KR100818682B1 - 플랜지와 커플링 요소의 냉간 관 결합 방법 및 장치 - Google Patents

플랜지와 커플링 요소의 냉간 관 결합 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

플랜지 또는 다른 커플링 요소를 관에 결합하는 방법에 있어서, 공구 상에 원형 리지(11)가 있는 복수의 반경 방향으로 확장하는 세그먼트(10)는 관(1)으로 삽입되고, 관 벽의 비드(5, 6)를 둘러싸는 커플링 요소(2)의 대응하는 홈으로 가압하고, 세그먼트 상의 돌기에 의해 관 단부는 바깥쪽으로 더 휘게 되며, 이는 관 단부가 비드의 가압시 안쪽으로 테이퍼지는 것을 방지한다. 본 발명은 커플링 요소의 내부 구조뿐만 아니라 비드를 가압하는 공구를 포함한다.

Description

플랜지와 커플링 요소의 냉간 관 결합 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR COLD JOINING FLANGES AND COUPLINGS ELEMENTS TO PIPES}
본 발명은 커플링 요소(예를 들어, 결합 플랜지 수단)를 관에 결합하는 방법 및 공구에 관한 것이다. 이 커플링 요소는 관을 둘러싸고, 관에 대향하고 관에 설치된 대응하는 복수의 비드(bead)를 수용하도록 하는 홈(groove)을 갖고, 커플링 요소는 관으로 연결 가능하다. 청구범위 제 1 항, 제 2 항 및 제 5항의 전제부에서 정의된 바와 같이, 이 커플링 요소는 관을 둘러싸도록 구성되고, 관에 대향하고 관에 설치된 대응하는 복수의 비드를 수용하는 홈을 갖는다.
관-관 연결 또는 관-다른 요소 연결이 설치될 때, 많은 형태와 다양한 종류의 플랜지가 산업계에서 광범위하게 사용된다. 예를 들어, 스크루 플랜지가, 예를 들어, 아연도금 관의 연결에 사용될 때, 스틸 관 및 일반적인 용접 가능한 금속의 경우 플랜지를 관에 용접하는 것이 가장 보편적인 방법이다.
근래에는, 고정을 위해 커플링 내부에서 관을 변형시켜서 커플링 요소를 고정시키고 관을 결합하는 많은 방법이 개발되고 있다. 관을 변형시키지 않거나 변형을 최소화하여 관의 외부에 커플링 요소를 고정시키는 다른 방법 및 장비 또한 개발되고 있다. 그러한 방법의 예가 미국 특허 제 4,593,448호 및 미국 특허 제 4,147,385호에 기술되어 있다. 독일 특허 제 27 24 257호 및 미국 특허 제 2,252,274호는, 롤러 중앙의 회전 원추(rotating cone)에 의해 관을 변형시켜서 커플링 요소의 홈에 끼워맞도록 하는, 롤러가 있는 공구에 대해 기술한다. 독일 특허 제 3144385호는, 반경 방향으로 이동 가능한 리지(ridge)가 밑에 있는 피스톤에 대해 수압의 도움으로 비드(bead)에서 가압하는, 관의 결합 시스템을 기술한다. 그러나, 이하에서 설명될 것과 같이, 비드 측의 관 벽은 내부로 휘어지고, 공구의 리지가 수축할 때, 관의 실제 비드 또한 어느 정도 수축하고, 이는 연결을 취약하게 한다. 또한, 관과 커플링 요소 사이에 금속-금속 밀봉이 있고, 그러므로 상기 문헌에서 기술하는 시스템은 커플링 요소의 홈에 밀봉 소재를 필요로 한다. 독일 특허 제 3144385호에서 기술된 바와 같이, 레디얼 피스톤(radial piston)으로 특히 큰 반경 방향의 힘을 얻는 것이 가능하지 않고, 이러한 원리는 아마도 매우 얇은 벽의 관에서도 사용될 수 있다.
관 벽이 반경 방향의 외부로 가압 된다면, 둘러싸는 커플링 요소의 홈으로 관 벽을 변경시키는 것은 매우 큰 힘을 요구한다. 독일 특허 제 27 24 257호 및 미국 특허 제 2,252,274호에서 기술된 롤러를 사용하는 경우 더 작은 반경 방향의 힘이 요구되나, 다른 한 편, 공구가 관에 고정되어야만 하고, 따라서 규모가 커지고 무거워진다. 롤링은 소재를 더 가혹하게 취급하고, 또한, 반경 방향의 가압보다 더 오래 걸린다.
