特許 7455866 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】2024-03-15

(45)【発行日】2024-03-26

(54)【発明の名称】管用ねじ継手

(51)【国際特許分類】

   F16L 15/04 20060101AFI20240318BHJP

【ＦＩ】

F16L15/04 A

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021571119

(86)(22)【出願日】2020-12-22

(86)【国際出願番号】 JP2020047835

(87)【国際公開番号】W WO2021145161

(87)【国際公開日】2021-07-22

【審査請求日】2022-01-14

(31)【優先権主張番号】P 2020005810

(32)【優先日】2020-01-17

(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】奥 洋介

(72)【発明者】

【氏名】丸田 賢

【審査官】伊藤 紀史

(56)【参考文献】

【文献】米国特許第０６５８１９８０（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】国際公開第２０１８／２１１８７３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２００６－５２６７４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－１６９８５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１４９７６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０６５３０６０７（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】米国特許出願公開第２００６／０１４５４８０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１７／１０４２８２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００１－１２４２５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－１２６３６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００８／０２９６８９４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表昭６１－５０２９７１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｌ １５／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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管用ねじ継手であって、
前記ピンは、軸方向に離間する内ねじ部及び外ねじ部を含む雄ねじと、該雄ねじの前記内ねじ部と前記外ねじ部との間に設けられた中間ショルダ面とを備え、
前記ボックスは、締結状態で前記雄ねじの内ねじ部が嵌合する内ねじ部と前記雄ねじの外ねじ部が嵌合する外ねじ部とを含む雌ねじと、該雌ねじの前記内ねじ部と前記外ねじ部との間に設けられ且つ締結状態で前記ピンの中間ショルダ面に接触する中間ショルダ面とを備え、
締結完了時点で、前記雄ねじ及び前記雌ねじの荷重面同士が接触し、且つ、前記雄ねじ及び前記雌ねじの挿入面間に隙間が形成されるよう、前記雄ねじ及び前記雌ねじが構成されており、
締結完了時点で前記雄ねじ及び前記雌ねじの挿入面間に形成される前記隙間は、前記ピン及び前記ボックスの降伏圧縮荷重よりも小さい所定の軸方向圧縮荷重が負荷されたときに前記ピン及び前記ボックスの変形により前記雄ねじ及び前記雌ねじの挿入面同士が軸方向圧縮荷重の一部を負担するように接触開始する程度の大きさとされており、
下記の式（１）を満たし、
Ｇ ≦ ０．１２＋Ｄsh×ｔａｎ１° ・・・（１）
ここで、Ｇ[mm]は、締結完了時点で前記雄ねじ及び前記雌ねじの挿入面間に形成される前記隙間の管軸方向に沿う方向における大きさであり、Ｄsh[mm]は、締結完了時点の縦断面における前記ピンの中間ショルダ面の径方向外端と前記ボックスの中間ショルダ面の径方向内端との間の距離であり、
前記ピン及び前記ボックスの中間ショルダ面は、負荷される軸方向圧縮荷重が大きいほどショルダ回転角θが大きくなる特性を有し、
ここで、前記ショルダ回転角θは、締結完了時点の縦断面における前記ピンの中間ショルダ面の径方向外端と前記ボックスの中間ショルダ面の径方向内端とを通る直線と、軸方向圧縮荷重負荷時の前記縦断面における前記ピンの中間ショルダ面の径方向外端と前記ボックスの中間ショルダ面の径方向内端とを通る直線とのなす角度であり、
所定の軸方向圧縮荷重の負荷によって内ねじ部の挿入面同士が接触開始する部位と中間ショルダ面との間の管軸方向距離は、所定の軸方向圧縮荷重の負荷によって外ねじ部の挿入面同士が接触開始する部位と中間ショルダ面との間の管軸方向距離の０．８倍～１．２倍である、管用ねじ継手。

【請求項2】

請求項１に記載の管用ねじ継手において、Ｇ≦０．１５ｍｍを満たす、管用ねじ継手。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の管用ねじ継手において、Ｇ≧０．０６ｍｍを満たす、管用ねじ継手。

【請求項4】

請求項１，２又は３に記載の管用ねじ継手において、
前記ピンは、前記雄ねじよりもピン先端側に設けられたシール面を備え、
前記ボックスは、締結状態で前記ピンの前記シール面に接触するシール面と、前記ボックス内周のうち前記ボックスの前記シール面と前記雌ねじとの間の部位に設けられた周方向に沿って延びる内溝とを備え、該内溝は、締結状態で前記ピンの前記雄ねじの一部を収容し、
前記内溝は、前記雄ねじのねじピッチの２倍よりも小さな軸方向幅の溝底を有する、管用ねじ継手。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか１項に記載の管用ねじ継手において、
前記雄ねじ及び前記雌ねじの挿入面同士が軸方向圧縮荷重の一部を負担するように接触開始する時点の前記ショルダ回転角θは１°未満である、管用ねじ継手。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、鋼管等の連結に用いられる管用ねじ継手に関する。

【背景技術】

【0002】

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、その連結に管用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。

【0003】

管用ねじ継手の形式は、インテグラル型とカップリング型とに大別される。インテグラル型の管用ねじ継手は、例えば下記の特許文献１及び２に開示されており、カップリング型の管用ねじ継手は、例えば下記の特許文献３に開示されている。

【0004】

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。

【0005】

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、カップリングを介して油井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一方が油井管であり、他方がカップリングである。

【0006】

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、油井管の端部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。

【0007】

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の概ね１０８％未満であるねじ継手はセミフラッシュ型ねじ継手とも称される。これらフラッシュ型及びセミフラッシュ型のねじ継手には、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。

【0008】

寸法制約が大きいフラッシュ型及びセミフラッシュ型のねじ継手は、継手部の軸方向中間に中間ショルダ面を設け、その前後にそれぞれねじ部を配置した２段ねじにより雄ねじ及び雌ねじを構成した継手デザインが採用されることが多い。

【0009】

特許文献１には、このような２段ねじ構造のねじ継手において、密封性能を安定して確保する技術が開示されている。すなわち、特許文献１の技術は、ボックスの内シール面と内雄ねじ部との間に設けた内溝部に、ピンの内雄ねじ部の一部を収容するよう構成することによって、繰り返し荷重が負荷された後でも密封性能を安定して確保しようとするものである。

