JPH03502958A - 各種の金属対金属形シールの幅を有する管状製品の接続 - 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】 各種の金属対金属形シールの幅を有する管状製品の接続 技術分野 本発明は、管の接続に係り、特に、接続の対象とする部材の材料の耐力強度とは 独立に互換可能であるが、その材料の耐力強度に応じてシール幅が変化する、プ レミアム接続法として公知の、高品質、高品位の接続方法に関する。

背景技術 高品位の材料で作られ、高圧の条件下で使用される管及び鋳造品等の管状製品は 、接続された両部材に大きい接触応力を受け、さらに、その接続部のビン部材に 大きいフープ張力を受ける。各接続部は、それぞれ、ボックス形部材とビン形部 材との間、通常の場合には部材のねじ部の頭部の前端部、接続部が２つ以上の異 径ねじ部を含む場合には最先端のねじ部の間に、１つ以上の金属対金属の円錐形 シール面を含む。

シールした面はほぼ滑らかにしなければならず、その程度は、通常の場合（組立 体の応力を用いて艶出しする場合）には、そのシール面を円形組織又は仕上げの 方向れよりも組織が粗ければ、非常に大きい圧力が存在する場合にガス漏れを発 生し易いからである。

耐圧接続においては、ボックス形部材及びビン部材に対して半径方向の応力、す なわち接触応力が加えられる。

高級な材料（すなわち、耐力強度の大きい材料）の接続部に対して、それよりも 低い品位の材料の接続部に対して行われる応力除去よりも大きい応力除去を行う ことは可能であり、このようにすればシール部分を、加圧下で行う接続作業の作 業環境に耐えるようにすることができる。従来技術においては、ボックス形部材 とピン部材を、期待される条件に充分に対処し得るようにカスタム化していた。

この接続のカスタム化には、シール面の長さや遠方側端部に対するビン部材の正 確な位置も含まれていた。

従来技術においては、接触応力と圧縮応力を計算やその他の方法を用いて決め、 その後に、その部材に過大応力を加えない場合における、接続部材の材料の品位 と、シール部分の力を最大にするようなシール面の位置及び長さとを選択するこ とが可能であった。これで、成る程度満足できる結果が得られるものの、作業条 件が変化する範囲は非常に広い。これは、最も高い品位の材料と、最高の耐圧シ ールとが、あらゆる実用上の使用を行うために必要とされるものではないという ことである。そのその結果として、各種の品位の管状製品を手元に置いて、要求 に応じて選択的に使用出来るようにすることが広く行われている。さらに、油井 やガス井に取り付けられる多くの管状ストリングが各種の品位の材料のストリン グを有し、従って、品位と品位とをクロスオーバーさせる接続が重要である。し かしながら、既に説明したように、１つの品位の材料を接続するためのシール部 の長さと位置は、理想的には、他の品位の材料を接続するためのシール部の長さ 及び位置と異なる。それ故に、混用する品位の接続部の各品位の材料の降伏状懇 にならないように接続部の全ての膜状部分を維持する場合には、金属対金属形シ ールにおけるベアリングの接触応力を最適化し、シール面の長さと半径方向の干 渉を具体的に規定して、最も脆弱な接続部の降伏を防止する必要がある。同−形 状及び同一寸法の全ての接続部を、最大荷重の状態の下で一般に広く使用されて いる組立体に置換しようとすれば、最も脆弱な接続部（すなわち最低品位の材料 の接続部）が損傷を受ける危険がある。さらに、バイブ用の品位の材料を用いて 低圧側の環境条件から高圧側の環境条件に接続する必要がある場合には、ミスマ ツチングを意識しなければならず、特殊な方法、例えばクロスオーバ接続又は継 手等を用いて対処しなければならない。このような移行部の接続は、全て、より 低い品位の材料の管の接続部を使用し、より高品位の材料の管の接続を行うため にのみ代替的材料を使用する時にも行われることがある。

発明の開示 それ故に、本発明は、接続部に過大の応力を与えることなくシール力を最大にす るために有効な管状接続を行うための改良された方法を提供することを目的とし ている。

本発明の他の目的は、多品位の管状製品のシール面の寸法を最大にし、その各材 料の品位、又は品位の範囲に対するシール面の位置の最適化を行う場合の、多品 位の管状製品のために改良された汎用接続を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、各種の品位（すなわち各種の材料の耐力強度）の接 続部が同一寸法の半径方向の（引っ張りゲージを用いて測定するような）干渉部 分を有し、金属対金属形シール部分の長さを表わすことを特徴とする装置を用い て接続応力を制御するように改良された汎用接続を提供することにある。

さらに、本発明の他の目的は、ビン形部材の先端部のシール部分の近傍に、より 大きい剛性を有するビン形部材を有し、そのシール部分の接触面の増大によって シール部分の一体性を向上させ、これによって、その接続部分の磨耗損錫をも減 少させるように改良された管状接続を提供することにある。

さらに、本発明の他の目的は、ビン形部材を有し、このビン形部材が先端部を有 し、この先端部がビン形部材のシール部の前部で延びて、ビン形部材の剛性を増 大し、これによって、その接続を強化するように改良された管状接続を提供する ことにある。

