JP2005511990A - 端部リップを備える少なくとも１つのねじ部分を含む高品質なねじ付き管継手 - Google Patents

Abstract

高品質ねじ付き管継手は、少なくとも１つのねじ部上に、ねじ部の自由端において遠位当接面（７）と、ねじ山から所定距離離れた位置にあるリップシール面（５）を含む。リップは、半径方向の大きな剛性と軸方向の小さな剛性の両方を備えるために、リップリール面（５）を超えてリップをその自由端まで延伸させるアペンディクス（１３）を含む。これにより、圧力及び／又は引張下でねじ継手のシール特性を高め、かつまた、その他の利点（実締め付けトルク精度、軸圧縮機械強度、衝撃バリアー効果、ねじ部の螺合の許容誤差）を与える。

Description

本発明は、少なくとも１セットの金属対金属シール面を有する高品質のねじ付き管継手であって、長尺パイプ又は短尺（継手）タイプのものの管状要素の端部に成形される雄ねじ部とめすねじ部を接続してなるねじ継手に関する。

炭化水素さく井（鑿井）その他のさく井（例えば、地熱さく井）のための鋳物ストリング、チュービングストリング、ドリルパイプストリングを構成するために主として使用される種々のタイプのねじ付き管継手が知られている。

海底ウェルをオフショア製造プラットフォームに接続するためのライザーカラム（立ち上がり管）に用いるねじ付き管継手もまた知られている。

そういったねじ付き管継手は多様な全応力（軸方向の引張又は圧縮、内外部流体圧、曲げ、捻り）を受け、これらの応力は組み合わされて（例えば、軸方向の引張＋内部圧）、おそらく破壊的な強さとなる。

高品質な管状継手は破壊に対して抵抗することができるだけではなく、現場での使用条件において、そういった組み合わせられた強力な応力にもかかわらず、シール性、特にガスに対するものを保つ必要がある。

パイプがウェル内で降下されるにつれ又は運転される際に、応力は自然と変化する。例えば、引張応力は簡単に圧縮応力に変化する。

ねじ継手は、性能が（特に摩損によって）劣化することなく、何度も組立及び解体が可能でなければならない。

管状の構成要素は、解体された後に、異なる環境条件の他の井戸において使用される。

フランス国特許ＦＲ１４８９０１３及びヨーロッパ特許ＥＰ０４８８９１２は、そういった高品質のねじ付き管継手の例、特に、ねじ継手を介して連結される２本の長尺管に関するねじ結合継手を説明する。

米国特許５６８７９９９及び米国特許４４９４７７７は、２本の長尺管を直接連結する一体式の高品質のねじ付き管継手の例を説明する。

上記フランス国特許ＦＲ１４８９０１３、ヨーロッパ特許ＥＰ０４８８９１２及び米国特許４４９４７７７に説明されるねじ付き管継手は、ねじ部のうちの少なくとも一方、一般に雄ねじ部の自由端において軸方向の前方当接面を有し、かつ、同じねじ部の前記前方当接面のすぐそばに隣接するねじ部の周面上にシール面を有する。

ねじ部の第１ねじ山と、前記自由端の軸方向前方当接面との間のねじ部の部分をリップと呼んでいる。

多くの高品質ねじ継手、特に、上記の最後の３つの特許におけるものは、雄シール面が雌リップの端部に位置し、雌リップの長さはねじ継手に依存して変化する。

高品質ねじ継手が組み立てられると、軸方向の合わせは接触圧を生じ、与えられた組立トルクＴmに等しい反作用を生じさせる。

対応する雄シール面と雌シール面は半径方向の干渉により接触圧を発生させ、ねじ部の自由端の反対側のねじ山に位置する「ロード（負荷）フランク」と呼ばれるねじフランクは接触圧で接触し、リップを軸方向に圧縮する。

干渉シール面は、その形状が適当でないならば、組み立ての際に摩損の問題を生じる。干渉シール面はまた、接触圧、特に、シール面の有効幅に対する合計接触圧が不十分であると、液漏れを生じさせる危険がある。

液漏れの危険性を防ぐために、与えられた形状に関し合計接触圧をある値（単位はＮ/mm）以上に維持する必要があり、この合計接触圧は、組み立てられたねじ部の相対位置と作用応力の関数である。

管と同じ方法で、使用環境における異なる応力に対向することができ、かつ、例えば、軸方向の引張又は圧縮といった使用環境における外部応力が作用することによって組立構成が変形した後の応力のような応力下においてガス密を維持することができるねじ付き管継手を得ることは特に困難である。

発明者達は、少なくとも１つのねじ部のリップの自由端において軸方向の当接面を備える高品質のねじ付きの管継手であって、高い内部又は外部圧力を受けたときに漏れに対する最大抵抗を有し、かつ、対応する両当接面を軸方向に分離し、そして特に両シール面を分離するような高い外部引張力を受けたときに上記漏れに対する最大抵抗を維持することができる管継手の開発を探求してきた。

引張力は、軸応力又は曲げ引張応力から生じる。本明細書及び特許請求の範囲において使用される用語「引張力」又は「引張加重」は、ねじ付きの管継手の全体又は一部が受けるそういった応力や加重の外部応力のセットをいう。

そういったねじ付きの管継手は、引張加重の関数としてストリング内の管の降伏強さに相当する加重のパーセンテージとして表される両シール面間のそれらの幅に渡る合計接触圧の変化によって特徴づけられる。

