油井管用特殊ねじ継手およびその製造方法
【課題】仕上げ工程の切削加工ないしショットブラスト等表面処理のばらつきに起因するシール性のばらつきを小さくしかつシール性をさらに向上させた油井管用特殊ねじ継手を提供する。
【解決手段】少なくともシール部４において、ピン１側の締結前の表面粗さがＲａ１．０〜３．０μｍであり、かつ、ボックス２側の素地上に厚さ５〜２０μｍのゴーリング防止用めっき層１０およびさらにその上に厚さ１μｍ以上の軟質めっき層１１を有する
【解決手段】少なくともシール部４において、ピン１側の締結前の表面粗さがＲａ１．０〜３．０μｍであり、かつ、ボックス２側の素地上に厚さ５〜２０μｍのゴーリング防止用めっき層１０およびさらにその上に厚さ１μｍ以上の軟質めっき層１１を有する
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油井管用特殊ねじ継手およびその製造方法に関し、特に、切削加工ないしショットブラスト等表面処理のばらつきに起因するシール性のばらつきを小さくしかつシール性をさらに向上させた油井管用特殊ねじ継手およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、開発の容易な油井、ガス井が減少するとともに、より高深度でかつ高温高圧の井戸が増加している。また、掘削技術の進歩に伴い、傾斜井戸、水平井戸など、より複雑な形状の井戸が増加している。これに伴い、油井管のねじ継手に対する要求、例えば、引張、圧縮、内外圧、曲げなどの複合荷重下における気密性などの要求もますます高度化している。（非特許文献１）
油井管用特殊ねじ継手は、図１に示すように、ねじ結合される雄側のピン１と雌側のボックス（またはカップリング）２とからなり、これらの双方が互いに対応する箇所に、ねじ締結部３と、ねじ締結部３の片側に連なる、メタル‐メタル接触によるシール部４、あるいはさらにこれに連なるショルダー部５を有するねじ継手である。ねじ締結部３にはテーパねじが設けられている。なお、ピン側のねじ締結部のテーパねじをピンねじ、ボックス側のそれをボックスねじと呼ぶ。
【０００３】
シール部は、一般に先端Ｒ０．８ｍｍ程度のポイントカットツールと呼ばれる菱形の工具で送り０．１ｍｍ／回転程度で切削加工され、加工後の表面粗さがＲａ≦１．６μｍに仕上げられる。また、９％以上のＣｒを含有する合金鋼油井管については、継手締結時にゴーリングと呼ばれるかじりが発生しやすく、この防止のため、通常、ピン側表面にはガラス、アルミナ、セラミック、ステンレス等からなるショット粒を用いたブラスト処理が施され、また、ボックス側表面には銅めっき等のめっき処理が施される。なお、ブラスト後のピン表面粗さはＲａ１．０〜３．０μｍ程度まで上昇する。
【非特許文献１】ＪＦＥ技報Ｎｏ．９（２００５年８月)ｐ.４６−５０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の仕上げ切削加工ないし表面処理後の表面は、微小な凹みが一種の油溜りとなり、その潤滑作用によりゴーリングを防止すると考えられているが、一方、ガスシール試験においては、それらが連続してシール部に存在した場合、ガスのリークパスとなり、シール性低下の要因となる。
一方、締付け‐締戻し作業に伴うゴーリング防止の目的で、ボックス側表面に厚さ５〜２０μｍ程度のＣｕめっき，Ｃｕ‐Ｓｎめっき等のめっきが施される。このゴーリング防止用めっきは、締付け時に削られあるいは剥がれることにより地肌を露呈させるようなものでない、硬質めっきであることが肝要である。もっとも、このゴーリング防止用めっきでは、ゴーリングに伴うリークパス発生を抑止する効果はあるものの、ピン側の表面性状に起因するリークパスを抑止する効果はないので、さらなるシール性向上効果は望めない。
【０００５】
