WO2024171885A1 - ねじ継手 - Google Patents

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WO2024171885A1
WO2024171885A1 PCT/JP2024/003871 JP2024003871W WO2024171885A1 WO 2024171885 A1 WO2024171885 A1 WO 2024171885A1 JP 2024003871 W JP2024003871 W JP 2024003871W WO 2024171885 A1 WO2024171885 A1 WO 2024171885A1
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WO
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box
pin
seal surface
thread
threaded joint
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2024/003871
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English (en)
French (fr)
Inventor
景太 井瀬
正明 杉野
賢 栗生
正裕 小川
有矢 森重
顕 和田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vallourec Oil and Gas France SAS
Nippon Steel Corp
Original Assignee
Vallourec Oil and Gas France SAS
Nippon Steel Corp
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Publication date
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Priority to CN202480005694.XA priority patent/CN120380277A/zh
Priority to EP24756735.7A priority patent/EP4667799A4/en
Priority to JP2025501071A priority patent/JPWO2024171885A1/ja
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L15/00—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints
    • F16L15/04—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints with additional sealings
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/02—Couplings; joints
    • E21B17/04—Couplings; joints between rod or the like and bit or between rod and rod or the like
    • E21B17/042—Threaded
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L15/00—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints
    • F16L15/001—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints with conical threads
    • F16L15/004—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints with conical threads with axial sealings having at least one plastically deformable sealing surface
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L15/00—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints
    • F16L15/06—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints characterised by the shape of the screw-thread

Definitions

  • This disclosure relates to threaded joints used to connect long pipes such as oil well pipes.
  • oil wells In oil wells, natural gas wells, etc. (hereinafter collectively referred to as "oil wells"), casings that construct multiple stages of well walls and tubing that is placed inside the casing to produce oil and gas are used to extract underground resources.
  • These casings and tubing are made up of many steel pipes connected in sequence, and threaded joints such as those shown in Patent Documents 1 to 4 below are used for these connections.
  • Steel pipes used in oil wells are also called oil well tubular goods.
  • Threaded joints are broadly divided into integral and coupling types.
  • oil well pipes are directly connected to each other.
  • one end of the oil well pipe has a female thread and the other end has a male thread
  • the oil well pipes are connected to each other by screwing the male thread of one oil well pipe into the female thread of the other oil well pipe.
  • oil well pipes are connected to each other via a tubular coupling.
  • female threads are provided on both ends of the coupling
  • male threads are provided on both ends of the oil well pipes. Then, one male thread of one oil well pipe is screwed into one female thread of the coupling, and one male thread of the other oil well pipe is screwed into the other female thread of the coupling, thereby connecting the oil well pipes to each other. That is, in the coupling type, of the pair of pipe materials to be connected, one pipe material is the oil well pipe, and the other pipe material is the coupling.
  • the end of an OCTG on which a male thread is formed is called a pin because it includes an element that is inserted into a female thread formed on the OCTG or coupling.
  • the end of an OCTG or coupling on which a female thread is formed is called a box because it includes an element that receives the male thread formed on the OCTG.
  • slim type threaded joints are sometimes used, in which the maximum outer diameter of the joint, i.e. the outer diameter of the box, is approximately the same as the outer diameter of the OCTG body.
  • Slim type threaded joints in which the outer diameter of the box is approximately the same as the outer diameter of the OCTG body are also called flush type threaded joints.
  • Slim type threaded joints in which the outer diameter of the box is slightly larger than the outer diameter of the OCTG body are also called semi-flush type threaded joints.
  • Patent Document 1 discloses a coupling-type screw joint that is not a slim type.
  • the pin wall thickness and the box wall thickness near the inner seal provided on the outer periphery of the pin tip can both be sufficiently large, and sufficient sealing performance against internal and external pressure can be obtained with the inner seal alone, so the screw joint disclosed in Patent Document 1 does not have an outer seal.
  • the pin wall thickness near the inner seal provided on the outer circumference of the pin near the tip of the pin becomes thin, making it difficult to ensure sealing performance against external pressure with the inner seal, so outer seal surfaces are often provided on the outer circumference of the base end of the pin and the inner circumference of the tip of the box, as disclosed in Patent Documents 2 and 3.
  • the box wall thickness near the outer seal becomes relatively thin, but when external pressure acts on the outer circumference of the box, the contact pressure between the outer seal surfaces increases, so external pressure sealing can be ensured.
  • the pin wall thickness near the inner seal becomes relatively thin, but when internal pressure acts on the inner circumference of the pin, the contact pressure between the inner seal surfaces increases, so internal pressure sealing can be ensured.
  • Patent Document 2 discloses an integral slim-type threaded joint.
  • an external shoulder surface is provided at the base end of the pin and the tip end of the box.
  • Patent Document 3 discloses an integral type slim type threaded joint.
  • This threaded joint has a two-stage thread structure with threaded portions located in front of and behind an intermediate shoulder.
  • the pin is subjected to a diameter reduction process in the area including the internal male threaded portion. Therefore, the inner diameter of the tip of the pin is smaller than the inner diameter of the steel pipe with the box, and a step is formed between the inner surface of the steel pipe with the box and the inner surface of the steel pipe with the pin. Such a step is undesirable because it causes turbulence in the fluid flow inside the pipe.
  • Patent Document 4 discloses an integral type slim threaded joint having an inner shoulder surface (8, 9), an inner seal surface (10, 12), a threaded portion (3, 4), an outer seal surface (34, 35), and an outer shoulder surface (32, 33).
  • the inner shoulder and the outer shoulder are both provided within the wall thickness of the steel pipe, and the axial length of the threaded portion consisting of tapered threads is ensured according to the required strength, the taper angle of the tapered threads becomes small, the amount of tightening rotation work required to complete tightening increases, and the efficiency of the fastening work deteriorates.
  • Patent Document 4 page 13, lines 7-9, mentions that the inner shoulder surfaces (8, 9), the inner seal surfaces (10, 12), and the housing (7) can be omitted. In this case, the structure will be similar to the threaded joint disclosed in Patent Document 2, and similar problems will be inherent.
  • the objective of this disclosure is to provide a slim-type threaded joint that has excellent sealing performance against internal pressure and external pressure, excellent strength against compressive loads, and can maintain sealing performance against external pressure even when repeatedly loaded.
  • the inventors of the present application considered placing a torque shoulder at the tip of the pin and placing an inner seal and an outer seal in front of and behind the threaded portion in order to ensure the contact area between the shoulder surfaces and the radial width required to form the threaded portion even in slim-type threaded joints.
  • the inventors therefore considered deforming the pin and box in their elastic range when a compressive load is applied, bringing the stabbing flanks of the male and female threads into contact with each other and sharing part of the compressive load between the stabbing flanks.
  • the tip opening of the box attempts to shrink and deform, while when the pin is pushed into the box, the pin outer seal surface forcibly expands the box outer seal surface radially outward, making it easier for damage to accumulate near the box outer seal surface.
  • the threaded joint according to the present disclosure may be a threaded joint consisting of a tubular pin and a tubular box, in which the pin is screwed into the box to fasten the pin and the box together.
  • the pin can have a male thread formed of a tapered thread on the outer periphery of the pin and gradually decreasing in diameter toward the tip, an internal pin seal surface on the outer periphery of the pin on the tip side of the male thread, a nose portion on the tip side of the internal pin seal surface and having an outer periphery surface that smoothly continues to the internal pin seal surface, a torque shoulder surface formed by the tip surface of the nose portion, and an external pin seal surface on the outer periphery of the pin on the base end side of the male thread.
  • the box can have a female thread provided on the inner circumference of the box and engaging with the male thread in the fastened state, a box inner seal surface provided on the inner circumference of the box and contacting the pin inner seal surface in the fastened state, an unthreaded portion having an inner peripheral surface that faces radially with a gap from the outer peripheral surface of the nose portion in the fastened state, a torque shoulder surface that faces axially with the torque shoulder surface of the pin and contacts the torque shoulder surface of the pin in the fastened state, and a box outer seal surface provided on the outer circumference of the box and contacting the pin outer seal surface in the fastened state.
