| 【発明の名称】 |
油井管用ねじ継手 |
| 【発明者】 |
【氏名】山本 秀男
【氏名】中筋 和行
|
| 【要約】 |
【課題】高深度、高温油井、あるいは蒸気注入油井等の高温環境下の原油採掘において繰り返しの締め付け・緩め戻しに対してゴーリングの発生を抑制し、気密性に優れた油井管用ねじ継手を提供する。
【解決手段】ピンとボックスの少なくともいずれか一方のねじ無し金属接触部にＣｕめっき層を形成し、更にそのＣｕめっき層上に、二硫化モリブデンおよび／または黒鉛を分散混合した樹脂またはＭ（金属）−Ｏを骨格とする無機高分子化合物の潤滑被膜を形成する。あるいは、ピンとボックスのいずれか一方のねじ無し金属接触部にＣｕめっき層を形成し、他方のねじ無し金属接触部に二硫化モリブデンおよび／または黒鉛を分散混合した樹脂またはＭ−Ｏを骨格とする無機高分子化合物の潤滑被膜を形成する。樹脂またはＭ（金属）−Ｏを骨格とする無機高分子化合物の含有量（Ａ）と、二硫化モリブデンと黒鉛の合計の含有量（Ｂ）との重量比（Ｂ／Ａ）は０．３〜９．０が望ましい。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 ねじ部とねじ無し金属接触部をそれぞれ有するピンとボックスとから構成されるねじ継手において、ピンとボックスの少なくともいずれか一方のねじ無し金属接触部にＣｕめっき層を形成し、更に該Ｃｕめっき層上に樹脂またはＭ（金属）−Ｏを骨格とする無機高分子化合物に固体潤滑剤を分散混合した潤滑被膜を形成し、前記固体潤滑剤は二硫化モリブデンおよび／または黒鉛からなることを特徴とする油井管用ねじ継手。
【請求項２】 ねじ部とねじ無し金属接触部をそれぞれ有するピンとボックスとから構成されるねじ継手において、ピンとボックスのいずれか一方のねじ無し金属接触部にＣｕめっき層を形成し、他方のねじ無し金属接触部に樹脂またはＭ（金属）−Ｏを骨格とする無機高分子化合物に固体潤滑剤を分散混合した潤滑被膜を形成し、前記固体潤滑剤は二硫化モリブデンおよび／または黒鉛からなることを特徴とする油井管用ねじ継手。
【請求項３】 上記樹脂または無機高分子化合物の含有量（Ａ）と、二硫化モリブデンと黒鉛の合計の含有量（Ｂ）との重量比（Ｂ／Ａ）が０．３〜９．０であることを特徴とする請求項１または２に記載の油井管用ねじ継手。
【請求項４】 上記Ｃｕめっき層の表面粗さがＲｍａｘで３〜１５μｍであることを特徴とする請求項１または３に記載の油井管用ねじ継手。
【請求項５】 上記潤滑被膜が樹脂で構成され、該樹脂が熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の油井管用ねじ継手。
【請求項６】 上記潤滑被膜がＭ（金属）−Ｏを骨格とする無機高分子化合物で構成され、該無機高分子化合物がＴｉ−Ｏを骨格とする無機高分子化合物であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の油井管用ねじ継手。
|
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手に関し、更に詳しくは高深度、高温油井あるいは蒸気注入油井等の高温環境下の原油採掘において繰り返しの締め付け・緩め戻しを行っても焼き付くことなく、かつ気密性が保たれ、繰り返し使用できる油井管用ねじ継手に関する。
【０００２】
【従来の技術】通常、油井の深さは２０００ｍ〜３０００ｍであるが、近年の海洋油田などの深油井では８０００ｍ〜１００００ｍにも達する。このような油井に竪て込まれるチュービングやケーシングなどの油井管の連結には、一般的にねじ継手が用いられる。すなわち、油井管外面に形成した雄ねじとねじ継手内面に形成した雌ねじをはめ合わせ、締め付けることにより連結がおこなわれる。
【０００３】ねじ継手には使用環境下で軸方向の引張力や内外面圧力などの複合した圧力や熱が作用するため、このような環境下においてもねじ継手の気密性が維持されること、ねじ継手が破損しないことが要求される。一方、チュービングやケーシングの降下作業時には、一度締め込んだ継手を緩め、再度締め直すことがあり、ＡＰＩ（米国石油協会）ではチュービングで１０回、ケーシングで３回の締め付け（メイクアップ）−締め戻し（ブレークアウト）を行ってもゴーリングと呼ばれる焼き付きの発生がなく、気密性が維持されることが要求されている。ゴーリングが発生すると、気密性が不完全となり、繰り返し使用回数が低下する。
【０００４】ところで、ねじ継手としては、通常、油井管の端部に形成した雄ねじの先端にねじ無し金属接触部を形成し、これと、ねじ継手部材の内面の雌ねじの基部に形成したねじ無し金属接触部とをはめ合わせ、締め付けることによりねじ無し金属接触部同士を当接してメタルシール部を形成した構造のねじ継手が使用される。しかし、メタルシール部およびねじ部には高面圧が作用するため、特に、高温条件下ではゴーリングが発生しやすく、ＡＰＩの規格には、継手締結後に１７７℃×２４Ｈｒの耐熱試験を実施した後、締め戻し−再度締め付けを行っても気密性が保たれていることが要求されている。
