JP3401859B2 - 疲労特性に優れた油井管用ねじ継手 - Google Patents
疲労特性に優れた油井管用ねじ継手Info
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- JP3401859B2 JP3401859B2 JP24231693A JP24231693A JP3401859B2 JP 3401859 B2 JP3401859 B2 JP 3401859B2 JP 24231693 A JP24231693 A JP 24231693A JP 24231693 A JP24231693 A JP 24231693A JP 3401859 B2 JP3401859 B2 JP 3401859B2
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、地下から産出される天
然ガスや石油の探査および生産に使用される油井管のね
じ継手に関するものであり、特に、井戸の曲がりが大き
く、ねじに作用する荷重条件が厳しい場合に使用するの
に適した疲労特性に優れる油井管用ねじ継手を提供する
ものである。 【０００２】 【従来の技術】今日、深さ数千ｍにも及ぶ天然ガス田や
原油田等の探査および生産に使用される油井管を接続す
る技術としてねじ継手が広く用いられている。 【０００３】図９は、油井管用ねじ継手の二例を示す軸
方向断面図である。同図（ａ）は、管10の一端にピン部
11を、他端にボックス部21を形成し、管同士を接続する
インテグラル方式の例であり、同図（ｂ）は、二つのボ
ックス部21を形成したカップリング20によって両端にピ
ン部11を形成した管10を接続するカップリング方式の例
である。また、同図（ｃ）は、カップリング方式におけ
るねじの噛み合い部分の拡大図を示している。 【０００４】いずれの例でもピン部11に設けた雄ねじ12
とボックス部21に設けた雌ねじ22を締結することにより
接続されるが、近年の油井管ねじ継手では、単に雄ねじ
12と雌ねじ22からなるねじ要素のみで構成されているも
のは少なく、シール部13やショルダ部14を同時に備えて
いるものが多い。シール部13はメタルシールを構成する
ことにより、管１の内部または外部の流体による内圧ま
たは外圧に対する気密性能を向上させるためのものであ
る。また、ショルダ部14はピン部11およびボックス部21
のこの部分を突き当てることにより、過度の塑性変形が
生じるような高い接触面圧がシール部13に発生しないよ
うにして、ねじ継手の締結を確実なものにするためのも
のである。 【０００５】近年、このような油井管用ねじ継手に対し
て、 1) 海洋油田の開発に伴い、洋上の船体に設けられた管
体に接続される場合が多くなり、このため波浪による繰
り返し引張荷重に耐えること、 2) 掘削作業の効率化のため、意図的に井戸を屈曲させ
ることにより生じる繰り返し曲げ荷重に耐えること、 等の新たな要求性能があり、単に静的な強度特性のみで
なく、動的な疲労特性に優れることが求められている。 【０００６】このような疲労特性の要求に対して最も問
題となるのは、次の理由から、ねじの噛み合い端部15
ａ、15ｂにおける強度である。 【０００７】 ねじ継手に引張荷重や曲げ荷重が作用
すると、その荷重を最も多く分担するのはピン部11の付
け根側のねじ噛み合い端部15ａとボックス部21の内部側
のねじ噛み合い端部15ｂとであるから、ねじの噛み合い
端部のねじ付け根Ｒ部に大きな応力集中が発生する。 【０００８】 図９（ａ）および（ｂ）で例示したよ
うなショルダ部14を有する継手では、締結時のショルダ
の突き当てによって生じる反力が、既に上記のねじ噛み
合い端部15ａ、15ｂに応力として発生しているので、さ
らに引張荷重や曲げ荷重が作用する場合には、ねじの噛
み合い端部のねじ付け根Ｒ部の応力集中を促進すること
になる。 【０００９】従来、ねじの噛み合い端部のねじ付け根Ｒ
部の応力集中を低減させるため、いくつかの提案がなさ
れており、例えば次のようなものがある。 【００１０】図２は、特開平４−15385 号公報にて応力
集中を低下させるために提案されたねじ形状を示す。即
ち、ねじ付け根Ｒ部17の応力集中が過大にならぬよう
（応力集中係数αn ≦ 2.5）に、台形状のねじ頭部およ
び底部のねじ付け根Ｒ部の曲率半径を所定の範囲で加工
することを特徴としている。 【００１１】図３は、応力集中を防ぐ別の手段として、
特開平４−157280号公報によって提案されている継手を
示している。同図から明らかなように、この継手ではピ
ン部11の付け根側の片端に応力除去溝30を設けることに
よって、ねじ噛み合い端部のねじ付け根Ｒ部の応力集中
を低減させている。 【００１２】しかし、前記のように提案のあった油井管
用ねじ継手には、それぞれ次のような問題がある。 【００１３】図２に示すねじ形状の継手では、ねじ付け
根Ｒ部17の応力集中を低下させるため、ねじ付け根Ｒ部
の曲率半径を大きくする必要がある。しかし、この曲率
半径をあまり大きく取ると、同図に示すねじ荷重面の接
触部18が相対的に小さくなり、雄ねじと雌ねじとの有効
接触面積が減少するため、引張荷重や曲げ荷重が作用す
ると、継手が容易に外れ、油井管が井戸の中に落ち込む
