JP6860700B2 - 圧縮抵抗ねじ接続部 - Google Patents

Description

本技術は、パイプ用のねじ接続部に関し、特に、石油及びガスを運搬し、応力、特に圧縮応力に耐える能力が増大したパイプ用のねじ接続部に関する。

例えば、油田パイプラインで使用されるパイプは、石油または他の流体をさまざまな場所に輸送するために端部と端部を連結されてきた。いくつかの例では、パイプの端部は、ピンとして知られるパイプの雄端部を、２つのピンが配置される別個の連結部（ボックスとして知られる）と螺合することによって接合される。

パイプラインに使用されるパイプには、多くの異なるタイプの接続部がある。いくつかの接続部は一体型面一接続部として知られており、２つのパイプ片を接合するときに、追加の材料を加えることなく、またはアプセット加工を行うことなく、接続部がパイプ本体内に機械加工される。その結果、パイプの外径と面一の外径と、パイプの内径と面一の内径とを有する接続部が得られる。

ねじ接続部には、通常、接続が機能しなくなる可能性が最も高い点で、ある脆弱点が存在する。取付け、製造、および修理中にパイプ継手にかかる引張力および圧縮力は、接続部を故障させる可能性がある。引張力および圧縮力により、パイプ接続部のねじ山およびシールが損傷する可能性がある。

本明細書において、接続部の構成要素に損傷を与えることなく、より大きな圧縮力に耐えることができるねじ接続部を開示する。軸方向の圧縮力を半径方向外側へ偏向させることによりシール面を保護し、破損から保護するように機能することができる。

いくつかの実施形態では、直線の（ストレートな）中心軸を有するねじ接続部が開示され、接続部はピンを含み、ピンはねじ山谷底部、ねじ山頂部、スタブフランク、およびロードフランクを有する複数のピンねじ山と、各ピンねじ山の深さは、ねじ山谷底部とねじ山頂部との間の距離によって決定され、各ピンねじ山の幅は、スタブフランクとロードフランクとの間の距離によって決定され、隣接するピンねじ山の谷底部はピンの内端からピンの外端まで接続部の直線中心軸に対して半径方向外側に角度が付けられたピンねじ山谷底部テーパ面に沿って並び、隣接するピンねじ山頂部は直線中心軸に実質的に平行に並んでいる。

接続部はさらにボックスを含み、ボックスは複数のボックスねじ山を有し、各ボックスねじ山はねじ山谷底部、ねじ山頂部、スタブフランク、およびロードフランクを有し、各ねじ山ボックスの深さは、ねじ山谷底部とねじ山頂部との間の距離によって決定され、各ボックスねじ山の間の幅は、隣接するボックスねじ山のスタブフランクとロードフランクとの間の距離によって決定される。ここで、ボックスの中心からボックスの外端までの接続部の直線中心軸に対して半径方向外向きに角度付けられるボックス頂部テーパ面に沿って並ぶ隣接するボックスねじ山頂部の一部と、直線中心軸に実質的に平行に並ぶ隣接するボックスねじ山の谷底部とを有している。ピンねじ山およびボックスねじ山は接続部が完全に嵌め合わされるときに、ピン谷底部およびボックス頂部がピン谷底部テーパ面およびボックス頂部テーパ面と実質的に並んで少なくとも部分的に干渉となるように配置され、ピン谷底部テーパ面およびボックス頂部テーパ面の角度は、直線中心軸に沿った複数のピンねじ山および複数のボックスねじ山に対する軸方向圧縮力の低減を可能にする。

いくつかの実施形態では、ピン谷底部テーパ面およびボックス頂部テーパ面は直線中心軸に対して約１°〜約６°でピンの外端に向かって半径方向外向きに角度が付けられる。他の実施形態では、ピン谷底部テーパ面およびボックス頂部テーパ面は直線中心軸に対して約４°でピンの外端に向かって半径方向外向きに角度が付けられる。さらに他の実施形態では、ねじ接続部がピン内部シール面およびボックス内部シール面を含み、その結果、接続部が完全に嵌め合わされる時に、内部金属対金属シールが干渉する。いくつかの実施形態では、ピン谷底部テーパ面およびボックス頂部テーパ面が直線中心軸に対する金属対金属シールの角度に対して約±２°でピンの外端に向かって半径方向外向きに角度が付けられる。

