WO2001094831A1

WO2001094831A1 - Liaison a filetage conique

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Publication number: WO2001094831A1
Application number: PCT/JP2001/004798
Authority: WO
Inventors: Jun Maeda; Shigeo Nagasaku; Katsutoshi Sumitani
Original assignee: Sumitomo Metal Industries, Ltd.; Vallourec Mannesmann Oil & Gas France
Priority date: 2000-06-07
Filing date: 2001-06-07
Publication date: 2001-12-13
Also published as: EP1296088A4; NO20025872D0; AU2001264218A1; NO20025872L; CN1433510A; CA2411851A1; BR0111528A; EP1296088A1; US20030132633A1

Description

明細書テ一パねじ継手技術分野

本発明は、例えば油井管同士を接続するテーパねじ継手に関する。背景技術

テーパねじを締め付ける場合、雄ねじと雌ねじとが嚙み合う。その際、荷重面 (ロードフランク面）の接触に加えて、通常、雄ねじ頂部と雌ねじ底部、或いは、雄ねじ底部と雌ねじ頂部、及び、荷重面の反対（裏）側の挿入面（スタブフランク面）のうち、どれかが接すると、ねじ込みの進行が阻止され嚙み合いの半径方向の相互移動も阻止される。通常は雄ねじの頂面側か底面側のどちらかが接することによりねじ込みは阻止され、雄ねじおよび雌ねじの更なる嚙み合いは停止される。

そして、上記した状態より更 (こ締め付け力（トルク）を増やせば、雄ねじ及び雌ねじはそれぞれ縮径変形或いは拡径変形し、互いに締め付け力を生ずることになる。この両者の変形の和をねじの干渉量という。この干渉量の程度を適当に制限すべく締め付け力が制限されているのが普通のテーパねじである _ώ 通常は、ねじの締め付け力をわずかに大きくしてねじの緩み止めとし、かつ、引張力に十分耐えられれば良い。従来のテ一パねじは大部分この構造であるといえる。

主に管状物の締結に採用されるテーパねじ継手は、上記したねじの干渉量に関係する軸方向反力でねじの荷重面に負荷を生じさせ、この負荷とねじ干渉量による雄ねじ（又は雌ねじ）底面の反力とで、軸方向にも径方向にもガ夕のないしつかりした締結が得られるようになつている。

ところで、一旦締結されたテーパねじは、軸方向に引張荷重が加わっても、その締結の初期より荷重面で接触していることから、雄ねじと雌ねじとの間に弓 I張方向での相対移動は生じ得ず、この状態は引張荷重がねじ部の強度を超えるまで保たれる。しかしながら、通常、ねじの揷入面には隙間が設けられていることが多いため、軸方向圧縮力に対するのは、ねじ部での支えはテーパ面である雄ねじまたは雌ねじのねじ底部による抵抗およびねじ部に与えられた干渉量により生ずるテ一パ面の接触力により生ずる摩擦抵抗力のみである。従って、テーパの大きさにも多少は左右されるものの、ねじの軸方向引張力の場合に比べてその軸方向圧縮力に対する抵抗力ははるかに小さい。つまり、通常のテーパねじは比較的小さい圧縮力にも抗しきれず、雄ねじと雌ねじ間で通常挿入面側に存在する軸方向の隙間に相当する量の軸方向相対移動が生じてしまう。

ねじ部の近くにねじ込み制限用のストッパ一を設けている場合には、このストッパーが前記した軸方向圧縮力に対して抵抗するものの、構造上の制約によりこのストツバの衝接部面積は管体断面積より小さくせざるを得ず、ねじの耐引張抵抗力がほぼ管体強度に匹敵するまで大きく出来るのに対して、耐圧縮抵抗力は管体強度よりはるかに小さい。従って、その限度を超える軸方向圧縮力に対しては抵抗しきれず、ストッパー部に変形を生じて軸方向への相対移動が生じ、前記のねじ揷入面側の隙間の量だけ移動することとなる。

また、特にねじ締結部のシール性を確保するために、多くの油井管のようにメタルシ一ル部が設けられている場合には、上記した軸方向移動によってシール性に大きな影響を及ぼす場合が多く、シール性を保てなくなる場合も多々発生するこの軸方向圧縮力に対して十分に抵抗するためには、ねじ揷入面の隙間をなくし、少なくともねじ締結時には荷重面と同様に挿入面をも接触させておく必要があり、既にこのような荷重面、挿入面ともに隙間をなくして接触させる機構のねじが考えられている（例えば特開平 9一 1 1 9 5 6 4号公報参照）。

しかしながら、実際に製作する上での加工公差を考慮すると、その公差内のいかなる加工結果においても、常にねじの荷重面と揷入面の両面を接触させておくことは難しい。従って、荷重面および挿入面の両面の接触が必要な場合に個々の寸法条件をそれぞれ加減して適当な寸法関係を単独に選択しているのが実情であり、結果として、挿入面側に隙間を生じることもあって、効果的な耐圧縮力が得られない場合が多い。

