(57)【要約】メネジとオネジの２つの要素から成り、一方が他方の中に組み込まれ所定のトルクで組み立てられる円管のネジ結合部である。この円管のネジ結合部は、組み立てに先立ち、接触圧を受けるネジ表面(125)の内の少なくとも一つが、２から６０ｍｍの範囲の半径を有する曲面を持ち、ネジの幅全体にわたって連続的に凸状に丸めた形状を有すると共に、その接触が組み合わされる要素の対応する面(26)と点接触するようになっている。このようなネジ結合部は分解しまたはオーバトルクをかける際に、高い抵抗を示すものである。一つの実施例では、凸状に丸めたネジの面(125)はオネジまたはメネジのねじ山のフランク（ネジ山の側面）であり、凸状に丸めたネジ山のフランク(125)か、これに対応するネジ山のフランクのいずれかをフレキシブルにするために、オネジまたはメネジの一方のネジ先端部(29)に開口した溝(31)を設けている。このような幾何学的形状により、ネジ山のフランク間に生じる種々の接触状態に適切に適合することができる。【選択図】図４Ｄ
2004524483.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1のパイプ(101,301)の端部に設けたオネジ部分(1)と、第２のパイプ(202,302)の端部に設けたメネジ部分(2)を備え、前記オネジ部分が実質上ネジを切ってあるオネジ部の全長にわたる台形ネジを使用した外側オネジ部(103,303)を有し、前記メネジ部分がオネジ部分と適合し、実質上ネジを切ってあるメネジ部分の全長にわたる台形ネジを使用した内側メネジ部(104,304)を有し、オネジ部とメネジ部が、少なくとも一つのオネジの面(21,321)が、対応するメネジの面(22,322)との間で接触圧をもつように定められた組み立てトルク（Tf）によって一方を他方の内側に組み込み、組み立てに先立ち、接触圧を受ける少なくとも一つのネジ表面(125,128,325)が考えている面の幅にわたって連続した凸状に丸めた形状を持ち、組み合わされるネジ部の対応する表面(26,27,326)と点接触し、前記凸状に丸められた表面が、隣接する面との交差部分を除く幅全体にわたって、2から60mmの範囲の1又は複数の半径(R1,R3)からなる曲面を有することを特徴とする円管のネジ結合(100,300)。
【請求項２】
前記凸状に丸めた表面が、考えているネジ部の全長にわたって設けられていることを特徴とするクレーム1に記載の円管のネジ結合。
【請求項３】
前記凸状に丸めた表面が、隣接する面との交差部分を除く前記凸状に丸めた表面の幅全体にわたり、かつネジが形成されているネジ部の全長にわたって一様な曲線であることを特徴とするクレーム1またはクレーム2のいずれかに記載の円管のネジ結合。
【請求項４】
ネジ部(21,321)の凸状に丸めた表面(125,128,325)が、組み合わされるネジ部(22,322)の直線状の面(26,27,326)に対応することを特徴とするクレーム1から3のいずれか一つに記載の円管のネジ結合。
【請求項５】
二つのネジ部の内の一方にのみ配置され、一つだけの凸状に丸めた表面を備えることを特徴とするクレーム4に記載の円管のネジ結合。
【請求項６】
オネジおよびメネジのネジ部が、互いに半径方向に干渉し合う、テーパのついたネジ部であり、前期凸状に丸めた表面がネジ山の先端部(128)にあることを特徴とするクレーム1から5のいずれか一つに記載の円管のネジ結合。
【請求項７】
前記凸状に丸めた表面がネジ山のフランク(125,323)であり、オネジ(21)又はメネジ(22,322)のいずれかであって、そのネジの内の一つまたはその他のネジが、凸状に丸めたネジ山のフランク(125)又はこれに組み合わされるネジの対応するネジ山フランク(26,324)をフレキシブルにするための手段(31,32,332)を備えることを特徴とするクレーム1から5のいずれか一つに記載の円管のネジ結合。
【請求項８】
凸状に丸めたネジ山フランク又はこれに対応するネジ山フランクをフレキシブルにするための前記手段が、フレキシブルなねじ山フランクに隣接するネジ先端部(29,28,328)に配置された溝(31,32,332)であることを特徴とするクレーム7に記載の円管のネジ結合。
【請求項９】
前記溝の深さが、溝が形成されているネジ山の高さと等しいかそれより小さいことを特徴とするクレーム8に記載の円管のネジ結合。
【請求項１０】
前記溝の開口部の幅が、溝が形成されているネジ山の高さ中央部で測定したネジの幅の2/3と等しいかそれより小さいことを特徴とするクレーム8またはクレーム9のいずれかに記載の円管のネジ結合。
【請求項１１】
前記溝の底が0.2mmまたはそれ以上の半径(R2)によって丸められていることを特徴とするクレーム8から10のいずれか一つに記載の円管のネジ結合。
【請求項１２】
前記凸状に丸めたネジ山フランクの高さ中央部における、凸状に丸めたネジ山フランクの接線(39,339)と、ネジ結合部の軸に垂直な面との間で形成される、”凸状に丸めたネジ山フランクの角度”と名づけた角度(A)は、凸状に丸めたネジ山フランクに対応するフランクの同じく高さ中央における接線(26,326)と、ネジ結合部の軸に垂直な面との間で形成される、”対応するネジ山フランクの角度”と名づけた角度(B)とが異なることを特徴とするクレーム8から11のいずれか一つに記載の円管のネジ結合。
【請求項１３】
凸状に丸めたネジ山フランクの角度(A)と対応するネジ山フランクの角度(B)が、組み立て中に、凸状に丸めたネジ山フランクと対応するネジ山フランクとの間で生じる第1の接触(O)点が、溝を設けたネジ先端部(29,28,328)側のフレキシブルなねじ山フランク上に配置されるようになっていることを特徴とするクレーム12に記載の円管のネジ結合。
【請求項１４】
凸状に丸めたネジ山フランクの角度(A)と対応するネジ山フランクの角度(B)の差の代数上の値の符号が、凸状に丸めたネジ山フランクと対応するネジ山フランクとの間で生じる接触点が、組み立て中に、フレキシブルなネジ山フランクの回転中心に向かって移動するようになっていることを特徴とするクレーム12またはクレーム13のいずれかに記載の円管のネジ結合。
【請求項１５】
凸状に丸めたネジ山フランクの角度(A)と対応するネジ山フランクの角度(B)の差の値が、凸状に丸めたネジ山フランクと対応するネジ山フランクとの間で生じる最終的な接触点(O’)が、ネジ山付け根側であって、ねじ山フランクの幅の外側1/4に配置されるようになっていることを特徴とするクレーム12から14のいずれか一つに記載の円管のネジ結合。
【請求項１６】
凸状に丸めたネジ山フランクの角度(A)と対応するネジ山フランクの角度(B)の差の絶対値が、1°から5°の範囲にあることを特徴とするクレーム12から15のいずれか一つに記載の円管のネジ結合。
【請求項１７】
凸状に丸めたネジ山フランクがロード・フランク(323)であることを特徴とするクレーム7から16のいずれか一つに記載の円管のネジ結合。
【請求項１８】
凸状に丸めたネジ山フランクがスタビンク・フランク(125)であることを特徴とするクレーム7から16のいずれか一つに記載の円管のネジ結合。
【請求項１９】
ネジ結合部が、半径方向に干渉するネジを使用し、”ラグド・ネジ”と呼ばれるネジを使用し、軸方向に干渉するネジを使用し、あるいは幅の変化するクサビネジを使用した結合部から成るタイプのものであることを特徴とするクレーム7から18のいずれか一つに記載の円管のネジ結合。
【請求項２０】
オネジとメネジの要素の各々が少なくとも一つのシーリング表面を備え、円管のネジ結合に設けた各オネジのシーリング表面(5,306)が、組み立てが完了した状態において、対応するメネジのシーリング表面(6,306)と半径方向に干渉し合うことを特徴とするクレーム7から19のいずれか一つに記載の円管のネジ結合。
【請求項２１】
オネジとメネジの要素の各々が少なくとも一つのパイプを横断する円管状接触面を備え、少なくとも一つのオネジの接触面(7,307)が、組み立てが完了した状態において、ネジ結合部の対応するメネジの接触面（8,308）と接触することを特徴とするクレーム１から20のいずれか一つに記載の円管のネジ結合。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円管のネジ結合に関するものであって、パイプの端部に結合のために設けた台形ネジのオネジ要素とメネジ要素から構成される。
【背景技術】
【０００２】
カップリングのように短いパイプにネジ部を設ける場合には端部に設けるが、非常に長いパイプであっても同様に端部にネジ部を設ける。
【０００３】
このような円管のネジ結合は、特に、炭化水素の掘削井戸やあるいはこれに類似する、例えば地熱利用のための掘削井戸のような井戸の“ケーシング・ストリング(casing string)”，“チュービング・ストリング(tubing string)”，あるいは“ドリルパイプ・ストリング(drillpipe string)”を組み立てる際に使用される。
