JP6646166B2 - ねじ継手 - Google Patents

Description

本開示は、ねじ継手に関し、より詳細には、鋼管同士を連結するためのねじ継手に関する。

従来、油井や天然ガス井等（以下、総称して油井という）では、油井管と呼ばれる鋼管が使用されている。油井管は、ねじ継手によって互いに連結されて油井に設置される。

ねじ継手の形式は、インテグラル型とカップリング型とに大別される。インテグラル型では、油井管同士が直接連結される。具体的には、一の油井管の管端部の内周に設けられた雌ねじ部に、他の油井管の管端部の外周に設けられた雄ねじ部がねじ込まれることにより、油井管同士が連結される。カップリング型では、管状のカップリングを介して油井管同士が連結される。具体的には、カップリングの両管端部の内周に設けられた雌ねじ部の各々に、油井管の管端部の外周に設けられた雄ねじ部がねじ込まれることにより、油井管同士が連結される。

一般に、雄ねじ部が形成された油井管の管端部は、雌ねじ部に挿入される要素を含むことからピンと称される。雌ねじ部が形成された油井管の管端部又はカップリングの管端部は、雄ねじ部を受け入れる要素を含むことからボックスと称される。

近年、油井の深井戸化に伴い、油井管を多層に埋設する多段ストリングデザインが多く採用されている。多段ストリングデザインでは、外側の油井管と内側の油井管との隙間を極力小さくすることが好ましい。このため、インテグラル型のねじ継手が用いられる。このねじ継手は、例えば、ボックスの外径がピンの外径の１１０％程度であり、一般に、セミフラッシュ型やフラッシュ型等（以下、総称してセミフラッシュ型という）と称される。

特許第３８０８５６２号公報では、深井戸での使用を想定したねじ継手が提案されている。当該ねじ継手の管軸方向の内端部及び外端部には、それぞれ内シール部及び外シール部が設けられている。ねじ部は、全体として２段のテーパねじで構成されているが、内シール部側及び外シール部側の各端部に消失ねじを有する。内シール部側の消失ねじでは、ピンの雄ねじ部のねじ谷底面及びボックスの雌ねじ部のねじ山頂面が、一定の直径であって管軸に平行となるように形成されている。外シール部側の消失ねじでは、ピンの雄ねじ部のねじ山頂面及びボックスの雌ねじ部のねじ谷底面が、一定の直径であって管軸に平行となるように形成されている。

開示の概要

ねじ継手には、通常、高い密封性能が要求される。セミフラッシュ型のねじ継手であれば、厳しい寸法制約の下で、高い密封性能を確保する必要がある。しかしながら、特許第３８０８５６２号公報のねじ継手の場合、上述した消失ねじによって密封性能が低下してしまう可能性がある。

本開示は、高い密封性能を確保することができるねじ継手を提供することを目的とする。

本開示に係るねじ継手は、鋼管同士を連結する。ねじ継手は、ピンと、ボックスとを備える。ピンは、一の鋼管の管端部を構成する。ボックスは、他の鋼管の管端部を構成する。ボックスは、ピンが挿入されてピンと締結される。ピンは、ピン内シール面と、ピン外シール面と、内雄ねじ部と、外雄ねじ部と、ピンショルダ面とを備える。ピン内シール面は、ピンの先端部の外周に形成される。ピン外シール面は、ピンにおいて一の鋼管の管本体側の端部の外周に形成される。内雄ねじ部は、ピン内シール面とピン外シール面との間に配置される。内雄ねじ部は、ピンの外周に形成される。外雄ねじ部は、ピン内シール面とピン外シール面との間において内雄ねじ部よりもピン外シール面側に配置される。外雄ねじ部は、ピンの外周に形成される。ピンショルダ面は、内雄ねじ部と外雄ねじ部との間に配置される。ピンショルダ面は、ピンの外周に形成される。ボックスは、ボックス内シール面と、ボックス外シール面と、内雌ねじ部と、外雌ねじ部と、ボックスショルダ面とを備える。ボックス内シール面は、ピン内シール面に対応してボックスの内周に形成される。ボックス内シール面は、締結状態においてピン内シール面に接触する。ボックス外シール面は、ピン外シール面に対応してボックスの内周に形成される。ボックス外シール面は、締結状態においてピン外シール面に接触する。内雌ねじ部は、内雄ねじ部に対応してボックスの内周に形成される。内雌ねじ部は、締結状態において内雄ねじ部と嵌まり合う。外雌ねじ部は、外雄ねじ部に対応してボックスの内周に形成される。外雌ねじ部は、締結状態において外雄ねじ部と嵌まり合う。ボックスショルダ面は、ピンショルダ面に対応してボックスの内周に形成される。ボックスショルダ面は、締結状態においてピンショルダ面に接触する。内雄ねじ部は、第１平行部を含む。第１平行部は、内雄ねじ部のピン内シール面側の端部に位置する。第１平行部は、ピンの縦断面視において、一の鋼管の管軸と平行に形成される複数のねじ谷底面を含む。内雌ねじ部は、第１テーパ部を含む。第１テーパ部は、締結状態において第１平行部に対向する。第１テーパ部は、第１平行部のねじ山高さよりも大きいねじ山高さと、ボックス内シール面に向かうにつれて小さくなるねじ径とを有する。ピン内シール面は、第１テーパ部のねじ山頂面の最小径よりも大きい最大径を有する。非締結状態のピン及びボックスの縦断面で、第１テーパ部において隣り合うねじ山頂面の径の差をＤａ、第１平行部のねじ谷底面の径とピン内シール面の最大径との差をＤｂとしたとき、Ｄａ＜Ｄｂを満たす。