【0010】

また、特許文献２には、フラッシュ型及びセミフラッシュ型のねじ継手において、ボックスの外シール面と雌ねじとの間に、雌ねじのねじピッチよりも長い管軸方向長さを有する環状部を設けることによって、外シールの密封性能を確実に確保する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【文献】国際公開第２０１８／２１１８７３号

【文献】国際公開第２０１６／０５６２２２号

【文献】特開２０１２－１４９７６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

シール面同士の干渉による密封性能を維持するためには、ねじ継手の耐圧縮性能を向上することが有効である。圧縮荷重によってねじ継手の各部が変形して、シール面の軸方向位置がずれると、適切な干渉量がシール面間に導入されない状態となって、密封性能に悪影響を及ぼすためである。

【0013】

しかし、インテグラル型のフラッシュ型及びセミフラッシュ型の２段ねじ構造のねじ継手では、肉厚の制約により中間ショルダ面同士の接触幅（すなわち、接触する部分の径方向幅）を大きく確保することが難しい。中間ショルダ面同士の接触幅を大きくすると、ピン及びボックスのねじ部やシール部の管肉厚が犠牲となり、密封性能等が低下するとともに、ピン及びボックスの中間危険断面の面積の確保も困難となり、ねじ継手の引張強度や密封性能の低下に繋がるからである。

【0014】

その一方、近年のさらなる高温高圧深井戸の開発により、耐圧縮性能のさらなる向上が求められており、特許文献１に開示された中間ショルダ面のみで圧縮荷重を負担する技術のみでは十分な耐圧縮性能が得られない。

【0015】

上記特許文献３には、ピンの雄ねじ部より管端側に延在するノーズ部の先端にショルダ面が設けられた管用ねじ継手において、雄ねじ及び雌ねじの挿入面間のねじ隙間Ｇを０．０１～０．１ｍｍの範囲内とすることによって、軸方向圧縮荷重の負荷時に雄ねじ及び雌ねじの挿入面同士を軸方向圧縮荷重の一部を負担するように接触させ、これにより耐圧縮性能を向上する技術が開示されている。

【0016】

しかし、特許文献３は２段ねじ構造のねじ継手とは異なるタイプのねじ継手に関する文献であって、特許文献３には、２段ねじ構造のねじ継手の中間ショルダ面に好ましくない変形が生じないようにするための挿入面間隙間の大きさについては開示されていない。

【0017】

本開示の目的は、２段ねじ構造の管用ねじ継手において、耐圧縮性能の更なる向上を図ることである。

【課題を解決するための手段】

【0018】

本願発明者は、２段ねじ構造の管用ねじ継手において、圧縮荷重負荷時に中間ショルダ面がどのように変形し、その変形量がどの程度となるかについて着目し、主としてコンピュータシミュレーションによる弾塑性解析によって分析を行った。その結果、ピン及びボックスの中間ショルダ面は、負荷される軸方向圧縮荷重が大きいほどショルダ回転角θが大きくなる特性を有することが確認された。さらに、中間ショルダ面のみで軸方向圧縮荷重を負担させる場合、図１に示すように、軸方向圧縮荷重がある程度大きくなると、軸方向圧縮荷重の単位増分ΔＬあたりの中間ショルダ面のショルダ回転角の単位増分Δθが急激に大きくなることが判明した。

【0019】

なお、ショルダ回転角θとは、本明細書において、図２に示すように、締結完了時点の縦断面におけるピンの中間ショルダ面の外端Ｐ１とボックスの中間ショルダ面の内端Ｂ１とを通る直線Ｌ１と、軸方向圧縮荷重負荷時の前記縦断面におけるピンの中間ショルダ面の外端Ｐ２とボックスの中間ショルダ面の内端Ｂ２とを通る直線Ｌ２とのなす角度である。図２において、締結完了時点の中間ショルダ面は仮想線で示されており、軸方向圧縮荷重負荷時の中間ショルダ面が実線で示されている。図２においてはＢ２点をＢ１点に重ねて図示したが、実際にはＢ１点とＢ２点とが重なるとは限らない。なお、ピンの中間ショルダ面の外端とは、ボックスの中間ショルダ面と接触している接触面の外端であり、ピンの中間ショルダ面の外周縁に設けられるチャンファー部の外端ではない。また、ボックスの中間ショルダ面の内端とは、ピンの中間ショルダ面と接触している接触面の内端であり、ボックスの中間ショルダ面の内周縁に設けられるチャンファー部の内端ではない。

【0020】

また、本明細書において、「締結完了時点」とは、ピンをボックスに締結した後、軸方向荷重及び内外圧のいずれもねじ継手に負荷していない時点を意味する。一方、「締結状態」とは、軸方向荷重及び内外圧が負荷されているか否かにかかわらずピン及びボックスが締結されている状態を意味し、ねじ継手が破壊されない、またはピン及びボックスのシール面の接触面圧が喪失しない範囲内、より好ましくは弾性域内で軸方向荷重及び内外圧を負荷した後であっても、ピン及びボックスが締結されていれば「締結状態」である。本開示において、「弾性域内の軸方向荷重及び内外圧」とは、対象のねじ継手が強度を保証する降伏楕円内の軸方向荷重及び内外圧であってよい。

【0021】

中間ショルダ面のショルダ回転角が大きくなりすぎると、中間ショルダ面近傍に塑性ひずみが蓄積し易くなるため好ましくない。さらに、大きなショルダ回転角は、ピンの中間ショルダ面の外端近傍、並びに、ボックスの中間ショルダ面の内端近傍が潰れるような変形を誘発して、その後の実質的なショルダ接触面積が低下するおそれもある。

【0022】

したがって、ショルダ回転角θの単位増分Δθが急激に大きくなる前の時点Ｘ（図１参照）で、雄ねじ及び雌ねじの挿入面同士が接触開始するように締結完了時点の挿入面間の隙間の大きさを設定することにより、比較的大きな圧縮荷重負荷時であっても中間ショルダ面に作用する圧縮荷重を低減でき、図１に二点鎖線で示すように、挿入面同士が接触した後のショルダ回転角θの増加量を緩やかにできると考えられる。

