WO2012002409A1

WO2012002409A1 - 管用ねじ継手

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Publication number: WO2012002409A1
Application number: PCT/JP2011/064862
Authority: WO
Inventors: 園部　治; 拓也長濱; 吉川　正樹; 順高野; 孝将川井; 高橋　一成
Original assignee: Ｊｆｅスチール株式会社
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2012-01-05
Also published as: JP4930647B1; AR081782A1; CN202469289U; BR112012033452A2; JP2012149760A; RU2522756C1; BR112012033452B1; EP2589846B1; CN102313085A; AU2011272607B2; CA2801204C; CA2801204A1; EP3196524B1; MY156120A; MX2012014880A; EP2589846A4; EP3196524A1; AU2011272607A1; CN102313085B; SA111320568B1

Abstract

　シール性と耐圧縮性、さらには、耐ゴーリング性を向上させた、管用ねじ継手を提供する。具体的には、ピンノーズ外周面30は、軸方向断面視で外側に凸状の曲線をなし、該凸状の曲線は、雄ねじ部5に隣接する円筒形状部の母線に相異なる曲率半径Ｒを有する外側に凸状の複数の円弧を順次接続してなる複合Ｒ曲線Ｎを、雄ねじ部5から遠ざかるにつれて円弧の曲率半径Ｒが大きくなり、かつ、円弧の接続点上の接線が接続相手の円弧のそれと一致するような曲線形状としてなり、ボックス部材1のピンノーズ30に相対する内周面は、ピン部材3との結合時にピンノーズ外周面30と干渉するテーパ面20とした。

Description

管用ねじ継手

　本発明は、管用ねじ継手（ｔｈｒｅａｄｅｄ　ｊｏｉｎｔ　ｆｏｒ　ｐｉｐｅ）に関し、詳しくは一般に油井（ｏｉｌ　ｗｅｌｌ）やガス井（ｇａｓ　ｗｅｌｌ）の探査や生産に使用されるチュービング（ｔｕｂｉｎｇ）およびケーシング（ｃａｓｉｎｇ）を包含するＯＣＴＧ（ｏｉｌ　ｃｏｕｎｔｒｙ　ｔｕｂｕｌａｒ　ｇｏｏｄｓ）、ライザー管（ｒｉｓｅｒ　ｐｉｐｅ）、ならびにラインパイプ（ｌｉｎｅ　ｐｉｐｅ）などの管の接続に用いるのに好適な、シール性（ｓｅａｌａｂｉｌｉｔｙ）と耐圧縮性（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）に優れた管用ねじ継手に関する。

　ねじ継手は、油井管など油およびガスの生産（ｏｉｌ　ａｎｄ　ｇａｓ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）に使用される鋼管の接続に広く使用されている。オイルやガスの探索や生産に使用される鋼管の接続には、従来ＡＰＩ（米国石油協会（Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ））規格に規定された標準的なねじ継手が使用されてきた。しかし、近年、原油（ｃｒｕｄｅ　ｏｉｌ）や天然ガス（ｎａｔｕｒａｌ　ｇａｓ）の井戸は深井戸化が進み、垂直井（ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｗｅｌｌ）から水平井（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｗｅｌｌ）や傾斜井（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　ｗｅｌｌ）が増加していることから、掘削・生産環境は苛酷化している。また、海洋や極地（ｐｏｌａｒ　ｒｅｇｉｏｎ）など劣悪な環境での井戸の開発が増加していることなどから、耐圧縮性能、耐曲げ性能（ｂｅｎｄｉｎｇ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）、耐外圧性能（Ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）など、ねじ継手への要求性能は多様化している。そのため、プレミアムジョイント（ｐｒｅｍｉｕｍ　ｊｏｉｎｔ）と呼ばれる高性能の特殊ねじ継手（ｔｈｒｅａｄｅｄ　ｊｏｉｎｔ）を使用することが増加している。

　プレミアムジョイントは、通常、テーパねじ（ｔａｐｅｒｅｄ　ｔｈｒｅａｄ）、シール部（詳しくはメタルタッチシール部（ｍｅｔａｌ　ｔｏ　ｍｅｔａｌ　ｓｅａｌ）、ショルダ部（ｓｈｏｕｌｄｅｒ）（詳しくはトルクショルダ部（ｔｏｒｑｕｅ　ｓｈｏｕｌｄｅｒ））をそれぞれ備えるピン部材（ｐｉｎ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）とボックス部材（ｂｏｘ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）とを結合した継手である。テーパねじは管継手（ｔｕｂｕｌａｒ　ｊｏｉｎｔ）を強固に固定するために重要であり、シール部はボックス部材とピン部材とがこの部分でメタル接触することでシール性を確保する役目を担い、ショルダ部は継手の締付け中にストッパ（ａｂｕｔｍｅｎｔ）の役目を担う受け面（ｂｅａｒｉｎｇ　ｆａｃｅ）となる。

