(57)【要約】  開示される鋼管用ねじ継手は、テーパ雄ねじ部（１１）及びショルダ部を含むピン（１０）と、テーパ雌ねじ部及びショルダ部を含むボックスとからなる。ショルダ部同士が接触して締結が完了した状態で、雄ねじ部（１１）のねじ底面（１３）が雌ねじ部のねじ頂面と干渉しながら接触し、雄ねじ部（１１）のねじ頂面（１２）と雌ねじ部のねじ底面との間に隙間が形成される。ねじ継手の管軸（ＣＬ）を含む縦断面において、雄ねじ部（１１）のねじ頂面（１２）は、ねじ頂面（１２）と荷重フランク面（１５）をつなぐ円弧の第１角部（１２ａ）と、ねじ頂面（１２）と挿入フランク面（１４）をつなぐ円弧の第２角部（１２ｂ）と、の両方に正接する凸の曲線からなる。雄ねじ部（１１）の表面に固体潤滑被膜（３０）が設けられる。
2020039750.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管状のピンと管状のボックスとからなる鋼管用ねじ継手であって、
前記ピンは、テーパ雄ねじ部及びショルダ部を含み、
前記テーパ雄ねじ部は、ねじ頂面、ねじ底面、荷重フランク面及び挿入フランク面を含み、
前記ボックスは、前記テーパ雄ねじ部と噛み合うテーパ雌ねじ部、及び前記ピンの前記ショルダ部に対応するショルダ部を含み、
前記テーパ雌ねじ部は、ねじ頂面、ねじ底面、荷重フランク面及び挿入フランク面を含み、
前記ピンの前記ショルダ部が前記ボックスの前記ショルダ部と接触して締結が完了した状態で、前記テーパ雄ねじ部の前記ねじ底面が前記テーパ雌ねじ部の前記ねじ頂面と干渉しながら接触し、前記テーパ雄ねじ部の前記ねじ頂面と前記テーパ雌ねじ部の前記ねじ底面との間に隙間が形成され、
前記ねじ継手の管軸を含む縦断面において、
前記テーパ雄ねじ部の前記ねじ頂面は、円弧からなる第１角部を介して前記テーパ雄ねじ部の前記荷重フランク面につながり、
前記テーパ雄ねじ部の前記ねじ頂面は、円弧からなる第２角部を介して前記テーパ雄ねじ部の前記挿入フランク面につながり、
前記テーパ雄ねじ部の前記荷重フランク面及び前記挿入フランク面はそれぞれ直線からなり、
前記テーパ雄ねじ部の前記荷重フランク面のフランク角は負角であり、
前記テーパ雄ねじ部の前記ねじ頂面は、前記第１角部と前記第２角部との両方に正接する凸の曲線からなり、
前記テーパ雄ねじ部の表面に固体潤滑被膜を備える、鋼管用ねじ継手。
【請求項２】
請求項１に記載の鋼管用ねじ継手であって、
前記縦断面において、前記第１角部を形成する円弧を含む仮想の第１円、前記第２角部を形成する円弧を含む仮想の第２円、及び前記テーパ雄ねじ部の前記ねじ頂面に隣接するとともに前記仮想の第１円と前記仮想の第２円との両方に正接する仮想の直線を引いたとき、前記仮想の直線と、前記テーパ雄ねじ部の前記ねじ頂面を形成する前記曲線と、の前記管軸に垂直な方向の距離のうちの最大距離が０．１ｍｍ〜０．３ｍｍである、鋼管用ねじ継手。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の鋼管用ねじ継手であって、
前記縦断面において、前記テーパ雄ねじ部の前記ねじ頂面を形成する前記曲線が円弧、楕円弧又は放物線である、鋼管用ねじ継手。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の鋼管用ねじ継手であって、
前記縦断面において、
前記テーパ雄ねじ部の前記荷重フランク面の前記管軸に垂直な方向の高さが前記テーパ雄ねじ部のねじ高さの３０％以上７０％以下であり、
前記テーパ雄ねじ部の前記挿入フランク面の前記管軸に垂直な方向の高さが前記テーパ雄ねじ部の前記ねじ高さの３０％以上７０％以下である、鋼管用ねじ継手。
【請求項５】
請求項４に記載の鋼管用ねじ継手であって、
前記縦断面において、
前記テーパ雄ねじ部の前記ねじ底面は、円弧からなる第１隅部を介して前記テーパ雄ねじ部の前記荷重フランク面につながり、
前記テーパ雄ねじ部の前記ねじ底面は、円弧からなる第２隅部を介して前記テーパ雄ねじ部の前記挿入フランク面につながり、
前記第１角部の半径が前記ねじ高さの５％以上３５％以下であり、
前記第２角部の半径が前記ねじ高さの１５％以上５０％以下であり、
前記第１隅部の半径が前記ねじ高さの１５％以上５０％以下であり、
前記第２隅部の半径が前記ねじ高さの５％以上３５％以下である、鋼管用ねじ継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼管の連結に用いられるねじ継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
油井、天然ガス井等（以下、総称して「油井」ともいう）において、地下資源を採掘するために油井管（OCTG：Oil Country Tubular Goods）と呼ばれる鋼管が使用される。鋼管は順次連結される。鋼管の連結にねじ継手が用いられる。【０００３】