そこで、本発明は、仕上げ工程の切削加工ないしショットブラスト等表面処理のばらつきに起因するシール性のばらつきを小さくしかつシール性をさらに向上させた油井管用特殊ねじ継手およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明者は、前記目的を達成するために鋭意検討し、前記ゴーリング防止用めっきの上にＳｎめっき等の軟質めっき（締付け時に容易に削られる軟らかいめっき）を施すとよいことを見出した。また、これに加えて、油井管用特殊ねじ継手の製造工程の最終段階で、ピンねじとボックスねじを締結するにあたり、この締結作業を２回以上実施するとさらによいことを見出した。すなわち、本発明は、以下のとおりである。
【０００７】
１． ピンとボックスとのねじ締結部とメタル‐メタル接触によるシール部とを有する油井管用特殊ねじ継手であって、少なくとも前記シール部において、ピン側の締結前の表面粗さがＲａ１．０〜３．０μｍであり、かつ、ボックス側の素地上に厚さ５〜２０μｍのゴーリング防止用めっき層およびさらにその上に厚さ１μｍ以上の軟質めっき層を有することを特徴とする油井管用特殊ねじ継手。
【０００８】
２． 前記ねじ締結部が１回以上の締付け‐締戻し後の最終締付けにより締結されたことを特徴とする前項１に記載の油井管用特殊ねじ継手。
３． ピンとボックスとのねじ締結部とメタル‐メタル接触によるシール部とを有する油井管用特殊ねじ継手の製造方法において、ピンねじとボックスねじを螺合する前に、ピン側の少なくともシール部をブラスト処理してその表面粗さをＲａ１．０〜３．０μｍとし、ボックス側の少なくともシール部に厚さ５〜２０μｍのゴーリング防止用めっきを施し、その上に厚さ１μｍ以上の軟質めっきを施すことを特徴とする油井管用特殊ねじ継手の製造方法。
【０００９】
４． 前記ねじ締結部を形成するにあたり、ピンねじとボックスねじを螺合して１回以上の締付け‐締戻しを行った後に最終締付けを行うことを特徴とする前項３に記載の油井管用特殊ねじ継手の製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、安定して優れたシール性を発揮する油井管用特殊ねじ継手が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明では、ピン側の少なくともシール部をブラスト処理してその表面粗さをＲａ１．０〜３．０μｍとし、ボックス側の少なくともシール部に厚さ５〜２０μｍのゴーリング防止用めっきを施し、その上に厚さ１μｍ以上の軟質めっきを施してから、ピンねじとボックスねじを締付ける。なお、ピン側でシール部以外の部分（ねじ締結部など）にも前記ブラスト処理を施すのは構わない。また、ボックス側でシール部以外の部位（ねじ締結部など）にも前記ゴーリング防止用めっきおよび軟質めっきを施すのは構わない。
【００１２】
これにより、ボックス側シール部の最表層の軟質めっき層が、締付け時にピン側シール部の微小な凹み面を埋めることになり、均一で滑らかなシール表面が形成され、結果としてシール性が向上する。
軟質めっきの材料は、締付け工程での締付け力により容易に削られる程度の軟らかさをもつ材料でなければならず、かかる材料として、Ｓｎ，Ａｌ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ａｕなどの金属あるいはこれらの合金が挙げられる。軟質めっき層の厚さは、１μｍに満たないとシール性向上効果に乏しいため、１μｍ以上とする。なお、軟質めっき層の厚さは、厚すぎると干渉量管理の点で不利なので、２０μｍ以下とするのが好ましい。
【００１３】
ゴーリング防止用めっきの材料は、締付け工程での締付け力により削られないあるいは剥がれない程度の硬さもつ材料でなければならず、そのような材料として、Ｃｕ等の金属や、Ｃｕ‐Ｓｎ等の合金が挙げられる。ゴーリング防止用めっき層の厚さは、薄すぎるあるいは厚すぎるとゴーリング防止効果が不十分となるので、５〜２０μｍとする。
ピン側シール部の表面粗さは、小さすぎるとゴーリング防止効果に乏しく、大きすぎるとリークパスの封鎖が困難となるので、Ｒａ１．０〜３．０μｍとする。
