JP2012067909A - 鋼管用ねじ継手 - Google Patents

Abstract

【課題】シール性と耐圧縮性、さらには、耐ゴーリング性を向上させた、鋼管用ねじ継手を提供する。
【解決手段】ピンノーズ外周面3NSとボックスノーズ内周面1NSとがねじ結合時にノーズ部8先端から遠くて比較的長い第１のシール部20と、ショルダ部12に近くて比較的短い第２のシール部30を形成し、第１のシール部20形成箇所では、ボックスノーズ内周面1NSの母線が相異なる曲率半径Ｒを有する複数の円弧をボックス軸方向断面視で内側に凸状となるように順次滑らかに接続してなる第１の複合Ｒ曲線21で、雌ねじ部5から遠ざかるにつれて曲率半径Ｒが大きくなり、ピンノーズ外周面3NSはボックス部材3と干渉して第１のシール部20形成に資する第１のテーパ面22を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼管用ねじ継手に関し、詳しくは一般に油井やガス井の探査や生産に使用されるチュービングおよびケーシングを包含する油井管、すなわちＯＣＴＧ(oil country tubular goods)、ライザー管、ならびにラインパイプなどの鋼管の接続に用いるのに好適な、シール性と耐圧縮性に優れた鋼管用ねじ継手に関する。

ねじ継手は、油井管など産油産業設備に使用される鋼管の接続に広く使用されている。オイルやガスの探索や生産に使用される鋼管の接続には、従来ＡＰＩ（米国石油協会）規格に規定された標準的なねじ継手が使用されてきた。しかし、近年、原油や天然ガスの井戸は深井戸化が進み、垂直井から水平井や傾斜井が増加していることから、掘削・生産環境は苛酷化している。また、海洋や極地など劣悪な環境での井戸の開発が増加していることなどから、耐圧縮性能、耐曲げ性能、外圧シール性能（耐外圧性能）など、ねじ継手への要求性能は多様化している。そのため、プレミアムジョイントと呼ばれる高性能の特殊ねじ継手を使用することが増加している。

プレミアムジョイントは、通常、テーパねじ、シール部（詳しくはメタルタッチシール部）、ショルダ部（詳しくはトルクショルダ部）をそれぞれ備えるピン部材とボックス部材とを結合した継手である。テーパねじは管継手を強固に固定するために重要であり、シール部はボックス部材とピン部材とがこの部分でメタル接触することでシール性を確保する役目を担い、ショルダ部は継手の締付け中にストッパの役目を担うショルダ面となる。

図３〜図５は、油井管用プレミアムジョイントの模式的説明図であり、これらは、円管のねじ継手の縦断面図である。ねじ継手は、ピン部材3とこれに対応するボックス部材１とを備えており、ピン部材3（ピン3）は、その外面に雄ねじ7と、ピン3の先端側に雄ねじ7に隣接して設けられたノーズ部8（ピンノーズ8）と呼ばれるねじ無し部とを有する。ノーズ部8は、その外周面にシール部11を、その端面にはトルクショルダ部12を有する。相対するボックス部材1は、その内面に、それぞれピン3の雄ねじ7、シール部11、およびショルダ部12と螺合するか、または接触することができる部分である、雌ねじ5、シール部13、および、ショルダ部14を有している。

前記プレミアムジョイントに関する従来技術として、特許文献１〜６が挙げられる。

特許第４５３５０６４号公報 特許第４２０８１９２号公報 実公昭６１−４４０６８号公報 特許第４３００１８７号公報 特開２００１−１２４２５３号公報 特許第２７０５５０６号公報

図３〜図５の例では、メタルタッチシール部はピンノーズ8の先端部にあるが、特許文献１には、耐外圧性能を増すために、ピンノーズ8のねじ部近くにメタルタッチシール部を設け、ノーズ部をシール部からショルダ部まで長く伸ばすものも提案されている。この特許文献１に開示されるねじ継手においては、ボックス部材と非接触なピンノーズを、シール部とは不連続な形状となるように長く伸ばしてピンノーズの厚みが薄くならないように構成されており、前述の耐外圧性能の他に、耐軸圧縮性能の向上も実現している。

また、特許文献２には、同様にシール部からピンノーズ先端にアペンディックスなる、これもシール部と不連続な形状を有する部位を設けて、半径方向の剛性を確保し軸方向の剛性を下げて、締付け時にこのアペンディックスを変形させ、引張力の負荷時にその回復により、耐引張性能を向上させることが記載されている。
これら、特許文献１，２に記載されるように、シール部位置をピンのねじ部位置近くに置き、ピンノーズ先端から離すことは、耐外圧性能、耐引張性能の向上とともに、ねじに対して安定的な性能を持たせる上で有効であり、それはＦＥＭシミュレーション等からも確認できる。またシール部と不連続な形状となるピンノーズは、強い軸圧縮力が負荷された場合に、それ自体が変形し、ボックス部材のトルクショルダ部の塑性変形を軽減させる効果もある。しかし、一方で、不連続部に不正な変形が入ることもあり、これは締付けトルクに依存すると考えられる。

