JP6795084B2 - 鋼管用ねじ継手 - Google Patents

Description

本開示は、鋼管用ねじ継手に関し、さらに詳しくは、２本の鋼管を互いに接続するためのねじ継手に関する。

例えば、油井や天然ガス井等（以下、総称して「油井」ともいう）の試掘又は生産、オイルサンドやシェールガス等の非在来型資源の開発、二酸化炭素の回収や貯留（ＣＣＳ（Carbon dioxide Capture and Storage））、地熱発電、あるいは温泉等では、油井管と呼ばれる鋼管が用いられる。鋼管同士の連結には、ねじ継手が用いられる。

この種の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とに大別される。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が形成され、カップリングの両端部の内周に雌ねじが形成される。そして、鋼管の雄ねじがカップリングの雌ねじにねじ込まれ、これにより両者が締結されて連結される。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が形成され、他端部の内周に雌ねじが形成される。そして、一方の鋼管の雄ねじが他方の鋼管の雌ねじにねじ込まれ、これにより両者が締結されて連結される。

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

油井は、掘削中に坑壁が崩れないように、油井管で坑壁を補強しながら掘り進むため、結果的に油井管が多重に配置された構造になる。近年、油井の高深度化及び超深海化がますます進展しているが、このような環境では、効率よく油井を開発するため、油井管の接続に、継手部の内径及び外径が鋼管の内径及び外径と同程度かまたはわずかに大きい程度であるねじ継手が多用される。このようなねじ継手を用いることで、多重に配置される油井管同士の隙間を極力小さくすることができ、深くても井戸の径があまり大きくならず効率的に油井を開発できる。このような内径及び外径の制約の下で、ねじ継手には、内部からの流体圧力（以下、「内圧」ともいう）及び外部からの流体圧力（以下、「外圧」ともいう）に対し、優れた密封性能が要求される。さらに、例えば大深度の油井に用いられる場合等では油井管の熱膨張によって、ねじ継手に大きな引張荷重や圧縮荷重がかかる。このような環境においても、ねじ継手には優れた密封性能を備えることも要求される。

密封性能を確保するためのねじ継手として、メタル−メタル接触によるシール（以下、「メタルシール」という。）を有するものが知られている。メタルシールとは、ピンのシール面の径がボックスのシール面の径よりも僅かに大きく（この径の差を「干渉量」と呼ぶ）、ねじ継手を締結してシール面同士が嵌め合わされると、干渉量によりピンのシール面が縮径し、ボックスのシール面が拡径し、それぞれのシール面が元の径に戻ろうとする弾性回復力によってシール面に接触圧力が発生して全周密着し、密封性能を発揮する構造である。また、密封性能を確保するためのねじ継手として、メタルシールを備えずに又はメタルシールと併用して、ねじ部で密封性能をもたせる構造を備えるものも知られている。具体的には、締結状態でのねじ部の所定長さ以上の領域において、ピンとボックスのねじ面どうしの隙間が小さくその隙間にドープと呼ばれる粘性を持った潤滑剤を存在させるとともに、ピンとボックスのネジ径の干渉によりねじ面に接触面圧をもたせた構造（以下、この構造を「ねじシール（構造）」という。）である。このようなねじシールを備えることにより、内圧および外圧に対する密封性能を有するねじ継手も知られている。

ねじ継手に要求される別の性能として、たとえば、後述するように、締結時にクロススレッドやゴーリングを生じにくいことがあげられる。これに関して、特開平８−３０３６５７号公報は、段落００４１で、「工具の導入および除去を容易にするため、雄ねじの歯の係合フランク（engaging flankあるいはstabbing flank）に絶対値のより大きな角度を与えることが好ましい。この角度はねじの軸線に垂直な面に対して例えば約１０°から４５°である。また、絡み合い（catching）によりねじを破損することなく雌ハウジング内に雄エレメントを導入することを助けるため、雄ねじの歯の先端に結びつく最大直径部分に、ある角度の係合フランクを設けることが好ましい。その角度はねじの軸線に垂直な面に対して３０°と７０°の間にあると有利である。」と記載している。

開示の概要

特開平８−３０３６５７号公報に開示されるねじ継手は、優れた性能を備えるものである。しかし、本発明者らが鋭意検討した結果、後に詳述するように、クロススレッドの起こしやすさや圧縮荷重が付与された際の性能の点で改善の余地があることを新たに見出した。

本開示の目的は、クロススレッドを起こしにくく、かつ、耐圧縮荷重性能が良好な鋼管用ねじ継手を提供することである。

本開示に係る鋼管用ねじ継手は、管状のピンと、管状のボックスとを備える。ピンは、鋼管の一方の先端部に形成される。ボックスは、ピンが挿入されてピンと締結される。ピンは、雄ねじを含む。雄ねじは、ピンの外周に形成される。ボックスは、雌ねじを含む。雌ねじは、雄ねじに対応し、ボックスの内周に形成される。雄ねじ及び雌ねじは、台形ねじであり、かつ、テーパねじである。締結状態で雄ねじ及び雌ねじの少なくとも一部はねじシールを構成する。雄ねじは、雄ねじ山面と、雄ねじ底面と、雄ねじスタビング面と、雄ねじロード面とを含む。雄ねじスタビング面は、ピンの先端に近い側に形成される。雄ねじロード面は、ピンの先端から遠い側に形成される。雄ねじスタビング面は、第１雄ねじスタビング段と、第２雄ねじスタビング段とを有する。第１雄ねじスタビング段は、鋼管の管軸から遠い側に形成され、−１０〜１５度のスタビング角を有する。第２雄ねじスタビング段は、管軸に近い側に形成され、２０〜６０度のスタビング角を有する。第２雄ねじスタビング段は、雄ねじの高さの２０〜６０％の高さを有する。雌ねじは、雌ねじ山面と、雌ねじ底面と、雌ねじスタビング面と、雌ねじロード面とを含む。雌ねじ山面は、雄ねじ底面と対向する。雌ねじ底面は、雄ねじ山面と対向する。雌ねじスタビング面は、雄ねじスタビング面と対向する。雌ねじロード面は、雄ねじロード面と対向する。雌ねじスタビング面は、第１雌ねじスタビング段と、第２雌ねじスタビング段とを有する。第１雌ねじスタビング段は、管軸から遠い側に形成され、第１雄ねじスタビング段のスタビング角と同じスタビング角を有する。第２雌ねじスタビング段は、管軸に近い側に形成され、第２雄ねじスタビング段のスタビング角と同じスタビング角を有する。

