(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ねじ部及びねじ無し金属接触部を有する接触表面をそれぞれ備えるピン及びボックスから構成され、前記ねじ無し金属接触部はシール面及びショルダ面を備え、ピンのショルダ面はピン先端の端面に位置し、前記シール面とショルダ面との間にピンとボックスとが互いに接触しない非接触領域を有し、ピンとボックスの少なくとも一方のショルダ面が、前記非接触領域とねじ継手の内部とに通じる少なくとも１つの溝を有する管ねじ継手であって、
ピンとボックスの少なくとも一方の部材はその表面上に塑性又は粘塑性型レオロジー挙動を有する固体潤滑被膜を有し、前記溝の総体積（ｍｍ３）と前記固体潤滑被膜の付着量（ｇ）とが下記（１）式を満たすことを特徴とする管ねじ継手：
（溝の総体積）／（固体潤滑被膜の付着量）≧２４（ｍｍ３／ｇ）・・・（１）。
【請求項２】
前記ピン及びボックスのショルダ面がいずれも、メインショルダ面とこれにつながるサブショルダ面とから構成され、前記メインショルダ面は傾斜角度が前記ピンの挿入方向に対して管中心に向かって後退するように傾斜するリバース角であって、
その一端が管内部に達し、前記サブショルダ面は前記メインショルダ面と前記非接触領域との間に位置し、サブショルダ面の管軸垂直面に対する傾斜角度はメインショルダ面のそれより大きい、請求項１に記載の管ねじ継手。
【請求項３】
前記ショルダ面に占める前記溝の開口部の面積率が４０％未満である請求項１に記載された管ねじ継手。
【請求項４】
前記メインショルダ面に占める前記溝の開口部の面積率が４０％未満である請求項２に記載された管ねじ継手。
【請求項５】
前記固体潤滑被膜がボックスの接触表面上に形成されている、請求項１〜４のいずれかに記載の管ねじ継手。
【請求項６】
ピンの接触表面が、紫外線硬化樹脂から形成された固体防食被膜を有する、請求項５に記載の管ねじ継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ショルダ面に高圧流体を逃がすための溝を有する、油井管の締結に適した管ねじ継手に関し、具体的には、固体潤滑被膜による前記溝の機能低下を防止できる管ねじ継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、油井の深井戸化や劣悪な環境下での油井開発が進行している。そのため、油井管（油井やガス井用のチュービンおよびケーシングを含む）の接続に使用される管ねじ継手には、内外圧力下での耐圧縮性能やシール性能の向上が強く求められている。
【０００３】
図１Ａは、典型的な管ねじ継手０の構造を模式的に示す断面図であり、図１Ｂは図１ＡのＡ部を拡大して示す模式的部分断面図であり、図１Ｃは特許文献１に開示された管ねじ継手のリップ部付近の部分断面図である。
【０００４】
図１Ａ〜図１Ｃに示す管ねじ継手０は、鋼管の両管端の外面に形成されたピン１と、別部材であるカップリングの内面に形成されたボックス２とから構成される。ピン１は、雄ねじを有するねじ部３と、それより先端部分であるリップ部４とを有する。リップ部４は、ねじ部３に続くシール面５とピンの先端面に位置するショルダ面９とを備える。これに対応して、ボックス２は、雌ねじを有するねじ部７、シール面８及びショルダ面１１を有する。ピン及びボックスのねじ部、シール面及びショルダ面はねじ継手の接触表面を構成する。
【０００５】
ピンとボックスのショルダ面９、１１が所定トルクで当接するまで雄ねじと雌ねじを締めつけると、それらのシール面５、８が所定干渉量で密着して、ピンとボックスとの間にメタルシールが形成され、気密性が確保されるようにねじ継手は設計されている。この締付けの前に、ねじ継手の焼付きを防止するために、従来はコンパウンドグリスで代表される潤滑グリスをねじ継手の接触表面に塗布していた。
【０００６】
図１Ｃに示した管ねじ継手では、ピン１のリップ部４が軸方向に延長されていて、ピンとボックスのシール面５、８とショルダ面９、１１との間に、ピンとボックスが接触しない非接触領域１３が形成されている。このようにリップ部を延長することにより、シール面より先端側の変形抵抗が大きくなり、圧力と軸力の複合荷重が加わってもピンのシール面の変形が起こりにくくなり、ねじ継手の気密性能を向上させることができる。
【０００７】
図示例では、シール面５に最も近いピン１の１又は２以上の雄ねじ山とボックス２の対向表面との間にも、ボックス表面に凹部を設けることで、非接触領域１４が形成されている。この非接触領域は管ねじ継手の締結時に締付けられたねじ部から押し出されてきた潤滑グリスをためる役割を果たす。
【０００８】
図１Ｃに示した管ねじ継手は、ピンのショルダ面９と非接触領域１３との間に、ショルダ面９に比べて管軸垂直面に対する傾斜角度がより大きく、半径方向寸法がより小さい第２のショルダ面１０を有する。内側のより大きなショルダ面９をメインショルダ面、外側のより小さなショルダ面１０をサブショルダ面１２と称する。対応して、ボックスもメインショルダ面であるショルダ面１１に加えてサブショルダ面１２を有する。ピン及びボックスのメインショルダ面９、１１はねじ継手締付け時の圧縮応力を負担するとともにリップ部４の先端の内向き方向の変形を抑制し、サブショルダ面１０、１２は、圧縮応力負荷時のメインショルダ面９、１１の外向き方向への変形を抑制する。それにより、ピンとボックスのメインショルダ面を安定して当接させることができる。
【０００９】
ねじ継手の締付けによってそのピン及びボックスのシール面およびショルダ面が密着すると、それらの間に位置する非接触領域１３は密閉空間となる。この非接触領域１３の密閉空間には、ねじ継手の締付け時に密着したシール面やショルダ面から押し出されてくる潤滑グリスや生産流体が流入して閉じ込められる。非接触領域１３に閉じ込められた流体の量が多くなってその圧力が高くなると、非接触領域が半径方向に膨らむように圧力が加わり、ピンとボックスのシール面の密着により得られるねじ継手の気密性が低下するおそれがある。
【００１０】
そこで、特許文献１に開示された管ねじ継手では、非接触領域１３に封入された高圧流体のリークパスとなる深さ０.１ｍｍ以上の少なくとも１つの溝（グルーブ）をピンとボックスの少なくとも一方のショルダ面に設ける。
【００１１】
図２Ａ〜図２Ｄは、ピンのショルダ面に形成された溝を示す説明図である。同図に示すように、ピン１のサブショルダ面１０及びメインショルダ面９にそれぞれ溝部分９ａ−１及び９ａ−２（これらが協同して溝９ａを形成する）が設けられている。
【００１２】
