JP2001289371A

JP2001289371A - 管継手

Info

Publication number: JP2001289371A
Application number: JP2000108055A
Authority: JP
Inventors: Kazushi Maruyama; 和士丸山; Yasuhiro Wada; 康裕和田; Hirobumi Okuda; 博文奥田; Michitoshi Tanimoto; 道俊谷本
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-04-10
Filing date: 2000-04-10
Publication date: 2001-10-19
Anticipated expiration: 2020-04-10
Also published as: JP3668094B2

Abstract

(57)【要約】【課題】降伏比が低く、かつ一様伸びが大きい材料の
ためにジャンプアウトが懸念される大径テーパネジ継手
においても、耐ジャンプアウト抵抗を高く維持できるネ
ジ緒元から構成される大径用油井管、土木杭継手に使用
する管継手を提供する。【解決手段】管１２の外径をＤ＝３４０ｍｍ（１３−
３／８ｉｎ）〜６６１ｍｍ（２６ｉｎ）、管１２の肉厚
をｔ（ｍｍ）、管１２の外表面１０からのネジの切り込
み深さをｘ（ｍｍ）、前記ネジのテーパをＴ＝１／１２
〜１／１０、ネジ山高さをＨ（ｍｍ）、ネジピッチをｐ
（ｎ山／ｉｎ）とした時、以下の関係式を満足する。Ｈ＞（ｐ／４）／０．８ｘ＞０．００５７５×Ｄ＋１．６×ｔ×Ｔ−（２／３）
×Ｈ

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、油井管、土木杭管
継手等の大径テーパネジ継手において、テーパ、ネジ山
高さ、ネジの切り込み位置などを適正化することにより
ジャンプアウト抵抗を向上させた管継手に関する。

【０００２】

【従来の技術】油井管、土木杭管継手等には大径テーパ
ネジ継手が使用されており、ＡＰＩバットレス継手や、
ネジ締め付け時に大径テーパネジ継手に起こり易いクロ
ススレッド（ネジかみ合わせのずれ）防止の観点から、
粗いネジピッチ（３山／ｉｎ）と急峻テーパ（１／７．
５）の併用により、スタビング性の良好な特殊ネジ継手
が広く使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
大径テーパネジ継手においては、解決すべき以下の問題
を有していた。即ち、現行のＡＰＩバットレス継手にお
いては、継手強度が低く、改良の余地を残している。ま
た、特殊ネジにおいても、ネジ山高さがＡＰＩバットレ
ス継手のネジ山高さより高く、ネジ列の管端切り込み深
さがＡＰＩバットレス継手の切り込みより深いなどのた
め、ＡＰＩバットレス継手に比較して耐ジャンプアウト
抵抗（ネジが抜ける現象）は優れていると思われるが、
材料の降伏比（耐力／引張強さ）が小さく、かつ一様伸
びの大きい、頻繁に適用されるＫ５５グレードなどに対
しては、後述するように耐ジャンプアウト抵抗の観点か
らは適正なネジ設計になっていない。

【０００４】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、降伏比が低く、かつ一様伸びが大きい材料のた
めにジャンプアウトが懸念される大径テーパネジ継手に
おいても、耐ジャンプアウト抵抗を高く維持できるネジ
緒元から構成される大径用油井管、土木杭継手に使用す
る管継手を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記目的に沿う第１の発
明に係る管継手は、管端部に１条もしくは多条のテーパ
雄ネジが加工されたピンと、ピンに螺合するテーパ雌ネ
ジが短管の両側の内面に加工されたカップリングとから
なる管継手において、ネジ山の形状が角ネジ、台形ネ
ジ、又はバットレスタイプであって、管の外径をＤ＝３
４０ｍｍ（＝１３−３／８ｉｎ）〜６６１ｍｍ（＝２６
ｉｎ）、管の肉厚をｔ（ｍｍ）、管の外表面からのネジ
の管端切り込み深さをｘ（ｍｍ）、ネジのテーパをＴ＝
１／１２〜１／１０、ネジ山高さをＨ（ｍｍ）、ネジピ
ッチをｐ（ｎ山／ｉｎ）とした時、以下の関係式を満足
する。Ｈ＞（ｐ／４）／０．８ｘ＞０．００５７５×Ｄ＋１．６×ｔ×Ｔ−（２／３）
×Ｈ

【０００６】前記目的に沿う第２の発明に係る管継手
は、管端部に１条もしくは多条のテーパ雄ネジが加工さ
れたピンと、短管の内側にピンに螺合するテーパ雌ネジ
が加工され、他の管端部に溶接されたボックスとからな
る管継手において、ネジ山の形状が角ネジ、台形ネジ、
又はバットレスタイプであって、管の外径をＤ＝３４０
ｍｍ（＝１３−３／８ｉｎ）〜６６１ｍｍ（＝２６ｉ
ｎ）、管の肉厚をｔ（ｍｍ）、管の外表面からのネジの
管端切り込み深さをｘ（ｍｍ）、ネジのテーパをＴ＝１
／１２〜１／１０、ネジ山高さをＨ（ｍｍ）、ネジピッ
チをｐ（ｎ山／ｉｎ）とした時、以下の関係式を満足す
る。Ｈ＞（ｐ／４）／０．８ｘ＞０．００５７５×Ｄ＋１．６×ｔ×Ｔ−（２／３）
×Ｈ従って、第１の発明及び第２の発明に係る管継手におい
ては、ジャンプアウトの生じやすい３４０〜６６１ｍｍ
直径の大径で、かつ伸びの大きいＫ５５グレード等の材
料でも、継手効率がほぼ８０％に向上する。

