JP6151376B2 - 鋼管用ねじ継手 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管の連結に用いられるねじ継手に関する。

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に油井管が使用される。油井管は鋼管が順次連結されて成り、その連結にねじ継手が用いられる（特開平９−１１９５６４号公報（特許文献１）、特開平１０−８９５５４号公報（特許文献２）及び特開平９−２７３６７１号公報（特許文献３）参照）。

この種の鋼管用ねじ継手の形式は、カップリング型とインテグラル型に大別される。カップリング型の場合、連結対象の一対の管材のうち、一方の管材が鋼管であり、他方の管材がカップリングである。この場合、鋼管の両端部の外周に雄ねじ部が形成され、カップリングの両端部の内周に雌ねじ部が形成される。そして、鋼管の雄ねじ部がカップリングの雌ねじ部にねじ込まれ、これにより両者が締結されて連結される。インテグラル型の場合、連結対象の一対の管材がともに鋼管であり、別個のカップリングを用いない。この場合、鋼管の一端部の外周に雄ねじ部が形成され、他端部の内周に雌ねじ部が形成される。そして、一方の鋼管の雄ねじ部が他方の鋼管の雌ねじ部にねじ込まれ、これにより両者が締結されて連結される。

一般に、雄ねじ部が形成された管端部の継手部分は、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。一方、雌ねじ部が形成された管端部の継手部分は、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。これらのピンとボックスは、管材の端部であるため、いずれも管状である。

鋼管用ねじ継手としては、ＡＰＩ（American Petroleum Institute（アメリカ石油協会））の規格で規定されたテーパねじのねじ継手が汎用される。また、例えば特許文献１に開示されるように、ＡＰＩ規格のバットレスねじ（台形ねじ）を改良し、耐トルク性能を向上したねじ継手が用いられる。耐トルク性能とは、締結状態のねじに過大なトルクが負荷された場合でも変形、破損等が生じない性能のことである。

特許文献１に開示されたねじ継手のねじ部は、ねじ山の形状が概ね台形状のテーパねじである。このねじ部のねじ山の両側面のうち、締結の際に雄ねじ部のねじ込み進行方向の後側に位置する側面は、荷重フランク面又は荷重面と称される。一方、締結の際に雄ねじ部のねじ込み進行方向の前側に位置する側面は、挿入フランク面又は挿入面と称される。特許文献１の荷重面は、ねじの軸線（以下、「継手軸」又は「管軸」ともいう）に垂直な平面に対する角度（荷重面フランク角）が−２０°以上０°未満である。この荷重面フランク角は、管軸に対して荷重面がねじ込み進行方向になす角度でいうと、９０°を超え１１０°以下である。特許文献１の挿入面は、管軸に垂直な平面に対する角度（挿入面フランク角）が３０°を超え６０°以下である。この挿入面フランク角は、管軸に対して挿入面がねじ込み進行方向になす角度でいうと、１２０°を超え１５０°以下である。

特許文献１のねじ部の挿入面には、干渉量と呼ばれる締め代が設けられている。特許文献１のねじ部は、締結状態において、雄ねじ部及び雌ねじ部それぞれの荷重面同士が接触するとともに、挿入面同士が接触する。この状態のとき、ねじ山頂面とねじ谷底面は接触することなく、両者の間に隙間が形成される。このような特許文献１のねじ継手は、荷重面同士及び挿入面同士の接触に伴うくさび効果によって、高い耐トルク性能を有する。

特許文献１のピンの先端には、ショルダ面と呼ばれる突き当て面が設けられている。一方、ボックスには、ピンのショルダ面に対応するショルダ面が設けられている。ピンをボックスに締結する際、ピンのショルダ面がボックスのショルダ面に突き当たり、両者が接触する。ショルダ面同士が突き当たると、ピンのねじ込みに要する締付けトルクが急激に上昇する。このようにショルダ面同士が突き当たる事象は、ショルダリングと呼ばれ、ショルダリングの瞬間に発生する締付けトルクは、ショルダリングトルクと呼ばれる。

ショルダリング後にピンのねじ込みが過度に行われると、ショルダ面の部分が降伏（塑性変形）し、締付けトルクがそれ以上上がらなくなるか、又は急激に低下する。この事象、及びこの事象が起こる瞬間に発生する締付けトルクは、オーバートルクと呼ばれる。

ショルダリングとオーバートルクとの間の締付けトルクで締結が終了すれば、ねじ継手は最も優れた性能を発揮する。すなわち、ねじ継手の内部に適正な締付け軸力が発生し、ねじ部の噛み合いが強固になって容易に緩まなくなる。また、ねじ継手には、ピンとボックスとを締結した状態で全周に亘って嵌め合い密着するシール部が設けられることが多い。この場合、ショルダリングとオーバートルクとの間の締付けトルクで締結が終了することにより、シール部に設計どおりの干渉量が導入され、狙いどおりの密封性能がもたらされる。このため、締結に際しては、締結終了を判断するために締付けトルクの目標値が設定される。この目標トルクは、ショルダリングトルクとオーバートルクの間に設定される。

ここで、何らかの理由により、実際にはショルダリングが生じる前であるにもかかわらず、締付けトルクが異常に上昇して目標トルクを上回ると、いわゆる締め付け不足の状態で締結が終了し、十分な締付け軸力が導入されない。この場合、ねじ部の噛み合いが緩くなって所定の強度が得られなかったり、シール部での接触力が不足して所定の密封性能が得られなかったりする可能性がある。このような事態は、ハイショルダリング（ショルダリングトルクが目標トルクよりも高くなる不具合）と呼ばれる。

一方、締付けトルクがオーバートルクを上回ると、いわゆる締め過ぎの状態となり、ショルダ面の部分に塑性変形が生じる。そうすると、ショルダ面に隣接してシール部が設けられている場合、ショルダ面の部分の変形に伴ってシール部が変形して隙間が形成されやすくなり、密封性能が著しく低下する。

上記のとおり、特許文献１のねじ継手は、締結状態において、ねじ部の荷重面同士が接触するとともに、挿入面同士が接触しているので、荷重面同士の間及び挿入面同士の間に隙間がない。そのため、ねじ継手に対して管軸方向に高い引張荷重又は圧縮荷重が負荷された場合であっても、ピンとボックスとが管軸方向に相対移動することがない。特に、ねじ継手に圧縮荷重が負荷された場合には、ねじ部の挿入面が圧縮荷重のほとんどを負担するため、ショルダ面の部分の変形が抑制され、これにより、シール部の変形も抑制される。そのため、特許文献１のねじ継手は、ＡＰＩ規格のバットレスねじを採用したねじ継手よりも高い密封性能を有する。

特開平９−１１９５６４号公報 特開平１０−８９５５４号公報 特開平９−２７３６７１号公報

特許文献１のねじ継手の場合、互いに接触する荷重面同士及び挿入面同士によってくさび効果が生じる一方、ねじ山頂面とねじ谷底面は互いに接触しない。特許文献１のねじ継手では、ピンのねじ込み過程の長期にわたり、荷重面同士及び挿入面同士がそれぞれ非常に高い圧力で接触しながら回転するため、焼き付きが生じやすい。

しかも、特許文献１のねじ継手は、ねじ山及びねじ溝の幅の寸法誤差に大きく影響を受ける。具体的には、わずかな寸法誤差であっても締付けトルクが大きく変化する。そうすると、締結の際に締付けトルクが目標トルクに達した場合であっても、実際にはハイショルダリングとなっている可能性がある。一方、このような問題が生じないように、ねじ山及びねじ溝それぞれの幅の寸法公差を小さくすると、ねじ切り加工の能率が著しく低下する。