という危険性が高くなる。一旦、油井管が井戸の中に落
ち込んだ場合には、井戸内での油井管の再接続が極めて
困難なことから、開発中あるいは生産中の油井を廃坑に
しなければならないという最悪の事態を招くことにな
る。この事態を避けるためには、ねじ付け根Ｒ部の曲率
半径をあまり大きく加工することができない。このた
め、結果的にはねじ付け根Ｒ部17の応力集中をそれほど
低減できないことになる。この問題は、ねじ荷重面の接
触部18を大きく取れない、即ち、ねじ高さを高く取れな
い薄肉管の場合に特に顕著であり、深刻な問題となる。 【００１４】図３に示したねじ継手では、ピン部11の応
力除去溝30が継手軸線に直交する面を基準に設けられて
いるため、雄ねじ12の面に対し対称形状にならないとい
う問題がある。 【００１５】図４は、特開平４−157280号公報によって
提案されている前記図３の継手のピン部11に設けられた
応力除去溝30近傍を拡大斜視図で示したものである。同
図から明らかなように、応力除去溝30に直近する螺旋状
の雄ねじ12の面は、応力除去溝30によって斜めに切断さ
れる。そのため、ねじ噛み合い端部15ａの１ピッチ分の
雄ねじ12のねじ山をみると、応力除去溝30に接するねじ
山15ａ′と応力除去溝30からほぼ１ピッチ離れたねじ山
15ａ″が存在することになる。 【００１６】応力除去溝30を設けることによるねじ付け
根Ｒ部の応力を低減する効果は、応力除去溝30からの離
間距離が増加するとともに減少するため、応力除去溝30
に接するねじ山15ａ′の部位ではその効果は期待できる
が、応力除去溝30からほぼ１ピッチ離れたねじ山15ａ″
の部位ではあまり期待できない。また、この問題を解消
するために、応力除去溝30の深さを深くするという手段
も考えられるが、この場合にはピン部11の薄肉化を招
き、応力除去溝30の溝底部の断面積が減少することにな
り、引張荷重や曲げ荷重の作用により比較的容易に応力
除去溝30で破断するという危険が生じる。 【００１７】 【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記の油井
管用ねじ継手が有する問題を解消し、引張荷重や曲げ荷
重が作用する荷重条件が厳しい油井に使用した場合に、
優れた疲労特性を発揮する油井管用ねじ継手を提供する
ことを目的とする。 【００１８】 【課題を解決するための手段】本発明は、基本的には図
９に示す油井管用ねじ継手であって、図１に示すように
応力緩和溝を設けるねじ継手を要旨とする。即ち、本発
明のねじ継手は、台形の雄ねじ12を有するピン部11と、
同じく台形の雌ねじ22を有するボックス部21を接続して
なる油井管用ねじ継手であって、前記のピン部または／
およびボックス部のねじ噛み合い端部15ａ、15ｂの片端
もしくは両端のねじ底32に、ねじのリードと等しい螺旋
状の応力緩和溝16を少なくとも１ピッチの範囲で設けた
ことを特徴とする疲労特性に優れた油井管用ねじ継手で
ある。即ち、本発明の応力緩和溝16は同一のねじ底32に
設けられるのであり、その本数は１本または複数本を平
行に設けられる。 【００１９】油井管用ねじ継手は通常１条ねじで構成さ
れるが、本発明の油井管用ねじ継手は１条ねじの継手の
みに限定されるものではなく、２条ねじ以上の多条ねじ
の継手であってもよい。この場合、少なくとも１ピッチ
の範囲内で同一のねじ底に設けられる応力緩和溝の本数
をｍとし、ねじ条数をｎとすると、ねじ底に設けられる
応力緩和溝の総本数はｍ×ｎとなる。 【００２０】図５は、雄ねじ12の各部の名称を説明する
図である（２条ねじの場合）。ここで、ピッチとは互い
に隣り合うねじ山33の相対応する２点を軸線方向に測っ
た距離をいい、リードとはねじ山に沿って軸線のまわり
を一周するとき、軸方向に進む距離をいう。従って、ピ
ッチとリードとの関係は、同図に示す２条ねじの場合に
はリードがピッチの２倍になるが、１条ねじの場合には
リードとピッチが等しくなる。 【００２１】 【作用】本発明のねじ継手のねじは、いわゆる台形ねじ
に属するものである。このねじ形状を採用するのは、一
般に三角形状のねじに比べて、繰り返しの引張荷重や曲
げ荷重に対する性能に優れるからである。 【００２２】図６は、引張荷重や曲げ荷重が作用した場
合のねじ荷重面での応力の分担状況を説明する図であ
る。同図に示すように、引張荷重または曲げ荷重が継手
に作用したとき、雄ねじの荷重面31には面に垂直な力Ｆ
が生じるが、この力Ｆは継手の軸方向成分Ｆ・ cosθと
半径方向成分Ｆ・ sinθに分解される。ここで、θが小
さいほど軸方向成分Ｆ・ cosθは大きくなり、継手に作
用する引張荷重や曲げ荷重を多く分担することができ
る。また、半径方向成分は、ねじの引っかかりを減少さ
る方向に作用しているため、θが小さいほど、継手がは
ずれにくくなる。従って、引張荷重や曲げ荷重に対する
性能はθが小さいほど良好となる。 【００２３】台形ねじと三角形状のねじを比較すると、
ねじ高さおよびねじ底幅が同一であることを前提とすれ
ば、台形ねじの方がθを小さくできるため、引張荷重や
曲げ荷重に対する性能は優れている。 【００２４】本発明のねじ継手は、ピン部の雄ねじとボ
ックス部の雌ねじの少なくとも一方で、ねじ噛み合い端
