特許 7184169 管用ねじ継手

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-28

(45)【発行日】2022-12-06

(54)【発明の名称】管用ねじ継手

(51)【国際特許分類】

   F16L 15/06 20060101AFI20221129BHJP

   E21B 17/042 20060101ALI20221129BHJP

【ＦＩ】

F16L15/06

E21B17/042

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021513477

(86)(22)【出願日】2020-09-11

(86)【国際出願番号】 JP2020034513

(87)【国際公開番号】W WO2021131177

(87)【国際公開日】2021-07-01

【審査請求日】2021-03-10

(31)【優先権主張番号】P 2019236848

(32)【優先日】2019-12-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000001258

【氏名又は名称】ＪＦＥスチール株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100165696

【弁理士】

【氏名又は名称】川原 敬祐

(74)【代理人】

【識別番号】100195785

【弁理士】

【氏名又は名称】市枝 信之

(72)【発明者】

【氏名】高野 順

(72)【発明者】

【氏名】川井 孝将

(72)【発明者】

【氏名】長濱 拓也

(72)【発明者】

【氏名】後藤 城吾

(72)【発明者】

【氏名】吉川 正樹

(72)【発明者】

【氏名】米山 毅

【審査官】伊藤 紀史

(56)【参考文献】

【文献】中国特許出願公開第１０３３６２４５９（ＣＮ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／１１１１１７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許第０６０３０００４（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０２７１４１８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１５／１８２１２８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／０３７７８１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】中国実用新案第２０２００７９３７（ＣＮ，Ｕ）

【文献】特開２０１７－１２５６１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３２１８２６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平０６－２８１０５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０７２１８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／０３９７５０（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｌ １５／０６

Ｅ２１Ｂ １７／０４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の管の一端に雄のテーパねじである雄ねじ部が設けられたピンと、
第２の管の一端に前記雄ねじ部と螺合する雌のテーパねじである雌ねじ部が設けられたボックスとを備え、
前記雌ねじ部は、複数のねじ溝を有し、
前記複数のねじ溝のそれぞれは、ねじ底側に、ロードフランク側コーナー部およびスタビングフランク側コーナー部を有する管用ねじ継手であって、
前記複数のねじ溝のフランク角度は、フランク面が、前記ボックスの管軸に垂直な直線を基準として、ねじ山側に傾斜している場合を正、ねじ山と反対側へ傾斜している場合を負と定義したとき、スタビングフランク角度が、前記管軸に垂直な直線に対し＋５～＋４０°であり、かつ、ロードフランク角度が、前記管軸に垂直な直線に対し－１０～０°であり、
前記複数のねじ溝のうち前記ボックスの端部から最も遠いねじ溝として定義される第１ねじ溝のロードフランク側コーナー部が、ロードフランクと直接接続され、第１の曲率半径を有する第１円弧部と、前記第１円弧部と直接または間接的に接続され、第２の曲率半径を有する第２円弧部とを備え、
前記管軸と平行な直線ａと、前記第１円弧部のロードフランクとは反対側の終端における半径ｒとのなす角として定義される前記第１円弧部の角度θが、５０°～７０°であり、
前記第１の曲率半径に対する前記第２の曲率半径の比である曲率半径比が３以上である、管用ねじ継手。

【請求項2】

前記第２円弧部が、前記第１円弧部に直接接続されている、請求項１に記載の管用ねじ継手。

【請求項3】

前記第２円弧部が、直線部を介して前記第１円弧部に接続されている、請求項１に記載の管用ねじ継手。

【請求項4】

前記第１ねじ溝のロードフランク側コーナー部が、さらに、前記第２円弧部と直接または間接的に接続された第３円弧部を備える、請求項１～３のいずれか一項に記載の管用ねじ継手。

【請求項5】

前記第１ねじ溝が、前記雌ねじ部のテーパと平行なねじ底直線部を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載の管用ねじ継手。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、管用ねじ継手（Threaded joint for pipes）に関する。

【背景技術】

【0002】

管用ねじ継手は、油井管（oil country tubular goods、OCTG）など産油産業施設に使用される鋼管の接続に広く使用されている。

【0003】

図１は、一般的な管用ねじ継手の構造の一例を示す模式図である。管用ねじ継手１００は、第１の管の一端に雄のテーパねじである雄ねじ部１１１が設けられたピン１１０と、第２の管の一端に前記雄ねじ部と螺合する雌のテーパねじである雌ねじ部１２１が設けられたボックス１２０とを備えている。

