JP2023523735A - 二相ステンレス鋼を含む流体システム - Google Patents

二相ステンレス鋼を含む流体システム Download PDF

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Abstract

流体システムは、流体要素に機械的に取り付けるための流体継手を含む。この流体継手は、流体要素を受け入れるための孔を画定する内面と、流体要素に係合するために内面に形成されたシール部分とを有する接続体を含む。流体継手は、接続体の少なくとも１つの端部に外嵌するように構成されたリングをさらに含む。リングが、力を介して接続体に、孔に受け入れられた流体要素と共に組み付けられると、リングが、接続体を永久変形させるために十分な圧縮力を接続体に加え、これによって、シール部分の歯が、流体要素に食い込み、これによって、流体要素が、接続体に漏れなしに取り付けられる。さらに、流体要素、接続体およびリングのうちの少なくとも１つは、二相ステンレス鋼を含む。

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０２０年４月２３日に出願された米国仮特許出願第６３／０１４，３９２号の利益を主張し、その内容を参照により援用するものとする。
技術分野
本開示は、概して、流体要素に機械的に取り付けるための流体継手を含む流体システムであって、特に、流体継手および流体要素のうちの少なくとも一方が、二相ステンレス鋼材料を含む、流体システムに関する。
発明の背景
現在のところ、管と継手とは、一般的に溶接によって互いに取り付けられている。しかしながら、このような溶接技術は、互いに溶接することができない材料で管と継手とを製造する能力を妨げているか、または適切に溶接するために高度な技能を必要としている。
例えば、二相ステンレス鋼は、標準的なオーステナイト系ステンレス鋼と比較して、優れた耐食性、高い強度、十分な延性、良好な改質および費用対効果で注目されている。これらの改善された特性は、二相ステンレス鋼のオーステナイトとフェライトとの二相のミクロ組織に起因していることが多い。しかしながら、二相ステンレス鋼は、別の合金と比較して、溶接温度の点で安定性に欠けている。具体的には、溶接は、鋼のミクロ組織を最終的に内側で破壊して、耐食性と靭性とを低下させてしまう。
さらに、不適切な溶接技術と施工とによって、二相ステンレス鋼に有害な影響、例えば、フェライトとオーステナイトとのアンバランスな比および金属間相の形成が生じ、これによって、溶接ゾーンにおける腐食または機械的な損傷が加速してしまう。こういった影響は、特に腐食性のプロセス流体またはガス、例えば硫化水素の存在下で流体継手および管を危険に曝してしまう。例えば、水の存在下でのＨ２Ｓは、鋼管路に腐食、亀裂またはブリスターの形態の損害を与えてしまう。鋼へのＨ２Ｓの影響によって、硫化物応力割れ（ＳＳＣ）、水素誘起割れ（ＨＩＣ）および腐食が生じてしまう。二酸化炭素の存在は、鋼における腐食速度を高める傾向にある。また、二酸化炭素の存在は、ＳＳＣおよびＨＩＣの両方に対する鋼の感受性も高めることがある。
したがって、二相ステンレス鋼を含む管と継手とを溶接する際には、高度な技能および制御が必要となり、鋼が溶接ゾーンにおいて十分な耐食性および機械的な特性を維持することを確保するために、重要な措置が講じられなければならない。最高の結果が必要となるところでは、例えば腐食性の供給用途では、適切な母材と溶接フィラー金属とを選択することで成功が保証されるわけではない。二相ステンレス鋼の溶接時に満足のいく結果を得るためには、溶接プロセス、溶接機技術、ビード形状、予熱／パス間温度、ビードごとの入熱および腐食試料調製の全てに特別な注意が必要となる。
発明の簡単な概要
以下には、本発明の例示的な実施形態の簡単な概要が提示してある。この概要は、重要な要素を特定するかまたは本発明の範囲を限定することを意図するものではない。
第１の態様によれば、流体要素に機械的に取り付けるための流体継手は、前記流体要素を受け入れるための孔を画定する接続体であって、スリーブ部分と、前記流体要素に係合するためにスリーブ部分から半径方向内向きに延在する歯とを備える接続体を含む。流体継手は、接続体を前記流体要素に機械的に取り付けるために接続体の少なくとも１つの端部に外嵌するように構成されたリングをさらに含む。このリングが、力を介して接続体の少なくとも１つの端部に、孔に受け入れられた流体要素と共に組み付けられると、リングが、接続体を永久変形させるために十分な圧縮力を接続体に加え、これによって、この接続体の歯が、前記流体要素に食い込み、これによって、接続体が、流体要素に漏れなしに取り付けられる。さらに、接続体およびリングのうちの少なくとも一方は、二相ステンレス鋼を含む。
第１の態様の１つの例では、接続体およびリングの両方は、二相ステンレス鋼を含む。
