JPH09119564A - 油井管用ねじ継手 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 管本体以上の引張性能、圧縮負荷後の優れた
気密性能、さらに緩みトルクに対する高い抵抗力を有す
る油井管用ねじ継手を提供する。 【構成】 ねじ形状が概ね台形状のテーパねじ、雄
ねじのピン部と雌ねじのボックス部、シール部と、ト
ルクショルダ部とから構成される油井管用ねじ継手にお
いて、 (i) ねじの荷重面フランク角: −20°以上０°未
満 挿入面フランク角 : 30°超 60°以下 (ii) 雄ねじと雌ねじとの間に正の干渉量を有し、 (iii) 継手の締結途中および締結完了時に、荷重面と挿
入面が相互に接触するとともに頂面と底面に隙間を設け
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、地下から産出される天
然ガスや原油の探査・生産に使用される油井管のねじ継
手に関するものであり、特に井戸の深さが深い場合や腐
食性環境が厳しい場合等の状況下での使用に適した油井
管のねじ継手に関する。

【０００２】

【従来の技術】今日、深さ数千ｍにも及ぶ天然ガス田や
原油田の探査・生産に使用される油井管を接続する技術
としてねじ継手が広く用いられている。一般に油井管用
ねじ継手には、管の一端にピン部を、他端にボックス部
を設けて管同士を接続するインテグラル方式と、両端に
二つのボックス部を設けたカップリングを使用して両端
にピン部を設けた油井管を接続するカップリング方式と
がある。

【０００３】油井管は高圧、高荷重および悪環境下で使
用されるため、油井管用ねじ継手には、接続された管
の自重による軸方向の引張力に耐え得ること、内部の
流体による内圧に耐え得ること、内部の流体による腐
食がないこと、数十回の繰り返し締結使用ができるこ
と、などの性能が要求されている。近年、井戸の深さが
深くなる傾向にあり、上記の要求性能は更に厳しくなっ
ている。

【０００４】このような要求に対応して油井管用ねじ継
手として、図１に示すようなカップリング方式において
シール部およびトルクショルダ部を有する構造のものが
多く用いられ、これらに関して多くの提案がなされてい
る。

【０００５】図１(a) はカップリング20を用いて、管本
体10同士を接続した状態を示す断面図であり、同図(b)
および同図(c) はそれぞれその要部拡大図である。すな
わち、管本体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とを備え、このピン部11の先端にあるテー
パ状のシール形成用ねじ無し部13と、ボックス部21の内
方にあるテーパ状のシール形成用ねじ無し部23とを接触
させることによりシール部を形成している。これは、こ
の領域にメタルシール部を設けることにより、油井管内
部の流体による内圧負荷に対する気密性能を向上させる
ためである。

【０００６】また、ピン部11のシール形成用ねじ無し部
13の更に先端にあるトルクショルダ形成用ねじ無し部14
と、ボックス部21のシール形成用ねじ無し部23の更に内
方にあるトルクショルダ形成用ねじ無し部24とを、突き
合わせることによりトルクショルダ部を構成している。
これは、両ねじ無部14、24を突き合わせることにより、
過度な塑性変形が生じるような高い接触面圧がシール部
に発生しないようにねじ継手の締結トルクを適正な値に
調整するためである。

【０００７】一方、これらの継手に使用されるねじは、
現場での締結を迅速に行えるように、いわゆるテーパね
じであり、例えば、ピン部11では先端ほど外径が小さく
なっている。また、図１の例ではピン部では、図１(c)
に示すように、その先端と逆方向にねじが切り上げられ
ており、ねじの端部に不完全ねじ部を有するランアウト
ねじとなっている。

【０００８】このようなテーパねじのねじ形状に関して
多くの提案がなされており、例えば次のものがある。な
お、荷重面フランク角αおよび挿入面フランク角θの定
義については後述する図４を参照。

