(57)【要約】  より高い信頼性と安全性を有するパイプネジに対する長年にわたる切実な要求が提供され、ここでは、（１）組み立て中にピンの伸長とボックスの収縮とに起因して生じるパイプネジの不整合の相殺方法、（２）半径方向のネジ干渉とは独立した嵌合パイプネジの分離を阻止する方法、（３）パイプと同程度の強度を有する据込みボックス連結部、及び（４）損傷なしに容易に据え込まれるネジを教示している。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リード（１３）上に形成された雄ネジ（１２）を有するピン（１１）と嵌合組み立てするために、リード（３）を有して形成された雌ネジ（２）を備えたボックス（１）を有するパイプ連結部であって、前記嵌合するネジが、組み立てられたときに半径方向に干渉するような大きさにされており、前記ピンネジリードが、前記ピン及びボックスの組み立て中に生じる前記ピンネジの軸方向伸長と前記ボックスネジの軸方向収縮とを相殺するのに十分なだけ前記ボックスネジリードよりも短く形成され、
組み立てられたときに前記嵌合するネジの前記リードが実質的に等しくなるようにする、
ことを特徴とするパイプ連結部。
【請求項２】
リード（１３）上に形成されたピンネジ（１２）と、ピン面（１４）と、ピン中間セクション（１５）と、ロードフランク（１８）とを有するピン（１１）と嵌合組み立てするため、リード（３）上に形成されたボックスネジ（２）とロードフランク（８）とを備えたボックス（１）を有するパイプ連結部であって、
組み立て時にリードにおける差異が、前記ピン面と前記ピン中間セクションとの間で前記ピンにおいて軸方向引張荷重をもたらすのに十分であるように、前記中間セクションと前記ピン面との間のピンネジリードが、これらの嵌合するボックスネジリードよりも短く形成されており、
前記引張荷重が、定格使用荷重に対してシール接触させた状態で、嵌合するピンロードフランクに対してボックスロードフランクに予荷重を加えるのに十分である、
ことを特徴とするパイプ連結部。
【請求項３】
パイプ（４４）上に据え込まれるボックス（２７）を有するパイプ連結部であって、前記ボックスが面（３９）を有し、前記据込み部が、前記面から前記パイプに向かって内向きにテーパが付けられた上方部分（３２）を有し、前記上方部分には、ピン面（１４）を有するピン（１１）上のネジ（１２）と嵌合係合するためのテーパ付きボックスネジ（２９）が形成されており、
前記据込み部が、前記上方部分から前記パイプまで内向きにテーパが付けられた下方部分（４３）を有し、
前記ボックスネジが、前記ボックス面から前記下方部分の内側表面（３４）におけるネジ切上げ部（４５）まで内向きにテーパが付けられて、前記ネジ切上げ部と前記下方部分の外表面（４８）との間で半径方向に位置付けられた臨界面積（２６）を形成するようにし、
最も内側の接合部直径（４１）が前記上方部分と前記下方部分の接合部にあり、
前記接合部直径が、ピンネジを支持し且つ使用荷重に耐えるのに十分な幅を有するピン面（１４）を位置付けるのに十分な半径方向幅をパイプボアの周りに設けるような大きさであり、
前記下方部分が、前記上方部分よりも小さなテーパを有するように形成されて、係合されたボックスネジとピンネジが、実質的にピン外径から接合部直径の下の前記下方部分の内表面まで延びて、これによってパイプ強度の７５％から１００％の間の据込み連結部強度を選択的に提供できるようになっている、
ことを特徴とするパイプ連結部。
【請求項４】
ピンスタブフランク（７０）を有し、前記フランク（７０）とピンネジ山頂（９０）との間に表面（７４）が形成されたネジ式パイプ連結部であって、
前記連結部がまた、ボックススタブフランク（７１）を有し、前記フランク（７１）とボックスネジ山頂（９１）の間に表面（７５）が形成されており、前記ピンのネジと前記ボックスのネジとの間の第１の接点が、据え込まれたときに前記表面（７４、７５）間の相互接点（２２）にあり、接線（２３）が前記相互接点を通って延びており、力ベクトル（２４）が前記線（２３）に対して垂直方向に前記接点を通って延びており、圧力角（９２）がパイプ軸線（２５）と前記力ベクトルとの間で測定され、前記ピンが前記ボックス内に据え込まれたときに前記圧力角が７５°よりも大きくなることができないように前記スタブフランクが形成される、
ことを特徴とするネジ式パイプ連結部。
【請求項５】
中間据込み部分（３３）が前記上方部分と前記下方部分との間に位置付けられ、前記中間部分が内表面（３５）を有し、
係合された嵌合ボックスネジとピンネジとが、ピン外径から前記中間部分の内表面（３５）にあるネジ切上げ部（４２）まで延びて、ピン強度の７５％から１００％の間の据込み連結部強度を選択的に提供することができるように、前記中間部分には、前記上方又は下方部分よりも小さなテーパが形成される、
ことを特徴とする請求項３に記載の据込みボックス。
【請求項６】
前記全てのボックスネジが、等しいリードを有するように形成され、前記ピンネジの内の少なくとも一部が、嵌合するボックスネジよりも短いリードを有するように形成される、
ことを特徴とする請求項１、２、又は４に記載のパイプ連結部。
【請求項７】
前記ピンネジのリードが、前記ピン面からピン首部（１６）に向かう方向で増大する、
ことを特徴とする請求項６に記載のパイプ連結部。
【請求項８】
前記全てのピンネジが、等しいリードを有するように形成され、前記ボックスネジの内の少なくとも一部が、嵌合するピンネジよりも長いリードを有するように形成される、
ことを特徴とする請求項１、２、又は４に記載の連結部。
【請求項９】