図１は、実施形態１に係る鋼管用ねじ継手の管軸方向に沿った縦断面図である。 図２は、図１に示される雄ねじ及び雌ねじの形状をそれぞれ示す拡大縦断面図である。 図３は、図１に示される雄ねじ及び雌ねじの拡大縦断面図である。 図４は、図１に示されるピンの拡大縦断面図である。 図５は、実施形態２に係る鋼管用ねじ継手の管軸方向に沿った縦断面図である。 図６は、実施形態３に係る鋼管用ねじ継手の管軸方向に沿った縦断面図である。 図７は、先行技術に係るねじ継手における雄ねじ及び雌ねじの拡大縦断面図である。 図８は、リグ上で鋼管を接続する様子を示す図である。 図９は、鋼管を接続するときに起きるクロススレッドを説明するための縦断面図である。 図１０は、スタビング角の小さい雄ねじ及び雌ねじでクロススレッドが起きたときの拡大縦断面図である。 図１１は、スタビング角の大きい雄ねじ及び雌ねじでクロススレッドが起きたときの拡大縦断面図である。 図１２は、図２及び図３に示される雄ねじ及び雌ねじでクロススレッドが起きたときの拡大縦断面図である。 図１３は、図７に示される雄ねじ及び雌ねじでクロススレッドが起きたときの拡大縦断面図である。 図１４は、図７に示される雄ねじ及び雌ねじで切削ばりがある場合にクロススレッドが起きたときの拡大縦断面図である。 図１５は、図２及び図３に示される雄ねじ及び雌ねじで切削ばりがある場合にクロススレッドが起きたときの拡大縦断面図である。 図１６は、図２及び図３に示される雄ねじ及び雌ねじを有するねじ継手の圧縮荷重試験結果を示す縦断面図である。 図１７は、図７に示される雄ねじ及び雌ねじを有するねじ継手の圧縮荷重試験結果を示す縦断面図である。 図１８は、図２及び図３に示される雄ねじの圧縮荷重付与時におけるスタビング面の接触応力の計算結果の一例を示す図である。 図１９は、図７に示される雄ねじの圧縮荷重付与時におけるスタビング面の接触応力の計算結果の一例分布を示す図である。

本実施形態に係る鋼管用ねじ継手は、２本の鋼管を互いに接続するためのねじ継手である。本ねじ継手は、管状のピンと、管状のボックスとを備える。ピンは、鋼管の一方の先端部に形成される。ボックスは、ピンが挿入されてピンと締結される。ピンは、雄ねじを含む。雄ねじは、ピンの外周に形成される。ボックスは、雌ねじを含む。雌ねじは、雄ねじに対応し、ボックスの内周に形成される。雄ねじ及び雌ねじは、台形ねじであり、かつ、テーパねじである。締結状態で雄ねじ及び雌ねじの少なくとも一部はねじシールを構成する。雄ねじは、雄ねじ山面と、雄ねじ底面と、雄ねじスタビング面と、雄ねじロード面とを含む。雄ねじスタビング面は、ピンの先端に近い側に形成される。雄ねじロード面は、ピンの先端から遠い側に形成される。雄ねじスタビング面は、第１雄ねじスタビング段と、第２雄ねじスタビング段とを有する。第１雄ねじスタビング段は、鋼管の管軸から遠い側に形成され、−１０〜１５度のスタビング角を有する。第２雄ねじスタビング段は、管軸に近い側に形成され、２０〜６０度のスタビング角を有する。第２雄ねじスタビング段は、雄ねじの高さの２０〜６０％の高さを有する。雌ねじは、雌ねじ山面と、雌ねじ底面と、雌ねじスタビング面と、雌ねじロード面とを含む。雌ねじ山面は、雄ねじ底面と対向する。雌ねじ底面は、雄ねじ山面と対向する。雌ねじスタビング面は、雄ねじスタビング面と対向する。雌ねじロード面は、雄ねじロード面と対向する。雌ねじスタビング面は、第１雌ねじスタビング段と、第２雌ねじスタビング段とを有する。第１雌ねじスタビング段は、管軸から遠い側に形成され、第１雄ねじスタビング段のスタビング角と同じスタビング角を有する。第２雌ねじスタビング段は、管軸に近い側に形成され、第２雄ねじスタビング段のスタビング角と同じスタビング角を有する。

上記実施形態では、雄ねじスタビング面は、鋼管の管軸から遠い側に形成され、−１０〜１５度のスタビング角を有する第１雄ねじスタビング段と、管軸に近い側に形成され、２０〜６０度のスタビング角を有し、かつ、雌ねじスタビング面は、管軸から遠い側に形成され、第１雄ねじスタビング段のスタビング角と同じスタビング角を有する第１雌ねじスタビング段と、管軸に近い側に形成され、第２雄ねじスタビング段のスタビング角と同じスタビング角を有する第２雌ねじスタビング段とを有する。その結果、クロススレッドが起こりにくく、かつ、耐圧縮荷重性能が良好である。

雄ねじはさらに、第１雄ねじラウンド面を含む。第１雄ねじラウンド面は、雄ねじ山面と雄ねじスタビング面との間の角に形成される。雌ねじは、さらに、第１雌ねじラウンド面を含む。第１雌ねじラウンド面は、雌ねじ山面と雌ねじスタビング面との間の角に形成される。

