JPWO2018211873A1 - 鋼管用ねじ継手 - Google Patents

Abstract

ねじ継手は、ピン（１０）とボックス（２０）とからなる。ピン（１０）は、ピン（１０）の先端側から管本体側に向けて順に、内シール面（１１）と、内雄ねじ部（１２）と、ショルダ部（１３）と、外雄ねじ部（１４）と、外シール面（１５）と、を備える。ボックス（２０）は、ボックス（２０）の管本体側から先端側に向けて順に、内シール面（２１）と、内雌ねじ部（２２）と、ショルダ部（２３）と、外雌ねじ部（２４）と、外シール面（２５）と、を備える。ボックス（２０）の内シール面２１）と内雌ねじ部（２２）との間に、周方向に沿う内溝部（１６）が設けられ、ピン（１０）の内雄ねじ部（１２）の一部の歯が内溝部（１６）に収容される。これにより、内圧、外圧、引張荷重及び圧縮荷重に対する密封性能を安定して確保できる。

Description

本発明は、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、地下資源を採掘するために油井管（OCTG：Oil Country Tubular Goods）と呼ばれる鋼管が使用される。鋼管は順次連結される。その連結にねじ継手が用いられる。

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に大別される。カップリング型のねじ継手の場合、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形成され、カップリングの両端部の内周に雌ねじ部が形成される。そして、鋼管とカップリングとが連結される。インテグラル型のねじ継手の場合、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形成され、他端部の内周に雌ねじ部が形成される。そして、一方の鋼管と他方の鋼管とが連結される。

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。

また、鋼管用ねじ継手の形式は、ボックスの外径によって、フラッシュ型、セミフラッシュ型、スリム型等に分類されることもある。スリム型のねじ継手は、ボックスの危険断面の断面積がピンの管本体とほぼ同等のカップリング（以下、「標準カップリング」ともいう）を指標にして定められる。具体的には、スリム型のねじ継手では、ボックスの最大外径が標準カップリングの外径よりも小さい。フラッシュ型及びセミフラッシュ型のねじ継手は、ピンの管本体を指標にして定められる。具体的には、フラッシュ型のねじ継手では、ボックスの最大外径がピンの管本体の外径とほぼ同等である。セミフラッシュ型のねじ継手では、ボックスの最大外径がフラッシュ型のねじ継手とスリム型のねじ継手の中間にある。要するに、ピンの管本体の外径に対するボックスの最大外径が小さいものから順に、フラッシュ型のねじ継手、セミフラッシュ型のねじ継手、及びスリム型のねじ継手となる。フラッシュ型、セミフラッシュ型、及びスリム型を明確に区分する定義はない。しかし、現在流通している鋼管用ねじ継手では、概ね、ボックスの最大外径がピンの管本体の外径の１１０％程度までをフラッシュ型又はセミフラッシュ型と称する。

一般に、危険断面とは、ねじ部の噛み合い領域の端部の位置での断面を指す。通常、危険断面の位置では、引張荷重を負担する断面積が最小となる。危険断面の位置及びその断面積は、ねじ継手の引張強度を決定するための要素である。

近年、油井の高深度化及び超深海化が進展している。このような油井環境では、ねじ継手は、外部と内部に存在する流体（例：ガス、液体）から高い圧力を受ける。更に、ねじ継手は、引張と圧縮の荷重を繰返し受ける。また、上記の油井環境では、油井管が多重に配置される。通常、多重構造の油井管の接続には、ボックスの外径がピンの外径と同程度であるセミフラッシュ型のねじ継手が多用される。ピンの内径がＡＰＩ（American Petroleum Institute（アメリカ石油協会））の規格によって規定され、これに伴ってボックスの外径も制限されるからである。このような制限下で、ねじ継手には、内部からの圧力（以下、「内圧」ともいう）及び外部からの圧力（以下、「外圧」ともいう）に対し、優れた密封性能が要求される。更に、引張荷重及び圧縮荷重に対しても、優れた密封性能が要求される。

例えば特開平９−１２６３６６号公報（特許文献１）は、内圧、外圧、引張荷重及び圧縮荷重に対する密封性能の向上を図った鋼管用ねじ継手を開示する。特許文献１に記載のねじ継手では、ピンの雄ねじ部とボックスの雌ねじ部とから構成されるねじ部として、バットレス型のテーパねじが採用される。このねじ部は、ショルダ部によって、内ねじ部と外ねじ部に区分される。つまり、ピンの先端側に内ねじ部が設けられる。ボックスの先端側に外ねじ部が設けられる。内ねじ部と外ねじ部との間にショルダ部が設けられる。更に、内ねじ部の内側（ピンの先端側）には内シール部が設けられる。外ねじ部の外側（ボックスの先端側）には外シール部が設けられる。

締結時、ボックスに対するピンのねじ込みにより、ピンのショルダ部に含まれるショルダ面が、ボックスのショルダ部に含まれるショルダ面と接触する。更に、内ねじ部及び外ねじ部のそれぞれの雄ねじ部と雌ねじ部とが嵌り合う。これにより、内ねじ部及び外ねじ部のそれぞれでねじシール部が形成される。また、ピンの内シール部に含まれる内シール面が、ボックスの内シール部に含まれる内シール面と干渉し、高い面圧で接触する。ピンの外シール部に含まれる外シール面が、ボックスの外シール部に含まれる外シール面と干渉し、高い面圧で接触する。これにより、内シール部及び外シール部のそれぞれで面接触によるシール部が形成される。