発明者達はまた、組み立てられたねじ付き管継手の摩損のリスクを最小にすることを探求してきた。

発明者達はまた、２つの軸方向の当接であって、１つは外部当接であり、もう１つは内部当接であるものを含むねじ付き接続を与える利点を有する発明を提供することを探求してきた。

発明者達はまた、現場において容易に組み立てることができるねじ接合を提供することを探求してきた。

発明者達はまた、難しい現場の運転条件によっても実質的に減ることがないねじ継ぎ手用の理論的シール能力を提供することを探求してきた。

発明のねじ継手は、第１に公知であるところの第１管要素の端部の雄ねじ部と、第２管要素の端部の雌ねじ部とを含む。

雄ねじ部は、雄ねじと、外周上の少なくとも１つの雄シール面と、軸方向に当接する少なくとも１つの雄面を含む。

これに対応するように、雌ねじ部は、雌ねじと、内周上の少なくとも１つの雌シール面と、少なくとも１つの軸方向の雌当接面を含む。

雄ねじは、少なくとも１つの軸方向の雄当接面が対応する軸方向の雌当接面に当接して協働するまで雄雌ねじ内にねじ込まれて、雌当接面に対するねじ込みトルクの反力を生成し、次に、各雄シール面は対応する雌シール面に干渉する。

少なくとも１つのねじ部に関し、突き合わされて当接反作用を生む当接面がねじ部の自由端の正面に作られ、この当接面は軸方向の遠位当接面と呼ばれる。

リップは、この軸方向の遠位当接面を当該ねじ部のねじ山から分離させ、「リップシール面」と呼ぶ１つのシール面が該ねじ山の端部から所定の軸方向距離にある位置においてこのリップ上に配設されている。

従って、リップは、対応する軸方向当接面に当接反力を生じるように当接する軸方向の遠位当接面から生じる軸圧縮加重を受ける。

本発明の特徴によれば、リップは、リップシール面と、リップの自由端の軸方向の遠位当接面の間に「アペンディクス（虫垂）」と呼ばれる部分を含む。

このアペンディクスにより、半径方向の大きな剛性を有し、かつ、軸方向の小さい剛性を有するリップを作ることができる。

米国特許4,624,488と4,795,200はシール面と、ねじ部の自由端の正面との間にアペンディクスを備えるねじ継手を開示している。

しかしながら、これらの二つの特許のいずれも、自由端の正面をねじ込みトルクの反作用を受ける当接面として開示しておらず、また、アペンディクスは同じ機能を果たしていない。

ファーグソン(Ferguson)特許（US 4,624,488）におけるアペンディクスは現場での操作の間のノッキングから生じる損傷を妨げ、かつ、軸引張力を受けるねじ継手の最大引張力を増加させる。

さらに、タング（Tung）特許（US 4,795,200)におけるアペンディクスは、軸方向の遠位当接面を備えていないねじ継手のリップの半径方向の剛性を増加させ、これにより、ねじ継手のシール面における接触圧を増加させる。

先ず、発明者達は、本発明のアペンディクスもまた、高品質のねじ付き管継手のために、軸方向の遠位当接面を備えるねじ継手のリップの半径方向の剛性を増加させ、この剛性の増加がリップのシール面の有効軸方向接触幅を増加させ、かつ、軸方向の遠位当接面幅に作用する合計接触圧を増加させるということに注目した。

リップの軸圧縮力はリップをバナナ状にし、即ち、湾曲させる傾向があり、そしてシール面の有効接触幅及び合計接触圧を減少させるので、そのような剛性の増加は、タング特許の開示からは自明ではない。

発明者達はまた、アペンディクスによる半径方向の剛性の増加がまた、高品質のねじ付き管継手のために、軸方向の遠位当接面の半径方向の有効接触幅を増加させ、かつ、この軸方向の遠位当接面の半径方向に渡る合計接触圧を増加させるということ（このことは非自明である）に注目した。

そのような効果は、軸方向の遠位当接面を考慮していないタング特許から知ること、あるいは導くことはできない。

発明者達はまた、発明のねじ付き管継手のアペンディクスの更なる非自明の効果に気が付いた。

アペンディクスはリップの軸方向の剛性を減少させ、その結果、一定軸圧縮応力下のリップの弾性変形を増大させる。

ねじ継手に引張加重が作用するとき、この増大した弾性変形は当接面の剥離、そして特に、リップシール面の幅に渡る合計接触圧の臨界値を比較的大きな引張加重にシフトさせる。

ここでもまた、そういった効果は、軸方向の遠位当接面を備えるねじ付き管継手を考慮しておらず、また、引張応力下の漏出リスクを考慮していないタング特許から自明的に知ること、あるいは導くことはできない。

本発明の高品質のねじ付き管継手のアペンディクスの更なる効果及び利点は以下に説明する発明の特定の実施の形態から導かれる。

リップシール面側において、アペンディクスをいかなる周面によって区画することができるが、周面は、軸方向の遠位当接面の半径方向の厚みを最大にするために、円筒面であることが好ましい。

好ましくは、アペンディクスの軸方向の長さはリップの全長の８％ないし７５％の範囲であり、さらに好ましくは、リップの全長の２０％−６０％である。

好ましくは、アペンディクスの軸方向の長さ／軸方向の遠位当接面の半径方向の厚みの比は３未満である。

各リップシール面は、円錐、 円環面（トーラス）、あるいは、円錐面、円筒面及び／又は１つ以上の円環面の組合せを含む複合面の群から選択される面とすることが有利である。

