(57)【要約】雄ねじを有するピン部と、雌ねじを有するボックス部と、ピン部およびボックス部にそれぞれ設けられたメタルシール部と、ピン部の先端とボックス部のこれに当接する部位とにそれぞれ設けられたトルクショルダ部と、を備える油井管用ねじ継手を製造するに際し、各部の寸法を決定する設計手順を提供する。この設計手順にしたがって各部寸法を決定することにより、内・外圧に対して優れた耐リーク性を示す高強度ねじ継手を設計・製造することができる。
2002075195.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ねじ断面形状が概ね台形状のテーパねじから成る雄ねじを有するピン部と、ねじ断面形状が概ね台形状のテーパねじから成り、前記雄ねじに噛合する雌ねじを有するボックス部と、
前記ピン部および前記ボックス部にそれぞれ設けられたメタルシール部と、
前記ピン部の先端とボックス部のこれに当接する部位とにそれぞれ設けられたトルクショルダ部と
を備える油井管用ねじ継手を製造するに際して、
前記ピン部を有する管の管外径（ＯＤ）および管肉厚（ｔ）を決定し、
決定した前記管外径（ＯＤ）および前記管肉厚（ｔ）に基づいて前記ピン部のリップ内径（Ｄ２）を決定し、決定した前記ピン部のリップ内径（Ｄ２）に基づいて前記ボックス部の内径（Ｄ１）を決定し、
決定した前記管外径（ＯＤ）および前記管肉厚（ｔ）に基づいてリップ厚比（Ｘ）を仮決定し、仮決定したリップ厚比（Ｘ）に基づいて、前記ピン部のリップ厚（ｌｔ）およびピン部リップ根元外径（ＤＢ）を仮決定して、決定した前記管外径（ＯＤ）および前記管肉厚（ｔ）に基づいてねじ噛合高さ（ｈ）およびねじピッチ（Ｐ）を決定し、
決定した管外径（ＯＤ）および管肉厚（ｔ）と、仮決定した前記ピン部の前記リップ外径（ＤＢ）および完全噛合ねじ長さ（Ｌ）および決定した前記ねじ噛合高さ（ｈ）とに基づいて、ねじテーパ（Ｔｔ）を仮決定し、
仮決定した前記ピン部のリップ厚（ｌｔ）および前記ピン部のリップ根元外径（ＤＢ）に基づいて、リップ長さ（ｌ）、ピン部シール長さ（Ｓｐ）、シールテーパ（Ｔｓ）、ショルダー角度（θ１）および前記リップ厚比（Ｘ）を、関数ｆ＞１．２となるように決定することにより、
ピンリップ形状を決定して、前記ピン部のリップ厚（ｌｔ）および前記ピン部のリップ外径（ＤＢ）を決定し、さらに、リップ部先端径（Ｐａｐｅｘ）を決定し、
決定した前記ピン部のリップ厚（ｌｔ）、前記ピン部のリップ根元外径（ＤＢ）およびねじ噛合高さ（ｈ）に基づいて、ねじテーパ（Ｔｔ）および完全噛合ねじ長さ（Ｌ）を決定するとともに、
ボックス部ねじ平行部径（ＤＡ）を決定し、また、ロード面角度（α）、スタブ面角度（β）、スタビング面隙間（δ）およびねじ山頂部隙間（γ）を決定し、ピン部シール長さ（Ｓｐ）およびピン部各部寸法に基づいてボックス部シール長さ（ＳＢ）を含むシール部形状を決定すること、
により各部寸法を決定することを特徴とする管用ねじ継手の製造方法。
【請求項２】
ねじ断面形状が概ね台形状のテーパねじから成る雄ねじを有するピン部と、ねじ断面形状が概ね台形状のテーパねじから成り、前記雄ねじに噛合する雌ねじを有するボックス部と、
前記ピン部および前記ボックス部にそれぞれ設けられたメタルシール部と、
前記ピン部の先端とボックス部のこれに当接する部位とにそれぞれ設けられたトルクショルダ部と
を備える管用ねじ継手を製造するに際して、
下記第１工程から下記第５工程までを行うことにより、各部寸法を決定することを特徴とする管用ねじ継手の製造方法。
第１工程：
前記ピン部を有する管の管外径（ＯＤ）および管肉厚（ｔ）を決定し、決定した管外径（ＯＤ）および管肉厚（ｔ）に基づいて、ねじピッチ（Ｐ）を決定すること。
第２工程：
決定した管外径（ＯＤ）および管肉厚（ｔ）に基づいて、前記ピン部と前記ボックス部との完全噛合ねじ長さ（Ｌ）を仮決定し、
後述する第３工程Ｃにおいて、決定した管外径（ＯＤ）および管肉厚（ｔ）に基づいて、リップ厚比（Ｘ）を仮決定し、仮決定したリップ厚比（Ｘ）に基づいて、前記ピン部のリップ厚（ｌｔ）およびピン部リップ根元外径（ＤＢ）を仮決定し、
決定した前記管外径（ＯＤ）および前記管肉厚（ｔ）と、仮決定した前記完全噛合ねじ長さ（Ｌ）と、仮決定したピン部のリップ根元外径（ＤＢ）とに基づいて、ねじテーパ（Ｔｔ）を仮決定すること。
第３工程：
決定した管外径（ＯＤ）および管肉厚（ｔ）に基づいて、前記ピン部のリップ内径（Ｄ２）を決定し、決定した前記ピン部のリップ内径（Ｄ２）に基づいて前記ボックス部の内径（Ｄ１）を決定し、
仮決定した前記ピン部のリップ厚（ｌｔ）およびピン部リップ外径（ＤＢ）に基づいて、リップ長さ（ｌ）、ピン部シール長さ（Ｓｐ）、シールテーパ（Ｔｓ）、ショルダー角度（θ１）および前記リップ厚比（Ｘ）を、関数ｆ＞１．２となるように仮決定することによりピンリップ形状を決定し、決定した該ピンリップ形状に基づいて、
（ｉ）前記ピン部のリップ厚（ｌｔ）およびピン部リップ根元外径（ＤＢ）を決定し、該リップ厚（ｌｔ）およびピン部リップ根元外径（ＤＢ）に基づいて、ボックス部ねじ平行部径（ＤＡ）を決定するとともに、ねじテーパ（Ｔｔ）および前記完全噛合ねじ長さ（Ｌ）を決定し、