【０００４】
例えば、これらはアメリカ石油協会（American Petroleum Institute; API）の仕様書API 5B 及び 5CTにおいて、“バットレス（buttress）”と名づけられた台形テーパネジとして定義されている。
【発明の開示】
【０００５】
台形ネジは、ネジ部の自由端面側を向いたスタビング・フランク(stabbing flank)、これと反対側のフランク（ねじ山の側面）であるロード・フランク(load flank)、一定の幅を持つねじ山の先端部（頂上）、そして一定の幅を持つネジの谷部を備え、このロード・フランクとスタビング・フランクは実質的にはネジ部の軸方向に対して垂直な方向を向いている（例えば、ＡＰＩ  バットレスネジでは、ロード・フランクの傾きが＋３°、スタビング・フランクの傾きは＋１０°となっている）。
【０００６】
従って、本文書では、上述したＡＰＩの仕様書において定義されている他のタイプのネジとは異なった形で、台形ネジを定義している。即ち、三角形ネジ又は三角形丸めネジ（“round”）のロードおよびスタビング・フランクはネジ部の軸方向に対して非常に傾いており（例えば３０°）、ネジ山先端部とネジ山谷部は実質的にその幅がゼロとなっている。三角形ネジあるいは丸め台形ネジと比べると、ネジ山が飛び越えてしまうという許容できないリスクが小さいという重要な利点もある。
【０００７】
台形ネジを使用したＡＰＩタイプの円管のネジ結合は、多くの開発の主題となっている。特に、運用環境から生ずる非常に幅広い種々の応力（軸方向引張、軸方向圧縮、曲げ、ねじり、内部または外部圧力など）に対して、ネジ結合部の強度を向上することと、このような応力下で内部または外部を循環する流体に対して、気密性を向上することであった。例えば、これらの改善については以下の文書に記載されている。ＥＰ0488912、ＥＰ0707133、ＥＰ0454147、および国際特許出願WO00/14441。
【０００８】
台形ネジを使ったこの他のタイプのネジ結合部は、例えば、特許US4521042、あるいはUS4570982に記載されており、同じ目的でストレートネジ、または特に2段ネジが設計されている。
【０００９】
一般的に言うと、従来技術におけるネジ結合部の台形ネジの面、即ち、ネジ山のフランク、先端部、および谷部を軸方向断面において見れば、各面が交差する交差点部分を除き直線である。そしてこの交差点部分はある値をもった半径で丸めるか、面取りするのが一般的である。このため、本文書においては、このようなねじ山の表面は”直線状”であると呼ぶことにする。
【００１０】
円管のネジ結合に関するこれら全てのタイプのものにおいて、ネジ部分を互いに組み込むときに、少なくとも一つのオネジのねじ山表面とこれに対応するメネジのねじ山表面の間で、接触が生じある接触圧が発生する。その接触圧は嵌め合うネジのネジ山先端部と谷部の間で、ロード・フランクの間で、スタビング・フランクの間で、あるいはこれらのものを組み合わせた複数の表面間で生じ、このことはネジのタイプに依存する。
【００１１】
対応する台形ネジの表面間で生じる接触圧（ネジ結合の方法によっては配置されるシーリング面やパイプを横断する円環状の接合面のようなその他の表面においても生じるが）は、組み立てトルクをかけてネジ結合部を組み立てるために本質的に必要になる。
【００１２】
従来技術のネジ結合部では、いったん、定められた組み立てトルクでネジ結合部を結合した後、ネジ結合部にオーバートルクをかけ、またはこれを分解するためには（トルクの方向にも関係するが）、組み立てトルクよりもわずかに高い絶対値を持ったトルクをかければ十分であるということが知られている。
【００１３】
特に、パイプ・ストリングが回転しながらずれて底の方へ下降していくときや、あるいは平坦で水平な炭化水素掘削井戸で回転するときなどにオーバートルクが発生する。そしてオーバートルクによってオネジとメネジの相対的な位置関係にオフセットが生じ、ネジ結合部からの漏れが発生するという有害な結果を招くことになる。
【００１４】
掘削井戸における偶発的なネジ部の脱落は、更に深刻な結果を招くことになる。
【００１５】
したがって、本発明は、円管のネジ結合部が摩損し易くなることなく、いったん組み立てが完了した後、その組み立て状態を越えて更に深く締める（オーバートルク状態）ため、またはそれらを分解するために、前記組み立てトルクよりも大きい絶対値のトルクが必要となる台形ネジを使用した円管のネジ結合部を作り出すことを目指したものである。
【００１６】
更に、本発明は、対応するネジの表面間、特に対応するネジのフランクの間に過度な接触圧が生じ、これに起因して摩損が生じることを防止することも目的としている。
【００１７】
特に、本発明は、上述した軸方向に干渉するネジまたはクサビネジの摩損を防止することを目的としている。例えば、ネジのロード・フランクとスタビング・フランクの両者の間に干渉接触が生じるものが特許出願ＷＯ00/14441およびＷＯ94/29627において開示されているが、干渉接触の状態にあるネジのフランク間に生じる接触圧は、オネジとメネジの実際の幾何学的形状とその組み合わせ状態によって非常に敏感に変化する。
【００１８】
このことは、ネジ部を高い精度で機械加工しなければならず、その結果高価なものとなってしまうことを意味する。本発明は、一般的な寸法公差、例えばオーダ的には0.01ｍｍであるが、で機械加工できるクサビネジ、または軸方向に干渉して適合するネジを使用した円管のネジ結合を提供することを目的とするものである。
【００１９】
本発明に係る円管のネジ結合は、第1のパイプの端部に設けたオネジ部と、第2のパイプの端部に設けたメネジ部とから成る。
【００２０】
前記オネジ部は、ネジを切ってある全長にわたって台形ネジを使用し、このオネジをパイプの外側に設けており、前記メネジ部は、前期オネジ部に適合する、すなわちこれらを組み立てる際に形状と位置が適合するメネジをパイプの内側に設けている。オネジ部およびメネジ部は、一方を他方の中に入れ、オネジ表面の少なくとも一つが対応するメネジ部の表面との間で接触圧が生じるよう定められたトルクによって組み立てられる。
【００２１】
“ネジ部”という言葉は、1または数個のネジ山部分を有するネジを切った部分を意味するものとして使用している。上で説明したケースでは、ネジを切った各部分の全長にわたって台形ネジが使用されている。
【００２２】
組み立てが完了する前に、ネジ部の内の少なくとも一つのネジ表面が接触圧を受け、そのネジ表面は、ネジ山の高さ方向幅全体にわたって連続した凸状に丸めた形状を有し、組み合わされるネジ部の対応する面と点接触する。
【００２３】
本文書で使用している“凸状に丸めた面”という用語は、軸方向断面において、曲線的であり凸状になったネジ表面を意味し、同様に“凹状に丸めた面”，および“直線状の面”という用語は、軸方向断面においてそのように見える面であることを意味する（ただし、隣接する面同士が交差する点は除く）。
【００２４】
本文書で使用している面の“幅”という用語は、軸方向断面において見える面の寸法を意味する。したがって、面の“幅”という用語は、本質的にネジ先端部あるいは谷部の軸方向寸法、そしてフランクの実質的な半径方向寸法を意味する。
【００２５】
“台形ネジ”という用語は、本発明の場合には、たとえ面のいくつかが直線でないとしても、前述した一般的な定義と一致するものである。ここで言う台形ネジにはロード・フランクとスタビング・フランクの角度が正の角度を持つ場合の他、角度が負またはゼロである台形ネジも含まれ（これには正方形ネジ、フックタイプのネジ、半ありつぎタイプのネジ、あるいはありつぎタイプのネジがある）、符号の定め方は本テキストの更に詳細に説明した実施例において示している。
【００２６】
定義したように、凸状に丸めた面は、組み合わされるネジ部の対応する面と接触する。この組み合わされるネジは、ネジ結合部の軸を通る断面において点接触するかまたは実質的に点接触するように、対応する面の曲線の半径が適切なものになっている。
【００２７】
前記した点接触によって生ずる接触圧は接触点において最大となり、この点の両側では多かれすくなかれ急速に低減する。そして、この接触圧は接触状態にある二つの面の曲面の半径の違い、および接触状態にある材料の弾性的な特性の違いに依存する。
【００２８】
定められた組み立てトルクによって組み立てられた本発明のネジ結合部を実質的に分解し、たはオーバートルクをかける際に、オネジとメネジの全ての面が直線状である従来のネジ結合に比べ、抵抗が増大するように凸状に丸めた面の曲面を選択するものである。
【００２９】
驚いたことに、組み立てトルクの絶対値より大きい絶対値のトルクをかけねばならなくなる。すなわち、いったん指定された組み立てトルクをかけた本発明のネジ結合部を分解し、またはオーバートルクをかけるために、トルクの方向にも関係するが、組み立てトルクの少なくとも平均で5%以上大きいトルクをかけなければならない。プリオリ（priori）は、反対の効果が期待されるものであるが、プリオリは摩擦力のより大きい面を有する直線状のネジ表面を備えたネジ結合部に対しては、分解しまたはオーバートルクをかける際にその特性を向上させるものである。
