JPH0579875B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ １対の管状部材を力伝達関係的に固定するた
めの長疲労寿命カツプリングにおいて、外面を有
し、かつ前記外面上に形成されたトーラスを有し
ている管状ピン部材であつて、前記トーラスは第
１環状肩部と第２環状肩部とを形成している、そ
の管状ピン部材と、内面を有していて、前記内面
の一部分上にねじが形成されている管状ボツクス
部材であつて、前記ボツクス部材は前記内面が前
記トーラスの前記第１環状肩部と係合するまで、
前記ピン部材を入れ子式に受留める、その管状ボ
ツクス部材と、前記ピン部材の前記外面に隣接し
て保持されたロツクリングであつて、前記ロツク
リングは前記ピン部材が前記ボツクス部材の中へ
入れ子式に挿入された時に、前記ボツクス部材上
の前記ねじと回転的に係合するためのねじをその
上に有している、そのロツクリングとを含み、前
記ロツクリングは係合された時には圧縮されてお
り、前記トーラスの前記第２環状肩部に対して押
付けられ、前記トーラス上に予め加えられた圧縮
予荷重を維持し、また前記トーラスとボツクス部
材とロツクリングとの幾何学的形状は、前記トー
ラスの硬さが前記ボツクス部材及び前記ロツクリ
ングの硬さに比べて相対的に大きくなるように調
節されていることを特徴とする長疲労寿命カツプ
リング。

２ 請求の範囲第１項記載のカツプリングにおい
て、前記予荷重(P)とカツプリングの設計荷重
（F_d）との関係は ＰK_qF_d であり、ここで K_p＝１＋／１＋１／K_p／K_r＋K_p／K_b ここでK_pは前記ピントーラスのばね定数、 K_rは前記ロツクリングのばね定数、 K_bは前記ボツクス部材のばね定数、 であり、カツプリングの各部材に関して、 Ｋ＝AE／Ｌであり、ここで Ａはその断面積、 Ｌはその長さ、 Ｅはその材料のヤング率 であり、それによつて、前記トーラスは前記カツ
プリングに設計荷重がかけられるまでは圧縮状態
のままであり、またそれによつて、前記トーラス
は前記ボツクスから分離しない長疲労寿命カツプ
リング。

３ 請求の範囲第２項記載のカツプリングにおい
て、前記トーラスとボツクスとの幾何学的形状
は、トーラスの設計ばね定数がボツクスの設計ば
ね定数のほぼ２倍になつて、かつトーラスの設計
ばねがロツクリングの設計ばね定数のほぼ２倍に
なるように調節されている長疲労寿命カツプリン
グ。

４ 管状部材を連結するためのカツプリングにお
いて、外面の周囲に形成されたトーラスを有する
ピン部材であつて、前記トーラスは底部環状面と
頂部環状面とを有し、また前記トーラスは外周面
積Ａと軸線方向長さＬとを有し、前記面積Ａと長
さＬとは前記トーラスに関する高硬度特性に対応
した大きな比率（Ａ／Ｌ）を生み出すように選択
されている、そのピン部材と、前記トーラスに関
して相対的に小さな硬度特性を有したボツクス部
材であつて、前記ボツクス部材は前記トーラスの
前記底部環状面に係合した上向きの環状面を有
し、また前記ボツクスはその内面にねじを有して
いる、そのボツクス部材と、前記トーラスに関し
て相対的に小さな硬度特性を有したロツクリング
であつて、前記ロツクリングは前記ボツクスの前
記ねじと係合するために、その外面上にねじを有
し、また前記ロツクリングは前記トーラスの頂部
環状面と係合するための下部環状面を有してい
る、そのロツクリングとを含み、従つて、外部係
合力によつて前記トーラスが圧縮され、ボツクス
部材が引張状態に置かれると、前記ロツクリング
は前記ボツクスとのねじ係合によつて係合され、、
前記ロツクリングは前記トーラスの圧縮状態を維
持しながら圧縮状態に置かれ、それによつて、前
記カツプリングに加えられている張力が変化して
も、前記ボツクス部材にかかる張力の変化は比較
的減少し、前記トーラスの硬度はできるだけ大き
く、前記ロツクリングと前記ボツクス部材の硬度
はできるだけ小さく、これによつて、交番引張荷
重を受ける前記カツプリングの疲労寿命が増加す
ることを特徴とするカツプリング。