（ｉｉ）ピン部シール部の各部寸法に基づいてボックス部シール長さ（ＳＢ）およびボックス部シール先端径（Ｂａｐｅｘ）を含むシール部形状を決定すること。
第４工程：
決定した管外径（ＯＤ）および管肉厚（ｔ）に基づいて、ねじ噛合高さ（ｈ）を決定し、該ねじ噛合高さ（ｈ）に基づいてピッチ径（Ｄｐ）を決定し、該ピッチ径（Ｄｐ）に基づいて、
（ｉ）ボックス部外径（Ｗ）およびピン部ピッチ径位置（ＬＰｔ）を決定し、
（ｉｉ）ねじ干渉量（Ｉｔ）を決定し、
（ｉｉｉ）ボックス部ショルダ深さ（ＬＢ）およびボックス部ショルダ長さ（ＩＲｅｓ）を決定し、該ボックス部ショルダ深さ（ＬＢ）およびボックス部ショルダ長さ（ＩＲｅｓ）に基づいてボックス部全長（ＮＬ）を決定すること。
第５工程：
決定した管外径（ＯＤ）、管肉厚（ｔ）、ねじ噛合高さ（ｈ）およびねじピッチ（Ｐ）に基づき、ロード面角度（α）、スタブ面角度（β）、スタビング面隙間（δ）およびねじ山頂部隙間（γ）を決定すること。
【請求項３】
前記ピン部と前記ボックス部との完全噛合ねじ長さ（Ｌ）の許容範囲は、｛管肉厚（ｔ）／管外径（ＯＤ）｝が０．０９６以上の場合には管肉厚の３倍以上、｛管肉厚（ｔ）／管外径（ＯＤ）｝が０．０８４以上の場合には同４倍以上、｛管肉厚（ｔ）／管外径（ＯＤ）｝が０．０５２以上の場合には同５倍以上、｛管肉厚（ｔ）／管外径（ＯＤ）｝が０．０５２未満の場合には同５倍以上であって、かつ前記ピン部のリップ内径（Ｄ２）≦管内径（Ｄ１）として設定される請求の範囲第１項または第２項に記載された管用ねじ継手の製造方法。
【請求項４】
前記ピン部のリップ厚（ｌｔ）は、下記（５）式により求められる請求の範囲第１項から第３項までのいずれか１項に記載された管用ねじ継手の製造方法。
2002075195.tif 000026
【請求項５】
前記ねじ噛合高さ（ｈ）は、管外径（ＯＤ）、若しくは、管外径（ＯＤ）および管肉厚（ｔ）に基づいて設定される請求の範囲第１項から第４項までのいずれか１項に記載された管用ねじ継手の製造方法。
【請求項６】
前記ねじテーパ（Ｔｔ）は、下記（７）式により求められる請求の範囲第１項から第５項までのいずれか１項に記載された管用ねじ継手の製造方法。
2002075195.tif 000027
ただし、符号ｃは、ピン部リップ根元位置におけるピン部のねじ底径とリップ外径との差の１／２であり、符号εはリップ根元位置におけるネジ頂部とネジベベル頂部との半径差である。
【請求項７】
前記完全噛合ねじ長さ（Ｌ）は、下記（８）式により求められる請求の範囲第１項から第６項までのいずれか１項に記載された管用ねじ継手の製造方法。
2002075195.tif 000028
【請求項８】
前記関数ｆは、下記（９）式により求められる請求の範囲第１項から第７項までのいずれか１項に記載された管用ねじ継手の製造方法。
2002075195.tif 000029
ただし、５°≦θ１≦２０°、０．５２≦Ｘ≦０．７５、６ｍｍ≦ｌ≦３０ｍｍ、３ｍｍ≦Ｓｐ≦１０ｍｍ、１≦Ｔｓ≦１６である。
【請求項９】
前記スタブ面角度βは、下記（１１）式により求められる請求の範囲第１項から第８項までのいずれか１項に記載された管用ねじ継手の製造方法。
2002075195.tif 000030
ただし、０°＞α＞−２０°、γ：極力小さい値、２５°＜β＜４５°、δ：コストおよび性能を考慮し、加工者のできる範囲で極力小さい正の値
【請求項１０】
前記ねじピッチ（Ｐ）は、管外径（ＯＤ）、若しくは、管外径（ＯＤ）および管肉厚（ｔ）に基づいて設定される請求の範囲第１項から第９項までのいずれか１項に記載された管用ねじ継手の製造方法。
【請求項１１】
前記ボックス部シール長さ（ＳＢ）は、
ＳＢ＞ＳＰの場合には、ＳＢ＞ＳＰ＋２．０であって、かつ下記（１２）式により求められ、ＳＢ≦ＳＰの場合には、下記（１３）により求められる請求の範囲第１項から第１０項までのいずれか１項に記載された管用ねじ継手の製造方法。
2002075195.tif 000031
2002075195.tif 000032
ただし、符号Ｉｓはシール干渉量を示し、符号ＴＤはピンリップテーパ部のテーパを示し、符号θ５はボックスシール部入口角度を示す。
【請求項１２】
前記ピッチ径Ｄｐは、下記（１４）式により求められる請求の範囲第１項から第１１項までのいずれか１項に記載された管用ねじ継手の製造方法。
2002075195.tif 000033
ただし、符号μはパイプの管外径（ＯＤ）に基づいて設定される定数である。
【請求項１３】
前記ねじ干渉量Ｉｔは、下記（１６）式または（１７）式により求められる請求の範囲第１項から第１２項までのいずれか１項に記載された管用ねじ継手の製造方法。
ただし、（１２）式または（１３）式によりねじ全長にわたり計算した値のうち、最小の値をねじ干渉量Ｉｔの上限とし、その上限の５％をねじ干渉量Ｉｔの下限とする。
2002075195.tif 000034
ただし、符号δｙは材料降伏強度（ＭＰａ）を示し、符号Ｅは継手材料のヤング率（ＭＰａ）を示し、符号Ｗはボックス外径（ｍｍ）を示し、符号ＤＩはピン内径（ｍｍ）を示し、符号ｄｐはねじのピッチ円直径（ｍｍ）を示し、符号Ｌａ２は（ｄｐ２−ＤＩ２）を示し、さらに符号Ｌｂ２は（Ｗ２−ｄｐ２）を示す。
【請求項１４】
前記ボックス部ショルダ深さＬＢは、下記（１８）式により求められる請求の範囲第１項から第１３項までのいずれか１項に記載された管用ねじ継手の製造方法。
