JP6239111B2 - 鋼管用ねじ継手 - Google Patents

Description

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（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、そ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、ショルダー面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、ショルダー面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のショルダー面１２１、シール面１２３及び雌ねじ部１２４は、それぞれ、ピン１１０のショルダー面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。各ショルダー面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。各ショルダー面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。

厚肉鋼管の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（例えば、国際公開第ＷＯ０１／０２９４７６号（特許文献１）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、ショルダー面２１１、第１シール面２１３、第１雄ねじ部２１４、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、基部側から先端側に向けて順に、ショルダー面２２１、第１シール面２２３、第１雌ねじ部２２４、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ねじ部は、テーパねじの台形ねじである。第２雄ねじ部２１７と第２雌ねじ部２２７とで構成される第２ねじ部も同様である。

図３は、密封性能の向上を図った従来の鋼管用ねじ継手の他の一例を示す縦断面図である。図３に示すねじ継手は、前記図２に示すねじ継手と対比し、メタル接触によるシール部を２箇所備える点は共通するが、ショルダー面の設置位置が変更されている点で相違する（例えば、米国特許第４，６６２，６５９号（特許文献２）参照）。

具体的には、図３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、ショルダー面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、基部側から先端側に向けて順に、第１シール面２２３、第１雌ねじ部２２４、ショルダー面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。

前記図２に示すねじ継手の場合、第１ねじ部のテーパ面と第２ねじ部のテーパ面は一致する。第１ねじ部と第２ねじ部との間に単に第２シール面２１６、２２６が追加されるからである。一方、図３に示すねじ継手の場合は、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ー面２１１、２２１が設置されるからである。

図２及び図３に示すねじ継手のいずれも、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。各ショルダー面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。

国際公開第ＷＯ０１／０２９４７６号 米国特許第４，６６２，６５９号明細書

近年の過酷な環境で用いられるねじ継手、特に厚肉鋼管のねじ継手には、内圧及び外圧に対し、更なる密封性能の向上が要求される。

本発明の目的は、下記の特性を有する鋼管用ねじ継手を提供することである：
内圧及び外圧に対する密封性能を向上させること。

本発明の一実施形態であ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、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、ショルダー面、第１シール面、テーパねじの第１雄ねじ部、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、前記ピンの前記ショルダー面、前記第１シール面、前記第１雄ねじ部、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ショルダー面、第１シール面、テーパねじの第１雌ねじ部、第２シール面及びテーパねじの第２雌ねじ部を備える。
更に、前記ピンは、前記ショルダー面と前記第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１雄ねじ部と前記第２シール面との間に前記第２シール面に連なる環状部を備え、
前記ボックスは、前記ピン部の前記ノーズ部に対応する凹部を備えるとともに、前記ピンの前記環状部に対応する環状部を備える。
このような鋼管用ねじ継手は、
締結状態において、前記ショルダー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、前記ピンの前記環状部と前記ボックスの前記環状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う構成である。

上記のねじ継手は、下記の構成とすることができる。
前記ピンは、前記第１雄ねじ部と前記環状部との間に前記環状部に連なる補助ショルダー面を備え、
前記ボックスは、前記ピンの前記補助ショルダー面に対応する補助ショルダー面を備え、
締結状態において、更に前記補助ショルダー面同士が互いに接触する。

このねじ継手は、下記の構成とすることが好ましい。
締結の過程で、前記ショルダー面同士の接触及び前記補助ショルダー面同士の接触が同時に行われるか、又は前記補助ショルダー面同士の接触が前記ショルダー面同士の接触よりも先に行われる。

また、上記のねじ継手は、下記の構成とすることが好ましい。
前記ピンは、管軸に垂直な断面での管本体の断面積をＡ_０とし、管軸に垂直な平面への前記ショルダー面の投影面積をＡ_１としたとき、両者の面積比率Ａ_１／Ａ_０が３０％以上である。

また、上記のねじ継手は、下記の構成とすることが好ましい。
前記ピンは、管軸に垂直な断面での管本体の断面積をＡ_０とし、管軸に垂直な平面への前記ショルダー面及び前記補助ショルダー面それぞれの投影面積の合計をＡ_２としたとき、両者の面積比率Ａ_２／Ａ_０が３０％以上である。

