KR930000500B1 - 유정 배관 연결기 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]

유정 배관 연결기

[도면의 간단한 설명]

제1도는 본 발명에 따른 연결기의 수직 단면도이다.

제2도는 본 발명에 따른 연결기의 나사형태를 도시한 도면이다.

제3도는 종래의 튜브연결 나사의 나사형태를 도시한 도면이다.

[발명의 상세한 설명]

[기술분야]

본 발명은 유정배관용 연결기에 관한 것이다.

종래의 나사이를 가진 파이프 커플링의 외경은 유정내에 설치된 케이싱 및 배관의 연결체를 연결하는 파이프 결합기의 외경보다 크며, 이는 지상의 파이프 연결 시스템에서는 통상적으로 나타나지 않는 유정에서만 나타나는 여러가지 제약이 따른다. 각각의 계속되는 연결체는 시추 또는 이전에 설치된 파이프의 연결부에 의해 형성된 구멍내를 통과해야만 하는 커플링을 포함하고 있다. 또한, 구멍과 연결부의 최대직경 사이에는 막힘없이 아래로 내리고, 유동유체의 마찰에 의해 야기되는 허용할 수 없는 압력강하를 일으킴이 없이 유체를 위한 환형부를 통하여 충분한 유동면적을 허용하도록 충분한 틈새를 가져야만 한다. 끝으로, 유정배관 연결체는 유정내에 설치될 수 Km의 파이프의 무게에 의해 야기되는 축방향의 인장부하와 압축부하에 견디어야만 한다. 더욱이, 유정배관 연결체는 내부압력 보다 붕괴되려는 경향에 의한 더 큰 외부유체 압력을 받을 수 있다. 이러한 이유 및 다른 이유에 의해, 업셋 단부(upset end)를 가진 연결부와 고가인 “프리미엄 연결부”가 이러한 제약 조건이 존재하는 곳에 사용되어 왔다. 그러나, 이러한 해결책을 연결부의 외경이 연결된 파이프의 외경보다 크게 되는 결과가 된다. 결합부의 한 단부는 외부에 나사이가 형성되어 있고 다른 단부는 짝결합하는 내부 나사이가 형성되어 있어 업셋 단부를 가지지 않은 파이프 연결부가 있는데 이러한 결합부는 파이프의 중간부분 보다 큰 외경을 가지지 않고 연결되도록 함께 나사 결합될 수 있다. 그러나 하이드릴(Hydril) FJ 프리미엄 배관 연결부와 같은 이러한 연결부는 업셋이 없는 API 배관 연결부에 대하여 나사이를 가지지 않은 파이프 벽과 비교하여 오직 42%의 축방향 인장강도를 받는다. 최근의, 직경제한에 따른 전형적인 유정 배관의 표준치수는 13.97㎝ 외경×7.3025㎝ 외경×4.064㎝ 외경이다.

1933년 10월 스톤에게 허영된 미합중국 특허 제1,932,427호는 연결부의 내부두께가 두께워진 내부업셋 파이프를 제공하여 축방향 및 방사방향의 강도를 증가시켰으나, 연결영역을 통하여 파이프벽을 결합시킬때, 축방향의 인장에 의해 야기될 수도 있는 수축이 파이프 연결영역 보다 파이프벽에서 크게되기 때문에, 직경 감소 및 파열이 연결영역에서 일어나기 전에 파이프 몸체에서 일어나는 결함이 있다. 상기 내부업셋 파이프는 50% 이하의 효율을 나타낸다.

1971년 3월 레드윈에게 허여된 미합중국 특허 제3,572,771호는 두꺼운 벽 업셋 천공 파이프 결합체를 가진 박벽 비업셋을 제안하였으나, 이 역시 40%의 효율을 나타냈으며, 내피로성이 낮으며 효율이나 밀봉성이 좋지 않다. 또한, 인장면에서 파이프와 같이 실질적으로 튼튼한 파이프벽 영역보다 작은 목부영역을 가진 이중된 커플링의 사용을 제안하지 못하고 있다. 오히려 이것은 비업셋 파이프 연결체는 파이프의 최종 결합나사로부터 파이프 몸체의 파손되는 단점이 있다.

