JP5140223B2 - 補強された当接面を有する中空ねじ継手 - Google Patents
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Description
【０００１】
本発明は中空ねじ継手に関し、これは第１の中空要素の端部に位置する雄ねじ要素を含み、この雄ねじ要素は、第２の中空要素の端部に位置する雌ねじ要素への螺合により接続される。
【０００２】
このような継手は特に、炭化水素井又は地熱井のための鋼管（ケーシング）ストリング、生産管ストリング又はドリルストリングを構成するために用いられている。
【０００３】
雄及び雌ねじ要素はそれぞれ長尺管の一端に配置でき、第１の管の雄ねじ要素は、一体的なねじ継手を構成するように、第２の管の雌ねじ要素へねじ込まれる。
【０００４】
代替的に、雄ねじ要素は長尺管の二端の各々に配置でき、これらは２つの雌ねじ要素を支持する端部へ短尺管又は継手により接続され、このような長尺管の間の継手は「ねじ接続継手」として知られており、２つの中空ねじ継手を採用する。
【０００５】
更に本発明は、プレミアム継手として知られているねじ継手に関し、プレミアム継手は半径方向干渉金属対金属シール表面を含み、このシール表面はこれを正確に位置決めするように特に指向された当接面に関連している。
【０００６】
このようなプレミアムねじ継手は例えば欧州特許ＥＰ４８８，９１２号に説明されており、様々な実用構成（軸方向張力又は圧縮、内部又は外部圧力、曲げ）における流体に対するねじ継手のシールを保証することを可能にする。
【０００７】
傾斜しているか或いは充分に水平な角度におけるドリル偏りさく井のための最近の技術は、複数の管及びそれらを接続するねじ継手がウェル（井）の中へ下降するに従って回動させる必要がある。
【０００８】
このような技術は、さく井へ下降するときに採用されるトルクよりも常に実質的に大きな高構成(makeup)トルクを有するねじ継手を構成する必要があり、これが達成されなければ、シーリング面の位置が変わって継手が漏洩を生じるおそれがある。
【０００９】
所望のトルクと、さく井（偏りさく井）の幾何形状により曲げられた部分的な曲げ負荷のために、当接面は大きな負荷を受ける。
【００１０】
鋼管ストリング又は管ストリングの更に特定の場合では、さく井は複数の偏心ストリング管を備えており、ストリングの構成要素の内径及び外径は最大数のストリングのさく井への進入を制限する必要がある。
【００１１】
当接面は、軸に対して実質的に垂直なねじ要素上の表面であり、制約された半径方向の厚さを有し、このようなねじ継手の場合には樹脂成形には適さない非常に高い応力を受ける。
【００１２】
国際特許公報ＷＯ９４／２９６２７号及びＷＯ００／１４４４１号は、非常に高いトルクの構成を可能とする中空管継手を開示し、これは完全に又は部分的に突合せとして働くフランクを生じる。
【００１３】
本発明の目的は、一対の雄及び雌当接面を有するプレミアム中空ねじ継手を与えることであり、その一対の雄及び雌当接面は、突合せとして働くねじフランクを生じることなく樹脂成形に対して特別な抵抗をなす。
【００１４】
本発明の目的は、各ねじ要素について少なくとも１つの接合部を有するが、主な接合部（最初に当接して殆どの応力下にある）が雄ねじ要素上にその自由前方端に形成され、且つ同様な方式で雌ねじ要素上にあるプレミアム中空管継手に適用可能である。
【００１５】
本発明の目的は、任意の形式のねじ、ねじ形態又はシーリング面形式にも適用可能である。
【００１６】
本発明の中空ねじ継手は、第1中空部品の端部における雄ねじ要素と、第２中空部品の端部における雌ねじ要素とを備える。
【００１７】
雄ねじ要素は雄ねじを含み、且つ雄リップにより終端する。
【００１８】
雄リップは、
・その上に雄シーリング面が形成された外周面と、
・雄シーリング面に実質的に横切るように向き付けられて接続され、雄ねじ要素の自由端の前面により構成された雄環状当接面と、
・内周面とを含む。
【００１９】
用語「実質的に交差する面」は、平面と非平面との双方、例えば円錐を意味し、その母線はねじ継手の軸に対して直交する平面に関して３０°を越えて延出することはない。
【００２０】
雌ねじ要素は雄ねじ要素上の対応する手段と協働するように、雌ねじと、雌シーリング面を支持する中間周面と、雌肩とを含む。
【００２１】
雌肩は雌環状当接面を有し、この当接面は前記雌シーリング面に実質的に横切るように向き付けられて、近接して接続されると共に、雌環状肩領域を規定し、これは前記雄当接面が前記雌当接面に当たるにつれて軸方向圧縮負荷を受ける。
【００２２】
雄ねじは、前記雄当接面が前記雌当接面に当たるまで雌ねじへ一体化されて、前記雄シーリング面は前記雌支持面と径方向で干渉する。
【００２３】
本発明の１つの特徴によれば、雌環状肩領域は内周面を含み、その内径は、少なくとも前記雌当接面に接近して雄リップの内周面の径よりも小さく、これら２つの径の比は１未満であるが０．９以上である。
【００２４】
このような特徴は、雌環状肩領域における等価フォン・マイセス(von Mises)応力を低減させることが可能であり、この等価フォン・マイセスは、多数の従来技術のねじ継手においては、発明者によれば、隣接支持面により形成された３軸応力に対する雄突合せにおける応力よりも高く、雄突合せにおける主応力は全て圧縮応力であり、一方、雌環状肩領域においては、軸応力のみが圧縮応力であり、２つの他の主応力は引張応力である。
【００２５】
この特徴は、ねじ管状継手継手の内側の通路のために充分な内径を保つことも可能にする。
【００２６】
これらの形態の幾つかにおいて、フランス特許第１，４８８，７１９号及び１，４８９，０１３号は、当接面及びシーリング面を有するねじ管状継手を開示しており、この継手には雄ねじ要素の端部における雄リップと、雌ねじ要素上の雌肩部とが設けられており、雌環状肩領域の内周面の内径は前記雌当接面に近接して雄リップの内周面の径よりも小さい。
【００２７】
径の比に関して、これら２件の文献には値の制限が与えられていない。
【００２８】
更にフランス特許第１，４８９，０１３号においては、何の機能も内径における差に関連しておらず、これは単に雌環状肩領域の内周面の小さな径が、ねじ雌要素を構成するための管のアップセットからもたらされるとみなせるのみである。
【００２９】
鋼管のためのねじ継手を扱うフランス特許第１，４８８，７１９号の場合においては、雌環状肩領域が雄リップの損傷を回避するために雄リップよりも小さな内径を有し、その結果、鋼管ストリング内へドリル管が落ちる間の衝撃によるねじ継手のシールを有する。従って内径差の機能は本発明の場合におけるものとは全く別である。
【００３０】
好ましくは、比Ｒは以下の関係を満足する。
【００３１】
【数３】
【００３２】
ここでＳは前記雄当接面の外縁の径と雄リップの内径との間の比に等しい。
【００３３】
この特徴は雄突合せと雌環状肩領域との間の等応力の差を最小化して、ひいては本発明のねじ継手の幾何形状を最適化することを意図している。
【００３４】
有益なことには、本発明のねじ継手の雌肩部の内周面は、前記内周面が以下のように規定された最大剪断のテーパー面を遮る点において最大径を有する。即ち、この内周面は、
・雌ねじ要素に共軸な頂半角４５°を有するテーパー面であり、
・その径は前記雌当接面からの距離が減少するにつれて、雄肩領域内においてその径が減少すると共に、
・前記雌当接面の外縁を通過する。
【００３５】
また有益なことには、前記雌当接面側におけるその端部において、雌肩部の内周面の径が雄リップの内周面の内径に等しい。
【００３６】