溝９ａは、ピン１のメインショルダ面９及びサブショルダ面１０の両方を横断する。溝９ａはボックスのショルダ面に形成してもよく、あるいは一部をピンに、残りをボックスに（例えば、サブショルダ面ではボックスに、メインショルダ面ではピンに）形成してもよい。この溝９ａによって非接触領域１３が管ねじ継手０の内部空間と連通するので、非接触領域１３の内部の流体が高圧になっても、高圧流体は溝９ａを通って管ねじ継手０の内部空間に逃げることができ、シール面５、８の当接状況が変化せず、ねじ継手の気密性が保持される。
【００１３】
管ねじ継手の締付け時に、従来は、多量の重金属を含有する液状潤滑グリスをメイクアップの都度ねじ継手の表面に塗布してきた。しかし、環境面と作業効率の両面から、重金属等の汚染物質を周囲に排出しない固体潤滑被膜で表面を被覆した管ねじ継手が開発された。この種の管ねじ継手は、液状潤滑グリスを塗布せずに使用される。
【００１４】
図３は、そのような固体潤滑被膜を有する管ねじ継手の１例である、特許文献２に開示された管ねじ継手の表面に形成された被膜構造の説明図である。ピン１とボックス２とから構成される管ねじ継手１５において、ピン１の接触表面は、鋼素地１７の上に、粗面化のために任意に設けてもよい下地処理層１８と、その上の紫外線硬化樹脂を主成分とする固体防食被膜１９とを備える。ボックス２の接触表面は、鋼素地２０の上に、粗面化のために任意に設けてもよい下地処理層２１と、その上の固体潤滑被膜２２とを備える。
【００１５】
固体潤滑被膜２２は、塑性又は粘塑性型レオロジー挙動を有する被膜であり、被膜の流動性が圧力に依存して著しく変動する。この種の固体潤滑被膜は、上記レオロジー挙動を示さない固体潤滑被膜（例、熱硬化性樹脂中に潤滑性粉末を含有させた硬質の被膜）に比べて高い耐焼付き性を示すことができる。また、圧力が加わると流動性が高くなるので、被膜は自己修復機能を発揮することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】国際公開第２００９／０６０７２９号パンフレット
【特許文献２】国際公開第２００９／０７２４８６号パンフレット
【発明の概要】
【００１７】
特許文献１に開示された管ねじ継手０は、旧来の液体潤滑グリスを用いることを前提とする。この場合には、溝９ａが液状潤滑グリスで充填されても、該グリスに流動性があるため、溝が閉塞して詰まってしまうことはない。すなわち、非接触領域１３の内部に封入された流体の圧力が高くなると、流体は溝９ａを通って管ねじ継手の内部空間に逃げることができ、非接触領域は継手内部空間と同じ圧力に保持される。
【００１８】
ところが、特許文献１に開示された管ねじ継手０に、特許文献２に開示されたような塑性または粘塑性レオロジー挙動を示す固体潤滑被膜を適用すると、管ねじ継手の締結の際に当接するショルダ面から押し出された固体潤滑被膜の一部が溝９ａに流入し、溝９ａが固体潤滑被膜で埋まってしまう可能性がある。そうなると、固体潤滑被膜は液状潤滑グリスに比べて流動性が非常に小さいため、溝が詰まってしまって、高圧流体のリークパスとして機能できなくなる。その結果、非接触領域１３内の圧力が高まって、シール面が担うねじ継手の気密性が低下する。
【００１９】
本発明の目的は、ねじ継手を構成するピンとボックスの少なくとも一方の接触表面に塑性又は粘塑性型レオロジー挙動を有する固体潤滑被膜が形成され、ショルダ面に形成した溝を備えた管ねじ継手において、溝の閉塞が防止でき、溝の閉塞に起因する気密性の低下を防止できる管ねじ継手を提供することである。
【００２０】
本発明は、ねじ部及びねじ無し金属接触部を有する接触表面をそれぞれ備えるピン及びボックスから構成され、前記ねじ無し金属接触部はシール面及びショルダ面を備え、ピンのショルダ面はピン先端の端面に位置し、前記シール面とショルダ面との間にピンとボックスとが互いに接触しない非接触領域を有し、ピンとボックスの少なくとも一方のショルダ面が、前記非接触領域とねじ継手の内部とに通じる少なくとも１つの溝を有する管ねじ継手であって、
ピンとボックスの少なくとも一方の部材の少なくとも接触表面上に塑性又は粘塑性型レオロジー挙動を有する固体潤滑被膜を有し、前記溝の総体積Ｖ（ｍｍ3）と前記固体潤滑被膜の付着量Ｗ（ｇ）とが下記（１）式を満たすことを特徴とする管ねじ継手：
Ｖ／Ｗ  ≧  ２４（ｍｍ3／ｇ）    ・・・・・    （１）。
【００２１】
前記固体潤滑被膜は、ピンおよび／またはボックスの表面全体に形成されていてもよく、その方が被膜形成は容易であるので有利である。ここで、ピンまたはボックスの表面とは、相手側の部材に対向する表面を意味し、一般的にはねじ部からショルダ面までの表面である。
【００２２】
好適態様において、管ねじ継手は、前記ピン及びボックスのショルダ面がいずれも、メインショルダ面とこれにつながるサブショルダ面とから構成され、前記メインショルダ面は傾斜角度が前記ピンの挿入方向に対して管中心に向かって後退するように傾斜するリバース角であって、その一端が管内部に達し、前記サブショルダ面は前記メインショルダ面と前記非接触領域との間に位置し、サブショルダ面の管軸垂直面に対する傾斜角度はメインショルダ面のそれより大きい。ショルダ面またはメインショルダ面における溝の開口面積がショルダ面またはメインショルダ面の表面積の４０％を超えないことが好ましい。
【００２３】
シール面とショルダ面との間に非接触領域を有し、この非接触領域に封入された流体が高圧になった時にリークパスとして機能する溝を有する本発明に係る管ねじ継手は、ピンとボックスの少なくとも一方の接触表面に塑性又は粘塑性型レオロジー挙動を有する固体潤滑被膜が形成されているにもかかわらず、該被膜により前記溝が埋没して、この溝がリークパスとして機能しなくなることが防止される。その結果、非接触領域に溜まった流体が過度に高圧になってねじ継手のシール性能、したがって気密性が悪化することを確実に防止することができる。本発明に係る管ねじ継手は、塑性又は粘塑性型レオロジー挙動を有する固体潤滑被膜で接触表面が被覆されているため、耐焼付き性及び防錆性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１Ａは、典型的な管ねじ継手０の構造を模式的に示す断面図であり、図１Ｂは図１ＡのＡ部を拡大して示す模式的部分断面図であり、図１Ｃは特許文献１に開示された管ねじ継手のリップ部付近の部分断面図である。
【図２】図２Ａ〜図２Ｃは、ピンのメインショルダ面及びサブショルダ面に形成された溝を示す説明図であり、図２Ｄはサブショルダ面とメインショルダ面との境界近傍の拡大軸方向断面図である。
【図３】ピン及びボックスの接触表面に形成された被膜構成の例を示す説明図である。
【図４】シール試験により得られた、溝の総体積と固体潤滑被膜の付着量との関係について示すグラフである。
【図５】外径１０−３／４インチ（２７.３ｃｍ）、公称重量６０.７ポンド／フィート（９０.４ｋｇ／ｍ）の形状を有する、特許文献１に開示された二段構造のショルダ面とショルダ面に形成された溝を備えた管ねじ継手において、溝の幅（ｍｍ）によるメインショルダ面の接触面積の面積率の変化を示すグラフである。
