관열 내 관의 방향 측정 방법 및 관열의 인덱싱 방법(METHOD OF DETERMINING THE ORIENTATION OF A PIPE IN A PIPE STRING AND METHOD OF INDEXING A STRING OF PIPE)

(19)대한민국특허청(KR)
(12) 등록특허공보(B1)

(51) 。Int. Cl.
B23B 7/00 (2006.01)
(45) 공고일자
(11) 등록번호
(24) 등록일자
2007년05월28일
10-0721296
2007년05월17일
(21) 출원번호 10-2002-7011685 (65) 공개번호 10-2002-0091119
(22) 출원일자 2002년09월06일 (43) 공개일자 2002년12월05일
심사청구일자 2005년12월08일
번역문 제출일자 2002년09월06일
(86) 국제출원번호 PCT/US2001/000050 (87) 국제공개번호 WO 2001/66288
국제출원일자 2001년01월02일 국제공개일자 2001년09월13일
(81) 지정국 국내특허 : 오스트레일리아, 브라질, 캐나다, 스페인, 일본, 대한민국, 멕시코, 노르웨이, 뉴질
랜드,
EP 유럽특허 : 오스트리아, 벨기에, 스위스, 독일, 덴마크, 스페인, 프랑스, 영국, 그리스, 아일
랜드, 이탈리아, 룩셈부르크, 모나코, 네덜란드, 포르투칼, 스웨덴, 핀란드, 사이프러스,
(30) 우선권주장 09/520,256 2000년03월07일 미국(US)
(73) 특허권자 헌팅 에너지 서비시즈 엘. 피.
미국 텍사스주 77060-3236 휴스턴 수트 500 노스포인트 드라이브 2
(72) 발명자 스타우트존제이
미국텍사스주77546프렌즈우드코로나도드라이브1810
굿슨에이취딘
미국텍사스주77073휴스턴블루글렌2823
애쉬비챨스엘
미국텍사스주77503패사데나앨리다2014
(74) 대리인 김성기
김태홍
(56) 선행기술조사문헌
US04614120A 1
심사관 : 김병남
전체 청구항 수 : 총 10 항
(54) 관열 내 관의 방향 측정 방법 및 관열의 인덱싱 방법
(57) 요약
등록특허 10-0721296
- 1 -
본 발명에 따른, 핀 스트링 내 관이음 조립 방법에 의하면, 관열 내 제2 관(13)에 대한 관열 내 제1 관(13)의 상대적인 원주
방향을 알아낼 수 있다. 각각의 관이음은 커플링 부재(15)와 하나 이상의 핀 부재(13)를 포함하는데, 핀 부재(13)는 커플링
부재(15)에 나사 연결되어 관이음(11)을 형성한다. 각각의 이음매의 핀 부재(13) 및 커플링 부재(15)에 대해 나사(21, 29)
가 형성되며, 각각의 핀 부재와 커플링 부재는 정렬 마킹(35, 37)이 새겨진다. 각각의 핀 부재에 대한 나사(21)는, 관열 내
다른 핀 부재에 있는 나사와 동일하게 형성된다. 이것은, 커플링 마킹 게이지(43)를 사용하여 각각의 핀 부재의 총 회전 용
량을 조정하고, 필요에 따라 나사 깊이를 조절함으로써 행해진다.
대표도
도 1
특허청구의 범위
청구항 1.
일련의 이음매를 갖는 관열 내 제1 관의 방향 측정 방법으로서,
상기 관열은 유정구(油井口)에 삽입되는 것이며, 상기 각각의 이음매는 커플링 부재에 나사 연결되는 핀 부재를 구비하며,
상기 핀 부재와 커플링 부재는 관열에 설치될 때 완전 맞물림 위치에 배치되고,
상기 방향 측정 방법은,
각각의 핀 부재 상에 핀 정렬 마킹을 배치하는 단계;
각각의 커플링 부재 상에 커플링 정렬 마킹을 배치하는 단계;
핀 부재와 커플링 부재가 완전 맞물림 위치에 있을 때 핀 정렬 마킹이 커플링 정렬 마킹과 원주방향으로 정렬되도록, 각각
의 핀 부재와 각각의 커플링 부재 상에 복수의 나사를 계산된 깊이로 기계 가공하는 기계 가공 단계; 및
제1 관의 원주방향 위치를 측정하기 위해 관열 내 제2 관의 방향을 관찰하는 단계를 포함하고,
상기 기계 가공 단계는,
핀 게이지 정렬 마킹을 구비하는 핀 마킹 게이지와, 커플링 게이지 정렬 마킹을 구비하는 커플링 마킹 게이지를 준비하는
단계로서, 상기 게이지들은 제1 접촉 위치에서 서로 나사로 맞물리게 되어 있어서, 핀 게이지 정렬 마킹이 커플링 게이지
정렬 마킹으로부터 예정된 거리만큼 원주방향으로 오프셋되는 것인 마킹 게이지 준비 단계;
핀 부재의 환형 외표면에 최초 핀 깊이로 복수의 나사를 기계 가공하는 단계;
커플링 마킹 게이지와 핀 부재가 제1 접촉 위치에 있을 때까지 핀 부재에 커플링 마킹 게이지를 나사 연결하는 단계;
핀 정렬 마킹과 커플링 게이지 정렬 마킹 사이의 원주방향 오프셋에 기초하여 핀 부재의 나사의 최초 핀 깊이를 변화시키
는 단계;
커플링 부재의 환형 내표면에 복수의 나사를 기계 가공하여, 최초 커플링 깊이에 멈춤 숄더를 형성하는 단계;
핀 마킹 게이지와 커플링 부재가 제1 접촉 위치에 있을 때까지 커플링 부재에 핀 마킹 게이지를 나사 연결하는 단계; 및
커플링 정렬 마킹과 핀 게이지 정렬 마킹 사이의 원주방향 오프셋에 기초하여 멈춤 숄더의 최초 커플링 깊이를 변화시키는
단계
등록특허 10-0721296
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를 더 포함하는 것인 관열 내 제1 관의 방향 측정 방법.