そこで、本発明は、汎用接続を行うことによって、管状部材の材料の耐力強度に かかわらず、管状部材をシールするための金属対金属形シール面を形成する方法 であり、前記シール面を形成する方法が、全てのボックス形部材の材料の耐力強 度の如何にかかわらず、その全てのボックス形部材をシール面に汎用の円錐テー パの角度で接続する工程と、各ビン形部材を初期の円錐形のシール接触面に設け る工程とを含み、前記初期の円錐形のシール接触面が、前記ボックス形部材の汎 用シール面の円錐テーパの角度にほぼ等しいテーパ角度と、最終のシール面の円 錐形の接触面とを有し、最終のシール面の円錐形の接触面が前記接触シール面の 角度より小さい前記角度であり、かつ、前記接触シール面から各ビン形部材の遠 方側端部に向かう方向にあり、前記シール面と前記接触面との軸線方向の長さが 中程度の耐力強度の材料のビン形部材のための長さにほぼ等しく、前記シール面 の軸線方向の長さが、より大きい耐力強度を有するビン形部材のための前記接触 面の軸線方向の長さより長く、前記シール面の軸線方向の長さが、より小さい耐 力強度を有するビン形部材のための前記接触面の軸線方向の長さより短く、これ によって、両部材に加えられる圧力と、それによって得られる接続部の圧縮フー プ応力とが、最も大きい耐力強度を有する材料で作られたビン形部材に対して最 大であり、かつ、最も小さい耐力強度を有する材料で作られたビン形部材の遠方 側端部から最も遠く離れた位置にあって最小であるシール面を形成する方法を提 供する。

それ故に、本発明は、多品位の管状製品のシール面の寸法を最大にし、材料の各 品位、又は範囲に対する位置を最適化する場合の、多品位の管状製品のための改 良された汎用接続を提供する。

本発明の好ましい形態に関連させて後に説明するように、管状部材のための期待 された接続材料の範囲内の中程度の品位で作られたビン形部材は、軸線方向に小 さい角度の円錐テーパ形のシール面部分と、シール部をビン形部材の前端部の方 向に進める円錐形テーパ形の接続面部分とを有する形状である。シール部は軸線 方向の長さを有し、この軸線方向の長さは、両部材の応力に耐え、かつ、ビン形 部材の圧縮フープ応力をこの部材に対する耐力強度より小さくし、しかも、期待 された圧力に対する接続のシールを充分に維持できる大きさにすることができる 。中程度の品位で作られたビン形部材のための接触部分の軸線方向の長さは、こ のシール部の長さにほぼ等しくされる。

全てのボックス形部材のシール部は、全て、同じ角度であり、上述のボックス形 部材のシール部の接触部分に最初に接触する位置にあるのが好ましい。その後に 、接続が行われた時に、このシール部がビン形部材のシール部に直角に、かつ均 一に整合し、又は、通常の場合の角度で均一に整合する。ボックス形部材及びピ ン形部材の成る程度の膨張によって所期の結果を得ることができる。

全てのボックス形部材は、材料の耐力強度の如何にかかわらず、好ましくは、相 互に同じ角度及び同じシール長さのシール面とを有するように作られることによ って上述の結果を具現し、これに対して、ピン形部材のシール部分の長さは、こ れより高い品位の材料と比較した時に、ビンの端部から遠い位置にある低品位の 材料のシール長さがより短くなるような関係で変化する。このより高い品位の材 料は、ビンのシール長さがより長く、ビンの端部により近い位置にある。

期待される接続材料の品位の範囲の上限の品位の材料で作られたピン形部材は、 好ましくは、中程度の品位の材料のピン形部材のためのシール部とほぼ同じ位置 になるシール面部分を有するような形状にする。但し、これは、中程度の品位の ピン形部材と比較した時に、長さが前方に延びる大きい部分を除いている。シー ル面及び接触するシール部の軸線方向の全ての寸法のために、シール面部分の長 さを、好ましくは、シール部の長さと接触部分の長さとを合せた全長の約７５パ ーセントにする。

このようにすれば、接触荷重応力、及び、圧縮荷重応力を支持するために、より 広い部分を形成し、さらに、中程度の品位のピン形部材の力によって応力の有効 中心をピン形部材の遠方側端部の方向に移動させることができる。

これと類似の要領で、期待された接続の材料の品位の範囲の下限の品位の材料で 作られたピン形部材は、好ましくは、中程度の品位のピン形部材よりも前方に短 縮又は減少することを除き、中程度の品位の材料で作られたピン形部材のための シール部とほぼ同じ位置になるシール面部分を有する形状にされ、これによって 、接触するシール部の量を減少させることができる。シール面と接触するシール 部との軸線方向の全ての寸法のために、シール面部分の長さは、好ましくは、全 長の約２５パーセントにし、これによって、接触荷重応力、及び、圧縮荷重応力 を支持するために、（より低い品位の材料がより小さい荷重を支持する形状であ るから）、より狭い部分が形成され、さらに、応力の有効中心をピン形部材の遠 方側端部の方向に移動させ、これによって、後に説明するように、ピン形部材の 剛性を所望のようにを効に増加させることができる。

この手順によって、任意の品位のボックス形部材とピン形部材とを、相互に互換 性があるように整合させ、シール部と半径方向の応力とをピン形部材の品位の材 料のパラメータに基づいて最適化し、薄い端部の降伏を防止することができる。

これらの関係を具現することは可能である。その理由は、金属対金属形シール部 分を支持する接触応力が、必要によってシールされる流体又はガスよりも大きい からである。このシールを維持する接触応力は、シールの目的のために適当な範 囲にあり、材料の許容される圧縮応力に対して適当な範囲にあり、かつ、シール 部分の薄いビンの部分を降伏させることなくシール面の磨耗損傷を防止するため に適当な範囲で、安全に加えることができる。

