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JP2003514201A - 管継手 - Google Patents

管継手

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JP2003514201A
JP2003514201A JP2001536845A JP2001536845A JP2003514201A JP 2003514201 A JP2003514201 A JP 2003514201A JP 2001536845 A JP2001536845 A JP 2001536845A JP 2001536845 A JP2001536845 A JP 2001536845A JP 2003514201 A JP2003514201 A JP 2003514201A
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socket
pin
sealing
shoulder
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JP2001536845A
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クルーク，ゲルハルト
レンツェ，フリードリヒ
クアートフリーク，エーリヒ
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ヴァルレク マンネスマン オイル アンド ガス ジャーマニイ ゲーエムベーハー
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L15/00—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints
    • F16L15/001—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints with conical threads
    • F16L15/004—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints with conical threads with axial sealings having at least one plastically deformable sealing surface
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/02—Couplings; joints
    • E21B17/04—Couplings; joints between rod or the like and bit or between rod and rod or the like
    • E21B17/042—Threaded

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  • Non-Disconnectible Joints And Screw-Threaded Joints (AREA)
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  • Laying Of Electric Cables Or Lines Outside (AREA)
  • Joints That Cut Off Fluids, And Hose Joints (AREA)

Abstract

(57)【要約】 本発明は、ピン要素が、外肩部とピン端面との間に配置される円錐形雄ねじ部分と、外肩部と雄ねじ部分との間および雄ねじ部分とピン端面との間に配置されるねじ無し部分とを有し、このピン要素にねじ締め可能なソケット要素が、内肩部とソケット端面との間に配置される円錐形雌ねじ部分と、内肩部と雌ねじ部分との間および雌ねじ部分とソケット端面との間に配置されるねじ無し部分とを有する管継手に関する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、請求項１の前文に記載されたピン要素とソケット要素とを有する管
継手に関する。
【０００２】 ガスを求める海洋掘削穴はますます深くなる水深部に掘り下げられ、貯留圧力
が高くなる。これらの掘削穴は維持し修理されねばならない。しかし、そのため
