JP6633214B2 - ねじ継手 - Google Patents

Description

本発明は、一対の管を連結するねじ継手に関する。

従来、油井や天然ガス井等（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ケーシング、チュービング等の油井管が使用されている。油井管は、順次連結される鋼管によって構成される。鋼管の連結には、ねじ継手が利用される。

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、連結される一対の管材のうち、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。鋼管の両端部の外周には雄ねじ部が設けられる。カップリングの両端部の内周には雌ねじ部が設けられる。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ることにより、鋼管とカップリングとが締結されて連結される。

インテグラル型の場合、連結される一対の管材の双方が鋼管であり、カップリングは用いられない。各鋼管において、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。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ることにより、２つの鋼管が締結されて連結される。

一般に、連結対象の管材において雄ねじ部が設けられている部分は、雌ねじ部に挿入されることから、ピンと称される。連結対象の管材において雌ねじ部が設けられている部分は、雄ねじ部を受け入れることから、ボックスと称される。ピン及びボックスは、管材の一部であるため、各々管状をなす。

鋼管用ねじ継手の一種として、ねじ山幅及びねじ谷幅が一定の割合で変化するねじ部を有するものが知られている。このような構造のねじ継手は、高いトルクを備える。この種のねじ継手では、通常、ねじ部の全体にわたってスタブリード及びロードリードが各々一定となっている。ただし、スタブリード及びロードリードは一致していない。

特許第４０８７７９８号公報は、スタブリード及び／又はロードリードがねじ部の途中から変化するねじ継手を開示している。すなわち、特許４０８７７９８号公報のねじ継手では、ねじ山幅及びねじ谷幅の変化の割合をねじ部の途中で変化させている。これにより、ねじ山幅及びねじ谷幅が変化するタイプのねじ継手に関し、引張及び圧縮応力に対する耐性の改善を図ることができる。

一般に、ねじ部の加工には、最小のねじ谷幅に合うサイズの切削工具が用いられる。このため、大きなねじ谷幅を有するねじ谷を切削する際には、管軸方向の切削パス回数が必然的に多くなる。特許第４０８７７９８号公報のねじ継手では、ねじ谷幅は、変化の割合が一定ではないものの、ねじ部の全体にわたって変化する。よって、最小のねじ谷幅と最大のねじ谷幅との差が大きい。このため、最大のねじ谷幅を有するねじ谷の管軸方向の切削パス回数が特に多くなり、ねじ部全体としての加工時間が増大する。また、ねじ山幅がねじ部の全体にわたって変化する場合、必然的に一番端のねじ山幅がかなり小さくなる。そのねじ山幅が、ねじ山の高さと同程度又はそれよりも小さくなると、管軸方向に引張荷重がかかった場合、最小のねじ山幅を有するねじ山の根元でせん断破壊が生じやすい。

本開示は、高いトルクを有しつつねじ部の加工時間を短縮することができるねじ継手を提供することを目的とする。

本開示に係る鋼管用ねじ継手は、一対の管を連結するものである。ねじ継手は、ピンと、ボックスとを備える。ピンは、外周に雄ねじ部を有する。ボックスは、雄ねじ部に対応する雌ねじ部を内周に有する。ボックスは、ピンと締結される。雄ねじ部は、ねじ幅一定部と、ねじ幅可変部とを含む。雄ねじ部のねじ幅一定部は、一定のねじ谷幅を有する。雄ねじ部のねじ幅可変部は、雄ねじ部のねじ幅一定部のねじ谷幅以上であって雄ねじ部のねじ幅一定部からピンの先端に向かって徐々に大きくなるねじ谷幅を有する。雌ねじ部は、ねじ幅一定部と、ねじ幅可変部とを含む。雌ねじ部のねじ幅一定部は、一定のねじ山幅を有する。雌ねじ部のねじ幅可変部は、雌ねじ部のねじ幅一定部のねじ山幅以上であって雌ねじ部のねじ幅一定部からボックスの中央に向かって徐々に大きくなるねじ山幅を有する。

本開示に係る鋼管用ねじ継手によれば、高いトルクを有するねじ継手としつつねじ部の加工時間を短縮することができる。

図１は、第１実施形態に係るねじ継手の概略を示す縦断面図である。 図２Ａは、図１に示すねじ継手のねじ幅一定部を拡大した縦断面図である。 図２Ｂは、図１に示すねじ継手のねじ幅可変部を拡大した縦断面図である。 図３は、図１に示すねじ継手の一部を拡大した縦断面図である。 図４Ａは、図１に示すねじ継手のスタブリード及びロードリードを示すグラフである。 図４Ｂは、図１に示すねじ継手のねじ部を拡大した縦断面図である。 図５は、第１実施形態に係るねじ継手において、ピンの先端同士が接触した状態を示す縦断面図である。 図６は、第２実施形態に係るねじ継手の概略を示す縦断面図である。 図７は、第３実施形態に係るねじ継手の概略を示す縦断面図である。 図８は、第４実施形態に係るねじ継手の概略を示す縦断面図である。 図９は、実施例に係るねじ継手の概略を示す縦断面図である。 図１０は、比較例に係るねじ継手の概略を示す縦断面図である。 図１１は、実施例及び比較例に係るねじ継手の加工時間を示すグラフである。

実施形態に係るねじ継手は、一対の管を連結するものである。ねじ継手は、ピンと、ボックスとを備える。ピンは、外周に雄ねじ部を有する。ボックスは、雄ねじ部に対応する雌ねじ部を内周に有する。ボックスは、ピンと締結される。雄ねじ部は、ねじ幅一定部と、ねじ幅可変部とを含む。雄ねじ部のねじ幅一定部は、一定のねじ谷幅を有する。雄ねじ部のねじ幅可変部は、雄ねじ部のねじ幅一定部のねじ谷幅以上であって雄ねじ部のねじ幅一定部からピンの先端に向かって徐々に大きくなるねじ谷幅を有する。雌ねじ部は、ねじ幅一定部と、ねじ幅可変部とを含む。雌ねじ部のねじ幅一定部は、一定のねじ山幅を有する。雌ねじ部のねじ幅可変部は、雌ねじ部のねじ幅一定部のねじ山幅以上であって雌ねじ部のねじ幅一定部からボックスの中央に向かって徐々に大きくなるねじ山幅を有する（第１の構成）。