特定の実施形態では、ピンねじ山のスタブフランクのスタブフランク角度が約９°である。いくつかの実施形態では、ボックスねじ山のスタブフランクのスタブフランク角度が約９°である。他の実施形態では、ピンねじ山のロードフランクのロードフランク角度が約−６°である。さらに他の実施形態では、ボックスねじ山のロードフランクのロードフランク角度が約−６°である。いくつかの実施形態では、接続部が嵌め合わされるときに、潤滑剤の配置に適した１つまたは複数の空隙がピン頂部とボックス谷底部との間、スタブフランクの間、およびピン谷底部とボックス頂部との間からなる群から選択される少なくとも１つの位置の間に存在する。

さらに、直線中心軸を有するねじ接続部を機械加工するための方法が開示され、この方法はピンを機械加工する工程を含み、ピンは複数のピンねじ山を含み、各ピンねじ山は谷底部、頂部、スタブフランク、およびロードフランクを有し、各ピンねじ山の深さは谷底部と頂部との間の距離によって決定され、各ピンねじ山の幅はスタブフランクとロードフランクとの間の距離によって決定され、隣接するピンねじ山の谷底部はピンの内側端部からピンの外側端部までの接続部の直線中心軸に対して半径方向外側に角度付けられたピン谷底部テーパ面に沿って並び、隣接するピンねじ山の頂部は直線中心軸に実質的に平行に並んでおり、ボックスを機械加工する工程を含み、ボックスは複数のボックスねじ山を有し、各ボックスねじ山は谷底部、頂部、スタブフランク、およびロードフランクを有し、各ボックスねじ山の深さは、谷底部と頂部との間の距離によって決定され、各ボックスねじ山の間の幅は隣接するボックスねじ山のスタブフランクとロードフランクとの間の距離によって決定され、隣接するボックスねじ山の頂部の一部はボックスの中心からボックスの外端までの接続部の直線中心軸に対して半径方向外向きに角度付けられるボックス頂部テーパ面に沿って並び、隣接するボックスねじ山の谷底部は直線中心軸に実質的に平行に並び、ここで、ピンねじ山およびボックスねじ山は接続部が完全に嵌め合わされたときに、ピンの谷底部およびボックス頂部がピンの谷底部テーパ面およびボックス頂部テーパ面と実質的に一直線になり部分的に干渉するように配置され、ピンの谷底部テーパ面およびボックス頂部テーパ面の角度は直線中心軸に沿った複数のピンねじ山および複数のボックスねじ山に対する軸方向圧縮力の低減を可能にする。

本方法のいくつかの実施形態では、ピン谷底部テーパ面およびボックス頂部テーパ面が直線中心軸に対して約１°から約６°の間でピンの外端に向かって半径方向外向きに角度が付けられるように機械加工される。特定の実施形態では、ピン谷底部テーパ面およびボックス頂部テーパ面が直線中心軸に対して約４°でピンの外側端部に向かって半径方向外向きに角度が付けられるように機械加工される。さらに他の実施形態では、この方法がピン内部シール面およびボックス内部シール面を機械加工する工程を含み、その結果、接続部が完全に嵌め合わされると、内部金属対金属シールが干渉する。

特定の実施形態では、ピン谷底部テーパ面およびボックス頂部テーパ面が直線中心軸に対する金属対金属シールの角度に対して約±２°でピンの外端に向かって半径方向外向きに角度付けられるように機械加工される。さらに他の実施形態では、ピンねじ山のスタブフランクのスタブフランク角度が約９°に機械加工される。特定の実施形態では、ボックスねじ山のスタブフランクのスタブフランク角度が約９°に機械加工される。他の実施形態では、ピンねじ山のロードフランクのロードフランク角度が約−６°に機械加工される。

本方法のいくつかの実施形態では、ボックスねじ山のロードフランクのロードフランク角度が約−６°に機械加工される。さらに他の実施形態では、この方法がピンの頂部とボックスの谷底部との間、スタブフランクの間、およびピンの谷底部とボックスの頂部との間からなる群から選択される少なくとも１つの位置の間に潤滑剤を配置するのに適した１つまたは複数の空隙を機械加工する工程を含む。接続部および製造方法の他の実施形態ではロードフランクの負の角度が約−３°と−７°との間とすることができ、スタブフランクの正の角度は約６°と１１°との間とすることができる。

