(57)【要約】優れた密封性能を確保するとともに、すき間腐食の発生を抑制することが可能な鋼管用ねじ継手を提供する。ねじ継手はピン（１０）及びボックス（２０）を備える。ピン（１０）は、第１ショルダ面（１１）、第１雄ねじ部（１４）、第２ショルダ面（１８）、及び第２雄ねじ部（１７）を含む。ボックス（２０）は、第１ショルダ面（２１）、第１雌ねじ部（２４）、第２ショルダ面（２８）及び第２雌ねじ部（２７）を含む。ピン（１０）及びボックス（２０）のショルダ面間距離をそれぞれＬｐｉｎ、Ｌｂｏｘとして、干渉量δｓｈｌｄを以下の式（１）で定義したとき、ねじ継手は、以下の式（２）及び（３）を満たすよう構成される。式（２）及び（３）において、Ｐは第１雄ねじ部（１４）のねじピッチ、Δｍｉｎ、Δｍａｘはそれぞれ締め付け回転数差の下限値及び上限値、λはピン（１０）のうち第２ショルダ面（１８）よりも先端側の部分の伸び量である。【数１】2017104282.tif 000018
2017104282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管状のピンと、管状のボックスとから構成され、前記ピンが前記ボックスにねじ込まれて前記ピンと前記ボックスとが締結される鋼管用ねじ継手であって、
前記ピンは、先端側から順に、第１ショルダ面、第１シール面、テーパねじの第１雄ねじ部、第２ショルダ面、第２シール面及びテーパねじの第２雄ねじ部を備え、
前記ボックスは、前記ピンの前記第１ショルダ面、前記第１シール面、前記第１雄ねじ部、前記第２ショルダ面、前記第２シール面及び前記第２雄ねじ部のそれぞれに対応する第１ショルダ面、第１シール面、テーパねじの第１雌ねじ部、第２ショルダ面、第２シール面及びテーパねじの第２雌ねじ部を備え、さらに、
前記ピンは、前記第１ショルダ面と前記第１シール面との間に前記第１シール面に連なるノーズ部を備えるとともに、前記第２ショルダ面と前記第２シール面との間に前記第２シール面に連なるねじ無し延長部を備え、
前記ボックスは、前記ピンの前記ノーズ部に対応する凹部を備えるとともに、前記ピンの前記ねじ無し延長部に対応するねじ無し延長部を備えており、
締結状態において、前記第１ショルダ面同士が互いに接触し、前記第１シール面同士が互いに接触し、前記第２シール面同士が互いに接触し、前記ピンの前記ノーズ部と前記ボックスの前記凹部との間に隙間が形成され、前記ピンの前記ねじ無し延長部と前記ボックスの前記ねじ無し延長部との間に隙間が形成され、前記第１雄ねじ部と前記第１雌ねじ部とが嵌まり合い、前記第２雄ねじ部と前記第２雌ねじ部とが嵌まり合い、
非締結状態の前記ピンにおいて前記第１ショルダ面から前記第２ショルダ面までの管軸方向の距離をＬｐｉｎ、非締結状態の前記ボックスにおいて前記第１ショルダ面から前記第２ショルダ面までの管軸方向の距離をＬｂｏｘとして、前記ピンの前記第２ショルダ面と前記ボックスの前記第２ショルダ面との干渉量δｓｈｌｄを以下の式（１）で定義したとき、以下の式（２）及び（３）を満たす、鋼管用ねじ継手。
【数１】
2017104282.tif 000016
ここで、Ｐは、前記第１雄ねじ部のねじピッチ、Δｍｉｎは、締結過程において前記第１ショルダ面同士又は前記第２ショルダ面同士が接触した後の締め付け回転数の下限値、Δｍａｘは、前記締め付け回転数の上限値、λは、前記ピンのうち前記第２ショルダ面よりも先端側の部分の締結時における伸び量であり、
前記ピンの内径をＩＤ、前記ピンの前記第２ショルダ面の最内径をＤｍｓ、前記ピンの前記第１ショルダ面の最外径をＤｉｓとし、前記第１雄ねじ部と前記第１雌ねじ部との干渉量δｔｈとしたとき、λは、以下の式（４）及び（５）を用いて表わされる。
【数２】
2017104282.tif 000017
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、鋼管の連結に用いられるねじ継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
油井、天然ガス井等（以下、総称して「油井」ともいう）においては、地下資源を採掘するためにケーシング、チュービング等の油井管が使用される。油井管は鋼管が順次連結されて成り、その連結にねじ継手が用いられる。【０００３】
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、連結対象の一対の管材のうち、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。この場合、鋼管の両端部の外周に雄ねじ部が設けられ、カップリングの両端部の内周に雌ねじ部が設けられる。そして、鋼管の雄ねじ部がカップリングの雌ねじ部にねじ込まれ、これにより両者が締結されて連結される。インテグラル型の場合、連結対象の一対の管材がともに鋼管であり、別個のカップリングを用いない。この場合、鋼管の一端部の外周に雄ねじ部が設けられ、他端部の内周に雌ねじ部が設けられる。そして、一方の鋼管の雄ねじ部が他方の鋼管の雌ねじ部にねじ込まれ、これにより両者が締結されて連結される。【０００４】
一般に、雄ねじ部が形成された管端部の継手部分は、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。一方、雌ねじ部が形成された管端部の継手部分は、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。これらのピンとボックスは、管材の端部であるため、いずれも管状である。【０００５】
図１は、従来の一般的な鋼管用ねじ継手の一例を示す縦断面図である。図１に示すねじ継手は、カップリング型のねじ継手であり、ピン１１０とボックス１２０とから構成される。【０００６】
ピン１１０は、先端側から基部側に向けて順に、ショルダ面１１１、シール面１１３及び雄ねじ部１１４を備える。一方、ボックス１２０は、基部側から先端側に向けて順に、ショルダ面１２１、シール面１２３及び雌ねじ部１２４を備える。これらのボックス１２０のショルダ面１２１、シール面１２３及び雌ねじ部１２４は、それぞれ、ピン１１０のショルダ面１１１、シール面１１３及び雄ねじ部１１４に対応して設けられる。ピン１１０の雄ねじ部１１４とボックス１２０の雌ねじ部１２４とは互いに噛み合うものであり、これらで構成されるねじ部はテーパねじの台形ねじである。【０００７】
雄ねじ部１１４と雌ねじ部１２４は、互いのねじ込みを可能にし、締結状態では互いに嵌め合い密着し、締まりばめの状態となる。各シール面１１３、１２３は、ピン１１０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ばめの状態となる。これにより、各シール面１１３、１２３はメタル接触によるシール部を形成する。各ショルダ面１１１、１２１は、ピン１１０のねじ込みに伴って互いに接触して押し付けられ、ピン１１０のねじ込みを制限するストッパの役割を担う。各ショルダ面１１１、１２１は、締結状態では、ピン１１０の雄ねじ部１１４の荷重面に、いわゆるねじの締め付け軸力を付与する役割を担う。【０００８】
このような構成のねじ継手では、雄ねじ部１１４と雌ねじ部１２４との嵌め合い密着に加え、シール面１１３、１２３同士の嵌め合い密着により、密封性能が確保される。【０００９】
近年、油井環境は、高深度化及び超深海化が進展し、これに伴い、高温・高圧で高腐食という過酷な環境になっている。このような過酷な環境に対応するため、油井管として厚肉の鋼管が使用されることが多い。これらの鋼管を接続するねじ継手には、内圧及び外圧に対する優れた密封性能が要求される。【００１０】