また、上記のねじ継手は、下記の構成とすることが好ましい。
前記ピンは、管軸に垂直な平面への前記ショルダー面及び前記補助ショルダー面それぞれの投影面積の合計をＡ_２とし、管軸に垂直な平面への前記ショルダー面の投影面積をＡ_１としたとき、両者の面積比率Ａ_１／Ａ_２が３５％以上である。

更に、上記のねじ継手は、下記の構成とすることが好ましい。
前記ピンの前記環状部の外径は、前記第２雄ねじ部のねじ谷底面のテーパの延長面より前記第２雄ねじ部のねじ高さの２倍分外径が小さいテーパ面を規準とし、この規準テーパ面の直径よりも大きい。

更に、上記のねじ継手は、下記の構成とすることが好ましい。
前記ピンの前記環状部の管軸に沿う長さは、前記第２雄ねじ部のねじピッチの１倍以上である。

更に、上記のねじ継手は、下記の構成とすることが好ましい。
前記ピンの前記ノーズ部の管軸に沿う長さは５ｍｍ以上である。

本発明の鋼管用ねじ継手は、下記の顕著な効果を有する：
内圧及び外圧に対する密封性能を向上できること。

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、密封性能の向上を図った従来の鋼管用ねじ継手の他の一例を示す縦断面図である。 図４Ａは、本発明の第１実施形態の鋼管用ねじ継手を示す縦断面図である。 図４Ｂは、本発明の第１実施形態の鋼管用ねじ継手におけるピンの先端部付近を拡大した縦断面図である。 図５は、本発明の第１実施形態の鋼管用ねじ継手における外部寄りの第２シール部近傍を拡大した縦断面図である。 図６は、本発明の第２実施形態の鋼管用ねじ継手を示す縦断面図である。 図７は、本発明の第２実施形態の鋼管用ねじ継手における外部寄りの第２シール部近傍を拡大した縦断面図である。

本発明者らは、シール部による密封性能を最大限に発揮できる構成について鋭意検討を重ねた。その際、ピンの先端にショルダー面を備えるとともに、メタル接触によるシール部を２箇所備えるねじ継手を前提とした。すなわち、主に内圧に対しての密封性能に寄与する内部寄りの第１シール部、及び主に外圧に対しての密封性能に寄与する外部寄りの第２シール部を備えるねじ継手を前提とした。その結果、下記の知見を得た。

外圧に対する密封性能を向上させるには、ピンを厚肉化すればよい。ねじ継手への外圧の負荷に伴いピンは縮径変形し、外部寄りの第２シール面同士の接触が緩まる様相になるところ、ピンの厚肉化により縮径抵抗が高まるからである。ただし、ピンの内径はＡＰＩ（American Petroleum Institute（アメリカ石油協会））の規格で規定され、ピンの外径の拡大は油井の構造上の制約から有限である。このため、ピンの特に第２シール面の領域を厚肉化することは限界がある。

そこで、ピンには、第２シール面と内部寄りの第１雄ねじ部との間に限定して、第２シール面に連なって管軸方向に伸び出す環状部を設ける。この環状部の設置により、ピンの第２シール面の領域の縮径抵抗が高まる。そのため、第２シール面同士の接触面圧の低下が抑えられ、外圧に対しての密封性能が向上する。この場合、ボックスには、ピンの環状部の領域に対応し、第２シール面に連なる環状部を設ける。このボックスの環状部とピンの環状部との間には、締結状態において隙間が形成される。この隙間により、締結時に塗布された余剰のねじグリスコンパウンド（以下、「ドープ」ともいう）を収容できるため、ドープの圧力上昇による第２シール面同士の接触面圧の不用意な低下が避けられる。

更に、ピン及びボックスそれぞれの第２シール面と外部寄りの第２ねじ部との間に限定して、第２シール面に連なって管軸方向に伸び出す、上記の環状部とは別の環状部を設けてもよい。この環状部同士の間には、締結状態において隙間が形成される。この隙間により、第２ねじ部の締りばめ作用による第２シール面の実質的な干渉量の低下が抑えられる。そのため、第２シール面の面圧低下が抑えられ、外圧に対しての密封性能が向上する。