前記ボックスネジの内の少なくとも一部が、前記ボックス面から前記ボックス首部へ向かう方向にリードが増大する、
ことを特徴とする請求項８に記載の連結部。
【請求項１０】
ネジが円筒状に形成される、
ことを特徴とする請求項１、２、又は４に記載のパイプ連結部。
【請求項１１】
前記ボックスネジがテーパ上に形成され、前記ピンネジが、前記ボックスネジよりも緩やかなテーパ上に形成される、
ことを特徴とする請求項１、２、又は４に記載のパイプ連結部。
【請求項１２】
前記ネジが、定格使用荷重に対して嵌合ネジのシール係合を維持するのに十分な大きさの負のロードフランク角を有する、
ことを特徴とする請求項１、２、又は４に記載のパイプ連結部。
【請求項１３】
前記ネジが、定格使用荷重に対して嵌合ネジ間で軸方向及び半径方向両方の境界面シール圧力を維持するのに十分な半径方向力ベクトルを軸方向引張荷重から作用させるのに十分な大きさの負の角度上に形成されたロードフランクを有する、
ことを特徴とする請求項１、２、又は４に記載のパイプ連結部。
【請求項１４】
前記嵌合ネジが、組み立て時に直径方向の干渉を有し、連結定格範囲内の全荷重に対してシール接触した状態で前記嵌合ネジを維持するのに十分な界面圧を前記嵌合ネジ間に作用させるようにする、
ことを特徴とする請求項１３に記載の連結部。
【請求項１５】
前記軸方向引張荷重が嵌合スタブフランクにより中間セクションで係止され、前記軸方向引張荷重が、前記ボックスとピンとの間の相対的軸方向運動を阻止するのに十分な嵌合スタブフランクにより前記ピン面に向かって係止される、
ことを特徴とする請求項２に記載のパイプ連結部。
【請求項１６】
前記ネジが楔形ネジである、
ことを特徴とする請求項１、２、又は４に記載のパイプ連結部。
【請求項１７】
前記ネジが、負のスタブフランクを有する、
ことを特徴とする請求項１、２、又は４に記載のパイプ連結部。
【請求項１８】
前記ネジが、正のスタブフランクを有する、
ことを特徴とする請求項１、２、又は４に記載のパイプ連結部。
【請求項１９】
前記ネジが、負のロードフランクを有する、
ことを特徴とする請求項１、２、又は４に記載のパイプ連結部。
【請求項２０】
前記ネジが、正のロードフランクを有する、
ことを特徴とする請求項１、２、又は４に記載のパイプ連結部。
【請求項２１】
前記ネジが、前記パイプ軸線に対して垂直に形成されたロードフランクを有する、
ことを特徴とする請求項１、２、又は４に記載のパイプ連結部。
【請求項２２】
前記ネジが、前記パイプ軸線に対して垂直に形成されたスタブフランクを有する、
ことを特徴とする請求項１、２、又は４に記載の連結部。
【請求項２３】
前記ネジが、負のロードフランクと負のスタブフランクとを有する、
ことを特徴とする請求項１、２、又は４に記載のパイプ連結部。
【請求項２４】
前記パイプに向かって内向きにテーパが付けられて内部テーパ付き雌ネジ（２９）が形成された上方据込み部分（３２）を有し、
前記据込み部分が、前記上方部分から前記パイプに向かって内向きにテーパが付けられた下方部分（４３）と、前記下方部分の内表面（３４）と、前記上方部分と前記下方部分の接合部における最も内側の接合部直径（４１）とを有し、
前記直径（４１）が、パイプ内径（３１）の周りにピン面（１４）を位置付けるのに十分な大きさであり、前記ピン面の幅が使用応力に耐えるのに十分であり、
前記下方部分には前記上方部分よりも小さなテーパが形成され、前記ボックスネジが、実質的にピン外径から前記下方部分の内表面まで嵌合ピンネジと係合し、これによってパイプ強度の７５％から１００％の間の強度を選択的に有する据込み連結部を提供することができるようにする、
ことを特徴とする請求項１、２、又は４に記載の連結部。
【請求項２５】
中間据込み部分（３３）が、前記上方部分と前記下方部分の間で軸方向に形成され、
前記中間部分が、前記上方部分又は下方部分よりも小さなテーパを有して形成された内表面（３５）を有し、前記パイプ強度の７５％から１００％の間の据込みボックス強度を選択的に提供するのに十分に嵌合ピンネジを前記ボックスネジが係合できるようにする、
ことを特徴とする請求項２４に記載のパイプ連結部。
【請求項２６】
前記中間部分が円筒状に形成されている、
ことを特徴とする請求項２５に記載の連結部。
【請求項２７】
ピン首部（１６）と、リード（１３）上に形成されたピンネジ（１２）と、ピン面（１４）と、ピンスタブフランク（７０）と、前記フランク（７０）及びピンネジ山頂（９０）間に形成された表面（７４）とを備えてパイプ（２８）上に形成されたピン（１１）を有するパイプ連結部であって、
前記ピンが、パイプ（４４）上に据え込まれたボックス（２７）と嵌合して前記パイプに向かって内向きにテーパが付けられた上方据込み部分（３２）を提供するように形成され、前記ボックスが、リード（３）上にテーパ付きネジ（２９）を有するように形成され、前記ボックスネジが、スタブフランク（７１）と、前記フランク（７１）及びボックスネジ山頂（９１）間に形成された表面（７５）とを有し、
中間据込み部分（３３）が最も内側の接合部直径（４６）にて前記上方部分と接合され、下方据込み部分（４３）が前記中間部分の下端部と接合されており、前記ピンがスタブ位置において前記ボックス内に位置付けられた時に圧力角が７５°よりも大きくならないように、前記ボックス及びピンのスタブフランクが形成され、前記ピンネジの軸方向リードが、前記ピンと前記ボックスとの組み立て中に生じる前記ピンネジの軸方向伸長と前記ボックスネジの軸方向収縮とを相殺するのに十分なだけ前記ボックスネジの軸方向リードよりも短く、その結果、嵌合ネジの軸方向リードが、連結部を組み立てた時に実質的に等しくなるようにし、前記中間セクションと前記ピン面との間の前記ピンネジリードが、組み立て時に前記ピン面と前記ピン中間部分との間で前記ピンに軸方向張力をもたらすようにするために、組み立て前に前記ボックスネジリードよりも付加的な量だけ短く形成されており、