ねじ継手について密封性能の向上を図った従来技術としては、下記のものがある。【００１１】
図２は、密封性能の向上を図った従来の鋼管用ねじ継手の一例を示す縦断面図である。図２に示すねじ継手は、メタル接触によるシール部を２箇所備える。また、当該ねじ継手では、管軸方向の中央付近にショルダ面が設置されている（例えば、米国特許第４，６６２，６５９号明細書参照）。【００１２】
具体的には、図２に示すように、ピン２１０は、先端側から基部側に向けて順に、第１シール面２１３、第１雄ねじ部２１４、ショルダ面２１１、第２シール面２１６及び第２雄ねじ部２１７を備える。一方、ボックス２２０は、基部側から端側に向けて順に、第１シール面２２３、第１雌ねじ部２２４、ショルダ面２２１、第２シール面２２６及び第２雌ねじ部２２７を備える。第１雄ねじ部２１４と第１雌ねじ部２２４とで構成される第１ねじ部、及び第２雄ねじ部２１７と第２雌ねじ部２２７とで構成される第２ねじ部は、いずれもテーパねじの台形ねじである。【００１３】
第１ねじ部のテーパ面は、第２ねじ部のテーパ面よりも管軸ＣＬ寄りになる。第１ねじ部と第２ねじ部との間にショルダ面２１１、２２１が設置されるからである。【００１４】
第１雄ねじ部２１４及び第１雌ねじ部２２４は、互いのねじ込みを可能にし、締結状態では互いに嵌め合い密着し、締まりばめの状態となる。第２雄ねじ部２１７及び第２雌ねじ部２２７も同様に締まりばめの状態となる。各第１シール面２１３、２２３及び各第２シール面２１６、２２６は、それぞれピン２１０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、締まりばめの状態となる。各ショルダ面２１１、２２１は、ピン２１０のねじ込みに伴って互いに接触して押し付けられる。【００１５】
このような構成のねじ継手では、第１シール面２１３、２２３同士の嵌め合い密着により、主に内圧に対しての密封性能が確保される。また、第２シール面２１６、２２６同士の嵌め合い密着により、主に外圧に対しての密封性能が確保される。
【発明の開示】
【００１６】
図２に示すねじ継手では、締結状態において、ピン２１０のショルダ面２１１とボックス２２０のショルダ面２２１とが接触する。ピン２１０の先端は、締結が完了してもボックス２２０に接触しない。しかしながら、締結状態においてピン２１０の先端とボックス２２０との間にすき間が存在する場合、すき間腐食が発生する可能性が高くなる。
【００１７】
本開示は、優れた密封性能を確保するとともに、すき間腐食の発生を抑制することが可能な鋼管用ねじ継手を提供することを目的とする。
【００１８】
本開示に係る鋼管用ねじ継手は、管状のピンと、管状のボックスとから構成される。ピンがボックスにねじ込まれてピンとボックスとが締結される。ピンは、先端側から順に、第１ショルダ面、第１シール面、テーパねじの第１雄ねじ部、第２ショルダ面、第２シール面及びテーパねじの第２雄ねじ部を備える。ボックスは、ピンの第１ショルダ面、第１シール面、第１雄ねじ部、第２ショルダ面、第２シール面及び第２雄ねじ部のそれぞれに対応する第１ショルダ面、第１シール面、テーパねじの第１雌ねじ部、第２ショルダ面、第２シール面及びテーパねじの第２雌ねじ部を備える。ピンは、第１ショルダ面と第１シール面との間に第１シール面に連なるノーズ部を備える。ピンは、第２ショルダ面と第２シール面との間に第２シール面に連なるねじ無し延長部を備える。ボックスは、ピンのノーズ部に対応する凹部を備える。ボックスは、ピンのねじ無し延長部に対応するねじ無し延長部を備える。締結状態において、第１ショルダ面同士が互いに接触し、第１シール面同士が互いに接触し、第２シール面同士が互いに接触し、ピンのノーズ部とボックスの凹部との間に隙間が形成され、ピンのねじ無し延長部とボックスのねじ無し延長部との間に隙間が形成され、第１雄ねじ部と第１雌ねじ部とが嵌まり合い、第２雄ねじ部と第２雌ねじ部とが嵌まり合う。非締結状態のピンにおいて第１ショルダ面から第２ショルダ面までの管軸方向の距離をＬｐｉｎ、非締結状態のボックスにおいて第１ショルダ面から第２ショルダ面までの管軸方向の距離をＬｂｏｘとして、ピンの第２ショルダ面とボックスの第２ショルダ面との干渉量δｓｈｌｄを以下の式（１）で定義したとき、以下の式（２）及び（３）を満たす。
【００１９】
【数１】
2017104282.tif 000003
【００２０】
ここで、Ｐは、第１雄ねじ部のねじピッチ、Δｍｉｎは、締結過程において第１ショルダ面同士又は第２ショルダ面同士が接触した後の締め付け回転数の下限値、Δｍａｘは、締め付け回転数の上限値、λは、ピンのうち第２ショルダ面よりも先端側の部分の締結時における伸び量である。
【００２１】
ピンの内径をＩＤ、ピンの第２ショルダ面の最内径をＤｍｓ、ピンの第１ショルダ面の最外径をＤｉｓとし、第１雄ねじ部と第１雌ねじ部との干渉量δｔｈとしたとき、λは、以下の式（４）及び（５）を用いて表わされる。
【００２２】
【数２】
2017104282.tif 000004
【００２３】
本開示に係る鋼管用ねじ継手によれば、優れた密封性能を確保することができるとともに、すき間腐食の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、従来の一般的な鋼管用ねじ継手の一例を示す縦断面図である。
【図２】図２は、密封性能の向上を図った従来の鋼管用ねじ継手の一例を示す縦断面図である。
【図３】図３は、実施形態に係る鋼管用ねじ継手の検討に用いたピン及びボックスを模式的に示す縦断面図である。
【図４】図４は、図３に示すピン及びボックスの簡易モデルを示す図である。
【図５】図５は、締め付け回転数差Δと中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄとの関係を示すグラフである。
【図６】図６は、実施形態に係る鋼管用ねじ継手を示す縦断面図である。
【図７】図７は、図６に示すねじ継手において、管軸方向の内端付近を拡大した縦断面図である。
【図８】図８は、図６に示すねじ継手において、管軸方向の中央付近を拡大した縦断面図である。
【図９】図９は、図６に示すねじ継手のピン及びボックスを簡略化して示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
管軸方向の中央付近にショルダ面を有するねじ継手は、一般に、締結時にピンの先端とボックスとが接触しないように構成される。締結においてショルダ面同士を接触させ、且つピンの先端とボックスとを接触させようとすると、締結完了位置の管理が困難になるためである。
【００２６】
しかしながら、締結状態においてピンの先端とボックスとの間にすき間が存在する場合、すき間腐食が発生する可能性が高くなる。そこで、本発明者等は、管軸方向の中央付近だけでなく、管軸方向の内端にもショルダ面を有するねじ継手を検討した。以下、管軸方向の内端のショルダ面を内ショルダ面又は第１ショルダ面、管軸方向の中央付近のショルダ面を中間ショルダ面又は第２ショルダ面と称する。
【００２７】
