(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端から中央部に向かって狭まる内周面に雌ネジが形成され、且つ内径に中央突出部がないカップリングの左右に、先端に前記カップリングの雌ネジに嵌合する雄ネジが形成された第１と第２のパイプがネジ締め嵌合されるパイプのネジ継手構造であって、
前記第１のパイプの前記カップリングに対する締め付け距離を、前記パイプの外径が９インチ以下の場合には、０．０５０インチから０．１５０インチの範囲内で第１のパイプの方を長くし、前記パイプの外径が９インチを越える場合には、０．１５０インチから０．２５０インチの範囲内で第１のパイプの方を長くしていることを特徴とするパイプのネジ継手構造。
【請求項２】
前記カップリングはその左右側に雌ネジが対称に形成され、前記第１および第２のパイプの雄ネジ部先端には該第１のパイプと該第２のパイプの前記カップリングに対するネジ締め付け距離の差異を規定する突出部が形成されてなり、
前記第１のパイプが前記カップリングの左側または右側の片側において前記カップリングの中央位置までネジ締め嵌合されて該第１のパイプの突出部が前記カップリングの他方側に突出しており、
前記第２のパイプは前記カップリングの他方側にネジ締め嵌合されて該第２のパイプの突出部が前記第１のパイプの突出部に突き合わされた状態となっている、ことを特徴とする請求項１に記載のパイプのネジ継手構造。
【請求項３】
両端から中央部に向かって狭まる内周面に雌ネジが形成されたカップリングの左右端から、先端に前記カップリングの雌ネジに嵌合する雄ネジが形成された第１と第２のパイプを挿入してネジ締め嵌合するパイプのネジ継手方法であって、前記第１のパイプを前記カップリングの左側または右側の片側に締め付け嵌合した後に、前記第２のパイプを前記カップリングの他方側に締め付け嵌合する方法において、
前記カップリングに対する前記第１のパイプと前記第２のパイプのネジ締め付け距離を、前記パイプの外径が９インチ以下の場合には、０．０５０インチから０．１５０インチの範囲内で第１のパイプの方を長くし、前記パイプの外径が９インチを越える場合には、０．１５０インチから０．２５０インチの範囲内で第１のパイプの方を長くする、ことを特徴とするパイプのネジ継手方法。
【請求項４】
前記カップリングはその左右側に雌ネジが対称に形成され、前記第１および第２のパイプの雄ネジ部先端には該第１のパイプと該第２のパイプのネジ締め付け距離の差異を規定する突出部が形成されてなり、
前記第１のパイプを前記カップリングの左側または右側の片側において前記カップリングの中央位置までネジ締め嵌合して該第１のパイプの突出部を前記カップリングの他方側に突出させ、
前記第２のパイプを、該第２のパイプの突出部が前記第１のパイプの突出部に突き合わさるまで前記カップリングの他方側にネジ締め嵌合する、ことを特徴とする請求項３記載のパイプのネジ継手方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は油井、地熱井、ガス井などにおいて用いられて、それらの流体を取り出す油井管などのパイプの継手構造および継手方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
油井管は、複数連結されて井戸に降ろされる。その場合、１０ｍ前後のパイプの端部外周面に切られたピン（ＰＩＮ）と呼ばれる雄ネジと、カップリングと呼ばれる継手に切られた雌ネジ（ＢＯＸ）を組合わせて、それらの油井管が連結される。この連結に使用されるピンおよびカップリングは、一般にはＡＰＩ（Americam  Petroleum  Institute）で規定されているものが用いられる。しかし、そのカップリングを用いて油井管を普通につなぐと、カップリングの内面には、図４に示すように、ピンとピンの間に隙間が生じ、そのため内面が平滑でなくなって、内面を流れる油やガスが乱流を起こし腐食の原因になることがある。
