JPWO2011040262A1 - 鋼管用ねじ継手 - Google Patents

Abstract

ねじ形状が三角ねじである雄ねじ部を有するピンと、この雄ねじ部に螺合する三角ねじの雌ねじ部と先端に設けたねじ無しスリーブ部とを有するボックスとから構成される、アメリカ石油協会により規定されたラウンドねじ継手の規格を満たす鋼管用ねじ継手の耐ゴーリング性を改善する。ボックスのねじ無しスリーブ部のボックス軸方向長さが、前記規格で規定されている値の１／２以下（零を含む）となるようにねじ無しスリーブ部を短縮または削除する。さらに、ボックス端部にスウィーシュ部を設置するか、および／または雌ねじ部末端のベベル角を雌ねじ山の斜面角度の±１５°以内になるように上記規格で規定されているボックス形状を変更してもよい。

Description

本発明は、地下に埋蔵される原油、天然ガス、メタンハイドレート、地下水、温泉等の、気体状または液体状の地下資源を採掘、生産する際に用いられる鋼管（その代表例は油井管）の締結に使用される鋼管用ねじ継手に関する。より具体的には、本発明は、鋼管用ねじ継手のうち、特に、アメリカ石油協会（American Petroleum Institutes、ＡＰＩ）の規格に規定されているラウンドねじ継手の改良に関する。

油井管等の地下資源採掘用の鋼管は、通常、ねじ継手により接続される。この種のねじ継手は、一般に、雄ねじ部を有するピンと、該雄ねじ部に螺合する雌ねじ部を有するボックスとから構成されるピン−ボックス構造をとる。典型的には、ピンは締結される鋼管の両管端部の外面に、ボックスはカップリングと呼ばれる別の締結用部材の内面に形成される。このようなねじ継手をカップリング方式と呼ぶ。その他、鋼管の一端の外面にピンを、他端の内面にボックスを設けた、カップリングを使用せずに鋼管同士を直接締結するインテグラル方式のねじ継手も存在する。ピンとボックスのねじ山は、台形ねじ（バットレスねじ）、三角ねじ（ラウンドねじ）、フックねじなどから選ばれうる。

このような鋼管用ねじ継手に、いわゆるＡＰＩ継手と呼ばれる、アメリカ石油協会が規格化した標準的なねじ継手がある。図４は、カップリング方式のＡＰＩ規格のラウンドねじ継手の縦断面形状を示す断面図である。

図４に示すカップリング方式のラウンドねじ継手１は、締結される鋼管２、３の管端部の外面にそれぞれ形成されたピンと、短い締結部材（カップリング）４の内面に形成されたボックスとから構成される。ピンは、鋼管２、３の管端部の外表面に、鋼管軸方向におけるねじ山の断面形状がほぼ三角形のラウンドねじであるテーパ雄ねじ部２ａ，３ａを設けることにより形成される。ピンに対向するボックスは、ピンの雄ねじ部２ａ，３ａに螺合するラウンドねじからなるテーパ雌ねじ部４ａを、カップリング４の内面の両側に設けることにより形成される。各ボックスは、雌ねじ部４ａに加えて、カップリング４の軸方向両端部に、鋼管２、３の外径より大きい内径を有するねじ無しスリーブ部４ｂを備えている。このねじ無しスリーブ部４ｂは、インサートガイドの役割をもつ。

ねじ継手の締結は、油圧または水圧により作動するパワートングと呼ばれる締め付け機による機械締め付けにより行われる。締め付けは、規定のトルク反力に達すること、または既定の締め付け位置まで到達することにより、完了する。締め付けが完了したピンとボックスのねじ同士は、丁度接触する位置からさらにねじ込まれて締まり嵌めとなり、非常に強固に接続される。

例えば、雄ねじおよび雌ねじの芯ずれ、砂や石などの噛み込み、さらには潤滑剤の不足といった、締め付け時のわずかな不具合に起因して、ねじ部に焼き付き（ゴーリング）が発生する。通常、ねじ継手の締め付け機器や、ねじ継手、ねじ部に塗布する潤滑剤、さらには現場での締め付け手順は、ゴーリングを発生させないように、管理されている。しかし、近年開発が増加している、劣悪な環境下にある油井では、この管理を十分に行うことができないことがあり、ゴーリングがしばしば発生し、問題となっている。

これまでにも、ねじ継手の表面に塗布する潤滑剤、場合により予め該表面に形成される潤滑被膜、ならびに該表面の表面処理方法（例、粗面化処理）を改良することによって、ゴーリングを防止する（耐ゴーリング性を改善する）試みが多数提案されている。また、ねじ山の形状を工夫することによりゴーリングを防止することも提案されている。

潤滑被膜や表面処理の改良によりゴーリング防止を図った鋼管用ねじ継手は、その潤滑被膜または表面処理を傷つけないように取扱いに細心の注意を要することが多い。油井現場への搬送途中や、現場でのラフな取り扱い、さらにはずさんな在庫管理等により、潤滑被膜の剥がれ等の不良が発生し易く、この不良が発生すると、耐ゴーリング性能の向上が得られない。

