WO2016157887A1 - 管ねじ継手 - Google Patents

Abstract

　引張負荷作用時に中間ショルダに連なる第二ねじ列の第一ねじ部の雌ねじ側で破断することを回避し、本来の危険断面箇所である第一ねじ列の第一ねじ部の雌ねじ側で確実に引張破断する管ねじ継手を提供する。　中間ショルダの雌雄ねじが螺合している状況下で、中間ショルダを挟む内径側のねじ列である第一ねじ列及び外径側のねじ列である第二ねじ列のロードフランク側のねじギャップＬ１Ｇ及びＬ２Ｇが常にＬ１Ｇ＜Ｌ２Ｇの関係を満たすようにした。

Description

管ねじ継手

　本発明は、一般に油井やガス井の探査や生産に使用されるチュービングおよびケーシングを包含する油井管に用いる管ねじ継手に関する。すなわち、本発明は、ＯＣＴＧ（oil country tubular goods）、ライザー管、ならびにラインパイプなどの鋼管の接続に用いる管ねじ継手に関する。本発明の管ねじ継手は、耐引張破断特性に優れる。

　管ねじ継手は、油井管など産油産業設備に使用される鋼管の接続に広く使用されている。オイルやガスの探索や生産に使用される鋼管の接続には、従来、ＡＰＩ（米国石油協会）規格に規定された標準的な管ねじ継手が典型的には使用されてきた。

　近年、原油や天然ガスの井戸は深井戸化が進み、垂直井から水平井や傾斜井等が増えていることから、掘削・生産環境はより苛酷になっている。また、海洋や極地などの劣悪な環境での井戸の開発が増加していることなどから、耐圧縮性能、耐曲げ性能、外圧シール性能など、管ねじ継手への要求性能は多様化している。

　一方で、井戸開発時の掘削量を低減するためには、井戸をスリムにする必要がある。プレミアムジョイントと呼ばれる高性能の特殊な管ねじ継手の中でも、カップリング部材を介さずに管（パイプともいう）同士を直接接続するインテグラル形式の管ねじ継手への要求も高まっている。

　前記プレミアムジョイントは、通常、各パイプの管端側に、テーパねじと、メタルタッチシール部と、トルクショルダ部とを備える。これらは、パイプの一端側に設けられた雄形部であるピンと、同パイプの他端側に設けられた、前記雄形部に螺合または嵌合する雌形部であるボックスとのそれぞれを構成する要素である。これら要素は、継手（管ねじ継手の意、以下同じ）の締付け時に雌雄の同名要素どうしが対面し合うように設計される。

　前記テーパねじは、継手をタイトに固定するために重要である。前記メタルタッチシール部は、当該メタルタッチシール部の領域で前記ボックスと前記ピンとが金属接触することでシール性を確保するため重要である。前記トルクショルダ部は、継手の締付け中にストッパの役目を担うショルダ面となる。

　前記インテグラル形式の管ねじ継手（以下、インテグラル継手とも云う）において、前記メタルタッチシール部は、軸方向（管軸方向の意。以下同じ）の一つまたは二つ以上の箇所に設けられる。うち少なくとも１箇所の前記メタルタッチシール部は、前記ピンのテーパねじのピン先端側ねじ端に連接したねじ無し部（以下、ノーズと云う）の外周面、および前記ボックスのテーパねじのボックス後端側ねじ端に連接したねじ無し部（以下、ノーズ穴と云う）の内周面に設けられる。このメタルタッチシール部は、継手の締付け時に、前記ノーズと前記ノーズ穴のメタルタッチシール部どうしが半径方向に接触して、管内側の流体がテーパねじの領域に進入するのを防止するシール面（便宜上、内側ラジアルシール面と云う）を形成する。

　また、インテグラル継手には、前記ピンと前記ボックスそれぞれにおいて前記テーパねじの領域を軸方向に二分したものがある。前記二分したうちのピン先端側のねじ列とこれに螺合するボックス後端側のねじ列とを第一ねじ列と呼ぶ。一方、ピン後端側のねじ列とこれに螺合するボックス先端側のねじ列とを第二ねじ列と呼ぶ。前記第一ねじ列、第二ねじ列は、径方向（管径方向の意。以下同じ）で云うと、第一ねじ列が内径側、第二ねじ列が外径側になる。前記第一ねじ列と前記第二ねじ列との境界に前記トルクショルダ部は設けてあり、これを中間ショルダと呼ぶ。この中間ショルダが設けられていれば、締付け時にピンとボックスのショルダ面が接触して、締付けトルクが上昇する。締付けトルクを観察して、雌雄ねじとシール面が適正に嵌合したかを確認できる。