これを防止する手段として、一つには、プレミアム  コネクション（Premium connection）と呼ばれる高価な特殊ネジを使う方法がある。
【０００３】
一方、上記の高価な特殊ネジを使う代わりに、図５のごとく、カップリングの長さを切りつめて、左右のピン同士がカップリングの中央で合わさる「突き合わせカップリング」と呼ばれる方式も採用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の突き合わせカップリング方式の場合、図６（ａ）に示すように、工場において一方のパイプをカップリングにネジ締め嵌合して出荷し、そのカップリングに現場の井戸などで他方のパイプをネジ締め嵌合して連結する。しかしながら、従来のカップリング方式にあっては、工場側でのピンのネジ締め付け距離と、現場でのピンのネジ締め付け距離とが同じ設定になっているため、工場側で行ったピンとカップリングとのネジ締め付け力が、現場で締め付ける別のピンとカップリングとのネジ締め付け力より緩い場合が発生する。その場合には、現場でのピン締め付け時、図６の（ｂ）に示すように、工場側で締め付けたピンも一緒に回り出して（これを共回りと呼ぶ）、工場側で締め付けたピンがカップリングの中央を超えて他方のピン側に突き出して干渉してしまう。そして、いったん共回りが起こると、工場側で締め付けたピンの止まる位置が制御できないため、現場で締め付けたピンの締め付け力が不十分になり、パイプの内部を通る石油やガスがネジ部を通じて外面にリークする恐れが生じる。
【０００５】
また、従来の突き合わせカップリング方式の場合、ピンの最先端のベベル部の残肉については、ＡＰＩによって何ら規定されていない為、これらパイプのピンの突き合わせ時、場合によっては先端の残肉が薄すぎて、締め付け時のトルクによってピン先端が大きく変形してしまう恐れもある。
【０００６】
本発明は、上記のような従来の突き合わせカップリング方式の問題を解決する新たな突き合わせカップリング方式を開発し、高価な特殊ネジを使わずに、ＡＰＩの規格ネジまたはその規格ネジの一部を変更したネジを利用して、乱流の発生が抑制されかつ本来のネジのシール性能も維持出来る、経済的なパイプのネジ継手構造およびパイプのネジ継手方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明のパイプのネジ継手構造は、両端から中央部に向かって狭まる内周面に雌ネジが形成されたカップリングの左右に、先端に前記カップリングの雌ネジに嵌合する雄ネジが形成された第１と第２のパイプがネジ締め嵌合されるパイプのネジ継手構造であって、前記第１のパイプの前記カップリングに対する締め付け距離を、前記第２のパイプの前記カップリングに対する締め付け距離より大きくしている。
（２）また、前記カップリングに対する前記第１のパイプと前記第２のパイプのネジ締め付け距離を、前記パイプの外径が９インチ以下の場合には、０．０５０インチから０．１５０インチの範囲内で第１のパイプの方を長くし、前記パイプの外径が９インチを越える場合には、０．１５０インチから０．２５０インチの範囲内で第１のパイプの方を長くしている。
（３）さらに、前記カップリングはその左右側に雌ネジが対称に形成され、前記第１および第２のパイプの雄ネジ先端には該第１のパイプと該第２のパイプの前記カップリングに対するネジ締め付け距離の差異を規定する突出部が形成されてなり、前記第１のパイプが前記カップリングの左側または右側の片側において前記カップリングの中央位置までネジ締め嵌合されて該第１のパイプの突出部が前記カップリングの他方側に突出しており、前記第２のパイプは前記カップリングの他方側にネジ締め嵌合されて該第２のパイプの突出部が前記第１のパイプの突出部に突き合わされた状態となっている。
【０００８】