前記張力が、使用荷重に対して負のロードフランクを軸方向及び半径方向の両方でシール接触した状態でロックするのに十分であり、
前記最も内側の接合部直径が、係合した前記ボックスネジと前記ピンネジが実質的にピン外径から前記最も内側の接合部直径の下にある前記中間部分の内表面内まで延びて、これによってパイプ強度の７５％から１００％の間の連結部強度を選択的に提供することができるような大きさにされる、
ことを特徴とするパイプ連結部。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、実質的にあらゆる産業で用いるための優れたシール特性を備えた高強度ネジ式パイプ連結部に関する。
【背景技術】
【０００２】
パイプからの流体漏出を防止するためにパイプ継手を互いに連結してこれらの間をシールするネジ式パイプ連結部は、過去数百年にわたり使用されており、雄ネジのリードができるだけ雌ネジのリードに近付けて形成される。現在使用されているほとんどのパイプ連結ネジは、テーパ付きネジであり、よってネジ間の界面圧は、この組み立ての回転毎に連結部の緩み及びパイプからの流体の漏出を防ぐのに十分とみなされる緊密度にまで増大することになる。界面圧が低過ぎる場合には、ネジが緩んで漏出することになるが、界面圧が高過ぎる場合には、ピン又はボックスが塑性降伏して、その作動性に問題が生じるようになる可能性がある。パイプサイズ及び流体圧が増大するにつれて、パイプ材料は、強度及びシール性を維持するために必要に応じて、竹から、木材、真鍮、鉄、鋼、場合によっては高強度耐熱合金へと徐々に変化してきたが、強度及びシール性を維持するには、嵌合するネジ間の半径方向ネジ干渉及び界面圧が増大する必要がある。本出願において、ネジフランク角は、パイプ軸線と同一平面内で、フランク面とパイプ軸線に対し垂直な平面との間のギャップにおいて測定される。ピンは、雄ネジを有する管状部材である。ボックスは、ピンと組み付けるための嵌合雌ネジを有する管状部材である。１ネジ回転は、ネジの１回転を意味する。リードは、１ネジ回転でネジが前進する軸方向長さを意味する。負のフランクはより多くネジ谷に向かうフランクを意味し、正のフランクはより多くネジ山頂に向かうフランクを意味し、フック形ネジは、負のフランク角を有するネジであり、「本発明」は本出願の対象のことである。
【０００３】
従来的には、ピンネジは、嵌合するボックスネジと同じテーパ及びリードを有するように形成されてきたが、Ｗａｔｔｓ特許第４，９７４，８８２号では、組み立て時に嵌合ネジ間の最大半径方向干渉がネジ係合の小直径端部において生じ、これによりピンとボックスの組み立てを容易にし、ネジ強度を改善し、シール性を助けるように、ピンネジはボックスネジよりも緩やかなテーパを有するよう形成する必要があると教示している。
【０００４】
Ｓｉｖｌｅｙ特許第６，９７６，７１１号では、「スタブフランクリード及びロードフランクリードが、ネジ端部からある選択された距離で平均リードに等しくなり」、「ロードフランクリード及びスタブフランクリードが、ネジ長さの少なくとも一部分において互いに異なる」ように嵌合するボックスネジ及びピンネジのスタブフランクリード及び／又はロードフランクリードを変えることを教示しているが、この７１１特許は、ボックスネジリードと相対的にピンネジリードを変えることはどこにも教示しておらず、また、ポアソン比に起因してピンとボックスネジの組立中に生じるどのようなネジリード不整合についても言及していない。Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅ  ｖ．Ｃｌｏｎｔｅｃｈ  Ｌａｂの第０４−１０３９・１０４０号特許を考慮すると、７１１特許は、本明細書において教示されている問題についてもその解決策についても言及していないので先行技術ではない。本出願人の最善の知識及び信念に基づいて、嵌合するネジ間の密接な接触を保証するため又は半径方向干渉によって引き起こされる嵌合ネジリード不整合を相殺するための補償策は教示されたことはない。
【０００５】
本発明によって解決される問題点の幾つかを説明すると、図１に示したタイプ１の不具合は、多くの場合、ＡＰＩ  ５Ｂ８−丸パイプネジのような従来技術において、ボックス（５７）とピン（５０）との組立により、ピンが半径方向に圧縮してこれを軸方向に伸長させ、更にボックスが半径方向に拡大してこれを軸方向に短縮させたときに発生し、長さの差違によりピンスタブフランク（５２）が３０度のボックススタブフランク（５３）に押し付けられ、その結果、軸方向の力の半径方向力ベクトルがピン面（５４）を内向きに移動させて、嵌合するボックスネジ（５５）と非係合状態になり、軸方向荷重に耐えるよう接触しているネジがより少数になるので連結が弱くなり、更に、嵌合ネジ間に螺旋状の漏れ経路（５６）が開放される。
【０００６】
図２は、ボックス（６１）の周りに作用する外部流体圧を受けた後のＡＰＩ  ５Ｂ８  ８ｒｄパイプネジのような従来のネジのタイプ２の不具合を示しており、外部流体圧は、組立時のネジ干渉に起因してピン面（６２）の圧縮フープ応力を増大させる。力の組合せによりピン端部が塑性降伏してボックスネジ（６３）と嵌合ピンネジ（６４）間の接触が無くなり、外部圧力が解除されたときに軸方向及び螺旋方向両方の漏れ経路（６７）が開放状態となり、その結果、圧縮フープ応力がピン面で最大であることに起因してピン面における降伏端部は元に戻らず且つ依然として弾性的なボックスがその元の直径に戻った後、両ネジが嵌合して内部流体圧に対してシールする能力が妨げられる。タイプ１及びタイプ２の不具合は、ピン面付近のピン厚が隣接するボックス壁厚よりも小さい連結部において生じる傾向がある。