【０００９】図２に示す台形ねじ (Buttress Thread)
がAP1(American Petroleum Institute) 規格(STD 5B)に
規定されている。同図(a) はその台形ネジの形状を示
し、同図(b) はこのねじの雄ねじと雌ねじの締結時の接
触状態を示す。締結時の噛み合いにより、図中の雄ねじ
荷重面1aと雌ねじ荷重面1bでねじ荷重面１が構成され、
雄ねじ挿入面2aと雌ねじ挿入面2bでねじ挿入面２が構成
され、雄ねじ頂面3aと雌ねじ底面3bでねじの頂面３が構
成され、そして雄ねじ底面4aと雌ねじ頂面4bでねじ底面
４が構成される。

【００１０】API 台形ねじは、３°の荷重面フランク
角、10°の挿入面フランク角より構成され、締結完了時
のねじ接触状態は、図２(b) に示すように、荷重面１で
接触、挿入面２で非接触 (隙間が存在) 、そして頂面３
および底面４の少なくとも一方で接触となっている。

【００１１】図３(a) に示す改良型台形ねじ(Improve
d Buttress) と呼ばれるねじ形状のものも使用されてい
る。このねじは０°の荷重面フランク角、45°の挿入面
フランク角を有しており、締結完了時のねじ面の接触状
態は図３(b) に示すように、荷重面１および挿入面２で
接触、そして頂面３および底面４で隙間がある状態とな
っている。

【００１２】米国特許No.5,092,635号明細書に開示さ
れた例では、荷重面フランク角が負であって、締結完了
時にねじの荷重面および挿入面ともに接触させることを
特徴とする概ね台形状のねじを有するねじ継手が提案さ
れている。しかし、このねじ継手ではねじ干渉量が０も
しくは負の値であるため、締結完了時にピン部とボック
ス部のトルクショルダ部が接触することで生じる軸方向
の力により、ねじの荷重面および挿入面がともに接触状
態となるものであり、締結途中でトルクショルダ部が接
触するまでは、ねじの挿入面のみ接触している。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】前記のねじを有する油
井管用ねじ継手には、それぞれ次の問題がある。油井管
にはその使用中に、頻度は高くないが、管軸方向に圧縮
力が負荷される場合があるが、その後、管の自重による
引張力が負荷されると、のAPI 台形ねじでは、シール
部およびトルクショルダ部で、接触面圧が低下したり、
極端な場合には隙間が生じたりする。この現象は油井管
内部の流体による内圧負荷に対する気密性能を低下さ
せ、内部流体が容易に漏洩するという問題が発生するの
みでなく、上記隙間に流体が浸透し、顕著な隙間腐食を
生じることがある。

【００１４】また、この現象が生じている状態で、何ら
かの原因によって継手を緩める方向に捻りトルクが作用
すると継手が容易に外れ、油井管が井戸の中に落ち込む
危険性がある。この時、井戸中での油井管の再接続が極
めて困難なことから、掘削開発中あるいは生産中の井戸
を廃坑にしなければならないという最悪の事態を招く。
このような問題は井戸の深さが深くなるにともなって、
管の自重による引張力が増加するため、より深刻な問題
となる。

【００１５】これらの現象が発生するのは、継手締結完
了時のねじの接触において、挿入面に隙間が存在するた
め、圧縮力が作用した場合、この隙間がなくなるまでね
じ部で圧縮荷重を分担することができず、シール部およ
びトルクショルダ部に圧縮荷重が集中して、この部分に
顕著な塑性変形を生じさせること、また、その後に引張
力が作用するとシール部およびトルクショルダ部が既に
塑性変形を起こしているので、この部分の接触面圧が低
下し、そのため継手の保持トルクが低下することによる
ためである。

【００１６】の改良型台形ねじでは、過大な引張力が
作用したとき、管本体が引張破断する以前に雄ねじが雌
ねじから脱却する現象 (ジャンプアウト現象) が生じ
る。このジャンプアウト現象はねじ荷重面において、雄
ねじと雌ねじが相対的に半径方向の離脱方向に滑ること
によって生じるものであり、継手の引張性能が管本体の
引張性能より低下することになる。このため、井戸への
適用にあたり、管本体の引張性能のみを考慮して設計す
ると、ジャンプアウト現象により油井管が井戸の中に落
ち込み、上記と同様に最悪の事態を招くことになる。
これを回避するため、ジャンプアウト現象が生じる限界
を考慮して設計すると、材料コストの増加をきたす。

