KR20160067989A

KR20160067989A - 천공 파이프의 업셋 단조를 위한 프로세스

Info

Publication number: KR20160067989A
Application number: KR1020167011671A
Authority: KR
Inventors: 클랜 에드워드 커비; 그레고리 린 애드킨스
Original assignee: 헌팅 에너지 서비시즈 인코포레이티드
Priority date: 2013-10-09
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2016-06-14
Also published as: RU2669961C2; WO2015053984A8; EP3055086A1; EP3055086A4; WO2015053984A1; JP6496310B2; EP3524369A1; CA2926937A1; CA2926937C; MX2016004555A; US9561537B2; US20150096346A1; RU2016116571A; NZ718890A; AU2014332325B2; RU2016116571A3; JP2016540642A; MX368696B; AU2014332325A1

Abstract

내부적으로 그리고 외부적으로 단압된 파이프 단부들을 갖는 수평 방향 천공 파이프를 제조하기 위한 방법이 도시된다. 단조는, 그린 튜브 단부들을 가열함에 의해 그리고 단압부(upset)를 형성하기 위해 폐쇄 다이 유압 단조 프레스를 사용하여 압력을 가함에 의해 실시된다. 스틸 튜브의 일단부가, 업셋 단조에 의해 성형되는 외측 테이퍼부를 구비하는 외측 단압 부분을 형성하기 위해, 단압(upsetting) 및 압착에 의해 가공된다. 그러한 부분은 이후, 외측 테이퍼부를 내측 테이퍼부를 구비하는 내측 단압 부분으로 옮기기 위해, 내측 단압 다이에 의해 압착된다. 이어서, 내부적 업셋 단조가, 완성된 부품을 생성하기 위해 내측 단압 다이에 의해 수행된다. 프로세스는, 제조업자가, 단압부의 내경에 대한 외경의 비가 3.5 또는 심지어 더 큰 정도일 수 있는, 두꺼운 단압부 수평 방향 천공 파이프를 생성하는 것을 허용한다.

Description

천공 파이프의 업셋 단조를 위한 프로세스{PROCESS FOR UPSET FORGING OF DRILL PIPE}

본 발명은 개괄적으로, 특히 수평 방향 천공용 천공 파이프의 단압부(upset) 섹션을 형성하기 위해 사용되는, 천공 파이프를 형성하기 위해 금속 튜브의 단부들을 내부적으로 그리고 외부적으로 단압하기 위한 프로세스에 관한 것이다.

고려되는 유형의 천공 파이프를 형성하기 위해 사용되는 금속 튜브들은, 단부 적용에 의존하여, 외부적으로 단압되거나, 내부적으로 단압되거나, 또는 외부적으로 그리고 내부적으로 모두 단압되는, 튜브 단부들을 가질 것이다. 이러한 관점에서, 전통적인 유전 천공 파이프와 소위 "수평 방향 천공용(horizontal directional drilling: HDD)" 천공 파이프 사이에, 중요한 차이가 존재한다. 오늘날, 대부분의 유전 천공 파이프는, 예를 들어 도구 조인트에 용접하기 위한 가능한 한 두꺼운 벽을 획득하기 위해, 외부적으로 그리고 내부적으로 모두 단압된다. 수평 방향 천공용(HDD) 천공 파이프는 전형적으로, 유전 천공 파이프보다 더 작은 직경이며 그리고 더 짧다. 또한, 수평 방향 천공용(HDD) 천공 파이프의 경우에, 단부들은, 도구 조인트 상에의 용접 없이, 직접적으로 기계 가공될 수 있을 것이다. 결과적으로, 수평 방향 천공용(HDD) 천공 파이프의 단압부 영역은, 유전 천공 파이프의 단압부 영역과 비교할 때, 비교적 긴 경향이 있다. 예를 들어, 전통적인 수평 방향 천공용(HDD) 천공 파이프의 전형적인 섹션이, 파이프 섹션의 전체 길이와 비교하여 비교적 긴, 예를 들어 대략 9인치 길이의, 핀형 단부를 갖는 대략 10피트 길이일 수 있을 것이다.

금속 튜브의 업셋 단조를 위한 2개의 메인 프로세스, 일반적으로, 기계식 충격 프로세스 및 유압식 업셋 단조 프로세스가 존재한다. 충격 프로세스는, 파이프 단부 상에 단압부를 형성하기 위해 사용되는 충격 펀치로, 튜브들의 단부를 가열함에 의해 달성된다. 천공 파이프의 경우에, 단압부 영역은 이어서 완성된 제품을 생성하기 위해 나사 가공된다. 이러한 프로세스는, 유전 산업 및 수평 방향 천공(HDD) 산업 모두에서 다년간 사용되어 왔다. 그러나, 수평 방향 천공용(HDD) 제품을 생성하기 위한 충격 프로세스의 주된 제약이, 방법이 단압부를 만드는데 사용되는 프로세스의 충격 특성 때문에 비교적 큰 내경의 튜브들에 대해 제한된다는 것이다. 더 작은 직경의 튜브들은, 충격 펀치를 부수는 경향이 있으며 그리고 다른 문제점들을 야기한다. 이러한 제약들은, 수평 방향 천공용(HDD) 천공 파이프 제조업자가, Ditch Witch™ 또는 통상적인 IF™ 나사(thread)와 같은, 특정의 더 작은 내경의 OEM 나사 디자인들을 나사 가공할 수 있는 것을 방해한다.

