JPWO2019093163A1 - 鋼管用ねじ継手 - Google Patents

Abstract

内圧密封性能を維持し外圧密封性能を向上させる鋼管用ねじ継手を提供する。鋼管用ねじ継手はピン１０及びボックス２０を備える。ピン１０は、ノーズ１２、テーパ状の内雄ねじ１４、テーパ状の外雄ねじ１７、ピン内シール面１３、ピン中間ショルダ面１８、ピン中間シール面１６、及びピン環状部１５ａを含む。ボックス２０は、ノーズ１２に対応する凹部２２、テーパ状の内雌ねじ２４、テーパ状の外雌ねじ２７、ボックス内シール面２３、ボックス中間ショルダ面２８、ボックス中間シール面２６、及びボックス環状部２５ａを含む。ねじ継手は次の式（１）及び（２）を満たす。α１は内雄ねじのテーパの勾配であり、α２は外雄ねじのテーパの勾配である。α１＞α２ （１）式（２）中、Ｌ１はピン及びボックスが締結されていないときの管軸方向におけるピンの先端とピン中間ショルダ面との間の距離であり、Ｌ２はピン及びボックスが締結されていないときの管軸方向におけるボックス中間ショルダ面とボックスの先端と間の距離である。

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、相応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）。

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）。

本明細書は、以下の先行技術文献を引用により援用する。
国際公開第２０１５／１９４１６０号 特開平１０−８９５５４号公報 国際公開第２０１７／１０４２８２号

開示の概要

本開示の目的は、内圧密封性能を維持しつつ外圧密封性能を向上させる鋼管用ねじ継手を提供することである。

上述したねじ継手において、シール面、ショルダ面、及びねじ等を単に配置するだけでは所定の密封性能を得ることはできない。本発明者らは、所定の密封性能を得るためには、有限の肉厚の油井管に、各部位の厚さをバランス良く設計する必要があることを新たに知見し、この知見に基づき以下の鋼管用ねじ継手を発明した。

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、ノーズと、テーパ状の内雄ねじと、テーパ状の外雄ねじと、ピン内シール面と、ピン中間ショルダ面と、ピン中間シール面と、ピン環状部とを含む。ノーズは、ピンの先端部に形成される。内雄ねじは、ピンの先端寄りに位置し、ピンの外周面に形成される。外雄ねじは、鋼管の本体寄りに位置し、ピンの外周面に形成される。ピン内シール面は、ノーズと内雄ねじとの間に形成される。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。ピン中間シール面は、外雄ねじとピン中間ショルダ面との間に形成される。ピン環状部は、ピン中間ショルダ面とピン中間シール面との間に形成される。ボックスは、凹部と、テーパ状の内雌ねじと、テーパ状の外雌ねじと、ボックス内シール面と、ボックス中間ショルダ面と、ボックス中間シール面と、ボックス環状部とを含む。凹部は、ノーズに対応する。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。ボックス内シール面は、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。ボックス中間シール面は、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。ボックス環状部は、ピン環状部に対向し、ピン及びボックスが締結されているときにピン環状部から離間する。

鋼管用ねじ継手は、次の式（１）及び（２）を満たす。
α１＞α２ （１）
式（１）中、α１は内雄ねじのテーパの勾配である。α２は外雄ねじのテーパの勾配である。

式（２）中、Ｌ１は、前記ピン及び前記ボックスが締結されていないときの管軸方向における前記ピンの先端と前記ピン中間ショルダ面との間の距離であり、Ｌ２は、前記ピン及び前記ボックスが締結されていないときの管軸方向における前記ボックス中間ショルダ面と前記ボックスの先端と間の距離である。

図１は、第１の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、第２の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３は、実験例に係るねじ継手の密封性能を示すグラフである。 図４は、図３に示されるねじ継手の外圧密封性能を示すグラフである。