본 발명의 목적은 공구가 오직 반경 방향으로 작동되어 관의 고정이 불필요한 플랜지 또는 다른 커플링 요소의 관 결합을 제공하는 것이다. 또한, 작은 관과 관련해서도, 상대적으로 두꺼운 관 벽의 비드를 변형하기 위한 충분한 힘을 갖는 특징이 있는 공구를 얻는 것이 목적이다. 또한, 비드의 반경 방향 가압과 관련해서 문제점이 발견되는, 관 단부의 내부를 향한 테이퍼(tapering)가 방지되도록 공구가 작동하게 하는 것이 목적이다.
커플링 요소를 관에 결합하기 위한 방법에 대한 새롭고 특징적인 구성요소가 첨부된 청구범위 제 1 항에서 나타난다.
커플링 요소를 관에 결합하기 위한 방법에 대한 새롭고 특징적인 구성요소가 첨부된 청구범위 제 2 항에서 나타나고, 공구의 추가적인 실시예가 종속항 제 3 항과 제 4 항에서 나타난다.
커플링 요소의 새롭고 특징적인 구성요소가 첨부된 청구범위 제 5 항에서 나타나고, 추가적인 구성요소가 관련 종속항 제 6 항에서 나타난다.
본 발명은 이곳에서 첨부된 도면에 관하여 더 상세하게 기술된다.
도 1a는 관과 커플링 요소에 대한 측면도이다.
도 1b는 관에 비드가 형성되지 않은 상태의 도 1a의 A-A 선을 따라 자른 단면도이다.
도 1c는 도 1b의 둘러싸인 B지역의 확대도이다.
도 1d는 관에 비드가 형성된 상태의 도 1a의 A-A 선을 따라 자른 변형된 단면도이다.
도 2a는 삽입된 관이 있는 변형된 커플링 요소를 나타낸다.
도 2b는 도 2a의 A-A 선을 따라 자른 단면을 나타낸다.
도 3a는 커플링 공정에 앞선 제 1 공정 단계의 관, 커플링 요소 및 삽입된 공구의 측면도를 나타낸다.
도 3b는 도 3a의 관, 커플링 요소 및 공구 부분의 어셈블리를 관통하는 A-A선을 따라 자른 단면을 나타낸다.
도 3c는, 관과 커플링 요소 사이에 커플링이 행하여진 후에 공구의 제 2 공정 단계에서 도 4a에서 나타낸 어셈블리의 측면도를 나타낸다.
도 3d는 도 3c의 어셈블리를 관통하는 B-B 선을 따라 자른 단면을 도시한다.
도 4a는 공구의 측면도이고, 도 4b는 도 4a의 A-A 선을 따라 자른 단면이다.
도 5a는 제 1 각도에서 바라본 공구의 사시도이고, 도 5b는 제 2 각도에서 바라본 공구의 사시도이다.
도 6은 공구의 측면도이다.
도 7a는 변형된 공구의 측면도이고, 도 7b는 공구의 요소로 작용하는 기능 확장부(functional expansion)이다.
도 8a는 변형된 커플링 요소 구조가 있는 관의 측면도이고, 도 8b는 도 8a의 실시예를 관통하는 A-A 선을 따라 자른 단면이다.
도 9는 확립된 커플링의 최종 조정을 예시한다.
삭제
도 1a 내지 도 1c는 비드(5, 6)가 형성되기 전의 관(1)과 커플링 요소(2)를 나타낸다. 도 1d는 관(1)에 형성된 비드(5, 6)가 커플링 요소(2)의 오목부(3, 4)를 향해 각각 가압 된 후의 상태를 나타낸다.
도 2a 및 도 2b는, 관(1)에 끼워맞춤 되고 커플링 요소(2'')의 오목부를 향해 제자리에서 가압되는 비드(5, 6)가 있는 커플링 요소(2'')를 나타내고, 커플링 요소는 다른 커플링 요소(도시되지 않음)에 장착하기 위한 플랜지(2''')를 갖는다.
도 8a 및 도 8b는, 커플링 요소(30)의 부분 구형 표면상에서 기동 가능성에 의해 커플링 요소(30)에 대해 경사질 수 있는 플랜지(30', 30'')가 있는 커플링 요소 구조(30)를 나타낸다.
도 4a 및 도 4b에는 공구의 원리가 도시되고, 관 벽에 비드를 형성하기 위해 공구 직경을 확장시키고 기계적인 힘 증폭기(mechanical force amplifier)로 사용되고 공구에 끼워맞춤 되는 원뿔체(20)의 다른 응용례가 도 4a 내지 도 6에서 도시된다.
