WO2020039750A1 - 鋼管用ねじ継手 - Google Patents

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WO2020039750A1
WO2020039750A1 PCT/JP2019/026013 JP2019026013W WO2020039750A1 WO 2020039750 A1 WO2020039750 A1 WO 2020039750A1 JP 2019026013 W JP2019026013 W JP 2019026013W WO 2020039750 A1 WO2020039750 A1 WO 2020039750A1
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screw
tapered
male screw
corner
top surface
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PCT/JP2019/026013
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English (en)
French (fr)
Inventor
正明 杉野
Original Assignee
日本製鉄株式会社
バローレック・オイル・アンド・ガス・フランス
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Publication date
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    • F16L15/08—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints with supplementary elements

Definitions

  • the present invention relates to a threaded joint used for connecting steel pipes.
  • oil wells In oil wells, natural gas wells, and the like (hereinafter collectively referred to as “oil wells”), steel pipes called OCTG (Oil Country Tubular Goods) are used to extract underground resources.
  • OCTG Oil Country Tubular Goods
  • the steel pipes are connected sequentially.
  • a threaded joint is used for connecting steel pipes.
  • Types of threaded joints for steel pipes are broadly classified into coupling types and integral types.
  • one of the pair of pipes to be connected is a steel pipe, and the other is a coupling.
  • a male screw portion is formed on the outer periphery of both ends of the steel pipe, and a female screw portion is formed on the inner periphery of both ends of the coupling. Then, the steel pipe and the coupling are connected.
  • the pair of pipes to be connected are both steel pipes, and no separate coupling is used.
  • a male screw portion is formed on the outer circumference of one end of the steel pipe, and a female screw portion is formed on the inner circumference of the other end. And one steel pipe and the other steel pipe are connected.
  • the joint portion at the pipe end where the male screw portion is formed is called a pin because it includes an element inserted into the female screw portion.
  • the joint portion at the pipe end where the female screw portion is formed is called a box because it includes an element for receiving the male screw portion. Since these pins and boxes are the ends of the tubing, they are both tubular.
  • the thread of the threaded joint for steel pipe (hereinafter, also simply referred to as “screw joint”) is a tapered thread. Therefore, the pin includes a tapered male screw as the male screw.
  • the box includes, as the female screw portion, a tapered female screw portion that meshes with the tapered male screw portion.
  • the screw of the threaded joint is a trapezoidal screw typified by an API standard buttress screw.
  • a tapered male thread portion (hereinafter, also simply referred to as “male thread portion”) and a tapered female thread portion (hereinafter, also simply referred to as “female thread portion”) respectively have a screw top surface, a screw bottom surface, a load flank surface, and an insertion flank. It includes the four faces of the face, and further includes corners or corners connecting the faces, such as arcs.
  • the screw top surface, screw bottom surface, load flank surface and insertion flank surface are clearly distinguished by shape and function.
  • Pin and box usually each include a shoulder. Screwing the pin into the box causes the shoulder of the pin to contact the shoulder of the box. Subsequently, when the pin is rotated by a predetermined amount, the fastening of the pin to the box is completed. As a result, a tightening axial force is generated, and the load flank surface of the pin is strongly pressed against the load flank surface of the box.
  • the screw bottom surface of the male screw portion hereinafter also referred to as “male thread bottom surface”
  • female screw portion hereinafter also referred to as “female screw top surface”.
  • a gap is formed between the screw top surface of the male screw portion (hereinafter also referred to as “male screw top surface”) and the screw bottom surface of the female screw portion (hereinafter also referred to as “female screw bottom surface”).
  • Pin and box may each include a sealing surface.
  • the sealing surface of the pin comes into contact with the sealing surface of the box while interfering with the sealing surface of the box, thereby forming a sealing portion by metal contact.
  • the solid lubricating film is originally a semi-solid lubricant with fluidity, and is applied to the surface of the screw portion using a brush or spray.
  • the applied semi-solid lubricant is subjected to a curing treatment (eg, cooling, ultraviolet irradiation, etc.) and solidified to form a solid lubricating film.
  • the semi-solid lubricant applied to the thread portion flows during the period from application to solidification.
  • the thickness of the lubricant before solidification becomes uneven.
  • Patent Document 3 a corner connecting the screw top surface and the load flank surface, and a corner connecting the screw top surface and the insertion flank surface.
  • the film thickness becomes thin.
  • the film thickness becomes particularly thick at the center. Such unevenness in film thickness is maintained even after solidification. Therefore, the thickness of the solid lubricating film becomes uneven.
  • a gap is formed between the top surface of the male screw and the bottom surface of the female screw in the fastened state. That is, even during fastening, a gap is formed between the top surface of the male screw and the bottom surface of the female screw.
  • the solid lubricating film if the solid lubricating film is thick on the top surface of the external thread, the solid lubricating film peels during fastening.
  • the exfoliated solid lubricant rolls freely in the gap between the top surface of the male screw and the bottom surface of the female screw. When a large amount of solid lubricant rolls in the gap, smooth screwing of the pin into the box is hindered. As a result, a fastening problem occurs.
  • humping of the torque chart occurs or high shouldering occurs.
  • Threaded joints are usually tightened with torque management.
  • humping or high shouldering occurs, a high torque is generated even though the fastening is in progress.
  • the fastening ends at the time of the fastening. That is, the fastening ends in a state of insufficient tightening.
  • An object of the present invention is to provide a threaded joint for steel pipes provided with a solid lubricating coating on the surface of a male thread portion, which can suppress a fastening failure without impairing the productivity of the threaded joint. It is to be.
  • the threaded joint for a steel pipe includes a tubular pin and a tubular box.
  • the pin includes a tapered external thread and a shoulder.
  • the tapered external thread portion includes a screw top surface, a screw bottom surface, a load flank surface, and an insertion flank surface.
  • the box includes a tapered female thread that meshes with the male tapered thread and a shoulder corresponding to the shoulder of the pin.
  • the tapered female screw portion includes a screw top surface, a screw bottom surface, a load flank surface, and an insertion flank surface.
  • the bottom surface of the tapered male thread contacts the top surface of the tapered female thread while interfering with the top surface of the tapered male thread.
  • a gap is formed between the female screw portion and the screw bottom surface.
  • the thread top surface of the tapered external thread portion is connected to the load flank surface of the tapered external thread portion via the first corner portion formed of an arc.
  • the screw top surface of the tapered male screw portion is connected to the insertion flank surface of the tapered male screw portion via a second corner formed of a circular arc.
  • the load flank surface and the insertion flank surface of the tapered male screw portion are each formed of a straight line.
  • the flank angle of the load flank surface of the tapered male screw portion is a negative angle.
  • the screw top surface of the tapered male screw portion is formed of a convex curve tangent to both the first corner and the second corner.
  • the above-mentioned threaded joint is provided with a solid lubricating film on the surface of the tapered male screw part.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a typical example of the threaded joint for steel pipes of the first embodiment.
  • FIG. 2 is an enlarged longitudinal sectional view of a threaded region of the threaded joint for steel pipes of the first embodiment.
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view of the male screw portion shown in FIG. 2 before a solid lubricating film is formed.
  • FIG. 4 is a longitudinal sectional view of the male screw portion shown in FIG.
  • FIG. 5 is an enlarged longitudinal sectional view of a region of a thread portion in the threaded joint for steel pipes of the second embodiment.
  • FIG. 6 is an enlarged longitudinal sectional view of a threaded region of the threaded joint for steel pipes of the third embodiment.
  • FIG. 7 is a longitudinal sectional view of the male screw portion shown in FIG. 6 before the solid lubricating film is formed.
  • the threaded joint for a steel pipe includes a tubular pin and a tubular box.
  • the pin includes a tapered external thread and a shoulder.
  • the tapered external thread portion includes a screw top surface, a screw bottom surface, a load flank surface, and an insertion flank surface.
  • the box includes a tapered female thread that meshes with the male tapered thread and a shoulder corresponding to the shoulder of the pin.
  • the tapered female screw portion includes a screw top surface, a screw bottom surface, a load flank surface, and an insertion flank surface.
  • the bottom surface of the tapered male thread contacts the top surface of the tapered female thread while interfering with the top surface of the tapered male thread.
  • a gap is formed between the female screw portion and the screw bottom surface.
  • the above-mentioned screw joint includes the following configuration.
  • the screw top surface of the tapered external thread portion is connected to the load flank surface of the tapered external thread portion via a first corner portion formed of an arc.
  • the screw top surface of the tapered male screw portion is connected to the insertion flank surface of the tapered male screw portion via a second corner formed of a circular arc.
  • the load flank surface and the insertion flank surface of the tapered male screw portion are each formed of a straight line.
