、専用の継手を開発して使用したりする方法が考えられるが、これらはコスト高になるという問題がある。したがって、既存の特殊継手を、あるいはその改良によって必要な性能を備えるようにしたものを、使用したいとの要求が強い。一方、材料の疲労破壊強度を高める一般的な方法として、材料表面にショットピーニングを施して表面の硬さを高める手段は公知である。
【０００６】
しかし、特許文献１、２には、疲労破壊強度の向上という課題の着想はなく、したがってその内容も疲労破壊強度の向上に結びつく技術的手段の開示には至っていない。
【０００７】
さらに、油井管用ネジ継手の疲労破壊の起点は、そのネジ部であることが多く、従来のショットピーニングでは、このネジ部を満遍なく処理することは困難であった。油井管用ネジ継手には、一般にＡＰＩネジ形状等の特殊なネジ形状が採用されているからである。例えば、図７に示すバットレスネジ形状の場合、ネジ継手の疲労破壊強度に関するクリティカルポイントであるといわれるネジ底コーナー湾曲部の大きさは半径０．２ｍｍである。したがって、径の最小値が０．５ｍｍ程度の粒子を使用する従来のショットピーニングをこの部分に適用して、一様な硬さを得ようとすることに無理があった。就中、図８に示されるような、ＡＰＩラウンドネジ形状が形成された油井管用ネジ継手に対しては、従来のショットピーニングを適用しようとすること自体、問題外であるとされていた。
【０００８】
そこで、本発明は、例えば、ＡＰＩのバットレスネジ形状やラウンドネジ形状など、特殊な形状のネジが形成されている従来の油井管用ネジ継手を改良することによって、十分な疲労破壊強度を確保した、油井管用ネジ継手、及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きで付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。
【００１０】
本発明の第１の態様は、ネジ底部の軸方向残留応力が表面から４０μｍまでの深さの間、Ｘ線応力解析での値として−４００ＭＰａ以下である油井管用ネジ継手である。
【００１１】
この第１の態様の油井管用ネジ継手によれば、継手を構成する金属材料の表面から４０μｍの深さまでは、圧縮方向の応力が４００ＭＰａ以上残留している。したがって材料表面近傍の亀裂が生じにくく、材料金属の疲労破壊強度が高い。よって、より深く開発困難な油田、ガス田への適用が可能な油井管用ネジ継手を提供することができる。
【００１２】
本発明の第２の態様は、被処理材の表面に、ＨＲＣ５０以上の硬さを有するとともに粒子径が３０〜３００μｍの粒子を、空圧０．３〜０．５ＭＰａで噴射・吹き付ける工程を含む、油井管用ネジ継手の製造方法である。ここに「粒子径」とは、一定の粒子径範囲を持った粒子の集合における中央値（メジアン）の粒子径をいう。また、このような微細な粒子を高速で被処理材表面に噴射・吹き付ける工程を以下において「マイクロショットピーニング」という。
【００１３】
この第２の態様にかかる油井管用ネジ継手の製造方法は、従来の油井管用ネジ継手にマイクロショットピーニングを適用して、その疲労破壊強度を向上させる製造方法である。したがって、疲労破壊強度向上のために特別な設計や材料を要することなく、従来から使用されている油井管用ネジ継手をそのまま使用するので、低廉なコストを享受できる。また、この第２の態様にかかる油井管用ネジ継手の製造方法によれば、被処理材より硬く微細な粒子が高速で油井管用ネジ継手を構成する材料表面に噴射され吹き付けられる。かくして、材料表面近傍の比較的浅い部位に圧縮方向の最大残留応力が形成され、これにより疲労破壊の起点となる亀裂の発生が抑制される。噴射される粒子は微細であるので、油井管用ネジ継手の各部位が複雑な形状、細かな形状であっても、粒子が満遍なく吹き付けられる。したがって、油井管用ネジ継手の表面部全面に亘り一様に疲労破壊強度の向上をはかることが可能となる。
【００１４】
