(57)【要約】  くさびねじを有するねじ連結及び前記ねじ連結の製造方法である。ねじ連結は、ピンねじ（１０６）を有するピン部材（１０１）及びボックスねじ（１０７）を有するボックス部材（１０２）を備える。ピンねじはピンねじの山の頂（２２１）、ピンねじの谷底（２９１）、ピンロードフランク（２２６）、及びピンスタブフランク（２３１）を持つ。ピンねじ（１０６）は  その上に逐次形成された少なくも第１ステップ（４０１）、中間ステップ（４０２）、及び第２ステップ（４０３）を備える。ボックスねじ（１０７）はボックスねじ山の頂（２９２）、ボックスねじ谷底（２２２）、ボックスロードフランク（２２５）、及びボックススタブフランク（２３０）を持つ。ボックスねじは、その上に逐次形成された少なくも第１ステップ、中間ステップ、及び第２ステップを備える。ボックスねじ上の諸ステップは、一般にピンねじ上の諸ステップと軸方向位置において対応する。第１ステップ（４０１）は第１のくさび比を有し、中間ステップ（４０２）は移行くさび比を有し、そして第２ステップ（４０３）は第２のくさび比を持つ。ねじリードは、ステップの各の中で実質的に一定である。連結は、ピン部材とボックス部材の組立ての際、第１ステップ、中間ステップ、及び第２ステップの少なくも一つにおける対応しているロードフランク及び対応しているスタブフランクの少なくも一方の間に間隙が存在するように設計される。
2008527254.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
くさびねじを有するねじ連結であって、
ピンねじの山の頂、ピンねじの谷底、ピンロードフランク、及びピンスタブフラン
クを持ったピンねじを有するピン部材にして、ピンねじがその上に逐次形成された少
なくも第１ステップ、中間ステップ、及び第２ステップを備える前記ピン部材、
ボックスねじの山の頂、ボックスねじの谷底、ボックスロードフランク、及びボッ
クススタブフランクを持ったボックスねじを有するボックス部材にして、ボックスね
じがその上に逐次形成された少なくも第１ステップ、中間ステップ、及び第２ステッ
プを備え、ボックスねじ上の諸ステップが一般に軸方向位置においてピンねじ上の諸
ステップと対応している前記ボックス部材
を備え、
第１ステップは第１のくさび比を有し、中間ステップは移行くさび比を有し、そし
て第２ステップは第２のくさび比を持ち、
ねじのリードはステップの各の内で実質的に一定であり、
連結は、ピン部材とボックス部材との組立ての際、第１ステップ、中間ステップ、
及び第２ステップの少なくも一つにおける対応しているロードフランク及び対応して
いるスタブフランクの少なくも一方の間に隙間が存在する
ねじ連結。
【請求項２】
ピンねじ上の中間ステップの始点がボックスねじ上の中間ステップの始点から軸方向位置においてずらされる請求項１のねじ連結。
【請求項３】
中間ステップ上の対応しているロードフランク及び対応しているスタブフランクの両者の間に選定された間隙が存在する請求項１のねじ連結。
【請求項４】
第１ステップ及び第２の第２のの両者上の対応しているロードフランク及び対応しているスタブフランクの両者の間に選定された間隙が存在する請求項１のねじ連結。
【請求項５】
第１のくさび比及び第２のくさび比の一方が他方より大きい請求項１のねじ連結。
【請求項６】
第１のくさび比及び第２のくさび比が実質的に等しい請求項１のねじ連結。
【請求項７】
ピンねじ及びボックスねじの一方が、第１ステップ、中間ステップ、及び第２ステップの一つにおいて、大きい高さを有する請求項１のねじ連結。
【請求項８】
ピン部材のボックス部材との組立て中、対応しているロードフランク及び対応しているスタブフランクの少なくも一方の間の干渉が、第１ステップ、中間ステップ、及び第２ステップにおいて逐次発生する請求項１のねじ連結。
【請求項９】
プログラム制御を有する工作機械を使用してくさびねじを有するねじ連結を製造する方法であって、
ピンねじの山の頂、ピンねじの谷底、ピンロードフランク、及びピンスタブフラン
クを持ったピンねじを有するピン部材にして、ピンねじがその上に逐次形成された少
なくも第１ステップ、中間ステップ、及び第２ステップを備える前記ピン部材を形成
し、
ボックスねじの山の頂、ボックスねじの谷底、ボックスロードフランク、及びボッ
クススタブフランクを持ったボックスねじを有するボックス部材にして、ボックスね
じはその上に逐次形成された少なくも第１ステップ、中間ステップ、及び第２ステッ
プを備え、ボックスねじ上の諸ステップが一般に軸方向位置においてピンねじ上の諸
ステップと対応している前記ボックス部材を形成する
ことを含み、
第１ステップは第１のくさび比を有し、中間ステップは移行くさび比を有し、そし
て第２ステップは第２のくさび比を持ち、
ねじのリードはステップの各の内で実質的に一定であり、
連結は、ピン部材とボックス部材との組立ての際、第１ステップ、中間ステップ、
及び第２ステップの少なくも一つにおける対応しているロードフランク及び対応して
いるスタブフランクの少なくも一方の間に隙間が存在するように設計される
製造方法。
【請求項１０】
くさびねじを有するねじ連結であって、
ピンねじの山の頂、ピンねじの谷底、ピンロードフランク、及びピンスタブフラン
クを持ったピンねじを有するピン部材にして、ピン螺子はその上に逐次形成された少
なくも第１ステップ、中間ステップ、及び第２ステップを備える前記ピン部材、
ボックスねじの山の頂、ボックスねじの谷底、ボックスロードフランク、及びボッ
クススタブフランクを持ったボックスねじを有するボックス部材にして、ボックスね
じはその上に逐次形成された少なくも第１ステップ、中間ステップ、及び第２ステッ
プを備え、ボックスねじ上の諸ステップは一般に軸方向位置においてピンねじ上の諸
ステップと対応している前記ボックスねじを備えるボックス部材
を備え、
第１ステップは第１のくさび比を有し、中間ステップは移行くさび比を有し、そし
て第２ステップは第２のくさび比を持ち、