1937년 9월 자나타에게 허여된 미합중국 특허 제2,094,491호는 결합되는 나사로부터 풀리거나 결합되는 외부에 나사이를 가진 파이프를 제안하였다. 이는 실제 사용에 있어서, 인장하에서 파이프가 자연적으로 죄어지는 경향은 나사의 측면 각도에 관계없이 연결부가 헐거워지거나 나사산을 뛰어 넘는 단점이 있다.

1925년 11월 셸던 및 패턴슨에게 허여된 미합중국 특허 제1,562,373호는 테이퍼 허용오차 한계가 핀의 작은 직경부에서 제 1 접촉을 보장하는 파이프를 제안하였다. 그러나, 이는 항복 이전에 고압에 견딜 수 없으며 핀의 단부가 중립직경부로 연장되기 전에 고압에 견디지 못하며 이에 의해 누설이 야기되는 단점이 있다.

본 출원인의 계류중인 출원에 설명된 발명의 명칭이 “유정 펌프수단 및 방법”에서 보다 더 바람직하게 사용하기 위하여, 7.3025㎝ 외경×4.064㎝ 외경×2.667㎝ 외경이 틈새 또는 비용 및 상기 표준치를 쓸 수 없을때 설치 가능하며, 모든 경우에 비용이 적게들고, 더 효과적인 설치를 할 수 있다. 매 유정마다 수톤의 강철 파이프의 낭비를 막을 수 있다. 감소된 벽두께를 가지지 않은 파이프가 유체압력을 받을때, 유체압력에 의해 야기된 벽내의 축방향 응력은 같은 압력에 의해 야기된 벽내의 외주방향 응력의 약 절반이며, 이와 같은 양의 축방향 응력은 외주방향의 응력을 초과함 없이 파이프하중 등에 적용될 수 있다. 비업셋 파이프의 연결부 상에 형성된 나사와 같이 파이프벽 두께의 감소는 파이프 중량을 지지하기 위하여 제공될 수 있는 축방향 응력의 크기 이상을 감소시킬 것이다.

그러므로, 유체압력에 대하여 밀봉되도록 결합기의 능력의 손실이 없이 요구되는 축방향 강도와 일치하는 최대내경이 되도록 선택할 수 있는 내경을 가지고 파이프의 외경보다 크지않은 외경을 가진 관형 결합기가 필요하다.

[배경기술]

여러 특허를 기초로 하여 하이드릴사에 의해 제조된 비업셋 배관 연결기는 제 1 연속나사부와, 두 배관의 연결부 사이에서 테이퍼진 짝결합 밀봉체와 제 1 연속나사부의 구멍내를 통과하기 위하여 충분한 직경의 제 2 연속나사부를 구비하고 있으며 이는 값이 비싼 프리미엄 연결부이고 출판된 재료에 따르면 파이프벽에 관하여 오직 42%의 충분한 강도를 가진다.

표준 A.P.I 비업셋 배관 연결부는 파이프의 외부직경보다 상당히 큰 외경을 가진 커플링을 구비하나 상기와 같이 약 42%의 효율만을 향유할 수 있다. A.P.I는 연결체들 사이의 틈새를 증가시키기 위하여 “턴다운”(turn down) 칼라 외경을 만들었으나 실제적으로 파이프 외경을 초과하는 것이다.

코버리(coberly) 특허 제3,005,414호는 다운 홀 펌프(down hole pump)까지 유체력을 전달하기 위한 배관 연결체와, 다운 홀 펌프로부터 표면까지 배출된 유체력을 전달하기 위한 연결체와, 펌프로부터 유두까지 유정유체를 전달하기 위한 제 3 연결체를 필요로 한다. 그는 큰 케이싱내에 세개의 평행한 연결체를 설치하고 동심으로 설치되는 비업셋 파이프의 사용에 대하여 설명하고 있지 않다.