好ましくは、雌肩の内周面は、遷移部分と称される第１部分を含み、この第1部分の内径は前記雌当接面から漸進的に減少し、雌肩の内周面は更に、最小内径を有する第２の円筒部分を含む。
【００３７】
接続点は、雌肩部の内周面の遷移部分と円筒部分との間に規定できる。
【００３８】
また好ましくは、この接続点は、一方では前記雌当接面側上の前記遷移部分と他方では最大剪断のテーパー面を有する雌肩部の内周面の交差点との間の実質的に軸方向中間に位置している。
【００３９】
本発明の更なる利点及び特徴は以下の詳細な説明から明らかになる。
【００４０】
管１０及び１０’の各端部は雄ねじ要素１１，１１’を支持する。
【００４１】
雄要素１１は雄テーパーねじ１２を含み、その自由側は雄リップ１８により終端する。
【００４２】
この雄リップ１８は以下を含む。即ち、
・雄要素の軸ＸＸに関して例えば２０°傾いた雄テーパー状シーリング面１３を支持する外周面と、
・雄ねじ要素の自由端の前面により構成され、実質的に横切るように向き付けられた雄環状面１６とを含む。
【００４３】
雄当接面１６は雄シーリング面１３に近接し、この接続破断を構成するのを避けるために１ミリメートル程度の小さな半径を有するトリック面により雄シーリング面１３に接続されている。この例における雄突合わせ１４は逆突合わせ又は負の角度突合わせと称される突合わせとして示されており、ここで当接面１６は、７５°の頂半角を有する凹テーパー状面１６であるので、軸ＸＸに対する法線に関して１５°の角度を構成する。
【００４４】
・雄リップ１８は更に、内周面１７を含み、この内周面は機械加工により得られる内径ＩＤＰを有するので、この面１７の軸は、管１０の厚さの変動に関係なく、雄ねじ要素の軸に一致する。この面１７は一方では管１０の現在の内周面へ接続され、他方では雄当接面１６へＢにて接続されている。
【００４５】
管１０，１０’は、継手２０の各端部において対称に配置された２つの雌ねじ要素２１，２１’を含む継手２０を用いて構成される。
【００４６】
雌ねじ要素２１，２１’は、２つの管ねじ継手１，１’を構成するように雄ねじ要素１１，１１’の対応する手段に協働するように配置された手段を有する。
【００４７】
継手の対称性の観点から、ねじ継手１のみについて説明する。
【００４８】
雌ねじ要素２１は、雄ねじ１２に対応する雌ねじ２２と、テーパー状雌シーリング面２３を含む内周面と、７５°の頂半角を有する凸テーパー状面により形成された実質的に横切るように向き付けられた雌環状面２６が設けられた雌肩部とを有する。
【００４９】
雌突合わせ２６の面は雄シーリング面２３に近接し、また雄ねじ要素の場合のように、この接続が破断することを防止するように小さな曲率半径を有するトリック面によりシーリング面に接続されている。
【００５０】
点Ａは雌当接面２６の外縁ひいては雌シーリング面２３の側部上の雌肩の根を特徴付ける。これは雄当接面１６の外縁を併合させる。
【００５１】
ねじ継手の位置決めにおいて、雄ねじ１２は、雄ねじ１４が接触圧力下で雌突合わせ２４に当接するまで雌ねじ２２へねじ込まれる。
【００５２】
当接面１６，２６の準横断配置は、雄ねじ要素１１が雌ねじ要素２１に関して位置すべきことを可能にし、この相対位置は構成(makeup)トルクの量により非常に正確に規定される。
【００５３】
ねじ継手の位置決めにおいては、雄シーリング面１３が半径方向で雌シーリング面２３に干渉し、これは雄及び雌シーリング面の対応する直線部分について、構成前には雄ベアリング径が雌ベアリング径より僅かに大きい。
【００５４】
このような半径方向干渉はシーリング面１３，２３の間の高い接触圧力を生成する。この接触圧は、応力（内圧又は外圧、張力、圧縮、ねじれ、曲げ、周期的温度変化の有無、その他）の変化に関係なく、ねじ継手を内部又は外部の液体に対して単独でも組み合わせでも液密にすることができる。
【００５５】
高い構成トルクは、特に管がウェル内へ下降するにつれて回動するならば、雄ねじ要素１１の雌ねじ要素２１に関する回動を防止するのに好ましい。
【００５６】
この構成トルクは、突合わせ１４，２４の軸方向金属圧縮をもたらすが、その可塑化をもたらしてはならない。
【００５７】
更に、さく井によれば、曲げ応力は突合わせ上の付加的圧縮負荷を誘発する。
【００５８】
これは、管ストリングが軸方向圧縮又は熱周期又はその両方を受ける場合も同様である。
【００５９】
一般に、図１及び図２に示されるように、従来技術のねじ継手においては、雌肩の頂部が、雄リップ１８の雄内周面１７と同一内径を持つ円筒内周面２７を有する。
【００６０】
これは以下のことを防止できる。
【００６１】
・流体の内部循環における乱流、特に雄ねじ要素１１と雌ねじ要素２１との間の接続点における乱流、この乱流は浸食腐食現象を生じる。
【００６２】
・操作中に管ストリング内へ落下した工具又は装置によるこの接続点の閉塞又は損傷。
【００６３】
本願に記載された発明者は、図１及び図２に示すようなねじ継手による過トルク試験の間に、雌環状肩領域２４における金属（これは雄突合わせ１４のそれ以前には常に可塑化していた）に驚くべき観察を得ている。
【００６４】
発明者が見出した説明は図２に示されるように３軸応力における突合わせに近接するシーリング面の存在の影響に頼っている。
【００６５】
雄突合わせ１４における金属１５の基本立方体を考える。この立方体１５は１組の応力を受け、その応力は軸方向、半径方向、及び周方向においてそれぞれσＡＰ，σＲＰ，σＣＰの３つの主応力へ減少する。
【００６６】
軸方向応力σＡＰは基本的に構成トルクから生じており、圧縮応力（負符号）である。
【００６７】
半径応力σＲＰは主にシーリング面１３，２３の間の半径方向干渉からもたらされ、これもまた圧縮応力である。逆当接面１６，２６の負角は、半径応力σＲＰにおけるシーリング面の半径方向干渉効果を補強する傾向にある。
【００６８】
周方向応力σＣＰも主にシーリング面１３，２３の間の半径方向干渉からもたらされ、これは雄リップの径を制限する傾向にあるので、周方向応力σＣＰは依然として圧縮応力であり、その強度も突合せ１４，２４の逆配置により補強される。
【００６９】
雌肩の環状領域２４における基本金属立方体２５を考慮すると、この立方体２５は３つの主要応力の組を受ける。即ち、
・軸方向応力σＡＢも圧縮負荷（正値）である。
【００７０】
・半径方向応力σＲＢは主に雌シーリング面２３上（因みに逆当接面２６上である）の半径方向干渉の影響からもたらされ、これは張力応力（負値）である。
【００７１】
・周方向応力σＣＢも雌シーリング２３及び逆当接面２６上の半径方向干渉からもたらされ、これもまた張力応力（正値）である。
【００７２】
材料可塑性の公知の理論によれば、可塑変形は、同時に採る２つの主要応力の間の代数差の関数である等価応力（例えばフォン・マイセス応力）が材料の降伏強度よりも高いときに開始される。
【００７３】
等価フォン・マイセス応力は雄突合せ１４における基本立方体１５については比較的に低く、これは３つの主要な応力σＡＰ，σＲＰ，σＣＰが同一の符号を有するためである。対照的に、雌環状肩領域２４における基本的立方体２５については比較的に高く、これは２つの主応力（σＲＢ，σＣＢ）が正（張力）であり、一方、３つ目（σＡＢ）は負（圧縮）であることによる。
【００７４】
従ってねじ継手の過トルクにおいては、雌肩の基本立方体２５は、材料の過剰な降伏強度を雄突合せ１４の基本立方体１５の等価応力よりも迅速に受け易い。
【００７５】
本願に記載された発明者は、雌環状肩領域２４における金属の降伏強度を局所的に高めるように、例えば焼き入れを誘導するか、又は予応力ショットブラスをなすか、或いは、応力が加わる表面面積を増加して軸方向圧縮下の雌環状肩領域２４における等価応力を低減するかの何れかの利点を結論付けた。
