(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ねじ付き管状接続部であって、ねじ付き管状接続部は、
雄ねじと、ピンシール面と、自由端にあるピントルクショルダと、を有するピンと、
ピンを受け入れるためのボックスであって、雄ねじと相互作用するための雌ねじと、ピンシール面と接触するためのボックスシール面と、ピントルクショルダと接触するためのボックストルクショルダとを有する、ボックスと、
を含み、
ピンとボックスとが長手方向軸を規定し、
ピントルクショルダが、外側向きの第１のピンショルダ面と内側向きの第２のピンショルダ面とを有し、第１のピンショルダ面が、長手方向軸に垂直な軸と第１の角度で交差し、第２のピンショルダ面が、垂直軸と第２の角度で交差し、第１のピンショルダ面が、第２のピンショルダ面よりも長く、第１の角度の絶対値が、第２の角度の絶対値よりも大きく、
ボックストルクショルダが、内側向きの第１のボックスショルダ面と外側向きの第２のボックスショルダ面とを有し、第１のボックスショルダ面が、長手方向軸に垂直な軸と第３の角度で交差し、第２のボックスショルダ面が、垂直軸と第４の角度で交差し、第１のボックスショルダ面が第２のボックスショルダ面よりも長い、ねじ付き管状接続部。
【請求項２】
第１、第２、第３および第４の角度が、垂直軸に対して３〜６０°の絶対値を有する、請求項１に記載のねじ付き管状接続部。
【請求項３】
第１および第３の角度が垂直軸に対して正の角度であり、第２および第４の角度が垂直軸に対して負の角度である、請求項１に記載のねじ付き管状接続部。
【請求項４】
第１のピンショルダ面と第２のピンショルダ面とがピン頂点で交わり、第１のボックスショルダ面と第２のボックスショルダ面とがボックス頂点で交わり、ピン頂点とボックス頂点とが長手方向軸に対して互いにオフセットされる、請求項１に記載のねじ付き管状接続部。
【請求項５】
オフセット量が、ピンシール面とボックスシール面との間の接触圧力を改善するように選択される、請求項４に記載のねじ付き管状接続部。
【請求項６】
第１および第２の角度が、ピンに作用する力の比較的大きな成分が軸方向成分力であるように選択される、請求項１に記載のねじ付き管状接続部。
【請求項７】
第１の角度が第３の角度に等しく、第２の角度が第４の角度に等しい、請求項１に記載のねじ付き管状接続部。
【請求項８】
第１のピンショルダ面および第２のピンショルダ面が収束してＶ字形断面を形成する、請求項１に記載のねじ付き管状接続部。
【請求項９】
ねじ付き管状接続部を形成する方法であって、工程が、
雄ねじと、ピンシール面と、自由端にあるピントルクショルダと、を有するピンを提供する工程であって、ピントルクショルダが、第１の方向に延びる外側向きの第１のピンショルダ面と、第２の方向に延びる内側向きの第２のピンショルダ面とを含み、外側向きの第１のピンショルダ面が、内側向きの第２のピンショルダ面よりも長い、工程と、
雌ねじと、ボックスシール面と、自由端にあるボックストルクショルダと、を有するボックスを提供する工程であって、ボックストルクショルダが、第３の方向に延びる内側向きの第１のボックスショルダ面と、第４の方向に延びる外側向きの第２のボックスショルダ面とを含み、内側向きの第１のボックスショルダ面が、外側向きの第２のボックスショルダ面よりも長い、工程と、
ボックスにピンを刺し込んで、雄ねじと雌ねじとを互いに噛み合わせる工程と、
ピンシール面がボックスシール面に接触するまで、ボックスに対してピンを回転させる工程と、
第１のボックスショルダ面が第１のピンショルダ面に接触し、第２のボックスショルダ面が第２のピンショルダ面に接触するまで、ボックスに対してピンをさらに回転させる工程と、
を含む、方法。
【請求項１０】
第１および第３の方向が同一であり、第２および第４の方向が同一である、請求項９に記載のねじ付き管状接続部を形成する方法。
【請求項１１】
第１および第３の方向が同一であり、第２および第４の方向が同一である、請求項９に記載のねじ付き管状接続部を形成する方法。
【請求項１２】
第１のピンショルダ面および第２のピンショルダ面が収束してピンノーズを形成し、第１のボックスショルダ面および第２のボックスショルダ面が収束して凹部を形成し、凹部が、ピンノーズと相補的であり、さらに回転させる工程の後にピンノーズと接触する、請求項９に記載のねじ付き管状接続部を形成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１７年３月３日に出願された米国特許出願第１５／４４９，３５０号明細書の継続であり、その開示全体を参照により本明細書に組み込む。
【０００２】