本発明の目的は、下記の特性を有する鋼管用ねじ継手を提供することである：
・高い密封性能を維持しつつ、耐トルク性能を向上すること；
・締結の際に焼き付きを抑制し、ハイショルダリングを抑制すること；
・容易に製造できること。

本発明の一実施形態による鋼管用ねじ継手は、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が締結される鋼管用ねじ継手である。
前記ピンは、ショルダ面、シール面及び雄ねじ部を備える。
前記ボックスは、前記ピンの前記ショルダ面、前記シール面及び前記雄ねじ部のそれぞれに対応するショルダ面、シール面及び雌ねじ部を備える。
前記雄ねじ部及び前記雌ねじ部は、それぞれ、縦断面が台形状のねじ山を有するテーパねじであり、前記雄ねじ部及び前記雌ねじ部の各ねじ山における縦断面の幅寸法は、頂部側よりも基部側が大きくなっている。
前記雄ねじ部のねじ込みの進行方向において、
前記雄ねじ部のねじ山の幅がねじの弦巻線に沿って次第に狭くなる一方、前記雄ねじ部のねじ溝の幅がねじの弦巻線に沿って次第に広くなっていて、前記雌ねじ部のねじ溝の幅がねじの弦巻線に沿って次第に狭くなる一方、前記雌ねじ部のねじ山の幅がねじの弦巻線に沿って次第に広くなっている。
締結状態において、
前記ショルダ面同士が接触し、前記シール面同士が接触し、前記雄ねじ部及び前記雌ねじ部の荷重フランク面同士が接触し、前記雄ねじ部及び前記雌ねじ部の挿入フランク面同士が接触し、前記雄ねじ部のねじ谷底面と前記雌ねじ部のねじ山頂面とが接触し、前記雄ねじ部のねじ山頂面と前記雌ねじ部のねじ谷底面との間に隙間が形成される。

本発明の鋼管用ねじ継手は、下記の顕著な効果を有する：
・高い密封性能を維持しつつ、耐トルク性能を向上できること；
・締結の際に焼き付きを抑制し、ハイショルダリングを抑制できること；
・容易に製造できること。

図１は、本発明の一実施形態による鋼管用ねじ継手の全体構成を示す縦断面図である。 図２は、図１に示す鋼管用ねじ継手の継手部分を拡大した縦断面図である。 図３は、図１に示す鋼管用ねじ継手のねじ部の領域を拡大した縦断面図である。 図４Ａは、ピンとボックスとを締結する際の状況を示す模式図であり、ピンのねじ込みの初期段階を示す。 図４Ｂは、ピンとボックスとを締結する際の状況を示す模式図であり、ピンのねじ込みの中期段階を示す。 図４Ｃは、ピンとボックスとを締結する際の状況を示す模式図であり、ピンのねじ込みの終期段階を示す。 図４Ｄは、ピンとボックスとを締結する際の状況を示す模式図であり、締結終了時の状態を示す。 図５は、ショルダリングとロッキングの発生タイミングのずれに対するシール接触力の変化を示す図である。 図６は、比較例である試験Ｎｏ．１０のねじ継手のねじ部の領域を拡大した縦断面図である。 図７は、比較例である試験Ｎｏ．１１のねじ継手のねじ部の領域を拡大した縦断面図である。 図８Ａは、ピンの締付けターン数と締付けトルクの関係の一例を示す模式図であり、ロッキングがショルダリングよりも先に発生する状況を示す。 図８Ｂは、ピンの締付けターン数と締付けトルクの関係の一例を示す模式図であり、ロッキングがショルダリングとほぼ同時に発生する状況を示す。 図８Ｃは、ピンの締付けターン数と締付けトルクの関係の一例を示す模式図であり、ロッキングがショルダリングよりも後に発生する状況を示す。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ね、下記の知見を得た。前記特許文献１の鋼管用ねじ継手において、焼き付き及びハイショルダリングが生じるのは、ピンのねじ込み過程の長期にわたり、荷重面同士及び挿入面同士がそれぞれ高い圧力で接触しながら回転することに起因する。そのため、締結の際、荷重面同士及び挿入面同士の接触しながらの回転（距離）を低減することができれば、焼き付きの発生を抑制することができ、その結果としてハイショルダリングの発生を抑制することができる。そして、締結の終了直前に、荷重面同士及び挿入面同士がそれぞれ接触してくさび効果が発現することにより、焼き付き及びハイショルダリングの発生リスクが少なくなる上、耐トルク性能及び密封性能の向上が可能になる。

本発明の鋼管用ねじ継手は、以上の知見に基づいて完成されたものである。以下に、本発明の鋼管用ねじ継手の実施形態を説明する。

本実施形態による鋼管用ねじ継手は、管状のピンと、管状のボックスとから構成され、ピンがボックスにねじ込まれてピンとボックスが締結される。ピンは、ショルダ面、シール面及び雄ねじ部を備える。ボックスは、ピンのショルダ面、シール面及び雄ねじ部のそれぞれに対応するショルダ面、シール面及び雌ねじ部を備える。雄ねじ部及び雌ねじ部は、それぞれ、縦断面が台形状のねじ山を有するテーパねじであり、雄ねじ部及び雌ねじ部の各ねじ山における縦断面の幅寸法は、頂部側よりも基部側が大きくなっている。雄ねじ部のねじ込みの進行方向において、雄ねじ部のねじ山の幅がねじの弦巻線に沿って次第に狭くなる一方、雄ねじ部のねじ溝の幅がねじの弦巻線に沿って次第に広くなっていて、雌ねじ部のねじ溝の幅がねじの弦巻線に沿って次第に狭くなる一方、雌ねじ部のねじ山の幅がねじの弦巻線に沿って次第に広くなっている。締結状態において、ショルダ面同士が接触し、シール面同士が接触し、雄ねじ部及び雌ねじ部の荷重フランク面同士が接触し、雄ねじ部及び雌ねじ部の挿入フランク面同士が接触し、雄ねじ部のねじ谷底面と雌ねじ部のねじ山頂面が接触し、雄ねじ部のねじ山頂面と雌ねじ部のねじ谷底面の間に隙間が形成される。

雄ねじ部及び雌ねじ部の形状、特にねじ山及びねじ溝の幅を上記の構成にすることにより、ねじ部の荷重面同士及び挿入面同士は、ピンがボックスにねじ込まれる過程で強く接触することなく、締結の終了直前で強く接触するようになる。荷重面同士及び挿入面同士がそれぞれ強く接触すると、この接触に伴うくさび効果によってトルク抵抗（回転抵抗）が増加する。これにより、ショルダ面の部分で塑性変形が生じるまでに必要とするトルクが上昇する。その結果、鋼管用ねじ継手の耐トルク性能を向上することができる。

また、締結状態で雄ねじ部のねじ谷底面と雌ねじ部のねじ山頂面とが接触する。すなわち、雄ねじ部のねじ谷底面と雌ねじ部のねじ山頂面には、干渉量と呼ばれる締め代が設けられている。このため、ピンのねじ込み過程において、ピン及びボックスのシール面同士が接触して摺動を開始するよりも先に、雄ねじ部のねじ谷底面と雌ねじ部のねじ山頂面とが接触する。これにより、ピンの軸芯とボックスの軸芯とが同軸になることから、ピン及びボックスが安定した姿勢で回転し、シール面同士も安定した姿勢で接触を開始する。その結果、シール面同士の偏当たりによる焼き付き及び損傷を抑制することができる。