【００７６】
継手の内側の熱処理又は機械加工処理の実行のための困難性を考慮すると、発明者は図３、図４、図５に示されるように雌方区画を肉厚にすることを選んでいる。
【００７７】
図３及び図４は、図２とは雌環状肩領域２４を内側よりも厚くすることにより、内周面２７の最小内径ＩＤ８が雄リップ１８の内周面１７の内径ＩＤＰより局所的に小さい。
【００７８】
雌肩の内周面２７は、雌当接面側２６上の「遷移部分」と称される第１テーパー部分２９と径ＩＤＢの第２円筒部分３０とを有する円筒円錐面である。
【００７９】
テーパー状面２９は雌ねじ要素に共軸であり、その頂半角θは３０°であり、その径は雌当接面２６からの距離が増大するにつれて減少する。テーパー状面２９の内径は雌当接面側２６上のその端部Ｂにおいて雄リップの内周面の内径ＩＤＰに等しいので、雄ねじ要素１１から雌ねじ要素２１への過程においては、内径の変化がない。
【００８０】
角度θは、内部流体循環の乱流のおそれ、及び管ストリング内へ落下した工具による閉塞のおそれを制限するために４５°未満である。この角度θについての下限を設定することが何故有益かについて以下に説明する。
【００８１】
テーパー状面２９は雄リップの内周面１７と雌肩の内周面２７の円筒部分３０との間の漸次接合点を構成する。
【００８２】
雌肩の内周面２７の円筒部分３０の径ＩＤＢは勿論、値ＩＤＰ未満であり、そうでなければ雌突合せ２４の補強にならない。
【００８３】
径ＩＤＢは０．９ＩＤＰ以上として、ストリング内側の流体の充分な断面積を確保するようにしてある。０．９ＩＤＰ未満の径ＩＤＢは、一方が他方へ挿入される数本の管ストリングを可能にするのみであり、このようなストリング設計は非常に高価である。
【００８４】
雌突合せが雄突合せ程度に強くされる径ＩＤＢを越えて雌肩領域２４を肉厚にすることは有用でないことが判っているので、発明者はＩＤＢとＩＤＰとの間の比Ｒを以下の範囲におくことを見出している。即ち、
【数４】
及び、
【数５】
また好ましくは、
【数６】
【００８５】
に等しく、ここでＳはＯＤＡ／ＩＤＰに等しく、径ＯＤＡは雄突合せ面１６の外縁の径であり、この径は雌肩２４の根に位置する点Ａを通る径に等しい。
【００８６】
０．９５乃至０．９８程度のＲについての値はＩＤＰ及びＯＤＡの現在の値に依存して得られている。
【００８７】
有益なことには、径ＩＤＢは所定の径の管についてＡＰＩ又は管状ねじ継手製造業者により指定された「ドリフト」径よりも大きく、ドリフトは、マンドレルを接続管における所定径を有するものに置き換えることにより監視され、これにより管ストリングは、その所定径まで工具を落下させても、これらの工具が閉塞をもたらすおそれがないことが保証される。従って管１０，１０’の内径は特にそれらの現在位置においてドリフト径よりも大きくせねばならない。
【００８８】
発明者は、図３に関連して、肩を内表面２７の全軸方向長に亘って肉厚にすることは有用でないことを発見している。
【００８９】
発明者は、雌環状肩領域２４の殆どの変形領域は、約４５°の頂半角で、且つ突合せ面２６からの距離が大きくなるにつれて減少する雌方領域２４の径について、雌支持面２３側上の雌肩の根における点Ａを通る雌ねじ要素に共軸なテーパー状表面３２であることを特記する。
【００９０】
このテーパー面に沿う変形は剪断変形であり、また発明者は、剪断応力は最大剪断のこのテーパー状面３２と雌肩の内周面２７との間のＤにおける交点に最小径ＩＤＢを導入することにより最小化できることを発見している。
【００９１】
従って、テーパー状表面２９の角度θが１５°未満であれば、最大剪断テーパー３２については、径が最小内径ＩＤＢでないテーパー状部分２９における内周面２７を遮ることが可能であることが理解される。
【００９２】
面２９及び３０を接続する点Ｃについては、点Ｂと点Ｄとの間の実質的に中間に配置させるのが有益である。
【００９３】
図５は図４の変形例を示し、ここでは遷移部分がテーパー面ではないが、トリック面３９は雌ねじ要素に共軸である。
【００９４】
図５に示された縦断面において、このトリック面３９は円弧として表れる。即ち、
・約１０ｍｍの半径を有し、
・ここで中心は雌ねじ要素の材料へ向かって指向されており、
・雄リップの内周面１７を有する接続点Ｂを通り、
・Ｂにおける正接は、ねじ要素の軸ＸＸに関して角度３０°であり、内表面１７の母線に関しても角度３０°であり、
・雌肩の内表面２７の円筒部分３０に対するＣにおいて正接を有する。
【００９５】
このようなトリック面は、内周面１７と、内径ＩＤＢを有する円筒部分３０との間の連続接続点も構成するので、そのＢにおける軸ＸＸについての正接の角度は１５°乃至４５°の範囲である。
【００９６】
雌肩の内周面１７の遷移部分についての他の連続形態、例えば２つのトリック面の組が可能であり、その２つのトリック面は、互いに近接して正接すると共に、一方がＢにおいて内周面１７に対し、且つ他方がＣにおいて円筒面３０に対して対向する曲率及び正接を有する。
【００９７】
本発明の目的は当接面１６，２６に近接しないシーリング面を包含し、更に、図２乃至５は、シーリング面１２，１３と対応する当接面１６，２６との間の小さな曲率を有するトリック接続面を示す。他の形式の面も本発明の目的の範囲内で接続点を設けることができ、シーリング面における半径方向干渉が雌環状肩領域における半径方向張力応力及び周方向応力を引き起こす。
【００９８】
本発明はねじ継手の変形例に適用可能であり、この変形例は以下を含む。即ち、
・一体的又は接続されたねじ継手と、
・大径管又は小径管（例えば管ストリング又は鋼管ストリング）用ねじ継手と、
・外部突合せ（雌突合せは雌ねじ要素の自由端において）又は突合せの幾つかの組を有する継手と、
・テーパー状又は非テーパーの何れかであるシーリング面、例えば両方のねじ要素のためのトリック、又は一方のねじ要素のためのトリック及び対向する要素のためのテーパーを有するねじ継手と、
・直線（平坦）当接面又は負の角度を有するねじ継手であり、突合せが逆突合せであるか又は負の角度を有する突合せである場合、後者の場合にはねじ要素の軸ＸＸに対する法線に関して突合せの角度が２０°未満であり、好ましくは５°乃至１０°の範囲であるねじ継手と、
・単独の段差又は多段の何れかであるテーパー状又は直線ねじを有するねじ継手と、
・三角形、丸み付け、又は台形などの形状の変形例を有するねじを持つねじ継手と、
・幅が変化するねじを有するねじ継手とを含む。
【００９９】
実施形態
第１例
構成破断(makeup-breakout)試験をVallourec Oil&GasのVAM （商標）カタログｎ°９４０（１９９４年７月）の２つのシリーズのVAM TOP（商標）形式のねじ継手に施した。このねじ継手は以下のとおりである。
【０１００】
・管外径：１７７．８ｍｍ（７”）
・管厚：１０．３６ｍｍ（２９lb/ft）
・雄端における外径（ＯＤＡ）：１７０．８ｍｍ
・雄リップ（ＩＤＰ）の内径：１６１．３ｍｍ
・ドリフト径：１５３．９０ｍｍ（６．０５９”）
・管グレード：ＡＰＩＬ８０（降伏強度５５２ＭＰa以上）
標準Ｐシリーズは図２に従っており、雄内径ＩＤＢに等しい雌肩領域の雌内径ＩＤＰを有する。
【０１０１】
Ｑシリーズは本発明によって変更されており、図５の模式図に対応する。このＱシリーズにおける雌突合せの補強は円筒部分３０の径ＩＤＢを１５６．２ｍｍとして、ドリフト径よりも大きくすると共に、円筒部分３０は、半径１０ｍｍを有するトリック部分３９の前に置くことにより、雌内周面２７を有する最大剪断の円錐３２の交点Ｄを内径ＩＤＢを有する円筒部分３０に生じさせる。
【０１０２】