【図６】非接触領域の圧力測定の方法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明を、添付図面を参照しながら説明する。なお、本発明に係る管ねじ継手は、図１Ａ〜図１Ｃ、図２Ａ〜図２Ｄ、及び図３を参照しながら説明した従来の管ねじ継手と類似の構成を有するので、以降の説明はこれらの図を参照しながら説明する。
【００２６】
図１Ａ〜図１Ｃに示されるように、本発明に係る管ねじ継手３０は、雄ねじを有する継手要素であるピン１と雌ねじを有する継手要素であるボックス２とから構成される。
【００２７】
典型的な管ねじ継手は、図１Ａに示すように、ピン１が鋼管の両端の外面に、ボックス２が別部材のカップリングの内面に形成されたカップリング方式のねじ継手である。しかし、カップリングを利用せず、鋼管の一端をピン１とするとともに他端をボックス２としたインテグラル方式のねじ継手もある。本発明に係る管ねじ継手３０はこれらのいずれの方式であってもよい。以下では、図１Ａに示すカップリング方式のねじ継手を例にとって説明する。
【００２８】
本発明に係る管ねじ継手３０は、肉厚ｔ（ｍｍ）と外径Ｄ（ｍｍ）との比（ｔ／Ｄ）が０.０３以上０.１７以下である鋼管の締結に適用することが好ましい。鋼管の肉厚ｔは９〜１６ｍｍであり、その外径Ｄは９−１／２〜１３−１／２インチであることが例示される。
【００２９】
ピン１及びボックス２はそれぞれ、ねじ継手を締結した時に互いに接触する表面である接触表面を有する。ピン１の接触表面は、雄ねじを有するねじ部３と、それより鋼管の先端側に位置するねじ無し金属接触部とを含む。ピン１のねじ部３より先端側をリップ部４という。ピン１のリップ部４に形成されたねじ無し金属接触部は、ねじ部３に近接して位置するシール面５と、ピン１の端面に形成されたショルダ面（トルクショルダ面ともいう）とからなる。対応して、ボックス２は、雌ねじを有するねじ部７と、それより奥にシール面８及びショルダ面を有する。
【００３０】
通常のプレミアムジョイントでは、パイプ本体降伏強度の４０％〜６０％程度の耐圧縮性能が求められるが、中には８０％を超える圧縮性能が必要な油井も存在する。もちろん、圧縮荷重は、ショルダのみでなく、ねじ部でも分担され、圧縮荷重分担能力の高いねじを採用すれば、それだけショルダの負担は軽減できる。しかし、リップ部に求められる十分な耐圧縮性能を有するように、リップ部厚（シール面５の中間地点でのピン１の肉厚）は、最低でもパイプ本体肉厚の２５％、望ましくは５０％以上あるのが良い。
【００３１】
ピンのリップ部のシール面が厚くなるほど、その外圧シール性が良くなるため、リップ部先端の内面に、真円度向上による乱流防止のためにチャンファーを形成してもよい。
【００３２】
ピン１およびボックス２のシール面５、８の形状は、継手軸に対して傾斜した直線あるいは円弧などの曲線（前者を円錐台面、後者を曲率回転面という）であっても、あるいは両者を組み合わせた線分を継手軸周りに回転させてできる回転体面（即ち、円錐台面と曲率回転面との組合わせ）であってもよい。好ましくは、ピン１とボックス２の一方のシール面を円錐台面とし、他方のシール面を曲率回転面または曲率回転面と円錐台面との組合わせとする。それにより、継手のシール性能が高まり、かつゴーリング（焼付き）が起こりにくくなる。
【００３３】
シール面５、８の継手軸に対する傾斜角度は、きつすぎると引張負荷時のシール接触圧の低下を招き、逆に緩すぎると摺動距離の増加によりゴーリングが起こり易くなる。シール面の傾斜角度は５°から２５°の範囲であり、好ましくは１０°から２０°の範囲である。テーパねじを採用する場合、シール面の傾斜角度は、ねじ３，７の傾斜角度より大きくする。例えば、ねじの傾斜角度は１°から５°の範囲内、好ましくは１.６°前後である。
【００３４】
図示例では、図１Ｃに示すように、ピン１のショルダ面は、内面側のメインショルダ面９と、これに続いた外面側のサブショルダ面１０とからなる２段ショルダ面の構造を有する。メインショルダ面９は傾斜角度がリバース角（ピン挿入方向に対して管中心に向かって後退するように傾斜）であるリバースショルダ面である。同様に、ボックス２のショルダ面もメインショルダ面１１及びサブショルダ面１２からなる２段ショルダ面の構造を有する。
【００３５】
ピン及びボックスの接触表面、すなわち、ねじ部、シール面、及びショルダ面は、ピン１をボックス２内に挿入し、ショルダ面が所定のトルクで当接するまでねじ部を締めつけると、シール面どうしが所定の干渉量で密着してメタルシールを形成するように設計されている。ショルダ面が図１Ｃに示すように内側のメインショルダ面と外側のサブショルダ面からなる２段構造を有する場合には、メインショルダ面が所定のトルクで当接するまでねじ部を締めつける。
【００３６】
ピン及びボックスのメインショルダ面９、１１の管軸垂直面に対する傾斜角度θ1は、そのサブショルダ面１０、１２の傾斜角度θ2より小さい。また、メインショルダ面９、１１の半径方向寸法（肉厚）は、サブショルダ面１０、１２のそれより大きい。その結果、メインショルダ面９、１１はねじ継手締付け時の圧縮応力を負担するとともにリップ部４の先端の内向き方向の変形を抑制し、サブショルダ面１０、１２は、圧縮応力負荷時のメインショルダ面９、１１の外向き方向への変形を抑制する。
【００３７】
メインショルダ面９、１１の管軸垂直面に対する傾斜角度θ1は５〜２５°の範囲が好ましく、より好ましくは１０〜２０°の範囲である。メインショルダ面の傾斜角度はリバース角、すなわち、管中心に向かってピン挿入方向で後方側に傾斜し、逆にサブショルダ面１０、１２の傾斜角度は管中心に向かってピンの挿入方向で前方側に傾斜している。サブショルダ面の管軸垂直面に対する傾斜角度θ2は６０〜８５°、すなわち、管軸方向に対する傾斜角度が５〜３０°となるようにすることが好ましい。サブショルダ面１０、１２の傾斜角度は、シール面５、８の傾斜角度より大きいことが好ましい。ピン１のメインショルダ面９の肉厚は、望ましくはサブショルダ面１０の肉厚の１.５倍以上となるようにし、より望ましくは２.５倍以上、６倍以下となるようにし、最も望ましくは３倍以上、５倍以下となるようにする。
【００３８】
ピン１のメインショルダ面９とサブショルダ面１０との接続部は、半径が１.５ｍｍ以下で丸みづけされた頂点部を形成していることが好ましい。それにより、メインショルダ面とサブショルダ面の当接面積を最大限に大きくすることができ、耐圧縮性能の向上およびショルダ面の半径方向への変形の抑制が達成される。
【００３９】
管ねじ継手の形状に関する詳細は上記特許文献１に記載されている。そこに記載されているように、サブショルダ面１０、１２はねじ継手の締付け時に互いに接触しないこともあるが、ここでは接触表面として扱う。
