JPWO2020070968A1 - 鋼管用ねじ継手 - Google Patents

Abstract

焼き付きを抑制しかつ内圧及び外圧シール性能に優れるねじ継手を提供する。ねじ継手１はピン１０及びボックス２０を備える。ピン１０は、ピンリップ１１、ピンメタルシール１３、円筒状内切削面１４を含む。ピンメタルシール１３は、ピンシールテーパ面１６及びピンシール曲率面１７を含む。ボックス２０は、ピンシールテーパ面１６と平行なボックスメタルシール２２を含む。ピンメタルシール１３は、シールポイントＳＰでボックスメタルシール２２とシール接触する。ねじ継手は、次の式（１）及び（２）を満たす。Ｌはピンリップ１１の長さ、Ｌｍはピンの先端ＡＰから円筒状内切削面１４の終端までの長さ、Ｌｓはピン１０の先端ＡＰとシールポイントＳＰとの間の距離、ｔｂは締結時のシールポイントＳＰにおけるボックス２０の肉厚、ｔｐはシールポイントＳＰにおけるピン１０の肉厚である。
Ｌ＞Ｌｍ＞Ｌｓ （１）
ｔｂ／ｔｐ＞１．６ （２）

Description

本開示は、鋼管用ねじ継手に関し、より具体的には、２本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、優れたシール性能が要求される。一般に、内圧に対するシール性能は「内圧シール性能」と呼ばれ、外圧に対するシール性能は「外圧シール性能」と呼ばれる。

シール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「シール干渉量」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、シール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、シール性能を発揮する構造である。

特開２０１２−２４７０２８号公報（特許文献１）は、ピンの偏芯偏肉が解消して安定したシール性を確保しうる鋼管用ねじ継手を開示する（段落［００１０］参照）。このねじ継手では、ピン側のノーズ部外周面が外側に凸の曲面形状である。ボックス側のノーズ部内周面がテーパ形状である。ピンは、その外径側及び内径側を切削されてなる。内径側の切削された軸方向長さ範囲である内削長さ範囲の長さが、ピンノーズ先端から、ねじ結合の際にボックス側のノーズ部内周面と最初に接触するピン側のノーズ部外周面上の部位であるシールポイントまでの軸方向長さ以上の長さである。内削長さ範囲内のピンは、同一断面内において偏肉率（＝（円周方向最大肉厚-円周方向最小肉厚）/円周方向平均肉厚＊１００（％））が６％以下である。また、内削長さ範囲の長さが、ピンノーズ先端から、シール部のねじ部側の端であるシール部後端までの軸方向長さ以下の長さである（段落［００１１］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。

特開２０１２−２４７０２８号公報 ＷＯ２０１９／０８２６１２Ａ１ 特開平５−８７２７５号公報（米国特許明細書第５１３７３１０号公報） 特表２００６−５２６７４７号公報

開示の概要

本開示の目的は、締結時の焼き付きを抑制するとともに、内圧シール性能及び外圧シール性能に優れる鋼管用ねじ継手を提供することである。

本開示に係るねじ継手は、２本の鋼管を互いに接続するためのねじ継手であって、鋼管のうち一方の鋼管の先端部に形成される管状のピンと、ピンが挿入さ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、ピンの先端部に形成されるピンリップと、ピンリップよりもピンの先端から遠い側であってピンの外周に形成される雄ねじと、ピンリップの外周に形成されるピンメタルシールと、ピンの先端から所定の範囲内であってピンリップの内周に形成され、縦断面において鋼管の軸と平行に形成され、一方の鋼管の内径よりも大きい径を有する円筒状内切削面(cylindrical inner machining surface)と、円筒状内切削面と一方の鋼管の内周面との間であってピンリップの内周に形成され、円筒状内切削面及び一方の鋼管の内周面と接続される逃がし面とを含む。ピンメタルシールは、ピンの先端に近づくにつれて徐々に小さくなる径を有するテーパ状のピンシールテーパ面と、ピンシールテーパ面と滑らかに接続され、縦断面において外側に凸状のピンシール曲率面とを含む。ボックスは、雄ねじに対応し、ボックスの内周に形成される雌ねじと、ピンメタルシールに対向し、ボックスの内周に形成されるボックスメタルシールとを含む。ボックスメタルシールは、ピンシールテーパ面に対向し、ボックスの内周に形成され、締結前にピンシールテーパ面と平行でかつピンシールテーパ面よりも所定のシール干渉量だけ小さい径を有するテーパ状のボックスシールテーパ面を含む。ピンメタルシールは、締結時にピンシールテーパ面とピンシール曲率面との境界でボックスメタルシールとシール接触する。ねじ継手は、次の式（１）及び（２）を満たす。
Ｌ＞Ｌｍ＞Ｌｓ （１）
ｔｂ／ｔｐ＞１．６ （２）

式（１）中、Ｌは鋼管の軸方向におけるピンリップの長さである。Ｌｍは鋼管の軸方向におけるピンの先端から円筒状内切削面の終端までの長さである。Ｌｓは鋼管の軸方向におけるピンの先端と上記境界との間の距離である。式（２）中、ｔｂは締結完了時に上記境界と接触する位置におけるボックスの肉厚である。ｔｐは上記境界におけるピンの肉厚である。