도 7a는 수압력 증폭기(hydraulic force amplifier)가 있는 공구를 나타낸다.
외부 커플링 요소(2, 2')와 비드(5, 6)를 형성하는 공구(10)의 내부 구성 모두를 포함하는 본 발명에 따른 장치의 개발 과정에서, 관으로의 커플링 요소(2, 2')의 최적의 장착을 위한 가장 중요한 요소는, 비드(5, 6)를 가압하여 관으로부터 돌출시키는 공구의 부분(11, 11')과 관(1)의 단부가 가압 공정 동안에 내부를 향해 테이퍼지지 않도록(가늘어 지지 않도록) 방지하는 공구의 부분(14)의 구성에 있다는 사실이 곧 발견되었다.
도 1a 내지 도 1d는 관 단부(1')와 맞닿는 커플링 요소(2)의 최외곽부(2')가 바깥쪽으로 젖혀진 것(flared outward)을 나타낸다. 이것에 의해 공구는 관 단부(1')가 바깥쪽으로 더 휘게 하고, 그렇지 않을 경우 관 단부가 상기한 바와 같이 안쪽으로 테이퍼지려고 하는 경향이 있기 때문에, 이러한 것이 필요하다. 따라서, 비드(5, 6)가 가압된 후에, 관(1)은 거의 직선으로 나타나며, 도 1d에서 나타낸 단면에서 볼 수 있는 바와 같다.
커플링 요소의 동일한 기본 내부 구성이 헐거운 플랜지, 도 8에 도시된 바와 같이 기동 가능한 플랜지 및 동일한 고정 방법에 적합한 다른 형태를 위해 의도된 커플링 요소 또는 칼라(collar)에 적용된다.
도 1a 내지 도 3d에 도시된 바와 같이, 커플링 요소(2, 2'')의 원통형 부분은 매우 얇은 벽인 것이 유리하다. 어느 정도는, 벽이 복원력이 있고 가압 공정 동안에 약간 구부러지고, 이는 이후에 내부를 향한 장력 영향하에 있고 따라서 관(1)이 외부를 향한 장력 영향하에 있을 때와 관련해서 추가적인 압력을 제공한다.
실시된 실험실 조건하의 시험은 기계적으로 양호한 밀봉이 홈(3, 4)과 비드(5, 6) 사이에 획득된다는 것을 나타낸다. 그럼에도 불구하고, 하나 이상의 홈에 밀봉 소재를 삽입하는 것이 적절하다.
도 4a 및 도 4b에 따라서, 공구의 원리는 관 벽의 내부를 향해 외부로 가압되고 처음에 비드(5, 6)를 형성하도록 의도된 원형 세그먼트 리지(circle segment ridge, 11)를 각각 갖는 복수의 세그먼트(10)에 기초한다. 가압 공정의 후반부를 향해, 세그먼트의 원통형 어셈블리를 형성하는 세그먼트 각각의 원통형 부분(13)은 비드(5, 6)에 대해 측면 상에 위치한 부분에서 관의 내부로 가압되며, 이는 상기 부분이 내부로 휘는 것을 방지하기 위함이다. 이러한 과정이 도 3a 내지 도 3d 뿐만이 아니라 도 9에도 도시된다. 도 3a 및 도 3b는 가압 공정 전의 관(1)과 커플링 요소(2)을 나타내며, 도 9는, 비드(5, 6)에 대해 측면의 관의 상기 안으로 휜 영역(buckled-in area, 1'')이 보이는 가압시 중간 단계에 대한 확대 도면이다. 도 3c 및 도 3d에서, 세그먼트(10)의 원통형 부분(13)은 커플링 요소(2)를 향해 안으로 휜 영역(1'')을 뒤로 가압하여, 관의 내벽 및 직경이 거의 수평을 이루도록 한다. 이러한 사후 가압(after-pressing)은 관에 강력한 반경 방향의 장력을 가하는 효과를 주며, 이는 비드(5, 6)와 홈(3, 4) 사이의 밀봉부에서 관(1)과 커플링 요소(2) 사이에 접촉압을 증가시키고, 평평한 리지에 관하여, 예를 들어, 독일 특허 제 3144385호에서 이미 기술한 바와 같이, 상기와 같은 관(1)의 수축(retraction)을 방지한다. 돌기(14)는 세그먼트(10)의 가장 안쪽에(즉, 공구 요소 플랜지(21)에 가깝게) 배치되고, 돌기(14)는, 도 9에서 나타낸 바와 같이, 관의 단부(1''')로 압력을 가하게 된다. 커플링 요소(2)의 대응부에는, 베벨 모서리(bevel edge) 또는 컷아웃(cut-out) 형태로 제작될 수 있는 오목부(15)가 있다. 몇몇 용도에 따라서는, 이러한 컷아웃(15)이 부분적으로 밀봉 소재로 채워질 수 있거나, O링이 끼워맞춤 될 수 있다. 공구와 커플링 요소의 이런 특별한 설계는 이미 언급한 것과 같이 관이 내부로 테이퍼지거나 휘는 것을 방지하기 위해 필요하다.