部の片端あるいは両端の少なくとも１ピッチ分のねじ底
に、ねじと等しいリードで螺旋状の応力緩和溝を設ける
ことを特徴としている。ここで、応力緩和溝をねじ噛み
合い端部から少なくとも１ピッチ分の範囲に設け、継手
軸線のまわりに一周させることとしたのは、最も応力集
中が大きい噛み合い端部のうち最端部のねじ山付け根Ｒ
部に発生する応力を、全周にわたり均一に緩和させるた
めである。 【００２５】ねじ継手においては、噛み合い端部のうち
最端部のねじ山付け根Ｒ部（１ピッチ分）のみでなく、
２〜３ピッチ分のねじ山付け根Ｒ部にも比較的高い応力
集中が発生するので、この部分にも応力緩和溝を設ける
ことが好ましい。また、１条ねじのみならず、２条以上
の多条ねじであっても、１ピッチ分の応力緩和溝を設け
ることが必須となる。 【００２６】応力緩和溝をねじ底に設けることとしたの
は、応力緩和溝をねじ付け根Ｒ部に近接して設ける場合
が、応力緩和の効果が有効に働くためである（後述の図
７、図８参照）。一方、ねじ付け根Ｒ部に近接して設け
るという意味では、応力緩和溝をねじ荷重面に設けるこ
とも考えられるが、この場合は、ねじ荷重面の接触部
（面積）を狭めることになるから、継手が容易に外れる
等の問題が生じることになり、適当ではない。 【００２７】応力緩和溝をねじと等しいリードで螺旋状
に設けることとしているのは、ねじ山付け根Ｒ部と応力
緩和溝の相互の位置関係を、継手の円周方向のいずれの
断面においても同一とするためである。このように応力
緩和溝を設けることによって、円周方向のいずれのねじ
山付け根Ｒ部においても、応力集中を緩和させる効果が
均一となる。 【００２８】図１は、本発明のねじ継手に設けられた応
力緩和溝の一例を示すピン部11の断面図である。同図で
は、ねじの荷重面31の付け根Ｒ部17に近接して、応力緩
和溝16がねじ底32に螺旋状に２本設けられていることを
示している。この応力緩和溝は、前記の知見に基づいて
設けられたものであるが、この効果について更に詳細に
説明する。 【００２９】図７は、多重ノッチを持つ半無限平板の引
張モデルを示す（引用文献：西田正孝著「応力集中」、
602頁〜 603頁、森北出版）。このモデルでは、半無限
平板の直線へりにｎ個の半円形ノッチ（半径ρ）を２ｐ
（ピッチ）の等間隔で配置し、直線へりの方向に一様引
張応力σ0 を負荷している。これは有限幅の板であって
も、板幅に比べてノッチの半径ρが小さい場合に相当す
る。従って、図７に示した引張モデルと図１に示した本
発明のねじ継手の一例とを対応すると、図７の右端のノ
ッチと図１の付け根Ｒ部17が対応し、図７の他のノッチ
が図１の応力緩和溝16に対応することになる。上記の引
用文献における光弾性実験結果によれば、図７に示した
モデルでの最大応力は両端のノッチの最深部Ａ点より５
°〜７°外側に寄ったＡ′点に現れる。 【００３０】図８は、同引用文献に記載の引張モデルに
おける応力集中率を表す図である。 【００３１】同図において、両端のノッチ底Ａ点の応力
をσA 、Ａ点よりやや外側のＡ′点に生ずる最大応力を
σA ′、板端より２番目のノッチ底Ｂ点の応力をσB 、
中央のノッチ底Ｃ点の応力をσC とし、各応力集中率
（αA ＝σA ／σ0 、αA ′＝σA ′／σ0 、αB ＝σ
B ／σ0 、αC ＝σC ／σ0 ）と２ｐ／ρとの関係を、
ノッチの個数ｎをパラメーターとして表している。図８
から、応力集中率は２ｐ／ρがほぼ２のとき（ｐ＝ρの
とき）最小となり、またｎが増加するとともに低下する
ことがわかる。このため、本発明のねじ継手に設ける応
力緩和溝16は、荷重面31の付け根Ｒ部17に接するように
位置するとともに、その個数は１個より複数個を設ける
ことが好ましい。以上の説明は引張荷重に対するもので
もあるが、曲げ荷重に対しても同様のことがいえる。 【００３２】応力緩和溝16の形状に関しては、その深さ
が重要であり、あまりに浅い場合には応力集中を緩和す
る効果が小さく、逆に深すぎる場合には応力緩和溝16の
溝底での断面積が減少するため、返って引張荷重や曲げ
荷重に対する性能が低下する。このため、ねじ付け根Ｒ
部の曲率半径の 0.5〜1.5 倍の深さにすることが好まし
い。この範囲であれば、図３に示した応力除去溝30に比
べて溝底での断面積が十分に確保されるため、溝底での
破断の危険性は著しく減少する。また、応力緩和溝16の
形状自体は、図１において一例として示した半円形状の
ものであっても、または半楕円形状のものでも十分な効
果が得られるため、特に規定しないが、少なくとも滑ら
かな形状であることが必要である。 【００３３】本発明のねじ継手では、この応力緩和溝を
ピン部の雄ねじまたはボックス部の雌ねじの少なくとも
一方で、ねじ噛み合い端部の片端あるいは両端に設け
る。前述したように、ねじ付け根Ｒ部への応力集中が問
題となるねじ噛み合い端部は、一対のピン部とボックス
部において一箇所のみでなく複数箇所が存在する。しか
し、そこでの応力集中の程度は継手の形状（例えば、継
手の方式、肉厚、ねじ形状等）に依存して異なるため、
応力の集中状況により応力緩和溝を設ける必要性および
設ける場合の条件を決定する方が現実的である。応力緩
和溝を設けることは継手の加工コストを増加させるた
め、必要以上の条件で応力緩和溝を設けると、継手の寿