【００３０】
更に、特に小さいねじの幅と高さを持ち、炭化水素掘削井戸の開発のために開発された円管のネジ結合部の場合には、円管のネジ結合部のネジ表面に作用する荷重を計算にいれると、当業者はこれまで対応する面全体にわたって圧力が分布するものでない点接触にしようとは考えなかった。
【００３１】
更に、最大圧力が作用する点接触の位置において、その部分の材料を塑性化させないように、前記凸状に丸めた面の曲面を、対応する接触面の幾何学的形状に適合させている。
【００３２】
好都合にも、前記凸状に丸めた面は、隣接する面同士が交差する部分を除いてネジの幅全体にわたって1つ又は複数の曲率を有し、その半径は2から60ｍｍの範囲、好ましくは3から20ｍｍの範囲となっている。
【００３３】
前記凸状に丸めた面は、考えているネジ部の全体に、またはある部分の長さだけ形成することができるが、考えているネジ部の全長にわたって形成ことが望ましい。したがって、ネジを切った部分が複数箇所あるネジ部の場合には、各ネジを切った部分の全長にわたって凸状に丸めた面を形成することか望ましい。
【００３４】
前記凸状に丸めた面は、隣接する面と交差する交点部分を除き、考えている面の幅全体にわたって同じ曲面であることが好ましい。
【００３５】
また、前記凸状に丸めた面は、ネジ部の全長にわたって同じ曲面であることがのぞましい。
【００３６】
更に、前記凸状に丸めた面は、組み合わされる相手側ネジ部の直線状の面に対応することが望ましい。
【００３７】
前記凸状に丸めた面は、オネジまたはメネジのうちのいずれか一方のネジ部に設けることが特に望ましい。
【００３８】
本発明の好適な実施例では、ネジ結合部のオネジ部とメネジ部は互いに半径方向に干渉し合うネジを有し、テーパがつけられている。そして前記凸状に丸めた面は、ネジの先端部に設けられる。
【００３９】
本発明の更に別の好適な実施例では、前記凸状に丸めた面はオネジまたはメネジのフランク部分であって、オネジまたはメネジの内のいずれか一方に設けられている。そして、凸状に丸めたフランク、又はこれと組み合わされる対応するネジのフランク部分をフレキシブルにする手段を備えている。
【００４０】
凸状に丸めたフランクを、ロード・フランクに設けることが望ましい。
【００４１】
この第2の実施例の変形として、凸状に丸めたフランクをスタビング・フランクに設けている。
【００４２】
したがって、本文書において後で記載するように、フレキシブルなフランク部分を有するネジを組み合わせた場合のフランク部分の曲げは、組み立て中または組み立ての終了時点における接触圧によって増加する。そして、特に、この曲げによって標準サイズのものよりオネジまたはメネジの寸法の違いが大きくても、過度な接触圧を生じさせることなくネジを組み合わせることができる。
【００４３】
この第2の実施例において、凸状に丸めたフランクまたはこれに対応するフランクをフレキシブルにするための手段としては、フランクのネジ山先端部に設けた溝であることが望ましい。
【００４４】
接触圧が作用しながら接触している時に、軸方向断面において見ると、溝とフレキシブルなフランク部分との間のネジ部の曲げは、フレキシブルなフランク部分の根本に位置する回転中心周りにフランク部分を回転させている。
【００４５】
ネジ山の中に形成される溝の深さは、ネジ山の高さよりも浅いか、等しくすることが望ましい。
【００４６】
更に、ネジ山の中に形成される溝の開口部の幅は、ねじ山の幅の2/3と等しいかそれよりも小さいことが望ましい。ここでネジ山の幅とは、ネジ山の高さ中央における幅を意味する。
【００４７】
また、溝の底は、0.2ｍｍまたはこれよりも大きい半径によって丸めることが望ましい。
【００４８】
好都合なことに、ネジ山の剛性を低下させる手段として溝を使用する場合、“凸状に丸めた面の角度”と呼ぶ角度、これはネジ山の高さ中央における凸状に丸めた面の接線と、ネジ結合部の軸に対して垂直な面とによって作られる角度であり、“対応するネジ山のフランクの角度”と呼ぶ角度、これは凸状に丸めたフランクに対応するフランク部の高さ中央における接線と、ネジ結合部の軸に対して垂直な面とによって作られる角度であり、この両方の角度は異ったものとなっている。
【００４９】
組み立て終了時点または運用中の軸方向応力の作用によって、フレキシブルなフランクに曲げが生じ、上述した角度の違いによって、この曲げは凸状に丸めたフランクとこれに対応するフランクとの間の接触点を移動させることになる。そしてこの接触点の移動はこれらのフランクの面に沿うものである。
【００５０】
この接触点が移動することにより、凸状に丸めたフランクとこれに対応するフランクの同一の点に一定の応力がかかり続けることはない。そして、このことが組み立て・分解を数回行った後に、これらのネジ山のフランクに摩損が生じるリスクを低減させる。
【００５１】
この場合において非常に好都合なことに、凸状に丸めたフランクの角度とこれに対応するフランクの角度の関係は、凸状に丸めたフランクとこれに対応するフランクの間に生じる最初の接触点が、フレキシブルなフランクであって、溝を設けたネジ山の先端部側に位置するようになっている。
【００５２】
更に、非常に好都合なことには、凸状に丸めたフランクの角度とこれに対応するフランクの角度のオフセット値の±の符号は、凸状に丸めたフランクとこれに対応するフランクの間の接触点が組み立て中、フレキシブルなフランクの回転中心に向かって移動するように設定されている。
【００５３】
また、非常に好都合なことに、凸状に丸めたフランクの角度とこれに対応するフランクの角度のオフセット値は、いったんネジ結合部が完全に組み立てられてしまえば、凸状に丸めたフランクとこれに対応するフランクの間の最終的な接触点が凸状に丸めたフランクの幅の谷側1/4の下側に位置するように設定されている。
【００５４】
このように配置することによって、ネジの付け根に生じる過度な、そして有害な応力集中を防ぐことができる。
【００５５】
このような技術的な効果を得るための凸状に丸めたフランクの角度およびこれに対応するフランクの角度は、後で述べる実施例において判るように、計算または試験によって定めることができる。
【００５６】
凸状に丸めたフランクの角度およびこれに対応するフランクの角度の差の絶対値は、１°から５°の範囲にあることが望ましい。
【００５７】
本発明のネジ結合部において、オネジ部、メネジ部の各々は少なくとも一つのシーリング面を備え、組み立てが完了した状態にある円管のネジ結合部では、オネジのシーリング表面は、対応するメネジのシーリング表面と半径方向に干渉し合うことが望ましい。
【００５８】
更に、本発明のネジ結合部において、オネジ部、メネジ部の各々は少なくとも一つの管を横断する円環状の接触面を備え、組み立てが完了した状態にある円管のネジ結合部では、少なくとも一つのオネジの接触面は対応するメネジの接触面に接触することが望ましい。
【００５９】
図1は非常に長いパイプ101、101’ にネジを切り、結合した連結部200を示す。ここで、「非常に長いパイプ」とは、数ｍ、例えば約10ｍの長さを有するパイプを意味する。
【００６０】
このようなパイプは普通、炭化水素掘削用井戸のケーシング・ストリング又はチュービング・ストリングを構成するために連結され、または同じ井戸のドリルパイプ・ストリングを構成するために連結される。
【００６１】
このパイプは、使用される環境条件に適合させるために非合金、低合金または高合金鋼から成形され、あるいは鉄系合金に限らず非鉄系合金からさえも成形される。そして、このような環境条件としては、機械的な応力の大きさ、およびパイプの内側および外側に存在する流体の腐食特性などが関係する。例えば、鉄と腐食性流体との接触を防止する合成材料をコーティングした低耐腐食性のスチール・パイプを使用することも可能である。
【００６２】
パイプ101と101’の端部には同一のオネジ部分1と1’が切られ、これらは、両端にメネジ部分2と2’が切られたカップリング202を介して連結される。
【００６３】
数センチメートルの長さの突起部10によって結合された2つの対称なネジ結合部100と100’を構成するメネジ部分2と2’を一体とし、これにオネジ部分を組み込むことによってオネジ部分1と1’は各々結合される。
【００６４】
カップリングの突起部の内径は、パイプ内を流れる流体の流れを乱さないようにするために、パイプ101と101’の内径と実質上同じにしてある。
【００６５】
ネジ結合部100と100’は対称になっているので、これらの結合部の片側だけについて説明することにする。
【００６６】
オネジ部分1は、仕様書API 5Bに規定されているように、「バットレス」型ネジから派生した台形ネジであるオネジ3から構成される。
【００６７】