５ パイプを連結するための耐疲労性カツプリン
グにおいて、下向きの肩部と上向きの肩部とから
なるトーラス部分を有するピンにおいて、前記ト
ーラスの円周方向断面積（A_p）と軸線方向の長
さ（L_p）とは前記トーラスに関して大きな
（A_p／L_p）比、あるいは大きな硬度（K_p）を生み
出すようになつている、そのピンと、内部ねじを
有し、前記トーラス部分を受留めるための本体部
分を有するボツクスであつて、前記本体は前記ト
ーラスの前記下向きの肩部に向かい合う内部の横
方向の係合肩部を有し、前記ボツクス本体部分の
円周方向断面積（A_b）と軸線方向の実効長（L_b）
とは、前記ボツクス本体部分に関して小さな
（A_b／L_b）比、あるいは小さな硬度（K_b）を生み
出すようになつている、そのボツクスと、前記ピ
ン及びボツクス上で荷重工具によつて係合可能な
装置であつて、前記ピンとボツクスとを軸線方向
に相対的に一緒に押付け、前記トーラスの前記下
向き肩部と前記ボツクスの前記係合肩部とに圧縮
的に荷重をかけ、前記トーラス部分は圧縮状態、
前記ボツクス本体部分は引張状態にあつて、前記
ピントーラス部分と前記ボツクス本体部分とは前
記肩部が分離しないように保持されている、その
装置と、前記ピンの周囲で回転自在で、前記ボツ
クスの内部ねじとねじ係合する外部ねじを有する
ロツクリングであつて、前記リングは、前記トー
ラスを圧縮状態、前記ボツクス本体部分を引張状
態に保持するために、前記トーラスの前記上向き
肩部と係合し、前記ロツクリングは前記ボツクス
本体部分と前記トーラスとのねじ係合によつて圧
縮状態になつており、前記ロツクリングの円周方
向断面積（A_r）と軸線方向の実効長（L_r）とは、
前記ロツクリングに関して小さな（A_r／L_r）比、
あるいは小さな硬度（K_r）を生み出すようにな
つている、そのロツクリングとを含み、これによ
つてピントーラスの大きな硬度（K_p）と、ボツ
クス本体部分の小さな硬度（K_b）と、リングの
小さな硬度（K_r）とが、前記パイプに加えられ
る張力の変化に応答した前記ボツクス本体部分に
おける張力の変化の大きさを減少させ、それによ
つて前記カツプリングの疲労寿命を増加させるこ
とを特徴とする耐疲労性カツプリング。

発明の背景 発明の分野 本発明は広義には管状コネクターの分野に係
り、さらに特に、海洋立上げ管あるいは張力脚プ
ラツトホームのテンドンのための、長寿命海洋カ
ツプリングに関する。

先行技術の説明 炭化水素の探査がより深い海の中へ進んでいく
ので、掘削、生産操作のための、従来型の海洋プ
ラツトホーム構造より他の装置が開発されてきて
いる。そのような深海型の他の装置の１つには張
力脚プラツトホーム（TLP）がある。張力脚プ
ラツトホーム、複数個のほぼ垂直なテンドンある
いはテザーによつて係留された浮き型海洋構造物
あるいは作業用プラツトホームであり、前記テザ
ーは水中の投錨基礎と浮きプラツトホームとを連
結し、また一定の張力に保持されている。各々の
テザーは好ましくは複数個の張力脚で形成されて
おり、前記張力脚は好ましくは細長い管状部材で
ある。前記テザーは列状あるいはパターン状に配
置されていて、望ましくないプラツトホームの動
きを制限し、プラツトホーム上の掘削、生産設備
を、水中井戸に対して水面上の適当な位置に維持
させることができる。