【０００７】
図６は、そのネジ形態における最小圧力角（６８）をもたらす回転位置において差し込まれたときのＡＰＩ  ５Ｂ  ８Ｒｄネジのような従来型のネジ間の第１の接点を示しており、圧力角が、パイプ軸線（２５）と、相互接点（９３）を通る力ベクトル（４６）との間に形成され、実施可能な最小圧力角は、スタブフランク角（８１）に等しい。このようなネジは、ピンスタブフランク（７０）と、ネジ山頂（７４）と、スタブフランク角（８１）上に形成されたボックススタブフランク（７１）とを有する。図７は、タイプ３の不具合を引き起こす可能性のある極めて高い圧力角（７９）をもたらす回転位置において差し込まれたときのピンネジ及びボックスネジ間の第１の接点を示しており、ピンネジ山頂（７４）がボックススタブネジ山頂（７７）と接触すると、力ベクトル（７６）で示される方向で相互正接点（８２）にて嵌合するスタブフランク間に過大な支持応力を発生する過大な圧力角（７９）により不具合が引き起こされる。ピンスタブ表面は、中間ピンスタブフランク（７０）及びピンネジ山頂（７４）を形成する表面（７４）を含む。ボックススタブ表面は、中間ボックススタブフランク（７１）及びボックスネジ山頂（７７）を形成する表面（７５）を含む。表面（７４、７５）は、弓形、円錐状、或いは、当該技術分野においてよく知られるように他の場合にそこに位置付けられることになる鋭いコーナに対する取扱い損傷を防止するのに最良の他の形状で形成することができる。フランクとネジ山頂との間の半径を備えた円筒状ネジ山頂を有するＡＰＩバットレスネジ及びその他のネジ形態は同様の影響を受ける。ピンは、ボックス内に差し込まれた後、図６に示すように、典型的にはそのネジ設計における最小圧力角の回転位置を得ようと試みて、組み立ての方向とは逆方向に部分的に回転される。差し込まれたときのボックスネジ及びピンネジ間の回転位置に応じて、圧力角は、フランク角（８１）に等しい最小値から図７に符号（７９）で示すほぼ９０°まで変えることができる。圧力角の増大は、相互正接点（８２）におけるような両ネジ間の単位支持応力を増大させ、これにより、差し込まれているパイプの重量によって生じる摩擦力に抗してピンをボックスに回転させるのに必要なトルクが増大する。圧力角が増大するにつれてベクトル力が増大し、差し込まれているパイプの重量に応じて、ネジの摩耗、斜めネジ止め、及び／又はネジ固着を起こすほど摩擦力が大きくなる場合があり、これによりピンとボックスの適切な組み立てが妨げられる。ネジ山頂半径が小さくなるほど、及び逆回転が速くなるほど、逆回転中のパイプ慣性が、最良位置を得るために重力がピンを１ネジ回転分戻す前に回転上の不具合点をピンに通過させる可能性が高くなるが、図６に示す最良位置を通過するときに、タイプ３の不具合の危険性が１回転未満で再度迫ってくる。
【０００８】
長年にわたり使用されてきた据込みボックス式連結部は、通常はパイプ強度の６５％に定格され、一部の厚壁パイプ上に形成されるときには少数の連結部は、懸念してパイプ本体強度の７５％近くに定格されてきた。ネジ係合はボックス壁を完全には貫通して延びず、ネジと同じテーパ上に形成された据込み部分で止っており、両ネジが据込み壁に対して軸方向と半径方向の両方で完全に位置付けられた場合にボックス首部の臨界面積をパイプ壁断面積の７５％を超えないほどに低下させるので、これら連結部は、これよりも高い定格を要求することはできない。しかしながら、このような完全な位置付けは、製造時の嵌合中には維持できないので、従来技術の据込み式連結部によって結果として得られる効率は、典型的には、パイプ強度の７５％未満に限定されてきた。
【０００９】
ＡＰＩ  Ｒｅｐｏｒｔｓでは、ダウンホールウェル問題の９０−９５％は、パイプネジの漏れによって引き起こされると記載されており、ＡＰＩ記録は、供仕中にパイプネジが漏れる理由を探ろうと試みた広範なの経験で満たされている。５Ｂネジの寸法及び公差並びにＡＰＩ  ５Ａ２ネジドープは、これらが１９３９年に採用されて以来、解決策が教示されたＷａｔｔｓ特許第５，４２７，４１８号が１９９５年に公布されるまでは実質的に変更されなかったことで確認されるように、ＡＰＩは、長い間誤って、ＡＰＩ５Ａ２ネジドープがコーティングされた全てのＡＰＩ  ５Ｂパイプネジはシールされるものとしていた。現在のところ、組み立て時に等しい軸方向リード長さを有して形成された嵌合ネジが、タイプ１、２、及び３の不具合を被ると教示している従来技術は出願人によって見出されておらず、これらの問題を解決するどのような解決策も教示されておらず、従って、当該技術分野を発展させるために、本出願において問題識別及び解決策が提示される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第４，９７４，８８２号公報
【特許文献２】米国特許第６，９７６，７１１号公報
【特許文献３】米国特許第５，４２７，４１８号公報
【特許文献４】米国特許第６，５７８，８８０号公報
【特許文献５】米国特許第６，６８２，１０１号公報
【特許文献６】米国特許第２，７６６，８２９号公報
【発明の概要】
【００１１】
