KR20020086593A

KR20020086593A - 나사조인트 및 록드릴요소

Info

Publication number: KR20020086593A
Application number: KR1020027011392A
Authority: KR
Inventors: 린덴요한
Original assignee: 산드빅 악티에볼라그
Priority date: 2000-03-02
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2002-11-18
Also published as: ZA200205406B; NO20024152D0; RU2002122991A; MXPA02008444A; PL358055A1; BR0108796A; SE0000702D0; AU3629701A; SE0000702L; SE515194C2; NO20024152L; US20010029807A1; CN1408047A; EP1259704A1; JP2003525374A; CA2397155A1; WO2001065059A1; US6394190B2

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 실질적으로 원통형의 수나사와 함께 실질적으로 원통형인 암나사(12)도 포함하는, 세척수가 사용되는 강으로 된 충격 드릴링용 나사조인트 및 드릴요소에 관한 것이다. 수나사는 제1드릴스트링구성요소와 일체로 형성된 스피것(13)상에 제공된다. 나사(12)는 나사플랭크(16,17;18,19) 및 상기 나사플랭크들 사이에 제공되는 나사루트(20;21)를 포함한다. 원통형 수나사의 나사루트(20)는 원통형 암나사(12)의 관련 크레스트(22)로부터 실질적으로 떨어져 제공된다. 알루미늄, 아연 및 마그네슘 또는 이들의 합금과 같은 금속으로 만들어진, 강보다 낮은 전극전위를 갖는 적어도 하나의 재료층으로 원통형 수나사의 나사루트(20)를 코팅함으로써, 나사연결부의 수명이 길어질 수 있다.

Description

나사조인트 및 록드릴요소{THREAD JOINT AND ROCK DRILL ELEMENT}

록 충격 드릴링시, 드릴요소, 즉, 비트, 로드, 튜브, 슬리브 및 섕크어댑터에는 부식작용(corrosive attack)이 일어나기 쉽다. 이러한 현상은, 특히, 세척매체로 물이 사용되거나 환경이 습한 지하에서의 드릴링에서 일어난다. 부식작용은 최대응력을 받는 부분, 즉, 나사저부 및 나사 클리어런스에서 특히 심각하다. 충격파 및 굽힘하중으로 인한 편진응력(pulsating stress)과 결합하며, 소위 부식피로가 발생한다. 이는 드릴요소 파손의 공통적인 이유이다.

근래에는, 통상적으로 저합금의 표피경화(case hardened) 강이 드릴요소에 사용된다. 그 이유는, 일반적으로 나사부의 마멸 및 마모가 수명의 길이를 제한하고 있기 때문이다. 드릴기계 및 드릴요소가 더욱 효율적이 되어감에 따라, 이들 문제들은 줄어들었지만 부식피로는 한계요인이 되고 있다.

표피경화는 표면에 압축응력을 가하여, 기계부품의 피로에 대하여 소정의 효과를 제공한다. 그럼에도, 저합금강에서의 부식에 대한 저항성이 낮기 때문에, 부식피로는 여전히 쉽게 발생한다.

미국특허출원 제 4872515호 또는 제 5064004호에는, 나사부에 드릴요소의 강보다 더욱 연질의 금속재료가 제공되는 드릴로드가 개시되어 있다. 이는 다른 나사연결부와 상호작동하는 드릴요소의 나사의 적어도 일부를 피복하여(cover) 나사에서의 피팅(pitting)의 문제를 해결하기 위함이다.

본 발명은 첨부된 독립청구항의 서문에 따른 록 드릴링용 나사조인트 및 드릴요소에 관한 것이다.

도 1은 부분적으로는 단면도로서, 본 발명에 따른 드릴요소의 측면도,

도 2는 드릴요소 일 끝단부의 측면도,

도 3은 상기 끝단부의 축선방향 단면도,

도 4는 본 발명에 따른 나사조인트의 일 실시예의 축선방향 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 나사조인트의 대안적 실시예의 축선방향 단면도,

도 6은 본 발명에 따른 드릴요소의 대안적 실시예의 축선방향 단면도.

