WO2021261063A1 - 鋼管用ねじ継手 - Google Patents

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WO2021261063A1
WO2021261063A1 PCT/JP2021/015974 JP2021015974W WO2021261063A1 WO 2021261063 A1 WO2021261063 A1 WO 2021261063A1 JP 2021015974 W JP2021015974 W JP 2021015974W WO 2021261063 A1 WO2021261063 A1 WO 2021261063A1
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WO
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thread
screw
male
load
male screw
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PCT/JP2021/015974
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顕 和田
洋介 奥
吉則 安藤
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日本製鉄株式会社
バローレック・オイル・アンド・ガス・フランス
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    • 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
    • F16L15/004—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints with conical threads with axial sealings having at least one plastically deformable sealing surface
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    • 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
    • E21B17/08—Casing joints
    • 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
    • F16L15/04—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints with additional sealings
    • 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

  • This disclosure relates to threaded joints for steel pipes used for connecting steel pipes.
  • oil wells For example, exploratory drilling or production of oil wells, natural gas wells (hereinafter collectively referred to as "oil wells"), development of non-conventional resources such as oil sands and shale gas, carbon capture and storage (CCS:). In carbon dioxide capture and storage), geothermal power generation, hot springs, etc., steel pipes called oil well pipes are used. Threaded joints are used to connect the steel pipes. The types of threaded joints for steel pipes of this type are roughly classified into coupling type and integral type.
  • the steel pipes are connected to each other via a tubular coupling.
  • female threads are provided on the inner circumferences of both ends of the coupling
  • male threads are provided on the outer circumferences of both ends of the steel pipe. Then, one end of one steel pipe is screwed into one end of the coupling, and one end of the other steel pipe is screwed into the other end of the coupling, whereby the steel pipes are connected to each other. That is, in the coupling type, of the pair of directly connected pipe materials, one pipe material is a steel pipe and the other pipe material is a coupling.
  • the steel pipes are directly connected to each other and no separate coupling is used.
  • a female screw is provided on the inner circumference of one end of the steel pipe
  • a male screw is provided on the outer circumference of the other end
  • a male screw portion is provided on one end of one steel pipe provided with the female screw portion.
  • the pipe end portion of a steel pipe on which a male screw is formed is referred to as a "pin” because it contains an element inserted into the pipe end portion of a steel pipe or a coupling on which a female screw is formed.
  • the pipe end of the steel pipe or coupling in which the female thread is formed is referred to as a "box” because it contains an element that accepts the pipe end of the steel pipe in which the male thread is formed. Since these pins and boxes are the ends of the pipe material, they are both tubular.
  • the wedge thread has a thread profile in which the insertion surface pitch is smaller than the load surface pitch, whereby the thread width of the male thread of the pin gradually narrows toward the tip along the spiral of the thread, and the opposite box. Similarly, the width of the female thread of the female thread gradually narrows toward the tip side.
  • both the load surface and the insertion surface of the male and female threads have a negative flank angle, and when the fastening between the pin and the box is completed, the load surfaces and the insertion surfaces come into contact with each other. The threads of the male and female threads are firmly fitted to each other. With such a configuration, a threaded joint using a wedge-shaped screw can exhibit high torque resistance performance.
  • connection portion between the load surface of the thread and the top surface of the thread and the connection portion between the load surface of the thread and the bottom surface of the thread groove are described.
  • a technique is disclosed in which a curved portion composed of two arcs having different radius of curvature is provided, thereby reducing a concentrated load factor at the base of a load surface and improving the fatigue performance of the connection portion.
  • the applicant of the present application is developing a high torque threaded joint for a steel pipe having a larger diameter.
  • the thread of the male thread of the pin was sheared and broken at the time of maximum tensile load.
  • the radius of curvature of the arc (23) connected to the load surface is 0.125 mm
  • the arc connected to the bottom surface of the thread groove or the top surface of the thread thread is 0.875 mm.
  • the purpose of this disclosure is to enable high torque resistance performance even in large diameter steel pipe thread joints and shear resistance performance according to the size of the steel pipe to be connected.
  • first thread a thread for one round from the tip of the male thread
  • second thread is located one inside (that is, on the pipe body side of the steel pipe) in the cross section.
  • the pin and the box may be deformed in the radial direction and jump out when an excessive tensile load is applied, but the thread is broken over a wide range. Was almost nonexistent.
  • the threads of the male screw and the female screw having a dovetail cross section are firmly meshed with each other, the mesh between the male screw and the female screw is not disengaged.
  • the rigidity of the first thread where shear failure first occurs is important for ensuring jumpout resistance and shear resistance. ..
  • the present inventors focused on the radius of curvature of the boundary portion between the load surface and the bottom surface of the thread groove at the tip portion of the male screw as a means for improving the shear resistance performance of the tip portion of the male screw.
  • the above-mentioned shear failure of the male screw is considered to be caused by the concentration of stress at the boundary between the load surface and the bottom surface of the thread groove at the tip of the male screw. Therefore, the stress is increased by increasing the radius of curvature of the boundary. It is thought that the concentration can be relaxed and the shear resistance performance is improved.
  • the thread height is 3. It is preferably 0 mm or less. Further, in order to exhibit sufficient torque resistance performance, it is necessary to secure a contact area between the load surface and the insertion surface, so that the thread height is preferably 1.8 mm or more.
  • the threaded joint for steel pipes according to the present disclosure was found by comprehensively examining the above-mentioned technical knowledge. That is, the threaded joint for steel pipes according to the present disclosure includes a tubular pin provided at the tip of the steel pipe and a tubular box into which the pin is screwed and fastened to the pin.
  • the pin has a male screw formed on the outer circumference of the pin.
  • the box has a female screw formed on the inner circumference of the box and fitted to the male screw at the time of fastening.
  • the male screw and the female screw have a load surface, an insertion surface, a thread top surface, and a thread groove bottom surface, and the insertion surface pitch of the male screw and the female screw is smaller than the load surface pitch of the male screw and the female screw, and the male screw and the female screw have an insertion surface pitch in a fastened state.
  • the load surface of the male screw comes into contact with the load surface of the female screw, and the insertion surface of the male screw comes into contact with the insertion surface of the female screw. It is preferable that the load surface and the insertion surface of the male screw and the female screw have a negative flank angle.
  • the load surface of the male screw and the bottom surface of the thread groove in a predetermined range from the tip of the male screw in the screw spiral direction form a first curved surface portion in which the radius of curvature r1 in the vertical cross section satisfies the following formula (1). It may be connected via. r1 ⁇ Th ⁇ 0.14 ⁇ ⁇ ⁇ (1)
  • Th is the thread height on the load surface side of the male screw in a predetermined range in the screw spiral direction from the tip of the male screw.
  • the thread height Th satisfies 1.8 mm ⁇ Th ⁇ 3.0 mm. More preferably, r1 ⁇ Th ⁇ 0.16 is satisfied.
  • high torque resistance can be exhibited by forming male and female threads with cuneiform threads, and shear resistance required for large diameter steel pipes can be imparted to the tip of the male thread of the pin.
  • FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of the threaded joint for steel pipe according to the first embodiment along the pipe axis direction.
  • FIG. 2 is an enlarged vertical sectional view of a range including the first thread and the second thread of the male thread.
  • FIG. 3 is an enlarged vertical cross-sectional view of the vicinity of the first thread of the male screw.
  • FIG. 4 is an enlarged perspective view of a connection portion between the first thread and the second thread of the male screw.
  • FIG. 5 is a vertical cross-sectional view of the threaded joint for steel pipe according to the second embodiment along the pipe axis direction.
  • FIG. 6 is a graph showing the evaluation results of equivalent plastic strain by FEM analysis.
  • FIG. 7 is a graph showing the evaluation results of torque withstand performance by FEM analysis.
  • the threaded joint for steel pipe includes a tubular pin provided at the tip of the steel pipe and a tubular box in which the pin is screwed and fastened to the pin.
  • the pin has a male screw formed on the outer circumference of the pin.
  • the box has a female screw formed on the inner circumference of the box and fitted to the male screw at the time of fastening.
  • the male screw is a taper screw whose diameter gradually decreases toward the tip of the pin.
  • the male thread may have a complete threaded portion having a constant thread height and an incomplete threaded portion having a thread height lower than that of the complete threaded portion.
  • Male threads are formed by cutting the outer peripheral surface of a steel pipe, and the cutting depth of the thread groove gradually increases from 0 to the thread height of the completely threaded portion from the pipe body side to the tip side of the steel pipe.
  • the incomplete threaded portion of the male thread is mainly composed of a portion where the cutting depth of the thread groove is smaller than the thread height of the completely threaded portion.
  • both the thread top surface and the thread groove bottom surface of the male thread gradually reduce in diameter along the thread spiral direction toward the pin tip side, but in the incomplete threaded portion.
  • the bottom surface of the thread groove gradually shrinks in diameter toward the pin tip side along the screw spiral direction, but the thread top surface of the incomplete thread portion has a constant diameter.
  • the female screw is a tapered screw whose diameter gradually increases toward the tip side of the box (that is, the pipe body side of the steel pipe).
  • the female thread may have a complete threaded portion having a constant thread height and an incomplete threaded portion having a thread height lower than that of the complete threaded portion.
  • the thread height of the fully threaded portion of the female thread can be made slightly larger than the thread height of the fully threaded portion of the male thread.
  • the thread top surface of the female thread comes into contact with the bottom surface of the thread groove of the male thread, but a gap is formed between the thread top surface of the male thread and the bottom surface of the thread groove of the female thread. ..
  • By providing this gap it is possible to prevent galling and seizure when the male screw and the female screw are fitted, and the gap can be suitably used as a dope discharge flow path.
  • the female thread is formed by cutting the inner peripheral surface of the coupling or steel pipe that constitutes the box.
  • the first thread groove of the female thread into which the first thread on the most tip side of the fully threaded portion of the male thread is fitted in the fastened state of the pin and the box is the contact region between the load surface of the male thread and the load surface of the female thread.
  • the groove depth is such that the radial dimension is 60% or more, more preferably 70% or more of the thread height of the first thread of the male thread.
  • the male and female threads have a load surface, an insertion surface, a thread top surface and a thread groove bottom surface, and the load surface and the insertion surface of the male and female threads have a negative flank angle. That is, the male and female threads have dovetail-shaped thread grooves and threads in the vertical cross section.
  • a plurality of thread top surfaces and a plurality of thread groove bottom surfaces appear in the vertical section, but the shape of each thread top surface and the shape of each thread groove bottom surface in the vertical section are parallel to the pipe axis of the steel pipe. Alternatively, it may be inclined with respect to the pipe axis of the steel pipe so as to follow the taper angle of the taper screw.
