WO2014045973A1 - 鋼管用ねじ継手 - Google Patents

鋼管用ねじ継手 Download PDF

Info

Publication number
WO2014045973A1
WO2014045973A1 PCT/JP2013/074562 JP2013074562W WO2014045973A1 WO 2014045973 A1 WO2014045973 A1 WO 2014045973A1 JP 2013074562 W JP2013074562 W JP 2013074562W WO 2014045973 A1 WO2014045973 A1 WO 2014045973A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
box
pin
seal
fastening
threaded joint
Prior art date
Application number
PCT/JP2013/074562
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
洋介 奥
山本　達也
正明 杉野
ラッセル エルダー
Original Assignee
新日鐵住金株式会社
バローレック・オイル・アンド・ガス・フランス
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 新日鐵住金株式会社, バローレック・オイル・アンド・ガス・フランス filed Critical 新日鐵住金株式会社
Priority to CA2885233A priority Critical patent/CA2885233C/en
Priority to MYPI2015700842A priority patent/MY183842A/en
Priority to EA201590042A priority patent/EA030268B1/ru
Priority to BR112015005736-5A priority patent/BR112015005736B1/pt
Priority to IN1478DEN2015 priority patent/IN2015DN01478A/en
Priority to AU2013319233A priority patent/AU2013319233B2/en
Priority to JP2014536785A priority patent/JP5678241B2/ja
Priority to EP13838729.5A priority patent/EP2899440B1/en
Priority to CN201380043220.6A priority patent/CN104583662B/zh
Priority to MX2015003383A priority patent/MX363866B/es
Priority to US14/424,158 priority patent/US10077612B2/en
Priority to PL13838729T priority patent/PL2899440T3/pl
Priority to UAA201500247A priority patent/UA110896C2/uk
Publication of WO2014045973A1 publication Critical patent/WO2014045973A1/ja

Links

Images

Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/02—Couplings; joints
    • E21B17/04—Couplings; joints between rod or the like and bit or between rod and rod or the like
    • E21B17/042—Threaded
    • E21B17/0423—Threaded with plural threaded sections, e.g. with two-step threads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L15/00—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints
    • F16L15/001—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints with conical threads
    • F16L15/002—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints with conical threads with more then one threaded section
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L15/00—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints
    • F16L15/06—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints characterised by the shape of the screw-thread