一方、内圧に対する密封性能を向上させるには、以下の２つの手法が考えられる。第１の手法としては、ピンには、内部寄りの第１シール面とショルダー面との間に限定して、第１シール面に連なって管軸方向に伸び出す筒状のノーズ部を設ける。ボックスには、ピンのノーズ部の領域に対応し、凹部を設ける。締結状態においてその凹部とノーズ部との間に隙間が形成される。ピンのショルダー面がボックスのショルダー面から離れ、これに伴い第１シール面同士の接触が緩まる様相になった場合、ピンのノーズ部及びボックスの凹部の設置により、ピンの第１シール面がノーズ部と一体で弾性的に復元する。これにより、第１シール面同士の接触面圧の低下が抑えられ、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。

第２の手法としては、上記第１の手法に加え、ピンの内部寄りの第１雄ねじ部及び第１シール面の領域を薄肉化する。ピンの薄肉化により、ねじ継手に内圧が負荷されたときにピンが有効に拡径変形するため、内部寄りの第１シール面同士の接触面圧が増幅される。もっとも、ピンの薄肉化は剛性の低下を伴うことから、ねじ継手に内圧が負荷されないときには第１シール面同士の接触が緩まる様相になる。この状況に対しては、上記した第１の手法によるピンのノーズ部の設置により、第１シール面同士の接触面圧の低下が抑えられる。

第２の手法では、ピンには、第１雄ねじ部と環状部との間にこの環状部に連なる補助ショルダー面を備えるとともに、ボックスには、ピンの補助ショルダー面に対応して第１雌ねじ部と環状部との間に補助ショルダー面を備える構成とすればよい。この構成の場合、補助ショルダー面の設置により、ピンでは、第１雄ねじ部及び第１シール面の領域の外径を小さくでき、これに伴い、ボックスでは、第１雌ねじ部及び第１シール面の領域の内径を小さくできる。このため、ボックスの危険断面（雌ねじ部の最も基部側の断面、すなわち第１雌ねじ部の最も基部側の断面）の断面積の確保が容易となり、ボックス外径の小径化の実現につながる。

本発明の鋼管用ねじ継手は、以上の知見に基づいて完成されたものである。以下に、本発明の鋼管用ねじ継手の実施形態を説明する。

［第１実施形態］
図４Ａは、本発明の第１実施形態の鋼管用ねじ継手を示す縦断面図である。図４Ｂは、その鋼管用ねじ継手におけるピンの先端部付近を拡大した縦断面図である。図５は、本発明の第１実施形態の鋼管用ねじ継手における外部寄りの第２シール部近傍を拡大した縦断面図である。図４Ａ及び図５に示すように、第１実施形態のねじ継手は、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。

ピン１０は、先端側から基部側に向けて順に、ショルダー面１１、ノーズ部１２、第１シール面１３、第１雄ねじ部１４、第１環状部１５ａ、第２シール面１６、第２環状部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、又は小さい（緩い）、又は大きい(急な)テーパ面であってもよい。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の先端にショルダー面１１が設けられる。ショルダー面１１は、管軸ＣＬにほぼ垂直な環状面である。厳密には、そのショルダー面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１環状部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環状部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環状部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環状部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環状部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環状部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、ショルダー面２１、凹部２２、第１シール面２３、第１雌ねじ部２４、第１環状部２５ａ、第２シール面２６、第２環状部２５ｂ、及び第２雌ねじ部２７を備える。これらのボックス２０のショルダー面２１、凹部２２、第１シール面２３、第１雌ねじ部２４、第１環状部２５ａ、第２シール面２６、第２環状部２５ｂ、及び第２雌ねじ部２７は、それぞれ、ピン１０のショルダー面１１、ノーズ部１２、第１シール面１３、第１雄ねじ部１４、第１環状部１５ａ、第２シール面１６、第２環状部１５ｂ、及び第２雄ねじ部１７に対応して設けられる。

図４Ａ及び図４Ｂ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実施形態のねじ継手の場合、第１ねじ部のテーパ面と第２ねじ部のテーパ面は一致する。第１ねじ部と第２ねじ部との間に単に第２シール面１６、２６が追加されるからである。

