JP2004531675A

JP2004531675A - ねじ管継手用耐疲労ねじ要素

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Publication number: JP2004531675A
Application number: JP2002572301A
Authority: JP
Inventors: ノエル、チェリー; ルーシー、ガブリエール
Original assignee: Vallourec Mannesmann Oil and Gas France SA; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Vallourec Oil and Gas France SAS; Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-03-09
Filing date: 2002-03-04
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2022-03-04
Also published as: MXPA03007240A; WO2002073076A1; CZ303344B6; JP4111386B2; CZ20032441A3; MY128854A; DE60201518D1; CA2439977A1; BR0207956B1; CN1288378C; SA02220707B1; BR0207956A; RU2003129887A; EP1373775A1; ES2230474T3; FR2821916A1; EP1373775B1; DE60201518T2; US7513534B2; US20040155465A1

Abstract

ねじ管継手についての疲労抵抗ねじ要素。
ねじ峰に開口する螺旋溝（２２）を有するねじ（１２）の部分。
溝（２２）は、端部領域、即ち第１係合ねじ領域（３２）及び最終係合ねじ領域（３６）の一方又は双方のねじの全て又は一部に形成され、且つ中間ねじ領域（３４）のねじに選択的に形成され、この溝は、中間ねじ領域におけるねじの剛性に比べて１つ又は両方の端部領域における溝を有するねじの剛性を低減するようにされている。
このねじ要素と相手方ねじ要素とを構成した後に得られるねじ管継手は、周期的張力応力、軸方向圧縮応力、歪応力の何れか又は全てについて一層耐性を有する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
本発明はねじ管継手の雄又は雌ねじ要素、特に静的応力と周期的応力との両方に抗するねじ要素に関し、また特に静的応力と周期的応力との両方に抗するねじ管継手に関する。
【０００２】
ねじ管継手は、第１の管（一般に非常に長い管）の端部における雄ねじ要素と、第２の管（非常に長いチューブ又はカップリングであり得る）における雌ねじ要素とを備える。
【０００３】
これらのねじ管継手は、炭化水素ウェル、或いはそれと同様なウェル（例えば地熱ウェル）を構成するために用いられる。
【０００４】
米国石油工学会(American Petroleum Institute:API)の仕様書５Ｂ及び５ＣＴは、ケーシング管の間、又はテーパーねじを有する生産管の間のねじ継手を規定する。
【０００５】
広範囲の応力にも拘わらずシーリング特性を有する石油ねじ管継手は、例えば欧州特許ＥＰ４８８９１２号及び米国特許第５，６８７，９９号に説明されている。
【０００６】
このようなねじ継手は、１つ又は２つの螺合部分を有する直線又はテーパーねじを採用できる。
【０００７】
極く最近まで、ケーシング又は生産ストリングは基本的に、内側にある一方のストリングと他方のストリングとの径が異なる入れ子式ストリングを深いウェルに通す目的から生じる制限されたその厚さにも拘わらず、静的応力（軸方向張力、軸方向圧縮、平面撓、内部圧力又は外部応力）の様々な組み合わせに抗する能力を持たせねばならなかった。
【０００８】
対照的に、ドリルウェルに用いられるのみであるドリル管は実質的に周期的応力に耐えるように設計されているが、所定径の単独のドリル管ストリングは所定時間に下降するので、その内部空間の制約を受けることはない。
【０００９】
ドリル管が作動しているとき、厳格に制限されないのであれば、周期的応力は、ねじの根において開始される疲労クラックを導き、これは一般に負荷フランクの側であり、特にねじ要素の最後に係合したねじである。
【００１０】
本明細書では、用語「第１のねじ」は、ねじ要素の軸を通る縦断面において、ねじ要素の前端側に位置するねじを称するために用いられる。従って、最終ねじは、ねじの他端に位置するものである。
【００１１】
用語「係合ねじ」は先ず、一方のねじ要素から相手方ねじ要素へ負荷を軸方向に伝える状態に構成されたねじ管継手のねじ要素のねじを意味し、これはねじが完全（全高）か不完全（未完成、又は部分的高さ、例えば繰り出し又は繰り入れねじ）かによらない。一般的な場合として、ねじ継手が軸方向張力応力を受けるとき、係合ねじは負荷フランクが接触するねじである。
【００１２】
拡張すれば、孤立したねじ要素の「係合ねじ」は、２つのねじ要素がねじ管状継手を構成するように接続されたときに、相手方ねじ要素の対応するねじへ負荷を伝えるように意図されたねじを意味する。
【００１３】
ねじ要素の係合要素の位置は、合成ねじ継手の強度を予測するために必要な基準として、ねじ要素の設計から既知である。従って、最終又は最初の係合ねじの位置は、ねじ管状継手を製作するように意図されたねじ要素に完全に規定することができる。
【００１４】