本開示に係るもう１つのねじ継手は、２本の鋼管を互いに接続するためのねじ継手であって、鋼管のうち一方の鋼管の先端部に形成される管状のピンと、ピンが挿入さ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、ピンの先端部に形成されるピンリップと、ピンリップよりもピンの先端から遠い側であってピンの外周に形成される雄ねじと、ピンリップの外周に形成されるピンメタルシールと、ピンの先端から所定の範囲内であってピンリップの内周に形成され、縦断面において鋼管の軸と平行に形成され、一方の鋼管の内径よりも大きい径を有する円筒状内切削面と、円筒状内切削面と一方の鋼管の内周面との間であってピンリップの内周に形成され、円筒状内切削面及び一方の鋼管の内周面と接続される逃がし面とを含む。ピンメタルシールは、ピンの先端に近づくにつれて徐々に小さくなる径を有するテーパ状のピンシールテーパ面を含む。ボックスは、雄ねじに対応し、ボックスの内周に形成される雌ねじと、ピンメタルシールに対向し、ボックスの内周に形成されるボックスメタルシールとを含む。ボックスメタルシールは、ピンシールテーパ面に対向し、ボックスの内周に形成され、締結前にピンシールテーパ面と平行でかつピンシールテーパ面よりも所定のシール干渉量だけ小さい径を有するテーパ状のボックスシールテーパ面と、ボックスシールテーパ面と滑らかに接続され、縦断面において内側に凸状のボックスシール曲率面とを含む。ピンメタルシールは、締結時にボックスシールテーパ面と前記ボックスシール曲率面との境界でボックスメタルシールとシール接触する。ねじ継手は、次の式（１）及び（２）を満たす。
Ｌ＞Ｌｍ＞Ｌｓ （１）
ｔｂ／ｔｐ＞１．６ （２）

式（１）中、Ｌは鋼管の軸方向におけるピンリップの長さである。Ｌｍは鋼管の軸方向におけるピンの先端から円筒状内切削面の終端までの長さである。Ｌｓは鋼管の軸方向におけるピンの先端と締結完了時に上記境界に接触する位置との間の距離である。式（２）中、ｔｂは上記境界におけるボックスの肉厚である。ｔｐは締結完了時に上記境界と接触する位置におけるピンの肉厚である。

図１は、第１実施形態に係るカップリング型ねじ継手の概略構造を示す管軸方向の縦断面図である。 図２は、図１と異なるインテグラル型ねじ継手の概略構造を示す管軸方向の縦断面図である。 図３は、図１又は図２に示されるねじ継手におけるピンの構造を示す管軸方向の縦断面図である。 図４は、図１又は図２に示されるねじ継手におけるボックスの構造を示す管軸方向の縦断面図である。 図５は、図３及び図４に示されるピン及びボックスを締結した時における変形前の形状を示す管軸方向の縦断面図である。 図６は、図３及び図４に示されるピン及びボックスを締結した時における変形後の形状を示す管軸方向の縦断面図である。 図７は、第２実施形態に係るねじ継手におけるピンの構造を示す管軸方向の縦断面図である。 図８は、図７に示される第２実施形態に係るねじ継手におけるボックスの構造を示す管軸方向の縦断面図である。 図９は、図７及び図８に示されるピン及びボックスを締結した時における変形前の形状を示す管軸方向の縦断面図である。 図１０は、図７及び図８に示されるピン及びボックスを締結した時における変形後の形状を示す管軸方向の縦断面図である。 ボックス肉厚／ピン肉厚と内圧負荷時のピーク接触圧／締結時のピーク接触圧との関係を示すグラフである。 円筒状内切削面の長さと内圧負荷時のピーク接触圧／締結時のピーク接触圧との関係を示すグラフである。 円筒状内切削面の長さと締結時のピンリップのお辞儀角との関係を示すグラフである。

［焼き付き防止］
ねじ継手のメタルシールにはシール干渉量（嵌め合いしろ）が設けられ、締結中にピンとボックスのシール面同士が高い接触力で接触しながら摺動するとともに、締結完了後も高い接触力を保持し、シール性能を発揮する。耐焼き付き性を左右する因子は、潤滑、表面処理、摺動速度、母相の熱伝導率など多々あるが、なかでも接触摺動中の局所接触圧、つまりシール面のピーク接触圧に大きく左右される。

特殊ねじ継手メーカー各社は、この締結中の局所接触圧をさまざまなデザインの工夫で低減しようとしている。例えば、シール干渉量を低減したり、接触摺動距離を短くするためにシール面の傾き（テーパ面がある場合はそのテーパ角）を大きくしたりするなどである。

しかし、前者は、シール干渉量を小さくしすぎると、締結後の接触力が小さくなりすぎ、シール性能も低下してしまうリスクがある。また後者も、複合荷重下のシール性能、例えば高い圧縮荷重を受けた後に高い引張荷重を受けたときなどにシール接触力の低下量が大きく、シール性能の低下を招くリスクがある。