締付けトルクは潤滑条件、表面性状等に影響されるので、これに大きくは依存しない設計として、半径方向のシール接触圧力を強くした半径方向シール方式がある。例えば、特許文献３には、大きなピンシールＲ形状を持ち、シールテーパ角を小さくした半径方向シール方式の例が開示されている。しかし、このようにシールテーパ角を小さくした、半径方向シール方式の問題点は、締付け時にゴーリングが発生し易い点にある。また、半径方向シール方式では、シール性能の確保およびシールの安定性のために、シール干渉量を大きくとる必要があり、ゴーリングの発生のし易さは更に大きくなる。

特許文献４には、これらの問題を解決するために、トロイド状（円錐曲線回転面形状）ピンシール面の半径を大きく規定することで、シール接触領域を大きくし、接触圧力を低下させている。この対策は有効であり、メタルタッチシール部のゴーリングリスクを大きく軽減できる。しかし、大きなＲをとり接触圧力を低下させることで、何らかの僅かなトラブルで接触圧力の低下が生じ、メタルタッチシール部に微小なリークパスが出来た場合、リークが容易には止まらないという問題がある。また、大きなＲであるが故に、メタルタッチシール部をノーズ先端から離すことが物理的に困難であり、メタルタッチシール部とピンノーズ先端の長さをある程度以上に確保する場合、ピンノーズ先端の厚みが小さくなりすぎることにも繋がる。

耐軸圧縮性能に関しては、特許文献５や特許文献６に記載されるように、ねじ部におけるスタブフランク側の隙間を小さくすることが有効である。但し、この隙間が小さすぎる場合には、ねじ部にゴーリングが発生し易くなるため、適切な隙間をとる必要がある。
以上説明したように、従来提案されているねじ継手においては、未だ何らかの問題を有しており、上述した耐圧縮性能、耐曲げ性能、外圧シール性能など、ねじ継手への要求性能の多様化に十分応えるためには、更なる改良の余地がある。本発明は、このような事情に鑑みて、シール性と耐圧縮性、さらには、耐ゴーリング性を向上させた、鋼管用ねじ継手を提供することを目的とする。

前述した課題を解決するための手段を見出すべく、発明者らは鋭意検討を重ね、以下の要旨構成になる本発明をなすに至った。すなわち、本発明は以下のとおりである。
（１） 雄ねじ部と、該雄ねじ部より管端側に延在するノーズ部と、該ノーズ部の先端に設けられたショルダ部とを有するピン部材と、
前記雄ねじ部とねじ結合される雌ねじ部と、前記ピン部材のノーズ部外周面に相対するノーズ部内周面と、前記ピン部材のショルダ部に当接するショルダ部とを有するボックス部材とを有し、
前記ねじ結合により前記ピン部材とボックス部材とが結合されてピン部材の前記ノーズ部外周面とボックス部材の前記ノーズ部内周面とが継手軸方向の２箇所でメタル‐メタル接触しその２つの接触箇所がそれぞれ、前記ノーズ部の先端から遠くて比較的長い第１のシール部と、ショルダ部に近くて比較的短い第２のシール部とをなす鋼管用ねじ継手であって、
前記ボックス部材の第１のシール部形成箇所では前記ノーズ部内周面の母線が、相異なる曲率半径Ｒを有する複数の円弧をボックス軸方向断面視で内側に凸状となるように順次滑らかに接続してなる第１の複合Ｒ曲線であり、該第１の複合Ｒ曲線は、雌ねじ部から遠ざかるにつれて曲率半径Ｒが大きくなるものとし、
前記ピン部材の前記ノーズ部外周面は、前記ねじ結合時にボックス部材の前記第１のシール部形成箇所と干渉する第１のテーパ面を含むものとした
ことを特徴とする、鋼管用ねじ継手。
（２） 前記第１の複合Ｒ曲線内の各円弧がなす角度は、前記雌ねじ部に近い円弧のものほど大きいことを特徴とする前記（１）に記載の鋼管用ねじ継手。
（３） 前記第１の複合Ｒ曲線内の円弧の接続点のいずれかが前記ピン部材の第１のテーパ面のタンジェントポイントになることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の鋼管用ねじ継手。
（４） 前記第１のテーパ面は、ピン軸方向となす角度α_１が１０度以内であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
（５） 前記ピン部材のノーズ部の長さＬが２０ｍｍ以上であることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
（６） 前記ピン部材の第２のシール部形成箇所ではノーズ部外周面の母線が、前記第１のテーパ面を形成する母線に滑らかに接続される曲線であって、相異なる曲率半径Ｒを有する複数の円弧をピン軸方向断面視で外側に凸状となるように順次滑らかに接続してなる第２の複合Ｒ曲線であり、該第２の複合Ｒ曲線は、雄ねじ部から遠ざかるにつれて曲率半径が小さくなるものとし、
前記ボックス部材のノーズ部内周面は、前記ピン部材の前記第２のシール部形成箇所と干渉する第２のテーパ面を含むものとしたことを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
（７） 前記第２のテーパ面は、ボックス軸方向となす角度α_２が４５度以内であることを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
（８） 前記雄ねじ部と前記雌ねじ部とは、スタブフランク角度γが０度〜３０度の範囲内であることを特徴とする前記（１）〜（７）のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
（９） 前記雄ねじ部と前記雌ねじ部とは、ロードフランク角度βが−５度〜４度の範囲内であることを特徴とする前記（１）〜（８）のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
（１０） 前記雄ねじ部と前記雌ねじ部とは、ねじ結合時のねじ隙間Ｇが０．０１〜０．１ｍｍの範囲内であることを特徴とする前記（１）〜（９）のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
（１１） 前記ショルダ部のショルダ角度δが０度〜２０度の範囲内であることを特徴とする前記（１）〜（１０）のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
（１２） 前記雄ねじ部及び雌ねじ部のねじテーパ量が１/３２〜１/１２の範囲内であることを特徴とする前記（１）〜（１１）のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
（１３） 前記第２のシール部のシール干渉量Ｓ_２を前記第１のシール部のそれと同じか、それよりも小さくしたことを特徴とする前記（１）〜（１２）のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
（１４） 前記（１）〜（１３）のいずれかにおいて、順次滑らかに接続してなる曲線に代えて、順次滑らかに直接もしくは線分を介して接続してなる曲線としたことを特徴とする鋼管用ねじ継手。