청구항 2.
제1항에 있어서, 상기 관열 내 제2 관의 방향을 관찰하는 단계는 핀 정렬 마킹 또는 커플링 정렬 마킹을 관찰하는 단계를
포함하는 것인 관열 내 제1 관의 방향 측정 방법.
청구항 3.
제1항에 있어서, 상기 모든 기계 가공 단계는 컴퓨터로 제어되는 것인 관열 내 제1 관의 방향 측정 방법.
청구항 4.
제2항에 있어서,
모든 기계 가공 단계 중에는, 핀 정렬 마킹이 기준 정렬 마킹과 원주방향으로 정렬되도록 핀 부재를 배치하는 단계; 및
모든 기계 가공 단계 중에는, 커플링 정렬 마킹이 기준 정렬 마킹과 원주방향으로 정렬되도록 커플링 부재를 배치하는 단
계
를 더 포함하는 것인 관열 내 제1 관의 방향 측정 방법.
청구항 5.
일련의 이음매를 갖는 관열 내 제1 관의 방향 측정 방법으로서,
상기 관열은 유정구(油井口)에 삽입되는 것이며, 상기 각각의 이음매는 커플링 부재에 나사 연결되는 핀 부재를 구비하며,
상기 핀 부재와 커플링 부재는 관열에 설치될 때 완전 맞물림 위치에 배치되고,
상기 방향 측정 방법은,
각각의 핀 부재 상에 핀 정렬 마킹을 배치하는 단계;
각각의 커플링 부재 상에 커플링 정렬 마킹을 배치하는 단계;
핀 부재와 커플링 부재가 완전 맞물림 위치에 있을 때 핀 정렬 마킹이 커플링 정렬 마킹과 원주방향으로 정렬되도록, 각각
의 핀 부재와 각각의 커플링 부재 상에 복수의 나사를 계산된 깊이로 기계 가공하는 기계 가공 단계; 및
제1 관의 원주방향 위치를 측정하기 위해 관열 내 제2 관의 방향을 관찰하는 단계를 포함하고,
상기 기계 가공 단계는,
핀 게이지 정렬 마킹을 갖는 핀 마킹 게이지와, 커플링 게이지 정렬 마킹을 구비하는 커플링 마킹 게이지를 준비하는 단계
로서, 상기 게이지들은 제1 접촉 위치에서 서로 나사로 맞물리게 되어 있어서, 핀 게이지 정렬 마킹이 커플링 게이지 정렬
마킹으로부터 예정된 거리만큼 원주방향으로 오프셋되는 것인 마킹 게이지 준비 단계;
핀 부재의 환형 외표면에 최초 핀 깊이로 복수의 나사를 기계 가공하는 단계;
등록특허 10-0721296
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커플링 마킹 게이지와 핀 부재가 제1 접촉 위치에 있을 때까지, 핀 부재에 커플링 마킹 게이지를 나사 연결하는 단계;
나사의 최초 핀 깊이를 감소시키기 위해서 핀 부재의 전방면을 기계 가공하는 단계로서, 제거되는 재료의 양은 핀 정렬 마
킹과 커플링 게이지 정렬 마킹 사이의 원주방향 오프셋에 기초하는 것인 핀 부재 전방면 기계 가공 단계;
커플링 부재의 환형 내표면에 복수의 나사를 기계 가공하여 최초 커플링 깊이에 멈춤 숄더를 형성하는 단계;
핀 마킹 게이지와 커플링 부재가 제1 접촉 위치에 있을 때까지 커플링 부재에 핀 마킹 게이지를 나사 연결하는 단계; 및
커플링 정렬 마킹과 핀 게이지 정렬 마킹 사이의 원주방향 오프셋에 기초하여 멈춤 숄더의 최초 커플링 깊이를 증가시키는
단계
를 더 포함하는 것인 관열 내 제1 관의 방향 측정 방법.
청구항 6.
복수개의 이음매를 갖는 관열의 인덱싱 방법으로서,
상기 각각의 이음매는 전방면과 환형 외표면을 가지는 핀 부재를 구비하고, 상기 각각의 이음매는 환형 내표면을 가지는
커플링 부재를 구비하며, 상기 핀 부재와 커플링 부재는 완전 맞물림 위치에서 나사 연결되고,
상기 관열의 인덱싱 방법은,
핀 게이지 정렬 마킹을 구비하는 핀 마킹 게이지와, 커플링 게이지 정렬 마킹을 구비하는 커플링 마킹 게이지를 가공하는
단계로서, 상기 게이지들은 제1 접촉 위치에서 서로 나사로 맞물려서, 상기 핀 게이지 정렬 마킹이 상기 커플링 게이지 정
렬 마킹으로부터 예정된 원주방향 거리만큼 떨어지게 되는 것인 마킹 게이지 가공 단계;
상기 핀 부재 상에 핀 정렬 마킹을 배치하는 단계;
상기 핀 부재의 환형 외표면에 최초 핀 깊이로 복수의 나사를 기계 가공하는 단계;
상기 커플링 마킹 게이지와 상기 핀 부재가 제1 접촉 위치에 있을 때까지 상기 핀 부재에 상기 커플링 마킹 게이지를 나사
연결하는 단계;
상기 핀 정렬 마킹과 커플링 게이지 정렬 마킹 사이의 원주방향 거리에 기초하여 상기 핀 부재의 나사의 최초 핀 깊이를 변
화시키는 단계;
상기 커플링 부재 상에 커플링 정렬 마킹을 배치하는 단계;
상기 커플링 부재의 환형 내표면에 복수의 나사를 기계 가공하여, 최초 커플링 깊이에 멈춤 숄더를 형성하는 단계;
상기 핀 마킹 게이지와 커플링 부재가 제1 접촉 위치에 있을 때까지 상기 커플링 부재에 상기 핀 마킹 게이지를 나사 연결
하는 단계; 및
상기 커플링 정렬 마킹과 핀 게이지 정렬 마킹 사이의 원주방향 거리에 기초하여 멈춤 숄더의 최초 커플링 깊이를 변화시
키는 단계
를 포함하는 것인 관열의 인덱싱 방법.