命延長の効果よりも単に加工コストを上昇させるに過ぎ
ないという事態もあり得るからである。 【００３４】本発明のねじ継手は、カップリング方式の
継手でもよく、また、インテグラル方式の継手でもよ
い。上述の作用効果はいずれの方式においても同様であ
る。 【００３５】 【実施例】本発明のねじ継手の性能を、実施例に基づい
て説明する。使用した継手は、図９（ｂ）に示した構成
のカップリング方式であって、表１に示す諸元を有する
１条ねじの継手で、そのピン部の付け根側のねじ噛み合
い端部のねじ底に応力緩和溝を機械加工によって設け
た。このときの応力緩和溝の加工条件は、次の通りとし
た。 【００３６】１．形状：半円 ２．半径寸法：0.3mm （ねじ付け根Ｒ部の曲率半径の
1.5倍) ３．ピッチおよびリード寸法：5.08mm（ねじのピッチお
よびリードと同じ） ４．応力緩和溝の長さおよび個数： ねじ噛み合い端部の最端部から１ピッチの範囲にわ
たって１本の溝を設けた（以下、Ａ供試体と呼ぶ） ねじ噛み合い端部の最端部から２ピッチの範囲にわ
たって２本の溝（溝中心間距離 0.6mm）を設けた（以
下、Ｂ供試体と呼ぶ） 【００３７】 【表１】 【００３８】上記のＡ、Ｂ供試体を各１体作製し、これ
らと比較するために、ピン部に応力緩和溝を設けていな
い継手（以下、Ｃ供試体と呼ぶ）を１体作製した。この
３体のねじ継手について、曲げモーメント 5000kgf・m
にて回転曲げ疲労試験を行って、それぞれの性能を評価
した。その評価結果を表２にまとめる。 【００３９】 【表２】 【００４０】表２から明らかなように、３体のねじ継手
ともねじ噛み合い端部の最端のねじ付け根Ｒ部に疲労亀
裂が発生したが、継手の疲労寿命は応力緩和溝を設ける
ことによって、大幅に延長している。また、応力緩和溝
を設けた場合でも、Ｂ供試体の方がＡ供試体より長寿命
となっていることから、応力緩和溝の長さは１ピッチの
範囲より２ピッチの範囲で、応力緩和溝の本数は１本よ
り２本を設けることによって、継手の疲労特性が向上す
ることが分かる。 【００４１】ここには、カップリング方式の場合の実施
例を示したが、インテグラル方式の場合でも同様の特性
が得られた。 【００４２】 【発明の効果】本発明による油井管用ねじ継手は、ねじ
噛み合い端部の応力集中が緩和されるので、疲労特性が
大幅に向上する。このため、この継手を使用すれば、海
洋油田の開発に伴う厳しい油井の条件下でも、掘削作業
の効率化を図ることができ、今後の石油産業に大きく貢
献することが可能となる。
然ガスや石油の探査および生産に使用される油井管のね
じ継手に関するものであり、特に、井戸の曲がりが大き
く、ねじに作用する荷重条件が厳しい場合に使用するの
に適した疲労特性に優れる油井管用ねじ継手を提供する
ものである。 【０００２】 【従来の技術】今日、深さ数千ｍにも及ぶ天然ガス田や
原油田等の探査および生産に使用される油井管を接続す
る技術としてねじ継手が広く用いられている。 【０００３】図９は、油井管用ねじ継手の二例を示す軸
方向断面図である。同図（ａ）は、管10の一端にピン部
11を、他端にボックス部21を形成し、管同士を接続する
インテグラル方式の例であり、同図（ｂ）は、二つのボ
ックス部21を形成したカップリング20によって両端にピ
ン部11を形成した管10を接続するカップリング方式の例
である。また、同図（ｃ）は、カップリング方式におけ
るねじの噛み合い部分の拡大図を示している。 【０００４】いずれの例でもピン部11に設けた雄ねじ12
とボックス部21に設けた雌ねじ22を締結することにより
接続されるが、近年の油井管ねじ継手では、単に雄ねじ
12と雌ねじ22からなるねじ要素のみで構成されているも
のは少なく、シール部13やショルダ部14を同時に備えて
いるものが多い。シール部13はメタルシールを構成する
ことにより、管１の内部または外部の流体による内圧ま
たは外圧に対する気密性能を向上させるためのものであ
る。また、ショルダ部14はピン部11およびボックス部21
のこの部分を突き当てることにより、過度の塑性変形が
生じるような高い接触面圧がシール部13に発生しないよ
うにして、ねじ継手の締結を確実なものにするためのも
のである。 【０００５】近年、このような油井管用ねじ継手に対し
て、 1) 海洋油田の開発に伴い、洋上の船体に設けられた管
体に接続される場合が多くなり、このため波浪による繰
り返し引張荷重に耐えること、 2) 掘削作業の効率化のため、意図的に井戸を屈曲させ
ることにより生じる繰り返し曲げ荷重に耐えること、 等の新たな要求性能があり、単に静的な強度特性のみで
なく、動的な疲労特性に優れることが求められている。 【０００６】このような疲労特性の要求に対して最も問
題となるのは、次の理由から、ねじの噛み合い端部15
ａ、15ｂにおける強度である。 【０００７】 ねじ継手に引張荷重や曲げ荷重が作用
すると、その荷重を最も多く分担するのはピン部11の付
け根側のねじ噛み合い端部15ａとボックス部21の内部側
のねじ噛み合い端部15ｂとであるから、ねじの噛み合い
端部のねじ付け根Ｒ部に大きな応力集中が発生する。 【０００８】 図９（ａ）および（ｂ）で例示したよ
うなショルダ部14を有する継手では、締結時のショルダ
の突き当てによって生じる反力が、既に上記のねじ噛み