なお、前記（１）〜（１４）において、滑らかに接続するとは、相互に接続する二円弧が相互の接続点上に共通接線を有することを意味する。

本発明によれば、シール性と耐圧縮性、さらには、耐ゴーリング性を向上させた、鋼管用ねじ継手を得ることが可能となる。

本発明の実施形態に係る鋼管用ねじ継手のノーズ部を示す断面図 図１におけるシール部近傍の部分拡大図 従来の鋼管用ねじ継手を示す断面図 図３におけるピンノーズ付近を示す拡大断面図 図３におけるねじ部分を示す拡大断面図 ねじ隙間、ロードフランク角度、スタブフランク角度の定義を示す断面図 リークテストシミュレーションにおける負荷履歴を示すチャート図

上述のとおり、ノーズ先端から離れた位置にシール部を設け、ノーズ部をシール部からショルダ部まで長く伸ばすことは、耐外圧性能、耐引張性能の向上とともに、ねじに対して安定的な性能を持たせる上で有効であり、特に、ピン部材のシール部におけるボックス部材と最初に接触する点を意味するタンジェントポイントが、ピン部材のノーズ先端からなるべく離れていることが有効である。そこでさらに、発明者らは、シール部をノーズ先端（あるいはショルダ）から離すことができるようにするための、シール部周辺の形状について検討した。

その結果、
(i) ねじ結合時に、ピン部材のノーズ部外周面とボックス部材のノーズ部内周面とが継手軸方向の２箇所でメタル‐メタル接触しその２つの接触箇所がそれぞれ、前記ノーズ部の先端から遠くて比較的長い第１のシール部と、ショルダ部に近くて比較的短い第２のシール部とをなすようにすること（ここで、比較的長いとは、後述のシール接触長さが２つのシール部における接触長の比較で片方より常に長いことを意味し、比較的短いとは同シール部接触長さが片方より常に短いことを意味する。）、
(ii) 前記ボックス部材の第１のシール部形成箇所ではノーズ部内周面の母線が、相異なる曲率半径Ｒを有する複数の円弧をボックス軸方向断面視で内側に凸状となるように順次（直接もしくは線分を介して）滑らかに接続してなる第１の複合Ｒ曲線であり、該第１の複合Ｒ曲線は、雌ねじ部から遠ざかるにつれて曲率半径Ｒが大きくなるものとすること、及び
(iii) 前記ピン部材のノーズ部外周面は、前記ねじ結合時にボックス部材の前記第１のシール部形成箇所と干渉する第１のテーパ面を含むものとすること、
という条件を満たすことで、シール部のタンジェントポイントをノーズ先端から離すことが可能であるとの発想に至った。さらに、シール部の接触面圧分布に、Ｒが大きくて面圧が低く接触長が長い部位と、Ｒが小さくて面圧が高く接触長が短い部位とを設けることで、リークパスができにくく極限シール性能が向上する効果もある知見に至った。

