JPWO2019082612A1 - 鋼管用ねじ継手 - Google Patents
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Abstract
大径かつ厚肉の鋼管に用いられるノーズ付きねじ継手の高い外圧密封性能を維持しながら内圧密封性能を向上させることができる鋼管用ねじ継手を提供する。７インチ以上の外径と０．７インチ以上の肉厚とを有する鋼管本体を互いに接続するためのねじ継手は、ピンテーパ面とピンラウンド面との間の境界線上におけるピンの外表面とボックスの内表面との間の締結時の隙間量をδ［ｍｍ］、鋼管本体の外径をＤ［ｉｎｃｈ］、鋼管本体の肉厚をｔ［ｉｎｃｈ］、ピンシール面がボックスシール面と接触する領域のうちピンの先端に最も近い位置であるピボット点とピンの先端との間の管軸方向における締結時の長さをＬ［ｍｍ］、ピボット点におけるピンの肉厚をｔＬ［ｍｍ］、ピボット点におけるボックスの肉厚をｔＢ［ｍｍ］としたとき、明細書中の式（１）を満足し、ｔＢ／ｔＬ＞１．４である。
Description
本開示は、鋼管用ねじ継手に関し、さらに詳しくは、大径かつ厚肉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。一般に、内圧に対する密封性能は「内圧密封性能」と呼ばれ、外圧に対する密封性能は「外圧密封性能」と呼ばれる。
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。
特表２００６−５２６７４７号公報（特許文献１）は、ピン及びボックスを備える鋼管用ねじ継手において、ピンにノーズを設けることにより、内圧密封性能を維持しながら外圧密封性能を向上させる技術を開示する。
特開２０１５−１３２２８５号公報（特許文献２）は、ピン及びボックスを備える鋼管用ねじ継手において、内圧及び外圧密封性能を確保しながら焼き付きを防止する技術を開示する。
特許第４５３５０６４号公報（特許文献３）は、メタルシール及びノーズを1つずつ備えるねじ継手は、ノーズを備えていないねじ継手よりも高い外圧密封性能を有することを開示する。
本明細書は、下記の先行技術文献を引用により援用する。
特表２００６−５２６７４７号公報
特開２０１５−１３２２８５号公報
特許第４５３５０６４号公報
本開示の目的は、大径かつ厚肉の鋼管に用いられるノーズ付きねじ継手の高い外圧密封性能を維持しながら内圧密封性能を向上させることができる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、７インチ以上の外径と０．７インチ以上の肉厚とを有する鋼管本体を互いに接続するためのねじ継手である。このねじ継手は、管状のピンと、管状のボックスとを備える。ボックスは、ピンが挿入されてピンと締結される。ピンは、ノーズと、ピンショルダ面と、ピンテーパ面と、ピンラウンド面と、雄ねじと、ピンシール面とを含む。ノーズは、ピンの先端部に形成され、締結状態でボックスのうち対向する部分の内径よりも小さい外径を有する。ピンショルダ面は、ノーズの先端に形成される。ピンテーパ面は、ノーズの外周面に形成される。ピンラウンド面は、ピンショルダ面とピンテーパ面との間の角に形成される。雄ねじは、ピンの外周に形成される。ピンシール面は、ノーズと雄ねじとの間であってピンの外周面に形成される。ボックスは、ボックスショルダ面と、雌ねじと、ボックスシール面とを含む。ボックスショルダ面は、ピンショルダ面に対向し、締結状態でピンショルダ面と接触する。雌ねじは、雄ねじに対応し、ボックスの内周に形成される。ボックスシール面は、ピンシール面に対向し、締結時にピンシール面と接触する。
ピンテーパ面とピンラウンド面との間の境界線上におけるピンの外表面とボックスの内表面との間の締結時の隙間量をδ［ｍｍ］、鋼管本体の外径をＤ［ｉｎｃｈ］、鋼管本体の肉厚をｔ［ｉｎｃｈ］、ピンシール面がボックスシール面と接触する領域のうちピンの先端に最も近い位置であるピボット点とピンの先端との間の管軸方向における締結時の長さをＬ［ｍｍ］、ピボット点におけるピンの肉厚をｔＬ［ｍｍ］、ピボット点におけるボックスの肉厚をｔＢ［ｍｍ］としたとき、次の式（１）を満足し、ｔＢ／ｔＬ＞１．４である。
