KR20060098359A

KR20060098359A - 파이프 및 관용의 분리 가능한 파지 장치를 구비한 연결구

Info

Publication number: KR20060098359A
Application number: KR1020067003004A
Authority: KR
Inventors: 피터 윌리암스; 마크 에이 베네트
Original assignee: 스와겔로크 컴패니
Priority date: 2003-08-15
Filing date: 2004-08-12
Publication date: 2006-09-18
Also published as: AU2004267434A1; CN1836129A; US7066496B2; WO2005019717A1; IL173096A0; EP1654488A1; CA2532183A1; JP2007502941A; US20040140671A1

Abstract

관 단부용 관 연결구는 수나사형 커플링 부재와 협동하는 암나사형 커플링 부재를 구비한다. 상기 암형 부재는 취성 웹(95)에 의해 암형 부재에 부착되어 있는 파지 링 혹은 페룰 형태의 관 파지 장치(80)를 포함한다. 부분적인 풀업시, 페룰(80)은 수나사형 커플링 부재 상에서 캐밍 표면(88)과 맞물리며, 별도의 단편이 되도록 암나사형 커플링 부재로부터 분리 혹은 파괴된 다음 단일 페룰 관 연결구로서의 기능을 한다. 추가적인 특징은 페룰(80)이 바이트 형태의 작용을 이용하여 관 단부를 파지하도록 해주고 그리고 캐밍 표면(88)과 분리된 페룰의 전방 단부 사이에 일차 시일을 형성하도록 해주는 캐밍 표면 상의 가파른 캐밍각을 포함한다. 페룰 전방 단부와, 선택적으로 초기의 일체형 관 파지 장치를 포함하는 전체 암나사형 커플링 부재는 비커스 스케일로 관 단부 재료의 경도보다 적어도 약 3.3배의 경도비를 갖는다.

Description

파이프 및 관용의 분리 가능한 파지 장치를 구비한 연결구{FITTING WITH SEPARABLE GRIPPING DEVICE FOR PIPE AND TUBE}

본 발명은 일반적으로 파이프 및 관용 연결구 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은, 초기에 커플링 요소(coupling element)들 중 하나에 결합되어 있고, 관 단부 상에 조립 중에 그로부터 분리되는 관 파지 요소(tube gripping element)를 사용하는 플레어리스 관 연결구(flareless tube fitting)에 관한 것이다.

관 연결구는 어떤 관 단부를 다른 부재와 결합 또는 연결하기 위해 사용되는데, 그러한 부재는 예컨대 T자 연결구 및 엘보우 연결구(elbow fitting)를 통해 연결되는 또 다른 관 단부이거나, 예컨대 밸브와 같이 관 단부와 유체 연통되어야 하는 장치일 수 있다. 본 명세서에서 사용하는 "관(tube)" 및 "배관(tubing)"이란 용어는 파이프를 포함하는 것으로 의도되지만, 그에 한정되지는 않는다. 모든 관 연결구는, 그 관 연결구가 충족시키도록 설계되는 압력, 온도 및 진동 기준 안에서 두 가지의 중요한 기능을 달성해야 한다. 첫째, 관 연결구는 관 단부를 파지해서 밀봉 손실이나 관의 파열을 방지해야 한다. 둘째, 관 연결구는 누설에 대비하여 일차적인 밀봉을 유지해야 한다. 관 연결구가 이러한 두 가지 기능을 달성해야 한 다는 요구는 수십 년 동안 관 연결구 설계에 있어 추진 인자가 되어 왔다. 원하는 파지 및 밀봉 성능 기준을 충족시키기 위한 관 연결구 설계에는 많은 요인들이 영향을 주지만, 모든 관 연결구 설계에 기초가 되는 것은 1) 관 연결구가 함께 작동해야 하는 배관의 특성(재료, 외경 및 벽 두께가 포함됨)과, 2) 관 연결구의 원하는 용도에 필요한 관 파지 및 밀봉 성능 수준이다. 목표로 하는 것은, 시장에서의 설계 경쟁으로 제품에 어떠한 비용 제약이 부과되더라도, 필요한 관 파지 및 밀봉 기능을 신뢰성 있게 달성하는 관 연결구를 설계하는 것이다.

일반적으로 플레어리스 관 연결구라 함은, 관 단부는 대체로 관 형상을 유지하는 반면, 플레어형 관 연결구 안에서는 관 단부가 이음용 구성품 위에서 바깥쪽으로 펼쳐져 있는 형태의 관 연결구를 의미한다. 플레어형 관 단부는 플라스틱 배관 및 플라스틱 관 연결구에 종종 사용된다. 본 발명은 플라스틱 배관 또는 관 연결구와는 관련이 없는데, 왜냐하면 그러한 연결구는 관을 파지하고 적절한 밀봉을 제공하는 연결구의 능력에 영향을 주는 재료 특성 및 과제가 크게 다르기 때문이다. 그러나, 본 발명의 양태 중 일부, 특히 분리 가능한 관 파지 요소 양태는 비금속 관 연결구에 적용할 수 있다.

스테인리스강 배관에 사용하기 위한 관 연결구는 예컨대, 원하는 관 파지 및 밀봉 기능을 얻기 위한 설계가 매우 까다롭다. 이는 스테인리스강의 속성에 기인하는 것으로, 스테인리스강은 통상적으로 시판 중인 배관 재료의 관점에서 볼 때 매우 경질인 재료로서, 비커스(Vickers) 경도가 보통 200 정도까지 된다. 스테인리스강 배관은 배관의 벽 두께가 상당한 (해당 분야에서는 "후벽(heavy walled)"이 라 칭함) 고압 용도에서도 사용된다. 후벽 배관은 경질일 뿐만 아니라 연성이 별로 없기 때문에 파지하기 어렵다. 낮은 연성으로 인하여, 원하는 방식으로 관을 파지하도록 배관을 소성 변형시키기가 더욱 어렵게 된다.

보통, 관 연결구는, 1) 종종 페룰(ferrule) 형태인 관 파지 장치 또는 파지용 링형 구조와, 2) 상기 관 파지 장치가 관 단부에 설치되어 관 단부를 파지하고 누설에 대비해 밀봉하도록 하는 풀업 메커니즘의 조립체를 포함한다. 여기서 "풀업(pull-up)"이란 용어는, 단순히 관 연결구 조립체를 조여 원하는 관 파지 및 밀봉을 발휘하도록 관 단부에 관 연결구의 조립을 완성시키는 조작을 의미한다.

통상적으로, 스테인리스강관용 연결구는 먼저 "핑거 타이트(finger tight: 손으로 단단히 조임)" 상태로 조립한 후, 렌치나 그 밖의 적절한 공구를 사용하여 그 연결구를 최종의 초기 조립 상태로 조이거나 "풀업"해서 완전한 조립 상태로 완성한다. 가장 흔히 사용되는 풀업 메커니즘은 암나사형 너트 부품과 수나사형 본체 부품의 나사식 연결이며, 관 파지 장치는 서로 나사 결합되어 조여질 때 이들 두 부품의 작용을 받는다. 상기 본체는 관 단부 수용 보어를 포함하며, 이 보어의 외측부에는 각진 캐밍 표면이 마련되어 있다. 가장 널리 사용되는 캐밍 표면은 절두 원추이며, "캐밍각(camming angle)" 이란 용어는 관 단부의 길이 방향 축선 또는 외측면에 대한 캐밍 표면의 원추각을 의미한다. 관 단부는 축방향으로 본체 보어에 삽입되어 절두 원추형 캐밍 표면을 지나서 연장된다. 파지 장치장트가 핑거 타이트 위치까지 본체 상에 부분적으로 나사 결합되어, 관 파지 장치가 캐밍 표면과 너트 사이에 축방향으로 포획된다. 너트는 너트 부품 및 본체 부품이 나사식으 로 함께 조여질 때 관 파지 장치가 본체 상의 각진 캐밍 표면과 맞물리게 하는 내측 쇼울더를 포함하는 것이 보통이다. 각진 캐밍 표면은 관 파지 장치를 반경 방향으로 압착시키고, 관 파지 장치를 가압하여 관 단부와 파지 맞물림 상태가 되게 한다. 관 파지 장치는 보통 배관의 외측면과 각진 캐밍 표면에 대해 시일을 형성하는 역할을 한다.

오늘날 스테인리스강관용 연결구에 가장 널리 사용되는 관 파지 장치(가장 널리 사용되는 것은 페룰형 관 연결구임)는, 그 관 파지 장치의 앞쪽 또는 노즈 부분이 관 단부의 외측면 안으로 물려 들어가게 함으로써 관을 파지한다. 여기서 "물다(bite)"라는 용어는, 관 파지 장치가 관 단부의 외측면 안으로 소성 변형되어, 거의 절삭과 같은 작용으로 배관을 소성 변형 및 만입시킴으로써, 관 파지 장치의 전방 단부에 대체로 반경 방향의 쇼울더 또는 벽을 생성한다는 의미로 사용되는 것이다. 이러한 "물려 들기(bite; 바이트)" 작용은 강한 구조물 역할을 하여, 고압에서 관이 분출되는 것을 방지하며, 1/2" 이상의 대직경 관의 경우에 특히 그러하다.

다년간, "물림"형 작용에 의존하지 않는 대신, 단순히 관 파지 장치를 배관 외측면에 대해 반경 방향으로 압착하여, 물림을 일으키는 일 없이 배관 내로 다소의 만입 효과를 얻는 관 연결구 설계가 많았다. 이러한 설계는 고압 스테인리스강관용 관 연결구에는 부적절하다. 시판 중인 스테인리스강관용 관 연결구 가운데, 특히 고압 용도로 가장 널리 사용되는 것으로는, 오래전부터 관 파지 장치의 2가지 반경 방향 분리 설계, 즉 단일 페룰 관 연결구와 이중 페룰 관 연결구가 있다.

단일 페룰 관 연결구는, 그 명칭이 암시하는 바와 같이 단일 페룰을 사용하여 관 파지 기능과 밀봉 기능 모두를 달성한다. 그러나, 원하는 관 파지 및 밀봉 성능 기준을 충족시킬 수 있는 관 연결구를 설계할 때, 그러한 2가지 기능은 서로 상충된다는 것이 널리 알려져 있다. 그 이유는, 관 연결구가 적절하게 관을 파지하는 것을 보장하기 위해 필요한 설계 기준은, 단일 페룰이 효과적으로 밀봉도 할 수 있는 능력에 반하여 작용하기 때문이다. 따라서, 비록 선행 기술의 단일 페룰 연결구가 몇몇 경우에는 적절하게 관을 파지할 수 있더라도, 이러한 관 파지 성능은 밀봉 효율이 낮아지는 희생의 대가이다. 이러한 상황의 한 가지 결과는, 일부 단일 페룰 관 연결구의 설계에서 적절한 밀봉을 얻기 위한 추가 부품 및 기술이 필요하다는 것이다. 가스, 특히 고압 가스에 대해 밀봉하려는 단일 페룰 연결구에서는 최적 밀봉 성능보다 떨어진다는 것에 특히 주목해야 한다. 이와 같이, 단일 페룰 관 연결구는 유압 용도와 같은 저압 액체 용도에 더 적합한 것이 보통이지만, 그러한 저압 용도에서도 단일 페룰의 밀봉 성능은 원하는 수준에 미달한다.