  • the flank angle of the load flank surface of the tapered male screw portion is a negative angle.
  • the screw top surface of the tapered male screw portion is formed of a convex curve tangent to both the first corner and the second corner. And the above-mentioned threaded joint is provided with a solid lubricating film on the surface of the tapered male screw part.
  • the entire top surface of the male screw is gently raised. That is, the top surface of the male screw is not flat, and no groove is provided on the top surface of the male screw.
  • Surface tension acts on the semisolid lubricant applied to the top surface of the external thread. Surface tension usually acts in a direction that minimizes the surface energy of the object, and provides a driving force that minimizes the free surface area of the liquid at the gas-liquid interface. Therefore, the semi-solid lubricant applied to a portion having a small radius of curvature flows to a portion having a larger radius of curvature. The greater the difference in radius of curvature between adjacent surfaces, the more pronounced this flow.
  • the thickness of the semi-solid lubricant becomes uniform without increasing the thickness on the top surface of the male screw, and the thickness of the solid lubricating film also becomes uniform. Therefore, it is possible to suppress a failure in fastening. As a result, desired sealing performance and joint strength are obtained.
  • the thread cutting tool for forming the male screw portion has a concave shape corresponding to a smoothly raised screw top surface. At the time of thread cutting, the load applied to the concave portion is much smaller than the load applied to the convex portion. Therefore, the life of the tool is not particularly shortened. Therefore, the productivity of the threaded joint is not impaired.
  • the threaded joint of this embodiment there is a flat load flank surface and a flat insertion flank surface. Further, the flank angle of the load flank surface is a negative angle. That is, the load flank surface is inclined in a hook shape. Therefore, the fastening axial force effectively acts on the load flank surface. Thereby, jump-out hardly occurs even when a tensile load is applied. Therefore, the joint strength is high.
  • the solid lubricating film used in the threaded joint of the present embodiment is not particularly limited as long as it has fluidity at the time of application, and is subjected to a hardening treatment after application to be solidified. That is, a solid lubricating film that does not flow until solidification, such as an electrodeposition film and a pressure-bonded film, is not included.
  • the shape of the female screw bottom surface is not limited as long as a gap is formed between the male screw top surface and the female screw bottom surface in the fastened state.
  • the female screw bottom surface is formed of a straight line. In this case, the entire bottom surface of the female screw is flat.
  • the female screw bottom surface may be formed with a concave curve so as to correspond to the male screw top surface. In this case, the entire bottom surface of the female screw is gently concave.
  • the pin and box each include a sealing surface.
  • the sealing surface of the pin comes into contact with the sealing surface of the box while interfering with the sealing surface of the box, thereby forming a sealing portion by metal contact.
  • the sealing surface need not be provided.
  • the above threaded joint preferably includes the following configuration.
  • an imaginary first circle including an arc forming the first corner
  • an imaginary second circle including an arc forming the second corner
  • a threaded top surface of the tapered male thread portion When a virtual straight line tangent to both the virtual first circle and the virtual second circle is drawn, the virtual straight line and the curve forming the screw top surface of the tapered male screw portion are perpendicular to the pipe axis.
  • the maximum distance b of the distances in the direction is 0.1 mm to 0.3 mm. If the maximum distance b is 0.1 mm or more, the thickness of the solid lubricating coating becomes effectively uniform. Preferably, the maximum distance b is at least 0.2 mm. On the other hand, if the maximum distance b is 0.3 mm or less, the height of the load flank surface in the direction perpendicular to the pipe axis is effectively secured, and there is no adverse effect on the joint strength.
  • the curve forming the thread top surface of the tapered external thread portion is a circular arc, an elliptical arc, or a parabola.
  • the above threaded joint preferably includes the following configuration.
  • the height LSH of the load flank surface of the tapered male screw portion in the direction perpendicular to the pipe axis (hereinafter, also referred to as “load flank surface height”) is 30% of the screw height H of the tapered male screw portion. Not less than 70%.
  • the height SSH (hereinafter, also referred to as “insertion flank surface height”) of the insertion flank surface of the tapered male screw portion in the direction perpendicular to the pipe axis is 30% or more and 70% or less of the screw height H of the tapered male screw portion. is there.
  • the load flank surface height LSH is 30% or more of the thread height H, there is no adverse effect on the joint strength.
  • the load flank surface height LSH is at least 40% of the screw height H.
  • the load flank surface height LSH is 70% or less of the screw height H, a sufficiently large arc can be used for the corners and corners described later. In this case, the corner does not damage the surface of the mating member at the time of fastening, and there is no influence on seizure resistance. Further, there is no problem in securing the maximum distance b. In this case, extreme stress concentration at the corner can be avoided, and there is no adverse effect on the fatigue strength and the like.
  • the insertion flank surface height SSH is 30% or more of the thread height H, there is no adverse effect on the compressive strength of the joint.
  • the insertion flank surface height SSH is at least 40% of the screw height H.
  • the insertion flank surface height SSH is 70% or less of the screw height H, a sufficiently large arc can be used for the corners and corners described later. In this case, the corner does not damage the surface of the mating member at the time of fastening, and there is no influence on seizure resistance. Further, there is no problem in securing the maximum distance b. In this case, extreme stress concentration at the corner can be avoided, and there is no adverse effect on the fatigue strength and the like.
  • the thread bottom surface of the externally tapered threaded portion is connected to the load flank surface of the externally threaded tapered portion through the first corner formed by an arc.
  • the thread bottom surface of the tapered male screw portion is connected to the insertion flank surface of the tapered male screw portion via the second corner formed of an arc.
  • the radius R1 of the first corner is not less than 5% and not more than 35% of the screw height H.
  • the radius R2 of the second corner is not less than 15% and not more than 50% of the screw height H.
  • the radius R3 of the first corner is not less than 15% and not more than 50% of the screw height H.
  • the radius R4 of the second corner is not less than 5% and not more than 35% of the screw height H.
  • the radius R1, R2, R3, and R4 of each of the first corner, the second corner, the first corner, and the second corner is set to an appropriate value in design.
  • the radius R2 of the second corner and the radius R3 of the first corner are set based on the following design concept. If the radius R2 of the second corner is too small, the stubbing performance is impaired.
  • the stubbing performance refers to how quickly and surely the male screw portion fits into the female screw portion to start rotation of the pin when the pin is inserted into the box. Furthermore, in this case, the surface of the female screw portion is damaged when the pin is inserted into the box, and the seizure resistance is reduced. Therefore, the radius R2 is set to a large value within the range permitted by design circumstances.
  • the radius R3 of the first corner is set to a large value within the range permitted by design circumstances.
  • the radius R1 of the first corner and the radius R4 of the second corner do not have the same circumstances as the radius R2 and the radius R3. Therefore, the radius R1 and the radius R4 are set such that the above-mentioned load flank surface height LSH and insertion flank surface height SSH can be secured.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a typical example of the threaded joint for steel pipes of the first embodiment.
  • FIG. 2 is an enlarged longitudinal sectional view of a threaded region of the threaded joint for steel pipes of the first embodiment.
  • 3 and 4 are longitudinal sectional views of the male screw portion shown in FIG.
  • FIG. 3 shows a state before the solid lubricant film is formed.
  • FIG. 4 shows a state where the solid lubricating film is formed. 2 to 4, the direction in which the pin 10 is screwed into the box 20 is indicated by a white arrow.
  • the longitudinal section means a section including the pipe axis CL of the threaded joint. 1 and 2, illustration of the solid lubricating film is omitted.
  • the threaded joint shown in Fig. 1 is a coupling type threaded joint.
  • the screw joint includes a pin 10 and a box 20.
  • the thread of the threaded joint is a tapered thread.
  • the pin 10 includes a male thread 11 and a shoulder 16. This shoulder portion 16 is provided at the tip of the pin 10.
  • the box 20 includes a female thread 21 corresponding to the male thread 11 of the pin 10 and a shoulder 26 corresponding to the shoulder 16 of the pin 10.
  • the pin 10 includes a sealing surface 17.
  • the sealing surface 17 is provided between the male screw part 11 and the shoulder part 16.
  • Box 20 includes a sealing surface 27 corresponding to sealing surface 17 of pin 10.
  • the male screw portion 11 of the pin 10 includes a screw top surface 12, a screw bottom surface 13, a load flank surface 15, and an insertion flank surface 14.
  • the female screw portion 21 of the box 20 includes a screw top surface 22, a screw bottom surface 23, a load flank surface 25, and an insertion flank surface 24.
  • the male screw top surface 12 faces the female screw bottom surface 23.
  • the male screw top surface 12 is formed of a convex curve. That is, the male screw top surface 12 is gently raised.