　前記中間ショルダを有するインテグラル継手において、前記メタルタッチシール部を軸方向の二箇所に設けた場合、二箇所のうち一つは、前記内側ラジアルシール面を形成するものとする。もう１つのメタルタッチシール部は、前記ピンの第二ねじ列後端に連接したねじ無し部の外周面（便宜上、ピン後端側非ねじ面と云う）、および前記ボックスの第二ねじ列先端に連接したねじ無し部の内周面（便宜上、ボックス先端側非ねじ面と云う）に設けられる。このメタルタッチシール部は、継手の締付け時に、前記ピン後端側非ねじ面と前記ボックス先端側非ねじ面のメタルタッチシール部同士が半径方向に接触して、管外側の流体がテーパねじの領域に進入するのを防止するシール面（便宜上、外側ラジアルシール面と云う）を形成する。

　前記中間ショルダを有するインテグラル継手の従来技術の一例として、特許文献１に記載されたパイプ用ねじ付き継手（管ねじ継手）を図５に示す。特許文献１に記載の発明の目標（課題）は、適当な剛性を維持し、改良されたシールを設けたパイプ用ねじ付き継手を生産すること、および、高荷重に対する、特に圧縮荷重に対する継手の構造的抵抗（特性）を改善すること、前記特性がシール機能に影響しないようにすることである。特許文献１に記載の発明では、前記ボックス先端側非ねじ面のメタルタッチシール部からボックス最先端まで突き出た補強セクションを設け、この補強セクションの長さ、あるいはさらに壁厚（肉厚）を規定し、かつ、前記ボックスの補強セクション全長が相対するピン後端側のパイプ（素管部）と接触を生じないようにしてある。

特許第５２３２４７５号公報

　しかしながら、以下に述べるとおり、従来の技術では解決されない問題がある。

　油井管は、継手部（前記雄形部と前記雌形部を総称して云う）を有する管を前記継手部にて複数直列に接続して井戸に装入した状態において、地上に近い管ほど、該管の継手部には相対的に大きな引張負荷が作用する。強度的に継手部の疲労破壊や引張破断を回避することは、重要な継手性能の一つである。継手の限界引張負荷を評価するための指標として一般的に用いられる継手効率は次式で与えられる。
継手効率＝［雌ねじ領域における危険断面の面積/素管部の公称断面積］×１００（％）
　ここで、危険断面とは、継手の引張負荷状態において最も破断が発生し易い管軸直交断面を意味する。また、素管部の公称断面積とは、継手付きパイプから継手部を除いた残りである素管部の公称外径、公称肉厚をそれぞれ円筒外径、円筒肉厚とする円筒の管軸直交断面積を意味する。継手効率は、その値が大きいほど継手の限界引張性能が高いことを示している。

　前記危険断面としては、雌ねじ側ねじ領域の第一ねじ山のロードフランクに位置する断面を採用し、引張負荷試験において危険断面で破断するように継手の設計をする。危険断面以外の断面で破断した場合は、破断時の引張負荷は限界引張負荷に未達であり、限界引張負荷が正しく評価できない。

　雌雄のテーパねじ領域が軸方向に二分されず中間ショルダの無いインテグラル継手の場合、引張負荷試験において設計所期どおり危険断面で破断し、限界引張負荷を正しく評価できている。しかし、中間ショルダを有するインテグラル継手の場合、引張負荷試験において設計所期と違って危険断面以外で破断する試験事例があり、限界引張負荷を正しく評価することができず、問題である。

　中間ショルダを有するインテグラル継手の場合、前記危険断面は本来、中間ショルダの無いインテグラル継手と同様、雌ねじ側で第一ねじ列の第一ねじ部の雌ねじ側に位置する。しかし、中間ショルダを有するインテグラル継手の場合、実際に破断が発生した個所は、設計所期の本来の危険断面の場所とは異なり、中間ショルダ近傍の第二ねじ列の第一ねじ部の雌ねじ側である。ここで、第一又は第二ねじ列の第ｎねじ部とは、第一又は第二ねじ列においてねじテーパをなす円錐の先端側から第ｎ番目のねじ山がねじ螺旋沿いに１周回する軸方向区間を意味し、前記第一ねじ部とは、ｎ＝１の場合である。

