KR100976756B1 - 암반 드릴링용 드릴부재 및 드릴부재의 제작 방법 - Google Patents

암반 드릴링용 드릴부재 및 드릴부재의 제작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 충격 암반 드릴링용 강으로 된 나사 조인트에는 세정수가 사용되며, 하나 이상의 내부 나사 (12) 뿐만 아니라 외부 나사 (14) 를 포함한다. 나사 (16) 는 나사 측면 (21, 22) 과 나사골 (23) 및 측면 사이에 배치된 나사 마루 (24) 를 포함한다. 상기 구성 요소 (19) 는 2 종 이상의 다른 재료들로 구성된다. 구성 요소는 복합 요소로 되어있다. 나사 마루 (24) 가 저합금강으로 되어있는 반면 나사골 (23) 은 스테인레스강으로 되어있다. 본 발명은 드릴 요소 제작을 위한 방법에 관한 것이다.

Description

암반 드릴링용 드릴부재 및 드릴부재의 제작 방법{DRILL MEMBER FOR ROCK DRILLING AND A METHOD FOR MANUFACTURING THE DRILL MEMBER}
본 발명은 독립항의 전제부에 따른 암반 드릴링용 드릴부재 및 드릴부재의 제작 방법에 관한 것이다.
암반 충격 상단 해머 드릴링에서 드릴 스트링이 로드 또는 튜브의 일단면을 통해 드릴링 머신의 섕크 어댑터에 고정된다. 로드 또는 튜브의 다른 끝단은 다른 로드나 튜브 또는 충격 드릴링용 드릴 비트 (drill bit) 에 나사 결합된다. 로드 또는 튜브는 나사 슬리브의 도움으로 섕크 어댑터 또는 다른 부분에 고정될 수 있다. 절삭물의 배출을 위해 플러쉬 매채를 드릴 비트에 보내기 위하여 플러쉬 채널이 드릴 스트링 전체에 형성되어 있다.
드릴링 시에 드릴 스트링 부재, 즉 비트, 로드, 튜브, 슬리브 및 섕크 어댑터는 부식성 공격을 받게 된다. 이는 물이 플러쉬 매체로서 사용되고 습한 땅 밑에서 드릴링 작업을 할 때 특히 그렇다. 부식성 공격은 나사골과 다른 축소부와 같이 응력을 가장 많이 받는 부분에서 특히 심각하다. 충격파 및 굽힘 응력에 의한 맥동성 변형과 함께 소위 부식 피로가 발생한다. 이것이 드릴 스트링의 파괴의 일반적인 원인이다.
일반적으로 저합금 표면 경화강이 드릴부재에 사용된다. 그 이유는 나사부의 마멸과 마모가 수명을 제한하기 때문이다. 드릴링 머신과 드릴부재가 더 향상됨에 따라 상기의 문제들은 줄어들고 있으며 부식 피로가 수명 단축의 요인이 되고있다.
표면 경화는 그 표면에 압축 응력을 발생 시키는데, 이 압축 응력은 기계 요소의 피로에 나쁜 영향을 미친다. 그러나 저합금강의 내부식성은 불량하며 이로 인해 부식 피로가 쉽게 일어난다. 그러나 내부식성은 만족할 만한 수준이 못되므로 절단이 쉽게 일어나게 된다.
US-A-4,872,515 또는 US-A-5,064,004 에는 드릴부재의 강 보다 연질인 금속 재료로 된 나사를 지닌 드릴부재가 개시되어 있어 이는 다른 나사 연결부와 상호작용하는 드릴부재의 나사의 적어도 일부를 덮어서 나사에서 마찰 손상 (피팅) 의 문제를 해결하기 위한 것이다.
부식 피로를 제거하기 위한 한 방법은 SE-A-0000521-5 에서와 같이 스테인레스강으로 로드를 만드는 것이다. 그러나 스테인레스강은 비교적 연질이기 때문에 침탄 로드 보다 내마모성이 열등하여 비교적 빨리 마모된다.
SE-C2-515 195 와 SE-C2-515 294 에는 충격 암반 드릴링용 나사 조인트가 개시되어 있다. 밑에 있는 강과는 다른 전극 전위를 갖는 재료로 된 하나 이상의 층으로 원통형 외부 나사의 나사골을 덮어서 나사 연결부의 수명을 증가시키고 있다.
본 발명의 일 목적은 충격 암반 드릴링용 드릴부재의 내부식 피로성을 월등하게 향상시키기 위함이다.