  • the female screw bottom surface 23 is formed of a straight line. That is, the female screw bottom surface 23 is flat.
  • the male screw bottom surface 13 faces the female screw top surface 22.
  • the male screw bottom surface 13 is formed of a straight line. That is, the male screw bottom surface 13 is flat.
  • the female screw top surface 22 is formed of a straight line. That is, the female screw top surface 22 is flat.
  • the male screw bottom surface 13 is on the same straight line over the entire area of the male screw portion 11 in the longitudinal direction (the direction of the tube axis CL).
  • the female screw top surface 22 is also on the same straight line over the entire area of the female screw portion 21 in the longitudinal direction.
  • the female screw bottom surface 23 is also on the same straight line over the entire area of the female screw portion 21 in the longitudinal direction.
  • the insertion flank surface 14 of the male screw portion 11 faces the insertion flank surface 24 of the female screw portion 21.
  • the insertion flank surface 14 of the male screw portion 11 is formed of a straight line. That is, the insertion flank surface 14 of the male screw portion 11 is flat.
  • the insertion flank surface 24 of the female screw portion 21 is formed of a straight line. That is, the insertion flank surface 24 of the female screw portion 21 is flat.
  • the load flank surface 15 of the male screw portion 11 faces the load flank surface 25 of the female screw portion 21.
  • the load flank surface 15 of the male screw portion 11 is formed of a straight line. That is, the load flank surface 15 of the male screw portion 11 is flat.
  • the load flank surface 25 of the female screw portion 21 is formed of a straight line. That is, the load flank surface 25 of the female screw portion 21 is flat.
  • the flank angle ⁇ of the load flank surfaces 15 and 25 is a negative angle. That is, the load flank surfaces 15 and 25 are inclined in a hook shape.
  • the male screw portion 11 meshes with the female screw portion 21.
  • the shoulder 16 of the pin 10 contacts the shoulder 26 of the box 20 (see FIG. 1).
  • a tightening axial force is generated by the shoulder portions 16 and 26, and the load flank surface 15 of the pin 10 is strongly pressed against the load flank surface 25 of the box 20.
  • the male screw bottom surface 13 contacts the female screw top surface 22 while interfering with each other.
  • a gap is formed between the male screw top surface 12 and the female screw bottom surface 23.
  • a gap is formed between the insertion flank surface 14 of the male screw portion 11 and the insertion flank surface 24 of the female screw portion 21.
  • the sealing surface 17 of the pin 10 comes into contact with the sealing surface 27 of the box 20 while interfering with each other, and a sealing portion is formed by metal contact (see FIG. 1).
  • the male screw top surface 12 is connected to the load flank surface 15 of the male screw portion 11 via the first corner portion 12a.
  • the first corner 12a is formed by an arc having a radius of R1.
  • the male screw top surface 12 is connected to the insertion flank surface 14 of the male screw portion 11 via the second corner 12b.
  • the second corner 12b is formed of an arc having a radius of R2.
  • the male screw bottom surface 13 is connected to the load flank surface 15 of the male screw portion 11 via the first corner 13a.
  • the first corner 13a is formed by an arc having a radius of R3.
  • the male screw bottom surface 13 is connected to the insertion flank surface 14 of the male screw portion 11 via the second corner 13b.
  • the second corner 13b is an arc having a radius of R4.
  • the radius R1 of the first corner 12a is 5% or more and 35% or less of the screw height H.
  • the radius R2 of the second corner 12b is not less than 15% and not more than 50% of the screw height H.
  • the radius R3 of the first corner 13a is not less than 15% and not more than 50% of the screw height H.
  • the radius R4 of the second corner 13b is not less than 5% and not more than 35% of the screw height H.
  • the height LSH of the load flank surface 15 of the male screw portion 11 in the direction perpendicular to the tube axis CL is 30% or more and 70% or less of the screw height H of the male screw portion 11.
  • the height SSH of the insertion flank surface 14 of the external thread portion 11 in the direction perpendicular to the tube axis CL is 30% or more and 70% or less of the thread height H of the external thread portion 11.
  • the load flank surface height LSH is read as a radial height (distance) when the load flank surface 15 is projected on a plane perpendicular to the pipe axis CL.
  • the insertion flank surface height SSH is read as a radial height (distance) when the insertion flank surface 14 is projected on a plane perpendicular to the tube axis CL.
  • the male screw top surface 12 is formed of a convex curve.
  • This curve includes both a virtual first circle C1 including an arc of radius R1 forming the first corner 12a and a virtual second circle C2 including an arc of radius R2 forming the second corner 12b.
  • Tangent to 3 and 4 show an example in which the curve forming the screw top surface 12 is a circular arc. Specifically, referring to FIG. 3, a virtual first circle C1 including an arc forming the first corner 12a is drawn. A virtual second circle C2 including an arc forming the second corner 12b is drawn.
  • a virtual straight line C adjacent to the male screw top surface 12 and in contact with both the virtual first circle C1 and the virtual second circle C2 is drawn.
  • the maximum distance b of the virtual straight line C and the curve forming the male screw top surface 12 in the direction perpendicular to the tube axis CL is 0.1 mm to 0.3 mm.
  • the screw height H is determined in the male screw portion 11.
  • the male screw bottom surface 13 is on a line A inclined at a predetermined taper angle from the tube axis CL.
  • the line A is translated in the direction away from the tube axis CL by the screw height H.
  • the convex male screw top surface 12 is in contact with the translated line B.
  • This line B is translated in a direction approaching the tube axis CL by a predetermined distance (maximum distance b).
  • the translated line C is the above-mentioned virtual straight line.
  • the virtual straight line C is inclined at a predetermined taper angle from the tube axis CL.
  • the circle C1 in contact with both the straight line C and the load flank surface 15 is the above-mentioned virtual first circle.
  • the circle C2 that is in contact with both the straight line C and the insertion flank surface 14 is the above-mentioned virtual second circle.
  • the screw top surface 12 is determined so as to be in contact with the line B and tangent to both the first circle C1 and the second circle C2. Further, the arc of the first circle C1 connecting the load flank surface 15 and the screw top surface 12 becomes the first corner portion 12a.
  • the arc of the second circle C2 connecting the insertion flank surface 14 and the screw top surface 12 is the second corner 12b.
  • a solid lubricating film 30 is formed on the surface of male screw 11 of pin 10.
  • the solid lubricating film 30 has fluidity at the time of application, and is subjected to a curing treatment after application to be solidified.
  • an inadvertent flow of the semisolid lubricant applied to the external thread top surface 12 is suppressed prior to solidification of the solid lubricating film 30, an inadvertent flow of the semisolid lubricant applied to the external thread top surface 12 is suppressed. This is due to the fact that the entire top surface 12 of the external thread is not flat but is gently raised, and that the surface tension acts on the semi-solid lubricant. Therefore, the thickness of the semi-solid lubricant on the external thread top surface 12 is uniform without increasing the thickness, and the thickness of the solid lubricating coating 30 is also uniform.
  • FIG. 5 is an enlarged longitudinal sectional view of a region of a thread portion in the threaded joint for steel pipes of the second embodiment.
  • the threaded joint of the second embodiment is a modification of the threaded joint of the first embodiment.
  • description of the configuration overlapping with the threaded joint of the first embodiment will be omitted. The same applies to a third embodiment described later.
  • the female screw bottom surface 23 has a concave curve so as to correspond to the male screw top surface 12. That is, the female screw bottom surface 23 is smoothly concave. Even with such a configuration, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.
  • FIG. 6 is an enlarged longitudinal sectional view of a threaded region of the threaded joint for steel pipes of the third embodiment.
  • FIG. 7 is a longitudinal sectional view of the male screw portion shown in FIG. 6 before the solid lubricating film is formed.
  • the external thread top surface 12 has a convex curve.
  • the male screw bottom surface 13, the female screw top surface 22, and the female screw bottom surface 23 are each formed of a straight line.
  • the male screw bottom surface 13 is parallel to the pipe axis CL in the longitudinal section of the threaded joint.
  • the female screw top surface 22 is also parallel to the tube axis CL.
  • the female screw bottom surface 23 is also parallel to the tube axis CL.
  • the screw height HS on the insertion flank surface 14 side and the screw height HL on the load flank surface 15 side are determined in the male screw portion 11.
  • the male screw portion 11 is designed based on the screw height HS on the insertion flank surface 14 side.
  • the male screw bottom surface 13 is on a line A 'parallel to the tube axis CL. This line A 'is translated in a direction away from the tube axis CL by the screw height HS on the insertion flank surface 14 side.
  • the convex male screw top surface 12 is in contact with the translated line B '.
  • This line B ' is translated in a direction approaching the tube axis CL by a predetermined distance (maximum distance b).
