JP5100755B2 - 鋼管用ねじ継手 - Google Patents

Description

本発明は、一般に油井やガス井の探査や生産に使用されるチュービングおよびケーシングを包含する油井管（oil country tubular goods、ＯＣＴＧ）、ライザー管、ならびにラインパイプなどの鋼管の接続に用いるねじ継手に関する。より詳しくは、本発明は、ねじ部に加えて、シール面およびショルダ面を有する、耐圧シール性に優れた鋼管用ねじ継手に関する。

油井管やライザー管など産油産業設備に使用される鋼管の接続に広く使用されている鋼管用ねじ継手は、第１管状部材の端部に設けた雄ねじ要素であるピンと、第２管状部材の端部に設けた雌ねじ要素であるボックスとから構成され、いずれもテーパねじである雄ねじと雌ねじの嵌合により締結が行われる。

典型的には第１管状部材が油井管などのパイプであり、第２管状部材は別部材のカップリングである（この種の鋼管用ねじ継手をカップリング方式という）。その場合、ピンはパイプ両端に、ボックスはカップリングの両側にそれぞれ形成される。カップリングを使用せずに、パイプの一端の外面にピンを、他端の内面にボックスを形成したインテグラル方式の鋼管用ねじ継手もある。その場合には、第１管状部材は第１のパイプ、第２管状部材は第２のパイプとなる。

油井管の締結は、従来はＡＰＩ（米国石油協会）規格に規定された標準的なねじ継手が主に使用されてきた。しかし、近年、原油や天然ガスの掘削・生産環境が苛酷化しているため、プレミアムジョイントと呼ばれる高性能の特殊ねじ継手を使用することが増加している。

プレミアムジョイントでは、ピンとボックスのそれぞれが、締付けを可能にするテーパねじに加えて、ねじ部近傍の周面に設けられたシール面と、継手の締付け中に当接ストッパの役目を担うショルダ面とを備える。ピンとボックスのシール面の間には干渉量と呼ばれる半径方向の締め代が設けられ、ピンとボックスのショルダ面同士が突き当たるまで継手を締め込むと、これら両部材のシール面同士が継手の全周にわたって密着して、金属−金属の直接接触によるシール（メタルシール）を形成する。ショルダ面は、締め付け時における当接ストッパの役割のほかに、継手に作用する圧縮荷重を負担する役目も担っている。

図１は、カップリング形式の一般的なプレミアムジョイント型の鋼管用ねじ継手の模式的説明図であり、(Ａ)が全体図、(Ｂ)が部分拡大図である。この鋼管用ねじ継手は、図１(Ｂ)に示すように、パイプ端部に設けられた雄ねじ要素であるピン１と、カップリングの両側に設けられた対応する雌ねじ要素であるボックス２とを備える。ピン１は、外面に、テーパ雄ねじ１１と、雄ねじ１１に隣接して先端に設けられた、リップと呼ばれるねじ無し円筒衝突部分（以下、リップ部という）１２とを有する。リップ部１２は、その外周面にシール面１３を、端面にショルダ面１４を有する。シール面１３はピン先端に向かって径が漸減するテーパ面（円錐台面）となっている。

相対するボックス２は、その内面に、テーパ雌ねじ２１、シール面２３、およびショルダ面２４を有しており、これらはそれぞれピン１のテーパ雄ねじ１１、シール面１３、およびショルダ面１４と螺合または当接することができる。

端面がショルダ面となるリップ部は、図示のようにピンの先端部に設けることが多い。ショルダ面は、締め付けストッパ（トルクショルダ）の役割のほかに、継手に作用する圧縮荷重を負担する役目も担っている。

垂直井が主流であった時代では、鋼管用ねじ継手は、それに連結された管の重さによる引張荷重に耐えることができ、かつその内部を通過する高圧流体の漏洩を防止できれば十分に機能できていた。しかし、近年は、深井戸化が進み、かつ地中で坑井が屈曲する傾斜井や水平井が増加してきていること、海洋や極地など劣悪な環境での井戸の開発が増加していることなどから、鋼管用ねじ継手には、特に内外圧力の存在下での耐圧縮性能やシール性能の向上が強く求められている。

上述した従来のプレミアムジョイントに外圧が作用した場合、作用外圧は、ねじのすき間を伝わって、シール面の直前の図１(Ｂ)に３１で示す部位まで浸透する。リップ部１２は、管本体に比べて肉厚がずっと薄いため、浸透外圧による縮径変形を受けることがある。そのため、外圧が高くなると、シール面にすき間が生じて、漏洩、すなわち外部流体が管体内部に侵入する状況、が発生する。