2002075195.tif 000035
ただし、符号θ４は、ボックス部端面内ベベル角度を示す。
【請求項１５】
前記ボックス部シール先端径Ｂａｐｅｘは、下記（２３）式により求められる請求の範囲第１項から第１４項までのいずれか１項に記載された管用ねじ継手の製造方法。
2002075195.tif 000036
ただし、符号Ｉｓは、シール干渉量を示す。
【請求項１６】
前記管が油井管であることを特徴とする請求の範囲第１項から第１５項までのいずれかに記載された管用ねじ継手の製造方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、管のねじ継手の製造方法に関するものであり、特に、様々な外力に対し管本体と同等以上の耐力を有するねじ継手の製造方法に関する。
そのような管としては、石油、天然ガス、および蒸気や熱水を探査・生産するための油井、ガス井、地熱井、ならびに産業廃棄物やガス、水等を地中に圧入する圧入井等（以下、油井で代表する）を構成する管体（以下、油井管で代表する）を例示できる。したがって、本発明は、より具体的には、そのような管体用のねじ継手の製造方法に関する。
背景技術
上述のような油井管用の継手として、従来よりねじ継手が用いられている。現在最も多く用いられているのは、ＡＰＩ規格（米国石油協会規格）のラウンドねじ継手やバトレスねじ継手（以下「ＡＰＩ継手」という。）である。近年、油井、ガス井等が深くなり、それに伴って井戸内圧力、温度さらには腐食状況等がますます苛酷になってきており、そのような環境下で、管の自重による破断に抗する強度を備え、かつ気密性が優れた継手が求められてきた。
Ｆｉｇ．１ａは、その１例として、両端にボックス部２１、２１を持つカップリング２０と、それぞれの端部にピン部１１、１１を持つ管１０、１０とを接続するカップリング方式の油井管用ねじ継手２５を示す断面図である。また、Ｆｉｇ．１ｂはカップリング２０のボックス部２１の拡大断面図であり、Ｆｉｇ．１ｃは管１０のピン部１１の拡大断面図である。
Ｆｉｇ．１ａに示す如く、カップリング２０の両端にはボックス部２１、２１が、そして管１０、１０の先端にはピン部１１、１１が設けられており、油井管では鋼管である管１０、１０はカップリング２０によりねじ接続されている。
Ｆｉｇ．１ｂに示すように、ボックス部２１の内周面には雌ねじ２２が刻設されている。また、Ｆｉｇ．１ｃに示すように、ピン部１１の外周面には雄ねじ１２が刻設されている。
このように、カップリング方式のねじ継手２５は、管１０の端部に設けた雄ねじ１２を有するピン部１１と、カップリング２０の内部に設けた雌ねじ２２を有するボックス部２１とを互いにねじ込むことによって、２つの管１０、１０を接続する。
しかし、上述したように、管１０の自重によって発生する引張応力に対抗できるほど強度が高く、かつ気密性が高いねじ継手２５の要求に対しては、例えばＡＰＩ継手のような、単に雄ねじ１２および雌ねじ２２から成るねじ要素のみで構成された継手では、充分ではなかった。このため、Ｆｉｇ．１ｂおよびＦｉｇ．１ｃにそれぞれ示すように、ボックス部２１およびピン部１１それぞれに、メタルシール部１３、２３やトルクショルダ部１４、２４をともに備えるねじ継手２５が用いられるようになってきた。
メタルシール部１３、２３は、適切な接触面圧を確保するために設けられる。管１０の径方向の干渉量つまり、ピン部１１のメタルシール部１３の外径がボックス部２１のメタルシール部２３の内径より大であり（この差を「干渉量」という。）、ピン部１１をボックス部２１にねじ込むと、この干渉量の存在によって両メタルシール部１３、２３の接触面に面圧が発生し、この面圧により良好な気密性が確保される。
一方、トルクショルダ部１４、２４も、その間に適切な接触面圧を確保するために設けられる。つまり、ピン部１１およびボックス部２１のこの部分を互いに適切に制御した圧力で突き当てることにより十分なねじ込み量を確保してねじ継手２５の締結を確実にし、かつ、この突き当てる力により付加的な接触面圧がメタルシール部１３、２３に発生するようにするためである。
また、メタルシール部１３、２３のみならず雄ねじ１２、雌ねじ２２においても、テーパねじの場合にはその締結を確実にして容易に緩まないようにするため、メタルシール部１３、２３と同様の干渉量を有するものが多くある。
なお、トルクショルダ部１４、２４の垂直面に対する傾斜角度θ１はショルダー角度という。
発明の開示
ところで、近年、井戸の深さはますます深くなり、かつ開発環境や井戸環境も悪化するとともに、一方では油井やガス井の開発技術も発展し、近年では下記▲１▼〜▲５▼のような過酷な要求が継手に求められるようになってきた。
▲１▼接続された管の自重による軸方向の引張応力に耐えられること
▲２▼内部流体による内圧、あるいは外部流体による外圧に耐えられること
▲３▼管用の耐食性材料も高価なものになる傾向から、何度も繰り返し使用が可能であること
▲４▼井戸の開発過程あるいは井戸の操業中に、管に負荷されるねじり力や、加熱、冷却の繰り返し等で生ずる引張り力および圧縮力に対して充分な耐力を有すること
▲５▼以上のような負荷を繰り返し受けても、内外圧に対するシール性を保つこと。