このオネジ3は、テーパをつけてオネジ要素の外側に配置され、ネジを切っていない縁11を設けることによって前記オネジ要素の自由端7から離されている。自由端7は、実質上はパイプを横断する円環状の接合面となる。
【００６８】
自由端7に続くネジを切っていない縁11の外側表面はテーパのついたベアリング表面5であり、そのテーパはオネジ3のテーパよりも大きい。
【００６９】
メネジ部分2は、オネジ部分1と組み合わせることができるように構成されている。すなわち、それらは対応した形状を持ち、ネジ部の配置によってオネジと共に機能するようになっている。
【００７０】
従って、メネジ部分2は内側のテーパのついたメネジ4と、ネジ部と突起部10の間のネジの切られていない部分から構成されている。
【００７１】
このネジの切られていない部分は、特に、突起端部の肩の部分を形成し実質上はパイプを横断する円環状の面8と、肩の部分に続いてテーパのついたベアリング表面6から構成される。
【００７２】
メネジ内にオネジを完全に組み込んだ後、ベアリング表面5と6が放射状に干渉し合って金属―金属間の接触圧が作用する間は、パイプを横断する円環状の面7と8は、互いに荷重を支え合う。従って、ベアリング表面5と6は、内外に流体圧力が作用し、種々の応力(軸引張、軸圧縮、曲げ、捩り等)が作用する場合であっても、ネジ結合をタイトにするシーリング表面を構成する。
【００７３】
タイトさを生じさせるため、またはタイトさを強化するためにフロロポリマーのよう合成材料製のシーリング・リングをネジ部に組み込むことも可能である。
【００７４】
2本の非常に長いパイプのネジ結合に関して、更に別の例が図2に示されている。1箇所のネジ結合のみを使った結合部300のようなタイプのものを、一体型と呼んでいる。
【００７５】
パイプ301の一方の端部には、オネジ部分1が設けられており、第2のパイプであるパイプ302の対応する端部には、メネジ部分2が設けられている。
【００７６】
図2に示すネジ結合部では、オネジ部分1は2つの直線状ステップ303,  303’の外側にネジを切った部分から成る。これらは台形ネジを有し、接合面を形成する中央肩部のパイプを横断する円環状の面307によって分離されている。径の小さい303’側のステップは、当該要素の自由端309’側に配置されており、当該自由端はパイプを横断する円環状の接合面となっている。
【００７７】
ネジを切った部分303’と自由端309’との間には外径側にテーパのついたベアリング面311’が設けられている。
【００７８】
当該オネジ部分の反対側には、ネジを切った部分303に続いてテーパのついたベアリング面311と肩部を形成するパイプを横断する円環状の面309が設けられている。
【００７９】
メネジ部分2の内側には、オネジに組み合わすことができるメネジが設けられている。
【００８０】
従って、メネジ部分2は2つの直線状ステップ304,  304’のネジを切った部分から成る。これらは接合面を形成する中央肩部のパイプを横断する円環状の面308によって分離されている。径の大きい304側のステップは、当該メネジ要素のパイプを横断する円環状の自由端310の近くに配置されている。
【００８１】
更に、メネジ部分2はオネジのベアリング面311,311’に対応する2つのテーパのついたベアリング面312,312’と、ネジ部の自由端310の反対側の端部には肩部を形成するパイプを横断する円環状の面310’を備えている。
【００８２】
オネジ部分303,303’はメネジ部分304,304’の中にそれぞれが組み込まれ、そして組み立て後の状態では、中央肩部307,308の接合面は互いに荷重を支え合う。パイプを横断する端面309,309’は肩部の面310,310’の各々にほぼ接触しており、中央部の主となる接合面307,308に対する補助的な接合面を構成する。
【００８３】
オネジ側ベアリング表面311,311’はメネジ側ベアリング表面312,312’とそれぞれ半径方向に干渉し合い、金属―金属間の高い接触圧が生じることによって内部または外部の流体に対して、結合部のシールを確実なものにする。
【００８４】
図示していない他の実施例では、ネジを切って組み合わせた接合部は連続した直線状のネジとすることができ、そして一体化したネジ結合部はテーパのついたネジ部としても良い。
【００８５】
ネジ部は、同じテーパまたは異なったテーパをつけた2つのネジ部、あるいは連続した直線状のテーパをつけたものにすることもできる。すなわち、ネジを切った部分をステップ状にしても良いし、ステップ状にしなくとも良い。
【００８６】
図1および図2には、ネジ山の先端部と谷部が幾何学的な要素または輪郭によって図式的に描かれている。
【００８７】
以下に説明する図は、本発明のいくつかの実施例に関連し、ネジ結合部のネジ部分についての説明を容易にするものである。
【００８８】
図3は、図1に示すネジ結合部100のテーパーのついたネジ部に関係するものであって、半径方向に干渉し合う台形ネジを有し、角を丸めた凸状のねじ山を有する。
【００８９】
図3Bは、ネジ結合部の軸方向断面において従来の台形状ネジ山を有するものであって、ロード・フランク23、スタビング・フランク25、ネジ山先端部29、およびネジ山谷部27から成るネジ結合部のオネジ部分21を示したものである。歯高さはh1であり、歯の高さの中央における幅は2.5mmである(1インチ当たり5山である)。
【００９０】
ネジ山先端部およびねじ山谷部は、幾何学的要素37によってシンボライズされた”基本的な”円錐面とネジ結合部の軸方向との間で半頂角γによって定義される同じテーパ角を持ったテーパ面上に置かれている。
【００９１】
ネジ山先端部29とねじ山谷部27は、各フランク部との交差部近傍を除いては直線状である。即ち、ねじ山谷部での応力集中を避け角部の欠けを防止するために、一般的な方法であるが、これらの角部には概略1mm程度の半径の円弧を設ける。そしてネジ山先端部29とねじ山谷部27は半頂角γを持ったテーパ面上に置かれる。
【００９２】
ロード・フランク23とスタビング・フランク25もまた、ネジ結合部の軸に対して垂直な面とそれぞれα、βの角度をなす直線状の面である。
【００９３】
ここで示すケースでは、角度βは正であってαより大きく傾いている一方、αはわずかに負となっている(ロード・フランク23はねじ山谷部27に対してわずかにオーバーハングしている)。
【００９４】
台形ネジ21のねじ山先端部29がねじ山根元部より狭い幅となるように、両フランクは角度δをなすようになっている。
【００９５】
メネジを図3Aに示す。
【００９６】
これは、本質的には台形の形状をしており、オネジ21に組み込むことができるように適合させたものである。その高さh2は、オネジ21の高さh1よりもわずかに高くなっており、歯の高さの中央部における幅は2.5mmである(1インチ当たり5山である)。
【００９７】
メネジの先端部128およびメネジの谷部30はオネジと同一の半頂角γを有するテーパ面に平行なテーパ面上に配置されている。
【００９８】
メネジの谷部30は、フランク部との交差部近傍の部分を除いては直線であり、オネジの場合と同様、角部には円弧を設けている。
【００９９】
メネジの先端部128は、連続的であって、角を丸めることによって全長にわたって凸状にしている。すなわち先端部の幅全体にわたって不連続な部分はない。
【０１００】
メネジの先端部128の半径R3は5mmとしている(オネジのネジ山付け根の角部半径に適合するように、メネジ先端部とフランク部が交差する角部は小さい円弧で丸められており、この部分は除く)。
【０１０１】
ロード・フランク2４とスタビング・フランク2６が、ネジ結合部の軸に垂直な面となす角は、対応するオネジのフランク23と25の場合と同様に、それぞれαとβを成す。
【０１０２】
オネジ３がメネジ４の中へ組み込まれるとき、オネジのネジ山先端部29とメネジのネジ山谷部30はいずれも直線であって、両者の間にクリアランスが存在するために、凸状に丸めたメネジ先端部128とオネジ谷部27との間にある瞬間、幾何学的に（h2＞h1）定まる接触が生じる（図３Ｃ参照）。
【０１０３】
ネジ結合部がいったん組み立てられると、互いに荷重を支持し合う接触面７と８（図１参照）の存在を考慮すれば、オネジおよびメネジ部分には軸方向引張が作用し、このことはロード・フランク23と24の間に接触圧が生ずることを意味する。一方、メネジおよびオネジのスタビング・フランク25と26の間にはクリアランスが生じる。
【０１０４】
凸状に丸めたメネジ先端部128とオネジの谷部27の間の干渉による接触は、Ｏ点において生じ、これは本質的には角を丸めた先端部128と直線状谷部27の中央に位置する。
【０１０５】
凸状に丸めたメネジ先端部128の曲線によって、本発明のネジ結合部を分解すること、あるいはオーバートルクをかけることに対する抵抗力を増すことができる。
【０１０６】
図7Aは、直線形状をしたメネジの先端部28と、同じく直線形状をしたオネジ谷部27との間でネジ結合した従来技術の場合の接触圧の分布状態を図式的に示したものである。
