JP4218423B2

JP4218423B2 - Threaded joints for steel pipes

Info

Publication number: JP4218423B2
Application number: JP2003152696A
Authority: JP
Inventors: 圭司松本; 邦夫後藤; 敏朗安楽; 重夫永作; 秀男山本
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2003-05-29
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2023-05-29
Also published as: JP2004053013A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面に潤滑被膜を有する鋼管用ねじ継手に関し、より詳しくは、耐焼付き性に優れ、締付け・緩めの繰り返しが可能であると同時に、潤滑被膜のべとつきが小さく、異物が付着しにくい鋼管用ねじ継手に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原油やガス油といった油井の掘削に用いるチュービングやケーシング等の油井管は、一般にねじ継手を用いて接続される。油井の深さは、従来は2000〜3000ｍであったが、近年の海洋油田などの深油井では8000〜10000 ｍにも達することがある。
【０００３】
油井管の接続に使用する鋼管用ねじ継手には、使用環境下で油井管および継手自体の重量に起因する軸方向引張力といった荷重、内外面圧力などの複合した圧力、さらには地中の熱が作用する。従って、鋼管用ねじ継手には、このような過酷な環境下においても破損することなく気密性を保持することが要求される。
【０００４】
さらに、油井管の降下作業時には、組立の不具合を修正するため、一度締め込んだ継手を緩めて、再度締め直すことがよくある。ＡＰＩ (米国石油協会) では、チュービング継手においては10回の、大径のケーシング継手においては３回の、締付け (メイクアップ) と緩め (ブレークアウト) の繰り返しを行っても、ゴーリングと呼ばれる修復不可能な焼付きの発生がなく、気密性が保持されることを求めている。
【０００５】
この要求に応えて、ねじ部に加えて、ねじを持たない金属接触部分（以下、ねじ無し金属接触部という）を有する、メタルシールが可能な、気密性に優れた特殊ねじ継手が普及してきた。この種のねじ継手では、典型的には、油井管の両側の管端の外面に、雄ねじ部とねじ無し金属接触部とを有するピンが形成される。一方、スリーブ状の継手部材の内面には、ピンの雄ねじ部とねじ無し金属接触部とに嵌合するように、雌ねじ部とねじ無し金属接触部とを有する、ピンの相手方となるボックスが形成される。ピンをボックスに嵌め込み、ねじで締め付けることにより、ピンとボックスのねじ無し金属接触部同士が当接してメタルシール部が形成される。
【０００６】
油井管の使用環境下で上記ねじ継手のメタルシールによって十分なシール性を確保するには、ねじ無し金属接触部に非常に高い面圧を付与しなければならないため、この種のねじ継手は焼付きが発生しやすい。そのため、締め付け時に金属接触部やねじ部にコンパウンドグリスと呼ばれる、常温で粘稠液状の潤滑グリスを予め塗布して、耐焼付き性と気密性の向上を図ってきた。
【０００７】
しかし、コンパウンドグリスは、Pb、Zn、Cuといった重金属粉を多量に含有するため、塗布したグリスが洗い流されると環境汚染を引き起こす懸念がある。また、コンパウンドグリスの塗布は、作業環境を悪化させるとともに、作業効率も低下させる。従って、コンパウンドグリス等の潤滑グリスの塗布を必要とせずに使用できるねじ継手が望まれている。
【０００８】
潤滑グリスを使用しないねじ継手として、特開平８−103724号、同８−233163号、同８−233164号各公報には、エポキシ樹脂等の樹脂で二硫化モリブデン等の固体潤滑剤を結合した、固体潤滑剤を基材とする潤滑被膜 (以下、固体潤滑被膜という) をボックスまたはピンのねじ無し金属接触部に形成したねじ継手が提案されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平８−103724号公報
【特許文献２】
特開平８−233163号公報
【特許文献３】
特開平８−233164号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、固体潤滑被膜は、ねじ継手のねじやねじ無し金属接触部の形状に沿って均一な厚さに形成することが容易ではない。被膜の厚みが不均一であると、厚みが過大な部分では、ねじ継手の締結時に面圧が過大となり、締付けトルクが高くなったり、ねじ山形状の変形を生じて、焼付きが起こり易くなる。反対に、潤滑被膜が薄い部分では、潤滑不良や錆が発生し易くなる。
【００１１】
また、固体潤滑被膜は、たとえ均一な厚みで形成されていても、ねじ継手の締付け・緩めを繰り返した場合や、異物が存在する条件下では、焼付きが起こり易い。異物の存在は、例えば、油井管を組立のために直立させる際、内面に付着していた錆や、錆を除去するために投入したブラスト砥粒などが落下し、その一部がねじ部やねじ無し金属接触部に付着することで起こる。
【００１２】
固体潤滑被膜は、延性や流動性に乏しく、しかも剥離し易いため、上記条件下では、締め付け時にねじ山やねじ無し金属接触部に局部的に過大な面圧がかかり、その部分のねじ継手に塑性変形が起こって固体潤滑被膜が剥離し、被膜のない金属面が露出することがある。そうなると、金属の露出部が小さくても、焼付きがすぐに発生する。
【００１３】
さらに、固体潤滑被膜は防錆性も不十分であり、油井現場で使用する前の保管中のねじ継手の錆を十分に防止できない。錆は潤滑性に乏しいため、錆の発生とそれに伴う固体潤滑被膜の膨れまたは剥離が起こると、継手締結時の締付けトルクが一層不安定になり、焼付きが発生したり、気密性が低下することがある。
【００１４】
一方、常温で液状で、流動性のある潤滑グリスや油といった液状潤滑剤を塗布した場合には、締め込みによる圧力でねじ山の隙間や表面粗さの谷部に閉じ込められた潤滑剤がしみ出てくるため、局部的に過大な面圧がかかっても、その部分にも潤滑剤が回り込み、激しい焼付きには至らない。この作用は、液状潤滑の自己補修機能と呼ばれ、一般に液体潤滑剤の流動性が高い (粘性が低い) ほど、自己補修機能が高くなる。また、液状潤滑剤は防錆性も高い。
【００１５】
しかし、従来の液状潤滑剤では、メタルシール部を有するねじ継手に使用可能な耐焼付き性が高いものは、コンパウンドグリスのように多量の重金属を含有しているため、環境面で問題があった。また、潤滑グリスの塗布により、ねじ継手の表面がべたつくようになり、塵、砂、ゴミなどの異物がねじ部やねじ無し金属接触部に付着し易くなる。特に、組立時に油井管を直立させる際には、前述したように錆やブラスト砥粒が油井管を落下するが、ねじ継手の表面がべたついていると、これらが大量に付着する。その結果、たとえ自己補修機能が期待できる液状の潤滑グリスでも、潤滑性が低下し、締付け・緩めを繰り返した場合に焼付きが発生し易くなる。
【００１６】
本発明は、上述した固体潤滑被膜および液状グリスの問題点がいずれも軽減または解消された鋼管用ねじ継手を提供することを課題とする。
より具体的には、重金属を含む潤滑グリスを使用することなく、耐焼付き性と防錆性に優れ、かつ表面のべとつきの少ない潤滑被膜が形成された、鋼管用ねじ継手を提供することが本発明の課題である。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前述したように、自己補修機能を有し、防錆性も良好な液状潤滑剤の方が、繰り返しの締付け・緩めに対する耐焼付き性が求められる鋼管用ねじ継手の潤滑には有利である。しかし、このような耐焼付き性をメタルシール部に付与できるような高度の潤滑性を確保するには、液状潤滑剤に重金属粉を多量に含有させる必要があり、環境面での問題を生ずる。潤滑油だけでは、薄くしか塗布できず、潤滑性が不足するからである。また、耐焼付き性の低下原因となる異物の付着を防止するには、表面のべとつきを極力抑制する必要がある。一方、固体潤滑被膜にはこのような問題はない。
【００１８】
本発明者らは、液状潤滑剤と固体潤滑剤の両者を併用することで、上記問題点を解決できることを見出した。具体的には、(1) 液状潤滑剤の層の上に固体潤滑剤の層を形成した潤滑被膜、または(2) 液状潤滑剤である潤滑油と固体潤滑剤であるワックスとの混合物からなる半固体または固体の潤滑被膜、のいずれかをねじ継手の接触表面に形成する。
【００１９】
かくして、本発明はねじ部とねじ無し金属接触部とを有する接触表面をそれぞれ備えたピンとボックスとから構成され、ピンとボックスの少なくとも一方の接触表面に潤滑被膜を有する鋼管用ねじ継手に関する。
【００２０】
第１の態様の鋼管用ねじ継手では、潤滑被膜が、０℃以上、40℃以下の温度域で液体状態の潤滑層と、その上に形成された40℃で固体状態の潤滑層とから構成される。
【００２１】
第２の態様の鋼管用ねじ継手では、潤滑被膜が、０℃以上、40℃以下の温度域で液体状態の潤滑油と、40℃で固体状態のワックスとの混合物からなる、40℃で固体または半固体の被膜である。
【００２２】
０℃以上、40℃以下の温度域とは、保管、運搬および組立て中に油井管が曝される一般的な温度範囲である。
潤滑被膜が２層からなる第１の態様の鋼管用ねじ継手では、表層を構成する上層が固体層であるため、潤滑被膜がべとつかず、被膜表面に異物が付着しにくい。また、上層の固体層は、締付け・緩めによって過大な面圧を受けると比較的簡単に破壊され、下層の液状潤滑剤が現れるので、表層が固体であっても、液状潤滑による自己補修機能を利用した高い耐焼付き性を得ることができる。また、最初に下層の液状潤滑層を形成することで、ねじ継手の表面の凹凸が潤滑層で平坦化されるので、表層の固体潤滑層を均一な厚みで形成することが容易となり、固体潤滑層の厚みのバラツキによる局部的な過大な面圧発生が抑制される。
【００２３】
潤滑油とワックスとの混合物からなる固体または半固体の潤滑被膜が形成された第２の態様の鋼管用ねじ継手では、この混合物は、前記ワックスが液状化する温度以上への加熱を受けることにより混合物が液状化された後、冷却されて、ワックスと潤滑油とが相溶した混合物となっていることが好ましい。
【００２４】
潤滑油中にワックスを単に分散させた被膜は、普通には常温で液体または半固体の被膜であって、潤滑油と同様にべたつきが大きく、異物が付着し易い。一方、加熱により潤滑油とワックスとを相溶させた混合物からなる潤滑被膜は、潤滑油をかなりの量で含んでいても、常温で固体または半固体の性状をとるようになり、べとつきが低減したドライ感が高い被膜となって、異物が付着しにくい。しかし、締付け・緩めの際には、発生する摩擦熱によって即座にワックスが融解するため、被膜全体が液状化する。従って、液体潤滑によるのと同じ自己補修機能が得られ、焼付き防止機能を発揮できる。
【００２５】
第２の態様では、潤滑被膜が１層であるので塗布が１回で済み、ねじ継手の製造工程は第１の態様より簡略化される。
このように、第１と第２のいずれの態様においても、液体潤滑による自己補修機能を利用した高い耐焼付き性と、表面のべとつき抑制を両立させることができる。
【００２６】
さらに、これらのいずれにおいても、第１の態様では上層の固体潤滑層により、第２の態様では共存する固体ワックスにより、液状潤滑剤が拘束される結果、ねじ継手の接触表面上には、焼付き防止のための自己修復機能の発揮に十分な量の液状潤滑剤が保持される。そのため、重金属粉を混入せずに、繰り返しの締付け・緩めに耐える優れた耐焼付き性が確保される。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をより具体的に説明する。
図１に示すように、典型的な鋼管用ねじ継手は、油井管等の鋼管の管端の外面に形成されたピン１と、スリーブ状のねじ継手部材の内面に形成されたボックス２とで構成される。ピン１は雄ねじ部３とねじ無し金属接触部８とを備え、典型的には、ねじ無し金属接触部が鋼管の先端に位置し、雄ねじ部はその手前に位置する。これに対応して、ボックス２は、雌ねじ部４とねじ無し金属接触部８とを備える。但し、これとは逆に、ピンを継手部材に、ボックスを鋼管に形成することもでき、あるいは継手部材を省略して、鋼管が一端にピンを、他端にボックスを有していてもよい。
