JP5678241B2 - 鋼管用ねじ継手 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管用ねじ継手に関する。
本願は、２０１２年９月２１日に、日本に出願された特願２０１２−２０８６００号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

例えば、原油や天然ガス、シェールガス、メタンハイドレード等の化石燃料、さらには地下水や温泉といった気体もしくは液体状の地下資源を掘削、生産する際には、油井管等の鋼管が使用される。油井管等の鋼管は、通常、ねじ継手により接続される。ねじ継手は２つの方式に大別される。一つの方式は、カップリング方式である。カップリング方式では、両端に雄ねじ部材（ピン）を設けられた２本の鋼管と、両端に雌ねじ部材（ボックス）を設けられたカップリングと呼ばれる短管を介して接続する。もう一つの方式は、インテグラル方式である。インテグラル方式では、鋼管の一端にピンを設けるとともに他端にボックスを設け、カップリングを介さずに２本の鋼管同士を直接接続する。

油井管用のねじ継手には、アメリカ石油協会(American Petroleum Institute)規格のねじ継手、いわゆるＡＰＩ継手と呼ばれるものがある。その他にも、より苛酷な環境に耐えることができるように性能を向上させたプレミアムジョイントがある。多くのプレミアムジョイントは、鋼管の接続に必要なねじ構造を有するとともに、気体や液体の密封性能を担う密封機構を有する。特に、高圧の流体を密封する必要がある場合には、ピンの外表面とボックスの相対する内表面とに、回転対称のねじ無し面（シール面）をそれぞれ設け、これらのシール面を嵌合させるメタルタッチシールが密封機構として広く用いられる。

メタルタッチシールでは、ピンの外径がボックスの内径よりも僅かに大きく設定されている（この径差を「シール干渉量」という。）。メタルタッチシールでは、ピンおよびボックスを嵌合し径方向に干渉させることによって、拡径したボックスと縮径したピンとの間でそれぞれ元の径に戻ろうとする弾性回復力が発生する。この弾性回復力を利用して、シール面を緊密に密着させることができる。メタルタッチシールでは、シール干渉量を大きく設定すれば、密封性能を高めることができる。一方、シール干渉量を過剰に大きく設定すると、ねじ継手の締結過程でシール面が焼付いてしまう。

このように、ねじ継手の密封性能と耐焼付き性能とは相反する関係にある。特にクロムやニッケル等を多量に含有する高合金鋼からなる鋼管用ねじ継手では、焼付きが発生し易いため、密封性能および耐焼付き性能の両立が難しい。

このため、密封性能を維持しながら、換言するとシール干渉量を低減することなく、シール面の焼付きを回避する技術が多数開示されている（特許文献１〜６を参照。）。

例えば、特許文献１，２には、潤滑被膜を改良する先行技術が開示されている。具体的に、特許文献１には、ねじ部およびシール面それぞれの表面に蓚酸処理下地層を形成し、その上に二硫化モリブデンまたは二硫化タングステンを分散させた樹脂皮膜層を形成する技術が開示されている。特許文献２には、ねじ部およびシール面それぞれの表面に多孔質亜鉛ないし亜鉛合金の下地層を形成し、その上に固体潤滑被膜または重金属を含まない液状潤滑被膜を形成する技術が開示されている。いずれの技術も、耐焼付き性能の向上を図っている。

ねじ部およびシール面それぞれの表面に、上述の潤滑被膜や表面処理被膜を形成したねじ継手は、潤滑被膜や表面処理被膜の取扱いに注意を要するものが多い。このため、油井現場への油井管の搬送途中や現場での雑な取り扱い等により、潤滑被膜や表面処理被膜が剥がれるといった不良が発生し易い。

特許文献３には、シール面の形状を工夫する技術が開示されている。具体的には、ボックスシール面をテーパ面とするとともにピンのシール面を曲率面とし、シール面同士を比較的狭い範囲で両者を接触させて、局所接触圧を高めることによって密封性能を向上する技術が開示されている。

特許文献４には、インテグラル方式のねじ継手に２ヶ所のシール面を形成する技術が開示されている。具体的に、一方のシール面には、ピンをテーパ面とするとともにボックスを曲率面として両者を接触させる。もう一方のシール面には、逆の関係、すなわち、ボックスをテーパ面とするとともにピンを曲率面として両者を接触させる。

特許文献５には、ピン，ボックスともに曲率面とする技術が開示されている。特許文献３〜５により開示された技術によれば、シール干渉量が同じであれば高い局所接触圧を得られるために高い密封性能が得られる。また、テーパ面と曲率面との接触により密封接触部が形成されるため、安定した密封性能が得られる。

しかし、特許文献３〜５により開示されたシール面の形状では、ねじ継手を螺合締結する過程においても、ピンおよびボックスそれぞれのシール面同士が狭い接触幅でかつ高い平均接触圧で接触しながら摺動することとなる。このため、耐焼付き性能は芳しくない。特にクロムを１３質量％以上含有する高合金鋼からなるねじ継手では、高価な表面処理を施さない限り、焼付きの発生は避けられない。

さらに、特許文献６には、ピンおよびボックスのいずれのシール面の形状もテーパ面として両者を接触させることにより耐焼付き性能の向上を図る技術が開示されている。

日本国特開２０００−１３０６５４号公報 国際公開第０２／０５９５１９号パンフレット 米国特許出願公開第２００４／１０８７１９号明細書 米国特許第４１５３２８３号明細書 米国特許第３８５６３３７号明細書 米国特許第４７３６９６７号明細書

特許文献６により開示された技術によれば、ねじ継手を螺合締結する過程においてシール面であるテーパ面同士が広い接触幅で接触する。このため、シール面同士の平均接触圧を低く抑制でき、焼付きが発生し難い。