図１は、本発明の実施形態に係る鋼管用ねじ継手のノーズ部を示す断面図であり、（ａ）はピン部材3を、（ｂ）はボックス部材1を、（ｃ）はピン部材3とボックス部材1とを結合した状態を示す。ピン部材3は、鋼管の端部に設けられるものであり、雄ねじ部7と、該雄ねじ部7より管端側に連なるノーズ部8と、該ノーズ部8の先端に設けたトルクショルダ部12とを有する。一方、ボックス部材1は、ピン部材3の雄ねじ部7とねじ結合される雌ねじ部5と、前記ねじ結合によるピン部材3とボックス部材1との結合状態下でピン部材3のノーズ部8の外周面（ピンノーズ外周面）3NSに対向するボックス部材1の内周面（ボックスノーズ内周面）1NSと、ショルダ部12に当接されるショルダ部14とを有している。

ピン部材3とボックス部材1とは、それらの結合状態において、図１(c)に示すとおりピンノーズ外周面3NSとボックスノーズ内周面1NSとが継手軸方向の２箇所でメタル‐メタル接触しその２つの接触箇所がそれぞれ、ノーズ先端から離れて比較的長い第１のシール部20と、ショルダ部12に近くて比較的短い第２のシール部30とをなすように設計されている。

まず、第１のシール部20について説明する。
第１のシール部20形成箇所において、ボックスノーズ内周面1NSはボックス部材1の軸方向断面視で内側に凸状の曲線をなしており、一方、ボックスノーズ内周面1NSに対向するピンノーズ外周面3NSはねじ継手の軸方向（略して、継手軸方向）に対して一定の傾角（テーパ角という）α_１を持つ第１のテーパ面22（円錐形状面）とされている。

そして、ピン部材3とボックス部材1とを結合させると、第１のテーパ面22とボックスノーズ内周面1NSとが干渉して第１のシール部20を形成する。第１のテーパ面22のテーパ角α_１は、ピン部材3とボックス部材1とが干渉し合わないと仮定して結合した状態である仮想的無干渉結合状態におけるねじ継手の軸方向断面視でボックスノーズ内周面1NS内の前記凸状の曲線と第１のテーパ面22の母線とが二点Ａ，Ｂで交わるように設定される。実際にはその二交点Ａ，Ｂで挟まれた範囲内に第１のシール部20は形成される。前記仮想的無干渉結合状態においてボックスノーズ内周面1NSには第１のテーパ面22から内側への仮想的張り出し部分が生じるが、該仮想的張り出し部分の、第１のテーパ面22からの最大張り出し量を、第１のシール部20のシール干渉量Ｓ_１と称し、又、該仮想的張り出し部分の継手軸方向長さを、第１のシール部20のシール接触長さｌ_１と称する。尚、上記シール干渉量及びシール接触長さは、第１のシール部20についてのみならず、これと同様な前記仮想的張り出し部分を有する他のシール部についても同様の意味で用いる。ここで、実際にねじを締め付けた際の真実の接触長は、前記接触長さｌ_１とは異なるものであり、すなわち、実際の接触長さは負荷される荷重条件によって変化する。

ボックスノーズ内周面1NS内の前記凸状の曲線は、雌ねじ部5に隣接する部分につなげられる、相異なる曲率半径Ｒ₁,Ｒ₂,Ｒ₃を持つ円弧Ｎ₁,Ｎ₂,Ｎ₃を順次滑らかに接続した複合Ｒ曲線Ｎと同一形状を有する第１の複合Ｒ曲線21であり、前記複合Ｒ曲線Ｎは、雌ねじ部5から遠ざかるにつれて円弧の曲率半径が大きくなる、すなわち、Ｒ₁＜Ｒ₂＜Ｒ₃である曲線形状とされている。尚、雌ねじ部5に隣接する部分への複合Ｒ曲線Ｎのつなげ方及びその曲率半径Ｒ₁＜Ｒ₂＜Ｒ₃の値は、所望のシール接触長さ及びシール干渉量が得られるように適宜設定される。