また、水平井や傾斜井に油井管を埋設するときなど、プレミアムジョイントに圧縮荷重が作用した場合、ほとんどの継手では、挿入容易性を考慮して雄ねじと雌ねじの隙間を比較的大きくとるため、ねじが示す圧縮荷重の負担能力は小さい。そのため、圧縮荷重の大部分はショルダが負担する。しかし、リップ部の先端のショルダ面の肉厚（圧縮荷重の受圧面積）は通常、管本体より非常に小さいため、例えば、管本体の降伏強度の４０〜６０％に相当するような圧縮荷重が作用すると、大抵のプレミアムジョイントではリップ部が大きく塑性変形してしまい、隣接するシール面の密封性能を著しく低下させてしまう。

外圧に対する継手のシール性（外圧シール性）を高めるには、ピン先端のリップ部の縮径変形に対する抵抗を高めるように、その剛性を高くすればよい。この目的で、スウェジと呼ばれる、管端絞り加工を予め施して、リップ部の肉厚を厚くする方法がよく用いられる。

しかし、スウェジ加工量があまりに大きいと、ケーシングの場合は、その内部に挿入される管がスウェジ部でひっかかってしまったりすることがあり、チュービングの場合は、スウェジ部によりチュービング内部を流れる原油等の流体に乱流が発生して、エロージョンの原因となることがある。そのため、スウェジ加工によるピンリップ肉厚の増加量はあまり大きくできない。

ピン先端の剛性を高めてシール性を向上させる別の従来技術が、下記特許文献１および２に記載されている。これらの特許は、ピンのシール面の先端にボックスと接触しない円筒部を付設して、ピンのシール面周辺の縮径変形に対する剛性を高め、かつ継手のシール面どうしを均一に接触させるようにすることにより、シール性を向上させる技術を開示している。

管継手には、たとえスウェジ加工によりリップ部を厚肉にしても、限られた肉厚内にテーパねじ、シール面、およびショルダ面を設けなければならない。しかし、上記特許文献に開示された技術では、ピン先端をボックスと突き当てないため、リップ以外の個所にショルダ面を設置しなければならず、リップは必然的に薄肉にならざるを得ない。そのため、外圧により起こるリップの縮径に耐えるようにリップの剛性を上げるには限界があり、外圧シール性をそれほど高くすることはできない。また、ショルダ面も十分な肉厚にできないため、高い耐圧縮性能が得られず、圧縮と外圧の複合荷重下でのシール性能は低い。

下記特許文献３には、図２に示すように、ピン１のシール面１３と端面ショルダ面１４との間に、延長されたリップ部であるノーズ部１５を設けた鋼管用ねじ継手が提案されている。ピン１のノーズ部１５はボックス２の対向する部分と接触していない非接触領域となっている。一方、ピンとボックスのシール面１３、２３ならびにショルダ面１４、２４は互いに当接している。ピン１のリップ部を延長して、ピンのシール面１３の先端側にボックスと接触しない外面が円筒形状（外径が一定）のノーズ部１５を設けることにより、限られた管肉厚の中でリップ部の肉厚、従って、ショルダ面およびシール面の肉厚、を大きくすることができ、管ネジ継手の耐圧縮性能と外圧シール性を著しく向上させることができる。

なお、図２に示したねじ継手では、雄ねじ１１がシール面１３にできるだけ近づくように延長する目的で、ボックスには円周グルーブ３２を設けて、ピンの先端側の雄ねじがボックスのシール面近傍に位置する雌ねじと噛み合わないようにしている。

特許文献３に提案されているような、ピンのシール面の先端側に非接触領域を有する鋼管用ねじ継手は、ねじ継手に内圧または外圧がかかった状態で引張または圧縮荷重が負荷されても十分なシール性能および耐圧縮性を示す。しかし、ピン先端に向かって外径が漸減するテーパ形状を有するシール面の先端側に比較的長いノーズ部を有するため、ピンの先端が継手締結時にボックスに当たったり、あるいはその前に他の物体と衝突すると、ピン先端が変形して外側に膨らみ、ピンのそれ以上の締付けが不可能になったり、あるいは挿入と締付けは可能であっても、ピン先端の膨らみによってシール面の密着性が阻害され、鋼管用ねじ継手の気密性（シール性能）が阻害される可能性がある。

特に図２に１６、２６で示すように、内部を流れる流体の乱流を防止する目的で、ピンとボックスのショルダ面付近の内周面を面取りした場合には、ノーズ部先端の肉厚が薄くなるので、ボックスとの衝突によるピン先端の変形はより起こり易くなる。

また、ピン先端のノーズ部が長いため、ピンを挿入する場合の挿入角度ずれにより、ボックスのシール面を傷つけてしまう危険性もある。さらに、ピン先端の外周面が実質的に円筒面であると、ボックス軸に対してピン軸がずれた場合に、そのずれを修正するようなピン挿入方向のガイドが得られない。
米国特許第４,６２４,４８８号 米国特許第４,７９５,２００号 ＷＯ２００４／１０９１３３号

