JP2018500526A - 石油産業において使用される自動ロック式のねじ山を設けた管状接続 - Google Patents

Abstract

ねじ接続は、少なくとも一つの雄ねじ領域（１０７）と少なくとも一つの雌ねじ領域（１０８）有し、前記雄型末端のねじ領域の歯の幅ＣＷＴｐは、前記雄型末端の前記末端面に最も近い歯の幅の値ＣＷＴｐｍｉｎから、前記雄型末端の前記末端面から最も遠い歯の幅の値ＣＷＴｐｍａｘまで増加し、前記雌型末端のねじ領域の歯の幅ＣＷＴｂは、前記雌型末端の前記末端面から最も遠い歯の幅の値ＣＷＴｂｍａｘから、前記雌型末端の前記末端面から最も近い歯の幅の値ＣＷＴｂｍｉｎまで減少し、前記雄型末端の少なくとも一つのねじ領域の少なくとも一部分および前記雌型末端の少なくとも一つのねじ領域の少なくとも一部分は、下記関係式に従い、自動ロック式の組立に応じて協働する。【選択図】 図５

Description

本出願は、２０１０年２月１６日に米国特許第７，６６１，７２８号として発行された米国特許出願１０／５５８，４１０、および２０１１年８月５日に出願された米国特許出願１３／１３９，５２２と関連し、その内容が参照により全体に組み入れられる。

本発明は、雄ねじ切り部（male threading）を有する雄型管状要素と、前記雄ねじ切り部と組立により協働する雌ねじ切り部（female threading）を有する雄型管状要素と、を備える管状ねじ接続（tubular threaded connection）に関する。

前記ねじ切り部のねじ山（threads）および該ねじ山間の谷部（valleys）の軸方向の幅は、組立の始まりで一方のねじ切り部のねじ山が他方のねじ切り部のねじ山間の谷部に軸方隙間をもって収容され、ねじ切り部の軸方向の長さの少なくとも一部分にわたり接続の軸に沿って次第に変化し、組立中、該隙間はゼロになるまで徐々に減少する。

このタイプのねじ接続は、一般的には蟻継ぎプロフィール（dovetail profile）のねじ山を有し、その生産は時間がかかり費用もかかる。加えて、このようなねじ接続の主な利点が優れたねじりトルクを提供することにあるため、該ねじ接続は、長い側部となるか、より高いレベルのトルクが必要とされるケーシングを用いた掘削または掘削しながらケーシングする用途に使用される可能性がある。しかしながら、トルクによるストレスのレベルの増加が疲労性能の減少に繋がることもある。該用途において数時間の回転後にも密閉性能が維持されることが要求されるため、これは問題となる。

ねじ接続は、雄型末端および雌型末端を夫々有する第一および第二の管状要素を備え、前記雄型末端は、外周表面に少なくとも一つのねじ領域を有し、接続の軸に対して半径方向に方向付けられた末端面で終端し、前記雌型末端は、内周表面に少なくとも一つのねじ領域を有し、前記接続の軸に対して半径方向に方向付けられた末端面で終端する。

前記雄型末端のねじ領域の歯の幅の対応する値ＣＷＴｐは、前記雄型末端の前記末端面に最も近い歯の幅の対応する値ＣＷＴｐｍｉｎから、前記雄型末端の前記末端面から最も遠い歯の幅の対応する値ＣＷＴｐｍａｘまで増加し、前記雄型末端のねじ領域の谷部の幅ＣＷＲｐは、前記雄型末端の前記末端面から最も遠い谷部の幅の対応する値ＣＷＲｐｍｉｎから、前記末端面に最も近い谷部の幅の対応する値ＣＷＲｐｍａｘまで増加する。

前記雌型末端のねじ領域の歯の幅ＣＷＴｂは、前記雌型末端の前記末端面から最も遠い歯の幅の対応する値ＣＷＴｂｍａｘから、前記雌型末端（８）の前記末端面から最も近い歯の幅の対応する値ＣＷＴｂｍｉｎまで減少し、前記雌型末端のねじ領域の谷部の幅の対応する値ＣＷＲｂは、前記雌型末端の前記末端面から最も近い谷部の幅の対応する値ＣＷＲｂｍａｘから、前記末端面から最も遠い谷部の幅の値ＣＷＲｂｍｉｎまで減少する。