内シール部は、主として、ねじ継手の内部の流体がねじシール部の領域に不用意に浸入するのを防止する役割を担う。つまり、内シール部は、内圧に対する密封性能の向上に寄与する。外シール部は、主として、ねじ継手の外部の流体がねじシール部の領域に不用意に浸入するのを防止する役割を担う。つまり、外シール部は、外圧に対する密封性能の向上に寄与する。

特許文献１に記載のねじ継手では、内ねじ部を構成するピンの内雄ねじ部とボックスの内雌ねじ部とが全域にわたって噛み合う。ただし、ボックスの内雌ねじ部の領域のうち内シール部に近い一部の領域では、歯の先端が管軸と平行にカットされ、ねじ高さの低い不完全ねじとなっている。その領域が完全ねじであれば、締結時にピンの内シール面を傷付けるおそれがある。もっとも、その不完全ねじの領域でも内雄ねじ部と内雌ねじ部とが噛み合う。

同様に、外ねじ部を構成するピンの外雄ねじ部とボックスの外雌ねじ部とが全域にわたって噛み合う。ただし、ピンの外雄ねじ部の領域のうち外シール部に近い一部の領域では、歯の先端が管軸と平行にカットされ、ねじ高さの低い不完全ねじとなっている。その領域が完全ねじであれば、締結時にボックスの外シール面を傷付けるおそれがある。もっとも、その不完全ねじの領域でも外雄ねじ部と外雌ねじ部とが噛み合う。

特開平９−１２６３６６号公報

特許文献１に記載のねじ継手の場合、内圧、外圧、引張荷重及び圧縮荷重が単純に１回ずつ負荷されるのであれば、密封性能が良好である。しかし、本発明者らが行った試験によれば、そのねじ継手に例えばある程度の回数で繰り返し引張荷重と内圧が負荷される場合、内シール部で内圧のリークが発生することがあった。つまり、特許文献１に記載のねじ継手の密封性能は不安定である。

本発明の目的は、下記の特性を有する鋼管用ねじ継手を提供することである：
内圧、外圧、引張荷重及び圧縮荷重が繰り返し負荷される環境でも密封性能を安定して確保できること。

本発明の実施形態による鋼管用ねじ継手は、管状のピンと管状のボックスとからなる。ピンは、ピンの先端側から管本体側に向けて順に、内シール面と、内雄ねじ部と、ショルダ部と、外雄ねじ部と、外シール面と、を備える。ボックスは、ボックスの管本体側から先端側に向けて順に、内シール面と、内雌ねじ部と、ショルダ部と、外雌ねじ部と、外シール面と、を備える。ねじ継手は、下記（１）及び（２）の構成のうちの少なくとも一方の構成を備える。
（１）ボックスの内シール面と内雌ねじ部との間に、周方向に沿う内溝部が設けられ、ピンの内雄ねじ部の一部の歯が内溝部に収容されること、
（２）ピンの外シール面と外雄ねじ部との間に、周方向に沿う外溝部が設けられ、ボックスの外雌ねじ部の一部の歯が外溝部に収容されること。

本発明の実施形態による鋼管用ねじ継手は、下記の顕著な効果を有する：
内圧、外圧、引張荷重及び圧縮荷重が繰り返し負荷される環境でも密封性能を安定して確保できること。

図１Ａは、内圧リークが発生したねじ継手について内シール部近傍の内雄ねじ部の縦断面を観察したときの模式図である。 図１Ｂは、内圧リークが発生したねじ継手について内シール部近傍の内雌ねじ部の縦断面を観察したときの模式図である。 図２Ａは、内圧リークが発生したねじ継手における内シール部及びその付近を示す縦断面図である。 図２Ｂは、図２Ａの内シール部付近の内ねじ部を拡大した縦断面図である。 図３Ａは、外圧リークが発生したねじ継手における外シール部及びその付近を示す縦断面図である。 図３Ｂは、図３Ａの外シール部付近の外ねじ部を拡大した縦断面図である。 図４は、本実施形態による鋼管用ねじ継手を示す縦断面図である。 図５は、図４に示すねじ継手における内シール部及びその付近を示す縦断面図である。 図６は、図４に示すねじ継手における外シール部及びその付近を示す縦断面図である。 図７Ａは内シール部の試験結果を示す図である。 図７Ｂは外シール部の試験結果を示す図である。

本発明者らは、上記目的を達成するため、特許文献１に記載のねじ継手について、種々のサイズのサンプルを準備し、内圧、外圧、引張荷重及び圧縮荷重を繰り返し負荷する試験を実施した。

いずれのサンプルでも、引張荷重と内圧が負荷されたとき、内シール部で内圧のリークが発生した。また、いずれのサンプルでも、引張荷重と外圧が負荷されたとき、外シール部で外圧のリークが発生した。また、場合によっては、圧縮荷重が負荷されたときに内圧リーク及び外圧リークが発生した。したがって、ねじ形状のデザインに起因して、内圧リーク及び外圧リークが発生する、と推察された。

そこで、内圧リークが発生したねじ継手を分解し、ピン及びボックスのそれぞれを詳細に調べた。同様に、外圧リークが発生したねじ継手を分解し、ピン及びボックスのそれぞれを詳細に調べた。

