WO2024106291A1 - 鋼管用ねじ継手 - Google Patents

Abstract

高い耐トルク性能及び高い密封性能を発揮できるスリム型の鋼管用ねじ継手を提供する。鋼管用ねじ継手１は、２段ねじ構造の楔形ねじからなる雄ねじ１１を有するピン１０と、２段ねじ構造の楔形ねじからなる雌ねじ２１を有するボックス２０とからなる。ピン１０及びボックス２０は、２段ねじの中間部に内シール部１３，２３と外シール部１４，２４とをそれぞれ有するとともに、内外シール部間に設けられたショルダ面１２，２２をそれぞれ有している。締結状態で、雄ねじ１１及び雌ねじ２１は密着嵌合してロッキング効果を生じさせる。一方、締結状態で、ショルダ面１２，２２間には微小隙間が存在する。この隙間は、ねじ継手１の降伏圧縮荷重Ｌｃの１回若しくは数回の負荷によってショルダ面１２，２２同士が接触する大きさに定められる。

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部が設けられ、鋼管の両端部の外周には雄ねじ部が設けられる。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部が、他端部の外周には雄ねじ部が設けられ、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、雄ねじ部が形成された鋼管の管端部の継手部分は、鋼管又はカップリングに形成された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鋼管又はカップリングの端部は、鋼管の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。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、油井の高深度化及び超深海化が益々進展している。このような環境では、効率良く油井を開発するため、油井管が多重に配置される。多重構造の油井管の接続には、ボックスの外径がピンの外径の１００～１０５％程度であるスリム型のねじ継手が用いられる。多重構造の内側の油井管と外側の油井管の間にクリアランスが必要であるため、外側の油井管のピンの内径によって内側の油井管のボックスの外径が制限されるからである。このような制約下でさえ、ねじ継手には、内部からの圧力（以下、「内圧」ともいう。）及び外部からの圧力（以下、「外圧」ともいう。）に対し、優れた密封性能が要求される。さらに、深井戸においては特に圧縮荷重下における密封性能が要求される。

　また、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ことから、限られた管肉厚のもとで高い耐トルク性能と優れた密封性能とを両立できるねじ継手が要望されている。

　下記の特許文献１に開示されたねじ継手では、管軸に沿ってねじ部が２つに分割され、更にその２段のねじ部の境界にトルクショルダーが設けられ、このショルダーに隣接してメタルシール部が設けられている。このねじ継手は、楔形ねじ同士のねじ込みによる隙間のない嵌め合い密着と、ショルダー同士の押圧接触とを組み合わせることによって、耐トルク性能及び密封性能の向上を図ろうとしている。

　しかし、特許文献１のねじ継手の場合、締結状態で隙間の無い密着を実現するためには、楔形ねじ及びショルダーのいずれも、設計寸法公差が非常に小さくなる。これにより製造コストが上昇するのみならず、加工寸法が公差を外れることも起こり得る。公差外れが生じると、楔形ねじのロッキング効果が十分に発現しなくなり、期待どおりの密封性能や耐トルク性能が得られないおそれがある。

　下記の特許文献２に開示されたねじ継手では、特許文献１のねじ継手における上述の問題を解決するため、締結状態でショルダー面同士は接触させるが、楔形ねじからなる雄ねじ及び雌ねじの挿入面間に隙間が形成されるよう構成されている。

米国特許第７６９０６９６号明細書 国際公開第２０１７／１４５１９２号公報

　しかし、特許文献２のねじ継手のように、締結状態で楔形ねじの挿入面間に隙間を形成させると、楔形ねじ同士のロッキング効果による耐トルク性能が発揮されず、２段ねじの中間に設けられたショルダ面同士の接触のみでは十分な耐トルク性能が得られないおそれがある。

　本開示の目的は、高い耐トルク性能及び高い密封性能を発揮できるスリム型の鋼管用ねじ継手を提供することである。

　本開示の鋼管用ねじ継手は、鋼管の先端部に設けられる管状のピンと、該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から構成される。前記ピンは、軸方向に離間する内ねじ部及び外ねじ部を含む雄ねじと、該雄ねじの前記内ねじ部と前記外ねじ部との間に設けられたショルダ面と、前記ショルダ面よりも前記鋼管の先端側で前記ピンの外周面に設けられる内圧用シール部（以下、「内シール部」ともいう。）と、前記ショルダ面よりも前記鋼管の管本体側で前記ピンの外周面に設けられる外圧用シール部（以下、「外シール部」ともいう。）とを備える。前記ボックスは、締結状態で前記雄ねじの内ねじ部が嵌合する内ねじ部と前記雄ねじの外ねじ部が嵌合する外ねじ部とを含む雌ねじと、該雌ねじの前記内ねじ部と前記外ねじ部との間に設けられて前記ピンのショルダ面に軸方向に対向するショルダ面と、前記ピンの内シール部に対応して設けられて締結状態で前記ピンの内シール部と接触する内シール部と、前記ピンの外シール部に対応して設けられて締結状態で前記ピンの外シール部と接触する外シール部とを備える。前記雄ねじの内ねじ部及び外ねじ部並びに前記雌ねじの内ねじ部及び外ねじ部は、いずれも楔形ねじにより構成されるとともに、締結状態で、前記雄ねじの少なくとも一部において、その挿入面及び荷重面がいずれも前記雌ねじの挿入面及び荷重面に接触するようなねじプロファイルを有している。