雄ねじおよび雌ねじの歯の最大幅（ＣＷＴｐｍａｘ、ＣＷＴｂｍａｘ）および最小幅（ＣＷＴｐｍｉｎ、ＣＷＴｂｍｉｎ）は、下記関係式を満たすように構成される。

雄ねじの谷部の最大幅ＣＷＲｐｍａｘおよび最小幅ＣＷＲｐｍｉｎは、ＣＷＲｐｍａｘ≦３ＣＷＲｐｍｉｎとなるように構成される。

雌型要素のねじ山の谷部の最大幅ＣＷＲｂｍａｘおよび最小幅ＣＷＲｂｍｉｎは、ＣＷＲｂｍａｘ≦３ＣＷＲｂｍｉｎとなるように構成される。

例示的な実施の形態の特徴および効果が、下記記載において添付図面を参照して詳細に示される。
図１は、自動ロック式のねじ山を備えた従来の接続の模式図である。 図２は、自動ロック式のねじ山を備えた従来の接続の模式図である。 図３は、自動ロック式のねじ山を備えた従来の接続の管状要素の雄型末端の詳細図である。 図４は、自動ロック式のねじ山を備えた従来の接続の管状要素の雌型末端の詳細図である。 図５は、例示的な実施の形態の模式的断面図である。 図６は、例示的な実施の形態の逃げ溝部の模式図である。 図７は、例示的な実施の形態の接続の管状要素の雄型末端の詳細図である。 図８は、例示的な実施の形態の接続の管状要素の雌型末端の詳細図である。 図９は、例示的な実施の形態の雄型および雌型ねじ領域の詳細図である。 図１０は、例示的な実施の形態のシール領域の詳細図である。 図１１は、例示的な実施の形態のテーパ線構造の模式図である。 図１２Ａ−１２Ｃは、逃げの例示的な実施の形態の模式図である。 図１３は、例示的な実施の形態の挿入物と逃げ溝の模式図である。 図１４は、例示的な実施の形態の第２の変形例の模式的な断面図である。 図１５Ａ−１５Ｂは、図１２Ａ−１２Ｂの例示的な実施の形態の応力集中のレベルを示した図である。 図１６Ａ−１６Ｂは、図１２Ａ−１２Ｂの例示的な実施の形態の応力集中のレベルを示した図である。

本願に記載した例示的な実施の形態の目的および特徴は、雄型管状要素および雌型管状要素を有する管状ねじ接続、および材料特性の要件を満たし密閉接触を提供するねじ山の幾何学的形状を提供することにある。管状ねじ接続は鋼よりなり得る。鋼の機械的特性、すなわち、降伏力、引っ張り強さ、延性等のため、鋼は管状ねじ接続に好ましい材料である。本開示で使用する「密閉接触（sealed contact）」といった用語は、メタル−メタルシール（metal-to-metal seal）、特に気密性シール（gas-tight seal）を形成するよう互いに対して強く押圧される二表面間の接触を意味している。例示的な実施の形態では、接続部の剛性が増加され、接続部の疲労挙動が改善される。

本願に記載の例示的な管状ねじ接続の上述および他の目的、利点、および特徴は、添付図面と共に本明細書を考慮することによって当業者に明らかとなる。

図１〜図４に従来の管状接続のコンポーネントを示した。図１は、雄型末端１を有する管状要素（tubular element）、および雌型末端２を有する管状要素を含む従来の管状ねじ接続を示している。末端は、テーパ形のねじ領域３ａ、４ａを夫々含み、これら領域は二つの要素の組立による相互接続のために協働する。ねじ領域３ａ、４ａは、「自動ロック」タイプであり、組立中に漸進的な軸方向の締まりばめが実現され、最終的なロック位置に到達するよう、ねじ山および／またはねじ山間の谷部の軸方向幅が漸進的に変化してもよい。

図２は、末端面７から所定の距離ＶＰＥＳＴ（自動ロック式ねじ山の仮想位置決め末端）を例示している。ＶＰＥＳＴは、一定幅のねじ山が始まる点である。図２は、更に、雄歯と雌歯の幅が等しい距離ＰＤＡＰ（ピッチ直径軸方向位置）を例示している。ＰＤＡＰの概念は、図３と図４に更に例示されている。

図３および図４に示すように、従来の管状接続のねじ領域３ａおよび４ａは、雄型末端の末端面７から距離ＰＤＡＰのところに位置する対称面１００を有している。対称面１００では、対称面１００に隣接する雄歯の幅ＣＷＴｐｒｅｆと雌歯の幅ＣＷＴｂｒｅｆは等しい。

従来の管状接続の雄型末端１の縦断面図および雌型末端２の縦断面図である図３および図４に示されるように、雄型末端１の末端面７の最も近くに位置する歯（またはねじ山）の幅ＣＷＴｐｍｉｎは、雄型ねじ領域３ａ全体の最小値であり、該末端面７の最も遠くに位置する谷部の幅ＣＷＲｐｍｉｎとも対応する。

同様にして、図３および図４に示すように、従来の管状接続では、雌型末端２の末端面８の最も近くに位置する歯（またはねじ山）の幅ＣＷＴｂｍｉｎは、雌型ねじ領域４ａ全体の最小値であり、該末端面８の最も遠くに位置する谷部の幅ＣＷＲｂｍｉｎにも対応する。ねじ領域の半径方向の締まりばめを得るために、雄型ねじ領域３ａの最も狭い歯の幅ＣＷＴｐｍｉｎは、雌型ねじ領域４ａの最も狭い谷部の幅ＣＷＲｂｍｉｎに等しい。

