WO2017104282A1 - 鋼管用ねじ継手 - Google Patents

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WO2017104282A1
WO2017104282A1 PCT/JP2016/082567 JP2016082567W WO2017104282A1 WO 2017104282 A1 WO2017104282 A1 WO 2017104282A1 JP 2016082567 W JP2016082567 W JP 2016082567W WO 2017104282 A1 WO2017104282 A1 WO 2017104282A1
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WO
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pin
shoulder
box
contact
shoulder surface
Prior art date
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PCT/JP2016/082567
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English (en)
French (fr)
Inventor
景太 井瀬
正明 杉野
貞男 堂内
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
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    • 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
    • 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
    • F16L15/04—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints with additional sealings
    • 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

  • This disclosure relates to a threaded joint used for connecting steel pipes.
  • Oil wells, natural gas wells, etc. use oil well pipes such as casings and tubing to mine underground resources.
  • the oil well pipe is formed by sequentially connecting steel pipes, and a threaded joint is used for the connection.
  • This type of threaded joint for steel pipes is roughly divided into a coupling type and an integral type.
  • the coupling type one of the pair of pipes to be connected is a steel pipe, and the other pipe is a coupling.
  • a male thread part is provided in the outer periphery of the both ends of a steel pipe
  • a female thread part is provided in the inner periphery of the both ends of a coupling.
  • the external thread part of a steel pipe is screwed in the internal thread part of a coupling, and both are fastened by this and are connected.
  • both of the pair of pipes to be connected are steel pipes, and no separate coupling is used.
  • a male thread part is provided in the outer periphery of the one end part of a steel pipe, and a female thread part is provided in the inner periphery of the other end part.
  • the external thread part of one steel pipe is screwed in the internal thread part of the other steel pipe, and both are fastened and connected by this.
  • the joint portion of the pipe end portion where the male screw portion is formed includes an element inserted into the female screw portion, and is therefore referred to as a pin.
  • the joint portion of the pipe end portion where the female thread portion is formed includes an element that receives the male thread portion, and is therefore referred to as a box. Since these pins and boxes are the ends of the pipe material, they are both tubular.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an example of a conventional general threaded joint for steel pipes.
  • the threaded joint shown in FIG. 1 is a coupling-type threaded joint, and includes a pin 110 and a box 120.
  • the pin 110 includes a shoulder surface 111, a seal surface 113, and a male screw portion 114 in order from the distal end side to the base side.
  • the box 120 includes a shoulder surface 121, a seal surface 123, and a female screw portion 124 in order from the base side to the tip side.
  • the shoulder surface 121, the seal surface 123, and the female thread portion 124 of the box 120 are provided corresponding to the shoulder surface 111, the seal surface 113, and the male thread portion 114 of the pin 110, respectively.
  • the male screw portion 114 of the pin 110 and the female screw portion 124 of the box 120 mesh with each other, and the screw portion constituted by these is a trapezoidal screw of a taper screw.
  • the male screw portion 114 and the female screw portion 124 can be screwed to each other, and in the fastened state, they are fitted to each other and are in close contact with each other, resulting in an interference fit state.
  • the seal surfaces 113 and 123 come into contact with each other as the pin 110 is screwed, and in a fastened state, the seal surfaces 113 and 123 are fitted and closely contacted to be in a tight fit state. Thereby, each sealing surface 113 and 123 forms the seal part by metal contact.
  • the shoulder surfaces 111 and 121 are pressed against each other as the pin 110 is screwed, and serve as a stopper that restricts the screwing of the pin 110.
  • Each shoulder surface 111, 121 plays a role of imparting a so-called screw tightening axial force to the load surface of the male thread portion 114 of the pin 110 in the fastened state.
  • the sealing performance is ensured by the fitting contact between the seal surfaces 113 and 123 in addition to the fitting contact between the male screw portion 114 and the female screw portion 124.
  • the following are conventional techniques for improving the sealing performance of threaded joints.
  • FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing an example of a conventional threaded joint for steel pipes that has improved sealing performance.
  • the threaded joint shown in FIG. 2 includes two seal portions by metal contact.
  • a shoulder surface is provided near the center in the tube axis direction (see, for example, US Pat. No. 4,662,659).
  • the pin 210 includes a first seal surface 213, a first male screw portion 214, a shoulder surface 211, a second seal surface 216, and a second seal in order from the distal end side to the base portion side.
  • a male screw portion 217 is provided.
  • the box 220 includes a first seal surface 223, a first female screw portion 224, a shoulder surface 221, a second seal surface 226, and a second female screw portion 227 in order from the base side to the end side.
  • Each of the first screw portion constituted by the first male screw portion 214 and the first female screw portion 224 and the second screw portion constituted by the second male screw portion 217 and the second female screw portion 227 is a trapezoid of a taper screw. It is a screw.
  • the tapered surface of the first threaded portion is closer to the tube axis CL than the tapered surface of the second threaded portion. This is because the shoulder surfaces 211 and 221 are installed between the first screw portion and the second screw portion.
  • the first male threaded portion 214 and the first female threaded portion 224 can be screwed together, and in the fastened state, they are fitted together and are in close contact with each other.
  • the second male screw portion 217 and the second female screw portion 227 are in an interference fit state.
  • the first seal surfaces 213 and 223 and the second seal surfaces 216 and 226 come into contact with each other as the pin 210 is screwed in, and are fitted and in close contact with each other in a fastened state.
  • the shoulder surfaces 211 and 221 are pressed against each other as the pin 210 is screwed.
  • the sealing performance against the internal pressure is mainly ensured by the fitting close contact between the first seal surfaces 213 and 223.
  • the sealing performance with respect to external pressure is mainly ensured by the fitting close contact between the second seal surfaces 216 and 226.
  • the shoulder surface 211 of the pin 210 and the shoulder surface 221 of the box 220 are in contact with each other in the fastening state.
  • the tip of the pin 210 does not contact the box 220 even when the fastening is completed.
  • there is a gap between the tip of the pin 210 and the box 220 in the fastened state there is a high possibility that crevice corrosion will occur.
  • This disclosure is intended to provide a threaded joint for steel pipes that can ensure excellent sealing performance and suppress the occurrence of crevice corrosion.
  • the threaded joint for steel pipes includes a tubular pin and a tubular box.
  • the pin is screwed into the box and the pin and the box are fastened.
  • the pin includes a first shoulder surface, a first seal surface, a first male screw portion of a taper screw, a second shoulder surface, a second seal surface, and a second male screw portion of a taper screw in order from the tip side.
  • the box includes a first shoulder surface, a first seal surface, a first seal surface, a taper corresponding to each of the first shoulder surface, the first seal surface, the first male screw portion, the second shoulder surface, the second seal surface, and the second male screw portion of the pin.
  • a first female thread portion of the screw, a second shoulder surface, a second seal surface, and a second female thread portion of the taper screw are provided.
  • the pin includes a nose portion connected to the first seal surface between the first shoulder surface and the first seal surface.
  • the pin includes an unthreaded extension connected to the second seal surface between the second shoulder surface and the second seal surface.
  • the box includes a recess corresponding to the nose portion of the pin.
  • the box includes an unthreaded extension that corresponds to the unthreaded extension of the pin. In the fastened state, the first shoulder surfaces contact each other, the first seal surfaces contact each other, the second seal surfaces contact each other, and a gap is formed between the pin nose and the box recess.
  • a gap is formed between the unthreaded extension portion of the pin and the unthreaded extension portion of the box, the first male screw portion and the first female screw portion are fitted, and the second male screw portion and the second female screw portion are fitted.
  • L pin is the distance in the tube axis direction from the first shoulder surface to the second shoulder surface in the unfastened pin
  • L is the distance in the tube axis direction from the first shoulder surface to the second shoulder surface in the unfastened box.
  • P is the thread pitch of the first male thread portion
  • ⁇ min is the lower limit value of the tightening rotation speed after the first shoulder surfaces or the second shoulder surfaces contact each other in the fastening process
  • ⁇ max is the tightening rotation.
  • the upper limit of the number, ⁇ is the amount of elongation at the time of fastening the portion of the pin that is on the tip side of the second shoulder surface.
  • the inner diameter of the pin is ID
  • the innermost diameter of the second shoulder surface of the pin is D ms
  • the outermost diameter of the first shoulder surface of the pin is Dis
  • the amount of interference ⁇ th between the first male screw portion and the first female screw portion is ⁇ is expressed using the following equations (4) and (5).
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an example of a conventional general threaded joint for steel pipes.
  • FIG. 2 is a longitudinal cross-sectional view showing an example of a conventional threaded joint for steel pipes that improves the sealing performance.
  • Drawing 3 is a longitudinal section showing typically the pin and box used for examination of the threaded joint for steel pipes concerning an embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing a simplified model of the pin and box shown in FIG.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the tightening rotation speed difference ⁇ and the intermediate shoulder interference amount ⁇ shld .
  • FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing the threaded joint for steel pipes according to the embodiment.
  • FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing the threaded joint for steel pipes according to the embodiment.
  • FIG. 7 is an enlarged longitudinal sectional view of the vicinity of the inner end in the tube axis direction in the threaded joint shown in FIG.
  • FIG. 8 is an enlarged longitudinal sectional view of the vicinity of the center in the tube axis direction in the threaded joint shown in FIG.
  • FIG. 9 is a longitudinal cross-sectional view schematically showing the pin and the box of the threaded joint shown in FIG.
  • Threaded joints having a shoulder surface near the center in the tube axis direction are generally configured so that the tip of the pin does not come into contact with the box during fastening. This is because when the shoulder surfaces are brought into contact with each other in fastening and the tip of the pin and the box are brought into contact with each other, it is difficult to manage the fastening completion position.
  • the present inventors examined a threaded joint having a shoulder surface not only near the center in the tube axis direction but also at the inner end in the tube axis direction.
  • the shoulder surface at the inner end in the tube axis direction is referred to as an inner shoulder surface or a first shoulder surface
  • the shoulder surface near the center in the tube axis direction is referred to as an intermediate shoulder surface or a second shoulder surface.
  • each pin and box has an inner shoulder surface and an intermediate shoulder surface
  • the contact between the inner shoulder surfaces and the intermediate shoulder surface are avoided during the fastening process in order to avoid applying an excessive surface pressure to each shoulder surface. It is preferable that contact with each other is started at the same time. However, due to manufacturing tolerances and the like, in reality, it is difficult to match the timing at which the inner shoulder surfaces start contact with the timing at which the intermediate shoulder surfaces start contact. In some cases, when the fastening is completed, only one of the inner shoulder surfaces and the intermediate shoulder surfaces are in contact with each other.
  • a first male screw portion is provided between the inner shoulder surface and the intermediate shoulder surface, and a second male screw portion is provided on the base side of the intermediate shoulder surface.
  • the box is provided with first and second female screw portions corresponding to the first and second male screw portions, respectively.
  • the distances in the tube axis direction between the inner shoulder surface and the intermediate shoulder surface are L pin [mm] and L box [mm], respectively, and L pin is subtracted from L box .
  • the value is defined as an intermediate shoulder interference amount ⁇ shld [mm].
  • the fastening completion position is managed based on the relationship (torque chart) between the generated torque and the fastening rotation speed. [delta] shld result too large, the plastic deformation of the intermediate shoulder surfaces and threaded portions before beginning the contact of the inside shoulder surface at the conclusion of the process occurs, not obtain a normal torque chart. In this case, the fastening completion position cannot be determined.
  • the present inventors considered the above problems and examined an appropriate range of the intermediate shoulder interference amount ⁇ shld .
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing a schematic configuration of a pin and a box used in the examination.
  • FIG. 3 shows the pin and the box in the non-fastened state.
  • ID is the inner diameter of the tube [mm]
  • D ms is innermost intermediate shoulder surface [mm]
  • D is is the outermost diameter of the inner shoulder surface [mm].
  • FIG. 4 is a diagram showing a simple model of the pin and box shown in FIG.
  • a simple model of a pin is represented by a stepped cylinder composed of a small diameter portion and a large diameter portion.
  • the small-diameter portion corresponds to a portion of the pin that is located on the tip side from the intermediate shoulder surface and is provided with the first male screw portion.
  • the outer diameter D int [mm] of the small diameter portion is defined by the following equation (4).
  • the small diameter portion extends by ⁇ [mm] in the tube axis direction at the time of fastening due to the interference fit by the interference amount ⁇ th between the first male screw portion of the pin and the first female screw portion of the box.
  • the volume V [mm 3 ] before deformation and the volume after deformation V ′ [mm 3 ] in the small diameter portion and the volume and wall thickness are constant before and after deformation, the following equations (6) to (8) holds.