つまり、シール面の局所接触圧（ピーク接触圧）は、締結中の接触摺動時には低く、締結完了時の摺動を停止した後は高くなるようにすれば、優れた耐焼き付き性とシール性の両立ができると発明者らは考えた。

本発明者らは上記の技術的思想を具現化するシール構造を検討した。その結果、ピンとボックス両方のシール面を同じ傾きを有するテーパ面とし、かつ、ピン及びボックスのいずれか短い方のテーパ面の端部に、当該テーパ面に滑らかに接続する曲率面を配置すれば、締結過程の大半をテーパ面同士が広い幅で接触摺動し、局所接触圧（ピーク接触圧）が低く抑えられて焼き付きが防止できること、締結完了後はピンリップのシール干渉量による「お辞儀変形」で、シールの主接触位置がシールのテーパ面とその端の曲率面との境界に移動し、接触幅が減少することによりピーク接触圧が高くなり、優れたシール性能を得られることを見出した。以下、この締結完了時にシールの主接触位置となる上記境界（シールのテーパ面とその端の曲率面との境界）をシールポイント（ＳＰ）と定義する。

上記をより正確にいうと、ピンメタルシールのテーパ面の方がボックスメタルシールのテーパ面よりも短い場合は、ピンメタルシールのテーパ面の端（ピンの先端から遠い側）に、テーパ面と滑らかに接続される曲率面を設ける。反対に、ボックスメタルシールのテーパ面の方がピンメタルシールのテーパ面よりも短い場合は、ボックスメタルシールのテーパ面の端（ボックスの開口に近い側）に、テーパ面と滑らかに接続される曲率面を設ける。

上記のピンリップの「お辞儀変形」とは、シール干渉量により強制的に縮径させられたピンリップが、管軸を含む平面で切断したピンの縦断面において、お辞儀するように内径側に曲げ変形することを指す。

このピンのお辞儀変形のため、ピンメタルシールのテーパ面の角度は、締結前はボックスメタルシールのテーパ面の角度と同じであったとしても、締結過程の特に後半で徐々に角度が大きくなり、締結完了時点ではボックスメタルシールのテーパ面よりも大きな角度になるため、メタルシールのテーパ面とその端の曲率面との境界（シールポイント）で主に接触する。

［外圧シール性能］
メタルシールをピンの雄ねじよりも先端側（ボックスの雌ねじよりも内奥側）に１つ備えるねじ継手に外圧荷重を負荷すると、外圧荷重はねじのすき間を伝って継手内部に侵入するか、又はねじのすき間を埋める潤滑材に作用し、いずれの場合も継手内部のシールポイントのすぐ手前まで外圧荷重の影響が及ぶ。

上記外圧荷重はISO13679やAPI5C5などのねじ継手試験規格では通常、鋼管本体がコラプス変形を生じない大きさに規定されている。しかし、雄ねじやメタルシールなどを設けたピンは通常、鋼管本体よりも肉厚が小さいため、継手内部に侵入した外圧荷重はピン全体を（鋼管本体よりも）大きく縮径させ、最悪はメタルシールが開口してリークが発生する。つまり、高い外圧荷重に対してシール性能を維持するためには、ピンが厚肉であるほどよい。

一方、メタルシールが全周にわたって途切れることなく均一にシール接触するためには、特にピン側のメタルシールにおける肉厚を全周にわたり均一にする必要がある（ボックス側、特にカップリング型のボックス側は通常内外削されるため、円周方向の肉厚のばらつきは小さい）。そのため、特にシームレス鋼管のような内周面の偏心偏肉が大きい鋼管にねじ継手を設ける場合は、ピン先端の内周面を切削し、メタルシールにおける肉厚を均一にする。

しかし、ピン先端の内周面を必要以上に切削してしまうと、外圧シール性能が損なわれるので、ピン先端の内周面の切削には適正な長さが存在すると発明者らは考えた。

［内圧シール性能］
内圧荷重が負荷されると、ピンの特にメタルシールと雄ねじとの間の内周面に負荷された内圧はピンの当該部分を拡径する働きをし、ピンシール面をボックスシール面により強く押し付け、シール接触力を増幅してシール性能を向上させる効果がある。

一方で、ボックスのメタルシールよりも内奥側の内面（カップリング型の場合は両端の継手のメタルシールに挟まれた内周面）に負荷された内圧は、ボックスの当該部分を拡径する働きをし、ボックスシール面をピンシール面から離そうとし、シール接触力を減少してシール性能を低下させる作用をする。

つまり、内圧荷重による上記ピンシールの押し付け効果と、上記ボックスシールの離れようとする作用のいずれが大きいかによって、内圧負荷下のシール性能が良くなるか悪くなるかが決まる。これらの効果、作用の大きさは、ピンシール周辺、ボックスシール周辺の変形のしにくさ（剛性）、つまり肉厚の比で決まると発明者らは考え、内圧シール性能の維持向上のためには好適なピンシールとボックスシールの肉厚比が存在することを本発明者らは見出した。