しかしながら、疲労の挙動の問題は、もはやドリリングストリングのみに適用される問題ではなく、ねじ管状継手が、高い静的応力と周期的応力との両方を支持する能力を持たねばならないストリングを構成する特定の炭化水素ウェルを通るストリングにも適用される。
【００１５】
このような応力挙動の必要条件は、海底を沖合炭化水素生産プラットフォームへ接続する沖合ストリングで生じる。
【００１６】
このようなストリング（英語圏の当業者には「立ち上がり(rises)」として知られている）は、波、潮汐、及びプラットフォーム自身の可能な変異によりストリングスを振動させる流れに特に起因する周期的応力を受ける。
【００１７】
このような応力挙動は陸上ウェルにも生じ、特に、ウェルが垂直から偏倚して曲がるという極めて頻繁に生じる場合において、ウェルを固めるための回転管が下降するときに生じる。
【００１８】
ねじ管状継手、又は非管状継手（例えばボルト締型）に関する従来技術は、周期的形態で変化し得る軸方向張力負荷を被るねじ継手の疲労の挙動を改良する手段を提案する。
【００１９】
米国特許第３，９３３，０７４号はボルト締継手のためのナットを説明しており、内部ねじは、ねじの周囲に規則的に配置された複数の軸方向チャンネルにより第１係合ねじにより中断して、ナットとスクリューとの間の最大軸方向張力転移領域を第１雄係合ねじからナットの軸方向長の中間へ移動させる。
【００２０】
そのようなチャンネルは、その長さをねじの長さの半分とすることができ、その深さは、高くともねじ高の８０％とすることができ、第１係合ねじの柔軟性を増大させるが、チャンネルが形成される領域においてねじのベアリング面を約２０％だけ削減し、これは性適応力に対する高い抗力が必要なときには不都合であり、ねじ管状継手は間の内外を封止せねばならない。
【００２１】
更に、第１ねじの側においてスクリューヘッド（最終スクリューねじ側にある）に対抗してナットが支持されるボルトのための解決は、ねじ管状継手へ直接適用可能にする必要はない。
【００２２】
更に国際特許出願ＷＯ／００／１４４４１号及び第ＷＯ／００／１４４４２号に説明されるねじ継手は、構成トルクを抑制する目的で、ねじ構造の剛性を低減するように、ねじ内の溝を含む。これらの文献は、周期的応力に対するねじ継手の耐性を改良できる溝自体の形式を開示していない。
【００２３】
本発明は、特に以下のａ）及びｂ）の双方に抗するねじ管状継手用の雄又は雌ねじ要素を製造することを目的とする。
【００２４】
ａ）静的応力、特に軸方向張力、軸方向圧縮力、撓み、捻り、内部又は外部圧力、構成中の急激な移動の単独又は組み合わせ（例えば張力＋内部圧力）。
【００２５】
ｂ）最初と最終係合ねじ領域における負荷伝達を低減し、且つこれらの領域における応力集中因子(stress concentration factors:SCF)を最小化させることによる周期的張力−圧縮応力又は撓応力。
【００２６】
本発明は、以下の全ての形式のねじを有して製作できるねじ要素を与えることを目的とする。即ち少なくとも１段以上のテーパー、直線、直線テーパー組み合わせであって、半径方向干渉ねじ又は接触するフランク、或いはそれらの両方を有し、相手方ねじの対応するフランクを有する２つのフランクを介して接触するねじは、例えば欧州特許ＥＰ０４５４１４７号に説明された「堅牢ねじ(rugged thread)」として知られる形式、ＷＯ００／１４４４１号に説明された軸方向干渉嵌合形式、米国再発行特許ＵＳ−Ｒｅ−３０６４７号に説明されたような可変幅楔型などである。
【００２７】
本発明は、容易に製作及び検査できるねじ要素を与えることも目的とする。
【００２８】
本発明のねじ要素は、炭化水素生産ストリング、ケーシングストリングス、又は立ち上り管、或いはこれらと同様の使用を意図するねじ管状継手を製作するために使用する能力を与えねばならない。
【００２９】
本発明は、周期的応力の下でも、特にガスに対して特に良好なシールを有するねじ管状継手を与えることも目的とする。
【００３０】
本発明は、ドリル管ストリングを構成するように採用できるねじ継手を与えることも目的とする。
【００３１】
本発明は、１つ又は２つのねじ要素が周期的応力に抗するように改良されたねじ管状継手を与えることも目的とする。
【００３２】
本発明の雄又は雌ねじ要素は、管の端部において製作され、ねじ要素が雄ねじ要素か雌ねじ要素かに応じて外部雄ねじ又は内部雌ねじを含む。
【００３３】
相手方ねじ要素（即ち、ねじ要素が雄ねじであるとするならば相手方ねじ要素は雄であり、又はその逆である）を接続して、周期的応力に抗するねじ管状継手を構成するように意図されている。
【００３４】
ねじは少なくとも１つの螺合部分により構成されている。ねじが複数の螺合部分を含むとき、これらは軸方向に、又は径方向に、或いはその両方へ例えば段付き螺合部分において互いに離間する。
【００３５】
ねじの上述の各螺合部分は実質的に同じ長さの３つの領域を含み、これはねじ要素の前端から始まって、最初の係合ねじ領域と称される領域、中間ねじ領域と称される領域、最終係合ねじ領域と称される領域であり、その最初及び最終係合ねじは従来技術で上述したものに対応する。
【００３６】
これらの領域の特定の領域は、ランイン(run-in)又はランアウト(run-out)ねじのような部分的に高いねじを含むことができる。
【００３７】
螺旋状の溝が少なくとも１つの螺合部分の軸方向長さの少なくとも一部のねじにおいて実質的に径方向に形成されており、この溝はねじの峰へ開口し、溝の両側に負荷半ねじ及び刺半ねじをそれぞれ負荷フランク側及び刺フランク側に規定する。
【００３８】