【００２８】
ピンおよびボックスのいずれも、ねじ部とねじ無し金属接触部が、ねじ継手の接触表面となる。本発明によれば、ピンとボックスの少なくとも一方の接触表面に、上記第１または第２の態様に従った潤滑被膜が形成されている。潤滑被膜は、ピンとボックスのいずれか一方の接触表面だけに形成すれば十分であるが、もちろん、ピンとボックスの両方の接触表面に形成してもよい。接触表面は、その全面に潤滑被膜が形成されることが好ましいが、接触表面の一部だけに潤滑被膜を形成することも可能である。その場合には、ねじ部より焼付きが起こり易い、メタルシールを形成するねじ無し金属接触部に潤滑被膜を形成することが好ましい。
【００２９】
本発明の第１の態様では、ねじ継手のピンおよび／またはボックスの接触表面は、０℃以上、40℃以下の温度域で液体状態の潤滑層 (以下、液体層と略記) と、その上に形成された40℃で固体状態の潤滑層 (以下、固体層と略記) との２層からなる潤滑被膜を有する。即ち、接触表面にまず液状潤滑剤 (代表的には潤滑油) を塗布して液体層を形成し、この液体層の上に固体層を形成する。
【００３０】
下層の液体層の厚みは 0.5〜1000μｍの範囲が好ましい。この範囲では、焼付き防止に必要な潤滑性が得られる。また、液体層が厚すぎることによって生じる、上層の固体層がずれて破れ易くなる現象も、この範囲の膜厚では起こらない。液体層のより好ましい厚みは１〜100 μｍである。
【００３１】
上層の固体層の厚みは１〜200 μｍの範囲が好ましい。この範囲では、ちょっとした接触では破れない十分な被膜強度が得られると同時に、ねじ継手の締付けによって固体層が破れた後、液体層の持つ自己補修機能を阻害することがない。固体層のより好ましい厚みは１〜50μｍである。
【００３２】
液体層は、０〜40℃の温度域で液状の潤滑油により構成することが好ましい。潤滑油は、鉱物油、合成エステル油、動植物油などを単独あるいは組み合わせて使用することができる。この潤滑油には、耐焼付き性、防錆性その他の性能を向上させるため、各種の添加剤を含有させることができる。それらの添加剤が液状である場合、それらを単独で潤滑油として使用することもできる。
【００３３】
特に好ましい添加剤は、耐焼付き性と防錆性の向上効果が高い塩基性有機金属塩である。塩基性有機金属塩は、コロイド状に析出した過剰な金属塩 (典型的には金属炭酸塩) の微粒子を多量に含有する、粘稠液状 (グリス状) の物質である。この金属塩微粒子が、ピンとボックスの接触表面間に介在して、焼付きを防止することができる。塩基性有機金属塩は、液状であるので、それ単独で液体層を形成することができるが、前述した潤滑油との混合物としてもよい。
【００３４】
塩基性有機酸金属塩としては、塩基性金属スルホネート、塩基性金属フェネート、塩基性金属サリシレート、塩基性金属カルボキシレートなどが例示される。金属塩は、アルカリ金属塩であることも可能であるが、好ましくはアルカリ土類金属塩、特にカルシウム塩、バリウム塩、またはマグネシウム塩である。塩基性有機金属塩の塩基度は、50〜500 mgKOH/g の範囲が好ましい。これらの塩基性有機酸金属塩は、単独あるいは２種以上組み合わせて使用することができる。
【００３５】
その他の添加剤も適宜使用することができる。使用可能な添加剤の例は、潤滑油の添加剤として知られる、防錆添加剤、酸化防止剤、粘度調整剤、油性向上剤、極圧添加剤などである。
【００３６】
さらに、耐焼付き性向上あるいは被膜の乾性感を増すため、固体微粉末を添加してもよい。但し、この微粉末は極少量に抑えておかなければ、締付け・緩め時の被膜の流動性を阻害しかねない。固体微粉末の添加量は５％以下が好ましい。添加する固体粉末としては、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、黒鉛、マイカ、窒化硼素、ポリテトラフルオロエチレンなどの一般的な固体潤滑剤の他に、樹脂粉末などを用いてもよい。これらの固体微粉末の粒径は10μｍ以下であることが好ましい。粒径が大きすぎると疵の発生源となる。また、後述するように、液体層に脂肪酸金属塩を含有させてもよい。
【００３７】
液体層は、鉱物油、合成エステル油、動植物油および塩基性有機酸金属塩の１種または２種以上から構成することが好ましい。液体層の形成に使用するこれらの材料は、40℃での粘度が10 cSt以上のものが好ましい。粘度が低すぎると、上層の固体層で封じ込めるまでの間に液体層が流れ落ちて、所定の膜厚が得られないことがある。また固体層の塗布が困難となることもある。
【００３８】
液体層の形成は常法により実施すればよい。即ち、液体層を構成する潤滑油に、所望により適宜添加剤を配合し、粘度が高すぎて塗布しにくい場合には、揮発性有機溶剤で希釈した後、ねじ継手の（ピンおよび／またはボックスの）接触表面に、ハケ塗り、スプレー、浸漬等の適当な手段で塗布することができる。溶剤を使用した場合、必要であれば加熱しながら乾燥して、溶剤を除去する。
【００３９】
溶剤としては、一般的な揮発性溶剤が使用できる。エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノールなどのアルコール類、キシレン、トルエンなどの炭化水素類、ミネラルスピリット、灯油、合成ナフテン、石油ベンジンなどがそれらの例である。
【００４０】
下層の液体層を形成する前に、潤滑被膜を形成すべきねじ継手の接触表面に下地処理を施してよい。この下地処理は、表面粗さの増大により潤滑被膜の保持性を向上させたり、あるいは表面の耐食性および／または硬度の増大により耐焼付き性を改善するために行うことができる。
【００４１】
潤滑被膜の保持性を向上させるための下地処理としては、軽微な酸洗処理、サンドもしくはショットブラスト、リン酸塩化成処理（リン酸マンガン処理、リン酸亜鉛処理など）、シュウ酸塩化成処理（シュウ酸鉄処理など）、グラスピーニング、亜鉛ブラストなどがある。
【００４２】
一方、耐焼付き性向上のための下地処理としては、ニッケル、クロム、銅、亜鉛、錫、鉄などの金属メッキおよびこれらの２種以上の金属の合金メッキ（例えば、ニッケル・クロム系合金メッキ、銅・錫系合金メッキ、亜鉛・鉄系合金メッキ等）といったメッキ、窒化、ＰＶＤやＣＶＤなどの蒸着により形成可能なＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＤＬＣ（ダイアモンド様カーボン）、Ｃｒ_XＮ_Y、ＴｉＢＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＣｒＮなどの処理、さらには表面を熱処理して酸化被膜を形成させるなどの手法も使用できる。
【００４３】
接触表面に下地処理を施した場合、下地処理を行ってすぐに潤滑処理行うことが、下地表面の濡れ性が高く、形成された潤滑被膜の密着性または保持性が向上するので好ましい。下地処理によって活性な表面が露出したり、活性な下地被膜が形成されると、潤滑被膜の物理・化学吸着性が高まるからと考えられる。下地処理から潤滑処理までの時間は短いほど良いが、１時間以内なら十分な効果が認められる。
【００４４】
液体層の表面はべとついているので、その上に上層として固体層を形成し、潤滑被膜表面のべとつきを抑える。この固体層は40℃で固体の潤滑性材料から構成する。固体層が40℃で液体であると、外気温が高い場合や、直射日光に曝された場合に、固体層がべたつき、所期の目的が達成されない。
【００４５】
上層の固体層は、比較的軟質な固体有機材料の被膜層、または潤滑性粉末を緩く結合した、機械的強度が比較的低い被膜層から構成することが好ましい。これは、ねじ継手の締付け時に、締付けの初期段階で固体層が破壊された方が、下層の液体層による潤滑が有効に作用し、自己補修機能も効果的に発揮されて、潤滑性能が高くなるからである。
【００４６】
破壊された固体層がピンとボックスとの摩擦界面に残留して、その後の締付け・緩めの障害となるのを避けるため、破壊された固体層が締付け時の摩擦熱による温度上昇により液体層の油の中に溶け込むか、または破壊により微粉化して液体層中に分散することが好ましい。例えば、固体潤滑剤の粉末を樹脂で結合した従来の固体潤滑被膜は、本発明で使用する固体層としては機械的強度が高すぎ、締付けの初期段階では破壊されにくく、破壊されても微粉にならない。
【００４７】
締付け時に下層の液体層に溶け込むことができる固体層を形成するのに適した固体有機材料としては、40℃で固体のワックス、樹脂、高級脂肪酸、高級アルコール、脂肪、乾性油、半乾性油、から選ばれた１種または２種以上を使用することができる。上記の温度上昇で下層液体層の油に容易に溶け込むようにするには、融点を持つ固体有機材料では融点が120 ℃以下であることが好ましく、融点を持たないものは120 ℃で流動性を示すことが好ましい。
【００４８】
固体層を形成するワックス (ろう) は、動物性、植物性、鉱物性および合成ワックスのいずれでもよい。使用できるワックスの例としては、蜜蝋、鯨蝋 (以上、動物性) 、木蝋、カルナバワックス、キャンデリラワックス、ライスワックス (以上、植物性) 、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、ペトロラタム、モンタンワックス、オゾケライト、セレシン (以上、鉱物性) 、酸化ワックス、ポリエチレンワックス、フィッシャー・トロプッシュワックス、アミドワックス、硬化ひまし油（カスターワックス)(以上、合成ワックス) などがある。
【００４９】
高級脂肪酸としては、炭素数10以上のモノ、ジまたはトリカルボン酸が使用できる。炭化水素基は飽和と不飽和のいずれでもよい。
高級アルコールとしては、炭素数12以上の第１級、第２級または第３級アルコールが使用できる。炭化水素基は飽和と不飽和のいずれでもよい。
【００５０】
樹脂の例としては、アクリル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ナイロン6.6 、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、ケイ素樹脂などが挙げられる。
【００５１】
脂肪、乾性油、半乾性油については、例えば亜麻仁油、ひまし油、菜種油などの各種の油が使用できる。
上記有機材料のうち、潤滑性および破壊形態の点から、ワックスを用いて固体層を形成することが最も好ましい。中でも、パラフィンワックス、酸化ワックス、マイクロクリスタリンワックス、ペトロラタム、木蝋、オゾケライト、セレシンが特に好ましい。
【００５２】
固体層を形成するには、使用する固体有機材料 (例、ワックス) を適当な揮発性溶剤に溶解するか、加熱して融解させることにより液状にし、下層の液体層の上に塗布して上層を形成する。塗布は、やはりスプレーやハケ塗りにより行うことができる。下層の液体層と分離した上層の固体層を形成させるため、上層の形成に用いる有機材料や溶剤 (使用する場合) が、上層の形成中に下層と完全には相溶しないように選択する。また、使用する固体有機材料を粉末状に成形し、この粉末を適当な溶剤に分散させて下層の液体層の上に塗布し、加熱して溶剤を除去すると共に、粉末を溶融させて、固体層を形成することもできる。
【００５３】
なお、固体層の材料は、液状化した時に液体層の材料と相溶してもよい。その場合には、後述する、固体層の材料が液体層の材料と相溶して全体として固体または半固体になった１層型の潤滑被膜 (即ち、第２の態様の被膜) が形成されることになる。
【００５４】
固体層は、潤滑性粉末を緩く結合した、機械的強度が比較的低い被膜から構成することもできる。潤滑性粉末としては、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、黒鉛、マイカ、窒化硼素、ポリテトラフルオロエチレン等の粉末を挙げることができる。また、融点が120 ℃より低い樹脂の粉末は、締付け中の摩擦熱による温度上昇により融解して液状化し、潤滑作用を発揮できるため、本発明においては潤滑性粉末として使用できる。そのような樹脂粉末としてはポリエチレン、ポリスチレン等の粉末がある。潤滑性粉末の粒径は、120 ℃以下で融解しない材料の場合には、前述した理由で10μｍ以下であることが好ましい。
【００５５】
潤滑性粉末からなる固体層は、潤滑性粉末を適当なバインダーを用いて結合することにより形成できる。バインダーとして、例えばニトロセルロース、アクリル樹脂、塩化ビニル樹脂、ポリビニルブチラール、ゴム、ふっ素樹脂などを単独またはブレンドしたものを使用し、自然乾燥で結合させることが好ましい。その他の結合法として、焼付ける方法や反応硬化させる方法もあるが、下層に液体層を持つため難しい。