図３および図４に示す従来の管状接続では、雄型ねじ領域３ａおよび雌型ねじ領域４ａの最も狭い歯は最も広い対応する歯の間で夫々クランプされる。雄型末端および雌型末端の末端面に近い歯の狭い幅、並びに、それらの歯をクランプする歯の広い幅は、別々にまたは組み合わさって、これら狭い歯のせん断による劣化の危険性を生ずる可能性がある。

せん断の危険性は、最小幅ＣＷＴｂｍｉｎの歯をクランプする雄歯の近くでは雄型ねじ領域３ａが不完全のため、雌型末端２に位置する最小幅ＣＷＴｂｍｉｎを有する歯よりも雄型末端１に位置する最小幅ＣＷＴｐｍｉｎを有する歯に対する方が高い。最小幅ＣＷＴｂｍｉｎを有する歯の近くでは、対応する雄歯の高さは低くなるため、非ねじ部分への移行が可能となり、対応する雌歯が機能しなくなる危険性がはるかに低くなる。

雄型末端１を有する長い管状要素と雌型末端２を有する短い管状要素（カラーと呼ばれる）の間のカラーから結果として生ずる接続において、雄型末端１は、歯が非ねじ部分への移行の近くでより不完全となるため、雄型末端の歯が雌型末端の最小幅ＣＷＴｂｍｉｎを有する歯をクランプする危険性は小さい。

図５は、本開示による管状接続システムの非制限的な実施の形態を例示している。管状接続システムは、雄ねじ要素（threaded male element）１０３と雌ねじ要素（threaded female element）１０４を夫々有する雄型管状要素（male tubular element）１０１と雌型管状要素（female tubular element）１０２を含んでいる。代替的には、本開示は、カラーを含む三点管状接続にも適用され得る。

図５に示す非制限的な例示的な実施の形態では、雄ねじ要素１０３は、雄型頂部、雄型谷底部、雄型自由末端１０７、雄型スタビングフランク、および雄型ロードフランクを有する雄型のらせん状のねじ山を含んでいる。雄型自由末端１０７は、図５の非制限的な実施例に示すように、ねじ接続の軸に対して垂直な平面でもよい。例示的な実施の形態では、雌ねじ要素１０４は、雄ねじ要素１０３と組立によって協働し得る。雌ねじ要素１０４は、雌型頂部、雌型谷底部、雌型自由末端１０８、雌型スタビングフランク、および雌型ロードフランクを有する雌型のらせん状のねじ山を含んでいる。雌型自由末端１０８は、図５の非制限的な実施例に示すように、ねじ接続の軸に対して垂直な平面でもよい。これらの要素は、例えば、図９の説明を参照して、本開示において以下に更に詳細に説明する。

図５の例示的な実施の形態に示すように、ボックス要素とも呼ばれる雌型管状要素１０２は、雌ねじ要素１０４と雌型管状要素１０２の主部分との間に位置する逃げ溝１１２を含んでいる。逃げ溝１１２は、最も近い係合されたねじ山の外径よりも大きい内径を有し得る。すなわち、逃げ溝の内径は最後に係合される歯の直径の外径よりも大きい。例示的な実施の形態では、管状接続システムの臨界断面は逃げ溝の断面である。臨界断面とは、全てのねじ山にわたって移行される全張力を受け、本実施の形態では管状雄型要素１０１の末端末端１０７に位置する断面積を意味している。

図６は、雄ねじ要素１０３がボックス型の逃げ溝１１２に存在する雄歯１３３を含む非制限的な実施の形態を例示している。代替的には、雄歯１３３の代わりに、雌歯（図示せず）がボックス逃げ溝１１２に存在してもよい。何れの実施の形態でも、逃げ溝１１２と歯との間には半径間隙が形成される。図５および図６は、逃げ溝１１２と雄歯１３３との間の半径間隙の非制限的な実施例を例示している。代替的な実施の形態では、追加的な歯（additional teeth）が逃げ溝（run-out groove）１１２に追加されてもよい。

図７は、雌ねじ要素１０４および雄ねじ要素１０３のねじ山が完全にロックされないねじ山としてかみ合う、例示的な実施の形態を示している。完全にロックされないねじ山は、雄ねじ要素１０３および雌ねじ要素１０４の軸方向の長さの少なくとも一部分にわたって接続の軸１１０に沿って次第に変化する、雄ねじ切り部のねじ山と雌ねじ切り部のねじ山、およびねじ山間の谷部の軸方向の幅を有し得る。

雄ねじ要素１０３は、溝によって分離される雄ねじを有するねじ部分を有し得て、溝の幅ＣＷＲｐは、雄ねじ要素１０３の末端面１０７から最も遠い溝の幅に対応する値ＣＷＲｐｍｉｎから、雄ねじ要素１０３の末端面１０７に最も近い溝の幅に対応する値ＣＷＲｐｍａｘまで増加する。