  • the flank angle of the load surface may be, for example, a predetermined value in the range of ⁇ 10 ° to -1 °, and more preferably a predetermined value in the range of -4 ° to ⁇ 6 °.
  • the flank angle of the insertion surface may be, for example, a predetermined value in the range of ⁇ 10 ° to -1 °, and more preferably a predetermined value in the range of ⁇ 4 ° to ⁇ 6 °.
  • the cross-sectional shape of the load surface and the insertion surface of each thread of the male and female threads in the vertical cross section may be linear.
  • the insertion surface pitch of the male and female threads is smaller than the load surface pitch of the male and female threads.
  • the male thread is formed as a wedge-shaped thread in which the thread width becomes smaller and the thread groove width becomes larger toward the pin tip side
  • the female thread is formed as a thread width becomes smaller and becomes larger toward the box tip side. It is formed as a wedge-shaped screw with a large groove width.
  • the load surface pitch may be a predetermined value in the range of, for example, 8.0 mm to 11.0 mm
  • the insertion surface pitch may be a predetermined value in the range of, for example, 7.5 mm to 10.5 mm.
  • the pitch difference ⁇ p between the load surface pitch and the insertion surface pitch may be, for example, 0.3 mm to 0.6 mm.
  • the "male screw” refers to the male screw loading surface in contact with the female screw loading surface and the male screw insertion surface in the fastened state of the pin and the box, regardless of whether it is a completely threaded portion or an incomplete threaded portion. Is the part that comes into contact with the insertion surface of the female screw. Further, in the "female thread”, regardless of whether it is a completely threaded portion or an incomplete threaded portion, the load surface of the female thread comes into contact with the load surface of the male thread and the insertion surface of the female thread is the male thread when the pin and the box are fastened. It shall be the part that comes into contact with the insertion surface of. For example, as shown in FIG.
  • an incomplete screw 15 may be provided on the pin tip side of the complete screw portion of the male screw 11 so that at least one of the insertion surface and the load surface does not come into contact with the female screw. Since an incomplete screw is a part that does not contribute to torque resistance performance, it is not considered to be a part that constitutes a "male thread" in the present disclosure. Further, an incomplete screw in which at least one of the insertion surface and the load surface does not come into contact with the male screw may be provided on the box tip side of the complete screw portion of the female screw, but such an incomplete screw does not contribute to torque resistance performance. Since it is a site, it is not a site that constitutes a "female screw" in this disclosure.
  • the load surface of the male thread and the bottom surface of the thread groove in a predetermined range from the tip of the male thread to the thread spiral direction have a radius of curvature r1 in the vertical cross section satisfying the following equation (1). It is connected via the curved surface portion of 1. It is preferable that the radial inner end portion of the first curved surface portion smoothly continues to the bottom surface of the thread groove of the male screw. Further, it is preferable that the radial outer end portion of the first curved surface portion is smoothly continuous with the load surface of the male screw. r1 ⁇ Th ⁇ 0.14 ⁇ ⁇ ⁇ (1)
  • Th is the thread height on the load surface side of the male screw in a predetermined range in the screw spiral direction from the tip of the male screw, and satisfies 1.8 mm ⁇ Th ⁇ 3.0 mm.
  • the thread within a predetermined range from the tip of the male thread to the thread spiral direction is part of the complete threaded portion of the male thread. If the thread height Th is smaller than 1.8 mm, the contact area between the load surfaces of the male and female threads becomes small, and the required torque resistance cannot be obtained. On the other hand, when the thread height Th is larger than 3.0 mm, the cutting depth becomes large, and the cutting time and the cutting cost increase.
  • the radius of curvature r1 is 0.252 mm or more, and when the thread height is 3.0 mm, the radius of curvature r1 is 0.42 mm or more. It was first proposed by the present inventors to connect the load surface of the male screw and the bottom surface of the thread groove with a radius.
  • the first curved surface portion may be provided over the entire length of the male screw.
  • One of the methods to improve the torque resistance performance is to relatively increase the number of threads appearing in the vertical cross section by making the load surface pitch and the insertion surface pitch relatively small.
  • the screw profile of the male screw and the female screw can be defined. More preferably, the load surface pitch is 8.50 mm or less, the insertion surface pitch is 8.10 mm or less, the pitch difference between them is 0.35 mm or more and 0.45 mm or less, and the minimum thread width of the thread bottom at the tip of the male thread is set.
  • the minimum thread width of the thread bottom portion at the box tip portion of the female screw is 2.1 mm or more.
  • An incomplete screw may be formed on the tip side of the box with respect to the tip of the female screw so that at least one of the load surface and the insertion surface does not come into contact with the male screw. Since it is a portion that does not contribute, the thread width of this incomplete screw may be less than 2.00 mm due to the convenience of cutting.
  • the incomplete thread does not constitute a "female thread" in the present disclosure.
  • the first curved surface portion having a large radius of curvature may be provided not over the entire length but at least 1/2 turn, more preferably at least one turn from the tip of the male screw along the screw spiral direction. According to this, the shear rigidity at the base of the first thread of the male screw having the narrowest thread width is reinforced by the first curved surface portion, and it is possible to avoid the occurrence of shear failure starting from the first thread.
  • the male screw 11 includes a first screw portion 111 having a first curved surface portion 111A and a second screw portion 112 continuous with the first screw portion 111 in the screw spiral direction. May be equipped.
  • the load surface of the second threaded portion 112 and the bottom surface of the threaded groove may be connected via a second curved surface portion 112A having a radius of curvature r2 smaller than that of the first curved surface portion 111A. It is preferable that the first curved surface portion 111A and the second curved surface portion 112A are smoothly connected so that a step is not formed at the boundary portion between them.
  • the first curved surface portion may be provided over at least x circumferences in the screw spiral direction from the tip end portion of the male screw.
  • x satisfies the following equation (2).
  • x (r1-r2) / ⁇ p ⁇ ⁇ ⁇ (2)
  • ⁇ p is the pitch difference between the load surface pitch and the insertion surface pitch of the male screw.
  • the tip portion of the second threaded portion is the portion having the narrowest thread width in the second threaded portion, but by satisfying the above equation (2), the tip portion is the most among the second threaded portions.
  • the small thread width becomes the same size as the thread width at the tip of the first thread portion where the thread width at the thread bottom is increased by the first curved portion having a large radius of curvature r1. It is possible to avoid the occurrence of shear failure starting from the tip of the threaded portion of 2.
  • FIG. 3 shows the second curved surface portion 112A'when the tip portion of the second screw portion is present at a position substantially half-circumferent from the tip portion of the first screw portion 111 in the screw spiral direction, and approximately 3/4.
  • the second curved surface portion 112A "when the tip portion of the second screw portion is present at the circumferential position is overlapped with the tip portion of the first screw portion 111 for comparison of the thread width, and a virtual line is used. Each is shown.
  • the axial distance between the radial inner end portion and the radial outer end portion of the second curved surface portion is also substantially the same as the radius of curvature r2 of the second curved surface portion.
  • the screw changes by the pitch difference ⁇ p between the load surface pitch and the insertion surface pitch when making one round in the screw spiral direction. Therefore, when making x turns, the thread width increases by ⁇ p ⁇ x.
  • the thread width W2 (thread width at the position corresponding to Pi in FIG. 3) at the radial inner end portion of the second curved surface portion is the first thread portion.
  • W1-r1 W1-r1 + ⁇ p ⁇ x + r2 ⁇ ⁇ ⁇ (3)
  • W1-r1 approximately represents the position of Po, that is, Po.
  • (W1-r1) + ⁇ p ⁇ x approximately represents the position of the outer end portion of the second curved surface portion 112A ′, 112A ”corresponding to Po.
  • the position of the inner end portion of the curved surface portion 112A', 112A "of 2 is approximately represented.
  • W2 may be smaller than W1 or W2 may be larger than W1.
  • the second curved surface portion 112A' rises with a small radius of curvature r2, so that the thread width of the second threaded portion is the first threaded portion in this second curved surface portion 112A'. It is smaller than the bottom of 111 (that is, the curved surface portion 112A'is in a state of biting into the surface of the curved surface portion 111A as shown in FIG. 3), and the thread width of this second threaded portion is small. There is a risk that the damaged part will become a weak point in terms of strength. Therefore, it is preferable that W2 is substantially equal to or larger than W1.
  • the load surface pitch is 9.845 mm
  • the insertion surface pitch is 9.400 mm
  • the radius of curvature r1 of the first curved surface portion is 0.4 mm
  • the radius of curvature r2 of the second curved surface portion is 0.1 mm. It is preferable to provide the first curved surface portion over (0.4-0.1) / (9.845-9.400) ⁇ 2/3 laps or more.
  • the radius of curvature r2 of the second curved surface portion is 0.2 mm, and the other cases are the same as described above, it is preferable to provide the first curved surface portion over about half a circumference or more.
  • the male screw is provided with a second thread portion having a second curved surface portion having a small radius of curvature, and the radius of curvature between the load surface and the thread top surface of the thread portion of the female screw that meshes with the second thread portion.
  • the load surface of the female thread and the thread top surface face the first curved surface portion of the male screw in the fastened state and have a radius of curvature larger than that of the first curved surface portion. It can be connected via the third curved surface portion. This makes it possible to prevent the boundary angle portion between the load surface of the female screw and the thread top surface from interfering with the first curved surface portion.
  • the thread top surface of a part of the female thread may be the thread top surface of the female thread end portion located at the innermost part of the box of the female thread.
  • the thread top surface of a part of the female thread may have the same diameter as the inner peripheral surface of the tubular threadless extension portion provided on the inner side of the box with respect to the female thread.
  • the pin may be provided with a tubular threadless extension corresponding to the box threadless extension, and the outer peripheral surface of the pin threadless extension contacts the inner peripheral surface of the box threadless extension in the fastened state. It is preferable not to let it.
  • the pin preferably has a pin seal surface located closer to the tip of the pin than the unthreaded extension of the pin, and the box may have a pin seal surface located closer to the back of the box than the unthreaded extension of the box. preferable.
  • the pin seal surface and the box seal surface form a metal-metal seal that comes into contact with each other in the fastened state of the pin and the box and exhibits a sealing property against external pressure and internal pressure.