ねじのリードはステップの各の内で実質的に一定であり、
連結は、ピン部材とボックス部材との組立ての際、第１ステップ、中間ステップ、
及び第２ステップの少なくも一つにおける対応しているロードフランク及び対応して
いるスタブフランクの双方の間に隙間が存在するように設計される
ねじ連結。
【請求項１１】
ピンねじ上の中間ステップの始点がボックスねじ上の中間ステップの始点から軸方向位置においてずらされる請求項１０のねじ連結。
【請求項１２】
中間ステップ上の対応しているロードフランク及び対応しているスタブフランクの両者の間に選定された間隙が存在する請求項１０のねじ連結。
【請求項１３】
第１ステップ及び第２ステップの両者上の対応しているロードフランク及び対応しているスタブフランクの両者の間に選定された間隙が存在する請求項１０のねじ連結。
【請求項１４】
第１のくさび比及び第２のくさび比の一方が他方より大きい請求項１０のねじ連結。
【請求項１５】
第１のくさび比及び第２のくさび比の実質的に等しい請求項１０のねじ連結。
【請求項１６】
ピンねじ及びボックスねじの一方が、第１ステップ、中間ステップ、及び第２ステップの一つにおけるより大きい高さを有する請求項１０のねじ連結。
【請求項１７】
ピン部材のボックス部材との組立て中、対応しているロードフランク及び対応しているスタブフランクの少なくも一方の間の干渉が、第１ステップ、中間ステップ、及び第２ステップ上で逐次発生する請求項１０のねじ連結。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ケーシング継手、ライナー、ドリルパイプ及びドリルカラー（まとめて「チューブラー」と呼ぶ）は、坑井の掘削、仕上げ、及び作成によく使用される。例えば、掘削坑の高圧（例えば地層の圧力より大きい掘削坑圧力）、及び同様な圧力に対抗して地層を保護するために地層を安定化させるために掘削坑内にケーシング継手を据え付けることがある。ケーシング継手は、ねじ連結、溶接連結、及び本技術において知られるその他の連結によりパイプの端部と端部とを結合させることができる。この連結は、ケーシング継手の外側と坑井の壁面との間に形成された環状の空間及び結合されたケーシング継手の内部の間のシールを形成するように設計される。このシールは、例えば、弾性シール（例えばＯリングシール）とし、連結に隣接して形成された金属対金属のシールとし、或いは本技術において知られる同様なシールとすることができる。ある連結においては、シールは、雌ねじと雄ねじとの間に形成される。この特徴を持った連結は「ねじシール」を持つと言われる。ここで使用される「ねじシール（ｔｈｒｅａｄ  ｓｅａｌ）」は、ボックス部材の雌ねじの少なくも一部分とピン部材の雄ねじとの間にシールが形成されることを意味する。
【０００２】
ここに使用される幾つかの用語は、パイプストリングを坑井内に降ろしつつ組み立てる際のような、チューブラー継手が、チューブラー部材の中心軸線に沿った垂直方向位置で連結されている場合と普通に理解されるであろうことが分かるであろう。従って、用語「ロードフランク（ｌａｏｄ  ｆｌａｎｋ）」は、ねじの側壁面であって、ねじの形成された関係のピン部材又はボックス部材の外側端部から遠い方に向いた側壁面を示し、これが、坑井内に吊るされている下方の部材の重量（即ち、引張り力）を支持する。用語「スタブフランクｓｔａｂ  ｆｌａｎｋ）」は、ねじの側壁面であって、関係のピン部材又はボックス部材の外側端部に向いた側壁面を示し、これは、継手の最初の組立て中の上方のチューブラー部材の重量、或いは下方のチューブラー部材を坑井の底に押し付けるために加えられる力のような継手を互いに押し付ける力（即ち圧縮力）を支持する。用語ボックスの「前面」は、ボックスねじから外を向いているボックス部材の端部であり、用語ピンの「ノーズ」は連結のねじから外を向いているピン部材の端部である。連結を組み立てる際は、ピンのノーズがボックスの前面内に差し込まれこれを通り過ぎる。
【０００３】
ねじシールを形成するために通常使用されるねじの一形式はくさびねじ（ｗｅｄｇｅ  ｔｈｒｅａｄ）である。図１にくさびねじを有する連結が示される。「くさびねじ」は、ピン部材１０１及びボックス部材１０２において幅（即ち、ロードフランク２２５、２２６とスタブフランク２３２、２３１との間の軸方向距離）が反対向きに増加するねじを特徴とする。くさびねじは、ブローズ（Ｂｌｏｓｅ）の特許文献１、リーヴス（Ｒｅｅｖｅｓ）の特許文献２、オートロフ（Ｏｒｔｌｏｆｆ）の特許文献３、及びモット（Ｍｏｔｔ）の特許文献４において広く開示され、これら文献の全ては本発明の譲受人に譲渡され、参考文献としてここに組み入れられる。ピン部材１０１においては、ピンねじの山の頂２２２がピン部材１０１の末端に向かって狭くなり、一方、ボックスねじの山の頂２９１は広がる。軸線１０５に沿って（右から左に）動くと、ピンねじの山の頂２２２は広がり、一方ボックスねじの山の頂２９１は狭くなる。図１において、ねじ面はテーパーが付けられる。これは、ピンねじ１０６が先端から終わりに直径が増加すること、一方、ボックスねじ１０７は相補的に直径が小さくなることを意味する。ねじがテーパーを有することにより、ピン部材１０１のボックス部材１０２内への差し込み能力が改善されかつ連結における応力を分布させる。
【０００４】
一般に、ねじシールは、広い山の頂と谷底とを有する由走行ねじ（ｆｒｅｅ−ｒｕｎｎｉｎｇ  ｔｈｒｅａｄ）により達成することは困難であるが、くさびねじとして使用され
たときはねじシールを持つことができる。以下明らかにされる本発明の実施例に対して種々のねじ形式を使用することができる。適切なねじ形式の一例が、参考文献としてここに組み入れられたクレメンチヒ（Ｋｌｅｍｅｎｔｉｃｈ）の特許文献５に開示された半アリ溝式のねじ形式である。別のねじ形式は、ここに参考文献７として組れ入れられたチャーチ（Ｃｈｕｒｃｈ）の特許文献６に開示されたような多面のロードフランク又はスタブフランクを含む。一般に長方形のオープンねじ形式がワット（Ｗａｔｔ）の特許文献７に開示される。以上のねじ形式の各はねじ形式の例であり、これらはくさびねじ又は自由走行ねじのいずれかを有する本発明の実施例のために使用することができる。本技術熟練者はここに含まれる教示が特定のねじ形式に限定されないことを認めるであろう。
