JP2024136102A - 鋼管ねじ継手および鋼管ねじ継手の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】薄肉化および高強度化することで本体部の軽量化を図ることができ、鋼管の引張強度を高めることができる。
【解決手段】第１鋼管１０Ａの外面に雄ねじ２Ａが形成されたピン２と、第２鋼管１０Ｂの内面にピン２の雄ねじ２Ａに螺合可能な雌ねじ３Ａが形成されたボックス３と、を有し、ピン２とボックス３のねじ列は、鋼管１０の管軸Ｏに対してねじ列テーパー角度θ１で傾斜したねじ列テーパー部２１、３１が形成され、ピン２の最小内径Ｄ１は、鋼管１０のうちピン２とボックス３とを除く本体部１１Ａ、１１Ｂの鋼管内径Ｄ２より小さく、ピン２は、雄ねじ２Ａの雄ねじ終端２１ａからピン本体部１１Ａにかけてピンテーパー角度θ２だけ傾斜したピン連設部２２を有し、ピンテーパー角度θ２は、ねじ列テーパー角度θ１の２倍以下である構成の鋼管ねじ継手を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、鋼管ねじ継手および鋼管ねじ継手の製造方法に関する。

従来、軟弱地盤でのトンネル掘削時には、崩落防止を目的としてＡＧＦ工法（Ａｌｌ Ｇｒｏｕｎｄ Ｆａｓｔｅｎ、長尺鋼管先受け工法）が用いられている。このようなＡＧＦ工法では、トンネルの切羽の断面に例えば外径７６．３ｍｍ～１１４．３ｍｍの鋼管が１２．５ｍの深さで複数本打ち込まれることが多い。この場合、鋼管が１本当たり約３ｍの長さで通称ドリルジャンボと呼ばれる掘削機上で管端に加工されたねじ継手を人力によって１杭当り３箇所を締結し、掘削しながら全長１２．５ｍに仕上げていく。

上述したような従来の杭用鋼管の接合では、コストと施工しやすさの観点から切削ねじ継手が使用されている（例えば、特許文献１、２参照）。
切削ねじ継手として、例えば図９（ａ）～（ｃ）に示す種類のねじ継手１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ等が知られている。

図９（ａ）に示す第１ねじ継手１００Ａは、厚肉鋼管に予め、雄ねじ１０１を刻設したピン１０４と、雌ねじ１０２を刻設したボックス１０５と、のそれぞれを杭本体１０３に溶接、摩擦圧接、拡散接合等で一体化し螺合する形態のものである。図９（ｂ）に示す第２ねじ継手１００Ｂは、杭本体１０３に雌ねじ１０２を刻設したボックス１０６に両端に雄ねじを刻設したニップル１０７で螺合する形態のものである。図９（ｃ）に示す第３ねじ継手１００Ｃは、杭本体１０３には予備加工せずに管端に直接、雄ねじ１０１を刻設したピン１０４と雌ねじ１０２を刻設したボックス１０５とを螺合する形態のものである。
また、他のねじ継手の形態として鋼管外径側に張り出すカップリングタイプもあるが、地盤に打ち込む際の抵抗となるため好ましくない。

特開平１１－１０７２７２号公報 特開２０１５－１１０９９４号公報

しかしながら、従来の鋼管ねじ継手では、以下のような問題があった。
すなわち、従来の鋼管ねじ継手のうち前述した図９（ａ）に示す第１ねじ継手１００Ａでは、製造コストの観点から予め加工したねじ部を溶接などで一体化するには継手素管を供給し、溶接にかかる費用が増大するという問題があった。図９（ｂ）に示す第２ねじ継手１００Ｂの場合には、ニップル１０７等の接合部品を用いるために継手素管を供給し、杭１箇所の接合に対して２組の雄ねじ、雌ねじを加工する必要があることから、コストが増大することになる。また、図９（ｃ）に示す第３ねじ継手１００Ｃの場合には、製造コストの観点から上記の第１ねじ継手１００Ａや第２ねじ継手１００Ｂに比べて望ましいが、鋼管が薄肉化すると継手の引張強度確保が困難になるという問題があった。