しかし、特許文献６により開示された技術では、締結完了後もシール面同士が広い接触幅で接触し続け、平均接触圧が低いままとなる。このため、この技術による密封性能には限界がある。また、シール面にかかる圧力が高圧になると密封性能が不足し、流体漏れが発生してしまうリスクがある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、高い耐焼付き性能および密封性能を安定して兼ね備える鋼管用ねじ継手を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決して係る目的を達成するために以下の手段を採用する。すなわち、
（１） 本発明の一態様に係る鋼管用ねじ継手は、２段ねじで形成された雄ねじ部と、この２段ねじの中間部に形成された、テーパ面およびこのテーパ面に隣接する曲率面を含むシール面とを有するピンと；２段ねじで形成された雌ねじ部と、この２段ねじの中間部に形成された、テーパ面およびこのテーパ面に隣接する曲率面を含むシール面とを有するボックスと；を備え、前記ピンのテーパ面のテーパ角と、前記ボックスのテーパ面のテーパ角とは実質的に同一であり、前記雄ねじ部と前記雌ねじ部とが螺合により締結され、この締結の過程で前記ピンのシール面と前記ボックスのシール面とが接触しながら、前記ピンと前記ボックスとが径方向に干渉することで、互いのシール面の少なくとも一部が全周にわたって密着する構造を有し、更に、前記締結の途中の時点に比較して前記締結の完了時に、前記ピンのシール面と前記ボックスのシール面との接触圧を増加させる接触圧増幅機構を備える。

（２） 上記（１）に記載の鋼管用ねじ継手において、前記ピンの曲率面が、前記ピンの先端側に形成され、前記ボックスの曲率面が、前記ボックスの先端側に形成されていてもよい。

（３） 上記（１）に記載の鋼管用ねじ継手において、前記ピンの曲率面が、前記ピンの先端側と反対の側に形成され、前記ボックスの曲率面が、前記ボックスの先端側と反対の側に形成されていてもよい。

（４） 上記（１）に記載の鋼管用ねじ継手において、前記ピンの曲率面が、前記ピンのテーパ面の両側に隣接して形成され、前記ボックスのテーパ面の長さが、前記ピンのシール面の長さよりも長くてもよい。

（５） 上記（１）に記載の鋼管用ねじ継手において、前記ボックスの曲率面が、前記ボックスのテーパ面の両側に隣接して形成され、前記ピンのテーパ面の長さが、前記ボックスのシール面の長さよりも長くてもよい。

（６） 上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載の鋼管用ねじ継手において、前記締結の完了時に、前記ピンのシール面と前記ボックスのシール面との接触面のうち、前記曲率面と前記テーパ面との接触部分においてピーク接触圧を発生させてもよい。

（７） 上記（１）〜（６）のいずれか一つに記載の鋼管用ねじ継手において、前記接触圧増幅機構が、前記雄ねじ部の前記シール面に隣接した箇所に形成された楔形ねじと、前記雌ねじ部の前記シール面に隣接した箇所に形成された楔形ねじとの締結によって、前記ピンのシール面と前記ボックスのシール面との接触圧を増加させてもよい。

（８） 上記（１）〜（６）のいずれか一つに記載の鋼管用ねじ継手において、前記接触圧増幅機構が、前記ピンのシール面および前記ボックスのシール面の前後いずれかに隣接するフックショルダによって、前記ピンのシール面と前記ボックスのシール面との接触圧を増加させてもよい。

（９） 上記（１）〜（８）のいずれか一つに記載の鋼管用ねじ継手において、前記雄ねじ部および前記雌ねじ部が、楔形ねじを含んでいてもよい。

（１０） 上記（１）〜（９）のいずれか一つに記載の鋼管用ねじ継手において、ピンのテーパ面のテーパ角および前記ボックスのテーパ面のテーパ角が２〜１０°であってもよい。

上記の態様によれば、シール面の焼き付きリスクを安定して低減するとともに、締結完了後は安定した密封性能を発揮することができる鋼管用ねじ継手を提供できる。

本発明の一実施形態に係る鋼管用ねじ継手の縦断面形状を模式的に示す断面図である。 図１中の囲み部分Ｘに示す鋼管用ねじ継手のピンとボックスの各シール部の寸法を示す要部断面図である。 図１に示す鋼管用ねじ継手におけるピンとボックスの締結前の状態を示す模式図である。 図１に示す鋼管用ねじ継手におけるピンとボックスの締結完了時の状態を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る鋼管用ねじ継手の一例を構成するピン、ボックスそれぞれのシール面の締結前の状態を示す模式図である。 図４Ａに示すピン、ボックスそれぞれのシール面の締結過程での状態を示す模式図である。 図４Ａに示すピン、ボックスそれぞれのシール面の締結完了時の状態を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る鋼管用ねじ継手の他例を構成するピン、ボックスそれぞれのシール面の締結前の状態を示す模式図である。 図５Ａに示すピン、ボックスそれぞれのシール面の締結過程での状態を示す模式図である。 図５Ａに示すピン、ボックスそれぞれのシール面の締結完了時の状態を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係るねじ継手の他例を構成するピン、ボックスそれぞれのシール面の締結前の状態を示す模式図である。 図６Ａに示すピン、ボックスそれぞれのシール面の締結過程での状態を示す模式図である。 図６Ａに示すピン、ボックスそれぞれのシール面の締結完了時の状態を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係るねじ継手の他例を構成するピン、ボックスそれぞれのシール面の締結前の状態を示す模式図である。 図７Ａに示すピン、ボックスそれぞれのシール面の締結過程での状態を示す模式図である。 図７Ａに示すピン、ボックスそれぞれのシール面の締結完了時の状態を示す模式図である。 楔形ねじの構成例を示す模式図である。 ピンおよびボックスのシール面の前後いずれかに隣接してフックショルダを１つ設けた場合の一例を示す模式図である。 ピンおよびボックスのシール面の前後いずれかに隣接してフックショルダを１つ設けた場合の他例を示す模式図である。 ピンおよびボックスのシール面の前後に隣接してフックショルダを２つ設けた場合を示す模式図である。 従来のシール形状によるピン、ボックスそれぞれのシール面の締結前の状態を示す模式図である。 図１２Ａに示すピン、ボックスそれぞれのシール面の締結過程での状態を示す模式図である。 図１２Ａに示すピン、ボックスそれぞれのシール面の締結完了時の状態を示す模式図である。