  • the male and female threads may be configured such that, in a fastened state, when no axial compressive load is applied, a gap is formed between the stab flank of the male thread and the stab flank of the female thread, and when a predetermined axial compressive load is applied to the threaded joint, the pin and the box are elastically deformed, causing the stab flank of the male thread and the stab flank of the female thread to come into contact with each other, thereby transmitting a portion of the axial compressive load between these stab flanks.
  • the pin outer seal surface and the box outer seal surface may have a shape that expands the diameter of the box seal surface when the pin fastened to the box is pushed toward the tip side of the box by an axial compression load.
  • the taper angle of the pin outer seal surface and/or the box outer seal surface may be larger than the thread taper angle of the male thread and the female thread.
  • the inclination degree of the thread taper is 1/6
  • the inclination degree of the taper of the outer seal surface may be 1/4.
  • the inclination degree of the taper is the diameter displacement amount relative to the axial length (diameter displacement amount/axial length).
  • the taper angle is expressed as arctan (taper inclination degree/2).
  • the shoulder angle defined as the angle between a straight line passing through the radial outer end and the radial inner end in the longitudinal section of the torque shoulder surface of the box and a plane perpendicular to the tube axis, is 0° or more and less than 10° (however, a positive angle is defined as when the radial outer end is located closer to the tip side than the radial inner end).
  • This disclosure makes it possible to provide a slim-type threaded joint that has excellent sealing performance against internal pressure and external pressure, excellent strength against compressive loads, and can maintain sealing performance against external pressure even when repeatedly loaded.
  • FIG. 1 is an overall vertical sectional view showing a fastened state of a threaded joint for oil well pipes according to an embodiment.
  • FIG. 2 is an enlarged vertical sectional view of the vicinity of an outer seal of the threaded joint.
  • FIG. 3 is an enlarged vertical sectional view showing the threaded joint in a threaded engaged state.
  • FIG. 4 is an enlarged vertical sectional view showing the vicinity of the tip portion of the pin of the threaded joint.
  • FIG. 5 is a graph showing the results of a numerical analysis simulation using an elastic-plastic finite element method, illustrating the relationship between the shoulder angle and the minimum value of the evaluated contact pressure between the outer seal surfaces when repeatedly subjected to a combined load.
  • the threaded joint is composed of a tubular pin and a tubular box having an opening for receiving the pin, and is a threaded joint in which the pin is screwed into the box to fasten the pin and the box.
  • the pin may be provided at the end of a long pipe such as an oil well tubular pipe.
  • the box may be provided at the end of a coupling or at the end of another long pipe.
  • the pin is formed at the end of the long pipe, and the box is formed at the end of the coupling.
  • the long pipe and the coupling may be made of metal such as steel, such as stainless steel, or a nickel-based alloy.
  • the threaded joint comprises a pipe including a pipe body and the pin provided at the end of the pipe body, and a tubular coupling for connecting the pipe to another pipe, and the coupling may include the pipe body and the box provided at the end of the pipe body.
  • the outer diameter of the pipe body and the box of the coupling may be 100% to 105% of the outer diameter of the pipe body, and the inner diameter of the pipe body of the coupling may be 90% to less than 100% of the inner diameter of the pipe body of the pipe.
  • the inner diameter of the pipe body of the coupling is smaller than the inner diameter of the pipe body of the pipe, it is preferable that the vicinity of the tip of the pin (i.e., the nose portion described below) is subjected to diameter reduction processing so that the inner circumferential surface has the same diameter as the inner circumferential surface of the pipe body of the coupling.
  • the inner diameter of the pipe body of the coupling can be larger than the drift diameter specified by the API standard.
  • the pin may have a male thread provided on its outer periphery.
  • the male thread may be a tapered thread that gradually reduces in diameter toward the tip.
  • the pin may have an internal pin seal surface provided on its outer periphery on the tip side of the male thread.
  • the pin may have a nose portion provided on the tip side of the internal pin seal surface, and the nose portion may have an outer periphery that smoothly continues to the internal pin seal surface.
  • the pin may have a torque shoulder surface formed by the tip surface of the nose portion.
  • the pin may have an external pin seal surface provided on its outer periphery on the base side of the male thread.
  • the box may have a female thread consisting of a tapered thread provided on the inner circumference of the box.
  • the female thread is a tapered thread that gradually expands in diameter as it approaches the open end of the box, and has a thread profile that fits the male thread.
  • the female thread meshes with the male thread in the fastened state.
  • the box may have an inner box seal surface provided on the inner circumference of the box closer to the tip of the pin than the female thread, and this inner box seal surface contacts the inner pin seal surface in the fastened state.
  • the box may have an unthreaded portion having an inner peripheral surface that faces radially with a gap from the outer peripheral surface of the nose portion in the fastened state. This unthreaded portion is provided on the tip side of the pin than the inner box seal surface.
  • the box may have a torque shoulder surface that faces the torque shoulder surface of the pin in the axial direction, and this torque shoulder surface contacts the torque shoulder surface of the pin in the fastened state.
  • the torque shoulder surfaces of the pin and the box contact each other even when no axial compression load is applied.
  • the radially inner end of the torque shoulder surface of the box may be the end of the inner circumferential surface of a coupling having the box or a steel pipe body.
  • the box may have a box outer seal surface provided on the outer periphery of the box closer to the box open end side than the female thread, and this box outer seal surface contacts the pin outer seal surface in the fastened state.
  • the box may further have an outer nose portion extending from the box outer seal surface toward the tip side (open end side) of the box, in which case the outer nose portion becomes the open end of the box.
  • a gap may be formed between the inner circumferential surface of the outer nose portion and the outer circumferential surface of the pin facing it.
  • the male and female threads may be buttress threads, or may be wedge threads whose longitudinal cross-sectional shape is dovetail-shaped and whose thread width gradually narrows toward the tip along the helical direction of the thread, or may be any other suitable thread.
  • the male and female threads can be configured so that in the fastened state, when no axial compressive load is applied, the load surface of the male thread and the load surface of the female thread are in contact, while a gap is formed between the stab surface of the male thread and the stab surface of the female thread.
  • the male and female threads can be configured so that in the fastened state, the thread root surface of the male thread and the thread crest surface of the female thread are in contact, while a gap is formed between the thread crest surface of the male thread and the thread crest surface of the female thread.
  • the male and female threads may be configured so that the thread crest surface of the male thread and the thread crest surface of the female thread are in contact, while a gap is formed between the thread crest surface of the male thread and the thread crest surface of the female thread. This allows the thread groove depth of the pin or the thread groove depth of the box to be shallow, and a larger critical cross-sectional area of the pin or the box can be secured, maximizing the tensile load resistance of the threaded joint.
  • the male and female threads may be configured so that when a predetermined axial compressive load acts on the threaded joint, the pin and box elastically deform to bring the stabbing flanks of the male and female threads into contact with each other, transmitting part of the axial compressive load between these stabbing flanks.
  • the elastic deformation of the pin and box means that the entire fastening structure of the pin and box elastically deforms without yielding, and yielding may occur locally, for example, in the surface layer of the bottom corner portion of the thread.
  • the predetermined axial compressive load may be a load at which the stabbing flanks of the male and female threads may come into contact with each other due to elastic deformation of the pin and box, but as an example of a design index, the above axial compressive load Lc may be expressed as Ly x JE, where Ly is the yield compressive load of the pipe body of the steel pipe in which the pin is provided, and JE is the joint efficiency of the threaded joint.
  • the joint efficiency JE is the ratio of the smaller of the critical cross-sectional area A PCCS of the pin and the critical cross-sectional area A BCCS of the box to the cross-sectional area Ap of the pipe body of the long pipe (i.e., A PCCS /Ap or A BCCS /Ap).
  • This joint efficiency JE is preferably 75% or more.
  • the critical cross-sectional area A PCCS of the pin is the cross-sectional area of the pin including the thread root position at the engagement end of the male thread (i.e., the pipe body side of the pin) of the male thread in the fastened state.
  • the critical cross-sectional area A BCCS of the box is the cross-sectional area of the box including the thread root position at the engagement end of the female thread (i.e., the pipe body side of the box) of the male thread in the fastened state.
