JP7150878B2 - 鋼管用ねじ継手 - Google Patents

Description

本開示は、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が使用される。油井管は鋼管が順次連結されて成り、その連結に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部が設けられ、カップリングの両端部の内周に雌ねじ部が設けられる。そして、鋼管の雄ねじ部がカップリングの雌ねじ部にねじ込まれ、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部が設けられ、他端部の内周に雌ねじ部が設けられる。そして、一方の鋼管の雄ねじ部が他方の鋼管の雌ねじ部にねじ込まれ、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。

近年、高温・高圧の過酷な環境となる大深度井戸の開発が増加しており、これらの井戸で使用される油井管用ねじ継手にはさらなる密封性能の向上が要求されている。特に深井戸では引張／圧縮荷重及び外圧が高くなるため、引張／圧縮荷重下における外圧に対する密封性能を向上させる必要がある。

油井管用ねじ継手は、シール部で高い密封性能を発揮する。一般に、ピンのシール部の直径はボックスのシール部の直径よりも大きい。そのため、締結状態では両シール部は互いに嵌め合い密着して締まりばめの状態となり、メタル接触によるシール部を形成する。ピンのシール部の直径とボックスのシール部の直径との間の差は「シール干渉量」と呼ばれる。シール干渉量が大きいほどシール接触力が高くなり、良好な密封性能が得られる。

外圧に対する密封性能を向上させるためには、外圧が作用するピンのシール部の肉厚を厚くすることが有効である。これにより、ねじ継手に外圧が負荷された際のピンのシール部の縮径抵抗が高まるため、実質的なシール干渉量の低下が小さくなり、シール接触力の低下が小さくなる。加えて、高い引張／圧縮荷重下でも安定した密封性能を発揮するためには、一定のねじ部の長さやショルダ面の面積も必要である。

国際公開第２０１５／１９４１６０号（特許文献１）は、内圧及び外圧に対する密封性能を向上させる鋼管用ねじ継手を開示する（００２０段落参照）。このねじ継手は、ピンの先端（油井管本体の管端）側から順に、ショルダ面、第１シール面、第１雄／雌ねじ部、補助ショルダ面、環状部、第２シール面、及び第２雄／雌ねじ部を備える（００６３段落及び図６参照）。

以下、第１雄ねじ部を「内雄ねじ」、第１雌ねじ部を「内雌ねじ」、第２雄ねじ部を「外雄ねじ」、第２雌ねじ部を「外雌ねじ」といい、内雄ねじ及び内雌ねじを総称して「内ねじ」、外雄ねじ及び外雌ねじを総称して「外ねじ」といい、内ねじ及び外ねじを備えたねじ継手を「２段ねじ継手」という。

特開平１０－８９５５４号公報（特許文献２）は、トルクショルダ部のみが高強度で、かつ耐圧縮性能及び耐腐食性能に優れたスリム型の油井管用ねじ継手を開示する（００１６段落参照）。このねじ継手は、ピン部とボックス部とを螺合締結するためのねじ部、油井管の内圧若しくは外圧又はその両方に対して密封性能を確保するためのシール部、及び締結トルクを管理するためのトルクショルダ部を備えたインテグラル方式の油井管用ねじ継手であって、トルクショルダ部の強度が継手の他の部位及び油井管本体よりも高い（００１８段落及び図１参照）。これも「２段ねじ継手」である。

国際公開第２０１７／１０４２８２号（特許文献３）は、優れた密封性能を確保するとともに、すき間腐食の発生を抑制することが可能な鋼管用ねじ継手を開示する（００１７段落参照）。このねじ継手は、内ショルダ及び中間ショルダが同時に接触するように、中間ショルダ同士の干渉量δ_shldを規定している（００５０～００５７段落及び図３参照）。これも「２段ねじ継手」である。

国際公開第２０１５／１９４１６０号 特開平１０－８９５５４号公報 国際公開第２０１７／１０４２８２号 ＰＣＴ／ＪＰ２０１８／０３９９６４

本発明者らは、２段ねじ継手を締結し始めるとき、内ねじ及び外ねじの一方に焼付きが発生しやすいことを新たに見出した。

本開示の目的は、内ねじ及び外ねじの両方に焼付きが発生しにくい鋼管用ねじ継手を提供することである。

本発明者らは、２段ねじ継手を締結し始めるとき、内ねじ及び外ねじの一方に焼付きが発生しやすい原因を分析した結果、以下の知見を新たに得た。２段ねじ継手を締結するとき、内ねじが接触した後に外ねじが接触する場合と、外ねじが接触した後に内ねじが接触する場合とがある。締結開始時は、ねじが完全に噛み合っていないため、ピン及びボックスの軸芯が完全に一致していない、いわゆるミスアライメント状態で締結が進む。そのため、内ねじが先に接触する場合は、内ねじに過大な負荷がかかり、外ねじが先に接触する場合は、外ねじに過大な負荷がかかる。過大な負荷がかかる内ねじ又は外ねじでは、面圧が局所的に高くなるため、焼付きが発生しやすい。

