JP4680446B2

JP4680446B2 - 油井鋼管用継手

Info

Publication number: JP4680446B2
Application number: JP2001264031A
Authority: JP
Inventors: 正男山口; 一裕魚住; 秀明田中; 純川口
Original assignee: JFE Steel Corp; Nihon Parkerizing Co Ltd
Current assignee: JFE Steel Corp; Nihon Parkerizing Co Ltd
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2001-08-31
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2021-08-31
Also published as: JP2003074763A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油井管用継手に係わり、特に過酷な環境下で多数回にわたって締め付け、取り外しが行われてもゴーリングを起こさない継手に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、深さ数千ｍにも及ぶ天然ガス田や原油田等の探索・生産に使用される鋼管（油井管という）を互いに接続するには、ネジ継手が広く用いられている。そして、このネジ継手は、前記油井管が高圧、高荷重及び悪環境下で使用されるため、接続された管の自重による軸方向の引張力に耐えること、外圧に耐えること、数十回の繰り返し使用ができること等の性能が要求されている。
【０００３】
かかる継手としては、管１の一端に雄ネジを有するピン部２を、他端に雌ネジを有するボックス部を設け、それら雄雌ネジを互いに接続するもの（インテグラル方式という）と、図３に示すように、両端に前記ボックス部３を設けたカップリング４なる部材を使用し、両端にピン部２を設けた油井管１を接続するもの（カップリング方式という）とがある。近年は、高い機密性を要求されるため、改良が加えられ、下記のような継手が多用されるようになっている。
【０００４】
例えば、ボックス部３の内周は、先端から軸線方向に沿い奥へ進むにつれ、テーパをもって内径が減少し、図４に示すような雌ネジ５が刻設され、内奥の周壁には、図５に示すように、軸心に向かって突出した環状の肩部（ショルダ１４という）が形成されている。他方、該ボックス部３に螺合されるピン部２には、前記雌ネジ５に螺合される雄ネジ６立設されていると共に、該雄ネジ６の先にネジのない部分（リップ部７という）が設けられている。このリップ部７の外周面も、テーパ状になっており、図５で明らかなように、その突端はオーバハング状になっている。従って、このリップ部７が、前記ボックス部３の内周奥と接すると、そこに突き当てによるシール面（金属面対金属面のシールと称される）が形成される。一方、ネジは、図４に示したように、雄ネジ６と雌ネジ５の締結時の噛合いにより、雄ネジ６及び雌ネジ５が互いに接触する面をそれぞれの荷重面８といい、該荷重面８の傾斜を管軸線と垂直な線を基準にして、ロード・フランク角α（反時計方向を負）と称している。また、雄ネジ６と雌ネジ５との間に隙間９が生じる側の面を、それぞれの挿入面１０といい、この面の傾斜は、スタッビング・フランク角θ（反時計方向を正）という。さらに、締結時のネジ面の接触状態は、前記図４に示したように、荷重面８で接触、挿入面１０で非接触、頂面及び底面の少なくとも一方で接触となり、これらネジ面の接触でもシールが確保できる。つまり、かかるネジ継手は、ピン部２及びボックス部３のネジ同士の接触と突き当てシール面の接触によって、高い機密性を保持するようになっているのである。