세그먼트(10)와 특히 리지(11)는 가압 공정시 매우 큰 응력을 받고, 따라서 경화강(hardened steel)으로 제조된다. 결과적으로, 큰 반경 방향의 힘은 역시 세그먼트(10)를 작동하는데도 필요하다. 예를 들어, 도 1d, 도 2a 및 도 2b에서 도시된 바와 같은 외경 76mm, 벽 두께 3.2mm, 8개의 세그먼트(10)를 사용하는 강으로 된 관(1)과 커플링 요소(2) 사이의 연결에 대한 가압은 약 200kN의 세그먼트당 반경 방향의 힘, 전체적으로는 약 1600kN의 힘을 요구한다. 매우 좁은 공간 내에서 큰 힘이 가해지고, 따라서, 본 발명에 따른 공구는 관(1) 내부의 힘 증폭기(20)와 결합된 관(1) 외부에 위치한 힘 액츄에이터를 사용한다.
도 5a는 세그먼트(10)와 힘 증폭기로서 작용하는 원형 원뿔체(20)가 있는 공구를 나타내고, 도 5b는 원뿔체(20)가 축소되고 세그먼트(10)가 확장된 위치의 공구를 나타내며, 도 6은 힘 증폭기로 작용하는 다각형 피라미드(20')가 있는 동일한 공구를 나타낸다.
도 7a 및 도 7b는 수압에 의해 작동되는 세그먼트(22)가 있는 공구를 나타낸다. 세그먼트(22)가 독자적으로 도시되고, 세그먼트(22)는 오일이 채워진 하우징(24)의 대응하는 실린더(28)에서 움직일 수 있는 피스톤(27)에 고정된다. 세그먼트(22)는 비드를 형성하기 위한 원형 부채꼴 리지(circle sector ridge, 23)를 갖는다. 예시된 공구는 합계 8개의 피스톤(27)과 8개의 실린더(28)를 갖는다. 로드(rod, 25)가 하우징으로 가압될 때, 하우징(24) 내부의 오일은 피스톤(27)을 바깥쪽으로 가압한다. 로드(25)의 직경에 대해 피스톤(27)의 직경이 클수록, 힘의 증폭이 커진다. 참조번호 21은 공구 장착 플랜지를 나타내며, 이 플랜지는 복수의 장착구(26)를 갖는다.
예를 들어, 용접과는 다른 이러한 방식에 있어서, 관(1)으로의 커플링 요소(2)의 냉간 결합(cold joining)에서 커플링 요소의 소재의 표면 구조는 변형되지 않는다. 그러므로, 본 발명은 도 8a 및 도 8b에서 도시된 바와 같은 커플링에 적합하고, 여기에서 커플링 요소(30)는 구형 표면의 부분인 외면을 갖고, 커플링 요소(30)는 관(1)에 고정되며, 2개의 부분 플랜지(part flange)는 고정나사를 사용하여 장착되는 서로 결합 될 수 있는 부분(30', 30'')을 갖고, 2개의 부분(30', 30'')은 커플링 요소의 각 면에 위치하고 서로 대향한다. 따라서, 플랜지 부분(30', 30'')이 있는 플랜지는 관에 대해서 다양하게 설치될 수 있는 각도로 장착될 수 있다. 부분(30', 30'')이 있는 플랜지는 또한 자유롭게 기동 가능하며 플랜지 부분(30', 30'')이 서로 고정된 후라도 움직일 수 있거나, 플랜지(30', 30'')가 다른 플랜지(도시되지 않음)에 고정될 때, 커플링 요소(30)에 고정되도록 할 수도 있다.