に、満足しうる工具、すなわち１つの管列へとねじ込み可能な特殊管が市場には
ない。掘削作業が変更されると、下記要件を満足する管継手を備えた工具が求め
られる： −高い耐内圧強度とガス気密性、 −大まかな操作用に抵抗力の強い頑丈な設計とこの工具の多重反復使用、 −密封機能を失うことなく多重ねじ締め、 −ワークオーバ（Workover）作業用に高いねじ締めトルク、従って繰返し曲げ応
力もしくは高いトルクに対する高い初期応力、 −容易で迅速な取付けと解体、 −容易で安価な修理の可能性。
【０００３】 海洋／ワークオーバ作業は現在、比較的大きなガス気密性チュービングねじ継
手で実施され、これらのチュービングねじ継手は高いガス内圧に耐えるのに適し
ているが、しかし再ねじ締め能力が乏しいのでかなりの頻度で修理され、こうし
て数回利用できるにすぎず、すなわち費用が高くなる。さらに、このような継手
はうねり、潮流または渦振動による海洋／ワークオーバ作業時に不可避な繰返し
曲げ応力用に設計されてはおらず、繰返し曲げ強度が乏しいので再利用の可能性
は著しく限定されている。
【０００４】 フランジ継手もやはり使用できるが、しかしこれは取付けや解体時に高い時間
支出を必要とし、それゆえに費用が高くなる。
【０００５】 提起された要件に対しては一般に、特別に実施されたドリルパイプ継手、特に
内肩部と外肩部とを備えたものが適していよう。というのも、二重衝合（Doppel
stoss）を有する構造によって高いねじ締めトルクを、従って高い作業トルクも
、吸収できるからである。しかしドリルパイプ継手は比較的高いガス圧力に対し
て透過性である。例えばテフロン（登録商標）材料からなる付加的シールリング
によってガス内圧に対する密封を行いうることが公知である。しかしこの密封は
限定的に再利用可能であり、低い圧力用にのみ適している（会社冊子−Mannesma
nn OCTG−“Premium Test Drill Pipe for high pressure oil and gas wells
”（高圧油井・ガス井用ドリルパイプのプレミアムテスト）" No. 2/89参照）。
【０００６】 前文に係る管継手はＷＯ９６／０３６０５により公知である。ドリルパイプと
して使用される管継手はピン要素とこのピン要素にねじ締め可能なソケット要素
とからなり、ピン要素は外肩部とピン端面との間に配置される円錐形雄ねじ部分
と、外肩部と雄ねじ部分との間および雄ねじ部分とピン端面との間に配置される
ねじ無し部分とを有し、ソケット要素は内肩部とソケット端面との間に配置され
る円錐形雌ねじ部分と、内肩部と雌ねじ部分との間および雌ねじ部分とソケット
端面との間に配置されるねじ無し部分とを有し、ピン要素およびソケット要素の
ねじ締め状態時に向き合う、外肩部の領域にあるねじ無し部分は内肩部の領域に
あるねじ無し部分よりも長い。ねじ締め時にソケット端面に接触する外肩部は一
次肩部を形成する。
【０００７】 匹敵する管継手がＤＥ３２４５８１９Ｂ１に開示されている。やはりドリルパ
イプ継手として構成されるこの管継手は上記管継手と同じ特徴を有し、この構造
でも外肩部はねじ締め時に最初に作動される一次肩部を形成する。外肩部の領域
にあるねじ無し部分の長さは内肩部の領域にあるねじ無し部分よりもやはり長い
。さらに、ソケット端面から内肩部までの距離をピン端面から外肩部までの距離
よりも大きく選択することが提案される。これにより、手でねじ合せ時にソケッ
ト端面が外肩部に当接するとき隙間が形成される。
【０００８】 両方の公知管継手は、海洋／ワークオーバ作業用管継手に要求されねばならな
い特別な要件を満たさない。
【０００９】 本発明の課題は、二重衝合を備えた公知の管継手を改良して、海洋／ワークオ
ーバ作業用の特別な要件をそれが満たすようにすることである。特別な要件とは
内圧＞１００００ｐｓｉの高いガス気密性、繰返し曲げ応力に対する高い抵抗力
、操作時の頑丈さ、気密性を損なうことなく頻繁な再利用の可能性、迅速な取付
けと解体、容易で安価な修理の可能性である。
【００１０】 この課題は、請求項１の前文から出発して、特徴部分の特徴と合わせて解決さ
れる。有利な諸構成はそれぞれ従属請求項の対象である。
【００１１】 所要の高いトルクを吸収するために周知の如く通常の外部衝合と内部衝合が利
用される。二次的に有効となる内部衝合の負荷を付加的に制限するためにピン要
素の長いねじ無し部分が構成され、この部分が金属シールの要素を担持する。内