更に、上記のとおり、荷重面同士及び挿入面同士には、締結の終了直前までは大きな圧力が作用せず、締結の終了直前になって初めて大きな圧力が作用する。このため、荷重面同士及び挿入面同士の接触しながらの回転（距離）が低減される。その結果、ねじ部で焼き付きが生じるのを防止できる。ここで、荷重面同士及び挿入面同士がそれぞれ強く接触すると、くさび効果が発現することにより、締付けトルクが急激に上昇する。この事象は、ロッキングと呼ばれる。

また、雄ねじ部及び雌ねじ部の形状、特にねじ山及びねじ溝の幅を上記の構成にすることにより、締結終了直前のショルダリング時（又はロッキング時）の締付けトルクが低く抑えられる。このため、ハイショルダリングが生じるのを防止できる。更に、ねじ山及びねじ溝の幅を高い精度の寸法公差で製造する必要がないため、ねじ切り加工の能率が向上する。

また、雄ねじ部及び雌ねじ部の各ねじ山における縦断面の幅寸法は、頂部側よりも基部側が大きくなっている。このような本実施形態のねじ部は、縦断面形状がダブテイル状又は逆台形状の場合に比べて容易に加工することができる。ダブテイル状のねじ部をねじ切り加工する場合、工具の刃先は、先端の幅が広く且つ付け根の幅が狭い形状であり、折損しやすい。これに対し、本実施形態のねじ部をねじ切り加工する場合、先端の幅よりも付け根の幅が広い刃先形状を有する丈夫な工具を用いることができる。このため、ねじ切り加工の能率が向上し、ねじ継手を容易に製造することができる。

上記のねじ継手において、管軸に対して、雄ねじ部の挿入フランク面がねじ込み進行方向になす角度α、及び、管軸に対して雄ねじ部の荷重フランク面がねじ込み進行方向になす角度βが、それぞれ、９０度以上であり、且つα＞βの条件を満たすことが好ましい。ねじ部をこのような寸法形状にすることにより、ねじ継手をより一層容易に製造することができる。しかも、荷重面の角度βが上記の範囲内であれば、ジャンプアウトが生じるのを防止することができる。ジャンプアウトとは、ねじ継手に大きな引張荷重が負荷された際にピンのねじ山がボックスのねじ山を乗り越えてすっぽ抜ける不具合のことである。

上記のとおり、ピンとボックスがロッキングした時点で、雄ねじ部及び雌ねじ部にはくさび効果が発現する。これに加え、ショルダリングが生じると、ショルダ面の部分で塑性変形が生じるまでに必要とするトルクは、非常に大きくなる。その結果、鋼管用ねじ継手の耐トルク性能が大幅に向上する。つまり、ショルダリングによるトルク抵抗に、ロッキングによるトルク抵抗が重畳されるため、鋼管用ねじ継手の耐トルク性能が大幅に向上する。

上記のねじ継手において、ねじ継手が締結される際に、ショルダ面同士が接触する時点を基準とし、ボックスに対するピンのねじ込み回転量が所定量の範囲内のときに、荷重面同士及び挿入面同士の両方の接触が発生するように、ショルダ面が設けられることが好ましい。この構成によれば、ショルダリングによるトルク抵抗とロッキングによるトルク抵抗との重畳効果が有効に得られる。

上記のねじ継手において、ピンのシール面は、ピンの雄ねじ部とショルダ面との間に設けられることが好ましい。この場合、ボックスのシール面は、ボックスの雌ねじ部とショルダ面との間に設けられる。これらのシール面同士には、干渉量と呼ばれる締め代が設けられる。このシール部により、ねじ継手の内部を流通する流体が外部に漏れたり、ねじ継手の外部の流体がねじ継手の内部に浸入したりするのを防止できる。この構成の場合、ねじ継手に高い圧縮荷重が負荷されても、ショルダ面だけでなくねじ部の挿入面がその圧縮荷重を負担するため、ショルダ面の部分の塑性変形が抑制され、これによりシール部の密封性能が安定して確保される。

上記のねじ継手において、ピンの先端にショルダ面が設けられ、ピンは、シール面とショルダ面との間に、ボックスと接触しないノーズ部を備えることが好ましい。この場合、ねじ継手に高い圧縮荷重が負荷されても、ノーズ部が緩衝部となるため、ノーズ部自身及びショルダ面の部分の塑性変形が抑制される。このため、シール部の密封性能がより安定して確保される。

以下、本実施形態の鋼管用ねじ継手について、図面を参照しながら詳述する。

［ねじ継手の構成］
図１は、本発明の一実施形態による鋼管用ねじ継手の全体構成を示す縦断面図である。本実施形態のねじ継手は、カップリング１１によって一対の鋼管２を連結したカップリング型のねじ継手である。

カップリング１１は、管軸Ｐに沿って延びる円筒状の短い管である。カップリング１１の管軸Ｐ方向の両端部がそれぞれボックス１２になる。一対の鋼管２の両端部がそれぞれピン１３になる。ボックス１２の内周には雌ねじ部２１が設けられる。ピン１３の外周には雄ねじ部５１が設けられる。ピン１３の雄ねじ部５１がボックス１２の雌ねじ部２１にねじ込まれることにより、ボックス２とピン部１３が締結される。これにより、一対の鋼管２とカップリング１１から成るねじ継手１が形成される。

本実施形態のねじ継手１は、石油、天然ガス等といった地下資源を採掘し、生産し、又は利用するための油井をはじめとし、温泉又は地熱発電用の井戸、更には地下にＣＯ_２等の廃棄物を封じ込めるための井戸等で用いられる鋼管２の連結に利用される。本実施形態のねじ継手１は、その他にも、海底のメタンハイドレード、レアメタル等を海上まで運搬するのに用いられる鋼管２の連結に利用される。このようなねじ継手１は、迅速に締結又は解体を行える。

図２は、図１に示す鋼管用ねじ継手の継手部分を拡大した縦断面図である。ピン１３は、先端から管本体に向けて順に、ショルダ面５９を含むノーズ部５８と、シール面５６と、雄ねじ部５１と、を備える。ボックス１２は、管本体から先端に向けて順に、ショルダ面２４と、シール面２２と、雌ねじ部２１と、を備える。ボックス１２のショルダ面２４、シール面２２及び雌ねじ部２１は、それぞれ、ピン１３のショルダ面５９、シール面５６及び雄ねじ部５１に対応して設けられる。

図３は、図１に示す鋼管用ねじ継手のねじ部の領域を拡大した縦断面図である。ピン１３の雄ねじ部５１は、縦断面が台形状に形成されたねじ山５７と、ねじ山５７同士の間に形成されたねじ溝６２と、を有する。雄ねじ部５１のねじ山５７は、ピン１３の外周面に螺旋状に形成されている。よって、雄ねじ部５１のねじ溝６２も、ピン１３の外周面に螺旋状に形成されている。なお、このねじ溝６２の底面は、雄ねじ部５１のねじ谷底面６１である。

一方、ボックス１２の雌ねじ部２１は、ピン１３の雄ねじ部５１と同様に、縦断面が台形状に形成されたねじ山３１と、ねじ山３１同士の間に形成されたねじ溝４２と、を有する。雌ねじ部２１のねじ山３１は、ボックス１２の内周面に螺旋状に形成されている。よって、雌ねじ部２１のねじ溝４２も、螺旋状に形成されている。なお、このねじ溝４２の底面は、雌ねじ部２１のねじ谷底面４１である。