【００４０】
より詳しくは、サブショルダ面間の幾何学的直径干渉量（ピンおよびボックスの締付け前に基準面で測定された直径の差）は、シール面での幾何学的直径干渉量の１.１倍以下となるようにし、望ましくはシール面の幾何学的直径干渉量と実質的に等しい。ここで「実質的に等しい」とは、その差が５％以内であることを意味する。
【００４１】
ピンおよびボックスのサブショルダ面１０、１２を、正常な締付け状態においてはシール面５、８の間と同じ干渉量を有するように設計すると、ピンとボックスのシール面の干渉による影響によってピンのリップ全体が内向きに曲がり（縮径し）、ピンのサブショルダ面はシール面の干渉量と同程度以上に内向きに曲がるので、ピンとボックスのサブショルダ面間の接触が起こらない。
【００４２】
ただし、サブショルダ面１０、１２は、正常な締付け状態において互いに接触をしていてもよい。その場合、サブショルダ面の接触面圧は、シール性能に悪影響を及ぼさないように、シール面の接触面圧の５０％以下とする。
【００４３】
正常な締付け状態とは、ねじ継手のピンとボックスが、継手の製造業者により継手の形状および材質に応じて規定される適正締付けトルクに達するように締付けられていることを意味する。正常な締付け状態では、ピンとボックスのショルダ面（本発明の場合はメインショルダ面）が、全面降伏または広範囲の塑性変形を起こさずに、ある干渉量で互いに接触している。
【００４４】
本発明は、ピン及びボックスのショルダ面がメインショルダ面のみから構成され、サブショルダ面を有していない管ねじ継手にも適用することができる。
【００４５】
本発明に係る管ねじ継手３０では、ピン及びボックスのシール面５、８とショルダ面（図示の二段ショルダ構造の場合には、シール面により近いサブショルダ面１０、１２）との間に非接触領域１３を有するとともに、ピン及びボックスの少なくとも一方のショルダ面に、非接触領域１３と管ねじ継手３０の管内空間（ショルダ面の内側端部）に通じる少なくとも１つの溝が設けられる。ピン及びボックスのショルダ面が二段ショルダ構造の場合、図２Ａ〜２Ｃにピンショルダ面について示すように、溝は、互いに接続している、外側のサブショルダ面１０に形成された溝部分９ａ−１（以下では、外側溝部分９ａ−１ともいう）及び内側のメインショルダ面９に形成された溝部分９ａ−２（以下では、内側溝部分９ａ−２ともいう）からなる。これらの２つの溝部分からなる溝を溝９ａと称する。
【００４６】
非接触領域１３の軸方向長さは、前述したシール面の変形抵抗を増大させるという目的の達成が可能となるように設定する。油井管に使用される管サイズ（外径約５０ｍｍ〜５５０ｍｍ）の範囲では、概ね４〜２０ｍｍの範囲内とすることが好ましい。ショルダ面が上記二段構造である場合には、サブショルダ面は上述したように非接触となる場合もあるので、非接触領域１３とサブショルダ面１０，１２の合計の軸方向長さが４〜２０ｍｍの範囲内となるようにすることが好ましい。非接触領域１３の半径方向（管軸垂直方向）の寸法は０.１〜１ｍｍの範囲が好ましい。
【００４７】
図示例では、非接触領域１３はピンとボックスのテーパ面によって形成されている。こうすると、この領域のボックス表面がピン挿入時のガイドとして機能するため、ピンとボックスのシール面を安定に接触させることができ、シール性能と耐焼付き性とが向上する。この非接触領域を形成するテーパ面の軸方向に対する傾斜角度は、好ましくは１０°以下であり、シール面のテーパ角度より小さくする。非接触領域１３を形成するピンとボックスの表面は、管軸方向に平行な表面からなる円筒面であってもよい。それにより、限られた鋼管の肉厚の中で、ピンショルダ面の肉厚を大きくすることができ、管ねじ継手の耐圧縮性能が高まる。
【００４８】
図示例では、溝９ａはピンのショルダ面に形成されているが、ボックスのショルダ面に形成してもよく、あるいは溝の一部（例、サブショルダ面の溝部分９ａ−１）をボックスに、溝の残り（例、メインショルダ面の溝部分９ａ−２）をピンに形成することもできる。溝９ａによって非接触領域１３と管ねじ継手３０の内部空間とが連通するので、非接触領域１３の内部の流体が高圧になっても、溝９ａを通って高圧流体を管ねじ継手３０の内部空間に逃がすことができる。また、図示例では、溝部分９ａ−１及び９ａ−は、ショルダ面をラセン状に（斜め方向に）通っている。
【００４９】
上記機能を果たすために、ピン及びボックスのショルダ面がメインショルダ面とサブショルダ面を有する場合には、サブショルダ面に形成された外側溝部分９ａ−１とメインショルダ面に形成された内側溝部分９ａ−２とが互いに連通していなければならない。そのため、図２Ｄに示すように、ピン１のショルダ面の頂点９ｂ（メインショルダ面９とサブショルダ面１０との接続部）に対向するボックス２のショルダ最奥部（ボックスのメインショルダ面１０とサブショルダ面１２との接続部）の円周方向に沿って、少なくとも外側溝部分９ａ−１の内側端部に対向する地点から、内側溝部分９ａ−２の外側端部に対向する地点まで達する（図２Ｂに太線で示す）ように、窪み（凹部）９ｃを接続チャネルとして設けることができる。それにより、溝部分９ａ−１，９ａ−２は、ピンの頂点９ｂに対向してボックスに設けられた窪み９ｃを介して連通する。あるいは、溝部分９ａ−１、９ａ−２の間の接続チャネルは、少なくとも外側溝部分９ａ−１の内側端部から内側溝部分９ａ−２の外側端部に達する長さのチャンファー（面取り）または窪みをピン１の頂点９ｂに沿って形成することによっても達成される。このような接続チャネルは、全周にわたって形成されてもよい。閉塞の問題が起こらないように、接続チャネルの断面積を溝部分９ａ−１、９ａ−２の断面積の２倍以上とすることが好ましく、より好ましくは３倍以上とする。
【００５０】
図２Ｃに示すように、外側溝部分９ａ−１と内側溝部分９ａ−２とを、これらが直接連通するように、すなわち、外側溝部分９ａ−１の内側端部と内側溝部分９ａ−２の外側端部とが接続するように配置してもよい。この配置は上述したような接続チャネルの形成が不要となるが、図２Ａに示すように、溝部分９ａ−１，９ａ−２を円周方向で同じ位置に設けるほうが、溝削り加工（溝の形成）はいくらか容易となる。いずれの場合も、溝部分９ａ−１，９ａ−２の溝削り加工は、例えば、ＮＣ（数値制御）旋盤システムを用いて行うことができる。
【００５１】
別の形態として、外側溝部分９ａ−１及び内側溝部分９ａ−２を、図２Ａ〜図２Ｃに示すような斜め方向ではなく、半径方向に、好ましくは半径方向に伸びる２つの溝が直接つながるように、設けてもよい。それにより、各溝部分の長さは最短となり、流体を容易に逃がすことができ、またＮＣ旋盤を用いずに溝削り加工が可能となる。ただし、特殊な溝削り加工用の装置が必要となる。
【００５２】