　上述した問題に鑑み、本発明は、ラジアルシールタイプで、中間ショルダを有するインテグラル式の管ねじ継手において、引張負荷作用時に前記中間ショルダの近傍（特に、中間ショルダに連なる第二ねじ列の第一ねじ部）の雌ねじ側で破断することを回避し、本来の危険断面箇所である第一ねじ列の第一ねじ部の雌ねじ側で確実に引張破断する管ねじ継手を提供することを課題とした。

　本発明者らは前記課題を解決するためにＦＥＡ（有限要素解析）を用いて適切なねじ形状を求める検討を重ねた。その結果、軸方向のねじギャップを適正に管理して、引張時には中間ショルダに連なる第二ねじ列の第一ねじ部の雌ねじ側で破断することなく、確実に設計所期の本来の危険断面である第一ねじ列の第一ねじ部の雌ねじ側で破断し、かつ、圧縮時には主に中間ショルダで負荷を分担する構造とすることが可能であるとの知見を得て本発明をなした。すなわち、本発明は以下のとおりである。
〔１〕管の一端に雄のテーパねじである雄ねじを備えたピンと、前記管の他端に前記雄ねじと螺合する雌のテーパねじである雌ねじを備えたボックスと、を有し、前記ピンと前記ボックスとで管同士を直接接続するインテグラル式であり、前記ピンと前記ボックスとが半径方向に金属接触して流体をシールするラジアルシール構造を備える管ねじ継手であって、前記雌雄のテーパねじのねじ列の中途に形成される中間ショルダを有し、前記中間ショルダの前記雌雄ねじが螺合している状況下で、前記中間ショルダを挟む内径側のねじ列である第一ねじ列及び外径側のねじ列である第二ねじ列のロードフランク側のねじギャップＬ１Ｇ及びＬ２Ｇが常にＬ１Ｇ＜Ｌ２Ｇの関係を満たすことを特徴とする管ねじ継手。
〔２〕前記第一ねじ列及び前記第二ねじ列の雌雄のねじピッチを標準ねじピッチｐとし、前記中間ショルダの前記雌雄ねじが螺合している状況下で、前記第一ねじ列及び前記第二ねじ列のうち、最も中間ショルダ寄りのねじ部のロードフランク側のねじギャップＬ１Ｇｍ及びＬ２Ｇ１が、Ｌ１Ｇｍ＜Ｌ２Ｇ１となることを特徴とする〔１〕に記載の管ねじ継手。
〔３〕前記第一ねじ列において最内径側の第一ねじ部から少なくとも第三ねじ部までの雌ねじピッチを、前記標準ねじピッチｐに代えて、下記（１）式を満たす長ピッチｐｌとしたことを特徴とする〔２〕に記載の管ねじ継手。
　　　　　　　　　　　記
　ｐ＜ｐｌ＜ｐ×｛１＋（Ｆｗ－Ｍｗ）/ｄ１｝　　　…（１）
ここで、ｐは標準ねじピッチ、
　ｐｌは長ピッチ、
　Ｆｗは雌ねじのねじ谷の軸方向幅、
　Ｍｗは雄ねじのねじ山の軸方向幅、
　ｄ１は第一ねじ列の雌ねじ長、である。
〔４〕前記第二ねじ列において最内径側の第一ねじ部から少なくとも第三ねじ部までの雌ねじピッチを、前記標準ねじピッチｐに代えて、下記（２）式を満たす短ピッチｐｓとしたことを特徴とする〔２〕又は〔３〕に記載の管ねじ継手。
　　　　　　　　　　　記
　ｐ×｛１－（Ｆｗ－Ｍｗ）/ｄ２｝＜ｐｓ＜ｐ　　　…（２）
ここで、ｐは標準ねじピッチ、
　ｐｓは短ピッチ、
　Ｆｗは雌ねじのねじ谷の軸方向幅、
　Ｍｗは雄ねじのねじ山の軸方向幅、
　ｄ２は第二ねじ列の雌ねじ長、である。

　本発明によれば、継手への引張負荷時に第一ねじ列が先にロードフランク面接触を行って引張負荷を分担しているため、後で第二ねじ列がロードフランク面接触を行う際には継手のねじ部全体が引張負荷を分担することとなる。その結果、継手は本来の危険断面箇所で確実に破断する。