本発明の１つの特徴によれば、各螺合部分が形成されたところにおいて、１つ又は２つの端部領域、即ち最初の係合ねじ領域及び最終係合ねじ領域の全体又は一部に亘って溝が形成され、これは部分的に中間ねじ領域のねじに部分的に形成することができ、溝の幾何学特性は、中間ねじ領域のねじの剛性に関して１つ又は複数の端部領域における溝を有するねじの剛性を低減する。
【００３９】
溝付きねじの剛性は、応力を受けた半ねじの撓み能力、又はせん断能力、或いはその両方の能力により決定され、これらは、ねじ管状継手が概ね被る軸方向張力応力を考慮する概ね負荷半ねじであるが、本発明の概念は、応力を受けたときの刺半ねじにも、また例えばねじ管状継手が圧縮下で操作されるときに応力を受けたときにも適用できる。
【００４０】
ねじの剛性は、ねじ管状継手の相手方ねじ要素の対応するねじを考慮したねじにより伝達される軸方向負荷と、その考慮の下のねじが被った軸方向の撓みとの間の比例係数として定義される。
【００４１】
ねじ管状継手において、本発明の溝は、溝を有さない同様なねじ管状継手に関して、溝が形成されたねじの１つまたは複数の領域のねじと、相手方ねじ要素の対応するねじとの間で伝達される軸方向負荷を、ねじの別々の係合ねじの間で再配分することにより低減し、軸方向張力における静的応力に重ね合わされた（特に撓みにおける）動的応力に対するねじ管状継手の抵抗を相当に改良する。
【００４２】
ねじ管状継手において、相手方ねじ要素の最終係合ねじと協働するねじ要素の第１係合ねじは、２つのねじ要素の各々の第１係合ねじの高さと最終係合ねじの高さとの何れか、或いはその両方において、一方のみ又は両方のねじ要素に同時に溝を配置しており、中間ねじ領域におけるねじ毎の負荷伝達に関して溝が形成された螺合部分の第１及び最終ねじにおけるねじ当たりの負荷伝達を均一化する同様な技術的効果を与える。
【００４３】
溝は、中間ねじ領域の全て又は一部にも設けることができ、これは中間ねじ領域におけるねじの剛性を超えて、１つ又は複数の端部領域における溝を有するねじの剛性を更に低減する。
【００４４】
溝が形成された螺合部分及びねじ管状継手の相手方ねじ要素の対応ねじ要素の全てのねじを改良するか或いは最適化することが可能である。
【００４５】
本発明の溝は、ねじ管状継手の雄及び雌のねじとの間のピッチにおけるエラーにより生成された第１又は第２の係合ねじ領域のねじ上の応力を低減することができ、そのピッチエラーは、ねじ製造における許容差からもたらされる。
【００４６】
構成の際のねじおけるグリース塗布及び潤滑に起因する危険な過剰圧力を制限できる。
【００４７】
好ましくは、溝は、第１係合ねじ領域のねじに形成され、中間ねじ領域のねじに付加的に形成され、剛にとどまっている最終係合ねじ領域におけるねじには影響せず、中間ねじ領域におけるねじの剛性に比べて、第１係合ねじ領域におけるねじの剛性を低減する。
【００４８】
発明者は、この場合、本発明の溝は、相手方ねじ根における壁部分の応力集中係数（ＳＣＦ）の最大値を減少させることを示し、このＳＣＦは、対応する管ボディにおける応力を考慮した位置における最大応力に関してえられた相対次元になる。本発明の溝は相手方ねじの最終係合ねじ領域のねじ根における壁内の最大応力を低減するので、この壁はこのねじ領域において、ねじ管状継手における全軸方向張力負荷は、その場所における疲労クラック開始の虞を抑制する。
【００４９】
従って、ねじ管状継手のねじ要素は、軸方向張力能力を変更することなく、負荷の大きな周期的変動と共に用いることができる。
【００５０】
好ましくは、溝は、考慮された螺合部分のねじ上に形成器具を用いて得られる。これは、その形態が形成器具のプロファイルにより規定され、そのねじの峰から溝底へ測った深さがねじへの形成器具の貫入深さにより規定されることを意味する。
【００５１】
好ましくは、溝は、溝を有する１つ又は複数の端部領域の端部係合ねじから中間ねじ領域へ向かうので、ねじの剛性は堅牢さを増大させる。
【００５２】
端部領域の端部係合ねじは、溝が第１係合ねじ領域のねじに形成されたときは第１係合ねじであり、溝が最終係合ねじ領域のねじに形成されたときは最終係合ねじである。従って、第１及び最終ねじの両方は、溝が第１係合ねじ領域及び最終係合ねじ領域の双方に形成されたときに関係する。
【００５３】
優れたことには、溝の深さは、溝を有する１つ又は複数の端部領域の端部係合ねじから中間ねじ領域へ向かって、（好ましくは規則的に）減少する。
【００５４】
代替的に又は補足的に、溝が螺旋ピッチを有しており、この螺旋ピッチは、その溝が形成された螺合部分の螺旋ピッチとは異なっている。
【００５５】
好ましくは、溝底の包絡線は、ねじ要素の軸に共軸な円錐面である。
【００５６】
変形例においては、溝底の包絡線は回転面であり、これは、ねじ要素の軸及び円環面、放物面、又は双曲、或いは各端部を端部へ接続する複数の回転面の組み合わせ面などの非直線母線の軸と同軸である。
【００５７】
これらの変形例の少なくとも１つにおいては、溝が第１の係合ねじ領域に設けられたとき、対応する溝底の包絡線の母線の勾配は、溝が設けられた螺合部分の勾配が正（テーパーねじ）か零（直線ねじ）によらず、この螺合部分の勾配よりも大きいことが好ましい。また、溝が最終係合ねじ領域に設けられたときは、螺合部分の勾配よりも小さいことが好ましい。
【００５８】
有益なことには、良好な条件の下に雄ねじ要素の雌ねじ要素内への係合を可能にするには、ねじが概ね台形状であるときに、溝が刺フランク上に開口しないことである。
【００５９】
また有益なことには、ねじ要素は、軸方向圧縮下にあるねじ要素の前端により構成された当接面を有する当接を含むことができる。
【００６０】