本発明は、シール面の先端側に非接触領域を有し、従ってリップ部が比較的長い鋼管用ねじ継手に見られる上記の問題点を解決することを課題とする。
本発明者らは、上記特許文献３に記載された鋼管用ねじ継手をベースにさらに検討を重ねた結果、ピンのシール面より先端側の非接触領域の全体を外径が一定の円筒面とするのではなく、その少なくともピン先端に隣接する部分を、シール面と実質的に同じ傾斜角度のテーパ面とすることにより、上記の問題点が全て解消されることを見出した。

本発明は、ピンの先端に向かって奥から順に、雄ねじ、シール面および端面ショルダ面を有するピンと、該ピンの雄ねじ、シール面およびショルダ面にそれぞれ対応する雌ねじ、シール面およびショルダ面を有するボックスとから構成され、ねじがテーパねじであり、シール面もテーパ面である鋼管用ねじ継手において、ピンおよびボックスは、前記シール面とショルダ面との間の位置にピンとボックスの周面が互いに接触しない非接触領域を有し、ピンの非接触領域の少なくともピン先端に隣接する部分がシール面と実質的に同一傾斜角度のテーパ面部分であることを特徴とする鋼管用ねじ継手である。

ピンの非接触領域と対向するボックスの非接触領域は好ましくは、テーパ面部分を有していない実質的に円筒面である。「実質的に円筒面」とは、１°以内といったごくわずかな傾斜を許容し、かつ角が丸みづけのために切り取られてもよいことを意味する。ただし、ボックスの非接触領域の内面形状は、ピンの挿入を阻害せず、締付けた後もピンの非接触領域と接触しない限り、制限されない。例えば、ピン先端方向に向かって広がる逆テーパ形状、最初は逆テーパで途中から先細のテーパ形状に変化、などの多様な形状が可能である。ピンおよびボックスのショルダ面付近の内面は面取りされていてもよい。

ピンの前記非接触領域は、好ましくはシール面に近い側の円筒面部分とピン先端（すなわち、端面ショルダ面）に隣接するテーパ面部分とから構成される。その場合、ピン先端に向かって外径が漸減する非接触領域のテーパ面部分は、(1)非接触領域の円筒面部分のピン先端側の端部からピン先端に向かって外径が漸減することにより形成されていてもよく、或いは(2)円筒面部分のピン先端側の端部からピン先端に向かって外径が拡大し、拡大した外径から外径が漸減することにより形成されていてもよい。(1)では円筒面部分とテーパ面部分が連続しているのに対し、(2)では、円筒面部分とテーパ面部分との間でピンの外径が一旦拡大し、それによりピン先端部を肉厚が増大して隆起部が形成される。以下では、(1)のテーパ面部分を単純円錐台形、(2)のテーパ面部分を矢先円錐台形と称することもある。(2)の矢先円錐台形のテーパ面では、ねじ継手を締付けた状態で、ピンの非接触領域のテーパ面部分の最大外径（隆起部の最大外径）とこれに対向する位置のボックスの非接触領域の内径との差が０.２〜０.４ｍｍであることが好ましい。

非接触領域に円筒面部分を設けず、非接触領域の全体をテーパ面とすることも可能である。但し、その場合には、ピンの端面ショルダ面の面積が過度に小さくならないように、非接触領域の軸方向長さを短くすることが好ましく、またピンの非接触領域の形状は前記の矢先円錐台型とすることが好ましい。

テーパ面とは、管軸に対して傾斜した直線を、管軸を中心として回転させることにより生ずる面のことであり、この傾斜直線と管軸との間の角度（すなわち、管軸方向の断面においてテーパ面が管軸となす角度）がテーパ面の傾斜角度である。シール面と非接触領域のテーパ面とが実質的に同じ傾斜角度であるということは、傾斜角度が相違する場合の傾斜角度の差が、傾斜角度が小さい方のテーパ面の傾斜角度の５％以内程度であることを意味する。当然、加工公差として±０.５°以内の差は許容される。ピンのシール面及び非接触領域のテーパ面の傾斜角度は２.５〜２５°の範囲とすることが好ましい。

本発明の鋼管用ねじ継手は、ピンのシール面より先端側の外周面に非接触領域を設けることにより、上記特許文献３に記載された鋼管用ねじ継手と同様に、ピンのシール面周辺の縮径変形に対する剛性が高く、ねじ継手に内圧または外圧がかかった状態で引張または圧縮荷重が負荷されても、ピン先端の非接触領域の部分で応力を引き受けることができるため、荷重負荷時のシール性能および耐圧縮性が改善される。

さらに、非接触領域の少なくともピン先端に隣接する一部を、シール面と実質的に同じ傾斜角度を持つテーパ面とすることにより、ピンの挿入時にピンの先端部分の外周面がボックスのシール面と接触しても、両者とも、同じ傾斜角度のテーパ面であるため、接触が面接触となって、ボックスのシール面の局部的な著しい損傷（例、凹み）が避けられ、シール面の気密性が保持される。