  • These critical cross-sectional areas of the pin and the box may be the cross-sectional areas of the portions excluding the cross-sectional areas of the threads of the male thread and the female thread.
  • the stabbing flanks of the male thread and the female thread start to contact each other due to the elastic deformation of the pin and the box when an axial compressive load smaller than the above Lc is applied.
  • the pin external seal surface and the box external seal surface may have a shape that expands the box seal surface when the pin fastened to the box is pushed slightly toward the tip side against the box by an axial compression load.
  • both the pin external seal surface and the box external seal surface may have a tapered shape that gradually becomes smaller in diameter toward the tip side of the pin.
  • the pin external seal surface may have a tapered shape that gradually becomes smaller in diameter toward the tip side of the pin, and the box external seal surface may have a convex curved shape that contacts the pin external seal surface.
  • the box external seal surface may have a tapered shape that gradually becomes smaller in diameter toward the tip side of the pin, and the pin external seal surface may have a convex curved shape that contacts the box external seal surface.
  • both the pin external seal surface and the box external seal surface may have a convex curved shape that expands the box seal surface when the pin is pushed toward the tip side against the box.
  • at least one of the pin external seal surface and the box external seal surface may have a composite surface shape that includes a tapered surface portion and a curved surface portion.
  • the radially outer end of the torque shoulder surface of the box and pin in the longitudinal section is preferably located closer to the tip than the radially inner end. This makes it possible to prevent the nose of the pin from deforming radially inward when an axial compressive load is applied.
  • the shoulder angle defined as the angle between a straight line passing through the radially outer end and radially inner end of the torque shoulder surface of the box and pin and a plane perpendicular to the tube axis, is 0° or more and less than 10°. This shoulder angle is more preferably 7.5° or less. Even more preferably, the shoulder angle may be 4.5° or more and 5° or less.
  • a nose portion is provided between the pin internal seal surface and the torque shoulder surface of the pin.
  • a nose portion is provided at the tip of the pin and the tip surface of this nose portion forms a torque shoulder surface, it is not necessary to fit the open end of the box within the thickness of the pipe body of the long pipe in which the pin is provided (hereinafter referred to as the "pin pipe body") as in the threaded joint disclosed in Patent Document 2, and by making the outer diameter of the open end of the box slightly larger than the outer diameter of the pin pipe body, it is possible to ensure a relatively large radial width for providing tapered threads that constitute the male and female threads while ensuring the box thickness near the outer seal surface and the pin thickness near the inner seal surface.
  • the diameter of the inner surface of the pin tip smaller than the diameter of the inner surface of the pipe body of the long pipe or coupling in which the box is provided (hereinafter referred to as the "box pipe body"), and these diameters can be made equal so that no large step occurs between the inner surface of the pin tip and the inner surface of the box pipe body.
  • the threads and seal surfaces of either or both of the pin and box are generally subjected to surface treatments such as chemical conversion coating and plating to prevent seizure.
  • the pins and couplings at the ends of the long pipes must be surface treated, requiring large-scale equipment.
  • the long metal pipe is generally cold-worked to enlarge the diameter over a specified range in the axial direction from the end of the pipe before the box is formed by cutting, but this not only requires large-scale equipment but also increases the number of processing steps, resulting in higher processing costs for the box.
  • the threaded joint according to the present disclosure is configured as a slim type threaded joint of a coupling type
  • the coupling is short and can be easily surface treated.
  • the process of expanding the raw tube can be omitted.
  • the inner diameter of the tube body of the coupling slightly smaller than the inner diameter of the long pipe, there is an advantage in that it is easier to ensure the radial width of the torque shoulder surface.
  • a threaded joint 1 for oil well pipes is a coupling-type threaded joint, and is composed of a long oil well pipe P having a tubular pin 2, and a short coupling C having a tubular box 3.
  • the oil well pipe P and the coupling C may both be made of steel.
  • the coupling C is provided with a box 3 at each of both axial ends thereof, and a pair of oil well pipes P are connected via the coupling C.
  • the pin 2 extends axially from an end of the pipe body P of the oil well tubular good P to the tip side of the pin 2 (to the right in FIG. 1).
  • the tip surface of the nose portion 24 functions as a torque shoulder surface 25.
  • the pin outer seal surface 21 is configured as a tapered surface that gradually becomes smaller in diameter toward the tip side.
  • the inclination degree of the taper of the pin outer seal surface 21 is 1/4.
  • the male thread 22 is configured as a thread having a trapezoidal thread shape in vertical cross section, and its load surface 22L has a negative flank angle, and the thread crest surface and the thread root surface are formed in an inclined shape that gradually becomes smaller in diameter toward the tip side in the vertical cross section.
  • the tip portion of the male thread 22 is formed as an incomplete thread 22A as shown in FIG. 4.
  • the pin inner seal surface 23 is configured as a tapered surface that gradually becomes smaller in diameter toward the tip side.
  • the nose portion 24 has an outer circumferential surface that smoothly continues to the pin inner seal surface 23. As shown in FIG. 1, the pin 2 is subjected to a diameter reduction process in the region from the tip of the pin 2 to the middle of the region where the male thread 22 is provided. As a result, the inner peripheral surface of the portion where the pin internal seal surface 23 is provided and the inner peripheral surface of the nose portion 24 are slightly smaller in diameter than the inner peripheral surface of the pin tube body P body .
  • the box 3 extends from an end of the pipe body C of the coupling C along the axial direction to the tip side of the box 3 (left side in FIG. 1).
  • the tip side of the box 3 may also be referred to as the open end side.
  • the outer nose portion 30 is a portion that extends from the box outer seal surface 31 toward the tip side of the box 3, and the outer nose portion 30 is the opening end of the box 3.
  • a gap is formed between the inner peripheral surface of the outer nose portion 30 and the opposing outer peripheral surface of the pin.
  • the box outer sealing surface 31 is composed of a convex curved surface that protrudes radially inward.
  • the female thread 32 is a tapered thread that fits the male thread.
  • the flank angle of the load flank of the male thread 22 and the female thread is -5°, and the flank angle of the stabbing flank is 15°.
  • the negative flank angle of the load flank means that the crest of the thread overhangs the base of the thread on the load flank.
  • the load flank of the male thread 22 and the load flank of the female thread 32 are in contact, but a minute gap S1 is formed between the stabbing flank of the male thread 22 and the stabbing flank of the female thread 32.
  • the axial dimension of this gap S1 may be, for example, about 0.1 mm.
  • This gap S1 can be large enough that when the axial compressive load Lc acts on the pin 2 and the box 3 in the fastened state, the pin 2 is pressed into the box 3, and the stabbing flanks of the male thread 22 and the female thread 32 come into contact with each other as shown by the imaginary line in FIG. 3.
  • the thread valley bottom surface of the male thread 22 and the thread crest surface of the female thread 32 come into contact, but a gap S2 is formed between the thread crest surface of the male thread 22 and the thread valley bottom surface of the female thread 32.
  • the box inner seal surface 33 is composed of a convex curved surface that protrudes radially inward.
  • the unthreaded portion 34 and the torque shoulder surface 35 form a recess on the inner circumference of the box 2 that holds the nose portion 24 of the pin 2.
  • the inner surface of the unthreaded portion 34 is a cylindrical surface that smoothly continues to the box inner seal surface 33, and a gap is formed between the inner surface of the unthreaded portion 34 and the nose portion 24.
  • the torque shoulder surface 35 faces the torque shoulder surface 25 of the pin 2 in the axial direction.
  • These torque shoulder surfaces 25, 35 are preferably configured as substantially flat ring-shaped surfaces.
  • the longitudinal cross-sectional shape of the torque shoulder surfaces 25, 35 is preferably a single straight line shape that is substantially perpendicular to the tube axis.
  • the radial outer ends of the torque shoulder surfaces 25, 35 protrude slightly toward the tip of the pin 2 relative to the radial inner ends.
  • the shoulder angle ⁇ defined as the angle between a straight line passing through the radial outer ends and radial inner ends of the torque shoulder surfaces 25, 35 and a plane perpendicular to the tube axis, is 5° in the illustrated embodiment.
  • Each thread may be a trapezoidal thread, an API round thread, an API buttress thread, or a wedge-type thread.
