KR101312890B1

KR101312890B1 - 나사관 연결부

Info

Publication number: KR101312890B1
Application number: KR1020097017068A
Authority: KR
Inventors: 존 디 왓츠
Original assignee: 존 디 왓츠; 라모스 비버리 왓츠
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2007-01-17
Publication date: 2013-09-30
Also published as: CA2675894C; EP2115339A2; WO2007089427A2; JP2010516959A; US20100045033A1; AU2007210216A1; MX2009007607A; NO20092338L; CA2675894A1; BRPI0720333A2; CN101627248A; AU2007210216B2; EP2115339A4; CN101627248B; KR20100003280A; KR20130038396A; RU2413815C2; JP5276014B2; WO2007089427A3; RU2007128590A

Abstract

(1) 조립동안 핀의 연장 및 박스의 수축으로 인하여 발생하는 파이프 나사산들의 부정합을 오프셋하는 방법; (2) 방사상 나사산 간섭으로부터 독립하여 맞닿는 파이프 나사산들의 분리를 방지하는 방법; (3) 파이프와 같은 강도를 갖는 스웨이지된 박스 연결부; (4) 손상없이 쉽게 스탭되는 나사산을 교수하는 오랫동안 요구된 더 신뢰성있고 안전한 파이프 나사산이 제공된다.

수나사산, 암나사산, 핀, 박스, 핀 나사산 리드, 박스 나사산 리드, 오프셋, 리드, 핀 페이스, 프랭크

Description

나사관 연결부{THREADED PIPE CONNECTION}

본 발명은 거의 모든 산업 분야에서 이용하기 위하여 우수한 기밀 특성들을 갖는 고 강도 나사관 연결부에 관한 것이다.

파이프의 연결부들(connect joints)을 서로 연결하고 그들 사이를 기밀(seal) 시켜 파이프로부터 유체들이 누출되는 것을 방지하는 나사관 연결부는 암나사산 리드(internal thread lead)에 가능한 한 밀접하게 만들어진 수나사산 리드(external thread lead)를 이용하여 수백 년 동안 이용되어져 왔다. 오늘날 이용되는 대부분의 파이프 연결 나사산들은 끝이 점점 가늘어지는(tapered) 나사산들이며, 나사산들 사이의 접촉 압력(interface pressure)은 파이프로부터 연결의 느슨함 및 유체의 누출을 방지하도록 충분하게 고려된 조임 정도로 각각의 회전에 의한 조립으로 증가될 수 있다. 만일 접촉 압력이 너무 낮으면, 나사산들은 느슨해질 수 있고, 유체를 누출시킬 수 있지만, 만일 접촉 압력이 너무 높으면, 핀(pin) 또는 박스가 굽어져서(yielded) 그 동작성(operability)은 문제가 될 수 있다. 파이프 크기 및 유체 압력이 증가함에 따라, 파이프 재료들은 필요에 따라, 대나무, 나무, 황동, 철, 강철 및 때때로, 고 강도 및 고온 합금들로 발전하여 회전에 의해 맞닿는 나사산들(mating threads) 사이의 방사상 나사산 간섭(radial thread interference) 및 접촉 압력의 증가가 요구되는 강도 및 기밀성을 유지한다. 본 명세서의 목적들을 위하여: 나사산 각도(thread flank angle)는 나사산 빗면 표면(flank surface)과 파이프 축(pipe axis)에 수직하는 평면 사이의 갭(gap) 내에 파이프 축과 일치하는 평면에서 측정되며; 핀은 수나사산들을 구비한 관 부재(tubular member)이며; 박스는 핀과의 조립을 위하여 맞다는 암나사산들을 구비한 관 부재이며; 하나의 나사산은 나사산의 일 회전을 의미하며; 리드는 일 나사산 회전으로 진행하는 나사산의 축 길이를 의미하며; 네거티브 프랭크(negative flank)는 골밑(root) 방향으로 더 마주하는 나사산 빗면을 의미하며; 포지티브 프랭크(positive flank)는 크레스트(crest) 방향으로 더 마주하는 나사산 빗면을 의미하며; 후크-타입 나사산(hook-type thread)은 네거티브 프랭크 각을 가지는 나사산이며; 본 발명은 본 명세서에 영향을 받는다.

역사적으로, 핀 나사산이 박스 나사산보다 더 완만한 테이퍼(slower taper)로 만들어져, 조립 상태에서, 맞닿는 나사산들 사이의 최대 방사상 간섭이 핀과 박스의 조립을 용이하게 하고, 나사산 강도를 향상시키며, 기밀성을 보조하는 나사산 맞물림의 작은 직경 단부에서 발생한다는 것을 왓츠 특허(Watts Patent) 제4,974,882호가 제시해줄 때까지 핀 나사산들은 맞닿는 박스 나사산들과 동일한 가늘어짐(taper) 및 리드로 제조되어져 왔다.

시빌레 특허(Sivley Patent) 제6,976,711호는 "스탭 프랭크 리드(stab flank lead) 및 로드 프랭크 리드(load flank lead)가 나사산의 단부로부터 선택된 거리에서 평균 리드에 동일하고" 그리고 "로드 프랭크 리드 및 스탭 프랭크 리드는 나 사산 길이의 적어도 일부에서 서로 다른" 맞닿는 박스 및 핀 나사산들의 스탭 프랭크 리드 및/또는 로드 프랭크 리드의 변화를 가르쳐(teach)주지만, 그러나, 상기 제6,976,711호 특허는 박스 나사산 리드에 대하여 핀 나사산 리드의 변화는 알려주지 않을 뿐만 아니라, 포아송비(Poisson's ratio)로 인하여 핀과 박스 나사산들의 결합 동안 생성된 임의의 나사산 리드 부정합(mismatch)을 고려하지 않는다. Invitroge v. Clontech Lab nos. 04-1039-1040 특허의 관점에서 보면, 상기 제6,976,711호 특허는 여기에서 교수된 문제들뿐만 아니라 해결 방법들을 언급하지 않았기 때문에 보다 앞선 기술이 아니다. 명세서의 최상의 지식 및 신뢰를 위하여, 맞닿는 나사산들 사이에서의 친밀한 접촉을 보증하거나 또는 방사상 간섭에 의해 야기된 맞닿는 나사산 리드 부정합을 오프셋(offset)하는 보상들(compensations)을 알려주지는 않는다.

본 발명에 의해 해결된 문제들의 일부를 보여주기 위하여, 박스(57)와 핀(50)의 조립체가 상기 핀(50)을 방사상으로 압축하여 상기 핀(50)으로 하여금 30도 박스 스탭 프랭크(53)에 대항하여 핀 스탭 프랭크(52)를 강제하는 길이에서의 차이를 방사상으로 늘어나도록 하며, 또한 상기 박스(57)를 방사상으로 확장시켜서 상기 박스(57)로 하여금 30도 박스 스탭 프랭크(53)에 대항하여 핀 스탭 프랭크(52)를 강제하는 길이에서의 차이를 방사상으로 단축시켜, 그 결과 소수의 나사산들이 축 하중들을 저항하도록 접촉하고, 그리고 그들이 또한 맞닿는 나사산들 사이에 나선형 누출 통로(helical leak path)(56)를 오픈시키기 때문에 연결을 약하게 하는 맞닿는 박스 나사선(55)과의 맞물림 내측 방향으로 그리고 밖으로 축 방향 힘(axial force)의 방사상 힘 벡터가 핀 페이스(pin face)을 이동시킬 때, API 5B 8-라운드 파이프 나사산들과 같은 종래 기술에서 도 1에 도시된 1 타입 문제점들이 종종 발생한다.