さらに、トンネル工法では、材質ＳＴＫ４００の鋼管が用いられてきたが、肉厚５ｍｍ～６ｍｍ程度で長さ３ｍ当りの重量が最大で５０ｋｇ程度に及び、さらに鋼管単体ではなくドリルビットやビットに動力を伝えるシャフトの重量を含めた３ｍの部材として取り扱われるため、部材１本当たりの重量は５０ｋｇを超える場合も考えられる。上述したドリルジャンボの掘削機上において一人で５０ｋｇを超える部材を挿入したり締結するにはかなりの労力が必要となることから、安全面、効率面からも鋼管の軽量化、及びねじ継手の締結しやすさが求められている。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、薄肉化および高強度化することで本体部の軽量化を図ることができ、鋼管の引張強度を高めることができる鋼管ねじ継手および鋼管ねじ継手の製造方法を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る鋼管ねじ継手の態様１は、建設分野の工事において地盤に打ち込む鋼管同士をねじ込むことによって締結するための鋼管ねじ継手であって、一方の前記鋼管の外面に雄ねじが形成されたピンと、他方の前記鋼管の内面に前記ピンの前記雄ねじに螺合可能な雌ねじが形成されたボックスと、を有し、前記ピンと前記ボックスのねじ列は、前記鋼管の管軸に対して第１テーパー角度で傾斜したねじ列テーパー部が形成され、前記ピンの最小内径は、前記鋼管のうち前記ピンと前記ボックスとを除く本体部の鋼管内径より小さく、前記ピンは、前記雄ねじの完全ねじ部終端から前記本体部にかけて第２テーパー角度だけ傾斜したピン連設部を有し、前記第２テーパー角度は、前記第１テーパー角度の２倍以下であることを特徴としている。

本発明に係る鋼管ねじ継手によれば、一方の鋼管の管端を縮径し、直接加工した雄ねじを刻設したピンと、他方の鋼管の管端に雌ねじを刻設したボックスを螺合するねじ構造において、双方の鋼管の外径を一致させた状態で、ピンの最小内径を本体部の鋼管内径より小さくするとともに、ピン連設部の第２テーパー角度が第１テーパー角度の２倍以下とすることで、鋼管内の内空断面積を施工に支障なく確保することができ、引張強度の低下を抑えつつ、同外径のまま薄肉化することができる。そのため、本発明の鋼管ねじ継手では、従来の鋼管継手部に比べて鋼管の引張強度が高めることができ、従来の鋼管と同等の引張強度でも薄肉化が可能となり鋼管の軽量化を図ることができる。
このように本発明では、鋼管が薄肉で軽量化されることから、鋼管を手で持って締め込む作業を軽減することができ、作業の効率化を図ることができる。そして、この場合には、鋼管の引張強度を確保できることから、地盤への鋼管の打設間隔等を変更させることなく打設することができる。

（２）本発明の態様２は、態様１の鋼管ねじ継手において、前記ピンの最小内径は、前記鋼管同士を締結した状態で、前記本体部の前記鋼管内径に対して８０％以上であることが好ましい。

この場合には、鋼管同士を締結した状態で、ピンの最小内径を本体部の鋼管内径に対して８０％以上に制限することで、鋼管内において掘削用ドリルやモルタル注入管等の通過を概ね許容できる。そのため、ピンが上記範囲において鋼管の内径側へ張り出していても、従来の鋼管内での作業を支障なく行うことが可能な鋼管内断面積を確保することができる。

（３）本発明に係る鋼管ねじ継手の製造方法の態様３は、態様１又は態様２の鋼管ねじ継手を製造するための鋼管ねじ継手の製造方法において、前記鋼管の一端に前記雌ねじを含む前記ボックスを加工する工程と、前記鋼管の一端の直径を縮小する縮径加工を行う工程と、前記縮径加工を行った後に縮径した部分に前記雄ねじを含む前記ピンを加工する工程と、を有することを特徴とする。

本発明に係る鋼管ねじ継手の製造方法によれば、上述した構成の鋼管ねじ継手において、雄ねじおよび雌ねじの精度を確保することができ、ピンのねじ列テーパー部およびピン連設部を効率よく加工することができる。

本発明の鋼管ねじ継手および鋼管ねじ継手の製造方法によれば、薄肉化および高強度化することで本体部の軽量化を図ることができ、鋼管の引張強度を高めることができる。

本発明の実施形態による鋼管ねじ継手を示す縦断面図であって、（ａ）は鋼管同士を締結した図、（ｂ）は締結前の図である。 図１（ａ）に示す鋼管ねじ継手の要部拡大図である。 図２に示す鋼管ねじ継手のピンを示す要部拡大図である。 実施形態による鋼管ねじ継手の製造方法の一例を示す図である。 図４に示す鋼管ねじ継手の製造方法で使用する金型の詳細図である。 鋼管ねじ継手の製造方法の他の例を示す図である。 実施例による解析結果による鋼管ねじ継手の応力分布を示した図である。 実施例による解析結果を示す図であって、テーパー比率と継手引張強度との関係を示す図である。 （ａ）～（ｃ）は、従来の鋼管ねじ継手を示す部分断面図である。