  • Each torque shoulder surface of the pin and the box may be formed of two or more surfaces that have different angles relative to a plane perpendicular to the pipe axis.
  • the present disclosure is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible without departing from the scope of the claims.
  • ⁇ Test conditions> For the coupling-type threaded joint for oil well tubular goods shown in Figures 1 to 4, a number of test specimens (analysis models) were prepared in which only the shoulder angle ⁇ of the torque shoulder surfaces 25, 35 was changed, and an elastic-plastic finite element method analysis was performed for each test specimen to compare the difference in outer seal performance between the outer seal surfaces 21, 31.
  • the shoulder angle ⁇ of each test specimen was set to 0.0°, 1.0°, 2.5°, 4.0°, 4.5°, 5.0°, 5.5°, 6.0°, 7.5°, 10°, 15°, and 20°.
  • the test conditions common to all specimens are shown below.
  • Thread pitch 6.35 mm
  • load flank angle -5°
  • stab flank angle 15°
  • stab flank gap S1 0.09 mm
  • thread taper 1/6
  • ⁇ Evaluation method> First, an analysis was performed to simulate fastening of each test specimen, and then a repeated combined load simulating the Series A test specified in ISO13679:2011 was applied, and an evaluation value was calculated by dividing the contact force per unit circumferential length between the outer seal faces 21, 31 under each load condition of the repeated combined load by the external pressure at that time, and the minimum value of these evaluation values was extracted for each test specimen, and the minimum evaluation value was used as a seal performance evaluation index for comparison and evaluation. A larger minimum evaluation value indicates better external pressure seal performance.
  • Threaded joint P: Pipe, P body : Pipe body, 2: Pin 21: Pin outer seal surface, 22: Male thread, 23: Pin inner seal surface, 24: Nose portion, 25: Torque shoulder surface
  • C Coupling
  • C body Pipe body, 3: Box 31: Box outer seal surface, 32: Female thread, 33: Box inner seal surface 34: Unthreaded portion, 35: Torque shoulder surface

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Abstract

内圧に対するシール性能及び外圧に対するシール性能に優れ、圧縮荷重に対する強度にも優れるとともに、繰り返し荷重が負荷された場合にも外圧に対するシール性能を維持できるスリム型ねじ継手を提供する。ねじ部２２，３２の前後に外圧用シール２１，３１及び内圧用シール２３，３３を設け、ピン２の先端部には内圧シール性能を維持するためのノーズ部２４を設け、このノーズ部２４の先端にトルクショルダ面２５，３５を設けたスリム型ねじ継手において、圧縮荷重負荷時にねじ部２２，３２の挿入面同士の接触によって圧縮荷重の一部を負担させる。さらに、トルクショルダ面２５，３５のショルダ角θを小さくして、圧縮荷重負荷時のボックス３に対するピン２の押し込み量、及び、ボックス２の開口端部の径方向内方への縮径変形量を低減させ、外シール面近傍へのダメージの蓄積を抑制する。

Description

ねじ継手
　本開示は、油井管等の長尺管の連結に用いられるねじ継手に関する。
　油井、天然ガス井等（以下、総称して「油井」ともいう。）においては、地下資源を採掘するため、複数段の井戸壁を構築するケーシングや、該ケーシング内に配置されてオイルやガスを生産するチュービングが用いられる。これらケーシングやチュービングは、多数の鋼管が順次連結されて成り、その連結に下記の特許文献１～４に示されるようなねじ継手が用いられる。油井に用いられる鋼管は油井管とも称される。
　ねじ継手の形式は、インテグラル型とカップリング型とに大別される。
　インテグラル型では、油井管同士が直接連結される。具体的には、油井管の一端には雌ねじ部が、他端には雄ねじ部が設けられ、一の油井管の雌ねじ部に他の油井管の雄ねじ部がねじ込まれることにより、油井管同士が連結される。
　カップリング型では、管状のカップリングを介して油井管同士が連結される。具体的には、カップリングの両端に雌ねじ部が設けられ、油井管の両端には雄ねじ部が設けられる。そして、カップリングの一方の雌ねじ部に一の油井管の一方の雄ねじ部がねじ込まれるとともに、カップリングの他方の雌ねじ部に他の油井管の一方の雄ねじ部がねじ込まれることにより、油井管同士が連結される。すなわち、カップリング型では、連結対象の一対の管材のうち、一方の管材が油井管であり、他方の管材がカップリングである。
　一般に、雄ねじ部が形成された油井管の端部は、油井管又はカップリングに形成された雌ねじ部に挿入される要素を含むことから、ピンと称される。雌ねじ部が形成された油井管又はカップリングの端部は、油井管に形成された雄ねじ部を受け入れる要素を含むことから、ボックスと称される。なお、理論的には、カップリングの端部にピンを設け、油井管の端部にボックスを設けることも可能である。
　近年、さらなる高温高圧深井戸の開発が進んでいる。深井戸では、地層圧の深さ分布の複雑さによりケーシングの段数も増やす必要があることなどから、継手の最大外径、すなわちボックスの外径が油井管の管本体の外径とほぼ同程度のスリム型のねじ継手が用いられることがある。ボックス外径が油井管の管本体の外径にほぼ等しいスリム型ねじ継手はフラッシュ型ねじ継手とも称される。また、ボックス外径が油井管の管本体の外径より僅かに大きいスリム型ねじ継手はセミフラッシュ型ねじ継手とも称される。これらスリム型ねじ継手には、高い強度及びシール性能が要求されるだけでなく、限られた管肉厚内にねじ構造及びシール構造を配置するために、各部位には厳しい寸法制約が課されている。