0.30＋min(antL＋bnD, n=1,2,3)＞δ＞min(antL＋bnD, n=1,2,3) （１）
ここで、minは括弧内の３つの引数のうち最小値を取る関数であり、
a1=(L/t)×0.0115×(tL/t)-1.68778−0.00247×(tL/t)-2.02052、
b1=(L/t)×0.0076×(tL/t)-0.65672−0.00120×(tL/t)-1.06817、
a2=(L/t)×0.00725×(tL/t)-1.67341−0.00157×(tL/t)-1.93212、
b2=0、
a3=-(L/t)×0.00256×(tL/t)-2.40620＋0.00372×(tL/t)-2.19899、
b3=(L/t)×0.01986×(tL/t)-0.88615−0.01048×(tL/t)-1.00532である。
a1=(L/t)×0.0115×(tL/t)-1.68778−0.00247×(tL/t)-2.02052、
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b2=0、
a3=-(L/t)×0.00256×(tL/t)-2.40620＋0.00372×(tL/t)-2.19899、
b3=(L/t)×0.01986×(tL/t)-0.88615−0.01048×(tL/t)-1.00532である。
［外圧密封性能］
厚肉の鋼管用ねじ継手では、ＡＰＩ５Ｃ３規格の外圧値はＶＭＥ１００％の外圧値（すなわち、コラプス強度を加味しない、材料そのものの降伏荷重値）に近づく。このような非常に高い外圧が負荷されると、厚肉の鋼管用ねじ継手でも外圧リークが発生してしまう。
厚肉の鋼管用ねじ継手では、ＡＰＩ５Ｃ３規格の外圧値はＶＭＥ１００％の外圧値（すなわち、コラプス強度を加味しない、材料そのものの降伏荷重値）に近づく。このような非常に高い外圧が負荷されると、厚肉の鋼管用ねじ継手でも外圧リークが発生してしまう。
本発明者らは鋭意検討の結果、外圧リークの原因を明らかにした。すなわち、ねじに侵入した高い外圧がメタルシールより後方のピン全体を縮径させ、メタルシールより前方は外圧が侵入しないので縮径せず、その結果としてメタルシール、ノーズを含むピンの雄ねじよりも先端部（以下、「ピンリップ」という。）が径方向で外側に反ることになる。そのため、シールポイントがシール好適面（メタルシール形成用に表面粗さや表面処理が適切に用意され、かつ、継手締結時の適度な摺動によりなじんだ面）を超えてピンの先端側に移動してしまうか、あるいは、ピンリップがボックスの内周面に強く接触してシール接触力が著しく減少するため、外圧密封性能が著しく減少してしまう。
本発明者らはこのような新たな知見を踏まえ、高い外圧が負荷されてもノーズの先端がボックスの内周面に強く接触しないように、隙間量δの下限を規定すれば、厚肉の鋼管用ねじ継手でも外圧密封性能の著しい低下を防止できると考えた。そして、外圧負荷時におけるノーズの反り変形量（拡径量の半分）を弾性円筒シェル理論により見積もり、隙間量δの好適な下限を特定した。
［内圧密封性能］
内圧が負荷されると、ピンリップは拡径し、シール接触力が増幅される効果がある。しかし、大径かつ厚肉の鋼管では、ボックスの肉厚がピンに対して相対的に薄いと、内圧負荷によるボックスの拡径量も大きくなるので、シール接触力の増幅効果が小さくなる。そこで、本発明者らは、シール接触力の増幅効果を高めることにより内圧密封性能を向上させるためには、ピンとボックスのシール肉厚比に好適値が存在すると考えた。