なお、特開平 9一 1 1 9 5 6 4号公報では、締結時、荷重面と挿入面が共に接触するように構成した油井管用ねじ継手が提案されているが、どのような構成を採用することで、締結時、荷重面と揷入面が共に接触するようになるのかについての具体的な記載は全くなく、単にねじの荷重面と挿入面の両面接触という状態を述べているに過ぎない。発明の開示

本発明の目的は、上記した問題点を解消すべく、軸方向圧縮力に対して十分な抵抗力を発揮するため、ねじの荷重面と挿入面の両方の隙間をなくして必ず両面接触が可能なねじ形状を有するテ一パねじ継手を提供することである。

ここに、本発明によれば、テーパねじ継手に、テ一パ雄ねじのねじ頂面とテ一パ雌ねじのねじ底面との隙間 L , 若しくはテーパ雄ねじのねじ底面とテ一パ雌ねじのねじ頂面との隙間 L ₂ の何れか小さいほうの隙間の値 L (以後「ねじの上下隙間 L」と称する）と、荷重面角度 α及び挿入面角度と、互いに嚙み合うテ一パ雄ねじの山幅とテーパ雌ねじの谷幅またはテ一パ雌ねじの山幅とテーパ雄ねじの谷幅の差、すなわち、ねじ幅方向に生じ得る軸方向隙間の最大値 δとの間に、 δ≤L · ( t a n a + t a n iS ) の関係を有することとしている。

そして、このようにすることで、いかなる場合においても常に荷重面と挿入面の両面を接触した状態に保持することができるテ一パねじ継手の製造が可能になる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明のテーパねじ継手が採用するねじ部を模式的に説明するもので、図 1 ( a ) はテーパ雄ねじとテ一パ雌ねじのピッチラインが一致した初期状態を示し、そして図 1 ( b ) は荷重面と挿入面が接した締め込み時の状態を示す模式的説明図である。

図 2は、荷重面と挿入面の両方が接触するねじ締結条件を表したグラフである _c 図 3は、荷重面と挿入面の両面接触ねじを製造するために、現に嚙み合っている状態においてピッチ径を合わせる等によって両面接触している状況を示した模式図である。図 4は、荷重面と挿入面の両面接触ねじを製造するために、テーパ雄ねじとテーパ雌ねじを別々に設計 ·作図する場合を示し、図 4 ( a ) はテーパ雌ねじを示し、図 4 ( b ) はテーパ雄ねじを示す模式的説明図である。

図 5は、荷重面と挿入面の両面接触ねじを製造するために、テーパ雄ねじとテーパ雌ねじを別々に設計 .作図する場合を示し、図 5 ( a ) はテーパ雌ねじを示し、図 5 ( b ) はテーパ雄ねじを示す模式的説明図である。

図 6は、荷重面と挿入面の両方が接触するねじ締結条件を表わし、図 6 ( a ) は本発明の条件を満足する場合を示し、図 6 ( b ) は本発明の条件を満足しない範囲を含む場合を示す模式的説明図である。

図 7は、複合試験において試験材に作用する荷重の説明図である。発明を実施するための最良の形態

テーパねじ継手において雄ねじおよび雌ねじを締結したときに、常に荷重面と挿入面の両面を接触した状態に保持するためには、ねじの嚙み合い状態で、テ一パ雄ねじの頂面側又は底面側がテ一パ雌ねじの底面側又は頂面側に接する前に荷重面ばかりでなく挿入面も接して、ねじの半径方向の負荷（ねじの干渉量などによって生じる）をも荷重面と挿入面とで支える必要がある。

それには、テ一パ雄ねじとテ一パ雌ねじが嚙み合う際の、テーパ雄ねじとテーパ雌ねじの半径方向の相対的な移動時に、テーパ雄ねじの頂面側及び底面側とテーパ雌ねじの底面側及び頂面側とで形成される隙間の大きさ（半径方向の移動可能量）が、ねじの山幅と谷幅間のピッチライン上における軸方向隙間（通常は、荷重面が接しているから、ねじの締め込み初期には挿入面側に生じる隙間に相当する）をねじ締め込みの過程で 0 (ゼロ）にしてしまうほどのものでないといけない。

つまり、ねじの山と谷との間の軸方向隙間は、ねじが台形ねじであれば、ねじの締め込みの過程でねじ山が谷へ入り込むことから、順次減少して狭くなつてゆき、テ一パ雄ねじとテーパ雌ねじの半径方向の相対移動が止まればその減少は止まる。従って、この嚙み合いによるピッチライン上における軸方向隙間の減少量が元々の揷入面での軸方向隙間よりも大きければよいことになる。このピッチライン上における軸方向隙間の減少量の最大値は、ねじ荷重面の角度 0：とねじ挿入面の角度 ]3および「ねじの上下隙間 L」に関係し、 L * ( t a n + t a n β ) で表され、この値が元々の揷入面のピッチライン上における軸方向隙間 <5よりも大きければよいことになる。