　特許文献１には、スリム型ではないカップリング型ねじ継手が開示されている。スリム型ではない場合、ピン先端部の外周に設けられた内シール近傍のピン肉厚及びボックス肉厚のいずれも十分な大きさを確保でき、内シールのみで内圧及び外圧に対する十分なシール性能を得ることができるため、特許文献１に開示されたねじ継手では外シールが設けられていない。
特開２０１３－２９１７４号公報 国際公開第２０１７／２１３０４８号 国際公開第２０１８／１３５５３６号 国際公開第２００７／０１７０８２号
　スリム型ねじ継手の場合、ピンの先端部近傍でピンの外周に設けられる内シール近傍のピン肉厚が薄くなり、外圧に対するシール性能を内シールによって確保することが困難となることから、特許文献２～３に開示されているように、ピンの基端部外周及びボックスの先端部内周に外シール面が設けられることが多い。外シール近傍のボックス肉厚は比較的薄くなるが、外圧がボックス外周面に作用すると外シール面同士の接触圧が向上するため、外圧シール性を確保できる。また、内シール近傍のピン肉厚も同様に比較的薄くなるが、内圧がピン内周面に作用すると内シール面同士の接触圧が向上するため、内圧シール性を確保できる。
　特許文献２には、インテグラル型のスリム型ねじ継手が開示されている。このねじ継手では、ピンの基端部とボックスの先端部に外ショルダ面が設けられている。この外ショルダ構成の場合、鋼管の肉厚内に外ショルダ面を設ける必要があり、十分な耐トルク性能及び耐圧縮荷重性能が得られるように外ショルダ面の径方向寸法を確保すると、テーパーねじを形成するための径方向幅、及び、内シール部のピン肉厚を確保することが困難となる。
　特許文献３には、インテグラル型のスリム型ねじ継手が開示されている。このねじ継手は中間ショルダの前後にねじ部を配置した２段ねじ構造を有する。中間ショルダ（１５）よりも先端側のピンの内雄ねじ部（１３）における肉厚確保のため、内雄ねじ部を含む領域においてピンには縮径加工が施されている。したがって、ピン先端の内径はボックスを有する鋼管の内径よりも小さく、ボックスを有する鋼管の内周面とピンを有する鋼管の内周面との間に段差が形成されている。このような段差は、管内部の流体の流れに乱流を生じさせる原因となるため好ましくない。
　特許文献４の図７には、内ショルダ面（８，９）、内シール面（１０，１２）、ねじ部（３，４）、外シール面（３４，３５）及び外ショルダ面（３２，３３）を有するインテグラル型のスリム型ねじ継手が開示されている。この場合、内ショルダ及び外ショルダをいずれも鋼管の肉厚内に設けつつ、テーパーねじからなるねじ部の軸長を要求される強度に応じて確保すると、テーパーねじのテーパー角が小さくなり、締付完了に必要な締付回転作業量が増大し、締結作業効率が悪化する。
　特許文献４の１３頁７～９行には、内ショルダ面（８，９）、内シール面（１０，１２）及びハウジング（７）を省略できることに言及されている。この場合、特許文献２に開示されたねじ継手に類似する構造となり、同様の課題が内在するものとなる。
　本開示は、内圧に対するシール性能及び外圧に対するシール性能に優れ、圧縮荷重に対する強度にも優れるとともに、繰り返し荷重が負荷された場合にも外圧に対するシール性能を維持できるスリム型ねじ継手を提供することを目的とする。
　本願発明者は、スリム型ねじ継手においてもショルダ面同士の接触面積並びにねじ部を形成するための径方向幅を確保するために、ピンの先端にトルクショルダを配置し、ねじ部の前後に内シールと外シールを配置することを検討した。
　しかし、ピンの先端にトルクショルダを配置すると、ボックスの先端にトルクショルダを配置する場合と比較すると、同じ径方向幅を確保しても全体が小径となるためにトルクショルダ近傍の断面積が小さくなり、耐圧縮荷重性能が低下してしまう。
　そこで、本願発明者は、圧縮荷重負荷時に、ピン及びボックスを弾性域で変形させることによって雄ねじ及び雌ねじの挿入面同士を接触させ、挿入面間で圧縮荷重の一部を負担させることを検討した。しかし、ボックスの雌ねじの挿入面に作用する軸方向荷重が大きくなるにつれて、ボックスの先端開口部が縮径変形しようとする一方、ピンがボックスに押し込まれるとピン外シール面によってボックス外シール面が径方向外方に強制的に押し広げられ、これによりボックス外シール面近傍にダメージが蓄積し易くなることが判明した。
　上記構成のスリム型ねじ継手において、圧縮荷重負荷時にボックス外シール面近傍に生じるダメージを低減するには、圧縮荷重負荷時にピンがボックスに押し込まれる軸方向移動量を可能な限り低減する必要がある。そのために、本願発明者は、トルクショルダ角に注目した。一般的には、トルクショルダ角は、ボックスによるピン先端部のホールド効果を期待して－１５°程度とすることが好ましいと考えられてきた。しかし、本願発明者が検討している上記構成のスリム型ねじ継手の場合、圧縮荷重の一部はねじ部によって負担するため、ピン先端部に作用する圧縮荷重は小さくなる。寧ろ、ピン先端部が径方向外方に拡がるように変形し難くすることで、圧縮荷重負荷時のボックスに対するピンの軸方向移動量を制限することが好ましいと考えられる。
　本開示は、以上の知見に基づいてなされたものである。
　本開示に係るねじ継手は、管状のピンと、管状のボックスとから構成され、前記ピンが前記ボックスにねじ込まれて前記ピンと前記ボックスとが締結されるねじ継手であってよい。
　前記ピンは、前記ピンの外周に設けられ且つ先端側に至るにしたがって徐々に小径となるテーパーねじからなる雄ねじと、前記雄ねじよりも先端側で前記ピンの外周に設けられるピン内シール面と、前記ピン内シール面よりも先端側に設けられ且つ前記ピン内シール面に滑らかに連続する外周面を有するノーズ部と、前記ノーズ部の先端面により構成されるトルクショルダ面と、前記雄ねじよりも基端側で前記ピンの外周に設けられるピン外シール面とを備えることができる。
　前記ボックスは、前記ボックスの内周に設けられ且つ締結状態で前記雄ねじと噛み合う雌ねじと、前記ボックスの内周に設けられ且つ締結状態で前記ピン内シール面に接触するボックス内シール面と、締結状態で前記ノーズ部の外周面に対して隙間を有して径方向に対向する内周面を有するねじ無し部と、前記ピンのトルクショルダ面に対して軸方向に対向するとともに締結状態で前記ピンのトルクショルダ面に接触するトルクショルダ面と、前記ボックスの外周に設けられ且つ締結状態で前記ピン外シール面に接触するボックス外シール面とを備えることができる。
　締結状態で、軸方向圧縮荷重無負荷時においては前記雄ねじの挿入面と前記雌ねじの挿入面との間に隙間が形成されるとともに、所定の軸方向圧縮荷重が前記ねじ継手に作用すると前記ピン及び前記ボックスの弾性変形により前記雄ねじの挿入面と前記雌ねじの挿入面とが接触してこれら挿入面間で軸方向圧縮荷重の一部が伝達されるよう、前記雄ねじ及び前記雌ねじが構成されていてよい。
　前記ピン外シール面及び前記ボックス外シール面は、前記ボックスに締結された前記ピンが軸方向圧縮荷重によって前記ボックスに対して先端側に押し込まれると前記ボックスシール面を拡径させる形状を有していてよい。前記ピン外シール面及び／又はボックス外シール面のテーパー角は、前記雄ねじ及び前記雌ねじのねじテーパー角よりも大きくすることができる。例えば、ねじテーパーの傾き度合いが１／６の場合、前記外シール面のテーパーの傾き度合いは１／４とすることができる。なお、テーパーの傾き度合いは、軸方向長さに対する直径変位量（直径変位量／軸方向長さ）である。テーパー角は、arctan(テーパーの傾き度合い／２)で表される。
　好ましくは、前記ボックスのトルクショルダ面の縦断面における径方向外端部と径方向内端部とを通る直線と管軸に直交する平面とのなす角度として定義されるショルダ角が０°以上１０°未満（但し、径方向外端部が径方向内端部よりも先端側に位置する場合を正の角度とする。）である。
　本開示によれば、内圧に対するシール性能及び外圧に対するシール性能に優れ、圧縮荷重に対する強度にも優れるとともに、繰り返し荷重が負荷された場合にも外圧に対するシール性能を維持できるスリム型ねじ継手を提供することができる。