【0004】

ピン１１０の先端、すなわち雄ねじ部１１１よりも先端側には、ねじが存在しない部分である非ねじ部１１２が設けられている。そして、非ねじ部１１２は、シール部１１３と、管軸に対して垂直に近いショルダー部１１４を備えている。一方、ボックス１２０には、雌ねじ部１２１よりも管軸方向における中心側、すなわち端部と反対側に非ねじ部１２２が設けられている。そして、非ねじ部１２２も、シール部１２３と、管軸に対して垂直に近いショルダー部１２４を備えている。ピン１１０とボックス１２０とを締付けた際には、図１に示すようにピン１１０の非ねじ部１１２とボックス１２０の非ねじ部１２２とが当接し、金属－金属接触によるシールが形成される。

【0005】

図２は、一般的な管用ねじ継手における、ボックス１２０に形成された雌ねじ部１２１の、ねじ溝２００の形状を示す模式図である。図２では上側がねじ底側であり、ねじ溝２００は、雌ねじのテーパと平行なねじ底直線部２１０を有する略台形状である。また、ねじ溝２００は、図２の左側、すなわちピン１００の挿入方向において後方側に、直線状のロードフランク（load flank）２２０を備えている。同様に、ねじ溝２００は、図２の右側、すなわちピン１００の挿入方向において前方側に、直線状のスタビングフランク（stabbing flank）２３０を備えている。そして、ねじ溝２００は、ねじ底側に、ロードフランク側コーナー部２４０とスタビングフランク側コーナー部２５０を備えており、ロードフランク側コーナー部２４０とスタビングフランク側コーナー部２５０は、それぞれ１つの円弧で構成されている。

【0006】

このような管用ねじ継手には、耐引張性、耐圧縮性、耐曲げ性、シール性など、様々な性能が要求される。とくに近年では、原油や天然ガス掘削用の井戸の深井戸化が進んでいることに加えて、従来一般的であった垂直井のみならず、水平井や傾斜井も増加しており、掘削・生産環境は苛酷化している。したがって、管用ねじ継手には、そのような過酷な環境においても破断しないことが求められる。

【0007】

ここで、ねじ継手の破断は、ボックスのねじ溝に発生したき裂を起点として発生する。特に、ねじ継手に引張荷重が負荷された際の応力は、ボックスの端部から最も遠いねじ溝として定義される第１ねじ溝のロードフランク側コーナー部に集中するため、ねじ継手の破断を防止するためには、第１ねじ溝におけるき裂の発生を抑制する必要がある。

【0008】

そこで、特許文献１では、管用ねじ継手の破断を防止するために、継手効率（tensile efficiency、ＴＥ）、ボックスの雌ねじ高さｔ、および第１ねじ溝のロードフランク側コーナー部を構成する円弧の曲率半径ρを、特定の数式で規定される関係を満たすように制御することが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【文献】国際公開第２０１５／１１１１１７号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

しかし、特許文献１で提案されているような従来技術には、以下の問題があった。

【0011】

特許文献１で使用されているパラメータの１つである継手効率ＴＥは、ピンの素管部（raw pipe portion）の断面積に対するボックスの第１ねじ位置における断面積の比として定義される値である。継手効率が高いほど、継手の限界引張性能が高いことを意味する。したがって、ボックスの外径を大きくして継手効率を高くすれば、継手の限界引張性能を高めることができる。なお、ここで素管部とは、管の、ねじが設けられていない部分を指す。

【0012】

しかし、油井掘削のコストダウンの観点からは、井戸開発時の採掘量を低減することが求められており、そのためにはボックスの外径を小さくすることが必要である。したがって、破断防止とコストダウンの両者の要求を満たすためには、継手効率を増加させることなく破断を防止する必要がある。

【0013】

それに対して、特許文献１では、継手効率ＴＥ、ボックスの雌ねじ高さｔ、および第１ねじ溝のロードフランク側コーナー部を構成する円弧の曲率半径ρを、次の式の関係を満たすように制御している。
ＴＥ（％）≧２．２５×ｔ／ρ＋９９．９