Definitions

  • the present invention relates to a threaded joint for steel pipes.
  • steel pipes such as oil well pipes are used.
  • Steel pipes such as oil well pipes are usually connected by threaded joints. Screw joints are roughly classified into two types.
  • One method is a coupling method.
  • two steel pipes provided with male screw members (pins) at both ends and a short pipe called a coupling provided with female screw members (boxes) at both ends are connected.
  • Another method is an integral method. In the integral system, a pin is provided at one end of the steel pipe and a box is provided at the other end, and the two steel pipes are directly connected without using a coupling.
  • Threaded joints for oil well pipes include thread joints of the American Petroleum Institute standard, so-called API joints.
  • API joints there are premium joints with improved performance to withstand harsh environments.
  • Many premium joints have a screw structure necessary for connecting steel pipes and a sealing mechanism that is responsible for sealing performance of gas and liquid.
  • a rotationally symmetric threadless surface is provided on the outer surface of the pin and the inner surface of the box, and these seal surfaces are fitted.
  • a metal touch seal is widely used as a sealing mechanism.
  • the outer diameter of the pin is set slightly larger than the inner diameter of the box (this difference in diameter is referred to as “seal interference amount”).
  • an elastic recovery force is generated to return the original diameter between the expanded box and the reduced diameter pin by engaging the pin and the box and causing interference in the radial direction.
  • the sealing surface can be closely adhered.
  • sealing performance can be improved if the amount of seal interference is set large.
  • the seal interference amount is set excessively large, the seal surface will be seized during the fastening process of the threaded joint.
  • the sealing performance and seizure resistance of the threaded joint are in a contradictory relationship.
  • seizure is likely to occur, and it is difficult to achieve both sealing performance and seizure resistance.
  • Patent Documents 1 and 2 disclose prior arts for improving a lubricating coating.
  • Patent Document 1 discloses a technique for forming an oxalic acid-treated underlayer on each surface of a screw portion and a seal surface, and forming a resin film layer in which molybdenum disulfide or tungsten disulfide is dispersed thereon.
  • Patent Document 2 discloses a technique in which a porous zinc or zinc alloy underlayer is formed on each surface of a threaded portion and a sealing surface, and a solid lubricating coating or a liquid lubricating coating containing no heavy metal is formed thereon. Yes. Both techniques aim to improve seizure resistance.
  • Threaded joints in which the above-mentioned lubricating coating or surface treatment coating is formed on the surface of each threaded portion and seal surface often require attention when handling the lubricating coating or surface treatment coating. For this reason, it is easy to generate
  • Patent Document 3 discloses a technique for devising the shape of the seal surface. Specifically, the box seal surface is a taper surface and the pin seal surface is a curvature surface, and the seal surfaces are brought into contact with each other in a relatively narrow range to improve the sealing performance by increasing the local contact pressure. Technology is disclosed.
  • Patent Document 4 discloses a technique for forming two sealing surfaces on an integral-type threaded joint. Specifically, one seal surface is brought into contact with both a pin as a taper surface and a box as a curvature surface. The other sealing surface is in the opposite relationship, that is, the box is a tapered surface and the pin is a curved surface so that they are brought into contact with each other.
  • Patent Document 5 discloses a technique in which both a pin and a box have a curvature surface. According to the techniques disclosed in Patent Documents 3 to 5, if the amount of seal interference is the same, a high local contact pressure can be obtained, so that high sealing performance can be obtained. Moreover, since the sealing contact portion is formed by the contact between the tapered surface and the curvature surface, stable sealing performance can be obtained.
  • Patent Document 6 discloses a technique for improving the seizure resistance performance by bringing both seal surfaces of the pin and the box into contact with each other as a tapered surface.
  • tapered surfaces that are sealing surfaces come into contact with each other with a wide contact width in the process of screwing and fastening the threaded joint. For this reason, the average contact pressure between seal surfaces can be suppressed low, and seizure hardly occurs.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a threaded joint for steel pipes that stably combines high seizure resistance and sealing performance.
  • a threaded joint for steel pipes includes a male thread portion formed of a two-stage screw, a tapered surface formed at an intermediate portion of the two-stage screw, and a curvature surface adjacent to the tapered surface.
  • a pin having a sealing surface including: a female screw portion formed by a two-step screw; and a sealing surface formed at an intermediate portion of the two-step screw and including a tapered surface and a curved surface adjacent to the tapered surface.
  • a taper angle of the taper surface of the pin and a taper angle of the taper surface of the box are substantially the same, and the male screw portion and the female screw portion are fastened by screwing, and this fastening While the seal surface of the pin and the seal surface of the box are in contact with each other in the process, the pin and the box interfere with each other in the radial direction so that at least a part of the mutual seal surface closely adheres over the entire circumference.
  • a contact pressure amplifying mechanism is provided that increases the contact pressure between the seal surface of the pin and the seal surface of the box when the fastening is completed as compared to a point in the middle of the fastening.
  • the curvature surface of the pin is formed on the side opposite to the tip side of the pin, and the curvature surface of the box is opposite to the tip side of the box It may be formed on the side.
  • the curvature surface of the pin is formed adjacent to both sides of the taper surface of the pin, and the length of the taper surface of the box is the length of the pin It may be longer than the length of the sealing surface.
  • the curvature surface of the box is formed adjacent to both sides of the taper surface of the box, and the length of the taper surface of the pin is It may be longer than the length of the sealing surface.
  • a peak contact pressure may be generated at a contact portion between the curvature surface and the tapered surface.
  • the contact pressure amplification mechanism includes a wedge-shaped screw formed at a location adjacent to the seal surface of the male thread portion.
  • the contact pressure between the sealing surface of the pin and the sealing surface of the box may be increased by fastening with a wedge-shaped screw formed at a location adjacent to the sealing surface of the female screw portion.
  • the contact pressure amplification mechanism is adjacent to either the front or rear of the seal surface of the pin or the seal surface of the box.
  • the contact pressure between the sealing surface of the pin and the sealing surface of the box may be increased by a hook shoulder.
  • the male screw portion and the female screw portion may include a wedge-shaped screw.
  • FIG. 1 It is sectional drawing which shows typically the longitudinal cross-sectional shape of the threaded joint for steel pipes which concerns on one Embodiment of this invention. It is principal part sectional drawing which shows the dimension of each seal part of the pin of the threaded joint for steel pipes shown in the enclosure part X in FIG. 1, and a box. It is a schematic diagram which shows the state before the pin and box fastening in the threaded joint for steel pipes shown in FIG. It is a schematic diagram which shows the state at the time of completion of the fastening of the pin and box in the threaded joint for steel pipes shown in FIG.
  • FIG. 5A It is a schematic diagram which shows the state in the fastening process of each pin and the sealing surface of a box shown to FIG. 5A. It is a schematic diagram which shows the state at the time of completion of fastening of the sealing surface of each pin and box shown to FIG. 5A. It is a schematic diagram which shows the state before the fastening of the sealing surface of each of the pin and box which comprise the other example of the threaded joint which concerns on one Embodiment of this invention. It is a schematic diagram which shows the state in the fastening process of each pin and the sealing surface of a box shown to FIG. 6A. It is a schematic diagram which shows the state at the time of completion of fastening of the sealing surface of each pin and box shown to FIG. 6A.
  • FIG. 7A It is a schematic diagram which shows the state before the fastening of the sealing surface of each of the pin and box which comprise the other example of the threaded joint which concerns on one Embodiment of this invention. It is a schematic diagram which shows the state in the fastening process of each pin and the sealing surface of a box shown to FIG. 7A. It is a schematic diagram which shows the state at the time of completion of fastening of the sealing surface of each pin and box shown to FIG. 7A. It is a schematic diagram which shows the structural example of a wedge-shaped screw. It is a schematic diagram which shows an example at the time of providing one hook shoulder adjacent to either the front and back of the sealing surface of a pin and a box.
  • FIG. 12A is a schematic diagram showing a state before fastening of the seal surfaces 2 and 4 of the pin 1 and the box 3 according to the conventional seal shape.
  • 12B is a schematic diagram illustrating a state in the fastening process of the sealing surfaces 2 and 4 of the pin 1 and the box 3 illustrated in FIG. 12A.
  • 12C is a schematic diagram illustrating a state when the fastening of the sealing surfaces 2 and 4 of the pin 1 and the box 3 illustrated in FIG. 12A is completed.
  • the right side is the tip side of the pin 1
  • the left side is the tip side of the box 3.
  • the seal surface 4 of the box 3 includes a tapered surface 4a and curved surfaces 4b and 4c that are smoothly connected to both ends thereof.
  • the sealing surface 2 of the pin 1 is constituted by a single large curvature surface 2b.
  • the present inventors examined the contact state of the sealing surface 4 in the fastening process in detail by finite element analysis. As a result, when the sealing surface 2 of the pin 1 starts to contact, the curved surface 4c of the box 3 contacts the curved surface 2b of the pin 1, and the curved surfaces 4c and 2b contact each other with a very narrow width. It was found that the generation of high peak contact pressure was the main cause of seizure.
  • the present inventors maintain the contact between the seal surfaces 2 and 4 until the fastening is completed, and engage with other elements, for example, the screw portions of the pin 1 and the box 3 as wedge-shaped screws immediately before the completion of the fastening.
  • the contact pressure between the seal surfaces 2 and 4 is increased by abutting the hook shoulder provided adjacent to the seal surfaces 2 and 4 of the pin 1 and the box 3. It was considered that if the curvature surface and the tapered surface are brought into contact with each other at the end of the portion, a peak contact pressure with an appropriate height that exhibits sufficient sealing performance without causing seizure can be obtained.
  • the present inventors have further studied based on such an idea and satisfy the following two elements (A) and (B), and more preferably, these elements (A) and (B). In addition to the above, it has been found that the above problem can be solved by satisfying the following element (C).
  • the taper angle of the taper surface of the pin and the taper angle of the taper surface of the box are substantially the same.
  • substantially identical means that the taper angle of the taper surface of the pin and the taper angle of the taper surface of the box are the same angle, or the difference between the angles is within a range of ⁇ 0.5 °. To do.
  • a contact pressure amplifying mechanism is provided that increases the contact pressure between the seal surface of the pin and the seal surface of the box when the fastening is completed as compared to a point in the middle of the fastening.
  • examples of the contact pressure amplifying mechanism include a wedge-shaped screw applied to a screw portion, which will be described in detail later, and a hook shoulder installed adjacent to the pin and the seal surface of the box.
  • the seal surface of the pin is formed at a position separated from the end surface of the pin by a certain distance or more, and the seal surface of the box is formed at a position separated from the end surface of the box by a certain distance or more.
  • threaded joints for steel pipes made of carbon steel or sour steel but also threaded joints that tend to cause seizure, such as threaded joints for steel pipes made of high alloy steel containing 13 mass% or more of chromium, and expensive surfaces. It has been found that high seizure resistance and sealing performance can be stably obtained for threaded joints for steel pipes such as integral type threaded joints that are difficult to treat, and the present invention has been completed.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a longitudinal cross-sectional shape of the threaded joint 10.
  • the threaded joint 10 includes a pin 20 and a box 30.
  • the pin 20 has a male screw portion 21 and a seal surface 22.
  • the male screw portion 21 is formed in a spiral shape on the outer peripheral surface of the pin 20.
  • the male screw portion 21 is formed of a two-stage screw including an upper screw portion 21a and a lower screw portion 21b.
  • the seal surface 22 is formed at an intermediate portion between the upper screw portion 21a and the lower screw portion 21b.
  • the seal surface 22 is a threadless surface including a tapered surface 22 a and a curvature surface 23 formed on the outer peripheral surface of the pin 20.
  • the taper surface 22a is inclined at a predetermined angle (hereinafter referred to as a taper angle of the taper surface 22a) in the cross section of the pin 20 in the axial direction. Therefore, the tapered surface 22 a forms a truncated cone surface that is gradually reduced in diameter from the proximal end side to the distal end side of the pin 20 on the outer peripheral surface of the pin 20.
  • the taper angle of the tapered surface 22a is preferably 2 to 10 °, for example, and more preferably 3 to 7 °.
  • the curvature surface 23 includes a rear curvature surface 23a and a front curvature surface 23b formed adjacent to both sides of the tapered surface 22a.
  • the rear curvature surface 23 a and the front curvature surface 23 b are formed so as to draw an arc with a predetermined curvature in the axial cross section of the pin 20. Therefore, the curvature surface 23 forms a curvature rotator surface curved on the outer peripheral surface of the pin 20.
  • the curvature of the curvature surface 23 may be set so that a continuous curved surface is formed between the surface opposite to the taper surface 22a sandwiching the curvature surface 23 and the taper surface 22a.
  • the box 30 has a female thread portion 31 and a seal surface 32.
  • the female thread portion 31 is formed in a spiral shape on the inner peripheral surface of the box 30.
  • the female screw portion 31 is formed of a two-stage screw including an upper screw portion 31a and a lower screw portion 31b.
  • the upper screw portion 31a of the box 30 is screwed with the upper screw portion 21a of the pin 20, and the lower screw portion 31b of the box 30 is screwed with the lower screw portion 21b of the pin 20. Thereby, the external thread part 21 and the internal thread part 31 are fastened by screwing.
  • the seal surface 32 is formed at an intermediate portion between the upper screw portion 31a and the lower screw portion 31b.
  • the seal surface 32 is a threadless surface including a tapered surface 32 a and a curvature surface 33 formed on the inner peripheral surface of the box 30.
  • the tapered surface 32a is inclined at a predetermined angle (hereinafter referred to as a taper angle of the tapered surface 32a) in the cross section of the box 30 in the axial direction. Therefore, the tapered surface 32 a forms a truncated cone surface that gradually increases in diameter from the proximal end side to the distal end side of the box 30 on the inner peripheral surface of the box 30.