また、ねじ継手の移送などの取扱い中や締付け時にピン先端が他の物体（例、ボックス）と接触または衝突した時の衝撃によりピン先端が変形して膨らんでも、ピン先端位置でのピンとボックスとの半径方向の隙間が十分に大きいため、ピン先端の変形による締付けの阻害が防止される。そのため、ピン先端の変形が起こっても、ピンとボックスのショルダ面同士が当接し、かつそれらのシール面同士が干渉して十分なシール性を発揮できるまで、ねじ継手を完全に締付けることが可能となる。

特に、非接触領域の円筒面部分とテーパ面部分との間でピンの外径を拡大させた矢先円錐台形のテーパ面を持つピンでは、変形により膨らんだピン先端の外径が、テーパ面部分の最大外径（すなわち、拡大により隆起した部分の外径）より小さければ、ねじ継手の完全な締付けを確実に達成することができる。これにより、ピン先端が変形した場合の締結の可否を容易に判定することができるようになる。

また、ピンおよびボックスのシール面と同じ傾斜角度を持つピンの非接触領域のテーパ面がピンの先端に存在することにより、ねじ継手の締結時にピンをボックスに挿入する際にボックス内面と最初に接触することになるピン先端のテーパ面がガイドとして作用し、ピンとボックスの芯合わせが容易となる。すなわち、ピンの挿入途中でピン先端の非接触領域のテーパ面がボックス内面のシール面に接触すると、両者の傾斜角度が同じであることから、ピンとボックスの軸方向が同一方向に整合したままの状態で締付けが進行することが助長される。その結果、ねじ継手の気密保持機構にとって最重要部であるシール面にピン先端部が衝突してこのシール面を損傷する危険性が最小限となる。

さらに、非接触領域の円筒面部分とテーパ面部分との間でピンの外径を拡大させた矢先円錐台形のテーパ面を持つピンでは、隆起したテーパ面部分の最大外径と相対するボックス内面との半径方向隙間を適正な値（０.２〜０.４ｍｍ）とすることにより、このピンの隆起部が極めて精密な嵌め合いガイドとなり、ねじ継手の締結時のピンとボックスの軸方向が一致した芯合わせを安定して容易に達成することができる。

本発明の鋼管用ねじ継手は、特にピンの衝突による変形や芯ずれが起こり易く、締付けが難しい傾斜位置や水平位置で使用されるねじ継手に適用した場合であっても、ピンのボックスへの挿入や締付け作業が容易になる。

プレミアムジョイントと呼ばれる従来の一般的なカップリング方式の鋼管用ねじ継手の軸方向模式的説明図(Ａ)とピン先端付近の部分拡大図(Ｂ)である リップ部に非接触領域を有する従来技術の鋼管用ねじ継手の軸方向模式的断面図である。 図３(Ａ)は本発明に係る鋼管用ねじ継手の１態様の軸方向模式的断面図であり、図３(Ｂ)はこのねじ継手のピンの挿入時の状況を示す説明図、図３(Ｃ)はこのねじ継手のピンをその先端のテーパ面部分がボックスのシール面と接触する位置までボックス内に挿入した時の状況を示す説明図、図３(Ｄ)は、先端が変形したピンを使用して締付けた図３(Ａ)のねじ継手を示す説明図である。 図４(Ａ)は本発明に係る鋼管用ねじ継手の別の態様の軸方向模式的断面図であり、図４(Ｂ)はこのねじ継手のピンの挿入時の状況を示す説明図、図４(Ｃ)はこのねじ継手のピンをその先端のテーパ面部分がボックスのシール面と接触する位置までボックス内に挿入した時の状況を示す説明図、図４(Ｄ)は、先端が変形したピンを使用して締付けた図４(Ａ)のねじ継手を示す説明図である。

符号の説明

Ａ：テーパ面またはシール面の傾斜角度
Ｂ：非接触領域
１：ピン
２：ボックス
１１：雄ねじ
１２：リップ部
１３、２３：シール面
１４、２４：ショルダ面
１５：ノーズ部
１６、２６：内面面取り
１７：ピン非接触領域の円筒面部分
１８：ピン非接触領域のテーパ面部分
１８’：隆起部
１９：非接触領域の追加テーパ面
２１：雌ねじ
３２：ボックス円周グルーブ
３３：膨らみ変形

以下に、本発明に係る鋼管用ねじ継手の実施態様について図面を参照しながら説明する。
図３(Ａ)は本発明に係る鋼管用ねじ継手の１態様のピンの先端に近い部分の略式軸方向断面図である。