本開示に係る鋼管用ねじ継手は、管状のピンと、ピンがねじ込まれてピンと締結される管状のボックスとを備える。ピンは、テーパ状の内雄ねじと、テーパ状の外雄ねじと、ピン中間ショルダ面とを含む。内雄ねじは、ピンの先端側に位置し、ピンの外周面に形成される。外雄ねじは、ピンの先端と反対側に位置し、ピンの外周面に形成される。ピン中間ショルダ面は、内雄ねじと外雄ねじとの間に形成される。ボックスは、テーパ状の内雌ねじと、テーパ状の外雌ねじと、ボックス中間ショルダ面とを含む。内雌ねじは、内雄ねじに対応し、ボックスの内周面に形成される。外雌ねじは、外雄ねじに対応し、ボックスの内周面に形成される。ボックス中間ショルダ面は、ピン中間ショルダ面に対向し、ピン及びボックスが締結されているときにピン中間ショルダ面と接触する。

内雄ねじ、外雄ねじ、内雌ねじ、及び外雌ねじの各々は、完全ねじ部を含む。完全ねじ部の各々は、ピンの先端側に位置する内端と、ピンの先端と反対側に位置する外端とを含む。互いに締結されたピン及びボックスは、鋼管の軸を含む縦断面を有する。縦断面上に導入された直交座標系は、鋼管の軸に設定されたｘ軸と、鋼管の半径に設定されたｙ軸と、ピン中間ショルダ面及びボックス中間ショルダ面を含む平面と鋼管の軸との交点に設定された原点（０，０）とを有する。

上記鋼管用ねじ継手は、次の式（１）及び（２）を満たす。
ｘ_１＋Ｌ_１＜Ｘ_２ （１）
ｕ_１＋Ｌ_２＜Ｕ_２ （２）

式（１）及び（２）中の変数は、次の通り定義される。

（ｘ_１，ｙ_１）は、内雄ねじの完全ねじ部の内端の座標である。（ｘ_２，ｙ_２）は、内雄ねじの完全ねじ部の外端の座標である。（ｕ_１，ｖ_１）は、外雄ねじの完全ねじ部の内端の座標である。（ｕ_２，ｖ_２）は、外雄ねじの完全ねじ部の外端の座標である。（Ｘ_１，Ｙ_１）は、内雌ねじの完全ねじ部の内端の座標である。（Ｘ_２，Ｙ_２）は、内雌ねじの完全ねじ部の外端の座標である。（Ｕ_１，Ｖ_１）は、外雌ねじの完全ねじ部の内端の座標である。（Ｕ_２，Ｖ_２）は、外雌ねじの完全ねじ部の外端の座標である。

上記鋼管用ねじ継手によれば、内ねじ及び外ねじがほぼ同時に接触するため、内ねじ及び外ねじに焼付きが発生しにくい。

図１は、実施の形態に係る鋼管用ねじ継手を示す縦断面図である。 図２は、図１に示されるねじ継手をピン及びボックスに分離して直交座標系で示す縦断面図である。 図３は、図２中のＩＩＩ部の一例を示す拡大図である。 図４は、図２中のＩＩＩ部の他の例を示す拡大図である。 図５は、図４中のＶ部の拡大図である。 図６は、図１及び図２中の内ねじの締結開始から締結完了まで動きを示す縦断面図である。

［構成１］
本実施の形態に係る鋼管用ねじ継手は、管状のピンと、ピンがねじ込まれてピンと締結される管状のボックスとを備える。ピンは、テーパ状の内雄ねじと、テーパ状の外雄ねじと、ピン中間ショルダ面とを含む。内雄ねじは、ピンの先端側に位置し、ピンの外周面に形成される。外雄ねじは、ピンの先端と反対側に位置し、ピンの外周面に形成される。ピン中間ショルダ面は、内雄ねじと外雄ねじとの間に形成される。ボックスは、テーパ状の内雌ねじと、テーパ状の外雌ねじと、ボックス中間ショルダ面とを含む。内雌ねじは、内雄ねじに対応し、ボックスの内周面に形成される。外雌ねじは、外雄ねじに対応し、ボックスの内周面に形成される。ボックス中間ショルダ面は、ピン中間ショルダ面に対向し、ピン及びボックスが締結されているときにピン中間ショルダ面と接触する。

内雄ねじ、外雄ねじ、内雌ねじ、及び外雌ねじの各々は、完全ねじ部を含む。完全ねじ部の各々は、ピンの先端側に位置する内端と、ピンの先端と反対側に位置する外端とを含む。互いに締結されたピン及びボックスは、鋼管の軸を含む縦断面を有する。縦断面上に導入された直交座標系は、鋼管の軸に設定されたｘ軸と、鋼管の半径に設定されたｙ軸と、ピン中間ショルダ面及びボックス中間ショルダ面を含む平面と鋼管の軸との交点に設定された原点（０，０）とを有する。