  • the taper angle of the tapered surface 32a is preferably 2 to 10 °, for example, and more preferably 3 to 7 °.
  • the curvature surface 33 includes a front curvature surface 33a and a rear curvature surface 33b formed adjacent to both sides of the tapered surface 32a.
  • the front curvature surface 33 a and the rear curvature surface 33 b are formed so as to draw an arc with a predetermined curvature in the axial cross section of the box 30. Therefore, the curvature surface 33 forms a curved rotating body surface that is curved on the inner peripheral surface of the box 30.
  • the curvature of the curvature surface 33 may be set so that a continuous curved surface is formed between the surface opposite to the taper surface 32a sandwiching the curvature surface 33 and the taper surface 32a.
  • the pin 20 and the box 30 interfere in the radial direction while the seal surface 22 of the pin 20 and the seal surface 32 of the box 30 are in contact with each other in the process of fastening the male screw portion 21 and the female screw portion 31.
  • a structure metal touch seal
  • at least a part of each of the seal surfaces 22 and 32 is in close contact with the entire circumference.
  • the outer diameter of the pin 20 is set to be slightly larger than the inner diameter of the box 30 (this difference in diameter is referred to as “seal interference amount”).
  • an elastic recovery force is generated between the expanded box 30 and the reduced diameter pin 20 to return to the original diameter. To do.
  • the seal surfaces 22 and 32 can be closely adhered.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the main part showing the dimensions of the pin 20 of the threaded joint 10 and the seal part of the box 30 shown in the enclosed part X in FIG.
  • reference numeral 41 indicates the radius of curvature of the rear curvature surface 23 a of the pin 20.
  • Reference numeral 42 indicates a radius of curvature of the front curvature surface 23 b of the pin 20.
  • Reference numeral 43 indicates a taper angle of the taper surface 22 a of the pin 20.
  • Reference numeral 44 indicates the diameter of the sealing surface 22 of the pin 20.
  • Reference numeral 45 indicates a taper length of the seal surface 22 of the pin 20.
  • Reference numeral 46 indicates a radius of curvature of the rear curvature surface 33 b of the box 30.
  • Reference numeral 47 indicates a radius of curvature of the front curvature surface 33 a of the box 30.
  • Reference numeral 48 denotes a taper angle of the taper surface 32 a of the box 30.
  • Reference numeral 49 indicates the diameter of the sealing surface 32 of the box 30.
  • Reference numeral 50 denotes a taper length of the sealing surface 32 of the box 30.
  • the screw joint 10 desirably satisfies the following two elements (A) and (B), and in addition to these elements (A) and (B), may satisfy the following element (C): More desirable.
  • the taper angle 43 of the taper surface 22a of the pin 20 and the taper angle 48 of the taper surface 32a of the box 30 are substantially the same.
  • substantially the same means that the taper angle 43 and the taper angle 48 are the same angle or the difference between the angles is within a range of ⁇ 0.5 °.
  • a contact pressure amplifying mechanism 40 is provided that increases the contact pressure between the seal surface 22 of the pin 20 and the seal surface 32 of the box 30 when the fastening is completed, compared to a point in the middle of the fastening.
  • examples of the contact pressure amplification mechanism 40 include a wedge-shaped screw and a hook shoulder as shown in FIGS.
  • the sealing surface 22 of the pin 20 or the sealing surface 32 of the box 30 is formed at a position away from each end surface of the pin 20 or the box 30 by a certain distance or more. That is, the seal surface 22 of the pin 20 and the seal surface 32 of the box 30 are provided in the middle between the upper screw portions 21a and 31a and the lower screw portions 21b and 31b in the case of a two-stage screw.
  • the sealing surface 22 of the pin 20 and the sealing surface 32 of the box 30 at the intermediate portion, the taper angle of the sealing surfaces 22 and 32 in the fastening process is kept constant, and uniform sealing contact can be obtained.
  • FIG. 3A is a schematic diagram illustrating a state before the pin 20 and the box 30 are fastened in the screw joint 10 illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 3B is a schematic diagram illustrating a state when the fastening of the pin 20 and the box 30 in the threaded joint 10 illustrated in FIG. 1 is completed.
  • taper surfaces 22a and 32a having substantially the same taper angles 43 and 48 are formed as the seal surfaces 22 and 32 of the pin 20 and the box 30, respectively.
  • the tapered surfaces 22a, 32a are brought into contact with each other with a wide width substantially in parallel. Thereby, the said element (A) is achieved comparatively easily.
  • the seal surface 22 is formed at the tip portion including the tip surface of the pin 20
  • the seal surface provided at the tip portion also referred to as a lip
  • the deflection angle increases.
  • the diameter of the box 30 is only expanded uniformly, and the deflection angle (taper angle 48 of the taper surface 32a of the box 30) hardly changes. That is, even if the seal surfaces 22 and 32 can be brought into substantially parallel contact at the start of contact, as the influence of the seal interference amount gradually appears with the fastening, the seal surfaces of the pin 20 and the box 30 respectively.
  • the taper angles 43 and 48 of 22 and 32 do not coincide. In this case, it becomes difficult to keep the seal surfaces 22 and 32 in contact with each other with a wide width throughout the fastening process.
  • the seal surface 22 provided at the tip of the pin 20 has sufficient rigidity on the tip side.
  • a portion may be formed to uniformly reduce the diameter of the seal surface 22 to suppress the occurrence of a deflection angle. For this purpose, it is effective to form the seal surface 22 at a position away from the end surface of the pin 20 by a certain distance or more.
  • the upper screw portion 21 a and the lower screw portion 21 b of the male screw portion 21 are formed on both sides of the seal surface 22, and the upper screw of the female screw portion 31 is formed.
  • a so-called intermediate seal structure is formed in which the portion 31 a and the lower screw portion 31 b are formed on both sides of the seal surface 32.
  • the taper surfaces 22a and 32a which are the seal surfaces 22 and 32, have a wide contact width and uniform contact, and the risk of seizure is further reduced.
  • FIG. 4A is a schematic diagram showing a state before fastening of the seal surfaces 22 and 32 of the pin 20 and the box 30 constituting an example of a threaded joint for steel pipes according to an embodiment of the present invention.
  • 4B is a schematic diagram illustrating a state in the fastening process of the seal surfaces 22 and 32 of the pin 20 and the box 30 illustrated in FIG. 4A.
  • FIG. 4C is a schematic diagram illustrating a state when the fastening of the seal surfaces 22 and 32 of the pin 20 and the box 30 illustrated in FIG. 4A is completed.
  • the length of the sealing surface 22 of the pin 20 is made shorter than the length of the tapered surface 32a of the box 30.
  • the shorter tapered surface 22a and the rear curved surface 23a and the forward curved surface 23b smoothly connected to both ends thereof are in contact with the tapered surface 32a of the box 30. To do. Thereby, the contact pressure between the seal surfaces 22 and 32 increases immediately before the completion of the fastening.
  • the peak contact where the back curvature surface 23a and the front curvature surface 23b are in contact with the tapered surface 32a and the contact pressure is higher than the other portions. Pressure can be generated.
  • this threaded joint 10 can stably reduce the seizure risk of the seal surfaces 22 and 32 and can exhibit a stable sealing performance after completion of the fastening.
  • FIG. 5A is a schematic diagram showing a state before fastening of the seal surfaces 22 and 32 of the pin 20 and the box 30 constituting another example of the threaded joint for steel pipes according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5B is a schematic view showing a state in the fastening process of the seal surfaces 22 and 32 of the pin 20 and the box 30 shown in FIG. 5A.
  • FIG. 5C is a schematic diagram showing a state when the fastening of the sealing surfaces 22 and 32 of the pin 20 and the box 30 shown in FIG. 5A is completed.
  • FIGS. 5A to 5C parts equivalent to those of the pin 20 and the box 30 constituting the threaded joint 10 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • symbol A in FIG. 5B shows distribution of the contact pressure of a fastening process.
  • Symbol B in FIG. 5C indicates the peak contact pressure at the completion of the fastening.
  • the front curvature surface 33a and the rear curvature surface 33b of the box 30 are formed on both sides of the taper surface 32a, and the length of the taper surface 22a of the pin 20 is shown.
  • 45 shows a mode in which the length of the sealing surface 32 of the box 30 is longer than 50. Also in this case, it is possible to stably reduce the seizure risk of the seal surfaces 22 and 32 and to exhibit stable sealing performance after completion of fastening.
  • FIG. 6A is a schematic diagram showing a state before fastening of the seal surfaces 22 and 32 of the pin 20 and the box 30 constituting another example of the threaded joint according to the embodiment of the present invention.
  • 6B is a schematic diagram illustrating a state in the fastening process of the seal surfaces 22 and 32 of the pin 20 and the box 30 illustrated in FIG. 6A.
  • FIG. 6C is a schematic diagram illustrating a state when the fastening of the seal surfaces 22 and 32 of the pin 20 and the box 30 illustrated in FIG. 6A is completed.
  • 6A to 6C show a mode in which the sealing surfaces 22 and 32 of both the pin 20 and the box 30 are provided with tapered surfaces 22a and 32a having substantially the same taper angles 43 and 48, respectively. Further, a mode is shown in which a front curvature surface 23b is provided on the side of the taper surface 22a of the pin 20 that is located on the tip end side of the pin 20, and a front curvature surface 33a is provided on the tip side of the box 30 of the taper surface 32a of the box 30.
  • FIG. 7A is a schematic diagram showing a state before fastening of the seal surfaces 22 and 32 of the pin 20 and the box 30 constituting another example of the threaded joint according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7B is a schematic diagram showing a state in the fastening process of the sealing surfaces 22 and 32 of the pin 20 and the box 30 shown in FIG. 7A.
  • FIG. 7C is a schematic diagram illustrating a state when the fastening of the sealing surfaces 22 and 32 of the pin 20 and the box 30 illustrated in FIG. 7A is completed.
  • FIGS. 7A to 7C show an aspect in which the sealing surfaces 22 and 32 of both the pin 20 and the box 30 are provided with tapered surfaces 22a and 32a having substantially the same taper angles 43 and 48, respectively. Further, a rear curvature surface 23a is provided on the side of the taper surface 22a of the pin 20 opposite to the front end side of the pin 20, and a rear curvature surface 33b is provided on the side of the taper surface 32a of the box 30 opposite to the front end side of the box 30. An aspect is shown.
  • 22a and 32a contact in parallel, and the peak contact pressure can be reduced without causing contact between the curvature surfaces 23 and 33 in the fastening process.
  • the contact pressure amplifying mechanism 40 is a mechanism for amplifying the contact pressure that increases the seal contact force immediately before the completion of fastening, and there are several possible mechanisms. One of them is that the screw shape of each of the male screw portion 21 and the female screw portion 31 is a wedge-shaped screw.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a configuration example of a typical wedge-shaped screw 40-1.
  • reference symbols a and a ' indicate load surfaces of the thread.
  • Symbols c and c ' indicate the thickness occupied by the screw.
  • the wedge-shaped screw 40-1 adjacent to the seal surfaces 22 and 32 is locked by caulking the slopes of the screws just before the completion of fastening, and the contact force of the seal surfaces 22 and 32 is increased. For this reason, for example, as shown by reference numeral B in FIG. 4C, a peak contact pressure is generated where the curvature surfaces 23a and 23b are in contact with the tapered surface 32a when the fastening is completed, and the contact pressure is higher than other portions. Can be made.
  • At least one wedge-shaped screw 40-1 is provided at a location adjacent to the seal surfaces 22 and 32 of the upper screw portions 21a and 31a and the lower screw portions 21b and 31b.
  • the wedge-shaped screw 40-1 is desirably formed at least 1.5 pitches adjacent to the seal surfaces 22 and 32, but the male screw portion 21 (21a, 21b) and the female screw portion 31 (31a, 31b) are all wedge-shaped.
  • the screw 40-1 is more desirable.
  • the top surface and the bottom surface of the thread are parallel to the joint axis L.
  • the height of the load surfaces a and a ′ of the screw thread is lower than the height of the insertion surfaces b and b ′, and the larger the taper angle and the wider the clearance of the top surface of the screw, the greater the load surface a, The height of a ′ is lowered.
  • the thickness range occupied by the given screw (the radial width between the pitch lines covering the top and bottom surfaces of the screw) ) It is possible to set the load surfaces a and a ′ as high as possible.
  • the force for fastening the pin 20 and the box 30 in the radial direction when the screw is engaged (that is, the force for amplifying the seal contact force immediately before fastening) is further improved. Therefore, when such a wedge-shaped screw 40-1 is used, the effect as the contact pressure amplifying mechanism 40 is further enhanced. Further, it is more desirable that the male screw portion 21 (21a, 21b) and the female screw portion 31 (31a, 31b) are taper screws and are wedge-shaped screws.
  • a hook shoulder provided adjacent to either the front or rear of the pin 20 and the seal surfaces 22 and 32 of the box 30 or both sides can be cited.
  • FIGS. 9 to 11 are schematic diagrams showing examples of hook shoulders.
  • 9 and 10 are schematic views showing a case where one hook shoulder is provided adjacent to either the front or rear of the pin 20 and the seal surfaces 22 and 32 of the box 30.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing a case where two hook shoulders are provided adjacent to the front and rear of the sealing surfaces 22 and 32 of the pin 20 and the box 30.
  • reference numeral 20 denotes a pin.
  • Reference numeral 30 denotes a box.
  • Reference numeral 22 denotes a sealing surface of the pin 20.
  • Reference numeral 24 denotes a shoulder surface of the pin 20.
  • Reference numeral 21 a indicates a male screw of the pin 20.
  • Reference numeral 32 denotes a sealing surface of the box 30.
  • Reference numeral 34 denotes a shoulder surface of the box 30.
  • Reference numeral 31 a indicates a female screw of the box 30.
  • Reference symbol T indicates tapered surfaces 22 a and 32 a on the seal surfaces 22 and 32.
  • Reference symbol R indicates a curvature surface of the seal surfaces 22 and 32.
  • the radial component of the reaction force generated by the butting of the shoulder is the seal surfaces 22, 32. Acts in the direction in which the seal is further brought into close contact, and the seal contact force can be increased.
  • Table 2 shows the results of finite element analysis.
  • Table 2 also shows the contact pressure at the completion of fastening. From Table 2, it can be seen that the peak contact pressures of Nos. 3 and 4 are about twice as large as YS and are significantly higher than those of Nos. 1 and 2 when the fastening is completed.
  • the sealing surface has a sufficient sealing performance when the fastening is completed.
  • the API test standard is repeated 3 times or more per casing, and the test is accepted if seizure does not occur.
  • the seizure resistance performance was evaluated using threaded joints having the seal shapes of numbers 1 ', 3', and 4.
  • the numbers 1 'and 3' have the same seal shape as the numbers 1 and 3, but are given different reference numerals because the sizes of the threaded joints are different. Details of the seal shape are as shown in Table 1.
  • the sample was surface-treated with sandblast for both the pin and the box, and an API standard screw compound was used as the lubricant.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Non-Disconnectible Joints And Screw-Threaded Joints (AREA)
  • Gasket Seals (AREA)
  • Earth Drilling (AREA)