ピン及びボックスの各々が内ショルダ面及び中間ショルダ面を有する場合、各ショルダ面に過剰な面圧が負荷されるのを回避するため、締結の過程において、内ショルダ面同士の接触と中間ショルダ面同士の接触とが同時に開始されることが好ましい。しかしながら、製造公差等により、現実的には、内ショルダ面同士が接触を開始するタイミングと、中間ショルダ面同士が接触を開始するタイミングとを一致させることは難しい。場合によっては、締結完了時において、内ショルダ面同士及び中間ショルダ面同士のうち一方のみが接触した状態になる。
【００２８】
以下、内ショルダ面同士及び中間ショルダ面同士の接触タイミングについて説明する。
【００２９】
ピンにおいて、内ショルダ面と中間ショルダ面との間には第１雄ねじ部が設けられ、中間ショルダ面よりも基部側には第２雄ねじ部が設けられる。ボックスには、第１及び第２雄ねじ部の各々に対応する第１及び第２雌ねじ部が設けられる。ピンとボックスとを締結した際、ピンのうち中間ショルダ面よりも先端側の部分は、第１雄ねじ部と第１雌ねじ部との締まりばめによって縮径し、管軸方向に伸びる。
【００３０】
ここで、非締結状態のピン及びボックスにおいて、それぞれ、内ショルダ面と中間ショルダ面との管軸方向の距離をＬｐｉｎ[ｍｍ]、Ｌｂｏｘ[ｍｍ]とし、ＬｂｏｘからＬｐｉｎを減じた値を中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄ[ｍｍ]と定義する。
【００３１】
δｓｈｌｄがピンの伸び量よりも大きい場合、締結の過程において、中間ショルダ面同士が接触した後、内ショルダ面同士が接触する。δｓｈｌｄが大きすぎると、内ショルダ面同士が接触する前に各中間ショルダ面及びねじ部が降伏して塑性変形し、密封性能が低下してしまう。
【００３２】
締結完了位置は、発生トルクと締め付け回転数との関係（トルクチャート）に基づいて管理される。δｓｈｌｄが大きすぎた結果、締結の過程で各内ショルダ面の接触が開始する前に各中間ショルダ面やねじ部の塑性変形が生じると、正常なトルクチャートを得られない。この場合、締結完了位置を決定することができなくなる。
【００３３】
δｓｈｌｄが大きすぎる場合、各中間ショルダ面やねじ部に塑性変形が生じるまで締め付けても内ショルダ面同士が接触しないことがある。この場合、従来のねじ継手と同様にピンの先端とボックスとの間にすき間が生じ、すき間腐食が発生しやすくなる。
【００３４】
δｓｈｌｄがピンの伸び量よりも小さい場合、締結の過程において、内ショルダ面同士が接触した後、中間ショルダ面同士が接触する。この場合、ピンの先端がボックスに確実に接触するため、上述したすき間腐食の問題は生じない。しかしながら、δｓｈｌｄが小さすぎると、中間ショルダ面同士が接触する前に各内ショルダ面及びねじ部が降伏して塑性変形し、密封性能が低下してしまう。また、各内ショルダ面及びねじ部の塑性変形が生じると、正常なトルクチャートを得られないため、締結完了位置を決定することができなくなる。
【００３５】
本発明者等は、以上のような問題を考慮し、中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄの適切な範囲を検討した。
【００３６】
図３は、検討に用いたピン及びボックスの概略構成を示す縦断面図である。図３では、非締結状態のピン及びボックスが示されている。図３に示すピンにおいて、ＩＤは管の内径[ｍｍ]、Ｄｍｓは中間ショルダ面の最内径[ｍｍ]、Ｄｉｓは内ショルダ面の最外径[ｍｍ]である。
【００３７】
図４は、図３に示すピン及びボックスの簡易モデルを表わした図である。図４において、ピンの簡易モデルは、小径部及び大径部で構成された段付き円筒で表わされている。小径部は、ピンにおいて、中間ショルダ面より先端側に位置し、且つ第１雄ねじ部が設けられた部分に相当する。小径部の外径Ｄｉｎｔ[ｍｍ]は、以下の式（４）で定義される。
【００３８】
【数３】
2017104282.tif 000005
【００３９】
ピンの第１雄ねじ部とボックスの第１雌ねじ部との干渉量δｔｈによる締まりばめにより、締結時において小径部が管軸方向にλ[ｍｍ]だけ伸びるとする。このとき、小径部において、変形前の体積Ｖ[ｍｍ３]、変形後の体積をＶ’[ｍｍ３]とし、変形前後で体積及び肉厚が一定と仮定すると、以下の式（６）〜（８）が成り立つ。
【００４０】
【数４】
2017104282.tif 000006
【００４１】
式（６）〜（８）より、以下の式（５）で表わされる伸び量λを得ることができる。
【００４２】
【数５】
2017104282.tif 000007
【００４３】
ピンの伸び量λが中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄと等しい場合、ピンとボックスとを締結する過程において、内ショルダ面同士、中間ショルダ面同士が同時に接触を開始する。λがδｓｈｌｄよりも大きい場合、締結の過程において、内ショルダ面同士が接触した後、中間ショルダ面同士が接触する。λがδｓｈｌｄよりも小さい場合、締結の過程において、中間ショルダ面同士が接触した後、内ショルダ面同士が接触する。
【００４４】
上述したように、λ≠δｓｈｌｄの場合、内ショルダ面同士の接触のタイミングと、中間ショルダ面同士の接触のタイミングとにずれが生じる。一方のショルダ面同士が接触した後、他方のショルダ面同士が接触するまでの締め付け回転数、すなわち、締結開始から一方のショルダ面同士が接触するまでの締め付け回転数と、締結開始から他方のショルダ面同士が接触するまでの締め付け回転数との差Δ［回転］は、第１雄ねじ部のねじピッチをＰ[ｍｍ]とすると、以下の式（９）で表わされる。
【００４５】
【数６】
2017104282.tif 000008
【００４６】
式（９）において、Δが正であれば中間ショルダ面同士が先に接触し、Δが負であれば内ショルダ面同士が先に接触するものとする。
【００４７】
十分な密封性能を発揮することができる締め付け回転数差の下限値及び上限値を、それぞれ、Δｍｉｎ、Δｍａｘとする。そうすると、優れた密封性能を確保するためには、一方のショルダ面同士が接触した後、Δｍｉｎ以上Δｍａｘ以下の締め付け回転数で締結を完了する必要がある。すなわち、締め付け回転数差Δは、以下の式（１０）を満たす必要がある。
【００４８】
【数７】
2017104282.tif 000009
【００４９】
図５は、式（９）で表わされる締め付け回転数差Δと中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄとの関係を示すグラフである。Δが式（１０）を満たす場合、δｓｈｌｄは、図５において斜線で示された範囲となる。本発明者等は、鋭意検討の結果、Δｍｉｎ、Δｍａｘの好ましい値及びδｓｈｌｄの適切な範囲を見出し、実施形態に係る鋼管用ねじ継手を完成させた。
【００５０】
実施形態に係る鋼管用ねじ継手は、管状のピンと、管状のボックスとから構成される。ピンがボックスにねじ込まれてピンとボックスとが締結される。ピンは、先端側から順に、第１ショルダ面、第１シール面、テーパねじの第１雄ねじ部、第２ショルダ面、第２シール面及びテーパねじの第２雄ねじ部を備える。ボックスは、ピンの第１ショルダ面、第１シール面、第１雄ねじ部、第２ショルダ面、第２シール面及び第２雄ねじ部のそれぞれに対応する第１ショルダ面、第１シール面、テーパねじの第１雌ねじ部、第２ショルダ面、第２シール面及びテーパねじの第２雌ねじ部を備える。ピンは、第１ショルダ面と第１シール面との間に第１シール面に連なるノーズ部を備える。ピンは、第２ショルダ面と第２シール面との間に第２シール面に連なるねじ無し延長部を備える。ボックスは、ピンのノーズ部に対応する凹部を備える。ボックスは、ピンのねじ無し延長部に対応するねじ無し延長部を備える。締結状態において、第１ショルダ面同士が互いに接触し、第１シール面同士が互いに接触し、第２シール面同士が互いに接触し、ピンのノーズ部とボックスの凹部との間に隙間が形成され、ピンのねじ無し延長部とボックスのねじ無し延長部との間に隙間が形成され、第１雄ねじ部と第１雌ねじ部とが嵌まり合い、第２雄ねじ部と第２雌ねじ部とが嵌まり合う。非締結状態のピンにおいて第１ショルダ面から第２ショルダ面までの管軸方向の距離をＬｐｉｎ、非締結状態のボックスにおいて第１ショルダ面から第２ショルダ面までの管軸方向の距離をＬｂｏｘとして、ピンの第２ショルダ面とボックスの第２ショルダ面との干渉量δｓｈｌｄを以下の式（１）で定義したとき、以下の式（２）及び（３）を満たす。