図１は、実施形態に係る油井管用ねじ継手の締結状態を示す全体縦断面図である。 図２は、同ねじ継手の外シール近傍の拡大縦断面図である。 図３は、同ねじ継手のねじ嵌合状態を示す拡大縦断面図である。 図４は、同ねじ継手のピン先端部近傍を示す拡大縦断面図である。 図５は、弾塑性有限要素法による数値解析シミュレーションの結果であって、ショルダ角と、繰り返し複合荷重負荷時の外シール面同士の接触圧評価値の最小値との関係を示すグラフである。
　本実施形態に係るねじ継手は、管状のピンと、ピンを受け入れる開口部を有する管状のボックスとから構成され、ピンがボックスにねじ込まれてピンとボックスとが締結されるねじ継手である。ピンは、油井管等の長尺パイプの端部に設けられていてよい。ボックスは、カップリングの端部や、他の長尺パイプの端部に設けられていてよい。好ましい実施形態において、ピンは長尺パイプの端部に形成され、ボックスはカップリングの端部に形成される。なお、長尺パイプやカップリングは、ステンレス鋼等の鋼鉄やニッケル基合金等の金属製であってよい。
　ねじ継手は、管本体と該管本体の端部に設けられた上記ピンとを含むパイプと、該パイプを他のパイプに接続するための管状のカップリングとを備え、該カップリングは、管本体と、該管本体の端部に設けられた上記ボックスとを含むことができる。この場合、カップリングの管本体及びボックスの外径は、パイプの管本体の外径の１００％以上１０５％以下であり、カップリングの管本体の内径は、パイプの管本体の内径の９０％以上１００％未満であってよい。カップリングの管本体の内径をパイプの管本体の内径よりも小径とする場合には、ピン先端部近傍（すなわち、後記するノーズ部）は、その内周面がカップリングの管本体の内周面と同径となるように縮径加工されていることが好ましい。油井管においては、カップリングの管本体の内径を、ＡＰＩ規格によって規定されるドリフト径より大きくすることができる。
　ピンは、ピンの外周に設けられた雄ねじを備えることができる。この雄ねじは、先端側に至るにしたがって徐々に小径となるテーパーねじであってよい。ピンは、雄ねじよりも先端側でピンの外周に設けられるピン内シール面を備えることができる。ピンは、ピン内シール面よりも先端側に設けられるノーズ部を備えることができ、このノーズ部は、ピン内シール面に滑らかに連続する外周面を有していてよい。ピンは、ノーズ部の先端面により構成されるトルクショルダ面を備えることができる。ピンは、雄ねじよりも基端側でピンの外周に設けられるピン外シール面を備えることができる。
　ボックスは、ボックスの内周に設けられたテーパーねじからなる雌ねじを備えることができる。雌ねじは、ボックスの開口端側に至るにしたがって徐々に拡径するテーパーねじであって、雄ねじに適合するねじプロファイルを有する。雌ねじは、締結状態で雄ねじと噛み合う。ボックスは、雌ねじよりもピンの先端側でボックスの内周に設けられるボックス内シール面を備えることができ、このボックス内シール面は、締結状態でピン内シール面に接触する。ボックスは、締結状態でノーズ部の外周面に対して隙間を有して径方向に対向する内周面を有するねじ無し部を備えることができる。このねじ無し部は、ボックス内シール面よりもピンの先端側に設けられる。ボックスは、ピンのトルクショルダ面に対して軸方向に対向するトルクショルダ面を備えることができ、このトルクショルダ面は、締結状態でピンのトルクショルダ面に接触する。すなわち、締結状態であれば軸方向圧縮荷重無負荷時においてもピン及びボックスのトルクショルダ面同士が接触する。好ましくは、ボックスのトルクショルダ面の径方向内端部は、ボックスを有するカップリング又は鋼管の管本体の内周面の端部であってよい。ボックスは、雌ねじよりもボックス開口端側でボックスの外周に設けられるボックス外シール面を備えることができ、このボックス外シール面は、締結状態でピン外シール面に接触する。ボックスは、ボックス外シール面からボックスの先端側（開口端側）に向けて延びる外ノーズ部をさらに備えることができ、この場合、外ノーズ部がボックスの開口端部となる。外ノーズ部の内周面と、これに対向するピン外周面との間には隙間が形成されていてよい。
　上記雄ねじ及び雌ねじは、バットレスねじであってもよく、縦断面形状がダブテイル形状であるとともにねじの螺旋方向に沿って先端側に至るにしたがって徐々にねじ山幅が狭くなる楔形ねじであってもよく、その他適宜のねじであってよい。
　締結状態で、軸方向圧縮荷重無負荷時においては、雄ねじの荷重面と雌ねじの荷重面とが接触する一方、雄ねじの挿入面と雌ねじの挿入面との間には隙間が形成されるよう、雄ねじ及び雌ねじを構成することができる。好ましくは、締結状態で、雄ねじのねじ谷底面と雌ねじのねじ山頂面とが接触する一方、雄ねじのねじ山頂面と雌ねじのねじ谷底面との間には隙間が形成されるよう、雄ねじ及び雌ねじを構成できる。これに代えて、雄ねじのねじ山頂面と雌ねじのねじ谷底面とが接触する一方、雄ねじのねじ谷底面と雌ねじのねじ山頂面との間には隙間が形成されるよう、雄ねじ及び雌ねじを構成してもよい。これによれば、ピンのねじ溝深さ若しくはボックスのねじ溝深さを浅くすることができ、より大きなピン危険断面積若しくはボックス危険断面積を確保できるので、ねじ継手の耐引張荷重性能を最大化できる。
　さらに、所定の軸方向圧縮荷重がねじ継手に作用するとピン及びボックスの弾性変形により雄ねじの挿入面と雌ねじの挿入面とが接触してこれら挿入面間で軸方向圧縮荷重の一部が伝達されるよう、雄ねじ及び雌ねじが構成されていてよい。なお、ピン及びボックスの弾性変形とは、ピン及びボックスの締結構造全体として降伏せずに弾性的に変形すればよく、局所的に、例えばねじ山の底部コーナー部分の表層部などに降伏が生じてもよい。
　所定の軸方向圧縮荷重は、ピン及びボックスの弾性変形により雄ねじ及び雌ねじの挿入面同士が接触し得る荷重であってよいが、設計の指標の一例としては、ピンが設けられる鋼管の管本体の降伏圧縮荷重をＬｙ、ねじ継手の継手効率をＪＥとすると、上記軸方向圧縮荷重Ｌｃ＝Ｌｙ×ＪＥであってよい。ここで、継手効率ＪＥは、長尺パイプの管本体の断面積Ａｐに対する、ピンの危険断面積ＡPCCS及びボックスの危険断面積ＡBCCSのうちいずれか小さい方の比（すなわち、ＡPCCS／Ａｐ、又は、ＡBCCS／Ａｐ）である。この継手効率ＪＥは、７５％以上であることが好ましい。
　図１に示すように、ピンの危険断面積ＡPCCSは、締結状態における雄ねじと雌ねじとの噛み合い範囲の両端のうち、雄ねじの基端側（すなわちピンの管本体側）の噛み合い端におけるねじ谷底位置を包含するピンの横断面の断面積である。ボックスの危険断面積ＡBCCSは、締結状態における雄ねじと雌ねじとの噛み合い範囲の両端のうち、雌ねじの基端側（すなわちボックスの管本体側）の噛み合い端におけるねじ谷底位置を包含するボックスの横断面の断面積である。これらピン及びボックスの危険断面積は、雄ねじ及び雌ねじのねじ山の断面積を除外した部分の断面積であってよい。また、上記Ｌｃよりも小さな軸方向圧縮荷重が作用した時点で、ピン及びボックスの弾性変形により雄ねじ及び雌ねじの挿入面同士が接触開始することが好ましい。
　ピン外シール面及びボックス外シール面は、ボックスに締結されたピンが軸方向圧縮荷重によってボックスに対して僅かに先端側に押し込まれるとボックスシール面を拡径させる形状を有していてよい。例えば、ピン外シール面及びボックス外シール面がいずれもピンの先端側に至るにしたがって徐々に小径となるテーパー形状であってよい。また、ピン外シール面がピンの先端側に至るにしたがって徐々に小径となるテーパー形状であり、ボックス外シール面はピン外シール面に接触する凸曲面形状であってもよい。また、ボックス外シール面がピンの先端側に至るにしたがって徐々に小径となるテーパー形状であり、ピン外シール面がボックス外シール面に接触する凸曲面形状であってもよい。さらに、ピン外シール面及びボックス外シール面がいずれも、ピンがボックスに対して先端側に押し込まれるとボックスシール面を拡径させるような凸曲面形状であってもよい。さらに、ピン外シール面及びボックス外シール面の少なくとも一方が、テーパー面部分と曲面部分とを含む複合面形状であってもよい。
