JP6350553B2

JP6350553B2 - ねじ構造

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Publication number: JP6350553B2
Application number: JP2016015401A
Authority: JP
Inventors: 裕之山▲崎▼; 菅野　康二; 康二菅野; 明 ▲芦▼立
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2016-01-29
Filing date: 2016-01-29
Publication date: 2018-07-04
Anticipated expiration: 2036-01-29
Also published as: JP2017133638A

Description

本発明は、圧力容器の密閉用に好適な、疲労強度を向上させた、ねじ構造に関する。

従来のねじ構造には、めねじ角度の圧力側半角α１と遊び側半角α２を、α１＜α２とし、めねじ圧力側山頂角部をおねじ谷底部周辺に圧接させ、負荷時にめねじ圧力側山頂角部に集中的に圧縮応力を与えることで、疲労強度を向上させようとするねじ構造がある（例えば、特許文献１参照）。

特開昭５１−０３７３６１号公報

図１は、圧力容器密閉用のねじ構造の従来例を示す模式的な軸方向断面図である。圧力容器4は、例えばＡＰＩ（米国石油協会）規格のTechnical Report 5C3に規定されるコラプス試験機を構成する。コラプス試験機は、シーリングプレート7とセンターシャフト6にて管両端部を封鎖して圧力容器4内にセットした被試験管5に対し、給水加圧により外圧（例えば、試験圧1000〜1500kgf/cm²）を負荷するコラプス試験を行って、被試験管5の圧潰特性を把握するのに用いられる。

圧力容器4は、被試験管5のセット後、前記給水加圧に先立ち、軸方向端の開口を塞いだカバー11を、密閉用ねじで押さえることで、密閉される。密閉用ねじは、圧力容器4の軸方向端部に設けためねじ1と、これに螺合する、ナット10に設けたおねじ2とからなるねじ構造を有し、めねじ1とおねじ2を螺合させて締め付け、ナット10の先端面（以下、おねじ2の先端面ともいう。）をカバー11の端面に当接させることで、カバー11は押さえられる。なお、ねじには、ねじ山がらせん状に連続的に延在する連続ねじと、連続ねじの円周方向の一又は複数箇所においてねじ山を除去してねじ無し部とした断続ねじとがあるが、いずれであっても前記密閉用ねじとして使用できる。

従来のねじ構造においては、ねじ山高さ及びねじ山幅は、ねじ部の全長にわたり一定である。従来のねじ構造の場合、図５に示すように、外圧負荷時に１山目のねじ谷底部が最大応力発生部になり、この部位で比較的早期に疲労破壊が生じる、すなわち、ねじ山荷重分担の均一化が十分でなく、局所的に疲労強度が低くなるねじ構造となっている。

その結果、従来のねじ構造では、繰り返し使用できる限界の回数である耐用回数が、100回未満と少なすぎる憂いがあり、耐用回数の向上が望まれていた。

本発明は、上述の事情に鑑み、ねじ山荷重分担の均一化ができて、疲労強度を大きく向上でき、耐用回数を大幅に増大させうる、圧力容器密用に好適な、ねじ構造を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために検討を重ねた結果、ねじ部先端側領域における、めねじとおねじの少なくともいずれか一方のねじ山幅を、ねじ部先端に向かうにつれて漸減する形態とすることにより、ねじ山荷重分担の均一化が達成可能であるとの知見を得て、本発明をなした。

本発明に係るねじ構造は、圧力容器密閉用のねじ構造であって、互いに螺合するめねじとおねじからなるねじ部を備え、密閉時に前記おねじの先端が前記圧力容器のカバーに当接するねじ構造において、前記ねじ部の先端から数えたねじ山数がねじ山総数の15％以上50％以下になるまでを漸減域とし、該漸減域内ではねじ部の先端に向かうにつれて、めねじとおねじの少なくとも一方のねじ山の幅が漸減していることを特徴とする。

