JP6311019B2 - 鋼管用ねじ継手 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管の連結に用いられるねじ継手に関する。

油井、天然ガス井等（以下、総称して「油井」ともいう）においては、地下資源を採掘するためにケーシング、チュービング等の油井管（OCTG:Oil Country Tubular Goods）と呼ばれる鋼管が使用される。鋼管は順次連結され、その連結にねじ継手が用いられる。

鋼管用ねじ継手の形式は、カップリング型とインテグラル型に大別される。カップリング型の場合、連結対象の一対の管材のうち、一方の管材が鋼管であり、他方の管材がカップリングである。この場合、鋼管の両端部の外周に雄ねじ部が形成され、カップリングの両端部の内周に雌ねじ部が形成される。そして、鋼管とカップリングが連結される。インテグラル型の場合、連結対象の一対の管材がともに鋼管であり、別個のカップリングを用いない。この場合、鋼管の一端部の外周に雄ねじ部が形成され、他端部の内周に雌ねじ部が形成される。そして、一方の鋼管と他方の鋼管が連結される。

一般に、雄ねじ部が形成された管端部の継手部分は、雌ねじ部に挿入される要素を含むことから、ピンと称される。一方、雌ねじ部が形成された管端部の継手部分は、雄ねじ部を受け入れる要素を含むことから、ボックスと称される。これらのピンとボックスは、管材の端部であるため、いずれも管状である。

鋼管用ねじ継手では、ピンの雄ねじ部がボックスの雌ねじ部にねじ込まれ、これに伴ってテーパねじの雄ねじ部と雌ねじ部が嵌め合い密着する。基本的には、この雄ねじ部と雌ねじ部との嵌め合い密着によるねじシールにより、ねじ継手の密封性能が確保される。

近年、油井においては、水平掘り、傾斜掘り等の掘削技術が普及しつつあり、ねじ継手に高いトルクが負荷される状況にある。このため、高い耐トルク性能を有するねじ継手の需要が高まっている。更に、上記の掘削技術が適用される油井環境は、高温・高圧という過酷な環境になっている。このような過酷な環境にも対応するため、ねじ継手には、高い耐トルク性能のみならず、高い密封性能が要求される。

一般に、カップリング型のねじ継手はインテグラル型よりも密封性能に優れることから多用される。

高い耐トルク性能を有するねじ継手としては、楔型ねじとも称されるダブテイル型のテーパねじを採用したものがある。楔型ねじでは、雄ねじ部のねじ山幅がねじの弦巻き線に沿って右ねじの進む方向に先細りに狭くなり、相対する雌ねじ部のねじ溝幅もねじの弦巻き線に沿って右ねじの進む方向に先細りに狭くなる。また、荷重面及び挿入面のいずれも負のフランク角を有しており、締結が完了したときに、荷重面同士及び挿入面同士が接触することで、ねじ部全体が強固に嵌まり合う。更に、締結が完了した状態において、ねじ部のねじ山頂面とねじ谷底面が互いに接触し密着する。これらにより、楔型ねじを採用したねじ継手は、密封性能を確保しつつ、高い耐トルク性能を発揮できる。

しかし、楔型ねじによるねじシールの場合、雄ねじ部及び雌ねじ部それぞれについて、曲率半径等の製造公差を厳密に設定し、互いを密着させなければ、シールの形成が不十分になる。また、ねじシールは、実質的に完全ねじの領域でしか形成されないことから、不完全ねじの領域の長さを多めに設計してしまうと、期待どおりの密封性能が得られないおそれがある。特に、内圧又は外圧がねじ継手に過大に負荷されると、ねじシールの隙間に高圧の流体が浸入し、漏れが発生するリスクがある。

以上のとおり、ねじシールのみで確保できる密封性能には限界がある。このため、従来から、ねじシールとは別個に内シール及び外シールを設置することにより、内圧及び外圧に対する密封性能の確保が図られている。内シールは、ピンの雄ねじ部の前方となるピンの先端部に設けられたシール面と、これに対応してボックスに設けられたシール面との接触により形成される。外シールは、ピンの雄ねじ部の後方に設けられたシール面と、これに対応してボックスに設けられたシール面との接触により形成される。

例えば、米国特許出願公開第２０１０／０１８１７６３号明細書（特許文献１）及び国際公開ＷＯ２００４／１０６７９７号公報（特許文献２）には、ねじシールに加えて内シール及び外シールが設置されたねじ継手が記載されている。それらの特許文献のうちの特許文献２のねじ継手では、締結が完了した状態において、ねじ部のねじ山頂面とねじ谷底面との間に隙間が設けられる。この隙間が、締結時に塗布された余剰の潤滑剤（以下、「ドープ」ともいう）を収容し、ドープによる異常な圧力上昇の防止に寄与する。