【００１４】
また、本発明では、最終締付けの前に、予備の締付け‐締戻しを少なくとも１回実施するのが好ましい。これにより、切削加工、ブラスト等で発生したピン側、ボックス側両面不均一に一種の馴染みが得られ、より安定した、かつ、より優れたシール性が得られる。この馴染みの現象は、大きく分けて２つの理由によって起こる。１つは、局所的な過度の表面粗さがなくなること、もう１つは、表面の微細な凹み部が潤滑剤その他で埋まることである。なお、潤滑剤としては、通常、Ｃｕ，Ｐｂ等を適量含有するグリース系コンパウンドが用いられる。
【００１５】
なお、予備の締付け‐締戻しの回数は、好ましくは５回以下である。５回を超えると、かじりが生じやすくなって好ましくない。
【実施例】
【００１６】
（実施例１）
１３％Ｃｒ鋼からなる外径５．５”、肉厚０．４１５”の１１０ｋｓｉグレード油井管用特殊ねじ継手において、実質シール干渉量を通常公差の最小値の７０％とした限界調査サンプルについて、ガスシール試験を行なった。この試験に供した発明例および比較例のサンプルの概略仕様を表１に示す。なお、発明例、比較例とも締付けは１回のみ（最大トルク２４８７７Ｎ・ｍ）とした。その結果、比較例では、図３に示す９５％ＶＭＥ（フォンミーゼス[Von Mises]の相当応力）曲線上の点ＬＰ２（ＩＳＯのロードポイント‘２’）でリークが発生したのに対し、発明例では、リーク発生はなく合格した。
【００１７】
【表１】
【００１８】
（実施例２）
表１のＮｏ．１と同じ仕様のサンプル１０本のうち、５本について、ピンねじとボックスねじとの螺合に３回の締付け（最大トルク２４８７７Ｎ・ｍ）‐締戻しを行った後最終締付けを行い（グループＡとする）、残りの５本は、実施例１と同様に１回だけの締付けを行った（グループＢとする）。これらについて、実施例１と同様にガスシール試験を行なった。その結果、グループＢでは、５本中、前記点ＬＰ２（ＩＳＯのロードポイント‘２’）でリークが発生したものが２本あった（３本はリーク発生なしの合格）が、グループＡでは、５本の全数リーク発生はなく合格した。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】油井管用特殊ねじ継手の１例を示す部分断面模式図である。
【図２】ボックス側シール部のめっき層構造を示す断面模式図である。
【図３】ガスシール試験における荷重負荷条件の概念図である。
【符号の説明】
【００２０】
１ ピン
２ ボックス（カップリング）
３ ねじ締結部
４ シール部
５ ショルダー部
１０ ゴーリング防止用めっき層
１１ 軟質めっき層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油井管用特殊ねじ継手およびその製造方法に関し、特に、切削加工ないしショットブラスト等表面処理のばらつきに起因するシール性のばらつきを小さくしかつシール性をさらに向上させた油井管用特殊ねじ継手およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、開発の容易な油井、ガス井が減少するとともに、より高深度でかつ高温高圧の井戸が増加している。また、掘削技術の進歩に伴い、傾斜井戸、水平井戸など、より複雑な形状の井戸が増加している。これに伴い、油井管のねじ継手に対する要求、例えば、引張、圧縮、内外圧、曲げなどの複合荷重下における気密性などの要求もますます高度化している。（非特許文献１）
油井管用特殊ねじ継手は、図１に示すように、ねじ結合される雄側のピン１と雌側のボックス（またはカップリング）２とからなり、これらの双方が互いに対応する箇所に、ねじ締結部３と、ねじ締結部３の片側に連なる、メタル‐メタル接触によるシール部４、あるいはさらにこれに連なるショルダー部５を有するねじ継手である。ねじ締結部３にはテーパねじが設けられている。なお、ピン側のねじ締結部のテーパねじをピンねじ、ボックス側のそれをボックスねじと呼ぶ。
