KR20040093105A - 쐐기형 나사부를 이용한 관 접속부 - Google Patents

Abstract

소정의 각 턴당 반경 변동 대 각 턴당 나사부 폭 변동의 비를 갖고 높은 강도를 갖는 본 발명에 따른 쐐기형 나사부를 이용한 관 접속부는, 접속부가 예컨대 진동, 충격, 굽힘, 인장, 압축, 비틀림 및/또는 열변화 등의 천이 작동 부하를 받는 경우에도 나사부의 긴밀한 밀봉을 유지할 수 있다. 상기 나사부의 형태는 대직경관 또는 소직경관에 사용하는 경우에 개방형 또는 트랩형일 수 있으며, 예컨대 플러시 조인트; 관보다 큰 직경을 갖는 칼라; 더블-핀 커플링; 공구 및 보조 접속부 등으로 구성될 수 있고, 이러한 접속부는 광범위한 또는 반복 가능한 연결 형성 토크가 바람직한 경우에, 예컨대 베이스 부재에 대하여 중실형 구조용 기둥 등을 가역적으로 접속하는 데 사용될 수 있다. 상기 나사부는 제조 및 조립을 용이하게 하고 취급 손상을 최소화하는 돌출부를 구비한다. 상기 접속부는 견부를 필요로 하지 않으면서 매우 큰 토크 수용 능력을 가지며, 광범위한 토크 범위에 걸쳐서 최종 연결 형성 위치가 크게 변화되지 않으면서 반복적으로 "스핀 업" 및 조여질 수 있다. 상기 접속부는 관에 비하여 매우 큰 인장, 압축 및 굽힘 강도를 갖는다. 상기 접속부는, 예컨대 일체형 플러시 조인트, 니어-플러시, 박스 커플링, 더블-핀 커플링 및 구조용 기둥 접속부 등과 같은 고강도 구조로 제조될 수 있다. 소정의 접속부와 함께 사용하기 위한 나사부용 도프의 요건이 포함되어 있다.

Description

쐐기형 나사부를 이용한 관 접속부{WEDGETHREAD PIPE CONNECTION}

Blose의 Re.30,647호에는 트랩식 쐐기형 나사부가 개시되어 있는데, 2문단 7-11행에 나사부 밀봉이 제안되어 있지만, 나사부 밀봉을 형성하는 방법은 교시되어 있지 않으며, 실제로 3문단 40-43행에는 정의되지 않은 기부와 마루 사이의 간극이 언급되어 있다. Blose의 다른 특허인 미국 특허 제4,600,224호, 제4,600,225호, 또는 제4,822,081호에도 나사부 밀봉을 실시하는 방법이 교시되어 있지 않다.

Ortloff의 미국 특허 제4,671,544호에서는 전술한 동일 양수인의 발명에 의해 형성되는 나사부의 밀봉의 부족한 부분을 더 확인해주고 있는데, 여기서 Ortloff는 자웅 결합하는 나사부의 중간 지점에 탄성 밀봉(26)을 마련하고 도 1의 도면부호 22 및 24에 도시된 것과 같은 금속 대 금속 밀봉을 마련하였다. Ortloff는 2문단 18-20행에서 나사부 밀봉을 언급하고 있지만, 그 실시 방법은 교시하지 않았다. 나사부가 밀봉되어 있다면, Ortloff의 탄성 밀봉과 금속 대 금속 밀봉은 불필요할 것이다. 도 4에 도시된 실시예는 나사부의 밀봉을 청구하는 것이 아니라, 도면부호 50에 도시된 것과 같은 금속 대 금속 밀봉을 청구하고 있다.

Reeves의 미국 특허 제4,703,959호에서는 트랩식 쐐기형 나사부 접속이 개시되어 있는데, 2문단 6-17행에서 상기 접속은, 예컨대 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 연질 밀봉에서 밀봉이 이루어진다. 또한, Reeves는 나사부 밀봉을 청구하고 있지만, 그 실시 방법은 교시하고 있지 않다. 나사부가 수용 유체를 밀봉하고 있다면, 상기 연질 밀봉은 불필요하다.

Mott의 미국 특허 제5,454,605호에서는 2문단 48-61행에 설명되어 있고 도 3및 도 4에 예시되어 있는 트랩식 쐐기형 나사부를 기술한다. Mott는 1문단 51행-2문단 2행에서 도브테일식(dovetail) 쐐기형 나사부의 조립 및 분해 문제와 손상 가능성을 정확하게 설명하고 있다. Mott는 2문단 60-65행, 4문단 61행-5문단 14행에서 나사부 밀봉을 청구하고 있지만, 진흙에 대한 밀봉 방법에 대해서도 교시하고 있지 않다. Mott는 "접속부의 형성 시에는, 나사부 윤활제조차도 나사부 사이에 갇혀있지 않도록 나사부 사이에 간극이 없다"고 하였지만, 불행히도 이와 같은 이상적인 확신은 현재에도 미래에도 기계 가공 성능의 범위를 넘어선 것이며, 특히 관 접속부에 대한 비용에 의해 제한되는 것이다.

Watts의 미국 특허 제2,766,998호에서는 수 년 동안 압력 및 온도가 극심하게 변동하는 조건하에서 가스에 대한 고압 시일을 실시하도록 탄성의 금속제 립-시일과 정합 안착부를 형성하는 방법을 교시하고 있다.

Watts의 미국 특허 제5,427,418호에서는 나사부 도프를 이용하여 관용 나사부에 고압 시일을 실시하기 위해 완전 접속 위치에 반드시 존재하여야 하는 구성 요소와 개방형 쐐기형 나사부를 교시하고 있다. 본원은 각 턴당 반경 변동 대 나사부 폭 변동과 관련된 실시 가능한 밀봉비를 개시하고 있는 '418호에 비해 개량된 것이다.

앞서 인용된 쐐기형 나사부에 관한 6개의 특허는 양수인이 동일하고, 그 중 4개의 특허는 발명자가 동일한데, 이는 쐐기형 나사부를 개량하려는 주의 깊고 지속적인 장기간의 노력이 25년 이상 동안 집중되어 왔다는 것을 확인시켜준다. 본원의 발명자가 아닌 다른 사람에 의해 개발된 앞서 열거한 트랩식 쐐기형 나사부가갖는 공통의 특징, 즉 로드 플랭크가 맞물리는 것이 아니라 이들 로드 플랭크 사이에 도프가 포획된다는 점과, 이상적인 완전 접속 위치에 도달하기 전에 로드 플랭크의 갭에서 가압되는 도프에 의해 강제로 힘을 받게 될 때, 스태브 플랭크가 맞물려서 조기에 높은 마찰 저항 토크를 발생시킨다는 점, 그리고 시일은 나사부에 의해 유지되지 않는다는 점이 경험을 통해 교시되어 있다. 전술한 바와 같이 조기에 형성되는 저항 토크는 완전 접속에 못미치는 상태에서 회전을 중지시키는 작용을 하는데, 이로 인해 로드 플랭크의 갭에 있는 도프는, 시간의 경과에 따라, 그리고 접속부를 헐거워지게 만들고 나아가 기계적 지지부의 역할을 하거나 밀봉을 이루는 접속부의 기능을 저하시키는 작동 부하에 도프가 노출되는 경우에, 빠져나갈 수 있게 된다. 핀을 박스 안에 넣는 제1 회전 시에, 마루의 갭(정합하는 기부와 마루 사이의 갭)과 로드 플랭크의 갭은 모두다 그 폭이 매우 넓어서, 잉여 도프는 접속부로부터 바깥쪽으로 자유롭게 유동한다. 길고 좁은 나선형 갭을 통해 바깥쪽으로 강제되는 도프가 밀봉되기 시작하여, 정합 나사부 사이에서 마찰 저항 토크를 발생시키는 역류압이 점차 증대되기 시작하도록, 정합 나사부 표면 사이의 모든 갭의 폭이 충분히 감소되는 시기인 접속의 후반 단계 중에 토크가 증대되기 시작한다. (1) 헐거워지지 않는 견고한 접속부를 형성하고; (2) 나사부를 밀봉하며; (3) 시간의 경과 후에 및/또는 작용력을 받은 이후에 상기 헐거워지지 않는 특징과 밀봉 특징을 모두 유지하기 위해, 모든 정합 플랭크와 소정 두께의 도프를 마루 갭에서 접촉시키는 데 요구되는 실시 가능한 변동비(CR = 각 턴당 나사부 직경 변동 대 마루 폭의 변동의 비)의 중요성은, 앞서 인용된 다른 특허의 쐐기형 나사부에 관한 특허중 어느 것에서도 교시되거나 언급되어 있지 않다.

