特許 7352738 鋼管用ねじ継手

(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】2023-09-20

(45)【発行日】2023-09-28

(54)【発明の名称】鋼管用ねじ継手

(51)【国際特許分類】

   F16L 15/06 20060101AFI20230921BHJP

   F16L 15/04 20060101ALI20230921BHJP

【ＦＩ】

F16L15/06

F16L15/04 A

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2022532339

(86)(22)【出願日】2021-04-20

(86)【国際出願番号】 JP2021015974

(87)【国際公開番号】W WO2021261063

(87)【国際公開日】2021-12-30

【審査請求日】2022-06-17

(31)【優先権主張番号】P 2020110341

(32)【優先日】2020-06-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】595099867

【氏名又は名称】バローレック・オイル・アンド・ガス・フランス

(74)【代理人】

【識別番号】100104444

【弁理士】

【氏名又は名称】上羽 秀敏

(74)【代理人】

【識別番号】100107593

【弁理士】

【氏名又は名称】村上 太郎

(72)【発明者】

【氏名】和田 顕

(72)【発明者】

【氏名】奥 洋介

(72)【発明者】

【氏名】安藤 吉則

【審査官】伊藤 紀史

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０２０／０７５３６６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平０４－０１５３８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／０３９７５０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／１３５２６７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０１５－５０５９４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１５－５０１９０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１９５０３０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１２－５２６９３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１６－５３３４６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／２１３０４８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｌ １５／０６

Ｆ１６Ｌ １５／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

鋼管の先端部に設けられる管状のピンと、前記ピンがねじ込まれて前記ピンと締結される管状のボックスとを備え、前記ピンは、前記ピンの外周に形成された雄ねじを有し、前記ボックスは、前記ボックスの内周に形成され且つ締結時に前記雄ねじに嵌合する雌ねじを有し、前記雄ねじ及び前記雌ねじは、荷重面、挿入面、ねじ山頂面及びねじ溝底面を有し、前記雄ねじ及び前記雌ねじの荷重面ピッチよりも前記雄ねじ及び前記雌ねじの挿入面ピッチが小さく、締結状態で前記雄ねじの荷重面が前記雌ねじの荷重面に接触するとともに前記雄ねじの挿入面が前記雌ねじの挿入面に接触し、前記雄ねじ及び前記雌ねじの荷重面及び前記挿入面は負のフランク角を有する、鋼管用ねじ継手において、
前記雄ねじの先端部からねじ螺旋方向の所定範囲における前記雄ねじの前記荷重面と前記ねじ溝底面とが、縦断面における曲率半径ｒ１が下記の式（１）を満たす第１の曲面部を介して接続されており、
ｒ１≧Ｔｈ×０．１４ ・・・（１）
但し、Ｔｈは、前記雄ねじの先端部からねじ螺旋方向の所定範囲における前記雄ねじの荷重面側のねじ山高さであって、１．８ｍｍ≦Ｔｈ≦３．０ｍｍを満たす。
前記雄ねじは、前記第１の曲面部を有する第１のねじ部分と、該第１のねじ部分にねじ螺旋方向に連続する第２のねじ部分を備え、該第２のねじ部分の前記荷重面と前記ねじ溝底面とが、前記第１の曲面部よりも小さな曲率半径ｒ２を有する第２の曲面部を介して接続されており、
前記第１の曲面部は、前記雄ねじの先端部からねじ螺旋方向に少なくともｘ周分にわたって設けられている、鋼管用ねじ継手。
但し、ｘは下記の式（２）を満たす。
ｘ＝（ｒ１－ｒ２）／Δｐ ・・・（２）
ここで、Δｐは、前記雄ねじの荷重面ピッチと挿入面ピッチとの間のピッチ差である。

【請求項2】

鋼管の先端部に設けられる管状のピンと、前記ピンがねじ込まれて前記ピンと締結される管状のボックスとを備え、前記ピンは、前記ピンの外周に形成された雄ねじを有し、前記ボックスは、前記ボックスの内周に形成され且つ締結時に前記雄ねじに嵌合する雌ねじを有し、前記雄ねじ及び前記雌ねじは、荷重面、挿入面、ねじ山頂面及びねじ溝底面を有し、前記雄ねじ及び前記雌ねじの荷重面ピッチよりも前記雄ねじ及び前記雌ねじの挿入面ピッチが小さく、締結状態で前記雄ねじの荷重面が前記雌ねじの荷重面に接触するとともに前記雄ねじの挿入面が前記雌ねじの挿入面に接触し、前記雄ねじ及び前記雌ねじの荷重面及び前記挿入面は負のフランク角を有する、鋼管用ねじ継手において、
前記雄ねじの先端部からねじ螺旋方向の所定範囲における前記雄ねじの前記荷重面と前記ねじ溝底面とが、縦断面における曲率半径ｒ１が下記の式（１）を満たす第１の曲面部を介して接続されており、
ｒ１≧Ｔｈ×０．１４ ・・・（１）
但し、Ｔｈは、前記雄ねじの先端部からねじ螺旋方向の所定範囲における前記雄ねじの荷重面側のねじ山高さであって、１．８ｍｍ≦Ｔｈ≦３．０ｍｍを満たす。
前記雌ねじの前記荷重面と前記ねじ山頂面とが、締結状態で前記第１の曲面部に対向し且つ前記第１の曲面部よりも大きな曲率半径を有する第３の曲面部を介して接続されており、
前記雌ねじの一部であって締結状態で前記雄ねじの先端部の前記荷重面に接触する部分の前記ねじ山頂面と、該ねじ山頂面に対向する前記雄ねじの前記ねじ溝底面との間に、径方向の隙間が設けられており、
前記第１の曲面部の径方向外端部が、前記第１の曲面部に対向する前記第３の曲面部の径方向内端部よりも径方向外方に位置するとともに、前記第１の曲面部に対向する前記第３の曲面部の径方向外端部よりも径方向内方に位置する、鋼管用ねじ継手。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の鋼管用ねじ継手において、
前記第１の曲面部は前記雄ねじの先端部からねじ螺旋方向に沿って少なくとも１／２周にわたって設けられている、鋼管用ねじ継手。