금속 튜브의 업셋 단조를 위한 다른 프로세스는, 단압부를 형성하기 위해 느리고 일관적인 유압을 사용한다. 다이들을 개폐하기 위해 그리고 단조 힘(forging forces)을 제공하기 위해 유압으로 구동되는, 소위 "폐쇄 다이" 단조 기계들이 공지된다. 다이들이 폐쇄 위치와, 완성된 부품들이 제거되며 그리고 후속의 블랭크들(blanks)이 후속 가공을 위해 삽입되는, 개방 위치 사이에서 상당한 거리를 관통하여 이동해야만 하기 때문에, 대형 유압 펌핑 용량이 전형적으로 요구된다. 폐쇄 다이 단조 방법이 금속 부품들을 단조하는 다수의 산업들에서 사용되는 것으로 확인된 가운데, 이러한 방법이, 출원인의 지식 범위 내에서, 수평 방향 천공용(HDD) 파이프 산업에서 앞서 사용된 적은 없다.

본 발명은, 하나의 목적으로서, 단압된 단부를 갖는 수평 방향 천공용(HDD) 천공 파이프를 형성하는 충격 단조 방법의 사용에 대해 알려진 특정의 결점들을 극복하고자 한다.

본 발명의 다른 목적은, 폐쇄 다이 단조 방법을, 충격 단조 프로세스에 의해 이전에 달성될 수 있었던 것보다 나사 가공된 단압부 영역에서 상대적으로 더 작은 내경을 갖는, 수평 방향 천공용(HDD) 제품의 제조에 맞추도록 하는 것이다.

본 발명의 방법에서, 폐쇄 다이 단조 방법이, 내부적으로 그리고 외부적으로 단압되는 파이프 단부들을 갖는 수평 방향 천공용(HDD) 천공 파이프를 제조하기 위해 사용된다. 유압은, 단압된 외경 및 단압된 내경을 갖는 파이프 단부를 형성하기 위해, 유압 단조 프레스를 사용하여 가해지며, 단압된 내경의 일부분이 나사 가공 내부 보어(internal bore)를 형성하기 위해 후속적으로 나사 가공된다. 나사 가공 내부 보어의 영역에서 내경에 대한 외경의 비는, 약 3.0 보다 크며 그리고 바람직하게 3.5 정도 이거나, 또는 심지어 더 큰 정도이다. 단조는, 그린 튜브 단부들을 가열함에 의해 그리고 단압부들(upsets)을 형성하기 위한 일관적이고 느린 유압의 유압 프레스를 사용함에 의해 실시된다. 전형적인 작동에서, 스틸 튜브의 일단부가, 업셋 단조에 의해 성형되는 외측 테이퍼부를 구비하는 외측 단압 부분을 형성하기 위해, 단압 및 압착에 의해 가공된다. 이어서, 외측 단압 부분은, 외측 테이퍼부를 내측 테이퍼부를 구비하는 내측 단압 부분으로 옮기기 위해, 내측 단압 다이에 의해 압착된다. 이어서, 내부 업셋 단조가 내측 단압 다이에 의해 가해지며, 그로 인해 요구되는 길이의 내측 테이퍼부 및 내측 테이퍼부를 구비하는 부분의 시작 지점의 곡률을 형성하도록 한다.

폐쇄 다이 단조 방법의 사용은, 수평 방향 천공용(HDD) 제품이 파이프 단부들의 단압부 영역 내부에서 훨씬 더 작은 내경을 갖도록 형성되는 것을 허용하여, 제조업자가 업계에서 전형적으로 확인되는 모든 유형의 나사식 연결부들을 나사 가공하는 것을 허용한다. 신규의 수평 방향 천공용(HDD) 천공 파이프 제품들이, 종래 기술의 제조 기술들을 사용하는 것이 가능하지 않은 치수들을 갖도록 생성된다. 예로서, 파이프의 핀형 단부 상의 외측 단압부 영역은, 종래 기술의 파이프 상의 9인치 단압부와 비교하여, 단지 약 4.7인치 정도의 길이일 것이다. 내경은, 종래 기술의 충격 단조된 파이프 단부 상에서의 1과 1/4인치와 비교하여, 단지 0.875인치 정도 일 것이다. 본 발명의 프로세스는, 제조업자가, 내경에 대한 외경의 비가 약 3.5인 또는 심지어 더 큰, 더 두꺼운 단압부를 생성하는 것을 허용한다.