도 2는 박스(61) 둘레에서 작용하며, 조립 상태에서 나사산 간섭으로 인하여 핀 페이스(62)에서 압축 호프 스트레스(compressive hoop stress)를 증가시키는 외부 유체 압력에 영향을 받기 전에 API 5B 8rd 파이프 나사산들과 같은 종래의 나사산들의 2 타입 문제점을 보여준다. 힘의 조합은 핀-단부(pin-end)를 성형적으로 휘게(yield) 하여, 상기 압축 호프 스트레스가 상기 핀 페이스에서 가장 크기 때문에, 여전히 탄성 박스가 그들의 본래의 직경으로 회복되고, 그리고 상기 핀 페이스에서 상기 휘어진 단부가 회복되지 않은 후, 외부 압력의 해제 상태에서 축 및 나선 유출 통로(67) 둘 다를 오픈시킨 채로 남겨놓으며, 내부 유체 압력에 대항하도록 맞닿고 기밀할 수 있는 나사산들을 방지하는, 박스 나사산(63)과 맞닿는 핀 나사산(64) 사이의 접촉 손실을 야기시킨다. 1 타입 및 2 타입 문제점들은 상기 핀 페이스에 근접하는 핀 두께가 인접한 박스 벽 두께보다 얇은 연결부들에서 발생하는 경향이 있다.

도 6은 나사산이 형성되기 위한 최소의 압력 각(68)에 영향을 끼치는 회전 위치에서 스탭될 때, API 5B 8Rd 나사산들과 같은 종래의 나사산들 사이의 제1 접촉을 보여주며, 여기서, 상기 압력 각은 파이프 축(25)과 서로의 접촉점(93)을 관통하는 힘 벡터(force vector)(46) 사이에 형성되며, 최소의 가능한 압력 각은 스탭 프랭크 각(81)과 동일하다. 이와 같은 나사산들은 핀 스탭 프랭크(70), 크레스 트(74), 스탭 프랭크 각(81) 상에 형성된 스탭 프랭크(71)를 포함한다. 도 7은 핀 크레스트(74)가 박스 스탭 크레스트(77)와 접촉하는 것과 같이, 3 타입 문제점을 발생시킬 수 있는 매우 높은 압력 각(79)에 영향을 미치는 상기 회전 위치에서 스탭될 때 핀과 박스 나사산들 사이의 제1 접촉을 보여주며, 여기서, 힘 벡터(76)에 의해 묘사된 방향으로 상호 접점(mutual tangent point)(82)에서 상기 맞닿는 스탭 프랭크들 사이의 베어링 스트레스를 매우 크게 발생시키는 매우 큰 압력 각(79)에 의해 상기 문제점은 야기된다. 핀 스탭 표면들은 핀 스탭 프랭크(70) 및 핀 나사산 크레스트(74) 중간에 형성된 표면(74)을 포함한다. 박스 스탭 표면들은 박스 스탭 프랭크(71) 및 박스 나사산 크레스트(77) 중간에 형성된 표면(75)을 포함한다. 상기 표면들(74, 75)은 종래에 잘 알려진 것과 같이, 아치형(arcuate), 원뿔형 또는 다른 최상의 형태로 형성되어 이와는 달리 그들에 배치될 수 있는 예리한 코너들에 취급 손상(handling damage)되는 것을 방지한다. API 부벽(Buttress) 및 상기 프랭크 및 크레스트 사이에 반경을 가지는 원통형 크레스트들을 갖는 다른 나사산 형상들은 마찬가지로 영향을 받을 수 있다. 핀이 박스 내에 스탭된 후, 도 6에서 도시된 바와 같은 나사산을 설계하기 위하여 최소 압력 각의 회전 위치를 달성하기 위한 시도에서 제조 방향에 반대하는 부분적 회전으로 일반적으로 회전된다. 스탭될 때, 상기 박스 및 핀 나사산 사이의 회전 위치에 의존함에 따라, 상기 압력 각은 프랭크 각(81)에 동일한 최소값으로부터 도 7의 참조 번호 79에서 도시된 바와 같은 거의 90도로 변경될 수 있다. 상기 압력 각의 증가는 스탭되는 파이프의 무게에 의해 야기된 마찰력(friction force)에 저항하는 상기 박스 내에서 상 기 핀을 회전시키도록 요구된 토크(torque)를 증가시키는 상호 접촉점(82)에서와 같이 상기 나사산들 사이에서 유닛 베어링 스트레스를 증가시킨다. 상기 압력 각이 증가함에 따라, 상기 벡터 힘이 증가하며, 상기 스탭되는 파이프의 무게에 의존함에 따라, 상기 마찰력은 나사산들이 상기 핀과 상기 박스의 적절한 조립을 방해하는 크로스-나사산(cross-thread) 및/또는 락-업(lock-up)을 마모(gall)시키는 것을 매우 크게 할 수 있다. 보다 작은 크레스트 반경 및 보다 빠른 역회전, 더욱 유사하게는, 역회전 동안 파이프 관성(pipe inertia)은 중력이 상기 핀을 일 나사산 회전으로 낮추어 최상의 위치를 얻도록 하기 전에, 상기 핀이 부족한(failure) 회전 지점을 통과하도록 할 수 있으며, 그러나, 도 6에 도시된 최상의 위치를 지날 때, 3 타입 문제점의 위험은 일 회전보다 적은 각도에서 내에서 다시 도출된다.

수십 년 이상 이용되어진 스웨이지된 박스 연결부들은 일반적으로 파이프 강도의 65%의 비율로 되어 왔으며, 임의의 두꺼운-벽 파이프들 상에 형성될 때, 소수만이 파이프 몸체 강도의 75%에 근접한 비율을 가졌다. 만일 상기 나사산들이 상기 스웨이지 벽을 고려하여 축상으로 그리고 방사상으로 완벽하게 위치되었다면, 나사산 맞물림은 상기 박스 벽을 통하여 완벽하게 연장하는 것이 아니라, 상기 파이프 벽 단면적의 단지 75%로 상기 박스의 상기 넥(neck)에서 상기 임계 영역(critical area)을 감소시키는 상기 나사산들과 동일한 가늘어짐으로 형성된 스웨이지된 부분에서 멈추기 때문에 보다 높은 비율이 요구되지 않을 수 있다. 그러나, 이와 같은 완벽한 배치는 나사산 생성 동안 유지될 수 없으며, 따라서 종래의 스웨이지된 연결부들의 결과적인 효율들은 일반적으로 파이프 강도의 75%보다 작도 록 제한되어 왔다.

API 보고서들은 다운-홀 벽(down-hole well) 문제들의 90 내지 95 퍼센트는 파이프 나사산들의 누출(leaking)에 의해 야기된다는 것을 진술하며, 그리고 API 기록들은 파이프 나사산들이 왜 운용 도중에 누출하는지를 알려고 시도된 광범위한 실험들(extensive experiments)로 충분한 알려졌다. 오차(error)에 있어서, 해결 방법을 알려주는 왓츠의 특허 제5,427,418호의 1995년 발표 이후까지 5B 나사산 치수들(dimemsions) 및 공차들(tolerances) 그리고 API 5A2 나사산 도프들(dopes)은 1939년에 적용됐기 때문에, 5B 나사산 치수들 및 공차들 그리고 API 5A2 나사산 도프들은 실질적으로 변하지 않는다는 사실에 의해 확인되는 것처럼, API 5A2 나사산 도프로 도포된 모든 API 5B 파이프 나사산들이 기밀되는 것으로 API는 오랫동안 가정되었다.