【請求項4】

請求項１又は２に記載の鋼管用ねじ継手において、
前記第１の曲面部は前記雄ねじの全長にわたって設けられている、鋼管用ねじ継手。

【請求項5】

請求項１に記載の鋼管用ねじ継手において、
前記雌ねじの前記荷重面と前記ねじ山頂面とが、締結状態で前記第１の曲面部に対向し且つ前記第１の曲面部よりも大きな曲率半径を有する第３の曲面部を介して接続されており、
前記雌ねじの一部であって締結状態で前記雄ねじの先端部の前記荷重面に接触する部分の前記ねじ山頂面と、該ねじ山頂面に対向する前記雄ねじの前記ねじ溝底面との間に、径方向の隙間が設けられており、
前記第１の曲面部の径方向外端部が、前記第１の曲面部に対向する前記第３の曲面部の径方向内端部よりも径方向外方に位置するとともに、前記第１の曲面部に対向する前記第３の曲面部の径方向外端部よりも径方向内方に位置する、鋼管用ねじ継手。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか１項に記載の鋼管用ねじ継手において、
締結状態で、前記雄ねじの先端部からねじ螺旋方向に少なくとも８周分にわたる部分の前記荷重面及び前記挿入面が、前記雌ねじの前記荷重面及び前記挿入面に接触するよう、前記雄ねじ及び前記雌ねじのねじプロファイルが定められている、鋼管用ねじ継手。

【請求項7】

請求項６に記載の鋼管用ねじ継手において、
前記荷重面ピッチが８．５０ｍｍ以下であり、前記挿入面ピッチが８．１０ｍｍ以下であり、これらのピッチ差が０．３５ｍｍ以上０．４５ｍｍ以下であり、前記雄ねじの先端部におけるねじ山底部の最小ねじ山幅が２．１ｍｍ以上である、鋼管用ねじ継手。

【請求項8】

請求項１～７のいずれか１項に記載の鋼管用ねじ継手において、前記鋼管の外径は２４０ｍｍより大きい、鋼管用ねじ継手。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、鋼管の連結に用いられる鋼管用ねじ継手に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、油井、天然ガス井等（以下、総称して「油井」ともいう。）の試掘又は生産、オイルサンドやシェールガス等の非在来型資源の開発、二酸化炭素の回収や貯留（CCS: Carbon dioxide Capture and Storage）、地熱発電、あるいは温泉等では、油井管と呼ば
れる鋼管が用いられる。鋼管同士の連結には、ねじ継手が用いられる。この種の鋼管用ねじ継手の形式は、カップリング型とインテグラル型とに大別される。

【0003】

カップリング型の場合、管状のカップリングを介して鋼管同士が連結される。典型的には、カップリングの両端部の内周に雌ねじがそれぞれ設けられ、鋼管の両端部の外周には雄ねじがそれぞれ設けられる。そして、カップリングの一方の端部に一の鋼管の一端部がねじ込まれるとともに、カップリングの他方の端部に他の鋼管の一端部がねじ込まれることにより、鋼管同士が連結される。すなわち、カップリング型では、直接連結される一対の管材のうち、一方の管材が鋼管であり、他方の管材がカップリングである。

【0004】

インテグラル型の場合、鋼管同士が直接連結され、別個のカップリングを用いない。具体的には、鋼管の一端部の内周には雌ねじが、他端部の外周には雄ねじが設けられ、雌ねじ部が設けられた一の鋼管の一端部に、雄ねじ部が設けられた他の鋼管の他端部がねじ込まれることにより、鋼管同士が連結される。

【0005】

一般に、雄ねじが形成された鋼管の管端部は、雌ねじが形成された鋼管又はカップリングの管端部に挿入される要素を含むことから、「ピン」と称される。雌ねじが形成された鋼管又はカップリングの管端部は、雄ねじが形成された鋼管の管端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。これらピン及びボックスは、管材の端部であるため、いずれも管状である。

【0006】

近年、ＤｗＣ（Drilling with Casing）や水平掘削などの井戸開発技術が広まりつつあり、ハイトルク継手の需要が急増している。本願出願人は、従前より、比較的小径サイズの鋼管用のハイトルク継手として、楔形ねじとも称される断面形状がダブテイル形のテーパーねじを採用したねじ継手を製造している。このようなハイトルク継手は、例えば下記の特許文献１に開示されている。

【0007】

楔形ねじは、荷重面ピッチよりも挿入面ピッチが小さいねじプロファイルを有し、これによりピンの雄ねじのねじ山幅がねじの螺旋に沿って先端側に至るにしたがって徐々に狭くなり、相対するボックスの雌ねじのねじ溝幅も同様に先端側に至るにしたがって徐々に狭くなる。また、雄ねじ及び雌ねじのそれぞれの荷重面及び挿入面のいずれも負のフランク角を有しており、ピンとボックスとの締結が完了したときに、荷重面同士及び挿入面同士が接触することで、雄ねじ及び雌ねじのそれぞれのねじ山同士が強固に嵌まり合う。かかる構成により、楔形ねじを採用したねじ継手は、高い耐トルク性能を発揮できる。

【0008】

また、下記特許文献１の図５及び段落００６５には、ねじ山の荷重面とねじ山頂面との間の接続部、及び、ねじ山の荷重面とねじ溝底面との間の接続部に、異なる曲率半径を有する２つの弧からなる湾曲部を設け、これにより荷重面の基部における集中荷重要因を低減して、前記接続部の疲労性能を改善する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【文献】特表２００７－５０４４２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

本願出願人は、より大径サイズの鋼管用のハイトルクねじ継手の開発を行っているが、9‐5/8″以上の大径サイズのねじ継手を従前と同様の設計基準にしたがって設計すると、ＩＳＯ１３６７９：２０１１ Ｓｅｒｉｅｓ Ａに準拠した試作品の複合荷重負荷試験において、最大引張荷重負荷時に、ピンの雄ねじ部のねじ山がせん断破壊するという問題が発生した。なお、本願出願人による従前の設計基準では、特許文献１に開示された上記湾曲部を構成する２つの弧のうち、荷重面に接続する弧（２３）の曲率半径は０．１２５ｍｍ、ねじ溝底面又はねじ山頂面に接続する弧（２４）の曲率半径は０．８７５ｍｍである。

【0011】

本開示は、大径サイズの鋼管用ねじ継手においても、高い耐トルク性能を発揮できるとともに、連結対象の鋼管のサイズに応じた耐せん断性能を発揮できるようにすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明者らは、大径サイズの鋼管用のハイトルクねじ継手における雄ねじ部のねじ山破断の原因を究明すべく鋭意検討を重ねた結果、大径サイズの鋼管に求められる引張強度、言い換えれば耐せん断性能に対して、雄ねじの先端部のねじ山のせん断強度が不十分であり、雄ねじ先端部のねじ山底部を起点としてせん断破壊が生じることを見出した。すなわち、雄ねじ先端部から１周分のねじ山（以下、「第１ねじ山」という。）が最初にせん断破壊すると、断面においてその１つ内側（すなわち鋼管の管本体側）に位置する第２ねじ山に荷重が集中して第２ねじ山がせん断破壊し、第２ねじ山がせん断破壊するとその１つ内側の第３ねじ山に荷重が集中してせん断破壊し、次々とせん断破壊が伝搬していく。このようにして広範囲に亘って雄ねじのねじ山がせん断破壊していくと考えられる。