【0014】

上記の式から分かるように、曲率半径ρを大きくすれば継手効率ＴＥを小さくできる。しかし、実際には曲率半径ρを大きくするためにはボックスの雌ねじ高さｔを大きくする必要があり、そのためにはボックスの外径を大きくせざるを得ない。また、雌ねじ高さｔを大きくすると、ねじを切削するために必要な時間が増加するため、ねじ継手の生産性も低下する。

【0015】

加えて、曲率半径ρを大きくすると、ロードフランク側コーナー部の円弧とスタビングフランク側コーナー部の円弧が干渉するため、ρをあまり大きくすることはできない。特に、小径サイズのパイプには、ねじ幅の小さいねじ形状を適用するのが一般的であるため、ρを大きくすることは難しく、したがって、破断防止のためには継手効率を大きくせざるを得ない。

【0016】

このように、従来の技術では、破断防止とコストダウンという相反する課題を両立させることができなかった。

【0017】

本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、ボックス外径を増加させることなく、引張負荷の作用時におけるボックスの破断を防止することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0018】

本発明者らは、上記課題を解決するために、有限要素解析（ＦＥＡ）を行ってボックスに設けられるねじ溝の軸方向断面形状の影響を検討した。その結果、従来は単一の円弧で構成されていたねじ底のロードフランク側コーナー部に、さらに前記円弧よりも大きい曲率半径を有する円弧を設けることにより、コーナー部への応力集中を緩和し、応力をねじ底全体に分散できることを見出した。以下、図３、４を参照して、解析結果の一例について説明する。

【0019】

図３は、ＦＥＡで求めた、従来のねじ溝形状における第１ねじ溝近傍での塑性歪み（plastic strain）の分布を示すコンター図である。図の上側に位置する部材がボックス、下側に位置する部材がピンであり、図に示されている２つのねじ溝のうち、右側のねじ溝が第１ねじ溝である。ボックスに設けられた各ねじ溝は、雌ねじのテーパと平行なねじ底直線部を備える台形ねじである。前記ねじ溝の側面はスタビングフランク面（図中右側）とロードフランク面（図中左側）から構成されており、管軸方向に引張荷重が作用した場合にはロードフランク面に荷重がかかる。ねじ溝は、ねじ底側に、ロードフランク側コーナー部とスタビングフランク側コーナー部を備えており、ロードフランク側コーナー部とスタビングフランク側コーナー部は、それぞれ１つの円弧で構成されている。

【0020】

図３から分かるように、従来のねじ溝形状では、第１ねじ溝のコーナー部に塑性歪みが集中しており、中でもロードフランク側コーナー部において塑性歪みが最大となっている。

【0021】

一方、図４は、図３に示したねじ溝のロードフランク側コーナー部に、さらにもう一つの円弧を設けた場合の塑性歪み分布を示すコンター図である。追加された２つめの円弧の曲率半径は、１つめの円弧の曲率半径の１１．５倍とした。なお、図４に示したねじ溝形状は、後述する本発明の第１の実施形態におけるねじ溝形状に相当する。

【0022】

図４に示した結果では、図３の場合と異なり、ねじ底のコーナー部への塑性歪みの集中が緩和され、塑性歪みがねじ溝の底部全体に分散していることが分かる。

【0023】

このように、従来は単一の円弧で構成されていたねじ底のロードフランク側コーナー部に、さらに前記円弧よりも大きい曲率半径を有する円弧を設けることにより、コーナー部への応力集中を緩和し、応力をねじ底全体に分散できる。そして、その結果、塑性変形によるき裂の発生と、前記き裂を起点とするボックスの破断を防止することができる。なお、図３、４においては応力分布ではなく塑性歪みの分布を示した。これは、一定以上の応力がかかる部位においては、塑性変形が起こることによって応力が緩和され、見かけ上、応力が低くなるためである。実際上のき裂発生のリスクを評価するためには、応力自体よりも塑性歪みを用いる方が適切である。

【0024】

なお、上記ＦＥＡは、上述した構造を有するねじ継手において、まず、ねじ締め付けを模擬した解析を実施し、その後、さらにＩＳＯ １３６７９：２００２のＴｅｓｔ Ｓｅｒｉｅｓ Ａに準拠した引張／圧縮と内圧／外圧の複合荷重を付与する条件で行った。