  • the inner shoulder surfaces and the intermediate shoulder surfaces start to contact at the same time in the process of fastening the pin and the box.
  • ⁇ is larger than ⁇ shld
  • the inner shoulder surfaces come into contact with each other after the inner shoulder surfaces come into contact with each other in the fastening process.
  • ⁇ is smaller than ⁇ shld
  • the inner shoulder surfaces come into contact with each other after the intermediate shoulder surfaces come into contact with each other in the fastening process.
  • Equation (9) if ⁇ is positive, the intermediate shoulder surfaces contact each other first, and if ⁇ is negative, the inner shoulder surfaces contact each other first.
  • the lower limit value and upper limit value of the difference in tightening rotation speed at which sufficient sealing performance can be exhibited be ⁇ min and ⁇ max , respectively. Then, excellent in order to ensure the sealing performance, after contact with one of the shoulder faces, it is necessary to complete the engagement with delta min or more delta max following tightening speed. That is, the tightening rotation speed difference ⁇ needs to satisfy the following formula (10).
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the tightening rotation speed difference ⁇ expressed by the equation (9) and the intermediate shoulder interference amount ⁇ shld .
  • ⁇ shld is in a range indicated by hatching in FIG.
  • the present inventors have found preferable values of ⁇ min and ⁇ max and an appropriate range of ⁇ shld , and completed the threaded joint for steel pipes according to the embodiment.
  • the threaded joint for steel pipes includes a tubular pin and a tubular box.
  • the pin is screwed into the box and the pin and the box are fastened.
  • the pin includes a first shoulder surface, a first seal surface, a first male screw portion of a taper screw, a second shoulder surface, a second seal surface, and a second male screw portion of a taper screw in order from the tip side.
  • the box includes a first shoulder surface, a first seal surface, a first seal surface, a taper corresponding to each of the first shoulder surface, the first seal surface, the first male screw portion, the second shoulder surface, the second seal surface, and the second male screw portion of the pin.
  • a first female thread portion of the screw, a second shoulder surface, a second seal surface, and a second female thread portion of the taper screw are provided.
  • the pin includes a nose portion connected to the first seal surface between the first shoulder surface and the first seal surface.
  • the pin includes an unthreaded extension connected to the second seal surface between the second shoulder surface and the second seal surface.
  • the box includes a recess corresponding to the nose portion of the pin.
  • the box includes an unthreaded extension that corresponds to the unthreaded extension of the pin. In the fastened state, the first shoulder surfaces contact each other, the first seal surfaces contact each other, the second seal surfaces contact each other, and a gap is formed between the pin nose and the box recess.
  • a gap is formed between the unthreaded extension portion of the pin and the unthreaded extension portion of the box, the first male screw portion and the first female screw portion are fitted, and the second male screw portion and the second female screw portion are fitted.
  • L pin is the distance in the tube axis direction from the first shoulder surface to the second shoulder surface in the unfastened pin
  • L is the distance in the tube axis direction from the first shoulder surface to the second shoulder surface in the unfastened box.
  • P is the thread pitch of the first male thread portion
  • ⁇ min is the lower limit value of the tightening rotation speed after the first shoulder surfaces or the second shoulder surfaces contact each other in the fastening process
  • ⁇ max is the tightening rotation.
  • the upper limit of the number, ⁇ is the amount of elongation at the time of fastening the portion of the pin that is on the tip side of the second shoulder surface.
  • the inner diameter of the pin is ID
  • the innermost diameter of the second shoulder surface of the pin is D ms
  • the outermost diameter of the first shoulder surface of the pin is Dis
  • the amount of interference ⁇ th between the first male screw portion and the first female screw portion is ⁇ is expressed using the following equations (4) and (5).
  • the intermediate shoulder interference amount ⁇ shld is set so as to satisfy the expressions (2) and (3), the contact timing between the first shoulder surfaces and the contact timing between the second shoulder surfaces greatly deviate in the fastening process. There is nothing. Therefore, excessive plastic deformation is unlikely to occur on the shoulder surface that has started contact, and excellent sealing performance can be ensured.
  • FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing the threaded joint for steel pipes according to the embodiment.
  • the threaded joint is a coupling-type threaded joint and includes a pin 10 and a box 20.
  • FIG. 7 is an enlarged longitudinal sectional view of the vicinity of the tip of the pin 10 in the threaded joint shown in FIG.
  • FIG. 8 is an enlarged longitudinal sectional view of the vicinity of the center in the tube axis direction in the threaded joint shown in FIG.
  • the distal end side of the pin 10 and the base side of the box 20 may be referred to as in or front, and the base side of the pin 10 and the distal end side of the box 20 may be referred to as outside or rear.
  • the pin 10 has a first shoulder surface 11, a nose portion 12, a first seal surface 13, a first male screw portion 14, a second shoulder surface 18, a first threadless extension portion 15a, in order from the distal end side to the base side.
  • a second sealing surface 16, a second unthreaded extension 15b, and a second male thread 17 are provided. Both the first seal surface 13 and the second seal surface 16 are tapered. Strictly speaking, each of the first seal surface 13 and the second seal surface 16 has a shape composed of a surface corresponding to the peripheral surface of the truncated cone whose diameter is reduced toward the tip side, or the peripheral surface of the truncated cone, an arc, and the like. And a surface corresponding to the peripheral surface of the rotating body obtained by rotating the curve around the tube axis CL.
  • the nose portion 12 has a cylindrical shape and extends in the tube axis direction in connection with the first seal surface 13 closer to the inside.
  • the outer peripheral surface of the nose portion 12 may have the same inclination as the taper of the first seal surface 13, or may be a small (loose) or large (steep) taper surface.
  • the outer peripheral surface of the nose portion 12 is a tapered surface, strictly speaking, the outer peripheral surface has a shape composed of a surface corresponding to the peripheral surface of the truncated cone whose diameter is reduced toward the tip side, or the peripheral surface of the truncated cone
  • the shape is a combination of a surface corresponding to the peripheral surface of the rotating body obtained by rotating a curve such as an arc around the tube axis CL.
  • the first shoulder surface 11 is provided at the tip of the nose portion 12.
  • the first shoulder surface 11 is an annular surface substantially perpendicular to the tube axis CL. Strictly speaking, the outer peripheral side of the first shoulder surface 11 is slightly tilted toward the tip side of the pin 10.
  • the second shoulder surface 18 is disposed between the first male screw portion 14 and the first unthreaded extension portion 15a closer to the inside.
  • the second shoulder surface 18 is provided continuously to the first unthreaded extension 15a.
  • the second shoulder surface 18 is an annular surface perpendicular to the tube axis CL. But the 2nd shoulder surface 18 may incline slightly the outer peripheral side toward the front end side of the pin 10 like the 1st shoulder surface 11 of the front end of the pin 10.
  • the first unthreaded extension 15a extends in the direction of the tube axis in front of the second seal surface 16 on the outside.
  • a first male threaded portion 14 is provided on the inner side of the first threadless extension 15a.
  • the second unthreaded extension portion 15b extends in the tube axis direction continuously to the rear side of the second seal surface 16 closer to the outside.
  • a second male screw portion 17 located on the outside is connected to the second unthreaded extension portion 15b.
  • the outer peripheral surface of the first unthreaded extension portion 15a may be a shape that can ensure its rigidity, and may be, for example, a cylindrical surface or a tapered surface that is smaller (loose) than the thread taper of the first male screw portion 14, It may be a curved surface. The same applies to the outer peripheral surface of the second unthreaded extension 15b.
  • the box 20 has a first shoulder surface 21, a recess 22, a first seal surface 23, a first female thread portion 24, a second shoulder surface 28, and a first unthreaded extension portion 25a in order from the base side to the distal end side.
  • the second seal surface 26, the second unthreaded extension 25b, and the second female thread 27 are provided.
  • the extension portion 25b and the second female screw portion 27 are the first shoulder surface 11, the nose portion 12, the first seal surface 13, the first male screw portion 14, the second shoulder surface 18, and the first screwless extension of the pin 10, respectively. It is provided corresponding to the portion 15 a, the second seal surface 16, the second unthreaded extension 15 b, and the second male screw portion 17.
  • the first male threaded portion 14 of the pin 10 and the first female threaded portion 24 of the box 20 are tapered screw trapezoidal screws that mesh with each other, and constitute a first threaded portion closer to the inside.
  • the second male threaded portion 17 of the pin 10 and the second female threaded portion 27 of the box 20 are also trapezoidal trapezoidal screws that mesh with each other, and constitute a second threaded portion closer to the outside.
  • the taper surface of the first screw part is closer to the tube axis CL than the taper surface of the second screw part.
  • the second shoulder surfaces 18 and 28 are installed between the first screw portion (the first male screw portion 14 and the first female screw portion 24) and the second screw portion (the second male screw portion 17 and the second female screw portion 27). Because. For this reason, in the pin 10, the outer diameter of the area
  • the first male screw portion 14 and the first female screw portion 24 can be screwed to each other, and in the fastened state, the first male screw portion 14 and the first female screw portion 24 are fitted and closely attached to each other, and are in an interference fit state. Similarly, the second male screw portion 17 and the second female screw portion 27 are in an interference fit state.
  • first seal surfaces 13 and 23 and the second seal surfaces 16 and 26 come into contact with each other as the pin 10 is screwed in, and are fitted and closely contacted in a fastened state, resulting in an interference fit state. Thereby, each 1st seal surface 13 and 23 and each 2nd seal surface 16 and 26 form the 1st seal part and the 2nd seal part by metal contact, respectively.
  • a gap is formed between the nose portion 12 of the pin 10 and the recess 22 of the box 20, and between the first unthreaded extension 15 a of the pin 10 and the first unthreaded extension 25 a of the box 20.
  • a gap is also formed between the second unthreaded extension 15b of the pin 10 and the second unthreaded extension 25b of the box 20.
  • the first shoulder surfaces 11 and 21 are pressed against each other and come into contact with each other.
  • the pressing contact between the first shoulder surfaces 11 and 21 mainly applies a tightening axial force to the load surface of the first male screw portion 14 of the pin 10.
  • the second shoulder surfaces 18 and 28 may be in contact with each other in the fastening state, but may not be in contact with each other even after the fastening is completed, and may face each other with a gap.
  • a tightening axial force is mainly applied to the load surface of the second male screw portion 17 of the pin 10.
  • FIG. 9 is a diagram showing a simplified vertical cross section of the pin 10 and the box 20 in an unfastened state.
  • the distance in the tube axis direction between the first shoulder surface 11 and the second shoulder surface 18 of the pin 10 is L pin [mm].
  • the distance in the tube axis direction between the first shoulder surface 21 and the second shoulder surface 28 in the box 20 is L box [mm].
  • the first shoulder surfaces 11 and 21 and the second shoulder surfaces 18 and 28 are annular surfaces that intersect the tube axis direction.
  • the first shoulder surfaces 11 and 21 and the second shoulder surfaces 18 and 28 may be perpendicular to the tube axis CL, or may be tilted with respect to the surface perpendicular to the tube axis CL.
  • L pin in cross-section of the pin 10 in the disengaged state, which is cut along a plane through the tube axis CL, from the innermost end of the first shoulder surface 11, the tube axis direction to the innermost end of the second shoulder surface 18 Distance.
  • L box is the direction of the tube axis from the innermost end of the first shoulder surface 21 to the innermost end of the second shoulder surface 28 in the cross section of the unfastened box 20 cut by a plane passing through the tube axis CL. Distance.
  • the intermediate shoulder interference amount ⁇ shld [mm] is defined using L pin and L box .
  • ⁇ shld is the amount of interference of the second shoulder surfaces 18 and 20 when deformation due to fastening is not considered.
  • the portion of the pin 10 on the tip side of the second shoulder surface 18 extends by ⁇ [mm] by the interference fit of the first screw portion. Therefore, it is necessary to determine the positional relationship between the first shoulder surfaces 11 and 21 and the second shoulder surfaces 18 and 28 in consideration of the elongation amount ⁇ of the pin 10.
  • the intermediate shoulder interference amount ⁇ shld is determined so as to satisfy the following expressions (2) and (3).
  • ⁇ min and ⁇ max are differences in tightening rotational speed ⁇ after one of the first shoulder surfaces 11 and 21 and the second shoulder surfaces 18 and 28 come into contact with each other in the fastening process. Are the lower limit value and the upper limit value. If the tightening rotation speed difference ⁇ is ⁇ min or more and ⁇ max or less shown in the above formula (3), sufficient sealing performance can be exhibited.
  • the elongation amount ⁇ of the pin 10 is calculated by the following formulas (4) and (5).
  • the inner diameter of the pin 10 in the non-fastened state is represented by ID
  • the outermost diameter of the first shoulder surface 11 is represented by Dis
  • the outermost inner diameter of the second shoulder surface 18 is represented by Dms.