【0013】

また、断面が台形状の一般的な雄ねじにおいては、過大な引張荷重の負荷時に、ピン及びボックスが径方向に変形してジャンプアウトすることはあるが、ねじ山が広範囲に亘って破断することは殆どなかった。一方、上記のハイトルクねじ継手では、断面ダブテイル形状の雄ねじ及び雌ねじのねじ山同士が強固に噛み合っていることから、雄ねじと雌ねじとの噛み合いが外れることがない。

【0014】

そのため、断面ダブテイル形状の楔形ねじにより雄ねじ及び雌ねじを構成したハイトルクねじ継手では、最初にせん断破壊が生じる第１ねじ山の剛性が耐ジャンプアウト性能及び耐せん断性能の確保のためには重要となる。

【0015】

本発明者らは、雄ねじ先端部の耐せん断性能を向上する手段として、雄ねじの先端部における荷重面とねじ溝底面との間の境界部の曲率半径に着目した。上述した雄ねじのせん断破壊は、雄ねじ先端部における荷重面とねじ溝底面との間の境界に応力が集中することが原因であると考えられるため、当該境界部の曲率半径を大きくすることによって応力集中を緩和でき、耐せん断性能が向上すると考えられる。

【0016】

また、ねじ山高さが大きくなるほど、荷重面に作用する等分布荷重の総和が同じであっても、上記境界部に作用する曲げモーメントは大きくなり、上記境界部における相当塑性ひずみも大きくなると考えられるため、ねじ山高さに応じた適切な曲率半径の曲面部によって上記境界部を構成する必要があると考えられる。

【0017】

一方、ねじ山高さが大きくなりすぎると、ねじ溝の切削加工深さが大きくなって、加工性が悪くなるため、大径サイズの鋼管用のねじ継手であっても、ねじ山高さは３．０ｍｍ以下であることが好ましい。また、十分な耐トルク性能を発揮するためには、荷重面及び挿入面の接触面積を確保する必要があるため、ねじ山高さは１．８ｍｍ以上であることが好ましい。

【0018】

本開示に係る鋼管用ねじ継手は、上述した技術的知見を総合的に検討することによって見出されたものである。すなわち、本開示に係る鋼管用ねじ継手は、鋼管の先端部に設けられる管状のピンと、前記ピンがねじ込まれて前記ピンと締結される管状のボックスとを備える。前記ピンは、前記ピンの外周に形成された雄ねじを有する。前記ボックスは、前記ボックスの内周に形成され且つ締結時に前記雄ねじに嵌合する雌ねじを有する。前記雄ねじ及び前記雌ねじは、荷重面、挿入面、ねじ山頂面及びねじ溝底面を有し、前記雄ねじ及び前記雌ねじの荷重面ピッチよりも前記雄ねじ及び前記雌ねじの挿入面ピッチが小さく、締結状態で前記雄ねじの荷重面が前記雌ねじの荷重面に接触するとともに前記雄ねじの挿入面が前記雌ねじの挿入面に接触する。前記雄ねじ及び前記雌ねじの荷重面及び前記挿入面は負のフランク角を有することが好ましい。

【0019】

また、前記雄ねじの先端部からねじ螺旋方向の所定範囲における前記雄ねじの前記荷重面と前記ねじ溝底面とが、縦断面における曲率半径ｒ１が下記の式（１）を満たす第１の曲面部を介して接続されていてよい。
ｒ１≧Ｔｈ×０．１４ ・・・（１）

【0020】

但し、Ｔｈは、前記雄ねじの先端部からねじ螺旋方向の所定範囲における前記雄ねじの荷重面側のねじ山高さである。好ましくは、ねじ山高さＴｈは、１．８ｍｍ≦Ｔｈ≦３．０ｍｍを満たす。より好ましくは、ｒ１≧Ｔｈ×０．１６を満たす。

【発明の効果】

【0021】

本開示によれば、楔形ねじにより雄ねじ及び雌ねじを構成することによって高い耐トルク性能を発揮するとともに、大径サイズの鋼管に求められる耐せん断性能をピンの雄ねじ先端部に付与することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】図１は、第１の実施の形態に係る鋼管用ねじ継手の管軸方向に沿った縦断面図である。

【図2】図２は、雄ねじの第１ねじ山及び第２ねじ山を含む範囲の拡大縦断面図である。

【図3】図３は、雄ねじの第１ねじ山近傍の拡大縦断面図である。

【図4】図４は、雄ねじの第１ねじ山と第２ねじ山との接続部の拡大斜視図である。

【図5】図５は、第２の実施の形態に係る鋼管用ねじ継手の管軸方向に沿った縦断面図である。

【図6】図６は、ＦＥＭ解析による相当塑性ひずみの評価結果を示すグラフである。

【図7】図７は、ＦＥＭ解析による耐トルク性能の評価結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0023】

本実施の形態に係る鋼管用ねじ継手は、鋼管の先端部に設けられる管状のピンと、ピンがねじ込まれてピンと締結される管状のボックスとを備える。ピンは、ピンの外周に形成された雄ねじを有する。ボックスは、ボックスの内周に形成され且つ締結時に雄ねじに嵌合する雌ねじを有する。

【0024】

好ましくは、雄ねじは、ピン先端側に至るにしたがって徐々に縮径するテーパーねじである。雄ねじは、ねじ山高さが一定の完全ねじ部と、完全ねじ部よりもねじ山高さが低い不完全ねじ部とを有していてよい。雄ねじは鋼管の外周面を切削加工することによって形成され、鋼管の管本体側から先端側に至るにしたがってねじ溝の切削深さが０から完全ねじ部のねじ山高さとなるまで徐々に深くなっていくが、雄ねじの不完全ねじ部は、ねじ溝の切削深さが完全ねじ部のねじ山高さよりも小さい部位により主として構成される。このような構成では、完全ねじ部においては雄ねじのねじ山頂面及びねじ溝底面がいずれもねじ螺旋方向に沿ってピン先端側に至るにしたがって徐々に縮径していくが、不完全ねじ部においてはねじ溝底面はねじ螺旋方向に沿ってピン先端側に至るにしたがって徐々に縮径するが、不完全ねじ部のねじ山頂面は一定の径を有する。

【0025】

好ましくは、雌ねじは、ボックス先端側（すなわち鋼管の管本体側）に至るにしたがって徐々に拡径するテーパーねじである。雌ねじは、ねじ山高さが一定の完全ねじ部と、完全ねじ部よりもねじ山高さが低い不完全ねじ部とを有していてよい。また、雌ねじの完全ねじ部のねじ山高さを、雄ねじの完全ねじ部のねじ山高さよりも僅かに大きくしておくこともできる。この場合、ピン及びボックスの締結状態において、雌ねじのねじ山頂面は雄ねじのねじ溝底面に接触するが、雄ねじのねじ山頂面と雌ねじのねじ溝底面との間に隙間が形成されることとなる。この隙間を設けておくことにより、雄ねじと雌ねじとの嵌合時のかじりや焼き付きを防止できるとともに、上記隙間をドープ排出流路として好適に利用できる。

