(57)【要約】      （修正有）【課題】油井管、ライザー管、ならびにラインパイプなどの鋼管の接続に用いるのに好適な、シール性、耐圧縮性、耐ゴーリング性に優れた管用ねじ継手を提供する。【解決手段】ピン３側のシール部２１にする外周面部分が、軸方向断面視でピン外周面内に在ってピン内に弦を持つ円弧である凸円弧９の軸周回転軌跡である凸曲面１０であり、ボックス１側のシール部２１にする部材内周面部分が、近ショルダ部側に位置する第１のテーパ１５と遠ショルダ部側に位置する第２のテーパ１６を、軸方向断面視でボックス内周面内に在ってボックス外に弦を持つ円弧である凹円弧１７の軸周回転軌跡である凹曲面１８を介して接続してなる複合曲面１９であり、凹円弧１７の曲率半径Ｒｂと凸円弧９の曲率半径Ｒｐとは、Ｒｂ≧Ｒｐ×０．７、を満たす。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
雄ねじ部と、該雄ねじ部より管端側に延在するノーズ部と、該ノーズ部の先端に設けられたショルダ部とを有するピンと、
前記雄ねじ部とねじ結合されてねじ部をなす雌ねじ部と、前記ピンのノーズ部外周面に相対するシール面と、前記ピンのショルダ部に当接するショルダ部とを有するボックスと、を有し、
前記ねじ結合により前記ピンとボックスとが結合されてピンの前記ノーズ部外周面とボックスの前記シール面とがメタル‐メタル接触しその接触部がシール部をなす管用ねじ継手であって、
前記ピンをなす部材側のシール部にする部材外周面部分が、部材軸方向断面視で部材界面内に在って部材内に弦を持つ円弧である凸円弧の部材軸周りの回転軌跡である凸曲面であり、
前記ボックスをなす部材側のシール部にする部材内周面部分が、近ショルダ部側に位置する第１のテーパと遠ショルダ部側に位置する第２のテーパを、部材軸方向断面視で部材境界面内に在って部材外に弦を持つ円弧である凹円弧の部材軸周りの回転軌跡である凹曲面を介して接続してなる複合曲面であり、
前記複合曲面内の前記凹円弧の曲率半径Ｒｂと前記凸曲面内の前記凸円弧の曲率半径Ｒｐとは、Ｒｂ≧Ｒｐ×０．７、を満たすことを特徴とする管用ねじ継手。
【請求項２】
前記第１、第２のテーパ夫々のテーパ角α１、α２は、α１-α２≧０．５度、を満たすことを特徴とする請求項１に記載の管用ねじ継手。
【請求項３】
前記凹曲面内に、シール干渉量が最大となる部材軸方向位置であるシールポイントが配位されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の管用ねじ継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管用ねじ継手に関し、詳しくは一般に油井やガス井の探査や生産に使用されるチュービングおよびケーシングを包含する油井管、すなわちＯＣＴＧ(oil country tubular goods)、ライザー管、ならびにラインパイプなどの鋼管の接続に用いるのに好適な、シール性、耐圧縮性、耐ゴーリング性に優れた管用ねじ継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
ねじ継手は、油井管など産油産業設備に使用される鋼管の接続に広く使用されている。オイルやガスの探索や生産に使用される鋼管の接続には、従来ＡＰＩ（米国石油協会）規格に規定された標準的なねじ継手が典型的には使用されてきた。しかし、近年、原油や天然ガスの井戸は深井戸化が進み、垂直井から水平井や傾斜井等が増えていることから、掘削・生産環境は苛酷化している。また、海洋や極地など劣悪な環境での井戸の開発が増加していることなどから、耐圧縮性能、耐曲げ性能、外圧シール性能（耐外圧性能）など、ねじ継手への要求性能は多様化している。そのため、プレミアムジョイントと呼ばれる高性能の特殊ねじ継手を使用することが増加しており、その性能への要求もますます増加している。
【０００３】
