JP2015110994A - 鋼管用ねじ継手 - Google Patents
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Abstract
Description
一方の鋼管本体の端面に接合される管状のピンと、他方の鋼管本体の端面に接合される管状のボックスとを備える鋼管用ねじ継手において、
前記ピンの外周面にテーパ状の雄ねじが形成され、前記ボックスの内周面にテーパ状の雌ねじが形成されており、前記雄ねじと前記雌ねじとが嵌合することにより、前記ピンと前記ボックスが締結され、
下記式(1)、(2)及び(3)を満たす、鋼管用ねじ継手が提供される。
AP:前記ピンの危険断面の断面積[mm2]
A0:前記鋼管本体の最小断面積[mm2]
At:前記雄ねじ又は前記雌ねじのねじ山の荷重面を前記鋼管本体の管軸に垂直な平面に対して投影したときの投影面積[mm2]
N:前記雄ねじ及び前記雌ねじのねじ山数
σYJ:前記ピン及び前記ボックスの素材の降伏強度[MPa]
σYB:前記鋼管本体の素材の降伏強度[MPa]
σTB:前記鋼管本体の素材の引張強度[MPa]
t:前記鋼管本体の肉厚[mm]
db:前記ボックスの危険断面における前記雌ねじのねじ底径[mm]
dp:前記ピンの危険断面における前記雄ねじのねじ底径[mm]
p:前記雄ねじ及び前記雌ねじのねじピッチ[mm]
h:前記雄ねじ及び前記雌ねじのねじ高さ[mm]
[1.1.鋼管用ねじ継手の全体構成]
まず、図1を参照して、本発明の第1の実施形態に係る鋼管用ねじ継手の全体構成について説明する。図1は、本実施形態に係る鋼管用ねじ継手を示す断面図である。
次に、図1〜図4を参照して、本実施形態に係るねじ継手の各部について詳述するとともに、後述するねじ継手の条件式に用いられる各種のパラメータを定義する。図2は、本実施形態に係るねじ継手においてピン2とボックス3が完全に嵌合した状態を示す拡大断面図である。図3は、図2の楕円部分Eを示す拡大断面図である。図4は、図1及び図2のA−A断面、B−B断面、C−C断面と、ねじ荷重面を投影した投影面を示す図である。
完全ねじ長さLt[mm]は、ピン2の雄ねじ22とボックス3の雌ねじ32が、緩み無く完全に嵌合した状態における、当該雄ねじ22と雌ねじ32との嵌合部(完全ねじ部)の管軸方向の長さである(図2参照。)。
管体直径D[mm]は、鋼管本体1の直径(外径)である(図1、図2参照。)。
管体肉厚t[mm]は、鋼管本体1の肉厚である(図1、図2参照。)。
継手肉厚tj[mm]は、ねじ継手の継手部(ピン2とボックス3)の嵌合部の肉厚である(図1、図2参照。)。
増肉率Δtは、管体肉厚tに対する継手肉厚tjの比率である(Δt=tj/t)。
ねじ高さh[mm]は、雄ねじ22及び雌ねじ32の荷重面25、35での高さである(図3参照。)。雄ねじ22の高さと、雌ねじ32の高さも同一である。
ねじテーパta[無次元量]は、雄ねじ22と雌ねじ32からなるテーパねじのテーパである(図3参照。)。雄ねじ22のテーパと、雌ねじ32のテーパは、同一である。
ねじ山数Nは、雄ねじ22のねじ山24及び雌ねじ32のねじ山34の数である。雄ねじ22のねじ山24の数と、雌ねじ32のねじ山34の数は同一である。
ボックス3の危険断面積AB[mm2]は、上記ボックス3の危険断面における断面積である(図4(a)参照。)。
ピン2の危険断面積AP[mm2]は、上記ピン2の危険断面における断面積である(図4(b)参照。)。
管体断面積A0[mm2]は、鋼管本体1の最小断面積(鋼管本体1を軸方向の任意の位置で該軸方向に対して垂直な断面で切断したときの鋼管本体1の断面積のうち、最小の断面積)である。例えば、鋼管本体1がその表面にスリットやグルーブが形成されていないストレート管である場合には、A0は、鋼管本体1の軸方向の任意の位置での断面(例えば、図1、図2のC−C断面)における鋼管本体1の断面積A1である(図4(c)参照。)。また、鋼管本体1の表面にスリットやグルーブが形成されている場合には、該スリットやグルーブの分だけ鋼管本体1の断面積が減少するので、A0は、該該スリットやグルーブの形成位置での鋼管本体1の断面積Ag、Asとなる(後述する第2の実施形態を参照。)。
ねじ底径dp[mm]は、上記ピン2の危険断面(B−B断面)における雄ねじ22のねじ底の直径である(図2、図4(b)参照。)。
ねじ荷重面の直径dn[mm]は、雄ねじ22のn番目のねじ山24の荷重面25のねじ高さ方向中心の直径、又は雌ねじ32のn番目のねじ山34の荷重面35のねじ高さ方向中心の直径である。
管体引張強度σTB[MPa]は、鋼管本体1の素材(管体素材)の引張強度である。一般に、σTB>σYBである。
継手降伏強度σYJ[MPa]は、ピン2及びボックス3の素材(継手素材)の降伏強度である。本実施形態では、ピン2の素材と、ボックス3の素材は同一である。また、本実施形態では、ピン2及びボックス3の素材(継手素材)と、鋼管本体1の素材(管体素材)は同一であるため、σYJ=σYBであるが、かかる例に限定されない。