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。各ショルダー面１１、２１は、ピン１０のねじ込みに伴って互いに接触して押し付けられ、ピン１０のねじ込みを制限するストッパの役割を担う。更に、各ショルダー面１１、２１は、締結状態では、ピン１０の第１雄ねじ部１４及び第２雄ねじ部１７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。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環状部１５ａとボックス２０の第１環状部２５ａとの間にも隙間が形成され、ピン１０の第２環状部１５ｂとボックス２０の第２環状部２５ｂとの間にも隙間が形成される。

このような構成の第１実施形態のねじ継手では、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環状部１５ａが設けられるので、この第１環状部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環状部１５ａの領域に対応して第１環状部２５ａが設けられ、締結状態において第１環状部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、２６の後方に連なって第２環状部１５ｂ、２５ｂが設けられ、この第２環状部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。

更に、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のショルダー面１１がボックス２０のショルダー面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。

以下に、第１実施形態の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に垂直な断面での管本体の断面積をＡ_０とし、管軸ＣＬに垂直な平面へのショルダー面１１の投影面積をＡ_１とする。このとき、両者の面積比率（以下、「管本体に対するショルダー面積率」ともいう）Ａ_１／Ａ_０が３０％以上であることが好ましい。より好ましくは、Ａ_１／Ａ_０は３５％以上である。その理由は以下のとおりである。Ａ_１／Ａ_０は実質的にショルダー面１１の面積に依存する。Ａ_１／Ａ_０が小さいと、ショルダー面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、ショルダー面１１がその圧縮荷重に耐えきれない。この場合、ショルダー面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、管本体に対するショルダー面積率Ａ_１／Ａ_０は、ある程度大きいことが好ましい。

管本体に対するショルダー面積率Ａ_１／Ａ_０の上限は特に規定しない。ただしＡ_１／Ａ_０があまりに大きいと、ショルダー面１１の面積が大きすぎるため、ピン１０のショルダー面１１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２０の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、管本体に対するショルダー面積率Ａ_１／Ａ_０は６０％以下とすることが好ましい。

図５に示すように、ピン１０において、第１環状部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環状部１５ａの外径は、実質的に第１環状部１５ａの肉厚に依存する。第１環状部１５ａの外径が小さいと、第１環状部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環状部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環状部１５ａの外径は、ある程度大きいことが好ましい。

第１環状部１５ａの外径の上限は特に規定しない。ただし、第１環状部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環状部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環状部１５ａの長さが短いと、第１環状部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環状部１５ａの長さの上限は特に規定しない。ただし、第１環状部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環状部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環状部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環状部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環状部１５ｂの長さが短いと、第２ねじ部の締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環状部１５ｂの長さの上限は特に規定しない。ただし、第２環状部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環状部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環状部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。

［第２実施形態］
図６は、本発明の第２実施形態の鋼管用ねじ継手を示す縦断面図である。図７は、本発明の第２実施形態の鋼管用ねじ継手における外部寄りの第２シール部近傍を拡大した縦断面図である。図６及び図７に示す第２実施形態のねじ継手は、前記図４及び図５に示す第１実施形態のねじ継手を変形したものであり、第１実施形態と重複する説明は適宜省略する。

図６及び図７に示すように、第２実施形態のねじ継手は、前記第１実施形態のねじ継手と対比し、ピン１０の先端にショルダー面１１を備えるとともに、メタル接触によるシール部を２箇所備える点は共通するが、補助ショルダー面１８を追加した点で相違する。

具体的には、ピン１０は、内部寄りの第１雄ねじ部１４と第１環状部１５ａとの間に、第１環状部１５ａに連なる補助ショルダー面１８を備える。この補助ショルダー面１８は、管軸ＣＬに垂直な環状面である。もっとも、この補助ショルダー面１８は、ピン１０の先端のショルダー面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。一方、ボックス２０は、ピン１０の補助ショルダー面１８に対応する補助ショルダー面２８を備える。

第２実施形態のねじ継手の場合、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）との間に補助ショルダー面１８、２８が設置されるからである。このため、第２実施形態のねじ継手では、前記第１実施形態のねじ継手と比較し、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の領域の外径が小さくなり、その領域の肉厚が薄肉化される。