プレミアムジョイントは、通常、テーパねじ、シール部（詳しくはメタルタッチシール部）、ショルダ部（詳しくはトルクショルダ部）とをそれぞれ備える、管端部に形成した雄ねじ部材（以下、ピンと呼ぶ）と該ピン同士を連結する雌ねじ部材（以下、ボックスと呼ぶ）とを結合したカップリング形式の継手である。テーパねじは管継手を強固に固定するために重要であり、シール部はボックスとピンとがこの部分でメタル接触することでシール性を確保する役目を担い、ショルダ部は継手の締付け中にストッパの役目を担うショルダ面を有する。
【０００４】
図７は、油井管用プレミアムジョイントの従来例を示す模式的説明図であり、これらは、円管のねじ継手の縦断面図である。ねじ継手は、ピン３とこれに対応するボックス１とを備えており、ピン３は、その外面に雄ねじ部７と、ピン３の先端側に雄ねじ部７に隣接して設けられたねじの無い長さ部分であるノーズ部（ピンノーズとも云う）８を有する。ノーズ部８は、その外周面にシール部（詳しくは、メタルタッチシール部）１１を、その端面にはショルダ部（詳しくは、トルクショルダ部）１２を有する。相対するボックス１は、その内面に、それぞれピン３の雄ねじ部７、シール部１１、およびショルダ部１２と螺合するか、または接触することができる部分である、雌ねじ部５、シール部１３、および、ショルダ部１４を有している。
【０００５】
図７の従来例では、シール部１１がピン３の先端部にあり、適正な締付トルクを与えることにより所望のシール性能を実現できるのであるが、締付トルクは潤滑条件、表面性状等に影響されるので、これらに大きくは依存しない設計として、シール接触圧力の半径方向成分を相対的に強くした半径方向シール方式（ラジアルシール型とも云う）がある。
前記ラジアルシール型のプレミアムジョイントでは、通常、シール部は、テーパ同士の接触で形成するシール部である（従来技術Ａと云う）か、あるいは、テーパと、部材軸方向断面視で部材境界面内に在って部材内に弦を持つ円弧である凸円弧の部材軸周りの回転軌跡が成す曲面である凸曲面との接触で形成するシール部である（従来技術Ｂと云う）かの何れかである。
【０００６】
従来技術Ｂには、例えば、今日の最大範囲の通常の作業条件に対して優秀なシール特性を有する長い管路の作成を許し、かつ数回の組立及び分解の後でも最適性能を保証し、又、運転負荷に対して高度の抵抗を有する継手とする目的で、シール部の継手軸方向断面形状を、ピン側は凸円弧、ボックス側は直線とし、ピン側シール部の凸円弧の半径（曲率半径）を管外径により異なる数値に限定すること（特許文献１参照）などが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４３００１８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
然し、本発明者らの検討によると、前記従来技術Ａ（テーパ同士の接触で形成するシール部）や従来技術Ｂ（テーパと凸曲面との接触で形成するシール部）では、以下に述べる難点があって、シール性及び耐ゴーリング性を十分向上させる事が困難であると云う課題があることが分った。
従来技術Ａでは、テーパ同士でテーパ角（継手軸に対するテーパの鋭角側の傾斜角度）にミスマッチがあった場合に片当たりが発生する。又、従来技術Ａでは、テーパ同士の接触域両端に極端に高い接触面圧が発生する為ゴーリングが起り易くなる。
【０００９】
従来技術Ｂでは、管軸方向（＝継手軸方向）引張時のシール性低下（接触面圧低下）を抑制する為にはシールテーパ角を小さくする事が有効であるが、ＭＵ（＝Ｍａｋe-Ｕｐ；締付）時の摺動距離が長くなり、ゴーリングが起り易くなる。一方、従来技術Ｂでは、凸円弧の曲率半径を大きくすると接触長が長くなりシール性が向上すると共に、最大接触面圧が低くなり、ゴーリングのリスクが低減可能である。ところが、曲率半径を変更すると接触長と最大接触面圧が連動して変化する為、接触長が長く最大接触面圧も高い状態を実現する為には過大なシール干渉量を与えるしかなく、やはりゴーリングの問題が発生してしまう。
【００１０】