【００１７】の米国特許No.5,092,635号明細書で提案
された台形ねじでは、継手の締結完了時にねじの挿入面
が接触するため軸方向の圧縮力に対する性能は高くなる
が、のAPI 台形ねじで説明したと同様な緩みの問題が
発生する危険性が高い。すなわち、本ねじではねじ干渉
量が正の値でないため、締結トルクが相対的に小さくな
り、何らかの原因で継手を緩める方向に捻りトルクが作
用すると、比較的小さなトルクで継手が外れ、油井管が
井戸の中に落ち込み易くなる。また、これを防止するた
め、締結時の締結トルクを高めると、継手を過度に締め
込むこととなり、シール部やトルクショルダ部に損傷を
与え、シール性能が低下し、内部流体が容易に漏洩する
という問題が生じる。

【００１８】したがって、本発明は、従来の油井管用ね
じ継手が有する上述のような問題点を解消し、管本体以
上の優れた引張性能を有するとともに、圧縮負荷後も優
れた気密性能を有し、さらに緩みトルクに対する高い抵
抗力を有するねじ継手を提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、ねじ形状
が概ね台形状のテーパねじからそれぞれ成る、雄ねじを
有するピン部と雌ねじを有するボックス部とを備え、ピ
ン部に設けたシール形成用ねじ無し部と、ボックス部に
設けたシール形成用のねじ無し部とでシール部を構成
し、そしてピン部の先端に設けたトルクショルダ形成用
ねじ無し部とボックス部に設けたトルクショルダ形成用
ねじ無し部とを突き合わせてトルクショルダ部を構成す
る油井管用ねじ継手において、下記の(i) から(iii) を
特徴とする、優れた引張性能、気密性能、および耐緩み
トルク性能を有する油井管用ねじ継手である。

【００２０】(i) ねじの荷重面フランク角αが−20°以
上０°未満、挿入面フランク角θが30°を越え60°以下
とすること。 (ii)雄ねじと雌ねじの間に正のねじ干渉量を有するこ
と。 (iii) 締結途中および締結完了時に雄ねじと雌ねじの荷
重面と挿入面が相互に接触するとともに頂面と底面に隙
間を設けること。

【００２１】第２の発明は、上記の油井管用ねじ継手に
おいて、使用する継手の諸元 (材料の降伏強度、ヤング
率、継手の寸法) によってねじ干渉量をそのねじ全長に
ついて算出した値のうち最も小さい値をその上限とし、
この上限の５％をその下限とすることを特徴とする、さ
らに優れた引張性能、気密性能、および耐緩みトルク性
能を有する油井管用ねじ継手である。

【００２２】ここでいうねじ干渉量とは、例えば前述の
(F) あるいは(G) 式で定義されるものであり、継手締結
完了時に１対１で対応して噛み合う雄ねじと雌ねじのそ
れぞれのピッチ円直径の差である。

【００２３】また、第２の発明のねじ干渉量の決定には
(D) および(E) 式を用いるが、式中諸元の数値は締結前
の変形を考慮しない値を使用する。なお、ピッチ円直径
(ｄ_p ) は、雄ねじのピッチ円直径 (ｄ_p , _p ) と雌ね
じのピッチ円直径 (ｄ_p , _b) の平均値を採用するもの
とするが、仮にそのいずれかの値を代表として採用して
もほとんど同じ結果が得られる。

【００２４】

【作用】次に、本発明においてねじ継手の形状を上述の
ように限定した理由についてその作用とともに詳述す
る。ここに、本明細書において本発明を規定する用語に
ついてその定義を説明する。

【００２５】まず最初に本発明におけるねじ継手のねじ
形状ならびに締結途中および締結完了時のねじ面の接触
状態を示す図４に基づいて台形ねじにおける荷重面フラ
ンク角αおよび挿入面フランク角θの定義を説明する。