  • the translated line C ' is the above-mentioned virtual straight line.
  • the virtual straight line C ' is parallel to the tube axis CL.
  • the circle C1 that is in contact with both the straight line C 'and the load flank surface 15 is the above-mentioned virtual first circle.
  • the circle C2 that is in contact with both the straight line C 'and the insertion flank surface 14 is the above-mentioned virtual second circle.
  • the screw top surface 12 is determined so as to be in contact with the line B 'and tangent to both the first circle C1 and the second circle C2.
  • the arc of the first circle C1 connecting the load flank surface 15 and the screw top surface 12 becomes the first corner portion 12a.
  • the arc of the second circle C2 connecting the insertion flank surface 14 and the screw top surface 12 is the second corner 12b.
  • the female screw bottom surface 23 may have a concave curve so as to correspond to the male screw top surface 12.
  • Test condition As a model of the FEM analysis, the male screw portion of the first embodiment shown in FIG. 3 was used, and the screw height H was variously changed.
  • Test No. Model No. 1 is a comparative example, and the vertical cross-sectional shape of the male screw top surface was a straight line.
  • Test No. 2 and 3 are Examples 1 and 2, respectively, and the vertical cross-sectional shape of the male screw top surface was a single circular arc.
  • the common conditions are as follows.
  • Thread pitch 5TPI (the number of threads per inch is 5)
  • Thread width 2.48 mm on the pitch line
  • Screw taper 6.25% (taper angle: about 1.8 °)
  • Frank angle of load flank surface -3 ° ⁇
  • Flank angle of inserted flank 10 ° ⁇
  • Load flank surface height LSH: 0.82 mm ⁇ Flank height of inserted flank
  • SSH 0.86 mm ⁇
  • Radius R3 of the first corner 0.35 mm ⁇ Radius R4 of the second corner: 0.15 mm
  • a male thread portion and a lubricant before solidification modeled by a plane strain element were used.
  • the male screw portion was made of an elastic body and had a longitudinal elastic modulus of 210 GPa.
  • the lubricant before solidification was a fluid viscoplastic fluid. Specifically, for the lubricant before solidification, the viscosity coefficient was 200 centistokes, the mass density was 1.0 ⁇ 10 ⁇ 6 kg / mm 3 , and the surface tension was 22 m (mm) N / m. Test No. In all of the cases 1 to 3, the same amount of the viscoplastic fluid was spray-coated to give a uniform initial film thickness. The initial film thickness was 0.1 mm.
  • the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
  • the type of the threaded joint may be either a coupling type or an integral type.
  • the threaded joint of the present invention can be effectively used for connecting steel pipes used as oil country tubular goods.

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Abstract

開示される鋼管用ねじ継手は、テーパ雄ねじ部（１１）及びショルダ部を含むピン（１０）と、テーパ雌ねじ部及びショルダ部を含むボックスとからなる。ショルダ部同士が接触して締結が完了した状態で、雄ねじ部（１１）のねじ底面（１３）が雌ねじ部のねじ頂面と干渉しながら接触し、雄ねじ部（１１）のねじ頂面（１２）と雌ねじ部のねじ底面との間に隙間が形成される。ねじ継手の管軸（ＣＬ）を含む縦断面において、雄ねじ部（１１）のねじ頂面（１２）は、ねじ頂面（１２）と荷重フランク面（１５）をつなぐ円弧の第１角部（１２ａ）と、ねじ頂面（１２）と挿入フランク面（１４）をつなぐ円弧の第２角部（１２ｂ）と、の両方に正接する凸の曲線からなる。雄ねじ部（１１）の表面に固体潤滑被膜（３０）が設けられる。

Description

鋼管用ねじ継手
　本発明は、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、地下資源を採掘するために油井管（OCTG：Oil Country Tubular Goods）と呼ばれる鋼管が使用される。鋼管は順次連結される。鋼管の連結にねじ継手が用いられる。
　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に大別される。カップリング型ねじ継手の場合、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形成され、カップリングの両端部の内周に雌ねじ部が形成される。そして、鋼管とカップリングとが連結される。インテグラル型ねじ継手の場合、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形成され、他端部の内周に雌ねじ部が形成される。そして、一方の鋼管と他方の鋼管とが連結される。
　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。
