KR101446047B1 - 파이프 연결부 - Google Patents

Abstract

본원 발명은 파이프 연결부, 특히 기밀식 파이프 나사 연결부에 관한 것으로서, 여기에서 연결 영역 내의 부분들이 접촉-가압 및 삽입-가압에 의한 DIN 8593에 따른 접합에 의해서 연결되며, 상기 파이프 연결부는 내측 파이프 부분 및 외측 파이프 부분, 또는 외측 칼라를 가지는 2개의 내측 파이프 부분을 포함한다. 현장에서의 실질적인 이용 특성을 개선하기 위해서, 특히 조합된 로딩과 관련된 각각의 파이프 연결부의 기밀도를 유지하기 위해서, 본원 발명에 따라서, 상기 연결 영역들은 파이프 부분들 및 칼라와 협력하고 그리고 절두원뿔 형상을 가지고 그리고 내측 파이프 부분으로부터 파이프 축선(x)을 향해서 단부 방향으로 경사진 프레스 핏 표면(1I, 1A) 또는 파이프 부분의 정지부(2) 및 프레스 핏(1)을 포함하고, 그리고 전방에서 정지부 표면들(2I, 2A)을 포함하며, 상기 정지부 표면들은 절두원뿔 형상을 가지고 그리고 상기 프레스 핏 표면들(1I, 1A)에 반대로 지향되고, 그리고 전이부가 동축적인 중간 공간 또는 공동 공간(R)과의 접촉이 없는 상태로 상기 프레스 핏(1) 및 연결된 부분들의 정지부(2)에 의해서 상기 부분들에 대해 형성된다.

Description

파이프 연결부{PIPE CONNECTION}

본원 발명은 파이프 연결부, 특히 기밀식 파이프 나사 연결부에 관한 것으로서, 여기에서 연결 영역 내의 부분들이 접촉-가압(contact-pressing) 및 삽입-가압에 의한 DIN 8593에 따른 접합에 의해서 연결되며, 상기 파이프 연결부는 내측 파이프 부분 및 외측 파이프 부분, 또는 외측 칼라(collar)를 가지는 2개의 내측 파이프 부분을 포함한다.

여러 가지 물질로 형성될 수 있으며 대부분이 무계목(seamless) 파이프인 파이프들이 오일 분야 및/또는 가스 분야의 제품을 수직으로 또는 수평으로 먼 거리에 걸쳐서 이송하기 위해서 이용되고, 그리고 엄격한 요건 때문에, 실제 작업 또는 적용 중에 연결부의 높은 밀봉 품질이 요구된다.

오랫 동안 이용되어 왔고 그리고 기하학적인 기본 개념과 관련하여 본질적으로 종래 기술에 포함되는 파이프들이 밀봉 표면들을 특징으로 하는 방식으로 디자인되며, 그러한 밀봉 표면들은 내측 파이프 부분과 외측 파이프 부분이 절두원뿔 형상을 가지고 서로에 대해서 접하고, 이때 약 1:10의 내측 파이프 부분의 말단 방향(distal direction)을 따라 서로를 향해서 경사지며, 절두원뿔 형상을 가지고 축선 방향에 반대로 정렬되는 정지부 표면과 함께 작용한다. 그에 따라, 예를 들어 나사형(thread) 연결부 또는 유사한 연결부에 의한 파이프 단부들의 상호적인, 축방향 접촉-가압(완전한 결합)에 의해서 밀봉 효과가 달성될 수 있을 것이다.

해당 분야에서 파이프 라인에 대한 요구 사항이 있는 경우에 파이프 연결부의 품질 또는 기밀도(tightness)를 개선하기 위해서, 또한 파이프 성분들을 철거하고 재조립하는 경우에 파이프 연결부들의 밀봉 품질을 유지하기 위해서, 연결부의 밀봉 표면 및 정지부 표면이 특별하게 디자인된 다수 형태의 기하학적인 실시예들이 이미 제시되어 있다. 그러나, 복잡한 밀봉 표면 형상(shapings)은 일반적으로 파이프 단부의 연결 영역의 칩-제거 프로세싱을 위한 높은 비용 그리고 제조시의 낮은 비용 효과와 연관될 것이다.