본 발명의 다른 목적은 충격 암반 드릴링용 드릴부재에서 두께가 감소된 부위의 내부식 피로성을 월등히 향상시키기 위함이다.
본 발명의 또다른 목적은 충격 암반 드릴링용 드릴부재에 있는 나사부 나사골의 내부식 피로성 월등히 향상시키기 위함이다.
본 발명의 또다른 목적은 내부식 피로성이 향상된 충격 암반 드릴링용 드릴부재의 제작 방법을 제공하는 것이다.
이와 같은 목적 및 다른 목적은 도면을 참고한 독립항에 기재된 특징적 구성을 지닌 나사 조인트와 드릴부재에 의해 달성된다.
도 1A 는 튜브를, 도 1B 는 로드를 각각 보여주는 사시도.
도 2 는 압출될 블랭크를 보여주는 사시도.
도 3 은 압출된 로드를 보여주는 사시도.
도 4 는 도 3 의 로드의 일부를 나타내는 축방향 단면도.
도 5A 는 도 4 의 부분을 기계 가공한 본 발명에 따른 수형부의 축방향 단면도.
도 5B 는 도 5A 의 부분의 사진.
도 5C 는 도 5A 의 나사의 확대 단면도.
도 5D 는 도 5B 의 나사산을 약 10 배 확대한 단면 사진.
도 6 은 본 발명에 따른 드릴 로드의 측면도.
도 7 은 본 발명에 따른 암형부의 축방향 단면도.
본 발명은, 플러쉬 채널이 형성되어 있고 또한 비교적 얇은 두께를 갖는 하나 이상의 축소부 (40, 40') 를 갖는 암반 드릴링용 드릴부재 및 이 드릴부재의 제작 방법에 관한 것이며, 상기 축소부는 내부식 피로성을 월등하게 향상시키기 위하여 균질의 스테인레스강으로 되어있다. 또한, 플러쉬 채널은 동일한 스테인레스강으로 되어있어서 상기 채널의 부식 피로가 암반 드릴링 중에 일어나지 않는다.
본 발명에 따른 드릴부재는 충격 드릴링용이며, 상기 드릴부재의 수형부 (19, 도 5A 참조) 는 외부 나사 (16) 를, 암형부 (26, 도 7 참조) 는 내부 나사 (16') 를 가지고 있다. 도시된 나사는 소위 원통형 사다리꼴 나사이지만, 다른 형태의 나사, 예를 들어 원추형 나사나 로프형 나사 또는 원추형과 로프형을 조합한 것도 이용될 수 있다.
주로 도 5 A 와 도 5 C 를 참조하면, 드릴부재 (19) 는 관통 플러쉬 채널 (20) 을 가지며, 일반적으로 공기나 물과 같은 플러쉬 매체가 상기 채널을 관류한다. 나사 (16) 는 나사골 (23) 과 나사 마루 (24) 를 포함하며, 상기 나사골과 나사 마루 사이에는 나사 측면 (21, 22) 이 있다. 나사골 (23) 은 스테인레스강으로 되어있고, 나사 마루 (24) 는 저합금강으로 되어있다.
나사 (16) 는 깊이 (D) 를 가지며, 상기 깊이는 나사골 (23) 과 나사 마루 (24) 사이의 수직거리로 정의되며, 나사 마루의 저합금부 (18) 는 기계가공된 후에 두께 (T) 를 가진다. 깊이 (D) 는 일반적으로 1 mm ~ 4 mm 이며, 로드의 외경은 20 mm ~ 70 mm 이다. T/d 의 비는 0.1 ~ 1.0 이며, 바람직하게는 0.4 ~ 0.8 이다. 바람직한 실시 형태에서, 2 mm ~ 2.5 mm 의 깊이 (D) 와, 1 mm ~ 2 mm, 바람직하게는 대략 1.5 mm 의 두께 (T) 의 쉘 (18) 을 갖는 사다리꼴 나사 (T38) 가 사용된다.
나사골 (23) 과 나사 측면 (21, 22) 의 스텐인레스부는 제 1 폭 (W 1) 을 가지며, 나사 마루 (24) 와 나사 측면 (21, 22) 의 저합금부는 제 2 폭 (W 2, 도 5 C 참조) 을 가지며, W1/W2 의 비는 0 ~ 0.9, 바람직하게는 0.3 ~ 0.8 이다. 나사골 (23) 과 나사 마루 (24) 의 폭 (W1, W2) 은 둘레를 향하여 노출된 요소의 길이 방향으로 재료의 최대 길이로 정의될 수 있다. 도 5 B 의 본 발명에 따른 수형부는 W1 = 6.1 mm 이고 W2 = 9.5 mm 이며, W1/W2 의 비 = 0.64 인 사다리꼴 나사 (T 38) 를 가진다.