【０００５】
ところが、油井管の施工時に継手の締め付けを行うと、大なり小なり、ネジ部にむしれ（ゴーリングという）が生じ、継手の接続を困難にすることがある。そのため、本出願人の一人が先に特願平１１−３６４０７４号公報で開示したように、ネジ部の前記ロード・フランク角を負にしたり、あるいは炭素鋼が多かった継手の材質に高Ｃｒ鋼を採用したりして、対策が種々試みられている。また、前記カップリング４の内面にＣｕめっきを施し、その上にドープと称しＰｂを含有したグリス状コンパウンドを塗ってネジ部の前記隙間９を塞ぐことで、ゴーリングの発生はかなり低減している。さらに、ピン部２の外周面をグラス・ビーズでブラストして滑り易くすることも行われている。
【０００６】
しかしながら、環境汚染が強く叫ばれる最近では、前記Ｐｂ入りのドープは使用できない。Ｐｂが周囲の海水や土壌に含まれるようになり、環境汚染が起きるからである。そのため、Ｐｂを含有させないドープ（これをグリーン・ドープという）が開発、使用されるようになっているが、このグリーン・ドープを塗った継手を締め付けると、継手の材質によってはゴーリングの発生が防止できない場合があり、さらなる改良が熱望されているのが現状である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる事情に鑑み、油井管の施工、つまり継手の締め付け時にネジ部にゴーリングが発生しない油井管用継手を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意研究を行った結果、従来のドープ中のＰｂの代替として優れた金属系固体潤滑剤であるＳｎに着目し、これとＣｕとを最適に組合わせることで本発明を完成させた。
すなわち、第一の本発明は、Ｃｒを９質量％以上含有する鋼管の一端に雄ネジ及びメタル−メタルシール部を有するピン部と、同材質で、雌ネジ及びメタル−メタルシール部を有するボックス部を両端に設けたカップリングとで形成する油井鋼管用継手において、前記カップリングの雌ネジ及びメタル−メタルシール部の表面に、Ｓｎ含有量が０〜１００質量％のＣｕ−Ｓｎ合金層をＮ層（Ｎは２以上）配置し、各Ｃｕ−Ｓｎ合金層のＳｎ含有量が下記関係を満してなることを特徴とする油井鋼管用継手である。
０≦Ｃ ₁ ＜……＜Ｃ _ｎ＜……＜Ｃ _N ≦１００
ここで、Ｃ ₁ ：最下層のＳｎ含有量、Ｃ _ｎ：第ｎ層のＳｎ含有量、Ｃ _N ：最上層のＳｎ含有量
【００１０】
さらに、第二の本発明は、Ｃｒを９質量％以上含有する鋼管の一端に雄ネジ及びメタル−メタルシール部を有するピン部と、同材質で、雌ネジ及びメタル−メタルシール部を有するボックス部を両端に設けたカップリングとで形成する油井鋼管用継手において、前記カップリングの雌ネジ及びメタル−メタルシール部の表面に、Ｓｎ含有量が下層から上層へ向かって連続的に多くなるような勾配をもたせたＣｕ−Ｓｎ合金層を配置してなることを特徴とする油井鋼管用継手である。
【００１１】
これらの発明においては、前記カップリングの雌ねじ及びメタル−メタルシール部の表面と前記Ｃｕ−Ｓｎ合金層との間に、さらにＮｉ，Ｆｅ，Ｚｎ及びＣｒから選ばれた１種の金属層又はそれら金属の合金層を配置することが好ましい。
【００１２】
本発明に係る油井鋼管用継手を用いると、グリーンドープを使用しても従来よりシール性が良好で、且つ継手に起きるゴーリングを格段に抑制することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１４】
本発明の対象となる継手は、材質がＣｒを９質量％以上含有する鋼管からなるカップリング方式のものである。通常の炭素鋼では、カップリングを燐酸マンガンで表面処理し、ピン部をグラスビードでブラストして表面を滑らかにするだけで、ゴーリング対策になるからである。
