JP5780426B2 - 継手構造及び接続方法 - Google Patents

Description

本発明は、高圧流体用の配管として用いられる鋼管同士を接続する継手接続構造に関する。

パイプ同士を締結する方法としては、溶接する溶接方式や、パイプ端部に雄ねじを切り、雌ねじを有する継手と噛み合わせるねじ方式などが行われている。

ところがねじ方式によるパイプの締結は、外部からいかに大きな力を加えてねじ込みを行っても、雄ねじと雌ねじの噛み合わせ箇所に生じる空隙をなくすることが難しい。空隙をなくする試みとして、特許文献１によれば、転造雄ねじをつけたパイプを用いて高い内圧に耐えるとともに、継手に形状記憶合金を用いて、雄ねじと雌ねじの噛み合わせ箇所に生じる空隙を消失させてシール性を持たせる技術が開示されている。本文献においては、テーパねじ（ＰＴねじ）のほか、平行ねじ（ＰＦねじ）にも利用できることが示唆されている。

尚、特許文献２によれば、高圧対応ではないが、パッキンによりシールする構造が示されている。中空筒状の継手本体の内周面に、両鋼管の端部外周面に形成された雄ねじ部が管軸芯方向の両側から螺合接続自在な一対の雌ねじ部と、両雌ねじ部の隣接間において鋼管の内径と同じ内径で径方向内方に突出する円環状壁部（ストッパーリング）とが形成され、前記継手本体の両雌ねじ部に螺合された両鋼管の端面と前記継手本体の円環状壁部の環状側面との対向面間には、螺合操作される鋼管の端面で圧縮される環状パッキンが介装されている。

また、特許文献３によれば、特許文献２を改良した技術であって、パッキンが圧縮されたときに管の内部にはみ出さないようにする技術が開示されている。なお、特許文献２、３は内部に高圧の流体を流す技術ではない。

特開平５−９９３７７号公報 特開平４−６９４８４号公報 特開２０１１−９４７０４号公報

内部に高圧の流体を流すパイプの接続に関しては、Ｏリングと呼ばれるシールを利用するのが一般的である。Ｏリングとは、断面がＯ形（円形）の環状パッキンである。溝或いは三角溝に装着して圧縮し、その反発力を維持することでシールをする。Ｏリングに傷を付けたり異常な変形が生じると密封機能が損なわれるため、溝部に配置する時に、傷付かないよう、或いは配置される溝の表面粗さを管理する必要がある。

特許文献１の技術では、作業現場における形状記憶合金の温度管理が必要である。また、特許文献２及び３の技術では、低圧の流体のシールには適するが、高圧流体のシールには適さない。一方、Ｏリングは、一定の圧縮率にした場合、太さの太い方が圧縮永久歪は小さく、太い太さのＯリングを使用する方が密封性を安定させるのに優位である。しかしながら、特許文献２及び３の技術において、Ｏリングを使用しようとすると、鋼管の厚さの範囲内において、Ｏリングをストッパーリングに装着せねばならず、Ｏリングを太いものとすることができない。

本発明は、上述の実状に鑑みて為されたものであって、ねじを用いた配管の接続構造であって、特に太いＯリングを用いて高圧流体の用途に適するようにした継手接続構造に関する。

上記課題を解決するため、本発明では、雄ねじが外周に施された鋼管を接続する継手構造において、中央域を挟んで両端の内周面に前記雄ねじが螺合接続される雌ねじ部が形成され、前記中央域には前記雌ねじの山部よりも小さい内径の平滑化された内周面を有し、かつ外面から前記平滑化された内周面に貫通する孔を有する中空筒状の継手本体と、前記継手本体の前記平滑化された内周面に対向する外周面と、左右の端面と、前記鋼管の内周と同じ径の内周面を有し、当該外周面から左右の端面の間に同心円に窪んで、半径方向のドーナツ面と中心線方向のリング面を有するステップ状溝であって、前記平滑化された内周面に位置付けられたときに、前記孔に対応する位置に非貫通孔が設けられたインサートと、前記継手本体の中央に位置付けられた前記インサートを、前記貫通孔及び前記非貫通孔を介して固定するボルトと、前記インサートのステップ溝に嵌められるＯリングであって、前記継手本体の内周面と前記インサートのステップ状溝で囲われた空間内で、前記螺合接続される鋼管の端面に当接するＯリングとからなることを特徴とする。