ピン１３の雄ねじ部５１とボックス１２の雌ねじ部２１は、互いに噛み合うテーパねじである。雄ねじ部５１のねじ山５７は、雌ねじ部２１のねじ溝４２に螺合する。雄ねじ部５１のねじ溝６２は、雌ねじ部２１のねじ山３１に螺合する。上述のような雄ねじ部５１及び雌ねじ部２１の構成により、ピン１３とボックス１２とを締結する際、ピン１３は、ボックス１２に対して回転しながら管軸Ｐ方向に相対移動する。

以下の説明では、カップリング１１のボックス２に鋼管２のピン１３を締結する際、ピン１３をねじ込む過程で、ピン１３がボックス１２に対して移動するものとする。図２及び図３において、ボックス１２に対するピン１３の移動方向、すなわち、ピン１３の雄ねじ部５１のねじ込み進行方向は、右方向（図２及び図３中の白抜き矢印参照）とする。

図３に示すように、雄ねじ部５１のねじ山５７は、ピン１３の径方向外方側に位置するねじ山頂面５２と、雄ねじ部５１のねじ込み進行方向の前側に位置する挿入面５４と、雄ねじ部５１のねじ込み進行方向の後側に位置する荷重面５５と、を有する。また、ねじ山５７同士の間に位置するねじ溝６２の底面は、雄ねじ部５１のねじ谷底面６１になる。

雌ねじ部２１のねじ山３１は、ボックス１２の径方向内方側に位置するねじ山頂面３２と、雄ねじ部５１のねじ込み進行方向の後側に位置する挿入面３３と、雄ねじ部５１のねじ込み進行方向の前側に位置する荷重面３４と、を有する。また、ねじ山３１同士の間に位置するねじ溝４２の底面は、雌ねじ部２１のねじ谷底面４１になる。締結状態において、雌ねじ部２１の挿入面３３は、雄ねじ部５１の挿入面５４と接触し、雌ねじ部２１の荷重面３４は、雄ねじ部５１の荷重面５５と接触する。

雄ねじ部５１のねじ谷底面６１と雌ねじ部２１のねじ山頂面３２は、ピン１３及びボックス１２の径方向に干渉量（締め代）を有するように設けられる。これにより、ピン１３のねじ込み過程において、後述するボックス１２のシール面２２とピン１３のシール面５６とが接触を開始するよりも前に、雄ねじ部５１のねじ谷底面６１と雌ねじ部２１のねじ山頂面３２とが接触を開始する。

前記図２に示すように、雄ねじ部５１のねじ込み進行方向において、雌ねじ部２１は、ねじ山３１同士の間隔、すなわちねじ溝４２の幅が、ねじの弦巻線に沿って徐々に狭くなる一方、ねじ山３１の幅が、ねじの弦巻線に沿って徐々に広くなっている。

ここで、雌ねじ部２１において、ねじ溝４２の幅とはねじ谷底面４１の幅を意味し、ねじ山３１の幅とはねじ山頂面３２の幅を意味する。なお、ねじ谷底面４１の幅とは、このねじ谷底面４１をねじ継手１の軸芯に投影したときの幅を意味し、ねじ山頂面３２の幅とは、このねじ山頂面３２をねじ継手１の軸芯に投影したときの幅を意味する。すなわち、ねじ谷底面４１の幅は、このねじ底谷面４１の両端からねじ継手１の軸芯に下ろした一対の垂線の間隔を意味する。また、ねじ山頂面３２の幅は、このねじ山頂面３２の両端からねじ継手１の軸芯に下ろした一対の垂線の間隔を意味する。ここで、ねじ谷底面４１の両端とは、このねじ谷底面４１の延長線と、荷重面３４の延長線及び挿入面３３の延長線のそれぞれとの交点を意味する。同様に、ねじ山頂面３２の両端とは、このねじ山頂面３２の延長線と、荷重面３４の延長線及び挿入面３３の延長線のそれぞれとの交点を意味する。

また、雄ねじ部５１のねじ込み進行方向において、雄ねじ部５１は、ねじ山５７同士の間隔、すなわちねじ溝６２の幅が、ねじの弦巻線に沿って徐々に広くなる一方、ねじ山５７の幅が、ねじの弦巻線に沿って徐々に狭くなっている。

ここで、雄ねじ部５１において、ねじ溝６２の幅とはねじ谷底面６１の幅を意味し、ねじ山５７の幅とはねじ山頂面５２の幅を意味する。なお、上述の雌ねじ部２１と同様に、ねじ谷底面６１の幅とは、このねじ谷底面６１をねじ継手１の軸芯に投影したときの幅を意味し、ねじ山頂面５２の幅とは、このねじ山頂面５２をねじ継手１の軸芯に投影したときの幅を意味する。

上記したカップリング１１及び鋼管２は、例えば油井に用いられる場合、通常、以下のようにして締結される。油井の現場では、井戸口の真上に作業場（プラットフォーム）と櫓が設けられ、ここでボックス１２へのピン１３の締結作業が行われる。プラットフォームには、雌ねじ部２１を有するボックス１２（カップリング１１）が固定される。このボックス１２、すなわちカップリング１１は、既に油井管として垂下する鋼管２に接続されている。雄ねじ部５１を有するピン１３である鋼管２は、プラットフォームに固定されたボックス１２の真上に、クレーン、エレベータ等によって吊り上げられる。鋼管２は、管軸Ｐが鉛直方向に伸びる姿勢で下降し、ボックス１２に挿入される。そして、パワートングと呼ばれる専用の締結機械によって、ピン１３がボックス１２にねじ込まれ、両者が締結される。

図４Ａ〜図４Ｄは、ピンとボックスとを締結する際の状況を示す模式図である。これらの図４Ａ〜図４Ｄは、いずれも、図１に示す鋼管用ねじ継手のねじ部の領域を拡大した縦断面図である。図４Ａは、ピンのねじ込みの初期段階を示す。図４Ｂは、ピンのねじ込みの中期段階を示す。図４Ｃは、ピンのねじ込みの終期段階を示す。図４Ｄは、締結終了時の状態を示す。

図４Ａ〜図４Ｄに示すように、ボックス１２に対してピン１３をねじ込む際、締結が終了するまでの大部分の過程において、ボックス１２の挿入面３３とピン１３の挿入面５４とが接触する。ピン１３には自身（鋼管２）の重量が作用するからである。なお、図４Ａ〜図４Ｃには、ピン１３（鋼管２）のねじ込み進行方向を白抜き矢印で示す。

上記のとおり、雄ねじ部５１（ピン１３）のねじ山５７の幅は、ねじの弦巻線に沿って徐々に狭くなるように形成されている。雌ねじ部２１（ボックス１２）のねじ溝４２の幅も、雌ねじの弦巻線に沿って徐々に狭くなるように形成されている。そのため、ボックス１２に対してピン１３を螺合させる際、図４Ａ〜図４Ｃに示すように、雌ねじ部２１と雄ねじ部５１との隙間が徐々に狭くなる。