【００５６】
本発明の第２の態様によると、ピンとボックスの少なくとも一方の接触表面に、０℃以上、40℃以下の温度域で液体状態の潤滑油と、40℃で固体状態のワックスとの混合物からなる、40℃で固体または半固体の潤滑被膜を形成する。前述したように、この潤滑被膜は表面のべとつきが小さく、締付け時の摩擦熱によって容易にワックスが融解して、被膜全体が液体状態となり、自己補修機能を備えた優れた耐焼付き性を発揮する。
【００５７】
この潤滑被膜の厚みは、上記効果を十分に発揮させるには、１〜1000μｍの範囲とすることが好ましく、より好ましくは10〜100 μｍである。被膜を厚くしすぎるのは、無駄であるばかりか、環境上も好ましくない。
【００５８】
この潤滑被膜に使用する「０℃以上、40℃以下の温度域で液体状態の潤滑油」 (以下、潤滑油) は、上記第１の態様において下層の液体層の形成に使用できる液状潤滑剤と同様の材料でよい。即ち、この液体状態の潤滑油は、０〜40℃の温度域で液体状態の鉱物油、合成エステル油、動植物油および塩基性有機酸金属塩から選んだ１種または２種以上であることが好ましく、その好ましい粘度も上記と同様である。この潤滑油に、前述したような適当な添加剤 (例、防錆添加剤、酸化防止剤、粘度調整剤、油性向上剤、極圧添加剤、固体粉末等) を含有させてもよい。
【００５９】
同様に、「40℃で固体状態のワックス」 (以下、ワックス) も、上記第１の態様における上層の固体層に関して説明したものと同様でよく、好ましいワックスの種類も同様である。ワックスの融点は、40℃より高く、前述した理由で、好ましくは120 ℃以下である。
【００６０】
混合物は、潤滑油とワックスに加えて、40℃で固体の固体添加剤をさらに含有することができる。固体添加剤は、樹脂、高級脂肪酸、脂肪酸金属塩、高級アルコール、脂肪、乾性油、半乾性油から選んだ１種または２種以上でよい。
【００６１】
これらの固体添加剤のうち、脂肪酸金属塩としては、ステアリン酸、オレイン酸、パルミチン酸などの脂肪酸のアルカリ金属またはアルカリ土類金属塩（例、Na塩、Ca塩）が挙げられる。好ましいのはステアリン酸およびオレイン酸のアルカリ金属塩およびアルカリ土類金属塩であり、中でもステアリン酸ナトリウムおよびステアリン酸カルシウムが好ましい。その他の固体添加剤は、第１の態様において固体層を形成する材料に関して述べたものと同様でよい。
【００６２】
混合物中の潤滑油とワックスの配合割合は、その混合物から固体または半固体の潤滑被膜を形成することができるように選択する。潤滑油の量が多すぎると、被膜が液体状態のままとなる。好ましい配合割合は潤滑油：ワックスの質量比が１：10〜10：１、より好ましくは１：４〜４：１となる範囲内である。
【００６３】
固体添加剤を混合物に添加する場合、固体添加剤の添加量 (２種以上の場合は合計量) は、混合物の 0.5〜30質量％の範囲内とすることが好ましい。乾性油や半乾性油は、その添加により被膜が半固体状態になるまでに時間が長くなるので、添加量を多くしない方がよい。
【００６４】
潤滑被膜が潤滑油とワックスとの混合物からなる第２の態様に係るねじ継手では、混合物にワックスが液状化する温度以上の温度への加熱を受けさせることが好ましい。こうすると、潤滑油とワックスとが液体状態で混合され、両者が相溶した実質的に均質な混合物が形成される。この液状混合物は、潤滑油の割合がかなり高い場合でも、冷却後に、べとつきが小さく、ドライ感が高い固体または半固体の潤滑被膜を形成する。
【００６５】
「ワックスが液状化する温度」とは、ワックスが液状化することにより、潤滑油とワックスとの混合物全体が液状化する温度である。この温度はワックスの融点より低い場合がある。潤滑油の共存により、ワックスは融点に達しない温度で液状化することがあるからである。
【００６６】
この加熱は、混合後であれば、潤滑被膜の形成前、形成中、および形成後のいずれの時点で行ってもよい。
例えば、ねじ継手の接触表面に塗布する前の混合物をワックスが液状化する温度以上の温度に加熱することができる。この場合、混合物を攪拌しながら加熱できるので、相溶を効率よく達成することができる。加熱された混合物は、温度が高いままねじ継手の接触表面に塗布してもよく、ワックスが固化するまで冷却してから塗布してもよい。ワックスが固化する温度より高い温度で塗布する場合には、混合物を溶剤で希釈せずに塗布を行うことができる。塗布時の混合物の温度がワックスが固化する温度より低い場合は、混合物を溶剤で希釈してから塗布する方が塗布が容易である。いずれの場合も、塗布すべきねじ継手の接触表面を加熱してもよい。
【００６７】
ワックスが液状化する温度以上への混合物の加熱は、塗布時に塗布すべきねじ継手の接触表面を加熱することにより潤滑被膜の形成中に行ってもよく、あるいは塗布により形成された潤滑被膜を加熱することにより潤滑被膜の形成後に行うこともできる。混合物を溶剤で希釈した場合には、塗布後に加熱して溶剤を蒸発させることがあるが、その際の加熱温度をワックスが液状化する温度以上として、ワックスと潤滑油との相溶も達成することができる。もちろん、潤滑被膜の形成前、形成中、形成後の２以上の時点でワックスが液状化する温度以上への加熱を実施してもよい。
【００６８】
塗布する混合物を溶剤で希釈する場合、適当な溶剤は第１の態様に関して上述したものと同様でよい。使用する溶剤は、ワックスを溶解でき、かつ使用する潤滑油とも相溶性があるものから選択することが好ましい。混合物を加熱した後、ワックスが固化する前に塗布を行う場合であっても、低粘度化による塗布性の改善のために混合物を溶剤で希釈してもよい。
【００６９】
塗布は、ハケ塗り、スプレー、浸漬などの適当な方法で行うことができる。塗布前に、第１の態様について述べたように、塗布すべきピンおよび／またはボックスの接触表面を下地処理してもよい。溶剤を使用した場合には、塗布後に、必要であれば加熱しながら塗膜を乾燥して溶媒を除去する。塗膜が常温まで冷えるか、および／または溶剤が除去されると、潤滑油とワックスが相溶した半固体または固体の潤滑被膜が生成する。この潤滑被膜の表面はべとつきが小さく、異物が付着しにくい。
【００７０】
第１と第２のいずれも態様でも、ピンまたはボックスの一方の接触表面だけに潤滑被膜を形成した場合に、潤滑被膜を形成しない他方の接触表面には、メッキ (例、亜鉛メッキまたは銅メッキ) 、リン酸塩 (例、リン酸マンガン) 化成処理およびシュウ酸塩 (例、シュウ酸鉄) 化成処理から選ばれた少なくとも１種の下地処理を施すことが、耐焼付き性の改善のために好ましい。このような下地処理は、潤滑被膜を形成する接触表面上にも形成できる。
【００７１】
化成処理、好ましくはリン酸塩またはシュウ酸塩化成処理による下地処理をピンとボックスの少なくとも一方の接触表面に施した場合、潤滑被膜は固体添加剤として脂肪酸金属塩を含むことが好ましい。それにより、鋼管用ねじ継手の耐焼付き性をさらに改善することができ、鋼管がケーシングのように大径サイズであってもゴーリング発生を確実に防止できるようになる。
【００７２】
この脂肪酸金属塩は、第１の態様の場合、下層の液体層に含有させることが好ましい。第２の態様では、この塩はもちろん潤滑油とワックスとの混合物中に含有させる。脂肪酸金属塩を含有する潤滑被膜をピンとボックスの一方の接触表面だけに形成した場合、化成処理による下地処理はピンかボックスのいずれか一方の接触表面に施しても、或いは両方の接触表面に施してもよい。
【００７３】
脂肪酸金属塩としては前述した各種のものが使用できるが、中でもステアリン酸ナトリウムおよびステアリン酸カルシウムが好ましい。脂肪酸金属塩の添加量は、第１の態様では液体層の、第２の態様では混合物の、５〜30質量％の範囲内とすることが好ましい。
【００７４】
本発明に係る鋼管用ねじ継手は、第１および第２のいずれの態様においても、接触表面上に形成した潤滑被膜の被膜表面のべとつきが小さく、異物を付着させにくいので、異物の付着による耐焼付き性の低下を防止することができる。また、単に潤滑油を塗布するのと異なり、第１の態様では固体層による被覆、第２の態様では固体化または半固体化による拘束によって、多量の液状潤滑剤または潤滑油を接触表面に保持することができる。しかし、締付け・緩め時には、第１の態様では上層の固体層の破壊により、第２の態様では、発生する摩擦熱でワックスが融解して被膜が液状化することにより、被膜は液状被膜として作用し、液状潤滑剤に固有の優れた潤滑作用および自己修復機能が発揮される。その結果、締付けごとにコンパウンドグリスを塗布するといった操作が不要で、たとえ鋼管内に錆やブラスト砥粒などの少量の異物が存在していても、繰り返しの締付け・緩めが可能な、優れた耐焼付き性を得ることができる。
【００７５】
本発明の鋼管用ねじ継手は、上記潤滑被膜が防錆性にも優れているため、長期間保管した場合の錆の発生も防止できる。しかし、所望により、ピンおよび／またはボックスに気密性の高いプロテクターなどの保護部材を取り付けることもできる。
【００７６】
【実施例】
以下の実施例では、外径７インチ(17.8 mm) の13Cr鋼製または炭素鋼製の油井管の管端外面に形成されたピンと、これに嵌合する、同じ材質の鋼製ねじ継手部材の内面に形成されたボックスとからなるねじ継手を用いて、繰り返し締付け・緩め試験を行った。このねじ継手は、ピンとボックスのいずれもねじ部とねじ無し金属接触部とを有する、メタルシールが可能なものであった。13Cr鋼は高合金鋼の１種であり、焼付きが起こり易い材料である。
【００７７】
以下の説明では、ピンのねじ部及びねじ無し金属接触部の表面を単に「ピン表面」と称し、ボックスのねじ部及びねじ無し金属接触部の表面を単に「ボックス表面」と称する。実施例では、いずれもボックス表面 (即ち、ボックスのねじ部とねじ無し金属接触部) だけに潤滑被膜を形成した。
【００７８】
(実施例１)
本実施例は、本発明の第１の態様に従って、下層の液体層と上層の固体層の２層からなる潤滑被膜を、13Cr鋼製のねじ継手のボックス表面に形成した鋼管用ねじ継手を例示する。
【００７９】
ピン表面は無処理のままであった。
ボックス表面は、下地処理としてショットブラストを施した後、それから１時間以内に、表１に示すようにして、液体層と固体層からなる２層の潤滑被膜を形成した。
【００８０】
表１において、液体層の材料に関する粘度の値はいずれも40℃での値である。液体層が塩基性有機酸金属塩 (BaまたはCaスルホネート) である場合、これを揮発性溶剤 (キシレン) で希釈してから塗布に供した。また、固体層がマイカ粉末からなる場合、マイカをニトロセルロース溶液に分散させ、表面にスプレー塗布した。これにより、塗布した層と下層の液体層が混ざり合うことなく塗布され、ニトロセルロース溶液に含まれていた水分が蒸発すると、マイカがニトロセルロースでゆるく結合された固体層が形成された。
【００８１】
上記のように処理されたねじ継手を、実管での操作を模した繰り返し締付け・緩め試験に供した。その際の締付け・緩めの回転速度は20 rpmであり、締付けトルクは15,000 ft・lbs(約20,000 J) であった。締付け・緩めは、焼付きが発生するまで繰り返した。その際、手入れすれば締付けが可能な軽度の焼付きについては、手入れにより締付けを続行した。結果を表２に示す。この試験で焼付きまでの締付け・緩め回数が10回以上であれば、耐焼付き性は合格である。
【００８２】
別に、べとつき性を評価するため、13Cr鋼製のブロック試験片 (20 mm 角、厚さ10 mm)の片面に、上記のボックス用の下地処理を施した後、表２と同じ条件で液体層と固体層からなる２層潤滑被膜を形成した。その際に、液体層と固体層の各層の形成後に試験片を精密天秤で秤量して、各層の付着量を算出し、表１に表示した。また、これらの付着量と各層のおよその密度から、各層のおよその膜厚みを算出し、同じく表１に表示した。
【００８３】
得られた試験片を、その潤滑被膜を下向きにして、図２に示すように、鉄粉を敷きつめたシャーレの上に置き、１分後に試験片を取り出して、表面に付着した鉄粉の重量を精密天秤で測定した。この付着量の大小でべとつき性を評価した。べとつき評価試験の結果も表２に併せて示す。付着量が５g/m²以下を合格とする。これは、これまでの知見で、局部的なら５g/m²相当までスケールが付着しても焼付きを生じないことが分かっているからである。
【００８４】
【表１】

