WO2015111117A1 - 管のねじ継手 - Google Patents

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WO2015111117A1
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seal
cross
pin
screw
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吉川　正樹
博 近常
高橋　一成
拓也 長濱
順 ▲高▼野
植田　正輝
孝将 川井
Original Assignee
Ｊｆｅスチール株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L15/00—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints
    • F16L15/001—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints with conical threads
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/02—Couplings; joints
    • E21B17/04—Couplings; joints between rod or the like and bit or between rod and rod or the like
    • E21B17/042—Threaded
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L15/00—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints
    • F16L15/06—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints characterised by the shape of the screw-thread

Definitions

  • the present invention relates to threaded joints for pipes, and in particular, includes tubing and casings commonly used for exploration and production of oil wells and gas wells. Sealability (against external pressure) and compression resistance suitable for connecting steel pipes such as OCTG (oil country tubular goods), riser pipe (riser pipe), and line pipe (line pipe) It relates to a threaded joint for pipes with excellent (compressive resistance).
  • OCTG oil country tubular goods
  • riser pipe riser pipe
  • line pipe line pipe
  • Threaded joints of pipes are widely used for connecting steel pipes used in oil industry such as oil well pipes (petroleum installation).
  • oil well pipes tubroleum installation
  • standard threaded joints defined in the API (American Petroleum Institute) standard have been typically used to connect steel pipes used for oil and gas exploration and production.
  • Premium joints usually have a taper thread, a metal touch seal (hereinafter referred to as a seal), a torque shoulder (hereinafter referred to as a shoulder). )) And a male screw member (externally-threaded member) formed at the end of the pipe (hereinafter referred to as a pin) and a female screw member (internally-threaded member) (hereinafter referred to as a pin). , Called a box), a coupling-type coupling.
  • the taper screw is important for firmly fixing the pipe joint, and the seal part plays a role of ensuring the sealing performance by the metal contact between the box and the pin at this part, and the shoulder part is a stopper ( abutment) to become the shoulder face.
  • the threaded joint includes a pin 3 and a box 1 that fits the pin 3.
  • the pin 3 has a male screw portion 7 on the outer surface thereof and a nose portion (also referred to as a pin nose) which is a non-threaded length portion provided adjacent to the male screw portion 7 on the tip side of the pin 3. ) 8.
  • the nose portion 8 has a seal portion 13 on its outer peripheral surface and a shoulder portion 14 on its end surface.
  • the box 1 to be fitted with the pin 3 has a female screw part 5, which is a part that can be screwed or brought into contact with the male screw part 7, the seal part 13 and the shoulder part 14 of the pin 3, respectively, It has a seal part 11 and a shoulder part 12.
  • the alternate long and short dash line in FIG. 1 is a part that can be screwed or brought into contact with the male screw part 7, the seal part 13 and the shoulder part 14 of the pin 3, respectively.
  • the pipe in the pipe laying work in the well, the pipe may be laid while rotating. In the case of diagonal digging and horizontal digging, the pipe rotates in a bent state. At this time, a tensile-compressive force repeatedly acts on the pipe. As wells become deeper, the tension-compression force increases. This repeated load may cause plastic deformation in the screw part and the seal part of the box constituting the threaded joint, resulting in a deterioration in the sealing performance or, in the worst case, a crack may develop and lead to a fracture.
  • Japanese Patent No. 3401858 Japanese Patent Laid-Open No. 7-98082
  • the stress and strain acting on the screw corner on the box side are not determined only by the screw shape or the stress relaxation groove, but by the tolerance of the cross-sectional area of the weakest part of the box to the cross-sectional area of the pipe body. Therefore, there is a problem that the stress concentration at the screw corner portion on the box side cannot be sufficiently relaxed by devising the screw shape or providing the stress relaxation groove.
  • the present invention realizes a threaded joint structure in which stress concentration is unlikely to occur at the thread corner portion on the box side even when subjected to repeated tension-compression and bending loads. Let it be a problem to be solved.