本発明は、石油および天然ガス産業で使用され得るねじ付きパイプおよびそのようなパイプ用のコネクタに関する。例えば、パイプは、コネクタの一端でボックスに収まるピンを有する端部を有し、パイプとコネクタとはねじ切りによって接続される。コネクタは、パイプと第２のパイプとがコネクタを介して接続されるように、第２のピンを有する第２のパイプ用の第２のボックスを有することができる。
【背景技術】
【０００３】
国際公開第８４／０４３５２号パンフレットには、二段テーパねじを有するボックスおよびピン部材の管状継手またはコネクタが記載されていると言われている。相補的な係合シール面の２つの金属同士のシールが提供されている。ピン部材の端部にある逆角度トルクショルダと、ボックス部材およびフック付きねじの内部終端とが、継手およびボックスおよびピン部材をさらに特徴付けている。
【０００４】
米国特許第４，６２３，１７３号明細書には、オイルパイプ用のねじ継手カップリングが記載されていると言われている。メインシール部は、雄ねじの端部で軸方向に凸形状となるシール部と、雌ねじの内側でテーパ状となるシール部とを備え、雄ねじの端部は、雌ねじの内側に形成されたストッパの端部に当接する。
【０００５】
米国特許第４，６２４，４８８号明細書には、ボックス部材の座ぐり穴とピン部材の自由端上で協働する内部円錐台形シール面を有する管状接続部が記載されていると言われている。ピン部材の内部シール面は、ピン部材の端部に隣接する管状接続部の軸から実質的に１４度で内向きに傾斜している。ボックス内部シール面の傾斜角は、ピン内面の傾斜角と実質的に同じである。接続部の軸に実質的に平行であるピン部材の内面の傾斜角よりも小さい範囲で傾斜する、ピン部材の遠位近位端から遠位端に向かって配置されたパイロット面またはブルノーズが、ピン端部の平坦な厚さの増加を規定している。
【０００６】
米国特許第７，３３４，８２１号明細書には、雄ねじ付き要素と雌ねじ付き要素とを有するねじ付き管状接続部が記載されていると言われている。雄ねじ付き要素は、雄ねじと、自由端とを有し、ねじと自由端との間には非ねじ付きリップがある。雌ねじ付き要素は、内部テーパ雌ねじと、雌ねじとラグとの間の非ねじ付き部分とを有する。雌ねじ付き要素は、環状軸方向当接面を含む。雌ねじ内で雄ねじが完全に構成されると、自由端が環状軸方向当接面に当接し、他の軸受面が半径方向に干渉し、金属−金属接触圧力下にあって金属−金属シール面を構成する。
【０００７】
米国特許第７，３３４，８２１号明細書では、別の軸方向当接面が雄ねじ付き要素の自由端の前面に形成され、単一のリップシール面がねじの端部から、ある軸方向距離でリップ上に配置されている。リップは、遠位軸方向当接面と単一のリップシール面との間に、リップシール面とは異なる雌ねじ付き部材に面する外周面を有する付属部を含む。
【０００８】
米国特許公開第２０１４／０１４５４３３号明細書には、ピンとボックス部材とを含む管状接続部が記載されていると言われている。ピン部材は、第１のねじ構造と、第１のねじ構造からピン部材に沿って軸方向に離間された螺旋状トルクショルダとを有する。ボックス部材は、第２のねじ構造と、第２のねじ構造からボックス部材に沿って軸方向に離間された第２の螺旋状トルクショルダとを有する。回転すると、螺旋状トルクショルダが互いに係合する。
【０００９】
パイプなど、ピンを有するねじ付き筒と、コネクタなど、ボックスを有するねじ付き筒との間のプレミアム接続部の構成中に、以下の手順が発生する：（１）ねじの頂点同士が接触するまでパイプ上のピンがコネクタに刺し込まれる；（２）次に、ピンシール面がボックスシール面に最初に接触するまでピンがボックスにねじ込まれて、「ハンドタイト（ｈａｎｄ  ｔｉｇｈｔ）」と呼ばれる位置を規定する；（３）ピンの端部、いわゆるトルクショルダがボックス上の対応するトルクショルダにちょうど接触するまで、ピンがボックス内にさらにねじ込まれて、「ショルダタイト（ｓｈｏｕｌｄｅｒ  ｔｉｇｈｔ）」と呼ばれる位置を規定し、ハンドタイト位置からショルドタイト位置までのこの追加の回転は、ピンとボックスシールとの間に締まり嵌めを生じさせる；（４）次に、ピンをさらに締めて追加のトルクを生成して、「パワータイト（ｐｏｗｅｒ  ｔｉｇｈｔ）」と呼ばれる最終的な構成位置を規定する。
【００１０】
接続部がハンドタイト位置にある際のピントルクショルダとボックストルクショルダとの間の距離は、「スタンドオフ（ｓｔａｎｄｏｆｆ）」と呼ばれる。ショルダタイト位置に達すると、スタンドオフは除去される。スタンドオフを除去する間にピンシール面とボックスシール面とが接触することから、大きなスタンドオフが問題になる場合がある。大きなスタンドオフを縮小するために大量の回転が必要であると、シール面のかじりが発生し、それによってシールが損なわれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】国際公開第８４／０４３５２号