管状張力脚コネクターに対する設計上の要求事
項は、海洋掘削、生産用の立上げ管に対するそれ
に関連するが、特に張力脚を10年あるいはそれ以
上の間使用し続ける場合の疲労の方がより重要で
ある。各々の管状の張力脚は、浮き型プラツトホ
ームを望ましくない動きに対して保持するため
に、複数個の機械的に端部どうしを連結された管
状部分から形成することができる。風や、波、潮
流の結果として生じる一定的に変化する引張荷重
の力によつて、交番的な応力が生じ、これは管状
部分の機械的コネクターの疲労破壊を誘発する。

生じる引張荷重の大きさのために、管状の張力
脚は普通10〜30インチ（25.4〜76.2cm）の外径を
有し、比較的厚い半径方向の壁部を有している。
この脚部のかさばりは、長い長さで形成され、か
つ一緒に連結された張力脚の取扱いや、製造や、
据付けにおいて問題を提起するものである。管状
の張力脚を連結するためのカツプリングあるいは
コネクターには、張力脚に生じるのと同じ平均的
かつ交番的な荷重力がかかる。

荷重を伝達する管状部材のコネクターにおける
疲労破壊は２つの基本的な要因、即ち、(1)交番引
張応力と、(2)応力集中個所とによつて影響をうけ
る。

先行技術は、管状連結部の疲労寿命にとつて
は、圧縮応力ではなく引張応力が重要であること
を示している。疲労破壊につながるクラツクの生
成やその伝播は、より大きな平均的な引張応力を
受け、またより大きな交番引張応力を受けている
部材においてより早く生じる。

先行技術はまた疲労破壊が、より大きな局部的
応力集中個所においていつも生じることを示して
いる。

発明の目的 本発明の目的は、長疲労寿命を有した管状部材
の機械的カツプリングを提供することにある。

本発明の他の目的は、異なつた硬度の部材から
なる荷重伝達用の管状部材コネクターを提供する
ことにあり、それによつてカツプリングに対する
引張荷重の変化は、結果として、ある部材には比
較的小さな張力の変化、他の部材には本質的に圧
縮の変化を生じさせることになり、従つてカツプ
リングの寿命は、前記ある部材における張力の変
化が比較的小さいことによつて、増加する。

本発明のさらに他の目的は、肉厚な部分を有し
た円周方向に連続的な荷重保持部材からなる、荷
重を伝達する管状部材コネクターを提供すること
にあり、管状部材に加えられる交番引張荷重の一
部は、周期的な圧縮歪みによつて本質的に問題な
く消散してしまう。

本発明の他の目的は、幾何学的形状に突然的な
変化をもたらさない単純な設計の管状部材コネク
ターを提供することにある。

本発明の他の目的は、結果的に製造が経済的に
なる単純な設計の管状部材コネクターを提供する
ことにある。

本発明のさらに他の目的は、結果として運転効
率や、寸法の短小化、リグ取扱いの容易を、また
費用とが経済的になる比較的軽量の管状部材コネ
クターを提供することにある。

発明の要約 本発明は、海洋掘削、生産リグのために、特に
大直径の管状部材を連結するように、端部どうし
を機械的に連結する管状部材に使用するために、
長疲労寿命を有した３種部品からなるカツプリン
グに関する。ピン部材の外面はトーラスを含み、
このトーラスの幾何学的形状はそれに大きな硬度
特性を与えるものであり、また前記トーラスはピ
ンがそれ以上ボツクスの中へ入れ子式に挿入され
るのを防ぐようにボツクス部材と係合する。前記
ボツクスの幾何学的形状は、それに小さな硬度特
性を与えるものである。ピンとボツクスとに対し
て外部的な圧縮性の予荷重が加えられると、回転
自在の、小さな硬度を有するロツクリングが、そ
れがトーラスと係合するまで、ボツクスとねじ的
に係合する。

前記ロツクリングは、外部の予荷重機構が取除
れた時にも、トーラス上の正しい予荷重を維持す
る。ロツクリングは管状部材における引張荷重の
増加に対して、全体的に増加している圧縮応力で
反作用する。前記ロツクリングは環状部分を有
し、これが付加的な圧縮歪みとともに、増加する
引張荷重の大部分を受留める。

