JP5969485B2 - 段対段型の楔ねじ結合部及び関連する方法 - Google Patents

Description

ここで開示する実施例は、一般的にねじ結合部に関する。特に、ここで開示する実施例は、２段楔ねじ結合部及び関連する形成方法に関する。

鋼管継ぎ手、ライナー、ドリル管及びドリルカラー（集合的に“チューブラー”と呼ばれる）は、油井の搾孔、完成、及び生産で使われることが多い。鋼管継ぎ手は、例えば、地層を安定化させ、高まる油井ボア圧力（例えば、地層圧力を越える油井ボア圧力）に対し地層を保護する等のために油井ボア内に置かれる。鋼管継ぎ手は、ねじ結合、溶接結合、及び当該技術で公知の他の結合により端部から端部への仕方で結合されてもよい。該結合部は、結合された鋼管継ぎ手の内部と、該鋼管継ぎ手の外壁及び該油井ボア壁の間に形成された環状空間と、の間にシールを形成するよう設計される。該シールは、例えば、エラストマーシール（例えば、Ｏリングシール）、該結合部の近くに形成される金属対金属シール、又は当該技術で公知の同様なシールであってもよい。或る結合部では、雌ねじと雄ねじの間で形成される。この特徴を有する結合部は“ねじシール”を有すると呼ばれる。ここで使われる時、“ねじシール”は、シールがボックス部材上の雌ねじの少なくとも１部分とピン部材の雄ねじとの間に形成されることを意味する。

或る用語は、該用語が、油井ボア内に下降させるために管列を形成する時の様に、チューブラー継ぎ手がチューブラー部材の中心軸線に沿って垂直位置で結合される場合に、従来理解された様に使われると理解されるだろう。かくして、用語“負荷フランク”とは、ねじが形成されるピン又はボックス部材のそれぞれの外端部から離れるように向いている面であり、油井ボア内に下がる下部チューブラー部材の重さを支える（すなわち、引っ張り力）、ねじ山の面を呼ぶ。用語“スタブフランク”とは、ピン又はボックス部材のそれぞれの外端部の方に向いている面であり、該継ぎ手の最初の形成時に上部チューブラー部材の重さの様な、或いはボア孔の底部に対して下部チューブラー部材を押すために印加される力の様な、相互の方へ該継ぎ手を圧縮する力を支える（すなわち、圧縮力）、ねじ山の面を呼ぶ。用語、ボックス“面”とは、該ボックスねじから外方へ面するボックス部材の端部であり、用語、ピン“ノーズ”とは、結合部のねじから外方へ面する該ピン部材の端部である。結合部の形成時、ピンノーズは、ボックス面内へ、そして該ボックス面を通り過ぎるよう突き刺される。

ねじシールを形成するため普通使われるねじの一種は楔ねじである。図１Ａ及び１Ｂに楔ねじを有する結合部１００が示される。“楔ねじ”は、ピン部材１０１とボックス部材１０２上で反対方向に幅（すなわち、負荷フランク１２５及び１２６とスタブフランク１３２及び１３１との間の軸方向距離）が増大するねじにより特徴付けられる。楔ねじは、全てが本発明の譲り受け人に譲渡され、引用によりここに組み入れられる特許文献１、２、３及び４で広く開示されている。

ピン部材１０１上では、ピンねじ頂部１２２は、該ピン部材１０１の遠位の端部の方へ狭く、一方、ボックスねじ頂部１９１は広い。軸線１０５に沿って（右から左へ）動くと、ピンねじ頂部１２２は広がり、一方、ボックスねじ頂部１９１は狭まる。ねじが結合部に沿って幅が変化する割合は“ねじ比”として知られる変数で規定される。ここで使われる時、“ねじ比”は技術的には比ではないが、スタブフランクリードと負荷フランクリードの間の差を呼び、このリードの差はねじ幅を該結合部に沿って変化させる。更に、ここで使われる時、ねじ“リード”は、連続するねじ上でのねじの部品間の差の距離を呼ぶ。この様であるから、“スタブリード”は、結合部の軸方向長さに沿った連続するねじピッチのスタブフランク間の距離である。図１Ａ及び１Ｂで、ねじ面はテーパー付けされ、ピンねじ１０６が始めから終わりへ直径が増し、一方、ボックスねじ１０７は、補間的な仕方で直径が減じることを意味する。ねじテーパーを有することは、ピン部材１０１をボックス部材１０２内へ突き刺す能力を改善し、該結合部内で応力を分布させる。

楔ねじについては、ねじシールは、ピン負荷フランク１２６及びボック負荷スフランク１２５の間及びピンスタブフランク１３２及びボックススタブフランク１３１の間の該結合部の少なくとも１部分上の締め代により引き起こされる接触圧力により達成され、該接触圧力は、該結合部が形成される時に起こる。谷底１９２及び１２１と頂１２２及び１９１との間の狭い接近又は締め代は、該接近が、該フランク締め代が生じる場所の少なくとも１部分上で起こる時、ねじシールを完成させる。より高い圧力は、該ピン部材１０１及びボックス部材１０２上の谷底と頂部の間の増加した締め代（“谷底／頂部締め代”）で、かつ、フランク締め代を増加させることにより、もたらされる。この特定の結合部は、又該ピン部材１０１とボックス部材１０２上にそれぞれ位置する対応するシール用面１０３及び１０４の間の接触により達成される金属対金属シールを有する。

典型的に、該結合部上に積極的停止トルク肩部を有しない楔ねじの特性は、形成が“不静定”であり、結果として、ピン部材及びボックス部材の相対位置は、印加付与トルク範囲について、積極的停止トルク肩部を有する結合部より多く変わる。ここで使われる時、“形成”とは、ピン部材とボックス部材をねじ込み合わせることを呼ぶ。最終形成とは、望まれるトルク量まで、或いはピン部材のボックス部材との相対位置（軸方向又は周方向の）に基づき、該ピン部材とボックス部材をねじ込み合わせることを呼ぶ。