本開示に係るねじ継手によれば、高い密封性能を確保することができる。

図１は、実施形態に係るねじ継手の概略構成を示す縦断面図である。 図２は、非締結状態における図１のねじ継手の管軸方向の内端部を示す縦断面図である。 図３は、非締結状態における図１のねじ継手の管軸方向の外端部を示す縦断面図である。 図４は、締結完了３ピッチ前から締結完了までの各々について、設計上のピンとボックスとを重ねて示した縦断面図である。 図５は、実際の締結過程における締結完了３ピッチ前のピン及びボックスを示す縦断面図である。 図６は、実際の締結過程における締結完了２ピッチ前のピン及びボックスを示す縦断面図である。 図７は、実際の締結過程における締結完了１ピッチ前のピン及びボックスを示す縦断面図である。 図８は、締結完了時のピン及びボックスを示す縦断面図である。 図９は、実施例及び比較例の各々について、内外圧を負荷した後のピンの塑性変形量（塑性ひずみ量）を示すグラフである。 図１０は、実施例及び比較例の各々について、内外圧を負荷した後のボックスの塑性変形量（塑性ひずみ量）を示すグラフである。

最新のねじ継手の実体試験規格（ＩＳＯ／ＦＤＩＳ １３６７９ ＣＡＬ ＩＶ：２０１１）では、以前の規格（ＩＳＯ １３６７９ ＣＡＬ ＩＶ：２００２）よりも、繰り返し負荷する引張、圧縮、外圧、及び内圧の荷重が増加している。すなわち、より繰り返し荷重に強いねじ継手が求められるようになっている。また、ねじ継手の使用環境が年々厳しくなってきていることから、繰り返し荷重に耐え得る密封性能への要求が高まっている。

内圧及び外圧が負荷されるねじ継手では、内圧用の内シール部及び外圧用の外シール部を個別に設けて密封性能を向上させることが好ましい。セミフラッシュ型のねじ継手の場合、特に内圧に対する密封性能の低下を防止するため、内シール部におけるピンの肉厚を極力大きくすることが好ましい。

特許第３８０８５６２号公報のねじ継手では、ボックスの雌ねじ部において、内シール部側の端部のねじ山を管軸に平行にカットすることにより、ボックスの消失ねじが形成される。これにより、内シール部側の端部において、雌ねじ部のねじ山高さが雄ねじ部のねじ山高さよりも小さくなる。このようにすることで、内シール部においてピンの肉厚を大きくしても、ピン内シール面とボックスの雌ねじ部のねじ山とが締結中に接触するのを防止することができる。

しかしながら、特許第３８０８５６２号公報のねじ継手の場合、消失ねじの部分において、雄ねじ部のねじ山頂面と雌ねじ部のねじ谷底面との間、及び雄ねじ部のねじ谷底面と雌ねじ部のねじ山頂面との間には、締結状態で大きな隙間が発生する。このような状態では、繰り返しの荷重が負荷されたときに密封性能を維持することは難しい。

例えば、特許第３８０８５６２号公報のねじ継手が主として内圧の荷重を受けた場合、ピンの先端部は、雄ねじ部のねじ山頂面又はねじ谷底面がボックスの雌ねじ部に接触するまで拡径変形する。雄ねじ部のねじ山頂面と雌ねじ部のねじ谷底面との隙間、及び雄ねじ部のねじ谷底面と雌ねじ部のねじ山頂面との隙間が大きい場合、荷重負荷時のピンの変形量も大きい。荷重が繰り返し負荷されると塑性変形が蓄積し、結果としてねじ継手の密封性能が低下する。上述したように、近年、特に繰り返し荷重への耐性が要求されており、ねじ継手に繰り返し荷重が負荷された場合であっても高い密封性能を維持する必要がある。

本発明者等は、以上の知見に基づき、実施形態に係るねじ継手を完成させた。

実施形態に係るねじ継手は、鋼管同士を連結する。ねじ継手は、ピンと、ボックスとを備える。ピンは、一の鋼管の管端部を構成する。ボックスは、他の鋼管の管端部を構成する。ボックスは、ピンが挿入されてピンと締結される。ピンは、ピン内シール面と、ピン外シール面と、内雄ねじ部と、外雄ねじ部と、ピンショルダ面とを備える。ピン内シール面は、ピンの先端部の外周に形成される。ピン外シール面は、ピンにおいて一の鋼管の管本体側の端部の外周に形成される。内雄ねじ部は、ピン内シール面とピン外シール面との間に配置される。内雄ねじ部は、ピンの外周に形成される。外雄ねじ部は、ピン内シール面とピン外シール面との間において内雄ねじ部よりもピン外シール面側に配置される。外雄ねじ部は、ピンの外周に形成される。ピンショルダ面は、内雄ねじ部と外雄ねじ部との間に配置される。ピンショルダ面は、ピンの外周に形成される。ボックスは、ボックス内シール面と、ボックス外シール面と、内雌ねじ部と、外雌ねじ部と、ボックスショルダ面とを備える。ボックス内シール面は、ピン内シール面に対応してボックスの内周に形成される。ボックス内シール面は、締結状態においてピン内シール面に接触する。ボックス外シール面は、ピン外シール面に対応してボックスの内周に形成される。ボックス外シール面は、締結状態においてピン外シール面に接触する。内雌ねじ部は、内雄ねじ部に対応してボックスの内周に形成される。内雌ねじ部は、締結状態において内雄ねじ部と嵌まり合う。外雌ねじ部は、外雄ねじ部に対応してボックスの内周に形成される。外雌ねじ部は、締結状態において外雄ねじ部と嵌まり合う。ボックスショルダ面は、ピンショルダ面に対応してボックスの内周に形成される。ボックスショルダ面は、締結状態においてピンショルダ面に接触する。内雄ねじ部は、第１平行部を含む。第１平行部は、内雄ねじ部のピン内シール面側の端部に位置する。第１平行部は、ピンの縦断面視において、一の鋼管の管軸と平行に形成され、互いに同じ径を有する。内雌ねじ部は、第１テーパ部を含む。第１テーパ部は、締結状態において第１平行部に対向する。第１テーパ部は、第１平行部のねじ山高さよりも大きいねじ山高さと、ボックス内シール面に向かうにつれて小さくなるねじ径とを有する。ピン内シール面は、第１テーパ部のねじ山頂面の最小径よりも大きい最大径を有する。非締結状態のピン及びボックスの縦断面で、第１テーパ部において隣り合うねじ山頂面の径の差をＤａ、第１平行部のねじ谷底面の径とピン内シール面の最大径との差をＤｂとしたとき、Ｄａ＜Ｄｂを満たす（第１の構成）。