本発明の実施形態の一例を示す継手の軸方向断面の模式図である。 手段〔３〕の一例を示す、中間ショルダの雌雄接触下での第一ねじ列の軸方向断面の模式図である。 手段〔４〕の一例を示す、中間ショルダの雌雄接触下での第二ねじ列の軸方向断面の模式図である。 ＦＥＡで解析した締付け後の引張負荷における各ねじ山のロードフランク面に作用する軸方向反力を従来例（ａ）と本発明例（ｂ）とで比較して示すグラフである。 従来のインテグラル継手の一例を示す軸方向断面の模式図である。

　図１は、本発明の実施形態の一例を示す継手の軸方向断面（軸に平行な方向の断面）の模式図である。この一例は、管本体（素管部）１、１Ａの肉厚がＷＴである二つの管を相互接続した状態である。両管とも、管の一端に雄のテーパねじである雄ねじを備えたピン２と、管の他端に前記雄ねじと螺合する雌のテーパねじである雌ねじを備えたボックス３と、を有する。ピン２とボックス３とは、ピン２の雄ねじとボックス３の雌ねじが螺合して両管１、１Ａを直接接続するインテグラル形式の継手を構成する。なお、管本体の両端部を増肉加工し、該増肉加工した部位に、ピン２にする管端側には外面ねじ切削加工および内外面非ねじ切削加工を行い、ボックス３にする管端側には内面ねじ切削加工及び内外面非ねじ切削加工を行うことで、ピン２とボックス３とが形成されている。この継手は、ピン２とボックス３とが半径方向に金属接触して流体をシールするラジアルシールタイプの継手でもある。図１の実施形態では、前記金属接触して流体をシールするメタルタッチシール部（以下、略してシール部とも云う）は軸方向に二つある。一つはピン先端側のノーズとボックス後端側のノーズ穴とに設けたシール部４である。もう一つはピン後端側の非ねじ面とボックス先端側の非ねじ面とに設けたシール部４Ａである。

　また、この継手は、前記雌雄のテーパねじのねじ列の中途に中間ショルダＣを有する。中間ショルダを有するインテグラル継手には、フラッシュ型とセミフラッシュ型とがある。セミフラッシュ型とは、雌ねじ側の管端を拡管加工で外径側に張り出させてねじ加工した雌ねじと、雄ねじ側の管端を縮径加工で内径側に張り出させてねじ加工した雄ねじとを嵌合した継手を意味する。フラッシュ型とは、拡管や縮径加工なしで一方に雌ねじを他方には雄ねじを加工して、それを嵌合した継手を意味する。本発明は、フラッシュ型、セミフラッシュ型のいずれにも適用できる。

　さらに、この継手は、中間ショルダＣの雌雄ねじが螺合している状況下で、すなわちピン２側の中間ショルダＣとボックス３側の中間ショルダＣの軸方向対向面同士が互いに接触し合った状態下で、中間ショルダＣを挟む内径側のねじ列である第一ねじ列Ａ、外径側のねじ列である第二ねじ列Ｂそれぞれのロードフランク側のねじギャップＬ１Ｇ、Ｌ２Ｇが常にＬ１Ｇ＜Ｌ２Ｇの関係を満たすようにしてある。すなわち、第一ねじ列Ａにおいて最内径側の第一ねじ部Ａ１から最外径側の第ｍねじ部Ａｍまでのロードフランク側のねじギャップを順にＬ１Ｇｉ（ただしｉ＝１、２、‥‥ｍ）と記号し、第二ねじ列Ｂにおいて最内径側の第一ねじ部Ｂ１から最外径側の第ｎねじ部Ｂｎまでのロードフランク側のねじギャップをＬ２Ｇｊ（ただし、ｊ＝１、２、‥‥ｎ）と記号するとき、公差の範囲内でばらつきはあっても、常にＬ１Ｇｉ＜Ｌ２Ｇｊの関係が満たされるようにねじギャップを設定してある。

　これにより、継手に引張負荷が作用した際、第一ねじ列Ａが先にロードフランクの雌雄接触を生じて引張負荷を分担しているため、後から第二ねじ列Ｂがロードフランクの雌雄接触を生じるときには、継手のねじ部全体が引張負荷を分担することになる。