　図２~図４は、油井管用プレミアムジョイントの模式的説明図であり、これらは、円管のねじ継手の縦断面図である。ねじ継手は、ピン部材３とこれに対応するボックス部材１とを備えており、ピン部材３（ピン３）は、その外面に雄ねじ（ｍａｌｅ　ｍｅｍｂｅｒ）７と、ピン３の先端側に雄ねじ７に隣接して設けられたノーズ部８（ピンノーズ８）と呼ばれるねじ無し部とを有する。ノーズ部（ｎｏｓｅ）８は、その外周面にシール部１１を、その端面にはトルクショルダ部１２を有する。相対するボックス部材１は、その内面に、それぞれピン３の雄ねじ７、シール部１１、およびショルダ部１２と螺合するか、または接触することができる部分である、雌ねじ（ｆｅｍａｌｅ　ｍｅｍｂｅｒ）５、シール部１３、および、ショルダ部１４を有している。

　前記プレミアムジョイントに関する従来技術として、特許文献１~６が挙げられる。

特許第４５３５０６４号公報特許第４２０８１９２号公報実公昭６１−４４０６８号公報特許第４３００１８７号公報特開２００１−１２４２５３号公報特許第２７０５５０６号公報

　図２~図４の例では、メタルタッチシール部はピンノーズ（ｐｉｎ　ｎｏｓｅ）８の先端部にあるが、特許文献１には、耐外圧性能を増すために、ピンノーズ８のねじ部近くにメタルタッチシール部を設け、ノーズ部をシール部からショルダ部まで長く伸ばすものも提案されている。この特許文献１に開示されるねじ継手においては、ボックス部材と非接触なピンノーズを、シール部とは不連続な形状となるように長く伸ばしてピンノーズの厚みが薄くならないように構成されており、前述の耐外圧性能の他に、耐軸圧縮性能の向上も実現している。

　また、特許文献２には、同様にシール部からピンノーズ先端にアペンディックス（ａｐｐｅｎｄｉｘ）なる、これもシール部と不連続な形状を有する部位を設けて、半径方向の剛性を確保し軸方向の剛性を下げて、締付け時にこのアペンディックスを変形させ、引張力の負荷時にその回復により、耐引張性能を向上させることが記載されている。
　これら、特許文献１，２に記載されるように、シール部位置をピンのねじ部位置近くに置き、ピンノーズ先端から離すことは、耐外圧性能（ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）、耐引張性能（ｔｅｎｓｉｏｎ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）の向上とともに、ねじに対して安定的な性能を持たせる上で有効であり、それはＦＥＭシミュレーション等からも確認できる。またシール部と不連続な形状となるピンノーズは、強い軸圧縮力（ａｘｉａｌ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）が負荷された場合に、それ自体が変形し、ボックス部材のトルクショルダ部の塑性変形（ｐｌａｓｔｉｃ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を軽減させる効果もある。しかし、一方で、ピンノーズ（ｐｉｎ　ｎｏｓｅ）に不正な変形が入ることもあり、これは締付けトルク（ｍａｋｅ　ｕｐ　ｔｏｒｑｕｅ）に依存すると考えられる。

　締付けトルクは潤滑条件（ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）、表面性状等に影響されるので、これに大きくは依存しない設計として、シール接触圧力の半径方向成分を相対的に強くした半径方向のシール接触圧力を強くした半径方向シール方式がある。例えば、特許文献３には、大きなピンシールＲ形状を持ち、シールテーパ角（ｓｅａｌ　ｔａｐｅｒ　ａｎｇｌｅ）を小さくした半径方向シール方式の例が開示されている。しかし、このようにシールテーパ角を小さくした、半径方向シール方式の問題点は、締付け時にゴーリングが発生し易い点にあり、特にシール性能の確保およびシールの安定性のために、シール干渉量を大きくとる必要がある場合には、ゴーリングの発生のし易さは更に大きくなる。

　特許文献４には、これらの問題を解決するために、トロイド状ピンシール面（ｔｏｒｏｉｄａｌ　ｓｅａｌｉｎｇ　ｓｕｒｆａｃｅ）の半径を大きく規定することで、シール接触領域（ｓｅａｌ　ｃｏｎｔａｃｔ　ａｒｅａ）を大きくし、接触圧力（ｃｏｎｔａｃｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を低下させている。この対策は有効であり、メタルタッチシール部のゴーリングリスクを大きく軽減できる。しかし、大きなＲをとり接触圧力を低下させることで、何らかの僅かなトラブルで接触圧力の低下が生じ、メタルタッチシール部に微小なリークパス（ｌｅａｋ　ｐａｔｈ）が出来た場合、リークが容易には止まらないという問題がある。また、大きなＲであるが故に、メタルタッチシール部をノーズ先端から離すことが物理的に困難であり、メタルタッチシール部とピンノーズ先端の長さをある程度以上に確保する場合、ピンノーズ先端の厚みが小さくなりすぎることにも繋がる。