【特許文献２】米国特許第４，６２３，１７３号明細書
【特許文献３】米国特許第４，６２４，４８８号明細書
【特許文献４】米国特許第７，３３４，８２１号明細書
【特許文献５】米国特許公開第２０１４／０１４５４３３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、ボックス内のピンを固定または捕捉するトルクショルダを提供することにより、ボックスに対するピンの動きを低減または排除することである。例えば、トルクショルダは、ピンが半径方向に移動したり、曲がったり、変形したりするのを防ぐ。
【００１３】
代替または追加の目的は、製造が容易な接続部を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、ねじ付き管状接続部を提供する。ねじ付き管状接続部は、
雄ねじと、ピンシール面と、自由端にあるピントルクショルダと、を有するピンと、ピンを受け入れるためボックスと、を含み、ボックスは、ピンねじと相互作用するための雌ねじと、ピンシール面と接触するためのボックスシール面と、ピントルクショルダと接触するためのボックストルクショルダと、を有する。ピンとボックスとは、長手方向軸を規定する。ピントルクショルダは、第１のピンショルダ面と第２のピンショルダ面とを有し、第１のピンショルダ面は、長手方向軸に垂直な軸と第１の角度で交差し、第２のピンショルダ面は、垂直軸と第２の角度で交差する。ボックストルクショルダは、第１のボックスショルダ面と第２のボックスショルダ面とを有する。第１のボックスショルダ面は、長手方向軸に垂直な軸と第３の角度で交差し、第２のボックスショルダ面は、垂直軸と第４の角度で交差する。
【００１５】
本発明はさらに、別のねじ付き管状接続部を提供する。ねじ付き管状接続部は、雌ねじと、ピンシール面と、自由端にあるピントルクショルダと、を有するピンと、ピンを受け入れるためのボックスと、を含み、ボックスは、雄ねじと相互作用するための雄ねじと、ピンシール面と接触するためのボックスシール面と、ピントルクショルダと接触するためのボックストルクショルダとを有する。ピンとボックスとは、長手方向軸を規定する。ピントルクショルダは、ピン半径を有する少なくとも１つのピンショルダ面を有し、少なくとも１つのピンショルダ面は、長手方向軸に対して湾曲している。ボックストルクショルダは、ボックス半径を有する少なくとも１つのボックスショルダ面を有し、少なくとも１つのボックスショルダ面は、長手方向軸に対して湾曲している。
【００１６】
本発明はまた、ねじ付き管状接続部を形成する方法を提供する。方法は、
雄ねじと、ピンシール面と、自由端にあるピントルクショルダと、を有するピンを提供する工程であって、ピントルクショルダが、第１の方向に延びる第１のピンショルダ面と、第２の方向に延びる第２のピンショルダ面とを含む工程と、
雌ねじと、ボックスシール面と、自由端にあるボックストルクショルダと、を有するボックスを提供する工程であって、ボックストルクショルダが、第３の方向に延びる第１のボックスショルダ面と、第４の方向に延びる第２のボックスショルダ面と、を含む工程と、
ボックスにピンを刺し込んで、雄ねじと雌ねじとを互いに噛み合わせる工程と、
ピンシール面がボックスシール面に接触するまで、ボックスに対してピンを回転させる工程と、
第１のボックスショルダ面が第１のピンショルダ面に接触し、第２のボックスショルダ面が第２のピンショルダ面に接触するまで、ボックスに対してピンをさらに回転させる工程と、を含む。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態が、以下の図面を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１Ａ】当技術分野で既知のトルクショルダの詳細図を示す。
【図１Ｂ】当技術分野で既知のトルクショルダの詳細図を示す。
【図１Ｃ】当技術分野で既知のトルクショルダの詳細図を示す。
【図１Ｄ】当技術分野で既知のトルクショルダの詳細図を示す。
【図２Ａ】構成の第２段階、ハンドタイト位置にある、本発明によるオイルパイプ用のプレミアム接続部の断面図を示す。
【図２Ｂ】構成の第２段階、ハンドタイト位置にある、本発明によるオイルパイプ用のプレミアム接続部の断面図を示す。
【図３Ａ】構成の第３段階、ショルダタイト位置にある接続部を示す。
【図３Ｂ】構成の第３段階、ショルダタイト位置にある接続部を示す。
【図４】本発明によるオイルパイプ用のプレミアム接続部の断面図を示し、オイルパイプのピンはコネクタのボックスに刺し込まれている。
