JP6577654B2 - 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。

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。

近年、油井の高深度化及び超深海化がますます進展している。このような環境では、効率良く油井を開発するため、油井管が多重に配置される。多重構造の油井管の接続には、ボックスの外径がピンの外径と同程度であるねじ継手が多用される。多重構造の内側の油井管と外側の油井管の間でクリアランスが必要なため、外側の油井管のピンの内径によって内側の油井管のボックスの外径の拡大が制限されるからである。このような制約の下で、ねじ継手には、内部からの圧力（以下、「内圧」ともいう）及び外部からの圧力（以下、「外圧」ともいう）に対し、優れた密封性能が要求される。

例えば、優れた密封性能を実現するねじ継手として、楔型ねじとも称されるダブテイル型のテーパねじをねじ部に採用したものがある。楔型ねじでは、荷重フランク面（以下、「荷重面」ともいう）及び挿入フランク面（以下、「挿入面」ともいう）のいずれも負角のフランク角であり、締結が完了したときに、荷重面同士及び挿入面同士が接触する。これにより、ねじ部全体が強固に嵌まり合う。更に、締結状態において、ねじ部のねじ山頂面とねじ谷底面とが互いに接触し密着する。このように、楔型ねじを採用したねじ継手は、ねじ部に隙間がないことから、優れた密封性能を実現できるとされている。

米国特許第７，６９０，６９６号明細書（特許文献１）及び米国特許出願公開第２００６／０１４５４８０号明細書（特許文献２）は、楔型ねじをねじ部に採用したねじ継手を開示する。

特許文献１のねじ継手では、管軸に沿ってねじ部が２つに分割され、更にその２段のねじ部の境界にショルダー部が設けられる。そのショルダー部に隣接して面接触によるシール部が設けられる。特許文献１のねじ継手は、楔型ねじでの隙間のない嵌め合い密着と、ショルダー面同士の押圧接触とを組み合わせたロッキング効果により、密封性能の向上を図っている。

しかし、特許文献１のねじ継手の場合、締結状態で隙間のない密着を実現するため、楔型ねじのねじ部及びショルダー部のいずれも、設定される設計寸法の公差が狭くなる。これにより、製造コストが上昇するのみならず、加工寸法が公差を外れることも起こり得る。公差外れが生じると、ロッキング効果が十分に発現しなくなり、期待どおりの密封性能が得られないおそれがある。

これに対し、特許文献２のねじ継手では、上記特許文献１のねじ継手と同様に、２段のねじ部の境界にショルダー部及びシール部が設けられる。それに加え、２段のねじ部のいずれか一方のねじ部において、荷重面同士の間、挿入面同士の間、ねじ山頂面とねじ谷底面の間等に隙間が形成される。このような構成にすれば、ねじ部に設定される設計寸法の公差が広がる。これにより、製造コストを低減することができ、加工寸法を公差内に収めることが容易になる。

しかし、特許文献２のねじ継手の場合、面接触によるシール部が１箇所しか設置されていない。このため、過大な圧力（内圧及び外圧）がねじ継手に負荷された場合、密封性能を維持できない可能性がある。特に、ボックスの外径がピンの外径と同程度であるねじ継手の場合、ピン及びボックスの肉厚の拡大が制限されることと相まって、密封性能の確保が困難になる。

米国特許第７，６９０，６９６号明細書 米国特許出願公開第２００６／０１４５４８０号明細書

本発明の目的は、優れた密封性能を確実に発揮できる鋼管用ねじ継手を提供することである。

本発明の一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り、次のような構成を含む。
（ｉ）前記ボックスの外径が前記ピンの管本体の外径の１１０％未満である。
（ｉｉ）前記ピンは、前記ピンの先端から管本体に向けて順に、ダブテイル形状のテーパねじの第１雄ねじ部、第１シール面、ショルダー面、第２シール面、及びダブテイル形状のテーパねじの第２雄ねじ部を備える。
（ｉｉｉ）前記第１シール面は、第１テーパ面と前記第１テーパ面の両端の第１湾曲面とを有する。前記第２シール面は、第２テーパ面と前記第２テーパ面の両端の第２湾曲面とを有する。前記第１テーパ面と前記ピンの先端側の前記第１湾曲面との境界から前記ショルダー面までの管軸方向の距離Ｌ１が１５ｍｍ以上である。前記第２テーパ面と前記ピンの管本体側の前記第２湾曲面との境界から前記ショルダー面までの管軸方向の距離Ｌ２が１５ｍｍ以上である。前記距離Ｌ１と前記距離Ｌ２の合計距離Ｌが５０ｍｍ以上である。
（ｉｖ）前記ボックスは、前記ボックスの管本体から先端に向けて順に、ダブテイル形状のテーパねじの第１雌ねじ部、第１シール面、ショルダー面、第２シール面、及びダブテイル形状のテーパねじの第２雌ねじ部を備える。
（ｖ）締結状態において、上記のねじ継手は、
・前記ショルダー面同士が接触し、前記第１シール面同士が接触し、前記第２シール面同士が接触して、
・前記第１雄ねじ部及び前記第１雌ねじ部の挿入フランク面同士の間に隙間が形成されるとともに、前記第１雄ねじ部のねじ谷底面と前記第１雌ねじ部のねじ山頂面との間、又は前記第１雄ねじ部のねじ山頂面と前記第１雌ねじ部のねじ谷底面との間に隙間が形成され、
・前記第２雄ねじ部及び前記第２雌ねじ部の挿入フランク面同士の間に隙間が形成されるとともに、前記第２雄ねじ部のねじ谷底面と前記第２雌ねじ部のねじ山頂面との間、又は前記第２雄ねじ部のねじ山頂面と前記第２雌ねじ部のねじ谷底面との間に隙間が形成される。