本発明は、タイプ１、２、及び３の不具合を防ぐ方法を教示し、また、当該技術分野を実質的に発展させる新しい据込み構造を教示している。ネジ式パイプ連結部の組み立て中に、ピンがボックスにネジ締めされ、これによって嵌合ネジ間に増大する半径方向干渉が生じ、これがポアソン比に応じてピン直径を減少させ且つボックス直径を増大させ、この直径変化によりピンを軸方向に伸長させ且つボックスを軸方向に短縮させ、元々は等しいリードで形成されたボックスネジ及びピンネジ間にリード不整合を引き起こすようにする。不整合の程度は、ネジ直径、ネジリード、半径方向干渉、及びパイプ材料のポアソン比などによって決まる。
【００１２】
タイプ１不具合は、ボックスネジよりも短いリードをピンネジが有するように形成して、組み立て中にはピンが軸方向に伸長し且つボックスが軸方向に短縮するようにし、完全に組み立てられたときには、ピンネジが嵌合するボックスネジと実質的に同じリードを有して、ピン及びボックスネジ輪郭をより良好に適合させることで、連結部の構造強度を増大させ、且つより高圧力及び軽量の流体をシールするネジ能力を向上させるようにすることによって回避することができる。ピン又はボックスネジの何れか一方は、一定のリードを有して形成することができ、他方は、上述の改善点をもたらす調節リードを有して、すなわちピンリードがボックスリードよりも短くなるように形成することができる。嵌合ネジ間の単位直径当りの直径方向干渉の所与の量に対して、単位軸方向長さ当りの調節は、単位直径方向干渉量にポアソン比を乗算したものに等しいことになる。一例として、公称直径１０インチ及びポアソン比０．２８を有するパイプネジが、０．０３０"の直径方向干渉をもたらすように組み立てられることになる場合には、単位干渉量＝０．０３０"／１０"＝０．００３インチ／直径１インチであり、嵌合するピン及びボックス間の長さ調節量＝０．０３０"×０．２８＝０．０００８４インチ／軸方向長さ１インチである。よって、これらのネジが公称リード１／４"で形成されている場合には、リード調節量＝０．０００８４／４＝０．０００２１"であり、これら調節量全ては、嵌合するネジの１つに適用することができ、又はこれらの調節量は、ボックスリードを０．００００７"長くし、ピンリードを０．０００１４"短くするように、嵌合するネジ間で分けることができる。本発明は、ネジの使用要件及びコスト制限に応じて、様々な精度で実施することができる。
【００１３】
同様のテーパ上に形成されたボックスネジ及びピンネジ間で生じるような嵌合ネジの軸線に沿った単位半径方向干渉量に実質的な差異がある場合、及び／又はピンネジがボックスネジよりも緩やかなテーパを有している場合、特定の使用が必要となる可能性がある嵌合ネジ間の適合精度に応じて、可変のリ−ド調節が好ましいとすることができる。このような適合は、リードがネジの１回転毎に変わる場合には理想的であるが、リードは、ネジの複数回転毎に変わることができ、これは、最精密適合が求められていない場合のネジ１回転当りの理想的リード変化に近い。
【００１４】
本発明による連結部はまた、タイプ２不具合を防止することができる。ピン面と中間長さとの間に付加的なリード調節を有するフックタイプのネジを使用するのが好ましく、この付加的リード調節は、上述のリード調節と重ね合わせて、組み立てられたときにピンのその部分の軸方向張力を提供し、この軸方向張力のみで、或いは、嵌合ネジ間に存在する半径方向の界面圧と組み合せて嵌合しているネジを互いにロックするようにする。フックネジの負のロードフランクは、連結部の高張力荷重を受けたときにピンネジがボックスネジから「跳び出す」傾向を妨げることがよく知られているが、上述のように嵌合するボックスネジリードよりも短く形成されたピンネジリードが、半径方向ネジ干渉とは関係なく嵌合フックネジを互いにロックすることができることは、これまで教示されたことがなかった。これを行うために、本発明者は、ピンの面と中間セクションとの間のピンに張力を作用させ、嵌合ネジ間の半径方向と軸方向の両方の界面圧を増大させている。ＡＰＩ  Ｂｕｌｌｅｔｉｎ  ５Ｃ３（４．２）は、「内部漏れ抵抗圧力が界面圧に等しい」ことを教示しているが、これは、ピンのフープ圧縮によって生じる界面圧にのみ依存し、界面圧を生成又は維持する他のどのような方法に関しても言及していない。半径方向ネジ干渉からの助けなしで、ピン端部ネジを嵌合ボックスネジとシール係合した状態で保持するのに十分な荷重を負のロードフランク角上で誘起するために所与の使用が必要とするボックスネジ及びピンネジ間のリード長さ調節量は、定格内部及び外部流体圧及び／又は機械的荷重の任意の組合せの下で様々なフランク角及び直径について計算することができるが、本明細書で教示される原理は不変である。計算及び試験は、スタブフランクに平行に形成されたロードフランクが動作可能であることを示しているが、フランク角の他の組合せの使用も本発明の範囲内にあることを理解されたい。有限要素分析（ＦＥＡ）では、本発明による据込み式連結部がパイプ強度の少なくとも９５％まで使用可能であることが立証され、圧力試験では、ネジが連結部壁厚の構造的耐圧強度までシールすることが立証されている。
【００１５】
