KR100358827B1 - 액화 천연 가스를 운송하기 위한 파이프라인 배급 네트웍시스템 - Google Patents

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릭비제임스알.
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엑손모빌 업스트림 리서치 캄파니
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Abstract

본 발명은 압력이 1035kPa(150psia) 내지 약 7590kPa(1100psia)이고 온도가 약 -123℃(-190℉) 내지 약 -62℃(-80℉)인 가압 액화 천연 가스를 운송하기 위한 파이프라인 배급 네트웍 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 파이프라인 배급 네트웍 시스템의 파이프 및 기타 부품은 인장 강도가 830MPa(120ksi) 초과이고 DBTT가 -73℃(-100℉) 미만이며 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도 저합금 강으로부터 제조된다.

Description

액화 천연 가스를 운송하기 위한 파이프라인 배급 네트웍 시스템{Pipeline distribution network systems for transportation of liquefied natural gas}
다양한 용어가 다음 명세서에서 정의된다. 편의상, 용어 해설은 본원에서 청구의 범위 바로 앞에 제공되어 있다.
천연 가스의 다수의 원료는 가스의 어떠한 판매 장소로부터도 멀리 떨어진 원거리 지역에 위치해 있다. 때로는 생성된 천연 가스를 판매 장소로 운송하는데 파이프라인이 사용될 수 있다. 판매 장소로의 파이프라인 운송이 가능하지 않은 경우, 생성된 천연 가스는 종종 LNG로 가공되어 판매 장소로 운송된다. LNG는 전형적으로 특수 제작된 유조선을 통하여 운송한 다음 저장하고 판매 장소 부근의 수입 터미널에서 재증기화시킨다. 천연 가스를 액화, 운송, 저장 및 재증기화시키는데 사용되는 장치는 일반적으로 매우 고가이고, 전형적인 통상적 LNG 프로젝트에는 산지 개발 비용을 포함하여 50억 내지 100억 달러가 소요될 수 있다. 전형적인 "기본" LNG 프로젝트는 약 280Gm3[10TCF(1조ft3)]의 최소 천연 가스 자원을 필요로 하고, LNG 고객은 일반적으로 대규모 공익사업체이다. 종종, 원거리 지역에서 발견되는 천연 가스 자원은 280Gm3(10TCF) 미만이다. 최소 280Gm3(10TCF)을 만족하는 천연 가스 자원 기지의 경우에도, 천연 가스를 LNG로 경제적으로 가공, 저장 및 운송하는 데에는 모든 관련인, 즉 LNG 공급업자, LNG 운송업자 및 대규모 LNG 공익사업체 고객으로부터 20년 이상의 매우 장기간의 위탁을 받을 필요가 있다. 잠재적인 LNG 고객이 파이프라인 가스와 같은 대체 가스 공급원을 갖고 있는 경우에는 통상적인 일련의 LNG 운반이 종종 경제적으로 경쟁력이 없다.