（４）本発明のパイプのネジ継手方法は、両端から中央部に向かって狭まる内周面に雌ネジが形成されたカップリングの左右端から、先端に前記カップリングの雌ネジに嵌合する雄ネジが形成された第１と第２のパイプを挿入してネジ締め嵌合するパイプのネジ継手方法であって、前記第１のパイプを前記カップリングの左側または右側の片側に締め付け嵌合した後に、前記第２のパイプを前記カップリングの他方側に締め付け嵌合する方法において、前記カップリングに対する前記第１のパイプと前記第２のパイプのネジ締め付け距離を、前記パイプの外径が９インチ以下の場合には、０．０５０インチから０．１５０インチの範囲内で第１のパイプの方を長くし、前記パイプの外径が９インチを越える場合には、０．１５０インチから０．２５０インチの範囲内で第１のパイプの方を長くする。
（５）また、前記カップリングはその左右側に雌ネジが対称に形成され、前記第１および第２のパイプの雄ネジ部先端には該第１のパイプと該第２のパイプのネジ締め付け距離の差異を規定する突出部が形成されてなり、前記第１のパイプを前記カップリングの左側または右側の片側において前記カップリングの中央位置までネジ締め嵌合して該第１のパイプの突出部を前記カップリングの他方側に突出させ、前記第２のパイプを、該第２のパイプの突出部が前記第１のパイプの突出部に突き合わさるまで前記カップリングの他方側にネジ締め嵌合する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
従来例で示したパイプ連結部で生じる乱流を防ぐためには、パイプの先端同士をカップリングを利用して突き合わせるネジ継手の設計において、現場での締め付け時に生じやすい共回りを確実に防ぐことが必要になる。
そのために、本発明では、カップリングに先に締め付けるピンのネジ締め付け長さ（または深さ）を、後から現場で締め付けるピンのそれより長くして、先に締め付けたピンの締め付け力を、後から現場などで締め付けるピンの締め付け力より大きくする。このための手段として、ここでは、工場など取り付けるパイプの雄ネジを左右対象なカップリングの中央部まで締め付けて嵌合させ、その先端部をカップリングの反対側領域へ突出させる。そうすることで、その先端部の突出長さ分だけ、現場で締め付けるパイプのネジ締め付け長さを短くして、その締め付け力を小さくする。
実験によれば、工場でのネジ締め付け長さと、現場の井戸などでのネジ締め付け長さの差ｄを下記のように決めることにより共回りを防ぐことが出来る。
（ｉ）管外径が９インチ（約２２８．６ｍｍ）以下の場合
0.050インチ（約１．２７ｍｍ）≦ｄ≦0.150インチ（約３．８１ｍｍ）。
（ii）管外径が９インチ（約２２８．６ｍｍ）越えの場合
0.150インチ（約３．８１ｍｍ）≦ｄ≦0.250インチ（約６．３５ｍｍ）。
【００１０】
また、カップリングの長さ、およびそのカップリングに対する各パイプのネジ締め付け位置については、製作誤差を考慮に入れて次のように決定する。すなわち、公差を考慮して想定される最も小さいピンネジ径と最も大きなカップリングネジ径の組み合わせとなっても、締め付け力の小さい嵌合側で流体のリークが起きず、また、想定される最も大きいピンネジ径と最も小さなカップリングネジ径の組み合わせとなっても、締め付け力の大きい嵌合側でカップリングに過大な応力がかからないようにする。
【００１１】
さらに、工場で締め付けるパイプの先端部と現場で締め付けるパイプの先端部同士を突き合わせることで、後から締め付けるパイプのネジ締め付け長さを規定しているため、各パイプの先端部肉厚は、それら締め付け時のトルクに耐え得る肉厚を確保する。そのためには、パイプの先端部の外径をなるべく大きくしておけばよいが、パイプの先端部はカップリング中央部の最狭部を通過できる形状となっている必要がある。そこで、パイプの先端部の外径は、雄ネジ最先端の谷部径より僅かに狭い外径、例えば、雄ネジ最先端の谷部外径−０．５ｍｍ、とするのがよい。これによって、パイプの先端部の肉厚を最大に保つことができる。
【００１２】
