JP2005523404A - 特に半径方向に塑性的に拡張可能な導管のためのねじ結合構造 - Google Patents

Abstract

導管のためのねじ結合構造が開示される。このねじ構造はその表面に、ロードフランクのリード（１４）、スタブフランクのリード（１２）、ノミナルリード（１０）を定める雄部材を有する。雌部材は、雄部材上のねじ部と嵌合するよう適応されたねじ部を有する。雌部材上のねじ部は、ロードフランクのリード（１４）、スタブフランクのリード（１２）、ノミナルリード（１０）を定める。ロードフランクのリード（１４）とスタブフランクのリード（１２）の少なくとも一方は、雌部材と雄部材の少なくとも一方において、ねじ部の一端から選択された距離で所定の割合で変化し始める。ロードリード（１４）とスタブリード（１２）は、ねじ部長さの少なくとも一部にわたり、相互に異なる。

Description

本発明は、パイプの連結部分に使用されるねじ結合構造に関する。より詳しくは、本発明は、特に半径方向に塑性的に拡張可能なチューブまたはパイプに使用されるねじ結合構造に関する。

ねじによる管の結合構造は、導管やパイプの端と端を連結し、圧力のかかった流体を輸送する連続的な導管またはパイプを形成するための連結部分に使用される。ケーシング等の油井配管に係る備品は一般に、導管またはパイプの隣接する節(セクション: section)同士を接続するためのこうしたねじ結合構造を使用する。油井配管設備用に設計されたこのようなねじ結合構造の例が、米国特許第２，２３９，９４２号明細書、第２，９９２，０１９号明細書、第３，３５９，０１３号明細書、再発行特許第３０，６４７号明細書、再発行特許第３４，４６７号明細書によって開示されている。

ブローズ(Blose)の米国再発行特許第３０，６４７号において、非常に強力な連結を提供しながら、締結される「ピン」（雄ねじ）と「ボックス」（雌ねじ）部材における応力とひずみを容認可能なレベル以下に制御する特定のねじ山の形態または構造が、管連結用に開示されている。ピン部材は、少なくともひとつの、一般にダブテイル（dovetail：あり継ぎ）形状でその幅がピンに沿って一方向に増大する雄ねじ山を有し、一方、ボックス部材は、雄ねじ山と適合する少なくともひとつの、その幅が反対方向に増大する雌ねじ山を有する。嵌合するダブテイル形状のねじ山により、相対するピンとボックスのねじ山のフランク（側面）が楔状に係合し、これがピン部材とボックス部材の間の相対的回転範囲を制限し、接続を完成させる強力な締め付け状態を決定する。このようなねじ構造においては、フランクの肩部の角度とねじ山の幅を使って、所定の締め付けトルクについてピン部材とボックス部材の中に誘発される応力とひずみの予圧状態を制御することができる。したがって、特定の用途、使用に合わせてねじ構造を調整することにより、管の結合構造または継ぎ手を制約するものは、使用する材料の特性のみとなる。

先行技術による管状ねじ結合構造は、ピン部材とボックス部材を備える。ボックス部材は、根本に向かって細くなり、多くの場合は一般にダブテイル形状のねじ山構造を有し、これらはピン部材に形成された、補完的に先端に向かって細くなるのねじ山構造と係合し、ボックス部材とピン部材を解除可能な方法で機械的に固定するように適応されている。

ボックス部材の雌ねじは、スタブフランク、ロードフランク、谷底部、山頂部を有する。雌ねじは、その幅が、ほぼねじ部の螺旋長さ全体にわたって、一方向に向かって一定の割合で徐々に増加する。ピン部材の雄ねじは、その幅が、ほぼ雄ねじ部の長さ全体にわたって、反対方向に向かって一定の割合で徐々に増加する。反対方向に増加するねじ山の幅とねじ山のテーパ形状から、結合部の締め付け時に補完的なスタブフランクとロードフランクが係合するのと同時に、締め付け中に個々のねじ山の補完的な谷底部と山頂部が係合する。

ピン部材またはボックス部材は、締め付け接続の縦軸を定める。ボックス部材とピン部材の谷底部と山頂部は、あるケースにおいては、平坦で、接続の縦軸に平行であり、結合部が締め付けられる際のねじ山の永久的な変形を防止するのに十分な幅を持つ。

すべての締結構造において重要な部分は、接続点において、導管を流れる流体の圧力が逃げないようにするためのシールである。一般に、結合構造は、その中に金属と金属が当接するシールを含むよう設計される。金属同士のシールには、通常、結合部材をつなげたり、はずしたりする際、定期的に交換しなければならないガスケットその他、さらに別の密封手段を必要としないという利点がある。金属シールは、２つの金属表面間の接触面圧力が、密封の対象となる流体圧力を超える場合に作られる。一般に、接触面圧力は、結合部材を締め付けるときに発生する。金属同士のシールには、内側から導管に圧力を加えることによってエネルギーを与える種類のものがある。

より最近では、所期の用途のために設置された後、当初の直径から、半径方向に塑性的に拡張する油井管が開発された。半径方向に拡張可能な油井管の説明は、たとえば、テキサス州ヒューストンのガルフ出版（Gulf Publishing Co.）の「ワールドオイル（World Oil」）、１９９９年７月号に掲載されたＲ．Ｄ．マック(Mack)他の「拡張のケーシングおよび配管に与える影響（How in situ expansion affects casing and tubing properties）」を参照されたい。半径方向に拡張可能な管製品には、油井やガス井戸のケーシングとしての特殊な用途がある。半径方向に拡張可能な管状結合構造を、当業界において公知の金属管シールを使って密封することは困難である。