上記鋼管用ねじ継手は、次の式（１）及び（２）を満たす。
ｘ_１＋Ｌ_１＜Ｘ_２ （１）
ｕ_１＋Ｌ_２＜Ｕ_２ （２）

式（１）及び（２）中の変数は、次の通り定義される。

（ｘ_１，ｙ_１）は、内雄ねじの完全ねじ部の内端の座標である。（ｘ_２，ｙ_２）は、内雄ねじの完全ねじ部の外端の座標である。（ｕ_１，ｖ_１）は、外雄ねじの完全ねじ部の内端の座標である。（ｕ_２，ｖ_２）は、外雄ねじの完全ねじ部の外端の座標である。（Ｘ_１，Ｙ_１）は、内雌ねじの完全ねじ部の内端の座標である。（Ｘ_２，Ｙ_２）は、内雌ねじの完全ねじ部の外端の座標である。（Ｕ_１，Ｖ_１）は、外雌ねじの完全ねじ部の内端の座標である。（Ｕ_２，Ｖ_２）は、外雌ねじの完全ねじ部の外端の座標である。

構成１によれば、内ねじ及び外ねじがほぼ同時に接触するため、内ねじ及び外ねじに焼付きが発生しにくい。

［構成２］
構成１に記載の鋼管用ねじ継手において、ピンはさらに、ピンの先端部に形成されるノーズと、ノーズと内雄ねじとの間に形成されるピン内シール面と、外雄ねじとピン中間ショルダ面との間に形成されるピン中間シール面とを含んでもよい。ボックスはさらに、ピン内シール面に対向し、ピン及びボックスが締結されているときにピン内シール面と接触するボックス内シール面と、ピン中間シール面に対向し、ピン及びボックスが締結されているときにピン中間シール面と接触するボックス中間シール面とを含んでもよい。

［構成３］
構成１又は２に記載の鋼管用ねじ継手において、ピン中間シール面は、外雌ねじの頂面の包絡線よりも小さい径を有してもよい。

構成３によれば、外雌ねじとピン中間シール面との接触を回避することができる。

［構成４］
構成１～３のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手は、さらに、次の式（３）及び（４）を満たしてもよい。
Ｘ_２－（ｘ_１＋Ｌ_１）≧５ｍｍ （３）
Ｕ_２－（ｕ_１＋Ｌ_２）≧５ｍｍ （４）

構成４によれば、内ねじ及び外ねじが５ｍｍ以上接触することができる。

以下、図面を参照し、本実施の形態を詳細に説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付し、同じ説明を繰り返さない。

［鋼管用ねじ継手の構成］
図１を参照して、本実施の形態に係る鋼管用ねじ継手１は、カップリング型のねじ継手であって、管状のピン１０と、ピン１０がねじ込まれてピン１０と締結される管状のボックス２０とを備える。

ピン１０は、ノーズ１２と、テーパ状の内雄ねじ１４と、テーパ状の外雄ねじ１７と、ピン内シール面１３と、ピン中間ショルダ面１８と、ピン中間シール面１６と、ピン環状部１５ａとを含む。

ノーズ１２は、ピン１０の先端部に形成される。内雄ねじ１４は、ピン１０の先端側に位置し、ピン１０の外周面に形成される。外雄ねじ１７は、ピン１０の先端と反対側に位置し、ピン１０の外周面に形成される。ピン内シール面１３は、ノーズ１２と内雄ねじ１４との間に形成される。ピン中間ショルダ面１８は、内雄ねじ１４と外雄ねじ１７との間に形成される。ピン中間シール面１６は、外雄ねじ１７とピン中間ショルダ面１８との間に形成される。ピン環状部１５ａは、ピン中間ショルダ面１８とピン中間シール面１６との間に形成される。

ボックス２０は、凹部２２と、テーパ状の内雌ねじ２４と、テーパ状の外雌ねじ２７と、ボックス内シール面２３と、ボックス中間ショルダ面２８と、ボックス中間シール面２６と、ボックス環状部２５ａとを含む。

凹部２２は、ノーズ１２に対応する。内雌ねじ２４は、内雄ねじ１４に対応し、ボックス２０の内周面に形成される。外雌ねじ２７は、外雄ねじ１７に対応し、ボックス２０の内周面に形成される。ボックス内シール面２３は、ピン内シール面１３に対向し、ピン１０及びボックス２０が締結されているときにピン内シール面１３と接触する。ボックス中間ショルダ面２８は、ピン中間ショルダ面１８に対向し、ピン１０及びボックス２０が締結されているときにピン中間ショルダ面１８と接触する。ボックス中間シール面２６は、ピン中間シール面１６に対向し、ピン１０及びボックス２０が締結されているときにピン中間シール面１６と接触する。ボックス環状部２５ａは、ピン環状部１５ａに対向し、ピン１０及びボックス２０が締結されているときにピン環状部１５ａから離間する。