本技術は以下に示すその非限定的な実施形態の詳細な説明を読み、添付の図面を検討することにより、より良く理解されるであろう。

本技術の一実施形態によるねじ接続部の一方の側面の斜視図である。

パイプ端部上のピンのピンねじ山の外形（プロファイル、profile）を示す断面図である。

パイプの端部上のピンのピンねじ山の外形を示す断面図である。

パイプピンを接続するために使用されるカップリングのためのボックスねじ山の外形を示す断面図である。

パイプピンを接続するために使用されるカップリングのためのボックスねじ山の外形を示す断面図である。

本開示の実施形態において、嵌め合わされ干渉中のピンおよびボックスねじ山の力分析を示す断面図である。

干渉下の内部シールと、干渉下の関連するピン及びボックスねじ山とを示す断面図である。

カップリングと、ボックスと、２つのパイプ端部との間の完全に嵌め合わされた接続部の断面図であり、ピンは、内部の金属対金属シールを有さない。

内部金属対金属シールを有するピンねじ山の断面図である。

内部金属対金属シールを有するボックスねじ山の断面図である。

カップリングと、ボックスと、２つのパイプ端部との間の完全に嵌め合わされた接続部の断面図であり、ピンは、干渉下にある内部金属対金属シールを有する。

本技術の前述の態様、特徴、および利点は以下の好ましい実施形態の説明および同様の参照番号が同様の要素を表す添付の図面を参照して考慮することにより、さらに理解されるであろう。添付の図面に示される技術の好ましい実施形態を説明する際に、明確にするために、特定の用語が使用される。しかしながら、実施形態は使用される特定の用語に限定されることを意図するものではなく、各特定の用語は同様の目的を達成するために同様の方法で動作する均等物を含むということを理解されたい。

最初に図１を参照すると、本技術の一実施形態によるねじ接続部の一方の側の斜視図が示されている。いくつかの実施形態では、同様の第２のねじ接続部がミラー平面ｙの反対側に存在し、図示のねじ接続部に接続され一体化される（例えば、図１１参照）。図１は、ミラー平面ｙに垂直な直線中心軸２６を有するねじ接続部１０の等角斜視図を示す。本明細書で開示される原理に依然として準拠しながら、他の接続部の種類も可能であることを理解されたい。例えば、いくつかの実施形態では、接続部が一体型面一接続部、面一接続部、半面一接続部、面一拡張可能接続部、半面一拡張接続部、またはパイプまたはパイプラインで使用するための任意の他の適切な種類の接続部であってもよい。

図１の実施形態の接続部１０は、第１の管状部材１２とパイプ連結部材１４とを含む。第１の管状部材１２の端部は、接続部１０の雄部分であるピン１６である。パイプ連結部材１４の端部は、接続部１０の雌部分であるボックス１８である。図示のように、ピン１６はボックスねじ山２２に対応するピンねじ山２０を有し、ピン１６とボックス１８とを螺合させて接続部１０を構成することができる。接続部１０が完全に嵌め合わされると、ピン１６およびボックス１８上の任意のシール面が相互作用して、ピン１６とボックス１８との間に内部シール２３および外部シール２４を形成し、それによって、第１の管状部材１２、パイプ連結部材１４、および接続部１０を通って流れる流体が漏出するのを防止する。

本明細書の実施形態の説明全体を通して、「流体」という用語は、液体および気体の両方を含むことを意味する。少なくともいくつかの実施形態では、管状部材が工業用途および非工業用途の両方で使用するための任意の適切な管状部材を含んでもよいことを理解されたい。例えば、いくつかの実施形態では、管状部材が例えば、ケーシングパイプ、プロダクションチュービング、またはドリルパイプなどの、石油およびガス産業において一般に使用される管状部材を含む。

図２は、パイプの端部上のピン、例えば図１の第１の管状部材１２上のピン１６のためのピンねじ山の外形（プロファイル、profile）を示す断面図である。パイプセグメント１００はねじ山１０２、１０４を含み、ねじ山１０２はピン頂部１０６、スタブフランク１１２、およびロードフランク１１６を含み、ねじ山１０４は、ピン頂部１０８、スタブフランク１１４、およびロードフランク１１８を含む。ピン谷底部１１０は、スタブフランク１１４とロードフランク１１６との間であってその下に配置されている。参考のために、図１の中心軸２６と同様の水平軸ｘが示され、垂直軸ｙは水平軸ｘに垂直である。ピンテーパ面はテーパ線１２０、１２２によって示されている。

図２の実施形態に示すように、ロードフランク１１６からスタブフランク１１４へのピン谷底部１１０の半径方向外側への上昇は、水平軸ｘに対して４．００°である。他の実施形態では、水平軸に対するロードフランクからスタブフランクへのピン谷底部の上昇が約１°〜約６°、約２°〜約５°、および約３°〜約４°であり得る。本開示の実施形態では１つまたは複数のピン谷底部が直線で中心の水平軸に対して正の角度にあり、その角度はピン完全ねじ山テーパの角度と類似しているが、異なる。