上記のねじ継手において、前記ねじ山頂面と前記ねじ谷底面との間の前記隙間が０．１０ｍｍ以上０．２０ｍｍ未満であることが好ましい。

上記のねじ継手は、管軸に沿った縦断面において、管軸と前記ショルダー面とのなす角度が７５〜１０５°である構成とすることが好ましい。

上記のねじ継手において、前記合計距離Ｌが９０ｍｍ以下であることが好ましい。

上記のねじ継手において、前記第１雄ねじ部と前記第１雌ねじ部で構成される第１ねじ部、及び前記第２雄ねじ部と前記第２雌ねじ部で構成される第２ねじ部が、１条ねじ又は２条ねじであることが好ましい。

本発明の鋼管用ねじ継手は、下記の顕著な効果を有する：
優れた密封性能を確実に発揮できること。

図１は、本発明の一実施形態による鋼管用ねじ継手を示す縦断面図である。 図２は、図１に示す鋼管用ねじ継手における２段のねじ部の境界付近を拡大した縦断面図である。 図３は、図１に示す鋼管用ねじ継手の第１ねじ部を拡大した縦断面図である。 図４は、図１に示す鋼管用ねじ継手の第２ねじ部を拡大した縦断面図である。 図５は、本実施形態のピンにおける、第１シール面とショルダー面との寸法関係を示す図である。 図６は、本実施形態のピンにおける、第２シール面とショルダー面との寸法関係を示す図である。 図７は、面接触による内シール部の領域を模式的に示す縦断面図である。 図８は、面接触による外シール部の領域を模式的に示す縦断面図である。

上記のとおり、鋼管用ねじ継手においては、ボックスの外径の拡大が制限されるため、ボックスの外径がピンの外径と同程度であるねじ継手が多用される。この種のねじ継手では、密封性能を確保するため、面接触によるシール部が設けられることが多い。

従来のねじ継手では、例えば、ピンの先端部に内シール部が設置され、ボックスの先端部（ボックスの管本体側とは反対側）に外シール部が設置される。内シール部は、内部寄りであることから、主に内圧に対しての密封性能に寄与する。外シール部は、外部寄りであることから、主に外圧に対しての密封性能に寄与する。そして、内シール部と外シール部との間の領域に、２段のねじ部が設けられる。更に、その２段のねじ部の境界に、ショルダー部が設けられる。ねじ部には、例えばバットレス型のテーパねじが採用される。

このような構成の従来のねじ継手では、シール部（内シール部及び外シール部）の領域でピン及びボックスの肉厚が薄くなる。ピン及びボックスの危険断面の面積を確保しつつ、ピン及びボックスそれぞれの先端部にシール部を設置しなければならないからである。ここでいう危険断面とは、ねじ部の噛み合い領域の端部であって、引張荷重を負担する断面積が最小となる位置の断面を指す。危険断面の位置及びその断面積は、ねじ継手の引張強度を決定するための要素である。

シール部の領域の肉厚が薄いと、ねじ継手に過大な圧力（内圧及び外圧）が負荷されたときに、シール部の領域が過剰に変形し、密封性能を維持できないおそれがある。

これに対し、前記特許文献２のねじ継手は、圧力負荷時にシール部の領域の過剰な変形を抑制できる。前記特許文献２のねじ継手では、シール部が２段のねじ部の境界でショルダー部に隣接して設けられるため、シール部の領域でピン及びボックスの肉厚を確保することができるからである。

また、前記特許文献２のねじ継手の場合、ダブテイル形状のねじ部を採用する。そして、２段のねじ部のいずれか一方のねじ部において、荷重面同士の間、挿入面同士の間、ねじ山頂面とねじ谷底面との間等に隙間が形成される。すなわち、ねじ部は、全域にわたって隙間なく嵌め合い密着しているわけではない。

