油井管特殊ねじ継手の実体疲労試験

図4-1に実体疲労試験に供試した油井管特殊ねじ継手の模式図を示す．第2章で評価した油 井管ねじ継手と同様に，ねじ部，シール部，トルクショルダから構成されるものの，ねじ 形状やシール部の構造は異なる．管本体の外径は177.8 mm (7 inches)，管本体の肉厚は11.5 mm (0.453 inches)である．ねじ部は1/18のテーパ角を有する台形の形状で，ねじ山頂面およ びねじ底面が管軸に対して平行に形成されている．また，図4-1下段の左から示すように，

ねじ部は，完全ねじ部と不完全ねじ部から構成される．図中の○で示すように締結完了時 には，ねじ部においてピンとボックスの荷重面，ピンねじ底面とボックスねじ山頂面が接 触し，ピンとボックスの挿入面，ピンねじ山頂面とボックスねじ底面には所定のすき間が 形成される．なお，図4-1の中段にも示すとおり，ピンおよびボックスの噛合い端部が，疲 労破壊が生じやすい危険断面となる．本試験におけるねじとシールの干渉量はそれぞれ公 差の最大値狙いで製作してこれをHighと称する．また，ねじテーパはピンとボックスとも 公差の中央値狙いで製作してNominalと称し，これらを総合してHH-PNBNとした．

図4-1 実体疲労試験に供試した油井管ねじ継手の模式図

89 4.2.1.2 表面処理と潤滑剤

表面処理が油井管特殊ねじ継手の疲労特性に及ぼす影響を評価するため，ボックス表面 にはリン酸マンガン，銅めっきの2種類の表面処理を施し，ピン表面は旋削まま(As machined) とした．また，ピンとボックスの表面にはAPI規格の潤滑剤Shell type 3 [2]を塗布し，油圧パ ワートングを使用して製品で推奨されるトルク値まで締結した．本試験においては，表面 処理はリン酸マンガンと銅めっきがあるものの，潤滑剤の種類，塗布量は全ての供試体で 同じとした．

4.2.1.3 材料

材料はAPI規格の油井管材料L80，L80-13CrおよびP110とした．実材の引張試験は実施し ていないため，表4-1に材料の降伏強度，および引張強度の規格値[15]を示す．また，表4-2 に化学成分の規格値[15]を示す．L80およびL80-13Crについては，同等の静的強度を有する として問題はない．また，P110におけるC，およびSi，Mnの上限などはAPI規格では特に設 けられてはいない．

表4-1 材料の機械的性質（API規格）

Material 0.2% proof stress [MPa]

Ultimate tensile strength [MPa]

L80 552 (min.) 655 (min.)

L80-13Cr 552 (min.) 655 (min.)

P110 758 (min.) 930 (min.)

表4-2 材料の化学成分（API規格，max. %表示）

Material C Si Mn P Cr Mo

L80 0.43 0.45 1.90 0.03 - -

L80-13Cr 0.22 1.00- 1.00 0.02 14.0 -

P110 - - - 0.03 1.20 0.75

4.2.1.4 実体疲労試験方法

実体疲労試験方法は，比較的低応力振幅の領域を対象にするため，共振型とした．試験 方式を図4-2に示すが，第2章と同じ構造のため詳細は省略する．試験はひずみ制御で実施し，

制御用のひずみゲージは，ISO13679の試験規格[16]に則り，カップリング端部から135.6 mm

(= 3×√(OD×WT)) の位置に貼付けた．ここでODは管本体の外径，WTは管本体の肉厚を示

している．ひずみゲージはカップリング両端部から当該距離の位置で，円周方向90度ピッ チの計4箇所に貼付けた．試験では，この4箇所のひずみの平均値が目標のひずみを上回る ように制御し試験を実施した．ひずみの上下限の設定は特にしていないがモニタリングに

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よって狙いから乖離したひずみが出力された際は試験を手動で停止するようにした．疲労 寿命は，供試体に封入した水の圧力約1.0 MPaが貫通き裂の発生によって低下した時点と定 義し，その際に試験を自動的に終了した．