図２の実施形態では、他のピンねじ山の特徴がロードフランク１１６に対して−６°（９０°より小さく、図示のように垂直軸ｙに向かって延びる）の負のロードフランクと、スタブフランク１１４に対して９°（９０°より大きく、図示のように垂直軸ｙから離れて延びる）の正のスタブフランクと、水平軸ｘに実質的に平行なピン頂部１０６、１０８とを含む。ピン谷底部１１０は、パイプ軸線に対して正の角度で、図示の実施形態では半径方向外側に４°で、全体としてテーパ線１２０及び１２２に沿って延びている。他の実施形態ではロードフランクの負の角度が約−３°と−７°との間とすることができ、スタブフランクの正の角度は約６°と１１°との間とすることができる。

図３は、パイプの端部上のピンのためのピンねじ山の外形を示す断面図である。図２のパイプセグメント１００は、図３に示すピン１２４の一部を表すことができる。図２に関して説明したように、図３では、ピン谷底部テーパ１２６が水平軸ｘに対してピン谷底部１２８に沿って正の角度、例えば約１°〜約６°、例えば約４°で延びることができる。図示のように、ピン頂部１３０は、水平軸ｘに平行である。

ここで図４を参照すると、２つの別個のパイプ上のパイプピンを接続するためのカップリングのためのボックスねじの外形を表す断面図が示されている。結合セグメント１３２はねじ山１３４、１３６を含み、ねじ山１３４はボックス頂部１３８、スタブフランク１４０、およびロードフランク１４２を含み、ねじ山１３６は、ボックス頂部１４４、スタブフランク１４６、およびロードフランク１４８を含む。ボックス谷底部１５０は、スタブフランク１４０とロードフランク１４８との間及びその下に配置される。参考までに、図１の中心軸２６と同様に、水平軸ｘが示され、垂直軸ｙが水平軸ｘに垂直である。ボックステーパ面はテーパ線１５２、１５４によってテーパ面が示されている。

図４の実施形態に示すように、ボックス頂部のほぼ中間点からスタブフランク１４０までのボックス頂部１３８の半径方向外側への上昇は、水平軸ｘに対して４．００°である。ロードフランク１４２からボックス頂部１３８のほぼ中間点まで、ボックス頂部１３８は水平軸ｘに実質的に平行である。他の実施形態ではボックス頂部に沿った様々な点における、水平軸に対するロードフランクからスタブフランクまでのボックス頂部の上昇は約１°〜約６°、約２°〜約５°、および約３°〜約４°であり得る。

図４の実施形態においては、他のボックスねじ山の特徴はロードフランク１４８について６°（９０°未満であり、図示されるように垂直軸ｙに向かって延びる）の負のロードフランクと、スタブフランク１４０について９°（９０°より大きく、図示されるように垂直軸ｙから離れて延びる）の正のスタブフランクと、水平軸ｘに平行であるボックス谷底部１５０とを含む。他の実施形態ではロードフランクの負の角度が約−３°と−７°との間とすることができ、スタブフランクの正の角度は約６°と１１°との間とすることができる。

ボックス頂部１３８、１４４の一部はパイプ軸に対して正の角度で、図示の実施形態では半径方向外側に４°で、全体的にテーパ線１５２、１５４に沿って進む。図示の実施形態においては、スタブフランクからボックス頂部のほぼ中間点までのボックス頂部の一部が図示の実施形態ではパイプ軸に対して正の角度、４°で進み、ボックス頂部のほぼ中間点からロードフランクまでのボックス頂部の一部は中心軸、水平軸ｘに実質的に平行である。他の実施形態では他の角度を使用することができ、ボックスの頂部の他の部分は中心軸に対して角度を付けるか、または実質的に平行にすることができる。

同様に、いくつかの実施形態では、例えば、図２のピン谷底部１１０などのピン谷底部はピン谷底部およびボックス頂部の全長に沿って、またはピン谷底部およびボックス頂部の部分長に沿って、例えば、図４のボックス頂部１３８または１４４などのボックス頂部の少なくとも一部と並び、ねじ係合し、かつ／または干渉する。例えば、１つ以上のボックス頂部は、１つ以上のピン谷底部の全長に沿って延びていなくてもよく、形成されたねじ山内側の潤滑剤のための空間を可能にする。いくつかの実施形態では、例えば、図４のボックス谷底部１５０などのボックス谷底部はボックス谷底部およびピン頂部の全長に沿って、またはボックス谷底部およびピン頂部の部分長に沿って、例えば、図２のピン頂部１０６または１０８などのピン頂部と螺合せず、かつ／または干渉しない。図６に示すように、間隙、空間、又は空隙１６５が存在し、スタブフランク１６７、１６９の間に配置され、また、間隙、空間、又は空隙１７１が存在し、ピン頂部１７３とボックス谷底部１７５との間に存在し、配置される。図７には、スタブフランク間、及びピンの頂部とボックスの谷底部との間にも、間隙、空間、又は空隙が示されている。