これにより図２に示すように、タンジェントポイントのノーズ部先端からの距離をより大きくとることができるようになる。図２は、図１(c)における第１のシール部20付近の拡大図である。ここで、図２には、比較として凸状の曲線を単一Ｒ曲線Ｍ（曲率半径Ｒの単一円弧）とし、そのシール部のシール接触長さおよび干渉量をそれぞれ、第１の複合Ｒ曲線21の第１のシール部20のシール接触長さｌ_１およびシール干渉量Ｓ_１と同等とした場合を破線で示している。ボックス部材とピン部材とを結合させるとき、ピン部材の第１のテーパ面22は、ボックス部材の第１のシール部20を形成する凸状の曲線としての複合Ｒ曲線Ｎあるいは単一Ｒ曲線Ｍに対し、図２中の矢印に示したように22aから22bの位置へ移動する。第１のテーパ面22が22aの位置にあるときが、ボックス部材の凸状の曲線（複合Ｒ曲線Ｎあるいは単一Ｒ曲線Ｍ）と第１のテーパ面22とが接触を開始する時点である。この時点の第１のテーパ面22と凸状の曲線（Ｎ，Ｍ）との接触点Ｐ，Ｐ’ が、それぞれ、凸状の曲線がＮである場合とＭである場合とのタンジェントポイントである。同図から明らかなように、Ｒ_１＜Ｒ_２＜Ｒ_３の関係を有する相異なる曲率半径Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３を持つ円弧Ｎ_１，Ｎ_２，Ｎ_３を順次接続した複合Ｒ曲線Ｎの場合のタンジェントポイントＰは、単一Ｒ曲線Ｍの場合のタンジェントポイントＰ’よりも右側に位置していることがわかる。すなわち、図２よりも左側に位置するノーズ先端からタンジェントポイントまでの距離は、凸状の曲線として上記の複合Ｒ曲線Ｎを採用したほうが、単一Ｒ曲線Ｍを採用する場合に比較して大きくなる。これにより、耐外圧性能、耐引張性能の向上とともに、ねじに対して安定的な性能を持たせることが可能となる。

また、第１の複合Ｒ曲線21（＝複合Ｒ曲線Ｎ）は、円弧の接続点上の接線が接続相手の円弧のそれと一致するような曲線形状とされている。例えば、円弧Ｎ₁とＮ₂との接続点、円弧Ｎ₂とＮ₃との接続点ではそれぞれ、接続される両円弧の接線を一致させてある。したがって、凸状の曲線は当該曲線上に屈曲点が存在しない連続的な曲線形状となる。これが、非連続的な形状であると、シール接触において、部分的な高面圧が発生することがある。尚、前記接続される両円弧同士は、直接接続してもよく、又、前記円弧同士の共通接線と重なる線分を介して接続してもよい。この点は後述の第２の複合Ｒ曲線でも同様である。

ここで、円弧Ｎ₁,Ｎ₂,Ｎ₃の各円弧のなす角度θ₁,θ₂,θ₃は、雌ねじ部5に近い円弧のものほど大きいこと、すなわち、θ₁＞θ₂＞θ₃であることが好ましい。さもないと、限られたピン部材3のノーズ部8の長さ（図１(a)中のピンノーズ長さＬ）に対応するボックスノーズ内周面1NSの長さあるいは限られた第１のシール部20のシール接触長さの中で第１の複合Ｒ曲線を設計するのが困難となる。

さらに、第１の複合Ｒ曲線21における円弧の接続点、例えば、円弧Ｎ₁とＮ₂との接続点、及び、円弧Ｎ₂とＮ₃との接続点、のいずれかが、ピン部材3の第１のテーパ面22と最初に接触する点を意味するタンジェントポイントと一致していることが好ましい。第１の複合Ｒ曲線21内の円弧の接続点のいずれかをタンジェントポイントにすることで、第１のシール部20にＲが大きくて面圧が低く接触長が長い部位と、Ｒが小さくて面圧が高く接触長が短い部位とを確実に設けることができ、リークパスができにくく極限シール性能が向上するという効果を確実に得ることができる。

なお、ピン部材3のタンジェントポイントは、第１のシール部20をノーズ先端から離す観点から、雄ねじ部先端からの距離が0.7Ｌ（上述のとおりＬはピンノーズ長さである）以下になる位置に置くのがよい。更には、タンジェントポイントの雄ねじ部先端からの距離が0.2Ｌ未満となると、締め付けの際、第１のシール部20とねじ部の干渉が生じ易くなるため、0.2Ｌ以上が良い。更に安全のためには0.3Ｌ以上が良い。

ピン部材3の第１のテーパ面22のテーパ角α_１は１０度以内であることが好ましい。 テーパ角α_１を１０度以内、更に好ましくは５度以内とすることで、半径方向シール方式が好適に実現でき、シール性能の締付けトルク依存性が比較的低くなる。
ピンノーズ長さＬは、２０ｍｍ以上であることが好ましい。これによれば、第１のシール部がピンノーズ先端から十分離間し、その結果、この離間距離範囲内の弾性変形により、第１のシール部へのダメージをより大きく軽減できるため、シール性能の安定化に効果的である。シール性能が安定化するため、第１のシール部20のシール干渉量Ｓ_１（図１(c)参照）は、半径方向シール方式としては比較的小さくとることが可能であり、ゴーリングリスクが小さい。