부가적인 목적들, 특징들 및 이점들이 뒤따르는 기술된 설명에서 명백할 것이다.

도 1a는, 본 발명의 실시에 사용되는 유형의 폐쇄 다이 단조 기계의 단순화된 사시도이다.
도 1b 내지 도 1e는, 단순한 폐쇄 다이 단조 작업에 채용되는 단계들에 대한 단순화된 개략도들이다.
도 2a 내지 도 2d는, 전형적인 외부적으로 그리고 내부적으로 단압된 파이프 단부를 형성하는데 사용되는, 단계들에 대한 4분할 단면도들이다.
도 3a는 본 발명의 방법에 사용되는 그린 튜브를 도시한다.
도 3b는 본 발명의 폐쇄 다이 단조 프로세스에 수반되는 제1 단계를 도시한다.
도 3c는 본 발명의 실시에 채용되는 폐쇄 다이 단조 프로세스의 후속 제조 단계를 도시한다.
도 4는, 본 발명의 방법을 사용하여 생성되는 수평 방향 천공용(HDD) 천공 파이프의 섹션에 대한 그리고 본 발명의 방법의 신규 특징들을 예시하는, 부분적 측단면도이다.

뒤따르는 기술된 설명에 제시되는 본 발명의 바람직한 버전 그리고 다양한 특징들과 그의 유리한 세부사항들이, 비제한적인 예들을 참조하여 그리고 뒤따르는 설명에서 상세화되는 바와 같이, 더욱 완전하게 설명된다. 잘-알려진 구성요소들 및 제조 기술들에 대한 설명은, 본 명세서에 설명되는 본 발명의 본질적인 특징들을 불필요하게 모호하게 하지 않도록 하기 위해 생략된다. 뒤따르는 설명에 사용되는 예들은 단지, 본 발명이 실시될 수 있는 방식들에 대한 이해를 용이하게 하도록 그리고 추가로 당업자들이 본 발명을 실시하는 것을 가능하게 하도록, 의도된다. 따라서, 예들은, 청구범위의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

본 명세서의 배경기술 부분에서 간략하게 논의한 바와 같이, 수평 방향 천공용(HDD) 천공 파이프는, 유전(석유 및 가스) 천공 파이프와 여러 면에서 상이하다. 위키페디아®는, 방향성 천공(비-수직형 우물들 또는 구멍들을 천공하는 것에 대한 실시)의 정의를, (1) 유전 방향성 천공; (2) 유틸리티 설치 방향성 천공(HDD); 및 (3) 전형적으로 석유 제품을 추출하기 위한, 수직 우물 표적과 교차하는 방향성 보링(boring)과 같은, 3개의 메인 그룹으로 나눈다. "무-트렌치 기술(trenchless technology)"이, 소수의 트렌치를 요구하거나 연속적인 트렌치를 요구하지 않으며 그리고 건축 및 토목 공학 산업의 성장하는 섹터인, 전형적으로 지하 건설 작업과 연관되는, HDD의 유형이다. 이는, 지표면 상의 교통, 비즈니스 및 다른 활동들에 대한 최소의 지장을 동반하는, 기존의 지하 기반 시설의 재건 또는 교체, 또는 새로운 설치를 위해 사용될 수 있는, 방법들, 재료들 및 장비의 집단(family)으로서 정의될 수 있다. 무-트렌치 건설은, 터널 공법, 미세 터널 공법(microtunneling: MTM), 방향성 보링으로서 또한 공지되는 수평 방향 천공 공법(HDD), 파이프 래밍 공법(pipe ramming: PR), 중압 공법(pipe jacking: PJ), 몰링 공법(moling), 수평 오거 보링 공법(horizontal auger boring: HAB), 및 최소의 굴삭을 동반하는 지면 아래에 배관들 및 케이블들의 설치를 위한 다른 방법들과 같은, 그러한 건설 방법들을 포함한다.

배경기술 부분에서 간략하게 논의한 바와 같이, 무-트렌치 수평 방향 천공 및 전통적인 유전 천공 실시에서의 차이점들 때문에, 수평 방향 천공용(HDD) 천공 파이프는, 유전 천공 파이프보다 더 짧으며 그리고 더 작은 직경인 경향이 있다. 유전 천공 파이프가 전형적으로 도구 조인트 상의 용접을 수용하기 위해 내부적으로 그리고 외부적으로 모두 단압됨에 반하여, 수평 방향 천공용(HDD) 천공 파이프 단부들은 전형적으로, 도구 조인트 상에서의 용접 없이, 직접적으로 기계 가공된다. 결과적으로, 수평 방향 천공용(HDD) 파이프의 단압부 영역은, 유전 천공 파이프의 단압부 영역과 비교하여, 비교적 긴 경향이 있다. 언급된 바와 같이, 수평 방향 천공용(HDD) 파이프의 전형적인 섹션이, 파이프의 섹션의 전체 길이와 비교하여 비교적 긴, 예를 들어 대략 9인치 길이의, 핀형 단부를 갖는, 예를 들어 대략 10피트 길이일 수 있을 것이다.