전술한 다른 특허에 의해 제조되는 쐐기형 나사부가 스너그 위치(snug position)에서 접속될 때, 마루의 갭은 BTD와 동일하고, 하나의 플랭크 갭의 폭은 나사부의 CR값이 낮기 때문에 더 크다. 또한, 이러한 접속을 통해 도프는 유압 법칙에 따라 그 긴 나선형 경로가 바로 밀봉되기 시작한 마루 갭으로부터 보다 넓은 플랭크 갭을 향해 반경방향으로 조금 유동하게 된다. 그 후, 상기 마루 갭이 최소 두께(Q)로 감소될 때, 상기 도프는 정합 나사부 사이로부터 바깥쪽으로 나선 운동하여, 나사부는 아래로 이동하는 도프 내의 고체를 압축시킬 수 있다. 상기 플랭크 갭의 보다 넓은 폭이 점차 감소되어 상기 갭 내의 도프를 압축시키고, 나아가 다른 정합 플랭크 세트를 강제로 조밀화시킬 때, 기부-마루의 간섭은 점차 증대된 후 그 저항 토크가 발생되기 시작하며, 그 결과 제2 마찰 저항 토크가 점차 증대되기 시작한다. 전술한 두 가지 저항 토크가 함께 발생되고, 이들 토크가 접속 형성을 위해 인가되는 최대 토크와 동일한 경우에, 회전은 완전 접속에 못미치는 상태에서 중지되고, 그 결과 모든 플랭크가 함께 쐐기 결합되는 대신에 플랭크 갭 내에 유체 도프가 남게된다. 예컨대, 진동, 굽힘 및 열 변화 등과 같은 나중에 가해지는 축선방향 작용력으로 인하여, 도프는 플랭크 갭에서 간헐적으로 유동하게 되며, 또한 플랭크 갭을 나선방향으로 통과하여 밖으로 빠져나가는 누출이 야기되어 접속부가 헐거워진다. 이러한 누출 이후에 접속 형성을 위한 최종 토크를 실험실에서 접속부에 인가하면, 플랭크 갭을 잠시 재밀봉할 수 있지만, 마루 갭에는 유체 도프가 수용되어 있지 않기 때문에 마루 갭에서의 누출은 해결할 수는 없다. 일반적으로 현장에서는 상기 접속 형성을 위한 최종 토크를 인가할 수 없다는 점이 가장 중요하다. 본원은 실시 가능한 CR을 결정하고 이용함으로써 전술한 문제를 처리하였다.

관의 이음부를 접속하여 유체를 이송하기 위해 나사부를 이용하는 것은 매우 오래된 기술로서, 보다 강하고 보다 양호하게 관 접속부를 밀봉하는 것과 관련된 시대의 요구를 충족시키기 위한 노력이 수백년간 진행되어 왔다. 관 접속에 관한 성능 요건은 여전히, 예컨대 실질적으로 기계적 부하가 걸리지 않는 유압이 80 psi 미만인 가정용 배관에서부터, 15,000 psi의 가스 압력을 견뎌내야 하는 동시에 극심한 기계적 부하와 폭넓은 온도 변동을 견뎌내야 할 필요가 있는 유정용 배관에 이르는 다방면에서 서로 다르다. 구조 부재를 접속하기 위해 관에 나사부를 이용하는 것도 또한 오래된 기술이다.

나사식 관 접속의 역사적인 취약성과, 이완, 누출, 및/또는 파괴가 일어나는 경향 때문에, 산업 설비 및 정제 시설에 나사식 관 접속을 사용하는 것은, 산업 규약에 의해 관의 크기가 매우 작고 압력이 낮은 경우로 제한되어 왔다. 그러나, 유정 및 가스정의 경우에 천공되는 매우 제한된 구멍 크기 범위 내에서 사용하기에 적합한 다른 관 접속이 없기 때문에, 나사식 관 접속은 오늘날까지도 상기 유정 및 가스정에서 사용되고 있어, 나사식 관 접속에 관한 대부분의 연구 및 개발은 전술한 용도와 관련되어 있다. 통상적인 관용 나사부의 구조적 용도는, 사용 현장에서 헐거워지거나 및/또는 부서지는 경향과 취약성에 의해 제한되어 왔다.

도 1은 스태브 위치에 있는 접속부의 박스와 핀의 부분 단면도.

도 2는 완전 접속 위치에 있는 도 1에 도시된 접속부를 보여주는 도면.

도 3은 도 1에서 취한 나사부의 일부분의 확대도.

도 4는 더블-핀 커플링을 이용하는 다른 실시예의 부분 단면도.

도 5는 플랭크 각의 변형례를 보여주는 부분 단면도.

도 6은 플랭크 각의 다른 변형례를 보여주는 부분 단면도.

도 7은 조립 이후에 스웨이징된 핀과 박스의 단면도.

도 8은 원통형의 개방 쐐기형 나사부가 형성된 부분의 단면도.

도 9는 핀의 마루 갭의 폭이 BTD인 경우를 보여주는 도 2에서 취한 도면.

도 10은 박스의 마루 갭의 폭이 BTD인 경우를 보여주는 도 2에서 취한 도면.

본원에서는 후술하는 정의 및 공식이 적용된다.

플랭크 각 = 나사부의 플랭크와 관의 축선에 90°를 이루며 배치된 평면과의 사이에 있는 갭에서 측정되며, 관의 축선과 일치하는 평면에 있는 각도로서, 플랭크가 상기 축선에 수직하면 상기 각도는 0이 되고, 플랭크가 마루를 향하고 있으면 상기 각도는 양의 값이 되며, 플랭크가 기부를 향하고 있으면 상기 각도는 음의 값이 된다.

끼인각 = 스태브의 플랭크 각과 로드의 플랭크 각의 대수합.

나사부의 턴 = 나사부의 360°부분.

핀 = 수나사부가 마련된 관의 단부로서, 최소 직경을 갖는 나사부의 턴이 첫번째 나사부의 턴이다.

박스 = 핀의 나사부와 정합하도록 형성된 암사나부가 마련된 관의 단부로서, 최대 직경을 갖는 나사부의 턴이 첫번째 나사부의 턴이다.

핀의 마루 갭 = 핀의 마루와 이와 정합하는 박스의 기부를 조립할 때 이들 사이에 형성되는 갭.

박스의 마루 갭 = 박스의 마루와 이와 정합하는 핀의 기부를 조립할 때 이들 사이에 형성되는 갭.

쐐기형 나사부 = 마루, 기부, 스태브 플랭크 및 로드 플랭크를 구비하는 나사부의 형태로서, 상기 로드 플랭크는 그 나선 각도가 상기 스태브 플랭크에 비해 크게 형성되며, 상기 마루의 축선방향 길이는 제1 나사부의 턴이 시작되는 지점에서 최소이고 상기 마루의 축선방향 길이는 점차 증대되어 최종 나사부의 턴의 단부에서 최대가 되도록 형성되고, 그리고 상기 박스와 핀이 바람직한 완전 접속 위치까지 나사 결합될 수 있으며, 이 완전 접속 위치에서 상기 스태브 플랭크와 상기 로드 플랭크는 각각의 정합 플랭크에 대하여 접촉 및 쐐기 결합하여 접속부의 형성을 중단시키도록 형성되는 것이다.

트랩식 나사부 = 플랭크 폭의 적어도 일부분에서 음의 끼인각을 갖는 나사부.

개방 나사부 = 플랭크 폭 전체에서 음의 끼인각을 갖지 않는 나사부 형태.

금속 대 금속 밀봉 = 박스 또는 핀의 일부분의 전체 둘레에 형성되는 나사부가 없는 표면으로서, 다른 정합면과 연속 접촉하여, 접속부 내부 또는 외부로부터의 유체에 대한 밀봉을 형성하는 것이다.

DT = 소정 조건하에서 정합 나사부 사이에 존재하는 가변 갭의 폭과 도프의 두께.

Q = 도프가 정합면 사이에서 바깥쪽으로 자유롭게 유동하는 경우에, 상기 정합면 사이에서 압축되는 도프의 최소 두께.

HTD(Healing Thickness Dimension) = 회복 두께 치수 = 조립된 정합 나사부의 표면 사이에 형성되는 갭의 최소 폭으로서, 이 경우 도프의 순간적인 유동과 누출 경로의 재밀봉을 가능할 것이다.

BTD(Bridge Thickness Dimension) = 브릿지 두께 치수 = 조립된 정합 나사부의 표면 사이에 형성되는 갭의 최대 폭으로서, 이 경우 도프가 사용된 나사부는 밀봉될 것이다.

마찰 각도 = 두개의 중실체가 서로에 대해 활주할 때 이들 중실체 사이에서 작용하는 마찰 계수의 아크탄젠트값.

건식 긴밀 위치 = 박스와 핀의 나사부 사이에서 완전한 반경방향 설계 간섭을 얻도록, 나사부의 도프 없이 조립된 박스와 핀의 이론상 완전 접속 위치.

DRI = 건식 긴밀 위치에 있을 때, 정합 나사부 사이의 반경방향 설계 간섭.

SP(Snug Position) = 스너그 위치 = 마루 갭이 상기 BTD와 동일하고 정합 스태브 플랭크가 서로 접촉해 있는 부분적인 접속 형성 위치.

G = 스너그 위치에 있을 때 로드 플랭크 간의 갭의 폭.

핀 벽의 두께 = 맞물린 나사부의 중간 길이에서 반경방향으로 측정되는 치수로서, 핀의 나사부의 피치 직경으로부터 핀의 보어까지의 치수.