内圧が負荷されると、ピンリップは拡径し、シール接触力が増幅される効果がある。しかし、大径かつ厚肉の鋼管では、ボックスの肉厚がピンに対して相対的に薄いと、内圧負荷によるボックスの拡径量も大きくなるので、シール接触力の増幅効果が小さくなる。そこで、本発明者らは、シール接触力の増幅効果を高めることにより内圧密封性能を向上させるためには、ピンとボックスのシール肉厚比に好適値が存在すると考えた。
以上のような知見に基づき、本発明者らは、大径かつ厚肉の鋼管に用いられるノーズ付きねじ継手の高い外圧密封性能を維持しながら内圧密封性能を向上させることができる鋼管用ねじ継手を発明した。
実施形態に係る鋼管用ねじ継手は、７インチ以上の外径と０．７インチ以上の肉厚とを有する鋼管本体を互いに接続するためのねじ継手である。このねじ継手は、管状のピンと、管状のボックスとを備える。ボックスは、ピンが挿入されてピンと締結される。ピンは、ノーズと、ピンショルダ面と、ピンテーパ面と、ピンラウンド面と、雄ねじと、ピンシール面とを含む。ノーズは、ピンの先端部に形成され、締結状態でボックスのうち対向する部分の内径よりも小さい外径を有する。ピンショルダ面は、ノーズの先端に形成される。ピンテーパ面は、ノーズの外周面に形成される。ピンラウンド面は、ピンショルダ面とピンテーパ面との間の角に形成される。雄ねじは、ピンの外周に形成される。ピンシール面は、ノーズと雄ねじとの間であってピンの外周面に形成される。ボックスは、ボックスショルダ面と、雌ねじと、ボックスシール面とを含む。ボックスショルダ面は、ピンショルダ面に対向し、締結状態でピンショルダ面と接触する。雌ねじは、雄ねじに対応し、ボックスの内周に形成される。ボックスシール面は、ピンシール面に対向し、締結時にピンシール面と接触する。
ピンテーパ面とピンラウンド面との間の境界線上におけるピンの外表面とボックスの内表面との間の締結時の隙間量をδ［ｍｍ］、鋼管本体の外径をＤ［ｉｎｃｈ］、鋼管本体の肉厚をｔ［ｉｎｃｈ］、ピンシール面がボックスシール面と接触する領域のうちピンの先端に最も近い位置であるピボット点とピンの先端との間の管軸方向における締結時の長さをＬ［ｍｍ］、ピボット点におけるピンの肉厚をｔＬ［ｍｍ］、ピボット点におけるボックスの肉厚をｔＢ［ｍｍ］としたとき、次の式（１）を満足し、ｔＢ／ｔＬ＞１．４である。
0.30＋min(antL＋bnD, n=1,2,3)＞δ＞min(antL＋bnD, n=1,2,3) （１）
ここで、minは、括弧内の３つの引数のうち最小値を取る関数である。
a1,a2,a3,b1,b2,b3は、次の通り定義される。
a1=(L/t)×0.0115×(tL/t)-1.68778−0.00247×(tL/t)-2.02052
b1=(L/t)×0.0076×(tL/t)-0.65672−0.00120×(tL/t)-1.06817
a2=(L/t)×0.00725×(tL/t)-1.67341−0.00157×(tL/t)-1.93212
b2=0
a3=-(L/t)×0.00256×(tL/t)-2.40620＋0.00372×(tL/t)-2.19899
b3=(L/t)×0.01986×(tL/t)-0.88615−0.01048×(tL/t)-1.00532
a1,a2,a3,b1,b2,b3は、次の通り定義される。
a1=(L/t)×0.0115×(tL/t)-1.68778−0.00247×(tL/t)-2.02052
b1=(L/t)×0.0076×(tL/t)-0.65672−0.00120×(tL/t)-1.06817
a2=(L/t)×0.00725×(tL/t)-1.67341−0.00157×(tL/t)-1.93212
b2=0
a3=-(L/t)×0.00256×(tL/t)-2.40620＋0.00372×(tL/t)-2.19899
b3=(L/t)×0.01986×(tL/t)-0.88615−0.01048×(tL/t)-1.00532
本実施形態に係る鋼管用ねじ継手は、隙間量δの下限が制限されているため、ねじに侵入した高い外圧がピンシール面より後方のピン全体を縮径させ、その反動で、ノーズがピボット点を境に反り変形をしたとしても、ノーズによる外圧密封性能を維持することができる。隙間量δの上限は、切削加工時に切り込み量又はパス回数が不必要に増加しないように、「隙間量の下限値＋０．３ｍｍ」に設定される。