第１の構成では、ピンの内雄ねじ部のうち内シール部側の部分に、ねじ谷底面が管軸に平行な第１平行部が設けられる。一方、ボックスの内雌ねじ部のうちこの第１平行部に対向する第１テーパ部では、ねじ山頂面が管軸に平行ではなく、ねじ山高さが第１平行部のねじ山高さよりも大きい。このため、締結状態において、内シール部の干渉量を考慮しても、内雄ねじ部の第１平行部と内雌ねじ部の第１テーパ部との間に大きな隙間が生じない。よって、ねじ継手に内外圧の荷重が負荷された場合であっても、内雄ねじ部の第１平行部のねじ山頂面又はねじ谷底面は低い負荷の段階で内雌ねじ部に接触し、内シール部近傍の変形が制限される。これにより、塑性変形の蓄積量を低減させることができるため、ねじ継手に内外圧の荷重が繰り返し負荷された場合であっても高い密封性能を確保することができる。

第１の構成では、内雌ねじ部の第１テーパ部において、ねじ山頂面が管軸に平行ではなく、ねじ山高さが内雄ねじ部の第１平行部のねじ山高さよりも大きい。このため、内雌ねじ部の内シール部側のねじ山をカットした場合と比較して、内雌ねじ部と内雄ねじ部とが完全に組み合わさる長さが長くなる。よって、引張及び圧縮の荷重に対するピン又はボックスの変形を抑制することができ、高い密封性能を確保することができる。

第１の構成では、内雄ねじ部の第１平行部のねじ谷底面の径とピン内シール面の最大径との差が、内雌ねじ部の第１テーパ部において隣り合うねじ山頂面の径の差よりも大きい。このようにすることで、ボックスの内雌ねじ部のねじ山をカットしなくても、締結中において、ボックスの内雌ねじ部のねじ山にピン内シール面が接触するのを防止することができる。

上記ねじ継手において、外雌ねじ部が第２平行部を含み、外雄ねじ部が第２テーパ部を含んでいてもよい。第２平行部は、外雌ねじ部のボックス外シール面側の端部に位置する。第２平行部は、ねじ谷底面が他の鋼管の管軸と平行に形成される。第２テーパ部は、締結状態において第２平行部に対向する。第２テーパ部は、第２平行部のねじ山高さよりも小さいねじ山高さと、ピン外シール面に向かうにつれて大きくなるねじ径とを有する。ボックス外シール面は、第２テーパ部のねじ山頂面の最大径よりも大きい最小径を有する。非締結状態のピン及びボックスの縦断面で、第２テーパ部において隣り合うねじ山頂面の径の差をＤｃ、第２平行部においてねじ谷底面の径とボックス外シール面の最小径との差をＤｄとしたとき、Ｄｃ＜Ｄｄを満たす（第２の構成）。

第２の構成では、外雌ねじ部のうち外シール部側の端部に、ねじ谷底面が管軸に平行な第２平行部が設けられる。第２平行部のねじ山高さは、この第２平行部に対向する外雄ねじ部の第２テーパ部のねじ山高さよりも大きい。このため、締結状態において外雌ねじ部の第２平行部と外雄ねじ部の第２テーパ部との間の隙間が小さくなり、ねじ継手に内外圧の荷重が負荷されたときに、低い負荷の段階でこれらを接触させることができる。また、外雄ねじ部と外雌ねじ部とが完全に組み合わさる長さを長くすることもできる。よって、ねじ継手において、外シール部近傍の変形を抑制することができ、密封性能をより向上させることができる。

以下、実施形態について図面を参照しつつ説明する。図中同一及び相当する構成については同一の符号を付し、同じ説明を繰り返さない。説明の便宜上、各図において、構成を簡略化又は模式化して示したり、一部の構成を省略して示したりする場合がある。

［ねじ継手の全体構成］
図１は、実施形態に係るねじ継手１０の概略構成を示す縦断面図である。ねじ継手１０は、鋼管Ｐ１，Ｐ２を連結する。縦断面とは、鋼管Ｐ１，Ｐ２の管軸ＣＬを含む平面での断面をいう。

図１に示すように、ねじ継手１０は、ピン１と、ボックス２とを備える。ピン１は、鋼管Ｐ１において一方の管端部を構成する。ボックス２は、鋼管Ｐ２において一方の管端部を構成する。ボックス２は、ピン１が挿入されて、ピン１と締結される。図示を省略するが、鋼管Ｐ１の他方の管端部にはボックス２が設けられる。鋼管Ｐ２の他方の管端部にはピン１が設けられる。すなわち、ねじ継手１０は、インテグラル型のねじ継手である。