図２Ｂ及び図２Ｃに示した態様では、非接触領域１３と管ねじ継手の内部との連通を確実にするため、溝９ａが円周方向で等間隔に３個所に設けられる。溝９ａは最低１つあればよく、その個数の上限は特に制限されないが、通常は８個以下で十分である。好ましくは、溝９ａは２〜４個設ける。
【００５３】
溝９ａの断面形状は特に制限されないが、流体が通過できる程度の横断面積のものとすべきである。溝９ａの深さは少なくとも０.１ｍｍ以上、好ましくは０.２ｍｍ以上である。溝９ａの形成により生ずるメインショルダ面９の接触表面積の減少による圧縮下でのねじ継手の性能の著しい低下を防止するために、内側溝部分９ａ−１及び外側溝部分９ａ−２のそれぞれの円周方向長さは、各溝部分９ａ−１、９ａ−２がショルダ面の円周に沿って１８０°以内にしか達しないようにすることが好ましい。例えば、図２Ｂまたは図２Ｃに示されるように、メインショルダ面９とサブショルダ面１０のそれぞれに３本ずつの溝部分９ａ−１、９ａ−２が設けられる場合、各溝部分９ａ−１、９ａ−２は好ましくは１８０°以下の角度、より好ましくは１２０°以下の角度の円弧に沿った長さとする。
【００５４】
上述したように、ピン１及びボックス２のそれぞれのねじ部３、７、シール面５、８、及びショルダ面９、１０、１１、１２が管ねじ継手３０の接触表面を構成する。ねじ継手には耐焼付き性、気密性及び耐食性等が要求される。このため、従来は、重金属粉を含有するコンパウンドグリスのような潤滑グリスを締付けのつどピン及びボックスの少なくとも一方の接触表面に塗布していた。しかし、この塗布は環境面と作業効率に問題を抱えていた。
【００５５】
本発明に係る管ねじ継手は、図３に示すように、ピン１とボックス２の少なくとも一方の少なくとも接触表面に形成された、塑性又は粘塑性型レオロジー挙動を有する固体潤滑被膜２２を有する。このようなレオロジー挙動を示す被膜は、常圧では流動しないが、高圧下では流動可能となる。すなわち、被膜の流動性が圧力に依存して著しく変動する。それにより、ねじ継手に優れた耐焼付き性、気密性及び耐食性を付与することができ、潤滑グリスを塗布せずにねじ継手のメイクアップを行うことが可能となり、ねじ継手の表面を発錆から保護することができる。
【００５６】
固体被膜とは常温で固体の被膜を意味し、具体的には４０℃以下で固体である被膜を意味する。塑性とは材料が応力を受けて時間に依存しない永久変形を生じる性質を意味し、粘塑性とは時間に依存する永久変形を生ずる性質を意味する。塑性又は粘塑性型レオロジー挙動を示す固体潤滑被膜は、固体状態であれば、被膜の流動性が圧力に依存して著しく変動する挙動を示す。
【００５７】
図３に示す例では、ピン１の表面は金属素地１７の上に粗面化のための下地処理被膜１８及び固体防食被膜１９を有し、ボックス２の表面は金属素地２０の上に粗面化のための下地処理被膜２１及び前記固体潤滑被膜２２を有する。図面を見易くするため、図１、２では固体潤滑被膜２２及び他の被膜を省略してある。
【００５８】
固体潤滑被膜２２は、このようにピンとボックスの一方の部材の表面だけに形成してもよい。その場合、他方の部材の表面に形成するのは、固体防食被膜に限られず、例えば、塑性又は粘塑性型レオロジー挙動を有していない固体潤滑被膜（例、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂中に固体潤滑剤を分散させた被膜）であってもよい。あるいは、他方の部材の表面上には、被膜を全く形成しないか、下地処理被膜だけを形成することもできる。一般に固体潤滑被膜、固体防食被膜、下地被膜などの被膜はピンまたはボックスの表面全体に形成されるが、接触表面ではない部分（例、非接触領域１３、１４）への被膜形成は省略できる。
【００５９】
以下に、図３に示した態様における各種被膜について説明する。
【００６０】
（下地処理）
管ねじ継手３０のピン１及びボックス２の接触表面（ねじ部、シール面、及びショルダ面）は、ねじ切りを含む切削加工により形成され、一般にその表面粗さは３〜５μｍ程度である。接触表面の表面粗さをこれより大きくすると、その上に形成される被膜の密着性を高めることができ、結果として耐焼付き性や耐食性といった性能を改善することができる。そのために、ピン１及びボックス２の少なくとも一方の部材、好ましくは両方の部材の接触表面に、被膜形成に先立って、表面粗さを大きくすることができる下地処理を施すことが好ましい。
【００６１】
このような下地処理の１種は、表面粗さの大きな下地被膜１８、２１の形成である。これは、リン酸塩化成処理、蓚酸塩化成処理、硼酸塩化成処理といった化成処理（針状結晶被膜を形成するので表面荒さが増大）又は亜鉛若しくは亜鉛合金を被覆した鉄ボールの投射により形成される多孔質亜鉛系めっき被膜の形成により達成されうる
別の種類の下地処理は、ショットもしくはグリットブラスト処理、酸洗などの、素地そのものの表面粗さを増大させることができる処理であり、下地処理被膜は形成されない。
【００６２】
表面粗さを大きくする効果は小さいが、固体潤滑被膜または固体防食被膜の付着性を増大させることができる金属めっきも下地処理として採用できる。金属めっきは２層以上の多層めっきとしてもよい。
【００６３】
下地処理被膜は、一般にねじ継手の表面に均一な厚みの被膜を形成するので、下地処理後も溝９ａの形状は実質的に保持される。
【００６４】
（固体防食被膜）
固体防食被膜は、現場で締結作業が行われるまでピンまたはボックスの接触表面を保護するプロテクター装着時に加わる力では容易に破壊されないこと、輸送や保管中に凝縮した水に曝されても溶解しないこと、及び４０℃を超える高温下でも容易には軟化しないことが要求される。
【００６５】
このような性質を満たす固体防食被膜は、熱硬化性樹脂から形成することもできるが、好ましいのは紫外線硬化樹脂被膜である。紫外線硬化樹脂被膜は、一般に透明性の高い被膜であるので、特にピンの接触表面に形成することが好ましい。典型的には鋼管端部の外面に形成されるピンは、輸送中に傷つく可能性がボックスより高い。そのため、継手の締結時には、ピン表面、とくに雄ねじを目視検査して傷つきの有無を調べることが多い。紫外線硬化樹脂被膜はこの目視検査を妨害せず、被膜を除去せずにその上から検査することを可能にする。
【００６６】
固体防食被膜の厚みは一般に５〜５０μｍ、好ましくは１０〜３０μｍの範囲内である。固体防食被膜は、溝やねじ部を含むねじ継手の表面におおむね均一に塗布され、かつ輸送・保管中に継手表面を保護するために強い密着性を有しているため、上記ショルダ面の溝９ａを埋めて溝のリークパスとしての機能を妨害するという可能性はほとんどない。
【００６７】
紫外線硬化樹脂被膜の詳細は上記特許文献２に記載されている。
【００６８】
（固体潤滑被膜）