本発明の好ましい形態においては、接触面が、若干大きい角度若しくは急勾配で はあるがシール面に接触する形状にすることができ、又は、これより直径が小さ く、或いは、場合によっては、テーバがシール面部分より若干急なステップ状に することができる。

この手順によって、在庫品を維持する装置を増加させることなく、シールの一体 性を向上させるためのシール接触応力を増大させることができ、従って、エンド ユーザが、全ての品位の材料を、油井及びガス井に対して所望どうりに応用でき るように、安全に混用することができる。

以下、本発明の他の目的及び長所を、添付した図面を参照し、本発明の好ましい 形態を説明することによって明らかにする。

図面の簡単な説明 第１図は本発明の第一形態に基づく中品位の管状接続を実施する際に、ボックス 形部材とピン形部材とを最初に接触させた時の、円錐形のシール部分と、このシ ール部分に隣接する接触面との縦断面図、第２図は第１図に示した管状接続を完 全に実施し、ピン形部材をボックス形部材の中に強制的に挿入した後における、 この接続部の縦断面図、第３図は本発明の第一形態に基づく低品位の管状接続に おける、円錐形のシール部分と、このシール部分に隣接する接触面との縦断面図 、第４図は本発明の第一形態に基づく高品位の管状接続における、円錐形のシー ル部分と、このシール部分に隣接する接触面との縦断面図、第５図は第１図ない し第４図に示した形態のシールと、接触部分との、相対的な角度関係の線図、第 ６図は本発明の第二形態に基づく中品位の管状接続における、円錐形のシール部 分と、このシール部分に隣接する接触面との縦断面図、第７図は本発明の第二形 態に基づく低品位の管状接続における、円錐形のシール部分と、このシール部分 に隣接する接触面との縦断面図、第８図は本発明の第二形態に基づく高品位の管 状接続における、円錐形のシール部分と、このシール部分に隣接する接触面との 縦断面図、第９図は本発明のさらに他の好ましい形態に基づく管状接続部の横断 面図、第１０図は第９図に示した形態に採用されたピン形部材の先端部の拡大図 、第１１図は管状接続部に採用された代替的ピン形部材の先端部の略図、第１２ 図は従来技術に基づくピン形部材の短い先端部に採用された管状接続部を支持す る接触応力の分布の有限要素分析の略図、第１３図は本発明に基づくピン形部材 の長い先端部に採用される管状接続部を支持する接触応力の分布の有限要素分析 の略図である。

発明を実施するための最良の形態 図面を参照するに当り、まず最初に第１図に、掘下げ型の油井及びガス井に採用 される代表的な管状接続のために、ビン形部材１０の金属対金属形シール部分の 端部と、これに関連するボックス形部材１２の、これに整合する面との断面形状 を示す。この断面形状は、例えばピン形部材の遠方側端部の丸い縁、或いは傾斜 した縁に含まれるような実際の接続部材の複雑な形状の全てを示すものではない 。しかしながら、この形状は、ビン形部材の遠方側端部１５に接近又は隣接する 円錐テーバ形接続部分１４を開示している。この第１図に示した形態においては 、接続部分１４が、この接続部の軸線方向に対して約１５度の角度で傾斜してい る。

シール面１６は、円錐形のテーバ形の接続部分１４に隣接し、かつ、ピン形部材 の遠方側端部１５から離れており、さらに、円錐形のテーパ面であり、軸線方向 に対してなす角度が小さい。この図に示す角度は約３度であるが、この角度は１ ５度程度まで拡大することができる。

この要求は、第５図に対して詳細に説明するように、代表的には、接触面の軸線 方向の角度をシール面よりも５度大きい角度の約半分の角度にすることを求めて いる。

便宜上、シール面部分１６の軸線方向の長さを符号ｒＹＪで表わし、接触面部分 １４の軸線方向の長さを符号ｒＺＪで表わす。

ボックス形部材は、これに対応する円錐形のテーパ面部分１８を有し、この円錐 形のテーバ皿部分１８は、接続が完了した時には、ビン形部材のシール面１６と 同じ角度になる。このビン形部材のシール面と、このピン形部材のシール面に接 触するボックス形部材の表面部分１８の一部分とが、従来周知の技術的原理に基 づいて、金属対金属形シール接触を形成する。

物理的な方法で接続を実施する際に行うことを要約すれば、まず、ピン形部材１ ０とボックス形部材１２とを合わせ、ビン形部材の表面部分１４をボックス形部 材の表面部分１８に接触させてこのピン形部材を軽く圧縮し、ボックス形部材を 軽く拡大させる。この接続部を前進させ、回転させ、摺動密着させて、これを支 持する部分１８の表面部分で、全体の表面部分１６に荷重を加える。

接続が完了した時の接続面の外観を第２図に示す。破線は接続実施前の、第１図 に示したと同様の状態を表わす。

実線は、この部材の、接続が完了した時の状態を誇張した形で表わしである。こ の図から読み取れるように、ピン形部材の圧縮の程度は、ボックス形部材が拡大 される程度よりもやや大きい。ビン形部材に加えられる応力は、このピン形部材 に加えられる内側方向の絶対的な力と、この力が加えられる部分との関数である 。第２図において計算に入れる部分はシール部１６である。さらに、この図から 読み取れるように、このシール部１６は軸線方向の長さＹを有し、この軸線方向 の長さＹは接触部分Ｚの軸線方向の長さにほぼ等しい。さらに、ここで注目すべ きことは、部分１４は、「接触」部分として参照されてはいるが、表面１４に接 触するボックス形部材の表面又は縁が部分１４の全部分に接触させる必要がない という点である。従って、ここに使用する「接触する」部分は、接続を実施する 時に実際に接触する部分を含むだけでなく、ビン形部材のシール部の前部の全て の部分をも含んでいる。従って、第１図、及び第２図において、軸線方向の長さ Ｚは軸線方向の長さＹにほぼ等しく、これらの長さは、それぞれ、これらの長さ が組み合わされた時の長さのほぼ５０パーセントである。