ここで、隙間のない楔型ねじのねじ部を有するねじ継手（例：前記特許文献１のねじ継手）の場合、以下の問題がある。締結の際、ねじ部での嵌め合い密着がショルダリング（ショルダー面同士が突き当たること）よりも先に起こる。このため、ショルダリング時に締付けトルクが過大になり、締結作業に支障が生じる。また、締結完了時にねじ部が既に十分に噛み合っており、ショルダー部で十分に荷重を負担することができない。このため、ねじ部の受けるダメージが大きくなる。

それに対し、上記した隙間のあるダブテイル形状のねじ部を有するねじ継手、具体的には、挿入面同士の間に隙間があり、更にねじ山頂面とねじ谷底面との間に隙間があるねじ部を有するねじ継手では、締結の際に、隙間の存在する分だけねじ部の塑性変形の発生が遅れ、ショルダー部に荷重を十分に負担させることができる。

したがって、隙間のあるねじ部を有するねじ継手は、隙間のないねじ部を有するねじ継手と比較し、優れた密封性能を発揮できる。

ところで、隙間のあるねじ部を有するねじ継手であっても、過大な内圧及び外圧が負荷されるねじ継手においては、シール部を１箇所にのみ設置するのではなく（前記特許文献２のねじ継手参照）、内圧用の内シール部と外圧用の外シール部とを個別に設置することが好ましい。個別のシール部の設置により、内圧及び外圧を有効に分担することができ、密封性能をより確保できるからである。

この点、前記特許文献２のねじ継手では、上記のとおり、シール部がショルダー部に隣接して１箇所にしか設置されていない。仮に、前記特許文献２のねじ継手にシール部を２箇所に設置しようとすれば、ショルダー部を間に挟む両側に、それぞれ内シール部と外シール部をショルダー部に隣接して設置することになる。この場合、内シール部と外シール部とが近接する。

しかし、内シール部と外シール部とが近接するねじ継手の場合、締結の過程で内シール部の接触と外シール部の接触とが相互に作用し、それぞれのシール面同士が十分に嵌め合い密着しない。このため、各シール部の干渉量（締め代）が不十分となり、かえって密封性能を発揮できなくなる。

したがって、内シール部と外シール部とが近接する状態は不適切であり、内シール部と外シール部との間の距離はある程度長くする必要がある。内シール部と外シール部との間の距離を確保すれば、締結の過程で内シール部の接触と外シール部の接触との相互作用が緩和される。これにより、それぞれのシール面同士の嵌め合い密着が十分になり、優れた密封性能を確実に発揮できる。

また、内シール部と外シール部との間の距離を確保することに伴って、ピン及びボックスには、それぞれ、両シール部の間に十分な長さの剛体部が形成される。この剛体部は、圧力負荷時にシール部の領域を一様に拡径させたり縮径させたりするように作用する。この作用により、それぞれのシール面に撓みが発生することが抑制され、密封性能の向上が期待できる。

もっとも、一見すると、ねじ継手に過大な圧縮荷重が負荷されたときに、内シール部及び外シール部それぞれのシール面同士が管軸方向に離れる様相になり、密封性能の低下が懸念される。しかし、内シール部と外シール部との間にショルダー部が配置され、このショルダー部によって圧縮荷重が負担されるため、個々のシール面同士が管軸方向に離れることはなく、密封性能の低下は起こらない。

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。以下に、本発明の鋼管用ねじ継手の実施形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態による鋼管用ねじ継手を示す縦断面図である。図２は、図１に示す鋼管用ねじ継手における２段のねじ部の境界付近を拡大した縦断面図である。図１及び図２に示すように、本実施形態のねじ継手は、インテグラル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。もっとも、本実施形態のねじ継手は、カップリング型のねじ継手に適用することもできる。

本実施形態のねじ継手は、ボックス２０の外径がピン１０の外径と同程度であるものを対象とする。このため、ボックス２０の外径は、ピン１０の管本体の外径の１００％以上で、１１０％未満である。

ピン１０は、ピン１０の先端側から管本体側に向けて順に、第１雄ねじ部１１、第１シール面１２、ショルダー面１３、第２シール面１４、及び第２雄ねじ部１５を備える。第１シール面１２及び第２シール面１４はいずれもテーパ状である。厳密には、第１シール面１２及び第２シール面１４は、それぞれ、ピン１０の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である。

ショルダー面１３は、管軸ＣＬにほぼ垂直な環状面である。図１及び図２では、ショルダー面１３が、管軸ＣＬに対し垂直な面からピン１０のねじ込み進行方向に僅かに傾倒した状態を示す。すなわち、ショルダー面１３が外周側ほどピン１０の先端側に向けて僅かに傾倒した状態を示す。