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Claims (6)

  1. 관을 둘러싸고, 상기 관에 대향하고 상기 관에 설치되는 대응하는 복수의 비드(bead)를 수용하는 홈(groove)을 갖는 커플링 요소를 상기 관에 결합하는 방법에 있어서,
    상기 커플링 요소를 상기 관의 단부 지역에서 상기 관을 둘러싸도록 설치하는 단계;
    상기 비드를 형성하고 상기 홈으로 상기 비드를 돌출시키기 위하여 상기 관을 변형시키기 위해, 상기 둘러싸는 커플링 요소 상의 상기 홈의 위치에 대응하는 상기 관의 축 방향 위치에서 상기 관의 내벽에 제 1 및 반경 방향의 가압 동작을 제공하는 단계; 및
    상기 제 1 가압 동작시 그에 의해 형성된 상기 비드 사이 및 인접한 곳에서 자연스럽게 발생하는 상기 관 벽의 안으로 휜(buckled-in) 지역에서 상기 관의 내벽에 제 2 및 반경 방향의 사후 가압(post-pressing) 동작을 제공하고, 바깥 방향으로 상기 지역의 사후 가압을 야기하기 위해, 상기 커플링 요소의 위치에서 상기 관 내부의 바깥 방향 장력을 제공하는 단계를 포함하는 커플링 요소를 관에 결합하는 방법.
  2. 관을 둘러싸고, 상기 관에 대향하고 상기 관에 설치되는 대응하는 복수의 비드를 수용하는 홈을 갖는 커플링 요소를 상기 관에 결합하는 공구(tool)에 있어서,
    축 방향으로 분리되고 반경 방향으로 기동 가능한 복수의 세그먼트(segment, 10)를 포함하고,
    각각의 세그먼트는 복수의 원형 부채꼴로 형성된 리지(rideg)를 포함하고,
    상기 복수의 세그먼트는, 상기 관 벽에서 상기 관의 바깥쪽에 원주상으로 비드(5, 6)를 형성하고 상기 커플링 요소의 대응하는 상기 홈(3, 4)으로 상기 비드(5, 6)를 확장시키도록 하기 위해, 상기 관의 내벽에 제 1 가압 동작에 의해 상기 관 벽을 변형시키는 것이 가능한 확장 리지(extending ridge, 11)를 원주상에 제공하고,
    상기 세그먼트는 상기 리지와 인접한 곳 및 사이에 위치된 원통형 부분(extending portion, 13)을 원주상에 포함하고, 상기 원통형 부분(13)은 제 2 및 이후의 가압 동작에서, 상기 제 1 가압 동작 동안에 상기 비드 사이 및 인접한 곳의 상기 관 벽에 자연스럽게 형성된 안으로 휜 지역의 사후 가압을 야기하여, 바깥 방향 장력이 상기 커플링 요소의 위치의 상기 관 내부에서 얻어지는 것을 특징으로 하는 커플링 요소를 관에 결합하는 공구.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 관의 단부와 축 방향으로 정렬되어 놓여있는 상기 세그먼트의 부분은, 상기 관의 직경보다 조금 더 바깥쪽으로 상기 관 단부를 가압하도록 구성된 돌기(projection, 14)를 포함하는 것을 특징으로 하는 커플링 요소를 관에 결합하는 공구.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 세그먼트는 내부의 원뿔 형상 또는 다각형 피라미드 형상의 공간을 제공하고,
    원뿔체 또는 다각형 피라미드체는 상기 세그먼트의 내부 및 동축으로 위치 가능하고, 상기 원뿔체 또는 피라미드체는, 상기 형상의 공간의 좁은 단부를 향해 당겨질 때, 상기 세그먼트가 반경 방향의 바깥쪽으로 이동하도록 하는 것을 특징으로 하는 커플링 요소를 관에 결합하는 공구.
  5. 관에 연결 가능하고, 상기 관을 둘러싸도록 구성되고, 상기 관에 대향하고 상기 관에 설치되는 대응하는 복수의 비드를 수용하는 홈을 포함하고, 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 공구의 사용을 위한 커플링 요소에 있어서,
    상기 커플링 요소는 최전단부(foremost portion)에서 상기 관의 외경보다 큰 직경의 오목부를 포함하여, 상기 커플링 요소가 상기 관을 둘러싸고 상기 오목부가 상기 관의 단부와 정렬될 때, 상기 관 단부는 바깥 방향 굽힘 동작(outward bending action)을 통해 상기 오목부로 가압 가능한 것을 특징으로 하는 커플링 요소.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 커플링 요소(30)는, 2개의 부분 플랜지 장치(two-part flange device)가 상기 커플링 요소의 표면에 고정되는 내부 공간이 있도록, 구형 형상의 외면 부분을 포함하고, 상기 2개의 부분 플랜지 장치를 통한 길이 방향 축은 상기 관의 길이 방향의 축에 대해 각 조정이 가능한 것을 특징으로 하는 커플링 요소.
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