このねじ継手は、ピン先端に向かって奥から順に、雄ねじ１１、シール面１３および端面ショルダ面１４を有するピン１と、該ピンの雄ねじ、シール面およびショルダ面にそれぞれ対応する（すなわちこれらと係合、干渉または当接する）雌ねじ２１、シール面２３およびショルダ面２４を有するボックス２とから構成される、プレミアムジョイント型の継手である。ピンのねじ部より先端側（シール面１３を含むピン先端部）がリップ部である。

ねじはテーパねじである。テーパねじとは、ねじ山が円錐の外面又は内面にあるねじを意味する。ピンのシール面１３は、ピン先端に向かって外径が漸減するテーパ面である。このテーパ面の管軸に対する傾斜角度をＡ（°）とする。当然、ボックスのシール面２３も同じ傾斜角度のテーパ面となっている。ボックスのシール面２３の内径に比べてピンのシール面１３の外径を僅かに大きくすることにより生ずるシール面の締め代（干渉量）により、ねじ継手を締付けた時の気密性が確保される。この締め代は通常は０.４〜１.２ｍｍ程度である。

図２に示した特許文献３に記載のねじ継手と同様に、ピンおよびボックスのシール面とショルダ面との間に、ピンとボックスが互いに接触しない非接触領域Ｂが存在する。そのため、図１に示した、ピンのシール面より先端側に非接触領域を持たない一般的なプレミアムジョイントに比べて、リップ部の長さは長くなる。

図２に示した継手では、ピンの非接触領域は、シール面に隣接した部分に短いテーパ面部分（これはボックスから適当な隙間を持つ非接触領域を確保するのに必要）以外は、実質的に管軸方向全長にわたって円筒面、すなわち、管軸方向断面が管軸と平行、となっている。従って、非接触領域の両端部を除いて、非接触領域におけるボックスとピンの半径方向の隙間は一定である。

これに対し、本発明の鋼管用ねじ継手では、図３(Ａ)に示すように．ピンの非接触領域は、シール面に近い側の、外径が一定の円筒面部分１７と、ピン先端（端面ショルダ面）に隣接する、ピン先端に向かって外径が漸減するテーパ面部分１８とから構成される。ただし、図２と同様に、ボックスとピンとの間に適当な半径方向隙間を持つ非接触領域を確保するため、ピンの非接触領域は、ピンのシール面と非接触領域の円筒面部分との間に追加のテーパ面部分１９を有する。この追加のテーパ面部分１９は、ピンおよびボックスのシール面１３、２３と同じ傾斜角度のテーパ面とすることが好ましい。それにより、ピンのシール面１３と非接触領域の追加のテーパ面１９を機械加工で一度に形成することができ、加工コストが低減する。

ボックスの非接触領域は、図２に示したねじ継手と同様に、シール面２３の端部からショルダ面２４までの全長にわたって実質的に円筒面とすることが好ましい。その結果、非接触領域Ｂにおけるピンとボックスの半径方向の隙間は、ピンの円筒面部分１７では一定であるが、そのテーパ面部分１８ではピン先端に向かって大きくなり、ピン先端では半径方向の隙間が最大となる。

図３(Ａ)に示した態様では、ピンの非接触領域において、テーパ面部分１８は、円筒面部分１７のピン先端側の端部からそのままピン先端に向かって外径が漸減することにより形成されている。このテーパ面部分の形状は単純円錐台形状である。ピンの非接触領域のテーパ面部分１８の傾斜角度Ａは、そのシール面１３の傾斜角度Ａと実質的に同じである。この傾斜角度Ａは、２.５〜２５°の範囲であることが好ましく、より好ましくは５〜１５°である。

図３(Ｂ)に示すように、ピンをボックスに挿入すると、ピン先端のリップ部はまずボックス先端のねじ部と接触する。この時に、図１に示す一般的なプレミアムジョイントのように、ピン先端にシール面が位置していると、ピンのシール面がボックスのねじの接触によって損傷する危険性がある。一方、本発明のねじ継手では、ピン先端部分は、シール面と同じ傾斜角度のテーパ面部分であるが、これはシール面ではなく、ボックスと接触しない部分であるので、仮にこのピン先端のテーパ面部分が損傷しても、ねじ継手の気密性は損なわれない。

ピンがボックスの内部にさらに侵入すると、図３(Ｃ)に示すように、ピン先端のテーパ面部分がボックスのシール面に到達する。この時に、図示のように、ピン先端のテーパ面部分がボックスのシール面と接触しても、ボックスのシール面もピン先端のテーパ面部分と同じ傾斜角度のシール面であるため、ボックスシール面がとピン先端のテーパ面との接触が面接触となり、ボックスシール面の局部的な著しい損傷が避けられ、ボックスシール面のピン先端部との接触によるねじ継手の気密性の低下が防止される。

また、ピンの先端部分がボックスのシール面と面接触することにより、ピンとボックスの管軸方向が一致し、容易に芯合わせの状態でピンのその後の締付けを行うことができる。すなわち、ピン先端のテーパ面部分は、ボックスのシール面と接触した時にもピンの挿入方向を適正方向に保持するガイドの役割を果たす。

