JPH0280886A - シール面圧保持機能の優れた油井管用ネジ継手 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、油（ガス）井の坑井保護および採油に使用さ
れる油井管（ケーシングパイプ、チューヒンクパイプ）
の管継手に関し、気密性能が優れ、かつ耐応力腐食割れ
性能の優れた油井管用継手に関するものである。

［従来の技術］ 油井環境の苛酷化に伴い、油井管用継手の気密性、耐応
力腐食割れ性能への要求は年々高度化している。現行特
殊継手は、金属接触気密部を有し、これまで気密部形状
に関し、種々の発明か行なわれている。この気密部形状
を除けは、特殊継手は、一般に第４図に示す形状に代表
され、雄ネジ３１先端にネジなしテーパ部３９をもち、
ボックス３２には中央突起部４０を設けている点を共通
の特徴としている。この継手形状には、主として以下の
２点の効用かある。第一は、ネジなしテーパ部３３．３
５を継手嵌金時にしまりばめ状態にすることにより、高
い気密性か得られる。第二は、ボックスの突起４０が雄
ネジ締込みのストッパーの役目をし、ネジ嵌合部３７．
３８および気密部３３．３５に所定の干渉代（雄側外径
一対応する雌側内径）を附与てきる。

このことは、気密圧力の設計、およびボックスの周方向
引張応力制御の上てきわめて重要な点である。特に３３
−３５間にできるたけ高い接触面圧を発生させ気密性能
を高めることが全ての特殊継手の目標である。

３３−３５間の金属接触部の面圧を高位に保つには、 １　）　３３−３５間の干渉代を大きくとる２）高強度
材を用いてネジなしテーバ部３９の降伏を抑制し、大き
い干渉代に対しても、しまりはめ効果を維持する ３）ネジ嵌合部３７Ｊ８のしまりばめ作用が金属接触シ
ール部の面圧低下をきたさないようにシール部に近いネ
ジの嵌合を緩める 等の施策が現在とられている。本発明が狙う機能は３）
であり、以下にその効果と関連した先行技術について説
明する。

第５図（ａ）は、特公昭５９−４４５５２号公報で開示
された継手に対し過度のネジ嵌合がピンネジ先端部の金
属接触部面圧に及ぼず影響を定量化するための有限要素
法の継手モデルである。ネジの干渉代は図のＧＡＰ　ｅ
ｌｅｍｅｎｔて調整し、ここでは直径差０．２．０．１
ｍｍについて検討した。第５図（ｂ）は、ネジ干渉代Ｏ
ｍｍのときのメタルシール部の面圧分布を示す。ネジの
しまりはめ作用の影響を受けない時は、最高シール面圧
は、約６０ｋｇ／ｍｍ２である。これに対し、ピンネジ
先端から数えて２から３山目にかけて０．２ｍｍ　　０
．１ｍｍのネジ干渉代を与えた時のメタルシール部の面
圧分布を第５図（ｃ）に示す。最高面圧は夫々２０ｋｇ
／ｍｍ２．４０ｋｇ／ｍｍ２へと著しく減少している。

方策５図（ｔｌ）はネジ干渉を与える位置を２〜３山目
から４〜５山目に遠ざけた時の面圧分布である。同様の
ネジ干渉代０．２ｍｍを与えているにもかかわらす、最
高面圧は元のネジ干渉代０ｍｍ（第５図（ｂ））の状態
に戻っている。第５図（ｅ）は最高面圧にのみ注目し、
上記結果を整理したものである。従ってこれらの図は、
ピン先端から４山目程度に及ぶネジの積極的嵌合が最も
重要であり、これが肝心の金属接触面圧を低下させてい
ることを示している。

以上のとおり３７の機能を継手に附与することは非常に
効果がある。本機能を具体的に継手構造に取り入れた特
許としてＵＳＰ　２０６２４０７（ＡＰＩ　ＥＬケーシ
ング継手）、特開昭６２−１９６４８８号かある。