【０００７】ここで、テーパ雄ネジをカップリング又は
ボックスに締め込んだ時、テーパ雄ネジの先端が当接す
るストッパーをカップリングの中央又はボックスの奥に
備えることもできる。これによって、各種の管継手に適
用できる。さらに、ジャンプアウト抵抗に影響しない範
囲で、テーパ雄ネジのテーパを同一テーパでネジ終端ま
でランアウトさせないで、完全ネジ部と不完全ネジ部の
境界、又はその途中からテーパを大きくして不完全ネジ
部を短くし、対応するテーパ雌ネジもテーパ雄ネジのネ
ジ底切り上がり部に相当する位置のネジ山頂面を、ピン
のネジ底に当たらないようにテーパ雄ネジの底テーパに
沿って切り落とすこともできる。これによって、ピンに
対応するカップリング又はボックスのネジの長さを短く
できる。

【０００８】本発明者等は、以下の要領によって、本発
明に関する知見を得、発明を完成するに至った。まず、
ＡＰＩバットレス継手に関する継手強度式から、大径テ
ーパネジ継手の継手強度の問題点を抽出し、次に、ジャ
ンプアウト現象の解析に基づく耐ジャンプアウト強度推
定式を決定し、その後、継手強度を目標値８０％以上に
決めたときのネジ緒元を算出した。

【０００９】まず、大径テーパネジ継手の継手強度の問
題点について検討する。以下に示す（１）式は、ＡＰＩ
Ｂｕｌ５Ｃ３に定められたＡＰＩ規格バットレス継手
管体ネジ強度算出式である。Ｐｊ＝０．９５・Ａｐ・Ｕｐ・［１．００８−０．００１５６・（１．０８３−Ｙｐ／Ｕｐ）・Ｄ］・・・・（１）ここで、Ｐｊ：最小ジョイント強さＡｐ：プレーンエンド管の断面積Ｙｐ：管材料の最小耐力Ｕｐ：管材料の最小引張強さＤ：管の呼び径（又は外径）

【００１０】この（１）式は、１００本を超える実継手
の統計解析から求められており、ＡＰＩバットレス継手
形状に対しては十分な回帰式である。この式から読み取
れる物理的意味は２つある。第一は、大径ほど継手効率
（母管に対する継手強度比）が落ちること、第二は、材
料の降伏比（耐力／引張強さ）が小さい程、やはり継手
効率が落ちることである。油井管は深い場所に埋設され
るものほど地層圧に耐えるためと、パイプ自重を地表で
支えるために高強度材が必要である。本発明で扱う井戸
浅部に適用する大径（外径３４０ｍｍ以上で外径６６１
ｍｍ未満）油井管は低強度材料の適用が中心である。具
体的にはＫ５５、Ｌ８０、Ｎ８０などのグレードが大部
分を占める。一般に鋼は低強度ほど降伏比が小さくなる
性質があり、前記グレードを使用した大径テーパネジ継
手は、径が大きい上、降伏比も小さいという２重の継手
効率低下の要因を負っていることが判る。従って、前記
グレードを使用した大径テーパネジ継手においては、継
手強度を高い水準に保つための形状設計が必要である。

【００１１】続いて、ジャンプアウト現象のメカニズム
を解明し、この現象の解析に基づいて耐ジャンプアウト
強度の推定式を決定する。（継手強度決定メカニズム）油井管ネジ継手の引張試験
を行うと、油井管ネジ継手は雄ネジ破断、雌ネジカップ
リング破断、母管破断、ジャンプアウト（雄ネジがカッ
プリングから抜ける破損）の４通りの破損形態を示す。
前３者については、継手効率はほぼ１００％で問題ない
が、ジャンプアウトの場合は継手効率が低下することが
ある。つまり、このジャンプアウトが（１）式の形で継
手強度を低下させている原因と考えられる。そこで、こ
のジャンプアウトのメカニズムを解明し、それを起こし
にくい継手の形状設計を検討する。

【００１２】図６、図７にジャンプアウトした大径テー
パネジ継手の雄ネジ断面形状を示す。図６、図７から、
ジャンプアウトに至る過程を推察すると、まず母管部７
０が縮管（又は縮径７１）し、ある程度縮径７１が進む
とネジ山７２の嵌合が外れだし、それが徐々にテーパネ
ジ列先端部７３に進行する。嵌合ネジの残りが少なくな
るとネジ山７２は、図７の拡大図に示すように、ネジ面
圧に耐えられず結局雄ネジ山の雌ネジ山上の滑りとネジ
山７２の剪断を伴って抜けてしまう。符号７４はネジ山
嵌合外れ部を、符号７５はネジ山嵌合外れ部７４のネジ
底応力集中によるくびれを、符号７６はジャンプアウト
時の残留ネジ嵌合部を表している。この過程を念頭に置
いて、ジャンプアウト強度推定式を以下の手順で導く。