応力を減少させることは、ビン形部材の長さＹを長さＺに比例して減少させるこ とにより、すなわち、長さＹを用いて表す部分を絶対的に減少させることによっ て、可能である。このようにすれば、ビン形部材のために使用される材料の範囲 内の最も低い品位の材料のために、第３図に示しである低品位のピン形部材１１ のためのシール面の部分２０は軸線方向の長さＹ′を有し、この軸線方向の長さ Ｙ′は長さＹより短い。他方、この部分２０に隣接している接触部分２２は長さ Ｚ′を有し、この長さＺ′は長さＺよりも長い。しかしながら、これらの各シー ル及び接触面のテーバ角度は、それぞれ、第１図及び第２図に示した中程度の品 位のピン形部材と対を成している部分と同じである。さらに、その動作は、既に 説明した第１図及び第２図の接続を行うための動作と同じであるが、このピン形 部材が受ける応力は小さい。

この部分の寸法は、上述の部分と同様に小さいが、ここでも注目すべきことは、 この場合には、これがビン形部材１１の遠方側端部から離れた位置にあり、その 距離が第２図における部分１６の位置よりも大きいという点である。このように すれば、ビン形部材の剛性が大きくなり、以下に詳細に説明するように、低品位 のビン形部材の形状を最適化することができる。

第４図に、この範囲における最も高い品位のピン形部材２３のためのシール面及 び接触面の形状を示す。ここに、シール面２５の軸線方向の長さＹ′は第１図及 び第２図におけるシール面１６の長さＹより長く、接触面２７の軸線方向の長さ Ｚ′は接触面１４の軸線方向の長さＺより短い。再言すれば、円錐形の各テーバ 表面の角度は、これと対をなしている部分の角度と同じである。

しかしながら、シール面２５の軸線方向の長さＹ′が接触面２７の軸線方向の長 さＺ′より長いので、ビン形部材に加えられる圧縮力は第１図に示したピン形部 材のに加えられる圧縮力より大きい。

超高級の品位に使用されるピン形部材の代表的な品位の材料に対しては、中級の 材料の降伏を５，６２４．８キログラム毎平方センチメートル（８０，０００毎 平方インチ）にすることができる。このような品位のためには長さＹと長さＺと をほぼ等しくすべきである。降伏が３．８６７．０５キログラム毎平方センナメ ートル（５５，０００毎平方インチ）（許容可能の低品位の硬質材料において代 表的な品位）の材料のための長さＹ′と長さＺ′を決める時には、長さＹ′を全 長の約２５パーセントとし、長さＺ′を全長の約７５パーセントとするようにす べきである。最後に、降伏が１０．５４６．５キログラム毎平方センチメートル の材料（１５０，０００毎平方インチ）（許容可能の最高級の材料において代表 的な品位の材料）のための長さＹ′と長さＺ′を決める時には、長さＹ′を全長 の約７５パーセントにし、長さＺ′を全長の約２５パーセントにするようにすべ きである。上述の材料の品位は代表的なものであり、実用的な条件の下では、上 述の例から著しく異なる品位を指定することができる。

ボックス形部材の形状は、その材料の品位の範囲内にある全ての品位の形状と同 一であり、これは、任意の構造に使用したときに、心耗損傷若しくは降伏をせず 、又は磨耗損傷若しくは降伏を発生させない形状である。このボックス形部材に 最も大きい接触応力を加える組合せは、任意の品位のボックス形部材を使用する 時には、ピン形部材の品位を最も高くする。全ての場合において、ピン形部材の 形状はその接続における致命的な設計要素である。

以下に細部の説明を行うように、接触部分の表面を各シール部よりも粗く仕上げ て、これに適当な潤滑剤を使用する。接続部を密着させる時に、この潤滑剤を潤 滑剤付着面からシール面に圧入して、この潤滑剤をシール面上に薄膜状に分散さ せて、さらに、接続部を磨耗損傷しないように保護する。

第５図に、第１図ないし第４図に開示した形態の相対的な角度の関係を示す。ボ ックス形部材のシール面の角度を符号θ８で表わし、ピン形部材の接触面の角度 を符号θ、で表わし、ピン形部材のシール面の角度を符号θ　で表わす。より具 体的には、角度θＰは、ビン形部材の接触面の初期接触時であり、かつ、この部 材が変形する前における角度である。角度θ８は、ピン形部材の、ビンを変形さ せて形成する最終シール接触面である。本発明に基づくこれらの角度の関係は、 第１図ないし第４図の形態によって表わされる場合と同様に、次式１式％： 次に、第６図ないし第８図にこの接続の好ましい代替形態を示す。第６図には中 程度の品位の材料、例えば降伏が５，６２４．８キログラム毎平方センチメート ル（８０，０００毎平方インチ）であるような材料で作られたピン形部材を示し 、第７図には使用材料の範囲に対して最低の品位の材料、例えば３，８６７．０ ５キログラム毎平方センチメートル（５５，０００毎平方インチ）であるような 材料で作られたピン形部材を示し、第８図には使用材料の範囲のための最高の品 位の材料、例えば１０．５４６．５キログラム毎平方センチメートル（１５０， ０００毎平方インチ）であるような材料で作られたピン形部材を示す。この場合 でも、これらの品位は例として示すものであって、これによって本発明を限定す るものではない。