【００８５】
【表２】

【００８６】
表２からわかるように、固体層のみの比較例 (試験No.6) では、べとつき性は小さいが、締付け・緩めが５回しかできず、耐焼付き性が不十分であった。一方、液体層のみの比較例 (試験No.7) では、耐焼付き性は十分であるが、べとつきが不合格となった。
【００８７】
これに対し、本発明に従った試験No.1〜5 のねじ継手は、耐焼付き性とべとつきのいずれも十分に要求性能を満たしていた。特に、液体層を塩基性有機酸金属塩から形成した試験No.3および5 のねじ継手の耐焼付き性がより高くなった。液体層の形成材料が同じである試験No.3と試験No.7の耐焼付き性の結果が同じであることからわかるように、試験No.3において液体層の上に固体層を形成しても、液体層に由来する優れた潤滑性が阻害されることはない。
【００８８】
(実施例２)
本実施例は、本発明の第２の態様に従って、潤滑油とワックスとの混合物からなる潤滑被膜を13Cr鋼製および炭素鋼製のねじ継手のボックス表面に形成した鋼管用ねじ継手を例示する。
【００８９】
潤滑被膜を形成しないピン表面には下地処理のみを施した。ピン表面に施した下地処理は、炭素鋼製のピンではリン酸マンガン処理、13Cr鋼製のピンでは銅メッキであった。
【００９０】
ボックス表面には、実施例１と同様の下地処理 (ショットブラスト) を施した後、それから１時間以内に、表３、４に示すようにして、潤滑油とワックスと場合により固体添加剤の混合物からなる潤滑被膜を形成する塗布を行った。塗布は、加熱して液状化した混合物 (即ち、ワックスを液状化させた混合物) 、または溶剤により希釈して液状化した混合物を用いて行った。表３、４における潤滑油の粘度の値は40℃での値である。また、表３、４に示した各成分の配合比率は質量比である。表５に塗布に用いた混合物の構成と混合物の加熱温度および塗布法をまとめて示す。
【００９１】
上記のようにピンおよびボックスの接触表面が処理されたねじ継手の耐焼付き性を、実施例１と同様にして、繰り返し締付け・緩め試験により評価した。
また、べとつきについても、実施例１と同様の試験法により評価した。以上の試験結果を表６にまとめて示す。なお、表６には、べとつき評価試験のためにブロック状試験片に形成した潤滑被膜の付着量とその略密度から求めた、潤滑被膜の略厚みも示す。
【００９２】
【表３】