일 실시 형태에서 스테인레스강으로 나사골 (23) 이 형성됨으로서 수형부 (19) 는 큰 내부식 피로성을 지닌다. 스테인레스강은 PRE 값이 10 보다 큰, 바람직하게는 12 ~ 17 인 조성을 가진다. PRE는 피팅 내성 등가 (pitting resistance equivalent) 를 의미하며, 합금의 내피팅성을 나타낸다.
PRE = Cr + 3.3 (Mo + W) + 16 N
여기서 Cr, Mo, W , N 은 해당 요소의 중량 퍼센트이다.
쉘 (18) 의 저합금강은 500 보다 큰, 가장 바람직하게는 650 ~ 800 의 비커스 경도를 갖기 때문에 우수한 내마모성이 얻어진다. 상기 경도는 인성이 큰 경화강의 사용, 표면 침탄 처리 또는 표면 경화에 의해 얻어질 수 있다. 저합금강은 바람직하게 다음의 조성 (중량 %) 을 가진다.
C 0.1 ~ 0.7
Si 0.1 ~ 1
Mn 0.2 ~ 2
Cr < 5
Ni < 5
Mo < 2
나머지는 Fe 및 불가피한 불순물이다.
본 발명에 따른 수형부 또는 드릴부재는 다음과 같이 만들어진다. 도 1A 에서 튜브는 도면 부호 "11" 로 나타나 있으며, 도 1B 에서 로드는 도면 부호 "12" 로 나타나 있다. 튜브 (11) 와 로드 (12) 는 미세 공차로 예컨데 수축끼워맞춤으로 끼워맞춤되어, 도 2 에서 보인 바와 같이 블랭크 (13) 를 형성하며 또한 블랭크의 양 끝단에서 원주 방향의 용접부 (14) 로 고정된다. 또한 용접부 (14) 는 이어지는 열처리 시에 튜브 (11) 와 로드 (12) 사이의 계면에서 산화가 일어나는 것을 방지한다. 블랭크 (13) 는 충격 암반 드릴링을 위한 나사 (16, 도 5A 참조) 의 요구 치수에 맞는 직경을 지닌 복합 요소 (15) 로 열간압출된다. "복합 요소" 는 2 종 이상의 다른 재료로 이루어진 압출 튜브 또는 로드를 의미한다.
상기 도시된 실시 형태에서 복합 요소는 스테인레스강의 코어 (17) 와 저합금강의 쉘 (18) 을 지닌 로드 (15) 로 되어있다. 이 로드에 충격 암반 드릴링 을 위한 통상적인 외부 나사 또는 수나사 (16) 가 형성되며, 나사골이 스테인레스 코어 (17) 에서 얻어진다. 또는, 코어 (17') 는 저합금강으로, 쉘 (18') 은 스테인레스강으로 이루어질수 있다 (도 7 참조) . 이 로드에 충격 암반 드릴링을 위한 통상적인 내부 나사 또는 암나사 (16') 가 형성되고, 나사골이 스테인레스부 (18') 에서 얻어진다. 나사 (16, 16') 는 결과적으로 2 종 이상의 상이한 재료들로 구성된다. 나사 (16, 16') 의 측면에 경도와 내마모성을 주기 위해서 기계가공된 양 끝단은 침탄 처리된다. 이들 부위의 침탄을 막기 위해 그 부위를 코팅하면 스테인레스강이 보호된다. 기계가공된 양 끝단은 저합금강 또는 스테인레스강으로 된 육각형 로드나 원형 로드에 마찰 용접되어 (도 6) 드릴 로드 (25) 로 형성하게되고 이 드릴 로드는 최종적으로 경화 및 풀림된다.
드릴 가공으로 중앙 플러쉬 채널을 형성한다. 또는, 로드(12) 대신에 튜브를 사용할 수 있는데, 이렇게 하면 최종 압출 복합 요소 (15) 는 튜브로 되어서 구멍을 뚫을 필요가 없게 된다. 이러한 경우에, 압출 블랭크 (13) 는 맨드릴용 구멍을 갖게 되며 코어를 구성하는 로드는 튜브 블랭크 또는 드릴링된 중실 로드일 수 있다.