본 발명의 일 목적은 충격식 록 드릴링용 드릴요소의 부식피로에 대한 저항성을 실질적으로 향상시키는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 충격식 록 드릴링용 드릴요소의 단면감소부의 부식피로에 대한 저항을 실질적으로 개선시키는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 충격식 록 드릴링용 드릴요소의 나사부의 나사루트에서의 부식피로에 대한 저항을 실질적으로 개선시키는 것이다.

이들 목적 및 다른 목적은 도면을 참조하여 첨부된 독립청구항에 따라 얻어진 특징을 가지는 나사조인트 및 드릴요소를 사용하여 달성된다.

드릴요소로서, 도 1 내지 도 4에 도시된 충격식 드릴링용 드릴튜브, 즉 제1드릴스트링요소(10)에는 일 끝단부에 원통형 암나사, 즉 원통형 내부나사(12)를 구비한 암요소부(11) 또는 슬리브부가 제공된다. 암요소부(11)는 드릴튜브(10)와 일체로 구성되어 있다. 드릴튜브(10)의 다른 끝단부에는 원통형 수나사, 즉, 원통형 수나사(14)가 제공된, 본 발명에 따른 스피것 또는 수요소부(13)가 형성되어 있다. 이러한 나사를 소위 사다리꼴 나사라 칭하나 다른 나사형태로서, 예를 들어, 로프나사(rope thread)가 사용될 수도 있다. 또한, 드릴요소는 통상적으로 공기나 물인 세척매체가 전달되는 세척용관통채널(through-going flush channel)(15)을 구비한다. 수나사(14)는 나사플랭크(16, 17) 및 상기 나사플랭크들 사이에 배치된 나사루트(20)를 포함한다. 암나사(12)는 나사플랭크(18, 19) 및 상기 나사플랭크들 사이에 배치된 나사루트(21)를 포함한다. 도 4에 따른 체결된 상태의 조인트에서, 수나사(14)의 나사루트(20)는 암나사의 관련 크레스트(crest)(22)로부터 실질적으로 떨어진 거리에 제공된다.

본 발명에 따르면, 수요소부의 드릴요소의 나사루트(20)에는 적어도 하나의 표면개질용 부식보호층으로 구성된 코팅이 제공된다. 가장 많이 노출되는 부분, 즉, 나사루트(20), 제한부(restriction)(24) 및 클리어런스와 같은 단면감소부분만이 코팅된다. 최대 층두께는 0.002mm 내지 5mm, 바람직하게는 0.02mm 내지 2mm이다. 나사루트는 제1폭(W1)을 갖고, 나사의 나사 크레스트(23) 및 나사플랭크(16, 17)의 비코팅부는 나사는 제2폭(W2)(도 3)을 가지며, 여기서, W1/W2의 비는 0.02내지 1.2, 바람직하게는 0.3 내지 0.8이다. 예를 들어, 로프나사(R35)는 5mm 두께의 코팅(W1)으로 피복되었다. 나사피치는 12.7mm이며, 여기서 W2=12.7-5=7.7 및 비 W1/W2=0.65로 주어진다.

본 발명에 따른 드릴요소의 코팅부의 상기 부식보호층은 지지강 즉, 기반강(underlying steel)보다 덜 귀하고, 상기 층은 실제환경에서, 보다 음극의 전위, 적어도 50mV, 바람직하게는 적어도 100mV를 가진다. 그러면, 전극전위의 차이는 음극을 보호하는 기능을 하고, 여기서 코팅은 갈바니 양극(galvanic anode)(희생양극(sacrificial anode))을 구성한다. 이러한 보호재료의 예로는 알루미늄, 아연 및 마그네슘과 이들의 합금이 있으며, 바람직하게는 아연합금을 들 수 있다. 나머지층은 코팅부와 강 사이의 결합성을 증가시키기 위하여 바인더층으로 구성될 수 있다.