以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照しながら、詳細に説明する。
先ず、本発明者らは、例えばクロム（Ｃｒ）を１３質量％以上含有する高合金鋼からなる鋼管用ねじ継手において、締結過程でシール面の焼付きが多発する原因を詳細に検討した。

図１２Ａは、従来のシール形状によるピン１、ボックス３それぞれのシール面２，４の締結前の状態を示す模式図である。図１２Ｂは、図１２Ａに示すピン１、ボックス３それぞれのシール面２，４の締結過程での状態を示す模式図である。図１２Ｃは、図１２Ａに示すピン１、ボックス３それぞれのシール面２，４の締結完了時の状態を示す模式図である。なお、図１２Ａ〜図１２Ｃにおいて右側がピン１における先端側であり、左側がボックス３における先端側である。以後、本明細書におけるすべての図において同様である。

図１２Ａ〜図１２Ｃに示すように、ボックス３のシール面４は、テーパ面４ａとその両端に滑らかに接続する曲率面４ｂ，４ｃとにより構成される。一方、ピン１のシール面２は、単一の大きな曲率面２ｂにより構成される。

ボックス３に銅メッキ被膜を形成し、ねじ締結試験を行ったところ、特にボックス３の曲率面４ｃに形成された銅メッキ被膜が著しく摩耗する現象が頻発していることが判明した。この現象は、特にねじ山の断面形状がいわゆる楔形であって、締結が完了した際にねじ山の両斜面が接触して緊結されるねじ形状を有するねじ継手の場合に発生した。つまり、この現象は、締結の完了直前までは遊びが多いねじを有するねじ継手の場合に特に顕著に発生した。

そこで、本発明者らは、ボックス３の曲率面４ｃに形成された銅メッキ被膜の摩耗の原因を調べるため、有限要素解析により締結過程のシール面４の接触状況を詳細に検討した。その結果、ピン１のシール面２が接触を開始する際に、ボックス３の曲率面４ｃがピン１の曲率面２ｂと接触し、曲率面４ｃ，２ｂ同士が極めて狭い幅で接触する線接触状態となって高いピーク接触圧が発生することが、焼付きの主な原因であることが判明した。

また、締結完了の直前まで遊びを有するねじを用いた場合、ピン１のシール面２がボックス３のシール面４に接触を開始する際に、ピン１およびボックス３それぞれの軸芯がぶれて安定しないためにシール面２，４をこじり、焼付きがより顕著に発生することも判明した。

以上のことから、本発明者らは、以下の（Ｉ）および（ＩＩ）の知見を得るに至った。
（Ｉ）シール面２，４の接触開始時における曲率面２ｂ，４ｃ同士の接触に起因する過大なピーク接触圧を低減できれば、シール面２，４での焼付きの発生を防止できる。
（ＩＩ）シール面２，４の接触開始時や締結過程において、曲率面２ｂ，４ｃ同士や曲率面２ｂとテーパ面４ａとが線接触するのではなく、テーパ面同士が平行に接触するように、シール面２，４の形状を適正化すれば、より広い接触幅で均一に接触させることができ、高いピーク接触圧の発生を防止できる。

しかし、締結完了以降においてもピーク接触圧が低いままでは高い密封性能を得ることはできない。高い密封性能を得るためには、締結完了時点において高いピーク接触圧がシール面２，４に発生している必要がある。また、高いピーク接触圧を得るには、シール面２，４の曲率面２ｂ，４ｃ同士を接触させることが最も有効である。一方、締結完了直前においてはすでにシール干渉量がほぼすべて導入されている。このため、たとえ締結完了まであと僅かしか回転摺動しなかったとしても、曲率面２ｂ，４ｃ同士の接触に切り替わる際に焼付きが発生する可能性が高い。

そこで、本発明者らは、締結完了までほぼシール面２，４同士の接触を維持しながら、締結完了直前に別の要素、例えば、ピン１およびボックス３のねじ部を楔形ねじとしてこれらを噛合させることや、ピン１およびボックス３のシール面２，４に隣接して設けたフックショルダを突き当てること等によってシール面２，４同士の接触圧を増幅し、シール面２，４同士の接触部の端部で曲率面とテーパ面の接触を生じさせれば、焼付きを発生させることなく十分な密封性能を発揮する適度の高さのピーク接触圧が得られると考えた。

本発明者らは、このような着想に基づいてさらに検討を進め、下記２つの要素（Ａ）および要素（Ｂ）を満足すること、さらに望ましくは、これらの要素（Ａ）および要素（Ｂ）に加えて、下記の要素（Ｃ）を満足することにより上記課題を解決できることを知見した。

（Ａ） ピンのテーパ面のテーパ角と、ボックスのテーパ面のテーパ角とは、実質的に同一である。ここで、実質的に同一であるとは、ピンのテーパ面のテーパ角とボックスのテーパ面のテーパ角とが同じ角度か、その角度の差が±０．５°の範囲に収まることを意味する。