選択された形成に於いてフランク締め代と谷底／頂部締め代の両者を有するよう設計された楔ねじについて、該フランク締め代と谷底／頂部締め代の両者は、該結合部が形成されるにつれて、増加する（すなわち、トルクの増加がフランク締め代及び谷底／頂部締め代を増加させる）。谷底／頂部隙間を有するよう設計された楔ねじについては、該結合部が形成されるにつれて該隙間は減少する。楔ねじの設計に関係なく、対応するフランクと、対応する谷底及び頂部と、は形成中に相互に一層近くなる（すなわち、隙間が減少するか又は締め代が増大する）。

不静定な形成は、結合部上のトルクを増やすことによりフランク締め代及び谷底／頂部締め代が増加することを可能にする。かくして、楔ねじは、より大きいフランク締め代及び／又は谷底／頂部締め代を有するよう該結合部を設計することにより、或いは該結合部上のトルクを増やすことにより、ガス及び／又は液体のより高い圧力をねじシールすることが出来るが、しかしながら、これは又、形成時の結合部への応力を増やし、該応力は使用中の破損に導く可能性がある。

該ねじシールを改善し、該結合部の形成時の潤滑を提供するために、形成の前に、“管ドープ”と普通呼ばれる流動的継ぎ手コンパウンドがねじ結合部の表面に付けられるのが典型的である。例えば、該管ドープのベース（例えば、グリース）は、特許文献２に開示されている様に、その負荷及びスタブフランクの間のねじシールの成就で楔ねじ結合部を助ける。更に、管ドープは、形成及び分解時、該ピン部材及びボックス部材のねじを、摩擦擦り剥きから保護するために、銅の様な金属粒子添加剤を有してもよい。

楔ねじ結合部が形成される時、過剰な管ドープは、係合するピン及びボックスねじ間に（搾り出されるよりむしろ）捕捉され、該ドープは誤って上昇したトルク読み値を引き起こすか｛不充分な形成又は“見放し”に導く｝、又は或る環境で、該結合部を破損させる。該管ドープの不適切な除去による管見放しは、楔ねじ結合部の構造的全一性に有害である。圧力形成が使用時に抜け落ちると、該結合部は使用中に偶然後退する危険に曝される。従って、楔ねじ結合部の見放しは、この見放しがシールの全一性の消失、又は２つの結合された部材の機械的分離にさえ導くので、特に関心がある。

図２は従来技術の２段結合部１５０を示す。該結合部を形成するねじは、２つの異なる段、すなわち括弧３１で示される大きな段と、括弧３２で示される小さな段と、に分けられる。該大きい段３１と小さな段３２の間の部分は、中間段９０１と普通呼ばれる。或る結合部では、中間段９０１は金属対金属シールとして使用できる。ピン部材１０１の小さな段３２のピンねじ頂部２２２は、該頂部の全設計高さで、該ピン部材１０１がボックス部材１０２内に突き通された時、該ボックス部材１０２の大きな段３１の、ボックスねじ頂部２２１と締まりばめしない。該ピン部材１０１の小さな段３２の直径は、ボックス部材１０２の大きな段３１の最小の頂部対頂部ねじ直径より小さい。小さな段３２のピンねじ１０６は、大きな段３１のボックスねじ１０７を過ぎるよう突き通される。同じ名目的リードを実質的に有する、小さな段３２及び大きな段３１の両者のねじは、各回転で該結合部を形成するよう係合する。従って、ねじが相互に対しスライドする又は擦る際の回転の数は、係合されるねじの同じ数について減少させられる。２段結合部は、該段でねじの名目的リード内に僅かしか偏差が無い又は偏差が無い限り、段の各々が異なる特性を有するねじを備えることを可能にする。

２段楔ねじ結合部は本発明の譲り受け人に譲渡された特許文献５に開示されている。この特許は引用によりここに組み入れられる。特許文献５は、内１つが“積極的”な楔比、もう１つが“保守的”な楔比、であると考えられる異なる楔比を有する２段楔ねじ結合部を開示している。“積極的”はより大きい楔比を呼び、“保守的”はより小さな楔比を呼ぶ。他は全て同じである時、楔比が大きいと、形成はより静定性である。余りに大きい楔比は不適切な楔効果を有し、該効果は使用中に該結合部が後退する可能性をもたらす。より小さな楔比は、該結合部の後退により良く抵抗出来る。余りに小さな楔比は余りに不静定な形成を有するので、延長された形成距離上で擦り剥きが起こる。特許文献５は、段の１つはより静定性の（積極的な）形成用に最適化された楔比を有する一方、もう１つの段は結合部の後退を防止するよう（保守的な）最適化された楔比を有することを開示する。

図３Ａ及び３Ｂは、最終形成の前の従来の２段楔ねじ結合部２００の断面図を示す。該結合部２００は、ピン楔ねじ１０６を有するピン部材２０１と、対応するボックス楔ねじ１０７を有するボックス部材２０２を備える。更に、該結合部２００は、間に配置された中間段領域９０１を有する第１段３１と第２段３２を備える。図示される様に、距離‘Ｂ’で示されるピン部材２０１の２つの楔ねじ段３１、３２の軸方向間隔は、距離‘Ａ’で示される、ボックス部材２０２の２つの楔ねじ段３１、３２の軸方向間隔に実質的に等しい。従って、ピン部材２０１の第１段３１のピン楔ねじ１０６は、ボックス部材２０２の第１段３１のボックス楔ねじ１０７と“同相”であると特徴付けられる。同様に、ピン部材２０１の第２段３２のピン楔ねじ１０６は、ボックス部材２０２の第２段３２のボックス楔ねじ１０７と“同相”であると特徴付けられる。

