JP3714199B2

JP3714199B2 - テーパねじ継手

Info

Publication number: JP3714199B2
Application number: JP2001172869A
Authority: JP
Inventors: 惇前田; 重夫永作; 勝利炭谷
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-06-07
Filing date: 2001-06-07
Publication date: 2005-11-09
Anticipated expiration: 2021-06-07
Also published as: JP2002061779A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば油井管同士を接続するテーパねじ継手に関する。
【０００２】
【従来の技術】
テーパねじを締め付ける場合、雄ねじと雌ねじとが噛み合う。その際、荷重面（ロードフランク面）の接触に加えて、通常、雄ねじ頂部と雌ねじ底部、或いは、雄ねじ底部と雌ねじ頂部、及び、荷重面の反対（裏）側の挿入面（スタブフランク面）のうち、どれかが接すると、ねじ込みの進行が阻止され噛み合いの半径方向の相互移動も阻止される。通常は雄ねじの頂面側か底面側のどちらかが接することによりねじ込みは阻止され、雄ねじおよび雌ねじの更なる噛み合いは停止される。
【０００３】
そして、上記した状態より更に締め付け力（トルク）を増やせば、雄ねじ及び雌ねじはそれぞれ縮径変形或いは拡径変形し、互いに締め付け力を生ずることになる。この両者の変形の和をねじの干渉量という。この干渉量の程度を適当に制限すべく締め付け力が制限されているのが普通のテーパねじである。通常は、ねじの締め付け力をわずかに大きくしてねじの緩み止めとし、かつ、引張力に十分耐えられれば良い。従来のテーパねじは大部分この構造であるといえる。
【０００４】
主に管状物の締結に採用されるテーパねじ継手は、上記したねじの干渉量に関係する軸方向反力でねじの荷重面に負荷を生じさせ、この負荷とねじ干渉量による雄ねじ（又は雌ねじ）底面の反力とで、軸方向にも径方向にもガタのないしっかりした締結が得られるようになっている。
【０００５】
ところで、一旦締結されたテーパねじは、軸方向に引張荷重が加わっても、その締結の初期より荷重面で接触していることから、雄ねじと雌ねじとの間に引張方向での相対移動は生じ得ず、この状態は引張荷重がねじ部の強度を超えるまで保たれる。
【０００６】
しかしながら、通常、ねじの挿入面には隙間が設けられていることが多いため、軸方向圧縮力に対するのは、ねじ部での支えはテーパ面である雄ねじまたは雌ねじのねじ底部による抵抗およびねじ部に与えられた干渉量により生ずるテーパ面の接触力により生ずる摩擦抵抗力のみである。従って、テーパの大きさにも多少は左右されるものの、ねじの軸方向引張力の場合に比べてその軸方向圧縮力に対する抵抗力ははるかに小さい。つまり、通常のテーパねじは比較的小さい圧縮力にも抗しきれず、雄ねじと雌ねじ間で通常挿入面側に存在する軸方向の隙間に相当する量の軸方向相対移動が生じてしまう。
【０００７】
ねじ部の近くにねじ込み制限用のストッパーを設けている場合には、このストッパーが前記した軸方向圧縮力に対して抵抗するものの、構造上の制約によりこのストッパの衝接部面積は管体断面積より小さくせざるを得ず、ねじの耐引張抵抗力がほぼ管体強度に匹敵するまで大きく出来るのに対して、耐圧縮抵抗力は管体強度よりはるかに小さい。従って、その限度を超える軸方向圧縮力に対しては抵抗しきれず、ストッパー部に変形を生じて軸方向への相対移動が生じ、前記のねじ挿入面側の隙間の量だけ移動することとなる。
【０００８】
また、特にねじ締結部のシール性を確保するために、多くの油井管のようにメタルシール部が設けられている場合には、上記した軸方向移動によってシール性に大きな影響を及ぼす場合が多く、シール性を保てなくなる場合も多々発生する。
【０００９】
この軸方向圧縮力に対して十分に抵抗するためには、ねじ挿入面の隙間をなくし、少なくともねじ締結時には荷重面と同様に挿入面をも接触させておく必要があり、既にこのような荷重面、挿入面ともに隙間をなくして接触させる機構のねじが考えられている（例えば特開平９−１１９５６４号公報参照）。