この場合、クロススレッドは上記よりもさらに起こりにくい。

雄ねじはさらに、第２雄ねじラウンド面と、第３雄ねじラウンド面と、第４雄ねじラウンド面とを含む。第２雄ねじラウンド面は、雄ねじ山面と雄ねじロード面との間の角に形成される。第３雄ねじラウンド面は、雄ねじ底面と雄ねじスタビング面との間の角に形成される。第４雄ねじラウンド面は、雄ねじ底面と雄ねじロード面との間の角に形成される。雌ねじはさらに、第２雌ねじラウンド面と、第３雌ねじラウンド面と、第４雌ねじラウンド面とを含む。第２雌ねじラウンド面は、雌ねじ山面と雌ねじロード面との間の角に形成される。第３雌ねじラウンド面は、雌ねじ底面と雌ねじスタビング面との間の角に形成される。第４雌ねじラウンド面は、雌ねじ底面と雌ねじロード面との間の角に形成される。

この場合、クロススレッドは上記よりもさらに起こりにくい。

雄ねじロード面は、−１０〜３度のロード角を有する。雌ねじロード面は、雄ねじロード面のロード角と同じロード角を有する。

この場合、耐引張荷重性能が向上し、いわゆるジャンプアウトが起きにくい。

雄ねじ山面、雄ねじ底面、雌ねじ山面、及び雌ねじ底面は、管軸と平行に形成される。

この場合、スタビング性能が向上する。

雄ねじスタビング面及び雌ねじスタビング面は、締結状態でそれらの間に６０〜１２０μｍの隙間を有する。

この場合、密封性能が向上するとともに、ゴーリング（焼き付き）が起きにくい。

雄ねじ山面及び雌ねじ底面は、締結状態でそれらの間に０〜５０μｍの隙間を有する。雄ねじ底面及び雌ねじ山面は、締結状態でそれらの間に０〜５０μｍの隙間を有する。

この場合、密封性能が向上する。

ピンはさらに、ピンショルダ面を含む。ピンショルダ面は、ピンの先端部に形成される。ボックスはさらに、ボックスショルダ面を含む。ボックスショルダ面は、締結状態でピンショルダ面と接触する。

この場合、耐圧縮荷重性能が向上し、かつ、ねじ同士の干渉量が制御可能である。

雄ねじは、ピンの先端から遠ざかるにつれて小さくなるテーパ比を有するテーパねじを含む。

この場合、ピンの先端から遠ざかるにつれて接触圧が徐々に低くなる。

ピンはさらに、ピンシール面を含む。ピンシール面は、ピンの先端と雄ねじとの間であってピンの外周に形成される。ボックスはさらに、ボックスシール面を含む。ボックスシール面は、ピンシール面と対向し、ボックスの内周に形成され、締結状態でピンシール面と密着する。ねじシールを構成する雄ねじ及び雌ねじの一部は、管軸方向において、鋼管の肉厚の３倍以上の長さを有する。

この場合、密封性能が向上する。

他の実施形態に係る鋼管用ねじ継手は、２本の鋼管を互いに接続するためのねじ継手である。本ねじ継手は、管状の第１ピンと、管状の第２ピンと、カップリングとを備える。第１ピンは、鋼管の一方の先端部に形成される。第２ピンは、鋼管の他方の先端部に形成される。カップリングは、管状の第１ボックスと、管状の第２ボックスとを含む。第１ボックスは、第１ピンが挿入されて第１ピンと締結される。第２ボックスは、第１ボックスの反対側に形成され、第２ピンが挿入されて第２ピンと締結される。第１及び第２ピンの各々は、雄ねじを含む。雄ねじは、ピンの外周に形成される。第１及び第２ボックスの各々は、雌ねじを含む。雌ねじは、雄ねじに対応し、ボックスの内周に形成される。雄ねじ及び雌ねじは、台形ねじであり、かつ、テーパねじである。締結状態で雄ねじ及び雌ねじの少なくとも一部はねじシールを構成する。雄ねじは、雄ねじ山面と、雄ねじ底面と、雄ねじスタビング面と、雄ねじロード面とを含む。雄ねじスタビング面は、ピンの先端に近い側に形成される。雄ねじロード面は、ピンの先端から遠い側に形成される。雄ねじスタビング面は、第１雄ねじスタビング段と、第２雄ねじスタビング段とを有する。第１雄ねじスタビング段は、鋼管の管軸から遠い側に形成され、−１０〜１５度のスタビング角を有する。第２雄ねじスタビング段は、管軸に近い側に形成され、２０〜６０度のスタビング角を有する。第２雄ねじスタビング段は、雄ねじの高さの２０〜６０％の高さを有する。雌ねじは、雌ねじ山面と、雌ねじ底面と、雌ねじスタビング面と、雌ねじロード面とを含む。雌ねじ山面は、雄ねじ底面と対向する。雌ねじ底面は、雄ねじ山面と対向する。雌ねじスタビング面は、雄ねじスタビング面と対向する。雌ねじロード面は、雄ねじロード面と対向する。雌ねじスタビング面は、第１雌ねじスタビング段と、第２雌ねじスタビング段とを有する。第１雌ねじスタビング段は、管軸から遠い側に形成され、第１雄ねじスタビング段のスタビング角と同じスタビング角を有する。第２雌ねじスタビング段は、管軸に近い側に形成され、第２雄ねじスタビング段のスタビング角と同じスタビング角を有する。

上記実施形態では、雄ねじスタビング面は、鋼管の管軸から遠い側に形成され、−１０〜１５度のスタビング角を有する第１雄ねじスタビング段と、管軸に近い側に形成され、２０〜６０度のスタビング角を有し、かつ、雌ねじスタビング面は、管軸から遠い側に形成され、第１雄ねじスタビング段のスタビング角と同じスタビング角を有する第１雌ねじスタビング段と、管軸に近い側に形成され、第２雄ねじスタビング段のスタビング角と同じスタビング角を有する第２雌ねじスタビング段とを有する。その結果、クロススレッドが起こりにくく、かつ、耐圧縮荷重性能が良好である。