ねじ継手１０は、いわゆるセミフラッシュ型のねじ継手である。このため、例えば、ボックス２の外径は、ピン１の外径の１１０％以下とされる。

ピン１は、ピン内シール面１１と、ピン外シール面１２と、内雄ねじ部１３と、外雄ねじ部１４と、ピンショルダ面１５とを備える。ピン内シール面１１、内雄ねじ部１３、ピンショルダ面１５、外雄ねじ部１４、及びピン外シール面１２は、ピン１の先端から鋼管Ｐ１の管本体Ｐ１１に向かってこの順で配置されている。以下、管軸方向において、ピン１の先端側を内側、管本体Ｐ１１側を外側と称する場合がある。

ピン内シール面１１は、ピン１の先端部に配置されている。ピン内シール面１１は、ピン１の外周に形成される。ピン内シール面１１は、内雄ねじ部１３に向かって概ね拡径している。

ピン外シール面１２は、ピン１において、鋼管Ｐ１の管本体Ｐ１１側の端部に配置されている。ピン外シール面１２は、ピン１の外周に形成される。ピン外シール面１２は、管本体Ｐ１１に向かって概ね拡径している。

ピン内シール面１１及びピン外シール面１２は、例えば、円弧を管軸ＣＬの周りに回転させた回転体の周面や、管軸ＣＬを軸とする円錐台の周面を１又は２種類以上組み合わせて構成することができる。

内雄ねじ部１３は、ピン内シール面１１とピン外シール面１２との間に配置される。内雄ねじ部１３は、ピン１の外周に形成されている。内雄ねじ部１３は、平行部１３１と、テーパ部１３２とを有する。平行部１３１は、テーパ部１３２よりもピン内シール面１１側に配置される。

外雄ねじ部１４は、ピン内シール面１１とピン外シール面１２との間において、内雄ねじ部１３よりもピン外シール面１２側に配置されている。すなわち、外雄ねじ部１４は、内雄ねじ部１３とピン外シール面１２との間に配置されている。外雄ねじ部１４は、ピン１の外周に形成される。外雄ねじ部１４は、テーパ部１４１，１４２と、平行部１４３とを有する。

ピンショルダ面１５は、内雄ねじ部１３と外雄ねじ部１４との間に配置される。ピンショルダ面１５は、管軸方向と交差する環状面である。ピンショルダ面１５は、管軸方向に対して実質的に垂直であってもよいし、外周部が管軸方向の内側又は外側に傾倒していてもよい。ピンショルダ面１５は、管軸方向において、内雄ねじ部１３と外雄ねじ部１４とを隔てている。

ボックス２は、ボックス内シール面２１と、ボックス外シール面２２と、内雌ねじ部２３と、外雌ねじ部２４と、ボックスショルダ面２５とを備える。ボックス内シール面２１、内雌ねじ部２３、ボックスショルダ面２５、外雌ねじ部２４、及びボックス外シール面２２は、管軸方向の内側から外側に向かってこの順で配置されている。

ボックス内シール面２１は、ピン内シール面１１に対応して、ボックス２の内周に形成されている。ボックス内シール面２１は、内雌ねじ部２３に向かって概ね拡径している。ボックス内シール面２１は、ピン１とボックス２との締結状態において、ピン内シール面１１に接触する。

ピン内シール面１１及びボックス内シール面２１は、干渉量を有する。すなわち、非締結状態において、ピン内シール面１１は、ボックス内シール面２１の径よりも大きい径を有する。このため、ピン内シール面１１及びボックス内シール面２１は、ボックス２に対するピン１のねじ込みに伴って互いに接触し、締結状態では嵌め合い密着して締まり嵌めの状態となる。これにより、ピン内シール面１１及びボックス内シール面２１は、メタル−メタル接触による内シール部を形成する。

ボックス外シール面２２は、ピン外シール面１２に対応して、ボックス２の内周に形成されている。ボックス外シール面２２は、管軸方向の外側に向かって概ね拡径している。ボックス外シール面２２は、締結状態においてピン外シール面１２に接触する。

ピン外シール面１２及びボックス外シール面２２は、干渉量を有する。すなわち、非締結状態において、ピン外シール面１２は、ボックス外シール面２２の径よりも大きい径を有する。このため、ピン外シール面１２及びボックス外シール面２２は、ボックス２に対するピン１のねじ込みに伴って互いに接触し、締結状態では嵌め合い密着して締まり嵌めの状態となる。これにより、ピン外シール面１２及びボックス外シール面２２は、メタル−メタル接触による外シール部を形成する。

ボックス内シール面２１及びボックス外シール面２２は、例えば、円弧を管軸ＣＬの周りに回転させた回転体の周面や、管軸ＣＬを軸とする円錐台の周面を１又は２種類以上組み合わせで構成することができる。

内雌ねじ部２３は、内雄ねじ部１３に対応して、ボックス２の内周に形成される。内雌ねじ部２３は、テーパ部２３１，２３２と、平行部２３３とを有する。内雌ねじ部２３は、締結状態において内雄ねじ部１３と嵌まり合う。内雌ねじ部２３は、締結状態において、内雄ねじ部１３とともに内ねじ部を形成する。

外雌ねじ部２４は、外雄ねじ部１４に対応して、ボックス２の内周に形成される。外雌ねじ部２４は、平行部２４１と、テーパ部２４２とを有する。外雌ねじ部２４は、締結状態において外雄ねじ部１４と嵌まり合う。外雌ねじ部２４は、締結状態において、外雄ねじ部１４とともに外ねじ部を形成する。

ボックスショルダ面２５は、ピンショルダ面１５に対応して、ボックス２の内周に形成される。ボックスショルダ面２５は、管軸方向と交差する環状面である。ボックスショルダ面２５は、管軸方向において、内雌ねじ部２３と外雌ねじ部２４とを隔てている。ボックスショルダ面２５は、締結状態においてピンショルダ面１５に接触する。ボックスショルダ面２５は、ピンショルダ面１５と面接触可能な形状を有する。