【００９３】
【表４】

【００９４】
【表５】

【００９５】
【表６】

【００９６】
表６からわかるように、本発明に従って、潤滑油とワックスとの混合物からなる潤滑被膜を形成したねじ継手では、耐焼付き性とべとつきのいずれも十分に要求性能を満たしていた。この実施例でも、鋼管用ねじ継手が、焼付きの起こりやすい13Cr鋼製である場合、潤滑油として塩基性有機酸金属塩を使用した試験No.3〜６のねじ継手の耐焼付き性がいくらか高くなる傾向が見られた。一方、炭素鋼製ねじ継手の場合、潤滑被膜を形成しないピン表面に下地処理としてリン酸塩化成処理を施した場合、潤滑被膜が固体添加剤として脂肪酸金属塩を含有している試験No. 17〜24において、締付け・緩め回数が20回以上と非常に優れた耐焼付き性が得られた。それにより、焼付きが起こり易い大径油井管用のねじ継手の場合でもゴーリングを防止することが可能となる。
【００９７】
一方、ワックスではなく、樹脂を潤滑油に混合した潤滑被膜を形成した比較例では、耐焼付き性が不十分になるか (試験No.25)またはべとつきが不合格 (試験No.26)であり、それらが両立しなかった。
【００９８】
【発明の効果】
本発明により、高合金鋼製の継手、内径の大きな鋼管用の継手（例、ケーシング継手）、或いはシール性を高めたねじ部での干渉量の高い継手といった、焼付きが比較的起こり易いねじ継手においても、締付け・緩めを繰り返した際の焼付きを防止することができる、耐焼付き性に優れた鋼管用ねじ継手が提供される。また、液状潤滑剤のように表面に異物が付着する問題がなく、異物付着による耐焼付き性の低下が防止されると同時に、ねじ継手の取扱いも容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ねじ部とねじ無し金属接触部とを備える鋼管用ねじ継手を模式的に示す断面図である。
【図２】実施例でべとつきを評価するために実施した試験法を示す説明図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a threaded joint for steel pipes having a lubricating coating on its surface. More specifically, it has excellent seizure resistance and can be repeatedly tightened and loosened, and at the same time, the lubricating coating is less sticky and foreign matter does not adhere easily. The present invention relates to a threaded joint for steel pipes.
[0002]
[Prior art]
Oil well pipes such as tubing and casing used for drilling oil wells such as crude oil and gas oil are generally connected using threaded joints. The depth of an oil well has been 2000 to 3000 m in the past, but it may reach 800 to 10,000 m in a deep oil well such as a recent offshore oil field.
[0003]
Threaded joints for steel pipes used to connect oil well pipes include loads such as axial tensile forces due to the weight of the oil well pipes and the joints themselves in the operating environment, combined pressures such as internal and external pressures, and underground heat. Works. Therefore, the threaded joint for steel pipes is required to maintain airtightness without being damaged even under such a severe environment.
[0004]
Further, when the oil well pipe is lowered, in order to correct an assembly failure, the joint that has been tightened is often loosened and retightened. In the API (American Petroleum Institute), even if tightening (make-up) and loosening (breakout) are repeated 10 times for tubing joints and 3 times for large-diameter casing joints, a repair failure called go-ring is not possible. There is no need for the occurrence of possible seizure and the airtightness is required to be maintained.
[0005]
In response to this demand, special threaded joints that have metal contact parts that do not have screws (hereinafter referred to as “unthreaded metal contact parts”) and that can be metal-sealed and that have excellent airtightness have become widespread. . In this type of threaded joint, typically, a pin having a male threaded part and an unthreaded metal contact part is formed on the outer surface of the pipe end on both sides of the oil well pipe. On the other hand, on the inner surface of the sleeve-like joint member, a box which is a counterpart of the pin is formed which has a female screw portion and an unthreaded metal contact portion so as to be fitted to the male screw portion and the unthreaded metal contact portion of the pin. Is done. By fitting the pin into the box and tightening it with a screw, the pin and the unthreaded metal contact portion of the box come into contact with each other to form a metal seal portion.
[0006]
In order to ensure sufficient sealing performance by the metal seal of the above threaded joint in the environment where the oil well pipe is used, a very high surface pressure must be applied to the unthreaded metal contact part. Sticking easily occurs. For this reason, at the time of tightening, a metallic grease called compound grease, which is called viscous grease, is applied in advance at room temperature to improve seizure resistance and airtightness.
[0007]
However, since compound grease contains a large amount of heavy metal powders such as Pb, Zn, and Cu, there is a concern of causing environmental pollution when the applied grease is washed away. In addition, the application of compound grease deteriorates the work environment and the work efficiency. Therefore, a threaded joint that can be used without the need to apply lubricating grease such as compound grease is desired.
[0008]
As threaded joints that do not use lubricating grease, JP-A-8-103724, JP-A-8-233163, and JP-A-8-233164 each have a solid lubricant such as molybdenum disulfide bonded with a resin such as an epoxy resin. There has been proposed a threaded joint in which a lubricant film based on a solid lubricant (hereinafter referred to as a solid lubricant film) is formed on a screw-free metal contact portion of a box or pin.
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-8-103724
[Patent Document 2]
JP-A-8-233163
[Patent Document 3]
JP-A-8-233164
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, it is not easy to form the solid lubricating film with a uniform thickness along the shape of the screw joint or the screwless metal contact portion of the threaded joint. If the thickness of the coating is not uniform, the surface pressure will be excessive when the threaded joint is tightened, and the tightening torque will increase or the thread shape will be deformed, and seizure will easily occur. . On the contrary, in a portion where the lubricating coating is thin, poor lubrication and rust are likely to occur.
[0011]
Further, even if the solid lubricating film is formed with a uniform thickness, seizure is likely to occur when the screw joint is repeatedly tightened and loosened or under conditions where foreign matter is present. The presence of foreign matter is, for example, when the oil well pipe is erected for assembly, rust that has adhered to the inner surface, blast abrasive grains that have been thrown in to remove rust, etc. fall, some of which are screw parts and Occurs by sticking to unthreaded metal contacts.
[0012]
Since the solid lubricant film has poor ductility and fluidity and is easy to peel off, under the above conditions, excessive surface pressure is locally applied to the screw thread and unthreaded metal contact area during tightening, and the threaded joint of that part is applied. Plastic deformation may occur and the solid lubricating coating may peel off, exposing a metal surface without the coating. Then, even if the exposed portion of the metal is small, seizure occurs immediately.
[0013]
Furthermore, the solid lubricating coating has insufficient rust prevention properties, and cannot sufficiently prevent rusting of the threaded joint during storage before use at the oil well site. Since rust is poor in lubricity, if the rust is generated and the solid lubricant film is swollen or peeled off, the tightening torque at the time of fastening the joint becomes more unstable, causing seizure or lowering the airtightness. Sometimes.
[0014]
On the other hand, when a liquid lubricant such as lubricating grease or oil that is liquid at room temperature is applied, the lubricant trapped in the gaps in the threads and the valleys of the surface roughness is stained by the pressure applied by tightening. Because it comes out, even if excessive surface pressure is applied locally, the lubricant wraps around the area and does not cause severe seizure. This action is called a self-repair function of liquid lubrication. Generally, the higher the fluidity (lower viscosity) of the liquid lubricant, the higher the self-repair function. In addition, the liquid lubricant has high rust prevention properties.
[0015]
However, in conventional liquid lubricants, those with high seizure resistance that can be used for threaded joints having a metal seal part have a problem in terms of environment because they contain a large amount of heavy metal such as compound grease. . Also, the application of lubricating grease makes the surface of the threaded joint sticky, and foreign matters such as dust, sand, and dust are likely to adhere to the threaded portion and the threadless metal contact portion. In particular, when the oil well pipe is erected at the time of assembling, rust and blast abrasive grains fall on the oil well pipe as described above. However, if the surface of the threaded joint is sticky, a large amount of these adheres. As a result, even in the case of liquid lubricating grease that can be expected to have a self-repair function, the lubricity is lowered, and seizure tends to occur when tightening and loosening are repeated.
[0016]
An object of the present invention is to provide a threaded joint for steel pipes in which the above-described problems of the solid lubricating coating and the liquid grease are all reduced or eliminated.
More specifically, the present invention provides a threaded joint for steel pipes that has a seizure coating and a rust prevention property and has a lubricating coating with less surface stickiness without using lubricating grease containing heavy metals. It is a subject of the invention.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
As described above, a liquid lubricant having a self-repair function and good rust prevention is more advantageous for lubrication of threaded joints for steel pipes that require seizure resistance against repeated tightening and loosening. However, in order to ensure a high level of lubricity that can impart such seizure resistance to the metal seal portion, it is necessary to contain a large amount of heavy metal powder in the liquid lubricant, which causes environmental problems. This is because the lubricating oil alone can be applied only thinly and the lubricity is insufficient. Moreover, in order to prevent the adhesion of foreign substances that cause a decrease in seizure resistance, it is necessary to suppress the stickiness of the surface as much as possible. On the other hand, the solid lubricant film does not have such a problem.
[0018]
The present inventors have found that the above problems can be solved by using both a liquid lubricant and a solid lubricant in combination. Specifically, (1) a lubricant film in which a solid lubricant layer is formed on a liquid lubricant layer, or (2) a mixture of a lubricant that is a liquid lubricant and a wax that is a solid lubricant. Either a semi-solid or solid lubricating coating is formed on the contact surface of the threaded joint.
[0019]
Thus, the present invention relates to a threaded joint for steel pipes comprising a pin and a box each having a contact surface having a threaded portion and an unthreaded metal contact portion, and having a lubricating coating on at least one contact surface of the pin and the box.
[0020]
In the threaded joint for steel pipes according to the first aspect, the lubricating coating is composed of a lubricating layer in a liquid state in a temperature range of 0 ° C. or higher and 40 ° C. or lower and a lubricating layer in a solid state at 40 ° C. formed thereon. Is done.
[0021]
In the threaded joint for steel pipes according to the second aspect, the lubricating coating consists of a mixture of a lubricating oil in a liquid state in a temperature range of 0 ° C. or higher and 40 ° C. or lower and a wax in a solid state at 40 ° C., and is solid at 40 ° C. Or it is a semi-solid film.
[0022]
The temperature range of 0 ° C. or higher and 40 ° C. or lower is a general temperature range where the oil well pipe is exposed during storage, transportation and assembly.
In the threaded joint for steel pipes according to the first aspect, in which the lubricating coating is composed of two layers, since the upper layer constituting the surface layer is a solid layer, the lubricating coating is not sticky, and foreign matter hardly adheres to the coating surface. In addition, the upper solid layer is relatively easily destroyed when subjected to excessive surface pressure by tightening or loosening, and the lower layer liquid lubricant appears, so even if the surface layer is solid, the self-repair function by liquid lubrication is provided. High seizure resistance can be obtained. Also, by forming the lower liquid lubrication layer first, the unevenness on the surface of the threaded joint is flattened by the lubrication layer, so that it is easy to form the surface solid lubrication layer with a uniform thickness. Generation of excessive surface pressure due to variations in layer thickness is suppressed.
[0023]
In the threaded joint for steel pipes of the second aspect in which a solid or semi-solid lubricating film made of a mixture of lubricating oil and wax is formed, this mixture is heated by heating to a temperature above which the wax liquefies. After the mixture is liquefied, it is preferably cooled to become a mixture in which wax and lubricating oil are compatible.
[0024]
A film in which a wax is simply dispersed in a lubricating oil is usually a liquid or semi-solid film at normal temperature, and has a similar stickiness as in the case of the lubricating oil, and foreign matter is likely to adhere to it. On the other hand, a lubricating coating made of a mixture of lubricating oil and wax mixed by heating can take a solid or semi-solid property at room temperature even if it contains a considerable amount of lubricating oil, reducing stickiness. The film has a high dry feeling and does not easily adhere to foreign matter. However, when tightening or loosening, the wax is immediately melted by the generated frictional heat, so that the entire coating is liquefied. Therefore, the same self-repair function as that obtained by liquid lubrication can be obtained, and the seizure prevention function can be exhibited.
[0025]
In the second aspect, since the lubricating coating is one layer, the coating is only required once, and the manufacturing process of the threaded joint is simplified as compared with the first aspect.
Thus, in both the first and second aspects, both high seizure resistance using the self-repair function by liquid lubrication and suppression of surface stickiness can be achieved.
[0026]
Further, in any of these, as a result of the liquid lubricant being restrained by the upper solid lubricant layer in the first embodiment and the coexisting solid wax in the second embodiment, the contact surface of the threaded joint is not sintered. A sufficient amount of liquid lubricant is retained to exhibit a self-healing function for preventing sticking. Therefore, excellent seizure resistance that can withstand repeated tightening and loosening is ensured without mixing heavy metal powder.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described more specifically.