  • ⁇ th is the amount of interference of the first threaded portion.
  • the interference amount ⁇ th of the first threaded portion is rearward by L pin / 2 from the innermost end of the first shoulder surface 11 in the cross section of the non-fastened pin 10 cut by a plane passing through the tube axis CL.
  • the first shoulder surfaces 11 and 21 and the second shoulder surfaces 18 and 28 may be in contact with each other at the same time, or one of them may be in contact first.
  • the second shoulder surfaces 18 and 28 having a larger area are brought into contact with or earlier than the first shoulder surfaces 11 and 21.
  • the intermediate shoulder interference amount ⁇ shld may be set to be equal to or larger than the elongation amount ⁇ of the pin 10.
  • the second shoulder surfaces 18 and 28 may not contact each other, and only the first shoulder surfaces 11 and 21 may contact each other.
  • the first shoulder surfaces 11 and 21 are provided at the inner end in the tube axis direction, and the second shoulder surfaces 18 and 28 are provided near the center in the tube axis direction.
  • the intermediate shoulder interference amount ⁇ shld is set so as to satisfy the above expressions (2) and (3). According to this configuration, even between the second shoulder surface 18 and 28 is a case in contact first, and then, without compromising the sealing performance, that is the tightening rotational speed of the delta min or more delta max following ranges first
  • the shoulder surfaces 11, 21 can be brought into contact with each other to complete the fastening. Therefore, it is possible to prevent a gap from being generated between the tip of the pin 10 and the box 20 while ensuring excellent sealing performance, and to suppress the occurrence of crevice corrosion.
  • the intermediate shoulder interference amount [delta] shld is set so as to satisfy the above equation (2) and (3), a first shoulder surface 11, 21 second shoulder surface 18, 28 and appropriate positional relationship Is arranged in. Therefore, in the process of fastening, the contact timing between the first shoulder surfaces 11 and 21 and the contact timing between the second shoulder surfaces 18 and 28 do not greatly deviate. Therefore, since excessive plastic deformation is unlikely to occur on the shoulder surface and the threaded portion that have started contact, excellent sealing performance can be ensured.
  • the threaded joint according to the present embodiment includes first shoulder surfaces 11 and 21 and second shoulder surfaces 18 and 28. According to this configuration, it is possible to receive a compressive load in a wider area than a conventional threaded joint in which the shoulder surface is provided only at one place. Therefore, high compression resistance can be ensured.
  • the sealing performance against the internal pressure is mainly secured by the close fitting of the first seal surfaces 13 and 23 closer to the inside.
  • the sealing performance against the external pressure is mainly ensured by the fitting close contact between the second seal surfaces 16 and 26 close to the outside.
  • the pin 10 is provided with a first unthreaded extension 15a that continues to the front of the second seal surface 16 that is closer to the outside, the rigidity of the first unthreaded extension 15a provides the second seal of the pin 10.
  • the reduced diameter resistance in the area of the surface 16 is increased. For this reason, even when an external pressure is applied to the threaded joint, the diameter reduction deformation of the pin 10 is suppressed, and a decrease in the contact surface pressure between the second seal surfaces 16 and 26 is suppressed. As a result, the sealing performance against external pressure is improved.
  • the box 20 is provided with a first unthreaded extension 25a corresponding to the region of the first unthreaded extension 15a of the pin 10, and between the first unthreaded extensions 15a and 25a in the fastened state.
  • a gap is formed. Therefore, the excess dope applied at the time of fastening can be accommodated in the gap. As a result, an inadvertent decrease in the contact surface pressure between the second seal surfaces 16 and 26 due to an increase in dope pressure can be avoided.
  • Each of the pin 10 and the box 20 is provided with second unthreaded extensions 15b and 25b connected to the rear of the second seal surface 16 closer to the outside, and between the second unthreaded extensions 15b and 25b.
  • a gap is formed in the fastened state. For this reason, a decrease in surface pressure due to a substantial decrease in the amount of interference between the second seal surfaces 16 and 26 due to the interference fitting action of the second screw portion can be suppressed. As a result, the sealing performance against external pressure is improved.
  • the pin 10 is provided with a nose portion 12 connected to the first seal surface 13 closer to the inside.
  • the box 20 is provided with a recess 22 corresponding to the region of the nose portion 12 of the pin 10.
  • a gap is formed between the nose portion 12 and the recess 22 in the fastened state.
  • the regions of the first male screw portion 14 and the first seal surface 13 near the inside of the pin 10 are thinned by the installation of the second shoulder surfaces 18 and 28.
  • the thinned region is effectively enlarged and deformed. For this reason, the contact surface pressure between the first seal surfaces 13 and 23 is amplified.
  • the regions of the second seal surface 16 and the second male screw portion 17 near the outside of the pin 10 are thickened, and the rigidity thereof is relatively high. Therefore, when an external pressure is applied to the threaded joint, the diameter reduction deformation of the region is suppressed, so that the contact surface pressure between the second seal surfaces 16 and 26 can be kept high.
  • the cross-sectional area of the steel pipe body in the cross section perpendicular to the tube axis CL is A 0, and the total projected area of each of the first shoulder surface 11 and the second shoulder surface 18 on the plane perpendicular to the tube axis CL is and a 2.
  • the area ratio (hereinafter also referred to as “total shoulder area ratio relative to the steel pipe body”)
  • a 2 / A 0 is 30% or more. More preferably, A 2 / A 0 is 35% or more.
  • a 2 / A 0 substantially depends on the areas of the first shoulder surface 11 and the second shoulder surface 18. When A 2 / A 0 is small, the areas of the first shoulder surface 11 and the second shoulder surface 18 are small.
  • the first shoulder surface and the second shoulder surface 18 It cannot withstand that compressive load.
  • the first shoulder surface 11 and the nose portion 12 and the first seal surface 13 connected to the first shoulder surface 11 are plastically deformed, and the contact state between the first seal surfaces 13 and 23 becomes unstable.
  • the second shoulder surface 18, the first unthreaded extension 15a and the second seal surface 16 connected thereto are plastically deformed, and the contact state between the second seal surfaces 16 and 26 becomes unstable.
  • the contact surface pressure between the first seal surfaces 13 and 23 and the contact surface pressure between the second seal surfaces 16 and 26 may be reduced. Therefore, total shoulder area ratio A 2 / A 0 for the steel body is preferably large to some extent.
  • the upper limit of the total shoulder area ratio A 2 / A 0 for the steel pipe body is not particularly specified. However, if A 2 / A 0 is too large, the areas of the first shoulder surface 11 and the second shoulder surface 18 are substantially too large, and therefore the outer diameters of the first shoulder surface 11 and the second shoulder surface 18 of the pin 10. Will be too big. As a result, in the box 20, the inner diameters of the regions of the first female screw portion 24 and the first seal surface 23 are increased. In order to ensure the cross-sectional area of the dangerous cross section of the box 20, the outer diameter of the box must be increased. In addition, it is difficult to ensure the engagement length of the first screw portion and the second screw portion. For this reason, considering the practicality, the total shoulder area ratio A 2 / A 0 with respect to the steel pipe body is preferably 60% or less.
  • the area ratio between the two hereinafter, also referred to as “first shoulder area ratio with respect to all shoulders”
  • a 1 / A 2 is 35% or more. More preferably, A 1 / A 2 is 40% or more.
  • a 1 / A 2 is compared with the second shoulder surface 18 and substantially depends on the area of the first shoulder surface 11. If A 1 / A 2 is small, the area of the first shoulder surface 11 is small.
  • the first shoulder surface 11 cannot withstand the compressive load.
  • the first shoulder surface 11 and the nose portion 12 and the first seal surface 13 connected to the first shoulder surface 11 are plastically deformed, and the contact state between the first seal surfaces 13 and 23 becomes unstable.
  • the contact surface pressure between the first seal surfaces 13 and 23 may decrease.
  • the first shoulder area ratio A 1 / A 2 with respect to all shoulders is large to some extent.
  • the first upper shoulder area rate A 1 / A 2 for all shoulder is not particularly defined. However, if A 1 / A 2 is too large, the area of the first shoulder surface 11 is substantially too large as compared with the second shoulder surface 18, so that the nose portion 12 of the pin 10 that is continuous with the first shoulder surface 11 The wall thickness and the regions of the first male screw portion 14 and the first seal surface 13 are too thick. As a result, when the internal pressure is applied to the threaded joint, the region does not effectively expand and deform, and the amplification effect of the contact surface pressure between the first seal surfaces 13 and 23 cannot be obtained. In this case, the contact surface pressure between the first seal surfaces 13 and 23 may decrease. For this reason, in consideration of practicality, the first shoulder area ratio A 1 / A 2 with respect to all shoulders is preferably 55% or less.
  • the minimum outer diameter of the first unthreaded extension 15a is preferably larger than the diameter of the reference tapered surface 19b.
  • the reference tapered surface 19b is a tapered surface 19b having an outer diameter that is twice as large as the screw height of the second male screw portion 17 than the taper extension surface 19a of the bottom surface of the thread valley of the second male screw portion 17. The reason is as follows.
  • the outer diameter of the first unthreaded extension 15a substantially depends on the thickness of the first unthreaded extension 15a. If the outer diameter of the first unthreaded extension 15a is small, the thickness of the first unthreaded extension 15a is thin.
  • the second due to the rigidity of the first unthreaded extension 15a.
  • the diameter reduction resistance in the region of the seal surface 16 becomes insufficient.
  • the contact surface pressure between the second seal surfaces 16 and 26 may decrease.
  • the outer diameter of the 1st threadless extension part 15a is large to some extent.
  • the upper limit of the outer diameter of the first unthreaded extension 15a is not specified. However, the outer diameter of the first unthreaded extension 15a needs to be a size that does not interfere with the second seal surface 26 of the box 20 during fastening.
  • the length along the tube axis of the first threadless extension 15 a is at least one times the thread pitch of the second male thread 17 as measured from the front end of the second seal surface 16. Is preferred. If the length of the first unthreaded extension portion 15a is short, the second seal surfaces 16, 26 are applied when an external pressure is applied to the threaded joint, for the same reason as when the first unthreaded extension portion 15a is thin. This is because the contact pressure between them may be reduced.
  • the upper limit of the length of the first unthreaded extension 15a is not specified. However, if the length of the first unthreaded extension 15a is too long, the overall length of the joint becomes long, and the manufacturing cost increases due to an increase in processing time and material costs. Further, when the length of the first unthreaded extension portion 15a exceeds a certain length, the effect of improving the sealing performance is almost saturated. For this reason, in consideration of practicality, it is preferable that the length of the first unthreaded extension portion 15 a is 5 times or less the screw pitch of the second male screw portion 17.
  • the length along the tube axis of the second unthreaded extension 15 b is one or more times the thread pitch of the second male threaded portion 17 as measured from the end on the rear end side of the second seal surface 16. It is preferable. If the length of the second threadless extension 15b is short, the substantial amount of interference between the second seal surfaces 16 and 26 due to the interference fit action of the second screw portions decreases, and the second seal surfaces 16 and 26 are in contact with each other. This is because the contact surface pressure may decrease.
  • the upper limit of the length of the second unthreaded extension 15b is not specified. However, if the length of the second unthreaded extension 15b is too long, the total length of the joint becomes long, and the manufacturing cost increases due to an increase in processing time and material costs. Further, when the length of the second unthreaded extension portion 15b exceeds a certain length, the effect of improving the sealing performance is almost saturated. For this reason, in consideration of practicality, it is preferable that the length of the second unthreaded extension portion 15 b is 5 times or less the screw pitch of the second male screw portion 17.
  • the length along the tube axis CL of the nose portion 12 is preferably 5 mm or more. The reason is as follows. If the length of the nose portion 12 is short, when an excessive tensile load is applied to the threaded joint, the elastic restoring force of the first seal surface 13 by the nose portion 12 becomes insufficient. In this case, the contact surface pressure between the first seal surfaces 13 and 23 may decrease. For this reason, the length of the nose portion 12 is preferably long to some extent.
  • the upper limit of the length of the nose part 12 is not specified. However, if the length of the nose portion 12 is too long, the total length of the joint becomes long, and the manufacturing cost increases due to an increase in processing time and material costs. Further, when the length of the nose portion 12 exceeds a certain length, the effect of improving the sealing performance is almost saturated. For this reason, in consideration of practicality, the length of the nose portion 12 is preferably 5 times or less the screw pitch of the first male screw portion 14.
  • the present disclosure is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present disclosure.
  • a measure may be added for relaxing the fitting close contact of the first threaded portion closer to the inside to a region close to the first seal portion.