鋼管用ねじ継手の形式は、カップリング型とインテグラル型に大別される。カップリング型ねじ継手の場合、連結対象の一対の管材のうち、一方の管材が鋼管であり、他方の管材がカップリングである。この場合、鋼管の両端部の外周に雄ねじ部が形成され、カップリングの両端部の内周に雌ねじ部が形成される。そして、鋼管とカップリングとが連結される。インテグラル型ねじ継手の場合、連結対象の一対の管材がともに鋼管であり、別個のカップリングを用いない。この場合、鋼管の一端部の外周に雄ねじ部が形成され、他端部の内周に雌ねじ部が形成される。そして、一方の鋼管と他方の鋼管とが連結される。【０００４】
雄ねじ部が形成された管端部の継手部分は、雌ねじ部に挿入される要素を含むことから、ピンと称される。一方、雌ねじ部が形成された管端部の継手部分は、雄ねじ部を受け入れる要素を含むことから、ボックスと称される。これらのピンとボックスは、管材の端部であるため、いずれも管状である。【０００５】
鋼管用ねじ継手（以下、単に「ねじ継手」ともいう）のねじはテーパねじである。そのため、ピンは、雄ねじ部として、テーパ雄ねじ部を含む。ボックスは、雌ねじ部として、そのテーパ雄ねじ部と噛み合うテーパ雌ねじ部を含む。また、ねじ継手のねじは、ＡＰＩ規格のバットレスねじに代表される台形ねじである。台形ねじでは、テーパ雄ねじ部（以下、単に「雄ねじ部」ともいう）及びテーパ雌ねじ部（以下、単に「雌ねじ部」ともいう）は、それぞれ、ねじ頂面、ねじ底面、荷重フランク面及び挿入フランク面の４つの面を含み、さらにそれらの面を接続する円弧等の角部又は隅部を含む。ねじ頂面、ねじ底面、荷重フランク面及び挿入フランク面は、形状と機能により明確に区別される。【０００６】
通常、ピン及びボックスはそれぞれショルダ部を含む。ボックスへのピンのねじ込みによりピンのショルダ部がボックスのショルダ部と接触する。引き続きピンを所定量回転させるとボックスへのピンの締結が完了する。これにより、締付け軸力が発生し、ピンの荷重フランク面がボックスの荷重フランク面に強く押し付けられる。締結が完了した状態（以下、「締結状態」ともいう）では、雄ねじ部のねじ底面（以下、「雄ねじ底面」ともいう）が雌ねじ部のねじ頂面（以下、「雌ねじ頂面」ともいう）と干渉しながら接触する。一方、雄ねじ部のねじ頂面（以下、「雄ねじ頂面」ともいう）と雌ねじ部のねじ底面（以下、「雌ねじ底面」ともいう）との間には隙間が形成される。【０００７】
ピン及びボックスがそれぞれシール面を含む場合もある。この場合、締結状態で、ピンのシール面がボックスのシール面と干渉しながら接触し、メタル接触によるシール部が形成される。【０００８】
従来、ボックスにピンをねじ込んで締結する際、潤滑剤としてグリスコンパウンドがねじ部（雄ねじ部及び雌ねじ部）に塗布される。近年では、環境規制及び締結作業の効率化のため、グリスコンパウンドに代えて、固体潤滑被膜がねじ部の表面に予め形成される（例えば、国際公開ＷＯ２００７／０４２２３１号（特許文献１）、及び国際公開ＷＯ２００９／０７２４８６号（特許文献２）参照）。【０００９】
固体潤滑被膜は、もともとは流動性のある半固体の潤滑剤であり、ブラシやスプレー等を用いてねじ部の表面に塗布される。塗布された半固体の潤滑剤は、硬化処理（例：冷却、紫外線照射等）を施されて固化し、固体潤滑被膜となる。【００１０】
しかしながら、ねじ部に塗布された半固体の潤滑剤は、塗布から固化までの期間で流動する。これにより、固化前の潤滑剤の膜厚が不均一になる。具体的には、例えば国際公開ＷＯ２０１５／１８２１２８号（特許文献３）に開示されるように、ねじ頂面と荷重フランク面とをつなぐ角部、及びねじ頂面と挿入フランク面とをつなぐ角部では膜厚が薄くなる。ねじ頂面では、その中央部で膜厚が特に分厚くなる。このような膜厚の不均一さは固化後にも維持される。そのため、固体潤滑被膜の膜厚が不均一になる。【００１１】
上記のとおり、締結状態で、雄ねじ頂面と雌ねじ底面との間には隙間が形成される。つまり、締結中でも、雄ねじ頂面と雌ねじ底面との間に隙間が形成される。この場合、雄ねじ頂面で固体潤滑被膜が分厚いと、締結中にその固体潤滑被膜が剥離する。剥離した固体潤滑剤は、雄ねじ頂面と雌ねじ底面との間の隙間を無造作に転がる。その隙間を転がる固体潤滑剤が大量になると、ボックスへのピンのスムーズなねじ込みが阻害される。これにより、締結の不具合が発生する。【００１２】
例えば、トルクチャートのハンピングが生じたり、ハイショルダリングが発生したりする。ねじ継手は通常、トルク管理で締結される。ハンピングやハイショルダリングが発生した場合、締結途中であるにもかかわらず高いトルクが発生する。この場合、締結途中の時点で締結が終了する。つまり、締め込み不足の状態で締結が終了する。その結果、シール部に所定の干渉量が導入されずにリークし易い状態となったり、ねじに所定の締付け軸力が導入されずに緩み易い状態になる。そのため、所望のシール性能と継手強度が得られない。【００１３】