ねじ山形状の改良に関して、米国特許第６,４４７,０２５号には、ラウンドねじのピンの雄ねじ山の頂部の丸みを、荷重面側より挿入面側の方が大きくなるようにした鋼管用ねじ継手が開示されている。それにより、ねじ締め付け時のスクラッチ（ひっかき疵）や摩耗損傷が防止される。しかし、このようなねじ山形状では、締め付け初期にはピンとボックスの相対するねじの斜面が傷つくことを防止できるものの、後述する局部的な高接触状態に起因したゴーリングを防止することはできない。

特開２００１−５６０７５号公報に開示された鋼管用ねじ継手では、ピンの雄ねじのピッチがボックスの雌ねじのピッチより１〜７ミクロンの範囲で小さく設定される。ピンが嵌め合い時のポアソン効果で軸方向に伸びることによるねじ斜面の接触力の増大が、これによって抑制され、耐ゴーリング性能が向上する。つまり、ピンとボックスのねじ部が十分に嵌め合わされて、ピンがポアソン効果で軸方向に伸びた状態では、この鋼管用ねじ継手は耐ゴーリング性の向上効果を発揮できる。しかし、ピンとボックスのねじ部がまだ嵌め合っていない締め付け初期の段階では、ピンとボックスのねじピッチの差によってねじ斜面に不必要な接触力が発生し、かえってゴーリングが発生し易くなる。

本発明は、潤滑被膜や表面処理の改良に頼らず、かつねじ山形状やねじピッチを変更せずに、優れた耐ゴーリング性能を安定して発揮することができる、ＡＰＩに規格されたラウンドねじ（即ち、継手軸方向のねじ山の断面形状がほぼ三角形であるねじ、本明細書では三角ねじという）を備えた鋼管用ねじ継手を提供することを目的とする。

本発明者らは、施工現場で発生しているＡＰＩ規格のラウンドねじ継手のゴーリングの発生状況をカップリング方式のねじ継手により詳細に調査した。その結果、ゴーリングは、鋼管管端部の外面に形成されたピンの雄ねじ部の軸方向中央部から鋼管本体側へ向けて発生する一方で、カップリング内面に形成されたボックスの雌ねじ部では、カップリングの端部から雌ねじ部の軸方向中央部付近にかけて発生していた。すなわち、雄ねじ部の中央部より鋼管先端側と、雌ねじ部の中央部よりカップリング奥側ではゴーリングは発生していなかった。

ゴーリングは、ねじの接触圧が局所的に非常に高まることに起因して発生することから、本発明者らは、ねじ継手のどの部位で高い接触圧が発生するのかを、有限要素法解析による数値シミュレーションにより詳細に検討した。その結果、カップリングの端部に位置するねじ山の接触圧が、他の部位に設けられたねじ山の接触圧に比較して、数倍から数十倍程度も高いことが判明した。すなわち、ゴーリングの主な発生原因が、カップリングの端部に位置するねじ山が局部的に高い接触圧で接触すること（以下、「高接触状態」と略記する）であることを知見した。

本発明者らは、カップリングの端部（すなわち、ピンを受け入れる開口部であるボックスの先端部）の位置でのねじ山の高接触状態を緩和できればゴーリングを解消できると考え、カップリングの端部におけるねじ山が高接触状態になる要因をさらに検討した結果、以下に列記する２つの要因（ａ）および（ｂ）が判明した。

（ａ）ねじの接触圧は、嵌め合い力、すなわち小径の雌ねじ部に大径の雄ねじ部を強引にねじ込むことによって発生する雌ねじおよび雄ねじ間の押し合う力により、その平均的な大きさが決定される。換言すると、ねじの接触圧は、雄ねじ部により拡径させられた雌ねじ部が元の径に縮もうとする弾性回復力と、雌ねじ部により縮径させられた雄ねじ部が元の径に拡がろうとする弾性回復力との双方により、発生するといえる。

ここで、カップリングの軸方向中央部付近のねじ山では、隣り合ういくつかのねじ山によりこの弾性回復力が分担されるので、一山当たりの負担は小さくなり、ねじの接触圧の過剰な上昇は防がれる。これに対し、カップリング端部付近のねじ山では、カップリングの端部のねじ無しスリーブ部が元の径に縮もうとする弾性回復力をも負担することとなるため、カップリングの軸方向中央部付近のねじ山よりも接触圧が過剰に上昇する。

（ｂ）カップリング端部に近いねじ山は、雌ねじ末端のベベル（面取り）によってねじ山の一部が切り取られた不完全な形状を有する不完全ねじ部であり、この不完全な形状の角部が片当たりするために、カップリングの雌ねじ端部のねじ数山の接触圧が局部的に過剰に上昇する。