以下、本発明の実施形態による鋼管ねじ継手および鋼管ねじ継手の製造方法について、図面に基づいて説明する。

図１に示すように、本実施形態による鋼管ねじ継手１は、建設分野の工事において、管端に対して直接、ねじを加工したテーパーねじ継手であり、２本の鋼管１０（１０Ａ、１０Ｂ）同士をねじ込むことによって管軸方向に締結するためのものである。

鋼管１０Ａ、１０Ｂは、管体表面に凹凸のないストレート管であって、例えば外径７６．３ｍｍ、肉厚２．６ｍｍの短尺鋼管（例えば、長さ３ｍ程度）に適用している。鋼管１０Ａ、１０Ｂを本実施形態の鋼管ねじ継手１によって管軸方向に締結される土木用鋼管は、例えばＡＧＦ工法等でトンネル若しくは斜面等の地盤を補強するための地盤補強用鋼管（例えば、トンネルの鏡ボルト又は長尺フォアパイル等） として用いられる。

また、本実施形態の鋼管ねじ継手１を用いて連結される鋼管１０Ａ、１０Ｂは、建造物の基礎杭など、他の用途の鋼管杭として用いられてもよい。鋼管１０Ａ、１０Ｂとして、例えば、一般構造用炭素鋼鋼管、建築構造用炭素鋼鋼管などを用いることができる。

鋼管ねじ継手１は、図１（ａ）、（ｂ）の紙面右側の一方の鋼管（第１鋼管１０Ａ）の外面に雄ねじ２Ａが加工されたピン２と、紙面左側の他方の鋼管（第２鋼管１０Ｂ）の内面にピン２の雄ねじ２Ａに螺合可能な雌ねじ３Ａが加工されたボックス３と、を有している。ピン２の雄ねじ２Ａとボックス３の雌ねじ３Ａが完全に連結した状態では、雄ねじ２Ａと雌ねじ３Ａが密着して螺合し、ピン２とボックス３が安定的に締結される。雄ねじ２Ａと雌ねじ３Ａは、相互に隙間無く嵌合するように対称な凹凸形状となっている。なお、鋼管１０において、ピン２とボックス３とを除く部分を以下、本体部１１Ａ、１１Ｂという。

ここで、以下の説明では、ピン２及びボックス３において、それぞれが形成される鋼管１０Ａ、１０Ｂの中心軸（管軸Ｏ）方向に沿う方向を管軸方向と定義する。そして、ピン２及びボックス３における管軸方向Ｘで端部側を管端側、管端側と反対側で本体部１１Ａ、１１Ｂ側を基端側と定義する。また、管軸Ｏに直交する方向を径方向と定義し、管軸方向Ｘから見て管軸Ｏ回りに周回する方向周方向と定義する。そして、径方向で管軸Ｏを向く側を内径側、内径側の反対側で管軸Ｏから離れる方向を外径側と定義する。また、管軸Ｏに平行な仮想軸線を符号Ｏ１で示す。

ピン２とボックス３のねじ列は、それぞれ鋼管１０Ａ、１０Ｂの管軸Ｏに対してねじ列テーパー角度θ１（第１テーパー角度）で傾斜したねじ列テーパー部２１、３１が形成されている。図面においてねじ列テーパー角度θ１は、管軸Ｏに平行な仮想軸線Ｏ１とピンねじ列テーパー部２１とがなす角度、および仮想軸線Ｏ１とボックスねじ列逆テーパー部３１とがなす角度である。

ピン２のピンねじ列テーパー部２１は、第１鋼管１０Ａの一方の端部側の外面において、管軸方向Ｘで基端側から管端側に向かうに従い漸次、管軸Ｏに近づいて縮径されるテーパーに雄ねじ２Ａを形成している。
ボックス３のボックスねじ列逆テーパー部３１は、第２鋼管１０Ｂの一方の端部側の内面において、管軸方向Ｘで基端側から管端側に向かうに従い漸次、管軸Ｏから離れて拡径されるテーパーに雌ねじ３Ａを形成している。

ピン２は、図２に示すように、ピン先端２ａからピン基端２ｂ（第１鋼管１０Ａのピン本体部１１Ａ側）に向けた順で、ピンねじ列テーパー部２１と、雄ねじ２Ａの雄ねじ終端２１ａとピン本体部１１Ａの外周面１１ａとを連設するピン連設部２２と、を備えている。

ボックス３は、ボックスねじ列逆テーパー部３１と、ボックスねじ列逆テーパー部３１の基端側に配置されるショルダー部３２と、を備えている。ボックス３は、ショルダー部３２を介してボックス本体部１１Ｂの内周面１１ｄに連設している。