以下、内雄ねじ１４及び内雌ねじ２４を総称して「内ねじ１４，２４」という場合ある。外雄ねじ１７及び外雌ねじ２７を総称して「外ねじ１７，２７」という場合ある。このねじ継手１は、内ねじ１４，２４及び外ねじ１７，２７を備えた２段ねじ継手である。

ピン内シール面１３及びピン中間シール面１６は、それぞれ、先端側ほど直径が縮小した円錐台の周面に相当する面から成る形状、又はその円錐台の周面と、円弧等の曲線を鋼管の軸（以下、単に「管軸」という場合がある。）ＣＬ周りに回転して得られる回転体の周面に相当する面とを組み合わせた形状をしている。

ノーズ１２は筒状であり、管軸ＣＬ方向においてピン内シール面１３に隣接する。ただし、ノーズ１２の外周面は、ピン内シール面１３のテーパと傾きが同じであるか、小さい（緩い）、又は大きい(急な)テーパ面であってもよい。ノーズ１２の外周面がテーパ面である場合、当該外周面は、厳密には、先端側ほど直径が縮小した円錐台の周面に相当する面から成る形状、又はその円錐台の周面と、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とを組み合わせた形状をしている。

ピン１０はさらに、ピン１０の先端に形成されるピン補助ショルダ面１１を含む。ボックス２０はさらに、ピン補助ショルダ面１１に対向するボックス補助ショルダ面２１を含む。ピン補助ショルダ面１１は、ピン１０及びボックス２０が締結されているときにボックス補助ショルダ面２１と接触してもよいが、接触しなくてもよい。

ピン補助ショルダ面１１は、管軸ＣＬにほぼ垂直な環状面である。厳密には、補助ショルダ面１１の外周側がピン１０の先端側に向けて僅かに傾倒する。

中間ショルダ面１８は、内雄ねじ１４とピン環状部１５ａとの間に配置される。中間ショルダ面１８は、ピン環状部１５ａに隣接する。本実施の形態において、中間ショルダ面１８は、管軸ＣＬに垂直な環状面である。もっとも、中間ショルダ面１８は、補助ショルダ面１１と同様に、その外周側がピン１０の先端側に向けて僅かに傾倒していてもよい。

ピン環状部１５ａは、管軸ＣＬ方向においてピン中間シール面１６の前方に隣接する。内雄ねじ１４はピン環状部１５ａに隣接する。ピン環状部１５ｂは、管軸ＣＬ方向においてピン中間シール面１６の後方に隣接する。外雄ねじ１７はピン環状部１５ｂに隣接する。ピン環状部１５ａの外周面は、その剛性を確保できる形状であればよく、例えば筒面や内雄ねじ１４のねじテーパよりも小さい(緩い)テーパ面であってもよいし、湾曲面であってもよい。ピン環状部１５ｂの外周面も同様である。

ボックス内シール面２３は、ピン内シール面１３に向けて突出する。ただし、ボックス内シール面２３は、突出しなくてもよい。その場合、ピン内シール面１３がボックス内シール面２３に向けて突出する。

内雄ねじ１４及び内雌ねじ２４は、互いに噛み合うテーパねじであり、かつ、台形ねじである。外雄ねじ１７及び外雌ねじ２７もまた、互いに噛み合うテーパねじであり、かつ、台形ねじである。

内ねじ１４，２４のテーパ面は、外ねじ１７，２７のテーパ面よりも管軸ＣＬ寄りである。内ねじ１４，２４と外ねじ１７，２７との間に中間ショルダ面１８，２８が設置されるからである。このため、ピン１０において、内雄ねじ１４及びピン内シール面１３の部分の外径が小さくなり、その部分の肉厚が薄くなる。一方、ピン１０において、ピン中間シール面１６及び外雄ねじ１７の部分の外径は大きくなり、その部分の肉厚は厚くなる。

内雄ねじ１４及び内雌ねじ２４は、互いのねじ込みを可能にし、締結状態では互いに嵌め合い密着し、締まりばめの状態となる。外雄ねじ１７及び外雌ねじ２７も同様に締まりばめの状態となる。

内シール面１３，２３及び中間シール面１６，２６は、それぞれ、ピン１０のねじ込みに伴って互いに接触し、締結状態では嵌め合い密着し、締まりばめの状態となる。これにより、内シール面１３，２３及び中間シール面１６，２６は、それぞれ、メタル接触による内シール部及び中間シール部を形成する。

締結状態において、ピン１０のノーズ１２とボックス２０の凹部２２との間には隙間が形成される。ピン環状部１５ａとボックス環状部２５ａとの間にも隙間が形成される。ピン環状部１５ｂとボックス環状部２５ｂとの間にも隙間が形成される。