【００５１】
【数８】
2017104282.tif 000010
【００５２】
ここで、Ｐは、第１雄ねじ部のねじピッチ、Δｍｉｎは、締結過程において第１ショルダ面同士又は第２ショルダ面同士が接触した後の締め付け回転数の下限値、Δｍａｘは、締め付け回転数の上限値、λは、ピンのうち第２ショルダ面よりも先端側の部分の締結時における伸び量である。
【００５３】
ピンの内径をＩＤ、ピンの第２ショルダ面の最内径をＤｍｓ、ピンの第１ショルダ面の最外径をＤｉｓとし、第１雄ねじ部と第１雌ねじ部との干渉量δｔｈとしたとき、λは、以下の式（４）及び（５）を用いて表わされる。
【００５４】
【数９】
2017104282.tif 000011
【００５５】
式（２）及び（３）を満たすねじ継手であれば、第２ショルダ面同士が先に接触した場合であっても、第２ショルダ面同士の接触後、Δｍｉｎ以上Δｍａｘ以下の締め付け回転数の範囲で第１ショルダ面同士を接触させ、締結を完了することができる。このため、優れた密封性能を確保することができるとともに、ピンの先端とボックスとの間にすき間を生じさせず、当該すき間に起因したすき間腐食の発生を抑制することができる。
【００５６】
式（２）及び（３）を満たすように中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄを設定すれば、締結の過程において、第１ショルダ面同士の接触タイミングと、第２ショルダ面同士の接触タイミングとが大きくずれることがない。よって、先に接触を開始したショルダ面において過大な塑性変形が生じにくく、優れた密封性能を確保することができる。
【００５７】
締結完了時において第１ショルダ面同士が接触し、第２ショルダ面同士が接触しない場合であっても、式（２）及び（３）を満たすように中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄを設定すれば、第２ショルダ面間に大きなすき間が生じない。よって、過大な圧縮荷重が負荷された場合は第２ショルダ面同士も接触するため、耐圧縮性能の低下や密封性能の低下を抑制することができる。
【００５８】
以下、実施形態について図面を参照しつつさらに詳細に説明する。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。
【００５９】
［鋼管用ねじ継手の構成］
図６は、実施形態に係る鋼管用ねじ継手を示す縦断面図である。当該ねじ継手は、カップリング型のねじ継手であり、ピン１０とボックス２０とから構成される。図７は、図６に示すねじ継手において、ピン１０の先端部付近を拡大した縦断面図である。図８は、図６に示すねじ継手において、管軸方向の中央付近を拡大した縦断面図である。以下、管軸方向において、ピン１０の先端側及びボックス２０の基部側を内又は前、ピン１０の基部側及びボックス２０の先端側を外又は後と称する場合がある。
【００６０】
ピン１０は、先端側から基部側に向けて順に、第１ショルダ面１１、ノーズ部１２、第１シール面１３、第１雄ねじ部１４、第２ショルダ面１８、第１ねじ無し延長部１５ａ、第２シール面１６、第２ねじ無し延長部１５ｂ、及び第２雄ねじ部１７を備える。第１シール面１３及び第２シール面１６はいずれもテーパ状である。厳密には、第１シール面１３及び第２シール面１６は、それぞれ、先端側ほど直径が縮小した円錐台の周面に相当する面から成る形状、又はその円錐台の周面と、円弧等の曲線を管軸ＣＬ周りに回転して得られる回転体の周面に相当する面とを組み合わせた形状をしている。
【００６１】
ノーズ部１２は筒状であり、内部寄りの第１シール面１３に連なって管軸方向に伸び出す。ただし、ノーズ部１２の外周面は、第１シール面１３のテーパと傾きが同じであるか、小さい（緩い）、又は大きい（急な）テーパ面であってもよい。ノーズ部１２の外周面がテーパ面である場合、当該外周面は、厳密には、先端側ほど直径が縮小した円錐台の周面に相当する面から成る形状、又はその円錐台の周面と、円弧等の曲線を管軸ＣＬ周りに回転して得られる回転体の周面に相当する面とを組み合わせた形状をしている。
【００６２】
このノーズ部１２の先端に第１ショルダ面１１が設けられる。第１ショルダ面１１は、管軸ＣＬにほぼ垂直な環状面である。厳密には、第１ショルダ面１１の外周側がピン１０の先端側に向けて僅かに傾倒する。
【００６３】
第２ショルダ面１８は、内部寄りの第１雄ねじ部１４と第１ねじ無し延長部１５ａとの間に配置される。第２ショルダ面１８は、第１ねじ無し延長部１５ａに連なって設けられる。本実施形態において、第２ショルダ面１８は、管軸ＣＬに垂直な環状面である。もっとも、第２ショルダ面１８は、ピン１０の先端の第１ショルダ面１１と同様に、その外周側がピン１０の先端側に向けて僅かに傾倒していてもよい。
【００６４】
第１ねじ無し延長部１５ａは、外部寄りの第２シール面１６の前方に連なって管軸方向に伸び出す。この第１ねじ無し延長部１５ａに連なって内部寄りの第１雄ねじ部１４が設けられている。第２ねじ無し延長部１５ｂは、外部寄りの第２シール面１６の後方に連なって管軸方向に伸び出す。この第２ねじ無し延長部１５ｂに連なって外部寄りの第２雄ねじ部１７が設けられる。第１ねじ無し延長部１５ａの外周面は、その剛性を確保できる形状であればよく、例えば筒面や第１雄ねじ部１４のねじテーパよりも小さい（緩い）テーパ面であってもよいし、湾曲面であってもよい。第２ねじ無し延長部１５ｂの外周面も同様である。
【００６５】
一方、ボックス２０は、基部側から先端側に向けて順に、第１ショルダ面２１、凹部２２、第１シール面２３、第１雌ねじ部２４、第２ショルダ面２８、第１ねじ無し延長部２５ａ、第２シール面２６、第２ねじ無し延長部２５ｂ、及び第２雌ねじ部２７を備える。これらのボックス２０の第１ショルダ面２１、凹部２２、第１シール面２３、第１雌ねじ部２４、第２ショルダ面２８、第１ねじ無し延長部２５ａ、第２シール面２６、第２ねじ無し延長部２５ｂ、及び第２雌ねじ部２７は、それぞれ、ピン１０の第１ショルダ面１１、ノーズ部１２、第１シール面１３、第１雄ねじ部１４、第２ショルダ面１８、第１ねじ無し延長部１５ａ、第２シール面１６、第２ねじ無し延長部１５ｂ、及び第２雄ねじ部１７に対応して設けられる。
【００６６】
図６及び図７では、ボックス２０の第１シール面２３が、ピン１０の第１シール面１３に向けて突出する場合を示す。ただし、ボックス２０の第１シール面２３は、突出しなくてもよい。その場合、ピン１０の第１シール面１３がボックス２０の第１シール面２３に向けて突出する。
【００６７】
