(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、シール性と耐圧縮性に優れた管用ねじ継手を提供する。【解決手段】ピン３とボックス１夫々のショルダ部１２，１４はその少なくとも一部が相手方と当接する当たり面２２，２４をなし、該当たり面はねじ継手軸直交平面３０、又はピン側では向求心法線２２Ｈ、ボックス側では向遠心法線２４Ｈをもつテーパ面であり、当たり面２２，２４とねじ継手軸直交平面３０との交差角であるショルダ角θが０度以上２０度以下であり、ピン側の当たり面２２の外径Ｄｓｐが、ボックス側の当たり面２４の外径Ｄｓｂよりも小である管用ねじ継手とした。【選択図】図１
2014101983.tif 000002
【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し、
前記ピンとボックス夫々のショルダ部はその少なくとも一部が相手方と当接する当たり面をなし、該当たり面はねじ継手軸に対し直交した平面、又はピン側では向求心法線、ボックス側では向遠心法線をもつテーパ面である管用ねじ継手であって、
前記ピン、ボックス双方の当たり面とねじ継手軸直交平面との交差角であるショルダ角が０度以上２０度以下であり、
前記ピンのショルダ部の当たり面の外径Ｄｓｐが、前記ボックスのショルダ部の当たり面の外径Ｄｓｂよりも小であることを特徴とする管用ねじ継手。
【請求項２】
前記外径Ｄｓｐと、前記外径Ｄｓｂとの差であるピンとボックスの当たり面外径差２δ（＝Ｄｓｂ−Ｄｓｐ）が、０．０２”（＝０．５０８ｍｍ）以上０．０５”（＝１．２７０ｍｍ）以下であり、且つ、ピンの当たり面外径側にはピン内側に弦をもつ円弧状に削り込まれたピンショルダ部分が連接し、下記に定義されるピンショルダ部削り込み量βが０．００１”以上０．０１０”以下（即ち０．０２５４ｍｍ以上０．２５４ｍｍ以下）であることを特徴とする請求項１に記載の管用ねじ継手。
記
ピンショルダ部削り込み量βとは、ピンのショルダ部の当たり面を外径側に展延してなるピン当たり面展延面の面内の外径が前記外径Ｄｓｂに等しい点から、前記円弧状に削り込まれたピンショルダ部分までの、ねじ継手軸方向のピン先端側から雄ねじ部側への向きを正とする距離を意味する。
【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、シール性と耐圧縮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当たり面を有する。
【０００４】
図４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４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に関する従来技術として、耐圧縮性を高めるべく、ボックスのショルダ部の当たり面の断面積とピン素管の断面積の比を規定することが知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４２５７７０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
然し、本発明者らの検討によると、前記従来技術では、圧縮負荷時にピンとボックスのショルダ部同士の接触がピン先端の外径側で発生し、最悪の場合、ピンが塑性縮径変形してシール性が低下するため、高い圧縮負荷をかけることができないと云う課題があることが分った。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意検討し、その結果、前記縮径変形を避けるには、前記ピンのショルダ部の当たり面（相手方と当接する平面乃至テーパ面）の外径（当たり面内でねじ継手軸からの半径が最大半径になる部位の前記最大半径×２の意。以下同じ）を、ボックスのショルダ部の当たり面の外径よりも小さくすることが有効である事、更には、ピンのショルダ部の当たり面より外側を適切に削り込むことにより耐圧縮性をより改善できる事を見出し、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し、
前記ピンとボックス夫々のショルダ部はその少なくとも一部が相手方と当接する当たり面をなし、該当たり面はねじ継手軸に対し直交した平面、又はピン側では向求心法線、ボックス側では向遠心法線をもつテーパ面である管用ねじ継手であって、
前記ピン、ボックス双方の当たり面とねじ継手軸直交平面との交差角であるショルダ角が０度以上２０度以下であり、
前記ピンのショルダ部の当たり面の外径Ｄｓｐが、前記ボックスのショルダ部の当たり面の外径Ｄｓｂよりも小であることを特徴とする管用ねじ継手。
（２）  前記外径Ｄｓｐと、前記外径Ｄｓｂとの差であるピンとボックスの当たり面外径差２δ（＝Ｄｓｂ−Ｄｓｐ）が、０．０２”（＝０．５０８ｍｍ）以上０．０５”（＝１．２７０ｍｍ）以下であり、且つ、ピンの当たり面外径側にはピン内側に弦をもつ円弧状に削り込まれたピンショルダ部分が連接し、下記に定義されるピンショルダ部削り込み量βが０．００１”以上０．０１０”以下（即ち０．０２５４ｍｍ以上０．２５４ｍｍ以下）であることを特徴とする前記（１）に記載の管用ねじ継手。
【０００９】
記
ピンショルダ部削り込み量βとは、ピンのショルダ部の当たり面を外径側に展延してなるピン当たり面展延面の面内の外径が前記外径Ｄｓｂに等しい点から、前記円弧状に削り込まれたピンショルダ部分までの、ねじ継手軸方向のピン先端側から雄ねじ部側への向きを正とする距離を意味する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、上記構成を採用した事で、圧縮負荷時のピンの塑性縮径変形を抑制でき、耐圧縮性に優れる管用ねじ継手が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態を示すねじ継手軸方向断面図である。
【図２】本発明に係るピンノーズ先端部の削り込みを示すねじ継手軸方向断面図である。
【図３】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のＦＥＡ計算結果の例を示す等ひずみ区域図である。