（Ｂ） 締結の途中の時点に比較して締結の完了時に、ピンのシール面とボックスのシール面との接触圧を増加させる接触圧増幅機構を備える。ここで、接触圧増幅機構としては、後に詳しく説明するねじ部に適用される楔形ねじや、ピンおよびボックスのシール面に隣接して設置されるフックショルダが例示される。

（Ｃ）ピンのシール面は、ピンの端面から一定距離以上離れた位置に形成されるとともに、ボックスのシール面は、ボックスの端面から一定距離以上離れた位置に形成される。

以上の知見から、上記の要素（Ａ）〜（Ｃ）を満足することによって、炭素鋼やクロムを１３質量％以上含有する高合金鋼からなる鋼管用ねじ継手の締結過程において、高い耐焼付き性能および密封性能が安定して得られることを見出した。

また、炭素鋼やサワー鋼からなる鋼管用ねじ継手のみならず、クロムを１３質量％以上含有する高合金鋼からなる鋼管用ねじ継手のような焼付きの発生し易いねじ継手や、高価な表面処理を施すことが困難なインテグラル方式のねじ継手などの鋼管用ねじ継手に対して、高い耐焼付き性能および密封性能が安定して得られることを見出し、本発明を完成するに至った。

次に、本発明の一実施形態に係る鋼管用ねじ継手（以下、単に「ねじ継手」という。）１０が適用されたプレミアムジョイントの一例について説明する。
図１は、ねじ継手１０の縦断面形状を模式的に示す断面図である。

図１に示すように、ねじ継手１０は、ピン２０と、ボックス３０とを備える。

ピン２０は、雄ねじ部２１と、シール面２２とを有する。雄ねじ部２１は、ピン２０の外周面に螺旋状に形成されている。雄ねじ部２１は、上段ねじ部２１ａと下段ねじ部２１ｂとを含む２段ねじで形成されている。

シール面２２は、上段ねじ部２１ａと下段ねじ部２１ｂとの間の中間部に形成されている。シール面２２は、ピン２０の外周面に形成されたテーパ面２２ａと曲率面２３とを含むねじ無し面である。

テーパ面２２ａは、ピン２０の軸線方向の断面において、所定の角度（以下、テーパ面２２ａのテーパ角という。）で傾斜している。したがって、テーパ面２２ａは、ピン２０の外周面において、このピン２０の基端側から先端側に向かって漸次縮径した円錐台面を形成している。テーパ面２２ａのテーパ角は、例えば２〜１０°とすることが望ましく、３〜７°とすることがさらに望ましい。

曲率面２３は、テーパ面２２ａの両側に隣接して形成された後方曲率面２３ａと前方曲率面２３ｂとを含む。後方曲率面２３ａおよび前方曲率面２３ｂは、ピン２０の軸線方向の断面において、所定の曲率で弧を描くように形成されている。したがって、曲率面２３は、ピン２０の外周面において湾曲した曲率回転体面を形成している。曲率面２３の曲率については、曲率面２３を挟んだテーパ面２２ａとは反対側の面と、テーパ面２２ａとの間で連続した曲面を形成するように、その曲率を設定すればよい。

ボックス３０は、雌ねじ部３１と、シール面３２とを有する。雌ねじ部３１は、ボックス３０の内周面に螺旋状に形成されている。雌ねじ部３１は、上段ねじ部３１ａと下段ねじ部３１ｂとを含む２段ねじで形成されている。ボックス３０の上段ねじ部３１ａがピン２０の上段ねじ部２１ａと螺合するとともに、ボックス３０の下段ねじ部３１ｂがピン２０の下段ねじ部２１ｂと螺合する。これにより、雄ねじ部２１と雌ねじ部３１とが螺合により締結される。

シール面３２は、上段ねじ部３１ａと下段ねじ部３１ｂとの間の中間部に形成されている。シール面３２は、ボックス３０の内周面に形成されたテーパ面３２ａと曲率面３３とを含むねじ無し面である。

テーパ面３２ａは、ボックス３０の軸線方向の断面において、所定の角度（以下、テーパ面３２ａのテーパ角という。）で傾斜している。したがって、テーパ面３２ａは、ボックス３０の内周面において、このボックス３０の基端側から先端側に向かって漸次拡径した円錐台面を形成している。テーパ面３２ａのテーパ角は、例えば２〜１０°とすることが望ましく、３〜７°とすることがさらに望ましい。

曲率面３３は、テーパ面３２ａの両側に隣接して形成された前方曲率面３３ａと後方曲率面３３ｂとを含む。前方曲率面３３ａおよび後方曲率面３３ｂは、ボックス３０の軸線方向の断面において、所定の曲率で弧を描くように形成されている。したがって、曲率面３３は、ボックス３０の内周面において湾曲した曲率回転体面を形成している。曲率面３３の曲率については、曲率面３３を挟んだテーパ面３２ａとは反対側の面と、テーパ面３２ａとの間で連続した曲面を形成するように、その曲率を設定すればよい。

ねじ継手１０では、雄ねじ部２１と雌ねじ部３１との締結の過程で、ピン２０のシール面２２とボックス３０のシール面３２とが接触しながら、ピン２０とボックス３０とが径方向に干渉することで、互いのシール面２２，３２の少なくとも一部が全周にわたって密着する構造（メタルタッチシール）が得られる。

すなわち、このメタルタッチシールでは、ピン２０の外径がボックス３０の内径よりも僅かに大きく設定されている（この径差を「シール干渉量」という。）。メタルタッチシールでは、ピン２０およびボックス３０を嵌合し径方向に干渉させることによって、拡径したボックス３０と縮径したピン２０との間でそれぞれ元の径に戻ろうとする弾性回復力が発生する。この弾性回復力を利用して、シール面２２，３２を緊密に密着させることができる。