第１ピンはさらに、第１ピンショルダ面を含む。第１ピンショルダ面は、第１ピンの先端に形成される。第２ピンはさらに、第２ピンショルダ面を含む。第２ピンショルダ面は、第２ピンの先端に形成され、締結状態で第１ピンショルダ面と接触する。

この場合、耐圧縮荷重性能が向上し、かつ、ねじ同士の干渉量が制御可能である。

［実施形態１］
以下、鋼管用ねじ継手の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図中同一及び相当する構成については同一の符号を付し、同じ説明を繰り返さない。

図１を参照して、実施形態１に係る鋼管用ねじ継手１０は、２本の鋼管２０を互いに接続するためのねじ継手である。ねじ継手１０は、管状のピン３０と、管状のボックス４０とを備える。ピン３０は、鋼管２０の一方の先端部２２に形成される。ボックス４０は、ピン３０が挿入されてピン３０と締結される。

ここで、実施形態１に係る鋼管用ねじ継手１０はカップリング型であり、２つのピン２０，２０と、カップリング５０とを備える。一方のピン３０は、一方の鋼管２０の先端部２２に形成される。他方のピン３０は、他方の鋼管２０の先端部２２に形成される。カップリング５０は、２つのボックス４０，４０と、環状の突出部５２とを含む。一方のボックス４０は、カップリング５０の一方端部に形成される。他方のボックス４０は、カップリング５０の他方端部に形成される。突出部５２は、カップリング５０の中央部に形成される。一方のボックス４０は、一方のピン３０が挿入されて一方のピン３０と締結される。他方のボックス４０は、一方のボックス４０の反対側に形成され、他方のピン３０が挿入されて他方のピン３０と締結される。

ピン３０は、雄ねじ３１を含む。雄ねじ３１は、ピン３０の外周に形成される。ボックス４０は、雌ねじ４１を含む。雌ねじ４１は、雄ねじ３１に対応し、ボックス４０の内周に形成される。雄ねじ３１及び雌ねじ４１は、台形ねじであり、かつ、テーパねじである。すなわち、雄ねじ３１はピン３０の外周に螺旋状に形成され、その螺旋の径はピン３０の先端に近づくにつれて小さくなる。雌ねじ４１はボックス４０の内周に螺旋状に形成され、その螺旋の径はボックス４０の開口端に近づくにつれて大きくなる。テーパねじの好ましいテーパ比は、６．０〜１８．０％である。テーパ比は、鋼管の肉厚との関係で適正なねじ部の長さが得られるよう設計される。テーパ比は一定でもよいが、雄ねじ３１のテーパ比は、後に詳述するように、ピン３０の先端から遠ざかるにつれて小さくなるのが好ましい。

締結状態で雄ねじ３１及び雌ねじ４１の少なくとも一部はねじシールを構成する。ねじシールを構成する雄ねじ及び雌ねじの一部は、管軸方向において、鋼管２０の肉厚の３倍以上の長さを有する。ねじシールを構成する雄ねじ及び雌ねじは完全ねじである。ねじシールの長さが長いほど密封性能に優れる。一方、ねじシールの長さが長すぎると、ねじ切りにコストと手間がかかるほか、締結時にゴーリングは発生しやすくなる恐れがある。ねじシールの長さは、肉厚の５倍以下であることが好ましい。なお図１では、ねじ継手１０はメタルシールを有しない。

図２及び３を参照して、雄ねじ３１は、雄ねじ山面３２と、雄ねじ底面３３と、雄ねじスタビング面３４と、雄ねじロード面３５とを含む。雄ねじスタビング面３４は、ピン３０の先端に近い側に形成される。雄ねじロード面３５は、ピン３０の先端から遠い側に形成される。

雄ねじスタビング面３４は、２つの雄ねじスタビング段３４１，３４２を有する。雄ねじスタビング段３４１は、鋼管２０の管軸Ｘから遠い側に形成され、スタビング角α１を有する。雄ねじスタビング段３４２は、管軸Ｘに近い側に形成され、スタビング角α２を有する。スタビング角α１，α２は、管軸Ｘに垂直な平面Ｙに対して雄ねじスタビング面３４（雄ねじスタビング段３４１，３４２）が傾斜する角度である。スタビング面３４がオーバーハングしている場合、スタビング角α１は負になる。スタビング角α２はスタビング角α１よりも大きい（α２＞α１）。スタビング角α１は、−１０〜１５度であり、好ましくは８〜１２度であり、例えば約１０度である。スタビング角α２は、２０〜６０度であり、好ましくは２８〜３２度であり、例えば約３０度である。したがって、雄ねじスタビング面３４はほぼ中腹で窪んでいる。

雄ねじスタビング段３４２の高さ（雄ねじ底面３３から雄ねじスタビング段３４１，３４２の境界までの長さ）は、雄ねじの高さの２５〜６０％、例えば３５％である。

雌ねじ４１は、雌ねじ山面４２と、雌ねじ底面４３と、雌ねじスタビング面４４と、雌ねじロード面４５とを含む。雌ねじ山面４２は、雄ねじ底面３３と対向する。雌ねじ底面４３は、雄ねじ山面３２と対向する。雌ねじスタビング面４４は、雄ねじスタビング面３４と対向する。雌ねじロード面４５は、雄ねじロード面３５と対向する。

雌ねじスタビング面４４は、２つの雌ねじスタビング段４４１，４４２を有する。雌ねじスタビング段４４１は、管軸Ｘから遠い側に形成され、雄ねじスタビング段３４１のスタビング角α１と同じスタビング角α１を有する。雌ねじスタビング段４４２は、管軸Ｘに近い側に形成され、雄ねじスタビング段３４２のスタビング角α２と同じスタビング角α２を有する。したがって、雌ねじスタビング面４４はほぼ中腹で膨らんでいる。雄ねじスタビング段３４１，３４２のスタビング角α１，α２と雌ねじスタビング段４４１，４４２のスタビング角α１，α２とは完全に同じでなくてもよく、実質的に同じであればよい。すなわち、スタビング角α１，α２は切削加工に伴う誤差を有する場合がある。