박스 벽의 두께 = 맞물린 나사부의 중간 길이에서 반경방향으로 측정되는 치수로서, 박스의 나사부의 피치 직경으로부터 박스의 외경까지의 치수.

스태브 피치 = 하나의 나사부의 턴을 개별적으로 보았을 때, 스태브 플랭크 사이의 축선방향 길이.

로드 피치 = 하나의 나사부의 턴을 개별적으로 보았을 때, 로드 플랭크 사이의 축선방향 길이.

전강도 접속(Full-strength connetion) = 핀 또는 박스의 임의의 부분에서의 VME 항복 강도가 가장 먼저 도달하게 되는 임의의 부하 조합 조건하에서 밀봉을 이루고 파괴되지 않는 관 접속.

RCT = 각 턴당 핀 마루 반경의 변동.

WCT = 각 턴당 핀 마루 폭의 변동.

CR = 변동비 = RCT/WCT.

본 발명에는 임의의 설비, 예컨대 관을 헤비-월 용기에 접속하기 위한; 그리고 구조 부재 등을 가역적으로 접속하기 위한; 그 직경이 관보다 큰 통상적인 더블-박스 커플링과; 더블-핀 커플링과; 일체형 조인트와; 플러시 조인트와; 단압된 관 단부; 그리고 용접된 관단부를 포함하는 설비(이에 한정되는 것은 아님)용의 소정 타입 또는 크기를 갖는 개방 또는 트랩식 쐐기형 나사부 실시예가 포함될 수 있다. 개방형 쐐기형 나사부는 일부 용도에서 트랩식 쐐기형 나사부에 비하여, 예컨대 제조 및 계량을 용이하게 하고, 접속 형성 위치의 예측이 보다 용이해지며, 그리고 취급 손상을 최소화한다는 장점을 가질 수 있다. 트랩식 쐐기형 나사부는 특정의 경우에 극한의 작동 환경에 처하는 정합 나사부가 반경방향으로 분리되지 못하게 함으로써 보다 양호한 밀봉 성향을 제공할 수 있다. 다중 나사는 본 발명의 범위 내에 있는 것이다. 본 발명은 청구범위에 속하는 임의의 특정 용례 혹은 일반 용례에 가장 적합할 수 있도록 다양한 부품을 여러 가지 조합으로 선택적으로 사용하여 실시될 수 있다. 완전 접속 위치에서, 나사부가 헐거워지지 않도록 모든 정합 플랭크가 긴밀하게 접촉해 있는 것과; 마루 갭이 도프의 순간적 유동을 허용하지않을 정도로 좁은 것이 아니라, 작용력에 개방될 수 있는 마루 갭 내의 누출 경로를 재밀봉할 수 있을 정도의 폭을 갖는다는 것을 보장함으로써, 정합 나사부 사이에 밀봉을 실현하는 쐐기형 나사부의 변동비 범위를 교시한다. 정합 플랭크의 반경방향 폭이 동일할 수도 있고, 박스 플랭크의 반경방향 폭이 핀 플랭크의 방경방향 폭보다 클 수도 있으며, 핀 플랭크의 반경방향 폭이 박스 플랭크의 반경방향 폭보다 클 수도 있다. 끼인각은 0일 수도 있고, 양의 값일 수도 있으며, 음의 값일 수도 있다. 플랭크는 반경방향으로 돌출될 수도 있고, 어느 한 방향으로 경사질 수도 있다.

본 발명에 따른 CR 값:

접속 형성의 후반 단계 동안에, 본 발명에 따라 정합 나사부 사이에 남겨지는 최종 갭은, 두 개의 정합 플랭크 세트 모두가 최종 접속 형성 위치에서 긴밀하게 접촉하는 상태로 쐐기 결합되도록 도프를 포획 및 압축시키는 마루 갭이다. 정합하는 마루와 기부를 분리시키기 위한 접속 형성의 최종 단계 동안에, 접속 형성 토크를 감소시키는 마루의 도프 가압력이 이들 마루와 기부 사이에서 반경방향으로 작용한다. (1) 끼인각이 음의 값인 경우, 최종 접속 형성 위치에 도달될 때 마루에 반경방향으로 작용하는 도프 가압력에는 쐐기 결합 인자, 즉 (끼인각/2 + 마찰 각도)의 코탄젠트값이 곱해지고, 축선방향 벡터에 의하여 정합 플랭크 사이에 있는 두께 "Q"의 도프에서 상기 정합 플랭크를 충분히 밀봉시킬 수 있을 정도의 정합 플랭크 사이의 지지 압력으로서 적용되며, 작용력에 의해 강제로 발생될 수 있는 상대적인 운동이 없는 상태로 상기 정합 플랭크가 고정된다. (2) 끼인각이 양의 값인 경우, 기부-마루의 도프 가압력은 접속 형성 토크를 감소시키는 반경방향 간섭력에 대항하여 마루와 기부를 떨어지게 유지하도록 접속 형성 중에 기부와 마루에 반경방향으로 작용하고, 완전 접속 위치에서 박스와 핀 사이의 반경방향 간섭력은 강제로 두 개의 정합 플랭크 세트 모두를 강하게 쐐기 접촉하게 만들며, 그리고 반경방향 간섭력에서 마루의 도프 가압력을 뺀 값은 상기 동일 인자와 곱하여져, 정합 플랭크 사이의 부하-지지-압력 및 축선방향 밀봉 압력으로서 적용된다. (3) 두 개의 플랭크는 모두다 축선에 대하여 수직인 경우에, 마루의 도프 가압력은 기부 및 마루를 이격된 상태로 유지시키며, 정합 플랭크 사이의 접선방향 쐐기 결합력이 회전을 중지시키고 플랭크를 밀봉시킬 때까지 접속 형성 토크를 감소시킨다. 모든 경우에, 마루 갭은 BTD 이하의 두께를 갖는 도프에 의해 최종적으로 밀봉된다. 본 발명을 설명하는 이하의 계산은 가정용의 크기에 비해 매우 작은 치수로 이루어지지만, 현재 나노 기술에서 계산되는 치수의 수천 배, 그리고 양자 물리학에서 사용되는 치수의 수입억 배의 치수로 이루어지는 것이다. 수학은 완벽한 과학이기 때문에, 이러한 계산은 신뢰 가능하다.

적절한 CR을 결정하고 적용하는 방법은 후술하는 바와 같이 설명된다. 단면으로 도시된 박스의 나사홈은 이론상 변함없이 유지되고, 핀의 나사부는 핀의 홈을 통하여 건식 긴밀 위치(DTP)에서 스너그 위치(SP)로 후퇴되는 경우에, 형성되는 핀 마루 반경의 변경은 DRI + BTD이며, 플랭크의 축선방향 이동 거리는 G이다. RCT는 각 턴당 반경의 변동이고, WCT는 각 턴당 나사부 폭의 변동이므로, DTP에서 SP로의 후퇴 턴의 개수는 (DRI+BTD)/RCT = G/WCT이다. 따라서, CR = RCT/WCT이므로, 후퇴CR = (DRI+BTD)/G이다. 나사부가 도프로 피복되고 스너그 위치에서 긴밀한 위치로 조여진 후에, 형성되는 핀 반경의 증대는 (DRI+BTD-DT)이고, 플랭크의 이동 거리는 (G-Q)이며, 후퇴 시와 접속 형성 시에 변할 수 없기 때문에 후퇴 CR과 동일한 접속 형성 CR은 (DRI+BTD-DT)/(G-Q)이다. G는 Q(DRI+BDT)/DT로 구해지고, G를 접속 형성 CR로 치환한다. 그러면,CR = DT /Q;최대 DT = BTD; 최소 DT = HTD이므로, 최대 CR =MCR = BDT/Q이고 최소 CR =LCR = HTD/Q이다. 따라서, DRI값과 반경 공차는 상쇄되어, CR값에 영향을 미치지 않는다. 박스와 핀 사이에서 RCT와 WCT의 공차 차이는 무시할 수 있을 정도로 작은 데, 이는 CNC 가공의 정확도가 0.0005 cm/cm 길이이기 때문이다. 핀 또는 박스의 나사부 깊이를 절두 치수 "TD"만큼 서로 다르게 하는 것이 바람직한 경우,MCR = ( BTD - TD )/Q이다. 소정의 도프 조성물에 대한 BTD, HTD 및 Q값은 다음과 같이 근사화될 수도 있고, 특이한 도프의 경우에 상기 값들은 신중히 제어되는 실험실 시험을 통해 결정될 수도 있다. BTD는 관련 체구멍에 의해 정해지는 것으로 상기 체구멍을 통과하지 못하는 도프 내의 최대 고체 입자의 크기 등급으로, HTD = BTD ×(제조된 도프 중에서 전체 고체 입자가 차지하는 체적 분율)으로, Q = BTD ×[제조된 도프 중에서 가단성(可鍛性) 입자가 차지하는 체적 분율]으로 근사화된다. 예를 들어, 납, 카드뮴 및 구리는 가단성이지만, 흑면 및 오일은 가단성이 아니다. 전형적인 API 5A2 Mod 도프를 이용한 경우, BTD = 0.0152 cm이고, HTD = 0.0152 ×0.27 = 0.0041 cm이며, Q = 0.0152 cm ×0.1 = 0.00152 cm이다.