鋼管１０Ａ、１０Ｂは、ピン２の雄ねじ２Ａとボックス３の雌ねじ３Ａとの螺合によって締結した状態で、ピン先端２ａとボックス３の雌ねじ終端３１ａとが径方向に対向するとともに、ボックス先端３ａとピン２の雄ねじ終端２１ａとが径方向に対向する。

ボックス３のショルダー部３２は、管軸Ｏにほぼ垂直な環状面３２ａと、ボックス本体部１１Ｂのボックス３側の内周面１１ｄと、から構成されている。ショルダー部３２の環状面３２ａとピン先端２ａとの間には、鋼管１０Ａ、１０Ｂ同士が締結された状態でわずかな隙間が形成されている。ショルダー部３２は、ボックス３に対するピン２の乗り上げを規制するストッパの機能を有している。また、ショルダー部３２にピン２との間に隙間を設けることで、鋼管１０の削孔時の振動により鋼管１０同士がさらに締め込み可能な許容領域となり、鋼管１０Ａ、１０Ｂ同士をより強固に締結することができる。

ピン２の雄ねじ２Ａとボックス３の雌ねじ３Ａは、ピンねじ列テーパー部２１及びボックスねじ列逆テーパー部３１において同一のねじピッチ、ねじ高さ、ねじ列テーパー角度θ１で相互に嵌合（螺合）する。鋼管ねじ継手１においては、ピン２を回転させながらボックス３内に挿入して、ピン２の雄ねじ２Ａとボックス３の雌ねじ３Ａを十分に螺合させることにより、図１（ａ）に示すように、ピン２とボックス３が締結されて、２本の鋼管１０Ａ、１０Ｂを管軸方向Ｘに連結できる。雄ねじ２Ａと雌ねじ３Ａとにより螺合される継手部分の厚み寸法は、各本体部１１Ａ、１１Ｂの厚さより大きい。そのため、鋼管１０Ａ、１０Ｂ同士を締結した状態では、上述したように継手部分のピン２がピン本体部１１Ａの内径側に張り出している。

図１（ｂ）、図２および図３に示すように、ピン２の最小内径Ｄ１は、ピン本体部１１Ａの鋼管内径Ｄ２より小さい。すなわち、ピン２は、ピン本体部１１Ａの内周面１１ｂより内径側に張り出している。ピン２の最小内径Ｄ１は、鋼管１０Ａ、１０Ｂ同士を締結した状態で、ピン本体部１１Ａの鋼管内径Ｄ２に対して８０％以上であり、より好ましくは９０％以上に設定される。

ここで、土木工事に使用される杭や鋼管の内部には、掘削用ドリルやモルタル注入管など様々なものが通過するため、継手部（ピン２）がピン本体部１１Ａの内周面１１ｂから内径側に張り出す量を抑制する必要がある。工事の種類によって張り出し量の上限は様々だが、ピン本体部１１Ａの鋼管内径Ｄ２に対してピン２の最小内径Ｄ１を８０％以上に設定することで、掘削用ドリルやモルタル注入管等の通過を許容できる。

また、とくにトンネル補強工事に外径７６．３ｍｍ、肉厚２．０ｍｍ程度（内径７２．３ｍｍ程度）の薄肉鋼管を適用することを想定すると、ピン２の最小内径Ｄ１を現在使用されている現行鋼管（外径７６．３ｍｍ、肉厚５．２ｍｍ）の内径６５．９ｍｍよりも大きくすれば、新規の工具や器具を準備せずに現在使用されている工具や器具をそのまま使用できることから、ピン２の最小内径Ｄ１をピン本体部１１Ａの鋼管内径Ｄ２に対して９０％以上（現行鋼管の内径６５．９ｍｍと薄肉鋼管の内径７２．３ｍｍの比率が約９１％）とすることがより好ましい。

また、図３に示すように、ピン２は、雄ねじ２Ａの雄ねじ終端２１ａからピン本体部１１Ａにかけて設けられるピン連設部２２はピンテーパー角度θ２（第２テーパー角度）だけ傾斜している。図３においてピンテーパー角度θ２は、管軸Ｏに平行な仮想軸線Ｏ１とピン連設部２２とがなす角度である。
このとき、ピンテーパー角度θ２は、ねじ列テーパー角度θ１の２倍以下（テーパー比率θ２／θ１≦２）に設定されている。ピン連設部２２は、雄ねじ終端２１ａ側の外周面に、ねじ加工時において切削工具を鋼管外径側に逃がすための継手逃がし部２３が形成されている。

