JP5246265B2

JP5246265B2 - 鋼管用ねじ継手

Info

Publication number: JP5246265B2
Application number: JP2010530680A
Authority: JP
Inventors: 優山口; 圭一中村; 正明杉野; 理彦岩本; ブリケ、ガブリエル; パテュロー、クレール; ダリィ、ダリィ; マヨン、ベルトラン; ベニョー、シルバン
Original assignee: Vallourec Mannesmann Oil and Gas France SA; Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Vallourec Oil and Gas France SAS; Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-11-08
Filing date: 2008-10-17
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2028-10-17
Also published as: UA98016C2; ES2553724T3; MY154621A; EG26542A; EP2210030A1; JP2011501075A; WO2009060729A1; EA201070581A1; AR068895A1; PL2210030T3; EP2210030B2; US9568125B2; CA2703249C; AU2008325839B2; EP2210030B1; MX2010004779A; PL2210030T5; CN101960195B; BRPI0818829A2; WO2009060552A1

Description

本発明は、主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種類の鋼管用ねじ継手であって、繰返し複合荷重作用下での内外圧に抗する耐圧シール性および耐圧縮性に優れたものに関する。

油井管、ライザー管、ラインパイプなどの産油産業設備に使用される鋼管を接続する技術としてねじ継手がある。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る。継手の締付けは雄ねじと雌ねじの嵌合により行われる。

標準的なねじ継手はＡＰＩ（米国石油協会）規格に規定されているが、近年、原油や天然ガスの掘削・生産環境が苛酷化している。そのため、ＡＰＩ規格に規定されていない、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。

典型的なプレミアムジョイントでは、ピンおよびボックスが、鋼管を強固に接続するためのテーパねじに加えて、密封性能を担うメタルタッチシールが可能なシール面と、締め付け時にストッパの役目を担うトルクショルダ面とを備える。

油井管用のねじ継手の場合、従来は垂直井が主流であったため、鋼管重量による引張荷重と内部を通過する高圧流体の漏洩を防止できれば十分であった。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。そこで、耐圧縮性能、耐曲げ性能、外圧シール性能、現場での取り扱い容易性など、ねじ継手への要求性能は多様化・高度化している。

それに伴って継手認定試験もより厳しくなってきている。最新のＩＳＯ１３６７９規格中のシリーズＡ試験では、内圧及び外圧と引張及び圧縮との交互の組み合わせ（内圧＋引張、内圧＋圧縮、外圧＋引張、外圧＋圧縮）（本書では繰返し複合荷重という）を３回繰返して作用させる。このような厳しい試験条件は、過去のねじ継手の開発では考慮されてこなかった。

典型的なプレミアムジョイントは、図２に示すように、雄ねじ要素であるピン１に設けられたテーパ雄ねじ１１を有するねじ部の先端側に、リップ部と呼ばれるねじ無し部１２を設けた構造を有する。リップ部の外周面にはメタルタッチ用シール面１３が設けられ、リップ部の端面（従って、ピンの端面）にはトルクショルダ面１４が配置される。

当然ながら、相対する雌ねじ要素であるボックス２には、ピン１の上記雄ねじ１１、シール面１３、および端面ショルダ面１４にそれぞれ対応する、雌ねじ２１、シール面２３、およびボックス最奥のショルダ面２４が配置されている。

ピンとボックスのシール面には、干渉量と呼ばれる半径方向の締め代が設けられており、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全周にわたって密着して、メタルタッチによる密封性能を発揮するように、この種のねじ継手は設計されている。

上記シール性能は、ショルダ同士が突き当たってからショルダが塑性変形を開始するまでの間の適正トルクで締めつけた場合（通常の締め付け状態の場合）に最も高い密封性能を発揮する。

ショルダ面は締め付けストッパの役割のほかに、継手に作用する圧縮荷重の殆どを負担する役目も担っており、ショルダ面の肉厚が厚くないと、またはショルダの剛性が高くないと、大きな圧縮荷重に耐えられない。

プレミアムジョイントの外圧性能と耐圧縮性能を向上させる先行技術がＷＯ２００４／１０９１７３（特許文献１）に記載されている。このねじ継手は、ピン端面のショルダ面とシール面との間に、ボックスと接触しない部分（以後、ノーズ部と呼ぶ）を設けることで、耐外圧性を大幅に向上させる。同時に、ノーズ部のテーパ角度を０°（円筒面）またはシール面より小さくすることで、ノーズ部の配置による端面ショルダ面の肉厚の減少を防ぎ、耐圧縮性の向上も図ることができる。

しかし、特許文献１に記載のねじ継手では、高い圧縮と外圧が同時に作用し、その後に引張力と内圧が同時に作用する際に、リークが発生する危険性があることを本発明者らは見出した。

ＷＯ００／０８３６７（特許文献２）は、リップ部の２箇所の位置に密着領域を設けたねじ継手を開示している。すなわち、シール面と定義されたねじ部に近い密着領域と、プロテクト部と定義された端面（ショルダ面）に近い密着領域である。リップ部先端に近い位置に設けられた、第２の密着領域であるプロテクト部は、内圧に対する最初のシールを提供し(こうしてシール面を保護し)、リップが受ける力やモーメントを最適化することを目的としている。

特許文献２に記載のねじ継手では、シール面に適度な接触圧が得られているときにプロテクト部には十分な量の接触圧を保持するために、プロテクト部の干渉量をシール面の干渉量より高く（１.１５倍以上、１.３倍以下に）設定する。また、特許文献２は、ショルダ面からプロテクト部まで、プロテクト部からシール面まで、そしてシール面からねじ部までの長さを十分にとることを示唆していて、リップ部が非常に長くなる設計のため、ショルダ面の厚みを十分に取ることができない。結果として、高い圧縮荷重が作用した時に、圧縮荷重に十分に耐えられず、継手の耐圧縮性能が不十分となることが考えられる。