【図５Ａ】本発明による、図２Ａから図４に示されるトルクショルダの詳細図を示す。
【図５Ｂ】本発明による、図２Ａから図４に示されるトルクショルダの詳細図を示す。
【図６】本発明によるトルクショルダの追加の実施形態の詳細図を示す。
【図７】本発明によるトルクショルダの追加の実施形態の詳細図を示す。
【図８】本発明によるトルクショルダの追加の実施形態の詳細図を示す。
【図９】図５Ａおよび図５Ｂに示される実施形態に従ってピンに加えられる力の力線図を示す。
【図１０Ａ】本発明によるトルクショルダのさらに好ましい実施形態を示す。
【図１０Ｂ】本発明によるトルクショルダのさらに好ましい実施形態を示す。
【図１１Ａ】本発明によるトルクショルダの別の好ましい実施形態を示す。
【図１１Ｂ】本発明によるトルクショルダの別の好ましい実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１Ａは、当技術分野で既知の従来のトルクショルダと金属間シールの組合せとを示している。ボックス１５２０は、ボックスシール面１５２４と、ボックストルクショルダ１５２６とを含む。ピン１４２０は、ピンシール面１４２４と、ノーズ１４２８と、ピントルクショルダ１４２６と、を含む。図１に示すように、ピンシール面１４２４は、ピン１４２０の端部に位置される。ピン１４２０のノーズ１４２８は、接続が形成されると、ピンシール面１４２４とピントルクショルダ１４２６との間に押し込まれる。ピン１４２０とボックス１５２０との接続は、パイプとコネクタ（図示せず）との長手方向軸を規定する。軸Ｘは、長手方向軸に垂直であり、ピンノーズ１４２８でトルクショルダ１４２６、１５２６の端部を通る。ピントルクショルダ１４２６およびボックストルクショルダ１５２６はそれぞれ、垂直軸Ｘに対して角度が付けられた単一のショルダ面を含む。トルクショルダ１４２６、１５２６と垂直軸Ｘとの間に形成される内角Ａは、例えば、約−１５°、すなわち、軸Ｘから時計回り方向に１５°であってよい。この傾斜角度は従来技術で知られている。この例では、ピンノーズ１４２８は、ボックスシール面１５２４とボックストルクショルダ面１５２６との間にしっかりと押し込まれている。例えば、米国特許第７，３３４，８２１号明細書を参照されたい。
【００２０】
図１Ｄは、従来技術で既知のプレミアム接続部を示している。図１Ｂは、トルクショルダ１４２６、１５２６がちょうど接触し始めた時点の図１Ｄの接続部の拡大図を示す。ギャップＳｃは、ピン１４２０の外面とボックス１５２０の座ぐり面との間に存在し、組み立てを容易にするために必要である。角度Ａは、組み立て後にピン１４２０とボックス１５２０とを一緒にロックするのに有益であるが、図１Ｃは、接続部をさらにねじ込むと、角度Ａによってピン１４２０がボックス１５２０に衝突することを示している。この望ましくない接触は、組み立て中の接続部の適切な位置決めを妨げる可能性があり、シール面１４２４、１５２４またはトルクショルダ１４２６、１５２６に損傷を引き起こす可能性がある。
【００２１】
本発明によれば、先行技術に勝る利点を含むプレミアム接続部が提供され、例えば、ピンの動きが制御され得、上述のシール面への望ましくない接触および損傷が低減され得る。プレミアム接続部は、複数の表面を有するピンおよびボックストルクショルダを含み、例えば、各トルクショルダは、図２Ａから図１１Ｂに示される向きに関して上部および下部トルクショルダ面を有してもよい。本発明による別の特徴は、図２Ａ、図３Ａおよび図１０Ａに示されるように、ショルダ面から離間されたシール面も含む。追加の特徴は、ピンが最終位置に位置させられた後であっても、ピンの端とボックスまたはコネクタの端との間に存在する空間を含む。図５Ａおよび図６から図８および図１０Ａを参照されたい。
【００２２】
好ましい実施形態では、ピンおよびボックスの上部および下部の両トルクショルダが同時に互いに接触してもよい。このように、コネクタはピンに対して、中立の捕捉を提供する。別の好ましい実施形態では、ピンおよびボックスの下部トルクショルダ面が互いに接触する前に、ピンおよびボックスの上部トルクショルダ面が互いに接触してもよい。この実施形態では、ピンは下向きに曲がってもよい。図６を参照されたい。さらに好ましい実施形態では、ピンおよびボックスの上部トルクショルダ面が互いに接触する前に、ピンおよびボックスの下部トルクショルダ面が互いに接触してもよい。この実施形態では、ピンは上向きに曲がってもよい。図２Ｂおよび図３Ｂを参照されたい。その結果、ピンの動きを所望に応じて制御することができる。
【００２３】