一方、ボックス２０は、ボックス２０の管本体側から先端側に向けて順に、第１雌ねじ部２１、第１シール面２２、ショルダー面２３、第２シール面２４、及び第２雌ねじ部２５を備える。これらのボックス２０の第１雌ねじ部２１、第１シール面２２、ショルダー面２３、第２シール面２４、及び第２雌ねじ部２５は、それぞれ、ピン１０の第１雄ねじ部１１、第１シール面１２、ショルダー面１３、第２シール面１４、及び第２雄ねじ部１５に対応して設けられる。

ピン１０の第１雄ねじ部１１とボックス２０の第１雌ねじ部２１とは、互いに噛み合うダブテイル形状のテーパねじであり、内部寄りの第１ねじ部（内ねじ部）を構成する。ピン１０の第２雄ねじ部１５とボックス２０の第２雌ねじ部２５も、互いに噛み合うダブテイル形状のテーパねじであり、外部寄りの第２ねじ部（外ねじ部）を構成する。

図３及び図４は、図１に示す鋼管用ねじ継手のねじ部を拡大した縦断面図である。これらのうち、図３は第１ねじ部を示し、図４は第２ねじ部を示す。

図３に示すように、内ねじ部に関し、ピン１０の第１雄ねじ部１１は、ねじ山頂面１１ａ、ねじ谷底面１１ｂ、ねじ込みで先行する挿入フランク面１１ｃ（以下、「挿入面」ともいう）、及びその挿入面１１ｃとは反対側の荷重フランク面１１ｄ（以下、「荷重面」ともいう）を有する。一方、ボックス２０の第１雌ねじ部２１は、第１雄ねじ部１１のねじ谷底面１１ｂに対向するねじ山頂面２１ａ、第１雄ねじ部１１のねじ山頂面１１ａに対向するねじ谷底面２１ｂ、第１雄ねじ部１１の挿入面１１ｃに対向する挿入面２１ｃ、及び第１雄ねじ部１１の荷重面１１ｄに対向する荷重面２１ｄを備える。

図４に示すように、外ねじ部に関し、ピン１０の第２雄ねじ部１５は、ねじ山頂面１５ａ、ねじ谷底面１５ｂ、ねじ込みで先行する挿入面１５ｃ、及びその挿入面１５ｃとは反対側の荷重面１５ｄを有する。一方、ボックス２０の第２雌ねじ部２５は、第２雄ねじ部１５のねじ谷底面１５ｂに対向するねじ山頂面２５ａ、第２雄ねじ部１５のねじ山頂面１５ａに対向するねじ谷底面２５ｂ、第２雄ねじ部１５の挿入面１５ｃに対向する挿入面２５ｃ、及び第２雄ねじ部１５の荷重面１５ｄに対向する荷重面２５ｄを備える。

第１ねじ部の荷重面１１ｄ、２１ｄ及び挿入面１１ｃ、２１ｃ、並びに第２ねじ部の荷重面１５ｄ、２５ｄ及び挿入面１５ｃ、２５ｃのフランク角は、いずれも０°未満の負角である。ここでいうフランク角とは、管軸ＣＬに直角な面とフランク面とのなす角度のことである。図３及び図４に示すねじ継手の場合、荷重面１１ｄ、２１ｄ、１５ｄ、２５ｄのフランク角は時計回りを正とし、挿入面１１ｃ、２１ｃ、１５ｃ、２５ｃのフランク角は反時計回りを正とする。

第１雄ねじ部１１と第１雌ねじ部２１（内ねじ部）及び第２雄ねじ部１５と第２雌ねじ部２５（外ねじ部）は、それぞれ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１シール面１２、２２同士及び第２シール面１４、２４同士は、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、第１シール面１２、２２同士は、面接触による第１シール部（内シール部）を形成する。第２シール面１４、２４同士は、面接触による第２シール部（外シール部）を形成する。

ショルダー面１３、２３同士は、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。ショルダー面１３、２３は、そのような互いの押圧接触によってショルダー部を形成し、ストッパの役割を担う。ショルダー面１３、２３は、締結状態では、第１ねじ部及び第２ねじ部それぞれのピン１０の荷重面１１ｄ、１５ｄに、いわゆるねじの締め付け軸力を付与するとともに、その反力による荷重を負担する役割を担う。