第６図はＥＬケーシング継手嵌合時の金属接触シール部
近傍のネジの緩み状況及びこれを達成するためのネジ加
工法を示している。その特徴はネジ嵌金時、そのネジ出
線、ネジ底線が管軸とテーバをなす完全ネジ嵌合部と管
軸と平行な不完全ネジ部から構成されていること。かつ
その不完全ネジ部のピンネジ山、ボックスネジ酸量の両
方にクリアランスを設けていること。他方完全ネジ部は
ピンネジ底、ボックスネジ山間は堅く接触させ、ピンネ
ジ山、ボックスネジ酸量には、クリアランスを設けてい
ることである。この方法では、シール部の面圧を高位に
維持しようという所期の目的は達成できるが、以下２点
の欠点かある。

１）ボックスのシール部近傍の管軸に平行なネジ山は通
常ネジ下加工、ネジ加工で終えるプロセスにもう一工程
ネシ山コーナＲ部加工のためのトッピング加工か必要と
なる。又ピンについては、途中でテーパが変化している
ので、同一ピッチてネジ山総形バイトてネジ加工を行な
えば、不完全ネジ部において刃物か加工対象に対して切
込み代が浅くなるのでネジ溝が狭くなる。そこでこのま
までは対応する雌ネジ山が刻ネジ溝にはまり込めないの
で、ネジ加工の段階で不完全ネジ部と完全ネジ部とでピ
ッチを変えて僅かに雄ネジ不完全ネジ部のネジ側面を削
り落して巾を広げる必要がある。そうてなければ、設計
通りネジ溝加工するためには、不完全ネジ全体と１．２
山の完全ネジ山をカバーする総形バイトが必要となり、
チェザーのコスト高となる。もし不完全ネジ部が５〜７
山に及べば総形チェザーは７〜９山と巾の広いものにな
ってしまう。

２）機能面では、シール近傍ボックスネジ不完全部は最
もネジ山の受ける力が強い所であるのに、その部分が不
充分なネジ山高さの不完全ネジであれは数山先の完全ネ
ジの始まり部分のネジ山の力の分担が大きくなりボック
スネジ底断面が、不完全ネジ部より小さい所の完全ネジ
開始部分が引張り破断の危険断面となるため、継手効率
を犠牲にする。一方特開昭６２−１９６４８８号につい
ては、前記ＬＩＳＰ同様シール部近傍にネジ嵌合の甘い
不完全ネジを設けている。たたしその部分のネジ山、ネ
ジ底線か完全ネジ部と同じテーバのピンネジ底、ボック
スネジ出線と完全ネジ部より急勾配のテーバのピンネジ
山、ボックスネジ底線から構成されている点が前記米国
特許とは異なっている。しかし加工上、機能上の欠点は
基本的に類似している。即ち、ピンのトッピング加工の
追加、ボックステーバ切替え部におけるネジ巾揃えのた
めの可変ピッチ加工の追加および不完全ネジ山トッピン
グ加工の追加。機能面では、引張時のボックス危険断面
がネジ有効断面の大きいシール隣接不完全ネジ部からネ
ジ底有効断面の小さい完全ネジ開始近傍に穆動し、継手
効率の低下等が心配される。

以上のとおり先行の発明は、ネジ嵌合を緩める部分に不
完全ネジ山形状を配置し、しかもその部分だけ完全ネジ
部とテーバを変えているので、加工上手間がかかり、か
つ機能面では引張継手効率低下の懸念など改良の余地が
ある。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の目的は、ピン先端にネジなし金属接触シール部
を具備する油井管用テーパネジ継手において、加工、機
能両面とも一様に、ネジ嵌合した継手と同等の性能をも
ちネジ嵌合の影響て、実質的な金属接触干渉代が低下し
ないように部分的に完全ネジ部のテーパネジ嵌合量を調
整する方法を提供することである。