　好ましくは、締結状態で、軸方向圧縮荷重無負荷時には前記ピン及びボックスのショルダ面間に隙間が形成されるように前記ピン及び前記ボックスの前記ショルダ面が設けられている。前記隙間の大きさは、次の式（１）で表される荷重Ｌｃの負荷によって前記ピン及び前記ボックスのショルダ面同士が接触するように定められている。
　Ｌｃ＝Ｌｐ×ＪＥ　　・・・（１）
　ここで、Ｌｐは内外圧無負荷時における前記鋼管の管本体の降伏圧縮荷重、ＪＥは継手効率である。

　本開示によれば、限られた管肉厚のもとで高い耐トルク性能と優れた密封性能とを両立できるスリム型の鋼管用ねじ継手を提供できる。

図１は、本発明の一実施形態に係る鋼管用ねじ継手の締結状態の縦断面図である。 図２は、図１に示すねじ継手のねじ嵌合構造の拡大断面図である。 図３は、図１に示すねじ継手の２段ねじ構造の中間部の拡大断面図である。 図４は、ＦＥＭ解析による密封性能の評価における荷重条件の経路を示す図である。

　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、該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。ボックスは、ピンを含む鋼管に接続される他の鋼管の管端に設けられていてもよいし、２つの鋼管を接続するための管状のカップリングの管端に設けられていてもよい。他の鋼管の管端にボックスを設ける場合、他の鋼管の管端に拡径加工を施した上で、その内周に雌ネジ、ショルダ面、内シール部及び外シール部を旋削加工等の適宜の加工法によって形成することができる。

　前記ピンは、軸方向に離間する内ねじ部及び外ねじ部を含む２段ねじ構造の雄ねじと、該雄ねじの前記内ねじ部と前記外ねじ部との間に設けられたショルダ面と、前記ショルダ面よりも前記鋼管の先端側で前記ピンの外周面に設けられる内シール部と、前記ショルダ面よりも前記鋼管の管本体側で前記ピンの外周面に設けられる外シール部とを備える。

　前記ボックスは、軸方向に離間する内ねじ部及び外ねじ部を含む２段ねじ構造の雌ねじと、該雌ねじの前記内ねじ部と前記外ねじ部との間に設けられて前記ピンのショルダ面に軸方向に対向するショルダ面と、前記ピンの内シール部に対応して設けられて締結状態で前記ピンの内シール部と接触する内シール部と、前記ピンの外シール部に対応して設けられて締結状態で前記ピンの外シール部と接触する外シール部とを備える。締結状態で、前記雄ねじの内ねじ部は前記雌ねじの内ねじ部に嵌合するとともに、前記雄ねじの外ねじ部は前記雌ねじの外ねじ部に嵌合する。

　前記雄ねじの内ねじ部及び外ねじ部、並びに、前記雌ねじの内ねじ部及び外ねじ部は、いずれも楔形ねじにより構成され、さらに好ましくはピンの先端側に至るにしたがって徐々に縮径するテーパねじによりそれぞれ構成される。楔形ねじは、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るとともにねじ溝幅が徐々に広くなるねじプロファイルを有する。なお、楔形ねじは一般的に、ねじ山及びねじ溝の断面形状がダブテイル形状とされるが、本発明のねじ継手においては台形ねじやＡＰＩ規格のバットレスねじと同様のねじ山断面形状など、その他従来公知のねじ山断面形状を有する楔形ねじであってもよい。また、内ねじ部及び外ねじ部の一方をダブテイル形状のねじ山により構成し、他方をその他の断面形状のねじ山により構成することもできる。

　なお、ダブテイル形状のねじ山の荷重面及び挿入面は、いずれも負のフランク角を有する。例えば、荷重面及び挿入面のフランク角は、－１０°～－１°であってよい。また、前記雄ねじの内ねじ部及び外ねじ部、並びに、雌ねじの内ねじ部及び外ねじ部は、ねじ山頂部の断面形状、並びに、ねじ谷底部の断面形状が、前記鋼管の軸心に平行な線分であってもよいし、また、各ねじ部の全体のテーパ角に沿って傾斜する線分であってもよい。

