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KR102372616B1 - 유정관용 조인트 - Google Patents

유정관용 조인트 Download PDF

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KR102372616B1
KR102372616B1 KR1020160066736A KR20160066736A KR102372616B1 KR 102372616 B1 KR102372616 B1 KR 102372616B1 KR 1020160066736 A KR1020160066736 A KR 1020160066736A KR 20160066736 A KR20160066736 A KR 20160066736A KR 102372616 B1 KR102372616 B1 KR 102372616B1
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KR
South Korea
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strength reinforcing
strength
joint
box
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KR1020160066736A
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조광일
김종민
이종관
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주식회사 포스코
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 유정관용 조인트는 외부나사산이 외주면에 형성된 핀부재, 상기 핀부재의 상기 외부나사산과 체결되는 내부나사산이 내주면에 형성된 박스부재 및 상기 핀부재의 단부인 가압단부 및 상기 가압단부에 의해 가압되는 상기 박스부재의 가압지지부 중 적어도 하나에 구비되며, 상기 핀부재 및 박스부재보다 적어도 항복강도가 큰 소재로 형성되는 강도보강부재를 포함할 수 있다.

Description

유정관용 조인트{Joint for metal pipe}
본 발명은 유정관용 조인트에 관한 것이다.
육상 또는 해상에서 유정의 시추 심도가 점차 깊어지면서, 이에 적용되는 유정용 파이프는 고온 및 고압의 환경에 노출되고 있다.
이러한 파이프는 보통 약 10 m정도의 길이로 제작되고 이를 연결하여 사용하고 있기 때문에, 다수의 조인트가 필요하게 되고 여기에 사용되는 조인트도 고온 및 고압 환경뿐만 아니라, 방향 시추 등에 의한 다양한 하중을 견뎌야 한다.
여기서, 파이프의 연결을 위하여, 일측 파이프의 외측면에 외부나사산을 사전 가공하고 이에 연결되는 다른 파이프 또는 커플러의 내측면에 내부나사산을 사전 가공하여 현장에서는 이를 회전 체결하여 연결하는 방식이 사용된다.
통상적으로 테이퍼진 외주면에 외부나사산을 갖는 관형의 연결 구조체를 핀부재라고 하고, 상기 핀부재의 외부나사산과 맞물리도록 테이퍼진 내주면에 내부나사산을 갖는 관형의 연결구조체를 박스부재라고 한다.
이러한 핀부재나 박스부재는 별도로 형성된 후 파이프에 용접되거나 별도의 부재로서 파이프의 연결에 제공되기도 하고, 파이프에 직접 핀부재나 박스부재에 해당하는 형상을 가공하여 파이프의 연결에 제공되기도 한다.
이때, 유정용 파이프의 연결구조체로서 사용되는 핀부재와 박스부재는 내부의 유체가 밖으로 새어나가거나 외부의 이물질이 내부로 유입되지 않도록 밀폐성을 유지하여야 한다.
여기서, 실링의 건전성은 나사산의 태퍼 및 각각의 형상으로부터 발생하는 토크에 의해 실링면에 나타나는 접촉력으로 결정되며, 실링부의 접촉력을 극대화시키도록 나사산의 형상이 설계되어야 한다.
그러나 높은 하중이 작용하는 굴착 현장이 증가함에 따라 종전보다 파이프에 큰 힘이 발생하고, 이러한 경우에도 실링 성능을 유지하여야 한다.
따라서, 더욱더 유정관용 조인트에 작용하는 하중이 커지게 되며, 특히 핀부재의 단부와 박스부재의 내부면이 접하는 부분인 숄더영역 및 실링을 위해 별도의 형상이 부가되는 실링역역에서 높은 하중이 작용되고 있다.
그런데, 이러한 숄더영역 및 실링영역에 높은 하중이 작용함으로써, 결합 과정 또는 결합 후에 소성변형이 발생함에 의한 영구변형으로 실링 성능이 낮아지는 문제가 발생하게 된다.
따라서, 전술한 문제를 해결하기 위한 유정관용 조인트에 대한 연구가 필요하게 되었다.