　耐軸圧縮性能に関しては、特許文献５や特許文献６に記載されるように、ねじ部におけるスタブフランク（ｓｔａｂ　ｆｌａｎｋ）側の隙間を小さくすることが有効である。但し、この隙間が小さすぎる場合には、ねじ部にゴーリング（ｇａｌｌｉｎｇ）が発生し易くなるため、適切な隙間をとる必要がある。
　以上説明したように、従来提案されているねじ継手においては、未だ何らかの問題を有しており、上述した耐圧縮性能、耐曲げ性能、外圧シール性能など、ねじ継手への要求性能の多様化に十分応えるためには、更なる改良の余地がある。本発明は、このような事情に鑑みて、シール性と耐圧縮性、さらには、耐ゴーリング性（ｇａｌｌｉｎｇ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を向上させた、管用ねじ継手を提供することを目的とする。

　前述した課題を解決するための手段を見出すべく、発明者らは鋭意検討を重ね、以下の要旨構成になる本発明をなすに至った。すなわち、本発明は以下のとおりである。
（１）　雄ねじ部と、該雄ねじ部より管端側に延在するノーズ部と、該ノーズ部の先端に設けられたショルダ部とを有するピン部材と、
前記雄ねじ部とねじ結合される雌ねじ部と、前記ピン部材のノーズ部外周面に相対する内周面と、前記ピン部材のショルダ部に当接するショルダ部とを有するボックス部材とを有し、
前記ねじ結合により前記ピン部材とボックス部材とが結合されてピン部材のノーズ部外周面とボックス部材の前記内周面とがメタル‐メタル接触しその接触界面がシール面をなす管用ねじ継手であって、
前記ピン部材のノーズ部外周面は、ピン部材の軸方向断面視で外側に凸状の曲線をなし、該凸状の曲線は、雄ねじ部に隣接する円筒形状部の母線に相異なる曲率半径Ｒを有する外側に凸状の複数の円弧を順次接続してなる複合Ｒ曲線を、雄ねじ部から遠ざかるにつれて円弧の曲率半径Ｒが大きくなり、かつ、円弧の接続点上の接線が接続相手の円弧のそれと一致するような曲線形状としたものであり、前記ボックス部材の前記内周面は、ピン部材との結合時にピン部材のノーズ部外周面と干渉するテーパ面とした
ことを特徴とする、管用ねじ継手。
（２）　前記複合Ｒ曲線内の各円弧がなす角度は、前記雄ねじ部に近い円弧のものほど大きいことを特徴とする前記（１）に記載の管用ねじ継手。
（３）　前記複合Ｒ曲線内の前記接続点のいずれかが前記テーパ面との接触開始点になることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の管用ねじ継手。
（４）　前記テーパ面は、継手の軸方向となす角度が１０度以内であることを特徴とする前記（１）~（３）のいずれかに記載の管用ねじ継手。
（５）　前記ピン部材のノーズ部の長さが２０ｍｍ以上であることを特徴とする前記（１）~（４）のいずれかに記載の管用ねじ継手。
（６）　前記雄ねじ部と前記雌ねじ部とは、スタブフランク角度（ｓｔａｂ　ｆｌａｎｋ）が０度~３０度の範囲内であることを特徴とする前記（１）~（５）のいずれかに記載の管用ねじ継手。
（７）　前記雄ねじ部と前記雌ねじ部とは、ロードフランク角度（ｌｏａｄ　ｆｌａｎｋ）が−５度~４度の範囲内であることを特徴とする前記（１）~（６）のいずれかに記載の管用ねじ継手。
（８）　前記ショルダ部のショルダ角度（ｓｈｏｕｌｄｅｒ　ａｎｇｌｅ）が０度~２０度の範囲内であることを特徴とする前記（１）~（７）のいずれかに記載の管用ねじ継手。
（９）　前記雄ねじ部と前記雌ねじ部とは、ねじ隙間（ｔｈｒｅａｄ　ｇａｐ）が０．０１~０．１ｍｍの範囲内であることを特徴とする前記（１）~（８）のいずれかに記載の管用ねじ継手。
（１０）　前記（１）~（９）のいずれかにおいて、雄ねじ部に隣接する円筒形状部の母線に相異なる曲率半径Ｒを有する複数の円弧を順次接続した複合Ｒ曲線に代えて、雄ねじ部に隣接する円筒形状部の母線に相異なる曲率半径Ｒを有する複数の円弧を直接もしくは長さ２．５ｍｍ以下の線分を介して順次接続した複合Ｒ曲線としたことを特徴とする管用ねじ継手。
（１１）　前記（１）~（９）のいずれかにおいて、雄ねじ部に隣接する円筒形状部の母線に相異なる曲率半径Ｒを有する複数の円弧を順次接続した複合Ｒ曲線に代えて、雄ねじ部に隣接する円筒形状部の母線に相異なる曲率半径Ｒを有する複数の円弧を長さ２．５ｍｍ以下で、半径が２５０ｍｍ以上かつ隣接する円弧の半径の３倍以上となる円弧を介して順次接続した複合Ｒ曲線としたことを特徴とする管用ねじ継手。