【０００５】そこで、上記要求に応じるため、従来より種々の対策案が提示されている。例えば、特開平５−１１７８７０公報にはねじ継手の表面に平均粗さ２０〜６０μｍの凹凸加工を施した後、燐酸塩系の化成処理被膜を形成する方法が、また、特開平６−１０１５４公報にはメタルシール部の表面最大粗さと表面処理被膜層の厚さを規定して表面処理する方法が、特開平５−１４９４８５公報にはピンまたはボックス表面に分散めっき層を形成したねじ継手が、特開平２−８８５５９３公報には表面粗さを２０〜５０μｍにしたメタルシール部にセラミックス塗装を施す方法が、特開平８−２３３１６４公報や特開平９−７２４６７公報にはボックスまたはピンの接触表面に二硫化モリブデン粉末を分散混合した樹脂被膜を形成したねじ継手が、それぞれ提示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】近年、従来より高温の２５０〜３００℃の使用環境下で用いる高温油井用や、原油回収効率を高めるため、臨界温度にも達する高温蒸気（３５０℃）を注入する蒸気注入油井用の耐熱性継手が要求されている。したがって、ねじ継手には、継手締結後に３５０℃を越す温度で耐熱試験を実施した後、締め戻し−再締結の処理を行っても気密性が保持される性能が要求される。
【０００７】しかしながら、上記公報などに開示された従来の技術では、上記性能を確保することが難しい。即ち、ねじ継手を締結する際に、ＡＰＩの規格ＢＵＬ５Ａ２に規定されるようなコンパウンドグリスを使用する場合は、高温のためグリス成分が蒸発して潤滑性が低下するため、締め戻し時後の再締め付け時に所定の気密性が得られないという問題がある。従って、コンパウンドグリス塗布を念頭に置いた特開平５−１１７８７０公報、特開平６−１０１５４公報、特開平５−１４９４８５公報および特開平２−８８５５９３公報などに開示された技術では高温時の気密性の確保に問題がある。
【０００８】また、コンパウンドグリスを使用しないことを特徴とする特開平８−２３３１６４公報や特開平９−７２４６７公報に開示された技術では、４００℃にも達する高温に長時間曝されると樹脂が変質するため、二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤を保持するバインダー機能が喪失し、潤滑性が維持できなくなり、締付け不良や焼付きが発生し、更には気密性が悪化するという問題がある。
【０００９】以上のように、４００℃にも達する高温環境下で繰り返し使用できる耐ゴーリング性に優れたねじ継手は得られていないのが現状である。
【００１０】本発明の課題は、耐ゴーリング性に優れた油井管用ねじ継手を提供することにある。更に詳しくは高深度、高温油井、あるいは蒸気注入油井等の高温環境下の原油採掘において繰り返しの締め付け・緩め戻しに対してゴーリングの発生を抑制し、気密性に優れた油井管用ねじ継手を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明者らは上記課題を解決するため、高温環境下における耐ゴーリング性に優れた潤滑被膜の形成に注視し、潤滑被膜を構成する固体潤滑剤とバインダー（結合剤）の耐熱性、潤滑性、被膜処理性などに関して基礎的検討を行い、以下の知見を得た。
【００１２】（イ）二硫化モリブデンや黒鉛等の固体潤滑剤は４００℃程度の温度でも熱による変質・分解もなく、常温と変わらない潤滑性を示す。
【００１３】（ロ）固体潤滑剤のバインダーとして樹脂を用いると、２４Ｈｒを越える長時間の高温環境下では変質、分解、あるいは炭化が進み、固体潤滑剤を継手表面に被覆するバインダーとしての機能が失われ、潤滑性が低下し焼き付きが発生する。しかしながら、Ｃｕめっき処理と組み合わせてそのような樹脂を用いると、高温環境下においても良好な潤滑性が得られる。
【００１４】（ハ）Ｓｉ、Ｔｉ、Ａｌ等の酸化物、炭化物、窒化物等の無機化合物は、熱的に安定しているが、固体潤滑剤を被覆するバインダーとしての機能が全くない。従って、被膜形成ができないため、固体潤滑剤を混合しても潤滑性が低い。
【００１５】（ニ）シリコンやチタンなどの金属アルコキシド（Ｍ（ＯＲ）4 、Ｍ：シリコンやチタンなどの金属、Ｒ：アルキル基）はアルキル基を有するため、有機物的な特性を示し、バインダーとしての機能がある。この物質は大気中では不安定で、水分を吸収して共加水分解が起こり、分解物はお互いに結合して網目構造を有したＭ−Ｏを骨格とし熱的に安定な無機高分子化合物に変化する。（１）式に代表的な無機高分子化合物の分子構造式を例示する。
【００１６】
【化１】
【００１７】（ホ）従って、二硫化モリブデンや黒鉛などの固体潤滑剤にバインダーとして上記金属アルコキシドを混合して塗布し、加湿処理を施すことにより、二硫化モリブデンや黒鉛を含有し、Ｍ−Ｏを骨格とする無機高分子化合物の潤滑被膜を形成させることができる。この潤滑被膜とめっき処理にて形成されるＣｕめっき層とを組み合わせることにより、高温環境下においても耐焼き付き性に優れ、極めて良好な潤滑性が得られれる。
【００１８】以上の基礎検討結果を基に上記潤滑被膜をねじ継手に形成するための適正条件を検討し、以下の知見を得た。
【００１９】（ト）ピンとボックスの少なくともいずれか一方のねじ無し金属接触部にＣｕめっき層を形成し、更にその上に、あるいは他方のＣｕめっき層に対応する部分に樹脂またはＭ（金属）−Ｏを骨格とする無機高分子化合物の潤滑被膜を形成することにより焼き付きが抑制される。