현재, 조립 상태에서, 동일한 축 리드 길이들로 형성된 맞닿는 나사산들은 1, 2 및 3 타입 문제점들에 영향을 받는다는 것을 알려주는 종래 기술의 명세서가 존재하지 않으며, 상기 문제들을 해결하는 해결책들을 알려주는 종래의 기술도 없기 때문에, 본 명세서에서 상기 문제들의 확인 및 해결 방법들은 진보된 기술로 보여진다.

본 발명은 1 타입, 2 타입 및 3 타입 문제점들을 어떻게 방지하는지를 알려주며, 또한 기술을 실질적으로 진보시킨 새로운 스웨이지 형상(swage configuration)을 알려준다. 나사관 연결부의 조립 동안, 맞닿는 나사산들 사이에서 증가하는 방사상 간섭을 발생시키고, 핀 직경을 감소시키며, 박스 직경을 증가시키고, 그리고 상기 직경 변화들이 핀을 축상으로 연장시키고 박스를 축상으로 짧게하여 동일한 리드로 처음부터 형성된 박스 및 핀 나사산들 사이에서 리드 부정합을 야기하는 포아송비와 일치하는 상기 박스 내부로 상기 핀이 나사 삽입된다(screwed). 부정합의 정도는 나사산 직경, 나사산 리드, 방사상 간섭 및 파이프 물질의 포아송비에 의존한다.

1 타입 문제점들은 조립 동안, 상기 핀이 축상으로 연장(elongate)하고 상기 박스가 축상으로 수축(contract)하도록, 상기 박스 나사산들 보다 짧은 리드를 가지도록 핀 나사산들을 형성함으로써 회피될 수 있으며, 완전히 조립되었을 때, 상기 핀 나사산들은 그들의 맞닿는 박스 나사산들과 동일한 리드를 실질적으로 가짐으로써, 연결부의 구조적 강도를 증가시키고 나사산의 성능을 향상시켜 더욱 높은 압력 및 더욱 가벼운 유체들(lighter fluides)을 기밀시키는 핀 및 박스 나사산 프로파일들(profiles)을 더욱더 일치시킨다. 상기 핀 또는 상기 박스 나사산들 중 하나는 접촉 리드로 형성되고, 다른 하나는 인접한 리드로 형성되어 바로 설명되는 향상들에 영향을 미칠 수 있으며, 여기서 상기 핀 리드는 상기 박스 리드보다 짧다. 맞닿는 나사산들 사이의 직경 단위당 직경 간섭(diametrical interference)의 주어진 양을 위하여, 단위 축 길이당 조절체(adjustment)는 포아송비를 곱한 단위 직경 간섭과 동일할 것이다. 예를 들어, 만일, 10인치 공치 직경을 가지는 파이프 나사산들과 0.28의 포아송비가 .030" 직경 간섭을 산출하도록 가정되어 진다면, 상기 단위 직경 간섭은 직경 인치당 030"/10" = .003 인치가 되며, 맞닿는 핀과 박스 사이의 상기 길이 조절체는 축 길이 인치당 .003" x .28 = .00084 인치가 된다. 그런 다음, 나사산들이 1/4"의 공칭 리드 상에 형성될 때, 상기 리드 조절체는 상기 서로 맞닿는 나사산들 중 하나로 모두가 인가될 수 있는 .00084/4 = .00021"가 되거나, 또는 상기 박스 리드가 .00007"로 연장될 수 있고, 상기 핀 리드가 .00014"로 짧아질 수 있는 것과 같이 그들 사이에서 분할될 수 있다. 본 발명은 상기 나사산들을 위한 서비스 요구들 및 비용 억제에 따라 정확도를 변경함으로써 실현될 수 있다.

동일한 테이퍼들(tapers) 상에 형성된 박스와 핀 나사산들 사이에서 발생하는 것처럼 상기 서로 맞닿는 나사산들의 축을 따라 방사상 단위 간섭에서의 실질적인 차이가 존재할 수 있고, 그리고/또는 상기 핀 나사산들이 상기 박스 나사산들보다 더 완만하게 가늘어질 때, 특정 서비스가 요구될 수 있는 상기 맞닿는 나사산들 사이의 장착 정확도에 따른 가변 리드 조절체가 바람직할 수 있다. 만일, 상기 리드가 각 나사산 회전으로 가변된다면, 이와 같은 장착은 이상적이지만, 그러나 가장 정확한 장착이 요구되지 않을 때, 상기 리드는 회전당 이상적인 리드 변경에 근접하는 몇 번의 나사산 회전의 단계로 가변될 수 있다.

본 발명에 따른 연결부는 또한 2 타입 문제점들을 방지할 수 있다. 상기 핀 페이스와 중간길이(midlength) 사이의 부가적인 리드 조절체(adjustment), 즉, 상술한 상기 리드 조절체 상에 부가된 조절체를 구비한 후크-타입(hook-type) 나사산들을 이용하여, 조립시, 단독으로(alone) 또는 상기 맞닿는 나사산들 사이에 존재하는 방사상 접촉 압력과 조합하여 상기 맞닿는 나사산들을 서로 락(lock)시키기 위하여 상기 핀의 일 부분에 축 인장력(axial tension)을 제공하는 것이 바람직하다. 상기 연결부의 높은 인장 하중 상태일 때, 후크 나사산의 네거티브 로드 프랭크가 상기 박스 나사산의 "점프아웃(jumpout)"에 대하여 핀 나사산을 위한 성향(tendency)에 반대한다는 것을 잘 알려져 있지만, 그러나 상술한 바와 같이 상기 맞닿는 박스 나사산 리드보다 짧게 제조된 핀 나사산 리드가 방사상 나사산 간섭과 독립하여 맞닿는 후크 나사산들을 서로 락시킬 수 있다는 것은 지금까지 알려지지 않았다. 이를 위하여, 그 페이스와 중간부 사이의 핀에 인장력을 초래하여 상기 맞닿는 나사산들 사이에 방사상 및 축 접촉 압력 둘 다를 증가시킨다. API Bulletin 5C3 (4.2)는 "상기 내부 누출 저항 압력이 상기 접촉 압력"과 동일하다는 것을 알려주지만, 이것은 상기 핀의 호프 압력에 의해 전개된 상기 접촉 압력에만 의존하며, 접촉 압력을 생성하거나 유지하기 위한 다른 방법을 고려하지는 않는다. 방사상 나사산 간섭 도움없이 그들의 맞닿는 박스 나사산들과의 기밀 맞물림에서 핀-단부 나사산들을 고정하기에 충분한 네거티브 로드 프랭크 각 상으로 하중을 유도하도록 주어진 서비스에 의해 요구된 박스와 핀 나사산들 사이의 리드 길이 조절체는 정해진 내부 및 외부 유체 압력 및/또는 기계적 하중들의 임의의 조합하에서 다양한 프랭크 각들 및 직경들로 계산될 수 있으나, 여기에서 알려진 원리들은 일정하다. 계산들 및 테스트들은 상기 스탭 프랭크들에 평행하게 제조된 로드 프랭크들이 동작가능하다는 것을 나타내지만, 그러나, 프랭크 각들의 다른 조합들이 본 발명의 사상 내에서 이용될 수 있다는 것으로 이해되어야 한다. 유한 요소 해석(Finite Element Analysis (FEA))은 본 발명에 따라 스웨이지된 연결부가 상기 파이프 강도의 적어도 95%를 유용할 수 있다는 것을 논증하며, 압력 테스트들은 상기 나사산들이 상기 연결 벽 두께의 구조적 압력 용량까지 기밀시킬 수 있을 것이라는 것을 논증한다.