第１の態様の別の例では、接続体および駆動リングのうちの一方は、二相ステンレス鋼を含み、接続体および駆動リングのうちの他方は、二相ステンレス鋼を含まない。
第１の態様のさらに別の例では、二相ステンレス鋼は、約３５％～約６５％のオーステナイト対フェライト比を含む。
第１の態様のさらに別の例では、二相ステンレス鋼は、最小約２５質量％のクロムを含む。
第１の態様の別の例では、二相ステンレス鋼は、最小約２質量％のモリブデンを含む。
第１の態様のさらに別の例では、二相ステンレス鋼は、最小約６．５質量％のニッケルを含む。
第１の態様のさらに別の例では、二相ステンレス鋼は、約４０以上のＰＲＥＮ（つまり、耐孔食指数）を含む。
第１の態様の別の例では、歯は、実質的に台形である断面輪郭を含む。
第１の態様のさらに別の例では、接続体の孔は、接続体の軸線方向および半径方向を規定する中心軸線を有する。歯は、内側側面と、外側側面と、内側側面と外側側面との間に延在する遠位面とを含む。さらに、内側側面と外側側面とは、半径方向に対して傾いて延在している。１つの例では、半径方向と、内側側面および外側側面の各々との間の角度は、約４０度～約６０度である。別の例では、遠位面の断面輪郭は、実質的に平らである。さらに別の例では、遠位面の断面輪郭は、約０．０１０インチ～約０．０５０インチの曲率半径を有するように丸み付けられている。さらに別の例では、遠位面の断面輪郭は、約０．００５インチ～約０．０４０インチの長さを有する。別の例では、遠位面は、内側側面と外側側面とに、約０．００３インチ～約０．００５インチの曲率半径を有する各々の縁部で交わっている。
第１の態様のさらに別の例では、接続体は、加工硬化させられた１つ以上の部分と、加工硬化させられていない１つ以上の部分とを有する材料の単一のモノリシック体である。
第２の態様によれば、流体システムは、流体要素と、流体要素に機械的に取り付けるための流体継手とを含む。この流体継手は、流体要素を受け入れるための孔を画定する内面と、流体要素に係合するために内面に形成されたシール部分とを有する接続体を含む。流体継手は、接続体を流体要素に機械的に取り付けるために接続体の少なくとも１つの端部に外嵌するように構成されたリングをさらに含む。リングが、力を介して接続体の少なくとも１つの端部に、孔に受け入れられた流体要素と共に組み付けられると、リングが、接続体を永久変形させるために十分な圧縮力を接続体に加え、これによって、シール部分の歯が、流体要素に食い込み、これによって、この流体要素が、接続体に漏れなしに取り付けられる。さらに、流体要素、接続体およびリングのうちの少なくとも１つは、二相ステンレス鋼を含む。
第２の態様の１つの例では、流体要素および接続体の両方は、二相ステンレス鋼を含む。
第２の態様の別の例では、流体要素および接続体のうちの一方は、二相ステンレス鋼を含み、流体要素および接続体のうちの他方は、二相ステンレス鋼を含まない。
第２の態様のさらに別の例では、歯は、実質的に台形である断面輪郭を含む。
当然ながら、前述した概略的な記載および以下の詳細な記載の両方が、例および例示的な実施形態を提示している。添付の図面は、記載した実施形態の更なる理解を提供するために含めてあり、本明細書に組み込んで、本明細書の一部を成している。図面には、本発明の様々な例示的な実施形態が示してある。
本発明の前述した態様および別の態様は、添付の図面を参照しながら以下の記載を読むことで当業者に明らかとなる。
流体要素に機械的に取り付けるための例示的な流体継手の断面図である。 組付け前の構成における継手の詳細な断面図である。 組付け後の構成における継手の別の詳細な断面図である。 流体継手への取付け前の流体要素の顕微鏡写真である。 流体継手への取付け後の流体要素の顕微鏡写真である。 継手用の例示的な歯の詳細な断面図である。 継手用の別の例示的な歯の詳細な断面図である。 継手用の代替的な接続体を形成するために処理されてよいワークの斜視図である。 図７に示したワークから形成された代替的な接続体の断面図である。
詳細な説明
以下は、本願の例示的な実施形態の詳細な説明である。本願のこういった実施形態を前述した図面を参照しながら説明することで、当業者には、記載した方法および／または特定の構造の様々な変更または改良が明らかとなり得る。当該技術分野を発展させてきた本願の教示に依存する全てのこのような変更、改良または変形は、本願の精神および範囲内にあると考えられる。したがって、こういった記載および図面は限定的な意味で考慮すべきではない。なぜならば、当然ながら、本願が図示の実施形態に決して限定されるものではないからである。さらに、特定の術語は、本明細書において便宜的に使用しているにすぎず、限定と解すべきではない。さらに、図面には、同じ要素を指定するにあたり、同じ参照符号が使用してある。
本明細書において、下端点および上端点を有する範囲が与えてある場合、このことは、好ましくは下端点以上を意味していて、別個にまたは独立して、好ましくは上端点以下を意味している。