また、上述のような幅が変化するねじ山を含めた従来のねじ結合構造は、このような結合構造が半径方向に塑性的に拡張されるとき、その応力の分布が大きく変化することがわかっている。塑性的な半径方向の拡張が発生した後でも、強度と密封力を保つことのできるねじ結合構造が望まれる。上述のねじ山の幅が変化するタイプのねじ結合構造は、結合部が実質的な圧縮または伸張応力を受けると、応力分布が不均一になることもわかっている。したがって、伸張および圧縮応力に対する耐性が改善されたねじ結合構造が望まれる。

米国特許第２，２３９，９４２号明細書 米国特許第２，９９２，０１９号明細書 米国特許第３，３５９，０１３号明細書 米国再発行特許第３０，６４７号明細書 米国再発行特許第３４，４６７号明細書

本発明のひとつの面は、半径方向に塑性的に拡張可能な導管のためのねじ結合構造である。このねじ結合構造は、表面にロードフランクのリード、スタブフランクのリード、ノミナルリードを定める複数のねじ山を有する雄部材を備える。雌部材は、その表面に、雄部材の複数のねじ山と嵌合するように適応された複数のねじ山を有する。雌部材の複数のねじ山もまた、ロードフランクのリード、スタブフランクのリード、ノミナルリードを定める。雌部材と雄部材のうち少なくとも一方のロードフランクのリードとスタブフランクのリードのうち少なくとも一方は、ねじ部の端から選択された距離の地点で、所定の割合で変化し始める。ロードリードとスタブリードは、ねじ部の長さの少なくとも一部について、相互に異なる。

ひとつの実施形態において、ロードフランクのリード、ノミナルリードおよびスタブフランクのリードはそれぞれ、雄部材と雌部材の少なくとも一方の対応するねじ部の端から選択された距離の位置において、対応する割合で変化する。

ひとつの実施形態において、スタブフランクのリードは、雄部材の先端において減少し、スタブフランクのリードは、雌部材のねじ部の基底部において減少する。スタブフランクのリードは、雄部材の先端と雌部材のねじ部の基底部において、ノミナルリードとほぼ等しい。この実施形態のひとつの具体的な変更例において、ロードフランクのリードは、雄部材のねじ部の基底部で増加し、雌部材の開放端において増加する。ロードフランクのリードは、雄部材の基底部と雌部材の開放端において、ノミナルリードとほぼ等しい。

いくつかの実施形態において、雄部材と雌部材の両方における最初の係合するねじ山の付近で、スタブリードは減少し、雌部材と雄部材の両方における最後の係合するねじ山の付近で、ロードリードが減少し、スタブリードが増加する。

いくつかの実施形態において、雌部材と雄部材の両方における最初の係合するねじ山の付近で、ロードリードとスタブリードが増加する。

いくつかの実施形態において、雄部材において、ロードリードはその最後の係合するねじ山の付近で減少し、雌部材において、スタブリードはその最後の係合するねじ山の付近で増加する。

いくつかの実施形態において、リードの変化は線形である。いくつかの実施形態において、選択された距離はほぼねじ山２個分である。

本発明のその他の面と利点は、以下の説明と添付の特許請求範囲から明らかとなる。

その最も広い意味において、本発明は、半径方向に塑性的に拡張可能な導管での使用に特に適したねじ結合部材、あるいはいくつかの実施形態においては、結合部が実質的な伸張または圧縮応力を受けると予想される用途での使用に特に適したねじ結合構造である。本発明の実施形態には、商標、「ウェッジスレッド(Wedge Thread)」で知られるタイプのねじ山がある。「ウェッジスレッド」は、本発明の譲受人であるテキサス州ヒューストンのハイドリル カンパニー（Hydril Company）が所有する、スタブフランクのリードとロードフランクのリードが異なるねじ結合構造に関する商標である。

図１Ｂは、ねじ結合構造１の雌部材（ボックス）２に連結される雄部材（ピン）３の断面図であり、ピン３とボックス２が連結された状態を示している。わかりやすくするため、ねじ結合構造１の（結合部の中心線、つまり縦軸に関して）片側だけ示されており、反対側は、図１Ｂに示される側の鏡像となる。ピン３はピンの先端１８を終端とし、ピンのねじ部の基底部２２から始まる。ピンの先端１８からねじ部の基底部２２までの距離２４は、ねじ部長さ２４と呼ばれる。先端１８とねじ部の基底部２２の間がねじ部２６である。図１Ｂに示す例において、ねじ部２６は一般に、ダブテイル形状である。さらに詳しく説明するように、他の種類のねじ部も、本発明によるねじ結合構造における使用に適している。

ボックス２は、ボックス開放端１６で終了し、ボックスねじ部の基底部２０から開始する。ボックスねじ部の基底部２０とボックスの端１６の間で、ボックス２の内側表面に、ピン３のねじ部２６と嵌合するよう適応されたねじ部２６が設けられている。