［本実施形態の概要］
上記の技術思想を具体化するにあたり、シール干渉量によるピンリップのお辞儀変形と外圧荷重によるピンリップの縮径変形をコントロールするのはピンリップの内周面の切削長さであることに発明者らは気づき、弾塑性有限要素法を用いて好適な範囲を鋭意検討した結果、ピンリップの円筒状内切削面の終端を、ピンシールのシールポイントから雄ねじの始端までの間に設けるのがよいことを見出した。

上記を言い直すと、ピンリップの管軸方向の長さをＬ、ピンシール面のシールポイントのピン先端からの距離をＬｓ、ピン先端から円筒状内切削面の終端までの長さをＬｍとすると、この好適範囲はＬ＞Ｌｍ＞Ｌｓである。

発明者らはさらに内圧シール性能の向上効果が顕著であるシールポイントにおけるピンの肉厚ｔｐとシールポイントにおけるボックスの肉厚ｔｂの比を弾塑性有限要素解析で検討したところ、ｔｂ／ｔｐ＞１．６であれば、優れた内圧シール性能が得られることを見出した。

ピン先端から円筒状内切削面の終端までの長さを上記のようにすることにより、ピンシール面は締結中のほとんどにおいてボックスシール面と幅広に接触摺動して局所接触圧が低く抑えられて耐焼き付き性が向上するとともに、締結完了時にピンリップが十分にお辞儀変形をして主接触位置（シールポイント）がピンシール面とその端の曲率面との境界に移動し、接触幅が狭くなるとともに局所接触圧が高くなり、これによりシール性能が向上する。ねじのすき間を伝ってシールポイントの手前まで浸透した外圧はピン全体を縮径しようとするが、ピンの内切削(inner machining)で薄肉になっているのはねじ部よりも先端側であるので、当該部分が外圧で縮径されようとしても、隣接するねじ部の剛性のお蔭で縮径しろを小さく抑えることができ、外圧シール性能の低下を抑えることができる。ピンシールよりもボックスシールの方が相当に肉厚が大きいので、ピンメタルシールと雄ねじとの間の内面に作用する内圧がピンシール面をボックスシール面に押し付ける効果が、ボックスシール面が内圧で拡径する作用よりも勝り、内圧シール性能も向上する。

以上のような知見に基づき、本発明者らは、以下のねじ継手を発明した。

１つの実施形態に係るねじ継手は、２本の鋼管を互いに接続するためのねじ継手であって、鋼管のうち一方の鋼管の先端部に形成される管状のピンと、ピンが挿入さ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、ピンの先端部に形成されるピンリップと、ピンリップよりもピンの先端から遠い側であってピンの外周に形成される雄ねじと、ピンリップの外周に形成されるピンメタルシールと、ピンの先端から所定の範囲内であってピンリップの内周に形成され、縦断面において鋼管の軸と平行に形成され、一方の鋼管の内径よりも大きい径を有する円筒状内切削面と、円筒状内切削面と一方の鋼管の内周面との間であってピンリップの内周に形成され、円筒状内切削面及び一方の鋼管の内周面と接続される逃がし面とを含む。ピンメタルシールは、ピンの先端に近づくにつれて徐々に小さくなる径を有するテーパ状のピンシールテーパ面と、ピンシールテーパ面と滑らかに接続され、縦断面において外側に凸状のピンシール曲率面とを含む。ボックスは、雄ねじに対応し、ボックスの内周に形成される雌ねじと、ピンメタルシールに対向し、ボックスの内周に形成されるボックスメタルシールとを含む。ボックスメタルシールは、ピンシールテーパ面に対向し、ボックスの内周に形成され、締結前にピンシールテーパ面と平行でかつピンシールテーパ面よりも所定のシール干渉量だけ小さい径を有するテーパ状のボックスシールテーパ面を含む。ピンメタルシールは、締結完了時にピンシールテーパ面とピンシール曲率面との境界でボックスメタルシールとシール接触する。ねじ継手は、次の式（１）及び（２）を満たす。
Ｌ＞Ｌｍ＞Ｌｓ （１）
ｔｂ／ｔｐ＞１．６ （２）

式（１）中、Ｌは鋼管の軸方向におけるピンリップの長さである。Ｌｍは鋼管の軸方向におけるピンの先端から円筒状内切削面の終端までの長さである。Ｌｓは鋼管の軸方向におけるピンの先端と上記境界との間の距離である。式（２）中、ｔｂは締結完了時に上記境界と接触する位置におけるボックスの肉厚である。ｔｐは上記境界におけるピンの肉厚である。