第１の構成において、雄ねじ部及び雌ねじ部は、ねじ幅一定部及びねじ幅可変部を含んでいる。ねじ幅可変部ではねじ谷幅及びねじ山幅が変化するが、ねじ幅一定部ではねじ谷幅及びねじ山幅が変化しない。雄ねじ部及び雌ねじ部にねじ幅一定部を設けることにより、雄ねじ部及び雌ねじ部の全体にわたってねじ谷幅が徐々に変化する場合と比較して、雄ねじ部及び雌ねじ部における最小のねじ谷幅と最大のねじ谷幅との差が小さくなる。よって、雄ねじ部及び雌ねじ部において、最大のねじ谷幅を有するねじ谷の管軸方向の切削パス回数が少なくなり、管軸方向の総切削パス回数を減らすことができる。その結果、雄ねじ部及び雌ねじ部を含むねじ部の加工時間を短縮することができる。また、雄ねじ部及び雌ねじ部にねじ幅一定部を設けることにより、雄ねじ部及び雌ねじ部の全体にわたってねじ山幅が徐々に変化する場合と比較して、雄ねじ部及び雌ねじ部における最小のねじ山幅と最大のねじ山幅との差が小さくなる。よって、雄ねじ部又は雌ねじ部において、管軸方向に引張荷重がかかった場合、最小のねじ山幅を有するねじ山の根元でせん断破壊が生じにくい。好ましくは、雄ねじ部及び雌ねじ部ともに、最小のねじ山幅は、それぞれのねじ山の高さよりも大きい。

また、第１の構成では、ねじ谷幅が変化するねじ幅可変部が雄ねじ部に設けられ、このような雄ねじ部のねじ幅可変部に対応するように雌ねじ部のねじ幅可変部が構成されている。このため、第１の構成を備えるねじ継手は、高いトルクを有することができる。

雄ねじ部及び雌ねじ部の最大のねじ谷幅は、雄ねじ部及び雌ねじ部の最小のねじ谷幅の２倍以下であってもよい（第２の構成）。

例えば、特許第４０８７７９８号公報に記載されているねじ継手では、ねじ部の全体にわたってねじ谷幅が変化し、最大のねじ谷幅が最小のねじ谷幅の３倍以上となるため、ねじ谷の切削パス回数は３パス以上必要となる。一方、上記第２の構成を有するねじ継手であれば、ねじ谷の切削パス回数を２パス以下に抑えることができる。よって、ねじ部の加工時間をより確実に短縮することができる。

ボックスに対するピンのねじ込みにおいて、ピンの先端は、ねじ幅可変部の挿入面及び荷重面の双方がボックスに接触した時点では、ボックスと締結されている他のピンの先端に接触せず、ねじ幅可変部の挿入面及び荷重面の双方がボックスに接触した後であって雄ねじ部が降伏する前に、他のピンの先端に接触してもよい（第３の構成）。

第３の構成によれば、必要に応じてさらにトルクを上昇させることができる。

すなわち、ねじ継手にハイトルク性能が要求されない場合、ボックスに対するピンのねじ込みにおいて、雄ねじ部におけるねじ幅可変部の挿入面及び荷重面の双方がボックスに接触した時点で締結を終了する。このとき、ボックスにねじ込まれたピンの先端は、当該ボックスと締結されている他のピンの先端に接触しない。

一方、ねじ継手にハイトルク性能が要求される場合、ピンをさらにねじ込み、雄ねじ部が降伏する前に当該ピンの先端を他のピンの先端に接触させる。２つのピンの先端同士が接触することによって各ピンに軸力が付与され、トルクを上昇させることができる。

ピンは、さらに、ショルダ面を有していてもよい。ボックスは、さらに、ピンのショルダ面に対応して設けられ、締結状態においてピンのショルダ面に接触可能なショルダ面を有することができる（第４の構成）。

第４の構成によれば、ピン及びボックスのショルダ面同士が接触した際に、ピンに対して軸力が付与される。このため、トルクを向上させることができる。

ボックスに対するピンのねじ込みにおいて、ピンのショルダ面は、ねじ幅可変部の挿入面及び荷重面の双方がボックスに接触した時点では、ボックスのショルダ面に接触せず、ねじ幅可変部の挿入面及び荷重面の双方がボックスに接触した後であって雄ねじ部が降伏する前に、ボックスのショルダ面に接触してもよい（第５の構成）。

第５の構成であっても、必要に応じてトルクを上昇させることができる。

すなわち、ねじ継手にハイトルク性能が要求されない場合、ボックスに対するピンのねじ込みにおいて、雄ねじ部におけるねじ幅可変部の挿入面及び荷重面の双方がボックスに接触した時点で締結を終了する。このとき、ピン及びボックスのショルダ面同士は接触していない。

一方、ねじ継手にハイトルク性能が要求される場合、ピンをさらにねじ込み、雄ねじ部が降伏する前にピン及びボックスのショルダ面同士を接触させる。これにより、ピンに軸力が付与され、トルクを上昇させることができる。

雌ねじ部のねじ幅可変部の管軸方向の長さは、雄ねじ部のねじ幅可変部の管軸方向の長さよりも長くてもよい（第６の構成）。

第６の構成によれば、雄ねじ部のねじ山が雌ねじ部のねじ谷に嵌り込み易いので、ボックスにピンをねじ込むのが容易である。

＜実施形態＞
以下、各実施形態について図面を参照しつつ説明する。図中同一及び相当する構成については同一の符号を付し、同じ説明を繰り返さない。

［第１実施形態］
（全体構成）
図１は、第１実施形態に係るねじ継手１を示す縦断面図である。本実施形態に係るねじ継手１は、カップリング型のねじ継手である。ただし、本実施形態で述べるねじ継手の構成は、インテグラル型のねじ継手に適用することもできる。

図１に示すように、ねじ継手１は、２つのピン１０と、ボックス２０とを備える。２つのピン１０及びボックス２０は、各々管状をなす。ボックス２０は、各ピン１０と締結される。ボックス２０には、管軸方向の一端から一のピン１０が挿入され、管軸方向の他端から他のピン１０が挿入される。