なお、第１の複合Ｒ曲線21内の２種類以上のＲは、比較的小さいＲについては１インチ以下、比較的大きいＲについては２インチ以上、さらに大きいＲについては３インチ以上にとるのが好ましい。詳しくは、第１の複合Ｒ曲線の複数のＲのうち少なくとも１つを２インチ以上（より好ましくは３インチ以上）、残りのＲを少なくとも１つを２インチ未満（より好ましくは１インチ以下）とすることが好ましい。複合Ｒ曲線の複数のＲのうち少なくとも１つを２インチ以上（より好ましくは３インチ以上）とすることで、シール部の接触長さを確保し易くなり、残りのＲを少なくとも１つを２インチ未満（好ましくは１インチ以下）とすることで、高い面圧を達成し易くなる。

また、第１の複合Ｒ曲線21内の円弧の個数（相異なるＲを持つ円弧の個数）は、２個でもよく、図１に例示した３個でもよく、あるいは４個以上でもよい。円弧の個数が増えると設計上の自由度がより大きくなり、よりシール性能を向上させた形状デザインを達成しやすいが、実際の製造における負荷や寸法確認などの手間が増えたりもするから、円弧の個数は実際にねじ継手に要求される性能に応じて設計するのがよい。

次に、第２のシール部30について説明する。
第２のシール部30形成箇所において、ピンノーズ外周面3NSの母線は前記第１のテーパ面22を形成する母線に滑らかに接続される曲線であって、相異なる曲率半径Ｒを有する複数の円弧をピン軸方向断面視で外側に凸状となるように順次滑らかに接続してなる第２の複合Ｒ曲線32であり、該第２の複合Ｒ曲線32は、雄ねじ部7から遠ざかるにつれて曲率半径が小さくなるものとすることが好ましい。それと共に、ボックスノーズ内周面1NSは、ピン部材3の前記第２のシール部30形成箇所と干渉する第２のテーパ面32を含むことが好ましい。ピン部材3とボックス部材1とを結合させると、第２のテーパ面31が、第２の複合Ｒ曲線32を母線とするボックスノーズ内周面1NS部分と干渉して第２のシール部30が形成される。第２のテーパ面31がボックス軸方向となす角度（テーパ角）α_２は、第２のシール部30を形成する前記干渉が実現するように設定される。

第２のシール部30を設けたことによる効果は、軸圧縮状態からやや引張気味の外圧シール性が向上する点にあることを発明者らは見出した。但し、この効果は、第２のシール部30の形成に関与する第２のテーパ面31のテーパ角α_２が４５度を超えた場合、目立たなくなるため、α_２は４５度以内とすることが好ましい。より好ましくは３５度以下が良い。更に、この効果が、一旦軸圧縮を経た後の軸引張り＋内圧（最も厳しいテスト条件）付与時のシール性向上に良い効果を与える。

また、発明者らは第２のシール部30のシール干渉量Ｓ_２を前記第１のシール部20のシール干渉量Ｓ_１と同じか、これよりも小さくすることで、シール性能全体が向上することを見出した。なお、好ましくは、Ｓ_１/２≦Ｓ_２かつ、Ｓ_２≦Ｓ_１である。
上記の第１乃至第２のシール部周辺の形状の好適範囲規定に加えて、雄ねじ部と雌ねじ部とについて、ロードフランク角度、スタブフランク角度、ねじ隙間、ねじテーパ量のいずれか１種又は２種以上を好適範囲に規定することで、それらの組み合わせ効果によって、よりシール性能が全体的に向上することが確認された。ここで、ロードフランク角度は、図６に示すロードフランク角度β、すなわち、ロードフランク面18が継手軸直交面（ねじ継手の軸方向と直交する面の意。以下同じ）に対してなす角度βである。また、スタブフランク角度は、図６に示すスタブフランク角度γ、すなわち、スタブフランク面19が継手軸直交面に対してなす角度γである。また、ねじ隙間は、図５に示すねじ隙間Ｇ、すなわち、雄ねじのねじ山7aとこれに噛み合う雌ねじのねじ溝5aとの隙間Ｇである。また、ねじテーパ量は、雄ねじ（又は雌ねじ）のねじ山頂部（又はねじ溝底部）を通るテーパ面が継手軸方向となす角度のタンジェント値である。

ロードフランク角度βの好適範囲は−５度〜４度であり、該好適範囲の下限はねじ部の耐ゴーリング性と工具寿命の観点から、上限は耐曲げ性の観点から、それぞれ定められた。
スタブフランク角度γの好適範囲は０度〜３０度であり、該好適範囲の下限はねじ部の耐ゴーリング性と工具寿命、締め付け性の観点から、上限は耐軸圧縮性の観点から、それぞれ定められた。