【0026】

雌ねじは、ボックスを構成するカップリング又は鋼管の内周面を切削加工することによって形成される。好ましくは、ピン及びボックスの締結状態において雄ねじの完全ねじ部の最も先端側の第１ねじ山が嵌合する雌ねじの第１ねじ溝は、雄ねじの荷重面と雌ねじの荷重面との接触領域の径方向寸法が、雄ねじの第１ねじ山のねじ山高さの６０％以上、より好ましくは７０％以上となる程度の溝深さを有する。

【0027】

雄ねじ及び雌ねじは、荷重面、挿入面、ねじ山頂面及びねじ溝底面を有し、雄ねじ及び雌ねじの荷重面及び挿入面は負のフランク角を有する。すなわち、雄ねじ及び雌ねじは、縦断面においてダブテイル形状のねじ溝及びねじ山を有する。雄ねじ及び雌ねじは、縦断面において複数のねじ山頂面及び複数のねじ溝底面が現れるが、縦断面における各ねじ山頂面の形状及び各ねじ溝底面の形状は、鋼管の管軸に平行であってもよいし、テーパーねじのテーパー角に沿うように鋼管の管軸に対して傾斜していてもよい。荷重面のフランク角は、例えば－１０°～－１°の範囲の所定値であってよく、より好ましくは－４°～－６°の範囲の所定値であってよい。また、挿入面のフランク角は、例えば－１０°～－１°の範囲の所定値であってよく、より好ましくは－４°～－６°の範囲の所定値であってよい。また、縦断面における雄ねじ及び雌ねじの各ねじ山の荷重面及び挿入面の断面形状は直線状であってよい。

【0028】

本実施形態の鋼管用ねじ継手では、雄ねじ及び雌ねじの荷重面ピッチよりも雄ねじ及び雌ねじの挿入面ピッチが小さい。これにより、雄ねじは、ピン先端側に至るにしたがってねじ山幅が小さくなるとともにねじ溝幅が大きくなる楔形ねじとして形成され、雌ねじは、ボックス先端側に至るにしたがってねじ山幅が小さくなるとともにねじ溝幅が大きくなる楔形ねじとして形成されている。なお、荷重面ピッチは、例えば８．０ｍｍ～１１．０ｍｍの範囲の所定値であってよく、また、挿入面ピッチは、例えば７．５ｍｍ～１０．５ｍｍの範囲の所定値であってよい。これら荷重面ピッチ及び挿入面ピッチのピッチ差Δｐは、例えば０．３ｍｍ～０．６ｍｍであってよい。

【0029】

本開示において、「雄ねじ」は、完全ねじ部であるか不完全ねじ部であるかを問わず、ピン及びボックスの締結状態で雄ねじの荷重面が雌ねじの荷重面に接触するとともに雄ね
じの挿入面が雌ねじの挿入面に接触する部位であるものとする。また、「雌ねじ」は、完全ねじ部であるか不完全ねじ部であるかを問わず、ピン及びボックスの締結状態で雌ねじの荷重面が雄ねじの荷重面に接触するとともに雌ねじの挿入面が雄ねじの挿入面に接触する部位であるものとする。なお、例えば図４に示すように、雄ねじ１１の完全ねじ部のピン先端側に、挿入面及び荷重面の少なくともいずれかが雌ねじに接触しない不完全ねじ１５を設けてもよいが、このような不完全ねじは耐トルク性能に寄与しない部位であるため、本開示においては「雄ねじ」を構成する部位ではないものとする。また、雌ねじの完全ねじ部のボックス先端側に、挿入面及び荷重面の少なくともいずれかが雄ねじに接触しない不完全ねじを設けてもよいが、このような不完全ねじは耐トルク性能に寄与しない部位であるため、本開示においては「雌ねじ」を構成する部位ではないものとする。

【0030】

本実施形態の鋼管用ねじ継手においては、雄ねじの先端部からねじ螺旋方向の所定範囲における雄ねじの荷重面とねじ溝底面とが、縦断面における曲率半径ｒ１が下記の式（１）を満たす第１の曲面部を介して接続されている。なお、第１の曲面部の径方向内端部は、雄ねじのねじ溝底面に滑らかに連続することが好ましい。また、第１の曲面部の径方向外端部は、雄ねじの荷重面に滑らかに連続することが好ましい。
ｒ１≧Ｔｈ×０．１４ ・・・（１）

【0031】

但し、Ｔｈは、雄ねじの先端部からねじ螺旋方向の所定範囲における雄ねじの荷重面側のねじ山高さであって、１．８ｍｍ≦Ｔｈ≦３．０ｍｍを満たす。好ましくは、雄ねじの先端部からねじ螺旋方向の所定範囲のねじ山は、雄ねじの完全ねじ部の一部である。ねじ山高さＴｈが１．８ｍｍより小さいと、雄ねじ及び雌ねじの荷重面同士の接触面積が小さくなり、必要な耐トルク性能が得られなくなる。一方、ねじ山高さＴｈが３．０ｍｍより大きいと、切削加工深さが大きくなり、切削加工時間及び加工コストが増大する。

【0032】

ねじ山高さＴｈが１．８ｍｍの場合、曲率半径ｒ１は０．２５２ｍｍ以上となり、また、ねじ山高さが３．０ｍｍの場合、曲率半径ｒ１は０．４２ｍｍ以上となるが、このように大きな曲率半径で雄ねじの荷重面とねじ溝底面とを接続することは本発明者らによって始めて提案されたものである。

【0033】

第１の曲面部は雄ねじの全長にわたって設けられていてよい。

【0034】

耐トルク性能を向上させる方法の一つは、荷重面ピッチ及び挿入面ピッチを比較的小さくすることによって、縦断面に現れるねじ山の数を比較的多くすることである。好ましくは、締結状態で、雄ねじの先端部からねじ螺旋方向に少なくとも８周分、より好ましくは９周分以上にわたるねじ山部分の荷重面及び挿入面が、雌ねじの荷重面及び挿入面に接触するよう、前記雄ねじ及び前記雌ねじのねじプロファイルを定めることができる。より好ましくは、荷重面ピッチを８．５０ｍｍ以下、挿入面ピッチを８．１０ｍｍ以下、これらのピッチ差を０．３５ｍｍ以上０．４５ｍｍ以下、雄ねじの先端部におけるねじ山底部の最小ねじ山幅を２．０ｍｍ以上とすることができる。また、雌ねじのボックス先端部におけるねじ山底部の最小ねじ山幅も２．１ｍｍ以上であることが好ましい。なお、雌ねじの先端部よりもボックス先端側に、荷重面及び挿入面の少なくともいずれかが雄ねじに接触しない不完全ねじが形成されていてもよいが、このような不完全ねじは耐トルク性能に寄与しない部位であるから、この不完全ねじのねじ山幅は切削加工上の都合等によって２．００ｍｍ未満となっていてもよい。上記不完全ねじは本開示において「雌ねじ」を構成しない。