【００１３】図２にネジ形状の模式図を示す。図中、ｘ
はネジ列の切り込み深さを、ｙは縮管時の半径方向変位
を、Ｈはネジ山高さを、Ｔはネジ列のテーパを表してい
る。（半径方向変位ｙ）まず、負荷荷重Ｗから雄ネジの縮径
量を計算する。今、パイプ（又は管、管体とも呼ぶ）断
面積をＡｐとすれば、図１に示す応力歪み線図から、負
荷荷重Ｗ＝σ ^* ・Ａｐとなる。管体が負荷荷重Ｗ下にお
いてどれだけ縮径するかは、塑性変形材料の体積一定則
を適用すれば、εｒ＝−１／２εｚ（ただし、εθ＝ε
ｒと仮定する）となるので、伸びεｚが材料の応力歪み
線図のσ^* との関係で定まれば、図２に示すように、内
側への半径方向変位ｙ＝Ｄ／２・（１／２・εｚ^* ）＝
Ｄ／４・εｚ^* となる。

【００１４】（嵌合が外れたネジ長さＬｓ）つぎに、図
２に示す嵌合が外れたネジ長さＬｓを求める。ＡＰＩバ
ットレス継手のようなランアウトタイプの継手（不完全
ネジ部を含むテーパＴ＝一定で管表面までネジを切った
雄ネジを有する継手）では、ネジ山高さＨを超える半径
方向変位ｙが生じて初めて完全ネジ部のネジ嵌合が外れ
始める。従って、嵌合が外れたネジ長さＬｓ＝（Ｄ／４
・εｚ^* −Ｈ）・（２／Ｔ）となる。ここで、テーパＴ
は軸方向単位長さ当たりの直径（又はＤ）の変化を、Δ
Ｌｔはネジ長さＬｔの変化を表している。

【００１５】（残留ネジ長さＬｒ）図２に示すネジの形
状において、完全ネジ長さをＬｔとすれば、残留ネジ長
さＬｒ＝Ｌｔ−Ｌｓ＝Ｌｔ−（Ｄ／４・εｚ^* −Ｈ）・
（２／Ｔ）となる。（必要ネジ長さＬｎ）引張荷重の増加に伴い残留ネジ山
が減ってきたとき、嵌合の外れたネジ部の中で最低のネ
ジ底断面がその引張負荷に耐えて、しかもネジ山がネジ
剪断力Ｓに対して持たなければ、ネジ列は剪断を伴い抜
けてしまう。負荷荷重Ｗ＝σ^* ・Ａｐが作用したときそ
れに耐えられる必要ネジ長さＬｎは以下の式で表され
る。Ｗ＝π／４・（Ｄｏ² −Ｄｉ² ）・σ^* ＝πＤｏ・（Ｌ
ｎ／２）・（σ_B ／２）ここで、Ｄｏ＝管外径、Ｄｉ＝管内径、σ_B ＝引張強さ
とし、材料の剪断強度τ _B は引張強さσ_B の１／２と
し、σ_B ／２と仮定した。この式を必要ネジ長さＬｎで
表わすと、Ｌｎ＝４・（σ^* ／σ_B ）・ｔとなる。ここ
で、ｔは肉厚を表しており、管外径Ｄｏ及び管内径Ｄｉ
は、管肉厚ｔに比べて遙に大きく、Ｄｏ＝Ｄｉ＝Ｄと見
做せると仮定している。

【００１６】（ジャンプアウト評価指数Ｉ）ある負荷荷
重Ｗでジャンプアウトを起こすかどうかは、残留ネジ長
さＬｒが必要ネジ長さＬｎより長いかどうかで決まる。
つまり、両者の比をＩ＝Ｌｒ／Ｌｎとすれば、Ｉ＞１な
らばジャンプアウトは発生しない。Ｉ＜１ならすでによ
り低荷重負荷の段階でジャンプアウトしてしまっている
ことを示す。ジャンプアウト荷重はＩ＝１の場合の負荷
荷重Ｗを探せばよいことになる。このＩをジャンプアウ
ト評価指数と定義する。今、ある負荷荷重でジャンプア
ウトしたとすると、Ｉ＝１であるので、以下の関係が成
立する。Ｌｎ＝４・（σ^* ／σ_B ）・ｔ＝Ｌｔ−（Ｄ／４・εｚ
^* −Ｈ）・（２／Ｔ）＝Ｌｒこの式をσ^* ／σ_B で整理すると、（２）式となる。 σ^* ／σ_B ＝｛Ｌｔ−（Ｄ／４・εｚ^* −Ｈ）・（２／Ｔ）｝／（４ｔ）・・・・・（２）（２）式は、継手効率η（＝σ^* ／σ_B ）を表わしてい
る。σ^* とεｚ^* には、図１に示す応力歪み線図から
（３）式の関係がある。 εｚ^* ＝Ｆ（σ^* ）・・・・・（３）継手効率ηは、（２）式と（３）式との連立方程式を解
くことで求まる。（３）式を（２）式に代入すると、 η＝σ^* ／σ_B ＝｛Ｌｔ−（Ｄ／４・Ｆ（σ^* ）−Ｈ）・（２／Ｔ）｝／（４ｔ）・・・・・（４）が得られる。