단일 페룰 관 연결구의 경우, 물림 작용은 단일 페룰이 그 단일 페룰 본체의 전방 단부와 후방 단부 사이의 중심 구역 또는 중간부에서 관 벽으로부터 반경 방향 바깥쪽으로 휘도록 설계되어 있는 점과 관련이 있는 것이 보통이다. 페룰의 전방 단부는, 너트의 페룰 후방 단부에 대한 압박에 의해 본체의 각진 캐밍 표면에 대해 구동된다. 상기 휨 작용은 단일 페룰의 전방 단부가 관 단부 안으로 향하도록 하는 것을 돕는다. 또한, 상기 휨 작용은 페룰의 후방 단부가 마찬가지로 관 단부와 맞물려 관 단부를 파지하는 것을 돕는 데에도 이용된다. 이는, 단일 페룰 의 후방 단부와 맞물려 그 후방 단부를 반경 방향으로 압착하여 관 단부에 파지 작용을 발휘하게 하는 각진 구동면을 너트 쇼울더 상에 마련함으로써 이루어지는 것이 보통이다. 몇몇 단일 페룰 설계의 경우, 페룰의 후방 단부는 분명 관 단부 안으로 물려 들어가기 위한 것이다. 이러한 후방 단부의 관 파지는, 진동 하에서의 관 연결구의 성능 향상을 위해 종종 단일 페룰과 함께 이용되는데, 왜냐하면 후방 단부 파지는, 예컨대 펌프를 포함하는 연결구 설치에서와 같이 연결구 외측으로부터 발생하는 진동이 전방 단부의 관 물림을 방해하지 못하게 하는 경향이 있기 때문이다.

후방 단부를 이용하여 관을 파지하는 것은, 단일 페룰의 전방 단부에서 관 단부를 파지하려는 노력을 실제로 저하시킨다. 이상적으로는, 페룰 전방 단부에 대하여 압력 하에서 파지된 관이 부하를 더 효과적으로 견디기 위해, 단일 페룰이 본체의 캐밍 표면과 너트 사이에서 완벽하게 3차원(축 방향, 반경방향 및 둘레방향)으로 압착되어야 한다. 후방 단부를 이용한 파지는 실제로 단일 페룰에 반작용 장력 혹은 경감된 축방향 압력을 부과하며, 이는 관 파지를 위해 이용되는 전방 단부 압착에 악영향을 준다. 또한, 바깥쪽으로 휘는 작용은 단일 페룰의 전방 단부에서 관을 파지하려는 노력을 저해시키는데, 그 이유는 바깥쪽으로 휘는 작용이 가능하려면, 단일 페룰에서 관 파지 "물림"과 인접한 부분의 질량이 작아야 되기 때문이다. 바깥쪽으로 휘는 작용은 페룰의 질량 중심을 관 단부로부터 벗어나 페룰 본체로 이동시킨다. 따라서, 바깥쪽으로 휘는 단일 페룰 연결구는 페룰 파괴 및 밀봉 손실 가능성이 높고, 고압에서 관이 파열될 수도 있다.

스테인리스강 배관에서 적절하게 관을 파지하기 위해, 단일 페룰 스테인리스강관용 연결구는 예전부터 10도 내지 20도의 다소 얕은 캐밍각을 이용해 왔다. 본 명세서에서 이 각도 범위를 "얕다(shallow)"로 한 것은 각도가 작다는 것을 편의상 그렇게 표현한 것이다. 이러한 얕은 캐밍각은 기계적 장점을 얻기 위해 단일 페룰 연결구에 이용되었는데, 왜냐하면 그러한 얕은 각도는 축방향으로 긴 캐밍 표면을 제공하며, 이 캐밍 표면에 대해 단일 페룰의 전방 단부를 활주시키고 반경 방향으로 압착하여 관 단부의 외측면 안으로 물려 들어가게 하기 때문이다. 단일 페룰이 적절히 물려 관을 파지하도록 하기 위해, 경질 스테인리스강 배관 재료에는 그러한 긴 슬라이딩 캐밍 작용이 필요하다. 다년간, 단일 페룰을 스테인리스강 배관보다 훨씬 경도가 높게 만들기 위해 전체 경화(through hardening) 또는 표면 경화(case hardening)해 왔으나, 그러한 단일 페룰 연결구에서는 페룰이 캐밍 표면을 따라 활주하여 "물림"으로써 적절하게 관을 파지함에 따른 기계적 장점을 얻기 위해 얕은 캐밍각을 오늘날에도 여전히 이용하고 있다. 표면 경화된 페룰 및 약 20도의 얕은 캐밍각을 이용하는 시판 중인 단일 페룰 관 연결구의 일례로서 Parker-Hannifin사가 시판 중인 CPI 연결구 계열이 있다. 다른 예로는 Ermeto GmhH가 시판 중인 EO 연결구 계열이 있는데, 여기서는 전체 경화된 단일 페룰과 12도의 캐밍각을 이용한다.

일부 단일 페룰 설계에서는, 비원추형 캐밍 표면이 시도되었는데, 이는 페룰을 관 단부의 외측면에 대해 간단히 압박하여 물림이 생기기 않게 하려는 시도였다. 그러나, 그 결과는 연결구의 파지가 불량하거나 압력이 낮아 스테인리스강 연 결구에는 부적합하기만 했다.

그러나, 단일 페룰 연결구로 관을 적절히 파지하기 위해 필요한 얕은 캐밍각과 긴 캐밍 표면 및 축방향 이동은 단일 페룰이 밀봉 기능을 달성하는 능력을 상쇄시키며, 심각한 환경과 밀봉 가스의 경우에 더욱 그러하다. 이는 단일 페룰의 전방 단부가 축방향으로 긴 캐밍 표면에 대해 밀봉하려는 시도를 하기 때문이다. 반경 방향 바깥쪽으로 휘는 작용은, 단일 페룰의 전방 단부의 외측면의 더 많은 부분이, 그 부분과 맞닿아 구동되는 캐밍 표면과 접촉하게 만든다. 그 결과, 단일 페룰의 외측면과 캐밍 표면 사이에서 밀봉 면적이 증가한다. 이러한 밀봉 면적의 증가는 단일 페룰과 캐밍 표면 사이에서 밀봉력이 원하지 않게 분포되게 만들며, 더 많은 구역에서 표면 결함이 일어나 누설이 생기게 만든다. 이는 특히 금속과 금속 간의 밀봉에서 생기는 문제이다(이와는 달리, 비금속과 비금속의 밀봉의 경우, 예를 들면 플라스틱 연결구에서는 밀봉 접촉 면적이 큰 것이 바람직한데, 왜냐하면 연성이 높은 플라스틱 재료는 두 표면 사이에서 밀봉을 더 잘 형성할 수 있기 때문임).

예전부터 단일 페룰 연결구는 관을 적절히 파지하기 위해 얕은 캐밍각을 이용해 왔기 때문에, 최적 수준 미만의 밀봉 기능은 연결구의 용도에 대한 알려진 제약으로서 용인되거나, 단일 페룰 연결구에 추가적인 요소를 설계해 넣어 왔는데, 가장 알려져 있는 시도는 단일 페룰과 함께 하나 이상의 탄성 시일을 포함시키거나, 하나 이상의 탄성 시일이 단일 페룰과 협동하여 스테인리스강 배관과 더 양호한 밀봉을 제공하는 것이다. 예컨대, 미국 특허 제6,073,976호 및 제5,351,998호 를 참조하기 바란다. 미국 특허 제6,073,976호에는, 추가된 탄성 시일과의 "밀봉" 문제를 해결하려는 단일 "페룰"(이 특허에서는 "커팅 링"이라고 부름) 연결구의 전형적인 예가 개시되어 있다. 상기 미국 특허 제5,351,998호에는 관 파지 기능과 밀봉 기능을 2개의 별개의 부품으로 분리함에 따른 장점이 개시되어 있다.

매우 성공적이며 시판되고 있는 배관용 이중 페룰 연결구의 하나로, 미국 오하이오주 솔론에 소재하는 Swagelok Company사에서 시판 중이며 미국 특허 제6,131,963호 및 3,103,373호에 개시되어 있는 연결구가 있으며, 이들 특허는 모두 본 출원인 명의이며, 이들 특허의 내용을 본 명세서에 참고로 인용되어 있다. 이들 이중 페룰 연결구에서도, 관 파지 기능과 밀봉 기능이 2개의 페룰을 사용함으로써 개별적으로 달성되고 있다. 앞쪽, 즉 전방 페룰은 심지어 가스에 대해서도 우수한 밀봉을 제공하며, 뒤쪽, 즉 후방 페룰은 우수한 관 파지를 제공한다.

전방 페룰은 20도와 같은 얕은 캐밍 표면각에 대해 캐밍함으로써 우수한 밀봉을 행한다. 그 이유는 전방 페룰이 관 파지 기능을 위해 캐밍 표면 상에서 과도하게 활주할 필요가 없기 때문이다. 마찬가지로, 전방 페룰은 표면 경화되지 않는데, 왜냐하면 이 전방 페룰의 주목적은 밀봉이며 관 단부 안으로 물려 들어가는 것이 아니기 때문이다. 이와 같이, 비교적 "소프트한" 전방 페룰은, 본체의 원추형 캐밍 표면이 약 20도의 캐밍각을 제공함에도 불구하고 특히 가스에 대해 우수한 밀봉을 행한다.

후방 페룰은 전술한 이중 페룰 관 연결구에서의 관 파지 기능을 행한다. 후방 페룰은 표면 경화되어 관 단부보다 경도가 훨씬 높다. 후방 페룰의 전방 단부 는 전방 페룰의 후방 단부에 형성된 절두 원추형 캐밍 표면에 대해 캠 작용을 한다. 이 캐밍 표면의 표면 각도는 45도이지만, 전방 페룰의 활주 이동으로 인하여 실제 캐밍각은 약 15도 내지 20도의 얕은 각도이다. 비록 후방 페룰의 실제 캐밍각이 얕지만, 후방 페룰은 일차 시일을 제공할 필요가 없다(보조 시일 또는 예비 시일을 형성할 수는 있음). 또한, 후방 페룰은 불필요한 휨 작용을 하지 않는 대신, 반경 방향 안쪽으로의 힌지 작용의 함수로서 관 단부를 파지한다. 본 명세서에서 "힌지 작용(hinging)"이라 함은, 페룰 본체의 중심 구역 또는 중간부가 휨 또는 반경 방향 바깥쪽 변위와는 뚜렷이 구별되는 바와 같이 반경 방향 안쪽으로 압착되도록 하는 페룰의 제어된 변형을 의미한다. 이와 같이, 실제로 얕은 캐밍각은 연결구의 밀봉 능력을 상쇄시키지 않을 뿐만 아니라, 특히 스테인리스강 배관용 관 연결구의 전체적인 성능을 실제로 크게 향상시킨다.

주로 관 연결구의 주 기능 중 하나만을 달성하기 위하여 각각에 대하여 별개의 페룰을 사용함으로써, 이중 페룰 관 연결구는 상당히 큰 관 파지 및 밀봉 기능을 달성한다. 이와 같이, 종래의 이중 페룰 관 연결구는, 부분적으로는 15,000 psi 정도의 높은 정격 압력(pressure rating), 극저온에서 1200(℉)의 광범위의 정격 온도, 많은 용례에 있어서 상당한 수의 리메이크(리메이크는 초기의 풀업 후 연결구를 느슨하게 하고 조이게 하는 것을 지칭한다)와 같은 그 성능 특성 때문에, 스테인리스강 배관 분야에서 특히 상업적인 성공을 이루었다.

미국 특허 번호 제3,248,136호에는 페룰에 대향하는 단일의 록킹 링(locking ring)을 사용하는 것이 개시되어 있는데, 상기 록킹 링은 20도 이상의 각도로 나타 나는 각도를 갖는 표면에 대하여 작용하지만, 그 링은 관 내로 소성 변형을 나타내지 않고 그 대신에 탄성 상태로 남아 있기 때문에, 풀업 후에도 그 원래의 형태를 유지하도록 설계되어 있는데, 이러한 두 가지 특징은 본 명세서에서 고려하는 종류의 스테인리스강관용 연결구에 대하여는 적당하지 않다. 일본 실용신안 공개 번호 제44-29659호에는 만곡 효과(bowing effect)를 갖고 전방 단부 및 후방 단부에서 관을 파지하도록 되어 있는 타이트닝 링(tightening ring)이 개시되어 있다. 상기 연결구는 관이 수지 커버로 덮여 있어서 스테인리스강 배관에는 적용할 수 없는 것으로 보인다.