一方、肉厚比ｔＢ／ｔＬの下限が１．４に制限されているため、大径かつ厚肉の鋼管であっても、内圧負荷によるボックスの拡径が抑制される。そのため、シール接触力の増幅効果が高くなり、内圧密封性能を向上させることができる。
以上の通り、本実施形態に係るねじ継手は、大径かつ厚肉の鋼管に用いられるノーズ付きねじ継手の高い外圧密封性能を維持しながら内圧密封性能を向上させることができる。
好ましくは、ｔＢ／ｔＬ＞２．０であり、さらに好ましくは、ｔＢ／ｔＬ＞２．２である。
ねじ継手は、インテグラル型でもカップリング型でもよい。
ノーズは、締結前かつ周方向において、鋼管本体の０．２％オフセット耐力の１．０５倍以上の０．２％オフセット耐力を有していてもよい。
０．２％オフセット耐力を高める具体的な方法として、ねじ切り加工前に管端に冷間絞り加工を施したり、高周波加熱等で焼き入れ強化を行ったりする方法がある。
雄ねじ及び雌ねじの少なくとも一方、ピンシール面及びボックスシール面の少なくとも一方、並びにピンショルダ面及びボックスショルダ面の少なくとも一方に、化成処理、サンドブラスト処理、金属めっき処理のうち少なくとも１つが施されていてもよい。
［実施形態］
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。
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は、実施形態に係る鋼管用ねじ継手１の概略構成を示す縦断面図である。図１に示されるように、ねじ継手１は、鋼管本体２を互いに接続するためのねじ継手である。ねじ継手１は、管状のピン１０と、管状のボックス２０とを備える。ボックス２０は、ピン１０が挿入されてピン１０と締結される。ピン１０の鋼管本体２は、ピン１０を含む鋼管においてボックス２０に挿入されない部分である。鋼管本体２は、７インチ以上の外径と、０．７インチ以上の肉厚とを有する。すなわち、ねじ継手１は大径かつ厚肉の鋼管に用いられる。
図１に示されるねじ継手１はカップリング型であり、カップリング３を備える。カップリング３は、２本の鋼管を連結する。カップリング３は、２つのボックス２０を含む。
ただし、ねじ継手１はインテグラル型でもよい。図２に示されるように、インテグラル型のねじ継手１もまた、鋼管本体２を互いに接続するためのねじ継手であり、ピン１０と、ボックス２０とを備える。インテグラル型のねじ継手１では、一方の鋼管がピン１０を備え、他方の鋼管がボックス２０を備える。
図３に示されるように、ピン１０は、ノーズ１１と、ピンショルダ面１２と、ピンテーパ面１５と、ピンラウンド面１６と、雄ねじ１３と、ピンシール面１４とを含む。ノーズ１１は、ピン１０の先端部に形成され、締結状態でボックス２０のうち対向する部分の内径よりも小さい外径を有する。ピンショルダ面１２は、ノーズ１１の先端に形成される。ピンテーパ面１５は、ノーズ１１の外周面に形成される。ピンラウンド面１６は、ピンショルダ面１２とピンテーパ面１５との間の角に形成される。雄ねじ１３は、ピン１０の外周に形成される。ピンシール面１４は、ノーズ１１と雄ねじ１３との間であってピン１０の外周面に形成される。
ボックス２０は、ボックスショルダ面２１と、雌ねじ２２と、ボックスシール面２３と、ボックステーパ面２４と、ボックスラウンド面２５とを含む。ボックスショルダ面２１は、ピンショルダ面１２に対向し、締結状態でピンショルダ面１２と接触する。雌ねじ２２は、雄ねじ１３に対応し、ボックス２０の内周に形成される。ボックスシール面２３は、ピンシール面１４に対向し、締結時にピンシール面１４と接触する。ボックステーパ面２４は、ピンテーパ面１５に対向する。ボックスラウンド面２５は、ピンラウンド面１６に対向する。