【0025】

本発明は前記知見に基づいてなされたものであり、その要旨構成は以下のとおりである。

【0026】

１．第１の管の一端に雄のテーパねじである雄ねじ部が設けられたピンと、
第２の管の一端に前記雄ねじ部と螺合する雌のテーパねじである雌ねじ部が設けられたボックスとを備え、
前記雌ねじ部は、複数のねじ溝を有し、
前記複数のねじ溝のそれぞれは、ねじ底側に、ロードフランク側コーナー部およびスタビングフランク側コーナー部を有する管用ねじ継手であって、
前記複数のねじ溝のうち前記ボックスの端部から最も遠いねじ溝として定義される第１ねじ溝のロードフランク側コーナー部が、ロードフランクと直接接続され、第１の曲率半径を有する第１円弧部と、前記第１円弧部と直接または間接的に接続され、第２の曲率半径を有する第２円弧部とを備え、
前記第１の曲率半径に対する前記第２の曲率半径の比である曲率半径比が３以上である、管用ねじ継手。

【0027】

２．前記第２円弧部が、前記第１円弧部に直接接続されている、上記１に記載の管用ねじ継手。

【0028】

３．前記第２円弧部が、直線部を介して前記第１円弧部に接続されている、上記１に記載の管用ねじ継手。

【0029】

４．前記第１ねじ溝のロードフランク側コーナー部が、さらに、前記第２円弧部と直接または間接的に接続された第３円弧部を備える、上記１～３のいずれか一項に記載の管用ねじ継手。

【0030】

５．前記第１ねじ溝が、前記雌ねじ部のテーパと平行なねじ底直線部を有する、上記１～４のいずれか一項に記載の管用ねじ継手。

【発明の効果】

【0031】

本発明によれば、ボックス外径を増加させることなく、引張負荷の作用時におけるボックスの破断を防止することが出来る。本発明の管用ねじ継手は、石油やガスの探査、生産に使用される油井管、石油やガスの輸送に用いられるラインパイプなどの接続に好適に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】一般的な管用ねじ継手の構造の一例を示す模式図である。

【図2】一般的な管用ねじ継手における、ボックスに形成された雌ねじ部の、ねじ溝の形状を示す模式図である。

【図3】ＦＥＡで求めた、従来のねじ溝形状における第１ねじ溝近傍における塑性歪み分布を示すコンター図である。

【図4】ＦＥＡで求めた、本発明の一実施形態におけるねじ溝形状における第１ねじ溝近傍における塑性歪み分布を示すコンター図である。

【図5】カップリングタイプのねじ継手の構造の一例を示す断面模式図である。

【図6】インテグラルタイプのねじ継手の構造の一例を示す断面模式図である。

【図7】第１の実施形態における第１ねじ溝の形状を示す模式図である。

【図8】第２の実施形態における第１ねじ溝の形状を示す模式図である。

【図9】第３の実施形態における第１ねじ溝の形状を示す模式図である。

【図10】第４の実施形態における第１ねじ溝の形状を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0033】

以下、本発明を実施する方法について具体的に説明する。なお、以下の説明は、本発明の好適な実施形態の例を示すものであって、本発明はこれに限定されない。以下の説明において「ロードフランク」および「スタビングフランク」との用語は、本技術分野における通常の意味で用いられる。すなわち「ロードフランク」は管軸方向の引張力に対し負荷のかかる側の直線状のフランクを指し、「スタビングフランク」は、ロードフランクと反対側の直線状のフランクを指す。また、本明細書において、ねじ溝の形状は、ねじ溝を形成した時点、すなわち前記ピンとボックスとを締付ける前の時点における形状を指すものと定義する。

【0034】

本発明の一実施形態における管用ねじ継手（以下、単に「ねじ継手」ともいう）は、第１の管の一端に雄のテーパねじである雄ねじ部が設けられたピンと、第２の管の一端に前記雄ねじ部と螺合する雌のテーパねじである雌ねじ部が設けられたボックスとを備えている。前記ボックスの雌ねじ部は、複数のねじ溝を有しており、前記複数のねじ溝のうち前記ボックスの端部から最も遠いねじ溝を「第１ねじ溝」と定義する。ただし、第１ねじ溝を決定する際には、ねじ溝のうちピン側のねじ山と実質的にかみ合うねじ溝のみをねじ溝として考慮する。

【0035】

前記複数のねじ溝のそれぞれは、ねじ底側に、ロードフランク側コーナー部およびスタビングフランク側コーナー部を有している。そして、第１ねじ溝のロードフランク側コーナー部は、少なくとも２つの円弧部を備えている。