ピンショルダ面１５及びボックスショルダ面２５は、ボックス２に対するピン１のねじ込みによって互いに接触して押し付けられる。ピンショルダ面１５及びボックスショルダ面２５は、互いの押圧接触によってショルダ部を形成する。

［ねじ継手の内端部の構成］
図２は、非締結状態におけるねじ継手１０の管軸方向の内端部を示す縦断面図である。

図２に示すように、ピン１の内雄ねじ部１３において、ピン内シール面１１側の端部には、平行部１３１が形成されている。平行部１３１では、ねじ谷底面が管軸ＣＬと平行に形成される。平行部１３１では、ねじ谷底面の径が一定である。平行部１３１におけるねじ山頂面の径は、管軸ＣＬと平行でなくてもよい。

平行部１３１は、内雄ねじ部１３のうち、ピン内シール面１１側の端部に位置する。平行部１３１は、内雄ねじ部１３において、ピン内シール面１１側の少なくとも２ピッチ分を構成する。よって、ピン１の縦断面視において、平行部１３１は、２以上のねじ谷底面１３１ａを有する。本実施形態では、ピン１の縦断面視において、平行部１３１が複数のねじ谷底面１３１ａを有している。縦断面視における複数のねじ谷底面１３１ａは、同一径を有する。

テーパ部１３２は、平行部１３１よりも管軸方向の外側に配置される。テーパ部１３２は、平行部１３１の隣に配置されている。テーパ部１３２は、内雄ねじ部１３において管軸方向の外端まで設けられている。テーパ部１３２では、管軸方向の内側から外側からに向かってねじ径が徐々に大きくなる。つまり、テーパ部１３２は、概ねテーパ雄ねじで構成されている部分である。ただし、テーパ部１３２のピンショルダ面１５側の端部では、ねじ径が一定となっている。すなわち、ピン１の縦断面視において、テーパ部１３２のピンショルダ面１５側の端部は、複数の同一径のねじ山頂面（図示略）を有する。

ボックス２の内雌ねじ部２３のテーパ部２３１は、ピン１の内雄ねじ部１３の平行部１３１に対応する。内雌ねじ部２３のテーパ部２３２は、内雄ねじ部１３のテーパ部１３２のうち、管軸方向の内側から外側からに向かってねじ径が大きくなる部分、つまりピンショルダ面１５側の端部を除いた部分に対応する。テーパ部２３１，２３２はいずれも、管軸方向の内側から外側に向かってねじ径が徐々に大きくなる。内雌ねじ部２３の平行部２３３（図１）は、テーパ部１３２のピンショルダ面１５側の端部に対応する。平行部２３３は、ボックス２の縦断面視において、複数の同一径のねじ山頂面（図示略）を有する。

ボックス２の縦断面視において、テーパ部２３１は、複数のねじ山頂面２３１ａを有する。縦断面視において、管軸方向の外側のねじ山頂面２３１ａよりも、管軸方向の内側のねじ山頂面２３１ａの方が小さい径を有する。各ねじ山頂面２３１ａは、締結状態において、内雄ねじ部１３の平行部１３１のねじ谷底面１３１ａに対向する。

内雌ねじ部２３のテーパ部２３１におけるねじ山高さは、内雄ねじ部１３の平行部１３１におけるねじ山高さよりも大きい。ねじ山高さは、例えば、荷重面高さである。すなわち、テーパ部２３１の荷重面２３１ｃにおける最外径と最内径との差が、これに相対する平行部１３１の荷重面１３１ｃにおける最外径と最内径との差よりも大きい。

内雌ねじ部２３のテーパ部２３１は、内雄ねじ部１３の平行部１３１と干渉量を有する。すなわち、非締結状態において、平行部１３１のねじ谷底面１３１ａの径は、対応するテーパ部２３１のねじ山頂面２３１ａの最小径よりも大きい。ただし、平行部１３１とテーパ部２３１との干渉量は、ピン内シール面１１とボックス内シール面２１との干渉量よりも小さい。

ここで、非締結状態におけるボックス２の縦断面視で、内雌ねじ部２３のテーパ部２３１において隣り合うねじ山頂面２３１ａの径の差をＤａとする。非締結状態におけるピン１の縦断面視で、内雄ねじ部１３の平行部１３１のねじ谷底面１３１ａの径と、ピン内シール面１１の最大径との差をＤｂとする。ピン１及びボックス２は、Ｄａの大きさよりもＤｂの大きさが大きくなるように設計される。すなわち、非締結状態で、Ｄａ＜Ｄｂである。

非締結状態において、ピン内シール面１１の最大径は、テーパ部２３１のねじ山頂面２３１ａの最小径よりも大きい。ピン内シール面１１の最大径は、例えば、内雄ねじ部１３に向かって実質的に拡径するピン内シール面１１の、内雄ねじ部１３側の端における径である。ピン内シール面１１の最大径は、平行部１３１のねじ谷底面１３１ａの径よりも小さい。

本実施形態では、ピン１において、内雄ねじ部１３とピン内シール面１１との間に円筒部１６が配置されている。円筒部１６は、実質的に一定の外径を有する。円筒部１６の外径は、平行部１３１のねじ谷底面１３１ａの径よりも小さい。円筒部１６の外径は、ピン内シール面１１の最大径と実質的に等しい。円筒部１６の外周面は、締結状態においてボックス２と接触しない。

［ねじ継手の外端部の構成］
図３は、非締結状態におけるねじ継手１０の管軸方向の外端部を示す縦断面図である。

図３に示すように、ボックス２の外雌ねじ部２４において、ボックス外シール面２２側の端部には、平行部２４１が形成されている。平行部２４１では、ねじ谷底面が管軸ＣＬと平行に形成される。平行部２４１では、ねじ谷底面の径が一定である。平行部２４１におけるねじ山頂面の径は、管軸ＣＬと平行でなくてもよい。