　従来では、引張負荷時に第二ねじ列Ｂが第一ねじ列Ａより先にロードフランクの雌雄接触を生じて第二ねじ列Ｂの第一ねじ部Ｂ１の雌ねじ側の断面ＣＣＳ２で破断が起ることがあった。これに対し、本発明では、第一ねじ列Ａが第二ねじ列Ｂより先にロードフランクの雌雄接触を生じるので、前記断面ＣＣＳ２で破断することはなく、確実に設計所期の本来の危険断面である第一ねじ列Ａの第一ねじ部Ａ１の雌ねじ側の断面ＣＣＳ１で破断する。

　前記〔２〕、〔３〕、〔４〕に記載の本発明（便宜上、手段〔２〕、〔３〕、〔４〕と云う）はそれぞれが何れも前記〔１〕に記載の本発明（便宜上、手段〔１〕と云う）において、Ｌ１Ｇｉ＜Ｌ２Ｇｊが常に成り立つようにねじギャップを設定するための手段であり、これらについて以下に説明する。

　手段〔２〕では、手段〔１〕において、第一ねじ列Ａ、第二ねじ列Ｂの雌雄のねじピッチを標準ねじピッチｐとした。さらに、手段〔２〕では、中間ショルダＣの雌雄接触下で、第一ねじ列Ａ、第二ねじ列Ｂそれぞれの最も中間ショルダＣ寄りのねじ部の各ロードフランク側のねじギャップＬ１Ｇｍ、Ｌ２Ｇ１が、Ｌ１Ｇｍ＜Ｌ２Ｇ１となるようにした。これによれば、第一ねじ列Ａ、第二ねじ列Ｂとも雌雄のねじピッチを標準ねじピッチｐとしたから、第一ねじ列Ａ内の各ねじ部のロードフランク側のねじギャップＬ１Ｇｉ（ただし、ｉ＝１…ｍ）は何れもＬ１Ｇｍに等しく、一方、第二ねじ列Ｂ内の各ねじ部のロードフランク側のねじギャップＬ２Ｇｊ（ただし、ｊ＝１…ｎ）は何れもＬ２Ｇ１に等しい。したがって、Ｌ１Ｇｉ＜Ｌ２Ｇｊなる関係が満たされる。

　次に、手段〔３〕では、手段〔２〕において、第一ねじ列Ａの第一ねじ部Ａ１から少なくとも第三ねじ部Ａ３までの雌ねじピッチを、前記標準ねじピッチｐに代えて下記（１）式を満たす長ピッチｐｌとした。このようなねじピッチ変更をした以外は、手段〔２〕と同様とした。

　　　　　　　　記
　ｐ＜ｐｌ＜ｐ×｛１＋（Ｆｗ－Ｍｗ）/ｄ１｝　　　…（１）
ここで、ｐは標準ねじピッチ、ｐｌは長ピッチ、Ｆｗは雌ねじのねじ谷の軸方向幅、Ｍｗは雄ねじのねじ山の軸方向幅、ｄ１は第一ねじ列の雌ねじ長である。

　手段〔３〕の一例を図２に示す。この例では、第一ねじ列Ａ内の全ねじ部について雌ねじピッチを長ピッチｐｌとしている。これ以外は手段〔２〕と同様とした。図２には第一ねじ列Ａ内の第Ａｉねじ部におけるｉ＝ｋ、ｋ＋１の場合のねじ部Ａ（ｋ）、Ａ（ｋ＋１）とこれらそれぞれのロードフランク側のねじギャップＬ１Ｇ（ｋ）、Ｌ１Ｇ（ｋ＋１）を示してある。図示のように、Ｌ１Ｇ（ｋ）＜Ｌ２Ｇｊ、Ｌ１Ｇ（ｋ＋１）＜Ｌ２Ｇｊ、であることに加え、Ｌ１Ｇ（ｋ）＝Ｌ１Ｇ（ｋ＋１）－（ｐｌ－ｐ）である。ｐｌ＞ｐであるから、Ｌ１Ｇｉはねじ部Ａｉがピン先端側に１ピッチ近づく（ｉが１つ減る）ごとに（ｐｌ－ｐ）ずつ減少し、その結果、全てのねじ部のうちでＬ１Ｇ１が最小になる。したがって、引張負荷の際、第一ねじ列Ａの第一ねじ部Ａ１に相対的に高い引張応力及び歪みが発生し、その結果として、第二ねじ列Ｂの第一ねじ部Ｂ１の雌ねじ側の断面ＣＣＳ２ではなく、設計所期の本来の危険断面ＣＣＳ１でより確実に破断する。