　本発明によれば、シール性と耐圧縮性、さらには、耐ゴーリング性を向上させた、管用ねじ継手を得ることが可能となる。

本発明の実施形態に係る管用ねじ継手のノーズ部を示す断面図のピン部材３を示す。本発明の実施形態に係る管用ねじ継手のノーズ部を示す断面図のボックス部材１を示す。本発明の実施形態に係る管用ねじ継手のノーズ部を示す断面図のピン部材３とボックス部材１とを結合した状態を示す。従来の管用ねじ継手を示す断面図図２におけるピンノーズ付近を示す拡大断面図図２におけるねじ部分を示す拡大断面図ねじ隙間、ロードフランク角度、スタブフランク角度の定義を示す断面図リークテストシミュレーション（ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｅａｋ　ｔｅｓｔ）における負荷履歴（ｌｏａｄ　ｓｃｈｅｄｕｌｅ）を示すチャート図（ｆｉｇｕｒｅ）

　上述のとおり、ノーズ先端から離れた位置にシール部を設け、ノーズ部をシール部からショルダ部まで長く伸ばすことは、耐外圧性能、耐引張性能の向上とともに、ねじに対して安定的な性能を持たせる上で有効である。そこでさらに、発明者らは、シール部をノーズ先端（あるいはショルダ）から離すことができ、かつ、ピンノーズ先端の厚みが小さくなり過ぎないようにするための、シール部周辺の形状について検討した。

　その結果、ピン部材のノーズ部外周面が、ピン部材の軸方向断面視で外側に凸状の曲線をなす面形状とされ、このピン部材のノーズ部外周面と相対するボックス部材の内周面が、ボックス部材の軸方向断面視でピン部材の凸状の曲線と二点で交わるテーパ面形状とされ、前記ピン部材のノーズ部外周面とこのノーズ部外周面に相対するボックス部材の内周面（以下テーパ面ともいう）とでメタルタッチシール部が形成され、該シール部のピン部材側、ボックス部材側の各界面がそれぞれ同部材のシール面となる場合、ピン部材の凸状の曲線は、雄ねじ部に隣接する円筒形状部の母線に相異なる曲率半径Ｒを有する複数の円弧を順次接続した複合Ｒ曲線を、雄ねじ部から遠ざかるにつれて前記円弧の曲率半径Ｒが大きくなり、かつ、円弧の接続点上の接線が接続相手の円弧のそれと一致するような曲線形状としたものとすることで、ピンノーズ先端の厚みを小さくせずに、シール部をノーズ先端から離すことが可能であるとの発想に至った。

　図１（ａ）、図１（ｂ）および図１（ｃ）は、本発明の実施形態に係る管用ねじ継手のノーズ部を示す断面図であり、（ａ）はピン部材３を、（ｂ）はボックス部材１を、（ｃ）はピン部材３とボックス部材１とを結合した状態を示す。ピン部材３は、鋼管の端部に設けられるものであり、雄ねじ部７と、該雄ねじ部７より管端側に連なるノーズ部８と、該ノーズ部８の先端に設けたトルクショルダ部１２とを有する。一方、ボックス部材１は、ピン部材３の雄ねじ部７とねじ結合される雌ねじ部５と、前記ねじ結合によるピン部材３とボックス部材１との結合状態下でノーズ部８の外周面（ノーズ部外周面３０）に対向するボックス部材１の内周面であるテーパ面２０と、ショルダ部１２に当接されるショルダ部１４とを有している。

　ノーズ部外周面３０は、ピン部材３の軸方向断面視で外側に凸状の曲線をなしている。一方、ノーズ部外周面３０に対向するボックス部材１の内周面はねじ継手の軸方向に対して一定の傾角（テーパ角という）αを持つテーパ面２０（円錐形状面）とされている。そして、ピン部材３とボックス部材１とを結合させると、テーパ面２０とノーズ部外周面３０とが干渉してシール部４０を形成する。前記テーパ角αは、ピン部材３とボックス部材１との仮想的無干渉結合状態（ｉｍａｇｉｎａｒｙ　ｍａｋｅ　ｕｐ　ｓｔａｇｅ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）におけるネジ継手の軸方向断面視で前記凸状の曲線とテーパ面２０の母線とが二点で交わるように設定され、実際にはその二交点で挟まれた範囲（干渉域（ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ａｒｅａ）４０ａ）内にシール部４０は形成される。

　ノーズ部外周面３０に形成される前記凸状の曲線を、図１（ａ）に示す３つの円弧による複合Ｒ曲線の場合を用いて説明する。この曲線は、雄ねじ部７に隣接する円筒形状部の母線である線分Ｎ_０に相異なる曲率半径Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３を持つ円弧Ｎ_１，Ｎ_２，Ｎ_３を順次接続した複合Ｒ曲線Ｎであり、この複合Ｒ曲線Ｎは、雄ねじ部７から遠ざかるにつれて円弧の曲率半径が大きくなる、すなわち、Ｒ_１＜Ｒ_２＜Ｒ_３である曲線形状とされている。これによりピンノーズ８先端のショルダ部１２の厚み（ショルダ厚み）ｔを大きくとることが可能となる。比較として凸状の曲線を単一Ｒ曲線Ｍ（曲率半径Ｒの単一円弧）とし、そのシール部の干渉域を複合Ｒ曲線Ｎのシール部４０の干渉域４０ａと同等とした場合を図１（ｃ）中に破線で示したが、かかる単一Ｒ曲線Ｍでは複合Ｒ曲線Ｎの場合に比較してショルダ厚みが小さくなってしまうことがわかる。ショルダ厚みが小さくなると、ピンノーズ８の剛性が不足し、シール部４０の接触面圧（ｃｏｎｔａｃｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を適正に確保できなくなる。逆に、単一Ｒ曲線でショルダ厚みを確保しようとすると、シール部４０の位置が雄ねじ部７から遠ざかることとなり、耐外圧性能、耐引張性能の確保の観点から好ましくない。