　鋼管用ねじ継手（以下、単に「ねじ継手」ともいう）のねじはテーパねじである。そのため、ピンは、雄ねじ部として、テーパ雄ねじ部を含む。ボックスは、雌ねじ部として、そのテーパ雄ねじ部と噛み合うテーパ雌ねじ部を含む。また、ねじ継手のねじは、ＡＰＩ規格のバットレスねじに代表される台形ねじである。台形ねじでは、テーパ雄ねじ部（以下、単に「雄ねじ部」ともいう）及びテーパ雌ねじ部（以下、単に「雌ねじ部」ともいう）は、それぞれ、ねじ頂面、ねじ底面、荷重フランク面及び挿入フランク面の４つの面を含み、さらにそれらの面を接続する円弧等の角部又は隅部を含む。ねじ頂面、ねじ底面、荷重フランク面及び挿入フランク面は、形状と機能により明確に区別される。
　通常、ピン及びボックスはそれぞれショルダ部を含む。ボックスへのピンのねじ込みによりピンのショルダ部がボックスのショルダ部と接触する。引き続きピンを所定量回転させるとボックスへのピンの締結が完了する。これにより、締付け軸力が発生し、ピンの荷重フランク面がボックスの荷重フランク面に強く押し付けられる。締結が完了した状態（以下、「締結状態」ともいう）では、雄ねじ部のねじ底面（以下、「雄ねじ底面」ともいう）が雌ねじ部のねじ頂面（以下、「雌ねじ頂面」ともいう）と干渉しながら接触する。一方、雄ねじ部のねじ頂面（以下、「雄ねじ頂面」ともいう）と雌ねじ部のねじ底面（以下、「雌ねじ底面」ともいう）との間には隙間が形成される。
　ピン及びボックスがそれぞれシール面を含む場合もある。この場合、締結状態で、ピンのシール面がボックスのシール面と干渉しながら接触し、メタル接触によるシール部が形成される。
　従来、ボックスにピンをねじ込んで締結する際、潤滑剤としてグリスコンパウンドがねじ部（雄ねじ部及び雌ねじ部）に塗布される。近年では、環境規制及び締結作業の効率化のため、グリスコンパウンドに代えて、固体潤滑被膜がねじ部の表面に予め形成される（例えば、国際公開ＷＯ２００７／０４２２３１号（特許文献１）、及び国際公開ＷＯ２００９／０７２４８６号（特許文献２）参照）。
　固体潤滑被膜は、もともとは流動性のある半固体の潤滑剤であり、ブラシやスプレー等を用いてねじ部の表面に塗布される。塗布された半固体の潤滑剤は、硬化処理（例：冷却、紫外線照射等）を施されて固化し、固体潤滑被膜となる。
　しかしながら、ねじ部に塗布された半固体の潤滑剤は、塗布から固化までの期間で流動する。これにより、固化前の潤滑剤の膜厚が不均一になる。具体的には、例えば国際公開ＷＯ２０１５／１８２１２８号（特許文献３）に開示されるように、ねじ頂面と荷重フランク面とをつなぐ角部、及びねじ頂面と挿入フランク面とをつなぐ角部では膜厚が薄くなる。ねじ頂面では、その中央部で膜厚が特に分厚くなる。このような膜厚の不均一さは固化後にも維持される。そのため、固体潤滑被膜の膜厚が不均一になる。
　上記のとおり、締結状態で、雄ねじ頂面と雌ねじ底面との間には隙間が形成される。つまり、締結中でも、雄ねじ頂面と雌ねじ底面との間に隙間が形成される。この場合、雄ねじ頂面で固体潤滑被膜が分厚いと、締結中にその固体潤滑被膜が剥離する。剥離した固体潤滑剤は、雄ねじ頂面と雌ねじ底面との間の隙間を無造作に転がる。その隙間を転がる固体潤滑剤が大量になると、ボックスへのピンのスムーズなねじ込みが阻害される。これにより、締結の不具合が発生する。
　例えば、トルクチャートのハンピングが生じたり、ハイショルダリングが発生したりする。ねじ継手は通常、トルク管理で締結される。ハンピングやハイショルダリングが発生した場合、締結途中であるにもかかわらず高いトルクが発生する。この場合、締結途中の時点で締結が終了する。つまり、締め込み不足の状態で締結が終了する。その結果、シール部に所定の干渉量が導入されずにリークし易い状態となったり、ねじに所定の締付け軸力が導入されずに緩み易い状態になる。そのため、所望のシール性能と継手強度が得られない。
　このような問題に対し、特許文献３のねじ継手では、雄ねじ頂面の中央部に浅い溝が設けられる。その雄ねじ頂面に塗布された半固体の潤滑剤は、その溝によって膜厚が薄くなる方向に広がる。そのため、雄ねじ頂面において、半固体の潤滑剤の膜厚が分厚くならずに均一になり、固体潤滑被膜も均一になる。したがって、特許文献３のねじ継手によれば、締結の不具合を抑制することができる。
国際公開ＷＯ２００７／０４２２３１号 国際公開ＷＯ２００９／０７２４８６号 国際公開ＷＯ２０１５／１８２１２８号
　特許文献３のねじ継手では、雄ねじ頂面に溝を設けるために、その溝に対応する凸の形状を有する特殊なねじ切り工具を用いる。この場合、工具の寿命が短く、工具を頻繁に交換しなければならない、という不都合が生じる。また、溝の無い普通の雄ねじ部を加工した後に、溝加工専用の工具を用いてもよい。この場合、トータルの加工時間が長くなる、という不都合が生じる。いずれにしても、ねじ継手の生産性の低下は否めない。
　本発明の目的は、雄ねじ部の表面に固体潤滑被膜を備えた鋼管用ねじ継手であって、ねじ継手の生産性を損なうことなく、締結の不具合を抑制することができる鋼管用ねじ継手を提供することである。
　本発明の実施形態によ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なる。ピンは、テーパ雄ねじ部及びショルダ部を含む。テーパ雄ねじ部は、ねじ頂面、ねじ底面、荷重フランク面及び挿入フランク面を含む。ボックスは、テーパ雄ねじ部と噛み合うテーパ雌ねじ部、及びピンのショルダ部に対応するショルダ部を含む。テーパ雌ねじ部は、ねじ頂面、ねじ底面、荷重フランク面及び挿入フランク面を含む。ピンのショルダ部がボックスのショルダ部と接触して締結が完了した状態で、テーパ雄ねじ部のねじ底面がテーパ雌ねじ部のねじ頂面と干渉しながら接触し、テーパ雄ねじ部のねじ頂面とテーパ雌ねじ部のねじ底面との間に隙間が形成される。
　上記のねじ継手の管軸を含む縦断面において、テーパ雄ねじ部のねじ頂面は、円弧からなる第１角部を介してテーパ雄ねじ部の荷重フランク面につながる。さらに、テーパ雄ねじ部のねじ頂面は、円弧からなる第２角部を介してテーパ雄ねじ部の挿入フランク面につながる。さらに、テーパ雄ねじ部の荷重フランク面及び挿入フランク面はそれぞれ直線からなる。さらに、テーパ雄ねじ部の荷重フランク面のフランク角は負角である。さらに、テーパ雄ねじ部のねじ頂面は、第１角部と第２角部との両方に正接する凸の曲線からなる。そして、上記のねじ継手は、テーパ雄ねじ部の表面に固体潤滑被膜を備える。
　本発明の実施形態による鋼管用ねじ継手によれば、雄ねじ部の表面に固体潤滑被膜を備える場合であっても、ねじ継手の生産性を損なうことなく、締結の不具合を抑制することができる。
図１は、第１実施形態の鋼管用ねじ継手の代表例を示す縦断面図である。 図２は、第１実施形態の鋼管用ねじ継手におけるねじ部の領域を拡大した縦断面図である。 図３は、図２に示す雄ねじ部の固体潤滑被膜が形成される前の縦断面図である。 図４は、図２に示す雄ねじ部の縦断面図である。 図５は、第２実施形態の鋼管用ねじ継手におけるねじ部の領域を拡大した縦断面図である。 図６は、第３実施形態の鋼管用ねじ継手におけるねじ部の領域を拡大した縦断面図である。 図７は、図６に示す雄ねじ部の固体潤滑被膜が形成される前の縦断面図である。
　本発明の実施形態によ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なる。ピンは、テーパ雄ねじ部及びショルダ部を含む。テーパ雄ねじ部は、ねじ頂面、ねじ底面、荷重フランク面及び挿入フランク面を含む。ボックスは、テーパ雄ねじ部と噛み合うテーパ雌ねじ部、及びピンのショルダ部に対応するショルダ部を含む。テーパ雌ねじ部は、ねじ頂面、ねじ底面、荷重フランク面及び挿入フランク面を含む。ピンのショルダ部がボックスのショルダ部と接触して締結が完了した状態で、テーパ雄ねじ部のねじ底面がテーパ雌ねじ部のねじ頂面と干渉しながら接触し、テーパ雄ねじ部のねじ頂面とテーパ雌ねじ部のねじ底面との間に隙間が形成される。
　上記のねじ継手の管軸を含む縦断面において、上記のねじ継手は以下の構成を含む。テーパ雄ねじ部のねじ頂面は、円弧からなる第１角部を介してテーパ雄ねじ部の荷重フランク面につながる。テーパ雄ねじ部のねじ頂面は、円弧からなる第２角部を介してテーパ雄ねじ部の挿入フランク面につながる。テーパ雄ねじ部の荷重フランク面及び挿入フランク面はそれぞれ直線からなる。テーパ雄ねじ部の荷重フランク面のフランク角は負角である。テーパ雄ねじ部のねじ頂面は、第１角部と第２角部との両方に正接する凸の曲線からなる。そして、上記のねじ継手は、テーパ雄ねじ部の表面に固体潤滑被膜を備える。