該２つの段３１、３２の対応するピン及びボックスねじは同相であるので、形成時、近接する負荷フランク１２５、１２６間の隙間１３７は、第１段３１の近接するスタブフランク１３１、１３２間の隙間１３８と等しい。同様に、近接する負荷フランク１２７、１２８の間の隙間１３７は、第２段３２の近接するスタブフランク１３３、１３４間の隙間１３８に等しい。従って、第１段の対応する負荷フランク１２５、１２６とスタブフランク１３１、１３２と、第２段３２の対応する負荷フランク１２７、１２８とスタブフランク１３３、１３４と、は同時に実質的に接触する（すなわち、最終形成に於いて）。図３Ｃ及び３Ｄは、最終形成に於ける従来の２段楔ねじ結合部３００を図解する。第１段３１の対応する負荷フランク１２５、１２６及びスタブフランク１３１、１３２と、対応する負荷フランク１２７、１２８及びスタブフランク１３３、１３４と、が同時に実質的に接
触するので、該面間で発生する締め代は実質的に等しい。

改良された形成及び分解トルク特性を有するねじ結合部は当業者により評価されるであろう。

米国特許第ＲＥ３０，６４７号明細書、Ｂｌｏｓｅへ発行、 米国特許第ＲＥ３４，４６７号明細書、Ｒｅｅｖｅｓへ発行、 米国特許第４，７０３，９５４号明細書、Ｏｒｔｌｏｆｆへ発行、 米国特許第５，４５４，６０５号明細書、Ｍｏｔｔへ発行、 米国特許第６，２０６，４３６号明細書、Ｍａｌｌｉｓへ発行、

１側面では、ここで開示される実施例は、第１ピン段及び第２ピン段と、該第１及び第２ピン段の各々の上に配置されたピン楔ねじと、を有するピン部材と、第１ボックス段及び第２ボックス段と、該第１及び第２ボックス段の各々の上に配置されたボックス楔ねじと、を有するボックス部材と、を備えており、該第１及び第２ピン段の軸方向間隔は第１及び第２ボックス段の軸方向間隔と異なるねじ結合部に関する。

もう１つの側面では、ここで開示される実施例は、第１ピン段及び第２ピン段と、該第１及び第２ピン段の各々に配置されたピン楔ねじと、を有するピン部材と、第１ボックス段及び第２ボックス段と、該第１及び第２ボックス段の各々に配置されたボックス楔ねじと、を有するボックス部材と、を備えており、該第１及び第２ピン段の少なくとも１つのピン楔ねじと第１及び第２ボックス段の少なくとも１つの対応するボックス楔ねじが軸方向に誤整合されているねじ結合部に関する。

もう１つの側面では、ここで開示される実施例は、ピン楔ねじを有するピン部材を、対応するボックス楔ねじを有するボックス部材と回転方向で係合させる過程を具備しており、該ピン及びボックス楔ねじが、該ピン及びボックス部材の対応する第１及び第２のピン及びボックス段上に形成される、該回転方向で係合させる過程と、そして該ねじ結合部の形成時、相対するピン及びボックスのスタブ及び負荷フランクを異なる時に係合させる過程と、を具備する、ねじ結合部を形成する方法に関する。

本発明の他の側面及び利点は下記の説明及び附属請求項から明らかになるであろう。

楔ねじを有する従来技術の結合部の断面図を示す。 従来技術の２段ねじ結合部の断面図を示す。 形成時の従来技術の２段楔ねじ結合部の断面図及び平面図をそれぞれ示す。 最終形成に於ける図３Ａ及び３Ｂの従来技術の２段楔ねじ結合部のそれぞれ断面図及び平面図を示す。 本開示の１つ以上の実施例に依る、形成時の減少したボックスの段対段型の楔ねじ結合部のそれぞれ断面図及び平面図を示す。 本開示の１つ以上の実施例に依る、最終形成に於ける図４Ａ及び４Ｂの減少したボックスの段対段型の楔ねじ結合部のそれぞれ断面図及び平面図を示す。 本開示の１つ以上の実施例に依る、形成時の減少したピンの段対段型の楔ねじ結合部のそれぞれ断面図及び平面図を示す。 本開示の１つ以上の実施例に依る、最終形成に於ける図５Ａ及び５Ｂの減少したピンの段対段型の楔ねじ結合部のそれぞれ断面図及び平面図を示す。 本開示の１つ以上の実施例に依る、消失するボックスねじを有する２段楔ねじ結合部の断面図を示す。

１側面では、ここで開示される実施例はチューブラー結合部用ねじに関する。特に、ここで開示される実施例は、結合部の最終形成に於いて相対するねじフランク間で増加した締め代が生じる段対段型楔を有する２段結合部に関する。

図４Ａは、本開示の１つ以上の実施例に依る、段対段型楔を有する２段楔ねじ結合部３００の断面図を示す。該結合部３００はピン楔ねじ３０６を有するピン部材３０１と、対応するボックス楔ねじ３０７を有するボックス部材３０２と、を備える。該ピン及びボックス楔ねじ３０６、３０７はダブテイルプロフアイルを有するよう構成されてもよい。更に、該ピン及びボックス部材３０１、３０２の各々は、上に形成された対応する第１段３１及び第２段３２と、対応する段３１、３２の間に配置された中間段領域９０１と、を有する。

該結合部３００は、距離‘Ｂ’で示される、ピン部材３０１の２つの楔ねじ段３１、３２の軸方向間隔が、距離‘Ａ’で示されるボックス部材３０２の２つの楔ねじ段３１、３２の軸方向間隔と異なるよう、構成される。他の仕方で言えば、ピン部材３０１の段３１、３２の間に配置された中間段領域９０１の軸方向長さは、ボックス部材３０２の段３１、３２の間に配置された中間段領域９０１の軸方向長さと異なる。この様に、ピン部材３０１の第１段３１上のピン楔ねじ３０６は、ボックス部材３０２の第１段３１上の対応するボックス楔ねじ３０７と位相外れしているとして特徴付けられる。同様に、ピン部材３０１の第２段３１上のピン楔ねじ３０６は、ボックス部材３０２の第２段３２上の対応するボックス楔ねじ３０７とは位相外れしているとして特徴付けられる。