各ピン１０は、外周に雄ねじ部１１を有する。ボックス２０は、各雄ねじ部１１に対応する雌ねじ部２１を内周に有する。各雄ねじ部１１及び各雌ねじ部２１は、互いに噛み合うテーパねじで構成されている。各雄ねじ部１１及び各雌ねじ部２１のねじ形状は、ダブテイル形状である。

各ピン１０の雄ねじ部１１は、ねじ幅一定部１１１と、ねじ幅可変部１１２とを含む。ボックス２０の各雌ねじ部２１は、ねじ幅一定部２１１と、ねじ幅可変部２１２とを含む。ねじ幅一定部１１１，２１１ではねじ山幅及びねじ谷幅が一定であり、ねじ幅可変部１１２，２１２ではねじ山幅及びねじ谷幅が変化する。この点については後で詳しく説明する。

図２Ａは、ねじ幅一定部１１１，２１１を拡大した縦断面図である。図２Ｂは、ねじ幅可変部１１２，２１２を拡大した縦断面図である。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、管軸ＣＬを通る平面でねじ継手１を切断した断面から見て、雄ねじ部１１は、それぞれ複数のねじ山頂面１１ａ、ねじ谷底面１１ｂ、挿入面１１ｃ、及び荷重面１１ｄを有する。各挿入面１１ｃ及び各荷重面１１ｄは、ねじ山頂面１１ａとねじ谷底面１１ｂとを連結する。各挿入面１１ｃは、ボックス２０に対するピン１０のねじ込みで先行する面である。各荷重面１１ｄは、対応する挿入面１１ｃの反対側に配置される。

管軸ＣＬを通る平面でねじ継手１を切断した断面から見て、雌ねじ部２１は、それぞれ複数のねじ山頂面２１ａ、ねじ谷底面２１ｂ、挿入面２１ｃ、及び荷重面２１ｄを有する。各ねじ山頂面２１ａは、雄ねじ部１１のねじ谷底面１１ｂと対向する。各ねじ谷底面２１ｂは、雄ねじ部１１のねじ山頂面１１ａと対向する。各挿入面２１ｃは、雄ねじ部１１の挿入面１１ｃと対向する。各荷重面２１ｄは、雄ねじ部１１の荷重面１１ｄと対向する。

挿入面１１ｃ、２１ｃ及び荷重面１１ｄ、２１ｄの各フランク角は、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に直角な面と挿入面１１ｃ、２１ｃ又は荷重面１１ｄ、２１ｄとがなす角度のことである。図２Ａ及び図２Ｂにおいて、挿入面１１ｃ、２１ｃのフランク角は反時計回りを正とし、荷重面１１ｄ、２１ｄのフランク角は時計回りを正とする。

管軸ＣＬを通る平面でねじ継手１を切断した断面から見て、雄ねじ部１１は、好ましくは複数のチャンファ面１１ｅを有する。各チャンファ面１１ｅは、挿入面１１ｃとねじ谷底面１１ｂとを連結する傾斜面である。ねじ谷底面１１ｂに対するチャンファ面１１ｅの角度θは、２５°〜７５°であることが好ましい。

雄ねじ部１１がチャンファ面１１ｅを有している場合、雌ねじ部２１は、雄ねじ部１１の各チャンファ面１１ｅに対応するチャンファ面２１ｅを有する。雌ねじ部２１の各チャンファ面２１ｅは、雄ねじ部１１の各チャンファ面１１ｅと対向する。

図２Ａに示すように、締結状態では、ねじ幅一定部１１１，２１１において、雄ねじ部１１の荷重面１１ｄが雌ねじ部２１の荷重面２１ｄと互いに接触する。また、ねじ幅一定部１１１，２１１において、雄ねじ部１１のねじ山頂面１１ａ及びねじ谷底面１１ｂは、それぞれ、雌ねじ部２１のねじ谷底面２１ｂ及びねじ山頂面２１ａと接触する。しかしながら、ねじ幅一定部１１１，２１１において、挿入面１１ｃ，２１ｃは互いに接触しない。雄ねじ部１１及び雌ねじ部２１が各々チャンファ面１１ｅ，２１ｅを有する場合、ねじ幅一定部１１１，２１１では、チャンファ面１１ｅ，２１ｅも互いに接触しない。すなわち、ねじ幅一定部１１１，２１１では、締結状態において雄ねじ部１１と雌ねじ部２１との間に隙間が生じている。

一方、図２Ｂに示すように、ねじ幅可変部１１２，２１２では、締結状態において雄ねじ部１１と雌ねじ部２１との間に隙間が生じない。すなわち、締結状態において、ねじ幅可変部１１２，２１２では、荷重面１１ｄ，２１ｄ同士及び挿入面１１ｃ，２１ｃ同士が接触する。また、ねじ幅可変部１１２，２１２では、雄ねじ部１１のねじ山頂面１１ａと雌ねじ部２１のねじ谷底面２１ｂが互いに接触し、且つ雄ねじ部１１のねじ谷底面１１ｂと雌ねじ部２１のねじ山頂面２１ａが互いに接触する。雄ねじ部１１及び雌ねじ部２１が各々チャンファ面１１ｅ，２１ｅを有する場合、ねじ幅可変部１１２，２１２では、チャンファ面１１ｅ，２１ｅ同士も接触する。

図３は、ねじ継手１の一部を拡大した縦断面図である。図３では、２つのピン１０のうちの一のピン１０と、ボックス２０のうち当該一のピン１０に対応する部分とが示されている。

上述したように、ピン１０の雄ねじ部１１は、ねじ幅一定部１１１及びねじ幅可変部１１２を含む。ねじ幅一定部１１１は、雄ねじ部１１においてピン１０の基端側（管本体側）に配置されている。ねじ幅一定部１１１は、一定のねじ谷幅及びねじ山幅を有する。