溝が第１の係合ねじの面に形成されてその軸方向剛性を低減するので、ねじ管継手により構成されたねじ継手の構成端部における当接における軸方向圧縮の絶対歪を有益に蓄積することができる。
【００６１】
ねじが、比較的に短い即ち非延伸リップによりねじ要素の前端から離間されているとき、溝は、類似の従来技術のねじ要素に相当する圧縮により有効に変形された軸方向長を増大できるので、当接における高い絶対歪を蓄積できる。最適なシールを探るに際し、シーリング面がリップの周辺端に設けられる場合には、短いリップを持たせることがしばしば有益である。
【００６２】
変形例においては、ねじ要素は、考慮された要素の前端により面が構成された第１の当接と、相手方ねじ要素の第１の端部における当接を有する構成ねじ管継手上に協働する方式で配置された第２の当接とを有する。この場合、ねじ要素上の溝の存在は、考慮されたねじ要素の両方の当接を相手方ねじ要素の２つの対応する当接に対して有益に支持接触させる。
【００６３】
このような支持対は、従来技術のねじ管継手においては、２つの当接を互いに関して正確に、且つそれにより費用がかさんでしまうように形成するか、或いはリップを延伸させない限りは、通常は困難な傾向にあり、効果を損なう。２組の当接を有する従来技術のねじ管継手よりも一層容易に上述の複支持を形成できる溝手段によって、当接の軸方向有効長が増大する。
【００６４】
他の利点は以下に説明する実施形態及び添付図面から明らかになろう。
【００６５】
図１はパイプ１０２の端部に配置された雌ねじ要素２を示す。
【００６６】
パイプ１０２は非常に長いパイプ、例えば約１０ｍ以上、または数十ｃｍ長のカップリングとすることができ、図１に半分のみ示す。第１の場合、雌ねじ要素２は「一体型」ねじ継手を形成でき、第２の場合には、ねじと結合された継手が形成される。
【００６７】
雌ねじ要素２の内側は、その前端１０から、単独の螺合部分からなる雌ねじ切り４と、シーリング面６及び当接８を含む。
【００６８】
雌シーリング面６は、ねじ要素２の軸Ｘ１Ｘ１に対して２０°で傾いた円錐面である。
【００６９】
当接８は実質的に横断面であり、更に詳しくは僅かに凸状の円錐であり、ねじ要素２上に内側肩を形成する。
【００７０】
雌ねじ切り４はピーク半角１．７９°（テーパー＝６．２５％）でテーパー付けられ、台形ねじ１２を有する。
【００７１】
ねじ切り４は、ねじ要素の前端側１０の第１の６つのねじにより構成された第１係合ねじ領域３２と、最後から２番目の雌ねじから６つのねじにより構成された最終係合ねじ領域３６と、これら領域３２と３６との間の６つのねじを含む中間ねじ領域３４とを含む。
【００７２】
ねじの最終ねじは、係合ねじになるようには設計されていない（図７参照）。
【００７３】
第１及び最終係合ねじの領域３２及び３６におけるねじの数は、係合ねじの総数の１／３に対応する。
【００７４】
図３に詳細に示すように、雌ねじ１２は、ねじ峰１８と、ねじ根２０と、ねじ要素の前端へ向かって屈曲した刺フランク１６と、対向フランク上の負荷フランク１４とを有する。
【００７５】
螺旋溝２２は、形成ツール４２を用いて、ねじ１２の切り落としとは独立に、ねじ１２に機械加工されている。
【００７６】
形成ツール４２は、丸み付けされた逆Ｖ状であり、これはＶの腕と半径０．４ｍｍの丸み付け先端とにより規定されている。
【００７７】
ツール４２は、丸み付けされた底部を有するＶ状におけるねじ峰から実質的に半径方向にねじを切って、このツールの両側に２つの半ねじ、負荷フランク１４側上に負荷半ねじ２４、刺フランク１６側上の刺半ねじ２６を残し、ねじフランクを切ることのないように配置されている。
【００７８】
形成ツール４２は図２に示すように移動し、第１のねじ１２．１から、雌ねじ切り４のピッチに等しいピッチを有する螺旋が続き、母線が符号４４で示す円錐面上にツールのベースが支持される。円錐面はテーパーを有し、これはねじ切り４のテーパーの２倍（母線４４とねじ要素の軸との間の角度３．５８°）であり、溝２２の深さが第１の係合ねじ１２．１から着実に減少して１１番目のねじ１２．１１で零になり、最終ねじを越えるようにされている。
【００７９】
溝２２は、中間ねじ領域３４におけるねじの剛性に比べて第１の係合ねじ領域３２の剛性を低減できる。
【００８０】
構成されると、ねじ１２は負荷フランク１４上の接触圧力を受け、これらの剛性は、負荷半ねじ２４を撓める能力、特にその形状の窪みにより定まる。
【００８１】
この形状は、ねじ要素の軸に対する負荷フランク１４及び溝２８のフランクとの傾きと、負荷フランク１４と溝底の丸み付け領域の中心点Ｏ_２との間の距離と、点Ｏ_２とねじ根の包絡線との間の距離ｄ４とにより特徴付けられる。螺旋溝２２のピッチがねじ１２のピッチと同じであるので、距離ｄ２は１つのねじからその隣のねじへ非常に僅かに変化するのみである。
【００８２】
ねじに関する母線４４の大きな勾配により、距離ｄ４が第１のねじ１２．１から連続的に増大して、ｄ４．１＜ｄ４．２＜ｄ４．３（同様に続く）になるようにする。
【００８３】
これは雌ねじ１２の剛性が第１の係合ねじ領域３２におけるねじで最小、最終係合ねじ領域３６及び中間ねじ領域３４の溝なしねじにおいて最大となることを意味し、第１の係合ねじ領域３２の雌ねじ１２の剛性も、中間ねじ領域３４における浅い溝を有するねじの剛性より小さい。
【００８４】
このねじの剛性は、第１の係合ねじ１２．１（端部ねじ）から中間ねじ領域３４へ向かう溝深さの減少に応じて、着実に増大する。
【００８５】
距離ｄ４．１は溝の底の半径Ｒ２より僅かに大きいので、溝底が、溝を有さないねじ根の包絡線を越えて延伸することはない。
【００８６】