ＤＥ４４４６８０６（特許文献３）は、特許文献２に開示されているのと同種のねじ継手を開示している。
米国特許第４,４７３,２４５号（特許文献４）は、メタルタッチシール面が鋼管外面に設けられ、トルクショルダ面が別のメタルタッチシール面を備えるねじ継手を開示している。しかし、特許文献４に記載のねじ継手では、リップ部の肉厚が非常に薄く設計されているので、耐高外圧性及び耐高圧縮性を確保することは困難である。

米国特許第３,４８９,４３７号（特許文献５）は、メタルタッチシール面及びショルダ面を備えたねじ継手を開示している。しかし、特許文献５に記載のねじ継手では、リップ部が図２の典型的なプレミアムジョイントと同じ原理に従って設計されているので、耐高外圧性及び耐高圧縮性が確保されるとは考えられない。

米国特許第３,８７０,３５１号（特許文献６）は、ショルダ面の形状に特徴をもたせたねじ継手を開示している。特許文献６記載のねじ継手は、ショルダ面を丸みづけ形状（ピンとボックスのショルダ面の一方を凸面、他方を凹面）とし、それを第２のシール面として機能させることにより、製作誤差やねじ締付け時の芯ずれやリップ部の管軸中心方向への撓みを補正し、第１シール面の接触を均一化させることを目的としている。

しかし、特許文献６に記載のねじ継手は、ねじ締結時の第１シール面の接触の均一化は考慮されているものの、高圧縮と外圧が同時に作用するような状況での使用は想定されていない。この特許文献の第７図に示されるように、ボックスの凹面ショルダ面の外面側とピンの凸面ショルダ面の外縁部との間に空間がある。高い引張り及び高外圧が作用する状況では、ピンとボックスのショルダ面が高引張り力によって容易に離れてしまうことがあり、リップ部の先端の外側（即ち、径が拡大する方向）への変形又は動きが起こり易い。従って、特許文献６に記載のねじ継手では、上述したように、ピン先端の外側に向かう変形又は動きを制御及び抑制することが困難である。さらに、ピンのショルダ面を凸面Ｒ形状とした態様では、凹面であるボックス側ショルダ面の管内面側の縁部が非常に薄くなるので、継手に高い圧縮荷重が負荷された場にボックスのショルダ面が過大に塑性変形してしまう。
国際公開ＷＯ２００４／１０９１７３国際公開ＷＯ００／０８３６７ＤＥ４４４６８０６米国特許第４,４７３,２４５号米国特許第３,４８９,４３７号米国特許第３,８７０,３５１号

本発明の目的は、上記先行技術の問題点を解決し、優れた耐圧縮性能を有し、かつ繰返し複合荷重を受ける場合における総合的なシール性を大幅に向上できる、プレミアムジョイント型の鋼管用ねじ継手を提供することである。

特許文献１に開示されているように、プレミアムジョイント型の鋼管用ねじ継手において、ピンのリップ部のシール面と端面ショルダ面との間に、ボックスと接触しないノーズ部を設けることにより、耐外圧性が大きく向上することは知られている。

しかし、ノーズ部を設けたねじ継手に高トルクまたは高圧縮が作用すると、継手にリークが発生することが時に起こりうる。本発明者らは、鋭意検討した結果、リーク発生の理由が、長いノーズ部が支持されておらず、半径方向（継手軸に垂直な方向）に動くことができることに関係する、すなわち、ピンのリップ部端面のショルダ面がこの方向に不安定に変形して、リップ部全体に曲げによる塑性変形が生じて、リップ部のねじに近い側に位置するシール面のメタルタッチによるシール性能を損なう危険性があること、を見いだした。したがって、ノーズ部を設けた鋼管用ねじ継手では、高い内外圧シール性を得るために、ピンのリップ部のショルダ面の不安定変形を防止する構造が必要である。さらには、耐トルク性、高い内外圧シール性を維持しつつ、不安定変形を防止するには、ピン・リップ部の長さおよびショルダ面の厚みを確保できる構造が必要である。

本発明によれば、ピン・リップ部の端面ショルダ面の半径方向への変形を、ショルダ面の主要部（以後、メインショルダという）には内面方向への変形に対処するための形状をもたせ、外面方向への変形に対処するための第２のショルダとしてサブショルダを設けることによって抑制できる。即ち、ショルダ面は内面側と外面側の両方向に対して変形が起こらないように固定される。高い耐圧縮性能を維持するため、ピン端面の肉厚の大部分を継手軸方向垂直面との角度が浅いメインショルダが占めるようにする。サブショルダは実質的には圧縮荷重を受け持たず、ピン先端の半径方向外向きのメインショルダ上をせり上がってきた変形を停止すれば十分である。従って、サブショルダの肉厚を極力小さくする方がよい。ピンとボックスとの間でねじ継手に高い圧縮荷重が作用する時だけに、ピンのショルダ面がボックスのショルダ面にメインショルダとサブショルダの両方の当接によって安定に支持され、リップ部先端の半径方向への不安定な変形が防止され、高い耐圧縮性能を維持することができる。

本発明は、ピンとボックスとから構成され、ピンは雄ねじとリップとを有し、該リップは、(i)シール面と、(ii)ショルダ面を備えたノーズ部とを含み、ボックスは、雌ねじとシール面とショルダ面とを有し、該雄ねじは該雌ねじと噛み合い、ピンのシール面はボックスの対応するシール面とシール接触し、ピンのショルダ面はピンの端面に配置され、ピンのシール面は雄ねじ近傍の管端側に位置し、前記ノーズ部はこのシール面とショルダ面との間に存在し、このノーズ部は該ピンノーズ部と対向するボックスの部分と接触していない鋼管用ねじ継手において、
ピンのショルダ面が内面側のメインショルダ面と外面側のサブショルダ面という２つの別個の隣接する面を含み、このピンのショルダ面に対向する対応するボックスのショルダ面も内面側のメインショルダ面と外面側のサブショルダ面という２つの別個の隣接する面を含み、前記ピンおよびボックスのメインショルダ面はリップ端部の半径方向内向きの変形を防止するように配置され、前記ピンおよびボックスのサブショルダ面はリップ端部の半径方向外向きの変形を制限するように配置され、前記ピンのメインショルダ面の半径方向寸法が前記ピンのサブショルダ面より大きく、少なくとも前記ピンのメインショルダ面は少なくとも前記ボックスの対応するメインショルダ面と軸方向に当接していることを特徴とする鋼管用ねじ継手である。

