JP5492885B2

JP5492885B2 - 鋼管用ねじ継手

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Publication number: JP5492885B2
Application number: JP2011516914A
Authority: JP
Inventors: 隆志岡田; 圭一中村; 正明杉野; 優山口
Original assignee: Vallourec Mannesmann Oil and Gas France SA; Nippon Steel Corp
Current assignee: Vallourec Mannesmann Oil and Gas France SA; Nippon Steel Corp
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2029-10-20
Also published as: CA2739711C; EP2337982B1; JP2012506000A; US9719617B2; EA201170589A1; CN102187139B; AU2009307315A1; EP2337982A1; BRPI0920855A2; PL2337982T3; CN102187139A; EA021308B1; MX2011004112A; CA2739711A1; EP2337982A4; US20110241340A1; NO2337982T3; MY154419A; AR073945A1; UA100314C2

Description

本発明は広義には、原油や天然ガスの探査や生産に使用されるチュービングおよびケーシングを包含する油井管（ＯＣＴＧ）、ライザー管、ならびにラインパイプなどの鋼管の接続に用いるねじ継手に関する。より詳しくは、本発明は、ねじ部、シール面およびショルダ面を有する、耐圧シール性に優れた鋼管用ねじ継手に関する。

油井管やライザー管など産油産業設備に使用される鋼管の接続に広く使用されている鋼管用ねじ継手は、第１管状部材の端部に設けた雄ねじ要素であるピンと、第２管状部材の端部に設けた雌ねじ要素であるボックスとから構成される。ねじ継手の締結は、いずれもテーパねじである雄ねじと雌ねじの嵌合により行われる。

典型的には第１管状部材が油井管用鋼管などのパイプであり、第２管状部材は別部材のカップリングである。この種の鋼管用ねじ継手をカップリング方式という。カップリング方式の継手では、ピンはパイプ両端に、ボックスはカップリングの両側にそれぞれ形成される。パイプの一端の外面にピンを、他端の内面にボックスを形成したインテグラル方式の鋼管用ねじ継手もある。その場合には、第１管状部材は第１のパイプ、第２管状部材は第２のパイプとなり、２本のパイプはカップリングを用いずに接続される。

油井管の締結には、通常はＡＰＩ（米国石油協会）規格に規定された標準的なねじ継手が使用される。しかし、近年、原油や天然ガスの掘削・生産環境が苛酷化しているため、プレミアムジョイントと呼ばれる高性能の特殊ねじ継手を使用することが増加している。

プレミアムジョイントでは、ピンとボックスのそれぞれが、ピンとボックスの締付けを可能にするテーパねじに加えて、ねじ部近傍の周面に設けられたシール面と、継手の締付け中にストッパの役目を担うショルダ面とを備える。ピンとボックスのシール面の間には半径方向の締め代（干渉量）が設けられる。ピンとボックスのショルダ面同士が突き当たるまで継手を締め込むと、これら両部材のシール面同士が継手の全周にわたって密着して、金属−金属直接接触によるシールを形成する。ショルダ面は、締め付け時におけるストッパの役割のほかに、継手に作用する圧縮荷重を負担する役目も担っている。

図７(Ａ)および(Ｂ)は、カップリング方式の一般的なプレミアムジョイント型の鋼管用ねじ継手の模式的説明図であり、図７(Ｂ)が全体図、図７(Ａ)が部分拡大図である。図７(Ａ)および(Ｂ)に示すように、この種の鋼管用ねじ継手は、パイプ端部に設けられた雄ねじ要素であるピン１と、カップリングの両側に設けられた対応する雌ねじ要素であるボックス２とを備える。ピン１は、外面に、テーパ雄ねじ１１と、雄ねじ１１に隣接して設けられた、リップと呼ばれるねじ無し円筒先端部分（以下、リップ部という）１２とを有する。リップ部１２は、その外周面にシール面１３を、端面にショルダ面１４を有する。シール面１３は、ピン先端に向かって径が漸減するテーパ面（円錐台面）となっている。

相対して、ボックス２は、その内面に、それぞれピン１のテーパ雄ねじ１１、メタルシール面１３、およびショルダ面１４と螺合または当接することができる、テーパ雌ねじ２１、シール面２３、およびショルダ面２４を有している。図示のように、端面がショルダ面となるリップ部は、ピンの先端部に設けることが多い。リップ部の雄ねじに隣接する端部には、ピンとボックスとの間の隙間空間３１が形成されている。この隙間空間３１は、焼付き（ゴーリング）防止のためにピンおよび／またはボックスの表面に塗布され、継手の締結（メイクアップ）中にピンとボックスのネジ面およびシール面の密着によって塗布面からしみ出てくる液状または半固体の潤滑剤を集めるためのものである。