しかしながら、大きな不都合をもたらすことなく、第１のねじの根の包落線（例えばｄ４．１＝０）を切断する溝を設けることができ、ここでは、ねじ要素２の限界断面（ねじ要素２上の全ての軸方向負荷を支える役割を果たす）が、溝を有さない最終ねじに配置される。
【００８７】
対照的に、ねじ要素２を含むねじ管継手の能力が回転させないようにすることであるならば、最終係合ねじ領域に溝が形成されたとき、溝が形成された底は、底２０及びねじ峰１８の包絡線内に含まれた体積を越えて延伸しないようにせねばならない。
【００８８】
図４は非常に長いパイプ１０１の端部に配置された雄ねじ要素１を示す。
【００８９】
ねじ要素１の外部は、当接を形成するその前端７から、シーリング面５及び雄ねじ切り３を含む。
【００９０】
当接面７は、雌ねじ要素２上の当接と共働するようにされた僅かに円錐の凹面である。
【００９１】
シーリング面５は、ねじ要素１のＸ１Ｘ１の軸に対して２０°の傾きをなす円錐面であり、雌シーリング面６と協働する。
【００９２】
雄ねじ切り３は単独の螺合部分からなり、テーパー状にされて雌ねじ切り４と協働するように適合されている。
【００９３】
これは、１８の台形係合ねじ１１と、高さが不完全になる参照符号３７の最終８つのねじ（消失(vanishing)又はランアウト(run-out)ねじと称されるねじ）とを含む。
【００９４】
第１の６つのねじは、第１の係合要素領域３１と、係合を促進するように前端上に面取りされた第１ねじとを含む。
【００９５】
最終６つのねじ（全てランアウトねじ）は最終係合ねじ領域３５を形成する。
【００９６】
６つの中間ねじは、中間ねじ領域３３を形成する。
【００９７】
雌ねじについての場合のように、雄ねじ１１は、ねじ峰１９と、ねじ根１７と、ねじ要素の前端７へ向かって屈曲された刺フランク１５と、反対フランク上の負荷フランク１３（図６参照）とを示す。
【００９８】
螺旋溝２１は、形成ツール４１（雌ねじ１２における溝２２を機械加工するのに用いたものと同様である）を用いてねじ１１に機械加工されており、溝は、ねじ１１の切り落としとは独立に機械加工されている。
【００９９】
形成ツール４１は、ねじ峰から実質的に半径方向にねじを切り、その両側に２つの半ねじ、負荷フランク側上に負荷半ねじ２３と、刺フランク側上の刺半ねじ２５とを残し、ねじフランクを切断しないようにする。
【０１００】
形成ツール４１は図５に示すように、雄ねじ切り３のピッチに等しいピッチｐを有する螺旋に沿って移動し、母線４３を有する円錐面上にツールのベースが支持される。
【０１０１】
この円錐面は、ねじ切り３のテーパーの２倍（即ち、母線４３とねじ要素１の軸との間の角度３．５８°）のテーパーを有するので、溝２１の深さは、第１の係合ねじ１１．１から着実に減少し、１０番目のねじ１１．１０で零になる。
【０１０２】
溝２１は、中間ねじ領域３３の剛性に関して第１の係合領域３１におけるねじの剛性を低減できる。
【０１０３】
雌ねじについての場合のように、雄ねじの剛性は、雄ねじの負荷半ねじ２３の幾何形状により定まり、特に、ねじ要素の軸に対する負荷フランク１３及び溝フランク２７との傾きと、負荷フランク１３と溝底の丸み付け領域の中心点Ｏ_１との間の距離と、点Ｏ_１とねじ根の包絡線との間の距離ｄ３とにより特徴付けられる。
【０１０４】
ねじに関する母線４３の大きな勾配により、距離ｄ３が第１のねじ１１．１から連続的に増大して、ｄ３．１＜ｄ３．２＜ｄ３．３（同様に続く）になるようにする。
【０１０５】
これは雄ねじ１１の剛性が第１の係合ねじ領域３１におけるねじで最小、最終係合ねじ領域３５及び中間ねじ領域３３の溝なしねじにおいて最大となることを意味し、第１の係合ねじ領域３３の雄ねじ１１の剛性も、中間ねじ領域３３における浅い溝を有するねじの剛性より小さい。
【０１０６】
このねじの剛性は、第１の係合ねじ１１．１から中間ねじ領域３５における１０番目のねじへ向かう溝深さの減少に応じて、着実に増大する。
【０１０７】
距離ｄ３．１は溝の底の半径Ｒ１（０．４ｍｍ）より僅かに大きいので、溝底が、溝を有さないねじ根の包絡線を越えて延伸することはないが、雌ねじの場合のように、第１のねじの根の包落線を切断する溝を設けることができる。
【０１０８】
しかしながら、溝は、その底が底１７及びねじ峰１９の包絡線内に含まれた体積を越えて延伸する最終ねじ領域には形成されないようにせねばならず、雄ねじ要素の限界断面は最終係合ねじの高さに位置する。
【０１０９】
図７は、構成トルクを構成するように図１及び図４のねじ要素１及び２を構成することにより形成されたねじ管継手１００を示す。
【０１１０】
円錐雄面５は円錐雌シーリング面６と径方向で干渉し、雄当接７は雌当接８を支持するように押し付けられる。
【０１１１】
当接の間の軸方向圧縮応力に対する反応においては、雄及び雌ねじの負荷フランク１３、１４は互いに押し付けあって接触圧を発生させる。
【０１１２】
更に、雄ねじ峰１９と雌ねじ根２０との間に隙間を残しながら、雌ねじ峰１８が径方向で雄螺子１７の根と干渉する。
【０１１３】
図７は、第１係合ねじ領域３１，３２内と中間ねじ領域３３，３５の断片内とにおける係合ねじと溝２１及び２２の位置とを示す。
【０１１４】
図１２は、パイプ１０１のボディが材料（８０％ＰＢＹＳ）の降伏強度の８０％まで応力を加えられた負荷のもとで軸方向張力により圧縮されたねじ管継手上の係合雄と雌ねじ負荷フランクの間のねじ当たりに軸方向負荷伝達Ｆ_Ａを示す。
【０１１５】
曲線Ｂは本発明の図７のねじ管継手に関し、曲線Ａは溝を有さない同様な標準ねじ管継手に関する。
【０１１６】
曲線Ａ（標準ねじ管継手）は湾曲した外観を有し、負荷移転は第１と最終係合ねじにピークを有し、中間ねじ領域３３，３４は、それらの全負荷移転能力に使用することができない。