他の実施形態では、例えば、図４のボックス谷底部１５０のようなボックス谷底部はボックス谷底部及びピン頂部の全長に沿って、又はボックス谷底部及びピン頂部の部分長に沿って、例えば図２のピン頂部１０６又は１０８のようなピン頂部と並び、螺合し、及び／又は干渉する。

図５は、２つの別個のパイプのパイプピンを接続するためのカップリングのためのボックスねじの外形を示す断面図である。図４の結合セグメント１３２は、図５に示すボックス１５６の一部を表すことができる。図４に関して説明したように、図５では、ボックス頂部テーパ１５８がボックス頂部１６２に沿って水平軸ｘに対してほぼ正の角度、例えば約１°〜約６°、例えば約４°で延びることができる。図示されているボックス谷底部１６０は、水平軸ｘに平行である。

ここで図６を参照すると、本開示の一実施形態において、ピンおよびボックスのねじ山の干渉中における力分析を提供する断面図が示されている。図面における実線の重なりは、本開示の実施形態におけるボックスとピンとの間の干渉を示す。図６において、Ｆは、嵌め合わされた接続部１６４におけるねじ山の干渉からの力を表す。干渉はテーパ面１６６上にあるので、力はいくつかの成分に分割されて、各々の適切な力が決定される。θはピンの谷底部およびボックスの頂部のテーパ角度に等しく、例えば、いくつかの実施形態では約４°である。μ_ｓは、合わせ面の静摩擦に等しい。図６において、静摩擦は１に等しい。ＣＰは、接触面における実際の接触圧力である。

本開示の実施形態では、例えば図６に示すように、プレミアム接続部およびセミプレミアム接続部のために、ピン谷底部およびボックス部内にねじ山干渉が存在する。独特の幾何学的形状は、ピンの谷底部とボックスの頂部との間の接触のより大きな表面積に起因して、干渉を増加させることなく、より高いトルクをねじ山に蓄積することを可能にする。さらに図６を参照すると、嵌め合わされた接続部１６４などの嵌め合わされたパイプ接続部は設置、使用、および修理中に、圧縮軸方向の力１６８、１７０を受けることができる。嵌め合わされた接続部１６４がθで角度を付けられると、一定量の圧縮軸方向の力１６８、１７０が半径方向に偏向され、接続部の少なくともロードフランク、およびシールなどの他の敏感な領域に対する圧縮を低減する。

ここで図７を参照すると、干渉下にある内部シールと、干渉下にある関連するピンおよびボックスねじ山との接続部を提供する断面図が示されている。接続部１７４上に形成された金属対金属の内部シール１７２は、水平軸ｘに対して正の角度ｘ°で配置されている。いくつかの実施形態では、ねじ山テーパ１７６に沿ったピン谷底部およびボックス頂部の角度が内部シール１７２を構成する金属対金属のボックスシール角度（ｘ°）のｘ°±２°である。ボックスシール角度ｘ°は、内部シールからピンの外端に向かって約１°〜約２０°、いくつかの実施形態では約２°〜約１０°、いくつかの実施形態では約１°〜約５°に進む半径方向外向きの正の角度である。

ここで図８を参照すると、カップリングと、ボックスと、２つのパイプ端部との間の完全に嵌め合わされた接続部の断面図が示されており、ピンは、内部金属対金属シールを有していない。接続部１７７は、それぞれのピン１８０、１８２を有する別個のパイプ１７９、１７８を含む。カップリング１８４は、ボックス端部１８６およびボックス端部１８８を含む。ピン１８０上のピン谷底部およびボックス端部１８６上のボックス頂部はテーパ面１９０に沿って並び、ピン１８２上のピン谷底部およびボックス端部１８８上のボックス頂部は、テーパ面１９２に沿って並ぶ。テーパ面１９０、１９２は、水平軸ｘに対して正の角度で角度が付けられている。

ここで図９〜１１を参照すると、図９は、内部金属対金属シールを有するピンの断面図である。ピン１９４は、内部金属シール１９６を含む。図１０は、内部金属対金属シールを有するボックスねじ山の断面図である。ボックス１９８は、内部金属シール２００を含む。ピン１９４上の内部金属シール１９６はボックス１９８上の内部金属シール２００と干渉して、図７に示すものと同様に、金属対金属で構成された内部シール１７２に内部金属対金属シールを形成することができる。