【００２６】すなわち、荷重面フランク角は図示してい
ない管軸線と垂直な線Ｘ−Ｙ、Ｘ'−Ｙ' を基準に正も
しくは負の値で表される。荷重面フランク角αは反時計
方向に進む角度を負の角度とし、挿入面フランク角θは
反時計方向に進む角度を正の角度とする。

【００２７】次に、図５によって上述のねじ干渉量の定
義を説明する。図５(a) および(b) に示すように、油井
管ねじ継手に使用されるテーパねじでは、ピン部の一つ
の雄ねじの山 (このねじ山のピッチ円直径をｄ_p ,
_p と、それに対する雌ねじの谷のピッチ円直径をｄ_p ,
_b とそれぞれ記す) に注目すると、この雄ねじ山と噛み
合うボックス部の一つの雌ねじの谷は、ねじを締め込む
ことにより、順次ボックス部の内部側に移動するため、
この雌ねじ谷のピッチ円直径(dp,b)は減少するが、この
減少はボックス部のトルクショルダ部とピン部のトルク
ショルダ部が接触することで最終的に制限される。ここ
に、ねじ干渉量 (δ)は雄ねじ山のピッチ円直径とこれ
と最終的に噛み合う (締結完了時に１対１で対応して噛
み合う) 雌ねじ谷のピッチ円直径の差であり、下記(F)
式で定義する。

【００２８】 δ ＝ ｄ_p , _p − ｄ_p , _b ・・・（F) 図５(c) に示すように、ピン部とボックス部が同一のね
じテーパ(Tt)の場合には、ねじ干渉量はねじ全体に亘っ
て同じ値となり、下記(G) 式で与えられる。

【００２９】 δ ＝ (LB−LP)／Tt ・・・（G) ここで、 LB：ボックスのねじの基準位置からトルクショルダ部先
端までの距離 LP：ピンのねじの基準位置からトルクショルダ部先端ま
での距離 Tt：ねじテーパ なお、ねじの基準位置とはピン部とボックス部のねじで
等しいピッチ円直径を有する管軸方向の位置であり、例
えば図１(c) に示したような、ピン部のねじがランアウ
トネジの場合には、完全ねじ部が開始する位置 (ここで
のピッチ円直径は管外径とねじ高さの差となる) を採用
すればよい。また、上記の寸法 (ピッチ円直径、ねじテ
ーパ等) はねじ継手締結による変化を考慮しない元の値
である。

【００３０】本発明の形状限定理由は、引張力および圧
縮力が作用した場合のねじ継手の以下のような作動原理
に基づくものである。 締結完了時において、ねじの挿入面に隙間があると、
圧縮力が作用した場合、雄ねじと雌ねじが互いに管軸方
向にずれ、この隙間がなくなるまで圧縮荷重をねじ部で
負担することができない。このため、圧縮荷重の大部分
がシール部およびトルクショルダ部に集中し、この部分
に顕著な塑性変形を生じさせる。その後、管本体の自重
による引張荷重が負荷されると、雄ねじと雌ねじは上記
と逆方向にずれ、ねじの挿入面に再び隙間が生じる。こ
の時、シール部およびトルクショルダ部では圧縮荷重負
荷時の塑性変形のため、接触面圧が低下したり、極端な
場合には隙間が生じたりする。

【００３１】これを防止するために、ねじの挿入面を
締結完了時に接触させる必要があるが、このとき挿入面
フランク角が小さいとねじの接触面圧が高くなり、焼き
付きを生じ易くなる。このため、挿入面フランク角はあ
る程度以上の角度を有する必要がある。

【００３２】ねじの荷重面フランク角は継手の引張性
能に影響を及ぼすが、過大な引張力が作用した場合でも
ジャンプアウト現象が起きないようにするには、荷重面
のフランク角を負の値とする必要がある。しかしなが
ら、過度に負の荷重面フランク角を採用すると、ねじの
根元に生じる応力集中が大きくなり過ぎて、根元での破
壊が早期に生じることになるので、適度な負の値にしな
ければならない。