尚、本明細書において、シール干渉量とは、ねじ継手のピン側になるピン部材とボックス側になるボックス部材との両部材の部材軸方向断面図同士を、軸同士及びショルダ面同士が一致する様に、重ね合わせてなる継手組立図において、前記重ね合わせにより形成された両部材の干渉部の、部材軸（＝継手軸）方向位置における部材直径寸法の差（ピンの外径とボックスの内径の差＝直径あたりの重なり寸法）を意味する。前記干渉部は、両部材をねじ結合してなるねじ継手のシール部に対応する。又、前記シール干渉量が最大となる部材軸方向位置をシールポイントと称する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは前記課題を解決する手段について鋭意検討した結果、ボックスをなす部材側のシール部にする部材内周面部分を、２つのテーパが凹曲面、即ち、部材軸方向断面視で部材境界面内に在って部材外に弦を持つ円弧である凹円弧の部材軸周りの回転軌跡がなす曲面、を介して接続されてなる複合曲面とし、ピンをなす部材側のシール部にする部材外周面部分を、凸曲面、即ち、部材軸方向断面視で部材境界面内に在って部材内に弦を持つ円弧である凸円弧の部材軸周りの回転軌跡がなす曲面、とする事が効果的であるとの知見を得、これに基づいて、以下の要旨構成になる本発明を成した。
（１）  雄ねじ部と、該雄ねじ部より管端側に延在するノーズ部と、該ノーズ部の先端に設けられたショルダ部とを有するピンと、
前記雄ねじ部とねじ結合されてねじ部をなす雌ねじ部と、前記ピンのノーズ部外周面に相対するシール面と、前記ピンのショルダ部に当接するショルダ部とを有するボックスと、を有し、
前記ねじ結合により前記ピンとボックスとが結合されてピンの前記ノーズ部外周面とボックスの前記シール面とがメタル‐メタル接触しその接触部がシール部をなす管用ねじ継手であって、
前記ピンをなす部材側のシール部にする部材外周面部分が、部材軸方向断面視で部材界面内に在って部材内に弦を持つ円弧である凸円弧の部材軸周りの回転軌跡である凸曲面であり、
前記ボックスをなす部材側のシール部にする部材内周面部分が、近ショルダ部側に位置する第１のテーパと遠ショルダ部側に位置する第２のテーパを、部材軸方向断面視で部材境界面内に在って部材外に弦を持つ円弧である凹円弧の部材軸周りの回転軌跡である凹曲面を介して接続してなる複合曲面であり、
前記複合曲面内の前記凹円弧の曲率半径Ｒｂと前記凸曲面内の前記凸円弧の曲率半径Ｒｐとは、Ｒｂ≧Ｒｐ×０．７、を満たすことを特徴とする管用ねじ継手。
（２）  前記第１、第２のテーパ夫々のテーパ角α１、α２は、α１-α２≧０．５度、を満たすことを特徴とする前記（１）に記載の管用ねじ継手。
（３）  前記凹曲面内に、シール干渉量が最大となる部材軸方向位置であるシールポイントが配位されたことを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の管用ねじ継手。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、上記構成を採用した事で、従来よりもシール性及び耐ゴーリング性に優れる管用ねじ継手が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態の一例を示す継手軸方向断面図である。
【図２】本発明によるシール部の接触面形状を示す模式図である。
【図３】Ｍａｋｅ-ｕｐ時のＦＥＡ（有限要素解析）による接触面圧の接触長方向分布を示す線図である。
【図４】本発明例についてＩＳＯ試験に規定された複合荷重負荷後の相当塑性ひずみ分布をＦＥＡ計算した結果を示す等ひずみ区域図である。
【図５】ＦＥＡ（有限要素解析）によるゴーリング指数の接触長方向分布を示す線図である。
【図６】ＦＥＡ（有限要素解析）による複合荷重負荷時のロードステップ２、１２、１３に対する接触面積圧を本発明例（水準４）と比較例（水準１１）とで比較した棒グラフである。
【図７】シール部がピン先端部にある従来例を示す継手軸方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、本発明の実施形態の一例を示す軸方向断面図である。この図はピン３とボックス１の軸方向断面図同士を、軸同士及びショルダ面２２，２４同士が一致する様に、重ね合わせてなる継手組立状態を示している。尚、ねじ結合時には同心軸化して継手軸になる、ピン軸（管軸との同心軸である）、ボックス軸の何れかである部材軸、略して軸は、図示を省略した。この図において、前記重ね合わせにより形成されたピン３外径側とボックス１内径側との干渉部２０は、ピン３とボックス１とのねじ結合時にシール部２１(図２参照)となる。