疲労破壊は大きな交番引張応力を経験する類似
部材においてより早く生じるので、トーラスの大
きな硬度特性とリング及びボツクスの小さな硬度
特性とによつて、カツプリングに加えられた引張
荷重の変化は、ボツクス部材における比較的小さ
な引張荷重とロツクリングにおける圧縮応力とに
なり、それによつてカツプリングにおける疲労ク
ラツクの発生や伝播の可能性を減らすことができ
る。

【図面の簡単な説明】

本発明の目的、利点及び特徴はここに添付した
図面を参照するとさらに明らかになるが、図面の
中では同じ番号は同じ部品を示しており、また図
面には本発明の例示的実施例が示されている。

第１図は本発明による長寿命カツプリングの１
つの好的使用例を示した、張力脚プラツトホーム
の側部断面図、第２図は長寿命カツプリングの部
分断面的な側面図、第３図は長寿命カツプリング
部材の荷重分布を説明するための、アナログばね
を用いた工学的な力のダイヤグラム、第４図は、
リングのばね定数に対するトーラスのばね定数の
比が各段階で一定に保持されている場合の、トー
ラスのばね定数に対するボツクスのばね定数の比
の関数としての、無次元比例定数（k_p）を示すグ
ラフ、第５図は先行技術による管状カツプリング
の説明図である。

発明の説明 カツプリングの構造及びその予荷重の説明 第１図に示したように、緊張脚ブイの作業面構
造物あるいは浮きプラツトホームＰが水Ｗの表面
Ｓ上に位置している。前記プラツトホームＰは、
複数個のほぼ垂直のテンドンあるいはテザーＴに
よつて水Ｗの下の海底Ｅに投錨あるいは固定され
ており、前記テザーは浮きプラツトホームＰとそ
れと同数の複数個の海底Ｅにおけるアンカー基礎
Ｂとの間を延在して、それらをリンク結合させて
いる。前記テザーＴはプラツトホームＰの動きを
所定の領域内に限定するためのパターンに配置さ
れていて、プラツトホームＰからある種の操作が
できるようになつている。

説明の目的のために、各々のテザーＴは基礎Ｂ
とプラツトホームＰとを連結する単一の管状部材
Ｍとして図示されている。各々のテザーＴを形成
するために複数個の前記管状連結部材Ｍを用いて
もよいことが理解できる。

プラツトホームＰを所定位置に保持するため
に、緊張脚Ｔには連続的な引張荷重あるいは力が
かかる。緊張脚プラツトホームＰは、浅い所に設
けるよりも薄い所に設ける方が比較的より実際的
かつ経済的であり、好ましくは1000フイート
（305ｍ）以上の深さの水に据付けられるので、
各々の管状連結部材Ｍを端部間で連結される長さ
Ｌに形成することが望ましい。疲労破壊は圧縮応
力よりも引張応力の結果生じやすいので、疲労破
壊に対しては前記長さＬと、各種の長さＬに関す
る端部間コネクターとが敏感である。厳しい海洋
環境においてテザーＴに10年、あるいはそれ以上
の寿命を期待するという点に関していうと、管状
部材Ｍに関するカツプリングにおける引張応力の
変化を最小にすることが極めて望ましい。

第１図には本発明による長寿命管状カツプリン
グ１０が示されており、これは前記長さＬを端部
間で力を伝達する関係にして連結するために、１
つの管状部材Ｍの中に操作的に組込まれている。
前記カツプリング１０は１あるいはそれ以上のテ
ザーＴにおける各々の管状部材Ｍの幾つかの位置
において組込んだり、あるいは使用してもよい。

第２図に最もよく示したように、前記管状コネ
クター１０は３つの構成要素あるいは部品、即
ち、ピン１２と、ボツクス１４と、ロツクリング
１６とからなつている。前記管状ピン１２は、中
央部の通路あるいは孔を形成するために、一定の
直径の内面１８を有している。ピン１２の下端に
おいては、前記内面１８は下向きになつた環状の
肩部あるいは鼻部２０のところで終つている。前
記鼻部２０は下部の一定直径部分２４を有した外
面２２と連結している。前記ピンの外面２２はさ
らにトーラス２６と上部の一定直径のマンドレル
１３とを有している。本発明によると、前記トー
ラス２６はその硬さが、当然のことながら、あら
ゆるカツプリングの設計限界内において、できる
だけ高くなるような幾何学的形状を有している。
言いかえると、前記トーラスの実効的な軸線方向
の長さ（Lt）に対する外周断面積（At）の比が
できるだけ大きいということである。物理的にい
うと、前記トーラスは“短く”て“ずんぐり”し
たドーナツ形になつている。マンドレル１３の外
面部分２８の末端部は上方に向いた環状の肩部３
０に隣接しており、前記肩部は、後でもつと詳し
く説明するように、コネクター１０に予め圧縮荷
重をかけるための外力を加えるために設けられて
いる。