【００１５】
まず、本発明者らは、カップリング４の雌ネジ５（図４参照）及びメタルーメタルシール部（図５参照）の表面に、以前より施しているＣｕめっきの改良に着眼した。めっきが適正であれば、カップリング４への油井管のピン部２の挿入、締め付けが円滑になり、ゴーリングの発生を抑制できると考えたからである。
【００１６】
また、Ｐｂが優れた金属系固体潤滑材であることから、その代替金属として同様に優れた潤滑材であるＳｎをＣｕめっき側に導入した。ただし、Ｐｂ及びＳｎが潤滑材として優れるのは、それらの剪断破壊応力が極めて小さいことによるので、それ自身の強度が弱く、締め付けにより除去されてしまい、複数回の締め付けには耐えられない。そこで、潤滑性には劣るが強度的には優れるＣｕとの組合せを種々試み、そのうち良好な成績を収めたものを本発明とした。
【００１７】
その第一の本発明とは、前記カップリング４の雌ネジ５及びメタル−メタルシール部の表面に、Ｃｕ−Ｓｎ合金層をめっき法等により形成したものである。ここで、前記Ｃｕ−Ｓｎ合金層のＳｎ含有量は１０〜７０質量％であることが好ましい。すなわち、Ｓｎ含有量が１０質量％未満であると、潤滑性が不足し易くなり、７０質量％を超えると、合金層の強度が不足し易く、締め付け回数とともに合金層が減少し易くなる。なお、鋼と合金層との密着性の観点から、Ｃｕ−Ｓｎ合金めっきを施すに先立って、予めＮｉ，Ｆｅ，Ｚｎ及びＣｒから選ばれる１種の金属又はそれらの合金をめっきしておくのが好ましい。さらに、その中でもＮｉ又はＮｉ合金がより好ましい。以下、このような下地Ｎｉ層をＮｉストライク層と称する。
【００１８】
この第一の本発明を概念的に図１（ａ）に示す。すなわち、素材４の鋼上にＮｉストライク層１０を介して、Ｃｕ−Ｓｎ合金めっき１３が形成されている。ここで、各めっき層の厚みは、雌ねじ５と雄ねじ６のクリアランスに依存するため特に限定されないが、通常は、Ｎｉストライク層１０が１〜２μｍ、Ｃｕ−Ｓｎ合金めっき層が９〜１３μｍ程度で、全体としては１０〜１５μｍが好ましい。
【００１９】
そこで、このＮｉストライク層の上に配置させるめっきについてさらに検討を重ねた結果、以下に述べる形態であればいずれも良好なゴーリング抑制効果を得たのである。
【００２０】
図１（ｂ）に示すようなめっき層は、母材４から順に上に向け、Ｎｉストライクめっき１０，Ｃｕめっき１１、Ｓｎめっき１２としたものである。ここで、各めっき層の厚みは、通常、Ｎｉストライクめっき１０が１〜２μｍ、Ｃｕめっき１１が７〜１０μｍ、Ｓｎめっき１２が２〜３μｍ程度であり、全体として１０〜１５μｍが好ましい。
【００２１】
図１（ｃ）に示すめっき層は、下から上へ順次、Ｎｉストライクめっき１０，Ｃｕめっき１１、Ｃｕ−Ｓｎ合金１３、Ｓｎめっき１２としたものである。ここで、Ｃｕめっき１１とＳｎめっき１２との間にＣｕ−Ｓｎ合金めっき１３を介在させることにより、めっき層全体の強度と潤滑性のバランスが向上し、ゴーリングの抑制効果がより促進する。また、各めっき層の厚みは、通常Ｎｉストライクめっき１０が１〜２μｍ、Ｃｕめっき１１が４〜５μｍ、Ｃｕ−Ｓｎ合金めっきが３〜５μｍ、Ｓｎめっき１２が２〜３μｍ程度であり、全体として１０〜１５μｍが好ましい。また、図１（ｄ）に示すめっき層は、Ｃｕ−Ｓｎ合金めっき１３が厚く、しかもＳｎ濃度が階段状に異なるようにしたものである。
【００２２】
以上図１（ｂ）〜図１（ｄ）に示した考えに基づいたのが第二の本発明である。すなわち、１〜２μｍのＮｉストライクめっき層１０を形成した後，Ｓｎを０〜１００重量％含有するＣｕ−Ｓｎ合金めっきをＮ層施して、各Ｃｕ−Ｓｎ合金層のＳｎ含有量が下記関係を満足するようにしたものである。
【００２３】
０≦Ｃ₁＜……＜Ｃ_ｎ＜……＜Ｃ_N≦１００