図１Ａ及び図１Ｂは、内圧リークが発生したねじ継手について内シール部近傍の内ねじ部の縦断面を観察したときの、観察状況の一例を示した模式図である。これらの図のうち、図１Ａはピンの内雄ねじ部の一部を示し、図１Ｂはボックスの内雌ねじ部の一部を示す。なお、ピン及びボックスのそれぞれの内ねじ部の断面観察は、管軸周りの９０°ごと（それぞれ便宜的に０°、９０°、１８０°及び２７０°と表す）の各位置で行った。図１Ａは１８０°の位置での状況を示す。図１Ｂは２７０°の位置での状況を示す。

図１Ａに点線丸印で示すように、内シール部近傍の内雄ねじ部において、荷重フランク面の先端部が変形していた。つまり、内シール部近傍の内雄ねじ部において、荷重フランク面の先端部に過剰な荷重が加わった痕跡が認められた。図１Ｂに点線丸印で示すように、内シール部近傍の内雌ねじ部においても同様の現象が起こっていた。

また、図示していないが、外圧リークが発生したねじ継手の場合、外シール部近傍の外雄ねじ部において、荷重フランク面の先端部に過剰な荷重が加わった痕跡が認められた。一方、外シール部近傍の外雌ねじ部において、荷重フランク面の先端部に過剰な荷重が加わった痕跡が認められた。

要するに、内圧リークが発生したねじ継手の場合、内シール部の近傍において、ピンの内雄ねじ部の一部の歯（特に、荷重フランク面）がボックスの内雌ねじ部に不適切に干渉することがわかった。外圧リークが発生したねじ継手の場合、外シール部の近傍において、ボックスの外雌ねじ部の一部の歯（特に、荷重フランク面）がピンの外雄ねじ部に不適切に干渉することがわかった。

そこで、本発明者らは、内シール部近傍における内ねじ部の不適切な干渉に着目し、その干渉による内圧リークの発生メカニズムについて検討した。また、本発明者らは、外シール部近傍における外ねじ部の不適切な干渉に着目し、その干渉による外圧リークの発生メカニズムについて検討した。

図２Ａ及び図２Ｂは、内圧リークの発生メカニズムを説明するための模式図である。これらの図のうち、図２Ａは、ねじ継手における内シール部及びその付近を示す縦断面図である。図２Ｂは、図２Ａの内シール部付近の内ねじ部を拡大した縦断面図である。

図２Ａ及び図２Ｂを参照し、特許文献１に記載のねじ継手では、内圧が負荷されたとき（図２Ａ中の白抜き矢印参照）、ピン１０の先端部１０ａは拡径するように弾性変形する。特に、内シール部１近傍の内雌ねじ部２２の一部が、ねじ高さの低い不完全ねじである。そのため、その不完全ねじと内雄ねじ部１２とが噛み合っていても、相互のねじ山頂面とねじ谷底面とが接触するまで、ピン１０の先端部１０ａは拡径するように変形できる。これにより、内シール部１の接触面圧が高まり（図２Ａ中の白抜き矢印参照）、内圧に対する密封性能が向上する。

ただし、内圧が除荷されると（図２Ａ中の白抜き矢印がない状態）、ピン１０の先端部１０ａは縮径するように復元する。これにより、図２Ｂに示すように、不完全ねじ（内雌ねじ部２２の一部）の荷重フランク面２２ｄの先端部と、内雄ねじ部１２の荷重フランク面１２ｄの先端部とが互いに接触する。この接触領域は狭い。このときに引張荷重が負荷されると（図２Ａ中の網掛け矢印参照）、それぞれの荷重フランク面１２ｄ及び２２ｄの先端部に過剰な荷重が加わる。これにより、それぞれの荷重フランク面１２ｄ及び２２ｄの先端部が変形し、更に、変形した内雄ねじ部１２の一部の歯がボックス２０の内雌ねじ部２２の一部（不完全ねじ）の歯に乗り上げる。この状態になった場合、次に内圧が負荷されても、ピン１０の先端部１０ａの拡径変形が拘束される。したがって、内シール部１の接触面圧が高まらない。その結果、内圧に対する密封性能が低下する。

図３Ａ及び図３Ｂは、外圧リークの発生メカニズムを説明するための模式図である。これらの図のうち、図３Ａは、ねじ継手における外シール部及びその付近を示す縦断面図である。図３Ｂは、図３Ａの外シール部付近の外ねじ部を拡大した縦断面図である。

図３Ａ及び図３Ｂを参照し、特許文献１に記載のねじ継手では、外圧が負荷されたとき（図３Ａ中の白抜き矢印参照）、ボックス２０の先端部２０ａは縮径するように弾性変形する。特に、外シール部５近傍の外雄ねじ部１４の一部が、ねじ高さの低い不完全ねじである。そのため、その不完全ねじと外雌ねじ部２４とが噛み合っていても、相互のねじ山頂面とねじ谷底面とが接触するまで、ボックス２０の先端部２０ａは縮径するように変形できる。これにより、外シール部５の接触面圧が高まり（図３Ａ中の白抜き矢印参照）、外圧に対する密封性能が向上する。

ただし、外圧が除荷されると（図３Ａ中の白抜き矢印がない状態）、ボックス２０の先端部２０ａは拡径するように復元する。これにより、図３Ｂに示すように、不完全ねじ（外雄ねじ部１４の一部）の荷重フランク面１４ｄの先端部と、外雌ねじ部２４の荷重フランク面２４ｄの先端部とが互いに接触する。この接触領域は狭い。このときに引張荷重が負荷されると（図３Ａ中の網掛け矢印参照）、それぞれの荷重フランク面１４ｄ及び２４ｄの先端部に過剰な荷重が加わる。これにより、それぞれの荷重フランク面１４ｄ及び２４ｄの先端部が変形し、更に、変形した外雌ねじ部２４の一部の歯がピン１０の外雄ねじ部１４の一部（不完全ねじ）の歯に乗り上げる。この状態になった場合、次に外圧が負荷されても、ボックス２０の先端部２０ａの縮径変形が拘束される。したがって、外シール部５の接触面圧が高まらない。その結果、外圧に対する密封性能が低下する。