締結状態において、ショルダー面１１、２１同士が互いに押し付けられて接触するとともに、補助ショルダー面１８、２８同士も互いに押し付けられて接触する。各ショルダー面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。各補助ショルダー面１８、２８の押圧接触は、主にピン１０の第２雄ねじ部１７の荷重面に締め付け軸力を付与する。

ここで、締結の過程におけるショルダー面１１、２１同士の接触及び補助ショルダー面１８、２８同士の接触のタイミングに関し、両接触が同時に行われるか、又は補助ショルダー面１８、２８同士の接触がショルダー面１１、２１同士の接触よりも先に行われることが好ましい。このような接触タイミングにすれば、ショルダー面１１、２１同士の接触荷重と補助ショルダー面１８、２８同士の接触荷重とのバランスが保たれる。その結果、ピン１０及びボックス２０のダメージが少なくなる。

第２実施形態のねじ継手によっても、上記第１実施形態と同様の効果を奏する。特に、第２実施形態では、補助ショルダー面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。

以下に、第２実施形態の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に垂直な断面での管本体の断面積をＡ_０とし、管軸ＣＬに垂直な平面へのショルダー面１１及び補助ショルダー面１８それぞれの投影面積の合計をＡ_２とする。このとき、両者の面積比率（以下、「管本体に対する全ショルダー面積率」ともいう）Ａ_２／Ａ_０が３０％以上であることが好ましい。より好ましくは、Ａ_２／Ａ_０は３５％以上である。その理由は以下のとおりである。Ａ_２／Ａ_０は実質的にショルダー面１１及び補助ショルダー面１８の面積に依存する。Ａ_２／Ａ_０が小さいと、ショルダー面１１及び補助ショルダー面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、ショルダー面１１及び補助ショルダー面１８がその圧縮荷重に耐えきれない。この場合、ショルダー面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、補助ショルダー面１８並びにこれに連なる第１環状部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、管本体に対する全ショルダー面積率Ａ_２／Ａ_０は、ある程度大きいことが好ましい。

管本体に対する全ショルダー面積率Ａ_２／Ａ_０の上限は特に規定しない。ただし、Ａ_２／Ａ_０があまりに大きいと、実質的にショルダー面１１及び補助ショルダー面１８の面積が大きすぎるため、ピン１０のショルダー面１１及び補助ショルダー面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、管本体に対する全ショルダー面積率Ａ_２／Ａ_０は６０％以下とすることが好ましい。

ピン１０において、管軸ＣＬに垂直な平面へのショルダー面１１及び補助ショルダー面１８それぞれの投影面積の合計をＡ_２とし、管軸ＣＬに垂直な平面へのショルダー面１１の投影面積をＡ_１とする。このとき、両者の面積比率（以下、「全ショルダーに対するショルダー面積率」ともいう）Ａ_１／Ａ_２が３５％以上であることが好ましい。より好ましくは、Ａ_１／Ａ_２は４０％以上である。その理由は以下のとおりである。Ａ_１／Ａ_２は補助ショルダー面１８と対比し、実質的にショルダー面１１の面積に依存する。Ａ_１／Ａ_２が小さいと、ショルダー面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、ショルダー面１１がその圧縮荷重に耐えきれない。この場合、ショルダー面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、全ショルダーに対するショルダー面積率Ａ_１／Ａ_２は、ある程度大きいことが好ましい。

全ショルダーに対するショルダー面積率Ａ_１／Ａ_２の上限は特に規定しない。ただし、Ａ_１／Ａ_２があまりに大きいと、補助ショルダー面１８と対比し、実質的にショルダー面１１の面積が大きすぎるため、ピン１０のショルダー面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、全ショルダーに対するショルダー面積率Ａ_１／Ａ_２は５５％以下とすることが好ましい。

ピン１０の第１環状部１５ａの外径及び長さ、並びにノーズ部１２の長さに関する好適な態様は、前記第１実施形態と同様である。

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大変形し、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。