조립 동안 방사상 나사산 간섭에 의해 야기된 박스와 핀 나사산들 사이의 접촉 압력은 상기 박스 및 핀의 가장 두꺼운 조합이 일반적으로 정해진 상기 맞물린 나사산들의 중간-길이에서 일반적으로 가장 크며, 따라서, 핀 인장력의 이러한 특징이 이용될 때, 중간-길이 나사산들이 이러한 부가적인 리드 조절체를 구비하지 않고 조립시 박스 및 핀 중간부 축 스트레스를 최소화하여, 상기 핀의 상기 얇은 단부에서 인장력을 유지시키고 상기 나사산 장착의 느슨함을 방지함과 동시에 상기 박스와의 상대적인 축 운동에 대항하여 상기 핀을 정밀하게 맞닿게하고 고정시킬 수 있을 것이다. 따라서, 내부 유체 압력이 나중에 인가될 때, 상기 맞닿는 핀-단부 나사산들이 여전히 밀접한 기밀 접촉 상태이기 때문에, 심지어 상기 핀 페이스에 근접하는 상기 핀이 외부 유체 압력에 의해 호프 압력으로 성형적으로 휘어지더라도, 밀접한 나사산 접촉을 유지하는 가장 높은 접촉 압력하에서 다른 방향으로 상기 나사산들이 중간-길이 나사산들을 맞닿음으로써 고정됨과 동시에, 상기 핀 페이스와 핀 중간부 사이의 상기 핀 나사산들은 후크 나사산 네거티브 각 로드 프랭크 상에 작용하는 인장력에 의해 그들의 맞닿는 박스 나사산들과 서로 락된다. 이러한 부가적인 리드 조절체는 모든 나사산들 또는 상기 핀 페이스와 상기 중간부 사이의 나사산들에만 부가될 수 있거나, 또는 만일, 더욱 작은 동작 하중들이 예상되는 경우에는, 상기 핀 페이스에 가장 인접한 상기 나사산들의 단지 일부에만 부가될 수 있다. 이상적으로는 필수적인 것은 아니지만, 상기 핀 페이스에서 가장 큰 상기 나사산 리드 조절체는 상기 핀 넥 방향으로 감소하여, 조립 상태에서, 모든 맞닿는 나사산들이 상기 핀 페이스와 상기 중간-길이 사이에서 인장 상태가 되는 상기 핀 나사산들과 리드에서 실질적으로 동일한 것이 바람직하다. 일부 서비스를 위하여, 외부 유체 압력 및/또는 부식(corrosion)에 대항하는 기밀을 확보하도록 상기 중간-길이 및 상기 핀 넥 사이의 상기 핀 나사산들은 그들의 로드 프랭크들에 대항하는 작은 압축 상태가 되는 것이 요구될 수 있다. 그러나, 다른 나사산 리드 조절체 패턴들이 본 발명의 사상으로부터 벗어남이 없이 이용될 수 있다. 조립 후에, 유체 압력들 및 서비스 하중들은 더 많은 상기 조립된 나사산들의 수축 및/또는 팽창을 야기할 수 있지만, 그러나, 상기 핀 및 상기 박스가 서로 동일한 양으로 팽창되고 수축될 수 있기 때문에 원래의 조립된 리드 관계들은 일정할 것이다. 따라서, 상기 박스 및 상기 핀 나사산들이 서로 팽창되거나 수축되고, 상기 직경 간섭은 일정한 상태로 유지되어 축 리드에 있어서의 원하는 차이가 일정하게 유지되기 때문에 이러한 연결부들은 팽창가능한 파이프 스트링들(expandable pipe strings) 상에 이용될 수 있다.

원통 형상의 나사산을 형성하도록 요구된 파이프 벽(wall)의 방사상 폭은 동일한 나사산 깊이를 가지는 가늘어지는 나사산을 형성하도록 요구된 파이프 벽의 방사상 폭보다 작으며, 따라서, 얇은 벽 파이프와 같은 본 발명의 적용은 방사상 나사산 간섭을 가지던지 또는 가지지 않던지 맞닿는 나사산들의 기밀 접촉을 유지할 있고, 밀접한 나사산 장착을 충분하게 유지할 수 있으며, 또한 기계적 힘에 대항하는 상기 원하는 조립된 기밀 위치(sealing position)에서 상기 나사산들을 고정시킬 수 있다.

본 발명은 포지티브 또는 네거티브 프랭크 각들을 가지는 다양한 나사산 형상들로 구현될 수 있지만, 그러나 포지티브 로우(low) 각 스탭 프랭크들 및 네거티브 로우 각 로드 프랭크들을 이용하는 것이 바람직하지만, 그러나 본 발명은 또한 API 5B 8-라운드 나사산들과 같은 논-후크-타입 나사산들(non-hook-type threads)을 이용하여 1 타입, 2 타입 및 3 타입 단점들을 방지할 수 있다. 다양한 후크-타입 나사산 형상들 및 웨지나사산들(wedgethreads)은 본 발명을 구현하는데 이용될 수 있지만, 그러나, 고성능 특성들이 요구될 때, 왓츠의 특허들 제6,578,880호 및/또는 제6,682,101호에 따른 개방된 웨지나사산들이 바람직하다.

신뢰할 수 있는 파이프 나사산들이 임의의 산업 또는 자국 서비스에 제공되어 안전성을 증가시키고, 비용을 감소시키며, 종래의 파이프 나사산들에 의해 종종 야기되는 유해한 유체의 위험한 누출 및 비극적인 기계적 연결 문제들에 대항하여 환경을 보호하도록 방사상 나사산 간섭을 이용하던지 또는 이용하지 않던지 맞닿는 파이프 나사산들 사이에 정밀하고 밀접한 접촉을 어떻게 달성하고 유지할 것인가는 현재 분명하다.

여기에서 개시된 다른 특징들과의 조합으로 이용되어 이중-박스 결합들(double-box couplings) 또는 파이프단부 업셋들(pipeend upsets)을 이용하지 않고 연결 효율을 향상시킬 수 있는 본 발명의 다른 특징은 상기 박스 몸체 단면적의 100%까지 선택적으로 이용할 있는 상기 박스 넥의 임계 영역을 가지는 스웨이지된 박스를 제공하는 것이며, 여기서, 상기 맞닿는 나사산 맞물림은 상기 핀의 외경(outer diameter)으로부터 상기 스웨이지의 내면까지 실질적으로 연장한다. 상기 핀 넥에서의 나사산 런-아웃은 API 부벽 연결부들(API Buttress Connections)과 같은 파이프 나사산들에서 오랫동안 이용되어져 왔으나, 스웨이지된 박스 내에서의 나사산 런-아웃은 명세서의 상세한 설명 및 간략한 설명에서 알려지지 않았다. 본 발명에 따른 박스 스웨이지는 박스 페이스로부터 내측 방향으로 가늘어지는 상부 테이퍼부(upper tapered portion) 및 상기 파이프 몸체 방향으로 내측으로 연장하는 완만한 테이퍼(slower taper)를 따라 형성된 하부 테이퍼부를 포함한다. 대안적으로, 상기 박스 스웨이지는 상기 상부 및 하부 테이퍼부들 사이에서 축상으로 배치된 개재부(intermediate portion)를 포함할 수 있으며, 이 경우에, 상기 개재부는 원통형 또는 상기 상부 및 하부들보다 완만하게 가늘어지도록 형성될 수 있다. 다른 경우에 있어서, 도 3에 도시된 핀(11)과 같은 맞닿는 핀을 수용하기 위하여, 상기 박스 나사산들은 상기 상부 내에 형성되며, 상기 하부 또는 상기 개재부가 되는 상기 인접부(adjacent portion)의 내부 스웨이지된 직경 내에서 런-아웃된다. 따라서, 원래 파이프 벽 두께보다 두꺼운 박스 벽을 제공하도록 업셋(upset)된 파이프를 요구하지 않고도, 상기 파이프 단면적 만큼 선택적으로 큰 임계 박스 단면적이 제공되어 상기 파이프 몸체만큼 강한 연결부를 형성할 수 있다. 상기 박스 나사산 런-아웃에서 상기 박스 내부 스웨이지 직경은 상기 파이프 내측 직경 둘레에 충분한 방사상 폭을 제공하기에 충분하도록 크게 제조되어 설치 동안 핀 나사산들을 지지하고 조작력(handling force)에 대항하기에 충분히 넓은 핀 페이스(14)를 배치하는 것이 바람직하다. 상기 파이프 강도의 100% 미만을 갖는 파이프 연결부를 요구하는 서비스들(services)을 위하여, 65%보다 낮은 박스 강도가 양 단면을 반듯하게 자른 파이프(plain end pipe) 내에 형성될 수 있기 때문에 본 발명에 따른 연결부는 상기 파이프 몸체의 75% 내지 100% 사이의 강도(strength)를 가지도록 제공될 수 있다.