ここで使われる時、段の間の軸方向長さの差を有する結合部は、段対段型楔と呼ばれてもよい。距離Ａ及びＢは、第１段３１から第２段３２まで、ピン及びボックス部材上の何等かの固定同軸位置から測定されてもよい。ここで示される時、ピン及びボックス部材上の該同軸位置は、対応するピン及びボックスねじフランクであるが、当業者は該距離がそこから測定される他の位置を理解するであろう。

或る実施例では、距離Ａ（すなわち、ボックス部材３０２の２つの楔ねじ段３１、３２の軸方向間隔）は、距離Ｂ（すなわち、ピン部材３０１の２つの楔ねじセグメント３１、３２の軸方向間隔）より僅かに短い。この場合、該２段楔ねじ結合部３００は“減少したボックスの段対段型楔ねじ結合部”と名付けられ、何故ならば、ボックス部材３０２の段３１、３２の間の軸方向間隔、距離Ａは減少させられるからである。示される様に、ボックス部材３０２の距離Ａは、ピン部材３０１の距離Ｂの量｛すなわち、約ｘ．ｘｘｘ＊２５．４ｍｍ（ｘ．ｘｘｘインチ）｝から指定量だけ減少させられる｛すなわち、約ｘ．ｘｘｘ＊２５．４ｍｍ（ｘ．ｘｘｘインチ）−約．ｘｘｘ＊２５．４ｍｍ（．ｘｘｘインチ）｝。或る実施例では、軸方向間隔の差｛すなわち、約．ｘｘｘ＊２５．４ｍｍ（．ｘｘ
ｘインチ）｝はゼロより大きいか、又は約０．０１２７ｍｍ（約０．０００５インチ）から約０．３８１ｍｍ（約０．０１５インチ）の間の範囲内にあってもよい。他の実施例では、軸方向間隔の差は約０．０７６２ｍｍ（約０．００３インチ）であってもよい。

今、図４Ｂを参照すると、本開示の１つ以上の実施例に依る、形成時の結合部３００の段３１、３２上の係合する楔ねじの平面図が示される。ボックス部材３０２の段３１、３２の間の減少した軸方向間隔のために、該２段３１、３２上の対応するフランクは形成時、異なる時に係合する。この場合、段３１上では、対応する負荷フランク１２５、１２６は対応するスタブフランク１３１、１３２の前に係合し、一方、段３２上では、対応するスタブフランク１３３、１３４は対応する負荷フランク１２７、１２８の前に係合する。

図４Ｃ及び４Ｄは、本開示の１つ以上の実施例に依る、最終形成に於ける図４Ａ及び４Ｂの減少したボックスの段対段型楔ねじ結合部３００を示す。最終形成時、第１段３１上の負荷フランク１２５、１２６及びスタブフランク１３１、１３２と第２段３２上の負荷フランク１２７、１２８及びスタブフランク１３３、１３４が係合する。しかしながら、係合するスタブ及び負荷フランク間の締め代の量は異なる。この様であるから、第１段３１上では、負荷フランク１２５、１２６間ではスタブフランク１３１、１３２より多い締め代１３５（重なり合いとして図解）が生じ、一方、第２段３２上では、ピン部材３０１及びボックス部材３０２の段３１、３２の間の軸方向間隔の差のために、スタブフランク１３３、１３４の間では負荷フランク１２７、１２８より多い締め代１３７（重なり合いとして図解）が生じる。或る実施例では、段３１上で、スタブフランク１３１、１３２が完全には係合しないか、全く係合しない時に、負荷フランク１２５、１２６は係合する、一方、段３２上では、負荷フランク１２７、１２８が完全には係合しないか、全く係合しない時に、スタブフランク１３３、１３４は係合する。

減少したボックスの段対段型結合部を有する或る実施例では、段３１、３２間の中間段領域９０１内のピン及びボックス部材の対応する金属面が金属対金属中間シールを形成するよう係合するので、中間段領域９０１内に中間シールが形成される。図４Ｃ及び４Ｄに示す様に、外方に面するフランク（又は、他の仕方で言えば、該中間段領域９０１から離れるように面するフランク）、すなわち段３１上の負荷フランク１２５、１２６及び段３２上のスタブフランク１３３、１３４、上の増加した締め代により、該中間段領域９０１に印加される力は、該中間シールの金属面を、中間シール領域内のポワソン効果により、接触した儘で留まらせる。本質的に、減少したボックスの段対段型楔により、該ボックス部材内に引っ張り力が創られ、中央部分（中間段領域９０１）を内方へ“括れ”させる（すなわち、半径方向に内方へ動く）。同時に、該減少したボックスの段対段型楔のため、該ピン部材内に圧縮が創生し、中央部分（中間段領域）９０１を外方へ“折れ”させる（すなわち、半径方向に外方へ動く）。従って、該ボックス部材の対応する内方へ括れた中央部分及びピン部材の外方へ折れた中央部分は、該ピン及びボックス部材の中間段領域９０１の金属面間に半径方向に増加した締め代（ポワソン効果により）を引き起こす。

該減少したボックスの段対段型楔ねじ結合部の第１段３１上の負荷フランク１２５、１２６及び第２段３２上のスタブフランク１３３、１３４内に創られる軸方向の増加した締め代は、ボックス部材３０２の中間段領域９０１を最終形成で延びさせ、該ボックス部材３０２を効果的に予備引っ張りする。加えて、ピン部材３０１の中間段領域９０１は予備圧縮される。形成後に、予備負荷掛けされた部材、すなわち予備引っ張りされたボックス部材３０２及び予備圧縮されたピン部材３０１、を有することにより、該ねじ結合部３００は、管列に作用する外部の圧縮力又は引っ張り力が該中間シール上に引き起こす、中間シールの増加した締め代の減少を遅延させることが出来る。例えば、該結合部に作用する外部引っ張り力は、ピン部材の中間シールのシール用面内に、締め代接触応力の減少をもたらす。しかしながら、該ピン中間段領域の予備圧縮は、この様な外部引っ張り力の効果
を遅延させ、何故ならば、予備圧縮は、該中間段領域が影響される前に、最初に、該外部引っ張り力により乗り越えられる必要があるからである。同様に、該結合部に作用する外部圧縮力は、該ボックス部材の中間シールのシール用面内に、締め代接触応力の減少をもたらす。しかしながら、該ボックス中間段領域の予備引っ張り力は、この様な外部圧縮力の効果を遅延させ、何故ならば、該予備引っ張り力は、該中間段領域が影響される前に、最初に外部圧縮力により乗り越えられる必要があるからである。