【００１７】（４）式にてジャンプアウト強度を求める
一般式が決定されたので、次は（４）式に基づいて、ジ
ャンプアウト強度を高めるためのネジ緒元がどうあるべ
きかを述べる。今、材料特性を既知とすれば、（４）式
中の変数は、Ｌｔ、Ｈ、Ｔである。なお、（４）式中の
Ｄ、ｔはネジ設計のための変数ではなく所与の値であ
る。このＬｔ、Ｈ、Ｔを如何に決めれば、最も高いジャ
ンプアウト強度が得られるかが問題となる。図２に、Ｌ
ｔ、Ｈ、Ｔの関係が示されている。図より、完全ネジ長
さＬｔはネジ列のテーパＴとネジ列の切り込み深さｘで
決まる。半径方向変位ｙに着眼してジャンプアウト強度
式を求めたので、ネジ緒元の決定も半径方向変位ｙに対
してどこまでネジが嵌合した状態まで抜けずに我慢でき
るかに拘わるｘの適正値から考えることにする。それに
は、まず目標とする継手効率ηを設定する。表１は、Ａ
ＰＩ規格に基づく前記（１）式（即ち、ＡＰＩバットレ
ス継手強度式）から安全率０．９５を取り除いた式にお
いて、ＡＰＩ汎用鋼種であるＫ５５とＮ８０について、
外径毎に平均継手効率を計算した結果である。

【００１８】

【表１】

【００１９】この表から、継手効率を全サイズに対して
８０％以上にすることを大径テーパネジ継手の改良目標
とする。従って、この８０％の効率とは、管（又は鋼
管）の半径方向変位ｙ、さらに溯って鋼管の引張荷重
（又は負荷荷重）Ｗ下の軸方向歪みの値でいくらまで耐
える管継手であればよいのかを求めることになる。図３
は、過去の製造実績に照らして平均的伸びを示した各種
油井管材料の応力歪み線図である。Ｋ５５グレードは他
グレード（Ｎ８０、Ｃ９５、Ｐ１１０）に比べ降伏比が
小さく、一様伸びが大きい特徴を示す。この図から、Ｋ
５５の引張強さの８０％フローストレスに対応する歪み
の値を、２．３％と見積もる。図２では、材料（管又鋼
管）が２．３％伸びた状態は破線で示されている。

【００２０】この時、剪断荷重に耐えているネジ長さは
残留ネジ長さＬｒであるが、安全側に設計するため、完
全にネジが嵌合している長さ、即ち、完全残留ネジ長さ
Ｌｒｏと、完全には嵌合していない長さ（Ｌｒ−Ｌｒ
ｏ）の２／３の長さとに剪断荷重が作用すると考える。
完全残留ネジ長さＬｒｏは先の必要ネジ長さＬｎに対応
する。従って、Ｌｒｏ＝４・（σ^* ／σ_B ）・ｔとな
る。今、η＝σ^* ／σ_B ＝０．８に設定したので、Ｌｒ
ｏ＝３．２ｔとなる。１３−３／８" （３４０ｍｍ）以
上で、使用頻度の多い鋼管のうち肉厚最小のものは、１
１．０５ｍｍである。従って、Ｌｒｏは最低でも３．２
×１１．０５＝３５．４ｍｍは必要である。以上の根拠
から、最小の切り込み深さｘは以下の範囲にあるべきで
ある。

【００２１】ｘ＞０．０２３×０．５×（Ｄ／２）＋Ｌ
ｒｏ×（Ｔ／２）−（２／３）×Ｈ整理すると（５）式となる。ｘ＞０．００５７５・Ｄ＋１７．７・Ｔ−（２／３）×Ｈ・・・・・・（５）肉厚ｔを考慮すれば、（６）式となる。ｘ＞０．００５７５・Ｄ＋１．６ｔ・Ｔ−（２／３）×Ｈ・・・・・・（６）（５）式から切り込み深さｘとテーパＴは互いに従属関
係にあることが判る。図２より、ｘ値の内訳でネジ外表
面１０から点Ｐまでの距離は、テーパＴの大小に拘わら
ず母管の縮径量、即ち半径方向変位ｙである。これは、
（５）式の０．００５７５・Ｄに相当する。Ｐ点からネ
ジ先端側のネジが嵌合しているところは、テーパＴに依
存する所で、（５）式の１７．７・Ｔに相当する。

