JPH02243897A - 気密性金属パイプ継手 - 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】 のくみ上げに用いるパイプ類や、特定するわけではない
が炭化水素類および地球熱学流体の開発および生産に主
として用いられる井戸のケーシングのためのこの種継手
に関する。

云うまでもなくこのような用途においては、１本のパイ
プと次のパイプとの間の継手は、一方の端部には雄ねじ
を切り、他方の端部には雌ねじを切ってこれらを一体に
結合する（インテグラルカップリング）とか、両方の端
部に雄ねじを切っておき、２本の雌ねじを有する中空ス
リーブを用いて結合する（スリーブカップリング）とか
によっている。一般にこれらのねじは好適にはテーパ付
きのものとしである。

このような従来の継手は、問題のパイプの合体を保証す
るようなものであるばかりでなく、機械的応力にも耐え
るに充分な程の強さを有するものでなければならないば
かりか、これらパイプ内を流れる液体や気体の漏洩を防
止できるものでなければならない。この密封は、雌雄素
子のねじの間の適当な相互干渉により形成されるか、ま
たはこれらのねじとは別に設けられ正しく互いに押圧さ
れた時に流体の通過を妨げるに好適な密封面を利用する
ことによって形成されるのである。これらの技術はもち
ろん組み合せて用いてもよい。

継手を締めるトルクがその材料の降伏強さよりも高いと
、ねじに応力が誘起せしめられて、この結実用いられて
いる上述のような密封装置が損傷を与えられ、継手によ
る密封がもはや有効でなくなる。このことはことに、繰
り返して締め付けおよび取りはずしを行なった後に顕著
である。この欠点は、本出願人によるヨーロッパ特許出
願ＥＰ２７３０１６に記載されているねじの開発によっ
て解決された。

しかしながら、この既提案の継手を、その座面を適宜変
更し、かつ特別の座面（本明細書ではこれを気密性の金
属シールまたは金属シールと呼ぶこととする）を挿置し
て、ねじ込み／ねじ外しの可能回数およびオーバートル
クであられされるねじ込み特性を改善し、どのような情
況にあっても最良の密封条件を保証することができると
考えるに至った。

もちろんオーバートルクは、過剰応力から由来する塑性
変形により密封装置（または密封面）の形状を非逆転的
に変えてしまい、パイプの再使用がむずかしくなるか全
く不可能となってしまう。パイプははじめて使用する時
であってもこの損害をこうむるもので、これにより応力
腐食の現象がはじまる。

従ってこれらの困難を克服するために、ひとつまたはそ
れ以上の数の密封装置（気密性金属シール）を、締め付
けのトルクが継手材料の降伏強さをこえて増大した時で
さえも干渉従って密封装置自体に加わる応力をも積極的
に制約することのできる機械的素子（座）と組み合せる
ことが必要である。

この原理の適用は知られているところであるが、これで
は所要の高い信頼性を保証することができなかった。

米国特許箱４，１５３，２８３号には、雄素子の球形面
と附加適な連続偏平塵を伴う雌素子のテーパ面（金属シ
ール）との間の相互作用を利用した座と密封面との特別
の組み合せについて記載されている。

この解決策は上述の諸欠点からの安全手段とはなり得な
い。事実、それを構成せしめている間にも最初の接触が
円周線に沿ってテーパ面と球形面との間に生じ、締め付
は工程中における変形のためにこの球形面が有限の表面
に変ってしまう。これら密封面間の接触はヘルツ式の接
触、すなわち弾性変形が増大するにつれ応力が急激に上
昇することを特長とする接触であるので、印加する負荷
が小さくとも弾性限界を局部的にこえてしまうことが屡
々であり、このため球形面は塑性的に変形し、継手は油
井のケーシンダストリングを設置する場合、容易に漏洩
するものとなる。またこの継手は一旦取り外した後は再
使用することができない。

さらに、正しく使用された同様な継手においては、テー
パ付座面の角度は約１５度ないし２０度である。これは
、過大トルクが半径方向のスラスト成分を生じこのスラ
スト成分が危険な局部過大応力を発生するので過度の角
度なのである。