この関係はねじの山幅（ねじの谷幅）が一定であることが必ずしも必要ではなく、一定割合で増加又は減少する場合や、また、ねじ山高さ'（ねじ谷深さ）がー定割合で増加又は減少する場合にも適用可能である。また、荷重面と挿入面の形状が雄ねじと雌ねじ間で異なつていても、前記軸方向隙間 δを挿入面間の隙間の最小値にとれば同じ関係が成立する。

また、テ一パねじの締結には、前述のねじ干渉量を必要とすることが一般的であり、かつ、このねじ干渉量の与え方も雄ねじおよび雌ねじの各ピッチラインが一致した時点を干渉の開始点とすることが一般的であることから、このような場合には、上記雄ねじおよび雌ねじ間の半径方向の移動可能量 L ' (= 「ねじの上下隙間し」）はこのねじ干渉量を減少させる作用を持つ。従って、実質ねじ干渉量 ( Η' )は（Η— 2 L ' )となる。つまり、このような場合、干渉量 Ηと半径方向移動可能隙間 L ' との間には H > 2 L ' の関係が必要である。

ねじ干渉量を大きく取りすぎると雌ねじ側に過大な周方向の引張応力が生じることになり、それを避けるため通常ねじ込みトルクを制限するか、ねじ込み位置を制限する（ストッパーも具体例の一つ）方法がとられている。いずれにせよ、本発明において千渉量の制限は（H— 2 L， ) にて検討 ·設定すればよい。この場合、 Lと <5との関係はねじ干渉量の設定値 Hで制限を受けることになる。

それらの関係は次式により表わされる。

H > 2 L

本発明のテーパねじ継手は、このような考え方によって構成されたものであり、互いに螺合するテーパ雄ねじとテ一パ雌ねじのねじ山形状が、完全ねじ部全長にわたって一定の断面を有するもので、「ねじの上下隙間 L」（mm) と、荷重面角度 α (° ) 及び挿入面角度 ( ° ) と、互いに嚙み合うテーパ雄ねじの山幅とテ一パ雌ねじの谷幅の差すなわちねじ幅方向にわたって生じ得る軸方向隙間 5 ( mm ) との間に、 (5≤ L · ( t a n cn + t an iS)

の関係を有するものである。なお、上記した関係式において、ねじ荷重.面角度 α (° ) と、ねじ挿入面角度）は、ねじ山の中心向き、つまり、互いに向き合う方向を正とする。また、 <5は加工公差をも含めたとり得る値を示す。

なお、これらの関係は、ねじ山高さは一定で、ねじの山幅、つまり、ねじ山幅が両者共通の一定割合で漸増又は漸減する可変ねじ山幅であるか、或いは、ねじ山高さのみ両者共通の一定割合で漸増又は漸減する可変ねじ山高さであるテーパ雄ねじとテーパ雌ねじにも適用可能である。

以下、本発明のテ一パねじ継手が採用する関係を図 1を用いて説明する。

図 1 ( a) はテーパ雄ねじ 1 とテ一パ雌ねじ 2のピッチ線 1 a， 2 aがー致した状態を示している。この状態を、ねじ締結の初期状態として、テーパ雄ねじ 1 のねじ頂面 1 bとテーパ雌ねじ 2のねじ底面 2 bとの隙間 L , (mm) 、テ一パ雄ねじ 1のねじ底面 1 cとテ一パ雌ねじ 2のねじ頂面 2 cとの隙間 L ₂ (mm) 、これらの隙間 L i 、 L 2 の内の何れか小さいほうの隙間の値（以下、「上下隙間」という。） L (mm) 、荷重面 1 d， 2 dの角度 α ）、挿入面 1 e , 2 eの角度；8 ）、テーパ雄ねじ 1 とテ一パ雌ねじ 2の互いに嚙み合う山幅と谷幅の差、すなわち、ねじ幅方向にわたって生じ得る軸方向隙間 δ (mm) はそれぞれ初期値であり、図面寸法上にて加工公差も含めて算出される値である。

図 1 ( a) の状態から更にテ一パ雌ねじ 2に対するテ一パ雄ねじ 1の締め込みが続くと、荷重面 1 d, 2 dでテ一パ雄ねじ 1 とテーパ雌ねじ 1はせり合っている故にテーパ雄ねじ 1 とテーパ雌ねじ 2は荷重面ですベりつつ相対的に半径方向に移動し、ねじ頂部と底部間の各々の隙間 L , 、 L₂ が減少する。また、軸方向隙間 <5も減少することになる。

そして、更にテ一パ雌ねじ 2に対するテーパ雄ねじ 1の締め込みが進んで、上下隙間 Lが先になくなれば、ねじ幅方向における軸方向隙間 δが残つたままテ一パ雄ねじ 1 とテーパ雌ねじ 2の径方向の相対移動（荷重面 1 d, 2 dでのせり上げ）は不可能になり、以後の締め込みには、テーパ雄ねじ 1、テ一パ雌ねじ 2共に径方向に変形を生じつつ、それに相当する高い締め付けトルクが必要になる。そして、予め設定されたトルクまで、または、相対位置まで締め込んだところで、締結の終了となる。