図３に示すように、ピン連設部２２におけるピンテーパー角度θ２は、ねじ列テーパー角度θ１の２倍以下とすることで、継手逃がし部２３の最小肉厚ｔを危険断面Ｓに対して９０％以上にすることが可能となる。すなわち、継手の危険断面Ｓに対して継手逃がし部２３の肉厚が薄くなることによる継手の引張強度の低下を抑制するためには、危険断面Ｓに対して１０％程度の薄肉の許容分を考慮して、ピンテーパー角度θ２をねじ列テーパー角度θ１の２倍以下に設定することが好ましい。

なお、ピンテーパー角度θ２は、小さくなるにつれてピン連設部２２の厚さは厚くなるため、継手引張強度の観点ではθ２の下限値は存在しない。一方で、ピン２の内径よりピン連設部２２が内側に張り出している場合、鋼管内径を通過するシャフトなどの工具が干渉する可能性があり、θ２は０より大きいことが好ましい。すなわちテーパー比率θ２／θ１のより望ましい範囲は０＜θ２／θ１≦２となる。

さらに詳細に説明する。素管によく用いられる一般構造用鋼管（ＪＩＳ Ｇ３４４４）には肉厚公差として－１２．５％～＋１５％が設定されており、素管部で肉厚は最大－１２．５％まで不可避的に薄くなる。すなわち、その分、引張強度が低下する可能性があることを考慮すると、継手逃がし部２３の最小肉厚ｔも危険断面Ｓに対して１０％程度薄肉になることは許容できる。

継手逃がし部２３の管軸方向Ｘの長さは概ねねじピッチの１倍程度となることが多く、ねじのピッチは最大で７ｍｍ程度が想定される。また、一般的にテーパーねじ継手のテーパー角度θは外径を基準にして１／１２～１／１６程度であることが多い。これを肉厚に対するテーパー角度に換算すると１／２４～１／３２程度となる。ここで、肉厚に対して１／３２とは管軸方向Ｘの長さ３２ｍｍに対して肉厚方向の長さ１ｍｍの割合で傾斜している角度であり、約１．８度である。一方で、外径２００ｍｍ程度までの一般構造用鋼管の最大肉厚は１０ｍｍ程度である。鋼管の肉厚を半分程度に薄肉化（軽量化）することを考慮すると、危険断面Ｓの肉厚は４．５ｍｍ程度となることが想定される。ねじピッチ７ｍｍに対してねじ継手部の肉厚減少量を危険断面Ｓの１０％、すなわち０．４５ｍｍ以下に抑制するためには、図３の関係からピン連設部２２のテーパー角度θ２＝ｔａｎ－１（０．４５ｍｍ／７．０ｍｍ）＝約３．７度である。
これにより、ピン連設部２２におけるテーパー角度θ２をねじ列テーパー角度θ１の２倍以下に抑制することにより、継手逃がし部２３の最小肉厚ｔを危険断面Ｓに対して９０％以上にすることできる。

図４～図６に示すように、本実施形態の鋼管ねじ継手１を製造するための製造方法としては、第２鋼管１０Ｂの一端に雌ねじ３Ａを含むボックス３を加工する工程と、第１鋼管１０Ａの一端の直径を縮小する縮径加工を行う工程と、縮径加工を行った後に縮径した部分に雄ねじ２Ａを含むピン２を加工する工程と、を有する。

図４および図５は、第１鋼管１０Ａの縮径加工の方法の一例であり、第１鋼管１０Ａを管軸方向Ｘに移動させて所定形状の第１金型４Ａに押し込む方法を示している。
図５に示すように、第１金型４Ａは、開口部４ａに開口端面４ｂに向けて拡径する開口傾斜面４１と、開口傾斜面４１の基端部４１ａから金型４の挿入方向（管軸方向Ｘ）の奥側に向けて縮径するために形成されたピン縮径テーパー面４２と、を有する。ピン縮径テーパー面４２は、ピン２のピンねじ列テーパー部２１の角度（ねじ列テーパー角度θ１）と同じ角度である。開口傾斜面４１の傾斜角度θ３は、ピン連設部２２のピンテーパー角度θ２と略同等の角度に設定されている。管軸方向Ｘで第１金型４Ａ内に第１鋼管１０Ａを押し込むように移動させることで、縮径加工を行うことができる。

図６は、第１鋼管１０Ａの縮径加工の方法の他の例であり、上下から所定形状の第２金型４Ｂで挟み込みプレス加工で縮径する方法を示している。第２金型４Ｂの場合にも、上述した図５に示す第１金型４Ａと同様の開口傾斜面４１とピン縮径テーパー面４２と、を有する。