ここで、Ｃ₁：最下層のＳｎ含有量、Ｃ_ｎ：第ｎ層のＳｎ含有量、Ｃ_N：最上層のＳｎ含有量
つまり、下層にはＳｎ含有量の少ない強度を優先させためっき層を、上層にはＳｎ含有量の多い潤滑性を優先させためっき層を配置したのである。この場合、多層めっきの全体の膜厚は、前記したように、Ｎｉストライク層を含めて１０〜１５μｍが好ましい。また、層数のＮを幾つにするかについては、Ｎが大きいほどゴーリング抑制効果が高まるが、それに応じてコストも増加するので、締め付け取り外しの必要回数を考慮して決定するのが良い。
【００２４】
また、上記した多層めっきでは、めっき層の深さ方向のＳｎ含有量は、各層毎に段階的に変化するが、後述するように、Ｃｕ−Ｓｎ合金めっきは、めっき電流密度を制御してある程度Ｓｎ含有量を変化させることができる。すなわち、めっき途中で連続的に電流密度を変化させると、めっき層中のＳｎ含有量が深さ方向で連続的に変化し、めっき層が１層であっても前記多層めっきの場合と同様の効果を得ることもできる。この考えを概念的に図２（ａ）に示すと、Ｓｎ濃度が深さ方向で勾配を有するＣｕ−Ｓｎ合金層１３'となる。
【００２５】
さらに、上記しためっき層中のＳｎ含有量を深さ方向で連続的に変化させる形態は、図２（ｂ）に示すように、Ｎｉストライクめっき１０の上にＣｕめっき11を、その上にＳｎめっきを施してから、全体を熱処理することでＣｕ-Ｓｎ相互拡散層１３'として形成することも可能である。そこで、このようなＳｎ含有量が下層から上層に向かって連続的に増大する濃度勾配を有するＣｕ-Ｓｎ合金層からなるものを第二の本発明と区別し、第三の本発明としたのである。なお、この場合、Ｃｕ−Ｓｎ合金層は、一層でも複数層であっても良い。
【００２６】
次に、以上述べた本発明に係るめっき層を雌ねじ及びメタル−メタルシール部の表面に形成するには、電気めっき、無電解めっき、気相めっき等、いかなるめっき手法を用いても良い。
しかし、現実的には、下記のように電気めっきを用いるのが効率的で、且つ経済的である。
【００２７】
Ｎｉストライクめっき層の形成には、例えば、Ｎｉイオン濃度が６０〜７５ｇ／Ｌとなるように塩化ニッケルを脱イオン水に溶解し、そこに３０〜５０ｇ／Ｌの塩酸を添加した浴を用いることができる。さらに、めっきの外観に応じて市販の光沢剤を添加しても良い。この場合、めっき浴の温度を２０〜４０℃として電流密度２〜５Ａ／ｄｍ²でめっきを行い、必要膜厚を確保する。
【００２８】
Ｃｕめっき層の形成には、例えば、Ｃｕイオン濃度が１５０〜２５０ｇ／Ｌとなるように硫酸銅を脱イオン水に溶解し、そこへ４０〜８０ｇ／Ｌの硫酸を添加した浴を用いることができる。さらに、めっきの外観に応じて市販の光沢剤を添加しても良い。この場合は、めっき浴の温度を２０〜４０℃として電流密度２〜６Ａ／ｄｍ²でめっきを行い、必要膜厚を確保する。
【００２９】
一方、Ｓｎめっき層の形成には、例えば、ホウフッ化第一スズを２００ｇ／Ｌ，ホウフッ化水素酸を１２５ｇ／Ｌ，ホウ酸を２５ｇ／Ｌ，ゼラチンを２ｇ／Ｌ，ベータナフトールを１ｇ／Ｌとして脱イオン水に溶解した水溶液をめっき浴とし、浴温２０〜２５℃、電流密度１〜５Ａ／ｄｍ²でめっきを行い、必要膜厚を確保する。このようなホウフッ化浴は古くから一般的であるが、廃水処理のし易さを考慮すると、市販の有機スルフォン酸ベースのＳｎめっき浴の利用が好ましい。
【００３０】
また、Ｃｕ-Ｓｎ合金めっき層の形成には、前記硫酸ベースのＣｕめっき用浴に硫酸スズを必要量添加したものが利用できる。この場合、Ｓｎイオンの安定性を考慮して、さらにアルキルスルフォン酸、アルカノールスルフォン酸及び芳香族スルフォン酸等の有機スルフォン酸を添加するのが好ましい。また、硫酸スズ及び有機スルフォン酸の添加に代え、有機スルフォン酸Ｓｎめっきで用いられる市販のＳｎ塩（有機スルフォン酸スズ）を添加しても良く、むしろその方が簡単である。また、Ｃｕ−Ｓｎ合金めっきのＳｎ含有量は、めっき浴中のＳｎイオン濃度を高くすればするほど、また同じＳｎイオン濃度のめっき浴においては電流密度を高くすればするほど、多くすることができる。