ピン１０の第１雄ねじ部１４とボックス２０の第１雌ねじ部２４は、互いに噛み合うテーパねじの台形ねじであり、内部寄りの第１ねじ部を構成する。ピン１０の第２雄ねじ部１７とボックス２０の第２雌ねじ部２７も、互いに噛み合うテーパねじの台形ねじであり、外部寄りの第２ねじ部を構成する。
【００６８】
第１ねじ部のテーパ面は第２ねじ部のテーパ面よりも管軸ＣＬ寄りになる。第１ねじ部（第１雄ねじ部１４及び第１雌ねじ部２４）と第２ねじ部（第２雄ねじ部１７及び第２雌ねじ部２７）との間に第２ショルダ面１８、２８が設置されるからである。このため、ピン１０において、内部寄りの第１雄ねじ部１４及び第１シール面１３の領域の外径が小さくなり、その領域の肉厚が薄くなる。一方、ピン１０において、外部寄りの第２シール面１６及び第２雄ねじ部１７の領域の外径は大きくなり、その領域の肉厚は厚くなる。
【００６９】
第１雄ねじ部１４及び第１雌ねじ部２４は、互いのねじ込みを可能にし、締結状態では互いに嵌め合い密着し、締まりばめの状態となる。第２雄ねじ部１７及び第２雌ねじ部２７も同様に締まりばめの状態となる。
【００７０】
各第１シール面１３、２３及び各第２シール面１６、２６は、それぞれピン１０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、締まりばめの状態となる。これにより、各第１シール面１３、２３及び各第２シール面１６、２６は、それぞれメタル接触による第１シール部及び第２シール部を形成する。
【００７１】
締結状態において、ピン１０のノーズ部１２とボックス２０の凹部２２との間には隙間が形成され、ピン１０の第１ねじ無し延長部１５ａとボックス２０の第１ねじ無し延長部２５ａとの間にも隙間が形成され、ピン１０の第２ねじ無し延長部１５ｂとボックス２０の第２ねじ無し延長部２５ｂとの間にも隙間が形成される。
【００７２】
締結状態において、第１ショルダ面１１、２１同士は互いに押し付けられて接触する。第１ショルダ面１１、２１の押圧接触は、主にピン１０の第１雄ねじ部１４の荷重面に締め付け軸力を付与する。第２ショルダ面１８、２８は、締結状態において互いに接触する場合もあるが、締結が完了しても互いに接触せず、すき間を空けて対向している場合もある。第２ショルダ面１８、２８が押圧接触した場合、主にピン１０の第２雄ねじ部１７の荷重面に締め付け軸力が付与される。
【００７３】
ここで、締結状態において第１ショルダ面１１、２１同士を接触させ、且つ第２ショルダ面１８、２８同士を接触又は十分に近接させるための構成について説明する。
【００７４】
図９は、非締結状態のピン１０及びボックス２０の縦断面を簡略化して示した図である。図９に示すように、非締結状態において、ピン１０における第１ショルダ面１１と第２ショルダ面１８との管軸方向の距離をＬｐｉｎ[ｍｍ]とする。非締結状態において、ボックス２０における第１ショルダ面２１と第２ショルダ面２８との管軸方向の距離をＬｂｏｘ[ｍｍ]とする。
【００７５】
第１ショルダ面１１、２１及び第２ショルダ面１８、２８は、管軸方向と交差する環状面である。第１ショルダ面１１、２１及び第２ショルダ面１８、２８は、管軸ＣＬに垂直な場合もあるし、管軸ＣＬに垂直な面に対して傾倒している場合もある。Ｌｐｉｎは、管軸ＣＬを通る平面で切断された非締結状態のピン１０の断面において、第１ショルダ面１１の最内端から、第２ショルダ面１８の最内端までの管軸方向の距離とする。Ｌｂｏｘは、管軸ＣＬを通る平面で切断された非締結状態のボックス２０の断面において、第１ショルダ面２１の最内端から、第２ショルダ面２８の最内端までの管軸方向の距離とする。
【００７６】
以下の式（１）に示すように、Ｌｐｉｎ、Ｌｂｏｘを用いて中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄ[ｍｍ]を定義する。δｓｈｌｄは、締結による変形を考慮しない場合の第２ショルダ面１８、２０の干渉量である。
【００７７】
【数１０】
2017104282.tif 000012
【００７８】
実際の締結では、第１ねじ部の締まりばめによって、ピン１０のうち第２ショルダ面１８よりも先端側の部分がλ［ｍｍ］だけ伸びる。このため、ピン１０の伸び量λを考慮して、第１ショルダ面１１、２１と第２ショルダ面１８、２８との位置関係を決定する必要がある。本実施形態では、以下の式（２）及び（３）を満たすように、中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄが決定される。
【００７９】
【数１１】
2017104282.tif 000013
【００８０】
ここで、Ｐは、第１雄ねじ部１４（図６）のねじピッチである。Δｍｉｎ、Δｍａｘは、それぞれ、締結の過程において、第１ショルダ面１１、２１同士及び第２ショルダ面１８、２８同士のうち一方が接触した後、他方が接触するまでの締め付け回転数差Δの下限値及び上限値である。締め付け回転数差Δが上記式（３）に示すΔｍｉｎ以上Δｍａｘ以下であれば、十分な密封性能を発揮することができる。
【００８１】
ピン１０の伸び量λは、以下の式（４）及び（５）によって算出される。
【００８２】
【数１２】
2017104282.tif 000014
【００８３】
式（４）及び（５）では、非締結状態におけるピン１０の内径をＩＤ、第１ショルダ面１１の最外径をＤｉｓ、第２ショルダ面１８の最内径をＤｍｓで表わしている。δｔｈは、第１ねじ部の干渉量である。
【００８４】
ここで、第１ねじ部の干渉量δｔｈは、管軸ＣＬを通る平面で切断された非締結状態のピン１０の断面において第１ショルダ面１１の最内端からＬｐｉｎ／２だけ後方の位置における第１雄ねじ部１４のねじ底径から、管軸ＣＬを通る平面で切断された非締結状態のボックス２０の断面において第１ショルダ面２１の最内端からＬｐｉｎ／２だけ後方の位置における第１雌ねじ部２４のねじ山径を減じた値とする。
【００８５】
締結の過程において、第１ショルダ面１１、２１及び第２ショルダ面１８、２８は、同時に接触してもよいし、いずれか一方が先に接触してもよい。好ましくは、より面積が大きい第２ショルダ面１８、２８同士を第１ショルダ面１１、２１同士よりも先又は同時に接触させる。第２ショルダ面１８、２８同士を優先的に接触させるためには、中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄをピン１０の伸び量λ以上に設定すればよい。ただし、上述したとおり、締結状態において、第２ショルダ面１８、２８同士は接触せず、第１ショルダ面１１、２１のみが互いに接触していてもよい。
【００８６】
［効果］
本実施形態に係るねじ継手では、管軸方向の内端に第１ショルダ面１１、２１が設けられるともに、管軸方向の中央付近に第２ショルダ面１８、２８が設けられている。本実施形態では、上述の式（２）及び（３）を満たすように中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄが設定されている。この構成によれば、第２ショルダ面１８、２８同士が先に接触した場合であっても、その後、密封性能を低下させない範囲、つまりΔｍｉｎ以上Δｍａｘ以下の範囲の締め付け回転数で第１ショルダ面１１、２１同士を接触させ、締結を完了することができる。よって、優れた密封性能を確保しつつ、ピン１０の先端とボックス２０との間にすき間が生じるのを防止することができ、すき間腐食の発生を抑制することができる。
【００８７】