このような問題に対し、特許文献３のねじ継手では、雄ねじ頂面の中央部に浅い溝が設けられる。その雄ねじ頂面に塗布された半固体の潤滑剤は、その溝によって膜厚が薄くなる方向に広がる。そのため、雄ねじ頂面において、半固体の潤滑剤の膜厚が分厚くならずに均一になり、固体潤滑被膜も均一になる。したがって、特許文献３のねじ継手によれば、締結の不具合を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００７／０４２２３１号
【特許文献２】国際公開ＷＯ２００９／０７２４８６号
【特許文献３】国際公開ＷＯ２０１５／１８２１２８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
特許文献３のねじ継手では、雄ねじ頂面に溝を設けるために、その溝に対応する凸の形状を有する特殊なねじ切り工具を用いる。この場合、工具の寿命が短く、工具を頻繁に交換しなければならない、という不都合が生じる。また、溝の無い普通の雄ねじ部を加工した後に、溝加工専用の工具を用いてもよい。この場合、トータルの加工時間が長くなる、という不都合が生じる。いずれにしても、ねじ継手の生産性の低下は否めない。【００１６】
本発明の目的は、雄ねじ部の表面に固体潤滑被膜を備えた鋼管用ねじ継手であって、ねじ継手の生産性を損なうことなく、締結の不具合を抑制することができる鋼管用ねじ継手を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の実施形態による鋼管用ねじ継手は、管状のピンと管状のボックスとからなる。ピンは、テーパ雄ねじ部及びショルダ部を含む。テーパ雄ねじ部は、ねじ頂面、ねじ底面、荷重フランク面及び挿入フランク面を含む。ボックスは、テーパ雄ねじ部と噛み合うテーパ雌ねじ部、及びピンのショルダ部に対応するショルダ部を含む。テーパ雌ねじ部は、ねじ頂面、ねじ底面、荷重フランク面及び挿入フランク面を含む。ピンのショルダ部がボックスのショルダ部と接触して締結が完了した状態で、テーパ雄ねじ部のねじ底面がテーパ雌ねじ部のねじ頂面と干渉しながら接触し、テーパ雄ねじ部のねじ頂面とテーパ雌ねじ部のねじ底面との間に隙間が形成される。【００１８】
上記のねじ継手の管軸を含む縦断面において、テーパ雄ねじ部のねじ頂面は、円弧からなる第１角部を介してテーパ雄ねじ部の荷重フランク面につながる。さらに、テーパ雄ねじ部のねじ頂面は、円弧からなる第２角部を介してテーパ雄ねじ部の挿入フランク面につながる。さらに、テーパ雄ねじ部の荷重フランク面及び挿入フランク面はそれぞれ直線からなる。さらに、テーパ雄ねじ部の荷重フランク面のフランク角は負角である。さらに、テーパ雄ねじ部のねじ頂面は、第１角部と第２角部との両方に正接する凸の曲線からなる。そして、上記のねじ継手は、テーパ雄ねじ部の表面に固体潤滑被膜を備える。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の実施形態による鋼管用ねじ継手によれば、雄ねじ部の表面に固体潤滑被膜を備える場合であっても、ねじ継手の生産性を損なうことなく、締結の不具合を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、第１実施形態の鋼管用ねじ継手の代表例を示す縦断面図である。
【図２】図２は、第１実施形態の鋼管用ねじ継手におけるねじ部の領域を拡大した縦断面図である。
【図３】図３は、図２に示す雄ねじ部の固体潤滑被膜が形成される前の縦断面図である。
【図４】図４は、図２に示す雄ねじ部の縦断面図である。
【図５】図５は、第２実施形態の鋼管用ねじ継手におけるねじ部の領域を拡大した縦断面図である。
【図６】図６は、第３実施形態の鋼管用ねじ継手におけるねじ部の領域を拡大した縦断面図である。
【図７】図７は、図６に示す雄ねじ部の固体潤滑被膜が形成される前の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の実施形態による鋼管用ねじ継手は、管状のピンと管状のボックスとからなる。ピンは、テーパ雄ねじ部及びショルダ部を含む。テーパ雄ねじ部は、ねじ頂面、ねじ底面、荷重フランク面及び挿入フランク面を含む。ボックスは、テーパ雄ねじ部と噛み合うテーパ雌ねじ部、及びピンのショルダ部に対応するショルダ部を含む。テーパ雌ねじ部は、ねじ頂面、ねじ底面、荷重フランク面及び挿入フランク面を含む。ピンのショルダ部がボックスのショルダ部と接触して締結が完了した状態で、テーパ雄ねじ部のねじ底面がテーパ雌ねじ部のねじ頂面と干渉しながら接触し、テーパ雄ねじ部のねじ頂面とテーパ雌ねじ部のねじ底面との間に隙間が形成される。