【００３１】
以上述べた本発明は、Ｐｂを含有しないグリーンドープに対抗するためＰｂと同様の金属系固体潤滑材であるＳｎをＣｕめっきに導入したものである。従来技術のＣｕめっきとＰｂ含有ドープとの組み合わせでは、鋼管継手の締め付け取り外しのたび毎に、Ｐｂ含有ドープが塗布され、常に潤滑状態が維持できた。そのため、Ｐｂを含有しないドープを用いる本発明では、締め付け取り外しの必要回数までＳｎめっきを残存させなければ、良好な潤滑状態が維持できない。
【００３２】
そこで、前記した第一の本発明では、めっき層の高潤滑性と高強度との両立を一層のＣｕ−Ｓｎ合金めっき層で達成するようにした。また、第二の本発明では、下層にＣｕリッチな、上層にＳｎリッチなＣｕ−Ｓｎ合金を多層にめっきすることで、下層が高強度、上層が高潤滑性を発揮するようにして両立を達成した。さらに、第三の本発明では、第二の本発明が多層めっきのＳｎ含有量が段階的に変化するのに対して、連続的に変化させるようにした。従って、第二の本発明と基本的には同様の発想であり、実際に効果も同様であった。
【００３３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と共に挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３４】
図３に示す雄ネジ及びメタル−メタルシール部を一端に設けた外径１１４．３ｍｍ，肉厚８．５６ｍｍで長さ１０００ｍｍの継目無鋼管からなる油井管を多数本製造した。一方、この油井管１を挿入し、接続するために、内面の両端に図３に示すような雌ネジ及びメタル−メタルシール部を設けたカップリング４も多数製造した。そして、このカップリング４の内面上に前記した手法で本発明に係るめっきを施し、その上にグリーン・ドープを塗った後、表面をグラス・ビーズでブラストした前記油井管１の一端（ピン部２）をねじ込む試験を行った。なお、継目無鋼管及びカップリングは、いずれもＣｒを１３質量％含有する鋼種である。
【００３５】
試験は、５００〜１５００ｋｇｍのトルクで、さらに取り外した後、グリーンドープを溶剤洗浄により除去してゴーリングの発生状況を目視観察することにより行った。この作業を１０回まで繰り返し、ゴーリングが初めて発生する回数を試験結果とした。
【００３６】
（実施例１）
カップリングの内周（雌ねじ及びメタル-メタルシールネジ部）を対象として、Ｎｉストライクめっきを１μｍ施した後，さらにその上層にＣｕ-Ｓｎ合金めっきを１３μｍ形成して、前記ゴーリング試験に供した。その結果、１０回までゴーリングを起こすことなく、捻じ込み取り外しを行うことができた。なお、同様にめっきした予備のカップリングを切断してＣｕ-Ｓｎ合金めっき層を分析したところ、Ｓｎ含有量は３８質量％であった。
【００３７】
（実施例２）
カップリングの内周を対象として、Ｎｉストライクめっきを１μｍ施した後、その上層にＣｕめっきを１０μｍ、さらにその上層にＳｎめっきを４μｍ形成して、前記ゴーリング試験に供した。その結果、８回目でゴーリングが発生した。
【００３８】
（実施例３）
カップリングの内周を対象として、Ｎｉストライクめっきを１μｍ施した後，その上層にＣｕめっきを５μｍ、その上層にＣｕ-Ｓｎ合金めっきを５μｍ，さらにその上層にＳｎめっきを４μｍ形成して、前記ゴーリング試験に供した。その結果、１０回までゴーリングを起こすことなく、捻じ込み取り外しを行うことができた。なお、中間層のＣｕ-Ｓｎ合金めっきは、そのＳｎ含有量が実施例１と同様となるようにめっき条件を実施例１と同様とした。
【００３９】