　また、複合Ｒ曲線Ｎは、円弧の接続点上の接線が接続相手の円弧のそれと一致するような曲線形状とされている。例えば、円弧Ｎ_１とＮ_２との接続点、円弧Ｎ_２とＮ_３との接続点ではそれぞれ、接続される両円弧の接線を一致させてある。したがって、凸状の曲線は当該曲線上に屈曲点が存在しない連続的な曲線形状となり、ノーズ部の不正な変形が抑制される。尚、前記接続される両円弧同士は、直接接続してもよく、又、前記円弧同士の共通接線と重なる線分、または、角度変化を実質考えなくても良い半径が十分大きな円弧（半径が２５０ｍｍ以上、かつ、隣接する円弧の３倍以上）を介して接続してもよい。リークパスができないような接触面圧を確保するためには、上記の線分または半径が十分大きな円弧の長さは２．５ｍｍ以下とすることが好ましい。

　ここで、円弧Ｎ_１，Ｎ_２，Ｎ_３の各円弧のなす角度θ_１，θ_２，θ_３は、雄ねじ部７に近い円弧の
ものほど大きいこと、すなわち、θ_１＞θ_２＞θ_３であることが好ましい。さもないと、限られたピン部材３のノーズ部８の長さ（図１（ａ）中のピンノーズ長さＬ）あるいは限られた干渉域４０ａの長さ（シール接触長さ（ｓｅａｌ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｌｅｎｇｔｈ）という）の中で複合Ｒ曲線を設計するのが困難となる。

　さらに、複合Ｒ曲線における円弧の接続点、例えば、円弧Ｎ_１とＮ_２との接続点、及び、円弧Ｎ_２とＮ_３との接続点、のいずれかが、ボックス部材１のテーパ面２０と最初に接触する点を意味する接触開始点と一致していることが好ましい。複合Ｒ曲線内の円弧の接続点のいずれかを接触開始点にすることで、シール部の接触面圧分布には、Ｒが大きくて面圧が低く接触長が長い部位と、Ｒが小さくて面圧が高く接触長が短い部位とができ、リークパスができにくくシール性能（ｓｅａｌａｂｉｌｉｔｙ）が向上する。
　しかし、実際には、ねじ切り装置の製作公差の関係で、円弧の接続点をボックス部材のテーパ面との接触開始点と完全に一致させることは難しい場合がある。この場合、円弧の接続点における接線の傾きをボックス部材のテーパ面の傾きより最大０．５度までの範囲で小さくするとよい。実際のねじ締付においては、ピンとボックスとの半径方向の干渉に起因して、ピンの先端が先細りするような変形が起こり、締付完了時点におけるピン表面の接線の傾きは設計値より大きくなる。このため、円弧の接続点における接線の傾きがボックス部材のテーパの傾きよりも０．５度以下の範囲で小さくすれば、実質的に双方の傾きが一致するのと同様な効果がある。

　なお、接触開始点は、シール部をノーズ先端から離す観点から、雄ねじ部先端からの距離ｘ（図１（ｃ）参照）が０．７Ｌとするのが望ましい。また、上述のとおりＬはピンノーズ長さで接触開始点の雄ねじ部先端からの距離が０．２Ｌ未満となると、締め付けの際、シール部とねじ部の干渉が生じ易くなるため、０．２Ｌ以上が良い。更に安全のためには０．３Ｌ以上が良い。

　ボックス部材１のテーパ面２０のテーパ角α（図１（ｂ）参照）は１０度以内であることが好ましい。テーパ角αを１０度以内、更に好ましくは５度以内とすることで、半径方向シール方式が好適に実現でき、シール性能の締付けトルク依存性（ｍａｋｅ　ｕｐ　ｔｏｒｑｕｅ　ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ）が比較的低くなる。
　ピンノーズ長さＬ（図１（ａ）参照）は、２０ｍｍ以上であることが好ましい。これによれば、シール部がピンノーズ先端から十分離間し、その結果、この離間距離範囲内の弾性変形により、シール部へのダメージ（ｄａｍａｇｅ）をより大きく軽減できるため、シール性能の安定化に効果的である。
　シール性能が安定化するため、シール干渉量Ｓ（図１（ｃ）参照）は、半径方向シール方式としては比較的小さくとることが可能であり、ゴーリングリスク（ｇａｌｌｉｎｇ　ｔｅｎｄｅｎｃｙ）が小さい。