合い端部15ａ、15ｂに応力として発生しているので、さ
らに引張荷重や曲げ荷重が作用する場合には、ねじの噛
み合い端部のねじ付け根Ｒ部の応力集中を促進すること
になる。 【０００９】従来、ねじの噛み合い端部のねじ付け根Ｒ
部の応力集中を低減させるため、いくつかの提案がなさ
れており、例えば次のようなものがある。 【００１０】図２は、特開平４−15385 号公報にて応力
集中を低下させるために提案されたねじ形状を示す。即
ち、ねじ付け根Ｒ部17の応力集中が過大にならぬよう
（応力集中係数αn ≦ 2.5）に、台形状のねじ頭部およ
び底部のねじ付け根Ｒ部の曲率半径を所定の範囲で加工
することを特徴としている。 【００１１】図３は、応力集中を防ぐ別の手段として、
特開平４−157280号公報によって提案されている継手を
示している。同図から明らかなように、この継手ではピ
ン部11の付け根側の片端に応力除去溝30を設けることに
よって、ねじ噛み合い端部のねじ付け根Ｒ部の応力集中
を低減させている。 【００１２】しかし、前記のように提案のあった油井管
用ねじ継手には、それぞれ次のような問題がある。 【００１３】図２に示すねじ形状の継手では、ねじ付け
根Ｒ部17の応力集中を低下させるため、ねじ付け根Ｒ部
の曲率半径を大きくする必要がある。しかし、この曲率
半径をあまり大きく取ると、同図に示すねじ荷重面の接
触部18が相対的に小さくなり、雄ねじと雌ねじとの有効
接触面積が減少するため、引張荷重や曲げ荷重が作用す
ると、継手が容易に外れ、油井管が井戸の中に落ち込む
という危険性が高くなる。一旦、油井管が井戸の中に落
ち込んだ場合には、井戸内での油井管の再接続が極めて
困難なことから、開発中あるいは生産中の油井を廃坑に
しなければならないという最悪の事態を招くことにな
る。この事態を避けるためには、ねじ付け根Ｒ部の曲率
半径をあまり大きく加工することができない。このた
め、結果的にはねじ付け根Ｒ部17の応力集中をそれほど
低減できないことになる。この問題は、ねじ荷重面の接
触部18を大きく取れない、即ち、ねじ高さを高く取れな
い薄肉管の場合に特に顕著であり、深刻な問題となる。 【００１４】図３に示したねじ継手では、ピン部11の応
力除去溝30が継手軸線に直交する面を基準に設けられて
いるため、雄ねじ12の面に対し対称形状にならないとい
う問題がある。 【００１５】図４は、特開平４−157280号公報によって
提案されている前記図３の継手のピン部11に設けられた
応力除去溝30近傍を拡大斜視図で示したものである。同
図から明らかなように、応力除去溝30に直近する螺旋状
の雄ねじ12の面は、応力除去溝30によって斜めに切断さ
れる。そのため、ねじ噛み合い端部15ａの１ピッチ分の
雄ねじ12のねじ山をみると、応力除去溝30に接するねじ
山15ａ′と応力除去溝30からほぼ１ピッチ離れたねじ山
15ａ″が存在することになる。 【００１６】応力除去溝30を設けることによるねじ付け
根Ｒ部の応力を低減する効果は、応力除去溝30からの離
間距離が増加するとともに減少するため、応力除去溝30
に接するねじ山15ａ′の部位ではその効果は期待できる
が、応力除去溝30からほぼ１ピッチ離れたねじ山15ａ″
の部位ではあまり期待できない。また、この問題を解消
するために、応力除去溝30の深さを深くするという手段
も考えられるが、この場合にはピン部11の薄肉化を招
き、応力除去溝30の溝底部の断面積が減少することにな
り、引張荷重や曲げ荷重の作用により比較的容易に応力
除去溝30で破断するという危険が生じる。 【００１７】 【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記の油井
管用ねじ継手が有する問題を解消し、引張荷重や曲げ荷
重が作用する荷重条件が厳しい油井に使用した場合に、
優れた疲労特性を発揮する油井管用ねじ継手を提供する
ことを目的とする。 【００１８】 【課題を解決するための手段】本発明は、基本的には図
９に示す油井管用ねじ継手であって、図１に示すように
応力緩和溝を設けるねじ継手を要旨とする。即ち、本発
明のねじ継手は、台形の雄ねじ12を有するピン部11と、
同じく台形の雌ねじ22を有するボックス部21を接続して
なる油井管用ねじ継手であって、前記のピン部または／
およびボックス部のねじ噛み合い端部15ａ、15ｂの片端
もしくは両端のねじ底32に、ねじのリードと等しい螺旋
状の応力緩和溝16を少なくとも１ピッチの範囲で設けた
ことを特徴とする疲労特性に優れた油井管用ねじ継手で
ある。即ち、本発明の応力緩和溝16は同一のねじ底32に
設けられるのであり、その本数は１本または複数本を平
行に設けられる。 【００１９】油井管用ねじ継手は通常１条ねじで構成さ
れるが、本発明の油井管用ねじ継手は１条ねじの継手の
みに限定されるものではなく、２条ねじ以上の多条ねじ
の継手であってもよい。この場合、少なくとも１ピッチ
の範囲内で同一のねじ底に設けられる応力緩和溝の本数
をｍとし、ねじ条数をｎとすると、ねじ底に設けられる
応力緩和溝の総本数はｍ×ｎとなる。 【００２０】図５は、雄ねじ12の各部の名称を説明する
図である（２条ねじの場合）。ここで、ピッチとは互い
に隣り合うねじ山33の相対応する２点を軸線方向に測っ