US 7 334 821 B2에는, 말단 정지 표면을 구비한 돌출 연장부가 후속하는, 단면이 볼록한 파이프 부분의 배럴-형상의 밀봉 표면을 구비한 파이프 연결부가 기재되어 있다. 그에 따라, 파이프 연결부의 완전한 결합 중에, 파이프 연결부들의 가압 표면이 보다 높은 코니시티(conicity)를 가질 수 있고 그리고 개선된 밀봉 효과를 달성할 수 있을 것이다. 그러나, 복잡한 형상의 밀봉 영역을 구성하기 위해서는 제조시에 많은 노력이 필요할 것이다.

종래 기술에 따른 파이프 연결부의 본질적인 기하학적인 개념 상에서, 본원 발명의 목적은, 제조시의 높은 비용 효율을 제공하면서도, 실제 적용 분야에서 파이프 라인의 사용 특성을 개선할 수 있고 그리고 파이프의 철거 및 재조립에도 유리한 신규한 파이프 연결부를 제공하는 것이다.

파이프 라인의 개선된 사용 특성은 높은 내부 압력의 경우에 그리고 높은 외부 압력뿐만 아니라 파이프 스트랜드(strand)의 높은(overlaying) 인장-, 압력-, 및 벤딩-로드(bending-load)의 경우에 각각의 파이프 연결부의 밀봉 기밀성을 유지하는 것과 특히 연관되며, 그에 따라 연결 영역 내의 소위 시징 증후군(seizing symptoms)이 최소화될 수 있고 그리고 연결부의 분해 및 완전한 결합이 개선될 수 있을 것이다.

제시된 문제점은 연결이 3개 영역에서 실시되는 전술한 타입의 파이프 연결부에 의해서 본원 발명에 따라 해결되며, 파이프 부분들 또는 칼라의 정지부 및 프레스 핏의 연결 영역은 절두원뿔 형상을 가지고 그리고 내측 파이프 부분으로부터 파이프 축선을 향해서 단부 방향으로 경사진 협력 프레스 핏(억지 끼워 맞춤) 표면들을 포함하고, 그리고 전방에서 정지부 표면들을 포함하며, 상기 정지부 표면들은 절두원뿔 형상을 가지고 그리고 상기 프레스 핏 표면들에 반대로 지향되고, 그리고 프레스 핏 및 연결된 부분들의 정지부로부터의 전이부가 동축적인 중간 공간 또는 공동 공간과의 접촉이 없는 상태로 상기 부분들에 대해서 제공된다.

본원 발명에 의해서 달성되는 이점은, 함께 작용하는, 프레스 핏 표면에 대한 표면 압력의 본질적인 증가 그리고 정지부 표면들로부터 이격된 상기 표면들의 유리한 배치이다. 이는, 연결 영역 내의 국부적이고(local) 기계적인 물질 응력의 크기를 일반적으로 최적화하는 것 그리고 소성 변형의 발현 및 물질 내의 파열부 도입과 관련된 인장 스파이크(tension spikes)의 회피하는 것과 관련된다.

집중적인 연구를 통해서, 본원 발명에 따른 파이프 연결부의 밀봉 특성들이 공칭(nominal) 이상의 압력 동안에도 그리고 높은(overlaying) 인장-, 압력-, 및 벤딩-로드 동안에도 완전하게 유지되었다는 것을 발견하였다.

탄성(elasticity) 결정 뿐만 아니라 FE 방법에 따른 계산으로, 연결 영역에서의 본원 발명에 따른 기하학적인 형상을 통해서 그리고 소위 프레스 핏 표면과 정지부 표면 사이의 빈 공간의 구현을 이용하여, 다수의 이점을 달성할 수 있다는 것을 확인하였다.

프레스 핏 표면 및 밀봉 핏 표면이, 빈 공간에 의해서, 연결부의 동일한 길이방향 범위에서, 종래 기술에 대비하여 상대적으로 짧아지고 또는 감소되며, 이는 보다 높은 밀봉 표면 압력을 초래한다.

접촉이 없이(contact-free) 구현되는 전이부는 로드(동력학적으로 높고, 전체적으로 균일한 특정 표면 압력; load-kinetically a elevated, largely homogeneous, specific surface pressure)를 제공하고, 그에 따라 프레스 핏 표면에서의 밀봉을 제공하며, 이때, 정지부 표면들에 대해서 축방향으로 이격되기 때문에, 시스템의 벤딩의 경우에 국부적인 표면 압력의 허용가능한 편차 만이 발생된다. 높은 인장 응력 및 압력 인장이 발생되는 경우에, 그러한 높은 인장 응력 및 압력 인장은 연결부의 밀봉에 무시할 정도의 영향만을 미치게 되는데, 이는 프레스 핏 표면들이 약 1:10의 약간의 경사를 나타내기 때문이다.