本発明者らは、これら２つの要因のいずれか一方または双方を取り除くか、あるいは低減することができれば、耐ゴーリング性を飛躍的に向上させることができると考え、さらに検討を重ねた結果、ＡＰＩ規格のラウンドねじ継手におけるカップリングの端部のねじ山の局所的な接触圧を低減するには、下記の（ｉ）〜（iii）が有効であることを知見した：
（ｉ）カップリング端部に設けられているねじ無しスリーブ部を削除または短縮する、
（ii）カップリング端部をある軸方向長さにわたって外表面を削りとり、肉厚を薄くする（本明細書ではこうして肉厚が薄くなった部分を「スウィーシュ部」という）、
（iii）特にラウンドねじの場合には、カップリング端部の不完全ねじ部による片当たりを低減するために、雌ねじ部のねじ末端のベベル角を、ラウンドねじの斜面の角度とほぼ同じ値に設定することにより、片当たりを生じる不完全ねじ山の数を最少にすることができる。

本発明は、互いに嵌合し得るピンとボックスとから構成される鋼管用ねじ継手であって、ピンがねじ形状が三角ねじである雄ねじ部を有し、ボックスが前記雄ねじ部に螺合する三角ねじ形状の雌ねじ部とボックス先端に位置するねじ無しスリーブ部とを有する、アメリカ石油協会（ＡＰＩ）により規定されたラウンドねじ継手の規格を満たす形状から、前記ボックスのねじ無しスリーブ部が、そのボックス軸方向長さが前記規格で規定されている値の１／２以下（零を含む）となるように少なくとも部分的に除去されている点で異なる、ことを特徴とする鋼管用ねじ継手である。

ここで、ねじ無しスリーブ部とは、ＡＰＩ規格のラウンドねじ継手のボックス先端部に設けられている、ボックス軸方向において内径が一定（すなわち、内面が円筒面）である部分を意味する。内面の円筒面は、±５°以内の微小な傾斜角度の傾斜面をも許容する。

前記ねじ無しスリーブ部のボックス軸方向の長さは零であってもよく、その方が望ましい。すなわち、このスリーブ部の全体を除去し、ボックスがねじ無しスリーブ部を有していないことが好ましい。

ボックスは、その端面（先端面）から、ボックス端面に最も近い雌ねじ部のねじ山から奥に向かって少なくとも２ピッチ分に相当する位置までの軸方向長さのボックス部分（この部分をボックス「端部」という）が、ＡＰＩ規格に規定されたねじ無しスリーブ部の肉厚の１／３以上、１／２以下の厚みだけボックス外周面を削り落した外面削ぎ落し部（スウィーシュ部）になっていることが好ましい。換言すると、ねじ無しスリーブ部の一部が残存している場合、ねじ無しスリーブ部におけるスウィーシュ部の肉厚は、スウィーシュ部を設ける前のねじ無しスリーブ部の肉厚の１／２以上、２／３以下となる。

前述したように、本発明に係る鋼管用ねじ継手ではねじ無しスリーブ部が完全に除去されていてもよい。その場合でも、スウィーシュ部を設けるためにボックス外面を削りとる厚みは、ねじ無しスリーブ部を除去する前のＡＰＩ規格に規定されたねじ無しスリーブ部の肉厚を基準にして上記のようにする。

スウィーシュ部の外面形状は、円柱面、テーパ面、または円弧、放物線、双曲線などの単純な幾何学曲線を回転させた回転体面でよく、形状の異なる２種以上の面を組み合わせた面としてもよい。円柱面以外の場合、スウィーシュ部の肉厚はスウィーシュ部全長についての平均値とする。

ボックスはまた、ボックス先端に最も近い雌ねじ部の末端雌ねじ山のベベル角（ねじ末端の面取り角）が、三角ねじの斜面の角度（前記規格では３０°）の±１５°の範囲内にあることが望ましい。

本発明に係る鋼管用ねじ継手は、品質管理、作業管理が行き届かずラフハンドリングを受けるような油井現場であっても、通常の潤滑剤および表面処理のままで、優れた耐ゴーリング性能を安定して発揮することができる。

本発明に係る鋼管用ねじ継手を構成するボックスの端部の部分断面図である。 本発明に係る鋼管用ねじ継手を構成するボックスの各種態様例の端部の部分断面図である。 実施例で解析したボックスの端部の部分断面図である。 カップリング方式のＡＰＩ規格のラウンドねじ継手の縦断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る鋼管用ねじ継手を構成するボックス１０の端部の部分断面図である。本発明は、カップリング方式のみならず、インテグラル方式の鋼管用ねじ継手にも適用可能である。従って、雌ねじ部を有するボックスは、図４に示すように、カップリングの両側に形成されているか、あるいは鋼管の一端に形成されている。以下では、主としてカップリング方式、すなわち、ボックスがカップリングに形成されている態様を例にとって、本発明を説明する。

鋼管用ねじ継手は、互いに嵌合し得るピンおよびボックスとから構成される。カップリング方式の鋼管用ねじ継手の場合、ピンは鋼管の両端に形成される。本発明は、ＡＰＩにより規定されたラウンドねじ継手の規格を満たす（ただし、後述する本発明による変更点を除いて）鋼管用ねじ継手を対象とするので、ピンはねじ形状が三角ねじである雄ねじ部を鋼管管端の外面に有している。