特許文献１及び２に記載された従来のねじ継手では、確かに圧力に対する密封性能は向上する。しかし、外シールが設置されたねじ継手の場合、ピンの危険断面（雄ねじ部の後端部の断面、すなわち雄ねじ部の最も管本体側の断面）の断面積が減少し、耐引張性能が低下する。このため、外シールの設置は、ねじ継手の強度の観点でいえば、望ましくない。

内シールが設置されたねじ継手の場合、ピン先端部のシール面の領域で十分な肉厚が確保されていないことから、過大な外圧が負荷されたときに、そのシール面の領域が塑性変形する。このため、密封性能を発揮できなくなるおそれがある。

米国特許出願公開第２０１０／０１８１７６３号明細書 国際公開ＷＯ２００４／１０６７９７号公報

ねじ継手において、過大な圧力（内圧又は外圧）が負荷されたときに流体の漏れが発生することが重大な問題となる。とりわけ、楔型ねじを採用したねじ継手においては、圧力に対する密封性能を如何に確実に確保できるかが重要である。

本発明の目的は、下記の特性を有する鋼管用ねじ継手を提供することである：
楔型ねじ、すなわちダブテイル形状のテーパねじによる高い耐トルク性能を維持しつつ、高い密封性能を確実に発揮できること。

本発明の一実施形態による鋼管用ねじ継手は、管状のピンと、管状のボックスとから構成され、前記ピンが前記ボックスにねじ込まれて前記ピンと前記ボックスが締結される鋼管用ねじ継手である。
前記ピンは、前記ピンの管本体から先端に向けて順に、ダブテイル形状のテーパねじの雄ねじ部と、シール面を含むリップ部と、を備える。
前記ボックスは、前記ピンの前記雄ねじ部に対応するダブテイル形状のテーパねじの雌ねじ部と、前記リップ部に対応するシール面を含む凹部と、を備える。
前記リップ部は、前記雄ねじ部から前記ピンの先端に向けて順に、首部と、前記シール面を含むシーリングヘッド部と、を備える。
前記シーリングヘッド部における前記シール面の領域の最大外径が、前記首部における前記雄ねじ部との境界位置での外径よりも大きい。

上記のねじ継手は、前記シーリングヘッド部の内径が管本体の内径よりも小さい構成とすることができる。この構成の場合、前記リップ部の内周面が、前記ピンの先端側から順に、先端側ほど拡大するテーパ面と、このテーパ面に連なる円筒面と、を含み、前記テーパ面と前記円筒面との境界を規準とし、前記円筒面の管軸方向の長さが３ｍｍ以上であることが好ましい。これらの構成に代えて、上記のねじ継手は、前記シーリングヘッド部の内径が管本体の内径よりも大きい構成とすることができる。

上記のねじ継手は、下記の構成とすることが好ましい。
締結が完了した状態で、前記雄ねじ部のねじ山頂面と前記雌ねじ部のねじ谷底面との間、及び前記雄ねじ部のねじ谷底面と前記雌ねじ部のねじ山頂面との間のうちの少なくとも一方に隙間が設けられる。

上記のねじ継手は、下記の構成とすることが好ましい。
前記シーリングヘッド部における前記シール面の領域の最大外径位置での肉厚が管本体の肉厚の５５％以上８０％以下であり、前記首部の最小肉厚が管本体の肉厚の４５％以上７０％以下である。

上記のねじ継手は、以下の構成とすることが好ましい。
締結が完了した状態で、前記リップ部の先端面と、前記ボックスの前記凹部の管本体側の端と、の隙間が０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下である。

上記のねじ継手は、以下の構成とすることが好ましい。
前記雄ねじ部及び前記雌ねじ部のテーパ角が、管軸に対して１°以上５°以下である。

上記のねじ継手は、以下の構成とすることが好ましい。
前記首部の外周面が円筒面であり、
前記シーリングヘッド部の外周面が、前記首部の外周面に連なり管軸に対して５°以上２０°以下で拡大するテーパ面と、このテーパ面に連なる円筒面と、前記シール面として前記円筒面に連なる曲率面及び前記ピンの先端側ほど縮小するテーパ面から構成されるシール面と、を含む。

上記のねじ継手は、以下の構成とすることが好ましい。
前記リップ部の前記シール面がテーパ面を含み、このテーパ面のテーパ角が管軸に対して３°以上１０°以下である。

上記のねじ継手は、以下の構成とすることが好ましい。
前記雄ねじ部及び前記雌ねじ部それぞれのねじ高さが１．０ｍｍ以上３．０ｍｍ以下である。

本発明の鋼管用ねじ継手は、下記の顕著な効果を有する：
楔型ねじ、すなわちダブテイル形状のテーパねじによる高い耐トルク性能を維持しつつ、高い密封性能を確実に発揮できること。