[발명의 설명]

본 발명은 연결된 비업셋 배관연결부의 단부내에 형성된 테이퍼진 내부 나사와 짝결합 하기 위하여 그 위에 테이퍼진 외부나사가 형성되어 있는 배관 커플링을 가진 유정배관용 비업셋 연결기를 제공한다.

결합기는 일차 밀봉지역내의 짝결합 나사이들 사이에서 더 높은 밀봉력을 제공하도록 인접한 배관벽보다 얇은벽인 숫나사의 작은 단부내에서 더 높은 외주 방향응력을 허용하도록 형성된 배관 연결부 물질보다 높은 강도를 가진 물질로 형성될 수 있다. 연결부를 위한 고강도 물질의 사용은 배관연결부 상에 형성된 숫나사에 제공된 것보다 더 높은 부하능력을 제공한다.

통상적으로 30^o의 나사측면을 가진 비업셋배관 나사부의 분리되려는 본래부터의 경향을 감소시키기 위하여, 나사의 형태는 15^o또는 그 이하의 부하베어링 측면각을 가지고 있고, 정확한 각도는 파이프 직경, 벽두께 및 재료 강도와 같은 인자에 달려있다.

정유산업, 항공산업 및 핵산업 분야에서 30년 이상 세계적으로 성공하고 있는 미합중국 특허 제2,766,829호를 시작으로 본 출원인의 일련의 특허에 설명된 바와같이, 외부나의 경사는 내부유체 압력에 따라 연결기상에 가해진 축방향 부하를 최소화하기 위하여 가능한 가장 작은 압력으로 일차적인 최대 밀봉경향을 보장하도록 내부나사이의 경사보다 작은 각도로 형성되어 있다. 본 발명은 이러한 특징과 몇몇 다른 특징을 결합하여 이용하였다.

결합부는 완전한 제조로 배관연결부의 단부를 접합하기 위한 쇼올더를 구비할 수 있고 정확한 길이로 제조하는 것이 요구된다. 두개의 완전 제작에 앞서 하나의 협동하는 나사이를 가진 부재의 외주방향으로의 과도한 응력을 회피하기 위하여, 결합된 나사이의 작은 단부 근처의 두개의 벽 두께는 각각의 재료의 강도에 역비례하도록 치수결정될 수도 있다. 탄성모듈이 두 부재에 대하여 실질적으로 동일하기 때문에, 두 부재는 그들 각각의 재료강도에 대해 실질적으로 동일한 비율로 가압된다.

연결기의 가장 안쪽 직경은 매우 중요하고, 결합구멍은 예를들면 62%의 연결기 효율을 제공하도록 짧은 결합기가 되도록 치수파이프를 위한 표준직경 보다 약간 큰 치수로 결정될 수 있다. 그러나 축방향 결합 강도가 매우 중요할지라도, 결합구멍은 95 내지 100%의 연결기 효율을 제공하도록 긴 결합이 되게 표준직경보다 약간 작게 치수결정될 수도 있다. 배관연결체내의 내부나사는 연결체를 수용하기 위한 충분한 치수로 형성되고 이에의해 사용할때 연결체의 선택에 의해 융통성을 부가할 수 있다. 예를들면, 짧은 연결체는 최대 내부 틈새를 제공하도록 스트링의 하부부분 내에 사용될 수 있으며, 이에의해 유동 조항을 감소시키고 ; 긴 연결체는 스트링의 하중으로 인하여 높은 축하중에 의해 필요한 더 큰 축방향 강도를 제공하기 위하여 상부부분에서 사용될 수 있고 ; 모든 이와같은 배관 이음매로 함께 사용될 수 있다.