【００３３】継手締結完了時に１対１で対応して噛み
合う雄ねじと雌ねじのそれぞれのピッチ円直径の差で定
義されるねじ干渉量を正値とすることによって、継手の
締結トルクを高めて継手の緩みを防止することができ
る。

【００３４】このようなねじ継手の挙動に基づき、本発
明においては油井管用ねじ継手の形状を次のように定め
る。まず、ねじの荷重面フランク角αは、継手の引張性
能を確保するため、−20°以上で０°未満とした。好ま
しくは−10°以上、−３°以下である。

【００３５】図６は、ピン部11とボックス部21とから成
るねじ継手に作用する管軸方向引張力のねじ荷重面１で
の分担状況を示す図である。引張力の負荷により荷重面
１には面に垂直な力Ｐが生じるが、この力Ｐは管軸方向
成分Ｐ・cos αと半径方向成分Ｐ・sin αに分解され
る。半径方向成分Ｐ・sin αは、角度αが負の値のとき
図中下向きとなり、雄ねじを雌ねじ側へ押しつける作用
をするため、ジャンプアウト現象の発生を抑制する。

【００３６】このとき、軸方向成分Ｐ・cos αも同時に
作用するため、弾性変形によるねじ山の倒れ現象が生
じ、上記角度αは荷重面フランク角よりねじ山倒れ分だ
け大きな値となる。このため、荷重面フランク角はねじ
山倒れ分を考慮した負の値、すなわち、０°未満とする
必要がある。

【００３７】一方、荷重面フランク角を０°未満で負の
値を大きくすると、半径方向成分Ｐ・sin αは増加する
ため、ジャンプアウト抑制効果は増加するが、−20°を
越えるとねじの根元に生じる応力集中が過大となり、ね
じの根元部の破壊が早期に生じるようになるため、継手
の引張性能が低下するという問題が生じる。このため、
荷重面フランク角は−20°以上とする。

【００３８】かくして、本発明において荷重面フランク
角αは−20°以上で０°未満とする。ジャンプアウト抑
制と応力集中抑制の両者の確保をより一層図るには、荷
重面フランク角αを−10°以上で−３°以下とするのが
好ましい。

【００３９】また、本発明において、ねじの挿入面フラ
ンク角θは30°を越えて60°以下の範囲とした。これは
継手締結時のねじの焼き付きを防止するとともに、継手
の圧縮性能を確保するためである。

【００４０】図７は、継手の締結完了時に発生するねじ
挿入面の接触面圧と材料の降伏強度との比が、挿入面フ
ランク角θの変化によってどう変わるかを示すグラフで
ある。本発明の継手のようにねじの荷重面と挿入面の両
方を接触させる場合、ねじの挿入面接触面圧／降伏強度
の比は挿入面フランク角が小さくなるほど高くなり、挿
入面フランク角が30°以下では、接触面圧が材料の降伏
強度を越えるため、ねじの焼き付きを生じる危険性が高
い。

【００４１】図８は、ピン部11とボックス部21とから成
るねじ継手に作用する管軸方向圧縮力のねじ挿入面での
分担状況を示す説明図であるが、圧縮力が作用すると、
ねじ挿入面２にその面に垂直な力Ｆが生じる。この力Ｆ
は軸方向成分Ｆ・cos θと半径方向成分Ｆ・sin θに分
解でき、継手に作用した外部の圧縮力は前者の軸方向成
分Ｆ・cos θだけねじ挿入面で分担される。このため、
フランク角θの増加とともにねじ挿入面２に分担される
圧縮力は減少し、その分シール部およびトルクショルダ
部に圧縮力が作用するようになる。このことは、前述し
た従来のねじ継手の問題と同様な、シール部およびトル
クショルダ部の塑性変形を生じさせることになるため、
これを防止する観点から、フランク角を60°以下とす
る。

【００４２】かくして、本発明においてねじの挿入面フ
ランク角θは30°超60°以下とするが、焼き付き防止と
圧縮性能の両者の確保をより一層図るためには、挿入面
フランク角θを35°から45°の範囲とするのが好まし
い。