図１は、第１実施形態の鋼管用ねじ継手を示す縦断面図である。 図２は、第１実施形態の鋼管用ねじ継手におけるねじ部を示す縦断面図である。 図３は、第１実施形態の鋼管用ねじ継手におけるピンの先端部の一例を示す縦断面図である。 図４は、第２実施形態の鋼管用ねじ継手におけるピンの先端部の一例を示す縦断面図である。 図５は、実施例１における耐トルク性能の評価結果を示す図である。 図６は、実施例１における密封性能の評価結果を示す図である。 図７は、実施例２におけるＦＥＭ解析のモデルを模式的に示す図である。 図８は、実施例２における密封性能の評価結果を示す図である。 図９は、実施例３におけるＦＥＭ解析のモデルを模式的に示す図である。 図１０は、実施例３における密封性能の評価結果を示す図である。

本発明者らは、楔型ねじによるねじシールを採用しつつも内外シールを有しない従来のねじ継手について、特に外圧に対する密封性能に問題があることを突き止めていた。これは、本発明者らが実施した弾塑性有限要素法による数値シミュレーション解析、及びその結果の評価に基づく。そこで、本発明者らは、まず、前記特許文献１及び２に記載されたねじ継手のように、外シールの設置、更には内シールの設置により、外圧に対して密封性能の向上を図ることを検討した。

しかし、前述のとおり、外シールの設置によってねじ継手の耐引張性能が低下する。そこで、本発明者らは、内シールを積極的に活用し、内圧に対する密封性能を維持するとともに、外圧に対しても密封性能を確保することができないかと考え、その態様を検討した。

ピンは、雄ねじ部から管軸方向に伸び出すリップ部を備える。このリップ部の外周面に内シールを構成するシール面が設けられる。外圧は、ねじ継手の外部からねじ部を浸透し、ピンのリップ部のシール面近傍に達する。ピンのリップ部に達した外圧は、リップ部の縮径を促し、シール面の接触を緩めるように作用する。

本発明者らは、その現象を防ぐため、ピンのリップ部の剛性を増加し、リップ部の縮径変形を抑制することが有効であると考え、リップ部の形状に着目した。

リップ部の剛性を増加するには、単純にはリップ部の外径を拡大し、その肉厚を厚くすればよい。確かに、リップ部の肉厚を厚くすれば、外圧に対する密封性能は向上する。しかし、ピンにおいて、リップ部の外径を極端に拡大し、その肉厚を極端に厚くすると、雄ねじ部のねじ切り開始位置がリップ部の外径拡大に伴ってピンの外周側に寄る。このため、ねじ高さを低くするか、又はねじ部の長さを当初の設計よりも短縮せざるを得ない。その結果、楔型ねじによる高い耐トルク性能が失われる可能性がある。

また、リップ部の外径拡大に伴い、ボックスにおけるシール面の領域で肉厚を維持しようすれば、ボックス（例：カップリング）の外径が増加せざるを得ない。そうすると、多重構造の井戸の構成上、内外のねじ継手間でクリアランスが著しく狭まる。したがって、ボックスの外径増加は望ましくない。

仮に、ボックスの外径を維持しつつ、ピンのリップ部の外径を拡大してリップ部の肉厚を増加すれば、ボックスにおけるシール面の領域の肉厚が減少せざるを得ない。この場合、内圧に対する密封性能がかえって低下するおそれがある。

以上のことから、本発明者らは、高い密封性能を確実に確保しつつ、楔型ねじによる高い耐トルク性能を維持するためには、ピンのリップ部の形状及びその肉厚を適正化することが有効であるという考えに至った。

本発明のねじ継手は、以上の着想をもとに検討を重ねた結果に基づき、完成されたものである。以下に、本発明の鋼管用ねじ継手の実施形態を説明する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の鋼管用ねじ継手を示す縦断面図である。図２は、その鋼管用ねじ継手におけるねじ部を示す縦断面図である。図３は、その鋼管用ねじ継手におけるピンの先端部の一例を示す縦断面図である。図１〜図３に示すように、第１実施形態のねじ継手は、楔型ねじ（ダブテイル型のテーパねじ）を採用したカップリング型のねじ継手であり、ピン１０とボックス２０とから構成される。

ピン１０は、ピン１０の管本体から先端に向けて順に、雄ねじ部１１と、リップ部１２とを備える。リップ部１２は、雄ねじ部１１に連なって管軸ＣＬ方向に伸び出す。このリップ部１２は、ピン１０の先端に向けて順に、首部１４と、シーリングヘッド部１５とに区分される。シーリングヘッド部１５には、シール面１３が設けられる。

一方、ボックス２０は、ボックス２０の先端から管本体に向けて順に、雌ねじ部２１と、凹部２２とを備える。雌ねじ部２１は、ピン１０の雄ねじ部１１に対応して設けられる。凹部２２は、ピン１０のリップ部１２に対応して設けられる。この凹部２２には、ピン１０のシール面１３に対応してシール面２３が設けられる。