청구항 7.
등록특허 10-0721296
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제6항에 있어서, 상기 핀 부재의 나사의 최초 핀 깊이를 변화시키는 단계는 상기 나사의 최초 핀 깊이가 감소하도록 상기
핀 부재의 전방면을 기계 가공하는 단계를 더 포함하는 것인 관열의 인덱싱 방법.
청구항 8.
제6항에 있어서, 상기 멈춤 숄더의 최초 커플링 깊이를 변화시키는 단계는 상기 멈춤 숄더의 최초 커플링 깊이를 증가시키
는 단계를 더 포함하는 것이 관열의 인덱싱 방법.
청구항 9.
제6항에 있어서, 상기 모든 기계 가공 단계는 컴퓨터로 제어되는 것인 관열의 인덱싱 방법.
청구항 10.
제6항에 있어서,
모든 기계 가공 단계 중에는, 핀 정렬 마킹이 기준 정렬 마킹과 원주방향으로 정렬되도록 핀 부재를 배치하는 단계; 및
모든 기계 가공 단계 중에는, 커플링 정렬 마킹이 기준 정렬 마킹과 원주방향으로 정렬되도록 커플링 부재를 배치하는 단
계
를 더 포함하는 것인 관열의 인덱싱 방법.
명세서
기술분야
본 발명은 일반적으로 관이음에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 관열(管列)(pipe string) 내 관의 다운홀(down-hole) 원
주방향이 동일 관열 내 임의의 다른 관의 방향에 의해 결정될 수 있도록 관이음을 조립하는 방법에 관한 것이다.
배경기술
각각의 이음매가 커플링 부재에 나사 연결된 핀 부재를 갖는 일련의 이음매가 있는 관열에서, 관열 내 다른 관에 대한 관열
내 어느 한 관의 상대적인 원주방향 위치를 알아내는 것이 바람직한 경우가 많다. 이러한 결과를 얻는 방법 중 하나는, 임
의의 핀 부재가 임의의 커플링 부재에 연결될 때 어느 한 관의 다른 관에 대한 상대적인 방향을 알 수 있도록, 각각의 핀 부
재와 각각의 커플링 부재의 나사 가공 공정을 제어하는 것이다. 어느 한 관의 다른 관에 대한 상대적인 원주방향은 나사 가
공 공정 동안에 각각의 핀 부재 및 커플링 부재 상에 배치된 정렬 마킹에 의해 표시된다.
미국 특허 제4,962,579호에는, 리그 플로어(rig floor)에서 적량의 토크에 의해 이음매가 적절하게 형성되었는지 여부를
시각적으로 알아내는 방법이 개시되어 있다. 커플링 또는 박스 부재와 핀 부재의 적당한 축방향 맞물림을 위한 레지스트리
마킹(registry marking)이 제1 관 섹션의 외부에 배치된다. 위치는 유한 요소 해석법에 의해 구해진다.
미국 특허 제5,212,885호에는, 나사식 관 섹션의 적당한 밀봉 위치 및 적당한 체결 토크를 얻기 위한 방법이 개시되어 있
다. 이 방법은 그 명세서 제4 칼럼 제33행 내지 제44행에 기재되어 있다. 박스 부재의 면이 관 섹션 상에 있는 삼각형 마킹
에 대해 상대적으로 적절하게 배치되면, 체결은 완료된다. 면이 삼각형 마킹의 에지에 도달하지 않았으면, 면이 삼각형 마
킹의 몸체 속으로 전진할 때까지 또는 최대 토크가 발생될 때까지 토크를 증가시킨다.
미국 특허 제4,614,120호에는, 관이음을 위한 적당한 체결 토크를 알아내는 방법이 개시되어 있다. 수 요소 및 암 요소 상
에 기준 마킹이 설정된다. 이음매에 그리스를 가하고, 한 요소가 다른 요소에 대하여 회전하도록 하기에 충분한 토크를 사
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용하여 이음매가 체결된다. 이음매에는, 한 요소가 기준 마킹이 서로 대면하게 되는 지점을 지나 예정된 각도에 도달할 때
까지 토크가 가해진다. 이러한 작업을 반복하여, 사용되는 특정 그리스에 대해서, 이음매에 가해지는 토크의 범위를 알아
내게 된다.
미국 특허 제5,661,888호에는, 상대적인 축방향 위치의 목표 범위 내에서 두 개의 나사 가공된 관을 위치시키는 장치가 개
시되어 있다. 이 장치는 핀 및 박스 부재 상에 배치된 시각적인 "벤치 마킹"을 이용하는 것에 비해 우수한 장점을 제공하는
것이라고 여겨진다. 이 장치는 센서와, 이 센서를 어느 한 관의 단부로부터 교정된 거리에 위치시키는 교정 장치를 포함한
다. 관의 상대적인 축방향 위치가 원하는 목표 범위 내에 있다고 센서 헤드가 가리키면, 신호 발생 장치가 신호를 발생시킨
다.
상기 문헌들은 모두 나사식 관 연결부에 적당한 토크를 가하는 방법을 주로 다루고 있다. 이들은 그 자체로는, 관열 내 어
느 한 관의 관열 내 다른 관에 대한 상대적인 원주 방향을 알아낼 수 있도록 하는, 일련의 관이음매를 조립하는 본 방법을
교시하고 있지 아니하다.