本発明の各種の実施形態で使用されているねじ山の特徴は、ねじ山の「リード」が概略的に、ひとつのねじ山のフランクにおいて、他のねじ山のフランクのものとは異なっている点である。図１Ａは、図１Ｂのボックス２の断面をより詳しく示している。複数のねじ山の各々は、スタブフランク１２Ａとロードフランク１４Ａを有する。連続する個々のスタブフランク１２Ａの、結合部の縦軸に沿った距離（図中の１２）は、スタブフランクのリードまたはスタブリードと呼ばれる。連続するスタブフランク１２Ａのそれぞれの間の距離は一般に、ボックス２の円周周縁において同じ角度位置にある隣り合ったねじ山における対応する地点間の軸方向スパン（ピンまたはボックスの縦軸に沿った距離）として定義される。同様の定義が、ロードリード１４に適用される。本発明によるねじ結合構造において、スタブリード１２は、ウェッジ比と呼ばれる選択された量だけロードリード１４と異なる。後に詳述するように、ウェッジ比は、本発明の各種実施形態におけるねじ部の一端または両端から選択された位置まで、この選択された量に維持される。「ノミナル」または「中間リード」とは、スタブリード１２とロードリード１４の間の中間の数値である。

スタブリード１２とロードリード１４と同様の定義が、ピンの複数のねじ山の、対応するロードフランクとスタブフランクに適用される。ピンのロードリードとスタブリードを、図１Ｃにおいて、スタブリードとロードリードについてそれぞれ符号１２と符号１４で詳しく示す。通常、ねじ結合構造（図１Ｂの１）はテーパ形状である。本明細書において、「テーパ形状」とは、ボックス２の内側表面の直径とピン３の外側表面の直径が、ねじ部長さ（図１Ｂの２４）に沿った軸方向位置に関して変化することを意味する。図１Ｂに示されるねじ結合構造の一般的構成と動作は当業界で知られており、たとえば、ブローズに対して発行された米国再発行特許第３０，６４７号において説明され、本明細書の「背景」部分にも記載されている。

ねじ結合構造に関する当業界で公知の代表的な異なるリードを有するねじ部の例は、図２において図式的に示されている。図２のグラフは、符号１２で示すねじ山のスタブフランクのリード、符号１０で示すノミナル、つまり中間リード、符号１４で示すロードフランクのリードを示す。グラフの座標軸は、部材（ピンまたはボックス）の係合するねじ山の、部材の開放端から部材のねじ部の基底部側の端までの番号を示す。たとえば、1番のねじ山は、ピンの先端（雄部材−図１Ｂの符号１８で示される先端）の付近で最初の係合するねじ山あるいはボックスの開放端（雌部材−図１Ｂの符号１６で示される開放端）の付近で最初の係合するねじ山を示す。１０番のねじ山は、したがって、ピンのねじ部の基底部（図１Ｂの符号２２）に近く、あるいはボックスのねじ部の基底部（図１Ｂの符号２０）に近い。当業界で公知の異なるリードを有するねじ山は、ねじ結合構造のねじ部長さ全体（図１Ｂの符号２４）にわたってほぼ一定のスタブリード、およびねじ部長さにわたってほぼ一定のロードリード１４を有する。ロードリード１４は、「ウェッジ比」と呼ばれるほぼ一定の量だけスタブリード１２と異なる。ノミナルリード１０は、スタブリード１２とロードリード１４の間の中点である。

本発明によるねじ結合構造の第一の例を図３に示す。ここで、スタブリード１２は、結合部のねじ部の基底部からほぼねじ山２個の位置を起点として、その当初の数値から増加し、結合部のねじ部の基底部における大きな数値へと増加する。ひとつの具体的な実施形態において、スタブリード１２は、ピンとボックスの両方において、ピンとボックス各々のねじ部の基底部の端部で変化するが、本発明の範囲には、スタブフランクのリードがピンまたはボックス部材の一方においてのみ、スタブフランクのリードが図３のグラフに従って変化するものも含まれる。

図３の実施例において、ロードリード１４は、スタブリード１２の変化と同じ部材において、ねじ部長さ方向（図１Ｂの符号２４）に沿ったスタブリード１２の変化とほぼ同じ軸方向位置から、つまりねじ部の基底部から約ねじ山２個の位置から減少する。この例において、ロードリード１４の変化量は、スタブリード１２の変化量とほぼ同じである。この結果、リード１２，１４が変化する部材では、ノミナルリード１０はその部材のねじ部長さ全体にわたり、ほぼ一定である。スタブリード１２の変化と同様に、ロードリード１４は、ピンとボックスの両方のねじ部の基底部の付近で変化するのが好ましいが、ピンまたはボックス部材のいずれか一方のみで変化してもよい。

本発明によるねじ結合構造の別の例が、図４に図式的に示されている。この例において、スタブリードは、締結手段のねじ部の基底部側の端から約ねじ山２個の位置から減少している。ロードリードは、これに対応して、ほぼ同じ軸方向位置から増加し、ノミナルリード１０は、ねじ締結全体にわたってほぼ一定となる。前の実施形態と同様に、スタブリードとロードリードは、ピン部材とボックス部材の一方または両方のねじ部の基底部付近で変化させることができる。

別の実施形態が、図５に示されている。この実施形態は、図４の実施形態と同様であるが、ロードリード１４とスタブリード１２が、ねじ結合構造のねじ部の開放端（最初の係合するねじ山）の付近で変化している点が異なる。前の実施形態と同様に、スタブリード１２とロードリード１４は、ピン部材とボックス部材のいずれか一方または両方のねじ部の開放端付近で変化させることができる。