比Ｒ＝ＩＤＢ／ＩＤＰはＱシリーズについて０．９７に等しい、ウェルはＯＤＡの値により請求項３により規定された（０．９６−０．９９）の範囲内にある。
【０１０３】
これら構成破断試験の間に、構成トルクは構成回転の回数の関数として記録され、最大トルクを各構成試験において突合せが可塑になるまで同じシリーズに関して１サイクルずつ漸進的に上昇させた。
【０１０４】
全ての構成破断試験において、ねじ、シーリング面及び当接面はＡＰＩ５Ａ２タイプグリースで第１被覆された。
【０１０５】
図６はＱシリーズからのねじ継手のための最後の構成試験についての回転数Ｎの関数としての構成トルクＴのグラフを示す。
【０１０６】
このグラフにおいて、トルクは、突合せが互いに接触することを意味する点Ｅ（トルクＴＥ）を越えて殆ど垂直に急峻に上昇する。この急峻な上昇は点Ｆ（トルクＴＦ）まで実質的に線形である。
【０１０７】
点Ｆ（グラフの非線形部分）を越えると、少なくとも１つの管の可塑性の喰い込み(plastic embedding) が始まる。
【０１０８】
値ＴＯＰＴは構成トルクについての推奨された値に対応し、この値はＴＥとＴＦとの間の値である。
【０１０９】
【表１】
【０１１０】
表１の値から、突合せにより支持された構成トルクの部分を測定する量（ＴＦ―ＴＥ）は、Ｑシリーズについての本発明のねじ継手の場合には、従来技術のねじ継手Ｐに関して非常に増大する（＋６０％）ことに注目できる。
【０１１１】
第２例
第１例で規定したVAM（商標）カタログからＬ８０グレードにおける２つの寸法Ａ及びＢのVAM（商標）ACEタイプねじ継手における試験。
【０１１２】
この試験の被験体の特性を表２に示す。
【０１１３】
【表２】
【０１１４】
表３はトルクＴＯＰＴにおける構成の前後の内径を示す。
【０１１５】
内径ＩＤＢは、標準ねじ継手（Ａ３，Ｂ３）と本発明（Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２）により変更された継手との双方について、常にドリフト径（表２参照）よりも高いことが明らかである。
【０１１６】
【表３】
【０１１７】
ａ）表４は塑性に至るまでの過トルク試験の結果を示す。ねじシーリング面及び当接面はＡＰＩ５Ａタイプグリースで被覆してある。
【０１１８】
【表４】
【０１１９】
過トルク試験は特にトルクＴＦの基準と、突合せ及び肩の可視的な外観について以下の順の減少を分類できる。
【０１２０】
１）３５°の角度におけるテーパー状面取りにより補強された雌突合わせ（試験Ａ１，Ｂ１）
２）１０°の角度におけるテーパー状面取りにより補強された雌突合わせ（試験Ａ２，Ｂ２）
３）標準雌突合わせ（試験Ａ３，Ｂ３）
ＴＦの値はＡ１及びＢ１において標準ねじ継手よりも４０％乃至７０％大きく、これはＡ２及びＢ２における標準ねじ継手のそれよりも５％乃至２３％大きかった。
【０１２１】
１０°のテーパー状面取りを有するねじ継手に比べた３５°のテーパー状面取りを有するねじ継手の良好な結果は、図４における点Ｃ及びＤの相対位置により説明する。
【０１２２】
ねじ継手Ａ１及びＢ１の場合において、図４における点Ｄは、点Ｂに比べて点Ｃを越えて位置しており、ひいては最初径ＩＤＢを有する一定径領域にあるが、このことはＡ２及びＢ２のねじ継手については見られない（表５参照）。
【０１２３】
【表５】
【０１２４】
試験Ａ及びＢ１の場合、点Ｃは、点Ｂと点Ｄとの概ね軸方向中間にある。
【０１２５】
ｂ）内圧下における捻り試験
シリーズＡ及びＢからの同様なねじ継手を表２の推奨構成トルク（ＴＯＰＴ）で先ず構成した。
【０１２６】
次いでこれらのねじ継手を、接続管のウェル内への回転下降を模擬するように意図された組合わせ応力下におき、同時に以下ａ）及びｂ）を施した。
【０１２７】
ａ）被験体Ａ１乃Ａ３について内圧４３．７ＭＰａ、被験体Ｂ１乃至Ｂ３について５６．０ＭＰａ、このような圧力は指定された最小降伏強度（表２に従って５５２ＭＰａ）の８０％に等しい管本体の応力を生じる。
【０１２８】
ｂ）可変捻れモーメント。
【０１２９】
表６はトルクの値Ｔｌを与えており、この値を越えると継手のリークが始まる。
【０１３０】
【表６】
【０１３１】
リークＴｌの前の最大捻れモーメントは、従来技術の参照例（被験体Ａ３，Ｂ３）に比べると、１０°の面取りで補強された突合わせについては僅かに増大（１０％未満）し、対照的に、３５°の面取りで補強された突合せ（被験体Ａ１及びＢ１）については３０％乃至４０％だけ増大する。
【０１３２】
ｃ）構成破断サイクル
被験体Ａ１には、表２に示された推奨構成トルクの１．５倍の構成トルクにおいて１０回までの連続構成破断サイクルを受けさせた。構成破断トルクの記録及び目視検査においては何の問題にも出会わず、この被験体は１０回の構成破断サイクルの後に何の変態も示さなかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は従来技術のねじ及び接続継手を示す。
【図２】 図２は図１のアセンブリのねじ継手の雄及び雌突合わせの詳細を示す。
【図３】 図３は本発明のねじ継手の本発明のねじ継手の詳細を示す。
【図４】 図４は図３の高拡大における詳細を示す。
【図５】 図５は図４の変形例である。
【図６】 図６は突合わせが変形するまでのねじ回し回数の関数としての構成トルクを示す過トルク試験を示すグラフを示す。
本発明は中空ねじ継手に関し、これは第１の中空要素の端部に位置する雄ねじ要素を含み、この雄ねじ要素は、第２の中空要素の端部に位置する雌ねじ要素への螺合により接続される。
【０００２】
このような継手は特に、炭化水素井又は地熱井のための鋼管（ケーシング）ストリング、生産管ストリング又はドリルストリングを構成するために用いられている。
【０００３】
雄及び雌ねじ要素はそれぞれ長尺管の一端に配置でき、第１の管の雄ねじ要素は、一体的なねじ継手を構成するように、第２の管の雌ねじ要素へねじ込まれる。
【０００４】
代替的に、雄ねじ要素は長尺管の二端の各々に配置でき、これらは２つの雌ねじ要素を支持する端部へ短尺管又は継手により接続され、このような長尺管の間の継手は「ねじ接続継手」として知られており、２つの中空ねじ継手を採用する。
【０００５】
更に本発明は、プレミアム継手として知られているねじ継手に関し、プレミアム継手は半径方向干渉金属対金属シール表面を含み、このシール表面はこれを正確に位置決めするように特に指向された当接面に関連している。
【０００６】
このようなプレミアムねじ継手は例えば欧州特許ＥＰ４８８，９１２号に説明されており、様々な実用構成（軸方向張力又は圧縮、内部又は外部圧力、曲げ）における流体に対するねじ継手のシールを保証することを可能にする。
【０００７】
傾斜しているか或いは充分に水平な角度におけるドリル偏りさく井のための最近の技術は、複数の管及びそれらを接続するねじ継手がウェル（井）の中へ下降するに従って回動させる必要がある。
【０００８】
このような技術は、さく井へ下降するときに採用されるトルクよりも常に実質的に大きな高構成(makeup)トルクを有するねじ継手を構成する必要があり、これが達成されなければ、シーリング面の位置が変わって継手が漏洩を生じるおそれがある。
【０００９】
所望のトルクと、さく井（偏りさく井）の幾何形状により曲げられた部分的な曲げ負荷のために、当接面は大きな負荷を受ける。
【００１０】
鋼管ストリング又は管ストリングの更に特定の場合では、さく井は複数の偏心ストリング管を備えており、ストリングの構成要素の内径及び外径は最大数のストリングのさく井への進入を制限する必要がある。
【００１１】