　本発明のねじ継手において、ピン及びボックスのショルダ面は、トルクショルダとしての機能を持つ必要はなく、主として軸方向圧縮荷重作用時の圧縮荷重の負担のために設けられる。耐トルク性能は、楔形ねじからなる雄ねじが雌ねじに嵌合し、それらの荷重面同士のみならず挿入面同士も締結状態で接触することによるロッキング効果によって発揮される。ただし、締結状態で雄ねじ及び雌ねじのすべての部位の挿入面同士が接触する必要はなく、必要なトルク性能が得られるならば、雄ねじと雌ねじとの嵌合部位の少なくとも一部においてその挿入面及び荷重面がいずれも雌ねじの挿入面及び荷重面に接触するよう構成できる。例えば、締結状態で、内ねじ部においては荷重面同士及び挿入面同士がほぼ全体にわたって接触し、外ねじ部においては荷重面同士はほぼ全体にわたって接触するが挿入面同士はほぼ全体にわたって接触しないよう、雄ねじ及び雌ねじのそれぞれの内ねじ部及び外ねじ部のねじプロファイルを設計できる。また、締結状態で、外ねじ部においては荷重面同士及び挿入面同士がほぼ全体にわたって接触し、内ねじ部においては荷重面同士はほぼ全体にわたって接触するが挿入面同士はほぼ全体にわたって接触しないよう、雄ねじ及び雌ねじのそれぞれの内ねじ部及び外ねじ部のねじプロファイルを設計できる。

　なお、雄ねじのねじ山頂面と雌ねじのねじ谷底面との間、並びに、雄ねじのねじ谷底面と雌ねじのねじ山頂面との間には隙間があってもよいし、無くてもよい。雄ねじと雌ねじの少なくとも一方にドープと呼ばれる潤滑用のコンパウンドグリースが塗布される場合には、ドープの排出性を考慮して、締結状態で雄ねじのねじ山頂面と雌ねじのねじ谷底面との間に隙間が生じるよう設計できる。

　前記ピン及び前記ボックスの前記ショルダ面は、上記したように雄ねじの荷重面及び挿入面がいずれも雌ねじの荷重面及び挿入面に接触している締結状態で、軸方向圧縮荷重無負荷かつ内外圧無負荷時に前記ピン及びボックスのショルダ面間に隙間が形成されるような位置関係で設けられている。各ショルダ面は、軸方向から見てリング状であってよい。各ショルダ面は、縦断面視において管軸に直交していてもよく、傾斜していてもよい。好ましくはピンのショルダ面とボックスのショルダ面とは平行である。また、各ショルダ面は、凹凸の無い平坦な面であることが好ましいが、溝や突起などが設けられていてもよい。この場合、次に説明する隙間の大きさとは、最も隙間の小さな部分のその隙間の大きさであってよい。

　前記隙間の大きさは、次の式（１）で表される荷重Ｌｃの１回若しくは数回の負荷によって前記ピン及び前記ボックスのショルダ面同士が接触するように定められており、より好適には、内外圧無負荷時において荷重Ｌｃが負荷されることによって、主として挿入面同士が接触している雄ねじ及び雌ねじの嵌合部位近傍が弾性変形してショルダ面同士が接触するように定められている。

　Ｌｃ＝Ｌｐ×ＪＥ　　・・・（１）

　ここで、Ｌｐは内外圧無負荷時における前記鋼管の管本体の降伏圧縮荷重、ＪＥは継手効率である。なお、Ｌｐはミーゼスの降伏条件にしたがって算出された内外圧無負荷時における前記鋼管の管本体の降伏圧縮荷重であってよい。このようなミーゼスの降伏条件にしたがう管本体の降伏圧縮荷重は、管本体の外径、管肉厚、並びに、管本体の材質によって一義的に定められる。一例において、ＩＳＯ１３６７９に規定された管本体の降伏条件となる１００％ＶＭＥ（フォンミーゼス相当応力）の降伏曲線（降伏楕円ともいう。）における内外圧無負荷時の管本体の降伏圧縮荷重をＬｐとすることができる。

　なお、ねじ継手の降伏圧縮荷重Ｌｃを最初に負荷させたときにはショルダ面同士が接触しないが、圧縮－引張の繰り返し荷重の負荷試験において、２回目以降のねじ継手の降伏圧縮荷重Ｌｃの負荷によってショルダ面同士が接触するものも本開示に包含される。油井管においては、ＩＳＯ１３６７９に準拠した内外圧と引張圧縮荷重の複合荷重サイクル中の内外圧無負荷かつねじ継手の降伏圧縮荷重が負荷されるいずれかの荷重ステップにおいてショルダ面同士が接触すればよい。

　より好ましくは、上記荷重Ｌｃが所定回数負荷されて雄ねじ及び雌ねじにダメージが蓄積された状態では、荷重Ｌｃよりも小さな軸方向圧縮荷重の負荷によってショルダ面同士が接触するように、上記隙間の大きさを定めることができる。

　本発明によれば、締結されたピン及びボックスからなるねじ継手に作用する軸方向圧縮荷重が増大していく過程で、ねじ継手部分の降伏圧縮荷重に至る前にピン及びボックスのショルダ面同士が接触する。ショルダ面同士が接触する以前は、荷重面同士及び挿入面同士がいずれも接触している雄ねじ及び雌ねじの嵌合部位に圧縮荷重が分散して負担される。ショルダ面同士が接触した以降は、雄ねじ及び雌ねじのみならず、ピン及びボックスのショルダ面も圧縮荷重を負担する。したがって、ショルダ面が接触した以降のピンに対するボックスの全体的な軸方向変位量が抑えられ、楔形ねじからなる各ねじ部へのダメージを低減できる。その後、荷重状態が内圧＋引張荷重などに変化しても、楔形ねじ同士の密着嵌合によるロッキング効果によって各シール部同士を正確な相対位置で互いに接触させることができ、繰り返し複合荷重下における密封性能の低下を防止できる。さらに、圧縮荷重作用時にショルダ面同士が接触することによって雄ねじ及び雌ねじの変形が抑制され、これらねじ部に作用する繰り返し荷重への耐性が向上し、雄ねじ及び雌ねじの破壊が生じにくくなる。