締結状態の内ねじ部に関し、第１雄ねじ部１１及び第１雌ねじ部２１の荷重面１１ｄ、２１ｄ同士が互いに接触する。また、第１雄ねじ部１１のねじ山頂面１１ａと第１雌ねじ部２１のねじ谷底面２１ｂとが互いに接触する。更に、第１雄ねじ部１１及び第１雌ねじ部２１の挿入面１１ｃ、２１ｃ同士の間に隙間が形成される。第１雄ねじ部１１のねじ谷底面１１ｂと第１雌ねじ部２１のねじ山頂面２１ａとの間に隙間が形成される。もっとも、このような態様とは逆に、第１雄ねじ部１１のねじ谷底面１１ｂと第１雌ねじ部２１のねじ山頂面２１ａとが互いに接触し、第１雄ねじ部１１のねじ山頂面１１ａと第１雌ねじ部２１のねじ谷底面２１ｂとの間に隙間が形成される態様でも構わない。

締結状態の外ねじ部に関し、第２雄ねじ部１５及び第２雌ねじ部２５の荷重面１５ｄ、２５ｄ同士が互いに接触する。また、第２雄ねじ部１５のねじ谷底面１５ｂと第２雌ねじ部２５のねじ山頂面２５ａとが互いに接触する。更に、第２雄ねじ部１５及び第２雌ねじ部２５の挿入面１５ｃ、２５ｃ同士の間に隙間が形成される。第２雄ねじ部１５のねじ山頂面１５ａと第２雌ねじ部２５のねじ谷底面２５ｂとの間に隙間が形成される。もっとも、このような態様とは逆に、第２雄ねじ部１５のねじ山頂面１５ａと第２雌ねじ部２５のねじ谷底面２５ｂとが互いに接触し、第２雄ねじ部１５のねじ谷底面１５ｂと第２雌ねじ部２５のねじ山頂面２５ａとの間に隙間が形成される態様でも構わない。

図５は、本実施形態のピンにおける、第１シール面とショルダー面との寸法関係を示す図である。図５に示すように、ピン１０の第１シール面１２は、第１テーパ面１２ａと第１湾曲面１２ｂ、１２ｃとを有する。第１湾曲面１２ｂ、１２ｃは第１テーパ面１２ａの両端に存在する。位置Ｐ１は、第１テーパ面１２ａとピン１０の先端側の第１湾曲面１２ｃとの境界である。位置Ｐ３は、ピン１０のショルダー面１３の最大径の位置である。位置Ｐ１から位置Ｐ３までの管軸ＣＬ方向の距離Ｌ１が１５ｍｍ以上である。

図６は、本実施形態のピンにおける、第２シール面とショルダー面との寸法関係を示す図である。図６に示すように、ピン１０の第２シール面１４は、第２テーパ面１４ａと第２湾曲面１４ｂ、１４ｃとを有する。第２湾曲面１４ｂ、１４ｃは第２テーパ面１４ａの両端に存在する。位置Ｐ２は、第２テーパ面１４ａとピン１０の管本体側の第２湾曲面１４ｂとの境界である。位置Ｐ２から位置Ｐ３までの管軸ＣＬ方向の距離Ｌ２が１５ｍｍ以上である。更に、距離Ｌ１と距離Ｌ２の合計距離Ｌが５０ｍｍ以上である。

要するに、本実施形態では、内シール部（第１シール部）は、ピン１０の第１シール面１２とボックス２０の第１シール面２２との面接触によって形成される。内シール部の位置は、ピン１０の第１シール面１２の第１テーパ面１２ａと第１湾曲面１２ｃとの境界である位置Ｐ１によって規定される。外シール部（第２シール部）の位置は、ピン１０の第２シール面１４の第２テーパ面１４ａと第２湾曲面１４ｂとの境界である位置Ｐ２によって規定される。更に、内シール部と外シール部との間にショルダー部が配置される。このショルダー部の位置がピン１０のショルダー面１３の位置Ｐ３によって規定される。そして、内シール部と外シール部との間の管軸方向の距離は、内シール部の位置Ｐ１からショルダー部の位置Ｐ３までの距離Ｌ１と、外シール部の位置Ｐ２からショルダー部の位置Ｐ３までの距離Ｌ２との合計距離Ｌに相当し、ある程度長い。

なお、図２に示すように、ピン１０とボックス２０とは、内シール部とショルダー部との間では隙間Ｃ１が形成され、互いに接触しない。同様に、ピン１０とボックス２０とは、外シール部とショルダー部との間では隙間Ｃ２が形成され、互いに接触しない。

このように、本実施形態の鋼管用ねじ継手では、２つの領域に分割されたダブテイル形状のねじ部の間に内シール部、ショルダー部及び外シール部が順に設けられ、内シール部から外シール部までの距離が確保される。更に、ねじ部において、挿入面同士の間に隙間があり、更にねじ山頂面とねじ谷底面との間に隙間がある。このような構成により、本実施形態のねじ継手は、内圧及び外圧に対し、優れた密封性能を確実に発揮する。