　ボックス及びピンのトルクショルダ面の縦断面における径方向外端部は径方向内端部よりも先端側に位置することが好ましい。これにより、軸方向圧縮荷重負荷時に、ピンのノーズ部が径方向内方に変形することを防止できる。また、ボックス及びピンのトルクショルダ面の径方向外端部と径方向内端部とを通る直線と管軸に直交する平面とのなす角度として定義されるショルダ角が０°以上１０°未満であることが好ましい。このショルダ角は、より好ましくは７．５°以下である。さらに好ましくは、ショルダ角は、４．５°以上５°以下であってよい。
　本実施形態に係るねじ継手によれば、ピン内シール面とピンのトルクショルダ面との間にノーズ部を設けたので、過大な圧縮荷重が負荷されてショルダが変形したとしても、内シール面同士の接触状態に及ぼす影響を小さくすることができ、過大な圧縮荷重負荷時にも内シール性能を維持できる。
　また、ピンの先端部にノーズ部を設け、このノーズ部の先端面によりトルクショルダ面を構成したので、特許文献２に開示されたねじ継手のようにピンが設けられる長尺パイプの管本体（以下「ピン管本体」という。）の肉厚内にボックスの開口端部を収める必要がなく、ボックスの開口端部の外径をピン管本体の外径よりも若干大きくすることで、外シール面近傍のボックス肉厚、並びに、内シール面近傍のピン肉厚を確保しつつ、雄ねじ及び雌ねじを構成するテーパーねじを設けるための径方向幅を比較的大きく確保できる。さらに、内シール面近傍のピン肉厚確保のためにピン先端部の内周面の径をボックスが設けられる長尺パイプ又はカップリングの管本体（以下「ボックス管本体」という。）の内周面の径よりも小さくする必要がなく、ピン先端部の内周面とボックス管本体の内周面との間に大きな段差が生じないようにこれらの径を等しくすることができる。
　また、締結状態で、軸方向圧縮荷重無負荷時においては雄ねじの挿入面と雌ねじの挿入面との間に隙間が形成されるので、メークアップ中に雄ねじと雌ねじとの間で焼き付きが生じ難い。
　さらに、所定の軸方向圧縮荷重負荷時には、圧縮荷重の一部がボックスの雌ねじの挿入面によって負担されるので、ピンのトルクショルダ面が設けられたノーズ部の断面積が比較的小さくても、必要な耐圧縮荷重性能を得ることができる。
　また、雌ねじの挿入面に圧縮荷重の一部が作用するとボックス外シール面の近傍が縮径するようボックスを変形させる内部応力が生じることとなる。しかし、ピン及びボックスのトルクショルダ面のショルダ角を０°以上１０°未満の範囲の所定角度とすることにより、トルクショルダ面に沿って径方向外方にノーズ部が拡径変形することが抑制される。ノーズ部の変形が抑制されることにより、圧縮荷重によるボックスに対するピンの軸方向移動量も抑制され、ピン外シール面によるボックス外シール面の強制的な拡径量が抑制される。これにより、圧縮荷重負荷時にボックスに比較的大きなダメージが蓄積されることを防止し、その後軸方向引張荷重が負荷される状態となった場合でも外シール性能を維持できる。
　また、ねじ継手においては一般的に、焼き付きを防止するなどのために、ピン及びボックスのいずれか一方又は両方のねじ部やシール面の表面に、化成処理やめっきなどの表面処理を施すことが多い。インテグラル型のねじ継手の場合、長尺パイプの端部に設けたピンやカップリングに対して表面処理を施す必要があり、大掛かりな設備が必要になる。また、インテグラル型ねじ継手においては一般的に、ボックスを切削加工により形成する前に、金属製長尺パイプの冷間加工により管端から軸方向所定範囲にわたって拡径加工を施すことが多いが、これに大掛かりな設備が必要となるばかりでなく、加工工程も増加するため、ボックスの加工コストの上昇を招く。
　一方、本開示によるねじ継手をカップリング型のスリム型ねじ継手として構成した場合は、カップリングは短尺であるため容易に表面処理を施すことができる。さらに、予め所定の外径及び内径のカップリング素管(raw tube)を製造しておくことで、素管の拡径加工を省略できる。また、カップリングの管本体の内径を長尺パイプの内径よりも若干小さくすることでトルクショルダ面の径方向幅を確保し易いという利点がある。
　〔油井管用ねじ継手の構成〕
　図１を参照して、本実施の形態に係る油井管用ねじ継手１は、カップリング型のねじ継手であって、管状のピン２を有する長尺の油井管Ｐと、管状のボックス３を有する短尺のカップリングＣとから構成される。油井管Ｐ及びカップリングＣはいずれも鋼製であってよい。カップリングＣは、その軸方向両端部にそれぞれボックス３が設けられ、カップリングＣを介して一対の油井管Ｐが連結される。
　ピン２は、油井管Ｐの管本体Ｐbodyの端部から軸方向に沿ってピン２の先端側（図１において右側）に延びている。ピン２の外周には、図２～図４にも詳細に示されるように、管本体Ｐbody側から先端側に向けて順に、ピン外シール面２１、先端側に至るにしたがって徐々に小径となるテーパーねじからなる雄ねじ２２、ピン内シール面２３及びノーズ部２４が設けられている。ノーズ部２４の先端面はトルクショルダ面２５として機能する。
　図示実施形態のねじ継手１では、図２に示すように、ピン外シール面２１は先端側に至るにしたがって徐々に小径となるテーパー面により構成されている。ピン外シール面２１のテーパーの傾き度合いは１／４である。雄ねじ２２は、図３に示すように、縦断面形状が台形のねじ山を有するねじにより構成されており、その荷重面２２Ｌは負のフランク角を有し、ねじ山頂面及びねじ谷底面は縦断面において先端側に至るにしたがって徐々に小径となる傾斜状に形成されている。雄ねじ２２の先端部は図４に示すように不完全ねじ２２Ａとして形成されている。ピン内シール面２３は先端側に至るにしたがって徐々に小径となるテーパー面により構成されている。ノーズ部２４は、ピン内シール面２３に滑らかに連続する外周面を有する。また、図１に示すように、ピン２の先端部から雄ねじ２２が設けられている領域の途中までの領域でピン２には縮径加工が施されており、これによりピン内シール面２３が設けられている部位の内周面、並びに、ノーズ部２４の内周面は、ピン管本体Ｐbodyの内周面よりも僅かに小径である。
　ボックス３は、カップリングＣの管本体Ｃbodyの端部から軸方向に沿ってボックス３の先端側（図１において左側）に延びている。本明細書において、ボックス３の先端側を、開口端側とも言うことがある。ボックス３の外周には、ボックスの先端側からカップリングＣの管本体Ｃbody側に向けて順に、外ノーズ部３０、ピン外シール面２１に対応するボックス外シール面３１、雄ねじ２２に対応する雌ねじ３２、ピン内シール面２３に対応するボックス内シール面３３、ノーズ部２４に対応するねじ無し部３４、及び、ピン２のトルクショルダ面２５に対応するトルクショルダ面３５が設けられている。
　外ノーズ部３０はボックス外シール面３１からボックス３の先端側に向けて延びる部位であり、外ノーズ部３０がボックス３の開口端部となる。外ノーズ部３０の内周面と、これに対向するピン外周面との間には隙間が形成されている。
　ボックス外シール面３１は径方向内方に突出する凸曲面により構成されている。
　雌ねじ３２は、雄ねじに適合するテーパーねじからなる。図示実施例の雄ねじ２２及び雌ねじの荷重面のフランク角は－５°、挿入面のフランク角は１５°である。荷重面の負のフランク角は、荷重面においてねじ山頂部がねじ山基部に対してオーバーハングしていることを意味する。図示実施形態において、図３に示す締結状態で、雄ねじ２２の荷重面と雌ねじ３２の荷重面とが接触するが、雄ねじ２２の挿入面と雌ねじ３２の挿入面との間には微小隙間Ｓ１が形成されている。この隙間Ｓ１の軸方向寸法は、例えば０．１ｍｍ程度であってよい。この隙間Ｓ１は、上記軸方向圧縮荷重Ｌｃが締結状態のピン２及びボックス３に作用するとピン２がボックス３に対して押し込まれて、図３に仮想線で示すように雄ねじ２２及び雌ねじ３２の挿入面同士が接触するような大きさとすることができる。また、締結状態で、雄ねじ２２のねじ谷底面と雌ねじ３２のねじ山頂面とが接触するが、雄ねじ２２のねじ山頂面と雌ねじ３２のねじ谷底面との間には隙間Ｓ２が形成される。
　ボックス内シール面３３は、図４に示すように、径方向内方に突出する凸曲面により構成されている。
　ねじ無し部３４及びトルクショルダ面３５は、ピン２のノーズ部２４を保持する凹部をボックス２の内周に形成する。ねじ無し部３４の内周面はボックス内シール面３３に滑らかに連続する円筒面であり、ねじ無し部３４の内周面とノーズ部２４との間には隙間が形成されている。