바람직하게, 파이프 부분들의 연결 영역 내의 빈 공간은 그리싱 수단 포켓(greasing means pocket)으로서 기능을 하고 그리고 현장(field) 파이프라인의 밀봉 조립 동안에 그리스 물질의 압력을 낮추고 분포를 개선한다.

만약, 본원 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 연결 영역의 프레스 핏 및 정지부의 접촉이 없이 생성되는 파이프 부분들 사이의 전이부가 외측 파이프 부분의 내측 벽 표면으로부터의 동축적인 함몰부에 의해서 형성된다면, 최적의 기계적인 물질 응력뿐만 아니라 인장을 통해서 연결부의 밀봉 개선이 달성되었다는 것을 확인할 수 있을 것이다.

연결부의 완전한 결합 셋팅의 경우에 내측 파이프 부분을 외측 파이프 부분 내로 삽입-가압하는 동안에, 주로 반경방향으로 배향되는 큰 힘이 프레스 핏 표면의 영역 내에 형성되고, 이는 이러한 영역에서 외측 파이프 벽 물질의 접선방향의 탄성 연신을 포함하는 팽창을 초래한다.

후속하는 전이부 영역에서 외측 파이프 부분의 내측 벽 표면상의 동축적인 함몰부에 의해서, 그리고 정지부 표면까지 상기 영역 내에서의 파이프 부분의 접촉 제거에 의해서, 접선 방향을 따른 외측 파이프 벽의 탄성 연신이 제공되지는 않으나, 상기 영역 내에서 축방향으로 지향된 인장력이 작용하고, 이는 내측 파이프의 정지부 표면의 가압식-장착(press-on)에 의해서 외측 파이프의 정지부 표면으로 전달되고 그리고 축방향을 따른 탄성 연신을 생성한다.

연결 영역에서, 국부적인 복잡한 인장 상태가 본원 발명에 따라서 크기 감소되고, 이때 본원 발명에 따라서 전이부 영역의 제공이 큰 탄성 연신 값을 생성하고 그리고 파이프 스트랜드에 대한 복잡한 요구가 있는 경우에도 연결부의 밀봉 기밀도(tightness)를 보장한다.

최적의 방식에서, 전이부 영역 내의 함몰부는, 단면에서 볼 때, 모서리가 없는 프로파일(corner-free profile)을 특징으로 하는데, 이는 외측 파이프 부분의 내측 표면 상의 결과적인 인장 스파이크(tension spikes)가 대부분 회피되고 그리고 파열 도입 및 균열의 위험이 제거된다.

만약 말단부에서 계속되는 프레스 핏 표면으로부터 정지부 표면까지 전이부 영역에서 내측 파이프 부분이 라운딩 처리된 방식으로 제공된다면, 국부적인 인장 스파이크가 국부적인 물질의 소성 변형에 의해서 제거될 수 있고 그리고 정지부 표면들의 협력이 개선될 수 있을 것이다. 특히, 반경이 R_c=0.9 내지 1.5mm인 엣지 라운딩의 경우에 또는 R_τ=0.2 내지 0.6 mm의 튜빙(TUBINGS)의 경우에 양호한 결과가 달성되었다.

전이부 반경이 0.5 내지 1.0 mm인 상태에서 동축적인 함몰부가 프레스 핏 표면의 단면에서 외측 파이프 부분내에 제공되는 것이 바람직할 것이고 그리고 동축적인 함몰부가 정지부 표면까지 엣지가 없도록 성형되는 것이 바람직할 것이다. 그에 따라, 함몰부 및 프레스 핏 표면의 경계 영역에서 압력 인장 스파이크들이 확실하게 회피된다.

광범위하고 구체적인 연구를 통해서, 본원 발명에 따른 파이프 연결부의 최적의 밀봉 조건을 달성하기 위해서, 유효 프레스 핏의 길이에 접촉하지 않도록 제공되는 전이부의 길이의 비율(quotient)이, 최적으로, 0.4 내지 1.7, 바람직하게는 0.6 내지 1.5의 값을 가져야 한다는 것을 발견하였다.

이러한 명백하게 넓은 값의 범위는 모든 일반적인 파이프 직경들에서 달성되었다.