「ピンのショルダ面が２つの別個の隣接する面を含み」とは、ねじ継手軸に垂直な平面に対するメインショルダ面およびサブショルダ面の角度が明らかに互いに異なることを意味する。

本発明の好適態様では、ピンのメインショルダ面は継手軸に垂直な平面に対する角度が負角となるリバースショルダ面であり、サブショルダ面の該角度は正である。
「ピンのメインショルダ面は継手軸に垂直な平面に対する角度が負角となるリバースショルダ面である」とは、ショルダ面の傾斜角度が、ねじ継手締めつけ時のピンの進行方向において、メインショルダ面の最内面が最外面（サブショルダ面に隣接する部分）より後退していることを意味する。また、「サブショルダ面の角度が正である」とは、サブショルダ面のその基準角度(reference angle)に対する傾斜角度が、ねじ継手締めつけ時のピンの進行方向において、サブショルダ面の最外面が最内面（メインショルダ面に隣接する部分）より後退していることを意味する。これらの傾斜角度は従って−９０°〜＋９０°の範囲内である。

本発明の好適態様において、ピンのメインショルダ面だけがボックスの対応するメインショルダ面と軸方向に当接する。従って、ピンとボックスのサブショルダ面どうしは実質的に密着せず、より好ましくは全く接触していない。ピンとボックスのシール面間のシール性能がより効果的に達成される。

別の態様において、ピンのノーズ部の少なくとも一部は、ピンのシール面の延長ではない外周面を有する。「ピンのノーズ部の少なくとも一部がシール面の延長ではない外周面を有する」とは、ノーズ部の一部または全部の外面形状がシール面のそれとは実質的に異なることを意味する。

シール面とは形状が異なるノーズ部の部分は、ノーズ部の軸方向長さの少なくとも半分に達する領域であることが好ましく、従って、この部分をノーズ部の主要領域と称する。例えば、ノーズ部のこの部分（主要領域）は、軸方向に対して傾きのない円筒面でもよく、あるいは傾きの角度が小さいテーパ面であってもよい。ノーズ部の残りの一部の領域は、好ましくは軸方向で半分より短い領域であり、これはシール面と同一の形状であってもよい（即ち、シール面の延長部であってもよい）。

別の好適態様において、ピンおよびボックスのメインショルダ面の角度の絶対値は、継手軸に垂直な平面に対して５°〜２５°の間（即ち、ピンのメインショルダ面の該角度は、−５°〜−２５°の範囲内）であり、それらのサブショルダ面の傾斜角度は、継手軸に対して５°〜３０°（継手軸に垂直な平面に対しては＋６０〜８５°）の間であり、ピンおよびボックスのシール面の傾斜角度は継手軸に対して５°〜２５°の間である。サブショルダ面の傾斜角度（継手軸に対する）はシール面の傾斜角度より大きくすることが好ましい。それにより、ショルダ面が半径方向に万一変形しても、シール面の変形によるシール性能の低下が防止される。

耐圧縮性能を高めるために、ピン先端のショルダ面の肉厚（半径方向寸法）をできるだけ大きくし、かつシール面より先端側の部分（即ち、ノーズ部）の断面できるだけ大きくすることが有利である。そのために、ノーズ部は、上に定義したその主要領域において、シール面およびサブショルダ面の継手軸に対する傾きより小さい傾きを有していることが好ましい。具体的には、ピンのノーズ部の主要領域の外面形状が円筒面（継手軸に対する傾きが０°）あるいは継手軸に対する傾きがシール面およびサブショルダの同じ軸に対する傾きよりも小さい円錐台面にすることができる。

ねじ継手の締付け後にノーズ部の外表面がボックスの内表面と接触すると、ねじ継手のシール性を損なうおそれがある。従って、この接触を確実に防止するために、上記のノーズ部の主要領域において、これらの表面間に少なくとも０.１ｍｍのすき間（非接触領域間の半径方向寸法）をあけることが好ましい。この領域におけるボックスの内表面は、ピンのノーズ部と類似形状として、両者間のすき間がこの領域内で均一となるようにすることが好ましい。

「ノーズ部がシール面の延長ではない」との説明において述べたように、ピンのノーズ部のシール面に隣接した一部領域の表面はシール面と同じ傾きを有していてもよい。
ピンのサブショルダ面とメインショルダ面との接続部は半径１.５ｍｍ以下の丸みづけ頂点を形成していることが好ましい。

ピンおよびボックスのシール面は、両方とも円錐台面とすることも可能であるが、一方のシール面を円錐台面とし、他方のシール面を２０ｍｍ以上の曲率半径を有する曲率回転面（円環面、torical surface）または曲率回転面と円錐台面の組み合わせとする方が、シール性能が高まる。

ピンとボックスの両方のサブショルダ面は円錐台面とすることが好ましい。ピンとボックスのメインショルダ面は、両方とも円錐台面とすることが好ましいが、ＷＯ２００７／０１７０８２に開示されているように、一方を凸曲面（凸円環面）、他方を凹曲面（凹円環面）とするか、このような曲面と平坦面との組み合わせとすることも可能である。変更例として、米国特許第４,６１１,８３８号に開示されているように、メインショルダ面を段付き形状としてもよい。かかる段付き形状はピン端部の内向き変形を防止する。

メインショルダ面の肉厚（半径方向寸法）はサブショルダ面の肉厚の１.５倍以上であることが好ましい。
本発明に係るプレミアムジョイント型の鋼管用ねじ継手では、ピンのリップ部先端側にボックスと接触しないノーズ部を設け、さらにリップ部端面のショルダ面形状をメインショルダ面とサブショルダ面のダブルショルダ構造にすることによって、高い圧縮性能が得られる。その結果、繰返し複合荷重が作用する場合のシール性が大幅に向上し、ＩＳＯ１３６７９規格中のシリーズＡ試験においてリークが発生しなくなる。