CR값을 소정의 범위 내에서 선택하는 경우, RCT가 상기 범위 내의 CR값에 대하여 불필요하게 높지 않도록 먼저 WCT를 충분히 낮게 선택하는 것이 도움이 될 수 있다. WCT 선택을 안내하기 위하여, WCT를 실용적인 값으로 설정하고, CR값을 LCR과 MCR 사이에서 선택한 후, RCT = WCR/CR로 하는 것이 도움이 되지만, 이는 의무적인 것은 아니다. CR값이 LCR보다 조금 작거나 MCR보다 조금 큰 나사부는 순간적으로 밀봉을 형성할 수 있지만, 사용 환경에서는 밀봉을 유지하지 못할 것이다. 일반적으로, 이상적인 접속 형성 위치에 못미치는 상태에서, 즉 2 ×tan(끼인각/2) ×DT/WCT으로 구해지는 소정 분율의 턴에서 접속 형성이 중지된다.

접속 형성 단계 A:

스너그 위치에 있는 경우, 플랭크 사이의 미끄럼 운동이 아주 작은 표면 틈 이외의 부분에서 모든 도프를 차단하고, 매우 낮은 압력에 저항하여 제1 플랭크 갭으로부터 마루 갭 안으로 모든 도프를 압출하기 때문에, 제1 플랭크 갭(전형적으로는 스태브 플랭크 갭)은 폐쇄되어 있다. 제2 플랭크 갭이 밀봉 상태로 시작되도록 제2 플랭크 갭의 폭은 BTD보다 작으므로, 도프는 그 긴 길이에서 부분적으로 밀봉됨으로써 제2 플랭크 갭의 밖으로 나선 유동하지 못하게 구속되지만, 도프는 압력이 더 낮은 보다 넓은 폭의 마루 갭을 향하여 반경방향으로 수분의 1인치만큼 쉽게 반경방향 유동할 수 있다. 접속 형성이 진행될 때, 그리스와 미세 분말형 고체 입자가 갭의 표면 사이에서 "Q" 두께로 압축되는 가단성 고체 입자 둘레로 흘러나옴에 따라, 제2 플랭크 갭은 "Q"의 폭으로 감소될 것이다. 도프는 플랭크 사이에서 긴밀하고 견고하게 쐐기 결합되기 때문에, 정합 플랭크 사이에 남겨진 도프는 밀봉을 유지시킬 것이다. 그러나, 마루 갭에 있는 두께 "Q"의 도프는 긴밀하게 쐐기결합되어 있는 것이 아니라 벽을 만곡시키는 열 압력, 기계적인 압력 및 유체 압력을 받기 때문에, 밀봉을 유지할 수 없으므로, 잠깐 동안의 천이 진동에 의해서도, 얇은 고체 입자의 층을 교란시키고 누출 경로를 형성하여 누출이 일어나게 할 수 있는 기부와 마루 사이의 상대 운동이 야기될 수 있는 데, 이는 마루의 누출 경로를 재밀봉(복원)시키는 유체 도프가 없기 때문이다.

접속 형성 단계 B:

최종 플랭크 갭이 폐쇄된 후, 폭이 줄어드는 마루 갭을 출입하는 도프의 갭은 그 폭이 넓지 않으므로, 나머지 고체 입자는 점차 밀봉을 형성하는 큰 매시트 고체 입자에 의해 그 길고 좁은 나선형 갭을 통한 출입이 억제된다. 그러나, 대부분의 오일(및/또는 그리스)는 유출되는 반면에, 대부분의 고체 입자는 클램핑된 큰 입자의 후방을 막고 밀봉제로서 유지되어, 본 발명에 따라 실시 가능한 CR값으로 제어되는 것과 마찬가지로 BTD와 HTD의 중간 두께의 도프가 형성된다.

본 출원인은, 출원인의 공식에 의해 정의되는 범위 내에 있는 CR값을 교시하는 있는 쐐기형 나사부 특허는 없으며, 혹시라도 상기 CR값 범위 내에 우연히 속하는 경우라도 장점으로 인식 및 교시된 CR 특징이 없다면, 본 발명은 이에 희해 실시되지 못한다는 것을 가장 잘 알고 있고 확신하고 있다. 임의의 배관 시스템에 사용되는 모든 접속부 및/또는 제품으로서 판매되는 모든 접속부는 시스템이 안전하고 적절하게 작동되도록 밀봉을 형성하고 헐거워지지 않아야 하는 것으로서, 이들 접속부는 유정, 화학 설비, 학교 건물, 또는 사무실 건물에 이용되므로, 배관 시스템의 소수의 접속부만이 고장나지 않는다면 시스템에 대해 실용적으로 사용되지 못할 것이다. 예컨대, 유정 또는 가스정에는 직경, 벽 두께 및 깊이가 다른 여러 줄의 관이 있고, 이들 관은 대개 상이한 구조와 상이한 금속으로 제조된다. 또한,

각각의 관의 줄에 있는 수백 개의 접속부는 서로 다른 복수 개의 접속부 타입으로 이루어질 수 있으므로, 하나의 유정 또는 가스정을 완성하기 위해서는 서로 다른 다수의 관 열결부가 요구되며, 한 곳의 누출 또는 헐거워짐에 의해서도 위험에 처하게 되거나, 화재가 발생하거나, 폭발이 일어나거나, 환경에 손상을 입게 되거나, 유정 또는 가스정이 손실되거나, 및/또는 큰 재산적 피해가 초래될 수 있다. 본 출원인은 제품 설계와 관 접속부의 제조 및 설치와 관련하여 50여 년간 종사해 오는 중에, 제품이 작동되는 원리를 알지 못하여 고의성 없이 제품을 작동되지 않도록 교환하는 사람에 의해 일어난 제품 교환에 있어서의 많은 오류를 보았다. 따라서, 소정의 특징을 우발적으로 또는 우연히 포함하게 된 인용례가 미국 사건의 법령에 따라 "당업자"에 의해 이해 및 사용될 수 있도록 특징을 교시하고 있지 않다면, 상기 인용례는 예상 결과를 이루지 못한다.

바람직한 실시예에 따른 폭 넓은 스태브 플랭크와 큰 반경은 본 출원인의 비교적 경사가 급한 테이퍼에 의해 제조 가능하다. 핀 스태브 플랭크가 조립을 위해 박스 안으로 낮춰질 때, 핀 스태브 플랭크는 박스의 정합 스태브 플랭크 상에 안착하여 설치될 관 이음을 지지하며, 또한 본 출원인의 미국 특허 제5,018,771호에 교시된 바와 같이 핀을 박스 안에 적당히 중간 즈음에 위치시킨다. 그 결과, 자동적으로 배치가 이루어지고, Matt의 '605 특허에 기술된 바와 같은 교차-나사부 형성이 일어날 수 없다. 앞서 정의된 바와 같이 CR값은 나사부의 테이퍼에 영향을 미치며, 이론상 상기 테이퍼는 나사부의 길이가 과도해지는 것을 방지하도록 벽 두께가 증대되는 것과 거의 마찬가지로 상기 실시 가능한 CR값 범위 내에서 이론상 증대된다. 본 출원인의 CR값 범위를 이용하면, 소정의 설계에 관하여 적절한 CR값을 선택할 수 있게 된다. 핀이 박스 안에 스태빙될 때 핀 마루와 박스 마루 사이에서 테이퍼에 의한 교착이 일어나지 못하게 하기 위해, 마루와 기부는 당업계에 잘 공지된 바와 같이 관의 축선에 평행하게 배치되는 것이 바람직하다. 소정 직경의 나사부의 경우에 로드 플랭크의 축선방향 피치 길이와 스태브 플랭크의 축선방향 피치 길이와의 차이는 인접 플랭크 사이에 접선방향의 쐐기 각도를 형성하는데, 이 쐐기 각도가 너무 크면 나사부는 훨거워지거나 누출이 일어나지만, 너무 작으면 바람직한 완전 접속 위치에 훨씬 못미쳐서 접속이 중지될 수 있다. 소정의 값 "J"와 관련하여 후술되는 본 출원인의 공식에 의해 시험적인 WCT 값을 구할 수 있고, 로드 플랭크의 축선방향 피치 및 스태브 플랭크의 축선방향 피치에 대한 시험적인 값은 "LF"와 "SF"의 값을 적절한 CR 범위 내에 각각 근사화시키기 위한 본 출원인의 공식에 의해 확인될 수 있다.