【０００５】
くさびねじについては、ねじシールは、ピンのロードフランク２２６とボックスのロードフランク２２５との間及びピンのスタブフランク２３２とボックスのスタブフランク２３１との間の連結の少なくも一部分にわたる干渉のため、連結が組み立てられるときに生ずる発生接触圧力により達成される。フランクの干渉の発生した場所の少なくも一部分にわたり、谷底２９２、２２１と山の頂２２２、２９１との間の密な接近又は干渉が発生したとき、ねじシールが完成する。ピン部材１０１及びボックス部材１０２の谷底と山の頂の間の干渉（「谷底／山の頂の干渉」）の増加、及びフランクの干渉の増加によりより高い圧力に耐えることができる。この特別な連結は、それぞれピン部材１０１及びボックス部材１０２上に置かれた対応するシーリング面１０３と１０４との間の接触による金属対金属の接触も含む。
【０００６】
連結に確実な回転力停止用ショルダーを持たないことが普通であるくさびねじの特徴は組立てが「不確定」であることであり、このため、確実な回転力停止用ショルダーを有する連結よりも、ピン部材とボックス部材との相対位置が、加えられる回転力範囲に対してより多く変動する。ここに使用される「組立て」はピン部材とボックス部材とを、一緒にねじ結合させることを言う。「選定された組立て」は、ピン部材とボックス部材とを、希望の大きさの回転力により、或いはピン部材とボックス部材との（軸方向又は円周方向の）関係位置に基づいてで一緒にねじ結合させることを指す。選定された組立てにおいてフランクの干渉及び谷底／山の頂間の干渉の両者を有するように設計されたくさびねじについては、フランクの干渉及び谷底／山の頂間の干渉の両者は、連結が組み立てられるときに増加する（即ち、回転力の増加がフランクの干渉及び谷底／山の頂間の干渉を増加させる）。谷底／山の頂間に間隙を有するように設計されたくさびねじについては、この間隙は、連結が組み立てられるときに減少する。くさびねじの設計の如何に拘わらず、対応したフランク及び対応した谷底と山の頂は組立て中に互いに近寄る（即ち、間隙が減少し、又は干渉が減少する）。不確定な組立ては、連結における回転力の増加によるフランクの干渉及び谷底／山の頂の干渉の増加を許す。このため、くさびねじは、より大きいフランク干渉及び／又は谷底／山の頂の干渉を有するように連結を設計することにより、又は連結の際の回転力を増加させることによりより高圧の気体及び液体をねじシールできるが、これは同時に組立て中の連結における応力も大きくさせ、使用中の故障を導く可能性がある。
【０００７】
油田のチューブラー連結に使用される自由走行ねじは、連結が組み立てられたとき、ねじシールを形成しないことが普通である。図２は、自由走行ねじを有する従来技術の連結を示す。自由走行ねじは、ロードフランク１５４と１５５、スタブフランク１５７と１５８、山の頂１５９と１６２、及び谷底１６０と１６１を備える。典型的な自由走行ねじを有する連結と同様に、この連結は、それぞれピン部材１０１及びボックス部材１０２に配置された面１５１と１５２との接触により形成される確実な回転力停止ショルダーに依存する。図２に示される確実な回転力停止ショルダーは、通常、「ピンノーズショルダー」と呼ばれる。別の連結においては、確実な回転力停止ショルダーは、ボックスの前面１６３及びピン部材１０１上の組合用ショルダー（図示せず）により形成される。確実な回転
力停止ショルダーもまたシールを提供する。これは、ピンねじ１０６及びボックスねじ１０７のくさび化により作られるくさびねじとは異なり、自由走行ねじは、組立て中、連結に負荷を加えることを確実な回転力停止ショルダーに依存する。図２に示される連結を組み立てるために、ピン部材１０１とボックス部材１０２とは、面１５１と１５２とが当たるまで互いにねじ結合される。この点において、ピンのロードフランク１５４及びボックスのロードフランク１５５も互いに当たる。希望量の組立て用回転力が連結に加えられるまで、面１５１と１５２及びピンのロードフランク１５４とボックスのロードフランク１５５に負荷を加えるために、追加の回転力がピン部材１０１とボックス部材１０２とに加えられる。
【０００８】
図２に示された連結は、ピンスタブフランク１５７とボックススタブフランク１５８との間に存在する大きな間隙１５３のため、ねじシールを達成しない。間隙１５３は、確実な回転力停止ショルダーのある自由走行ねじにどのようにして負荷を加えるかにより生ずる。組立て中、確実な回転力停止ショルダーを押すように連結に回転力を加えることにより、ピン部材１０１は圧縮され、一方、ボックス部材１０２は引張られる。ボックスの前面ショルダーが使用されるときは、ボックス部材１０２が圧縮され、一方、ピン部材１０１は引張れることに注意されたい。ピン部材１０１とボックス部材１０２との間の力は、ピンのロードフランク１５４及びボックスのロードフランク１５５を通して加えられる。ピンのスタブフランク１５７とボックスのスタブフランク１５８とは、組立て中、負荷が加えられない。ロードフランク１５４と１５５との間に接触圧力が生じ、スタブフランク１５７と１５８との間には間隙が生ずる。上述のように、（図１に示されるような）くさびねじは、ロードフランク２２５と２２６及びスタブフランク２３２と２３１の間の干渉のため、部分的にねじショルダーを形成することができる。くさびねじについては、これは、ピンのねじ１０６とボックスのねじ１０７の幅の変動のため、連結の組立ての最後の近くで生ずる。円筒状（即ちテーパーなしの）自由走行ねじのロードフランク１５４と１５５及びスタブフランク１５７と１５８の間に同様な干渉を持つためには、ピンのねじ１０６とボックスのねじ１０７とは連続した幅を有するので実質的に連結の組立て中を通して干渉があるであろう。更に、谷底／山の頂の干渉は、実質的に連結の組立て中を通して存在するであろう。ねじのかじりをもたらしかつ連結の組立てを難しくする。