ピン１０の首部１４は、雄ねじ部１１とシーリングヘッド部１５をつなぐ。首部１４の外周面１４ａは、管軸ＣＬを中心とする円筒面（以下、「ネック外周円筒面」ともいう）である。図３に示すねじ継手では、首部１４の内周面１４ｂは、雄ねじ部１１側では管本体の内径と同じ円筒面（以下、「ネック内周円筒面」ともいう）１４ｂａを含み、シーリングヘッド部１５側ではピン１０の先端側ほど直径が縮小するテーパ面（以下、「ネック内周テーパ面」ともいう）１４ｂｂを含む。ただし、ネック内周円筒面１４ｂａが無い場合もある。

シーリングヘッド部１５の外周面１５ａは、首部１４の外周面１４ａに連なりピン１０の先端側ほど直径が拡大するテーパ面（以下、「ヘッド外周内側テーパ面」ともいう）１５ａａを含む。このヘッド外周内側テーパ面１５ａａには、管軸ＣＬを中心とする円筒面（以下、「ヘッド外周円筒面」ともいう）１５ａｂが連なる。このヘッド外周円筒面１５ａｂには、シール面１３が連なる。シール面１３は、例えば、曲率面（以下、「シール曲率面」ともいう）１３ａとテーパ面（以下、「シールテーパ面」ともいう）１３ｂから構成される。シール曲率面１３ａは、円弧等の曲線を管軸ＣＬ周りに回転して得られる回転体の周面に相当する面である。シールテーパ面１３ｂは、ピン１０の先端側ほど直径が縮小するテーパ面である。

図３に示すねじ継手では、シーリングヘッド部１５の内周面１５ｂは、ネック内周テーパ面１４ｂｂと同一のテーパ角で連なるテーパ面（以下、「ヘッド内周内側テーパ面」ともいう）１５ｂａを含む。このヘッド内周内側テーパ面１５ｂａには、管軸ＣＬを中心とする円筒面（以下、「ヘッド内周円筒面」ともいう）１５ｂｂが連なる。このヘッド内周円筒面１５ｂｂには、ピン１０の先端側ほど直径が僅かに拡大するテーパ面（以下、「ヘッド内周先端テーパ面」ともいう）１５ｂｃが連なる。ただし、ヘッド内周内側テーパ面１５ｂａが無い場合もある。この場合、ヘッド内周円筒面１５ｂｂは、首部１４の領域内に伸出し、ネック内周テーパ面１４ｂｂにつながる。

シーリングヘッド部１５におけるシール面１３の領域の最大外径Ｄ_１は、首部１４における雄ねじ部１１との境界位置での外径Ｄ_２よりも大きい。首部１４における雄ねじ部１１との境界位置は、雄ねじ部１１へのねじ切り開始位置に相当する。この構成により、ピン１０のリップ部１２においては、雄ねじ部１１へのねじ切り開始位置をピン１０の外周側に寄らせることなく、シール面１３を有するシーリングヘッド部１５の肉厚を厚くすることができる。

とりわけ、第１実施形態のねじ継手では、シーリングヘッド部１５の内径ｄ_１が管本体の内径ｄ_０よりも小さくなっている。シーリングヘッド部１５の内径ｄ_１は、ヘッド内周円筒面１５ｂｂの領域で最も小さい。これは、予め、ピン１０の先端部にスウェージ加工を施しておくことにより容易に実現できる。ヘッド内周先端テーパ面１５ｂｃ及びヘッド内周円筒面１５ｂｂは、スウェージ加工後の切削加工によって形成される。ネック内周テーパ面１４ｂｂは、仕様に応じ、スウェージ加工ままの表面であったり、切削加工を施されたりする。シーリングヘッド部１５の内径ｄ_１が管本体の内径ｄ_０よりも小さいので、シーリングヘッド部１５の外径をそれほど拡大させなくても、シーリングヘッド部１５の肉厚を十分に厚くすることが可能である。

ピン１０の雄ねじ部１１とボックス２０の雌ねじ部２１は、互いに噛み合うダブテイル形状のテーパねじ（楔型ねじ）である。雄ねじ部１１の荷重面１１ｃと雌ねじ部２１の荷重面２１ｃ、及び雄ねじ部１１の挿入面１１ｄと雌ねじ部２１の挿入面２１ｄは、いずれも、管軸ＣＬに対して１°〜１０°程度の負のフランク角θを有する。雄ねじ部１１と雌ねじ部２１は、それぞれ互いのねじ込みを可能にし、締結が完了した状態では、荷重面１１ｃ、２１ｃ同士及び挿入面１１ｄ、２１ｄ同士が接触し、ねじ部全体が強固に嵌まり合う状態となる。ピン１０のシール面１３とボックス２０のシール面２３は、ピン１０のねじ込みに伴って互いに接触し、締結が完了した状態では嵌め合い密着して締まりばめの状態となり、面接触による内シールを形成する。