박스와 핀의 정합 플랭크 폭은 동일할 수도 있고, 하나의 플랭크가 다른 플랭크보다 반경방향 폭이 더 클 수도 있다. 정합 플랭크의 폭이 동일한 경우, 최종적인 박스 마루 갭은 최종적인 핀 마루 갭과 동일할 것이다. 정합 플랭크의 폭이 동일하지 않는 경우, 바람직한 값은 이후에 주어지는 본 출원인의 공식에서 "S" 및 "B"로 정의된다. 마루의 국소 손상이 미치는 영향을 조립 중에 눈으로 인식할 수없을 정도로 작게 최소화시키기 위해, 본 발명은 핀 플랭크의 폭이 박스 플랭크 폭보다 작도록, 그리고 조립 시에 대부분 손상 받게 되는 핀 마루를 박스의 기부로터 이격된 상태로 유지시켜 그 사이에서 일어나는 마로를 방지하도록, 나사부 플랭크의 폭은 그 치수 및 공차가 정해질 수 있다는 것을 교시하고 있다. 핀의 기부가 박스의 마루로부터 이격된 상태로 유지되도록 박스 플랭크의 폭을 핀 플랭크의 폭보다 작게 하는 것은 본 발명의 범위 내에 있는 것이지만, 이러한 손상 방지 특징은 후술하는 최선의 밀봉 구조를 채택함과 동시에 없어질 것이다. 즉, 나사 결합부의 소직경 단부에서 쐐기형 나사부의 박스 마루의 축선방향 길이는 핀 마루의 축선방향 길이보다 훨씬 더 커야할 필요가 있으므로, 본원의 바람직한 실시예는, 박스 마루의 길이가 클수록 더 작은 폭의 갭을 형성하여 유압이 일반적으로 가장 큰 지점에서 누출 성향을 최소화한다는 점과, 핀 마루의 길이가 짧을수록 상기 BTD보다는 넓지 않은 보다 넓은 폭의 갭을 형성한다는 점을 제공한다.

박스와 핀을 서로의 주변에 맞추기 위해, 최적의 인장 후프 응력을 박스에 발생시키고 최적의 압축 후프 응력을 핀에 발생시키기에 충분한 박스 나사부와 핀 나사부 사이의 소정의 반경방향 간섭량이 추천된다. 접속 형성을 위한 후프 응력이 과도한 경우에, 내부 유압에 대한 박스의 등급과 축선방향 부하에 대한 핀의 등급은 저하될 수 있는데, 이는 전술한 응력이 유압 및 축선방향 부하에 의해 발생된 후프 응력과 축선방향 응력에 더해지기 때문이다. 따라서, 본 발명의 선택적인 양태에서는, 정합하는 박스 나사부와 핀 나사부 사이의 바람직한 반경방향 간섭이 소정의 양, 즉 관의 외경의 1/5 값에 관 재료의 항복 응력을 곱한 후에 관 재료의 탄성 계수로 나누어 얻어지는 소정의 양으로 근사화되어야 한다는 점을 교시하고 있다. 최고의 성능을 얻기 위해, 상기 간섭은 맞물린 나사부의 양 단부 사이에서 나선방향 나사부의 길이 전체를 따라 연장되어야 하며, 직경 공차 및 테이퍼 공차가 정해졌을 때 간섭 응력을 고려하여야 한다. 이와 같이 간섭이 제어되면 최대 등급 부근에서 작동될 수 있고, 또한 쐐기형 나사부의 플랭크가 조기에 맞물리는 경향을 줄일 수도 있다.

극한의 작동 요건으로 인해, 또는 사용자의 설계서에 요구되어 있기 때문에, 나사부 밀봉을 증대시키는 금속 대 금속 밀봉이 맞물리는 나사부의 한쪽 단부 또는 양 단부 부근에 마련될 수 있다. 박스 나사부의 소직경 단부 부근에서 박스 내에 형성되어 있는 정합 밀봉면과 협동하는 핀 단부 부근에 배치된 밀봉면이, 내부 유압에 대한 밀봉 직경을 감소시키며, 이에 의해 접속부에 가해지는 원주방향 유압과 축선방향 유압을 모두 감소시킨다. 핀 나사부의 대직경 단부 부근에서 핀 둘레에 형성되는 정합 밀봉면과 협동하는 면 부근에 박스의 내경 표면을 형성함으로써, 정합 나사부의 대직경 단부 부근에 금속 대 금속 밀봉을 마련하는 것이 요구될 수 있다. 이러한 외부 밀봉은 외부 유압에 대한 최대 저항을 제공하고, 또한 일부 경우에는 나사부의 외부 부식을 방지하기 위해 요구될 수 있다. 이러한 밀봉이 플러시-조인트 접속에서 요구되는 경우, 립-시일 두께에 요구되는 벽 두께가 접속부의 기계적 강도를 위해 사용되어 손실되지만, 본 출원인의 미국 특허 제5,516,158호에 교시된 "In-Process-Swaging"에 의해 플러시-조인트 부근의 전강도 접속부는 단압 접속부 또는 완전 스웨이징된 접속부에 소요되는 비용보다 훨씬 적은 비용이 소요된다. 접속부의 강도와, 접속부의 밀봉 성능, 그리고 접속부의 비용을 개선하기 위한 본 발명의 다른 선택적인 양태는, 맞물린 나사부의 축선방향 길이와 이들 나사부의 마루 길이를 실용적인 최소의 치수로 정하고, 이렇게 정해진 길이의 나사 맞물림부 내에서 나사부의 턴 개수를 최대화하는 것으로서, 상기 나사부의 턴 개수의 최대화는 핀의 제1 나사부 턴의 축선방향 최소 마루 길이를 박스의 제1 나사부 턴의 축선방향 최소 마루길이와 실질적으로 동일하게 정함으로써 달성된다. "A"로 표시된 축선방향 평균 피치에 관한 이하의 공식을 이용하면, 장래의 설계자는 임의의 크기를 갖는 접속부에 대하여 전술한 치수를 정할 수 있게 될 것이다. 그 후, "A"의 값에 기초하여, 스태브 플랭크의 피치 길이와 로드 플랭크의 피치 길이를 후술하는 "SF"와 "LF"에 대한 각각의 공식으로 확인할 수 있다. 따라서, 그 밖의 실시 불가능하고 비경제적이며 및/또는 위험한 제품이 회피될 수 있다.

나사부의 밀봉을 실시하려면, 플랭크의 쐐기형를 견고히 접촉하게 정합시킨 후에 마루와 기부 사이에 존재하는 갭의 폭이 BTD를 초과하지 않아야 한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 갭의 폭은 스태브 플랭크의 반경방향 폭과 로드 플랭크의 반경방향 폭에 의해 제어되며, 앞서 언급한 핀-박스의 반경방향 간섭은 유지된다. 박스 마루가 핀 기부에 접촉할 때 핀 마루가 박스 기부에 접촉하고 있다고 말하기 쉽지만, 관 접속부의 제조에 있어서 이러한 이상적인 조건이 일어나는 것과 그에 접근하는 것조차도 방해하는 기계 가공 공차를 얻는 데에는 과도한 비용이 들 것이다. 따라서, 전술한 바와 같이 밀봉 가능한 나사부의 경우에, 최대 간극 폭이 정의되어야 하며 실제로 이를 초과하여서도 안된다. 표준 제조 방법을 지켜나가기위해, 목표로 하는 갭의 폭은 BTD와 HTD의 중간값인 것이 바람직하지만, 이는 의무적인 것은 아니다.

본 발명의 다른 선택적인 태양을 후술한다. 끼인각이 0인 정합 쐐기형 나사부가 서로 긴밀하게 쐐기 결합되면, 나사부가 과잉 토크에 의해 그 정합 홈의 밖으로 강제되는 경향이 없다. 쐐기형 나사부의 반경방향 간섭은, 정합 플랭크가 쐐기 결합하는 경우에만 발생될 수 있는 최종 토크 강도와는 무관하며 그에 앞서 일어나는 기부-마루 간섭에 의해 야기된다. 전술한 본 출원인의 실시예가 제공할 수 있는 최대 토크 저항을 필요로 하지 않는 개방형 쐐기형 나사부에 관한 사용 용례가 있으며, 후술하는 선택적인 실시예는, 예컨대 특정예에서 나사부 절삭 공구의 기하학적 구조를 개선하고, 마찰 각도의 두 배보다도 큰 끼인각이 플랭크에 형성될 수 있도록 몇 가지 장점을 갖는다. 접속 형성 토크로 인하여 플랭크 상에 작용하는 축선방향 쐐기 결합력은, 플랭크 사이의 나선형 끼인각이 매우 작기 때문에 기부와 마루 사이의 간섭력보다 몇 배가 크다. 정합 플랭크 사이의 축선방향 힘의 반경방향 벡터는 tan[끼인각/2 - 마찰 각도]이다. 따라서, 이러한 힘은 끼인각이 플랭크 사이의 마찰 각의 두 배를 넘지 않는 경우 존재하지만, 간섭이 마찰 각도의 두 배보다 작은 끼인각을 지닌 정합 나사부를 함께 강제하는 경우에는 조기 교착이 발생할 것이라는 것이 명백하다. 양의 끼인각이 마찰 각도의 두 배를 초과하는 것이 바람직한 경우, 우선 박스와 핀 벽이 상기 끼인각을 사용하기 전에 과다 응력을 받는 일없이 힘을 유지할 수 있을 만큼 강하다는 것을 공학 계산을 통해 확인하여야 한다. 0°의 끼인각은 이러한 분리 경향을 제거하는 데 있어서 바람직하지만, 양또는 음의 끼인각을 갖는 쐐기 나사부가 본 발명의 범위 내에 속한다는 것은 명확하다. 트랩식 또는 개방형 쐐기 나사부가 본 발명에 따라 형성되는 경우, 사용하는 도프에 의해 조기 나사 교착이 방지되도록, 끼인각이 마찰 각도의 두 배보다 큰 절대값을 갖는 것이 바람직하지만, 이는 의무적인 것은 아니다.