図２は、図１中の囲み部分Ｘに示すねじ継手１０のピン２０とボックス３０の各シール部の寸法を示す要部断面図である。

なお、図２中において、符号４１は、ピン２０の後方曲率面２３ａの曲率半径を示す。符号４２は、ピン２０の前方曲率面２３ｂの曲率半径を示す。符号４３は、ピン２０のテーパ面２２ａのテーパ角を示す。符号４４は、ピン２０のシール面２２の直径を示す。符号４５は、ピン２０のシール面２２のテーパ長さを示す。また、符号４６は、ボックス３０の後方曲率面３３ｂの曲率半径を示す。符号４７は、ボックス３０の前方曲率面３３ａの曲率半径を示す。符号４８は、ボックス３０のテーパ面３２ａのテーパ角を示す。符号４９は、ボックス３０のシール面３２の直径を示す。符号５０は、ボックス３０のシール面３２のテーパ長さを示す。

ねじ継手１０は、下記２つの要素（Ａ）および要素（Ｂ）を満足することが望ましく、これらの要素（Ａ）および要素（Ｂ）に加えて、下記の要素（Ｃ）を満足することがさらに望ましい。

（Ａ） ピン２０のテーパ面２２ａのテーパ角４３と、ボックス３０のテーパ面３２ａのテーパ角４８とは、実質的に同一である。ここで、実質的に同一であるとは、テーパ角４３とテーパ角４８とが同じ角度か、その角度の差が±０．５°の範囲に収まることを意味する。

（Ｂ） 締結の途中の時点と比較して締結の完了時に、ピン２０のシール面２２とボックス３０のシール面３２との接触圧を増加させる接触圧増幅機構４０を備える。ここで、接触圧増幅機構４０としては、後述する図８〜１１に示すような楔形ねじやフックショルダが例示される。

（Ｃ） ピン２０のシール面２２またはボックス３０のシール面３２は、ピン２０またはボックス３０のそれぞれの端面から一定距離以上離れた位置に形成される。すなわち、ピン２０のシール面２２およびボックス３０のシール面３２は、２段ねじの場合、上段ねじ部２１ａ，３１ａと下段のねじ部２１ｂ，３１ｂとの中間部に設けられる。中間部にピン２０のシール面２２およびボックス３０のシール面３２を設けることにより、締結過程におけるシール面２２,３２のテーパ角が一定に保たれ、均一なシール接触を得ることができる。

図３Ａは、図１に示すねじ継手１０におけるピン２０とボックス３０の締結前の状態を示す模式図である。図３Ｂは、図１に示すねじ継手１０におけるピン２０とボックス３０の締結完了時の状態を示す模式図である。

図３Ａおよび図３Ｂに示すように、ピン２０，ボックス３０それぞれのシール面２２，３２として、実質的に同一のテーパ角４３，４８を有するテーパ面２２ａ，３２ａを形成しておき、シール面２２，３２の接触開始時にテーパ面２２ａ，３２ａをほぼ平行に広い幅で接触させる。これにより、上記要素（Ａ）は比較的容易に達成される。

しかし、ピン２０の先端面を含む先端部にシール面２２を形成すると、締結が進行するに伴ってシール干渉量によりピン２０の先端面を含む先端部（リップともいう。）に設けたシール面２２が縮径するにしたがって、たわみ角（ピン２０のテーパ面２２ａのテーパ角４３）が大きくなる。それに対し、ボックス３０は一様に拡径するのみで、たわみ角（ボックス３０のテーパ面３２ａのテーパ角４８）はほとんど変化しない。つまり、接触開始時にシール面２２，３２同士をほぼ平行に接触させることができたとしても、シール干渉量の影響が締結に伴って徐々に現れるに伴って、ピン２０，ボックス３０それぞれのシール面２２，３２のテーパ角４３，４８が一致しなくなる。この場合、締結過程を通じて広い幅でシール面２２，３２を接触させ続けることが難しくなる。

シール干渉量の影響が現れ始めてもシール面２２，３２のテーパ角４３，４８を一致させ続けるためには、ピン２０の先端部に設けたシール面２２のさらに先端側に、十分な剛性を有する部分を形成しシール面２２を一様に縮径させ、たわみ角が生じるのを抑制するようにすればよい。このためには、ピン２０の端面から一定距離以上離れた位置にシール面２２を形成することが有効である。

以上は、ピン２０の先端部にシール面２２を設けた場合についての説明であるが、ボックス３０の先端部にシール面３２を設けた場合にも同様のことがいえる。すなわち、ボックス３０のシール面３２のさらに先端側に十分な剛性を有する部分を形成しておけばよい。

十分な剛性を有する部分を形成するためには、図１に示すように、雄ねじ部２１の上段ねじ部２１ａおよび下段ねじ部２１ｂをシール面２２の両側に形成するとともに、雌ねじ部３１の上段ねじ部３１ａおよび下段ねじ部３１ｂをシール面３２の両側に形成する、いわゆる中間シール構造とする。

上記のようにすれば、締結過程においてもシール面２２，３２であるテーパ面２２ａ，３２ａ同士の広い接触幅でかつ均一な接触が維持され、焼付きのリスクがさらに低減される。

図４Ａは、本発明の一実施形態に係る鋼管用ねじ継手の一例を構成するピン２０、ボックス３０それぞれのシール面２２，３２の締結前の状態を示す模式図である。図４Ｂは、図４Ａに示すピン２０、ボックス３０それぞれのシール面２２，３２の締結過程での状態を示す模式図である。図４Ｃは、図４Ａに示すピン２０、ボックス３０それぞれのシール面２２，３２の締結完了時の状態を示す模式図である。