【０１０７】
矢印Pcは、各接触点に分布する局所的な接触圧の大きさを示したものである。接触圧Pcの値は、接触部分の端部であるR,S,T,Uにおいてより高くなっていることが判る。
【０１０８】
このようになることによって、ネジ部を潤滑し、摩損を防止するために使用されるグリースが接触部分の内側に溜まることになる。
【０１０９】
いったん、与えられたトルクTfで組み立てが完了した後、従来技術のネジ結合の場合、接触部分内に溜まる潤滑剤を考慮に入れ再度組み立てるときには、Tfよりわずかに高い値のトルクTsを使う。この結果、オネジおよびメネジの相対的な変位が生じ、シーリング手段の位置関係が不適切になる。
【０１１０】
斜めの掘削井戸あるいは水平の掘削井戸以外の掘削井戸に関する最新の技術では、パイプを回転させる必要があり、掘削井戸を下降中にネジ結合部を結合することが必要になる。したがって、ネジ結合部が高いトルクにさらされることになる。運用中に、そのような回転によってリークが生じないようにすることが必須となる。
【０１１１】
同様に、ネジ結合部を分解するために、Tfの反対の方向のトルクTbを用いなければならないが、このトルクは従来技術のネジ結合の場合には、組み立てトルクTfと同じ絶対値を有する。
【０１１２】
図7Bは、わずかな曲線を有するメネジの先端部128は、中央部の接触圧のへこみを無くすることができ、その結果、中央部に接触圧ピークができ、メネジの先端部128と干渉するオネジの谷部27の間に潤滑剤の溜まりが生じるのを防止することができる。
【０１１３】
従って、ネジ結合部にオーバートルクをかけるため、または分解するために絶対値として実質的にTfより高いトルクTが使用される。
【０１１４】
VAM TOP（登録商標）タイプのネジ結合部について組み立て、分解試験を行った。(VAM（登録商標）のカタログｎ０ 940，1994年6月  Vallourec Oil &Gas より)、そしてこれは、図３に従って修正されたものであり、以下の特性を有する。
【０１１５】
・グレードＬ８０  ＡＰＩとして処理した低合金鋼パイプ（降伏強度552 Mpa又は
それ以上）;
・外側パイプ直径：177.8mm (7”);
・パイプ板厚：10.36ｍｍ（29 lb/ft）;
・１インチ当たり５ネジ山;
・ネジテーパ＝6.25% (γ＝1.79°)．
組み立てトルクTfに対する分解トルクTbの値を、4つの異なったネジ結合部について、異なったレベルの組み立てトルクに対して計測した。
【０１１６】
11回の組み立て・分解試験を行ったところ、TfとTbの絶対値の相対的な差は、3%から14%の間で変化し、その平均は7.5%であった。
【０１１７】
曲面の半径R3を小さくしすぎると中央の接触圧のピークが鋭くなりすぎ、結果として、ネジ結合を数回行った後にネジの材料の塑性化、および/または摩損が生じている。更に、それによってロード・フランク23と24の幅が減少し、最大許容軸引張荷重が低下することになる。曲面の半径R3としては2mmまたはそれ以上が適切である。
【０１１８】
曲面の半径R3大きくしすぎると予期した効果がもはや得られず、従って、潤滑剤が溜まってしまうというリスクを伴うことになる。曲面の半径R3としては60mmまたはそれ以下、好ましくは20mmが適切である。
【０１１９】
本発明に関するネジ結合部を分解し、またはオーバートルクをかける際に抵抗が大きいという有利な特性は、ロード・フランクの中央でグリース溜まりができないように、オネジ、又はメネジのロード・フランクにわずかに凸状の丸みをつけることによっても改善することができる。
【０１２０】
図4は、図1のネジ結合部100が軸方向に干渉し合う台形ネジを有し、テーパのついたネジである場合のネジ部を示したものである。
【０１２１】
“軸方向に干渉し合う台形ネジ”の用語は、WO 00/14441に述べられているネジを意味するものであり、ここでは、ネジ山高さの中央部における幅が、組み合わされるネジの相手側空間の幅よりも大きいものである。そしてこのことは一方のネジ山の2つのフランクが、組み合わされる相手側ネジのフランクによって軸方向に干渉しつつフィットすることになり、相手側のネジ部もまた同様である。
【０１２２】
図4Bは、実質的に台形の形状を有するオネジ21を、ネジ結合部の軸方向断面において示したものである。そして、これはロード・フランク23、スタビング・フランク125、ネジ先端部29、およびネジ谷部27からなる。
【０１２３】
ネジ先端部とネジ谷部は直線状であり(ネジの谷部での応力集中と、エッジの欠けを避けるため概略1mm程度の半径を設けたフランク部と交差する角の部分は除く)、幾何学上の要素37によってシンボライズされた”基本的な”円錐面とネジ結合部の軸方向との間の半頂角γによって定義されるテーパ角と同じ角度を持ったテーパ面上に置かれている。
【０１２４】
ネジ山には全長にわたってヘリカル状の溝31が設けられており、その溝の輪郭はネジ結合部の軸方向に対して基本的に垂直な軸をもっており、ネジ山の先端部からネジ山幅が中央値をとる位置あたりまで開口している。
【０１２５】
溝31は、丸みを帯びた底部を持つV型の輪郭を有する。そして、V型に分かれた両側部分の間の角度は概略35°であり、溝31の底の部分の半径は0.4mmである。
【０１２６】
溝31の開口部の幅は、ネジ先端部29の幅の概略35%であり、その深さはネジの高さの概略60%である。
【０１２７】
ロード・フランク23は直線であり(ただし、上述したようにネジ先端部とネジの谷部とが交差する角部を除く)そしてネジの谷部にたいしてわずかにオーバーハングしている。ロード・フランクの角度αはネジ結合部の軸方向に垂直な面に対し、わずかに負になっており、その値は−3°である。
【０１２８】
ネジ先端部29に隣接するスタビング・フランク125はその幅MP全体にわたって凸状に丸められている。ネジ先端部およびネジの谷部とスタビング・フランクが交差する角部、これは概略1mm程度の小さい半径であるが、を除き曲面の半径R1は数mmと一定である。
【０１２９】
ネジ山の高さの中央位置において引いたスタビング・フランクの接線39は、ネジ結合部の軸方向に垂直な面と角度Aを成す。
【０１３０】
ネジ山の高さの中央位置におけるネジ山の幅はl1であり、l3はネジ山の高さの中央位置におけるネジ山の間の空間を表す。従って、その和(l1+l3)はネジ山のピッチに等しい。
【０１３１】
図4Aは、オネジ21の台形ネジに組み合わすことができる形状を持った、メネジの台形ネジ22を示す。
【０１３２】
メネジ22は、4つの直線状の面を有する(ただし、ネジ山の先端部と谷部と交差する角部は除く。即ち、ネジの谷部での応力集中とネジの角部の欠けを防止するために、角の部分は一般に行われるように、概略１ｍｍ程度の半径の丸みを持たせている)  即ち：
・ロード・フランク2４はネジ谷部30に対してオーバーハングしており、ネジ結合部の軸方向に垂直な面に対して角度αだけ傾いている。そしてこの角度αはオネジのロード・フランクの角度と同一である。
【０１３３】
・スタビング・フランク26は、ネジ結合部の軸方向に垂直な面に対して角度Ｂだけ傾いている。そしてこの角度Ｂは、図４Ｂに示す角度Ａよりわずかに大きい。
【０１３４】
・ネジ先端部28は、オネジのテーパ面の半頂角γと同一の半頂角γを持ったテーパ面上に配置されている。
【０１３５】
・ネジ谷部30もまた、半頂角γを持ったテーパ面上に配置されている。
【０１３６】
角度αと角度Ｂは異なった値を持ち、その差δは、ネジ22がネジ山の付け根部よりもネジ山の先端部28の方がより狭くなるような値となっている。
【０１３７】
l2は、ネジ山高さの中央位置におけるメネジの幅を表し、l4はネジ山の高さの中央位置におけるネジ山の間の空間を表す。従って、その和(l2+l4)はネジ山のピッチを表し、その値はオネジのピッチと同一である。
【０１３８】
図4に示すネジ結合の形態においては、l1はl4より大きく、l2はl3より大きい。その結果、組み立て中、ネジのテーパによってある瞬間オネジの2つのフランク23と125はメネジの2つのフランク24と26に接触するようになる。ネジ21と22の組み立てを更に続けると、軸方向の干渉が生じるようになる。ここで、このようなネジのタイプを”軸方向干渉ネジ”と呼ぶことにする。
【０１３９】
図4Cは、組み立て中に最初に接触した状態におけるオネジ21とメネジ22の位置関係を示したものである。
【０１４０】
角度αを有する直線状のロード・フランク23,24は接触しており、その接触は同じ幅の広がりを持ったものである。
【０１４１】
ネジ先端部29,28はまだ、対応するネジ谷部30,27から離れて空間を有している。
【０１４２】
スタビング・フランク125,26は、O点において接触しており、このO点はオネジのスタビング・フランク125上のP点よりもM点に近い円弧MP上に位置している。そしてメネジのスタビング・フランク26上においては、このO点はN点よりもQ点に近い。従って、溝31のあるオネジ先端部側において接触が生じる。