ダブテイルねじプロフアイルと組み合わされた楔ねじは、半径方向のインターロック効果を提供するが、該効果は該ピン部材及びボックス部材を一緒に半径方向にロックし、内部又は外部圧力により引き起こされる分離に対する抵抗を提供する。加えて、該段対段型楔は、バックアップのインターロック機構を導入する。もし、標準の楔がこの様なインターロック作用を提供するのに失敗するなら、該段対段型楔は該内部又は外部圧力に対する追加の抵抗を提供し、該ピン及びボックス部材の半径方向分離を防止する。要するに、ここに開示した実施例は、個別の段でのダブテイルねじプロフアイルのインターロック効果と組み合わせて、該段対段型楔から、該中間部分９０１での金属対金属シール用の捕捉効果を得る結合部を提供する。更に、例え、個別の段の楔ねじが失敗することが起こっても（例えば、ドープ閉じ込めか、不充分な形成トルクかで引き起こされる見放しにより）、なお該段対段型楔により捕捉又はインターロック効果が提供される。或る実施例では、該結合部内の内圧サポートは約３分の２が該中間シールのボックス厚さに、３分の１が段対段型楔のロック効果に配分される。

今、図６を参照すると、本開示の１つ以上の実施例に依る、段対段型楔を有し、又中間シールを有する、２段楔ねじ結合部６００の断面図が示される。対応する段３１、３２を有するピン部材６０１とボックス部材６０２は、シール用面６０３（ピン部材６０１の）及び６０４（ボックス部材６０２の）が係合するよう係合される。シール用面６０３、６０４は組立の際、金属対金属締まりばめにより確立される。結合部６００が完全に形成されると、該段対段型楔の係合は、接触するシール用面６０３、６０４内に追加の半径方向位置の締め代を誘起する（すなわち、“増加される締まりばめ”効果）。これに加えて、該段対段型楔によるピン及びボックス部材の予備負荷付与は、該結合部に作用する圧縮又は引っ張り負荷（すなわち、管列により伝達される力）がもたらすポワソン効果（すなわち、内向き括り機構及び外向き折れ機構）の減少を遅延させる。該継ぎ手の半径方向変形が内圧又は外圧の何れかから起こる時、ねじ結合部６００のシール圧力保持特性は、シール用面６０３、６０４が相互に接触した儘で留まる能力に関係付けられる。閉じ込められた又は捕捉された中間シールを有する実施例のシール保持は、段対段型楔の閉じ込め効果から生じ、それにより面６０３及び６０４の間の面接触の消失を防止する。該閉じ込め効果は２面６０３、６０４を１体として曲がらせる。

減少した段対段型結合部を形成する方法は、ピン部材３０１のピン楔ねじ３０６をボックス部材３０２の対応するボックス楔ねじと係合させる過程を有する。形成時、段３１上で、対応する負荷フランク１２５、１２６は対応するスタブフランク１３１、１３２の前に係合し、一方、段３２上では、対応するスタブフランク１３３、１３４は対応する負荷フランク１２７、１２８の前に係合する。結合部の形成が続く時、第１段３１上の負荷フランク１２５、１２６とスタブフランク１３３、１３４の間の締め代は最終形成まで増加する。最終形成に於いて、第１段３１上のスタブフランク１３１、１３２と第２段３２上の負荷フランク１２７、１２８も係合する。かくして、最終形成では、負荷フランク１２５、１２６間にはスタブフランク１３１、１３２より多い締め代１３５が生じ、一方、第２段３２上ではスタブフランク１３３、１３４間に負荷フランク１２７、１２８より多い締め代１３７が生じる。

今、図５Ａを参照すると、本開示の１つ以上の実施例による、段対段型楔を有する２段楔ねじ結合部４００の断面図が示される。該結合部４００は、上にピン楔ねじ４０６を有するピン部材４０１と上にボックス楔ねじ４０７を有するボックス部材４０２とを備える。更に、該ピン部材４０１とボックス部材４０２の各々は、上に形成された対応する第１の段３１及び第２の段３２を有する。中間段領域９０１は対応する段３１、３２の間に配置される。

該結合部４００は距離Ｂ（すなわち、ピン部材４０１の２つの楔ねじ段３１、３２の軸方向距離）が距離Ａ（すなわち、ボックス部材４０２の２つの楔ねじセグメント３１、３２軸方向距離）より僅かに短くなるよう構成される。この場合、該２段楔ねじ結合部は“減少したピンの段対段型楔ねじ結合部”と呼ばれ、何故ならば、該ピン部材４０１の段３１、３２の間の軸方向間隔、距離Ｂが減じられるからである。示される様に、ピン部材４０１の距離Ｂは、該ボックス部材４０２の距離Ａの指定量｛すなわち、約２５．４×ｘ．ｘｘｘｍｍ（ｘ．ｘｘｘインチ）｝から指定された量だけ減じられる｛すなわり、約２５．４×ｘ．ｘｘｘｍｍ（ｘ．ｘｘｘインチ）−約２５．４×．ｘｘｘｍｍ（．ｘｘｘインチ）｝。或る実施例では、軸方向間隔の差｛すなわち、約２５．４×．ｘｘｘｍｍ（．ｘｘｘインチ）｝は、約０．０１２７ｍｍ（約０．０００５インチ）と約０．３８１ｍｍ（約０．０１５インチ）の間の範囲内にある。他の実施例では、軸方向間隔の差は約０．０７６２ｍｍ（約０．００３インチ）であってもよい。