以前は垂直井が主流であった。そのような油井では、鋼管用ねじ継手は、それに連結された管の重さによる引張荷重に耐えることができ、かつその内部を通過する高圧流体の漏洩を防止できれば十分に機能できていた。しかし、近年は、深井戸化が進み、かつ地中で坑井が屈曲する傾斜井や水平井が増加してきていること、海洋や極地など劣悪な環境での井戸の開発が増加していることなどから、鋼管用ねじ継手には、特に内外圧力の存在下での耐圧縮性能やシール性能の向上が強く求められている。

この内外圧力の存在下でのプレミアムジョイントの耐圧縮性能やシール性能の向上させるために、ＷＯ２００４／１０９１７３（以下、特許文献１という）には、図２に示すように、ピン１のシール面１３と端面ショルダ面１４との間にノーズ部１６を含む延長リップ部を設けた鋼管用ねじ継手が提案されている。ピン１のノーズ部１６は、ピン１とボックス２の対向面が互いに接触しない非接触領域１８を付与する。一方、ピンとボックスのシール面１３、２３ならびにショルダ面１４、２４は互いに当接している。ピン１のリップ部を延長して、ピンの端面とシール面１３との間にボックスと接触しない、外面が円筒形状の非接触領域１８を有するノーズ部１６を設けることにより、限られた管肉厚の中でリップ部の肉厚、従って、ショルダ面およびシール面の肉厚を大きくすることができ、鋼管用ねじ継手の耐圧縮性能と内外圧に耐えるシール形成能を著しく向上させることができる。

特許文献１には、図４に示すように、ボックスのシール面について、シール面のねじ部側に円環面（円弧を、継手軸を中心に回転させてできる面）(Ｒ)を、シール面のショルダ側にテーパ面（直線を、継手軸を中心に回転させてできる回転面）(ＴＡ)を配置して組み合わせる形状とし、ピンのシール面は好ましくはボックスのテーパ面ＴＡと同じ傾斜のテーパ面から構成することが開示されている。このシール面形状は、多様な使用条件に対してピンとボックスのシール面の接触圧安定性を向上させることができる。

図５は、ピンのテーパ形状のシール面と接触するボックス側シール面の種々の形状を示す模式図である。図５(Ａ)は、ボックス側シール面もテーパ面（ＴＡ）だけで構成される例を示し、図５(Ｂ)は、ボックス側シール面が曲面（Ｒ）だけで構成される例を示し、図５(Ｃ)は、ボックス側シール面がテーパ面（ＴＡ）と曲面（Ｒ）との複合面により構成される例を示す。

図５(Ａ)に示すように、ピンのシール面と同様に、ボックス側のシール面もテーパ面（ＴＡ）であると、ピンとボックスのシール面間の接触がネジ側の境界５１に集中する。図５(Ｂ)に示すように、ボックス側シール面が曲面（Ｒ）で、ピン側シール面がテーパ面であると、ピンとボックスのシール面間の接触面積が小さくなり、接触安定性が悪くなるおそれがある。図５(Ｃ)に示すように、ピン側のシール面がテーパ面であって、ボックス側シール面がテーパ面（ＴＡ）と曲面（Ｒ）との複合面であると、特許文献１に記載のとおり、多様な使用条件に対して接触安定性を向上させることができる。

ＷＯ２００４／１０９１７３号

特許文献１に提案されている、ボックスのシール面をねじ部側の円環面とショルダ側のテーパ面との複合面から構成した鋼管用ねじ継手は、ねじ継手に内圧または外圧がかかった状態で引張または圧縮荷重が負荷されても、通常は十分なシール性能を示す。

しかし、そのようなねじ継手でも、管本体が全面塑性変形してしまうほどの大きな引張荷重−圧縮荷重や内圧−外圧が何度も繰り返し負荷される、ＩＳＯ１３６７９に規定されているような苛酷なシール性能試験条件下では、シール表面にマイクロゴーリング（微小焼き付き）が発生することを本発明者らは見出した。この過酷なシール性能試験条件は、近年のますます過酷化する油井管の使用条件を考慮して設定されたものである。従って、上記の鋼管用ねじ継手でも、状況によってはマイクロゴーリングが発生し、最悪の場合はシール性能が損なわれる可能性がある。

本発明は、鋼管用ねじ継手のシール表面に生じる可能性のあるマイクロゴーリング（微小焼き付き）の問題を改善することを課題としている。
本発明者らは、上記特許文献１に記載されたシール面形状をベースに鋼管用ねじ継手のシール面の形状について検討を進め、有限要素法（ＦＥＭ）解析およびシール試験により以下の知見を得た。