  • a pin having a male screw part, a nose part extending from the male screw part to the tube end side, and a shoulder part provided at the tip of the nose part;
  • a female screw part that is screw-coupled with the male screw part to form a screw part, a box seal surface that faces the outer peripheral surface of the nose part of the pin, and a box that has a shoulder part that abuts the shoulder part of the pin;
  • the pin and the box are connected by the screw connection, and the outer peripheral surface of the nose portion and the box seal surface are in metallic contact in the tube radial direction and the contact portion forms a seal portion.
  • the seal portion of the pin has an arc projecting outward in a cross-sectional view in the tube axis direction, the seal portion of the box facing the taper surface converges in the direction toward the shoulder portion, and the taper surface is a tube.
  • the stress and strain at the screw corner on the box side are reduced, and stress concentration is unlikely to occur even when subjected to repeated tension-compression and bending loads.
  • the threaded joint of a pipe of the present invention has excellent fatigue strength and failure-bearing strength.
  • the threaded joint of the pipe of the present invention has a pin 3 and a box 1.
  • the pin 3 has a male screw part 7, a nose part 8 extending from the male screw part 7 toward the tube end side, and a shoulder part 14 provided at the tip of the nose part 8.
  • the box 1 includes a female screw portion 5 that is screwed to the male screw portion 7 to form a screw portion, a box seal surface 16 that faces the outer peripheral surface 17 of the nose portion of the pin 3, and a shoulder portion 12 that abuts against the shoulder portion 14 of the pin 3. And have.
  • the pin 3 and the box 1 are connected by screw connection, and the nose portion outer peripheral surface 17 and the box seal surface 16 are in metal contact in the pipe radial direction, and the contact portion is a seal portion (the seal portion 13 of the pin 3 and the seal of the box 1).
  • This is a threaded joint (see FIG. 1) of a radial seal type tube forming part 11).
  • the radial seal type is superior to the pin end seal type in that it suppresses the adverse effect of plastic deformation of the box accompanying repeated loading of tension-compression and bending on the sealing performance.
  • the present invention is a CCS (Critical Cross Section) which is a cross section (A cross section) including a portion 15 having the highest tensile stress and strain among the cross sections in the pipe circumferential direction of the box 1.
  • sectional area S C ratio of the cross-sectional area S P output and the pipe body 10 S C / S joint efficiency TE, defined by P (TE (S C / S P) ⁇ 100)) (%) ( refer to FIG. 4, Note 4 (a) represents the outer diameter portion of the pin.)
  • the internal thread height t of the box 1 and the curvature radius ⁇ of the internal thread bottom load surface side corner portion 6 see FIG. 1 (b)).
  • Equation TE 2.25 ⁇ t / ⁇ + 99.9 in FIG. 2 where TE is the horizontal axis and t / ⁇ is the vertical axis. And a range on the right side of the straight line. Within this range, the plot point of “No Failure” (no leak in the airtight test result to be described later and no break in the repeated load test result) is located, while “Failure” (the airtight test to be described later) is located outside this range. From the result, the plot point of occurrence of leak or breakage in the repeated load test result is located, so that it is understood that the definition by the expression (1) is appropriate.
  • the most strain associated with plastic deformation is accumulated in a plurality of internal thread bottom load surface side corner portions 6 (corner portions formed by the load surface of the internal thread portion 5 of the box 1 and the internal bottom surface).
  • a large amount accumulates a plurality of female screw bottom insertion surface side corner portions 9 (corner portions formed by the insertion surface of the female screw portion 5 of the box 1 and the bottom surface of the female screw) (see FIG. 1B). Reducing the strain at these locations is important for preventing abnormal deformation or breakage when laying pipes in diagonal wells and horizontal wells.
  • the present inventors changed the joint shape of the threaded joint of a radial seal type tube, calculated the stress-strain under the tension-compression load state by FEA (Finite Element Analysis), and tension-compression. As a result, the following knowledge was obtained.
  • joint efficiency TE (%) defined by the ratio S C / S P output cross-sectional area S P output CCS sectional area S C and the pipe body 10 of the box 1 (see FIG. 4), the internal thread height of the box 1
  • joint efficiency TE (%) defined by the ratio S C / S P output cross-sectional area S P output CCS sectional area S C and the pipe body 10 of the box 1 (see FIG. 4)
  • the internal thread height of the box 1 By designing and manufacturing the threaded joint of the tube so as to satisfy the relationship of the expression (1) expressed using t and the ratio t / ⁇ of the radius of curvature ⁇ of the female thread bottom load surface side corner portion 6,
  • the initial crack that can occur at the thread bottom corner portion 1 (internal thread bottom load surface side corner portion 6 or internal thread bottom insertion surface side corner portion 9) and can be the starting point of fatigue failure or the entire cross section of the box 1 occurrence of cracks) can be suppressed.