【0023】

次に、本願発明者は、複数の管径サイズのねじ継手について、ショルダ回転角θの単位増分Δθが急激に大きくなる角度について検証したところ、管径サイズによらず、ショルダ回転角θが約１°より大きくなるとショルダ回転角θの単位増分Δθが急激に大きくなることを見出した。

【0024】

中間ショルダを有する２段ねじ継手に軸方向圧縮荷重が負荷されると、ピン及びボックスに圧縮ひずみが生じ、中間ショルダから軸方向に離れるほどピン及びボックスの軸方向の収縮量αが大きくなる。したがって、挿入面間隙間の大きさが全長にわたって均一である場合、圧縮荷重を徐々に大きくしていくと、中間ショルダから遠い部位から挿入面同士の接触が始まり、順次中間ショルダに近い部位に挿入面同士の接触が進行していく傾向がある。

【0025】

また、ピン及びボックスの挿入面同士の相対変位量は、上記収縮量αに加えて、中間ショルダの回転変形によるピン及びボックスの軸方向のずれ量βの影響も受ける。締結完了時点の縦断面におけるピンの中間ショルダ面の径方向外端とボックスの中間ショルダ面の径方向内端との間の距離（すなわち、中間ショルダ面同士の接触部分の径方向幅）をＤshとすると、図２に示すように、上記ずれ量βはＤsh×ｔａｎθで与えられる。

【0026】

ピン及びボックスの挿入面同士が接触開始する部位の上記相対変位量は、締結完了時点
の挿入面間の隙間Ｇと等しいので、ショルダ回転角１°未満で挿入面同士の接触を開始させるには、下記の式（１）が成立すればよい。
Ｇ≦α＋β＝α＋Ｄsh×ｔａｎ１° ・・・（１）
ここで、αは、挿入面同士が接触開始する軸方向圧縮荷重を負荷したときの、挿入面同士が接触開始する部位の中間ショルダを基準とする圧縮ひずみによる軸方向変位量である。

【0027】

本願発明者らは、ショルダ接触幅Ｄshが１．８０ｍｍ及び１．９２ｍｍの２種類の供試体について、ショルダ回転角θが１°以下で挿入面同士が接触開始することになる挿入面隙間Ｇをコンピュータシミュレーションによる弾塑性解析により検証したところ、いずれも挿入面隙間Ｇが０．１５ｍｍ以下であればショルダ回転角θが１°以下で挿入面同士が接触開始することが確認された。しかし、より大きなショルダ接触幅Ｄshの場合には、より大きな挿入面隙間Ｇであっても、ショルダ回転角θを１°以下に抑えることが可能であると考えられる。

【0028】

上記式（１）にＧ＝０．１５、及び、Ｄsh＝１．８０ｍｍ or １．９２ｍｍを代入してαを求めると、α＝０．１２ｍｍが得られる。

【0029】

ショルダ接触幅Ｄshが大きくなるほど、中間ショルダを１°回転させるための軸方向圧縮荷重は大きくなる。さらに、通常、管径サイズが大きくなるほどショルダ接触幅Ｄshも大きくなる。したがって、ショルダ回転角θが１°のときの上記αの値は、管径サイズによらずほぼ一定であると仮定することができる。

【0030】

本開示は、これらの知見に基づいてなされたものである。

【0031】

本開示に係る管用ねじ継手は、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。前記ピンは、軸方向に離間する内ねじ部及び外ねじ部を含む雄ねじと、該雄ねじの前記内ねじ部と前記外ねじ部との間に設けられた中間ショルダ面とを備える。前記ボックスは、締結状態で前記雄ねじの内ねじ部が嵌合する内ねじ部と前記雄ねじの外ねじ部が嵌合する外ねじ部とを含む雌ねじと、該雌ねじの前記内ねじ部と前記外ねじ部との間に設けられ且つ締結状態で前記ピンの中間ショルダ面に接触する中間ショルダ面とを備える。締結完了時点で、前記雄ねじ及び前記雌ねじの荷重面同士が接触し、且つ、前記雄ねじ及び前記雌ねじの挿入面間に隙間が形成されるよう、前記雄ねじ及び前記雌ねじが構成されている。締結完了時点で前記雄ねじ及び前記雌ねじの挿入面間に形成される前記隙間は、前記ピン及び前記ボックスの降伏圧縮荷重よりも小さい所定の軸方向圧縮荷重が負荷されたときに前記ピン及び前記ボックスの変形により前記雄ねじ及び前記雌ねじの挿入面同士が軸方向圧縮荷重の一部を負担するように接触開始する程度の大きさとされている。

【0032】

本開示に係る管用ねじ継手は、下記の式（１）を満たす。
Ｇ ≦ ０．１２＋Ｄsh×ｔａｎ１° ・・・（１）
ここで、Ｇは、締結完了時点で前記雄ねじ及び前記雌ねじの挿入面間に形成される前記隙間の管軸方向に沿う方向における大きさであり、Ｄshは、締結完了時点の縦断面における前記ピンの中間ショルダ面の径方向外端と前記ボックスの中間ショルダ面の径方向内端との間の距離である。

【発明の効果】

【0033】

本開示によれば、２段ねじ構造のねじ継手において、徐々に大きな軸方向圧縮荷重を負荷させた場合に、中間ショルダ面の単位増分Δθが大きくなる前に雄ねじ及び雌ねじの挿入面同士を接触させ、これら挿入面に軸方向圧縮荷重の一部を負担させることによって、
比較的大きな軸方向圧縮荷重の負荷時においても中間ショルダ面のショルダ回転角θ、すなわち中間ショルダ面の縦断面形状の回転変形量を比較的小さくすることができ、中間ショルダ面に蓄積するダメージを抑制できる。これにより、２段ねじ構造のねじ継手の耐圧縮性能を一層向上できる。