継手接続構造を示す断面図である。 継手本体の形成工程を示す断面図である。 継手接続構造の拡大断面図である。 継手接続構造の強度を示す図である。 高周波焼入れを行った後の強度を示す図である。 他の実施例を示す図である。 フランジ継手に適用した例を示す図である。 他のフランジ継手の例である。 他のフランジ継手の例である。 Ｔ型継手に適用した例を示す図である。 低圧用の継手の例を示す図である。 継手本体の変形例である。 継手本体の他の変形例である。 Ｔ型継手の変形例である。

図１は、二本の鋼管１を同芯状態で接続する管継手を示しており、図１Ａは分解した状態であり、図１Ｂは組み立てた状態である。両鋼管１の端部の外周面には、平行ねじである雄ねじ部１ａ形成されている。中空円筒状の金属製の継手本体２の両側の差込口５０の内周面には雄ねじ部１ａが螺合接続される雌ねじ部２ａが形成されている。継手本体２の内周中央部には、表面粗さが調整（例えば、Ｒａ＝１．６μｍ）された平滑面２ｂが設けられている。この平滑面２ｂは、雌ねじ部２ａのねじ山の頂部の内径と同じかそれよりも、小さい内径の曲面である。平滑面２ｂは、雄ねじ部１の中心線Ｏと同芯である。

両鋼管１の間には、インサート3が介在している。インサート3はリング状であり、その内周面３ａは鋼管１の内周面１ｂと同径であり、外周面３ｂは継手本体２の平滑面２ｂの径よりやや小さい。インサート3の外周面３ｂからインサート3の左右の端面３ｃの間には、同心円に窪んだステップ状溝３ｄが設けられている。ステップ状溝３ｄは、半径方向に平行なドーナツ面３ｆと中心線方向に並行なリング面３ｇとを有している。ドーナツ面３ｆとリング面３ｇの表面は、継手本体２の平滑面２ｃと同様に表面粗さが調整されている。

インサート3には、さらに、継手本体２内において、平滑面２ｃの位置で固定されるのに利用される非貫通の孔３ｅが設けられている。継手本体２には、その外周面から平滑面２ｂに向かって孔２ｃが貫通しており、インサート３の孔３ｅと継手本体2の孔２ｃとはボルト４により締結される。

図1Bにおいて、インサート３が継手本体２内にボルト４で固定されたとき、ドーナツ面３ｆとリング面３ｇと継手本体２の平滑面２ｃは、それぞれＯリング５を収容するドーナツ状溝の底面及び両側面となる。ボルト４は、鋼管１の周方向に問う角度間隔に３本以上配置されている。

鋼管1は、配管施工現場で切断されて、端部に雄ねじ部１ａが加工される。雄ねじの加工は、切削加工でも転造加工でも良い。加工される雄ねじは、平行ねじである。

図２は、継手本体２の製造工程を示す図である。
まず、金属の円筒２’の中央内周の表面粗さを調整する（図２Ａ）。円筒２’の両側から中央部を残し雌ねじ部２ａを形成する（図２Ｂ）。雌ねじ部２ａは、転造、切削のいずれの方法によっても差し支えない。雌ねじ加工を行うことにより、中央の平滑面２ｂよりも深くねじ山が形成される。次いで、外周から平滑面２ｂに向けて貫通する孔２ｃを開けてねじ加工を行う（図２Ｃ）。

上述の如く構成された継手本体２を用いて両差込口５０に鋼管１を接続する場合、継手本体２に挿入して雌ねじ部２ａの中央の平滑面２ｂの位置にインサート３を位置付ける。この状態でボルト4によりインサート３を継手本体2に固定する。Ｏリング５は、継手本体２内面に形成する雌ねじ部２ａのねじ山の頂部に限り無く等しい外径を有する。継手本体2に固定されたインサート３にＯリング５を装着する。