以下に、主要な部位の好適な態様を補足する。
［内シール部と外シール部との間の距離Ｌ］
内シール部と外シール部との間の距離Ｌは５０ｍｍ以上である。この距離Ｌが５０ｍｍ未満であると、締結の過程で内シール部の接触と外シール部の接触とが相互に作用し、かえって密封性能を発揮できない。距離Ｌの好ましい下限は、５５ｍｍである。

一方、距離Ｌの上限は特に規定しない。ただし、距離Ｌがあまりに長いと、以下の不都合が生じる。継手部全体の長さが増加することから、製造コストが上昇する。また、継手部全体の長さの増加に伴って圧力が負荷される領域が増加することから、継手部が塑性変形し易くなり、腐食環境で破断する危険性がある。したがって、これらの不都合が生じるのを回避するため、距離Ｌの好ましい上限は９０ｍｍである。距離Ｌのより好ましい上限は、８０ｍｍである。

［シール部（内シール部及び外シール部）からショルダー部までの距離Ｌ１、Ｌ２］
内シール部からショルダー部までの距離Ｌ１、及び外シール部からショルダー部までの距離Ｌ２は、内シール部と外シール部との間の距離Ｌに対する関係で設定され、いずれも１５ｍｍ以上とする。距離Ｌ１、Ｌ２が１５ｍｍ未満であると、シール面の確保が困難になる。距離Ｌ１、Ｌ２の好ましい下限は、２０ｍｍである。

［ショルダー部］
管軸に沿った縦断面において、管軸とショルダー面とのなす角度は７５〜１０５°とするのが好ましい。その角度が７５°を下回ると、ショルダー面同士が、管軸に対して垂直な面からピンのねじ込み進行方向に大きく傾倒し、フック状の形態で押圧接触する状態となる。このため、ショルダー部が塑性変形し易くなり、密封性能が不安定になる。ショルダー面の角度のより好ましい下限は、８５°である。

一方、その角度が１０５°を上回ると、ショルダー面同士が、管軸に対し垂直な面からピンのねじ込み進行方向とは反対方向に大きく傾倒した状態となる。このため、ショルダー面同士の押圧接触に伴って、ピンに縮径する力が作用すると同時にボックスに拡径する力が作用し、シール面同士の接触面圧が低下する。ショルダー面の角度のより好ましい上限は、９５°である。なお、ショルダー面の最適な角度は９０°である。ショルダー面の角度が９０°であると、密封性能が安定し、かつ、ショルダー部の加工が容易になるからである。

ピン及びボックスのショルダー面の幅があまりに小さいと、荷重を十分に負担することができず、耐圧縮性能が低下する。したがって、ピン及びボックスのショルダー面の幅は、それぞれの管本体の肉厚の１０％以上とするのが好ましく、より好ましくは１５％以上とする。

［シール部（内シール部及び外シール部）］
シール部の領域において、ピン及びボックスのいずれか一方の肉厚があまりに厚いと、それに対応して他方の肉厚が薄くなり、当該他方の剛性が低下する。剛性が低下したピン又はボックスは、耐圧力性能が低下する。したがって、シール部の領域でのピンの肉厚及びボックスの肉厚は、それぞれの管本体の肉厚の４５％以上８０％以下とするのが好ましい。各肉厚の好ましい下限は、１０．５ｍｍである。各肉厚の好ましい上限は、１７ｍｍである。

シール面のテーパは、急勾配にし過ぎると、引張荷重の負荷時に密封性能が低下する。一方、シール面のテーパは、緩やかな勾配にし過ぎると、シール部全体の長さが増加することから、製造コストが上昇する。したがって、シール面のテーパ角は、管軸に対して２〜１０°であることが好ましい。シール面のテーパ角のより好ましい下限は、３°である。シール面のテーパ角のより好ましい上限は、７°である。

［ねじ部（内ねじ部及び外ねじ部）］
ねじ部のテーパは、急勾配にし過ぎると、ねじ部全体の長さが短くなり過ぎて、トルク性能が大幅に低下する。一方、ねじ部のテーパは、緩やかな勾配にし過ぎると、ねじ部全体の長さが増加することから、製造コストが上昇する。したがって、ねじ部のテーパ角は、管軸に対して１．５〜４°であることが好ましい。ねじ部のテーパ角のより好ましい下限は、２．０°である。ねじ部のテーパ角のより好ましい上限は、３．６°である。

ねじ部におけるねじ山頂面とねじ谷底面との間の隙間は、０．１０ｍｍ以上０．２０ｍｍ未満であることが好ましい。ねじ部の隙間が０．１０ｍｍ未満であると、締結の際に、ねじ部の塑性変形が早期に始まり、ショルダー部への荷重負担が不十分になる。ねじ部の隙間のより好ましい下限は、０．１２ｍｍである。一方、ねじ部の隙間が０．２０ｍｍ以上であると、特に内シール部の密封性能が低下する。ねじ部の隙間のより好ましい上限は、０．１６ｍｍである。これらのねじ部の隙間範囲は、挿入面の隙間でも同様である。