【0035】

大きな曲率半径を有する第１の曲面部は、全長にわたって設けるのではなく、雄ねじの先端部からねじ螺旋方向に沿って少なくとも１／２周、より好ましくは少なくとも１周にわたって設けられていてもよい。これによれば、ねじ山幅が最も狭くなる雄ねじの第１ねじ山の基部におけるせん断剛性を第１の曲面部によって補強し、第１ねじ山を起点としてせん断破壊が発生することを回避できる。

【0036】

また、雄ねじ１１は、例えば図４に示すように、第１の曲面部１１１Ａを有する第１のねじ部分１１１と、第１のねじ部分１１１にねじ螺旋方向に連続する第２のねじ部分１１２とを備えていてよい。第２のねじ部分１１２の荷重面とねじ溝底面とは、第１の曲面部１１１Ａよりも小さな曲率半径ｒ２を有する第２の曲面部１１２Ａを介して接続されていてよい。なお、第１の曲面部１１１Ａと第２の曲面部１１２Ａとを滑らかに接続させ、これらの境界部に段差が形成されないようにすることが好ましい。

【0037】

第１の曲面部は、雄ねじの先端部からねじ螺旋方向に少なくともｘ周分にわたって設けられていてよい。但し、ｘは下記の式（２）を満たす。
ｘ＝（ｒ１－ｒ２）／Δｐ ・・・（２）
ここで、Δｐは、雄ねじの荷重面ピッチと挿入面ピッチとの間のピッチ差である。

【0038】

このように雄ねじを構成することによって、比較的小さな曲率半径ｒ２を有する第２のねじ部分においては、ボックス２０の雌ねじのうち上記曲率半径ｒ２に対応する部分の荷重面とねじ山頂面との境界部の曲率半径も比較的小さくすることにより、雄ねじ及び雌ねじの荷重面間の接触面積を大きく確保でき、耐トルク性能の点で有利である。さらに、第２のねじ部分の先端部は、第２のねじ部分の中で最もねじ山幅が狭い部分となるが、上記式（２）を満たすことにより、第２のねじ部分の中で最も小さいねじ山幅が、大きな曲率半径ｒ１を有する第１の曲面部によってねじ山底部のねじ山幅が増加されている第１のねじ部分の先端部のねじ山幅と同等の大きさとなり、第２のねじ部分の先端部を起点とするせん断破壊が生じることを回避できる。

【0039】

すなわち、例えば図３に示すように、荷重面のフランク角が－１０°～－１°程度であれば、荷重面とねじ溝底面とを接続する第１の曲面部１１１Ａは縦断面においてほぼ四半円弧となる。したがって、第１の曲面部１１１Ａの径方向内端部Ｐｉと径方向外端部Ｐｏとの管軸方向距離は、第１の曲面部１１１Ａの曲率半径ｒ１とほぼ等しくなる。図３には、第１のねじ部分１１１の先端部からねじ螺旋方向にほぼ半周した位置に第２のねじ部分の先端部が存在する場合の第２の曲面部１１２Ａ’と、ほぼ３／４周した位置に第２のねじ部分の先端部が存在する場合の第２の曲面部１１２Ａ”とを、ねじ山幅の比較のために第１のねじ部分１１１の先端部に重ねて仮想線でそれぞれ示している。第２の曲面部の径方向内端部と径方向外端部との間の軸方向距離も、第２の曲面部の曲率半径ｒ２とほぼ同じになる。ここで、ねじ山幅は、ねじ螺旋方向に１周すると荷重面ピッチと挿入面ピッチとのピッチ差Δｐ分だけ変化する。したがって、ｘ周するとねじ山幅はΔｐ×ｘだけ大きくなる。ｘ周した位置に第２のねじ部分の先端部が存在する場合、第２の曲面部の径方向内端部におけるねじ山幅Ｗ２（図３においてＰｉに対応する位置でのねじ山幅）は、第１のねじ部分の先端部での第１の曲面部の径方向内端部におけるねじ山幅（図３においてＰｉの位置でのねじ山幅）をＷ１とすると、次の式（３）で表すことができる。
Ｗ２＝Ｗ１－ｒ１＋Δｐ×ｘ＋ｒ２ ・・・（３）
ここで、Ｗ１－ｒ１は、すなわちＰｏの位置を近似的に表す。（Ｗ１－ｒ１）＋Δｐ×ｘは、Ｐｏに対応する第２の曲面部１１２Ａ’，１１２Ａ”の外端部の位置を近似的に表す。そして、上記式（３）は、Ｐｉに対応する第２の曲面部１１２Ａ’，１１２Ａ”の内端部の位置を近似的に表す。第１のねじ部分１１１の螺旋方向の長さが長くなるほどＷ２は大きくなる。したがたって、第１のねじ部分１１１の長さによって、Ｗ２がＷ１よりも小さくなる場合もあれば、Ｗ２がＷ１よりも大きくなる場合もある。

【0040】

Ｗ２がＷ１よりも小さい場合、小さな曲率半径ｒ２で第２の曲面部１１２Ａ’が立ち上がるため、この第２の曲面部１１２Ａ’の部分において第２のねじ部のねじ山幅が第１のねじ部１１１の底部よりも小さくなり（すなわち、図３に示されるように、曲面部１１２Ａ’が曲面部１１１Ａの表面よりも食い込んだ状態となる。）、この第２のねじ部のねじ山幅の小さくなった部位が強度的に弱点となるおそれがある。したがって、Ｗ２はＷ１とほぼ等しいかＷ１より大きいことが好ましい。したがって、上記式（３）と、Ｗ２≧Ｗ１の条件より、ｘ≧（ｒ１－ｒ２）／Δｐが導かれる。すなわち、ｘ＝（ｒ１－ｒ２）／Δｐと定義すると、第１の曲面部は、雄ねじの先端部からねじ螺旋方向に少なくともｘ周分にわたって設けることが好ましい。

【0041】

例えば、荷重面ピッチが９．８４５ｍｍ、挿入面ピッチが９．４００ｍｍ、第１の曲面部の曲率半径ｒ１が０．４ｍｍ、第２の曲面部の曲率半径ｒ２が０．１ｍｍである場合は、（０．４－０．１）／（９．８４５－９．４００）≒２／３周以上にわたって第１の曲面部を設けることが好ましい。第２の曲面部の曲率半径ｒ２が０．２ｍｍ、その他は上記と同様の場合はおよそ半周以上にわたって第１の曲面部を設けることが好ましい。