본 발명은, 본질적인 목적으로서, 단압된 단부들을 갖는 수평 방향 천공용(HDD) 천공 파이프를 형성하는 것에서 충격 단조 방법의 사용에 관해 알려진 특정의 결점들을 극복해야만 한다. 충격 단조 방법이 용접된 도구 조인트들을 갖는 유전 천공 파이프에 대한 받아들일 수 있는 결과를 생성하지만, 충격 단조 방법은, 특히 작은 내경 파이프가 관련되는, 무-트렌치 작업들에서 사용되는 유형의 수평 방향 천공용(HDD) 천공 파이프를 생성하는 것에서의 다양한 단점들로부터 고통받는다. 본 발명은 따라서, 충격 단조 프로세스에 의해 이전에 달성 가능했던 것보다 나사 가공 단압부 영역에서 상대적으로 더 작은 내경을 갖는, 수평 방향 천공용(HDD) 제품을 생성하기 위한, 충격 단조 방법과 대조적인 폐쇄 다이 단조 방법을 사용하는, 개선된 제조 프로세스를 제공하는 것에 관한 것이다.

도면들 중 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시에 사용되는 유형의 유압식으로 작동되는 폐쇄 다이 단조 프레스가, 단순화된 형태로 도시된다. 도 1에 도시된 도면은 단지, 폐쇄 다이 단조 방법의 실시에 사용되는 본질적인 구성요소들을, 단순화된 형태로 예시하기 위해 의도된다. 그러한 프레스들의 구축 및 작동은, 예를 들어, Takeuchi 등에게 허여된 미국 특허 제4,845,972호; Chunn 등에게 허여된 미국 특허 제5,184,495호; 및 여러 예들을 제공하는 Camagni의 WO 2012/150564에, 설명된다. 전통적인 유압 프레스들은, 단압될 "그린 파이프" 또는 "튜브"가 그를 따라 배열되도록 하는, 종방향 축을 한정하는 지지 구조물을 포함한다. 그린 튜브는, 단압될 단부가 대기온도로부터 예를 들어 1200℃의 온도까지 수분 내에 가열된 이후에, 프레스 내에 삽입된다. 프레스 내에 삽입된 이후에, 파이프는, 종방향 축을 따라 사전 결정된 위치에 파이프를 유지하는, 잠금 수단에 의해 차단된다.

단압될 단부는, 단압 재료를 위한 완전한 다이 세트를 한정하는 한 쌍의 절반의 다이들 사이에 폐쇄된다. 이에 따라, 단압이, 단압될 단부에서 축 방향으로 파이프 내로 진입하는 펀치 또는 멘드렐(mandrel)의 작용에 의해 수행된다. 특히, 펀치는, 파이프의 내측 캐비티의 직경과 실질적으로 균등한 하거나 또는 그보다 작은, 더 큰 직경의 제1 테이퍼 부분 및 파이프의 내경 보다 더 크며 그리고 단압된 파이프의 외경과 실질적으로 균등한 직경의 제2 부분을 구비한다. 단부 내로의 제2 원통형 부분의 관통은, 다이의 형상에 따라 재분배되는, 가열된 금속 재료의 국부적 압축을 야기한다. 다이 절반부들의 잠금 수단은, 다이 절반부들이 펀치 관통 도중에 정확한 위치에 유지되는 것을 허용한다. 펀치 작동은 일반적으로, 기계 가공되는 파이프가 삽입되고 추출되는 측부 반대편의 프레스의 제2 측부에서 작동하는, 피스톤에 의해 구동된다.

실제 단압 작업은, 하나 이상의 단계로 이루어진다. 1 단계 작업의 경우에, 단압은, 단일 다이 및 가열 이후의 하나의 펀치의 단일 관통으로 완료된다. 2 단계의 경우에, 단압 프로세스는, 제1 다이 및 제1 펀치에 의해 이루어지는 제1 단압 그리고, 제1 단압 직후의, 제1 다이와 상이한 제2 다이 및 제1 펀치와 상이한 제2 펀치에 의해 이루어지는 제2 단압을 포함한다. 적용에 의존하여, 그린 파이프들은, 동일한 단부에 대한 제3 단압을, 즉, 제2 시간에 단압될 단부를 가열한 이후에 일반적으로 이루어지는 하나 이상의 단계를 갖는, 3 단계를 요구할 수 있을 것이다.