【０００３】
シール部は、一般に先端Ｒ０．８ｍｍ程度のポイントカットツールと呼ばれる菱形の工具で送り０．１ｍｍ／回転程度で切削加工され、加工後の表面粗さがＲａ≦１．６μｍに仕上げられる。また、９％以上のＣｒを含有する合金鋼油井管については、継手締結時にゴーリングと呼ばれるかじりが発生しやすく、この防止のため、通常、ピン側表面にはガラス、アルミナ、セラミック、ステンレス等からなるショット粒を用いたブラスト処理が施され、また、ボックス側表面には銅めっき等のめっき処理が施される。なお、ブラスト後のピン表面粗さはＲａ１．０〜３．０μｍ程度まで上昇する。
【非特許文献１】ＪＦＥ技報Ｎｏ．９（２００５年８月)ｐ.４６−５０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の仕上げ切削加工ないし表面処理後の表面は、微小な凹みが一種の油溜りとなり、その潤滑作用によりゴーリングを防止すると考えられているが、一方、ガスシール試験においては、それらが連続してシール部に存在した場合、ガスのリークパスとなり、シール性低下の要因となる。
一方、締付け‐締戻し作業に伴うゴーリング防止の目的で、ボックス側表面に厚さ５〜２０μｍ程度のＣｕめっき，Ｃｕ‐Ｓｎめっき等のめっきが施される。このゴーリング防止用めっきは、締付け時に削られあるいは剥がれることにより地肌を露呈させるようなものでない、硬質めっきであることが肝要である。もっとも、このゴーリング防止用めっきでは、ゴーリングに伴うリークパス発生を抑止する効果はあるものの、ピン側の表面性状に起因するリークパスを抑止する効果はないので、さらなるシール性向上効果は望めない。
【０００５】
そこで、本発明は、仕上げ工程の切削加工ないしショットブラスト等表面処理のばらつきに起因するシール性のばらつきを小さくしかつシール性をさらに向上させた油井管用特殊ねじ継手およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明者は、前記目的を達成するために鋭意検討し、前記ゴーリング防止用めっきの上にＳｎめっき等の軟質めっき（締付け時に容易に削られる軟らかいめっき）を施すとよいことを見出した。また、これに加えて、油井管用特殊ねじ継手の製造工程の最終段階で、ピンねじとボックスねじを締結するにあたり、この締結作業を２回以上実施するとさらによいことを見出した。すなわち、本発明は、以下のとおりである。
【０００７】
１． ピンとボックスとのねじ締結部とメタル‐メタル接触によるシール部とを有する油井管用特殊ねじ継手であって、少なくとも前記シール部において、ピン側の締結前の表面粗さがＲａ１．０〜３．０μｍであり、かつ、ボックス側の素地上に厚さ５〜２０μｍのゴーリング防止用めっき層およびさらにその上に厚さ１μｍ以上の軟質めっき層を有することを特徴とする油井管用特殊ねじ継手。
【０００８】
２． 前記ねじ締結部が１回以上の締付け‐締戻し後の最終締付けにより締結されたことを特徴とする前項１に記載の油井管用特殊ねじ継手。
３． ピンとボックスとのねじ締結部とメタル‐メタル接触によるシール部とを有する油井管用特殊ねじ継手の製造方法において、ピンねじとボックスねじを螺合する前に、ピン側の少なくともシール部をブラスト処理してその表面粗さをＲａ１．０〜３．０μｍとし、ボックス側の少なくともシール部に厚さ５〜２０μｍのゴーリング防止用めっきを施し、その上に厚さ１μｍ以上の軟質めっきを施すことを特徴とする油井管用特殊ねじ継手の製造方法。
【０００９】