【0042】

加えて、雄ねじに曲率半径の小さい第２の曲面部を有する第２のねじ部を設け、雌ねじのうち第２のねじ部に噛み合うねじ山部分の荷重面とねじ山頂面との間の曲率半径を後述する第３の曲面部よりも小さくすることによって、荷重面同士の接触面積を全体として大きく確保でき、大きな耐トルク性能を発揮させることもできる。

【0043】

本実施形態の鋼管用ねじ継手において、好ましくは、雌ねじの荷重面とねじ山頂面とを、締結状態で雄ねじの第１の曲面部に対向し且つ第１の曲面部よりも大きな曲率半径を有する第３の曲面部を介して接続することができる。これにより、雌ねじの荷重面とねじ山頂面との境界角部が第１の曲面部に干渉することを防止できる。

【0044】

さらに、雌ねじの一部であって締結状態で雄ねじの先端部の荷重面に接触する部分のねじ山頂面と、このねじ山頂面に対向する雄ねじのねじ溝底面との間に、径方向の隙間が設けられていてよい。より好ましくは、上記雌ねじの一部のねじ山頂面は、雌ねじのボックス最奥部に位置する雌ねじ端部のねじ山頂面であってよい。さらに、上記雌ねじの一部のねじ山頂面は、雌ねじよりもボックス奥側に設けられた管状ねじ無し延長部の内周面と同じ径を有していてよい。また、ピンは、ボックスのねじ無し延長部に対応する管状ねじ無し延長部を備えていてよく、締結状態でピンのねじ無し延長部の外周面はボックスのねじ無し延長部の内周面に接触させないことが好ましい。さらに、ピンは、ピンのねじ無し延長部よりもピン先端側に位置するピンシール面を備えることが好ましく、ボックスは、ボックスのねじ無し延長部よりもボックス奥側に位置するピンシール面を備えることが好ましい。これらピンシール面及びボックスシール面は、ピン及びボックスの締結状態で互いに接触して外圧及び内圧に対するシール性を発揮するメタルーメタルシールを構成する。上記ねじ無し延長部は、雄ねじ及び雌ねじに作用する圧縮－引張荷重によってピンシール面及びボックスシール面にひずみの影響が生じることを防止するのに役立つ。また、上記雌ねじの一部のねじ山高さを雌ねじの完全ねじ部のねじ山高さよりも小さくすることによって上記隙間を形成することで、ピン先端側のねじ溝深さを深くすることによって上記隙間を形成する場合に比して、ピン先端部近傍のピン肉厚を大きく確保できる。また、上記隙間の存在により、最もねじ山幅が小さくなる雄ねじ先端部の荷重面のねじ山底部に雌ねじのねじ山頂部が直接接触することを防止でき、雄ねじの最も弱い部位への直接的なダメージを低減できる。

【0045】

なお、外圧用シールと内圧用シールとを別に設けることもでき、この場合、内圧用シールは雄ねじ及び雌ねじよりもピン先端側に設け、外圧用シールは雄ねじ及び雌ねじよりも管本体側に設けることができる。

【0046】

好ましくは、第１の曲面部の径方向外端部を、第１の曲面部に対向する第３の曲面部の径方向内端部よりも径方向外方に位置させるとともに、第１の曲面部に対向する第３の曲面部の径方向外端部よりも径方向内方に位置させることが好ましい。これにより、雄ねじ及び雌ねじの荷重面同士の接触範囲の径方向内端部と第１の曲面部の径方向外端部との間の距離を可及的に小さくすることができ、耐トルク性能をより向上することができる。

【0047】

以下、図面を参照しつつ、本実施の形態に係る鋼管用ねじ継手を説明する。図中、同一及び相当する構成には同一の符号を付し、同じ説明を繰り返さない。

【0048】

図１を参照して、本実施の形態に係る鋼管用ねじ継手１は、管状のピン１０と、管状のボックス２０とを備える。ピン１０は、鋼管２の端部に形成される。ボックス２０は、カップリング３の端部に形成され、ピン１０が挿入されてピン１０と締結される。本明細書において、鋼管２の端部以外の部分を「管本体」ということがある。

【0049】

本実施形態の鋼管用ねじ継手は、鋼管２の管本体の外径ＯＤが２４０ｍｍ以上の場合に好適に実施でき、より好ましくは２４５ｍｍ以上、さらに好ましくは２７０ｍｍ以上の場合に好適に実施できる。鋼管２の管本体の外径ＯＤが４００ｍｍ以下の場合に好適に実施でき、より好ましくは３５０ｍｍ以下、さらに好ましくは３１０ｍｍ以下の場合に好適に実施できる。鋼管２の管本体は、軸方向全長に亘ってほぼ均一な肉厚を有することが好ましい。また、鋼管２の管本体は、軸方向全長に亘ってほぼ均一な外径ＯＤ及び内径ＩＤを有することが好ましい。ピンは、鋼管２の管本体の端部に設けられる。なお、図１には鋼管２の管軸ＣＬも示されている。

【0050】

ピン１０は、ピン先端側に至るにしたがって徐々に縮径するテーパーねじからなる雄ねじ１１と、リップ１２とを有する。雄ねじ１１は、ピン１０の外周面に螺旋状に形成されたねじ山から構成される。雄ねじ１１は、ねじ山幅がピン１０の先端側に至るにしたがって徐々に狭くなる楔形ねじで構成される。雄ねじ１１のねじ山及びねじ溝は、ダブテイル形状の断面形状を有する。リップ１２は、雄ねじ１１の先端部よりも先端側に延びるねじ無し延長部を介して雄ねじ１１に接続されている。リップ１２の外周面には、ピンシール面１３が設けられている。ピンシール面１３は、図示例では断面円弧状の円筒状シール面により構成されているが、ピンシール面１３の断面形状は直線状であってもよいし、直線と円弧とを組み合わせた形状であってもよい。

【0051】

ボックス２０は、ピン１０を受け入れる開口端部を有する。ボックス２０は、その内周面に設けられ且つボックス先端側に至るにしたがって徐々に縮径するテーパーねじからなる雌ねじ２１と、ボックスシール面２２とを含む。雌ねじ２１は、雄ねじ１１に対応してボックス２０の内周面に螺旋状に形成されたねじ山から構成される。雌ねじ２１は、ねじ山幅がボックス２０の開口端部から奥側に至るにしたがって徐々に広くなる楔形ねじで構成される。雌ねじ２１のねじ山及びねじ溝は、ダブテイル形状の断面形状を有する。ボックスシール面２２は、雌ねじ２１よりもボックス２０の奥側に設けられたテーパー面からなる。なお、ボックスシール面２２は、断面円弧状の円筒状シール面により構成されていてもよいし、断面において直線と円弧とを組み合わせた形状であってもよい。ボックスシール面２２とピンシール面１３との間には所定の干渉量が設定されており、締結状態でシール面１３，２２同士が全周にわたって隙間無く接触することによりメタルシールが形成される。