前記ボツクス１４は、ピン１２の貫通孔１８と
同軸的に整列された貫通孔を形成する内面３２を
有している。この内面３２は大きい方の一定直径
部分３４を有しており、これは、ピン１２がボツ
クス１４の中へ入れ子式に挿入された時に、ピン
１２の下部外面２４と隣接するように位置してい
る。前記内面３２はまた上方に向いた環状荷重肩
部３６を形成しており、これはトーラス２６の下
方に向いた下部環状肩部２６ａ係合するようにな
つている。トーラスの肩部２６ａと肩部３６とが
係合することによつて、ピン１２がボツクス１４
の中へそれ以上入れ子式に挿入されるのを防いで
いる。

前記環状肩部３６上において、内面３２は一定
直径部分３８を形成し、これはボツクス１４の傾
斜ねじ部分４０の開始点のところで終つている。
ボツクス１４の外面４２はフランジ４４とその上
に形成された肩部４５とを有し、前記肩部はピン
の肩部３０と一緒になつてコネクター１０の予荷
重のために用いられる。ピン１２とボツクス１４
との両方には、設計引張応力レベルを許容値内に
十分入るように保持するために、十分な半径方向
の壁厚あるいは断面積が与えられている。ボツク
スとピンの断面形状はまた、部分的な厚さが大き
く変化していることからしばしば生じる“応力上
昇部”の生成を防ぐように設計されている。

本発明によると、表面３６からねじ部分４０へ
至るボツクス本体部分は、その硬さ特性を許容設
計限界内でできるだけ小さく保持するような幾何
学的形状を有している。即ち、ボツクス本体部分
の実効的な軸線方向長さ（L_b）に対する、ボツ
クス本体部分の断面積（A_b）の比が、トーラス
２６の硬さに対して相対的に小さくなるように設
計されている。言いかえると、ボツクス本体部分
は比較的長くて薄い部材として設計されている。

ロツクリング１６には一定直径の内面４６が設
けられており、これはロツクリングをピン１２上
で、上部一定直径面２８に隣接したところで、同
軸的に取付けるためのものであり、ロツクリング
１６はピン１２に関して軸線方向運動及び回転運
動ができるようになつている。ロツクリング１６
はトーラス２６の上向き肩部２６ｂと接合してそ
れに荷重をかけるための下向きの環状肩部４８を
形成しており、前記トーラスの肩部はロツクリン
グ１６のための下向き運動のストツパとして作用
する。ロツクリング１６には、引張荷重が増加し
た時に圧縮荷重の増加を受容するために、そのね
じ部分５２と下向き肩部４８との間にトロイダル
部分５３が設けられている。ロツクリング１６の
一定直径外面５０はねじ部分５２の近くで終つて
いる。ねじ５２はボツクス１４の対応的なねじ部
分４０と、従来的な方法で、相互係合あるいは噛
合するようになつている。

本発明によると、ロツクリング１６は、ボツク
ス本体部分と同様に、許容設計限界内で硬さ特性
をできるだけ小さく保持する幾何学的形状を有し
ている。即ち、ロツクリングの実効的な軸線方向
長さ（L_r）に対するリングの断面積（A_r）の比
は、トーラス２６の硬さに対して相対的に小さく
なるように設計されている。ボツクス本体部分と
同様に、ロツクリングは比較的長くて薄い部材と
して設計されている。