上記第２の態様において、ネジ形状がＡＰＩの、バットレスネジ、又はラウンドネジのいずれかであることとしてもよい。
【００１５】
このようにすれば、従来の粒子径の大きなショットピーニングでは不可能であったネジ底コーナー湾曲部にまで粒子の噴射を行き亘らせて、十分な疲労強を確保するというマイクロショットピーニングの特徴を享受することができる。
【００１６】
上記第２の態様（変形例を含む。）において、粒子径が５０〜１００μｍであることが好ましい。
【００１７】
このように構成した場合には、油井管用ネジ継手を構成する材料表面近傍のさらに浅い部位に、より大きな最大圧縮方向残留応力を発生させることができ、疲労破壊強度がさらに向上する。
【００１８】
本発明において、ひとつのピークを有する粒子径分布を備えた粒子を使用してもよい。また、それぞれ異なるピークを有する複数種類の粒子を混合して使用してもよい。さらに、粒子径ピークが異なる２種類以上の粒子を用意して、一の粒子を噴射した後、他の粒子を順次噴射するように構成してもよい。このように構成した場合には、噴射後の被処理材表面粗さを小さなものにするという観点から、粒子径の大きなものから先に噴射することが好ましい。仕上げ表面粗さを小さくすることにより、より高い疲労破壊強度を得ることができる。
【００１９】
また上記第２の態様（各変形例を含む。）において、噴射・吹き付け処理は、不完全ネジ部にのみ行うことが好ましい。
【００２０】
このように構成した場合には、そのメカニズムは定かではないが、さらに疲労破壊強度を高めることが可能である。
【００２１】
さらに、上記第２の態様（各変形例を含む。）において、噴射・吹き付け処理は、３秒／ｃｍ２  （被処理面１ｃｍ２  あたり、３秒以下で噴射・噴き付け処理を行う。）以下で行われることが好ましい。
【００２２】
このようにすれば、効率的にマイクロショットピーニング処理を油井管用ネジ継手に適用することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によりマイクロショットピーニングを油井管用ネジ継手に適用して、疲労破壊強度の向上をはかることができる。マイクロショットピーニングの適用によって、他の手段に比べ比較的安価で容易に目的を達することができるとともに、他の手段、例えば浸炭や窒化処理との組み合わせにより、更なる疲労破壊強度の向上をはかることも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下本発明を実施例に基づき具体的に説明する。
【実施例１】
【００２５】
バットレスネジタイプのネジ形状を持った油井管用特殊ネジ継手の雄ネジ部を軸方向に幅２５ｍｍの短冊状に切り取り、マイクロショットピーニングによりネジ底部の表面残留応力がどのように変化するかショット条件を変えて調査した。
＜供試材母材＞
供試材母材として、油井管用特殊ネジ継手の雄ネジ部を使用した。油井管用特殊ネジ継手の仕様は以下のとおりであった。
呼び外径  １７７．８０ｍｍ
呼び肉厚  １１．５１ｍｍ
材質      ＡＰＩ  Ｐ１１０
降伏応力≧７５８ＭＰａ
＜供試材形状及び表面残留応力測定位置＞
図１に示すように、上記油井管用特殊ネジの雄ネジ部を軸方向に幅２５ｍｍ、長さ約１２０ｍｍの短冊状に切り出して供試材とした。表面残留応力の測定部位は図１で「×」印で示されている箇所である。これは不完全ネジ部（ネジ底）のほぼ中央である。なお、参考までに当該ネジ山の形状をその寸法とともに図２に示す。
＜マイクロショットピーニング処理条件＞
炭素含有量０．８〜１．０％の炭素鋼微粒子（ＨＲＣ６０以上）を使用した。粒子径（中央値）は、０．５ｍｍ、５０μｍ、０．５ｍｍと５０μｍとの混合物の３種類で実施した。吹き付け圧力は、０．３ＭＰａ、０．４ＭＰａ、及び、０．５ＭＰａの３条件で行った。ノズル距離（ノズル噴射孔から、被処理材表面までの距離）は、１００〜１５０ｍｍとして、各条件において一定にして行った。各処理におけるマイクロショットピーニングの処理時間は、２秒／ｃｍ２であった。
＜軸方向残留応力＞