　さらに、雄ねじ及び雌ねじが楔形ねじにより構成されたねじ継手において、ピンとボックスとの締結完了時にショルダ面間に隙間が存在するため、締結完了の判断に必要な締付トルクが安定する。したがって、鋼管用ねじ継手の締付作業の品質を確保し易くなる。

　前記継手効率ＪＥは、前記ピンのピン危険断面ＰＣＣＳの断面積及び前記ボックスのボックス危険断面ＢＣＣＳの断面積のうちいずれか小さい方の、前記鋼管の管本体の横断面の面積に対する比であってよい。ピン危険断面ＰＣＣＳは、締結状態における雄ねじの外ねじ部と雌ねじの外ねじ部との噛み合い端のうち、ピンの管本体側の噛み合い端における雄ねじの外ねじ部のねじ谷底位置のピンの横断面である。ボックス危険断面ＢＣＣＳは、締結状態における雄ねじの内ねじ部と雌ねじの内ねじ部との噛み合い端のうち、ピンの先端側の噛み合い端における雌ねじの内ねじ部のねじ谷底位置のボックスの横断面である。これらピン危険断面ＰＣＣＳ及びボックス危険断面ＢＣＣＳのうち断面積の小さい方にねじ継手の引張・圧縮強度が支配されるため、ピン危険断面ＰＣＣＳ及びボックス危険断面ＢＣＣＳの断面積のうち小さい方の管本体の横断面の断面積に対する比を継手効率ＪＥとして、ねじ継手の許容最大荷重の計算に用いることが慣用されている。

　なお、２段ねじ構造のねじ継手の場合、継手部の中間にもピン中間危険断面ＰＩＣＣＳ及びボックス中間危険断面ＢＩＣＣＳが存在する（図１参照）。ピン中間危険断面ＰＩＣＣＳは、締結状態における雄ねじの内ねじ部と雌ねじの内ねじ部との噛み合い端のうち、ピンの管本体側の噛み合い端における雄ねじの内ねじ部のねじ谷底位置のピンの横断面である。ボックス中間危険断面ＢＩＣＣＳは、締結状態における雄ねじの外ねじ部と雌ねじの外ねじ部との噛み合い端のうち、ピンの先端側の噛み合い端における雌ねじの外ねじ部のねじ谷底位置のボックスの横断面である。引張荷重はピン中間危険断面ＰＩＣＣＳ及びボックス中間危険断面ＢＩＣＣＳに分担されるが、これら中間危険断面位置での強度確保のために、ピン中間危険断面ＰＩＣＣＳ及びボックス中間危険断面ＢＩＣＣＳの断面積和を、ピン危険断面ＰＣＣＳ及びボックス危険断面ＢＣＣＳの少なくとも一方の断面積よりも大きくすることが好ましい。

　締結状態でショルダ面間に形成される隙間の大きさは、式（１）で表されるねじ継手の降伏圧縮荷重Ｌｃの負荷時にショルダ面間の隙間が狭まる量未満であればよく、より好ましくはその量の半分未満とすることができる。一例において、ねじ継手の降伏圧縮荷重Ｌｃの負荷前後でショルダ面間の隙間が０．２ｍｍ狭くなるように雄ねじ及び雌ねじが全体的に変形可能な場合、上記隙間の大きさは０．２ｍｍ未満であってよく、より好ましくは０．１ｍｍ未満とすることができる。上記隙間の大きさは鋼管の管本体の外径サイズに比例して調整することができる。一例において、上記隙間の大きさは、鋼管の管本体の外径の０．０８２％未満であってよく、より好ましくは０．０４１％未満であってよい。