본 발명에 따라 소정의 나사 접속부를 이용하는 경우, 나사부 사이를 밀봉하고 윤활하는 데 적합한 대형 및 소형의 고체 입자를 모두 갖는 적절한 관용 도프가 나사부 상에서 사용 가능해야 한다. 이러한 도프는 가단성을 갖는 큰 고체 입자를 포함하여야 하며, 도프의 폭은 조립된 나사부 사이에 형성될 수 있는 가장 넓은 기부-마루 갭보다 작으며, 도프의 통합 체적은 기부-마루 갭을 충분히 밀봉하도록 제조된 도프 체적의 1/200 이상이지만, 정합 플랭크 사이에 입자가 과잉 포획되는 것을 방지하여, 이에 따라 정합 플랭크가 긴밀하게 접촉 결합하는 것을 방지하고, 나아가 접속부가 현장에 설치된 후에 헐거워지거나 누출될 수 있도록 형성된 도프 체적의 1/20보다 작다. 모든 크기의 고체 입자가 정합 나사부 사이에서 과량 포획되는 것을 방지하기 위해, 모든 고체 입자 대 형성된 도프 체적의 체적비는, 정합 나사부 사이에 형성될 수 있는 최소 기부-마루 갭 대 최대 기부-마루 갭의 비를 초과해서는 안된다.

따라서, 본 발명은 고압 기체 및/또는 액체 밀봉을 실시 및 유지하는 동시에 작동 조건에 의해 헐거워지는 것을 방지하는 방법을 제공하도록, 넓은 토크 범위에서 바람직한 완전 접속 위치에 매우 근접하게 용이하고 반복적으로 조립될 수 있는 비용 효율적이고 고강도의 쐐기 나사부 관 접속부를 제공하는 방법을 교시하고, 또한 이러한 방법에 의하면, 예컨대 천이 진동, 기계적인 부하, 유압 및/또는 열변형 등과 같은 극한의 작동 부하를 받을지라도 마루의 밀봉을 복원시킬 수 있다는 것이 명백하다.

지금까지 배경 기술에 교시되지 않은 본 출원인의 쐐기 나사부에 대한 바람직한 치수는 후술하는 공식에 따라 결정될 수 있지만, 본 발명의 범위는 이에 한정되는 것이 아니다.

O.D. = 관의 외경

D = 관의 설계 O.D. = 관 단부의 O.D. 공차 범위 내에서의 평균 직경

P.D. = 공학 계산 및 제조에 일반적으로 이용되는 나사부의 피치 직경

BL = 나사 결합부의 최대 직경 위치에서 박스 나사부의 바람직한 P.D.

BS = 나사 결합부의 최소 직경 위치에서 박스 나사부의 바람직한 P.D.

T = 원뿔형 나사부의 테이퍼 = 직경 변동/축선방향 길이

L = 맞물린 나사부의 길이 = (BL - BS)/T

J = 로드 플랭크의 축선방향 피치 - 스태브 플랭크의 축선방향 피치 = 0.0063 + D/2800 cm = 완전 접속 위치에 못미치는 하나의 턴 위치에 있는 경우에 ANSI "RC5" 끼워 맞춤

W = 핀 로드 플랭크의 반경방향 폭 = < t/6 =< 제1 나사부 마루의 축선방향 길이

A = 평균 축선방향 피치 = W + (W^2 + J ×L)^0.5

LF = 로드 플랭크의 축선방향 피치 = A + J/2

SF = 로드 플랭크의 축선방향 피치 = A - J/2

N = 나사부 턴의 개수 = L/A

S = 핀의 스태브 플랭크의 반경방향 폭 = W + A ×T/2

B = 박스의 로드 플랭크의 반경방향 폭 = W + 0.008 cm

C = 박스의 스태브 플랭크의 반경방향 폭 = S = 0.008 cm

Y = 접속 재료 유닛의 항복 강도

E = 접속 재료의 탄성 계수

M = 바람직한 나사부 간섭 직경 = 0.2 ×D ×Y/E

PS = 나사 결합부의 소형 단부 위치에서 핀 나사부의 P.D. = BS + M

PL = 나사 결합부의 대형 단부 위치에서 핀 나사부의 P.D. = BL + M

PB = 핀의 보어

PR = 관 재료의 포아송비

R = 박스의 벽 두께 대 관의 벽 두께의 비

BCS = 박스의 축선방향 압축 응력의 한계 = M ×E/[PR ×D ×(R + 1)]

PTS = 핀의 축선방향 인장 응력의 한계 = R ×BCS

도 1은 핀의 나선형 구조의 스태브 플랭크(stab flank)(3)와 그 위에 형성되는 소정 중량의 관 이음이 박스의 나선형 구조의 스태브 플랭크(4)에 의해 지지되도록, 핀(1)이 박스(2) 내에서 스태브 위치에 있는 것을 보여준다. 이 때, 핀의 로드 플랭크(load flank)(5)와 박스의 로드 플랭크(6)는 서로 접촉하지 않는다. 스태브 위치는 핀을 회전 없이 박스 내로 하강시키는 것에 의해 달성되는데, 여기서 핀의 스태브 플랭크의 각 턴이 이를 통과시킬 수 없을 정도로 작은 직경을 갖는 박스의 스태브 플랭크의 턴에 접촉할 때까지, 핀의 나사부의 턴은 박스의 나사부의 턴을 지나 아래로 통과하며, 그 결과 핀의 스태브 플랭크는 박스의 스태브 플랭크 상에 안착되고, 핀의 마루(7)는 박스의 기부(8)에서 수평방향으로 정렬된다. 스태빙 작업 중에 테이퍼부에 의한 교착(膠着)을 방지하고 스태브 플랭크의 폭을 넓히기 위해, 상기 기부와 마루는 모두 접속 축선에 평행하게 형성되는 것이 바람직하다. 핀의 나사 마루는 그 하단부에서의 축선방향 길이(9)와 직경(10)이 가장 작고, 점차 증대되며, 그 상단부에서의 축선방향 길이(11)와 직경(12)이 가장 크다.박스의 기부(14)의 축선방향 길이(13)가 그에 인접한 핀의 나사마루(7)의 축선방향 길이(9) 보다 일정량의 길이만큼 더 크기 때문에, 스태브 위치에서는, 핀을 회전시켜 접속부를 형성할 때, 스태브 플랭크 사이에서 미끄럼이 발생하고 핀의 나사 마루는 박스의 기부를 향하여 그리고 도 2에 도시된 완전 접속 위치를 향하여 바깥쪽과 아래쪽으로 나선 운동하게 된다. 또한, 그 이후에는 핀의 나사 마루의 축선방향 길이(9)와 그에 인접한 박스의 기부의 축선방향 길이(13)는 실질적으로 동일해지기 때문에, 핀의 플랭크는 박스의 플랭크 사이에서 쐐기 결합하게 되고, 핀의 로드 플랭크(5)와 박스의 로드 플랭크(6)는 그 사이에 소정 두께(Q)의 도프(dope)를 둔 상태로 접하여, 바람직한 완전 접속 위치에서 회전을 중지시킨다. 이러한 쐐기 결합이 일어나기 전에, 도프는 기부와 마루의 세트 사이에서 그리고 제2 플랭크 갭에서 포획 및 가압되고, 핀의 나사부의 기부(20)와 박스의 마루(21) 사이에서 시작되는 반경방향 간섭은 이들 사이에서 가압된 도프를 매개로 하여 점차 증대되며, 도 9에 도시된 바와 같이 핀의 마루(7)와 박스의 기부(8) 사이에 BDT보다 폭이 좁은 갭(22)이 형성되는데, CR은 본 발명에 따르는 것이기 때문에 상기 두 갭의 폭은 모두 HTD와 BTD의 사이에 있는 값이다. 박스 및 핀의 스태브 플랭크와 로드 플랭크의 반경방향 폭은, 도 9에 도시된 바와 같이 완전 접속 위치에 있어서의 갭(22)의 폭이 브릿지 두께 치수(BTD)보다 크지 않도록, 그 치수 및 공차가 정해진다. 박스 또는 핀의 나사부의 깊이가 나사부의 정합 깊이보다 작도록, 마루의 끝부분은 잘릴 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 나사 맞물림부의 길이의 중간에 해당하는 위치에있어서, 박스의 두께는 나사부의 피치 직경과 박스의 O.D. 사이에서 반경방향으로 측정되는 것으로 도면부호 24로 표시되어 있으며, 핀의 두께는 나사부의 피치 직경과 핀의 I.D. 사이에서 반경방향으로 측정되는 것으로 도면부호 25로 표시되어 있다. 단부의 길이 공차 요건을 완화시키는 동시에 플랭크가 긴밀하게 쐐기 결합되기 전에 견부가 접하지 않을 것을 보장하는 데 요구되는 도면부호 26 및 27로 표시된 바와 같은 축선방향 공간이 형성될 수 있다.