これらの欠点を克服するために、他の継手における金属
シールは、ふたつの円錐形面、すなわち一方は軸素子他
方は、軸素子、の間の接触をするようにされている。こ
れらの円錐形面は非常に広い領域にわたって接触するよ
うに設計されている（すなわち円錐の母線に沿う著しい
長さ、たとえば約５ないし１０ｍｍにわたっての接触）
。この場合、接触圧力は常に全く小さく、密封は主とし
て、ふたつの円錐面の接触部において生ずるラビリンス
効果による。

しかしながら、この型式の継手は円錐面の極度に精密な
機械加工を必要とし、従って技術的、経済的、さらには
品質管理上の問題がある。事実、両方の面の完全に整合
する可能性はほとんどゼロに等しい。

上述の各種の困難を克服するものとして、流体くみ上げ
用および油井ケーシング用に用いるパイプのための本発
明継手が開発されたのである。本発明の継手は、特定の
座面と組み合せて用いる気密性金属シールを形成する表
面の特別の組み合せを有するものである。

すなわち本発明は、少なくともひとつの外側テーパねじ
を有する軸素子とこれに補形的な内側ねじを有する軸素
子とを包含し、ねじ部をこえる前記雄素子の端部部分が
主として軸線方向を向くテーパ密封面と主として横断方
向を向くテーパ付の内部座面とを有し、これらの密封面
および座面が前記軸素子の同様な密封面と座面に相互に
作用するようになし、かつ母線に沿う前記軸素子の密封
面の長さが前記軸素子の対応する密封面の長さよりも長
い、気密性金属パイプ継手、ことに流体くみ上げ用およ
び油井ケーシング用の気密性金属パイプ継手において、
前記軸素子および軸素子の前記ふたつの密封面が６．２
５ないし９．２５％の間のテーパを有し、前記軸素子の
対応面に接触するに至る軸素子の表面の長さを０．５な
いし２．５πｍの長さとしたことを特徴とする気密性金
属パイプ継手にある。

上述の金属シールを、継手の軸線に垂直な平面に対して
５ないし１０度の角度のテーパを有する雌雄素子の座面
に結合することが特に有利である。

これらの座面ばねじと密封面の相互関連および付勢の後
のみに作用する。

付勢という用語はここでは最小応力状態の達成を意味す
るものとして用いることとし、この最小応力状態により
次のことを確保するものである。

（イ）接触するねじ山の側面に充分な圧力を加えて、ね
じ込みに加えたトルク以下のトルクではゆるむことが妨
げられ、ねじに沿って２次的な密封効果が与えられる。

（ロ）密封面に充分な接触圧力が与えられ制限された使
用条件の下では漏洩が防止される。

本発明継手は、現時点で知られているどんな型式のねじ
でも、ことに任意の型の単一または多数のねじ、たとえ
ば雌雄素子が補形的なテーパねじを有する継手に一般的
に適したフックねじなどを適用することができる。これ
らのねじの干渉は通常用いられる設計に従って減少され
るが、軸素子のねじの山は軸素子のねじの対応する谷に
正確にはり付くようにされる。この軸素子の山は軸素子
の対応する谷に接触するには至らない。

フックねじの実施例においては、軸素子を雌素子内へと
引き付けるねじの腹部は継手の軸線に垂直な平面に対し
負の角度（フック角）を形成している。この角度はゼロ
からマイナス３度の間である。

２次腹部は同じ方向に傾斜しており、前記平面に対して
８ないし１６度の間の角度をなしている。これら腹部間
の空隙は０．０３５１ｍないし０．３５ｍｍの範囲であ
る。

本発明の継手は好適にはヨーロッパ特許出願ＥＰ２７３
０１６に記載のねじを施したものとする。このねじは雌
素子のねじの山が雄素子のねじの対応する谷に完全には
り付くが、雄素子の山は対応する雌素子の谷に接触しな
い（アンターレスねじ）。