  • the unthreaded extension helps prevent strain effects on the pin seal and box seal surfaces due to the compressive-tensile load acting on the male and female threads. Further, by making the thread height of a part of the female thread smaller than the thread height of the complete threaded portion of the female thread, the gap is formed, and by deepening the thread groove depth on the pin tip side, the gap is created. Compared to the case of forming, it is possible to secure a large pin wall thickness in the vicinity of the pin tip. In addition, the presence of the above gap can prevent the top of the female thread from coming into direct contact with the bottom of the thread on the load surface of the tip of the male thread, which has the smallest thread width, and is direct to the weakest part of the male thread. Damage can be reduced.
  • the external pressure seal and the internal pressure seal can be provided separately.
  • the internal pressure seal is provided on the pin tip side of the male and female threads
  • the external pressure seal is provided on the pipe body side of the male and female threads. Can be done.
  • the radial outer end portion of the first curved surface portion is positioned radially outward from the radial inner end portion of the third curved surface portion facing the first curved surface portion, and the first curved surface portion is formed. It is preferable to position the third curved surface portion facing the portion inward in the radial direction with respect to the outer end portion in the radial direction.
  • the distance between the radial inner end of the contact range between the load surfaces of the male and female threads and the radial outer end of the first curved surface can be made as small as possible, and the torque resistance performance can be reduced. Can be further improved.
  • the steel pipe threaded joint 1 includes a tubular pin 10 and a tubular box 20.
  • the pin 10 is formed at the end of the steel pipe 2.
  • the box 20 is formed at the end of the coupling 3 and the pin 10 is inserted and fastened to the pin 10.
  • a portion other than the end portion of the steel pipe 2 may be referred to as a “pipe body”.
  • the threaded joint for steel pipes of the present embodiment can be preferably carried out when the outer diameter OD of the pipe body of the steel pipe 2 is 240 mm or more, more preferably 245 mm or more, still more preferably 270 mm or more. It can be preferably carried out when the outer diameter OD of the pipe body of the steel pipe 2 is 400 mm or less, more preferably 350 mm or less, still more preferably 310 mm or less.
  • the pipe body of the steel pipe 2 preferably has a substantially uniform wall thickness over the entire length in the axial direction. Further, it is preferable that the pipe body of the steel pipe 2 has an outer diameter OD and an inner diameter ID that are substantially uniform over the entire length in the axial direction.
  • the pin is provided at the end of the pipe body of the steel pipe 2. Note that FIG. 1 also shows the pipe shaft CL of the steel pipe 2.
  • the pin 10 has a male screw 11 made of a tapered screw whose diameter gradually decreases toward the pin tip side, and a lip 12.
  • the male screw 11 is composed of a thread formed spirally on the outer peripheral surface of the pin 10.
  • the male screw 11 is composed of a wedge-shaped screw whose thread width gradually narrows toward the tip end side of the pin 10.
  • the thread and thread groove of the male screw 11 have a dovetail-shaped cross-sectional shape.
  • the lip 12 is connected to the male screw 11 via an unthreaded extension extending toward the tip of the male screw 11.
  • a pin seal surface 13 is provided on the outer peripheral surface of the lip 12.
  • the pin seal surface 13 is composed of a cylindrical seal surface having an arcuate cross section, but the cross-sectional shape of the pin seal surface 13 may be a straight line or a combination of a straight line and an arc. May be good.
  • the box 20 has an open end for receiving the pin 10.
  • the box 20 includes a female screw 21 provided on the inner peripheral surface thereof and made of a tapered screw whose diameter gradually decreases toward the tip of the box, and a box seal surface 22.
  • the female screw 21 is composed of a thread formed spirally on the inner peripheral surface of the box 20 corresponding to the male screw 11.
  • the female screw 21 is composed of a wedge-shaped screw whose thread width gradually widens from the open end of the box 20 to the inner side.
  • the thread and thread groove of the female thread 21 have a dovetail-shaped cross-sectional shape.
  • the box seal surface 22 is formed of a tapered surface provided on the inner side of the box 20 with respect to the female screw 21.
  • the box seal surface 22 may be formed of a cylindrical seal surface having an arc-shaped cross section, or may have a shape in which a straight line and an arc are combined in a cross section. A predetermined amount of interference is set between the box seal surface 22 and the pin seal surface 13, and the seal surfaces 13 and 22 come into contact with each other without a gap over the entire circumference in the fastened state to form a metal seal.
  • the male screw 11 of the present embodiment has a completely threaded portion and an incompletely threaded portion.
  • the completely threaded portion of the male screw 11 has a predetermined thread height Th, and is a portion where a thread is formed by a predetermined load surface pitch LP and an insertion surface pitch SP.
  • the thread height Th of the male screw 11 of the illustrated embodiment is 2.2 mm.
  • the incomplete threaded portion of the male thread 11 has a predetermined thread height due to insufficient cutting depth of the outer surface of the steel pipe 2 due to the intersection of the virtual tapered surface that defines the tapered shape of the tapered thread with the outer surface of the steel pipe 2. This is the part where Th is not formed.
  • the male screw 11 of the present embodiment makes contact with the female screw 21 on both the load surface and the insertion surface in both the pin complete thread portion and the pin incomplete thread portion.
  • the load surface pitch LP is 9.845 mm
  • the insertion surface pitch SP is 9.400 mm
  • the minimum thread width at the bottom of the tip of the male thread 11 in the thread height direction is 2.8 mm. It is said to be a degree.
  • the female screw 21 also has a completely threaded portion and an incompletely threaded portion.
  • the complete threaded portion of the female thread 21 is provided from the open end side of the box 20 to the vicinity of the second thread of the male thread 11 of the pin 10.
  • the thread of the incomplete thread portion of the female thread 21 engages with the first thread 11A of the male thread 11 of the pin 10 in the fastened state of the pin 10 and the box 20.
  • the female screw 21 of the present embodiment makes contact with the male screw 11 on both the load surface and the insertion surface in both the box complete thread portion and the box incomplete thread portion.
  • the female screw 21 has threads 23 and 24 that do not come into contact with the male screw 11 on at least one of the load surface and the insertion surface on the open end side of the box 20 with respect to the complete screw portion of the female screw 21.
  • the threads 23 and 24 are not included in the female thread 21.
  • the thread height of the fully threaded portion of the male thread 11 is slightly smaller than the thread height of the fully threaded portion of the female thread 21.
  • a slight gap (for example, about 0.1 mm) is formed between the thread top surface of the male thread 11 and the thread groove bottom surface of the female thread 21, and the thread top of the female thread 21 is formed.
  • the surface and the bottom surface of the male screw 11 come into contact with each other.
  • the range in which the male screw 11 and the female screw 21 mesh with each other in the fastened state that is, the range in which the load surface of the male screw 11 contacts the load surface of the female screw 21 and the insertion surface of the male screw 11 contacts the insertion surface of the female screw 21 is preferably 60 to. It has an axial length of 100 mm.
  • the load surface and the insertion surface of the thread of the male screw 11 and the female screw 21 each have a negative flank angle ⁇ .
  • the flank angles ⁇ of the load surface and the insertion surface may be the same, or different flank angles may be set.
  • the flank angle ⁇ of the load surface and the insertion surface is ⁇ 5.0 °.
  • the screw taper of the male screw 11 and the female screw 21 is set to 1/16.
  • the male screw 11 of the present embodiment has a first screw portion 111 having a first curved surface portion 111A having a relatively large radius of curvature r1 and a screw spiral on the first screw portion 111.
  • the second threaded portion 112 constitutes all remaining portions of the male thread 11 except the first threaded portion 111.
  • the load surface of the second threaded portion 112 and the bottom surface of the threaded groove are connected via a second curved surface portion 112A having a radius of curvature r2 smaller than that of the first curved surface portion 111A.
  • the radius of curvature r1 of the first curved surface portion 111A is 0.4 mm
  • the radius of curvature R2 of the second curved surface portion 112A is 0.1 mm.
  • the thread width at the base of the first thread portion 111 is completely larger than the thread width at the base of the tip portion of the first thread portion 111.
  • the load surface and the thread top surface of the female screw 21 are connected via a third curved surface portion 21A having a radius of curvature r3 larger than the radius of curvature r1 of the first curved surface portion 111 of the male screw 11.
  • the radius of curvature r3 of the third curved surface portion 21A is set to 0.5 mm.
  • the third curved surface portion 21A is provided over the entire female screw 21, but a relatively large radius of curvature r3 is provided only on the portion facing the first curved surface portion 111A when the pin 10 and the box 20 are fastened.
  • a curved surface having a third curved surface portion 21A is provided, and a curved surface having a radius of curvature of, for example, 0.5 to 2.0 mm, which is smaller than the radius of curvature r3, is provided between the load surface of the female screw 21 and the thread top surface of other portions. A part can be provided.
  • the thread top surface of the first thread 211 of the female screw 21 that contacts the load surface of the first thread portion 111 at the tip of the male screw 11 in the fastened state contacts the load surface.
  • a radial gap is provided between the thread top surface of the portion to be threaded and the bottom surface of the thread groove of the male screw 11 facing the thread top surface. The dimension of this gap is smaller than the radius of curvature r1 of the first curved surface portion 111A, and is about 0.3 mm in the illustrated embodiment.
  • the radial outer end portion of the first curved surface portion 111 is located radially outward from the radial inner end portion of the third curved surface portion 21A, and the radial outer end portion of the third curved surface portion 21A is located. It is located inward in the radial direction from the part.
  • FIG. 5 shows a threaded joint for steel pipes according to the second embodiment, and the load surface pitch and the insertion surface pitch are slightly smaller than those of the threaded joint of the first embodiment, whereby the thread appearing in the vertical cross section.
  • the number of mountains is increasing.
  • the load surface pitch was 8.466 mm
  • the insertion surface pitch was 8.084 mm.
  • the minimum thread width at the bottom of the thread at the tip of the male screw 11 is about 2.1 mm.
  • the shear resistance and torque resistance were evaluated by numerical analysis simulation by the elasto-plastic finite element method.
  • the specimens # 1 to # 4 have the basic structure of the threaded joint according to the first embodiment described above, and the first curved surface portion is provided over the entire length of the male screw. Further, the specimen # 1 has the radius of curvature of the first curved surface portion of 0.1 mm, the specimen # 2 has the same radius of curvature of 0.2 mm, and the specimen # 3 has the same radius of curvature of 0. The specimen # 4 has the same radius of curvature of 0.4 mm.
  • Specimens # 5 to 8 have the basic structure of the threaded joint according to the second embodiment described above, and the first curved surface portion is provided over the entire length of the male screw. Further, the specimen # 1 has the radius of curvature of the first curved surface portion of 0.1 mm, the specimen # 2 has the same radius of curvature of 0.2 mm, and the specimen # 3 has the same radius of curvature of 0. The specimen # 4 has the same radius of curvature of 0.4 mm.