　本実施形態のねじ継手によれば、雄ねじ頂面の全体がなだらかに盛り上がっている。つまり、雄ねじ頂面は平坦ではないし、その雄ねじ頂面に溝は設けられていない。雄ねじ頂面に塗布された半固体の潤滑剤には表面張力が作用する。表面張力は通常、物体の表面エネルギーを最小にする方向に働き、気液界面においては液体の自由表面の面積を最小にするような駆動力を与える。そのため、曲率半径の小さい箇所に塗布された半固体の潤滑剤は、より曲率半径の大きい箇所に流動する。隣り合う表面で曲率半径の差が大きいほど、この流動は顕著となる。
　従来の台形ねじにおいては、平坦なねじ頂面の曲率半径は無限大であるので、ねじ頂面と角部との曲率半径差は極めて大きい。そのため、半固体の潤滑剤の顕著な流動により膜厚の不均一さが大きくなっていた。本実施形態のねじ継手では、雄ねじ頂面の全体がなだらかに盛り上がっているため、ねじ頂面と角部との曲率半径差は、従来の台形ねじに比してかなり小さい。そのため、半固体の潤滑剤の不用意な流動も抑えられる。これにより、雄ねじ頂面において、半固体の潤滑剤の膜厚が分厚くならずに均一になり、固体潤滑被膜の膜厚も均一になる。したがって、締結の不具合を抑制することができる。その結果、所望のシール性能と継手強度が得られる。
　雄ねじ部を形成するためのねじ切り工具は、なだらかに盛り上がったねじ頂面に対応する凹の形状を有する。ねじ切り加工時、凹の形状部分が受ける負荷は、凸の形状部分が受ける負荷よりも遙かに小さい。そのため、工具の寿命が特に短くなるわけではない。したがって、ねじ継手の生産性は損なわれない。
　本実施形態のねじ継手では、平坦な荷重フランク面と平坦な挿入フランク面が存在する。さらに荷重フランク面のフランク角が負角となっている。つまり、荷重フランク面がフック状に傾斜している。そのため、締付け軸力が荷重フランク面に有効に作用する。これにより、引張荷重が作用してもジャンプアウトが生じにくい。したがって、継手強度が高い。
　本実施形態のねじ継手で用いられる固体潤滑被膜は、塗布時に流動性を有し、塗布後に硬化処理を施されて固化するものであれば、特に限定されない。つまり、電着被膜、圧着被膜等のように、固化までに流動することがない固体潤滑被膜は含まれない。
　本実施形態のねじ継手では、締結状態で雄ねじ頂面と雌ねじ底面との間に隙間が形成される限り、雌ねじ底面の形状は限定されてない。例えば、ねじ継手の縦断面において、雌ねじ底面は直線からなる。この場合、雌ねじ底面の全体が平坦である。また、ねじ継手の縦断面において、雌ねじ底面は、雄ねじ頂面に対応するように凹の曲線からなってもよい。この場合、雌ねじ底面の全体がなだらかに凹んでいる。
　典型的な例では、ピン及びボックスがそれぞれシール面を含む。この場合、締結状態で、ピンのシール面がボックスのシール面と干渉しながら接触し、メタル接触によるシール部が形成される。ただし、シール面を設けなくてもよい。
　上記のねじ継手は、下記の構成を含むことが好ましい。ねじ継手の縦断面において、第１角部を形成する円弧を含む仮想の第１円、第２角部を形成する円弧を含む仮想の第２円、及びテーパ雄ねじ部のねじ頂面に隣接するとともに仮想の第１円と仮想の第２円との両方に正接する仮想の直線を引いたとき、仮想の直線と、テーパ雄ねじ部のねじ頂面を形成する曲線と、の管軸に垂直な方向の距離のうちの最大距離ｂが０．１ｍｍ～０．３ｍｍである。最大距離ｂが０．１ｍｍ以上であれば、固体潤滑被膜の膜厚が有効に均一になる。好ましくは、最大距離ｂは０．２ｍｍ以上である。一方、最大距離ｂが０．３ｍｍ以下であれば、荷重フランク面の管軸に垂直な方向の高さが有効に確保され、継手強度への悪影響がない。
　典型的な例では、ねじ継手の縦断面において、テーパ雄ねじ部のねじ頂面を形成する曲線が円弧、楕円弧又は放物線である。
　上記のねじ継手は、下記の構成を含むことが好ましい。ねじ継手の縦断面において、テーパ雄ねじ部の荷重フランク面の管軸に垂直な方向の高さＬＳＨ（以下、「荷重フランク面高さ」ともいう）がテーパ雄ねじ部のねじ高さＨの３０％以上７０％以下である。さらに、テーパ雄ねじ部の挿入フランク面の管軸に垂直な方向の高さＳＳＨ（以下、「挿入フランク面高さ」ともいう）がテーパ雄ねじ部のねじ高さＨの３０％以上７０％以下である。
　荷重フランク面高さＬＳＨがねじ高さＨの３０％以上であれば、継手強度への悪影響がない。好ましくは、荷重フランク面高さＬＳＨはねじ高さＨの４０％以上である。一方、荷重フランク面高さＬＳＨがねじ高さＨの７０％以下であれば、後述する角部と隅部に十分な大きさの円弧を用いることができる。この場合、角部が締結時に相手部材の表面を傷つけることがなく、耐焼付き性への影響がない。さらに、最大距離ｂの確保にも支障がない。またこの場合、隅部での極端な応力集中を避けることができ、疲労強度などへの悪影響がない。
　また、挿入フランク面高さＳＳＨがねじ高さＨの３０％以上であれば、継手の圧縮強度への悪影響がない。好ましくは、挿入フランク面高さＳＳＨはねじ高さＨの４０％以上である。一方、挿入フランク面高さＳＳＨがねじ高さＨの７０％以下であれば、後述する角部と隅部に十分な大きさの円弧を用いることができる。この場合、角部が締結時に相手部材の表面を傷つけることがなく、耐焼付き性への影響がない。さらに、最大距離ｂの確保にも支障がない。またこの場合、隅部での極端な応力集中を避けることができ、疲労強度などへの悪影響がない。
　このねじ継手の場合、下記の構成を含むことが好ましい。ねじ継手の縦断面において、テーパ雄ねじ部のねじ底面は、円弧からなる第１隅部を介してテーパ雄ねじ部の荷重フランク面につながる。さらに、テーパ雄ねじ部のねじ底面は、円弧からなる第２隅部を介してテーパ雄ねじ部の挿入フランク面につながる。さらに、第１角部の半径Ｒ１がねじ高さＨの５％以上３５％以下である。さらに、第２角部の半径Ｒ２がねじ高さＨの１５％以上５０％以下である。さらに、第１隅部の半径Ｒ３がねじ高さＨの１５％以上５０％以下である。さらに、第２隅部の半径Ｒ４がねじ高さＨの５％以上３５％以下である。
　第１角部、第２角部、第１隅部及び第２隅部それぞれの半径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４は、設計上で適切な値を設定される。特に、第２角部の半径Ｒ２と第１隅部の半径Ｒ３は次の設計思想に基づいて設定される。第２角部の半径Ｒ２があまりに小さい場合、スタビング性能が阻害される。ここでスタビング性能とは、ピンをボックスに挿入した際に、いかに早く確実に雄ねじ部が雌ねじ部にはまってピンの回転を開始できる状態になるか、という性能をいう。さらにこの場合、ボックスへのピンの挿入の際に雌ねじ部の表面が疵付いてしまい、耐焼付き性能が低下する。したがって、半径Ｒ２は設計事情の許す範囲で大きな値を設定される。第１隅部の半径Ｒ３があまりに小さい場合、締結や引張負荷の際に過度に応力集中が発生し、耐疲労性能が低下する。したがって、半径Ｒ３は設計事情の許す範囲で大きな値を設定される。第１角部の半径Ｒ１と第２隅部の半径Ｒ４には半径Ｒ２と半径Ｒ３のような事情はない。したがって、半径Ｒ１と半径Ｒ４は、前述の荷重フランク面高さＬＳＨと挿入フランク面高さＳＳＨを確保できるように設定される。
　以下に、図面を参照しながら、本実施形態の鋼管用ねじ継手の具体例を説明する。
　［第１実施形態］
　図１は、第１実施形態の鋼管用ねじ継手の代表例を示す縦断面図である。図２は、第１実施形態の鋼管用ねじ継手におけるねじ部の領域を拡大した縦断面図である。図３及び図４は、図２に示す雄ねじ部の縦断面図である。図３には、固体潤滑被膜が形成される前の状態が示される。図４には、固体潤滑被膜が形成された状態が示される。図２～図４中には、ボックス２０に対するピン１０のねじ込み進行方向が白抜き矢印で示される。本明細書において、縦断面とは、ねじ継手の管軸ＣＬを含む断面を意味する。なお、図１及び図２には、固体潤滑被膜の図示が省略される。
　図１に示すねじ継手はカップリング型のねじ継手である。図１を参照し、ねじ継手は、ピン１０とボックス２０とから構成される。ねじ継手のねじはテーパねじである。ピン１０は、雄ねじ部１１及びショルダ部１６を含む。このショルダ部１６は、ピン１０の先端に設けられる。ボックス２０は、ピン１０の雄ねじ部１１に対応する雌ねじ部２１、及びピン１０のショルダ部１６に対応するショルダ部２６を含む。また、ピン１０はシール面１７を含む。このシール面１７は、雄ねじ部１１とショルダ部１６との間に設けられる。ボックス２０は、ピン１０のシール面１７に対応するシール面２７を含む。