さらに、「約」、「実質的な」、「実質的に」という用語およびそれらの変形は、記載した特徴が、公差、換算係数、四捨五入、測定誤差およびこれに類するものならびに別の係数を所望のように反映させた値または特徴と等しいかまたはほぼ等しいことに言及していることを意図している。例えば、２つの要素の「実質的に平行な」構成は、２つの要素が互いに平行またはほぼ平行であることに言及していることを意図している。さらに、「約」、「実質的な」、「実質的に」という用語およびこれらの変形は、正確な値の約１０％以内、例えば、正確な値の約５％以内または正確な値の約２％以内である値に言及し得る。値または特徴を記載するにあたり、「約」、「実質的な」、「実質的に」という用語およびこれらの変形を使用した場合、本開示は、言及している正確な値または特性を含むと解すものとする。値の範囲は、最小の管径および最大の管径の両方ならびに両方の間における管径に作用するように開発された設計における幾何学的な差異を説明するために設定してある。
付言しておくと、「約」、「実質的な」、「実質的に」という用語およびこれらの変形は、本明細書では、任意の定量的な比較、値、寸法または別の表現に起因することがある固有の不確かさの程度を表すために使用し得る。また、こういった用語は、本明細書では、最も重要な主題の基本的な機能を変えることなしに、定量的な表現が、記載した基準から変化し得る程度を表すためにも使用している。
図１～図３に目を向けると、２つ以上の流体要素に接続されてよい例示的な継手１０が示してある。本開示の目的では、「流体要素」とは、流体を搬送し、給送しかつ／または受け入れるように構成された管、チューブ、継手または他の任意の要素のことを指している。さらに、「継手」とは、２つ以上の流体要素を互いに流体接続するために２つ以上の流体要素に接続されてよい任意の要素のことを指している。
図１～図３には、長手方向軸線Ｌ１に対して平行であると共に長手方向軸線Ｌ１を含む平面に沿った継手１０の断面図が示してある。図１～図３において配置されているような継手１０の構成要素は、概して、長手方向軸線Ｌ１を中心として対称であるため、長手方向軸線Ｌ１を中心として完全に対称に延在している。図１には、概して、長手方向軸線Ｌ１に沿って整列させられた継手１０の構成要素が示してある。一方、図２および図３には、組付け前の構成および組付け後の構成の継手１０の一方の側（つまり、図１で見て右側）が示してある。当然ながら、継手１０の反対側（つまり、図１で見て左側）は、長手方向軸線Ｌ１に沿って鏡像対称である類似または同一の構成を備えていてよい。
本例における継手１０は、さらに以下に述べるように、接続体１２と、継手１０に一対の管１６を接合するために接続体１２に外嵌されてよい２つの駆動リング１４（「スウェージリング」と呼ばれることがある）とを含んでいる。本願を適用することができる管１６は、径の範囲が１／４インチＮＰＳ～４インチＮＰＳまたは６インチＮＰＳ以上ですらあるような肉薄の管または肉厚の管であってよい。さらに、各々の管１６は、約１～約１００、約２～約７０、約３～約４０または約４．５～約３０の肉厚（ｔ）で割り算した外径（Ｄｏ）の比（Ｄｏ／ｔ）を有していてよい。しかしながら、別の管径によって、例示的な継手１０から利点が得られることもある。さらに、継手１０は、別のタイプの流体要素、例えばフランジ、Ｔおよび別の継手に同様に接続されてよい。
Figure 2023523735000002
図２および図３に示したように、接続体１２は、各々の端部において管１６を受け入れるために接続体１２を貫いて延在する孔１８を画定している。したがって、継手１０は、２つの管１６を封止して漏れなしに流体接続するために使用される。接続体１２は、孔１８の中心軸線Ｘ１を中心として対称に延在していて、スリーブ部分２０と、フランジ部分２２と、シール部分２４とを含んでいる。さらに、このシール部分２４は、管１６の外部に接続するための少なくとも１つのシールを含んでいて、図示の実施形態では、メインシール３０と、内側シール３２と、外側シール３４とを含んでいる。各々のシール３０，３２，３４は、スリーブ部分２０から半径方向内向きに延在する１つ以上の歯３８を備えている。シール部分２４が別の個数および／または配置のシールを含んでいてもよいことが考えられている。駆動リング１４も同じく、接続体１２を受け入れるために駆動リング１４を貫いて延在する孔４６を画定する中央開放体である。さらに、駆動リング１４は、孔４６の中心軸線Ｘ２を中心として対称に延在している。
接続体１２と駆動リング１４とは、まず、図２に示した組付け前の構成に組み立てられてよい。詳細には、駆動リング１４は、接続体１２の中心軸線Ｘ１と駆動リング１４の中心軸線Ｘ２とが長手軸線Ｌ１と共線性であり、接続体１２が駆動リング１４の孔４６の内部に配置されるように、接続体１２の端部にわたって配置されてよい。この構成では、駆動リング１４の上昇傾斜区分５４が、接続体１２のランド区分５６に隣接しているものの、このランド区分５６に対して僅かに離間させられている。組付け前の構成では、駆動リング１４を締まり嵌めによって接続体１２に維持することができ、顧客に向けて出荷することができる。これによって、最終的なエンドユーザによる使用および組付けが容易になる。