ノーズ部の主要領域が円錐台面である、本発明に係る鋼管用ねじ継手のリップ部付近の模式的断面図である。従来のカップリング方式の一般的な油井管用プレミアムジョイントの模式的断面図であり、図２(Ａ)は片側のみを示す部分図、図２(Ｂ)は全体図である。本発明に係る鋼管用ねじ継手の模式的断面図である。ノズルの主要領域が円筒面である、本発明に係る鋼管用ねじ継手のリップ部付近の模式的断面図である。ねじ形状の模式的断面図である。図６(Ａ)〜(Ｄ)はピンのショルダ面に形成されたみぞを示す説明図である。図６(Ａ)は部分斜視図、図６(Ｂ)〜(Ｃ)は端面図、そして図６(Ｄ)はピン端面付近のピン及びボックスの模式的な軸方向断面図である。ピンのショルダ面に形成された溝を示す。ピンのショルダ面に形成された溝を示す。

以下に、本発明に係る鋼管用ねじ継手について図面を参照しながら説明する。
図１、３および４は、本発明に係る鋼管用ねじ継手の模式的断面図である。このねじ継手はピン１とボックス２とから構成されるプレミアムジョイント型のねじ継手の１種である。従って、ピン１は雄ねじ１１を有するねじ部と、ねじ部より先端側に位置する、シール面１３を有するリップ部１２とからなる。リップ部の先端の端面はショルダ面となっている。図示のように、ピン１のシール面１３は、通常はリップ部１２のねじ部に隣接または近接する位置に設けられる。一方、ボックス２は、ピン１の雄ねじ１１と噛み合う雌ねじ２１を有するねじ部と、ピンのシール面１３と密封可能に接触する（メタルタッチシールを達成する）シール面２３と、ピンのショルダ面に継手軸方向に当接するショルダ面とを有する。

図５に示すように、ピン１の雄ねじ１１およびボックス２の雌ねじ２１は、いずれもテーパねじであり、ねじ山およびねじ底の径はピン先端に向かって次第に低減する。同様にピン１およびボックス２のシール面１３、２３も、ピン先端に向かって径が低減するテーパ面である。

ピン１のねじ部の先端側（リップ部１２に隣接する側）の一部の雄ねじは、ボックス２の雌ねじ２１と噛み合わない非係合ねじとしてもよい。その場合、図３に示すように、ピンの非係合ねじと相対するボックス２の部分には円周みぞ３２を形成することが好ましい。こうすると、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（内径を減少）してもよい。

ピン１のリップ部１２は、シール面１３と端面ショルダ面との間に、ボックスの対向する部分と接触しない非接触領域であるノーズ部１６を有する。そのため、図２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。

本発明では、ピン１の端面ショルダ面が、継手内面側のメインショルダ面１４と継手外面側のサブショルダ面１５との２段構成になっている。メインショルダ面１４の肉厚（継手軸垂直面への投影厚み）４６は、サブショルダ面１５の肉厚４７より大きい。ピン１のメインショルダ面１４は、継手軸に垂直な平面に対する角度４２が負角となるリバースショルダ面である。一方、サブショルダ面１５の継手軸に垂直な平面に対する角度は正である。当然、このピン１のショルダ面１４、１５に当接するボックス２のショルダ面も、対応して、継手内面側のメインショルダ面２４と継手外面側のサブショルダ面２５とから成る。

通常のプレミアムジョイントでは、パイプ本体降伏強度の４０％〜６０％程度の耐圧縮性能が求められるが、中には８０％を超える圧縮性能が必要な油井も存在する。もちろん、圧縮荷重は、ショルダのみでなく、ねじ部でも分担され、圧縮荷重分担能力の高いねじを採用すれば、それだけショルダの負担は軽減できる。しかし、リップ部に求められる十分な耐圧縮性能を有するように、リップ部厚４１（シール面１３の中間地点でのピン１の肉厚）は、最低でもパイプ本体肉厚の２５％、望ましくは５０％以上あるのが良い。

リップ部のシール面およびノーズ部が厚くなるほど、その外圧シール性が良くなるため、リップ部先端の内面に、真円度向上による乱流防止のためにチャンファー１７を形成する場合、チャンファー１７が継手軸となす角度は、９°から３０°までの範囲内の浅い角度にすることが望ましい。図１、３、４ではそうなっていないが、ボックス２の内面のピン１に隣接する部分にも、同様に浅い角度のチャンファーを設けてもよい。

ピン１およびボックス２のシール面１３、２３の形状は、継手軸に対して傾斜した直線あるいは円弧などの曲線（前者を円錐台面、後者を曲率回転面という）であっても、あるいは両者を組み合わせた線分を継手軸周りに回転させてできる回転体面（即ち、円錐台面と曲率回転面との組合わせ）であってもよい。好ましくは、ピン１とボックス２の一方のシール面を円錐台面とし、他方のシール面を曲率回転面または曲率回転面と円錐台面との組合わせとする。それにより、継手のシール性能が高まり、かつゴーリング（焼付き）が起こりにくくなる。

シール面１３、２３の継手軸に対する傾き（傾斜角度）４４は、きつすぎると引張負荷時のシール接触圧の低下を招き、逆に緩すぎると摺動距離の増加によりゴーリングが起こり易くなる。このシール面の傾斜角度４４は、５°から２５°の範囲であり、好ましくは１０°から２０°の範囲である。テーパねじを採用する場合、シール面の傾斜角度４４は、ねじ１１、２１の傾斜角度より大きくする。例えば、ねじの傾斜角度は１°から５°の範囲内、好ましくは１.６°前後である。