ねじ隙間Ｇの好適範囲は０．０１〜０．１ｍｍであり、該好適範囲の下限はゴーリングリスクを軽減する観点から、上限は軸圧縮負荷時にピン先端の負担を軽減させる観点から、それぞれ定められた。なお、ねじ切り時のリードの誤差を考慮すると、ねじ隙間Ｇは小さくとも０．０３ｍｍ程度が好ましい。また、ねじ隙間Ｇは０．０４５ｍｍ程度で十分な性能を効果的に発揮できることを見出したので、状況に応じて０．０４５ｍｍ程度としてもよい。

ねじテーパ量の好適範囲は１/３２〜１/１２である。
ロードフランク角度、スタブフランク角度、ねじ隙間、ねじテーパ量の１種又は２種以上を上記のとおりに規定することによるシール性能の全体的向上効果は、特に、一旦軸圧縮を負荷した後の軸引張＋内圧もしくは外圧を負荷する条件下で顕著である。
また、ショルダ部のショルダ角度δ（ショルダ部の継手軸方向の端面が継手軸直交面に対してなす角度であり、当該界面のピン外周側がピン内周側からみて継手軸方向外側に張り出す場合を正の角度とする）は、０度〜２０度であることが好ましい。ショルダ角度が０度未満ではシール性能や、締め付け特性の点で不利となり、一方、２０度超ではボックスショルダ部の塑性変形や、シール部の局所変形が発生し易いという点で不利となる。好ましくは１５度以下が良い。更に状況に応じては、７度以下が好ましい。

発明例として、図１に示した、あるいは図１において第１の複合Ｒ曲線の円弧のいずれか２つを線分を介して接続した形態とした、本発明に係る鋼管用ねじ継手について、ＩＳＯ１３６７９に準拠したリークテストをシミュレートし、この際のシール部での接触面積圧(ksi・inch）をＦＥＭ解析により求めた。なお、接触面積圧＝接触面圧×シール接触長さ、であり、積分計算で求める。このリークテストは、鋼管用ねじ継手に対し、素材の降伏条件の９５％に対応した２軸応力、および、内圧、外圧を、図７に示す履歴で負荷させるものである。

また、ねじ締付け時のゴーリングリスクを表す指標として、締付け開始から完了までのシール部の軸方向各位置における摺動距離(inch)と接触面圧(psi)との積で定義した、ゴーリング指標(psi・inch)＝接触面圧×摺動距離、の値をＦＥＭ解析により求めた。これも積分計算で求める。ゴーリング指標が小さいほどゴーリングリスクは小さいといえる。
また、比較として、
・比較例１：ボックス部材のシール部内周面の母線を単一のＲを有する凸状の曲線（図１に破線で示した単一Ｒ曲線Ｍ）形状とした場合、
・比較例２：ボックス部材のシール部内周面の母線を複合Ｒ曲線としたが、円弧のＲが雌ねじ部5から遠ざかるほど大きくなるという要件を満たさないとした場合、
について、同様に接触面積圧およびゴーリング指標を求めた。

発明例および比較例について、ねじ継手の各部寸法と併せて、ＦＥＭ計算で求めた接触面積圧およびゴーリング指標を表１に示す。なお、内圧条件、接触面積圧は、いずれの例も図７の履歴中のロードステップL18近傍（２軸引張応力＋内圧）において極小値（最もリークが起こり易い状態に相当）を示した。このロードポイントは、ＩＳＯ１３６７９では規定が無いものであるが、内圧＋引張り条件では、最も厳しい条件であり、必要とされることもあるため、ここでの比較とした。また、一度、圧縮履歴を受けた後であるロードステップL18は、圧縮履歴を受ける前の同じロードポイントであるロードステップL3より、シール性能が低下するため、L18での比較が良い。表１には各例の接触面積圧の極小値を相対極小値（全例の中で最小の極小値を100とし、他はこれに対する比で表したもの）で表示した。また、ゴーリング指標は、極大値（最もゴーリングリスクが高い状態に相当）を示す継手軸方向位置が例ごとに異なった。表１には各例のゴーリング指標の極大値を相対極大値（全例の中で最大の極大値を100とし、他はこれに対する比で表したもの）で表示した。尚、いくつかのサンプルを作り、物理テストを実施して、外圧の条件ではリークが無いことを確認した。問題となるのはQ1の領域のみであり、シール干渉量を小さくすると、一旦軸圧縮を受けた後のL18で、最初にリークが発生するケースがあることを確認済みである。

表１より、発明例ではいずれも、比較例に比べ、接触面積圧が高いにもかかわらずゴーリング指標が小さいか同程度であり、シール性および耐ゴーリング性に優れたねじ継手が実現したことがわかる。