両鋼管１の雄ねじ部１ａを継手本体２の雌ねじ部２ａに対して管軸芯方向の両側から各差込口５０に螺合接続する。Ｏリング５は、インサート３の側面、底面及び継手本体の平滑面２ｂで囲まれたドーナツ状の空間に収容され、かつ、インサート３の当り面３ａに向けて鋼管1をねじ込むことにより、ドーナツ状の空間の中で、鋼管１の端面１ａにより圧縮される。この際、Ｏリングに必要な反発力を得る為にねじ込み量を調整する。ボルト４による固定により、ドーナツ状の空間の形状を安定させて、Ｏリングにシールの性能を発揮させる。

鋼管１を螺合接続する前にインサート３を継手本体2に固定する理由は、Ｏリング５の圧縮量は鋼管１との間のねじ込み量に関連するため、継手本体２内でインサート３の位置が予め定まっていなければならないからである。

図３は、継手本体２に装着されたＯリング5の周辺の拡大図である。継手本体２の雌ねじ部２ａと鋼管１の雄ねじ部１ａの間の隙間、インサート３と鋼管１や継手本体２の隙間を模式的に示している。インサート3の端面３ｃと鋼管１の端面１ｃとの隙間以外の隙間は、互いに嵌合する為に必要な隙間である。鋼管1を継手本体2にねじ込んだ際、両端面１ｃと３ｃとの隙間がゼロとなる状態で、Ｏリング５に対して適性な押圧力が付与させるようにリング面３ｇの幅が制御されている。Ｏリング５を収容するドーナツ状の空間の寸法設計をするときに、両端面１ｃと３ｃとの隙間がゼロとなるときに、ちょうど所要のＯリング５の潰し量が得られるように設計しておくのである。

Ｏリング５は、鋼管1の端面１ｃとインサート３のドーナツ面３ｆとの間隔の中で圧縮され、その反発力により鋼管１の内部空間をシールする。

Ｏリング５は、継手本体２の平滑面２ｂ側に寄った状態で、ドーナツ状溝内に位置させるのが望ましい。鋼管１内を流れる流体の圧力が高いため、Ｏリングは、鋼管１の径方向の力を受けるため、外径側の側面（平滑面２ｂ）をバックアップに利用できるからである。

インサート３において、Ｏリング５を収容するドーナツ状溝内側の側面（リング面３ｇ）を提供する壁は、Ｏリング５が、鋼管１内部の圧力の変動によって摩耗、または脱落することを避ける目的で設けられるものであり、その壁厚は薄くてもよい。一方、Ｏリング５を収容する溝を構成する底面（ドーナツ面３ｆ）は、インサート３の径方向の肉厚を確保し、できるだけ太いＯリング５を利用できるようし、かつこの位置の背後にボルト４用の孔３ｅが設けられる。

本実施例によれば、Ｏリング５を収容するドーナツ状溝の外側の側面は、継手本体２の平滑面２ｂを利用することから、インサート３側にＯリング用溝の両側面を有する必要が無く、Ｏリング５として太いものを使用できるため密封性を安定させるのに優位である。

ＳＴＰＴ４１０ Ｓｃｈ１６０ ２０Ａ（高温配管用炭素鋼管（JIS G 3456））、ＳＴＰＧ３７０ Ｓｃｈ８０ Ａ２０、ＳＴＰＧ３７０ Ｓｃｈ４０ ２０Ａ（圧力配管用炭素鋼鋼管（JIS G 3454））の鋼管について、試験を行った。まず、各鋼管の端部に切削ねじを１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍの長さ範囲で形成した。試験は、図１の接続構造によるものである。但し、ねじとしては、先の実施例に示した平行ねじの場合に加えてテーパーねじについても、引張による実験を行った。

図４は試験結果を表す図である。
図中、規格値荷重の欄の「破断荷重」、「降伏荷重」は鋼管自体の母材の強度として要求される最低の強度である。その左の破断荷重の欄は、試験された接続構造が破断した引張荷重を示しており、備考においてどこで切断したかを示した。なお、これらの荷重は、何れも接合箇所における内部に流れる流体に対して要求される最低圧力の数十倍である。