ピンテーパ面１５とピンラウンド面１６との間の境界線上におけるピン１０の外表面とボックス２０の内表面との間の締結時の隙間量をδ［ｍｍ］、鋼管本体２の外径をＤ［ｉｎｃｈ］、鋼管本体２の肉厚をｔ［ｉｎｃｈ］、ピボット点ＰＰとピン１０の先端との間の管軸方向ＣＬにおける締結時の長さをＬ［ｍｍ］、ピンシール面１４がボックスシール面２３と接触する領域のうちピン１０の先端に最も近い位置であるピボット点ＰＰにおけるピン１０の肉厚をｔＬ［ｍｍ］、ピボット点ＰＰにおけるボックスの肉厚をｔＢ［ｍｍ］としたとき、次の式（１）を満足し、ｔＢ／ｔＬ＞１．４である。
0.30＋min(antL＋bnD, n=1,2,3)＞δ＞min(antL＋bnD, n=1,2,3) （１）
ここで、minは、括弧内の３つの引数のうち最小値を取る関数である。
a1,a2,a3,b1,b2,b3は、次の通り定義される。
a1=(L/t)×0.0115×(tL/t)-1.68778−0.00247×(tL/t)-2.02052
b1=(L/t)×0.0076×(tL/t)-0.65672−0.00120×(tL/t)-1.06817
a2=(L/t)×0.00725×(tL/t)-1.67341−0.00157×(tL/t)-1.93212
b2=0
a3=-(L/t)×0.00256×(tL/t)-2.40620＋0.00372×(tL/t)-2.19899
b3=(L/t)×0.01986×(tL/t)-0.88615−0.01048×(tL/t)-1.00532
a1,a2,a3,b1,b2,b3は、次の通り定義される。
a1=(L/t)×0.0115×(tL/t)-1.68778−0.00247×(tL/t)-2.02052
b1=(L/t)×0.0076×(tL/t)-0.65672−0.00120×(tL/t)-1.06817
a2=(L/t)×0.00725×(tL/t)-1.67341−0.00157×(tL/t)-1.93212
b2=0
a3=-(L/t)×0.00256×(tL/t)-2.40620＋0.00372×(tL/t)-2.19899
b3=(L/t)×0.01986×(tL/t)-0.88615−0.01048×(tL/t)-1.00532
鋼管本体２の外径Ｄ及び肉厚ｔは鋼管本体２の全体にわたって厳密には一定でないので、外径Ｄとして平均外径を用い、肉厚ｔとして平均肉厚を用いてもよい。平均外径は、締結された継手のボックス端面から１インチの位置における、締結前の鋼管本体２の外径を直交する２方向で測定し平均したものである。平均肉厚は、同じく締結された継手のボックス端面から１インチの位置における、締結前の鋼管本体２の円周８箇所（４５°ピッチ）の肉厚を測定し平均したものである。
図３に示されるノーズ１１では、ピンテーパ面１５はボックステーパ面２４とほぼ平行に形成されている。すなわち、ピンテーパ面１５とボックステーパ面２４との間隔はほぼ等間隔になっている。ただし、図４に示されるように、ピンテーパ面１５とボックステーパ面２４との間隔はノーズ１１の先端に向かって徐々に拡がっていてもよい。この場合、締結時にピンシール面１４がボックスシール面２３と接触する領域は図３に示される場合の領域よりも広く、面接触（縦断面上では線接触）に近くなる場合もある。したがって、ピボット点ＰＰの管軸方向ＣＬにおける位置は、締結力やノーズ１１の反り変形量に応じて異なることがある。
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、弾塑性有限要素法による数値シミュレーション解析を実施した。
＜試験条件＞
弾塑性有限要素解析では、図１に示される基本構成を有するねじ継手のモデルを使用した。共通の試験条件は、以下の通りである。
弾塑性有限要素解析では、図１に示される基本構成を有するねじ継手のモデルを使用した。共通の試験条件は、以下の通りである。
・鋼管の寸法：１４インチ、１００＃（外径３５５．６ｍｍ、肉厚１７．７８ｍｍ）
・材料：ＡＰＩ(American Petroleum Institute)規格のＰ１１０鋼（降伏強度８６２Ｎ／ｍｍ２、弾性係数２０５ｋＮ／ｍｍ２、ポアソン比０．３）