雌ねじスタビング段４４２は、雄ねじスタビング段３４２の高さと同じ高さを有するのが好ましい。これにより、ピンとボックスのねじ面どうしの隙間が必要以上に大きくならず、ねじシール構造で良好な密封性能を発揮することができる。雄ねじスタビング段３４２の高さと雌ねじスタビング段４４２の高さとは完全に同じでなくてもよく、実質的に同じであればよい。すなわち、これらの高さは切削加工に伴う誤差を有する場合がある。

雄ねじ３１はさらに、雄ねじラウンド面３６〜３９を含む。雄ねじラウンド面３６は、雄ねじ山面３２と雄ねじスタビング面３４との間の角に形成される。雄ねじラウンド面３７は、雄ねじ山面３２と雄ねじロード面３５との間の角に形成される。雄ねじラウンド面３８は、雄ねじ底面３３と雄ねじスタビング面３４との間の角に形成される。雄ねじラウンド面３９は、雄ねじ底面３３と雄ねじロード面３５との間の角に形成される。

雌ねじ４１は、雌ねじラウンド面４６〜４９を含む。雌ねじラウンド面４６は、雌ねじ山面４２と雌ねじスタビング面４４との間の角に形成される。雌ねじラウンド面４７は、雌ねじ山面４２と雌ねじロード面４５との間の角に形成される。雌ねじラウンド面４８は、雌ねじ底面４３と雌ねじスタビング面４４との間の角に形成される。雌ねじラウンド面４９は、雌ねじ底面４３と雌ねじロード面４５との間の角に形成される。

ラウンド面３６〜３９，４６〜４９は、いわゆるＲ面（丸いチャンファ面）であり、所定の曲率半径を有する。曲率半径は、０．１〜１．２ｍｍであり、好ましくは０．３〜０．８ｍｍである。

雄ねじロード面３５は、ロード角βを有する。ロード角βは、管軸Ｘに垂直な平面Ｙに対して雄ねじロード面３５が傾斜する角度である。ロード面３５がオーバーハングしている場合、ロード角βは負になる。ロード角βは、−１０〜３度であり、好ましくは−５〜−１度であり、例えば約−３度である。雌ねじロード面４５は、雄ねじロード面３５のロード角βと同じロード角βを有する。雄ねじロード面３５のロード角βと雌ねじロード面４５のロード角βとは完全に同じでなくてもよく、実質的に同じであればよい。すなわち、ロード角βは切削加工に伴う誤差を有する場合がある。

雄ねじ山面３２、雄ねじ底面３３、雌ねじ山面４２、及び雌ねじ底面４３は、管軸Ｘと平行に形成される。具体的には、管軸Ｘを含む縦断面に現れる面３２，３３，４２，４３の線が管軸Ｘと平行である。

図３に示されるように、雄ねじスタビング面３４及び雌ねじスタビング面４４は、締結状態でそれらの間に６０〜１２０μｍの隙間を有する。また、雄ねじ山面３２及び雌ねじ底面４３は、締結状態でそれらの間に０〜５０μｍの隙間を有する。雄ねじ底面３３及び雌ねじ山面４２もまた、締結状態でそれらの間に０〜５０μｍの隙間を有する。

再び図１を参照して、ピン３０はさらに、ピン３０の先端部に形成されるピンショルダ面２４を含む。ボックス４０はさらに、締結状態でピンショルダ面２４と接触するボックスショルダ面５４を含む。

図４を参照して、雄ねじ３１は、ピン３０の先端から遠ざかるにつれて小さくなるテーパ比ＴＲ１〜ＴＲ４を有するテーパねじを含む。例えば、ＴＲ１＝１２．５％、ＴＲ２＝１２．０％、ＴＲ３＝１１．５％、ＴＲ４＝１１．０％である。

［実施形態２］
図５に示されるように、ねじ継手１０は、メタルシールを備えていてもよい。具体的には、ピン３０はさらに、ピン３０の先端と雄ねじ３１との間であってピン３０の外周に形成されるピンシール面２６を含む。ボックス５０はさらに、ピンシール面２６と対向し、ボックス５０の内周に形成され、締結状態でピンシール面２６と密着するボックスシール面５６を含む。ピンシール面２６とボックスシール面５６とがメタルシールを構成する。

［実施形態３］
図６に示されるように、ボックス５０は、上述した突出部５２を備えていなくてもよい。この場合、一方のピン３０のピンショルダ面２４と、他方のピンのピンショルダ面２４とは、締結状態で互いに接触する。この実施形態３は、いわゆるPin to Pin構造を有する。

［先行技術］
図７を参照して、特開平８−３０３６５７号公報に開示されるねじ継手においては、ピンの雄ねじ３１ｐは、雄ねじ山面３２ｐと、雄ねじ底面３３ｐと、雄ねじスタビング面３４ｐと、雄ねじロード面３５ｐとを含む。雄ねじスタビング面３４ｐは、２つの雄ねじスタビング段３４１ｐ，３４２ｐを有する。スタビング段３４２ｐのスタビング角α２ｐはスタビング段３４１ｐのスタビング角α１ｐよりも小さい（α２ｐ＜α１ｐ）。したがって、雄ねじスタビング面３４ｐはほぼ中腹で膨らんでいる。

一方、ボックスの雌ねじ４１ｐは、雌ねじ山面４２ｐと、雌ねじ底面４３ｐと、雌ねじスタビング面４４ｐと、雌ねじロード面４５ｐとを含む。雌ねじスタビング面４４ｐは、２つの雌ねじスタビング段４４１ｐ，４４２ｐを有する。雌ねじスタビング段４４１ｐのスタビング角α１ｐは、雄ねじスタビング段３４１ｐのスタビング角α１ｐと同じである。雌ねじスタビング段４４２ｐのスタビング角α２ｐは、雄ねじスタビング段３４２ｐのスタビング角α２ｐと同じである。したがって、雌ねじスタビング面４４ｐはほぼ中腹で窪んでいる。