제1도는 각각 연결된 튜브(8,9)의 연결체내에 형성되어 있는 경사진 내부 나사부(6,7)와 밀봉 결합되도록 하부부분상에 형성되어 있는 나사를 가지고 있고 상부부분 상에 형성되어 있는 경사진 외부나사부(3)를 가진 결합부(2)를 구비하고 있는 관연결기(20)가 도시되어 있다.

관연결기(2)는 관치수를 위한 공업표준규격 “트리프트 바”가 통과할 수 있는 내부직경을 가진 연결기를 가지는 것이 요구될때 내부나사부(6,7)의 전체 길이에 걸쳐 연장되지 않는 단부표면 즉, 상부 단부표면(11), 하부 단부표면(12)과 내부직경(10)을 구비하고 있다. 하부단부표면(12)에서와 같이 결합된 마지막 나사의 골직경 사이의 장력영역에 의해 한정되는 연결기와, 튜브의 외경을 파이프벽 강도의 약 3분의 2의 축방향 인장강도를 제공할 수 있다.

더 높은 축방향 강도를 가진 연결기가 필요하며, 연결기(2)는 도면부호(13)에서의 내부직경과, 도면부호(14)에서의 상부 단부표면과, 도면부호(15)에서의 하부단부 표면과 함께 형성될 수 있다. 연결기는 파이벽 강도와 실제적으로 동일한 축방향 강도를 가진 연결기를 제공하기 위하여 내부나사의 실제적으로 전체 유효길이로 연장되어 있다.

전형적인 튜브 결합체는 연결기 길이의 60배 이상의 길이를 가지고 그들을 연결하기 때문에, 커플링을 전체 스트링의 비용의 심각한 증가를 야기하지 않고 형성된 연결체의 재료보다 더 강한 재료로 형성될 수 있다. 연결기를 위한 고강도 재료의 사용은 목부(16)에서 연결기의 강도가 증가되고 도면부호(12)에서 파이프 단부의 좌굴저항이 증가되고 이에 의해 분리강도가 증가하기 때문에 연결기(20)를 위한 더 높은 축방향 강도로 제조하는 것이 가능하다. 연결기의 분리강도를 더욱 증가시키기 위하여, 제2도에 도시된 나사형태는 제3도에 도시된 유정배관에 사용되는 가장 일반적인 나사형태에 반대인 짝결합 나사에 사용될 수 있다. 제3도의 형태는 옆구리에서 수직으로 나온선과 수직선 사이에서 30^o의 각을 발생하는 30^o의 부하를 받는 측면각도를 가지고 있다. 5^o의 마찰각을 가상하면, 기본 벡터 해석은 제2도에 도시된 형태가 제3도에 도시된 것보다 2.5배의 분리강도를 갖게된다. 측면각의 감소는 분리되려는 경향을 실제적으로 제거한다. 나사를 가진 부재의 관형벽을 얇게하는 것과 30^o의 측면각이 사용될때 분리강도가 약하게 하는것은 작은 부하를 받는 측면 각도의 사용에 의해 박벽연결부의 분리경향은 우려되지 않은 수준까지 감소시킬 수 있다.

최소직경의 연결기 밀봉직경을 보장하기 위하여 최소의 축방향 유체부하와 외부나사의 경사는 내부나사의 경사보다 약간 작게할 수도 있다. 이러한 조건은 인접한 결합벽보다 두껍게 형성될 도면부호(17)에서와 같이 인접한 파이프 결합체의 단부표면(12)에서 연결기의 최대축방향 압축을 허용한다. 그러므로 제조시에 단부(12)는 두께의 차이에 따라 연장되는 벽(12,17) 보다 더 가압할 것이고, 탄성율은 실제적으로 동일하다. 결합기(2)가 튜브연결체(8 또는 9) 보다 더 고강도의 재료로 제조되기 때문에, 두께는 측벽(12,17)내에서의 응력이 형성된 부재의 항복강도와 실제적으로 같은 비율로 되도록 치수결정될 수 있다.