このような要求に応えるため、従来より、Ｆｉｇ．１ａ〜Ｆｉｇ．１ｃに示すねじ継手２５の締結状態を改善する発明が多数提案されている。本出願人も、先に特願平１１−１８３１４８号を提案した（特開２０００−８１１７３号公報参照）。
この提案は、下記４項目（イ）〜（ニ）、若しくは（イ）〜（ハ）および（ホ）を満足することにより、ねじ継手に加わると想定される全ての荷重について、管本体と同等以上の耐力および抵抗力を有するねじ継手を提供できるというものである。
すなわち、Ｖｏｎ  Ｍｉｓｅｓの相当応力楕円で表された内圧と軸力の全領域と、ＡＰＩ５Ｃ３の管体コラプスの式で表された外圧と軸力の全領域を満足すると共に、軸力の変動下、特に管体強度の９５％という高い圧縮力の負荷を受けた後でも気密性を保ち、さらに引張・圧縮の軸力変動下でも緩みにくい油井管用ねじ継手を提供するものである。
（イ）ねじの荷重面フランク角が−２０°以上０°未満、挿入面フランク角が２５°を越え４５°以下で、さらにねじ干渉量が正の値を有し、継手の締結途中および締結完了時に雄ねじと雌ねじの荷重面および挿入面が相互に共に接触すると共に、ねじの頂面と底面とに共に隙間を設けること。ただし、「ねじ干渉量」は、雄ねじと雌ねじのそれぞれのピッチ円直径の差で定義される。
（ロ）前記ねじ干渉量として下記（１）または（２）式を用いてねじ部全長について算出した値のうち、最も小さい値の２倍をその上限値とし、この上限値の５％をその下限とすること。
2002075195.tif 000003
ここで、
Ｉｔ：半径分見掛けねじ干渉量（ｍｍ）、δｙ：継手材料の降伏強度（ＭＰａ）
Ｅ：継手材料のヤング率（ＭＰａ）、  Ｗ：ボックス外径（ｍｍ）
ＤＩ：ピン内径（ｍｍ）、  ｄｐ：ねじのピッチ円直径（ｍｍ）
Ｌａ２：（ｄｐ２−ＤＩ２）  Ｌｂ２：（Ｗ２−ｄｐ２）
但し、ねじ干渉量はメタルシール部の干渉量より小さい。
（ハ）ピン部の雄ねじとボックス部の雌ねじとの完全ねじの噛み合い長さが締結時に管本体肉厚の
（ａ）３倍以上：管肉厚対管外径比が０．０９６以上のとき、
（ｂ）４倍以上：        〃      ０．０８４以上、０．０９６未満のとき、
（ｃ）５倍以上：上記（ａ）、（ｂ）以外のとき、
であること。ただし、管肉厚対管外径比０．０５２以下のものはピン部のシールリップ部内径を可能な範囲で管内径以下とする。
（ニ）トルクショルダ部のショルダ角度をθ１：５〜２０°とし、かつシールリップ部のリップ部の根元厚さ（ｌｔ）と管肉厚（ｔ）との間の下記式で定義したリップ厚比（Ｘ）を０．５２以上とする。
2002075195.tif 000004
ここで、ＤＢ：リップ部の根元の外径、  ＯＤ：管外径
但し、ｔ／ＯＤが小さく且つｔが薄肉の場合、管端スエージ等の前加工により上記で定めたリップ厚比≧０．５２を満足させる。
（ホ）ピン部先端のねじ無し部、およびボックス部奥のねじ無し部の形状を決める各因子、リップ長さ：ｌ（ｍｍ）：シール長さ：Ｓｐ（ｍｍ）、シールテーパ：Ｔｓ、ショルダ角度：θ１（°）、リップ厚比（Ｘ）がそれぞれ下記の範囲にあり、かつこれ等による一次多項式である関数ｆがｆ＞１．２を満足する。
2002075195.tif 000005
ここで
2002075195.tif 000006
Ｘ＝｛（ピン側リップ部の根元の肉厚）／（リップ部の根元の外径）｝／
｛（管本体肉厚）／（管本体外径）｝
かかる構成により、確かに所望の性能を有する油井管用ねじ継手を提供することができる。しかしながら、この提案にかかる油井管用ねじ継手を現実に製造するために各部の寸法を設計するには、極めて多大な労力を要する。
ここに、本発明の目的は、油井管用のねじ継手、具体的には、様々な外力に対し管本体と同等以上の耐力を有するねじ継手を、当業者が容易に製造することができる方法を具体的に提供することである。
また、本発明のより具体的な目的は、特願平１１−１８３１４８号により提案したねじ継手を当業者が容易に設計・製造できる方法を提供することである。
以下において特願平１１−１８３１４８号により提案した上記継手を「先行ねじ継手」と称する。
本発明者は、上記課題を解決するために、上記先行ねじ継手を分析および再構築することにより、このねじ継手の設計手順を構築して、本発明を完成した。
この設計手順にしたがって各部寸法を決定することにより、内・外圧に対して優れた耐リーク性を示す高強度ねじ継手を当業者が容易に設計・製造することができる。
ここに、本発明は、後述するＦｉｇ．２に示すように、ねじ断面形状が概ね台形状のテーパねじから成る雄ねじを有するピン部と、ねじ断面形状が概ね台形状のテーパねじから成り、前記雄ねじに噛合する雌ねじを有するボックス部と、
前記ピン部に設けられたメタルシール部形成用のねじ無し部と、前記ボックス部に設けられて前記メタルシール部形成用のねじ無し部に当接するメタルシール部形成用のねじ無し部とにより構成されたメタルシール部と、
前記ピン部の先端に設けられたトルクショルダ部形成用のねじ無し部と、前記ボックス部に設けられて前記トルクショルダ部形成用のねじ無し部に当接するトルクショルダ部形成用のねじ無し部とにより構成されたトルクショルダ部とを備える管用ねじ継手を製造するに際して、
前記ピン部を有する管の管外径（ＯＤ）および管肉厚（ｔ）を決定し、