本実施形態では、上述の式（２）及び（３）を満たすように中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄが設定され、第１ショルダ面１１、２１と第２ショルダ面１８、２８とが適切な位置関係で配置されている。よって、締結の過程において、第１ショルダ面１１、２１同士の接触タイミングと、第２ショルダ面１８、２８同士の接触タイミングとが大きくずれることがない。よって、先に接触を開始したショルダ面及びねじ部において過大な塑性変形が生じにくいため、優れた密封性能を確保することができる。
【００８８】
締結完了時において第１ショルダ面１１、２１同士が接触し、第２ショルダ面１８、２８同士が接触しない場合であっても、上述の式（２）及び（３）を満たすように中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄを設定すれば、第２ショルダ面１８、２８間に大きなすき間が生じない。このため、過大な圧縮荷重が負荷された場合、第２ショルダ面同士も接触する。これにより、耐圧縮性能の低下や密封性能の低下を抑制することができる。
【００８９】
本実施形態に係るねじ継手は、第１ショルダ面１１、２１及び第２ショルダ面１８、２８を備えている。この構成によれば、ショルダ面が１箇所のみに設けられている従来のねじ継手と比較して、広い面積で圧縮荷重を受けることができる。よって、高い耐圧縮性能を確保することができる。
【００９０】
本実施形態に係るねじ継手では、内部寄りの第１シール面１３、２３同士の嵌め合い密着により、主に内圧に対しての密封性能が確保される。また、外部寄りの第２シール面１６、２６同士の嵌め合い密着により、主に外圧に対しての密封性能が確保される。
【００９１】
特に、ピン１０には、外部寄りの第２シール面１６の前方に連なって第１ねじ無し延長部１５ａが設けられるので、この第１ねじ無し延長部１５ａの剛性により、ピン１０の第２シール面１６の領域の縮径抵抗が高まる。このため、ねじ継手に外圧が負荷されたときであっても、ピン１０の縮径変形が抑制され、第２シール面１６、２６同士の接触面圧の低下が抑えられる。その結果、外圧に対しての密封性能が向上する。また、ボックス２０には、ピン１０の第１ねじ無し延長部１５ａの領域に対応して第１ねじ無し延長部２５ａが設けられ、締結状態において第１ねじ無し延長部１５ａ、２５ａ同士の間で隙間が形成される。そのため、締結時に塗布された余剰のドープをその隙間に収容できる。その結果、ドープの圧力上昇による第２シール面１６、２６同士の接触面圧の不用意な低下が避けられる。
【００９２】
ピン１０及びボックス２０それぞれには、外部寄りの第２シール面１６の後方に連なって第２ねじ無し延長部１５ｂ、２５ｂが設けられ、この第２ねじ無し延長部１５ｂ、２５ｂ同士の間には、締結状態において隙間が形成される。このため、第２ねじ部の締まりばめ作用による第２シール面１６、２６同士の実質的な干渉量の低下による面圧低下が抑えられる。その結果、外圧に対しての密封性能が向上する。
【００９３】
さらに、ピン１０には、内部寄りの第１シール面１３に連なってノーズ部１２が設けられる。ボックス２０には、ピン１０のノーズ部１２の領域に対応して凹部２２が設けられる。締結状態においてそれらのノーズ部１２と凹部２２との間に隙間が形成される。例えば、ねじ継手に過大な引張荷重が負荷された場合、ピン１０の第１ショルダ面１１がボックス２０の第１ショルダ面２１から離れ、第１シール面１３、２３同士の実質的な干渉量が低下し接触が緩まる傾向になる。このような場合であっても、ノーズ部１２の弾性回復により第１シール面１３、２３同士の接触面圧の増幅効果が得られる。そのため、全体として接触面圧の低下が抑えられることから、過大な引張荷重が負荷された状態でも内圧に対しての高い密封性能が得られる。
【００９４】
本実施形態に係るねじ継手では、第２ショルダ面１８、２８の設置により、ピン１０の内部寄りの第１雄ねじ部１４及び第１シール面１３の領域が薄肉化される。これにより、ねじ継手に内圧が負荷されたときに、その薄肉化された領域が有効に拡径変形する。このため、第１シール面１３、２３同士の接触面圧が増幅される。
【００９５】
第２ショルダ面１８、２８の設置により、ピン１０の外部寄りの第２シール面１６及び第２雄ねじ部１７の領域は厚肉化され、その剛性が比較的高くなる。これにより、ねじ継手に外圧が負荷されたときに、当該領域の縮径変形が抑制されるため、第２シール面１６、２６同士の接触面圧を高く維持することができる。
【００９６】
以下に、本実施形態に係るねじ継手の好適な態様について補足する。
【００９７】
ピン１０において、管軸ＣＬに垂直な断面での鋼管本体の断面積をＡ０とし、管軸ＣＬに垂直な平面への第１ショルダ面１１及び第２ショルダ面１８それぞれの投影面積の合計をＡ２とする。このとき、両者の面積比率（以下、「鋼管本体に対する全ショルダ面積率」ともいう）Ａ２／Ａ０が３０％以上であることが好ましい。より好ましくは、Ａ２／Ａ０は３５％以上である。その理由は以下のとおりである。Ａ２／Ａ０は実質的に第１ショルダ面１１及び第２ショルダ面１８の面積に依存する。Ａ２／Ａ０が小さいと、第１ショルダ面１１及び第２ショルダ面１８の面積が小さいため、ねじ継手に過大な圧縮荷重が負荷された場合、第１ショルダ面及び第２ショルダ面１８がその圧縮荷重に耐えきれない。この場合、第１ショルダ面１１並びにこれに連なるノーズ部１２及び第１シール面１３が塑性変形し、第１シール面１３、２３同士の接触状態が不安定になる。これと合わせ、第２ショルダ面１８並びにこれに連なる第１ねじ無し延長部１５ａ及び第２シール面１６が塑性変形し、第２シール面１６、２６同士の接触状態が不安定になる。その結果、第１シール面１３、２３同士の接触面圧及び第２シール面１６、２６同士の接触面圧が低下するおそれがある。このため、鋼管本体に対する全ショルダ面積率Ａ２／Ａ０は、ある程度大きいことが好ましい。
【００９８】
鋼管本体に対する全ショルダ面積率Ａ２／Ａ０の上限は特に規定しない。ただし、Ａ２／Ａ０があまりに大きいと、実質的に第１ショルダ面１１及び第２ショルダ面１８の面積が大きすぎるため、ピン１０の第１ショルダ面１１及び第２ショルダ面１８の外径が大きすぎることになる。その結果、ボックス２０では、第１雌ねじ部２４及び第１シール面２３の領域の内径が大きくなる。ボックス２０の危険断面の断面積を確保するためには、ボックス外径を大きくしなければならない。また、第１ねじ部及び第２ねじ部の噛み合い長さの確保が困難になる。このため、実用性を踏まえ、鋼管本体に対する全ショルダ面積率Ａ２／Ａ０は６０％以下とすることが好ましい。
【００９９】
ピン１０において、管軸ＣＬに垂直な平面への第１ショルダ面１１及び第２ショルダ面１８それぞれの投影面積の合計をＡ２とし、管軸ＣＬに垂直な平面への第１ショルダ面１１の投影面積をＡ１とする。このとき、両者の面積比率（以下、「全ショルダに対する第１ショルダ面積率」ともいう）Ａ１／Ａ２が３５％以上であることが好ましい。より好ましくは、Ａ１／Ａ２は４０％以上である。その理由は以下のとおりである。Ａ１／Ａ２は第２ショルダ面１８と対比し、実質的に第１ショルダ面１１の面積に依存する。Ａ１／Ａ２が小さいと、第１ショルダ面１１の面積が小さいため、ねじ継手に過大な圧縮荷重が負荷された場合、第１ショルダ面１１がその圧縮荷重に耐えきれない。この場合、第１ショルダ面１１並びにこれに連なるノーズ部１２及び第１シール面１３が塑性変形し、第１シール面１３、２３同士の接触状態が不安定になる。その結果、第１シール面１３、２３同士の接触面圧が低下するおそれがある。このため、全ショルダに対する第１ショルダ面積率Ａ１／Ａ２は、ある程度大きいことが好ましい。