ピン形部材３０とボックス形部材３２とを合わせ、整合させる。この整合は、ピ ン形部材のシール部３４を、ボックス形部材のシール部３６を有する金属対金属 形シール部に係合させる。この部分３８は、シール部３６に対して間隙を有し、 この形状によって、ビンの端部に対して剛性部材としての作用を行う。これらの 全ての部分は、第一形態におけると同様に、ピン形部材の第一ねじ部（図示せず ）を前進させる位置にある。シール部の前部の部分は、既に説明した第１図ない し第４図の形態と異なり、接触部分ではない。この形態と第１図ないし第４図に 開示した形態との、第一の外観的な相違点は、シール面の部分と、これに隣接し ているシール部との間にステップ状部分４２があり、このステップ状部分の円錐 形のテーバ部分の底部の表面部分の直径が小さくなっていることである。さらに 、表面３８のテーバ部分の角度を、シール面の角度に非常に近い値にすることが できる。

例えば、部分３４の軸線方向の円錐形のテーバ部分は、通常の場合、約３度であ り、部分３８の軸線方向の円錐形のテーバ部分はこれと等しいか、又は、これよ りも若干大きい。ステップ状部分には、このステップ状部分の前後の部分を、そ れぞれ、その一方から他方に徐々に前進させるよりも容易に半径方向に測定する ことができるという製造上の長所がある。

ボックス形部材とピン形部材を、接続前に合わせる時には、接触させようとする 面を非常に軽く接触させる。

面３８に潤滑剤を使用し、接続部を密着させた時に、この潤滑剤を前方向に、か つステップ状部分に圧入させ、この潤滑剤によってシール面に対する潤滑作用を 行って、このシール面を保護する。接続部を完全に締め付けた時に、全てのシー ル面３４を、ボックス形部材のシール面３６の部分に対して強く押圧接触させる 。この荷重の条件は第一形態における条件と同様である。

ここでも、第一形態におけると同様に、ボックス形部材の形状は、この範囲の中 の全ての材料のための形状と同様である。しかしながら、ビン形部材は同じでは ない。

第６図に、軸線方向の長さＹ、Ｚが、中程度の品位の材料のためにほぼ等しくさ れることを示す。より低い品位の材料においては、第７図に示した長さＹ′はシ ール部と接触部分との長さの総和の約２５パーセントであり、長さＺ′がこの部 分の長さの総和の約７５パーセントである。最高の品位の材料に対しては、第８ 図に示す長さＹ′はシール及び接触部分の全長の約７５パーセントであり、長さ Ｚ′この部分の長さの総和の約２５パーセントである。

この両形態において最も基本的なことは、材料の品位を高くするためには、それ に応じて、シール接触面を「より広く」する必要があるということである。材料 の品位が低くなるほど、シール接触面の幅が狭くなるだけでなく、このような接 触面の位置もビン形部材の遠方側端部からより遠く離れる。その結果、 ビン形部材も、品位の低い材料のシール部分の、より狭いシール部の剛性を大き くし、従って、断面降伏に対する抵抗が増大する。この接続の互換性は、全ての 品位の、所与の寸法及び重量の管状製品に対して、半径方向に同じ程度に干渉す るシール部分を使用すれば維持することができる。

既に低品位の材料で作ったビン形部材に関連させて注意したように、ビン形部材 のシール面の遠方側端部からの位置を、従来技術において実際に広く使用されて いる位置よりも、さらに遠く離すことができ、これによって、ビン形部材の強度 を、圧力漏洩又は材料損傷を発生させることなく、より高圧に耐えるように有効 に向上させることができる。

第９図ないし第１３図を参照し、以下に行う検討によって、本発明の概念を開発 した方法を説明する。

接続部が異なればシール部分の配置も異なることがあるが、管状部材の接続部の 金属対金属形シール部分の、一般に広く好まれている位置は、その接続部のビン 形部材の第一ねじ部の前の円錐形の部分である。この部分は、このねじ部の中で はなく、通常の場合、ビン形部材とボックス形部材とが整合する面の間にあり、 この整合する面は、この接続部の軸線に対して軸線方向に小さい角度で傾斜する テーバ形である。このテーバ部分は、約２度の非常に浅いテーバ部分と約１４度 の急勾配にしても広く使用出来ることは明らかであるが、通常の場合、約７程度 度であり、 従来技術の接続においては、ビン形部材のシール部はテーパ形であり、このテー バ部分は、第一ねじ部の前の点から、このビン形部材の頂部の端部まで形成され ている。接続の際に接触する２つの面にはトルクが加えられ、この２つの面は、 このトルクが完全に加えられた時に、合わせられ押圧されてシールされる全ての 部分の範囲内にある。さらに、ビン形部材の最先端の前に短い部分があり、この 部分ではシール接触が行われない。次に、円錐形の金属対金属彩画を、このビン 形部材の先端、又は先端部、又は遠方側端部の方向に前進させる。この円錐形の 面と先端部の端部との間には面取りされた小さい部分がある。それ故に、金属対 金属形シール部全体は、この面取りされた部分と、第一ねじ部の前部の非シール 部との間にある。ここでは、目的に沿って、ビン形部材の円錐形の面に対応する ボックス形部材の円錐形の面が、同一の軸線方向のテーバ部分にあるものとする 。多くの場合、ボックス形部材のテーバ部分は、ビン形部材のテーバ部分よりも 勾配が若干急であり、本発明は、このような接続部をも含んでいる。検討の便宜 上、ビン形部材及びボックス形部材のテーバ部分が同じ角度であると考える。