組み立て中に半径方向ネジ干渉によって生じるボックスネジ及びピンネジ間の界面圧は、典型的には、普通ボックス壁及びネジ壁の最も分厚い組合せが通常配置される係合ネジの中間長さにおいて最大になるので、このピン張力の特徴が利用されるときには、組み立て時にボックス及びピン中間セクションの軸方向応力を最小化するようにネジ中間長さがこの付加的なリード調節量をもたないのが好ましく、従って、ボックス及びピンが正確に嵌合して、ボックスとの相対的軸方向運動に抗してピンを固定すると同時に、ピンの細い端部に張力を維持してネジ適合の緩みを防止する。このようにして、ピン面とピン中間セクションとの間のピンネジは、フックネジの負角のロードフランク上に作用する張力によって嵌合ボックスネジと共にロックされ、他方、逆方向においては、後で内部流体圧が加えられた時には嵌合ピン端部ネジは依然として緊密なシール接触状態にあるので、ピン面付近のピンが外部流体圧などによりフープ圧縮状態に塑性降伏する場合でも、ネジは、緊密なネジ接触を維持する最大の界面圧下で中間長さのネジを嵌合することによって係止される。この付加的なリード調節は、全てのネジに対して、又はピン面と中間セクションとの間のネジのみに対して、或いは、より小さな作動荷重が予想される場合には、ピン面に最も近いネジの一部に対してのみ加えることができる。理想的には必須ではなく、好ましくは、ネジリード調節量はピン面において最大であり、ピン首部に向かって減少して、組み立てられたときには、嵌合しているネジ全てがリードが実質的に等しく、ピンネジがピン面と中間長さとの間で緊張状態にある。幾つかの用途では、外部流体圧及び／又は腐食に対するシールを保証するために、中間長さとピン首部との間のピンネジはこれらのロードフランクに対して僅かに圧縮された状態にあることが望ましい。しかしながら、他のネジリード調節パターンも本発明の精神から逸脱することなく使用することができる。組み立て後、流体圧及び使用荷重によって組み付けられたネジの更なる収縮及び／又は伸長が生じる場合があるが、ピン及びボックスは互いに同じ量だけ伸長及び収縮するので、組み付けられた元のリードの関係は不変となる。従って、ピン及びボックスが互いに伸長及び収縮するときに直径方向干渉量は一定のままであり、よって軸方向リードの所望の差異は不変のままであるので、このような連結部を伸長性のパイプ列でも使用することができる。
【００１６】
円筒状ネジを形成するのに必要なパイプ壁の半径方向幅は、同じネジ深さを有するテーパネジを形成するのに必要なパイプ壁の半径方向幅よりも小さいので、例えば薄壁のパイプに対する本発明の適用は、半径方向のネジ干渉を有し又は有さずに嵌合ネジのシール接触を維持して、緊密なネジ適合を十分に維持し、更に機械的力に抗して所望の組み付けシール位置にネジを保持することもできる。
【００１７】
本発明は、正又は負のフランク角を有する様々なネジ形態で実施できるが、正の低角度スタブフランクと負の低角度ロードフランクの使用が好ましい。しかしながら、本発明は、タイプ１、２、及び／又は３不具合を防止するためにＡＰＩ  ５Ｂ  ８−丸ネジのような非フック形ネジに対して使用することもできる。様々なフック形ネジ形態及び楔形ネジを使用して本発明を実施することができるが、高性能な特性が必要とされる場合には、Ｗａｔｔｓの特許第６，５７８，８８０号及び／又は第６，６８２，１０１号による開放楔形ネジが好ましい。半径方向ネジ干渉の有無に関わらず、嵌合パイプネジ間に正確な緊密接触を実装及び維持する方法が明らかであるので、安全性を高め、コストを低減し、有害流体の危険な漏出に対して環境をより良好に保護するために、信頼性の高いパイプネジをあらゆる産業用途又は家庭用途に提供することができる。
【００１８】
二重ボックス継手又はパイプ端部アップセットを使用することなく連結効率を改善するために本明細書で開示された他の特徴と組み合せて使用することができる本発明の別の特徴は、パイプ本体断面積の最大１００％までのボックス首部臨界面積を選択的に有する据込式ボックスを提供することであり、ここでは、嵌合ネジの係合は、実質的にピンの外径から据込み部の内表面まで延びる。ピン首部にあるネジ切上げ部は、ＡＰＩバットレス連結部のようなパイプネジにおいて長年使用されてきたが、出願人の最善の知識及び信念に基づいて、据込み式ボックス内のネジ切上げ部が教示されたことはなかった。本発明によるボックス据込み部は、上方テーパ部分を含み、ボックス面からパイプ本体に向かって内向きに延びる緩やかなテーパに沿って形成された下方テーパ部分に至る方向で内向きにテーパが付けられている。或いは、ボックス据込み部は、上方及び下方テーパ部分間に軸方向に位置決めされた中間部分を含むことができ、このような場合、この中間部分は、円筒状に、又は上方部分及び下方部分よりも緩やかなテーパ上に形成することができる。何れの場合においても、図３に示すピン１１のような嵌合ピンを受け入れるために、ボックスネジが上方部分内に形成され、隣接部分、すなわち下方部分或いは中間部分の据込み内径内でネジが切り上げられる。このようにして、元のパイプ壁厚よりも厚いボックス壁を提供するためにパイプアップセットを必要とせずに、パイプ本体と同程度に強くすることができる連結部を形成するため、パイプ選択的に断面積と同程度の大きさがある臨界ボックス壁断面積が提供される。ボックスネジ切上げ部におけるボックス据込み内径は、パイプ内径の周りに十分な半径方向幅を設け、ピンネジを支持して取付けている間の取扱いの力に耐える十分な幅があるピン面１４を位置付けるのに十分な大きさに作られるのが好ましい。パイプ強度の１００％よりも小さな強度を有するパイプ連結部を必要とする用途において、単純な端部パイプ内では６５％よりも低いボックス強度が形成され得るので、本発明による連結部は、パイプ本体の７５％から１００％の間の強度を有するように設けることができる。
【００１９】
本発明の付加的な特徴は、組み付けられているネジの嵌合スタブフランク間に生じる可能性のある圧力角を、図８に示すように８０°未満になるように限定することによって、ネジに損傷を与えることなく最小限の時間及び労力でピンネジ及びボックスネジの適正な差込み並びに組み立てを保証するが、しかしながら、圧力角は６０°を超えないことが好ましく、最小圧力角は、どのようなスタブフランク角が使用されようともそのスタブフランク角に等しいのが好ましい。圧力角は、スタブ位置にあるときのピンネジとボックスネジとの間の接線に垂直で且つ両ネジ間の相互接点を通って引かれた力線とパイプ軸線との間の鋭角である。力線は、典型的には差し込まれているパイプの重量によって発生する嵌合スタブフランク間で伝達される抗力の瞬間的な位置及び方向を定める。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】組み立てによって引き起こされるネジ不整合を示すＡＰＩ  ５Ｂネジの部分断面図である。
