(57)【要約】      （修正有）【課題】ラジアルシール型の鋼管用ねじ継手において、高い軸圧縮力を付与された際のシール性の確保にまだ改善の余地があった。高い軸圧縮力を受けてもショルダ部及びシール部が塑性変形し難くて、優れたシール性を確保できる鋼管用ねじ継手を提供する。【解決手段】ピン３のノーズ部外周面がテーパ形状であり、ボックス１のシール面２１が外側に凸の曲面形状であり、ピンテーパ面３１と管軸方向線2とのなす角度αが２度以上１０度以下であり、且つショルダ面１６と管軸直交面１０とのなす角度θが３度以上１０度以下であるねじ継手とした。【選択図】図１
2013029177.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
雄ねじ部と、該雄ねじ部より管端側に延在するノーズ部と、該ノーズ部の先端に設けられたショルダ部とを有するピンと、
前記雄ねじ部とねじ結合されてねじ部をなす雌ねじ部と、前記ピンのノーズ部外周面に相対するシール面と、前記ピンのショルダ部に当接するショルダ部とを有するボックスとを有し、
前記ねじ結合により前記ピンとボックスとが結合されてピンの前記ノーズ部外周面とボックスの前記シール面とがメタル‐メタル接触しその接触部がシール部をなす鋼管用ねじ継手であって、
ピンのノーズ部外周面がテーパ形状であり、ボックスのシール面が外側に凸の曲面形状であり、
前記ピンのテーパ形状のノーズ部外周面であるピンテーパ面と管軸方向線とのなす角度が２度以上１０度以下であり、且つ前記ピンとボックスのショルダ部同士の当接面であるショルダ面と管軸直交面とのなす角度が３度以上１０度以下であることを特徴とする鋼管用ねじ継手。
【請求項２】
前記ショルダ面と前記ピンテーパ面とのなす角度が８５度以上９５度以下であることを特徴とする請求項１に記載の鋼管用ねじ継手。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼管用ねじ継手に関し、詳しくは一般に油井やガス井の探査や生産に使用されるチュービングおよびケーシングを包含する油井管、すなわちＯＣＴＧ(oil country tubular goods)、ライザー管、ならびにラインパイプなどの鋼管の接続に用いるのに好適な、シール性と耐圧縮性に優れた鋼管用ねじ継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
ねじ継手は、油井管など産油産業設備に使用される鋼管の接続に広く使用されている。オイルやガスの探索や生産に使用される鋼管の接続には、従来ＡＰＩ（米国石油協会）規格に規定された標準的なねじ継手が典型的には使用されてきた。しかし、近年、原油や天然ガスの井戸は深井戸化が進み、垂直井から水平井や傾斜井等が増えていることから、掘削・生産環境は苛酷化している。また、海洋や極地など劣悪な環境での井戸の開発が増加していることなどから、耐圧縮性能、耐曲げ性能、外圧シール性能（耐外圧性能）など、ねじ継手への要求性能は多様化している。そのため、プレミアムジョイントと呼ばれる高性能の特殊ねじ継手を使用することが増加しており、その性能への要求もますます増加している。
【０００３】
プレミアムジョイントは、通常、テーパねじ、シール部（詳しくはメタルタッチシール部）、ショルダ部（詳しくはトルクショルダ部）とをそれぞれ備える、管端部に形成した雄ねじ部材（以下、ピンと呼ぶ）と該ピン同士を連結する雌ねじ部材（以下、ボックスと呼ぶ）とを結合したカップリング形式の継手である。テーパねじは管継手を強固に固定するために重要であり、シール部はボックスとピンとがこの部分でメタル接触することでシール性を確保する役目を担い、ショルダ部は継手の締付け中にストッパの役目を担うショルダ面となる。
【０００４】
図２は、油井管用プレミアムジョイントの説明図としての、円管のねじ継手の縦断面模式図であり、(a)は全体図、(b)は(a)におけるねじ部を示す拡大図、(c)は(a)におけるピンノーズ付近を示す拡大図である。ねじ継手は、ピン3とこれに対応するボックス１とを備えており、ピン3は、その外面に雄ねじ部7と、ピン3の先端側に雄ねじ部7に隣接して設けられたねじの無い長さ部分であるノーズ部8（ピンノーズ8）を有する。ノーズ部8は、その外周面にシール部11を、その端面にはトルクショルダ部12を有する。相対するボックス1は、その内面に、それぞれピン3の雄ねじ部7、シール部11、およびショルダ部12と螺合するか、または接触することができる部分である、雌ねじ部5、シール部13、および、ショルダ部14を有している。