ねじ幅可変部１１２は、雄ねじ部１１において、ねじ幅一定部１１１よりもピン１０の先端側に配置される。ねじ幅可変部１１２は、ねじ幅一定部１１１と連続して設けられている。ねじ幅可変部１１２は、ねじ幅一定部１１１のねじ谷幅以上のねじ谷幅を有する。ねじ幅可変部１１２のねじ谷幅は、ねじ幅一定部１１１からピン１０の先端に向かって徐々に大きくなっている。したがって、ねじ幅可変部１１２のねじ山幅は、ピン１０の先端に向かって徐々に小さくなっている。

雄ねじ部１１において、最大のねじ谷幅Ｗ１１ｍａｘは、最小のねじ谷幅Ｗ１１ｍｉｎの２倍以下であることが好ましい。ねじ幅可変部１１２のねじ谷幅は、ねじ幅一定部１１１のねじ谷幅を下回らない範囲で変化する。このため、ねじ幅可変部１１２が雄ねじ部１１における最大のねじ谷幅Ｗ１１ｍａｘを有する。また、雄ねじ部１１における最小のねじ谷幅Ｗ１１ｍｉｎは、ねじ幅一定部１１１のねじ谷幅である。

ボックス２０の雌ねじ部２１には、雄ねじ部１１のねじ幅一定部１１１及びねじ幅可変部１１２の各々に対応するように、ねじ幅一定部２１１及びねじ幅可変部２１２が設けられる。

ねじ幅一定部２１１は、雄ねじ部１１のねじ幅一定部１１１に対向する。ねじ幅一定部２１１は、一定のねじ山幅及びねじ谷幅を有する。ねじ幅一定部２１１のねじ山幅及びねじ谷幅は、それぞれ、雄ねじ部１１のねじ幅一定部１１１のねじ谷幅及びねじ山幅に対応する。

ねじ幅可変部２１２は、雄ねじ部１１のねじ幅可変部１１２に対向する。ねじ幅可変部２１２のねじ山幅及びねじ谷幅は、それぞれ、雄ねじ部１１のねじ幅可変部１１２のねじ谷幅及びねじ山幅に対応する。すなわち、ねじ幅可変部２１２のねじ山幅は、雄ねじ部１１のねじ幅可変部１１２のねじ谷幅に対応して、ねじ幅一定部２１１からボックス２０の中央（ボックス２０の先端と反対側）に向かって徐々に大きくなる。ねじ幅可変部２１２のねじ谷幅は、雄ねじ部１１のねじ幅可変部１１２のねじ山幅に対応して、ねじ幅一定部２１１からボックス２０の中央に向かって徐々に小さくなる。

雌ねじ部２１において、最大のねじ谷幅Ｗ２１ｍａｘは、最小のねじ谷幅Ｗ２１ｍｉｎの２倍以下であることが好ましい。ねじ幅可変部２１２のねじ谷幅は、ねじ幅一定部２１１のねじ谷幅を上回らない範囲で変化する。このため、ねじ幅可変部２１２が雌ねじ部２１における最小のねじ谷幅Ｗ２１ｍｉｎを有する。また、雌ねじ部２１における最大のねじ谷幅Ｗ２１ｍａｘは、ねじ幅一定部２１１のねじ谷幅である。

雄ねじ部１１及び雌ねじ部２１では、主としてねじ幅可変部１１２，２１２がトルクの向上に寄与している。雄ねじ部１１の全体に対するねじ幅可変部１１２の比率は、要求されるトルクを考慮し、適宜決定することができる。同様に、雌ねじ部２１の全体に対するねじ幅可変部２１２の比率は、要求されるトルクを考慮し、適宜決定することができる。例えば、雄ねじ部１１全体の管軸方向の長さをＬ１１、ねじ幅可変部１１２の管軸方向の長さをＬ１１２とすると、０＜Ｌ１１２／Ｌ１１＜１とすることができる。好ましくは、０．３＜Ｌ１１２／Ｌ１１＜１．０である。また、雌ねじ部２１全体の管軸方向の長さをＬ２１、ねじ幅可変部２１２の管軸方向の長さをＬ２１２とすると、０＜Ｌ２１２／Ｌ２１＜１とすることができる。好ましくは、０．２＜Ｌ２１２／Ｌ２１＜０．９である。

図４Ａは、ピン及びボックスのスタブリード及びロードリードを示すグラフである。図４Ａに示すグラフにおいて、縦軸はリードの大きさ、横軸はピンの先端又はボックスの中央から数えたねじ山数である。

ここで、図４Ｂを参照して、ピン及びボックスのスタブリード及びロードリードについて説明する。ピンのスタブリードは、雄ねじ部１１において隣り合う挿入面１１ｃ間の管軸方向の距離Ｄ１ａである。ピンのロードリードは、雄ねじ部１１において隣り合う荷重面１１ｄ間の管軸方向の距離Ｄ１ｂである。ボックスのスタブリードは、雌ねじ部２１において隣り合う挿入面２１ｃ間の管軸方向の距離Ｄ２ａである。ボックスのロードリードは、雌ねじ部２１において隣り合う荷重面２１ｄ間の管軸方向の距離Ｄ２ｂである。

図４Ａに戻り、スタブリード及びロードリードの遷移について説明する。図４Ａに示すように、ピンの先端部分、つまり雄ねじ部１１のねじ幅可変部１１２（図３）では、スタブリードよりもロードリードの方が大きい。同様に、ボックスの中央部分、つまり雌ねじ部２１のねじ幅可変部２１２（図３）では、スタブリードよりもロードリードの方が大きい。

ピンの基端部分、つまり雄ねじ部１１のねじ幅一定部１１１（図３）では、スタブリードとロードリードとが等しい。同様に、ボックス２０の端部、つまり雌ねじ部２１のねじ幅一定部２１１（図３）では、スタブリードとロードリードとが等しい。

ピン及びボックスの各ロードリードは、ねじ部の全体にわたって一定である。しかしながら、ピン及びボックスの双方において、各スタブロードは変化する。すなわち、ピン及びボックスの双方において、ねじ幅可変部からねじ幅一定部に切り替わるときにスタブロードが大きくなる。