  • region of the 1st seal surface 13 near the inside of the pin 10 carries out diameter expansion deformation more effectively, and the contact surface pressure of the 1st seal surfaces 13 and 23 is amplified more.
  • the thread height of the first female thread portion 24 of the box 20 is a cylindrical surface parallel to the tube axis CL, and the thread height is made lower than the regular thread height.
  • a gap is provided between the screw thread top surface of the first female screw portion 24 and the screw valley bottom surface of the first male screw portion 14.
  • the length of the incomplete thread region is 3 to 9 times (about 15 to 45 mm) the thread pitch of the first female thread portion 24.
  • threaded joint of the above embodiment can be applied to both the integral type and the coupling type.
  • ⁇ Test conditions Finite element analysis was performed on a plurality of specimens having different intermediate shoulder interference amounts ⁇ shld to compare the differences in performance.
  • Each specimen is a coupling type threaded joint having the basic structure shown in FIGS. Common test conditions are shown below.
  • the material is an elastic-plastic material with isotropic hardening
  • the elastic modulus is 210 [GPa]
  • a model of each specimen was used.
  • the difference between the contact timing between the inner shoulder surfaces (11, 21) and the contact timing between the intermediate shoulder surfaces (18, 28) was evaluated based on the following four levels. Excellent: The intermediate shoulder surfaces contact each other in the order of the inner shoulder surfaces, and the absolute value of the tightening rotation speed difference ⁇ is 3 [ ⁇ 1/100 turn] or less. Good: The inner shoulder surfaces contact each other in the order of the intermediate shoulder surfaces, and the absolute value of the tightening rotation speed difference ⁇ is 3 [ ⁇ 1/100 turn] or less.
  • -Possible The inner shoulder surfaces come into contact with each other first, and the absolute value of the tightening rotational speed difference ⁇ is larger than 3 [ ⁇ 1/100 turn].
  • -Impossibility The intermediate shoulder surfaces come into contact with each other first, and the absolute value of the tightening rotation speed difference ⁇ is larger than 3 [ ⁇ 1/100 turn].
  • the sealing performance against external pressure and internal pressure includes the contact force per unit length in the circumferential direction of the first seal portion (13, 23) in the internal pressure cycle (first and second quadrants) of the load history, and the external pressure cycle of the load history, respectively. It evaluated by comparing the contact force per unit length of the 2nd seal
  • the contact forces of the first seal part and the second seal part are both 0.8 or more, and at least one is less than 0.9.
  • -Possible Both the contact forces of the first seal part and the second seal part are 0.7 or more, and at least one is less than 0.8.
  • -Impossible One of the contact forces of the first seal part and the second seal part is less than 0.7.
  • Table 1 summarizes the test conditions and evaluation of each specimen.
  • Table 1 shows the intermediate shoulder interference amount ⁇ shld calculated for each specimen based on the above equation (1).
  • ⁇ is 3/100 turns or less in absolute value. Therefore, in normal fastening, both the inner shoulder surfaces and the intermediate shoulder surfaces can be reliably brought into contact with each other, and high compression resistance can be ensured. Furthermore, since the middle shoulder surfaces having a large area come into contact with each other first, it is particularly preferable from the viewpoint of suppressing plastic deformation.

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Abstract

優れた密封性能を確保するとともに、すき間腐食の発生を抑制することが可能な鋼管用ねじ継手を提供する。ねじ継手はピン（１０）及びボックス（２０）を備える。ピン（１０）は、第１ショルダ面（１１）、第１雄ねじ部（１４）、第２ショルダ面（１８）、及び第２雄ねじ部（１７）を含む。ボックス（２０）は、第１ショルダ面（２１）、第１雌ねじ部（２４）、第２ショルダ面（２８）及び第２雌ねじ部（２７）を含む。ピン（１０）及びボックス（２０）のショルダ面間距離をそれぞれＬｐｉｎ、Ｌｂｏｘとして、干渉量δｓｈｌｄを以下の式（１）で定義したとき、ねじ継手は、以下の式（２）及び（３）を満たすよう構成される。式（２）及び（３）において、Ｐは第１雄ねじ部（１４）のねじピッチ、Δｍｉｎ、Δｍａｘはそれぞれ締め付け回転数差の下限値及び上限値、λはピン（１０）のうち第２ショルダ面（１８）よりも先端側の部分の伸び量である。

Description

鋼管用ねじ継手
　本開示は、鋼管の連結に用いられるねじ継手に関する。
　油井、天然ガス井等（以下、総称して「油井」ともいう）においては、地下資源を採掘するためにケーシング、チュービング等の油井管が使用される。油井管は鋼管が順次連結されて成り、その連結にねじ継手が用いられる。
　この種の鋼管用ねじ継手の形式は、カップリング型とインテグラル型とに大別される。カップリング型の場合、連結対象の一対の管材のうち、一方の管材が鋼管であり、他方の管材がカップリングである。この場合、鋼管の両端部の外周に雄ねじ部が設けられ、カップリングの両端部の内周に雌ねじ部が設けられる。そして、鋼管の雄ねじ部がカップリングの雌ねじ部にねじ込まれ、これにより両者が締結されて連結される。インテグラル型の場合、連結対象の一対の管材がともに鋼管であり、別個のカップリングを用いない。この場合、鋼管の一端部の外周に雄ねじ部が設けられ、他端部の内周に雌ねじ部が設けられる。そして、一方の鋼管の雄ねじ部が他方の鋼管の雌ねじ部にねじ込まれ、これにより両者が締結されて連結される。
　一般に、雄ねじ部が形成された管端部の継手部分は、雌ねじ部に挿入される要素を含むことから、ピンと称される。一方、雌ねじ部が形成された管端部の継手部分は、雄ねじ部を受け入れる要素を含むことから、ボックスと称される。これらのピンとボックスは、管材の端部であるため、いずれも管状である。
　図１は、従来の一般的な鋼管用ねじ継手の一例を示す縦断面図である。図１に示すねじ継手は、カップリング型のねじ継手であり、ピン１１０とボックス１２０とから構成される。
　ピン１１０は、先端側から基部側に向けて順に、ショルダ面１１１、シール面１１３及び雄ねじ部１１４を備える。一方、ボックス１２０は、基部側から先端側に向けて順に、ショルダ面１２１、シール面１２３及び雌ねじ部１２４を備える。これらのボックス１２０のショルダ面１２１、シール面１２３及び雌ねじ部１２４は、それぞれ、ピン１１０のショルダ面１１１、シール面１１３及び雄ねじ部１１４に対応して設けられる。ピン１１０の雄ねじ部１１４とボックス１２０の雌ねじ部１２４とは互いに噛み合うものであり、これらで構成されるねじ部はテーパねじの台形ねじである。
　雄ねじ部１１４と雌ねじ部１２４は、互いのねじ込みを可能にし、締結状態では互いに嵌め合い密着し、締まりばめの状態となる。各シール面１１３、１２３は、ピン１１０のねじ込みに伴って互いに接触し、締結状態では嵌め合い密着して締まりばめの状態となる。これにより、各シール面１１３、１２３はメタル接触によるシール部を形成する。各ショルダ面１１１、１２１は、ピン１１０のねじ込みに伴って互いに接触して押し付けられ、ピン１１０のねじ込みを制限するストッパの役割を担う。各ショルダ面１１１、１２１は、締結状態では、ピン１１０の雄ねじ部１１４の荷重面に、いわゆるねじの締め付け軸力を付与する役割を担う。
　このような構成のねじ継手では、雄ねじ部１１４と雌ねじ部１２４との嵌め合い密着に加え、シール面１１３、１２３同士の嵌め合い密着により、密封性能が確保される。
　近年、油井環境は、高深度化及び超深海化が進展し、これに伴い、高温・高圧で高腐食という過酷な環境になっている。このような過酷な環境に対応するため、油井管として厚肉の鋼管が使用されることが多い。これらの鋼管を接続するねじ継手には、内圧及び外圧に対する優れた密封性能が要求される。
　ねじ継手について密封性能の向上を図った従来技術としては、下記のものがある。
　図２は、密封性能の向上を図った従来の鋼管用ねじ継手の一例を示す縦断面図である。図２に示すねじ継手は、メタル接触によるシール部を２箇所備える。また、当該ねじ継手では、管軸方向の中央付近にショルダ面が設置されている（例えば、米国特許第４，６６２，６５９号明細書参照）。