ピン１およびボックス２のメインショルダ面１４、２４は、ある程度以上のリバース角を設けると、圧縮荷重が作用したときのリップ部の変形が、半径方向外向きに広がる方向で一様に起こり、継手のシール性が向上する。ただし、あまりにリバース角が大きすぎると、ボックスのメインショルダ面２４に過剰な塑性変形が生じることがあり、変形の安定化効果が損なわれるとともに、継手のシール性が低下してしまう。そのため、メインショルダ面１４、２４のリバース角４２は、ピン１のメインショルダ面１４が継手軸に垂直な平面となす傾き４２の絶対値（実際には負角）が５°から２５°、望ましくは１０°から２０°となるようにするのがよい。

ピン１およびボックス２のサブショルダ面１５、２５は、ピン１のリップ部１２の先端が外向き方向へ過剰な変形をするのを抑えるストッパとして作用する。そのため、サブショルダ面１５、２５は正常な締付け状態では互いに接触していない。高い圧縮荷重が作用したり、あるいは過剰な締付けトルクが加わった時に、これらのサブショルダ面が接触することにより、リップ部の外向き方向への変形が抑制される。

サブショルダ面間の幾何学的直径干渉量（ピンおよびボックスの締付け前に基準面で測定された直径の差）は、シール面での幾何学的直径干渉量の１.１倍以下となるようにし、望ましくはシール面の幾何学的直径干渉量と実質的に等しい。ここで「実質的に等しい」とは、その差が５％以内であることを意味する。

ピンおよびボックスのサブショルダ面１５、２５を、正常な締付け状態においてはシール面１３、２３の間と同じ干渉量を有するように設計すると、ピンとボックスのシール面の干渉による影響によってピンのリップ全体が内向きに曲がり（縮径し）、ピンのサブショルダ面はシール面の干渉量と同程度以上に内向きに曲がるので、ピンとボックスのサブショルダ面間の接触が起こらない。

ただし、サブショルダ面１５、２５は、正常な締付け状態において互いに接触をしていてもよい。その場合、サブショルダ面の接触面圧は、シール性能に悪影響を及ぼさないように、シール面の接触面圧の５０％以下とする。

正常な締付け状態とは、ねじ継手のピンとボックスが、継手の製造業者により継手の形状および材質に応じて規定される適正締付けトルクに達するように締付けられていることを意味する。正常な締付け状態では、ピンとボックスのショルダ面（本発明の場合はメインショルダ面）が、全面降伏または広範囲の塑性変形を起こさずに、ある干渉量で互いに接触している。

サブショルダ面１５、２５の継手軸に対する傾き４３は、メインショルダ面１４、２４の十分な肉厚を確保し、かつ継手軸と垂直な方向（半径方向）へのショルダ面の変形を抑制する観点から、５°以上、３０°以下（即ち、継手軸に垂直な方向に対する傾きでは＋６０°以上、＋８５°以下）とし、望ましくはシールのそれ（傾き４４）よりも大きいものとする。

ピンのシール面、ピンのノーズ部の外面およびピンのサブショルダ面が一直線上になく、ボックスのシール面、ピンのノーズ部外面に対向するボックス部分の内面およびボックスのサブショルダ面も一直線上にはない。

耐圧縮性および耐トルク性を保持する観点から、ピン１のサブショルダ面１５の肉厚（継手軸に垂直な平面への投影厚み）は、メインショルダ面１４の肉厚より小さくする。望ましくは、ピン１のメインショルダ面１４の肉厚は、サブショルダ面１５の肉厚の１.５倍以上となるようにし、より望ましくは２.５倍以上、６倍以下となるようにし、さらにより望ましくは３倍以上、５倍以下となるようにする。

ピン１のノーズ部１６の長さ４５（即ち、ノーズ部全体の軸方向長さ、換言すると、ボックスと接触していてもよいサブショルダ面領域を含むピンとボックスの非接触領域の軸方向長さ）は、ねじ継手のサイズにより異なるが、短すぎると外圧シール性向上の効果がなくなり、長くしすぎてもシール性向上効果が飽和する。この長さは、油井管で使用される管サイズ（外径約５０ｍｍ〜５５０ｍｍ）の範囲では概ね４ｍｍ〜２０ｍｍとすることが好ましい。

耐圧縮性能を高めるため、ピン１の先端のショルダ面の肉厚をできるだけ厚くし、かつシール面１３より先端側のリップ部１２の部分（即ち、ノーズ部１６、およびショルダ面１４、１５）のボリュームをできるだけ大きくすることが有利である。そのため、ノーズ部の外表面は、その軸方向の一部領域、望ましくは軸方向で半分以上の長さにわたる主要領域において、円筒面（継手軸に対する傾斜角度が０°）あるいは継手軸に対する傾きがシール面およびサブショルダ面の傾きよりも小さい円錐台面であることが好ましい。この場合、ボックス２のノーズ部１６に対向する部分の内面も、ノーズ部外面との間で均一な隙間を形成するように、その軸方向長さの少なくとも半分以上において、ノーズ部の形状と同様に円筒面または円錐台面（例えば、同一または実質的に類似した傾きでの）とすることが好ましい。

ノーズ部１６の主要領域の外表面を円錐台面（即ち、テーパ面）とする態様（図１及び３）では、締付け時にノーズ部主要領域に対向するボックス側の円錐台面形状の内面がガイドとして機能し、ピンのリップ部の芯出しをしながら締結することが可能となり、ピン１とボックスのシール面１３、２３が安定して接触して、シール性能が高まり、かつゴーリング（焼付き）を防止することができる。このようにピンのノーズ部の外周面とこのピンのノーズ部に対向するボックス部分の内周面が実質的に円錐台形状の部分（テーパ面）を有する場合、それらのテーパ角度は１０°より小さいことが好ましい。

一方、ノーズ部を円筒面とする様態（図４）では、ショルダ面の肉厚（４６＋４７）およびシール面１３の肉厚４１を、限られたパイプ肉厚の中でできる限り大きくすることができるので、耐圧縮性能が高まる。なお、ノーズ部の外表面を円錐台面する態様においても、締付け時のノーズ面先端（即ち、サブショルダ面）での接触を可能とすることにより、円筒面とする態様に近いショルダ面の肉厚を確保することができる。