【０１００】
全ショルダに対する第１ショルダ面積率Ａ１／Ａ２の上限は特に規定しない。ただし、Ａ１／Ａ２があまりに大きいと、第２ショルダ面１８と対比し、実質的に第１ショルダ面１１の面積が大きすぎるため、ピン１０の第１ショルダ面１１に連なるノーズ部１２の肉厚、及び第１雄ねじ部１４及び第１シール面１３の領域が厚すぎることになる。その結果、ねじ継手に内圧が負荷されたときに、その領域が有効に拡径変形せず、第１シール面１３、２３同士の接触面圧の増幅効果が得られない。この場合、第１シール面１３、２３同士の接触面圧が低下するおそれがある。このため、実用性を踏まえ、全ショルダに対する第１ショルダ面積率Ａ１／Ａ２は５５％以下とすることが好ましい。
【０１０１】
図８に示すように、ピン１０において、第１ねじ無し延長部１５ａの外径の最小径は、規準テーパ面１９ｂの直径よりも大きいことが好ましい。規準テーパ面１９ｂは、第２雄ねじ部１７のねじ谷底面のテーパの延長面１９ａより第２雄ねじ部１７のねじ高さの２倍分外径が小さいテーパ面１９ｂをいう。その理由は以下のとおりである。第１ねじ無し延長部１５ａの外径は、実質的に第１ねじ無し延長部１５ａの肉厚に依存する。第１ねじ無し延長部１５ａの外径が小さいと、第１ねじ無し延長部１５ａの肉厚が薄いため、ねじ継手に外圧が負荷された場合、第１ねじ無し延長部１５ａの剛性による第２シール面１６の領域の縮径抵抗が不十分になる。この場合、第２シール面１６、２６同士の接触面圧が低下するおそれがある。このため、第１ねじ無し延長部１５ａの外径は、ある程度大きいことが好ましい。
【０１０２】
第１ねじ無し延長部１５ａの外径の上限は特に規定しない。ただし、第１ねじ無し延長部１５ａの外径は、締結の際にボックス２０の第２シール面２６に干渉しない寸法とする必要がある。
【０１０３】
ピン１０において、第１ねじ無し延長部１５ａの管軸に沿う長さは、第２シール面１６の前端側の端部から測定して第２雄ねじ部１７のねじピッチの１倍以上であることが好ましい。第１ねじ無し延長部１５ａの長さが短いと、第１ねじ無し延長部１５ａの肉厚が薄いときの理由と同様に、ねじ継手に外圧が負荷された場合、第２シール面１６、２６同士の接触面圧が低下するおそれがあるからである。
【０１０４】
第１ねじ無し延長部１５ａの長さの上限は特に規定しない。ただし、第１ねじ無し延長部１５ａの長さがあまりに長いと、継手の全長が長くなり、加工時間や材料費の増加により製造コストが増加する。また、第１ねじ無し延長部１５ａの長さがある長さ以上になると密封性能の向上効果はほぼ飽和する。このため、実用性を踏まえ、第１ねじ無し延長部１５ａの長さは、第２雄ねじ部１７のねじピッチの５倍以下とすることが好ましい。
【０１０５】
ピン１０において、第２ねじ無し延長部１５ｂの管軸に沿う長さは、第２シール面１６の後端側の端部から測定して第２雄ねじ部１７のねじピッチの１倍以上であることが好ましい。第２ねじ無し延長部１５ｂの長さが短いと、第２ねじ部の締まりばめ作用による第２シール面１６、２６同士の実質的な干渉量の低下により、第２シール面１６、２６同士の接触面圧が低下するおそれがあるからである。
【０１０６】
第２ねじ無し延長部１５ｂの長さの上限は特に規定しない。ただし、第２ねじ無し延長部１５ｂの長さがあまりに長いと、継手の全長が長くなり、加工時間や材料費の増加により製造コストが増加する。また、第２ねじ無し延長部１５ｂの長さがある長さ以上になると密封性能の向上効果はほぼ飽和する。このため、実用性を踏まえ、第２ねじ無し延長部１５ｂの長さは、第２雄ねじ部１７のねじピッチの５倍以下とすることが好ましい。
【０１０７】
ピン１０において、ノーズ部１２の管軸ＣＬに沿う長さは５ｍｍ以上であることが好ましい。その理由は以下のとおりである。ノーズ部１２の長さが短いと、ねじ継手に過大な引張荷重が負荷された場合、ノーズ部１２による第１シール面１３の弾性的な復元力が不十分になる。この場合、第１シール面１３、２３同士の接触面圧が低下するおそれがある。このため、ノーズ部１２の長さは、ある程度長いことが好ましい。
【０１０８】
ノーズ部１２の長さの上限は特に規定しない。ただし、ノーズ部１２の長さがあまりに長いと、継手の全長が長くなり、加工時間や材料費の増加により製造コストが増加する。また、ノーズ部１２の長さがある長さ以上になると密封性能の向上効果はほぼ飽和する。このため、実用性を踏まえ、ノーズ部１２の長さは、第１雄ねじ部１４のねじピッチの５倍以下とすることが好ましい。
【０１０９】
その他、本開示は上記の実施形態に限定されず、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。例えば、ねじ継手に内圧が負荷されたときに、内部寄りの第１ねじ部の嵌め合い密着を第１シール部に近い領域に限定して緩和する方策を付加してもよい。これにより、ピン１０の内部寄りの第１シール面１３の領域がより有効に拡径変形し、第１シール面１３、２３同士の接触面圧がより増幅される。その方策としては、第１ねじ部の第１シール部に近い領域において、第１雄ねじ部１４又は第１雌ねじ部２４をねじ形状の不完全な不完全ねじとする構成を採用できる。この構成の一例として、その不完全ねじの領域では、ボックス２０の第１雌ねじ部２４のねじ山頂面を管軸ＣＬに平行な円筒面として、ねじ高さを正規のねじ高さよりも低くする。これにより、不完全ねじの領域に限り、第１雌ねじ部２４のねじ山頂面と第１雄ねじ部１４のねじ谷底面との間に隙間が設けられる。この場合、不完全ねじの領域の長さは、第１雌ねじ部２４のねじピッチの３〜９倍（１５〜４５ｍｍ程度）とする。
【０１１０】
また、上記の実施形態のねじ継手は、インテグラル型及びカップリング型のいずれにも適用できる。
【実施例】
【０１１１】
本開示に係る鋼管用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。【０１１２】
＜試験条件＞
中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄが異なる複数の供試体について、有限要素解析を実施して性能の差を比較した。各供試体は、図６〜図８に示す基本構造を有するカップリング型のねじ継手である。共通の試験条件を以下に示す。
（１）鋼管の寸法
７−５／８［ｉｎｃｈ］×１．０６［ｉｎｃｈ］（外径１９３．６８［ｍｍ］、肉厚２７．０［ｍｍ］）、又は８−５／８［ｉｎｃｈ］×１．１５［ｉｎｃｈ］（外径２１９．１［ｍｍ］、肉厚２９．２［ｍｍ］］
（２）鋼管のグレード
ＡＰＩ規格のＰ１１０（公称降伏応力が１１０［ｋｓｉ］の炭素鋼）
（３）ねじの寸法（全てのねじで共通）
ねじピッチ：５．０８［ｍｍ］、荷重面のフランク角：−３°、挿入面のフランク角：１０°、挿入面すき間：０．１５［ｍｍ］【０１１３】
有限要素解析では、材料を等方硬化の弾塑性体とし、弾性係数が２１０［ＧＰａ］、０．２％耐力として降伏強度が１１０［ｋｓｉ］（＝７５８．３［ＭＰａ］）になるように、各供試体をモデル化したものを使用した。【０１１４】
＜評価方法＞
［第１の解析］
第１の解析として、各供試体に対してねじの締め付けの解析を行った。第１の解析では、一方のショルダ面同士が接触した後、他方のショルダ面同士が接触するまで締め付けを行った。ただし、一方のショルダ面同士が接触した後、１５／１００ターン締め付けても他方のショルダ面同士が接触しなかった場合は、その時点で締め付けを終了した。【０１１５】