【図４】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る。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、本発明（１）の一実施形態を示すねじ継手軸方向断面図である。図１は、ピン３とボックス１のねじ結合完了直前状態に対応する、ピン図面とボックス図面の重ね合わせ図であり、ピンノーズ８の非ショルダ部とボックス１内面のピンノーズ対向部とが、結合完了時にはシール部になる、干渉部２０を形成している。尚、結合完了時に対応させた場合の前記重ね合わせ図における干渉部２０でみてボックス/ピン間の半径差が最大になる部位の前記半径差をシール干渉量と云う。
【００１３】
ピン３のショルダ部１２とボックス１のショルダ部１４とは、夫々その少なくとも一部が相手方と当接する当たり面２２，２４をなし、当たり面２２，２４はねじ継手軸に対し直交した平面（ねじ継手軸直交平面３０）、又はピン側では向求心法線２２Ｈ、ボックス側では向遠心法線２４Ｈをもつテーパ面である。これにより、ボックス１の当たり面２４からピン３の当たり面２２への接触反力は、向求心成分が無くてピンノーズ８の縮径変形に寄与しないか、又は向遠心成分が有ってピンノーズ８の縮径変形に抵抗する。このとき、当たり面２２，２４とねじ継手軸直交平面３０との交差角であるショルダ角θは０度以上である。但し、ショルダ角θが２０度超であると、ボックス１の当たり面２４からピン３の当たり面２２への接触反力の向遠心成分が過大となってシール部にダメージが発生する。よって、ショルダ角θは０度以上２０度以下とする。
【００１４】
ピン３のショルダ部１２の当たり面２２の外径Ｄｓｐは、ボックス１のショルダ部１４の当たり面２４の外径Ｄｓｂよりも小である。これにより、ピン３先端部へのボックス１側からの縮径方向の押し力の発生が防止でき、該押し力に起因するシール部の接触弱化を抑制できる。
図２は、本発明の好適な一実施形態である本発明（２）における、ピンノーズ先端部の削り込みを示すねじ継手軸方向断面図であり、この図２は図１と同様、ピン３とボックス１のねじ結合完了直前状態に対応する、ピン図面とボックス図面の重ね合わせ図であり、ピンノーズ８の非ショルダ部とボックス１内面のピンノーズ対向部とが、結合完了時にはシール部になる、干渉部２０を形成している。図２において、δは、ピン３とボックス１の当たり面外径差２δ（≡Ｄｓｂ−Ｄｓｐ）の１/２、即ちδ≡２δ/２であり、２δは、２δ：０．０２”（＝２δ１）以上０．０５”（＝２δ２）以下である。又、ピン３の当たり面２２外径側にはピン内側に弦をもつ円弧状に削り込まれたピンショルダ部分２５が滑らかに連接しており、ピン３のショルダ部１２の当たり面２２を外径側に展延してなるピン当たり面展延面２２Ａの面内の外径が外径Ｄｓｂに等しい点から、前記円弧状に削り込まれたピンショルダ部分２５までの、ねじ継手軸方向のピン先端側から雄ねじ部側への向きを正とする距離で定義されるピンショルダ部削り込み量βが０．００１”（＝β１）以上０．０１０”（＝β２）以下である。尚、図示の様に、外径Ｄｓｂ、外径Ｄｓｐの各点におけるピン/ボックス間のねじ継手軸方向間隔を夫々Ｌ２，Ｌ１と記すと、β＝Ｌ２−L1、である。  
【００１５】
本発明（２）によれば、ピン先端の接触反力発生をより強く防止する効果（便宜上、効果Ａと云う）を奏する。又、大きな圧縮力が作用した場合、従来技術の範疇では、ボックス１のショルダ部１４が塑性変形してピン先端部の減り込み（めりこみ）が生じがちとなるが、斯かる場合でも、本発明（２）によれば、ボックス１のショルダ部１４の塑性変形を抑制し、ピン先端の減り込みを生じ難くする効果（便宜上、効果Ｂと云う）を奏する。２δ＜２δ１又はβ＜β１であると、前記効果Ａに乏しく、一方、２δ＞２δ２又はβ＞β２であると、前記効果Ｂに乏しいので、２δ１≦２δ≦２δ２、且つ、β１≦β≦β２とする事が好ましい。
【００１６】
図３は、Ｄｓｐ＝Ｄｓｂとした従来例（図３（ａ））、Ｄｓｂ＞Ｄｓｐかつβ＜０．００１”とした本発明（１）相当例（図３（ｂ））、Ｄｓｂ＞Ｄｓｐかつβ＝０．００１”とした本発明（２）相当例（図３（ｃ））の各々について、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のＦＥＡ計算結果の例を示す等ひずみ区域図である。図３において、２１はシール部であり、前掲図と同一部または相当部には同じ符号を付し、説明を省略する。図３より、本発明（１）相当例ではピン先端の塑性変形が従来例よりも低減している事、及び、本発明（２）相当例ではピン先端の塑性変形が本発明（１）相当例よりも低減している事が分る。
【実施例】
【００１７】
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（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、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。
【００１８】
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、本発明例においてピンのショルダ部の当たり面より外側を適切に削り込んだ例では、より一層優れたシール性が発現した事が明らかである。
【００１９】
【表１】
2014101983.tif 000003
【符号の説明】
【００２０】
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）
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）
２０        シール部になる干渉部
２１        シール部
２２，２４  当たり面（２２はピン側、２４はボックス側）
２２Ａ      ピン当たり面展延面
２２Ｈ      向求心法線
２４Ｈ      向遠心法線
２５        円弧状に削り込まれたピンショルダ部分
３０        ねじ継手軸直交平面
【図１】
2014101983.tif 000004
【図２】
2014101983.tif 000005
【図４】
2014101983.tif 000006
【図３】
2014101983.tif 000007