Abstract

鋼管用ねじ継手は、２段ねじで形成された雄ねじ部と、この２段ねじの中間部に形成されたテーパ面および曲率面を含むシール面とを有するピンと；２段ねじで形成された雌ねじ部と、この２段ねじの中間部に形成されたテーパ面および曲率面を含むシール面とを有するボックスと；を備え、前記ピンのテーパ面のテーパ角と、前記ボックスのテーパ面のテーパ角とは実質的に同一であり、前記雄ねじ部と前記雌ねじ部との締結の過程で前記ピンのシール面と前記ボックスのシール面とが接触しながら、前記ピンと前記ボックスとが径方向に干渉することで、互いのシール面の少なくとも一部が全周にわたって密着する構造を有し、前記締結の完了時に、前記ピンのシール面と前記ボックスのシール面との接触圧を増加させる接触圧増幅機構を備える。

Description

鋼管用ねじ継手
　本発明は、鋼管用ねじ継手に関する。
本願は、２０１２年９月２１日に、日本に出願された特願２０１２－２０８６００号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　例えば、原油や天然ガス、シェールガス、メタンハイドレード等の化石燃料、さらには地下水や温泉といった気体もしくは液体状の地下資源を掘削、生産する際には、油井管等の鋼管が使用される。油井管等の鋼管は、通常、ねじ継手により接続される。ねじ継手は２つの方式に大別される。一つの方式は、カップリング方式である。カップリング方式では、両端に雄ねじ部材（ピン）を設けられた２本の鋼管と、両端に雌ねじ部材（ボックス）を設けられたカップリングと呼ばれる短管を介して接続する。もう一つの方式は、インテグラル方式である。インテグラル方式では、鋼管の一端にピンを設けるとともに他端にボックスを設け、カップリングを介さずに２本の鋼管同士を直接接続する。
　油井管用のねじ継手には、アメリカ石油協会(American Petroleum Institute)規格のねじ継手、いわゆるＡＰＩ継手と呼ばれるものがある。その他にも、より苛酷な環境に耐えることができるように性能を向上させたプレミアムジョイントがある。多くのプレミアムジョイントは、鋼管の接続に必要なねじ構造を有するとともに、気体や液体の密封性能を担う密封機構を有する。特に、高圧の流体を密封する必要がある場合には、ピンの外表面とボックスの相対する内表面とに、回転対称のねじ無し面（シール面）をそれぞれ設け、これらのシール面を嵌合させるメタルタッチシールが密封機構として広く用いられる。
　メタルタッチシールでは、ピンの外径がボックスの内径よりも僅かに大きく設定されている（この径差を「シール干渉量」という。）。メタルタッチシールでは、ピンおよびボックスを嵌合し径方向に干渉させることによって、拡径したボックスと縮径したピンとの間でそれぞれ元の径に戻ろうとする弾性回復力が発生する。この弾性回復力を利用して、シール面を緊密に密着させることができる。メタルタッチシールでは、シール干渉量を大きく設定すれば、密封性能を高めることができる。一方、シール干渉量を過剰に大きく設定すると、ねじ継手の締結過程でシール面が焼付いてしまう。
　このように、ねじ継手の密封性能と耐焼付き性能とは相反する関係にある。特にクロムやニッケル等を多量に含有する高合金鋼からなる鋼管用ねじ継手では、焼付きが発生し易いため、密封性能および耐焼付き性能の両立が難しい。
　このため、密封性能を維持しながら、換言するとシール干渉量を低減することなく、シール面の焼付きを回避する技術が多数開示されている（特許文献１～６を参照。）。
　例えば、特許文献１，２には、潤滑被膜を改良する先行技術が開示されている。具体的に、特許文献１には、ねじ部およびシール面それぞれの表面に蓚酸処理下地層を形成し、その上に二硫化モリブデンまたは二硫化タングステンを分散させた樹脂皮膜層を形成する技術が開示されている。特許文献２には、ねじ部およびシール面それぞれの表面に多孔質亜鉛ないし亜鉛合金の下地層を形成し、その上に固体潤滑被膜または重金属を含まない液状潤滑被膜を形成する技術が開示されている。いずれの技術も、耐焼付き性能の向上を図っている。
　ねじ部およびシール面それぞれの表面に、上述の潤滑被膜や表面処理被膜を形成したねじ継手は、潤滑被膜や表面処理被膜の取扱いに注意を要するものが多い。このため、油井現場への油井管の搬送途中や現場での雑な取り扱い等により、潤滑被膜や表面処理被膜が剥がれるといった不良が発生し易い。
　特許文献３には、シール面の形状を工夫する技術が開示されている。具体的には、ボックスシール面をテーパ面とするとともにピンのシール面を曲率面とし、シール面同士を比較的狭い範囲で両者を接触させて、局所接触圧を高めることによって密封性能を向上する技術が開示されている。
　特許文献４には、インテグラル方式のねじ継手に２ヶ所のシール面を形成する技術が開示されている。具体的に、一方のシール面には、ピンをテーパ面とするとともにボックスを曲率面として両者を接触させる。もう一方のシール面には、逆の関係、すなわち、ボックスをテーパ面とするとともにピンを曲率面として両者を接触させる。
　特許文献５には、ピン，ボックスともに曲率面とする技術が開示されている。特許文献３～５により開示された技術によれば、シール干渉量が同じであれば高い局所接触圧を得られるために高い密封性能が得られる。また、テーパ面と曲率面との接触により密封接触部が形成されるため、安定した密封性能が得られる。
　しかし、特許文献３～５により開示されたシール面の形状では、ねじ継手を螺合締結する過程においても、ピンおよびボックスそれぞれのシール面同士が狭い接触幅でかつ高い平均接触圧で接触しながら摺動することとなる。このため、耐焼付き性能は芳しくない。特にクロムを１３質量％以上含有する高合金鋼からなるねじ継手では、高価な表面処理を施さない限り、焼付きの発生は避けられない。
　さらに、特許文献６には、ピンおよびボックスのいずれのシール面の形状もテーパ面として両者を接触させることにより耐焼付き性能の向上を図る技術が開示されている。
日本国特開２０００－１３０６５４号公報 国際公開第０２／０５９５１９号パンフレット 米国特許出願公開第２００４／１０８７１９号明細書 米国特許第４１５３２８３号明細書 米国特許第３８５６３３７号明細書 米国特許第４７３６９６７号明細書
　特許文献６により開示された技術によれば、ねじ継手を螺合締結する過程においてシール面であるテーパ面同士が広い接触幅で接触する。このため、シール面同士の平均接触圧を低く抑制でき、焼付きが発生し難い。
　しかし、特許文献６により開示された技術では、締結完了後もシール面同士が広い接触幅で接触し続け、平均接触圧が低いままとなる。このため、この技術による密封性能には限界がある。また、シール面にかかる圧力が高圧になると密封性能が不足し、流体漏れが発生してしまうリスクがある。
　本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、高い耐焼付き性能および密封性能を安定して兼ね備える鋼管用ねじ継手を提供することを目的とする。
　本発明は、上記課題を解決して係る目的を達成するために以下の手段を採用する。すなわち、
（１）　本発明の一態様に係る鋼管用ねじ継手は、２段ねじで形成された雄ねじ部と、この２段ねじの中間部に形成された、テーパ面およびこのテーパ面に隣接する曲率面を含むシール面とを有するピンと；２段ねじで形成された雌ねじ部と、この２段ねじの中間部に形成された、テーパ面およびこのテーパ面に隣接する曲率面を含むシール面とを有するボックスと；を備え、前記ピンのテーパ面のテーパ角と、前記ボックスのテーパ面のテーパ角とは実質的に同一であり、前記雄ねじ部と前記雌ねじ部とが螺合により締結され、この締結の過程で前記ピンのシール面と前記ボックスのシール面とが接触しながら、前記ピンと前記ボックスとが径方向に干渉することで、互いのシール面の少なくとも一部が全周にわたって密着する構造を有し、更に、前記締結の途中の時点に比較して前記締結の完了時に、前記ピンのシール面と前記ボックスのシール面との接触圧を増加させる接触圧増幅機構を備える。
（２）　上記（１）に記載の鋼管用ねじ継手において、前記ピンの曲率面が、前記ピンの先端側に形成され、前記ボックスの曲率面が、前記ボックスの先端側に形成されていてもよい。
（３）　上記（１）に記載の鋼管用ねじ継手において、前記ピンの曲率面が、前記ピンの先端側と反対の側に形成され、前記ボックスの曲率面が、前記ボックスの先端側と反対の側に形成されていてもよい。
（４）　上記（１）に記載の鋼管用ねじ継手において、前記ピンの曲率面が、前記ピンのテーパ面の両側に隣接して形成され、前記ボックスのテーパ面の長さが、前記ピンのシール面の長さよりも長くてもよい。
（５）　上記（１）に記載の鋼管用ねじ継手において、前記ボックスの曲率面が、前記ボックスのテーパ面の両側に隣接して形成され、前記ピンのテーパ面の長さが、前記ボックスのシール面の長さよりも長くてもよい。
（６）　上記（１）～（５）のいずれか一つに記載の鋼管用ねじ継手において、前記締結の完了時に、前記ピンのシール面と前記ボックスのシール面との接触面のうち、前記曲率面と前記テーパ面との接触部分においてピーク接触圧を発生させてもよい。
（７）　上記（１）～（６）のいずれか一つに記載の鋼管用ねじ継手において、前記接触圧増幅機構が、前記雄ねじ部の前記シール面に隣接した箇所に形成された楔形ねじと、前記雌ねじ部の前記シール面に隣接した箇所に形成された楔形ねじとの締結によって、前記ピンのシール面と前記ボックスのシール面との接触圧を増加させてもよい。
（８）　上記（１）～（６）のいずれか一つに記載の鋼管用ねじ継手において、前記接触圧増幅機構が、前記ピンのシール面および前記ボックスのシール面の前後いずれかに隣接するフックショルダによって、前記ピンのシール面と前記ボックスのシール面との接触圧を増加させてもよい。
（９）　上記（１）～（８）のいずれか一つに記載の鋼管用ねじ継手において、前記雄ねじ部および前記雌ねじ部が、楔形ねじを含んでいてもよい。
（１０）　上記（１）～（９）のいずれか一つに記載の鋼管用ねじ継手において、ピンのテーパ面のテーパ角および前記ボックスのテーパ面のテーパ角が２～１０°であってもよい。
　上記の態様によれば、シール面の焼き付きリスクを安定して低減するとともに、締結完了後は安定した密封性能を発揮することができる鋼管用ねじ継手を提供できる。
本発明の一実施形態に係る鋼管用ねじ継手の縦断面形状を模式的に示す断面図である。 図１中の囲み部分Ｘに示す鋼管用ねじ継手のピンとボックスの各シール部の寸法を示す要部断面図である。 図１に示す鋼管用ねじ継手におけるピンとボックスの締結前の状態を示す模式図である。 図１に示す鋼管用ねじ継手におけるピンとボックスの締結完了時の状態を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る鋼管用ねじ継手の一例を構成するピン、ボックスそれぞれのシール面の締結前の状態を示す模式図である。 図４Ａに示すピン、ボックスそれぞれのシール面の締結過程での状態を示す模式図である。 図４Ａに示すピン、ボックスそれぞれのシール面の締結完了時の状態を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る鋼管用ねじ継手の他例を構成するピン、ボックスそれぞれのシール面の締結前の状態を示す模式図である。 図５Ａに示すピン、ボックスそれぞれのシール面の締結過程での状態を示す模式図である。 図５Ａに示すピン、ボックスそれぞれのシール面の締結完了時の状態を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係るねじ継手の他例を構成するピン、ボックスそれぞれのシール面の締結前の状態を示す模式図である。 図６Ａに示すピン、ボックスそれぞれのシール面の締結過程での状態を示す模式図である。 図６Ａに示すピン、ボックスそれぞれのシール面の締結完了時の状態を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係るねじ継手の他例を構成するピン、ボックスそれぞれのシール面の締結前の状態を示す模式図である。 図７Ａに示すピン、ボックスそれぞれのシール面の締結過程での状態を示す模式図である。 図７Ａに示すピン、ボックスそれぞれのシール面の締結完了時の状態を示す模式図である。 楔形ねじの構成例を示す模式図である。 ピンおよびボックスのシール面の前後いずれかに隣接してフックショルダを１つ設けた場合の一例を示す模式図である。 ピンおよびボックスのシール面の前後いずれかに隣接してフックショルダを１つ設けた場合の他例を示す模式図である。 ピンおよびボックスのシール面の前後に隣接してフックショルダを２つ設けた場合を示す模式図である。 従来のシール形状によるピン、ボックスそれぞれのシール面の締結前の状態を示す模式図である。 図１２Ａに示すピン、ボックスそれぞれのシール面の締結過程での状態を示す模式図である。 図１２Ａに示すピン、ボックスそれぞれのシール面の締結完了時の状態を示す模式図である。
　以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照しながら、詳細に説明する。
　先ず、本発明者らは、例えばクロム（Ｃｒ）を１３質量％以上含有する高合金鋼からなる鋼管用ねじ継手において、締結過程でシール面の焼付きが多発する原因を詳細に検討した。
　図１２Ａは、従来のシール形状によるピン１、ボックス３それぞれのシール面２，４の締結前の状態を示す模式図である。図１２Ｂは、図１２Ａに示すピン１、ボックス３それぞれのシール面２，４の締結過程での状態を示す模式図である。図１２Ｃは、図１２Ａに示すピン１、ボックス３それぞれのシール面２，４の締結完了時の状態を示す模式図である。なお、図１２Ａ～図１２Ｃにおいて右側がピン１における先端側であり、左側がボックス３における先端側である。以後、本明細書におけるすべての図において同様である。