　ただし、Ａｉのｉ全て（ｉ＝１…ｍ）にわたる、（ｐｌ－ｐ）の累計が、設計上の空隙量（Ｆｗ－Ｍｗ）を超えてはならないから、（ｐｌ－ｐ）×ｍ＜Ｆｗ－Ｍｗ、である。一方、ｍ＝ｄ１/ｐ、であるから、結局、ｐｌは、（１）式の右側の不等式、ｐｌ＜ｐ×｛１＋（Ｆｗ－Ｍｗ）/ｄ１｝、を満たす必要がある。

　なお、図２の例では、第一ねじ列Ａ内の全ねじ部について雌ねじピッチを長ピッチｐｌとしている。しかし、これに限らず、第一ねじ部Ａ１から「少なくとも第三ねじ部Ａ３」（「Ａ（３）～Ａ（ｍ－１）の何れか」）までについて雌ねじピッチを長ピッチｐｌとした場合であっても、前記断面ＣＣＳ１が確実に危険断面となる効果を奏する。

　次に、手段〔４〕では、手段〔２〕又は手段〔３〕を前提とし、第二ねじ列Ｂの第一ねじ部Ｂ１から少なくとも第三ねじ部Ｂ３までの雌ねじピッチを、前記標準ねじピッチｐに代えて、下記（２）式を満たす短ピッチｐｓとした。このようなねじピッチ変更をした以外は、前提とした手段〔２〕又は手段〔３〕と同様とした。

　　　　　　　　記
　ｐ×｛１－（Ｆｗ－Ｍｗ）/ｄ２｝＜ｐｓ＜ｐ　　　…（２）
ここで、ｐは標準ねじピッチ、ｐｓは短ピッチ、Ｆｗは雌ねじのねじ谷の軸方向幅、Ｍｗは雄ねじのねじ山の軸方向幅、ｄ２は第二ねじ列の雌ねじ長である。

　手段〔４〕の一例を図３に示す。この例では手段〔３〕を前提とし、第二ねじ列Ｂ内の全ねじ部について雌ねじピッチを短ピッチｐｓとしている。これ以外は手段〔３〕と同様とした。図３には第二ねじ列Ｂ内の第Ｂｊねじ部におけるｊ＝ｋ、ｋ＋１の場合のねじ部Ｂ（ｋ）、Ｂ（ｋ＋１）とこれらそれぞれのロードフランク側のねじギャップＬ２Ｇ（ｋ）、Ｌ２Ｇ（ｋ＋１）を示してある。図示のように、Ｌ２Ｇ（ｋ）＞Ｌ１Ｇｉ、Ｌ２Ｇ（ｋ＋１）＞Ｌ１Ｇｉ、であることに加え、Ｌ２Ｇ（ｋ）＝Ｌ２Ｇ（ｋ＋１）＋（ｐ－ｐｓ）である。ｐｓ＜ｐであるから、Ｌ２Ｇｊはねじ部Ｂｊが中間ショルダＣ側に１ピッチ近づく（ｊが１つ減る）ごとに（ｐ－ｐｓ）ずつ増加し、その結果、全てのねじ部のうちでＬ２Ｇ１が最大になる。したがって、引張負荷の際、第二ねじ列Ｂの第一ねじ部Ｂ１に相対的に低い引張応力が発生し、その結果として、断面ＣＣＳ２で破断する可能性は更に低くなる。

　ただし、Ｂｊのｊ全て（ｊ＝１…ｎ）にわたる、（ｐ－ｐｓ）の累計が、設計上の空隙量（Ｆｗ－Ｍｗ）を超えてはならないから、（ｐ－ｐｓ）×ｎ＜Ｆｗ－Ｍｗ、である。一方、ｎ＝ｄ２/ｐ、であるから、結局、ｐｓは、（２）式の左側の不等式、ｐｓ＞ｐ×｛１－（Ｆｗ－Ｍｗ）/ｄ２｝、を満たす必要がある。

　なお、図３の例では、第二ねじ列Ｂ内の全ねじ部について雌ねじピッチを短ピッチｐｓとしている。しかし、これに限らず、第一ねじ部Ｂ１から「少なくとも第三ねじ部Ｂ３」（「Ｂ（３）～Ｂ（ｎ－１）の何れか」）までについて雌ねじピッチを短ピッチｐｓとした場合であっても、前記断面ＣＣＳ２での破断を確実に回避する効果を奏する。また、図３の例では手段〔３〕を前提としたが、手段〔２〕を前提とした場合でも同様の効果を奏する。