【０００５】
前記プレミアムジョイントに関する従来技術として、特許文献１が挙げられる。
図２の従来例では、シール部はピンノーズ8の先端部にあり、適正な締付けトルクを与えることにより、所望のシール性能を実現できる。
一方、締付けトルクは潤滑条件、表面性状等に影響されるので、これに大きくは依存しない設計として、シール接触圧力の半径方向成分を相対的に強くした半径方向シール方式がある。例えば、特許文献１には、大きなピンシールＲ形状を持ち、シールテーパ角を小さくした半径方向シール方式の例が開示されている。しかし、このようにシールテーパ角を小さくした、半径方向シール方式の問題点は、締付け時にゴーリングが発生し易い点にあり、特に、シール性能の確保およびシールの安定性を目的として、シール干渉量を大きくとる場合には、ゴーリングの発生のし易さは格段に大きくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】実公昭６１−４４０６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図２におけるシール部11,13或いは上記半径方向シール方式（以下、ラジアルシール型ともいう）のシール部には、必要十分な圧力が負荷されることで、リークやゴーリングの発生しない健全なシール部が形成される。
しかしながら、発明者らが検討したところによれば、ラジアルシール型の鋼管用ねじ継手において、シール性を確保するためにはまだ次のような課題が残っていることが分った。すなわち、ねじの締付が進むと、一般的にシール部、ショルダ部の順にピンとボックスとが接触する。ここで、シール部での接触が開始すると、ピンはボックスと共に弾性変形しながら、シールテーパに沿ってボックスのショルダ面に近接し、最終的にピン、ボックス双方のショルダ面同士が接触する。ところが、ねじ継手に高い軸圧縮力が付与された際、ショルダ部と共にシール部にも塑性変形が生じて、軸力が引張方向の軸力に変化すると、シール部で気密性が保てなくなる場合がある。特に、シール部のテーパが管軸に対して大きな角度を有する場合、軸力によりシール部が直接ダメージを受け、塑性変形が大きくなり、気密性を損なう。又、ショルダ面が管軸直交面（＝管軸に垂直な平面）となす角度が大きいと、軸圧縮力の反力がショルダ部からシール部に大きく伝播し、シール部の塑性変形が大きくなる。
【０００８】
上述の課題、更にはその解決策についての知見は過去に無かった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明者らは、上述した課題を解決するために、シールテーパが管軸となす角度、及びショルダ面が管軸直交面となす角度、或いは更にショルダ面がシール部のテーパとなす角度を適正なものとする指針を種々の実験的検討により見出した。
すなわち本発明は次のとおりである。
(1)
雄ねじ部と、該雄ねじ部より管端側に延在するノーズ部と、該ノーズ部の先端に設けられたショルダ部とを有するピンと、
前記雄ねじ部とねじ結合されてねじ部をなす雌ねじ部と、前記ピンのノーズ部外周面に相対するシール面と、前記ピンのショルダ部に当接するショルダ部とを有するボックスとを有し、前記ねじ結合により前記ピンとボックスとが結合されてピンの前記ノーズ部外周面とボックスの前記シール面とがメタル‐メタル接触しその接触部がシール部をなす鋼管用ねじ継手であって、
ピンのノーズ部外周面がテーパ形状であり、ボックスのシール面が外側に凸の曲面形状であり、
前記ピンのテーパ形状のノーズ部外周面であるピンテーパ面と管軸方向線とのなす角度が２度以上１０度以下であり、且つ前記ピンとボックスのショルダ部同士の当接面であるショルダ面と管軸直交面とのなす角度が３度以上１０度以下であることを特徴とする鋼管用ねじ継手。
(2)
前記ショルダ面と前記ピンテーパ面とのなす角度が８５度以上９５度以下であることを特徴とする上記(1)に記載の鋼管用ねじ継手。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高い軸圧縮力を受けてもショルダ部及びシール部が塑性変形し難くて、優れたシール性を確保できる鋼管用ねじ継手が実現する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態の１例を示す縦断面模式図である。