非常に有利なこととして、１つ又は少なくとも１つのシール面は互いに正接する２つの面部分を含む複合面である。即ち、これらの２つの面部分は、軸方向の遠位当接面の側部に位置する円錐部分と、ねじ側に位置する大半径、例えば、２０mmを超える半径の円環面であり、他方のねじ部の対応するシール面は、リップシール面の円錐部分のものとほぼ同一のテーパーを有しかつリップシール面の軸方向の合計幅に対応する軸方向の幅を有する円錐面である。

アペンディクスの存在と関係なく、そういった複合面の構造はリップシール面の幅に渡る合計接触圧を増大させることができる。

非常に有利なこととして、各リップシール面の平均勾配はねじ継手の軸に関して少なくとも１０°である。

非常に有利なこととして、リップシール面の軸方向の幅は１０mm以下であり、好ましくは５mm以下である。

好ましくは、軸方向の遠位当接面は、ねじ継手の軸に垂直な平面、又はねじ継手と同軸の円錐面であって、その頂部の半角が７０°ないし９０°の範囲であり、後者（円錐面）の場合、リップシール面とその対応シール面の間の接触を容易にすることができる。

発明の実施するための最良の形態

添付図面は本発明のいくつかの実施の形態を図示するものであり、これらの実施の形態を以下に説明する。

図１は、従来技術のねじ付き管継手２００を示すものであり、２本の長尺パイプ（管）１０１，１０１’を短尺の管要素であるカップリング（カプラ）２０２を用いてカプラ接続するものである。

用語「パイプ（管）」又は「長尺管要素」は数メートル、例えば、約１０ｍの長さの管を意味する。

管継手２００は、炭化水素井戸、ライザ、あるいは、そういった井戸のドリルパイプストリングのためのケーシング又はチューブストリングを作るための機械的作業に用いられる。

パイプは、いかなるタイプの非合金、軽合金又は重合金鋼から作ることができ、あるいは、機械適応力レベル、パイプの内外部の液体の腐食性使用条件に基づいて、熱処理鉄若しくは冷間鉄又は非鉄合金からさえ作ることができる。

鋼に腐食性液体が接触することを妨げるように、例えば、合成材料のコーティングを備える低腐食性の鋼管を用いることもまた可能である。

パイプ１０１，１０１’の端部は同一の雄部１，１’を備え、両端に雌部２，２’を備えるカプリング２０２を介して接続されている。

雄ねじ部１，１’はそれぞれ雌ねじ部２，２’に螺合されることにより連結され、数センチメートルの長さのラグ（突出部）１０によって繋がる２つの対称的なねじ継手１００，１００’を構成している。

カプリングのラグ１０は、内部を流れる流体が乱されることのないように、パイプ１０１，１０１’の端部の内径とほぼ同一の内径を有する。

ねじ付き管継手（部分）１００，１００’は対称であり、それ故、これらの２つの継手（部分）のうちの一方の継手（部分）１００のみについての機能を説明すれば事足りる。

雄ねじ部１は、米国石油学会（ＡＰＩ）仕様書５Ｂに規定される「バットレス」ねじとして知られるタイプの台形ねじ山を備える雄ねじ３を含む。この雄ねじ３はテーパー付きであり、雄ねじ部の外周上に配設され、雄ねじ部の自由端７からねじ無しリップ１１を介して離間している。自由端７は、継手の軸にほぼ垂直に配設された軸方向の遠位当接面と呼ばれる当接するための管状面を形成する。

外部リップ１１上での自由端７の隣には雄リップシール面を形成する円錐面５が設けられており、そのテーパーは雄ねじのものよりも大きい（急である）。

雌ねじ部２は、雄ねじ部１の手段と合う手段を有し、即ち、雌ねじ部と雄ねじ部はそれらの形状に関して係合し、雄ねじ部の雄手段上に雌ねじ部が位置されることにより協働するように設けられている。

雌ねじ部２はテーパー付き内ねじ４と、内ねじ４とラグ１０の間に位置するねじ無し部とを含む。

このねじ無し部は、ラグの端部にショルダを形成する軸方向にほぼ垂直な軸方向の環状当接面と、ねじ側４のショルダに直ぐに隣接する雌シール面を形成する円錐面６を有する。

雄ねじ部を雌ねじ部内に螺入して組み立てると、当接面７，８が互いに抱き合うとともに、当接面５，６が半径方向に干渉して金属対金属接触での圧力を及ぼす。当接面５，６は次に、内外部高圧流体に対してさえも、そしてガス流体、かつ、単純応力、組合せ応力、静的応力又は変動応力のような種々の応力（軸引張、軸圧縮、曲げ、捻り等）に関しても流体密であるねじ継手を目的とする金属対金属シール面を構成する。

そのようなねじ継手は、ＡＰＩ仕様書５ＣＴに規定されるねじ継手のような標準のねじ付き管継手に比べて優れた能力を有しているため高品質継手と呼ばれる。

図１に番号１００で示すようなねじ付き管継手は、しかしながら、図８ないし１０で説明する矛盾した幾何学的要件を受け入れなければならない。

リップシール面の長さと厚みは、ばねのような挙動を行うリップ（図８参照）が半径方向の所定の剛性を持つように十分なものでなければならず、所定の半径方向の干渉による接触圧はリップ１１の半径方向の剛性に基づき変化する。

しかしながら、ねじ継手が内部又は外部流体圧を受けるとき、リップは曲がり、シール面５，６の角度ずれを生じさせて有効接触幅と合計接触圧を減少させる。流体圧によるリップの曲げは、ねじ部３の開始位置とリップシール面５の間のリップの部分３５が長いときに、より大きくなる。