  • shear resistance Regarding the shear resistance performance, 100% of the tensile load that yields the steel pipe body is applied, and the equivalent plastic strain at the first curved surface of the screw bottom on the load surface side of the male screw tip, which is the starting point of shear failure of the male screw. was calculated, and it was evaluated that the smaller the value, the better the shear resistance performance. The evaluation result is shown in FIG.
  • the equivalent plastic strain becomes smaller than the conventional product when the radius exceeds 0.30 mm, and the equivalent plastic strain becomes smaller than the conventional product when the radius of curvature exceeds 0.35 mm in the specimens # 5 to # 8. .. Since the thread height Th of these specimens is 2.2 mm, in the case of specimens # 1 to # 4, when the radius of curvature r1 ⁇ Th ⁇ 0.14 is satisfied, the corresponding plastic strain becomes smaller than that of the conventional product. Further, in the case of the specimens # 5 to # 8, when the radius of curvature r1 ⁇ Th ⁇ 0.16 is satisfied, it can be evaluated that the equivalent plastic strain is smaller than that of the conventional product.
  • the torque resistance is hardly affected by the change in the radius of curvature of the first curved surface of the bottom of the male screw load surface, and the specimens # 1 to # 4 and the specimens # 5 to # 8 each have the same value. Indicated. It is probable that the torque resistance of the specimens # 1 to # 4 was lower than that of the conventional product due to the decrease in the contact area of the load surface due to the larger radius of curvature of the top of the load surface of the female screw than that of the conventional product. On the other hand, the specimens # 5 to # 8 in which the load surface pitch and the insertion surface pitch were narrowed in order to increase the load surface contact area showed higher torque resistance performance than the conventional products.
  • the torque resistance of the specimens # 1 to # 4 is lower than that of the conventional product, but by making the radius of curvature of the first curved surface portion larger than 0.3 mm, better shear resistance than the conventional product can be obtained. Therefore, it is useful in applications where high torque resistance is not required, and it is considered that it can be applied to products where torque resistance is required by applying other means for improving torque resistance.
  • the torque resistance performance can be significantly improved by reducing the radius of curvature of the top of the load surface of the female thread at the portion that does not mesh with the first thread of the male thread and increasing the contact area of the load surface.
  • Threaded joint for steel pipe 2: Steel pipe, 10: Pin, 20: Box 11: Male screw, 111: First threaded part, 111A: First curved surface part, r1: Radius of curvature 112: Second threaded part, 112A: 2nd curved surface part, r2: radius of curvature 21: female screw, 21A: 3rd curved surface part, r3: radius of curvature 2: steel pipe

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Abstract

雄ねじ１１の先端部の第１ねじ山１１１の荷重面底部の曲率半径ｒ１を、ねじ山高さＴｈ×０．１４以上、より好ましくはＴｈ×０．１６以上とすることによって、第１ねじ山１１１の耐せん断性能を改善する。さらに、ねじピッチを小さくことによりねじ山数を増加させ荷重面接触面積を増加させることや、雄ねじ先端部の第１ねじ山の荷重面底部の曲率半径のみ大きくし、その他の部位は小さな曲率半径として荷重面の接触面積を大きくするなどによって、高い耐トルク性能を維持する。

Description

鋼管用ねじ継手
　本開示は、鋼管の連結に用いられる鋼管用ねじ継手に関する。
　例えば、油井、天然ガス井等（以下、総称して「油井」ともいう。）の試掘又は生産、オイルサンドやシェールガス等の非在来型資源の開発、二酸化炭素の回収や貯留（CCS: Carbon dioxide Capture and Storage）、地熱発電、あるいは温泉等では、油井管と呼ば
れる鋼管が用いられる。鋼管同士の連結には、ねじ継手が用いられる。この種の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、管状のカップリングを介して鋼管同士が連結される。典型的には、カップリングの両端部の内周に雌ねじがそれぞれ設けられ、鋼管の両端部の外周には雄ねじがそれぞれ設けられる。そして、カップリングの一方の端部に一の鋼管の一端部がねじ込まれるとともに、カップリングの他方の端部に他の鋼管の一端部がねじ込まれることにより、鋼管同士が連結される。すなわち、カップリング型では、直接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。
　インテグラル型の場合、鋼管同士が直接連結され、別個のカップリングを用いない。具体的には、鋼管の一端部の内周には雌ねじが、他端部の外周には雄ねじが設けられ、雌ねじ部が設けられた一の鋼管の一端部に、雄ねじ部が設けられた他の鋼管の他端部がねじ込まれることにより、鋼管同士が連結される。
　一般に、雄ねじが形成された鋼管の管端部は、雌ねじが形成された鋼管又はカップリングの管端部に挿入される要素を含むことから、「ピン」と称される。雌ねじが形成された鋼管又はカップリングの管端部は、雄ねじが形成された鋼管の管端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。これらピン及びボックスは、管材の端部であるため、いずれも管状である。
　近年、ＤｗＣ（Drilling with Casing）や水平掘削などの井戸開発技術が広まりつつあり、ハイトルク継手の需要が急増している。本願出願人は、従前より、比較的小径サイズの鋼管用のハイトルク継手として、楔形ねじとも称される断面形状がダブテイル形のテーパーねじを採用したねじ継手を製造している。このようなハイトルク継手は、例えば下記の特許文献１に開示されている。