図６に示す別の実施形態は、図３に示す実施形態と同様であるが、スタブリード１２とロードリード１４が、ねじ結合構造のねじ部の開放端（最初の係合するねじ山）の付近で変化して点が異なる。図６の実施形態でも、結合部全体にわたり、ノミナルリード１０はほぼ一定している。前の実施形態と同様に、スタブリードとロードリードは、ピン部材とボックス部材の一方または両方において変化させることができる。

ねじ結合構造の異なる実施形態が、図７において図式的に示されている。この実施形態では、スタブリード１２とロードリード１４の変化は、図４，５の両方に示されているものと同様である。図７の実施形態において、スタブリードとロードリード１２，１４は、ねじ結合構造の両端付近で変化している。図７の実施形態においても、結合部全体を通じて、ノミナルリード１０はほぼ一定している。前の実施形態と同様に、スタブリードとロードリードは、ピン部材とボックス部材の一方または両方において変化させることができる。

さらに別の実施形態が図８に示される。この実施形態において、スタブリード１２とロードリード１４は、結合部の両端付近で、図３と図６の実施形態のリードの変化をほぼ組み合わせた方法で変化している。これは、ロードリード１４とスタブリード１２が結合部の両端部で変化することを意味する。図８の実施形態においても、結合部全体を通じて、そのノミナルリード１０はほぼ一定している。前の実施形態と同様に、スタブリードとロードリードは、ピン部材とボックス部材の一方または両方において変化させることができる。

本発明の異なるタイプのねじ結合構造が図９に示されている。この実施形態において、スタブリード１２は、結合部全体にわたってほぼ一定である。ロードリード１４は、結合部の各端付近で、各端から約ねじ山２個の地点で減少し始める。注目すべき点として、ノミナルリード１０は、スタブリード１２が一定であってもロードリードが変化すると変化する。ここで紹介するその他の実施形態と同様に、リードは、好ましくは、ねじ結合構造のピンとボックスの両方のねじ山における対応する（係合する）位置において変化するが、ピンまたはボックス部材の一方のみで変化してもよい。

図１０は、図９の実施形態の変形を示す。この実施形態において、ロードリード１４は、結合部の各端における同じ位置で増加する。スタブリード１２は、本実施形態においてほぼ一定である。前の実施形態と同様に、スタブリード１２とロードリード１４は、ピン部材とボックス部材の一方または両方において変化させることができる。

本発明によるねじ結合構造の別の実施形態が図１１に示される。この変形において、ロードリード１４は、結合部の開放端の付近で増加し、ねじ部の基底部側の端で減少する。スタブリード１２は、結合部全体にわたってほぼ一定である。図１１の実施形態の変形を図１２に示す。図１２において、ロードリード１４は、図１１の実施形態に対して対称的な変化をする。前の実施形態と同様に、スタブリード１２とロードリード１４は、ピン部材とボックス部材の一方または両方において変化させることができる。

図１３に示す実施形態は、図１０の実施形態と同様であるが、この実施形態においては、スタブリード１２が結合部の各端部で増加し、ロードリード１４はほぼ一定である。本発明によるねじ結合構造の実施形態であり、図９，１１，１２に示す実施形態のロードリード１４の変化に対応してスタブリード１２が変化する実施形態がそれぞれ、図１４，１６，１５に示されている。前の実施形態と同様に、スタブリードとロードリードは、ピン部材とボックス部材の一方または両方において変化させることができる。

図１７の実施形態において、スタブリード１２とロードリード１４はどちらも、結合部の各端付近で増加している。図１８の実施形態では、スタブリード１２とロードリード１４は、結合部の各端部で減少している。前の実施形態と同様に、スタブリードとロードリードは、ピン部材とボックス部材の一方または両方において変化させることができる。

ねじ山式結合構造の別の変形が、図１９と２０において図式的に示される実施形態に描かれている。これらの実施形態において、スタブリード１２とロードリード１４は、結合部の一端付近で対応して増加する。図１９，２０の実施形態は類似しているが、結合部の端におけるリード１２，１４の増減が相互に反対である。本発明による締結手段の前の実施形態と同様に、リードは、ピン部材とボックス部材の一方または両方において変化させることができる。

上記すべての実施形態において、リードの変化は、ねじ部を有する部材の関連するねじ部の端（開放端またはねじ部の基底部）から約ねじ山２個の位置に示されている。この数値は、図の実施形態に示されているねじ山の直径、テーパおよびノミナルリードについて有効であることがわかった。この数値はまた、ねじ結合構造の中の、リードが実質的に一定の部分におけるねじ部のノミナルリードの約２倍としてもよい。本発明によるねじ結合構造の別の実施形態において、リードの変化が始まる実際の軸方向の位置は、ねじ結合構造のねじ山の直径、テーパ（ねじ山の直径の変化率）および使用するねじ山の種類その他の要因によって決まる場合がある。

上記の実施形態におけるリードの変化はすべて、線形として示されている。リードの線形変化は、本発明によるどのねじ結合構造においても、比較的製造しやすが、本発明の利点をほぼ実現しながら、非線形の変化を起こす実施形態もあることを理解すべきである。