【０００９】
ロードフランクがスタブフランクとは異なったリードを有する結果としてくさびねじのねじ幅の変動が生ずる。ねじのリードは１回転当たりの長さで量化することができる。これは、通常、２５．４ｍｍ（１インチ）当たり山数として量化されるねじのピッチの逆数であることに注意されたい。従来技術のくさびねじのリードのグラフが図３Ａに示される。これに関連して、ロードリード１４は連結の長さにわたって一定であり、そして同様に一定であるスタブリード１２より大きい。呼びリードは符号１０で示される。ここに使用される「呼びリード」は、ロードリード１４とスタブリード１２との平均を指す。ねじは、各回転ごとに、ロードリード１４とスタブリード１２との差だけ広がるであろう。ロードリード１４とスタブリード１２との差は、ときには「くさび比（ｗｅｄｇｅ  ｒａｔｉｏ）」と呼ばれる。自由走行ねじ（即ち、非くさびねじ）では、ロードリード１４とスタブリード１２とは実質的に等しく、自由走行ねじに実質的に一定のねじ幅（即ち、ゼロくさび比）を持たせる。
【００１０】
荷重分布の目的のねじリードの意図的な変動が従来技術において明らかにされているが、この発明人は、くさびねじ又は自由走行ねじのためにねじシールを形成するためのねじリードの変動は知らない。応力分布に対する変動ねじリードの一例がデアーデン（Ｄｅａｒｄｅｎ）ほかの特許文献８に明らかにされる。この特許は全体が参考文献としてここに組み入れられる。デアーデンは。異なるリード（デアーデンは２５．４ｍｍ（１インチ）当たりのねじ数として量化されるねじピッチを呼ぶことに注意）を有する３個の部分に分割されたピンねじ及びボックスねじを持った自由走行ねじを有する連結を開示する。図３
Ｂに、ボックス部材及びピン部材についてのねじリードのグラフが示される。このグラフに示されるように、連結の一方の端部においては、ピンねじのリード２１はボックスねじのリード２２より大きい。中間部分２３においては、ピンねじのリード２１はボックスねじのリード２２と実質的に等しい。更に、連結の他方の端部においては、ボックスねじのリード２２がピンねじのリード２１より大きい。デアーデンにおいては、ピンねじのリード２１とボックスねじのリード２２との変化は段階的変化である（即ち、リードは実質的に瞬間的に変化する）。デアーデンにより開示された変動するねじリードは、連結の大きな部分にわたり負荷を分布させことを意図し、ねじシールの形成に対する自由走行ねじの不能性については影響を持たない。ダデアーデンは、ロードリード又はスタブリードを互いに独立して変えることを明らかにしていない。
【００１１】
本発明の譲受人に譲渡された特許文献９「特に半径方向に塑性拡張可能な導管用のねじ連結」（シヴィレイ（Ｓｉｖｌｅｙ））に別の連結が開示される。この特願はその全体が参考文献としてここに取り入れられる。シヴィレイは、ピン部材及びボックス部材の一方又は双方のロードリード及び／又はスタブリードに変動を有する連結を開示する。シヴィレイにより明らかにされた実施例のグラフが図３Ｃに示される。シヴィレイは、ピンねじ及び／又はボックスねじの少なくも一部分にわたり、ロードリード１４を選定された比率でスタブリード１２に関して変えることを明らかにする。図３において、連結は、ロードリード１４とスタブリード１２との間の差により示されるようなくさびねじである。ロードリード１４とスタブリード１２とはねじの端部に向かって直線的な割合で収束する。シヴィレイは、互いに直線的な割合で変化するロードリード１４とスタブリード１２とを有する種々の別の実施例を開示する。ねじのリードの変動が、連結の受ける負荷を連結の長さにわたり分布させる。
【００１２】
図９は、従来技術の２ステップ連結を示す。連結を形成するねじは、２個の異なる「ステップ」、即ち、括弧３１により示される大きいステップと括弧３２により示される小さいステップに分離される。大きいステップ３１と小さいステップ３２との間の部分は、通常、中間ステップ９０１と呼ばれる。ある連結においては、中間ステップ９０１は、金属対金属のシールとして使うことができる。ピン部材１０１の小さいステップ３２におけるピンねじの山の頂２２２は、ピン部材１０１がボックス部材１０２内に差し込まれるとき、その全設計高さにおいて、ボックス部材１０２の大きいステップ３１上のボックスねじの山の頂２２１と干渉しない。ピン部材１０１の小さいステップ３２の直径は、ボックス部材１０２の大きいステップ３１の山の頂から山の頂までの最小のねじ直径より小さい。小さいステップ３２上のピンねじ１０６は、これを、大きいステップ３１上のボックスねじ１０７に差し込んで通過させることができる。小さいステップ３２及び大きいステップ３１の両者の上の実質的に同じ呼びリードを有するねじは、各回転とともに組み合い、連結を形成する。従って、ねじが互いに滑り又はこする回転の数は、組み合わせられたねじと同じ数だけ減らされる。２ステップ連結は、ステップの各に対して、ステップ上のねじの呼びリードの変化が小さいか又は無い限り、異なった特性のねじを持つことを許す。
【００１３】
本発明の譲受人に譲渡されたマリス（Ｍａｌｌｉｓ）の特許文献１０に、２ステップくさびねじ連結が明らかにされる。マリスは、異なったくさび比を有する２ステップくさびねじ連結を開示する。その一方は「攻撃的（ａｇｇｒｅｓｓｉｖｅ））」なくさび比であり他方は「保守的（ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｖｅ）」なくさび比であると考えられる。「攻撃的」とは大きいくさび比を指し、「保守的」とは小さいくさび比を指す。その他は全て同じであり、くさび比が大きいと組立てをより確定する。大きすぎるくさび比は不適切なくさび効果を持ち、使用中の連結の戻り外れを許す可能性がある。小さいくさび比は連結の戻り外れによく抵抗できる。小さすぎるくさび比は、不確定な組立てを持つことがある。長くされた組立て距離にわたる擦れが生じることがある。マリスは、ステップの一つがより決定的な組立てに最適化された（攻撃的）くさび比を持ち、他のステップが連結の戻