次に、上述した鋼管ねじ継手および鋼管ねじ継手の製造方法の作用について、図１～図６に基づいて詳細に説明する。

本実施形態に係る鋼管ねじ継手１によれば、地盤に打ち込む鋼管１０Ａ、１０Ｂ同士をねじ込むことによって締結する。鋼管ねじ継手１は、第１鋼管１０Ａの外面に雄ねじ２Ａが形成されたピン２と、第２鋼管１０Ｂの内面にピン２の雄ねじ２Ａに螺合可能な雌ねじ３Ａが形成されたボックス３と、を有する。
ピン２とボックス３のねじ列は、鋼管１０の管軸Ｏに対してねじ列テーパー角度θ１で傾斜したねじ列テーパー部２１、３１が形成され、ピン２の最小内径Ｄ１は、第１鋼管１０Ａのうちピン２とボックス３とを除く本体部１１Ａ、１１Ｂの鋼管内径Ｄ２より小さい。ピン２は、雄ねじ２Ａの雄ねじ終端２１ａからピン本体部１１Ａにかけてピンテーパー角度θ２だけ傾斜したピン連設部２２を有する。ピンテーパー角度θ２は、ねじ列テーパー角度θ１の２倍以下（θ２／θ１≦２）である。

本実施形態に係る鋼管ねじ継手１によれば、第１鋼管１０Ａの管端を縮径し、直接加工した雄ねじ２Ａを刻設したピン２と、管端に雌ねじ３Ａを刻設したボックス３を螺合するねじ構造において、第１鋼管１０Ａと第２鋼管１０Ｂの外径を一致させた状態で、ピン２の最小内径Ｄ１をピン本体部１１Ａの鋼管内径Ｄ２より小さくするとともに、ピン連設部２２のピンテーパー角度θ２がねじ列テーパー角度θ１の２倍以下とすることで、鋼管１０内の内空断面積を施工に支障なく確保することができ、引張強度の低下を抑えつつ、同外径のまま薄肉化することができる。そのため、本実施形態の鋼管ねじ継手１では、従来の鋼管継手部に比べて鋼管１０の引張強度が高めることができ、従来の鋼管と同等の引張強度でも薄肉化が可能となり鋼管１０の軽量化を図ることができる。

このように鋼管１０が薄肉で軽量化されることから、鋼管１０を手で持って締め込む作業を軽減することができ、作業の効率化を図ることができる。そして、この場合には、鋼管１０の引張強度を確保できることから、地盤への鋼管１０の打設間隔等を変更させることなく打設することができる。

具体的には、図２のようにピン２に縮径加工を施したピン連設部２２およびピンねじ列テーパー部２１を構成ことで、無理なく雄ねじ２Ａを加工することが可能となる。
すなわち、本実施形態による鋼管ねじ継手１では、ピン２の最小内径Ｄ１をピン本体部１１Ａの鋼管内径Ｄ２より小さくし、ピンテーパー角度θ２をねじ列テーパー角度θ１の２倍以下（θ２／θ１≦２）とすることで、ピン本体部の鋼管内径とピンの内径が一致しているねじ継手部の場合（ピンを含めて鋼管全長にわたって内径が変化しない場合）のように、雄ねじと雌ねじ自体は加工できるものの、多少の干渉を許容しても嵌め合い可能なねじ山が少なくなり、引張力が作用した際に容易にねじの抜け出し（ジャンプアウト）が発生するという従来の課題を解決することができる。

つまり、上述したピン本体部とピンの内径が一致している従来のねじ継手部の場合のように、ねじ継手に引張力が作用した際、ジャンプアウトがなければ多くの継手の場合、ボックスもしくはピンの雄ねじ終点、いわゆる危険断面から破断する。そのため、縮径加工後の鋼管にねじ継手を加工する際も、危険断面の厚さが設計通りになるよう加工を行う必要がある。加工では、鋼管の管端側から開始し、完全ねじ部を加工した後、切削工具を鋼管外径側に逃がすための継手逃がし部が必要となる。そして、ピン連設部２２を設けた本実施形態では、危険断面Ｓをピンねじ列テーパー部２１とピン連設部２２の境界付近に設ける場合に、ピン連設部２２に逃がし代が配置されることになる。
このとき、ピン連設部２２からピン本体部１１Ａに至るピンテーパー角度θ２が急な角度だと、逃がし代の肉厚が危険断面Ｓより薄くなり、結果として引張荷重の作用時にその箇所から破断し、十分な引張強度が得られない可能性がある。そのため、ピンテーパー角度θ２をねじ列テーパー角度θ１の２倍以下（θ２／θ１≦２）とすることで、継手逃がし部２３の最小肉厚ｔを危険断面Ｓに対して９０％以上に断面積を確保することできる。