接続部の押圧シールの条件に戻って説明を続ければ、分析の結果、表面が合わさ れて最も強く押圧シールされる部分は、ビン形部材の第一ねし部に最も近い円錐 形シール部に発生することが判った。これは、ビン形部材及びボックス形部材の 同じシール面では、このシール面が偶発的にシール接触部分全面に現れることは あるが、第一ねじ部に最も近い部分のわずか約１／１０ないし１／３で、１，４ ０６．２キログラム毎平方センチメートル（２０，０００毎平方インチ）を越え る内部ガス圧に対するシールが破壊される。さらに、この説明に関連する従来技 術では、ビン形部材及びボックス形部材との金属は、比較的狭い帯状のトルク集 中部分の充分に大きいトルクによって応力が加えられる。これは、その先端が密 着抑圧シールされる部分から若干撓んで離されるからである。

第９図に、従来のプレミアム品位の管状部材の接続部を示す。この接続部は、図 に示すように、いわゆる緩衝部分の先端の延長部分をビン形部材に設けてシール 部をこの部材の先端部から離し、本発明のさらに他のａｓｐｅｃｔに基づいてシ ール部のビンの剛性を増大するように改良されている。

この接続部は、図に示すように、２段ステップ形ねじ部構造のビン形部材１１０ とボックス形部材１１２とを備えており、このねじ部構造がねじ部１１４と、こ のねじ部から離されている組ねじ１１６とを備え、この２つのねじ部の間に、中 間のステップ状部分を有する。この２段５ｔｅｐ形ねじ部構造を第９図に示すが 、本発明は、これによ７て限定されるものではない。相互に係合する任意のねじ 接続部は、後に説明する特徴によって強化される。

ピン形部材１１０の前端部を第１０図に示す。このピン形部材１１０は、このピ ン形部材の最先端にねじ部１２０を有し、この最先端のねじ部に（先端部の方向 に）非シール部１２１が続いている。さらに、非シール部１２１に、「第一内部 シール部分（金属対金属形）」と呼ばれている部分が続いている。以下、この第 一内部シール部分をシール部１２２として参照する。最後に、他の非シール部１ ２３が部分１２２の前にあり、この非シール部１２３は緩衝部分の先端部の延長 部分にある。代表的な場合には、部分１２２は、ピン形部材の円錐面にあり、こ の部分１２２が、これを受は入れるボックス形部材の円錐面に整合する。既に説 明したように、シール部１２２の前方に先端部の延長部１２４があり、この延長 部に部分１２３が含まれている。図に示すように、部分１２３は、ボックス形部 材の非シール接触部分に対向している。これを、その間の空間を用いて示してい る。

この空間は、実際は非常に小さく、すなわち、実用的には存在しないのと同様で ある。シール部１２２は、後に説明するように接触抑圧シールされるが、延長部 １２４の部分１２３は押圧されない。さらに、図に示すように、この延長部の表 面は円錐形にすることも、円筒形にすることも可能である。その理由は、この部 分がボックス形部材とピン形部材との間のシール係合の中に入らないからである 。

ピン形部材の剛性が、シール部１２２の直ぐ前の端部の点に存在するピン形部材 の延長部１２４によって強められることを発見した。これは、適当な先端延長部 １２４によって、シール部が、先端又は先端部の近傍でなく、この先端又は先端 部から成る程度離れた部分に形成され、これによって、シール支持部の一体性の 強化を行い得ることを意味している。これは、シール部に対する応力集中の程度 が小さいからである。さらに、シール部における磨耗損傷の傾向も減少する。

管状接続部に３種類の寸法、すなわち、外径が１１４．３ミリメートル（４，５ インチ）、１７７．８ミリメートル（フインチ）、及び、３４６．０７５ミリメ ートル（１３，６２５インチ）の延長部分を設けた管状材料に関して研究を行っ た。そのそれぞれの場合において、以下に説明するような動作特性の向上が観察 された。この研究は、第１１図に示すような長さの異なる先端部、又は延長部分 を有するピン形部材を含む接続部に関するものである。一連の研究において、ピ ン形部材の端部は、図に示すようなラベル「ケースＡ」を用いて識する別端部の みを設けた。第二の研究では、上述の部分と同様に、ピン形部材の端部の延長部 にラベル「ケースＢ」を付して識別する部分を含めた。最後に、上述の部分に、 さらに、「ケースＣ」として参照する部分を含む延長部を含めて、研究を行った 。便宜上、シール部の全長を相対的にインチ単位で示し、さらに、可能の場合に は、ピン形部材のシール部の前の延長部を相対的にインチ単位で示した。例えば 、ケースＡは従来技術に基づくシール部を有するピン形部材を示し、このピン形 部材はケースＣに対して、１インチ目盛りを用いて、６．３５ミリメートル（０ ，２５インチ）とした。ケースＢは中間的なものであり、ケースＣの寸法に対し て、１２，７ミリメードル（０，５インチ）の長さとした。

次に記載する表に示すように、シール接触力は、ｒ６．３５ミリメートル（０， ２５インチ）」（すなわち、ケースＡに対するケースＢ）の緩衝部分の先端部の 延長部を付加することによって３２パーセントないし４９パーセントまで向上し た。このシール接触力は、ｒ１９．０５ミリメートル（０，７５インチ）」（す なわち、ケースＡに対するケースＣ）の緩衝部分の先端部の延長部を付加するこ とによって７８パーセントないし１５６バーセントまで向上した。