　図１２Ａ～図１２Ｃに示すように、ボックス３のシール面４は、テーパ面４ａとその両端に滑らかに接続する曲率面４ｂ，４ｃとにより構成される。一方、ピン１のシール面２は、単一の大きな曲率面２ｂにより構成される。
　ボックス３に銅メッキ被膜を形成し、ねじ締結試験を行ったところ、特にボックス３の曲率面４ｃに形成された銅メッキ被膜が著しく摩耗する現象が頻発していることが判明した。この現象は、特にねじ山の断面形状がいわゆる楔形であって、締結が完了した際にねじ山の両斜面が接触して緊結されるねじ形状を有するねじ継手の場合に発生した。つまり、この現象は、締結の完了直前までは遊びが多いねじを有するねじ継手の場合に特に顕著に発生した。
　そこで、本発明者らは、ボックス３の曲率面４ｃに形成された銅メッキ被膜の摩耗の原因を調べるため、有限要素解析により締結過程のシール面４の接触状況を詳細に検討した。その結果、ピン１のシール面２が接触を開始する際に、ボックス３の曲率面４ｃがピン１の曲率面２ｂと接触し、曲率面４ｃ，２ｂ同士が極めて狭い幅で接触する線接触状態となって高いピーク接触圧が発生することが、焼付きの主な原因であることが判明した。
　また、締結完了の直前まで遊びを有するねじを用いた場合、ピン１のシール面２がボックス３のシール面４に接触を開始する際に、ピン１およびボックス３それぞれの軸芯がぶれて安定しないためにシール面２，４をこじり、焼付きがより顕著に発生することも判明した。
　以上のことから、本発明者らは、以下の（Ｉ）および（ＩＩ）の知見を得るに至った。
（Ｉ）シール面２，４の接触開始時における曲率面２ｂ，４ｃ同士の接触に起因する過大なピーク接触圧を低減できれば、シール面２，４での焼付きの発生を防止できる。
（ＩＩ）シール面２，４の接触開始時や締結過程において、曲率面２ｂ，４ｃ同士や曲率面２ｂとテーパ面４ａとが線接触するのではなく、テーパ面同士が平行に接触するように、シール面２，４の形状を適正化すれば、より広い接触幅で均一に接触させることができ、高いピーク接触圧の発生を防止できる。
　しかし、締結完了以降においてもピーク接触圧が低いままでは高い密封性能を得ることはできない。高い密封性能を得るためには、締結完了時点において高いピーク接触圧がシール面２，４に発生している必要がある。また、高いピーク接触圧を得るには、シール面２，４の曲率面２ｂ，４ｃ同士を接触させることが最も有効である。一方、締結完了直前においてはすでにシール干渉量がほぼすべて導入されている。このため、たとえ締結完了まであと僅かしか回転摺動しなかったとしても、曲率面２ｂ，４ｃ同士の接触に切り替わる際に焼付きが発生する可能性が高い。
　そこで、本発明者らは、締結完了までほぼシール面２，４同士の接触を維持しながら、締結完了直前に別の要素、例えば、ピン１およびボックス３のねじ部を楔形ねじとしてこれらを噛合させることや、ピン１およびボックス３のシール面２，４に隣接して設けたフックショルダを突き当てること等によってシール面２，４同士の接触圧を増幅し、シール面２，４同士の接触部の端部で曲率面とテーパ面の接触を生じさせれば、焼付きを発生させることなく十分な密封性能を発揮する適度の高さのピーク接触圧が得られると考えた。
　本発明者らは、このような着想に基づいてさらに検討を進め、下記２つの要素（Ａ）および要素（Ｂ）を満足すること、さらに望ましくは、これらの要素（Ａ）および要素（Ｂ）に加えて、下記の要素（Ｃ）を満足することにより上記課題を解決できることを知見した。
（Ａ）　ピンのテーパ面のテーパ角と、ボックスのテーパ面のテーパ角とは、実質的に同一である。ここで、実質的に同一であるとは、ピンのテーパ面のテーパ角とボックスのテーパ面のテーパ角とが同じ角度か、その角度の差が±０．５°の範囲に収まることを意味する。
（Ｂ）　締結の途中の時点に比較して締結の完了時に、ピンのシール面とボックスのシール面との接触圧を増加させる接触圧増幅機構を備える。ここで、接触圧増幅機構としては、後に詳しく説明するねじ部に適用される楔形ねじや、ピンおよびボックスのシール面に隣接して設置されるフックショルダが例示される。
　（Ｃ）ピンのシール面は、ピンの端面から一定距離以上離れた位置に形成されるとともに、ボックスのシール面は、ボックスの端面から一定距離以上離れた位置に形成される。
　以上の知見から、上記の要素（Ａ）～（Ｃ）を満足することによって、炭素鋼やクロムを１３質量％以上含有する高合金鋼からなる鋼管用ねじ継手の締結過程において、高い耐焼付き性能および密封性能が安定して得られることを見出した。
　また、炭素鋼やサワー鋼からなる鋼管用ねじ継手のみならず、クロムを１３質量％以上含有する高合金鋼からなる鋼管用ねじ継手のような焼付きの発生し易いねじ継手や、高価な表面処理を施すことが困難なインテグラル方式のねじ継手などの鋼管用ねじ継手に対して、高い耐焼付き性能および密封性能が安定して得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
　次に、本発明の一実施形態に係る鋼管用ねじ継手（以下、単に「ねじ継手」という。）１０が適用されたプレミアムジョイントの一例について説明する。
　図１は、ねじ継手１０の縦断面形状を模式的に示す断面図である。
　図１に示すように、ねじ継手１０は、ピン２０と、ボックス３０とを備える。
　ピン２０は、雄ねじ部２１と、シール面２２とを有する。雄ねじ部２１は、ピン２０の外周面に螺旋状に形成されている。雄ねじ部２１は、上段ねじ部２１ａと下段ねじ部２１ｂとを含む２段ねじで形成されている。
　シール面２２は、上段ねじ部２１ａと下段ねじ部２１ｂとの間の中間部に形成されている。シール面２２は、ピン２０の外周面に形成されたテーパ面２２ａと曲率面２３とを含むねじ無し面である。
テーパ面２２ａは、ピン２０の軸線方向の断面において、所定の角度（以下、テーパ面２２ａのテーパ角という。）で傾斜している。したがって、テーパ面２２ａは、ピン２０の外周面において、このピン２０の基端側から先端側に向かって漸次縮径した円錐台面を形成している。テーパ面２２ａのテーパ角は、例えば２～１０°とすることが望ましく、３～７°とすることがさらに望ましい。
　曲率面２３は、テーパ面２２ａの両側に隣接して形成された後方曲率面２３ａと前方曲率面２３ｂとを含む。後方曲率面２３ａおよび前方曲率面２３ｂは、ピン２０の軸線方向の断面において、所定の曲率で弧を描くように形成されている。したがって、曲率面２３は、ピン２０の外周面において湾曲した曲率回転体面を形成している。曲率面２３の曲率については、曲率面２３を挟んだテーパ面２２ａとは反対側の面と、テーパ面２２ａとの間で連続した曲面を形成するように、その曲率を設定すればよい。
　ボックス３０は、雌ねじ部３１と、シール面３２とを有する。雌ねじ部３１は、ボックス３０の内周面に螺旋状に形成されている。雌ねじ部３１は、上段ねじ部３１ａと下段ねじ部３１ｂとを含む２段ねじで形成されている。ボックス３０の上段ねじ部３１ａがピン２０の上段ねじ部２１ａと螺合するとともに、ボックス３０の下段ねじ部３１ｂがピン２０の下段ねじ部２１ｂと螺合する。これにより、雄ねじ部２１と雌ねじ部３１とが螺合により締結される。
　シール面３２は、上段ねじ部３１ａと下段ねじ部３１ｂとの間の中間部に形成されている。シール面３２は、ボックス３０の内周面に形成されたテーパ面３２ａと曲率面３３とを含むねじ無し面である。
テーパ面３２ａは、ボックス３０の軸線方向の断面において、所定の角度（以下、テーパ面３２ａのテーパ角という。）で傾斜している。したがって、テーパ面３２ａは、ボックス３０の内周面において、このボックス３０の基端側から先端側に向かって漸次拡径した円錐台面を形成している。テーパ面３２ａのテーパ角は、例えば２～１０°とすることが望ましく、３～７°とすることがさらに望ましい。
　曲率面３３は、テーパ面３２ａの両側に隣接して形成された前方曲率面３３ａと後方曲率面３３ｂとを含む。前方曲率面３３ａおよび後方曲率面３３ｂは、ボックス３０の軸線方向の断面において、所定の曲率で弧を描くように形成されている。したがって、曲率面３３は、ボックス３０の内周面において湾曲した曲率回転体面を形成している。曲率面３３の曲率については、曲率面３３を挟んだテーパ面３２ａとは反対側の面と、テーパ面３２ａとの間で連続した曲面を形成するように、その曲率を設定すればよい。
　ねじ継手１０では、雄ねじ部２１と雌ねじ部３１との締結の過程で、ピン２０のシール面２２とボックス３０のシール面３２とが接触しながら、ピン２０とボックス３０とが径方向に干渉することで、互いのシール面２２，３２の少なくとも一部が全周にわたって密着する構造（メタルタッチシール）が得られる。
　すなわち、このメタルタッチシールでは、ピン２０の外径がボックス３０の内径よりも僅かに大きく設定されている（この径差を「シール干渉量」という。）。メタルタッチシールでは、ピン２０およびボックス３０を嵌合し径方向に干渉させることによって、拡径したボックス３０と縮径したピン２０との間でそれぞれ元の径に戻ろうとする弾性回復力が発生する。この弾性回復力を利用して、シール面２２，３２を緊密に密着させることができる。
　図２は、図１中の囲み部分Ｘに示すねじ継手１０のピン２０とボックス３０の各シール部の寸法を示す要部断面図である。
　なお、図２中において、符号４１は、ピン２０の後方曲率面２３ａの曲率半径を示す。符号４２は、ピン２０の前方曲率面２３ｂの曲率半径を示す。符号４３は、ピン２０のテーパ面２２ａのテーパ角を示す。符号４４は、ピン２０のシール面２２の直径を示す。符号４５は、ピン２０のシール面２２のテーパ長さを示す。また、符号４６は、ボックス３０の後方曲率面３３ｂの曲率半径を示す。符号４７は、ボックス３０の前方曲率面３３ａの曲率半径を示す。符号４８は、ボックス３０のテーパ面３２ａのテーパ角を示す。符号４９は、ボックス３０のシール面３２の直径を示す。符号５０は、ボックス３０のシール面３２のテーパ長さを示す。
　ねじ継手１０は、下記２つの要素（Ａ）および要素（Ｂ）を満足することが望ましく、これらの要素（Ａ）および要素（Ｂ）に加えて、下記の要素（Ｃ）を満足することがさらに望ましい。
（Ａ）　ピン２０のテーパ面２２ａのテーパ角４３と、ボックス３０のテーパ面３２ａのテーパ角４８とは、実質的に同一である。ここで、実質的に同一であるとは、テーパ角４３とテーパ角４８とが同じ角度か、その角度の差が±０．５°の範囲に収まることを意味する。
（Ｂ）　締結の途中の時点と比較して締結の完了時に、ピン２０のシール面２２とボックス３０のシール面３２との接触圧を増加させる接触圧増幅機構４０を備える。ここで、接触圧増幅機構４０としては、後述する図８～１１に示すような楔形ねじやフックショルダが例示される。
（Ｃ）　ピン２０のシール面２２またはボックス３０のシール面３２は、ピン２０またはボックス３０のそれぞれの端面から一定距離以上離れた位置に形成される。すなわち、ピン２０のシール面２２およびボックス３０のシール面３２は、２段ねじの場合、上段ねじ部２１ａ，３１ａと下段のねじ部２１ｂ，３１ｂとの中間部に設けられる。中間部にピン２０のシール面２２およびボックス３０のシール面３２を設けることにより、締結過程におけるシール面２２,３２のテーパ角が一定に保たれ、均一なシール接触を得ることができる。
　図３Ａは、図１に示すねじ継手１０におけるピン２０とボックス３０の締結前の状態を示す模式図である。図３Ｂは、図１に示すねじ継手１０におけるピン２０とボックス３０の締結完了時の状態を示す模式図である。
　図３Ａおよび図３Ｂに示すように、ピン２０，ボックス３０それぞれのシール面２２，３２として、実質的に同一のテーパ角４３，４８を有するテーパ面２２ａ，３２ａを形成しておき、シール面２２，３２の接触開始時にテーパ面２２ａ，３２ａをほぼ平行に広い幅で接触させる。これにより、上記要素（Ａ）は比較的容易に達成される。
　しかし、ピン２０の先端面を含む先端部にシール面２２を形成すると、締結が進行するに伴ってシール干渉量によりピン２０の先端面を含む先端部（リップともいう。）に設けたシール面２２が縮径するにしたがって、たわみ角（ピン２０のテーパ面２２ａのテーパ角４３）が大きくなる。それに対し、ボックス３０は一様に拡径するのみで、たわみ角（ボックス３０のテーパ面３２ａのテーパ角４８）はほとんど変化しない。つまり、接触開始時にシール面２２，３２同士をほぼ平行に接触させることができたとしても、シール干渉量の影響が締結に伴って徐々に現れるに伴って、ピン２０，ボックス３０それぞれのシール面２２，３２のテーパ角４３，４８が一致しなくなる。この場合、締結過程を通じて広い幅でシール面２２，３２を接触させ続けることが難しくなる。
　シール干渉量の影響が現れ始めてもシール面２２，３２のテーパ角４３，４８を一致させ続けるためには、ピン２０の先端部に設けたシール面２２のさらに先端側に、十分な剛性を有する部分を形成しシール面２２を一様に縮径させ、たわみ角が生じるのを抑制するようにすればよい。このためには、ピン２０の端面から一定距離以上離れた位置にシール面２２を形成することが有効である。
　以上は、ピン２０の先端部にシール面２２を設けた場合についての説明であるが、ボックス３０の先端部にシール面３２を設けた場合にも同様のことがいえる。すなわち、ボックス３０のシール面３２のさらに先端側に十分な剛性を有する部分を形成しておけばよい。
　十分な剛性を有する部分を形成するためには、図１に示すように、雄ねじ部２１の上段ねじ部２１ａおよび下段ねじ部２１ｂをシール面２２の両側に形成するとともに、雌ねじ部３１の上段ねじ部３１ａおよび下段ねじ部３１ｂをシール面３２の両側に形成する、いわゆる中間シール構造とする。