【図２】使用中のネジ分離を示すＡＰＩ  ５Ｂ接合部の部分断面図である。
【図３】本発明によるボックスとピンの好ましい実施形態の部分断面図である。
【図４】本発明によるボックス据込み部の部分断面図である。
【図５】本発明による代替的なボックス据込み部の部分断面図である。
【図６】嵌合スタブフランク間の低い圧力角を示す部分断面図である。
【図７】嵌合スタブフランク間の高い圧力角を示す部分断面図である。
【図８】本発明による圧力角の部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図３に開示された本発明の好ましい実施形態は、一定のリード（３）を有する雌ネジ（２）と、ボックス面（４）と、ボックス中間セクション（５）と、ボックス首部（６）と、ボックスの正スタブフランク（７）と、ボックスの負ロードフランク（８）と、ボックスの円筒状ネジ山頂（９）と、ボックスのネジ谷底（１０）とを有するボックス（１）を示している。ボックスは、パイプ（２８）上に形成されたピン（１１）と組み付けられ、ピンは、可変の軸方向リード（１３）を有して形成されたピンネジ（１２）と、ピン面（１４）と、ピンボア（２１）と、ピン中間セクション（１５）と、ピン首部（１６）と、正のピンスタブフランク（１７）と、負のピンロードフランク（１８）と、ピン円筒状ネジ山頂（１９）と、ピンネジ谷底（２０）とを有する。ピン面におけるピンネジのリードは、その嵌合するボックスネジのリードよりも短く形成され、ピンネジのリードがピン面からピン首部の方向に１回転する毎に増大し、その結果、組み立て中にネジ干渉が増大するにつれて、ネジ組み付け位置において全ての嵌合リード長が実質的に等しくなるまでポアソン比に応じて、ピン長が増大しボックス長は短くなる。
【００２２】
ピン端部付近のネジ界面圧を増大又はより良好に維持することが望ましい場合には、ボックスと組み付けられたときに、当該長さの範囲内にピンネジリードを更に短縮することにより、ピン面及びピン中間セクション間のピン内に軸方向張力を導入することができる。ボックス壁とピン壁の最も厚い組合せは通常、係合されたネジの中間セクションにあり、この最も厚い壁は嵌合ネジ間に最大の界面圧を発生するので、ボックスに対する軸方向運動に対して中間セクションネジがピンを堅固に係止するのに十分な程度にスタブフランク角が小さく、流体圧力をシールしてネジが緩むのを防止するようにするのが好ましい。半径方向のネジ干渉による助けなしに、嵌合するボックスネジとシール係合した状態でピン端部ネジを保持するのに十分な荷重を負のロードフランク角上に誘起するために必要とされるボックス及びピンネジ間のリード長さ調節は、種々のフランク角及び直径組合せについて計算することができるが、本明細書で教示される原理は不変である。ピン面及びピン中間セクション間のピンの軸方向張力予荷重は、嵌合ネジが弾性的又は塑性的に膨張され、或いは外部流体圧により収縮されたときに嵌合ネジのシール接触を維持するような大きさである。本発明は、同時又は連続的な定格内での高圧及び／又は高温の内部又は外部流体の変動に対してシールするために、それが無い場合に必要とされるよりも低いフープ圧縮をピン面付近のピンにおいて可能にする。好適な正のスタブフランク角の選択には、少なくとも使用荷重、パイプサイズ及び壁厚、壁材料、並びにネジ干渉を考慮しなくてはならない。本発明を実施するために、定格の内部及び外部流体圧と機械的荷重のあらゆる組合せの下でネジを係合した状態に保つのに十分な大きさの負のロードフランク角を選択することが必要とされ、計算及び試験では、＋７°スタブフランクと平行にされた−７°のロードフランクが十分であることを示しているが、他のフランク角の組合せの使用も本発明の範囲内にあると理解されたい。
【００２３】
図４に示されたボックス据込み特徴部の好ましい実施形態は、パイプ（４４）と、端部（３８）、円錐状内表面（３６）、及び円錐状外表面（３７）を有するボックス（２７）の上方据込み部分（３２）と、円錐状内表面（３４）を有する下方据込み部分（４３）とを含む。据込み端部（３８）は、ボックス面（３９）を形成するように機械加工され、ボックスの最外直径は、テーパ付きボックスネジ（２９）を支持し且つ取扱いのために十分な強度を端部ボックス壁に与えるのに十分な大きさの直径（４０）に機械加工される。ボックスネジは、ボックス面（３９）から、及び接合部直径（４１）を越えた部分（４３）内の内表面（３４）からこれらの切上げ部（４５）まで延びて、切上げ部（４５）と部分（４３）の外表面（４８）との間に形成される臨界面積（２６）は、パイプ本体断面積（３０）と同程度にすることができるようになる。ここでは、ボックスネジは、据込まれたボックスとの全強度連結を形成するのに必要とされるパイプ断面積と同程度の大きさのボックス及びピンの臨界面積を選択的に提供するように、据込み部内で機械加工することができることは明らかである。流体圧を収容する下方部分（４３）の能力は、パイプ本体の能力よりも僅かに劣るように見える場合があり、その理由は、下方部分は、元のパイプサイズから外向きに据込まれた後にはパイプよりも小さな「壁厚対外径比」を有することに起因し（但し、下方部分（４３）は、据込み中に加工硬化されるにつれて単位強度が増大し、据込まれるにつれて厚みがより一定になり、更に、低い応力が加えられている隣接するパイプ壁によって上方と下方で支持されるのに十分な短さである）、また、パイプＡＰＩ流体圧定格計算がパイプの公称壁厚の単に７／８のパイプ壁厚を仮定していることに起因する。従って、据込み内径がパイプ内径よりも１４％を超えないほど大きい場合には、パイプに対するボックスの荷重定格軽減は何ら必要とされないであろう。接合部直径（４１）は、パイプ内径（３１）の周りの半径方向幅がピン面（１４）を位置付けるのに十分であることを許容する程十分大きく形成される。