【００４３】次に、本発明において継手締結完了時に１
対１で対応して噛み合う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ねじ干渉量を正値とするこ
と、すなわち、所定のねじ干渉量をもたせることとして
いるのは、前述のとおり、継手の締結途中でもねじ部に
ある程度のトルクを発生させて、締結トルクを増加させ
るためである。これによって、何らかの原因で継手を緩
める方向に捻りトルクが作用しても、継手の緩みを防止
することができ、このため、容易に継手が外れることが
なく、油井管を井戸の中に落とし込むという危険を回避
することができる。

【００４４】ねじ干渉量は、使用される継手の諸元によ
って決定される。以下にその一例を示す。下記(A) 、
(B) および(C) 式はねじ干渉量 (δ) によって締結完了
後にピン部およびボックス部に発生する応力 (σ) を示
すものである。ここで、(A) 式はピン部に発生する応力
(σ_p ) を、(B) 式はボックス部に発生する応力
(σ_b ) をそれぞれ示し、(C) 式は(A) 、(B) 式中の係
数(pm)を示している。

【００４５】

【数２】

【００４６】ここで、 δ：ねじ干渉量(mm) Ｅ：継手材料のヤング率 (kgf/mm²) Ｄ：ボックス外径(mm) ｄ：ピン内径 (mm) ｄ_p ：ねじのピッチ円直径(mm) ｒ：継手軸線からとった半径方向位置(mm) Ｌ_a ² ＝ (ｄ_p ²−d²) Ｌ_b ² ＝ (D²−ｄ_p ²)。

【００４７】(A) 、(B) 式から明らかなように、締結完
了後に発生する応力はねじ干渉量に比例するため、ねじ
干渉量 (δ) が大きくなり過ぎると、ピン部およびボッ
クス部に発生する応力 (σ_p およびσ_b ) が過大とな
り、極端な場合には継手の締結によって塑性変形を生じ
ることになる。これを防ぐために、ねじの干渉量の上限
を継手材料の降伏強度 (σ_y ) から下記のように決定す
るのが好ましい。

【００４８】(A) 、(B) 式の応力は、継手軸線からの半
径方向位置ｒに依存しているが、(A) 式ではｒ＝d/2 の
とき、(B) 式ではｒ＝ｄ_p /2のとき、それぞれ (絶対値
として) 最大となる。そこで、(A) 、(B) 式の最大応力
が継手材料の降伏強度 (σ_y) と等しいとして、ねじ干
渉量 (δ) を算出すると、下記(D) および(E) 式を得
る。

【００４９】

【数１】

【００５０】ここで、ねじのピッチ円直径dpは、継手締
結完了時に１対１で対応して噛み合う雄ねじのピッチ円
直径 (ｄ_p , _p ) と雌ねじピッチ円直径 (ｄ_p , _b ) の
平均値を使用するものとするが、仮にいずれか一方の値
を使用しても得られる結果はほぼ等しい。

【００５１】継手のねじ干渉量の上限は、(D) 、(E) 式
から求められる値のうち最も小さい値とする。ここで、
最も小さい値とは、テーパねじの場合にはピッチ円直径
は直線的に変化するため、ねじ部全長に亘って(D) 、
(E) 式で算出した値の最も小さい値のことであり、通
常、継手の構成は図１に示したように、ピン部およびボ
ックス部の先端になるほどその肉厚が減少するので、そ
れぞれの先端部での諸元に基づいて算出された値とな
る。

【００５２】一方、ねじ干渉量が小さ過ぎると、締結完
了時に発生するねじの接触面圧が小さくなり、ねじ部に
適度のトルクを発生させることができない。そこで、ね
じ干渉量の下限を、上記ねじ干渉量の上限の５％とす
る。

【００５３】継手締結途中および締結完了時に雄ねじと
雌ねじの荷重面１と挿入面２の両方を相互に接触させる
のは、一つには、継手の圧縮性能を確保するためであ
る。すなわち、継手に圧縮力が作用しても、雄ねじと雌
ねじが互いに軸方向にずれることなく、圧縮力をねじ部
で分担させるためである。これにより、前述のように規
定された挿入面フランク角の効果を十分に発揮させるこ
とができる。