このようなねじ切りの例として、フインチ径の油井ケー
シングパイプに８．５％のテーパを有するねじを形成し
、このねじの１次腹部が継手軸線に垂直な平面に対し２
度２６分の公称角をなして接するようにし、また２次腹
部が前記平面に対し２５度の公称角をなして１次腹部の
公称角とは逆の方向に傾斜して、これら２次腹部間の公
称距離が継手組付時に０．０５１ｍであるものとする。

この例における寸法は単に例示のためのもので、継手の
寸法に依存して変えることができる、本発明の継手では
、補助的な密封装置の使用を排除するものではない。こ
のような補助的な密封装置としてはたとえば、ハウジン
グ内の雌雄素子のふたつの座面間に適宜配置したプラス
チック材料の密封リングがあげられる。

このようにして金属対金属の継手は、パイプに接触する
に至る流体内に含まれる腐食性の成分から保護されるの
である。

さらに保護を計るためには、このような腐食性の成分に
触れる継手の内面に保護樹脂のライニング、たとえばエ
ポキシ樹脂またはフェノール樹脂のライニングを施すこ
とができる。

本発明の気密性金属シールを形成するに役立つ特別の素
子の組合せ、ことに本発明の座面についての組合せは、
従来公知の継手に比べて大きな利点を有している。

事実上、５−１０度数の角度を有する座面ば過大トルク
の場合においても塑性変形に対する抵抗性が高い。この
角度は先端部において接線方向引張り応力状態を生じさ
せ、これにより永久変形を生ずることなく座面間の接触
圧力を増大せしめる。

一方の座面が長さ０．５−２．５ｍｍであるふたつの同
一テーパ面間における接触による気密性金属シールは次
に述べるふたつの利点を育する。

（イ）テーパ面／球面型のシールに比較して接触は、次
の締付は中に生ずる変形のために有限の表面に変換され
るような線に沿って得られるものではなく、最初から有
限の寸法の円周表面上に正しく得られ従って材料の塑性
化に達するに至らずに大きな応力を吸収することができ
る。

（ロ）ふたつのテーパ面間の接触を利用する継手と比較
して、本発明による接触面積の制限された寸法は、より
高い接触圧力を得ることを可能とし、これにより弾性変
形範囲内に安全にとどめておきながら相互の適合化を計
ることができる。

本発明によって少ないがひろがりのある有限の接触面を
形成することによって、信頼性のある均一の接触圧力を
得ることができる。

この利点は特に重要である。何故ならば問題の接触面間
を開くように継手に作用する力がある時、漏洩を生じせ
しめることのない接触を保証するに必要なトルクを精密
に計算することができるからである。他の型式の継手で
は、継手が非常に精密に作られ雄素子が雌素子内に完全
に整合している場合のみにこのような条件が達成される
。しかしこのようなことは実際には達成することができ
ない。

本発明の継手の利点は、表面形状が何回もの締付けの結
果として次第に変化して行った時、すなわち組立分解を
繰り返した時に着実に明かとなって来る。

以下に記載するデータは単にひとつの実施例として示す
もので、本発明を何隻制限する目的のものではない。

本発明の金属シールの健全性を点検し、従来技術による
他のふたつの継手と比較するために、Ｆ−１０５ｋＮ／
ｘｉ２の接触力が印加された時継手の金属シールに作用
する理論的接触圧力を計算した。これらの継手が作られ
ている鋼の降伏強さＹＳは４２ＯＮ／ＩＩＩＪＩ’であ
った。密封面における継手の平均直径りは８０ｔｔｒｍ
であった。これらａつの異なった金属シールは次に述べ
る特長を有するものであった。

（ａ）テーパ面と球面との間の理論的接触（比較例）（
ｂ）本発明のふたつのテーパ面間の接触（ｃ）ふたつの
テーパ面間の接触（比較例）表面が互いに押される力お
よび寸法の関数としての理論的接触圧力はこれら３つの
場合のすべてにおいて次の式で計算することができる。

ここで Ｆ　　　−接触力 Ｄ　　　−座面における継手の平均直径］　　　　−（
ａ）における接触領域の幅、０．２ｍｍと推定 しい Ｆ−一定−１０５ｋＮ／ｘｉ”と各継手におけるマクロ
応力を一定であると考えその値をきめると、ｐ　　＝　
１８７０　　Ｎ／ｍ肩２ ｐｂ＝　　２１０　　Ｎ／ｍｕ” ｐ＝　　８４　　Ｎ／＋ｍ２ に れらの一定圧力から次のことがわかる。