当接面は、軸に対して実質的に垂直なねじ要素上の表面であり、制約された半径方向の厚さを有し、このようなねじ継手の場合には樹脂成形には適さない非常に高い応力を受ける。
【００１２】
国際特許公報ＷＯ９４／２９６２７号及びＷＯ００／１４４４１号は、非常に高いトルクの構成を可能とする中空管継手を開示し、これは完全に又は部分的に突合せとして働くフランクを生じる。
【００１３】
本発明の目的は、一対の雄及び雌当接面を有するプレミアム中空ねじ継手を与えることであり、その一対の雄及び雌当接面は、突合せとして働くねじフランクを生じることなく樹脂成形に対して特別な抵抗をなす。
【００１４】
本発明の目的は、各ねじ要素について少なくとも１つの接合部を有するが、主な接合部（最初に当接して殆どの応力下にある）が雄ねじ要素上にその自由前方端に形成され、且つ同様な方式で雌ねじ要素上にあるプレミアム中空管継手に適用可能である。
【００１５】
本発明の目的は、任意の形式のねじ、ねじ形態又はシーリング面形式にも適用可能である。
【００１６】
本発明の中空ねじ継手は、第1中空部品の端部における雄ねじ要素と、第２中空部品の端部における雌ねじ要素とを備える。
【００１７】
雄ねじ要素は雄ねじを含み、且つ雄リップにより終端する。
【００１８】
雄リップは、
・その上に雄シーリング面が形成された外周面と、
・雄シーリング面に実質的に横切るように向き付けられて接続され、雄ねじ要素の自由端の前面により構成された雄環状当接面と、
・内周面とを含む。
【００１９】
用語「実質的に交差する面」は、平面と非平面との双方、例えば円錐を意味し、その母線はねじ継手の軸に対して直交する平面に関して３０°を越えて延出することはない。
【００２０】
雌ねじ要素は雄ねじ要素上の対応する手段と協働するように、雌ねじと、雌シーリング面を支持する中間周面と、雌肩とを含む。
【００２１】
雌肩は雌環状当接面を有し、この当接面は前記雌シーリング面に実質的に横切るように向き付けられて、近接して接続されると共に、雌環状肩領域を規定し、これは前記雄当接面が前記雌当接面に当たるにつれて軸方向圧縮負荷を受ける。
【００２２】
雄ねじは、前記雄当接面が前記雌当接面に当たるまで雌ねじへ一体化されて、前記雄シーリング面は前記雌支持面と径方向で干渉する。
【００２３】
本発明の１つの特徴によれば、雌環状肩領域は内周面を含み、その内径は、少なくとも前記雌当接面に接近して雄リップの内周面の径よりも小さく、これら２つの径の比は１未満であるが０．９以上である。
【００２４】
このような特徴は、雌環状肩領域における等価フォン・マイセス(von Mises)応力を低減させることが可能であり、この等価フォン・マイセスは、多数の従来技術のねじ継手においては、発明者によれば、隣接支持面により形成された３軸応力に対する雄突合せにおける応力よりも高く、雄突合せにおける主応力は全て圧縮応力であり、一方、雌環状肩領域においては、軸応力のみが圧縮応力であり、２つの他の主応力は引張応力である。
【００２５】
この特徴は、ねじ管状継手継手の内側の通路のために充分な内径を保つことも可能にする。
【００２６】
これらの形態の幾つかにおいて、フランス特許第１，４８８，７１９号及び１，４８９，０１３号は、当接面及びシーリング面を有するねじ管状継手を開示しており、この継手には雄ねじ要素の端部における雄リップと、雌ねじ要素上の雌肩部とが設けられており、雌環状肩領域の内周面の内径は前記雌当接面に近接して雄リップの内周面の径よりも小さい。
【００２７】
径の比に関して、これら２件の文献には値の制限が与えられていない。
【００２８】
更にフランス特許第１，４８９，０１３号においては、何の機能も内径における差に関連しておらず、これは単に雌環状肩領域の内周面の小さな径が、ねじ雌要素を構成するための管のアップセットからもたらされるとみなせるのみである。
【００２９】
鋼管のためのねじ継手を扱うフランス特許第１，４８８，７１９号の場合においては、雌環状肩領域が雄リップの損傷を回避するために雄リップよりも小さな内径を有し、その結果、鋼管ストリング内へドリル管が落ちる間の衝撃によるねじ継手のシールを有する。従って内径差の機能は本発明の場合におけるものとは全く別である。
【００３０】
好ましくは、比Ｒは以下の関係を満足する。
【００３１】
【数３】
ここでＳは前記雄当接面の外縁の径と雄リップの内径との間の比に等しい。
【００３３】
この特徴は雄突合せと雌環状肩領域との間の等応力の差を最小化して、ひいては本発明のねじ継手の幾何形状を最適化することを意図している。
【００３４】
有益なことには、本発明のねじ継手の雌肩部の内周面は、前記内周面が以下のように規定された最大剪断のテーパー面を遮る点において最大径を有する。即ち、この内周面は、
・雌ねじ要素に共軸な頂半角４５°を有するテーパー面であり、
・その径は前記雌当接面からの距離が減少するにつれて、雄肩領域内においてその径が減少すると共に、
・前記雌当接面の外縁を通過する。
【００３５】
また有益なことには、前記雌当接面側におけるその端部において、雌肩部の内周面の径が雄リップの内周面の内径に等しい。
【００３６】
好ましくは、雌肩の内周面は、遷移部分と称される第１部分を含み、この第1部分の内径は前記雌当接面から漸進的に減少し、雌肩の内周面は更に、最小内径を有する第２の円筒部分を含む。
【００３７】
接続点は、雌肩部の内周面の遷移部分と円筒部分との間に規定できる。
【００３８】
また好ましくは、この接続点は、一方では前記雌当接面側上の前記遷移部分と他方では最大剪断のテーパー面を有する雌肩部の内周面の交差点との間の実質的に軸方向中間に位置している。
【００３９】
本発明の更なる利点及び特徴は以下の詳細な説明から明らかになる。
【００４０】
管１０及び１０’の各端部は雄ねじ要素１１，１１’を支持する。
【００４１】
雄要素１１は雄テーパーねじ１２を含み、その自由側は雄リップ１８により終端する。
【００４２】
この雄リップ１８は以下を含む。即ち、
・雄要素の軸ＸＸに関して例えば２０°傾いた雄テーパー状シーリング面１３を支持する外周面と、
・雄ねじ要素の自由端の前面により構成され、実質的に横切るように向き付けられた雄環状面１６とを含む。
【００４３】
雄当接面１６は雄シーリング面１３に近接し、この接続破断を構成するのを避けるために１ミリメートル程度の小さな半径を有するトリック面により雄シーリング面１３に接続されている。この例における雄突合わせ１４は逆突合わせ又は負の角度突合わせと称される突合わせとして示されており、ここで当接面１６は、７５°の頂半角を有する凹テーパー状面１６であるので、軸ＸＸに対する法線に関して１５°の角度を構成する。
【００４４】
・雄リップ１８は更に、内周面１７を含み、この内周面は機械加工により得られる内径ＩＤＰを有するので、この面１７の軸は、管１０の厚さの変動に関係なく、雄ねじ要素の軸に一致する。この面１７は一方では管１０の現在の内周面へ接続され、他方では雄当接面１６へＢにて接続されている。
【００４５】
管１０，１０’は、継手２０の各端部において対称に配置された２つの雌ねじ要素２１，２１’を含む継手２０を用いて構成される。
【００４６】
雌ねじ要素２１，２１’は、２つの管ねじ継手１，１’を構成するように雄ねじ要素１１，１１’の対応する手段に協働するように配置された手段を有する。
【００４７】
継手の対称性の観点から、ねじ継手１のみについて説明する。
【００４８】
雌ねじ要素２１は、雄ねじ１２に対応する雌ねじ２２と、テーパー状雌シーリング面２３を含む内周面と、７５°の頂半角を有する凸テーパー状面により形成された実質的に横切るように向き付けられた雌環状面２６が設けられた雌肩部とを有する。
【００４９】