図４Ａからわかるように、雌ねじ部のねじ幅可変部の管軸方向の長さＬ２１２は、雄ねじ部のねじ幅可変部の管軸方向の長さＬ１１２よりも長い。すなわち、ピンにおいてねじ幅可変部がねじ幅一定部に切り替わる位置は、ボックスにおいてねじ幅可変部がねじ幅一定部に切り替わる位置と完全には一致していない。具体的には、Ｌ２１２／Ｌ１１２＞１．０５である。当該位置をピンとボックスとで完全に一致させた場合、雄ねじ部のねじ山が雌ねじ部のねじ谷に嵌り込みにくくなり、その結果、ボックスにピンをねじ込むことが困難になるためである。

（ピンとボックスとの締結方法）
次に、各ピン１０とボックス２０との締結方法について説明する。

上述したように、本実施形態に係るねじ継手１は、カップリング型のねじ継手である。したがって、ボックス２０には、管軸方向の両端各々からピン１０がねじ込まれる。

図１及び図２Ｂを参照して、ボックス２０の管軸方向の一端から一のピン１０をねじ込むと、当該ピン１０の雄ねじ部１１とボックス２０の雌ねじ部２１とが干渉し、ある時点で雄ねじ部１１のねじ幅可変部１１２における荷重面１１ｄ及び挿入面１１ｃがボックス２０に接触する。より詳細には、ねじ幅可変部１１２の荷重面１１ｄ及び挿入面１１ｃの各々が、対応する雌ねじ部２１の荷重面２１ｄ及び挿入面２１ｃに接触する。同様に、ボックス２０の管軸方向の他端から他のピン１０をねじ込むと、当該他のピン１０についても、ある時点で雄ねじ部１１のねじ幅可変部１１２における荷重面１１ｄ及び挿入面１１ｃの各々が、対応する雌ねじ部２１の荷重面２１ｄ及び挿入面２１ｃに接触する（図２Ｂ）。この時点では、図１に示すようにピン１０の先端同士は接触しない。

例えば、シェール井戸の水平堀り等にねじ継手１が利用される場合、ねじ継手１にはハイトルク性能が要求される。この場合、図１の状態からさらに各ピン１０をボックス２０にねじ込めばよい。すなわち、ねじ幅可変部１１２の荷重面１１ｄ及び挿入面１１ｃがボックス２０に接触した後（図２Ｂ）、さらに各ピン１０をボックス２０にねじ込むと、図５に示すようにピン１０の先端同士が接触する。ピン１０の先端同士は、各雄ねじ部１１が降伏する前に接触する。これにより、各ピン１０に対して軸力が付与され、トルクが上昇する。各ピン１０に確実に軸力を付与するため、各ピン１０の先端は、管軸ＣＬに実質的に垂直な環状面で構成されていることが好ましい。

（第１実施形態の効果）
以上のように、本実施形態に係るねじ継手１において、雄ねじ部１１は、ねじ幅一定部１１１及びねじ幅可変部１１２を有している。ねじ幅可変部１１２のねじ谷幅は、ねじ幅一定部１１１からピン１０の先端に向かって大きくなるが、ねじ幅一定部１１１のねじ谷幅は変化しない。このようなねじ幅一定部１１１を雄ねじ部１１に設けることにより、雄ねじ部の全体にわたってねじ谷幅を徐々に変化させる場合と比較して、雄ねじ部１１で生じるねじ谷幅の差を小さくすることができる。よって、最小のねじ谷幅に合うサイズの切削工具を用いて雄ねじ部１１を加工する場合に、管軸方向の切削パス回数を減らすことができる。

雌ねじ部２１は、雄ねじ部１１と対応して設けられる。すなわち、雌ねじ部２１は、雄ねじ部１１のねじ幅一定部１１１に対応するねじ幅一定部２１１を有する。このため、雌ねじ部２１においてもねじ谷幅の差を小さくすることができ、管軸方向の切削パス回数を減らすことができる。

このように、本実施形態に係るねじ継手１によれば、雄ねじ部１１及び雌ねじ部２１において管軸方向の切削パス回数を減らすことができる。よって、雄ねじ部１１及び雌ねじ部２１で構成されるねじ部の加工時間を短縮することができる。

また、雄ねじ部１１及び雌ねじ部２１は、ねじ幅一定部１１１及び２１１とねじ幅可変部１１２及び２１２とを有している。このようなねじ幅一定部１１１及び２１１を雄ねじ部１１及び雌ねじ部２１に設けることにより、雄ねじ部１１又は雌ねじ部１２の全体にわたってねじ山幅が徐々に変化する場合と比較して、雄ねじ部１１又は雌ねじ部における最小のねじ山幅と最大のねじ山幅との差が小さくなる。よって、雄ねじ部及び雌ねじ部において、管軸方向に引張荷重がかかった場合、最小のねじ山幅を有するねじ山の根元でせん断破壊が生じにくい。

上述したように、雄ねじ部１１には、ピン１０の先端に向かってねじ谷幅が大きくなるねじ幅可変部１１２が設けられている。雌ねじ部には、雄ねじ部１１のねじ幅可変部１１２と対応してねじ谷幅が変化するねじ幅可変部２１２が設けられている。よって、本実施形態に係るねじ継手１は、高いトルクを有することもできる。

ここで、雄ねじ部の最大のねじ谷幅と最小のねじ谷幅との差及び雌ねじ部の最大のねじ谷幅と最小のねじ谷幅との差を小さくするだけであれば、雄ねじ部又は雌ねじ部の全長にわたって、それぞれねじ谷幅及びねじ山幅の変化の割合の小さいねじ幅可変部を有し、ねじ幅一定部を有しない形態であってもよい。しかしながら、雄ねじ部及び雌ねじ部ともに、それぞれねじ谷幅及びねじ山幅の変化の割合が大きいねじ幅可変部１１１，２１１と、ねじ幅一定部１１２，２１２とを有する形態とする方が、高いトルクを備えるために有利である。

雄ねじ部１１において、最大のねじ谷幅Ｗ１１ｍａｘは、好ましくは、最小のねじ谷幅Ｗ１１ｍｉｎの２倍以下である。よって、雄ねじ部１１において、ねじ谷の切削パス回数を２パス以下に抑えることができる。
雌ねじ部２１において、最大のねじ谷幅Ｗ２１ｍａｘは、好ましくは、最小のねじ谷幅Ｗ２１ｍｉｎの２倍以下である。よって、雌ねじ部２１において、ねじ谷の切削パス回数を２パス以下に抑えることができる。