図１１はカップリング、ボックス、および２つのパイプ端部との間の完全に嵌め合わされた接続部の断面図であり、ピンは内部金属対金属シールが干渉下にある。接続部２０２はカップリング２０４を含み、カップリング２０４自体は、中央シール構成要素２０６と、ボックス端部２０８と、ボックス端部２１０とを含む。ピン２１２上のピン谷底部およびボックス端部２０８上のボックス頂部はテーパ面２２０に沿って並び、ピン２１４上のピン谷底部およびボックス端部２１０上のボックス頂部は、テーパ面２２２に沿って並ぶ。テーパ面２２０、２２２は、中央シール構成要素２０６からパイプピン及びボックス端部の外端部に向かって水平軸ｘに対して半径方向外向きの正の角度で角度が付けられている。金属対金属シール２１６、２１８は、例えば図９の内部金属シール１９６および図１０の内部金属シール２００のような内部金属シールを用いて、ピン２１２、２１４上の金属シールとボックス端部２０８、２１０との間の干渉によって形成される。

図７に関して説明したように、いくつかの実施形態では図１０に示すテーパ面２２０、２２２に沿ったピン谷底部およびボックス頂部の角度は金属対金属シール２１６、２１８のボックスシール角度（ｘ°）のｘ°±２°である。

本開示の実施形態は、ピン谷底部が水平軸ｘに平行でないという点で独特の特徴を含む。１つ以上のピン谷底部は水平軸ｘに対して正の角度にあり、しばしばピンの完全なねじ山テーパの角度に近いが、同じではない。独特のねじ山形状は高い圧縮荷重下でシールを保護することができるため、接続部を嵌め合わせる時により高い接触圧力が設計されることを可能にする。また、ねじ山形状はピンの谷底部とボックスの頂部との間の接触のより大きな表面積を可能にし、これは接続部のトルク容量を増加させるか、またはトルクは工業規格と同じ範囲内に留まることができるが、ゴーリングの危険性は減少する。ゴーリングの危険性が低減される場合、より厳しくなく、より安価な最終仕上げを利用することができ、商業的利点をもたらす。

半径方向の干渉を有する典型的なねじ山は接続部が極端な圧縮荷重を受ける間に軸方向に移動し、これは、ピンノーズ部、ピンノーズシール、およびボックスシールに余分な応力を引き起こす可能性がある。本開示の実施形態では、接続部が高い圧縮力の下で軸方向に移動するとき、ねじ山の外形はこれらの重要な領域に見られる応力を低減するのを助ける。金属対金属シールを有さない接続部では、ピンねじ山の谷底部が負のトルクショルダとして作用し、軸方向の圧縮力を偏向させるという意味で、ねじ山が接続部に依然として有益である。これは、ピンの谷底部での接触力がいくつかの成分に分解されることが観察され、ボックスの頂部はそれ自体をピンの谷底部に押し込もうとするが、軸方向に一緒に作用する２つの成分は軸方向にくさび効果を引き起こし、このことにより接続部が圧縮力で軸方向に移動しようとするので、干渉を増大させることになる。

特有のピンねじ形状は、特有のボックスねじ山形状で構成され、適切なねじ係合を可能にする。また、ボックスの頂部の幾何学的形状は、接続部の実施形態として時間を節約する、接続部のより迅速な嵌め合わせができるように１つの追加リード（ねじが１回転した時に軸方向に進む距離）分がねじ込まれる（be stabbed）ようにすることもできる。

ねじ接続部を設計する方法の一実施形態では、最初にピンが規定されたねじテーパ角度およびリードで作られ、次いで、ボックスは既に設計されたピンの周りに設計される。いくつかの実施形態では、ピン頂角が対応するボックス内部シール角度と実質的に同じ角度である。ボックスの頂部がピンの谷底部にほぼ正確に一致する形状の外形を有する場合、接続部を嵌め合わせるときに困難が存在し、これはある種の干渉および焼付きによるものであり、したがって、ある実施形態では焼付きのリスクを軽減するために、ボックスの頂部に独特の幾何学的形状を存在させ、その独特の幾何学的形状によって、より迅速な接続部の嵌め合わせを可能にするように接続部で１つのリード（ねじが１回転した時に軸方向に進む距離）分、より深くねじ込むことが許容される。

ボックスねじ山の設計を開始するために、まず、例えばコンピュータ支援作図（ＣＡＤ）ソフトウェアのようなモデリングソフトウェアにピンジオメトリアウトラインが置かれ、次に、ピンの周りの描画が行われて、十分なボックスを作る。いくつかの実施形態ではボックスの頂部が接続部のサイズに応じて、ピンの谷底部から０．００２インチ〜０．００８インチ下にあり、ボックスの頂部の角度の一部はピンの谷底部と実質的に同じ角度であり、これは接続部のトルクを増大させる干渉を引き起こす。