また、本発明は、気密性能向上の他に、ボックスの周方
向引張応力の軽減効果も計るものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、従来の問題点を解決し本発明の課題を有利に
達成するものでありその要旨は管先端部には、テーパ雄
ネジが刻設され、その延長上には、ネジ無し金属接触シ
ール部を具備し、この雄ネジ管端部ピンを、締結する円
筒（ボックス）には、対応するテーバ雄ネジが刻設され
、その内奥の延長上には、ピンネジ無し部に対応するネ
ジなし内筒金属接触シール部及びピン先端が当接するシ
ョルダーが刻設されている油井管用継手構造であり、ピ
ン、ボックス螺合完了時に完全ネジ嵌合部長のピン先端
側半分はネジ形状がネジ山ネジ底接触型ハツトレスネジ
ではピン側ネジ底を深くしかつピン側ネジ山を低くする
か、逆にボックス側ネジ底を深くしかつボックス側ネジ
山を低くするか、あるいは、ピンボックス両方のネジ底
を深くするか、ピンボックス両方のネジ山を低くする等
の方法により、雌雄ネジ同志の半径方向干渉代をなくし
、この部分に限ってホックスかピン先端を縮管させるい
わゆる焼はめ作用が働かない工夫を施し残りの部分即ち
、完全ネジ嵌合部長のピン根元側半分及び不完全ネジ山
部は充分なトルク抵抗と緩み防止のため所期のネジ干渉
代で螺合し、ネジ嵌合により金属接触部実質干渉代が減
らない高シール面圧保持機能を具備する油井管用継手で
ある。

もしネジ形状がネジ山ロートフランク面、スタヒングフ
ランク面が接触しあいネジ山とネジ底にはクリアランス
を設けたいわゆるインブルーブトバットレスでは、完全
ネジ嵌合部長のピン先端側半分か半径方向に干渉しない
ようにピン側ネジ山中を小さくするか、逆にボックス側
ネジ山巾を小さくするか、あるいは両方のネジ山巾を僅
かずつ小さくすることによってネジ嵌合か金属接触部実
質干渉代が減らない高シール面圧保持機能を具備する油
井管用管継手である。

さらに最近では、ピンボックス間に溜るネジ締込み潤滑
剤の蓄圧作用が研究され（ＩへＤＣ／５ＰＥ１７２０８
１９８８１ＡＤＣ／ＳＰＥ　Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　Ｃｏｎ
ｆｅｒｅｎｃｅＦｅｂ、２８−Ｍａｒｃｈ　２．１９８
８）ボックスネジ底、ピンネジ山間のクリアランスを意
図的にある大きさに設計しグリースが速やかに抜けるよ
うに工夫した変形バットレスネジ山形状（ロードフラン
ク、スタヒングフランク面同志はせらない設計）も発明
されている。係るネジ山形状では、完全ネジ嵌合部長の
ピン先端側半分のピンネジ底、ボックスネジ山間にクリ
アランスを設けるようにネジ加工するたけで、ネジ嵌合
により金属接触部実質干渉代か減らない高シール面圧保
持機能を具備する油井管用管継手に改善できる。

本発明は、雄ネジ先端にネジ加工しその延長上にネジな
し金属接触型シール部を具備した特殊継手に応用が効く
もので、焼はめ理論を基本原則としたラジアルシールタ
イプのネジ継手に適用可能である。上記のとおりネジ形
状についてもその方法こそ異なるが要は完全ネジ部テー
パは変えずに半径方向にピンホックスのネジ同志がせり
合う作用を打消す工夫をすればよい。

重要なポイントは、金属接触シール部に隣接する部分た
けネジ嵌合部の半径方向干渉をなくすことにある。

第１図に本発明のネジ継手全体図を示す。この図は、ネ
ジ山ネジ底接触型バットレスネジに本発明を適用した例
である。完全ネジ列にネジ山、ネジ底クリアランスを設
ける方法は３通りある。その拡大図を第２図に示す。　
（ａ）のピン有効径オフセットタイプは、クリアランス
をとりたいピン先端ネジ部のピッチ径を理想的な有効ピ
ッチ径より内側に追い込んで加工したものである。　（
ｂ）のホックスオフセットタイプは、クリアランスをと
りたいボックス内奥部のピッチ径を理想的な有効ピッチ
径より外側に切込んで加工したものである。　（Ｃ）の
ピンボックスディープグループタイプは、ピンボックス
のネジ底を両方深くし、ピッチ径をオフセットしない加
工法である。