【０１４３】
接触点がM点側にオフセットするということは、ネジ山高さの中央位置における凸状に丸めたフランク125の接線39の角度Aが、直線状のメネジ側スタビング・フランク26の角度Bよりも小さいことの結果である。Ｏ点は、凸状に丸めたフランク125にネジ結合部の軸方向に垂直な面と角度Ｂを持った接線を引いて得られる接点と一致する。
【０１４４】
図4Cに示す位置を越えて更に組み立てを続けると、テーパのついたネジであるため、オネジはメネジの間の中空部分へ割り込んでいこうとし、逆に、メネジはオネジの中空部分に割り込んで行こうとする。その結果、対応するフランクが干渉しあうことによる接触圧が生じる。ネジが台形であることとネジ部がテーパを持っていることから、組み立てが継続されるとこの接触圧は増加していく。
【０１４５】
溝のない従来技術のオネジ台形ネジとメネジ台形ネジを使用した場合には、ネジ部は弾性率の高い鉄系材料から作られているため、二つのフランクは直ぐに非常に剛な接触を形成し、もはやそれ以上組み付けることができなくなる。
【０１４６】
このことは、ネジの幾何学形状が完全な再現性をもって生産可能であれば深刻な欠点にはならず、問題にはならない。
【０１４７】
オネジ及びメネジの幅方向の一般的な機械加工公差±0.01は0.02mmの軸方向のリードの差を生じさせ、(l1-l4)又は(l2-l3)に等しい軸方向の干渉または締まりをひき起こす。
【０１４８】
ネジ部にはテーパがあるため、この寸法差はオネジ部分とメネジ部分の位置あわせにおいて許容できない寸法差となる。特にシーリング表面5,6の半径方向干渉を生じさせる寸法差を生じさせることになり、その結果、運用中にリークを起こすという許容することができないリスクが生じる。
【０１４９】
ネジ山が最初に接触してから更に組み込んでいくことによって干渉が生じ、この干渉による接触圧によって曲げが作用するが、凸状に丸めたスタビング・フランク125に隣接するネジ先端部29の中に開口する溝31は、オネジ21の2つの部分33,35を変形し易くする。従って、溝31はオネジ41の構造をよりフレキシブルにし、スタビング・フランク125の剛性を下げる。
【０１５０】
オネジの2つの部分33,35の変形は、接触圧に比例し、オネジの材料は塑性域において機能することになる。中実のメネジ22は一次近似として剛体として考えられ、そして溝31とフレキシブルなフランクとの間のネジ部分35のバネの剛性は、このネジ部分35の幾何学的形状とそれに使われている材料、例えば鉄鋼であるが、によって決まる。
【０１５１】
オネジの凸状に丸めたフランク125の曲面は、溝が最適に機能するようになっている。このような曲面がない場合には、すなわち、もしフランクがBに等しい角度を持った直線状の面であったなら、オネジのネジ部分33と35は平行移動により接近することになる。そのことは、溝の底における半径R2を本質的に減少させることになり、ネジ部分33,35の根元のせん断破壊のリスクを生むことになる。
【０１５２】
これとは対照的に、オネジのスタビング・フランク125の輪郭は、凸状に丸めたフランク125がゆっくりと回転できるようにし、その結果組み立て途中における柔軟性を増す。そして、接触圧の分布はヘルツの理論に従うことになる。
【０１５３】
フレキシブルなスタビング・フランク125の回転の中心は、本質的にはP点にあり、それはフレキシブルなスタビング・フランク125の根元に当たる点である。
【０１５４】
図４Ｄは、組み付けが完了した時点でのネジの位置を示す。
【０１５５】
溝31とフレキシブルなスタビング・フランク125の間のネジの部分35は、オネジとメネジのフランク間の大きさに適合するためにある角度だけ傾く。
【０１５６】
初期の接触点Ｏは、円弧ＭＰに沿ってＰ点の方向に移動し、Ｏ’点へ来る。
【０１５７】
組み付け中スタビング・フランクの同じ点が接触し続けるものではなく、摩損のリスクを限定的なものにするので、この接触点の移動ＯＯ’は有益なものである。
【０１５８】
初期の接触点Ｏを、円弧ＭＰの中央を超えたＰとは反対側に、可能であればＰ点とは反対側の先端の点であるＭ点に置く事により有利になるものと考えられる。即ち、溝が配置されているネジ先端部にＯ点を置くことである。
【０１５９】
凸状に丸めたフランク125の曲面の半径Ｒ1は、与えられた角度Ａ，Ｂに対して移動量ＯＯ’を規定することになる。
【０１６０】
図8から図10に示すグラフは、ＶＡＭ ＴＯＰ（登録商標）タイプのネジ結合部 (VAM（登録商標）のカタログｎ０  940，1994年6月  Vallourec Oil &Gas より) を、図４および以下に示す特性を有するよう改造したものについての研究結果から得られたものである。
【０１６１】
・グレードL80 APIで処理された低合金鋼パイプ(降伏強度552Mpa以上);
・パイプ外径: 177.8mm(7”);
・パイプ板厚: 10.36mm(29lb/ft);
・6mmピッチで、テーパ=6.25%(γ=1.79°);
・ネジ山高さ1.8mm; ネジ幅3.5mm;
・α=−3°; B(メネジのスタビング・フランクの角度)=13 ; δ=10°;
・A(オネジのスタビング・フランクの高さ中央部での角度)=9〜14°
・オネジの凸状に丸めたスタビング・フランクの半径R1は5〜20mmの範囲で変化する;
・グリップ(あるいは軸方向干渉量)FAは0〜0.14mmの範囲で変化する(狙いは0.04mm);
・溝深さ: 1mm; 溝開口部の幅=1.4mm;
・溝底の半径R2=0.4mm;
・溝底の中心位置は、ロード・フランクから2.3mmの位置
図8に示すグラフは、図4に示すフレキシブルなフランク125の円弧MPに沿った接触点Oの移動量DCを、角度Aが9〜14°の範囲にある場合に、スタビング・フランクのグリップＦＡの関数として表したものである。
【０１６２】
図８は、角度Ａが大きければ、フランク１２５は変形（ＤＣ）し易くなることを示している。
【０１６３】
角度Ａが角度Ｂよりも小さいとき、初期接触点Ｏは円弧ＭＰの幅の半分より外側、即ち回転中心Ｐの反対側半分の円弧上にあることがわかる。
【０１６４】
Ｏ点がＭ点を越えて円弧ＭＰの外にはみ出してしまう危険があるので、角度Ａは、９°以下にはできない。
【０１６５】
オネジおよびメネジが弱く噛み合っている場合には最終的な接触点Ｏ’はＰ点を越えてしまうので、１２°を越える角度Ａの値もまた望ましくない。
【０１６６】
更に、２つの直線状フランクの間で接触する場合のようにネジ山の付け根に応力集中を起こさせることになるので、接触点Ｏ’をＰ点に近付けることが最適になるとは思われない。
【０１６７】
本ケースにおいては、角度Ａは10°という値が特に適切であると考えられ、最悪の応力ピークを生じさせる最終接触点Ｏ’の位置はネジ山フランクの幅の中央を越えたＰ点側にある。
【０１６８】
図９は、同じネジ結合部について、フレキシブルなフランク125の回転角ＲＥＦがグリップＦＡの関数としてどのように変化するかを示したものである。
【０１６９】
ここで、フランク125の回転は、角度Ａが増加するに従って大きくなる。
【０１７０】
グリップに対する回転の大きさを制限するようにするために、角度Ａとして比較的小さい値（１０°）を選ぶことが重要である。
【０１７１】
このようにすることにより、接触圧は実際に得られる範囲のグリップに対して、あまり変化しない。
【０１７２】
図10に示すグラフは、同じタイプのネジ結合部について、ネジ山のフランク125の曲面の半径Ｒ１を変えた場合に、接触点の移動量ＤＣとグリップＦＡの関係について示したものであり、角度Ａは１０°（一定）としている。
【０１７３】
曲面の半径Ｒ１が２０ｍｍのとき、初期接触点はＭ点となる。そしてグリップが増加するに従って接触点は円弧ＭＰに沿って急速に移動する。
【０１７４】
曲面の半径Ｒ１が小さいとき、接触点ＯはもっとＰ点側に移動し、グリップの変化に対して緩やかに移動していく。
【０１７５】
もし初期接触点Ｏを円弧ＭＰの幅中央を越えてＰ点の反対側に留めておくことを望むなら、半径Ｒを５ｍｍよりも更に小さくすることは良くない。
【０１７６】
従って、凸状に丸めたスタビング・フランク125の曲面の半径Ｒ１として３から３０ｍｍを選択すれば都合が良い。
【０１７７】
図3に示す凸状に丸めたネジ先端部を有するネジ結合の場合と同様に、分解中やオーバートルクをかけているときにネジ結合部の強度が増加する効果が、図４に示すネジの場合にも得られる。しかし、この強度の増加は、図3に示すネジの場合よりも図4のような凸状に丸めたスタビング・フランクと軸方向に干渉し合うネジの方がより大きい。ただし、この強度の増加のメカニズムは図7に示すものと同一である。
【０１７８】
図8から10までのデータをとるための試験に使用したものと同様であって、図4に示すものとは別の特有の幾何学的特徴をもった2つのネジ結合部を使って組み立て・分解試験実施した結果、大きな強度上の改善が確認された。即ち、メネジ部が凸状に丸めたスタビング・フランクを有し、メネジねじ山の先端部に溝が設けられているメネジを使用する一方、直線状の面を持った従来のオネジを使用したものである。