【0036】

［曲率半径比］
第１ねじ溝のロードフランク側コーナー部に設けられた２つの円弧部の内、一方は、ロードフランクと直接接続され、第１の曲率半径を有する第１円弧部であり、他方は、前記第１円弧部と直接または間接的に接続され、第２の曲率半径を有する第２円弧部である。本発明では、前記第１の曲率半径に対する前記第２の曲率半径の比である曲率半径比を３以上とすることが重要である。

【0037】

上記条件を満たす第２円弧部を設けることにより、ロードフランク側コーナー部への応力集中を緩和し、応力をねじ底全体に分散できる。そしてその結果として、ボックスの破断を防止することができる。これに対して、従来のねじ継手ではロードフランク側コーナー部を単一の円弧で構成していたため、先に述べたように破断を防止するためにはボックスの外径を増加させる必要があった。

【0038】

なお、上述したように、応力の集中は主に第１ねじ溝のコーナー部において生じるため、第１ねじ溝が上記構造を有していれば、他のねじ溝の形状にかかわらず上記効果を得ることができる。したがって、本発明において、第１ねじ溝以外のねじ溝の構造は特に限定されない。しかし、製造の容易さの観点からは、ボックスのすべてのねじ溝が上記条件を満たすことが好ましい。言い換えると、ボックスのすべてのねじ溝のロードフランク側コーナー部が、ロードフランクと直接接続され、第１の曲率半径を有する第１円弧部と、前記第１円弧部と直接または間接的に接続され、第２の曲率半径を有する第２円弧部とを備え、前記第１の曲率半径に対する前記第２の曲率半径の比である曲率半径比が３以上であることが好ましい。

【0039】

なお、上記曲率半径比の上限は限定されない。しかし、曲率半径比が１５を超えると、応力緩和効果が飽和する。そのため、曲率半径比は１５以下であってよい。また、第１円弧部と第２円弧部とは、その接続部において共通の接線を有するよう滑らかに接続されていることが好ましい。ロードフランク側コーナー部を構成する各円弧部および直線部は、隣接する円弧部または直線部と、その接続部において共通の接線を有するよう滑らかに接続されていることがより好ましい。

【0040】

（曲率半径）
第１円弧部および第２円弧部それぞれの曲率半径は特に限定されず、任意の値とすることができる。第１円弧部の曲率半径は、例えば、０．００８～０．０２５インチとすることができる。一方、第２円弧部の曲率半径は、例えば、０．０３０～０．２００インチとすることができる。

【0041】

（角度θ）
第１円弧部の角度θは特に限定されない。しかし、第１円弧部の角度θが５０°以上であれば、第２円弧部を過度に大きくする必要がないため、ねじ溝のサイズを大きくする必要性をさらに低減できる。そのため、第１円弧部の角度θは、５０°以上とすることが好ましい。一方、第１円弧部の角度θが７５°以下であれば、応力が集中しやすい位置にまで第１円弧部が延在することを回避できるため、応力分散効果をさらに高めることができる。そのため、第１円弧部の角度θは７５°以下とすることが好ましい。なお、ここで「第１円弧部の角度θ」とは、管軸と平行な直線ａと、第１円弧部のロードフランクとは反対側の終端における半径ｒとのなす角と定義する（図７～１０参照）。

【0042】

なお、前記複数のねじ溝のフランク角度は、とくに限定されず、任意の角度とすることができる。例えば、スタビングフランク角度は、管軸に垂直な直線に対し＋５～＋４０度とすることが好ましい。ロードフランク角度は、管軸に垂直な直線に対し－１０～０度とすることが好ましい。ここで、フランク角度は、フランク面が、管軸に垂直な直線を基準として、ねじ山側に傾斜している場合を正、ねじ山と反対側へ傾斜している場合を負と定義する。

【0043】

また、ねじ溝の深さについてもとくに限定されないが、０．０３～０．１０インチであることが好ましい。１インチ当たりのねじ山の数は、４～１０とすることが好ましい。したがって、ねじ山間の距離として定義されるねじピッチは０．１～０．２５インチとすることが好ましい。ねじ高さ中央におけるねじ山の幅として定義されるねじ幅は、ねじピッチの０．４～０．６倍であることが好ましい。