（ａ）の場合、鋼の降伏強さを大きく超えて密封領域に
永久変形が生ずる。

（ｃ）の場合、変形は０．０１％にすぎず、鋼はその形
状が完全のままである。

（ｂ）の場合、０．１％の弾性変形が得られる、すなわ
ち降伏強さの半分の変形であるので、値としては最適で
ある。

上述とは別々に、（ａ）および（ｃ）の場合、力Ｆを最
適接触圧力（２１ＯＮ／ｉｉりが達成されるように決め
ることは可能である。しかしながら（ａ）の場合これで
は非常に小さい力Ｆを印加することが必要となる。これ
は実際上制御することが非常に困難である。他方（ｃ）
の場合必要とする力は（ｂ）の場合の２Ｉ７２倍となり
、これでは応力がはるかに高くなり継手の本体をこわし
てしまう。

本発明の継手の有効性は前述の座の存在によりさらに高
められる。金属シール継手は屡々深い油井で用いられる
。このような深い油井では高い機械的応力と高い環境応
力（流体温度と流体の腐食性による）がある。座面の付
勢により生ずる雄素子端部の圧縮は、流体に接するパイ
プの内面における引張り応力を減小せしめ、従って継手
の応力腐食抵抗性を改善せしめる。

同様に、意図的または偶発的に孔が曲げられている場合
には、継手に加わる曲げ応力から生ずる応力は小さく中
性軸線は外弧面の方へ移動し、再び一層好都合な応力状
態が得られる。

たとえば、Ｈ２Ｓのような腐食性流体が存在する環境下
の特別な場合には、本発明継手はこれがＣｒＭｎ−Ｖ鋼
またはＶ、　ＴｉおよびＮｂを含むＣｒ−Ｍｏ鋼ででき
ていると一層好都合である。このような鋼は焼入れ焼戻
しをして焼戻しマルテンサイト組織を有するものとする
。

更に、腐食性流体が高温（たとえば１５０℃）でありか
つ塩分を多く含んでいる場合には、継手はステンレス鋼
またはニッケル系合金で作ることができる。これにはお
そらくは公知の焼付き防止処理、たとえば貴金属のイン
プランテーションまたは硬化素子のインプランテーショ
ンまたは硬化およびまたは潤滑金属（たとえばＮｉ＋Ｃ
ｒ）の電着を施すことになる。事実、本発明による金属
シールと座との組合せ、さらには前述の第１の型式のア
ンチイルねじおよび第２の型式のフックねじとの共用は
、前記流体と接触する表面の引張り応力の状態を常時、
継手が応力腐食に比較的強いような低いレベルにあるこ
とを保証している。

以下本発明を添付図面に例示したその好適な実施例につ
いて詳述するがこの実施例は本発明を限定する目的のも
のではなく単に例示のためのものであることは云うまで
もない。

第１図は雄端部ｌと雌端部２とから成るねじ継手の軸断
面を示す。図示の簡略化のため、雄ねじと雌ねじは同じ
符号３で示しである。

部分Ａは本発明の金属シールと座とを示す。これらのふ
たつは第２図および第３図にさらに詳細に拡大して示し
である。第２図は組立の最初の状態で、密封面を互いに
接触させた時を示し、第３図は締付は後の状態を示す。

これら第２図および第３図は雄素子２の端部部分の一部
分を示しており、ねじ３をこえたところにふたつのテー
パ内面１０および９がある。これらのテーパ内面は雄素
子の対応面との相互作用によりそれぞれ本発明の金属シ
ールと座とを形成している。

第２図および第３図はまた雄素子の端部部分をも示して
いる。この端部部分にはねじ３をこえたところに異なる
角度の一連のテーパ面がある。符号４で示すのは雄素子
２の対応面９と接触するに至る表面である。これらの間
で気密性金属シールを形成する。他方、符号５で示すの
は雄素子の対応表面１０と接触するに至る座面を示す。