以上のことから、内シール部の近傍において、ピンの内雄ねじ部の一部の歯がボックスの内雌ねじ部の歯に乗り上げることを防止できれば、内圧に対する密封性能を安定して確保することが可能になる、と言える。また、外シール部の近傍において、ボックスの外雌ねじ部の一部の歯がピンの外雄ねじ部の歯に乗り上げることを防止できれば、外圧に対する密封性能を安定して確保することが可能になる、と言える。

本発明の鋼管用ねじ継手は、上記の知見に基づいて完成されたものである。

本発明の実施形態による鋼管用ねじ継手は、管状のピンと管状のボックスとからなる。ピンは、ピンの先端側から管本体側に向けて順に、内シール面と、内雄ねじ部と、ショルダ部と、外雄ねじ部と、外シール面と、を備える。ボックスは、ボックスの管本体側から先端側に向けて順に、内シール面と、内雌ねじ部と、ショルダ部と、外雌ねじ部と、外シール面と、を備える。ねじ継手は、下記（１）及び（２）の構成のうちの少なくとも一方の構成を備える。
（１）ボックスの内シール面と内雌ねじ部との間に、周方向に沿う内溝部が設けられ、ピンの内雄ねじ部の一部の歯が内溝部に収容されること、
（２）ピンの外シール面と外雄ねじ部との間に、周方向に沿う外溝部が設けられ、ボックスの外雌ねじ部の一部の歯が外溝部に収容されること。

このようなねじ継手によれば、上記（１）の構成が採用された場合、ピンの内シール面とボックスの内シール面との接触による内シール部の近傍において、ピンの内雄ねじ部の一部の歯（特に、荷重フランク面）がボックスの内雌ねじ部に不適切に干渉することを防止できる。内シール部近傍では、内雄ねじ部の歯が存在するものの、この内雄ねじ部の歯に噛み合う内雌ねじ部が存在しないからである。これにより、ねじ継手に引張荷重と内圧が負荷される場合であっても、ピンの内雄ねじ部の一部の歯がボックスの内雌ねじ部の歯に乗り上げることを防止できる。その結果、内シール部での接触面圧の低下が抑制され、内圧に対する密封性能を安定して確保することが可能になる。

一方、上記（２）の構成が採用された場合、ピンの外シール面とボックスの外シール面との接触による外シール部の近傍において、ボックスの外雌ねじ部の一部の歯（特に、荷重フランク面）がピンの外雄ねじ部に不適切に干渉することを防止できる。外シール部近傍では、外雌ねじ部の歯が存在するものの、この外雌ねじ部の歯に噛み合う外雄ねじ部が存在しないからである。これにより、ねじ継手に引張荷重と外圧が負荷される場合であっても、ボックスの外雌ねじ部の一部の歯がピンの外雄ねじ部の歯に乗り上げることを防止できる。その結果、外シール部での接触面圧の低下が抑制され、外圧に対する密封性能を安定して確保することが可能になる。内圧及び外圧の両方に対する密封性能を安定して確保するためには、上記（１）及び（２）の構成の両方を採用すればよい。

典型的な例として、本実施形態のねじ継手はインテグラル型のねじ継手である。ただし、ねじ継手の形式は特に限定されず、カップリング型であってもよい。

典型的な例として、本実施形態のねじ継手はセミフラッシュ型又はフラッシュ型と称されるねじ継手である。つまり、ボックスの外径がピンの管本体の外径の１００％を超え、１１０％以下である。ただし、ねじ継手の形式は特に限定されず、スリム型であってもよい。

典型的な例として、内雄ねじ部と内雌ねじ部からなるねじ部、及び外雄ねじ部と外雌ねじ部からなるねじ部は、それぞれバットレス型のテーパねじである。この場合、テーパねじのそれぞれは、ねじ山頂面、ねじ谷底面、挿入フランク面及び荷重フランク面を含む。そして、内雄ねじ部のねじ山頂面と内雌ねじ部のねじ谷底面とが接触するとともに、内雄ねじ部の荷重フランク面と内雌ねじ部の荷重フランク面とが接触する。外雄ねじ部のねじ谷底面と外雌ねじ部のねじ山頂面とが接触するとともに、外雄ねじ部の荷重フランク面と外雌ねじ部の荷重フランク面とが接触する。荷重フランク面のフランク角は負角である。

ただし、内雄ねじ部と内雌ねじ部との噛み合い状態、及び外雄ねじ部と外雌ねじ部との噛み合い状態は、荷重フランク面同士が接触する限り、特に限定されない。例えば、内雄ねじ部のねじ山頂面と内雌ねじ部のねじ谷底面との接触に代えて、内雄ねじ部のねじ谷底面と内雌ねじ部のねじ山頂面とが接触してもよい。外雄ねじ部のねじ谷底面と外雌ねじ部のねじ山頂面との接触に代えて、外雄ねじ部のねじ山頂面と外雌ねじ部のねじ谷底面とが接触してもよい。