【0044】

（非ねじ部）
ピンは、最も先端、すなわち雄ねじ部よりも先端側に、ねじが存在しない部分（以下、非ねじ部という）を備えることが好ましい。また、ボックスは、雌ねじ部よりも管軸方向における中心側、すなわち端部と反対側に非ねじ部を備えることが好ましい。ピンとボックスとを締付けた際には、ピンの非ねじ部とボックスの非ねじ部とが当接し、金属－金属接触によるシールが形成される。

【0045】

［継手のタイプ］
本発明のねじ継手は、前記条件を満たすものであれば、任意の構造であってよい。例えば、本願発明のねじ継手は、カップリングタイプのねじ継手およびインテグラルタイプのねじ継手のいずれかであってよい。

【0046】

図５は、本願発明の一実施形態における、カップリングタイプの管用ねじ継手１の構造を示す模式図である。カップリングタイプの管用ねじ継手は、ボックスとしてのカップリングを使用して、２本の管を接続するねじ継手であり、Thread and Coupling（Ｔ＆Ｃ）タイプとも呼ばれる。

【0047】

カップリングタイプの管用ねじ継手１は、ピン１０とボックス（カップリング）２０を備えている。ピン１０は、管の端部に雄のテーパねじである雄ねじ部１１が設けられた構造を有しており、ボックス２０は、ピン１０の雄ねじ部１１と螺合する雌のテーパねじである雌ねじ部２１が管の両端に設けられた構造を有している。

【0048】

ピン１０は、図５に示したように、最も先端、すなわち雄ねじ部１１よりも先端側に非ねじ部１２を備えることが好ましい。また、ボックス２０は、雌ねじ部２１よりも管軸方向における中心側、すなわち端部と反対側に非ねじ部２２を備えることが好ましい。ピン１０とボックス２０とを締付けた際には、ピン１０の非ねじ部とボックス２０の非ねじ部とが当接し、金属－金属接触によるシールが形成される。

【0049】

前記非ねじ部は、図５に示したようにシール部とショルダー部を含むことが好ましい。例えば、ピン１０の非ねじ部１２には、シール部１３と、シール部１３よりも先端側に位置するショルダー部１４を備えることができる。また、ボックス２０の非ねじ部２２は、シール部２３と、シール部２３よりも中心側に位置するショルダー部２４を備えることができる。ピン１０のショルダー部１４は管軸に垂直であってもよいが、管軸に垂直な直線よりもピン側へ傾斜していてもよい。ピン１０のショルダー部１４と管軸に垂直な直線とのなす角は、０～３０度であることが好ましい。

【0050】

ピンのシール部とボックスのシール部の形状は特に限定されないが、例えば、以下の組み合わせとすることができる。
・ボックス側：テーパ状、ピン側：テーパ状
・ボックス側：テーパ状、ピン側：凸曲線状
・ボックス側：凸曲線状、ピン側：テーパ状
・ボックス側：凹曲線状、ピン側：凸曲線状

【0051】

一方、図６は、本願発明の他の実施形態における、インテグラルタイプの管用ねじ継手１の構造を示す模式図である。インテグラルタイプの管用ねじ継手１においては、カップリングを使用することなく、２本の管が直接接続される。すなわち、ピン１０は、第１の管の一端に雄のテーパねじである雄ねじ部１１が設けられた構造を有しており、ボックス２０は、第２の管の一端に、ピン１０の雄ねじ部１１と螺合する雌のテーパねじである雌ねじ部２１が設けられた構造を有している。

【0052】

ピン１０は、図６に示したように、最も先端、すなわち雄ねじ部１１よりも先端側に非ねじ部１２を備えることが好ましい。また、ピン１０は、雄ねじ部１１よりも管軸方向における中心側、すなわち端部と反対側にも、非ねじ部１２を備えることが好ましい。同様に、ボックス２０は、雌ねじ部２１よりも管軸方向における中心側、すなわち端部と反対側に非ねじ部２２を備えることが好ましい。また、ボックス２０は、最も先端、すなわち雌ねじ部２１よりも先端側にも非ねじ部２２を備えることが好ましい。ピン１０とボックス２０とを締付けた際には、前記ピンの非ねじ部とボックスの非ねじ部とが当接し、金属－金属接触によるシールが形成される。

【0053】

ピン１０の非ねじ部１２は、図６に示したようにシール部１３を含むことが好ましい。また、ピン１０の非ねじ部１２には、ショルダー部１４を含んでいてもよい。また、ボックス２０の非ねじ部２２も、シール部２３を含むことが好ましい。また、ボックス２０の非ねじ部２２には、ショルダー部２４を含んでいてもよい。シール部とショルダー部の構造は、カップリングタイプの説明に記載したものと同様の構造とすることができる。