　前記ピンの内シール部が、前記ピンの前記ショルダ面と前記内ねじ部との間に設けられている場合、前記ピンの前記ショルダ面と前記内シール部との間の軸方向距離は、前記内シール部を含む横断面における前記ピンの管肉厚の２倍よりも大きいことが好ましい。一例において、鋼管の管本体のサイズが直径２００～３６０ｍｍの場合、ピンのショルダ面と内シール部との間の管軸方向距離は、２０ｍｍ以上４５ｍｍ以下、より好ましくは２５ｍｍ以上３５ｍｍ以下であってよい。２段ねじ構造の雄ねじ及び雌ねじの中間にショルダ面を設け、このショルダ面と内ねじ部との間に内シール部を設ける場合、ピンの管端部に内シール部を設けたものに比して、内シール部を含む横断面におけるピンの管肉厚をより大きく確保でき、内シール部近傍のピンの剛性を確保し、これにより密封性能を向上できる。一方、比較的大きな圧縮荷重下でショルダ面同士が接触してピンのショルダ面に圧縮荷重が作用した場合、ショルダ面近傍に圧縮荷重に起因するひずみが生じるため、内シール部がショルダ面に近すぎると密封性能に悪影響が生じるおそれがある。そこで、内シール部近傍の管肉厚の２倍よりもピンのショルダ面と内シール部との間の管軸方向の距離を大きくすることで、圧縮荷重負荷時のショルダ面近傍の塑性変形によるダメージが内シール部に波及し難い構造とし、これにより内圧に対する優れた密封性能を維持できる。さらに、ショルダ面と内シール部との間の管軸方向距離をある程度確保することで、ねじ切り工具を入れるスペースも十分に確保でき、切削加工性も良好なものとなる。また、締結状態ではショルダ面間に隙間が存在し、締結トルクによってはショルダ面近傍にひずみが実質的に生じないため、比較的大きな圧縮荷重の負荷時においてもショルダ面近傍に生じるひずみが低減され、密封性能を維持できる。

　前記ボックスの外シール部が、前記ボックスの前記ショルダ面と前記外ねじ部との間に設けられている場合、前記ボックスの前記ショルダ面と前記外シール部との間の軸方向距離は、前記外シール部を含む横断面における前記ボックスの管肉厚の２倍よりも大きいことが好ましい。一例において、鋼管の管本体のサイズが直径２００～３６０ｍｍの場合、ボックスのショルダ面と外シール部との間の管軸方向距離は、２０ｍｍ以上４５ｍｍ以下、より好ましくは２５ｍｍ以上３５ｍｍ以下であってよい。２段ねじ構造の雄ねじ及び雌ねじの中間にショルダ面を設け、このショルダ面と外ねじ部との間に外シール部を設ける場合、ボックスの管端部に外シール部を設けたものに比して、外シール部を含む横断面におけるボックスの管肉厚をより大きく確保でき、外シール部近傍のボックスの剛性を確保し、これにより密封性能を向上できる。一方、比較的大きな圧縮荷重下でショルダ面同士が接触してボックスのショルダ面に圧縮荷重が作用した場合、ショルダ面近傍に圧縮荷重に起因するひずみが生じるため、外シール部がショルダ面に近すぎると密封性能に悪影響が生じるおそれがある。そこで、外シール部近傍の管肉厚の２倍よりもボックスのショルダ面と外シール部との間の管軸方向の距離を大きくすることで、圧縮荷重負荷時のショルダ面近傍の塑性変形によるダメージが外シール部に波及し難くし、これにより外圧に対する優れた密封性能を維持できる。さらに、ショルダ面と外シール部との間の管軸方向距離をある程度確保することで、ねじ切り工具を入れるスペースも十分に確保でき、切削加工性も良好なものとなる。また、締結状態ではショルダ面間に隙間が存在し、締結トルクによってはショルダ面近傍にひずみが実質的に生じないため、比較的大きな圧縮荷重の負荷時においてもショルダ面近傍に生じるひずみが低減され、密封性能を維持できる。

　さらに、内シール部及び外シール部がいずれも内ねじ部と外ねじ部との間に設けられている場合には、前記ピンの前記ショルダ面と前記内シール部との間の軸方向距離と、前記ボックスの前記ショルダ面と前記外シール部との間の軸方向距離との和は、前記内シール部を含む横断面における前記ピンの管肉厚と前記外シール部を含む横断面における前記ボックスの管肉厚との和の３倍よりも小さいことが好ましい。これによれば、ピン及びボックスの管軸方向の全長が長くなりすぎて、製造コストが増加してしまうことを防止できる。一例において、鋼管の管本体のサイズが直径２００～３６０ｍｍの場合、ピンのショルダ面と内シール部との間の管軸方向距離と、ボックスのショルダ面と外シール部との間の管軸方向距離との和は、８０ｍｍよりも小さくすることができる。

　本開示に係る鋼管用ねじ継手は、前記ボックスの最大外径が、前記鋼管の管本体の外径の１００％以上１０５％以内であるスリム型のねじ継手において好適に実施できる。より好ましくは、本開示に係る鋼管用ねじ継手は、インテグラル型のスリム型ねじ継手として好適に実施できる。

　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とを備えるインテグラル型のスリム型ねじ継手である。ピン１０は、互いに接続される一方の鋼管２の端部に形成される。ボックス２０は、互いに接続される他方の鋼管２’の端部に形成される。ボックス２０は、その内部にピン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。図１には、鋼管２，２’の軸心ＣＬと、鋼管２の管本体の外径ＯＤ、すなわち外周面の直径と、管本体の内径ＩＤ、すなわち内周面の直径とが示されている。

　ピン１０は、その外周面に設けられた内ねじ部１１ａ及び外ねじ部１１ｂを含む２段ねじ構造の雄ねじと、内ねじ部１１ａと外ねじ部１１ｂとの間でピン１０の外周面に設けられたショルダ面１２と、ショルダ面１２と内ねじ部１１ａとの間でピン１０の外周面に設けられた内シール部１３と、ショルダ面１２と外ねじ部１１ｂとの間でピン１０の外周面に設けられた外シール部１４とを有する。内ねじ部１１ａ及び外ねじ部１１ｂは、管軸方向に離間している。