中間ショルダ面１８，２８は、締結状態において互いに接触する。中間ショルダ面１８，２８が押圧接触した場合、主に外雄ねじ１７の荷重面に締め付け軸力が付与される。

また、ピン１０の先端にピン補助ショルダ面１１を設ければ、圧縮荷重によるダメージを軽減することができるため、さらなる性能の向上が期待できる。

図２を参照して、内雄ねじ１４は、完全ねじ部（以下、「ピン内完全ねじ部」という。）１４１を含む。外雄ねじ１７は、完全ねじ部（以下、「ピン外完全ねじ部」という。）１７１を含む。内雌ねじ２４は、完全ねじ部（以下、「ボックス内完全ねじ部」という。）２４１を含む。外雌ねじ２７は、完全ねじ部（以下、「ボックス外完全ねじ部」という。）２７１を含む。

ピン内完全ねじ部１４１は、ピン１０の先端側に位置する内端１４１ｉと、ピン１０の先端と反対側に位置する外端１４１ｏとを含む。ピン外完全ねじ部１７１は、ピン１０の先端側に位置する内端１７１ｉと、ピン１０の先端と反対側に位置する外端１７１ｏとを含む。ボックス内完全ねじ部２４１は、ピン１０の先端側（ボックス２０の先端と反対側）に位置する内端２４１ｉと、ピン１０の先端と反対側（ボックス２０の先端側）に位置する外端２４１ｏとを含む。ボックス外完全ねじ部２７１は、ピン１０の先端側（ボックス２０の先端と反対側）に位置する内端２７１ｉと、ピン１０の先端と反対側（ボックス２０の先端側）に位置する外端２７１ｏとを含む。

内雄ねじ１４はさらに、ベベル部（以下、「ピン内ベベル部」という。）１４２を含む。外雄ねじ１７はさらに、不完全ねじ部（以下、「ピン外不完全ねじ部」という。）１７２と、ベベル部（以下、「ピン外ベベル部」という。）１７３とを含む。内雌ねじ２４はさらに、ベベル部（以下、「ボックス内ベベル部」という。）２４２及び２４３を含む。外雌ねじ２７は、不完全ねじ部（以下、「ボックス外不完全ねじ部」という。）２７２を含む。

完全ねじ部は、ねじの頂面（ねじ山）及び底面（ねじ溝）の両方が完全な所定形状を有する。不完全ねじ部は、ねじの頂面（ねじ山）又は底面（ねじ溝）が不完全な形状を有する。ベベル部は「面取り部」とも呼ばれ、不完全ねじ部の一種である。

表１は、完全ねじ部及び不完全ねじ部の嵌め合い組合せを示す。

表１に示される通り、本実施の形態では、雄ねじ１４，１７の頂面１４４，１７６は、雌ねじ２４，２７の底面２４７，２７６と常に接触しない。ただし、ボックス２０の完全ねじ部２４１，２７１に限り、雄ねじ１４，１７の底面は、雌ねじ２４，２７の頂面２４４，２７４と接触する。

ピン内完全ねじ部１４１の内端１４１ｉは、ピン内完全ねじ部１４１の頂面１４４の包絡線１４１ｅとピン内ベベル部１４２の頂面１４５の包絡線１４２ｅとの交点に位置する。ピン内完全ねじ部１４１の外端１４１ｏは、ピン内完全ねじ部１４１の頂面の包絡線１４１ｅとピン１０の外周面１４３の延長線１４３ｅとの交点に位置する。ピン外完全ねじ部１７１の内端１７１ｉは、ピン外完全ねじ部１７１の頂面１７４の包絡線１７１ｅとピン外ベベル部１７３の頂面１７５の包絡線１７３ｅとの交点に位置する。ピン外完全ねじ部１７１の外端１７１ｏは、ピン外完全ねじ部１７１の頂面１７４の包絡線１７１ｅとピン外不完全ねじ部１７２の頂面１７６の包絡線（又は頂面１７６と同じピン１０の外周面１７７の延長線）１７２ｅとの交点に位置する。

ボックス内完全ねじ部２４１の内端２４１ｉは、ボックス内完全ねじ部２４１の頂面２４４の包絡線２４１ｅとボックス内ベベル部２４２の頂面２４５の包絡線２４２ｅとの交点に位置する。ボックス内完全ねじ部２４１の外端２４１ｏは、ボックス内完全ねじ部２４１の頂面２４４の包絡線２４１ｅとボックス内ベベル部２４３の頂面２４６の延長線２４３ｅとの交点に位置する。ボックス外完全ねじ部２７１の内端２７１ｉは、ボックス外完全ねじ部２７１の頂面２７４の包絡線２７１ｅとボックス外不完全ねじ部２７２の頂面２７５の包絡線２７２ｅとの交点に位置する。ボックス外完全ねじ部２７１の外端２７１ｏは、ボックス外完全ねじ部２７１の頂面２７４の包絡線２７１ｅとボックス２０の端面２７３の延長線２７３ｅとの交点に位置する。

上記包絡線及び延長線は、断面図上では「線」であるが、ピン１０及びボックス２０は管状であるから、実際上は「面」である。したがって、内端及び外端は、断面図上では「点」であるが、実際上は「線」である。