リップの部分３５を長くすることを避けて当接面の長さを長くすることにより（ｌ_ｓ３＞ｌ_ｓ１）、長さｌ_ｔ１をｌ_ｔ２と長くするならば（図１０）、軸方向の遠位当接面７の半径方向の厚みｅ_２は、ねじ付き管継手の好ましくない崩壊を防止するために十分な値の組立トルク値を得るためには不十分である。

この不利な点を克服するために、当接面５を機械加工する前にリップの端部にテーバーを付けて端部に向かって内周面がより小さい直径を持つようにすることができる（図１１）。しかしながら、そういったテーバーはさらなる機械加工を必要とする。

図１０に関して示す不利な点を克服するために、リップシール面５のテーパー付けを小さく（角Ｂ（図９参照）＜角Ａ）することができるが、このような構成は、組立後の互いに干渉する支持面５，６でのモーメントにより、これらの支持面に大きな摩擦を生じさせる。このことは高い摩損リスクを生じさせ、ある種の材料（高クロム鋼、ニッケル合金等）の場合、特にそうである。

図２は、特に、リップ１１の構造を変えることで図１のねじ付き管継手から直接的に導かれるねじ付き管継手を示す。このねじ付き管継手はアペンディクス１３を含み、雌ねじ部の構造は軸方向の雌当接面をカップリング２０２の中央へ戻した結果のものであり、ラグ１０の軸方向の長さ（図２）は図１のものよりも短い。

図５は、図２のねじ継手の雄リップ１１の詳細を示す。

図５において、全長がｌ_ｔの雄リップ１１は、軸方向長さｌ_ａのアペンディクス１３によって軸方向の遠位当接面７から離間された合計軸方向幅がｌ_ｓのリップシール面５を含む。

軸方向の遠位当接面７は、７５°の半頂角を有し（ねじ継手の軸に対する垂線に対しては１５°をなす）ねじ継手と同軸の凹状の円錐面である。こういった配置は、図１に示すタイプのねじ継手のシール面５，６間の接触圧を増加させることが知られている。

アペンディクス１３は、小半径Ｒ４を持つ円環面を介して軸方向の遠位当接面７につながる円筒外周面１９を有する。

図５に示すアペンディクスの軸方向の長さｌ_ａはリップの軸方向の全長ｌ_ｔの約２５％である。なお、これらの距離は、面７と１９の交点に関して採られる。

アペンディクスの軸方向の長さｌ_ａと軸方向の遠位当接面の半径方向の厚みｅ_ｂの比は約０．９である。３を超える高い比率はアペンディクスの座屈を起こす危険性がある。

リップシール面５は軸に対して傾斜した（平均傾斜度は１５°）複合面であり、小半径Ｒ３を持つ円環面を介してアペンディクス１３に接続され、小半径Ｒ２を持つさらなる円環面を介してねじ側のリップに接続されている。

Ｒ３，Ｒ４は、例えば、０.５ないし１mmのオーダーであり、Ｒ２は５mmのオーダーである。

リップシール面５は以下のものから構成されている。

ａ）自由端７側に位置する５０％のテーパー付き（即ち、軸に対して１４°の傾斜）の、例えば、１.５mmのオーダーの幅ｌ_ｃを備える円錐部３３と、
ｂ）ねじ側に位置する大径曲率半径Ｒ１（例えば６０mm）の、幅ｌ_ｒの、円環部３３に正接する円環部３１。

これにより、短くて（幅ｌ_ｓは３mmに近い）かつ軸に対してねじ（テーパーは６.２５％、即ち、軸に対して１.８°の傾斜）よりもより傾斜したリップシール面５を与えることができ、組み立ての際のシール面の摩損のリスクを最小にする。組み立てたときのシール面間の最初の接触モーメントを遅らせることができ、また、この最初の接触から生じる螺旋状の摩擦接触長さを小さくすることができる。

上記円錐状の形状にねじ側の大径の円環面形状を加えたことで、シール面５，６間の幅に関して安定した接触を得ることができると共に、シール面５，６間及び／又はテーパー付きねじ３，４間の干渉及び内部流体圧の作用がリップ１１を湾曲させシール面の傾きを僅かに変える。そういった傾斜の変化は、円錐シール面における当接幅に渡る有効接触幅と合計接触圧を減少させる。

ねじ側の曲率半径がＲ１の大径の円環面部（Ｒ１は好ましくは３０ないし１２０mmで、ここでは、６０mm）の存在は、使用条件下で円錐支持面（この当接面は機能的に安定している）の利点を維持することができる。

図６は、組立位置での雄リップ１１とそれに対応する雌部に配設される手段の協働を示す。

雌ねじ部は、遠位面７の角度に等しいあるいはほぼ等しい半頂角を有する凸状の円錐形であ軸方向の雌当接面８を含む。雌ねじ部はまたショルダを形成している。

このショルダの底部における軸方向の雌当接面８から軸方向の所定距離において雄シール面５に面する円錐雌シール面６は雄リップシール面５の円錐部３３のテーバーに等しいテーパーを有する。

雌シール面６の軸方向の幅はリップシール面５の軸方向の合計幅ｌ_ｓに近く、このように、これらのシール面の安定した作動のために採用される。

雌シール面６と軸方向の雌当接面間の雌ねじ部の内周面は、それがアペンディクス１３に面する外周面１９と半径方向に干渉しない限りいかなる形状をとることができる。

この雌周面を軸方向の雌当接面８に接触させるために短い半径とされる。

先ず、リップの端部からシール面を離れて位置させることは、ねじ継手が流体の内圧又は外圧を受けるときにリップの曲げを制限し、従って、有効接触幅の減少と、内圧又は外圧、特に内圧を受けるねじ継手のシール面５，６間の合計接触圧の減少を制限することに留意すべきである。