本発明では、管ねじ継手に優れた耐焼付き性、気密性及び防錆性を付与することができる、塑性又は粘塑性型レオロジー挙動を有する固体潤滑被膜をピンとボックスの少なくとも一方の接触表面に形成する。前述したように、ピンの接触表面に固体防食被膜として紫外線硬化樹脂被膜を形成する場合には、ボックスの接触表面のこの固体潤滑被膜を形成する。塑性又は粘塑性型レオロジー挙動を有する固体潤滑被膜については特許文献２に詳しく説明されているが、以下に簡単に説明する。
【００６９】
この種の固体潤滑被膜は、典型的には、塑性又は粘塑性型レオロジー挙動を有するマトリックス中に少量の固体潤滑剤を分散させた被膜である。好ましい固体潤滑被膜は、マトリックス７０〜９５質量％及び固体潤滑剤５〜３０質量％から構成される。固体潤滑剤の割合が少量であるため、被膜全体としてもマトリックスの特性である塑性もしくは粘塑性型のレオロジー挙動を示すようになる。
【００７０】
前記マトリックスは、融点が８０〜３２０℃の範囲であることが好ましい。それにより、マトリックスの融点以上の温度で溶融状態の組成物を慣用のスプレイガンを用いた噴霧塗布により固体潤滑被膜を形成することが可能となる。このマトリックスは、熱可塑性ポリマー、ワックス、および金属石鹸から構成されることが好ましく、より好ましくはさらに腐食抑制剤および水不溶性液状樹脂を含有する。
【００７１】
マトリックスに使用する熱可塑性ポリマーは、好ましくはポリエチレンである。ポリエチレンは、比較的融点が低いので、１５０℃以下の温度でホットメルト噴霧塗布を行うことができ、形成された被膜の潤滑性にも優れている。
【００７２】
金属石鹸は高級脂肪酸（炭素数１２以上の脂肪酸）のアルカリ金属以外の金属との塩である。金属石鹸は、ねじ継手の締付けや緩め時に発生した破片を捕捉して、外部環境への排出を抑制する。また、被膜の摩擦係数を低減させ、潤滑性能を高め、さらに腐食抑制効果も有する。好ましい金属石鹸はステアリン酸亜鉛及びステアリン酸カルシウムである。
【００７３】
ワックスも金属石鹸と同様の機能を果たす。従って、金属石鹸とワックスはいずれか一方だけを固体潤滑被膜に含有させることも可能であるが、固体潤滑被膜が金属石鹸とワックスの両方を含有するほうが、被膜の潤滑性能が高まるので好ましい。ワックスは融点が低いので、組成物の融点、従って、噴霧塗布温度を下げるという利点もある。ワックスは、動物性、植物性、鉱物性及び合成ワックスのいずれでもよい。特に好ましいのはカルナバワックスである。
【００７４】
ワックスと金属石鹸の質量比は、金属石鹸１に対してワックス０.５〜３の範囲内が好ましく、この質量比はより好ましくは０.５〜２であり、最も好ましくは約１である。
【００７５】
腐食抑制剤としては、従来より潤滑油に腐食抑制剤として添加されている種類のものが、潤滑性能に優れているので好ましい。その種の腐食抑制剤の代表例としては、Lubrizol社からAloxTM 606なる商品名で市販されているカルシウムスルホネート誘導体、Halox社からHaloxTM SZP-391なる商品名で市販されているリンケイ酸ストロンチウム亜鉛(Strontium zinc phosphosilicate)、そしてKing Industries, Inc.製のNA-SULTM Ca/W1935などが挙げられる。腐食抑制剤を含有することにより、その上に固体防食被膜を形成しなくても、固体潤滑被膜だけで接触表面の腐食をある程度まで防止することができる。そのため、固体潤滑被膜に腐食抑制剤を少なくとも５質量％含有させることが好ましい。
【００７６】
水不溶性の液状樹脂（室温で液状の樹脂）は、組成物の溶融状態での流動性を高め、噴霧塗布のトラブルを低減させる。液状樹脂は、少量の配合なら、固体潤滑被膜にべとつきを生ずることはない。好ましい液状樹脂は、ポリアルキルメタクリレート、ポリブテン、ポリイソブテン、及びポリジアルキルシロキサン（液状シリコーン樹脂、例えば、ポリジメチルシロキサン）から選ばれる。液状のポリジアルキルシロキサンは界面活性剤としても作用する。
【００７７】
マトリックスは上記以外に、界面活性剤、着色剤、酸化防止剤などから選ばれた添加成分を少量含有しうる。さらに、極圧剤、液状油剤なども２質量％以下のごく少量であれば、マトリックス中に含有させうる。
【００７８】
好ましい固体潤滑被膜のマトリックスの組成例（質量％）を示すと次の通りである：
熱可塑性ポリマー                ５〜４０％
ワックス                        ５〜３０％
金属石鹸                        ５〜３０％
腐食抑制剤                      ０〜５０％
水不溶性液状樹脂                ０〜１７％
界面活性剤、着色剤、酸化防止剤  各０〜２％
極圧剤、液状油剤                各０〜２％
各成分とも２種以上の材料を使用できる。
【００７９】
好ましい固体潤滑被膜のマトリックスのより具体的な組成例（質量％）は次の通りである。
【００８０】
ポリエチレンホモポリマー          ５〜４０％
カルナバワックス                  ５〜３０％
ステアリン酸亜鉛                  ５〜３０％
腐食抑制剤                        ５〜５０％
ポリアルキルメタクリレート        ０〜１５％
ポリジメチルシロキサン            ０〜２％
着色剤                            ０〜２％
酸化防止剤                        ０〜１％
マトリックス中に分散状態で含有させる固体潤滑剤は、潤滑性を有する粉末の意味である。固体潤滑剤としては、黒鉛、酸化亜鉛、窒化硼素、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、ふっ素化黒鉛、硫化スズ、硫化ビスマス、ポリテトラフルオロエチレン＜ＰＴＦＥ＞、及びポリアミドから選ばれた１種又は２種以上を使用することが好ましい。
【００８１】
固体潤滑被膜は、固体潤滑剤に加えて、摺動性の調整のための無機粉末を含有してもよい。そのような無機粉末の例は、二酸化チタンと酸化ビスマスである。この無機粉末は、固体潤滑被膜中に２０質量％までの量で含有させることができる。
【００８２】
固体潤滑被膜の形成は、ホットメルト法により行うことが好ましい。この方法は、塗布用組成物（上述したマトリックス及び固体潤滑剤の粉末を含有する）を加熱してマトリックスを溶融させ、マトリックスが溶融状態になった組成物を保温機能を有するスプレイガンから噴霧することにより行われる。組成物の加熱温度は、マトリックスの融点より１０〜５０℃高い温度とすることが好ましい。
【００８３】