決定した管外径（ＯＤ）および管肉厚（ｔ）に基づいて、前記ピン部と前記ボックス部との完全噛合ねじ長さの許容範囲を仮決定し、仮決定した許容範囲に基づいて前記完全噛合ねじ長さ（Ｌ）を仮決定し、
決定した前記管外径（ＯＤ）および前記管肉厚（ｔ）に基づいて前記ピン部のリップ内径（Ｄ２）を決定し、決定した前記ピン部のリップ内径（Ｄ２）に基づいて前記ボックス部の内径（Ｄ１）を決定し、
決定した前記管外径（ＯＤ）および前記管肉厚（ｔ）に基づいてリップ厚比（Ｘ）を仮決定し、仮決定したリップ厚比（Ｘ）に基づいて、前記ピン部のリップ厚（ｌｔ）およびピン部リップ根元外径（ＤＢ）を仮決定して、決定した前記管外径（ＯＤ）および前記管肉厚（ｔ）に基づいてねじ噛合高さ（ｈ）およびねじピッチ（Ｐ）を決定し、
決定した管外径（ＯＤ）および管肉厚（ｔ）と、仮決定した前記ピン部の前記リップ外径（ＤＢ）および前記ねじ噛合高さ（ｈ）および完全噛合ねじ長さ（Ｌ）とに基づいて、ねじテーパ（Ｔｔ）を仮決定し、
仮決定した前記ピン部のリップ厚（ｌｔ）および前記ピン部のリップ根元外径（ＤＢ）に基づいて、リップ長さ（ｌ）、ピン部シール長さ（Ｓｐ）、シールテーパ（Ｔｓ）、ショルダー角度（θ１）および前記リップ厚比（Ｘ）を、関数ｆ＞１．２となるように決定することにより、
ピンリップ形状を決定して、前記ピン部のリップ厚（ｌｔ）および前記ピン部のリップ外径（ＤＢ）を決定し、さらに、リップ部先端径（Ｐａｐｅｘ）を決定し、
決定した前記ピン部のリップ厚（ｌｔ）、前記ピン部のリップ根元外径（ＤＢ）およびねじ噛合高さ（ｈ）に基づいて、ねじテーパ（Ｔｔ）および完全噛合ねじ長さ（Ｌ）を決定するとともに、ボックス部ねじ平行部径（ＤＡ）を決定し、また、ロード面角度（α）、スタブ面角度（β）、スタビング面隙間（δ）およびねじ山頂部隙間（γ）を決定し、ピン部シール長さ（Ｓｐ）およびピン部各部寸法に基づいてボックス部シール長さ（ＳＢ）を含むシール部形状を決定し、その他についても適宜決定すればよく、例えば、決定した管外径（ＯＤ）、管肉厚（ｔ）およびねじ噛合高さ（ｈ）よりピッチ径（Ｄｐ）を決定し、ボックス部外径（Ｗ）およびピン部ピッチ径位置（ＬＰｔ）を決定し、決定したピッチ径（Ｄｐ）に基づいてねじ干渉量（Ｉｔ）を決定し、これらに基づきボックス部ショルダ深さ（ＬＢ）を決定し、決定した管外径（ＯＤ）と管肉厚（ｔ）に基づいてボックス部ショルダ長さ（ＩＲｅｓ）を決定し、決定したボックス部ショルダ長さ（ＩＲｅｓ）とボックス部ショルダ深さ（ＬＢ）とに基づいてボックス部全長（ＮＬ）を決定し、完全噛合ねじ長さ（Ｌ）、ピン部シールリップ長さ（ｌ）、ピッチ径（Ｄｐ）、およびねじ干渉量（Ｉｔ）によりボックス部ピッチ径位置（ＬＢｔ）を決定すること、により各部寸法を決定することを特徴とする管用ねじ継手の製造方法である。
発明を実施するための最良の形態
本発明にかかる油井管用ねじ継手の製造方法の１実施形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
Ｆｉｇ．２は、本実施形態における油井管用ねじ継手の設計手順の一例を示すフロー図である。
本実施形態における油井管用ねじ継手は、先行ねじ継手、すなわち、
（ｉ）ねじ断面形状が概ね台形状のテーパねじから成る雄ねじを有するピン部と、ねじ断面形状が概ね台形状のテーパねじから成り、雄ねじ部に噛合する雌ねじを有するボックス部と、
（ｉｉ）ピン部に設けられたメタルシール部形成用のねじ無し部と、ボックス部に設けられてメタルシール部形成用のねじ無し部に当接するメタルシール部形成用のねじ無し部とにより構成されたメタルシール部と、
（ｉｉｉ）ピン部の先端に設けられたトルクショルダ部形成用のねじ無し部と、ボックス部に設けられてトルクショルダ部形成用のねじ無し部に当接するトルクショルダ部形成用のねじ無し部とにより構成されたトルクショルダ部と
を備える油井管用ねじ継手である。
本実施形態では、このねじ継手を設計するに際し、以下のステップ１ないし２９（（以下、単にＳ１〜Ｓ２９と記載する）にしたがう。
Ｓ１では、ピン部を有するパイプの管外径（ＯＤ）および管肉厚（ｔ）を決定する。管外径（ＯＤ）および管肉厚（ｔ）は、このねじ継手を必要とする管本体の外径とその肉厚とにより、必要とするピン部外径とそれに対応する、対象とされる管肉厚により決定される。
Ｓ２では、決定した管外径（ＯＤ）および管肉厚（ｔ）に基づいて、ピン部とボックス部との完全噛合ねじ長さを仮決定する。
ピン部とボックス部との完全噛合ねじ長さの許容範囲は、例えば、｛管肉厚（ｔ）／管外径（ＯＤ）｝が０．０９６以上の場合には管肉厚（ｔ）の３倍以上、｛管肉厚（ｔ）／管外径（ＯＤ）｝が０．０８４以上の場合には同４倍以上、｛管肉厚（ｔ）／管外径（ＯＤ）｝が０．０５２以上の場合には同５倍以上、｛管肉厚（ｔ）／管外径（ＯＤ）｝が、０．０５２未満の場合には同５倍以上であって、ピン部のリップ内径（Ｄ２）≦管内径（ＤＩ）として設定される。
Ｓ３では、Ｓ２において決定した完全噛合ねじ長さの許容範囲に基づいて、完全噛合ねじ長さ（Ｌ）を仮決定する。
Ｓ４では、ピン部のリップ内径（Ｄ２）を決定する。この決定は、加工者がその加工能力により判断することにより、行われる。
Ｓ５では、Ｓ４において決定したリップ内径（Ｄ２）に基づいて、ボックス部の内径（Ｄ１）を、リップ内径（Ｄ２）＋αとして求める。ここで、符号αはシール干渉量に関係する設定値であって、設計者が独自に決定する。