上記のねじ継手において、ボックスの内溝部の管軸に沿う長さは内雌ねじ部のねじピッチよりも大きいことが好ましい。本明細書で言う内溝部の長さは、内シール面の端部からの長さを意味する。ピンの外溝部の管軸に沿う長さは外雄ねじ部のねじピッチよりも大きいことが好ましい。本明細書で言う外溝部の長さは、外シール面の端部からの長さを意味する。

この場合のねじ継手において、ボックスの内溝部の管軸に沿う長さは内雌ねじ部のねじピッチの４倍以下であることが好ましい。より好ましい長さはねじピッチの２．５倍以下である。これにより、内雄ねじ部と内雌ねじ部との噛み合いの長さを確保できる。また、ピンの外溝部の管軸に沿う長さは外雄ねじ部のねじピッチの４倍以下であることが好ましい。より好ましい長さはねじピッチの２．５倍以下である。これにより、外雄ねじ部と外雌ねじ部との噛み合いの長さを確保できる。その結果、ねじ継手で許容される引張荷重が低下しない。

上記のねじ継手において、ボックスの内溝部の深さは、内雌ねじ部のねじ高さ以上、そのねじ高さの２倍以下であることが好ましい。本明細書で言う内溝部の深さは、内雌ねじ部が内溝部の領域まで延長されたと仮定したときのねじ山頂面からの深さを意味する。これにより、ボックスの危険断面の面積を確保できる。また、ピンの外溝部の深さは、外雄ねじ部のねじ高さ以上、そのねじ高さの２倍以下であることが好ましい。本明細書で言う外溝部の深さは、外雄ねじ部が外溝部の領域まで延長されたと仮定したときのねじ山頂面からの深さを意味する。これにより、ピンの危険断面の面積を確保できる。

ボックスの内溝部の形状は特に限定されない。例えば、内溝部は、管軸と平行な円筒面を含んでもよい。また、内溝部は、内シール面に近づくほど直径が小さくなるテーパ面を含んでもよい。このテーパ面は内シール面に隣接する。このテーパ面のテーパ角は０°よりも大きくて９０°よりも小さい。ただし、このテーパ角が小さすぎれば、ボックスの危険断面の面積を確保することが困難になるかもしれない。一方、このテーパ角が大きすぎれば、応力集中が起こるかもしれない。そのため、このテーパ面のテーパ角は１°以上、５０°以下であることが好ましい。より好ましいテーパ角は１°以上、３０°以下であり、更に好ましいテーパ角は３°以上、１５°以下である。このテーパ面のテーパ角は、内雌ねじ部のテーパ角と同じであってもよい。

また、内溝部は、内雌ねじ部に近づくほど直径が小さくなるテーパ面を含んでもよい。このテーパ面は内雌ねじ部に隣接する。このテーパ面のテーパ角は０°よりも大きくて９０°よりも小さい。ただし、このテーパ角が小さすぎれば、内雄ねじ部と内雌ねじ部との噛み合いの長さを確保することが困難になるかもしれない。一方、このテーパ角が大きすぎれば、応力集中が起こるかもしれない。そのため、このテーパ面のテーパ角は５°以上、４５°以下であることが好ましい。より好ましいテーパ角は１０°以上、３０°以下である。

同様に、ピンの外溝部の形状は特に限定されない。例えば、外溝部は、管軸と平行な円筒面を含んでもよい。また、外溝部は、外シール面に近づくほど直径が大きくなるテーパ面を含んでもよい。このテーパ面は外シール面に隣接する。このテーパ面のテーパ角は０°よりも大きくて９０°よりも小さい。ただし、このテーパ角が小さすぎれば、ピンの危険断面の面積を確保することが困難になるかもしれない。一方、このテーパ角が大きすぎれば、応力集中が起こるかもしれない。そのため、このテーパ面のテーパ角は１°以上、５０°以下であることが好ましい。より好ましいテーパ角は１°以上、３０°以下であり、更に好ましいテーパ角は３°以上、１５°以下である。このテーパ面のテーパ角は、外雄ねじ部のテーパ角と同じであってもよい。

また、外溝部は、外雄ねじ部に近づくほど直径が大きくなるテーパ面を含んでもよい。このテーパ面は外雄ねじ部に隣接する。このテーパ面のテーパ角は０°よりも大きくて９０°よりも小さい。ただし、このテーパ角が小さすぎれば、外雄ねじ部と外雌ねじ部との噛み合いの長さを確保することが困難になるかもしれない。一方、このテーパ角が大きすぎれば、応力集中が起こるかもしれない。そのため、このテーパ面のテーパ角は５°以上、４５°以下であることが好ましい。より好ましいテーパ角は１０°以上、３０°以下である。

以下に、図面を参照しながら、本実施形態の鋼管用ねじ継手の具体例を説明する。

図４は、本実施形態による鋼管用ねじ継手を示す縦断面図である。図５は、図４に示すねじ継手における内シール部及びその付近を示す縦断面図である。図６は、図４に示すねじ継手における外シール部及びその付近を示す縦断面図である。図４〜図６に示すように、本実施形態のねじ継手は、インテグラル型のねじ継手であり、ピン１０とボックス２０とから構成される。

ピン１０は、ピン１０の先端側から管本体側に向けて順に、内シール面１１と、内雄ねじ部１２と、ショルダ部１３と、外雄ねじ部１４と、外シール面１５と、を備える。ボックス２０は、ボックス２０の管本体側から先端側に向けて順に、内シール面２１と、内雌ねじ部２２と、ショルダ部２３と、外雌ねじ部２４と、外シール面２５と、を備える。ボックス２０の内シール面２１、内雌ねじ部２２、ショルダ部２３、外雌ねじ部２４、及び外シール面２５は、それぞれ、ピン１０の内シール面１１、内雄ねじ部１２、ショルダ部１３、外雄ねじ部１４、及び外シール面１５に対応するように設けられる。