図１に示すように、ボックス１０は、ボックスの先端部（ピンが挿入される開口端部）に設けたねじ無しスリーブ部１１と、それに続いてボックスの内部側に設けた、図示しないピンの雄ねじ部に螺合する、雌ねじ部１２とを有する。カップリング方式のねじ継手の場合、図４に示すように、ボックスは短管（カップリング）の両側に形成される。従って、カップリングはその両端部にねじ無しスリーブ部１１を、それより内側の内面に雌ねじ部１２を有する。

図１の破線で示す輪郭は、ＡＰＩ規格に適合したラウンドねじ継手のボックス１０の先端近傍部１３の形状を示す。すなわち、ＡＰＩ規格のラウンドねじ継手におけるボックスは、ねじ無しスリーブ部を有しており、このスリーブ部のボックス軸方向における長さはＬ２である。Ｌ２はＡＰＩ規格のラウンドねじ継手におけるねじ無しスリーブ部の軸方向長さの規格値である。

ボックス１０のねじ無しスリーブ部１１の内径は、本ねじ継手で接続される鋼管本体の外径よりも大径である。このねじ無しスリーブ部の内径はＡＰＩ規格において規定されている。ボックスの雌ねじ部とねじ無しスリーブ部との間は、通常は傾斜面（テーパ面）で接続される。この傾斜面の角度θをベベル角という。ＡＰＩ規格に適合する傾斜面は、図１に破線で示されている。

本発明によれば、ボックス１０の先端部に位置するねじ無しスリーブ部１１の、ボックス軸方向の長さＬ１は、ＡＰＩ規格ラウンドねじ継手におけるねじ無しスリーブ部の軸方向長さの規格値Ｌ２の１／２以下であり、零であってもよい。つまり、０≦Ｌ１≦(１／２)Ｌ２の関係を満たす。

すなわち、ねじ無しスリーブ部１１は、全て取り除いてもよく、そうする方が、ねじの接触圧の最大の低減効果を得ることができるので望ましい。しかし、製造上の都合等によりねじ無しスリーブ部を全て取り除くことが困難である場合、ＡＰＩによる規格値Ｌ２の半分以下の長さであれば、ねじ無しスリーブ部１１を残存させておいてもよい。

本発明において、「ＡＰＩ（アメリカ石油協会）で規格されたラウンドねじ継手」とは、API specification 5CTまたはAPI standard 5Bで規定されているラウンドねじ継手のうち、特にCasing Short-Thread継手（以下「ＳＴＣ」と略記する）、Casing Long-Thread継手（以下「ＬＴＣ」と略記する）、Non-Upset Tubing Thread継手（以下「ＮＵＥ」と略記する）、External-Upset Tubing Thread継手（以下「ＥＵＥ」と略記する）、およびIntegral-Joint Tubing Thread継手（以下「ＩＪＣ」と略記する）から選ばれたラウンドねじ継手を意味する。このうちＩＪＣはインテグラル方式のラウンドねじ継手であるので、カップリングは存在しない。残りはカップリング方式の継手である。

「ＡＰＩで規格されたラウンドねじ継手におけるねじ無しスリーブ部の軸方向長さの規格値Ｌ２」を、各ねじ継手の種類ごとに以下に列記する。
（ＳＴＣ）
油井管本体の公称外径（以下、パイプＯＤと略記）が４−１／２インチ〜７インチの場合はＬ２＝０.５インチ、パイプＯＤが７−５／８インチ〜１３−３／８インチＬ２＝０.４３３インチ、パイプＯＤが１６インチ〜２０インチの場合はＬ２＝０.３６６インチ。

（ＬＴＣの場合）
パイプＯＤが４−１／２インチ〜７インチの場合はＬ２＝０.５インチ、パイプＯＤが７−５／８インチ〜９−５／８インチの場合はＬ２＝０.４３３インチ、パイプＯＤが２０インチの場合はＬ２＝０.３６６インチ。

（ＮＵＥの場合）
パイプＯＤが１.０５インチ〜３−１／２インチの場合はＬ２＝５／１６インチ、パイプＯＤが４インチ又は４−１／２インチである場合、Ｌ２＝３／８インチ。

（ＥＵＥの場合）
パイプＯＤが１.０５インチ〜１.９インチの場合はＬ２＝５／１６インチ、パイプＯＤが２−３／８インチ〜４−１／２インチの場合はＬ２＝３／８インチ。

（ＩＪＣの場合）
パイプＯＤが１.３１５インチの場合はＬ２＝５／３２インチ、パイプＯＤが１.６６インチ〜２.０６３インチの場合はＬ２＝５／１６インチ。

また、ボックス１０は、ねじ無しスリーブ部１１の軸方向長さＬ１以外のボックスの全般的な寸法と形状は、アメリカ石油協会で規格されたラウンドねじ継手における規格値を満足する。ただし、後述するように、ボックス端部において、スウィーシュ部の設置やベベル角の変更といった改良（すなわち、ＡＰＩ規格からの変更）を加えることができる。ただし、ボックスとピンのねじ山形状およびねじピッチは、ＡＰＩ規格の通りで変更を要しない。