【００２２】
上記のねじ継手の管軸を含む縦断面において、上記のねじ継手は以下の構成を含む。テーパ雄ねじ部のねじ頂面は、円弧からなる第１角部を介してテーパ雄ねじ部の荷重フランク面につながる。テーパ雄ねじ部のねじ頂面は、円弧からなる第２角部を介してテーパ雄ねじ部の挿入フランク面につながる。テーパ雄ねじ部の荷重フランク面及び挿入フランク面はそれぞれ直線からなる。テーパ雄ねじ部の荷重フランク面のフランク角は負角である。テーパ雄ねじ部のねじ頂面は、第１角部と第２角部との両方に正接する凸の曲線からなる。そして、上記のねじ継手は、テーパ雄ねじ部の表面に固体潤滑被膜を備える。
【００２３】
本実施形態のねじ継手によれば、雄ねじ頂面の全体がなだらかに盛り上がっている。つまり、雄ねじ頂面は平坦ではないし、その雄ねじ頂面に溝は設けられていない。雄ねじ頂面に塗布された半固体の潤滑剤には表面張力が作用する。表面張力は通常、物体の表面エネルギーを最小にする方向に働き、気液界面においては液体の自由表面の面積を最小にするような駆動力を与える。そのため、曲率半径の小さい箇所に塗布された半固体の潤滑剤は、より曲率半径の大きい箇所に流動する。隣り合う表面で曲率半径の差が大きいほど、この流動は顕著となる。
【００２４】
従来の台形ねじにおいては、平坦なねじ頂面の曲率半径は無限大であるので、ねじ頂面と角部との曲率半径差は極めて大きい。そのため、半固体の潤滑剤の顕著な流動により膜厚の不均一さが大きくなっていた。本実施形態のねじ継手では、雄ねじ頂面の全体がなだらかに盛り上がっているため、ねじ頂面と角部との曲率半径差は、従来の台形ねじに比してかなり小さい。そのため、半固体の潤滑剤の不用意な流動も抑えられる。これにより、雄ねじ頂面において、半固体の潤滑剤の膜厚が分厚くならずに均一になり、固体潤滑被膜の膜厚も均一になる。したがって、締結の不具合を抑制することができる。その結果、所望のシール性能と継手強度が得られる。
【００２５】
雄ねじ部を形成するためのねじ切り工具は、なだらかに盛り上がったねじ頂面に対応する凹の形状を有する。ねじ切り加工時、凹の形状部分が受ける負荷は、凸の形状部分が受ける負荷よりも遙かに小さい。そのため、工具の寿命が特に短くなるわけではない。したがって、ねじ継手の生産性は損なわれない。
【００２６】
本実施形態のねじ継手では、平坦な荷重フランク面と平坦な挿入フランク面が存在する。さらに荷重フランク面のフランク角が負角となっている。つまり、荷重フランク面がフック状に傾斜している。そのため、締付け軸力が荷重フランク面に有効に作用する。これにより、引張荷重が作用してもジャンプアウトが生じにくい。したがって、継手強度が高い。
【００２７】
本実施形態のねじ継手で用いられる固体潤滑被膜は、塗布時に流動性を有し、塗布後に硬化処理を施されて固化するものであれば、特に限定されない。つまり、電着被膜、圧着被膜等のように、固化までに流動することがない固体潤滑被膜は含まれない。
【００２８】
本実施形態のねじ継手では、締結状態で雄ねじ頂面と雌ねじ底面との間に隙間が形成される限り、雌ねじ底面の形状は限定されてない。例えば、ねじ継手の縦断面において、雌ねじ底面は直線からなる。この場合、雌ねじ底面の全体が平坦である。また、ねじ継手の縦断面において、雌ねじ底面は、雄ねじ頂面に対応するように凹の曲線からなってもよい。この場合、雌ねじ底面の全体がなだらかに凹んでいる。
【００２９】
典型的な例では、ピン及びボックスがそれぞれシール面を含む。この場合、締結状態で、ピンのシール面がボックスのシール面と干渉しながら接触し、メタル接触によるシール部が形成される。ただし、シール面を設けなくてもよい。
【００３０】
上記のねじ継手は、下記の構成を含むことが好ましい。ねじ継手の縦断面において、第１角部を形成する円弧を含む仮想の第１円、第２角部を形成する円弧を含む仮想の第２円、及びテーパ雄ねじ部のねじ頂面に隣接するとともに仮想の第１円と仮想の第２円との両方に正接する仮想の直線を引いたとき、仮想の直線と、テーパ雄ねじ部のねじ頂面を形成する曲線と、の管軸に垂直な方向の距離のうちの最大距離ｂが０．１ｍｍ〜０．３ｍｍである。最大距離ｂが０．１ｍｍ以上であれば、固体潤滑被膜の膜厚が有効に均一になる。好ましくは、最大距離ｂは０．２ｍｍ以上である。一方、最大距離ｂが０．３ｍｍ以下であれば、荷重フランク面の管軸に垂直な方向の高さが有効に確保され、継手強度への悪影響がない。
【００３１】
典型的な例では、ねじ継手の縦断面において、テーパ雄ねじ部のねじ頂面を形成する曲線が円弧、楕円弧又は放物線である。
【００３２】