【0054】

なお、図５、６は継手のタイプを説明するための模式図であるため、ねじ溝およびねじ山の形状については簡略化して示している。

【0055】

［材質］
本願発明のねじ継手の材質は特に限定されず、任意の材質を用いることができる。本発明における応力の分散効果は、ねじ底のコーナー部の形状を改良したことによって得られる機械的なものであり、化学的なものではないため、材質に依存することなく発揮される。継手の強度の観点から、通常は、ピンおよびボックスの材質を金属とすることが好ましく、鋼およびＮｉ基合金のいずれかとすることがより好ましい。前記鋼は、炭素鋼および合金鋼のいずれであってもよい。ピンの材質とボックスの材質は異なっていても良いが、同じであることが好ましい。

【0056】

次に、本願発明のねじ継手におけるねじ溝の形状について、４つの実施形態を挙げてさらに具体的に説明する。以下の各実施形態においては、少なくとも第１ねじ溝が、以下に説明する構造を備えていればよい。しかし、上述したように、製造の容易さの観点からは、以下に説明する構造をボックスのすべてのねじ溝が備えることが好ましい。

【0057】

（第１の実施形態）
図７は、本発明の第１の実施形態におけるねじ溝２の形状を示す模式図である。本実施形態においては、ねじ溝２のねじ底側のロードフランク側コーナー部５０が、直線状のロードフランク６０に直接接続された第１円弧部５１と、第１円弧部５１に直接接続された第２円弧部５２を備えている。そして、第１円弧部５１の曲率半径Ｒ１に対する第２円弧部５２の曲率半径Ｒ２の比として定義される曲率半径比（Ｒ２／Ｒ１）は３以上である。図７に示した例では、第２円弧部５２がスタビングフランク側コーナー部７０まで延びており、第２円弧部５２がねじ底を構成している。なお、スタビングフランク側コーナー部７０は単一の円弧で構成されており、該円弧は直線状のスタビングフランク８０と直接接続している。

【0058】

（第２の実施形態）
図８は、本発明の第２の実施形態におけるねじ溝２の形状を示す模式図である。本実施形態においては、ねじ溝２のねじ底側のロードフランク側コーナー部５０が、直線状のロードフランク６０に直接接続された第１円弧部５１と、第１円弧部５１に直線部５３を介して接続された第２円弧部５２を備えている。言い換えると、ロードフランク６０、第１円弧部５１、直線部５３、および第２円弧部５２が、この順序で接続されている。それ以外の点については第１の実施形態と同じである。直線部５３を設けることにより、応力分散効果をさらに高めることができる。直線部５３は、第１円弧部５１と第２円弧部５２の共通接線とすることが好ましい。

【0059】

直線部５３の長さは特に限定されないが、ねじ溝が過度に大きくなることを避けるという観点からは、直線部５３の長さを０．０１０インチ以下とすることが好ましい。

【0060】

（第３の実施形態）
図９は、本発明の第３の実施形態におけるねじ溝２の形状を示す模式図である。本実施形態においては、ねじ溝２が、雌ねじ部のテーパと平行なねじ底直線部９０を有している。このように、ねじ溝の底部を直線で構成することにより、ねじ溝の深さ（ねじ高さ）の検査が容易となる。ねじ底直線部９０は、図９に示したようにスタビングフランク側コーナー部７０と直接接続されていてよい。

【0061】

さらに図９に示した実施形態では、ロードフランク側コーナー部５０が、第２円弧部５２とねじ底直線部９０との間に、第３円弧部５４を備えている。このように第３円弧部５４を設けることにより、第３円弧部５４を介して第２円弧部５２とねじ底直線部９０を滑らかに接続することができる。それ以外の点については第１、第２の実施形態と同様とすることができる。なお、図９に示した実施形態では、第２円弧部５２と第３円弧部５４とが直接接続されているが、第２円弧部５２と第３円弧部５４は、直線部を介して接続されていてもよい。

【0062】

第３円弧部５４の曲率半径は特に限定されないが、第１円弧部５１の曲率半径より大きくすることが好ましい。第３円弧部５４の曲率半径は、例えば、０．０１０インチ～０．２００インチであってよい。

