JPH06320348A - チタン製ドリルパイプとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 チタン材から構成しても強度、耐摩耗性がす
ぐれ、しかもチタン材としての優れた耐食性、高い比強
度を有するチタン製ドリルパイプとその製造方法を提供
する。 【構成】 継手部14，16を鋼製とし、管本体をチタン製
とし、適度な表面粗さと焼嵌め代でこれらを焼き嵌めに
より一体化することでチタン管端部に鋼製継手部を接合
する。 【効果】 0.05kg-m/ 直径(mm)・長さ(mm)以上のトルク
強度を有し、360kg/接合部長さ(mm)以上の耐引張荷重を
示す優れた継手性能が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、継手性能を向上せしめ
るべくチタン管またはチタン合金管（以下、単にチタン
管ともいう）の管端部に鋼製の継手部を焼嵌めして成る
チタン製ドリルパイプとその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】チタン管またはチタン合金管は近年油井
用に使用されてきており、その高い比強度、優れた耐食
性よりドリルパイプとしても適用する試みがみられる。
ここに、ドリルパイプは、油井などの掘削用のビットを
回したり掘削泥水を循環させたりするための管材であっ
て、通常各長さが９ｍ程度であって、それらはツールジ
ョイントと呼ばれている継手部材によってネジ接合さ
れ、例えば１万メートルもの長さにするのである。この
ようなドリルパイプは繰り返し着脱が行われ、また回転
に際しては大きなトルクがかかるなど、かなり苛酷な状
況下で使用される。したがって、普通は、鋼製パイプ、
アルミニウム合金製のものが使用されているが、近年、
チタン製のドリルパイプが着目されている。

【０００３】しかしながら、純チタンおよびチタン合金
は、耐摩耗性が炭素鋼等の従来材質のものに比し劣って
おり、チタン管でドリルパイプを構成するとネジ脱着の
際の摩耗が激しくなり、焼付き (かじり) が発生しやす
いという問題があるため、チタン管のドリルパイプとし
ての適用が困難であると考えられてきた。

【０００４】そこで、従来よりこれらの問題に対し、管
端に設けたネジ部へ表面処理を施して耐摩耗性の改善を
図るという面から種々改善が試みられている。例えば、
ネジ部表面に大気酸化皮膜形成処理を行う方法 (例: 大
気中加熱、陽極酸化法等) であるが、しかし現在までの
ところ、ドリルパイプとしての苛酷な使用環境に耐え、
要求される耐久性を満足する結果は得られていない。

【０００５】また、チタン材はヤング率が例えば炭素鋼
の約1/2 であり、チタン材からドリルパイプを構成した
場合、使用中ドリルパイプ管端のネジ継手部が低トルク
で緩むというチタン材の物理的性質に由来する極めて深
刻な問題も未解決である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】よって、本発明の目的
は、上述のような従来技術の問題を解消したチタン製ド
リルパイプとその製造方法を提供することである。さら
に、本発明の別の目的は、チタン材から構成しても強
度、耐摩耗性がすぐれ、しかもチタン材としての優れた
耐食性、高い比強度を有するチタン製ドリルパイプとそ
の製造方法を提供することである。

【０００７】さらに本発明の具体的目的は、0.05kg-m/
直径(mm)・長さ(mm)以上のトルク強度を有し、360kg/接
合部長さ(mm)以上の耐引張荷重を示す優れた継手性能を
満足させる異種材を複合化したチタン製ドリルパイプと
その製造方法を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述のようにチタン材を
ドリルパイプに適用した場合、ネジ継手部にて焼付が発
生し易いという点、またチタン材はヤング率が鋼の約1/
2 であることにより、低トルクで緩むという問題点があ
った。

【０００９】そこで本発明者等はドリルパイプ本体はチ
タン材のままとし継手部のみを鋼とすることを着想し
た。かかる異種材の接合には溶接、拡散接合、ろう付け
など各種の手段が考えられるが、種々実験を重ねた結
果、金属間化合物の生成が不可避であって、いずれも満
足する継手は得られなかった。ある種のろう付け法が有
望であったが、信頼性およびコストの点で満足のゆくも
のではなかった。

【００１０】また、接合法の一つとして焼嵌め法がある
が、一般に焼嵌め法は材質面、加工面から加熱温度に制
約があるため挿入時の間隙を大きくすることができず、
焼嵌め法の長尺構造への適用が困難といわれている (社
団法人溶接学会: 溶接・接合便覧、丸善株式会社、199
0、643.) 。