り外れを防ぐに最適にされた（保守的）くさび比を持ち得ることを明らかにした。
【００１４】
本発明の譲受人に譲渡されたエンダール（Ｅｎｄｅｒｌｅ）の特許文献１１及び１２において、チューブラー連結用の２ステップ、低回転力くさびねじが明らかにされる。これらの特許はその全てが参考文献としてここに組み入れられる。組立ての際、相補的なスタブフランク、ロードフランク、谷底、及び山の頂の少なくも一つに沿って干渉接触があるようなステップの一つが設けられ、一方、相補的なスタブフランク、ロードフランク、谷底及び山の頂の少なくも一つに沿って別のステップに沿って間隙が設けられる。これは、連結を組み立てるために必要な回転力の大きさを小さくし、同時に回転力の敏感性、シーリング能力、及び構造上の目的に必要なねじを保有する。
【００１５】
２ステップ連結の一つの問題は、この連結がパイプ本体効率が１００％に達するように厚くしなくればならないことである。ここで使用される「パイプ本体効率」は、チューブラーの引張り強度に関する連結の引張り強度である。より厚い連結を必要とする第１の理由は中間ステップの非結合空間であり、これは大きいステップ上のねじが差し込み中に小さいステップ上のねじを妨げないために必要である。中間ステップは、ねじ結合がないため、連結の総合強度には寄与しない。二つのねじを有する利点はパイプ本体効率をしばしば低下させる。２ステップ連結の長所を示し得る１ステップねじを持つことが望ましい。
【００１６】
【特許文献１】米国特許第ＲＥ３０，６４７号  明細書
【特許文献２】米国特許第ＲＥ３４，４６７号  明細書
【特許文献３】米国特許第４，７０３，９５４号  明細書
【特許文献４】米国特許第５，４５４，６０５号  明細書
【特許文献５】米国特許第５，３６０，２３９号  明細書
【特許文献６】米国特許第６，７２２，７０６号  明細書
【特許文献７】米国特許第６，５７８，８８０号  明細書
【特許文献８】米国特許第４，５８２，３４８号  明細書
【特許文献９】米国特願第１０／１２６，９１８号  明細書
【特許文献１０】米国特許第６，２０６，４３６号  明細書
【特許文献１１】米国特許第６，１７４，００１号  明細書
【特許文献１２】米国特許第６，２７０，１２７号  明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、一態様において、くさびねじを有するねじ連結に関する、ねじ連結は、ピンねじを有するピン部材及びボックスねじを有するボックス部材を備える。ピンねじは、ピンねじの山の頂、ピンねじの谷底、ピンロードフランク、及びピンスタブフランクを持つ。ピンねじは、その上に逐次形成された少なくも第１ステップ、中間ステップ、及び第２ステップを備える。ボックスねじは、ボックスねじの山の頂、ボックスねじの谷底、ボックスロードフランク、及びボックススタブフランクを持つ。ボックスねじは、その上に逐次形成された少なくも第１ステップ、中間ステップ、及び第２ステップを備える。ボックスねじ上の諸ステップは、一般に軸方向位置がピンねじ上の諸ステップと対応する。第１ステップは第１のくさび比を有し、中間ステップは移行くさび比を有し、そして第２ステップは第２のくさび比を持つ。ねじのリードは各ステップ内で実質的に一定である。連結は、ピン部材とボックス部材との組立ての際は、第１ステップ、中間ステップ、及び第２ステップの少なくも一つにおける対応したロードフランクの間及び対応したスタブフランクの間に隙間が存在する。
【００１８】
本発明は、別の態様においては、プログラム制御の工作機械を使用してくさびねじを有するねじ連結を製造する方法に関する。この方法は、ピンねじを有するピン部材及びボッ
クスねじを有するボックス部材の形成を含む。ピンねじは、ピンねじの山の頂、ピンねじの谷底、ピンロードフランク、及びピンスタブフランクを持つ。ピンねじは、その上に逐次形成された少なくも第１ステップ、中間ステップ、及び第２ステップを備える。ボックスねじは、ボックスねじの山の頂、ボックスねじの谷底、ボックスロードフランク、及びボックススタブフランクを持つ。ボックスねじは、その上に逐次形成された少なくも第１ステップ、中間ステップ、及び第２ステップを備える。ボックスねじ上の諸ステップは、一般に軸方向位置においてピンねじ上の諸ステップと対応する。第１ステップは第１のくさび比を有し、中間ステップは移行くさび比を有し、そして第２ステップは第２のくさび比を持つ。ねじのリードは各ステップ内で実質的に一定である。連結は、ピン部材とボックス部材との組立ての際、第１ステップ、中間ステップ、及び第２ステップの少なくも一つにおける対応したロードフランクと対応したスタブフランクとの間に隙間が存在する。
【００１９】
本発明は、別の態様においては、くさびねじを有するねじ連結に関する。ねじ連結は、ピンねじを有するピン部材及びボックスねじを有するボックス部材を備える。ピンねじは、ピンねじの山の頂、ピンねじの谷底、ピンロードフランク、及びピンスタブフランクを持つ。ピンねじは、その上に逐次形成された少なくも第１ステップ、中間ステップ、及び第２ステップを備える。ボックスねじは、ボックスねじの山の頂、ボックスねじの谷底、ボックスロードフランク、及びボックススタブフランクを持つ。ボックスねじは、その上に逐次形成された少なくも第１ステップ、中間ステップ、及び第２ステップを備える。ボックスねじ上の諸ステップは、一般に軸方向位置においてピンねじ上の諸ステップと対応する。第１ステップは第１のくさび比を有し、中間ステップは移行くさび比を有し、そして第２ステップは第２のくさび比を持つ。ねじのリードは各ステップ内で実質的に一定である。連結は、ピン部材とボックス部材との組立ての際、第１ステップ、中間ステップ、及び第２ステップの少なくも一つにおける対応したロードフランクの間及び対応したスタブフランクの間に隙間が存在する。
【００２０】