塗布される基体（例、ボックスを構成するカップリング）もマトリックスの融点より高い温度に予熱しておくことが好ましい。それにより良好な被覆性を得ることができる。或いは、塗布用組成物がポリジメチルシロキサンのような界面活性剤を少量（例、２質量％以下）含有する場合には、基体を予熱しないか、予熱温度がマトリックスの融点より低くても、良好な被膜を形成することができる。
【００８４】
塗布組成物は、適当な撹拌装置を備えたタンク内で加熱して溶融させ、コンプレッサにより計量ポンプを経てスプレイガンの噴霧ヘッド（所定温度に保持）に供給して、基体に向けて噴霧することができる。タンク内と噴霧ヘッドの保持温度は組成物中のマトリックスに融点に応じて調整される。
【００８５】
固体潤滑被膜の膜厚は１０〜１５０μｍの範囲内とすることが好ましく、より好ましくは２５〜８０μｍの範囲内である。固体潤滑被膜の膜厚が小さすぎると、当然ながら管ねじ継手の潤滑性が不足し、締付け時や緩め時に焼付きが起こり易くなる。また、この固体潤滑被膜はある程度の防食性も備えているが、膜厚が小さすぎると、防食性も不十分となる。固体潤滑被膜の膜厚が大きすぎると、無駄であるばかりか、環境汚染防止に逆行し、場合によっては、締付け時に滑りが発生して、締付けが困難となることもある。本発明では、固体潤滑被膜の膜厚の上限は、後述する(１)式を満たすように制限される。
【００８６】
固体潤滑被膜及び固体防食被膜のいずれについても、下地処理により粗面化された接触表面上に形成する場合には、下地の表面粗さＲｚより大きな膜厚とすることが好ましい。そうしないと、下地を完全に被覆することができない場合がある。下地が粗面である場合の膜厚は、被膜の面積、質量及び密度から算出しうる被膜全体の膜厚の平均値である。
【００８７】
本発明に係る管ねじ継手は、溝９ａの総体積Ｖ（ｍｍ3）と固体潤滑被膜２２の付着量Ｗ（ｇ）との関係が下記（１）式を満たし、好ましくは下記（１’）式を満たし、さらに好ましくは下記（１"）式を満たす：
Ｖ／Ｗ  ≧  ２４（ｍｍ3／ｇ）    ・・・・・    （１）
Ｖ／Ｗ  ≧  ２５（ｍｍ3／ｇ）    ・・・・・    （１’）
Ｖ／Ｗ  ≧  ２８（ｍｍ3／ｇ）    ・・・・・    （１”）。
【００８８】
溝の総体積Ｖとは、ピン及びボックスのショルダ面に形成された溝９ａ（ショルダ面が二段構造の場合は外側溝部分９ａ−１及び内側溝部分９ａ−２）の総体積であって、溝が２個以上ある場合はすべての溝の合計体積である。同一形状の複数個の溝を有する場合、溝の総体積は、溝の幅方向での断面積×溝の長さ×溝の個数により求められる。
【００８９】
固体潤滑被膜の付着量Ｗは、ねじ継手の表面、すなわち、ピン及びボックスの対向表面に付着している固体潤滑被膜の質量であり、ピンとボックスの両方に固体潤滑被膜を有する場合には合計量である。すなわち、ねじ継手１個あたりの固体潤滑被膜の付着量である。固体潤滑被膜の付着量は、例えば紙等の軽量の材質でできた同じサイズの管ねじ継手のダミーサンプル上に実際と同じ組成物を同じ条件で塗布し、塗布前後のダミーサンプルの重量変化から求めることができる。
【００９０】
本発明に係る管ねじ継手では、固体潤滑被膜が塑性または粘塑性を有するので、接触表面上の固体潤滑被膜は、ピンとボックスの締付け時に大きな応力を受けて流動し、シール面及びショルダ面上の固体潤滑被膜のかなりの部分が周囲に押し出される。押し出された固体潤滑被膜の一部は非接触領域１３に流入する。この非接触領域１３内の流体が高圧になると、特にシール面によるねじ継手の気密性を低下させる可能性がある。そのために、ショルダ面に非接触領域１３に通じる溝９ａを設け、リークパスとして機能させる。
【００９１】
しかし、固体潤滑被膜の付着量が過大であると、ショルダ面に形成された溝９ａが固体潤滑被膜で埋没してしまう。溝９ａ内には締付けによる大きな応力は加わらないため、溝内の固体潤滑被膜はほとんど流動しない。そのため、溝が固体潤滑被膜で閉塞してリークパスとして機能しなくなり、非接触領域１３が封鎖される。その結果、高圧流体が非接触領域１３に封入され、継手の気密性を低下させることがある。
【００９２】
図４は、実施例で説明するシール試験により得られた、溝９ａの総体積（図ではグルービング体積）とねじ継手への固体潤滑被膜の付着量との関係を示すグラフである。図中、ＮＧは非接触領域の封鎖が発生したことを、ＯＫはこの封鎖が発生しなかったことを示す。図４にグラフで示すように、溝の総体積が大きいほど、固体潤滑被膜の付着量を増やしても非接触領域の封鎖が起こらなくなる。このグラフから、溝９ａの閉塞による非接触領域１３の封鎖を防止するには、溝９ａの総体積と固体潤滑被膜の付着量が上記（１）式を満足すればよいことがわかる。仮に、固体潤滑被膜を非接触領域１３、１４に塗布しない場合でも、この領域の面積はねじ継手全体の面積のごく僅であるので、（１）式を満たすことで、目的とする非接触領域１３における高圧流体の封入を防止することができる。
【００９３】
溝９ａの体積は、溝の開口部での幅（溝幅）と溝の深さと溝の断面形状とに依存する。溝がＶ型である場合には、溝の幅と深さはみぞ削り加工に用いる工具の先端角度に依存する。従って、ねじ継手に所望の耐焼付き性及び防錆性を付与するのに必要な固体潤滑被膜の付着量が予め決まっている場合には、上記（１）式を満たすように溝の形状（溝きり角度、溝の幅、深さ、長さ）及び個数を決める。
【００９４】
溝９ａの総体積が増加すると、溝は相手部材と当接しないため、必然的にショルダ面の接触面積（相手部材のショルダ面と接触している面積）が小さくなる。ショルダ面（上記二段構造の場合はメインショルダ面）はトルク性能（トルク及び圧縮荷重を負担する役割）を担っているため、ショルダ面の接触面積が過度に低下するとトルク性能が低下する。
【００９５】
図５は、外径が１０−３／４インチ（２７.３ｃｍ）、肉厚の指標である公称重量が６０.７ポンド／フィート（９０.４ｋｇ／ｍ）の寸法を有する、特許文献１に開示された二段構造のショルダ面とショルダ面に形成された溝を備えた管ねじ継手において、溝９ａの個数が３個である場合について、溝の幅（ｍｍ）と、メインショルダ面の接触面積の面積率との関係を示すグラフである。
【００９６】
メインショルダ面が必要なトルク性能を発揮するには、前記面積率が６０％以上であること、換言すると、溝が形成されたメインショルダ面において溝９ａの開口部が占める面積率が４０％未満であることが好ましいことが判明した。図５からわかるように、上記形状の管ねじ継手の場合には、メインショルダ面の溝部分９ａ−１の幅が３.６ｍｍ以下であれば、メインショルダ面の接触面積の面積率は６０％以上となる。他の形状の管ねじ継手についても、同様な方法で溝幅の上限を決めることができる。ショルダ面が２段構造を有していない場合には、ショルダ面全体について、溝が占める面積率が４０％未満であることが好ましい。
【００９７】
以下の実施例は本発明を例示するためのものであり、本発明を制限する意図はない。
【実施例】
【００９８】