【図面の簡単な説明】

【0034】

【図1】図１は、２段ねじ構造の管用ねじ継手において、中間ショルダ面のみが軸方向圧縮荷重を負担する場合の軸方向圧縮荷重とショルダ回転角との関係を示すグラフである。

【図2】図２は、２段ねじ構造の管用ねじ継手に軸方向圧縮荷重を負荷させたときの中間ショルダ面の変形状態を示す簡略拡大断面図である。

【図3】図３は、実施形態に係る油井管用ねじ継手の締結状態を示す縦断面図である。

【図4】図４は、供試体＃１～＃１０に負荷した複合荷重の経路を示す図である。

【図5】図５は、供試体＃１１～＃２０に負荷した複合荷重の経路を示す図である。

【図6】図６は、供試体＃１～＃５に徐々に大きな単純圧縮荷重を負荷したときの圧縮荷重とショルダ回転角との関係を示すグラフである。

【図7】図７は、供試体＃６～＃１０に徐々に大きな単純圧縮荷重を負荷したときの圧縮荷重とショルダ回転角との関係を示すグラフである。

【図8】図８は、供試体＃１１～＃１５に徐々に大きな単純圧縮荷重を負荷したときの圧縮荷重とショルダ回転角との関係を示すグラフである。

【図9】図９は、供試体＃１６～＃２０に徐々に大きな単純圧縮荷重を負荷したときの圧縮荷重とショルダ回転角との関係を示すグラフである。

【図10】図１０は、内溝の軸方向長さを変えた２つの供試体＃１，＃６の各荷重ステップにおけるショルダ回転角を示すグラフである。

【図11】図１１は、内溝の軸方向長さを変えた２つの供試体＃２，＃７の各荷重ステップにおけるショルダ回転角を示すグラフである。

【図12】図１２は、内溝の軸方向長さを変えた２つの供試体＃３，＃８の各荷重ステップにおけるショルダ回転角を示すグラフである。

【図13】図１３は、内溝の軸方向長さを変えた２つの供試体＃４，＃９の各荷重ステップにおけるショルダ回転角を示すグラフである。

【図14】図１４は、内溝の軸方向長さを変えた２つの供試体＃５，＃１０の各荷重ステップにおけるショルダ回転角を示すグラフである。

【図15】図１５は、内溝の軸方向長さを変えた２つの供試体＃１１，＃１６の各荷重ステップにおけるショルダ回転角を示すグラフである。

【図16】図１６は、内溝の軸方向長さを変えた２つの供試体＃１２，＃１７の各荷重ステップにおけるショルダ回転角を示すグラフである。

【図17】図１７は、内溝の軸方向長さを変えた２つの供試体＃１３，＃１８の各荷重ステップにおけるショルダ回転角を示すグラフである。

【図18】図１８は、内溝の軸方向長さを変えた２つの供試体＃１４，＃１９の各荷重ステップにおけるショルダ回転角を示すグラフである。

【図19】図１９は、内溝の軸方向長さを変えた２つの供試体＃１５，＃２０の各荷重ステップにおけるショルダ回転角を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0035】

本実施の形態に係るねじ継手は、管状のピンと、管状のボックスとから構成される。ピンとボックスとは、ピンがボックスにねじ込まれることにより締結される。ピンは、第１の管の管端部に設けられ、ボックスは、第２の管の管端部に設けられる。第１の管は、油井管等の長尺パイプであってよい。第２の管は、油井管等の長尺パイプであってもよいし、長尺パイプ同士を接続するためのカップリングであってもよい。油井管やカップリングは、典型的には鋼製であるが、ステンレス鋼やニッケル基合金等の金属製であってよい。

【0036】

ピンは、軸方向に離間する内ねじ部及び外ねじ部を含む雄ねじと、雄ねじの内ねじ部と外ねじ部との間に設けられた中間ショルダ面とを備えることができる。好ましくは、内ねじ部及び外ねじ部はそれぞれテーパーねじからなる。内ねじ部は、外ねじ部よりも管端側に配置することができる。好ましくは、内ねじ部を構成するテーパーねじのテーパー母線は、外ねじ部を構成するテーパーねじのテーパー母線よりも径方向内方に位置する。中間ショルダ面は、内ねじ部と外ねじ部との間でピンの外周に形成された段部の側面により構成できる。中間ショルダ面は、ピンの管端側に向けられている。内ねじ部及び外ねじ部はそれぞれ、台形ねじ、ＡＰＩラウンドねじ、ＡＰＩバットレスねじ、若しくは、ダブテイル型ねじなどであってよい。

【0037】

ボックスは、軸方向に離間する内ねじ部及び外ねじ部を含む雌ねじと、雌ねじの内ねじ部と外ねじ部との間に設けられた中間ショルダ面とを備えることができる。好ましくは、雌ねじの内ねじ部及び外ねじ部は、雄ねじの内ねじ部及び外ねじ部にそれぞれ適合するテーパーねじからなる。雌ねじの内ねじ部は、締結状態で雄ねじの内ねじ部が嵌合する。雌ねじの外ねじ部は、締結状態で雄ねじの外ねじ部が嵌合する。ボックスの中間ショルダ面は、雌ねじの内ねじ部と外ねじ部との間でボックスの内周に形成された段部の側面により構成できる。ボックスの中間ショルダ面は、ボックスの管端側に向けられており、ピンの中間ショルダ面に対向する。ボックスの中間ショルダ面は、締結状態でピンの中間ショルダ面に接触し、これら中間ショルダ面はトルクショルダとして機能する。雌ねじの内ねじ部及び外ねじ部は、雄ねじの内ねじ部及び外ねじ部にそれぞれ適合する台形ねじ、ＡＰＩラウンドねじ、ＡＰＩバットレスねじ、若しくは、ダブテイル型ねじなどであってよい。

【0038】

ピン及びボックスの中間ショルダ面は、管軸に対して直交する面であってもよいし、縦断面において前記直交する面に対して傾斜するテーパー面であってもよい。

【0039】

好ましくは、ピンの内ねじ部よりも第１の管の管端側でピンの外周にピン内シール面を設けるとともに、ボックスの内ねじ部よりも第２の管の管中央側でボックスの内周に、締結状態でピン内シール面と干渉するボックス内シール面を設けることができる。好ましくは、ピンの外ねじ部よりも第１の管の管中央側でピンの外周にピン外シール面を設けるとともに、ボックスの外ねじ部よりも第２の管の管端側でボックスの内周に、締結状態でピン外シール面と干渉するボックス外シール面を設けることができる。ピン内シール面及びボックス内シール面は、内ねじ部と中間ショルダ面との間に設けられていてもよい。ピン外シール面及びボックス外シール面は、外ねじ部と中間ショルダ面との間に設けられていてもよい。これらシール面は、要求される密封性能や継手構造に応じて、管軸方向の１以上の部位に設けることもできるし、大きな密封性能が要求されない場合には設けなくともよい。