図４は、第１段階の刺し込まれた位置にあるオイルパイプ１０およびコネクタ１００の断面図を示す。図２Ａおよび図２Ｂは、回転が生じた後の第２段階でのオイルパイプ１０とコネクタ１００との接続を示す。オイルパイプ１０は、ねじ部２２と、ピンシール面２４と、自由端にあるトルクショルダ２６とを有するピン２０を有する。ピントルクショルダ２６は、第１の表面２６ａおよび第２の表面２６ｂを含む。コネクタ１００は、２つのボックス１２０、１２０’を有する。各ボックス１２０、１２０’は、半径方向内側の突出部１５０に、ねじ部１２２、ボックスシール面１２４およびトルクショルダ１２６を有する。ボックストルクショルダ１２６は、第１の表面１２６ａおよび第２の表面１２６ｂを含む。この実施形態では、第１のボックスショルダ面１２６ａは第１のピンショルダ面２６ａと相補的であり、第２のボックスショルダ面１２６ｂは第２のピンショルダ面２６ｂと相補的である。
【００２４】
コネクタ１００は、図４に示されるように、２つの自由端１０２および１０２’を有する。上述のように、刺し込まれた位置では、ピン１０のねじ部２２がボックス１２０、１２０’のねじ部１２２に接触するまで、オイルパイプ１０がコネクタ１００に刺し込まれるか配置される。ピン１０とボックス１２０、１２０’との間には、回転は未だ発生していない。ピン１０およびボックス１２０、１２０’が回転すると、接続が形成される。
【００２５】
構成のこの第２段階は、ねじ２２、１２２またはシール面２４、２４が互いにちょうど接触し始めるハンドタイト位置として知られている。ピン２０のねじ２２は、ボックス１２０のねじ１２２に噛み合う。ピンシール面２４とボックスシール面１２４とがちょうど接触し始める。ハンドタイト位置では、ピントルクショルダ２６の第１の表面２６ａ、１２６ａとボックストルクショルダ１２６との間にギャップまたはスタンドオフ「Ｓａ」が存在し、ピントルクショルダ２６の第２の表面２６ｂと、ボックストルクショルダ１２６の１２６ｂとの間にギャップまたはスタンドオフ「Ｓｂ」が存在する。この実施形態では、スタンドオフＳａは、例えば、約０．０６インチであり、スタンドオフＳｂは、例えば、約０．０３インチである。スタンドオフＳａおよびＳｂは、設計されたシール干渉およびシール角度の結果として異なってもよく、同じである必要はない。
【００２６】
ピン２０の端部にはノーズ２７が延びる。ノーズ２７は、ピン２０の内面２１と外面２３との間に、長手方向軸に垂直な軸である軸Ｐの方向にトルクショルダ２６の長さに沿って位置される。ノーズ２７は、トルクショルダ２６の第１の表面２６ａと第２の表面２６ｂとを接続する頂点である。この実施形態では、第１の表面２６ａは、外面２３からノーズ２７まで一方向に延び、パイプ１０の外周の周りで第２の方向に延びる。第２の表面２６ｂは、内面２１からノーズ２７まで一方向に延び、パイプ１０の内周の周りで第２の方向に延びる。ノーズ２７の位置は、図１Ａに示されるノーズ１４２８の位置とは異なる。図１Ａでは、ノーズは、ピン１４２０の外面にあるトルクショルダ１４２６の一端、およびピンシール面１４２４またはその付近に位置される。図２Ａから図１１に示すように、ノーズ２７は、ピントルクショルダ２６の一端に位置されていない。その代わりに、ノーズ２７は、プロファイル図でのショルダ２６の長さに関してピントルクショルダ２６の中間部または中央部にある。ノーズ２７の形状は様々であってよく、例えば、角形、ソケット、平らな端、ブルノーズ、バルブ、円錐状、丸みを帯びた形状、魚尾状などであってよい。凹部１２７は、長手方向軸に垂直な方向にトルクショルダ１２６の長さに沿って位置され、第１の表面１２６ａと第２の表面１２６ｂとを接続する頂点である。この実施形態では、ノーズ２７および凹部１２７の形状は相補的であるため、ピン１０がコネクタ１００にねじ込まれるとノーズ２７と凹部１２７とは嵌め合わされ、凹部１２７はノーズ２７に接触し、ピンショルダ２６はボックスショルダ１２６に接触する。（図５）。
【００２７】
スタンドオフＳａとスタンドオフＳｂとの幅の差は、ノーズ２７が長手方向軸に関して凹部１２７と最初に位置合わせされていないために生じる。図２Ｂおよび図３Ｂに示すように、ノーズ２７は凹部１２７の下に位置される。ノーズ２７と凹部１２７との間のこのオフセットにより、ノーズ２７が凹部１２７に受け入れられると、ピン１０が上向きに曲げられる。ピン１０が曲がることにより、ノーズ２７が凹部１２７に押し込まれ、接続がさらに緊密になる。別の実施形態では、ノーズ２７は凹部１２７の上方に位置し得るため、ピンが下向きに曲げられ、それによって接続がさらに緊密になる。例えば、図６を参照されたい。
【００２８】