【図２】従来の鋼管用ねじ継手を示す縦断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明に係る鋼管用ねじ継手は、図１に示すように、雄ねじ部7と、該雄ねじ部7より管端側に延在するノーズ部8と、該ノーズ部8の先端に設けられたショルダ部12とを有するピン3と、前記雄ねじ部7とねじ結合されてねじ部をなす雌ねじ部5と、前記ピン３のノーズ部外周面に相対するシール面21と、前記ピン３のショルダ部12に当接するショルダ部14とを有するボックス1とを有し、前記ねじ結合により前記ピン3とボックス1とが結合されてピン3のノーズ部外周面とボックス1のシール面21とがメタル‐メタル接触しその接触部がシール部20をなす鋼管用ねじ継手であること（従来のラジアルシール型のプレミアムジョイント相当のねじ継手であること）を前提とした。
【００１３】
本発明では、上記前提において、図１(c)に示すように、ピン3のノーズ部外周面がテーパ形状のピンテーパ面31であり、ボックス1のシール面21が外側に凸の曲面であるものに対し、前記ピンテーパ面31と管軸方向線2とのなす角度（以下、ピンテーパ角度という）αが２度以上１０度以下であり、且つピン3とボックス1のショルダ部12,14同士の当接面であるショルダ面16と管軸直交面10とのなす角度（以下、ショルダ角度という）θが３度以上１０度以下であることとした。
【００１４】
ピンテーパ角度αを２度以上１０度以下とすることにより、締付時に十分なシール性を確保し、且つ軸圧縮力によるシール部の塑性変形を効果的に緩和できる。αが２度未満では締付時の接触面圧が不足してシール性が不十分となり、一方、αが１０度超では軸圧縮力によるシール部の塑性変形を緩和する効果に乏しい。よって、αは２度以上１０度以下とする必要がある。尚、好ましくはαは２度以上５度以下である。
【００１５】
尤も、ショルダ角度θが１０度超であると、ショルダ面16での反力によりシール面21で塑性変形が生じ易くなり、一方、θが３度未満であると、締付時にトルクが不安定となり、実稼働中、シール面21において外部と連通している隙間にかかる外圧に負けてピン3とボックス1とが離脱し易くなって、気密性確保が困難になる。よって、θは３度以上１０度以下とする必要がある。尚、好ましくはθは７度以上１０度以下である。
【００１６】
本発明では更に、ショルダ面16とピンテーパ面31とのなす角度（以下、ショルダ対ピンテーパ角度という）φを８５度以上９５度以下とすることが好ましい。というのは、φを８５度以上とすることで、ショルダ面16における反力の影響をシール面21に及ぼし難くさせることができ、一方、φを９５度以下とすることで、前記外部と連通している隙間にかかる外圧への耐性をより高めることができるからである。
【実施例】
【００１７】
外径9+5/8インチ、肉厚0.545インチの鋼管端部を加工してなるピンと、これに対応するボックスとからなるねじ継手について、有限要素解析（ＦＥＡ）により、ISO13679のシリーズＡテストの条件でシミュレーションを実施し、同ISO13679の１回目のＬＰ２で、同一の接触面積圧（面圧を接触長に亘って積分した指標）が得られるようにした設計で、サンプルを製作し、同Ａテストを実施した。この実施に当たっては表１に実験条件を示す各水準で実験した。その結果をＦＥＡにより実施したシミュレーションにおける２回目のＬＰ２における接触面積圧と併せて表１に示す。
【００１８】
表１に示されるとおり、本発明例は比較例よりも優れたシール性を有することが明らかである。
【００１９】
【表１】
2013029177.tif 000003
【符号の説明】
【００２０】
1  ボックス
2  管軸方向線
3  ピン
5  雌ねじ部
7  雄ねじ部
8  ノーズ部（ピンノーズ）
10  管軸直交面  
11,13,20  シール部（詳しくはメタルタッチシール部）
12,14  ショルダ部（詳しくはトルクショルダ部）
16  ショルダ面
20  シール部
21  シール面
31  ピンテーパ面 
【図１】
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【図２】
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