본 발명에 따라 형성된 쐐기 나사부 접속은 고압 가스를 밀봉하지만, 특정 사용자 사양이 요구되거나, 유압 부하를 최소화할 필요가 있는 경우에는 금속 대 금속 정합 밀봉면이 도 2의 도면부호 28 및 29에, 또는 도 7의 도면부호 93 및 97에, 또는 그와 유사하게 도 4에 도시된 실시예에 대해서도 선택적으로 마련될 수도 있다. 그러한 시일은 원통형 표면 또는 원뿔형 표면을 포함하며, 도 7의 핀-밀봉면(93)은 정합 박스 밀봉면(95)보다 약간 큰 직경으로 제조되어 조립 시에 억지 끼워 맞춤을 야기할 것이다. 핀 표면(97)은 마찬가지로 정합 박스 밀봉면(98)보다 약간 큰 직경을 갖는다. 맞대어질 때 밀봉되는 박스 및 핀 상의 도면부호 26 및 27과 같은 반경방향 밀봉면은 본 발명의 범위 내에 있지만, 훨씬 정밀한 공차가 요구된다.

도 3의 상세하게 확대된 나사부 형태에서는, 핀 기부를 플랭크에 접합시키는 완만한 오목 반경부(30) 및 이와 유사한 박스의 반경부(31)가 도시되어 있는데, 이들은 예리한 모서리를 갖는 트랩식 쐐기형 나사부의 손상 가능성에 비해, 응력 집중을 감소시킬 뿐만 아니라, 취급, 운반, 저장 및 조립 중에 손상을 크게 감소시키도록 로드 플랭크의 반경 방향 폭의 약 15%인 것이 통상적이지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 또한, 도 3에 따라 형성된 나사부는 스태브형 관 이음에 대해 도면부호 34로 도시된 바와 같이 스태브 플랭크를 접촉시킴으로써 안정적인 지지를 제공하여, Mott의 특허에 기재되어 있는 종래의 쐐기형 나사부 접속을 조립하는 중에 요구되는 지루한 조작을 회피하게 되며, 또한 접속부를 축선방향으로 동심 배치하여 자동적으로 핀 마루를 보다 긴 박스 기부와 맞추어, 신뢰성 있는 접속을 확보하는 데 요구되는 적절한 조립을 보조한다. 끼인각(35)은 음 또는 양의 각이거나, 0°일 수도 있다. 끼인각의 절대값이 마찰 각도의 2배보다 적지만 0은 아닌 경우, 플랭크는 바람직한 완전 접속 위치에 못미쳐서 조기에 교착될 수 있다. API 5A2 개질 도프의 경우 마찰 각도는 1.2°이다. 온도 상승에 의해 도프가 건조되어 그것의 윤활 성능이 감소될 경우에 야기되는 문제점을 회피하기 위해, 얼마 후에 쉽게 분해될 수 있도록 끼인각은 마찰 각도의 적어도 4배인 것이 바람직하다.

도 3의 끼인각(35)이 0으로 되도록 로드 플랭크가 스태브 플랭크에 평행하게 형성되는 경우, 접속부에 대한 제조 및 검사 비용을 절감하고 치수 정확도를 개선하기 위하여, 지금까지는 이용되지 않은 비용 효율적인 쐐기형 나사부 접속을 제공한다. 일반적 용례의 경우에, 양 플랭크는 축선에 대해 90°로 형성되는 것이 바람직하지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 예컨대, 박스의 벽 두께(24)와 핀의 벽 두께(25)의 치수가 적절하게 비슷한 경우에, 박스와 핀은 접속 형성 중에 동등하게 수축 및 팽창하며, 이 때 나사부가 형성되어 있는 관형 부재의 반경 방향 예비 유지 강도를 필요로 하지 않고 중첩 하중이 작용하여, 누출 및/또는 점프 아웃(jumpout)을 초래하는 정합 나사부의 분리를 방지한다.

박스 및 핀의 두께 차이가 매우 크고 축선방향 하중이 정격 하중에 매우 근사하게 되어, 얇은 벽 부재에서의 반경방향 나사부 간섭이 상이한 직경방향 변형을 초래하는 반경방향 힘에 의해 극복된다면, 스태브 플랭크(50, 51) 및 로드 플랭크(52, 53)는 인장 하중이 소정 용례에 대해 가장 중요한 경우에 도 5에 도시된 바와 같이 축선으로부터 멀어지게 상향으로 경사질 수도 있고, 스태브 플랭크(60, 61) 및 로드 플랭크(62, 63)는 압축 하중이 다른 용례에 대해 가장 중요한 경우에 도 6에 도시된 바와 같이 축선으로부터 멀어지게 하향으로 경사질 수도 있다. 어떤 경우에든, 상기 플랭크는 상이한 변형을 초래할 수도 있는 반경방향의 기계적 힘에 저항하기에 충분한 소정의 각도로 경사져서, 정합 나사부의 분리를 방지한다. 압축 및 인장의 양 방향으로 큰 하중이 상기 서로 다른 박스 및 핀의 벽 두께에 작용하는 경우에는, 양 플랭크 각도가 음인 것이 가장 유리하게 작용할 수 있다.

일반적 사용의 경우에 바람직한 끼인각(35)은 0이지만, 경우에 따라서는 양의 끼인각이 유리하게 작용하여, 나사 절삭 공구의 기하형상을 개선하거나 현대의 나사 가공 기계의 완전한 융통성을 갖지 않는 기계에서 제조할 수 있다. 끼인각이 양의 값인 경우에, 정합 홈으로부터 나사부를 밀어내는 쐐기 결합력은 tan(끼인각/2 - 마찰 각도)로서 직접적으로 증가하는 경향이 있다. 이러한 경우에, 박스 및 핀의 벽 두께는 모두 밀어내는 힘보다 큰 예비 유지력을 반드시 제공해야 하며, 그 결과 분리를 방지하고 모든 다른 작업 하중을 극복하는 한편, 나사부가 형성되는 관형벽에 과도한 응력이 작용하는 것을 방지한다.

도 10은 도 2로부터 취한 중앙 부분의 단면도로서, 도 9의 실시예에 대한 변형례를 보여주며, 여기서 핀 마루 및 박스 기부는 접속 형성 시에 간섭되고, BTD보다 크지 않은 폭을 갖는 갭(36)이 핀 기부와 박스 마루 사이에 형성되어 있다. 이 실시예는 도 9의 실시예에 대하여 설명한 손상 방지 장점을 필요로 하지 않는 용례에 사용될 수 있다.

본 발명은, 극한의 천이 진동, 돌발적 충격 및 온도 변화 등과 같은 추후의 작동 부하를 받을 때에도 쐐기형 나사부 접속의 누출 및 풀림을 방지하기 위한 실시 가능한 변동비의 중요성 및 용도를 교시하고 있다.

이하의 예는 API 5A2 개질 도프를 사용하고 있지만, 이하의 예는 그 도프에 대한 BTD, HTD 및 Q 값을 결정한 후에 임의의 나사부용 도프에 적용될 수 있다. 최대 CR = MCR = BTD/Q = 0.0152㎝/0.00152㎝ = 10이고, 최소 CR = LCR = HTD/Q = 0.00406㎝/0.00152㎝ = 2.67이며, 이는 2.67 내지 10의 CR 범위를 확립한다. 이상적인 WCT에 대한 본 출원인의 공식을 이용하여, WCT 값을 선택할 수 있고, 그 후 용례 특징에 기초하여, 설계자는 상기 범위 내의 CR의 값을 쉽게 선택할 수 있으며, 작동 부하를 받은 후에 접속이 헐거워지거나 누출되는 것이 아니라 밀봉된다는 것을 알 수 있다.