본 발명의 목적은 결합시 또는 결합 후의 작용 하중에 의한 소성변형으로 실링 성능이 저하되는 것을 방지하기 위한 유정관용 조인트를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유정관용 조인트는 외부나사산이 외주면에 형성된 핀부재; 상기 핀부재의 상기 외부나사산과 체결되는 내부나사산이 내주면에 형성된 박스부재; 및 상기 핀부재의 단부인 가압단부 및 상기 가압단부에 의해 가압되는 상기 박스부재의 가압지지부 중 적어도 하나에 구비되며, 상기 핀부재 및 박스부재보다 적어도 항복강도가 큰 소재로 형성되는 강도보강부재;를 포함하고, 상기 강도보강부재는, 상기 핀부재 및 박스부재보다 항복강도가 큰 소재를 용융시켜, 상기 가압단부 또는 상기 가압지지부에 형성되도록, 덧살용접으로 구비되고, 상기 강도보강부재는, 상기 가압지지부에 형성된 제1강도보강부재; 및 상기 가압단부에 형성된 제2강도보강부재;를 포함하며, 상기 제1강도보강부재 및 제2강도보강부재 중에 상대적으로 항복강도가 큰 소재로 형성된 강도보강부재는 다른 강도보강부재와 접하는 부분이 라운드 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 유정관용 조인트의 상기 강도보강부재는, 항복강도가 900 ~ 1000 MPa인 소재 또는 티타늄 소재로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
삭제
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 유정관용 조인트는 외부나사산이 외주면에 형성된 핀부재; 상기 핀부재의 상기 외부나사산과 체결되는 내부나사산이 내주면에 형성된 박스부재; 및 상기 핀부재의 단부인 가압단부 및 상기 가압단부에 의해 가압되는 상기 박스부재의 가압지지부 중 적어도 하나에 구비되며, 상기 핀부재 및 박스부재보다 적어도 항복강도가 큰 소재로 형성되는 강도보강부재;를 포함하고, 상기 강도보강부재는, 링 형상으로 형성되어, 상기 가압단부 또는 가압지지부에 용접결합되고, 상기 강도보강부재는, 상기 가압지지부에 형성된 제1강도보강부재; 및 상기 가압단부에 형성된 제2강도보강부재;를 포함하며, 상기 제1강도보강부재 및 제2강도보강부재 중에 상대적으로 항복강도가 큰 소재로 형성된 강도보강부재는 다른 강도보강부재와 접하는 부분이 라운드 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 유정관용 조인트의 상기 강도보강부재는, 상기 가압단부 또는 가압지지부의 부분을 열처리하여 다른 부분보다 항복강도가 높은 성질로 변형하여 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
삭제
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 유정관용 조인트는 상기 핀부재와 상기 박스부재가 서로 축 방향으로 나사 결합하여 맞닿는 부분에 구비되는 실링부재를 포함하고, 상기 강도보강부재는, 상기 실링부재에 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 유정관용 조인트는 핀부재와 박스부재의 결합시 또는 유정의 시추 등의 작업시에 작용하는 하중에 대한 소성변형을 방지할 수 있다.
이에 의해, 핀부재 및 박스부재의 영구변형으로 인한 실링 성능 저하를 방지할 수 있는 이점을 가질 수 있게 된다.
또한, 핀부재 및 박스부재의 항복강도 증가를 위해 전체를 두껍게 함으로서 발생하는 가공성 저하와 소재 낭비의 문제를 방지할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 유정관용 조인트를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 유정관용 조인트가 압축력 및 인장력이 작용함에 따른 상태를 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 3은 본 발명의 유정관용 조인트의 강도보강부재를 별도의 링 형상의 부재로 구비한 실시예를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 유정관용 조인트의 강도보강부재에 라운드 형상을 부여한 실시예를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 유정관용 조인트의 강도보강부재를 실링부재에 구비시킨 실시예를 도시한 사시도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.
본 발명은 유정관용 조인트에 관한 것으로, 핀부재(10)와 박스부재(20)의 결합시 또는 유정의 시추 등의 작업시에 작용하는 하중에 대한 소성변형을 방지할 수 있으며, 상기 핀부재(10) 및 박스부재(20)의 영구변형으로 인한 실링 성능 저하를 방지할 수 있게 되고, 또한 핀부재(10) 및 박스부재(20)의 항복강도 증가를 위해 전체를 두껍게 함으로서 발생하는 가공성 저하와 소재 낭비의 문제를 방지할 수 있게 된다.
구체적으로, 도 1은 본 발명의 유정관용 조인트를 도시한 단면도이고, 도 2는 본 발명의 유정관용 조인트가 압축력 및 인장력이 작용함에 따른 상태를 도시한 시뮬레이션 결과이다. 여기서, 도 2의 (a)는 압축 작용시의 상태를 나타낸 것이고, 도 2의 (b)는 인장 작용시의 상태를 도시한 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유정관용 조인트는 외부나사산(12)이 외주면에 형성된 핀부재(10), 상기 핀부재(10)의 상기 외부나사산(12)과 체결되는 내부나사산(22)이 내주면에 형성된 박스부재(20) 및 상기 핀부재(10)의 단부인 가압단부(11) 및 상기 가압단부(11)에 의해 가압되는 상기 박스부재(20)의 가압지지부(21) 중 적어도 하나에 구비되며, 상기 핀부재(10) 및 박스부재(20)보다 적어도 항복강도가 큰 소재로 형성되는 강도보강부재(30)를 포함할 수 있다.