【0040】

好ましくは、ピン及びボックスの締結完了時点で、雄ねじの内ねじ部及び雌ねじの内ねじ部の荷重面同士が接触し、雄ねじの外ねじ部及び雌ねじの外ねじ部の荷重面同士が接触し、雄ねじの内ねじ部及び雌ねじの内ねじ部の挿入面間に隙間が形成され、且つ、雄ねじの外ねじ部及び雌ねじの外ねじ部の挿入面間に隙間が形成される。

【0041】

好ましくは、雄ねじの内ねじ部及び雌ねじの内ねじ部の挿入面間に形成される隙間の大きさは、内ねじ部同士の嵌合範囲全体にわたって均一であるが、一部の小領域においてより大きな隙間が形成されていてもよい。好ましくは、雄ねじの外ねじ部及び雌ねじの外ねじ部の挿入面間に形成される隙間の大きさは、外ねじ部同士の嵌合範囲全体にわたって均一であるが、一部の小領域においてより大きな隙間が形成されていてもよい。好ましくは、雄ねじの内ねじ部及び雌ねじの内ねじ部の挿入面間に形成される隙間の大きさと、雄ねじの外ねじ部及び雌ねじの外ねじ部の挿入面間に形成される隙間の大きさとが等しい。

【0042】

好ましくは、締結完了時点で雄ねじ及び雌ねじの内ねじ部の挿入面間に形成される前記隙間は、ピン及びボックスの降伏圧縮荷重よりも小さい所定の軸方向圧縮荷重が負荷されたときにピン及びボックスの変形により雄ねじ及び雌ねじの内ねじ部の挿入面同士が軸方向圧縮荷重の一部を負担するように接触開始する程度の大きさとされている。内ねじ部の挿入面同士の接触開始時の接触状態は様々であってよく、内ねじ部の管軸方向の所定の部位から接触開始して、軸方向圧縮荷重が大きくなるにつれて徐々に挿入面同士の接触領域が広がっていってもよいし、また、内ねじ部の挿入面全体が同時に接触開始してもよい。

【0043】

好ましくは、締結完了時点で雄ねじ及び雌ねじの外ねじ部の挿入面間に形成される前記隙間は、ピン及びボックスの降伏圧縮荷重よりも小さい所定の軸方向圧縮荷重が負荷されたときにピン及びボックスの変形により雄ねじ及び雌ねじの外ねじ部の挿入面同士が軸方向圧縮荷重の一部を負担するように接触開始する程度の大きさとされている。外ねじ部の挿入面同士の接触開始時の接触状態は様々であってよく、外ねじ部の管軸方向の所定の部位から接触開始して軸方向圧縮荷重が大きくなるにつれて徐々に挿入面同士の接触領域が広がっていってもよいし、また、内ねじ部の挿入面全体が同時に接触開始してもよい。また、外ねじ部の挿入面同士が接触開始する軸方向圧縮荷重は、内ねじ部の挿入面同士が接触開始する軸方向圧縮荷重と異なっていても良い。

【0044】

好ましくは、本開示に係る管用ねじ継手は、下記の式（１）を満たす。
Ｇ ≦ ０．１２＋Ｄsh×ｔａｎ１° ・・・（１）
ここで、Ｇは、締結完了時点で雄ねじ及び雌ねじの挿入面間に形成される隙間の管軸方向に沿う方向における大きさであり、Ｄshは、締結完了時点の縦断面におけるピンの中間ショルダ面の径方向外端とボックスの中間ショルダ面の径方向内端との間の距離である。なお、本明細書において、挿入面間に形成される隙間の大きさとは、挿入面間に形成される最小の隙間部分の大きさを言うものとする。また、内ねじ部の挿入面間に形成される前記隙間の大きさと、外ねじ部の挿入面間に形成される前記隙間の大きさとが異なる場合は、いずれか小さい方が「雄ねじ及び雌ねじの挿入面間に形成される隙間」の大きさとなる。なお、ピンの中間ショルダ面の外周縁及びボックスの中間ショルダ面の内周縁はいずれも正円であることが好ましく、ピン及びボックスが拗れなく適正に締結された状態で式（１）を満たせばよい。

【0045】

好ましくは、所定の軸方向圧縮荷重の負荷によって内ねじ部の挿入面同士が接触開始する部位と中間ショルダ面との間の管軸方向距離ＴＬ１は、所定の軸方向圧縮荷重の負荷によって外ねじ部の挿入面同士が接触開始する部位と中間ショルダ面との間の管軸方向距離ＴＬ２の０．８倍～１．２倍であり、より好ましくは０．９倍～１．１倍である。これによれば、圧縮ひずみによる内ねじ部の挿入面同士の接触開始部位の相対変位量（すなわち隙間の大きさの縮小量）と、圧縮ひずみによる外ねじ部の挿入面同士の接触開始部位の相対変位量とを均一化できる。したがって、内ねじ部の挿入面同士が接触開始する軸方向圧縮荷重と、外ねじ部の挿入面同士が接触開始する軸方向圧縮荷重とを均一化できる。

【0046】

締結完了時点で雄ねじ及び雌ねじの挿入面間に形成される隙間の管軸方向に沿う方向における大きさＧは、例えば、０．１５ｍｍ以下であってよい。これによれば、第１及び第２の管の外径が１８０ｍｍ以上３８０ｍｍ未満、より好ましくは２４０ｍｍ以上３６０ｍｍ未満であるインテグラル型の管用ねじ継手において、中間ショルダのショルダ回転角が１°を超える前に雄ねじ及び雌ねじの挿入面同士を接触開始させることができる。

【0047】

締結時の焼き付き防止の観点から、締結完了時点で雄ねじ及び雌ねじの挿入面間に形成される隙間の管軸方向に沿う方向における大きさＧは０．０６ｍｍ以上であることが好ましい。