もう１つの実施形態に係るねじ継手は、２本の鋼管を互いに接続するためのねじ継手であって、鋼管のうち一方の鋼管の先端部に形成される管状のピンと、ピンが挿入さ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、ピンの先端部に形成されるピンリップと、ピンリップよりもピンの先端から遠い側であってピンの外周に形成される雄ねじと、ピンリップの外周に形成されるピンメタルシールと、ピンの先端から所定の範囲内であってピンリップの内周に形成され、縦断面において鋼管の軸と平行に形成され、一方の鋼管の内径よりも大きい径を有する円筒状内切削面と、円筒状内切削面と一方の鋼管の内周面との間であってピンリップの内周に形成され、円筒状内切削面及び一方の鋼管の内周面と接続される逃がし面とを含む。ピンメタルシールは、ピンの先端に近づくにつれて徐々に小さくなる径を有するテーパ状のピンシールテーパ面を含む。ボックスは、雄ねじに対応し、ボックスの内周に形成される雌ねじと、ピンメタルシールに対向し、ボックスの内周に形成されるボックスメタルシールとを含む。ボックスメタルシールは、ピンシールテーパ面に対向し、ボックスの内周に形成され、締結前にピンシールテーパ面と平行でかつピンシールテーパ面よりも所定のシール干渉量だけ小さい径を有するテーパ状のボックスシールテーパ面と、ボックスシールテーパ面と滑らかに接続され、縦断面において内側に凸状のボックスシール曲率面とを含む。ピンメタルシールは、締結時にボックスシールテーパ面と前記ボックスシール曲率面との境界でボックスメタルシールとシール接触する。ねじ継手は、次の式（１）及び（２）を満たす。
Ｌ＞Ｌｍ＞Ｌｓ （１）
ｔｂ／ｔｐ＞１．６ （２）

式（１）中、Ｌは鋼管の軸方向におけるピンリップの長さである。Ｌｍは鋼管の軸方向におけるピンの先端から円筒状内切削面の終端までの長さである。Ｌｓは鋼管の軸方向におけるピンの先端と締結完了時に上記境界と接触する位置との間の距離である。式（２）中、ｔｂは境界におけるボックスの肉厚である。ｔｐは締結完了時に上記境界と接触する位置におけるピンの肉厚である。

好ましくは、ねじ継手は、次の式（３）を満たす。
Ｌｍ＞Ｌｐ （３）

式（３）中、Ｌｐは鋼管の軸方向におけるピンの先端とピンメタルシールの雄ねじ側の端との間の距離である。

ピンはさらに、ピンリップの先端面に形成されるピンショルダを含んでいてもよい。ボックスはさらに、ピンショルダに対向し、締結時にピンショルダと接触するボックスショルダを含んでいてもよい。

ピンシールテーパ面及びボックスシールテーパ面は、締結前に１〜２２度のテーパ角を有していてもよい。

ピンシール曲率面又はボックスシール曲率面は、締結前に８０ｍｍ以下の曲率半径を有していてもよい。

逃がし面は、テーパ状であってもよい。

逃がし面は、締結前に５〜３０度のテーパ角を有していてもよい。

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。

［第１実施形態］
図１は、第１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、２本の鋼管２を互いに接続するためのものである。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。ピン１０は、鋼管２の先端部に形成される。ボックス２０は、ピン１０が挿入されてピン１０と締結される。

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２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、インテグラル型ねじ継手１もまた、２本の鋼管２を互いに接続するためのものであり、ピン１０と、ボックス２０とを備える。インテグラル型ねじ継手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１及び図２において、ＣＬは鋼管２の軸方向（以下、単に「管軸方向」という。）を示す。

図３に示されるように、ピン１０は、ピンリップ１１と、雄ねじ１２と、ピンメタルシール１３と、円筒状内切削面１４と、逃がし面１５とを含む。ピンリップ１１は、ピン１０の先端部に形成される。雄ねじ１２は、ピンリップ１１よりもピン１０の先端ＡＰから遠い側であってピン１０の外周に形成される。ピンメタルシール１３は、ピンリップ１１の外周に形成される。円筒状内切削面１４は、ピン１０の先端から所定範囲Ｌｍ内であってピンリップ１１の内周に形成され、縦断面において鋼管２の軸（以下、単に「管軸」という。）と平行に形成され、鋼管２の内径よりも大きい径を有する。逃がし面１５は、円筒状内切削面１４と鋼管２の内周面１８との間であってピンリップ１１の内周に形成され、円筒状内切削面１４及び鋼管２の内周面１８と接続される。

ピンメタルシール１３は、ピンシールテーパ面１６と、ピンシール曲率面１７とを含む。ピンシールテーパ面１６は、ピン１０の先端ＡＰに近づくにつれて徐々に小さくなる径を有し、テーパ状である。ピンシール曲率面１７は、ピンシールテーパ面１６と滑らかに接続され、縦断面において外側に凸状である。具体的には、ピンシール曲率面１７はピンシールテーパ面１６と接線方向に接続されていてもよい。より具体的には、接続点において、ピンシール曲率面１７の法線とピンシールテーパ面１６の法線とが一致するように、ピンシール曲率面１７とピンシールテーパ面１６とが接続されていてもよい。

図４に示されるように、ボックス２０は、雌ねじ２１と、ボックスメタルシール２２とを含む。雌ねじ２１は、雄ねじ１２に対応し、ボックス２０の内周に形成される。ボックスメタルシール２２は、ピンメタルシール１３に対向し、ボックス２０の内周に形成される。

ボックスメタルシール２２は、ボックスシールテーパ面２３を含む。ボックスシールテーパ面２３は、ピンシールテーパ面１６に対向し、ボックス２０の内周に形成される。図５に示されるように、ボックスシールテーパ面２３は、締結前にピンシールテーパ面１６と平行でかつピンシールテーパ面１６よりも所定干渉量（２×ΔＳ）だけ小さい直径を有する。