본 발명의 부가적인 특징은 도 8에 도시된 80도 미만으로 조립된 상기 나사산들의 맞닿는 스탭 프랭크들 사이에서 발생할 수 있는 압력 각을 제한함으로써, 상기 나사산들의 손상 없이 최소한도의 시간 및 노력으로 상기 핀 및 상기 박스 나사산들의 적절한 스탭 및 조립(makeup)을 확보한다. 그러나, 최소 압력 각이 스탭 프랭크 각에 동일한 단지 60도의 상기 압력 각이 이용되는 것이 바람직하다. 상기 압력 각은, 나사산들 사이의 상호 접촉점을 통하여 도시된 파이프 축과 포스 라인(force line) 사이에서의 예각이고, 이 때 상기 포스 라인은, 스탭 위치에 배치될 때에 핀과 박스 나사산들 사이에서 접촉하는 선에 수직한다. 상기 포스 라인은 스탭되는 파이프의 무게에 의해 일반적으로 발생된 맞닿는 스탭 프랭크들 사이로 전달되는 저항력(resisting force)의 순간적인 위치 및 방향을 정의한다.

도 1은 조립체에 의해 야기된 나사산 부정합을 도시한 API 5B 나사산들의 단편적인 부분이다.

도 2는 서비스 동안 나사산 분리를 도시한 API 5B 연결부의 단편적인 부분이다.

도 3은 본 발명에 따른 박스 및 핀의 바람직한 실시예의 단편적인 부분이다.

도 4는 본 발명에 따른 박스 스웨이지(box swage)의 단편적인 부분이다.

도 5는 본 발명에 따른 교번(alternate) 박스 스웨이지의 단편적인 부분이다.

도 6은 맞닿는 스탭 프랭크들 사이에서 낮은 압력 각을 도시한 단편적인 부분이다.

도 7은 맞닿는 스탭 프랭크들 사이에서 높은 압력 각을 도시한 단편적인 부분이다.

도 8은 본 발명에 따른 압력 각의 단편적인 부분이다.

도 3에서 개시된 본 발명의 바람직한 실시예는 일정한 리드(3)의 암나사산(2)을 구비한 박스(1); 박스 페이스(4); 박스 중간부(mid-section)(5); 박스 넥(box neck)(6); 박스 포지티브 스탭 프랭크(7); 박스 네거티브 로드 프랭크(8); 박스 원통형 크레스트(9); 및 박스 골밑(10)을 제시한다. 상기 박스(1)는 파이프(28) 상에 형성된 핀(11)과 조립되며, 상기 핀(11)은 다양한 축 리드(13)로 형성된 핀 나사산(12); 핀 페이스(14); 핀 보어(21); 핀 중간부(15); 핀 넥(16); 핀 포지티브 스탭 프랭크(17); 핀 네거티브 로드 프랭크(18); 핀 원통형 크레스트(19); 및 핀 골밑(20)을 구비한다. 상기 핀 페이스(14)에서 상기 핀 나사산의 상기 리드(13)는 그것의 맞닿는 박스 나사산의 리드보다 짧게 형성되며, 상기 핀 나사산 리드는 상기 핀 페이스로부터 상기 핀 넥까지의 방향으로 각각의 회전을 증가시켜, 조립 동안 나사산 간섭이 증가하는 것처럼, 모든 맞닿는 리드 길이들이 나사산 조립(makeup) 위치에서 실질적으로 동일하게 될 때까지 포아송비에 따라 핀 길이는 증가하고 박스 길이는 짧아진다. 핀 단부에 근접하는 나사산 접촉 압력을 증가시키거나 보다 나은 유지를 원할 경우, 그 길이 내에 상기 핀 나사산 리드를 더 감소시킴으로써 상기 박스와 결합될 때 상기 핀 페이스와 상기 핀 중간부 사이의 상기 핀 내에 축 장력(axial tension)이 도입될 수 있다. 일반적으로 맞물린 나사산들과 가장 두꺼운 벽들의 중간 길이에서 교대로 박스 및 핀 벽들의 가장 두꺼운 조합은 발생하며, 상기 맞닿는 나사산들 사이에서 가장 큰 접촉 압력이 발생한다. 따라서, 유체 압력을 기밀시키고 상기 나사산들의 헐거움을 방지하기 위하여, 상기 중간부 나사산들을 위하여 충분히 작도록 되어 상기 박스와 관련하여 축 이동에 대항하는 상기 핀을 단단히 고정하는 상기 스탭 프랭크 각이 바람직하다. 방사상 나사산 간섭으로부터의 도움없이, 그들의 맞닿는 박스 나사산들과의 맞물림을 기밀함에 있어서 핀-단부 나사산들을 고정시키기에 충분한 네거티브 로드 프랭크 각 상으로 하중(load)를 유도하도록 요구된 박스와 핀 나사산들 사이의 리드 길이 조절은 다양한 프랭크 각 및 직경 조합들로 계산될 수 있으며, 그러나 여기에서 알려진 그 원리는 일정하다. 상기 핀 페이스와 핀 중간부 사이의 상기 핀에서 상기 축 장력 전-하중(pre-load)은 그들이 탄성적으로 또는 성형적으로 팽창되거나, 또는 외부 유체 압력에 의해 수축될 때, 상기 맞닿는 나사산들의 기밀 접촉을 유지할 수 있는 세기로 형성된다. 비율 내에서의 누출(fluxuating); 고압 및/또는 고온 내부 또는 외부 유체에 대항하여 동시에 또는 연속적으로 기밀하기 위하여 본 발명은 상기 핀 페이스 근처의 상기 핀 내에 하부 호프 압축(lower hoop compression)을 가능하게 하며, 그런 다음, 그것은 요구되지 않는다. 적당한 포지티브 스탭 프랭크 각의 선택은 적어도 서비스 하중들(service loads); 파이프 크기 및 벽 두께; 파이프 물질 및 나사산 간섭을 고려하여야만 한다. 정격 내부 및 외부 유체 압력 및 기계적인 하중들의 임의의 조합하에서 맞물린 나사산들을 유지하도록 충분하게 큰 네거티브 로드 프랭크 각들의 선택은 본 발명을 실행하도록 요구되고, 그리고 계산들 및 테스트들은 포지티브 7도(degree) 스탭 프랭크들에 평행하도록 제조된 네거키브 7도 로드 프랭크들이 충분하다는 것을 보여주지만, 그러나, 다른 프랭크 각 조합들이 본 발명의 사상 내에서 이용될 수 있다는 것으로 이해되어야 한다.