예를 들어, 용융도금(hot dipping), 화학 또는 전해도금 또는 용사(thermal spraying)과 같은 여러 상이한 코팅법이 상기 층에 적용하기 위해서, 이용될 수 있다. 나사루트, 제한부 또는 클리어런스와 같은 단면감소부의 소정부위를 초과하여 코팅되는 경우에, 불필요하게 코팅된 부분은 사용전에 기계가공을 하거나 단기간의 사용후 마모를 통하여 제거된다. 후자의 경우, 충격(impact) 전달면을 코팅하는 것은 이롭지 않다는 것을 의미한다. 독립청구항에서는, 결과적으로 "단면감소부를 갖는 부분 중 적어도 하나는 더 낮은 전극전위를 갖는 재료의 층을 부분적으로 포함한다"는 것을 나타내며, 여기서, "부분적으로"란 단어는, 충격전달면상의 가능층(possible layer)이 매우 빨리 마모되는 경우도 포함한다.

실험례

소위 긴 구멍의 드리프터 드릴링(drifter drilling)시, 대략 4m의 긴 드릴튜브가 사용된다. 튜브의 취약부는 수나사(14)의 저부(20)이고(도 2), 세척수 및 편진인장응력은 종종 파괴를 초래하는 부식피로를 유발한다.

저합금강인 표피경화된 8개의 튜브는 용융아연욕내에 잠겨져, 소위 침지도금(dip galvanizing)하여 두께가 대략 0.2㎜인 아연층으로 코팅되었다. 아연은 20°의 해수에서 -500㎷를 갖는 저합금강에 비하여 대략 -860㎷의 전극전위를 가진다. 아연층은 브러쉬를 회전시킴으로써 나사플랭크로부터 제거되었다. 그런 후, 파괴되거나 튜브가 마모되어 버릴 때까지 지하 드리프터 드릴링용 리그(rig)에서 드릴링이 수행되었다. 드릴링된 미터로 측정된 다음의 수명길이가 얻어졌다.

테스트 번호	드릴링된 미터
1	4297
2	2489
3	3210
4	2041
5	3933
6	4268
7	3085
8	2608

종래의 종류의 강(steel)의 코팅되지 않은 드리프터 튜브의 평균 수명길이는 실질적으로 암석이 화강암으로 이루어진 실제의 테스트장소에서 대략 2000m이고, 이는 본 발명에 따른 드릴강을 이용하면 두드러지게 개선됨을 보여준다.

본 발명에 따른 나사조인트의 대안적 실시예에서는, 도 5에서와 같이 암요소부(11')의 나사(12')도 강보다 더 낮은 전극전위를 갖는 재료층으로 코팅된다. 결과적으로, 단면감소부의 암요소부(11')의 부분에는 희생양극을 구성하는 적어도 하나의 층으로 구성된 코팅이 제공된다. 최대 노출부, 즉, 나사루트(21'), 제한부 및 클리어런스와 같은 단면감소부만 코팅된다. 코팅에 관하여 상술된 바는 암요소부(11')에 코팅이 실시되는 경우에도 마찬가지로 적용된다.

본 발명에 따른 드릴요소의 대안적 실시예에서는, 나사루트의 최대응력을 받는 부분, 예를 들어, 나사루트로부터 사다리꼴 나사의 플랭크까지 이행부의 한쪽(도 6에서 오른쪽으로) 또는 양쪽(좌측으로), 즉 드릴요소가 최소반경을 갖는 부분만이 코팅된다(도 6).

정리하면, 본 발명은 부식피로에 대한 저항성을 실질적으로 향상시키기 위하여 제한부가 하나의 층으로 코팅된 충격 드릴링용 나사조인트 및 드릴요소에 관한 것이다. 상기 층은 나사플랭크의 연화 및 그 위에서의 퇴적을 피하기 위하여 축선방향으로는 불연속적으로 만들어지는 것이 바람직하다.