관열 내 다른 관에 대한 관열 내 어느 한 관의 원주방향 위치를 알아낼 수 있게 하는, 복수의 이음매를 갖는 관열을 인덱싱
하는 간단하고도 경제적인 방법이 요구되어 왔다.
또한, 정교한 측정 장치 또는 전자 센서나 센서 시스템이 필요하지 않는 방법이 요구되어 왔다.
또한, 실시가 간단하고 작동이 신뢰 가능하며, 관 나사 가공 공정의 비용을 상당 정도 증가시키지 아니하는 방법이 요구되
어 왔다.
발명의 상세한 설명
본 발명에 따른 관이음 조립 방법에서는, 동일 관열 내 다른 관의 원주방향 위치에 대한 관열 내 어느 한 관의 상대적인 원
주방향 위치를 알아낼 수 있다. 관열은, 각각의 이음매가 나사 연결된 커플링 부재 및 하나 이상의 핀 부재를 구비하는 일
련의 이음매로 이루어져 있다.
핀 부재 또는 커플링 부재를 나사 가공하기 전에, 핀 마킹 게이지 또는 커플링 마킹 게이지가 준비된다. 이들 두 게이지는
서로에 대해 나사로 맞물리도록 되어 있다. 핀 마킹 게이지 상에 핀 게이지 정렬 마킹이 새겨지고, 커플링 마킹 게이지 상
에 커플링 게이지 정렬 마킹이 새겨진다. 핀 마킹 게이지 및 커플링 마킹 게이지가 제1 접촉 위치에서 나사 연결되면, 핀 게
이지 정렬 마킹 및 커플링 게이지 정렬 마킹은, 게이지들을 완전 맞물림 위치에 두기 위해 남아 있는 회전량을 가리키는 원
주방향 오프셋만큼 이격되어 있다.
각각의 핀 부재 상에 핀 정렬 마킹이 배치되고, 각각의 커플링 부재 상에 커플링 정렬 마킹이 배치된다. 핀 부재의 외부 환
형 표면에는 최초 핀 깊이로 복수의 나사가 기계 가공된다. 커플링 마킹 게이지는 핀 부재에 나사 연결되고, 커플링 게이지
정렬 마킹과 핀 정렬 마킹 사이의 원주방향 오프셋이 기록된다. 원주방향 오프셋에 기초하여, 핀 부재는 다시 기계 가공되
고, 따라서 게이지와 핀 부재가 제1 접촉 위치에서 연결될 때 핀 정렬 마킹이 커플링 게이지 정렬 마킹과 정렬되도록 나사
의 최초 핀 깊이를 변경시킨다.
커플링 부재의 내부 환형 표면에 복수의 나사가 초기 커플링 깊이로 기계 가공된다. 핀 마킹 게이지는 커플링 부재에 나사
연결되고, 핀 게이지 정렬 마킹과 커플링 정렬 마킹 사이의 원주방향 오프셋이 기록된다. 원주방향 오프셋에 기초하여, 커
플링 부재가 다시 기계 가공되고, 따라서 게이지와 커플링 부재가 제1 접촉 위치에서 연결될 때 커플링 정렬 마킹이 핀 게
이지 정렬 마킹과 정렬되도록 최초 커플링 깊이를 변경시킨다.
각각의 핀 부재 및 각각의 커플링 부재 상에 상기 방법에 따라 나사를 기계 가공한 후에, 각각의 핀 부재를 커플링 부재에
연결시킴으로써 관열이 조립된다. 각각의 이음매가 조립될 때, 관열 내 모든 핀 정렬 마킹이 모든 커플링 정렬 마킹은 물론
다른 모든 핀 정렬 마킹과도 정렬된다. 관열을 따른 마킹들의 정렬로 인해서, 스트링 내 임의의 다른 관의 방향(정렬 마킹
에 의해 지시됨)을 관찰함으로써 스트링 내 임의의 관의 방향을 알아낼 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점들은 이하의 설명으로부터 더 분명해질 것이다.
실시예
등록특허 10-0721296
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도 1을 참조하면, 본 발명의 방법에 사용되는 관이음(11)이 도시되어 있다. 관이음(11)은 두 개의 관, 즉 두 개의 핀 부재
(13) 및 커플링 부재(15)를 구비하는 일반적인 나사 결합식(TNC)(threaded and coupled) 연결부이다. 각각의 핀 부재
(13)는 전방면(17)과, 표면에 복수의 나사(21)가 형성되어 있는 외표면(19)을 구비한다. 복수의 나사(21)는 외표면(19) 상
에 일반적인 테이퍼형 구조로 기계 가공되어 있다. 나사(21)는 도 2에 도시한 바와 같이 리드 간격(α)을 갖는다. 커플링 부
재(15)는 내부 멈춤 숄더(23), 외표면(25) 및 내표면(27)을 구비하며, 내표면에는 복수의 나사(29)가 형성되어 있다. 나사
(29)는 핀 부재(13)의 나사(21)와 적절하게 합치되도록 역시 테이퍼형으로 되어 있다.
관이음(11)은 커플링 부재(15)를 핀 부재(13)에 나사 연결함으로써 형성된다. 완전 맞물림 위치(도 1 참조)에서, 핀 부재
(13)는 예정된 토크로 커플링 부재(15)에 회전 삽입되어 있다. 이음매를 조립할 때 가해지는 토크는 이음매에 사용되는 재
료의 유형, 이음매의 크기 및 특정 용례에 따라 다르다. 완전 맞물림 위치에서, 핀 부재(13)의 전방면(17)은 멈춤 숄더(23)
와 합치한다. 멈춤 숄더(23)는 커플링 부재(15)에 나사로 삽입될 때 핀 부재(13)의 양(陽)의 멈춤 지점을 제공한다.