  • the CCS can specify the position in the pipe axis direction by numerical calculation using the first screw on the nose side or FEA.
  • the CCS has a cross section in which the tensile stress is transmitted to the box via the threaded portion and the average stress is highest.
  • the joint efficiency TE is defined by the ratio S C / S P output cross-sectional area S P output cross-sectional area S C and the pipe body 10 of the CCS, in general, regardless of the t / [rho, just 100 % Or more.
  • the radius of curvature ⁇ is too large, the internal thread portion load on the pin 3 side facing the female screw bottom load surface side corner portion 6 will increase.
  • ⁇ 0.3 to 1.0 mm is preferable because the straight portion that comes into contact with the surface and receives a tensile load is insufficient and causes local plastic deformation.
  • the radial seal type is superior to the pin end seal type in that the plastic deformation of the box accompanying repeated loading of tension-compression and bending suppresses the adverse effect on the sealing performance.
  • a radial seal type In particular, the screw joint in which the seal portion 13 of the pin 3 is formed as a convex curved surface in a cross-sectional view in the tube axis direction, and the opposing seal portion 11 of the box 1 forms a tapered surface that converges toward the shoulder portion 12.
  • the seal taper angle ⁇ seal (see FIG. 1 (c)), which is the angle formed by the taper surface with the tube axis, is 15 degrees or less, more preferably 5 degrees or less.
  • ⁇ seal is preferably 2 degrees or more.
  • the convex curved surface is a curve in the cross section in the tube axis direction, a line segment connecting both ends of the curve region in the tube axis direction is located in the pin body, and any point in the curve region is at the tube end. It is a curved surface that approaches the tube axis as it approaches.
  • the curve may have a configuration in which a plurality of arcs having different curvatures are connected directly or via line segments so as to have a common tangent line.
  • the tapered surface is a pyramidal surface that forms a straight line in the cross section in the tube axis direction, and that any point in the straight line approaches the tube axis as the shoulder portion 12 is approached.
  • compressive residual stress compressive residual stress
  • Applying and reducing the maximum value of tensile stress also has the effect of suppressing crack initiation and extending fatigue life.
  • plating time is required when electroplating (galvanic electroplating) is applied to the box side and / or pin side of the sliding surface between the box 1 and the pin 3 (sliding surfaces).
  • a chrome-based steel pipe having an outer diameter of 244.475 mm and a wall thickness of 13.84 mm and a coupling element pipe thereof are processed, and an arc projecting outward from the chrome-based steel pipe in a cross-sectional view in the direction of the pipe axis (with a string in the pin material)
  • Table 1 shows the specifications of the design conditions.
  • the shoulder angle in Table 1 is the angle on the acute angle side where the shoulder surface formed by the shoulder portions 12 and 14 at the time of tightening and the tube axis orthogonal surface.
  • the present invention example shows that the airtight test result shows no leakage and is repeated.
  • the load test result is no breakage.
  • the comparative example in which TE and t / ⁇ are outside the range in which the formula (1) is satisfied, a leak occurs in the airtight test, or a repeated load even if there is no leak. Ruptured before reaching 100 times.
  • the stress-strain of the screw corner portion of the box 1 can be reduced, and the fatigue strength and fracture resistance of the threaded joint of the tube can be improved.