【００１０】
しかしながら、実際に製作する上での加工公差を考慮すると、その公差内のいかなる加工結果においても、常にねじの荷重面と挿入面の両面を接触させておくことは難しい。従って、荷重面および挿入面の両面の接触が必要な場合に個々の寸法条件をそれぞれ加減して適当な寸法関係を単独に選択しているのが実情であり、結果として、挿入面側に隙間を生じることもあって、効果的な耐圧縮力が得られない場合が多い。
【００１１】
なお、特開平９−１１９５６４号公報では、締結時、荷重面と挿入面が共に接触するように構成した油井管用ねじ継手が提案されているが、どのような構成を採用することで、締結時、荷重面と挿入面が共に接触するようになるのかについての具体的な記載は全くなく、単にねじの荷重面と挿入面の両面接触という状態を述べているに過ぎない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上記した問題点を解消すべく、軸方向圧縮力に対して十分な抵抗力を発揮するため、ねじの荷重面と挿入面の両方の隙間をなくして必ず両面接触が可能なねじ形状を有するテーパねじ継手を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
ここに、本発明によれば、テーパねじ継手に、テーパ雄ねじのねじ頂面とテーパ雌ねじのねじ底面との隙間Ｌ₁若しくはテーパ雄ねじのねじ底面とテーパ雌ねじのねじ頂面との隙間Ｌ₂の何れか小さいほうの隙間の値Ｌ (以後「ねじの上下隙間Ｌ」と称する) と、荷重面角度α及び挿入面角度βと、互いに噛み合うテーパ雄ねじの山幅とテーパ雌ねじの谷幅またはテーパ雌ねじの山幅とテーパ雄ねじの谷幅の差、すなわち、ねじ幅方向に生じ得る軸方向隙間の最大値δとの間に、δ≦Ｌ・（ｔａｎα＋ｔａｎβ）の関係を有することとしている。
【００１４】
そして、このようにすることで、いかなる場合においても常に荷重面と挿入面の両面を接触した状態に保持することができるテーパねじ継手の製造が可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
テーパねじ継手において雄ねじおよび雌ねじを締結したときに、常に荷重面と挿入面の両面を接触した状態に保持するためには、ねじの噛み合い状態で、テーパ雄ねじの頂面側又は底面側がテーパ雌ねじの底面側又は頂面側に接する前に荷重面ばかりでなく挿入面も接して、ねじの半径方向の負荷（ねじの干渉量などによって生じる）をも荷重面と挿入面とで支える必要がある。
【００１６】
それには、テーパ雄ねじとテーパ雌ねじが噛み合う際の、テーパ雄ねじとテーパ雌ねじの半径方向の相対的な移動時に、テーパ雄ねじの頂面側及び底面側とテーパ雌ねじの底面側及び頂面側とで形成される隙間の大きさ（半径方向の移動可能量）が、ねじの山幅と谷幅間のピッチライン上における軸方向隙間（通常は、荷重面が接しているから、ねじの締め込み初期には挿入面側に生じる隙間に相当する）をねじ締め込みの過程で０（ゼロ）にしてしまうほどのものでないといけない。
【００１７】
つまり、ねじの山と谷との間の軸方向隙間は、ねじが台形ねじであれば、ねじの締め込みの過程でねじ山が谷へ入り込むことから、順次減少して狭くなってゆき、テーパ雄ねじとテーパ雌ねじの半径方向の相対移動が止まればその減少は止まる。従って、この噛み合いによるピッチライン上における軸方向隙間の減少量が元々の挿入面での軸方向隙間よりも大きければよいことになる。
【００１８】
このピッチライン上における軸方向隙間の減少量の最大値は、ねじ荷重面の角度αとねじ挿入面の角度βおよび「ねじの上下隙間Ｌ」に関係し、Ｌ・（ｔａｎα＋ｔａｎβ）で表され、この値が元々の挿入面のピッチライン上における軸方向隙間δよりも大きければよいことになる。
【００１９】
この関係はねじの山幅（ねじの谷幅）が一定であることが必ずしも必要ではなく、一定割合で増加又は減少する場合や、また、ねじ山高さ（ねじ谷深さ）が一定割合で増加又は減少する場合にも適用可能である。また、荷重面と挿入面の形状が雄ねじと雌ねじ間で異なっていても、前記軸方向隙間δを挿入面間の隙間の最小値にとれば同じ関係が成立する。
【００２０】