【００５４】また、いま一つの理由は、締結途中でも荷
重面と挿入面を接触させることにより、ねじ面での接触
面圧を適度に増加させ、締結完了時の締結トルクを高く
保持し、継手の緩みを防止するためである。

【００５５】本発明の継手は、例えば図６に示すよう
に、ねじの頂面３と底面４に隙間を設けることも特徴の
一つとしている。これは、継手締結時に用いられるグリ
ス等の潤滑剤をこの隙間に浸透させることにより、ねじ
の焼き付きを防止するとともに、この隙間は螺旋状に外
界と通じているから、ピン部とボックス部のシール部が
接触することにより閉じ込められた空気を隙間を通して
外界に逃すことができるからである。換言すれば、その
ような頂面３と底面４とに設けた隙間はそのような作用
を発揮するに十分な形状、大きさであればよい。例え
ば、図６に示すように、軸方向断面で全体的にほぼ台形
であって、その隙間の大きさ、つまり高さは頂面、底面
とも約0.1 mmであればよい。

【００５６】本発明のねじはいわゆる台形ねじに属する
ものである。この形状を採用したのは、三角形状のねじ
に比べ、ねじピッチに対するねじ高さの比を小さくする
ことができ、その分継手効率 (継手の危険断面積を管本
体の断面積で除した値) を高く設定できるためである。
本発明の継手はカップリング方式の継手でもよく、ま
た、インテグラル方式の継手でもよい。上述の作用効果
はいずれの方式においても同様である。

【００５７】

【実施例】以下、本発明にかかるねじ継手の性能を実施
例に基づいて説明する。図１に示したカップリング方式
の基本的構成の継手で、ねじの諸元を表１のように種々
変更した継手を試作した。このとき、ねじ継手のその他
の諸元は次のとおりとした。

【００５８】 管本体の外径 ：177.8 mm 管本体の肉厚 ：10.33 mm カップリングの外径：194.5 mm 管およびカップリングの材料：22Crステンレス鋼(降伏
強度：56kgf/mm²) ねじの形状：台形ねじ ねじピッチ：5.08mm ねじテーパ：１／16 ねじ山高さ：1.575 mm シールテーパ：１／10 これらのねじ継手を繰り返し締結試験、単純引張試験お
よび複合荷重試験に供試し、その性能を評価した。ここ
で、繰り返し締結試験は潤滑用グリスをねじ部に塗布
し、継手の締結、着脱を行い、ねじ部に焼き付きが生じ
るまでこれを繰り返した。なお最大繰り返し回数は10回
とした。また、単純引張試験は継手を締結した後、軸方
向の引張力を負荷し、破断部位および破断荷重を記録し
た。

【００５９】さらに、複合荷重試験は継手を締結して、
管本体に降伏強度の50％に相当する応力が生じるような
軸方向の圧縮力を負荷した後、管本体に降伏強度の80％
に相当する応力が生じるような軸方向の引張力および降
伏強度の80％の内圧(API規格に規定) を同時に負荷し、
内圧の漏れの有無を調査した。

【００６０】以上の結果を表２に示す。表２から明らか
なように、本発明例ではすべて良好な結果であったが、
比較例ではいずれかの試験で不具合が生じている。

【００６１】例えば、継手Ｅでは荷重面フランク角が大
きな負の値となっているため、単純引張試験でねじ部が
破断し、破断荷重が低くなっている。継手Ｆでは荷重面
フランク角が正の値となっているため、単純引張試験で
ジャンプアウトが発生するとともに、挿入面に隙間があ
るため複合荷重試験で漏れが発生した。また、継手Ｇで
も荷重面フランク角が負の値 (０°未満) でないため、
単純引張試験でジャンプアウトが発生した。継手Ｈでは
挿入面フランク角が大き過ぎるため、継手Ｉでは挿入面
に隙間があるため、それぞれ複合荷重試験で濡れが発生
した。継手Ｊでは挿入面フランク角が小さいため、繰り
返し締結試験でねじの焼き付きが発生した。