部衝合でのピン要素のねじ無し部分が以下ではリップ（Lippe）と称される。リ
ップの長さは外肩部のねじ無し部分の少なくとも２倍、好ましくは３倍までの長
さである。これにより、ねじ締めトルクの上昇に伴って外肩部は持分に応じて一
層負荷され、内圧負荷能力を下げる軸方向圧縮応力はリップ内で僅かなものに抑
えられる。しかし、比較的長いリップが強い撓みを受け、こうして密封座の機能
を危うくすることが不利に作用する。この問題は支持接触面を配置することによ
って解決され、これにより撓みは害のない程度に低減される。柔軟性を高めるた
めにソケット要素のねじ領域と密封領域との間に溝が設けられており、溝の機能
は、応力除去溝の意味で応力ピークを減成することによってソケット体から応力
除去することにあるのではなく、もともとは、この領域を一層柔軟にしてリップ
の圧縮を減らすことにある。同時にこの溝はそこに集まることのある過剰のねじ
締め用油脂を、有害な圧力を密封系に加えることなくねじから受容するのに役立
つ。さらに溝の寸法設計ではねじを経済的に製造するために多歯チェーザの利用
が考慮されている。
【００１２】 ソケット要素の球形に構成される接触面の半径を好適に選択し、密封座と衝合
面との距離、密封座と支持接触面の位置との距離という相互に影響し合う距離を
最適化することによって、重なり部の製造公差とピン要素およびソケット要素の
長さ差とに極力左右されない一定した十分に強い接面圧力が密封座に生成されか
つ支持接触面での変動が捕捉されることが達成される。球形に構成される接触面
は選択的に内肩部に向けられたピン要素のねじ無し部分に配置しておくこともで
き、その場合これと協動するソケット要素のねじ無し部分は直線的傾斜面として
構成される。
【００１３】 計算と分析から、主要パラメータの下記条件において希望する結果が達成され
ることが判明した。
【数４】 ＲD＝密封接触面の半径 ＲL＝シールリップの平均半径 ＲS＝支持接触面の半径
【数５】 ＵD＝密封接触面における過寸法 σ0.2＝降伏点 Ｅ＝弾性係数 ＵS＝支持接触面における過寸法
【数６】 ＬID＝内肩部と密封座との間の距離 ＳL＝平均リップ厚 ＬDS＝密封座と支持接触面との間の距離 ＬSG＝支持接触面とねじ導入部との間の距離
【００１４】 さらに、ねじ部分に生成されるねじは軸方向荷重の結果としての半径方向成分
を減らすために、匹敵するねじ（例えばＡＰＩ）よりも急峻な１５〜２０°（好
ましくは１８°）の荷重フランク（Lastflanke）を有し、ねじピッチ（Gewindes
teigung）が２．５〜４ねじ山（Gang）／インチ（好ましくは３ねじ山／インチ
）、テーパが１：４〜１：８（好ましくは１：６）であることが計算の基礎とさ
れている。密封テーパは１：３〜１：５（好ましくは１：４）とすべきである。
大きなねじピッチと急峻な密封テーパはねじ締めおよび解除中の摩擦行程を短く
し、こうして摩耗を減らす。
【００１５】 本発明の他の特徴によれば内肩部が９０°肩部として構成されている。そのこ
との利点として、密封系に不利に作用するであろうような半径方向力の発生が圧
縮時に回避される。
【００１６】 本発明により構成された管継手が図面において１実施例に基づいて詳しく説明
される。
【００１７】 図１ａには本発明により構成されたソケット要素１が、また図１ｂには本発明
により構成されたピン要素２が片側縦断面図で示してある。ソケット要素１は内
肩部３とソケット端面４との間に位置する円錐形雌ねじ部分５を有する。雌ねじ
部分５の始端とソケット端面４との間に円錐形ねじ無し部分６が配置されている
。ソケット要素１の第２ねじ無し部分２０は雌ねじ部分５の終端と内肩部３との
間にある。ソケット要素１の外径は矢印８で示してある。ソケット要素１にねじ
締め可能な本発明により構成されるピン要素２は外肩部９とピン端面１０との間
に位置する雄ねじ部分１１を有する。雄ねじ部分１１の終端と外肩部９との間に
は円筒形に構成されるねじ無し部分１２があり、ピン要素２の第２ねじ無し部分
１９は雄ねじ部分１１の始端とピン端面１０との間にある。
【００１８】 本発明によればソケット要素１の第２ねじ無し部分２０が密封部２６と溝７と
に区分されており、この溝は雌ねじ部分５の終端から密封部２６の始端まで延設
されている。密封部２６には２つの球形輪郭の接触面１３、１４が配置されてい
る。内肩部３に近い方の接触面１３は密封座として構成されており、遠く離れた
方の接触面１４は支持接触面として構成されている。密封座１３と支持接触面１