また、テーパねじの締結には、前述のねじ干渉量を必要とすることが一般的であり、かつ、このねじ干渉量の与え方も雄ねじおよび雌ねじの各ピッチラインが一致した時点を干渉の開始点とすることが一般的であることから、このような場合には、上記雄ねじおよび雌ねじ間の半径方向の移動可能量Ｌ'(＝「ねじの上下隙間Ｌ」) はこのねじ干渉量を減少させる作用を持つ。従って、実質ねじ干渉量（Ｈ')は（Ｈ−２Ｌ')となる。つまり、このような場合、干渉量Ｈと半径方向移動可能隙間Ｌ' との間にはＨ＞２Ｌ' の関係が必要である。
【００２１】
ねじ干渉量を大きく取りすぎると雌ねじ側に過大な周方向の引張応力が生じることになり、それを避けるため通常ねじ込みトルクを制限するか、ねじ込み位置を制限する（ストッパーも具体例の一つ）方法がとられている。いずれにせよ、本発明において干渉量の制限は（Ｈ−２Ｌ' ）にて検討・設定すればよい。この場合、Ｌとδとの関係はねじ干渉量の設定値Ｈで制限を受けることになる。
【００２２】
それらの関係は次式により表わされる。
Ｈ＞２Ｌ
本発明のテーパねじ継手は、このような考え方によって構成されたものであり、互いに螺合するテーパ雄ねじとテーパ雌ねじのねじ山形状が、完全ねじ部全長にわたって一定の断面を有するもので、「ねじの上下隙間Ｌ」（ｍｍ）と、荷重面角度α（°）及び挿入面角度β（°）と、互いに噛み合うテーパ雄ねじの山幅とテーパ雌ねじの谷幅の差すなわちねじ幅方向にわたって生じ得る軸方向隙間δ（ｍｍ）との間に、
δ≦Ｌ・（ｔａｎα＋ｔａｎβ）
の関係を有するものである。なお、上記した関係式において、ねじ荷重面角度α（°）と、ねじ挿入面角度β（°）は、ねじ山の中心向き、つまり、互いに向き合う方向を正とする。また、δは加工公差をも含めたとり得る値を示す。
【００２３】
なお、これらの関係は、ねじ山高さは一定で、ねじの山幅、つまり、ねじ山幅が両者共通の一定割合で漸増又は漸減する可変ねじ山幅であるか、或いは、ねじ山高さのみ両者共通の一定割合で漸増又は漸減する可変ねじ山高さであるテーパ雄ねじとテーパ雌ねじにも適用可能である。
【００２４】
以下、本発明のテーパねじ継手が採用する関係を図１を用いて説明する。
図１（ａ）はテーパ雄ねじ１とテーパ雌ねじ２のピッチ線１ａ，２ａが一致した状態を示している。この状態を、ねじ締結の初期状態として、テーパ雄ねじ１のねじ頂面１ｂとテーパ雌ねじ２のねじ底面２ｂとの隙間Ｌ₁（ｍｍ）、テーパ雄ねじ１のねじ底面１ｃとテーパ雌ねじ２のねじ頂面２ｃとの隙間Ｌ₂（ｍｍ）、これらの隙間Ｌ₁、Ｌ₂の内の何れか小さいほうの隙間の値（以下、「上下隙間」という。）Ｌ（ｍｍ）、荷重面１ｄ，２ｄの角度α（°）、挿入面１ｅ，２ｅの角度β（°）、テーパ雄ねじ１とテーパ雌ねじ２の互いに噛み合う山幅と谷幅の差、すなわち、ねじ幅方向にわたって生じ得る軸方向隙間δ（ｍｍ）はそれぞれ初期値であり、図面寸法上にて加工公差も含めて算出される値である。
【００２５】
図１（ａ）の状態から更にテーパ雌ねじ２に対するテーパ雄ねじ１の締め込みが続くと、荷重面１ｄ，２ｄでテーパ雄ねじ１とテーパ雌ねじ２はせり合っている故にテーパ雄ねじ１とテーパ雌ねじ２は荷重面ですべりつつ相対的に半径方向に移動し、ねじ頂部と底部間の各々の隙間Ｌ₁、Ｌ₂が減少する。また、軸方向隙間δも減少することになる。
【００２６】
そして、更にテーパ雌ねじ２に対するテーパ雄ねじ１の締め込みが進んで、上下隙間Ｌが先になくなれば、ねじ幅方向における軸方向隙間δが残ったままテーパ雄ねじ１とテーパ雌ねじ２の径方向の相対移動（荷重面１ｄ，２ｄでのせり上げ）は不可能になり、以後の締め込みには、テーパ雄ねじ１、テーパ雌ねじ２共に径方向に変形を生じつつ、それに相当する高い締め付けトルクが必要になる。そして、予め設定されたトルクまで、または、相対位置まで締め込んだところで、締結の終了となる。
【００２７】
しかしながら、この場合には、ねじ幅方向においてはわずかでも軸方向隙間δが存在することになり、荷重面と挿入面の両面が接触する締結条件にはならない。これに対し、上下隙間Ｌが先に０（ゼロ）になるのではなく、軸方向隙間δが同時もしくは先に０（ゼロ）になれば、図１（ｂ）に示したように、その時点で荷重面１ｄ，２ｄと挿入面１ｅ，２ｅの両面が接触する状態が得られる。
【００２８】