풀업 중에 분리하여 단일 요소의 관 파지 장치로 기능을 하는 관 파지 요소를 갖는 관 연결구를 구성하려는 시도는 있었다. 공지의 구성은 수나사형 부품에 분리 요소를 배치한다. 게다가, 공지의 구성은 얕은 캐밍 표면각에 대해 관 파지 요소를 강제하거나, 관 벽 안으로 관 파지 물림을 형성하려는 시도는 없었다. 따라서, 종래 기술의 구성은 종래 기술의 단일 페룰 관 연결구 구조와 동일한 한계를 겪게 된다.

전술한 2개의 페룰 SWAGELOK 관 연결구의 많은 용례 및 용도에서는 이처럼 고압, 고온 및 리메이크 성능 특성을 요구하지 않는다. 본 발명은 전체적인 연결구의 일체성 및 성능을 손상시키는 일이 없이 저 성능 특성을 충족시킬 수 있는 신규의 연결구 개념에 관한 것이다.

전술한 이중 페룰 관 연결구의 많은 용례 및 용도에서는 이처럼 고압, 고온 및 리메이크 성능 특성을 요구하지 않는다. 본 발명은 전체적인 연결구의 일체성 및 성능을 손상시키는 일이 없이 낮은 성능 특성을 충족시킬 수 있는 신규의 연결구 개념에 관한 것이다.

본 발명의 한 가지 양태에 있어서, 신규의 관 연결구 개념은 사용자가 단지 2개의 구성품, 즉 연결구 본체와 연결구 너트를 조립할 것을 요구한다. 그 너트와 본체는 그들 간의 상대 회전에 의해 함께 나사식으로 연결되도록 되어 있다. 너트는 연결구를 구성할 때 본체 상의 캐밍 표면과 협동하는 초기의 일체형 관 파지 요소 또는 페룰을 포함한다. 이 관 파지 요소는 너트를 갖도록 기계 가공되거나, 납땜, 용접, 솔더링과 같은 임의의 편리한 방법에 의해 너트에 분리 가능하게 부착될 수 있다. 기재한 실시예에서, 관 파지 요소는 링형 구조를 가지며, 이것이 부착되는 구성품으로부터 분리한 후에는 단일 페룰로서 작동한다. 분리된 페룰은 관의 외벽에 대해 반경방향으로 압착되어 소성 변형하여, 밀봉 및 탄탄한 관 파지 물려 들어가기를 형성한다. 분리된 페룰은 또한 캐밍 표면에 대한 1차적인 밀봉을 형성한다. 하나의 실시예에서, 페룰은 전방 단부에 테이퍼진 외측 표면을 구비하여, 캐밍 표면에 대해 전체적으로 좁은 선접촉 밀봉을 형성한다. 상기 페룰은 하나의 실시예에서, 힌지 작용을 하며, 우수한 관 파지를 위해 노즈 부분이 만입되도록 풀업 중에 소성 변형하고, 만입된 노즈 부분이 진동 효과로부터 고립되도록 축방향으로 인접한 스웨이지(swage) 혹은 끼워넣기(collet) 영역을 갖도록 구성된다. 힌지 작용은 또한 페룰의 외측 표면이 캐밍 표면과 전체적인 선접촉 상태를 유지하도록 도와준다. 연결구 구성품, 특히 분리 가능한 페룰은 표면 경화되는 것이 바람직하지만 반드시 그럴 필요는 없다. 신규의 연결구는 특히 스테인레스강 및 기타 금속 관 이음에 유용하지만, 본 발명은 금속의 특정 종류에 한정되지는 않는다. 본 발명의 또 다른 양태에 있어서, 연결구는 충분한 풀업을 표시하여 구성품들이 과도하게 조여지는 것을 방지하는 셀프 게이징(self-gauging) 특징을 구비할 수 있다.

본 발명의 추가의 양태에 있어서, 캐밍 표면 프로파일은 가파른 캐밍각을 약 35도 내지 약 60도의 범위로 채용함으로써, 종래 기술의 단일 페룰 관 연결구 구성에서 실질적으로 수정된다. 가파른 캐밍각은, 특히 관 재료보다 비커스 스케일로 적어도 약 3.3배 이상의 경도 비로 경화된 경우에 종래 기술의 단일 페룰 관 연결구보다 더 양호한 관 파지를 형성한다. 상기 페룰은 또한 풀업 중에 반경 방향 내측으로 힌지 작용을 용이하게 하는 기하학적 형상을 갖도록 구성될 수 있다. 그러한 힌지 작용은 종래의 단일 페룰 관 연결구에 비해 관 파지 및 밀봉을 향상시킨다.

본 발명의 또 다른 선택적인 양태에 따르면, 관 파지 장치 혹은 분리 가능한 페룰은 분리시 너트의 구동면과의 차등 각도를 형성하는 피구동면을 구비한다. 또 다른 옵션은 분리 가능한 페룰은 실질적으로 연속하는 원통형의 외측벽을 구비한다. 본 발명의 또 다른 선택적인 양태에 따르면, 분리시 페룰의 구동면의 일부는 페룰의 힌지 작용을 용이하게 하고 또한 풀업 토크를 줄이기 위해 사용될 수 있는 볼록한 부분 등의 윤곽을 형성하도록 소성 변형되어 있다.

당업자에게 본 발명의 이러한 특징 및 다른 특징은 첨부 도면을 참조로 하여 다음의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명은 특정 구성품에서 물리적 형태 및 구성품의 배열을 취할 수 있으며, 본 발명의 바람직한 실시 형태 및 방법은 본 명세서에 상세하게 기재되고, 그것의 일부를 나타내는 첨부된 도면에 예시되어 있다.

도 1은 핑거 타이트 위치(finger tight position)에 있는 본 발명에 따른 예시적인 실시예의 관 연결구 절반을 도시한 종단면도이다.

도 2는 부분적으로 풀업 위치(pull up position)에 있는 도 1의 실시예를 도시한 종단면도이다.

도 3은 완료된 초기 풀업 위치에 있는 도 1의 실시예를 도시한 종단면도이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 종단면도이다.

도 5는 분리 가능한 관 파지 장치가 실질적으로 연속한 내측벽을 갖는 본 발명의 또 다른 실시예의 관 연결구 절반을 도시한 종단면도이다.

도 6은 페룰의 분리 이후지만 완전한 풀업 이전에 차등각과 페룰의 윤곽을 지닌 피구동면을 포함하는 본 발명의 추가의 양태를 도시하는 도 5의 실시예의 종단면도이다.

본 발명의 한 가지 양태에 따라서, 커플링 요소 중 하나와 초기에는 일체이며 풀업시에는 그로부터 분리되어 단일 페룰 연결구로 기능을 하는 관 파지 장치를 갖는 관 연결구가 제공된다. 바람직한 실시예에서, 관 파지 장치 또는 페룰은 암 나사형 너트와 일체로 형성되며, 수나사형 구성품의 캐밍 표면에 대해 페룰이 초기에 캠 작용함에 따라 파괴되는 얇은 취성 웹 부분에 의해 너트에 부착된다. 상기 페룰은 분리 후에는 단일 페룰로서, 수나사형 본체의 가파른 캐밍 표면 각도에 대해 작용한다. 상기 가파른 캐밍 표면 각도는 관 파지 장치의 경도가 비커스 스케일 기준으로 상기 관 재료의 경도보다 적어도 약 3.3 배, 바람직하게는 적어도 4배 더 큰 비를 갖고 있는 경우에 특히 유리하다.

본 명세서에서 본 발명의 많은 양태를 예시적인 실시 형태에 포함시키는 것으로 설명하지만, 이러한 설명은 제한적인 것으로 해석되어서는 안된다. 임의의 특정한 용례에 대하여, 본 발명의 여러 양태는 상이하게 조합 및 서브 조합하여 필요에 따라 이용될 수 있다. 또한, 본 발명의 개시 내용은 수많은 설계 선택 및 대안적인 실시 형태를 설명 및/또는 도시하지만, 이러한 설명은 이러한 선택 및 대안적인 목록으로서 의도된 것은 아니고 또 그와 같이 해석되어서도 안된다. 당업자는 첨부된 청구범위에 한정된 본 발명의 사상 및 범위 내에 있는 추가의 변형례 및 설계 선택을 쉽게 이해할 것이다. 본 발명은 한정하려는 의도는 아니지만 관 및 파이프를 포함한 임의의 도관에 적용될 수 있다.

본 명세서에서 여러 실시 형태를 스테인리스강, 특히 316 스테인리스강으로 제조된 연결구 부품을 참조로 설명하지만, 이러한 설명은 예시적인 것으로 의도한 것이지, 제한적인 것으로 해석되어서는 안된다. 당업자는, 본 발명은 연결구 구성품에 대하여, 316, 316L, 304, 304L, 임의의 오스테나이트 또는 페라이트 스테인리스강, 임의의 듀플렉스(duplex) 스테인리스강, HASTALLOY, INCONEL 또는 MONEL과 같은 임의의 니켈 합금, 17-4PH와 같은 임의의 석출 경화형 스테인리스강, 황동, 구리 합금, 1018 스틸과 같은 임의의 탄소강 또는 저합금강, 12L14와 같은 임의의 납, 재인광 처리하거나 재유황 처리한 스틸(leaded, re-phosphorized or re-sulphurized steel)을 비롯하여, 임의의 상이한 많은 종류의 연결구 부품의 금속 재료뿐만 아니라 금속 배관 및 파이프 재료를 사용하여 구현할 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 재료 선택의 한 가지 중요한 양상은, 관 파지 장치가 바람직하게는 상기 연결구가 함께 사용되는 가장 경질의 관 재료보다 비커스 스케일로 적어도 약 3.3배, 바람직하게는 4배 이상의 비로 표면 경화 또는 전체 경화되어야 한다는 것이다. 따라서, 상기 관 파지 장치는 관 그 자체와 동일한 재료로 제조될 필요는 없다. 예를 들면, 후술하는 바와 같이, 상기 관 파지 장치는 상기 스테인리스강 재료, 또는 몇몇 추가의 예로서, 마그네슘, 티탄, 알루미늄과 같이 표면 경화될 수 있는 다른 적당한 재료로부터 선택될 수 있다. 더욱이, 관 파지 링과 암나사형 너트의 취성적 특성은 또한 비금속 관 연결구에도 실현할 수 있다.

도 1을 참고하면, 본 발명은 단지 2개의 별도의 구성 요소, 즉 암나사형 너트(52) 및 수나사형 본체(54)가 있는 관 연결구(50)에 관한 것이다. 상기 암나사형 너트(52)는 금속 배관용의 종래 기술의 페룰 타입 관 연결구에 사용되는 통상적인 너트와는 상당히 다르다. 상기 수나사형 본체(54)는 종래의 연결구에 사용되는 통상적인 본체와 유사한 구조일 수 있지만, 이하에서 상세하게 설명하는 바와 같이, 본체(54)는 바람직하게는 새로운 너트(52)와의 적합한 조립을 위해 최적화될 수도 있지만, 필수적인 것은 아니다. 또한, 상기 본체(54)는 별도로 분리된 구성 요소일 필요는 없으며, 예컨대 밸브 본체, 매니폴드 또는 기타 구성 요소와 같은 다른 부품에 부착될 수도 있고, 이들 부품에 일체로 될 수도 있다.

도면에서, 연결구는 단면의 절반만이 종단면도로 도시되어 있는데, 다른 절반은 동일하므로, 명료하고 용이한 도시를 위해 생략되어 있다는 것을 이해해야 한다. 본 명세서의 모든 도면에서, 각종의 간극 및 치수는 용이한 도시를 위해 어느 정도 과장되어 있다.

상기 본체(54)는 일체의 확장부 혹은 단부(56a)를 갖는 대략 원통형의 주 본체(56)이다. 단부 확장부(56a)는 예컨대 육각형 본체일 수도 있고, 예컨대 전술한 밸브 본체와 같은 다른 구성 요소의 일부일 수도 있다. 주 본체(56)는 단부 확장부(56a)와 동일한 재료로 기계 가공될 수도 있고, 그와 달리 용접 또는 기타 적합한 기법 등에 의해 부착될 수도 있다. 주 본체(56)는 관 단부(13)를 밀접하면서 활주 가능하게 수용하기에 적합한 치수로 정해지는 중앙의 종방향 제1 보어(58)를 구비한다. 제1 보어(58)의 직경은 본체(54)의 단부 확장부(56a)를 통해 연장되는 동축의 제2 보어(59)의 직경보다 어느 정도 크다. 물론, 연결구(50)가 폐쇄 단부 접속구인 경우에, 내측 보어(59)는 관통 보어가 아니다.