　なお、複合Ｒ曲線内の２種類以上のＲは、比較的小さいＲについては１インチ以下、比較的大きいＲについては２インチ以上、さらに３インチ以上にとるのが好ましい。詳しくは、複合Ｒ曲線の複数のＲのうち少なくとも１つを２インチ以上（より好ましくは３インチ以上）、残りのＲを少なくとも１つを２インチ未満（より好ましくは１インチ以下）とすることが好ましい。複合Ｒ曲線の複数のＲのうち少なくとも１つを２インチ以上（より好ましくは３インチ以上）とすることで、シール部の接触長さを確保し易くなり、残りのＲを少なくとも１つを２インチ未満（好ましくは１インチ以下）とすることで、高い面圧を達成し易くなる。

　また、複合Ｒ曲線内の円弧の個数（相異なるＲを持つ円弧の個数）は、２個でもよく、図１（ａ）に例示した３個でもよく、あるいは４個以上でもよい。円弧の個数が増えるとシール接触長さがより大きくなり、よりシール性能を向上させやすいが、実際の製造における負荷や寸法確認などの手間が増えたりもするから、円弧の個数は実際にねじ継手に要求される性能に応じて設計するのがよい。
　さらに、上記接触開始点におけるピン部材の断面積を、継手を先端に形成させるパイプの本体の断面積（ピン未加工部断面積）の３５％以上とすることがよい。このようなピンの断面積とすることで、ピン部材の接触開始点における剛性が増し、特に高い耐外圧性能が得られ易くなる。なお、好ましくは、接触開始点におけるピン部材の断面積をパイプ本体の断面積の４０％以上とするとよい。

　上記のシール部周辺の形状限定に加えて、雄ねじ部と雌ねじ部とについて、ロードフランク角度、スタブフランク角度、ねじ隙間のいずれか１種又は２種以上を好適範囲に規定することで、それらの組み合わせ効果によって、よりシール性能が全体的に向上することが確認された。ここで、ロードフランク角度は、図５に示すロードフランク角度β、すなわち、ロードフランク面１８が継手軸直交面（ねじ継手の軸方向と直交する面の意。以下同じ）に対してなす角度βである。また、スタブフランク角度は、図５に示すスタブフランク角度γ、すなわち、スタブフランク面１９が継手軸直交面に対してなす角度γである。また、ねじ隙間は、図５に示すねじ隙間Ｇ、すなわち、雄ねじのねじ山７ａとこれに噛み合う雌ねじのねじ溝５ａとの隙間Ｇである。

　ロードフランク角度βの好適範囲は−５度~４度であり、該好適範囲の下限はねじ部の耐ゴーリング性と工具寿命の観点から、上限は耐曲げ性の観点から、それぞれ定められた。
　スタブフランク角度γの好適範囲は０度~３０度であり、該好適範囲の下限はねじ部の耐ゴーリング性と工具寿命（ｔｏｏｌ　ｌｉｆｅ）、締め付け性の観点から、上限は耐軸圧縮性の観点から、それぞれ定められた。

　ねじ隙間Ｇの好適範囲は０．０１~０．１ｍｍであり、該好適範囲の下限はゴーリングリスクを軽減する観点から、上限は軸圧縮負荷時にピン先端の負担を軽減させる観点から、それぞれ定められた。なお、ねじ切り（ｔｈｒｅａｄｉｎｇ）時のリード（ｌｅａｄ）の誤差を考慮すると、ねじ隙間Ｇは小さくとも０．０３ｍｍ程度が好ましい。また、ねじ隙間Ｇは０．０４５ｍｍ程度で十分な性能を効果的に発揮できることを見出したので、状況に応じて０．０４５ｍｍ程度としてもよい。

　ロードフランク角度、スタブフランク角度、ねじ隙間の１種又は２種以上を上記のとおりに規定することによるシール性能の全体的向上効果は、特に、一旦軸圧縮を負荷した後の軸引張＋内圧もしくは外圧を負荷する条件下で顕著である。
　また、ショルダ部のショルダ角度（ショルダ部の継手軸方向の端面が継手軸直交面に対してなす角度であり、当該界面のピン外周側がピン内周側からみて継手軸方向外側に張り出す場合を正の角度とする）は、０度~２０度であることが好ましい。ショルダ角度が０度未満ではシール性能や、締め付け特性の点で不利となり、一方、２０度超ではボックスショルダ部の塑性変形や、シール部の局所変形（ｌｏｃａｌ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ）が発生し易いという点で不利となる。好ましくは１５度以下が良い。更に状況に応じては、７度以下が好ましい。