통상적인 LNG 플랜트에서는 약 -162℃(-260℉)의 온도에서 대기압하에 LNG를 생산한다. 전형적인 천연 가스 스트림은 통상적인 LNG 플랜트로 약 4830kPa(700psia) 내지 약 7600kPa(1100psia)의 압력 및 약 21℃(70℉) 내지 약 38℃(100℉)의 온도에서 도입된다. 약 350,000 냉동 마력 이하가 통상적인 2열 LNG 플랜트에서의 천연 가스 온도를 약 -162℃(-260℉)의 매우 낮은 출구 온도로 강하시키는데 필요하다. 물, 이산화탄소, 황 함유 화합물(예: 황화수소), 기타 산 가스, n-펜탄 및 이보다 분자량이 높은 탄화수소(벤젠포함)가 통상적인 LNG 가공 도중 천연 가스로부터 ppm 수준 이하로 실질적으로 제거되어야 하며, 그렇지 않으면 이들 화합물이 동결되어 가공 장치에서 플러깅(plugging) 문제를 유발할 것이다. 통상적인 LNG 플랜트에서 가스 처리 장치가 이산화탄소 및 산 가스를 제거하는데 필요하다. 가스 처리 장치는 전형적으로는 화학적 및/또는 물리적 용매 재생방법을 사용하고 상당한 자본 투자를 필요로 한다. 또한, 작동 비용은 플랜트의 다른 장치에 비하여 높다. 분자 체(molecular sieve)와 같은 무수 상 탈수제는 수증기를 제거하는데 필요하다. 스크럽 컬럼 및 분류 장치는 플러깅 문제를 유발하는 경향이 있는 탄화수소를 제거하는데 사용된다. 수은도 알루미늄으로 제조된 장치에 고장을 일으킬 수 있기 때문에 통상적인 LNG 플랜트에서 제거한다. 추가로, 천연 가스에 존재할 수 있는 질소의 대부분은 질소가 통상적인 LNG 운송 동안에 액상에 잔류하지 않을 것이기 때문에 가공 후에 제거하고, 운반시에 LNG 컨테이너에 질소 증기를 함유하는 것은 바람직하지 않다.
통상적인 LNG 플랜트에서 사용되는 컨테이너, 파이핑 및 기타 장치는 전형적으로는 적어도 일부가 알루미늄 또는 니켈 함유 강(예: 니켈 9중량%)으로부터 제조되며 극저온 가공 온도에서 필요한 파괴 인성을 제공한다. 알루미늄 및 상업용 니켈 함유 강(예: 니켈 9중량%)을 포함하고 저온에서 파괴 인성이 우수한 고가의 재료는 전형적으로 LNG 선박 안에서와 수입 터미널에서 LNG를 내장하는데 사용될 뿐 아니라, 통상적인 플랜트에서도 사용된다.
전형적인 통상의 LNG 선박은 모스 구(Moss sphere)로 공지된 큰 구형 컨테이너를 사용하여 운송 동안에 LNG를 저장한다. 이러한 선박의 가격은 현재 각각 약 2억 3천만 달러 이상이다. 중동 지역에서 LNG를 제조하여 이를 극동 지역으로 운송하는 전형적인 통상의 프로젝트는 7 내지 8척의 이들 선박을 필요로 하며, 여기에는 약 16억 달러 내지 20억 달러의 총 경비가 소요된다.
상기 논의로부터 결정될 수 있는 바와 같이, 원거리의 천연 가스 자원이 대체 에너지 공급에 비해 보다 효과적으로 경쟁력을 가질 수 있도록 LNG를 판매 장소로 가공, 저장 및 운송하는 보다 경제적인 시스템이 요구된다. 더욱이, 개발하기에 비경제적인 비교적 소량의 원거리 천연 가스 자원을 상업화하는 시스템이 요구된다. 또한, LNG가 경제적으로 소규모 고객의 관심을 끌 수 있도록 하기 위하여 보다 경제적인 가스화 및 배급 시스템이 요구된다.