本発明のその他の態様及び利点は以下の説明及び特許請求の範囲より明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明は、チューブラー連結用のねじに関する。より特別には、本発明は、テーパー連結の単一ねじ上に形成された２ステップの特徴を有するねじに関する。
【００２２】
明確化のために、幾つかの用語が以下明確に定義される。ここに使用される「ねじのリード」は一般に、ロードリード、スタブリード、及び呼びリードよりなるグループを指す。
【００２３】
ここに使用される「螺旋長さ（ｈｅｌｉｃａｌ  ｌｅｎｇｔｈ）」は、コンタクターが配置されたねじの旋回数を指し、チューブラーの軸線まわりの角度数で表すことができる（即ち、３６０゜が１ねじピッチである）。
【００２４】
本発明の実施例は、連結が２ステップ連結の少なくも幾つかの特徴を有するように１個のねじ上のくさび比に変動を持つ。本発明の実施例は、少なくも２個の別個の部分が、この２個の別個の部分の間の移行帯域により接続されることを特徴とする。本発明の実施例が単一のステップを有するとしても、２個の別個の部分は２ステップ連結に使用されるものと同じ用語を使用して呼ぶことができる。ある実施例においては、より高圧のねじシールを形成するために、１個のステップが異なった（谷底から山の頂まで測定した）ねじの高さを持つことができる。
【００２５】
図４Ａ−Ｃを参照すれば、本発明の一実施例による疑似２ステップねじが示される。図
４Ａ−Ｃは、図解の目的で疑似２ステップの誇張された例を示す。図４Ａにおいて、図４Ｃのグラフに相当するするピンねじ１０６が、図４Ｂのグラフに相当するボックスねじ１０７と組み合わせられて示される。この特別な実施例においては、ピンねじ１０６とボックスねじ１０７とは、（図９の小さいステップ３２に似た）第１ステップ４０１及び（図９の大きいステップ３１に似た）第２ステップ４０３の両者のロードフランク２２５と２２６との間及びスタブフランク２３１と２３２との間に干渉を持ち、一方、中間ステップ４０２におけるフランク間には選定された間隙があるように設計されている。一実施例においては、第１ステップ４０１及び第２ステップ４０３は選定された組立てにおいて干渉を有するが、組立て中、一方のステップより前に他方のステップでフランクの干渉を発生させることができる。更に、一実施例においては、小さいステップ３２と大きいステップ３１の一方又は双方が、ロードフランク及びスタブフランクの両方でなくロードフランクのみ又はスタブフランクのみの間に干渉を持たせることができる。
【００２６】
図４Ａに示された疑似２ステップの形態を達成するために、ロードリード１４及びスタブリード１２は、図４Ｂ及び４Ｃに示されるように、ピンねじ１０６及びボックスねじ１０７の双方を相補的な方法で変更することができる。呼びリード１０は、ピンねじ１０６及びボックスねじ１０７の両者の長さにわたり実質的に一定に保たれる。第１ステップ４０１に沿って、ロードリード１４とスタブリード１０との間の差（即ち、くさび比４１１）は実質的に一定である。第１ステップ４０１の終わりにおいて、くさび比４１１は、ロードリード１４の選定された量の増加により、一方では、呼びリード１０を実質的に維持するためのスタブリード１２の比例した減少により、くさび比４１２に増加する。くさび比４１２は、第１ステップ４０１のくさび比４１１及び第２ステップ４０３のくさび比４１２の両者より大きい。大きくされたくさび比４１２のねじの部分が第１ステップ４０１と第２ステップ４０２との間の移行を提供し、かつこれは２ステップ連結用の用語を使用して中間ステップ４０２と呼ぶことができる。中間ステップ４０２は、第１ステップ４０１及び第２ステップ４０３と比較して螺旋長さが小さい。ある実施例においては、中間ステップ４０２の螺旋長さは、連結の偏心装着を防ぐために約３６０゜の増分とすることができる。中間ステップ４０２より後で、くさび比４１２は第２ステップ４０３のくさび比４１３に減少する。これは、この実施例の第１ステップ４０１におけるくさび比４１１にほぼ等しい。
【００２７】
図４Ａ−４Ｃに関連した説明を続けると、この実施例は、ピンねじ１０６の中間ステップ４０２とボックスねじ１０７の中間ステップ４０２との間にオフセット４０５を持つ。ボックスねじ１０７の中間ステップ４０２は、ピンねじ１０６の中間ステップ４０２より僅かに早い軸方向位置から始まる。これにより、ボックスねじ１０７はピンねじ１０６より僅かに早く「開かれ」又は広げられ、これが中間ステップ４０２上でフランク間の選定された間隙を発生させる。第２ステップ４０３上のフランクの干渉を持つようにねじを戻すために、第２ステップ４１３もボックスねじ１０７上のより早い選定された軸方向位置において開始させることができ、これによりピンねじ１０６の幅の「追いつき」ができる。ねじの長さにわたるロードリード１４及びスタブリード１２の変動が、２ステップ連結におけるような２個の分離したステップと中間ステップとを有するかのような挙動での連結を許す。これにより、連結の各部分で異なる挙動を有するように連結を設計することができる。本技術の通常の技術者は、本開示の教示を使用して、本技術において知られた２ステップ連結のための特徴を使用して第１ステップ４０１、中間ステップ４０２、及び第２ステップ４０３の多くの組み合わせを達成し得ることを認めるであろう。かかる連結の例が以下説明される。
【００２８】
図５Ａ−５Ｃに、本発明の一実施例による疑似２ステップねじが示される。図５Ａに、図５Ｃのグラフに相当するピンねじ１０６が、図５Ｂのグラフに相当するボックスねじ１０７との選定された組立てで示される。この特別な実施例においては、ピンねじ１０６と