Claims (23)

1. 나사부용 도프를 사용하여 조립하는 나사부가 마련된 관 접속부로서,

   테이퍼진 정합 쐐기형 나사부가 형성된 박스(2)와 핀(1)을 구비하고, 상기 박스의 나사부는 마루(21), 기부(8), 스태브 플랭크(4)(stab flank) 및 로드 플랭크(6)를 구비하며, 상기 핀의 나사부는 마루(7), 기부(20), 스태브 플랭크(3) 및 로드 플랭크(5)를 구비하고, 이들 플랭크 사이의 갭에서 끼인각(35)이 측정되며, 상기 나사부는 제1 축선방향 마루 폭(17)과 제2 축선방향 마루 폭(54)을 갖고, 상기 제1 및 제2 축선방향 마루 폭은 별도의 하나의 나사부 턴(turn)에 위치하는 것이며, 제1 마루 폭(17)은 제1 반경(18)에 의해 그 치수가 정해지고, 제2 마루 폭(54)은 제2 반경(55)에 의해 그 치수가 정해지며, 도프가 정합 나사부 사이에 밀봉을 형성할 수 있는 갭의 최대 폭을 브릿지 두께 치수(BTD)라 하고, 도프가 정합 나사부 사이에서 압축될 수 있는 것을 최소 두께 치수라 하며, 제1 마루 반경에서 제2 마루 반경을 뺀 것은 제1 양(quantity)이 되고, 제1 마루 폭에서 제2 마루 폭을 뺀 것은 제2 양이 되며, 제1 양을 제2 양으로 나눈 것은 변동비(CR)가 되고, 상기 변동비는 BTD를 최소 두께 치수로 나눈 비보다 크지 않는 것인 관 접속부.
2. 제1항에 있어서, 도프가 누출을 재밀봉하도록 그 안에서 유동 가능한 갭의 최소 폭을 복원 두께 치수(HTD)라 하고, 상기 변동비(CR)는 HTD를 상기 최소 두께 치수로 나눈 비보다 큰 것인 관 접속부.
3. 제1항에 있어서, 상기 끼인각(35)은 음의 각인 것인 관 접속부.
4. 제1항에 있어서, 상기 끼인각(35)은 0 이상의 각인 것인 관 접속부.
5. 제1항에 있어서, 상기 끼인각(35)의 절대값은 정합 나사부 사이에 작용하는 마찰 각도의 두 배보다 큰 것인 관 접속부.
6. 제1항에 있어서, 상기 끼인각(35)의 절대값은 정합 나사부 사이에 작용하는 마찰 각도의 두 배보다 작거나 같은 것인 관 접속부.
7. 제1항에 있어서, 상기 끼인각(35)은 정합 플랭크 사이에 작용하는 마찰 각도의 두 배보다 큰 양의 각도인 것인 관 접속부.
8. 제7항에 있어서, 접속부의 형성 시에, 정합 플랭크는 서로에 대해 쐐기 결합력을 가하고, 상기 쐐기 결합력은 축선방향 성분과 반경방향 성분을 가지며, 박스의 벽(24)과 핀의 벽(25)은 이들 벽이 설계 한계 응력보다 큰 응력을 받지 않는 상태에서 접속 형성 토크와 모든 작용 부하를 견뎌내는 데 요구되는 강도 이외에도 충분한 예비 강도를 갖고 있어, 상기 쐐기 결합력에 의해 압박받는 정합 나사부의 분리를 충분히 방지하는 것인 관 접속부.
9. 제1항에 있어서, 박스 기부(8)와 핀 마루(7)의 직경은, 접속 형성 중에 완전 접속 위치에 이르기 바로 전에, 박스와 핀 사이에 충분한 반경방향 간섭을 형성하도록 핀의 기부(20)와 박스의 마루(21) 사이에 남아 있는 도프를 통해, 반경방향 힘이 증대되기 시작하도록 치수가 정해져 있어, 완전 접속 위치에 위치할 때, 박스와 핀의 나사부 사이에 이들 간의 간섭을 유지시키는 소정 크기의 반경방향 간섭이 존재하고, 핀의 마루(7)와 박스의 기부(13) 사이에 존재하는 갭의 크기는 BTD보다 크지 않으며, 상기 갭은 도프로 채워지는 것인 관 접속부.
10. 제1항에 있어서, 핀의 기부(20)와 박스의 마루(21)의 직경은, 접속 형성 중에 완전 접속 위치에 이르기 바로 전에, 박스와 핀 사이에 충분한 반경방향 간섭을 형성하도록 박스의 기부(8)와 핀의 마루(7) 사이에 포획된 도프를 통해, 반경방향 힘이 증대되어 전달되기 시작하도록 치수가 정해져 있어, 완전 접속 위치에 위치할 때, 박스와 핀의 나사부 사이에 이들 간의 간섭을 유지시키는 소정 크기의 반경방향 간섭이 존재하고, 박스의 마루(21)와 핀의 기부(20) 사이에 존재하는 갭의 크기는 BTD보다 크지 않으며, 상기 갭은 도프로 채워지는 것인 관 접속부.
11. 제1항에 있어서, 상기 접속부의 형성 시에 정합 나사부 사이에서 소정 크기의 반경방향 간섭이 실질적으로 나사 결합부의 전체 길이를 따라 연장되어 있는 것인 관 접속부.
12. 제1항에 있어서, API 5A2 개질 나사부용 도프를 사용한 경우에, 상기 접속부의 치수는 상기 변동비의 값이 2.67 내지 10이도록 정해지는 것인 관 접속부.
13. 제1항에 있어서, 정합 쐐기형나사부는 소정의 나사 결합부의 축선방향 길이를 갖고, 상기 나사부는 스태브 플랭크의 축선방향 피치 길이와 로드 플랭크의 축선방향 피치 길이를 가지며, 핀 마루(10)의 축선방향 최소 길이(9)는 실질적으로 박스 마루(16)의 축선방향 최소 길이와 동일한 크기로 정해져서, 상기 마루의 축선방향 최소 길이를 갖는 경우에 나사부의 턴의 개수를 상기 소정의 나사 결합부의 길이 범위 내에서 최대화시키는 것인 관 접속부.
14. 제1항에 있어서, 상기 나사부는 스태브 플랭크의 축선방향 피치 길이와 로드 플랭크의 축선방향 피치 길이를 갖고, 상기 로드 플랭크(5)의 축선방향 피치 길이에서 상기 스태브 플랭크(3)의 축선방향 피치 길이를 뺀 것이, 실질적으로 [0.0064 cm + 관의 O.D.(cm) ×0.00036]에 해당하는 것인 관 접속부.
15. 제1항에 있어서, 모든 마루와 기부는 접속 축선에 평행하게 배치되는 것인 관 접속부.
16. 제1항에 있어서, 박스 플랭크의 반경방향 폭은 정합하는 핀 플랭크의 반경방향 폭과 그 치수가 단지 BTD 만큼 서로 달라서, 조립 시에 BTD보다 큰 마루 갭은 없는 것인 관 접속부.
17. 제1항에 있어서, 스태브 플랭크(4)는 축선방향 피치 길이가 일정하고, 로드 플랭크(6)는 축선방향 피치 길이가 일정하며 그 크기가 스태브 플랭크의 축선방향 피치 길이보다 크고, 축선방향 피치 길이의 평균은 스태브 플랭크와 로드 플랭크의 축선방향 피치 길이의 수학적 평균값에 해당하며, 제1 나사부의 턴(10)이 시작 지점에서 가장 작은 나사부의 마루의 축선방향 길이(9)를 제1 치수라 하고, 로드 플랭크의 축선방향 피치 길이에서 스태브 플랭크의 축선방향 피치 길이를 뺀 것을 제2 치수라 하며, 상기 축선방향 피치 길이의 평균은 실질적으로 [(제1 치수^2 + 제2 치수 ×나사 결합부의 길이)^0.5 + 제1 치수]에 해당하는 양인 것인 관 접속부.
18. 제17항에 있어서, 상기 로드 플랭크의 축선방향 피치 길이는 (상기 축선방향 피치 길이의 평균 + 상기 제2 치수/2)에 해당하는 양이고, 상기 스태브 플랭크의 축선방향 피치 길이는 (상기 축선방향 피치 길이의 평균 - 상기 제2 치수/2)에 해당하는 양인 것인 관 접속부.
19. 제1항에 있어서, 핀은 나사부의 소직경 단부 부근에서 그 둘레에 정합 밀봉면(98)과 협동하는 외부 밀봉면(97)이 형성되어 있고, 상기 정합 밀봉면은 정합하는 박스의 나사부의 소직경 단부 부근에 형성되어 있어, 접속부의 조립 시에 접속부 내부로부터의 유압에 대한 금속 대 금속 밀봉이 형성되는 것인 관 접속부.
20. 제1항에 있어서, 핀은 나사부의 대직경 단부 부근에서 그 둘레에 정합 밀봉면(95)과 협동하는 외부 밀봉면(93)이 형성되어 있고, 상기 정합 밀봉면은 정합하는 박스의 나사부의 대직경 단부 부근에 형성되어 있어, 접속부의 조립 시에 접속부 외부로부터의 유압에 대한 금속 대 금속 밀봉이 형성되는 것인 관 접속부.
21. 제1항에 있어서, 상기 도프는 정합하는 박스 및 핀의 나사부 사이를 밀봉 및 윤활시키기에 충분하도록 고체 입자가 혼합된 그리스(grease)형 재료로 이루어지고, 상기 고체 입자의 일부는 그 폭이 BTD 이상인 가단성(可鍛性) 고체 입자인 것인 관 접속부.
22. 제21항에 있어서, 상기 가단성 고체 입자는 도프 체적의 1/20 이하이고 1/200 이상인 것인 관 접속부.
23. 제1항에 있어서, 상기 도프는 정합하는 박스 및 핀의 나사부 사이를 밀봉 및 윤활시키기에 충분하도록 고체 입자가 혼합된 그리스형 재료로 이루어지고, 모든 고체 입자의 통합 체적을 총 도프 체적으로 나눈 것이 체적비가 되며, 상기 체적비에 BTD를 곱한 것은 상기 도프가 상기 정합 나사부 사이에서 압축될 수 있는 최소의 갭 폭 이하인 것인 관 접속부.