【００２０】（チ）上記潤滑被膜を構成する固体潤滑剤は、二硫化モリブデンまたは黒鉛の粉末、あるいは二硫化モリブデンと黒鉛の混合粉末で、樹脂またはＭ（金属）−Ｏを骨格とする無機高分子化合物の含有量Ａと上記固体潤滑剤の含有量Ｂとの重量比（Ｂ／Ａ）は０．３〜９の範囲とするとよい。
【００２１】（リ）Ｃｕめっき層の表面粗さはＲmax で３〜１５μｍとし、潤滑被膜の膜厚は５〜３０μｍとすることにより耐焼付き性が向上する。
【００２２】（ヌ）上記表面粗さの形成は、Ｃｕめっき層を形成する部位（下地）にあるいはＣｕめっき層にショットなどの硬質材を吹き付けるいわゆるブラスティング処理で行うことができる。
【００２３】本発明は、上記の知見に基づいて完成されたもので、その要旨は以下の通りである。
（１）ねじ部とねじ無し金属接触部をそれぞれ有するピンとボックスとから構成されるねじ継手において、ピンとボックスの少なくともいずれか一方のねじ無し金属接触部にＣｕめっき層を形成し、更に該Ｃｕめっき層上に樹脂またはＭ（金属）−Ｏを骨格とする無機高分子化合物に固体潤滑剤を分散混合した潤滑被膜を形成し、前記固体潤滑剤は二硫化モリブデンおよび／または黒鉛からなることを特徴とする油井管用ねじ継手。
【００２４】（２）ねじ部とねじ無し金属接触部をそれぞれ有するピンとボックスとから構成されたねじ継手において、ピンとボックスのいずれか一方のねじ無し金属接触部にＣｕめっき層を形成し、他方のねじ無し金属接触部に樹脂またはＭ（金属）−Ｏを骨格とする無機高分子化合物に固体潤滑剤を分散混合した潤滑被膜を形成し、前記固体潤滑剤は二硫化モリブデンおよび／または黒鉛からなることを特徴とする油井管用ねじ継手。
【００２５】（３）上記樹脂または無機高分子化合物の含有量（Ａ）と、二硫化モリブデンと黒鉛の合計の含有量（Ｂ）との重量比（Ｂ／Ａ）が０．３〜９．０であることを特徴とする上記（１）項または（２）項に記載の油井管用ねじ継手。
【００２６】（４）上記Ｃｕめっき層の表面粗さがＲｍａｘで３〜１５μｍであることを特徴とする上記（１）項または（３）項に記載の油井管用ねじ継手。
【００２７】（５）上記潤滑被膜が樹脂で構成され、該樹脂が熱硬化性樹脂であることを特徴とする上記（１）項ないし（４）項のいずれかに記載の油井管用ねじ継手。
【００２８】（６）上記潤滑被膜がＭ（金属）−Ｏを骨格とする無機高分子化合物で構成され、該無機高分子化合物がＴｉ−Ｏを骨格とする無機高分子化合物であることを特徴とする上記（１）項ないし（４）項のいずれかに記載の油井管用ねじ継手。
【００２９】
【発明の実施の形態】図１は本発明の油井管用ねじ継手の構成を模式的に示す概要図である。符号１はボックス、２はピン、３はねじ部、４はねじ無し金属接触部、５はショルダー部を示す。
【００３０】図２は本発明の油井管用ねじ継手に係る潤滑被膜の形成状況の一例を示すピンのねじ無し金属接触部の断面拡大図である。符号６は潤滑被膜、７は樹脂あるいＭ−Ｏを骨格とする無機高分子化合物、８は固体潤滑剤、９はＣｕめっき層で、図１と同じ要素は同一の符号で示す。
【００３１】図３は本発明の別の油井管用ねじ継手に係る潤滑被膜の形成状況の一例を示す断面拡大図で、同図（ａ）はピンのねじ無し金属接触部、同図（ｂ）はボックスのねじ無し金属接触部である。図１、２と同じ要素は同一の符号で示す。
【００３２】図１に示すように、本発明の油井管用ねじ継手（以下、ねじ継手ともいう）は、ねじ継手部材の内面に形成されるねじ部３とねじ無し金属接触部４からなるボックス１と、油井管端部の外面に形成されるねじ部３とねじ無し金属接触部４からなるピン２とで構成される。更に、本発明のねじ継手においては、図２に示すように、ピン２のねじ無し金属接触部４の表面にＣｕめっき層９を形成し、その上に固体潤滑剤８を分散混合した樹脂またはＭ−Ｏ骨格の無機高分子化合物７の潤滑被膜８を形成する。上記固体潤滑剤は二硫化モリブデンまたは黒鉛を単独にあるいは二硫化モリブデンと黒鉛を混合して用いる。なお、図２は、ピン２のねじ無し金属接触部４に潤滑被膜８を形成する場合を示したが、少なくともピンとボックスのいずれか一方のねじ無し金属接触部に形成すればよい。
【００３３】本発明の別のねじ継手は、図１に示すように、上記本発明のねじ継手と同様に構成される。更に、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、ピン２のねじ無し金属接触部４の表面にＣｕめっき層９を形成し、ボックスのねじ無し金属接触部の表面に固体潤滑剤８を分散混合した樹脂またはＭ−Ｏ骨格の無機高分子化合物７の潤滑被膜８を形成する。上記固体潤滑剤は二硫化モリブデンまたは黒鉛を単独にあるいは二硫化モリブデンと黒鉛を混合して用いる。なお、図示例は、Ｃｕめっき層と潤滑被膜をそれぞれピンとボックスのねじ無し金属接触部に形成する場合を示したが、Ｃｕめっき層をボックスのねじ無し金属接触部に、潤滑被膜をピンのねじ無し金属接触部に形成してもよい。
【００３４】ねじ無し金属接触部（以下、単に金属接触部ともいう）はねじ部に比べ接触面圧が高く過酷な潤滑状態にあり、また、ねじ継手はピンとボックスとを相互にねじ込んで締結するため、少なくともピンとボックスのいずれかの一方の金属接触部に潤滑被膜を形成することにより耐焼付き性を向上させることができる。なお、材料強度が高く、ねじ部にも高い接触面圧が作用するねじ継手やＣｒやＮｉ等の合金元素量が多い合金製のねじ継手では、焼付きが発生しやすくなるため、金属接触部に加え更にねじ部にも潤滑被膜を形成することが望ましい。