【００６２】ねじ干渉量のない継手Ｋは、本発明例に比
べて着脱トルクが小さく、ねじの緩みが発生し易いこと
が窺える。さらに緩み防止のため、継手Ｋを本発明例と
同時に締結トルクで締結して着脱トルクを高めたが、過
度の締結トルクとなり、複合荷重試験で濡れが発生し
た。

【００６３】これに対して、本発明例の継手は高い着脱
トルクが確保されるとともに、いずれの試験においても
良好な結果となっており、継手性能に優れていることが
分かる。なお、ここにはカップリング方式の場合の実施
例を示したが、インテグラル方式の場合でも同様な効果
が得られた。

【００６４】

【表１】

【００６５】

【表２】

【００６６】

【発明の効果】本発明による油井管用ねじ継手は、管本
体以上の優れた引張性能を有するとともに、圧縮力負荷
後も優れた気密性能を有し、さらに緩みトルクに対する
高い抵抗力を有するため、今後ますます深くなる井戸に
も十分に使用し得るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１(a) はカップリング方式の油井管用ねじ継
手の基本的構成を示す軸方向断面図、図１(b) 、(c) は
それぞれその部分拡大図である。

【図２】図２(a) はAPI 規格に規定された台形ねじの形
状を示す軸方向断面図、図２(b) はその締結完了時のね
じ面接触状態を示す説明図である。

【図３】図３(a) は改良型台形ねじの形状を示す軸方向
断面図、図３(b) はその締結完了時のねじ面接触状態を
示す説明図である。

【図４】本発明のねじ継手のねじ形状、締結途中および
締結完了時のねじ面接触状態を示す説明図である。

【図５】図５(a) から(c) はねじ干渉量の定義を示す説
明図である。

【図６】軸方向引張力のねじ荷重面での分担状況を示す
説明図である。

【図７】締結完了時に発生するねじ挿入面の接触面圧と
材料の降伏強度との比に及ぼすフランク角の影響を示す
図である。

【図８】軸方向圧縮力のねじ挿入面での分担状況を示す
説明図である。

【符号の説明】

１：ねじ荷重面 ２：ねじ挿入面 ３：ねじ頂面
４：ねじ底面 10：管本体 11：ピン部 12：雄ねじ
20：カップリング 21：ボックス部 22：雌ねじ 13, 23：シール形成用ねじ無し部 14, 24：トルクショルダ形成用ねじ無し部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ねじ形状が概ね台形状のテーパねじから
   それぞれ成る、雄ねじを有するピン部と雌ねじを有する
   ボックス部とを備え、ピン部に設けたシール形成用ねじ
   無し部と、ボックス部に設けたシール形成用のねじ無し
   部とでシール部を構成し、そしてピン部の先端に設けた
   トルクショルダ形成用ねじ無し部とボックス部に設けた
   トルクショルダ形成用ねじ無し部とを突き合わせてトル
   クショルダ部を構成する油井管用ねじ継手において、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30°を越え60°以下で、さらに雄ねじと雌ね
   じとの間に正のねじ干渉量を有し、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と挿入面が相互
   に接触するとともに頂面と底面に隙間を構成することを
   特徴とする油井管用ねじ継手。
2. 【請求項２】 ねじ干渉量 (δ) として、下記 (Ｄ) ま
   たは (Ｅ) 式を用いてねじ部全長について算出した値の
   うち最も小さい値をその上限とし、該上限の５％をその
   下限とすることを特徴とする請求項１に記載の油井管用
   ねじ継手。 【数１】 ここで、 δ：ねじ干渉量 (mm) σ_y ：継手材料の降伏強度 (kgf/mm²) Ｅ：継手材料のヤング率 (kgf/mm²) Ｄ：ボックス外径 (mm) ｄ：ピン内径 (mm) d_p ：ねじのピッチ円直径 (mm) L_a ² : (d_p ² −d²) L_b ² ： (D²−ｄ_ｐ ^２）