このように第１実施形態のねじ継手は、楔型ねじを採用しているので、高い耐トルク性能を維持することが可能となる。

しかも、シール面１３を有するシーリングヘッド部１５の肉厚を増加させることができるため、シール面１３の領域の剛性が増加する。これにより、外圧がリップ部１２のシール面１３近傍に達したとしても、そのシール面１３による内シールが高い密封性能を発揮する。そのシール面１３の領域の縮径変形が抑制されるからである。もっとも、その内シールは、本質的な機能として、内圧に対しても高い密封性能を発揮する。

更に、雄ねじ部１１へのねじ切り開始位置をピン１０の外周側に寄らせなくてもよいので、ねじ高さを高く維持したまま、ねじ部の長さを確保することができる。これにより、楔型ねじによる高い耐トルク性能が十分に確保される。

以下に、第１実施形態のねじ継手の好適な態様について補足する。

第１実施形態のねじ継手では、締結が完了した状態において、雄ねじ部１１のねじ山頂面１１ａと雌ねじ部２１のねじ谷底面２１ｂとの間に、隙間３１が設けられる。この隙間３１によって、ドープによる異常な圧力上昇を防止することができる。一方、雄ねじ部１１のねじ谷底面１１ｂと雌ねじ部２１のねじ山頂面２１ａとは互いに接触する。ただし、雄ねじ部１１のねじ山頂面１１ａと雌ねじ部２１のねじ谷底面２１ｂとの間、及び雄ねじ部１１のねじ谷底面１１ｂと雌ねじ部２１のねじ山頂面２１ａとの間の両方に隙間が設けられてもよい。雄ねじ部１１のねじ谷底面１１ｂと雌ねじ部２１のねじ山頂面２１ａとの間にのみ隙間が設けられてもよい。その隙間の好ましい範囲は、０．０５〜０．５ｍｍである。この範囲内であれば、雄ねじ部１１と雌ねじ部２１のかみ合い高さが確保され、高いトルク性能を発揮できるからである。

雄ねじ部１１及び雌ねじ部２１のテーパ角は、管軸ＣＬに対して１°以上５°以下であることが好ましい。ねじ部のテーパ角が大きすぎると、ねじ部の長さが短くなりすぎて、耐トルク性能が低下する。一方、ねじ部のテーパ角が小さすぎると、ねじ部の長さが長くなりすぎて、製造コストが増大する。そのテーパ角のより好ましい下限は１．５°であり、更に好ましい下限は２°である。そのテーパ角のより好ましい上限は４°である。

雄ねじ部１１及び雌ねじ部２１それぞれのねじ高さは、１.０ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であることが好ましい。ねじ高さが高すぎると、製造コストが増大する上、ボックス２０の肉厚が減少し、内圧に対する密封性能が低下する。一方、ねじ高さが低すぎると、耐トルク性能が低下する。ねじ高さのより好ましい下限は１．２ｍｍであり、更に好ましい下限は１．５ｍｍである。

ピン１０のリップ部１２を構成するシーリングヘッド部１５において、シール面１３の領域の最大外径位置での肉厚が管本体の肉厚の５５％以上８０％以下であることが好ましい。シール面１３領域の肉厚が薄すぎると、剛性が低下することから、外圧に対する密封性能を確保できない。一方、シール面１３領域の肉厚が厚すぎると、剛性が高くなる。その反面、シール面１３領域の厚肉化をシーリングヘッド部１５の外径の拡大で対処する場合、ボックス２０のシール面２３の径が拡大し、これに伴うボックス２０の肉厚減少により、内圧に対する密封性能が低下するおそれがある。また、シール面１３領域の厚肉化をシーリングヘッド部１５の内径の縮小で対処する場合は、シーリングヘッド部１５の内径、特にヘッド内周円筒面１５ｂｂの内径を、ＡＰＩ規格で規定された内径に抑える必要がある。

これに対し、ピン１０のリップ部１２を構成する首部１４の最小肉厚は、管本体の肉厚の４５％以上７０％以下であることが好ましい。首部１４の最小肉厚が薄すぎると、首部１４の剛性が低下することから、外圧に対する密封性能を確保できない。一方、首部１４の最小肉厚が厚すぎると、ねじ切り開始位置がピン１０の外周側に寄るため、ねじ高さを低くするか、又はねじ部の長さを短縮する事態が生じ、楔型ねじによる耐トルク性能が発揮されない。