Ｓ６では、リップ厚比（Ｘ）を仮決定する。
Ｓ７では、Ｓ６において仮決定したリップ厚比（Ｘ）に基づいて、ピン部のリップ厚（ｌｔ）およびリップ部の外径（ＤＢ）を仮決定する。
具体的には、ピン部のリップ厚（ｌｔ）は、下記（５）式により求められる。
2002075195.tif 000007
また、ピン部のリップ外径（ＤＢ）は、下記（６）式により求められる。
2002075195.tif 000008
Ｓ８では、ねじ噛合高さ（ｈ）を仮決定する。このねじ噛合高さ（ｈ）は、管外径（ＯＤ）、若しくは、管外径（ＯＤ）および管肉厚（ｔ）に基づいて、定数として設計者が独自に設定する。例えば、ＯＤ≦４−１／２インチの場合にはｈ＝１．０１６、４−１／２インチ＜ＯＤ≦７−３／４インチの場合にはｈ＝１．５７５、７−３／４インチ＜ＯＤ≦１４インチの場合にはｈ＝１．９８２と設定する。
Ｓ９では、決定した管外径（ＯＤ）と、仮決定した前記ピンリップ根元位置であるピンリップ外径（ＤＢ）および前記完全噛合ねじ長さ（Ｌ）とに基づいて、ねじテーパ（Ｔｔ）を仮決定する。ねじテーパ（Ｔｔ）は、例えば、下記（７）式により求められる。
2002075195.tif 000009
ただし、符号ｃは、ピン部リップ根元位置におけるピン部のねじ底径とリップ根元外径との差の１／２であり、設計者が決定する。また、符号εはリップ根元位置におけるねじ頂部径と、ネジベベル部頂部との半径差である。
Ｓ１０では、完全噛合ねじ長さ（Ｌ）を仮決定する。具体的には、下記（８）式により求められ、Ｓ２における条件を満足するようにする。
2002075195.tif 000010
Ｓ１１およびＳ１２では、仮決定したピン部のリップ厚（ｌｔ）およびピンリップ根元外径であるピンリップ外径（ＤＢ）に基づいて、リップ長さ（ｌ）、ピン部シール長さ（Ｓｐ）、シールテーパ（Ｔｓ）、ショルダー角度（θ１）およびリップ厚比（Ｘ）を、関数ｆ＞１．２となるように仮決定する。
具体的には、関数ｆは下記（９）式により求められる。
2002075195.tif 000011
ただし、５°≦θ１≦２０°、０．５２≦Ｘ≦０．７５、６ｍｍ≦ｌ≦３０ｍｍ、３ｍｍ≦Ｓｐ≦１０ｍｍ、１≦Ｔｓ≦１６である。
Ｓ１３、Ｓ１４およびＳ１５では、Ｓ１２で仮決定したリップ長さ（ｌ）、ピン部シール長さ（Ｓｐ）、シールテーパ（Ｔｓ）、ショルダー角度（θ１）およびリップ厚比（Ｘ）に基づいて、ピンリップ形状を決定して、ピン部ねじ切りはじめベベル部角度（θ２）およびピン部内面削成角度（θ３）を決定する。
Ｓ１６では、Ｓ１２で仮決定したリップ長さ（ｌ）、ピン部シール長さ（Ｓｐ）、シールテーパ（Ｔｓ）、ショルダー角度（θ１）およびリップ厚比（Ｘ）に基づいて、ピン部のリップ厚さ（ｌｔ）およびピン部リップ根元外径（ＤＢ）を決定する。
Ｓ１７では、Ｓ１６において決定したピン部のリップ厚さ（ｌｔ）およびピン部リップ根元外径（ＤＢ）に基づいて、ネジテーパ（Ｔｔ）および完全噛合ねじ長さ（Ｌ）を決定する。
Ｓ１８では、Ｓ１６において決定したピン部のリップ厚さ（ｌｔ）およびピン部リップ根元外径（ＤＢ）に基づいて、ボックス部ねじ平行部径（ＤＡ）を決定する。
具体的には、ボックス部ねじ平行部径ＤＡは、下記（１０）式により求められる。
2002075195.tif 000012
ただし、符号ｄはピン部リップ根元外径とボックス部ねじ平行部径ＤＡとの差を示す定数であり、設計者により、例えばｄ＝０．２ｍｍとして決定される。
Ｓ１９では、ロード面角度（α）、スタブ面角度（β）、スタビング面隙間（δ）およびねじ山頂部隙間（γ）を決定する。具体的には、スタブ面角度βは下記（１１）式により求められる。
2002075195.tif 000013
ただし、０＞α＞−２０°、γ：極力小さい値、２５＜β＜４５、δ：コストおよび性能を考慮し、加工者のできる範囲で極力小さい正の値である。
Ｓ２０では、ねじピッチ（Ｐ）を決定する。具体的には、ねじピッチ（Ｐ）は、管外径（ＯＤ）、若しくは、管外径（ＯＤ）および管肉厚（ｔ）に基づいて定数として設定される。例えば、ＯＤが２インチ以上２−７／８インチ未満の場合はＰ＝８山であり、２−７／８インチ以上４−１／２インチ未満の場合はＰ＝６山であり、４−１／２インチ以上８−５／８インチ未満の場合はＰ＝５山であり、８−５／８インチ以上１４インチ以下の場合はＰ＝４山である。
Ｓ２１では、ボックス部シール長さ（ＳＢ）を決定する。
具体的には、ボックス部シール長さ（ＳＢ）は、
ＳＢ＞ＳＰの場合には、ＳＢ＞ＳＰ＋２．０であって、かつ下記（１２）式により求められ、ＳＢ≦ＳＰの場合の場合には、下記（１３）式により求められる。
2002075195.tif 000014
ただし、符号Ｉｓはシール干渉量を示し、符号ＴＤはピンリップ部のテーパ（シール部ではない）を示し、符号θ５はボックスシール部入口角度を示す。
Ｓ２２では、ピッチ径（Ｄｐ）を決定する。
具体的には、ピッチ径Ｄｐは、下記（１４）式により求められる。
2002075195.tif 000015
ただし、符号μはＡＰＩに準ずる値であり、例えば、ＯＤ≦４−１／２インチの場合には０．００９インチであり、ＯＤ≦１４インチの場合には０．０１６インチである。