雌突合わせ２６の面は雄シーリング面２３に近接し、また雄ねじ要素の場合のように、この接続が破断することを防止するように小さな曲率半径を有するトリック面によりシーリング面に接続されている。
【００５０】
点Ａは雌当接面２６の外縁ひいては雌シーリング面２３の側部上の雌肩の根を特徴付ける。これは雄当接面１６の外縁を併合させる。
【００５１】
ねじ継手の位置決めにおいて、雄ねじ１２は、雄ねじ１４が接触圧力下で雌突合わせ２４に当接するまで雌ねじ２２へねじ込まれる。
【００５２】
当接面１６，２６の準横断配置は、雄ねじ要素１１が雌ねじ要素２１に関して位置すべきことを可能にし、この相対位置は構成(makeup)トルクの量により非常に正確に規定される。
【００５３】
ねじ継手の位置決めにおいては、雄シーリング面１３が半径方向で雌シーリング面２３に干渉し、これは雄及び雌シーリング面の対応する直線部分について、構成前には雄ベアリング径が雌ベアリング径より僅かに大きい。
【００５４】
このような半径方向干渉はシーリング面１３，２３の間の高い接触圧力を生成する。この接触圧は、応力（内圧又は外圧、張力、圧縮、ねじれ、曲げ、周期的温度変化の有無、その他）の変化に関係なく、ねじ継手を内部又は外部の液体に対して単独でも組み合わせでも液密にすることができる。
【００５５】
高い構成トルクは、特に管がウェル内へ下降するにつれて回動するならば、雄ねじ要素１１の雌ねじ要素２１に関する回動を防止するのに好ましい。
【００５６】
この構成トルクは、突合わせ１４，２４の軸方向金属圧縮をもたらすが、その可塑化をもたらしてはならない。
【００５７】
更に、さく井によれば、曲げ応力は突合わせ上の付加的圧縮負荷を誘発する。
【００５８】
これは、管ストリングが軸方向圧縮又は熱周期又はその両方を受ける場合も同様である。
【００５９】
一般に、図１及び図２に示されるように、従来技術のねじ継手においては、雌肩の頂部が、雄リップ１８の雄内周面１７と同一内径を持つ円筒内周面２７を有する。
【００６０】
これは以下のことを防止できる。
【００６１】
・流体の内部循環における乱流、特に雄ねじ要素１１と雌ねじ要素２１との間の接続点における乱流、この乱流は浸食腐食現象を生じる。
【００６２】
・操作中に管ストリング内へ落下した工具又は装置によるこの接続点の閉塞又は損傷。
【００６３】
本願に記載された発明者は、図１及び図２に示すようなねじ継手による過トルク試験の間に、雌環状肩領域２４における金属（これは雄突合わせ１４のそれ以前には常に可塑化していた）に驚くべき観察を得ている。
【００６４】
発明者が見出した説明は図２に示されるように３軸応力における突合わせに近接するシーリング面の存在の影響に頼っている。
【００６５】
雄突合わせ１４における金属１５の基本立方体を考える。この立方体１５は１組の応力を受け、その応力は軸方向、半径方向、及び周方向においてそれぞれσＡＰ，σＲＰ，σＣＰの３つの主応力へ減少する。
【００６６】
軸方向応力σＡＰは基本的に構成トルクから生じており、圧縮応力（負符号）である。
【００６７】
半径応力σＲＰは主にシーリング面１３，２３の間の半径方向干渉からもたらされ、これもまた圧縮応力である。逆当接面１６，２６の負角は、半径応力σＲＰにおけるシーリング面の半径方向干渉効果を補強する傾向にある。
【００６８】
周方向応力σＣＰも主にシーリング面１３，２３の間の半径方向干渉からもたらされ、これは雄リップの径を制限する傾向にあるので、周方向応力σＣＰは依然として圧縮応力であり、その強度も突合せ１４，２４の逆配置により補強される。
【００６９】
雌肩の環状領域２４における基本金属立方体２５を考慮すると、この立方体２５は３つの主要応力の組を受ける。即ち、
・軸方向応力σＡＢも圧縮負荷（正値）である。
【００７０】
・半径方向応力σＲＢは主に雌シーリング面２３上（因みに逆当接面２６上である）の半径方向干渉の影響からもたらされ、これは張力応力（負値）である。
【００７１】
・周方向応力σＣＢも雌シーリング２３及び逆当接面２６上の半径方向干渉からもたらされ、これもまた張力応力（正値）である。
【００７２】
材料可塑性の公知の理論によれば、可塑変形は、同時に採る２つの主要応力の間の代数差の関数である等価応力（例えばフォン・マイセス応力）が材料の降伏強度よりも高いときに開始される。
【００７３】
等価フォン・マイセス応力は雄突合せ１４における基本立方体１５については比較的に低く、これは３つの主要な応力σＡＰ，σＲＰ，σＣＰが同一の符号を有するためである。対照的に、雌環状肩領域２４における基本的立方体２５については比較的に高く、これは２つの主応力（σＲＢ，σＣＢ）が正（張力）であり、一方、３つ目（σＡＢ）は負（圧縮）であることによる。
【００７４】
従ってねじ継手の過トルクにおいては、雌肩の基本立方体２５は、材料の過剰な降伏強度を雄突合せ１４の基本立方体１５の等価応力よりも迅速に受け易い。
【００７５】
本願に記載された発明者は、雌環状肩領域２４における金属の降伏強度を局所的に高めるように、例えば焼き入れを誘導するか、又は予応力ショットブラスをなすか、或いは、応力が加わる表面面積を増加して軸方向圧縮下の雌環状肩領域２４における等価応力を低減するかの何れかの利点を結論付けた。
【００７６】
継手の内側の熱処理又は機械加工処理の実行のための困難性を考慮すると、発明者は図３、図４、図５に示されるように雌方区画を肉厚にすることを選んでいる。
【００７７】
図３及び図４は、図２とは雌環状肩領域２４を内側よりも厚くすることにより、内周面２７の最小内径ＩＤ８が雄リップ１８の内周面１７の内径ＩＤＰより局所的に小さい。
【００７８】
雌肩の内周面２７は、雌当接面側２６上の「遷移部分」と称される第１テーパー部分２９と径ＩＤＢの第２円筒部分３０とを有する円筒円錐面である。
【００７９】
テーパー状面２９は雌ねじ要素に共軸であり、その頂半角θは３０°であり、その径は雌当接面２６からの距離が増大するにつれて減少する。テーパー状面２９の内径は雌当接面側２６上のその端部Ｂにおいて雄リップの内周面の内径ＩＤＰに等しいので、雄ねじ要素１１から雌ねじ要素２１への過程においては、内径の変化がない。
【００８０】
角度θは、内部流体循環の乱流のおそれ、及び管ストリング内へ落下した工具による閉塞のおそれを制限するために４５°未満である。この角度θについての下限を設定することが何故有益かについて以下に説明する。
【００８１】
テーパー状面２９は雄リップの内周面１７と雌肩の内周面２７の円筒部分３０との間の漸次接合点を構成する。
【００８２】
雌肩の内周面２７の円筒部分３０の径ＩＤＢは勿論、値ＩＤＰ未満であり、そうでなければ雌突合せ２４の補強にならない。
【００８３】
径ＩＤＢは０．９ＩＤＰ以上として、ストリング内側の流体の充分な断面積を確保するようにしてある。０．９ＩＤＰ未満の径ＩＤＢは、一方が他方へ挿入される数本の管ストリングを可能にするのみであり、このようなストリング設計は非常に高価である。
【００８４】
雌突合せが雄突合せ程度に強くされる径ＩＤＢを越えて雌肩領域２４を肉厚にすることは有用でないことが判っているので、発明者はＩＤＢとＩＤＰとの間の比Ｒを以下の範囲におくことを見出している。即ち、
【数４】
【数５】
【数６】
に等しく、ここでＳはＯＤＡ／ＩＤＰに等しく、径ＯＤＡは雄突合せ面１６の外縁の径であり、この径は雌肩２４の根に位置する点Ａを通る径に等しい。
【００８６】
０．９５乃至０．９８程度のＲについての値はＩＤＰ及びＯＤＡの現在の値に依存して得られている。
【００８７】