平行部２４１は、外雌ねじ部２４のうち、ボックス外シール面２２側の端部に位置する。平行部２４１は、外雌ねじ部２４において、ボックス外シール面２２側の少なくとも２ピッチ分を構成する。よって、ボックス２の縦断面視において、平行部２４１は、２以上のねじ谷底面２４１ｂを有する。本実施形態では、ボックス２の縦断面視において、平行部２４１が複数のねじ谷底面２４１ｂを有している。縦断面視における複数のねじ谷底面２４１ｂは、同一径を有する。

テーパ部２４２は、平行部２４１よりも管軸方向の内側に配置される。テーパ部２４２は、平行部２４１の隣に配置されている。テーパ部２４２は、外雌ねじ部２４において管軸方向の内端まで設けられている。テーパ部２４２では、管軸方向の内側から外側からに向かってねじ径が徐々に大きくなる。つまり、テーパ部２４２は、概ねテーパ雌ねじで構成されている部分である。ただし、テーパ部２４２のボックスショルダ面２５側の端部では、ねじ径が一定となっている。すなわち、ボックス２の縦断面視において、テーパ部２４２のボックスショルダ面２５側の端部は、複数の同一径のねじ谷底面（図示略）を有する。

ピン１の外雄ねじ部１４のテーパ部１４１は、ボックス２の外雌ねじ部２４の平行部２４１に対応する。外雄ねじ部１４のテーパ部１４２は、外雌ねじ部２４のテーパ部２４２のうち、管軸方向の内側から外側からに向かってねじ径が大きくなる部分、つまりボックスショルダ面２５側の端部を除いた部分に対応する。テーパ部１４１，１４２はいずれも、管軸方向の内側から外側に向かってねじ径が徐々に大きくなる。外雄ねじ部１４の平行部１４３（図１）は、テーパ部２４２のボックスショルダ面２５側の端部に対応する。平行部１４３は、ピン１の縦断面視において、複数の同一径のねじ山頂面（図示略）を有する。

ピン１の縦断面視において、テーパ部１４１は、複数のねじ山頂面１４１ｂを有する。縦断面視において、管軸方向の内側のねじ山頂面１４１ｂよりも、管軸方向の外側のねじ山頂面１４１ｂの方が大きい径を有する。各ねじ山頂面１４１ｂは、締結状態において、外雌ねじ部２４の平行部２４１のねじ谷底面２４１ｂに対向する。

外雌ねじ部２４の平行部２４１におけるねじ山高さは、外雄ねじ部１４のテーパ部１４１におけるねじ山高さよりも大きい。例えば、平行部２４１の荷重面２４１ｃにおける最外径と最内径との差が、これに相対するテーパ部１４１の荷重面１４１ｃにおける最外径と最内径との差よりも大きい。

外雌ねじ部２４の平行部２４１は、外雄ねじ部１４のテーパ部１４１と干渉量を有する。すなわち、非締結状態において、平行部２４１のねじ谷底面２４１ｂの径は、対応するテーパ部１４１のねじ山頂面１４１ｂの最大径よりも大きい。ただし、平行部２４１とテーパ部１４１との干渉量は、ボックス外シール面２２とピン外シール面１２との干渉量よりも小さい。

ここで、非締結状態におけるピン１の縦断面視で、外雄ねじ部１４のテーパ部１４１において隣り合うねじ山頂面１４１ｂの径の差をＤｃとする。非締結状態におけるボックス２の縦断面視で、外雌ねじ部２４の平行部２４１のねじ谷底面２４１ｂの径と、ボックス外シール面２２の最小径との差をＤｄとする。ピン１及びボックス２は、Ｄｃの大きさよりもＤｄの大きさが大きくなるように設計される。すなわち、非締結状態で、Ｄｃ＜Ｄｄである。

非締結状態において、ボックス外シール面２２の最小径は、外雄ねじ部１４のテーパ部１４１のねじ山頂面１４１ｂの最大径よりも大きい。ボックス外シール面２２の最小径は、外雌ねじ部２４に向かって実質的に縮径するボックス外シール面２２の、外雌ねじ部２４側の端における径である。ボックス外シール面２２の最小径は、平行部２４１のねじ谷底面２４１ｂの径よりも大きい。

本実施形態では、ボックス２において、外雌ねじ部２４とボックス外シール面２２との間に円筒部２６が配置されている。円筒部２６は、実質的に一定の内径を有する。円筒部２６の内径は、平行部２４１のねじ谷底面２４１ｂの径よりも大きい。円筒部１６の内径は、ボックス外シール面２２の最小径と実質的に等しい。円筒部２６の内周面は、締結状態においてピン１と接触しない。

［ねじ継手の締結過程］
上述のように構成されたねじ継手１０では、ピン１とボックス２との締結中において、ピン１の先端部がボックス２に接触するのを防止することができる。以下、ピン１とボックス２との締結過程について説明する。

図４は、ボックス２に対し、締結完了３ピッチ前から締結完了までの各ピン１を重ねて示した縦断面図である。図４では、締結中のピン１の変形を考慮せず、設計上（非締結状）のピン１及びボックス２を単純に重ねて示している。

図４に示すように、設計図面のままでピン１をボックス２に締め付けていくと、締結が進むにつれて、ピン内シール面１１とボックス２の内雌ねじ部２３とがかなり接近し、内雌ねじ部２３のうちねじ径の小さいところでピン内シール面１１が内雌ねじ部２３のねじ山に接触する。すなわち、ピン１の変形が全くなければ、締結中において、ピン内シール面１１がボックス２の内雌ねじ部２３に強く接触し、焼き付きが発生する可能性がある。