치수와 관련된 계산(dimensionally-related evaluations)으로부터, 소위 케이싱이라고 지칭하는 4 1/2인치 보다 큰 외경의 파이프의 경우에, 비율(quotient)이 약 0.4 내지 1.2, 바람직하게 약 0.6 내지 1.0에서 최적화된다는 것을 발견하였다.

한편, 4 1/2 인치 이하 내지 약 1.66 인치의 외경을 특징으로 하는 라이저(riser) 파이프 또는 이송 파이프들의 경우에 그리고 로워(lower) 즉, 소위 튜빙의 경우에, 프레스 핏의 길이에 대한 접촉이 없이 구현되는 전이부의 길이의 비율은 0.9 내지 1.7, 바람직하게는 1.1 내지 1.5가 되도록 결정되었다.

밀봉 기밀도가 높은 파이프 연결부의 최적의 그리고 높은 값의 콤팩트한(high-value compact) 실시예를 달성하기 위해서, 외측 파이프 부분이 정지부 표면의 직경에 대해서 약 1:10의 프레스 핏 표면의 경사를 나타내야 하고, 그리고 정지부 표면은, 반대로 배향된, 축선의 수직(axis normal)에 대한 β=10° 내지 20°의, 바람직하게는 β=약 15°의 베타 각도를 나타내야 한다.

만약, 실험결과로 확인된 바와 같이, 프레스 핏 표면 및/또는 정지부 표면이 DIN 4777 ISO/DIN4287/1에 따른 평균 조도 값으로서 측정된 Ra = 3.2 ㎛ 미만의, 그러나 Ra=0.4 ㎛ 초과의 표면 조도를 특징으로 한다면, 소위 프레스 핏 표면들의 시징(seizure)이 없이 높은 비압력 로드(high specific pressure load)가 적용될 수 있고 그리고 전체적으로 자유로운(largely unrestricted) 파이프 연결부의 철거가 가능질 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 상한선의 조도 내의 거친 표면 프로파일의 요홈부내에서, 그리싱 수단의 최적의 양이 위치되어 원하는 특성을 달성할 수 있을 것이다.

효과와 관련하여, 본원 발명에 따른 파이프 연결부는 파이프 부분들을 축방향으로 함께 가압하는 여러 가지 수단을 통한 완전한 결합시에 이용될 수 있을 것이다. 공지된 나사식 연결부들이 바람직한 효과를 제공할 수 있다는 것을 확인하였다.

본원 발명에 따른 파이프 연결부들의 하나의 형태의 실시예를 첨부 도면에 도시하였다.

도 1은 파이프 연결부를 축방향 단면으로 도시한 단면도이다.

도 1에서, 내측 파이프(I)와 외측 파이프(A)의 파이프 연결부가 축방향 단면으로 도시되어 있다.

파이프들의 연결 영역에서, 내측 파이프 부분(I)은, 파이프 직경을 기준으로 할 때, 1:10의 값으로 말단이 경사진 프레스 핏 표면(1I)을 구비한 절두원뿔형 표면을 특징으로 한다. 프레스 핏 표면(1I)에 이어서, 정지부 표면(2I)이 형성되고, 이때 정지부 표면은 반대 배향 방식으로 파이프의 길이방향 축선(x)을 향해서 15°의 각도(β)로 경사지고 그리고 전방 및 내측 파이프 단부에 밀봉 표면을 가지는 정지부(2)를 나타낸다.

외측 파이프 부분(A)은, 완전히 결합된 파이프 부분 연결의 경우에, 내측 파이프의 프레스 핏 표면(1I)에 대해서 인접하는 연결 영역(1)에서 프레스 핏 표면(1A)과 접한다.

프레스 핏 표면(1I 및 1A)를 둘러싸는 프레스 핏 영역(1)과 파이프 부분들의 정지부 표면들을 구비하는 정지부 영역(2) 사이에 전이부 영역(3)이 제공되고, 여기에서 외측 파이프 부분(A)의 내측 벽으로부터의 함몰부(RA)가 존재하며, 중공형 공간(R)이 파이프 부분(I)과 파이프 부분(A) 사이에 형성되고 그리고 이러한 영역 내의 부분들은 접촉이 없도록 배치된다.

외측 파이프 부분(A)에서, 프레스 핏 표면(1A)과 함몰부 프로파일(3A) 사이의 경계 영역이 0.8 mm의 반경으로 라운딩 처리되고, 이때 정지부 표면(2A)이 무-엣지(edge-free)의 라운딩 처리된 방식으로 구현될 때까지 동축적인 함몰부(RA)의 전체 내측 벽 표면(3A)이 후속하게 된다.