また、上記のとおり、雄ねじ部５１のねじ谷底面６１と雌ねじ部２１のねじ山頂面３２との間には干渉量が設けられている。そのため、図４Ｃに示すように、ボックス１２へのピン１３のねじ込み過程において、雌ねじ部２１及び雄ねじ部５１の荷重面３４、５５同士が接触を開始するよりも前に、雄ねじ部５１のねじ谷底面６１と雌ねじ部２１のねじ山頂面３２とが接触を開始する。これにより、ピン１３とボックス１２とは、互いの軸芯が同軸になる。その後、図４Ｄに示すように、締結終了までの間に、雄ねじ部５１のねじ谷底面６１と雌ねじ部２１のねじ山頂面３２が互いに強く押し付けられる。雄ねじ部５１のねじ谷底面６１と雌ねじ部２１のねじ山頂面３２との間の干渉量により、それらのねじ谷底面６１とねじ山頂面３２との間に作用する嵌め合い圧力が、ピン１３のねじ込みの回転に伴って、徐々に増加するからである。

更に、図４Ｄに示すように、雌ねじ部２１及び雄ねじ部５１の荷重面３４、５５同士が接触する。このとき、図示していないが、ピン１３のショルダ面５９は、ボックス１２のショルダ面２４と接触している。荷重面３４、５５同士は、挿入面３３、５４同士の接触によって生じた反力を受け、更にショルダ面５９、２４同士が接触した際に生じた反力の一部、すなわちねじの締め付け軸力を受けることによって、所定の荷重が作用した状態で接触する。したがって、ショルダ面５９、２４同士の接触によって、ボックス１２に対するピン１３の位置決めが可能になるとともに、ねじ継手１の耐トルク性能も向上することができる。

しかも、後述するように、ショルダ面５９、２４同士が接触するショルダリングと、荷重面５５、３４同士の接触及び挿入面５４、３３同士の接触に伴うくさび効果が発生するロッキングと、がほぼ同時に生じるように、ピン１３及びボックス１２それぞれのショルダ面５９、２４が設けられている。これにより、ねじ継手１の耐トルク性能をより向上することができる。

なお、ピン１３とボックス１２を締結した状態では、図４Ｄに示すように、雄ねじ部５１と雌ねじ部２１は、荷重面５５、３４同士が接触し、挿入面５４、３３同士が接触し、雄ねじ部５１のねじ谷底面６１と雌ねじ部２１のねじ山頂面３２とが接触する。ただし、雄ねじ部５１のねじ山頂面５２と雌ねじ部２１のねじ谷底面４１との間には隙間が形成されている。

前記図３に示すように、雄ねじ部５１の挿入面５４及び荷重面５５は、管軸Ｐに対して雄ねじ部５１のねじ込み進行方向にそれぞれなす角度が９０°以上になるように形成される。具体的には、管軸Ｐに対して挿入面５４が雄ねじ部５１のねじ込み進行方向になす角度α、及び、管軸Ｐに対して荷重面５５が雄ねじ部５１のねじ込み進行方向になす角度βは、それぞれ、９０°以上であり、且つα＞βの条件を満足する。雌ねじ部２１についても同様である。すなわち、雌ねじ部２１の挿入面３３は、雄ねじ部５１の挿入面５４と同じ角度に形成され、雌ねじ部２１の荷重面５５は、雄ねじ部５１の荷重面３４と同じ角度に形成される。

このような形状の雄ねじ部５１及び雌ねじ部２１のねじ切り加工では、先端の幅が広く且つ付け根の幅が狭い刃先形状を有する、折損しやすい工具は用いない。このため、ねじ切り加工の能率が向上し、ねじ継手１を容易に製造することができる。また、荷重面の角度βが９０°以上であるので、ねじ継手１に大きな引張荷重が負荷されたとき、その負荷方向へのピン１３の移動が確実に制限される。このため、ジャンプアウトが生じるのをより確実に防止することができる。

挿入面の角度α及び荷重面の角度βは、製造容易性以外の効果を最大限に発揮するためには、それぞれ９０°が最も好ましい。ただし、角度α及びβの両方が９０°というのは製造上容易ではない。したがって、挿入面の角度αは９２〜１１４°の範囲であるのが好ましい。より好ましくは、挿入面の角度αは９３〜１０６°である。荷重面の角度βは、９０°未満であると、ジャンプアウトが発生する可能性があるため、９０°以上とする。ただし、荷重面の角度βがあまりに大き過ぎると、工具の刃先を極端に鋭くする必要があり、工具寿命が著しく低下してしまう。そのため、荷重面の角度βは、α＞βの条件を満たしたうえで、９１〜１０６°の範囲であるのが好ましい。より好ましくは、荷重面の角度βは、α＞βの条件を満たしたうえで、９２〜１０１°の範囲内である。

また、雄ねじ部５１及び雌ねじ部２１の各ねじ山５７、４２における縦断面の幅寸法は、頂部側よりも基部側が大きくなっている。これにより、本実施形態のねじ部のねじ切り加工は、基部側よりも頂部側の幅寸法が大きいダブテイル状のねじ部をねじ切り加工する場合と比較し、容易である。本実施形態のねじ部をねじ切り加工する場合、先端の幅よりも付け根の幅が広い刃先形状を有する丈夫な工具を用いることができるからである。したがって、ねじ切り加工の能率が向上し、ねじ継手１を容易に製造することができる。

前記図２に示すように、ピン１３のシール面５６とボックス１２のシール面２２は、ピン１３とボックス１２が締結された状態で、互いに嵌め合い密着する。シール面５６、２２同士の間には干渉量が設けられているので、両者は、メタル接触によりシール部を構成し、密封性能を発揮する。

ピン１３のノーズ部５８は、ピン１３のシール面５６の先端から管軸Ｐ方向に延び出す。このノーズ部５８の先端にショルダ面５９が設けられる。締結状態において、ノーズ部５８は、ボックス１２と接触せず、ボックス１２との間に隙間が形成される。ねじ継手１に高い圧縮荷重が負荷された場合、互いに接触するショルダ面５９、２４の部分が塑性変形するだけでなく、ノーズ部５８が緩衝部となって塑性変形する。このため、ノーズ部５８自身及びショルダ面５９、２４の部分で個々の塑性変形が抑制される。その結果、ノーズ部５８に隣接するシール部（シール面５６、２２）で塑性変形が発生せず、このシール部の密封性能がより安定して確保される。

ピン１３のショルダ面５９とボックス１２のショルダ面２４は、管軸Ｐに対して雄ねじ部５１のねじ込み進行方向にそれぞれなす角度が９０°未満になるように形成される。ピン１３をボックス１２に締結する際、ショルダ面５９、２４は、ピン１３のねじ込みに伴って互いに接触し、ピン１３のねじ込みを制限するストッパの役割を担う。

ショルダ面５９、２４は、ロッキングとショルダリングとが同時に発生するような位置に設けられるのが好ましい。しかし、ロッキングとショルダリングとを厳密に同時に発生させるのは難しい。ロッキング及びショルダリングのいずれかが先に発生する可能性が高い。

図５は、ショルダリングとロッキングの発生タイミングのずれに対するシール接触力の変化を示す図である。ここでは、ロッキングとショルダリングの発生タイミングのずれが、シール面２２、５６同士の接触力に及ぼす影響を調査した。図５において、ショルダリングに対するロッキングのずれが正の値である範囲は、ロッキングがショルダリングよりも後に生じる状態を示している。

図５に示す結果より、ショルダリングがロッキングよりも先に発生した場合（図５中、ショルダリングに対するロッキングのずれが正の値である範囲）、シール面２２、５６同士の接触力を確保できることが分かる。逆に、ロッキングがショルダリングよりも先に発生した場合（図５中、ショルダリングに対するロッキングのずれが負の値である範囲）、そのずれ量、すなわちボックス１２に対するピン１３の相対回転量が、所定値未満（図５より０．０５０回転未満）であれば、十分なシール接触力が得られることが分かる。