ねじのピッチをＰ、ねじのテーパを１／Ｔとすると、テーパ雌ねじ２に対するテーパ雄ねじ１の相対的な１回転の締め込みにより、上下隙間Ｌと軸方向隙間δの変化量ΔＬとΔδはそれぞれ、ΔＬ＝Ｐ／２Ｔ、Δδ＝（Ｐ／２Ｔ）・（ｔａｎα＋ｔａｎβ）となる。
【００２９】
そして、軸方向隙間δが上下隙間Ｌと同時もしくは先に０（ゼロ）になるには、（Ｌ／ΔＬ）≧（δ／Δδ）の関係が成立すればよい。従って、この関係にΔＬ＝Ｐ／２Ｔ、Δδ＝（Ｐ／２Ｔ）（ｔａｎα＋ｔａｎβ）を代入すれば、δ≦Ｌ・（ｔａｎα＋ｔａｎβ）が得られることになる。
【００３０】
従って、上下隙間Ｌと、荷重面角度α及び挿入面角度βと、軸方向隙間δとの間に、δ≦Ｌ・（ｔａｎα＋ｔａｎβ）の関係をもたせること及びねじ干渉量Ｈを設定する場合にはこのＨと上下隙間Ｌとの間にＨ＞２Ｌの関係をもたせることにより、いかなる場合にも、必ず荷重面と挿入面の両方が接触するねじ締結条件を得ることができる。
【００３１】
図２は、この関係を表しており、、直線δ＝Ｌ・（ｔａｎα＋ｔａｎβ）より紙面右下（δが大きい）の条件であれば、ねじ締結後も挿入面に軸方向隙間δが残り、直線から離れるに従って、軸方向隙間δは大きくなる。一方、直線δ＝Ｌ・（ｔａｎα＋ｔａｎβ）も含めて、この関係式より紙面左上（δが小さい）の領域の条件、すなわち、下記の▲１▼式
δ≦Ｌ・(tanα＋tan β) ・・・▲１▼
は、挿入面が接することを示し、直線から離れるに従って、その接触がねじ込みの早期に始まり、ねじ頂部に隙間を残しつつ (Ｈ−２Ｌ')のねじ干渉量をともなって固い接触となることを示し、耐圧縮性が大きくなる。
【００３２】
なお、ねじ締結後の実質ねじ干渉量を与えるためには、

であることが必要である。
【００３３】
したがって、▲１▼式および▲２▼式より、

であることが必要条件となる。
【００３４】
また、継手の寸法のねじ上下間隔Ｌ、荷重面角度α、挿入面角度β、雄ねじの山幅と雌ねじの谷幅との軸方向隙間δとが、図２において、δ＞Ｌ・(tanα＋tan β) となる領域にあっても、雄ねじと雌ねじを十分な締結トルクで締結した場合に、存在すべき軸方向隙間δがなくなり、実質的に十分な耐圧縮性能を示す場合がある。
【００３５】
例えば、トルクショルダー部を有するねじ継手の場合、締結条件がトルクショルダー部の軸方向の弾性変形の範囲内であれば、ピンリップ部の弾性変形にともなう歪に基づき、ねじの谷幅からねじの山幅を差し引いた値、すなわち軸方向隙間δが減少し、実質的に０となる場合があり得る。
【００３６】
さらに、雄ねじと雌ねじを締結したときのねじの径方向の干渉量に基づき、軸方向隙間δが減少する場合がある。
これは、雄ねじと雌ねじとを締結したときのねじ干渉量により雄ねじが縮径変形し、雌ねじが拡径変形することにより、ポアソンの法則により、雄ねじは軸方向に伸び、雌ねじは軸方向に縮むからである。すなわち、雄ねじが軸方向に伸び、雌ねじが軸方向に縮むといった相対的変形により、雄ねじのねじの山幅と雌ねじの谷幅との隙間が減少することから、前記のδ＝Ｌ・(tanα＋tan β) により表される境界線の近傍においては、実質的に軸方向隙間δの値が０（ゼロ）となり得るからである。
【００３７】
この場合の雄ねじの伸長量と雌ねじの短縮量との和は、継手を構成する管およびボックスの外径および肉厚などの寸法条件、材料の機械的性質ならびに締結時の実質ねじ干渉量の大きさにより影響される値であり、この和の量だけ、図２における適正範囲を示す境界線δ＝Ｌ・(tanα＋tan β) は、横軸（δ軸）方向に移動し、本発明における適正範囲は拡大する。
【００３８】
【実施例】
本発明のテーパねじ継手の効果を、従来例や比較例の場合と比較して実施例に基づいて説明する。
（実施例１）
荷重面と挿入面の両面接触ねじを製造するためには、例えば図３に示したように、現に噛み合っている状態においてピッチ径を合わせる等によって両面接触している状況を作図し、その後、各部の寸法を決めてもよい。その際、テーパ雄ねじ１とテーパ雌ねじ２のねじ山形状を同一とすれば、更に寸法決定が容易となる。
【００３９】
また、図４（ａ）、（ｂ）や図５（ａ）、（ｂ）に示したように、テーパ雄ねじ１とテーパ雌ねじ２を別々に設計・作図する場合には、同一基本形状寸法を定めた後、各部の寸法を決定してもよい。
【００４０】