図３Ａおよび図３Ｂは、構成の第３段階である第１のショルダタイト位置を示し、これは、ボックス１２０に対してピン２０をさらに回転させた後に生じる。トルクショルダ２６、１２６が互いに接触するまでボックス１２０にピン２０をねじ込むことによって、シール面２４、１２４が互いに押し付けられる。この好ましい実施形態では、例えば、相補的な第２の表面２６ｂ、１２６ｂは互いにちょうど接触する。その結果、第２の表面２６ｂ、１２６間のスタンドオフＳｂが除去される。しかし、相補的な第１の表面２６ａ、１２６ａ間のスタンドオフＳａは依然として存在する。ショルダ２６、１２６間の接触点の後、追加の回転は未だ生じていないため、この位置では、ショルダ２６、１２６に対して追加のトルク力は加えられない。半径方向の距離Ｓ１が、ピン２０の端とボックス１２０の表面ＢＳとの間に存在する。シール面２４、１２４の相対角度は、接続部に設計されたシール干渉量Ｓ１だけピン２０の端とボックス１２０の表面ＢＳとを押し離して、漏出防止シールを形成するために十分な接触圧力をもたらす。
【００２９】
構成の第４段階である第２のショルダタイト位置は、ボックス１２０に対してピン２０をさらに回転させた後に生じる。トルクショルダの第１の表面２６ａ、１２６ａが互いに接触するまでボックス１２０にピン２０をねじ込むことによって、シール面２４、１２４が互いにさらに押し付けられる。半径方向の距離Ｓ１は、頂点２７、１２７間の半径方向のオフセット量だけ縮小される。ピンの端部を半径方向外向きに押すと、シール面２４、１２４が互いにさらに緊密になり、さらに優れたシールがもたらされる。第１のショルダ面と第２のショルダ面との間のＶ字形により、ギャップＳ１がゼロになってボックスとピンとの間に望ましくない接触が生じるのを防ぐ。
【００３０】
接続部を構成する第５の最終段階は、パワータイト位置である。パワータイト段階の間、トルクショルダ２６、１２６に追加のトルクが加えられるが、追加の回転はほとんど発生しない（例えば、約０．０１回転）。追加の回転はほとんど発生しないため、接続部のパワータイト位置は、図３Ａおよび図３Ｂに示すショルダタイト位置のように見える。
【００３１】
トルクの増加量は、摩擦、ピンの剛性、シール領域周辺のボックスの剛性、ねじの干渉量（該当する場合）、潤滑剤、およびシールの干渉量の関数である。シール面２４、１２４が互いに接触すると、トルクが急速に増加し始める。トルクの増加は、シール面２４、１２４が互いに押し込まれることによって生じる。トルクは、ショルダ２６、１２６がショルダタイト位置で接触するまでほぼ一定の割合で増加し続ける。ショルダ２６、１２６が互いに接触すると、トルクは極めて急速に増加する。ショルダ２６、１２６が接触すると、所定のパワータイト位置に到達し、所望のトルク量が達成されるまで、追加のトルクが加えられる。所望の最終的な構成トルクに到達するために、接続部をさらに回転させる必要はほとんどない（例えば、約０．０１回転）。
【００３２】
図５Ａおよび図５Ｂは、本発明によるトルクショルダの実施形態の断面図を示す。図５Ａおよび図５Ｂに示すように、図２Ａから図４の実施形態では、ピン２０は雄型部品として設計され、ボックス１２０は雌型部品として設計されているため、ボックス１２０はピン２０を受け入れることができる。この実施形態では、ピントルクショルダ２６およびボックストルクショルダ１２６はともにＶ字形断面を有する。ピンシール面２４およびボックスシール面１２４は、パイプおよびコネクタの接続部によって規定される長手方向軸（図示せず）に関して、それぞれのトルクショルダ２６、１２６から離間している。トルクショルダは、別の形状または設計の断面を有してもよい。
【００３３】
ピントルクショルダ２６のＶ字形延長部は、ボックストルクショルダ１２６のＶ字形受け部と係合して、ピン２０が複数の方向、例えば半径方向内向きまたは外向きに移動するのを低減または防止する。例えば、第１の表面２６ａ、１２６ａは、ピン２０のノーズ２７を下方に維持することにより、ピン２０がボックス１２０の隅に上向きに打ち込まれるのを防ぐ。また、第２の表面２６ｂ、１２６ｂは、外部から加えられた圧力がピン２０を内向きに押し付けるのを防ぎ、これによりシール面２４、１２４の付勢を弱める。
【００３４】
内角Ｖａは、第１の表面２６ａ、１２６ａと軸Ｐとの間に形成される。内角Ｖａは、１５°であってよく、これは軸Ｐに対して反時計回り方向に１５°である。内角Ｖｂは、第２の表面２６ｂ、１２６ｂと軸Ｐとの間に形成される。内角Ｖｂは、−１５°であってよく、これは軸Ｐに対して時計回り方向に１５°である。角度Ｖａ、Ｖｂは様々であってよく、例えばそれぞれ３〜６０°、−３〜−６０°であってよい。さらに、内角Ｖａは、内角Ｖｂの絶対値と異なっていても、内角Ｖｂの絶対値に等しくてもよい。例えば、図５Ｂに示すように、角度Ｖａは１５°であり、−４５°である角度Ｖｂの絶対値に等しくなく、１５°≠｜−４５°｜であるため、Ｖａ≠｜Ｖｂ｜である。別の例では、角度Ｖａは２０°であり得、角度Ｖｂは−１０°であり得、この場合、２０°≠｜−１０°｜であるため、Ｖａ≠｜Ｖｂ｜である。