본 발명에 따른 방법은 관열 내 복수의 관을 원주방향으로 조절하는 데 사용된다. 이 방법의 의도한 결과가 도 1에 도시되
어 있다. 두 개의 핀 부재(13)는 모두 외표면(19)에 새겨져 있는 핀 정렬 마킹(35, 35')을 구비한다. 핀 정렬 마킹(35, 35')
은 바람직하게는 핀 부재(13)의 축방향 길이를 따라 이동하는 종축에 평행하게 새겨져 있다. 커플링(15)의 외표면(25)에도
유사하게 커플링 정렬 마킹(37)이 새겨져 있다. 설명하고 있는 방법을 사용하여 핀 부재(13)와 커플링 부재(15)를 제조함
으로써, 각각의 핀과 커플링 부재가 완전 맞물림 위치에 있을 때, 주어진 관열에서의 모든 핀 정렬 마킹(35, 35') 및 모든 커
플링 정렬 마킹(37)이 원주방향으로 정렬될 것이다.
본 발명의 방법은 도 1에 도시한 것과 같은 TNC 관이음에 한정되는 것이 아님을 명심하여야 한다. 또한, 본 방법은 일체적
으로 연결된 이음매(도시 생략)에도 사용될 수 있다. 일체형 연결 이음매에서는 별도의 커플링 부재가 사용되지 않는다. 대
신에, 관열 내 각각의 관은 한쪽 단부에 핀 부재를 구비하고 다른쪽 단부에 커플링 부재를 구비한다. 즉, 커플링 부재는 관
열 내 각각의 관에 일체화되어 있다. 원주방향 조절 방법은, 핀 부재를 커플링 부재에 나사 연결시킬 때, 양의 멈춤을 얻을
수 있다면, 이러한 일체형 연결부에도 사용될 수 있다.
본 발명의 방법의 주된 부분에는, 평단관에 나사를 기계 가공하여 핀 부재(13)(도 1 참조)를 제작하는 단계와, 커플링 블랭
크에 나사를 기계 가공하여 커플링 부재(15)를 제작하는 단계가 포함된다. 따라서, 평단관은 나사 없는 핀 부재이고, 커플
링 블랭크는 나사 없는 커플링 부재이다. 도 3 내지 10을 참조하면, 본 발명에 따른 방법이 도시되어 있다.
핀 부재(13) 또는 커플링 부재(15)를 준비하기 전에, 커플링 마킹 게이지(43) 및 핀 마킹 게이지(45)가 준비된다(도 3 및 4
참조). 커플링 마킹 게이지(43)는 게이지(43)의 내표면(49)에 기계 가공된 복수의 테이퍼형 나사(47)를 포함한다는 점에서
커플링 부재(15)와 유사하다. 커플링 마킹 게이지(43)는 또한 외표면(51) 및 양의 멈춤 숄더(53)를 포함한다. 커플링 마킹
게이지(43)는, 양의 멈춤 숄더(53)가 핀 부재(13)의 전방면(17)과 합치되도록 핀 부재(13)에 나사 연결되도록 되어 있다.
핀 마킹 게이지(45)는 외표면(61)에 기계 가공된 복수의 테이퍼형 나사(59)를 갖는다는 점에서 핀 부재(13)와 유사하다.
또한, 핀 마킹 게이지(45)는 양의 멈춤 숄더(53)와 합치되는 양의 멈춤면(63)을 포함한다. 핀 마킹 게이지(45)는, 양의 멈
춤면(63)이 커플링 부재(15)의 멈춤 숄더(23)와 합치되도록, 커플링 부재(15)에 나사 연결되도록 되어 있다.
핀 부재(13)와는 달리, 핀 마킹 게이지(45)는, 외표면(61)이 커플링 마킹 게이지(43)의 외표면과 같은 높이가 되도록, 게이
지(45)의 외경을 증가시키는 계단형 부분(65)을 포함한다. 핀 마킹 게이지(45)의 이러한 특징은 필수적인 것은 아니지만,
두 게이지(43, 45) 모두의 마킹과 판독을 보다 용이하게 한다.
게이지(43, 45)를 준비한 후, 핀 마킹 게이지(45)는 커플링 마킹 게이지(43)에 나사 연결된다. 게이지(43, 45)는 제1 접촉
위치(도 3에 도시)에 도달할 때까지 서로를 향해 회전 나사 운동한다. 제1 접촉 위치에서, 양의 멈춤면(63)은 양의 멈춤 숄
더(53)와 최초로 접촉하게 된다. 토크가 더 가해질 수 있고 게이지(43, 45)가 더 회전될 수도 있지만, 게이지(43, 45)는 양
의 멈춤면(63)이 양의 멈춤 숄더(53)에 최초로 접촉할 때까지만 회전된다.
이제 제1 접촉 위치에 있는 핀 마킹 게이지(45) 및 커플링 마킹 게이지(43)에는 정렬 마킹이 새겨진다. 핀 마킹 게이지(45)
에는 핀 게이지 정렬 마킹(71)이 배치된다. 커플링 마킹 게이지(43)에는 커플링 게이지 정렬 마킹(73)이 배치된다. 마킹
(71, 73)은 원주방향 오프셋(β)만큼 이격된다. 원주방향 오프셋(β)은 핀 부재 및 커플링 부재를 완전 맞물림 위치에 위치시
키는 데 필요한 토크의 크기에 의해 주로 결정된다. 원주방향 오프셋(β)은 조립하고자 하는 관의 재료 강도, 직경 및 두께
에 따라 변할 수 있다. 게이지(45, 43)에 마킹(71, 73)을 새겨넣은 후, 이들 두 게이지(45, 43)는 분해된다.