しかしながら、実際に製造するに際しては、加工上の寸法公差は必要不可欠であることから、基本寸法の決定に際し、加工公差を盛り込ませなければならない。
【００４１】
ここに本発明の好適態様では、テーパねじ継手を構成するには、図３〜図５のいずれの場合においても、テーパ雄ねじとテーパ雌ねじのねじ幅の相対的関係が同一であることから、例えば、上下隙間Ｌ（ｍｍ）、荷重面の角度α（°）、挿入面の角度β（°）を下記表１に示したような値とした場合、それぞれ軸方向隙間δの限界値（許容最大値）は、下記表２に示したような値となる。
【００４２】
したがって、公差を含めたδの最大値をこの限界値以下に設定すればよい。
【００４３】
【表１】

【００４４】
【表２】

【００４５】
これにより、テーパ雄ねじとテーパ雌ねじの山幅、谷幅の公差を組合わせた値、すなわち、ねじ幅方向にわたって生じ得る軸方向隙間の最大値δが得られたことになる。また、逆に加工公差の限界より軸方向隙間の最大値δが例えば０．１ｍｍ必要であるとした場合、ねじ山の頂面と底面の隙間、すなわち「ねじの上下隙間Ｌ」の最小値は、本発明の関係式より、表３のような値となる。
【００４６】
つまり、本発明の関係式を採用すれば、上下隙間Ｌから基準の軸方向隙間δの限界値、或いは、軸方向隙間の最大値δから基準の上下隙間Ｌの限界値を簡単に求めることができるようになる。
【００４７】
【表３】

【００４８】
（実施例２）
本発明の関係式を満足する場合（サンプルＮｏ．１）と満足しない範囲を含む場合（サンプルＮｏ．２）を示す。サンプルＮｏ．１とサンプルＮｏ．２の場合における式に関係する各部の寸法及びＬ・（ｔａｎα＋ｔａｎβ）は下記表４のとおりである。
【００４９】
【表４】

【００５０】
表４に示した各部寸法を有するサンプルＮｏ．１及びサンプルＮｏ．２について、図２と同様の図面に表したものが、図６（ａ）、（ｂ）である。
図６の斜線部分は公差を考慮した実現範囲であり、軸方向隙間δの最大値を０．０６ｍｍ、最小値を０ｍｍとし、また、ねじ上下隙間Ｌの最大値を０．１５ｍｍ、最小値を０．１ｍｍとした場合のものである。（Ｌ＝０．１０ｍｍ＋０．０５ｍｍ／−０．０ｍｍ、δ＝０．０３ｍｍ±０．０３ｍｍ）。
【００５１】
このサンプルＮｏ．１を表わす図６（ａ）では、Ｌ・（ｔａｎα＋ｔａｎβ）の値は０．０６４８〜０．０９７２ｍｍの範囲であり、δの値は０．０〜０．０６ｍｍの範囲となる。またねじ干渉量が存在するためのＬ・（ｔａｎα＋ｔａｎβ）の限界値は設定ねじ干渉量０．４０ｍｍに基づき、Ｈ・（ｔａｎα＋ｔａｎβ）／２の値から０．１２９６ｍｍとなる。
【００５２】
従って、本発明の関係式を満足するサンプルＮｏ．１の場合には、加工公差の全ての範囲にて、δ、Ｌ、α、βの関係が直線δ＝Ｌ・（ｔａｎα＋ｔａｎβ）より紙面左上側（δが小さい範囲）に存在し、常に荷重面と挿入面の両面接触となる。
【００５３】
一方、本発明の関係式を満足しない範囲を含むサンプルＮｏ．２を表わす図６（ｂ）では、Ｌ・（ｔａｎα＋ｔａｎβ）の値は０．０２１６〜０．０３２３ｍｍの範囲であり、δの値はＮｏ．１の場合と同様に０．０〜０．０６ｍｍの範囲となる。また、ねじ干渉量が存在するためのＬ・（ｔａｎα＋ｔａｎβ）の限界値は、設定ねじ干渉量０．４０ｍｍに基づき、Ｈ（ｔａｎα＋ｔａｎβ）／２により算出すると０．０４３１ｍｍとなる。この値よりもＬ・（ｔａｎα＋ｔａｎβ）の値が大きくなると、ねじ干渉量が実質的になくなる。
【００５４】
従って、Ｌ、δの実際の値によっては、δ、Ｌ、α、βの関係が直線δ＝Ｌ・（ｔａｎα＋ｔａｎβ）より紙面左上側（δが小さい範囲）に存在して荷重面と挿入面の両方とも接する場合もありえるが、一部は紙面右下側（δが大きい範囲）に存在するのでこの場合には挿入面側に隙間を生じる。
【００５５】
また、現実のねじでは軸方向隙間の値δに−（マイナス）側を含めて設定することも可能であり、その場合でも直線δ＝Ｌ（ｔａｎα＋ｔａｎβ）より左上側の領域（δが小さい領域）になる条件であれば常に荷重面と挿入面の両面接触となる。逆に右下側の領域（δが大きい領域）になる条件であれば挿入面側に隙間を生じるという状況は同じである。
【００５６】
ただしδをマイナス側に設定することは実質ねじ干渉量Ｈ’がＨ−２δ／（ｔａｎα＋ｔａｎβ）で表わされることからも判るように過大になる傾向が大きい。従って、予め設定値Ｈを小さくしておく必要があり、それはδのとり得る値の範囲により変わる。