　楔形ねじは、荷重面ピッチよりも挿入面ピッチが小さいねじプロファイルを有し、これによりピンの雄ねじのねじ山幅がねじの螺旋に沿って先端側に至るにしたがって徐々に狭くなり、相対するボックスの雌ねじのねじ溝幅も同様に先端側に至るにしたがって徐々に狭くなる。また、雄ねじ及び雌ねじのそれぞれの荷重面及び挿入面のいずれも負のフランク角を有しており、ピンとボックスとの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とで、雄ねじ及び雌ねじのそれぞれのねじ山同士が強固に嵌まり合う。かかる構成により、楔形ねじを採用したねじ継手は、高い耐トルク性能を発揮できる。
　また、下記特許文献１の図５及び段落００６５には、ねじ山の荷重面とねじ山頂面との間の接続部、及び、ねじ山の荷重面とねじ溝底面との間の接続部に、異なる曲率半径を有する２つの弧からなる湾曲部を設け、これにより荷重面の基部における集中荷重要因を低減して、前記接続部の疲労性能を改善する技術が開示されている。
特表２００７－５０４４２０号公報
　本願出願人は、より大径サイズの鋼管用のハイトルクねじ継手の開発を行っているが、9‐5/8″以上の大径サイズのねじ継手を従前と同様の設計基準にしたがって設計すると、ＩＳＯ１３６７９：２０１１　Ｓｅｒｉｅｓ　Ａに準拠した試作品の複合荷重負荷試験において、最大引張荷重負荷時に、ピンの雄ねじ部のねじ山がせん断破壊するという問題が発生した。なお、本願出願人による従前の設計基準では、特許文献１に開示された上記湾曲部を構成する２つの弧のうち、荷重面に接続する弧（２３）の曲率半径は０．１２５ｍｍ、ねじ溝底面又はねじ山頂面に接続する弧（２４）の曲率半径は０．８７５ｍｍである。
　本開示は、大径サイズの鋼管用ねじ継手においても、高い耐トルク性能を発揮できるとともに、連結対象の鋼管のサイズに応じた耐せん断性能を発揮できるようにすることを目的とする。
　本発明者らは、大径サイズの鋼管用のハイトルクねじ継手における雄ねじ部のねじ山破断の原因を究明すべく鋭意検討を重ねた結果、大径サイズの鋼管に求められる引張強度、言い換えれば耐せん断性能に対して、雄ねじの先端部のねじ山のせん断強度が不十分であり、雄ねじ先端部のねじ山底部を起点としてせん断破壊が生じることを見出した。すなわち、雄ねじ先端部から１周分のねじ山（以下、「第１ねじ山」という。）が最初にせん断破壊すると、断面においてその１つ内側（すなわち鋼管の管本体側）に位置する第２ねじ山に荷重が集中して第２ねじ山がせん断破壊し、第２ねじ山がせん断破壊するとその１つ内側の第３ねじ山に荷重が集中してせん断破壊し、次々とせん断破壊が伝搬していく。このようにして広範囲に亘って雄ねじのねじ山がせん断破壊していくと考えられる。
　また、断面が台形状の一般的な雄ねじにおいては、過大な引張荷重の負荷時に、ピン及びボックスが径方向に変形してジャンプアウトすることはあるが、ねじ山が広範囲に亘って破断することは殆どなかった。一方、上記のハイトルクねじ継手では、断面ダブテイル形状の雄ねじ及び雌ねじのねじ山同士が強固に噛み合っていることから、雄ねじと雌ねじとの噛み合いが外れることがない。
　そのため、断面ダブテイル形状の楔形ねじにより雄ねじ及び雌ねじを構成したハイトルクねじ継手では、最初にせん断破壊が生じる第１ねじ山の剛性が耐ジャンプアウト性能及び耐せん断性能の確保のためには重要となる。
　本発明者らは、雄ねじ先端部の耐せん断性能を向上する手段として、雄ねじの先端部における荷重面とねじ溝底面との間の境界部の曲率半径に着目した。上述した雄ねじのせん断破壊は、雄ねじ先端部における荷重面とねじ溝底面との間の境界に応力が集中することが原因であると考えられるため、当該境界部の曲率半径を大きくすることによって応力集中を緩和でき、耐せん断性能が向上すると考えられる。
　また、ねじ山高さが大きくなるほど、荷重面に作用する等分布荷重の総和が同じであっても、上記境界部に作用する曲げモーメントは大きくなり、上記境界部における相当塑性ひずみも大きくなると考えられるため、ねじ山高さに応じた適切な曲率半径の曲面部によって上記境界部を構成する必要があると考えられる。
　一方、ねじ山高さが大きくなりすぎると、ねじ溝の切削加工深さが大きくなって、加工性が悪くなるため、大径サイズの鋼管用のねじ継手であっても、ねじ山高さは３．０ｍｍ以下であることが好ましい。また、十分な耐トルク性能を発揮するためには、荷重面及び挿入面の接触面積を確保する必要があるため、ねじ山高さは１．８ｍｍ以上であることが好ましい。
　本開示に係る鋼管用ねじ継手は、上述した技術的知見を総合的に検討することによって見出されたものである。すなわち、本開示に係る鋼管用ねじ継手は、鋼管の先端部に設けられる管状のピンと、前記ピンがねじ込まれて前記ピンと締結される管状のボックスとを備える。前記ピンは、前記ピンの外周に形成された雄ねじを有する。前記ボックスは、前記ボックスの内周に形成され且つ締結時に前記雄ねじに嵌合する雌ねじを有する。前記雄ねじ及び前記雌ねじは、荷重面、挿入面、ねじ山頂面及びねじ溝底面を有し、前記雄ねじ及び前記雌ねじの荷重面ピッチよりも前記雄ねじ及び前記雌ねじの挿入面ピッチが小さく、締結状態で前記雄ねじの荷重面が前記雌ねじの荷重面に接触するとともに前記雄ねじの挿入面が前記雌ねじの挿入面に接触する。前記雄ねじ及び前記雌ねじの荷重面及び前記挿入面は負のフランク角を有することが好ましい。
　また、前記雄ねじの先端部からねじ螺旋方向の所定範囲における前記雄ねじの前記荷重面と前記ねじ溝底面とが、縦断面における曲率半径ｒ１が下記の式（１）を満たす第１の曲面部を介して接続されていてよい。
　ｒ１≧Ｔｈ×０．１４　・・・（１）
　但し、Ｔｈは、前記雄ねじの先端部からねじ螺旋方向の所定範囲における前記雄ねじの荷重面側のねじ山高さである。好ましくは、ねじ山高さＴｈは、１．８ｍｍ≦Ｔｈ≦３．０ｍｍを満たす。より好ましくは、ｒ１≧Ｔｈ×０．１６を満たす。
　本開示によれば、楔形ねじにより雄ねじ及び雌ねじを構成することによって高い耐トルク性能を発揮するとともに、大径サイズの鋼管に求められる耐せん断性能をピンの雄ねじ先端部に付与することができる。
図１は、第１の実施の形態に係る鋼管用ねじ継手の管軸方向に沿った縦断面図である。 図２は、雄ねじの第１ねじ山及び第２ねじ山を含む範囲の拡大縦断面図である。 図３は、雄ねじの第１ねじ山近傍の拡大縦断面図である。 図４は、雄ねじの第１ねじ山と第２ねじ山との接続部の拡大斜視図である。 図５は、第２の実施の形態に係る鋼管用ねじ継手の管軸方向に沿った縦断面図である。 図６は、ＦＥＭ解析による相当塑性ひずみの評価結果を示すグラフである。 図７は、ＦＥＭ解析による耐トルク性能の評価結果を示すグラフである。
　本実施の形態に係る鋼管用ねじ継手は、鋼管の先端部に設けられる管状のピンと、ピンがねじ込まれてピンと締結される管状のボックスとを備える。ピンは、ピンの外周に形成された雄ねじを有する。ボックスは、ボックスの内周に形成され且つ締結時に雄ねじに嵌合する雌ねじを有する。
　好ましくは、雄ねじは、ピン先端側に至るにしたがって徐々に縮径するテーパーねじである。雄ねじは、ねじ山高さが一定の完全ねじ部と、完全ねじ部よりもねじ山高さが低い不完全ねじ部とを有していてよい。雄ねじは鋼管の外周面を切削加工することによって形成され、鋼管の管本体側から先端側に至るにしたがってねじ溝の切削深さが０から完全ねじ部のねじ山高さとなるまで徐々に深くなっていくが、雄ねじの不完全ねじ部は、ねじ溝の切削深さが完全ねじ部のねじ山高さよりも小さい部位により主として構成される。このような構成では、完全ねじ部においては雄ねじのねじ山頂面及びねじ溝底面がいずれもねじ螺旋方向に沿ってピン先端側に至るにしたがって徐々に縮径していくが、不完全ねじ部においてはねじ溝底面はねじ螺旋方向に沿ってピン先端側に至るにしたがって徐々に縮径するが、不完全ねじ部のねじ山頂面は一定の径を有する。
　好ましくは、雌ねじは、ボックス先端側（すなわち鋼管の管本体側）に至るにしたがって徐々に拡径するテーパーねじである。雌ねじは、ねじ山高さが一定の完全ねじ部と、完全ねじ部よりもねじ山高さが低い不完全ねじ部とを有していてよい。また、雌ねじの完全ねじ部のねじ山高さを、雄ねじの完全ねじ部のねじ山高さよりも僅かに大きくしておくこともできる。この場合、ピン及びボックスの締結状態において、雌ねじのねじ山頂面は雄ねじのねじ溝底面に接触するが、雄ねじのねじ山頂面と雌ねじのねじ溝底面との間に隙間が形成されることとなる。この隙間を設けておくことにより、雄ねじと雌ねじとの嵌合時のかじりや焼き付きを防止できるとともに、上記隙間をドープ排出流路として好適に利用できる。
　雌ねじは、ボックスを構成するカップリング又は鋼管の内周面を切削加工することによって形成される。好ましくは、ピン及びボックスの締結状態において雄ねじの完全ねじ部の最も先端側の第１ねじ山が嵌合する雌ねじの第１ねじ溝は、雄ねじの荷重面と雌ねじの荷重面との接触領域の径方向寸法が、雄ねじの第１ねじ山のねじ山高さの６０％以上、より好ましくは７０％以上となる程度の溝深さを有する。
　雄ねじ及び雌ねじは、荷重面、挿入面、ねじ山頂面及びねじ溝底面を有し、雄ねじ及び雌ねじの荷重面及び挿入面は負のフランク角を有する。すなわち、雄ねじ及び雌ねじは、縦断面においてダブテイル形状のねじ溝及びねじ山を有する。雄ねじ及び雌ねじは、縦断面において複数のねじ山頂面及び複数のねじ溝底面が現れるが、縦断面における各ねじ山頂面の形状及び各ねじ溝底面の形状は、鋼管の管軸に平行であってもよいし、テーパーねじのテーパー角に沿うように鋼管の管軸に対して傾斜していてもよい。荷重面のフランク角は、例えば－１０°～－１°の範囲の所定値であってよく、より好ましくは－４°～－６°の範囲の所定値であってよい。また、挿入面のフランク角は、例えば－１０°～－１°の範囲の所定値であってよく、より好ましくは－４°～－６°の範囲の所定値であってよい。また、縦断面における雄ねじ及び雌ねじの各ねじ山の荷重面及び挿入面の断面形状は直線状であってよい。