　ボックス２０はピン１０を受け入れる開口端部を有し、この開口端部には拡径加工が施されて、鋼管２の管本体の外径ＯＤより数％程度、ボックス２０の外径が拡大されている。ボックス２０は、その内周面に設けられた内ねじ部２１ａ及び外ねじ部２１ｂを含む２段ねじ構造の雌ねじと、内ねじ部２１ａ及び外ねじ部２１ｂとの間でボックス２０の内周面に設けられたショルダ面２２と、ショルダ面２２と内ねじ部２１ａとの間でボックス２０の内周面に設けられた内シール部２３と、ショルダ面２２と外ねじ部２１ｂとの間でボックス１０の内周面に設けられた外シール部２４とを有する。内ねじ部２１ａ及び外ねじ部２１ｂは、管軸方向に離間している。

　ピン１０及びボックス２０の内シール部１３，２３間には所定の干渉量が設定されており、締結状態で内シール部１３，２３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。同様に、外シール部１４，２４間には所定の干渉量が設定されており、締結状態で外シール部１４，２４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。なお、各シール部１３，２３，１４，２４の形状は適宜のものであってよく、一例において縦断面円弧状の円筒状シール面により構成することができ、他の例において各シール部の断面形状を直線状に形成でき、さらに他の例においてはピン及びボックスの一方側を断面直線状とし他方側を断面円弧状に形成することもできる。

　雄ねじの内ねじ部１１ａ及び外ねじ部１１ｂ並びに雌ねじの内ねじ部２１ａ及び外ねじ部２１ｂは、いずれもピン１０の管軸方向先端側に至るにしたがって徐々に縮径する所定のテーパー角を有するテーパーねじにより構成されているとともに、ピン１０又はボックス２０の管軸方向先端側に至るにしたがってねじ山幅が徐々に狭くなり且つねじ溝幅が徐々に広くなる楔形ねじにより構成されている。楔形ねじは、通常、そのねじ山及びねじ溝がダブテイル形状に形成され、図示例においてもねじ山がダブテイル形状の楔形ねじが示されている。

　なお、本実施形態のねじ継手においては、図２にも示すように、雄ねじ１１及び雌ねじ２１の荷重面及び挿入面は、それぞれ負のフランク角を有する。荷重面及び挿入面のフランク角は同じでもよいし、異なるフランク角が設定されていてもよい。また、締結状態で、雄ねじ１１のねじ山頂面と雌ねじ２１のねじ谷底面との間には僅かに隙間が形成されるように構成することにより、締結時のゴーリングの発生防止と、ドープ排出性向上とが図られる。

　本実施形態では、ボックス２０内にピン１０を挿入し、所定の締付トルクが発生するまでねじ込んだ締結状態において、雄ねじの内ねじ部１１ａの荷重面及び挿入面がいずれも雌ねじの内ねじ部２１ａの荷重面及び挿入面に接触するとともに、雄ねじの外ねじ部１１ｂの荷重面及び挿入面がいずれも雌ねじの外ねじ部２１ｂの荷重面及び挿入面に接触して、これにより締付完了時にロッキング効果が発揮されるよう、雄ねじ及び雌ねじが形成されている。

　一方、所定の締付トルクで締め付けた締結完了時に、図３に示すようにピン１０のショルダ面１２とボックス２０のショルダ面２２との間に微小隙間ｚが形成されるようにして、ショルダ面１２，２２に締付トルクに起因する圧縮荷重が生じないようにしている。これにより、楔形ねじの荷重面同士のみならず挿入面同士が接触するまで締付作業を行う場合の締付トルクが安定する。なお、微小隙間ｚの大きさは、一例において０．２ｍｍ未満であり、さらに好ましくは０．１ｍｍ未満であってよい。

　本開示は、インテグラル型のみならず、カップリング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、密封性能を評価した。

　＜試験条件＞
　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。各供試体は、図１～図３に示す基本構造を有するインテグラル型のねじ継手であり、以下の鋼管を用いた。

　鋼管サイズ： 9‐5/8″58.4#（管本体公称外径：２４４．４８ｍｍ、管本体公称内径：２１４．２５ｍｍ）
　材料：ＡＰＩ規格の油井管材料Ｑ１２５（公称耐力ＹＳ＝８６２ＭＰａ（１２５ｋｓｉ））

　各ねじ部１１ａ，１１ｂ，２１ａ，２１ｂの寸法諸表は下記の通りである。
　　ねじ全長　Ｌ１＋Ｌ２（図１参照）：１３９．４７ｍｍ
　　ねじテーパ角：１．７９°
　　ねじ高さ：２．００ｍｍ
　　荷重面ピッチ：７．００ｍｍ
　　挿入面ピッチ：６．７１ｍｍ