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이제 보다 구체적으로 도 5 내지 도 7을 참조하면, 커플링 부재(15)의 나사 가공 공정이 도시되어 있다. 나사 가공 단계 중
에는, 커플링 블랭크(85)를 위치시키고 유지하기 위해서, 전방면(81) 및 복수의 척(83)을 구비하는 선반 부재(79)가 사용
된다. 커플링 블랭크(85)는 제1 단부(87), 제2 단부(89), 내표면(91), 외표면(93), 전방면(97) 및 후방면(99)을 구비한다.
선반 부재(79)는 커플링 블랭크(85)를 나사 가공하는 데에 사용되는 상업적으로 구입 가능한 컴퓨터 수치 제어식(CNC)
(computer numerical controlled) 나사 가공 장치(모든 부품을 도시하지는 않았음)의 구성 요소 중 하나이다. 척(83) 중
임의의 하나에는 기준 정렬 마킹(105)이 배치된다. 커플링 블랭크(85)의 외표면(93)에는 커플링 정렬 마킹(107)(이 마킹
은 도 1에 도시한 커플링 부재(15)의 커플링 정렬 마킹(37)과 유사함)이 배치된다.
척(83) 사이에서, 선반 부재(79)에 커플링 블랭크(85)가 설치된다. 나사 가공 공정 동안에 척(83)은 커플링 블랭크(85)를
선반 부재(79)에 대해 고정된 위치에 유지한다. 커플링 블랭크(85)가 척(83) 사이에 설치될 때, 커플링 정렬 마킹(107)이
기준 정렬 마킹(105)과 정렬된다.
커플링 블랭크(85)의 설치 후에, 커플링 블랭크(85)의 전방면(97)의 일부를 제거함으로써 페이스-오프 거리(γ)(face-off
distance)(도 6에 도시)가 형성된다. 페이스-오프 거리(γ)는 전방면(97)과 선반 부재(79)의 전방면(81) 사이의 거리이다.
최초 커플링 블랭크의 제1 단부의 나사 가공 동안에, 페이스-오프 거리(γ)는 선택된 예정된 값일 수도 있고 임의의 값일 수
도 있다. 제1 커플링 블랭크의 제1 단부에서 나사 가공 작업이 완료된 후에, 모든 후속 커플링 블랭크에 페이스-오프 거리
(γ)가 형성되고 사용된다.
페이스-오프 거리(γ)를 형성한 후에, 나사 가공 장치가 커플링 뱅크(85)의 내표면(91) 상에 테이퍼형 표면(111)을 보링
(boring) 및 프로파일링(profiling)하는 데에 사용된다. 보링 및 프로파일링 단계는 최초 커플링 깊이(δ)(도 6에 도시)에 멈
춤 숄더(113)를 형성한다. 이제 테이퍼형 표면(111)은 나사 가공된다. 바람직한 실시예에서, 나사 가공 작업은 컴퓨터 제
어되고, 단인(單刃) 절삭(single point cutting) 공구(도시 생략)에 의해 수행된다. 커팅 공구는, 커플링 정렬 마킹(107)이
기준 정렬 마킹(105)과 정렬되는 것을 조건으로, 주어진 커플링 블랭크에 대하여 동일한 반경방향 위치 및 각위치로부터
각각의 나사 가공 작업을 시작한다.
커플링 블랭크(85)를 나사 가공한 후에, 핀 마킹 게이지(45)가 커플링 블랭크(85)에 나사 연결된다. 핀 마킹 게이지(45)는,
양의 멈춤면(63)과 커플링 블랭크(85)의 멈춤 숄더(113)가 최초로 접촉(제1 접촉 위치)할 때까지, 커플링 블랭크(85)에 회
전 삽입된다. 다음에, 핀 게이지 정렬 마킹(71)의 원주방향 상대 위치는 커플링 정렬 마킹(107)과 비교된다.
핀 게이지 정렬 마킹(71)과 커플링 정렬 마킹(107) 사이의 원주방향 오프셋은 이들 마킹(71, 107)을 정렬시키기 위해 최초
깊이(δ)가 얼마나 증가되어야 하는지를 계산하기 위해 기록되고 사용된다. 이 계산의 결과 최종 커플링 깊이(도시 생략)가
얻어지고, 이 깊이로 멈춤 숄더(113)가 제조되어야 한다. 최종 커플링 깊이는 컴퓨터 제어 나사 가공 장치에 의해 기록된
다. 최종 커플링 깊이를 결정하는 요인으로는 커플링 블랭크(85)의 직경, 나사 리드(α) 및 핀 게이지 정렬 마킹(71)과 커플
링 정렬 마킹(107) 사이의 원주방향 거리가 있다.
최종 커플링 깊이를 계산한 후에, 멈춤 숄더(113)의 최초 커플링 깊이(δ)는 최종 커플링 깊이로 증가된다. 핀 게이지 정렬
마킹(71)과 커플링 정렬 마킹(107)의 상대 위치를 관찰하기 위해서, 핀 마킹 게이지(45)는 다시 커플링 블랭크(85)에 나사
연결된다. 멈춤 숄더(113)의 깊이를 최종 커플링 깊이로 증가시킨 후에, 핀 게이지 정렬 마킹(71)과 커플링 정렬 마킹
(107)은 정렬되어야 한다.
커플링 블랭크(85)는 제1 단부(87) 및 제2 단부(89) 양측에 모두 나사가 필요하므로, 전방면(97)에 상기 작업이 이루어졌
던 곳에 후방면(99)이 있게 되도록 커플링 블랭크(85)를 척(83) 둘레로 회전시킨 후에, 상기 공정이 반복된다. 페이스-오
프 거리(γ) 및 최종 커플링 깊이는 이미 알고 있고 기록되어 있으므로, 커플링 블랭크(85)의 제2 단부(89)에 대한, 그리고
모든 후속 커플링에 대한 나사 가공 작업은 이제 보다 적은 단계를 수반한다.