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、ノーズと、テーパ状の内雄ねじと、テーパ状の外雄ねじと、ピン内シール面と、ピン中間ショルダ面と、ピン中間シール面と、ピン環状部とを含む。ノーズは、ピンの先端部に形成される。内雄ねじは、ピンの先端寄りに位置し、ピンの外周面に形成される。外雄ねじは、鋼管の本体寄りに位置し、ピンの外周面に形成される。ピン内シール面は、ノーズと内雄ねじとの間に形成される。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。ピン中間シール面は、外雄ねじとピン中間ショルダ面との間に形成される。ピン環状部は、ピン中間ショルダ面とピン中間シール面との間に形成される。ボックスは、凹部と、テーパ状の内雌ねじと、テーパ状の外雌ねじと、ボックス内シール面と、ボックス中間ショルダ面と、ボックス中間シール面と、ボックス環状部とを含む。凹部は、ノーズに対応する。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。ボックス内シール面は、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。ボックス中間シール面は、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。ボックス環状部は、ピン環状部に対向し、ピン及びボックスが締結されているときにピン環状部から離間する。

鋼管用ねじ継手は、次の式（１）を満たす。
α１＞α２ （１）

式（１）中、α１は内雄ねじのテーパの勾配である。α２は外雄ねじのテーパの勾配である。

好ましくは、鋼管用ねじ継手は次の式（２）を満たす。

式（２）中、Ｌ１は、ピン及びボックスが締結されていないときの管軸方向におけるピンの先端とピン中間ショルダ面との間の距離である。Ｌ２は、ピン及びボックスが締結されていないときの管軸方向におけるボックス中間ショルダ面とボックスの先端と間の距離である。

好ましくは、ピンはさらに、ピンの先端に形成されるピン内ショルダ面を含む。ボックスはさらに、ピン内ショルダ面に対向するボックス内ショルダ面を含む。

さらに、好ましくは、ピン内ショルダ面は、ピン及びボックスが締結されているときにボックス内ショルダ面と接触する。

また、鋼管用ねじ継手は、次の式（３）を満たす。

式（３）中、Ａ０は、管軸に垂直な平面における前記鋼管の本体の断面積であり、Ａ１は、管軸に垂直な平面に対する前記ボックス中間ショルダ面の投影面積である。

又は、鋼管用ねじ継手は、次の式（４）を満たす。

式（４）中、Ａ０は、管軸に垂直な平面における前記鋼管の本体の断面積であり、Ａ２は、管軸に垂直な平面に対する前記ピン内ショルダ面の投影面積及び前記ピン中間ショルダ面の投影面積の合計である。

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、その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、ピンの先端寄りに位置し、ピン１０の外周面に形成される。外雄ねじ１７は、鋼管の本体ＰＭ寄りに位置し、ピン１０の外周面に形成される。鋼管の本体ＰＭは、鋼管全体のうちピン１０以外の部分である。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。

鋼管用ねじ継手は、次の式（１）を満たす。
α１＞α２ （１）
式（１）中、α１は内雄ねじ１４のテーパの勾配である。α２は外雄ねじ１７のテーパの勾配である。

ねじ底がねじテーパに平行な場合、テーパの勾配α１は、管軸ＣＬを含むピン１０の縦断面において、内雄ねじ１４の底面を結ぶ直線と管軸ＣＬ（又はこれに平行な直線）との間の勾配である。テーパの勾配α２は、管軸ＣＬを含むピン１０の縦断面において、外雄ねじ１７の底面を結ぶ直線と管軸ＣＬ（又はこれに平行な直線）との間の勾配である。

ねじ底が管軸ＣＬに平行な場合、テーパの勾配α１は、管軸ＣＬを含むピン１０の縦断面において、内雄ねじ１４の底面の延長線と荷重面の延長線の交点を結ぶ直線と管軸ＣＬ（又はこれに平行な直線）との間の勾配である。テーパの勾配α２は、管軸ＣＬを含むピン１０の縦断面において、外雄ねじ１７の底面の延長線と荷重面の延長線の交点を結ぶ直線と管軸ＣＬ（又はこれに平行な直線）との間の勾配である。

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。

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。

ノーズ１２は筒状であり、ピン内シール面１３に連なって管軸ＣＬ方向に伸び出す。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内ショルダ面１１を含む。ボックス２０はさらに、ピン内ショルダ面１１に対向するボックス内ショルダ面２１を含む。ピン内ショルダ面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内ショルダ面２１と接触する。