【００５７】
図２において、δ＞Ｌ・(tanα＋tan β) となる領域にあっても、雄ねじと雌ねじを十分な締結トルクで締結した場合に、存在すべき軸方向隙間δがなくなり、実質的に十分な耐圧縮性能を示す場合があることは既に述べたとおりである。ここで、δ≦Ｌ・(tanα＋tan β) により表される関係で規定されるδの範囲に比べて、δのとり得る値の範囲の増加の程度を下記の計算により評価した。
(a) トルクショルダー部を有するねじ継手の場合：
ピンリップ部の先端がトルクショルダー部を構成し、ピンリップ部の長さが１０ｍｍである継手の場合、弾性変形内の歪が０．１〜０．２％であることを考慮すれば、図２において、δ≦Ｌ・(tanα＋tan β) なる範囲よりも、δの値で０．０１〜０．０２ｍｍ大きい範囲まで、適正範囲が拡大すると期待される。
【００５８】
すなわち、Ｄδ₁＝０．０１〜０．０２ｍｍとなる。
(b) 雄ねじ部と雌ねじ部の径方向の干渉に基づく幅方向の変形の場合：
雄ねじおよび雌ねじの干渉量をＨ、それぞれのねじのピッチ径（直径）をＰ_D、ねじの干渉によるピン部の縮径量をｈｐ、ボックス部の拡径量をｈｂ、ピン部およびボックス部の材質を同一とし、そのポアソン比を（１／ｍ）とすると、軸方向の雄ねじおよび雌ねじの歪みεｐおよびεｂは、概略以下のように表わされる。
【００５９】
εｐ＝（ｈｐ／ＰＤ）・（１／ｍ）・・・（伸び）、
εｂ＝（ｈｂ／ＰＤ）・（１／ｍ）・・・（縮み）
ここで、軸方向の全歪みはε＝εｐ＋εｂであり、また、Ｈ＝ｈｐ＋ｈｂであることから、軸方向の全歪みは下記式のように表される。
【００６０】
ε＝（Ｈ／ＰＤ）・（１／ｍ）
したがって、ねじ１山当たりの軸方向の雄ねじの山幅と雌ねじの谷幅の減少量Ｄδ₂は、ねじピッチをＰとすれば、次式のようになる。
【００６１】
Ｄδ₂＝（Ｈ／ＰＤ）・（１／ｍ）・Ｐ
ここで、Ｈ＝０．３ｍｍ、ＰＤ＝１７６．５ｍｍ、Ｐ＝５．０８ｍｍ、１／ｍ＝０．３とすれば、
Ｄδ₂＝０．００２６ｍｍとなる。
【００６２】
なお、この値がねじ干渉量に比例することは言うまでもない。
（実施例３）
公称外径７インチ、公称肉厚０．４０８インチのＡＰＩ規格の鋼管及びボックス用素管（試験材材質；ＡＰＩ５ＣＴ規格Ｎ−８０、降伏強度６０１．７２×１０⁶Ｐａ、抗折強度７２５．２×１０⁶Ｐａ）を用いて、上記した実施例２におけるサンプルＮｏ．１、Ｎｏ．２のねじ形状を備え、かつ同一テーパの特殊ねじ継手を製作した。メタルシール部およびトルクストッパー用ショルダー部の形状は全て同一とした。このようにして製作されたテーパねじ継手の性能を比較した。試験に供したねじの各条件は下記表５の通りである。
【００６３】
【表５】

【００６４】
上記した各条件のねじを備えたテーパねじ継手を、それぞれテーパ雄ねじとテーパ雌ねじをトルク制限ストッパーに衝接後一定トルクを加える方法で締結した。ドープはＡＰＩＭｏｄｉｆｉｅｄ規格の標準品を使用した。メイクアップ後、複合試験を施し、その後解体して検査した。
【００６５】
複合試験は、図７に示すように、次の順序にて行った。
(1) 管体強度の９５％まで引張荷重を負荷し（荷重点１）、この荷重を保持しつつ、内圧を負荷してＶｏｎＭｉｓｅｓＥｌｌｉｐｓｅ（応力楕円)(ＶＭＥ）９５％の条件に設定する（荷重点２）。
(2) ＶＭＥ９５％の条件を保持すべく内圧を調整し、引張荷重を８０％（荷重点３）、６０％（荷重点４）、０％（荷重点５）と変化させる。更に、ＶＭＥ９５％の条件を保持しつつ、圧縮荷重を５０％（荷重点６）、９０％（荷重点７）、１００％（荷重点８）と負荷し、圧力０の単純圧縮条件にする。
(3) 軸力も一度零状態に戻す（荷重点９）。
(4) 管体強度の９５％まで圧縮荷重を負荷し（荷重点１０）、この９５％負荷点よりＶＭＥ９５％の荷重条件を負荷しつつ、圧縮荷重を９５％から９０％（荷重点１１）、５０％（荷重点１２）、０％（荷重点１３）と減少させる。
(5) 同じくＶＭＥ９５％の荷重条件を負荷しつつ、引張荷重を６０％（荷重点１４）、８０％（荷重点１５）、９５％（荷重点１６）と負荷する。
(6) 内圧を下げ、単純軸力を９５％（荷重点１７）とし、次に軸力も下げて全負荷を除去する（荷重点１８）。
(7) 上記した１〜６を再度繰り返す。