　具体的には、図２に示すように、ピン２１０は、先端側から基部側に向けて順に、第１シール面２１３、第１雄ねじ部２１４、ショルダ面２１１、第２シール面２１６及び第２雄ねじ部２１７を備える。一方、ボックス２２０は、基部側から端側に向けて順に、第１シール面２２３、第１雌ねじ部２２４、ショルダ面２２１、第２シール面２２６及び第２雌ねじ部２２７を備える。第１雄ねじ部２１４と第１雌ねじ部２２４とで構成される第１ねじ部、及び第２雄ねじ部２１７と第２雌ねじ部２２７とで構成される第２ねじ部は、いずれもテーパねじの台形ねじである。
　第１ねじ部のテーパ面は、第２ねじ部のテーパ面よりも管軸ＣＬ寄りになる。第１ねじ部と第２ねじ部との間にショルダ面２１１、２２１が設置されるからである。
　第１雄ねじ部２１４及び第１雌ねじ部２２４は、互いのねじ込みを可能にし、締結状態では互いに嵌め合い密着し、締まりばめの状態となる。第２雄ねじ部２１７及び第２雌ねじ部２２７も同様に締まりばめの状態となる。各第１シール面２１３、２２３及び各第２シール面２１６、２２６は、それぞれピン２１０のねじ込みに伴って互いに接触し、締結状態では嵌め合い密着し、締まりばめの状態となる。各ショルダ面２１１、２２１は、ピン２１０のねじ込みに伴って互いに接触して押し付けられる。
　このような構成のねじ継手では、第１シール面２１３、２２３同士の嵌め合い密着により、主に内圧に対しての密封性能が確保される。また、第２シール面２１６、２２６同士の嵌め合い密着により、主に外圧に対しての密封性能が確保される。
　図２に示すねじ継手では、締結状態において、ピン２１０のショルダ面２１１とボックス２２０のショルダ面２２１とが接触する。ピン２１０の先端は、締結が完了してもボックス２２０に接触しない。しかしながら、締結状態においてピン２１０の先端とボックス２２０との間にすき間が存在する場合、すき間腐食が発生する可能性が高くなる。
　本開示は、優れた密封性能を確保するとともに、すき間腐食の発生を抑制することが可能な鋼管用ねじ継手を提供することを目的とする。
　本開示に係る鋼管用ねじ継手は、管状のピンと、管状のボックスとから構成される。ピンがボックスにねじ込まれてピンとボックスとが締結される。ピンは、先端側から順に、第１ショルダ面、第１シール面、テーパねじの第１雄ねじ部、第２ショルダ面、第２シール面及びテーパねじの第２雄ねじ部を備える。ボックスは、ピンの第１ショルダ面、第１シール面、第１雄ねじ部、第２ショルダ面、第２シール面及び第２雄ねじ部のそれぞれに対応する第１ショルダ面、第１シール面、テーパねじの第１雌ねじ部、第２ショルダ面、第２シール面及びテーパねじの第２雌ねじ部を備える。ピンは、第１ショルダ面と第１シール面との間に第１シール面に連なるノーズ部を備える。ピンは、第２ショルダ面と第２シール面との間に第２シール面に連なるねじ無し延長部を備える。ボックスは、ピンのノーズ部に対応する凹部を備える。ボックスは、ピンのねじ無し延長部に対応するねじ無し延長部を備える。締結状態において、第１ショルダ面同士が互いに接触し、第１シール面同士が互いに接触し、第２シール面同士が互いに接触し、ピンのノーズ部とボックスの凹部との間に隙間が形成され、ピンのねじ無し延長部とボックスのねじ無し延長部との間に隙間が形成され、第１雄ねじ部と第１雌ねじ部とが嵌まり合い、第２雄ねじ部と第２雌ねじ部とが嵌まり合う。非締結状態のピンにおいて第１ショルダ面から第２ショルダ面までの管軸方向の距離をＬｐｉｎ、非締結状態のボックスにおいて第１ショルダ面から第２ショルダ面までの管軸方向の距離をＬｂｏｘとして、ピンの第２ショルダ面とボックスの第２ショルダ面との干渉量δｓｈｌｄを以下の式（１）で定義したとき、以下の式（２）及び（３）を満たす。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここで、Ｐは、第１雄ねじ部のねじピッチ、Δｍｉｎは、締結過程において第１ショルダ面同士又は第２ショルダ面同士が接触した後の締め付け回転数の下限値、Δｍａｘは、締め付け回転数の上限値、λは、ピンのうち第２ショルダ面よりも先端側の部分の締結時における伸び量である。
　ピンの内径をＩＤ、ピンの第２ショルダ面の最内径をＤｍｓ、ピンの第１ショルダ面の最外径をＤｉｓとし、第１雄ねじ部と第１雌ねじ部との干渉量δｔｈとしたとき、λは、以下の式（４）及び（５）を用いて表わされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　本開示に係る鋼管用ねじ継手によれば、優れた密封性能を確保することができるとともに、すき間腐食の発生を抑制することができる。
図１は、従来の一般的な鋼管用ねじ継手の一例を示す縦断面図である。 図２は、密封性能の向上を図った従来の鋼管用ねじ継手の一例を示す縦断面図である。 図３は、実施形態に係る鋼管用ねじ継手の検討に用いたピン及びボックスを模式的に示す縦断面図である。 図４は、図３に示すピン及びボックスの簡易モデルを示す図である。 図５は、締め付け回転数差Δと中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄとの関係を示すグラフである。 図６は、実施形態に係る鋼管用ねじ継手を示す縦断面図である。 図７は、図６に示すねじ継手において、管軸方向の内端付近を拡大した縦断面図である。 図８は、図６に示すねじ継手において、管軸方向の中央付近を拡大した縦断面図である。 図９は、図６に示すねじ継手のピン及びボックスを簡略化して示す縦断面図である。
　管軸方向の中央付近にショルダ面を有するねじ継手は、一般に、締結時にピンの先端とボックスとが接触しないように構成される。締結においてショルダ面同士を接触させ、且つピンの先端とボックスとを接触させようとすると、締結完了位置の管理が困難になるためである。
　しかしながら、締結状態においてピンの先端とボックスとの間にすき間が存在する場合、すき間腐食が発生する可能性が高くなる。そこで、本発明者等は、管軸方向の中央付近だけでなく、管軸方向の内端にもショルダ面を有するねじ継手を検討した。以下、管軸方向の内端のショルダ面を内ショルダ面又は第１ショルダ面、管軸方向の中央付近のショルダ面を中間ショルダ面又は第２ショルダ面と称する。
　ピン及びボックスの各々が内ショルダ面及び中間ショルダ面を有する場合、各ショルダ面に過剰な面圧が負荷されるのを回避するため、締結の過程において、内ショルダ面同士の接触と中間ショルダ面同士の接触とが同時に開始されることが好ましい。しかしながら、製造公差等により、現実的には、内ショルダ面同士が接触を開始するタイミングと、中間ショルダ面同士が接触を開始するタイミングとを一致させることは難しい。場合によっては、締結完了時において、内ショルダ面同士及び中間ショルダ面同士のうち一方のみが接触した状態になる。
　以下、内ショルダ面同士及び中間ショルダ面同士の接触タイミングについて説明する。
　ピンにおいて、内ショルダ面と中間ショルダ面との間には第１雄ねじ部が設けられ、中間ショルダ面よりも基部側には第２雄ねじ部が設けられる。ボックスには、第１及び第２雄ねじ部の各々に対応する第１及び第２雌ねじ部が設けられる。ピンとボックスとを締結した際、ピンのうち中間ショルダ面よりも先端側の部分は、第１雄ねじ部と第１雌ねじ部との締まりばめによって縮径し、管軸方向に伸びる。
　ここで、非締結状態のピン及びボックスにおいて、それぞれ、内ショルダ面と中間ショルダ面との管軸方向の距離をＬｐｉｎ[ｍｍ]、Ｌｂｏｘ[ｍｍ]とし、ＬｂｏｘからＬｐｉｎを減じた値を中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄ[ｍｍ]と定義する。
　δｓｈｌｄがピンの伸び量よりも大きい場合、締結の過程において、中間ショルダ面同士が接触した後、内ショルダ面同士が接触する。δｓｈｌｄが大きすぎると、内ショルダ面同士が接触する前に各中間ショルダ面及びねじ部が降伏して塑性変形し、密封性能が低下してしまう。
　締結完了位置は、発生トルクと締め付け回転数との関係（トルクチャート）に基づいて管理される。δｓｈｌｄが大きすぎた結果、締結の過程で各内ショルダ面の接触が開始する前に各中間ショルダ面やねじ部の塑性変形が生じると、正常なトルクチャートを得られない。この場合、締結完了位置を決定することができなくなる。
　δｓｈｌｄが大きすぎる場合、各中間ショルダ面やねじ部に塑性変形が生じるまで締め付けても内ショルダ面同士が接触しないことがある。この場合、従来のねじ継手と同様にピンの先端とボックスとの間にすき間が生じ、すき間腐食が発生しやすくなる。
　δｓｈｌｄがピンの伸び量よりも小さい場合、締結の過程において、内ショルダ面同士が接触した後、中間ショルダ面同士が接触する。この場合、ピンの先端がボックスに確実に接触するため、上述したすき間腐食の問題は生じない。しかしながら、δｓｈｌｄが小さすぎると、中間ショルダ面同士が接触する前に各内ショルダ面及びねじ部が降伏して塑性変形し、密封性能が低下してしまう。また、各内ショルダ面及びねじ部の塑性変形が生じると、正常なトルクチャートを得られないため、締結完了位置を決定することができなくなる。
　本発明者等は、以上のような問題を考慮し、中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄの適切な範囲を検討した。
　図３は、検討に用いたピン及びボックスの概略構成を示す縦断面図である。図３では、非締結状態のピン及びボックスが示されている。図３に示すピンにおいて、ＩＤは管の内径[ｍｍ]、Ｄｍｓは中間ショルダ面の最内径[ｍｍ]、Ｄｉｓは内ショルダ面の最外径[ｍｍ]である。
　図４は、図３に示すピン及びボックスの簡易モデルを表わした図である。図４において、ピンの簡易モデルは、小径部及び大径部で構成された段付き円筒で表わされている。小径部は、ピンにおいて、中間ショルダ面より先端側に位置し、且つ第１雄ねじ部が設けられた部分に相当する。小径部の外径Ｄｉｎｔ[ｍｍ]は、以下の式（４）で定義される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　ピンの第１雄ねじ部とボックスの第１雌ねじ部との干渉量δｔｈによる締まりばめにより、締結時において小径部が管軸方向にλ[ｍｍ]だけ伸びるとする。このとき、小径部において、変形前の体積Ｖ[ｍｍ３]、変形後の体積をＶ’[ｍｍ３]とし、変形前後で体積及び肉厚が一定と仮定すると、以下の式（６）～（８）が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　式（６）～（８）より、以下の式（５）で表わされる伸び量λを得ることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　ピンの伸び量λが中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄと等しい場合、ピンとボックスとを締結する過程において、内ショルダ面同士、中間ショルダ面同士が同時に接触を開始する。λがδｓｈｌｄよりも大きい場合、締結の過程において、内ショルダ面同士が接触した後、中間ショルダ面同士が接触する。λがδｓｈｌｄよりも小さい場合、締結の過程において、中間ショルダ面同士が接触した後、内ショルダ面同士が接触する。
　上述したように、λ≠δｓｈｌｄの場合、内ショルダ面同士の接触のタイミングと、中間ショルダ面同士の接触のタイミングとにずれが生じる。一方のショルダ面同士が接触した後、他方のショルダ面同士が接触するまでの締め付け回転数、すなわち、締結開始から一方のショルダ面同士が接触するまでの締め付け回転数と、締結開始から他方のショルダ面同士が接触するまでの締め付け回転数との差Δ［回転］は、第１雄ねじ部のねじピッチをＰ[ｍｍ]とすると、以下の式（９）で表わされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　式（９）において、Δが正であれば中間ショルダ面同士が先に接触し、Δが負であれば内ショルダ面同士が先に接触するものとする。
　十分な密封性能を発揮することができる締め付け回転数差の下限値及び上限値を、それぞれ、Δｍｉｎ、Δｍａｘとする。そうすると、優れた密封性能を確保するためには、一方のショルダ面同士が接触した後、Δｍｉｎ以上Δｍａｘ以下の締め付け回転数で締結を完了する必要がある。すなわち、締め付け回転数差Δは、以下の式（１０）を満たす必要がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　図５は、式（９）で表わされる締め付け回転数差Δと中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄとの関係を示すグラフである。Δが式（１０）を満たす場合、δｓｈｌｄは、図５において斜線で示された範囲となる。本発明者等は、鋭意検討の結果、Δｍｉｎ、Δｍａｘの好ましい値及びδｓｈｌｄの適切な範囲を見出し、実施形態に係る鋼管用ねじ継手を完成させた。