しかしながら、この場合には、ねじ幅方向においてはわずかでも軸方向隙間 δ が存在することになり、荷重面と挿入面の両面が接触する締結条件にはならない _c これに対し、上下隙間 Lが先に 0 (ゼロ）になるのではなく、軸方向隙間 <5が同時もしくは先に 0 (ゼロ）になれば、図 1 (b ) に示したように、その時点で荷重面 l d， 2 dと挿入面 l e， 2 eの両面が接触する状態が得られる。

ねじのピッチを P、ねじのテーパを 1 /Tとすると、テーパ雌ねじ 2に対するテーパ雄ねじ 1の相対的な 1回転の締め込みにより、上下隙間 Lと軸方向隙間 δ の変化量厶しと Δδはそれぞれ、厶 L = P/ 2 T、厶 δ= (Ρ/ 2 Τ) · ( t a n a+ t an jS) となる。

そして、軸方向隙間 5が上下隙間 Lと同時もしくは先に 0 (ゼロ）になるには、 (L/AL) ≥ ( δ/Α δ ) の関係が成立すればよい。従って、この関係に = Ρ/2 Τ、 Α δ = (Ρ/2 Τ) (t ana + t a n /3 ) を代入すれば、 5≤L

• ( t a na + t a n /S) が得られることになる。

従って、上下隙間と、荷重面角度 o:及び挿入面角度Sと、軸方向隙間 δとの間に、 5≤L . ( t a η α+ t a n ）の関係をもたせること及びねじ干渉量 H を設定する場合にはこの Hと上下隙間 Lとの間に H> 2 Lの関係をもたせることにより、いかなる場合にも、必ず荷重面と挿入面の両方が接触するねじ締結条件を得ることができる。

図 2は、この関係を表しており、、直線 5 = L ' ( t a n a + t a n iS) より紙面右下が大きい）の条件であれば、ねじ締結後も挿入面に軸方向隙間 5が残り、直線から離れるに従って、軸方向隙間 <5は大きくなる。一方、直線 5 = L

• ( t a n a + t a n ^) も含めて、この関係式より紙面左上（ δが小さい）の領域の条件、すなわち、下記の①式

5≤L - (tana + tan β) · · ·①

は、挿入面が接することを示し、直線から離れるに従って、その接触がねじ込みの早期に始まり、ねじ頂部に隙間を残しつつ（Η— 2 L')のねじ干渉量をともなつて固い接触となることを示し、耐圧縮性が大きくなる。

なお、ねじ締結後の実質ねじ干渉量を与えるためには、 H

L < つまり、

H

L · (tan + tan β ) < (tan + tan β ) · · '② であることが必要である。

したがって、 ①式および②式より、

Η

δ / (tan a + tan β ) ¾ L <

2

であることが必要条件となる。

また、継手の寸法のねじ上下間隔 L、荷重面角度 0：、挿入面角度 i8、雄ねじの山幅と雌ねじの谷幅との軸方向隙間 Sとが、図 2において、 S > L · (tan a + ta η β ) となる領域にあっても、雄ねじと雌ねじを十分な締結トルクで締結した場合に、存在すべき軸方向隙間 Sがなくなり、実質的に十分な耐圧縮性能を示す場合がある。

例えば、トルクショルダー部を有するねじ継手の場合、締結条件がトルクショルダ一部の軸方向の弾性変形の範囲内であれば、ピンリップ部の弾性変形にともなう歪に基づき、ねじの谷幅からねじの山幅を差し引いた値、すなわち軸方向隙間 Sが減少し、実質的に 0となる場合があり得る。

さらに、雄ねじと雌ねじを締結したときのねじの径方向の干渉量に基づき、軸方向隙間 5が減少する場合がある。

これは、雄ねじと雌ねじとを締結したときのねじ千渉量により雄ねじが縮径変形し、雌ねじが拡径変形することにより、ポアソンの法則により、雄ねじは軸方向に伸び、雌ねじは軸方向に縮むからである。すなわち、雄ねじが軸方向に伸び、雌ねじが軸方向に縮むといつた相対的変形により、雄ねじのねじの山幅と雌ねじの谷幅との隙間が減少することから、前記の S = L · (tan α + tan β ) により表される境界線の近傍においては、実質的に軸方向隙間 Sの値が 0 (ゼロ）となり得るからである。

この場合の雄ねじの伸長量と雌ねじの短縮量との和は、継手を構成する管およびボックスの外径および肉厚などの寸法条件、材料の機械的性質ならびに締結時の実質ねじ干渉量の大きさにより影響される値であり、この和の量だけ、図 2における適正範囲を示す境界線 <5 = L . (tan a + tan β ) は、横軸（S軸）方向に移動し、本発明における適正範囲は拡大する。実施例