雌ねじ要素１０４は、雌ねじまたは溝を有するねじ部分を有し得て、溝の幅ＣＷＲｂは、雌ねじ要素１０４の末端面１０８から最も遠い溝の幅に対応する値ＣＷＲｂｍｉｎから、雌ねじ要素１０４の末端面１０８に最も近い溝の幅に対応する値ＣＷＲｂｍａｘまで増加する。

代替的な実施の形態では、別のタイプのねじ山が完全にロックされないねじ山の代わりに使用されてもよい。

例示的な実施の形態では、ピン末端としても公知の雄型末端１０７は非ロック逃げを含み、雄ねじ要素１０３と雌ねじ要素１０４の組立は如何なる軸方向の隣接表面によっても制限されない。つまり、雄型自由末端１０７は雌型管状要素に隣接せず、雌型自由末端１０８は雄型管状要素に隣接しない。代替的な実施の形態では、追加的な歯１３３および逃げ溝１１２は存在するが、雄ねじ要素１０３と雌ねじ要素１０４の組立は少なくとも一つの軸方向の隣接表面によって制限される。すなわち、雄ねじ要素１０３と雌ねじ要素１０４の組立時、雄型ねじ末端の少なくとも一つのねじ山は逃げ溝１１２に位置し、該少なくとも一つのねじ山は雌ねじ要素と接触しない。

図５〜図１６に示す例示的な実施の形態では、雄型管状要素と雌型管状要素の両方、および夫々のねじ部分の幾何学的形状は変更されてもよい。

図７の例示的な実施の形態に示すように、雄ねじ要素１０３は、図８に夫々示す標準的な長さおよびピッチで雌ねじ要素１０４と協働する。この例示的な実施の形態では、雄型末端１０１の末端面１０７に最も近い雄型末端の歯の幅ＣＷＴｐｍｉｎと、雌型末端１０２の末端面１０８から最も遠い雌型末端の歯の幅ＣＷＴｂｍａｘとの間の比は、０．２以上となるように選択される。以下の式が得られる。

例示的な実施の形態では、ＣＷＴｂｍａｘに対するＣＷＴｐｍｉｎの比が１に近付くと、交互に生ずる引張／圧縮応力に対する接続の抵抗が改善される。

例示的な実施の形態では、歯が最も狭い雄ねじ要素１０３の一部分は減少し、その結果、雄型末端１０１の末端面１０７は、歯が最も狭い雄ねじ要素１０３の部分が減少しないときよりも、対称軸１００により近くなる。そのため、末端面１０７に最も近い歯の幅は、歯が最も狭い雄ねじ要素１０３の部分が減少する前に対称軸１００に隣接する歯の幅に対応するＣＷＴｐｒｅｆに近付く値により増加される。このため、対称軸１００と末端面１０７との間の距離に対応する距離ＰＤＡＰが減少する。

例示的な実施の形態では、ねじ要素の全長を維持し、クランピングトルクを維持するために、末端面１０７と反対側の末端のねじ要素が延長する。このため、雌型末端１０２の末端面１０８に最も近い雌型末端１０２の歯の幅ＣＷＴｂｍｉｎと、雄型末端１０１の末端面１０７から最も遠い雄型末端１０１の歯の幅ＣＷＴｐｍａｘとの間の比は、従来の管状接続に対して減少する。これは以下の通りに表される。

例示的な実施の形態では、雌型末端１０２の末端面１０８に最も近い雌型末端１０２の歯の幅ＣＷＴｂｍｉｎと、雄型末端１０１の末端面１０７から最も遠い雄型末端１０１の歯の幅ＣＷＴｐｍａｘとの間の不均衡は、強調される。例示的な実施の形態では、この領域における雄型末端１０１の歯は、対応する雌型末端１０２の歯に対するせん断の危険性を軽減させる面取り面を含み得る。

雄型末端１０１の末端面１０７と反対側で接続の標準的な全長が維持される例示的な実施の形態では、谷部の幅は、標準的な接続における谷部の最小幅に対応する値ＣＷＲｐｍｉｎよりはるかに小さい。ねじ領域の所定の長さを保ち、ロードフランク間およびスタビングフランク間のピッチの値を保ち、使用される切断具がその動きの間に破壊される程非常に小さい幅ＣＷＲｐｍｉｎを回避するために、雄ねじ要素１０３は変更され得る。例示的な実施の形態では、雄ねじ要素１０３は、雄ねじ要素１０３の谷部の幅が閾値ＣＷＲｐｔｈｒｅｓｈｏｌｄに到達すると変更される。例示的な実施の形態では、雄ねじ要素１０３は、歯の高さの０．７倍以上の値ＣＷＲｐｔｈｒｅｓｈｏｌｄを有するよう変更され得る。

例示的な実施の形態では、雄ねじ要素１０３の谷部の幅がＣＷＲｐｔｈｒｅｓｈｏｌｄに到達すると、雄ねじ要素１０３は、末端面１０７から最も遠い歯のうちの一つ以上が消えていくプロフィールを採用する。