シーリングヘッド部１５の外周面１５ａのうち、首部１４の外周面１４ａに連なるヘッド外周内側テーパ面１５ａａのテーパ角は、管軸ＣＬに対して５°以上２０°以下であることが好ましい。ヘッド外周内側テーパ面１５ａａのテーパ角が大きいと、シーリングヘッド部１５の肉厚増加に伴いシール面１３の領域の剛性が高くなる反面、ボックス２０の肉厚が減少し、内圧に対する密封性能が低下する。一方、ヘッド外周内側テーパ面１５ａａのテーパ角が小さすぎると、シール面１３の領域の肉厚を確保することができず、外圧に対する密封性能が低下する。

リップ部１２の内周面１４ｂ及び１５ｂのうち、ヘッド内周円筒面１５ｂｂ（首部１４の領域まで伸出した場合も含む）の管軸ＣＬ方向の長さＬ_１は、３ｍｍ以上であることが好ましい。この長さＬ_１は、ヘッド内周先端テーパ面１５ｂｃとヘッド内周円筒面１５ｂｂとの境界を基準とする長さである。ヘッド内周先端テーパ面１５ｂｃの管軸ＣＬ方向の長さＬ_２は、８〜１２ｍｍ程度である。ヘッド内周円筒面１５ｂｂの長さＬ_１が短すぎると、シーリングヘッド部１５の剛性が十分に増加しないことから、外圧に対する密封性能を確保できない。長さＬ_１のより好ましい下限は４ｍｍ以上である。一方、その長さＬ_１は長ければ長いほどよい。ただし、長さＬ_１はスウェージ加工の度合いに依存する。このため、長さＬ_１の好ましい上限は１５ｍｍ以下である。

リップ部１２のシール面１３を構成するシールテーパ面１３ｂについて、そのテーパ角は、管軸ＣＬに対して３°以上１０°以下であることが好ましい。シールテーパ面１３ｂのテーパ角が大きいと、シール面１３の領域の先端部で肉厚の減少に伴い剛性が低下することから、外圧に対する密封性能が低下する。一方、シールテーパ面１３ｂのテーパ角が小さすぎると、ねじ継手に引張荷重が負荷されたときに、シール面１３、２３同士がすべり、両者の接触を喪失するおそれがある。

締結が完了した状態において、ピン１０のリップ部１２の先端面と、ボックス２０の凹部２２の管本体側の端と、の間には隙間３０が設けられる（図１参照）。その隙間３０は、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であることが好ましい。その隙間３０がないと、締結の過程で、ピン１０の先端面がボックス２０の凹部２２に不用意に接触する。そのため、雄ねじ部１１と雌ねじ部２１の嵌め合いが不十分となり、耐トルク性能が得られない。一方、その隙間３０が大きすぎると、その隙間３０の近傍において、ねじ継手内を流通する流体の乱流が発生し、エロージョンを誘発する可能性がある。

［第２実施形態］
図４は、第２実施形態の鋼管用ねじ継手におけるピンの先端部の一例を示す縦断面図である。図４に示す第２実施形態のねじ継手は、前記図１〜図３に示す第１実施形態のねじ継手を変形したものであり、第１実施形態と重複する説明は適宜省略する。

第２実施形態のねじ継手では、リップ部１２を構成する首部１４の内周面１４ｂのうち、ネック内周テーパ面１４ｂｂは、ピン１０の先端側ほど直径が拡大するテーパ面となっている。これにより、シーリングヘッド部１５の内径ｄ_１が管本体の内径ｄ_０よりも大きい。もっとも、第２実施形態でも、第１実施形態と同様に、シーリングヘッド部１５におけるシール面１３の領域の最大外径Ｄ_１は、首部１４における雄ねじ部１１との境界位置での外径Ｄ_２よりも大きい。したがって、第２実施形態のねじ継手によっても、上記第１実施形態と同様の効果を奏する。

ただし、第２実施形態の場合、シール面１３領域の肉厚の拡大は、シール面１３領域の外径の拡大をもたらす。このため、ボックス２０のシール面２３の径が拡大し、これに伴うボックス２０の肉厚減少により、内圧に対する密封性能が低下するおそれがある。この点で、第１実施形態の方が優位である。

その他、本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、上記の実施形態のねじ継手は、カップリング型のみならずインテグラル型にも適用することができる。

本発明による効果を確認するため、弾塑性有限要素法による数値シミュレーション解析を実施した。

［実施例１］
＜試験条件＞
ＦＥＭ解析のモデルは、楔型ねじを採用したカップリング型の油井管用ねじ継手をベースとした。本発明例として、前記図１〜図３に示す第１実施形態のねじ継手に基づくモデルを作製した。比較例として、シーリングヘッド部におけるシール面の領域の最大外径がネック部のねじ切り開始位置での外径よりも小さい従来一般的なねじ継手のモデルを作製した。各モデルの主要寸法は下記の表１のとおりである。