【００２２】ここで、本発明の大径テーパネジ継手の設
計指針を決めるには、切り込み深さｘ又はテーパＴに関
して、これまで述べてきた考え方以外の条件を持ち込
み、切り込み深さｘ又はテーパＴを固定する必要に気づ
く。製造の観点から、切り込み深さｘは容易に変えられ
るが、テーパＴを肉厚、外径毎に変えることは刃物準
備、ゲージワークの点から得策でない。従って、テーパ
Ｔを固定する。その為に考慮すべき条件は以下である。１）残留嵌合部の抜け易さ及びネジ強度。２）ネジ先端部の残留厚み３）加工に要す完全ネジ長さＬｔ４）ネジ締め付け時の締結時間

【００２３】テーパＴに当たりを付けるため、Ｔ＝１／
１２、１／１０、１／７．５についてネジ先端部厚み
（ｔ−ｘ）と完全ネジ長さＬｔを計算し、その計算結果
を表２及び表３に示す。この時、Ｈ＝２．９ｍｍとし
た。

【００２４】

【表２】

【００２５】

【表３】

【００２６】Ｔ＝１／１２は、現行ＡＰＩバットレス継
手のテーパ（表３中Ｃ）を、Ｔ＝１／７．５は、継手嵌
合時のクロススレッドを防止することを目的にテーパを
急峻にしたテーパ（表２中Ａ）を、Ｔ＝１／１０はその
中間値（表２中Ｂ）を表している。表２及び表３から、
現行のＡＰＩ継手のテーパを採用した場合（Ｃ）、実際
のＡＰＩ継手（表３中Ｄ）より第一ネジ山が肉厚中心方
向に深い位置から始まり、その分ネジが長くなることが
わかる。ＡＰＩ継手もここまでネジを深く切り込んでお
けば、表１より高い継手効率が得られる筈である。一
方、テーパＴ＝１／７．５にすると（Ａ）、更にネジの
切り込みは深くなるが、完全ネジ長さＬｔは現行ＡＰＩ
（Ｄ）と同様、短くて済む。中間のＴ＝１／１０（Ｂ）
は、ネジの切り込み深さｘは（Ｃ）と同等で、かつネジ
長さも（Ｃ）ほどは長くない。

【００２７】発明の趣旨から、上述の評価のポイント
は、加工し易さより継手効率及び抜けにくさ、先端の圧
縮強度などの機械的強度に置く。もちろん、ネジの締め
付け時間なども重要な商品性能であるが、租ネジピッチ
（本出願人の出願した特願平１０−３２２１７０号に記
載されているように、ネジ山頭頂面を斜めに切る加工を
施し、スタビング性を改善する技術）を利用することで
補える。ネジ先端部厚み（ｔ−ｘ）については、ジャン
プアウト特性を得るための最低必要な量として（Ｃ）を
基準とする。もちろん、テーパＴを１／１２以下にすれ
ば、図２のΔｘ（切り込み深さ修正量と呼ぶ）は小さく
できるが、反面完全ネジ長さＬｔが長くなり、たとえ強
度重視といえども不必要にネジ加工を長くすべきでな
い。ネジ先端部厚み（ｔ−ｘ）の最低値は、表３に示す
ように、Ｔ＝１／１２では８．４７ｍｍ、表２に示すよ
うに、Ｔ＝１／７．５では７．５８ｍｍ、Ｔ＝１／１０
では８．１７ｍｍとなる。

【００２８】これらの数値は、僅かな差のように思える
が、実際にパイプを加工するには、肉厚公差（ＡＰＩ規
格では公称の８７．５％まで許容）もあり、これらの値
よりさらに１．３ｍｍ薄くなる場合もある。そうなれ
ば、各々７．１７（８．４７−１．３）ｍｍ、６．２８
（７．５８−１．３）、ｍｍ、６．８７（８．１７−
１．３）ｍｍとなる。また、これらの寸法にはネジ山高
さＨも入っているので、後述の適正ネジ山高さＨｔ＝
２．９ｍｍを差し引けば、各々４．２７（７．１７−
２．９）ｍｍ，３．３８（６．２８−２．９）ｍｍ，
３．９７（６．８７−２．９）ｍｍとなる。つまり、
２．９ｍｍの高さのネジ山が、このネジ底厚みに支えら
れていることを想像すれば、雄ネジ残留ネジ部の剛性、
ネジ切り加工時のワーク剛性、先端強度などの面から３
者の差は大きい。本発明では、ネジ先端部厚み（ｔ−
ｘ）は４．２７〜３．９７ｍｍとし、ネジ山高さＨより
充分大きな厚みを確保する方針とする。つまり、テーパ
Ｔは１／１２〜１／１０の範囲を採択する。ネジ山高さ
Ｈを低くしてネジ先端部厚み（ｔ−ｘ）を確保する方法
もあるが、それは後述するようにネジピッチｐを狭くす
る必要があり、大径サイズでは、クロススレッドの問題
から妥当ではない。

【００２９】最後に、ネジ山高さＨの決定根拠について
説明する。ネジ山については、根元が剪断で切れること
と同時に、引張荷重を受けるロードフランク面の面圧に
も配慮が必要である。つまり、ジャンプアウト荷重に対
して残留ネジの総ロードフランク面で受ける負荷は、ネ
ジ山が「だれない」程度が望ましい。ネジ山がだれる面
圧を予測するのは難しいが、接触面の摩擦を考慮すると
材料の降伏点以上で、かつ材料の引張強さσ_B 以下であ
る。