　上記のようにすれば、締結過程においてもシール面２２，３２であるテーパ面２２ａ，３２ａ同士の広い接触幅でかつ均一な接触が維持され、焼付きのリスクがさらに低減される。
　図４Ａは、本発明の一実施形態に係る鋼管用ねじ継手の一例を構成するピン２０、ボックス３０それぞれのシール面２２，３２の締結前の状態を示す模式図である。図４Ｂは、図４Ａに示すピン２０、ボックス３０それぞれのシール面２２，３２の締結過程での状態を示す模式図である。図４Ｃは、図４Ａに示すピン２０、ボックス３０それぞれのシール面２２，３２の締結完了時の状態を示す模式図である。
　なお、図４Ａ～図４Ｃにおいて、上記ねじ継手１０を構成するピン２０およびボックス３０の各部と同等の部位については同じ符号を付すとともに、その説明を省略するものとする。また、図４Ｂ中における符号Ａは、締結過程の接触圧の分布を示す。図４Ｃ中における符号Ｂは、締結完了時のピーク接触圧を示す。
　図４Ａ～図４Ｃに示すように、ピン２０のシール面２２の長さを、ボックス３０のテーパ面３２ａの長さよりも短くする。これにより、締結の過程では、図４Ｂ中の符号Ａで示すように、テーパ面２２ａ，３２ｂ同士が平行に接触しながら、より広い接触幅で均一に接触させることができるため、高い接触圧の発生を防止するとともに、接触圧分布の変動を低く抑えることができる。
一方、締結の完了時点では、短い方のテーパ面２２ａと、その両端部に滑らかに接続している後方曲率面２３ａおよび前方曲率面２３ｂの全てが、ボックス３０のテーパ面３２ａに接触するようにする。これにより、締結完了直前にシール面２２，３２同士の接触圧が増加する。そして、締結完了時には、図４Ｃ中の符号Ｂで示すように、後方曲率面２３ａおよび前方曲率面２３ｂがテーパ面３２ａに接触している部分で、他の部分よりも接触圧が高くなるピーク接触圧を発生させることができる。
　以上のようにして、このねじ継手１０では、シール面２２，３２の焼き付きリスクを安定して低減するとともに、締結完了後は安定した密封性能を発揮することが可能である。
　次に、本発明の一実施形態に係る鋼管用ねじ継手の他例について説明する。
　図５Ａは、本発明の一実施形態に係る鋼管用ねじ継手の他例を構成するピン２０、ボックス３０それぞれのシール面２２，３２の締結前の状態を示す模式図である。図５Ｂは、図５Ａに示すピン２０、ボックス３０それぞれのシール面２２，３２の締結過程での状態を示す模式図である。図５Ｃは、図５Ａに示すピン２０、ボックス３０それぞれのシール面２２，３２の締結完了時の状態を示す模式図である。
　なお、図５Ａ～図５Ｃにおいて、上記ねじ継手１０を構成するピン２０およびボックス３０の各部と同等の部位については同じ符号を付すとともに、その説明を省略するものとする。また、図５Ｂ中における符号Ａは、締結過程の接触圧の分布を示す。図５Ｃ中における符号Ｂは、締結完了時のピーク接触圧を示す。
図５Ａ～図５Ｃは、図４Ａ～図４Ｃとは逆に、ボックス３０の前方曲率面３３ａおよび後方曲率面３３ｂがテーパ面３２ａの両側に形成されるとともに、ピン２０のテーパ面２２ａの長さ４５がボックス３０のシール面３２の長さ５０よりも長い態様を示す。この態様の場合も、シール面２２，３２の焼き付きリスクを安定して低減するとともに、締結完了後は安定した密封性能を発揮することが可能である。
　図６Ａは、本発明の一実施形態に係るねじ継手の他例を構成するピン２０、ボックス３０それぞれのシール面２２，３２の締結前の状態を示す模式図である。図６Ｂは、図６Ａに示すピン２０、ボックス３０それぞれのシール面２２，３２の締結過程での状態を示す模式図である。図６Ｃは、図６Ａに示すピン２０、ボックス３０それぞれのシール面２２，３２の締結完了時の状態を示す模式図である。
　なお、図６Ａ～図６Ｃにおいて、上記ねじ継手１０を構成するピン２０およびボックス３０の各部と同等の部位については同じ符号を付すとともに、その説明を省略するものとする。また、図６Ｂ中における符号Ａは、締結過程の接触圧の分布を示す。図６Ｃ中における符号Ｂは、締結完了時のピーク接触圧を示す。
　図６Ａ～図６Ｃは、ピン２０とボックス３０の両方のシール面２２，３２が実質的に同じテーパ角４３，４８を有するテーパ面２２ａ，３２ａを備えた態様を示す。また、ピン２０のテーパ面２２ａのピン２０の先端側に位置する側に前方曲率面２３ｂを設け、ボックス３０のテーパ面３２ａのボックス３０の先端側に前方曲率面３３ａを設けた態様を示す。この場合、ピン２０とボックス３０両方のテーパ面２２ａ，３２ａの長さ４５，５０が同じであってもシール面２２，３２の接触開始時および締結過程で広い接触幅でかつ均一な接触が維持され、焼付きのリスクが低減される。
　図７Ａは、本発明の一実施形態に係るねじ継手の他例を構成するピン２０、ボックス３０それぞれのシール面２２，３２の締結前の状態を示す模式図である。図７Ｂは、図７Ａに示すピン２０、ボックス３０それぞれのシール面２２，３２の締結過程での状態を示す模式図である。図７Ｃは、図７Ａに示すピン２０、ボックス３０それぞれのシール面２２，３２の締結完了時の状態を示す模式図である。
　なお、図７Ａ～図７Ｃにおいて、上記ねじ継手１０を構成するピン２０およびボックス３０の各部と同等の部位については同じ符号を付すとともに、その説明を省略するものとする。また、図７Ｂ中における符号Ａは、締結過程の接触圧の分布を示す。図７Ｃ中における符号Ｂは、締結完了時のピーク接触圧を示す。
　図７Ａ～図７Ｃは、ピン２０とボックス３０の両方のシール面２２，３２が実質的に同じテーパ角４３，４８を有するテーパ面２２ａ，３２ａを備えた態様を示す。また、ピン２０のテーパ面２２ａのピン２０の先端側と反対の側に後方曲率面２３ａを設け、ボックス３０のテーパ面３２ａのボックス３０の先端側と反対の側に後方曲率面３３ｂを設けた態様を示す。この場合、ピン２０とボックス３０の両方のシール面２２，３２のテーパ面２２ａ，３２ａの長さ４５，５０が同じであっても、シール面２２，３２の接触開始時および締結過程で広い接触幅でかつ均一な接触が維持され、焼付きのリスクが低減される。
　図７Ａ～図７Ｃに示す態様によれば、締結初期、すなわちシール面２２，３２の接触開始時とそれに続く締結過程ではピン２０とボックス３０のシール面２２，３２のうちテーパ角を有するテーパ面２２ａ，３２ａが平行に接触し、締結過程で曲率面２３，３３同士の接触が生じることなくピーク接触圧を低減できる。
　次に、上記ねじ継手１０が備える接触圧増幅機構４０について説明する。
接触圧増幅機構４０は、締結完了直前にシール接触力を増加させる接触圧を増幅させる機構であり、その機構についてはいくつか考えられる。その一つに雄ねじ部２１および雌ねじ部３１それぞれのねじ形状を楔形ねじとすることが挙げられる。
　図８は、代表的な楔形ねじ４０－１の構成例を示す模式図である。なお、図８中において、符号ａ，ａ’は、ねじ山の荷重面を示す。符号ｂ，ｂ’は、ねじ山の挿入面を示す。符号ｃ，ｃ’は、ねじが占有する肉厚を示す。
　接触圧増幅機構４０では、シール面２２，３２に隣接する楔形ねじ４０－１が、締結完了直前にねじの斜面同士がかしめ合うことでロッキングし、シール面２２，３２の接触力が増加する。このため、例えば図４Ｃ中の符号Ｂで示すように、締結完了時に曲率面２３ａ，２３ｂがテーパ面３２ａに接触している部分で、他の部分よりも接触圧が高くなるピーク接触圧を発生させることができる。
　楔形ねじ４０－１は、上段ねじ部２１ａ，３１ａおよび下段ねじ部２１ｂ，３１ｂのシール面２２，３２に隣接する箇所に少なくとも１つあればよい。楔形ねじ４０－１は、シール面２２，３２に隣接して少なくとも１．５ピッチ形成されることが望ましいが、雄ねじ部２１（２１ａ，２１ｂ）および雌ねじ部３１（３１ａ，３１ｂ）の全てが楔形ねじ４０－１であることがより望ましい。
　なお、図８に示す楔形ねじ４０－１は、ねじ山の頂面および底面が継手軸Ｌに対し平行になっている。この場合、ねじ山の荷重面ａ，ａ’の高さは挿入面ｂ，ｂ’の高さよりも低くなり、テーパ角が大きくなるほど、またねじの頂面のすき間が広いほど、荷重面ａ，ａ’の高さは低くなる。
　これに対し、ねじ山の頂面および底面をねじのテーパ線と並行に配置した場合、与えられたねじの占有する肉厚範囲（ねじ頂面と底面を包括するピッチライン間の半径方向の幅）いっぱいまで荷重面ａ，ａ’を高く設定することが可能である。楔形ねじ４０－１と比較すると、ねじが噛合った際にピン２０とボックス３０を径方向に緊結する力（すなわち締結直前にシール接触力を増幅させる力）がさらに向上する。従って、このような楔形ねじ４０－１を用いると接触圧増幅機構４０としての効果はさらに高まる。また、雄ねじ部２１（２１ａ，２１ｂ）および雌ねじ部３１（３１ａ，３１ｂ）は、いずれもテーパねじであるとともに、楔形ねじであれば、さらに望ましい。
　接触圧増幅機構４０を構成する別の機構としては、例えば、ピン２０およびボックス３０のシール面２２，３２の前後いずれか、または両側に隣接して設けられるフックショルダを挙げることができる。
　図９～１１は、フックショルダの例を示す模式図である。このうち、図９，１０は、ピン２０およびボックス３０のシール面２２，３２の前後いずれかに隣接してフックショルダを１つ設けた場合を示す模式図である。一方、図１１は、ピン２０およびボックス３０のシール面２２，３２の前後に隣接してフックショルダを２つ設けた場合を示す模式図である。
　なお、図９～１１中において、符号２０はピンを示す。符号３０は、ボックスを示す。符号２２は、ピン２０のシール面を示す。符号２４は、ピン２０のショルダ面を示す。符号２１ａは、ピン２０の雄ねじを示す。符号３２は、ボックス３０のシール面を示す。符号３４は、ボックス３０のショルダ面を示す。符号３１ａは、ボックス３０の雌ねじを示す。符号Ｔは、シール面２２，３２におけるテーパ面２２ａ，３２ａを示す。符号Ｒは、シール面２２，３２における曲率面を示す。
　フックショルダ面２４，３４は、シール面２２，３２の前側または後側の一方又は双方に隣接して設けてやれば、ショルダの突き当てにより発生した反力の径方向成分がシール面２２，３２をさらに密着させる方向に作用し、シール接触力を増加させることができる。
　本実施例では、本発明の効果を実証するため、ねじ継手の上下２段のねじの中間部に表１Ａおよび表１Ｂに示す４種類のシール形状を有する鋼管用ねじ継手について、有限要素解析を行うとともに実際に締結試験を行い、シール面の耐焼付き性能および密封性能を評価した。ここで、表１Ａおよび表１Ｂには、ピンのシール形状を示す。表２には、ボックスのシール形状を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　先ず、有限要素解析の要領について説明する。供試したのは、楔形ねじを有するインテグラル型のプレミアムジョイントである。このねじ継手の諸元を表１Ａおよび表１Ｂに示す。本実施例では、ねじ継手の締結を模擬した解析を実施することにより締結初期と締結完了時のシール面の接触圧に着目した。
　番号１，３の材料については、１３Ｃｒ鋼（公称耐力ＹＳ＝７９４ＭＰａ）を使用した。番号２，４の材料については、ＡＰＩ規格の炭素鋼Ｑ１２５（公称耐力ＹＳ＝８６２ＭＰａ（１２５ｋｓｉ））を使用した。
　有限要素解析の結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表２からわかるように、締結初期では，番号３，４のシール接触幅が番号１，２に比べ増加しており、意図したシールの接触開始状態を再現できていることがわかる。また、シール面のピーク接触圧が０．３～０．６ＹＳ程度と格段に低減されている。この結果から、本発明を適用したねじ継手では、シール面が高い耐焼付き性能を有することが証明された。
　表２には、締結完了時の接触圧も併せて示す。表２から、締結完了時において番号３，４のピーク接触圧がＹＳの２倍程度と番号１，２よりも格段に増加していることがわかる。
　この結果から、本発明を適用したねじ継手では、シール面が締結完了時に十分な密封性能を有することがわかった。
　次に、実際の締結試験について説明する。この試験では、繰返し締結解体試験によりねじ継手のシール面の耐焼付き性能を評価した。
　耐焼付き性能については，ＡＰＩの試験規格ではケーシングにつき３回以上の繰返し締結／解体試験を行い、焼付きが発生しなければ合格とされている。
　表３に示すとおり、番号１’，３’，４のシール形状を有するねじ継手で耐焼付き性能を評価した。なお、番号１’，３’とはシール形状が番号１，３と同じであるものの、ねじ継手のサイズが異なるため、異なる符号を付与した。シール形状の詳細は表１に示すとおりである。
　サンプルには、ピン，ボックスともにサンドブラストで表面処理し、潤滑剤にはＡＰＩ規格のねじコンパウンドを用いた。
　繰返し締結／解体試験の結果をまとめて表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　表３に示すように、番号１’のねじ継手については、２回目の締結／解体で焼付きが発生したが、番号３’，４のねじ継手では３回以上の締結／解体でもシール面の焼付きは発生しなかったため、本発明を適用したねじ継手の方が耐焼付き性能に優れることが実証された。
１０　鋼管用ねじ継手
２０　ピン
２１　雄ねじ部
２１ａ　上段ねじ部
２１ｂ　下段ねじ部
２２　シール面
２２ａ　テーパ面
２３　曲率面
２３ａ　後方曲率面
２３ｂ　前方曲率面
３０　ボックス
３１　雌ねじ部
３１ａ　上段ねじ部
３１ｂ　下段ねじ部
３２　シール面
３２ａ　テーパ面
３３　曲率面
３３ａ　前方曲率面
３３ｂ　後方曲率面
４０　接触圧増幅機構