（１）ＩＳＯ１３６７９の記載されているような、管本体が全面塑性変形してしまうほどの引張荷重−圧縮荷重や内圧−外圧が何度も繰り返し負荷される苛酷なシール性能試験では、シール面は試験中に軸方向に前後に微小な振幅でスライドする。そのため、干渉量が大きい場合などピーク接触圧が大きいと、この微小な往復摺動（スライド）によりシール表面に肌荒れが生じマイクロゴーリング（微小焼き付き）が発生する。

（２）このマイクロゴーリングは、シール面のショルダ側（奥側）でもっとも発生しやすい。外圧によりピンのねじ部が縮径変形して、ピンとボックスのねじの噛み合いがルーズになるため、前記した往復摺動（スライド）の振幅が大きくなるからである。また、外圧負荷下においては、ピンのねじ部が縮径変形する反動で、ピンのリップ先端が逆に拡径変形（縦断面図でみると、リップの先端が外向きに曲がるような変形）をする。そのため、ピンとボックスのシール面の主な接触部位がねじ側からショルダ側にシフトする。

図６は、ピンとボックスのシール面間の接触部位を示す模式図である。より具体的には、この図は、ピン側のシール面１３とボックス側のシール面２３との接触部位を示している。ボックス側シール面２３は境界５１と境界５６により隣の領域から区別される。シール面の接触部位は、通常、ねじ締結時には、接触面圧分布６１で模式的に示すようにねじ部側の領域で接触する。しかし、外圧が加わると、接触面圧分布６２で模式的に示すようにショルダ側の領域で接触する。

本発明者らは上記の知見に基づいて、ボックスのシール面のねじ部側に設けた大曲率半径の曲面に加えて、反対側のシール面の奥側（ショルダ側）にも大曲率半径の曲面を配置すると、苛酷なシール性能試験中のマイクロゴーリングの発生を防止できることを確認した。これは、ボックスシール面のショルダ側の端部が大曲率半径を有している状況でのピン／ボックスのシール面の接触では、この端部が例えば小曲率半径（曲率半径Ｒが１ｍｍ〜６ｍｍ）を有する場合に見られるような、ピーク接触圧がこの端部で大きくなることが防止されるためであると考えられる。

本発明に係る鋼管用ねじ継手は、ピンとボックスとから構成され、ピンは、雄ねじと、シール面およびショルダ面を有するリップ部とを有し、ボックスは、雌ねじ、シール面およびショルダ面を有し、締結時に、該雄ねじは該雌ねじと噛み合い、ピンのシール面はボックスの対応するシール面とシール接触し、ピンのショルダ面はボックスのショルダ面と当接する鋼管用ねじ継手において、ピンのシール面はテーパ面部分だけから構成され、ボックスのシール面は、曲率半径Ｒが１５ｍｍ〜１２０ｍｍである表面である第１および第２の大曲率半径の曲面部分とこれらの曲面部分の間に設けたテーパ面部分とから構成される縦断面を有することを特徴としている。

第１の大曲率半径の曲面部分が複数の曲面により構成されてもよい。同様に、第２の大曲率半径の曲面部分も複数の曲面により構成されてもよい。
ここでいう「シール面」とは、ピンとボックスが密に接触（すなわち、密着）して気密なメタルシール部を形成する、ねじ無し部を含む領域を意味する。「シール接触」とは、ピンとボックスのシール面間でこのような密な接触を遂行することを意味する。ピンとボックスのそれぞれにおいて、シール面の領域は、隣の領域から、傾きが不連続である点によって、又は曲率半径Ｒが小さい（６ｍｍ以下）曲線によって区別される。

大曲率半径の曲面部分とは、曲率半径Ｒが１５ｍｍ〜１２０ｍｍである表面を意味する。本発明が基本的に対象とするねじ継手のシール面に関しては、長さが２.５ｍｍ〜８ｍｍであり、第１又は第２の曲面部分の曲率半径Ｒが１２０ｍｍを超えると、曲面の形状がテーパ面（ねじ継手の軸方向における断面が直線である表面）に近づいてしまうため、シール面のこの部分が、シール面の限られた長さにおいて曲面（ねじ継手の軸方向における断面が曲線である表面）として機能することができなくなる。第１又は第２の曲面部分の曲率半径Ｒが１５ｍｍより小さくなると、シール面のこの曲面部分に加わる接触面圧が高くなり、シール面の接触安定性が損なわれる。