したがって、締結の際に、ショルダ面５９、２４同士が接触する時点（ショルダリング時点）を基準とし、ボックス１２に対するピン１３のねじ込み回転量が所定量の範囲内のときに、荷重面５５、３４同士及び挿入面５４、３３同士の両方の接触（ロッキング）が発生するように、ショルダ面５９、２４が設けられるのが好ましい。すなわち、ロッキングがショルダリングよりも先に発生する場合、ショルダリングの発生タイミングからピン１３のねじ込み回転量が−０．０５０回転未満のときに、ロッキングが発生するようにすればよい。この場合、より好ましくは、ショルダリングの発生タイミングからピン１３の回転量が−０．０４５回転以下のときに、ロッキングが発生するようにすればよい。また、ロッキングがショルダリングよりも後に発生するようにすればよい。更に好ましくは、ロッキングがショルダリングと同時に発生するようにすればよい。

本実施形態のねじ継手による効果を確認するため、弾塑性有限要素法による数値シミュレーション解析を実施し、耐トルク性能、耐焼き付き性能及び密封性能の評価を行った。更に、実際に試作品を製造することにより、ねじ継手の生産性の評価を行った。

ねじ継手（鋼管及びカップリング）の材質及び寸法に関する共通の諸特性は、下記のとおりとした。
・鋼管の寸法：外径が約φ１６９ｍｍ、肉厚が約９ｍｍ（ＡＰＩ規格の６−５／８“２４＃）
・鋼管のグレード：ＡＰＩ規格のＬ８０（公称引張降伏強度が５５２ＭＰａ（８０ｋｓｉ））
・雌ねじ部及び雄ねじ部：荷重面のピッチが６．３５ｍｍ（１インチあたりねじ山が４つ）、ねじ高さ（荷重面の高さ）が１．５ｍｍ、ねじ長さが１００ｍｍ、荷重面の角度βが９３°

他の因子は、下記の表１に示すとおりに種々変更した。試験Ｎｏ．１〜８は、本実施形態の条件を満足する本発明例である。試験Ｎｏ．９〜１１は、本実施形態の条件を外れる比較例である。

下記の表１に示すように、本発明例のＮｏ．１〜８は、図３に示す構成のねじ部を採用したねじ継手である。比較例のＮｏ．９は、ＡＰＩ規格のバットレスねじのように縦断面形状が台形状のねじ部を採用したねじ継手である。このＮｏ．９のねじ継手は、雄ねじ部のねじ谷底面と雌ねじ部のねじ山頂面との間に干渉量を有し、雄ねじ部のねじ山頂面と雌ねじ部のねじ谷底面との間に隙間を有し、更に挿入面同士の間に隙間を有する。比較例のＮｏ．１０は、縦断面形状が台形状のねじ部を採用したねじ継手である。このＮｏ．１０のねじ継手は、荷重面同士及び挿入面同士の間に干渉量を有し、雄ねじ部及び雌ねじ部のいずれのねじ山頂面とねじ谷底面との間にも隙間を有する。比較例のＮｏ．１１は、縦断面形状がダブテイル状のねじ部、すなわち頂部側の幅寸法が基部側よりも大きいねじ部を採用したねじ継手である。

図６は、比較例である試験Ｎｏ．１０のねじ継手のねじ部の領域を拡大した縦断面図である。図６に示すように、試験Ｎｏ．１０のねじ継手では、ボックス１０１の雌ねじ部であるねじ山１３１は縦断面が台形状である。雌ねじ部の挿入面１３３は、管軸Ｐに対して所定の角度で傾斜した斜面である。雌ねじ部の挿入面１３３及び荷重面１３４は、ピン１０２の雄ねじ部であるねじ山１５７の挿入面１５４及び荷重面１５５にそれぞれ接触している。雌ねじ部の挿入面１３３は、雄ねじ部の挿入面１５４に対して干渉量を有する。一方、雌ねじ部のねじ山頂面１３２と雄ねじ部のねじ谷底面１５３との間、及び、雌ねじ部のねじ谷底面１４１と雄ねじ部のねじ頂面１５８との間には、それぞれ隙間を有する。なお、図６中の符号１５２は、ピン１０２の雄ねじ部のねじ溝である。

図７は、比較例である試験Ｎｏ．１１のねじ継手のねじ部の領域を拡大した縦断面図である。図７に示すように、試験Ｎｏ．１１のねじ継手では、ボックス２０１の雌ねじ部であるねじ山２３１はダブテイル状の縦断面形状を有する。雌ねじ部のねじ山頂面２３２、挿入面２３３及び荷重面２３４が、ピン２０２の雄ねじ部のねじ谷底面２５３、挿入面２５４及び荷重面２５５にそれぞれ接触している。一方、雌ねじ部のねじ谷底面２４１と雄ねじ部のねじ山頂面２５８との間には、隙間を有する。なお、図７中の符号２５２は、ピン２０２の雄ねじ部のねじ溝である。

試験Ｎｏ．１〜１１のねじ継手のうち、Ｎｏ．１１のねじ継手以外は、前記図２に示すショルダ面を有する。すなわち、Ｎｏ．１１のねじ継手は、ねじ部自身のロッキングによってピンとボックスの移動が完全に拘束されることから、そのロッキングを阻害するショルダ面が設けられていない。

数値シミュレーション解析では、試験Ｎｏ．１〜１１のねじ継手の各モデルを作成して、ボックスとピンとを締結する解析を行い、ショルダリングトルク（又はロッキング時のトルク）、オーバートルク及び締結終了時のねじ部の荷重面及び挿入面に作用する接触圧力のうちの最大の接触圧力（以下、「フランク面の最大接触圧力」）を算出した。ショルダリングトルクによってハイショルダリングの評価を行い、オーバートルクによって耐トルク性能を評価した。フランク面の最大接触圧力によってねじ部での焼き付き発生リスクを評価した。

また、ねじ継手の試験規格であるＩＳＯ１３６７９（２００２年版）で規定されるシリーズＡ試験を模擬した解析を行い、シール面の接触力の最小値を求めた。これにより、ねじ継手の密封性能を評価した。

更に、試験Ｎｏ．２、９及び１１のねじ継手を実際に製作し、ねじ継手の生産性を評価した。

下記の表２に、数値シミュレーション解析の結果を示す。表２において、ショルダリングトルク、オーバートルク、シール面の最小接触力及びフランク面の最大接触圧力の各値は、Ｎｏ．９のねじ継手の計算値を基準「１．０」とした相対値で示す。

表２に示すショルダリングトルクは、値が大きいほど、ハイショルダリングの発生リスクが高いことを意味する。表２に示すように、比較例のＮｏ．１０のねじ継手はハイショルダリングの発生リスクが高い。これに対し、本発明例のＮｏ．１〜８のねじ継手は、ショルダリングトルクが比較例のＮｏ．９及び１１のねじ継手と同等であり、比較例のＮｏ．１０のねじ継手よりもハイショルダリングの発生リスクが小さい。

表２に示すオーバートルクは、値が大きいほど、耐トルク性能が優れることを意味する。表２に示すように、本発明例のＮｏ．１〜８のねじ継手は、比較例のＮｏ．９のねじ継手よりもオーバートルクが大きい。特に、本発明例のＮｏ．１〜３のねじ継手のオーバートルクは、比較例のＮｏ．１０及び１１のねじ継手と同程度である。