Claims (10)

  1. 　２段ねじで形成された雄ねじ部と、この２段ねじの中間部に形成された、テーパ面およびこのテーパ面に隣接する曲率面を含むシール面と、を有するピンと；
    　２段ねじで形成された雌ねじ部と、この２段ねじの中間部に形成された、テーパ面およびこのテーパ面に隣接する曲率面を含むシール面と、を有するボックスと；
    を備え、
    　前記ピンのテーパ面のテーパ角と、前記ボックスのテーパ面のテーパ角とは実質的に同一であり、
    　前記雄ねじ部と前記雌ねじ部とが螺合により締結され、この締結の過程で前記ピンのシール面と前記ボックスのシール面とが接触しながら、前記ピンと前記ボックスとが径方向に干渉することで、互いのシール面の少なくとも一部が全周にわたって密着する構造を有し、
    　更に、前記締結の途中の時点に比較して前記締結の完了時に、前記ピンのシール面と前記ボックスのシール面との接触圧を増加させる接触圧増幅機構を備えることを特徴とする鋼管用ねじ継手。
  2. 　前記ピンの曲率面は、前記ピンの先端側に形成され、前記ボックスの曲率面は、前記ボックスの先端側に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の鋼管用ねじ継手。
  3. 　前記ピンの曲率面は、前記ピンの先端側と反対の側に形成され、前記ボックスの曲率面は、前記ボックスの先端側と反対の側に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の鋼管用ねじ継手。
  4. 　前記ピンの曲率面は、前記ピンのテーパ面の両側に隣接して形成され、前記ボックスのテーパ面の長さは、前記ピンのシール面の長さよりも長いことを特徴とする請求項１に記載の鋼管用ねじ継手。
  5. 　前記ボックスの曲率面は、前記ボックスのテーパ面の両側に隣接して形成され、前記ピンのテーパ面の長さは、前記ボックスのシール面の長さよりも長いことを特徴とする請求項１に記載の鋼管用ねじ継手。
  6. 　前記締結の完了時に、前記ピンのシール面と前記ボックスのシール面との接触面のうち、前記曲率面と前記テーパ面との接触部分においてピーク接触圧を発生させることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の鋼管用ねじ継手。
  7. 　前記接触圧増幅機構は、前記雄ねじ部の前記シール面に隣接した箇所に形成された楔形ねじと、前記雌ねじ部の前記シール面に隣接した箇所に形成された楔形ねじとの締結によって、前記ピンのシール面と前記ボックスのシール面との接触圧を増加させることを特徴する請求項１～６のいずれか一項に記載の鋼管用ねじ継手。
  8. 　前記接触圧増幅機構は、前記ピンのシール面および前記ボックスのシール面の前後いずれかに隣接するフックショルダによって、前記ピンのシール面と前記ボックスのシール面との接触圧を増加させることを特徴する請求項１～６のいずれか一項に記載の鋼管用ねじ継手。
  9. 　前記雄ねじ部および前記雌ねじ部は、楔形ねじを含むことを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載の鋼管用ねじ継手。
  10. 　前記ピンのテーパ面のテーパ角および前記ボックスのテーパ面のテーパ角が２～１０°であることを特徴とする請求項１～９のいずれか一項に記載の鋼管用ねじ継手。
PCT/JP2013/074562 2012-09-21 2013-09-11 鋼管用ねじ継手 WO2014045973A1 (ja)

Priority Applications (13)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CA2885233A CA2885233C (en) 2012-09-21 2013-09-11 Screw joint for steel pipe
MYPI2015700842A MY183842A (en) 2012-09-21 2013-09-11 Screw joint for steel pipe
EA201590042A EA030268B1 (ru) 2012-09-21 2013-09-11 Резьбовое соединение для стальной трубы
BR112015005736-5A BR112015005736B1 (pt) 2012-09-21 2013-09-11 junta de parafuso para tubo de aço
IN1478DEN2015 IN2015DN01478A (ja) 2012-09-21 2013-09-11
AU2013319233A AU2013319233B2 (en) 2012-09-21 2013-09-11 Screw Joint for Steel Pipe
JP2014536785A JP5678241B2 (ja) 2012-09-21 2013-09-11 鋼管用ねじ継手
EP13838729.5A EP2899440B1 (en) 2012-09-21 2013-09-11 Threaded joint for steel pipe
CN201380043220.6A CN104583662B (zh) 2012-09-21 2013-09-11 钢管用螺纹接头
MX2015003383A MX363866B (es) 2012-09-21 2013-09-11 Junta de tornillo para tubería de acero.
US14/424,158 US10077612B2 (en) 2012-09-21 2013-09-11 Screw joint for steel pipe
PL13838729T PL2899440T3 (pl) 2012-09-21 2013-09-11 Połączenie gwintowane do rur stalowych
UAA201500247A UA110896C2 (uk) 2012-09-21 2013-11-09 Різьбове з'єднання для сталевої труби

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012-208600 2012-09-21
JP2012208600 2012-09-21

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014045973A1 true WO2014045973A1 (ja) 2014-03-27

Family

ID=50341287

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2013/074562 WO2014045973A1 (ja) 2012-09-21 2013-09-11 鋼管用ねじ継手

Country Status (15)