上記頂面１４４，１７４，２４４，２７４の包絡線１４１ｅ，１７１ｅ，２４１ｅ，２７１ｅは、より具体的には、次の通り定義される。例えば、ピン外完全ねじ部１７１の頂面１７４は、図３に示されるようにテーパ状になっている場合と、図４に示されるようにステップ状になっている場合とがある。

図３に示されるように、頂面１７４がテーパ状になっている場合、底面１７８もテーパ状になっている。頂面１７４及び底面１７８のテーパ角は、外雄ねじ１７のテーパ角と同じである。断面図上で、各頂面１７４は同一直線上に存在する。この直線上に頂面１７４の包絡線１７１ｅは定義される。上記の通り、ピン外完全ねじ部１７１の外端１７１ｏは、ピン外完全ねじ部１７１の頂面１７４の包絡線１７１ｅとピン外不完全ねじ部１７２の頂面１７６の包絡線１７２ｅ、つまりピン１０の外周面１７７の延長線１７２ｅとの交点に位置する。

一方、図４に示されるように、頂面１７４がステップ状になっている場合、底面１７８もステップ状になっている。頂面１７４及び底面１７８は管軸ＣＬと平行である。断面図上で、各頂面１７４は同一直線上に存在しない。そのため、この場合、包絡線１７１ｅは、図５に示されるように、頂面１７４の延長線１７４ｅと挿入面１７９の延長線１７９ｅとの交点ＣＰを通る直線と定義される。挿入面１７９は、外雄ねじ１７の両フランク面のうちピン１０の先端側のフランク面である。図４に示されるように、この場合も同様に、ピン外完全ねじ部１７１の外端１７１ｏは、ピン外完全ねじ部１７１の頂面１７４の包絡線１７１ｅとピン外不完全ねじ部１７２の頂面１７６の包絡線１７２ｅ、つまりピン１０の外周面１７７の延長線１７２ｅとの交点に位置する。

図１に示されるように、互いに締結されたピン１０及びボックス２０は、管軸ＣＬを含む縦断面を有する。図２に示されるように、縦断面上に導入された直交座標系は、管軸ＣＬに設定されたｘ軸と、鋼管の半径に設定されたｙ軸と、ピン中間ショルダ面１８及びボックス中間ショルダ面２８を含む平面ＳＰと管軸ＣＬとの交点ＣＰに設定された原点（０，０）とを有する。

この２段ねじ継手１は、次の式（１）及び（２）を満たす。
ｘ_１＋Ｌ_１＜Ｘ_２ （１）
ｕ_１＋Ｌ_２＜Ｕ_２ （２）

式（１）及び（２）中の変数は、次の通り定義される。

図２中の座標は次の通り定義される。
（ｘ_１，ｙ_１）：ピン内完全ねじ部１４１の内端１４１ｉの座標
（ｘ_２，ｙ_２）：ピン内完全ねじ部１４１の外端１４１ｏの座標
（ｕ_１，ｖ_１）：ピン外完全ねじ部１７１の内端１７１ｉの座標
（ｕ_２，ｖ_２）：ピン外完全ねじ部１７１の外端１７１ｏの座標
（Ｘ_１，Ｙ_１）：ボックス内完全ねじ部２４１の内端２４１ｉの座標
（Ｘ_２，Ｙ_２）：ボックス内完全ねじ部２４１の外端２４１ｏの座標
（Ｕ_１，Ｖ_１）：ボックス外完全ねじ部２７１の内端２７１ｉの座標
（Ｕ_２，Ｖ_２）：ボックス外完全ねじ部２７１の外端２７１ｏの座標

上記式中、Ｌ１は、内ねじ１４，２４の締結に際して、締結開始時（ピン内完全ねじ部１４１の頂面１４４の包絡線１４１ｅがボックス内完全ねじ部２４１の頂面２４４の包絡線２４１ｅ上に達した時；以下、「内ねじ締結開始時」という。）から締結完了時（ピン中間ショルダ面１８がボックス中間ショルダ面２８に達した時）までに、ピン１０がボックス２０に対して管軸ＣＬ方向に進行する距離である。

Ｌ２は、外ねじ１７，２７の締結に際して、締結開始時（ピン外完全ねじ部１７１の頂面１７４の包絡線１７１ｅがボックス外完全ねじ部２７１の頂面２７４の包絡線２７１ｅ上に達した時；以下、「外ねじ締結開始時」という。）から締結完了時（ピン中間ショルダ面１８がボックス中間ショルダ面２８に達した時）までに、ピン１０がボックス２０に対して管軸ＣＬ方向に進行する距離である。

α_ｐｉは、包絡線１４１ｅのｘ軸に対する傾き（勾配）を示す。α_ｐｏは、包絡線１７１ｅのｘ軸に対する傾きを示す。β_ｐｉは、包絡線１４１ｅのｙ軸上の切片を示す。β_ｐｏは、包絡線１７１ｅのｙ軸上の切片を示す。β_ｂｉは、包絡線２４１ｅのｙ軸上の切片を示す。β_ｂｏは、包絡線２７１ｅのｙ軸上の切片を示す。