ピン内ショルダ面１１は、管軸ＣＬにほぼ垂直な環状面である。厳密には、内ショルダ面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に連なって設けられる。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、内ショルダ面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、ピン中間シール面１６の前方に連なって管軸ＣＬ方向に伸び出す。このピン環状部１５ａに連なって内雄ねじ１４が設けられている。ピン環状部１５ｂは、ピン中間シール面１６の後方に連なって管軸ＣＬ方向に伸び出す。ピン環状部１５ｂに連なって外雄ねじ１７が設けられる。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、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、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（図示せず）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。

締結状態において、内ショルダ面１１，２１は互いに押し付けられて接触する。内ショルダ面１１，２１の押圧接触は、主に内雄ねじ１４の荷重面に締め付け軸力を付与する。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。

鋼管用ねじ継手はまた、次の式（２）を満たす。

式（２）中、Ｌ１は、ピン１０及びボックス２０が締結されていないときの管軸ＣＬ方向におけるピン１０の先端とピン中間ショルダ面１８との間の距離である。Ｌ２は、ピン１０及びボックス２０が締結されていないときの管軸ＣＬ方向におけるボックス中間ショルダ面２８とボックス２０の先端と間の距離である。

ここで、内ねじ１４，２４及び外ねじ１７，２７のテーパの勾配α１，α２の影響について考察する。内ねじ１４，２４及び外ねじ１７，２７の長さを一定とした場合において、α１＞α２としたときは、α１＝α２としたときと比較し、ピン中間シール面１８におけるピン１０の肉厚を厚くすることができ、外圧密封性能が向上する。一方、α１＜α２としたときは、α１＝α２としたときと比較し、ピン中間シール面１８におけるピン１０の肉厚が薄くなるため、外圧密封性能が低下する。

次に、内ねじ１４，２４及び外ねじ１７，２７の長さの影響について考察する。鋼管の本体ＰＭの肉厚をＷＴ、ピン内シール面１３におけるピン１０の肉厚をｔ１、ピン中間シール面１６におけるピン１０の肉厚をｔ２、管径方向に沿ったピン中間ショルダ面１８の高さをｔｓとすると、次の式（５）及び（６）の関係が得られる。ただし、Ｘ１、Ｘ２は内シール面１３，２３の内側の内削加工や内シール面１３，２３近傍での肉厚変化など、微小な肉厚変化を表わす定数とする。

ＷＴ＝ｔ１＋Ｌ１α１＋ｔｓ＋Ｌ２α２＋Ｘ１ （５）
ｔ２＝ｔ１＋Ｌ１α１＋ｔｓ＋Ｘ２ （６）

ここで、外圧密封性能を高くするためには、肉厚ｔ２をできるだけ厚くして外圧による縮径量を小さくし、外圧負荷時の実質的なシール接触力の低下を抑制する必要がある。外圧が作用しない内シール面１３，２３においても肉厚が薄すぎると、十分な嵌め合い力が得られないため、肉厚ｔ１は一定値以上必要である。また、耐圧縮性能を確保するためには、高さｔｓも一定値以上必要である。そこで、肉厚ｔ１及び高さｔｓを一定とすると、式（５）及び（６）より、肉厚ｔ２を最大にするためには、Ｌ１α１を最大にし、かつ、Ｌ２α２を最小にすればよい。ここで、外圧密封性能パラメータＳを以下の式（７）の通り定義する。

このとき、パラメータＳが一定値よりも大きいと、十分な肉厚ｔ２を確保でき、良好な外圧密封性能を得ることができる。

ただし、パラメータＳが大きすぎると、外ねじ１７，２７のかみ合いが減少するため、外圧が負荷された際に外ねじ１７，２７及び中間シール面１６，２６の部分が縮径しやすくなる。

ここで、シール部における十分な嵌め合い接触を得るために、肉厚ｔ１は４ｍｍ以上であることが好ましい。また、十分な耐圧縮性能を得るために、高さｔｓは４ｍｍ以上であることが好ましい。また、過大な引張荷重が加わったときのジャンプアウト（ねじのかみ合いの外れやねじのせん断破壊によるすっぽ抜け）を防止するため、次の式（８）を満たすことが好ましい。
（Ｌ１＋Ｌ２）／ＯＤ＞１ （８）