【００１５】
干渉部２０において、ピン３側の外周面は、ピン３内に弦（図示省略）を持つ曲率半径Ｒｐの円弧である凸円弧９の軸周りの回転軌跡である凸曲面１０であり、一方、ボックス側の内周面は、近ショルダ部側（ショルダ部１４に近い側）に位置する第１のテーパ１５と遠ショルダ部側（ショルダ部１４から遠い側）に位置する第２のテーパ１６を、ボックス１外に弦（図示省略）を持つ曲率半径Ｒｂの円弧である凹円弧１７の部材軸周りの回転軌跡である凹曲面１８を介して接続してなる複合曲面１９である。
【００１６】
凹円弧１７、凸円弧９夫々の曲率半径Ｒｂ、Ｒｐは、Ｒｂ≧Ｒｐ×０．７、を満たす。
図２は、干渉部２０のシール形状（ピンノーズ８の外周面形状とボックス１側のピンノーズ対向部の内周面形状）に対応するシール部２１の接触面形状を示す模式図であり、この図において、３０は凹曲面１８と凸曲面１０とがメタル‐メタル接触してなるシール円弧部、３１は第１のテーパ１５と凸曲面１０とがメタル‐メタル接触してなる第１のシールテーパ部、３２は第２のテーパ１６と凸曲面１０とがメタル‐メタル接触してなる第２のシールテーパ部、３３，３４は凹円弧１７と第１、第２夫々のテーパ１５，１６との繋ぎ目である。
【００１７】
第１のシールテーパ部３１のシールテーパ角（継手軸に対するシールテーパ部の鋭角側の傾斜角度）は、α１と殆ど等しくなり、第２のシールテーパ部３２のシールテーパ角は、α２と殆ど等しくなる。
シール部２１にするピン１側の外周面部分を凸曲面１０とし、ボックス３側では第１、第２のテーパ１５，１６を連結する曲線として凹円弧１７を適用する事で、シール円弧部３０の接触面圧が抑制され、耐ゴーリング性が向上する。
【００１８】
凹円弧１７の曲率半径Ｒｂは凸円弧９の曲率半径Ｒｐと比べて小さい方が接触長を確保しつつも接触面圧は抑制できて好ましいが、Ｒｂが過小であると繋ぎ目３３，３４付近に非接触部分（隙間）が生じ、隙間に残存したコンパウンドがシール性を阻害する。斯かる不具合を回避する為に、Ｒｂ≧Ｒｐ×０．７、を満たす必要がある。但し、Ｒｂ＞Ｒｐ×２、となると、接触面圧低減効果が小さくなり、過大な場合には単一テーパシールと実質的に同じとなってしまうから、Ｒｂ≦Ｒｐ×２、とする事が好ましい。即ち、好ましくは、Ｒｂは、Ｒｐ×０．７以上Ｒｐ×２以下である。
【００１９】
又、管軸方向引張時の接触面圧低下を抑制する観点から、ボックス３の遠ショルダ部側のテーパである第２のテーパ１６のテーパ角α２（第２のシールテーパ部３２のシールテーパ角に殆ど等しい）を小さくする事、例えばα２≒３〜１０度、とする事が好ましい。一方、近ショルダ部側のテーパである第１のテーパ１５のテーパ角α１（第１のシールテーパ部３１のシールテーパ角に殆ど等しい）は、管軸方向圧縮時にその力を受け易くする観点から、α２との角度差Δα＝α１-α２≧０．５度、を満たす事が好ましい。但し、Δαが過大であると、第１、第２の何れか一方或いは両方のテーパの部位での接触が無くなり、繋ぎ目３３，３４での接触で発生させて得られる筈の大きな接触面圧が得られなくなる懸念がある。この不具合を回避する為に、Δαは、Δα≦４度とするのがより好ましい。即ち、より好ましくは、Δαは、０．５度以上４度以下である。
【００２０】
ところで、従来のシール形状では、シール干渉量が最大となる部材軸方向位置であるシールポイントにおいて最大接触面圧が発生し、複合荷重例えば引張-圧縮の繰り返し等の荷重を受けた際に塑性変形が発生してシール性が低下し易い。これに対し、本発明では、シールポイントを凹円弧１７域内に配位する事により、接触面圧を低減する事ができ、以てシール性低下を抑制する事ができる。従って、本発明では、凹曲面１８内にシールポイントが配位されたねじ継手である事が好ましい。
【実施例】
【００２１】