なお、図４Ａ〜図４Ｃにおいて、上記ねじ継手１０を構成するピン２０およびボックス３０の各部と同等の部位については同じ符号を付すとともに、その説明を省略するものとする。また、図４Ｂ中における符号Ａは、締結過程の接触圧の分布を示す。図４Ｃ中における符号Ｂは、締結完了時のピーク接触圧を示す。

図４Ａ〜図４Ｃに示すように、ピン２０のシール面２２の長さを、ボックス３０のテーパ面３２ａの長さよりも短くする。これにより、締結の過程では、図４Ｂ中の符号Ａで示すように、テーパ面２２ａ，３２ｂ同士が平行に接触しながら、より広い接触幅で均一に接触させることができるため、高い接触圧の発生を防止するとともに、接触圧分布の変動を低く抑えることができる。

一方、締結の完了時点では、短い方のテーパ面２２ａと、その両端部に滑らかに接続している後方曲率面２３ａおよび前方曲率面２３ｂの全てが、ボックス３０のテーパ面３２ａに接触するようにする。これにより、締結完了直前にシール面２２，３２同士の接触圧が増加する。そして、締結完了時には、図４Ｃ中の符号Ｂで示すように、後方曲率面２３ａおよび前方曲率面２３ｂがテーパ面３２ａに接触している部分で、他の部分よりも接触圧が高くなるピーク接触圧を発生させることができる。

以上のようにして、このねじ継手１０では、シール面２２，３２の焼き付きリスクを安定して低減するとともに、締結完了後は安定した密封性能を発揮することが可能である。

次に、本発明の一実施形態に係る鋼管用ねじ継手の他例について説明する。
図５Ａは、本発明の一実施形態に係る鋼管用ねじ継手の他例を構成するピン２０、ボックス３０それぞれのシール面２２，３２の締結前の状態を示す模式図である。図５Ｂは、図５Ａに示すピン２０、ボックス３０それぞれのシール面２２，３２の締結過程での状態を示す模式図である。図５Ｃは、図５Ａに示すピン２０、ボックス３０それぞれのシール面２２，３２の締結完了時の状態を示す模式図である。

なお、図５Ａ〜図５Ｃにおいて、上記ねじ継手１０を構成するピン２０およびボックス３０の各部と同等の部位については同じ符号を付すとともに、その説明を省略するものとする。また、図５Ｂ中における符号Ａは、締結過程の接触圧の分布を示す。図５Ｃ中における符号Ｂは、締結完了時のピーク接触圧を示す。

図５Ａ〜図５Ｃは、図４Ａ〜図４Ｃとは逆に、ボックス３０の前方曲率面３３ａおよび後方曲率面３３ｂがテーパ面３２ａの両側に形成されるとともに、ピン２０のテーパ面２２ａの長さ４５がボックス３０のシール面３２の長さ５０よりも長い態様を示す。この態様の場合も、シール面２２，３２の焼き付きリスクを安定して低減するとともに、締結完了後は安定した密封性能を発揮することが可能である。

図６Ａは、本発明の一実施形態に係るねじ継手の他例を構成するピン２０、ボックス３０それぞれのシール面２２，３２の締結前の状態を示す模式図である。図６Ｂは、図６Ａに示すピン２０、ボックス３０それぞれのシール面２２，３２の締結過程での状態を示す模式図である。図６Ｃは、図６Ａに示すピン２０、ボックス３０それぞれのシール面２２，３２の締結完了時の状態を示す模式図である。

なお、図６Ａ〜図６Ｃにおいて、上記ねじ継手１０を構成するピン２０およびボックス３０の各部と同等の部位については同じ符号を付すとともに、その説明を省略するものとする。また、図６Ｂ中における符号Ａは、締結過程の接触圧の分布を示す。図６Ｃ中における符号Ｂは、締結完了時のピーク接触圧を示す。

図６Ａ〜図６Ｃは、ピン２０とボックス３０の両方のシール面２２，３２が実質的に同じテーパ角４３，４８を有するテーパ面２２ａ，３２ａを備えた態様を示す。また、ピン２０のテーパ面２２ａのピン２０の先端側に位置する側に前方曲率面２３ｂを設け、ボックス３０のテーパ面３２ａのボックス３０の先端側に前方曲率面３３ａを設けた態様を示す。この場合、ピン２０とボックス３０両方のテーパ面２２ａ，３２ａの長さ４５，５０が同じであってもシール面２２，３２の接触開始時および締結過程で広い接触幅でかつ均一な接触が維持され、焼付きのリスクが低減される。

図７Ａは、本発明の一実施形態に係るねじ継手の他例を構成するピン２０、ボックス３０それぞれのシール面２２，３２の締結前の状態を示す模式図である。図７Ｂは、図７Ａに示すピン２０、ボックス３０それぞれのシール面２２，３２の締結過程での状態を示す模式図である。図７Ｃは、図７Ａに示すピン２０、ボックス３０それぞれのシール面２２，３２の締結完了時の状態を示す模式図である。

なお、図７Ａ〜図７Ｃにおいて、上記ねじ継手１０を構成するピン２０およびボックス３０の各部と同等の部位については同じ符号を付すとともに、その説明を省略するものとする。また、図７Ｂ中における符号Ａは、締結過程の接触圧の分布を示す。図７Ｃ中における符号Ｂは、締結完了時のピーク接触圧を示す。

図７Ａ〜図７Ｃは、ピン２０とボックス３０の両方のシール面２２，３２が実質的に同じテーパ角４３，４８を有するテーパ面２２ａ，３２ａを備えた態様を示す。また、ピン２０のテーパ面２２ａのピン２０の先端側と反対の側に後方曲率面２３ａを設け、ボックス３０のテーパ面３２ａのボックス３０の先端側と反対の側に後方曲率面３３ｂを設けた態様を示す。この場合、ピン２０とボックス３０の両方のシール面２２，３２のテーパ面２２ａ，３２ａの長さ４５，５０が同じであっても、シール面２２，３２の接触開始時および締結過程で広い接触幅でかつ均一な接触が維持され、焼付きのリスクが低減される。