【0048】

好ましくは、ピンは、雄ねじよりも管端側に設けられたシール面（ピン内シール面）を備え、ボックスは、締結状態でピンの前記シール面に接触するシール面（ボックス内シール面）と、ボックス内周のうちボックスの前記シール面と雌ねじとの間の部位に設けられた周方向に沿って延びる内溝とを備え、該内溝は、締結状態でピンの雄ねじの一部を収容し、内溝は、雄ねじの内ねじ部のねじピッチの２倍よりも小さな軸方向幅の溝底を有する。これによれば、ボックスのシール面と内ねじ部との間に設けた内溝に、ピンの雄ねじの一部を収容することによって、上記特許文献１に開示したように繰り返し荷重が負荷された後でも密封性能を安定して確保できる。さらに、ボックス危険断面が存在する内溝の底部分の長さを短くすることにより、ボックス危険断面付近のボックスの剛性を上げることができ、耐圧縮性能を向上できる。

【0049】

上述したように、中間ショルダ面を有する２段ねじ継手においては、ピン及びボックスの中間ショルダ面は、負荷される軸方向圧縮荷重が大きいほどショルダ回転角θが大きくなる特性を有する。好ましくは、雄ねじ及び雌ねじの挿入面同士が軸方向圧縮荷重の一部を負担するように接触開始する時点のショルダ回転角θは１°未満である。これによれば、ショルダ回転角の増分が大きくなる前に雄ねじ及び雌ねじの挿入面同士を接触開始させ、挿入面にも軸方向圧縮荷重の一部を負担させることで、ショルダ回転角θが大きくなりすぎることを抑止できる。

【0050】

〔油井管用ねじ継手の構成〕
図３を参照して、本実施の形態に係る油井管用ねじ継手１は、インテグラル型のねじ継手であって、管状のピン２と、ピン２がねじ込まれてピン２と締結される管状のボックス３とを備える。ピン２は、互いに連結される第１及び第２の油井管Ｔ１，Ｔ２のうち一方の油井管Ｔ１の管端部に設けられており、ボックス３は他方の油井管Ｔ２の管端部に設けられている。なお、第１の油井管Ｔ１の管端部に形成されるピン２を第２の油井管Ｔ２の管端部に形成されるボックス３の内部に嵌合させる構造としつつも、ピン２及びボックス３の管肉厚を可能な限り大きく確保するために、ピン２が形成される油井管Ｔ１の管端部には縮径加工が施されるとともに、ボックス３が形成される油井管Ｔ２の管端部には拡径加工が施され、これら縮径加工又は拡径加工の後に旋削加工することによってピン２及びボックス３が形成されている。

【0051】

ピン２の外周には、第１の油井管Ｔ１の管中央側（図３において左側）から管端側（図３において右側）に向けて順に、ピン外シール面２１、外溝２２、テーパーねじからなる外ねじ部２３、外ねじ部２３のねじ谷底面に連なる外周面を有するねじ無し部２４、中間ショルダ面２５を含む段部、内ねじ部２７のねじ山頂面に連なる外周面を有するねじ無し部２６、外ねじ部２３よりも小径のテーパーねじからなる内ねじ部２７、及び、ピン内シール面２８が設けられている。外ねじ部２３及び内ねじ部２７によって、２段ねじ構造の雄ねじが構成されている。

【0052】

ボックス３の内周には、第２の油井管Ｔ２の管端側（図３において左側）から管中央側（図３において右側）に向けて順に、ボックス外シール面３１、テーパーねじからなる外ねじ部３２、外ねじ部３２のねじ山頂面に連なる内周面を有するねじ無し部３３、中間ショルダ面３４を含む段部、内ねじ部３６のねじ谷底面に連なるねじ無し部３５、外ねじ部３２よりも小径のテーパーねじからなる内ねじ部３６、内溝３７、及び、ボックス内シール面３８が設けられている。外ねじ部３２及び内ねじ部３６によって、２段ねじ構造の雌ねじが構成されている。

【0053】

ピン２をボックス３に締結していくと、ピン２の中間ショルダ面２５がボックス３の中間ショルダ面３４に接触する。このときの締結トルクはショルダリングトルクとも言われている。さらにピン２をボックス３に対して締め付けていくと、中間ショルダ面２５，３４同士の摺動接触により、締結トルクが急激に増大していく。而して、中間ショルダ面２５，３４はトルクショルダとして機能する。締付トルクが降伏トルクを超えると、中間ショルダ面２５，３４の近傍や雄ねじ及び雌ねじが破壊され、締付回転量を増やしても締付トルクが上昇しなくなる。したがって、締付トルクが降伏トルクに至る前に締付を完了すべきである。

【0054】

ねじ継手１においては、締結完了時点で、雄ねじの外ねじ部２３及び雌ねじの外ねじ部３２の荷重面同士が接触するとともに、雄ねじの内ねじ部２７及び雌ねじの内ねじ部３６の荷重面同士が接触する。また、締結完了時点で、雄ねじの外ねじ部２３及び雌ねじの外ねじ部３２の挿入面間に微小隙間Ｇが形成されるとともに、雄ねじの内ねじ部２７及び雌ねじの内ねじ部３６の挿入面間に微小隙間Ｇが形成される。この隙間Ｇは、ピン２及びボックス３の降伏圧縮荷重よりも小さい所定の軸方向圧縮荷重が負荷されたときに、ピン及びボックスの弾性変形により、外ねじ部２３，３２の挿入面同士、並びに、内ねじ部２７，３６の挿入面同士が、軸方向圧縮荷重の一部を負担するように接触開始する程度の大きさとされている。なお、降伏圧縮荷重とは、降伏点に至ったときの圧縮荷重である。降伏点を超えると、ピン２及びボックス３の各部の塑性ひずみが急激に進行し、降伏圧縮荷重を超える荷重を負担できなくなり、ねじ継手１が破壊される。

【0055】

また、締結状態で、ピン外シール面２１とボックス外シール面３１とが全周にわたって干渉接触し、これにより主として外圧シール性能が得られる。締結状態で、ピン内シール面２８とボックス内シール面３８とが全周にわたって干渉接触し、これにより主として内圧シール性能が得られる。なお、圧縮時に内シール近傍においてはピン２が径方向内方に縮径変形する傾向があるが、内シールを形成するピン内シール面２８のテーパ角θpとボックス内シール面３８のテーパ角θbとが、θp＞θbの関係を満たせば、シール面２８，３８同士の接触位置がピンの管端側から離れるため、上記の縮径変形による影響を緩和でき、圧縮荷重負荷時のシール性能の向上につながると考えられる。