【００３０】短柱の圧縮試験における変形抵抗の式、Ｙ
＝σｙ｛１＋μ（ｄ／３ｈ）｝から適当な値を設定す
る。ここで、Ｙは変形抵抗応力、σｙは材料の降伏応
力、μは摩擦係数、ｄは短柱の直径、ｈは短柱の高さで
ある。ロードフランク面とｄとの関連については、引張
負荷時、ネジ円周方向には雄、雌ネジ間に相対滑りが少
ないと思われるので、ネジ山方向の滑りのみを考える。
ネジ山は片側のみ開放されているので、ネジ山高さＨの
２倍が短柱の直径（円柱底面径）ｄに相当すると考え
る。短柱の高さｈはネジの幅に相当する。従って、ｄ／
３ｈを、ＡＰＩバットレスネジの幅・高さ比のネジ山か
ら割り出すと１．５７５×２／３／２．５４＝０．４の
水準となる。ここで、μ＝０．２とすれば、Ｙ＝１．０
８σｙとなる。また、管体は０．８σ_B のダメージを受
けているので、ネジ部の変形抵抗が摩擦の働きで８％程
強化されていることも加味して、ネジ部も２．３％程度
の塑性歪みの範囲では管体と同じ応力を受けてもよいと
考える。

【００３１】従って、管体に０．８σ_B の荷重が作用
し、継手はジャンプアウト寸前で、ネジ底は剪断寸前
で、ネジロードフランク面も限界面圧に達している状態
にするためには、ネジ山高さＨは以下の２式を等しく置
いて得られる値以上とする。ネジの剪断強度＝Ｌｎ／２・πＤ・σ_B ／２ネジロードフランク面の耐圧力＝Ｌｎ／ｐ・πＤ・Ｈ・
０．８σ_B ここで、ｐはネジピッチ上式から、ネジ山高さＨ＝（ｐ／４）／０．８となる。
故に、ネジ山高さＨの条件は以下となる。Ｈ＞（ｐ／４）／０．８・・・・・・・（７）

【００３２】ここまでで、大径、Ｋ５５グレードに対し
８０％以上の耐ジャンプアウト抵抗を得る為のネジの切
り込み深さｘ、テーパＴ、ネジ山高さＨの各条件が決定
できたので、実際に適用する１３−３／８" 〜２６" の
薄肉油井管に上記条件式の下限値を代入して、管の外径
Ｄ＝３４０〜６６１ｍｍ、ネジのテーパをＴ＝１／１２
〜１／１０という前提条件で継手効率が８０％になるか
検証した。（２）式右辺のεｚ^* に０．０２３を、Ｈに
（２／３）×Ｈ（剪断荷重は完全嵌合したネジと不完全
嵌合部の２／３の長さで持たせると仮定する）を代入す
ると、全外径について、０．８以上となり、目標の継手
効率となった。

【００３３】条件式の下限値１）外径Ｄ＝１３−３／８" （３４０ｍｍ）〜２６"
（６６１ｍｍ）（肉厚：最薄肉と最厚肉）２）テーパＴ＝１／１０３）ネジピッチｐ＝３山／ｉｎ４）ネジ山高さＨ＝２．６５５）ネジの切り込み深さｘ＝０．００５７５Ｄ＋０．１
６ｔ−（２／３）×Ｈ

【００３４】ここまで、継手効率８０％以上を目標とし
た本発明の大径テーパネジ継手のネジ緒元の決定根拠を
説明してきたが、次にこれに加え、加工時間も考慮した
継手デザインについて説明する。テーパネジ継手は、雄
ネジ先端のネジ山位置を深く切り込めば耐ジャンプアウ
ト抵抗は上昇するが、一方でネジ長さが切り込み深さｘ
に比例して長くなる欠点があるので、このネジ長さを短
くする方法を説明する。

【００３５】ジャンプアウト強度は、ある荷重負荷に対
し、完全に嵌合したネジがどれだけあるかを問題にし
た。しかし、ネジ嵌合が実際に外れると、そのネジ底断
面に直接荷重がかかることになるので（図６のくびれ７
５）、そのネジ底断面が母管に対して占める割合が雄ネ
ジ破断の継手効率となる。今、１８−５／８" の肉厚ｔ
＝１１．０５ｍｍが最小であるので、ジャンプアウト抵
抗８０％を期待したときの当該ネジ底は、ｙ＝０．０２
３÷２×（４７３／２）＝２．７ｍｍだけ鋼管の外表面
１０から半径方向中心側に変位している（図２を参
照）。この時のネジ底断面／母管断面＝（１１．０５−
２．７）／１１．０５＝０．７６となる。この値は、８
０％より小さいが、ネジ部の管軸に垂直な断面は円周の
半分がネジ山部で、残り半分がネジ底部なので、単純な
環状溝よりネジ溝の方が引張強度は高い筈である。従っ
て、上記効率０．７６は実際には０．８０以上あると考
えられる。