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Abstract

　引張‐圧縮や曲げの繰返し負荷を受けてもボックス側のねじコーナ部に応力やひずみの集中が生じにくいねじ継手構造を実現すること。　ラジアルシール型の管のねじ継手において、ボックス１の管周方向断面のうち最も引張応力およびひずみの高くなる部位１５を含む断面であるＣＣＳ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ　Ｃｒｏｓｓ　Ｓｅｃｔｉｏｎ）の断面積ＳＣと管本体１０の断面積ＳＰの比ＳＣ/ＳＰで定義される継手効率ＴＥ（％）が、ボックス１の雌ねじ高さｔと雌ねじ底荷重面側コーナ部６の曲率半径ρの比t/ρと、式ＴＥ（％）≧２．２５×ｔ/ρ＋９９．９の関係を満たすねじ継手とした。

Description

管のねじ継手
　本発明は、管のねじ継手(threaded joint for tube)に関し、詳しくは一般に油井(oil well)やガス井(gas well)の探査や生産に使用されるチュービング(tubing)およびケーシング(casing)を包含するＯＣＴＧ(ｏｉｌ　ｃｏｕｎｔｒｙ　ｔｕｂｕｌａｒ　ｇｏｏｄｓ)、ライザー管(riser pipe)、及びラインパイプ(line pipe)などの鋼管であるパイプの接続に用いるのに好適な、シール性(sealability against external pressure)と耐圧縮性(compressive resistance)に優れた管のねじ継手に関する。
　管のねじ継手は、油井管など産油産業（oil industry）の設備（petroleum installation）に使用される鋼管の接続に広く使用されている。オイルやガスの探索や生産に使用される鋼管の接続には、従来ＡＰＩ（米国石油協会(American Petroleum Institute)）規格に規定された標準的なねじ継手が典型的には使用されてきた。
　ところで、近年、原油(crude oil)や天然ガス(natural gas)の井戸は深井戸化(deep well)が進み、垂直井(vertical well)から水平井(horizontal well)や傾斜井(directional well)等が増えていることから、掘削・生産環境は苛酷化している。また、海洋や極地(polar region)など劣悪な環境(appalling circumstance)での井戸の開発が増加していることなどから、耐圧縮性能(compression resistance)、耐曲げ性能(bending resistance)、外圧シール性能(sealabilityagainst external pressure)（耐外圧性能(external pressure resistance)）など、ねじ継手への要求性能は多様化している。そのため、プレミアムジョイント(premium joint)と呼ばれる高性能の特殊ねじ継手(special threaded joint)を使用することが増加しており、その性能への要求もますます増加している。
　プレミアムジョイントは、通常、テーパねじ(tapered thread)、メタルタッチシール部(metal to metal seal)（以下、シール部(seal portion)と呼ぶ）、トルクショルダ部(torque shoulder)（以下、ショルダ部(shoulder)と呼ぶ）とをそれぞれ備える、管端部に形成した雄ねじ部材(externally-threaded member)（以下、ピン(pin)と呼ぶ）と該ピン同士を連結する雌ねじ部材(internally-threaded member)（以下、ボックス(box)と呼ぶ）とを結合したカップリング形式(coupling-type)の継手である。テーパねじは管継手を強固に固定するために重要であり、シール部はボックスとピンとがこの部分でメタル接触することでシール性を確保する役目を担い、ショルダ部は継手の締付け中にストッパ(abutment)の役目を担うショルダ面(shoulder face)となる。