外径９-５/８”×肉厚０．５４５”の鋼管端部を加工してなるピンと、これに対応するボックスとからなる管用ねじ継手について、有限要素解析（ＦＥＡ）を実施してＭＵ（Ｍａｋｅ-Ｕｐ；締付）時の接触面積圧（接触面圧を管軸方向の接触長に渡って積分した指標）を同一とした設計で、表１にシール形状及び評価パラメータを示すサンプルを製作し、ＩＳＯ１３６７９のシリーズＡテストを実施した。この実施に当たっては表１に実験条件を示す各水準で実験した。尚、実験では、ＭＵ完了時の接触面積圧が６０００ｐｓｉ-ｉｎｃｈとなる様にシール干渉量とＭＵトルクを調整した。
【００２２】
実験結果を表１に示す。表１より、比較例と比べて、本発明例では、より優れたシール性が発現し、又、本発明例においてシールポイントを凹曲面（凹円弧）内に配位した例では、より一層優れたシール性が発現した事が明らかである。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
図３は、Ｍａｋｅ-ｕｐ時のＦＥＡ（有限要素解析）による接触面圧の接触長方向分布を示す線図である。図中の曲線は夫々表１の水準４（本発明例）、および水準１１（比較例）に対する結果である。なお、接触長および接触面圧は水準１１（比較例）の分布に基づき無次元化して表示している。この図より、本発明例ではＭａｋｅ-ｕｐ時の分布は接触長が長く最大面圧は過大でないことが分る。
【００２５】
図４は、本発明例（水準４）についてＩＳＯ試験に規定された複合荷重負荷後の相当塑性ひずみ分布をＦＥＡ計算した結果を示す等ひずみ区域図である。この図より、シールポイントを凹曲面１８（凹円弧１７）内に配位した事で、ひずみの集中する部位が複数に分かれ、塑性変形が起り難くなる事が分る。
図５は、ＦＥＡ（有限要素解析）によるゴーリング指数の接触長方向分布を示す線図である。図中の曲線は夫々表１の水準４（本発明例）、および水準１１（比較例）に対する結果である。なお、接触長および接触面圧は水準１１（比較例）の分布に基づき無次元化して表示している。此処で、ゴーリング指数とは、ねじ締付け時のゴーリングリスクを表す指標として、締付け開始から完了までのシール部の接触点各位置における「摩擦係数μ×摺動距離×接触面圧」の積分計算値として定義した値であり、ゴーリング指数が小さいほどゴーリングリスクは小さい。この図より、本発明例では比較例に比べ、摺動距離が増しても接触面圧が抑制されていることからゴーリング指数の低減が可能である事が分る。
【００２６】
図６は、ＩＳＯ１３６７９：２００２のシール性評価試験におけるシリーズＡテストの引張／圧縮および内圧／外圧による複合荷重負荷時のＬＰ（Ｌｏａｄ Ｐｏｉｎｔ）２、１２、１３に対して、ＦＥＡにより接触面積圧を計算した結果を示す棒グラフである。なお、棒グラフは本発明例（水準４）と比較例（水準１１）についての接触面積圧を水準１１の各ロードステップの値に基づき無次元化して表示している。耐内圧シールにて問題となるのは最大引張力および内圧が作用するＬＰ（Ｌｏａｄ Ｐｏｉｎｔ）２である。一方で耐外圧シールにて問題となるのは最大外圧のみが作用するＬＰ１２および高い外圧に加えて引張力も作用するＬＰ１３である。このグラフより、本発明例では比較例に比べ、接触面積圧が向上してシール性が向上することがわかる。
【符号の説明】
【００２７】
１          ボックス
３          ピン
５          雌ねじ部
７          雄ねじ部
８          ノーズ部（ピンノーズ）
９          凸円弧
１０        凸曲面
１１，１３  シール部（メタルタッチシール部）
１２，１４  ショルダ部（トルクショルダ部；１２はピン側、１４はボックス側）
１５        第１のテーパ
１６        第２のテーパ
１７        凹円弧
１８        凹曲面
１９        複合曲面
２０        干渉部
２１        シール部
２２，２４  ショルダ面（２２はピン側、２４はボックス側）
３０        シール円弧部
３１        第１のシールテーパ部
３２        第２のシールテーパ部
３３，３４  繋ぎ目（凹円弧とテーパとの繋ぎ目）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図４】
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