大曲率半径の曲面とは、上記の大きな曲率半径を有する曲線（円弧、楕円弧、放物線など）をねじ継手の軸(継手軸、ねじ継手により締結される鋼管の軸と同一線上)を中心として回転させることにより生ずる面のことである。前述したように、第１および第２の曲面部分はそれぞれ、いずれも大曲率半径の複数の曲面が組み合わったものから構成されていてもよい。

テーパ面とは、継手軸に対して傾斜した直線を、継手軸を中心として回転させることにより生ずる面のことである。
本発明の鋼管用ねじ継手は、ピンおよびボックスのシール面の継手軸に対する傾斜角が５°〜２５°の間であるときに、より有効に機能する。シール面の傾斜角とは、ピンおよびボックスのシール面におけるテーパ面、すなわち、ボックスのシール面におけるテーパ面部分とピンのテーパシール面、の継手軸に対する傾きのことである。

本発明に係る鋼管用ねじ継手は、ピンのショルダ面がピンの端面に配置され、ピンのシール面が雄ねじのピン端面側の方の端部近傍に位置し、このピンのシール面とショルダ面との間に、対向するボックスの部分と接触しないノーズ部が設けられているピンの構成を有することが好ましい。このようなねじ継手は、耐圧縮性や、圧縮と外圧、引張と外圧といった複合荷重に対する耐性に関して改善された性能を示すことができる。

本発明に係る鋼管用ねじ継手はまた、ピンのショルダ面が内面側のメインショルダ面と外面側のサブショルダ面という２つの別個の隣接する面を含み、このピンのショルダ面に対向する対応するボックスのショルダ面も内面側のメインショルダ面と外面側のサブショルダ面という２つの別個の隣接する面を含み、前記ピンおよびボックスのメインショルダ面はリップ端部の半径方向内向きの変形を防止するように配置され、前記ピンおよびボックスのサブショルダ面はリップ端部の半径方向外向きの変形を制限するように配置され、前記ピンのメインショルダ面の半径方向寸法が前記ピンのサブショルダ面より大きく、少なくとも前記ピンのメインショルダ面は少なくとも前記ボックスの対応するメインショルダ面と軸方向に当接することが好ましい。

本発明に係る鋼管用ねじ継手では、ボックスのシール面は、第１および第２の大曲率半径の曲面部分とこれらの曲面部分の間に設けたテーパ面部分とから構成される。その結果、管本体が全面塑性変形してしまうほどの大きさの引張荷重−圧縮荷重や内圧−外圧が何度も繰り返し負荷される状況において、ピンおよびボックスのシール面に生じるマイクロゴーリング（微小焼き付き）の発生を低減させることができる。

また、ピンのシール面とショルダ面との間に対向するボックスの部分と接触しないノーズ部を設けた鋼管用ねじ継手や、ピンのリップ端部の半径方向内向きの変形を防止するようなメインショルダ面とリップ端部の半径方向外向きの変形を制限するようなサブショルダ面とを設けた鋼管用ねじ継手に対して、上記構成のシール面を設けることにより、耐圧縮性や、圧縮と外圧、引張と外圧といった複合荷重下における全体的なシール特性における向上を図ることができる。

本発明に係る鋼管用ねじ継手の模式的断面図であり、図１(Ａ)はピンのリップ部付近を示す部分図、図１(Ｂ)はピンおよびボックスを示す全体図である。特許文献１の記載の鋼管用ねじ継手のピンのリップ部付近を示す模式的断面図である。ボックス側シール面を示す模式図であり、図３(Ａ)〜(Ｃ)が本発明例の模式図であって、図３(Ａ)および３(Ｂ)は、第１の大曲率半径の曲面部分（ＲＡ）、テーパ面部分（ＴＡ）および第２の大曲率半径の曲面部分（ＲＢ）からなる本発明に従ったシール面を示し、図３(Ｃ)は、第３の大曲率半径の曲面部分（ＲＣ）、第１の大曲率半径の曲面部分（ＲＡ）、テーパ面部分（ＴＡ）および第２の大曲率半径の曲面部分（ＲＢ）からなる構成の本発明に従ったシール面を示し、図３(Ｄ)は、大曲率半径の曲面部分（ＲＡ）およびテーパ面（ＴＡ）からなる比較用のねじ継手シール面を示す。図３(Ｄ)と同様に大曲率半径の曲面部分（ＲＡ）およびテーパ面（ＴＡ）からなる、特許文献１に記載の鋼管用ねじ継手のピンおよびボックスのシール面の１例を示す模式図である。ボックスおよびピンのシール面の形状を説明する模式図であって、図５(Ａ)は、ボックスがテーパ面（ＴＡ）でピンもテーパ面（ＴＡ）である例であり、図５(Ｂ)は、ボックスが曲面（Ｒ）でピンがテーパ（ＴＡ）である例であり、図５(Ｃ)は、ボックスがテーパ面（ＴＡ）と曲面（Ｒ）の複合面でピンがテーパ面（ＴＡ）である例である。シール面の接触部位を示す模式図である。従来のカップリング方式の一般的な油井管用プレミアムジョイントの模式的断面図であり、図７(Ａ)は片側のみを示す部分図、図７(Ｂ)は全体図である。