【0063】

なお、ねじ底直線部９０は、第３円弧部５４が存在しない場合にも設けることができる。その場合、第２円弧部５２とねじ底直線部９０を直接接続することができる。

【0064】

（第４の実施形態）
図１０は、本発明の第４の実施形態におけるねじ溝２の形状を示す模式図である。本実施形態においては、第３の実施形態と同様、ねじ溝２が、雌ねじ部のテーパと平行なねじ底直線部９０を有している。そして、ロードフランク側コーナー部５０が、ロードフランク６０と直接接続された第１円弧部５１と、第１円弧部５１に直線部５３を介して接続された第２円弧部５２、および第２円弧部に直接接続された第３円弧部５４を備えている。言い換えると、ロードフランク６０、第１円弧部５１、直線部５３、第２円弧部５２、および第３円弧部５４が、この順序で接続されている。それ以外の点については第１～３の実施形態と同様とすることができる。

【実施例】

【0065】

API 5CRAのCategory:13-5-2,Grade:110に該当する鋼種からなる外径９．６２５インチ×肉厚０．５４５インチ（外径２４４．４８ｍｍ×肉厚１３．８４ｍｍ）の鋼管を加工して、ピンおよび前記ピンに対応するボックスからなるねじ継手を作製した。作製したねじ継手のねじ溝の形状は表１に示すとおりとした。１インチあたりのねじ山の数は５（５ＴＰＩ）、ねじ高さは０．０６２インチ（１．５７５ｍｍ）とした。スタビングフランク角は２５度、ロードフランク角は－５度、ねじテーパは１／１６とした。ボックス外径を抑制するために継手効率は１１０％以下の設計とした。なお、ここでねじ溝の形状は、作製した前記ピンとボックスとを締付ける前の時点における形状を指す。

【0066】

次いで、API 5C5:2017のConnection Application Levels (CAL) IVに準拠した条件で気密試験を実施し、前記ねじ継手の性能を評価した。試験結果を表１に示す。前記気密試験において、ボックスが破断しなかった場合を「合格」、破断した場合を「不合格」とした。

【0067】

表１に示したように、本発明の条件を満たすねじ継手では、継手効率が１０９％以下であるにもかかわらず、ボックスの破断が生じなかった。とくに、発明例Ｎｏ．３においては、継手効率が１０１％でも破断が生じなかった。一方、第２円弧部を設けなかった比較例では、継手効率を１１０％まで増加させたにもかかわらずボックスが破断した。また、第２円弧部を設けた場合であっても、曲率半径比が３未満の比較例では、継手効率を１１０％まで増加させてもボックスが破断した。なお、特許文献１で提案されている手法でボックスの破断を防止するためには、比較例Ｎｏ．６の条件では継手効率を１１６％、比較例Ｎｏ．７の条件では１１１％まで増加させる必要がある。

【0068】

以上の結果から分かるように、本発明によれば、ボックス外径を増加させることなく、引張負荷の作用時におけるボックスの破断を防止することができる。したがって、本発明は、破断防止とコストダウンという相反する課題を解決することができる。

【0069】

【表1】

【符号の説明】

【0070】

１ 管用ねじ継手
２ ねじ溝
１０ ピン
１１ 雄ねじ部
１２ 非ねじ部
１３ シール部
１４ ショルダー部
２０ ボックス
２１ 雌ねじ部
２２ 非ねじ部
２３ シール部
２４ ショルダー部
５０ ロードフランク側コーナー部
５１ 第１円弧部
５２ 第２円弧部
５３ 直線部
５４ 第３円弧部
６０ ロードフランク
７０ スタビングフランク側コーナー部
８０ スタビングフランク
９０ ねじ底直線部
１００ 管用ねじ継手
１１０ ピン
１１１ 雄ねじ部
１１２ 非ねじ部
１１３ シール部
１１４ ショルダー部
１２０ ボックス
１２１ 雌ねじ部
１２２ 非ねじ部
１２３ シール部
１２４ ショルダー部
２００ ねじ溝
２１０ ねじ底直線部
２２０ ロードフランク
２３０ スタビングフランク
２４０ ロードフランク側コーナー部
２５０ スタビングフランク側コーナー部
ａ 管軸と平行な直線
ｒ 第１円弧部のロードフランクとは反対側の終端における半径
θ 直線ａと半径ｒとのなす角

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】