관 단부(13)는 바람직하게는 카운터보어(60)에 대해 맞닿는다. 본체(56)에는 너트(52)에 형성되거나 기계 가공되는 대응 암나사(64)와 나사 결합되는 외측 수나사(62)가 기계 가공되거나 그 외의 방식으로 형성되어 있다. 종래 기술의 연결구 구성 요소와 구식 및 신식의 본체 및 너트 부품의 부주의한 믹싱을 방지하기 위해, 본 발명의 너트 및 본체의 나사 피치는 종래 기술의 페룰 타입의 관 연결구 용 너트 및 본체의 나사 피치값과 상당히 다를 수 있는 것에 주목하기 바란다. 이는 교환 문제를 방지하며, 적은 너트 회전으로 완전한 풀업을 달성하도록 큰 축방향 스트로크를 제공하는 코스 피치(course pitch)를 또한 허용한다. 예컨대, 본 발명에 합체되는 연결구는 1/2 회전으로 적절한 풀업을 달성하기에 충분한 축방향 변위를 제공하는 코스 피치 나사를 사용할 수 있다. 이에 비하여, 통상적인 종래 기술의 연결구는 5/4 내지 3/2 회전으로 풀업된다. 그러나, 설계자가 나사 피치를 특정 용례에 적합한 임의의 값으로 만드는 데에는 제한이 없는데, 이는 교환 문제를 회피하기 위한 다른 기법이 존재하기 때문이다. 따라서, 풀업을 달성하기 위한 1/2 회전은 이용 가능한 각종 설계상의 선택 중 단지 일례일 뿐이다.

중앙 본체 보어(58)는, 보어(58)의 직경이 카운터보어(60)를 향해 축방향을 따라 반경 방향으로 감소하도록 관 단부(13)의 종축(X, 도 1 참조)에 대해 반경 방향 내측으로 약간의 테이퍼(α)를 갖도록 형성되는 것이 바람직하지만, 필수적인 것은 아니다. 예컨대, 상기 테이퍼는 약 2도내지 약 4도일 수 있지만, 선택된 각도가 특별히 임계적인 것은 아니다. 카운터보어의 쇼울더에서의 보어(58)의 직경은 관 단부(13)의 외경보다 단지 조금 작다. 이러한 방식으로, 관 단부(13)는 보어(58)와 예컨대 수천분의 1인치의 작은 반경 방향 체결 여유로 보어(58)와 끼워 맞춤된다. 보어(58)와 관 단부(13) 사이의 이러한 체결 여유는 회전 방지 작용을 제공하여, 관 단부(13)가 풀업 중에 회전하는 것을 방지한다. 이는 풀업 중에 관 파지 요소(80)의 회전에 의해 관 단부 내에 야기될 수 있는 잔류 비틀림 응력도 또한 감소시킨다. 관 단부(13)가 카운터보어의 쇼울더(60)에 대해 완전히 맞닿을 필 요는 없다. 이는, 억지 끼워맞춤이 보어(58)와 관 단부(13) 사이에 양호한 일차 시일을 제공하는 것을 돕기 때문이다. 억지 끼워맞춤은 풀업 중에 관 단부를 고정되게 축방향으로 유지함으로써 관 파지 요소(80)에 의한 관 파지(tube grip)를 또한 개선하고, 그 결과 관 파지 요소(80)의 전체 축방향 변위는 체결 중에 관 단부의 임의의 상실된 축방향 운동 또는 이동보다는 적절한 변형 및 관 파지를 위해 사용된다. 보어(58)의 테이퍼는 그 전체 축방향 길이를 따라 또는 카운터보어(60)에 인접한 보다 짧은 축방향 부분을 따라 점진적으로 확장될 수 있다.

너트(52)는 연결구(50)의 종축에 대해 제1 직경(D1)을 갖는 제1 중앙 보어(70)를 구비한다. 너트(52)는 연결구(50)의 중앙 종축에 대해 제2 직경(D2)을 갖는 제2 보어(72)를 또한 구비한다. 이 실시예에서, 직경 D2는 직경 D1보다 작다. 또한, 직경 D2의 크기는 보어(72)가 관 단부(13; 도 2 참고)를 수용하는 대략 원통형의 벽을 형성하도록 정해진다. 제1 보어(70)는 트레판(75; trepan)을 형성하도록 너트 후방 단부(74)로부터 축방향으로 간격을 두고 있는 위치에서 종결되며, 이로써 너트(52)는 반경 방향 내측으로 연장되는 칼라(76)를 갖는다. 칼라(76)는 너트(52)의 후방 단부벽(74), 보다 소경의 보어(72) 및 대경의 보어(70)에 의해 형성된다.

본 발명의 중요한 양태에 따르면, 너트(52)는 칼라(76)로부터 어느 정도 외팔보식으로 축방향 내측으로 연장되는 관 파지 장치(80)를 구비한다. 이 예에서, 관 파지 장치는 파지 링(80)의 일반적 형태이며, 관 단부(13; 도 2 참고)를 밀접하게 수용하는 실질적으로 원통형의 벽을 형성하는 내측 보어(82)를 구비한다. 링 보어(82)의 직경(D3)은 제2 보어(72)의 직경과 동일할 수도 있고 상이할 수도 있다. 파지 링 보어(82)를 형성하는 원통형 벽은 파지 링(80)의 테이퍼진 전방, 즉 노즈 부분(84)으로부터 축방향으로 연장된다. 노즈 부분(84)은 축방향으로 테이퍼진 외면(86)을 갖고, 이 외면은 링(80)의 후방 단부를 향해 반경 방향 치수가 증가한다. 테이퍼진 외면(86)은 파지 장치(80)의 대략 반경 방향 전방 단부(85)로부터 연장된다. 이러한 대략 반경 방향 전방 단부(85)는 작은 각 혹은 테이퍼를 가질 수 있으며, 바람직하게는 날카로운 코너(87)에서 원통형 보어(82)와 결합된다. 그러나, 선택적으로는, 전방 단부(85)로부터 너트(52)의 후방 단부(74)를 향해서 축방향으로 연장되고 직경 D3보다 어느 정도 큰 직경을 갖는 원주 방향의 리세스, 스텝, 노치 또는 기타 기하학적 형상(도시 생략)이 링(80)의 전방 단부에 마련될 수 있다.

테이퍼진 표면(86)은 바람직하게는 둥근 부분(89)에 의해 전방 단부(85)에 결합되고, 둥근 부분(86a)에 의해 그 축방향 대향 단부에서 대략 원통형 부분(91)에 결합되며, 이 원통형 부분은 둥근 부분(93)을 매개로 테이퍼진 외측 벽 부분(95)에 결합된다.

이 지점에서, 관 파지 장치(80)(예컨대, 각종 리세스, 노치, 테이퍼진 부분, 반경 부분과 같은)의 각종 기하학적 특징은 후술하는 바와 같은 적합한 반경 방향 내측 힌지 작용을 행하도록 선택된다. 따라서, 관 파지 장치(80)의 기하학적 형상은 특정 용례에 필요한 경도, 연결구 구성 요소, 배관의 치수, 요구되는 관 파지 및 밀봉 성능과 같은 배관 재료의 특징에 의해 결정될 것이다. 따라서, 본 명세서 에 예시된 특정의 실시예는 본질적으로 관 파지 장치의 기하학적 형상에 대해 예시적인 것으로 의도된다. 2가지 페룰 연결구에 대한 전술한 인용 특허는 원하는 관 파지를 얻기 위한 힌지 작용을 용이하게 하는 추가의 기하학적 형상의 변형례를 또한 예시하고 있다.

본 발명의 다른 양태에 있어서, 관 파지 장치 또는 페룰(80)은 얇은 취성 웹 부분(95)에 의해 암나사형 너트(52)에 부착된다. 이러한 웹 부분은 페룰(80)이 풀업 중에 캐밍 표면(88)에 대해 초기에 캠 작용할 할 때 (도 2에 도시한 바와 같이) 파손되어, 관 파지 장치 또는 페룰이 별도의 부품으로 되어, 상기 너트와 본체와 함께 단일 페룰 연결구로서의 효과를 갖고 기능을 한다. 분리된 페룰(80)은 너트(52)의 반경 방향 외측으로 연장하는 벽(152)에 의해 구동되는 후방 단부(150)를 구비하며, 상기 벽은 최초 풀업을 완료하기 위해 캐밍 표면에 대해 전방으로 페룰(80)을 구동하는 구동 표면으로서의 기능을 한다. 취성 웹 부분(95)은 바람직하게는 너트(52)로부터 장치(80)의 분리시에, 파단선으로 따라 노출되는 표면(95a)이 조립을 완료하기 위한 추가의 풀업 동안에 너트(52)의 구동 표면(152)과 간섭하지 않는다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "관 파지 장치" 및 "페룰" 또는 "단일 페룰"이라는 용어는 너트(52)로부터 분리 후의 장치(80)를 지칭하는 경우에 호환성이 있게 사용된다.

페룰(80)은 암나사형 너트(52)의 거의 내측을 향해 각진 반경 방향 홈(154)을 형성함으로써 취약성 웹(95)을 갖도록 기계 가공된다. 상기 홈(154)은 페룰(80)의 후방 단부(150)를 형성하며, 또한 페룰(80)이 너트(52)로부터 분리된 후에 캐밍 표면에 대해 축방향으로 페룰을 구동하는 너트의 반경 방향 벽(152)을 형성한다. 벽(152)과 후방 단부(150)는 약 75도의 각도로 또는 관 보어 축선 X에 대해 소정 각도로 기계 가공되는 것이 바람직하만 반드시 그러한 것은 아닌데, 상기 각도는 특정 용례에 따라 달라질 수 있다. 그러한 표면(150, 152)은 원하는 경우에는 겔링(galling) 및 토크를 감소시키는 윤곽을 가질 수 있다.

도 1, 도 2 및 도 3을 참고하면, 테이퍼진 노즈 부분(84)은 주 몸체(56)에서 관 보어(58)에 대한 개구를 형성하는 축방향으로 테이퍼진 캐밍 표면(88)과 초기에 맞물린다. 테이퍼진 캐밍 표면(88)은 절두 원추형 윤곽을 갖는 것을 특징으로 한다. 그러나, 캐밍 표면(88)의 형상은 특정 용례의 연결구(50)에 필요한 특정의 링 변형 및 관 파지 특징에 따라 기타 다른 형상으로 선택될 수 있다.

풀업의 완료시에, 본체(54)의 후방 단부(90)는 과도한 조임에 대한 포지티브 멈춤부로서의 기능을 하는 트레판(75)과 접촉한다. 리메이크가 요구된다면, 후방 단부(90)를 첫 번째 풀업 완료시에 트레판(75)으로부터 축방향으로 일정 간격 떨어지게 할 수 있다. 이러한 경우, 적절한 풀업은 공지된 바와 같은 간극 게이지 또는 적절한 기타 기법을 사용하여 검증할 수 있다.

관 파지 링(80)은 연결구(50)의 여러 중요한 기능을 실행하도록 성형되어 있다. 파지 링(80)은 적합한 풀업 시에 테이퍼진 캐밍 표면(88)에 대해 유밀한 일차 시일을 제공해야 한다. 이 시일은 관 연결구(50)를 위한 주요 외부 시일일 수도 있고, 실제로 예컨대 보어 벽(58) 및/또는 카운터보어(60)를 따라 관 단부(13)와 본체(54) 사이에 형성된 임의의 시일에 대한 보조 또는 지지 시일(back-up seal)일 수도 있다. 파지 링(80)은, 링(80)의 원통형 보어(82)가 관 단부의 외면과 맞물리는 영역에서 링(80)이 관 단부(13)의 외면을 무는 위치에 일차 시일을 형성할 수 있다. 다시, 이 일차 시일은 실제로 본체(54)에 대하여 관 단부(13)에 의해 형성된 임의의 시일에 대한 지지 또는 보조 시일일 수 있다. 어떤 경우에든, 파지 링(80)은 관 단부(13)의 외면과 캐밍 표면(88)에 대한 일차 시일을 형성해야 한다. 또한, 상기 링(80)은, 압력, 온도 및 진동 효과하에서 시일의 완전성을 유지하고, 관 단부가 이러한 조건하에서 연결구로부터 분리되는 것을 방지하기 위하여 관 단부(13)를 적절하게 파지해야 한다.