　図３（ａ）～（ｃ）は、油井管用プレミアムジョイントの模式的説明図であり、これらは、円管のねじ継手の縦断面図である。ねじ継手は、ピン３および、ピン３と嵌合するボックス１を備えている。ピン３は、その外面に雄ねじ部7と、ピン３の先端側に雄ねじ部７に隣接して設けられたねじの無い長さ部分であるノーズ部(nose)（ピンノーズ(pin nose)とも云う））８とを有する。ノーズ部８は、その外周面にシール部１３を、その端面にはショルダ部１４を有する。ピン３と嵌合するボックス１は、その内面に、それぞれピン３の雄ねじ部７、シール部１３、およびショルダ部１４と螺合するか、または接触することができる部分である、雌ねじ部５、シール部１１、および、ショルダ部１２を有している。ここで、図３（ａ）中の一点鎖線は管軸である。
　図３の従来例では、シール部１１および１３がノーズ部８の先端部に位置する所謂ピン先端シール型である。これとは別に、シール部１１および１３をノーズ部８の管軸方向中間部に位置させてピン３とボックス１を管半径方向に金属接触させるラジアルシール型(radial seal type)のプレミアムジョイントも知られている。
　ところで、井戸へのパイプ敷設工事では、パイプを回転させながら敷設する場合がある。斜め掘りおよび水平掘りの場合、パイプは途中、曲げられた状態で回転する。このときパイプには引張－圧縮の力が繰返し作用する。井戸の深井戸化が進み、上記引張－圧縮の力も増加する。この繰返し負荷により、ねじ継手を構成するボックスのねじ部とシール部に塑性変形(plastic deformation)が生じ、シール性の低下もしくは、最悪の場合、亀裂が進展し、破断に至る場合がある。
　そこで、引張－圧縮や曲げの繰返し負荷に強いねじ継手構造として、ピン側およびボックス側の何れか一方または両方のねじ噛合い端部の片端もしくは両端のねじ底に、螺旋状の応力緩和溝(stress relaxation chase)を設けて、応力集中(stress concentration)を緩和する構造が提案された（例えば特許文献１参照）。
特許第３４０１８５９号公報（特開平７－９８０８２号公報）
　しかし、ボックス側のねじコーナ部に作用する応力やひずみは、ねじ形状や上記応力緩和溝のみで定まるものではなく、ボックスの最弱部の断面積のパイプ本体断面積に対しての裕度によって影響を受けるので、ねじ形状の工夫や前記応力緩和溝の付設によるのではボックス側のねじコーナ部の応力集中を十分緩和することができないと云う問題がある。
　そこで、本発明は、上記従来技術の問題に鑑み、引張－圧縮や曲げの繰返し負荷を受けてもボックス側のねじコーナ部に応力集中が生じにくいねじ継手構造を実現することを、本発明が解決しようとする課題とする。
　本発明者らは、前記課題を解決する為に鋭意検討し、その結果、以下の要旨構成になる本発明を成した。
［１］　雄ねじ部と、該雄ねじ部より管端側に延在するノーズ部と、該ノーズ部の先端に設けられたショルダ部とを有するピンと、
前記雄ねじ部とねじ結合されてねじ部をなす雌ねじ部と、前記ピンのノーズ部外周面に相対するボックスシール面と、前記ピンのショルダ部に当接するショルダ部とを有するボックスとを有し、
前記ねじ結合により前記ピンと前記ボックスとが結合されて前記ノーズ部外周面と前記ボックスシール面とが管半径方向に金属接触(metallic contact)しその接触部がシール部をなすラジアルシール型の管のねじ継手であって、
前記ボックスの管周方向断面のうち最も引張応力およびひずみの高くなる部位を含む断面の断面積ＳＣと管本体の断面積ＳＰの比ＳＣ/ＳＰで定義される継手効率ＴＥ（％）が、
前記ボックスの雌ねじ高さｔと雌ねじ底荷重面側コーナ部の曲率半径ρの比t/ρと次式（１）の関係を満たすことを特徴とする管のねじ継手。
ＴＥ（％）≧２．２５×ｔ/ρ＋９９．９　　　‥‥（１）
［２］　前記ピンのシール部が管軸方向断面視で外側に張り出した円弧をなし、相対する前記ボックスのシール部が、ショルダ部への方向に収束するテーパ面をなし、該テーパ面が管軸となす角度であるシールテーパ角(seal taper angle)が２度以上１５度以下であることを特徴とする前記［１］に記載の管のねじ継手。