４はねじ締め時、ピン要素２のねじ無し部分１９に配置される直線的円錐面１５
と協動する。この円錐面１５の傾きは急峻に選択され、好ましくは１：４である
。雄ねじ部分１１の方向でこの円錐面が第２円錐面１６に移行しており、第２円
錐面は一層浅く傾き、好ましくは１：６の傾きを有する。傾き差に基づいて移行
面１６は密封座の損傷保護部として役立つ。移行円錐面１６の傾きは好ましくは
雌ねじ部分５および雄ねじ部分１１の傾きにも一致する。
【００１９】 ピン要素２の外肩部９は、強力ねじ締め時に最初に作用する一次肩部を形成す
る。これは、内肩部３とソケット端面との間の距離１７が外肩部９とピン端面１
０との間の距離１８よりも大きいことによって達成される。本発明により構成さ
れる管継手の他の主要特徴は、内部衝合領域におけるピン要素２のねじ無し部分
１９の長さが外部衝合領域におけるソケット要素１のねじ無し部分６の長さの少
なくとも２倍の大きさであることにある。ピン要素２の内径は矢印２１で示して
ある。
【００２０】 図２には本発明により構成されたねじ形状が拡大尺度で示してある。図２の上
部はソケット要素１の雌ねじ部分５の１ １／２歯２２．１、２２．２を部分的
に示す。下部はピン要素２の雄ねじ部分１１の歯２３．１を部分的に示す。両方
のねじ部分５、１１の基本形状はＡＰＩ規格に基づく並目丸ねじであり、１００
回以上のこともある、所要の頻繁なねじ締めにとって、そして迅速な噛合わせ、
いわゆるピン要素２とソケット要素１との「スタビング（Stabbing）」にとって
有利である。案内フランク２４はＡＰＩ回転ねじと同様に３０°の角度を有する
。ＡＰＩとは異なり、荷重フランク２５の角度は１５〜２０°、好ましくは１８
°の範囲で一層急峻である。これは、ピン要素２の雄ねじ部分１１の歯２３．１
にも同様にあてはまる。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】 本発明により構成されたソケット要素を片側縦断面図で示す。
【図１ｂ】 本発明により構成されたピン要素を片側縦断面図で示す。
【図２】 本発明により構成されたねじ形状を拡大尺度で示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ， ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，Ｋ Ｇ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ， ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，Ｓ Ｄ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ， ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 クアートフリーク，エーリヒ ドイツ連邦共和国、47800 クレーフェル ト、グローテンブルクシュトラーセ 209 Ｆターム(参考） 2D029 KA00 KA02 KA04 3H013 JC05

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ピン要素が、外肩部とピン端面との間に配置される円錐形雄
    ねじ部分と、外肩部と雄ねじ部分との間および雄ねじ部分とピン端面との間に配
    置されるねじ無し部分とを有し、このピン要素にねじ締め可能なソケット要素が
    、内肩部とソケット端面との間に配置される円錐形雌ねじ部分と、内肩部と雌ね
    じ部分との間および雌ねじ部分とソケット端面との間に配置されるねじ無し部分
    とを有し、ねじ締め状態時に向き合う、内肩部領域におけるピン要素およびソケ
    ット要素のねじ無し部分が、ピン要素およびソケット要素の外肩部領域にあるね
    じ無し部分とは異なる長さを有する管継手において、 ねじ締め時にソケット端面（４）に接触するピン要素（２）の外肩部（９）が一
    次肩部を形成し、かつピン端面（１０）と外肩部（９）との間の距離（１８）が
    ソケット要素（１）のソケット端面（４）と内肩部（３）との間の距離（１７）
    よりも短く、 内肩部（３）もしくはピン端面（１０）の領域にあるねじ無し部分（１９、２０
    ）が外肩部（９）もしくはソケット端面（４）の領域にあるねじ無し部分（６、
    １２）の少なくとも２倍の長さであり、その際、ソケット要素（１）のねじ無し