유밀 시일과 관 파지 작용을 달성하기 위하여, 링(80)은 도 3에 도시된 바와 같이 풀업 완료시에 관 단부 내로 소성 변형되고 스웨이징 되게 설계된다. 이는 링(80)을 힌지 운동을 하도록 설계함으로써 달성되며, 이로써 너트(52)가 본체(54) 상에 나사 체결됨에 따라 테이퍼진 노즈 부분(84)은 축방향 전방으로 구동될 뿐만 아니라, 관 단부(13) 벽의 외면과 맞물리게 되도록 반경 방향으로 이동 또는 구동된다. 따라서, 노즈 부분(84)의 전방 단부(92)는 합응력 라이저(resultant stress riser) 또는 물려 들기(bite)에 의해 압박되어 도 3에서 참조 부호 94로 표시된 영역에 매설된다. 전방 단부의 물려 들어가는 부분(94)은 소성 변형되는 관 단부 재료로 형성된 전체적으로 반경 방향으로 연장되는 벽 또는 쇼울더(99)를 형성한다. 이 쇼울더(99)는 상기 파지 링(80)의 매설된 전방 단부와 맞물려, 고압에서의 관 파열에 대해 매우 강한 기계적 저항을 형성한다. 따라서, 상기 매설된 노즈 부분(92)은 관 단부(13)를 강하게 파지하는 동시에 탁월하게 밀봉한다. 또한, 링(80) 은 응력 라이저 또는 물려 들어가는 부분(94)에 축방향으로 인접한 위치 또는 그 후방 위치인 참조 부호 96으로 지시되어 있는 위치에서 원통형 벽(82)을 관 단부에 맞닿게 스웨이징하거나 끼워넣기(collet)를 위해, 전술한 바와 같이 반경 방향 내측으로 힌지 운동을 하도록 되어 있다. 이러한 스웨이징 및 끼워넣기의 영향은 실질적으로 관의 파지 기능을 강화하고, 상기 매설된 노즈 부분과 물려 들어가는 부분(94)을 다운 튜브 진동과 온도 변화의 영향으로부터 단절시키는 작용을 한다.

본 발명은 본원에서 노즈 부분이 매설되어 부수적으로 스웨이징 작용이 야기되는 다양한 실시예에 관하여 기술되어 있지만, 당업자라면 일부 용례에서, 특히 적당한 온도, 진동 및 압력의 영향에 노출된 연결구의 경우에, 상기 엄격한 설계 기준이 항상 필요한 것은 아니라는 것을 알 것이다. 따라서, 본원에 바람직한 실시예로서 기술되어 있는 너트, 본체 및 파지 링의 추가적인 설계 양태는 제한적인 의미로 해석되어서는 안되며, 오히려 본 발명의 기본 개념이 특정 용례의 필요에 맞게 사용되도록 선택적으로 강화시키는 것으로 해석되어야 한다.

바람직한 스웨이징 작용과 관 파지를 위해, 링(80)은 본체(56)의 테이퍼진 캐밍 마우스(88)와 맞물릴 경우, 테이퍼진 노즈 부분(84)과 파지 링(80)의 중앙이나 중간 부분(원통형 보어(82)의 영역 또는 참조 부호 94로 지시된 영역)이 반경 방향 내측으로 압박되게 하는 힌지 운동을 나타내도록 설계되어 있다. 또한, 이러한 힌지 운동은, 링(80)을 응력 라이저(94)에 축방향으로 인접한 위치에서 관 단부(13) 상으로 스웨이징 하도록, 원통형 벽(82)을 반경 방향으로 상당히 이동시키고 압박하는 데 사용된다. 도 1 내지 도 3의 실시예에서, 힌지 운동은 원통형 부분 (72 및 82) 사이에 축방향으로 배치되는 반경 방향 내주 노치(98)를 마련함으로써 용이해지며, 이 노치는 바람직하지만 항상 필요한 것은 아니다. 노치(98)는 링(80)의 소성 변형 및 제어된 방식의 붕괴를 허용하도록 적절하게 형성되어, 바람직한 끼워넣기 효과를 갖는 상태로 원통형 벽(82)을 관 단부에 맞닿게 반경 방향으로 압박한다. 따라서, 파지 링(80)의 특정 기하 구조는, 너트(52)가 페룰(80)이 분리된 후에 본체(54) 상에 나사 결합될 때, 페룰(80)이 힌지 운동하여 관 단부를 파지하고 관 단부 및 테이퍼형 캐밍 마우스(88) 모두를 밀봉하도록 설계된다. 관 재료, 배관 경도 및 벽 두께 등과 같은 가변 인자와, 필요 압력, 온도 및 진동 성능 특징에 기초하여 링(80)의 기하학적 형상을 최적화하는 데, 유한 요소 해석 등과 같은 표준 설계 절차를 이용할 수 있다.

또한, 파지 링(80)의 적절한 변형은 테이퍼진 표면(88)용으로 적절한 윤곽을 선택함으로써 제어될 수 있다. 이 표면은 파지 링(80)의 테이퍼진 노즈와 맞물리며, 그에 따라 페룰(80)이 어떻게 힌지 운동하고, 압박되며, 그리고 배관 속으로 물려 들어가고 또한 바람직한 끼워넣기 또는 스웨이징 작용을 제공하도록 적절하게 매설된 노즈 부분을 소성 변형시키는 타이밍과 방법을 부분적으로 결정한다. 또한, 캐밍 표면(88)의 윤곽은 링(80)의 노즈 부분과 테이퍼진 표면(88) 사이를 바람직하게 밀봉하도록 설계될 수 있다. 이러한 밀봉은 파지 링(80)과 관 단부(13)에 마련되는 시일과 마찬가지로, 연결구의 전체 성능과 관련하여 중요하다.

일체형 파지 페룰(80)을 구비하는 너트(52)는 표준 가공 작업과, 전형적으로는 링(80)의 외부 윤곽을 형성하는 트레판 가공을 비롯한 작업에 의해 제조될 수 있다. 너트(52)의 그 밖의 부분은 잘 알려진 가공 작업에 의해 구현될 수 있다. 너트(52)는 렌치용 평탄부(102; wrench flat)를 포함하여, 사용자가 너트(52)를 본체(54) 상에 조일 수 있게 하는 것이 바람직하지만, 필수적인 것은 아니다. 당업자라면 연결구(50)를 이용하는 경우 너트(52)와 본체(54) 사이의 상대 회전만이 요구되므로 각 구성 요소 또는 모든 구성요소가 풀업 작동 동안에 필요에 따라 회전될 수 있다는 것을 쉽게 알 것이다.

캐밍 표면(88)이 연결구(50)와 관 단부(13)의 종방향 X축에 대해 약 35° 내지 60°의 캐밍각(θ)을 형성하는 것이 매우 바람직한 것으로 밝혀졌다. 캐밍 표면(88)의 각도(θ)는 40°내지 50°인 것이 더 바람직하며, 약 45°인 것이 가장 바람직하다. 이러한 캐밍 표면(88)의 각도 범위는 통상적으로 사용되는 금속제 관 연결구 구조와 현저하게 상이하다. 일반적으로 사용되는 관 연결구는 10°내지 25°의 캐밍 표면각을 갖는데, 이는 본 발명에 비해 실질적으로 완만한 각도이다. 종래의 연결구에서는 페룰이 캐밍 표면을 따라 큰 축방향 거리를 활주하도록, 캐밍각이 완만할 필요가 있다. 이러한 완만한 각도는 점진적인 만곡부를 제공하거나 또는 페룰에 반하는 축방향 너트의 부하를 반경 방향으로 관을 향하는 페룰 전방 단부의 증폭된 부하로 전환시키기 위한 기계적인 장점을 제공한다. 이와 같이 큰 활주 운동으로 인해, 관 파지 장치는 보다 서서히 반경 방향으로 관 단부를 향해 변형되어 관을 파지하거나 관에 물려 들어갈 수 있다. 이렇게 큰 활주 운동은 또한 페룰 전방 단부가 관을 점진적으로 파는 것을 허용하고, 또 변형된 배관 재료의 축적물을 갈아 젖히게 된다. 캐밍각이 가파른 것으로 여겨지는 것에 포함되는 종 래의 관 연결구는, 실제로 캐밍 표면의 완만한 부분에 의존하거나 또는 관에 바이트를 형성하지 않으며, 이에 의해 연결구의 내압성을 제한한다. 그러나, 종래의 완만한 캐밍각은 신뢰 가능한 시일을 형성하는 단일 페룰의 기능을 저하시킨다. 이와는 현저히 다르게, 본 발명은 실질적으로 가파른 캐밍 표면각(θ)을 채용하여, 상기 파지 링의 노즈 부분(84)이 활주 운동은 거의 하지 않는 캐밍 표면(88)이 되어, 우수한 시일을 형성할 수 있게 된다.

본원의 예시적인 실시예에서, 노즈 부분(84)은 외측 테이퍼진 표면(86)으로 전이되는 만곡부(89)를 포함한다. 상기 외측 표면(86)은 대개 캐밍 표면(88)의 각도만큼 가파르지 않은 각도로 테이퍼져 있다. 테이퍼진 외측 표면(86)은 파지 링(80)의 후방 단부를 향해 반경 방향 치수가 증대되면서 축방향으로 테이퍼져 있는 것이 바람직하다. 이러한 테이퍼진 외측 표면(86) 및/또는 만곡부(89)는 풀업 시에 실제로 전반적으로 협소한 영역의 접촉 또는 라인 접촉 상태로 캐밍 표면(88)과 접촉하며, 이 캐밍 표면은 큰 응력을 갖고 재료의 코이닝(material coining)이 일어나서, 파지 링(80)의 전방 단부가 캐밍 표면(88)이 될 수 있게 된다. 따라서, "전반적으로 협소한 라인 접촉" 이란 용어는 테이퍼진 외측 표면(86)과 캐밍 표면(88) 사이의 접촉 영역을 배제하려는 것이 아니며, 오히려 보다 일반적으로는 응력이 크고 테이퍼진 외측 표면(86)과 캐밍 표면(88) 사이의 재료 코이닝이 일어나는 캐밍 표면(88)의 최내측 범위 또는 그 부근의 국소 접촉 영역의 개념에 관한 것이다. "코인(coin)"은 단순히 광택 금속과 금속에 전반적으로 협소한 둘레 라인 접촉을 형성하여 먼저 기밀하게 밀봉함으로써, 파지 링(80)이 캐밍 표면(88)에 대하 여 양호하게 금속 대 금속 밀봉하는 것을 의미한다.

특정 캐밍각의 사용이 표면(88) 윤곽에 반드시 의존하는 것은 아니라는 것에 주목해야 한다. 다시 말하자면, 관심 각도는 파지 링(80)의 전방 단부가 캐밍 표면(88)과 접촉하여 시일을 형성하는 곳에서의 각도이다. 따라서, 실제로 캐밍 표면(88)은 비절두형 원추 윤곽으로 제조되지만, 시일은 가파른 각도의 표면(88)과 접촉하는 페룰(80)의 전방 단부에 의해 형성된다. 파지 링(80)이 힌지 운동을 하고 관과 물려 들어가는 것을 보다 용이하게 하기 위해, 캐밍 표면(88)에 복합 각도 또는 윤곽을 추가할 수 있다.