수형부 (19) 와 암형부 (26) 는 충격 전달면으로서 끝단면 (19A) 과 바닥면 (26A) 을 각각 포함한다.
예시
압출 블랭크 (13) 는, 외경이 77 mm 이며 내경이 63 mm 이며 조성 1 의 저합금강으로 된 튜브 (11) 및 직경이 63 mm 이며 조성 2 로 된 스테인레스 로드 (12) 로 제작되었다. 블랭크를 1150°C 로 가열하고 43 mm 의 외경을 가진 로드로 압출하였다. 이때 스테인레스강의 직경은 35 mm 이었다. 광현미경으로 조사해본 결과, 도 5D 에서 보는 바와 같이 저합금강과 스테인레스강 사이의 야금적 결합은 우수함을 알 수 있었다. 이러한 과정으로 얻어진 로드에, 통상적인 기계 가공으로 수형부 (19) 를 만들었다. 나사는 2.35 mm 의 깊이와 38 mm 의 외경을 지닌 T38 형이다. 상기 로드를 표면 경화 시켰고, 이때 스테인레스강의 노출된 표면은 탄소 함유 가스 분위기의 영향을 받지 않도록 보호 코팅으로 덮었다. 플러쉬 채널을 갖는 압연 로드 (25) 의 양 끝단에 각각 수형부를 마찰 용접시켰다. 수형부는 아래의 조성 3 을 갖는다. 이어서, 각 수형부를 드릴 가공하여 플러쉬 채널을 형성했으며 모든 로드를 1030°C 에서 부터 경화시켰다.
% C % Si % Mn % Cr % Ni % Mo % Fe
1 0.22 0.21 0.57 1.26 2.62 0.22 나머지
2 0.21 0.61 0.46 12.9 0.11 0.02 나머지
3 0.19 0.27 0.45 13.3 0.29 0.02 나머지
다섯개의 완성된 로드는 땅밑에서 소위 착암 드릴링을 위한 굴착 장치 (rig) 에 장착되어 파손되거나 완전히 마모될 때 까지 드릴 작업을 하였다. 드릴링 깊이로 나타낸 수명은 다음과 같다.
로드 1 7200 m
로드 2 6223 m
로드 3 6888 m
로드 4 8901 m
로드 5 6054 m
쉘 (18) 과 같은 종류의 저합금 표면 경화강인 표준 드릴 튜브의 일반적인 수명은 대략 5000 m 인데, 이와 비교해 보면 본 발명에 따른 드릴부재의 수명이 현저히 증가 했음을 알 수 있다.
본 발명은 기본적으로 양 끝단에 수형부를 지니는 착암기 로드에 관련한다. 또한 본 발명에 따른 방법으로 드릴 튜브 또는 MF 로드를 만들 수도 있다. MF 로드는 수형부와 암형부 모두를 갖는다. (MF = Male-Female).
대안의 실시 형태에서 나사골이 반경 방향으로 스테인레스강까지 이르지 않도록 하면서 전체 나사를 저합금강으로 만들 수 있다. 이렇게 하면, 저합금강이 부식 균열로 파손되었을 때, 스테인레스강이 부식 피로를 지연시키게 된다.

Claims (16)

  1. 플러싱 물이 사용되는 충격 암반 드릴링용 드릴부재로서, 두께가 감소된 부분과 하나 이상의 나사 (16; 16') 를 포함하며, 상기 나사 (16; 16') 는 나사 측면 (21, 22) 및 나사골 (23) 그리고 측면들 사이의 나사 마루 (24) 를 포함하며, 부재 (19, 26) 가 2 종 이상의 상이한 재료로 구성되는 상기 드릴 부재에 있어서,
    상기 부재는 복합 요소 (15) 로 되어있고, 나사골 (23) 은 스테인레스강으로, 나사 마루 (24) 는 저합금강으로 이루어져 있고, 상기 복합 요소에는 플러쉬 채널 (20, 20') 이 있는 것을 특징으로 하는 충격 암반 드릴링용 드릴 부재.
  2. 제 1 항에 있어서, 나사 마루 (24) 의 저합금부가 두께 (T) 를 가지고, 나사 (16; 16') 가 깊이 (D) 를 가질 때, 0.1 < (T/D) < 1 인 것을 특징으로 하는 충격 암반 드릴링용 드릴 부재.
  3. 제 2 항에 있어서, 깊이 (D) 는 1 ~ 4 mm 이며, 두께 (T) 는 1 ~ 2 mm 인 것을 특징으로 하는 충격 암반 드릴링용 드릴 부재.