Country Link
US (1) US10077612B2 (ja)
EP (1) EP2899440B1 (ja)
JP (1) JP5678241B2 (ja)
CN (1) CN104583662B (ja)
AR (1) AR092610A1 (ja)
AU (1) AU2013319233B2 (ja)
BR (1) BR112015005736B1 (ja)
CA (1) CA2885233C (ja)
EA (1) EA030268B1 (ja)
IN (1) IN2015DN01478A (ja)
MX (1) MX363866B (ja)
MY (1) MY183842A (ja)
PL (1) PL2899440T3 (ja)
UA (1) UA110896C2 (ja)
WO (1) WO2014045973A1 (ja)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6037091B1 (ja) * 2015-03-30 2016-11-30 Ｊｆｅスチール株式会社 管ねじ継手
JP2017025643A (ja) * 2015-07-27 2017-02-02 新日鐵住金株式会社 坑井の掘削方法、その掘削方法に用いられるドリルパイプ及びツールジョイント
WO2017104282A1 (ja) * 2015-12-15 2017-06-22 新日鐵住金株式会社 鋼管用ねじ継手
WO2017145192A1 (ja) * 2016-02-23 2017-08-31 新日鐵住金株式会社 鋼管用ねじ継手
WO2021145163A1 (ja) 2020-01-17 2021-07-22 日本製鉄株式会社 管用ねじ継手

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3030668B1 (fr) * 2014-12-19 2016-12-16 Vallourec Oil & Gas France Joint filete
RU2604461C1 (ru) * 2015-08-21 2016-12-10 Открытое акционерное общество "Первоуральский новотрубный завод" Резьбовое трубное соединение
US9683684B1 (en) 2015-12-09 2017-06-20 Certus Energy Solutions, Llc Tubular coupling
US11466800B2 (en) 2015-12-09 2022-10-11 Certus Energy Solutions, Llc Tubular coupling
JP6572913B2 (ja) * 2017-01-06 2019-09-11 トヨタ自動車株式会社 高圧容器
EP3604881B1 (en) * 2017-03-31 2022-05-04 Nippon Steel Corporation Threaded connection for steel pipe
WO2018208503A1 (en) * 2017-05-12 2018-11-15 Ultra Premium Services, L.L.C. Curvilinear sealing system
BR112020006126B1 (pt) * 2017-11-09 2023-04-18 Vallourec Oil And Gas France Conexão roscada para tubo de aço
PL3798409T3 (pl) * 2019-09-24 2023-12-04 Vallourec Oil And Gas France Połączenie gwintowe obejmujące kołnierz pośredni
US10774959B1 (en) * 2019-11-18 2020-09-15 LFS Technologies, Inc. Flush joint high torque thread
EP3854987B1 (en) 2020-01-27 2023-08-02 Vallourec Oil And Gas France Self-locking threaded connection partially in non-locking engagement
EP3992418B1 (en) 2020-10-28 2023-08-02 Vallourec Oil And Gas France Self-locking threaded connection partially in non-locking engagement
US11448345B2 (en) * 2020-11-20 2022-09-20 Precision Couplings LLC Coupling
US11898666B1 (en) * 2022-08-05 2024-02-13 Saudi Arabian Oil Company High torque threaded connections with triple taper thread profiles

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS4899716A (ja) * 1972-03-31 1973-12-17
US3856337A (en) 1971-07-09 1974-12-24 Mannesmann Ag Pipe coupling
US4153283A (en) 1976-09-14 1979-05-08 Mannesmann Aktiengesellschaft Casing joint
US4736967A (en) 1986-12-04 1988-04-12 The Hydril Company Tubular pin configuration to prevent galling while ensuring sealing
JPH10148281A (ja) * 1996-11-20 1998-06-02 Kawasaki Steel Corp 鋼管ネジ継手
JP2000130654A (ja) 1998-10-28 2000-05-12 Nippon Steel Corp 耐焼付き性に優れた高クロム鋼ネジ継手
WO2002059519A1 (fr) 2001-01-25 2002-08-01 Sumitomo Metal Industries, Ltd. Joint filete pour tuyau en acier, dote d'une prehension et de resistances excellentes
US20040108719A1 (en) 2002-09-06 2004-06-10 Gabriel Carcagno Threaded tube joint
JP2007205361A (ja) * 2004-08-27 2007-08-16 Sumitomo Metal Ind Ltd 鋼管用ねじ継手

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2992019A (en) 1958-07-07 1961-07-11 Hydril Co Casing joint having metal-to-metal sealing means responsive to fluid pressure
EP0131621B1 (en) 1983-01-17 1987-09-30 Hydril Company Tubular joint with trapped mid-joint metal to metal seal
US4570982A (en) 1983-01-17 1986-02-18 Hydril Company Tubular joint with trapped mid-joint metal-to-metal seal
US4629224A (en) * 1983-04-26 1986-12-16 Hydril Company Tubular connection
US4696498A (en) * 1986-10-29 1987-09-29 Quanex Corporation Tubular connection
US5415442A (en) 1992-03-09 1995-05-16 Marubeni Tubulars, Inc. Stabilized center-shoulder-sealed tubular connection
US5462315A (en) * 1992-03-09 1995-10-31 Marubeni Tubulars, Inc. Stabilized center-shoulder-sealed tubular connection
ES2394032T3 (es) 1999-04-30 2013-01-15 Grant Prideco, Inc Conexión roscada con alta tasa de compresión
FR2800150B1 (fr) * 1999-10-21 2001-12-07 Vallourec Mannesmann Oil & Gas Joint tubulaire filette etanche a la pression exterieure
US7448650B2 (en) 2002-12-10 2008-11-11 Visual Systems, Inc. Construction for a book cover
FR2852076B1 (fr) * 2003-03-07 2005-06-10 Vallourec Mannesmann Oil & Gas Procede de realisation d'un joint filete tubulaire etanche par expansion radiale
US20060071473A1 (en) 2004-10-05 2006-04-06 Sivley Robert S Iv Helical groove for a tubular connection
US7527304B2 (en) * 2004-12-30 2009-05-05 Hydril Llc Floating wedge thread for tubular connection
US8029025B1 (en) * 2005-07-28 2011-10-04 Hydril Company Single taper wedge thread connection with mid-seal
WO2009060552A1 (en) 2007-11-08 2009-05-14 Sumitomo Metal Industries, Ltd. Threaded joint for steel pipes
MY154419A (en) * 2008-10-20 2015-06-15 Sumitomo Metal Ind Threaded joint for steel pipes
US8931809B2 (en) * 2012-09-21 2015-01-13 Vallourec Oil And Gas France Tubular threaded connection

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3856337A (en) 1971-07-09 1974-12-24 Mannesmann Ag Pipe coupling
JPS4899716A (ja) * 1972-03-31 1973-12-17
US4153283A (en) 1976-09-14 1979-05-08 Mannesmann Aktiengesellschaft Casing joint
US4736967A (en) 1986-12-04 1988-04-12 The Hydril Company Tubular pin configuration to prevent galling while ensuring sealing
JPH10148281A (ja) * 1996-11-20 1998-06-02 Kawasaki Steel Corp 鋼管ネジ継手
JP2000130654A (ja) 1998-10-28 2000-05-12 Nippon Steel Corp 耐焼付き性に優れた高クロム鋼ネジ継手
WO2002059519A1 (fr) 2001-01-25 2002-08-01 Sumitomo Metal Industries, Ltd. Joint filete pour tuyau en acier, dote d'une prehension et de resistances excellentes
US20040108719A1 (en) 2002-09-06 2004-06-10 Gabriel Carcagno Threaded tube joint
JP2007205361A (ja) * 2004-08-27 2007-08-16 Sumitomo Metal Ind Ltd 鋼管用ねじ継手

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6037091B1 (ja) * 2015-03-30 2016-11-30 Ｊｆｅスチール株式会社 管ねじ継手
JP2017025643A (ja) * 2015-07-27 2017-02-02 新日鐵住金株式会社 坑井の掘削方法、その掘削方法に用いられるドリルパイプ及びツールジョイント
WO2017104282A1 (ja) * 2015-12-15 2017-06-22 新日鐵住金株式会社 鋼管用ねじ継手
JPWO2017104282A1 (ja) * 2015-12-15 2018-05-24 新日鐵住金株式会社 鋼管用ねじ継手
AU2016373923B2 (en) * 2015-12-15 2019-08-29 Nippon Steel Corporation Threaded joint for steel pipe
EP3392543A4 (en) * 2015-12-15 2019-09-11 Nippon Steel Corporation SCREW CONNECTION FOR STEEL PIPES
EA033731B1 (ru) * 2015-12-15 2019-11-20 Nippon Steel Corp Резьбовое соединение для стальной трубы
WO2017145192A1 (ja) * 2016-02-23 2017-08-31 新日鐵住金株式会社 鋼管用ねじ継手
JPWO2017145192A1 (ja) * 2016-02-23 2018-11-08 新日鐵住金株式会社 鋼管用ねじ継手
EA033926B1 (ru) * 2016-02-23 2019-12-10 Ниппон Стил Корпорейшн Резьбовое соединение для стальных труб
WO2021145163A1 (ja) 2020-01-17 2021-07-22 日本製鉄株式会社 管用ねじ継手

Also Published As

Publication number Publication date
CN104583662B (zh) 2016-08-24
MX363866B (es) 2019-04-05
MX2015003383A (es) 2015-06-05
EA201590042A1 (ru) 2015-07-30
EA030268B1 (ru) 2018-07-31
EP2899440B1 (en) 2021-07-21
AU2013319233B2 (en) 2016-12-01
EP2899440A1 (en) 2015-07-29
MY183842A (en) 2021-03-17
AU2013319233A1 (en) 2015-04-09
IN2015DN01478A (ja) 2015-07-03
US10077612B2 (en) 2018-09-18
US20150240570A1 (en) 2015-08-27
JPWO2014045973A1 (ja) 2016-08-18
CA2885233A1 (en) 2014-03-27
UA110896C2 (uk) 2016-02-25
PL2899440T3 (pl) 2021-11-29
AR092610A1 (es) 2015-04-29
BR112015005736A2 (pt) 2017-07-04
JP5678241B2 (ja) 2015-02-25
BR112015005736B1 (pt) 2021-03-09
EP2899440A4 (en) 2016-07-13
CN104583662A (zh) 2015-04-29
CA2885233C (en) 2017-10-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5678241B2 (ja) 鋼管用ねじ継手
JP4924614B2 (ja) 管ネジ継手
CA2921411C (en) Threaded connection for steel pipe
JP5891700B2 (ja) 管のねじ継手
JP5971264B2 (ja) 極厚肉油井管用ねじ継手
JP2012506000A (ja) 鋼管用ねじ継手
JP6683738B2 (ja) 鋼管用ねじ継手
US11391399B2 (en) Threaded connection for steel pipes
JP6968197B2 (ja) 鋼管用ねじ継手
WO2015015799A1 (ja) 油井管用ねじ継手
JP5967113B2 (ja) 管のねじ継手
WO2020183860A1 (ja) ねじ継手
JP2014101983A (ja) 管用ねじ継手
JP4210013B2 (ja) 管用ネジ継手
JP2014105761A (ja) 管用ねじ継手
JP5910284B2 (ja) 鋼管用ねじ継手の皮膜形成方法および鋼管用ねじ継手製品
JP5915608B2 (ja) 耐焼付き性に優れた油井管用ねじ継手

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13838729

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2014536785

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 201590042

Country of ref document: EA

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: A201500247

Country of ref document: UA

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14424158

Country of ref document: US

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: IDP00201501389

Country of ref document: ID

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: MX/A/2015/003383

Country of ref document: MX

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2885233

Country of ref document: CA

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

REG Reference to national code

Ref country code: BR

Ref legal event code: B01A

Ref document number: 112015005736

Country of ref document: BR

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2013319233

Country of ref document: AU

Date of ref document: 20130911

Kind code of ref document: A

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 112015005736

Country of ref document: BR

Kind code of ref document: A2

Effective date: 20150316