継手１０を管１６に組み付けるために、この管１６は、継手１０がその組付け前の構成にある間、接続体１２の孔１８の内部に位置していてよい（図２）。次いで、駆動リング１４が、軸線方向で長手方向軸線Ｌ１に沿って接続体１２のフランジ部分２２に向かって押し進められてよく、こうして、継手１０がその組付け後の構成をとる（図３）。駆動リング１４と接続体１２とは、予め設定された比の締め代を有しているため、組付け後の構成への駆動リング１４の軸線方向の運動によって、接続体１２と、駆動リング１４と、管１６とが変形させられ、これによって、これらの要素が、管１６と接続体１２との間に漏れのない金属同士のシールを伴って機械的に接続される。
より詳細には、駆動リング１４が、軸線方向で長手方向軸線Ｌ１に沿ってフランジ部分２２に向かって押し進められるときに、駆動リング１４は、接続体１２を半径方向に変形させる圧縮力を接続体１２に加え、これによって、シール３０，３２，３４の歯３８が管１６に食い込む。そして、接続体１２が、まず、管１６を弾性的に（つまり、非永久的に）圧縮し、次いで、塑性的に（つまり、永久的に）圧縮する。この圧縮は、管１６を封止ランドの下側で塑性降伏させるために十分に高く、これによって、管１６と接続体１２との間に３６０°の全周にわたって持続的な金属同士のシールが形成される。接続体１２と管１６との半径方向の圧縮と同時に、駆動リング１４は半径方向外向きに拡張する。駆動リング１４のこの半径方向の拡張は弾性的であり、結果として、駆動リング１４の僅かな拡径が生じる。
シールの固定は、シールの歯３８が完全に押し進められて、変形状態で管１６に接触しているときに（例えば、シール３０，３２，３４にすぐ向かい合った管１６の外面５８が、駆動リング１４の特定の区分によって内方に押し進められた結果、更なる半径方向の運動を有していないときに）完全である（つまり、完全に固定されている）と考えられる。代替的には、シールの完全な固定は、駆動リング１４がシールの歯３８を管１６内に最も押し進めた場合または駆動リング１４がシールを通過した際に駆動リング１４の作動テーパが直径に関して一定の円筒形の区分に推移した場合として規定されてよい。管１６は、典型的には、シール３０，３２，３４が面５８に食い込み続け、管１６が塑性変形し始めるかまたは半径方向内向きに運動し始め、その結果、永久変形するので、弾性限界を超えて歪まされた状態になる。シール３０，３２，３４の歯３８は、管１６の外面５８に食い込んで、この外面５８を変形させ、それ自体幾分変形させられてよい。このことは、管１６の外側に見られる任意の粗いまたは不規則な表面欠陥を埋めるために機能する。
駆動リング１４は、組み付けられると、フランジ部分２２に当接または係合している（ただし、別の例では、駆動リング１４はフランジ部分２２から離間させられていてよい）。さらに、駆動リング１４は組付け中に弾性変形し、これによって、半径方向外向きに拡張するので、駆動リング１４は、接続体１２と管１６とに連続的な弾性力を加えることになる。この弾性力は組付け後に継手１０の寿命を通じて維持され、これによって、管１６と接続体１２との間の金属同士のシールの解離が阻止されている。
上述したように、図示の実施形態の接続体１２のシール部分２４は、メインシール３０と、内側シール３２と、外側シール３４とを含んでいる。各々のシール３０，３２，３４は、スリーブ部分２０から半径方向内向きに延在しかつ継手１０の組付け中に管１６に食い込む１つ以上の歯３８を備えている。幾つかの実施形態では、シール３０，３２，３４は、好ましくは、管１６の外径の約６０％～７５％である孔１８の軸線方向長さにわたって分配されている。シール３０，３２，３４がこの範囲内に分配されていると、極端な熱的な曝露に基づく応力により継手１０に加えられる負荷を散逸させることができ、材料疲労を生じさせる焦点応力集中を減じることができる。
当然ながら、本開示の範囲から逸脱することなしに、継手１０の接続体１２および駆動リング１４に様々な変更が加えられてよい。例えば、さらに後述するように、接続体１２はフランジ体であってよい。さらに、接続体１２は、２つよりも多くの脚部を有するＴ字形体またはＹ字形体であってよく、継手１０は、この継手１０を流体要素に接続するために、それぞれ異なる脚部にそれぞれ外嵌されてよい複数の駆動リング１４を含んでいてよい。別の例として、接続体１２は、ただ１つの流体要素を受け入れるように構成されていてよく、継手１０は、接続体１２を流体要素に機械的に取り付けるための１つの駆動リング１４しか含んでいなくてよい。