図７Ａ〜図７Ｃに示す態様によれば、締結初期、すなわちシール面２２，３２の接触開始時とそれに続く締結過程ではピン２０とボックス３０のシール面２２，３２のうちテーパ角を有するテーパ面２２ａ，３２ａが平行に接触し、締結過程で曲率面２３，３３同士の接触が生じることなくピーク接触圧を低減できる。

次に、上記ねじ継手１０が備える接触圧増幅機構４０について説明する。
接触圧増幅機構４０は、締結完了直前にシール接触力を増加させる接触圧を増幅させる機構であり、その機構についてはいくつか考えられる。その一つに雄ねじ部２１および雌ねじ部３１それぞれのねじ形状を楔形ねじとすることが挙げられる。

図８は、代表的な楔形ねじ４０−１の構成例を示す模式図である。なお、図８中において、符号ａ，ａ’は、ねじ山の荷重面を示す。符号ｂ，ｂ’は、ねじ山の挿入面を示す。符号ｃ，ｃ’は、ねじが占有する肉厚を示す。

接触圧増幅機構４０では、シール面２２，３２に隣接する楔形ねじ４０−１が、締結完了直前にねじの斜面同士がかしめ合うことでロッキングし、シール面２２，３２の接触力が増加する。このため、例えば図４Ｃ中の符号Ｂで示すように、締結完了時に曲率面２３ａ，２３ｂがテーパ面３２ａに接触している部分で、他の部分よりも接触圧が高くなるピーク接触圧を発生させることができる。

楔形ねじ４０−１は、上段ねじ部２１ａ，３１ａおよび下段ねじ部２１ｂ，３１ｂのシール面２２，３２に隣接する箇所に少なくとも１つあればよい。楔形ねじ４０−１は、シール面２２，３２に隣接して少なくとも１．５ピッチ形成されることが望ましいが、雄ねじ部２１（２１ａ，２１ｂ）および雌ねじ部３１（３１ａ，３１ｂ）の全てが楔形ねじ４０−１であることがより望ましい。

なお、図８に示す楔形ねじ４０−１は、ねじ山の頂面および底面が継手軸Ｌに対し平行になっている。この場合、ねじ山の荷重面ａ，ａ’の高さは挿入面ｂ，ｂ’の高さよりも低くなり、テーパ角が大きくなるほど、またねじの頂面のすき間が広いほど、荷重面ａ，ａ’の高さは低くなる。

これに対し、ねじ山の頂面および底面をねじのテーパ線と並行に配置した場合、与えられたねじの占有する肉厚範囲（ねじ頂面と底面を包括するピッチライン間の半径方向の幅）いっぱいまで荷重面ａ，ａ’を高く設定することが可能である。楔形ねじ４０−１と比較すると、ねじが噛合った際にピン２０とボックス３０を径方向に緊結する力（すなわち締結直前にシール接触力を増幅させる力）がさらに向上する。従って、このような楔形ねじ４０−１を用いると接触圧増幅機構４０としての効果はさらに高まる。また、雄ねじ部２１（２１ａ，２１ｂ）および雌ねじ部３１（３１ａ，３１ｂ）は、いずれもテーパねじであるとともに、楔形ねじであれば、さらに望ましい。

接触圧増幅機構４０を構成する別の機構としては、例えば、ピン２０およびボックス３０のシール面２２，３２の前後いずれか、または両側に隣接して設けられるフックショルダを挙げることができる。

図９〜１１は、フックショルダの例を示す模式図である。このうち、図９，１０は、ピン２０およびボックス３０のシール面２２，３２の前後いずれかに隣接してフックショルダを１つ設けた場合を示す模式図である。一方、図１１は、ピン２０およびボックス３０のシール面２２，３２の前後に隣接してフックショルダを２つ設けた場合を示す模式図である。

なお、図９〜１１中において、符号２０はピンを示す。符号３０は、ボックスを示す。符号２２は、ピン２０のシール面を示す。符号２４は、ピン２０のショルダ面を示す。符号２１ａは、ピン２０の雄ねじを示す。符号３２は、ボックス３０のシール面を示す。符号３４は、ボックス３０のショルダ面を示す。符号３１ａは、ボックス３０の雌ねじを示す。符号Ｔは、シール面２２，３２におけるテーパ面２２ａ，３２ａを示す。符号Ｒは、シール面２２，３２における曲率面を示す。

フックショルダ面２４，３４は、シール面２２，３２の前側または後側の一方又は双方に隣接して設けてやれば、ショルダの突き当てにより発生した反力の径方向成分がシール面２２，３２をさらに密着させる方向に作用し、シール接触力を増加させることができる。

本実施例では、本発明の効果を実証するため、ねじ継手の上下２段のねじの中間部に表１Ａおよび表１Ｂに示す４種類のシール形状を有する鋼管用ねじ継手について、有限要素解析を行うとともに実際に締結試験を行い、シール面の耐焼付き性能および密封性能を評価した。ここで、表１Ａおよび表１Ｂには、ピンのシール形状を示す。表２には、ボックスのシール形状を示す。

先ず、有限要素解析の要領について説明する。供試したのは、楔形ねじを有するインテグラル型のプレミアムジョイントである。このねじ継手の諸元を表１Ａおよび表１Ｂに示す。本実施例では、ねじ継手の締結を模擬した解析を実施することにより締結初期と締結完了時のシール面の接触圧に着目した。