表１に示す寸法を有する鋼管を締結するための管ねじ継手を用いて、シール試験（ねじ継手に対し引張荷重・圧縮荷重を負荷した状態で内外圧を負荷する試験）を行った。これらの継手は、図１Ａ〜１Ｃ及び図２に示す形状と、ショルダ面に形成された表１に示す幅及び深さの溝９ａとを有していた。
【００９９】
試験した各管ねじ継手のピン１及びボックス２は、接触表面として、ねじ部３、７に加えて、シール面５、８及びショルダ面を備え、シール面とショルダ面との間に非接触領域１３を有するものであった。軸方向長さはシール面が３〜５ｍｍ、非接触領域が５〜１５ｍｍであった。図１Ｃに示すようにショルダ面はメインショルダ面９、１１とサブショルダ面１０、１２とを有していた。半径方向（管軸垂直方向）の厚みで、メインショルダ面の厚みはサブショルダ面の厚みの２〜６倍であった。管軸垂直面に対してサブショルダ面の傾斜角度θ2は６５〜７５°、メインショルダ面の傾斜角度θ1は１０〜２０°であった。ピン１のメインショルダ面９及びサブショルダ面１１は、図２Ａ及び２Ｂに示すように、それぞれ３個所に溝９ａ、より具体的にはそれぞれ溝部分９ａ−２及び９ａ−１を有していた。個々の溝部分の長さは、円周方向で５０〜７５°に達する長さであった。図２Ｄに示すように、各対の溝部分９ａ−１及び９ａ−２は、ピン１のショルダ面の頂点９ｂに対向するボックス２のショルダ面の部分に形成された接続チャネル９ｃにより接続されていた。
【０１００】
ピン１の表面には、機械研削仕上げ（表面粗さ３μｍ）の後、厚さ８μｍの燐酸亜鉛被膜（表面粗さ８μｍ）を形成し、その上に、市販の紫外線硬化型樹脂被膜形成用組成物（ThreeBond社製のThreeBond 3113B、エポキシ樹脂を主成分とする無溶剤タイプ紫外線硬化性樹脂塗料）を噴霧塗布し、紫外線を照射して被膜を硬化させ、厚さ２５μｍの紫外線硬化型樹脂被膜を形成した。この樹脂被膜は無色透明で、被膜の上からピンの雄ねじ部を肉眼あるいは拡大鏡で検査することができた。
【０１０１】
ボックス２の表面には、機械研削仕上げ（表面粗さ３μｍ）の後、厚さ１２μｍの燐酸マンガン被膜（表面粗さ１０μｍ）を形成した。下記組成を有する潤滑被膜形成用組成物を撹拌機つきタンク内で１５０℃に加熱して塗布に適した粘度を有する溶融状態にし、一方、下地処理したボックス表面も誘導加熱により１３０℃に予熱した後、保温機能付きの噴霧ヘッドを有するスプレイガンにより溶融状態の潤滑被膜形成用組成物を塗布した。塗布量は、ボックスの表面積を考慮して、膜厚が５０μｍの被膜が形成される量に設定した。塗布作業中、ボックスを構成するカップリングを一定の周速度で回転させた。冷却後に粘塑性レオロジー挙動を示す固体潤滑被膜が形成された。固体潤滑被膜の付着量は、同じ条件で同じ塗布組成物を紙製のダミーのボックスに塗布した場合の塗布前後の重量差から求めた。固体潤滑被膜の付着量を、溝９ａの総体積／塗布量の計算値とともに表１に示す。
【０１０２】
潤滑被膜形成用組成物の組成：
・ポリエチレンホモポリマー（CLARIANT社製LICOWAXTM PE 520）:９％、
・カルナバワックス：１５％、
・ステアリン酸亜鉛：１５％、
・液状ポリアルキルメタクリレート（ROHMAX社製VISCOPLEXTM 6-950）：５％、
・腐食抑制剤(LUBRIZOL社製ALOXTM606)：４０％、
・ふっ素化黒鉛：３.５％、
・酸化亜鉛：１％、
・二酸化チタン：５％、
・三酸化ビスマス：５％、
・シリコーン（ポリジメチルシロキサン）：１％、並びに
・酸化防止剤（Ciba-Geigy社製）
IRGANOXTM L150：０.３％および
IRGAFOSTM 168：０.２％。
【０１０３】
シール試験では、非接触領域１３での圧力変化を測定した。この圧力測定は、図６に示すように、ボックス２のみ貫通して非接触領域１３に到達するドリルホール２ａを開け、該領域の圧力を測定することにより行った。
【０１０４】
シール試験は、ＩＳＯ１３６７９；２００２のシリーズＡ，シリーズＢ（常温・高温）に準拠した条件で実施した。ＩＳＯ１３６７９；２００２は、油井管継手に対する試験の国際規格であり、様々な荷重・温度下での継手の気密性を試験する以下の３種のシール試験と継手の締結・解体がどれだけ繰り返せるかを試験するメイクブレイク試験から成り立っている。
【０１０５】
シリーズＡ：締結した継手に引張／圧縮荷重を掛けた状態で内外圧を負荷する。
【０１０６】
シリーズＢ：締結した継手に引張／圧縮／曲げ荷重を掛けた状態で内圧を負荷する。
【０１０７】
シリーズＣ：締結した継手に引張／内圧の熱サイクルを負荷する。
【０１０８】
本実施例では、シリーズＡ、シリーズＢの順に同一ねじ継手に対して試験を行い、シール試験中の非接触領域中の高圧流体の封入の発生の有無を上記圧力変化から後述のように判定した。
【０１０９】
試験した管ねじ継手の材質は炭素鋼Ｐ１１０であった。炭素鋼Ｐ１１０は、油井管の国際規格であるAPI specification 5CT（ＩＳＯ１１９６０：２００４）に準拠したものであり、ネジ継手に関係して仕様は、降伏応力：１１０−１４０ｐｓｉ、引張強さ：１２５ｐｓｉ以上である。
【０１１０】
溝９ａは、先端角度３５°または５５°の切削工具を用いて、深さ０.４ｍｍ，０.６ｍｍ，または０.８ｍｍのＶ形状に作成した。これらの溝の開口部での幅は表１に示す通りであった。溝９ａの幅と溝の長さ及び個数からピンのメインショルダ面において溝（開口部）が占める面積率を算出した。表１に示すように、試験したいずれの管ねじ継手でも、溝の開口部が占める面積率は４０％未満であって、接触面積率は６０％以上となった。
【０１１１】
非接触領域１３における高圧流体封入の発生の有無は、この領域における圧力と管ねじ継手の管内で測定した圧力とを記録し、管内圧力が低下しているにもかかわらず、非接触領域での圧力が下がらないという圧力差が表れた場合は、非接触領域での高圧流体の封入が発生したと判断した。試験結果を表１に示す。
【０１１２】
【表１】
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【０１１３】
表１に示すように、管ねじ継手の外径及び公称重量（肉厚）、従ってショルダ面の表面積が変化しても、溝９ａの総体積と固体潤滑被膜の付着量とが上記（１）式を満たすと、非接触領域１３での高圧流体の封入を防止することができた。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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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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