블랭크(85)의 후방면(99)을 기계 가공함으로써 커플링 블랭크(85)의 제2 단부(89)에 대해 페이스-오프 거리(γ)가 형성된
다. 페이스-오프 거리의 값은 제1 단부(87)의 나사 가공 동안에 기록되는 값과 동일하다. 다음에, 최종 커플링 깊이에서 테
이퍼형 부분 및 멈춤 숄더(도시 생략)를 형성하도록 제2 단부(89)가 보링 및 프로파일링된다. 다음에, 테이퍼형 부분이 나
사 가공된다.
나사 가공 공구는 나사 가공 공정을 매번 동일한 위치에서 시작하므로, 그리고 최종 커플링 깊이가 동일하게 유지되므로,
커플링 블랭크(85)의 제2 단부(89)에 기계 가공된 나사는 커플링 블랭크(85)의 제1 단부(87) 상의 나사와 동일하게 조절
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된다. 제2 세트의 나사를 형성한 후에는, 커플링 블랭크(85)는 커플링 부재로 고려된다(커플링 부재(15)와 유사함). 기록
된 최종 커플링 깊이 및 페이스-오프 거리(γ)는 이제 동일한 크기 및 동일한 재료의 후속 커플링 블랭크 제조에 사용될 수
있다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 핀 부재(13)를 제조하기 위해 평단관(119)을 나사 가공하는 공정은 커플링 블랭크(85)에 사
용되는 나사 가공 공정과 매우 유사하다. 나사 가공 작업 동안에 평단관(119)을 위치시키고 유지하기 위해 선반 부재(79)
가 사용된다. 평단관(119)은 제1 단부 및 제2 단부와, 내표면(123)과, 외표면과, 전방면(127)과, 후방면(도시 생략)을 구
비한다. 척(83) 중 어느 하나에는 기준 정렬 마킹(129)이 배치된다. 커플링 블랭크(85)를 나사 가공하는 데에 사용되는 마
킹(105)은 기준 정렬 마킹(129)으로서 사용될 수 있다. 평단관(119)의 외표면(125) 상에는 핀 정렬 마킹(131)(이 마킹은
도 1에 도시한 핀 부재(13)의 핀 정렬 마킹(35)과 유사함)이 배치된다.
평단관(119)은 척(83) 사이 선반 부재(79)에 설치된다. 척(83)은 나사 가공 공정 동안에 선반 부재(79)에 대해 고정된 위
치에 평단관(19)을 유지한다. 평단관(119)이 척(83) 사이에 설치될 때, 핀 정렬 마킹(131)은 기준 정렬 마킹(129)과 정렬
된다.
평단관(119) 설치 후에, 평단관(119)의 전방면(127)의 일부를 제거함으로써, 페이스-오프 거리(ε)(도 9 참조)가 형성된
다. 페이스-오프 거리(ε)는 전방면(127)과 선반 부재(79)의 전방면(81) 사이의 거리이다. 나사 가공된 제1 평단관에 대하
여, 페이스-오프 거리(ε)는 선택된 예정된 값일 수도 있고 임의의 값일 수도 있다. 평단관(119)의 제1 단부에서 나사 가공
작업이 완료된 후에, 모든 후속 평단관에 대하여 페이스-오프 거리(ε)가 사용된다.
페이스-오프 거리(ε) 확정 후에, 평단관(119)의 외표면(125) 상에 테이퍼형 부분(133)을 최초 핀 깊이(η)로 프로파일링하
는 데에 나사 가공 장치가 사용된다. 그러면, 테이퍼형 부분(133)은 나사 가공된 것이다. 바람직한 실시예에서, 나사 가공
작업은 컴퓨터 제어되며, 단인 절삭 공구(도시 생략)에 의해 수행된다. 절삭 공구는, 핀 정렬 마킹(131)이 기준 정렬 마킹
(129)에 정렬되는 것을 조건으로, 주어진 평단관에 대하여 동일한 반경방향 위치 및 각위치로부터 각각의 나사 가공 작업
을 시작한다.
일단 나사 가공되면, 커플링 마킹 게이지(43)는 평단관(119)에 나사 연결된다. 커플링 마킹 게이지(43)의 양의 멈춤 숄더
(53)와 평단관(119)의 전방면(127)이 최초로 접촉할 때까지(제1 접촉 위치임) 커플링 마킹 게이지(43)는 평단관(119) 상
에서 회전된다. 이제, 커플링 게이지 정렬 마킹(73)의 원주방향 상대 위치는 핀 정렬 마킹(131)과 비교된다.
커플링 게이지 정렬 마킹(73)과 핀 정렬 마킹(131) 사이의 원주방향 오프셋은, 이들 마킹(73, 131)을 정렬시키기 위해 초
기 핀 깊이(η)를 얼마나 감소시킬 것인가 하는 것을 계산하기 위해 기록 및 사용된다. 이 계산 결과 최종 핀 깊이(도시 생
략)가 얻어지며, 이 깊이로 평단관(119)이 제조되어야 한다. 최종 핀 깊이는 컴퓨터 제어 나사 가공 장치에 의해 기록된다.
최종 핀 깊이를 계산하는 데에 사용되는 인자로는, 평단관(119)의 직경, 나사 리드(α) 및 커플링 게이지 정렬 마킹(73)과
핀 정렬 마킹(131) 사이의 원주방향 거리가 있다.