例示的な実施の形態では、雄ねじ要素３の歯がもはや半径方向干渉と嵌合しない大きいねじ山部分を避けるために、距離ＶＰＥＳＴおよびＰＤＡＰは最小値よりも大きくなくてはならない。すなわち、所定の組立トルク値を保証するために必要な自動ロック式のねじ山の形態の長さを維持するために、ＣＷＴｐｍｉｎ／ＣＷＴｂｍａｘの比が増加され過ぎてはならない。さもなければ、ＣＷＲｐの谷部の幅が値ＣＷＲｐｔｈｒｅｓｈｏｌｄとなる雄ねじ要素１０３の部分を延長する必要性がでてくる。

例示的な実施の形態では、比ＣＷＴｐｍｉｎ／ＣＷＴｂｍａｘは、０．３〜０．７の範囲にある。

例示的な実施の形態では、全長が１１７ｍｍのねじ領域について、ＰＤＡＰを末端面１０７から５０ｍｍの距離に設けることが有利であり、この際、ＣＷＴｐｍｉｎおよびＣＷＴｂｍａｘの値は２．７ｍｍおよび５．３ｍｍであり、すなわち、その比は０．５１である。雄ねじ要素１０３のプロフィールが一定になる距離は、９８ｍｍの距離ＶＰＥＳＴである。干渉トルクは、５ １／２”２３．００ｌｂｓ／ｆｔＴ９５のカラーに対して２６０００ｆｔｌｂｓ（３５０００Ｎｍ）で維持され、これはねじ山を生じることなく行われる。

図９の例示的な実施の形態に示すように、雄ねじ１３２および雌ねじ１４２（または歯）は、組立後に互いに強固に嵌合されるよう、蟻継ぎプロフィールを有し得る。これにより、接続が大きい曲げまたは引張応力を受けた際に雄ねじ１３２および雌ねじ１４２が離れることに対応する飛出しの危険性が回避される。より詳細には、蟻継ぎ形のねじ山の幾何学的形状は、軸方向の幅がねじ山の基部から頂部にかけて減少する「台形」ねじ山と通常呼ばれるねじ山と比べて、カラーの半径方向剛性を増加させている。

「自動ロック式のねじ領域」といった用語は、以下に詳細に説明する特徴を有するねじ領域を意味している。図９の例示的な実施の形態に示すように、雄ねじ（または歯）１３２は、雌ねじ（または歯）１４２と同様に、一定のピッチを有するが、その幅は、組立中に雄ねじ１３２および雌ねじ１４２（または歯）が所定の位置で互いにロックされることで終わるよう、末端面１０７、１０８の方向に夫々減少する。より詳細には、雌ねじ要素１０４のスタビングフランク１４１間のピッチＳＦＰｂのように、雌ねじ要素１０４のロードフランク１４０間のピッチＬＦＰｂは一定であり、ロードフランク１４０間のピッチはスタビングフランク１４１間のピッチよりも大きい。同様にして、雄型ロードフランク１３０間のピッチＬＦＰｐのように、雄型スタビングフランク１３１間のピッチＳＦＰｐは一定である。更に、雄型スタビングフランク１３１間および雌型スタビングフランク１４１間のピッチＳＦＰｐおよびＳＦＰｂは夫々等しく、等しい雄型ロードフランク１３０間および雌型ロードフランク１４０間のＬＦＰｐおよびＬＦＰｂよりも夫々小さい。

図９の例示的な実施の形態に示すように、雄ねじ要素１０３と雌ねじ要素１０４は、組立の進行を容易にするためにテーパ状母線１２０に方向付けられた。テーパ状母線１０２は、ロードフランクの中心を通ると定められる。非制限的な例示的な実施の形態では、テーパ状母線１２０は、１度〜５度の範囲の角度を軸１１０と形成する。

図９の例示的な実施の形態に示すように、接触は、雄型ロードフランク１３０と雌型ロードフランク１４０との間、および雄型スタビングフランク１３１と雌型スタビングフランク１４１との間で主に行われる。反対に、組立の進行を容易にし、摩耗の全ての危険性を防止するために、ねじ山の雄型頂部とねじ山の雌型谷底部との間に隙間ｈが設けられてもよく、同様に、ねじ山の雄型谷底部とねじ山の雌型頂部との間に隙間が設けられてもよい。

図９の例示的な実施の形態に示すように、雄ねじ要素１０３と雌ねじ要素１０４の歯の頂部および谷部の谷底部は、ねじ接続の軸１１０に対して平行でもよい。例示的な実施の形態では、本構成は機械加工を容易にし得る。

例示的な実施の形態では、雄型要素１０１の末端面１０７の近くに位置する二つの密閉領域１０５、１０６によって流体シールが提供され、それにより、管状接続の内部から外部媒体への漏れが防止され、外部媒体から管状接続への漏れが防止される。