図１２，１３のグラフは、図１の同様な従来技術のねじ継手（図１２）と比較して図２に示すタイプの本発明のねじ継手の明白な利点を示す（図１３）。

スタディされた従来技術のねじ継手は、１９９９４年にバローレック・オイル・アンド・ガスによって編集されたＶＡＭ（登録商標）カタログ番号９４０に示される外径２４４.４８mm、厚み１３.８４mm（9 5/8"x53.5 lbft）、グレードL80（最小降伏強さ５５１MPa）のパイプに関するVAM TOP（登録商標）高品質ねじ付き管継手に相当する。

本発明のねじ付き管継手は３mmの軸方向の長さ（ｌ_ａ＝２５％ｌ_ｔ）を有するアペンディクスを単に追加することにより変更されたものである（図５参照）。

完成要素解析法（ＦＥＡ）を用いて、設計組立トルクまで組み立てられるねじ継手の当接面７，８及び支持面５，６に関するこの幅に渡る有効接触幅及び合計接触圧の変化をねじ継手が受ける軸引張荷重の関数（パイプ本体降伏強さ（ＰＢＹＳ）に相当する荷重のパーセンテージとして表される）として計算した。

当接面７，８に関し、有効接触幅（曲線Ａ）は最初は３.８mmであるが、急激に減少してＰＢＹＳの４２％に相当する荷重で０になる。この荷重以上のとき、当接面同士はもはや接触しない。当接面間の合計接触圧（曲線Ｂ）は同じプロファイルとなる（初期値７７０N/mm）。

シール面間の接触幅の変化に関する曲線Ｃは、軸引張荷重が０から１００％に変化するときに、有効接触幅が１.５から１.１mmに減少することを示す。

有効接触幅のこの小さな変化は、軸引張荷重の同じ変化に関して（曲線Ｄ）合計接触圧を７７０N/mmから３００N/mmまで降下させるのに十分である。

組み立てられた要素に関して合計接触圧が４３７N/mm(線Ｓ)以下であるとき、作業中に漏出するリスクがあるとユーザは時折考える。

そのようなしきい値は、引張荷重がＰＢＹＳの５６％に相当する荷重よりも大きいとき、に、従来技術のねじ継手の限度を超え、故に、採用基準は厳しいものである。

シール面は、図５及び図６の５と６の形状に相当する試験形状（円錐状の雄シール面、５０％のテーパー＋半径６０ｍｍの円環面）に従うものであり、これは、単純なテーパー付きシール面に関する荷重下における接触安定性を改善する。

従来技術のねじ継手と同じ設計組立トルクで組み立てられた本発明の変更されたねじ付き管継手に関しても同じ計算が行われた。

図１３の曲線Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ及びＳ（本発明のねじ継手）は、図１２の曲線（従来技術のねじ継手）と同じ意味を持つ。

図１３の曲線Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは図１２の曲線と同様である。

当接面の合計接触圧（曲線Ｃ）に関し、３０N/mmより僅かに大きな合計接触圧と、発明のねじ継手に関して僅かに遅れた軸方向当接面の分離（４２％に比べ４８％のＰＢＹＳ）に留意されたい。

主要な相異はシール面間の相互接触圧（曲線Ｄ）の変化であり、これは、４３７N/mm(線Ｓ)のしきい値がＰＢＹＳの８９％の荷重を単に超えるように本発明のねじ継手に関しては、より緩やかに減少する。

ねじ継手のシールを保証することに高い関心を持つユーザによって最近導入された合計接触圧に関する基準−これは厳格な基準である−は、発明のねじ継手の広い範囲の使用条件に関して満足するものである。

アペンディクス１３の存在から生じるリップ１１の軸方向の低剛性は、引張下のシールに関して、発明のねじ継手がより優れた能力を有することに貢献する。

この軸方向の低剛性は、第１に、ねじ継手のシール能力に関して半径方向の剛性を好ましく増大させる。

この軸方向の低剛性はまた、組立終了時にリップが大きな軸方向圧縮変形を蓄え、この変形は、ねじ継手が軸方向の引張荷重を受けるときに有効に復帰される。

アペンディクスを短くしすぎると（ｌ_a＜ｌ_tの８％）、引張荷重下で十分なシール特性を得ることができない。

アペンディクスを長くしすぎると（ｌ_a＜ｌ_tの７５％）、リップの座屈及びシール能力の低下を生じる危険性がある。

リップと、その関連する手段（５，７，１３）は機械加工により比較的容易に作られる。

その他の利点は、発明のねじ継手のリップの軸方向の低剛性から生じるものである。

第１の更なる利点は現実の組立トルクの精度に関する。

ねじ継手は一般的に、「パワータング（power tongs）」と呼ばれる、ねじ継手をねじ込んで軸方向の当接面を互いに接触させる以上の大トルクを発生させる機械式又は油圧式の機械によって所定位置まで組み立てられる。

これらのタングは、所定の組立トルク（設計トルク）が達成されると、停止する。

しかしながら、タングの慣性力により、実際に得られるトルクは望まれる設計トルクとは異なるかもしれない。

この差は多くの要素に依存し、組立速度（これは組立生産性に影響を及ぼす）を遅くすることによって減少させることができる。

発明のねじ継手におけるリップの軸方向の剛性を低くすることは、接触と、最終組立位置との間でよりなだらかなトルク上昇曲線を得ることを可能にし、また、設計トルクと実組立トルクとの差を減少させ、あるいは、より高速な組立を可能にする。