도 4에 도시된 박스 스웨이지 특징의 바람직한 실시예는 파이프(44); 단부(38), 내부 원뿔면(36) 및 외부 원뿔면(37)을 가지는 박스(27)의 상부 스웨이지부(32); 내부 원뿔면(34)을 가지는 하부 스웨이지부(43)를 포함한다. 스웨이지 단부(38)는 박스 페이스(39)를 형성하도록 제조되며, 상기 박스(27)의 최외곽 직경은 가늘어진 박스 나사산들(29)을 지지하고, 취급 목적을 위하여 충분하게 강한 단부 박스 벽을 제공하기에 충분히 큰 직경(40)으로 제조된다. 박스 나사산들은 박스 페이스(39)로부터, 접합 직경(juncture diameter)(41) 이상의 하부 스웨이지부(43) 내에서 내면(34)으로부터 그들의 런-아웃(run-out)(45)으로 연장하여, 상기 런-아웃(45)와 상기 하부 스웨이지부(43)의 외면(48) 사이에 형성된 임계 영역(26)이 파이프 몸체 단면적(30) 만큼 클 수 있다. 박스 나사산들이 상기 스웨이지 내에 제조되어, 스웨이지된 박스와 전강 접합(full-strength connection)을 만들도록 요구되는 것과 같이 상기 파이프 연결 면적 만큼 큰 상기 박스 및 핀의 임계 영역들을 선택적으로 제공한다는 것은 여기에서 분명하다. 유체 압력을 함유하는 하부 스웨이지부(43)의 용량은 상기 하부 스웨이지부(43)가 원래 파이프 크기로부터 외측으로 스웨이지된 후, 상기 파이프보다 작은 "외부 직경 비율에 대한 벽 두께"를 가지기 때문에, 상기 파이프 몸체 용량보다 조금 작은 것으로 가정될 수 있다. 그러나, 상기 하부 스웨이지부(43)는 스웨이징 동안 소성 변형된(work-hardened) 그 자체의 유닛 강도를 가지고 있으며, 스웨이지된 그 자체의 두께가 더욱 일정하게 유지되고, 그리고 또한, 근접하게 하부 스트레스된 파이프 벽들에 의해 상부 및 하부에서 지지되도록 충분히 짧으며, 그리고 이는 파이프 API 유체 압력 비율 계산이 파이프 공칭 벽(pipe nominal wall)의 단지 7/8 파이프 벽으로 가정되기 때문이다. 따라서, 만일, 스웨이지 내측 직경이 파이프 내측 직영보다 단지 14% 크다면, 상기 파이프에 대한 상기 박스의 하중 감소(load de-rating)가 요구되지 않을 수 있다. 상기 접합 직경(41)은 상기 파이프 내부 직경(31) 둘레에 충분한 방사상 폭을 상기 핀 페이스(14)에 위치하기에 충분히 크도록 형성된다.

교번 박스 스웨이지 형상은 도 5에 도시되며, 여기서, 개재된 스웨이지부(intermediate swage portion)(33)는 내부 접합 직경(innerjunction diameter)(46)에서 상부 스웨이지부(32)에 그리고 하부 스웨이지부(43)에 연결되어, 상기 박스(27) 내의 상기 박스 나사산(29)이 그들 사이의 상기 임계 영역(26)을 가지는 개재된 스웨이지부의 내면(35)에서 그리고 참조 번호 42에서 런-아웃될 것이며, 상기 개재된 스웨이지부는 원통 형상으로 또는 상기 부분들(32, 43)보다 완만하게 가늘어지도록 형성된다. 상기 개재된 스웨이지부(33)의 이용에 따라, 상기 상부 스웨이지부 및 하부 스웨이지부들은 둘 다 나사산 리-컷(thread re-cut)이 가능한 충분한 축 길이로 형성된 상기 개재된 스웨이지부를 가지는 상기 박스 나사산과 동일한 가늘어짐 상태가 됨에 따라, 상기 박스 나사산은 손상된다. 비록 여기에서 도시된 나사산들이 높은 압력 가스에 대항하는 기밀을 제공하였지만, 종종 금속-대-금속 기밀로 불리는 본 발명자의 특허인 미연방 특허 번호 제2,766,829호에 따른 핀-단부 립 기밀(pin-end lip seal)이 본 발명에 따라 연결들에 부가될 수 있으며, 사용자 시방서들(user specifications)은 그것을 요구할 수 있다.

도 8은 종래의 나사산을 변경하여 도 7에 도시된 과도한 압력 각(extreme pressure angle)의 가능성을 방지하는 본 발명에 따른 나사산 형성을 보여준다. 핀 스탭 프랭크(70)는 도 8에 도시된다. 상기 핀이 상기 박스 내에 스탭될 때, 상호 접촉점(22)에서 박스 스탭 프랭크(71)와의 제1 접촉을 만들며, 본 발명에 따라 종래의 핀 크레스트의 일부가(84) 제거되어 핀 크레스트(90)를 형성하고, 종래의 박스 크레스트의 일부(83)가 제거되어 박스 크레스트(91)를 형성하여, 비록 압력 각이 경량 나사산들(light duty threads)을 위한 80도 만큼 크거나 또는 상기 나사산 스탭 프랭크 각만큼 작더라도, 바람직한 압력 각인 단지 60도가 되도록 핀 축과 힘 벡터 사이에 형성된 압력 각(92)을 제한한다. 표면들(74, 75)은 아치형(arcuate)으로 도시되지만, 그러나 원뿔형 또는 크레스트들(90, 91)에 접하는 원뿔형 표면들과 접하도록 상기 스탭 프랭크로부터 연장하는 아치형 표면들과 같은 조합으로 다르게 형성될 수 있다. 상기 핀 크레스트(90)와 상호 접선(mutual tangent line)(23) 사이에 형성된 둔각(obtuse angle)(90) 및 상기 박스 크레스 트(91)와 상호 접선(23) 사이에 형성된 둔각(95)은 상기 표면들의 접촉에서 기계적 손상에 충분하게 저항하도록 충분한 크기를 각각 가진다. 핀 골밑(98) 및 상기 골밑(98)과의 접촉을 통하여 골밑 반경에 접하도록 도시된 선(85) 사이에 형성된 둔각(96)은 상기 박스 골밑에서의 형상들과 유사한 형상을 가지고 허용가능한 크기로 상기 핀 골밑에서 스트레스 집중을 감소시키기에 충분히 크다. 크레스트들과 골밑들 사이의 최소 갭들이 매우 높은 압력 기밀을 초래하도록 하는 것과 같은 목적들을 요구하지 않을 때, 상기 골밑들은 박스 크레스트(91)와 교번 핀 골밑(89) 사이에 갭(97)을 남기는 참조 번호 99에서와 같이 반경들과 접하게 형성될 수 있다. 상기 압력 각이 제한되어 상기 핀이 상기 박스 내에 스탭되는 동안 나사산들 사이에서 과도한 베어링 스트레스들 어떻게 방지하는지, 손상 없이 빠르고 쉽게 제조하는지, 그리고 골밑 스트레스 집중(root stress concentration)을 어떻게 감소시키는지는 여기에서 분명해진다.