　本実施形態の鋼管用ねじ継手では、雄ねじ及び雌ねじの荷重面ピッチよりも雄ねじ及び雌ねじの挿入面ピッチが小さい。これにより、雄ねじは、ピン先端側に至るにしたがってねじ山幅が小さくなるとともにねじ溝幅が大きくなる楔形ねじとして形成され、雌ねじは、ボックス先端側に至るにしたがってねじ山幅が小さくなるとともにねじ溝幅が大きくなる楔形ねじとして形成されている。なお、荷重面ピッチは、例えば８．０ｍｍ～１１．０ｍｍの範囲の所定値であってよく、また、挿入面ピッチは、例えば７．５ｍｍ～１０．５ｍｍの範囲の所定値であってよい。これら荷重面ピッチ及び挿入面ピッチのピッチ差Δｐは、例えば０．３ｍｍ～０．６ｍｍであってよい。
　本開示において、「雄ねじ」は、完全ねじ部であるか不完全ねじ部であるかを問わず、ピン及びボックスの締結状態で雄ねじの荷重面が雌ねじの荷重面に接触するとともに雄ね
じの挿入面が雌ねじの挿入面に接触する部位であるものとする。また、「雌ねじ」は、完全ねじ部であるか不完全ねじ部であるかを問わず、ピン及びボックスの締結状態で雌ねじの荷重面が雄ねじの荷重面に接触するとともに雌ねじの挿入面が雄ねじの挿入面に接触する部位であるものとする。なお、例えば図４に示すように、雄ねじ１１の完全ねじ部のピン先端側に、挿入面及び荷重面の少なくともいずれかが雌ねじに接触しない不完全ねじ１５を設けてもよいが、このような不完全ねじは耐トルク性能に寄与しない部位であるため、本開示においては「雄ねじ」を構成する部位ではないものとする。また、雌ねじの完全ねじ部のボックス先端側に、挿入面及び荷重面の少なくともいずれかが雄ねじに接触しない不完全ねじを設けてもよいが、このような不完全ねじは耐トルク性能に寄与しない部位であるため、本開示においては「雌ねじ」を構成する部位ではないものとする。
　本実施形態の鋼管用ねじ継手においては、雄ねじの先端部からねじ螺旋方向の所定範囲における雄ねじの荷重面とねじ溝底面とが、縦断面における曲率半径ｒ１が下記の式（１）を満たす第１の曲面部を介して接続されている。なお、第１の曲面部の径方向内端部は、雄ねじのねじ溝底面に滑らかに連続することが好ましい。また、第１の曲面部の径方向外端部は、雄ねじの荷重面に滑らかに連続することが好ましい。
　ｒ１≧Ｔｈ×０．１４　・・・（１）
　但し、Ｔｈは、雄ねじの先端部からねじ螺旋方向の所定範囲における雄ねじの荷重面側のねじ山高さであって、１．８ｍｍ≦Ｔｈ≦３．０ｍｍを満たす。好ましくは、雄ねじの先端部からねじ螺旋方向の所定範囲のねじ山は、雄ねじの完全ねじ部の一部である。ねじ山高さＴｈが１．８ｍｍより小さいと、雄ねじ及び雌ねじの荷重面同士の接触面積が小さくなり、必要な耐トルク性能が得られなくなる。一方、ねじ山高さＴｈが３．０ｍｍより大きいと、切削加工深さが大きくなり、切削加工時間及び加工コストが増大する。
　ねじ山高さＴｈが１．８ｍｍの場合、曲率半径ｒ１は０．２５２ｍｍ以上となり、また、ねじ山高さが３．０ｍｍの場合、曲率半径ｒ１は０．４２ｍｍ以上となるが、このように大きな曲率半径で雄ねじの荷重面とねじ溝底面とを接続することは本発明者らによって始めて提案されたものである。
　第１の曲面部は雄ねじの全長にわたって設けられていてよい。
　耐トルク性能を向上させる方法の一つは、荷重面ピッチ及び挿入面ピッチを比較的小さくすることによって、縦断面に現れるねじ山の数を比較的多くすることである。好ましくは、締結状態で、雄ねじの先端部からねじ螺旋方向に少なくとも８周分、より好ましくは９周分以上にわたるねじ山部分の荷重面及び挿入面が、雌ねじの荷重面及び挿入面に接触するよう、前記雄ねじ及び前記雌ねじのねじプロファイルを定めることができる。より好ましくは、荷重面ピッチを８．５０ｍｍ以下、挿入面ピッチを８．１０ｍｍ以下、これらのピッチ差を０．３５ｍｍ以上０．４５ｍｍ以下、雄ねじの先端部におけるねじ山底部の最小ねじ山幅を２．０ｍｍ以上とすることができる。また、雌ねじのボックス先端部におけるねじ山底部の最小ねじ山幅も２．１ｍｍ以上であることが好ましい。なお、雌ねじの先端部よりもボックス先端側に、荷重面及び挿入面の少なくともいずれかが雄ねじに接触しない不完全ねじが形成されていてもよいが、このような不完全ねじは耐トルク性能に寄与しない部位であるから、この不完全ねじのねじ山幅は切削加工上の都合等によって２．００ｍｍ未満となっていてもよい。上記不完全ねじは本開示において「雌ねじ」を構成しない。
　大きな曲率半径を有する第１の曲面部は、全長にわたって設けるのではなく、雄ねじの先端部からねじ螺旋方向に沿って少なくとも１／２周、より好ましくは少なくとも１周にわたって設けられていてもよい。これによれば、ねじ山幅が最も狭くなる雄ねじの第１ねじ山の基部におけるせん断剛性を第１の曲面部によって補強し、第１ねじ山を起点としてせん断破壊が発生することを回避できる。
　また、雄ねじ１１は、例えば図４に示すように、第１の曲面部１１１Ａを有する第１のねじ部分１１１と、第１のねじ部分１１１にねじ螺旋方向に連続する第２のねじ部分１１２とを備えていてよい。第２のねじ部分１１２の荷重面とねじ溝底面とは、第１の曲面部１１１Ａよりも小さな曲率半径ｒ２を有する第２の曲面部１１２Ａを介して接続されていてよい。なお、第１の曲面部１１１Ａと第２の曲面部１１２Ａとを滑らかに接続させ、これらの境界部に段差が形成されないようにすることが好ましい。
　第１の曲面部は、雄ねじの先端部からねじ螺旋方向に少なくともｘ周分にわたって設けられていてよい。但し、ｘは下記の式（２）を満たす。
　ｘ＝（ｒ１－ｒ２）／Δｐ　・・・（２）
　ここで、Δｐは、雄ねじの荷重面ピッチと挿入面ピッチとの間のピッチ差である。
　このように雄ねじを構成することによって、比較的小さな曲率半径ｒ２を有する第２のねじ部分においては、ボックス２０の雌ねじのうち上記曲率半径ｒ２に対応する部分の荷重面とねじ山頂面との境界部の曲率半径も比較的小さくすることにより、雄ねじ及び雌ねじの荷重面間の接触面積を大きく確保でき、耐トルク性能の点で有利である。さらに、第２のねじ部分の先端部は、第２のねじ部分の中で最もねじ山幅が狭い部分となるが、上記式（２）を満たすことにより、第２のねじ部分の中で最も小さいねじ山幅が、大きな曲率半径ｒ１を有する第１の曲面部によってねじ山底部のねじ山幅が増加されている第１のねじ部分の先端部のねじ山幅と同等の大きさとなり、第２のねじ部分の先端部を起点とするせん断破壊が生じることを回避できる。
　すなわち、例えば図３に示すように、荷重面のフランク角が－１０°～－１°程度であれば、荷重面とねじ溝底面とを接続する第１の曲面部１１１Ａは縦断面においてほぼ四半円弧となる。したがって、第１の曲面部１１１Ａの径方向内端部Ｐｉと径方向外端部Ｐｏとの管軸方向距離は、第１の曲面部１１１Ａの曲率半径ｒ１とほぼ等しくなる。図３には、第１のねじ部分１１１の先端部からねじ螺旋方向にほぼ半周した位置に第２のねじ部分の先端部が存在する場合の第２の曲面部１１２Ａ’と、ほぼ３／４周した位置に第２のねじ部分の先端部が存在する場合の第２の曲面部１１２Ａ”とを、ねじ山幅の比較のために第１のねじ部分１１１の先端部に重ねて仮想線でそれぞれ示している。第２の曲面部の径方向内端部と径方向外端部との間の軸方向距離も、第２の曲面部の曲率半径ｒ２とほぼ同じになる。ここで、ねじ山幅は、ねじ螺旋方向に１周すると荷重面ピッチと挿入面ピッチとのピッチ差Δｐ分だけ変化する。したがって、ｘ周するとねじ山幅はΔｐ×ｘだけ大きくなる。ｘ周した位置に第２のねじ部分の先端部が存在する場合、第２の曲面部の径方向内端部におけるねじ山幅Ｗ２（図３においてＰｉに対応する位置でのねじ山幅）は、第１のねじ部分の先端部での第１の曲面部の径方向内端部におけるねじ山幅（図３においてＰｉの位置でのねじ山幅）をＷ１とすると、次の式（３）で表すことができる。
　Ｗ２＝Ｗ１－ｒ１＋Δｐ×ｘ＋ｒ２　・・・（３）
　ここで、Ｗ１－ｒ１は、すなわちＰｏの位置を近似的に表す。（Ｗ１－ｒ１）＋Δｐ×ｘは、Ｐｏに対応する第２の曲面部１１２Ａ’，１１２Ａ”の外端部の位置を近似的に表す。そして、上記式（３）は、Ｐｉに対応する第２の曲面部１１２Ａ’，１１２Ａ”の内端部の位置を近似的に表す。第１のねじ部分１１１の螺旋方向の長さが長くなるほどＷ２は大きくなる。したがたって、第１のねじ部分１１１の長さによって、Ｗ２がＷ１よりも小さくなる場合もあれば、Ｗ２がＷ１よりも大きくなる場合もある。
　Ｗ２がＷ１よりも小さい場合、小さな曲率半径ｒ２で第２の曲面部１１２Ａ’が立ち上がるため、この第２の曲面部１１２Ａ’の部分において第２のねじ部のねじ山幅が第１のねじ部１１１の底部よりも小さくなり（すなわち、図３に示されるように、曲面部１１２Ａ’が曲面部１１１Ａの表面よりも食い込んだ状態となる。）、この第２のねじ部のねじ山幅の小さくなった部位が強度的に弱点となるおそれがある。したがって、Ｗ２はＷ１とほぼ等しいかＷ１より大きいことが好ましい。したがって、上記式（３）と、Ｗ２≧Ｗ１の条件より、ｘ≧（ｒ１－ｒ２）／Δｐが導かれる。すなわち、ｘ＝（ｒ１－ｒ２）／Δｐと定義すると、第１の曲面部は、雄ねじの先端部からねじ螺旋方向に少なくともｘ周分にわたって設けることが好ましい。
　例えば、荷重面ピッチが９．８４５ｍｍ、挿入面ピッチが９．４００ｍｍ、第１の曲面部の曲率半径ｒ１が０．４ｍｍ、第２の曲面部の曲率半径ｒ２が０．１ｍｍである場合は、（０．４－０．１）／（９．８４５－９．４００）≒２／３周以上にわたって第１の曲面部を設けることが好ましい。第２の曲面部の曲率半径ｒ２が０．２ｍｍ、その他は上記と同様の場合はおよそ半周以上にわたって第１の曲面部を設けることが好ましい。
　加えて、雄ねじに曲率半径の小さい第２の曲面部を有する第２のねじ部を設け、雌ねじのうち第２のねじ部に噛み合うねじ山部分の荷重面とねじ山頂面との間の曲率半径を後述する第３の曲面部よりも小さくすることによって、荷重面同士の接触面積を全体として大きく確保でき、大きな耐トルク性能を発揮させることもできる。
　本実施形態の鋼管用ねじ継手において、好ましくは、雌ねじの荷重面とねじ山頂面とを、締結状態で雄ねじの第１の曲面部に対向し且つ第１の曲面部よりも大きな曲率半径を有する第３の曲面部を介して接続することができる。これにより、雌ねじの荷重面とねじ山頂面との境界角部が第１の曲面部に干渉することを防止できる。