図６に示されるように、ピンメタルシール１３は、締結時にピンシールテーパ面１６とピンシール曲率面１７との境界ＳＰでボックスメタルシール２３とシール接触する。

ねじ継手１は、次の式（１）及び（２）を満たす。
Ｌ＞Ｌｍ＞Ｌｓ （１）
ｔｂ／ｔｐ＞１．６ （２）

式（１）中、Ｌは、管軸方向ＣＬにおけるピンリップ１１の長さである。Ｌｍは、管軸方向ＣＬにおけるピン１０の先端ＡＰから円筒状内切削面１４の終端までの長さである。Ｌｓは、管軸方向ＣＬにおけるピン１０の先端ＡＰと境界ＳＰとの間の距離である。

式（２）中、ｔｂは締結完了時に境界ＳＰと接触する位置におけるボックス２０の肉厚である。ｔｐは、境界ＳＰにおけるピン１０の肉厚である。

好ましくは、ねじ継手１は、次の式（３）を満たす。
Ｌｍ＞Ｌｐ （３）

式（３）中、Ｌｐは管軸方向ＣＬにおけるピン１０の先端ＡＰとピンメタルシール１３の雄ねじ１２側の端ＥＧとの間の距離である。

本実施形態では、ピン１０はさらに、ピンショルダ１９を含む。ピンショルダ１９は、ピンリップ１１の先端面に形成される。ボックス２０はさらに、ボックスショルダ２９を含む。ボックスショルダ２９は、ピンショルダ１９に対向し、締結時にピンショルダ１９と接触する。ピンシールテーパ面１６及びボックスシールテーパ面２３は、締結前に１〜２２度のテーパ角を有する。ピンシール曲率面１７は、締結前に８０ｍｍ以下の曲率半径を有する。逃がし面１５は、テーパ状である。逃がし面１５は、締結前に５〜３０度のテーパ角を有する。

Ｌｍ＞Ｌｓとした理由：
鋼管用ねじ継手のメタルシールは、シール干渉量により縮径したピンメタルシールと、拡径したボックスメタルシールが元の直径に戻ろうとする弾性回復力によって全周にわたり密着接触することによりシール性能を発揮する。この弾性回復力の大きさはピン及びボックスそれぞれのシールの剛性に強く関係し、肉厚が厚いほど（変形しにくいほど）弾性回復力は大きく、肉厚が薄いほど（変形しやすいほど）弾性回復力は小さくなる。もし円周方向にメタルシールの肉厚にばらつきがあると、シール接触力も円周方向にばらついて強く接触する部分、弱く接触する部分ができ、弱い部分からリークが発生しやすくなり、シール性能が安定しなくなる。シールを全周均一に密着接触させるためには、（ピン及びボックスのシールのうち肉厚が薄い方となる）ピンシール接触部及びピンシール接触部よりも先端側の肉厚が全周均一であることが必要である。

Ｌｍ＞Ｌｓとしたのは、上記理由によりピンシール及びピンシールよりも先端側の肉厚を全周均一にしてシール性能を安定させるためである。Ｌｍ＜Ｌｓであると、特にシームレス鋼管において円周方向の肉厚のばらつきの影響がピンシールに及び、全周均一なシール密着が得られず、シール性能が不安定になる。

［第２実施形態］
図７〜図１０に示される第２実施形態に係るねじ継手１は、図３〜図６に示される第１実施形態に係るねじ継手１と以下の点で異なる。すなわち、第１実施形態では、ピンシールテーパ面１６はボックスシールテーパ面２３よりも短いのに対し、第２実施形態では、ボックスシールテーパ面２３はピンシールテーパ面１６よりも短い。また、第１実施形態では、ピンメタルシール１３が、ピンシールテーパ面１６と滑らかに接続され、縦断面において外側に凸状のピンシール曲率面１７を含むのに対し、第２実施形態では、ボックスメタルシール２２が、ボックスシールテーパ面２３と滑らかに接続され、縦断面において内側に凸状のボックスシール曲率面２７を含む。

第２実施形態に係るねじ継手１も第１実施形態に係るねじ継手１と同様に、次の式（１）及び（２）を満たす。
Ｌ＞Ｌｍ＞Ｌｓ （１）
ｔｂ／ｔｐ＞１．６ （２）

式（１）中、Ｌは、管軸方向におけるピンリップ１１の長さである。Ｌｍは、管軸方向ＣＬにおけるピン１０の先端ＡＰから円筒状内切削面１４の終端までの長さである。Ｌｓは、管軸方向ＣＬにおけるピン１０の先端ＡＰから締結完了時に上記境界ＳＰと接触する位置（ＳＰ）との間の距離である。

式（２）中、ｔｂは、上記境界ＳＰにおけるボックス２０の肉厚である。ｔｐは、締結完了時に上記境界ＳＰと接触する位置におけるピン１０の肉厚である。

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に示されるカップリング型ねじ継手を使用した。共通の試験条件は、以下の通りである。
鋼管の寸法：９−５／８インチ、５３．５＃
（外径：２４４．４８ｍｍ、肉厚：１３．８４ｍｍ）
材料グレード：ＡＰＩ(American Petroleum Institute)規格Ｌ８０鋼
（降伏強度：５５２Ｎ／ｍｍ^２、弾性係数：２１０ｋＮ／ｍｍ^２、ポアソン比：０．３）
ねじの形状及び寸法：ＡＰＩバットレス型の台形ねじ
（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）
ピンリップの長さ（Ｌ）：１５ｍｍ
ピン及びボックスシールテーパ面のテーパ角：１５度
ピン及びボックスシール曲率面の曲率半径：５ｍｍ
逃がし面のテーパ角：１５度