・ねじ継手の型：カップリング型（外径３８６ｍｍ）
・ねじの形状及び寸法：バットレス型の台形ねじであって、荷重面角度−３度、挿入面角度１０度、雄ねじ高さ１．９７８ｍｍ、ねじピッチ６．３５ｍｍ（４ＴＰＩ）、ねじテーパ１／１６のもの
・ノーズの寸法：Ｌ＝１７ｍｍ、tL＝１０．３ｍｍ
・締結条件：ショルダリングからさらに１／１００ターン締め付け
・荷重条件：
（１）内圧：鋼管本体の降伏強度１００％の単純内圧負荷
（２）外圧：鋼管本体の降伏強度１００％（ＡＰＩ５Ｃ３規格１００％）の単純外圧負荷
・材料：ＡＰＩ(American Petroleum Institute)規格のＰ１１０鋼（降伏強度８６２Ｎ／ｍｍ２、弾性係数２０５ｋＮ／ｍｍ２、ポアソン比０．３）
・ねじ継手の型：カップリング型（外径３８６ｍｍ）
・ねじの形状及び寸法：バットレス型の台形ねじであって、荷重面角度−３度、挿入面角度１０度、雄ねじ高さ１．９７８ｍｍ、ねじピッチ６．３５ｍｍ（４ＴＰＩ）、ねじテーパ１／１６のもの
・ノーズの寸法：Ｌ＝１７ｍｍ、tL＝１０．３ｍｍ
・締結条件：ショルダリングからさらに１／１００ターン締め付け
・荷重条件：
（１）内圧：鋼管本体の降伏強度１００％の単純内圧負荷
（２）外圧：鋼管本体の降伏強度１００％（ＡＰＩ５Ｃ３規格１００％）の単純外圧負荷
内圧は、ピン及びボックスの内周面、並びにメタルシールの接触部から内面側の全面（ピンノーズの外周面、ピンノーズに対応するボックスの内周面、ピン及びボックスのショルダ面など）に負荷される。
外圧は、ピン及びボックスの外周面と、メタルシールの接触部から外面側の全面（ピン及びボックスのねじ表面など）に負荷される。
＜評価方法＞
次の表１に示されるように、モデル１−６について上記試験条件で締結を模擬した解析を行った後、内圧密封性及び外圧密封性を算出した。内圧又は外圧密封性は、前述の荷重条件の内圧又は外圧を負荷した時のシール接触力（正確には単位周長さ当たりのシール接触力）を締結時のシール接触力で除した値（すなわち、シール接触力の締結時からの低下率）である。密封性は、締結時のシール接触力に対する圧力荷重負荷下のシール接触力の比であり、値が大きいほど密封性が良い。
次の表１に示されるように、モデル１−６について上記試験条件で締結を模擬した解析を行った後、内圧密封性及び外圧密封性を算出した。内圧又は外圧密封性は、前述の荷重条件の内圧又は外圧を負荷した時のシール接触力（正確には単位周長さ当たりのシール接触力）を締結時のシール接触力で除した値（すなわち、シール接触力の締結時からの低下率）である。密封性は、締結時のシール接触力に対する圧力荷重負荷下のシール接触力の比であり、値が大きいほど密封性が良い。
本例では、０．４３ｍｍ＞δ＞０．１３ｍｍである。したがって、モデル１及び５が実施例であり、モデル２−４及び６が比較例である。モデル２は隙間量δが上限値（０．４３ｍｍ）以上である。モデル３及び６は隙間量δが下限値（０．１３ｍｍ）以下である。モデル４は肉厚比ｔＢ／ｔＬが下限値（１．４）以下である。
モデル４以外の外圧密封性を図５に示す。このグラフから明らかなように、外圧密封性は隙間量δの下限値を境に顕著に変化する。すなわち、隙間量δが下限値以下になると、外圧密封性は大幅に低下する。これは、ノーズ１１が反り変形をし、その先端部がボックス２０の内周面に当たるためと考えられる。
肉厚比が下限値よりも小さいモデル４については、内圧密封性が著しく低い。モデル２はモデル１及び５と同等の内圧及び外圧密封性を有するが、隙間量δが上限値以上であると、切削量が多くなるため、製造コストが高くなる。
以上の結果より、実施例に係るねじ継手は比較例に係るねじ継手に比べ、内圧密封性及び外圧密封性ともに優れることが判明した。
１：鋼管用ねじ継手
２：鋼管本体
１０：ピン
１１：ノーズ
１２：ピンショルダ面
１３：雄ねじ
１４：ピンシール面
１５：ピンテーパ面
１６：ピンラウンド面