以下に、本発明に係る鋼管用ねじ継手について図面を参照しながら説明する。
図１(Ａ)および図１(Ｂ)は、本発明に係る鋼管用ねじ継手の模式的断面図である。図１(Ａ)はピンのリップ部付近を示す部分図、図１(Ｂ)はピンおよびボックスを示す全体図である。このねじ継手はプレミアムジョイント型のねじ継手であり、それぞれテーパねじおよびねじ無しシール面を有するピン１とボックス２とから構成される。図１(Ｂ)はテーパねじの１例を示す。

ピン１は、雄ねじ１１を有するねじ部と、ねじ部よりパイプ先端側に位置する、シール面１３を有するリップ部１２とからなる。リップ部の先端の端面はショルダ面となっている。図示のように、ピン１のシール面１３は、通常はリップ部１２のねじ部１１に隣接または近接する位置に設けられる。

ボックス２は、ピン１の雄ねじ１１と噛み合う雌ねじ２１を有するねじ部と、緊密なシール（メタルタッチシール）を形成するようにピン１のシール面１３と接触するシール面２３と、ピンのショルダ面に継手軸方向に当接するショルダ面とを有する。

雄ねじのリップ部１２に隣接する部分は、ボックス２の雌ねじ２１と噛み合わない非係合または不完全ねじであってもよい。
図１に示す鋼管用ねじ継手のピン１のリップ部１２（平均厚み４１を有する）は、ピン１のシール面１３と端面との間にノーズ部１６を有するように延長されている。このノーズ部は、ボックスの対向する部分とある軸方向長さだけ接触しない非接触領域１８を形成している。そのため、このリップ部の長さは、図７に示した典型的なプレミアムジョイントに比べて長い。

ピンおよびボックスのそれぞれの非接触領域１８の主要部は、図１(Ａ)に示すようなテーパ面（ピン先端に向かって直径が減少）、または図２に示すような一様な直径の円筒面のいずれかにより形成されうる。ピンとボックス間の非接触領域の主要部の間隙（クリアランス）はその長さ方向に一定であることが好ましい。

図示のように、軸方向長さ４５を持つノーズ部１６は、軸方向長さ４８を持つ非接触領域と、軸方向長さ４９を持つショルダ部（図示例では、軸方向長さ４９は後述するサブショルダ部分１５のそれである）とを備え、リップ部１２は、シール面１３とノーズ部１６とを備える。ピン１のノーズ部１６の軸方向長さ４５は、油井管で使用される外径約５０〜５５０ｍｍのサイズの管の場合、概ね４〜２２ｍｍ程度である。ピン１のノーズ部１６の非接触領域の軸方向長さ４８は好ましくはノーズ部の軸方向長さ４５の約４５〜９０％とすることが好ましい。

リップ部のシール面およびノーズ部の厚みが大きいほど、外圧に対するそれらのシール性能が高くなるので、真円度を高めて乱流を防止するためにリップ部の端部内面側にチャンファー１７を形成する場合には、チャンファー１７の継手軸に対する角度は９〜３０°の範囲内のかなり小さい角度とすることが好ましい。浅い角度のチャンファーは、図２に示すように、ピン１に隣接するボックス２の内面にも同様に設けてもよい。

この例では、ピン１の端面ショルダ面が、継手の半径方向内面側のメインショルダ面部分１４と継手の半径方向外面側のサブショルダ面部分１５とからなる２段構成になっている。ピン１のメインショルダ面部分１４は、継手軸に垂直な平面に対する角度２４が負角となるリバースショルダ面である。一方、サブショルダ面部分１５は、継手軸に垂直な平面に対する角度４３が正である。メインショルダ面部分１４の半径方向寸法４６（継手軸に垂直な平面上での投影厚み）は、サブショルダ面１５の半径方向寸法４７より大きい。

対応して、ボックス２のショルダ面も、継手の半径方向内面側のメインショルダ面２４と継手の半径方向外面側のサブショルダ面２５とから成る。好ましくは、ピン１のメインショルダ面部分１４とサブショルダ面部分１５との間の接合部は半径１.５ｍｍ以下の丸みを有する頂点を形成しており、ボックス２もメインショルダ面部分２４とサブショルダ面部分２５との間に対応する丸みを持つ凹部を有する。