【００３５】
図５Ｂに示すように、ノーズ２７および凹部１２７は、軸Ｐの方向でショルダ２６ａ、２６ｂ、１２６ａ、１２６ｂの長さに対して中心のトルクショルダまたはその付近に位置される。第１のピン面２６ａは、第２のピン面２６ｂと同一またはほぼ同様の長さを有し、第１のボックス面１２６ａは、第２のボックス面１２６と同一またはほぼ同様の長さを有する。図５Ｂの実施形態では、ノーズ２７および凹部１２７は、内角Ｖａ、Ｖｂの頂点として機能するが、これは好ましい実施形態の非限定的な例である。ノーズ２７、凹部１２７および角度Ｖａ、Ｖｂを含むトルクショルダ２６、１２６の形状は可変である。異なる形状と頂点の位置とが使用されてもよい。表面２６ａ、２６ｂ、１２６ａ、１２６ｂまたはＶａ、Ｖｂの異なる形状または角度が使用されてもよい。例えば、ノーズ２７の位置は、トルクショルダ２６の中心にある必要はなく、代わりに、外面２３よりも内面２１の近くに位置されてもよい。
【００３６】
図６の別の好ましい実施形態に示すように、第１の表面２６ａ、１２６ａは第２の表面２６ｂ、１２６ｂよりも長く、第１の角度Ｖａは第２の角度Ｖｂの絶対値よりも大きい。図７は、第１の表面２６ａ、１２６ａが第２の表面２６ｂ、１２６ｂよりも短く、第１の角度Ｖａが第２の角度Ｖｂよりも小さいことを示している。第１の表面２６ａ、１２６ａ、第２の表面２６ｂ、１２６ｂ、および頂点（ノーズ、凹部）２７、１２７の形状は、所望の結果が得られるように設計される。上述のように、頂点２７、１２７は、例えば、ピンの端部を押し下げて、ピンの曲げを真っ直ぐにするか最小限に抑えるために、最初は位置ずれしていてもよい。あるいは、例えば、シール２４、１２４に対する接触圧力を高めるために、ピン２０の端部を押し上げる必要がある場合がある。
【００３７】
図８は、トルクショルダ２６、１２６の別の好ましい実施形態を示し、ショルダ２６、１２６は、図５から図７に示されるＶ字形断面とは対照的に、弾丸、ブルノーズまたは湾曲形状の断面を有する。第１の表面２６ａは第１の半径Ｒａを有し、第２の表面２６ｂは第２の半径Ｒｂを有し、第１の表面１２６ａは第３の半径Ｒｃを有し、第２の表面１２６ｂは第４の半径Ｒｄを有する。第１および第３の半径Ｒａ、Ｒｃは、第２および第４の半径、それぞれＲｂ、Ｒｄと異なっていても等しくてもよい。ノーズ２７は、第１の表面２６ａと第２の表面２６ｂとの間に位置される。凹部１２７は、第１の表面１２６ａと第２の表面１２６ｂとの間に位置される。Ｖ字形断面の実施形態に関して上述したように、第１の表面２６ａ、１２６ａ、第２の表面２６ｂ、１２６ｂおよび半径Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄおよび頂点は、ピン２０を押し上げるか押し下げて、ボックス１２０に対してピン２０を所望の位置に捕捉するように調整されてもよい。別の実施形態では、ピンは単一の半径を有する単一の表面を有してもよく、ボックスは単一の半径を有する単一の表面を有してもよい。この実施形態では、ピン半径とボックス半径とは等しくても等しくなくてもよく、半径の中心線は軸から同じ距離であってもなくてもよい。２つの半径が互いに対して半径方向にオフセットされている場合、ピンの端部は、２つの半径のオフセット方法に応じて、上向きまたは下向きに押し付けられる。
【００３８】
トルクショルダ２６、１２６のＶ字形断面およびブルノーズ断面設計は、雄型および雌型の形状がボックス内の半径方向の位置にピンを捕捉または拘束し、それによってピンの移動を低減または防止するため、従来技術よりも有利である。ショルダ２６、１２６の設計を調整することにより、ピンの曲げ、湾曲またはたわみが補償されるか最小限に抑えられ得る。さらに、シール面２４、１２４の接触圧力が増加し得る。同様に他の利点もそこから得られる可能性がある。
【００３９】
好ましくは、第１および第２の角度Ｖａ、Ｖｂまたは第１および第２の半径Ｒａ、Ｒｂは、ピン２０に作用する力Ｆの比較的大きい成分が半径方向成分Ｒではなく軸方向成分Ａであるように十分に小さくなるように設計される。図９を参照されたい。
【００４０】