상기 파이프 연결부는 건조 가스를 기밀시키고 견딜 수 있기 때문에, 그리고 상기 연결부는 유체 압력들을 기밀시키고 기계적인 하중들을 견딜 수 있는 파이프와 동일하게 관주될 수 있기 때문에 본 발명의 모든 방법들은 튜빙(tubing), 캐이싱(casing), 드라이브-파이프(drive-pipe), 케이슨(cassions), 파이프라인들, 수직도관들(risers), 텐돈들(tendons), 및/또는 타이-백들(tie-backs) 상에서 오일 및 가스 분야들에서 다운-홀(down-hole)로 이용될 수 있다. 나사관 연결부들은 현재 정련소들(refineries), 공정 플랜트들, 파워 플랜트들, 파이프라인들에서 이용되고 있으며, 이와 같은 것은 그들이 헐거워지고, 누출되고, 그리고 파열되기 때문에 작은 크기들 및 낮은 유체 압력들로 제한되었지만, 본 발명에 따른 연결부는 그렇지 않으며, 따라서 본 발명에 따른 연결부들은 파이프가 이용되는 어떤 분야에서도 다양하게 이용될 수 있다.

Claims

삭제
리드(13), 핀 페이스(14), 핀 중간부(15) 및 로드 프랭크(18) 상에 형성된 핀 나사산(12)을 구비한 핀(11)과의 맞닿는 조립을 위하여 리드(3) 및 로드 프랭크(8) 상에 형성된 박스 나사산(2)을 구비한 박스(1)를 포함하는 파이프 연결부에 있어서,

핀 나사산 리드는 박스 나사산 리드보다 충분하게 짧게 제조되어 상기 맞닿는 나사산들의 리드들이 조립시에 실질적으로 동일하도록 상기 핀과 상기 박스의 조립 동안 발생하는 핀 나사산의 축 연장 및 박스 나사산의 축 수축을 오프셋시키고,

상기 핀 페이스와 중간부 사이의 상기 핀 나사산 리드들은, 조립 상태에서, 리드에서의 차이가 상기 핀 페이스와 상기 핀 중간부 사이의 상기 핀에서 축 인장 하중을 부가하기에 충분하도록 그들의 맞닿는 박스 나사산들보다 짧게 형성되며,

상기 인장 하중은 규정된 서비스 하중들에 대항하는 기밀 접촉에 있어서 그들의 맞닿는 핀 로드 프랭크들에 대항하는 박스 로드 프랭크를 전-하중(preload)시키기에 충분한 것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
파이프(44) 상에 스웨이지되며, 페이스(39)를 갖는 박스(27) 및 상기 페이스로부터 상기 파이프 방향으로 내측으로 테이퍼된 상부 스웨이지부(32)를 포함하는 파이프 연결부로서, 상기 상부 스웨이지부는 핀 페이스(14)를 가지는 핀(11) 상에서 나사산(12)과의 맞닿는 맞물림(mating engagement)을 위하여 테이퍼된 박스 나사산들(29)로 형성되는 파이프 연결부에 있어서,

상기 스웨이지는 상기 상부 스웨이지부로부터 상기 파이프까지 내측으로 테이퍼되는 하부 스웨이지부(43)를 가지며;

상기 박스 나사산은 상기 하부 스웨이지부의 런-아웃 및 외면(48) 사이에서 방사상으로 배치된 임계 영역(26)을 형성하기 위하여 상기 하부 스웨이지부의 내면(34)에서 상기 박스 페이스로부터 상기 나사산 런-아웃(45)까지 내측으로 테이퍼링되고; 그리고

상기 상부 스웨이지부와 상기 하부 스웨이지부의 접합점(juncture)에서 가장 내측 접합 직경(innermost juncture diameter)(41)을 포함하고;

상기 접합 직경은 핀 나사산들을 지지하고 서비스 하중들을 저항하기에 충분한 폭을 가지는 상기 핀 페이스(14)를 배치하기에 충분한 파이프 보어(pipe bore) 둘레에 방사상 폭을 제공하는 크기를 가지며;

상기 하부 스웨이지부는 상기 상부 스웨이지부보다 작게 테이퍼되도록 형성되어 맞물린 박스 및 핀 나사산들이 핀 외경으로부터 상기 접합 직경 아래의 상기 하부 스웨이지부의 내면까지 실질적으로 연장함으로써, 파이프 강도의 75% 내지 100% 사이에서 스웨이지된 연결 강도를 선택적으로 제공하고;

핀 나사산 리드는 박스 나사산 리드보다 충분하게 짧게 제조되어 상기 맞닿는 나사산들의 리드들이 조립시에 실질적으로 동일하도록 상기 핀과 상기 박스의 조립 동안 발생하는 핀 나사산의 축 연장 및 박스 나사산의 축 수축을 오프셋시키는 것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
프랭크(70) 및 핀 크레스트(pin crest)(90) 사이에 형성된 표면(74)을 가지는 핀 스탭(stab) 프랭크(70);

프랭크(71) 및 박스 크레스트(91) 사이에 형성된 표면(75)을 가지는 박스 스탭 프랭크(71);

스탭 시, 상기 표면들(74, 75) 사이에서 상호 접촉점(22)이 되는, 핀 및 박스 나사산들 사이의 제1 접촉부;

상기 상호 접촉점을 통하여 연장하는 접선(23);

상기 접선(23)에 수직하는 접점을 통하여 연장하는 힘 벡터(24);

파이프 축(25) 및 상기 힘 벡터 사이에서 측정되는 압력 각(92)을 포함하는 나사산으로 형성된 파이프 연결부에 있어서, 상기 파이프 연결부는,

상기 핀이 상기 박스 내부로 스탭될 때, 상기 압력 각이 75도를 넘지않도록 형성된 스탭 프랭크들을 포함하고,

핀 나사산 리드는 박스 나사산 리드보다 충분하게 짧게 제조되어 상기 맞닿는 나사산들의 리드들이 조립시에 실질적으로 동일하도록 상기 핀과 상기 박스의 조립 동안 발생하는 핀 나사산의 축 연장 및 박스 나사산의 축 수축을 오프셋시키는 것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
청구항 3에 있어서,

상기 스웨이지된 박스는 상기 상부 스웨이지부 및 상기 하부 스웨이지부들 사이에 배치된 개재된 스웨이지부(33)를 더 포함하되,

상기 개재된 스웨이지부는 내면(35)을 가지며, 상기 개재된 스웨이지부는 상기 상부 스웨이지부 또는 상기 하부 스웨이지부보다 완만한 테이퍼로 형성되어 맞물리고 맞닿은 박스 및 핀 나사산들이 상기 개재된 스웨이지부의 내면(35)에서 상기 핀 외경으로부터 나사산 런-아웃(42)까지 연장함으로써, 파이프 강도의 75% 내지 100% 사이에서 스웨이지된 연결 강도를 선택적으로 제공하는 것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
청구항 2 또는 4에 있어서,

모든 박스 나사산들은 동일한 리드로 형성되며, 적어도 일부의 상기 핀 나사산들은 그들의 맞닿는 박스 나사산들보다 짧은 리드들로 형성되는 것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
청구항 6에 있어서,

상기 핀 나사산들의 리드는 상기 핀 페이스로부터 상기 핀 넥(16) 방향으로 증가하는 것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
청구항 2 또는 4에 있어서,