た距離をいい、リードとはねじ山に沿って軸線のまわり
を一周するとき、軸方向に進む距離をいう。従って、ピ
ッチとリードとの関係は、同図に示す２条ねじの場合に
はリードがピッチの２倍になるが、１条ねじの場合には
リードとピッチが等しくなる。 【００２１】 【作用】本発明のねじ継手のねじは、いわゆる台形ねじ
に属するものである。このねじ形状を採用するのは、一
般に三角形状のねじに比べて、繰り返しの引張荷重や曲
げ荷重に対する性能に優れるからである。 【００２２】図６は、引張荷重や曲げ荷重が作用した場
合のねじ荷重面での応力の分担状況を説明する図であ
る。同図に示すように、引張荷重または曲げ荷重が継手
に作用したとき、雄ねじの荷重面31には面に垂直な力Ｆ
が生じるが、この力Ｆは継手の軸方向成分Ｆ・ cosθと
半径方向成分Ｆ・ sinθに分解される。ここで、θが小
さいほど軸方向成分Ｆ・ cosθは大きくなり、継手に作
用する引張荷重や曲げ荷重を多く分担することができ
る。また、半径方向成分は、ねじの引っかかりを減少さ
る方向に作用しているため、θが小さいほど、継手がは
ずれにくくなる。従って、引張荷重や曲げ荷重に対する
性能はθが小さいほど良好となる。 【００２３】台形ねじと三角形状のねじを比較すると、
ねじ高さおよびねじ底幅が同一であることを前提とすれ
ば、台形ねじの方がθを小さくできるため、引張荷重や
曲げ荷重に対する性能は優れている。 【００２４】本発明のねじ継手は、ピン部の雄ねじとボ
ックス部の雌ねじの少なくとも一方で、ねじ噛み合い端
部の片端あるいは両端の少なくとも１ピッチ分のねじ底
に、ねじと等しいリードで螺旋状の応力緩和溝を設ける
ことを特徴としている。ここで、応力緩和溝をねじ噛み
合い端部から少なくとも１ピッチ分の範囲に設け、継手
軸線のまわりに一周させることとしたのは、最も応力集
中が大きい噛み合い端部のうち最端部のねじ山付け根Ｒ
部に発生する応力を、全周にわたり均一に緩和させるた
めである。 【００２５】ねじ継手においては、噛み合い端部のうち
最端部のねじ山付け根Ｒ部（１ピッチ分）のみでなく、
２〜３ピッチ分のねじ山付け根Ｒ部にも比較的高い応力
集中が発生するので、この部分にも応力緩和溝を設ける
ことが好ましい。また、１条ねじのみならず、２条以上
の多条ねじであっても、１ピッチ分の応力緩和溝を設け
ることが必須となる。 【００２６】応力緩和溝をねじ底に設けることとしたの
は、応力緩和溝をねじ付け根Ｒ部に近接して設ける場合
が、応力緩和の効果が有効に働くためである（後述の図
７、図８参照）。一方、ねじ付け根Ｒ部に近接して設け
るという意味では、応力緩和溝をねじ荷重面に設けるこ
とも考えられるが、この場合は、ねじ荷重面の接触部
（面積）を狭めることになるから、継手が容易に外れる
等の問題が生じることになり、適当ではない。 【００２７】応力緩和溝をねじと等しいリードで螺旋状
に設けることとしているのは、ねじ山付け根Ｒ部と応力
緩和溝の相互の位置関係を、継手の円周方向のいずれの
断面においても同一とするためである。このように応力
緩和溝を設けることによって、円周方向のいずれのねじ
山付け根Ｒ部においても、応力集中を緩和させる効果が
均一となる。 【００２８】図１は、本発明のねじ継手に設けられた応
力緩和溝の一例を示すピン部11の断面図である。同図で
は、ねじの荷重面31の付け根Ｒ部17に近接して、応力緩
和溝16がねじ底32に螺旋状に２本設けられていることを
示している。この応力緩和溝は、前記の知見に基づいて
設けられたものであるが、この効果について更に詳細に
説明する。 【００２９】図７は、多重ノッチを持つ半無限平板の引
張モデルを示す（引用文献：西田正孝著「応力集中」、
602頁〜 603頁、森北出版）。このモデルでは、半無限
平板の直線へりにｎ個の半円形ノッチ（半径ρ）を２ｐ
（ピッチ）の等間隔で配置し、直線へりの方向に一様引
張応力σ0 を負荷している。これは有限幅の板であって
も、板幅に比べてノッチの半径ρが小さい場合に相当す
る。従って、図７に示した引張モデルと図１に示した本
発明のねじ継手の一例とを対応すると、図７の右端のノ
ッチと図１の付け根Ｒ部17が対応し、図７の他のノッチ
が図１の応力緩和溝16に対応することになる。上記の引
用文献における光弾性実験結果によれば、図７に示した
モデルでの最大応力は両端のノッチの最深部Ａ点より５
°〜７°外側に寄ったＡ′点に現れる。 【００３０】図８は、同引用文献に記載の引張モデルに
おける応力集中率を表す図である。 【００３１】同図において、両端のノッチ底Ａ点の応力
をσA 、Ａ点よりやや外側のＡ′点に生ずる最大応力を
σA ′、板端より２番目のノッチ底Ｂ点の応力をσB 、
中央のノッチ底Ｃ点の応力をσC とし、各応力集中率
（αA ＝σA ／σ0 、αA ′＝σA ′／σ0 、αB ＝σ
B ／σ0 、αC ＝σC ／σ0 ）と２ｐ／ρとの関係を、
ノッチの個数ｎをパラメーターとして表している。図８
から、応力集中率は２ｐ／ρがほぼ２のとき（ｐ＝ρの
とき）最小となり、またｎが増加するとともに低下する
ことがわかる。このため、本発明のねじ継手に設ける応
力緩和溝16は、荷重面31の付け根Ｒ部17に接するように
位置するとともに、その個数は１個より複数個を設ける