【０１１７】
曲線Ｂ（図７のねじ管継手）は、第１の係合ねじの剛性を低減する溝２１，２２により可能となる非常により均一な負荷移転を示す。
【０１１８】
この曲線は、図７のねじ管継手が、静的応力（機械的強度、シール）に関しても動的応力（疲労クラッキングの開始に対する抵抗）に関しても共に良好な挙動を示すことを表している。
【０１１９】
同様な効果は、最終係合ねじ、又は第１係合ねじと最終係合ねじとの両方に形成された溝により得ることができる。最終係合ねじに溝が形成された場合、溝底の包絡線の母線の勾配は、ねじ剛性に関する減少効果を得るように、この領域で螺合部分の勾配よりも小さくせねばならないことは勿論である。
【０１２０】
ねじ管継手のねじ要素における外部負荷及び構成からもたらされる応力は、応力降伏に起因しており、これは負荷フランクとねじ根との間のねじ根における接続半径において最大となる。
【０１２１】
この場所において各ねじについての応力集中係数（ＳＣＦ）を、パイプボディ１０１における応力の項で押圧して決定し、特に以下の国際標準ＩＳＯ１３６２８−７ＣＤ１に従って応力集中係数を規定するのが便利である。
【０１２２】
【数１】

ここでＴ_ｍｉｎ及びＴ_ｍａｘは軸方向張力におけるパイプボディ(pipe body)１０１における応力に対応する負荷であり、例えば降伏強度の０及び８０％である。
【０１２３】
σ_{principal tread}は、構成からの応力と、ねじ管継手が受ける応力（例えば軸方向張力＋交番歪）との両方を考慮した材料の要素立方体における３つの原理的応力のうち最も大きいものである。
【０１２４】
σ_{pipe body}はパイプボディ１０１における応力であり、選択された例におけるＳＣＦの分母が、考慮されたパイプの有効降伏強度の８０％になるようにされている。
【０１２５】
図１３は雄ねじ要素（曲線Ａ１及びＢ１）の側及び雌ねじ要素（曲線Ｂ２）の側におけるＳＣＦの値を示し、曲線Ａ１は標準ねじ継手に関係し、曲線Ｂ１及びＢ２は本発明（図７）のねじ継手に関係する。
【０１２６】
疲労挙動における溝の重要性は図１３の曲線Ａ１及びＢ１に表れている。従来技術の管継手（曲線Ａ１）に比較すると、溝２２（曲線Ｂ１）は、雄最終ねじ領域におけるＳＣＦピークを低減し、第１雄ねじの領域におけるＳＣＦピークの値を増大する。しかし、このピークは、第１雄ねじ領域における雄ねじ要素の壁が軸方向張力において非常に圧縮されておらず、且つ最終係合ねじ領域の高さにおける雄ねじ要素の壁がねじ要素における全軸方向張力負荷に対して耐容する限りは、疲労に関してはそう有害なものではない。
【０１２７】
溝２１は雌ねじに関するＳＣＦ曲線の形状におけるのと同様な方式で働き、第１雌ねじにおける雌ねじ要素の壁が当接７，８により圧縮となり、図１３の曲線Ｂ２は、同じ図における曲線Ａ２と同様な外観を有する曲線と比較される。
【０１２８】
上述の理由は、組み合わせ外部応力（例えば軸方向張力、内部静圧、及び周期的歪）の場合にも直接に適用できる。ねじ要素が軸方向圧縮の応力を受ける場合にも、溝の配置を適合させる（刺半ねじが負荷フランクねじよりも応力を受ける）ことにより適用できる。
【０１２９】
図８は蹴上がり(riser)についてのねじ管継手における変形例を示し、図７の場合のような内部シーリング面５，６の組に加えて、外部又は内部の液体の侵入を防ぐように外部シーリング面４５，４６の組を備える。
【０１３０】
図７に示す内部当接７，８（原理的当接）に加えて、図８のねじ継手は、雌ねじ要素の前端面１０と雄ねじ要素上の対応環状面４７とにより構成された外部当接を示す。
【０１３１】
雄及び雌ねじ切り３，４は図７のそれと全く同様であり、溝を有し、この溝は、１０番目の雌ねじに対する第１の雌ねじのねじ及び９番目の雄ねじに対する第１雄ねじのねじに影響する減少深さを有すると共に、ねじの剛性の低減及び最大ＳＣＦ値低減の同様な技術的効果を獲得する。
【０１３２】
溝は外部及び内部当接の大きな機能的可撓性も可能とする。
【０１３３】
第１の雄ねじに形成された深い溝及びその低い剛性は、雄リップ９が構成の端部で圧縮される全有効長を増大する。次いでリップ９は、その長さよりも長い長さと、同様な許容応力レベルとに亘って圧縮され、ねじ管継手を依然として構成することが可能であり、且つシーリング面５，６をより強力にする。
【０１３４】
このような技術効果は、図７に示す形式の当接の単独の組を有するねじ管継手については既に有益となり得るが、図８に示すような当接の２つの組を有するねじ管継手の場合においてもより有益である。
【０１３５】
当接の２つの組をこれら２つの組を非常に正確にひいては高価に機械加工することなく同期させるのは困難である。
【０１３６】
雄リップ９及び雌リップ５０の大きな撓みは原理的当接（現在の場合においては内部）においてのみ可能なのではなく、雄ねじ要素と雌ねじ要素との間の全ての整合の手順における当接における機能に対する軸方向当接（現在の場合においては外部）にも、２つの雄当接の間の距離が最大で、且つ２つの雌当接の間の距離が最小のときでさえも可能である。
【０１３７】
リップ９，５０を延伸させることにより同様な技術的効果を得ることが可能であるが、これはねじ管継手の嵩張り（これは不所望であり、ねじ管継手のシーリング強度を損なう）を低減する。リップ９，５０が柔軟すぎるのであれば、不充分な接触圧がシーリング面５，６，４５，４６の間に導かれる。
【０１３８】
図９は本発明のねじ管継手の更なる変形例を示し、これは米国特許５，６８７，９９９号におけるのと同様に、雄及び雌テーパー状ねじを含み、その各々は２つの螺合部分２０３，２０３’，２０４，２０４’を含み、これらは互いに軸方向に離間され、且つ当接２０７，２０８の中心により隔てられている。