本発明に係るねじ構造は、上記の発明において、前記めねじとおねじの少なくとも一方のねじ山の幅が漸減していることに加えて、おねじのねじ山高さが漸減していることを特徴とする。

本発明に係るねじ構造は、上記の発明において、前記カバーのおねじ当接面が、半径R0の円形端面の外周部分を除去した残りの半径R1の円形当接面であり、半径R0との比R1/R0が、0.74以上1.0未満であることを特徴とする。

本発明に係るねじ構造は、上記の発明において、下記式により定義される偏差σが0以上0.007以下であることを特徴とする。
σ＝ｘ/（ねじ山総数） ‥‥（１）
ｘ＝Σ｜ｘ_ｉ−ｘ_０｜ ‥‥（２）
ｘ_ｉ＝（ｉ山目ねじの最大応力）/Σ（ｉ山目ねじの最大応力） ‥‥（３）
ｘ_０＝１/（ねじ山総数） ‥‥（４）

本発明によれば、ねじ構造の更なる疲労強度向上を可能にしたので、圧力容器などの設備の設計段階で、設備密閉用のねじ長さを短くすることができ、設備のコンパクト化が図れるため、初期費用の低廉化が可能となった。また、疲労強度が向上するので、設備寿命の延命化ができ、ライフサイクルコストの低廉化という効果もある。

従来の圧力容器密閉用のねじ構造の例（従来例）を示す模式的な軸方向断面図である。本発明の第１の実施形態（負荷面漸減化）の概要を示すねじ構造の模式的な軸方向断面図である。本発明の第２の実施形態（負荷面＆ねじ山漸減化）の概要を示すねじ構造の模式的な軸方向断面図である。本発明の第３の実施形態（負荷面漸減化＆カバーカット）の概要を示すねじ構造の模式的な軸方向断面図である。本発明の第４の実施形態（負荷面＆ねじ山漸減化＆カバーカット）の概要を示すねじ構造の模式的な軸方向断面図である。比較例（SN7）の概要を示すねじ構造の模式的な軸方向断面図である。比較例（SN8）の概要を示すねじ構造の模式的な軸方向断面図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明に用いる図面において、前掲図と同一又は相当部材には同じ符号を付し、説明を省略する。また、「１山目」、「２山目」、‥‥なる用語の中の算用数字「１」、「２」、‥‥は、部材符号ではなく、ねじ山の序数を表すものとする。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係るねじ構造は、圧力容器密閉用のねじ構造であって、例えば図２に示すように、互いに螺合するめねじ1とおねじ2からなるねじ部を備え、密閉時におねじ2の先端が圧力容器4のカバー11に当接するねじ構造において、ねじ部の先端から数えたねじ山数がねじ山総数の15％以上50％以下になるまでの漸減域20内で、ねじ部の先端に向かうにつれて、めねじ1とおねじ2の少なくともいずれか一方のねじ山の幅が漸減するようにした。ここで、「ねじ山の幅」とは、ねじ山高さの中点位置でのねじ山のねじ軸方向サイズのことである。図２の(a)は圧力容器のねじ部付近の容器半径部分図であり、(b)はねじ部の拡大図である。図２の例では、先端から６山目までの領域（この領域のねじ山数５山がねじ山総数13山に対し、６/13×100＝46％である）を漸減域20としている。図２の例では、おねじ2のねじ山の幅を漸減させているが、それの代わりにめねじ1のねじ山の幅を漸減させてもよく、また、めねじ1とおねじ2の両方ともにねじ山の幅を漸減させてもよい。

この第１の実施形態によれば、先端側ほど接触面（負荷面の接触域）が小さくなって、ねじ部に加わる荷重を各ねじ山でほぼ均等に分担できるようになり、すなわち、ねじ山荷重分担の均一化ができて、１山目ねじ谷底部に集中的に応力が発生するのを回避でき、その結果、疲労強度が向上して、耐用回数が大幅に改善できる。なお、本発明では、耐用回数の向上で以って、疲労強度が向上したものとみなしており、疲労試験にて疲労強度を直接測定しているわけではない。