　図１及び図２を参照し、ピン１０の雄ねじ部１１は、ねじ頂面１２、ねじ底面１３、荷重フランク面１５及び挿入フランク面１４を含む。一方、ボックス２０の雌ねじ部２１は、ねじ頂面２２、ねじ底面２３、荷重フランク面２５及び挿入フランク面２４を含む。
　雄ねじ頂面１２は雌ねじ底面２３と対向する。詳細は後述するが、ねじ継手の縦断面において、雄ねじ頂面１２は凸の曲線からなる。つまり、雄ねじ頂面１２はなだらかに盛り上がっている。ねじ継手の縦断面において、雌ねじ底面２３は直線からなる。つまり、雌ねじ底面２３は平坦である。
　雄ねじ底面１３は雌ねじ頂面２２と対向する。ねじ継手の縦断面において、雄ねじ底面１３は直線からなる。つまり、雄ねじ底面１３は平坦である。ねじ継手の縦断面において、雌ねじ頂面２２は直線からなる。つまり、雌ねじ頂面２２は平坦である。
　第１実施形態では、ねじ継手の縦断面において、雄ねじ底面１３は、雄ねじ部１１の長手方向（管軸ＣＬ方向）の全域にわたって同一直線上にある。雌ねじ頂面２２も、雌ねじ部２１の長手方向の全域にわたって同一直線上にある。雌ねじ底面２３も、雌ねじ部２１の長手方向の全域にわたって同一直線上にある。これらの直線は、管軸ＣＬから所定のテーパ角で傾いている。
　雄ねじ部１１の挿入フランク面１４は雌ねじ部２１の挿入フランク面２４と対向する。ねじ継手の縦断面において、雄ねじ部１１の挿入フランク面１４は直線からなる。つまり、雄ねじ部１１の挿入フランク面１４は平坦である。ねじ継手の縦断面において、雌ねじ部２１の挿入フランク面２４は直線からなる。つまり、雌ねじ部２１の挿入フランク面２４は平坦である。
　雄ねじ部１１の荷重フランク面１５は雌ねじ部２１の荷重フランク面２５と対向する。ねじ継手の縦断面において、雄ねじ部１１の荷重フランク面１５は直線からなる。つまり、雄ねじ部１１の荷重フランク面１５は平坦である。ねじ継手の縦断面において、雌ねじ部２１の荷重フランク面２５は直線からなる。つまり、雌ねじ部２１の荷重フランク面２５は平坦である。ここで、荷重フランク面１５及び２５のフランク角θは負角となっている。つまり、荷重フランク面１５及び２５がフック状に傾斜している。
　ボックス２０へのピン１０のねじ込みにより、雄ねじ部１１が雌ねじ部２１と噛み合う。ピン１０のショルダ部１６はボックス２０のショルダ部２６と接触する（図１参照）。締結状態では、ショルダ部１６及び２６によって締付け軸力が発生し、ピン１０の荷重フランク面１５がボックス２０の荷重フランク面２５に強く押し付けられる。さらに、雄ねじ底面１３が雌ねじ頂面２２と干渉しながら接触する。一方、雄ねじ頂面１２と雌ねじ底面２３との間には隙間が形成される。雄ねじ部１１の挿入フランク面１４と雌ねじ部２１の挿入フランク面２４との間には隙間が形成される。また、ピン１０のシール面１７がボックス２０のシール面２７と干渉しながら接触し、メタル接触によるシール部が形成される（図１参照）。
　図３及び図４を参照し、ねじ継手の縦断面において、雄ねじ頂面１２は、第１角部１２ａを介して雄ねじ部１１の荷重フランク面１５につながる。第１角部１２ａは半径がＲ１の円弧からなる。雄ねじ頂面１２は、第２角部１２ｂを介して雄ねじ部１１の挿入フランク面１４につながる。第２角部１２ｂは半径がＲ２の円弧からなる。雄ねじ底面１３は、第１隅部１３ａを介して雄ねじ部１１の荷重フランク面１５につながる。第１隅部１３ａは半径がＲ３の円弧からなる。雄ねじ底面１３は、第２隅部１３ｂを介して雄ねじ部１１の挿入フランク面１４につながる。第２隅部１３ｂは半径がＲ４の円弧からなる。
　第１角部１２ａの半径Ｒ１はねじ高さＨの５％以上３５％以下である。第２角部１２ｂの半径Ｒ２はねじ高さＨの１５％以上５０％以下である。第１隅部１３ａの半径Ｒ３はねじ高さＨの１５％以上５０％以下である。第２隅部１３ｂの半径Ｒ４がねじ高さＨの５％以上３５％以下である。
　さらに、雄ねじ部１１の荷重フランク面１５の管軸ＣＬに垂直な方向の高さＬＳＨが雄ねじ部１１のねじ高さＨの３０％以上７０％以下である。雄ねじ部１１の挿入フランク面１４の管軸ＣＬに垂直な方向の高さＳＳＨが雄ねじ部１１のねじ高さＨの３０％以上７０％以下である。ここで、荷重フランク面高さＬＳＨは、管軸ＣＬに垂直な面に荷重フランク面１５を投影したときの径方向の高さ（距離）と読み替えられる。挿入フランク面高さＳＳＨは、管軸ＣＬに垂直な面に挿入フランク面１４を投影したときの径方向の高さ（距離）と読み替えられる。
　ねじ継手の縦断面において、雄ねじ頂面１２は凸の曲線からなる。この曲線は、第１角部１２ａを形成する半径Ｒ１の円弧を含む仮想の第１円Ｃ１と、第２角部１２ｂを形成する半径Ｒ２の円弧を含む仮想の第２円Ｃ２と、の両方に正接する。図３及び図４には、ねじ頂面１２を形成する曲線が円弧である例が示される。具体的には、図３を参照し、第１角部１２ａを形成する円弧を含む仮想の第１円Ｃ１を描く。第２角部１２ｂを形成する円弧を含む仮想の第２円Ｃ２を描く。そして、雄ねじ頂面１２に隣接するとともに仮想の第１円Ｃ１と仮想の第２円Ｃ２との両方に接する仮想の直線Ｃを描く。このとき、仮想の直線Ｃと、雄ねじ頂面１２を形成する曲線と、の管軸ＣＬに垂直な方向の距離のうちの最大距離ｂが０．１ｍｍ～０．３ｍｍである。
　例えば、設計上では、雄ねじ部１１においてねじ高さＨが定められる。第１実施形態の場合、雄ねじ底面１３は、管軸ＣＬから所定のテーパ角で傾いた線Ａ上にある。この線Ａを管軸ＣＬから遠ざかる方向にねじ高さＨだけ平行移動させる。平行移動された線Ｂ上に、凸の雄ねじ頂面１２が接する。この線Ｂを管軸ＣＬに近づく方向に所定の距離（最大距離ｂ）だけ平行移動させる。平行移動された線Ｃが上記の仮想の直線である。第１実施形態の場合、仮想の直線Ｃは管軸ＣＬから所定のテーパ角で傾いている。この直線Ｃと荷重フランク面１５との両方に接する円Ｃ１が上記の仮想の第１円である。その直線Ｃと挿入フランク面１４との両方に接する円Ｃ２が上記の仮想の第２円である。そして、線Ｂに接するとともに、第１円Ｃ１と第２円Ｃ２との両方に正接するように、ねじ頂面１２が定められる。さらに、荷重フランク面１５とねじ頂面１２とをつなぐ第１円Ｃ１の円弧が第１角部１２ａとなる。挿入フランク面１４とねじ頂面１２とをつなぐ第２円Ｃ２の円弧が第２角部１２ｂとなる。
　図４を参照し、ピン１０の雄ねじ部１１の表面に固体潤滑被膜３０が形成される。固体潤滑被膜３０は、塗布時には流動性を有し、塗布後に硬化処理を施されて固化するものである。固体潤滑被膜３０の固化に先立ち、雄ねじ頂面１２に塗布された半固体の潤滑剤の不用意な流動が抑えられる。これは、雄ねじ頂面１２の全体が平坦ではなくて、なだらかに盛り上がっていることと、半固体の潤滑剤に表面張力が作用することによる。そのため、雄ねじ頂面１２において、半固体の潤滑剤の膜厚が分厚くならずに均一になり、固体潤滑被膜３０の膜厚も均一になる。
　［第２実施形態］
　図５は、第２実施形態の鋼管用ねじ継手におけるねじ部の領域を拡大した縦断面図である。第２実施形態のねじ継手は、上記した第１実施形態のねじ継手を変形したものである。以下、第１実施形態のねじ継手と重複する構成についての説明は省略する。後述する第３実施形態でも同様とする。
　図５を参照し、ねじ継手の縦断面において、雌ねじ底面２３は、雄ねじ頂面１２に対応するように凹の曲線からなる。つまり、雌ねじ底面２３はなだらかに凹んでいる。このような構成であっても、第１実施形態と同様の効果を奏する。
　［第３実施形態］
　図６は、第３実施形態の鋼管用ねじ継手におけるねじ部の領域を拡大した縦断面図である。図７は、図６に示す雄ねじ部の固体潤滑被膜が形成される前の縦断面図である。
　図６及び図７を参照し、ねじ継手の縦断面において、雄ねじ頂面１２は凸の曲線からなる。雄ねじ底面１３、雌ねじ頂面２２及び雌ねじ底面２３は、それぞれ直線からなる。ただし、第３実施形態では、ねじ継手の縦断面において、雄ねじ底面１３は管軸ＣＬと平行である。雌ねじ頂面２２も管軸ＣＬと平行である。雌ねじ底面２３も管軸ＣＬと平行である。