【００３５】Ｃｕめっき層は、電解めっきや無電解めっきにより形成するが、その他、溶融めっきでもよい。Ｃｕめっき層の厚さは特に限定しないが５μｍ以上、１５μｍ以下が望ましく、１０μｍ以下がより望ましい。
【００３６】Ｃｕめっき層の上に潤滑被膜を形成する、あるいは、ピンとボックスの一方にＣｕめっき層を形成し、他方に潤滑被膜を形成する、ことにより、潤滑被膜中に分散して存在する固体潤滑剤が高温環境下においても安定して保持されるので、耐焼き付き性が改善する。すなわち、Ｃｕめっき層は、軟質であり、ねじ継手の締め付けにより押圧されて変形するが、Ｃｕめっき層だけでは、締め付けの際における摩擦係数が高く、所定量の締め付けが難しい。また、樹脂被膜だけでは、高温環境下で固体潤滑剤を安定して保持することが難しい。Ｃｕめっき層と固体潤滑剤を分散した潤滑被膜とを組み合わせることにより、摩擦係数が低下し、低い締め付け力での締め付けが可能となり、焼き付きの発生が抑制される。なお、締め付けの際には、固体潤滑剤がＣｕめっき層にめり込んだ状態となるため潤滑被膜の密着性も向上する。
【００３７】樹脂としては、二硫化モリブデンや黒鉛などの固体潤滑剤のバインダーとしての機能を有し、耐熱性と適度な硬さと耐摩耗性を有する材料を用いる。このような材料には、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトンなどの熱硬化性樹脂やフェノール樹脂、ポリエチレン樹脂およびシリコン樹脂などを例示できる。好ましくは、熱硬化性樹脂である。
【００３８】Ｍ−Ｏを骨格とする無機高分子化合物（以下、単に無機高分子化合物ともいう）としては、二硫化モリブデンや黒鉛などの固体潤滑剤のバインダーとしての機能を有し、耐熱性と適度な硬さと耐摩耗性を有する材料を用いる。このような材料には、前記（１）式に例示する分子構造を備え、（１）式のアルキル基がメチル、エチル、イソプロピル、プロピル、イソブチル、ブチルなどのアルキル基を備えたＴｉ−Ｏ、Ｓｉ−Ｏ、Ｚｒ−Ｏ、Ｍｎ−Ｏ、Ｃｅ−ＯやＢａ−Ｏなどを骨格とする無機高分子化合物を挙げることができる。好ましくは、Ｔｉ−Ｏを骨格とする無機高分子化合物である。更に好ましくは、アルキル基がメチルやエチルあるいはプロピルのＴｉ−Ｏを骨格とする無機高分子化合物である。
【００３９】二硫化モリブデンおよび黒鉛はいずれも締め付け作業の際の締め付け圧力で薄く伸ばされるため、潤滑被膜の潤滑性を高め、耐焼き付き性を向上させる作用がある。なお、二硫化モリブデンは、黒鉛に比べ、特に高面圧下において潤滑性が高いので、材料強度の高いねじ継手には二硫化モリブデンを単独で用いるのが望ましい。
【００４０】樹脂あるいは無機高分子化合物の含有量（Ａ）と、二硫化モリブデンと黒鉛の合計の含有量（Ｂ）との重量比（Ｂ／Ａ）は０．３以上、９．０以下とするのが望ましい。重量比が０．３未満では形成される潤滑被膜の潤滑性向上の効果が少なく、耐焼き付き性の改善が不十分であり、また、重量比が９．０より大きくなると、潤滑被膜の密着性が低下し、特に潤滑被膜からの固体潤滑剤の剥離が著しいなどの問題が生じる。より好ましくは、重量比は０．５以上、７．０以下であり、更に好ましくは３．０以上、６．５以下である。
【００４１】潤滑被膜の厚さは５μｍ以上、３０μｍ以下とすることが望ましい。潤滑被膜の厚さが５μｍ未満では潤滑性向上の効果が少なく、一方、３０μｍより大きくなると潤滑被膜形成の処理コストが嵩むとともに潤滑性向上の効果が飽和するため経済的に不利といった問題や潤滑被膜が剥離しやすくなるといった欠点がある。より好ましくは、潤滑被膜の膜厚は５μｍ以上、１５μｍ以下であり、更に好ましくは６μｍ以上、１０μｍ以下である。
【００４２】Ｃｕめっき層の上に潤滑被膜を形成する際のＣｕめっき層の表面粗さはＲmaxで３μｍ以上、１５μｍ以下であることが望ましい。Ｃｕめっき層の表面に適正の粗さを付与することにより、その上に形成される潤滑被膜を物理的に捕捉するいわゆるアンカー効果が高まり潤滑被膜の剥離が阻止される。表面粗さがＲmaxで３μｍ未満ではアンカー効果が小さく潤滑被膜が剥離しやすい。一方、表面粗さが１５μｍを越えると締め付け・締め戻し時に粗さの凸部に形成された潤滑被膜が破れて焼き付きが発生しやすい。より好ましい表面粗さは４μｍ以上、１０μｍ以下である。
【００４３】本発明のねじ継手は、従来、メークアップ前に塗布していたコンパウンドグリスなどの潤滑剤を一切使用することなく耐ゴーリング性を著しく改善することができる。
【００４４】なお、本発明のねじ継手は、潤滑被膜中に防錆添加剤や腐食防止剤を添加し、耐焼き付き性を維持しながら錆の発生を防止することができる。防錆添加剤や腐食防止剤は公知のものを使用することができる。
【００４５】次ぎに、本発明に係る潤滑被膜の形成方法をＣｕめっき層の上に無機高分子化合物の潤滑被膜を形成する例で説明する。
【００４６】本発明に係る潤滑被膜の形成においては、ピンとボックスの少なくともいずれか一方の金属接触部の表面に電解めっき処理を施してＣｕめっき層を形成し、次いで金属アルコキシドと二硫化モリブデン粉末および／または黒鉛粉末とに分散媒を加えて混合し、これらをＣｕめっき層の上に塗布し、更に加湿処理を施して共加水分解させて、無機高分子化合物の潤滑被膜を形成する。なお、樹脂の潤滑被膜を形成する場合は、例えば熱硬化性樹脂などの有機高分子材料と二硫化モリブデン粉末および／または黒鉛粉末とに分散媒を加えて混合し、これらをＣｕめっき層の上に塗布することにより潤滑被膜を形成することができる。