　また、各供試体は、ピン危険断面ＰＣＣＳの断面積よりもボックス危険断面ＢＣＣＳの断面積の方が小さく、ピン中間危険断面ＰＩＣＣＳの断面積とボックス中間危険断面ＢＩＣＣＳの断面積との和は、ボックス危険断面ＢＣＣＳの断面積よりも大きい。供試体に係るねじ継手の継手効率ＪＥは、鋼管の管本体の横断面積Ａに対するボックス危険断面ＢＣＣＳの断面積の比となり、本実施例では７２％である。したがって、内外圧無負荷時のねじ継手の降伏圧縮荷重Ｌｃは、図４にＶＭＥ１００％で示す鋼管の管本体の降伏曲線における内外圧無負荷時の管本体の降伏圧縮荷重の７２％である。

　表１は、解析に供試したねじ継手の寸法等を示す。

　表１中、供試体＃１～＃４は、ボックス２０のショルダ面２２と外シール部２４との間の管軸方向距離ｘと、ピン１０のショルダ面１２と内シール部１３との間の管軸方向距離ｙとを種々変更したものである。また、供試体＃５は供試体＃１をベースとして、外シール干渉量及び内シール干渉量を少し小さくしたものである。また、供試体＃６は供試体＃１をベースとして、外シール干渉量及び内シール干渉量を少し大きくしたものである。各供試体＃１～＃６毎に、ピン及びボックスのショルダ面間の隙間を変更したものを枝番として示している。

　密封性能評価については、図４に示されるように、２０１１年版のＩＳＯ１３６７９規格で定める実体試験を模擬した複合荷重を負荷し、荷重経路において最もシール接触力が小さくなったものを最小シール接触力と定義し、その値の大小で密封性能を評価した。

　なお、多くの供試体において、内シール接触力は荷重ステップ（２２）付近、すなわち、２回目の内圧＋引張荷重負荷時に最小値をとった。

［評価結果］
　表１に示すように、いずれの供試体＃１～＃６においても、ショルダ面１２，２２間の隙間ｚが０～０．２ｍｍの場合は、隙間ｚが大きくなるほど、最小内シール接触力が低下する傾向が認められるが、隙間ｚが０．２ｍｍ以上では最小内シール接触力はほぼ一定となった。このことから、ねじ継手１の降伏圧縮荷重Ｌｃの負荷によって、ショルダ面１２，２２間の隙間ｚが０を超え０．２ｍｍ未満の場合はピン１０及びボックス２０が全体的に弾性変形することでショルダ面１２，２２同士が接触して、それ以降のピン１０及びボックス２０の軸方向変位が抑制され、降伏圧縮荷重Ｌｃ負荷時の各ねじ部１１ａ，１１ｂ，２１ａ，２１ｂへのダメージが低減されたものと評価できる。なお、内外圧無負荷且つねじ継手の降伏圧縮荷重Ｌｃが負荷される荷重ステップ（１０）、（１２）、（２９）におけるショルダ面間の変位量を詳細に分析したところ、１回目の荷重ステップ（１０）、２回目の荷重ステップ（１２）、３回目の荷重ステップ（２９）ともショルダ面同士が接触することが確認された。

　一方、隙間が０．２ｍｍを超えるとすべての荷重ステップにおいてショルダ面同士が接触しなくなり、ピン及びボックス間に生じる軸方向変位が変わらなくなるため、各ねじ部に蓄積するダメージ量も一定となり、最小内シール接触力もほぼ変わらなくなったものと評価できる。なお、０．２ｍｍは、鋼管の管本体の外径２４４．４８ｍｍの約０．０８２％である。

　かかる試験結果より、ピン及びボックスの締付トルクによってはショルダ面同士を接触させず、ねじ継手の降伏圧縮荷重Ｌｃよりも小さな圧縮荷重によってショルダ面同士が接触するように設計することによって、２段ねじ構造の楔形ねじを有するねじ継手においても、繰り返し複合荷重下において各ねじ部に蓄積するダメージ量を抑えることができたと推定し得る。

　さらに、ピン１０のショルダ面１２と内シール部１３との間の軸方向距離ｙが１９．７～２５．２ｍｍ確保されていて、ピン内シール肉厚である約８ｍｍの２倍よりも大きいため、ショルダ面１２に圧縮荷重が作用することによるショルダ面近傍のひずみによって内シール部１３に大きな影響を及ぼさず、内シールによる内圧密封性能を維持できることが確認された。また、ボックス２０のショルダ面２２と外シール部２４との間の軸方向距離ｘも１９．７ｍｍ確保されていて、ボックス外シール肉厚である約７．４ｍｍの２倍よりも大きいため、ショルダ面２２に圧縮荷重が作用することによるショルダ面近傍のひずみによって外シール部１４にも大きな影響がなく、外シールによる外圧密封性能を維持できることが確認された。さらに、内シールショルダ間距離ｙと外シールショルダ間距離ｘとの和（ｘ＋ｙ）が最大で２５．２＋１９．７＝４４．９ｍｍに抑えられており、ピン内シール肉厚とボックス外シール肉厚との和である約１５．４ｍｍの３倍よりも小さいので、管サイズに比して継手部分の管軸方向長さが長くなり過ぎることがなく、製造コストを低減できる。