ネジのロートフランクとスタピングフランク面をせらせ
るインブルーブドバットレスネシ形状の場合の半径方向
ネジ干渉除去法を第３図に示ず。雌雄ネジ螺合終了時、
ピンスタピングフランク面と、ボックススタピングフラ
ンク面間に図示のようにクリアランスを設けるには、ピ
ンネジ加工の最終パスで僅かにピッチをピン先端と反対
側に移動させピンスタピングフランク面を余分に削り落
としたやせネジ山とすれはよい。又は同様の考え方でボ
ックスネジ加工の最終パスで僅かにピッチをボックス内
奥側に移動させホックススタンヒングフランク面を余分
に削り落としてもよい。いずれの方法でもネジ山が相手
ネジ溝に食込んでボックスを膨らませたりピンを縮管さ
せる弊害は解消され、シール部の実質干渉代は確保でき
る。

グリース抜きクリアランスを附与した変形ハツトレスネ
ジについては、第２図において半径方向干渉のある部分
のピンネジ山とホックスネジ底の間にクリアランスが設
けられている点か異なり、他は、第２図に示したネジ山
ネジ底接触型バットレスネジに対する改善策と同しであ
る。

［作　　　用］ 第１図に代表される本発明には継手締結完了後の使用時
において以下３点の優れた機能が備わっている。

第１図に金属シール部の面圧低下防止、この点の作用は
第５図で実証した通りである。第２に実質的にネジ嵌合
する部分かトルク抵抗分担部に圧縮されたので残りのボ
ックススリーブは、ボックスか膨張するのを抑えこむ働
きをし、ボックス最大周方向引張応力を軽減でき、油井
環境て問題となる応力腐食割れを起こしにくい構造とな
っている。第３に本来のテーパネシのトルク発生機能は
そのまま継承しているので、ピンとボックスは堅く結合
され、引張、内圧、外圧等の複合荷重に対して、°がた
パや緩みのない継手構造となっている。第４に引張継手
効率の低下の心配がない。

［実　施　例］ 以下に、本発明に係る油井管用管継手（以下、本継手と
いう）を第１図に示す実施例継手に基づいて説明する。

第１図に示す如く、管１１の先端部の先細りテーパ円筒
部１６には、先端（左方）に向うに従って通常１／１６
テーパをもって減径するＡＰＩ規格ハツトレスネジに基
づく雄ネジ１７が刻設されている。該雄ネジ１７は、ネ
ジ山高さが所定のネジ山高さｈの完全ネジ部ＰＳが長さ
Ｌ３（ピン完全ネジ）たけ形成されていると共に、該完
全ネジ部Ｐｓの端部からテーパのない管外周面１１ａに
至ってネジ山の高さが所定のネジ山高さｈに達しない不
完全ネジ部Ｉ、が長さＬ４（ピン不完全ネジ）たけ形成
されている。

ボックス１２における継手端部１８の内周には、前記雄
ネジ１７に対応して螺合間係を得るべく雌ネジ１９がＬ
３の中間点まで内奥（左方）に向うに従って減径するよ
うに長さＬ２だけ刻設され、その奥は、ネジ形状は変え
ずにピッチ径だけが理想的位置より△Ｒ＝　０．２ｍｍ
たけ外側にオフセットした完全ネジＯＰ３を長さＬｌだ
け刻設する。

ＯＰ、の終了端に続いてネジ山にして、４ピツチに相当
する範囲に、トルクショルダー２４．１／１０テーバの
ネジ無し部２５．最奥トルクショルダー２５か階段状に
配置され、このネジ無し部の内周面か内周シール面１４
ａとなっている。他方、前記管１１にも、雄ネジ１７よ
り先端にトルクショルダー２７．１７１０テーパのネジ
無し部２８．最奥トルクショルダー２９がボックスと対
応するように配置され１／ｌＯテーパのネジなしリップ
部２８の外周は、前記内周シール面１４ａに対応する外
周シール面２０ａとなっている。シール面の直径干渉代
（ピン外周シール径Ｄ２０ａ一対応するホックス内周シ
ール径ＤＩ４８）は通常０２〜０　、８ｍｍの範囲で設
計されている。特殊継手のネジ切削加工はＮＣ旋盤利用
が一般化しているので、本発明のような高精度ネジ加工
技術を必要とするネジ列の細工も総形ネジ切刃物をホッ
クス端から内奥部に切進む時、図のり、、ｌ、２の境界
部から漸次切込量を１〜２山程度の遷穆域をとって０．
２ｍｍだけ増やし、Ｌ１部分を切り終えればよい。これ
はネジ山の最終仕上げパスで行なえるので、加工能率を
低下させない。