ねじ部は、実用的には、１条ねじ又は２条ねじであることが好ましい。

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。

なお、上記した面接触によるシール部（内シール部及び外シール部）を構成する各シール面は、一連の機械加工によって他の部位とともに造形される。その際、各シール面を加工するときの工具の送り速度は、他の部位を加工するときよりも低速にされる。これにより、各シール面は他の部位の加工表面と比べて著しく滑らかになる。

図７及び図８は、面接触によるシール部の領域を模式的に示す縦断面図である。図７には、内シール部（第１シール部）が例示される。図８には、外シール部（第２シール部）が例示される。図７に示すように、内シール部は、第１シール面１２，２２同士が締結状態で互いに接触している領域Ｓａを指す。内シール部の管軸方向の長さは１〜７ｍｍが好ましい。一方、第１シール面１２、２２は、締結状態で互いに接触している領域Ｓａのみを指すのではなく、シール面として滑らかな表面に加工された領域Ｓｂ、Ｓｃの全域を指す。領域Ｓｃは、上述したピン１０の第１テーパ面１２ａに相当する。すなわち、第１シール面１２、２２は、締結の過程で互いに接触しながら摺動する領域（摺動の可能性のある領域も含む）であり、締結状態で互いに接触している領域Ｓａと同等の表面精度に加工された領域Ｓｂ、Ｓｃの全域を含む。図８に示す外シール部でも同様である。

ピン１０をボックス２０から取り外し、シール面を観察すれば、シール部を認識できる。シール面にはシール部（締結状態での接触領域Ｓａ）の痕跡（強く摺動した領域）が残るからである。

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、前記図１に示すインテグラル型の鋼管用ねじ継手のモデルを複数作製した。これらのモデルについて、内シール部からショルダー部までの距離Ｌ１、及び外シール部からショルダー部までの距離Ｌ２を種々変更した。この変更により、内シール部と外シール部との間の距離Ｌを変更した。更に、ショルダー面の角度も種々変更した。

比較のための従来例として、下記のモデルを作製した。この従来例のモデルの継手では、ピンの先端部に内シール部が設置され、ボックスの先端部に外シール部が設置された。また、内シール部と外シール部との間の領域に、２段のバットレス型のテーパねじ部が設けられ、かつその２段のねじ部の境界に、ショルダー部が設けられた。

各モデルの主要寸法は下記の表１〜表３のとおりである。これらの表のうち、表２はピンの諸寸法を示し、表３はボックスの諸寸法を示す。

その他の共通の条件は下記のとおりである。
・鋼管の寸法：１４［ｉｎｃｈ］、１１５［ｌｂ／ｆｔ］（外径が３５５．６ｍｍ、内径が３１４．３５ｍｍ、肉厚が２０．６２５ｍｍ）
・鋼管のグレード：ＡＰＩ規格のＱ１２５（降伏強度が１２５ｋｓｉ（８６２ＭＰａ）の炭素鋼）

＜評価方法＞
ＦＥＭ解析では、締結状態の各モデルにＩＳＯ１３６７９のＳｅｒｉｅｓ Ａ試験を模擬した荷重を順次負荷した。その荷重における外シール部（第２シール部）のシール接触力［Ｎ／ｍｍ］、すなわち「シール面同士の平均接触面圧」×「接触幅」の最小値を比較することにより、外圧に対する密封性能を評価した。接触力の値が高いほどシール部の密封性能が良いことを意味する。同様に、内シール部（第１シール部）でもシール接触力を比較することにより、内圧に対する密封性能を評価した。

＜試験結果＞
試験結果を下記の表４に示す。

表４に示すように、本発明で規定する条件を全て満たす本発明例の試験Ｎｏ．４〜９は、本発明で規定する条件のいずれかを満足しない試験Ｎｏ．１の従来例及び比較例の試験Ｎｏ．２及び３と比較し、外シール部及び内シール部の接触力が格段に高かった。この傾向は、ショルダー面の角度を７５°〜９５°の範囲で変更しても同様に認められた。このことから、本発明の鋼管用ねじ継手を採用することにより、内圧及び外圧に対する密封性能を確実に向上できることが実証できた。