上記共通の試験条件の下で、次の表１に示されるように、１７通りのねじ継手（モデル）を作成した。

＜評価方法＞
解析（１）：
ねじ継手の締結シミュレーション解析
ピン及びボックスの締結に際し、ショルダリングからさらに１／１００ターン回転させた。

解析（２）：
内圧シール性能評価解析
鋼管の降伏強度１００％の単純内圧を継手内面（鋼管内面）からメタルシールまでの全表面に負荷した。

解析（３）：
外圧シール性能評価解析
ＡＰＩ５Ｃ３規格のコラプス圧１００％の単純外圧を継手外面(鋼管外面)からメタルシールまでの全表面に負荷した。

解析（１）では、締結中の焼き付き易さを評価した。焼き付き易さの指標としては、ピンリップの外周面の特定位置において、締結過程（ショルダリングから１／１００ターンまで）で発生する接触圧の積分量Ｐintegral（接触圧×摺動距離）を用いた。接触圧の積分量Ｐintegralは、ピンリップの外周面の特定位置で発生する摩擦熱量の指標であり、その値が小さいほど焼き付きリスクが低いとした。

表１に、各モデルのＰintegralの最大値を示した。モデル２を除き、モデル１，３〜１７は、シールテーパミスマッチが０度、つまりピンシールテーパ面とボックスシールテーパ面が平行である。モデル１，３〜１７はモデル２よりもＰintegralが低く、焼き付きリスクがモデル２よりも低いことが判明した。

解析（２）では、内圧シール性能を評価した。図１１に示されるように、カップリングの外径のみが異なるモデル１，１３，１７について、内圧負荷時のピーク接触圧を比較すると、モデル１，１３はモデル１７よりもピーク接触圧が大きく、内圧シール性能に優れることが判明した。

解析（３）では、外圧シール性能を評価した。図１２に示されるように、シールポイントの位置Ｌｓとカップリングの外径（Ｃ／Ｐ ＯＤ）が同じモデルについて、外圧負荷時のピーク接触圧をプロットすると、円筒状内切削面の長さＬｍがピンリップの長さＬ（＝１５ｍｍ）よりも長いモデル６，８，１０，１１，１５，１６は、外圧シール性能が低いことが判明した。

解析（１）と（３）の結果を総合すると、モデル１，４，７，９，１３，１４はいずれも、図１３に示されるように、シール干渉量によるお辞儀角が十分にあり、かつ、外圧負荷時でも高いピーク接触圧を有するので、優れた耐焼き付き性と外圧シール性を併せ持つことが判明した。さらに、解析（２）の結果より、ｔｂ／ｔｐ＞１．６であれば、内圧シール性能も優れることが判明した。

以上の結果より、モデル１，４，７，９，１３，１４は、他のモデルに比べ、耐焼き付き性に優れ、かつ、内圧シール性及び外圧シール性ともに優れることが判明した。

１：ねじ継手
２：鋼管
１０：ピン
１１：ピンリップ
１２：雄ねじ
１３：ピンメタルシール
１４：円筒状内切削面
１５：逃がし面
１６：ピンシールテーパ面
１７：ピンシール曲率面
１８：鋼管の内周面
１９：ピンショルダ
２０：ボックス
２１：雌ねじ
２２：ボックスメタルシール
２３：ボックスシールテーパ面
２７：ボックスシール曲率面
２９：ボックスショルダ
ΔＳ：シール干渉量
ＳＰ：境界（シールポイント）
Ｌ：ピンリップの長さ
Ｌｍ：ピンの先端から円筒状内切削面の終端までの長さ
Ｌｓ：ピンの先端とシールポイントとの間の距離
ｔｂ：シールポイントにおけるボックスの肉厚
ｔｐ：シールポイントにおけるピンの肉厚

Claims (8)