ピン１０の内雄ねじ部１２とボックス２０の内雌ねじ部２２は、互いに噛み合うバットレス型のテーパねじであり、内部寄り（ピン１０の先端側寄り）の内ねじ部２を形成する。ピン１０の外雄ねじ部１４とボックス２０の外雌ねじ部２４は、互いに噛み合うバットレス型のテーパねじであり、外部寄り（ボックス２０の先端側寄り）の外ねじ部４を形成する。

ピン１０のショルダ部１３はショルダ面１３ａを含む。ボックス２０のショルダ部２３はショルダ面２３ａを含む。ショルダ面１３ａ及び２３ａは管軸にほぼ垂直な環状面である。ただし、ショルダ面１３ａ及び２３ａは、管軸に対し垂直な面からピン１０のねじ込み進行方向に傾いた環状面としてもよい。つまり、ショルダ面１３ａ及び２３ａは、その外周側ほどピン１０の先端側に向けて傾いてもよい。

内ねじ部２と外ねじ部４との間にショルダ部１３及び２３が配置される。ショルダ部１３及び２３によって、内ねじ部２のテーパ面と外ねじ部４のテーパ面はオフセットされている。

内ねじ部２に関し、ピン１０の内雄ねじ部１２は、ねじ山頂面１２ａ、ねじ谷底面１２ｂ、ねじ込みで先行する挿入フランク面１２ｃ、及びその挿入フランク面１２ｃとは反対側の荷重フランク面１２ｄを備える。一方、ボックス２０の内雌ねじ部２２は、ねじ山頂面２２ａ、ねじ谷底面２２ｂ、挿入フランク面２２ｃ、及び荷重フランク面２２ｄを備える。内雄ねじ部１２のねじ山頂面１２ａは内雌ねじ部２２のねじ谷底面２２ｂと対向する。内雄ねじ部１２のねじ谷底面１２ｂは内雌ねじ部２２のねじ山頂面２２ａと対向する。内雄ねじ部１２の挿入フランク面１２ｃは内雌ねじ部２２の挿入フランク面２２ｃと対向する。内雄ねじ部１２の荷重フランク面１２ｄは内雌ねじ部２２の荷重フランク面２２ｄと対向する。荷重フランク面１２ｄ及び２２ｄのフランク角は負角であり、締結状態で荷重フランク面１２ｄ及び２２ｄ同士が強く押し付けられる。挿入フランク面１２ｃ及び２２ｃのフランク角は正角及び負角のどちらでもよい。

同様に、外ねじ部４に関し、ピン１０の外雄ねじ部１４は、ねじ山頂面１４ａ、ねじ谷底面１４ｂ、ねじ込みで先行する挿入フランク面１４ｃ、及びその挿入フランク面１４ｃとは反対側の荷重フランク面１４ｄを備える。一方、ボックス２０の外雌ねじ部２４は、ねじ山頂面２４ａ、ねじ谷底面２４ｂ、挿入フランク面２４ｃ、及び荷重フランク面２４ｄを備える。外雄ねじ部１４のねじ山頂面１４ａは外雌ねじ部２４のねじ谷底面２４ｂと対向する。外雄ねじ部１４のねじ谷底面１４ｂは外雌ねじ部２４のねじ山頂面２４ａと対向する。外雄ねじ部１４の挿入フランク面１４ｃは外雌ねじ部２４の挿入フランク面２４ｃと対向する。外雄ねじ部１４の荷重フランク面１４ｄは外雌ねじ部２４の荷重フランク面２４ｄと対向する。荷重フランク面１４ｄ及び２４ｄのフランク角は負角であり、締結状態で荷重フランク面１４ｄ及び２４ｄ同士が強く押し付けられる。挿入フランク面１４ｃ及び２４ｃのフランク角は正角及び負角のどちらでもよい。

内シール面１１及び２１、並びに外シール面１５及び２５はいずれもテーパ状である。厳密には、内シール面１１及び２１、並びに外シール面１５及び２５は、それぞれ、ピン１０の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なる形状、又はその円錐台の周面と、円弧等の曲線を管軸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である。

締結状態では、内雄ねじ部１２と内雌ねじ部２２とが嵌り合う。つまり、内雄ねじ部１２のねじ谷底面１２ｂと内雌ねじ部２２のねじ山頂面２２ａとが接触する。内雄ねじ部１２の荷重フランク面１２ｄと内雌ねじ部２２の荷重フランク面２２ｄとが接触する。内雄ねじ部１２のねじ山頂面１２ａと内雌ねじ部２２のねじ谷底面２２ｂとの間には、隙間が形成される。内雄ねじ部１２の挿入フランク面１２ｃと内雌ねじ部２２の挿入フランク面２２ｃとの間には、隙間が形成される。これらの隙間に潤滑剤が充満している。これにより、内ねじ部２でねじシール部が形成される。

また、外雄ねじ部１４と外雌ねじ部２４とが嵌り合う。つまり、外雄ねじ部１４のねじ山頂面１４ａと外雌ねじ部２４のねじ谷底面２４ｂとが接触する。外雄ねじ部１４の荷重フランク面１４ｄと外雌ねじ部２４の荷重フランク面２４ｄとが接触する。外雄ねじ部１４のねじ谷底面１４ｂと外雌ねじ部２４のねじ山頂面２４ａとの間には、隙間が形成される。外雄ねじ部１４の挿入フランク面１４ｃと外雌ねじ部２４の挿入フランク面２４ｃとの間には、隙間が形成される。これらの隙間に潤滑剤が充満している。これにより、外ねじ部４でねじシール部が形成される。