本発明のねじ継手は、油井管として用いられる鋼管の連結に有効に利用できる。

１０：ピン、
１１：第１雄ねじ部、
１１ａ：第１雄ねじ部のねじ山頂面、
１１ｂ：第１雄ねじ部のねじ谷底面、
１１ｃ：第１雄ねじ部の挿入フランク面、
１１ｄ：第１雄ねじ部の荷重フランク面、
１２：第１シール面、
１２ａ：第１テーパ面、
１２ｂ、１２ｃ：第１湾曲面、
１３：ショルダー面、
１４：第２シール面、
１４ａ：第２テーパ面、
１４ｂ、１４ｃ：第２湾曲面、
１５：第２雄ねじ部、
１５ａ：第２雄ねじ部のねじ山頂面、
１５ｂ：第２雄ねじ部のねじ谷底面、
１５ｃ：第２雄ねじ部の挿入フランク面、
１５ｄ：第２雄ねじ部の荷重フランク面、
２０：ボックス、
２１：第１雌ねじ部、
２１ａ：第１雌ねじ部のねじ山頂面、
２１ｂ：第１雌ねじ部のねじ谷底面、
２１ｃ：第１雌ねじ部の挿入フランク面、
２１ｄ：第１雌ねじ部の荷重フランク面、
２２：第１シール面、
２３：ショルダー面、
２４：第２シール面、
２５：第２雌ねじ部、
２５ａ：第２雌ねじ部のねじ山頂面、
２５ｂ：第２雌ねじ部のねじ谷底面、
２５ｃ：第２雌ねじ部の挿入フランク面、
２５ｄ：第２雌ねじ部の荷重フランク面、
Ｌ：第１シール部と第２シール部との間の距離、
Ｌ１：第１シール部からショルダー部までの距離、
Ｌ２：第２シール部からショルダー部までの距離、
Ｐ１：第１テーパ面とピンの先端側の第１湾曲面との境界位置、
Ｐ２：第２テーパ面とピンの管本体側の第２湾曲面との境界位置、
Ｐ３：ショルダー面同士の接触領域のうちの最小径の位置、
Ｃ１：隙間、
Ｃ２：隙間、
ＣＬ：管軸

Claims (5)

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、
   前記ボックスの外径が前記ピンの管本体の外径の１１０％未満であり、
   前記ピンは、前記ピンの先端から管本体に向けて順に、ダブテイル形状のテーパねじの第１雄ねじ部、第１シール面、ショルダー面、第２シール面、及びダブテイル形状のテーパねじの第２雄ねじ部を備え、
   前記第１シール面は、第１テーパ面と前記第１テーパ面の両端の第１湾曲面とを有し、
   前記第２シール面は、第２テーパ面と前記第２テーパ面の両端の第２湾曲面とを有し、
   前記第１テーパ面と前記ピンの先端側の前記第１湾曲面との境界から前記ショルダー面までの管軸方向の距離Ｌ１が１５ｍｍ以上であり、
   前記第２テーパ面と前記ピンの管本体側の前記第２湾曲面との境界から前記ショルダー面までの管軸方向の距離Ｌ２が１５ｍｍ以上であり、
   前記距離Ｌ１と前記距離Ｌ２の合計距離Ｌが５０ｍｍ以上であり、
   前記ボックスは、前記ボックスの管本体から先端に向けて順に、ダブテイル形状のテーパねじの第１雌ねじ部、第１シール面、ショルダー面、第２シール面、及びダブテイル形状のテーパねじの第２雌ねじ部を備え、
   締結状態において、
   前記ショルダー面同士が接触し、前記第１シール面同士が接触し、前記第２シール面同士が接触し、
   前記第１雄ねじ部及び前記第１雌ねじ部の挿入フランク面同士の間に隙間が形成されるとともに、前記第１雄ねじ部のねじ谷底面と前記第１雌ねじ部のねじ山頂面との間、又は前記第１雄ねじ部のねじ山頂面と前記第１雌ねじ部のねじ谷底面との間に隙間が形成され、
   前記第２雄ねじ部及び前記第２雌ねじ部の挿入フランク面同士の間に隙間が形成されるとともに、前記第２雄ねじ部のねじ谷底面と前記第２雌ねじ部のねじ山頂面との間、又は前記第２雄ねじ部のねじ山頂面と前記第２雌ねじ部のねじ谷底面との間に隙間が形成される、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、
   前記ねじ山頂面と前記ねじ谷底面との間の前記隙間が０．１０ｍｍ以上０．２０ｍｍ未満である、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、
   管軸に沿った縦断面において、管軸と前記ショルダー面とのなす角度が７５〜１０５°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、
   前記合計距離Ｌが９０ｍｍ以下である、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、
   前記第１雄ねじ部と前記第１雌ねじ部で構成される第１ねじ部、及び前記第２雄ねじ部と前記第２雌ねじ部で構成される第２ねじ部が、１条ねじ又は２条ねじである、鋼管用ねじ継手。
   

Images