【0052】

本実施形態の雄ねじ１１は、図１及び図２に示すように、完全ねじ部と不完全ねじ部とを有する。雄ねじ１１の完全ねじ部は、所定のねじ山高さＴｈを有し、所定の荷重面ピッチＬＰ及び挿入面ピッチＳＰでねじ山が形成された部分である。図示実施例の雄ねじ１１のねじ山高さＴｈは２．２ｍｍとされている。

【0053】

雄ねじ１１の不完全ねじ部は、テーパーねじのテーパー形状を定義する仮想テーパー面が鋼管２の外表面に交わることにより、鋼管２の外表面の切削深さが不足して、所定のねじ山高さＴｈが形成されていない部分である。本実施形態の雄ねじ１１は、ピン完全ねじ部及びピン不完全ねじ部のいずれにおいても、雌ねじ２１に対して荷重面及び挿入面の双方において接触する。なお、図１に示すねじ継手１では、荷重面ピッチＬＰは９．８４５ｍｍ、挿入面ピッチＳＰは９．４００ｍｍ、雄ねじ１１の先端部のねじ山高さ方向の底部における最小ねじ山幅は２．８ｍｍ程度とされている。

【0054】

また、雌ねじ２１もまた、完全ねじ部と不完全ねじ部とを有する。雌ねじ２１の完全ねじ部は、ボックス２０の開口端部側からピン１０の雄ねじ１１の第２ねじ山近傍まで設けられている。雌ねじ２１の不完全ねじ部のねじ山は、ピン１０及びボックス２０の締結状態でピン１０の雄ねじ１１の第１ねじ山１１Ａに係合する。本実施形態の雌ねじ２１は、ボックス完全ねじ部及びボックス不完全ねじ部のいずれにおいても、雄ねじ１１に対して荷重面及び挿入面の双方において接触する。なお、図示実施形態においては、雌ねじ２１の完全ねじ部よりもボックス２０の開口端部側に、雄ねじ１１に対して荷重面及び挿入面の少なくともいずれかにおいて接触しないねじ山２３，２４が雌ねじ２１に連続して形成されているが、本実施形態ではねじ山２３，２４は雌ねじ２１に含まれないものとする。

【0055】

雄ねじ１１の完全ねじ部のねじ山高さは、雌ねじ２１の完全ねじ部のねじ山高さより僅かに小さい。これにより、締結状態では、図２に示すように、雄ねじ１１のねじ山頂面と雌ねじ２１のねじ溝底面との間に僅かな隙間（例えば０．１ｍｍ程度）が形成され、雌ねじ２１のねじ山頂面と雄ねじ１１のねじ底面とは接触する。締結状態で雄ねじ１１と雌ねじ２１とが噛み合う範囲、すなわち雄ねじ１１の荷重面が雌ねじ２１の荷重面に接触するとともに雄ねじ１１の挿入面が雌ねじ２１の挿入面に接触する範囲は、好ましくは６０～１００ｍｍの軸長を有する。

【0056】

また、図２に示すように、雄ねじ１１及び雌ねじ２１のねじ山の荷重面及び挿入面は、それぞれ負のフランク角θを有する。荷重面及び挿入面のフランク角θは同じでもよいし、異なるフランク角が設定されていてもよい。図示例では、荷重面及び挿入面のフランク角θはいずれも－５．０°である。また、図示例では、雄ねじ１１及び雌ねじ２１のねじテーパーは１／１６とされている。

【0057】

ピン１０とボックス２０とが締結されている状態では、雄ねじ１１のねじ山の挿入面及び荷重面が、それぞれ雌ねじ２１のねじ山の挿入面及び荷重面と接触することによってピン１０がボックス２０にロックされ、これにより高い耐トルク性能を発揮するとともに、ピンシール１３がボックスシール２２に締まり嵌めの状態で嵌合して高い密封性能が発揮される。

【0058】

本実施形態の雄ねじ１１は、図２～図４に示すように、比較的大きい曲率半径ｒ１の第１の曲面部１１１Ａを有する第１のねじ部分１１１と、第１のねじ部分１１１にねじ螺旋方向に連続する第２のねじ部分１１２とを含む。第２のねじ部分１１２は、第１のねじ部分１１１以外の雄ねじ１１の残りのすべての部位を構成する。第２のねじ部分１１２の荷重面とねじ溝底面とは、第１の曲面部１１１Ａよりも小さな曲率半径ｒ２を有する第２の曲面部１１２Ａを介して接続されている。図示例では、第１の曲面部１１１Ａの曲率半径ｒ１は０．４ｍｍ、第２の曲面部１１２Ａの曲率半径Ｒ２は０．１ｍｍである。

【0059】

図４に示すように、第１のねじ部分１１１は、雄ねじ１１の先端部からねじ螺旋方向に沿ってほぼ１周分にわたって設けられている。これは、上記式（２）で求められる（０．４－０．１）／（９．８４５－９．４００）＝０．６７４周以上となっており、第２のねじ部分１１２の先端部の基部におけるねじ山幅は第１のねじ部分１１１の先端部の基部におけるねじ山幅よりも完全に大きい。

【0060】

また、本実施形態では、雌ねじ２１の荷重面とねじ山頂面とが、雄ねじ１１の第１の曲面部１１１の曲率半径ｒ１よりも大きな曲率半径ｒ３を有する第３の曲面部２１Ａを介して接続されている。図示例では、第３の曲面部２１Ａの曲率半径ｒ３は０．５ｍｍとされている。なお、図示例では、第３の曲面部２１Ａを雌ねじ２１全体にわたって設けているが、ピン１０及びボックス２０の締結状態で第１の曲面部１１１Ａに対向する部位にのみ比較的大きな曲率半径ｒ３を有する第３の曲面部２１Ａを設け、その他の部位の雌ねじ２１の荷重面とねじ山頂面との間には、曲率半径ｒ３よりも小さな、例えば０．５～２．０ｍｍの曲率半径を有する曲面部を設けることができる。

【0061】

また、図２及び図３に示すように、締結状態で雄ねじ１１の先端部の第１のねじ部１１１の荷重面に接触する雌ねじ２１の第１ねじ山２１１のねじ山頂面前記荷重面に接触する部分の前記ねじ山頂面と、このねじ山頂面に対向する雄ねじ１１のねじ溝底面との間には径方向の隙間が設けられている。この隙間の寸法は、第１の曲面部１１１Ａの曲率半径ｒ１よりも小さく、図示実施例では０．３ｍｍ程度である。