コネクターに対して軸線方向に予荷重をかける
ための従来型の荷重工具は、アールストンによる
米国特許第4124229号に開示されており、参考の
ためにここでも組入れることにする。そのような
外部的な予荷重装置は１対の縦方向に割れたリン
グを用いており、これらの各々はコネクター１０
との操作的な取付け、取外しを可能にするため
に、適当に蝶番留めされている。複数個の液圧的
に励磁されるシリンダーが２つのリングを連結し
ている。１つのリングはピン１２の周りで肩部３
０の上で同軸的に係合し、他のリングはボツクス
１４の周りで肩部４５の下で同軸的に係合してい
る。ピン１２をボツクス１４の中へ、望みの圧縮
力になるまで押込むために、複数個のシリンダー
内の液圧力が増加される。そのような力はトーラ
ス２６の中に圧縮応力あるいは荷重を誘起し、全
体的にはボツクス１４を引張る。

肩部３６とフランジ４４との間におけるボツク
ス１４の部分には加えられた力によつて延び（引
張）歪が生じる。加えられた圧縮力によつて、ロ
ツクリング１６はボツクス１４の中で回転自在に
噛合し、リング１６とトーラス２６とを圧縮す
る。ロツクリング１６が適当に回転噛合している
ことを目で確認した後に、外力（F_c（第２図参照）
が除去され、荷重工具も取外される。外部の荷重
工具を用いることにより、予荷重操作は（多くの
先行技術による管状コネクターのボルトとフラン
ジの予荷重装置と比べて）簡素化され、またボル
トのトルク値のような先行技術における問題とは
無関係に実行することができ、ボルトの相互作用
や、表面の仕上げ、あるいは接触面の滑らかさ、
及び接触面の摩耗といつたことは本質的になくな
る。従つて予荷重の正確性と、噛合の繰返し性と
が改善され、信頼性が増大する。予荷重操作が簡
素化されると装置時間が節約される。

コネクター１０に予荷重をかけるために、先行
技術によるボルトをフランジコネクターの場合に
必要なばく大なトルクをなくすことによつて、コ
ネクター１０の重量を大きく減らすことができ
る。管状部材のコネクター１０の重量を減らすこ
とによつて、管状部材Ｍの強度と重量との比率を
増加させることができ、また浮きプラツトホーム
Ｐ上でのデツキ荷重を減らすことにもなる。円周
方向における予荷重分布が均一なので、カツプリ
ング１０の必要重量が減ることになり、カツプリ
ングのために高価な高強度合金を用いる必要もな
くなる。

第３図はコネクター１０のアナログ形のばねモ
デルであり、コネクターに加えられた予荷重によ
つて、ロツクリングが圧縮状態、トーラス２６が
圧縮状態、またボツクス４２が引張状態にあるこ
とを示している。コネクターが荷重伝達装置とし
て作用している時には、コネクターに加えられた
引張力はトーラス２６の頂部から上方に向いてお
り、またボツクス１４の底部から下方に向つてい
る。予荷重力がトーラス２６の底部（面２６ａ）
をボツクス１４の環状表面３６に接触させて保持
するのに十分な大きさである限り、カツプリング
１０全体が上から及び下から張力（F_A）で引張
られると、トーラスはロツクリング１６と同様
に、本質的には圧縮状態に保持される。圧縮荷重
のかかつた部材は疲労のクラツクの生成及び伝
播、あるいは疲労破壊に対して余り敏感ではない
ので、ロツクリング１６とトーラス２６とは疲労
破壊を余り受けないことになる。局部応力は別に
して、コネクターの３要素の内、ボツクス部材だ
けが引張状態になつている。

疲労破壊は普通、引張応力の大きさが大きく変
化している部材に生じる。本発明は周期的な圧縮
荷重あるいは歪の中の、交番的な引張応力の部分
を害を与えることなく消散させている。脚部Ｍに
かかる張力が増加すると、トーラス２６にかかる
圧縮荷重が減少し、ロツクリング１６にかかる圧
縮荷重が増加し、ボツクス１４にかかる引張荷重
が増加するであろう。しかし、ピン状トーラス２
６の硬さ（K_p）が大きく、ボツクス本体部分
（K_b）の硬さが小さく、またリング（K_r）の硬さ
が小さいので、脚部Ｍ及びカツプリング１０にか
かる張力の変化に対応したボツクス本体部分にお
ける張力の変化の大きさが減少される。