概して、接続体１２と駆動リング１４とは、接続体１２が流体要素を受け入れることができ、駆動リング１４が接続体１２に外嵌され、この接続体１２を圧縮して流体要素に機械的に取り付けることができるように、貫通した孔を画定する任意の物体であってよい。例えば、接続体と駆動リングとを備えた様々な例示的な継手が、一般的に所有されている米国特許第１０，６６３，０９３号明細書、米国特許第８，８７０，２３７号明細書、米国特許第７，５７５，２５７号明細書、米国特許第６，６９２，０４０号明細書、米国特許第６，１３１，９６４号明細書、米国特許第５，７０９，４１８号明細書、米国特許第５，３０５，５１０号明細書および米国特許第５，１１０，１６３号明細書に記載されており、これらの明細書は全てその全体を参照により本明細書に明示的に援用するものとする。
接続体１２、駆動リング１４および管１６の様々な特徴を説明するにあたり、「軸線方向」、「半径方向」という用語およびそれらの変形は上述のように使用されている。当然ながら、上述のように（かつ後述のように）使用されるようなこういった用語は、特に明示的に指示しない限り、説明した要素の中心軸線に対して相対的である。つまり、「軸線方向」、「半径方向」という用語およびそれらの変形は、特に明示的に指示しない限り、接続体１２の特徴を説明するときには、接続体の中心軸線Ｘ１に対して相対的であり、駆動リング１４の特徴を説明するときには、駆動リングの中心軸線Ｘ２に対して相対的であり、管１６の特徴を説明するときには、管の中心軸線に対して相対的である。さらに、当然ながら、接続体１２、駆動リング１４および管１６の中心軸線が、互いにかつ共通の軸線（例えば図１～図３参照）と共線性である構成では、「軸線方向」、「半径方向」という用語およびそれらの変形は、接続体１２、駆動リング１４および管１６の特徴を説明するときには、同じく、接続体１２、駆動リング１４および管１６の共通の軸線および全ての中心軸線に対して相対的である。
本発明者らは、上述した継手１０と、管１６への継手１０の機械的な取付けとによって、典型的に管と継手との間の溶接接続に適していないかまたは溶接接続を妨害する継手１０用および／または管１６用の材料の使用が可能となることを発見した。
例えば、本実施形態における接続体１２、駆動リング１４および管１６は、それぞれ材料の単一の物体であることを意味するモノリシック体である。特に、接続体１２、駆動リング１４および管１６は、それぞれ第１の材料Ｍ１、第２の材料Ｍ２および第３の材料Ｍ３を含んでいる。これらの材料Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３のいずれかまたは全ては、オーステナイトおよびフェライトの両方から成る二相のミクロ組織を有する二相ステンレス鋼ＤＳＳを含んでいてよい。フェライト相は、標準的なオーステナイト系ステンレス鋼と比較したとき、より大きな強度を二相ステンレス鋼ＤＳＳに付与し、塩化物（塩化物は、こういった継手の工業用のオイル設備およびガス設備に一般的に認められる腐食性の化学物質である）に対して著しい耐応力腐食割れ性を提供する。付加的には、オーステナイト相は、二相ステンレス鋼ＤＳＳに十分な延性を提供する。延性は、継手１０および／または管１６におけるミクロ割れの発生を減じることができる。このミクロ割れは、組付けプロセス中に生じ、腐食性の化学物質を侵入させ、場合により、継手１０の強度に損害を与えることがある。
二相ステンレス鋼ＤＳＳの強度、防食および延性は、オーステナイトとフェライトとの間のミクロ組織バランスを変化させることによって所望の目的を達成するために変更されてよい。１つ以上の実施形態では、二相ステンレス鋼ＤＳＳは、約３５％～約６５％、約４０％～約６０％または約４５％～約５５％のオーステナイト対フェライト比（つまり、オーステナイト質量をフェライト質量で割り算した比）を有していてよい。好適な実施形態では、二相ステンレス鋼は、約５０％のオーステナイト対フェライト比を有していてよい。
二相ステンレス鋼ＤＳＳの化学的な組成は、（質量％で）最小約２５質量％のクロム、最小約２質量％のモリブデンおよび最小約６．５質量％のニッケルを含んでいてよい。さらに、本願で使用される二相ステンレス鋼ＤＳＳは、約４０のＰＲＥＮ（つまり、耐孔食指数）を有するスーパー二相鋼または約４５以上のＰＲＥＮを有するハイパー二相鋼である。好ましくは、二相ステンレス鋼ＤＳＳは、約３５％～約６５％のオーステナイトとフェライトとのバランス、最小約４０のＰＲＥＮならびに最小約２５質量％のクロム、最小約２質量％のモリブデンおよび最小約６．５質量％のニッケルの化学的な組成を有するスーパー／ハイパー二相鋼である。しかしながら、二相ステンレス鋼ＤＳＳの組成は、実施形態によって変えられてよく、二相ステンレス鋼ＤＳＳにおける各々の金属の相対量は、使用環境、製造元の推奨、経験等に基づいていてよい。