　また、本発明においては、中間ショルダＣの高さＣｈ（図１参照）は、８０％以上の継手効率を達成するために、管本体１、１Ａの肉厚ＷＴの１０％以下とするのが好ましく、より好ましくは８％以下である。一方、前記高さＣｈが前記肉厚ＷＴの３％未満であると、中間ショルダＣのストッパとしての効果の発現が難しくなるため、前記高さＣｈは前記肉厚ＷＴの３％以上とするのが好ましく、より好ましくは５％以上である。

　また、実井戸の設計においては、管ねじ継手の継手効率に対応した引張の構造強度に対して、ある安全率を適用するため直ちに継手が引張破断することはない。一方で、引張負荷は小さいものの、ドリリングや熱応力で圧縮負荷が作用する場合があり、繰返しの引張／圧縮による疲労破壊がねじ部で発生するリスクがある。

　これに対しても、本発明では、中間ショルダＣを設けているため、中間ショルダＣが圧縮負荷を受ける主体となる。その結果、ねじ部への繰返しの引張／圧縮負荷による繰返し応力およびひずみ範囲の低減につながり、疲労破壊のリスクも低減できる。

　また、シール部４、４Ａに隣接してそれぞれの端部に図示のないショルダを設けた場合、繰返しの引張／圧縮負荷の際、これらショルダだけでなくシール部４、４Ａにも変形が及び、シール性が低下するリスクがある。そこで、本発明に係るインテグラル継手では、内面側、外面側の各シール部４、４Ａは、半径方向にピン２とボックス３が比較的長い範囲で金属接触して流体をシールするラジアルシールタイプとし、かつ、シール部４、４Ａそれぞれの端面は軸方向には非接触となる構造としている。

　本発明において、スタブフランク角が正、スクエアの何れであっても、また、ロードフランク角が正、負、スクエアの何れであっても、本発明の効果は実質的に変わらない。スタブフランク角が１０度～３０度であり、かつ、ロードフランク角が－１０度～０度という条件を満たす場合に、シール部の詳細な形状に関わらず、本発明の効果を奏することが可能であることも見出した。

　なお、スタブフランク側、ロードフランク側とも、軸方向断面における各側の外形直線が軸方向直交線と平行な場合をスクエアと称してフランク角は０度とし、一方、非平行の場合は、ねじ山頂部両側の前記スタブフランク側、ロードフランク側の各外形直線と軸方向直交線の交差角の鋭角側の角度でフランク角を定義した。その符号は、前記ねじ山頂部の軸方向中間に配置した軸方向直交線と前記外形直線の延長線の交点が前記ねじ山頂部よりも、外径側に位置する場合を正、内径側に位置する場合を負とする。

　従来例は、図１に示した中間ショルダＣを有するインテグラル継手において、継手効率を８０％とし、第一ねじ列Ａ、第二ねじ列Ｂとも雄ねじ山数を１０山とし、ねじピッチを雌雄とも標準ねじピッチｐとし、中間ショルダＣの高さＣｈを管本体１、１Ａの肉厚ＷＴの８％とし、中間ショルダＣの雌雄接触下で第一ねじ列Ａの各ねじ部Ａｉのロードフランク側のねじギャップＬ１Ｇｉ（ただし、ｉ＝１…１０）と第二ねじ列Ｂの各ねじ部Ｂｊのロードフランク側のねじギャップＬ２Ｇｊ（ただし、ｊ＝１…１０）との関係条件をＬ１Ｇｉ＝Ｌ２Ｇｊとし、ロードフランク角を－５とし、スタブフランク角を１０度とした。なお、管本体１、１Ａは、外径＝９．６２５インチ、肉厚ＷＴ＝０．５４５インチの継目無鋼管である。

　本発明例は、上記従来例において、前述の手段〔３〕を前提とした手段〔４〕に従い、中間ショルダＣの雌雄接触下でＬ１Ｇ１０＜Ｌ２Ｇ１とし、かつ第一ねじ列Ａの全ねじ部について雌ねじピッチを標準ねじピッチｐに代えて（１）式を満たす長ピッチｐｌとし、かつ第二ねじ列Ｂの全ねじ部について雌ねじピッチを標準ねじピッチｐに代えて（２）式を満たす短ピッチｐｓとすることで、Ｌ１Ｇi＝Ｌ２Ｇｊなる関係条件からＬ１Ｇｉ＜Ｌ２Ｇjなる関係条件への変更を行い、これ以外は従来例と同様とした。