ねじ結合構造の上記の説明は、ブローズの米国再発行特許第３４，４６７号において開示されているような「ダブテイル」形状のねじ山構造に関するものであった。本発明によるねじ結合構造の他の実施形態においては、他のねじ山構造も利用できることを明確に理解すべきである。本発明による締結手段での使用に適した別のねじ部の一例が、チャーチ(Church)の米国特許第６，２５４，１４６号明細書に示されている。このねじ山は一般に、「多面（マルチファセット: multi faceted）」ねじ山と呼ばれ、図２１にその断面を示す。ピン２は、谷底部４８、山頂部４８Ａ、ロードフランク４７、スタブフランクを有する。ねじ山のロードフランク４７は、ファセット４４，４５，４６を有し、各ファセットの面とピン２の中心線４０との間で、それぞれ角度δ，Ω，εを形成する。対応するファセット４１，４２，４３は、ピンのねじ山のスタブフランク５０に形成することができる。ピン２のフランク４７，５０の形状は、ボックス３のねじ部に係合するよう形成するべきである。図２１のねじ部の実施形態において、ピン２とボックスのねじ部は相互に噛み合い、谷底部４８の幅は、山頂部４８Ａの幅とほぼ同じとすることができる。

本発明の各種の実施形態で使用される別のねじ部構造は、ブローズの米国特許第４，６００，２２４号に示されるねじ部構造と似ている。このねじ部構造は、「シェブロン（山形：shevron）」ねじ部と呼ばれ、これを図２２に示す。ピン２とボックス３には、従来の「ダブテイル」式のねじ山と同様な形状のスタブフランク５３を設けることができる。ピン２とボックス３のロードフランク５１，５２は、それぞれ「ダブテイル」部５７，５６およびそれぞれシェブロン面５５，５４を有していてもよい。

図２１，２２に関して上述した２つのねじ部形状は、本発明によるねじ結合構造の各種の実施形態に使用できるねじ部形状の限定的な例ではない。他のねじ部形状も、たとえば、ラモス(Ramos)他により出願された国際公開第０１／２９４７５Ａ１号パンフレット等に記載されている。この公開出願において開示されているねじ部形状には、「スクエアショルダ」のねじ部が設けられ、これには結合構造の軸にほぼ垂直なフランクがあり、あるいは角度のついたフランクを設けることもできる。

本発明による締結手段のいずれの実施形態にいかなるねじ部構造が使用されるかにかかわらず、ねじ結合構造の共通する属性は、締結手段のねじ部の少なくとも一部において、スタブリードがロードリードと異なり、雌部材（ボックス）または雄部材（ピン）の少なくとも一方において、スタブリードまたはロードリードのいずれかが、ねじ部の端から選択された距離において変化を始めるという点である。

本発明の各種の実施形態は、それが連結する導管の節が半径方向に塑性的に拡張した後も、従来のねじ結合構造より強力なねじ結合構造を提供できる。

本発明の各種の実施形態によるねじ結合構造の上記説明は、半径方向に塑性的に拡張可能な導管に特に適したねじ結合構造について行ったものである。また、本発明によるねじ結合構造は、ねじ結合構造が導管の縦軸に沿った伸張応力および／または圧縮応力に対する耐性を改善することもわかった。トルク負荷に対する耐性が改善される実施形態もある。従来の異なるリードを有するねじ結合構造は、係合するねじ山間の接触面応力が、ねじ山の螺旋長さに沿っても、ねじ結合構造を「連結」させたときのスタブフランクとロードフランクの間でも、ほぼ均一に分散するように設計されている。本発明の各種の実施形態に関する上記の説明は、ねじ結合構造が半径方向に塑性的に拡張した後に、より均一に接触面応力を分散させることのできるねじ結合構造に関するものである。さらに後述するように、本発明によるねじ結合構造の実施形態はまた、ねじ結合構造の連結後、圧縮および／または伸張負荷を受けた場合の接触応力がさらに均一に分散するものである。別の実施形態では、トルク負荷に対する耐性が改善する。本発明によるねじ結合構造のこの利用例において、本発明の利点を得るために、結合部を半径方向に塑性的に拡張する必要はない。

本発明によるねじ結合構造のこの特定の利用例をより十分に評価するうえで、本発明の各種の実施形態によって構成されたねじ山の特定の特性を理解することが有益である。たとえば、再び図４を見ると、ロードリードとスタブリードがノミナルリードに向かって集束する（図４において、係合するねじ山８番から１０番の間に見られる）ねじ部材は、そのねじ山がリードの収束方向に向かって「より厚くなる」ということができる。反対に、再び図６を見ると、ロードリード１４とスタブリード１２が結合部の一端に向かって分岐しており、このねじ山は「薄くなる」ということができる。

さらに図１７に戻ると、ロードリードとスタブリードの両方が増加するとき、特に同等の量だけ増加すると、このねじ山は「広がる」ということができ、ねじ山の間の間隔が増加する（つまり、ノミナルリードが増加する）。これに対し、図１８を見ると、ロードリードとスタブリードが対応して減少するため、このねじ山は「縮まる」ということができる。

雄部材または雌部材の少なくとも一端においてロードリードとスタブリードの少なくとも一方がねじ部の端から選択された距離において変化し始めるねじ結合構造は、ねじ結合構造の縦軸に沿った圧縮応力と伸張応力に対する耐性を改善でき、疲労とトルクに耐えられる実施形態もある。