実験結果、ＳＴＰＴ４１０ Ｓｃｈ１６０ ２０Ａにおけるねじ長さ１０mmの試料及びテーパねじの試料において、雄ねじ部１ａ、雌ねじ部２ａのねじ山が破損しねじの抜けが起こった。このときの荷重は１１９ＫＮである。破断荷重には至らなかったが、降伏荷重を超えた。一方、２０ｍｍ及び３０ｍｍのねじ長さでは、ねじの抜けは起こらず、ねじが切られている箇所と切られていない箇所の境目のねじの谷の位置（ねじ末端、図１におけるＰの位置）で切断した。これは、この部分では、ねじの谷により肉厚が薄くなったことによる応力の集中によるものと推察される。従って、この部分を例えば転造や焼入れ等で組織を強化することにより、耐久力が上昇すると考えられる。また、ねじの範囲を２０ｍｍ以上長くしても、引張強度に対する耐性は強化されないことがわかった。

一方、ねじ長さ１０ｍｍでは、ねじの抜けが起こったため、ねじ山の強度自体を転造や焼入れ等で強化することで対応できないかを検討した。図５は、ＳＴＰＧ３７０ Ｓｃｈ８０ Ａ２０の鋼管にねじを切削加工して、高周波焼入れを行った例である。いずれの例においても、鋼管自体の母材の強度１０５ＫＮを上回った。また、平行ねじ２０ｍｍ以上では、継手構造の箇所ではなく、鋼管１自体が破断した。これは、継手箇所の強度が鋼管の母材の強度を上回ったことを示している。

各実験例の継手構造において、片端を封じて他端から室温の油を導入し、内圧を６０ＭＰｓ（６００kgf/ｍｍ2）で６０分保持したところ、漏れ等の生じないことを確認した。

図６は、鋼管１と径の異なる鋼管１００とを接続する継手構造を示している。先の実施例との相違は、継手本体２００の左右の差込口５０の口径が異なっている点と、インサート３０の図面上で左右の形状が異なっていることである。すなわち、インサート３０の内周面３０ａは鋼管１００の内周面と同径であり、左側の外周面３0ｂ1と右側の外周面３0ｂ２、左側のドーナツ面３0ｆ１と右側のドーナツ面３0ｆ２、左側のリング面３0ｇ１と右側のリング面３0ｇ２は、夫々鋼管１と１００に対応した径になっている。各ドーナツ面３０ｆ１，２とリング面３０ｇ１、２の表面の表面粗さは、先の実施例と同じである。

図７は、鋼管１とフランジ継手２０を接続する接続構造を示している。図面において紙面右側のフランジ継手２０のスリーブ部２１に形成された差込口５０の構造は、先の実施例に示した継手本体の左半分の差込口５０構造に等しい。一方、差込口５０の反対側の右端は、他の部品と接合される接合面２０ａである。フランジ継手２０の周端部には接合面２０ａに向けて同心円に他の部品と接続さるための孔２０ｃが設けられている。

フランジ継手２０の差込口５０側には、雌ねじ２ａ、平滑面２ｂが設けられ、平滑面２ｂに続いて半径方向に延びた当たり面２２を有している。そしてフランジ継手２０の中空は、当たり面２２から鋼管１の内径と同じ内径の孔２０ｂに連続して接合面２０ａに至っている（図７Ａ参照）。平滑面２ｂに位置するインサート３の構造は先の実施例と同じであり、両側にＯリング5を装着できるようになっている。両側にＯリング５を装着するのは、当たり面２２とインサート３との間の隙間からねじ２ａを介して内部流体が漏れ出すのを防ぐためである。一方、インサート３は、先の実施例とは異なり、ボルトにより固定されていない（図７Ｂ参照）。従って、平滑面２ｂに貫通する孔２ｃを有さない。またインサート３の非貫通の孔３ｅは、使用しないため、あってもなくても良い。

本実施例の場合、右側のＯリング５は、鋼管１をねじ込んで端面１ｃがインサート３の一方側の端面３ｃと接触し、かつインサート３の他方側の端面３ｃが当たり面3２に接触したときに、両側のＯリングに対して適性な圧縮力が加わるように、インサート３のリング面３ｇやドーナツ面３ｆが設計されている。