メインショルダ面１４、２４のリバース角４２は、ピン１のメインショルダ面１４が継手軸に垂直な平面となす傾き４２の絶対値（実際には負角）が５°〜２５°であることが好ましく、より好ましくは８°〜２０°である。

サブショルダ面１５、２５の継手軸に対する傾き４３は、好ましくは５°〜３０°（即ち、継手軸に垂直な方向に対する傾きでは＋６０°以上、＋８５°以下）、より好ましくは、シール面の傾き４４よりも大きい。

サブショルダ面１５、２５は正常な締付け状態では互いに接触しないように通常は設計される。サブショルダ面は、ねじ継手に高い圧縮荷重が作用したり、あるいは過剰な締付けトルクが加わった時に、これらのサブショルダ面が接触することにより、リップ部の外向き方向への変形を抑制するためのものである。ただし、シール面１３、２３の性能に悪影響を与えない範囲で、サブショルダ面１５、２５は、正常な締付け状態において互いに接触する設計としてもよい。

上述した２段構成のショルダ面を有するねじ継手の態様では、ピン１のノーズ部１６の軸方向長さ４５は、非接触領域１８の軸方向長さ４８と、やはりボックスの対向する表面とは普通には接触しないサブショルダ面部分１５の軸方向長さ４９との合計に実質的に等しい。

図１(Ａ)および１(Ｂ)に示した態様のねじ継手では、ピンのシール面１３より先端に近い位置に非接触領域１８を有するノーズ部１６を設け、さらにピン先端のショルダ面の形状をメインショルダ面１４とサブショルダ面１５の２段構造とすることによって、リップ部の不安定変形が抑制され、優れた耐圧縮性能を確保し、かつ繰返し複合荷重を受ける場合における総合的なシール性が大幅に向上する。

本発明に係る鋼管用ねじ継手において、ピンのシール面はテーパ面であるのに対し、ボックスのシール面は、雌ねじ側からショルダ部に向かう方向で、第１の大曲率半径の曲面部分、テーパ面部分および第２の大曲率半径の曲面部分を含んでいる。すなわち、第１の曲面部分は雌ねじに近い側に位置し、第２の曲面部分はショルダ部に近い側に位置する。

既に述べたように、大曲率半径の曲面とは、曲率半径Ｒが１５〜１２０ｍｍの曲面である。大曲率半径の曲面は、上記の大きな曲率半径を有する曲線（円弧、楕円弧、放物線など）を、継手軸を中心として回転させることにより生ずる面である。大曲率半径の曲面においてそれら曲面が複数組み合わされていてもよい。

テーパ面とは、継手軸に対して傾斜した直線を、継手軸を中心として回転させることにより生ずる面である。
図３(Ａ)〜図３(Ｄ)は、ねじ継手のボックスのシール面を示す模式図である。図３(Ａ)〜(Ｃ)は、本発明に従ったボックスシール面の例を示す。図３(Ａ)は、第１の大曲率半径の曲面部分（ＲＡ）、テーパ面部分（ＴＡ）および第２の大曲率半径の曲面部分（ＲＢ）を有するシール面を示す。同様に、図３(Ｂ)も、第１の大曲率半径の曲面部分（ＲＡ）、テーパ面部分（ＴＡ）および第２の大曲率半径の曲面部分（ＲＢ）を有するシール面を示すが、第１および第２の曲面部分およびテーパ面部分の少なくとも１つの長さが図１(Ａ)に示すシール面のそれとは異なっている。図３(Ｃ)は、第３の大曲率半径の曲面部分（ＲＣ）を第１の大曲率半径の曲面部分（ＲＡ）の前に追加し、その後にテーパ面部分（ＴＡ）および第２の大曲率半径の曲面部分（ＲＢ）が続いているシール面を示す。図３(Ｄ)は、特許文献１に記載され、図４に示されるように、第１の大曲率半径の曲面部分（ＲＡ）とテーパ面部分（ＴＡ）のみを有する比較例のボックスシール面を示す。

シール面２３は、傾きが不連続に変わる点あるいは曲率半径Ｒが小さい（６ｍｍ以下）曲線で隣の領域と区別される。図３(Ａ)〜(Ｄ)では、シール面２３の両側の境界部５１、５６は、それぞれ小さい曲率半径ＲｘおよびＲｙ（どちらも６ｍｍ以下）を有している。図３(Ａ)には、シール面の軸方向長さの範囲が番号５８により示されている。前述したように、シール面の軸方向長さは、油井管で使用される管サイズ（外径約５０ｍｍ〜５５０ｍｍ）の範囲では概ね２.５ｍｍ〜８ｍｍである。