今、図５Ｂを参照すると、本開示の１つ以上の実施例による、形成時の結合部４００の段３１、３２上の係合するねじの平面図が示される。ピン部材４０１の段３１、３２の間の減少した軸方向間隔のために、該２つの段３１、３２上の対応するフランクは、形成時に異なる時に係合される。この場合、段３１上では、対応するスタブフランク１３１、１３２は対応する負荷フランク１２５、１２６の前に係合し、一方、段３２上では、対応する負荷フランク１２７、１２８は対応するスタブフランク１３３、１３４の前に係合する。

図５Ｃ、５Ｄは本開示の１つ以上の実施例による、最終形成に於ける減少したピンの段対段型楔ねじ結合部４００を示す。最終形成では、第１段３１上の負荷フランク１２５、１２６及びスタブフランク１３１、１３２と、第２段３２上の負荷フランク１２７、１２８及びスタブフランク１３３、１３４が係合する。しかしながら、係合するスタブ及び負荷フランクの間の締め代の量は異なる。第１段３１上では、スタブフランク１３１、１３２間では負荷フランク１２５、１２６より大きい締め代１３５（重なり合いとして図解される）が生じる一方、第２段３２上では、ピン部材４０１及びボックス部材４０２の段３１、３２の間の軸方向間隔の差により、負荷フランク１２７、１２８間にはスタブフランク１３３、１３４より大きい締め代１３７（重なり合いとして図解される）が生じる。或る実施例では、段３１上では、負荷フランク１２５、１２６が完全には係合しないか、又は全く係合しない時に、スタブフランク１３１、１３２は係合する一方、段３２上では、スタブフランク１３３、１３４が完全には係合しないか全く係合しない時に、負荷フランク１２７、１２８は係合する。

減少したピンの段対段型結合部を形成する方法は、ピン部材４０１のピン楔ねじ４０６をボックス部材４０２の対応するボックス楔ねじ４０７と係合させる過程を有する。形成時、段３１上で、対応するスタブフランク１３１、１３２は、対応する負荷フランク１２５、１２６の前に係合し、一方、段３２上では、対応する負荷フランク１２７、１２８は、対応するスタブフランク１３３、１３４の前に係合する。結合部の形成が続く時、第１段３１上のスタブフランク１３１、１３２と第２段３２上の負荷フランク１２７、１２８の間の締め代は最終形成まで増加する。最終形成の際、第１段３１上の負荷フランク１２５、１２６と第２段３２上のスタブフランク１３３、１３４も係合する。かくして、最終形成で、第１段３１上では、スタブフランク１３１、１３２の間では負荷フランク１２５
、１２６より多い締め代１３５が生じ、一方、第２段３２上では、負荷フランク１２７、１２８の間でスタブフランク１３３、１３４より多い締め代１３７が生じる。

ここで開示された１つ以上の実施例では、ねじ結合部は両段上に標準楔を有する２段楔ねじ結合部であり、すなわち両段３１、３２上のねじリードは実質的に同じ楔比を有する。他の実施例では、該ねじ結合部は第１楔比を有する第１段上のねじリードと、第２楔比を有する第２段３２上のねじリードとを有してもよい（すなわち、各段上の異なる楔比）。前述の様に、該楔比の１つは“積極的な”楔比であり、もう１つは“保守的な”楔比であるよう考えられてもよい（“積極的な”はより大きな楔比を呼び、“保守的な”はより小さい楔比を呼ぶ）。ここで開示された１つ以上の実施例では、１つの段上のねじリードは回転当たり約０．０７６２ｍｍ（約０．０３５インチ）と約１．１４３ｍｍ（約０．０４５インチ）の間の積極的な楔比を有する一方、もう１つの段上のねじリードは回転当たり約０．０７６２ｍｍ（約０．００３インチ）と約０．２５４ｍｍ（約０．０１０インチ）の間の保守的楔比を有する。他の実施例では、１つの段上の該ねじリードは回転当たり約０．４８３ｍｍ（約０．０１９インチ）の積極的な楔比を有し、もう１つの段上のねじリードは回転当たり約０．２７９ｍｍ（約０．０１１インチ）の保守的な楔比を有する。

更に、該ねじ結合部の段３１、３２上の楔ねじは、対応する谷底と頂部の間で多数の種々の隙間／締め代組み合わせを有してもよい。例えば、或る実施例では、１つの段又は両段３１、３２上のねじは最終形成に於いて谷底／頂部の隙間を有してもよい。他の実施例では、１つの段又は両段３１、３２上のねじは最終形成に於いて谷底／頂部締め代を有してもよい。なお更に、或る実施例では、第１段３１上のねじは谷底／頂部隙間を有する、一方、第２段３２上のねじは谷底／頂部締め代を有してもよく、或いはその逆であってもよい。なお更に、或る実施例では、該第１段３１及び第２段３２上のねじは隣接するねじ山で、交互の谷底／頂部隙間及び締め代を有してもよい。

或る実施例では、該ねじ結合部は、図６に示す消失するねじ形を有してもよい。図６は、段対段型楔を有する２段楔ねじ結合部７００の断面図を示す。示される様に、ピン部材７０１とボックス部材７０２は、上にピン及びボックスねじ７０６、７０７を有する対応する段３１、３２と、その間の中間段領域９０１と、を備える。更に、該ボックスねじ７０７は、該ボックス部材７０２の遠位の端部から離れるよう移動する該ねじの軸方向長さに沿って減少するねじ高さを有する。ボックスねじ７０７は、減少するねじ高さのために、消失するねじ形として特徴付けられる。