また、ピン１０の先端にピン内ショルダ面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。

以下に、本実施の形態に係るねじ継手の好適な態様について補足する。

ピン１０において、管軸ＣＬに垂直な断面での鋼管本体の断面積をＡ０とし、管軸ＣＬに垂直な平面へのボックス中間ショルダ面２８の投影面積をＡ１とする。このとき、両者の面積比率Ａ１／Ａ０が０．３以上であることが好ましい。より好ましくは、Ａ１／Ａ０は０．３５以上である。その理由は以下のとおりである。Ａ１／Ａ０は実質的にボックス中間ショルダ面２８の面積に依存する。Ａ１／Ａ０が小さいと、ボックス中間ショルダ面２８の面積が小さいため、ねじ継手に過大な圧縮荷重が負荷された場合、ボックス中間ショルダ面２８がその圧縮荷重に耐えきれない。この場合、ピン中間ショルダ面１８並びにこれに連なるピン環状部１５ａ及びピン中間シール面１６が塑性変形し、中間シール面１６，２６同士の接触状態が不安定になる。その結果、中間シール面１６，２６同士の接触面圧が低下するおそれがある。このため、鋼管本体に対する中間ショルダの面積比率Ａ１／Ａ０は、ある程度大きいことが好ましい。

鋼管本体に対する中間ショルダの面積比率Ａ１／Ａ０の上限は特に規定しない。ただし、Ａ１／Ａ０があまりに大きいと、内ねじ１４，２４及び外ねじ１７，２７の噛み合い長さの確保が困難になる。このため、実用性を踏まえ、鋼管本体に対する全ショルダ面積率Ａ１／Ａ０は６０％以下とすることが好ましい。

ピン１０において、管軸ＣＬに垂直な断面での鋼管本体の断面積をＡ０とし、管軸ＣＬに垂直な平面へのピン内ショルダ面１１及びピン中間ショルダ面１８それぞれの投影面積の合計(全ショルダ面積)をＡ２とする。このとき、両者の面積比率Ａ２／Ａ０が０．３以上であることが好ましい。より好ましくは、Ａ２／Ａ０は０．３５以上である。その理由は以下のとおりである。Ａ２／Ａ０は実質的にピン内ショルダ１１の面積とピン中間ショルダ面１８の面積に依存する。Ａ２／Ａ０が小さいと、ピン内ショルダ１１の面積とピン中間ショルダ面１８の面積が小さいため、ねじ継手に過大な圧縮荷重が負荷された場合、ピン内ショルダ１１の面積とピン中間ショルダ面１８がその圧縮荷重に耐えきれない。この場合、ピン内ショルダ面１１並びにこれに連なるノーズ１２及びピン内シール面１３が塑性変形し、内シール面１３，２３同士の接触状態が不安定になる。これと合わせ、ピン中間ショルダ面１８並びにこれに連なるピン環状部１５ａ及びピン中間シール面１６が塑性変形し、中間シール面１６，２６同士の接触状態が不安定になる。その結果、内シール面１３、２３同士、および中間シール面１６，２６同士の接触面圧が低下するおそれがある。このため、鋼管本体に対する全ショルダ面積の面積比率Ａ２／Ａ０は、ある程度大きいことが好ましい。

鋼管本体に対する全ショルダの面積比率Ａ２／Ａ０の上限は特に規定しない。ただし、Ａ２／Ａ０があまりに大きいと、内ねじ１４，２４及び外ねじ１７，２７の噛み合い長さの確保が困難になる。このため、実用性を踏まえ、鋼管本体に対する全ショルダ面積率Ａ２／Ａ０は６０％以下とすることが好ましい。

ピン環状部１５ａの外径の上限は特に規定しない。ただし、ピン環状部１５ａの外径は、締結の際にボックス中間シール面２６に干渉しない寸法とする必要がある。

ピン１０において、ピン環状部１５ａの管軸に沿う長さは、ピン中間シール面１６の前端側の端部から測定して外雄ねじ１７のねじピッチの１倍以上であることが好ましい。ピン環状部１５ａの長さが短いと、ピン環状部１５ａの肉厚が薄いときの理由と同様に、ねじ継手に外圧が負荷された場合、ピン中間シール面１６、２６同士の接触面圧が低下するおそれがあるからである。