전통적인 유압식 단압 프로세스에서, 다이들은 프레스의 지지 구조물에 단단하게 연결되는 적절한 다이 유지 수단에 의해 지지된다. 이러한 다이 유지 수단은, 단압될 단부에 대한 폐쇄 위치 및, 다이 절반부들이 분리되며 그에 따라 냉각되고 윤활될 수 있는, 개방 위치 사이에서 다이 절반부들을 이동시킨다. 다이 절반부들의 이러한 개방 상태는, 파이프가 프레스의 안팎으로 이동하는 것을 허용한다. 거의 모든 경우에, 다이 절반부들은, 그의 개방 위치에서 또한 실질적으로 프레스의 지지 구조물 내부의 위치에 유지된다.

도 1은, 앞서 언급된, 상기한 WO2012/150564에 설명되는, 공지 유형의, 전형적인 2 단계형 단압 프레스(11)를 도시한다. 프레스(11)는, 프레스의 종방향 축(19)에 평행한 종방향 빔들(17)에 의해 연결되는 한 쌍의 가로대(13, 15)에 의해 한정되는 지지 구조물을 포함한다. 프레스(11)는, 동일한 회전 축 둘레에서 회전하는 제1 아암들(23)에 의해 각각 지지되며, 폐쇄 상태와 개방 상태 사이에서 상부 다이 절반부(21)를 이동시키기 위해, 프레스의 종방향 축(19) 위쪽의 제 위치에 연결되는, 한 쌍의 상부 다이 절반부(21)를 포함한다. 동일한 프레스(11)는 또한, 회전 축 둘레에서 회전하는 제2 아암들(27)에 의해 지지되며, 폐쇄 상태와 개방 상태 사이에서 하부 다이 절반부(25)를 이동시키기 위해, 프레스(11)의 종방향 축(19) 아래쪽의 제 위치에 연결되는, 한 쌍의 하부 다이 절반부(25)를 포함한다.

도 1b 내지 도 1e는 프레스 구성요소들의 작동을 개략적 형태로 도시한다. 도 1b는, 그린 파이프 단부(29), 상부 및 하부 다이 절반부(21, 25), 횡단 헤드 구성요소들, 및 튜브의 내경을 형성하기 위해 사용되는 멘드렐 또는 펀치(35)를 도시한다. 도 1c에서, 그린 튜브(29)는 가열되었으며, 그리고 상부 및 하부 다이 절반부(21, 25)에 의해 맞물리게 된다. 도 1d는, 횡단 헤드 구성요소들(33)의 맞물림을 도시한다. 도 1e에서, 펀치(35)는 튜브(29)의 내경을 형성하기 위해 사용되고 있다.

본 발명의 실시에 적합한 실제 기계가, 펜실베니아주 16066 크랜베리 타운쉽 스위트 300 웨스트 켄싱거 드라이브 210 소재의 SMS Meer Group으로부터 SMS Meer Hydraulic Upsetter™로서, 상업적으로 이용 가능하다. 이러한 기계는, 유도 가열 유닛 및 취급 장비를 포함하는 완전한 단압기(upsetter) 패키지로서 제공될 수 있다. 800Kw의 가열 유닛과 함께, 기계는 시간당 50개의 단부 정도로 생성할 수 있다(부품당 3회의 단압 작업을 가정). 기계는, 중앙에 위치하게 되는 튜브 클램핑 디바이스 및 가변 행정(variable stroke)을 구비하며, 이들 양자 모두는, 기계적 단압기와 비교될 때, 개선된 허용 공차에 기여한다. 생성되는 반경 방향 핀들이 또한 존재하지 않으며, 그에 따라 부가적인 연마가 요구되지 않는다.

도 1a 내지 도 1e를 추가로 참조하면, 전형적인 폐쇄 다이 단조 작업에서, 그린 튜브들은, 예를 들어 파이프 취급 장치에 의해 기계의 우측부 상에 로딩되며 그리고 예를 들어 3개의 유도 가열 코일을 통해 진행한다. 이들은 이어서, 텅부들(tongs)에 의해 모이게 되며 그리고 기계의 중심선으로 이동하게 된다. 텅부들은 이어서 파이프를 유압식 단압기의 다이들 내로 공급한다. 단조가 일어나며 그리고 이어서 텅부들이 다이들로부터 파이프를 제거한다. 부품이 완성되면, 부품은 냉각 컨베이어 상으로 전달된다. 추가의 단조가 요구되는 경우, 기계가 단조를 완료하기 위해 라인 내로 추가적인 도구 세트를 선회시키는 가운데, 텅부들은 재가열을 위해 파이프를 가열 코일들로 복귀시킨다. 부품은 이어서 단조 완료되며 그리고 컨베이어 상에 놓이게 된다.