有益なことには、径ＩＤＢは所定の径の管についてＡＰＩ又は管状ねじ継手製造業者により指定された「ドリフト」径よりも大きく、ドリフトは、マンドレルを接続管における所定径を有するものに置き換えることにより監視され、これにより管ストリングは、その所定径まで工具を落下させても、これらの工具が閉塞をもたらすおそれがないことが保証される。従って管１０，１０’の内径は特にそれらの現在位置においてドリフト径よりも大きくせねばならない。
【００８８】
発明者は、図３に関連して、肩を内表面２７の全軸方向長に亘って肉厚にすることは有用でないことを発見している。
【００８９】
発明者は、雌環状肩領域２４の殆どの変形領域は、約４５°の頂半角で、且つ突合せ面２６からの距離が大きくなるにつれて減少する雌方領域２４の径について、雌支持面２３側上の雌肩の根における点Ａを通る雌ねじ要素に共軸なテーパー状表面３２であることを特記する。
【００９０】
このテーパー面に沿う変形は剪断変形であり、また発明者は、剪断応力は最大剪断のこのテーパー状面３２と雌肩の内周面２７との間のＤにおける交点に最小径ＩＤＢを導入することにより最小化できることを発見している。
【００９１】
従って、テーパー状表面２９の角度θが１５°未満であれば、最大剪断テーパー３２については、径が最小内径ＩＤＢでないテーパー状部分２９における内周面２７を遮ることが可能であることが理解される。
【００９２】
面２９及び３０を接続する点Ｃについては、点Ｂと点Ｄとの間の実質的に中間に配置させるのが有益である。
【００９３】
図５は図４の変形例を示し、ここでは遷移部分がテーパー面ではないが、トリック面３９は雌ねじ要素に共軸である。
【００９４】
図５に示された縦断面において、このトリック面３９は円弧として表れる。即ち、
・約１０ｍｍの半径を有し、
・ここで中心は雌ねじ要素の材料へ向かって指向されており、
・雄リップの内周面１７を有する接続点Ｂを通り、
・Ｂにおける正接は、ねじ要素の軸ＸＸに関して角度３０°であり、内表面１７の母線に関しても角度３０°であり、
・雌肩の内表面２７の円筒部分３０に対するＣにおいて正接を有する。
【００９５】
このようなトリック面は、内周面１７と、内径ＩＤＢを有する円筒部分３０との間の連続接続点も構成するので、そのＢにおける軸ＸＸについての正接の角度は１５°乃至４５°の範囲である。
【００９６】
雌肩の内周面１７の遷移部分についての他の連続形態、例えば２つのトリック面の組が可能であり、その２つのトリック面は、互いに近接して正接すると共に、一方がＢにおいて内周面１７に対し、且つ他方がＣにおいて円筒面３０に対して対向する曲率及び正接を有する。
【００９７】
本発明の目的は当接面１６，２６に近接しないシーリング面を包含し、更に、図２乃至５は、シーリング面１２，１３と対応する当接面１６，２６との間の小さな曲率を有するトリック接続面を示す。他の形式の面も本発明の目的の範囲内で接続点を設けることができ、シーリング面における半径方向干渉が雌環状肩領域における半径方向張力応力及び周方向応力を引き起こす。
【００９８】
本発明はねじ継手の変形例に適用可能であり、この変形例は以下を含む。即ち、
・一体的又は接続されたねじ継手と、
・大径管又は小径管（例えば管ストリング又は鋼管ストリング）用ねじ継手と、
・外部突合せ（雌突合せは雌ねじ要素の自由端において）又は突合せの幾つかの組を有する継手と、
・テーパー状又は非テーパーの何れかであるシーリング面、例えば両方のねじ要素のためのトリック、又は一方のねじ要素のためのトリック及び対向する要素のためのテーパーを有するねじ継手と、
・直線（平坦）当接面又は負の角度を有するねじ継手であり、突合せが逆突合せであるか又は負の角度を有する突合せである場合、後者の場合にはねじ要素の軸ＸＸに対する法線に関して突合せの角度が２０°未満であり、好ましくは５°乃至１０°の範囲であるねじ継手と、
・単独の段差又は多段の何れかであるテーパー状又は直線ねじを有するねじ継手と、
・三角形、丸み付け、又は台形などの形状の変形例を有するねじを持つねじ継手と、
・幅が変化するねじを有するねじ継手とを含む。
【００９９】
実施形態
第１例
構成破断(makeup-breakout)試験をVallourec Oil&GasのVAM （商標）カタログｎ°９４０（１９９４年７月）の２つのシリーズのVAM TOP（商標）形式のねじ継手に施した。このねじ継手は以下のとおりである。
【０１００】
・管外径：１７７．８ｍｍ（７”）
・管厚：１０．３６ｍｍ（２９lb/ft）
・雄端における外径（ＯＤＡ）：１７０．８ｍｍ
・雄リップ（ＩＤＰ）の内径：１６１．３ｍｍ
・ドリフト径：１５３．９０ｍｍ（６．０５９”）
・管グレード：ＡＰＩＬ８０（降伏強度５５２ＭＰa以上）
標準Ｐシリーズは図２に従っており、雄内径ＩＤＢに等しい雌肩領域の雌内径ＩＤＰを有する。
【０１０１】
Ｑシリーズは本発明によって変更されており、図５の模式図に対応する。このＱシリーズにおける雌突合せの補強は円筒部分３０の径ＩＤＢを１５６．２ｍｍとして、ドリフト径よりも大きくすると共に、円筒部分３０は、半径１０ｍｍを有するトリック部分３９の前に置くことにより、雌内周面２７を有する最大剪断の円錐３２の交点Ｄを内径ＩＤＢを有する円筒部分３０に生じさせる。
【０１０２】
比Ｒ＝ＩＤＢ／ＩＤＰはＱシリーズについて０．９７に等しい、ウェルはＯＤＡの値により請求項３により規定された（０．９６−０．９９）の範囲内にある。
【０１０３】
これら構成破断試験の間に、構成トルクは構成回転の回数の関数として記録され、最大トルクを各構成試験において突合せが可塑になるまで同じシリーズに関して１サイクルずつ漸進的に上昇させた。
【０１０４】
全ての構成破断試験において、ねじ、シーリング面及び当接面はＡＰＩ５Ａ２タイプグリースで第１被覆された。
【０１０５】
図６はＱシリーズからのねじ継手のための最後の構成試験についての回転数Ｎの関数としての構成トルクＴのグラフを示す。
【０１０６】
このグラフにおいて、トルクは、突合せが互いに接触することを意味する点Ｅ（トルクＴＥ）を越えて殆ど垂直に急峻に上昇する。この急峻な上昇は点Ｆ（トルクＴＦ）まで実質的に線形である。
【０１０７】
点Ｆ（グラフの非線形部分）を越えると、少なくとも１つの管の可塑性の喰い込み(plastic embedding) が始まる。
【０１０８】
値ＴＯＰＴは構成トルクについての推奨された値に対応し、この値はＴＥとＴＦとの間の値である。
【０１０９】
【表１】
表１の値から、突合せにより支持された構成トルクの部分を測定する量（ＴＦ―ＴＥ）は、Ｑシリーズについての本発明のねじ継手の場合には、従来技術のねじ継手Ｐに関して非常に増大する（＋６０％）ことに注目できる。
【０１１１】
第２例
第１例で規定したVAM（商標）カタログからＬ８０グレードにおける２つの寸法Ａ及びＢのVAM（商標）ACEタイプねじ継手における試験。
【０１１２】
この試験の被験体の特性を表２に示す。
【０１１３】
【表２】
表３はトルクＴＯＰＴにおける構成の前後の内径を示す。
【０１１５】
内径ＩＤＢは、標準ねじ継手（Ａ３，Ｂ３）と本発明（Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２）により変更された継手との双方について、常にドリフト径（表２参照）よりも高いことが明らかである。
【０１１６】
【表３】
ａ）表４は塑性に至るまでの過トルク試験の結果を示す。ねじシーリング面及び当接面はＡＰＩ５Ａタイプグリースで被覆してある。
【０１１８】
【表４】
過トルク試験は特にトルクＴＦの基準と、突合せ及び肩の可視的な外観について以下の順の減少を分類できる。
【０１２０】
１）３５°の角度におけるテーパー状面取りにより補強された雌突合わせ（試験Ａ１，Ｂ１）
２）１０°の角度におけるテーパー状面取りにより補強された雌突合わせ（試験Ａ２，Ｂ２）
３）標準雌突合わせ（試験Ａ３，Ｂ３）