　実施形態に係る鋼管用ねじ継手は、管状のピンと、管状のボックスとから構成される。ピンがボックスにねじ込まれてピンとボックスとが締結される。ピンは、先端側から順に、第１ショルダ面、第１シール面、テーパねじの第１雄ねじ部、第２ショルダ面、第２シール面及びテーパねじの第２雄ねじ部を備える。ボックスは、ピンの第１ショルダ面、第１シール面、第１雄ねじ部、第２ショルダ面、第２シール面及び第２雄ねじ部のそれぞれに対応する第１ショルダ面、第１シール面、テーパねじの第１雌ねじ部、第２ショルダ面、第２シール面及びテーパねじの第２雌ねじ部を備える。ピンは、第１ショルダ面と第１シール面との間に第１シール面に連なるノーズ部を備える。ピンは、第２ショルダ面と第２シール面との間に第２シール面に連なるねじ無し延長部を備える。ボックスは、ピンのノーズ部に対応する凹部を備える。ボックスは、ピンのねじ無し延長部に対応するねじ無し延長部を備える。締結状態において、第１ショルダ面同士が互いに接触し、第１シール面同士が互いに接触し、第２シール面同士が互いに接触し、ピンのノーズ部とボックスの凹部との間に隙間が形成され、ピンのねじ無し延長部とボックスのねじ無し延長部との間に隙間が形成され、第１雄ねじ部と第１雌ねじ部とが嵌まり合い、第２雄ねじ部と第２雌ねじ部とが嵌まり合う。非締結状態のピンにおいて第１ショルダ面から第２ショルダ面までの管軸方向の距離をＬｐｉｎ、非締結状態のボックスにおいて第１ショルダ面から第２ショルダ面までの管軸方向の距離をＬｂｏｘとして、ピンの第２ショルダ面とボックスの第２ショルダ面との干渉量δｓｈｌｄを以下の式（１）で定義したとき、以下の式（２）及び（３）を満たす。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　ここで、Ｐは、第１雄ねじ部のねじピッチ、Δｍｉｎは、締結過程において第１ショルダ面同士又は第２ショルダ面同士が接触した後の締め付け回転数の下限値、Δｍａｘは、締め付け回転数の上限値、λは、ピンのうち第２ショルダ面よりも先端側の部分の締結時における伸び量である。
　ピンの内径をＩＤ、ピンの第２ショルダ面の最内径をＤｍｓ、ピンの第１ショルダ面の最外径をＤｉｓとし、第１雄ねじ部と第１雌ねじ部との干渉量δｔｈとしたとき、λは、以下の式（４）及び（５）を用いて表わされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　式（２）及び（３）を満たすねじ継手であれば、第２ショルダ面同士が先に接触した場合であっても、第２ショルダ面同士の接触後、Δｍｉｎ以上Δｍａｘ以下の締め付け回転数の範囲で第１ショルダ面同士を接触させ、締結を完了することができる。このため、優れた密封性能を確保することができるとともに、ピンの先端とボックスとの間にすき間を生じさせず、当該すき間に起因したすき間腐食の発生を抑制することができる。
　式（２）及び（３）を満たすように中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄを設定すれば、締結の過程において、第１ショルダ面同士の接触タイミングと、第２ショルダ面同士の接触タイミングとが大きくずれることがない。よって、先に接触を開始したショルダ面において過大な塑性変形が生じにくく、優れた密封性能を確保することができる。
　締結完了時において第１ショルダ面同士が接触し、第２ショルダ面同士が接触しない場合であっても、式（２）及び（３）を満たすように中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄを設定すれば、第２ショルダ面間に大きなすき間が生じない。よって、過大な圧縮荷重が負荷された場合は第２ショルダ面同士も接触するため、耐圧縮性能の低下や密封性能の低下を抑制することができる。
　以下、実施形態について図面を参照しつつさらに詳細に説明する。図中同一及び相当する構成については同一の符号を付し、同じ説明を繰り返さない。説明の便宜上、各図において、構成を簡略化又は模式化して示したり、一部の構成を省略して示したりする場合がある。
　［鋼管用ねじ継手の構成］
　図６は、実施形態に係る鋼管用ねじ継手を示す縦断面図である。当該ねじ継手は、カップリング型のねじ継手であり、ピン１０とボックス２０とから構成される。図７は、図６に示すねじ継手において、ピン１０の先端部付近を拡大した縦断面図である。図８は、図６に示すねじ継手において、管軸方向の中央付近を拡大した縦断面図である。以下、管軸方向において、ピン１０の先端側及びボックス２０の基部側を内又は前、ピン１０の基部側及びボックス２０の先端側を外又は後と称する場合がある。
　ピン１０は、先端側から基部側に向けて順に、第１ショルダ面１１、ノーズ部１２、第１シール面１３、第１雄ねじ部１４、第２ショルダ面１８、第１ねじ無し延長部１５ａ、第２シール面１６、第２ねじ無し延長部１５ｂ、及び第２雄ねじ部１７を備える。第１シール面１３及び第２シール面１６はいずれもテーパ状である。厳密には、第１シール面１３及び第２シール面１６は、それぞれ、先端側ほど直径が縮小した円錐台の周面に相当する面から成る形状、又はその円錐台の周面と、円弧等の曲線を管軸ＣＬ周りに回転して得られる回転体の周面に相当する面とを組み合わせた形状をしている。
　ノーズ部１２は筒状であり、内部寄りの第１シール面１３に連なって管軸方向に伸び出す。ただし、ノーズ部１２の外周面は、第１シール面１３のテーパと傾きが同じであるか、小さい（緩い）、又は大きい（急な）テーパ面であってもよい。ノーズ部１２の外周面がテーパ面である場合、当該外周面は、厳密には、先端側ほど直径が縮小した円錐台の周面に相当する面から成る形状、又はその円錐台の周面と、円弧等の曲線を管軸ＣＬ周りに回転して得られる回転体の周面に相当する面とを組み合わせた形状をしている。
　このノーズ部１２の先端に第１ショルダ面１１が設けられる。第１ショルダ面１１は、管軸ＣＬにほぼ垂直な環状面である。厳密には、第１ショルダ面１１の外周側がピン１０の先端側に向けて僅かに傾倒する。
　第２ショルダ面１８は、内部寄りの第１雄ねじ部１４と第１ねじ無し延長部１５ａとの間に配置される。第２ショルダ面１８は、第１ねじ無し延長部１５ａに連なって設けられる。本実施形態において、第２ショルダ面１８は、管軸ＣＬに垂直な環状面である。もっとも、第２ショルダ面１８は、ピン１０の先端の第１ショルダ面１１と同様に、その外周側がピン１０の先端側に向けて僅かに傾倒していてもよい。
　第１ねじ無し延長部１５ａは、外部寄りの第２シール面１６の前方に連なって管軸方向に伸び出す。この第１ねじ無し延長部１５ａに連なって内部寄りの第１雄ねじ部１４が設けられている。第２ねじ無し延長部１５ｂは、外部寄りの第２シール面１６の後方に連なって管軸方向に伸び出す。この第２ねじ無し延長部１５ｂに連なって外部寄りの第２雄ねじ部１７が設けられる。第１ねじ無し延長部１５ａの外周面は、その剛性を確保できる形状であればよく、例えば筒面や第１雄ねじ部１４のねじテーパよりも小さい（緩い）テーパ面であってもよいし、湾曲面であってもよい。第２ねじ無し延長部１５ｂの外周面も同様である。
　一方、ボックス２０は、基部側から先端側に向けて順に、第１ショルダ面２１、凹部２２、第１シール面２３、第１雌ねじ部２４、第２ショルダ面２８、第１ねじ無し延長部２５ａ、第２シール面２６、第２ねじ無し延長部２５ｂ、及び第２雌ねじ部２７を備える。これらのボックス２０の第１ショルダ面２１、凹部２２、第１シール面２３、第１雌ねじ部２４、第２ショルダ面２８、第１ねじ無し延長部２５ａ、第２シール面２６、第２ねじ無し延長部２５ｂ、及び第２雌ねじ部２７は、それぞれ、ピン１０の第１ショルダ面１１、ノーズ部１２、第１シール面１３、第１雄ねじ部１４、第２ショルダ面１８、第１ねじ無し延長部１５ａ、第２シール面１６、第２ねじ無し延長部１５ｂ、及び第２雄ねじ部１７に対応して設けられる。
　図６及び図７では、ボックス２０の第１シール面２３が、ピン１０の第１シール面１３に向けて突出する場合を示す。ただし、ボックス２０の第１シール面２３は、突出しなくてもよい。その場合、ピン１０の第１シール面１３がボックス２０の第１シール面２３に向けて突出する。
　ピン１０の第１雄ねじ部１４とボックス２０の第１雌ねじ部２４は、互いに噛み合うテーパねじの台形ねじであり、内部寄りの第１ねじ部を構成する。ピン１０の第２雄ねじ部１７とボックス２０の第２雌ねじ部２７も、互いに噛み合うテーパねじの台形ねじであり、外部寄りの第２ねじ部を構成する。
　第１ねじ部のテーパ面は第２ねじ部のテーパ面よりも管軸ＣＬ寄りになる。第１ねじ部（第１雄ねじ部１４及び第１雌ねじ部２４）と第２ねじ部（第２雄ねじ部１７及び第２雌ねじ部２７）との間に第２ショルダ面１８、２８が設置されるからである。このため、ピン１０において、内部寄りの第１雄ねじ部１４及び第１シール面１３の領域の外径が小さくなり、その領域の肉厚が薄くなる。一方、ピン１０において、外部寄りの第２シール面１６及び第２雄ねじ部１７の領域の外径は大きくなり、その領域の肉厚は厚くなる。
　第１雄ねじ部１４及び第１雌ねじ部２４は、互いのねじ込みを可能にし、締結状態では互いに嵌め合い密着し、締まりばめの状態となる。第２雄ねじ部１７及び第２雌ねじ部２７も同様に締まりばめの状態となる。
　各第１シール面１３、２３及び各第２シール面１６、２６は、それぞれピン１０のねじ込みに伴って互いに接触し、締結状態では嵌め合い密着し、締まりばめの状態となる。これにより、各第１シール面１３、２３及び各第２シール面１６、２６は、それぞれメタル接触による第１シール部及び第２シール部を形成する。
　締結状態において、ピン１０のノーズ部１２とボックス２０の凹部２２との間には隙間が形成され、ピン１０の第１ねじ無し延長部１５ａとボックス２０の第１ねじ無し延長部２５ａとの間にも隙間が形成され、ピン１０の第２ねじ無し延長部１５ｂとボックス２０の第２ねじ無し延長部２５ｂとの間にも隙間が形成される。
　締結状態において、第１ショルダ面１１、２１同士は互いに押し付けられて接触する。第１ショルダ面１１、２１の押圧接触は、主にピン１０の第１雄ねじ部１４の荷重面に締め付け軸力を付与する。第２ショルダ面１８、２８は、締結状態において互いに接触する場合もあるが、締結が完了しても互いに接触せず、すき間を空けて対向している場合もある。第２ショルダ面１８、２８が押圧接触した場合、主にピン１０の第２雄ねじ部１７の荷重面に締め付け軸力が付与される。
　ここで、締結状態において第１ショルダ面１１、２１同士を接触させ、且つ第２ショルダ面１８、２８同士を接触又は十分に近接させるための構成について説明する。
　図９は、非締結状態のピン１０及びボックス２０の縦断面を簡略化して示した図である。図９に示すように、非締結状態において、ピン１０における第１ショルダ面１１と第２ショルダ面１８との管軸方向の距離をＬｐｉｎ[ｍｍ]とする。非締結状態において、ボックス２０における第１ショルダ面２１と第２ショルダ面２８との管軸方向の距離をＬｂｏｘ[ｍｍ]とする。
　第１ショルダ面１１、２１及び第２ショルダ面１８、２８は、管軸方向と交差する環状面である。第１ショルダ面１１、２１及び第２ショルダ面１８、２８は、管軸ＣＬに垂直な場合もあるし、管軸ＣＬに垂直な面に対して傾倒している場合もある。Ｌｐｉｎは、管軸ＣＬを通る平面で切断された非締結状態のピン１０の断面において、第１ショルダ面１１の最内端から、第２ショルダ面１８の最内端までの管軸方向の距離とする。Ｌｂｏｘは、管軸ＣＬを通る平面で切断された非締結状態のボックス２０の断面において、第１ショルダ面２１の最内端から、第２ショルダ面２８の最内端までの管軸方向の距離とする。
　以下の式（１）に示すように、Ｌｐｉｎ、Ｌｂｏｘを用いて中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄ[ｍｍ]を定義する。δｓｈｌｄは、締結による変形を考慮しない場合の第２ショルダ面１８、２０の干渉量である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　実際の締結では、第１ねじ部の締まりばめによって、ピン１０のうち第２ショルダ面１８よりも先端側の部分がλ［ｍｍ］だけ伸びる。このため、ピン１０の伸び量λを考慮して、第１ショルダ面１１、２１と第２ショルダ面１８、２８との位置関係を決定する必要がある。本実施形態では、以下の式（２）及び（３）を満たすように、中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄが決定される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　ここで、Ｐは、第１雄ねじ部１４（図６）のねじピッチである。Δｍｉｎ、Δｍａｘは、それぞれ、締結の過程において、第１ショルダ面１１、２１同士及び第２ショルダ面１８、２８同士のうち一方が接触した後、他方が接触するまでの締め付け回転数差Δの下限値及び上限値である。締め付け回転数差Δが上記式（３）に示すΔｍｉｎ以上Δｍａｘ以下であれば、十分な密封性能を発揮することができる。
　ピン１０の伸び量λは、以下の式（４）及び（５）によって算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　式（４）及び（５）では、非締結状態におけるピン１０の内径をＩＤ、第１ショルダ面１１の最外径をＤｉｓ、第２ショルダ面１８の最内径をＤｍｓで表わしている。δｔｈは、第１ねじ部の干渉量である。