［３］　前記シールテーパ角が２度以上５度以下であることを特徴とする前記［２］に記載の管のねじ継手。
　本発明の管のねじ継手では、ボックス側のねじコーナ部の応力、ひずみが低減し、引張－圧縮や曲げの繰返し負荷を受けても応力集中が生じにくい。本発明の管のねじ継手は、優れた疲労強度(fatigue strength)および耐破断性能(failure-bearing capability)を有する。
本発明の実施形態を示す管軸方向断面の概略図である。 式（１）の妥当性を示すグラフである。 従来の管のねじ継手の一例を示す管軸方向断面の概略図である。 継手効率ＴＥの定義を示す管軸方向断面の概略図である。
　図１、図２及び図４を参照して本発明の実施形態を説明する。本発明の管のねじ継手は、ピン３とボックス１とを有する。ピン３は、雄ねじ部７と、該雄ねじ部７より管端側に延在するノーズ部８と、該ノーズ部８の先端に設けられたショルダ部１４とを有する。ボックス１は、雄ねじ部７とねじ結合されてねじ部をなす雌ねじ部５と、ピン３のノーズ部外周面１７に相対するボックスシール面１６と、ピン３のショルダ部１４に当接するショルダ部１２とを有する。ねじ結合によりピン３とボックス１とが結合されてノーズ部外周面１７とボックスシール面１６とが管半径方向に金属接触しその接触部がシール部（ピン３のシール部１３およびボックス１のシール部１１）をなすラジアルシール型の管のねじ継手（図１参照）である。ラジアルシール型は、引張－圧縮や曲げの繰返し負荷に伴うボックスの塑性変形がシール性に及ぼす悪影響を抑制する効果の点で、ピン先端シール型よりも優れる。
　本発明は、ラジアルシール型であるという前提の下で、ボックス１の管周方向断面のうち最も引張応力およびひずみの高くなる部位１５を含む断面（Ａ断面）であるＣＣＳ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ　Ｃｒｏｓｓ　Ｓｅｃｔｉｏｎ）の断面積ＳＣと管本体１０の断面積ＳＰの比ＳＣ/ＳＰで定義される継手効率ＴＥ（ＴＥ＝（ＳＣ/ＳＰ）×１００））（％）（図４参照、なお、図４（ａ）の二点鎖線はピンの外径部分を表す。）が、ボックス１の雌ねじ高さｔと雌ねじ底荷重面側コーナ部６の曲率半径ρ（図１（ｂ）参照）の比t/ρと式（１）の関係にあることを特徴とする。
ＴＥ（％）≧２．２５×ｔ/ρ＋９９．９　　　‥‥（１）
　式（１）の関係を満たすＴＥとｔ/ρの領域は、ＴＥを横軸、ｔ/ρを縦軸にとった図２において、式ＴＥ＝２．２５×ｔ/ρ＋９９．９で表される直線及び該直線の右側の範囲である。この範囲内に、「Ｎｏ　Ｆａｉｌｕｒｅ」（後述する気密試験結果でリークなし、かつ繰返し負荷試験結果で破断なし）のプロット点が位置し、一方、この範囲外に、「Ｆａｉｌｕｒｅ」（後述する気密試験結果でリーク発生、又は繰返し負荷試験結果で破断）のプロット点が位置することから、式（１）による規定が妥当であることが分る。
　ボックス１において、塑性変形に伴うひずみが最も多く蓄積するのは複数の雌ねじ底荷重面側コーナ部６（ボックス１の雌ねじ部５の荷重面と雌ねじ底面とがなすコーナ部）であり、次に多く蓄積するのは複数の雌ねじ底挿入面側コーナ部９（ボックス１の雌ねじ部５の挿入面と雌ねじ底面とがなすコーナ部）（図１（ｂ）参照）である。これらの箇所のひずみを低減することが、斜め掘り井戸および水平掘り井戸へのパイプ敷設時における異常変形もしくは破断の防止に重要である。
　本発明者らは、ラジアルシール型の管のねじ継手について、継手形状を種々変えて、ＦＥＡ（有限要素解析：Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ）による引張－圧縮負荷状態下の応力－ひずみ計算、及び引張－圧縮の繰返し負荷実験を鋭意遂行し、その結果、以下の知見を得た。