다시 말해, 유정관용 조인트가 결합시에 하중이 집중되는 상기 핀부재(10)의 단부인 가압단부(11)와 상기 박스부재(20)의 가압지지부(21)가 구비되는 숄더 영역의 소재를 항복강도가 다른 부분보다 큰 소재로 형성함으로써, 소성변형으로 발전하는 것을 방지하게 구성된 것이다.
여기서, 본 발명의 유정관용 조인트는 제1 유정관의 일측단부에 형성되는 핀부재(10)와, 제1 유정관과 연결되는 제2 유정관의 일측단부에 형성되는 박스부재(20)가 핀부재(10)와 나사결합되도록 구성될 수 있다.
상기 핀부재(10)의 외부나사산(12)과 상기 박스부재(20)의 내부나사산(22)에 토크를 걸어 유정관의 축방향으로 결합시켜 핀부재(10)와 박스부재(20)를 연결할 수 있게 된다.
더 구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 핀부재(10)는 외주면에 형성된 외부나사산(12)과, 외부나사산(12)에서 단부방향으로 연장형성되고 외부나사산(12)이 형성되지 않고 테이퍼진 형태의 실링 영역 및 핀부재(10)의 단부인 가압단부(11)가 구비되는 숄더 영역이 형성될 수 있다.
상기 박스부재(20)는 내주면에 형성되는 내부나사산(22)과, 내부나사산(22)에서 단부방향으로 연장 형성되고 내부나사산(22)이 형성되지 않고 테이퍼진 형태의 실링 영역 및 상기 핀부재(10)의 가압단부(11)가 접하는 박스부재(20)의 가압지지부(21)가 구비되는 숄더 영역이 형성될 수 있다.
그리고, 상기 핀부재(10)의 외부나사산(12)과 상기 박스부재(20)의 내부나사산(22)이 나사 결합되면서, 핀부재(10)와 박스부재(20)가 축방향으로 가까워지면서 제1 유정관과 제2 유정관이 체결될 수 있다.
더하여, 상기 핀부재(10)의 외부나사산(12)과 박스부재(20)의 내부나사산(22)이 나사 결합되면서 핀부재(10)의 외주면과 박스부재(20)의 내주면이 가까워지면서 핀부재(10)와 박스부재(20)의 실링 영역에 구비된 실링부재(40)가 둘레방향으로 밀폐시키면서, 제1 유정관과 제2 유정관의 조인트는 밀폐될 수 있는데, 이에 대한 자세한 설명은 도 5를 참조하여 후술한다.
그리고, 외부나사산(12)과 내부나사산(22)에 컴파운드를 도포한 상태에서 상기 핀부재(10)와 상기 박스부재(20)를 체결하여 외부나사산(12)과 내부나사산(22)의 체결이 완료된 상태의 일부 공간에는 컴파운드가 충전될 수 있다.
그리고, 상기 숄더 영역은 상기 핀부재(10)와 박스부재(20)가 나사 결합시 서로 맞닿게 되면서 핀부재(10)와 박스부재(20) 체결의 스토퍼 역할을 수행할 수도 있다.
그런데, 상기 숄더 영역에서 상기 핀부재(10)의 가압단부(11)와 상기 박스부재(20)의 가압지지부(21)에 작용하는 하중이 소성변형이 발생할 수 있는 강도 이상으로 작용하면 상기 숄더 영역의 영구 변형으로 인한 실링 성능에 영향을 미칠 수 있기 때문에, 상기 강도보강부재(30)가 구비된다.
상기 강도보강부재(30)는 상기 핀부재(10) 및 상기 박스부재(20)를 형성하는 소재보다 항복강도가 큰 소재로 형성되게 되며, 일례로 항복강도가 900 ~ 1000 MPa인 소재 또는 티타늄 소재로 형성로 형성되게 된다.
다시 말해, 본 발명의 일 실시예에 따른 유정관용 조인트의 상기 강도보강부재(30)는, 항복강도가 900 ~ 1000 MPa인 소재 또는 티타늄 소재로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 항복 강도가 900 ~ 1000MPa인 소재를 사용하는 것은 유정관용 조인트를 형성하는 소재가 일반적으로 API의 P110 또는 Q125 소재이고, 이러한 소재들은 대략적으로 750 ~ 850MPa의 항복강도를 형성하게 되는데, 이보다 약 20% 상승된 항복강도가 900 ~ 1000MPa인 소재이기 때문이다.