上記のねじ継手は、下記の構成を含むことが好ましい。ねじ継手の縦断面において、テーパ雄ねじ部の荷重フランク面の管軸に垂直な方向の高さＬＳＨ（以下、「荷重フランク面高さ」ともいう）がテーパ雄ねじ部のねじ高さＨの３０％以上７０％以下である。さらに、テーパ雄ねじ部の挿入フランク面の管軸に垂直な方向の高さＳＳＨ（以下、「挿入フランク面高さ」ともいう）がテーパ雄ねじ部のねじ高さＨの３０％以上７０％以下である。
【００３３】
荷重フランク面高さＬＳＨがねじ高さＨの３０％以上であれば、継手強度への悪影響がない。好ましくは、荷重フランク面高さＬＳＨはねじ高さＨの４０％以上である。一方、荷重フランク面高さＬＳＨがねじ高さＨの７０％以下であれば、後述する角部と隅部に十分な大きさの円弧を用いることができる。この場合、角部が締結時に相手部材の表面を傷つけることがなく、耐焼付き性への影響がない。さらに、最大距離ｂの確保にも支障がない。またこの場合、隅部での極端な応力集中を避けることができ、疲労強度などへの悪影響がない。
【００３４】
また、挿入フランク面高さＳＳＨがねじ高さＨの３０％以上であれば、継手の圧縮強度への悪影響がない。好ましくは、挿入フランク面高さＳＳＨはねじ高さＨの４０％以上である。一方、挿入フランク面高さＳＳＨがねじ高さＨの７０％以下であれば、後述する角部と隅部に十分な大きさの円弧を用いることができる。この場合、角部が締結時に相手部材の表面を傷つけることがなく、耐焼付き性への影響がない。さらに、最大距離ｂの確保にも支障がない。またこの場合、隅部での極端な応力集中を避けることができ、疲労強度などへの悪影響がない。
【００３５】
このねじ継手の場合、下記の構成を含むことが好ましい。ねじ継手の縦断面において、テーパ雄ねじ部のねじ底面は、円弧からなる第１隅部を介してテーパ雄ねじ部の荷重フランク面につながる。さらに、テーパ雄ねじ部のねじ底面は、円弧からなる第２隅部を介してテーパ雄ねじ部の挿入フランク面につながる。さらに、第１角部の半径Ｒ１がねじ高さＨの５％以上３５％以下である。さらに、第２角部の半径Ｒ２がねじ高さＨの１５％以上５０％以下である。さらに、第１隅部の半径Ｒ３がねじ高さＨの１５％以上５０％以下である。さらに、第２隅部の半径Ｒ４がねじ高さＨの５％以上３５％以下である。
【００３６】
第１角部、第２角部、第１隅部及び第２隅部それぞれの半径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４は、設計上で適切な値を設定される。特に、第２角部の半径Ｒ２と第１隅部の半径Ｒ３は次の設計思想に基づいて設定される。第２角部の半径Ｒ２があまりに小さい場合、スタビング性能が阻害される。ここでスタビング性能とは、ピンをボックスに挿入した際に、いかに早く確実に雄ねじ部が雌ねじ部にはまってピンの回転を開始できる状態になるか、という性能をいう。さらにこの場合、ボックスへのピンの挿入の際に雌ねじ部の表面が疵付いてしまい、耐焼付き性能が低下する。したがって、半径Ｒ２は設計事情の許す範囲で大きな値を設定される。第１隅部の半径Ｒ３があまりに小さい場合、締結や引張負荷の際に過度に応力集中が発生し、耐疲労性能が低下する。したがって、半径Ｒ３は設計事情の許す範囲で大きな値を設定される。第１角部の半径Ｒ１と第２隅部の半径Ｒ４には半径Ｒ２と半径Ｒ３のような事情はない。したがって、半径Ｒ１と半径Ｒ４は、前述の荷重フランク面高さＬＳＨと挿入フランク面高さＳＳＨを確保できるように設定される。
【００３７】
以下に、図面を参照しながら、本実施形態の鋼管用ねじ継手の具体例を説明する。
【００３８】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の鋼管用ねじ継手の代表例を示す縦断面図である。図２は、第１実施形態の鋼管用ねじ継手におけるねじ部の領域を拡大した縦断面図である。図３及び図４は、図２に示す雄ねじ部の縦断面図である。図３には、固体潤滑被膜が形成される前の状態が示される。図４には、固体潤滑被膜が形成された状態が示される。図２〜図４中には、ボックス２０に対するピン１０のねじ込み進行方向が白抜き矢印で示される。本明細書において、縦断面とは、ねじ継手の管軸ＣＬを含む断面を意味する。なお、図１及び図２には、固体潤滑被膜の図示が省略される。
【００３９】
図１に示すねじ継手はカップリング型のねじ継手である。図１を参照し、ねじ継手は、ピン１０とボックス２０とから構成される。ねじ継手のねじはテーパねじである。ピン１０は、雄ねじ部１１及びショルダ部１６を含む。このショルダ部１６は、ピン１０の先端に設けられる。ボックス２０は、ピン１０の雄ねじ部１１に対応する雌ねじ部２１、及びピン１０のショルダ部１６に対応するショルダ部２６を含む。また、ピン１０はシール面１７を含む。このシール面１７は、雄ねじ部１１とショルダ部１６との間に設けられる。ボックス２０は、ピン１０のシール面１７に対応するシール面２７を含む。