　例えば、設計上では、雄ねじ部１１において、挿入フランク面１４側のねじ高さＨＳと、荷重フランク面１５側のねじ高さＨＬが定められる。第３実施形態の場合、挿入フランク面１４側のねじ高さＨＳに基づいて雄ねじ部１１が設計される。雄ねじ底面１３は、管軸ＣＬと平行な線Ａ’上にある。この線Ａ’を管軸ＣＬから遠ざかる方向に挿入フランク面１４側のねじ高さＨＳだけ平行移動させる。平行移動された線Ｂ’上に、凸の雄ねじ頂面１２が接する。この線Ｂ’を管軸ＣＬに近づく方向に所定の距離（最大距離ｂ）だけ平行移動させる。平行移動された線Ｃ’が上記の仮想の直線である。第３実施形態の場合、仮想の直線Ｃ’は管軸ＣＬと平行である。この直線Ｃ’と荷重フランク面１５との両方に接する円Ｃ１が上記の仮想の第１円である。その直線Ｃ’と挿入フランク面１４との両方に接する円Ｃ２が上記の仮想の第２円である。そして、線Ｂ’に接するとともに、第１円Ｃ１と第２円Ｃ２との両方に正接するようにねじ頂面１２が定められる。さらに、荷重フランク面１５とねじ頂面１２とをつなぐ第１円Ｃ１の円弧が第１角部１２ａとなる。挿入フランク面１４とねじ頂面１２とをつなぐ第２円Ｃ２の円弧が第２角部１２ｂとなる。
　このような構成であっても、第１実施形態と同様の効果を奏する。なお、第２実施形態のように、ねじ継手の縦断面において、雌ねじ底面２３は、雄ねじ頂面１２に対応するように凹の曲線からなってもよい。
　本実施形態による効果を確認するため、有限要素法による数値シミュレーション解析を実施し、雄ねじ部に塗布された半固体の潤滑剤の膜厚を調査した。
　［試験条件］
　ＦＥＭ解析のモデルとして、図３に示す第１実施形態の雄ねじ部を用い、ねじ高さＨを種々変更した。試験Ｎｏ．１のモデルは比較例であり、雄ねじ頂面の縦断面形状が直線であった。試験Ｎｏ．２及び３はそれぞれ実施例１及び２であり、雄ねじ頂面の縦断面形状が単一の円弧であった。共通の条件は下記のとおりである。
　・ねじピッチ：５ＴＰＩ（１インチあたりのねじ山の数が５つ）
　・ねじ山幅：ピッチライン上で２．４８ｍｍ
　・ねじテーパ：６．２５％（テーパ角：約１．８°）
　・荷重フランク面のフランク角：－３°
　・挿入フランク面のフランク角：１０°
　・荷重フランク面高さＬＳＨ：０．８２ｍｍ
　・挿入フランク面高さＳＳＨ：０．８６ｍｍ
　・第１角部の半径Ｒ１：０．３５ｍｍ
　・第２角部の半径Ｒ２：０．７６ｍｍ
　・第１隅部の半径Ｒ３：０．３５ｍｍ
　・第２隅部の半径Ｒ４：０．１５ｍｍ
　ＦＥＭ解析では、雄ねじ部及び固化前の潤滑剤を平面ひずみ要素でモデル化したものを使用した。雄ねじ部は弾性体とし、その縦弾性係数を２１０ＧＰａとした。固化前の潤滑剤は流動性のある粘塑性流体とした。具体的には、固化前の潤滑剤に関し、粘性係数は２００センチストークスとし、質量密度は１．０×１０-6ｋｇ／ｍｍ3とし、表面張力は２２ｍ（ミリ）Ｎ／ｍとした。試験Ｎｏ．１～３のいずれでも、同量の粘塑性流体をスプレー塗布し、均一な初期膜厚を与えた。初期膜厚は０．１ｍｍとした。この状態から、表面張力と粘性による流動の解析を行い、実際にほぼ流動が停止する１００秒経過後の膜厚を調査した。なお、雄ねじ頂面につながる第１角部及び第２角部で焼付きを生じないとする膜厚の下限は０．０１２ｍｍとした。
　［評価方法］
　雄ねじ頂面での最大膜厚を抽出した。さらに、第１角部及び第２角部での最小膜厚を抽出した。そして、両角部での最小膜厚に対する雄ねじ頂面での最大膜厚の比（以下、「膜厚比」ともいう）を算出し、膜厚の均一さを評価した。膜厚比が小さいほど膜厚が均一であることを意味する。結果は下記の表１のとおりである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　［試験結果］
　表１に示す結果から、次のことが示される。実施例１及び２の膜厚比は比較例の膜厚比よりも小さかった。したがって、実施例１及び２のねじ継手により固体潤滑剤の膜厚を均一にできた。また、比較例の角部の最小膜厚は、焼付きを生じないとする膜厚下限と同等であった。これに対し、実施例１及び２の角部の最小膜厚は、その膜厚下限に対して余裕があった。これは、実施例１及び２では潤滑剤の塗布量を低減できることを意味する。
　その他、本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明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、ねじ継手の形式は、カップリング型及びインテグラル型のいずれでも構わない。ショルダ部の設置場所、設置数等は特に限定されない。メタル接触によるシール部が設けられる場合、その設置場所、設置数等は限定されない。
　本発明のねじ継手は、油井管として用いる鋼管の連結に有効に利用できる。
　１０　ピン
　１１　雄ねじ部
　１２　ねじ頂面
　１２ａ　第１角部
　１２ｂ　第２角部
　１３　ねじ底面
　１３ａ　第１隅部
　１４ｂ　第２隅部
　１４　挿入フランク面
　１５　荷重フランク面
　１６　ショルダ部
　１７　シール面
　２０　ボックス
　２１　雌ねじ部
　２２　ねじ頂面
　２３　ねじ底面
　２４　挿入フランク面
　２５　荷重フランク面
　２６　ショルダ部
　２７　シール面
　３０　固体潤滑被膜
　ＣＬ　管軸

Claims (5)

  1. 　管状のピンと管状のボックスとからなる鋼管用ねじ継手であって、
    　前記ピンは、テーパ雄ねじ部及びショルダ部を含み、
    　前記テーパ雄ねじ部は、ねじ頂面、ねじ底面、荷重フランク面及び挿入フランク面を含み、
    　前記ボックスは、前記テーパ雄ねじ部と噛み合うテーパ雌ねじ部、及び前記ピンの前記ショルダ部に対応するショルダ部を含み、
    　前記テーパ雌ねじ部は、ねじ頂面、ねじ底面、荷重フランク面及び挿入フランク面を含み、
    　前記ピンの前記ショルダ部が前記ボックスの前記ショルダ部と接触して締結が完了した状態で、前記テーパ雄ねじ部の前記ねじ底面が前記テーパ雌ねじ部の前記ねじ頂面と干渉しながら接触し、前記テーパ雄ねじ部の前記ねじ頂面と前記テーパ雌ねじ部の前記ねじ底面との間に隙間が形成され、
    　前記ねじ継手の管軸を含む縦断面において、
    　前記テーパ雄ねじ部の前記ねじ頂面は、円弧からなる第１角部を介して前記テーパ雄ねじ部の前記荷重フランク面につながり、
    　前記テーパ雄ねじ部の前記ねじ頂面は、円弧からなる第２角部を介して前記テーパ雄ねじ部の前記挿入フランク面につながり、
    　前記テーパ雄ねじ部の前記荷重フランク面及び前記挿入フランク面はそれぞれ直線からなり、
    　前記テーパ雄ねじ部の前記荷重フランク面のフランク角は負角であり、
    　前記テーパ雄ねじ部の前記ねじ頂面は、前記第１角部と前記第２角部との両方に正接する凸の曲線からなり、
    　前記テーパ雄ねじ部の表面に固体潤滑被膜を備える、鋼管用ねじ継手。
  2. 　請求項１に記載の鋼管用ねじ継手であって、
    　前記縦断面において、前記第１角部を形成する円弧を含む仮想の第１円、前記第２角部を形成する円弧を含む仮想の第２円、及び前記テーパ雄ねじ部の前記ねじ頂面に隣接するとともに前記仮想の第１円と前記仮想の第２円との両方に正接する仮想の直線を引いたとき、前記仮想の直線と、前記テーパ雄ねじ部の前記ねじ頂面を形成する前記曲線と、の前記管軸に垂直な方向の距離のうちの最大距離が０．１ｍｍ～０．３ｍｍである、鋼管用ねじ継手。
  3. 　請求項１又は請求項２に記載の鋼管用ねじ継手であって、
    　前記縦断面において、前記テーパ雄ねじ部の前記ねじ頂面を形成する前記曲線が円弧、楕円弧又は放物線である、鋼管用ねじ継手。
  4. 　請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の鋼管用ねじ継手であって、
    　前記縦断面において、
    　前記テーパ雄ねじ部の前記荷重フランク面の前記管軸に垂直な方向の高さが前記テーパ雄ねじ部のねじ高さの３０％以上７０％以下であり、
    　前記テーパ雄ねじ部の前記挿入フランク面の前記管軸に垂直な方向の高さが前記テーパ雄ねじ部の前記ねじ高さの３０％以上７０％以下である、鋼管用ねじ継手。
  5. 　請求項４に記載の鋼管用ねじ継手であって、
    　前記縦断面において、
    　前記テーパ雄ねじ部の前記ねじ底面は、円弧からなる第１隅部を介して前記テーパ雄ねじ部の前記荷重フランク面につながり、
    　前記テーパ雄ねじ部の前記ねじ底面は、円弧からなる第２隅部を介して前記テーパ雄ねじ部の前記挿入フランク面につながり、
    　前記第１角部の半径が前記ねじ高さの５％以上３５％以下であり、
    　前記第２角部の半径が前記ねじ高さの１５％以上５０％以下であり、
    　前記第１隅部の半径が前記ねじ高さの１５％以上５０％以下であり、
    　前記第２隅部の半径が前記ねじ高さの５％以上３５％以下である、鋼管用ねじ継手。
     
     
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