ここで使われる時、“消失する”ねじは、“完全な”全形ねじであるより寧ろ、ねじテーパーが管本体面と交叉する時に消失するボックスねじとして規定される。従って、“消失する”ねじ山は切頭された頂部を有し、かくして嵌合する部材のねじ頂部とねじ谷底の間に半径方向隙間を残す。該“消失する”ねじの概念は、管本体の全壁厚さの断面に適用された時、一体の結合部の引っ張り及び圧縮の両能力を向上させる。断面の外径（OD）が管本体面（加工されない）から成り、断面の内径IDが管本体面（加工されない）から成る限り、管本体の全壁厚さ断面が単純な管端部断面で起こるか或いは据え込み加工された管本体断面で起こるかは問題でない。

ねじ結合部では、引っ張り力臨界断面は、ねじ谷底のねじ負荷フランクから離れるよう作用する。“完全な”全形ねじが管本体面と交叉する時、該臨界断面は、管本体内外面マイナス“完全”全形ねじの深さの関数である。該ねじが該管本体面内に消失することが可能とされる時、全ねじ高さより小さい高さを有するねじが該管本体面と交叉する。嵌合する部材と、全部より少なく係合する負荷フランクは、結合部に印加される全引っ張り負荷を担うことが出来る。或る実施例では、約３０％−７０％ねじ負荷フランク係合が全引っ張り負荷を担う。従って、結合部臨界断面積は“消失する”ねじを利用することにより有
意に増加する。楔ねじについては、圧縮容量はねじ頂部に於けるねじスタブフランクから離れるよう作用する。それで、もし、ねじ形が、管本体全壁厚さの断面で管本体表面と交叉するなら、“完全な”ねじ形高さに於いてであろうと、“消失する”ねじに於ける様に唯、部分的であろうと、該結合部の圧縮容量は管本体の容量と等しい。

段対段型楔ねじ結合部用にここで開示した実施例は多数の利点を提供する。第１に、ここで開示した実施例は、大径楔製品の固有の問題である楔ねじ内へのドープコンパウンド閉じ込めと、次の、時間、負荷印加又は温度に伴う該ねじコンパウンド弛み時に経験する低取り外しトルクと、に向けられる。例え個別楔が該ドープコンパウンドを捕捉しても、該結合部の２つの段間に創られる実質的楔効果は、必要な対取り外しトルク耐性を提供するのになお充分である。かくしてドープ閉じ込めは、該ドープが該ねじ結合部の構造的全一性に最早有害でないよう、該段対段型楔により耐えられる。

次に、ここで開示される実施例は、ねじ加工に関与する製造制限に向けられる。一般に、ねじは実質的に一定ねじリード（負荷リード及びスタブリード）を使ってチューブラー上でカットされるが、しかしながらフライス盤又は旋盤での加工を典型的に含む該製造過程時にねじリードの或る偏差が起こる。加工時、該ねじリードの偏差は、該ねじリード用の意図値の上又は下での該ねじリードの僅かな周期的変動として現れる。この現象は普通“ねじ不規則性”と呼ばれる。ねじ不規則性の感度影響は、ねじフランク内の変動又は“出っ張り”の大きさと、楔ねじ自身の幅と、の比として決定される。前には、楔ねじの幅は、単に相対するねじフランク自身間の距離であった（すなわち、相対するスタブ及び負荷フランクの間の距離）。代わって、ここで開示する実施例は、楔の幅を、相対するスタブ及び負荷フランクの段を越える距離として再確立し、それにより該楔の幅を大きくする。これはねじ不規則性の感度影響を効果的に減じ、それによりねじ加工操作により前に引き起こされた製造限界を減じるか又は除去する。

なお更に、ここに開示された実施例は、ねじ結合部が、該楔ねじ内のエネルギー保持を失うことなく、多くの形成及び分解に耐えることを可能にする。２つの段を越えて創られる楔作用効果のために、より長い距離上でより高いばね効果が創られる。これは結合部がより良くエネルギーを保持することを可能化し、多数回使用に亘り楔内の増加したエネルギー保持を許容する。又、該ばね効果は該結合部の形成時のねじ面の擦り剥きの機会を減じる。

本開示が限られた数の実施例に関して説明されたが、本開示の利点を得た当業者は、ここに説明した本開示の範囲から離れることなく、他の実施例が工夫されることを評価するであろう。従って、本開示の範囲は付置された請求項によってのみ限定されるべきである。

Claims (28)