２０：ボックス
２１：ボックスショルダ面
２２：雌ねじ
２３：ボックスシール面
２４：ボックステーパ面
２５：ボックスラウンド面
２：鋼管本体
１０：ピン
１１：ノーズ
１２：ピンショルダ面
１３：雄ねじ
１４：ピンシール面
１５：ピンテーパ面
１６：ピンラウンド面
２０：ボックス
２１：ボックスショルダ面
２２：雌ねじ
２３：ボックスシール面
２４：ボックステーパ面
２５：ボックスラウンド面
Claims (5)
- ７インチ以上の外径と０．７インチ以上の肉厚とを有する鋼管本体を互いに接続するためのねじ継手であって、
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、
前記ピンの先端部に形成され、締結状態で前記ボックスのうち対向する部分の内径よりも小さい外径を有するノーズと、
前記ノーズの先端に形成されるピンショルダ面と、
前記ノーズの外周面に形成されるピンテーパ面と、
前記ピンショルダ面と前記ピンテーパ面との間の角に形成されるピンラウンド面と、
前記ピンの外周に形成される雄ねじと、
前記ノーズと前記雄ねじとの間であって前記ピンの外周面に形成されるピンシール面とを含み、
前記ボックスは、
前記ピンショルダ面に対向し、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と、
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と、
前記ピンシール面に対向し、締結時に前記ピンシール面と接触するボックスシール面とを含み、
前記ピンテーパ面と前記ピンラウンド面との間の境界線上における前記ピンの外表面と前記ボックスの内表面との間の締結時の隙間量をδ［ｍｍ］、前記鋼管本体の外径をＤ［ｉｎｃｈ］、前記鋼管本体の肉厚をｔ［ｉｎｃｈ］、前記ピンシール面が前記ボックスシール面と接触する領域のうち前記ピンの先端に最も近い位置であるピボット点と前記ピンの先端との間の管軸方向における締結時の長さをＬ［ｍｍ］、前記ピボット点における前記ピンの肉厚をｔＬ［ｍｍ］、前記ピボット点における前記ボックスの肉厚をｔＢ［ｍｍ］としたとき、次の式（１）を満足し、ｔＢ／ｔＬ＞１．４である、ねじ継手。
0.30＋min(antL＋bnD, n=1,2,3)＞δ＞min(antL＋bnD, n=1,2,3) （１）
ここで、minは括弧内の３つの引数のうち最小値を取る関数であり、
a1=(L/t)×0.0115×(tL/t)-1.68778−0.00247×(tL/t)-2.02052、
b1=(L/t)×0.0076×(tL/t)-0.65672−0.00120×(tL/t)-1.06817、
a2=(L/t)×0.00725×(tL/t)-1.67341−0.00157×(tL/t)-1.93212、
b2=0、
a3=-(L/t)×0.00256×(tL/t)-2.40620＋0.00372×(tL/t)-2.19899、
b3=(L/t)×0.01986×(tL/t)-0.88615−0.01048×(tL/t)-1.00532である。 - 請求項１に記載のねじ継手であって、
ｔＢ／ｔＬ＞２．０である、ねじ継手。 - 請求項２に記載のねじ継手であって、
カップリング型である、ねじ継手。 - 請求項１から３のいずれか１項に記載のねじ継手であって、
前記ノーズは、締結前かつ周方向において、前記鋼管本体の０．２％オフセット耐力の１．０５倍以上の０．２％オフセット耐力を有する、ねじ継手。 - 請求項１から４のいずれか１項に記載のねじ継手であって、
前記雄ねじ及び前記雌ねじの少なくとも一方、前記ピンシール面及び前記ボックスシール面の少なくとも一方、並びに前記ピンショルダ面及び前記ボックスショルダ面の少なくとも一方に、化成処理、サンドブラスト処理、金属めっき処理のうち少なくとも１つが施されている、ねじ継手。
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