［クロススレッド］
図８に示されるように、リグ上で鋼管２０を接続するとき、カップリング５０付きの鋼管２０を吊り下げ、ねじのスタビングを行う。ねじを嵌め合わせ、回転させて締め付ける過程において、ねじを回転させることなく嵌め合わせられる位置を「スタビング位置」という。鋼管２０とカップリング５０の管軸が一致した状態の理想的なスタビング位置では、雄ねじ山面と雌ねじ山面とは全体で接触している。しかし、海上や陸上での作業時には、波や風の影響を受けて吊り下げられた鋼管２０が揺れるため、１度程度の揺れ角を伴うことが多い。

図９に一点鎖線で示されるように、ピン３０をボックス４０に斜めに挿入すると、スタビング位置で雄ねじ山面と雌ねじ山面との間にねじピッチずれが起こった状態での不当な嵌め合いとなり、ピン３０を回転させてもねじが直ちに噛み込んでロックしてしまう現象が起きる。この現象を「クロススレッド」という。ピッチずれの不当な嵌め合いが起きる角度をピッチずれ角という。ピッチずれ角を超える揺れ角がある時にクロススレッドが起きやすい。クロススレッドが起きると、ピン３０を逆回転させてボックス４０から外さなければならないため、鋼管２０の接続作業にかかる時間が長くなる。

クロススレッドが起きると、図１０に示されるように、ピンのスタビング面３４ｐと雄ねじ山面３２ｐとの間にある雄ねじラウンド面３６ｐと、ボックスのスタビング面４４ｐと雌ねじ山面４２ｐとの間にある雌ねじラウンド面４６ｐとが互いにロックする。雄ねじ及び雌ねじの両スタビング角が小さいと、クロススレッドが起きやすい。

これに対し、図１１に示されるように、雄ねじ及び雌ねじの両スタビング角が大きいと、ロックが外れやすくクロススレッドが起きにくい。しかし、スタビング角が大きいと、管軸方向の圧縮荷重によってねじの噛み合いが外れ、雄ねじ山面が雌ねじ山面を飛び越える現象であるジャンプインが起きやすくなる。また、高い外圧又は内圧下での密封性能を向上させるために、ねじの径方向の干渉量を増やすと、スタビング面にかかる圧力が高くなるため、ゴーリングが起きやすくなる。

表１に示されるように、クロススレッドが起きるピッチずれ角の下限は、ねじピッチと鋼管の外径に依存する。ねじピッチを３山／インチよりも大きくすると、ねじの設計が難しくなる。外径が１６インチを超える鋼管では、３山／インチでクロススレッドが起きるピッチずれ角が１度に近くなる。すなわち、特に外径が１６インチを超えるような大径の鋼管において、クロススレッドが起こりにくい構造であることが望まれる。もちろん、外径が１６インチ以下の鋼管であっても、クロススレッドが起こりにくい構造としてもよい

本実施形態は、スタビング面を２段にすることによりクロススレッドを起こりにくくするとともに、耐圧縮荷重性能及び耐ゴーリング性能を低下させることなく維持することを目的とする。

図１２及び図１３に示されるように、スタビング面を２段にし、かつ、ねじの隙間を小さくすれば、ねじ面による密封性能を維持することができる。加えて、耐圧縮荷重性能及び耐ゴーリング性能を維持しながらクロススレッドを起こりにくくするためには、２段にしたうちの一方のスタビング面（スタビング段）のスタビング角を大きくすればよい。スタビング角を大きくすれば、ロックが外れやすくクロススレッドが起きにくい。

図１３に示される先行技術の形態と比べ、図１２に示される実施形態は、剛性の高いボックス本体に近い側のスタビング段４４１のスタビング角を小さくしているため、スタビング段４４１が圧縮荷重を大きく受ける。そのため、限界圧縮荷重までねじの噛み合わせを維持することができる。また、圧縮荷重と同時に内圧がかかっても、ねじの径方向に隙間が生じることもなく、密封性能を維持することができる。さらに、限界圧縮荷重によりジャンプインが起きる限界まで雌ねじが雄ねじを拘束するので、ねじの噛み合いが外れにくい。

ピンの雄ねじは、管軸方向において、先端部で完全ねじになり、後端部で不完全ねじになる。図１４及び図１５に示されるように、不完全ねじのねじ山面３２ｐ，３２の端には切削時に工具によるばりＢＲが発生する。このばりＢＲがボックスのねじ面とロックしてクロススレッドが起きる場合がある。不完全ねじにばりＢＲがある場合に、ばりＢＲによるロックを外しやすくするためには、雌ねじに対する雄ねじの相対的な傾きを戻す上でロックが順番に外れていくときに、ばりＢＲと対向する面が平面でかつスタビング角が大きい方がよい。

図１４に示されるように、不完全ねじのばりＢＲは、ボックスの雌ねじ山面４２ｐとスタビング面４４ｐとの間にある雌ねじラウンド面４６ｐとの接触で滑っていかない。そのため、図１４に示される形態では、ロックが外れにくくクロススレッドが起きやすい。

一方、図１５に示されるように、不完全ねじのばりＢＲは、スタビング段４４２のスタビング角が大きいと、その面との接触で滑っていく。そのため、図１５に示される形態では、ロックが外れやすくクロススレッドが起きにくい。

以上の通り、本実施形態によれば、ロックが外れやすくクロススレッドが起きにくい。しかも、耐圧縮荷重性能及び耐ゴーリング性能を低下させることなく維持することができる。