本発明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＞
ＦＥＭ解析では、カップリング型の油井管用ねじ継手について、ピンの第１環状部、ノーズ部、及びショルダー面（補助ショルダー面を含む）の諸寸法を種々変更したモデルを作製した。鋼管（ピン）及びカップリング（ボックス）の主要寸法は下記の２種類とした。
（１）鋼管の寸法：１０−１／８［ｉｎｃｈ］×０．８［ｉｎｃｈ］（外径２５７．２ｍｍ、肉厚２０．３ｍｍ）、カップリングの外径：２７６．６ｍｍ
（２）鋼管の寸法：７−５／８［ｉｎｃｈ］×１．２［ｉｎｃｈ］（外径１９３．７ｍｍ、肉厚３０．５ｍｍ）、カップリングの外径：２１７．８ｍｍ

共通の条件は下記のとおりである。
・鋼管及びカップリングのグレード：ＡＰＩ規格のＱ１２５（降伏応力が１２５［ｋｓｉ］の炭素鋼）
・ねじ形状：テーパが１／１０（１０−１／８［ｉｎｃｈ］用）又は１／１１（７−５／８［ｉｎｃｈ］用）、ねじ高さが１．５７５［ｍｍ］、ねじピッチが５．０８［ｍｍ］、荷重面のフランク角が−３°、挿入面のフランク角が１０°、挿入面すき間が０．１５［ｍｍ］

ＦＥＭ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％耐力としての公称降伏強度が１２５［ｋｓｉ］（＝８６２［ＭＰａ］）になるようにモデル化したものを使用した。締め付けは、ピンとボックスのショルダー面が接触してから更に１．５／１００回転した状態まで行った。

変更した寸法条件は下記の表１のとおりである。

試験Ｎｏ．１〜３は、本発明で規定する条件を満たさない比較例であり、いずれもピンにノーズ部が設けられていない。試験Ｎｏ．４〜１７は、本発明で規定する条件を満たす本発明例である。そのうちの試験Ｎｏ．４は、前記図４及び図５に示す第１実施形態のねじ継手に基づくものであり、試験Ｎｏ．５〜１７は、前記図６及び図７に示す第２実施形態のねじ継手に基づくものである。

＜評価方法＞
ＦＥＭ解析では、締結状態のモデルにＩＳＯ１３６７９ Ｓｅｒｉｅｓ Ａ試験を模擬した荷重履歴を負荷した。その履歴の内圧サイクル（第一、第二象限）及び外圧サイクル（第三、第四象限）におけるシール面の平均接触面圧の最小値（この値が高いほどシール面の密封性能が良いことを意味する）を比較することにより、シール面の密封性能を評価した。

シール面の密封性能の評価は、以下の４水準で行った。
・Ｅ：Ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ。シール面の平均接触面圧の最小値が、内圧サイクル及び外圧サイクルのいずれでも３００ＭＰａ以上。
・Ｇ：Ｇｏｏｄ。シール面の平均接触面圧の最小値が、外圧サイクルで３００ＭＰａ以上、内圧サイクルで２５０ＭＰａ以上３００ＭＰａ未満。
・Ａ：Ａｃｃｅｐｔａｂｌｅ。シール面の平均接触面圧の最小値が、外圧サイクルで３００ＭＰａ以上、内圧サイクルで２００ＭＰａ以上２５０ＭＰａ未満。
・ＮＡ：Ｎｏｔ Ａｃｃｅｐｔａｂｌｅ。シール面の平均接触面圧の最小値が、外圧サイクルで３００ＭＰａ未満、内圧サイクルで２００ＭＰａ未満。

＜試験結果＞
試験結果を上記の表１に示す。

比較例の試験Ｎｏ．１〜３では、ピンにノーズ部が設けられていないことから、内圧に対する密封性能が不芳であった。更に、そのうちの試験Ｎｏ．１では、ピンに第１環状部が設けられていないことから、外圧に対する密封性能も不芳であった。

本発明例の試験Ｎｏ．４〜１７では、ピンにノーズ部及び第１環状部のいずれも設けられていることから、内圧及び外圧に対する密封性能がいずれも向上した。特に、試験Ｎｏ．４〜８、１０〜１４、及び１７では、管本体に対するショルダー面積率Ａ_１／Ａ_０、管本体に対する全ショルダー面積率Ａ_２／Ａ_０、及び全ショルダーに対するショルダー面積率Ａ_１／Ａ_２が大きいため、内圧及び外圧に対する密封性能がいずれも高かった。