図１０に示すように、例示的な実施の形態では、雄型末端１０１の密閉領域１０５は、末端面１０７に向かって減少する直径で半径方向外方に向いているドーム形表面１２９を有してもよい。例示的な実施の形態では、ドーム形表面１２９の半径は、コーン−オン−コーンの接触と関連する問題を回避するために１５０ｍｍより小さいのが好ましい。別の例示的な実施の形態では、ドーム形表面１２９の半径は、十分な接触面積を提供するよう３０ｍｍより大きい。例示的な実施の形態では、ドーム形表面１２９の半径は、３０〜１００ｍｍの範囲であることが好ましい。

例示的な実施の形態では、図１０に示すように、ドーム形表面に対向する側では、雌型末端１０２の密閉領域１０６は雄型要素１０１の末端面１０７の方向に減少する直径で半径方向内方に向いているテーパ形表面１２８を有している。テーパ形表面１２８のピーク半角の接線は０．０２５〜０．０７５の範囲にあり、すなわち５％〜１５％の範囲のテーパを有している。例示的な実施の形態では、テーパは、組立時に摩耗のリスクを減少するために少なくとも５％である。例示的な実施の形態では、テーパは、機械加工に対する綿密な公差と関連する問題を回避するために、最大でも１５％である。

発明者は、接触領域の末端において狭い有効接触領域を有する二つのテーパ形表面間の接触領域と対照的に、テーパ形表面とドーム形表面との間の接触領域が大きい有効軸方向接触幅、および有効接触領域に沿った接触圧力の略放物線状の分布を生成し得ることを見出した。

例示的な実施の形態では、ドーム形表面およびテーパ形表面により、接触領域に対する幾何学的形状は、機械加工公差による結合された要素の軸方向位置決めにおける変動にも関わらず有効な接触幅を提供することができ、有効な接触領域はドーム形表面のドーム形部分に沿って旋回されて局所的な接触圧力に対する放物プロフィールを保っている。

図１１の例示的な実施の形態に示すように、ピンシールは、間隙ｅをもってピンの谷底部のねじ山によって定められたテーパ線１２０の下に構成される。本実施の形態では、シールの半径方向の場所は、ねじ山のテーパ線の下となるように構成される。このテーパ線の構成により、直線走行、すなわち、ねじ山に突入することのない挿入物の初期の位置決めが多数の歯を有する挿入物について可能になる。好ましい実施の形態では、テーパ線は５％〜２５％の傾斜を有し、間隙ｅは０．２５ｍｍ〜１ｍｍである。代替的な実施の形態では、シールの半径方向の場所は、ねじ山のテーパ線より上に構成され、多数の歯を有する挿入物を使用するためには、ピン末端の長さは単一の歯を有する挿入物を用いた場合のピン末端の長さに対して増加する。

図１２Ａは、標準的な逃げを有する例示的な実施の形態を示している。図１２Ｂは、広い逃げを有する例示的な実施の形態を示している。図１２Ｃは、広い逃げと追加的な歯１３３を有する例示的な実施の形態を示している。図６は、図１２Ｃの例示的な実施の形態の詳細図を示している。

図１２Ａの例示的な実施の形態では、「逃げ」は二つの歯の挿入物と互換性がなく、図１２Ｂまたは図１２Ｃの例示的な実施の形態に対する機械加工時間よりも機械加工時間が長くなり得る。

有限要素解析を通じて計算される予想密閉性能に関して、図１２Ｃの例示的な実施の形態は、図１２Ａの例示的な実施の形態よりも小さい接触圧力を得るが、図１２Ｂの例示的な実施の形態よりも１０〜３０％大きい接触圧力を得ることができる。図１２Ｃの例示的な実施の形態は、図１５Ａおよび図１５Ｂ、図１６Ａおよび図１６Ｂに示されるように、図１２Ａの例示的な実施の形態において臨界断面と密閉領域との間に存在する応力ブリッジを減少する。例示的な実施の形態では、ねじ山のロードフランクは、丸められることでねじ山の頂部および隣接するねじ山の谷底部に接続され、丸められることによりロードフランクの下部での応力集中係数が減少し、接続の疲労挙動が改善される。図１２Ｃの例示的な実施の形態は、最初に係合されたピンねじの谷底部で応力集中を減少する。実施された疲労試験では、図１２Ｃの例示的な実施の形態は、空気中、ＤＮＶ−Ｂ１と比べて略１．１５の生存性ＳＡＦを示した。例示的な実施の形態では、多数の歯を有する挿入物は、パスの深さを増加することで機械加工時間を減少するために使用される。二つの歯を有する挿入物は、同じ時間量で一つの歯を有する挿入物の二倍多く除去することで、一つの歯を有する挿入物の二倍の速さでねじ山を機械加工することができる。機械加工は、本構成によって悪影響を受けず、実際に改善される。