　１：鋼管用ねじ継手，２：鋼管，１０：ピン，２０：ボックス
　１１ａ：雄ねじの内ねじ部，１１ｂ：雄ねじの外ねじ部
　２１ａ：雌ねじの内ねじ部，２１ｂ：雌ねじの外ねじ部
　１２：ピンのショルダ面，２２：ボックスのショルダ面
　１３：ピンの内シール部，２３：ボックスの内シール部
　１４：ピンの外シール部，２４：ボックスの外シール部
 

Claims (7)

1. 　鋼管の先端部に設けられる管状のピンと、該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から構成される鋼管用ねじ継手であって、
   　前記ピンは、軸方向に離間する内ねじ部及び外ねじ部を含む雄ねじと、該雄ねじの前記内ねじ部と前記外ねじ部との間に設けられたショルダ面と、前記ショルダ面よりも前記鋼管の先端側で前記ピンの外周面に設けられる内シール部と、前記ショルダ面よりも前記鋼管の管本体側で前記ピンの外周面に設けられる外シール部とを備え、
   　前記ボックスは、締結状態で前記雄ねじの内ねじ部が嵌合する内ねじ部と前記雄ねじの外ねじ部が嵌合する外ねじ部とを含む雌ねじと、該雌ねじの前記内ねじ部と前記外ねじ部との間に設けられて前記ピンのショルダ面に軸方向に対向するショルダ面と、前記ピンの内シール部に対応して設けられて締結状態で前記ピンの内シール部と接触する内シール部と、前記ピンの外シール部に対応して設けられて締結状態で前記ピンの外シール部と接触する外シール部とを備え、
   　前記雄ねじの内ねじ部及び外ねじ部並びに前記雌ねじの内ねじ部及び外ねじ部は、いずれも楔形ねじにより構成されるとともに、締結状態で、前記雄ねじの少なくとも一部において、その挿入面及び荷重面がいずれも前記雌ねじの挿入面及び荷重面に接触するようなねじプロファイルを有しており、
   　締結状態で、軸方向圧縮荷重無負荷時には前記ピン及びボックスのショルダ面間に隙間が形成されるように前記ピン及び前記ボックスの前記ショルダ面が設けられており、
   　前記隙間の大きさは、次の式（１）で表される荷重Ｌｃの負荷によって前記ピン及び前記ボックスのショルダ面同士が接触するように定められている、鋼管用ねじ継手。
   　Ｌｃ＝Ｌｐ×ＪＥ　　・・・（１）
   　ここで、Ｌｐは内外圧無負荷時における前記鋼管の管本体の降伏圧縮荷重、ＪＥは、前記ピンのピン危険断面の断面積及び前記ボックスのボックス危険断面の断面積のうちいずれか小さい方の、前記鋼管の管本体の横断面の断面積に対する比として表される継手効率である。
2. 　請求項１に記載の鋼管用ねじ継手において、
   　前記雄ねじ及び雌ねじのねじ山断面形状はダブテイル形状である、鋼管用ねじ継手。
3. 　請求項１又は２に記載の鋼管用ねじ継手において、
   　前記隙間の大きさは、前記鋼管の管本体の外径の０．０８２％未満である、鋼管用ねじ継手。
4. 　請求項１～３のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手において、
   　前記ピンの内シール部は、前記ピンの前記ショルダ面と前記内ねじ部との間に設けられており、前記ピンの前記ショルダ面と前記内シール部との間の軸方向距離は、前記内シール部を含む横断面における前記ピンの管肉厚の２倍よりも大きい、鋼管用ねじ継手。
5. 　請求項１～４のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手において、
   　前記ボックスの外シール部は、前記ボックスの前記ショルダ面と前記外ねじ部との間に設けられており、前記ボックスの前記ショルダ面と前記外シール部との間の軸方向距離は、前記外シール部を含む横断面における前記ボックスの管肉厚の２倍よりも大きい、鋼管用ねじ継手。
6. 　請求項１～３のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手において、
   　前記ピンの内シール部は、前記ピンの前記ショルダ面と前記内ねじ部との間に設けられており、前記ピンの前記ショルダ面と前記内シール部との間の軸方向距離は、前記内シール部を含む横断面における前記ピンの管肉厚の２倍よりも大きく、
   　前記ボックスの外シール部は、前記ボックスの前記ショルダ面と前記外ねじ部との間に設けられており、前記ボックスの前記ショルダ面と前記外シール部との間の軸方向距離は、前記外シール部を含む横断面における前記ボックスの管肉厚の２倍よりも大きく、
   　前記ピンの前記ショルダ面と前記内シール部との間の軸方向距離と、前記ボックスの前記ショルダ面と前記外シール部との間の軸方向距離との和は、前記内シール部を含む横断面における前記ピンの管肉厚と前記外シール部を含む横断面における前記ボックスの管肉厚との和の３倍よりも小さい、鋼管用ねじ継手。
7. 　請求項１～６のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手において、
   　前記ボックスの最大外径が、前記鋼管の管本体の外径の１００％以上１０５％以内である、鋼管用ねじ継手。
    

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