これら表面の対４と９．５と１０は前者にあっては６２
５−９．２５％のテーパを、後者にあっては継手軸線に
垂直な平面に対して５−１０度の角度のテーパをもつも
のとする。

図面かられかるように、表面９は表面４よりもはるかに
広く、このためこれらふたつの表面間の接触は広い範囲
の構造誤差を常に許容している。

第２図は座面５および１０が接触し継手を締付ける以前
における密封素子４および９の接触状態を示す。

また第３図は座面５および１０が接触し継手が使用状態
にある組立後の状態を示す。

図面においては、継手の状態の理解を容易にするために
金属シールの接触面は誇張して示しである。

本発明の継手は、離軸端部を有するふたつのパイプに形
成（インテグラルカップリング）してもよいが、内ねじ
端部を有するスリーブで接続したふたつの雄端部を有す
るパイプ（スリーブカップリング）に形成するのが好適
である。スリーブカップリングの内側部分は中央点近く
て厚くしてシールおよび座面領域を収容するようにする
。

【図面の簡単な説明】

第１図はねじ継手の軸断面図、第２図および第３図はそ
の雌雄素子の端部の一部分の拡大断面図である。 ｌ・・雄端部、２・・雌端部、３・・ねじ、４・・表面
、５・・座面、９．１０・・表面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　少なくともひとつの外側テーパねじを有する雄素子
   とこれに補形的な内側ねじを有する雌素子とを包含し、
   ねじ部をこえる前記雄素子の端部部分が主として軸線方
   向を向くテーパ密封面と主として横断方向を向くテーパ
   付の内部座面とを有し、これらの密封面および座面が前
   記雌素子の同様な密封面と座面に相互に作用するように
   なし、かつ母線に沿う前記雌素子の密封面の長さが前記
   雄素子の対応する密封面の長さよりも長い、気密性金属
   パイプ継手、ことに流体くみ上げ用および油井ケーシン
   グ用の気密性金属パイプ継手において、前記雄素子およ
   び雌素子の前記ふたつの密封面が６．２５ないし９．２
   ５％の間のテーパを有し、前記雌素子の対応面に接触す
   るに至る雄素子の表面の長さを０．５ないし２．５ｍｍ
   の長さとしたことを特徴とする気密性金属パイプ継手。 ２　請求項１記載の継手において、前記雄素子の座面の
   テーパおよび対応する前記雌素子の座面のテーパを、継
   手軸線に垂直な平面に対して５ないし１０度の角度とし
   、これら座面が、ねじと座面の相互当接および付勢の後
   のみに作用し合うようにしたことを特徴とする気密性金
   属パイプ継手。 ３　請求項１または２に記載の継手において、前記ねじ
   がフック型のねじであることを特徴とする気密性金属パ
   イプ継手。 ４　請求項１または２に記載の継手において、前記ねじ
   がアンターレス（Ａｎｔａｒｅｓ）型カッターのねじで
   あることを特徴とする気密性金属パイプ継手。 ５　請求項１ないし４のいずれかに記載の継手において
   、プラスチック材料の密封リングから成り前記雌素子の
   座面に形成したハウジング内において前記雄雌素子のふ
   たつの座面間に適宜位置するように配設した補助的な密
   封装置を包含することを特徴とする気密性金属パイプ継
   手。 ６　請求項１、２または４に記載の継手において、Ｃｒ
   −Ｍｎ−Ｖ鋼またはＶ、ＴｉおよびＮｂを含有するＣｒ
   −Ｍｏ鋼から選んだ合金鋼で、焼入れ焼戻しを行ない焼
   戻しマルテンサイト構造を有する合金鋼で作られている
   ことを特徴とする気密性金属パイプ継手。 ７　請求項１、２または３に記載の継手において、ステ
   ンレス鋼およびＮｉ系合金から選んだ材料で、たとえば
   貴金属のインプラントまたは硬化素子のインプラントま
   たは硬化およびまたは潤滑金属の電着のような焼付き防
   止処理を施した材料で作ったことを特徴とする気密性金
   属パイプ継手。