【００４７】金属アルコキシドとしては、アルキル基がメチル、エチル、イソプロピル、プロピル、イソブチル、ブチルなどのアルキル基を備えたチタンやシリコンなどの金属アルコキシドを用いることができる。
【００４８】金属アルコキシドあるいは樹脂材料と二硫化モリブデン、黒鉛の混合割合は、潤滑被膜を形成した後の乾燥した状態で、無機高分子化合物あるいは樹脂の含有量（Ａ）と、二硫化モリブデンと黒鉛の合計の含有量（Ｂ）との重量比が０．３以上９．０以下となるように決定される。
【００４９】金属アルコキシドの分散剤としては、キシレン、塩化メチレン、イソプリピル、ブチルアルコールおよびメチルエチルケトンなどの低沸点液を単独にあるいは２種類以上組み合わせて用いることができる。
【００５０】樹脂材料の分散剤としては、トルエン、イソプロピルアルコールなどの低沸点液を単独にあるいは混合して用いることができる。
【００５１】加湿処理は、大気中に所定時間放置することにより行うことができるが、湿度が７０％以上の雰囲気下で行うのが望ましい。更に、加湿処理後に加熱処理を行うことが望ましい。加熱処理により共加水分解が促進され、加水分解物であるアルキル物質の潤滑被膜内からの排出を促進することができ、潤滑被膜の密着性が強固となり、耐焼付き性が向上する。また、加熱は分散媒が蒸発した後に行うことが好ましい。加熱温度はアルキル物質の沸点に近い１００〜２００℃の温度とするのがよく、熱風を当てるとより効果的である。
【００５２】また、本発明は、Ｃｕめっき層の表面粗さをＲmax で３〜１５μｍにするために、Ｃｕめっき層を形成する前に下地処理として、あるいはＣｕめっき層を形成した後に、表面を凹凸に成形するブラスティング処理を施すのが望ましい。ブラスティング加工を施すことにより、表面に活性な新生面が現れ、潤滑被膜の密着性が強固になり潤滑被膜の耐剥離性が向上する。ブラスティング処理は、公知のサンドブラスト法、ショットブラスト法やグリッドブラスト法などでよく、サンド、ショット、グリッドやカットワイヤーなどの硬質材を高速で吹き付ける方法により行うことができる。
【００５３】
【実施例】表１に示す成分組成の炭素鋼製、１３Ｃｒ鋼製および高合金鋼製のねじ継手（外径：７インチ、肉厚：０．４０８インチ）のボックスやピンのねじ部と金属接触部に各種の下地処理や潤滑被膜形成などの表面処理を施した。表２、３に表面処理条件を示す。なお、同表に示す比較例はＣｕめっき処理を施さない、あるいはコンパウンドグリスを塗布したものである。また、表中に示す表面粗さは、潤滑被膜を形成する際の下地の表面粗さであり、従って、Ｃｕめっき処理材はＣｕめっき層の表面粗さを表す。
【００５４】
【表１】
【００５５】
【表２】
【００５６】
【表３】
【００５７】次いで、上記表面処理を施したねじ継手を用い、表４に示す要領で最大２５回の締め付け・締め戻しの繰り返し作業を行い、焼き付きの発生状況を調査した。
【００５８】
【表４】
【００５９】すなわち、表４に示すように、１〜１０回目、１２〜１５回目、１７〜２０回目、２２〜２５回目は常温にて締め付け・締め戻しを行い、一方、１１回目、１６回目および２１回目は常温にて締め付け後、４００℃で２４時間の加熱処理を行い、その後冷却して常温で締め戻しを実施した。締め付け速度と締め付けトルクの条件を表５に示す。
【００６０】
【表５】
【００６１】表６に焼き付き発生状況ならびに締め付け状況を示す。なお、以下、ピンのねじ部と金属接触部の双方の表面をピン表面といい、ボックスのねじ部と金属接触部の双方の表面をボックス表面という。
【００６２】
【表６】
【００６３】（本発明例１）表１に示す炭素鋼製のねじ継手に以下の表面処理を施した。ピン表面は機械仕上げのままで表面粗さを３μｍとした。ボックス表面は機械研削仕上げで表面粗さを３μｍとし、そのボックス表面に電解めっきで厚さ７μｍのＣｕめっき層を形成した。更にその上面に平均分子量が２０００のフェノール樹脂と、平均粒径が１．５μｍの二硫化モリブデンの粉末と平均粒径が３．５μｍの黒鉛の粉末をフェノール樹脂１に対し二硫化モリブデン１、黒鉛１の重量割合で混合し、トルエン、イソプロピルアルコールの混液を分散媒として塗布した。乾燥状態でＣｕめっき層の上面に形成された潤滑被膜の組成を測定したところ、含有量は重量の相対値でフェノール樹脂を１とすると、二硫化モリブデンが１、黒鉛が１であり、被膜厚さは４０μｍであった。
【００６４】表６に示すように、表３の２０回目の締め付け・締め戻し作業までは焼き付きの発生が無く良好であった。しかし、２１回目の締め付け時に焼付きが発生した（本発明例２）表１に示す炭素鋼製のねじ継手に以下の表面処理を施した。ピン表面は機械研削仕上げで表面粗さを２μｍとし、そのピン表面に電解めっきで厚さ１０μｍのＣｕめっき層を形成した。ボックス表面は＃８０番のサンドを吹き付け、表面粗さを１０μｍとし、そのボックス表面にアルキル基がエチルのシリコンアルコキシドと、平均粒径が１．８μｍの二硫化モリブデンの粉末と平均粒径が２．８μｍの黒鉛の粉末をシリコンアルコキシド１に対し二硫化モリブデン２、黒鉛１．３３の重量割合で混合し、キシレン、塩化メチレンおよびブチルアルコールの混液を分散媒として塗布した。次いで、大気中で３時間放置後に１６５℃の熱風を３０分間吹き付けた。乾燥状態でボックス表面に形成された潤滑被膜の組成を測定したところ、含有量は重量割合でＳｉ−Ｏを骨格とする無機高分子化合物１に対し二硫化モリブデン３、黒鉛２であり、被膜厚さは１０μｍであった。