【０１３９】
各テーパー状螺合部分は、ランインねじ２１１，２１１’，２１４，２１４’の断片を含み、ここでねじ根の包絡線はねじ要素の軸に平行に切断されており、またランアウトねじ２１２，２１２’，２１３，２１３’の断片を含み、ここでねじの峰はねじ要素の軸に平行に切断されている。
【０１４０】
各螺合部分は９つのねじを含み、これらは全て係合されており、第１係合ねじ領域２３１，２３１’，２３２，２３２’、最終係合ねじ領域２３５，２３５’，２３６，２３６’、中間ねじ領域２３３，２３３’，２３４，２３４’を規定し、その各々の領域は３つのねじを含む。
【０１４１】
図９に示すように、溝が各螺合部分の第１の４つの雄ねじ及び第１の４つの雌ねじに、第１の係合ねじから第４の係合ねじまで深さを低減するように機械加工されている。
【０１４２】
溝の技術的効果は、単独の螺合部分を有する図７のねじ継手の場合のように各螺合部分全体に亘って同様であり、各螺合部分の最終係合ねじの根においてＳＣＦの値を低減する。
【０１４３】
図１０は図１乃至図３の雌ねじ要素における変形例を示す。
【０１４４】
図１０においては、溝がねじのピッチｐよりも小さいピッチｐ”を有するねじまで機械加工されて、負荷フランクに対する距離ｄ２が、第１の雌係合ねじから増大する。即ちｄ２．１＜ｄ２．２＜ｄ２．３である。
【０１４５】
少なくとも第１のねじに亘って、溝を機械加工する形成ツール４２の基部が、雌ねじと同様なテーパーを有する円錐面に亘って配置されており、溝の深さがそれら第１のねじに亘って実質的に一定になるようにされている。
【０１４６】
距離ｄ２．１は溝が負荷フランク上に開口しないようにされている。
【０１４７】
３つのねじピッチに亘って溝を機械加工した後、ツールを収縮して、そのベースを曲線４４に従わせ、これは例えば円又は双曲線の弧であり、トリック面又は回転の双曲線を描き、溝が刺フランク上に開口しないようにされる（開口すると、雄ねじ及び雌ねじの相互係合に有害な影響を及ぼす）。
【０１４８】
第３のねじを越える曲線４４の勾配は、所望の収縮を得るようにねじの勾配よりも大きい。
【０１４９】
第１の係合ねじの剛性の減少と同様な技術的効果が図１１の雌ねじ要素によって図１乃至図３のそれのように得られる。
【０１５０】
図１１は図４乃至図６の雄ねじ要素における変形例を示し、図１１に示すように、溝がねじのピッチｐよりも小さいピッチｐ”で第１のねじに亘るのと同じ深さまで機械加工される。
【０１５１】
負荷フランクに対する距離ｄ１が、第１の雄係合ねじから増大する。即ちｄ１．１＜ｄ１．２＜ｄ１．３である。
【０１５２】
溝を機械加工する形成ツール４１の基部は、ツール及びその位置として、回転の組み合わせ面に従い、基部は雄ねじと同様なテーパーを有する円錐面に沿って先ず配置され、ねじの勾配よりも大きな勾配を有する母線４３により描かれたトリック面又は回転双曲線に従う。
【０１５３】
図１０の場合のように、これは雄ねじの刺フランクへ切り込むことなく、第１の係合ねじの剛性における低減を達成できる。
【０１５４】
本明細書に説明されていない様々な他の変形例及び実施形態が請求された本発明の目的内に含まれる。
【０１５５】
非限定的な例によれば、溝は任意のねじ切り形式（直線、テーパー、直線テーパー）に設けることができ、そのねじ切り形式は、任意のねじ（欧州特許ＥＰ０４５４１４７号に説明された形式の径方向干渉「堅牢ねじ」、可変幅ウェッジ、軸方向干渉嵌合）又は一般的なねじ（台形、丸み付けられた三角形）を有する。溝はＵ形状を有してもよく、溝底は第１のねじからトリック面又は回転双曲線を描いてもよく、溝は可変ピッチと可変深さとの両方に設けてもよい。
【０１５６】
ねじフランク、特に負荷フランク及び／又は刺フランクは、操作の際の応力の変動にも拘わらず、対応するフランクの間の接触特性（位置、圧力）を制御するように凸状に曲げることもできる。
【０１５７】
フランクとねじ根との間の継手領域もＳＣＦを最小化する曲線の様々な半径を有する複数の部分を持つことができる。
【０１５８】
ねじ切りが形成される面に対向するねじ要素の周辺面は、第１係合ねじのねじ切りの下で残差壁厚を低減するように、ねじ切りの高さに設けられた溝の形態にウェストを含むこともできる。
【０１５９】
特に、２つのねじフランクが強度変化する接触圧力を受けることができる「堅牢ねじ」、ウェッジ又は軸方向干渉嵌合ねじの場合には、ねじ切りのピッチに等しいピッチを有するが、異なる深さを有する溝の技術的効果を利用することが可能である。このような溝は負荷フランク側と刺フランク側との両方におけるねじの剛性を低減し、且つ同時に周期的張力、周期的圧縮力、張力圧縮又は交番撓みにおけるねじ管継手の疲労挙動を改良する。
【図面の簡単な説明】
【０１６０】
【図１】図１は本発明のねじ管継手の雌ねじ要素の軸方向半断面を表す模式図である。
【図２】図２は図１のねじ要素とマッチングの過程のねじとの螺合を示す図である。
【図３】図３は図１の雌ねじ要素の第１の係合ねじの詳細を示す図である。
【図４】図４は図１の雌ねじ要素に適合した雄ねじ要素の軸方向半断面を表す模式図である。
【図５】図５は図４の雄ねじ要素とマッチングの過程のねじとの螺合を示す図である。
【図６】図６は図４の雄ねじ要素の第１係合ねじの詳細を示す図である。
【図７】図７は図１乃至図４のねじ要素の構成の後に得られた本発明のねじ管継手の軸方向半断面を表す模式図である。
【図８】図８は本発明のねじ管継手の変形例の軸方向半断面を表す模式図である。
【図９】図９は本発明のねじ管継手の更なる変形例の軸方向半断面を表す模式図である。