本発明の成果を確認するため、管外径１７７．８ｍｍ肉
厚８．０５ｍｍ、ボックス外径１９４．４６ｍｍ、引張
強さ７０ｋｇ／ｍｍ２の一組のピン、ホックスを２セッ
ト試作した。一方は、ネジの干渉代（ＩＴ）　０．８ｍ
ｍ。

シール干渉代（Ｉｓ）　０．２ｍｍ、他方はＩ’ｒ、Ｉ
ｓを変えずに本発明の特殊加工を施した。ガスリーク性
能はＡＰＩ　ＲＰ３７規準に従って内圧は管体降伏内圧
の８０％、軸力は管体降伏軸力の８０％を負荷し、３０
分毎に温度が７０℃〜１７０ｔ：に変化する熱媒体油の
中で継手の気密性を確認した。リークの確認は、パイプ
内にＮ２ガスを封入し、第１図に示す気泡検出穴から漏
れてくるＮ２ガスを検知した。実験の結果、シール部に
隣接するネジ山にクリアランスを設けない継手は、温度
サイクル２０回目でＮ２ガスのリークが検出された。一
方本発明を適用したネジ継手は、温度サイクル１００回
目まてＮ２リーク発生か観察されなかったので、その段
階で試験を停止した。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例として採用したネジ継手の詳細
図、第２図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）はＡＰＩバ
ットレスネジ山形状に対して部分的にテーパネジ干渉代
をなくすために雄ネジ先端のシール部隣接ネジ列、又は
雌ネジ最奥部シール部隣接ネジ列、又はその両方にネジ
切削加工上の工夫をしたネジ山、ネジ底、及び一方のネ
ジクランク面にクリアランスを設ける方法の説明図、第
３図はモディファイドＡＰＩハツトレスネジ山形状（ネ
ジ川底間にクリアランス、ネジフランク面食い込み接触
）に対し上記同様所期のクリアランスを設けるための加
工上の工夫を説明するための図、第４図は現行テーパネ
ジ、テーパ金属接触シール面、ストッパーショルダーを
備えた典型的特殊継手を示す図、第５図（ａ）はネジ干
渉量がシール干渉量に影響する程度を解析するために作
成した有限要素法モデル図、同（ｂ）。 （ｃ）　、　（ｄ）はネジ干渉の位置と干渉量がシール
面圧分布に及ぼす影響を定量化した図、同（ｅ）はネジ
干渉量の位置と干渉量かシール最高面圧に及ぼす影響を
定量化した図、第６図（ａ）　、　（ｂ）はシール隣接
不完全ネジ部にクリアランスを設けたＥＬケーシングの
ネジ嵌合図である。 １１・・・管　　　　　　　　１１ａ・・・管外周面１
２・・・ボックス　　　　　１４ａ・・・内周シール面
１６・・・先細りテーパ円筒部　１７・・・雄ネジ１８
・・・継手端部　　　　　　１９・・・酸ネジ２４・・
・トルクショルダー　　２５・・・ネジ無し部２６・・
・最奥トルクショルダー ２７・・・トルクショルダ−２８・・・ネジ無し部２９
・・・最奥トルクショルダー ２（ｌａ・・・外周シール面 田ｌ駅歇Ｖ／Ｉ／−／’−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　管端部（ピン）には、テーパ雄ネジが刻設され、そ
   の延長上にはネジ無し金属接触シール部を具備し、一方
   これにネジ嵌合する円筒（ボックス）には、対応するテ
   ーパ雌ネジと、その内奥の延長上に、ピン無し円筒金属
   接触シール部を具備した継手において、ピン及びボック
   ス締結の状態で、半径方向に正の干渉代をもった全テー
   パ嵌合ネジ列のうち、金属接触シール部に隣接する、最
   低４山以上最大完全ネジ長さの一部のネジ列のみテーパ
   を変えずにピンの有効径を小さくするか、 ボックスの有効径を大きくするか、またはネジ底を堀り
   さげることにより、ネジ山、ネジ底間及びネジ山両側面
   の一方にクリアランスを設けたことを特徴とするシール
   面圧保持機能の優れた油井管用ネジ継手