更なる利点は、軸方向の圧縮荷重下のねじ継手の挙動に関する。

図１４は、所定位置まで組み立てられたテーパ付きねじ山を備えるねじ継手における雄台形ねじ２１及び雌台形ねじ２２を示す。

雄ねじ２１は、軸に対して共に角度Ｃ傾斜した（例えば、１．８°）ねじ山２９及び谷２７と、ロードフランク２３と、スタビングフランク２５を有する。雌ねじ２２はまた、山２８と、谷３０と、ロードフランク２４と、スタビングフランク２６を有する。

当接面７，８での反作用により、雄ロードフランク２３と雌ロードフランク２４は接触しているが、スタビングフランク２５，２６間にはクリアランスｄ１がある。

ねじにはテーパー（傾斜角Ｃ）が付いているので、雌ねじの山２８は雄ねじの谷２７と半径方向に干渉し、雄ねじの山２９と雌ねじの谷３０との間にはクリアランスｄ_２がある。

ねじ継手が軸方向の圧縮荷重を受けるとき、ロードフランク２３，２４は、最初は接しているが、次に離れて、組立から生じる圧縮応力に加えて、全ての圧縮荷重は軸方向の当接面７，８によって支持される。相当フォン・ミース（Von Mises）応力が次に降伏強さを超えると、可塑化が生じ、そして、ブレークアウト及び更なるねじ込み後の漏出及び／又は摩損の危険性が生じる。

軸方向の低剛性は、スタビングフランク２５，２６を互いに接触させ、これにより当接面の相当応力が降伏強さを超える前に、軸圧縮荷重を担う。

発明のねじ継手はこのように、軸方向の圧縮に関する優れた機械強さを有する。

図３は、改修ライザのための、発明の更なるタイプのねじ付き管継手を示す。

ねじ継手３００は一体型タイプであり、パイプを機械加工することにより、雄ねじ部分１は第１パイプ１０１の端部に、雌ねじ部分２は第２パイプ１０２の端部にそれぞれ形成されている。

代替的に、アップセッティングによりパイプを厚くすること（外径を大きくし内径を小さくすることの一方又は両方）によりねじ部１，２は作られる。

代替的に、例えば、溶接により、ここでも雄部と雌部をそれぞれパイプに接続することとしてもよい。

このタイプのねじ継手は２組の軸方向の当接面を含み、当接面はそれぞれ軸方向の遠位当接面である。

第１組の「内当接面」は、先のものと同じように、雄ねじ部１の自由端の遠位面７と、雌ねじ部２の肩を形成する環状面８とによって構成されている。

他の組の「外当接面」は対称的に雌ねじ部２の自由端の遠位面１８と、雄ねじ部１の肩を形成する環状面１７とによって構成されている。

全ての４つの軸方向の当接面は平面であり、ねじ継手３００の軸に垂直である。

リップ１１，１２は各当接面をねじ山部から離間させる。

雌リップ１２はシール面を有していない。

雄リップ１１（図７参照）は、アペンディクス１３を介して軸方向の遠位当接面７から軸方向に離間されている。

シール面５は複合面であり、自由端側に構成された５０％勾配の円錐部３３と、該円錐部３３に正接するようにねじ側３に構成された半径Ｒ１（４０ｍｍ）の円環面部３１とからなり、雌シール面６は５０％のテーパー付きの単に円錐形であり、雄メール面５の合計幅に相当する軸方向の幅を備える。

アペンディクス１３は円柱形の軸方向の長さｌ_ａが５ｍｍの外周面１９を有し、リップの軸方向の全長ｌ_ｔの約９％である。

アペンディクスの軸方向の長さ対軸方向の遠位当接面の半径方向の厚み比は約０.７５である。

リップシール面５とねじ部３の間に位置するリップの部分は、外周面３５上に２つの円柱面３７，３９を含み、円柱面３９はねじ山の谷から開始し、シール面側の円柱面３７（直径Ｄ１）よりも小さい直径（Ｄ２）を有し、ここで、Ｄ２−Ｄ１の値は約１ｍｍである。

そのような段はリップシール面５の半径方向の剛性を大きくし、引いては、シール面５，６間の接触圧を大きくする。それはまた、ねじ継手３００が内部流体圧を受けるときに、リップの「バナナ」変形（湾曲）を減少させる。それはまた、アペンディクス１３との組合せにより、ねじ部が心ずれ状態で螺合したときに、シール面５を損傷の兆しから保護する。

次の表１は、外径２１９.０８ｍｍ（8 5/8"）、１７.８ｍｍ厚、グレードＰ１１０の管にライザを設けて使用される２つのねじ継手、１つはアペンディクス１３がないもの（従来技術）、もう１つはアペンディクス１３があるもの（本発明のもの）の合計接触圧を比較するものである。

組立の最後に外当接面１７，１８が最初に接触し（１次当接）、組立は内当接面７，８に接触圧が生じるまで（２次当接）続けられる。

表１は、組立の最後及び軸引張下における数値計算によって得られたシール面の接触幅に渡る合計接触圧に関する値を示す。

この構成の発明のねじ継手に関して、合計接触圧はより高くかつ僅かによりゆっくりと増加した。かなり限定された長さ（リップの合計長さの９％）のアペンディクスと、リップ１１は半径方向に非常に剛であり（段２７において１０ｍｍ厚）、そのため、従来技術のねじ継手と比較された差違は直前の例（ＶＡＴＯＰ（登録商標））よりも小さかった。