ことが好ましい。以上の説明は引張荷重に対するもので
もあるが、曲げ荷重に対しても同様のことがいえる。 【００３２】応力緩和溝16の形状に関しては、その深さ
が重要であり、あまりに浅い場合には応力集中を緩和す
る効果が小さく、逆に深すぎる場合には応力緩和溝16の
溝底での断面積が減少するため、返って引張荷重や曲げ
荷重に対する性能が低下する。このため、ねじ付け根Ｒ
部の曲率半径の 0.5〜1.5 倍の深さにすることが好まし
い。この範囲であれば、図３に示した応力除去溝30に比
べて溝底での断面積が十分に確保されるため、溝底での
破断の危険性は著しく減少する。また、応力緩和溝16の
形状自体は、図１において一例として示した半円形状の
ものであっても、または半楕円形状のものでも十分な効
果が得られるため、特に規定しないが、少なくとも滑ら
かな形状であることが必要である。 【００３３】本発明のねじ継手では、この応力緩和溝を
ピン部の雄ねじまたはボックス部の雌ねじの少なくとも
一方で、ねじ噛み合い端部の片端あるいは両端に設け
る。前述したように、ねじ付け根Ｒ部への応力集中が問
題となるねじ噛み合い端部は、一対のピン部とボックス
部において一箇所のみでなく複数箇所が存在する。しか
し、そこでの応力集中の程度は継手の形状（例えば、継
手の方式、肉厚、ねじ形状等）に依存して異なるため、
応力の集中状況により応力緩和溝を設ける必要性および
設ける場合の条件を決定する方が現実的である。応力緩
和溝を設けることは継手の加工コストを増加させるた
め、必要以上の条件で応力緩和溝を設けると、継手の寿
命延長の効果よりも単に加工コストを上昇させるに過ぎ
ないという事態もあり得るからである。 【００３４】本発明のねじ継手は、カップリング方式の
継手でもよく、また、インテグラル方式の継手でもよ
い。上述の作用効果はいずれの方式においても同様であ
る。 【００３５】 【実施例】本発明のねじ継手の性能を、実施例に基づい
て説明する。使用した継手は、図９（ｂ）に示した構成
のカップリング方式であって、表１に示す諸元を有する
１条ねじの継手で、そのピン部の付け根側のねじ噛み合
い端部のねじ底に応力緩和溝を機械加工によって設け
た。このときの応力緩和溝の加工条件は、次の通りとし
た。 【００３６】１．形状：半円 ２．半径寸法：0.3mm （ねじ付け根Ｒ部の曲率半径の
1.5倍) ３．ピッチおよびリード寸法：5.08mm（ねじのピッチお
よびリードと同じ） ４．応力緩和溝の長さおよび個数： ねじ噛み合い端部の最端部から１ピッチの範囲にわ
たって１本の溝を設けた（以下、Ａ供試体と呼ぶ） ねじ噛み合い端部の最端部から２ピッチの範囲にわ
たって２本の溝（溝中心間距離 0.6mm）を設けた（以
下、Ｂ供試体と呼ぶ） 【００３７】 【表１】 【００３８】上記のＡ、Ｂ供試体を各１体作製し、これ
らと比較するために、ピン部に応力緩和溝を設けていな
い継手（以下、Ｃ供試体と呼ぶ）を１体作製した。この
３体のねじ継手について、曲げモーメント 5000kgf・m
にて回転曲げ疲労試験を行って、それぞれの性能を評価
した。その評価結果を表２にまとめる。 【００３９】 【表２】 【００４０】表２から明らかなように、３体のねじ継手
ともねじ噛み合い端部の最端のねじ付け根Ｒ部に疲労亀
裂が発生したが、継手の疲労寿命は応力緩和溝を設ける
ことによって、大幅に延長している。また、応力緩和溝
を設けた場合でも、Ｂ供試体の方がＡ供試体より長寿命
となっていることから、応力緩和溝の長さは１ピッチの
範囲より２ピッチの範囲で、応力緩和溝の本数は１本よ
り２本を設けることによって、継手の疲労特性が向上す
ることが分かる。 【００４１】ここには、カップリング方式の場合の実施
例を示したが、インテグラル方式の場合でも同様の特性
が得られた。 【００４２】 【発明の効果】本発明による油井管用ねじ継手は、ねじ
噛み合い端部の応力集中が緩和されるので、疲労特性が
大幅に向上する。このため、この継手を使用すれば、海
洋油田の開発に伴う厳しい油井の条件下でも、掘削作業
の効率化を図ることができ、今後の石油産業に大きく貢
献することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のねじ継手に設けられた応力緩和溝の一
例を示す軸方向断面図である。 【図２】従来の油井管用ねじ継手におけるねじ形状を説
明する軸方向断面図である。 【図３】従来の油井管用ねじ継手に設けられた応力除去
溝を説明する軸方向断面図である。 【図４】従来の油井管用ねじ継手に設けられた応力除去
溝近傍の拡大斜視図である 【図５】雄ねじの各部の名称を説明する図である。 【図６】引張荷重や曲げ荷重が作用した場合のねじ荷重
面での応力の分担状況を説明する図である。 【図７】本発明の応力緩和溝の効果を説明する多重ノッ
チを持つ半無限平板の引張モデルを示す図である。 【図８】図７に示す引張モデルにおける応力集中率を表
す図である。 【図９】（ａ）はインテグラル方式の油井管用ねじ継手
の基本的構成を示す軸方向断面図であり、（ｂ）はカッ
プリング方式の油井管用ねじ継手の基本的構成を示す軸
方向断面図であり、（ｃ）はカップリング方式における
ねじの噛み合い部分の軸方向拡大図である。 【符号の説明】 10：管、 11：ピン部、 12：雄ねじ、 13：シール