ＴＦの値はＡ１及びＢ１において標準ねじ継手よりも４０％乃至７０％大きく、これはＡ２及びＢ２における標準ねじ継手のそれよりも５％乃至２３％大きかった。
【０１２１】
１０°のテーパー状面取りを有するねじ継手に比べた３５°のテーパー状面取りを有するねじ継手の良好な結果は、図４における点Ｃ及びＤの相対位置により説明する。
【０１２２】
ねじ継手Ａ１及びＢ１の場合において、図４における点Ｄは、点Ｂに比べて点Ｃを越えて位置しており、ひいては最初径ＩＤＢを有する一定径領域にあるが、このことはＡ２及びＢ２のねじ継手については見られない（表５参照）。
【０１２３】
【表５】
試験Ａ及びＢ１の場合、点Ｃは、点Ｂと点Ｄとの概ね軸方向中間にある。
【０１２５】
ｂ）内圧下における捻り試験
シリーズＡ及びＢからの同様なねじ継手を表２の推奨構成トルク（ＴＯＰＴ）で先ず構成した。
【０１２６】
次いでこれらのねじ継手を、接続管のウェル内への回転下降を模擬するように意図された組合わせ応力下におき、同時に以下ａ）及びｂ）を施した。
【０１２７】
ａ）被験体Ａ１乃Ａ３について内圧４３．７ＭＰａ、被験体Ｂ１乃至Ｂ３について５６．０ＭＰａ、このような圧力は指定された最小降伏強度（表２に従って５５２ＭＰａ）の８０％に等しい管本体の応力を生じる。
【０１２８】
ｂ）可変捻れモーメント。
【０１２９】
表６はトルクの値Ｔｌを与えており、この値を越えると継手のリークが始まる。
【０１３０】
【表６】
リークＴｌの前の最大捻れモーメントは、従来技術の参照例（被験体Ａ３，Ｂ３）に比べると、１０°の面取りで補強された突合わせについては僅かに増大（１０％未満）し、対照的に、３５°の面取りで補強された突合せ（被験体Ａ１及びＢ１）については３０％乃至４０％だけ増大する。
【０１３２】
ｃ）構成破断サイクル
被験体Ａ１には、表２に示された推奨構成トルクの１．５倍の構成トルクにおいて１０回までの連続構成破断サイクルを受けさせた。構成破断トルクの記録及び目視検査においては何の問題にも出会わず、この被験体は１０回の構成破断サイクルの後に何の変態も示さなかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は従来技術のねじ及び接続継手を示す。
【図２】 図２は図１のアセンブリのねじ継手の雄及び雌突合わせの詳細を示す。
【図３】 図３は本発明のねじ継手の本発明のねじ継手の詳細を示す。
【図４】 図４は図３の高拡大における詳細を示す。
【図５】 図５は図４の変形例である。
【図６】 図６は突合わせが変形するまでのねじ回し回数の関数としての構成トルクを示す過トルク試験を示すグラフを示す。
Claims (10)
- 管状ねじ継手であって、
第１の管状部品（１０）の端部における雄ねじ要素（１１）と第２の管状部品（２０）の端部における雌ねじ要素（２１）とを備え、
前記雄ねじ要素は、雄ねじ（１２）が設けられると共に雄リップ（１８）で終端し、
この雄リップは第１に外周面を含み、この外周面上には雄シーリング面（１３）が形成され、前記雄リップは第２に雄環状当接面（１６，１４）を含み、これは前記雄シーリング面の近傍で前記雄シーリング面に対して傾斜して位置して前記雄シーリング面に接続される前記雄ねじの自由端の前面により構成されて、前記雄リップは第３に内周面（１７）を含み、
前記雌ねじ要素は、前記雄ねじ要素に共働するように、雌ねじ（２２）と、第１の内周面とを含み、この内周面の上には雌シーリング面（２３）が形成されて、前記雌ねじ要素は更に雌肩を含み、この雌肩は一方には、前記雌シーリング面に対して傾斜してその近傍に位置する雌環状当接面（２６）を含み、前記雌肩は他方では雌環状肩領域（２４）を規定し、この雌環状肩領域は前記雄当接面（１６）が前記雌当接面（２６）に当接したときに軸方向圧縮負荷を受け、前記雄ねじは、前記雄当接面が前記雌当接面へ当接するまで雌ねじへねじ込まれ、前記雄シーリング面は次いで前記雌シーリング面と半径方向で干渉するねじ継手であり、
前記雌環状肩領域（２４）が第２の内周面（２７）を含むと共に、前記雌環状肩領域（２４）が外側よりも内側で肉厚にされて、その第２の内周面の少なくとも前記雌当接面（２６）へ近接する第２の内周面の第１の内径が、前記雄リップ（１８）の内周面（１７）の第２の径（ＩＤＰ）よりも小径（ＩＤＢ）にされており、これら第１と第２の径（ＩＤＢ、ＩＤＰ）の比Ｒは１未満且つ０．９以上であり、比Ｒが以下の関係式、
前記雌環状肩領域（２４）の第２の内周面（２７）は、テーパー状仮想面（３２）を遮る点（Ｄ）において最小径（ＩＤ Ｂ ）を有し、前記テーパー状仮想面（３２）は前記雌ねじ要素に同軸であり、４５°の頂半角を有し、前記雌肩領域（２４）における径は、前記雌当接面（２６）からの距離が増大するにつれて減少し、前記雌当接面（２６）の外縁を通過することを特徴とする管状ねじ継手。 - 請求項１の管状ねじ継手において、雌肩領域の内周面（２７）の径は、前記雌当接面（２６）側のその端部（Ｂ）において雄リップ（１８）の内周面（１７）の第２の内径（ＩＤＰ）に等しいことを特徴とする管状ねじ継手。
- 請求項２の管状ねじ継手において、前記雌肩領域（２４）の内周面（２７）が第１の遷移部分（２９，３９）を含み、その第１の遷移部分ではその内径が前記雌当接面（２６）から漸進的に減少すると共に、前記内周面（２７）が、最小内径（ＩＤＢ）を有する第２円筒部分（３０）を更に含むことを特徴とする管状ねじ継手。
- 請求項３の管状ねじ継手において、前記雌肩領域（２４）の前記内周面（２７）の前記遷移部分（２９，３９）と前記円筒部分（３０）とが、接合点と称される点（Ｃ） において接続し、その点（Ｃ）は、前記雌当接面（２６）側の前記遷移部分の端部（Ｂ）と、前記雌ねじ要素に同軸であるテーパー状表面を有する雌肩の前記内周面（２７）の交差点（Ｄ）との間の実質的に軸方向中間に位置することを特徴とする管状ねじ継手。
- 請求項３又は４の管状ねじ継手において、前記雌肩領域（２４）の内周面（２７）の前記遷移部分が、テーパー状面（２９）を含み、これは前記雌ねじ要素に同軸であり、且つ１５°乃至４５°の範囲における頂半角を有することを特徴とする管状ねじ継手。
- 請求項３又は４の管状ねじ継手において、前記雌肩領域（２４）の内周面（２７）の前記遷移部分が、テーパー状面（２９）を含み、これは前記雌ねじ要素に同軸であり、且つ３０°乃至４５°の範囲における頂半角を有することを特徴とする管状ねじ継手。
- 請求項３又は４の管状ねじ継手において、前記雌肩領域（２４）の内周面（２７）の前記遷移部分が、少なくとも１つの円環状面（３９）を含み、この円環状面は前記雌ねじ要素に同軸であることを特徴とする管状ねじ継手。
- 請求項７の管状ねじ継手において、前記雌肩領域（２４）の内周面（２７）の前記遷移部分が、円環状面（３９）を含み、前記雌当接面（２６）側の前記円環状面の端部 における正接は前記ねじ継手の軸（ＸＸ）に関して１５°乃至４５°の範囲における角度を形成することを特徴とする管状ねじ継手。
- 請求項７又は８の管状ねじ継手において、前記雌肩領域（２４）の内周面（２７）の前記遷移部分が、円環状面（３９）を含み、この円環状面（３９）は、前記雌当接面（２６）に対向する前記円環状面（３９）の端部において前記雌肩領域（２４）の前記内周面（２７）の円筒部分（３０）に対して正接をなすことを特徴とする管状ねじ継手。
- 請求項１乃至９の何れか一項に記載の管状ねじ継手において、前記雌及び雄当接面（１６，２６）が逆当接面を形成し、この逆当接面は、前記ねじ要素の軸（ＸＸ）に対する法線に関して２０°未満の負角を有することを特徴とする管状ねじ継手。
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