なお、危険断面Ｓを管端側（ピン先端２ａ側）に移動させることで継手逃がし部２３の位置をピン連設部２２からピンねじ列テーパー部２１に移動させることは可能だが、その場合、雄ねじ２Ａの半径方向位置をより内径側に移す必要があり、その分、ピン２の内径側への張り出し量が増加するため、考慮が必要である。

また、本実施形態では、鋼管１０Ａ、１０Ｂ同士を締結した状態で、ピン２の最小内径Ｄ１をピン本体部１１Ａの鋼管内径Ｄ２に対して８０％以上に制限することで、鋼管１０内において掘削用ドリルやモルタル注入管等の通過を概ね許容できる。そのため、ピン２が上記範囲において鋼管１０の内径側へ張り出していても、従来の鋼管内での作業を支障なく行うことが可能な鋼管内断面積を確保することができる。

また、本実施形態の鋼管ねじ継手１の製造方法は、第２鋼管１０Ｂの一端に雌ねじ３Ａを含むボックス３を加工する工程と、第１鋼管１０Ａの一端の直径を縮小する縮径加工を行う工程と、縮径加工を行った後に縮径した部分に雄ねじ２Ａを含むピン２を加工する工程と、を有する。
これにより、上述した構成の鋼管ねじ継手１において、雄ねじ２Ａおよび雌ねじ３Ａの精度を確保し、ピン２のピンねじ列テーパー部２１およびピン連設部２２を効率よく加工することができる。

上述した本実施形態による鋼管ねじ継手１および鋼管ねじ継手１の製造方法では、薄肉化および高強度化することで本体部１１Ａ、１１Ｂの軽量化を図ることができ、鋼管１０の引張強度を高めることができる。

次に、上述した実施形態による鋼管ねじ継手１および鋼管ねじ継手１の製造方法の効果を裏付けるために行った実施例について以下説明する。

（実施例）
実施例では、上述した実施形態の鋼管ねじ継手（図２参照）を使用した表１に示す４種類（ケース１～４）の鋼管に対して構造解析にて引張強度を検証した。すなわち、ケース１～４それぞれの鋼管の鋼管ねじ継手は上述した実施形態で示すピン２とボックス３が締結される構成であり、これらケース１～４の鋼管ねじ継手の引張強度、変形、および相当応力状態を確認するため、弾塑性有限要素法（ＦＥＡ）によるＦＥＡモデルを作成し、最大荷重時に対して数値シミュレーション解析を行い、その効果を確認した。

表１は、実施例の解析で使用した各ケース１～４による鋼管ねじ継手の条件および解析結果の引張強度を示している。
表１に示すように、ケース１～４で使用する鋼管は、いずれも外径７６．３ｍｍ、肉厚２．６ｍｍの素管を対象としている。また、ケース１～４の鋼管において、鋼管ねじ継手のねじ山形状はすべて同一であり、ピン連設部のテーパー角度（ピンテーパー角度θ２）を変化させた。表１には、各ケース１～４におけるテーパー角度（°）と肉厚（ｍｍ）の条件を示している。テーパー角度は、ねじ（ピンの雄ねじとボックスの雌ねじ）のねじ列テーパー角度θ１、ピン連設部のピンテーパー角度θ２、ねじ列テーパー角度θ１とピンテーパー角度θ２とのテーパー比率（θ２／θ１）を示している。肉厚は、ピンの肉厚を示し、危険断面の肉厚ｔ１、最小肉厚ｔ２、危険断面の肉厚ｔ１に対する最小肉厚ｔ２の肉厚比率（ｔ２／ｔ１）を示している。

図７は、一例として、ケース１の鋼管ねじ継手における曲げＦＥＡモデルによる引張解析での鋼管ねじ継手の相当応力分布を示している。構造解析の結果、図７に示すように、すべてのケース１～４においてボックス３ではなくピン２の危険断面付近に応力が集中し、鋼管ねじ継手のピンが破断（ピン破断）したことが確認された。図７の符号Ｔは、ピン破断点を示している。

ここで、引張強度の基準として、素管の引張強度の７７．５％以上とした。これは前述のとおり素管の肉厚が標準より－１２．５％であった場合、素管の引張強度は断面積に比例するため、標準寸法に対して１２．５％の２乗、すなわち２２．５％（１２．５×１２．５）だけ減少すると推定されるためである。