この第１の実施形態を、便宜上、「負荷面漸減化」という。
漸減域20内のねじ山数が、ねじ山総数の15％に満たないと、ねじ山荷重分担の均一化の効果に乏しい。漸減域20内のねじ山数が、ねじ山総数の50％を超えると、試験圧に対する抵抗力が弱まり、圧力容器4を密閉する機能が低下する。よって、先端からのねじ山数が総ねじ山数の15％〜50％の領域を漸減域20とした。好ましくは30％〜46％の領域である。

ただし、漸減域20において、めねじ1とおねじ2の負荷面同士の対向間隔が小さすぎるとねじ山荷重分担の均一化が難しく、一方、前記対向間隔が大きすぎると、負荷面同士が接触せず、荷重分担ができないという不具合を招きやすいため、漸減域20におけるめねじ1とおねじ2の負荷面同士の対向間隔は、0.01mm以上0.15mm以下とするのが好ましい。

なお、第１の実施形態では、漸減域20以外のねじ部（便宜上、「非漸減域」という。）において、ねじ山高さは例えば0.6〜12.9mmである。また、ねじ山の幅は、非漸減域において、例えば0.6〜12.7mmである。ねじピッチは、例えば、1.2〜25.4mmである。また、ねじ山総数は、例えば10山〜15山である。

圧力容器4の素材鋼種は、例えば4%NiCrMoV鋼、SCM440、などである。カバー11の素材鋼種は、例えばS10C、S20C、などである。おねじ2の担体であるナット10の素材鋼種は、例えば4%NiCrMoV鋼、SCM440、などである。
なお、被試験管の管長は、管径との対比で、例えば３倍〜８倍である。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係るねじ構造は、前記第１の実施形態において、めねじとおねじの少なくともいずれか一方のねじ山の幅が漸減していることに加えて、おねじのねじ山高さが漸減していることとした。この点以外は、第１の実施形態と同様である。これの例を図３に示す。漸減域20内でねじ山高さを漸減させるねじ山の数は、ねじ山の幅を漸減させるねじ山の数以下とするのが好ましい。図３の例では、ねじ山の幅を漸減させる漸減域20は先端から６山目（ねじ山総数は13山である。）までであるが、ねじ山高さ漸減を付加するねじ山は先端から５山目までとしている。

漸減域20において漸減するねじ山高さのねじ軸線に対する勾配（「ねじ山勾配」という。）は6/100〜10/100とするのが好ましく、より好ましくは、7/100〜9/100である。
この第２の実施形態を、便宜上、「負荷面＆ねじ山漸減化」という。
この第２の実施形態（負荷面＆ねじ山漸減化）によれば、第１の実施形態（負荷面漸減化）の場合と比べ、同等あるいはそれ以上の、ねじ山荷重分担の均一化の効果が得られる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係るねじ構造は、前記第１の実施形態において、例えば図４に示すように、カバー11のおねじ2当接面が、半径R0の円形端面の外周部分を除去した残りの半径R1の円形当接面であり、半径R0との比R1/R0が、0.74以上1.0未満となっている。カバー11のおねじ2当接面が、半径R0の円形端面の外周部分を除去した残りの半径R1の円形当接面であり、半径R0との比R1/R0が、0.74以上1.0未満となっている形態を、便宜上、「カバーカット」という。そして、この第３の実施形態を、便宜上、「負荷面漸減化＆カバーカット」という。