1. 第１ピン段及び第２ピン段と、そして該第１及び第２ピン段の各々の上に配置されたピン楔ねじと、を有するピン部材と、そして
   第１ボックス段及び第２ボックス段と、そして該第１及び第２ボックス段の各々の上に配置されたボックス楔ねじと、を有するボックス部材と、を具備しており、
   該第１及び第２ピン段の軸方向間隔が該第１及び第２ボックス段の軸方向間隔と異なる、ねじ結合部。
2. 該第１及び第２ボックス段の軸方向間隔が、該第１及び第２ピン段の軸方向間隔より小さい請求項１記載のねじ結合部。
3. 対応する第１のピン段及びボックス段上にある、対応するスタブフランク及び負荷フランクであって、該負荷フランクが、該スタブフランクの前に係合するよう第１ピン段及びボックス段上に構成される、該第１ピン段及びボックス段上の対応するスタブフランク及び負荷フランクと、
   該対応する第２のピン段及びボックス段上にある、対応するスタブフランク及び負荷フランクであって、該スタブフランクが、該負荷フランクの前に係合するよう第２ピン段及びボックス段上に構成される、該第２ピン段及びボックス段上の対応するスタブフランク及び負荷フランクと、を更に具備する請求項２記載のねじ結合部。
4. 該第１及び第２ピン段の該軸方向間隔が、該第１及び第２ボックス段の軸方向間隔より短い請求項１記載のねじ結合部。
5. 該対応する第１ピン段及びボックス段上にある、対応するスタブフランク及び負荷フランクであって、該スタブフランクが、該負荷フランクの前に係合するよう第１ピン段及びボックス段上に構成される、該第１ピン段及びボックス段上の対応するスタブフランク及び負荷フランクと、
   該対応する第２ピン段及びボックス段上にある、対応するスタブフランク及び負荷フランクであって、該負荷フランクが該スタブフランクの前に係合するよう第２ピン段及びボックス段上に構成される、該第２ピン段及びボックス段上の対応するスタブフランク及び負荷フランクと、を更に具備する請求項４記載のねじ結合部。
6. 該第１及び第２のピン段及びボックス段の間に配置されたねじ無し中間段領域を更に具備する請求項１記載のねじ結合部。
7. 該第１及び第２のピン段及びボックス段の間に配置された金属対金属の中間シールを更に具備する請求項６記載のねじ結合部。
8. 該第１段上の対応するピン及びボックス楔ねじが第１楔比を有し、該第２段上の対応するピン及びボックス楔ねじが第２楔比を有する請求項１記載のねじ結合部。
9. 該第１段上の対応するピン及びボックス楔ねじが、該第２段上の対応するピン及びボックス楔ねじの前に係合する請求項８記載のねじ結合部。
10. 該第１段上の対応するピン及びボックス楔ねじが、該第２段上の対応するピン及びボックス楔ねじの後に係合する請求項８記載のねじ結合部。
11. 該２つの段上の対応するピン及びボックス楔ねじが、該ねじ結合部の形成時の、異なる時に係合する請求項８記載のねじ結合部。
12. 該第１及び第２ピン段の軸方向間隔が、該第１及び第２ボックス段の軸方向間隔と、約０．０１２７ｍｍ（約０．０００５インチ）乃至約０．３８１ｍｍ（約０．０１５インチ）だけ異なる請求項１記載のねじ結合部。
13. 該第１及び第２ピン段の軸方向間隔が、該第１及び第２ボックス段の軸方向間隔と、約０．０５０８ｍｍ（約０．００２インチ）乃至約０．１２７ｍｍ（約０．００５インチ）だけ異なる請求項１記載のねじ結合部。
14. 該第１及び第２ピン段の軸方向間隔が、該第１及び第２ボックス段の軸方向間隔と、約０．０７６２ｍｍ（約０．００３インチ）だけ異なる請求項１記載のねじ結合部。
15. 該第１及び第２ピン段の軸方向間隔が、該第１及び第２ボックス段の軸方向間隔と、管の外径の約０．０００５倍だけ異なる請求項１記載のねじ結合部。
16. 該ピン及びボックス楔ねじが、ダブテイル形の断面を有する請求項１記載のねじ結合部。
17. 隙間が、最終形成に於いて、対応する第１及び第２の両者のピン及びボックス段上のピン及びボックス楔ねじの谷底及び頂部の間に存在する請求項１記載のねじ結合部。
18. 締め代が、最終形成に於いて、対応する第１及び第２の両者のピン及びボックス段上のピン及びボックス楔ねじの谷底及び頂部の間に存在する請求項１記載のねじ結合部。
19. 隙間が、対応する第１のピン及びボックス段上のピン及びボックス楔ねじの谷底及び頂部の間に存在し、締め代が、最終形成に於いて、対応する第２のピン及びボックス段上のピン及びボックス楔ねじの谷底及び頂部の間に存在する請求項１記載のねじ結合部。
20. 締め代が、対応する第１のピン及びボックス段上のピン及びボックス楔ねじの谷底及び頂部の間に存在し、隙間が、最終形成に於いて、対応する第２のピン及びボックス段上のピン及びボックス楔ねじの谷底及び頂部の間に存在する請求項１記載のねじ結合部。
21. 該ピン楔ねじと該ボックス楔ねじとが、該ピン楔ねじと該ボックス楔ねじの全て又は１部分の上の、ねじ谷底及び頂部に於いて締まりばめとなる請求項１記載のねじ結合部。
22. 該ピン楔ねじと該ボックス楔ねじとが、該第１の対応するボックス及びピン段上のねじ谷底と、該第２の対応するボックス及びピン段上のねじ頂部に於いて、締まりばめとなり、該第２の対応するボックス及びピンの段上のねじ谷底と該第１の対応するボックス及びピンの段のねじ頂部との間に半径方向隙間がある請求項１記載のねじ結合部。
23. 該ボックス部材上に消失するボックスねじを更に具備しており、該ボックスねじのねじ高さは該ボックスねじの軸方向長さに沿って減少する請求項１記載のねじ結合部。
24. 第１ピン段及び第２ピン段と、該第１及び第２ピン段の各々上に配置されたピン楔ねじと、を有するピン部材と、
    第１ボックス段及び第２ボックス段と、該第１及び第２ボックス段の各々上に配置されたボックス楔ねじと、を有するボックス部材と、を具備しており、
    該第１及び第２ピン段上の少なくとも１つのピン楔ねじと、該第１及び第２ボックス段上の少なくとも１つの対応するボックス楔ねじと、が軸方向に異なる軸方向間隔を有している、ねじ結合部。
25. ねじ結合部を形成する方法であって、
    ピン楔ねじを有するピン部材を、対応するボックス楔ねじを有するボックス部材と回転方向に係合させる過程であって、該ピン及びボックス楔ねじが該ピン及びボックス部材の対応する第１及び第２のピン及びボックス段上に形成される、係合させる過程と、
    相対するピン及びボックスのスタブフランク及び負荷フランクを、該ねじ結合部の形成時の、異なる時に係合させる過程と、を具備するねじ結合部を形成する方法。
26. 該対応する第１のピン及びボックス段上で、対応する負荷フランクをスタブフランクの前に係合させる過程と、
    該対応する第２のピン及びボックス段上で、対応するスタブフランクを負荷フランクの前に係合させる過程と、を更に具備する請求項２５記載の方法。
27. 該対応する第１のピン及びボックス段上で、対応するスタブフランクを負荷フランクの前に係合させる過程と、
    該対応する第２のピン及びボックス段上で、対応する負荷フランクをスタブフランクの前に係合させる過程と、を更に具備する請求項２５記載の方法。
28. 第１及び第２のピン及びボックス段の間に配置された対応する金属のシール用面を係合させる過程を更に具備する請求項２５記載の方法。

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