ピンの先端のテーパ面がボックスのシール面と接触する位置に達した時、図３(Ｃ)に示すように、最もピン先端に近いピンの雄ねじ（この雄ねじは、図示のように雌ねじと螺合しない不完全ねじであってもよい）がボックスの雌ねじと接触した状態となることが好ましい。それにより、ピン先端のテーパ面部分とボックスシール面との面接触により達成される芯合わせの状態を確実に保持したまま、ねじ継手の締付けが進むので、締付けがさらに容易となる。

ピンの先端部分は鋼管用ねじ継手において肉厚が最も小さい部分である。特に、図示のように、ピン先端の内面側も面取りによりテーパ面とした場合には、ピン先端の肉厚はさらに小さくなる。このピン先端の内面の面取りは、ピンとボックスのショルダ面同士を当接させた時に段差ができて、継手内部を流れる流体に乱流を生じ、それにより継手内面がエロージョンによる損傷を受けるのを防止するために設けられるものである。その場合には、ボックス側のショルダ面近傍の内面にも同様の面取りが施される。

ところが、ピンをボックスに挿入する際に、ピンの端面ショルダ面は、例えば、挿入前にボックス先端の端面と接触するか、或いは使用までの保管または輸送時の取扱い中に他の物体と接触または衝突して、衝撃、特に軸方向の衝撃を受けることがある。ピンの先端部分は肉厚が小さいため、その端面ショルダ面が軸方向の衝撃を受けると、ピン先端部が塑性変形して潰れてしまい、図３(Ｄ)に点線の円で囲んで示すように、ピン先端が膨らんだ変形（膨らみ３３）を生ずることがある。

このような膨らみを生ずるようにピン先端が変形しても、図３(Ｄ)に示すように、本発明では、ピン先端におけるピンとボックスとの半径方向の隙間は、膨らみを収容するのに十分な大きさとすることができるので、ねじ継手の締付けを最後まで行うことができる。また、ピン先端の膨らみ（変形量）がそれほど大きくなければ（具体的には、ボックスの非接触領域の相対する面に接触しない範囲であれば）、変形があってもピンとボックスのシール面が完全に干渉するように締付けを行うことができるので、ねじ継手の気密性（シール性能）への悪影響も生じない。換言すると、ピン先端の変形がある程度まで許容されるので、ピンが変形しても、新たなピンに交換することなくねじ継手の締付けを続行できるので、コスト削減効果が極めて大きい。

図４(Ａ)は、本発明に係る鋼管用ねじ継手の別の態様のピンの先端に近い部分の略式軸方向断面図である。
図４(Ａ)に示した鋼管用ねじ継手は、ピン１のシール面１３より先端側がボックスと接触しない非接触領域となっていて、このピン１の非接触領域が、シール面側の円筒面部分１７とそれより先端側の端面ショルダ面まで続くテーパ面部分１８とを有する点では、図３(Ａ)に示した第１の態様のねじ継手と同じである。また、ピンの非接触領域以外の部分、例えば、ねじ部１１、２１、シール面１３，２３、ショルダ面１４，２４、任意に設けてもよい内面面取り部１６、２６などは、第１の態様のねじ継手と基本的に同じである。非接触領域Ｂのボックス側の内面形状も、図３(Ａ)と同様に、実質的に全長にわたって円筒面からなる。

図４(Ａ)に示した第２の態様のねじ継手が図３(Ａ)に示した第１の態様のねじ継手と異なるのは、ピン１の非接触領域において、円筒面部分１７のピン先端側の端部からピン先端に向かって一旦外径が拡大して隆起部１８’となり、この隆起部から外径が漸減することによってピン先端側のテーパ面部分１８が形成されている点である。ピンの非接触領域のテーパ面１８の傾斜角度はピンのシール面１３の傾斜角度と実質的に同じである。隆起部１８’は、ねじ継手を締付けた状態で、ボックスの非接触領域の相対する面と接触しないような高さとする。好ましくは、隆起部１８’の高さ、すなわち、ピンの非接触領域のテーパ面部分の最大外径（図４(Ｄ)にφａで示す）は、ピンとボックスを締付けた状態で、ボックスの非接触領域の相対する面との間の隙間が０.２〜０.４ｍｍの範囲となるような大きさとする。

第２の態様のねじ継手では、ピンのテーパ面部分１８の肉厚が、隆起部を持たない図３(Ａ)に示す第１の態様に比べて大きくなり、ピン１の端面ショルダ面１４の面積も大きくなる。それにより、リップ部の剛性と端面ショルダ面の耐圧縮性が高まり、締付け時により大きな圧縮荷重に耐えることができ、ピン先端がボックス先端や他の物体と接触または衝突した時の塑性変形も起こりにくくなる。