ピン環状部１５ａの長さの上限は特に規定しない。ただし、ピン環状部１５ａの長さがあまりに長いと、継手の全長が長くなり、加工時間や材料費の増加により製造コストが増加する。また、ピン環状部１５ａの長さがある長さ以上になると密封性能の向上効果はほぼ飽和する。このため、実用性を踏まえ、ピン環状部１５ａの長さは、外雄ねじ１７のねじピッチの５倍以下とすることが好ましい。

ピン１０において、ピン環状部１５ｂの管軸に沿う長さは、ピン中間シール面１６の後端側の端部から測定して外雄ねじ１７のねじピッチの１倍以上であることが好ましい。ピン環状部１５ｂの長さが短いと、外ねじ１７，２７の締まりばめ作用による中間シール面１６，２６同士の実質的な干渉量の低下により、中間シール面１６，２６同士の接触面圧が低下するおそれがあるからである。

ピン環状部１５ｂの長さの上限は特に規定しない。ただし、ピン環状部１５ｂの長さがあまりに長いと、継手の全長が長くなり、加工時間や材料費の増加により製造コストが増加する。また、ピン環状部１５ｂの長さがある長さ以上になると密封性能の向上効果はほぼ飽和する。このため、実用性を踏まえ、ピン環状部１５ｂの長さは、外雄ねじ１７のねじピッチの５倍以下とすることが好ましい。

ピン１０において、ノーズ１２の管軸ＣＬに沿う長さは５ｍｍ以上であることが好ましい。その理由は以下のとおりである。ノーズ１２の長さが短いと、ねじ継手に過大な引張荷重が負荷された場合、ノーズ１２によるピン内シール面１３の弾性的な復元力が不十分になる。この場合、内シール面１３，２３同士の接触面圧が低下するおそれがある。このため、ノーズ１２の長さは、ある程度長いことが好ましい。

ノーズ１２の長さの上限は特に規定しない。ただし、ノーズ１２の長さがあまりに長いと、継手の全長が長くなり、加工時間や材料費の増加により製造コストが増加する。また、ノーズ１２の長さがある長さ以上になると密封性能の向上効果はほぼ飽和する。このため、実用性を踏まえ、ノーズ１２の長さは、内雄ねじ１４のねじピッチの５倍以下とすることが好ましい。

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。

例えば図２に示されるように、ピン内ショルダ面１１及びボックス内ショルダ面２１は互いに離間していてもよい。

例えば、ねじ継手に内圧が負荷されたときに、内ねじ１４，２４の嵌め合い密着を内シール面１３，２３に近い領域に限定して緩和する方策を付加してもよい。これにより、ピン内シール面１３の領域がより有効に拡径変形し、内シール面１３，２３同士の接触面圧がより増幅される。その方策としては、内ねじ１４，２４の内シール面１３，２３に近い領域において、内雄ねじ１４又は内雌ねじ２４をねじ形状の不完全な不完全ねじとする構成を採用できる。この構成の一例として、その不完全ねじの領域では、ボックス２０の内雌ねじ２４のねじ山頂面を管軸ＣＬに平行な円筒面として、ねじ高さを正規のねじ高さよりも低くする。これにより、不完全ねじの領域に限り、内雌ねじ２４の頂面と内雄ねじ１４の底面との間に隙間が設けられる。この場合、不完全ねじの領域の長さは、内雌ねじ２４のねじピッチの３〜９倍（１５〜４５ｍｍ程度）とする。

また、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。

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、弾塑性有限要素法（ＦＥＭ）による数値シミュレーション解析を実施した。

＜試験条件＞
外圧密封性能パラメータＳ（＝Ｌ１α１／Ｌ２α２）が異なる複数の供試体について、有限要素解析を実施して性能の差を比較した。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１９３．６８［ｍｍ］、肉厚２７．０［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）
（３）ねじの寸法（全てのねじで共通）
ねじピッチ：５．０８［ｍｍ］、荷重面のフランク角：−３°、挿入面のフランク角：１０°、挿入面すき間：０．１５［ｍｍ］

有限要素解析では、材料を等方硬化の弾塑性体とし、弾性係数が２１０［ＧＰａ］、０．２％耐力として降伏強度が１１０［ｋｓｉ］（＝７５８．３［ＭＰａ］）になるように、各供試体をモデル化したものを使用した。