As shown in FIG. 1, a typical threaded joint for a steel pipe is composed of a pin 1 formed on the outer surface of a pipe end of a steel pipe such as an oil well pipe and a box 2 formed on the inner surface of a sleeve-like threaded joint member. Composed. The pin 1 includes a male screw portion 3 and an unthreaded metal contact portion 8. Typically, the unthreaded metal contact portion is located at the tip of the steel pipe, and the male screw portion is located in front thereof. Correspondingly, the box 2 includes a female screw part 4 and a screwless metal contact part 8. However, conversely, the pin can be formed as a joint member and the box can be formed as a steel pipe, or the joint member can be omitted and the steel pipe can have a pin at one end and a box at the other end. .
[0028]
In both the pin and the box, the threaded portion and the unthreaded metal contact portion become the contact surface of the threaded joint. According to the present invention, the lubricating coating according to the first or second aspect is formed on the contact surface of at least one of the pin and the box. It is sufficient that the lubricating coating is formed only on the contact surface of either the pin or the box, but of course, it may be formed on the contact surface of both the pin and the box. The contact surface is preferably provided with a lubricant film on the entire surface, but it is also possible to form the lubricant film only on a part of the contact surface. In that case, it is preferable to form a lubricating coating on the unthreaded metal contact portion that forms a metal seal, which is more likely to seize than the threaded portion.
[0029]
In the first aspect of the present invention, the contact surface of the pin and / or box of the threaded joint includes a lubricating layer (hereinafter abbreviated as a liquid layer) in a liquid state in a temperature range of 0 ° C. or higher and 40 ° C. or lower, And a lubricating coating composed of two layers, a lubricating layer in a solid state at 40 ° C. (hereinafter abbreviated as a solid layer). That is, a liquid lubricant (typically, lubricating oil) is first applied to the contact surface to form a liquid layer, and a solid layer is formed on the liquid layer.
[0030]
The thickness of the lower liquid layer is preferably in the range of 0.5 to 1000 μm. In this range, the lubricity necessary for preventing seizure can be obtained. In addition, the phenomenon that the upper solid layer shifts and is easily broken due to the liquid layer being too thick does not occur at a film thickness in this range. A more preferable thickness of the liquid layer is 1 to 100 μm.
[0031]
The thickness of the upper solid layer is preferably in the range of 1 to 200 μm. In this range, a sufficient film strength that cannot be broken by a slight contact is obtained, and at the same time, the self-repair function of the liquid layer is not hindered after the solid layer is broken by tightening the screw joint. A more preferable thickness of the solid layer is 1 to 50 μm.
[0032]
The liquid layer is preferably composed of liquid lubricating oil in a temperature range of 0 to 40 ° C. As the lubricating oil, mineral oil, synthetic ester oil, animal and vegetable oil, etc. can be used alone or in combination. This lubricating oil can contain various additives in order to improve seizure resistance, rust resistance and other performances. When these additives are liquid, they can be used alone as a lubricating oil.
[0033]
A particularly preferable additive is a basic organic metal salt having a high effect of improving seizure resistance and rust prevention. A basic organometallic salt is a viscous liquid (grease-like) substance containing a large amount of fine particles of an excessive metal salt (typically metal carbonate) deposited colloidally. The metal salt fine particles are interposed between the contact surfaces of the pin and the box, thereby preventing seizure. Since the basic organic metal salt is liquid, it can form a liquid layer by itself, but may be a mixture with the above-described lubricating oil.
[0034]
Examples of basic organic acid metal salts include basic metal sulfonates, basic metal phenates, basic metal salicylates, basic metal carboxylates, and the like. The metal salt can be an alkali metal salt, but is preferably an alkaline earth metal salt, particularly a calcium salt, barium salt, or magnesium salt. The basicity of the basic organic metal salt is preferably in the range of 50 to 500 mgKOH / g. These basic organic acid metal salts can be used alone or in combination of two or more.
[0035]
Other additives can also be used as appropriate. Examples of additives that can be used are rust preventive additives, antioxidants, viscosity modifiers, oiliness improvers, extreme pressure additives, etc., known as lubricant additives.
[0036]
Further, a solid fine powder may be added to improve the seizure resistance or increase the dryness of the coating. However, if this fine powder is not kept to a very small amount, the fluidity of the coating during tightening and loosening may be hindered. The amount of solid fine powder added is preferably 5% or less. As the solid powder to be added, resin powder or the like may be used in addition to general solid lubricants such as molybdenum disulfide, tungsten disulfide, graphite, mica, boron nitride, and polytetrafluoroethylene. The particle size of these solid fine powders is preferably 10 μm or less. If the particle size is too large, it becomes a source of soot. Further, as will be described later, the liquid layer may contain a fatty acid metal salt.
[0037]
The liquid layer is preferably composed of one or more of mineral oil, synthetic ester oil, animal and vegetable oil, and basic organic acid metal salt. These materials used for forming the liquid layer preferably have a viscosity at 40 ° C. of 10 cSt or more. If the viscosity is too low, the liquid layer may flow down until it is sealed with the upper solid layer, and a predetermined film thickness may not be obtained. Also, application of the solid layer may be difficult.
[0038]
The liquid layer may be formed by a conventional method. That is, if necessary, an appropriate additive is added to the lubricating oil constituting the liquid layer, and if the viscosity is too high to be applied, it is diluted with a volatile organic solvent, and then the screw joint (pin and / or box) is used. The contact surface can be applied by appropriate means such as brushing, spraying or dipping. When a solvent is used, if necessary, it is dried with heating to remove the solvent.
[0039]
A general volatile solvent can be used as the solvent. Examples thereof include alcohols such as ethanol, propanol, isopropanol and butanol, hydrocarbons such as xylene and toluene, mineral spirits, kerosene, synthetic naphthenes and petroleum benzine.
[0040]
Before forming the lower liquid layer, the contact surface of the threaded joint on which the lubricating coating is to be formed may be subjected to a ground treatment. This base treatment can be performed to improve the retention of the lubricating coating by increasing the surface roughness, or to improve the seizure resistance by increasing the corrosion resistance and / or hardness of the surface.
[0041]
Base treatments for improving the retention of the lubricating coating include light pickling, sand or shot blasting, phosphate chemical treatment (manganese phosphate treatment, zinc phosphate treatment, etc.), oxalate chemical treatment ( Iron oxalate treatment), glass peening, zinc blasting, etc.
[0042]
On the other hand, as a ground treatment for improving seizure resistance, metal plating such as nickel, chromium, copper, zinc, tin, and iron and alloy plating of these two or more metals (for example, nickel / chromium alloy plating, TiC, TiN, TiCN, DLC (diamond-like carbon), Cr that can be formed by plating such as copper / tin alloy plating, zinc / iron alloy plating), nitriding, PVD, CVD, etc. _X N _Y , TiBN, TiAlN, TiCrN, and the like, and a method of forming an oxide film by heat-treating the surface can also be used.
[0043]
When the contact surface is subjected to a ground treatment, it is preferable to perform the lubrication immediately after the ground treatment because the wettability of the ground surface is high and the adhesion or retention of the formed lubricating coating is improved. It is considered that when the active surface is exposed or the active base film is formed by the base treatment, the physical / chemical adsorption property of the lubricating film is increased. The shorter the time from the base treatment to the lubrication treatment, the better. However, a sufficient effect is recognized within one hour.
[0044]
Since the surface of the liquid layer is sticky, a solid layer is formed thereon as an upper layer to suppress stickiness of the surface of the lubricating coating. This solid layer is composed of a lubricious material that is solid at 40 ° C. When the solid layer is liquid at 40 ° C., the solid layer becomes sticky when the outside air temperature is high or when exposed to direct sunlight, and the intended purpose is not achieved.
[0045]
The upper solid layer is preferably composed of a coating layer of a relatively soft solid organic material or a coating layer having a relatively low mechanical strength in which a lubricating powder is loosely bonded. This is because when the threaded joint is tightened, if the solid layer is destroyed at the initial stage of tightening, lubrication by the lower liquid layer is more effective, the self-repair function is effectively exhibited, and the lubrication performance is high. Because it becomes.
[0046]
In order to prevent the broken solid layer from remaining on the friction interface between the pin and the box and hindering subsequent tightening / loosening, the broken solid layer is heated in the liquid layer due to the temperature rise due to frictional heat during tightening. It is preferable to dissolve in or to be finely divided by breaking and dispersed in the liquid layer. For example, a conventional solid lubricant film in which a solid lubricant powder is bonded with a resin has a mechanical strength that is too high for the solid layer used in the present invention, and is difficult to break at the initial stage of tightening. Don't be.
[0047]
Solid organic materials suitable for forming a solid layer that can be dissolved in the underlying liquid layer when tightening include solid waxes, resins, higher fatty acids, higher alcohols, fats, drying oils, semi-drying oils at 40 ° C, 1 type (s) or 2 or more types selected from can be used. In order to easily dissolve in the oil in the lower liquid layer at the above temperature rise, it is preferable that the solid organic material having a melting point has a melting point of 120 ° C. or less, and those having no melting point have fluidity at 120 ° C. It is preferable to show.
[0048]
The wax (wax) forming the solid layer may be any of animal, vegetable, mineral and synthetic waxes. Examples of waxes that can be used include beeswax, spermaceti (above, animal), wood wax, carnauba wax, candelilla wax, rice wax (above, vegetable), paraffin wax, microcrystalline wax, petrolatum, montan wax, ozokerite Ceresin (above, mineral), oxidized wax, polyethylene wax, Fischer-Tropsch wax, amide wax, hardened castor oil (caster wax) (above, synthetic wax).
[0049]
As the higher fatty acid, mono-, di- or tricarboxylic acid having 10 or more carbon atoms can be used. The hydrocarbon group may be either saturated or unsaturated.
As the higher alcohol, a primary, secondary or tertiary alcohol having 12 or more carbon atoms can be used. The hydrocarbon group may be either saturated or unsaturated.
[0050]
Examples of resins include acrylic resin, polyethylene resin, polystyrene resin, polypropylene resin, polyvinyl chloride resin, polyvinyl acetate resin, urethane resin, epoxy resin, nylon 6.6, phenol resin, urea resin, melamine resin, silicon resin, etc. Can be mentioned.
[0051]
As the fat, drying oil, and semi-drying oil, various oils such as linseed oil, castor oil, and rapeseed oil can be used.
Of the organic materials, it is most preferable to form a solid layer using wax from the viewpoint of lubricity and fracture mode. Of these, paraffin wax, oxidized wax, microcrystalline wax, petrolatum, wood wax, ozokerite, and ceresin are particularly preferable.
[0052]
In order to form a solid layer, the solid organic material to be used (for example, wax) is dissolved in a suitable volatile solvent or heated to melt to form a liquid, which is applied on the lower liquid layer and applied to the upper layer. Form. The application can also be performed by spraying or brushing. In order to form an upper solid layer separated from the lower liquid layer, the organic material and solvent (if used) used to form the upper layer are selected so that they are not completely compatible with the lower layer during the formation of the upper layer. Also, the solid organic material to be used is molded into a powder form, this powder is dispersed in an appropriate solvent and applied onto the lower liquid layer, heated to remove the solvent, and the powder is melted to obtain a solid Layers can also be formed.
[0053]
The material for the solid layer may be compatible with the material for the liquid layer when liquefied. In this case, a single-layer type lubricating film (that is, the film of the second embodiment) is formed, which will become solid or semi-solid as a whole by the solid layer material being compatible with the liquid layer material, which will be described later. Will be.
[0054]
The solid layer can also consist of a coating with a relatively low mechanical strength, loosely bonded with a lubricating powder. Examples of the lubricating powder include powders of molybdenum disulfide, tungsten disulfide, graphite, mica, boron nitride, polytetrafluoroethylene, and the like. In addition, since the resin powder having a melting point lower than 120 ° C. can be melted and liquefied by the temperature rise due to frictional heat during tightening and exert a lubricating action, it can be used as a lubricating powder in the present invention. Examples of such resin powder include powders of polyethylene and polystyrene. In the case of a material that does not melt at 120 ° C. or less, the particle size of the lubricating powder is preferably 10 μm or less for the reasons described above.
[0055]
The solid layer made of the lubricating powder can be formed by bonding the lubricating powder using an appropriate binder. As the binder, for example, a nitrocellulose, acrylic resin, vinyl chloride resin, polyvinyl butyral, rubber, fluorine resin or the like is used alone or blended, and it is preferable to bond them by natural drying. As other bonding methods, there are a baking method and a reaction hardening method, but they are difficult because they have a liquid layer in the lower layer.
[0056]