管軸方向に引張荷重がかかった場合に、ねじ山の根元でのせん断破壊を生じにくくするために、雄ねじ部１１及び雌ねじ部２１において、最小のねじ山幅は、ねじ山の高さ以上にするのが好ましい。

ボックス２０に対する各ピン１０のねじ込みにおいて、ピン１０の先端同士は、各ねじ幅可変部１１２の挿入面及び荷重面の双方がボックス２０に接触した時点では、互いに接触しない。特にあまり大きなハイトルク性能が要求されない場合、ねじ継手１は、ピン１０の先端同士が接触していない状態で使用される。

ねじ継手１に大きなハイトルク性能が要求される場合、さらに各ピン１０をボックス２０にねじ込むことにより、各雄ねじ部１１が降伏する前にピン１０の先端同士を接触させることができる。これにより、各ピン１０に軸力を付与し、トルクを上昇させることができる。このように、本実施形態に係るねじ継手１では、必要に応じてトルクを高めることができる。

本実施形態に係るねじ継手１において、雄ねじ部１１及び雌ねじ部２１は、それぞれ、ねじ幅一定部１１１，２１１だけでなく、ねじ幅可変部１１２，２１２を含んでいる。このため、必要なトルクを確保することができる。

締結状態において、雄ねじ部のねじ谷底面と雌ねじ部のねじ山頂面とが接触し、且つ雄ねじ部のねじ山頂面と雌ねじ部のねじ谷底面とが接触しない場合、雄ねじ部及び雌ねじ部で構成されるねじ部は密封性能を有しない。一方、本実施形態に係るねじ継手１の締結状態では、ねじ幅可変部１１２，２１２において、雄ねじ部１１のねじ谷底面１１ｂと雌ねじ部２１のねじ山頂面２１ａとが接触し、且つ雄ねじ部１１のねじ山頂面１１ａと雌ねじ部２１のねじ谷底面２１ｂとが接触する。このような構成によれば、雄ねじ部１１及び雌ねじ部２１で構成されるねじ部に密封性能を付与することができる。

［第２実施形態］
図６は、第２実施形態に係るねじ継手１Ａを示す縦断面図である。ねじ継手１Ａは、ピン１０Ａ及びボックス２０Ａが各々ショルダ面１２，２２及びシール面１３，２３を有する点で、第１実施形態に係るねじ継手１と異なる。ねじ継手１Ａのその他の構成は、第１実施形態に係るねじ継手１と同様とすることができる。

ピン１０Ａは、ショルダ面１２及びシール面１３を含む。ショルダ面１２は、ピン１０Ａの基端に配置される。ショルダ面１２は、管軸ＣＬに実質的に垂直な環状面とすることができる。シール面１３は、ピン１０Ａの外周に設けられる。シール面１３は、ピン１０Ａにおいて、雄ねじ部１１とショルダ面１２との間に配置されている。

ボックス２０Ａは、ショルダ面２２及びシール面２３を含む。ショルダ面２２は、ピン１０Ａのショルダ面１２に対応して設けられる。ショルダ面２２は、管軸ＣＬに実質的に垂直な環状面とすることができる。シール面２３は、ピン１０Ａのシール面１３に対応して、ボックス２０Ａの内周に設けられる。シール面２３は、雌ねじ部２１とショルダ面２２との間に配置されている。

シール面１３，２３は、ボックス２０Ａに対するピン１０Ａ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、シール面１３，２３は、メタル接触によるシール部を形成する。その結果、ねじ継手１Ａの密封性能が向上する。シール面１３，２３で構成されたシール部は、特に外圧に対して優れた密封性能を発揮する。

ショルダ面１２、２２は、ボックス２０Ａに対するピン１０Ａのねじ込みに伴って互いに接触して押し付けられる。ショルダ面１２、２２同士が接触することにより、ピン１０Ａに対して軸力が付与され、トルクが上昇する。

図示を省略するが、ピン１０Ａの雄ねじ部１１は、第１実施形態と同様にねじ幅可変部を有している。ショルダ面１２，２２は、ボックス２０Ａに対するピン１０Ａのねじ込みにおいて、雄ねじ部１１のねじ幅可変部における荷重面及び挿入面がボックス２０Ａに接触した時点で互いに接触してもよいし、当該時点では互いに接触しなくてもよい。

雄ねじ部１１のねじ幅可変部における荷重面及び挿入面がボックス２０Ａに接触した時点でショルダ面１２，２２同士が接触しない場合、ピン１０Ａをボックス２０Ａにさらにねじ込むことにより、ショルダ面１２，２２同士を接触させることができる。すなわち、雄ねじ部１１のねじ幅可変部における荷重面及び挿入面がボックス２０Ａに接触した後、ピン１０Ａをボックス２０Ａにさらにねじ込み、雄ねじ部１１が降伏する前にショルダ面１２，２２同士を接触させる。これにより、ピン１０Ａに対して軸力が付与され、ショルダ面１２，２２同士が接触していない状態よりもトルクが上昇する。このように構成することにより、第１実施形態と同様、必要に応じてトルクを上昇させることができる。

第２実施形態では、ピン１０Ａがショルダ面１２及びシール面１３を有しているが、ピン１０Ａはショルダ面１２及びシール面１３の一方のみを有していてもよい。この場合、ボックス２０Ａは、ピン１０Ａのショルダ面１２に対応するショルダ面２２、又はピン１０Ａのシール面１３に対応するシール面２３を有する。

［第３実施形態］
図７は、第３実施形態に係るねじ継手１Ｂを示す縦断面図である。ねじ継手１Ｂは、ピン１０Ｂ及びボックス２０Ｂが各々シール面１４，２４を有する点で、第１実施形態に係るねじ継手１と異なる。ねじ継手１Ｂのその他の構成は、第１実施形態に係るねじ継手１と同様とすることができる。