1. ２本の鋼管を互いに接続するためのねじ継手であって、
   前記鋼管のうち一方の鋼管の先端部に形成される管状のピンと、
   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るピンリップと、
   前記ピンリップよりも前記ピンの先端から遠い側であって前記ピンの外周に形成される雄ねじと、
   前記ピンリップの外周に形成されるピンメタルシールと、
   前記ピンの先端から所定の範囲内であって前記ピンリップの内周に形成され、縦断面において前記鋼管の軸と平行に形成され、前記一方の鋼管の内径よりも大きい径を有する円筒状内切削面と、
   前記円筒状内切削面と前記一方の鋼管の内周面との間であって前記ピンリップの内周に形成され、前記円筒状内切削面及び前記一方の鋼管の内周面と接続される逃がし面とを含み、
   前記ピンメタルシールは、
   前記ピンの先端に近づくにつれて徐々に小さくなる径を有するテーパ状のピンシールテーパ面と、
   前記ピンシールテーパ面と滑らかに接続され、縦断面において外側に凸状のピンシール曲率面とを含み、
   前記ボックスは、
   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、
   前記ピンメタルシールに対向し、前記ボックスの内周に形成されるボックスメタルシールとを含み、
   前記ボックスメタルシールは、
   前記ピンシールテーパ面に対向し、前記ボックスの内周に形成され、締結前に前記ピンシールテーパ面と平行でかつ前記ピンシールテーパ面よりも所定のシール干渉量だけ小さい直径を有するテーパ状のボックスシールテーパ面を含み、
   前記ピンメタルシールは、締結完了時に前記ピンシールテーパ面と前記ピンシール曲率面との境界で前記ボックスメタルシールとシール接触し、
   次の式（１）及び（２）を満たす、ねじ継手。
   Ｌ＞Ｌｍ＞Ｌｓ （１）
   ｔｂ／ｔｐ＞１．６ （２）
   式（１）中、
   Ｌは前記鋼管の軸方向における前記ピンリップの長さであり、
   Ｌｍは前記鋼管の軸方向における前記ピンの先端から前記円筒状内切削面の終端までの長さであり、
   Ｌｓは前記鋼管の軸方向における前記ピンの先端と前記境界との間の距離であり、
   式（２）中、
   ｔｂは締結完了時に前記境界と接触する位置における前記ボックスの肉厚であり、
   ｔｐは前記境界における前記ピンの肉厚である。
2. ２本の鋼管を互いに接続するためのねじ継手であって、
   前記鋼管のうち一方の鋼管の先端部に形成される管状のピンと、
   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るピンリップと、
   前記ピンリップよりも前記ピンの先端から遠い側であって前記ピンの外周に形成される雄ねじと、
   前記ピンリップの外周に形成されるピンメタルシールと、
   前記ピンの先端から所定の範囲内であって前記ピンリップの内周に形成され、縦断面において前記鋼管の軸と平行に形成され、前記一方の鋼管の内径よりも大きい径を有する円筒状内切削面と、
   前記円筒状内切削面と前記一方の鋼管の内周面との間であって前記ピンリップの内周に形成され、前記円筒状内切削面及び前記一方の鋼管の内周面と接続される逃がし面とを含み、
   前記ピンメタルシールは、
   前記ピンの先端に近づくにつれて徐々に小さくなる径を有するテーパ状のピンシールテーパ面を含み、
   前記ボックスは、
   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、
   前記ピンメタルシールに対向し、前記ボックスの内周に形成されるボックスメタルシールとを含み、
   前記ボックスメタルシールは、
   前記ピンシールテーパ面に対向し、前記ボックスの内周に形成され、締結前に前記ピンシールテーパ面と平行でかつ前記ピンシールテーパ面よりも所定のシール干渉量だけ小さい直径を有するテーパ状のボックスシールテーパ面と、
   前記ボックスシールテーパ面と滑らかに接続され、縦断面において内側に凸状のボックスシール曲率面とを含み、
   前記ピンメタルシールは、締結完了時に前記ボックスシールテーパ面と前記ボックスシール曲率面との境界で前記ボックスメタルシールとシール接触し、
   次の式（１）及び（２）を満たす、ねじ継手。
   Ｌ＞Ｌｍ＞Ｌｓ （１）
   ｔｂ／ｔｐ＞１．６ （２）
   式（１）中、
   Ｌは前記鋼管の軸方向における前記ピンリップの長さであり、
   Ｌｍは前記鋼管の軸方向における前記ピンの先端から前記円筒状内切削面の終端までの長さであり、
   Ｌｓは前記鋼管の軸方向における前記ピンの先端と締結完了時に前記境界と接触する位置との間の距離であり、
   式（２）中、
   ｔｂは前記境界における前記ボックスの肉厚であり、
   ｔｐは締結完了時に前記境界と接触する位置における前記ピンの肉厚である。
3. 請求項１又は２に記載のねじ継手であって、
   次の式（３）を満たす、ねじ継手。
   Ｌｍ＞Ｌｐ （３）
   式（３）中、
   Ｌｐは前記鋼管の軸方向における前記ピンの先端と前記ピンメタルシールの前記雄ねじ側の端との間の距離である。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のねじ継手であって、
   前記ピンはさらに、
   前記ピンリップの先端面に形成されるピンショルダを含み、
   前記ボックスはさらに、
   前記ピンショルダに対向し、締結時に前記ピンショルダと接触するボックスショルダを含む、ねじ継手。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のねじ継手であって、
   前記ピンシールテーパ面及び前記ボックスシールテーパ面は、締結前に１〜２２度のテーパ角を有する、ねじ継手。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のねじ継手であって、
   前記ピンシール曲率面又は前記ボックスシール曲率面は、締結前に８０ｍｍ以下の曲率半径を有する、ねじ継手。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のねじ継手であって、
   前記逃がし面は、テーパ状である、ねじ継手。
8. 請求項７に記載のねじ継手であって、
   前記逃がし面は、締結前に５〜３０度のテーパ角を有する、ねじ継手。

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