以上、実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

上記実施形態の効果を確認するため、実管試験と、弾塑性有限要素法（ＦＥＭ）による数値シミュレーション解析とを実施した。試験の条件及び結果を表１に示す。

［実管試験］
下記の通り、実際の鋼管を用いた。
・寸法：１８−５／８、１３６＃（公称外径４７３．０８ｍｍ、肉厚１４．７１ｍｍ）
・材料：ＡＰＩ(American Petroleum Institute)規格のＰ１１０鋼（公称降伏強度８６２Ｎ／ｍｍ^２、弾性係数２０５ｋＮ／ｍｍ^２、ポアソン比０．３）

実施例に係るねじ継手は、上述した２段のスタビング面を有する。スタビング角α１は１０度であり、スタビング角α２は３０度である。比較例１及び２はともに、通常通り１段しかスタビング面を有しない。比較例１のスタビング角は１０度であり、比較例２のスタビング角は３０度である。

実施例並びに比較例１及び２に係るねじ継手で上記鋼管を接続し、それらのねじ継手のスタビング性能、メイクブレイク性能及び密封性能を試験により評価した。具体的には、スタビング性能試験として、油井管のランニング時にリグ上に吊り下げられた鋼管が揺れる状態を模擬した状況でねじ部の径方向の干渉が生じる前の状態までねじ継手で鋼管を接続し解除する試験（Stabbing Make/Stabbing Break test）を行い、クロススレッドが生じるかどうかでスタビング性能を評価した。メイクブレイク性能試験として、ねじ継手の径方向の干渉量が所定の量になるまで鋼管を締めつけてこれを締め戻す試験（Make/Break test）を行い、ゴーリングが生じるかどうかでメイクブレイク性能を評価した。また、密封性能試験として、内部に液体が充填された締結状態のねじ継手に、鋼管の公称降伏強度と同等（１００％）の圧縮荷重を付与する試験を行い、液体漏れの有無により密封性能を評価した。

実施例は、スタビング性能試験を５回行ったが、５回ともクロススレッドを起こさなかった。また、実施例は、メイクブレイク性能試験を３回行ったが、３回ともゴーリングを起こさなかった。これに対し、比較例１は、スタビング性能試験を５回行ったが、５回のうち４回でクロススレッドを起こした。また、比較例１は、メイクブレイク性能試験を行っていないが、クロススレッドを起こさずにスタビングできたとすれば、ゴーリングを起こさないと考えられる。また、比較例２は、スタビング性能試験を３回行ったが、３回ともクロススレッドを起こさなかった。比較例２は、メイクブレイク性能試験を３回行ったが、３回目にゴーリングを起こした。

また、密封性能試験の結果、実施例は、液体漏れを起こさなかった。これに対し、比較例１及び２はいずれも液体漏れを起こした。

［ＦＥＭ解析］
実施例と同様に、比較例３に係るねじ継手の雄ねじ及び雌ねじも２段のスタビング面を有する。比較例３に係るねじ継手は上述した先行技術に係るねじ継手である。比較例３のスタビング角α１は３０度であり、スタビング角α２は１０度である。

実施例及び比較例３に係るねじ継手に対し、単純圧縮荷重を模擬した場合の計算結果の一例を図１６及び図１７に示す。これらの図では、実施例及び比較例３のいずれにおいても、ピン３０は、過大な圧縮荷重を受けて座屈を起こした状態を示している。ただし、座屈による変形量は、図１６に示される実施例の方が図１７に示される比較例３よりも小さい。したがって、実施例の方が比較例３よりも座屈しにくい、すなわち、より優れた耐圧縮荷重性能を有することが判明した。

その理由を、図１８及び図１９に示される、圧縮荷重付与時におけるスタビング面の接触応力の計算結果の一例で説明する。図１８が実施例での接触応力分布の例である。図１７が比較例３での接触応力分布の例である。図１８及び図１９のいずれにおいても、圧縮荷重付与時のスタビング面の接触応力は、２段のスタビング面のうちスタビング角が小さい面で高くなった。すなわち、図１８の実施例の方が、より剛性の高いボックス本体側に近い面で高い接触応力を支えるため、より優れた耐圧縮荷重性能を有すると推定される。

Claims (15)