【００６５】表６に示すように、表３の２０回目の締め付け・締め戻し作業までは焼き付きの発生が無く良好であった。しかし、２１回目の締め付け時に焼付きが発生した（本発明例３）表１に示す１３％Ｃｒ鋼製のねじ継手に以下の表面処理を施した。ボックス表面は機械研削仕上げで表面粗さを２μｍとした。ピン表面は＃８０番のショットを吹き付け表面粗さを１５μｍとし、そのピン表面に電解めっきで厚さ１０μｍのＣｕめっき層を形成した。更にその上面にアルキル基がプロピルのチタンアルコキシドと、平均粒径が２．６μｍの二硫化モリブデンの粉末と平均粒径が１．３μｍの黒鉛の粉末をチタンアルコキシド１に対し二硫化モリブデン３．０６、黒鉛０．８３の重量割合で混合し、メチルエチルケトン、塩化メチレンおよびブチルアルコールの混液を分散媒として塗布した。次いで、大気中で３時間放置後に加湿した１５０℃の熱風を１０分間吹き付けた。乾燥状態でＣｕめっき層の上面に形成された潤滑被膜の組成を測定したところ、含有量は重量割合でＴｉ−Ｏを骨格とする無機高分子化合物１に対し二硫化モリブデン５、黒鉛１．５であり、被膜厚さは２０μｍであった。
【００６６】表６に示すように、表３の２４回の締め付け・締め戻し作業までは焼き付きの発生が無く良好であった。しかし、２５回目の締め付け時に軽度の焼き付きが発生した。なお、締め付け時の締め込み量ならびに締め込みトルクは適正であった。
【００６７】（本発明例４）表１に示す高合金鋼製のねじ継手に以下の表面処理を施した。ピン表面とボックス表面は、機械研削仕上げで表面粗さを２μｍとした後、その双方に電解めっきで厚さ５μｍのＣｕめっき層を形成した。次いでその双方の表面に＃２４０番のサンドを吹き付け、双方とも表面粗さを３μｍとした後、その双方の表面に平均分子量が１８０００のポリアミド樹脂と、平均粒径が１．２μｍの二硫化モリブデンの粉末をポリイミド樹脂１に対し二硫化モリブデン３の重量割合で混合し、キシレン、塩化メチレンおよびブチルアルコールの混液を分散媒として塗布した。乾燥状態でＣｕめっき層の上面に形成された潤滑被膜の組成を測定したところ、含有量は重量割合でポリイミド樹脂１に対し二硫化モリブデン３であり、被膜厚さはピン側、ボックス側とも２５μｍであった。
【００６８】表６に示すように、表３の２５回の締め付け・締め戻しにおいて、焼き付きの発生が無く極めて良好であった。また、締め付け時の締め込み量ならびに締め込みトルクも適正であった。
【００６９】（本発明例５）表１に示す炭素鋼製のねじ継手に以下の表面処理を施した。ピン表面は機械仕上げで表面粗さを２μｍとし、そのピン表面に電解めっきで厚さ１０μｍのＣｕめっき層を形成した。ボックス表面は機械研削仕上げで表面粗さを２μｍとし、そのボックス表面に平均分子量が１５０００のエポキシ樹脂と、平均粒径が３．１μｍの二硫化モリブデンの粉末と平均粒径が３．５μｍの黒鉛の粉末をエポキシ樹脂１に対し二硫化モリブデン２．５、黒鉛１．５の重量割合で混合し、キシレン、アセトン、ブチルアルコールの混液を分散媒として塗布した。乾燥状態でボックス表面に形成された潤滑被膜の組成を測定したところ、含有量は重量の相対値でエポキシ樹脂を１とすると、二硫化モリブデンが２．５、黒鉛が１．５であり、被膜厚さは３０μｍであった。
【００７０】表６に示すように、表３の２１回目の締め付け・締め戻し作業までは焼き付きの発生が無く良好であった。しかし、２２回目の締め付け時に軽度の焼付きが発生した。なお、締め付け時の締め込み量ならびに締め込みトルクも適正であった。
【００７１】（本発明例６）表１に示す１３Ｃｒ鋼製のねじ継手に以下の表面処理を施した。ピン表面とボックス表面に＃１２０番のサンドを吹き付け、双方とも表面粗さを５μｍとした。その双方の表面に電解めっきで厚さ１０μｍのＣｕめっき層を形成した。更にピン側はＣｕめっき層の上面にアルキル基がエチルのチタンアルコキシドと、平均粒径が１．０μｍの二硫化モリブデンの粉末をチタンアルコキシド１に対し二硫化モリブデン０．２３の重量割合で混合し、キシレン、塩化メチレンおよびブチルアルコールの混液を分散媒として塗布した。次いで、大気中で４時間放置後に加湿した１５０℃の熱風を２０分間吹き付けた。一方、ボックス側はＣｕめっき層の上面に平均分子量が１５０００のポリアミドイミド樹脂と平均粒径が１．０μｍの二硫化モリブデンの粉末をポリアミドイミド樹脂１に対し二硫化モリブデン０．３５の重量割合で混合し、トルエン、メチルエチルケトンの混液を分散媒として塗布した。乾燥状態でＣｕめっき層の上面に形成された潤滑被膜の組成を測定したところ、ピン側は含有量が重量割合でＴｉ−Ｏを骨格とする無機高分子化合物１に対し二硫化モリブデン０．３５であり、被膜厚さは１０μｍであった。ボックス側は含有量が重量割合でポリアミドイミド樹脂１に対し二硫化モリブデン０．３５であり、被膜厚さは２０μｍであった。