연결기(20)는 결합체(9)의 단부상에 형성되어 있는 견부(18)와, 중간나사(4)의 연결기(2) 상에 형성된 견부(19)와 연결기(2)의 외경부(21)를 구비하고 있다. 결합나사는 제1도에 도시된 구성체와 같이 치수결정 또는 요구되는 큰 굽힘강도 또는 큰 토션강도가 되도록 치수결정되어 있고, 결합나사는 제조시에 견부(18,19)가 인접하도록 허용하는 주어진 인접한 공차를 가지도록 치수결정되어 있다.

Claims (19)

1. 비업셋 유정배관의 결합을 위한 고효율 연결기(20)에 있어서, 각 단부에 경사진 내부나사(6,7)가 형성되어 있고 그 단부 근처에서 증가되지 않은 벽두께를 가진 파이프 연결부와 ; 관형 스트링에 두개 이상의 파이프 연결체를 연결하기 위하여 내부나사와 밀봉결합을 위한 경사진 내부나사가 각 단부에 형성된 관형 연결기(21)와 ; 파이프의 공칭 벽두께의 적어도 4분의 3인 나사 결합부의 가장 작은 직경과 인접한 파이프벽 두께를 구비한 것을 특징으로 하는 연결기.
2. 제1항에 있어서, 파이프벽 영역의 공칭 횡단면 보다 작은 벽횡단면적을 가지고 형성되어 있는 외부나사의 기초부에 있는 목부(16)와 ; 연결체(21)의 외부나사(4)가 고압 유체 압력을 효율적으로 밀봉하도록 파이프 재료보다 잘 수축할 수 있도록 목부(16)가 파이프(9)와 같이 실제적으로 강하도록 파이프 재료보다 실제적으로 강한 재료로 형성된 연결체(21)를 구비한 것을 특징으로 하는 연결기.
3. 제1항에 있어서, 파이프 구멍보다 작은 치수의 구멍을 가지도록 형성되어 있는 연결체를 구비할 것을 특징으로 하는 연결기.
4. 제1항에 있어서, 연결체(20)를 통하여 결합된 벽의 강도는 파이프벽의 좌굴저항 보다 큰 것을 특징으로 하는 연결기.
5. 제4항에 있어서, 연결체의 좌굴저항은, 나사이를 가지지 않은 파이프벽(9)의 파손 및 직경저하는 연결체(20)가 조립된 연결체에 증가하는 인장부하를 적용하여 일어날 연결체(20)의 고장이전에 일어나도록 파이프벽의 좌굴저항 보다 충분히 큰것을 특징으로 하는 연결기.
6. 제1항에 있어서, 작게 끼인 각의 테이퍼로 형성된 외부나사(4)를 구비하고, 내부나사(7)의 경사는 연결체(20)가 완전히 제조되고, 제 1 예비 결정된 외주응력은 외부나사의 가장 작은 직경에서의 연결체에서 일어나고 제 2 예비결정된 외주응력은 나사연결부의 가장 큰 직경(18)에서 파이프벽에서 일어나는 제 1 응력 보다 더 작은 크기가 되는 것을 특징으로 하는 연결기.
7. 제6항에 있어서, 연결체(20)가 외부나사(4)의 가장 작은 직경부(12)에서 외부나사와 내부나사 사이의 제 1 접촉부를 구비하고, 연결체의 완전한 제조시에 외부나사의 완전한 결합이 달성되는 것을 특징으로 하는 연결기.
8. 제1항에 있어서, 부하를 받는 측면 및 스탭측면을 가지고 형성된 나사는 관의 축(2,4)에 관하여 74^o이상의 예각으로 형성된 부하측면과 ; 관의 축에 관하여 더 작은 각도의 예각으로 형성된 스탭측면과를 구비하고, 부하측면과 스탭측면은 연결체의 완전한 제조에 따라 증가된 밀봉결합이 나사결합의 실제적으로 전길이를 따라 달성되도록 협동반경에 의해 뿌리부와 크레스트부에서 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 연결기.
9. 제1항에 있어서, 내부나사(6,7)는 실제적으로 파이프 구멍까지 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 연결기.