本発明のテーパねじ継手の効果を、従来例や比較例の場合と比較して実施例に基づいて説明する。

(実施例 1 )

荷重面と揷入面の両面接触ねじを製造するためには、例えば図 3に示したように、現に嚙み合っている状態においてピッチ径を合わせる等によって両面接触している状況を作図し、その後、各部の寸法を決めてもよい。その際、テーパ雄ねじ 1 とテーパ雌ねじ 2のねじ山形状を同一とすれば、更に寸法決定が容易となる _c また、図 4 ( a ) 、 ( b ) や図 5 ( a ) 、 ( b ) に示したように、テーパ雄ねじ 1 とテ一パ雌ねじ 2を別々に設計 ·作図する場合には、同一基本形状寸法を定めた後、各部の寸法を決定してもよい。

しかしながら、実際に製造するに際しては、加工上の寸法公差は必要不可欠であることから、基本寸法の決定に際し、加工公差を盛り込ませなければならない _c ここに、本発明の好適態様では、テーパねじ継手を構成するには、図 3〜図 5 のいずれの場合においても、テーパ雄ねじとテーパ雌ねじのねじ幅の相対的関係が同一であることから、例えば、上下隙間 L (mm) 、荷重面の角度 α; ( ° ) 、挿入面の角度 iS Γ ) を下記表 1に示したような値とした場合、それぞれ軸方向隙間 6の限界値（許容最大値）は、下記表 2に示したような値となる。

したがって、公差を含めた <5の最大値をこの限界値以下に設定すればよい。表 1

表 2

これにより、テ一パ雄ねじとテーパ雌ねじの山幅、谷幅の公差を組合わせた値、すなわち、ねじ幅方向にわたって生じ得る軸方向隙間の最大値 δが得られたことになる。また、逆に加工公差の限界より軸方向隙間の最大値 Sが例えば 0 . l m m必要であるとした場合、ねじ山の頂面と底面の隙間、すなわち「ねじの上下隙間し」の最小値は、本発明の関係式より、表 3のような値となる。

つまり、本発明の関係式を採用すれば、上下隙間 Lから基準の軸方向隙間 5の限界値、或いは、軸方向隙間の最大値 δから基準の上下隙間 Lの限界値を簡単に求めることができるようになる。表 3

(実施例 2 ) 本発明の関係式を満足する場合（サンプル No. 1 ) と満足しない範囲を含む場合（サンプル No . 2 ) を示す。サンプル No. 1 とサンプル No. 2の場合における式に関係する各部の寸法及び L · (t a na + t & η β) は下記表 4のとおりである。表 4

ここでし、 δの公差を含めた値を L=0.10 + 0.05/— 0.0 、 δ=0·03±0.03とする, 実質ねじ干渉量 (Η') ： 0.40— 2 5/(tana+tan β) または 0.40— 2 L

表 4に示した各部寸法を有するサンプル N 0. 1及びサンプル No. 2について、図 2と同様の図面に表したものが、図 6 (a) 、（b) である。

図 6の斜線部分は公差を考慮した実現範囲であり、軸方向隙間 Sの最大値を 0 , 0 6 mm、最小値を 0 mmとし、また、ねじ上下隙間 Lの最大値を 0. 1 5 mm、最小値を 0. 1 mmとした場合のものである。（L = 0. 1 0mm+ 0. 0 5 m m/— 0. 0mm、 δ = 0. 0 3mm土 0. 0 3mm) 。

このサンプル No. 1を表わす図 6 (a) では、 L · ( t an a + t an /8) の値は 0. 0 6 4 8〜0. 0 9 7 2 mmの範囲であり、 δの値は 0. 0〜 0. 0 6 mmの範囲となる。またねじ干渉量が存在するための L · (t ana + t an iS) の限界値は設定ねじ干渉量 0. 4 0 mmに基づき、 Η · ( t a η α + t a n ） /2の値から 0. 1 2 9 6 mmとなる。

' 従って、本発明の関係式を満足するサンプル No. 1の場合には、加工公差の全ての範囲にて、 δ、 L、 a、 jSの関係が直線 5 = L . ( t an a + t an iS) より紙面左上側（δが小さい範囲）に存在し、常に荷重面と挿入面の両面接触となる。

一方、本発明の関係式を満足しない範囲を含むサンプル Ν 0. 2を表わす図 6 (b) では、 L ' ( t a n o: + t a n iS) の値は 0. 02 1 6〜0. 0323m mの範囲であり、（？の値は No. 1の場合と同様に 0. 0〜0. 06 mmの範囲となる。また、ねじ干渉量が存在するための L · (t an +t aniS) の限界値は、設定ねじ干渉量 0. 40 mmに基づき、 H (t ano:+ t an 3) / 2により算出すると 0. 043 1 mmとなる。この値よりも L ' (t ana + t an β) の値が大きくなると、ねじ干渉量が実質的になくなる。

従って、 L、 5の実際の値によっては、 5、 L、 OL、 /3の関係が直線 5 = L .