ボックス端部におけるＡＰＩ規格に規定されている寸法として、ねじ無しスリーブ部の軸方向長さＬ２以外に、ボックス（カップリング方式の継手の場合はカップリング）の外径Ｗ（図１の半径ｒ２の２倍）、ねじ無しスリーブ部の内径Ｑ（図１の半径ｒ３の２倍）および雌ねじ端部のベベル角θがある。

これらの規格値のうち、雌ねじ端部のベベル角θは、上述したＳＴＣ、ＬＴＣ、ＮＵＥ、ＥＵＥ、ＩＪＣの全てにおいて６５°である。一方、カップリングの外径Ｗ、ねじ無しスリーブ部の内径Ｑについては、表１から表４にそれぞれの継手の具体的な数値を記載する。なお、（Ｗ−Ｑ）／２がねじ無しスリーブ部の肉厚ｔ２に相当することは言うまでもない。

なお、これまで述べたＡＰＩ規格値は全て公称値であり、その公差は全てAPI specification 5CTまたはAPI standard 5Bで規定された公差に従うものとする。

ボックス１０は、好ましくは、図１に示すように、その端面１５から、ボックス端面に最も近い雌ねじ部１２のねじ山（以下、末端ねじという）から奥に向かって少なくとも２ピッチ分（図１に示す例では４ピッチ分）に相当する位置１６までの軸方向長さ（１７で示す）部分であるボックスの端部に、ＡＰＩ規格に規定されたねじ無しスリーブ部１１の肉厚の１／３以上、１／２以下の厚みだけボックス外周面を削り落した外面削ぎ落し部（スウィーシュ部、swoosh portion）１９を有することが好ましい。つまり、スウィーシュ部１９は、スウィーシュ部におけるボックス半径ｒ１が、スウィーシュ部形成前の半径（スウィーシュ部を除くボックス部分である「一般部」１８の半径）ｒ２より、スウィーシュ部形成前のねじ無しスリーブ部１１の肉厚ｔ２（ＡＰＩ規格値）の１／３以上、１／２以下だけ小さくなるようにする。

ねじ無しスリーブ部１１が部分的に残存している場合、スウィーシュ部１９におけるねじ無しスリーブ部１１の肉厚をｔ１とすると、ｔ１とｔ２は次式を満たす：
(１／２)ｔ２ ≦ｔ１≦ (２／３)ｔ２
つまり、スウィーシュ部１９の肉厚ｔ１は、スウィーシュ部形成前のねじ無しスリーブ部１１の肉厚ｔ２の１／２以上、２／３以下となるようにする。スウィーシュ部１９の肉厚ｔ１が大き過ぎると、ねじ山の接触圧の低減効果が小さくなる。一方、この肉厚ｔ１が小さ過ぎると、施工現場でボックス１０の端面１５が容易に変形してしまい、現場取扱性が悪くなってしまう。

スウィーシュ部１９の軸方向長さ１７は、接触圧を低減したいねじ山の外表面まで十分長くする必要がある。高い接触圧が発生するのは、雌ねじ部１２の最先端のねじ山（末端ねじ山）から２山程度までなので、スウィーシュ部１９の軸方向長さ１７は、雌ねじ部１２の末端ねじ山から少なくとも２ピッチの位置までとする。しかし、スウィーシュ部１９をいたずらに長くし過ぎるとボックス１０の強度が低下し、また締め付け作業をする場合にボックス１０のチャッキングを行い難くなるなどの弊害を生じる。従って、スウィーシュ部１９の軸方向長さ１７の上限は、雌ねじ部１２の末端ねじ山から１０ピッチ程度までとすることが望ましい。

スウィーシュ部１９の外面形状は、加工の都合に応じて、円柱面、テーパ面、または円弧、放物線、双曲線などの単純な幾何曲線を回転させた回転体面のいずれでもよい。これらの２種以上の面を組み合わせた面（例、円柱面とテーパ面、円柱面と回転体面、テーパ面と回転体面の組み合わせ）とすることもできる。

スウィーシュ部１９と一般部１８との接続部２０の形状も、図示のようなテーパ面２０ａでよいが、大きな曲率を有する円弧などの単純な幾何曲線を回転させた回転体面とすることもできる。

ボックス１０の雌ねじ部１２における、軸方向最先端（すなわち、ボックス端面に最も近く）に位置するねじ山とねじ無しスリーブ部１１（該スリーブ部が存在しない場合はボックス端面）とをつなぐ斜面（ベベル）がボックス管軸垂直面となす角度であるベベル角θは、前述し、かつ図１に破線で示すように、ＡＰＩ規格ラウンドねじ継手ではいずれも６５°である。