【００４０】
図１及び図２を参照し、ピン１０の雄ねじ部１１は、ねじ頂面１２、ねじ底面１３、荷重フランク面１５及び挿入フランク面１４を含む。一方、ボックス２０の雌ねじ部２１は、ねじ頂面２２、ねじ底面２３、荷重フランク面２５及び挿入フランク面２４を含む。
【００４１】
雄ねじ頂面１２は雌ねじ底面２３と対向する。詳細は後述するが、ねじ継手の縦断面において、雄ねじ頂面１２は凸の曲線からなる。つまり、雄ねじ頂面１２はなだらかに盛り上がっている。ねじ継手の縦断面において、雌ねじ底面２３は直線からなる。つまり、雌ねじ底面２３は平坦である。
【００４２】
雄ねじ底面１３は雌ねじ頂面２２と対向する。ねじ継手の縦断面において、雄ねじ底面１３は直線からなる。つまり、雄ねじ底面１３は平坦である。ねじ継手の縦断面において、雌ねじ頂面２２は直線からなる。つまり、雌ねじ頂面２２は平坦である。
【００４３】
第１実施形態では、ねじ継手の縦断面において、雄ねじ底面１３は、雄ねじ部１１の長手方向（管軸ＣＬ方向）の全域にわたって同一直線上にある。雌ねじ頂面２２も、雌ねじ部２１の長手方向の全域にわたって同一直線上にある。雌ねじ底面２３も、雌ねじ部２１の長手方向の全域にわたって同一直線上にある。これらの直線は、管軸ＣＬから所定のテーパ角で傾いている。
【００４４】
雄ねじ部１１の挿入フランク面１４は雌ねじ部２１の挿入フランク面２４と対向する。ねじ継手の縦断面において、雄ねじ部１１の挿入フランク面１４は直線からなる。つまり、雄ねじ部１１の挿入フランク面１４は平坦である。ねじ継手の縦断面において、雌ねじ部２１の挿入フランク面２４は直線からなる。つまり、雌ねじ部２１の挿入フランク面２４は平坦である。
【００４５】
雄ねじ部１１の荷重フランク面１５は雌ねじ部２１の荷重フランク面２５と対向する。ねじ継手の縦断面において、雄ねじ部１１の荷重フランク面１５は直線からなる。つまり、雄ねじ部１１の荷重フランク面１５は平坦である。ねじ継手の縦断面において、雌ねじ部２１の荷重フランク面２５は直線からなる。つまり、雌ねじ部２１の荷重フランク面２５は平坦である。ここで、荷重フランク面１５及び２５のフランク角θは負角となっている。つまり、荷重フランク面１５及び２５がフック状に傾斜している。
【００４６】
ボックス２０へのピン１０のねじ込みにより、雄ねじ部１１が雌ねじ部２１と噛み合う。ピン１０のショルダ部１６はボックス２０のショルダ部２６と接触する（図１参照）。締結状態では、ショルダ部１６及び２６によって締付け軸力が発生し、ピン１０の荷重フランク面１５がボックス２０の荷重フランク面２５に強く押し付けられる。さらに、雄ねじ底面１３が雌ねじ頂面２２と干渉しながら接触する。一方、雄ねじ頂面１２と雌ねじ底面２３との間には隙間が形成される。雄ねじ部１１の挿入フランク面１４と雌ねじ部２１の挿入フランク面２４との間には隙間が形成される。また、ピン１０のシール面１７がボックス２０のシール面２７と干渉しながら接触し、メタル接触によるシール部が形成される（図１参照）。
【００４７】
図３及び図４を参照し、ねじ継手の縦断面において、雄ねじ頂面１２は、第１角部１２ａを介して雄ねじ部１１の荷重フランク面１５につながる。第１角部１２ａは半径がＲ１の円弧からなる。雄ねじ頂面１２は、第２角部１２ｂを介して雄ねじ部１１の挿入フランク面１４につながる。第２角部１２ｂは半径がＲ２の円弧からなる。雄ねじ底面１３は、第１隅部１３ａを介して雄ねじ部１１の荷重フランク面１５につながる。第１隅部１３ａは半径がＲ３の円弧からなる。雄ねじ底面１３は、第２隅部１３ｂを介して雄ねじ部１１の挿入フランク面１４につながる。第２隅部１３ｂは半径がＲ４の円弧からなる。
【００４８】
第１角部１２ａの半径Ｒ１はねじ高さＨの５％以上３５％以下である。第２角部１２ｂの半径Ｒ２はねじ高さＨの１５％以上５０％以下である。第１隅部１３ａの半径Ｒ３はねじ高さＨの１５％以上５０％以下である。第２隅部１３ｂの半径Ｒ４がねじ高さＨの５％以上３５％以下である。
【００４９】
さらに、雄ねじ部１１の荷重フランク面１５の管軸ＣＬに垂直な方向の高さＬＳＨが雄ねじ部１１のねじ高さＨの３０％以上７０％以下である。雄ねじ部１１の挿入フランク面１４の管軸ＣＬに垂直な方向の高さＳＳＨが雄ねじ部１１のねじ高さＨの３０％以上７０％以下である。ここで、荷重フランク面高さＬＳＨは、管軸ＣＬに垂直な面に荷重フランク面１５を投影したときの径方向の高さ（距離）と読み替えられる。挿入フランク面高さＳＳＨは、管軸ＣＬに垂直な面に挿入フランク面１４を投影したときの径方向の高さ（距離）と読み替えられる。
【００５０】