締付け後にピンのノーズ部の外表面が相対するボックスの内表面との間で接触すると、シール面でのシール性能を損なう恐れがある。この接触を防止するため、ピンのノーズ部の主要領域の外表面とボックスの相対する内表面との間には、ねじ継手の正常な締付け状態において少なくとも０.１ｍｍのすき間（半径方向距離）があくようにすることが好ましい。このすき間は、逆に広すぎると締付け時にボックス内面が示すピンのノーズ部を案内する能力が無くなるので，上限を１.０ｍｍ以下とすることが好ましい。

ただし、図４に示すように、ピン１のノーズ部１６のシール面１３に隣接した一部領域がシール面１３と同じ傾きを有する（即ち、シール面の延長部となり、ノーズ部１６の主要領域＜図示例では円筒面＞とは明らかに異なる形状を有する）か、および／またはボックス２のノーズ部に相対する部分のサブショルダ面２５に隣接した一部領域が、サブショルダ面と同じ傾きを有する（サブショルダ面の延長部となり、ピンのノーズ部主要領域とは明らかに異なる形状を有する）ようにしてもよい。それにより、ノーズ部の効果だけでなく、ピン・リップ部の芯出しをしながら良好な締付け性能を得ることができる。この場合でも、ノーズ部１６の主要領域は、その両側においてシール面１３またはサブショルダ面１５と明らかに異なる形状を有する。

ピン１のメインショルダ面１４とサブショルダ面１５との接続部は、半径が１.５ｍｍ以下で丸みづけされた頂点部４９を形成している。それにより、メインショルダ面とサブショルダ面の当接面積を最大限に大きくすることができ、耐圧縮性能の向上およびショルダ面の半径方向への変形の抑制が達成される。

上述したように、本発明に係るねじ継手では、ピンのリップ部先端側にボックスの対向する表面と接触しないノーズ部を設け、さらにピン端面のショルダ面形状をメインショルダ面とサブショルダ面を有する二段ショルダ構造にすることによって、高い圧縮性能が得られる。

しかし、ノーズ部の部分におけるピンとボックスとの間のすき間５０（以下、ノーズ部空間という）には、ねじ継手の締め付け時に使用した流体であるグリース状潤滑剤が残留しうる。締め付け完了時に、ノーズ部空間５０の圧力は、この空間に閉じ込められた潤滑剤によって高圧になり、この高圧がピンとボックスのシール面１３間の接触面圧を低下させ、継手のシール性能が損なわれることがある。

本発明の好適態様においては、ピンとボックスの少なくとも一方のショルダ面が、上記ノーズ部空間とねじ継手の内面との間をつなぐ少なくとも１つの溝または逃し溝を有する。従って、この溝はピンおよび／またはボックスのメインショルダ面とサブショルダ面の両方を横断する。この溝の一部はピンのショルダ面に、残りの部分はボックスのショルダ面に形成することも可能である。この溝によってノーズ部空間５０とねじ継手の内部空間が連通する。従って、ノーズ部空間内に閉じ込められた流体が高圧になった場合、流体はこの溝を通ってねじ継手の内部空間に逃げることができる。

ノーズ部空間内の流体はショルダ部の内部を通る貫通孔によっても逃がすことができるが、そのような貫通穴の形成はかなり困難である。
特に好ましい態様においては、図６(Ａ)〜(Ｄ)に示すように、少なくとも１つの溝はピンのショルダ面に設けられる。

図６(Ａ)に示した例では、リップ部の端面であるピンのショルダ面が２つの溝部分、即ち外側の第１の溝部分５１Ａと内側の第２の溝部分５１Ｂ、とからなる溝を有する。外側の溝部分５１Ａはサブショルダ面１５を斜めに横断し、内側の溝部分５１Ｂはメインショルダ面１４を斜めに横断する。図６(Ｂ)は、それぞれ２つの溝部分５１Ａ，５１Ｂを有する３本の溝がリップ端面の円周に沿って配置された、このリップ部の端面図である。図７は、ショルダ面にこのような２段溝型の溝を有するピン端面の写真である。

上記機能を果たすためには溝部分５１Ａと溝部分５１Ｂとが互いに連通していなければならない。そのため、図６(Ｄ)に示すように、ピンのショルダ面の頂点部４９（ピンのメインショルダ面とサブショルダ面との接続部）に対向するボックスショルダの最奥部の円周方向部分に沿って、外側の溝部分５１Ａの内側端部に対向する地点から、内側の溝部分５１Ｂの外側端部に対向する地点までに達するように、窪み（凹部）５２を接続チャネルとして設けることができる。それにより、ピンショルダの溝部分５１Ａ，５１Ｂは、ボックスショルダ上に円周方向頂部４９に沿って設けられた窪み５２を通して連通するようになる。あるいは、溝部分５１Ａと５１Ｂとの間の接続チャネルは、ピンショルダ面に円周方向頂点部４９に沿って、外側の溝部分５１Ａの内側端部から内側の溝部分５１Ｂの外側端部に達するように、チャンファー（面取り）または窪みを形成することによっても達成することができる。より好ましくは、このような接続用の窪みまたはチャネルは、ピンショルダ面とボックスショルダ面の両方に形成することができる。

図６(Ｃ)に示すように、外側の溝部分５１Ａと内側の溝部分５１Ｂとを、これらが直接連通する（すなわち、外側の溝部分５１Ａの内側端部と内側の溝部分５１Ｂの外側端部とが接続する）ように配置してもよい。図８は、互いに直接接続された内側溝部分と外側溝部分とを有するピン端面のショルダ部の写真である。この配置は上述したような接続チャネルの形成が不要となるが、図６(Ａ)に示すように、外側と内側の溝部分を円周方向で同じ位置に設ける方が、溝削り加工（溝の形成）はいくらか容易となる。いずれの場合も、溝または逃がし溝の溝削り加工は、例えば、ＮＣ（数値制御）旋盤システムを用いて行うことができる。