このようにシール面と同じ傾斜角度をもつ、ピンの非接触領域のテーパ面部分１８を隆起部１８’から開始することによる効果は、上述したピン先端の肉厚が大きくなることによる耐圧縮性や剛性の向上だけではなく、次に述べるように、他にも重要ないくつかの効果が得られる。

まず、図４(Ｂ)に示すように、ピンの挿入を開始した時に、ピン先端のテーパ面部分がボックスの雌ねじと接触し、次いで同じ傾斜角度を持つボックスのシール面と接触することで、第１の態様について述べたのと同様に、ボックスのシール面がピンの先端で損傷することが防止され、さらにピンとボックスの芯合わせが容易となる。特に、隆起したテーパ面部分の最大外径と相対するボックス内面との半径方向隙間を０.２〜０.４ｍｍの適正値とすることにより、このピンの隆起部が極めて精密な嵌め合いガイドとなり、ねじ継手の締結時のピンとボックスの軸方向が一致した芯合わせを安定して容易に達成することができる。

第１の態様に比べて、第２の態様では、ピン先端がより大径のテーパ面部分であるため、ピン先端のテーパ面部分がボックス内面に接触した時に、ピンのテーパ面部分より内部ではピンとボックスの離間距離がより大きくなる。そのため、ボックスのシール面がピン先端と接触する可能性は非常に小さくなり、ピンの挿入角度が管軸方向からかなりずれても、ボックスのシール面がピン先端で損傷を受ける危険性は解消される。

ピンがボックスの内部にさらに侵入すると、ピン先端のテーパ面部分がボックスのシール面に到達する。やはり、第１の態様について述べたように、ピン先端のテーパ面部分がボックスのシール面と接触した時に、ボックスのシール面もピン先端のテーパ面部分と同じ傾斜角度のシール面であるため、ボックスシール面とピン先端のテーパ面との接触が面接触となり、ボックスシール面の局部的な著しい損傷が避けられ、それによりボックスのシール面のピン先端との接触によるねじ継手の気密性の低下が防止される。

また、ピンの先端部分がボックスのシール面と面接触することにより、ピンとボックスの管軸方向が一致し、容易に芯合わせの状態でピンのその後の締付けを行うことができ、ピン先端のテーパ面部分はボックスのシール面と面接触することでも、ピンの挿入方向を適正方向に保持するガイドの役割を果たす。

ピンの先端のテーパ面がボックスのシール面と接触する位置に達した時、図４(Ｃ)に示すように、最もピン先端側に位置するピンの雄ねじ（この雄ねじは、図示のように雌ねじと螺合しない不完全ねじであってもよい）がボックスの雌ねじと接触した状態となることが好ましい。それにより、ピン先端のテーパ面部分とボックスシール面との面接触により達成される芯合わせの状態を各自に保持したまま、ねじ継手の締付けが進むので、締付けがさらに容易となる。

第２の態様ではピン先端の肉厚が増大するが、それでも、特にピン先端の内面に面取りを施して端面ショルダ面の面積が小さくなった場合には、ピンの端面ショルダ面が、ボックス先端の端面や他の部材と接触または衝突して、特に軸方向の衝撃を受けた場合に、ピン先端部が塑性変形して潰れ、図４(Ｄ)に示すように、ピン先端部に膨らみ３３を生ずることがある。但し、同じ条件では、第１の態様より膨らみは小さくなるであろう。

このような膨らみを生ずるようにピン先端が変形しても、図４(Ｄ)に示すように、ピン先端におけるピンとボックスとの半径方向の隙間は、膨らみを収容するのに十分な大きさとすることができるので、ねじ継手の締付けを最後まで行うことができる。第１の態様に比べて、ピン先端でのピンとボックスとの半径方向の隙間は、隆起の分だけ小さくなるが、ピン先端の剛性が高まることで変形量も小さくなるので、想定される衝撃によるピン先端の変形に十分に対応できる。

この場合、図４(Ｄ)に示すように、ピン先端の変形した後の外径φｂが、ピンの非接触領域のテーパ面部分の最大外径φａより小さければ、ピン先端の変形があっても、支障なくねじ継手の締付けが可能となる。従って、ピンの非接触領域に設けた隆起部の最大外径φａが衝撃によるピン変形部の外径φより大きいか否かで、締結が可能であるか否かを簡単に判定できる。φａ＞φｂであれば、図４(Ｄ)に示すように、ピンとボックスのシール面が完全に干渉するように締付けを行うことができ、ねじ継手の気密性が確保される。φａ＜φｂの場合には、ピン先端の変形がシール面の気密性を阻害するので、新たなピンと交換する。