例示的な実施の形態では、逃げ溝１１２は、潤滑流体が逃げるための空間や、圧力の高まりを回避する手段を提供する。例示的な実施の形態では、逃げ溝１１２の内径は、逃げ溝１１２に隣接する完成した歯の直径よりも大きく、逃げ溝１１２の存在により、管状組立体に対する臨界断面は管状要素がねじ山を含む場所にはもはや存在しない。代わりに、逃げ溝１１２の存在により、管状組立体に対する臨界断面は逃げ溝１１２に位置し、すなわち、ボックスコンポーネントの非ねじ部分に位置し、コンポーネント歯に対する疲労の影響を効果的に減少している。例示的な実施の形態では、機械加工の後に挿入物がねじ山から除去されることが可能となるよう、逃げ溝の幅はロードフランクのピッチの少なくとも１．５〜２倍である。例示的な実施の形態では、逃げ溝１１２の幅は、少なくとも以下の式となるように構成される。

ここで、ＬＦＰｂはロードフランクピッチであり、ＩＣＷは挿入物の頂部幅であり、ＳＦＰｂはスタビングフランクピッチであり、ＬＦＨはロードフランク高さであり、ＴＴはテーパ線角度である。１５°の角度は、図１３に例示されるように、接続の軸１１０に対して垂直な面１１１に対して定められる。

図６に示すように、代替的な実施の形態では、逃げ溝に存在する追加的な歯は完全には形成されない。好ましい実施の形態では、逃げ溝における追加的な歯は、管状要素の末端に最も近い完全に形成された歯の高さの少なくとも半分の高さを有している。

追加的なねじ山は設けられないが全ての他の態様が同じ実施の形態と比較して、追加的なねじ山１３３の存在によりピンに沿った応力分配がより良好になり、外部圧力下ではピンリップ剛性が増加する。上述の通り、図１２Ｃと図１６Ａおよび図１６Ｂに示す例示的な実施の形態は、図１２Ａと図１５Ａおよび図１５Ｂに示す例示的な実施の形態に対して改善された応力分布を示している。図１５Ｂと図１６Ｂは、実施の形態の応力の等高線を夫々例示し、図１６Ｂは図１５Ｂと比較して減少した応力ブリッジ（stress bridge）を例示している。

例示的な実施の形態では、追加的な歯を含むピン末端を機械加工することは追加的な機械加工時間を必要とするが、選択された挿入物によって行われる中間パスの数の減少による機械加工時間の減少によって少なくとも補償される。

例示的な実施の形態では、図１の例示的な実施の形態に示されるＯＤとも呼ばれるカラーの外径９は、張力およびねじりの基準の両方が臨界断面で満たされるよう構成される。例示的な実施の形態では、管状接続システムは、全ての早期の疲労問題を回避するよう、管状要素に対する全体的な応力が降伏力の９５％を超えず、カラーが少なくとも１０２％の引張性能を提供するよう構成される。引張効率性を確実にするための最小のカラー外径９は、以下より計算される。

ここで、ＯＤはミリメートル単位の外径であり、ＢＧＤｍａｘはミリメートル単位での最大ボックス逃げ溝の直径であり、ＰＳはミリメートル二乗でのパイプ本体部である。

降伏力の基準を満たす最小のカラー外径は、以下の関係式に従ってＯＤを選択することで決定される。

ここで、σＶＭはフォンミーゼス等価応力であり、ＹＳは材料の降伏力であり、σａは張力下での主軸方向応力であり、τはカラーの外側でトルクによって生成されるせん断応力である。

選択されたカラー外径９の値は、上述の引張効率性および降伏力の基準から得られる最大値であり、カラー直径が張力およびねじりの基準の両方を満たすことを確実にする。

図１４に示すように、別の例示的な実施の形態では、管状接続システムは二つのステップＳ１およびＳ２を含み得る。したがって、第一のステップＳ１は、雄型管状要素と雌型管状要素との間のねじ接続部分、逃げ溝、および逃げ溝内に位置する雄型管状要素上の追加的な歯を含んでいる。第二のステップＳ２は、雄型管状要素と雌型管状要素との間の第二のねじ接続部分、第二の逃げ溝、および第二の逃げ溝内に位置する雄型管状要素上の追加的な歯を含んでいる。第二のステップＳ２は、メタル−メタル密閉接触部分も含んでいる。例示的な実施の形態では、二つのステップは、二重のメタル−メタル密閉接触を提供する。例示的な実施の形態では、二ステップの管状接続システムは、第二のシールが有用となる一体型継手または太いパイプに使用され得る。

多数の可能な実施の形態が本開示の範囲から逸脱することなく本開示より考案されてもよいため、本願に記載、或いは添付図面に示した全ての事項は例示的であり、制限的に解釈されてはならない。

Claims (20)