図８のフランジ継手２０’は、差込口５０の開口近くのスリーブ２１を貫通するボルト孔２４が設けられ、一方、鋼管１にはボルト孔２４に対応する位置に非貫通孔１ｄ（ねじ山無し）が設けられている。そして、鋼管１の雄ねじ１ａの緩みを止めるため、ボルト４２により固定される（図８Ｂ）。尚、ボルト４２は、先のボルト４と相違して頭部がなく、スリーブ部２１に埋没するものである。そして、ボルト４２は鋼管１に嵌合する先端部４２ａには雄ねじがなく、スリーブ２１と嵌合する箇所４２ｂのみ雄ねじが設けられている。これは、鋼管１００とスリーブ２１の境界位置のボルト４２の形状にねじ形状変化（特にボルトの肉厚を薄くするような形状変化）を持たせないためである。ボルト４２には、鋼管１の引張力が加えられることがありえるため、応力が集中するような構造を避けているのである。

図9に、他のフランジ継手２０’’の例を示す。図8のフランジ継手との相違は、ボルト４２により固定される位置が、鋼管１の雄ねじ１ａの範囲外であることである。フランジ継手は、スリーブ２１が雌ねじ２ａの存在しない部分２３が追加され、鋼管１の外径が嵌合するように部分２３の差込口５０の開口径が大きくなっている。このフランジによれば、雄ねじ１ａの分だけ鋼管１の肉厚が失われないため、より強度が高まる。

図１０は、Ｔ型継手３０を示している。Ｔ型継手３０は、３箇所に差込口を５０有する継ぎ手であり、各差込口５０は、図７に示したフランジ継手２０の差込口５０と同様な構成を有している。Ｔ型継手の内側は鋼管１の内径と同じ径ｒを有しており、各差込口５０における平滑面２ｂとの間の段差箇所に半径方向の当たり面２２を有する構造となっている。当たり面２２は、先の実施例と同様に、インサート３のＯリング５が当接し、当たり面２２とインサート３との間の隙間から雄ねじ１ａを介して内部流体が漏れ出すのを防ぐ面である。

図１１は、フランジ継手２５を貫通する雌ねじ２５ｄが設けられており、フランジ継手２５の接合面（端面）２５ａの面に鋼管１の端面１ｂが揃うまで、鋼管１がねじ込まれた状態を示している。フランジ継手２５のスリーブ部分２５ｅには、鋼管１に至るまでボルト４２が挿入されている。挿入箇所は、鋼管１に雄ねじ１ａが切られた範囲（図９Ｂ）あるいは平滑周面の範囲（図９Ｃ）の何れでも良い。ボルトとしては、ヘッド部の無いものが用いられている。ボルト４２は、雌雄ねじ１ａ、２５ｄの螺合が緩まないようにするためのものである。

フランジ継手２５の接合面側には、平板状のパッキン２６或いは、鋼管１の端面１ｂに当たる直径を有するＯリング２８を装着したインサート２７が用いられる。この例は、実施例を構成するものではないが、低圧流体に使用する場合の例として示した。

図１２は、図６の継手本体２００の変形例を示している。図８のフランジ継手２０’と同じように、差込口５０の開口近くのを貫通するボルト孔２４が設けられ、一方、径の相違する鋼管１、１００にはボルト孔２４に対応する位置に非貫通孔１ｄが設けられた継手本体２００’の例である（図１２Ａ）。また、図9に示したフランジ継手２０’’のように、ボルト４２により固定される位置が、鋼管１、１００の雄ねじ１ａの範囲外とした継手本体２００’’とすることもできる（図１２Ｂ）。継手本体２００’’は、スリーブ２１が部分２３だけ延長され、鋼管１、１００の外径が嵌合するように差込口５０の開口径が大きくなっている。

図１３は、図１の継手本体２の変形例を示している。図１３Ａの変形例も図８のフランジ継手２０’と同じように、差込口５０の開口近くを貫通するボルト孔２４が設けられ、一方、鋼管１（図１２参照）にはボルト孔２４に対応する位置に非貫通孔１ｄが設けられた継手本体２’’の例である。また、図9に示したフランジ継手２０’’のように、ボルト４２により固定される位置が、鋼管１の雄ねじ１ａの範囲外とした継手本体２’’’とすることもできる（図１３Ｂ）。継手本体２’’’は、雌ねじ２ａの無い部分２３だけ延長され、鋼管１の外径が嵌合するよう部分２３の差込口５０の開口径が大きくなっている。