ピン１０の内シール面１１はボックス２０の内シール面２１と干渉し、高い面圧で接触する。これにより、内シール部１で面接触によるシール部が形成される。また、ピン１０の外シール面１５はボックス２０の外シール面２５と干渉し、高い面圧で接触する。これにより、外シール部５で面接触によるシール部が形成される。

ショルダ面１３ａ及び２３ａ同士は、ボックス２０に対するピン１０のねじ込みに伴って互いに接触し、押し付けられる。締結状態では、ピン１０の内雄ねじ部１２及び外雄ねじ部１４のそれぞれの荷重フランク面１２ｄ及び１４ｄに締め付け軸力を付与する。

ここで本実施形態では、ボックス２０の内周に、周方向に沿う内溝部１６が設けられる。具体的には、内溝部１６は、ボックス２０の内シール面２１と内雌ねじ部２２との間に設けられる。内シール面２１（内シール部１）の近傍では、内雄ねじ部１２の歯が存在するものの、この内雄ねじ部１２の歯は内溝部１６に収容される。つまり、その内雄ねじ部１２の歯に噛み合う内雌ねじ部２２が存在しない。そのため、内シール部１の近傍において、ピン１０の内雄ねじ部１２の一部の歯がボックス２０の内雌ねじ部２２に不適切に干渉することを防止できる。これにより、ねじ継手に引張荷重と内圧が負荷される場合であっても、ピン１０の内雄ねじ部１２の一部の歯がボックス２０の内雌ねじ部２２の歯に乗り上げることを防止できる。その結果、内シール部１での接触面圧の低下が抑制され、内圧に対する密封性能を安定して確保することが可能になる。

また本実施形態では、ピン１０の外周に、周方向に沿う外溝部２６が設けられる。具体的には、外溝部２６は、ピン１０の外シール面１５と外雄ねじ部１４との間に設けられる。外シール面１５（外シール部５）の近傍では、外雌ねじ部２４の歯が存在するものの、この外雌ねじ部２４の歯は外溝部２６に収容される。つまり、その外雌ねじ部２４の歯に噛み合う外雄ねじ部１４が存在しない。そのため、外シール部５の近傍において、ボックス２０の外雌ねじ部２４の一部の歯がピン１０の外雄ねじ部１４に不適切に干渉することを防止できる。これにより、ねじ継手に引張荷重と外圧が負荷される場合であっても、ボックス２０の外雌ねじ部２４の一部の歯がピン１０の外雄ねじ部１４の歯に乗り上げることを防止できる。その結果、外シール部５での接触面圧の低下が抑制され、外圧に対する密封性能を安定して確保することが可能になる。

本実施形態の内溝部１６は、内シール面２１側から内雌ねじ部２２に向けて順に、第１テーパ面１６ａと、円筒面１６ｂと、第２テーパ面１６ｃと、を含む。第１テーパ面１６ａのテーパ角は６°である。このテーパ角は内雌ねじ部２２のテーパ角と同じである。第２テーパ面１６ｃのテーパ角は１５°である。

本実施形態の外溝部２６は、外シール面１５側から外雄ねじ部１４に向けて順に、第１テーパ面２６ａと、円筒面２６ｂと、第２テーパ面２６ｃと、を含む。第１テーパ面２６ａのテーパ角は６°である。このテーパ角は外雄ねじ部１４のテーパ角と同じである。第２テーパ面２６ｃのテーパ角は１５°である。

その他、本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能であることは言うまでもない。

本発明による効果を確認するため、弾塑性有限要素法による数値シミュレーション解析（ＦＥＭ解析）を実施した。

［試験条件］
ＦＥＭ解析では、前記図４に示す鋼管用ねじ継手のモデルを作製した。比較例として、内溝部の領域に内雌ねじ部を延長し、外溝部の領域に外雄ねじ部を延長したモデル、すなわち特許文献１に記載の鋼管用ねじ継手のモデルを作製した。

鋼管の材質及び寸法に関する主な諸特性は下記のとおりである。
・鋼管の寸法：１３−５／８［ｉｎｃｈ］、８８．２［ｌｂ／ｆｔ］（外径３４６．１ｍｍ、肉厚１５．９ｍｍ）
・鋼管のグレード：ＡＰＩ規格のＱ１２５（ＡＰＩ ５ＣＴで規定される油井管用炭素鋼で、引張降伏強度が１２５ｋｓｉ（８６２Ｎ／ｍｍ^２））

ＦＥＭ解析では、材料を等方硬化の弾塑性体とし、弾性係数が２１０［ＧＰａ］、０．２％耐力としての公称降伏強度が１２５［ｋｓｉ］（＝８６２［ＭＰａ］）になるようにモデル化したものを使用した。締め付けは、ピンとボックスのショルダ面同士が接触してから更に１．５／１００回転した状態まで行った。

［評価方法］
ＦＥＭ解析では、締結状態のモデルにＩＳＯ１３６７９ ２０１１年版のＳｅｒｉｅｓ Ａ試験を模擬した荷重ステップ（内圧、外圧、引張荷重及び圧縮荷重）を順次負荷した。その荷重ステップ履歴の内圧サイクル（第一、第二象限）及び外圧サイクル（第三、第四象限）における内シール部及び外シール部のそれぞれの接触力［Ｎ／ｍｍ］を比較した。シール部の接触力とは、「シール面同士の平均接触面圧」×「接触幅」の最小値であり、この値が高いほどシール部の密封性能が良いことを意味する。内シール部の接触力から内圧に対する密封性能を評価した。外シール部の接触力から外圧に対する密封性能を評価した。