表２に示すフランク面の最大接触圧力は、値が大きいほど、締結の過程で焼き付きの発生リスクが高いことを意味する。表２に示すように、本発明例のＮｏ．１〜８のねじ継手の焼き付き発生リスクは、比較例のＮｏ．１０のねじ継手に対して遥かに低く、比較例のＮｏ．１１のねじ継手と同程度である。

表２に示すシール面の最小接触力は、値が大きいほど、密封性能が優れることを意味する。表２に示すように、本発明例のＮｏ．１〜４のねじ継手の密封性能は、比較例のＮｏ．９〜１１のねじ継手と同程度かそれ以上である。特に、本発明例のＮｏ．１〜３のねじ継手の密封性能は、Ｎｏ．１１のねじ継手と同程度かそれ以上であり、さらに密封性能に優れていることが分かる。

下記の表３に、ねじ継手の生産性の評価結果を示す。表３では、実際に製作した試験Ｎｏ．２、９及び１１のねじ継手のうちで、最もねじ切り加工時間が短いねじ継手（試験Ｎｏ．９）のねじ切り加工時間を「１．０」とし、各ねじ継手のねじ切り加工時間はその相対値で示す。また、表３では、実際に製作したねじ継手のうちで、最も工具寿命が短いねじ継手（試験Ｎｏ．１１）の工具寿命を「１」とし、各ねじ継手の工具寿命はその相対値で示す。

表３に示すように、本発明例のＮｏ．２のねじ継手のねじ切り加工時間は、ダブテイル状のねじ部を有するＮｏ．１１のねじ継手のねじ切り加工時間の約半分であり、台形ねじのＮｏ．９のねじ継手のねじ切り加工時間に近い。本発明例のＮｏ．２のねじ継手の工具寿命は、Ｎｏ．９のねじ継手の工具寿命には及ばないが、Ｎｏ．１１のねじ継手の工具寿命よりは遥かに長い。

上記のとおり、本実施形態の鋼管用ねじ継手１は、雄ねじ部５１のねじ込み進行方向において、雄ねじ部５１のねじ山５７の幅がねじの弦巻線に沿って徐々に狭くなる一方、ねじ溝６２の幅がねじの弦巻線に沿って徐々に広くなっている。更に、雌ねじ部２１のねじ溝４２の幅がねじの弦巻線に沿って徐々に狭くなる一方、ねじ山３１の幅がねじの弦巻線に沿って徐々に広くなっている。

これにより、ボックス１２に対するピン１３のねじ込みの過程で、雄ねじ部５１と雌ねじ部２１とがロッキングした際に、荷重面５５、３４同士の接触、及び挿入面５４、３３同士の接触に伴うくさび効果により、トルク抵抗が急激に増大する。このため、ショルダリングしたショルダ面５９、２４の部分で塑性変形が生じるまでに必要とするトルクを、上昇させることができる。したがって、ねじ継手１の耐トルク性能を向上することができる。また、雄ねじ部５１及び雌ねじ部２１の形状を上述のような構成にすることにより、ハイショルダリングの発生を防止できるとともに、ねじ部の高い寸法精度が不要になってねじ継手１の生産性を向上することができる。

本実施形態の鋼管用ねじ継手１では、ボックス１２に対するピン１３のねじ込み過程において、ボックス１２のシール面２２とピン１３のシール面５６とが接触するよりも前に、雌ねじ部２１のねじ山頂面３２と雄ねじ部５１のねじ谷底面６１とが接触する。ここで、雌ねじ部２１のねじ山頂面３２及び雄ねじ部５１のねじ谷底面６１は、シール面２２、５６同士が接触するよりも前に接触を開始し、ボックス１２とピン１３との締結が終了した状態で所定の干渉量を有するように形成されている。

上述のように、荷重面５５、３４同士及び挿入面５４、３３同士は、それぞれの接触に伴うくさび効果によって非常に強く接触するが、その前段階の過程においては、挿入面５４、３３のみが鋼管２（ボックス１２）の自重程度の強さで接触するに過ぎない。このため、ねじ部での焼き付きの発生リスクを低減することができる。しかも、雌ねじ部２１のねじ山頂面３２と雄ねじ部５１のねじ谷底面６１とが接触した後に、シール面２２、５６同士が接触する。このため、ボックス１２へのピン１３のねじ込み過程で、ボックス１２とピン１３とを同芯に配置することができる。これにより、シール面２２、５６同士が接触する際に、シール面２２、５６同士の偏当たりによる焼き付きが発生するのを防止できる。

なお、雌ねじ部２１のねじ山頂面３２及び雄ねじ部５１のねじ谷底面５３は、管軸Ｐに平行であってもよいし、管軸Ｐに対して傾斜していてもよい。また、雌ねじ部２１のねじ山頂面３２及び雄ねじ部５１のねじ谷底面５３の縦断面形状は厳密な直線でなくてもよいし、他の曲率を有する曲線であってもよく、直線及び曲線を組み合せた形状であってもよい。

雄ねじ部５１のねじ山５７の幅の変化量は、ねじ継手１の外径、雄ねじ部５１の長さによって適宜調整するのが好ましい。ただし、ねじ山５７の幅の変化量が大きい場合には、ねじ山５７を加工する際にねじ切り用の工具を何回も往復させる必要があるため、ねじ切り加工の能率が低下し、生産コストが上昇してしまう。このため、生産性を考慮すると、雄ねじ部５１のねじ山５７の幅の変化量は、弦巻線の両端でのねじ山５７の幅を比較して、３倍以内が好ましく、２倍以内がより好ましい。

雄ねじ部５１及び雌ねじ部２１のねじ高さが高いほど、また、雄ねじ部５１及び雌ねじ部２１のねじピッチを小さいほど、ねじ継手１の耐トルク性能が向上する反面、雄ねじ部５１及び雌ねじ部２１のせん断剛性が低下する。この場合、ねじ切り用の工具の刃先も幅が狭く細長い形状となり、工具の折損、破損等が生じやすくなる。これらを回避するために、雄ねじ部５１のねじ溝６２及び雌ねじ部２１のねじ溝４２の最も狭くなる幅が、それぞれ、ねじ高さの０．７倍よりも大きくなるようにねじ高さ及びねじピッチを決めるのがよい。

ボックス１２のショルダ面２４及びピン１３のショルダ面５９は、ロッキングとショルダリングとが同時に発生するように設けられる。このため、高い耐トルク性能が得られるとともに、シール面２２、５６同士の間に所定の干渉量が導入される。その結果、設計どおりの密封性能が得られる。

ショルダリング時点を基準とするロッキングの発生タイミングのずれ量が、ボックス１２に対するピン１３のねじ込み回転量で±０．１５０回転以内であれば、耐トルク性能を向上することができる。より高い耐トルク性能を得るためには、前記回転量は±０．０８０回転以内がより好ましい。更に十分なシール接触力を確保するためには、マイナス側の回転量、すなわち先のロッキングから後のショルダリングまでの回転量を小さくすることが好ましい。したがって、前記回転量は、高い密封性能及び高い耐トルク性能の両方を安定して得るためには、＋０．１５０回転から−０．０５０回転未満にすることが好ましく、＋０．０８０回転から−０．０４５回転以内にすることがより好ましい。

図８Ａ〜図８Ｃは、ピンとボックスとを締結する際のピンの締付けターン数と締付けトルクの関係の一例を示す模式図である。これらの図８Ａ〜図８Ｃは、トルクチャートと呼ばれるものである。図８Ａは、ロッキングがショルダリングよりも先に発生する状況を示す。図８Ｂは、ロッキングがショルダリングとほぼ同時に発生する状況を示す。図８Ｃは、ロッキングがショルダリングよりも後に発生する状況を示す。これらの図８Ａ〜図８Ｃ中、「ＬＰ」はロッキングの発生タイミングを示し、「ＳＰ」はショルダリングの発生タイミングを示す。