Claims (12)

1. 파이프 연결부의 길이를 따르는 종축 및 상기 종축에 수직한 수직축을 갖는 파이프 연결부에 있어서,
   제1 프레스 핏 표면(1I), 제1 정지부 표면(2I) 및 상기 제1 프레스 핏 표면과 상기 제1 정지부 표면 사이에서 연장되는 전이부 표면을 가지는 하나 이상의 내측 파이프 부분(I); 및
   내측 벽, 외측 칼라, 제2 프레스 핏 표면(1A), 제2 정지부 표면(2A) 및 상기 제2 프레스 핏 표면(1A) 및 상기 제2 정지부 표면(2A)으로부터 연장되는 상기 내측 벽 내의 함몰부(RA)를 가지는 외측 파이프 부분(A)을 포함하되,
   상기 외측 파이프 부분(A)이 상기 내측 파이프 부분(I)과 접합할 때, 상기 파이프 연결부는 3 개의 영역을 형성하며,
   상기 3 개의 영역은,
   상기 제1 프레스 핏 표면(1I) 및 상기 제2 프레스 핏 표면(1A)의 접촉에 의해 형성되는 프레스 핏 영역(1)으로서, 상기 내측 파이프 부분(I)으로부터 내측 파이프 축을 향한 방향으로 기울어진 절두원뿔 형상을 가지는, 프레스 핏 영역(1),
   상기 제1 정지부 표면(2I) 및 상기 제2 정지부 표면(2A)의 접촉에 의해 형성되는 정지부 영역(2)로서, 절두원뿔 형상을 갖고 상기 프레스 핏 영역(1)을 향한 방향으로 지향되는 정지부 영역(2), 및
   상기 내측 파이프 부분(I)의 상기 전이부 표면 및 상기 함몰부(RA)에 의해 형성되고, 상기 프레스 핏 영역(1)로부터 상기 정지부 영역(2)로 연장되는 전이부 영역(3)으로서, 동축인 중간 공간 또는 중공 공간(R)을 형성하는 전이부 영역(3)을 포함하고,
   상기 외측 파이프 부분(A)의 제2 프레스 핏 표면(1A)이 직경에 대해서 1:10의 비율로 경사지고, 그리고 상기 외측 파이프 부분(A)의 제2 정지부 표면(2A)이 상기 수직 축에 대해 10° 내지 20°의 각도를 갖는
   파이프 연결부.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 전이부 영역(3)은 상기 외측 파이프 부분(A)의 상기 함몰부(RA)에 의해서 형성된 연결 영역인
   것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 전이부 영역(3) 내의 함몰부(RA)가 단면에서 볼 때 모서리가 없는 프로파일을 나타내는
   것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 내측 파이프 부분(I)이 상기 제1 프레스 핏 표면(1I)과 상기 제1 정지부 표면(2I)에 의해서 상기 전이부 영역(3) 내에서 라운딩 처리 방식으로 성형되는
   것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 전이부 표면은 0.5 내지 1.0 mm인 전이부 반경(Ro)을 갖고 엣지가 없는
   것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   프레스 핏 영역(1)의 길이에 대한 상기 전이부 영역(3)의 길이의 비율(quotient)이 0.4 내지 1.7인
   것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 파이프 연결부는 외경이 4.5 인치보다 큰 케이싱 파이프용이며, 상기 프레스 핏 영역(1)의 길이에 대한 상기 전이부 영역(3)의 길이의 비율이 0.4 내지 1.2인
   것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
   
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 파이프 연결부는 외경이 4.5 인치 보다 작은 케이싱 파이프용이며, 상기 프레스 핏 영역(1)의 길이에 대한 상기 전이부 영역(3)의 길이의 비율이 0.9 내지 1.7인
   것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
   
9. 삭제
10. 삭제
11. 제 1 항에 있어서,
    제1 및 제2 프레스 핏 표면(1I, 1A) 또는 제1 및 제2 정지부 표면(2I, 2A)이 Ra=0.4 ㎛ 내지 Ra = 3.2 ㎛의 표면 조도를 나타내는
    것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
    
12. 제 1 항에 있어서,
    내측 및 외측 파이프 부분들(I, A)의 접합이 나사 연결부에 의해서 이루어지는
    것을 특징으로 하는 파이프 연결부.

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