４．５０−１２．６１７ド／フイート　　　　　１ｇ、７００　　　２７．９０ ０　　　１４９％　　　３３．３００　　　１７８％７”　　−３２，０ボンド ／′フイート　　　　　３２，９００　　　４５．８００　　　１３９％　　　 ７０．４００　　　　２１０％１３．６２５″　−８８，０ボンド、／フィー） 　　　　　３４．０００　　　４４，７００　　　１３２％　　　　８７．００ ０　　　　Q５８％ この表に示す結果は、ローフ及びヤングの「応力及び歪みの式」第５版に記載さ れている材料から誘導したした式を基礎とするものである。

また、この接続部における応力についても、コンピュータモデルを用いて分析し た。このコンピュータモデルは、ＡＮＳＹＳ−ＦＥＭ応力分析を使用する結合に よって接続部に加えた応力を観察するためのモデルである。

短い先端部モデル（上述のケースＡと等価）と、長い先端部モデル（上述のケー スＣと等価）との、両方のモデルに、最少シール干渉と最大シール干渉とを組み 合わせた荷重を加えた。このＦＥＭの結果は、長い先端部モデルの第一シール部 分に加えた全接触力が、短い先端部モデルに加えた全接触力よりも、約７０パー セント大きいことを示している。

次に記載するデータは、１７７．８ミリメートル（フインチ）の管状材料、２９ ボンド毎フイートに対する短い先端部モデル及び長い先端部モデルのシール力を 測定した結果である。

短い先端部　　　　　　　　　８，５０３　　　１９．９０５長い先端部　　　 　　　　　　１４，４３５　　　３３．４２７長い先端部／短い先端部　　　１ ７０％　　　　　１６８％さらに、長い先端部モデルの第一シール幅が、短い先 端部モデルのシール幅よりも１５０パーセントを越えて広くなることも観察した 。これを応力の結果と比較して、それぞれ、第１２図と第１３図に示すように、 グラフで示すことができる。第１２図は短い先端部モデル（最大干渉）の応力の 分布図であり、第１３図は長い先端部モデル（最大干渉）の応力の分布図である 。

次に、第１２図において、ビン形部材の応力をシール接触線の下に示し、ボック ス形部材の応力を短い先端部モデル、最大干渉に対する接触線の上に示す。全て の第一シールは部分１５０に沿って現れるが、これは、シールされるビン形部材 のハツチを施した部分と、シールされないボックス形部材のハツチを施した部分 との、ハツチを施した画部分に示されている。ビン形部材の部分１５２と、ボッ クス形部材の部分１５４との内部にあるあらゆるものは、１，９６８．６８キロ グラム毎平方センナメートル（２８，０００ポンド毎平方インチ）、又は、それ 以上の応力を受ける。ビン形部材のための部分１５６と、ボックス形部材のため の部分１５８とは、１．９６８．６８キログラム毎平方センチメートル（２８， ０００ボンド毎平方インチ）より小さく、かつ、１．４７６．５１キログラム毎 平方センナメートル（２１，０００ポンド毎平方インチ）より大きい応力を受け る。部分１５６．１５８の外側の部分は１．４７６．５１キログラム毎平方セン ナメートル（２１，０００ポンド毎平方インチ）より小さい応力を受ける。これ は、さらに、この分布図に示してはいないが、部分１５２と部分１５４との中央 部に、それぞれ、５．９０６．０４キログラム毎平方センナメートル（８４，０ ００ボンド毎平方インチ）より大きい応力を明らかに受ける部分があることを示 している。

次に、第１３図において、ビン形部材の応力は長い先端部モデルの最大干渉部分 のシール接触線の下に示され、ボックス形部材の応力は長い先端部モデルの最大 干渉部分のシール接触線の上に示されている。全ての第一シール部分は部分１６ ０に沿って現れ、これはビン形部材１０の部分１５０より長い。ここでも、ハツ チを施した部分から、シール部分が発生するビン形部材と、シール部分が発生し ないボックス形部材に応力が現れることが判る。ここでも、ビン形部材の部分１ ６２とボックス形部材の部分１６４との内部にあるあらゆるものは、１．９６８ ．６８キログラム毎平方センナメートル（２８，０００ボンド毎平方インチ）、 又は、それ以上の応力を受ける。ビン形部材のための部分１６６と、ボックス形 部材のための部分１６８とは、１．９６８．６８キログラム毎平方センナメート ル（２８，０００ポンド毎平方インチ）より小さく、かつ、１．４７６．５１キ ログラム毎平方センチメートル（２１，０００ポンド毎平方インチ）より大きい 応力を受ける。部分１６６．１６８の外側の部分は１．４７６．５１キログラム 毎平方センナメートル（２１，０００ボンド毎平方インチ）より小さい応力を受 ける。これは、さらに、第１３図に示してはいないが、部分１６２と部分１６４ との中央部に、それぞれ、５．９０６．０４キログラム毎平方センチメートル（ ８４，０００ボンド毎平方インチ）より大きい応力を受ける非常に小さい応力領 域があり、その応力が５．９０６．０４キログラム毎平方センナメートル（８４ ，０００ボンド毎平方インチ）を越える値であることを示している。

第１２図を第１３図と比較することによって、明らかに、シール部１６０がシー ル部５０より大きいだけでなく、これと同程度の第１３図のシール部も、第１２ 図の各シール部より大きいことが判る。第１２図の応力のピークの値は、第１３ 図の応力のピークの値より約１８パーセント大きい。