　ここで、第１ねじ部の干渉量δｔｈは、管軸ＣＬを通る平面で切断された非締結状態のピン１０の断面において第１ショルダ面１１の最内端からＬｐｉｎ／２だけ後方の位置における第１雄ねじ部１４のねじ底径から、管軸ＣＬを通る平面で切断された非締結状態のボックス２０の断面において第１ショルダ面２１の最内端からＬｐｉｎ／２だけ後方の位置における第１雌ねじ部２４のねじ山径を減じた値とする。
　締結の過程において、第１ショルダ面１１、２１及び第２ショルダ面１８、２８は、同時に接触してもよいし、いずれか一方が先に接触してもよい。好ましくは、より面積が大きい第２ショルダ面１８、２８同士を第１ショルダ面１１、２１同士よりも先又は同時に接触させる。第２ショルダ面１８、２８同士を優先的に接触させるためには、中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄをピン１０の伸び量λ以上に設定すればよい。ただし、上述したとおり、締結状態において、第２ショルダ面１８、２８同士は接触せず、第１ショルダ面１１、２１のみが互いに接触していてもよい。
　［効果］
　本実施形態に係るねじ継手では、管軸方向の内端に第１ショルダ面１１、２１が設けられるともに、管軸方向の中央付近に第２ショルダ面１８、２８が設けられている。本実施形態では、上述の式（２）及び（３）を満たすように中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄが設定されている。この構成によれば、第２ショルダ面１８、２８同士が先に接触した場合であっても、その後、密封性能を低下させない範囲、つまりΔｍｉｎ以上Δｍａｘ以下の範囲の締め付け回転数で第１ショルダ面１１、２１同士を接触させ、締結を完了することができる。よって、優れた密封性能を確保しつつ、ピン１０の先端とボックス２０との間にすき間が生じるのを防止することができ、すき間腐食の発生を抑制することができる。
　本実施形態では、上述の式（２）及び（３）を満たすように中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄが設定され、第１ショルダ面１１、２１と第２ショルダ面１８、２８とが適切な位置関係で配置されている。よって、締結の過程において、第１ショルダ面１１、２１同士の接触タイミングと、第２ショルダ面１８、２８同士の接触タイミングとが大きくずれることがない。よって、先に接触を開始したショルダ面及びねじ部において過大な塑性変形が生じにくいため、優れた密封性能を確保することができる。
　締結完了時において第１ショルダ面１１、２１同士が接触し、第２ショルダ面１８、２８同士が接触しない場合であっても、上述の式（２）及び（３）を満たすように中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄを設定すれば、第２ショルダ面１８、２８間に大きなすき間が生じない。このため、過大な圧縮荷重が負荷された場合、第２ショルダ面同士も接触する。これにより、耐圧縮性能の低下や密封性能の低下を抑制することができる。
　本実施形態に係るねじ継手は、第１ショルダ面１１、２１及び第２ショルダ面１８、２８を備えている。この構成によれば、ショルダ面が１箇所のみに設けられている従来のねじ継手と比較して、広い面積で圧縮荷重を受けることができる。よって、高い耐圧縮性能を確保することができる。
　本実施形態に係るねじ継手では、内部寄りの第１シール面１３、２３同士の嵌め合い密着により、主に内圧に対しての密封性能が確保される。また、外部寄りの第２シール面１６、２６同士の嵌め合い密着により、主に外圧に対しての密封性能が確保される。
　特に、ピン１０には、外部寄りの第２シール面１６の前方に連なって第１ねじ無し延長部１５ａが設けられるので、この第１ねじ無し延長部１５ａの剛性により、ピン１０の第２シール面１６の領域の縮径抵抗が高まる。このため、ねじ継手に外圧が負荷されたときであっても、ピン１０の縮径変形が抑制され、第２シール面１６、２６同士の接触面圧の低下が抑えられる。その結果、外圧に対しての密封性能が向上する。また、ボックス２０には、ピン１０の第１ねじ無し延長部１５ａの領域に対応して第１ねじ無し延長部２５ａが設けられ、締結状態において第１ねじ無し延長部１５ａ、２５ａ同士の間で隙間が形成される。そのため、締結時に塗布された余剰のドープをその隙間に収容できる。その結果、ドープの圧力上昇による第２シール面１６、２６同士の接触面圧の不用意な低下が避けられる。
　ピン１０及びボックス２０それぞれには、外部寄りの第２シール面１６の後方に連なって第２ねじ無し延長部１５ｂ、２５ｂが設けられ、この第２ねじ無し延長部１５ｂ、２５ｂ同士の間には、締結状態において隙間が形成される。このため、第２ねじ部の締まりばめ作用による第２シール面１６、２６同士の実質的な干渉量の低下による面圧低下が抑えられる。その結果、外圧に対しての密封性能が向上する。
　さらに、ピン１０には、内部寄りの第１シール面１３に連なってノーズ部１２が設けられる。ボックス２０には、ピン１０のノーズ部１２の領域に対応して凹部２２が設けられる。締結状態においてそれらのノーズ部１２と凹部２２との間に隙間が形成される。例えば、ねじ継手に過大な引張荷重が負荷された場合、ピン１０の第１ショルダ面１１がボックス２０の第１ショルダ面２１から離れ、第１シール面１３、２３同士の実質的な干渉量が低下し接触が緩まる傾向になる。このような場合であっても、ノーズ部１２の弾性回復により第１シール面１３、２３同士の接触面圧の増幅効果が得られる。そのため、全体として接触面圧の低下が抑えられることから、過大な引張荷重が負荷された状態でも内圧に対しての高い密封性能が得られる。
　本実施形態に係るねじ継手では、第２ショルダ面１８、２８の設置により、ピン１０の内部寄りの第１雄ねじ部１４及び第１シール面１３の領域が薄肉化される。これにより、ねじ継手に内圧が負荷されたときに、その薄肉化された領域が有効に拡径変形する。このため、第１シール面１３、２３同士の接触面圧が増幅される。
　第２ショルダ面１８、２８の設置により、ピン１０の外部寄りの第２シール面１６及び第２雄ねじ部１７の領域は厚肉化され、その剛性が比較的高くなる。これにより、ねじ継手に外圧が負荷されたときに、当該領域の縮径変形が抑制されるため、第２シール面１６、２６同士の接触面圧を高く維持することができる。
　以下に、本実施形態に係るねじ継手の好適な態様について補足する。
　ピン１０において、管軸ＣＬに垂直な断面での鋼管本体の断面積をＡ０とし、管軸ＣＬに垂直な平面への第１ショルダ面１１及び第２ショルダ面１８それぞれの投影面積の合計をＡ２とする。このとき、両者の面積比率（以下、「鋼管本体に対する全ショルダ面積率」ともいう）Ａ２／Ａ０が３０％以上であることが好ましい。より好ましくは、Ａ２／Ａ０は３５％以上である。その理由は以下のとおりである。Ａ２／Ａ０は実質的に第１ショルダ面１１及び第２ショルダ面１８の面積に依存する。Ａ２／Ａ０が小さいと、第１ショルダ面１１及び第２ショルダ面１８の面積が小さいため、ねじ継手に過大な圧縮荷重が負荷された場合、第１ショルダ面及び第２ショルダ面１８がその圧縮荷重に耐えきれない。この場合、第１ショルダ面１１並びにこれに連なるノーズ部１２及び第１シール面１３が塑性変形し、第１シール面１３、２３同士の接触状態が不安定になる。これと合わせ、第２ショルダ面１８並びにこれに連なる第１ねじ無し延長部１５ａ及び第２シール面１６が塑性変形し、第２シール面１６、２６同士の接触状態が不安定になる。その結果、第１シール面１３、２３同士の接触面圧及び第２シール面１６、２６同士の接触面圧が低下するおそれがある。このため、鋼管本体に対する全ショルダ面積率Ａ２／Ａ０は、ある程度大きいことが好ましい。
　鋼管本体に対する全ショルダ面積率Ａ２／Ａ０の上限は特に規定しない。ただし、Ａ２／Ａ０があまりに大きいと、実質的に第１ショルダ面１１及び第２ショルダ面１８の面積が大きすぎるため、ピン１０の第１ショルダ面１１及び第２ショルダ面１８の外径が大きすぎることになる。その結果、ボックス２０では、第１雌ねじ部２４及び第１シール面２３の領域の内径が大きくなる。ボックス２０の危険断面の断面積を確保するためには、ボックス外径を大きくしなければならない。また、第１ねじ部及び第２ねじ部の噛み合い長さの確保が困難になる。このため、実用性を踏まえ、鋼管本体に対する全ショルダ面積率Ａ２／Ａ０は６０％以下とすることが好ましい。
　ピン１０において、管軸ＣＬに垂直な平面への第１ショルダ面１１及び第２ショルダ面１８それぞれの投影面積の合計をＡ２とし、管軸ＣＬに垂直な平面への第１ショルダ面１１の投影面積をＡ１とする。このとき、両者の面積比率（以下、「全ショルダに対する第１ショルダ面積率」ともいう）Ａ１／Ａ２が３５％以上であることが好ましい。より好ましくは、Ａ１／Ａ２は４０％以上である。その理由は以下のとおりである。Ａ１／Ａ２は第２ショルダ面１８と対比し、実質的に第１ショルダ面１１の面積に依存する。Ａ１／Ａ２が小さいと、第１ショルダ面１１の面積が小さいため、ねじ継手に過大な圧縮荷重が負荷された場合、第１ショルダ面１１がその圧縮荷重に耐えきれない。この場合、第１ショルダ面１１並びにこれに連なるノーズ部１２及び第１シール面１３が塑性変形し、第１シール面１３、２３同士の接触状態が不安定になる。その結果、第１シール面１３、２３同士の接触面圧が低下するおそれがある。このため、全ショルダに対する第１ショルダ面積率Ａ１／Ａ２は、ある程度大きいことが好ましい。
　全ショルダに対する第１ショルダ面積率Ａ１／Ａ２の上限は特に規定しない。ただし、Ａ１／Ａ２があまりに大きいと、第２ショルダ面１８と対比し、実質的に第１ショルダ面１１の面積が大きすぎるため、ピン１０の第１ショルダ面１１に連なるノーズ部１２の肉厚、及び第１雄ねじ部１４及び第１シール面１３の領域が厚すぎることになる。その結果、ねじ継手に内圧が負荷されたときに、その領域が有効に拡径変形せず、第１シール面１３、２３同士の接触面圧の増幅効果が得られない。この場合、第１シール面１３、２３同士の接触面圧が低下するおそれがある。このため、実用性を踏まえ、全ショルダに対する第１ショルダ面積率Ａ１／Ａ２は５５％以下とすることが好ましい。
　図８に示すように、ピン１０において、第１ねじ無し延長部１５ａの外径の最小径は、規準テーパ面１９ｂの直径よりも大きいことが好ましい。規準テーパ面１９ｂは、第２雄ねじ部１７のねじ谷底面のテーパの延長面１９ａより第２雄ねじ部１７のねじ高さの２倍分外径が小さいテーパ面１９ｂをいう。その理由は以下のとおりである。第１ねじ無し延長部１５ａの外径は、実質的に第１ねじ無し延長部１５ａの肉厚に依存する。第１ねじ無し延長部１５ａの外径が小さいと、第１ねじ無し延長部１５ａの肉厚が薄いため、ねじ継手に外圧が負荷された場合、第１ねじ無し延長部１５ａの剛性による第２シール面１６の領域の縮径抵抗が不十分になる。この場合、第２シール面１６、２６同士の接触面圧が低下するおそれがある。このため、第１ねじ無し延長部１５ａの外径は、ある程度大きいことが好ましい。
　第１ねじ無し延長部１５ａの外径の上限は特に規定しない。ただし、第１ねじ無し延長部１５ａの外径は、締結の際にボックス２０の第２シール面２６に干渉しない寸法とする必要がある。
　ピン１０において、第１ねじ無し延長部１５ａの管軸に沿う長さは、第２シール面１６の前端側の端部から測定して第２雄ねじ部１７のねじピッチの１倍以上であることが好ましい。第１ねじ無し延長部１５ａの長さが短いと、第１ねじ無し延長部１５ａの肉厚が薄いときの理由と同様に、ねじ継手に外圧が負荷された場合、第２シール面１６、２６同士の接触面圧が低下するおそれがあるからである。
　第１ねじ無し延長部１５ａの長さの上限は特に規定しない。ただし、第１ねじ無し延長部１５ａの長さがあまりに長いと、継手の全長が長くなり、加工時間や材料費の増加により製造コストが増加する。また、第１ねじ無し延長部１５ａの長さがある長さ以上になると密封性能の向上効果はほぼ飽和する。このため、実用性を踏まえ、第１ねじ無し延長部１５ａの長さは、第２雄ねじ部１７のねじピッチの５倍以下とすることが好ましい。
　ピン１０において、第２ねじ無し延長部１５ｂの管軸に沿う長さは、第２シール面１６の後端側の端部から測定して第２雄ねじ部１７のねじピッチの１倍以上であることが好ましい。第２ねじ無し延長部１５ｂの長さが短いと、第２ねじ部の締まりばめ作用による第２シール面１６、２６同士の実質的な干渉量の低下により、第２シール面１６、２６同士の接触面圧が低下するおそれがあるからである。
　第２ねじ無し延長部１５ｂの長さの上限は特に規定しない。ただし、第２ねじ無し延長部１５ｂの長さがあまりに長いと、継手の全長が長くなり、加工時間や材料費の増加により製造コストが増加する。また、第２ねじ無し延長部１５ｂの長さがある長さ以上になると密封性能の向上効果はほぼ飽和する。このため、実用性を踏まえ、第２ねじ無し延長部１５ｂの長さは、第２雄ねじ部１７のねじピッチの５倍以下とすることが好ましい。
　ピン１０において、ノーズ部１２の管軸ＣＬに沿う長さは５ｍｍ以上であることが好ましい。その理由は以下のとおりである。ノーズ部１２の長さが短いと、ねじ継手に過大な引張荷重が負荷された場合、ノーズ部１２による第１シール面１３の弾性的な復元力が不十分になる。この場合、第１シール面１３、２３同士の接触面圧が低下するおそれがある。このため、ノーズ部１２の長さは、ある程度長いことが好ましい。