　さらに、雌ねじの一部であって締結状態で雄ねじの先端部の荷重面に接触する部分のねじ山頂面と、このねじ山頂面に対向する雄ねじのねじ溝底面との間に、径方向の隙間が設けられていてよい。より好ましくは、上記雌ねじの一部のねじ山頂面は、雌ねじのボックス最奥部に位置する雌ねじ端部のねじ山頂面であってよい。さらに、上記雌ねじの一部のねじ山頂面は、雌ねじよりもボックス奥側に設けられた管状ねじ無し延長部の内周面と同じ径を有していてよい。また、ピンは、ボックスのねじ無し延長部に対応する管状ねじ無し延長部を備えていてよく、締結状態でピンのねじ無し延長部の外周面はボックスのねじ無し延長部の内周面に接触させないことが好ましい。さらに、ピンは、ピンのねじ無し延長部よりもピン先端側に位置するピンシール面を備えることが好ましく、ボックスは、ボックスのねじ無し延長部よりもボックス奥側に位置するピンシール面を備えることが好ましい。これらピンシール面及びボックスシール面は、ピン及びボックスの締結状態で互いに接触して外圧及び内圧に対するシール性を発揮するメタルーメタルシールを構成する。上記ねじ無し延長部は、雄ねじ及び雌ねじに作用する圧縮－引張荷重によってピンシール面及びボックスシール面にひずみの影響が生じることを防止するのに役立つ。また、上記雌ねじの一部のねじ山高さを雌ねじの完全ねじ部のねじ山高さよりも小さくすることによって上記隙間を形成することで、ピン先端側のねじ溝深さを深くすることによって上記隙間を形成する場合に比して、ピン先端部近傍のピン肉厚を大きく確保できる。また、上記隙間の存在により、最もねじ山幅が小さくなる雄ねじ先端部の荷重面のねじ山底部に雌ねじのねじ山頂部が直接接触することを防止でき、雄ねじの最も弱い部位への直接的なダメージを低減できる。
　なお、外圧用シールと内圧用シールとを別に設けることもでき、この場合、内圧用シールは雄ねじ及び雌ねじよりもピン先端側に設け、外圧用シールは雄ねじ及び雌ねじよりも管本体側に設けることができる。
　好ましくは、第１の曲面部の径方向外端部を、第１の曲面部に対向する第３の曲面部の径方向内端部よりも径方向外方に位置させるとともに、第１の曲面部に対向する第３の曲面部の径方向外端部よりも径方向内方に位置させることが好ましい。これにより、雄ねじ及び雌ねじの荷重面同士の接触範囲の径方向内端部と第１の曲面部の径方向外端部との間の距離を可及的に小さくすることができ、耐トルク性能をより向上することができる。
　以下、図面を参照しつつ、本実施の形態に係る鋼管用ねじ継手を説明する。図中、同一及び相当する構成には同一の符号を付し、同じ説明を繰り返さない。
　図１を参照して、本実施の形態に係る鋼管用ねじ継手１は、管状のピン１０と、管状のボックス２０とを備える。ピン１０は、鋼管２の端部に形成される。ボックス２０は、カップリング３の端部に形成され、ピン１０が挿入されてピン１０と締結される。本明細書において、鋼管２の端部以外の部分を「管本体」ということがある。
　本実施形態の鋼管用ねじ継手は、鋼管２の管本体の外径ＯＤが２４０ｍｍ以上の場合に好適に実施でき、より好ましくは２４５ｍｍ以上、さらに好ましくは２７０ｍｍ以上の場合に好適に実施できる。鋼管２の管本体の外径ＯＤが４００ｍｍ以下の場合に好適に実施でき、より好ましくは３５０ｍｍ以下、さらに好ましくは３１０ｍｍ以下の場合に好適に実施できる。鋼管２の管本体は、軸方向全長に亘ってほぼ均一な肉厚を有することが好ましい。また、鋼管２の管本体は、軸方向全長に亘ってほぼ均一な外径ＯＤ及び内径ＩＤを有することが好ましい。ピンは、鋼管２の管本体の端部に設けられる。なお、図１には鋼管２の管軸ＣＬも示されている。
　ピン１０は、ピン先端側に至るにしたがって徐々に縮径するテーパーねじからなる雄ねじ１１と、リップ１２とを有する。雄ねじ１１は、ピン１０の外周面に螺旋状に形成されたねじ山から構成される。雄ねじ１１は、ねじ山幅がピン１０の先端側に至るにしたがって徐々に狭くなる楔形ねじで構成される。雄ねじ１１のねじ山及びねじ溝は、ダブテイル形状の断面形状を有する。リップ１２は、雄ねじ１１の先端部よりも先端側に延びるねじ無し延長部を介して雄ねじ１１に接続されている。リップ１２の外周面には、ピンシール面１３が設けられている。ピンシール面１３は、図示例では断面円弧状の円筒状シール面により構成されているが、ピンシール面１３の断面形状は直線状であってもよいし、直線と円弧とを組み合わせた形状であってもよい。
　ボックス２０は、ピン１０を受け入れる開口端部を有する。ボックス２０は、その内周面に設けられ且つボックス先端側に至るにしたがって徐々に縮径するテーパーねじからなる雌ねじ２１と、ボックスシール面２２とを含む。雌ねじ２１は、雄ねじ１１に対応してボックス２０の内周面に螺旋状に形成されたねじ山から構成される。雌ねじ２１は、ねじ山幅がボックス２０の開口端部から奥側に至るにしたがって徐々に広くなる楔形ねじで構成される。雌ねじ２１のねじ山及びねじ溝は、ダブテイル形状の断面形状を有する。ボックスシール面２２は、雌ねじ２１よりもボックス２０の奥側に設けられたテーパー面からなる。なお、ボックスシール面２２は、断面円弧状の円筒状シール面により構成されていてもよいし、断面において直線と円弧とを組み合わせた形状であってもよい。ボックスシール面２２とピンシール面１３との間には所定の干渉量が設定されており、締結状態でシール面１３，２２同士が全周にわたって隙間無く接触することによりメタルシールが形成される。
　本実施形態の雄ねじ１１は、図１及び図２に示すように、完全ねじ部と不完全ねじ部とを有する。雄ねじ１１の完全ねじ部は、所定のねじ山高さＴｈを有し、所定の荷重面ピッチＬＰ及び挿入面ピッチＳＰでねじ山が形成された部分である。図示実施例の雄ねじ１１のねじ山高さＴｈは２．２ｍｍとされている。
　雄ねじ１１の不完全ねじ部は、テーパーねじのテーパー形状を定義する仮想テーパー面が鋼管２の外表面に交わることにより、鋼管２の外表面の切削深さが不足して、所定のねじ山高さＴｈが形成されていない部分である。本実施形態の雄ねじ１１は、ピン完全ねじ部及びピン不完全ねじ部のいずれにおいても、雌ねじ２１に対して荷重面及び挿入面の双方において接触する。なお、図１に示すねじ継手１では、荷重面ピッチＬＰは９．８４５ｍｍ、挿入面ピッチＳＰは９．４００ｍｍ、雄ねじ１１の先端部のねじ山高さ方向の底部における最小ねじ山幅は２．８ｍｍ程度とされている。
　また、雌ねじ２１もまた、完全ねじ部と不完全ねじ部とを有する。雌ねじ２１の完全ねじ部は、ボックス２０の開口端部側からピン１０の雄ねじ１１の第２ねじ山近傍まで設けられている。雌ねじ２１の不完全ねじ部のねじ山は、ピン１０及びボックス２０の締結状態でピン１０の雄ねじ１１の第１ねじ山１１Ａに係合する。本実施形態の雌ねじ２１は、ボックス完全ねじ部及びボックス不完全ねじ部のいずれにおいても、雄ねじ１１に対して荷重面及び挿入面の双方において接触する。なお、図示実施形態においては、雌ねじ２１の完全ねじ部よりもボックス２０の開口端部側に、雄ねじ１１に対して荷重面及び挿入面の少なくともいずれかにおいて接触しないねじ山２３，２４が雌ねじ２１に連続して形成されているが、本実施形態ではねじ山２３，２４は雌ねじ２１に含まれないものとする。
　雄ねじ１１の完全ねじ部のねじ山高さは、雌ねじ２１の完全ねじ部のねじ山高さより僅かに小さい。これにより、締結状態では、図２に示すように、雄ねじ１１のねじ山頂面と雌ねじ２１のねじ溝底面との間に僅かな隙間（例えば０．１ｍｍ程度）が形成され、雌ねじ２１のねじ山頂面と雄ねじ１１のねじ底面とは接触する。締結状態で雄ねじ１１と雌ねじ２１とが噛み合う範囲、すなわち雄ねじ１１の荷重面が雌ねじ２１の荷重面に接触するとともに雄ねじ１１の挿入面が雌ねじ２１の挿入面に接触する範囲は、好ましくは６０～１００ｍｍの軸長を有する。
　また、図２に示すように、雄ねじ１１及び雌ねじ２１のねじ山の荷重面及び挿入面は、それぞれ負のフランク角θを有する。荷重面及び挿入面のフランク角θは同じでもよいし、異なるフランク角が設定されていてもよい。図示例では、荷重面及び挿入面のフランク角θはいずれも－５．０°である。また、図示例では、雄ねじ１１及び雌ねじ２１のねじテーパーは１／１６とされている。
　ピン１０とボックス２０とが締結されている状態では、雄ねじ１１のねじ山の挿入面及び荷重面が、それぞれ雌ねじ２１のねじ山の挿入面及び荷重面と接触することによってピン１０がボックス２０にロックされ、これにより高い耐トルク性能を発揮するとともに、ピンシール１３がボックスシール２２に締まり嵌めの状態で嵌合して高い密封性能が発揮される。
　本実施形態の雄ねじ１１は、図２～図４に示すように、比較的大きい曲率半径ｒ１の第１の曲面部１１１Ａを有する第１のねじ部分１１１と、第１のねじ部分１１１にねじ螺旋方向に連続する第２のねじ部分１１２とを含む。第２のねじ部分１１２は、第１のねじ部分１１１以外の雄ねじ１１の残りのすべての部位を構成する。第２のねじ部分１１２の荷重面とねじ溝底面とは、第１の曲面部１１１Ａよりも小さな曲率半径ｒ２を有する第２の曲面部１１２Ａを介して接続されている。図示例では、第１の曲面部１１１Ａの曲率半径ｒ１は０．４ｍｍ、第２の曲面部１１２Ａの曲率半径Ｒ２は０．１ｍｍである。
　図４に示すように、第１のねじ部分１１１は、雄ねじ１１の先端部からねじ螺旋方向に沿ってほぼ１周分にわたって設けられている。これは、上記式（２）で求められる（０．４－０．１）／（９．８４５－９．４００）＝０．６７４周以上となっており、第２のねじ部分１１２の先端部の基部におけるねじ山幅は第１のねじ部分１１１の先端部の基部におけるねじ山幅よりも完全に大きい。
　また、本実施形態では、雌ねじ２１の荷重面とねじ山頂面とが、雄ねじ１１の第１の曲面部１１１の曲率半径ｒ１よりも大きな曲率半径ｒ３を有する第３の曲面部２１Ａを介して接続されている。図示例では、第３の曲面部２１Ａの曲率半径ｒ３は０．５ｍｍとされている。なお、図示例では、第３の曲面部２１Ａを雌ねじ２１全体にわたって設けているが、ピン１０及びボックス２０の締結状態で第１の曲面部１１１Ａに対向する部位にのみ比較的大きな曲率半径ｒ３を有する第３の曲面部２１Ａを設け、その他の部位の雌ねじ２１の荷重面とねじ山頂面との間には、曲率半径ｒ３よりも小さな、例えば０．５～２．０ｍｍの曲率半径を有する曲面部を設けることができる。
　また、図２及び図３に示すように、締結状態で雄ねじ１１の先端部の第１のねじ部１１１の荷重面に接触する雌ねじ２１の第１ねじ山２１１のねじ山頂面前記荷重面に接触する部分の前記ねじ山頂面と、このねじ山頂面に対向する雄ねじ１１のねじ溝底面との間には径方向の隙間が設けられている。この隙間の寸法は、第１の曲面部１１１Ａの曲率半径ｒ１よりも小さく、図示実施例では０．３ｍｍ程度である。