【０１７９】
凸状に丸めたメネジのスタビング・フランクの接線とネジ結合部の軸方向に垂直な面との間でなす角度が11°で、凸状に丸めたメネジのスタビング・フランクの半径Ｒ１が10ｍｍで、そしてグリップが0.02ｍｍのとき、分解に必要なトルクＴｂは、一つのネジ結合部では組み立てトルクＴｆの130%で、もう一つのネジ結合部では組み立てトルクＴｆの123％であった。
【０１８０】
図5は図4の変形である。図5では、オネジ21は、フランクの幅中央部において角度Ａを有する凸状に丸めたスタビング・フランク125を備えているが、溝は有していない。
【０１８１】
しかし、溝32はメネジ22に設けられており、組み立て中の干渉による接触状態において、凸状に丸めたオネジのスタビング・フランク125に対応して、直線状のメネジ側スタビング・フランクを曲げるようにしている。
【０１８２】
図5に示す形態においては、角度Ａは角度Ｂよりも大きい。図5C及び5Dから分かるように、このような形態の場合、初期接触点であるＯ点はフレキシブルなスタビング・フランク26の幅中央を越えて、溝32が配置されたメネジ先端部の側に位置するようになる。更にこの形態では、接触点の移動ＯＯ’は回転中心Ｑ点に向かうことになる。
【０１８３】
更に、図5に示すネジ結合部の機能は図4で述べたものと同様である。
【０１８４】
図6は、図2に示すネジ結合300に対する応用例を示したものであり、台形ネジであってストレートのネジ部を有する凸状に丸めたスタビング・フランクと、溝とを有する。そしてこれらはクサビネジまたは、変化するネジ幅を有するネジとして知られている。これらは特に、特許US Re 30647によってクサビネジとして知られている。
【０１８５】
図6Ｂのオネジ303’は、変化するネジ幅を有する“ありつぎ”タイプの台形ネジから成る。
【０１８６】
オネジ台形ネジは、
・ネジ結合部の軸に平行な直線状のネジ先端部329を有し、
・ネジの谷部327もネジ結合部の軸に平行で直線状となっており、
・ネジ谷部327に対してオーバーハングしている直線状スタビング・フランク325を有し、（即ち、スタビング・フランクとネジ結合部軸方向に垂直な面が成す角度βが負である）
・半径Ｒ１を有する、凸状に丸めたロード・フランク323を有する（ネジ先端部とネジ谷部との公差する点の近傍は除く）
フランク323は、その高さ中央位置における接線とネジ結合部の軸方向と垂直な面との間に角度Ａを成す。
【０１８７】
角度βと角度Ａは、ネジ付け根よりネジ先端部329における幅の方が広くなるようになっている（これを“ありつぎ”ネジという）。
【０１８８】
これらのネジは一定のピッチと、ネジ山の幅がネジ部の自由端面から離れるに従って増加する（その結果、ネジ山間の空間は減少する）ように変化するネジ幅を有する。従って、図6Bにおける幅ｌ3.1はｌ3.2よりも大きい。
【０１８９】
これに対応するメネジ304’が図6Ａに示されている。
【０１９０】
メネジ322は、ネジ幅が変化する“ありつぎ”タイプのネジとして知られており、オネジ321に適合する。
【０１９１】
ネジ先端部328とネジ谷部330は直線であり、ネジ結合部の軸に対して平行になっている。
【０１９２】
ロード・フランク324とスタビング・フランク326は共に直線である。両者共ネジ谷部330に対してオーバーハングしており、ネジ結合部の軸方向に対する角度βと角度Ｂの各々は負である。
【０１９３】
ネジ山の高さ中央位置におけるネジ山の幅ｌ2はネジ部の自由端面に向かって徐々に小さくなり、図6Ａにおけるｌ2.1はｌ2.2よりも大きい。
【０１９４】
更に、メネジ322は、中心軸が実質的にネジ結合部の軸方向に垂直な方向を向き、ネジ先端部328に開口したヘリカル状の溝332を、その全長にわたって備えている。
【０１９５】
このネジはＶ字状の輪郭を有し、その底は0.4ｍｍの半径Ｒ２によって丸められている。
【０１９６】
ネジ部303’，304’の一方を他方に組み込むとき、初期においては、幅の狭いネジ山が幅の広い空間に対応するが、図6Ｃに示すように、組み立て中のある瞬間においてこのクリアランスはゼロになるまで低減する。オネジおよびメネジのロード・フランク323,324はＯ点において点接触しており、オネジとメネジのスタビング・フランク325、326は分散接触している。
【０１９７】
図5に示すように、点Ｏはネジ先端部の溝332が設けられている側のセグメントＮＱ上に位置している。
【０１９８】
前にも述べたように、これは角度Ａは角度Ｂよりもその絶対値が小さいという事実から生じるものである。
【０１９９】
もし、ネジ山のフランク間で単純に接触している状態を越えて、更に組み立てが行われれば徐々に幅の広いネジが、より幅の狭い空間に入り込んでくる。それから、ネジ山のフランク間に漸増的な軸方向干渉によるクサビ効果が生じる。ここでは、“クサビ”という名前をこのタイプのネジに付けている。図4および5で示したように、もしネジのフランクが弾性的に変形できるなら更に深く組み立てを続けることができる。
【０２００】
溝332の機能は、凸状に丸めた形状を有するロード・フランク323によってより効果的になり、ネジ山のフランクの弾性変形をし易くすることである。
【０２０１】
溝332と凸状に丸めたフランク323の機能は、図4および5の溝31,32と凸状に丸めたフランク125と同様であり、フレキシブルなフランク324は図5と同様直線状である。
【０２０２】
図7に関して述べたのと同一のメカニズムによって、ネジ部を分解しまたはオーバートルクをかけることに対する抵抗を高めるために、オネジのロード・フランクの曲面の半径Ｒ１を選択するのが便利である。
【０２０３】
図4から6に示したネジ結合部は、テーパのついたネジ部を有するクサビネジタイプであって、ＷＯ 94/29627で開示されている、ねじ幅の変化するタイプのものにも適用することができる。
【０２０４】
上で示した手がかりに基づいてこのような応用を行うことは、当業者であれば容易にできる。
【０２０５】
本発明の範囲は、この他のネジによる円管の結合をも含むものである。
【０２０６】
したがって、本発明の範囲には、図4に示すような軸方向の干渉を有し、オネジまたはメネジの先端部が半径方向に干渉し、そして組み立ての最後の段階においてネジの谷部が適合するような円管のネジ結合も含まれる。
【０２０７】
更に、本発明の範囲には、テーパのついたネジ部が干渉する円管のネジ結合を含む。ここで、オネジのロード・フランクまたはメネジのロード・フランクは凸状に丸められており、そして運用中の引張、圧縮、又は曲げ応力などの変化する応力に起因する、ロード・フランク間の接触状態の変化に順応するため、オネジまたはメネジにはネジ部先端に開口した溝を有する。
【０２０８】
このような接触状態の変化は現実には敏感なものであり、直線状のロード・フランクを有する剛なネジ（溝のないもの）では、疲労によるクラック（ピッチング）を前述したロード・フランクに生じさせることになる。
【０２０９】
本発明の別の実施例は、あるものは記載されあるものは記載してないが、一体型ネジ結合およびカップルによるネジ結合のいずれにも適用できるものである。
【０２１０】
図11のような円管のネジ結合を作ることも可能である。これは、メネジではネジ山の面が直線である台形メネジ（図11Ａ）であるのに反して、これに対応するオネジ（図11Ｂ）は、図6Ｂのような一般的な台形形状を有するが、凸状に丸めたロード・フランク123を有するものである。
【０２１１】
オネジの高さｈ1は、メネジの高さｈ2よりわずかに小さく、そしてオネジまたはメネジの幅は図3Ａ、3Ｂと同様に、対応するネジ山間のクリアランスの幅よりわずかに小さい。そして、組み立てた後、（図11Ｃ）オネジの先端部29とメネジの谷部30の間には、半径方向のクリアランスが存在するにもかかわらず、メネジの先端部28はオネジの谷部27と半径方向に干渉する。
【０２１２】
更に、オネジのスタビング・フランク25とメネジのスタビング・フランク26の間には軸方向クリアランスが存在しているにもかかわらず、オネジのロード・フランク123とメネジのロード・フランク24は、ベアリング接触している。
【０２１３】
オネジ21が図4と同様な溝31を有しているにも係らず、メネジ22のフランクは、剛である。そしてこのことによって、運用中の接触圧のバリエーションに順応できるようになっている。
【０２１４】
オネジのロード・フランク123の曲面は、オーバートルクをかけた時または分解の時の強度に影響を及ぼす他、接触部の幅とロード・フランク123と24の間の接触位置をコントロールするのに非常に便利である。そしてこのことは、凸状に丸めた面がスタビング・フランクであった時に説明したことでもある（図4および5参照）。
【０２１５】
同様な効果が、凸状に丸めたメネジのロード・フランクと、直線状のオネジのロード・フランクによっても得られる。