＜評価方法＞

各供試体に対してねじの締め付けの解析を行った後、ISO 13679 2011 CAL4 Series A試験を模擬した荷重を負荷し、外圧及び内圧に対する密封性能を評価した。内外圧に対する密封性能は、それぞれ、荷重履歴の内圧サイクル（第１及び第２象限）における内シールの周方向単位長さ当たりの接触力、及び荷重履歴の外圧サイクル（第３及び第４象限）における中間シールの周方向単位長さ当たりの接触力の最小値により評価した。接触力が大きいほど密封性能が優れていることを意味する。また、密封性能は供試体＃１の性能を「１」とした相対値を用いて、以下の２水準で評価した。
・○：優：中間シールの接触力が１．２以上
・×：不可：中間シールの接触力が１．２未満又は内シールの接触力が０．９以下

表１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＞
図３及び図４を参照して、供試体＃１はα１＝α２であるため、ピンの中間シールの肉厚が小さい。そのため、外圧に対するピン中間シールの縮径抵抗が小さく、外圧密封性能が不芳であった。

供試体＃２〜５は（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｄの値が１よりも大きいため、ねじのかみ合いが十分で、耐引張荷重性能が高く、α１がα２よりも大きく、かつ、Ｌ１α１／Ｌ２α２が０．５以上、１．２以下である。そのため、中間シールの肉厚が十分厚いため、外圧に対する縮径抵抗が特に大きく、外圧密封性能が特に良好であった。

供試体＃６〜７はα１がα２よりも大きいが、Ｌ１α１／Ｌ２α２が１．２よりも大きいため、外ねじのかみ合いが不足しており、外圧が負荷された際に中間シール部が縮径しやすい。そのため、外圧密封性能が不芳であった。

１０：ピン
１１：ピン内ショルダ面
１２：ノーズ
１３：ピン内シール面
１４：内雄ねじ
１５ａ，１５ｂ：ピン環状部
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
２１：ボックス内ショルダ面
２２：凹部
２３：ボックス内シール面
２４：内雌ねじ
２５ａ：ボックス環状部
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

Claims (5)

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、
   前記ピンの先端部に形成されるノーズと、
   前記ピンの先端寄りに位置し、前記ピンの外周面に形成されるテーパ状の内雄ねじと、
   前記鋼管の本体寄りに位置し、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、
   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、
   前記ピン中間ショルダ面と前記ピン中間シール面との間に形成されるピン環状部とを含み、
   前記ボックスは、
   前記ノーズに対応する凹部と、
   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、
   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、
   前記ピン環状部に対向し、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環状部から離間するボックス環状部とを含み、
   次の式（１）及び（２）を満たす、鋼管用ねじ継手。
   α１＞α２ （１）
   式（１）中、α１は前記内雄ねじのテーパの勾配であり、α２は前記外雄ねじのテーパの勾配である。
   

   

   
   式（２）中、Ｌ１は、前記ピン及び前記ボックスが締結されていないときの管軸方向における前記ピンの先端と前記ピン中間ショルダ面との間の距離であり、Ｌ２は、前記ピン及び前記ボックスが締結されていないときの管軸方向における前記ボックス中間ショルダ面と前記ボックスの先端と間の距離である。
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、
   前記ピンの先端に形成されるピン内ショルダ面を含み、
   前記ボックスはさらに、
   前記ピン内ショルダ面に対向するボックス内ショルダ面を含む、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、
   前記ピン内ショルダ面は、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ボックス内ショルダ面と接触する、鋼管用ねじ継手。
4. 請求項１に記載の鋼管用ねじ継手であって、
   次の式（３）を満たす、鋼管用ねじ継手。
   

   

   
   式（３）中、Ａ０は、管軸に垂直な平面における前記鋼管の本体の断面積であり、Ａ１は、管軸に垂直な平面に対する前記ボックス中間ショルダ面の投影面積である。
5. 請求項２又は３に記載の鋼管用ねじ継手であって、
   次の式（４）を満たす、鋼管用ねじ継手。
   

   

   
   式（４）中、Ａ０は、管軸に垂直な平面における前記鋼管の本体の断面積であり、Ａ２は、管軸に垂直な平面に対する前記ピン内ショルダ面の投影面積及び前記ピン中間ショルダ面の投影面積の合計である。

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