According to the second aspect of the present invention, the contact surface of at least one of the pin and the box is made of a mixture of lubricating oil in a liquid state in a temperature range of 0 ° C. or higher and 40 ° C. or lower and a wax in a solid state at 40 ° C. A solid or semi-solid lubricating film is formed at 40 ° C. As described above, this lubricating coating has a small surface stickiness, and the wax is easily melted by frictional heat at the time of tightening, so that the entire coating becomes a liquid state and exhibits excellent seizure resistance with a self-repair function. .
[0057]
The thickness of the lubricating coating is preferably in the range of 1 to 1000 μm, more preferably 10 to 100 μm, in order to sufficiently exhibit the above effects. Making the coating too thick is not only wasteful but also environmentally undesirable.
[0058]
The “lubricating oil in a liquid state in a temperature range of 0 ° C. or more and 40 ° C. or less” (hereinafter referred to as “lubricating oil”) used for this lubricating coating is a liquid lubricant that can be used to form the lower liquid layer in the first aspect. The same material may be used. That is, the liquid lubricating oil may be one or more selected from a mineral oil, a synthetic ester oil, an animal and vegetable oil, and a basic organic acid metal salt in a liquid state at a temperature range of 0 to 40 ° C. The preferred viscosity is also the same as described above. The lubricating oil may contain appropriate additives as described above (eg, rust preventive additives, antioxidants, viscosity modifiers, oiliness improvers, extreme pressure additives, solid powders, etc.).
[0059]
Similarly, “wax in a solid state at 40 ° C.” (hereinafter referred to as wax) may be the same as that described for the upper solid layer in the first embodiment, and the types of preferred waxes are also the same. The melting point of the wax is higher than 40 ° C., and is preferably 120 ° C. or lower for the reasons described above.
[0060]
The mixture may further contain a solid additive that is solid at 40 ° C. in addition to the lubricating oil and wax. The solid additive may be one or more selected from resins, higher fatty acids, fatty acid metal salts, higher alcohols, fats, drying oils and semi-drying oils.
[0061]
Among these solid additives, examples of fatty acid metal salts include alkali metal or alkaline earth metal salts (eg, Na salt, Ca salt) of fatty acids such as stearic acid, oleic acid, and palmitic acid. Preferable are alkali metal salts and alkaline earth metal salts of stearic acid and oleic acid. Among them, sodium stearate and calcium stearate are preferable. Other solid additives may be the same as those described for the material forming the solid layer in the first embodiment.
[0062]
The mixing ratio of the lubricating oil and the wax in the mixture is selected so that a solid or semi-solid lubricating film can be formed from the mixture. If the amount of lubricating oil is too large, the coating remains in a liquid state. A preferable blending ratio is within a range in which a mass ratio of lubricating oil: wax is 1:10 to 10: 1, more preferably 1: 4 to 4: 1.
[0063]
When adding a solid additive to a mixture, it is preferable that the addition amount (in the case of 2 or more types) of a solid additive shall be in the range of 0.5-30 mass% of a mixture. Since drying oil and semi-drying oil increase the time until the coating becomes semi-solid due to the addition thereof, it is better not to increase the amount of addition.
[0064]
In the threaded joint according to the second aspect, in which the lubricating coating is made of a mixture of lubricating oil and wax, the mixture is preferably heated to a temperature equal to or higher than the temperature at which the wax liquefies. In this way, the lubricating oil and the wax are mixed in a liquid state, and a substantially homogeneous mixture in which both are compatible is formed. This liquid mixture forms a solid or semi-solid lubricating film with low stickiness and high dryness after cooling, even when the proportion of lubricating oil is quite high.
[0065]
The “temperature at which the wax liquefies” is a temperature at which the entire mixture of the lubricating oil and the wax liquefies when the wax liquefies. This temperature may be lower than the melting point of the wax. This is because the coexistence of the lubricating oil may cause the wax to liquefy at a temperature that does not reach the melting point.
[0066]
This heating may be performed at any time before, during and after the formation of the lubricating coating as long as it is after mixing.
For example, the mixture before being applied to the contact surface of the threaded joint can be heated to a temperature equal to or higher than the temperature at which the wax liquefies. In this case, since the mixture can be heated while stirring, compatibility can be achieved efficiently. The heated mixture may be applied to the contact surface of the threaded joint while the temperature is high, or may be applied after cooling until the wax solidifies. When the coating is performed at a temperature higher than the temperature at which the wax solidifies, the coating can be performed without diluting the mixture with a solvent. When the temperature of the mixture at the time of application is lower than the temperature at which the wax solidifies, it is easier to apply after diluting the mixture with a solvent. In either case, the contact surface of the threaded joint to be applied may be heated.
[0067]
The mixture may be heated to a temperature above the temperature at which the wax liquefies during the formation of the lubricating coating by heating the contact surface of the threaded joint to be applied during application, or the lubricating coating formed by application is heated. By doing so, it can be carried out after the formation of the lubricating coating. When the mixture is diluted with a solvent, it may be heated after application to evaporate the solvent, but the heating temperature at that time is higher than the temperature at which the wax liquefies, and compatibility between the wax and the lubricating oil is also achieved. be able to. Of course, heating to a temperature above which the wax liquefies may be performed at two or more time points before, during and after the formation of the lubricating coating.
[0068]
When the mixture to be applied is diluted with a solvent, suitable solvents may be the same as those described above with respect to the first embodiment. The solvent to be used is preferably selected from those that can dissolve the wax and are compatible with the lubricating oil to be used. Even when the coating is performed after the mixture is heated and before the wax is solidified, the mixture may be diluted with a solvent in order to improve the coating property by reducing the viscosity.
[0069]
Application can be performed by an appropriate method such as brushing, spraying or dipping. Prior to application, the contact surface of the pin and / or box to be applied may be primed as described for the first aspect. When a solvent is used, after coating, if necessary, the coating film is dried with heating to remove the solvent. When the coating is cooled to room temperature and / or the solvent is removed, a semi-solid or solid lubricating coating in which the lubricating oil and wax are compatible is formed. The surface of the lubricating coating is less sticky and foreign matter is less likely to adhere to it.
[0070]
In both the first and second embodiments, when a lubricant film is formed only on one contact surface of the pin or the box, the other contact surface not forming the lubricant film is plated (eg, galvanized or copper plated). ), Applying at least one surface treatment selected from phosphate (eg, manganese phosphate) chemical conversion treatment and oxalate (eg, iron oxalate) chemical conversion treatment to improve seizure resistance preferable. Such a surface treatment can also be formed on the contact surface on which the lubricating coating is formed.
[0071]
When a base treatment by chemical conversion treatment, preferably phosphate or oxalate chemical conversion treatment is applied to at least one contact surface of the pin and the box, the lubricating coating preferably contains a fatty acid metal salt as a solid additive. As a result, the seizure resistance of the threaded joint for steel pipes can be further improved, and even when the steel pipe has a large diameter as in the casing, the occurrence of galling can be reliably prevented.
[0072]
In the case of the first aspect, this fatty acid metal salt is preferably contained in the lower liquid layer. In the second embodiment, the salt is of course included in a mixture of lubricating oil and wax. When a lubricant film containing a fatty acid metal salt is formed only on one contact surface of the pin and the box, the surface treatment by chemical conversion treatment may be applied to either the contact surface of the pin or the box, or to both contact surfaces. May be.
[0073]
As the fatty acid metal salt, the above-mentioned various types can be used, and among them, sodium stearate and calcium stearate are preferable. The addition amount of the fatty acid metal salt is preferably in the range of 5 to 30% by mass of the liquid layer in the first embodiment and the mixture in the second embodiment.
[0074]
In the threaded joint for steel pipes according to the present invention, in any of the first and second aspects, the lubricating coating formed on the contact surface has a small stickiness on the coating surface and is difficult to adhere foreign matter. A decrease in stickiness can be prevented. Also, unlike simply applying a lubricating oil, a large amount of liquid lubricant or lubricating oil is retained on the contact surface by coating with a solid layer in the first mode, and restraint by solidification or semi-solidization in the second mode. can do. However, at the time of tightening / loosening, the first mode breaks the upper solid layer, and in the second mode, the wax melts due to the generated frictional heat and the coating liquefies, so that the coating acts as a liquid coating. In addition, the excellent lubricating action and self-repair function inherent in the liquid lubricant are exhibited. As a result, there is no need to apply compound grease every time it is tightened, and even if there is a small amount of foreign matter such as rust or blasting abrasive grains in the steel pipe, it can be tightened and loosened repeatedly. Adherence can be obtained.
[0075]
In the threaded joint for steel pipes of the present invention, since the lubricating coating is excellent in rust prevention, it is possible to prevent the occurrence of rust when stored for a long period of time. However, if desired, a protective member such as a highly airtight protector can be attached to the pin and / or the box.
[0076]
【Example】
In the following embodiment, a pin formed on the outer surface of a 13Cr steel or carbon steel oil well pipe having an outer diameter of 7 inches (17.8 mm) and a screw joint member made of the same material and fitted to the pin are used. Using a threaded joint consisting of a box formed on the inner surface, repeated tightening and loosening tests were conducted. This threaded joint was capable of metal sealing, with both the pin and the box having a threaded portion and an unthreaded metal contact portion. 13Cr steel is a kind of high alloy steel, and is a material that tends to seize.
[0077]
In the following description, the surface of the threaded portion of the pin and the unthreaded metal contact portion is simply referred to as “pin surface”, and the surface of the threaded portion of the box and the unthreaded metal contact portion is simply referred to as “box surface”. In all of the examples, a lubricating coating was formed only on the surface of the box (that is, the screw portion of the box and the unthreaded metal contact portion).
[0078]
(Example 1)
This example illustrates a threaded joint for steel pipes in which a lubricating coating composed of two layers of a lower liquid layer and an upper solid layer is formed on the surface of a 13Cr steel thread joint box according to the first aspect of the present invention. To do.
[0079]
The pin surface remained untreated.
The surface of the box was subjected to shot blasting as a base treatment, and within one hour, a two-layer lubricating film composed of a liquid layer and a solid layer was formed as shown in Table 1.
[0080]
In Table 1, the viscosity values for the material of the liquid layer are all values at 40 ° C. When the liquid layer was a basic organic acid metal salt (Ba or Ca sulfonate), it was diluted with a volatile solvent (xylene) before being applied. When the solid layer was made of mica powder, mica was dispersed in a nitrocellulose solution and spray-coated on the surface. As a result, the applied layer and the lower liquid layer were applied without mixing, and when the water contained in the nitrocellulose solution evaporated, a solid layer in which mica was loosely bound with nitrocellulose was formed.
[0081]
The threaded joint treated as described above was subjected to repeated tightening / loosening tests simulating the operation in an actual pipe. The rotational speed of tightening and loosening at that time was 20 rpm, and the tightening torque was 15,000 ft · lbs (about 20,000 J). Tightening / loosening was repeated until seizure occurred. At that time, for light seizures that could be tightened by care, tightening was continued by care. The results are shown in Table 2. In this test, if the number of tightening / loosening times before seizure is 10 times or more, seizure resistance is acceptable.
[0082]
Separately, in order to evaluate the stickiness, the surface of the block test piece (20 mm square, 10 mm thickness) made of 13Cr steel was subjected to the above-mentioned ground treatment for the box, and then the liquid layer was subjected to the same conditions as in Table 2. A two-layer lubricating film consisting of a solid layer was formed. At that time, after the formation of each of the liquid layer and the solid layer, the test piece was weighed with a precision balance, and the adhesion amount of each layer was calculated and displayed in Table 1. Further, the approximate film thickness of each layer was calculated from the amount of adhesion and the approximate density of each layer, and the results are also shown in Table 1.
[0083]
As shown in FIG. 2, the obtained test piece was placed on a petri dish where iron powder was spread, and the test piece was taken out after 1 minute, and the weight of the iron powder adhered to the surface. Was measured with a precision balance. The stickiness was evaluated based on the amount of adhesion. The results of the stickiness evaluation test are also shown in Table 2. Adhering amount is 5g / m ² The following is acceptable. This is the knowledge so far, 5g / m locally ² This is because it has been found that no seizure occurs even if the scale adheres to a considerable extent.
[0084]
[Table 1]