部、 14：ショルダ部 15ａ、15ｂ：ねじ噛み合い端部、 16：応力緩和溝、
17：ねじ付け根Ｒ部 18：ねじ荷重面の接触部、 20：カップリング、 21：
ボックス部 22：雌ねじ、 30：応力除去溝、 31：荷重面、 32：
ねじ底 33：ねじ山
例を示す軸方向断面図である。 【図２】従来の油井管用ねじ継手におけるねじ形状を説
明する軸方向断面図である。 【図３】従来の油井管用ねじ継手に設けられた応力除去
溝を説明する軸方向断面図である。 【図４】従来の油井管用ねじ継手に設けられた応力除去
溝近傍の拡大斜視図である 【図５】雄ねじの各部の名称を説明する図である。 【図６】引張荷重や曲げ荷重が作用した場合のねじ荷重
面での応力の分担状況を説明する図である。 【図７】本発明の応力緩和溝の効果を説明する多重ノッ
チを持つ半無限平板の引張モデルを示す図である。 【図８】図７に示す引張モデルにおける応力集中率を表
す図である。 【図９】（ａ）はインテグラル方式の油井管用ねじ継手
の基本的構成を示す軸方向断面図であり、（ｂ）はカッ
プリング方式の油井管用ねじ継手の基本的構成を示す軸
方向断面図であり、（ｃ）はカップリング方式における
ねじの噛み合い部分の軸方向拡大図である。 【符号の説明】 10：管、 11：ピン部、 12：雄ねじ、 13：シール
部、 14：ショルダ部 15ａ、15ｂ：ねじ噛み合い端部、 16：応力緩和溝、
17：ねじ付け根Ｒ部 18：ねじ荷重面の接触部、 20：カップリング、 21：
ボックス部 22：雌ねじ、 30：応力除去溝、 31：荷重面、 32：
ねじ底 33：ねじ山
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
F16L 15/00
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】台形の雄ねじを有するピン部と同じく台形
の雌ねじを有するボックス部を接続してなる油井管用ね
じ継手であって、前記のピン部または／およびボックス
部のねじ噛み合い端部の片端もしくは両端のねじ底に、
ねじのリードと等しい螺旋状の応力緩和溝を少なくとも
１ピッチの範囲で設けたことを特徴とする疲労特性に優
れた油井管用ねじ継手。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24231693A JP3401859B2 (ja) | 1993-09-29 | 1993-09-29 | 疲労特性に優れた油井管用ねじ継手 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24231693A JP3401859B2 (ja) | 1993-09-29 | 1993-09-29 | 疲労特性に優れた油井管用ねじ継手 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0798082A JPH0798082A (ja) | 1995-04-11 |
| JP3401859B2 true JP3401859B2 (ja) | 2003-04-28 |
Family
ID=17087406
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24231693A Expired - Lifetime JP3401859B2 (ja) | 1993-09-29 | 1993-09-29 | 疲労特性に優れた油井管用ねじ継手 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3401859B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015111117A1 (ja) | 2014-01-24 | 2015-07-30 | Ｊｆｅスチール株式会社 | 管のねじ継手 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5924152B2 (ja) * | 2012-06-20 | 2016-05-25 | Ｊｆｅスチール株式会社 | 鋼管用ねじ継手 |
| JP5707597B1 (ja) * | 2014-07-23 | 2015-04-30 | 横浜市 | スタンドパイプ |
| CN107429861A (zh) * | 2015-03-18 | 2017-12-01 | Nkk钢管株式会社 | 带有双台肩工具接头的钻杆 |
-
1993
- 1993-09-29 JP JP24231693A patent/JP3401859B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015111117A1 (ja) | 2014-01-24 | 2015-07-30 | Ｊｆｅスチール株式会社 | 管のねじ継手 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0798082A (ja) | 1995-04-11 |
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