ボックスねじ１０７とは、第１ステップ４０１と第２ステップ４０３との双方の上のロードフランク２２５と２２６との間及びスタブフランク２３１と２３２との間に干渉があり、一方、中間ステップ４０２上のフランク間には選定された間隙を持つように設計されている。図５Ａ−５Ｃに示されるねじは、第２ステップ４０３のくさび比４１３は第１ステップ４０１のくさび比４１１より大きいため、図４Ａ−４Ｃに示されたものとは異なる。異なるくさび比を有する２ステップ連結は、前述のマリスの特許文献１０において明らかにされる。マリスの教示は、（すべての利点を含んで）２種の異なるくさび比を有する２ステップ連結に適用されるので、一般に、ここに開示される疑似２ステップ連結に応用できる。図５Ａ−５Ｃに示された実施例において、マリスの用語を使用すると、第２ステップ４０３は「攻撃的」なくさび比４１３を有し、一方、第１ステップ４０１は「保守的」なくさび比４１１を持つ。
【００２９】
図６Ａ−６Ｃを参照すれば、本発明の一実施例による別の疑似２ステップねじが示される。この特別な実施例においては、ピンねじ１０６とボックスねじ１０７とは、中間ステップ上のロードフランク２２５と２２６との間及びスタブフランク２３１と２３２との間に干渉を有し、一方、第１ステップ４０１と第２ステップ４０３上のフランク間には選定された間隙が存在するように設計されている。図６Ａに示された実施例は、中間ステップ４０２においてねじシールを形成することが望ましい。一実施例においては、共存の米国特願「摂動を有するねじ」に開示されたように大きくされた谷底／山の頂の干渉も持つこともできる。この特別な実施例においては、第１ステップ４０１及び第２ステップ４０３とり前に負荷を受ける中間ステップ４０２の螺旋長さは、偏心装着を防ぐために約３６０゜である。図６Ａは第１ステップ４０１及び第２ステップ４０３上のフランク間の選定された間隙をほぼ等しいとして示すが、本技術の通常の技術者は、別の実施例においては選定された間隙を異なる値になし得ることを認めるであろう。例えば、第２ステップ４０３が第１ステップ４０１よりも小さい選定された間隙を有するように連結を設計することできる。かかる実施例においては、第２ステップ４０３は第１ステップ４０１より前に下向きの引張り力が加えられるであろう。別の実施例においては、選定された間隙は同じステップのロードフランクとスタブフランクとの間で異なることができる。
【００３０】
図７Ａ−７Ｃに、本発明の一実施例による疑似２ステップねじが示される。この特別な実施例においては、ピンねじ１０６とボックスねじ１０７とは、第１ステップ４０１上のロードフランク２２５と２２６との間及びスタブフランク２３１と２３２との間に干渉を持ち、一方、中間ステップ４０２及び第２ステップ４０３上のフランク間は選定された間隙が存在するように設計されている。図７Ｂ及び７Ｃは、図７Ａの疑似２ステップねじを如何にして達成できるかを示す。この実施例においては、ボックスねじ１０７の中間ステップ４０２は、ピンねじ１０６上の中間ステップ４０２との間にオフセット４０５を有し、これによりピンねじ１０６が広がるより前にボックスねじ１０７を開かせる。これが、中間ステップ４０２上のフランク間に選定された間隙を作らせる。第２ステップ４０３上のフランク間に少なくも多少の間隙を維持するように、ピンねじ１０６上の中間ステップ４０２は、これがボックスねじ１０７の中間ステップ４０２と同じ軸方向位置において終わるように、ボックスねじ１０７上の中間ステップ４０２より短い螺旋長さを持つ。図７Ａに示された構成は、連結により受ける応力の大きさに基づいて連結に沿って応力を分散させること許す。例えば、疑似２ステップ連結は、引張り力が加えられたときに第１ステップ４０１に最初に負荷をかけ、次いで第１ステップ４０１のねじが降伏するより前に第２ステップ４０３に負荷を加えるように設計することができる。かかる設計は、共存の米国特願「チューブラー連結のための浮遊くさびねじ」における２ステップ連結のために明らかにされる。
【００３１】
図８Ａ−８Ｃに、本発明の一実施例による疑似２ステップねじが示される。この特別な実施例においては、ピンねじ１０６とボックスねじ１０７とは、ステップのロードフラン
ク２２５と２２６との間及びスタブフランク２３１と２３２との間に交互に干渉と間隙を持つように設計されている。図８Ａに示されたねじの設計において、第１ステップ４０１はスタブフランク２３１と２３２との間に干渉を有し、一方、ロードフランク２２５と２２６との間に間隙を有するように作られる。干渉と間隙とを交互にさせるために、ピンねじ１０６及びボックスねじ１０７の一方のロードリード１４及びスタブリード１２は、軸方向位置に互いにオフセットを付けることができる。この実施例においては、ピンねじ１０６はオフセット１０６を持つ。別の実施例においては、ボックスねじ１０７上にオフセット４０７がある。
【００３２】
図８Ａ−８Ｃに示された実施例の説明を継続すれば、ピンねじ１０６のロードリードの増大は、ボックスねじ１０７のロードリード１４における増大より前に始まる。これにより、ピンねじ１０６はロードフランク側で広げられ、これが中間ステップ４０２におけるロードフランク２２５と２２６とを干渉させる。ボックスねじ１０７のスタブリード１２の減少はピンねじ１０６のスタブリード１２における減少より前に始まり、これがスタブフランク２３１と２３２とを中間ステップ４０２における干渉から外す。フランクの干渉は、軸方向位置の同じオフセットを有するロードリード１４の減少とヅリード１２の増大とにより、中間ステップ４０２の終わりにおいて逆に戻される。これが、第２ステップ４０３にフランク２３１と２３２との間の干渉を発生させ、一方、ロードフランク２２５と２２６との間に間隙を持たせる。別の実施例においては、交互の干渉と間隙とが逆にされる（即ち、第１ステップ４０１のロードフランク２２５と２２６との間に干渉を有し、スタブフランク２３１と２３２との間に間隙を持つ）。
【００３３】