도 2a 내지 도 2d는, 앞서 참조한 미국 특허 제5,184,495호에 설명된 바와 같은, 내부 및 외부 단압을 동반하는 파이프 단부 형성에 사용되는 실제 단계들을 도시한다. 도 2a는, 튜브의 단부가 다이(32) 및 멘드렐(34)을 사용하여 외부적으로 단압되는 방법의 제1 단계를 도시한다. 이 단계에서, 튜브의 단부에 인접한 튜브 벽의 원통형 섹션(36)이 두께에 관해 증가하게 되며 그리고 원추형 섹션(38)이 증가된 직경의 원통형 섹션(36)과 튜브 사이의 변이부를 제공하도록 형성된다. 도 2b에 도시된 제2 단계에서, 다이(40)가, 원추형 섹션(38)의 테이퍼부의 각도를 또한 증가시키는, 원통형 섹션(36)의 두께를 증가시키기 위해 멘드렐(42)과 조합된다.

제2 단계 이후에, 튜브의 단부는 본래의 단조 온도(약 2200℉)까지 재가열되며, 그 후 튜브의 단부는 프로세스의 제3 단계에 종속된다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 다이(32)(제1 단계에 사용되는 동일한 다이) 혼자, 제1 단계 및 제2 단계에서 외향으로 이동했던 금속을 내향으로 압착하기 위해 이 단계에서 사용된다. 그러나, 다이가 폐쇄되기 이전에, 튜브는, 다이의 원통형 섹션 내에 원통형 섹션(36) 및 원추형 섹션(38)을 배치하기 위해 오른쪽으로 축 방향으로 이동하게 된다. 이는, 원추형 섹션(36)의 내경 및 외경보다 작은 내경 및 외경을 갖는 원통형 섹션(44) 및 원통형 섹션(44)의 내벽과 단압되지 않은 튜브 벽 사이에서 연장되는 긴 테이퍼형 내벽을 갖는 원추형 섹션(46)을, 결과적으로 생성한다.

마지막인 제4 단계에서, 도 2d에 도시된 바와 같이, 멘드렐(48)이 원통형 섹션(44)을 단축하기 위해 제4 단계 다이(41)와 조합되며, 그로 인해 더 두꺼운 벽 및 더 작은 내경을 구비하는, 원통형 섹션(50) 및, 원추형 섹션(46)보다 더 긴 내측 테이퍼부를 구비하는, 원추형 섹션(52)을 형성한다.

상기한 설명은, 외부적으로 그리고 내부적으로 단압된 단부들을 구비하는 유전 파이프의 섹션을 위한 것이다. 그러나, 단압부 영역들의 직경들은 유전 파이프에 대해 도시되며 그리고 수평 방향 천공 적용을 위해 적절하지 않다. 도 3a 내지 도 3c는, 비교적 작은 직경의 수평 방향 천공용(HDD) 천공 파이프의 제조에 유압식 폐쇄 다이 단조 방법을 적용함에 의해 달성되는 결과들을 도시한다. "비교적 작은 직경"은 일반적으로, 대략 1과 1/2인치 미만의 내경을 의미한다.

도 3a는 가열 이전의 그린 튜브를 도시한다. 도 3b는, 가열된 다음 제1 단압부를 형성하기 위해 제1 세트의 다이들 내에 놓이게 되는, 튜브의 결과적인 상태를 도시한다. 제1 세트의 다이들에 의해 형성되는 표면들은, 개별적으로 참조 부호 '54' 및 '56'으로 지시된다. 제1 멘드렐에 의해 형성되는 표면은 참조 부호 '58'로 도시된다. 도 3c는, 제2 단압부를 달성하는, 제2 세트의 다이들에 의해 형성되는, 개별적으로 참조 부호 '60' 및 '62'로 지시되는, 표면들을 도시한다. 제2 멘드렐에 의해 형성되는 내표면은 참조 부호 '64'로 도시된다.

도 3c를 참조하면, ΦA/ΦB 비는, 파이프의 나사 가공 내부 보어의 영역 내의 내경에 대한 외경의 비이다. 비교적 긴 단압부를 동반하는 전형적인 기계적 펀치 단조 작업들은, ΦA/ΦB 비가 대략 3.5 미만인, 하나의 경우에 2.4인, 받아들일 수 있는 결과를 달성할 수 있다는 것을 인식하게 될 것이다. 본 발명의 폐쇄 다이 단조 방법은, ΦA/ΦB 비가 2.5 초과인, 바람직하게 3.0 초과인, 가장 바람직하게 3.5 정도인, 또는 일부의 경우에 심지어 더 큰, 비교적 긴 단압부를 생성할 수 있다. 비교적 "긴" 단압부는, 도 3c에서의 길이(D)가 길이(E)의 30%를 초과하는 것을 의미한다.

도 4는, 본 발명의 방법에 따라 형성되는 수평 방향 천공용(HDD) 천공 파이프의 실제 단조 섹션의 단면도이다. 후속적으로 나사 가공될 내경의 영역은, 도 4에 'ΦB'로 지시되는 영역이다. 예시적인 치수들은 아래의 표 1에 주어진다.