상기 모든 핀 나사산들은 동일한 리드로 형성되며, 적어도 일부의 상기 박스 나사산들은 상기 맞닿는 핀 나사산들보다 긴 리드로 형성되는 것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
청구항 8에 있어서,

적어도 일부의 상기 박스 나사산들은 상기 박스 페이스로부터 상기 박스 넥 방향으로 리드에서 증가하는 것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
청구항 2 또는 4에 있어서,

상기 나사산들은 원통형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
청구항 2 또는 4에 있어서,

상기 박스 나사산은 테이퍼 상에 형성되며, 상기 핀 나사산은 상기 박스 나사산보다 완만한 테이퍼 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
청구항 2 또는 4에 있어서,

상기 나사산들은 규정된 서비스 하중들에 대항하는 상기 맞닿는 나사산들의 기밀 맞물림을 유지하기에 충분한 크기의 네거티브 로드 프랭크 각을 가지는 것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
청구항 2 또는 4에 있어서,

상기 나사산들은 충분한 크기의 네거티브 각 상에 형성된 로드 프랭크들을 구비하여 규정된 서비스 하중들에 대항하는, 상기 맞닿는 나사산들 사이에서 축상으로 그리고 방사상으로 접촉 기밀 압력들을 유지하기에 충분한 축 인장 하중들로부터 방사상 힘 벡터를 가하는 것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
청구항 13에 있어서,

상기 맞닿는 나사산들은 조립 상태에서 직경 간섭을 가져서 연결 비율 내의 모든 하중들에 대항하는 기밀 접촉에 있어서 맞닿는 나사산들을 유지하기에 충분하도록 상기 맞닿는 나사산들 사이에 접촉 압력들을 이루는 것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
청구항 2에 있어서,

상기 축 인장 하중은 스탭 프랭크들을 맞닿게 함으로써 중간부에서 고정되며, 상기 축 인장 하중은 로드 프랭크들을 충분히 맞닿게 함으로써 상기 핀 페이스 방향으로 고정되어 상기 박스 및 상기 핀 사이의 상대적인 축 운동을 방지하는 것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
청구항 2 또는 4에 있어서,

상기 나사산들은 웨지나사산들(wedgethreads)인 것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
청구항 2 또는 4에 있어서,

상기 나사산들은 네거티브 스탭 프랭크들을 가지는 것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
청구항 2 또는 4에 있어서,

상기 나사산들은 포지티브 스탭 프랭크들을 가지는 것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
청구항 2 또는 4에 있어서,

상가 나사산들은 네거티브 로드 프랭크들을 가지는 것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
청구항 2 또는 4에 있어서,

상기 나사산들은 포지티브 로드 프랭크들을 가지는 것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
청구항 2 또는 4에 있어서,

상기 나사산들은 상기 파이프 축에 수직하도록 형성된 로드 프랭크들을 가지는 것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
청구항 2 또는 4에 있어서,

상기 나사산들은 상기 파이프 축에 수직하도록 형성된 스탭 프랭크들을 가지는 것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
청구항 2 또는 4에 있어서,

상기 나사산들은 네거티브 로드 프랭크들 및 네거티브 스탭 프랭크들을 가지는 것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
청구항 2 또는 4에 있어서,

상기 파이프 방향으로 내측으로 테이퍼링되고 내부 테이퍼된 나사산들(29)로 형성된 상부 스웨이지부(32)를 갖는 상기 연결부는:

상기 상부 스웨이지부로부터 상기 파이프까지 내측으로 테이퍼되는 하부 스웨이지부(43);

상기 하부 스웨이지부의 내면(34);

상기 상부 스웨이지부와 상기 하부 스웨이지부의 접합점에서 가장 내측 접합 직경(41); 및

파이프 내경(31) 둘레에 핀 페이스(14)를 위치시키기에 충분한 크기를 가지는 직경(41)을 더 포함하되,

상기 핀 페이스 폭은 서비스 스트레스들을 저항하기에 충분하며, 상기 하부 스웨이지부는 상기 상부 스웨이지부보다 작게 테이퍼되도록 형성되어 상기 박스 나사산들이 상기 핀 외경으로부터 상기 하부 스웨이지부의 내면까지 실질적으로 맞닿는 나사산들을 맞물리게 함으로써, 파이프 강도의 75% 내지 100% 사이에서 선택적으로 강도를 가지는 스웨이지된 연결을 제공하는 것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
청구항 24에 있어서,

상기 상부 스웨이지부 및 하부 스웨이지부들 사이에서 축상으로 형성된 개재된 스웨이지부(33)를 더 포함하되,

상기 개재된 스웨이지부는 상기 상부 스웨이지부 또는 상기 하부 스웨이지부보다 완만한 테이퍼로 형성된 내면(35)을 구비하여 상기 박스 나사산들이 맞닿는 핀 나사산들을 충분하게 맞물리게 함으로써 파이프 강도의 75% 내지 100% 사이에서 선택적으로 스웨이지된 박스 강도를 제공하는 것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
청구항 25에 있어서,

상기 개재된 스웨이지부는 원통형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 파이프 연결부.
핀 넥(16)을 구비한 파이프(28) 상에 형성된 핀(11);

리드(13) 상에 형성된 핀 나사산(12);

핀 페이스(14);

핀 스탭 프랭크(70); 및

상기 프랭크(70)와 핀 크레스트(90) 사이에 형성된 표면(74)을 포함하되,

상기 핀은 파이프(40) 상에 스웨이지된 박스(27)와 맞닿도록 형성되어 상기 파이프 방향으로 내측으로 테이퍼링하는 상부 스웨이지부(32)를 제공하며, 상기 박스는 리드(3) 상에 테이퍼된 나사산들(29)로 형성되며, 상기 박스 나사산들은 스탭 프랭크(71), 및 상기 프랭크(71)와 박스 크레스트(91) 사이에 형성된 표면(75) 가지는 파이프 연결부에 있어서, 상기 파이프 연결부는,

가장 내측 접합 직경(46)에서 상부 스웨이지부와 연결되는 개재된 스웨이지부(33); 및

상기 개재된 스웨이지부의 하부 말단에 연결되는 하부 스웨이지부(43)를 포함하되,

상기 박스 및 상기 핀의 상기 스탭 프랭크들은 상기 핀이 스탭부에서 상기 박스 내에 배치되도록 형성되며, 압력 각은 75도보다 크지 않으며, 상기 핀 나사산 리드는 상기 박스 나사산 리드보다 충분하게 짧아서, 맞닿는 나사산들의 축 리드들이 상기 연결부의 조립 상태에서 실질적으로 동일하도록 상기 핀과 상기 박스의 조립 동안 발생하는 상기 핀 나사산의 축 연장 및 상기 박스 나사산의 축 수축을 오프셋(offset)시키며,

중간부와 핀 페이스 사이의 상기 핀 나사산 리드는 조립전에 상기 박스 나사산 리드보다 짧게 부가적인 양으로 형성되어 조립시에 상기 핀 페이스와 상기 핀 중간부 사이의 상기 핀에서 축 인장력을 가하며, 상기 인장력은 서비스 하중들에 대항하는 기밀 접촉에 있어서 서로 축상으로 그리고 방사상으로 네거티브 로드 프랭크들을 락시키기에 충분하며,

상기 가장 내측 접합 직경은 핀 외경으로부터 상기 가장 내측 접합 직경 아래의 개재된 스웨이지부 내면의 내부로 실질적으로 연장될 수 있어서, 파이프 강도의 75% 내지 100% 사이에서 연결 강도를 선택적으로 제공하는 것을 특징으로 하는 파이프 연결부.