【００７２】表６に示すように、表３の２４回の締め付け・締め戻し作業までは焼き付きの発生が無く良好であった。しかし、２５回目の締め付け時に焼き付きが発生した。なお、締め付け時の締め込み量ならびに締め込みトルクは適正であった。
【００７３】（本発明例７）表１に示す炭素鋼製のねじ継手に以下の表面処理を施した。ボックス表面は機械研削仕上げで表面粗さを２μｍとし、そのボックス表面に電解めっきで厚さ１０μｍのＣｕめっき層を形成した。ピン表面は＃８０番のサンドを吹き付け表面粗さを１０μｍとし、そのピン表面にアルキル基がイソプロピルのチタンアルコキシドと、平均粒径が１．８μｍの二硫化モリブデンの粉末と平均粒径が２．５μｍの黒鉛の粉末をチタンアルコキシド１に対し二硫化モリブデン３．０６、黒鉛１．９４の重量割合で混合し、メチルエチルケトン、塩化メチレンおよびイソプロピルアルコールの混液を分散媒として塗布し、次いで、大気中で２時間放置後に加湿した１５０℃の熱風を１５分間吹き付け、更に、１００℃の熱風を５分間吹き付けた。乾燥状態でピン表面に形成された潤滑被膜の組成を測定したところ、含有量は重量割合でＴｉ−Ｏを骨格とする無機高分子化合物１に対し二硫化モリブデン５．５、黒鉛３．５であり、被膜厚さは１５μｍであった。
【００７４】表６に示すように、表３の２４回の締め付け・締め戻し作業までは焼き付きの発生が無く良好であった。しかし、２５回目の締め付け時に軽度の焼き付きが発生した。なお、締め付け時の締め込み量ならびに締め込みトルクは適正であった。
【００７５】（本発明例８）表１に示す１３Ｃｒ鋼製のねじ継手に以下の表面処理を施した。ピン表面とボックス表面に＃１８０番のサンドを吹き付け、双方とも表面粗さを４μｍとした。その双方の表面に電解めっきで厚さ１０μｍのＣｕめっき層を形成した。更にその双方のＣｕめっき層の上面にアルキル基がプロピルのチタンアルコキシドと、平均粒径が１．２μｍの二硫化モリブデンの粉末と平均粒径が１．５μｍの黒鉛をチタンアルコキシド１に対し二硫化モリブデン２．２２、黒鉛０．５６の重量割合で混合し、キシレン、塩化メチレンおよびブチルアルコールの混液を分散媒として塗布した。次いで、大気中で３時間放置後に加湿した１４０℃の熱風を２０分間吹き付けた。乾燥状態でＣｕめっき層の上面に形成された潤滑被膜の組成を測定したところ、ピン側、ボックス側のいずれも含有量は重量割合でＴｉ−Ｏを骨格とする無機高分子化合物１に対し二硫化モリブデン４、黒鉛１であり、被膜厚さは５μｍであった。
【００７６】表６に示すように、表３の２５回の締め付け・締め戻しにおいて、焼き付きの発生が無く極めて良好であった。また、締め付け時の締め込み量ならびに締め込みトルクも適正であった。
【００７７】（本発明例９）表１に示す高合金鋼鋼製のねじ継手に以下の表面処理を施した。ボックス表面は機械研削仕上げで表面粗さを２μｍとした。ピン表面は、機械研削仕上げで表面粗さを２μｍとした後、電解めっきで厚さ１５μｍのＣｕめっき層を形成し、次いでＣｕめっき層の表面に＃１８０番のサンドを吹き付け、表面粗さを１０μｍとした後、そのＣｕめっき層の表面に分子量が５０００〜１５０００のポリエーテルサルホン樹脂と、平均粒径が１．２μｍの二硫化モリブデンの粉末と平均粒径が１．５μｍの黒鉛をポリエーテルサルホン樹脂１に対し二硫化モリブデン２、黒鉛１の重量割合で混合し、キシレン、トルエンおよびメチルエチルケトンの混液を分散媒として塗布した。乾燥状態でＣｕめっき層の上面に形成された潤滑被膜の組成を測定したところ、含有量は重量割合でポリエーテルサルホン樹脂樹脂１に対し二硫化モリブデン２、黒鉛１であり、被膜厚さは２５μｍであった。
【００７８】表６に示すように、表３の２４回の締め付け・締め戻し作業までは焼き付きの発生が無く良好であった。しかし、２５回目の締め付け時に軽度の焼き付きが発生した。なお、締め付け時の締め込み量ならびに締め込みトルクは適正であった。
【００７９】（本発明例１０）表１に示す１３％Ｃｒ鋼製のねじ継手に以下の表面処理を施した。ピン表面は機械仕上げのままで表面粗さを３μｍとした。ボックス表面は機械研削仕上げで表面粗さを３μｍとし、そのボックス表面に電解めっきで厚さ１０μｍのＣｕめっき層を形成した。更にその上面に平均分子量が１５０００のエポキシ樹脂と、平均粒径が３．１μｍの二硫化モリブデンの粉末と平均粒径が３．５μｍの黒鉛の粉末をエポキシ樹脂１に対し二硫化モリブデン６、黒鉛３．５の重量割合で混合し、キシレン、アセトン、ブチルアルコールの混液を分散媒として塗布した。乾燥状態でＣｕめっき層の上面に形成された潤滑被膜の組成を測定したところ、含有量は重量の相対値でエポキシ樹脂を１とすると、二硫化モリブデンが６、黒鉛が３．５であり、被膜厚さは２０μｍであった。
【００８０】表６に示すように、表３の１６回目の締め付け・締め戻し作業までは焼き付きの発生が無く良好であった。しかし、１７回目の締め付け時に焼付きが発生した（本発明例１１）表１に示す炭素鋼製のねじ継手に以下の表面処理を施した。ボックス表面は機械研削仕上げで表面粗さを２μｍとし、そのボックス表面に電解めっきで厚さ１０μｍのＣｕめっき層を形成した。ピン表面は＃１８０番のサンドを吹き付け、表面粗さを１０μｍとし、そのピン表面にアルキル基がイソプロピルのチタンアルコキシドと、平均粒径が４．６μｍの二硫化モリブデンの粉末をチタンアルコキシド１に対し二硫化モリブデン０．１４の重量割合で混合し、メチルエチルケトン、塩化メチレンおよびイソブチルアルコールの混液を分散媒として塗布し、次いで、大気中で３時間放置後に１５０℃の熱風を３０分間吹き付けた。乾燥状態でＣｕめっき層の表面に形成された潤滑被膜の組成を測定したところ、含有量は重量割合でＴｉ−Ｏを骨格とする無機高分子化合物１に対し二硫化モリブデン０．２５であり、被膜厚さは２５μｍであった。