しかしながら、実際の締結中には、内ねじ部及び内シール部の各干渉量により、ピン１の縮径変形が生じる。この点について、図５〜図８を参照しつつ説明する。

図５は、実際の締結過程における締結完了３ピッチ前のピン１及びボックス２を示す縦断面図である。締結完了３ピッチ前の時点では、ピン１の内雄ねじ部１３の平行部１３１において、最内端のねじ谷底面１３１ａは、ボックス２の内雌ねじ部２３に接触していない。また、ピン内シール面１１も、内雌ねじ部２３に接触していない。

図６は、実際の締結過程における締結完了２ピッチ前のピン１及びボックス２を示す縦断面図である。締結完了２ピッチ前になると、平行部１３１の最内端のねじ谷底面１３１ａは、内雌ねじ部２３のテーパ部２３１のねじ山頂面２３１ａに接触する。これにより、ピン１のうち、ピン内シール面１１の近傍部分が縮径する。このため、ピン内シール面１１が内雌ねじ部２３に接触しない。

上述した通り、平行部１３１のねじ谷底面１３１ａの径とピン内シール面１１の最大径との差Ｄｂは、テーパ部２３１において隣り合うねじ山頂面２３１ａの径の差Ｄａよりも大きい（図２）。よって、締結過程では、ピン内シール面１１がボックス２に接触する前に、平行部１３１がテーパ部２３１に接触する。平行部１３１のねじ谷底面１３１ａとテーパ部２３１のねじ山頂面２３１ａとが一旦干渉すると、締結完了まで、ピン内シール面１１はテーパ部２３１のねじ山に干渉しない。

図７は、実際の締結過程における締結完了１ピッチ前のピン１及びボックス２を示す縦断面図である。ボックス２に対するピン１のねじ込みが進んでも、内雄ねじ部１３の平行部１３１の最内端のねじ谷底面１３１ａは、内雌ねじ部２３のテーパ部２３１のねじ山頂面２３１ａに干渉し続ける。このため、ピン内シール面１１は、やはりテーパ部２３１に接触しない。

図８は、締結完了時のピン１及びボックス２を示す縦断面図である。締結完了時には、ピン内シール面１１とボックス内シール面２１とが互いに接触して内シール部を形成する。内雄ねじ部１３の平行部１３１と内雌ねじ部２３のテーパ部２３１との干渉量よりも内シール部の干渉量が大きいため、締結完了時には、平行部１３１のねじ谷底面１３１ａは、テーパ部２３１に接触しない。

［効果］
本実施形態において、ピン１の内雄ねじ部１３のうち平行部１３１では、複数のねじ谷底面１３１ａが管軸ＣＬに平行に形成され、互いに同じ径を有する。一方、ボックス２の内雌ねじ部２３のテーパ部２３１は、ボックス内シール面２１に向かうにつれて小さくなるねじ径を有する。また、テーパ部２３１のねじ山高さは、平行部１３１のねじ山高さよりも大きい。よって、締結状態において、テーパ部２３１のねじ山頂面２３１ａと平行部１３１のねじ谷底面１３１ａとの隙間が小さくなる。これにより、ねじ継手１０に内外圧の荷重が負荷され、ピン１が変形した場合であっても、早い段階でねじ谷底面１３１ａをねじ山頂面２３１ａに接触させることができる。その結果、内シール部近傍のピン１の変形が抑制されるため、高い密封性能を確保することができる。

本実施形態では、ボックス２の内雌ねじ部２３のうち内シール部側の部分において、ねじ山のカットを行わず、ねじ山高さを十分に確保している。これにより、内雌ねじ部２３と内雄ねじ部１３とが完全に組み合わさる長さを長くすることができる。よって、引張及び圧縮の荷重に対するピン１又はボックス２の変形も抑制することができ、より高い密封性能を確保することができる。

本実施形態では、内雄ねじ部１３の平行部１３１のねじ谷底面１３１ａの径とピン内シール面１１の最大径との差Ｄｂが、内雌ねじ部２３のテーパ部２３１において隣り合うねじ山頂面２３１ａの径の差Ｄａよりも大きい。このようにすることで、既に説明した通り、締結中にピン内シール面１１が内雌ねじ部２３に接触するのを防止することができる。

本実施形態では、ボックス２の外雌ねじ部２４にも平行部２４１が設けられる。平行部２４１では、複数のねじ谷底面２４１ｂが管軸ＣＬに平行に形成され、互いに同じ径を有する。一方、ピン１の外雄ねじ部１４のテーパ部１４１は、ピン外シール面１２に向かうにつれて大きくなるねじ径を有する。テーパ部１４１のねじ山高さは、平行部２４１のねじ山高さよりも小さい。このようにすることで、管軸方向の外端側でも、締結状態において、平行部２４１のねじ谷底面２４１ｂとテーパ部１４１のねじ山頂面１４１ｂとの間の隙間を小さくすることができ、荷重の負荷時に早い段階でこれらを接触させることができる。さらに、外雄ねじ部１４と外雌ねじ部２４とが完全に組み合わさる長さを長くすることもできる。よって、外シール部近傍のねじ継手１０の変形を抑制することができ、密封性能をより向上させることができる。

本実施形態では、外雌ねじ部２４の平行部２４１のねじ谷底面２４１ｂの径とボックス外シール面２２の最小径との差Ｄｄが、外雄ねじ部１４のテーパ部１４１において隣り合うねじ山頂面１４１ｂの径の差Ｄｃよりも大きい。ピン内シール面１１と内雌ねじ部２３との接触の回避と原理は同様であるので詳細な説明を省略するが、この構成によれば、ボックス外シール面２１が締結中に外雄ねじ部２４と接触するのを防止することができる。