ショルダリング時点を基準とするロッキングの発生タイミングのずれ量が、ピンのねじ込み回転量で所定量の範囲内（＋０．１５０回転から−０．０５０回転未満）であることは、以下のようにして確認することができる。締結を実施する前にピンの雄ねじ部及びボックスの雌ねじ部のそれぞれのねじ位置を測定し、その上で、締結時に記録したトルクチャートを調査することで行う。

具体的には、先ず、ピンについて、雄ねじ部の任意のねじ山を選定し、選定したねじ山からショルダ面までの管軸方向の距離Ｘを測定する。ボックスについて、雌ねじ部のねじ溝のうち、ピンの測定で選定したねじ山と同じ幅を有するねじ溝を選定し、選定したねじ溝からショルダ面までの管軸方向の距離Ｙを測定する。前記距離Ｘと前記距離Ｙの差Ａを算出する。そして、雄ねじ部又は雌ねじ部の荷重面のねじピッチがＰである場合、Ａ／Ｐを算出する。理論的には、Ａ／Ｐが、ショルダリング時点を基準とするロッキングの発生タイミングのずれ量、すなわちピンのねじ込み回転量となる。

ここで、現実には、ねじリードが製造公差の範囲で変動したり、ピン、ボックス等の表面に表面処理が施されてねじリードが僅かに変動したりする。このため、上記で算出したＡ／Ｐに、ねじリードの変動の影響分を加算又は減算し、より正確なＡ／Ｐを求める。その上で、上記で測定したピン及びボックスを実際に締結し、その締結時のトルクチャートの線図形状を調査する。

例えば、ロッキングの発生タイミングのずれ量が所定量の範囲内であれば、図８Ｂに示すように、立ち上がっている線図の部分（これをデルタトルクと呼ぶ）に段差はほとんど見られず、耐トルク性能を示すオーバートルクが非常に高くなる。仮に、ロッキングの発生タイミングのずれ量が所定量の範囲を外れる場合、図８Ａ又は図８Ｃに示すように、デルタトルクに段差が生じる。通常は、デルタトルクに最初に段差（直線から外れる部分）が生じた時点のトルクをオーバートルクと見なす。このため、ロッキングの発生タイミングのずれ量が所定量の範囲を外れると、高い耐トルク性能が得られないことになる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

上記の実施形態では、カップリング１１及び鋼管２を管軸Ｐが上下方向に伸びるように配置した姿勢で、両者を締結している。しかしながら、締結の際のカップリング１１及び鋼管２の姿勢は、互いに締結が可能であれば、どのような姿勢であってもよい。

上記の実施形態では、ボックス１２のシール面２２は、雌ねじ部２１とショルダ面２４との間に設けられ、ピン１３のシール面５６は、雄ねじ部５１とショルダ面５９との間に設けられている。更に、シール面とショルダ面とが隣接し、ピンの先端部にノーズ部が設置されている。しかしながら、本実施形態のねじ継手１は、いかなるシール構造とも組み合わせることが可能である。本実施形態のねじ継手１は、繰り返し荷重が負荷された場合であっても、シール面、ショルダ面及びノーズ部に大きなダメージが生じない。よって、従来の鋼管用ねじ継手よりも更に安定した密封性能が得られる。

上記の実施形態のねじ継手は、カップリング型のねじ継手のみならず、インテグラル型のねじ継手にも適用することができる。

本発明による鋼管用ねじ継手は、鋼管を接続するねじ継手として利用可能である。

１：鋼管用ねじ継手、 ２：鋼管、 １１：カップリング、
１２：ボックス、 １３：ピン、
２１：雌ねじ部、 ２２：ボックスのシール面、
２４：ボックスのショルダ面、
３１：雌ねじ部のねじ山、 ３２：雌ねじ部のねじ山頂面、
３３：雌ねじ部の挿入面、 ３４：雌ねじ部の荷重面、
４１：雌ねじ部のねじ谷底面、 ４２：雌ねじ部のねじ溝、
５１：雄ねじ部、
５２：雄ねじ部のねじ山頂面、 ５４：雄ねじ部の挿入面、
５５：雄ねじ部の荷重面、 ５６：ピンのシール面、
５７：雄ねじ部のねじ山、 ５８：ノーズ部、
５９：ピンのショルダ面、 ６１：雄ねじ部のねじ谷底面、
６２：雄ねじ部のねじ溝、 Ｐ：管軸、
α：雄ねじ部の挿入面が管軸に対してなす角度、
β：雄ねじ部の荷重面が管軸に対してなす角度

Claims (4)

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が締結される鋼管用ねじ継手であって、
   前記ピンは、ショルダ面、シール面及び雄ねじ部を備え、
   前記ボックスは、前記ピンの前記ショルダ面、前記シール面及び前記雄ねじ部のそれぞれに対応するショルダ面、シール面及び雌ねじ部を備え、
   前記雄ねじ部及び前記雌ねじ部は、それぞれ、縦断面が台形状のねじ山を有するテーパねじであり、前記雄ねじ部及び前記雌ねじ部の各ねじ山における縦断面の幅寸法は、頂部側よりも基部側が大きくなっており、
   前記雄ねじ部のねじ込みの進行方向において、
   前記雄ねじ部のねじ山の幅がねじの弦巻線に沿って次第に狭くなる一方、前記雄ねじ部のねじ溝の幅がねじの弦巻線に沿って次第に広くなっていて、前記雌ねじ部のねじ溝の幅がねじの弦巻線に沿って次第に狭くなる一方、前記雌ねじ部のねじ山の幅がねじの弦巻線に沿って次第に広くなっており、
   締結状態において、
   前記ショルダ面同士が接触し、前記シール面同士が接触し、前記雄ねじ部及び前記雌ねじ部の荷重フランク面同士が接触し、前記雄ねじ部及び前記雌ねじ部の挿入フランク面同士が接触し、前記雄ねじ部のねじ谷底面と前記雌ねじ部のねじ山頂面とが接触し、前記雄ねじ部のねじ山頂面と前記雌ねじ部のねじ谷底面との間に隙間が形成され、
   ねじ継手が締結される際に、前記ショルダ面同士が接触する時点を基準とし、前記ボックスに対する前記ピンのねじ込み回転量が＋０．１５０回転から−０．０５０回転未満のときに、前記荷重フランク面同士及び前記挿入フランク面同士の両方の接触が発生するように、前記ショルダ面が設けられている、鋼管用ねじ継手。
2. 請求項１に記載の鋼管用ねじ継手において、
   管軸に対して前記雄ねじ部の前記挿入フランク面が前記進行方向になす角度α、及び、前記管軸に対して前記雄ねじ部の前記荷重フランク面が前記進行方向になす角度βが、それぞれ、９０度以上であり、且つα＞βの条件を満たす、鋼管用ねじ継手。
3. 請求項１又は２に記載の鋼管用ねじ継手において、
   前記ピンの前記シール面は、前記ピンの前記雄ねじ部と前記ショルダ面との間に設けられている、鋼管用ねじ継手。
4. 請求項３に記載の鋼管用ねじ継手において、
   前記ピンの先端に前記ショルダ面が設けられ、
   前記ピンは、前記シール面と前記ショルダ面との間にノーズ部を備える、鋼管用ねじ継手。

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