本発明の好適態様においては、このベベル角θを、三角ねじの斜面の角度（同じくボックス管軸垂直面となす角度）の±１５°の範囲内にする。ＡＰＩ規格のラウンドねじ継手の三角ねじは、典型的には斜面角度が３０°である。この場合、ベベル角θは３０°±５°の範囲内にするのが最も望ましいが、後述する実施例に示すように、３０°からかなりずれても実質的にねじの接触圧低減効果は変わらないので、３０°±１５°（つまり、１５°〜４５°）の範囲内であればよい。

図２(a)〜(h)は、本発明に係る鋼管用ねじ継手を構成するボックスの各種変更例１０−１〜１０−８の端部を示す部分断面図である。図中の破線は、ＡＰＩ規格に規定された形状を示す。

上述したように、本発明に係る鋼管用ねじ継手では、ゴーリングの主原因であるボックスの先端部の位置でのピンとボックスのねじ山の接触圧を低減させるために、ＡＰＩに規格されたラウンドねじ継手に対して、(１)ねじ無しスリーブ部１１を除去または短縮、(２)スウィーシュ部１９の設置、および(３)ベベル角度θの適正化、が有効である。このうち、(１)のねじ無しスリーブ部１１の除去または短縮は最も効果が大きいので必須とし、残る(２)と(３)の変更は、必要に応じて独立して採用すればよい。(１)に加えて、(２)と(３)の変更の一方または両方を組み合わせて適用することにより、より大きな接触圧低減効果を得ることができる。

図２について具体的に説明すると、図２(a)はねじ無しスリーブ部の短縮とスウィーシュ部の設置とベベル角θの変更を行った例、図２(b)はねじ無しスリーブ部の削除とスウィーシュ部の設置を行った例、図２(c)はねじ無しスリーブ部の短縮とスウィーシュ部の設置を行った例、図２(d)はねじ無しスリーブ部の削除のみを行った例、図２(e)はねじ無しスリーブ部の短縮のみを行った例、図２(f)はねじ無しスリーブ部の短縮とベベル角θの変更を行った例、図２(g)はねじ無しスリーブ部の削除とベベル角θの変更を行った例、そして図２(h)はねじ無しスリーブ部の短縮とスウィーシュ部の設置を行った例、をそれぞれ示す。

本発明に係る鋼管用ねじ継手は、品質管理、作業管理が行き届かずラフハンドリングを受けるような油井現場であっても、通常の潤滑剤および表面処理のままで優れた耐ゴーリング性能を安定して発揮することができる。

以下の実施例は本発明を例示するものであり、本発明を制限する意図はない。 本発明の効果を実証するため、有限要素法を用いた数値シミュレーションにより、鋼管用ねじ継手を構成するボックスの端部のねじ山の局所の接触圧を評価した。

供試したのは、ＡＰＩ規格の油井管９−５／８インチ４７＃Ｎ８０用のカップリング方式のＡＰＩラウンドねじ継手であった。このねじ継手を規定締め付け位置（Vanish Point）まで締めつけた状態と、規定締め付け位置よりさらに２ターン余分に締め込みをした状態の２つの状態について、シミュレーション解析を実施した。

ピンを構成する管本体、およびボックスを構成するカップリング本体の代表的な諸元を以下に示す。
（管本体）
公称外径：２４４.４８ｍｍ
公称肉厚：１１.９９ｍｍ
公称耐力：８０ｋｓｉ（＝５５２ＭＰａ）
（カップリング本体）
カップリング外径：２７０.５６ｍｍ
カップリング長さ：２６６.７ｍｍ
ねじ無しスリーブ部長さ：１１ｍｍ
ねじ無しスリーブ部肉厚：１０.７ｍｍ
ねじピッチ：３.１７５ｍｍ（インチ当たり８山）
雌ねじ部のねじ末端のベベル角度：６５°
上記の標準のＡＰＩラウンドねじ継手に加えて、図３に示すボックス（カップリング）２１の端部の形状因子ａ〜ｄ（ａ：ねじ無しスリーブ部長さ、ｂ：スウィーシュ部深さ、ｃ：スウィーシュ部長さ１７、ｄ：ベベル角度θ）を、表５に示すように組み合わせた形状のラウンドねじ継手を有限要素法で数値シミュレーションし、ボックス端部側の２山についてねじ山の局所接触圧を評価した。

図１を参照すると、図３のａは図１のＬ１に、図３のｂは図１の（ｔ２−ｔ１）に、図３のｃは図１の［１７＋（Ｌ２−Ｌ１）］に、図３のｄは図１のθにそれぞれ対応する。スウィーシュ部の形状は円柱状であるとし、スウィーシュ部とボックス一般部（非スウィーシュ部）との接続面は、テーパ角度が４５°のテーパ面であるとした。

表５において、スウィーシュ部の長さｃが同じ２５ｍｍでも、雌ねじのかみ合い端部からの山の数が異なる場合があるのは、ベベル角度ｄが異なり、ベベル角度ｄが小さいほどベベル部の軸方向長さが短くなるためである。