４． 前記ねじ締結部を形成するにあたり、ピンねじとボックスねじを螺合して１回以上の締付け‐締戻しを行った後に最終締付けを行うことを特徴とする前項３に記載の油井管用特殊ねじ継手の製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、安定して優れたシール性を発揮する油井管用特殊ねじ継手が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明では、ピン側の少なくともシール部をブラスト処理してその表面粗さをＲａ１．０〜３．０μｍとし、ボックス側の少なくともシール部に厚さ５〜２０μｍのゴーリング防止用めっきを施し、その上に厚さ１μｍ以上の軟質めっきを施してから、ピンねじとボックスねじを締付ける。なお、ピン側でシール部以外の部分（ねじ締結部など）にも前記ブラスト処理を施すのは構わない。また、ボックス側でシール部以外の部位（ねじ締結部など）にも前記ゴーリング防止用めっきおよび軟質めっきを施すのは構わない。
【００１２】
これにより、ボックス側シール部の最表層の軟質めっき層が、締付け時にピン側シール部の微小な凹み面を埋めることになり、均一で滑らかなシール表面が形成され、結果としてシール性が向上する。
軟質めっきの材料は、締付け工程での締付け力により容易に削られる程度の軟らかさをもつ材料でなければならず、かかる材料として、Ｓｎ，Ａｌ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ａｕなどの金属あるいはこれらの合金が挙げられる。軟質めっき層の厚さは、１μｍに満たないとシール性向上効果に乏しいため、１μｍ以上とする。なお、軟質めっき層の厚さは、厚すぎると干渉量管理の点で不利なので、２０μｍ以下とするのが好ましい。
【００１３】
ゴーリング防止用めっきの材料は、締付け工程での締付け力により削られないあるいは剥がれない程度の硬さもつ材料でなければならず、そのような材料として、Ｃｕ等の金属や、Ｃｕ‐Ｓｎ等の合金が挙げられる。ゴーリング防止用めっき層の厚さは、薄すぎるあるいは厚すぎるとゴーリング防止効果が不十分となるので、５〜２０μｍとする。
ピン側シール部の表面粗さは、小さすぎるとゴーリング防止効果に乏しく、大きすぎるとリークパスの封鎖が困難となるので、Ｒａ１．０〜３．０μｍとする。
【００１４】
また、本発明では、最終締付けの前に、予備の締付け‐締戻しを少なくとも１回実施するのが好ましい。これにより、切削加工、ブラスト等で発生したピン側、ボックス側両面不均一に一種の馴染みが得られ、より安定した、かつ、より優れたシール性が得られる。この馴染みの現象は、大きく分けて２つの理由によって起こる。１つは、局所的な過度の表面粗さがなくなること、もう１つは、表面の微細な凹み部が潤滑剤その他で埋まることである。なお、潤滑剤としては、通常、Ｃｕ，Ｐｂ等を適量含有するグリース系コンパウンドが用いられる。
【００１５】
なお、予備の締付け‐締戻しの回数は、好ましくは５回以下である。５回を超えると、かじりが生じやすくなって好ましくない。
【実施例】
【００１６】
（実施例１）
１３％Ｃｒ鋼からなる外径５．５”、肉厚０．４１５”の１１０ｋｓｉグレード油井管用特殊ねじ継手において、実質シール干渉量を通常公差の最小値の７０％とした限界調査サンプルについて、ガスシール試験を行なった。この試験に供した発明例および比較例のサンプルの概略仕様を表１に示す。なお、発明例、比較例とも締付けは１回のみ（最大トルク２４８７７Ｎ・ｍ）とした。その結果、比較例では、図３に示す９５％ＶＭＥ（フォンミーゼス[Von Mises]の相当応力）曲線上の点ＬＰ２（ＩＳＯのロードポイント‘２’）でリークが発生したのに対し、発明例では、リーク発生はなく合格した。
【００１７】
【表１】
【００１８】
（実施例２）
表１のＮｏ．１と同じ仕様のサンプル１０本のうち、５本について、ピンねじとボックスねじとの螺合に３回の締付け（最大トルク２４８７７Ｎ・ｍ）‐締戻しを行った後最終締付けを行い（グループＡとする）、残りの５本は、実施例１と同様に１回だけの締付けを行った（グループＢとする）。これらについて、実施例１と同様にガスシール試験を行なった。その結果、グループＢでは、５本中、前記点ＬＰ２（ＩＳＯのロードポイント‘２’）でリークが発生したものが２本あった（３本はリーク発生なしの合格）が、グループＡでは、５本の全数リーク発生はなく合格した。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】油井管用特殊ねじ継手の１例を示す部分断面模式図である。