ピンの非接触領域ならびにその円筒面部分およびテーパ面部分の長さは特に制限されないが、非接触領域とシール面とを合わせたリップ部の長さが８〜２０ｍｍであることが好ましい。目安として、非接触領域の長さは約７〜１４ｍｍ、円筒面部分の長さが約５〜８ｍｍ、ピン先端に隣接するテーパ面部分の長さは２〜６ｍｍである。リップ部の剛性を十分なものとするには、ピン先端の肉厚を４ｍｍ以上とすることが好ましい。

ピンの端面ショルダ面１４と、圧縮荷重負荷時または締付け時にこのショルダ面が突き当たるボックスのショルダ面２４は、図３および図４に示すように、どちらも継手軸に垂直な面とすることができる。

上記以外の鋼管用ねじ継手の形状は、従来の鋼管用ねじ継手と同様でよい。
例えば、本発明の鋼管用ねじ継手のピンおよびボックスの雄ねじおよび雌ねじは、従来の一般的な鋼管用ねじ継手と同様のねじ形状を有するテーパねじ（例えば、ＡＰＩ規格のバットレスねじに代表される台形ねじ）でよい。鋼管用ねじ継手のテーパねじの形状（例、ねじの挿入面と荷重面の傾斜角、チャンファー、挿入面間隔、頂面と谷部の間隔、角の丸みずけの曲率半径）については、これまで多数の提案があり、そのいずれを採用してもよい。例えば、雄ねじおよび雌ねじの一方または両方の挿入面にチャンファーを設けることができる。

本発明に係る鋼管用ねじ継手のねじ部はテーパねじから構成される。テーパねじの各ねじ山の頂面および谷部は、テーパねじのテーパ傾斜面に平行にすることもできるが、継手軸方向に平行にする方が好ましい。こうすると、現地締結作業時に挿入角度ずれによるトラブルが低減する。

雄ねじと雌ねじのすべてのねじ山が互いに噛み合う必要はない。図１(Ａ)に示すように、ボックスの雌ねじ部の継手軸方向長さをピンの雄ねじ部の継手軸方向長さより長くして、締付けた状態でボックス先端付近の雌ねじは雄ねじと噛み合わない非係合状態とすることができる。それによりピンの挿入が容易となる。

また、図２〜４に示すように、雄ねじ１１が、ねじ側近傍の第１シール面部分にできるだけ近づくように延長する目的で、ボックスには円周グルーブ３２を設けて、ピンの先端側の雄ねじがボックスの第１シール面部分近傍の部分の雌ねじと噛み合わないようにしてもよい。それにより、リップの剛性が高まり、継手の耐圧縮性能が高まる。同じ目的で、スウェッジまたは肉盛り加工によって、ピンとボックスの肉厚をショルダ面に向かって厚肉化する（内径を漸減する）してもよい。

やはり図２〜４に示すように、ピンとボックスのショルダ面１４、２４の両側にチャンファー１６、２６を形成することが好ましい。こうすると、管継手の内面におけるピンとボックスの接合部の周囲の真円度が向上し、内部を流れる流体の乱流が防止される。

以上に本発明を特定の態様について説明したが、説明は例示にすぎず、本発明はそれらに制限されるものではない。

Claims (6)

1. ピンの先端に向かって奥から順に、雄ねじ、シール面および端面ショルダ面を有するピンと、該ピンの雄ねじ、シール面およびショルダ面にそれぞれ対応する雌ねじ、シール面およびショルダ面を有するボックスとから構成され、ねじがテーパねじであり、前記シール面もテーパ面である鋼管用ねじ継手において、
   ピンおよびボックスは、前記シール面と前記ショルダ面との間の位置にピンとボックスの周面が互いに接触しない非接触領域を有し、ピンの非接触領域の少なくともピン先端に隣接する部分が前記シール面と実質的に同一傾斜角度のテーパ面部分であること
   ピンの非接触領域に対向するボックスの非接触領域が実質的に円筒面からなること、
   および
   ピンの非接触領域が、シール面に近い側の円筒面部分とピン先端に隣接するテーパ面部分とから構成されること
   を特徴とする、鋼管用ねじ継手。
2. 前記テーパ面部分が、前記円筒面部分のピン先端側の端部からピン先端に向かって外径が漸減することにより形成されている、請求項１に記載の鋼管用ねじ継手。
3. 前記円筒面部分のピン先端側の端部からピン先端に向かって外径が拡大し、前記テーパ面部分は、その拡大した外径から外径が漸減することにより形成されている、請求項１または２に記載の鋼管用ねじ継手。
4. ピンの非接触領域のテーパ面部分の最大外径とこれに相対する位置でのボックスの非接触領域の内径との差が０．２〜０．４ｍｍである、請求項３に記載の鋼管用ねじ継手。
5. ピンのシール面及び非接触領域のテーパ面の傾斜角度が２．５〜２５°の範囲である、請求項１〜４のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
6. ピンおよびボックスのショルダ面の周囲の内周面が面取りされている、請求項１〜５のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。

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