次に、上記ねじ継手のテーパねじが完全に嵌合して緩んでいない場合に、ねじ継手が管体強度以上の継手強度を確保できるための条件について説明する。
t=3mm
p=5.08mm
h=0.85mm
db=68.3mm
dp=70.6mm
σYB=σYJ=235MPa
Δt=tj/t=2.22
次に、上記ねじ継手のテーパねじが緩んだ場合であっても、ねじ継手が管体強度以上の継手強度を確保できるための条件について説明する。
次に、上記ねじ継手が1回転緩んだ場合でも、ジャンプアウトを防止して、ねじ継手が管体強度以上の継手強度を発揮できるための条件式(3)及び(4)の妥当性を検証した結果について説明する。
まず、ねじ継手のFEAモデルに引張荷重を作用したときのねじ継手の変形挙動を解析する試験結果について説明する。本試験では、ねじ継手のテーパねじが、(a)緩み無く完全に嵌合している場合、(b)1回転緩んでいる場合、(c)2回転緩んでいる場合それぞれのFEAモデルを作成して、引張荷重を作用したときのねじ継手の変形挙動を解析した。当該FEAモデルの条件は以下の通りである。
p=5.08mm
h=0.85mm
db=68.344mm
dp=70.593mm
σYB=390MPa
σTB=540MPa
Lt=31.5mm
次に、完全ねじ長さLtと継手強度の関係を調べた各種試験の結果について説明する。
次に、ねじ継手の継手部(ピン2及びボックス3)の両端に管体1を取り付けた多数のFEAモデルを用いて、ねじ継手のテーパねじを1回転緩めて引張荷重を負荷した場合の破断形態を調べた試験結果について説明する。本試験のFEAモデルの条件は以下の通りである。
t=3.2〜4.5mm
σYB=250〜460MPa
σTB=402〜610MPa
σYJ=250〜460MPa
以上、本実施形態に係るねじ継手と、その条件式について説明した。上述したように、鋼管用のテーパねじ継手では、テーパねじの嵌合が不十分であったり、掘削時の振動などによりテーパねじが緩んだりした場合には、継手強度が著しく劣化する。ところが、従来では、テーパねじが緩んだときのメカニズム、劣化代については、何ら解明されていなかった。即ち、従来では、テーパねじの緩みを防止する対策は提案されていたが、テーパねじが緩んだ場合でも所望の継手強度を確保できる技術については、何ら提案されていなかった。
次に、本発明の第2の実施形態に係る鋼管用ねじ継手について説明する。第2の実施形態に係る鋼管用ねじ継手は、上記第1の実施形態に係る鋼管用ねじ継手と比べて、鋼管本体1にグルーブ又はスリット等が形成されている点で相違し、その他の機能構成は上記第1の実施形態と同様である。
図15は、鏡ボルト撤去時の折損性を向上させるために、表面にグルーブが形成された鋼管本体10を示す側面図である。
次に、上記第2の実施形態に係るグルーブ6又はスリット7が形成された鋼管本体10を用いた場合において、継手が完全に嵌合している場合に継手強度を確保でき、かつ、ねじ継手のテーパねじが緩んだ場合であっても、ねじ継手が管体強度以上の継手強度を確保できるための条件について説明する。
従って、第2の実施形態に係るスリット7が形成された鋼管本体10を用いる鋼管本体10にスリット7を形成した場合には、上記条件式(1)〜(3)において、鋼管本体10の最小断面積A0として、Asを用いることが好適である。A0にAgを代入した条件式(1)〜(3)を以下に示す。
2 ピン
3 ボックス
4 管軸
5 ビット
6 グルーブ
6A V字形のグルーブ
6B コの字形のグルーブ
7 スリット
11、11A、11B 端面
21、31 薄肉部
22 雄ねじ
23、33 厚肉部
24、34 ねじ山
25、35 荷重面
26、36 差し込み面
27、37 頂面
32 雌ねじ
Claims (2)
- 一方の鋼管本体の端面に接合される管状のピンと、他方の鋼管本体の端面に接合される管状のボックスとを備える鋼管用ねじ継手において、
前記ピンの外周面にテーパ状の雄ねじが形成され、前記ボックスの内周面にテーパ状の雌ねじが形成されており、前記雄ねじと前記雌ねじとが嵌合することにより、前記ピンと前記ボックスが締結され、
下記式(1)、(2)及び(3)を満たす、鋼管用ねじ継手。
AP:前記ピンの危険断面の断面積[mm2]
A0:前記鋼管本体の最小断面積[mm2]
At:前記雄ねじ又は前記雌ねじのねじ山の荷重面を前記鋼管本体の管軸に垂直な平面に対して投影したときの投影面積[mm2]
N:前記雄ねじ及び前記雌ねじのねじ山数
σYJ:前記ピン及び前記ボックスの素材の降伏強度[MPa]
σYB:前記鋼管本体の素材の降伏強度[MPa]
σTB:前記鋼管本体の素材の引張強度[MPa]
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