【図１０】図１０は本発明の雌ねじ要素の変形例の第１の係合ねじの詳細を示す図である。
【図１１】図１１は本発明の雄ねじ要素の変形例の第１の係合ねじの詳細を示す図である。
【図１２】図１２は標準ねじ管継手のねじと本発明のねじ管継手のねじとの間の負荷伝達における変化を模式的に示す図である。
【図１３】図１３は図１２と同様な方式で雄ねじ及び雌ねじについてのねじ根における応力集中係数の変化を模式的に示す図である。

Claims

パイプ（１０１，１０２，２０１，２０２）の端部に形成されたねじ管継手（１００，２００，４００）の雄又は雌ねじ要素（１，２）であって、ねじ要素が雄ねじ要素か雌ねじ要素かによって外部雄ねじ切り（３）又は内部雌ねじ切り（４）を含み、このねじ切りは、少なくとも１つの螺合部分（３，４，２０３，２０３’，２０４，２０４’）と、ねじ峰（１８，１９）において開口するように少なくとも１つの螺合部分の軸方向長の少なくとも一断片のねじ（１１，１２）に実質的に半径方向に形成された螺旋溝（２１，２２）とを備えるねじ要素において、各螺合部分が、ねじ要素の前端（７，１０）から始まって、第１係合ねじ領域（３１，３２，２３１，２３１’，２３２，２３２’）と称される領域と、中間係合ねじ領域（３３，３４，２３３，２３３’，２３４，２３４’）と称される領域と、最終係合ねじ領域（３５，３６，２３５，２３５’，２３６，２３６’）と称される領域とを含み、溝が端部領域、即ち第１係合ねじ領域及び最終係合ねじ領域の一方又は双方のねじの全て又は一部に形成され、且つ中間ねじ領域のねじに選択的に形成され、溝の幾何特性は、中間ねじ領域におけるねじの剛性に比べて１つ又は両方の端部領域における溝を有するねじの剛性を低減するようにされていることを特徴とするねじ要素。
請求項１のねじ要素において、前記溝が、第１係合ねじ領域（３１，３２，２３１，２３１’，２３２，２３２’）のねじに形成され、且つ中間係合ねじ領域（３３，３４，２３３，２３３’，２３４，２３４’）のねじに選択的に形成され、最終係合ねじ領域（３５，３６，２３５，２３５’，２３６，２３６’）のねじは中実のままにされることを特徴とするねじ要素。
請求項１又は２のねじ要素において、溝（２１，２２）が、螺合部分のねじ（１１，１２）へ形成ツール（４１，４２）の所定の深さで貫入させることにより得られたプロファイルを有することを特徴とするねじ要素。
請求項１乃至３のねじ要素において、溝（２１，２２）が、丸み付けられた底を有するＶ状のプロファイルを有することを特徴とするねじ要素。
請求項１乃至４のねじ要素において、前記溝の底は、この溝が最終係合ねじ領域に形成されたときには、ねじ根（１７，２０）の包絡線とねじ峰（１８，１９）の包絡線との間からなるこの領域の体積中に位置していることを特徴とするねじ要素。
請求項１乃至５のねじ要素において、前記溝の幾何特性は、一つの溝が前記中間ねじ領域へ向かうにつれて、前記ねじの剛性が一方又は双方の前記端部領域から着実に増大するようにしたことを特徴とするねじ要素。
請求項６のねじ要素において、前記溝深さが、一つの溝が前記中間ねじ領域へ向かうにつれて、一方又は双方の前記端部係合ねじ（１１．１，１２．１）から規則的に増大するようにしたことを特徴とするねじ要素。
請求項６又は７のねじ要素において、前記溝（２１，２２）が、この溝の形成された螺合部分のねじ（ｐ）のピッチから異なる螺旋ピッチ（ｐ’，ｐ”）を有することを特徴とするねじ要素。
請求項７又は８のねじ要素において、前記溝底の包絡線が、前記ねじ要素に同軸の円錐面であることを特徴とするねじ要素。
請求項７又は８のねじ要素において、前記溝底の包絡線が、前記ねじ要素に同軸で非直線母線の回転面であることを特徴とするねじ要素。
請求項９又は１０のねじ要素において、前記溝が、第１係合ねじ領域に形成され、且つ中間ねじ領域のねじに選択的に形成されているので、対応する溝底包絡線の母線の勾配は、前記溝が形成される螺合部分の勾配よりも大きいことを特徴とするねじ要素。
請求項１乃至１１の何れか一項に記載のねじ要素において、前記ねじが概ね台形状であると共に、前記溝が前記ねじの刺フランク（１５，１６）上に開口しないことを特徴とするねじ要素。
請求項１乃至１２の何れか一項に記載のねじ要素において、前記ねじが、少なくとも２つの螺合部分（２０３，２０４），（２０３’，２０４’）を含み、前記溝が螺合部分に設けられていることを特徴とするねじ要素。
請求項１乃至１３の何れか一項に記載のねじ要素において、単独の当接（７）を含み、その当接面が前記ねじ要素の前端により構成されていることを特徴とするねじ要素。
請求項１乃至１３の何れか一項に記載のねじ要素（３，４）において、考慮された前記ねじ要素の前端により当接面を構成された第１の当接（７，１０）と、相手方ねじ要素（４，３）の前端において当接と共に継手を構成する際に協働するように配置された第２の当接（８，４７）とを含み、前記考慮された前記ねじ要素の２つの当接の双方は、前記相手方ねじ要素（４，３）の２つの対応する当接に押し当てられて支持することを特徴とするねじ要素。
請求項１乃至１５の何れか一項に記載のねじ要素（３，４）において、少なくとも１つのシーリング面（５，６）を含み、これは相手方ねじ要素（４，３）上のシーリング面（６，５）と半径方向に干渉するようにされていることを特徴とするねじ要素。
ねじ管継手（１００，２００，４００）であって、第１のパイプ（１０１，２０１）の端部における雄ねじ要素（１）と、第２のパイプ（１０２，２０２）の端部における雌ねじ要素（２）とを備え、その２つのねじ要素の少なくとも一方は請求項１乃至１６の何れか一項に記載のねじ要素であることを特徴とするねじ要素。