(8) なお、各荷重点での保持時間は原則として１箇所各１５分であるが、荷重点１，８，９，１０，１７については１分である。
【００６６】
試験結果を下記表６に示すが、本発明の関係式を満足するサンプルＡ，Ｂでは、何れも何ら問題なく良好にテストを終了できた。
【００６７】
【表６】

【００６８】
一方、本発明の関係式を満足しないサンプルＣ，Ｄでは、圧縮負荷を受けた後の引張かつ内圧負荷条件下にてリークが発生した。これは、高い圧縮力に対し、ねじ継手が耐えられずにメタルシール部に近いショルダー部に変形が生じ、それが原因で引張荷重条件下ではリークにつながったものと考えられる。
【００６９】
また、サンプルＥはねじ要素はサンプルＡ，Ｂと同じであるものの、ねじ幅隙間のみ大きいので、サンプルＣ，Ｄと同じくリークにつながった。
またサンプルＦ、Ｇは、軸方向隙間δが−（マイナス）であるが、ねじ締結後の実質ねじ干渉量がサンプルＡ、Ｂと同レベルの値であり、複合テストも問題無く、良好な結果であったばかりでなく、焼付も生じなかった。つまり、軸方向隙間の値δが−（マイナス）であっても実質ねじ干渉量の値を調整することにより本発明の効果を得ることができる。
【００７０】
本発明のテーパねじ継手は、上記した実施例の如く、ねじ近傍に雄ねじと雌ねじの噛み合い（ねじ込み）量を制限する目的のストッパーや、ねじ締結部でのシール性を確保するためのメタルシール部などを備えたものに限られることはなく、ねじのみの継手やねじにトルクストッパーのみ付いたもの、あるいはねじにメタルシール部のみ付いたもの等にも適用可能であることはいうまでもない。
【００７１】
【発明の効果】
本発明のテーパねじ継手によれば、ねじの荷重面と挿入面とが常に接している構造のねじを簡便に製造することができる。そして、このことにより、引張力のみならず圧縮力にも十分な抵抗力を備えたねじを、その加工公差も踏まえて確実に提供することができる。従って、特にメタルシール部を備えた油井管用特殊ねじ継手においては大きな圧縮力を繰り返して経験しても、それがためにシール性を損なうことがない信頼性の高い継手を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のテーパねじ継手が採用するねじ部を模式的に説明するもので、図１（ａ）はテーパ雄ねじとテーパ雌ねじのピッチラインが一致した初期状態を示し、そして図１（ｂ）は荷重面と挿入面が接した締め込み時の状態を示す模式的説明図である。
【図２】荷重面と挿入面の両方が接触するねじ締結条件を表したグラフである。
【図３】荷重面と挿入面の両面接触ねじを製造するために、現に噛み合っている状態においてピッチ径を合わせる等によって両面接触している状況を示した模式図である。
【図４】荷重面と挿入面の両面接触ねじを製造するために、テーパ雄ねじとテーパ雌ねじを別々に設計・作図する場合を示し、図４（ａ）はテーパ雌ねじを示し、図４（ｂ）はテーパ雄ねじを示す模式的説明図である。
【図５】荷重面と挿入面の両面接触ねじを製造するために、テーパ雄ねじとテーパ雌ねじを別々に設計・作図する場合を示し、図５（ａ）はテーパ雌ねじを示し、図５（ｂ）はテーパ雄ねじを示す模式的説明図である。
【図６】荷重面と挿入面の両方が接触するねじ締結条件を表わし、図６（ａ）は本発明の条件を満足する場合を示し、図６（ｂ）は本発明の条件を満足しない範囲を含む場合を示す模式的説明図である。
【図７】複合試験において試験材に作用する荷重の説明図である。

Claims

互いに螺合するテーパ雄ねじとテーパ雌ねじのねじ山形状が、完全ねじ部全長にわたって一定の断面を有するテーパねじ継手であって、下記式の関係を有することを特徴とするテーパねじ継手。
δ≦Ｌ・（ｔａｎα＋ｔａｎβ）
ここに、
Ｌ（ｍｍ）: テーパ雄ねじのねじ頂面とテーパ雌ねじのねじ底面との隙間Ｌ₁（ｍｍ）若しくはテーパ雄ねじのねじ底面とテーパ雌ねじのねじ頂面との隙間Ｌ₂（ｍｍ）の何れか小さいほうの隙間の値、
α（°） : 荷重面角度、
β（°） : 挿入面角度、
δ（ｍｍ）: 互いに噛み合うテーパ雄ねじの山幅とテーパ雌ねじの谷幅の差またはテーパ雌ねじの山幅とテーパ雄ねじの谷幅の差の最大値。