(t ana + t a n iS ) より紙面左上側（δが小さい範囲）に存在して荷重面と挿入面の両方とも接する場合もありえるが、一部は紙面右下側（<5が大きい範囲）に存在するのでこの場合には挿入面側に隙間を生じる。

また、現実のねじでは軸方向隙間の値 5に一（マイナス）側を含めて設定することも可能であり、その場合でも直線 5 = L ( t an + t a n /3 ) より左上側の領域（5が小さい領域）になる条件であれば常に荷重面と挿入面の両面接触となる。逆に右下側の領域（5が大きい領域）になる条件であれば挿入面側に隙間を生じるという状況は同じである。

ただし 5をマイナス側に設定することは実質ねじ干渉量 H' がH— 25/ ( t ana + t aniS) で表わされることからも判るように過大になる傾向が大きい _c 従って、予め設定値 Hを小さくしておく必要があり、それは Sのとり得る値の範囲により変わる。

図 2において、 5>L · (tana+tan β) となる領域にあっても、雄ねじと雌ねじを十分な締結卜ルクで締結した場合に、存在すべき軸方向隙間 5 ^なくなり、実質的に十分な耐圧縮性能を示す場合があることは既に述べたとおりである。ここで、 S≤L · (tana+tan β) により表される関係で規定される Sの範囲に比ベて、 δのとり得る値の範囲の増加の程度を下記の計算により評価した。

(a) トルクショルダー部を有するねじ継手の場合：

ピンリップ部の先端がトルクショルダ一部を構成し、ピンリップ部の長さが 1 0mmである継手の場合、弾性変形内の歪が 0. 1~0. 2%であることを考慮すれば、図 2において、 5≤L · (tana+tan β) なる範囲よりも、 Sの値で 0. 0 1〜0. 02 mm大きい範囲まで、適正範囲が拡大すると期待される。すなゎち、 0<?₁ =0. 0 1〜0. 02111111となる。，

(b) 雄ねじ部と雌ねじ部の径方向の干渉に基づく幅方向の変形の場合：

雄ねじおよび雌ねじの干渉量を H、それぞれのねじのピッチ径 (直径）を P_D 、ねじの干渉によるピン部の縮径量を hp、ボックス部の拡径量を hb、ピン部およびボックス部の材質を同一とし、そのポアソン比を（ 1/m) とすると、軸方向の雄ねじおよび雌ねじの歪み ε pおよび ε bは、概略以下のように表わされる _c ε ρ = (hp/PD) · ( 1/m) · · · (伸び）、

ε b = (hb/PD) · ( 1/m) · · · (縮み）

ここで、軸方向の全歪みは ε = ε p + ε bであり、また、 H = h p + h bであることから、軸方向の全歪みは下記式のように表される。

ε = (H/PD) · ( 1 /m)

したがって、ねじ 1山当たりの軸方向の雄ねじの山幅と雌ねじの谷幅の減少量 D δ 2 は、ねじピッチを Ρとすれば、次式のようになる。

Ό δ 2 = (H/PD) · ( 1/m) · P

ここで、 H=0. 3 mm, PD= 1 76. 5 mm. P= 5. 08mm. 1/m = 0. 3とすれば、

Ό δ 2 = 0. 0026 mmとなる。

なお、この値がねじ干渉量に比例することは言うまでもない。

(実施例 3 )

公称外径 7インチ、公称肉厚 0. 408インチの A P I規格の鋼管及びボックス用素管（試験材材質； AP I 5 C T規格 N— 80、降伏強度 60 1. 72 X 1 0⁶ Pa、抗折強度 725. 2 X 1 0⁶ Pa) を用いて、上記した実施例 2におけるサンプル No. K N 0. 2のねじ形状を備え、かつ同一テ一パの特殊ねじ継手を製作した。メタルシール部およびトルクストッパー用ショルダー部の形状は全て同一とした。このようにして製作されたテーパねじ継手の性能を比較した。試験に供したねじの各条件は下記表 5の通りである。表 5

H'

判定

上記した各条件のねじを備えたテ一パねじ継手を、それぞれテーパ雄ねじとテーパ雌ねじをトルク制限ストツバ一に衝接後一定トルクを加える方法で締結した ₍ ドープは AP I Mo d i f i e d規格の標準品を使用した。メイクアップ後、複合試験を施し、その後解体して検査した。

複合試験は、図 7に示すように、次の順序にて行った。

(1) 管体強度の 9 5%まで引張荷重を負荷し（荷重点 1 ) 、この荷重を保持しつつ、内圧を負荷して Vo n M i s e s E l l i p s e (応力楕円） (VME)