[0085]
[Table 2]

[0086]
As can be seen from Table 2, in the comparative example with only the solid layer (Test No. 6), the stickiness was small, but tightening / loosening could be performed only 5 times and the seizure resistance was insufficient. On the other hand, in the comparative example having only the liquid layer (Test No. 7), the seizure resistance was sufficient, but the stickiness was rejected.
[0087]
On the other hand, the threaded joints of Test Nos. 1 to 5 according to the present invention sufficiently satisfied the required performance in both seizure resistance and stickiness. In particular, the seizure resistance of the threaded joints of Test Nos. 3 and 5 in which the liquid layer was formed from a basic organic acid metal salt was higher. As can be seen from the results of the seizure resistance of Test No. 3 and Test No. 7 where the liquid layer forming material is the same, a solid layer was formed on the liquid layer in Test No. 3. However, the excellent lubricity derived from the liquid layer is not inhibited.
[0088]
(Example 2)
This example illustrates a threaded joint for a steel pipe in which a lubricating coating made of a mixture of lubricating oil and wax is formed on the surface of a 13Cr steel and carbon steel threaded joint according to the second aspect of the present invention.
[0089]
Only the surface treatment was applied to the pin surface on which no lubricating film was formed. The ground surface treatment applied to the pin surface was manganese phosphate treatment for carbon steel pins and copper plating for 13Cr steel pins.
[0090]
The surface of the box was subjected to the same surface treatment (shot blasting) as in Example 1, and within 1 hour, as shown in Tables 3 and 4, a mixture of lubricating oil and wax and optionally a solid additive The application | coating which forms the lubricating film which consists of was performed. The application was performed using a mixture liquefied by heating (that is, a mixture obtained by liquefying wax) or a mixture liquefied by dilution with a solvent. The values of the viscosity of the lubricating oil in Tables 3 and 4 are values at 40 ° C. Moreover, the compounding ratio of each component shown in Tables 3 and 4 is a mass ratio. Table 5 summarizes the composition of the mixture used for coating, the heating temperature of the mixture, and the coating method.
[0091]
The seizure resistance of the threaded joint whose pin and box contact surfaces were treated as described above was evaluated in the same manner as in Example 1 by repeated tightening and loosening tests.
Further, the stickiness was also evaluated by the same test method as in Example 1. The above test results are summarized in Table 6. Table 6 also shows the approximate thickness of the lubricating coating obtained from the adhesion amount and the approximate density of the lubricating coating formed on the block-shaped test piece for the stickiness evaluation test.
[0092]
[Table 3]

[0093]
[Table 4]

[0094]
[Table 5]

[0095]
[Table 6]

[0096]
As can be seen from Table 6, according to the present invention, in the threaded joint formed with the lubricating coating composed of the mixture of the lubricating oil and the wax, both the seizure resistance and the stickiness sufficiently satisfied the required performance. Also in this example, when the steel pipe threaded joint is made of 13Cr steel, which is prone to seizure, there is some seizure resistance of the threaded joints of Test Nos. 3 to 6 using basic organic acid metal salts as lubricants. There was a tendency to increase. On the other hand, in the case of a threaded joint made of carbon steel, when a phosphate chemical conversion treatment was applied as a base treatment to the pin surface on which no lubricating coating was formed, Test No. 17 in which the lubricating coating contained a fatty acid metal salt as a solid additive. In 24, very good seizure resistance was obtained with the number of tightening and loosening being 20 times or more. Thereby, even in the case of a threaded joint for large-diameter oil well pipes that are likely to seize, goling can be prevented.
[0097]
On the other hand, in the comparative example in which a lubricating film was formed by mixing resin with lubricating oil instead of wax, seizure resistance was insufficient (Test No. 25) or stickiness was rejected (Test No. 26). They were incompatible.
[0098]
【The invention's effect】
According to the present invention, a screw that is relatively susceptible to seizure, such as a joint made of high alloy steel, a joint for a steel pipe having a large inner diameter (for example, a casing joint), or a joint having a high interference amount at a threaded portion with improved sealing performance. Also in the joint, there is provided a threaded joint for steel pipes which can prevent seizure when repeated tightening and loosening and has excellent seizure resistance. In addition, there is no problem of foreign matter adhering to the surface unlike liquid lubricants, and a reduction in seizure resistance due to foreign matter adhesion is prevented, and at the same time, handling of the threaded joint becomes easy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a threaded joint for a steel pipe including a threaded portion and an unthreaded metal contact portion.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a test method carried out for evaluating stickiness in Examples.

Claims

A steel pipe threaded joint comprising a pin and a box each having a contact surface having a threaded portion and an unthreaded metal contact portion, and having a lubricating coating on at least one contact surface of the pin and the box, wherein the lubricating coating is 0 A threaded joint for steel pipes, comprising a lubricating layer in a liquid state in a temperature range of not less than 40 ° C. and not more than 40 ° C., and a lubricating layer in a solid state at 40 ° C. formed thereon.

A steel pipe threaded joint comprising a pin and a box each having a contact surface having a threaded portion and an unthreaded metal contact portion, and having a lubricating coating on at least one contact surface of the pin and the box, wherein the lubricating coating is 0 A coating of a solid or semi-solid film at 40 ° C. comprising a mixture of a lubricating oil in a liquid state at a temperature range of from 40 ° C. to 40 ° C. and a wax in a solid state at 40 ° C. 1 or 2 or more solid additives selected from metal salts, wherein the fatty acid metal salt is selected from the group consisting of stearic acid and oleic acid alkali metal salts and alkaline earth metal salts a threaded joint for steel pipes, characterized in der Rukoto species or two or more.

The threaded joint for steel pipes according to claim 2 , wherein the mixture is a mixture of the wax and the lubricating oil which is heated to a temperature equal to or higher than a temperature at which the wax liquefies.

The threaded joint for steel pipes according to any one of claims 1 to 3 , wherein a contact surface of at least one of the pin and the box is a surface subjected to a ground treatment.

The lubricating film is formed on one contact surface of the pin or the box, and the other contact surface on which the lubricating film is not formed is formed by a base treatment selected from plating, phosphate chemical conversion treatment, and oxalate chemical conversion treatment. The threaded joint for steel pipes of Claim 4 which has a film.

The threaded joint for steel pipes according to claim 4 , wherein the base treatment is a phosphate chemical conversion treatment or an oxalate chemical conversion treatment, and the lubricating coating contains a fatty acid metal salt as a solid additive.

The threaded joint for steel pipes according to claim 6 , wherein the fatty acid metal salt is one or more selected from the group consisting of alkali metal salts and alkaline earth metal salts of stearic acid and oleic acid.

Lubricating layer or lubricating oil is a mineral oil of the liquid state, synthetic ester oils, consisting of one or two or more species selected from animal and vegetable oils and basic organic acid metal salt, according to any one of claims 1-7 Threaded joint for steel pipes.