上述したように、いくつかの実施形態では、ボックスの頂部がピンの谷底部と同じ形状または外形（輪郭）を有しておらず、したがって、上述した利点を得るために、独特の幾何学的形状が利用される。スタブフランクとボックス頂部との交点から始めて、１つの設計はピン谷底部とボックス頂部とが、ピン谷底部の中間点付近まで平行であることを可能にする。その時点で、ボックスねじ山頂部は、ロードフランクと交差するまで、中心軸ｘにほぼ平行になるように推移（変化）する。例えば、図４を参照されたい。

交点の設計として、ピンの谷底部に平行なボックスの頂部から中心軸に平行な推移（変化）が起こり、十分大きな丸み形状が追加される。これにより、ピンの谷底部がロードフランクと出会うベース部でボックスの頂部とピンの谷底部とロードフランクの間に十分な隙間が確保される。これにより、耐ゴーリング性も確保される。また、設計は中心軸に平行なボックスロードフランクとボックス頂部との交点を使用し、ボックス頂部用に設計された丸みとは異なる十分な丸み形状が追加される。十分大きな丸み形状は疲労を助け、応力の増加を減少させる。これは設計の実施形態において重要であるが、それはロードフランク、ピン谷底部及びボックス頂部上の角度が鋭角であるため、応力集中係数が高くなるからである。

例えば、図２及び図４を参照すると、ボックス頂部１３８とロードフランク１４２との間の交点１４３における特有の丸み形状は、交点１４３とピン谷底部１１０とロードフランク１１６との間の図２の交点１０３との間の空隙又は隙間を可能にする。

本明細書の技術は特定の実施形態を参照して説明されてきたが、これらの実施形態は本技術の原理および用途の単なる例示であることを理解されたい。したがって、例示的な実施形態に対して多くの修正を行うことができ、添付の特許請求の範囲によって定義される本技術の精神および範囲から逸脱することなく、他の構成を考案することができることを理解されたい。

Claims (20)