ただし、外雌ねじ部２４には、平行部２４１が設けられていなくてもよい。すなわち、外雌ねじ部２４は、全体としてテーパ雌ねじで構成されていてもよい。

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

本開示に係るねじ継手による効果を確認するため、弾塑性有限要素法による数値シミュレーション解析を実施した。

弾塑性有限要素解析では、図１〜図３に示す構成を有するねじ継手（１０）のモデルを実施例として使用し、比較例として、ねじ継手（１０）と基本的な構成は同様であるが、内雌ねじ部（２３）の管軸方向の内端部及び外雄ねじ部（１４）の管軸方向の外端部においてねじ山をカットしたねじ継手のモデルを使用した。実施例及び比較例の各モデルに対し、ＩＳＯ １３６７９ ＣＡＬ ＩＶ：２０１１に準拠した内外圧の荷重を負荷し、塑性変形量を比較した。

図９及び図１０は、実施例及び比較例の各々について、内外圧を負荷した後の塑性変形量（塑性ひずみ量）を示すグラフである。図９では、管軸方向の内端側の位置（ピン（１）の内周面のひずみが最大となる位置）でのピン（１）の塑性ひずみ量が示されている。図１０では、ピン（１）及びボックス（２）の危険断面の位置（内雄ねじ部（１３）と内雌ねじ部（２３）との噛み合い端の位置）でのボックス（２）の塑性ひずみ量が示されている。

図９より、実施例では、内雄ねじ部（１３）の平行部（１３１）のねじ山高さよりも相対する内雌ねじ部（２３）のテーパ部（２３１）のねじ山高さが高いため、ねじ山のカットを行った比較例と比べて、特にピン（１）の内周面側において塑性ひずみ量が小さくなっていることがわかる。また、図１０より、ボックス（２）の塑性ひずみ量も、実施例の方が比較例よりも小さくなっていることがわかる。

この結果から、本開示に係るねじ継手によれば、シール部近傍の塑性変形量を低減することができ、高い密封性能を確保できることがわかる。

Claims (2)

1. 鋼管同士を連結するためのねじ継手であって、
   一の鋼管の管端部を構成するピンと、
   他の鋼管の管端部を構成し、前記ピンが挿入されて前記ピンと締結されるボックスと、を備え、
   前記ピンは、
   前記ピンの先端部の外周に形成されるピン内シール面と、
   前記ピンにおいて前記一の鋼管の管本体側の端部の外周に形成されるピン外シール面と、
   前記ピン内シール面と前記ピン外シール面との間に配置され、前記ピンの外周に形成される内雄ねじ部と、
   前記ピン内シール面と前記ピン外シール面との間において前記内雄ねじ部よりも前記ピン外シール面側に配置され、前記ピンの外周に形成される外雄ねじ部と、
   前記内雄ねじ部と前記外雄ねじ部との間に配置され、前記ピンの外周に形成されるピンショルダ面と、
   を備え、
   前記ボックスは、
   前記ピン内シール面に対応して前記ボックスの内周に形成され、締結状態において前記ピン内シール面に接触するボックス内シール面と、
   前記ピン外シール面に対応して前記ボックスの内周に形成され、締結状態において前記ピン外シール面に接触するボックス外シール面と、
   前記内雄ねじ部に対応して前記ボックスの内周に形成され、締結状態において前記内雄ねじ部と嵌まり合う内雌ねじ部と、
   前記外雄ねじ部に対応して前記ボックスの内周に形成され、締結状態において前記外雄ねじ部と嵌まり合う外雌ねじ部と、
   前記ピンショルダ面に対応して前記ボックスの内周に形成され、締結状態において前記ピンショルダ面に接触するボックスショルダ面と、
   を備え、
   前記内雄ねじ部は、
   前記内雄ねじ部の前記ピン内シール面側の端部に位置し、前記ピンの縦断面視において、前記一の鋼管の管軸と平行に形成され、互いに同じ径を有する複数のねじ谷底面を含む第１平行部、
   を含み、
   前記内雌ねじ部は、
   締結状態において前記第１平行部に対向し、前記第１平行部のねじ山高さよりも大きいねじ山高さと、前記ボックス内シール面に向かうにつれて小さくなるねじ径とを有する第１テーパ部、
   を含み、
   前記ピン内シール面は、前記第１テーパ部のねじ山頂面の最小径よりも大きい最大径を有し、
   非締結状態の前記ピン及び前記ボックスの縦断面で、前記第１テーパ部において隣り合うねじ山頂面の径の差をＤａ、前記第１平行部のねじ谷底面の径と前記ピン内シール面の前記最大径との差をＤｂとしたとき、Ｄａ＜Ｄｂを満たす、ねじ継手。
2. 請求項１に記載のねじ継手であって、
   前記外雌ねじ部は、
   前記外雌ねじ部の前記ボックス外シール面側の端部に位置し、前記ボックスの縦断面視において、前記他の鋼管の管軸と平行に形成され、互いに同じ径を有する複数のねじ谷底面を含む第２平行部、
   を含み、
   前記外雄ねじ部は、
   締結状態において前記第２平行部に対向し、前記第２平行部のねじ山高さよりも小さいねじ山高さと、前記ピン外シール面に向かうにつれて大きくなるねじ径とを有する第２テーパ部、
   を含み、
   前記ボックス外シール面は、前記第２テーパ部のねじ山頂面の最大径よりも大きい最小径を有し、
   非締結状態の前記ピン及び前記ボックスの縦断面で、前記第２テーパ部において隣り合うねじ山頂面の径の差をＤｃ、前記第２平行部においてねじ谷底面の径と前記ボックス外シール面の前記最小径との差をＤｄとしたとき、Ｄｃ＜Ｄｄを満たす、ねじ継手。

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