　図４は、（ａ）従来例と（ｂ）本発明例とについて、締付け後の引張負荷における各ねじ部のロードフランク面への軸方向反力をＦＥＡで解析した結果を示すグラフである。図示のとおり、従来例では第二ねじ列Ｂの第一ねじ部（ねじＢ１）のところで軸方向反力が最大となっているのに対し、本発明例では第一ねじ列Ａの第一ねじ部（ねじＡ１）のところで軸方向反力が最大となっている。

　上記解析結果と符合して、実際の引張負荷試験において、従来例は前記ねじＢ１のボックス側断面（本来の危険断面とは異なる断面）で引張破断し、限界引張荷重の正しい評価ができなかった。一方、本発明例は前記ねじＡ１のボックス側断面（本来の危険断面）で引張破断し、限界引張荷重の正しい評価ができた。

１、１Ａ　管本体（素管部）
２　　　　ピン
３　　　　ボックス
４、４Ａ　シール部（詳しくは、メタルタッチシール部）
Ａ　　　　第一ねじ列
Ｂ　　　　第二ねじ列
Ｃ　　　　中間ショルダ
 

Claims (4)

1. 　管の一端に雄のテーパねじである雄ねじを備えたピンと、
   　前記管の他端に前記雄ねじと螺合する雌のテーパねじである雌ねじを備えたボックスと、を有し、
   　前記ピンと前記ボックスとで管同士を直接接続するインテグラル式であり、前記ピンと前記ボックスとが半径方向に金属接触して流体をシールするラジアルシール構造を備える管ねじ継手であって、
   　前記雌雄のテーパねじのねじ列の中途に形成される中間ショルダを有し、
   　前記中間ショルダの前記雌雄ねじが螺合している状況下で、前記中間ショルダを挟む内径側のねじ列である第一ねじ列及び外径側のねじ列である第二ねじ列のロードフランク側のねじギャップＬ１Ｇ及びＬ２Ｇが常にＬ１Ｇ＜Ｌ２Ｇの関係を満たすことを特徴とする管ねじ継手。
2. 前記第一ねじ列及び前記第二ねじ列の雌雄のねじピッチを標準ねじピッチｐとし、
   　前記中間ショルダの前記雌雄ねじが螺合している状況下で、前記第一ねじ列及び前記第二ねじ列のうち、最も中間ショルダ寄りのねじ部のロードフランク側のねじギャップＬ１Ｇｍ及びＬ２Ｇ１が、Ｌ１Ｇｍ＜Ｌ２Ｇ１となることを特徴とする請求項１に記載の管ねじ継手。
3. 前記第一ねじ列において最内径側の第一ねじ部から少なくとも第三ねじ部までの雌ねじピッチを、前記標準ねじピッチｐに代えて、下記（１）式を満たす長ピッチｐｌとしたことを特徴とする請求項２に記載の管ねじ継手。
   　　　　　　　　記
   　ｐ＜ｐｌ＜ｐ×｛１＋（Ｆｗ－Ｍｗ）/ｄ１｝　　　…（１）
   ここで、ｐは標準ねじピッチ、
   　ｐｌは長ピッチ、
   　Ｆｗは雌ねじのねじ谷の軸方向幅、
   　Ｍｗは雄ねじのねじ山の軸方向幅、
   　ｄ１は第一ねじ列の雌ねじ長、である。
4. 　前記第二ねじ列において最内径側の第一ねじ部から少なくとも第三ねじ部までの雌ねじピッチを、前記標準ねじピッチｐに代えて、下記（２）式を満たす短ピッチｐｓとしたことを特徴とする請求項２又は３に記載の管ねじ継手。
   　　　　　　　　記
   　ｐ×｛１－（Ｆｗ－Ｍｗ）/ｄ２｝＜ｐｓ＜ｐ　　　…（２）
   ここで、ｐは標準ねじピッチ、
   　ｐｓは短ピッチ、
   　Ｆｗは雌ねじのねじ谷の軸方向幅、
   　Ｍｗは雄ねじのねじ山の軸方向幅、
   　ｄ２は第二ねじ列の雌ねじ長、である。
    

Images