共通の条件は下記のとおりである。
・ねじ継手（鋼管）のサイズ：７−５／８［ｉｎｃｈ］×５５．３［ｌｂ．／ｆｔ．］
・鋼管（ピン）及びカップリング（ボックス）のグレード：ＡＰＩ規格のＴ９５（降伏応力が９５［ｋｓｉ］（６５５［ＭＰａ］）の炭素鋼）

＜評価方法＞
ＦＥＭ解析では、締結が完了した状態の各モデルにＩＳＯ１３６７９ Ｓｅｒｉｅｓ Ａ試験を模擬した荷重履歴を負荷した。その際に、トルク線図が降伏し始める点（降伏トルク）の値を採用し、この値を比較することにより、耐トルク性能を評価した。また、その履歴の内圧サイクル（第一、第二象限）及び外圧サイクル（第三、第四象限）におけるシール面のシール接触力（シール面の平均シール接触圧とシール接触幅の積）の最小値（この値が高いほどシール面の密封性能が良いことを意味する）を比較することにより、密封性能を評価した。

＜試験結果＞
図５は、実施例１における耐トルク性能の評価結果を示す図である。図６は、実施例１における密封性能の評価結果を示す図である。図５に示すように、本発明例及び比較例のいずれも高い耐トルク性能を発揮することができた。図６に示すように、比較例では、シール面の接触が失われた。これに対し、本発明例では、密封性能が格段に高くなった。

［実施例２］
＜試験条件＞
ＦＥＭ解析のモデルは、楔型ねじを採用したカップリング型の油井管用ねじ継手をベースとし、前記図１〜図４に示す第１、第２実施形態のねじ継手に基づき、リップ部の形状を種々変更した。具体的には、図７に示すように、シーリングヘッド部の内径を変更し、これにより、管本体の肉厚に対するシーリングヘッド部におけるシール面領域の最大外径位置での肉厚の比率（以下、「管本体に対するシール部の肉厚比」ともいう）を、５０％、５６％、６１％、７４％及び８３％の５段階に変更した。各モデルの主要寸法は下記の表２のとおりである。

共通の条件は下記のとおりである。
・ねじ継手（鋼管）のサイズ：７［ｉｎｃｈ］×３５．０［ｌｂ．／ｆｔ．］
・鋼管（ピン）及びカップリング（ボックス）のグレード：ＡＰＩ規格のＬ８０（降伏応力が８０［ｋｓｉ］（５５２［ＭＰａ］）の炭素鋼）

試験Ｎｏ．１〜３は、前記図４に示す第２実施形態のねじ継手に基づくものであり、シーリングヘッド部の内径が管本体の内径よりも大きい。試験Ｎｏ．４、５は、前記図３に示す第１実施形態のねじ継手に基づくものであり、シーリングヘッド部の内径が管本体の内径よりも小さい。

＜評価方法＞
前記実施例１と同様に、締結が完了した状態の各モデルにＩＳＯ１３６７９ Ｓｅｒｉｅｓ Ａ試験を模擬した荷重履歴を負荷し、シール面のシール接触力の最小値を比較することにより、密封性能を評価した。

＜試験結果＞
図８は、実施例２における密封性能の評価結果を示す図である。図８に示す結果から、管本体に対するシール部の肉厚比の増加、すなわちリップ部の肉厚増加に伴って、密封性能が向上することがわかった。特に、リップ部の肉厚増加の度合いについては、管本体に対するシール部の肉厚比が５５％以上であれば、密封性能を十分に確保できることがわかった。

［実施例３］
＜試験条件＞
ＦＥＭ解析のモデルは、楔型ねじを採用したカップリング型の油井管用ねじ継手をベースとし、前記図１〜図３に示す第１実施形態のねじ継手に基づき、リップ部の形状を種々変更した。具体的には、図９に示すように、ヘッド内周円筒面の長さを２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ及び５ｍｍの４段階に変更した。各モデルの主要寸法は下記の表３のとおりである。

共通の条件は下記のとおりである。
・ねじ継手（鋼管）のサイズ：３−１／２［ｉｎｃｈ］×９．２［ｌｂ．／ｆｔ．］
・鋼管（ピン）及びカップリング（ボックス）のグレード：ＡＰＩ規格のＬ８０（降伏応力が８０［ｋｓｉ］（５５２［ＭＰａ］）の炭素鋼）

＜評価方法＞
前記実施例１及び２と同様に、締結が完了した状態の各モデルにＩＳＯ１３６７９ Ｓｅｒｉｅｓ Ａ試験を模擬した荷重履歴を負荷し、シール面のシール接触力の最小値を比較することにより、密封性能を評価した。

＜試験結果＞
図１０は、実施例３における密封性能の評価結果を示す図である。図１０に示す結果から、ヘッド内周円筒面の長さの増加に伴って、密封性能が向上することがわかった。特に、ヘッド内周円筒面の長さが３ｍｍ以上であれば、密封性能を十分に確保できることがわかった。