최종 핀 깊이를 계산한 후에, 평단관(119)의 전방면(127)으로부터 재료를 제거함으로써 최초 핀 깊이(η)는 최종 핀 깊이로
감소된다. 이 작업은 또한 페이스-오프 거리(ε)의 값을 변화시키며, 그 새로운 값은 기록된다. 재료가 얼마나 제거되는 지
에 따라, 나사(테이퍼형임)는 보다 작은 직경으로 "재성형(reshaping)"되어야 할 수 있다. 이 작업이 완료된 후에, 커플링
마킹 게이지(43)는, 커플링 게이지 정렬 마킹(73)과 핀 정렬 마킹(131)의 상대 위치를 관찰하기 위해서, 평단관(119)에 다
시 나사 연결된다. 평단관(119)의 나사 깊이를 최종 핀 깊이로 감소시킨 후에, 커플링 게이지 정렬 마킹(73)과 핀 정렬 마
킹(119)은 정렬되어야 한다.
평단관(119)의 양단부가 모두 나사 가공되어야 하므로, 상기 공정은 평단관(119)의 제2 단부에 대해서 반복된다. 페이스-
오프 거리(ε)의 새로운 값과 최종 핀 깊이는 알고 있고 기록되므로, 평단관(119)의 제2 단부에 대한, 그리고 모든 후속 관
에 대한 나사 가공 작업은 보다 적은 단계를 수반한다.
평단관(119)의 후방면의 일부를 기계 가공함으로써 평단관(119)의 제2 단부에 대해, 미리 기록된 페이스-오프 거리(ε)가
형성된다. 다음에, 평단관(119)은 최종 핀 깊이로 프로파일링 및 나사 가공된다. 나사 가공 공구는 매번 동일한 위치에서
나사 가공 공정을 시작하므로, 그리고 최종 핀 깊이는 동일하게 유지되므로, 평단관(119)의 제2 단부에 가공된 나사는 평
단관(119)의 제1 단부 상의 나사와 동일하게 조절된다. 이제, 기록된 페이스-오프 거리 및 최종 핀 깊이는 동일한 크기 및
재료의 후속 평단관을 제조하는 데에 사용될 수 있다.
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상기한 바와 같이, 커플링 부재를 나사 가공할 때 핀 마킹 게이지(45)를 사용하고, 핀 부재를 나사 가공할 때 커플링 마킹
게이지(43)를 사용함으로써, 핀 부재(13)와 커플링 부재(15)가 완전 맞물림 위치에서(도 1 참조) 나사 연결될 때 정렬 마킹
(35, 37)은 정렬될 것이라는 것이 보장된다.
본 발명의 주된 장점은, 핀 부재와 커플링 부재가 완전 맞물림 위치에서 설치될 때 (정렬 마킹에 대해) 원주방향으로 정렬
될 것이라는 것을 알면서 핀 부재와 커플링 부재가 제조될 수 있다는 점이다. 이러한 장점으로부터 얻어지는 결과 중 하나
는, 유정의 표면 위치에서 관의 방향을 관찰함으로써 관열 내 다운홀 관의 방향을 알아낼 수 있다는 것이다. 이것은 다운홀
공구의 방향을 알아야 하는 경우에 드릴링 작업에 유용하다. 근해 또는 원해에서의 드릴링 용례에서, 해저 밸브의 방향을
알 필요가 있는 경우가 많다. 본 발명에 따라 조립된 파이프 스트링에 밸브가 연결되면, 해저 밸브의 방향은 쉽게 알아낼
수 있다.
이 방법의 다른 장점은, 장비의 정렬이 필수적인 경우에, 관열의 외표면에 장비를 설치할 수 있게 된다는 점이다. 이것의
전형적인 예는 관열에 유체용 튜빙 시스템이 부착되는 경우이다. 일반적으로, 튜빙은 관의 조립 전에 관열 내 각 관에 부착
될 것이다. 관열을 이루는 관들이 조립될 때, 관의 각 부분 상에 있는 미리 부착된 튜빙은 다른 관 상에 있는 튜빙과 정렬되
어야 한다. 본 발명에 따른 방법이 사용되면, 관열 내 각각의 관이 어떻게 다른 관들에 대해 배향되는 지를 알 수가 있다. 이
에 의해, 튜빙은 관열의 조립 전에 정확히 부착될 수 있다.
이상의 내용으로부터, 현저한 장점을 갖는 본 발명이 제공되었음이 명확해졌다. 본 발명은 그 다양한 형태 중 하나로 설명
되었지만, 이것에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상으로부터 벗어남이 없이 다양한 변화 및 변경이 가능하다.
도면의 간단한 설명
도 1은 본 발명의 방법에 사용되는 관이음의 부분 단면도.
도 2는 도 1의 관이음의 커플링 부재의 나사를 보여주는, 선분 Ⅲ-Ⅲ을 따라 취한 상세 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 방법에 사용되는 커플링 마킹 게이지 및 핀 마킹 게이지가 제1 접촉 위치에 있는 상태를 도시하는
사시도.
도 4는 도 3의 게이지의, 선분 Ⅳ-Ⅳ에서 취한 부분 측단면도.
도 5는 본 발명의 방법에 따라 나사 가공 장치에 설치되는 커플링 블랭크의 사시도.
도 6은 도 5의 나사 가공 장치 및 커플링의, 선분 Ⅵ-Ⅵ에서 취한 측단면도.
도 7은 본 발명의 방법에 따라 커플링에 설치된 도 3의 핀 마킹 게이지를 구비하는 도 5의 나사 가공 장치 및 커플링의 사
시도.
도 8은 본 발명의 방법에 따라 나사 가공 장치에 설치되는 평단관(平端管)의 사시도.
도 9는 도 8의 나사 가공 장치 및 평단관의 선분 Ⅸ-Ⅸ에서 취한 측단면도.
도 10은 본 발명의 방법에 따라 핀에 설치된 도 3의 커플링 마킹 게이지를 구비하는 도 8의 나사 가공 장치 및 평단관의 사
시도.
도면
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