この第３の実施形態（負荷面漸減化＆カバーカット）によれば、第１の実施形態（負荷面漸減化）の単独の場合と比べ、ねじ山荷重分担の均一化の効果がさらに向上する。

R1/R0＜1.0とした限定理由を以下に述べる。R1/R0＝1.0の場合を除いたのは、第１〜第３の実施形態の夫々単独の場合と同じになるためである。また、R1/R0＞1.0の場合は、除去した残りの面が除去前の面を上回り、非現実的である。したがって、R1/R0＜1.0とした。なお、好ましくは、R1/R0＜0.9である。
一方、R1/R0≧0.74としたのは、R1/R0＜0.74であると、試験圧によりカバーが陥没するという不具合を招きやすいためである。なお、好ましくは、R1/R0≧0.8である。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に係るねじ構造は、前記第２の実施形態（負荷面＆ねじ山漸減化）において、例えば図５に示すように、カバー11のおねじ2当接面が、半径R0の円形端面の外周部分を除去した残りの半径R1の円形当接面であり、半径R0との比R1/R0が、0.74以上1.0未満となっている。すなわち、第４の実施形態は、第２の実施形態と前記「カバーカット」の組み合わせによる形態であり、これを、便宜上、「負荷面＆ねじ山漸減化＆カバーカット」という。ここでも、R1/R0の限定理由は、第３の実施形態の場合と同様である。
この第４の実施形態（負荷面＆ねじ山漸減化＆カバーカット）によれば、第２の実施形態（負荷面＆ねじ山漸減化）の単独の場合と比べ、ねじ山荷重分担の均一化の効果がさらに向上する。

（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態に係るねじ構造は、前記第１〜第４のいずれかの実施形態において、下記式により定義される偏差σが0以上0.007以下となっている。
σ＝ｘ/（ねじ山総数） ‥‥（１）
ｘ＝Σ｜ｘ_ｉ−ｘ_０｜ ‥‥（２）
ｘ_ｉ＝（ｉ山目ねじの最大応力）/Σ（ｉ山目ねじの最大応力） ‥‥（３）
ｘ_０＝１/（ねじ山総数） ‥‥（４）
式（４）のｘ_０は、各ねじ山で応力（最大応力で代表した。以下同じ。）を均等に分担するとした場合の、各ねじ山の応力分担率であり、便宜上、「均等分担率」という。式（３）のｘ_ｉは、各ねじ山が分担する実際の応力の分担率であり、便宜上、「実分担率」という。式（２）のｘは、各ねじ山での実分担率ｘ_ｉの、均等分担率ｘ_０からのずれの絶対値を１山目から最終山目まで合計した値であり、便宜上「総偏差」という。式（１）の偏差σは、総偏差ｘをねじ山総数で平均した、１山当たりの平均偏差である。この偏差σが0に近づくほど、ねじ山荷重分担の均一性が高くなる。

式（３）の「ｉ山目ねじの最大応力」は、FEM（有限要素法）を用いた計算により算出することができる。
この第５の実施形態によれば、第１〜第４の実施形態において、偏差σが0.007以下となるようにねじ形状を設計することにより、より一段と、疲労強度が向上し、偏差σが0.007超の場合に比べて、耐用回数が大幅に向上する。

表１に示す従来例(SN1)、本発明例(SN2〜5)、比較例(SN6〜8)について、以下の調査を行った。
従来例（SN1）は、コラプス試験機の圧力容器素材鋼種＝4％NiCrMoV鋼、おねじ2の担体であるナット10の素材鋼種＝4%NiCrMoV鋼、ねじ山総数＝13山、ねじ山高さ＝12.9mm、ねじ山の幅＝12.7mm、ねじピッチ＝25.4mm、とした。前記漸減域20は無しであり、また、前記カバーに係るR1/R0は1.0とした。
被試験管5は、外径＝139.7mmのものを用いた。

調査内容は次のとおりとした。すなわち、試験圧＝1406kgf/cm²でのコラプス試験条件下で、ねじ部に発生した最大主応力、及び、めねじとおねじの夫々における偏差σを求め、かつ耐用回数を求めた。前記最大主応力及び偏差σは、FEMを用いた計算により算出した。前記耐用回数は、使用実績から求めた。

本発明例（SN2）は、第１の実施形態（負荷面漸減化）の例である（図２）。この例では、漸減域20は、ねじ山総数＝13山、漸減するおねじのねじ山の幅のうちねじ山の幅が最小になる１山目のねじ山の幅＝12.5mmとした。その他は従来例(SN1)と同じ条件とした。