1. 雄型末端および雌型末端を夫々有する第一および第二の管状要素を備え、
   前記雄型末端は、外周表面に少なくとも一つのねじ領域を有し、接続の軸に対して半径方向に方向付けられた末端面で終端し、
   前記雌型末端は、内周表面に少なくとも一つのねじ領域を有し、前記接続の軸に対して半径方向に方向付けられた末端面で終端し、
   前記雄型末端のねじ領域の歯の幅ＣＷＴｐは、前記雄型末端の前記末端面に最も近い歯の幅の値ＣＷＴｐｍｉｎから、前記雄型末端の前記末端面から最も遠い歯の幅の値ＣＷＴｐｍａｘまで増加し、前記雄型末端のねじ領域の谷部の幅ＣＷＲｐは、前記雄型末端の前記末端面から最も遠い谷部の幅の値ＣＷＲｐｍｉｎから、前記末端面に最も近い谷部の幅の値ＣＷＲｐｍａｘまで増加し、
   前記雌型末端のねじ領域の歯の幅ＣＷＴｂは、前記雌型末端の前記末端面から最も遠い歯の幅の値ＣＷＴｂｍａｘから、前記雌型末端（８）の前記末端面から最も近い歯の幅の値ＣＷＴｂｍｉｎまで減少し、前記雌型末端のねじ領域の谷部の幅ＣＷＲｂは、前記雌型末端の前記末端面から最も近い谷部の幅の値ＣＷＲｂｍａｘから、前記末端面から最も遠い谷部の幅の値ＣＷＲｂｍｉｎまで減少し、
   前記雄型末端の少なくとも一つのねじ領域の少なくとも一部分および前記雌型末端の少なくとも一つのねじ領域の少なくとも一部分は、
   

   

   これらの関係式に従い、自動ロック式の組立に応じて協働する、ねじ接続。
2. 前記雄型末端の前記末端面に最も近い歯の幅ＣＷＴｐｍｉｎと前記雌型末端の前記末端面から最も遠い歯の幅ＣＷＴｂｍａｘの比は、０．３〜０．７の範囲にある、請求項１に記載のねじ接続。
3. 組立時、少なくとも前記末端面に最も近い雄ねじ切り部の歯は、前記雌型末端に設けられる逃げ溝に位置する、請求項１に記載のねじ接続。
4. 接続システムの臨界断面が前記逃げ溝の断面となるように、前記逃げ溝の内径は最後に係合される歯の直径の外径よりも大きい、請求項３に記載のねじ接続。
5. 前記逃げ溝の幅は、ロードフランクピッチよりも少なくとも１．５倍大きくなるように構成される、請求項３記載のねじ接続。
6. 前記逃げ溝の幅は、少なくとも次式を満たすように構成され、
   

   

   ここに、ＬＦＰはロードフランクピッチであり、ＩＣＷは挿入物の頂部幅であり、ＳＦＰはスタビングフランクピッチであり、ＬＦＨはロードフランク高さであり、ＴＴはテーパ線角度である、請求項３に記載のねじ接続。
7. カラー外径は、臨界断面における張力およびねじり基準の両方に基づいて構成される、請求項１に記載のねじ接続。
8. 少なくとも末端面から最も遠い歯は消えていく歯である、請求項１に記載のねじ接続。
9. 少なくとも前記雄型末端の前記末端面から最も遠い雄ねじ切り部の歯は、消えていく歯である、請求項８に記載のねじ接続。
10. 前記雄型ねじ領域および雌型ねじ領域は、１度〜５度の範囲で前記接続の軸と角度を形成するテーパ状母線を有する、請求項１に記載のねじ接続。
11. 前記雄型ねじ領域および雌型ねじ領域の歯は蟻継ぎプロフィールを有する、請求項１に記載のねじ接続。
12. 前記雄型ねじ領域および雌型ねじ領域の前記歯の頂部および前記谷部の谷底部は前記ねじ接続の軸に対して平行である、請求項１に記載のねじ接続。
13. 前記雄型ねじ領域の前記歯の頂部と前記雌型ねじ領域の前記谷部の谷底部との間に隙間ｈが設けられる、請求項１に記載のねじ接続。
14. 前記雄型末端および雌型末端の少なくとも一方は、自動ロック式組立に応じて前記ねじ領域が協働すると、前記雄型末端および雌型末端の少なくとも一方の第二の密閉表面と干渉接触するよう協働する第一の密閉表面を有する、請求項１に記載のねじ接続。
15. 前記少なくとも一つの密閉表面は、少なくとも３ミリメートルだけ前記雄型末端の前記末端面から軸方向に離間される、請求項１４に記載のねじ接続。
16. 前記第一および第二の密閉表面は、一方がドーム形表面、他方がテーパ形表面によって夫々構成される、請求項１５に記載のねじ接続。
17. 前記ドーム形表面は、３０〜１００ｍｍの範囲の曲率半径の母線を有する、請求項１６に記載のねじ接続。
18. 前記テーパ形表面のピーク半角の接線は０．０２５〜０．０７５ｍｍの範囲にある、請求項１６に記載のねじ接続。
19. 前記密閉表面の干渉接触における協働領域は、前記雄型末端のねじ領域のテーパ線の下に位置する、請求項１４に記載のねじ接続。
20. 前記テーパ線の角度は５度〜２５度の範囲にある、請求項６に記載のねじ接続。

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