疲労破壊は普通、“幾何学的な応力上昇部”の
ような極めて局部的な弱点個所において生じる。
カツプリング１０の設計が簡単なので、単に３つ
の荷重支持部材が幾何学的形状や壁厚の急激な変
化を避けている。そのように設計が簡単であるの
で（例えば、複数個のボルトとフランジのカツプ
リングと比べてみた場合）、カツプリング１０の
疲労寿命はさらに増大する。

発明の技術的な説明 (a) 加えられた荷重が変化した時の、ボツクスと
ピンにおける荷重変化の関係 加えられた荷重（F_A）がコネクター１０に
加えられると（アナログばね図の第３図を参
照）、ボツクス１４にかかる張力は F_b＝Ｐ＋（１／１＋K_b／K_r＋K_b／K_b）F_A で表わされ、またピン状トーラス２６にかかる
圧縮力 F_b＝Ｐ−１／１＋／K_p／K_r＋K_p／K_b）F_A で表わされることがわかる。

ここで K_b＝１／１＋K_p／K_r＋K_p／K_b K_p＝１／１＋１／K_p／K_r＋K_p／K_b とすると、 F_b＝Ｐ＋K_bF_a（引張） F_p＝Ｐ−K_pF_a（圧縮） 加えられた荷重において変化（△F_a）がカ
ツプリングに加えられると、ボツクスにおける
張力の変化及びピントーラスにおける圧縮力の
変化は、 △F_b＝＋K_b△F_a（ボツクスには張力の変化） △F_p＝−K_p△F_a（トーラスには圧縮力の変化） となる。

カツプリングに加えられた交番荷重（△F_a）
の与えられた大きさに応答したボツクスにおけ
る交番張力（△F_b）の大きさを最小にするた
めには、（K_b）を最小にしなければならないこ
とは明らかである。従つて、ピントーラスの硬
さ（K_p）は設計限界内でできるだけ大きくな
ければならず、ロツクリングの硬さ（K_r）と
ボツクス本体部分の硬さ（K_b）とは設計限界
内でできるだけ小さくしなければならない。
（K_p）を最大にし、（K_r）と（K_b）とを最小に
することによつて（K_b）が最小になり、それ
によつて、ボツクス本体部分の交番張力の変化
の大きさを最小にすることができる。周期的に
加えられる張力の大きさが比較的小さい部材に
おいては、疲労寿命が相対的に増加するので、
カツプリング１０の疲労寿命は同様なカツプリ
ング構造に比べて増加し、ここではピントーラ
スはできるだけ硬く設計され、ボツクス本体部
分とロツクリングとは設計限界内でできるだけ
硬さのない（あるいはばね状に）ように設計さ
れている。

(b) 予荷重Ｐと係合力（F_c）との関係 Ｐ＝１＋／１＋K_bK_p／K_r（K_b＋K_p）F_C であり、ここで Ｐは予荷重 F_cは係合力（第２図参照） K_cはボツクス１４のばね定数 K_pはピントーラス２６のばね定数 K_rはリング１６のばね定数 であり、またカツプリングの各部材に関して ＫAE／Ｌ で表わされ、ここで Ａはその断面積 Ｌはその長さ Ｅはその材料のヤング率である。

(P)は（F_c）とできるだけ等しいことが望まし
いので、 関数K_bK_p／K_r（K_b＋K_p） は合理的にできるだけ小さくなければならず、
また拘束条件として（K_p）ができるだけ大き
く、（K_b）と（K_r）ができるだけ小さくなけれ
ばならない。もし（K_b）を（K_r）にほぼ等し
くすると、前記関数は１より小さくなり、予荷
重(P)は（F_c）の1/2より大きくなる。

(c) 分離荷重（F_s） ピントーラス２６が全ての圧縮力をなくす、
即ち、F_p＝Ｏになると、トーラスはボツクス
１４から分離し、第３図のモデルは最早役に立
たない）。数学的にこのことを表現すると、 Ｏ＝Ｐ−K_bF_s、あるいは F_s＝Ｐ／K_p となる。