本発明のこの利用例の一般的概念を説明したが、この利用例に関する特に有利な実施形態を次に説明する。

従来のねじ結合構造において、切断面積（ねじ山の谷底部の断面積）の合計がねじ山のフランク面積の合計より小さい、またはこれと等しい場合、このような締結手段は、「剪断に弱い（シアウィーク: shear weak）」と考えられる。本発明のこの利用例によるねじ結合構造のひとつの実施形態において、ねじ部を、ピン部材とボックス部材の両方の最初の係合するねじ山付近で厚くする。ねじ部はまた、ピン（雄）部材とボックス（雌）部材の両方において最後に係合するねじ山付近で薄くすることもできる。図２３は、この実施形態についての、ねじ部長さに沿った位置に関するロードリード１４とスタブリード１２の変化を示す。図２３の実施形態では、剪断応力が結合部に沿ってより均等に分散されるため、従来のねじ結合構造より伸張負荷に対する耐性が高まっている。

本発明によるねじ結合構造の別の実施形態を、図２４に示す。この実施形態において、ピン部材とボックス部材の両方において、最初の係合するねじ山付近でスタブリード１２とロードリード１４が増加している。この実施形態では、圧縮負荷への耐性が増している。

本発明によるねじ結合構造のさらに別の実施形態では、トルク負荷と引っ張りによる疲労（伸張応力を繰り返しかけることによる）に対する耐性が改善している。この実施形態において、雄部材で最後の係合するねじ山（ピンのねじ部の基底部）付近でロードリードが減少する。これは、図２５Ａに示されている。雌部材では、スタブリードが最後の係合するねじ山（ボックスのねじ部の基底部）の付近で増加する。これは、図２５Ｂにおいて図式的に示されている。

これらの実施形態の各々において、ねじ部の端から選択された距離において開始するねじ山リードの変化は線形として描かれている。しかし、他の実施形態では、リードの変化は線形以外でもよい。さらに、すでに説明したとおり、選択された距離は、図２３，２４，２５の実施形態で示したねじ山２つ分以外の量でもよい。

以上、限定された数の実施形態に関して本発明を説明してきたが、当業者は、この開示により、ここで開示される本発明の範囲を出ることなく、他の実施形態も実現できることを推測するであろう。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求範囲によってのみ限定される。

ねじ結合構造の雌部材端部の片側の断面図である。 ねじ結合構造の片側の雄部材端部と雌部材端部の断面図であり、これらの端部は結合、つまり「締め付け」された状態にある。 ねじ結合構造の片側の雄部材端部の断面図である。 本発明によるねじ結合構造の各種の実施形態に関するスタブリード、ロードリード、ノミナルリードのグラフである。 本発明によるねじ結合構造の各種の実施形態に関するスタブリード、ロードリード、ノミナルリードのグラフである。 本発明によるねじ結合構造の各種の実施形態に関するスタブリード、ロードリード、ノミナルリードのグラフである。 本発明によるねじ結合構造の各種の実施形態に関するスタブリード、ロードリード、ノミナルリードのグラフである。 本発明によるねじ結合構造の各種の実施形態に関するスタブリード、ロードリード、ノミナルリードのグラフである。 本発明によるねじ結合構造の各種の実施形態に関するスタブリード、ロードリード、ノミナルリードのグラフである。 本発明によるねじ結合構造の各種の実施形態に関するスタブリード、ロードリード、ノミナルリードのグラフである。 本発明によるねじ結合構造の各種の実施形態に関するスタブリード、ロードリード、ノミナルリードのグラフである。 本発明によるねじ結合構造の各種の実施形態に関するスタブリード、ロードリード、ノミナルリードのグラフである。 本発明によるねじ結合構造の各種の実施形態に関するスタブリード、ロードリード、ノミナルリードのグラフである。 本発明によるねじ結合構造の各種の実施形態に関するスタブリード、ロードリード、ノミナルリードのグラフである。 本発明によるねじ結合構造の各種の実施形態に関するスタブリード、ロードリード、ノミナルリードのグラフである。 本発明によるねじ結合構造の各種の実施形態に関するスタブリード、ロードリード、ノミナルリードのグラフである。 本発明によるねじ結合構造の各種の実施形態に関するスタブリード、ロードリード、ノミナルリードのグラフである。 本発明によるねじ結合構造の各種の実施形態に関するスタブリード、ロードリード、ノミナルリードのグラフである。 本発明によるねじ結合構造の各種の実施形態に関するスタブリード、ロードリード、ノミナルリードのグラフである。 本発明によるねじ結合構造の各種の実施形態に関するスタブリード、ロードリード、ノミナルリードのグラフである。 本発明によるねじ結合構造の各種の実施形態に関するスタブリード、ロードリード、ノミナルリードのグラフである。 本発明によるねじ結合構造の各種の実施形態に関するスタブリード、ロードリード、ノミナルリードのグラフである。 本発明の各種の実施形態と使用することのできる、ひとつの選択肢としてのねじ部の形態を示す図である。 本発明の各種の実施形態と使用することのできる、ひとつの選択肢としてのねじ部の形態を示す図である。 伸張応力に対する耐性が増した本発明の実施形態を示す図である。 圧縮応力に対する耐性が増した本発明の実施形態を示す図である。 トルクと疲労に対する耐性が増した本発明の実施形態を示す図である。 トルクと疲労に対する耐性が増した本発明の実施形態を示す図である。

Claims (44)