表６に、数値シミュレーションの結果を示す。表６において、第１ねじ山とは、ボックスの雌ねじ部においてボックス（カップリング）先端に最も近い完全ねじ山を意味し、第２ねじ山とは第１ねじ山の隣りの完全ねじ山を意味する。荷重面は、継手が引張り荷重を受けた時にピンとボックスのねじ山が接触する側のねじ山側面であり、挿入面は、ピンの挿入時または継手が圧縮荷重を受けた時にピンとボックスのねじ山が接触する側のねじ山側面である。図３において、第１ねじ山の荷重面はｅ、第２ねじ山の挿入面はｆ、第２ねじ山の荷重面はｇでそれぞれ示される。

表６に示すように、本発明に係るねじ継手は、標準のＡＰＩラウンドねじやほかの比較例よりも，局所のねじ接触圧が低くなった。また、ボックス先端部のねじ無しスリーブ部の短縮もしくは削除だけでなく、さらにスィーシュ部の設置とベベル角の変更の一方または両方を組み合わせることによりねじ接触圧の低減効果が大きくなり、最も大きな効果はスウィーシュ部の設置とベベル角の変更の両方を組み合わせた場合であった。

ボックスは、その端面（先端面）から、ボックス端面に最も近い雌ねじ部のねじ山から奥に向かって少なくとも２ピッチ分に相当する位置までの軸方向長さのボックス部分（この部分をボックス「端部」という）が、ＡＰＩ規格に規定されたねじ無しスリーブ部の肉厚またはねじ無しスリーブ部のボックス軸方向長さが零の場合におけるボックス端面の厚みの１／３以上、１／２以下の厚みだけボックス外周面を削り落した外面削ぎ落し部（スウィーシュ部）になっていることが好ましい。換言すると、ねじ無しスリーブ部の一部が残存している場合、ねじ無しスリーブ部におけるスウィーシュ部の肉厚は、スウィーシュ部を設ける前のねじ無しスリーブ部の肉厚の１／２以上、２／３以下となる。
前記ベベル角が３０°±１５°である、請求項５に記載の鋼管用ねじ継手。

ボックスはまた、ボックス先端に最も近い雌ねじ部の末端雌ねじ山のベベル角、具体的には、雌ねじ部のボックス先端に最も近い末端ねじ山とねじ無しスリーブ部またはねじ無しスリーブ部のボックス軸方向長さが零の場合におけるボックス端面とを接続する斜面のベベル角（ねじ末端の面取り角）が、三角ねじの斜面の角度（前記規格では３０°）の±１５°の範囲内にあることが望ましい。

図２について具体的に説明すると、図２(a)はねじ無しスリーブ部の短縮とスウィーシュ部の設置とベベル角θの変更を行った例、図２(b)はねじ無しスリーブ部の削除とスウィーシュ部の設置を行った例、図２(c)はねじ無しスリーブ部の短縮とスウィーシュ部の設置を行った例、図２(d)はねじ無しスリーブ部の削除のみを行った例、図２(e)はねじ無しスリーブ部の短縮のみを行った例、図２(f)はねじ無しスリーブ部の短縮とベベル角θの変更を行った例、図２(g)はねじ無しスリーブ部の削除とベベル角θの変更を行った例、をそれぞれ示す。

本発明は、互いに嵌合し得るピンとボックスとから構成される鋼管用ねじ継手であって、ピンは、ねじ形状が三角ねじである雄ねじ部を有するとともに、ボックスは、前記雄ねじ部に螺合する三角ねじ形状の雌ねじ部と、ボックス先端に位置するねじ無しスリーブ部と、前記ねじ無しスリーブ部又はボックス端面と雌ねじ部のボックス先端に最も近い位置に存在する末端ねじ山とを接続する斜面を有するベベル部とを有し、ねじ無しスリーブ部のボックス軸方向長さは、０以上規格値の１／２以下であるとともに、ねじ無しスリーブ部のボックス軸方向長さ以外の部分は、アメリカ石油協会規格５ＣＴ又は５Ｂで規定されるラウンドねじ継手の規格値を満足し、かつ、ボックスは、ボックスの端面から、この端面に最も近い雌ねじ部のねじ山から奥に向かって少なくとも２ピッチ分に相当する位置までの軸方向長さの部分に、この部分を除いた一般部におけるボックスの外面の半径よりも、この外面の半径とボックスの端面の内面の内径との差の（１／３）以上（１／２）以下だけ小さい半径の外面を有するスウィーシュ部を有することを特徴とする鋼管用ねじ継手である。
ここで、ラウンドねじ継手のボックス軸方向長さの規格値は、
（ａ）鋼管用ねじ継手がＡＰＩ規格５ＣＴ又はＡＰＩ規格５Ｂで規定されるラウンドねじ継手のうちのケーシングショートスレッド継手(Casing short-Thread継手)であって、鋼管本体の公称外径が４−１／２〜７インチである場合には、０．５インチであり、
（ｂ）鋼管用ねじ継手がケーシングショートスレッド継手であって、鋼管本体の公称外径が７−５／８〜１３−３／８インチである場合には、０．４３３インチであり、
（ｃ）鋼管用ねじ継手がケーシングショートスレッド継手であって、鋼管本体の公称外径が１６〜２０インチである場合には、０．３６６インチであり、
（ｄ）鋼管用ねじ継手がラウンドねじ継手のうちのケーシングロングスレッド継手(Casing long-Thread継手)であって、鋼管本体の公称外径が４−１／２〜７インチである場合には、０．５インチであり、
（ｅ）鋼管用ねじ継手がケーシングロングスレッド継手であって、鋼管本体の公称外径が７−５／８〜９−５／８インチである場合には、０．４３３インチであり、
（ｆ）鋼管用ねじ継手がケーシングロングスレッド継手であって、鋼管本体の公称外径が２０インチである場合には、０．３６６インチであり、
（ｇ）鋼管用ねじ継手がラウンドねじ継手のうちのノンアップセットチュービングスレッド継手(Non-Upset Tubing Thread継手)であって、鋼管本体の公称外径が１．０５〜３−１／２インチである場合には、５／１６インチであり、
（ｈ）鋼管用ねじ継手がノンアップセットチュービングスレッド継手であって、鋼管本体の公称外径が４インチ又は４−１／２インチである場合には、３／８インチであり、
（ｉ）鋼管用ねじ継手がラウンドねじ継手のうちのエクスターナルアップセットチュービングスレッド継手(External-Upset Tubing Thread継手)であって、鋼管本体の公称外径が１．０５〜１．９インチである場合には、５／１６インチであり、
（ｊ）鋼管用ねじ継手がエクスターナルアップセットチュービングスレッド継手であって、鋼管本体の公称外径が２−３／８〜４−１／２インチである場合には、３／８インチであり、
（ｋ）鋼管用ねじ継手がラウンドねじ継手のうちのインテグラルジョイントチュービングスレッド継手(Integral-Uoset Tubing Thread継手)であって、鋼管本体の公称外径が１．３１５インチである場合には、５／３２インチであり、又は、
（ｌ）鋼管用ねじ継手がインテグラルジョイントチュービングスレッド継手であって、鋼管本体の公称外径が１．６６〜２．０６３インチである場合には、５／１６インチであることが例示される。