以上の実施例の各はフランク間の少なくも幾つかの間隙を示すが、疑似２ステップ連結のある実施例は、選定された組立てにおける第１ステップ、中間ステップ、及び第２ステップの各のフランク間に大きさの変動する干渉を持つように設計できることに注意すべきである。疑似２ステップ連結は第１ステップ、中間ステップ、及び第２ステップにおけるロードフランク間及びスタブフランク間に逐次的に干渉が発生するように作ることができる。例えば、上の実施例に関連して説明されたロードリードとスタブリードの変化をオフセットさせる方法の使用により、疑似２ステップ連結は、組立て中、第２ステップのフランクが干渉に入るように設計することができる。組立てが続くと、第１ステップ上のフランクが干渉状態に入り、最後に中間ステップ上のフランクが干渉状態に入る。上述のように、フランクの干渉はくさびねじ連結の組立て中に増加する。その結果、選定された組立てにおいて、最初にフランクの干渉が生じたステップは最も多くの干渉を有するであろう。本技術の通常の技術者には、フランク間の干渉と間隙との連鎖の多くの組み合わせとシーケンスとが本発明の教示の使用により可能であることが明らかであろう。本発明の範囲はここに明らかにされた選ばれた数の実施例に限定すべきではない。
【００３４】
可能な別の変更は、第１ステップ、中間ステップ、及び第２ステップの相対的な螺旋長さである。上の実施例は、螺旋長さが第２ステップと実質的に等しい第１ステップを示すが、第１ステップと第２ステップの螺旋長さが等しくなくできることを、本技術の通常の技術者は認めるであろう。例えば、螺子巻回数が約１０（即ち、螺旋長さが約３６００゜）の連結において、第１ステップはねじ巻回数を約４（即ち、螺旋長さが約１４４０゜）中間ステップはねじ巻回数を約１、そして第２ステップがねじ巻回数を約５とすることができる。
【００３５】
上の実施例についてのねじリードのグラフは、ステップがねじリードの変化として理想化されることに注意すべきである。事実上、ねじリードの変化は、ねじの製造に使用される製造工程のためグラフに示されるように即座ではない。例えば、一実施例においては、コンピューター数値制御旋盤（ＣＮＣ）を使用することができる。ＣＮＣ機は、ＣＮＣプログラムにより制御することができる。典型的に、ＣＮＣプログラムは、制御の各軸につ
いての位置より構成される。例えば、ＣＮＣ旋盤が軸方向位置と回転方向位置とを持つ場合は、プログラムは、各回転方向位置に対応する軸方向位置の値を持つであろう。ＣＮＣ旋盤は、通常は毎分回転数（ＲＰＭ）で測定された設定速度で回転するので、ＣＮＣプログラムは、典型的に、部品が機械で回転されるときの順序及び設定された増分の回転方向位置を持つ。回転方向位置の間隔を空ける増分は、通常は、旋盤の「分解能」と呼ばれる。例えば、分解能が約９０゜であるならば、約９０゜の各逐次増分に対するデータ点が存在するであろう。各増分に対して軸方向位置が選定されるであろう。典型的に、ＣＮＣ旋盤は点間を実質的の一定の速度で軸方向位置を動かすであろう。速度は、対応した回転方向位置と実質的に同じ時間で次の軸方向位置に到達するに必要なように選定される。各回転に対してねじのリードと実質的に等しい距離だけ軸方向位置が前進するような増分のための値を計算することにより、ねじのリードを選ぶことができる。例えば、１回転当たり２５．４ｍｍ（１インチ）のリードは、９０゜ごとに６．３５ｍｍ（１／４インチ）だけ前進するであろう。本技術の通常の技術者は、その他の製造方法で使用するために上の教示を適用できるであろう。使用される旋盤の分解能は、ステップ間のオフセットの大きさに影響を与える。工作機械使用の別の結果は、運動部分の運動量及び制御の応答時間が、ねじリードのより滑らかな変更をもたらすことである。第１ステップ、中間ステップ、及び第２ステップ間のねじリードの実際の変化は製造方法により変化するが、疑似２ステップ連結の便益はなお現実化されるであろう。
【００３６】
本発明の実施例は、第１ステップと第２ステップとを接続している移行帯域（即ち、中間ステップ）を有する少なくも第１ステップ及び第２ステップを有することに注意すべきである。第１ステップ、中間ステップ、及び第２ステップは、ピンねじ及びボックスねじの双方の上に逐次形成される。本技術の通常の技術者は、本発明の範囲から離れることなくピンねじ及びボックスねじに追加のステップを加え得ることを認めるであろう。更に、本発明の実施例は、実際の２ステップ連結において形成することができる。例えば、上の開示による疑似２ステップは、連結が本質的に３ステップを有するような２ステップ連結の小さいステップ及び大きいステップの一方に形成することができる。
【００３７】
本発明は限られた数の実施例に関して説明されたが、この開示の便益を有する本技術の熟練者は、ここに明らかにされた本発明の範囲から離れることなく、その他の実施例を考え得ることを認めるであろう。従って、本発明の範囲は、これを特許請求の範囲のみにより限定すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】くさびねじを有する従来技術の連結の断面を示す。
【図２】自由走行ねじを有する従来技術の連結の断面を示す。
【図３Ａ−３Ｃ】従来技術の連結用のねじのリードグラフを示す。
【図４Ａ】本発明の一実施例による非ラップねじ（ｕｎｗｒａｐｐｅｄ  ｔｈｒｅａｄ）の断面を示す。
【図４Ｂ−４Ｃ】図４Ａに示された実施例に対応するねじのリード対軸方向位置のグラフを示す。
【図５Ａ】本発明の一実施例による非ラップねじの断面を示す。
【図５Ｂ−５Ｃ】図５Ａに示された実施例に対応するねじのリード対軸方向位置のグラフを示す。
【図６Ａ】本発明の一実施例による非ラップねじの断面を示す。
【図６Ｂ−６Ｃ】図６Ａに示された実施例に対応するねじのリード対軸方向位置のグラフを示す。
【図７Ａ】本発明の一実施例による非ラップねじの断面を示す。
【図７Ｂ−７Ｃ】図７Ａに示された実施例に対応するねじのリード対軸方向位置のグラフを示す。
【図８Ａ】本発明の一実施例による非ラップねじの断面を示す。
【図８Ｂ−８Ｃ】図８Ａに示された実施例に対応するねじのリード対軸方向位置のグラフを示す。
【図９】自由走行ねじを有する従来技術の２ステップ連結の断面を示す。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【国際調査報告】
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