10. 제1항에 있어서, 테이퍼의 가장 작은 직경단부쪽으로 마지막 결합된 나사와 인접한 나사 뿌리부에서 파이프벽 두께(17)는 비업셋 파이프를 위한 고강도 연결체를 제공하도록 파이프의 중간부분에서 파이프벽 두께의 75% 이상 큰것을 특징으로 하는 연결기.
11. 제1항에 있어서, 테이퍼의 가장 작은 직경 단부쪽으로 마지막 결합된 나사와 인접한 나사뿌리부에서 파이프벽의 두께(17)는 파이프 강도보다 더 큰 연결체 강도를 제공하도록 파이프(9)의 중간부분에서 파이프벽 두께인 것을 특징으로 하는 연결기.
12. 제1항에 있어서, 나사깊이는 파이프벽 두께의 6분의 1 이하인 것을 특징으로 하는 연결기.
13. 제1항에 있어서, 각 단부내의 테이퍼진 내부나사(6)가 형성되어 있는 결합체와 ; 파이프 결합체의 구멍으로 연장되어 있는 내부나사를 구비하고, 내부나사는 유체압력에 대하여 연결체를 밀봉하고 두개 이상의 연결체(8,9)를 연결하고 파이프의 축방향의 강도의 75%를 초과하도록 적당한 연결체(21)상에 형성되어 있는 외부나사(3,4)와 밀봉결합하기 위하여 형성되고 치수 결정되어 있는 것을 특징으로 하는 연결기.
14. 제1항에 있어서, 연결될 파이프 결합체(8,9)내에 형성되어 있는 내부나사(6,7)와 밀봉 결합을 위하여 각 단부상의 테이퍼진 외부나사(3,4)와 함께 형성되어 있는 연결체와 ; 연결체는 연결체에 조립될때 파이프강도의 75%를 초과하는 연결체를 통하여 축방향 강도를 제공하도록 치수결정되어 있고 충분한 강도의 재료로 형성되어 있고 ; 연결체에 대하여 작용할 유체 압력에 대하여 밀봉을 달성하도록 하는 것을 특징으로 하는 연결기.
15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 연결체(20)는 기계적 또는 유체 압력에 부과될 파이프 강도와 같이 강한 강도를 발효하는 것을 특징으로 하는 연결기.
16. 제5항에 있어서, 마지막 연결된 나사(15)의 파이프벽 영역은 공칭 파이프벽 영역보다 작고, 큰 좌굴저항을 가지고 있기 때문에 마지막 결합된 나사에서 직경축소나 파손이 일어나지 않는 것을 특징으로 하는 연결기.
17. 제1항에 있어서, 연결체는 결합나사의 완전한 결합에 따라 튜브 결합체의 단부와 인접하도록 쇼올더와 함께 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연결기.
18. 유정배관의 결합을 위한 고효율 연결체에 있어서, 테이퍼진 내부나사와 함께 형성되어 있고 평균 파이프벽 두께에 관하여 증가되지 않은 벽두께를 가진 제 1 단부를 구비하고 파이프의 결합체를 형성하고 함께 결합되는 적어도 두개의 파이프와 ; 다른 결합체에 직접 밀봉 연결될 수 있도록 치수 결정된 테이퍼진 외부나사와 함께 형성되어 있는 제 2 단부를 가지고 있는 결합체와 ; 나사결합부의 가장 작은 직경의 영역내에서 제 1 단부의 파이프벽 강도는 파이프의 결합체의 평균 파이프벽 강도의 적어도 4분의 3이 되도록 경사져 있고 충분한 길이의 나사를 구비한 것을 특징으로 하는 연결체.
19. 제18항에 있어서, 제 2 단부는 파이프의 평균 구멍보다 작은 치수의 외부나사를 통하여 구멍직경과 함께 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연결체.

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