図８は、実施例による解析結果を示す図であって、テーパー比率と継手引張強度との関係を示すグラフである。図８は、横軸はテーパー比率（θ２／θ１）であり、縦軸は継手引張強度（％）であり、表１のデータをグラフ上にプロットし、それらプロットを直線で繋いだグラフである。
表１および図８に示すように、テーパー比率（θ２／θ１）が大きくなると、継手引張強度（％）が低下することがわかる。例えば、テーパー比率（θ２／θ１）が２を超えると、継手引張強度が２０％以下に低下することがわかる。これにより、ピン連設部のピンテーパー角度θ２がねじ列テーパー角度θ１の２倍以下であれば、鋼管ねじ継手の継手引張強度が素管部（上記実施形態の本体部１１に相当）の７７．５％以上を確保できることがわかる。

なお、一般構造用鋼管として一般的なＳＴＫ４００をＳＴＫ５４０まで高強度化することを想定する場合、ＳＴＫ５４０の規格降伏強度は３９０Ｎ／ｍｍ^２、規格引張強度は５４０Ｎ／ｍｍ^２で降伏比（降伏強度／引張強度）は約７２％である。仮にＳＴＫ５４０素管の肉厚が標準肉厚で、継手部の引張強度が素管の引張強度の７７．５％であった場合、その強度は素管の降伏強度に近しい値となり素管が降伏する前に継手が破断する可能性がある。したがって、より好ましくは継手部の引張強度をＳＴＫ５４０の降伏比に対して１０％以上高く、すなわち８５％程度確保するべきであり、その際に必要なピン連設部のピンテーパー角度θ２は、図８に示すようにねじ列テーパー角度θ１に対して１．６倍以下である。

以上、本発明による鋼管ねじ継手および鋼管ねじ継手の製造方法の実施形態について説明したが、本発明は前記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、本実施形態では、ピン２の最小内径Ｄ１として、鋼管１０Ａ、１０Ｂ同士を締結した状態で、ピン本体部１１Ａの鋼管内径Ｄ２に対して８０％以上が好ましいとしているが、鋼管の使用用途として、鋼管内部に掘削用ドリルやモルタル注入管等を通過させる施工がない場合においては、ピン２の本体部１１の内周面１１ｂからの張り出し量として内径比率で上記８０％よりも小さく設定することも可能である。

また、本実施形態では、トンネルの地盤補強用の土木用鋼管に適用した一例を示しており、主に地盤に対して水平あるいは斜め前方に打設される鋼管を対象としているが、地盤に対して鉛直方向に打設される鋼管杭の鋼管ねじ継手であってもかまわない。また、トンネルの施工に限定されることもない。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、前記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

１ 鋼管ねじ継手
１０、１０Ａ、１０Ｂ 鋼管
２ ピン
２Ａ 雄ねじ
３ ボックス
３Ａ 雌ねじ
１１Ａ ピン本体部
１１Ｂ ボックス本体部
１１ａ、１１ｃ 外周面
１１ｂ、１１ｄ 内周面
２１ ピンねじ列テーパー部
２１ａ 雄ねじ終端
２２ ピン連設部
３１ ボックスねじ列逆テーパー部
３２ ショルダー部
Ｏ 管軸
Ｘ 管軸方向
θ１ ねじ列テーパー角度（第１テーパー角度）
θ２ ピンテーパー角度（第２テーパー角度）

Claims (3)

1. 建設分野の工事において地盤に打ち込む鋼管同士をねじ込むことによって締結するための鋼管ねじ継手であって、
   一方の前記鋼管の外面に雄ねじが形成されたピンと、
   他方の前記鋼管の内面に前記ピンの前記雄ねじに螺合可能な雌ねじが形成されたボックスと、を有し、
   前記ピンと前記ボックスのねじ列は、前記鋼管の管軸に対して第１テーパー角度で傾斜したねじ列テーパー部が形成され、
   前記ピンの最小内径は、前記鋼管のうち前記ピンと前記ボックスとを除く本体部の鋼管内径より小さく、
   前記ピンは、前記雄ねじの完全ねじ部終端から前記本体部にかけて第２テーパー角度だけ傾斜したピン連設部を有し、
   前記第２テーパー角度は、前記第１テーパー角度の２倍以下である鋼管ねじ継手。
2. 前記ピンの最小内径は、前記鋼管同士を締結した状態で、前記本体部の前記鋼管内径に対して８０％以上である、請求項１に記載の鋼管ねじ継手。
3. 請求項１又は２に記載の鋼管ねじ継手を製造するための鋼管ねじ継手の製造方法であって、
   前記鋼管の一端に前記雌ねじを含む前記ボックスを加工する工程と、
   前記鋼管の一端の直径を縮小する縮径加工を行う工程と、
   前記縮径加工を行った後に縮径した部分に前記雄ねじを含む前記ピンを加工する工程と、
   を有する鋼管ねじ継手の製造方法。

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