즉, 상기 핀부재(10) 또는 박스부재(20)를 형성하는 소재보다 약 20% 상승된 항복강도를 형성하는 소재를 상기 숄더 영역에 부여하는 것인데, 이는 유정관용 조인트의 결합시 또는 시추 작업을 위한 압축/인장시에 하중이 집중되는 영역은 다른 영역보다 약 20% 큰 하중이 작용히기 때문이다.
그리고, 상기 강도보강부재(30)는 덧살용접에 의해서 상기 가압단부(11), 가압지지부(21)에 구비될 수 있다.
다시 말해, 본 발명의 일 실시예에 따른 유정관용 조인트의 상기 강도보강부재(30)는, 상기 핀부재(10) 및 박스부재(20)보다 항복강도가 큰 소재를 용융시켜, 상기 가압단부(11) 또는 상기 가압지지부(21)에 형성되도록, 덧살용접으로 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
이와 같이, 상기 강도보강부재(30)의 제공시에 덧살용접을 하는 것은 용접에 의한 상기 강도보강부재(30) 내부에서의 강도 성질 편차가 발생하는 문제를 방지하기 위한 것이다.
다만, 상기 강도보강부재(30)를 덧살용접이 아닌, 링 형상의 부재로 제공되어 일반 아크 용접 등에 의해 결합하게 구비시킬 수도 있는데, 이에 대한 자세한 설명은 도 3을 참조하여 후술한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 유정관용 조인트의 상기 강도보강부재(30)는, 상기 가압단부(11) 또는 가압지지부(21)의 부분을 열처리하여 다른 부분보다 항복강도가 높은 성질로 변형하여 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다시 말해, 상기 강도보강부재(30)는 숄더 영역 이외의 상기 핀부재(10) 및 박스부재(20)의 다른 부분보다 강도를 크게 형성된 부분이기 때문에, 상기 숄더 영역의 가압단부(11) 또는 가압지지부(21)를 열처리하여 형성할 수도 있는 것이다.
즉, 상기 숄더 영역을 다른 부분들보다 마르텐사이트 조직을 비교적 많이 형성함으로써, 강도를 높인 강도보강부재(30)로 형성될 수 있는 것이다.
도 3은 본 발명의 유정관용 조인트의 강도보강부재(30)를 별도의 링 형상의 부재로 구비한 실시예를 도시한 사시도이며, 이를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유정관용 조인트의 상기 강도보강부재(30)는, 링 형상으로 형성되어, 상기 가압단부(11) 또는 가압지지부(21)에 용접결합되는 것을 특징으로 할 수 있다.
다시 말해, 상기 강도보강부재(30)를 덧살용접이 아닌, 링 형상의 부재로 제공되어 일반 아크 용접 등에 의해 결합하게 구비시킬 수 있는 것이다.
이와 같이 상기 강도보강부재(30)를 링 형상의 별도 부재를 제공하여 용접 결합하게 되면, 상기 강도보강부재(30)의 형상을 원하는 형상으로 제공하는 것을 용이하게 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 유정관용 조인트의 강도보강부재(30)에 라운드 형상을 부여한 실시예를 도시한 사시도로서, 이를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유정관용 조인트의 상기 강도보강부재(30)는, 상기 가압지지부(21)에 형성된 제1강도보강부재(31) 및 상기 가압단부(11)에 형성된 제2강도보강부재(32)를 포함하며, 상기 제1강도보강부재(31) 및 제2강도보강부재(32) 중에 상대적으로 항복강도가 큰 소재로 형성된 강도보강부재(30)는 다른 강도보강부재(30)와 접하는 부분이 라운드 형상으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
다시 말해, 숄더 역역의 상기 가압단부(11)에 구비된 강도보강부재(30)와 상기 가압지지부(21)에 구비된 강도보강부재(30)는 서로 다른 강도를 가질 수도 있는 것이며, 이러한 경우에는 비교적 항복강도가 약한 강도보강부재(30)의 형성 영역을 증가시키기 위해서, 비교적 항복강도가 강한 강도보강부재(30)의 형성 영역을 라운드 형상으로 형성하게 구비시킨 것이다.
일례로 도 4에 도시된 것은 가압단부(11)에 구비된 제2강도보강부재(32)가 가압지지부(21)에 구비된 제1강도보강부재(31)보다 강도가 큰 소재로 형성되었기 때문에, 라운드 형상으로 형성되게 제공된 것이다.