【００３６】さらに、図４に示すように、雄ネジ不完全
ネジ部で、ネジ底が２．７ｍｍ未満のところを同一テー
パＴでネジ終端までわざわざランアウトして長くネジ加
工しなくても、どうせ引張荷重下で縮管するときに外れ
るのであれば、ネジ加工時、ネジ底１１が管体１２の外
表面１０から２．７ｍｍの深さに達したところからテー
パを大きくして切り上げてしまい、不完全ネジ部を短く
する方法が考えられる。対応するテーパ雌ネジもテーパ
雄ネジのネジ底切り上がり部に相当する位置のネジ山頂
面を、ピンのネジ底に当たらないようにテーパ雄ネジの
底テーパに沿って切り落としている。こうすれば、対応
するテーパ雌ネジを備えたカップリング（又はボック
ス）２７も短く出来るメリットもある。しかし、ネジ先
端の切り込み深さｘが深く、ジャンプアウト抵抗が高く
取れている継手にこの方法を適用すると、ジャンプアウ
トより雄ネジ底破断によって継手効率を低下させてしま
うので、適用に当たっては注意が必要である。テーパネ
ジを切り上げる位置は、ジャンプアウト強度から管体１
２の縮径量（又は半径方向変位ｙ）を算出し、それに相
当するネジ底を有する不完全ネジ部が目安となる。

【００３７】また、ジャンプアウトを防止する常套手段
には、バットレス形状ネジのロードフランク面を管軸に
垂直な面に対して通常のネジとは逆向きに傾け、ネジの
嵌合が外れにくくしたインバースネジ（あるいはフック
ネジと呼ぶ）の適用がある。本発明にこのインバースタ
イプのネジを適用すれば、母管の縮径に対してネジの嵌
合が、幾分食い止めらるので、ジャンプアウト抵抗をさ
らに向上させることができる。その場合でも、基礎のネ
ジ緒元として管の外径Ｄ＝３４０〜６６１ｍｍ、ネジの
テーパをＴ＝１／１２〜１／１０という範囲が適当であ
る。さらに、大径テーパネジ継手では締込み作業が大変
になるので、多条ネジを利用して締込み回転数を減らす
ことが行われるが、本発明は、図２にも示したようにネ
ジ緒元の肉厚断面内の配置で決定されるものであるの
で、断面形状が同じであればネジの条数に関係なく本発
明は適用できる。ネジの山形状については、バットレス
形状について説明したが、これに限定されず、角ネジ又
は台形ネジでも適用できる。

【００３８】

【発明の実施の形態】表４に、本発明による大径テーパ
ネジ継手の実施の形態を示す。

【００３９】

【表４】

【００４０】選択した外径範囲は、サーフェースケーシ
ング、コンダクターケーシングの汎用サイズで、低強度
材が比較的よく使用され、本発明がカバーする全範囲で
ある。肉厚ｔは、雄ネジのネジ先端部厚み（ｔ−ｘ）が
薄くなって、ネジ設計上クリティカルとなる薄肉厚ｔｍ
ｉｎを対象とした。ｘは、雄ネジ先端のネジの切り込み
深さを指し、本発明の下限値である。

【００４１】図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそ
れぞれ本発明に係る管継手の継手プロファイルの説明図
である。（ａ）、（ｃ）はそれぞれ短管を用いたカップ
リングタイプの管継手１５、２２を、また（ｂ）、
（ｄ）はそれぞれ短管を用いずに雌ネジ部を管端に溶接
したピン、ボックスタイプの管継手１８、２６を示す。
（ａ）は前記ネジ緒元にカップリング１３の中央にピン
１４のテーパ雄ねじの先端が当接するストッパー（又は
ネジ込み止め）のない管継手１５を、（ｂ）はボックス
１６の奥ににピン１７のテーパ雄ねじの先端が当接する
ストッパー（又はネジ込み止め）のない管継手１８を示
す、また、（ｃ）はカップリング１９の中央にピン２１
のテーパ雄ねじの先端が当接するストッパー２０を設け
た管継手２２を、（ｄ）はボックス２３の奥にピン２５
のテーパ雄ねじの先端が当接するストッパー２４を設け
た管継手２６を示す。

【００４２】

【発明の効果】請求項１〜４記載の管継手においては、
テーパ雄ネジがテーパ雌ネジから引き抜けるジャンプア
ウトに対する抵抗を高める為にネジのテーパ、テーパ雄
ネジの先端でのネジの切り込み深さ、及びネジ山高さを
管外径又はネジピッチに応じて適切に設定することがで
きるので、ジャンプアウトの生じ易い外径が３４０〜６
６１ｍｍの大径で、かつ伸びの大きいＫ５５グレード等
の材料でも、耐ジャンプアウト抵抗を高く維持でき、従
来の大径側では６０％台に低下していた継手効率をほぼ
８０％に高めることができる。特に、請求項３又は４記
載の管継手においては、テーパ雄ネジを締め込んだ時、
テーパ雄ネジの先端が当接するストッパーをカップリン
グの中央又はボックスの奥に設けているので、ネジの位
置決めが容易となり、接続作業が軽減される。