파라미터	치수
a	123.6인치
b	8.00인치
c	4.34인치
d	10.5인치
e	0.254인치
f	2.375인치
g	1.5인치
h	0.010 인치 테이퍼/인치
ΦA	3.00인치
ΦB	0.875인치
ΦA/ΦB	3.43

이상의 예에서의 ΦA/ΦB 비는, 3.5 정도 또는 대략 3.5, 즉 3.43임을 알아야 한다. 이는, 출원인이 "3.5의 정도"와 같은 표현에 의해 의도한 것이다. 어쨌든, 본 발명의 방법을 통해 달성되는 비는, 2.4 정도였던 이상에 제공된 예에서와 같은, 종래 기술의 비보다 더 클 것이다. 이러한 예는 단지, 수평 방향 천공용(HDD) 천공 파이프의 특정 제품에 적용되는 바와 같은 본 발명의 방법의 원리들을 예시할 의도이다. 그러나, 구체적인 치수들은, 제조되는 수평 방향 천공용(HDD) 천공 파이프의 특정 제품에 의존하여 변할 것이다.

본 발명은 여러 장점들을 제공했다. 본 발명의 폐쇄 다이 단조 방법은, 수평 방향 천공용(HDD) 천공 파이프, 특히 비교적 작은 내경을 구비하는 파이프를 형성하는 개선된 방법을 제공한다. 3/4인치 미만의 내경이, 파편 없이 그리고 제조 장비를 손상시킴 없이 달성 가능하다. 자동화된 제조가 시간당 50개 정도의 단부를 생성할 수 있다(부품당 3회의 단압 작업을 가정). 폐쇄 다이 단조 기계는, 중앙에 위치하게 되는 튜브 클램핑 디바이스 및 가변 행정을 구비하며, 이들 양자 모두는, 기계적 단압기와 비교할 때, 개선된 허용 공차에 기여한다. 생성되는 반경 방향 핀들이 또한 존재하지 않으며, 따라서 부가적인 연마가 요구되지 않는다. 본 발명의 개선된 프로세스는, 내경에 대한 외경의 비가 3.5 정도일 수 있는 또는 심지어 더 클 수 있는, 더 두꺼운 단압부를 생성한다. 단압부들 내부에 더 작은 직경을 형성하는 것은, 수평 방향 천공용(HDD) 천공 파이프의 제조업자가, 현재 전통적인 기계적 충격 단조 작업에 달성할 수 없는 연결부들을 포함하는, 모든 유형의 필요한 연결부들을 나사 가공하는 것을 허용한다.

비록 본 발명은 그의 형태들 중 단지 하나만 도시했지만, 본 발명은 그에 따라 제한되지 않는 대신 본 발명의 사상으로부터 벗어남 없이 다양한 변경 및 수정을 허용할 수 있다.