ねじ継手の縦断面において、雄ねじ頂面１２は凸の曲線からなる。この曲線は、第１角部１２ａを形成する半径Ｒ１の円弧を含む仮想の第１円Ｃ１と、第２角部１２ｂを形成する半径Ｒ２の円弧を含む仮想の第２円Ｃ２と、の両方に正接する。図３及び図４には、ねじ頂面１２を形成する曲線が円弧である例が示される。具体的には、図３を参照し、第１角部１２ａを形成する円弧を含む仮想の第１円Ｃ１を描く。第２角部１２ｂを形成する円弧を含む仮想の第２円Ｃ２を描く。そして、雄ねじ頂面１２に隣接するとともに仮想の第１円Ｃ１と仮想の第２円Ｃ２との両方に接する仮想の直線Ｃを描く。このとき、仮想の直線Ｃと、雄ねじ頂面１２を形成する曲線と、の管軸ＣＬに垂直な方向の距離のうちの最大距離ｂが０．１ｍｍ〜０．３ｍｍである。
【００５１】
例えば、設計上では、雄ねじ部１１においてねじ高さＨが定められる。第１実施形態の場合、雄ねじ底面１３は、管軸ＣＬから所定のテーパ角で傾いた線Ａ上にある。この線Ａを管軸ＣＬから遠ざかる方向にねじ高さＨだけ平行移動させる。平行移動された線Ｂ上に、凸の雄ねじ頂面１２が接する。この線Ｂを管軸ＣＬに近づく方向に所定の距離（最大距離ｂ）だけ平行移動させる。平行移動された線Ｃが上記の仮想の直線である。第１実施形態の場合、仮想の直線Ｃは管軸ＣＬから所定のテーパ角で傾いている。この直線Ｃと荷重フランク面１５との両方に接する円Ｃ１が上記の仮想の第１円である。その直線Ｃと挿入フランク面１４との両方に接する円Ｃ２が上記の仮想の第２円である。そして、線Ｂに接するとともに、第１円Ｃ１と第２円Ｃ２との両方に正接するように、ねじ頂面１２が定められる。さらに、荷重フランク面１５とねじ頂面１２とをつなぐ第１円Ｃ１の円弧が第１角部１２ａとなる。挿入フランク面１４とねじ頂面１２とをつなぐ第２円Ｃ２の円弧が第２角部１２ｂとなる。
【００５２】
図４を参照し、ピン１０の雄ねじ部１１の表面に固体潤滑被膜３０が形成される。固体潤滑被膜３０は、塗布時には流動性を有し、塗布後に硬化処理を施されて固化するものである。固体潤滑被膜３０の固化に先立ち、雄ねじ頂面１２に塗布された半固体の潤滑剤の不用意な流動が抑えられる。これは、雄ねじ頂面１２の全体が平坦ではなくて、なだらかに盛り上がっていることと、半固体の潤滑剤に表面張力が作用することによる。そのため、雄ねじ頂面１２において、半固体の潤滑剤の膜厚が分厚くならずに均一になり、固体潤滑被膜３０の膜厚も均一になる。
【００５３】
［第２実施形態］
図５は、第２実施形態の鋼管用ねじ継手におけるねじ部の領域を拡大した縦断面図である。第２実施形態のねじ継手は、上記した第１実施形態のねじ継手を変形したものである。以下、第１実施形態のねじ継手と重複する構成についての説明は省略する。後述する第３実施形態でも同様とする。
【００５４】
図５を参照し、ねじ継手の縦断面において、雌ねじ底面２３は、雄ねじ頂面１２に対応するように凹の曲線からなる。つまり、雌ねじ底面２３はなだらかに凹んでいる。このような構成であっても、第１実施形態と同様の効果を奏する。
【００５５】
［第３実施形態］
図６は、第３実施形態の鋼管用ねじ継手におけるねじ部の領域を拡大した縦断面図である。図７は、図６に示す雄ねじ部の固体潤滑被膜が形成される前の縦断面図である。
【００５６】
図６及び図７を参照し、ねじ継手の縦断面において、雄ねじ頂面１２は凸の曲線からなる。雄ねじ底面１３、雌ねじ頂面２２及び雌ねじ底面２３は、それぞれ直線からなる。ただし、第３実施形態では、ねじ継手の縦断面において、雄ねじ底面１３は管軸ＣＬと平行である。雌ねじ頂面２２も管軸ＣＬと平行である。雌ねじ底面２３も管軸ＣＬと平行である。
【００５７】
例えば、設計上では、雄ねじ部１１において、挿入フランク面１４側のねじ高さＨＳと、荷重フランク面１５側のねじ高さＨＬが定められる。第３実施形態の場合、挿入フランク面１４側のねじ高さＨＳに基づいて雄ねじ部１１が設計される。雄ねじ底面１３は、管軸ＣＬと平行な線Ａ’上にある。この線Ａ’を管軸ＣＬから遠ざかる方向に挿入フランク面１４側のねじ高さＨＳだけ平行移動させる。平行移動された線Ｂ’上に、凸の雄ねじ頂面１２が接する。この線Ｂ’を管軸ＣＬに近づく方向に所定の距離（最大距離ｂ）だけ平行移動させる。平行移動された線Ｃ’が上記の仮想の直線である。第３実施形態の場合、仮想の直線Ｃ’は管軸ＣＬと平行である。この直線Ｃ’と荷重フランク面１５との両方に接する円Ｃ１が上記の仮想の第１円である。その直線Ｃ’と挿入フランク面１４との両方に接する円Ｃ２が上記の仮想の第２円である。そして、線Ｂ’に接するとともに、第１円Ｃ１と第２円Ｃ２との両方に正接するようにねじ頂面１２が定められる。さらに、荷重フランク面１５とねじ頂面１２とをつなぐ第１円Ｃ１の円弧が第１角部１２ａとなる。挿入フランク面１４とねじ頂面１２とをつなぐ第２円Ｃ２の円弧が第２角部１２ｂとなる。
【００５８】