【0056】

外溝２２は、ピン外周のうちピン外シール面２１と外ねじ部２３との間の部位に設けられている。外溝２２は、周方向に沿って延びており、好ましくは全周に亘って延びている。外溝２２は、ボックス３の雌ねじの外ねじ部３２の一部を収容する。好ましくは、外溝２２は、ボックス３の外ねじ部３２のねじピッチの２倍よりも小さな軸方向幅の溝底を有する。

【0057】

内溝３７は、ボックス内周のうちボックス内シール面３８と内ねじ部３６との間の部位に設けられている。内溝３７は、周方向に沿って延びており、好ましくは全周に亘って延びている。内溝３７は、ピン２の雄ねじの内ねじ部２７の一部を収容する。好ましくは、内溝３７は、ピン２の内ねじ部２７のねじピッチの２倍よりも小さな軸方向幅Ｗの溝底３７ａを有する。
ねじ継手１は、外溝２２が設けられた範囲内にピン危険断面ＰＣＣＳを有し、内溝３７が設けられた範囲内にボックス危険断面ＢＣＣＳを有する。ボックス３は、雄ねじの外ねじ部２３と雌ねじの外ねじ部３２の噛み合い範囲の中間ショルダ面３４側の端部の近傍にボックス中間危険断面ＢＩＣＣＳを有する。ピン２は、雄ねじの内ねじ部２７と雌ねじの内ねじ部３６との噛み合い範囲の中間ショルダ面２５側の端部の近傍にピン中間危険断面ＰＩＣＣＳを有する。

【0058】

危険断面（ＣＣＳ）とは、締結状態において引張荷重に耐える面積が最も小さくなる継手部分の縦断面である。過大な軸方向引張荷重が負荷された場合、危険断面の近傍で破断が生じる可能性が高くなる。引張荷重のピンからボックスへの伝搬は、ねじ嵌合範囲全体にわたって軸方向に分散される。したがって、引張荷重のすべてが作用するピンの断面部分はねじ嵌合範囲よりもピンの管本体側となり、引張荷重のすべてが作用するボックスの断面部分はねじ嵌合範囲よりもボックスの管本体側となる。引張荷重のすべてが作用する
断面のうち最も断面積が小さいものが危険断面となる。油井管Ｔ１の管本体の断面積に対する危険断面の面積の比を継手効率と呼び、油井管本体の引張強度に対する継手部分の引張強度の指標として広く用いられている。

【0059】

２段ねじ構造のねじ継手１においては、ボックス危険断面ＢＣＣＳ及びピン危険断面ＰＣＣＳに加えて、継手部の軸方向中間部にも引張荷重に耐える継手断面積が小さくなる部位が存在する。すなわち、２段ねじ構造のねじ継手では、軸方向中間にねじ嵌合の無いセクションが存在する。このねじ嵌合の無いセクションでは、ピン及びボックスに分担された引張荷重が増減することなく軸方向に伝搬する。したがって、ねじ嵌合の無いセクションにおいて最も断面積が小さくなるピンの断面がピン中間危険断面（ＰＩＣＣＳ）となり、ねじ嵌合の無いセクションにおいて最も断面積が小さくなるボックスの断面がボックス中間危険断面（ＢＩＣＣＳ）となる。継手中間部における破断の発生を防止するためには、ピン中間危険断面の面積とボックス中間危険断面の面積との和を、できるだけ大きくすることが好ましい。

【0060】

締結状態で、ピン２のねじ無し部２４はボックス３のねじ無し部３３内に挿入され、ピン２のねじ無し部２６はボックス３のねじ無し部３５内に挿入される。ねじ無し部２４とねじ無し部３３との間、並びに、ねじ無し部２６とねじ無し部３５との間には隙間が形成される。

【0061】

中間ショルダ面２５，３４はそれぞれ、未締結状態で、管軸に直交する平坦面により構成されている。これに代えて、中間ショルダ面２５，３４は、未締結状態で、管軸に直交する平面に対して僅かに傾斜していてもよい。

【0062】

本実施形態の油井管用ねじ継手１は、下記の式（１）を満たすよう、中間ショルダ面２５，３４、並びに、雄ねじ及び雌ねじの内ねじ部２７，３６が構成されている。
Ｇ ≦ ０．１２＋Ｄsh×ｔａｎ１° ・・・（１）

【0063】

ここで、Ｇは、締結完了時点で雄ねじ及び雌ねじの内ねじ部２７，３６の挿入面間に形成される隙間の管軸方向に沿う方向における大きさであり、Ｄshは、締結完了時点の縦断面におけるピン２の中間ショルダ面２５の径方向外端とボックス３の中間ショルダ面３４の径方向内端との間の距離である。本実施形態では、締結完了時点で雄ねじ及び雌ねじの外ねじ部２３，３２の挿入面間に形成される隙間の管軸方向に沿う方向における大きさは、締結完了時点で雄ねじ及び雌ねじの内ねじ部２７，３６の挿入面間に形成される隙間の管軸方向に沿う方向における大きさと等しい。なお、締結完了時点で雄ねじ及び雌ねじの外ねじ部２３，３２の挿入面間に形成される隙間の管軸方向に沿う方向における大きさが、締結完了時点で雄ねじ及び雌ねじの内ねじ部２７，３６の挿入面間に形成される隙間の管軸方向に沿う方向における大きさと異なっていてもよいが、この場合においても、締結完了時点で雄ねじ及び雌ねじの外ねじ部２３，３２の挿入面間に形成される隙間の管軸方向に沿う方向における大きさも、上記式（１）を満たすことが好ましい。

【0064】

ねじ継手１により接続される油井管Ｔ１の外径が１８０ｍｍ以上３８０ｍｍ未満、より好ましくは２４０ｍｍ以上３６０ｍｍ未満である場合には、Ｇ≦０．１５ｍｍを満たすことが好ましい。また、締結中の焼き付きを防止するために、Ｇ≧０．０６ｍｍを満たすことが好ましい。

【0065】

本開示は、インテグラル型だけでなく、カップリング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、ダブテイル型ねじなどであってよい。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】

【0066】

本実施の形態に係る油井管用ねじ継手１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、耐圧縮性能を評価した。