さらに別の形態として、サブショルダ面の外側溝部分５１Ａおよびメインショルダ面の内側溝部分５１Ｂを、図６(Ａ)〜(Ｃ)に示すような斜め方向ではなく、半径方向に、好ましくは半径方向に伸びる２つの溝部分が直接つながるように、設けてもよい。それにより、各溝部分の長さは最短となり、流体を容易に逃がすことができ、またＮＣ旋盤を用いずに溝削り加工が可能となる。ただし、特殊な溝削り加工用の装置が必要となる。

図６(Ｂ)および(Ｃ)に示した態様では、ノーズ部空間とねじ継手内部空間との間の連通路を確保するための、それぞれ外側溝部分および内側溝部分からなる溝は、ピン端面のショルダ面の円周方向に沿って等間隔で３個所に設けられている。このような溝は最低１個所あればよく、溝の設置個数の上限は特に制限されないが、通常は８個所以下で十分である。好ましくはピンおよび／またはボックスショルダはこのような溝を２〜４個有する。

溝の断面形状は特に制限されないが，流体が通過できる程度の横断面積のものとすべきである。溝の深さは少なくとも０.１ｍｍ以上，好ましくは０.２ｍｍ以上あるのが良い．溝の形成により生ずるメインショルダ面の断面積の減少による圧縮下でのねじ継手の性能の著しい低下を防止するために、内側溝部分および外側溝部分のそれぞれの円周方向長さは、各溝部分がショルダ面の円周に沿って１８０°以内にしか達しないようにすることが好ましい。例えば、図６(Ｂ)または(Ｃ)に示すように、メインショルダ面とサブショルダ面のそれぞれに３個ずつの溝部分が設けられている場合、各溝部分は好ましくは１８０°以下の角度、より好ましくは１２０°以下の角度の円弧に沿った長さとする。

この溝はピンではなく、ボックスのショルダ面に設けることも可能である。また、複数個所の溝を円周方向に設ける場合、一部の溝をピン側に、残りの溝をボックス側に設けることもできる。さらに、図６(Ａ)〜(Ｃ)に示したように、各溝が内側と外側の溝部分からなるものである場合、外側の溝部分をピンに、内側の溝部分をボックスに（またはその逆の組み合わせで）形成することも可能である。

上記以外の鋼管用ねじ継手の形状は、従来のプレミアムジョイント型の鋼管用ねじ継手と同様でよい。
例えば、本発明に係る鋼管用ねじ継手のピン１およびボックス２の雄ねじ１１および雌ねじ２１は、従来の一般的な鋼管用ねじ継手と同様のテーパねじ（例えば、ＡＰＩバットレスねじとして規定される台形ねじまたはＡＰＩバットレスねじ形状から派生した台形形状のねじ）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、角の丸みずけ部分の曲率半径）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、図５には示していないが、雄ねじおよび雌ねじの一方または両方の挿入面（図５で右側のねじ側面）にチャンファー（面取りの段差）を設けることができる。

雄ねじ１１および雌ねじ１２のテーパねじにおいて、各ねじ山の頂面および谷部は、テーパねじのテーパ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。

周知のように、鋼管用ねじ継手には、カップリング方式とインテグラル方式がある。カップリング方式は典型的には、ピンを締結される鋼管の両端の外面に、ボックスを別部材であるカップリングの両側に内面に形成する。一方、インテグラル方式では、鋼管の一端の外面にピンを、他端の内面にボックスを形成し、カップリングを使用せずに鋼管を締結する。本発明は、この両方式のいずれの鋼管用ねじ継手にも適用できる。

本発明の効果を例証するため、表１に示した５体の供試体に対して、ＩＳＯ１３６７９規格のシリーズＡ試験を実施した
表１に示した＃１〜＃５の供試体はいずれも、図２に示したカップリング方式の油井管用ねじ継手（Ｔ＆Ｃ継手）を基本形状とする、９−５／８インチ、５３.５＃（外径２４４.４８ｍｍ、肉厚１３.８４ｍｍ）、１０−３／４インチ、６０.７＃（外径２７３.０５ｍｍ、肉厚１３.８４ｍｍ）、１０−３／４インチ、６５.７＃（外径２７３.０５ｍｍ、肉厚１５.１１ｍｍ）のいずれもケーシング用の３サイズの継手であった。

材料はＡＰＩ（米国石油協会）規格のＬ８０材（炭素鋼）とした。ただし、＃４については比較のためＡＰＩ規格のＱ１２５材（炭素鋼）で実施した。ピンのノーズ部４５の軸方向長さ、およびこのノーズ部のうちの接触していない主要部（非接触領域）４８の軸方向長さを表１に示す。ノーズ部の主要部の外面およびボックスのその対向面の内面は共に、＃１〜＃４の供試体については図１に示すような円錐台面であり、＃５の供試体については図４に示すような円筒面であった。このノーズ部の主要領域におけるピンとボックスの離間距離は、＃１〜＃４の供試体については０.２ｍｍ，＃５の供試体については０.９ｍｍであった。チャンファー部１７の角度はすべての供試体について１５°であった。ＩＳＯ１３６７９規格のシリーズＡ試験の試験結果を表１に示す。

表１に示すように、本発明の継手はサイズや材料を変更しても、一体もリークが発生しておらず、リークが発生した本発明範囲外の継手との性能の差は明白である。
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。

特に、当業者であれば、本発明が、ボックスの自由端に位置するリップ部に設けたボックスシール面およびボックスの自由端に位置するボックスショルダ面を有するピンおよびボックスにも等しく適用することができ、上述したすべての構成をピンからボックスに、その逆に移転できることを理解しよう。