    部分（２０）が溝（７）と密封部（２６）とを有し、ピン要素（２）のピン端面
    （１０）に最も近いねじ無し領域（１５）がねじ締め状態時にソケット要素（１
    ）の密封部（２６）に接触しかつ金属シールを形成し、密封部（２６）が軸方向
    で離間した２つの接触面（１３、１４）を備えており、そのうち密封座として役
    立つ接触面（１３）が内肩部（３）の近くに配置され、支持作用を及ぼす第２接
    触面（１４）が内肩部から遠くに配置されており、柔軟性を高めるために設けら
    れる溝（７）がねじ部分（５）と密封部（２６）との間に配置されていることを
    特徴とする、管継手。
  2. 【請求項２】 内肩部（３）もしくはピン端面（１０）の領域にあるねじ無
    し部分（１９、２０）が、外肩部（９）もしくはソケット端面（４）の領域にあ
    るねじ無し部分（６、１２）の３倍の長さであることを特徴とする、請求項１記
    載の管継手。
  3. 【請求項３】 雌ねじ部分（５）と雄ねじ部分（１１）が並目標準ねじを備
    えており、標準ねじの荷重フランク（２５）が１５〜２０°の角度範囲を、また
    案内フランク（２４）が３０°の角度を有することを特徴とする、請求項１又は
    ２記載の管継手。
  4. 【請求項４】 荷重フランク（２５）が１８°の角度を有することを特徴と
    する、請求項３記載の管継手。
  5. 【請求項５】 ねじピッチが２．５〜４ねじ山／インチの範囲内であること
    を特徴とする、請求項３又は４記載の管継手。
  6. 【請求項６】 ねじピッチが３ねじ山／インチであることを特徴とする、請
    求項５記載の管継手。
  7. 【請求項７】 ねじ部分（５、１１）のテーパが１：４〜１：８の範囲内で
    あることを特徴とする、請求項３乃至６のいずれか１項記載の管継手。
  8. 【請求項８】 ねじ部分（５、１１）のテーパが１：６であることを特徴と
    する、請求項７記載の管継手。
  9. 【請求項９】 ピン要素（２）が、斜めに延びる直線的接触面をねじ無し部
    分（１９）に有し、ソケット要素（１）が、それと協動する凸面球形に構成され
    る２つの接触面（１３、１４）を有することを特徴とする、請求項１乃至８のい
    ずれか１項記載の管継手。
  10. 【請求項１０】 ソケット要素（１）の球形に構成される接触面（１３、１
    ４）の半径がピン要素（２）のリップの平均半径よりも大きく、密封接触面（１
    ３）の半径が支持接触面（１４）の半径よりも常に小さく、 【数１】 ＲD＝密封接触面の半径 ＲL＝シールリップの平均半径 ＲS＝支持接触面の半径 であることを特徴とする、請求項９記載の管継手。
  11. 【請求項１１】 接触面（１３、１４）における過寸法（ソケット要素（１
    ）−ピン要素（２）の直径差）が素材に依存しており、支持接触面（１４）にお
    ける過寸法が密封接触面（１３）の過寸法よりも常に小さく、 【数２】 ＵD＝密封接触面における過寸法 σ0.2＝降伏点 Ｅ＝弾性係数 ＵS＝支持接触面における過寸法 であることを特徴とする、請求項９又は１０記載の管継手。
  12. 【請求項１２】 密封接触面（１３）とピン要素（２）の末端（１０）との
    間の距離、密封接触面（１３）と支持接触面（１４）との間の距離、そして支持
    接触面（１４）とねじ導入部（１１）との間の距離が、下記条件 【数３】 ＬID＝内肩部と密封座との間の距離 ＳL＝平均リップ厚 ＬDS＝密封座と支持接触面との間の距離 ＬSG＝支持接触面とねじ導入部との間の距離 を満足することを特徴とする、請求項９乃至１１のいずれか１項記載の管継手。
  13. 【請求項１３】 ピン要素（２）の直線的接触面のテーパの傾きが１：３〜
    １：５の範囲内であり、次にこの傾きはねじ部分（１１）に一致した傾きに移行
    することを特徴とする、請求項７乃至１２のいずれか１項記載の管継手。
  14. 【請求項１４】 ピン要素（２）の直線的接触面のテーパの傾きが１：４で
    あることを特徴とする、請求項１３記載の管継手。
  15. 【請求項１５】 内肩部（３、１０）が９０°肩部として構成されているこ
    とを特徴とする、請求項１乃至１４のいずれか１項記載の管継手。
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