さらに、第１３図にも示されいないことであるが、長い先端部モデルに現れる第 二シール面があり、この第二シール面が短い先端部モデルに対応するようには現 れない。従って、これは、長い先端部モデルの第一シール部分が固定された両端 部と共に梁に非常に良く類似した作用を行うことを示している。この構造は、片 持ち構造の梁に非常に良く類似した作用を行う短い先端部モデルと比較すれば、 シール部分の安定性を倍増させる作用をする。

これと類似の、最少の干渉部分を有する応力線図によって、短い先端部モデル及 び長い先端部モデルに対すると同程度の結果が得られる。

浄書（内容に変更なし） 手続補正書（方式） ％式％ １　事件の表示 ＰＣＴ／ＵＳ　　８８１０４６７５ ３　補正をする者 事件との関係　　　　特許出願人 ハイトリル、カンパニー 発送日　　平成　３年　３月　１２日 ６　補正の対象 ７　補正の内容 国際調査報告 国際調査報告 ｕｓ　８８０４６７５

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．管状部材の材料の耐力強度の如何にかかわらず、管状部材に対する汎用接続 の実施によってシールするための金属対金属形シール面形成方法であり、前記シ ール面形成方法が、全てのボックス形部材を、その材料の耐力強度の如何にかか わらず、汎用円錘形のテーパ部分の角度でシール面に接続する工程と、ビン形部 材を、それぞれ、初期円錘形シール接触面に形成する工程とを含み、前記初期円 錘形シール接触面が、前記ボックス形部材の汎用シール面の円錘形テーパ部の角 度にほぼ等しいテーパ角度と、最終シール円錐形接触面とを有し、最終シール円 錐形接触面が前記接触シール面の角度より小さい前記角度であり、かつ、前記接 触シール面から各ビン形部材の遠方側端部に向かう方向にあり、前記シール面と 前記接触面との軸線方向の長さが中程度の品位の耐力強度の材料のビン形部材に 対する長さとほぼ等しく、前記シール面の軸線方向の長さが、より高い耐力強度 のビン形部材のための前記接触面の軸線方向の長さより長く、前記シール面の軸 線方向の長さが、より小さい耐力強度のビン形部材のための前記接触面の軸線方 向の長さより短く、これによって、耐力強度の最も大きい材料のビン形部材に対 しては、両部材に加えられる圧力と、それによって得られる接続部の圧縮フープ 応力とが最大であり、最小の耐力強度を有する材料のビン形部材に対しては、遠 方側端部から最も遠く離れた位置で量小である、シール面を形成する方法。
2. ２．前記ビン形部材の汎用シール面が、より大きい角度の各接触面に接触する請 求の範囲第１項に記載の方法。
3. ３．前記ビン形部材の汎用シール面の軸線方向の角度が約３ないし１５度である 請求の範囲第１項又は第２項に記載の方法。
4. ４．前記接触面の軸線方向の角度が前記シール面より０．５ないし５度大きい請 求の範囲第３項に記載の方法。
5. ５．前記ビン形部材の各汎用シール面と、より大きい角度の各接触面との間に半 径方向にステップ状部分を含んで成る請求の範囲第１項に記載の方法。
6. ６．前記汎用シール面の軸線方向の角度が約３ないし１５度であり、前記シール 面の軸線方向の角度が前記汎用シール面の軸線方向の角度に等しく、又は、前記 汎用シール面の軸線方向の角度より大きい請求の範囲第５項に記載の方法。
7. ７．前記シール面及び前記接触面の軸線方向の長さが、５，６２４．８キログラ ム毎平方センチメートル（８０，０００毎平方インチ）の耐力強度を有するビン 形部材の長さとほぼ等しく、接触面に対する前記シール面の軸線方向の長さの比 率が、３，８６７．０５キログラム毎平方センチメートル（５５，０００毎平方 インチ）の耐力強度を有するビン形部材の長さの約１／３であり、接触面に対す る前記シール面の軸線方向の長さの比率が、１０，５４６．５キログラム毎平方 センチメートル（１５０，０００毎平方インチ）の耐力強度を有するビン形部材 の長さの約１／３である請求の範囲第１項、第２項、又は第５項に記載の方法。
8. ８．ビン形部材の遠方側端部が円錘形シール面を越えて延び、その長さが、円錘 形シール面が接続部の長軸線に沿って突出してビン形部材の剛性を大きくする長 さ以上であり、円錘形のシール面のシール係合する部分を増加させる請求の範囲 第１項、第２項、又は第５項に記載の方法。
9. ９．ビン形部材の遠方側端部が円鍾形シール面を越えて延び、その長さが、円錘 形シール面の、接続部の長軸線に沿って突出する長さの１倍ないし３倍である請 求の範囲第８項に記載の方法。
10. １０．雌ねじ部を有するボックスと、接続を実施する時にボックスのねじ部に整 合するのための雌ねじ部を有するビンと、ビンのねじ部と端部との間のビンの円 錘面と、接続を実施する時にビンの円錘面に係合して全属対金属シールを形成す るボックスの円錘面とを備え、前記ビンがさらに端の部分を有し、前記ビンの端 の部分がボックスから分離され、かつ、シール面を越えて延び、延びる長さが、 円錘形シール面の接続部の軸線方向に沿って突出する部分の長さと少なくとも等 しく、これによって、ビンの剛性を増加させ、かつ、円錘形シール面のシール係 合する部分を増大させるねじ接続部。
11. １１．ビンの端の部分が、円錘形のシール面を越えて、シール面が接続部の軸線 に沿って突出する長さの１倍ないし３倍の距離延びる請求の範囲第１０項に記載 の結合部。