　すなわち、ボックス１のＣＣＳの断面積ＳＣと管本体１０の断面積ＳＰの比ＳＣ／ＳＰで定義される継手効率ＴＥ（％）（図４参照）が、ボックス１の雌ねじ高さｔと雌ねじ底荷重面側コーナ部６の曲率半径ρの比t／ρとを用いて表される（１）式の関係を満たすように、管のねじ継手を設計、製造することにより、ボックス１のねじ底コーナ部（雌ねじ底荷重面側コーナ部６或いは雌ねじ底挿入面側コーナ部９）に発生し、疲労破壊(fatigue failure)やボックス１の全断面破断の起点となりうる初期亀裂（initial crack）の発生を抑制することができる。
　上記ＣＣＳは、ノーズ側にある第１ねじ、あるいはＦＥＡを用いた数値計算（numerical calculation）によりその管軸方向位置を特定することができる。該ＣＣＳは、管本体１０に引張力が負荷された際に、ねじ部を介してその引張力がボックスに伝達されて、最も平均応力が高くなる断面となる。継手効率ＴＥとは、上記ＣＣＳの断面積ＳＣと管本体１０の断面積ＳＰの比ＳＣ/ＳＰで定義されるが、一般的には、ｔ/ρとは無関係に、単に１００％以上とされていた。継手効率ＴＥの増加は、ＣＣＳにおける平均引張応力及びひずみの低減に効果があるが、単にＴＥを１００％以上に大きくしても、引張－圧縮や曲げの繰返し負荷を受けた際の雌ねじ部の応力集中を低減することは困難である。上記応力集中やひずみ集中を低減するためには、本発明に則り、ＴＥとｔ/ρとが（１）式の関係を満足するように、管のねじ継手を設計、製作する必要がある。
　雌ねじ底荷重面側コーナ部６の曲率半径ρは、大きいほどひずみの蓄積防止に有効であるが、大きすぎると、雌ねじ底荷重面側コーナ部６がこれに相対するピン３側の雄ねじ部荷重面と接触し、引張荷重を受ける直線部が不足して、局部的な塑性変形の原因となるため、ρ＝０．３～１．０ｍｍが好ましい。雌ねじ底挿入面側コーナ部９の曲率半径ρ’についても同様の理由で、ρ’＝０．３～１．５ｍｍが好ましい。
　また、前述のとおり、ラジアルシール型は、引張－圧縮や曲げの繰返し負荷に伴うボックスの塑性変形がシール性に及ぼす悪影響を抑制する効果の点で、ピン先端シール型よりも優れるので、本発明ではラジアルシール型を前提とした。なかでも好ましくは、ピン３のシール部１３が管軸方向断面視で凸曲面で構成され、相対する前記ボックス１のシール部１１が、ショルダ部１２に向かって収束するテーパ面をなすねじ継手であって、テーパ面が管軸となす角度であるシールテーパ角θｓｅａｌ（図１（ｃ）参照）が１５度以下、より好ましくは５度以下のものである。一方、θｓｅａｌが小さ過ぎると、締付け時のシール部の摺動距離(slide distance)が大きくなり、ゴーリング(galling)を誘発するため、θｓｅａｌは２度以上が好ましい。
　ここで、上記凸曲面とは、管軸方向断面内で曲線をなし、該曲線領域の管軸方向両端を結ぶ線分がピン体内に位置し、該曲線領域内のいずれの点も管端に近づくにつれ管軸に近づくと云う曲面である。上記曲線は曲率の異なる複数の円孤が共通接線を有するように直接もしくは線分を介して接続された構成でもよい。また、上記テーパ面とは、管軸方向断面内で直線をなし、該直線内のいずれの点もショルダ部１２に近づくにつれ管軸に近づくと云う錐面(pyramidal surface)である。
　また、ねじ形状および継手形状を上述の本発明範囲とした上で、さらに、ボックス１の雌ねじ部５表面にショットブラスト(shot blasting)を適用することで、圧縮の残留応力(compressive residual stress)を付与し、引張応力の最大値を低減することも、亀裂発生(crack initiation)の抑制や疲労寿命(fatigue life)の延長の効果がある。また、ゴーリング防止のためにボックス１とピン３との相互の摺動面（sliding surfaces）のボックス側およびピン側の何れか一方又は両方の面に電気めっき（galvanic electroplating）を施す場合、めっき時間が過剰となって、ねじ継手をなす鋼材内へ水素が過剰に侵入してトラップ(trap)され、該トラップされた水素による破壊のリスク(risk)が懸念される場合がある。この懸念を払拭するために、例えばめっき後に、ＩＳＯ９５８８で規定されているベーキング(baking)を施すことも好ましい。