このような構成であっても、第１実施形態と同様の効果を奏する。なお、第２実施形態のように、ねじ継手の縦断面において、雌ねじ底面２３は、雄ねじ頂面１２に対応するように凹の曲線からなってもよい。
【実施例】
【００５９】
本実施形態による効果を確認するため、有限要素法による数値シミュレーション解析を実施し、雄ねじ部に塗布された半固体の潤滑剤の膜厚を調査した。【００６０】
［試験条件］
ＦＥＭ解析のモデルとして、図３に示す第１実施形態の雄ねじ部を用い、ねじ高さＨを種々変更した。試験Ｎｏ．１のモデルは比較例であり、雄ねじ頂面の縦断面形状が直線であった。試験Ｎｏ．２及び３はそれぞれ実施例１及び２であり、雄ねじ頂面の縦断面形状が単一の円弧であった。共通の条件は下記のとおりである。【００６１】
・ねじピッチ：５ＴＰＩ（１インチあたりのねじ山の数が５つ）
・ねじ山幅：ピッチライン上で２．４８ｍｍ
・ねじテーパ：６．２５％（テーパ角：約１．８°）
・荷重フランク面のフランク角：−３°
・挿入フランク面のフランク角：１０°
・荷重フランク面高さＬＳＨ：０．８２ｍｍ
・挿入フランク面高さＳＳＨ：０．８６ｍｍ
・第１角部の半径Ｒ１：０．３５ｍｍ
・第２角部の半径Ｒ２：０．７６ｍｍ
・第１隅部の半径Ｒ３：０．３５ｍｍ
・第２隅部の半径Ｒ４：０．１５ｍｍ【００６２】
ＦＥＭ解析では、雄ねじ部及び固化前の潤滑剤を平面ひずみ要素でモデル化したものを使用した。雄ねじ部は弾性体とし、その縦弾性係数を２１０ＧＰａとした。固化前の潤滑剤は流動性のある粘塑性流体とした。具体的には、固化前の潤滑剤に関し、粘性係数は２００センチストークスとし、質量密度は１．０×１０-6ｋｇ／ｍｍ3とし、表面張力は２２ｍ（ミリ）Ｎ／ｍとした。試験Ｎｏ．１〜３のいずれでも、同量の粘塑性流体をスプレー塗布し、均一な初期膜厚を与えた。初期膜厚は０．１ｍｍとした。この状態から、表面張力と粘性による流動の解析を行い、実際にほぼ流動が停止する１００秒経過後の膜厚を調査した。なお、雄ねじ頂面につながる第１角部及び第２角部で焼付きを生じないとする膜厚の下限は０．０１２ｍｍとした。【００６３】
［評価方法］
雄ねじ頂面での最大膜厚を抽出した。さらに、第１角部及び第２角部での最小膜厚を抽出した。そして、両角部での最小膜厚に対する雄ねじ頂面での最大膜厚の比（以下、「膜厚比」ともいう）を算出し、膜厚の均一さを評価した。膜厚比が小さいほど膜厚が均一であることを意味する。結果は下記の表１のとおりである。【００６４】
【表１】
2020039750.tif 000003
【００６５】
［試験結果］
表１に示す結果から、次のことが示される。実施例１及び２の膜厚比は比較例の膜厚比よりも小さかった。したがって、実施例１及び２のねじ継手により固体潤滑剤の膜厚を均一にできた。また、比較例の角部の最小膜厚は、焼付きを生じないとする膜厚下限と同等であった。これに対し、実施例１及び２の角部の最小膜厚は、その膜厚下限に対して余裕があった。これは、実施例１及び２では潤滑剤の塗布量を低減できることを意味する。【００６６】
その他、本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、ねじ継手の形式は、カップリング型及びインテグラル型のいずれでも構わない。ショルダ部の設置場所、設置数等は特に限定されない。メタル接触によるシール部が設けられる場合、その設置場所、設置数等は限定されない。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明のねじ継手は、油井管として用いる鋼管の連結に有効に利用できる。
【符号の説明】
【００６８】
１０  ピン
１１  雄ねじ部
１２  ねじ頂面
１２ａ  第１角部
１２ｂ  第２角部
１３  ねじ底面
１３ａ  第１隅部
１４ｂ  第２隅部
１４  挿入フランク面
１５  荷重フランク面
１６  ショルダ部
１７  シール面
２０  ボックス
２１  雌ねじ部
２２  ねじ頂面
２３  ねじ底面
２４  挿入フランク面
２５  荷重フランク面
２６  ショルダ部
２７  シール面
３０  固体潤滑被膜
ＣＬ  管軸
【図１】
2020039750.tif 000004
【図２】
2020039750.tif 000005
【図３】
2020039750.tif 000006
【図４】
2020039750.tif 000007
【図５】
2020039750.tif 000008
【図６】
2020039750.tif 000009
【図７】
2020039750.tif 000010
【国際調査報告】
2020039750.tif 000011
2020039750.tif 000012
2020039750.tif 000013
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