본 발명의 양태에 따라, 파지 링(80)이 관 단부(13) 방향으로 힌지 운동을 하고 이 관 단부(13)에 물려 들어가는 것을 용이하게 하도록, 캐밍 표면(88)이 보다 가파르거나 완만한 추가의 각진 부분이 마련되는 복합 각도 표면으로서 형성되었는지 여부와는 무관하게, 파지 링(80)의 전방 단부의 밀봉부(예시적인 실시예에서 만곡부(89))는 캐밍 표면(88)의 가파른 각도 부분에 일차 시일을 형성하며, 가파른 각도 부분의 각도(θ)는 연결구(50) 및 관 단부(13)의 종방향 X축에 대하여 약 35°내지 60°인 것이 바람직하고, 캐밍 표면(88)의 각도(θ)는 40°내지 50°인 것이 더 바람직하며, 각도(θ)는 일차 시일이 형성되는 위치에서 약 45°인 것이 가장 바람직하다. 상기 일차 시일은 파지 링(80)의 전방 단부와 캐밍 표면(88) 사이의 라인 접촉 타입의 맞물림에 의해 이루어지는 것이 바람직하지만, 필수적인 것이 아니다.

가파른 캐밍 표면 각도는, 전방 부분이 종래의 단일 페룰 및 파지 링 설계에 서와 마찬가지로 완만한 캐밍 표면 각도와 맞물려야 하는 경우에 비하여, 관 파지 장치(80)의 노즈 부분 또는 전방부가 보다 큰 질량을 갖게 형성될 수 있다는 추가의 장점이 있다. 이러한 추가 질량은 힌지 운동과 함께 실질적으로 큰 질량의 재료를 관 물려 들어가는 부분(94)의 위치 또는 그 부근에 배치하는 경향이 있다. 이로써, 종래의 단일 페룰 또는 파지 링 설계에 비해, 관 파지 장치의 내압성이 현저히 강화되고, 또한 물려 들어가는 부분을 진동 및 온도 영향으로부터 단절시키는 끼워넣기 효과도 강화된다. 또한, 상기 힌지 운동은 관 파지 장치의 후방 단부에 있어서 (즉, 노즈 단부(84)의 반대쪽 단부) 관 단부와의 접촉에 기인하므로, 전체 관 파지 장치는 축방향 및 반경 방향으로 압착 상태이다.

일반적으로, 관 단부에 매설되어 그것을 물어 파지하는 관 파지 장치는 관 단부에 비해 단단해야 한다. 두꺼운 벽을 지닌 배관에서는 특히 더 단단해야 한다. 종래의 완만한 각도의 캐밍 마우스에서 페룰은 축방향으로 크게 운동함으로 인해, 페룰이 관보다 적당히 단단한 경우에도 페룰을 관에 매설할 수 있게 된다. 이러한 상황에서, 만약 관 파지 장치(80)가 관 단부보다 단지 적당히 단단하다면, 가파른 캐밍각에 의해 유발되는 풀업 중에 관 파지 장치의 축방향 운동이 실질적으로 짧기 때문에, 관 파지 장치는 가파른 각도의 캐밍 표면으로 인해 관을 충분히 파지할 수 없다. 그러나, 본 발명에 따르면, 관 파지 장치를 관보다 현저히 단단하게 만듦으로써, 가파른 각도의 캐밍 표면이 이용될 수 있고, 효과적으로 관 파지 장치로 하여금 관 단부를 파지하도록 관 단부를 충분히 물게 한다.

본 발명의 더 가파른 캐밍각(θ)은 또한 풀업 중에 페룰(80)의 훨씬 더 짧은 축방향 변위 거리를 초래한다. 결과적으로, 노즈 부분(84)은 반경 방향으로 변형되어, 훨씬 더 짧은 축방향 변위 또는 미끄럼 이동을 갖고 관 단부(13) 안으로 압착될 필요가 있을 것이다. 이어서, 적절한 관 파지가 이루어지기 위해서는, 파지페룰(80)은 관 재료보다 약 3.3배 큰 경도로 표면 경화된다. 예들 들면, 배관 재료가 스테인리스강인 경우, 약 200 비커스에 이르는 경도를 나타낼 수 있다. 따라서, 본 발명의 본 양태에 있어서, 연결구(50)에 그러한 경질 재료가 사용될 경우, 관 파지 장치는 배관보다 적어도 약 3.3배의 비로 경질이 되도록 경화되어야 한다. 보다 바람직하게는, 관 파지 장치는 배관보다 적어도 4배의 비로 경질로 되도록 경화되어야 한다. 또한, 전체 파지 링(80)이 표면 경화될 필요는 없으며, 단지 노즈 부분(84)만이 선택적으로 표면 경화될 수 있다.

본 발명의 이러한 양태에 있어서, 너트(52)와 본체(54)의 전체 또는 일부가 스테인리스강과 같은 더 경질의 재료를 사용할 경우, 연결구(50)의 관 파지를 향상시키기 위해 전체 경화되거나 표면 경화될 수 있다. 적절한 표면 경화 처리는 본 발명의 출원인에 허여된 미국 특허 제6,547,888호, 제6,461,448호, 제6,165,597호, 제6,093,303호에 전반적으로 개시되어 있으며, 이들의 전체 개시가 본 명세서에 참조로 완전히 인용된다. 이러한 처리는 관 파지 장치의 경도를 연결구의 내식성을 손상시키지 않으면서 약 800 내지 1000 비커스 또는 그 보다 큰 경도를 얻게 한다. 그러나, 다른 표면 경화 기법을 필요에 따라 사용할 수 있다. 관 파지 링(80)의 표면 경화는 그 링(80)이 듀플렉스 스테인리스강을 포함하는 스테인리스강과 같은 배관 재료를 적절히 파지하여 밀봉할 수 있게 한다. 앞서 참조한 표면 경화에 대 한 특허는 링(80)(너트(52)와 함께 회전하는 링)과 관 사이의 겔링(galling)을 감소시키거나 방지하는 표면을 링(80)에 마련하는 추가적인 이점을 갖는다.

겔링 및 잔류 비틀림을 감소시키기 위해, 예를 들면 PTFE 그리스 및 몰리브덴 이황화물 또는 텅스텐 이황화물을 함유하는 그리스와 같은 윤활제가 관 파지 링(80)과 함께 사용될 수 있다.

표면 경화 기법은 통상적으로 전체 너트(52) 및 일체형 관 파지 링(80)이 표면 경화되게 한다. 표면 경화가 예를 들면 앞서 참조한 특허 또는 특허 출원에서와 같이 스테인리스강에 수행되는 경우, 접착성 산화물 피막이 형성된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 고체 윤활제가 스테인리스강 너트(52)의 나사부에 도포되어 마찰과, 이로 인한 체결 중의 풀업 토크를 감소시킨다. 이를 위해 임의의 고체 윤활제가 사용될 수 있으며, 그러한 많은 고체 윤활제가 공지되어 있다. 몇 가지 예로서, 흑연, 몰리브덴 이황화물, 텅스텐 이황화물 및 UHMWPE(초고분자량의 폴리에틸렌)이 있다. 이들 윤활제는 다른 재료와 혼합하지 않은 순수 물질로 사용하거나, 수지성 캐리어(resinous carrier) 등과 같은 다른 재료와 혼합하여 사용할 수 있다. 게다가, 상기 윤활제들은 본질적으로 분말, 입상 및 페이스트를 비롯한 임의의 고체 형태로 사용될 수 있다.

이러한 형태의 고체 윤활제의 상업적 제품들이 알려져 있다. 예를 들면, 미국 미시간주 미들랜드 소재의 Dow Corning Corporation으로부터 입수할 수 있는 Dow Corning(등록상표) 321 Dry Film Lubricant와, 미국 캘리포니아 모노로비아 소재의 Trans Chem Coatings로부터 입수 가능한 Slickote(등록상표) Dry Lube 100이 있다.

이러한 윤활제는 손에 의한 방법, 에어로졸 또는 공기 스프레이에 의한 방법, 또는 자동화 장치에 의한 방법과 같은 임의의 표준적인 방법에 의해 도포될 수 있다. 윤활 특성을 제공하는 임의의 피복 두께가 사용될 수 있다. 표준 2등급의 나사 클리어런스를 초과하는 고체 윤활제 두께는 통상적으로 필요하지 않는다. 적절하다면, 윤활제는 또한 가열되어 그것의 접착성을 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 몇몇 윤활제, 특히 수지성 결합제에 공급된 윤활제는 가열되어 결합제를 경화시킬 수 있다. 예를 들면, Slickote(등록상표) Dry Lube 100은 제조업자의 지침에 따라 예를 들면 1시간 동안 300(℉)로 가열될 수 있다.

본 발명의 특정 실시예에서, 전술한 건성 윤활제는, 탄소 공급원으로서 일산화탄소를 사용하는 저온 침탄 처리를 받게 되는 스테인리스강 너트(52)에 사용된다. 스테인리스강은 그 강이 공기에 노출될 경우 본질적으로 형성되는 얇은 응집성 크롬 산화막 때문에 녹이 슬지 않는다. AISI 316 및 316L 스테인리스강으로 제조된 것과 같은 스테인리스강제 부품의 저온 침탄 처리는 통상적으로 그 부품의 표면을 그을음의 층으로 피복한 상태로 놓아둔다. 사용하기 전에, 통상적으로 세척하여 그러한 그을음을 제거한다. 일산화탄소가 저온 침탄 처리에서 탄소 공급원으로서 사용되는 경우, 그을음을 형성할 뿐만 아니라 추가로 두꺼운 산화막을 형성한다. 이러한 두꺼운 산화막은 더 두껍고 응집성이 없다는 점에서 스테인리스강이 녹이 슬지 않게 하는 크롬 산화막과는 현저하게 다르다. 따라서, 그러한 막 또한 사용 전에 제거하여 상기 부품의 침탄된 표면을 노출시킨다.

이러한 특정 실시예에 따르면, 고체 윤활제를 도포하기 전에 두꺼운 산화막을 제거하지는 않는다. 오히려, 그 산화막을 침탄된 부품 표면 상에, 또는 윤활될 침탄 표면 중 적어도 일부분에 남겨둔다. 이러한 특정 실시예에 따르면, 상기 두꺼운 산화물 피막의 고유의 다공질 구조가 상기 부품 표면에 윤활제를 구속하는 고정 기구로서 작용한다는 것이 밝혀졌다. 결과적으로, 윤활제는 그렇지 않는 경우보다 더 접착성을 갖게 되며, 따라서 반복되는 연결구 리메이크(즉, 너트의 풀림과 재조임)에 제거되지 않고 견딜 수 있다. 윤활된 산화막의 또 다른 양태는 2003년 2월 5일자로 출원되어 공동 계류 중인 미국 특허 출원 제10/358,946호, 제목 "윤활된 저온 침탄 스테인리스강 부품"에 개시되어 있으며, 이 특허의 내용을 본 명세서에 참고로 인용하였다.

도 4는 모든 요소가 전술한 실시예와 전반적으로 동일하며, 한가지의 변형을 갖는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 취성 웹 부분(95)에서, 응력 집중 노치(300)가 그 내부에 형성되어 있다. 이 실시예에서, 응력 집중 노치(300)는 재료의 보다 얇은 웹(302)을 형성하여, 페룰(80)이 너트(52)로부터 신속하고 깨끗하게 파괴되도록 거의 치밀한 반경으로서 형성된다. 이와 같은 파손은 핑거 타이트 위치를 약간 지나서 너트(52)의 회전의 최소의 스팬의 결과로 생성된다. 파손의 형상은 또한 덜 우둘투둘하다. 예를 들면, 타원형, 삼각형 등을 비롯하여 노치(300)의 다른 형상이 필요에 따라 사용될 수 있다.

도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예에서, 분리 가능한 관 파지 장치(200)는 관 단부(13) 둘레에 밀접하게 수용되어 있는 실질적으 로 연속한 원통형의 내측벽(202)을 포함한다. 이 실시예와 전술한 도 1 내지 도 4의 실시예 사이의 현저한 차이점은 관 파지 장치(200)가 내부 리세스 혹은 노치(98)를 포함하지 않는다는 것이다. 암나사형 너트(52)로부터 분리되자마자, 관 파지 장치(200)는 전술한 실시예와 같은 관 파지 및 밀봉을 달성하기 위해 단일 페룰로서의 기능을 한다. 도 4의 실시예와 마찬가지로, 관 파지 장치(200)는 전술한 적절한 힌지 작용을 용이하게 하는 선택적인 요면 혹은 릴리프(212)를 갖는 테이퍼진 외측벽(210)을 포함할 수 있다.