【００４３】請求項５記載の管継手においては、ジャン
プアウト抵抗に影響しない範囲で、テーパ雄ネジのテー
パを同一テーパでネジ終端までランアウトさせないで、
完全ネジ部と不完全ネジ部の境界、又はその途中からテ
ーパを大きくして不完全ネジ部を短くし、対応するテー
パ雌ネジもテーパ雄ネジのネジ底切り上がり部に相当す
る位置のネジ山頂面を、ピンのネジ底に当たらないよう
にテーパ雄ネジの底テーパに沿って切り落としているの
で、ピンに対応するカップリング又はボックスのネジ長
さを短くでき、その結果、ネジ切り作業時間が短縮され
ると共に、ネジ切り作業費を軽減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】材料の応力歪み線図である。

【図２】テーパネジ列の管断面内のレイアウト図であ
る。

【図３】各種油井管材料の応力歪み線図である。

【図４】ネジ切り上げ要領を示す説明図である。

【図５】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ本
発明に係る管継手の継手プロファイルの説明図である。

【図６】ジャンプアウトを生じたテーパネジ継手のテー
パ雄ネジの断面図である。

【図７】同要部拡大図である。

【符号の説明】

１０：外表面、１１：ネジ底、１２：管体（管）、１
３：カップリング、１４：ピン、１５：管継手、１６：
ボックス、１７：ピン、１８：管継手、１９：カップリ
ング、２０：ストッパー、２１：ピン、２２：管継手、
２３：ボックス、２４：ストッパー、２５：ピン、２
６：管継手、２７：カップリング（ボックス）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者奥田博文山口県光市大字島田3434番地新日本製鐵株式会社光製鐵所内 (72)発明者谷本道俊山口県光市大字島田3434番地新日本製鐵株式会社光製鐵所内Ｆターム(参考） 3H013 GA01 GA08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】管端部に１条もしくは多条のテーパ雄ネ
ジが加工されたピンと、該テーパ雄ネジに螺合するテー
パ雌ネジが短管の両側の内面に加工されたカップリング
とからなる管継手において、ネジ山の形状が角ネジ、台
形ネジ、又はバットレスタイプであって、前記管の外径
をＤ＝３４０〜６６１（ｍｍ）、前記管の肉厚をｔ（ｍ
ｍ）、前記管の外表面からのネジの管端切り込み深さを
ｘ（ｍｍ）、前記ネジのテーパをＴ＝１／１２〜１／１
０、ネジ山高さをＨ（ｍｍ）、ネジピッチをｐ（ｎ山／
ｉｎ）とした時、以下の関係式を満足することを特徴と
する管継手。Ｈ＞（ｐ／４）／０．８ｘ＞０．００５７５×Ｄ＋１．６×ｔ×Ｔ−（２／３）
×Ｈ
【請求項２】管端部に１条もしくは多条のテーパ雄ネ
ジが加工されたピンと、短管の内側に該テーパ雄ネジに
螺合するテーパ雌ネジが加工され、他の管端部に溶接さ
れたボックスとからなる管継手において、ネジ山の形状
が角ネジ、台形ネジ、又はバットレスタイプであって、
前記管の外径をＤ＝３４０〜６６１（ｍｍ）、前記管の
肉厚をｔ（ｍｍ）、前記管の外表面からのネジの管端切
り込み深さをｘ（ｍｍ）、前記ネジのテーパをＴ＝１／
１２〜１／１０、ネジ山高さをＨ（ｍｍ）、ネジピッチ
をｐ（ｎ山／ｉｎ）とした時、以下の関係式を満足する
ことを特徴とする管継手。Ｈ＞（ｐ／４）／０．８ｘ＞０．００５７５×Ｄ＋１．６×ｔ×Ｔ−（２／３）
×Ｈ
【請求項３】請求項１記載の管継手において、前記テ
ーパ雄ネジを前記カップリングに締め込んだ時、前記テ
ーパ雄ネジの先端が当接するストッパーを前記カップリ
ングの中央に備えていることを特徴とする管継手。
【請求項４】請求項２記載の管継手において、前記テ
ーパ雄ネジを前記ボックスに締め込んだ時、前記テーパ
雄ネジの先端が当接するストッパーを前記ボックスの奥
に備えていることを特徴とする管継手。
【請求項５】請求項１〜４のいずれか１項に記載の管
継手において、ジャンプアウト抵抗に影響しない範囲
で、前記テーパ雄ネジのテーパを同一テーパでネジ終端
までランアウトさせないで、完全ネジ部と不完全ネジ部
の境界、又はその途中からテーパを大きくして前記不完
全ネジ部を短くし、対応する前記テーパ雌ネジも前記テ
ーパ雄ネジのネジ底切り上がり部に相当する位置のネジ
山頂面を、前記ピンのネジ底に当たらないように前記テ
ーパ雄ネジの底テーパに沿って切り落としたことを特徴
とする管継手。