9 5%の条件に設定する（荷重点 2 ) 。

(2) VME 9 5%の条件を保持すべく内圧を調整し、引張荷重を 8 0% (荷重点 3 ) 、 6 0% (荷重点 4 ) 、 0% (荷重点 5 ) と変化させる。更に、 VME 9 5 %の条件を保持しつつ、圧縮荷重を 5 0% (荷重点 6 ) 、 9 0% (荷重点 7 ) 、

1 0 0% (荷重点 8 ) と負荷し、圧力 0の単純圧縮条件にする。

(3) 軸力も一度零状態に戻す（荷重点 9 ) 。

(4) 管体強度の 9 5%まで圧縮荷重を負荷し（荷重点 1 0 ) 、この 9 5%負荷点より VME 9 5%の荷重条件を負荷しつつ、圧縮荷重を 9 5%から 9 0% (荷重点 1 1 ) 、 5 0 % (荷重点 1 2 ) 、 0% (荷重点 1 3 ) と減少させる。

(5) 同じく VME 9 5%の荷重条件を負荷しつつ、引張荷重を 6 0% (荷重点 1 4 ) 、 8 0 % (荷重点 1 5 ) 、 9 5 % (荷重点 1 6 ) と負荷する。

(6) 内圧を下げ、単純軸力を 9 5 % (荷重点 1 7 ) とし、次に軸力も下げて全負荷を除去する（荷重点 1 8 ) 。

(7) 上記した 1 〜 6を再度繰り返す。

(8) なお、各荷重点での保持時間は原則として 1箇所各 1 5分であるが、荷重点 1 , 8 ， 9 , 1 0 ， 1 7については 1分である。

試験結果を下記表 6に示すが、本発明の関係式を満足するサンプル A , Bでは、何れも何ら問題なく良好にテストを終了できた。

表 6

一方、本発明の関係式を満足しないサンプル C , Dでは、圧縮負荷を受けた後の引張かつ内圧負荷条件下にてリークが発生した。これは、高い圧縮力に対し、ねじ継手が耐えられずにメタルシ一ル部に近いショルダー部に変形が生じ、それが原因で引張荷重条件下ではリークにつながつたものと考えられる。

また、サンプル Eはねじ要素はサンプル A , Bと同じであるものの、ねじ幅隙間のみ大きいので、サンプル C ， Dと同じくリークにつながった。

またサンプル F、 Gは、軸方向隙間 δが一（マイナス）であるが、ねじ締結後の実質ねじ干渉量がサンプル Α、 Βと同レベルの値であり、複合テストも問題無く、良好な結果であったばかりでなく、焼付も生じなかった。つまり、軸方向隙間の値 5がー（マイナス）であっても実質ねじ干渉量の値を調整することにより本発明の効果を得ることができる。 ' 本発明のテーパねじ継手は、上記した実施例の如く、ねじ近傍に雄ねじと雌ねじの嚙み合い（ねじ込み）量を制限する目的のストッパーや、ねじ締結部でのシ —ル性を確保するためのメタルシ一ル部などを備えたものに限られることはなく - ねじのみの継手やねじにトルクストッパ一のみ付いたもの、あるいはねじにメ夕ルシール部のみ付いたもの等にも適用可能であることはいうまでもない。産業上の利用可能性

本発明のテーパねじ継手によれば、ねじの荷重面と挿入面とが常に接している構造のねじを簡便に製造することができる。そして、この'ことにより、引張力のみならず圧縮力にも十分な抵抗力を備えたねじを、その加工公差も踏まえて確実に提供することができる。従って、特にメタルシール部を備えた油井管用特殊ねじ継手においては大きな圧縮力を繰り返して経験しても、それがためにシール性を損なうことがない信頼性の高い継手を得ることができる。

Claims

請求の範囲

1. 互いに螺合するテーパ雄ねじとテ一パ雌ねじのねじ山形状が、完全ねじ部全長にわたって一定の断面を有するテ一パねじ継手であって、下記式の関係を有することを特徴とするテーパねじ継手。

δ≤L - ( t an a+ t an^)

L (mm) ：テ一パ雄ねじのねじ頂面とテーパ雌ねじ'めねじ底面との隙間 L,

(mm) 若しくはテーパ雄ねじのねじ底面とテ一パ雌ねじのねじ頂面との隙間 L ₂ (mm) の何れか小さいほうの隙間の値、 a (° ) ：荷重面角度、

β (° ) ：挿入面角度、

δ (mm) ：互いに嚙み合うテーパ雄ねじの山幅とテ一パ雌ねじの谷幅の差またはテーパ雌ねじの山幅とテーパ雄ねじの谷幅の差の最大値。

2. 前記のねじ底面とねじ頂面との隙間の値 L (mm) および、前記ねじの山幅と谷幅の差 5 (mm) が、それぞれ加工公差を考慮した最小値以上で最大値以下の範囲であることを特徴とする請求項 1記載のテーパねじ継手。

3. 前記のねじの谷幅から山幅を差引いた値の公差を含めた値 5 (mm) が負の値を有し、実質ねじ干渉量 H' (mm) が、テ一パ雄ねじとテ一パ雌ねじのいずれの部分においてもねじを構成する材料を降伏応力に達せしめない範囲であることを特徴とする請求項 1又は 2に記載のテーパねじ継手。