本発明例（SN3）は、第２の実施形態（負荷面＆ねじ山漸減化）の例である（図３）。この例では、本発明例（SN2）において、１山目〜５山目のおねじのねじ山を、ねじ山勾配＝8/100とし、先端に行くほどねじ山高さが小さくなる形態とし、その他は、本発明例（SN2）と同じ条件とした。

本発明例（SN4）は、第３の実施形態（負荷面漸減化＆カバーカット）の例である。この例では、本発明例（SN2）において、カバー11に係るR1/R0を0.80とし、その他は、本発明例（SN2）と同じ条件とした。

本発明例（SN5）は、第４の実施形態（負荷面＆ねじ山漸減化＆カバーカット）の例である。この例では、本発明例（SN3）において、カバー11に係るR1/R0を0.80とし、その他は、本発明例（SN3）と同じ条件とした。

比較例（SN6）は、本発明例（SN3）において、漸減域20におけるねじ山の幅を非漸減域と同じねじ山の幅に変更し（すなわち、ねじ山の幅の漸減なしとし）、その他は、本発明例（SN3）と同じ条件とした。

比較例（SN7）は、従来例（SN1）にカバーカットを加えた例である（図６参照）。この例では、カバー11に係るR1/R0を0.80とし、その他は、従来例（SN1）と同じ条件とした。

比較例（SN8）は、従来例（SN1）において、図７に示すような「バンド巻き」を加え、その他は、従来例（SN1）と同じ条件とした例である。この「バンド巻き」とは、圧力容器4の１山目のねじ谷部位の外周面をバンド12で締め付けた形態である。

上述の本発明例及び比較例では、従来例と同様、試験圧＝1406kgf/cm²でのコラプス試験条件下で、ねじ部に発生した最大主応力、及び、めねじとおねじの夫々における偏差σを求め、かつ耐用回数を求めた。前記最大主応力及び偏差σは、FEMを用いた計算により算出した。前記耐用回数は、使用実績から求めた。その結果を、従来例の結果と併せて表１に示す。

表１に示されるとおり、本発明例では、従来例及び比較例に比べ、最大主応力が低く、偏差σが小さく、耐用回数が大幅に増大していることがわかる。とくに、本発明の第５の実施形態に該当する、σ＜0.007となっている本発明例（SN5）は、耐用回数が最大となった。

1 めねじ
2 おねじ
4 圧力容器
5 被試験管
6 センターシャフト
7 シーリングプレート
10 ナット
11 カバー
12 バンド
20 漸減域

Claims

圧力容器密閉用のねじ構造であって、互いに螺合するめねじとおねじからなるねじ部を備え、密閉時に前記おねじの先端が前記圧力容器のカバーに当接するねじ構造において、前記ねじ部の先端から数えたねじ山数がねじ山総数の15％以上50％以下になるまでを漸減域とし、該漸減域内ではねじ部の先端に向かうにつれて、めねじとおねじの少なくとも一方のねじ山の幅が漸減していることを特徴とするねじ構造。
前記めねじとおねじの少なくとも一方のねじ山の幅が漸減していることに加えて、おねじのねじ山高さが漸減していることを特徴とする請求項１に記載のねじ構造。
前記カバーのおねじ当接面が、半径R0の円形端面の外周部分を除去した残りの半径R1の円形当接面であり、半径R0との比R1/R0が、0.74以上1.0未満であることを特徴とする請求項１又は２に記載のねじ構造。
下記式により定義される偏差σが0以上0.007以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のねじ構造。
σ＝ｘ/（ねじ山総数） ‥‥（１）
ｘ＝Σ｜ｘ_ｉ−ｘ_０｜ ‥‥（２）
ｘ_ｉ＝（ｉ山目ねじの最大応力）/Σ（ｉ山目ねじの最大応力） ‥‥（３）
ｘ_０＝１/（ねじ山総数） ‥‥（４）