二相ステンレス鋼ＤＳＳを含む要素（例えば、接続体１２、駆動リング１４および／または管１６）は、二相ステンレス鋼ＤＳＳを加工硬化技術により機械的に強化することができる冷間加工プロセスまたは冷間成形プロセスを用いて形成されてよい。幾つかの実施形態では、二相ステンレス鋼ＤＤＳは、ロックウェルＣスケール約３２の硬さレベルまで加工硬化させられてよい。
例えば、各々の要素は、テーパ付きのマンドレルを、二相ステンレス鋼ＤＳＳを含むワーク（例えば管またはチューブ）の孔内に挿入し、上下一対のダイスをワークの外径を取り囲みつつ、これにわたって押し進める冷間ピルガ圧延加工プロセスによって形成されてよい。マンドレルは、ダイスが外径を縮径する間にワークの内径を維持し、これによって、１回のステップでワークの外径および厚さが減じられる。
別の例として、各々の要素は、二相ステンレス鋼ＤＳＳを含むワークを１つのダイまたは連続したダイスに押し通し、これによって、ワークの断面サイズを減じる冷間引抜き加工プロセスによって形成されてよい。冷間引抜き加工は、約１５％～約３０％の断面減少を達成することができる。
図４Ａには、継手１０と共に使用するための好適なミクロ組織バランスを有する二相ステンレス鋼材料を含んだ管１６の光学顕微鏡画像が示してある。明るい方の領域がオーステナイト含分を表しているのに対して、暗い方の領域はフェライト含分を表している。図４Ｂには、継手１０に接続した後の管１６の光学顕微鏡画像が示してある。図４Ｂにおいて明らかであるように、管１６は、そのミクロ組織を著しく変化させることなしに、（黒色で示した）継手１０に接続するために十分に延性であった。両図は、溶接により取り付けられる従来の継手と異なり、本継手１０によって、二相ステンレス鋼材料のミクロ組織バランスを著しく変化させることなしに、管１６と継手１０とを機械的に接続することが可能となることを実証している。したがって、溶接プロセスと異なり、二相ステンレス鋼はその強度、延性および防食特性をより容易に維持することができる。
本実施形態における接続体１２、駆動リング１４および管１６は、それぞれ同一の二相ステンレス鋼材料を含んでいる。しかし、当然ながら、接続体１２、駆動リング１４および管１６は、互いに類似しているかまたは実質的に異なっている二相ステンレス鋼材料を含んでいてよい。例えば、接続体１２と駆動リング１４とは、組成、ＰＲＥＮおよび／またはオーステナイトとフェライトとのバランスに関して管１６の二相ステンレス鋼材料と異なる二相ステンレス鋼材料を含んでいてよい。好ましくは、接続体１２、駆動リング１４および管１６の二相ステンレス鋼材料Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３は、ＡＳＭＥコードに列挙されているグレード（例えば、臨界プロセスおよび動力配管における許容可能な使用のための）ＡＳＭＥ Ｂ３１．３－２０１６である。
上述した継手１０の別の利点は、その機械的な取付けによって、継手１０と管１６とが、互いに実質的に異なる材料を含んでいることが可能となるということである。これに対して、継手と管とを接続するための従来の溶接プロセスでは、互いに溶接される構成要素が実質的に同様の組成を有していることが要求される。したがって、幾つかの実施形態では、継手１０および管１６のうちの１つ以上の要素（例えば接続体１２および駆動リング１４）が二相ステンレス鋼材料を含んでいてよいのに対して、１つ以上の他方の要素（例えば管１６）は、限定するものではないが、炭素鋼、低～中合金鋼およびステンレス鋼を含む、二相ステンレス鋼材料と異なる材料を含んでいてよい。継手１０が、加工硬化させられた二相ステンレス鋼を含んでいて、二相ステンレス鋼と異なる鋼を含んだ管１６に接続される場合、二相ステンレス鋼と異なる鋼製の管１６は、８０ｋｓｉ以下の降伏強度を有していてよい。さらに、継手１０は、バイメタル腐食の影響に対して、より耐性を有していてよい。なぜならば、二相ステンレス鋼が、別の鋼合金、例えば炭素鋼よりも比較的貴であり、ひいては、より耐食性であるからである。
さらに、接続体１２を二相ステンレス鋼で形成することによって、より低い延性の材料で製作された接続体と比較して、固有のシールジオメトリを形成することができる。より詳細には、別の金属合金で製作された接続体には、典型的には、流体要素との適切なシールを形成するために、鋭い歯が必要となる。しかしながら、二相ステンレス鋼の使用によって、シールの強度または構造的な完全性を犠牲にすることなしに、接続体１２の歯３８が、より平らなまたはより丸み付けられた輪郭を有することが可能となる。
例えば、図５および図６には、接続体１２の各々の歯３８に対する互いに異なる例の構成が示してあり、両図は、中心軸線Ｘ１に対して平行であると共に中心軸線Ｘ１を含む平面に沿った断面図である。図５に示したように、接続体のシール部分２４の各々の歯３８は、歯３８の根元６４で始まり遠位端部６６までスリーブ部分２０から半径方向内向きに延在していてよい。各々の歯３８は、内側側面６８と、外側側面７０と、内側側面６８と外側側面７０との間に延在しかつ両者に各々の縁部７８で交わる遠位面７４とを有していてよい。側面６８，７０は、接続体１２の中心軸線Ｘ１に対して傾いて延びるように、互いに所定の角度を成していてよい。特に、各々の側面６８，７０と半径方向との間の角度αは、約３０度～約４０度であってよい。さらに、遠位面７４は、実質的に平らであると共に中心軸線Ｘ１に対して実質的に平行に延在する断面輪郭を有していてよい。