【0062】

そして、第１の曲面部１１１の径方向外端部が、第３の曲面部２１Ａの径方向内端部よりも径方向外方に位置するとともに、第３の曲面部２１Ａの径方向外端部よりも径方向内方に位置している。

【0063】

図５は第２実施形態に係る鋼管用ねじ継手を示しており、第１実施形態のねじ継手に対して、荷重面ピッチ及び挿入面ピッチを若干小さくしており、これにより縦断面に現れるねじ山の数を増加させている。具体的には、荷重面ピッチを８．４６６ｍｍ、挿入面ピッチを８．０８４ｍｍとした。これにより雄ねじ１１の先端部のねじ山底部の最小ねじ山幅は２．１ｍｍ程度となった。

【0064】

本開示は、カップリング型だけでなく、インテグラル型のねじ継手にも適用できる。その他、本開示は上記の実施の形態に限定されず、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

【実施例】

【0065】

本実施の形態に係る鋼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により、耐せん断性能及び耐トルク性能を評価した。

【0066】

＜試験条件＞
有限要素解析（ＦＥＭ解析）では、ねじプロファイルを変えた複数の供試体（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性能の差を比較した。

【0067】

供試体＃１～＃４は上記の第１実施形態に係るねじ継手を基本構造とし、第１の曲面部を雄ねじ全長に亘って設けたものである。また、供試体＃１は第１の曲面部の曲率半径を０．１ｍｍとしたもの、供試体＃２は同曲率半径を０．２ｍｍとしたもの、供試体＃３は同曲率半径を０．３ｍｍとしたもの、供試体＃４は同曲率半径を０．４ｍｍとしたものである。

【0068】

供試体＃５～８は上記の第２実施形態に係るねじ継手を基本構造とし、第１の曲面部を雄ねじ全長に亘って設けたものである。また、供試体＃１は第１の曲面部の曲率半径を０．１ｍｍとしたもの、供試体＃２は同曲率半径を０．２ｍｍとしたもの、供試体＃３は同曲率半径を０．３ｍｍとしたもの、供試体＃４は同曲率半径を０．４ｍｍとしたものである。

【0069】

材料はいずれもＡＰＩ規格の油井管材料Ｑ１２５（公称耐力ＹＳ＝８６２ＭＰａ（１２５ｋｓｉ））とした。

【0070】

なお、従来製品との比較のため、雄ねじの荷重面とねじ底底面との境界部に２つの曲率半径（０．１２５ｍｍの曲率半径と０．８７５ｍｍの曲率半径）を有する比較モデルを作成し、この従来品についても同様に評価した。

【0071】

［耐せん断性能］
耐せん断性能については、鋼管の管本体が降伏する引張荷重の１００％を負荷し、雄ねじのせん断破壊の起点となる雄ねじ先端部の荷重面側のねじ底部の第１の曲面部における相当塑性ひずみを算出し、その値が小さいほど耐せん断性能に優れていると評価した。その評価結果を図６に示す。

【0072】

［耐トルク性能の評価］
耐トルク性能については、締結トルク線図が降伏し始める値ＭＴＶ（Maximum Torque Value）を降伏トルクと定義し、その値が高いほど耐トルク性能が優れていると評価した。その評価結果を図７に示す。

【0073】

［評価結果］
図６に示すように、２つの曲率半径を有する従来品では、曲率半径０．１２５ｍｍの部分に集中したひずみが曲率半径０．８７５ｍｍの部分で緩和されることから、比較的低い相当塑性ひずみを示していると考えられる。第１の曲面部を有する供試体＃１～４及び＃５～＃８では、曲率半径が増加するにつれて第１の曲面部に生じる相当塑性ひずみが低下し、供試体＃１～＃４では曲率半径０．３０ｍｍを超えたあたりから従来品よりも相当塑性ひずみが小さくなり、供試体＃５～＃８では曲率半径０．３５ｍｍを超えたあたりで従来品よりも相当塑性ひずみが小さくなると評価できる。これら供試体のねじ山高さＴｈは２．２ｍｍであるから、供試体＃１～＃４の場合は曲率半径ｒ１≧Ｔｈ×０．１４を満たす場合に従来品よりも相当塑性ひずみが小さくなり、また、供試体＃５～＃８の場合は曲率半径ｒ１≧Ｔｈ×０．１６を満たす場合に従来品よりも相当塑性ひずみが小さくなると評価できる。

【0074】

一方、耐トルク性能は雄ねじ荷重面底部の第１の曲面部の曲率半径の変化による影響を殆ど受けず、供試体＃１～＃４及び供試体＃５～＃８のそれぞれが同等の値を示した。供試体＃１～＃４については、雌ねじの荷重面頂部の曲率半径を従来品に比べて大きくしたことによる荷重面接触面積の減少によって従来品よりも耐トルク性能が低下したものと考えられる。一方、荷重面接触面積を増大するために荷重面ピッチ及び挿入面ピッチを狭くした供試体＃５～＃８では、従来品よりも高い耐トルク性能を示した。

【0075】

荷重面ピッチ及び挿入面ピッチを小さくすると雄ねじ先端部のねじ山幅の減少を招き、耐せん断性能が大きく低下してしまうのではないかと危惧していたが、図６に示す通り、曲率半径の増加によって耐せん断性能も従来品よりも良好な評価結果が得られており、本開示によって従来品よりも耐せん断性能及び耐トルク性能のいずれにおいても良好なねじ継手を提供できることが判明した。

【0076】

供試体＃１～＃４は耐トルク性能が従来品よりも低下しているが、第１の曲面部の曲率半径を０．３ｍｍより大きくすることで従来品よりも良好な耐せん断性能が得られており、高い耐トルク性能が要求されない用途においては利用価値があり、また、耐トルク性能を向上する他の手段の適用によって耐トルク性能が求められる製品にも応用可能であると考えられる。

【0077】

なお、せん断破壊の起点と考えられる雄ねじの第１ねじ山のみ荷重面底部の曲率半径を増加させた供試体についても同様の評価を行ったところ、第１ねじ山のみの曲率半径の変化による耐トルク性能及び耐せん断性能への影響は軽微であった。

【0078】

ただし、雄ねじの第１ねじ山に噛み合わない部分で雌ねじの荷重面頂部の曲率半径を小さくし、荷重面接触面積を増加させることによって、耐トルク性能を大幅に向上できるものと考えられる。

【符号の説明】

【0079】

１：鋼管用ねじ継手，２：鋼管，１０：ピン，２０：ボックス
１１：雄ねじ，１１１：第１のねじ部，１１１Ａ：第１の曲面部，ｒ１：曲率半径
１１２：第２のねじ部，１１２Ａ：第２の曲面部，ｒ２：曲率半径
２１：雌ねじ，２１Ａ：第３の曲面部，ｒ３：曲率半径
２：鋼管

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】