第１の解析では、内ショルダ面（１１、２１）同士の接触タイミングと、中間ショルダ面（１８、２８）同士の接触タイミングとの差を以下の４水準で評価した。
・優：中間ショルダ面同士、内ショルダ面同士の順で接触し、締め付け回転数差Δの絶対値が３［×１／１００ｔｕｒｎ］以下である。
・良：内ショルダ面同士、中間ショルダ面同士の順で接触し、締め付け回転数差Δの絶対値が３［×１／１００ｔｕｒｎ］以下である。
・可：内ショルダ面同士が先に接触し、締め付け回転数差Δの絶対値が３［×１／１００ｔｕｒｎ］よりも大きい。
・不可：中間ショルダ面同士が先に接触し、締め付け回転数差Δの絶対値が３［×１／１００ｔｕｒｎ］よりも大きい。【０１１６】
［第２の解析］
第２の解析では、各供試体について、ＩＳＯ１３６７９のシリーズＡ試験を模擬した荷重履歴を締結状態のモデルに負荷した。第２の解析では、内ショルダ面同士及び中間ショルダ面同士のいずれか一方が接触した後、さらに３／１００ターン締め付けた時点で締結完了とした。【０１１７】
第２の解析では、外圧及び内圧に対する密封性能を評価した。外圧及び内圧に対する密封性能は、それぞれ、荷重履歴の内圧サイクル（第１、第２象限）における第１シール部（１３、２３）の周方向単位長さ当たりの接触力、及び荷重履歴の外圧サイクル（第３、第４象限）における第２シール部（１６、２６）の周方向単位長さ当たりの接触力を比較することによって評価した。接触力が大きいほど密封性能が優れていることを意味する。密封性能は、中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄ＝０の供試体の接触力を１とした相対値を用いて、以下の４水準で評価した。
・優：第１シール部及び第２シール部の接触力がともに０．９以上である。
・良：第１シール部及び第２シール部の接触力がともに０．８以上であり、少なくとも一方が０．９未満である。
・可：第１シール部及び第２シール部の接触力がともに０．７以上であり、少なくとも一方が０．８未満である。
・不可：第１シール部及び第２シール部の接触力のいずれかが０．７未満である。【０１１８】
表１は、各供試体の試験条件及び評価をまとめたものである。【０１１９】
【表１】
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【０１２０】
表１には、各供試体について、上述の式（１）に基づいて算出した中間ショルダ干渉量δｓｈｌｄが示されている。また、表１には、上述の式（２）〜（５）に基づいて算出したピンの伸び量λ、δｓｈｌｄの下限（＝Ｐ・Δｍｉｎ＋λ）、及びδｓｈｌｄの上限（＝Ｐ・Δｍａｘ＋λ）が示されている。Ｎｏ．１〜７の供試体とＮｏ．８〜１８の供試体とでは、鋼管の寸法が異なるため、ピンの伸び量λは異なるが、有効数字を２桁としたことにより、δｓｈｌｄの下限及び上限が同じ値となっている。【０１２１】
Ｎｏ．１、２、７〜９、１６の供試体では、δｓｈｌｄが下限よりも小さいか、あるいは上限よりも大きく、上述の式（２）を満たさない。一方、Ｎｏ．３〜６、１０〜１５の供試体では、δｓｈｌｄが下限以上且つ上限以下であって式（２）を満たす。【０１２２】
＜試験結果＞
［第１の解析］
Ｎｏ．３〜５、１０〜１３の供試体では、まず内ショルダ面同士が接触するため、ピンの先端とボックスとの間にすき間は生じない。また、δｓｈｌｄが下限以上且つ上限以下であるため、締め付け回転数差Δの絶対値が比較的小さい。つまり、内ショルダ面同士が接触した後、中間ショルダ面同士が接触するまでの締め付け回転数が少ないため、各内ショルダ面の塑性変形が生じにくい。【０１２３】
特に、Ｎｏ．５、１２、１３の供試体では、Δが絶対値で３／１００ターン以下である。よって、ショルダリング後、３／１００ターン程度締め付けた時点で完了とする通常の締結において、内ショルダ面同士及び中間ショルダ面同士の双方を接触させることができ、高い耐圧縮性能を確保することができる。【０１２４】
Ｎｏ．１、２、８、９の供試体でも、内ショルダ面同士が先に接触するため、ピンの先端とボックスとの間にすき間は生じない。しかしながら、Ｎｏ．１、２、８、９の供試体では、δｓｈｌｄが下限よりも小さく、Ｎｏ．３〜５、１０〜１３の供試体よりもΔの絶対値が大きくなっている。このため、内ショルダ面同士が接触した後、中間ショルダ面同士が接触するまでの締め付け回転数が多く、各内ショルダ面に過大な塑性変形が生じる。【０１２５】
Ｎｏ．６、１４、１５の供試体では、中間ショルダ面同士が先に接触する。ただし、Ｎｏ．６、１４、１５の供試体では、δｓｈｌｄが下限以上且つ上限以下であるため、中間ショルダ面同士が接触した後、少ない締め付け回転数で内ショルダ面同士が接触する。よって、各中間ショルダ面の塑性変形が生じにくい。【０１２６】
Ｎｏ．６、１４、１５の供試体では、Δが絶対値で３／１００ターン以下である。よって、通常の締結において、内ショルダ面同士及び中間ショルダ面同士の双方を確実に接触させることができ、高い耐圧縮性能を確保することができる。さらに、面積が大きい中間ショルダ面同士が先に接触するため、塑性変形抑制の観点から特に好ましい。【０１２７】
Ｎｏ．７、１６の供試体でも、中間ショルダ面同士が先に接触する。しかしながら、Ｎｏ．７、１６の供試体では、δｓｈｌｄが上限よりも大きく、Δの絶対値がＮｏ．６、１４、１５の供試体よりも大きくなっている。このため、中間ショルダ面同士が接触した後、内ショルダ面同士が接触するまでの締め付け回転数が多く、各中間ショルダ面に過大な塑性変形が生じる。【０１２８】
Ｎｏ．７、１６の供試体では、Δが絶対値で３／１００ターンよりも大きい。このため、通常の締結において内ショルダ面同士を接触させることはできず、ピンの先端とボックスとの間にすき間が生じる。よって、すき間腐食が生じる可能性が高くなる。【０１２９】
［第２の解析］
Ｎｏ．５、６、１２〜１５の供試体では、δｓｈｌｄが下限以上且つ上限以下であって、Δが絶対値で３／１００ターン以下であるため、一方のショルダ面同士が接触した後、内ショルダ面同士及び中間ショルダ面同士の双方が接触した。Ｎｏ．５、６、１２〜１５の供試体では、外圧及び内圧に対する密封性能がともに良好であった。【０１３０】
Ｎｏ．３、４、１０、１１の供試体では、内ショルダ面同士が先に接触する。Ｎｏ．３、４、１０、１１の供試体では、Δが絶対値で３／１００ターンよりも大きいため、中間ショルダ面同士は接触しない。しかしながら、Ｎｏ．３、４、１０、１１の供試体では、δｓｈｌｄが下限以上且つ上限以下であったため、外圧及び内圧に対する密封性能はともに良好であった。【０１３１】
Ｎｏ．１、２、８、９の供試体では、δｓｈｌｄが下限よりも小さい。Ｎｏ．７、１６の供試体では、δｓｈｌｄが上限よりも大きい。このため、Ｎｏ．１、２、７〜９、１６の供試体では、特に外圧に対する密封性能が著しく低下した。【０１３２】
第１及び第２の解析の結果から、上述の式（２）及び（３）を満たすようにδｓｈｌｄを設定すれば、内ショルダ面同士を確実に接触させてすき間腐食の発生を抑制することができ、且つ優れた密封性能を確保できることがわかった。さらに、式（２）及び（３）を満たすようにδｓｈｌｄを設定すれば、各ショルダ面の過大な塑性変形を抑制できることもわかった。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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