別の例（例えば図６参照）では、側面６８，７０は、各々の側面６８，７０と半径方向との間の角度αが約４０度～約５０度であるように、互いに所定の角度を成していてよい。さらに、遠位面７４の断面輪郭は、約０．０１０インチ～約０．０５０インチの曲率半径を有するように丸み付けられていてよい。平らであろうと、丸み付けられていようと、断面輪郭は、好ましくは、約０．００５インチ～約０．０４０インチの長さを有している（丸み付けられた輪郭では、当然ながら、丸み付けられた輪郭の「長さ」がその弧の長さのことを指している）。
各々の縁部７８は、比較的大きな曲率半径を有するアール加工された縁部であってよく、これによって、歯３８の各々の側面６８，７０と遠位面７４との間の境界面が、鋭いまたは個々のいかなる移行部も有することなしに、平滑であると共に連続している。別の実施形態では、歯３８の各々の縁部７８は、この各々の側面６８，７０と遠位面７４との間に識別可能な個々の境界面を得るために十分に小さい比較的小さな曲率半径を有していてよい。このような個々の境界面は、離れて見ると、歯３８の関連する側面６８，７０と遠位面７４との間の鋭い縁部に類似し得る。好ましくは、各々の縁部７８は、約０．００３インチ～約０．００５インチの曲率半径を有している。また、当然ながら、幾つかの実施形態では、相互間に明確に規定された縁部が存在しないように、側面６８，７０が遠位面７４と共に輪郭削り面を形成していてもよい。
したがって、各々の歯３８は、二相ステンレス鋼と異なる鋼を含んだ従来の接続体のより鋭い歯と比較して、より頑丈であると共に管１６に押し付けるためのより大きな質量を提供する実質的に台形の断面輪郭を有していてよい。各々の歯３８は、また、従来の歯と比較して大きな質量を有していてもよく、これによって、接続体１２がより低品質の管面に係合することが可能となる。
上述した継手１０の別の利点は、特に継手１０が火炎および／または高周波振動に曝されているときに可燃性の液体またはガスの漏れを減じる能力である。このことは、材料開発の適切な比を通じて、接触領域の軸線方向長さに沿った加工硬化と、接続体１２、駆動リング１４および管１６の間の締め代とによって達成することができる。さらに、継手１０によって、腐食性の環境での溶接のために典型的に必要となるような、溶接接続部を熱処理する必要性が排除される。
ここで、図７Ａおよび図７Ｂに目を向けて、継手１０用の例示的な接続体１２’を形成するプロセスを説明する。図７Ａに示したように、上記の説明に関連した二相ステンレス鋼の単一のモノリシック体を有する初期のワーク１００が提供される。このワーク１００は、フランジ部分１０２と、このフランジ部分１０２から延在する円筒部分１０４とを含んでいる。この円筒部分１０４は、所望の機械的な材料強度と材料ミクロ組織レベルとを得るために冷間加工されてよく、次いで、図７Ｂに示したように、最終的な接続体１２’を形成するために高い耐性下で機械加工されてよい。
したがって、最終的な接続体１２’は、二相ステンレス鋼の単一のモノリシック体である。しかしながら、ワーク１００の円筒部分１０４から形成された接続体１２’の特定の部分（例えば、接続体１２’のスリーブ部分２０、フランジ部分２２およびシール部分２４）は、材料の化学的性質に応じて、材料の約２０％以下のオーダーにおける材料の冷間加工減少のプロセスによって加工硬化させられる。一方、接続体１２’の別の部分（例えばフランジ部分１０２）は加工硬化させられない。それにもかかわらず、接続体１２’の、機械的に強化された部分と機械的に強化されていない部分との間の移行領域は、ワークの母材におけるオーステナイトとフェライトとのバランスを通じて比較的均一な耐食性を維持している。
当然ながら、接続体１２’を形成するための上述したプロセスは、別の接続体、例えば図１～図３に示した接続体１２を形成するために同様に適用されてよい。つまり、初期のワークが冷間加工され、次いで、流体継手用の図１～図３に示した接続体１２または幾つかの別のタイプの接続体を形成するために機械加工されてよい。また、限定するものではないが、９０度エルボ、Ｔ字形体、アダプタ、キャップ、様々な角度のエルボ、レデューサ、Ｔ、ユニオン等を含めて、様々な別のタイプまたは構成の接続体が、本明細書において述べた方法および材料を用いて製造されてもよい。
本発明を、上述した例示的な実施形態を参照しながら説明してきた。本明細書を読んで理解することで、変更および代替が他に思い浮かぶはずである。本発明の１つ以上の態様を組み込んだ例示的な実施形態は、添付の特許請求の範囲内にある限り、このような全ての変更および代替を含むことを意図している。