前記のねじ底面とねじ頂面との隙間の値Ｌ（ｍｍ）および、前記ねじの山幅と谷幅の差δ（ｍｍ）が、それぞれ加工公差を考慮した最小値以上で最大値以下の範囲であることを特徴とする請求項１記載のテーパねじ継手。
前記のねじの谷幅から山幅を差引いた値の公差を含めた値δ（ｍｍ）が負の値を有し、実質ねじ干渉量Ｈ’（ｍｍ）が、テーパ雄ねじとテーパ雌ねじのいずれの部分においてもねじを構成する材料を降伏応力に達せしめない範囲であることを特徴とする請求項１又は２に記載のテーパねじ継手。
互いに螺合するテーパ雄ねじとテーパ雌ねじのねじ山形状が、完全ねじ部全長にわたって一定の断面を有し、ねじ山底部から頂部にかけてねじの山幅が一様に減少するテーパねじ継手であって、下記式の関係を有することを特徴とするテーパねじ継手。
δ≦Ｌ・（ｔａｎα＋ｔａｎβ）
Ｌ（ｍｍ）: テーパ雄ねじのねじ頂面とテーパ雌ねじのねじ底面との隙間Ｌ₁（ｍｍ）若しくはテーパ雄ねじのねじ底面とテーパ雌ねじのねじ頂面との隙間Ｌ₂（ｍｍ）の何れか小さいほうの隙間の値、
α（°) : 荷重面角度、
β（°） : 挿入面角度、
δ（ｍｍ）: 互いに噛み合うテーパ雌ねじの谷幅からテーパ雄ねじの山幅を差引いた値またはテーパ雄ねじの谷幅からテーパ雌ねじの山幅を差引いた値。
前記のねじ底面とねじ頂面との隙間の値Ｌ（ｍｍ）および、前記ねじの谷幅から山幅を差引いた値δ（ｍｍ）が、それぞれ加工公差を考慮した最小値以上で最大値以下の範囲であることを特徴とする請求項４記載のテーパねじ継手。
前記のねじの谷幅から山幅を差引いた値δ（ｍｍ）が負の値を有し、実質ねじ干渉量Ｈ’（ｍｍ）が、テーパ雄ねじとテーパ雌ねじのいずれの部分においてもねじを構成する材料を降伏応力に達せしめない範囲であることを特徴とする請求項４に記載のテーパねじ継手。
前記のねじの谷幅から山幅を差引いた値のδ（ｍｍ）が負の値を有し、実質ねじ干渉量Ｈ’（ｍｍ）が、テーパ雄ねじとテーパ雌ねじのいずれの部分においてもねじを構成する材料を降伏応力に達せしめない範囲であることを特徴とする請求項５に記載のテーパねじ継手。
テーパ雄ねじとテーパ雌ねじとがメタルシール部を有するテーパねじ継手において、前記の実質ねじ干渉量Ｈ’（ｍｍ）が、メタルシール部の干渉量以下であることを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載のテーパねじ継手。
互いに螺合するテーパ雄ねじとテーパ雌ねじのねじ山形状が、完全ねじ部全長にわたって一定の断面を有し、ねじ山底部から頂部にかけてねじの山幅が一様に減少するテーパねじ継手であって、下記の式で表される関係を満足することを特徴とするテーパねじ継手。
δ≦Ｌ・（ｔａｎα＋ｔａｎβ）＋Ｄδ₁
ここで、Ｄδ₁は、δの減少時を正の値とする。
Ｌ（ｍｍ）: テーパ雄ねじのねじ頂面とテーパ雌ねじのねじ底面との隙間Ｌ₁（ｍｍ）もしくはテーパ雄ねじのねじ底面とテーパ雌ねじのねじ頂面との隙間Ｌ₂（ｍｍ）のいずれか小さいほうの隙間の値の加工公差を含めた値、
α（°） : 荷重面角度、
β（°） : 挿入面角度、
δ（ｍｍ） : 互いに噛み合うテーパ雌ねじの谷幅とテーパ雄ねじの山幅を差引いた値またはテーパ雄ねじの谷幅からテーパ雌ねじの山幅を差引いた値の加工公差を含めた値、
Ｄδ₁（ｍｍ）: ねじの締め込みにより生ずるトルクショルダー部の衝接に起因するねじリップ部の軸方向の弾性変形に基づくδの減少量。
互いに螺合するテーパ雄ねじとテーパ雌ねじのねじ山形状が、完全ねじ部全長にわたって一定の断面を有し、ねじ山底部から頂部にかけてねじの山幅が一様に減少するテーパねじ継手であって、下記の式で表される関係を満足することを特徴とするテーパねじ継手。
δ≦Ｌ・（ｔａｎα＋ｔａｎβ）＋Ｄδ₂
ここで、Ｄδ₂は、δの減少時を正の値とする。
Ｌ（ｍｍ） : テーパ雄ねじのねじ頂面とテーパ雌ねじのねじ底面との隙間Ｌ₁（ｍｍ）若しくはテーパ雄ねじのねじ底面とテーパ雌ねじのねじ頂面との隙間Ｌ₂（ｍｍ）の何れか小さいほうの隙間の値の加工公差を含めた値、
α（°） : 荷重面角度、
β（°） : 挿入面角度、
δ（ｍｍ） : 互いに噛み合うテーパ雌ねじの谷幅からテーパ雄ねじの山幅を差引いた値またはテーパ雄ねじの谷幅からテーパ雌ねじの山幅を差引いた値の加工公差を含めた値、
Ｄδ₂（ｍｍ）: ねじの締め込みに伴うねじの直径方向の弾性変形により生ずるねじの軸方向の弾性変形に基づくδの減少量。