【００１１】ドリルパイプの場合には厳しい回転とその
自重に耐えるだけのトルク強度と耐引張荷重を有してい
る必要があり、このような用途へこの焼嵌め法を適用す
る場合には、焼嵌め代を大きく取らなければならない。
しかし、焼嵌め代を大きく取ろうとすると、Ti合金を10
00℃以上の高温に加熱しなければならず、その結果Ti合
金の表面は酸化し、脆化して所望のトルク強度と耐引張
荷重を得ることができなくなる。したがって、チタン材
のドリルパイプ本体と鋼の継手部を接合するのに、焼嵌
め法を適用することは困難と考えられていた。

【００１２】しかしながら、本発明者らのその後の検討
の結果、接合するチタン材および鋼材の表面を適度に粗
面化した状態で焼嵌めを行うことによって、焼嵌め代を
大きくして高温に加熱せずともドリルパイプとしての使
用に耐える接合が行われることを知り、本発明に至っ
た。

【００１３】よって、本発明の要旨とするところは、チ
タン製の管本体と管端部に焼嵌めにより一体的に設けた
鋼製継手部とから成ることを特徴とする 0.05kg-m/直径
(mm)・長さ(mm)以上のトルク強度を有し、360kg/接合部
長さ(mm)以上の耐引張荷重を示すチタン製ドリルパイプ
である。

【００１４】さらに、別の面からは、本発明は、接合面
の表面粗さをRa:25 〜0.0035Ｄμｍ(Ｄは、チタン管内
径と鋼製継手部外径との平均径) としてから、平均径Ｄ
に対する焼嵌め代を0.15〜0.55％で焼き嵌めすることに
より、チタン製の管本体の管端部に鋼製継手部を接合す
ることを特徴とするチタン製ドリルパイプの製造方法で
ある。

【００１５】

【作用】次に、本発明の作用について添付図面を参照す
ることでさらに具体的に説明する。図１は、ボックス側
とピン側とを途中省略して示すドリルパイプ10の概略説
明図であり、図中、本体12をチタン管とし、両管端には
鋼製のネジ継手 (ツールジョイント) 、つまりボックス
継手14とピン継手16とが設けられ、本体12とは例えば焼
嵌め長さＬで焼嵌めによって接合されるなどして一体的
に形成されている。

【００１６】管本体はいわゆる継目無管から構成すれば
よく、また鋼製継手部はすでに一般的に使用されている
鋼製のドリルパイプにおけると同様に構成するればよ
く、これ以上の説明は省略する。

【００１７】本発明によれば、かかるチタン管と鋼製継
手部とは一体的に設けられ、ドリルパイプを構成する。
これら両者を一体的に設ける手段としては多くのことが
考えられるが、以下にあってはその代表例である焼嵌め
法について説明する。

【００１８】まず、本発明にあって、焼嵌めに先立って
接合面、好ましくはチタン管および鋼製継手部側の表面
粗さを、Raで25〜0.0035Ｄ (μm)に調整する。ここで、
Ｄとはチタン管の内径と鋼製継手部の外径の平均径を指
す。内径、外径とは、その表面粗さの中央値での径をい
う。

【００１９】よって、表面粗さが大きくなると、表面で
見たときの径は、チタン管の内径については小さく、鋼
製継手部外径については大きくなり、焼嵌め代を大きく
するのと同じく外管であるチタン管を高温に加熱せざる
を得なくなる。よって、表面粗さを大きくしすぎても、
表面が酸化し、脆化した所望のトルク強度と耐引張荷重
を得ることができなくなる。

【００２０】Raが25μｍ未満では、0.05kg・m/直径(mm)
・長さ(mm)以上のトルク強度と、360 kg／接合長さ(mm)
以上の耐引張荷重を達成することができない。一方、Ra
が0.0035Ｄ (μm)を超えると、焼嵌め時に800 ℃以上に
加熱せざるを得ず、チタン材の表面にスケールが発生
し、やはり焼嵌め部のトルク強度と耐引張荷重が劣化す
る。一般にRaは25〜150 μｍ程度で十分である。

【００２１】また、焼嵌め代は、｛ (内管外径−外管内
径)/(内管外径) ｝×100(%)によって定義されることか
ら、その調整は加熱温度を調節することによって行うこ
とができる。ここに、本発明にあっては焼嵌め径の0.15
〜0.55％で行う。焼嵌め代が0.15％未満だと、所望のト
ルク強度と耐引張荷重が得られない。一方、0.55％を超
えると、焼嵌め時に800 ℃以上に加熱せざるを得ず、チ
タン材の表面にスケールが発生し、やはり焼嵌め部のト
ルク強度と耐引張荷重が劣化する。

【００２２】本発明によれば、図中、焼嵌め部20の長さ
Ｌは特に制限されないが、掘削時に先頭に接続されるも
の程、自重による引張荷重が高くなるので、Ｌを大きく
とるのが望ましい。本発明の好適態様にあっては、さら
に焼嵌め長さを 100〜200 mmとする。