図１は本発明の実施形態に係るパイプのネジ継手構造を得るための工程図である。図１において、１０は両端から中央部に向かって狭まる内周面に雌ネジ１１，１２が形成されたカップリング、２０はカップリング１０の雌ネジ１１、１２に嵌合する雄ネジ２１を端部に備えた第１のパイプ、３０はカップリング１０の雌ネジ１１，１２に嵌合する雄ネジ３１を端部に備えた第２のパイプである。
なお、異なる部品を場合によって使い分けする必要がないように、カップリング１０はその中心線を境に左右対称に雌ネジが形成されているのが望ましく、また、第１のパイプ２０と第２のパイプ３０はそれらのピン部（雄ネジ部２１＋突出部２２または雄ネジ部３１＋突出部３２）も含めて、それらを区別なく使用できるように同じ形状に形成するのが望ましい。
【００１３】
第１のパイプ２０と第２のパイプ３０の端部に形成された雄ネジ２１，３１の仕様は、ＡＰＩ規定のピン（ネジ）の仕様と同じとする。さらに、本実施形態の各パイプ２０，３０には、それら雄ネジ２１，３１部の先端に、連結時に互いに突き合わせられる突出部２２，３２が形成されている。
上記突出部２２，３２が突き合わされた状態におけるこれらの突出部２２、２３の管軸方向合計長さは、上記パイプ２０，３０のカップリングに対するネジ締め付け距離の差に対応する。
【００１４】
図２は各パイプの雄ネジ２１，３１の先端に形成される突出部２２，３２の一例を示す構造図である。図２に示すように、突出部２２，３２の外径は、それらのピンを構成する雄ネジ２１，３１の最先端の谷底部の外径より僅かに小さくしている。これによれば、ピン部をカップリングへ挿入して締め付ける際に、突出部２２，３２（実際には、突出部２２，３２のいずれか一方）がカップリング中央の最狭部を通過でき、しかも、ねじ締め嵌合により突出部２２，３２が互いに突き合わされる場合にも、それらがトルクにより変形するのを回避できる。
【００１５】
本発明の実施形態に係るパイプのネジ継手構造は、第１のパイプ２０と第２のパイプ３０とが、カップリング１０を利用して以下のステップにより連結されてなるものである。
（ステップ１；図１（ａ））
工場などで、第１のパイプ２０をカップリング１０の左側または右側のいずれか片側の雌ネジ、例えば雌ネジ１１にねじ締め嵌合する。その際、第１のパイプ２０は、その雄ネジ２１をカップリング１０の中央部までネジ締め嵌合し、その突出部２２をカップリング１０の他方側に突出させた状態に位置させる。
（ステップ２；図１（ｂ））
現場の油井などにおいて、上記ステップ１により第１のパイプ２０が取り付けられたカップリング１０の他方側の例えば雌ネジ１２に、第２のパイプ３０をねじ締め嵌合する。その際、第２のパイプ３０は、その突出部３２が第１のパイプ２０の突出部２２と突き合わされた状態となるまで、カップリング１０の他方側雌ネジ１２から締め付けられてねじ締め嵌合される。
【００１６】
【実施例】
次に、本発明の実施例に係るネジ継手方法および構造を示す。図３は本発明の実施例に係るパイプのネジ継手構造を得るための工程図である。なお、ここでは、以下に示すパイプとカップリングを使用する。
・連結しようとする第１および第２のパイプ２０，３０の寸法：外径９-5/8インチ（約２４４．４７ｍｍ）、肉厚０．３５２インチ（約８．９４ｍｍ）。
・パイプのピン部：雄ネジ２１，３１部はＡＰＩ仕様のバットレスネジ（Buttress thread）の仕様と同じであり、そのネジの先端に第１および第２のパイプ２０，３０のネジ締め付け長さを調整するための突起部２２，３２を設ける。なお、２つの突起部２２，３２の形状は同じとする。また、ここでは連結しようとするパイプの外径が９インチを越えているので、それら突起部の管軸方向合計長さは、０．１５０インチ（約３．８１ｍｍ）から０．２５０インチ（６．３５ｍｍ）の範囲に入るようにする。この実施例では、各雄ネジ２１，３１の先端に、０．１００インチ（約２．５４ｍｍ）長さの突起部２２，３２を形成している。
・突起部の肉厚：突起部２２，３２の外径を雄ネジ２１，３１の最先端谷底部の外径より約０．５ｍｍ小さくして、突起部２２，３２の肉厚を約５．２ｍｍとしている。