図３(Ａ)は、図３(Ｄ)に示される、第１の大曲率半径の曲面部分５３（ＲＡ）およびテーパ面部分５４（ＴＡ）からなる比較例のシール面２３に、第２の大曲率半径の曲面部分５５（ＲＢ）を加えることにより得られる。このように、テーパ面部分のショルダ部に近い側に第２の大曲率半径の曲面部分５５（ＲＢ）を設けることにより、マイクロゴーリング（微小焼き付き）の問題を軽減することができる。第２の曲面部分（ＲＢ）の曲率半径および軸方向長さは、第１の曲面部分（ＲＡ）のそれらと同じでも異なっていてもよいが、ただし、いずれも大きい曲率半径を有することが条件である。好ましくは、第１の曲面部分（ＲＡ）の曲率半径は第２の曲面部分（ＲＢ）のそれより大きい。

図３(Ｂ)は、大曲率半径の曲面部分５３（ＲＡ）とテーパ面部分５４（ＴＡ）の長さの割合を変化させた以外は、図３(Ａ)の例と同じである。テーパ面部分５４の長さの割合は、シール面の全長の約０.１〜０.６とするのが好ましく、より好ましくは約０.１〜０.４５、特に好ましくは約０.１〜０.３である。従って、テーパ面部分の５４の軸方向長さは好ましくは０.５ｍｍ以上であり、より好ましくは１ｍｍ以上である。

図３(Ｃ)では、図３(Ａ)の大曲率半径の曲面部分５３（ＲＡ）と境界５１（Ｒｘ）との間に第３の大曲率半径の曲面部分５２（ＲＣ）を設けている。大曲率半径の曲面部分５２の曲率半径ＲＣは、好ましくは大曲率半径の曲面部分５３の曲率半径ＲＡより小さい。それにより、小さな曲率半径Ｒｘの境界５１でピンとボックスのシール面が互いに接触せず、この部分の接触面圧を小さくすることができる。その結果、より安定したシール面の接触を可能にすることができる。

ボックスのシール面のテーパ面部分（ＴＡ）の傾きの角度（傾斜角）は、単独でピンのシール面を構成するテーパ面の傾きの角度と同じであることが好ましいが、ピンとボックスの傾き角度に５°以内の小さな差なら許容されうる。

前述したように、本発明に係るボックスのシール面のテーパ面部分およびピンのテーパ面の傾きの角度は、シール面がそれらのシール機能を有効に達成するのを確保するため、好ましくは５〜２５°の範囲内、より好ましくは８〜２０°の範囲内とする。この角度がきつすぎる（大きすぎる）と、引張負荷時のシール接触圧の低下を招き、逆に緩すぎる（小さすぎる）と、摺動距離の増加によりゴーリングが起こり易くなる。

上ではテーパ面の非接触領域と２段構成のショルダ面とを有する図１に示した鋼管用ねじ継手に対して主に説明したが、本発明に係るピンおよびボックスのシール面１３、２３の構成は、円筒形の非接触領域と概ね垂直なショルダ面とを有する図２に示したのに似たノーズ部を有する鋼管用ねじ継手においても有効である。また、図７に示したような典型的なプレミアムジョイントのシール面１３、２３にもこの構成を適用することができる。

本発明の効果を例証にするため、ＩＳＯ１３６７９規格のシリーズＡ試験を、９−５／８インチ径、重量５３.５ポンド／フィートのケーシング用継手（外径２４４.４８ｍｍ、肉厚１３.８４ｍｍ）で実施した。ピンは鋼管の両端の外面に形成され、ボックスはカップリングの両側の内面に形成されていた。この試験に供したねじ継手は、ＡＰＩ（米国石油協会）規格のＬ８０鋼（炭素鋼）製のものであり、図７に示したカップリング方式の油井管用ねじ継手を基本形状とするものであったが、ピンとボックスのそれぞれがシール面、ショルダ面、およびシール面とショルダ面との間の非接触領域を備える図１(Ａ)または図２に示したような形状の延長されたリップ部を有するものであった。ピンおよびボックスのシール面のテーパ面（部分）の傾きの角度は１４°であった。ボックスのシール面の形状が異なる２種類のねじ継手(Ａ)および(Ｂ)を気密性試験のために用意した。