【００２４】
代替的なボックス据込み構造が図５に示されており、ここでは、中間据込み部分（３３）は、内側接合部直径（４６）において上方部分（３２）に、及び下方部分（４３）に接合され、ボックス（２７）内のボックスネジ（２９）は、両者間に臨界面積（２６）を有する中間部分の内表面（３５）の（４２）において切り上げられるようにされ、該中間部分は円筒状に形成されるか、又は部分（３２、４３）よりも緩やかなテーパを有する。据込み部分（３３）を使用することにより、上方及び下方部分は共に、ボックスネジと同じテーパ上に存在することができ、中間部分は、ボックスネジが損傷を受けた場合にネジの切り直しを可能にする十分な軸方向長さがある。本明細書で示したネジは、高圧ガスに対してシールすることが立証されたが、ユーザ仕様が必要とする場合には、多くの場合には金属−金属シールと呼ばれる、本出願人の米国特許第２，７６６，８２９号によるピン端部リップシールを本発明による連結部に付加することができる。
【００２５】
図８は、図７に示した極端な圧力角の可能性を防ぐために従来のネジを変更した、本発明によるネジ形態を示している。図８には、ピンスタブフランク（７０）が、ピンがボックス内に差し込まれたときに相互接点でボックススタブフランク（７１）と最初に接触するように描かれており、従来のピンネジ山頂の一部分（８４）が除去されてピンネジ山頂（９０）を形成し、従来のボックスネジ山頂の一部分（８３）が除去されて、本発明によるボックスネジ山頂（９１）を形成し、パイプ軸線と力ベクトル（２４）との間に形成される圧力角（９２）が６０°よりも大きくならないように制限し、該６０°は本発明では好ましい圧力角であるが、軽量ネジにおいては８０°程度であってもよく、或いは、ネジスタブフランク角程度に小さくてもよい。表面（７４、７５）は、弓形に描かれているが、円錐形のような別の形状にしてもよく、或いは、ネジ山頂（９０、９１）に当接する円錐表面と正接するスタブフランクから延びる弓形表面との組合せであってもよい。ピンネジ山頂（９０）と相互接線（２３）との間に形成される鈍角（９４）と、ボックスネジ山頂（９１）と相互接線（２３）との間に形成される鈍角（９５）とは各々、両表面の接合部における機械的損傷に対し効果的に抗するのに十分な大きさである。ピンネジ谷底（９８）との接合点を通ってネジ谷底半径（８６）に接線方向に引かれた線（８５）とピンネジ谷底（９８）との間に形成される鈍角（９６）は、ピンネジ谷底における応力集中をボックスネジ谷底において同様の構成で許容可能な大きさにまで低減するのに十分な大きさである。極めて高い圧力シールをもたらすなどの目的において、ネジ山頂とネジ谷底との間の最小ギャップが必要とされない場合には、ボックスネジ山（９１）と交互するピンネジ谷底（８９）との間にギャップ（９７）を残すことになる（９９）におけるような半径と正接してネジ谷底を形成することができる。ピンがボックス内に差し込まれている間のネジ間の過度な支持応力を防止し、損傷を受けることなく迅速且つ容易な組み立てを可能にし、更にネジ谷底の応力集中を軽減させるために圧力角を制限できる方法が明らかになった。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本パイプ連結部は乾燥ガスをシールし且つこれに耐えるので、更に、流体圧をシールするため及び機械的荷重に耐えるためにパイプと同じ定格にすることができるので、本発明の全ての実施形態は、油田及びガス田におけるダウンホール、配管、ケーシング、ドライブパイプ、ケーソン、パイプライン、上昇管、テンドン、及び／又はタイバックに使用することができる。精油所、プロセスプラント、発電プラント、パイプライン等において今日使用されているネジ式パイプ連結部は、これらの緩み、漏れ、及び破裂の理由で小形サイズ及び低流体圧に限定されてきたが、本発明による連結部はこのようなことはなく、よってパイプが使用されるあらゆる場所で使用することができる。
【符号の説明】
【００２７】
１  ボックス；  ２  雌ネジ；  ３  リード；  ４  ボックス面；  
５  ボックス中間セクション；  ６  ボックス首部； 
７  ボックス正スタブフランク; ８  ボックス負ロードフランク; 
９  ボックス円筒状ネジ山頂；  １０  ボックスネジ谷底；  
１１  ピン；  １２  ピンネジ；  １３  リード；  １４  ピン面；  
１５  ピン中間セクション；  １６  ピン首部；  １７  ピン正スタブフランク；  
１８  ピン負ロードフランク；  １９  ピン円筒状ネジ山頂；  ２０  ピンネジ谷底；  
２１  ピンボア；  ２８  パイプ。
【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】
2010516959.tif 000009
【図８】
2010516959.tif 000010
【国際調査報告】
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