단독으로 혹은 다른 실시예의 다른 특징들과 조합될 수 있는 상기 실시예의 또 다른 특징은, 상기 너트의 구동면(206)이 관 파지 장치(200)의 피구동면(208)과 평행하지 않게 되도록 반경 방향 홈(204)이 기계 가공된다는 것이다. 따라서, 이러한 비평행 관계는 후술하는 바와 같이 암나사형 너트(52)로부터 파지 장치(200)의 분리 후 풀업 동안 전술한 2개의 면들 사이에 차등각(β)을 형성한다.

관 파지 장치(200)는 전술한 바와 같이 얇은 취성 부분(214)에 의해 암나사형 노즈(52)에 고정될 수 있다. 본 발명의 다른 한 가지 양태에 있어서, 상기 관 파지 장치(200)는 피구동면(208)에 윤곽 혹은 만곡부를 만들기 위해 분리시 변형되도록 설계되어 있다. 이러한 윤곽은 예컨대, 종단면(도 6에 도시된 바와 같은)에서 보았을 때 더 이상 원뿔 표면을 제공하지 않는 볼록한 표면 등의 임의의 형상일 수 있다. 이러한 윤곽은 원하는 힌지 작용을 용이하게 하고 또 풀업 중에 토크를 줄이기 위해 다른 많은 형상을 취할 수 있다. 피구동면(208)은 윤곽이 있는 형상으로 기계 가공될 수 있거나, 전술한 실시예와 마찬가지로 피구동면(208)은 관 파 지 장치(200)의 분리 동안 소성 변형될 수 있다. 도 6의 예시적인 실시예에 있어서, 얇은 웹 부분(214)을 파괴하는 작용은 피구동 면(208)의 반경 방향 외측 부분의 전방 부분으로 하여금 어느 정도 볼록한 만곡부(216)로의 변형을 초래한다. 이러한 윤곽은 힌지 작용을 용이하게 하고 및/또는 분리 후 너트(52)와 관 파지 장치(200) 사이의 풀업 토크를 줄이기 위해 사용될 수 있다.

전술한 본 발명은 비록 밀봉 및 관 파지의 독점적인 성능 특징은 아니지만 그 원리를 용이하게 하는 단일 페룰 및 일체형 관 파지 링 실시예 중 하나 혹은 양자에 적용될 수 있는 여러 양태 및 특징을 고려할 수 있다. 예컨대, 몇몇 용례에서 중요할 수 있는 또 다른 성능 특징은 온도 효과에 견디는 관 연결구의 능력에 있다. 다른 기준은 제작비, 조립의 용이성 및 조립 검증을 포함할 수 있다. 본 발명은 설계자들에게 특별한 용례 혹은 적용 범위의 성능 요건을 충족시키는 관 연결구를 설계하기 위한 다양한 양태와 개념을 제공한다. 이러한 상이한 설계 양태들은 예시된 실시예에 따른 나사 형성 수형 본체와 암형 너트 등의 관 연결구 부품들의 선택적인 양태뿐만 아니라 관 파지 장치 재료의 기하학적 형상 및 특징에 있어서 각종 옵션들을 포함한다. 본 발명의 단 하나의 양태 혹은 특징 혹은 이들의 조합은 모든 설계에서 반드시 필요한 것은 아니며, 일례로서 본 발명은 연결구를 구성하는 관 연결구의 제1 및 제2의 부품들 사이에 나사 체결을 이용하지 않는 관 연결구에 응용될 수 있다. 따라서 광범위의 의미로, 본 발명은 종래의 단일 페룰 관 연결구와는 달리 페룰이 풀업 동안 소성 변형하여 관 단부에 반한 페룰의 중앙 부분의 반경 방향 압착에 의해 생성된 수집 효과를 초래함에 따라 힌지 작용과 협 동하도록 함으로써 관 파지와 동시에 밀봉을 얻게 되는 분리 가능한 페룰 관 연결구를 제공한다. 따라서 이러한 힌지 작용은 모든 응용에 반드시 요구되는 것은 아니지만 종래의 단일 페룰 튜브 연결구에서는 페룰이 관 단부로부터 오목하게 만곡하는 데 반해, 관 단부에 대하여 반경 방향으로 압착되는 페룰의 볼록한 부분을 만들게 된다. 힌지 및 수직 효과는 심지어 더 경질의 관 재료에 대하여 더 짧은 캐밍 행정 혹은 풀업 동안 페룰의 축방향 변위로 적절한 관 파지를 허용하며, 이에 따라 또한 캐밍 표면에 대하여 적절한 밀봉을 보장해준다.

양호한 관 파지와 밀봉을 얻기 위해 본 발명에 따라 설계자로 하여금 이용 가능하게 해주는 다양한 양태 및 옵션들은 한정하려는 의도는 아니지만 아래와 같다. 하나의 양태는 전술한 바와 같이 가파른 캐밍각(θ)을 사용하는 것이다. 또 다른 양태는 전술한 예시적인 공정 등의 경화 기법을 사용하는 것이기 때문에 비커스 스케일로 상기 배관보다 적어도 약 3.3배 더 경질로 된다. 경화는 관 파지 장치/페룰의 표면의 부분 혹은 전부에 걸쳐 면 경화 또는 전체 경화될 수 있다. 또 다른 양태는 노즈 만입부의 축방향 뒤에서 수집 혹은 스웨이징 효과를 이용하여 배관 벽으로 적절한 상기 만입부를 확실하기 형성하도록 전술한 바와 같이 연결구의 풀업 동안 힌지 기능 혹은 효과를 만들기 위한 페룰/파지 링의 적절한 기하학적 형상에 있다. 페룰/관 파지 장치는 고압 응용에서 통상적인 바와 같이 관 단부로 물려 들어가도록 설계되어 있거나 혹은 얇은 벽을 지닌 배관 혹은 연질의 배관을 이용하는 응용에서 통상적인 바와 같이 관 단부에 대해 반경방향으로 압착되도록 설계될 수 있다. 기하학적 형상 고려는 내측 노치/리세스 혹은 요면의 사용, 요면을 갖거나 또는 갖지 않는 외측의 테이퍼진 벽의 사용, 예컨대 볼록면 등의 윤곽을 지닌 후방벽의 사용을 포함할 수 있다. 추가적인 기하학적 형상 특징은 관 벽으로 페룰의 전방 가장자리를 만입시켜 강한 물려 들어가는 부분과 관 스트립을 생성하는 것뿐만 아니라 강한 밀봉을 달성하기 위해 캐밍 표면을 일반적인 선접촉으로 맞물게 하기 위해 만곡부의 사용을 포함할 수 있다. 또 다른 양태는 페룰의 후방 부분이 완전한 풀업 이후에 관 단부로부터 반경 방향으로 간격을 둔 채로 남게 되도록 힌지 작용을 설계하는 데 있다. 이것은 그렇지 않으면 배관의 진동 효과를 줄이기 쉬운 응력 라이저 혹은 영역의 생성의 방지를 돕는다. 또 다른 양태는 튜브 연결구 부품들 중 하나의 구동면과 관련된 페룰 피구동면 사이에 상이한 각도를 제공하는 데 있다. 상이한 각도는 단부에 대하여 페룰을 효과적으로 끼워넣기 위해 적절한 힌지 작동을 용이하게 해주고 또한 관 단부로부터 페룰 후방 부분의 반경 방향으로의 이격을 용이하게 해준다.

따라서, 당업자는 본 발명이 단일 페룰 관 연결구의 기술 분야, 특히 가파른 캐밍각, 차등 경도, 및 힌지 작용의 옵션을 조합하는 예시적인 실시예에 있어서 현저하게 기여하는 것을 알게 될 것이다. 이러한 세 가지의 양태는 종래 기술의 단일 페룰 관 연결구와는 달리 양호한 밀봉 및 관 파지 특성을 나타내는 단일 페룰 관 연결구를 초래하도록 상호 협동한다. 더욱이, 많은 응용에서, 힌지 작용과 차등 경도 단독으로 사용하는 것만으로도 충분하다. 분리된 페룰의 작용을 위해 설계자에 허용 가능한 다양한 옵션들의 또 다른 양태는 2003년 8월 14일자로 출원되어 공동 계류 중이고 발명의 명칭이 "금속 관 및 배관용 연결구"인 미국 특허 출원 제____호에 개시되어 있으며, 상기 특허의 전체 내용이 본 명세서에 참조로 완전히 인용되어 있다.

힌지 작동은, 배관 재료가 예컨대, 듀플렉스(duplex) 스테인리스강과 같이 경질일 때 페룰 노즈가 배관 벽으로의 만입을 허용하기에 충분하게 페룰이 반드시 표면 경화되어야 하는 응용에 있어서 특히 유용하다. 페룰이 더 경질이 될수록 적절한 관 파지 및 밀봉을 확보하기 위해 적합한 방식으로 페룰을 변형하는 것을 더 어렵게 만든다. 힌지 작동은 페룰이 적절하게 배관을 변형 및 파지할 수 있도록 해준다. 예컨대 구리와 같은 더 연질의 배관 재료의 경우, 더 가파른 캐밍각(θ)만이 관 파지 및 밀봉을 확보하기 위해 적절할 수 있다.

전술한 바와 같이, 힌지 작동은 단독으로 혹은 임의의 여러 조합 및 부속 조합으로 사용될 수 있는 각종 설계 옵션에 의해 영향을 받을 수 있다. 이들 옵션들 중 하나는 전술한 바와 같이 내측 노치 혹은 리세스이다. 또 다른 옵션은 테이퍼진 외측벽이다. 또한 페룰의 후방 단부 혹은 구동면은 도 4에 도시된 일직선의 원추형 프로파일과 구별되는 볼록한 형상 등의 미국 특허 제6,131,963호에 설명된 바와 같이 윤곽을 가질 수 있다. 페룰 후방 단부(혹은 너트(52)의 윤곽을 지닌 구동면과 교대로 혹은 양자)에 볼록한 윤곽의 사용은, 페룰과 너트 사이의 반작용력을 더 균일하게 분포시킴으로써 겔링과 풀업 토크를 줄이게 된다. 윤곽을 지닌 후방 단부는, 2000년 12월 20일자의 제목 "겔링을 줄이기 위한 릴리프를 구비한 페룰"로 출원된 국제 출원 번호 PCT/US00/34828과, 이에 대응하는 1999년 12월 22일자(공개 미정)의 제목 "겔링을 줄이기 위한 릴리프를 구비한 페룰"로 미국 특허 출원 번호 제09/469,549호에 설명되어 있는 것과 같이, 많은 상이한 형상을 취할 수 있다는 것으로 당업자들에 의해 쉽게 인식될 것이며, 이들 특허의 내용은 본 명세서에서 참고로 인용하고 있다. 이러한 특허 출원은 본 발명의 이해와 실시를 위해 반드시 필요한 것은 아니지만, 이중 페룰 관 연결구의 후방 페룰 혹은 단일 페룰 관 연결구에 있어서 윤곽을 지닌 후방벽의 추가적인 대안의 설계 구조와, 힌지 조작을 위한 다른 기하학적 형상의 고찰을 제공한다. 윤곽을 지닌 후방벽은 또한 힌지 작동을 용이하게 하며, 이로 인해 페룰의 후방 단부는 전술한 바와 같이 풀업 이후에 배관으로부터 반경방향으로 이격될 수 있다. 페룰 후방 단부와 배관 벽 사이의 접촉을 방지하는 것은 불리한 진동 영향을 받기 쉬울 수 있는 응력 라이저를 방지한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 페룰 후방벽은 상기 표면의 최외측 볼록한 영역의 접선(Z)과 너트의 구동면 사이에 끼인각(β)(본 명세서에서는 "차등각(difference angle)"이라 칭함)을 형성하도록 대개 윤곽을 지닌 볼록한 형상을 갖는다. 따라서, 볼록한 윤곽을 지닌 표면의 형태는 특정 용례에 요구되는 바와 같이 선택될 수 있다. 양호하게는, 너트의 표면 혹은 구동면은 관 단부로부터 반경 방향으로 이격되어 있는 위치에서 볼록면과 초기에 접촉한다. 상기 실시예에서 초기 접촉이 상기 표면 근처 혹은 그 표면의 반경 방향 말단부에 위치하고 있지만 반드시 요구되는 것은 아니다. 예컨대, 상기 초기 접촉은 상기 표면의 중앙 영역에서 더 빈번하게 발생할 수도 있다.