【0067】

＜試験条件＞
解析に供試したねじ継手の主要寸法を表１に示す。表１中、Ｄoutは油井管Ｔ１の管本体の外径、Ｄinは油井管Ｔ１の管本体の内径、ＪＥは継手効率、ＴＬ１は内ねじ部２７，３６の挿入面同士が接触開始する部位（本実施形態では、雌ねじの内ねじ部３６の挿入面のボックス管本体側端部）と中間ショルダ面２５，３４との間の管軸方向距離、ＴＬ２は外ねじ部の挿入面２３，３２の挿入面同士が接触開始する部位（本実施形態では、雄ねじの外ねじ部２３の挿入面のピン管本体側端部）と中間ショルダ面２５，３４との間の管軸方向距離、Ｇは締結完了時点の挿入面間隙間、Ｗは内溝２７の溝底の管軸方向幅である。

【0068】

いずれの供試体においても、各ねじ部２３，２７，３２，３６のねじテーパー角度は１．５９１°（１／１８）、ねじ山高さ（荷重面側）は１．３ｍｍ、ねじピッチは５．０８ｍｍに統一した。油井管の材料はＡＰＩ規格の油井管材料Ｑ１２５（公称降伏応力ＹＳ＝８６２ＭＰａ（１２５ｋｓｉ））とした。

【0069】

シミュレーションは、単純圧縮荷重を荷重条件として負荷した解析と、図４又は図５に示す２０１７年版 ＡＰＩ５Ｃ５ ＣＡＬ ＩＶ準拠のＳｅｒｉｅｓＡ試験を模擬した複合荷重を荷重条件として負荷した解析とを行った。図４は、管サイズが9-5/8" 47#（管本体外径２４４．４８ｍｍ、管本体内径２２０．５０ｍｍ）の供試体＃１～＃１０に負荷した複合荷重の経路を示し、図５は、管サイズが13-3/8" 72#（管本体外径３３９．７３ｍｍ、管本体内径３１３．６１ｍｍ）の供試体＃１１～＃２０に負荷した複合荷重の経路を示す。なお、図中、「Compression」は圧縮荷重、「Tension」は引張荷重、「IP」は内圧（Internal Pressure）、「EP」は外圧（External Pressure）、「VME 100% for pipe」は油井管の管本体の降伏曲線、「Joint Efficiency」は継手効率、「CYS」(Connection Yield Strength)はねじ継手の降伏強度、「CYS 100%」はねじ継手の降伏曲線、「CYS 95%」はCYS 100%に対して95%の降伏曲線、「High collapse for connection」はねじ継手の外圧による圧潰曲線である。「CYS 100%」は、「VME 100% for pipe」の軸力（圧縮又は引張）に継手効率ＪＥを乗じた曲線である。

【0070】

耐圧縮性能については、圧縮荷重の主要負担部位である中間ショルダ面２５，３４の回転角度θに着目し、この回転角度θの推移について検証した。

【0071】

【表1】

【0072】

＜評価結果＞
挿入面隙間の大きさを変えたときの単純圧縮荷重負荷時のショルダ回転角の比較グラフを図６～図９にそれぞれ示す。なお、引張荷重を正、圧縮荷重を負の値とする。図に示されるように、管径サイズや内溝長さにかかわらず、挿入面隙間Ｇが小さいほどショルダ回転角が抑えられる傾向が確認された。

【0073】

供試体#1～#5、並びに、供試体#6～#10について詳細に検討すると、供試体#5,#10では-2800kN程度、供試体#4,#9では-2000kN程度、供試体#3,#8では-1500kN程度、供試体#2,#7では-1300kN程度、供試体#1,#6では-1000kN未満で、挿入面同士の接触が開始されることによりショルダ回転角の傾きが緩やかになることが確認された。挿入面隙間が０．１５ｍｍよりも大きな供試体#4,#5,#9,#10では、ショルダ回転角の傾きが大きくなった後に挿入面同士が接触しており、中間ショルダ面に大きなダメージが生じていると考えられる。

【0074】

中間ショルダ面にダメージが蓄積することは、図１０～図１４に示す複合荷重試験の結果から明らかである。いずれの供試体においても、圧縮荷重が増大していく初期の荷重ステップ７～１１で中間ショルダ面にダメージが蓄積される傾向が見て取れる。しかし、挿入面隙間が最も小さい供試体#1,#6では、図１０に示すように、全荷重ステップにおいてショルダ回転角は１°未満に抑えられている。挿入面隙間が２番目に小さい供試体#2,#7では、図１１に示すように、荷重ステップ１１以降、ショルダ回転角は１．３°～１．８°程度の間に抑えられている。挿入面隙間が０．１５ｍｍの供試体#3,#8でも、図１２に示すように、全体として同様の傾向が確認でき、荷重ステップ１１におけるショルダ回転角は２．３°程度に抑えられている。

【0075】

一方、挿入面隙間が０．２ｍｍの供試体#4,#9では、図１３に示すように、荷重ステップ１１においてショルダ回転角が３．０°程度まで大きくなり、それ以降の荷重ステップにおいて大きなダメージが蓄積されている傾向を把握できる。挿入面隙間が０．４ｍｍの供試体#5,#10では、図１４に示すように、荷重ステップ１１でショルダ回転角が４．０°を超え、その後の荷重ステップにおいても３．５°付近で遷移している。

【0076】

同様の傾向は、異なる管径サイズである供試体#11～#20についても、図１５～図１９から把握できる。

【0077】

以上より、２段ねじ構造の管用ねじ継手において、挿入面隙間を０．１５ｍｍとすることによって中間ショルダ面に生じるダメージを効率良く低減できることが分かる。

【0078】

また、図１０～図１９の各図から、内溝３７の溝幅を短くすることによって、若干ではあるが中間ショルダ面の回転角を低く抑えることができることが確認された。

【0079】

以上より、本開示の適用によって、２段ねじ構造の管用ねじ継手の耐圧縮性能が向上することが確認された。

【符号の説明】

【0080】

１：管用ねじ継手
２：ピン、２３：雄ねじ（外ねじ部）、２７：雄ねじ（内ねじ部）、２５：中間ショルダ面
３：ボックス、３２：雌ねじ（外ねじ部）、３６：雌ねじ（内ねじ部）、３４：中間ショルダ面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】