　発明例として、図１（ａ）に示した、あるいは図１（ａ）において複合Ｒ曲線の円弧のいずれか２つを線分を介して接続した形態とした、本発明に係る管用ねじ継手について評価を実施した。本発明の実施例および比較例の寸法形状と評価結果を表１および表２に示す。ピン部材は、いずれも外径２４４．４８ｍｍ、肉厚１３．８４ｍｍの鋼管の先端に形成させた。また、ねじは５ＴＰＩ（１インチあたりのねじ山数が５つ）で形成させた。ＦＥＭ解析による評価として、ＩＳＯ１３６７９：２００２に準拠したリークテストをシミュレートし、この際のシール部での接触面積圧（ｋｓｉ・ｉｎｃｈ）を評価した。なお、接触面積圧は接触面圧をシール接触領域にて積分計算することにより求める。このリークテストは、管用ねじ継手に対し、素材の降伏条件の９５％に対応した２軸応力と内圧、および、ＩＳＯ１０４００：２００７に記載のＣｏｌｌａｐｓｅ条件に対応した２軸応力あるいは素材の降伏条件の９５％に対応した２軸応力のうちの小さい方の２軸応力と外圧に基づく負荷試験を実施するものであり、図６に示す履歴で負荷させるものである。

　また、ねじ締付け時のゴーリングリスクを表す指標として、締付け開始から完了までのシール部の軸方向各位置における摺動距離（ｓｌｉｄｉｎｇ　ｄｉｓｔａｎｃｅ）（ｉｎｃｈ）と接触面圧（ｐｓｉ）との積で定義した、ゴーリング指標（ｇａｌｌｉｎｇ　ｉｎｄｅｘ）（ｐｓｉ・ｉｎｃｈ）＝接触面圧×摺動距離、の値をＦＥＭ解析により求めた。これも積分計算（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）で求める。ゴーリング指標が小さいほどゴーリングリスクは小さいといえる。
　また、比較として、
・比較例１，３，４：ピンノーズ８の外周面の母線を単一のＲを有する凸状の曲線（図１（ｃ）に破線で示した単一Ｒ曲線Ｍ）形状とした場合、
・比較例２：ピンノーズ８の外周面の母線を複合Ｒ曲線としたが、円弧のＲが雄ねじ部７から遠ざかるほど大きくなるという要件を満たさないとした場合、
について、同様に接触面積圧およびゴーリング指標を求めた。
　さらに、これらの発明例および比較例について、ＩＳＯ１３６７９：２００２に規定された試験方法にて、ねじ干渉量を直径あたり０．３０５ｍｍとして、シール干渉量の異なる複数のサンプルを作製し、物理テストを実施した。また、ねじ干渉量を直径あたり０．１２７ｍｍとしてシール干渉量を変更した複数のサンプルを作製し、１３回繰り返し締付試験を実施した。これらの試験により、物理テストでリークの発生しなかった最小シール干渉量および繰り返し締付試験で１３回の締付の間にゴーリングの発生しなかった最大シール干渉量を求め、その差をもって設定可能シール干渉量範囲とした。

　発明例および比較例について、ねじ継手の各部寸法と併せて、ＦＥＭ計算で求めた接触面積圧およびゴーリング指標と、実際の物理テストおよび繰り返し締付試験により求めた最大および最小シール干渉量を表１に示す。ここで、表１および表２中のシール干渉量は直径あたりの値であり、図１（ｃ）に示したシール干渉量Ｓ×２に相当する値である。　なお、ＦＥＭ計算における内圧条件での接触面積圧は、いずれの例も図６の履歴中のロードステップ（ｌｏａｄ　ｓｔｅｐ）＿Ｌ３、Ｌ１８近傍（２軸引張応力＋内圧）において極小値（最もリークが起こり易い状態に相当）を示した。このロードポイント（ｌｏａｄ　ｐｏｉｎｔ）は、ＩＳＯ１３６７９では規定が無いものであるが、内圧＋引張り条件では、最も厳しい条件であり、必要とされることもあるため、ここでの比較とした。
　一方、ＦＥＭ計算における外圧条件での接触面積圧は、いずれの例も図６の履歴中のロードステップＬ１５近傍（２軸引張応力＋外圧）で極小値を示した。表１および表２には各例の接触面積圧の極小値を相対極小値で表示した。ここで、内圧はガスで負荷し外圧は水で負荷するためにリークのしやすさが異なっており、内圧条件および外圧条件のそれぞれの極小値を基準として相対極少値を求めた。すなわち、Ｌ３とＬ１８の極少値は、Ｌ３およびＬ１８についての全例の中で最小の極小値を１００とし、他はこれに対する比で表した。また、Ｌ１５の極小値は、Ｌ１５についての全例の中で最小の極小値を１００とし、他はこれに対する比で表した。
　一度、圧縮履歴を受けた後であるロードステップＬ１８は、圧縮履歴を受ける前の同じロードポイントであるロードステップＬ３よりシール性能が低下しており、特に十分なショルダ厚を有さない比較例３にて顕著な低下が見られる。いずれの結果においても、本発明例は圧縮履歴後のＬ１８にて良好なシール性を示した。
　また、ゴーリング指標は、極大値（ｍａｘｉｍｕｍ　ｖａｌｕｅ）（最もゴーリングリスクが高い状態に相当）を示す継手軸方向位置が例ごとに異なった。表１および表２には各例のゴーリング指標の極大値を相対極大値（ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｖａｌｕｅ）（全例の中で最大の極大値を１００とし、他はこれに対する比で表したもの）で表示した。
　他サイズでの評価結果を表３に示す。対象材は外径１３９．７ｍｍ、肉厚７．７２ｍｍ、５ＴＰＩ、および、外径３４６．０８ｍｍ、肉厚１５．８８ｍｍ、４ＴＰＩである。いずれのサイズにおいても、本発明例は圧縮履歴後の優れたシール性、および、締付け時の優れた耐ゴーリング性を示した。　［００３４］