図３のねじ継手に関して、図１５，１６，１７はアペンディクス１３がある場合のねじ部の螺合のための制限条件を示す。

図１５は、ねじ部１，２の螺合が始まり、雄リップシール面５が雌自由端１８に接触し始めるときの起こりうる半径方向の最大心ずれｄ３を示すものであり、ｄ３は、上で述べた寸法のねじ継手３００の場合、１０ｍｍを超えることがある。

図１６は、少し後の、雄リップシール面５が最初の雌ねじ山に接触するときの起こりうる半径方向の最大心ずれｄ４を示すものであり、ｄ４は、上記ねじ継手の場合、約８ｍｍである。

図１７は起こりうる最大の角ずれＥを示すもので、雄リップシール面５が雌ねじに接触しているが、雄ねじと雌ねじがまだ螺合していない状態である。角Ｅは約４°である。

これらｄ３，ｄ４及びＥの値はアペンディクス１３がない場合よりも大きい。このように発明のねじ継手はねじ部の不適切な螺合条件に対してもよりよく対応することができる。

もちろんアペンディクス１３は、現場での操作の間に、リップシール面５を軸端部の衝撃から保護する。

図１７のケースの場合、アペンディクスはまた、シールに関して最も重要なリップシール面の円錐部３３のための保護バリアー（即ち、半径方向のバリアー）を創成することに留意すべきである。

図５に示すように、最初の雄ねじ山の峰を通りねじ部の自由端に正接する直線Ｄ１に関しリップシール面５がねじ部側に位置されるようにアペンディクス１３の軸方向の長さｌ_ａが設けられているならば、シール面の全体をまた保護することができる。直線Ｄ１は、例えば、図１７における雌ねじの山の母線を構成する。

図４は、一定の内径及び外径を備える平接続として知られる一体的なねじ接続４００を示し、内当接面（７，８）と、外当接面（１７，１８）と、２組のシール面、即ち、内シール面（５，６）及び外シール面（１５，１６）を備える。

ねじ接続４００は、外シール面によって外圧に対してシールされ、かつ、内シール面によって内圧に対してシールされる。

内シール面の雄シール面５と、外シール面の雌シール面１６はリップシール面である。

これらのシール面は、アペンディクス１３，１４が形成されるねじ部の外面上で軸方向の遠位当接面７，１８から離れている。

アペンディクス１３，１４は、リップ１１，１２の軸方向の剛性を小さくし、かつ、半径方向の剛性を最大にする。

これにより、比較的大きな軸引張下においてさえも外部部流体及び内部流体の両方に対してねじ継手のシール能力を最大にすることができる。

圧縮下の機械的挙動もまた改善される。

リップ１１，１２の軸方向の低剛性は、内当接面又は外当接面、好ましくは、内当接面の最初の接触の後、第２組の当接面が軸方向に当接するまで組立が十分に続けられることを可能にする。

軸引張下で当接面の離脱を遅らすことはまた、曲げ引張又は曲げ荷重の場合に「フレッティング腐食」として知られる現象による疲労クラックを生じさせる源となるこれらの面のきしみをある程度防止し、如何なる場合もそのきしみを制限することを可能にする。

本発明は上に説明したねじ付き管継手に限定されるものではない。

本発明は、いかなるタイプのねじ付き管継手、特に、円錐ねじ若しくは円柱ねじを備えるもの、段付き若しくは段無しの１つ以上のねじ部を備えるもの、台形若しくは三角形ねじを備えるもの、又は、可変ピッチ又は幅の楔型ねじを備えるものに適用できる。

従来技術のねじ付きのカプラ接続された管継手の断面の半分を示す図である。 本発明のねじ付きのカプラ接続された管継手の断面の半分を示す図である。 本発明に従ったライザ付きタイプのねじ付きの一体型管継手の断面の半分を示す図である。 本発明に従った「平」接続、即ち、ねじ付き管継手において内外径がいずれも変化しないタイプのねじ付きの一体型管継手の断面の半分を示す図である。 図２の雄ねじ部の自由端の拡大図である。 図５の自由端を対応する雌ねじ部と螺合させた状態を示す図である。 図３の雄ねじ部の自由端の拡大図である。 図１（従来技術）の雄ねじ部の自由端を示す図である。 図８の従来技術の自由端の１つ目の変形例を示す図である。 図８の従来技術の自由端の２つ目の変形例を示す図である。 図８の従来技術の自由端の３つ目の変形例を示す図である。 軸方向の遠位当接面及びリップシール面の接触幅及びこの接触幅に渡る合計接触圧を図１（従来技術）のねじ付き管継手に生じる軸引張力の関数として示すグラフである。 図２に示す本発明のねじ付き管継手に関する同じグラフである。 図２の管継手の雌ねじと螺合する雄ねじを示す図である。 継手の構成が完了する前の半径方向の位置ずれが生じた場合のねじ部の螺合配列を示す図である。 継手の構成が完了する前の半径方向の位置ずれが生じた場合のねじ部の螺合配列を示す図である。 継手の構成が完了する前の角位置ずれが生じた場合のねじ部の螺合配列を示す図である。

Claims (15)