Ｓ２３では、ボックス部外径（Ｗ）を決定する。ボックス部外径Ｗは、ボックス危険断面積（ＡＢＣ）がパイプ標準断面積（ＡＰＣ）よりも大きくなるように設定される。なお、ボックス危険断面積（ＡＢＣ）の定め方は、どこを危険断面にするかとの考え方により異なるため、各設計者により決定される。
Ｓ２４では、ピン部ピッチ径位置（ＬＰｔ）を決定する。具体的には、ピン部ピッチ径位置ＬＰｔは、下記（１５）式により求められる。
2002075195.tif 000016
Ｓ２５では、ねじ干渉量（Ｉｔ）を決定する。具体的には、ねじ干渉量Ｉｔは、下記（１６）式または（１７）式により求められる。
2002075195.tif 000017
ただし、符号δｙは材料降伏強度（ＭＰａ）を示し、符号Ｅは継手材料のヤング率（ＭＰａ）を示し、符号Ｗはボックス外径（ｍｍ）を示し、符号ＤＩはピン内径（ｍｍ）を示し、符号ｄｐはねじのピッチ円直径（ｍｍ）を示し、符号Ｌａ２は（ｄｐ２−ＤＩ２）を示し、さらに符号Ｌｂ２は（Ｗ２−ｄｐ２）を示す。
Ｓ２６では、ボックス部ショルダ深さ（ＬＢ）を決定する。具体的には、ボックス部ショルダ深さＬＢは、下記（１８）式により求められる。
2002075195.tif 000018
ただし、符号θ４は、ボックス部端面内ベベル角度を示す。
Ｓ２７では、ボックス部ショルダ長さ（ＩＲｅｓ）を決定する。
Ｓ２８では、決定したボックス部ショルダ長さ（ＩＲｅｓ）に基づいてボックス部全長（ＮＬ）を決定する。具体的には、ボックス部全長ＮＬは、下記（１９）式により求められる。
2002075195.tif 000019
Ｓ２９では、ボックス部ピッチ径位置（ＬＢｔ）を決定する。具体的には、ボックス部ピッチ径位置（ＬＢｔ）は、下記（２０）式により求められる。
2002075195.tif 000020
一方、Ｓ３０では、リップ部先端径（Ｐａｐｅｘ）、ピン部シール平行部Ｒ（Ｒ１）およびピン部シール先端Ｒ（Ｒ２）を決定する。具体的には、リップ部先端径（Ｐａｐｅｘ）は下記（２１）式または（２１’）式により求められる。
2002075195.tif 000021
または、
2002075195.tif 000022
ただし、（２１）式はピンシールリップ部のシール部以外が平行である場合（ピンシール平行部を有する場合）に適用され、（２１’）式はピンシールリップ部のシール部以外にテーパを有する場合（ピンシール平行部の代わりにテーパ部を有する場合、あるいは平行部とテーパ部とをともに有する場合）に適用される。
ここで、ｌ’はピンリップ部の平行部長さを示す。
また、ピン部シール部Ｒ（Ｒ１）は、下記（２２）式または（２２’）式により求められる。
2002075195.tif 000023
または
2002075195.tif 000024
さらに、ピン部シール先端Ｒ（Ｒ２）は、設計者により独自に設定される。
Ｓ３１では、決定したリップ部先端径（Ｐａｐｅｘ）、ピン部シール平行部Ｒ（Ｒ１）およびピン部シール先端Ｒ（Ｒ２）に基づいてボックス部シール先端径（Ｂａｐｅｘ）を決定す具体的には、ボックス部シール先端径Ｂａｐｅｘは、下記（２３）式により求められる。
2002075195.tif 000025
ただし、符号Ｉｓは、シール干渉量を示す。
Ｓ３２では、決定したピン部シール先端Ｒ（Ｒ２）よりも小さくなるようにボックス部シール先端Ｒ（Ｒ３）を決定する。
Ｓ３３では、必要に応じて、ボックス部シール元Ｒ（Ｒ４）を決定する。
本実施形態では、このようにして、ねじ継手の各部寸法を決定する。この本実施形態の手順にしたがって、ねじ継手の各部寸法を設定すれば、油井用の先行ねじ継手を、当業者が簡単かつ確実に設計して製造することができる。
Ｆｉｇ．３は本発明の別の態様を示すもので、ねじ断面形状が概ね台形状のテーパねじから成る雄ねじを有するピン部と、ねじ断面形状が概ね台形状のテーパねじから成り、前記雄ねじに噛合する雌ねじを有するボックス部と、
前記ピン部に設けられたメタルシール部形成用のねじ無し部と、前記ボックス部に設けられて前記メタルシール部形成用のねじ無し部に当接するメタルシール部形成用のねじ無し部とにより構成されたメタルシール部と、
前記ピン部の先端に設けられたトルクショルダ部形成用のねじ無し部と、前記ボックス部に設けられて前記トルクショルダ部形成用のねじ無し部に当接するトルクショルダ部形成用のねじ無し部とにより構成されたトルクショルダ部とを備える管用ねじ継手を製造するに際して、
下記第１工程Ａから下記第５工程Ｅまでを行うことにより、各部寸法を決定する。なお、図中、（Ａ）〜（Ｅ）は各工程Ａ〜Ｅに対応する。
第１工程Ａ：
前記ピン部を有する管の管外径（ＯＤ）および管肉厚（ｔ）を決定し、決定した管外径（ＯＤ）および管肉厚（ｔ）に基づいて、ねじピッチ（Ｐ）を決定すること。
第２工程Ｂ：
決定した管外径（ＯＤ）および管肉厚（ｔ）に基づいて、前記ピン部と前記ボックス部との完全噛合ねじ長さの許容範囲を決定してこの完全噛合ねじ長さ（Ｌ）を仮決定し、
後述する第３工程Ｃにおいて、決定した管外径（ＯＤ）および管肉厚（ｔ）に基づいて、リップ厚比（Ｘ）を仮決定し、仮決定したリップ厚比（Ｘ）に基づいて、前記ピン部のリップ厚（ｌｔ）およびピン部リップ根元外径（ＤＢ）を仮決定し、