【００８１】表６に示すように、表３の１６回目の締め付け・締め戻し作業までは焼き付きの発生が無く良好であった。しかし、１７回目の締め付け時に焼付きが発生した（比較例１）表１に示す１３Ｃｒ鋼製のねじ継手に以下の表面処理を施した。ピン表面とボックス表面に＃８０番のサンドを吹き付け、双方とも表面粗さを１０μｍとした。その双方の表面に平均分子量が１００００のエポキシ樹脂と、平均粒径が１．８μｍの二硫化モリブデンの粉末をエポキシ樹脂１に対し二硫化モリブデン１の重量割合で混合し、トルエン、イソプロピルアルコールの混液を分散媒として塗布した。次いで、乾燥後１８０℃で３０分間の加熱処理を行った。加熱処理後のピン表面とボックス表面に形成された潤滑被膜の組成を測定したところ、ピン側、ボックス側のいずれも含有量は重量割合でエポキシ樹脂１に対し二硫化モリブデン１であり、被膜厚さは２０μｍであった。
【００８２】表６に示すように、表３の１１回の締め付け・締め戻し作業までは焼き付きの発生が無く良好であった。しかし、１２回目の締め付け時に焼き付きが発生した。
【００８３】（比較例２）表１に示す炭素鋼製のねじ継手に下記の表面処理を施した。ボックス表面は機械研削仕上げで表面粗さを２μｍとした。ピン表面は＃８０番のサンドを吹き付けて表面粗さを１０μｍとし、そのピン表面に厚さ１５μｍの燐酸マンガン層を形成し、その上にエポキシ樹脂と平均粒径が１．８μｍの二硫化モリブデン粉末をエポキシ樹脂１に対して二硫化モリブデン１の重量割合でトルエン、イソプロピルアルコール等の混液を分散媒として混合し塗布した。次いで、乾燥後１８０℃で３０分の加熱処理を実施した。加熱処理後の燐酸マンガン層の上面に形成された被膜の組成を測定したところ、含有量は重量割合でエポキシ樹脂１に対して二硫化モリブデン１であり、被膜厚は３０μｍであった。
【００８４】表６に示すように、１２回目の締め付けで焼き付きが認められ、しかも、締付け量が不足して、ショルダー部に所定の面圧を負荷することができなかった。
【００８５】（比較例３）表１に示す１３％Ｃｒ鋼製のねじ継手に下記の表面処理を施した。ピン表面は機械研削仕上げで表面粗さを２μｍとした。表面粗さ２μｍに機械研削仕上げを施したボックス表面に厚さ１０μｍのＣｕめっき処理を施した。次いで、ピン表面とボックス表面の双方にＡＰＩ−Ｂｕｌ５Ａ２に相当するコンパウンドグリスを単位面積（１ｄｍ2 ）当たり約２０ｇの割合で塗布した。
【００８６】表６に示すように、１２回目の締め付けで軽度の焼き付きが認められ、また、締め付け量が不足してショルダー部に所定の面圧を負荷することができなかった。そこで、所定位置まで締込むよう締付けトルクを高めたところ、１３回目の締付けで焼付きが発生した。
【００８７】（比較例４）表１に示す炭素鋼製の継手に下記の表面処理を施した。ピン表面は機械研削仕上げで表面粗さを２μｍとした。＃８０番のサンドを吹き付け表面粗さを１０μｍとしたボックス表面に化成処理を施し厚さ１５μｍの燐酸マンガン被膜を形成した。次いで、ピン表面と燐酸マンガン被膜の上面の双方にＡＰＩ−Ｂｕｌ５Ａ２に相当するコンパウンドグリスを単位面積（１ｄｍ2 ）当たり約２０ｇの割合で塗布した。
【００８８】表６に示すように、８回目の締め付けから軽度の焼付きが発生したが手入れを実施して試験を継続した。しかし、１１回目の締め戻し時に焼付きが認められ、１２回目の締付けで焼付きが著しくなるとともに、締付け量が不足して、ショルダー部に所定の面圧を負荷することができなかった以上のように、本発明例は比較例に比べ、高温履歴時の耐焼付き性に優れることが判った。特に、樹脂または無機高分子化合物の含有量（Ａ）と、二硫化モリブデンと黒鉛の合計の含有量（Ｂ）との重量比（Ｂ／Ａ）を０．３〜９．０の範囲内とした本発明例１〜９は、一段と優れた耐焼き付き性を示した。
【００８９】
【発明の効果】本発明によれば、高深度、高温油井、あるいは蒸気注入油井等の４００℃にも達する高温環境下の原油採掘における繰り返しの締め付け、緩め戻しの際の耐焼き付き性が著しく向上する。従って、気密性を保持しながら繰り返し使用が可能になる。
|
| 【出願人】 |
【識別番号】０００００２１１８
【氏名又は名称】住友金属工業株式会社
|
| 【出願日】 |
平成１１年８月２７日（１９９９．８．２７） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８１３５２
【弁理士】
【氏名又は名称】広瀬 章一
|
| 【公開番号】 |
特開２００１−６５７５１（Ｐ２００１−６５７５１Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年３月１６日（２００１．３．１６） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−２４１８８９ |
|