이에 의해서, 상기 제1강도보강부재(31)가 형성된 영역이 상기 제2강도보강부재(32)가 형성된 영역보다 크게 됨으로써, 비교적 강도 보강의 효과를 더 크게 할 수 있어, 상기 제1강도보강부재(31)와 제2강도보강부재(32) 사이에 형성되는 강도 차이를 보완할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 유정관용 조인트의 강도보강부재(30)를 실링부재(40)에 구비시킨 실시예를 도시한 사시도로서, 이를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유정관용 조인트는 상기 핀부재(10)와 상기 박스부재(20)가 서로 축 방향으로 나사 결합하여 맞닿는 부분에 구비되는 실링부재(40)를 포함하고, 상기 강도보강부재(30)는, 상기 실링부재(40)에 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
다시 말해, 상기 핀부재(10)의 외부나사산(12)과 박스부재(20)의 내부나사산(22)이 나사 결합되면서 핀부재(10)의 외주면과 박스부재(20)의 내주면이 가까워지면서 핀부재(10)와 박스부재(20)의 실링 영역에 구비된 실링부재(40)가 둘레방향으로 밀폐시키게 되는데, 이때 상기 실링부재(40)에 부가되는 하중은 다른 부분보다 높기 때문에, 상기 실링부재(40)에도 상기 강도보강부재(30)를 구비시킴으로써, 소성변형에 의한 실링 성능 저하를 방지하는 것이다.
이러한 실링 영역에 구비된 강도보강부재(30)에 대한 설명은 전술한 숄더 영역에 구비된 강도보강부재(30)의 내용과 동일하다.
10: 핀부재 11: 가압단부
12: 외부나사산 20: 박스부재
21: 가압지지부 22: 내부나사산
30: 강도보강부재 31: 제1강도보강부재
32: 제2강도보강부재 40: 실링부재

Claims (7)

  1. 외부나사산이 외주면에 형성된 핀부재;
    상기 핀부재의 상기 외부나사산과 체결되는 내부나사산이 내주면에 형성된 박스부재; 및
    상기 핀부재의 단부인 가압단부 및 상기 가압단부에 의해 가압되는 상기 박스부재의 가압지지부 중 적어도 하나에 구비되며, 상기 핀부재 및 박스부재보다 적어도 항복강도가 큰 소재로 형성되는 강도보강부재;
    를 포함하고,
    상기 강도보강부재는,
    상기 핀부재 및 박스부재보다 항복강도가 큰 소재를 용융시켜, 상기 가압단부 또는 상기 가압지지부에 형성되도록, 덧살용접으로 구비되고,
    상기 강도보강부재는,
    상기 가압지지부에 형성된 제1강도보강부재; 및
    상기 가압단부에 형성된 제2강도보강부재;
    를 포함하며,
    상기 제1강도보강부재 및 제2강도보강부재 중에 상대적으로 항복강도가 큰 소재로 형성된 강도보강부재는 다른 강도보강부재와 접하는 부분이 라운드 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 유정관용 조인트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 강도보강부재는,
    항복강도가 900 ~ 1000 MPa인 소재 또는 티타늄 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 유정관용 조인트.
  3. 삭제
  4. 외부나사산이 외주면에 형성된 핀부재;
    상기 핀부재의 상기 외부나사산과 체결되는 내부나사산이 내주면에 형성된 박스부재; 및
    상기 핀부재의 단부인 가압단부 및 상기 가압단부에 의해 가압되는 상기 박스부재의 가압지지부 중 적어도 하나에 구비되며, 상기 핀부재 및 박스부재보다 적어도 항복강도가 큰 소재로 형성되는 강도보강부재;
    를 포함하고,
    상기 강도보강부재는,
    링 형상으로 형성되어, 상기 가압단부 또는 가압지지부에 용접결합되고,
    상기 강도보강부재는,
    상기 가압지지부에 형성된 제1강도보강부재; 및
    상기 가압단부에 형성된 제2강도보강부재;
    를 포함하며,
    상기 제1강도보강부재 및 제2강도보강부재 중에 상대적으로 항복강도가 큰 소재로 형성된 강도보강부재는 다른 강도보강부재와 접하는 부분이 라운드 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 유정관용 조인트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 강도보강부재는,
    상기 가압단부 또는 가압지지부의 부분을 열처리하여 다른 부분보다 항복강도가 높은 성질로 변형하여 형성하는 것을 특징으로 하는 유정관용 조인트.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 핀부재와 상기 박스부재가 서로 축 방향으로 나사 결합하여 맞닿는 부분에 구비되는 실링부재;
    를 포함하고,
    상기 강도보강부재는, 상기 실링부재에 형성되는 것을 특징으로 하는 유정관용 조인트.
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