1. ねじ継手であって、
   鋼管の一方の先端部に形成される管状のピンと、
   前記ピンが挿入されて前記ピンと締結される管状のボックスとを備え、
   前記ピンは、前記ピンの外周に形成される雄ねじを含み、
   前記ボックスは、前記雄ねじに対応し、前記ボックスの内周に形成される雌ねじを含み、
   前記雄ねじ及び前記雌ねじは、台形ねじであり、かつ、テーパねじであり、
   締結状態で前記雄ねじ及び前記雌ねじの少なくとも一部はねじシールを構成し、
   前記雄ねじは、
   雄ねじ山面と、
   雄ねじ底面と、
   前記ピンの先端に近い側に形成される雄ねじスタビング面と、
   前記ピンの先端から遠い側に形成される雄ねじロード面とを含み、
   前記雄ねじスタビング面は、
   前記鋼管の管軸から遠い側に形成され、８〜１２度のスタビング角を有する第１雄ねじスタビング段と、
   前記管軸に近い側に形成され、２０〜６０度のスタビング角を有する第２雄ねじスタビング段とを有し、
   前記第２雄ねじスタビング段は、前記雄ねじの高さの２０〜６０％の高さを有し、
   前記雌ねじは、
   前記雄ねじ底面と対向する雌ねじ山面と、
   前記雄ねじ山面と対向する雌ねじ底面と、
   前記雄ねじスタビング面と対向する雌ねじスタビング面と、
   前記雄ねじロード面と対向する雌ねじロード面とを含み、
   前記雌ねじスタビング面は、
   前記管軸から遠い側に形成され、前記第１雄ねじスタビング段のスタビング角と同じスタビング角を有する第１雌ねじスタビング段と、
   前記管軸に近い側に形成され、前記第２雄ねじスタビング段のスタビング角と同じスタビング角を有する第２雌ねじスタビング段とを有する、ねじ継手。
2. 請求項１に記載のねじ継手であって、
   前記雄ねじはさらに、
   前記雄ねじ山面と前記雄ねじスタビング面との間の角に形成される第１雄ねじラウンド面を含み、
   前記雌ねじはさらに、
   前記雌ねじ山面と前記雌ねじスタビング面との間の角に形成される第１雌ねじラウンド面を含む、ねじ継手。
3. 請求項２に記載のねじ継手であって、
   前記雄ねじはさらに、
   前記雄ねじ山面と前記雄ねじロード面との間の角に形成される第２雄ねじラウンド面と、
   前記雄ねじ底面と前記雄ねじスタビング面との間の角に形成される第３雄ねじラウンド面と、
   前記雄ねじ底面と前記雄ねじロード面との間の角に形成される第４雄ねじラウンド面とを含み、
   前記雌ねじはさらに、
   前記雌ねじ山面と前記雌ねじロード面との間の角に形成される第２雌ねじラウンド面と、
   前記雌ねじ底面と前記雌ねじスタビング面との間の角に形成される第３雌ねじラウンド面と、
   前記雌ねじ底面と前記雌ねじロード面との間の角に形成される第４雌ねじラウンド面とを含む、ねじ継手。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のねじ継手であって、
   前記雄ねじロード面は、−１０〜３度のロード角を有し、
   前記雌ねじロード面は、前記雄ねじロード面のロード角と同じロード角を有する、ねじ継手。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のねじ継手であって、
   前記雄ねじ山面、前記雄ねじ底面、前記雌ねじ山面、及び前記雌ねじ底面は、前記管軸と平行に形成される、ねじ継手。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のねじ継手であって、
   前記雄ねじスタビング面及び前記雌ねじスタビング面は、締結状態でそれらの間に６０〜１２０μｍの隙間を有する、ねじ継手。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のねじ継手であって、
   前記雄ねじ山面及び前記雌ねじ底面は、締結状態でそれらの間に０〜５０μｍの隙間を有し、かつ、前記雄ねじ底面及び前記雌ねじ山面は、締結状態でそれらの間に０〜５０μｍの隙間を有する、ねじ継手。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のねじ継手であって、
   前記ピンはさらに、前記ピンの先端部に形成されるピンショルダ面を含み、
   前記ボックスはさらに、締結状態で前記ピンショルダ面と接触するボックスショルダ面を含む、ねじ継手。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のねじ継手であって、
   前記雄ねじは、前記ピンの先端から遠ざかるにつれて小さくなるテーパ比を有するテーパねじを含む、ねじ継手。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載のねじ継手であって、
    前記ピンはさらに、前記ピンの先端と前記雄ねじとの間であって前記ピンの外周に形成されるピンシール面を含み、
    前記ボックスはさらに、前記ピンシール面と対向し、前記ボックスの内周に形成され、締結状態で前記ピンシール面と密着するボックスシール面を含む、ねじ継手。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載のねじ継手であって、
    前記ねじシールを構成する前記雄ねじ及び前記雌ねじの一部は、管軸方向において、前記鋼管の肉厚の３倍以上の長さを有する、ねじ継手。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載のねじ継手であって、
    前記鋼管は、１６インチを超える外径を有する、ねじ継手。
13. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載のねじ継手であって、
    前記鋼管は、１６インチ以下の外径を有する、ねじ継手。
14. ２本の鋼管を互いに接続するためのねじ継手であって、
    前記鋼管の一方の先端部に形成される管状の第１ピンと、
    前記鋼管の他方の先端部に形成される管状の第２ピンと、
    前記第１ピンが挿入されて前記第１ピンと締結される管状の第１ボックスと、前記第１ボックスの反対側に形成され、前記第２ピンが挿入されて前記第２ピンと締結される管状の第２ボックスとを含むカップリングとを備え、
    前記第１及び第２ピンの各々は、前記ピンの外周に形成される雄ねじを含み、
    前記第１及び第２ボックスの各々は、前記雄ねじに対応し、前記ボックスの内周に形成される雌ねじを含み、
    前記雄ねじ及び前記雌ねじは、台形ねじであり、かつ、テーパねじであり、
    締結状態で前記雄ねじ及び前記雌ねじの少なくとも一部はねじシールを構成し、
    前記雄ねじは、
    雄ねじ山面と、
    雄ねじ底面と、
    前記ピンの先端に近い側に形成される雄ねじスタビング面と、
    前記ピンの先端から遠い側に形成される雄ねじロード面とを含み、
    前記雄ねじスタビング面は、
    前記鋼管の管軸から遠い側に形成され、８〜１２度のスタビング角を有する第１雄ねじスタビング段と、
    前記管軸に近い側に形成され、２０〜６０度のスタビング角を有する第２雄ねじスタビング段とを有し、
    前記第２雄ねじスタビング段は、前記雄ねじの高さの２０〜６０％の高さを有し、
    前記雌ねじは、
    前記雄ねじ底面と対向する雌ねじ山面と、
    前記雄ねじ山面と対向する雌ねじ底面と、
    前記雄ねじスタビング面と対向する雌ねじスタビング面と、
    前記雄ねじロード面と対向する雌ねじロード面とを含み、
    前記雌ねじスタビング面は、
    前記管軸から遠い側に形成され、前記第１雄ねじスタビング段のスタビング角と同じスタビング角を有する第１雌ねじスタビング段と、
    前記管軸に近い側に形成され、前記第２雄ねじスタビング段のスタビング角と同じスタビング角を有する第２雌ねじスタビング段とを有する、ねじ継手。
15. 請求項１４に記載のねじ継手であって、
    前記第１ピンはさらに、前記第１ピンの先端に形成される第１ピンショルダ面を含み、
    前記第２ピンはさらに、前記第２ピンの先端に形成され、締結状態で前記第１ピンショルダ面と接触する第２ピンショルダ面を含む、ねじ継手。

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