番号１，３の材料については、１３Ｃｒ鋼（公称耐力ＹＳ＝７９４ＭＰａ）を使用した。番号２，４の材料については、ＡＰＩ規格の炭素鋼Ｑ１２５（公称耐力ＹＳ＝８６２ＭＰａ（１２５ｋｓｉ））を使用した。

有限要素解析の結果を表２に示す。

表２からわかるように、締結初期では，番号３，４のシール接触幅が番号１，２に比べ増加しており、意図したシールの接触開始状態を再現できていることがわかる。また、シール面のピーク接触圧が０．３〜０．６ＹＳ程度と格段に低減されている。この結果から、本発明を適用したねじ継手では、シール面が高い耐焼付き性能を有することが証明された。

表２には、締結完了時の接触圧も併せて示す。表２から、締結完了時において番号３，４のピーク接触圧がＹＳの２倍程度と番号１，２よりも格段に増加していることがわかる。

この結果から、本発明を適用したねじ継手では、シール面が締結完了時に十分な密封性能を有することがわかった。

次に、実際の締結試験について説明する。この試験では、繰返し締結解体試験によりねじ継手のシール面の耐焼付き性能を評価した。

耐焼付き性能については，ＡＰＩの試験規格ではケーシングにつき３回以上の繰返し締結／解体試験を行い、焼付きが発生しなければ合格とされている。

表３に示すとおり、番号１’，３’，４のシール形状を有するねじ継手で耐焼付き性能を評価した。なお、番号１’，３’とはシール形状が番号１，３と同じであるものの、ねじ継手のサイズが異なるため、異なる符号を付与した。シール形状の詳細は表１に示すとおりである。

サンプルには、ピン，ボックスともにサンドブラストで表面処理し、潤滑剤にはＡＰＩ規格のねじコンパウンドを用いた。

繰返し締結／解体試験の結果をまとめて表３に示す。

表３に示すように、番号１’のねじ継手については、２回目の締結／解体で焼付きが発生したが、番号３’，４のねじ継手では３回以上の締結／解体でもシール面の焼付きは発生しなかったため、本発明を適用したねじ継手の方が耐焼付き性能に優れることが実証された。

１０ 鋼管用ねじ継手
２０ ピン
２１ 雄ねじ部
２１ａ 上段ねじ部
２１ｂ 下段ねじ部
２２ シール面
２２ａ テーパ面
２３ 曲率面
２３ａ 後方曲率面
２３ｂ 前方曲率面
３０ ボックス
３１ 雌ねじ部
３１ａ 上段ねじ部
３１ｂ 下段ねじ部
３２ シール面
３２ａ テーパ面
３３ 曲率面
３３ａ 前方曲率面
３３ｂ 後方曲率面
４０ 接触圧増幅機構

Claims (10)

1. ２段ねじで形成された雄ねじ部と、この２段ねじの中間部に形成された、テーパ面およびこのテーパ面に隣接する曲率面を含むシール面と、を有するピンと；
   ２段ねじで形成された雌ねじ部と、この２段ねじの中間部に形成された、テーパ面およびこのテーパ面に隣接する曲率面を含むシール面と、を有するボックスと；
   を備え、
   前記ピンのテーパ面のテーパ角と、前記ボックスのテーパ面のテーパ角とは実質的に同一であり、
   前記雄ねじ部と前記雌ねじ部とが螺合により締結され、この締結の過程で前記ピンのシール面と前記ボックスのシール面とが接触しながら、前記ピンと前記ボックスとが径方向に干渉することで、互いのシール面の少なくとも一部が全周にわたって密着する構造を有し、
   更に、前記締結の途中の時点に比較して前記締結の完了時に、前記ピンのシール面と前記ボックスのシール面との接触圧を増加させる接触圧増幅機構を備えることを特徴とする鋼管用ねじ継手。
2. 前記ピンの曲率面は、前記ピンの先端側に形成され、前記ボックスの曲率面は、前記ボックスの先端側に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の鋼管用ねじ継手。
3. 前記ピンの曲率面は、前記ピンの先端側と反対の側に形成され、前記ボックスの曲率面は、前記ボックスの先端側と反対の側に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の鋼管用ねじ継手。
4. 前記ピンの曲率面は、前記ピンのテーパ面の両側に隣接して形成され、前記ボックスのテーパ面の長さは、前記ピンのシール面の長さよりも長いことを特徴とする請求項１に記載の鋼管用ねじ継手。
5. 前記ボックスの曲率面は、前記ボックスのテーパ面の両側に隣接して形成され、前記ピンのテーパ面の長さは、前記ボックスのシール面の長さよりも長いことを特徴とする請求項１に記載の鋼管用ねじ継手。
6. 前記締結の完了時に、前記ピンのシール面と前記ボックスのシール面との接触面のうち、前記曲率面と前記テーパ面との接触部分においてピーク接触圧を発生させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の鋼管用ねじ継手。
7. 前記接触圧増幅機構は、前記雄ねじ部の前記シール面に隣接した箇所に形成された楔形ねじと、前記雌ねじ部の前記シール面に隣接した箇所に形成された楔形ねじとの締結によって、前記ピンのシール面と前記ボックスのシール面との接触圧を増加させることを特徴する請求項１〜６のいずれか一項に記載の鋼管用ねじ継手。
8. 前記接触圧増幅機構は、前記ピンのシール面および前記ボックスのシール面の前後いずれかに隣接するフックショルダによって、前記ピンのシール面と前記ボックスのシール面との接触圧を増加させることを特徴する請求項１〜６のいずれか一項に記載の鋼管用ねじ継手。
9. 前記雄ねじ部および前記雌ねじ部は、楔形ねじを含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の鋼管用ねじ継手。
10. 前記ピンのテーパ面のテーパ角および前記ボックスのテーパ面のテーパ角が２〜１０°であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の鋼管用ねじ継手。

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