【０２１６】
また、テーパのついたネジ部であって、“丈夫なネジ（rugged threads）”と呼ばれるネジを持ったネジ結合部についても同様な効果が得られる。これはＥＰ454147又はＪＰ08-281061の文献に記載されているものの一つであって、オネジおよびメネジのスタビング・フランクは、組み立ての最後の段階で接触するものである一方、オネジおよびメネジのロード・フランクがベアリング接触している。そして少なくとも1つのネジの組み合わせが、ロード・フランクまたはスタビング・フランクの組み合わせ、あるいは凸状に丸めたロード・フランクとスタビング・フランクの組み合わせからなるネジである。
【０２１７】
以下の図は、本発明に係る円管のネジ結合部の異なったタイプの実施例とその使用状況を、限定的でなく図式的に表したものである。
【０２１８】
図４から図６の各図は、Ａ〜Ｄの文字を添えた各図から構成されている。文字Ｂを添えた図はオネジのネジ部だけを示し、文字Ａを添えた図はメネジのネジ部だけを示している。文字Ｃを添えた図は、図Ａと図Ｂのネジ要素を組みつけている途中であって、対応する面が接触した状態を表したものである。文字Ｄを添えた図は、図Ａと図Ｂのネジ要素を完全に組みつけた状態を示したものである。
【０２１９】
図１から図６までは、縮尺を統一して記載したものではない。特徴的部分を強調し、その機能の説明を容易にするために、ネジ結合部の特徴的部分を誇張して記載してある。
【図面の簡単な説明】
【０２２０】
【図１】図１は、テーパのついたネジ部であって、台形ネジを使用した２つのネジ結合部を備えたカップリング結合部を示すものである。
【図２】図２は、二つのステップを成す直線状のネジ部を有し、台形ネジを使用したネジ結合部を備えた一体化したネジ結合部を示すものである。
【図３】図３は、メネジのネジ先端部を凸状に丸めたものであって、本発明に係る図１に示したタイプのネジ結合部の数山の台形ネジを示したものである。図３Ａはメネジのネジ部だけを示し、図３Ｂはオネジのネジ部だけを示したものである。そして図３Ｃは、図３Ａと３Ｂの要素を完全に結合した状態を示している。
【図４】図４は、本発明に係る更に別のネジ結合部から数山のネジ部取り出して示したものである。これは図１に示すタイプのネジ結合部であって、凸状に丸めたオネジのスタビング・フランクと軸方向に干渉する台形ネジである。
【図５】図５は、図４のネジ結合部の変形の一つである。
【図６】図６は、本発明に係る更に別のネジ結合部を示したものである。ネジ山の幅が変化する台形くさびネジを有する、図２に示すタイプのネジ結合部であって、オネジのロード・フランクが凸状に丸められている。
【図７】図７は、干渉し合っている台形ネジのオネジ先端部とメネジ谷部の間に生じる接触圧の分布を示したものである。図７Ａは、従来技術のネジ結合部で使用されている直線状のネジ先端部とネジ谷部の間で接触している場合のものあり、図７Ｂは、図３Ｃに示した直線状のネジ谷部と凸状に丸めたネジ先端部の間で接触している場合のものである。
【図８】図８は、図４に示すネジについて、ネジのスタビング・フランクの角度を変えたものを組み立て、これをパラメータとして、干渉による接触点の移動状態をグラフに表したものである。
【図９】図９は、ネジのスタビング・フランクの角度を変えたものを組み立て、これをパラメータとして、図４に示すフレキシブルなスタビング・フランクの回転状態をグラフに表したものである。
【図１０】図１０は、図４に示すネジについて、凸状に丸めた面の曲線の半径を変えて組み立て、これをパラメータとして、干渉による接触点の移動状態をグラフに表したものである。
【図１１】図１１は、図１に示した本発明に係るタイプのネジ結合部とは別のネジ結合部であって、テーパのついた干渉し合う台形ネジの、数個のネジ山を示したものである。
【国際公開パンフレット】
2004524483.tif 000003
2004524483.tif 000004
2004524483.tif 000005
2004524483.tif 000006
2004524483.tif 000007
2004524483.tif 000008
2004524483.tif 000009
2004524483.tif 000010
2004524483.tif 000011
2004524483.tif 000012
2004524483.tif 000013
2004524483.tif 000014
2004524483.tif 000015
2004524483.tif 000016
2004524483.tif 000017
2004524483.tif 000018
2004524483.tif 000019
2004524483.tif 000020
2004524483.tif 000021
2004524483.tif 000022
2004524483.tif 000023
2004524483.tif 000024
2004524483.tif 000025
2004524483.tif 000026
2004524483.tif 000027
2004524483.tif 000028
2004524483.tif 000029
2004524483.tif 000030
2004524483.tif 000031
2004524483.tif 000032
2004524483.tif 000033
2004524483.tif 000034
2004524483.tif 000035
2004524483.tif 000036
2004524483.tif 000037
2004524483.tif 000038
2004524483.tif 000039
2004524483.tif 000040
2004524483.tif 000041
2004524483.tif 000042
2004524483.tif 000043
2004524483.tif 000044
2004524483.tif 000045
2004524483.tif 000046
2004524483.tif 000047
2004524483.tif 000048
2004524483.tif 000049
2004524483.tif 000050
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004524483.tif 000051
2004524483.tif 000052
2004524483.tif 000053
2004524483.tif 000054
2004524483.tif 000055
2004524483.tif 000056
2004524483.tif 000057
2004524483.tif 000058
2004524483.tif 000059
2004524483.tif 000060
2004524483.tif 000061
2004524483.tif 000062
2004524483.tif 000063
2004524483.tif 000064
2004524483.tif 000065
2004524483.tif 000066
2004524483.tif 000067
2004524483.tif 000068
2004524483.tif 000069
2004524483.tif 000070
2004524483.tif 000071
2004524483.tif 000072
2004524483.tif 000073
2004524483.tif 000074
2004524483.tif 000075
2004524483.tif 000076
2004524483.tif 000077
2004524483.tif 000078
2004524483.tif 000079
2004524483.tif 000080
2004524483.tif 000081
2004524483.tif 000082
2004524483.tif 000083
2004524483.tif 000084
2004524483.tif 000085
2004524483.tif 000086
2004524483.tif 000087
2004524483.tif 000088
2004524483.tif 000089
2004524483.tif 000090
2004524483.tif 000091
2004524483.tif 000092
2004524483.tif 000093
2004524483.tif 000094
2004524483.tif 000095
2004524483.tif 000096
2004524483.tif 000097
2004524483.tif 000098
【国際調査報告】
2004524483.tif 000099
2004524483.tif 000100
2004524483.tif 000101
2004524483.tif 000102