Claims

ピンとボックスとから構成され、ピンは雄ねじとリップとを有し、該リップは、(i)シール面と、(ii)ショルダ面を備えたノーズ部とを含み、ボックスは、雌ねじとシール面とショルダ面とを有し、該雄ねじは該雌ねじと噛み合い、ピンのシール面はボックスの対応するシール面とシール接触し、ピンのショルダ面はピンの端面に配置され、ピンのシール面は雄ねじ近傍の管端側に位置し、前記ノーズ部はこのシール面とショルダ面との間に存在し、このノーズ部は該ピンのノーズ部と対向するボックスの部分と接触していない鋼管用ねじ継手において、
ピンのショルダ面が内面側のメインショルダ面と外面側のサブショルダ面という２つの別個の隣接する面を含み、このピンのショルダ面に対向する対応するボックスのショルダ面も内面側のメインショルダ面と外面側のサブショルダ面という２つの別個の隣接する面を含み、前記ピンおよびボックスのメインショルダ面はリップ端部の半径方向内向きの変形を防止するように配置され、前記ピンおよびボックスのサブショルダ面はリップ端部の半径方向外向きの変形を制限するように配置され、前記ピンのメインショルダ面の半径方向寸法が前記ピンのサブショルダ面のそれより大きく、少なくとも前記ピンのメインショルダ面は少なくとも前記ボックスの対応するメインショルダ面と軸方向に当接しており、ピンのノーズ部の少なくとも一部がピンのシール面の延長ではない外周面を有し、そしてピンのシール面、ピンのノーズ部の外面およびピンのサブショルダ面が一直線上になく、ボックスのシール面、ピンのノーズ部外面に対向するボックス部分の内面およびボックスのサブショルダ面も一直線上にないことを特徴とする鋼管用ねじ継手。
ピンのメインショルダ面が、継手軸に垂直な平面に対する角度が負角であるリバースショルダ面である、請求項１に記載のねじ継手。
ピンのサブショルダ面の継手軸に垂直な平面に対する角度が正である、請求項１または２に記載のねじ継手。
ピン端部のショルダ面のうちメインショルダ面だけが相対するボックスのメインショルダ面と軸方向に当接している、請求項１〜３のいずれか１項に記載のねじ継手。
ピンのサブショルダ面がボックスのサブショルダ面と干渉するように設計され、ピンおよびボックスのサブショルダ面間の幾何学的直径干渉量がピンおよびボックスのシール面間の幾何学的直径干渉量の１.１倍以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のねじ継手。
ピンおよびボックスのサブショルダ面間の幾何学的直径干渉量がピンおよびボックスのシール面間の幾何学的直径干渉量に実質的に等しい請求項５に記載のねじ継手。
継手軸に垂直な平面に対する前記リバースショルダ面の角度が５°から２５°の間である、請求項２〜６のいずれか１項に記載のねじ継手。
各ショルダ面が実質的に円錐台形状である、請求項１〜７のいずれか１項に記載のねじ継手。
圧縮荷重を受けた時に、ピンのメインショルダ面およびサブショルダ面が対応するボックスのメインショルダ面およびサブショルダ面によって支持される、請求項１〜８のいずれか１項に記載のねじ継手。
ピンおよびボックスのシール面がねじ継手の軸に対して５°〜２５°の間の角度で傾斜している、請求項１〜９のいずれか１項に記載のねじ継手。
ピンおよびボックスのサブショルダ面がねじ継手軸に対して５°〜３０°の間の角度で傾斜している、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のねじ継手。
サブショルダ面の傾きがシール面の傾きより大きい、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のねじ継手。
ピンのノーズ部の主要領域が、ボックスの対向する部分と、直径に関して０.１ｍｍの最小すき間嵌め値ですき間嵌め状態にある、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のねじ継手。
ボックスのシール面、ピンのノーズ部外面に対向するボックス部分の内面およびボックスのサブショルダ面が単調傾きを有する、請求項１〜１３のいずれか１項に記載のねじ継手。
ピンがサブショルダ面とメインショルダ面と間に１.５ｍｍより小さい半径で丸みづけされた頂点部を有する、請求項１〜１４のいずれか１項に記載のねじ継手。
ピンのシール面とボックスのシール面の一方が円錐台面であり、他方のシール面が２０ｍｍより大きい曲率半径を有する円環面または該円環面と円錐台面の組み合わせである、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の鋼管用ねじ継手。
ピンとボックスの両方のサブショルダ面が円錐台面である、請求項１〜１５のいずれか１項に記載のねじ継手。
メインショルダ面の半径方向寸法がサブショルダ面の半径方向寸法の１.５倍以上である、請求項１〜１７のいずれか１項に記載のねじ継手。
ピンのノーズ部の外周面とピンの該ノーズ部に対向するボックス部分の内面とが実質的に円筒形状を有する、請求項１〜１８のいずれか１項に記載のねじ継手。
ピンのノーズ部の外周面とピンの該ノーズ部に対向するボックス部分の内面とが実質的に円錐台形状を有し、そのテーパ角度が１０°より小さい、請求項１〜１８のいずれか１項に記載のねじ継手。
ピンとボックスの少なくとも一方のショルダ面が、ピンのノーズ部と該ノーズ部と対向するボックス部分との間の空間からねじ継手の内部空間までに達する少なくとも１つの溝を有することを特徴とする請求項１〜２０のいずれか１項に記載のねじ継手。
前記溝が、サブショルダ面に形成された第１溝部分とメインショルダ面に形成された第２の溝部分とを含み、サブショルダとメインショルダとの境界で第２の溝部分は第１の溝部分に直接連通している、請求項２１記載のねじ継手
前記溝が、サブショルダ面に形成された第１溝部分とメインショルダ面に形成された第２の溝部分とを含み、第２の溝部分はサブショルダとメインショルダとの境界で第１の溝部分に直接連通しておらず、接続チャネルを通して第１の溝部分に連通している、請求項２１記載のねじ継手
前記接続チャネルが、ボックスのショルダ面に形成された窪みである、請求項２３記載のねじ継手。
前記接続チャネルが、ピンのショルダ面に形成され窪みである、請求項２３記載のねじ継手。
前記窪みが面取り加工または溝切り加工により形成されたものである、請求項２４または２５に記載のねじ継手。