・カップリング：ＡＰＩ仕様の１０．６２５インチ（約２６９．８７ｍｍ）の長さに対し、本実施例では、１０．０２５インチ（約２５４．６３ｍｍ）の長さとする。
【００１７】
第１のパイプ２０は、そのピン部がカップリング１０の片側から挿入され、その雄ネジ２１の先端がカップリング１０の中央位置まで来るようにカップリング１０の雌ネジ１１に締め付け嵌合される。従って、第１のパイプ２０の突出部２２は、カップリング１０の他方側、この場合には雌ネジ１２が形成されている側に突出する。なお、雄ネジ２１の雌ネジ１１に対する締め付け距離は、その手嵌め位置からカップリング１０の中央位置までの約１７．８ｍｍとなる。
第２のパイプ３０は、そのピン部がカップリング１０の他方側から挿入され、その雄ネジ３１は、カップリング１０の手嵌め位置から、第２のパイプ３０の突出部３２が第１のパイプ２０の突出部２２に突き合わされるまでカップリング１０の雌ネジ１２に締め付け嵌合される。従って、雄ネジ３１の雌ネジ１２に対する締め付け距離は、突出部２２，３２の管軸方向合計長さ０．２００インチ（約５．０８ｍｍ）だけ、雄ネジ２１と雌ネジ１１の締め付け距離より短くなる。
【００１８】
ＡＰＩ仕様のバットレスネジのピッチ径の公差はピン、カップリングともに、±０．００３インチであり、最もゆるい組み合わせ（ピン最小径＋カップリング最大径）において、第１のパイプ２０をカップリング１０の中央まで締め付けたときの締め付けトルクは10,900ft・lbsとなり、最もきつい組み合わせ（ピン最大径＋カップリング最小径）において、第２のパイプ３０をカップリング１０の他端から締め付けると10,600ft・lbsとなる。従って、２つの突起部２２，３２同士が突き合わさるまで、共回りせずに第２のパイプ３０を締め付けることが出来る。またネジ先端の突出部２２，３２の肉厚５．２ｍｍも、締め付けトルクに充分耐え得ることができた。
【００１９】
次に、上記実施例によるネジ継手構造の性能を検討する。
シール条件が最も悪いのは、一番ゆるい組み合わせ（ピン最小径＋カップリング最大径）を、第２のパイプ３０により締め付けた場合である。しかし、この時ネジの嵌合部に発生する接触面圧は２２．７Mpa となり内部を通る流体のリーク防止するに充分である。
またパイプとカップリングとを締め付けたときに、カップリング１０に発生する円周方向の“たが応力”が最も大きくなるのは、一番きつい組み合わせ（ピン最大径＋カップリング最小径）を、第１のパイプ２０により締め付けた場合である。しかし、この時のたが応力は３９０．０Mpa となりカップリング１０を破壊するような過大な応力には至っていない。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の構造または方法によれば、高価な特殊ネジを使うことなく、ＡＰＩの規格ネジ継手を、その一部を変形して利用することで、乱流の発生が抑制されかつ本来のネジのシール性能も維持出来る、経済的なパイプのネジ継手が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るパイプのネジ継手構造を得るための工程図。
【図２】パイプの先端部に形成された突出部の一例を示す構造図。
【図３】本発明の実施例に係るパイプのネジ継手構造を得るための工程図。
【図４】従来のパイプのネジ継手構造を示す構造図。
【図５】突き合わせ方式による従来のパイプのネジ継手構造を示す構造図。
【図６】従来の突き合わせ方式による問題点の説明図。
【符号の説明】
１０  カップリング
１１  カップリングの雌ネジ
１２  カップリングの雌ネジ
２０  第１のパイプ
２１  第１のパイプの雄ネジ（または雄ネジ部）
２２  第１のパイプの先端突出部
３０  第２のパイプ
３１  第２のパイプの雄ネジ（または雄ネジ部）
３２  第１のパイプの先端突出部
【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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