図4-2 実体疲労試験の模式図

4.2.1.5 実体疲労試験の条件

表4-3に実体疲労試験の条件を示す．いずれの試験も周波数は約25 Hz，室温，大気中で実 施した．試験機が自動停止しない場合の試験の打切り回数は1.50×10⁷回，または2.00×10⁷ 回とし，これらの回数に達しても貫通き裂が発生していなければ，その応力振幅の最大値 を疲労限度と定義した．

表4-3 実体疲労試験の条件 (a)L80の条件

Strain gauge

Eccentric mass weight Dead weight Motor

Capped end Support roller

BOX (Coupling) Pipe (PIN)

Bending moment

4080

Φ177.8

#1 HH-PNBN HH-PNBN As machined Manganese phosphate 73

#2 HH-PNBN HH-PNBN As machined Manganese phosphate 105

#3 HH-PNBN HH-PNBN As machined Manganese phosphate 126

#4 HH-PNBN HH-PNBN As machined Manganese phosphate 84

#5 HH-PNBN HH-PNBN As machined Manganese phosphate 157

#6 HH-PNBN HH-PNBN As machined Manganese phosphate 84

#7 HH-PNBN HH-PNBN As machined Manganese phosphate 105

#8 HH-PNBN HH-PNBN As machined Manganese phosphate 84

#9 HH-PNBN HH-PNBN As machined Manganese phosphate 126 Stress amplitude

[MPa]

Surface treatment PIN surface BOX surface A side B side

Material Specimen No.

Configuration

L80

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表4-3 実体疲労試験の条件（つづき）

(b)L80-13Crの条件

(c)P110の条件

##1 HH-PNBN HH-PNBN As machined Copper plating 73

##2 HH-PNBN HH-PNBN As machined Copper plating 105

##3 HH-PNBN HH-PNBN As machined Copper plating 94

##4 HH-PNBN HH-PNBN As machined Copper plating 84

##5 HH-PNBN HH-PNBN As machined Copper plating 84

##6 HH-PNBN HH-PNBN As machined Copper plating 126

##7 HH-PNBN HH-PNBN As machined Copper plating 157

##8 HH-PNBN HH-PNBN As machined Copper plating 94

##9 HH-PNBN HH-PNBN As machined Copper plating 84

##10 HH-PNBN HH-PNBN As machined Copper plating 73 Stress amplitude

[MPa]

Surface treatment PIN surface BOX surface A side B side

L80-13Cr

Material Specimen No.

Configuration

###1 HH-PNBN HH-PNBN As machined Manganese phosphate 105

###2 HH-PNBN HH-PNBN As machined Manganese phosphate 105

###3 HH-PNBN HH-PNBN As machined Manganese phosphate 73

###4 HH-PNBN HH-PNBN As machined Manganese phosphate 73

###5 HH-PNBN HH-PNBN As machined Manganese phosphate 63

###6 HH-PNBN HH-PNBN As machined Manganese phosphate 52

###7 HH-PNBN HH-PNBN As machined Manganese phosphate 105

###8 HH-PNBN HH-PNBN As machined Manganese phosphate 52

###9 HH-PNBN HH-PNBN As machined Manganese phosphate 63

###10 HH-PNBN HH-PNBN As machined Manganese phosphate 84

###11 HH-PNBN HH-PNBN As machined Manganese phosphate 73

###12 HH-PNBN HH-PNBN As machined Manganese phosphate 73

###13 HH-PNBN HH-PNBN As machined Copper plating 105

###14 HH-PNBN HH-PNBN As machined Copper plating 84

###15 HH-PNBN HH-PNBN As machined Copper plating 126

###16 HH-PNBN HH-PNBN As machined Copper plating 115

###17 HH-PNBN HH-PNBN As machined Copper plating 73

###18 HH-PNBN HH-PNBN As machined Copper plating 73 Stress amplitude

[MPa]

Surface treatment PIN surface BOX surface

P110

Material Specimen No.

Configuration A side B side

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