［鋼管用ねじ継手の作用・効果］
上記構成を有する２段ねじ継手１によれば、内ねじ１４，２４及び外ねじ１７，２７が同時に接触するため、内ねじ１４，２４及び外ねじ１７，２７に焼付きが発生しにくい。以下、その理由を詳細に説明する。

ピン内完全ねじ部１４１の頂面１４４の包絡線１４１ｅは、次の式（５）で表される。

ピン外完全ねじ部１７１の頂面１７４の包絡線１７１ｅは、次の式（６）で表される。

ボックス内完全ねじ部２４１の頂面２４４の包絡線２４１ｅは、次の式（７）で表される。式（７）中、α_ｂｉは、包絡線２４１ｅのｘ軸に対する傾きを示す。

ボックス外完全ねじ部２７１の頂面２７４の包絡線２７１ｅは、次の式（８）で表される。式（８）中、α_ｂｏは、包絡線２７１ｅのｘ軸に対する傾きを示す。

図６を参照して、内ねじ１４，２４の締結に際して、内ねじ締結開始時から内ねじ締結完了時までに、ピン１０はボックス２０に対し、管軸ＣＬ方向に距離Ｌ１だけ進行する。距離Ｌ１は、次の式（９）又は（１０）で表される。

同様に、外ねじ１７，２７の締結に際して、外ねじ締結開始時から外ねじ締結完了時までに、ピン１０はボックス２０に対し、管軸ＣＬ方向に距離Ｌ２だけ進行する。距離Ｌ２は、次の式（１１）又は（１２）で表される。

ここで、ピン１０及びボックス２０のテーパ角は実質的に同じであるから、α_pi≒α_bi、かつ、α_po≒α_boが成立する。

内ねじ１４，２４及び外ねじ１７，２７が同時に接触を開始するためには、内ねじ締結開始時にピン内完全ねじ部１４１の内端１４１ｉのｘ座標（ｘ_１）がボックス内完全ねじ部２４１の外端２４１ｏのｘ座標（Ｘ_２）よりも小さく、かつ、外ねじ締結開始時にピン外完全ねじ部１７１の内端１７１ｉのｘ座標（ｕ_１）がボックス外完全ねじ部２７１の外端２７１ｏのｘ座標（Ｕ_２）よりも小さければよいから、次の式（１）及び（２）を満たせばよい。
ｘ_１＋Ｌ_１＜Ｘ_２ （１）
ｕ_１＋Ｌ_２＜Ｕ_２ （２）

上記２段ねじ継手１において、ピン中間シール面１６は、外雌ねじ２７の頂面２７４の包絡線２７１ｅよりも小さい径を有してもよい。この場合、外雌ねじ２７とピン中間シール面１８との接触を回避することができる。

上記２段ねじ継手１は、さらに、次の式（３）及び（４）を満たしてもよい。この場合、内ねじ１４，２４及び外ねじ１７，２７が５ｍｍ以上接触することができる。
Ｘ_２－（ｘ_１＋Ｌ_１）≧５ｍｍ （３）
Ｕ_２－（ｕ_１＋Ｌ_２）≧５ｍｍ （４）

上記実施の形態に係るねじ継手は、カップリング型だけでなく、インテグラル型にも適用できる。

上記２段ねじ継手１において、ノーズ１２、ピン内シール面１３、ピン中間シール面１６、ボックス内シール面２３、及びボックス中間シール面２６は、設けられていなくてもよい。

その他、本開示は上記の実施の形態に限定されず、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

本実施の形態に係る鋼管用ねじ継手の効果を確認するため、実サンプルによる耐焼付き性能評価試験を実施した。

＜試験条件＞
寸法が異なる複数の供試体につき、ＩＳＯ１３６７９規格で規定される繰り返し締結／解体試験を実施し、焼付きの有無を確認した。各供試体は、図１に示される基本構造を有するカップリング型のねじ継手である。共通の試験条件を以下に示す。

（１）鋼管の寸法
７－５／８［ｉｎｃｈ］×１．０６［ｉｎｃｈ］（外径１９３．７［ｍｍ］、肉厚２７．０［ｍｍ］）
１０－１／８［ｉｎｃｈ］×０．８［ｉｎｃｈ］（外径２５７．２［ｍｍ］、肉厚２０．３［ｍｍ］）
（２）鋼管のグレード
ＡＰＩ規格のＰ１１０（公称降伏応力が１１０［ｋｓｉ］の炭素鋼）

＜評価方法＞
表２は、各供試体の試験条件及び評価をまとめたものである。

＜試験結果＞
供試体１では、締結開始時に、外ねじのみが接触し、内ねじが接触していないため、接触が不安定になる。そのため、締結が進むに従って外ねじに過大な負荷がかかり、１回目の締結／解体試験で外ねじに焼付きが発生した。