ボックスは、その端面（先端面）から、ボックス端面に最も近い雌ねじ部のねじ山から奥に向かって少なくとも２ピッチ分に相当する位置までの軸方向長さのボックス部分（この部分をボックス「端部」という）が、ＡＰＩ規格に規定されたねじ無しスリーブ部の肉厚の１／３以上、１／２以下の厚みだけボックス外周面を削り落した外面削ぎ落し部（スウィーシュ部）になっていることが好ましい。換言すると、ねじ無しスリーブ部の一部が残存している場合、ねじ無しスリーブ部におけるスウィーシュ部の肉厚は、スウィーシュ部を設ける前のねじ無しスリーブ部の肉厚の１／２以上、２／３以下となる。

図２(a)〜(g)は、本発明に係る鋼管用ねじ継手を構成するボックスの各種変更例１０−１〜１０−７の端部を示す部分断面図である。図中の破線は、ＡＰＩ規格に規定された形状を示す。

Claims (7)

1. 互いに嵌合し得るピンとボックスとから構成される鋼管用ねじ継手であって、ピンがねじ形状が三角ねじである雄ねじ部を有し、ボックスが前記雄ねじ部に螺合する三角ねじ形状の雌ねじ部とボックス先端に位置するねじ無しスリーブ部とを有する、アメリカ石油協会（ＡＰＩ）により規定されたラウンドねじ継手の規格を満たす形状から、前記ボックスのねじ無しスリーブ部が、そのボックス軸方向長さが前記規格で規定されている値の１／２以下（零を含む）となるように少なくとも部分的に除去されている点で異なる、ことを特徴とする鋼管用ねじ継手
2. 前記ねじ無しスリーブ部のボックス軸方向長さが零である、請求項１に記載の鋼管用ねじ継手。
3. 前記ボックスが、その端面から、ボックス端面に最も近い雌ねじ部のねじ山から奥に向かって少なくとも２ピッチ分に相当する位置までの軸方向長さのボックス部分において、ＡＰＩ規格に規定されたねじ無しスリーブ部の肉厚の１／３以上、１／２以下の厚みだけボックス外周面を削り落したスウィーシュ部を有する、請求項１または２に記載の鋼管用ねじ継手。
4. 前記スウィーシュ部が円柱面、テーパ面、または曲線を回転させた回転体面の１または２以上から構成される、請求項３に記載の鋼管用ねじ継手。
5. 前記スウィーシュ部のボックス軸方向長さが、ボックス端面に最も近い雌ねじ部のねじ山から奥に向かって少なくとも１０ピッチ分に相当する位置より長くない、請求項３または４に記載の鋼管用ねじ継手。
6. 前記ボックスは、前記雌ねじ部のボックス先端に最も近い末端ねじ山と前記ねじ無しスリーブ部とを接続する斜面のベベル角が、前記雌ねじ部を構成する三角ねじの斜面角度の±１５°の範囲内にある、請求項１〜５のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
7. 前記ベベル角が３０°±１５°である、請求項６に記載の鋼管用ねじ継手。

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