【００２３】本発明において、チタン管は、純チタン、
つまり工業的純度の金属チタンから構成してもよく、ま
たはチタン合金から構成してもよい。ここに、チタン合
金とは、Ti-6Al-4V 、Ti-6Al-4V(ELI)、Ti-3Al-2.5V 、
Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-6Al-6V-2Sn 等が例示される
が、本発明は特にそれらにのみ制限されるものではな
い。

【００２４】また、継手形状も特定のものに制限される
ことはなく、例えばすでに鋼製ドリルパイプにて用いら
れている形状をそのまま用いてもよい。次に、焼嵌め処
理の操作について説明する。

【００２５】鋼製継手部を構成するボックス継手14とピ
ン継手16を予め用意しておき、さらに適宜長さのチタン
管を、図示例では、雌型として用いて、鋼表面を、例え
ばRa25〜0.0035Ｄ (μm)程度にまで粗面化しておく。適
宜加熱炉によってチタン管の両端を650 ℃の温度に加熱
し、次いで鋼製継手部に嵌め込み、焼嵌めを行う。この
ように、本発明によれば、鋼とチタン材とを焼嵌めによ
って接合しても厳しい回転や、その自重による緩みのな
い継手を製造できるのである。

【００２６】すでに述べたように、継手部のみ鋼とした
場合、例えば溶接では金属間化合物を生じ脆くなること
から本体のチタン管との接合はできないため、焼嵌めに
て接続するのである。しかし、単なる焼嵌めではドリル
パイプとして十分な強度が得られず、本発明によれば上
述のように接合面の表面粗さを適度範囲で調整するとと
もに焼嵌め代を規定することで一体的に構成するのであ
る。次に、本発明をその実施例によってさらに具体的に
説明する。

【００２７】

【実施例】

(実施例１)チタン合金 (Ti-6％Al-4％V)と鋼 (SCM435)
の焼嵌め継手を以下の加工条件の組合わせにて製作し
た。チタン管の寸法は、外径51mm、内径43mm、肉厚４m
m、鋼製継手の寸法は、外径43mm、内径22mm、肉厚10.5m
mであった。

【００２８】

【表１】

【００２９】＜製作方法＞図１に示すように、メス側と
してチタン合金管本体12、オス側として鋼製管継手14、
16を適用し、メス側のチタン合金管を誘導加熱法により
加熱し、オス側鋼管を常温のまま挿入し、焼嵌めを行っ
た。チタン合金管、鋼製管継手とも表面粗さは、Ra 6〜
180 μｍに調整した。

【００３０】＜性能確認試験結果＞性能評価は、焼嵌め
部の耐トルク性能、耐引張荷重性能を測定し評価を行っ
た。結果は同じく表１に示す。例No.2、例No.6では、そ
れぞれ表面粗さ、焼嵌め代が小さすぎ、トルク強度、耐
引張荷重の目標値を満足することができなかった。例N
o.5および例No. 9 ではそれぞれ表面粗さ焼嵌め代が大
きすぎたため、外側金属の高温加熱 (900 ℃以上) が必
要でスケールの悪影響で強度の劣化がみられた。

【００３１】これらの結果からも分かるように、本発明
によれば適度の表面粗さ、焼嵌め代とすることにより0.
05kg-m/ 直径(mm)・長さ(mm)以上のトルク強度を有し、
360kg/接合部長さ(mm)以上の耐引張荷重を満足させ得る
ことが明らかであり、実際に継手としての適用は可能で
ある。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、チタン管継手の欠点で
ある耐焼付性、低トルクの問題を、継手部を鋼から構成
し、これを一体的に複合化することで解決し、併せてチ
タン材本来の耐食性、高い比強度特性を発揮できるチタ
ン製ドリルパイプが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかるチタン製ドリルパイプの一部を
省略して示す概略説明図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チタン製の管本体と管端部に焼嵌めによ
   り一体的に設けた鋼製継手部とから成ることを特徴とす
   る 0.05kg-m/直径(mm)・長さ(mm)以上のトルク強度を有
   し、360kg/接合部長さ(mm)以上の耐引張荷重を示すチタ
   ン製ドリルパイプ。
2. 【請求項２】 接合面の表面粗さをRa:25 〜0.0035Ｄμ
   ｍ (Ｄは、チタン管内径と鋼製継手部外径との平均径)
   としてから、平均径Ｄに対する焼嵌め代を0.15〜0.55％
   で焼き嵌めすることにより、チタン製の管本体の管端部
   に鋼製継手部を接合することを特徴とするチタン製ドリ
   ルパイプの製造方法。