1. 第１管要素（１０１）の端部に位置する雄ねじ部（１）と、第２管要素（１０２，２０２）の端部に位置する雌ねじ部（２）とを含んでなるねじ付き管継手（１００，３００，４００）であって、前記雄ねじ部は雄ねじ（３）と、外周面上の少なくとも１つの雄シール面（５，１５）と、少なくとも１つの軸方向の雄当接面（７，１７）を含み、それに対応して前記雌ねじ部（２）は雌ねじ（４）と、外周面上の少なくとも１つの雌シール面（６，１６）と、少なくとも１つの軸方向の雌当接面（８，１８）を含み、前記雄ねじは、前記少なくとも１つの軸方向の雄当接面（７，１７）が対応する軸方向の雌当接面（８，１８）と協働して組立トルクに対して当接反作用を生じさせるまで雌ねじ内にねじ込まれ、各雄シール面（５，１５）は次に対応する雌シール面（６，１６）と半径方向に干渉し、前記少なくとも１つのねじ部は当接反作用を生じる当接面間に「軸方向の遠位当接面」（７，１８）と呼ばれるねじ部の自由端の正面に形成された面を有し、リップ（１１，１２）は対象のねじ部（７，１８）の外面上で前記軸方向の遠位当接面を前記ねじ（３，４）から離間し、「リップシール面」（５，１６）と呼ばれる１つのシール面が前記ねじの端部から所定の軸方向距離の位置において前記リップ（１１，１２）上に配設されたねじ付き管継手において、前記リップは、前記リップが半径方向の大きな剛性と軸方向の小さな剛性の両方を持つように、前記リップの前記自由端と前記リップシール面（５，１６）の間に「アペンディクス」（１３，１４）と呼ばれる部分を有することを特徴とするねじ付き管継手。
2. 前記アペンディクスはほぼ円柱状の周面（１９）によって前記リップシール面上に区分される請求項１のねじ付き管継手。
3. 前記アペンディクスは、前記リップの合計軸長さ（ｌ_ｔ）の８％ないし７５％の範囲、好ましくは、２０％ないし６０％の範囲の軸長さ（ｌ_ａ）を有する請求項１又は２のねじ付き管継手。
4. 前記アペンディクスは軸方向の長さ（ｌ_ａ）を持ち、前記軸方向の当接面は半径方向の厚み（ｅ_ｂ）を有し、該厚みに対する前記アペンディクスの前記軸方向の長さの比は３以下である請求項１、２又は３のねじ付き管継手。
5. ねじ部の前記アペンディクスの軸方向の長さ（ｌ_ａ）は、前記ねじ（３）の第１ねじ山の山を通りかつ前記ねじ部の自由端に正接する直線（Ｄ_１）に関して前記ねじ部（１）の一側に前記リップシール面（５）が位置されるように設けられ、これにより、前記リップシール面（５）を前記ねじ部の操作の間に損傷から保護することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のねじ付き管継手。
6. 前記各リップシール面（５，１６）は、円錐面と、円環面と、円錐面、円柱面及び円環面の組合せを含む複合面から選択される面である請求項１ないし５のいずれか１つに記載のねじ付き管継手。
7. 請求項６のねじ付き管継手であって、１つ又は少なくとも１つのリップシール面（５）は、互いに当接する２つの面部分、即ち、前記軸方向の遠位当接面（７）側に位置する円錐面部分（３３）と、２０ｍｍを超える半径（Ｒ１）を持ちねじ側（３）に位置する円環面部分（３１）を含む複合面であり、かつ、他方のねじ部の対応するシール面（６）は、前記リップシール面の円錐面部分（３３）のテーパーにほぼ等しいテーパーを備えかつ前記リップシール面の前記軸方向の合計幅（ｌ_ｓ）に適合する軸方向の幅を備える円錐面であるねじ付き管継手。
8. 前記各リップシール面（５，１６）は、前記ねじ付き管継手の軸に関して少なくとも１０°の平均傾斜を有する請求項６又は７のねじ付き管継手。
9. 前記各リップシール面は、１０ｍｍ未満、好ましく５ｍｍ以下である軸方向幅（ｌ_ｓ）を有する請求項６，７又は８のねじ付き管継手。
10. 前記１つ又は少なくとも１つの軸方向の遠位当接面はねじ継手の軸に垂直な平面である請求項１ないし９のいずれか１つに記載のねじ付き管継手。
11. 前記１つ又は少なくとも１つの軸方向の遠位当接面はねじ継手と同軸な円錐面であって、前記リップシール面とそれに対応するシール面の接触を高めるように７０°ないし９０°の範囲の半頂角を有する円錐面である請求項１ないし９のいずれか１つに記載のねじ付き管継手。
12. 前記リップシール面（５）と前記ねじ（３）の間の前記リップの周面（３５）は直径が僅かに異なる２つのほぼ円柱面を含み、小さい直径を持つ方のほぼ円柱面（３９）はねじ山の谷に繋がり、大きい直径を持つ方のほぼ円柱面（３７）は前記リップシール面（５）に繋がっている請求項１ないし１１のいずれか１つに記載のねじ付き管継手。
13. 一方のねじ部（１）がリップ（１１）と、リップシール面（５）と、アペンディクス（１３）と、軸方向の遠位当接面（７）を含み、他方のねじ部（２）がこれらの全ての手段をは呈さない請求項１ないし１２のいずれか１つに記載のねじ付き管継手。
14. ねじ付き管継手の前記他方のねじ部（２）は軸方向の遠位当接面（１８）を呈するが、リップシール面を呈さない請求項１３のねじ付き管継手。
15. ねじ付き管継手の前記２つのねじ部（１，２）はそれぞれ、リップシール面（５，１６）を備えるリップ（１１，１２）と、アペンディクス（１３、１４）と、軸方向の遠位当接面（７，１８）とを含む請求項１ないし１２のいずれか１つに記載のねじ付き管継手。

Images