  4. 제 2 항에 있어서, 나사 (16; 16') 의 나사골 (23) 이 제 1 폭 (W1) 을 갖고 나사 마루 (24) 가 제 2 폭 (W2) 을 가질 때, 비 W1/W2 가 0 < W1/W2 ≤ 0.9 인 것을 특징으로 하는 충격 암반 드릴링용 드릴 부재.
  5. 제 1 항에 있어서, 스테인레스강 (17; 17') 은 PRE 값이 10 보다 큰 조성을 가지며, 저합금강 (18; 18') 은 500 보다 큰 비커스 경도를 가짐을 특징으로 하는 충격 암반 드릴링용 드릴 부재.
  6. 제 5 항에 있어서, 저합금강의 조성 (중량 %) 은,
    C 0.1 ~ 0.7
    Si 0.1 ~ 1
    Mn 0.2 ~ 2
    Cr < 5
    Ni < 5
    Mo < 2
    나머지는 Fe 및 불가피적인 불순물인 것을 특징으로 하는 충격 암반 드릴링용 드릴 부재.
  7. 제 1 항에 있어서, 부재 (19; 26) 는 코어 (17; 17') 와 쉘 (18; 18') 를 포함하며, 코어와 쉘 중 어느 하나는 스테인레스 강으로 되어 있고 다른 하나는 저합금강으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 충격 암반 드릴링용 드릴 부재.
  8. 제 1 항에 있어서, 부재 (19; 26) 는 저합금강 또는 스테인레스 강으로된 로드 또는 튜브의 한 끝단에 단단히 연결되어 드릴 로드 (25) 를 형성하며, 상기 드릴 로드에 관통 플러쉬 채널 (20; 20') 이 형성되어 있음을 특징으로 하는 충격 암반 드릴링용 드릴 부재.
  9. 충격 암반 드릴링용 드릴 부재의 제작 방법으로서, 두께가 감소된 부분과 하나 이상의 나사 (16; 16') 를 포함하며, 상기 나사 (16; 16') 는 나사 측면 (21, 22) 및 나사골 (23) 그리고 측면들 사이의 나사 마루 (24) 를 포함하며, 부재 (19; 26) 가 2 종 이상의 상이한 재료로 구성되는 상기 방법에 있어서,
    코어 (17; 17') 와 쉘 (18; 18') 중 어느 하나는 스테인레스강으로 하고 다른 하나는 저합금강으로 하여 이들 코어와 쉘을 제공하는 단계와,
    블랭크 (13) 를 생성하기 위하여 코어 (17; 17') 를 쉘 (18; 18') 안에 밀접한 끼워 맞춤으로 끼워넣는 단계와,
    코어를 쉘에 고정시키기 위해 블랭크 (13) 의 양 끝단을 용접하는 단계와,
    블랭크 (13) 를 열간 압출하여 복합 요소 (15) 를 얻는 단계와,
    복합 요소 (15) 또는 그 일부분에 충격 암반 드릴링용 나사 (16;16') 를 만드는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 충격 암반 드릴링용 드릴 부재의 제작 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 복합 요소 또는 그 일부분을 저합금강 또는 스테인레스강으로된 드릴 로드 (25) 에 마찰 용접하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 충격 암반 드릴링용 드릴 부재의 제작 방법.
  11. 제 2 항에 있어서, 0.4 < (T/D) < 0.8 인 것을 특징으로 하는 충격 암반 드릴링용 드릴 부재.
  12. 제 3 항에 있어서, 두께 (T) 는 1.5 mm 인 것을 특징으로 하는 충격 암반 드릴링용 드릴 부재.
  13. 제 4 항에 있어서, 비 W1/W2 가 0.3 ~ 0.8 인 것을 특징으로 하는 충격 암반 드릴링용 드릴 부재.
  14. 제 5 항에 있어서, 스테인레스강 (17; 17') 은 PRE 값이 12 ~ 17 인 조성을 가짐을 특징으로 하는 충격 암반 드릴링용 드릴 부재.
  15. 제 5 항에 있어서, 저합금강 (18; 18') 은 650 ~ 800 의 비커스 경도를 가짐을 특징으로 하는 충격 암반 드릴링용 드릴 부재.
  16. 제 9 항에 있어서,
    나사골 (23) 이 스테인레스강으로 되는 것을 특징으로 하는 충격 암반 드릴링용 드릴 부재의 제작 방법.
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