ピン１０Ｂは、シール面１４を含む。シール面１４は、ピン１０Ｂの外周に設けられる。シール面１４は、ピン１０Ｂの先端部分に配置されている。

ボックス２０Ｂは、シール面２４を含む。シール面２４は、ピン１０Ｂのシール面１４に対応して、ボックス２０Ｂの内周に設けられる。

シール面１４，２４は、ボックス２０Ｂに対するピン１０Ｂ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、シール面１４，２４は、メタル接触によるシール部を形成する。その結果、ねじ継手１Ｂの密封性能が向上する。シール面１４，２４で構成されたシール部は、特に内圧に対して優れた密封性能を発揮する。

第３実施形態に係るねじ継手１Ｂにおいて、ピン１０Ｂは、さらに、第２実施形態と同様のシール面１３（図６）を有していてもよい。この場合、ボックス２０Ｂは、シール面１３に対応するシール面２３（図６）を有する。このような構成によれば、シール面１４，２４で構成されたシール部によって内圧に対する密封性能を向上させるとともに、シール面１３，２３で構成されたシール部によって外圧に対する密封性能を向上させることができる。

［第４実施形態］
図８は、第４実施形態に係るねじ継手１Ｃを示す縦断面図である。ねじ継手１Ｃでは、ピン１０Ｃ及びボックス２０Ｃの各々が第３実施形態と同様のシール面１４，２４を有する。また、ピン１０Ｃ及びボックス２０Ｃは、それぞれショルダ面１５，２５を有する。

ショルダ面１５は、ピン１０Ｃの先端に設けられる。ショルダ面２５は、ピン１０Ｃのショルダ面１５に対応して、ボックス２０Ｃに設けられている。ショルダ面１５，２５は、各々管軸ＣＬに実質的に垂直な環状面で構成されることが好ましい。

ショルダ面１５、２５は、ボックス２０Ｃに対するピン１０Ｃのねじ込みに伴って互いに接触して押し付けられる。ショルダ面１５、２５同士が接触することにより、ピン１０Ｃに軸力が付与されてトルクが上昇する。

ピン１０Ｃの雄ねじ部１１は、第１実施形態と同様にねじ幅可変部を有している。ショルダ面１５，２５は、ボックス２０Ｃに対するピン１０Ｃのねじ込みにおいて、雄ねじ部１１のねじ幅可変部における荷重面及び挿入面がボックス２０Ｃに接触した時点で互いに接触してもよいし、当該時点では互いに接触しなくてもよい。

雄ねじ部１１のねじ幅可変部における荷重面及び挿入面がボックス２０Ｃに接触した時点でショルダ面１５，２５同士が接触しない場合、ピン１０Ｃをボックス２０Ｃにさらにねじ込むことにより、ショルダ面１５，２５同士を接触させることができる。すなわち、雄ねじ部１１のねじ幅可変部における荷重面及び挿入面がボックス２０Ｃに接触した後、ピン１０Ｃをボックス２０Ｃにさらにねじ込み、雄ねじ部１１が降伏する前にショルダ面１５，２５同士を接触させる。これにより、ピン１０Ｃに対して軸力が付与され、ショルダ面１５，２５同士が接触していない状態よりもトルクが上昇する。このように構成すれば、第１実施形態と同様、必要に応じてトルクを上昇させることができる。

第４実施形態では、ピン１０Ｃがショルダ面１５及びシール面１４を有しているが、ピン１０Ｃはショルダ面１５及びシール面１４の一方のみを有していてもよい。この場合、ボックス２０Ｃは、ピン１０Ｃのショルダ面１５に対応するショルダ面２５、又はピン１０Ｃのシール面１４に対応するシール面２４を有する。

ピン１０Ｃは、第２実施形態と同様のショルダ面１２をさらに有していてもよい。すなわち、ピン１０Ｃは、基端及び先端にショルダ面１２，１５を有していてもよい。この場合、ボックス２０Ｃは、ピン１０Ｃのショルダ面１２，１５の各々に対応するショルダ面２２，２５を有する。

［変形例］
以上、各実施形態について説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

上記各実施形態において、雄ねじ部及び雌ねじ部は、一のねじ幅一定部及び一のねじ幅可変部で構成されている。しかしながら、雄ねじ部及び雌ねじ部は、複数のねじ幅一定部及び／又は複数のねじ幅可変部を含むこともできる。雄ねじ部及び雌ねじ部が複数のねじ幅一定部を含む場合、各ねじ幅一定部は互いに異なるねじ谷幅を有していてもよい。雄ねじ部及び雌ねじ部が複数のねじ幅可変部を含む場合、各ねじ幅可変部におけるねじ谷幅の変化率は、同一であってもよいし、互いに異なっていてもよい。

上記各実施形態において、雄ねじ部及び雌ねじ部はダブテイル形状のねじで構成されている。しかしながら、雄ねじ部及び雌ねじ部のねじ形状はこれに限定されるものではない。雄ねじ部及び雌ねじ部は、例えば台形ねじで構成されていてもよい。

上記各実施形態において、雄ねじ部及び雌ねじ部は、１段のねじで構成されていたが、複数段のねじで構成することもできる。また、雄ねじ部及び雌ねじ部で構成されるねじ部は、１条ねじであってもよいし、２条ねじであってもよい。

上記第２及び第４実施形態において、ピンは、先端及び／又は基端にショルダ面を有している。しかしながら、ピンは、中間部に設けられる中間ショルダ面を有していてもよい。ボックスには、ピンの中間ショルダ面に対応する中間ショルダ面が設けられる。ピン及びボックスは、それぞれ２以上の中間ショルダ面を有していてもよい。この場合、雄ねじ部及び雌ねじ部は、中間ショルダ面を間に挟む複数段のねじで構成される。

上記第３実施形態（図７）では、ピンの先端部分に雄のシール面１４が配置され、ボックスの対応部分に雌のシール面２４が配置されている。しかしながら、この構造に代えて、又はこの構造と併用して、一方のピンの先端に雄のシール面が配置され、他方のピンの先端に雌のシール面が配置されていてもよい。これにより、両方のピンのシール面は、メタル接触によるシール部を形成する。その結果、ねじ継手の密封性能が向上する。