Claims (20)

  1. 流体要素に機械的に取り付けるための流体継手であって、
    前記流体要素を受け入れるための孔を画定する接続体であって、スリーブ部分と、前記流体要素に係合するために前記スリーブ部分から半径方向内向きに延在する歯とを備える接続体と、
    前記接続体を前記流体要素に機械的に取り付けるために前記接続体の少なくとも１つの端部に外嵌するように構成されたリングと
    を備え、
    前記リングが、力を介して前記接続体の前記少なくとも１つの端部に、前記孔に受け入れられた前記流体要素と共に組み付けられると、前記リングが、前記接続体を永久変形させるために十分な圧縮力を前記接続体に加え、これによって、前記接続体の前記歯が、前記流体要素に食い込み、これによって、前記接続体が、前記流体要素に漏れなしに取り付けられ、
    前記接続体および前記リングのうちの少なくとも一方は、二相ステンレス鋼を含む、
    流体継手。
  2. 前記接続体および前記リングの両方は、二相ステンレス鋼を含む、請求項１記載の流体継手。
  3. 前記接続体および前記リングのうちの一方は、二相ステンレス鋼を含み、前記接続体および前記リングのうちの他方は、二相ステンレス鋼を含まない、請求項１記載の流体継手。
  4. 前記二相ステンレス鋼は、約３５％～約６５％のオーステナイト対フェライト比を有する、請求項１記載の流体継手。
  5. 前記二相ステンレス鋼は、最小約２５質量％のクロムを含む、請求項１記載の流体継手。
  6. 前記二相ステンレス鋼は、最小約２質量％のモリブデンを含む、請求項１記載の流体継手。
  7. 前記二相ステンレス鋼は、最小約６．５質量％のニッケルを含む、請求項１記載の流体継手。
  8. 前記二相ステンレス鋼は、約４０以上のＰＲＥＮを有する、請求項１記載の流体継手。
  9. 前記歯は、実質的に台形である断面輪郭を有する、請求項１記載の流体継手。
  10. 前記接続体の前記孔は、前記接続体の軸線方向および半径方向を規定する中心軸線を有し、
    前記歯は、内側側面と、外側側面と、前記内側側面と前記外側側面との間に延在する遠位面とを有し、
    前記内側側面と前記外側側面とは、前記半径方向に対して傾いて延在している、
    請求項１記載の流体継手。
  11. 前記半径方向と、前記内側側面および前記外側側面の各々との間の角度は、約３０度～約５０度である、請求項１０記載の流体継手。
  12. 前記遠位面の断面輪郭は、実質的に平らである、請求項１０記載の流体継手。
  13. 前記遠位面の断面輪郭は、約０．０１０インチ～約０．０５０インチの曲率半径を有するように丸み付けられている、請求項１０記載の流体継手。
  14. 前記遠位面の断面輪郭は、約０．００５インチ～約０．０４０インチの長さを有する、請求項１０記載の流体継手。
  15. 前記遠位面は、前記内側側面と前記外側側面とに、約０．００３インチ～約０．００５インチの曲率半径を有する各々の縁部で交わっている、請求項１０記載の流体継手。
  16. 前記接続体は、加工硬化させられた１つ以上の部分と、加工硬化させられていない１つ以上の部分とを有する材料の単一のモノリシック体である、請求項１記載の流体継手。
  17. 流体システムであって、
    流体要素と、
    前記流体要素に機械的に取り付けるための流体継手であって、
    前記流体要素を受け入れるための孔を画定する内面と、前記流体要素に係合するために前記内面に形成されたシール部分とを有する接続体と、
    前記接続体を前記流体要素に機械的に取り付けるために前記接続体の少なくとも１つの端部に外嵌するように構成されたリングと
    を備える流体継手と
    を備え、
    前記リングが、力を介して前記接続体の前記少なくとも１つの端部に、前記孔に受け入れられた前記流体要素と共に組み付けられると、前記リングが、前記接続体を永久変形させるために十分な圧縮力を前記接続体に加え、これによって、前記シール部分の歯が、前記流体要素に食い込み、これによって、前記流体要素が、前記接続体に漏れなしに取り付けられ、
    前記流体要素、前記接続体および前記リングのうちの少なくとも１つは、二相ステンレス鋼を含む、
    流体システム。
  18. 前記流体要素および前記接続体の両方は、二相ステンレス鋼を含む、請求項１７記載の流体システム。
  19. 前記流体要素および前記接続体のうちの一方は、二相ステンレス鋼を含み、前記流体要素および前記接続体のうちの他方は、二相ステンレス鋼を含まない、請求項１７記載の流体システム。
  20. 前記歯は、実質的に台形である断面輪郭を有する、請求項１７記載の流体システム。
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