もし（F_d）をカツプリングの最大設計荷重
とすると、予荷重は設計荷重に対して ＰK_pF_d の関係になる。

第４図に（K_p）の曲線は、（K_p）が常に１よ
り小さいことを示している。このことは予荷重
が設計荷重よりも小さくてもよいことを意味し
ている。

(d) 本発明の先行技術のカツプリングとの比較 1978年11月７日付けのアールストンによる米
国特許第4124230号は、その第５図において先
行技術のカツプリングを開示しており、それを
参考のためにここでも第５図（先行技術）に再
び示している。第５図は第２図に示した本発明
と類似の構造を示しているが、これは引張強
度、圧縮強度、及び曲げ強度を強化し、液体洩
れのない結合部を提供するために、“剛的なコ
ネクター”をつくり出すように設計されている
ピン８２とボツクス８４との間に加圧流体を提
供して、ボツクス８４を膨張させ、ピン８２を
半径方向に圧縮させるために、孔８０が設けら
れている。圧力が取り除かれると、ピン８２と
ボツクス８４とは締まりばめがなされ、ねじス
リーブ８６によつてロツクされている前記ピン
には予荷重がかかることになる。前記アールス
トンの特許第4124230号はこのコネクターを、
コネクターによつて結合されたパイプよりも優
れた引張性能、圧縮性能、曲げ及び圧力性能を
有しているものとして記載されている。海洋の
パイプやパイプラインに関するコネクターの理
想的な使用法が示されている。

肩部８８と９０との間でトーラス形状になつ
たピン８２は比較的長いことがわかる。そのよ
うな長さによつて、アールストンのトーラスの
ばね定数（K_p）は、その断面積比（A_p／L_p）
からみても、非常に小さい。従つてアールスト
ンのピンは硬くはない。実際にはピン８２は、
加圧流体が孔８０に加えられた場合に適当に変
位するために“ばね状”になつていなければな
らない。従つて、第５図に示した先行技術によ
るコネクターは強いかもしれないが、コネクタ
ーには張力の周期的な変化が加えられ、ボツク
ス８４によつて比較的大きな周期的な張力の変
化を経験するので、疲労に対しては抵抗力がな
いであろう。この説明の中でも、本発明に関連
して前述したように、コネクターに一定の周期
的に張力がかかる場合には、トーラスにはでき
るだけ大きな硬さを与えることが本質的なこと
である。

(e) 本発明の疲労寿命要素（FLF）に対する関
係 アメリカ石油協会（API）が推奨するRP₂R
法（海洋掘削装置のカツプリングにおける設計
定格とテストのために推奨される方法）に関し
ていうと、疲労寿命要素（FLF）は FLF＝0.1（１−σ₁／〓ult／（σ₂−σ₁）／〓ult
）、あるいは、 FLF＝0.1（〓ult／σ₁−１／σ₂／σ₁−１）³ によつて計算することができる。

ここで（σ₁）は平均応力であり、（σ₂−σ₁）
は応力の大きさである。

APIは L₁＝予荷重＋0.4×設計荷重、Fd、（σ₁に対す
る） L₂＝予荷重＋0.7×設計荷重、Fd、（σ₂に対す
る） を推奨している。

交番応力領域に関連するσ₂／σ₁の比率は σ₂／σ₁＝0.7＋（K_p／K_r＋K_p／K_b）／0.4＋（K_p／
K_r＋K_p／K_b） として推奨される。

カツプリング部材の幾何学的形状を調節する
ことにより、カツプリングは次のように設計す
ることができる。

K_p／K_b＝２（あるいはピントーラスの硬さは
ボツクスの２倍である。） またK_p／K_r＝２（ピントーラスの硬さはリン
グの２倍になる。） 従つてσ₂／σ₁＝1.0682となる。

比率（σ₂／σ₁）を示す数字が小さいというこ
とは、平均応力の周りでの応力変動が比較的小
さいということを示している。

本発明の今までの開示、記述は説明、例示のた
めのものであり、本発明の精神から離脱すること
なしに、説明した構造の詳細個所のみならず、寸
法、形状、材料を各種変化させてもよい。