内シール部及び外シール部のそれぞれの接触力の抽出は、管軸回りの０°、９０°、１８０°及び２７０°の各位置で行った。

［結果］
図７Ａ及び図７Ｂは試験結果をまとめた図である。これらの図のうち、図７Ａは内シール部の結果を示し、図７Ｂは外シール部の結果を示す。図７Ａに示すように、実施例による内シール部の接触力のバラツキは、比較例の場合よりも小さかった。図７Ｂに示すように、実施例による外シール部の接触力のバラツキは、比較例の場合よりも小さかった。これらのことから、本実施形態のねじ継手により、内圧及び外圧に対する密封性能を安定して確保できることが実証された。

本発明のねじ継手は、油井管として用いる鋼管の連結に有効に利用できる。

１０ ピン
１１ 内シール面
１２ 内雄ねじ部
１２ａ ねじ山頂面
１２ｂ ねじ谷底面
１２ｃ 挿入フランク面
１２ｄ 荷重フランク面
１３ ショルダ部
１３ａ ショルダ面
１４ 外雄ねじ部
１４ａ ねじ山頂面
１４ｂ ねじ谷底面
１４ｃ 挿入フランク面
１４ｄ 荷重フランク面
１５ 外シール面
１６ 内溝部
２０ ボックス
２１ 内シール面
２２ 内雌ねじ部
２２ａ ねじ山頂面
２２ｂ ねじ谷底面
２２ｃ 挿入フランク面
２２ｄ 荷重フランク面
２３ ショルダ部
２３ａ ショルダ面
２４ 外雌ねじ部
２４ａ ねじ山頂面
２４ｂ ねじ谷底面
２４ｃ 挿入フランク面
２４ｄ 荷重フランク面
２５ 外シール面
２６ 外溝部

Claims (7)

1. 管状のピンと管状のボックスとからなる鋼管用ねじ継手であって、
   前記ピンは、前記ピンの先端側から管本体側に向けて順に、内シール面と、内雄ねじ部と、ショルダ部と、外雄ねじ部と、外シール面と、を備え、
   前記ボックスは、前記ボックスの管本体側から先端側に向けて順に、内シール面と、内雌ねじ部と、ショルダ部と、外雌ねじ部と、外シール面と、を備え、
   下記（１）及び（２）の構成のうちの少なくとも一方の構成を備える、鋼管用ねじ継手。
   （１）前記ボックスの前記内シール面と前記内雌ねじ部との間に、周方向に沿う内溝部が設けられ、前記ピンの前記内雄ねじ部の一部の歯が前記内溝部に収容されること、
   （２）前記ピンの前記外シール面と前記外雄ねじ部との間に、周方向に沿う外溝部が設けられ、前記ボックスの前記外雌ねじ部の一部の歯が前記外溝部に収容されること。
2. 請求項１に記載の鋼管用ねじ継手であって、
   前記（１）の構成を備える場合には、前記ボックスの前記内溝部の管軸に沿う長さは前記内雌ねじ部のねじピッチよりも大きく、
   前記（２）の構成を備える場合には、前記ピンの前記外溝部の管軸に沿う長さは前記外雄ねじ部のねじピッチよりも大きい、鋼管用ねじ継手。
3. 請求項２に記載の鋼管用ねじ継手であって、
   前記（１）の構成を備える場合には、前記ボックスの前記内溝部の管軸に沿う長さは前記内雌ねじ部のねじピッチの４倍以下であり、
   前記（２）の構成を備える場合には、前記ピンの前記外溝部の管軸に沿う長さは前記外雄ねじ部のねじピッチの４倍以下である、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、
   前記（１）の構成を備える場合には、前記ボックスの前記内溝部の深さは、前記内雌ねじ部のねじ高さ以上、そのねじ高さの２倍以下であり、
   前記（２）の構成を備える場合には、前記ピンの前記外溝部の深さは、前記外雄ねじ部のねじ高さ以上、そのねじ高さの２倍以下である、鋼管用ねじ継手。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の鋼管用ねじ継手であって、
   前記ボックスの外径が前記ピンの管本体の外径の１１０％以下である、鋼管用ねじ継手。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の鋼管用ねじ継手であって、
   前記内雄ねじ部と前記内雌ねじ部からなるねじ部、及び前記外雄ねじ部と前記外雌ねじ部からなるねじ部は、それぞれバットレス型のテーパねじである、鋼管用ねじ継手。
7. 請求項６に記載の鋼管用ねじ継手であって、
   前記テーパねじのそれぞれは、ねじ山頂面、ねじ谷底面、挿入フランク面及び荷重フランク面を含み、
   前記内雄ねじ部の前記ねじ山頂面と前記内雌ねじ部の前記ねじ谷底面とが接触するとともに、前記内雄ねじ部の前記荷重フランク面と前記内雌ねじ部の前記荷重フランク面とが接触し、
   前記外雄ねじ部の前記ねじ谷底面と前記外雌ねじ部の前記ねじ山頂面とが接触するとともに、前記外雄ねじ部の前記荷重フランク面と前記外雌ねじ部の前記荷重フランク面とが接触する、鋼管用ねじ継手。
   

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