1. 半径方向に塑性的に拡張可能な導管のためのねじ結合構造であって、
   ロードフランクのリード、ノミナルリード、スタブフランクのリードを定めるねじ部を表面に有する雄部材と、
   前記雄部材の前記ねじ部と嵌合するよう構成されたねじ部を有する雌部材であって、当該雌部材の側の前記ねじ部は、ロードフランクのリード、ノミナルリード、スタブフランクのリードを定める、雌部材と、
   を有し、
   前記雌部材と前記雄部材のうちの少なくとも一方の、前記ロードフランクのリードと前記スタブフランクのリードの少なくとも一方は、前記ねじ部の端から選択された距離の位置で所定の割合で変化し始め、
   前記スタブフランクのリードと前記ロードフランクのリードは、少なくともねじ部長さの一部について、相互に異なる、
   ねじ結合構造。
2. 請求項１に記載のねじ結合構造であって、
   前記雌部材と前記雄部材のうちの少なくとも一方の、前記ロードフランクのリードと前記スタブフランクのリードは、前記ねじ部の対応する端からの対応する位置において、前記所定の割合で減少する、
   ねじ結合構造。
3. 請求項1に記載のねじ結合構造であって、
   前記ロードフランクのリードは、前記雄部材の先端から前記選択された距離において、前記所定の割合で減少する、
   ねじ結合構造。
4. 請求項１に記載のねじ結合構造であって、
   前記ロードフランクのリードは、前記雌部材のねじ部の基底部から前記選択された距離において、前記所定の割合で減少する、
   ねじ結合構造。
5. 請求項１に記載のねじ結合構造であって、
   前記ロードフランクのリードは、前記雄部材の先端から前記選択された距離において、前記所定の割合で増加する、
   ねじ結合構造。
6. 請求項１に記載のねじ結合構造であって、
   前記ロードフランクのリードは、前記雌部材のねじ部の基底部から前記選択された距離において、前記所定の割合で増加する、
   ねじ結合構造。
7. 請求項１に記載のねじ結合構造であって、
   前記ロードフランクのリードは、前記雄部材のねじ部の基底部から前記選択された距離において、所定の割合で減少する、
   ねじ結合構造。
8. 請求項１に記載のねじ結合構造であって、
   前記ロードフランクのリードは、前記雌部材の開放端から前記選択された距離において、前記所定の割合で減少する、
   ねじ結合構造。
9. 請求項１に記載のねじ結合構造であって、
   前記ロードフランクのリードは、前記雄部材のねじ部の基底部から前記選択された距離において、前記所定の割合で増加する、
   ねじ結合構造。
10. 請求項１に記載のねじ結合構造であって、
    前記ロードフランクのリードは、前記雌部材の開放端から前記選択された距離において、前記所定の割合で増加する、
    ねじ結合構造。
11. 請求項１に記載のねじ結合構造であって、
    前記スタブフランクのリードは、前記雄部材の先端から前記選択された距離において、前記所定の割合で減少する、
    ねじ結合構造。
12. 請求項１に記載のねじ結合構造であって、
    前記スタブフランクのリードは、前記雌部材のねじ部の基底部から前記選択された距離において、前記所定の割合で減少する、
    ねじ結合構造。
13. 請求項１に記載のねじ結合構造であって、
    前記スタブフランクのリードは、前記雄部材の先端から前記選択された距離において、前記所定の割合で増加する、
    ねじ結合構造。
14. 請求項１に記載のねじ結合構造であって、
    前記スタブフランクのリードは、前記雌部材のねじ部の基底部から前記選択された距離において、前記所定の割合で増加する、
    ねじ結合構造。
15. 請求項１に記載のねじ結合構造であって、
    前記スタブフランクのリードは、前記雄部材のねじ部の基底部から前記選択された距離において、前記所定の割合で減少する、
    ねじ結合構造。
16. 請求項１に記載のねじ結合構造であって、
    前記スタブフランクのリードは、前記雌部材の開放端から前記選択された距離において、前記所定の割合で減少する、
    ねじ結合構造。
17. 請求項１に記載のねじ結合構造であって、
    前記スタブフランクのリードは、前記雄部材のねじ部の基底部から前記選択された距離において、前記所定の割合で増加する、
    ねじ結合構造。
18. 請求項１に記載のねじ結合構造であって、
    前記スタブフランクのリードは、前記雌部材の開放端から前記選択された距離において、前記所定の割合で増加する、
    ねじ結合構造。
19. 請求項１に記載のねじ結合構造であって、
    前記スタブフランクのリードは、前記雄部材の先端から前記選択された距離において減少し、
    前記スタブフランクのリードは、前記雌部材の開放端から前記選択された距離において減少する、
    ねじ結合構造。
20. 請求項１に記載のねじ結合構造であって、
    前記スタブフランクのリードは、前記雄部材の先端から前記選択された距離において増加し、
    前記スタブフランクのリードは前記雌部材の開放端から前記選択された距離において増加する、
    ねじ結合構造。
21. 請求項１１に記載のねじ結合構造であって、
    前記ロードフランクのリードは、前記雄部材のねじ部の基底部から前記選択された距離において増加し、
    前記ロードフランクのリードは、前記雌部材のねじ部の基底部側の端から前記選択された距離において増加する、
    ねじ結合構造。
22. 請求項１１に記載のねじ結合構造であって、