本開示に係るねじ継手による効果を確認するため、以下の試験を行った。

（実施例）
図９は、実施例に係るねじ継手の縦断面図である。図９に示すねじ継手における雄ねじ部１１の加工を実施し、その加工時間を計測した。

ねじ谷幅が一定のねじ幅一定部１１１と、ねじ幅一定部１１１からピン１０の先端に向かってねじ谷幅が徐々に大きくなるねじ幅可変部１１２とを形成した。ねじ幅一定部１１１及びねじ幅可変部１１２の管軸方向の長さは等しい。すなわち、雄ねじ部１１の１／２がねじ幅一定部１１１である。その結果、雄ねじ部１１において、最大のねじ谷幅Ｗ１１ｍａｘは最小のねじ谷幅Ｗ１１ｍｉｎの２倍となった。

雄ねじ部１１の加工は、最小のねじ谷幅Ｗ１１ｍｉｎに合ったサイズの切削工具を用いて行った。上述したとおり、雄ねじ部１１において、最大のねじ谷幅Ｗ１１ｍａｘは最小のねじ谷幅Ｗ１１ｍｉｎの２倍である。よって、最小のねじ谷幅Ｗ１１ｍｉｎを有するねじ谷の管軸方向の切削パス回数を１として、最大のねじ谷幅Ｗ１１ｍａｘを有するねじ谷の管軸方向の切削パス回数（最大切削パス回数）は２となった。また、管軸方向の総切削パス回数は１４となった。

（比較例）
図１０は、比較例に係るねじ継手の縦断面図である。図１０に示すねじ継手における雄ねじ部３１の加工を実施し、その加工時間を計測した。

比較例に係るねじ継手では、雄ねじ部３１の全体にわたってねじ谷幅を変化させた。雄ねじ部３１のねじ谷幅は、ピン３０の基端から先端に向かって徐々に大きくなっている。雄ねじ部３１の管軸方向の長さは、実施例に係る雄ねじ部１１の管軸方向の長さとほぼ等しい。雄ねじ部３１のねじ谷幅の変化率も、実施例に係るねじ幅可変部１１２のねじ谷幅の変化率と実質的に同一とした。その結果、雄ねじ部３１において、最大のねじ谷幅は最小のねじ谷幅の４倍となった。

雄ねじ部３１の加工は、最小のねじ谷幅に合ったサイズの切削工具を用いて行った。雄ねじ部３１において、最大のねじ谷幅は最小のねじ谷幅の４倍であるため、最大切削パス回数は４となった。また、管軸方向の総切削パス回数は２８となった。

（評価）
図１１に、実施例及び比較例各々のねじ継手に係る加工時間のグラフを示す。実施例における雄ねじ部１１の最大切削パス回数及び総切削パス回数は、それぞれ、比較例に係る雄ねじ部３１の最大切削パス回数及び総切削パス回数の１／２である。したがって、図１１に示すように、実施例に係る雄ねじ部１１の加工時間も、比較例に係る雄ねじ部３１の加工時間のおよそ１／２となっている。

以上のように、雄ねじ部１１にねじ幅一定部１１１を設けることにより、ねじ幅一定部を含まない雄ねじ部３１と比較して、雄ねじ部１１の加工時間を短縮できることが確認された。雄ねじ部１１と対応する構成を有する雌ねじ部２１についても、同様の効果を期待することができる。

この発明は、ねじ継手に適用される。

Claims (6)

1. 一対の管を連結するねじ継手であって、
   外周に雄ねじ部を有するピンと、
   前記雄ねじ部に対応する雌ねじ部を内周に有し、前記ピンと締結されるボックスと、
   を備え、
   前記雄ねじ部は、
   一定のねじ谷幅を有するねじ幅一定部と、
   前記雄ねじ部のねじ幅一定部のねじ谷幅以上であって前記雄ねじ部のねじ幅一定部から前記ピンの先端に向かって徐々に大きくなるねじ谷幅を有するねじ幅可変部と、
   を含み、
   前記雌ねじ部は、
   一定のねじ山幅を有するねじ幅一定部と、
   前記雌ねじ部のねじ幅一定部のねじ山幅以上であって前記雌ねじ部のねじ幅一定部から前記ボックスの中央に向かって徐々に大きくなるねじ山幅を有するねじ幅可変部と、
   を含み、
   締結状態では、前記雄ねじ部のねじ幅一定部の荷重面が前記雌ねじ部のねじ幅一定部の荷重面と接触し、前記雄ねじ部のねじ幅一定部の挿入面は前記雌ねじ部のねじ幅一定部の挿入面と接触せず、前記雄ねじ部及び前記雌ねじ部のねじ幅可変部の荷重面同士及び挿入面同士が接触する、ねじ継手。
2. 請求項１に記載のねじ継手であって、
   前記雄ねじ部の最大のねじ谷幅は、前記雄ねじ部の最小のねじ谷幅の２倍以下である、ねじ継手。
3. 請求項１又は２に記載のねじ継手であって、
   前記ボックスに対する前記ピンのねじ込みにおいて、前記ピンの先端は、前記ねじ幅可変部の挿入面及び荷重面の双方が前記ボックスに接触した時点では、前記ボックスと締結されている他のピンの先端に接触せず、前記ねじ幅可変部の挿入面及び荷重面の双方が前記ボックスに接触した後であって前記雄ねじ部が降伏する前に、前記他のピンの先端に接触する、ねじ継手。
4. 請求項１又は２に記載のねじ継手であって、
   前記ピンは、さらに、ショルダ面を有し、
   前記ボックスは、さらに、前記ピンのショルダ面に対応して設けられ、締結状態において前記ピンのショルダ面に接触可能なショルダ面を有する、ねじ継手。
5. 請求項４に記載のねじ継手であって、
   前記ボックスに対する前記ピンのねじ込みにおいて、前記ピンのショルダ面は、前記ねじ幅可変部の挿入面及び荷重面の双方が前記ボックスに接触した時点では、前記ボックスのショルダ面に接触せず、前記ねじ幅可変部の挿入面及び荷重面の双方が前記ボックスに接触した後であって前記雄ねじ部が降伏する前に、前記ボックスのショルダ面に接触する、ねじ継手。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のねじ継手であって、
   前記雌ねじ部のねじ幅可変部の管軸方向の長さは、前記雄ねじ部のねじ幅可変部の管軸方向の長さよりも長い、ねじ継手。

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