1 ボックス部材
1NS ピン部材のノーズ部外周面に相対するボックス部材のノーズ部内周面（ボックスノーズ内周面）
3 ピン（ピン部材）
3NS ピン部材のノーズ部外周面（ピンノーズ外周面）
5 雌ねじ（雌ねじ部）
5a 雌ねじのねじ溝
7 雄ねじ（雄ねじ部）
7a 雄ねじのねじ山
8 ノーズ部（ピンノーズ）
11、13 シール部（詳しくはメタルタッチシール部）
12、14 ショルダ部（詳しくはトルクショルダ部）
18 ロードフランク面
19 スタブフランク面
20 第１のシール部
21 第１の複合Ｒ曲線
22 第１のテーパ面
30 第２のシール部
31 第２のテーパ面
32 第２の複合Ｒ曲線

Claims (14)

1. 雄ねじ部(7)と、該雄ねじ部(7)より管端側に延在するノーズ部(8)と、該ノーズ部(8)の先端に設けられたショルダ部(12)とを有するピン部材(3)と、
   前記雄ねじ部(7)とねじ結合される雌ねじ部(5)と、前記ピン部材(3)のノーズ部外周面(3NS)に相対するノーズ部内周面(1NS)と、前記ピン部材のショルダ部(12)に当接するショルダ部(14)とを有するボックス部材(1)とを有し、
   前記ねじ結合により前記ピン部材(3)とボックス部材(1)とが結合されてピン部材の前記ノーズ部外周面(3NS)とボックス部材の前記ノーズ部内周面(1NS)とが継手軸方向の２箇所でメタル‐メタル接触しその２つの接触箇所がそれぞれ、前記ノーズ部の先端から遠くて比較的長い第１のシール部(20)と、ショルダ部に近くて比較的短い第２のシール部(30)とをなす鋼管用ねじ継手であって、
   前記ボックス部材(1)の第１のシール部(20)形成箇所では前記ノーズ部内周面(1NS)の母線が、相異なる曲率半径Ｒを有する複数の円弧をボックス軸方向断面視で内側に凸状となるように順次滑らかに接続してなる第１の複合Ｒ曲線(21)であり、該第１の複合Ｒ曲線(21)は、雌ねじ部から遠ざかるにつれて曲率半径Ｒが大きくなるものとし、
   前記ピン部材(3)の前記ノーズ部外周面(3NS)は、前記ねじ結合時にボックス部材の前記第１のシール部(20)形成箇所と干渉する第１のテーパ面(22)を含むものとした
   ことを特徴とする、鋼管用ねじ継手。
2. 前記第１の複合Ｒ曲線(21)内の各円弧がなす角度は、前記雌ねじ部(5)に近い円弧のものほど大きいことを特徴とする請求項１に記載の鋼管用ねじ継手。
3. 前記第１の複合Ｒ曲線(21)内の円弧の接続点のいずれかが前記ピン部材の第１のテーパ面(22)のタンジェントポイントになることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼管用ねじ継手。
4. 前記第１のテーパ面(22)は、ピン軸方向となす角度α_１が１０度以内であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
5. 前記ピン部材(3)のノーズ部の長さＬが２０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
6. 前記ピン部材(3)の第２のシール部(30)形成箇所ではノーズ部外周面の母線が、前記第１のテーパ面(22)を形成する母線に滑らかに接続される曲線であって、相異なる曲率半径Ｒを有する複数の円弧をピン軸方向断面視で外側に凸状となるように順次滑らかに接続してなる第２の複合Ｒ曲線(32)であり、該第２の複合Ｒ曲線(32)は、雄ねじ部から遠ざかるにつれて曲率半径が小さくなるものとし、
   前記ボックス部材(1)のノーズ部内周面は、前記ピン部材の前記第２のシール部(30)形成箇所と干渉する第２のテーパ面(31)を含むものとしたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
7. 前記第２のテーパ面(31)は、ボックス軸方向となす角度α_２が４５度以内であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
8. 前記雄ねじ部(7)と前記雌ねじ部(5)とは、スタブフランク角度γが０度〜３０度の範囲内であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
9. 前記雄ねじ部(7)と前記雌ねじ部(5)とは、ロードフランク角度βが−５度〜４度の範囲内であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
10. 前記雄ねじ部(7)と前記雌ねじ部(5)とは、ねじ結合時のねじ隙間Ｇが０．０１〜０．１ｍｍの範囲内であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
11. 前記ショルダ部(12)のショルダ角度δが０度〜２０度の範囲内であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
12. 前記雄ねじ部(7)及び雌ねじ部(5)のねじテーパ量が１/３２〜１/１２の範囲内であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
13. 前記第２のシール部(30)のシール干渉量Ｓ_２を前記第１のシール部(20)のそれと同じか、それよりも小さくしたことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
14. 請求項１〜１３のいずれかにおいて、順次滑らかに接続してなる曲線に代えて、順次滑らかに直接もしくは線分を介して接続してなる曲線としたことを特徴とする鋼管用ねじ継手。

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