（実施例４）
カップリングの内周を対象として、Ｎｉストライクめっきを１μｍ施した後，その上層にＣｕめっきを７μｍ、その上層にＳｎめっきを６μｍ形成し、さらに設定温度２２０℃の電気炉中で３時間加熱した後、前記ゴーリング試験に供した。その結果、１０回までゴーリングを起こすことなく、捻じ込み取り外しを行うことができた。
【００４０】
（比較例）
カップリングの内周を対象として、Ｎｉストライクめっきを１μｍ施した後，その上層にＣｕめっきを１２μｍ形成して、前記ゴーリング試験に供した。その結果、１回でゴーリングが発生した。
【００４１】
以上の実施例及び比較例の結果より、本発明に係る油井鋼管用継手は、比較例として示した従来のものに比べて明らかにゴーリングの抑制効果が大きいことがわかる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明に係る油井鋼管継手は、Ｐｂ含有ドープを使用しなくても良いので、環境問題の一つである地盤のＰｂ汚染解決に大きく寄与することができる。同時に、ゴーリング発生を効果的に抑制できるので、高価な高Ｃｒ含有鋼管が再利用できるようになり、経済的な効果も多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る油井鋼管継手のカップリング表面に形成するめっき層を示す断面図であり、（ａ）は請求項１の１様態、（ｂ）は請求項２のＮ＝２の場合の様態、（ｃ）は、請求項２のＮ＝３の場合の様態、（ｄ）は、Ｎ＝ｎの場合である。
【図２】本発明に係る油井鋼管継手のカップリング表面に形成するめっき層を示す断面図であり、（ａ）は請求項３を、めっき条件を連続的に変化させることにより作製した場合の様態、（ｂ）は請求項３を、Ｓｎめっき及びＣｕめっきを熱処理して拡散層を形成させることにより作製した場合の様態である。
【図３】本発明の対象とする油井鋼管継手の一例を示す断面図である。
【図４】図３の一部拡大図である。
【図５】図４と別位置の拡大図である。
【符号の説明】
１油井鋼管（管）
２ピン部
３ボックス部
４カップリング（母材）
５雌ネジ
６雄ネジ
７リップ部
８荷重面
９隙間
１０Ｎｉストライクめっき
１１Ｃｕめっき
１２Ｓｎめっき
１３Ｓｎ含有Ｃｕ合金めっき
１３' Ｓｎ含有量が下層から上層に向かって連続的に多くなるような勾配を持たせたＣｕ−Ｓｎ合金層
１４ショルダ

Claims

Ｃｒを９質量％以上含有する鋼管の一端に雄ネジ及びメタル−メタルシール部を有するピン部と、同材質で、雌ネジ及びメタル−メタルシール部を有するボックス部を両端に設けたカップリングとで形成する油井鋼管用継手において、
前記カップリングの雌ネジ及びメタル−メタルシール部の表面に、Ｓｎ含有量が０〜１００質量％のＣｕ−Ｓｎ合金層をＮ層（Ｎは２以上）配置し、各Ｃｕ−Ｓｎ合金層のＳｎ含有量が下記関係を満してなることを特徴とする油井鋼管用継手。
０≦Ｃ ₁ ＜……＜Ｃ _ｎ＜……＜Ｃ _N ≦１００
ここで、Ｃ ₁ ：最下層のＳｎ含有量、Ｃ _ｎ：第ｎ層のＳｎ含有量、Ｃ _N ：最上層のＳｎ含有量
Ｃｒを９質量％以上含有する鋼管の一端に雄ネジ及びメタル−メタルシール部を有するピン部と、同材質で、雌ネジ及びメタル−メタルシール部を有するボックス部を両端に設けたカップリングとで形成する油井鋼管用継手において、
前記カップリングの雌ネジ及びメタル−メタルシール部の表面に、Ｓｎ含有量が下層から上層へ向かって連続的に多くなるような勾配をもたせたＣｕ−Ｓｎ合金層を配置してなることを特徴とする油井鋼管用継手。
前記カップリングの雌ねじ及びメタル−メタルシール部の表面と前記Ｃｕ−Ｓｎ合金層との間に、さらにＮｉ，Ｆｅ，Ｚｎ及びＣｒから選ばれた１種の金属層又はそれら金属の合金層を配置してなることを特徴とする請求項１または２に記載の油井鋼管用継手。