試験Ｎｏ．９及び１５では、全ショルダーに対するショルダー面積率Ａ_１／Ａ_２が比較的小さいため、内圧に対する密封性能の向上度合いが小さかった。また、試験Ｎｏ．１６では、管本体に対する全ショルダー面積率Ａ_２／Ａ_０が比較的小さいため、内圧に対する密封性能の向上度合いが小さかった。

以上の結果から、本発明の鋼管用ねじ継手は、内圧及び外圧に対する密封性能を向上できることが実証できた。

本発明のねじ継手は、過酷な環境で油井管として用いられる厚肉鋼管の連結に有効に利用できる。

１０：ピン、 １１：ショルダー面、 １２：ノーズ部、
１３：第１シール面、 １４：第１雄ねじ部、
１５ａ：第１環状部、 １５ｂ：第２環状部、
１６：第２シール面、 １７：第２雄ねじ部、
１８：補助ショルダー面、
１９ａ：第２雄ねじ部のねじ谷底面のテーパの延長面、
１９ｂ：規準テーパ面、
２０：ボックス、 ２１：ショルダー面、 ２２：凹部、
２３：第１シール面、 ２４：第１雌ねじ部、
２５ａ：第１環状部、 ２５ｂ：第２環状部、
２６：第２シール面、 ２７：第２雌ねじ部、
２８：補助ショルダー面、
ＣＬ：管軸

Claims (7)

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、ショルダー面、第１シール面、テーパねじの第１雄ねじ部、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、前記ピンの前記ショルダー面、前記第１シール面、前記第１雄ねじ部、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ショルダー面、第１シール面、テーパねじの第１雌ねじ部、第２シール面及びテーパねじの第２雌ねじ部を備え、更に、
   前記ピンは、前記ショルダー面と前記第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１雄ねじ部と前記第２シール面との間に前記第２シール面に連なる環状部を備え、
   前記ボックスは、前記ピン部の前記ノーズ部に対応する凹部を備えるとともに、前記ピンの前記環状部に対応する環状部を備えており、
   締結状態において、前記ショルダー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、前記ピンの前記環状部と前記ボックスの前記環状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、
   前記ピンは、前記第１雄ねじ部と前記環状部との間に前記環状部に連なる補助ショルダー面を備え、
   前記ボックスは、前記ピンの前記補助ショルダー面に対応する補助ショルダー面を備え、
   締結状態において、更に前記補助ショルダー面同士が互いに接触する、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、
   締結の過程で、前記ショルダー面同士の接触及び前記補助ショルダー面同士の接触が同時に行われるか、又は前記補助ショルダー面同士の接触が前記ショルダー面同士の接触よりも先に行われる、鋼管用ねじ継手。
3. 請求項１又は２に記載の鋼管用ねじ継手であって、
   前記ピンは、管軸に垂直な断面での管本体の断面積をＡ_０とし、管軸に垂直な平面への前記ショルダー面及び前記補助ショルダー面それぞれの投影面積の合計をＡ_２としたとき、両者の面積比率Ａ_２／Ａ_０が３０％以上である、鋼管用ねじ継手。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋼管用ねじ継手であって、
   前記ピンは、管軸に垂直な平面への前記ショルダー面及び前記補助ショルダー面それぞれの投影面積の合計をＡ_２とし、管軸に垂直な平面への前記ショルダー面の投影面積をＡ_１としたとき、両者の面積比率Ａ_１／Ａ_２が３５％以上である、鋼管用ねじ継手。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の鋼管用ねじ継手であって、
   前記ピンの前記環状部の外径の最小径は、前記第２雄ねじ部のねじ谷底面のテーパの延長面より前記第２雄ねじ部のねじ高さの２倍分外径が小さいテーパ面を規準とし、この規準テーパ面の直径よりも大きい、鋼管用ねじ継手。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の鋼管用ねじ継手であって、
   前記ピンの前記環状部の管軸に沿う長さは、前記第２雄ねじ部のねじピッチの１倍以上である、鋼管用ねじ継手。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の鋼管用ねじ継手であって、
   前記ピンの前記ノーズ部の管軸に沿う長さは５ｍｍ以上である、鋼管用ねじ継手。

Images