Claims

세척수가 사용되는 충격 드릴링을 위한 강으로 된 나사조인트로서, 단면감소부(20;21';24)를 포함하고, 적어도 하나의 실질적으로 원통형의 수나사(14)와 함께 실질적으로 원통형의 암나사(12)도 포함하며, 상기 수나사(14)는 제1드릴스트링구성요소(10)와 일체로 형성된 스피것(13)상에 제공되고, 상기 나사(12, 14)는 나사플랭크(16, 17;18, 19) 및 상기 나사플랭크들 사이에 제공된 나사루트(20;21;21')를 포함하고 상기 원통형 수나사(14)의 나사루트(20)는 상기 원통형 암나사(12)의 관련 크레스트(creast)(22)로부터 실질적으로 떨어져 제공되는 나사조인트에 있어서,

상기 단면감소부(20;21';24) 중 적어도 하나는 강보다 더 낮은 전극전위를 갖는 재료의 층을 부분적으로 포함하고, 상기 층은 알루미늄, 아연 및 마그네슘 또는 이들의 합금으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 나사조인트.
제1항에 있어서,

상기 층은 실질적으로 상기 나사(14;12')의 나사루트(20;21')에만 적용되고, 상기 나사루트는 제1폭인 W1을 가지고 나사의 크레스트는 제2폭인 W2을 가지며, 여기서, W1/W2의 비는 0.02 내지 1.2, 바람직하게는 0.3 내지 0.8인 것을 특징으로 하는 나사조인트.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 층의 재료는 강보다 적어도 50mV, 바람직하게는 적어도 100mV 더 낮은 전극전위를 갖는 것을 특징으로 하는 나사조인트.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

최대 층두께는 0.002mm 내지 5mm, 바람직하게는 0.02mm 내지 2mm인 것을 특징으로 하는 나사조인트.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

다음의 코팅방법 : 용융도금(hot dipping), 화학 또는 전해도금, 용사(thermal spraying) 중 하나가 상기 층에 적용하기 위하여 사용되는 것을 특징으로 하는 나사조인트.
세척수가 사용되는 제1항에 따른 방식의 충격 드릴링을 위한 나사조인트용 드릴요소로서, 상기 드릴요소는 단면감소부(20;21';24) 및 적어도 하나의 실질적으로 원통형의 수나사(14)를 포함하고, 상기 수나사(14)는 제1드릴스트링구성요소(10)와 일체로 형성된 스피것(13)상에 제공되고, 상기 나사(12, 14)는 나사플랭크(16,17;18,19) 및 상기 나사플랭크들 사이에 제공되는 나사루트(20;21;21')를 포함하고, 상기 원통형 수나사(14)의 나사루트(20)는 원통형 암나사(12)의 관련 크레스트(22)로부터 실질적으로 떨어져 있는 드릴요소에 있어서,

상기 단면감소부(20;21';24) 중 적어도 하나는 강보다 더 낮은 전극전위를 갖는 재료의 층을 부분적으로 포함하고, 상기 층은 알루미늄, 아연 및 마그네슘 또는 이들의 합금과 같은 금속으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 드릴요소.
제6항에 있어서,

상기 층은 실질적으로 상기 나사(14;12')의 나사루트(20;21')에만 적용되며, 상기 나사루트는 제1폭인 W1을 가지고, 상기 나사의 크레스트는 제2폭인 W2을 가지며, 여기서, W1/W2의 비는 0.02 내지 1.2, 바람직하게는 0.3 내지 0.8인 것을 특징으로 하는 드릴요소.
제6항 또는 제7항에 있어서,

상기 층의 재료는 강보다 적어도 50mV, 바람직하게는 적어도 100mV 더 낮은 전극전위를 갖는 것을 특징으로 하는 드릴요소.
제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

최대의 층두께는 0.002mm 내지 5mm, 바람직하게는 0.02mm 내지 2mm인 것을 특징으로 하는 드릴요소.
제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

다음의 코팅방법 : 용융도금, 화학 또는 전해도금, 용사(thermal spraying) 중 하나가 상기 층에 적용하기 위하여 사용되는 것을 특징으로 하는 드릴요소.