　トルクショルダ面３５は、ピン２のトルクショルダ面２５に対して軸方向に対向する。これらトルクショルダ面２５，３５は、ほぼ平坦なリング状の面により構成することが好ましい。すなわち、トルクショルダ面２５，３５の縦断面形状は、管軸に対してほぼ直交する単一の直線形状とすることが好ましい。さらに、ピン２及びボックス３のトルクショルダ面２５，３５のショルダ角θを等しくすることにより、締結作業時に局所的に接触圧が過大となって焼き付きが発生することを防止できる。
　トルクショルダ面２５，３５の径方向外端部は径方向内端部よりもピン２の先端側にわずかに突出している。トルクショルダ面２５，３５の径方向外端部と径方向内端部とを通る直線と、管軸に直交する平面とのなす角度として定義されるショルダ角θは、図示実施形態においては５°である。
　本開示は、カップリング型のみならず、インテグラル型のねじ継手にも適用できる。また、各ねじは、台形ねじ、ＡＰＩラウンドねじ、ＡＰＩバットレスねじ、若しくは、楔型ねじなどであってよい。また、ピン及びボックスの各トルクショルダ面は、管軸に直交する平面に対する角度の異なる２以上の面によりそれぞれ構成することもできる。その他、本開示は上記の実施の形態に限定されず、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
　本実施の形態に係る油井管用ねじ継手の効果を確認するため、弾塑性有限要素法による数値解析シミュレーションを実施した。
　＜試験条件＞
　図１～図４に示すカップリング型の油井管用ねじ継手について、トルクショルダ面２５，３５のショルダ角θのみを変更した複数の供試体（解析モデル）を作成し、各供試体毎に弾塑性有限要素法解析を実施して、外シール面２１，３１間の外シール性能差を比較した。各供試体のショルダ角θは、０．０°、１．０°、２．５°、４．０°、４．５°、５．０°、５．５°、６．０°、７．５°、１０°、１５°、２０°とした。
　すべての供試体に共通の試験条件を以下に示す。
＜油井管の寸法＞
　油井管の管本体の外径：３５５．６ｍｍ、管本体の肉厚：２０．６２ｍｍ
＜油井管のグレード＞
　ＡＰＩ規格の油井管材料Ｑ１２５（公称降伏応力が１２５ｋｓｉの低合金鋼）
　なお、有限要素解析においては、材料を等方硬化の弾塑性体とし、弾性係数が２１０ＧＰａ、０．２％耐力として降伏強度が１２５ｋｓｉ（８６１．９ＭＰａ）になるように、各供試体をモデル化したものを使用した。
＜ねじのプロファイル＞
　ねじピッチ：６．３５ｍｍ、荷重面のフランク角：－５°、挿入面のフランク角：１５°、挿入面間隙間Ｓ１：０．０９ｍｍ、ねじテーパー：１／６
＜カップリングのプロファイル＞
　外径：３６５．３ｍｍ（油井管の管本体の外径の１０２．７％）
＜継手効率＞
　継手効率ＪＥ＝ＡBCCS／ＡP＝７９．３％
　＜評価方法＞
　まず各供試体に対して締結をシミュレートした解析を実行した後、ＩＳＯ１３６７９：２０１１で規定されるＳｅｒｉｅｓ　Ａ試験を模擬した繰り返し複合荷重を負荷し、繰り返し複合荷重の各荷重条件における外シール面２１，３１同士の周方向単位長さあたりの接触力をそのときの外圧で除した評価値を算出し、これら評価値のうちの最小値を各供試体毎に抽出して、最小評価値をシール性能評価指標として用いて比較・評価した。この最小評価値が大きいほど外圧シール性能が優れていることを意味する。
＜評価結果＞
　図５に示すグラフから明らかなように、ショルダ角が１０°以上の供試体においては最小評価値が６．０未満に低下したが、ショルダ角が１０°未満の供試体の最小評価値はいずれも６．５を超えており、良好な結果が得られた。特に、ショルダ角が４．５°の供試体、及び、５．０°の供試体においては最小評価値が８．０を超える極めて良好な結果が得られた。したがって、本実施形態に係るカップリング型のスリム型ねじ継手におけるショルダ角の最適範囲は４．５°以上５．０°以下であることが確認された。
　ショルダ角が１０°未満の場合に良好な結果が得られた理由は、上述したように、単純圧縮不可時にボックス外シール面に対するピン外シール面の押し込み量が小さくなるとともに、ボックスの開口端部を径方向内方に縮径変形させる内部応力が小さくなることで、ボックス外シール面近傍に蓄積されるダメージが軽減するためである。
　なお、ショルダ角が４．５°～５°で外圧シール性能が最大となるのは、４．５°未満の場合には、圧縮荷重によってボックスショルダの径方向内端側が開くように変形して、ピンのノーズ部を支えきれなくなることが原因であると考えられる。
　１：ねじ継手
　Ｐ：パイプ、Ｐbody：管本体、２：ピン
　２１：ピン外シール面、２２：雄ねじ、２３：ピン内シール面
　２４：ノーズ部、２５：トルクショルダ面
　Ｃ：カップリング、Ｃbody：管本体、３：ボックス
　３１：ボックス外シール面、３２：雌ねじ、３３：ボックス内シール面
　３４：ねじ無し部、３５：トルクショルダ面
 

Claims (5)

  1. 　管状のピンと、管状のボックスとから構成され、前記ピンが前記ボックスにねじ込まれて前記ピンと前記ボックスとが締結されるねじ継手であって、
    　前記ピンは、前記ピンの外周に設けられ且つ先端側に至るにしたがって徐々に小径となるテーパーねじからなる雄ねじと、前記雄ねじよりも先端側で前記ピンの外周に設けられるピン内シール面と、前記ピン内シール面よりも先端側に設けられ且つ前記ピン内シール面に滑らかに連続する外周面を有するノーズ部と、前記ノーズ部の先端面により構成されるトルクショルダ面と、前記雄ねじよりも基端側で前記ピンの外周に設けられるピン外シール面とを備え、
    　前記ボックスは、前記ボックスの内周に設けられ且つ締結状態で前記雄ねじと噛み合う雌ねじと、前記ボックスの内周に設けられ且つ締結状態で前記ピン内シール面に接触するボックス内シール面と、締結状態で前記ノーズ部の外周面に対して隙間を有して径方向に対向する内周面を有するねじ無し部と、前記ピンのトルクショルダ面に対して軸方向に対向するとともに締結状態で前記ピンのトルクショルダ面に接触するトルクショルダ面と、前記ボックスの外周に設けられ且つ締結状態で前記ピン外シール面に接触するボックス外シール面とを備え、
    　締結状態で、軸方向圧縮荷重無負荷時においては前記雄ねじの挿入面と前記雌ねじの挿入面との間に隙間が形成されるとともに、所定の軸方向圧縮荷重が前記ねじ継手に作用すると前記ピン及び前記ボックスの弾性変形により前記雄ねじの挿入面と前記雌ねじの挿入面とが接触してこれら挿入面間で軸方向圧縮荷重の一部が伝達されるよう、前記雄ねじ及び前記雌ねじが構成されており、
    　前記ピン外シール面及び前記ボックス外シール面は、前記ボックスに締結された前記ピンが軸方向圧縮荷重によって前記ボックスに対して先端側に押し込まれると前記ボックス外シール面を拡径させる形状を有しており、
    　前記ボックスのトルクショルダ面の縦断面における径方向外端部と径方向内端部とを通る直線と管軸に直交する平面とのなす角度として定義されるショルダ角が０°以上１０°未満（但し、径方向外端部が径方向内端部よりも先端側に位置する場合を正の角度とする。）である、
    　ねじ継手。
  2. 　請求項１に記載のねじ継手において、前記ショルダ角が７．５°以下である、ねじ継手。
  3. 　請求項１に記載のねじ継手において、前記ショルダ角が４．５°以上５°以下である、ねじ継手。
  4. 　請求項１，２又は３に記載のねじ継手において、前記ボックスは、前記雌ねじの挿入面に作用する荷重によって前記ボックス外シール面の近傍が縮径するよう前記ボックスを変形させる内部応力が生じる構造を有する、ねじ継手。
  5. 　請求項１～４のいずれか１項に記載のねじ継手において、
    　管本体と該管本体の端部に設けられた前記ピンとを含むパイプと、前記パイプを他のパイプに接続するための管状のカップリングとを備え、該カップリングは、管本体と、該管本体の端部に設けられた前記ボックスとを含み、
    　前記カップリングの管本体及びボックスの外径は、前記パイプの管本体の外径の１００％以上１０５％以下であり、前記カップリングの管本体の内径は、前記パイプの管本体の内径の９０％以上１００％未満である、ねじ継手。
     
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