4. 互いに螺合するテ一パ雄ねじとテーパ雌ねじのねじ山形状が、完全ねじ部全長にわたって一定の断面を有し、ねじ山底部から頂部にかけてねじの山幅が一様に減少するテーパねじ継手であって、下記式の関係を有することを特徴とするテ —パねじ継手。

δ≤L · ( t an a + t an jS) L (mm) ：テーパ雄ねじのねじ頂面とテ一パ雌ねじのねじ底面との隙間 L , (mm) 若しくはテ一パ雄ねじのねじ底面とテーパ雌ねじのねじ頂面との隙間 L ₂ (mm) の何れか小さいほうの隙間の値、

(° ) ：荷重面角度、

β C ) ：挿入面角度、

δ (mm) ：互いに嚙み合うテーパ雌ねじの谷幅からテーパ雄ねじの山幅を差引いた値またはテ一パ雄ねじの谷幅からテ一パ雌ねじの山幅を差引いた値。

5 . 前記のねじ底面とねじ頂面との隙間の値 L (mm) および、前記ねじの谷から山幅を差引いた値 δ (mm) が、それぞれ加工公差を考慮した最小値以上で最大値以下の範囲であることを特徴とする請求項 4記載のテ一パねじ継手。

6 . 前記のねじの谷幅から山幅を差引いた値 5 (mm) が負の値を有し、実質ね. じ干渉量 H ' (mm) が、テ一パ雄ねじとテーパ雌ねじのいずれの部分においてもねじを構成する材料を降伏応力に達せしめない範囲であることを特徴とする請求項 4に記載のテーパねじ継手。

7 . 前記のねじの谷幅から山幅を差引いた値の <5 (mm) が負の値を有し、実質ねじ干渉量 H ' (mm) が、テ一パ雄ねじとテーパ雌ねじのいずれの部分においてもねじを構成する材料を降伏応力に達せしめない範囲であることを特徴とする請求項 5に記載のテーパねじ継手。

8 . テーパ雄ねじとテーパ雌ねじとがメタルシ一ル部を有するテ一パねじ継手において、前記の実質ねじ干渉量 H ' (mm) が、メタルシール部の干渉量以下であることを特徴とする請求項 4〜 7のいずれかに記載のテーパねじ継手。

9 . 互いに螺合するテーパ雄ねじとテ一パ雌ねじのねじ山形状が、完全ねじ部全長にわたって一定の断面を有し、ねじ山底部から頂部にかけてねじの山幅が一様に減少するテ一パねじ継手であって、下記の式で表される関係を満足することを特徴とするテーパねじ継手。

δ≤L ' ^ t a n o! + t an ^ +D 5 i

ここで、 D <5 ! は、 δの減少時を正の値とする。

L (mm) ：テ一パ雄ねじのねじ頂面とテーパ雌ねじのねじ底面との隙間 L ,

(mm) もしくはテ一パ雄ねじのねじ底面とテーパ雌ねじのねじ頂面との隙間 L ₂ (mm) のいずれか小さいほうの隙間の値の加ェ公差を含めた値、

a (° ) ：荷重面角度、

iS (° ) ：挿入面角度、

δ (mm) ：互いに嚙み合うテーパ雌ねじの谷幅とテーパ雄ねじの山幅を差引いた値またはテ一パ雄ねじの谷幅からテ一パ雌ねじの山幅を差引いた値の加工公差を含めた値、

D δ！ (mm) ：ねじの締め込みにより生ずるトルクショルダー部の衝接に起因するねじリップ部の軸方向の弾性変形に基づく δの減少量。

1 0. 互いに螺合するテーパ雄ねじとテーパ雌ねじのねじ山形状が、完全ねじ部全長にわたって一定の断面を有し、ねじ山底部から頂部にかけてねじの山幅が一様に減少するテーパねじ継手であって、下記の式で表される関係を満足することを特徴とするテ一パねじ継手。

ここで、 D <5₂ は、 5の減少時を正の値とする。

L (mm) ：テーパ雄ねじのねじ頂面とテ一パ雌ねじのねじ底面との隙間

L , (mm) 若しくはテーパ雄ねじのねじ底面とテーパ雌ねじのねじ頂面との隙間 L ₂ (mm) の何れか小さいほうの隙間の値の加工公差を含めた値、

a (° ) 荷重面角度、

β (° ) 挿入面角度、

δ (mm) 互いに嚙み合うテ一パ雌ねじの谷幅からテーパ雄ねじの山幅を差弓 Iいた値またはテーパ雄ねじの谷幅からテ一パ雌ねじの山幅を差引いた値の加工公差を含めた値、

D <5₂ (mm) ：ねじの締め込みに伴うねじの直径方向の弾性変形により生ずるねじの軸方向の弾性変形に基づく Sの減少量。