【図２】ボックス側シール部のめっき層構造を示す断面模式図である。
【図３】ガスシール試験における荷重負荷条件の概念図である。
【符号の説明】
【００２０】
１ ピン
２ ボックス（カップリング）
３ ねじ締結部
４ シール部
５ ショルダー部
１０ ゴーリング防止用めっき層
１１ 軟質めっき層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピンとボックスとのねじ締結部とメタル‐メタル接触によるシール部とを有する油井管用特殊ねじ継手であって、少なくとも前記シール部において、ピン側の締結前の表面粗さがＲａ１．０〜３．０μｍであり、かつ、ボックス側の素地上に厚さ５〜２０μｍのゴーリング防止用めっき層およびさらにその上に厚さ１μｍ以上の軟質めっき層を有することを特徴とする油井管用特殊ねじ継手。
【請求項２】
前記ねじ締結部が１回以上の締付け‐締戻し後の最終締付けにより締結されたことを特徴とする請求項１に記載の油井管用特殊ねじ継手。
【請求項３】
ピンとボックスとのねじ締結部とメタル‐メタル接触によるシール部とを有する油井管用特殊ねじ継手の製造方法において、ピンねじとボックスねじを螺合する前に、ピン側の少なくともシール部をブラスト処理してその表面粗さをＲａ１．０〜３．０μｍとし、ボックス側の少なくともシール部に厚さ５〜２０μｍのゴーリング防止用めっきを施し、その上に厚さ１μｍ以上の軟質めっきを施すことを特徴とする油井管用特殊ねじ継手の製造方法。
【請求項４】
前記ねじ締結部を形成するにあたり、ピンねじとボックスねじを螺合して１回以上の締付け‐締戻しを行った後に最終締付けを行うことを特徴とする請求項３に記載の油井管用特殊ねじ継手の製造方法。
【請求項１】
ピンとボックスとのねじ締結部とメタル‐メタル接触によるシール部とを有する油井管用特殊ねじ継手であって、少なくとも前記シール部において、ピン側の締結前の表面粗さがＲａ１．０〜３．０μｍであり、かつ、ボックス側の素地上に厚さ５〜２０μｍのゴーリング防止用めっき層およびさらにその上に厚さ１μｍ以上の軟質めっき層を有することを特徴とする油井管用特殊ねじ継手。
【請求項２】
前記ねじ締結部が１回以上の締付け‐締戻し後の最終締付けにより締結されたことを特徴とする請求項１に記載の油井管用特殊ねじ継手。
【請求項３】
ピンとボックスとのねじ締結部とメタル‐メタル接触によるシール部とを有する油井管用特殊ねじ継手の製造方法において、ピンねじとボックスねじを螺合する前に、ピン側の少なくともシール部をブラスト処理してその表面粗さをＲａ１．０〜３．０μｍとし、ボックス側の少なくともシール部に厚さ５〜２０μｍのゴーリング防止用めっきを施し、その上に厚さ１μｍ以上の軟質めっきを施すことを特徴とする油井管用特殊ねじ継手の製造方法。
【請求項４】
前記ねじ締結部を形成するにあたり、ピンねじとボックスねじを螺合して１回以上の締付け‐締戻しを行った後に最終締付けを行うことを特徴とする請求項３に記載の油井管用特殊ねじ継手の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００８−５７６４１（Ｐ２００８−５７６４１Ａ）
【公開日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２３４７７４（Ｐ２００６−２３４７７４）
【出願日】平成１８年８月３１日（２００６．８．３１）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月３１日（２００６．８．３１）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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