Claims

내부적으로 그리고 외부적으로 단압된 파이프 단부들 및 주어진 길이의 적어도 하나의 나사 가공 내부 보어를 구비하는, 수평 방향 천공용 천공 파이프의 섹션을 형성하는 방법으로서,
대향하는 파이프 단부들을 구비하는 그린 파이프의 섹션을 제공하는 단계 및 사전 결정된 단조 온도로 파이프 단부들 중 적어도 선택된 하나를 가열하는 단계;
단압된 외경 및 단압된 내경을 갖는 파이프 단부를 형성하기 위해 유압 단조 프레스를 사용하여 유압을 가하는 단계로서, 단압된 내경의 일부분이 나사 가공 내부 보어를 형성하기 위해 후속적으로 나사 가공되며, 나사 가공 내부 보어의 영역에서의 내경에 대한 외경의 비는 약 3.0보다 더 큰 것인, 유압을 가하는 단계
를 포함하는 것인, 수평 방향 천공용 천공 파이프 섹션 형성 방법.
제 1항에 있어서,
내경에 대한 외경의 비는 약 3.5 초과인 것인, 수평 방향 천공용 천공 파이프 섹션 형성 방법.
제 1항에 있어서,
단압된 파이프 단부는, 나사 가공 내부 보어를 형성하기 위해 후속적으로 나사 가공되는, 대체로 균일한 직경의 제1 내경, 제2 확장된 내경, 및 외측 단압된 길이를 구비하며, 그리고 제1 내경의 길이는 외측 단압된 길이의 30%를 초과하는 것인, 수평 방향 천공용 천공 파이프 섹션 형성 방법.
제 3항에 있어서,
단압부의 제1 내경은 1.25인치 미만인 것인, 수평 방향 천공용 천공 파이프 섹션 형성 방법.
제 4항에 있어서,
단압부의 제1 내경은 약 0.875인치인 것인, 수평 방향 천공용 천공 파이프 섹션 형성 방법.
내부적으로 그리고 외부적으로 단압된 파이프 단부들을 구비하는, 수평 방향 천공용 천공 파이프의 섹션을 형성하는 방법으로서,
대향하는 파이프 단부들을 구비하는 그린 파이프의 섹션을 제공하는 단계 및 사전 결정된 단조 온도로 파이프 단부들 중 적어도 선택된 하나를 가열하는, 제공 및 가열 단계;
외측 테이퍼부를 구비하는 외측 단압 부분을 형성하기 위해 선택된 파이프 단부를 단압하고 압착하는, 단압 및 압착 단계;
외측 테이퍼부를 옮기기 위해 그리고 내측 테이퍼부를 구비하는 내측 단압 부분을 형성하기 위해, 외측 단압 부분을 내측 단압 다이에 의해 압착하는, 압착 단계;
완성된 부품을 생성하기 위해 내측 단압 다이로 단압 부분을 내부적으로 업셋 단조하는, 내부적 업셋 단조 단계
를 포함하며, 그리고
상기 압착 단계는, 단압된 외경 및 단압된 내경을 갖는 파이프를 형성하기 위해 유압 단조 프레스를 사용하여 유압을 가함에 의해 달성되며, 단압된 내경의 일부분이 나사 가공 내부 보어를 형성하기 위해 후속적으로 나사 가공되고, 나사 가공 내부 보어의 영역에서의 내경에 대한 외경의 비는 약 3.5 또는 3.5 초과인 것인, 수평 방향 천공용 천공 파이프 섹션 형성 방법.
제 6항에 있어서,
단압된 파이프 단부는, 대체로 균일한 직경의 제1 내경, 제2 확장된 내경, 및 외측 단압된 길이를 구비하며, 그리고 제1 내경의 길이는 외측 단압된 길이의 30%를 초과하는 것인, 수평 방향 천공용 천공 파이프 섹션 형성 방법.
제 7항에 있어서,
단압부의 제1 내경은 1.25인치 미만인 것인, 수평 방향 천공용 천공 파이프 섹션 형성 방법.
제 8항에 있어서,
단압부의 제1 내경은 약 0.875인치인 것인, 수평 방향 천공용 천공 파이프 섹션 형성 방법.
내부적으로 그리고 외부적으로 단압된 파이프 단부들을 구비하는, 수평 방향 천공용 천공 파이프의 섹션을 형성하는 방법으로서,
중심축, 자체의 축 방향 길이를 따라 실질적으로 균일한 파이프 외경 및 실질적으로 균일한 파이프 내경 갖는, 세장형 파이프 섹션을 제공하는 단계;
파이프 섹션의 축 방향 단부에, 외측 핀형 나사들(pin threads) 및 핀형 쇼울더부(pin shoulder)를 구비하는, 핀형 단부 영역을 제공하는 단계;
핀형 단부 영역 반대편의 파이프 섹션의 반대편 축 방향 단부에, 짝을 이루는 천공 파이프의 외측 핀형 나사들과의 짝을 이루는 맞물림을 위한 내측 박스형 나사들(internal box threads) 및 짝을 이루는 천공 파이프의 핀형 쇼울더부와의 맞물림을 위한 박스형 쇼울더부(box shoulder)를 구비하는, 박스형 단부 영역(box end region)을 제공하는 단계
를 포함하며, 그리고
핀형 단부 영역 및 박스형 단부 영역은, 대향하는 파이프 단부들을 갖는 그린 파이프의 섹션을 우선 제공함에 의해 그리고 사전 결정된 단조 온도까지 파이프 단부들 중 적어도 선택된 하나를 가열함에 의해, 내부적으로 그리고 외부적으로 단압되고,
단압된 외경 및 단압된 내경을 갖는 파이프를 형성하기 위해 유압 단조 프레스를 사용하여 유압을 가하는 것이 뒤따르게 되며, 단압된 내경의 일부분이 나사 가공 내부 보어를 형성하기 위해 후속적으로 나사 가공되고, 나사 가공 내부 보어의 영역에서의 내경에 대한 외경의 비는 약 3.5 또는 3.5 초과인 것인, 수평 방향 천공용 천공 파이프 섹션 형성 방법.
제 10항에 있어서,
단압된 파이프 단부는, 대체로 균일한 직경의 제1 내경, 제2 확장된 내경, 및 외측 단압된 길이를 구비하며, 그리고 제1 내경의 길이는 외측 단압된 길이의 30%를 초과하는 것인, 수평 방향 천공용 천공 파이프 섹션 형성 방법.
제 11항에 있어서,
단압부의 제1 내경은 1.25인치 미만인 것인, 수평 방향 천공용 천공 파이프 섹션 형성 방법.
제 12항에 있어서,
단압부의 제1 내경은 약 0.875인치인 것인, 수평 방향 천공용 천공 파이프 섹션 형성 방법.