　そして、第１の曲面部１１１の径方向外端部が、第３の曲面部２１Ａの径方向内端部よりも径方向外方に位置するとともに、第３の曲面部２１Ａの径方向外端部よりも径方向内方に位置している。
　図５は第２実施形態に係る鋼管用ねじ継手を示しており、第１実施形態のねじ継手に対して、荷重面ピッチ及び挿入面ピッチを若干小さくしており、これにより縦断面に現れるねじ山の数を増加させている。具体的には、荷重面ピッチを８．４６６ｍｍ、挿入面ピッチを８．０８４ｍｍとした。これにより雄ねじ１１の先端部のねじ山底部の最小ねじ山幅は２．１ｍｍ程度となった。
　本開示は、カップリング型だけでなく、インテグラル型のねじ継手にも適用できる。その他、本開示は上記の実施の形態に限定されず、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
　本実施の形態に係る鋼管用ねじ継手の効果を確認するため、弾塑性有限要素法による数値解析シミュレーションにより、耐せん断性能及び耐トルク性能を評価した。
　＜試験条件＞
　有限要素解析（ＦＥＭ解析）では、ねじプロファイルを変えた複数の供試体（解析モデル）を作成し、各供試体毎に弾塑性有限要素法解析を実施して性能の差を比較した。
　供試体＃１～＃４は上記の第１実施形態に係るねじ継手を基本構造とし、第１の曲面部を雄ねじ全長に亘って設けたものである。また、供試体＃１は第１の曲面部の曲率半径を０．１ｍｍとしたもの、供試体＃２は同曲率半径を０．２ｍｍとしたもの、供試体＃３は同曲率半径を０．３ｍｍとしたもの、供試体＃４は同曲率半径を０．４ｍｍとしたものである。
　供試体＃５～８は上記の第２実施形態に係るねじ継手を基本構造とし、第１の曲面部を雄ねじ全長に亘って設けたものである。また、供試体＃１は第１の曲面部の曲率半径を０．１ｍｍとしたもの、供試体＃２は同曲率半径を０．２ｍｍとしたもの、供試体＃３は同曲率半径を０．３ｍｍとしたもの、供試体＃４は同曲率半径を０．４ｍｍとしたものである。
　材料はいずれもＡＰＩ規格の油井管材料Ｑ１２５（公称耐力ＹＳ＝８６２ＭＰａ（１２５ｋｓｉ））とした。
　なお、従来製品との比較のため、雄ねじの荷重面とねじ底底面との境界部に２つの曲率半径（０．１２５ｍｍの曲率半径と０．８７５ｍｍの曲率半径）を有する比較モデルを作成し、この従来品についても同様に評価した。
［耐せん断性能］
　耐せん断性能については、鋼管の管本体が降伏する引張荷重の１００％を負荷し、雄ねじのせん断破壊の起点となる雄ねじ先端部の荷重面側のねじ底部の第１の曲面部における相当塑性ひずみを算出し、その値が小さいほど耐せん断性能に優れていると評価した。その評価結果を図６に示す。
［耐トルク性能の評価］
　耐トルク性能については、締結トルク線図が降伏し始める値ＭＴＶ（Maximum Torque Value）を降伏トルクと定義し、その値が高いほど耐トルク性能が優れていると評価した。その評価結果を図７に示す。
［評価結果］
　図６に示すように、２つの曲率半径を有する従来品では、曲率半径０．１２５ｍｍの部分に集中したひずみが曲率半径０．８７５ｍｍの部分で緩和されることから、比較的低い相当塑性ひずみを示していると考えられる。第１の曲面部を有する供試体＃１～４及び＃５～＃８では、曲率半径が増加するにつれて第１の曲面部に生じる相当塑性ひずみが低下し、供試体＃１～＃４では曲率半径０．３０ｍｍを超えたあたりから従来品よりも相当塑性ひずみが小さくなり、供試体＃５～＃８では曲率半径０．３５ｍｍを超えたあたりで従来品よりも相当塑性ひずみが小さくなると評価できる。これら供試体のねじ山高さＴｈは２．２ｍｍであるから、供試体＃１～＃４の場合は曲率半径ｒ１≧Ｔｈ×０．１４を満たす場合に従来品よりも相当塑性ひずみが小さくなり、また、供試体＃５～＃８の場合は曲率半径ｒ１≧Ｔｈ×０．１６を満たす場合に従来品よりも相当塑性ひずみが小さくなると評価できる。
　一方、耐トルク性能は雄ねじ荷重面底部の第１の曲面部の曲率半径の変化による影響を殆ど受けず、供試体＃１～＃４及び供試体＃５～＃８のそれぞれが同等の値を示した。供試体＃１～＃４については、雌ねじの荷重面頂部の曲率半径を従来品に比べて大きくしたことによる荷重面接触面積の減少によって従来品よりも耐トルク性能が低下したものと考えられる。一方、荷重面接触面積を増大するために荷重面ピッチ及び挿入面ピッチを狭くした供試体＃５～＃８では、従来品よりも高い耐トルク性能を示した。
　荷重面ピッチ及び挿入面ピッチを小さくすると雄ねじ先端部のねじ山幅の減少を招き、耐せん断性能が大きく低下してしまうのではないかと危惧していたが、図６に示す通り、曲率半径の増加によって耐せん断性能も従来品よりも良好な評価結果が得られており、本開示によって従来品よりも耐せん断性能及び耐トルク性能のいずれにおいても良好なねじ継手を提供できることが判明した。
　供試体＃１～＃４は耐トルク性能が従来品よりも低下しているが、第１の曲面部の曲率半径を０．３ｍｍより大きくすることで従来品よりも良好な耐せん断性能が得られており、高い耐トルク性能が要求されない用途においては利用価値があり、また、耐トルク性能を向上する他の手段の適用によって耐トルク性能が求められる製品にも応用可能であると考えられる。
　なお、せん断破壊の起点と考えられる雄ねじの第１ねじ山のみ荷重面底部の曲率半径を増加させた供試体についても同様の評価を行ったところ、第１ねじ山のみの曲率半径の変化による耐トルク性能及び耐せん断性能への影響は軽微であった。
　ただし、雄ねじの第１ねじ山に噛み合わない部分で雌ねじの荷重面頂部の曲率半径を小さくし、荷重面接触面積を増加させることによって、耐トルク性能を大幅に向上できるものと考えられる。
　１：鋼管用ねじ継手，２：鋼管，１０：ピン，２０：ボックス
１１：雄ねじ，１１１：第１のねじ部，１１１Ａ：第１の曲面部，ｒ１：曲率半径
１１２：第２のねじ部，１１２Ａ：第２の曲面部，ｒ２：曲率半径
２１：雌ねじ，２１Ａ：第３の曲面部，ｒ３：曲率半径
　２：鋼管

Claims (8)

  1. 　鋼管の先端部に設けられる管状のピンと、前記ピンがねじ込まれて前記ピンと締結される管状のボックスとを備え、前記ピンは、前記ピンの外周に形成された雄ねじを有し、前記ボックスは、前記ボックスの内周に形成され且つ締結時に前記雄ねじに嵌合する雌ねじを有し、前記雄ねじ及び前記雌ねじは、荷重面、挿入面、ねじ山頂面及びねじ溝底面を有し、前記雄ねじ及び前記雌ねじの荷重面ピッチよりも前記雄ねじ及び前記雌ねじの挿入面ピッチが小さく、締結状態で前記雄ねじの荷重面が前記雌ねじの荷重面に接触するとともに前記雄ねじの挿入面が前記雌ねじの挿入面に接触し、前記雄ねじ及び前記雌ねじの荷重面及び前記挿入面は負のフランク角を有する、鋼管用ねじ継手において、
    　前記雄ねじの先端部からねじ螺旋方向の所定範囲における前記雄ねじの前記荷重面と前記ねじ溝底面とが、縦断面における曲率半径ｒ１が下記の式（１）を満たす第１の曲面部を介して接続されている、鋼管用ねじ継手。
    　ｒ１≧Ｔｈ×０．１４　・・・（１）
    　但し、Ｔｈは、前記雄ねじの先端部からねじ螺旋方向の所定範囲における前記雄ねじの荷重面側のねじ山高さであって、１．８ｍｍ≦Ｔｈ≦３．０ｍｍを満たす。
  2. 　請求項１に記載の鋼管用ねじ継手において、
    　前記雄ねじは、前記第１の曲面部を有する第１のねじ部分と、該第１のねじ部分にねじ螺旋方向に連続する第２のねじ部分を備え、該第２のねじ部分の前記荷重面と前記ねじ溝底面とが、前記第１の曲面部よりも小さな曲率半径ｒ２を有する第２の曲面部を介して接続されており、
    　前記第１の曲面部は、前記雄ねじの先端部からねじ螺旋方向に少なくともｘ周分にわたって設けられている、鋼管用ねじ継手。
    　但し、ｘは下記の式（２）を満たす。
    　ｘ＝（ｒ１－ｒ２）／Δｐ　・・・（２）
    　ここで、Δｐは、前記雄ねじの荷重面ピッチと挿入面ピッチとの間のピッチ差である。
  3. 　請求項１に記載の鋼管用ねじ継手において、
    　前記第１の曲面部は前記雄ねじの先端部からねじ螺旋方向に沿って少なくとも１／２周にわたって設けられている、鋼管用ねじ継手。
  4. 　請求項１に記載の鋼管用ねじ継手において、
    　前記第１の曲面部は前記雄ねじの全長にわたって設けられている、鋼管用ねじ継手。
  5. 　請求項１に記載の鋼管用ねじ継手において、
    　前記雌ねじの前記荷重面と前記ねじ山頂面とが、締結状態で前記第１の曲面部に対向し且つ前記第１の曲面部よりも大きな曲率半径を有する第３の曲面部を介して接続されており、
    　前記雌ねじの一部であって締結状態で前記雄ねじの先端部の前記荷重面に接触する部分の前記ねじ山頂面と、該ねじ山頂面に対向する前記雄ねじの前記ねじ溝底面との間に、径方向の隙間が設けられており、
    　前記第１の曲面部の径方向外端部が、前記第１の曲面部に対向する前記第３の曲面部の径方向内端部よりも径方向外方に位置するとともに、前記第１の曲面部に対向する前記第３の曲面部の径方向外端部よりも径方向内方に位置する、鋼管用ねじ継手。
  6. 　請求項１～５のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手において、
    　締結状態で、前記雄ねじの先端部からねじ螺旋方向に少なくとも８周分にわたる部分の前記荷重面及び前記挿入面が、前記雌ねじの前記荷重面及び前記挿入面に接触するよう、前記雄ねじ及び前記雌ねじのねじプロファイルが定められている、鋼管用ねじ継手。
  7. 　請求項６に記載の鋼管用ねじ継手において、
    　前記荷重面ピッチが８．５０ｍｍ以下であり、前記挿入面ピッチが８．１０ｍｍ以下であり、これらのピッチ差が０．３５ｍｍ以上０．４５ｍｍ以下であり、前記雄ねじの先端部におけるねじ山底部の最小ねじ山幅が２．１ｍｍ以上である、鋼管用ねじ継手。
  8. 　請求項１～７のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手において、前記鋼管の外径は２４０ｍｍより大きい、鋼管用ねじ継手。
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