一方のねじ継手(Ａ)は、本発明に従った例であり、ピンは、テーパシール面、テーパ非接触領域、ならびにメインショルダ面部分とサブショルダ面部分とを有する２段構成のショルダ面を備えた、図１(Ａ)に示した形状のリップ部を有していた。ピンのリップ部の軸方向長さ４５は１５ｍｍであり、サブショルダ面部分の軸方向長さ４９は３.９９ｍｍであった。メインショルダ面部分のリバース角４２は１５°であり、サブショルダ面部分の継手軸に対する傾き角度４３は２０°であった。継手軸に対するチャンファー１７の角度は１５°であった。図１(Ａ)に示した形状を有するボックスは、図３(Ａ)に示した形状のシール面を有していた。すなわち、このシール面は、雌ねじ側から順に、半径がＲ６０の大曲率半径の曲面部分５３（軸方向長さ１.７５ｍｍ）、テーパ面部分５４（軸方向長さ１.０ｍｍ）および半径がＲ２５の大曲率半径の曲面部分５５（軸方向長さ１.０ｍｍ）を有していた。Ｒ６２およびＲ２５はそれぞれ曲率半径が６０ｍｍおよび２５ｍｍであることを意味する。ボックスのシール面のテーパ面部分の傾きの角度は、ピンのテーパシール面と同じ１４°であった。

他方のねじ継手(Ｂ)では、ピンは、テーパシール面と円筒形の非接触領域とを備えた図２に示した形状のリップ部を有していた。このリップ部の軸方向長さは１５ｍｍであった。対応するボックスは、図３(Ｄ)に示した形状のシール面を有していた。このシール面は、半径がＲ６０の大曲率半径の曲面部分５３（軸方向長さ１.７５ｍｍ）とテーパ面部分５４（軸方向長さ１.７５ｍｍ）とを有していた。ボックスのシール面のテーパ面部分の傾きの角度は、ピンのテーパシール面と同じ１４°であった。

これら２種類のねじ継手に、引張荷重、圧縮荷重、ならびに内圧および外圧の複合した荷重が繰り返し加えられるＩＳＯ１３６７９規格のシリーズＡ試験を受けさせたところ、本発明に係るねじ継手(Ａ)ではマイクロゴーリングは発生しなかった。このねじ継手では、リークの発生も見られず、本気密試験後のシール面の性状は円滑で、肌荒れなども見られなかった。

これに対して、特許文献１に記載されたねじ継手(Ｂ)では、マイクロゴーリングの発生が認められ、その結果、リークも見られた。
以上に本発明を特定の態様について説明したが、説明は例示にすぎず、本発明はそれらに制限されるものではない。

Claims

ピンとボックスとから構成され、ピンは、雄ねじとシール面およびショルダ面を有するリップ部とを有し、ボックスは、雌ねじ、シール面およびショルダ面を有し、締結時に該雄ねじは該雌ねじと噛み合い、ピンのシール面はボックスの対応するシール面とシール接触し、ピンのショルダ面はボックスのショルダ面と当接する鋼管用ねじ継手において、
ピンのシール面はテーパ面部分だけから構成され、ボックスのシール面は、曲率半径Ｒが１５ｍｍ〜１２０ｍｍである表面である第１および第２の大曲率半径の曲面部分とこれらの曲面部分の間に設けたテーパ面部分とから構成される縦断面を有することを特徴とする、鋼管用ねじ継手。
第１の大曲率半径の曲面部分が複数の曲面により構成される、請求項１記載の鋼管用ねじ継手。
第２の大曲率半径の曲面部分が複数の曲面により構成される、請求項１または２記載の鋼管用ねじ継手。
ピンのテーパシール面およびボックスのシール面のテーパ面部分の継手軸に対する傾き角度が５°〜２５°の間である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋼管用ねじ継手。
ピンのショルダ面がピンの端面に配置され、ピンのシール面が雄ねじ近傍で雄ねじと管端との間に位置し、ピンとボックスのそれぞれにおいてシール面とショルダ面との間の位置にピンとボックスとが互いに接触しない非接触領域が設けられている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の鋼管用ねじ継手。
ピンとボックスのそれぞれのショルダ面が、半径方向内面側のメインショルダ面と半径方向外面側のサブショルダ面とにより構成される２つの別個の隣接する面を含み、ピンおよびボックスのメインショルダ面はリップ端部の半径方向内向きの変形を防止するように配置され、ピンおよびボックスのサブショルダ面はリップ端部の半径方向外向きの変形を制限するように配置され、ピンのメインショルダ面の半径方向寸法がピンのサブショルダ面のそれより大きく、ねじ継手の締結時に少なくともピンのメインショルダ面がボックスのメインショルダ面と当接する請求項５記載の鋼管用ねじ継手。