　外径２４４．４７５ｍｍ、肉厚１３．８４ｍｍのクロム系鋼管及びそのカップリング素管を加工して、上記クロム系鋼管からは管軸方向断面視で外側に張り出した円弧（ピン材料内に弦を有する円弧）をなすシール部１３を有するピン３、上記カップリング素管からはショルダ部１２への方向に収束するテーパ面をなすシール部１１を有するボックス１を、夫々設計、製造し、上記ピン３と上記ボックス１とからなる管のねじ継手とした。設計条件の諸元を表１に示す。
　なお、表１中のショルダ角(shoulder angle)とは、締付け時のショルダ部１２、１４のなすショルダ面が管軸直交面となす鋭角側の角度である。
　クロム系鋼管を用いて作製したねじ継手はカーボン系の鋼を用いて作製したねじ継手に比べてゴーリングのリスクが高いため、ボックス１の雌ねじ部５表面及びボックスシール面１６には電気めっきを施した。これらのサンプルについて、１０回の繰返し締付け－締戻し試験を実行し、ゴーリングが無いことを確認した後、ＩＳＯ１３６７９に規定された気密試験(tightness leak test)Ａテストを圧縮１００％の条件で実行し、リーク(leakage)の発生の有無を調査した。さらに、リークの発生無しであったサンプル(sample)については、曲げに伴う繰返し負荷を模擬するため、引張－圧縮荷重を１００回繰返しで付与するテストを実行した。これらの試験結果を表１及び図２に示す。図２のプロット点(plotted dot)（Ｆａｉｌｕｒｅ、Ｎｏ　Ｆａｉｌｕｒｅ）の意味は前述のとおりである。
　表１及び図２より明らかなように、ＴＥとｔ/ρとを式（１）の成立範囲内とした本発明例（図２中のＮｏ　Ｆａｉｌｕｒｅ）は、気密試験結果がリークなし、かつ繰返し負荷試験結果が破断なしである。これに対し、ＴＥとｔ/ρとを前記式（１）の成立範囲外とした比較例（図２中のＦａｉｌｕｒｅ）は、気密試験でリークが発生し、或いはリークなしであっても繰返し負荷が１００回に達する前に破断した。
　これらの結果から分るように、本発明によれば、ボックス１のねじコーナ部の応力-ひずみを低減し、管のねじ継手の疲労強度及び耐破断性能を向上させることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
１　ボックス
３　ピン
５　雌ねじ部
６　雌ねじ底荷重面側コーナ部
７　雄ねじ部
８　ノーズ部
９　雌ねじ底挿入面側コーナ部
１０　管本体
１１　ボックスのシール部
１２　ボックスのショルダ部
１３　ピンのシール部
１４　ピンのショルダ部
１５　最も引張応力およびひずみの高くなる部位
１６　ボックスシール面
１７　ノーズ部外周面（ピンシール面）

Claims (3)

  1. 　雄ねじ部と、該雄ねじ部より管端側に延在するノーズ部と、該ノーズ部の先端に設けられたショルダ部とを有するピンと、
    　前記雄ねじ部とねじ結合されてねじ部をなす雌ねじ部と、前記ピンのノーズ部外周面に相対するボックスシール面と、前記ピンのショルダ部に当接するショルダ部とを有するボックスとを有し、
    　前記ねじ結合により前記ピンと前記ボックスとが結合されて前記ノーズ部外周面と前記ボックスシール面とが管半径方向に金属接触しその接触部がシール部をなすラジアルシール型の管のねじ継手であって、
    　前記ボックスの管周方向断面のうち最も引張応力およびひずみの高くなる部位を含む断面の断面積ＳＣと管本体の断面積ＳＰの比ＳＣ/ＳＰで定義される継手効率ＴＥ（％）が、前記ボックスの雌ねじ高さｔと雌ねじ底荷重面側コーナ部の曲率半径ρの比t/ρと次式（１）の関係を満たすことを特徴とする管のねじ継手。
    ＴＥ（％）≧２．２５×ｔ/ρ＋９９．９　　　‥‥（１）
  2. 　前記ピンのシール部が管軸方向断面視で外側に張り出した円弧をなし、相対する前記ボックスのシール部が、ショルダ部への方向に収束するテーパ面をなし、該テーパ面が管軸となす角度であるシールテーパ角が２度以上１５度以下であることを特徴とする請求項１に記載の管のねじ継手。
  3. 　前記シールテーパ角が２度以上５度以下であることを特徴とする請求項２に記載の管のねじ継手。
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