図１４は、図１０のＴ型継手３０の変形例を示している。本変形例は、図9に示したフランジ継手２０’’のように、ボルト４２により固定される位置が、鋼管１の雄ねじ１ａの範囲外としたＴ型継手３０’である。Ｔ型継手３０’は、スリーブ２１が部分２３だけ延長され、鋼管１の外径が嵌合するように差込口５０の開口径が大きくなっている。

１ 鋼管
１ａ 雄ねじ部
１ｂ 端面
２ 継手本体
２ａ 雌ねじ部
３ インサート
４ ボルト
５ Ｏリング
2 0 フランジ継手

Claims (4)

1. 雄ねじが外周に施された鋼管を接続する継手構造において、
   中央域を挟んで両端の内周面に前記雄ねじが螺合接続される雌ねじ部が形成され、前記中央域には前記雌ねじの頂部よりも小さい内径の平滑化された内周面を有し、かつ外面から前記平滑化された内周面に貫通する孔を有する中空筒状の継手本体と、
   前記継手本体の前記平滑化された内周面に対向する外周面と、左右の端面と、前記鋼管の内周と同じ径の内周面を有し、当該外周面から左右の端面の間に同心円に窪んで、半径方向のドーナツ面と中心線方向のリング面を有するステップ状溝であって、前記平滑化された内周面に位置付けられたときに、前記孔に対応する位置に非貫通孔が設けられたインサートと、
   前記継手本体の中央に位置付けられた前記インサートを、前記貫通孔及び前記非貫通孔を介して固定するボルトと、
   前記インサートのステップ溝に嵌められるＯリングであって、前記継手本体の内周面と前記インサートのステップ状溝で囲われた空間内で、前記螺合接続される鋼管の端面に当接するＯリングとからなることを特徴とする継手構造。
   
2. 鋼管を接続する鋼管の接続方法において、
   鋼管の端部外周に雄ねじを施し、
   前記継手本体の前記平滑化された内周面に対向する外周面と、左右の端面と、前記鋼管の内周と同じ径の内周面を有し、当該外周面から左右の端面の間に同心円に窪んで、半径方向のドーナツ面と中心線方向のリング面を有するステップ状溝であって、前記継手本体の中央に位置付けられたときに、前記孔に対応する位置に非貫通孔が設けられたインサートの前記ステップ溝に、Ｏリング嵌め、
   差込口の内周面に前記雄ねじが螺合接続される雌ねじ部が形成され、前記雌ねじ部の奥には前記雌ねじの頂部よりも小さい内径の平滑化された内周面を有し、かつ外面から前記平滑化された内周面に貫通する孔を有する中空筒状の継手本体に、前記Ｏリングが嵌められたインサートを挿入し、
   前記継手本体に挿入された前記インサートを、前記貫通孔及び前記非貫通孔を介してボルトにより固定し、
   前記鋼管を前記継手本体に予め決められたねじ込み量だけ螺合し、前記インサートのステップ状溝で囲われた空間内で、前記鋼管の端面により前記Ｏリングを圧縮することを特徴とする継手方法。
   
3. 雄ねじが外周に施された鋼管を接続する継手構造において、
   前記鋼管が差し込まれる差込口の内周面に前記雄ねじが螺合接続される雌ねじ部が形成され、前記中央域には前記雌ねじの山部よりも小さい内径の平滑化された内周面と、前記内周面から中心に向かって半径方向に延びた当たり面とを有する中空の継手本体と、
   前記継手本体の前記平滑化された内周面に対向する外周面と、左右の端面と、前記鋼管の内周と同じ径の内周面を有し、当該外周面から左右の端面の間に同心円に窪んで、半径方向のドーナツ面と中心線方向のリング面を有するステップ状溝が設けられたインサートと、
   前記インサートの左右の端面に設けられたステップ溝に嵌められるＯリングであって、一方のＯリングは、前記継手本体の内周面と前記インサートのステップ状溝で囲われた空間内で、前記当たり面の端面に当接し、他方のＯリングは前記継手本体の内周面と前記インサートのステップ状溝で囲われた空間内で、前記螺合接続される鋼管の端面に当接することを特徴とする継手構造。
   
4. 請求項３において、前記継手本体は一端に前記差込み口を有し、他端に接合面を有するフランジ継手であり、前記当たり面から前記接合面にかけて、前記鋼管の内径と同じ径の孔が管通していることを特徴とする継手構造。