1. 直線中心軸を有するねじ接続部において、
   ピンであって、各ピンねじ山が谷底部、頂部、スタブフランク、及びロードフランクを有する複数のピンねじ山と、各ピンねじ山の深さは、谷底部と頂部との間の距離によって決定され、各ピンねじ山の幅はスタブフランクとロードフランクとの間の距離によって決定されることを特徴とするピンと、
   隣接するピンねじ山の谷底部は、ピンの内側端部からピンの外側端部まで接続部の直線中心軸に対して半径方向外向きに角度が付けられたピン谷底部テーパ面に沿って並び、
   隣接するピンねじ山の頂部は、直線中心軸に実質的に平行に並び、
   ボックスであって、該ボックスは複数のボックスねじ山を有し、各ボックスねじ山は谷底部、頂部、スタブフランク、およびロードフランクを有し、各ボックスねじ山の深さは谷底部と頂部との間の距離によって決定され、各ボックスねじ山の幅はスタブフランクと隣接するボックスねじ山のロードフランクとの間の距離によって決定されるボックスと、
   隣接するボックスねじ山の頂部の一部は、ボックスの中心からボックスの外端までの接続部の直線中心軸に対して半径方向外向きに角度が付けられたボックス頂部テーパ面に沿って並び、
   直線中心軸に実質的に平行に並んだ隣接するボックスねじ山の谷底部と、
   によって特徴づけられており、
   ピンねじ山およびボックスねじ山は、接続部が完全に嵌め合わされたときに、ピン谷底部およびボックス頂部が少なくとも部分的に干渉し、ピン谷底部テーパ面およびボックス頂部テーパ面と実質的に一直線になるように配置され、ピン谷底部テーパ面およびボックス頂部テーパ面の角度は直線中心軸に沿った複数のピンねじ山および複数のボックスねじ山に対する軸方向圧縮力の低減を可能にする、
   ねじ接続部。
2. 前記ピン谷底部テーパ面およびボックス頂部テーパ面は、前記直線中心軸に対して１°〜６°の間で、前記ピンの外端に向かって半径方向外向きに角度が付けられている、請求項１に記載のねじ接続部。
3. 前記ピン谷底部テーパ面およびボックス頂部テーパ面は、前記直線中心軸に対して４°で前記ピンの外端に向かって半径方向外向きに角度が付けられている、請求項１に記載のねじ接続部。
4. 前記ねじ接続部が完全に嵌め合わされたときに内部金属対金属シールが干渉するように、ピン内部シール面およびボックス内部シール面によってさらに特徴づけられている、請求項１に記載のねじ接続部。
5. 前記ピン谷底部テーパ面およびボックス頂部テーパ面は、前記直線中心軸に対する前記内部金属対金属シールの角度に対して±２°で前記ピンの外端に向かって半径方向外向きに角度が付けられている、請求項４に記載のねじ接続部。
6. 前記ピンねじ山の前記スタブフランクのスタブフランク角が、６°〜１１°の間である、請求項１に記載のねじ接続部。
7. 前記ボックスねじ山の前記スタブフランクのスタブフランク角が、６°〜１１°の間である、請求項１に記載のねじ接続部。
8. 前記ピンねじ山の前記ロードフランクのロードフランク角度が、−３°〜−７°の間である、請求項１に記載のねじ接続部。
9. 前記ボックスねじ山の前記ロードフランクのロードフランク角度が、−３°〜−７°の間である、請求項１に記載のねじ接続部。
10. 前記接続部が嵌め合わされたときに、ピン頂部とボックス頂部の間、スタブフランクの間、ピン頂部とボックス頂部の間からなる群から選択された少なくとも１つの位置に、潤滑剤配置に適した１つ以上の空隙が存在する、請求項１に記載のねじ接続部。
11. 直線中心軸を有するねじ連結部を機械加工する方法において、
    ピンを機械加工する工程、ここで、ピンは、各ピンねじ山が、谷底部、頂部、スタブフランク、及びロードフランクを有し、各ピンねじ山の深さは、谷底部と頂部との間の距離によって決定され、各ピンねじ山の幅は、スタブフランクとロードフランクとの間の距離によって決定されることを特徴とし、
    隣接するピンねじ山の谷底部は、ピンの内側端部からピンの外側端部まで接続部の直線中心軸に対して半径方向外向きに角度が付けられたピン谷底部テーパ面に沿って並び、
    隣接するピンねじ山の頂部は直線中心軸に実質的に平行に並び、
    及び、ボックスを機械加工する工程によって特徴づけられた方法であり、ここで、ボックスは複数のボックスねじ山を有し、各ボックスねじ山は谷底部、頂部、スタブフランク、およびロードフランクを有し、各ボックスねじ山の深さは谷底部と頂部との間の距離によって決定され、各ボックスねじ山の幅はスタブフランクと隣接するボックスねじ山のロードフランクとの間の距離によって決定され、
    隣接するボックスねじ山の頂部の一部は、ボックスの中心からボックス外端までの接続部の直線中心軸に対して半径方向外向きに角度が付けられたボックスの頂部テーパ面に沿って並び、
    隣接するボックス谷底部は直線中心軸に実質的に平行に並び、
    ピンねじ山およびボックスねじ山は接続が完全に嵌め合わされたときに、ピン谷底部およびボックス頂部がピン谷底部テーパ面およびボックス頂部テーパ面と実質的に一直線になって少なくとも部分的に干渉するように配置され、ピン谷底部テーパ面およびボックス頂部テーパ面の角度は直線中心軸に沿った複数のピンねじ山および複数のボックスねじ山に対する軸方向圧縮力の低減を可能にする、方法。
12. 前記ピン谷底部テーパ面およびボックス頂部テーパ面は、前記直線中心軸に対して１°〜６°の間で、前記ピンの外端に向かって半径方向外向きに角度が付けられるように機械加工される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記ピン谷底部テーパ面およびボックス頂部テーパ面は、前記直線中心軸に対して４°で前記ピンの外端に向かって半径方向外向きに角度が付けられるように機械加工される、請求項１１に記載の方法。
14. 前記接続部が完全に嵌め合わされるときに内部金属対金属シールが干渉するように、ピン内部シール面およびボックス内部シール面を機械加工する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
15. 前記ピン谷底部テーパ面およびボックス頂部テーパ面は、前記直線中心軸に対する前記内部金属対金属シールの角度に対して±２°で前記ピンの外端に向かって半径方向外向きに角度が付けられるように機械加工される、請求項１４に記載の方法。
16. 前記ピンねじ山の前記スタブフランクのスタブフランク角は、６°〜１１°の間になるように機械加工される、請求項１１に記載の方法。
17. 前記ボックスねじ山の前記スタブフランクのスタブフランク角は、６°〜１１°の間になるように機械加工される、請求項１１に記載の方法。
18. 前記ピンねじ山の前記ロードフランクのロードフランク角度は、−３°〜−７°の間になるように機械加工される、請求項１１に記載の方法。
19. 前記ボックスねじ山の前記ロードフランクのロードフランク角度は、−３°〜−７°の間になるように機械加工される、請求項１１に記載の方法。
20. ピン頂部とボックス頂部の間、スタブフランクの間、ピン頂部とボックス頂部の間からなる群から選択される少なくとも１つの位置の間に潤滑剤配置に適した１つ以上の空隙を機械加工する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。

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