このようにして決定した前記管外径（ＯＤ）および前記管肉厚（ｔ）と、仮決定した前記完全噛合ねじ長さ（Ｌ）と、仮決定したピン部のリップ根元外径（ＤＢ）とに基づいて、ねじテーパ（Ｔｔ）を仮決定すること。
第３工程Ｃ：
決定した管外径（ＯＤ）および管肉厚（ｔ）に基づいて、前記ピン部のリップ内径（Ｄ２）を決定し、決定した前記ピン部のリップ内径（Ｄ２）に基づいて前記ボックス部の内径（Ｄ１）を決定し、
仮決定した前記ピン部のリップ厚（ｌｔ）およびピン部リップ外径（ＤＢ）に基づいて、リップ長さ（ｌ）、ピン部シール長さ（Ｓｐ）、シールテーパ（Ｔｓ）、ショルダー角度（θ１）および前記リップ厚比（Ｘ）を、関数ｆ＞１，２となるように仮決定することによりピンリップ形状を決定し、決定した該ピンリップ形状に基づいて、
（ｉ）前記ピン部のリップ厚（ｌｔ）およびピン部リップ根元外径（ＤＢ）を決定し、該リップ厚（ｌｔ）およびピン部リップ根元外径（ＤＢ）に基づいて、ボックス部ねじ平行部径（ＤＡ）を決定するとともに、ねじテーパ（Ｔｔ）および前記完全噛合ねじ長さ（Ｌ）を決定し、
（ｉｉ）ピン部シール部の各部寸法に基づいてボックス部シール長さ（ＳＢ）およびボックス部シール先端径（Ｂａｐｅｘ）を含むシール部形状を決定すること。
その他の部位の寸法は同様にして順次決定することができる。
第４工程Ｄ：
決定した管外径（ＯＤ）および管肉厚（ｔ）に基づいて、ねじ噛合高さ（ｈ）を決定し、該ねじ噛合高さ（ｈ）に基づいてピッチ径（Ｄｐ）を決定し、該ピッチ径（Ｄｐ）に基づいて、
（ｉ）ボックス部外径（Ｗ）およびピン部ピッチ径位置（ＬＰｔ）を決定し、
（ｉｉ）ねじ干渉量（Ｉｔ）を決定し、
（ｉｉｉ）ボックス部ショルダ深さ（ＬＢ）およびボックス部ショルダ長さ（ＩＲｅｓ）を決定し、該ボックス部ショルダ深さ（ＬＢ）およびボックス部ショルダ長さ（ＩＲｅｓ）に基づいてボックス部全長（ＮＬ）を決定すること。
第５工程Ｅ：
決定した管外径（ＯＤ）、管肉厚（ｔ）、ねじ噛合高さ（ｈ）およびねじピッチ（Ｐ）に基づき、ロード面角度（α）、スタブ面角度（β）、スタビング面隙間（δ）およびねじ山頂部隙間（γ）を決定すること。
実施例
さらに、本発明を実施例を参照しながら説明する。
上述した実施の形態で説明したＦｉｇ．２に示す油井管用ねじ継手の設計手順にしたがって、油井管用ねじ継手を設計した。
このようにして設計された油井管用ねじ継手のピン部およびボックス部の主要部の各寸法は以下の通りである。
Ｌ＝５１．１ｍｍ、ａ＝０．３ｍｍ、ｃ＝０．２４ｍｍ、ｈ＝１．４７５ｍｍ、θ１＝１５°、Ｘ＝０．５７、ｌ＝１１．０ｍｍ、Ｓｐ＝６ｍｍ、Ｔｓ＝４、α＝−３°、γ＝０．１ｍｍ、β＝３５°、δ＝０．０６ｍｍ、Ｐ＝５山、ｄ＝０．３ｍｍ、Ｒ２＝１．０ｍｍ、ＩＲｅｓ＝５０．８ｍｍ、Ｉｓ＝０．６０ｍｍ、Ｒ３＝０．９ｍｍ、Ｒ４＝４．０ｍｍ
ここで、
ａ：Ｄ１（ボックス部の内径）とＤ２（ピン部のリップ内径）との差。
ｃ：ピン部リップ根元位置でのピン部のねじ底径と、ピン部リップ根元外径との差の１／２。
ｄ：ＤＡ（ボックス部ねじ平行部径）とＤＢ（ピン部リップ根元外径）との差の１／２。
この油井管用ねじ継手は、▲１▼接続された管の自重による軸方向の引張力に耐えられること、▲２▼内部流体による内圧、あるいは外部流体による外圧に耐えられること、▲３▼何度も繰り返し使用が可能であること、▲４▼井戸の開発過程あるいは井戸の操業中に、管に負荷されるねじり力や、加熱、冷却の繰り返し等で生じる引張力および圧縮力に対して充分な耐力を有すること、および▲５▼以上のような負荷を繰り返し受けても、内外圧シール性を保つことの諸特性を有し、先行ねじ継手において提示した要件を全て備えていることがわかった。
産業上の利用の可能性
本発明により、管用のねじ継手、具体的には、様々な外力に対し管本体と同等以上の耐力を有するねじ継手を、当業者が容易に製造することができる方法を具体的に提供することができた。
また、より具体的には、本発明により、先行ねじ継手を、当業者が容易に設計して製造する方法を、提供することができた。
かかる効果を有する本発明の意義は極めて著しい。
【図面の簡単な説明】
Ｆｉｇ．１ａは、、両端に二つのボックス部を持つカップリングと、それぞれの端部にピン部を持つ管とを接続するカップリング方式の油井管用ねじ継手を示す管軸を含む断面図である。
Ｆｉｇ．１ｂは、カップリングのボックス部の拡大断面図である。
Ｆｉｇ．１ｃは、管のピン部の拡大断面図である。
Ｆｉｇ．２は、実施形態の油井管用ねじ継手の設計手順の一例を示すフロー図である。
Ｆｉｇ．３は、実施形態における油井管用ねじ継手の設計手順の他の一例を示すフロー図である。
【図１ａ】
2002075195.tif 000037
【図１ｂ】
2002075195.tif 000038
【図１ｃ】
2002075195.tif 000039
【図２】
2002075195.tif 000040
【図３】
2002075195.tif 000041
【手続補正書】
【提出日】平成13年10月15日(2001.10.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2002075195.tif 000042
【国際調査報告】
2002075195.tif 000043
2002075195.tif 000044
2002075195.tif 000045