　ノーズ部１２の長さの上限は特に規定しない。ただし、ノーズ部１２の長さがあまりに長いと、継手の全長が長くなり、加工時間や材料費の増加により製造コストが増加する。また、ノーズ部１２の長さがある長さ以上になると密封性能の向上効果はほぼ飽和する。このため、実用性を踏まえ、ノーズ部１２の長さは、第１雄ねじ部１４のねじピッチの５倍以下とすることが好ましい。
　その他、本開示は上記の実施形態に限定されず、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、ねじ継手に内圧が負荷されたときに、内部寄りの第１ねじ部の嵌め合い密着を第１シール部に近い領域に限定して緩和する方策を付加してもよい。これにより、ピン１０の内部寄りの第１シール面１３の領域がより有効に拡径変形し、第１シール面１３、２３同士の接触面圧がより増幅される。その方策としては、第１ねじ部の第１シール部に近い領域において、第１雄ねじ部１４又は第１雌ねじ部２４をねじ形状の不完全な不完全ねじとする構成を採用できる。この構成の一例として、その不完全ねじの領域では、ボックス２０の第１雌ねじ部２４のねじ山頂面を管軸ＣＬに平行な円筒面として、ねじ高さを正規のねじ高さよりも低くする。これにより、不完全ねじの領域に限り、第１雌ねじ部２４のねじ山頂面と第１雄ねじ部１４のねじ谷底面との間に隙間が設けられる。この場合、不完全ねじの領域の長さは、第１雌ねじ部２４のねじピッチの３～９倍（１５～４５ｍｍ程度）とする。
　また、上記の実施形態のねじ継手は、インテグラル型及びカップリング型のいずれにも適用できる。
　本開示に係る鋼管用ねじ継手による効果を確認するため、弾塑性有限要素法による数値シミュレーション解析を実施した。
　＜試験条件＞
　中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄが異なる複数の供試体について、有限要素解析を実施して性能の差を比較した。各供試体は、図６～図８に示す基本構造を有するカップリング型のねじ継手である。共通の試験条件を以下に示す。
（１）鋼管の寸法
　７－５／８［ｉｎｃｈ］×１．０６［ｉｎｃｈ］（外径１９３．６８［ｍｍ］、肉厚２７．０［ｍｍ］）、又は８－５／８［ｉｎｃｈ］×１．１５［ｉｎｃｈ］（外径２１９．１［ｍｍ］、肉厚２９．２［ｍｍ］］
（２）鋼管のグレード
　ＡＰＩ規格のＰ１１０（公称降伏応力が１１０［ｋｓｉ］の炭素鋼）
（３）ねじの寸法（全てのねじで共通）
　ねじピッチ：５．０８［ｍｍ］、荷重面のフランク角：－３°、挿入面のフランク角：１０°、挿入面すき間：０．１５［ｍｍ］
　有限要素解析では、材料を等方硬化の弾塑性体とし、弾性係数が２１０［ＧＰａ］、０．２％耐力として降伏強度が１１０［ｋｓｉ］（＝７５８．３［ＭＰａ］）になるように、各供試体をモデル化したものを使用した。
　＜評価方法＞
　［第１の解析］
　第１の解析として、各供試体に対してねじの締め付けの解析を行った。第１の解析では、一方のショルダ面同士が接触した後、他方のショルダ面同士が接触するまで締め付けを行った。ただし、一方のショルダ面同士が接触した後、１５／１００ターン締め付けても他方のショルダ面同士が接触しなかった場合は、その時点で締め付けを終了した。
　第１の解析では、内ショルダ面（１１、２１）同士の接触タイミングと、中間ショルダ面（１８、２８）同士の接触タイミングとの差を以下の４水準で評価した。
　・優：中間ショルダ面同士、内ショルダ面同士の順で接触し、締め付け回転数差Δの絶対値が３［×１／１００ｔｕｒｎ］以下である。
　・良：内ショルダ面同士、中間ショルダ面同士の順で接触し、締め付け回転数差Δの絶対値が３［×１／１００ｔｕｒｎ］以下である。
　・可：内ショルダ面同士が先に接触し、締め付け回転数差Δの絶対値が３［×１／１００ｔｕｒｎ］よりも大きい。
　・不可：中間ショルダ面同士が先に接触し、締め付け回転数差Δの絶対値が３［×１／１００ｔｕｒｎ］よりも大きい。
　［第２の解析］
　第２の解析では、各供試体について、ＩＳＯ１３６７９のシリーズＡ試験を模擬した荷重履歴を締結状態のモデルに負荷した。第２の解析では、内ショルダ面同士及び中間ショルダ面同士のいずれか一方が接触した後、さらに３／１００ターン締め付けた時点で締結完了とした。
　第２の解析では、外圧及び内圧に対する密封性能を評価した。外圧及び内圧に対する密封性能は、それぞれ、荷重履歴の内圧サイクル（第１、第２象限）における第１シール部（１３、２３）の周方向単位長さ当たりの接触力、及び荷重履歴の外圧サイクル（第３、第４象限）における第２シール部（１６、２６）の周方向単位長さ当たりの接触力を比較することによって評価した。接触力が大きいほど密封性能が優れていることを意味する。密封性能は、中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄ＝０の供試体の接触力を１とした相対値を用いて、以下の４水準で評価した。
　・優：第１シール部及び第２シール部の接触力がともに０．９以上である。
　・良：第１シール部及び第２シール部の接触力がともに０．８以上であり、少なくとも一方が０．９未満である。
　・可：第１シール部及び第２シール部の接触力がともに０．７以上であり、少なくとも一方が０．８未満である。
　・不可：第１シール部及び第２シール部の接触力のいずれかが０．７未満である。
　表１は、各供試体の試験条件及び評価をまとめたものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000015
  
　表１には、各供試体について、上述の式（１）に基づいて算出した中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄが示されている。また、表１には、上述の式（２）～（５）に基づいて算出したピンの伸び量λ、δｓｈｌｄの下限（＝Ｐ・Δｍｉｎ＋λ）、及びδｓｈｌｄの上限（＝Ｐ・Δｍａｘ＋λ）が示されている。Ｎｏ．１～７の供試体とＮｏ．８～１８の供試体とでは、鋼管の寸法が異なるため、ピンの伸び量λは異なるが、有効数字を２桁としたことにより、δｓｈｌｄの下限及び上限が同じ値となっている。
　Ｎｏ．１、２、７～９、１６の供試体では、δｓｈｌｄが下限よりも小さいか、あるいは上限よりも大きく、上述の式（２）を満たさない。一方、Ｎｏ．３～６、１０～１５の供試体では、δｓｈｌｄが下限以上且つ上限以下であって式（２）を満たす。
　＜試験結果＞
　［第１の解析］
　Ｎｏ．３～５、１０～１３の供試体では、まず内ショルダ面同士が接触するため、ピンの先端とボックスとの間にすき間は生じない。また、δｓｈｌｄが下限以上且つ上限以下であるため、締め付け回転数差Δの絶対値が比較的小さい。つまり、内ショルダ面同士が接触した後、中間ショルダ面同士が接触するまでの締め付け回転数が少ないため、各内ショルダ面の塑性変形が生じにくい。
　特に、Ｎｏ．５、１２、１３の供試体では、Δが絶対値で３／１００ターン以下である。よって、ショルダリング後、３／１００ターン程度締め付けた時点で完了とする通常の締結において、内ショルダ面同士及び中間ショルダ面同士の双方を接触させることができ、高い耐圧縮性能を確保することができる。
　Ｎｏ．１、２、８、９の供試体でも、内ショルダ面同士が先に接触するため、ピンの先端とボックスとの間にすき間は生じない。しかしながら、Ｎｏ．１、２、８、９の供試体では、δｓｈｌｄが下限よりも小さく、Ｎｏ．３～５、１０～１３の供試体よりもΔの絶対値が大きくなっている。このため、内ショルダ面同士が接触した後、中間ショルダ面同士が接触するまでの締め付け回転数が多く、各内ショルダ面に過大な塑性変形が生じる。
　Ｎｏ．６、１４、１５の供試体では、中間ショルダ面同士が先に接触する。ただし、Ｎｏ．６、１４、１５の供試体では、δｓｈｌｄが下限以上且つ上限以下であるため、中間ショルダ面同士が接触した後、少ない締め付け回転数で内ショルダ面同士が接触する。よって、各中間ショルダ面の塑性変形が生じにくい。
　Ｎｏ．６、１４、１５の供試体では、Δが絶対値で３／１００ターン以下である。よって、通常の締結において、内ショルダ面同士及び中間ショルダ面同士の双方を確実に接触させることができ、高い耐圧縮性能を確保することができる。さらに、面積が大きい中間ショルダ面同士が先に接触するため、塑性変形抑制の観点から特に好ましい。
　Ｎｏ．７、１６の供試体でも、中間ショルダ面同士が先に接触する。しかしながら、Ｎｏ．７、１６の供試体では、δｓｈｌｄが上限よりも大きく、Δの絶対値がＮｏ．６、１４、１５の供試体よりも大きくなっている。このため、中間ショルダ面同士が接触した後、内ショルダ面同士が接触するまでの締め付け回転数が多く、各中間ショルダ面に過大な塑性変形が生じる。
　Ｎｏ．７、１６の供試体では、Δが絶対値で３／１００ターンよりも大きい。このため、通常の締結において内ショルダ面同士を接触させることはできず、ピンの先端とボックスとの間にすき間が生じる。よって、すき間腐食が生じる可能性が高くなる。
　［第２の解析］
　Ｎｏ．５、６、１２～１５の供試体では、δｓｈｌｄが下限以上且つ上限以下であって、Δが絶対値で３／１００ターン以下であるため、一方のショルダ面同士が接触した後、内ショルダ面同士及び中間ショルダ面同士の双方が接触した。Ｎｏ．５、６、１２～１５の供試体では、外圧及び内圧に対する密封性能がともに良好であった。
　Ｎｏ．３、４、１０、１１の供試体では、内ショルダ面同士が先に接触する。Ｎｏ．３、４、１０、１１の供試体では、Δが絶対値で３／１００ターンよりも大きいため、中間ショルダ面同士は接触しない。しかしながら、Ｎｏ．３、４、１０、１１の供試体では、δｓｈｌｄが下限以上且つ上限以下であったため、外圧及び内圧に対する密封性能はともに良好であった。
　Ｎｏ．１、２、８、９の供試体では、δｓｈｌｄが下限よりも小さい。Ｎｏ．７、１６の供試体では、δｓｈｌｄが上限よりも大きい。このため、Ｎｏ．１、２、７～９、１６の供試体では、特に外圧に対する密封性能が著しく低下した。
　第１及び第２の解析の結果から、上述の式（２）及び（３）を満たすようにδｓｈｌｄを設定すれば、内ショルダ面同士を確実に接触させてすき間腐食の発生を抑制することができ、且つ優れた密封性能を確保できることがわかった。さらに、式（２）及び（３）を満たすようにδｓｈｌｄを設定すれば、各ショルダ面の過大な塑性変形を抑制できることもわかった。

Claims (1)

  1. 　管状のピンと、管状のボックスとから構成され、前記ピンが前記ボックスにねじ込まれて前記ピンと前記ボックスとが締結される鋼管用ねじ継手であって、
    　前記ピンは、先端側から順に、第１ショルダ面、第１シール面、テーパねじの第１雄ねじ部、第２ショルダ面、第２シール面及びテーパねじの第２雄ねじ部を備え、
    　前記ボックスは、前記ピンの前記第１ショルダ面、前記第１シール面、前記第１雄ねじ部、前記第２ショルダ面、前記第２シール面及び前記第２雄ねじ部のそれぞれに対応する第１ショルダ面、第１シール面、テーパねじの第１雌ねじ部、第２ショルダ面、第２シール面及びテーパねじの第２雌ねじ部を備え、さらに、
    　前記ピンは、前記第１ショルダ面と前記第１シール面との間に前記第１シール面に連なるノーズ部を備えるとともに、前記第２ショルダ面と前記第２シール面との間に前記第２シール面に連なるねじ無し延長部を備え、
    　前記ボックスは、前記ピンの前記ノーズ部に対応する凹部を備えるとともに、前記ピンの前記ねじ無し延長部に対応するねじ無し延長部を備えており、
    　締結状態において、前記第１ショルダ面同士が互いに接触し、前記第１シール面同士が互いに接触し、前記第２シール面同士が互いに接触し、前記ピンの前記ノーズ部と前記ボックスの前記凹部との間に隙間が形成され、前記ピンの前記ねじ無し延長部と前記ボックスの前記ねじ無し延長部との間に隙間が形成され、前記第１雄ねじ部と前記第１雌ねじ部とが嵌まり合い、前記第２雄ねじ部と前記第２雌ねじ部とが嵌まり合い、
    　非締結状態の前記ピンにおいて前記第１ショルダ面から前記第２ショルダ面までの管軸方向の距離をＬｐｉｎ、非締結状態の前記ボックスにおいて前記第１ショルダ面から前記第２ショルダ面までの管軸方向の距離をＬｂｏｘとして、前記ピンの前記第２ショルダ面と前記ボックスの前記第２ショルダ面との干渉量δｓｈｌｄを以下の式（１）で定義したとき、以下の式（２）及び（３）を満たす、鋼管用ねじ継手。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
    　ここで、Ｐは、前記第１雄ねじ部のねじピッチ、Δｍｉｎは、締結過程において前記第１ショルダ面同士又は前記第２ショルダ面同士が接触した後の締め付け回転数の下限値、Δｍａｘは、前記締め付け回転数の上限値、λは、前記ピンのうち前記第２ショルダ面よりも先端側の部分の締結時における伸び量であり、
    　前記ピンの内径をＩＤ、前記ピンの前記第２ショルダ面の最内径をＤｍｓ、前記ピンの前記第１ショルダ面の最外径をＤｉｓとし、前記第１雄ねじ部と前記第１雌ねじ部との干渉量δｔｈとしたとき、λは、以下の式（４）及び（５）を用いて表わされる。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
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