    前記ロードフランクのリードは、前記雄部材のねじ部の基底部から前記選択された距離において減少し、
    前記ロードフランクのリードは、前記雌部材のねじ部の基底部側の端から前記選択された距離において減少する、
    ねじ結合構造。
23. 請求項１に記載のねじ結合構造であって、
    前記ロードフランクのリードと前記スタブフランクのリードはそれぞれ、前記雄部材と前記雌部材の、少なくともひとつの対応するねじ部の端から前記選択された距離において、対応する割合で変化する、
    ねじ結合構造。
24. 請求項１に記載のねじ結合構造であって、前記選択された距離は、前記変化前に存在する前記ノミナルリードの約２倍である、ねじ結合構造。
25. 請求項１に記載のねじ結合構造であって、
    前記スタブフランクのリードは変化前の前記ノミナルリードを超過し、
    前記ノミナルリードは変化前の前記ロードフランクのリードを超過する、
    ねじ結合構造。
26. 請求項１に記載のねじ結合構造であって、
    前記ロードフランクのリードと前記スタブフランクのリードのうち少なくとも一方における前記変化は実質的に線形である、
    ねじ結合構造。
27. 請求項１に記載のねじ結合構造であって、前記雌部材と前記雄部材の前記ねじ山は、ダブテイル形状のねじ山である、ねじ結合構造。
28. 請求項１に記載のねじ結合構造であって、
    前記雌部材と前記雄部材の前記スタブフランクと前記ロードフランクのうち少なくとも一方は、複数のファセットを有する、
    ねじ結合構造。
29. 請求項２８に記載のねじ結合構造であって、
    前記雌部材と前記雄部材の前記ねじ山の谷底部の幅が、前記ねじ山の山頂部の幅と実質的に同じである、
    ねじ結合構造。
30. 請求項１に記載のねじ結合構造であって、前記雌部材と前記雄部材の前記ねじ山が山形のねじ山である、ねじ結合構造。
31. 請求項３０に記載のねじ結合構造であって、前記ねじ山の前記ロードフランクは、山形のファセットを有する、ねじ結合構造。
32. ねじ結合構造であって、
    ロードフランクのリードとスタブフランクのリードを定めるねじ山を表面に有する雄部材と、
    前記雄部材の前記ねじ部と嵌合するねじ部を表面に有する雌部材であって、当該雌部材の側のねじ部はロードフランクのリードとスタブフランクのリードを定める雌部材と、
    を有し、
    前記雌部材と前記雄部材のうち少なくとも一方の前記ロードフランクのリードと前記スタブフランクのリードの少なくともひとつは、前記ねじ部の端から選択された距離において、所定の割合で変化し始め、
    前記スタブフランクのリードと前記ロードフランクのリードは、少なくともねじ部長さの一部について相互に異なる、
    ねじ結合構造。
33. 請求項３２に記載のねじ結合構造であって、
    前記雄部材と前記雌部材の両方における最初の係合するねじ山の付近で前記スタブリードは減少し、前記ロードリードは増加し、
    前記雌部材と前記雄部材の両方における最後の係合するねじ山の付近で、前記ロードリードは減少し、前記スタブリードは増加する、
    ねじ結合構造。
34. 請求項３３に記載のねじ結合構造であって、前記選択された距離は、ほぼねじ山２個分である、ねじ結合構造。
35. 請求項３４に記載のねじ結合構造であって、前記リードの変化は線形である、ねじ結合構造。
36. 請求項３２に記載のねじ結合構造であって、
    前記雌部材と前記雄手段の両方における最初の係合するねじ山の付近で、前記ロードリードと前記スタブリードは増加する、
    ねじ結合構造。
37. 請求項３６に記載のねじ結合構造であって、前記選択された距離は、ほぼねじ山２個分である、ねじ結合構造。
38. 請求項３６に記載のねじ結合構造であって、前記リードの変化は線形である、ねじ結合構造。
39. 請求項３２に記載のねじ結合構造であって、
    前記雄部材において、前記ロードリードは、その最後の係合するねじ山の付近で減少し、
    前記雌部材において、前記スタブリードは、その最後の係合するねじ山の付近で増加する、
    ねじ結合構造。
40. 請求項３９に記載のねじ結合構造であって、前記選択された距離は、ほぼねじ山２個分である、ねじ結合構造。
41. 請求項３９に記載のねじ結合構造であって、前記リードの変化は線形である、ねじ結合構造。
42. 半径方向に塑性的に拡張可能な導管のためのねじ結合構造であって、
    ロードフランクのリード、ノミナルリード、スタブフランクのリードを定めるねじ部を表面に有する雄部材と、
    前記雄部材の前記ねじ部と嵌合するよう構成されたねじ部を有する雌部材であって、当該雌部材側の前記ねじ部は、ロードフランクのリード、ノミナルリード、スタブフランクのリードを定める、雌部材と、
    を有し、
    前記雌部材と前記雄部材の前記ロードフランクのリードと前記スタブフランクのリードは、前記ねじ部の各端から選択された距離において、所定の割合で変化し始め、
    前記スタブフランクのリードと前記ロードフランクのリードは、少なくともねじ部長さの一部について相互に異なっている、
    ねじ結合構造。
43. 請求項４２に記載のねじ結合構造であって、前記選択された距離は、ほぼねじ山２個分である、ねじ結合構造。
44. 請求項４２に記載のねじ結合構造であって、前記リードの変化は線形である、ねじ結合構造。

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