本発明のねじ継手は、地下資源を掘削し、生産し、又は搬送する際に使用される鋼管の連結に有効に利用できる。地下資源とは、原油、天然ガス、シェールガス、メタンハイドレート等の化石燃料をはじめ、地下水、温泉といった気体又は液体状の地下資源である。

１０：ピン、 １１：雄ねじ部、
１１ａ：ねじ山頂面、 １１ｂ：ねじ谷底面、
１１ｃ：荷重面、 １１ｄ：挿入面、
１２：リップ部、 １３：シール面、
１４：首部、 １５：シーリングヘッド部、
２０：ボックス、 ２１：雌ねじ部、
２１ａ：ねじ山頂面、 ２１ｂ：ねじ谷底面、
２１ｃ：荷重面、 ２１ｄ：挿入面、
２２：凹部、 ２３：シール面、 ３０、３１：隙間、
Ｄ_１：シーリングヘッド部におけるシール面の領域の最大外径、
Ｄ_２：首部における雄ねじ部との境界位置での外径、
ｄ_１：シーリングヘッド部の内径、 ｄ_０：管本体の内径、
ＣＬ：管軸、 Ｌ_１：シーリングヘッド内周円筒面の管軸方向の長さ、
Ｌ_２：シーリングヘッド内周先端テーパ面の管軸方向の長さ

Claims (9)

1. 管状のピンと、管状のボックスとから構成され、前記ピンが前記ボックスにねじ込まれて前記ピンと前記ボックスが締結される鋼管用ねじ継手であって、
   前記ピンは、前記ピンの管本体から先端に向けて順に、ダブテイル形状のテーパねじの雄ねじ部と、シール面を含むリップ部と、を備え、
   前記ボックスは、前記ピンの前記雄ねじ部に対応するダブテイル形状のテーパねじの雌ねじ部と、前記リップ部に対応するシール面を含む凹部と、を備え、
   前記リップ部は、前記雄ねじ部から前記ピンの先端に向けて順に、首部と、前記シール面を含むシーリングヘッド部と、を備え、
   前記シーリングヘッド部における前記シール面の領域の最大外径が、前記首部における前記雄ねじ部との境界位置での外径よりも大きく、
   前記シーリングヘッド部の内径が管本体の内径よりも小さく、
   前記リップ部の内周面が、前記ピンの先端側から順に、先端側ほど直径が拡大するテーパ面と、このテーパ面に連なる円筒面と、前記ピンの先端側ほど直径が縮小する内側テーパ面を含む、鋼管用ねじ継手。
2. 請求項１に記載の鋼管用ねじ継手であって、
   前記テーパ面と前記円筒面との境界を規準とし、前記円筒面の管軸方向の長さが３ｍｍ以上である、鋼管用ねじ継手。
3. 請求項１又は２に記載の鋼管用ねじ継手であって、
   締結が完了した状態で、前記雄ねじ部のねじ山頂面と前記雌ねじ部のねじ谷底面との間、及び前記雄ねじ部のねじ谷底面と前記雌ねじ部のねじ山頂面との間のうちの少なくとも一方に隙間が設けられる、鋼管用ねじ継手。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋼管用ねじ継手であって、
   前記シーリングヘッド部における前記シール面の領域の最大外径位置での肉厚が管本体の肉厚の５５％以上８０％以下であり、
   前記首部の最小肉厚が管本体の肉厚の４５％以上７０％以下である、鋼管用ねじ継手。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の鋼管用ねじ継手であって、
   締結が完了した状態で、前記リップ部の先端面と前記ボックスの前記凹部との隙間が０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下である、鋼管用ねじ継手。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の鋼管用ねじ継手であって、
   前記雄ねじ部及び前記雌ねじ部のテーパ角が、管軸に対して１°以上５°以下である、鋼管用ねじ継手。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の鋼管用ねじ継手であって、
   前記首部の外周面が円筒面であり、
   前記シーリングヘッド部の外周面が、前記首部の外周面に連なり管軸に対して５°以上２０°以下で拡大するテーパ面と、このテーパ面に連なる円筒面と、前記シール面として前記円筒面に連なる曲率面及び前記ピンの先端側ほど縮小するテーパ面から構成されるシール面と、を含む、鋼管用ねじ継手。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の鋼管用ねじ継手であって、
   前記リップ部の前記シール面がテーパ面を含み、このテーパ面のテーパ角が管軸に対して３°以上１０°以下である、鋼管用ねじ継手。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の鋼管用ねじ継手であって、
   前記雄ねじ部及び前記雌ねじ部それぞれのねじ高さが１．０ｍｍ以上３．０ｍｍ以下である、鋼管用ねじ継手。

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