微小部エックス線応力測定装置を使用した。特性エックス線ＣｒＫαによった。測定条件は以下のとおりであった。
回折面：（２１１）
回折角：１５６．４
管電圧：４０ＫＶ
管電流：３０ｍＡ
測定方向：軸方向
測定位置：管底中央部
測定方法：並傾法
測定結果をマイクロショットピーニング処理条件とともに表１に示す。
【００２６】
【表１】
2005221038.tif 000003
【００２７】
ここに残留応力の数値が「＋」の場合は引張方向、「−」の場合は圧縮方向の応力を表している。マイクロショットピーニング処理を施す前（比較例１−１）の軸方向残留応力は、＋４００ＭＰａであったのに対して、処理後の軸方向残留応力はいずれも−４５０ＭＰａ以下であった。したがってマイクロショットピーニング処理によって、１０００ＭＰａ程度の軸方向圧縮残留応力が増加されたことがわかる。
【実施例２】
【００２８】
実施例１と同一パイプ材を使用し、平面加工した部分で、マイクロショットピーニング処理を行い、処理の前後の軸方向圧縮残留応力を深さ方向に調査した。
＜供試材形状及び表面残留応力測定位置＞
本実施例に使用された供試材の形状を図３に示す。図３において、供試材左側略三分の一に黒皮面が配置され、残余の部分はシーリング加工面である。シーリング加工面を
ａ：ｂ＝１：２
とした場合の図中の「×」印が付されている点を測定点として、その表面から１０μｍ毎に５０μｍの深さまで残留応力を測定した。マイクロショットピーニング処理条件は以下のとおりである。
＜マイクロショットピーニング処理条件＞
炭素含有量０．８〜１．０％の炭素鋼微粒子（ＨＲＣ６０以上）を使用した。粒子径（中央値）は、
ａ：５０μｍ
ｂ：２００〜６００μｍ
ｃ：ａとｂとの混合
ｄ：１００μｍ
の条件で実施した。吹き付け圧力は全て０．５ＭＰａ、ノズル距離（ノズル噴射孔から、被処理材表面までの距離）は、１００〜１５０ｍｍ、処理時間は約２秒／ｃｍ２で、一定にして行った。
測定結果をマイクロショットピーニング処理条件とともに表２、及び図４に示す。
【００２９】
【表２】
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【００３０】
また、実施例（２−１）〜（２−４）の各供試材に関して、マイクロショットピーニング処理前後の軸方向残留応力の変化量を表３、及び図５に示す。
【００３１】
【表３】
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【００３２】
軸方向圧縮残留応力の変化は表面で最も大きく、深くなるに従い小さくなる傾向あるが、表面から５０μｍ深さ位までは軸方向圧縮残留応力は４００〜６００ＭＰａであり、マイクロショットピーニングの効果が現われているといえる。また、比較例２にあるように、処理前の機械加工（ミーリング）面での残留応力測定結果をみると、表面で引張の残留応力が＋５００ＭＰａ近くある。そして、この残留応力は深くなるに従い減少し、３０μｍ深さで引張から圧縮の残留応力に変化して、深さ５０μｍで２００ＭＰａの圧縮残留応力となっている。これは加工による引張の残留応力が表面に発生していることを物語っている。  実施例１におけるネジ加工面も表面の残留応力が引張の残留応力＋４００ＭＰａである（比較例１−１参照）ことから、実施例１においても、ほぼ同様の深さ方向の残留応力分布になっていると考えられる。これら実施例１及び実施例２のデータから、マイクロショットピーニング処理によって、表面部分の残留応力が引張方向から圧縮方向へと大きく変化していることがわかる。
【実施例３】
【００３３】
実体試験を行い、実際の効果を確認した。
＜供試材＞
寸法：呼び外径１７７．８ｍｍ  x  呼び肉厚１１．５１ｍｍ
材質：油井管材料Ｐ１１０
降伏強度：７５８ＭＰａ〜９６５ＭＰａ（１１０ｋｓｉ〜１４０ｋｓｉ）
最小抗張力：８６２ＭＰａ（１２５ｋｓｉ）
ネジ継手：ＯＣＴＧ用特殊継手
（メタルシールトルウショルダー付  バットレスタイブネジ形状）