윤곽을 지닌 후방벽을 포함하는 하나 이상의 양태들의 사용에 있어서, 차등 각(β) 및 외측벽(테이퍼진 부분과 오목부를 갖는 것과 마찬가지로)은 연결구의 풀업 이후 관 단부로부터 반경 방향으로 이격된 페룰의 후방 단부를 남겨두는 것뿐만 아니라 강한 관 물려 들기와 끼워넣기를 초래하는 힌지 작동을 용이하게 한다.

비록 페룰의 후방벽은 풀업 이후에 배관으로부터 반경 방향으로 이격되는 것이 바람직하지만 이는 모든 용례에 요구되지 않을 수 있다. 이러한 간격을 필요로 하는 전술한 용례에 있어서, 또 다른 변형례는 페룰의 후방 단부에서 카운터보어(파선으로 도시) 등의 리세스를 형성하는 것이다.

종래의 단일 페룰 연결구에서 전형적인 페룰의 휨 혹은 볼록한 변형과 구별되듯이 상기 힌지 작동은 도 6에서 화살표 C1 및 C2로 표시된 이중 회전 효과를 포함하는 것이 바람직하다. 풀업과 페룰의 소성 변형 중에, 페룰의 후방 단부는, 노즈 부분이 일반적으로 반시계(즉, 후방 단부의 회전 방향 반대) 방향으로 회전하는 동안, 일반적으로 시계 방향(본 명세서에서 시계 방향 및 반시계 방향이라는 용어는 임의의 요구되는 실제의 회전 방향이라기보다는 도면에 도시된 좌표를 기준으로 편리한 참조를 위해 사용함)으로 또는 관 단부로부터 멀어지도록 회전한다. 따라서 노즈 부분의 전술한 회전은 만입된 노즈 부분의 축방향 뒤에 있는 페룰의 중앙 부분의 반경 방향 압착에 기여한다. "중앙 부분" 이라는 용어는 페룰의 전방 단부와 후방 단부 사이에 있는 영역을 의미하며, 반드시 페룰의 중간일 필요는 없다. 오히려, 본 명세서에서 사용한 중간 부분은 만입된 전방 단부의 축방향 뒤로 관 벽에 대하여 반경 방향으로 압착되는 페룰 본체의 부분을 말한다. 이러한 반경 방향 압착은 만입된 전방 단부의 축방향 뒤로 내측 원통형 벽의 일부의 양호한 끼워넣기 혹은 스웨이징 효과를 초래한다. 끼워넣기 영역의 길이는 관 연결구 및 성능 요구 조건의 전체적은 설계 특징에 따라 변할 것이다. 끼워넣기 영역은 만입된 전방 가장자리의 축방향 뒤에 있지만 끼워넣기가 시작되는 정확한 위치는 설계 선택 문제이기 때문에, 만입된 노즈와 관련된 응력 라이저에 인접하게 있거나 혹은 몇몇 예에서와 같이 그로부터 축방향으로 이격 또는 그것과 함께 연속할 수 있다. 끼워넣기 영역은 도시된 바와 같이 배관 벽으로 압박되는 볼록한 반경 방향의 부분으로서 특징지울 수 있는데, 여기서 힌지 작동이 풀업 동안 원통형 벽의 볼록한 변형 등을 양호하게 초래한다. 이러한 효과는, 배관으로부터 오목하게 멀어지도록 휘거나 또는 전체 경화된 그러한 페룰이 대개 원통형의 형상으로 남아 있는 종래 기술의 연결구와 쉽게 구별될 것이다.

따라서, 이중 회전 힌지 작동은, 한정하려는 의도는 아니지만 페룰의 윤곽을 지닌 후방벽의 사용과, 페룰과 구동 너트 사이에 차등각 만들기, 및 외측면에 요면 형성을 포함하여 하나 또는 그 이상의 페룰의 다양한 기하학적 형상 특징에 의해 용이하게 된다. 따라서, 당업자는 가파른 캐밍각과 선택적으로 페룰의 차등 경도의 사용을 용이하게 하기 위해 특정 용례에 있어서 페룰을 위한 가장 양호한 기하학적 특징을 선택할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예를 참조로 기재되어 있다. 명백히, 본 명세서를 읽고 이해할 때에 수정 및 변형례를 생각할 수 있다. 본 발명은, 그러한 수정 및 변형례 모두가 첨부된 청구의 범위의 보호 범위 또는 그 등가물 내에 포함되는 한 그것들을 포함하는 것으로 의도된 것이다.

Claims

관 단부용 관 연결구로서:

상기 연결구를 관 단부 상에 조립하도록 나사식으로 서로 결합되는 암나사형 커플링 부재 및 수나사형 커플링 부재를 포함하며;

상기 암나사형 커플링 부재에는 관 파지 장치가 부착되어 있고;

상기 관 파지 장치는 풀업 상태로 상기 연결구의 조립 중에 상기 암나사형 커플링 부재로부터 분리되는 것인 관 연결구.
제1항에 있어서, 상기 관 파지 장치는 상기 암나사형 커플링 부재로부터 분리된 후 단일 페룰로서의 기능을 하는 것인 관 연결구.
제1항에 있어서, 상기 수나사형 커플링 부재는 상기 암나사형 커플링 부재로부터 상기 관 파지 장치가 분리되도록 풀업 중에 상기 관 파지 장치의 전방 단부와 맞물리는 각진 캐밍 표면을 포함하는 것인 관 연결구.
제3항에 있어서, 상기 관 파지 장치는 얇은 웹에 의해 상기 암나사형 커플링 부재에 부착되는 것인 관 연결구.
제4항에 있어서, 상기 얇은 웹은 환형인 것인 관 연결구.
제1항에 있어서, 상기 암나사형 커플링 부재와 관 판지 장치는 비커스 스케일로 관 단부 재료의 경도의 적어도 약 3.3배인 경도비로 경화되는 것인 관 연결구.
제1항에 있어서, 상기 관 파지 장치는 상기 암나사형 커플링 부재와 일체로 기계 가공되는 것인 관 연결구.
제1항에 있어서, 상기 수나사형 커플링 부재는 풀업 중에 관 파지 요소의 전방 단부와 접촉하는 각진 캐밍 표면을 포함하며, 상기 캐밍 표면은 연결구의 종축에 대해 약 35°내지 약 60°의 끼인각을 형성하는 것인 관 연결구.
제8항에 있어서, 상기 암나사형 커플링 부재 및 수나사형 커플링 부재는 금속재이며, 상기 관 파지 장치는 연결구의 완전한 풀업시 상기 캐밍 표면에 대하여 전체적으로 좁은 선접촉의 금속 대 금속 시일을 포함하는 것인 관 연결구.
제1항에 있어서, 상기 관 파지 장치는 연결구의 추가 풀업 중에 상기 암나사형 커플링 부재와의 간섭을 피하는 표면을 따라 상기 암나사형 커플링 부재로부터 분리되는 것인 관 연결구.
제1항에 있어서, 상기 분리된 관 파지 요소는 연결구의 최종 풀업 중에 단일 페룰로서의 기능을 하며, 상기 페룰은 관 단부의 외측면으로 물려 들어가는 전방 단부를 구비하는 것인 관 연결구.
제11항에 있어서, 상기 분리된 페룰은 최종 풀업 중에 반경 방향 내측으로 힌지식 운동하기 때문에 페룰의 중앙 부분은 상기 전방 단부 관 바이트로부터 축방향으로 소정 간격 떨어진 위치에 관 단부를 끼워넣기 위해 반경 방향으로 관 단부에 대하여 압착되는 것인 관 연결구.
제12항에 있어서, 상기 관 파지 장치는 내측 원통형 보어와, 상기 전방 단부로부터 축방향으로 소정 간격 떨어진 위치에서 그 내부에 형성된 원주의 반경 방향 리세스를 포함하는 것인 관 연결구.
관 단부용 관 연결구로서:

상기 연결구를 관 단부 상에 조립하도록 나사식으로 서로 결합되는 암나사형 커플링 부재 및 수나사형 커플링 부재를 포함하며;

상기 암나사형 커플링 부재에는 관 파지 장치가 부착되어 있고;

상기 수나사형 커플링 부재는 관 단부 수용 보어와 상기 보어 단부의 캐밍 표면을 구비하며, 조립 중에 상기 관 파지 장치와 대면하며;

상기 관 파지 장치는 풀업 중에 상기 캐밍 표면과 맞물리고 상기 암나사형 커플링 부재로부터 분리되는 것인 관 연결구.
제14항에 있어서, 상기 캐밍 표면은 연결구의 종축에 대해 약 35°내지 약 60°의 캐밍각을 갖고, 상기 관 파지 장치는 상기 캐밍 표면에 대하여 일차 시일을 형성하는 것인 관 연결구.
제15항에 있어서, 상기 관 파지 장치의 적어도 일부는 비커스 스케일로 관 단부 재료의 경도의 적어도 약 3.3배인 경도비를 갖는 것인 관 연결구.
제16항에 있어서, 관 단부는 스테인리스강으로 이루어진 것인 관 연결구.
제15항에 있어서, 상기 관 파지 장치는 상기 암나사형 커플링 부재로부터의 분리시 단일 페룰로서의 기능을 하는 것인 관 연결구.
제15항에 있어서, 상기 캐밍각은 약 45°인 것인 관 연결구.
제15항에 있어서, 상기 관 파지 장치는 상기 캐밍 표면에 대하여 전체적으로 좁은 선접촉의 금속 대 금속 일차 시일을 형성하는 것인 관 연결구.
제14항에 있어서, 상기 관 파지 장치는 얇은 웹에 의해 상기 암나사형 커플 링 부재에 부착되는 것인 관 연결구.
제21항에 있어서, 상기 얇은 웹은 응력 집중 노치를 포함하는 것인 관 연결구.
제1항에 있어서, 상기 관 파지 장치는 연결구의 풀업 중에 상기 암나사형 커플링 부재의 구동면과 사이에 차등각(difference angle)을 두고 접촉하는 피동면을 갖는 것인 관 연결구.
제1항에 있어서, 상기 관 파지 장치는 실질적으로 연속한 내측 원통형 보어를 포함하는 것인 관 연결구.
제24항에 있어서, 상기 보어는 상기 관 파지 장치의 후방 단부에 카운터보어를 포함하는 것인 관 연결구.
제1항에 있어서, 상기 관 파지 장치는 그 내부에 형성된 원주의 반경 방향 리세스를 구비한 거의 원통형의 내부 보어를 포함하는 것인 관 연결구.
제1항에 있어서, 상기 암나사형 커플링 부재로부터 상기 관 파지 장치의 분리 중에 상기 관 파지 장치의 후방 부분은 소정 윤곽을 갖는 상태로 소성 변형되는 것인 관 연결구.
제27항에 있어서, 상기 윤곽은 볼록한 형상을 포함하는 것인 관 연결구.
제27항에 있어서, 상기 윤곽은 관 단부로부터 반경 방향으로 소정 간격 떨어져 배치되어 있는 것인 관 연결구.
관 단부용 관 연결구로서:

상기 연결구를 관 단부 상에 조립하도록 서로 결합되는 암형 커플링 부재와 수형 커플링 부재를 포함하며;

상기 암형 커플링 부재에는 관 파지 장치가 부착되어 있고;

상기 관 파지 장치는 풀업 상태로 상기 연결구의 조립 중에 상기 암형 부재로부터 분리되는 것인 관 연결구.