　表１、表２および表３に示した評価結果より、発明例ではいずれも、比較例に比べ、接触面積圧（ｃｏｎｔａｃｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ａｒｅａ）が高いにもかかわらずゴーリング指標が小さいか同程度であり、また、設定可能シール干渉量範囲が広く、シール性および耐ゴーリング性に優れたねじ継手が実現したことがわかる。

１　ボックス部材
３　ピン（ピン部材）
５　雌ねじ（雌ねじ部）
５ａ　雌ねじのねじ溝
７　雄ねじ（雄ねじ部）
７ａ　雄ねじのねじ山
８　ノーズ部（ピンノーズ）
１１、１３、４０　シール部（詳しくはメタルタッチシール部）
１２、１４　ショルダ部（詳しくはトルクショルダ部）
１８　ロードフランク面
１９　スタブフランク面
２０　ピン部材のノーズ部外周面に相対するボックス部材の内周面（テーパ面）
３０　ピン部材のノーズ部外周面（ピンノーズ外周面）
４０ａ　干渉域

Claims

　雄ねじ部と、該雄ねじ部より管端側に延在するノーズ部と、該ノーズ部の先端に設けられたショルダ部とを有するピン部材と、
前記雄ねじ部とねじ結合される雌ねじ部と、前記ピン部材のノーズ部外周面に相対する内周面と、前記ピン部材のショルダ部に当接するショルダ部とを有するボックス部材とを有し、
前記ねじ結合により前記ピン部材とボックス部材とが結合されてピン部材のノーズ部外周面とボックス部材の前記内周面とがメタル‐メタル接触しその接触界面がシール面をなす管用ねじ継手であって、
前記ピン部材のノーズ部外周面は、ピン部材の軸方向断面視で外側に凸状の曲線をなし、該凸状の曲線は、雄ねじ部に隣接する円筒形状部の母線に相異なる曲率半径Ｒを有する外側に凸状の複数の円弧を順次接続してなる複合Ｒ曲線を、雄ねじ部から遠ざかるにつれて円弧の曲率半径Ｒが大きくなり、かつ、円弧の接続点上の接線が接続相手の円弧のそれと一致するような曲線形状としたものであり、前記ボックス部材の前記内周面は、ピン部材との結合時にピン部材のノーズ部外周面と干渉するテーパ面とした管用ねじ継手。
　前記複合Ｒ曲線内の各円弧がなす角度は、前記雄ねじ部に近い円弧のものほど大きい請求項１に記載の管用ねじ継手。
　前記複合Ｒ曲線内の前記接続点のいずれかが前記テーパ面の接触開始点になる請求項１又は２に記載の管用ねじ継手。
　前記テーパ面は、継手の軸方向となす角度が１０度以内である請求項１~３のいずれかに記載の管用ねじ継手。
　前記ピン部材のノーズ部の長さが２０ｍｍ以上である請求項１~４のいずれかに記載の管用ねじ継手。
　前記雄ねじ部と前記雌ねじ部とは、スタブフランク角度が０度~３０度の範囲内である請求項１~５のいずれかに記載の管用ねじ継手。
　前記雄ねじ部と前記雌ねじ部とは、ロードフランク角度が−５度~４度の範囲内である請求項１~６のいずれかに記載の管用ねじ継手。
　前記ショルダ部のショルダ角度が０度~２０度の範囲内である請求項１~７のいずれかに記載の管用ねじ継手。
　前記雄ねじ部と前記雌ねじ部とは、ねじ隙間が０．０１~０．１ｍｍの範囲内である請求項１~８のいずれかに記載の管用ねじ継手。
　請求項１~９のいずれかにおいて、雄ねじ部に隣接する円筒形状部の母線に相異なる曲率半径Ｒを有する複数の円弧を順次接続した複合Ｒ曲線に代えて、雄ねじ部に隣接する円筒形状部の母線に相異なる曲率半径Ｒを有する複数の円弧を直接もしくは長さ２．５ｍｍ以下の線分を介して順次接続した複合Ｒ曲線とした管用ねじ継手。
　請求項１~９のいずれかにおいて、雄ねじ部に隣接する円筒形状部の母線に相異なる曲率半径Ｒを有する複数の円弧を順次接続した複合Ｒ曲線に代えて、雄ねじ部に隣接する円筒形状部の母線に相異なる曲率半径Ｒを有する複数の円弧を長さ２．５ｍｍ以下で、半径が２５０ｍｍ以上かつ隣接する円弧の半径の３倍以上となる円弧を介して順次接続した複合Ｒ曲線とした管用ねじ継手。