＜試験条件＞
（１）疲労試験方式：四点曲げ方式回転曲げ疲労試験
試験機の概要及び概略寸法を図６に示す。
（２）試験条件
曲げ設定角度：１３°／３０．４８ｍ（１３°／１００ｆｔ；１００フィートの円弧の長さを見込む角度が１３°である。ねらい設定応力±１３．８ＭＰａ）
回転速度：１６６ｍｉｎ−１（１６６ｒｐｍ）
封入ガス内圧が約０．５ＭＰａ低下することによりクラック発生を検知。
（３）ショットピーニング条件
吹付圧力：０．４ＭＰａ
吹付距離：１００〜１５０ｍｍ
吹付時間：約１秒／ｃｍ２
ショット粒材質：０．８〜１．０％Ｃの炭素鋼（ＨＲＣ６０以上）
粒径：表４に表示
（４）評価方法
クラック発生までの試験回転数を調査した。マイクロショットピーニング未処理の供試材に関する試験回数と比較して評価した。
＜試験結果＞
粒径及び試験結果を表４に示す。なお、結果表示における
「ネジ部クラック」とは、試験対象のネジ部にクラックが発生したもの、
「曲げ負荷部クラック」とは、図６において参照符号１、２の位置、すなわち負荷部ベアリング内輪がパイプ外面と接する端の部分にクラックが発生し、テスト対象部のネジ部は損傷なくテスト中断となったもの、
「本体キズ部クラック」とは、図６において参照符号３の位置のパイプ本体に加えられたキズ（継手ネジ込み時のチャックキズ等）の部分よりクラックが発生し、テスト対象のネジ部は損傷なくテスト中断となったもの、
「本体表面欠陥部クラック」とは、図６において、参照符号４が付されている位置（継手部と負荷部との間）のテストパイプ本体表面の小さい表面欠陥（通常パイプの仕様としては問題にならない小さいもの）を起点とするクラックが発生し、テスト対象のネジ部は損傷なくテスト中断となったもの、
をそれぞれ表している。
【００３４】
【表４】
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【００３５】
表４の試験結果から明らかなように、ネジ継手表面にマイクロショットピーニング処理を施すことにより、クラック発生までの試験回転数が増加しており、疲労破壊強度が向上していることが確認された（実施例３−１〜３−８）。これらの中でも粒子径５０μｍの粒子を使用したもの（実施例３−１、５、６、７）は、未処理のものと比較して試験回転数が２倍以上となり、顕著な効果を示した。また、マイクロショットピーニングを不完全ネジ部のみに施したもの（実施例３−７）は、さらに試験回転数が向上した。
【００３６】
ただし、マイクロショットピーニング処理を施したもののうち、実施例３−１以外はネジ継手以外の部位において発生したクラックにより試験中断されている。これらについては、継手部の疲労破壊強度は少なくとも表４の試験結果に示す数値までは向上されているといえる。実質的には、継手部の疲労破壊強度は表４の試験結果の数値以上に向上していたものと推定される。
【００３７】
以上、現時点において、最も、実践的であり、かつ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う油井管用継手、及びその製造方法もまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施例１で使用された供試材の形状と測定位置を示す図である。
【図２】図１の供試材に形成されたネジ山の形状と寸法とを示す図である。
【図３】実施例２で使用された供試材の形状と測定位置を示す図である。
【図４】深さ方向の軸方向圧縮残留応力測定値を示すグラフである。
【図５】深さ方向の軸方向圧縮残留応力変化量を示すグラフである。
【図６】四点曲げ方式回転曲げ疲労試験機の構成を示す図である。
【図７】バットレスネジ形状を示す図である。
【図８】ＡＰＩラウンドネジ形状を示す図である。
【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】
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