図１０Ａおよび図１０Ｂは、図２Ａから図９に示された実施形態と比較してＶ字形のショルダの設計が反転されたピンおよびボックスのトルクショルダ接続を示す。この実施形態では、ピン２２０は雌部材であり、ボックス３２０は雄部材である。ボックス３２０は、ボックスシール面３２４、第１のショルダ面３２６ａ、第２のショルダ面３２６ｂを含む。ノーズ３２７は、第１のショルダ面３２６ａと第２のショルダ面３２６ｂとの間に形成される。ピン２２０は、ピンシール面２２４、第１のショルダ面２２６ａおよび第２のショルダ面２２６ｂを含む。凹部２２７は、第１のショルダ面２２６ｂと第２のショルダ面２２６ｂとの間に形成される。この実施形態では、ボックス面３２６ａと３２６ｂとの間の頂点はノーズ３２７を形成し、ピン面２２６ａと２２６ｂとの間の頂点は凹部２２７を形成する。ノーズ３２７と凹部とは相補的な表面であるため、ノーズ３２７は、図２ａから図５Ｂに関して上述したのと同じようにボックス３２０内でピン２２０を回転させることにより凹部２２７に受け入れられる。この反転されたショルダの設計は、図８に示すブルノーズの実施形態にも適用され得る。
【００４１】
図１１Ａおよび図１１Ｂは、本発明のさらに好ましい実施形態による、ピン５２０およびボックス４２０が異なるショルダ面形状を有し、頂点５２７および４２７が互いに相補的ではないトルクショルダ接続を示す。図１１Ａは、第１のショルダ面５２６ａおよび第２のショルダ面５２６ｂを有する、丸みを帯びたまたはブルノーズのショルダ面５２６を有するピン５２０を示す。頂点５２７は、第１のショルダ面５２６ａと第２のショルダ面５２６ｂとの間に位置される。ボックス４２０は、第１のショルダ面４２６ａおよび第２のショルダ面４２６ｂを有するＶ字形のボックスショルダ面４２６を含む。頂点４２７は、第１のショルダ面４２６ａと第２のショルダ面４２６ｂとの間に位置される。ピン５２０およびボックス４２０は、図２Ａから図５Ｂに関して上述したのと同じように互いに接触する。ボックス４２０へのピン５２０の回転により、第１のショルダ面５２６ａと第１のショルダ面４２６ａとの接触、および第２のショルダ面５２６ｂと第２のショルダ面４２６ｂとの接触がもたらされる。図１１Ａおよび図１１Ｂに示される実施形態では、ショルダ５２６およびショルダ４２６の異なる表面形状のために、頂点４２７および頂点５２７が互いに接触できない。構成後、頂点４２６、５２６間にギャップまたは空間５３０が存在する。また、ショルダ面５２６、４２６の形状および設計の変動により、ショルダ面５２６、４２６は、表面５２６、４２６の一部に沿って互いに接触しない。
【００４２】
図１１Ｂは、Ｖ字形のピンショルダ面５２６を有するピン５２０と、丸みを帯びたまたはブルノーズのボックスショルダ面４２６を有するボックス４２０とを示す。ピンショルダ面５２６は、第１のショルダ５２６ａおよび第２のショルダ面５２６ｂを有する。頂点５２７は、第１のショルダ面５２６ａと第２のショルダ面５２６ｂとの間に位置される。ボックスショルダ面４２６は、第１のショルダ面４２６ａおよび第２のショルダ面４２６ｂを有する。頂点４２７は、第１のショルダ面４２６ａと第２のショルダ面４２６ｂとの間に位置される。ピン５２０およびボックス４２０は、図２Ａから図５Ｂおよび図１１Ａに関して上述したのと同じように互いに接触する。ボックス４２０へのピン５２０の回転により、第１のショルダ面５２６ａと第１のショルダ面４２６ａとの接触、および第２のショルダ面５２６ｂと第２のショルダ面４２６ｂとの接触がもたらされる。頂点４２７と５２７との間に空間５３０が存在する。
【００４３】
図１１Ａおよび図１１Ｂでは、構成中にピン５２０がボックス４２０内に挿入されると同時にピンショルダ面５２６ａ、５２６ｂがボックスショルダ面４２６ａ、４２６ｂに接触するように頂点５２７および４２７が互いに位置合わせされるように、ピン５２０およびボックス４２０が設計されてもよい。その代わりに、第１のショルダ面５２６ａ、４２６ａが最初に接触し、次にピン５２０がボックス５２０にさらにねじ込まれると第２のショルダ面５２６ｂ、４２６ｂが接触するように、ショルダ面５２６、４２６および頂点５２７、４２７が設計されてもよい。別の変形例では、第２のショルダ面５２６ｂ、４２６ｂが最初に接触し、次にピン５２０がボックス５２０にさらにねじ込まれると第１のショルダ面５２６ａ、４２６ａが接触するように、ショルダ面５２６、４２６および頂点５２７、４２７が設計されてもよい。
【００４４】
ショルダ面４２６、５２６は、例えば、限定されるものではないが、ブルノーズ、弾丸形、角形、丸みを帯びた形状または魚尾状を含む様々な形状で設計されてもよい。
【００４５】
前述の明細書では、特定の例示的な実施形態およびその例を参照して本発明を説明されている。しかし、以下の特許請求の範囲に記載された本発明のさらに広い主旨および範囲から逸脱することなく、様々な修正および変更を加えることができることは明らかであろう。したがって、本明細書および図面は、限定的な意味ではなく例示的な方法で考慮されるべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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