供試体２～４では、内ねじ及び外ねじがほぼ同時に接触を開始するため、締結開始時から締結完了時まで、接触が安定する。そのため、内ねじ及び外ねじの両方に均一な荷重がかかり、焼付きが発生することなく、３回の締結／解体試験に成功した。

１０：ピン
１２：ノーズ
１３：ピン内シール面
１４：内雄ねじ
１６：ピン中間シール面
１７：外雄ねじ
１８：ピン中間ショルダ面
２０：ボックス
２２：凹部
２３：ボックス内シール面
２４：内雌ねじ
２６：ボックス中間シール面
２７：外雌ねじ
２８：ボックス中間ショルダ面
１４１：ピン内完全ねじ部
１７１：ピン外完全ねじ部
２４１：ボックス内完全ねじ部
２７１：ボックス外完全ねじ部
１４１ｉ，１７１ｉ，２４１ｉ，２７１ｉ：内端
１４１ｏ，１７１ｏ，２４１ｏ，２７１ｏ：外端

Claims (4)

1. 鋼管用ねじ継手であって、
   管状のピンと、
   前記ピンがねじ込ま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、
   前記ピンの先端側に位置し、前記ピンの外周面に形成されるテーパ状の内雄ねじと、
   前記ピンの先端と反対側に位置し、前記ピンの外周面に形成されるテーパ状の外雄ねじと、
   前記内雄ねじと前記外雄ねじとの間に形成されるピン中間ショルダ面とを含み、
   前記ボックスは、
   前記内雄ねじに対応し、前記ボックスの内周面に形成されるテーパ状の内雌ねじと、
   前記外雄ねじに対応し、前記ボックスの内周面に形成されるテーパ状の外雌ねじと、
   前記ピン中間ショルダ面に対向し、前記ピン及び前記ボックスが締結されているときに前記ピン中間ショルダ面と接触するボックス中間ショルダ面とを含み、
   前記内雄ねじ、前記外雄ねじ、前記内雌ねじ、及び前記外雌ねじの各々は、完全ねじ部を含み、前記完全ねじ部の各々は、前記ピンの先端側に位置する内端と、前記ピンの先端と反対側に位置する外端とを含み、
   互いに締結された前記ピン及び前記ボックスは、前記鋼管の軸を含む縦断面を有し、前記縦断面上に導入された直交座標系は、前記鋼管の軸に設定されたｘ軸と、前記鋼管の半径に設定されたｙ軸と、前記ピン中間ショルダ面及び前記ボックス中間ショルダ面を含む平面と前記鋼管の軸との交点に設定された原点（０，０）とを有し、
   次の式（１）及び（２）を満たす、鋼管用ねじ継手。
   ｘ_１＋Ｌ_１＜Ｘ_２ （１）
   ｕ_１＋Ｌ_２＜Ｕ_２ （２）
   式（１）及び（２）中、
   

   

   （ｘ_１，ｙ_１）は、前記内雄ねじの完全ねじ部の内端の座標であり、
   （ｘ_２，ｙ_２）は、前記内雄ねじの完全ねじ部の外端の座標であり、
   （ｕ_１，ｖ_１）は、前記外雄ねじの完全ねじ部の内端の座標であり、
   （ｕ_２，ｖ_２）は、前記外雄ねじの完全ねじ部の外端の座標であり、
   （Ｘ_１，Ｙ_１）は、前記内雌ねじの完全ねじ部の内端の座標であり、
   （Ｘ_２，Ｙ_２）は、前記内雌ねじの完全ねじ部の外端の座標であり、
   （Ｕ_１，Ｖ_１）は、前記外雌ねじの完全ねじ部の内端の座標であり、
   （Ｕ_２，Ｖ_２）は、前記外雌ねじの完全ねじ部の外端の座標である。
2. 請求項１に記載の鋼管用ねじ継手であって、
   前記ピンはさらに、
   前記ピンの先端部に形成されるノーズと、
   前記ノーズと前記内雄ねじとの間に形成されるピン内シール面と、
   前記外雄ねじと前記ピン中間ショルダ面との間に形成されるピン中間シール面とを含み、
   前記ボックスはさらに、
   前記ピン内シール面に対向し、前記ピン及び前記ボックスが締結されているときに前記ピン内シール面と接触するボックス内シール面と、
   前記ピン中間シール面に対向し、前記ピン及び前記ボックスが締結されているときに前記ピン中間シール面と接触するボックス中間シール面とを含む、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、
   前記ピン中間シール面は、外雌ねじの頂面の包絡線よりも小さい径を有する、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、さらに、
   次の式（３）及び（４）を満たす、鋼管用ねじ継手。
   Ｘ_２－（ｘ_１＋Ｌ_１）≧５ｍｍ （３）
   Ｕ_２－（ｕ_１＋Ｌ_２）≧５ｍｍ （４）

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