결과적으로, 본 발명의 제1 목적은 LNG를 원거리 자원으로부터 판매 장소로 가공, 저장 및 운송하기 위한 보다 경제적인 시스템을 제공하고, LNG 프로젝트를 경제적으로 실행 가능하게 하는데 필요한 보유고 및 시장 둘 다의 최소 크기를 실질적으로 감소시키는 것이다. 이들 목적을 성취하는 하나의 방법은 통상적인 LNG 플랜트에서 이루어지는 것보다 더 높은 압력 및 온도, 즉 대기압 초과의 압력 및 -162℃(-260℉) 초과의 온도에서 LNG를 가공하는 것일 것이다. 승압 및 승온에서 LNG를 가공, 저장 및 운송하는 일반적인 개념이 산업 문헌에서 논의된 바 있지만, 이들 문헌에는 일반적으로 니켈 함유 강(예: 니켈 9중량%) 또는 알루미늄으로부터 운송 컨테이너를 제조하는 것이 논의되어 있으며, 니켈 함유 강과 알루미늄은 모두 설계 요건을 만족시킬 수는 있지만 매우 고가의 재료이다. 예를 들면, 문헌[NATURAL GAS BY SEA The Development of a New technology, published by Witherby % Co. Ltd., first edition 1979, second edition 1993, pp. 162 - 164]에서, 로저 푹스(Roger Ffooks)는 1380kPa(200psig) 및 -115℃(-175℉)에서 MLG(중간 조건 액화 가스)를 운반하거나. 7935kPa(1150psig) 및 -60℃(-75℉)에서 가공된 CNG(압축 천연 가스)를 운반하는 리버티 수송선 씨그알파(Sigalpha)의 전환을 논의하였다. 푹스는 두 개념이 기술적으로는 증명되었지만, 대체로 높은 저장 비용으로 인하여 이 중 어느 것도 "구매자"를 찾지는 못했다는 것을 밝혔다. CNG 서비스에 대해 푹스가 참조한 주제에 대한 논문에 따르면, 즉, -60℃(-75℉)에서, 설계 목표는 작동 조건에서 강도가 우수하고(760MPa(110ksi)) 파괴 인성이 우수한 저합금의 용접성 급냉 단련 강(quenched and tempered steel)이다[참조: "A new process for the transportation of natural gas" by R. J. Broeker, International LNG Conference, Chicago, 1968]. 당해 논문에는 또한 알루미늄 합금이 MLG 서비스에 대한, 즉 -115℃(-175℉)의 매우 낮은 온도에서 최저 비용의 합금으로 제시되어 있다. 또한, 푹스는 상기 문헌의 164면에서, 약 414kPa(60psig)의 매우 저압에서 작동하는, 9% 니켈 강 또는 알루미늄 합금으로 제조될 수 있는 탱크를 갖는 오션 피닉스 트랜스포트(Ocean Phoenix Transport) 디자인을 논의하고, 다시, 이 개념은 상업화하기에 충분한 기술적 또는 재정적 이점을 제공하지 않는 것으로 나타났다는 것을 밝히고 있다. 또한 다음을 참조한다: (i) 압축 천연 가스 운송용 컨테이너를 제조하기 위한 9% 니켈 함량의 강 또는 고강도 알루미늄 합금의 용도가 논의되어 있는 미국 특허 제3,298,805호; 및 (ii) -100℃(-148℉) 내지 -140℃(-220℉)의 온도 및 4 내지 10기압(즉, 407kPa(59psia) 내지 1014kPa(147psia))의 압력에서 LNG를 운송하기 위한 9% 니켈 강 또는 이와 유사한 강의 탱크가 논의되어 있는 미국 특허 제4,182,254호; (iii) 급냉 단련되어 120,000psi에 근접한 최종 인장 강도를 보장하도록 한 1 내지 2% 니켈 강과 같은 재료로부터 제조된 컨테이너를 사용한, -62℃(-80℉) 정도, 일부 경우에는 -68℃(-90℉) 정도의 저온 및 작동 온도에서의 가스의 비점 압력보다 적어도 345kPa(50psi)를 초과하는 압력에서의, 농축 상 단일 유체 상태의 천연 가스의 운송이 논의되어 있는 미국 특허 제3,232,725호; 및 (iv) 3.1MPa(450psi)의 압력 및 -100℃(-140℉)의 온도에서 9% Ni 강 또는 3 1/2% Ni 급냉 단련 강을 사용하고 벽 두께가 9 1/2in인 LNG의 운송의 사례 연구가 논의되어 있는 문헌["Marine Transportation of LNG at Intermediate Temperature" CME March 1979, by C. P. Bennett].
이들 개념은 산업 문헌에서 논의되어 있지만, 본 발명자들이 아는 바로는, LNG는 현재 사실상 대기압 초과의 압력 및 -162℃(-260℉) 초과의 온도에서는 상업적으로 가공, 저장 및 운송되지 않고 있다. 이는 해로 및 육로 모두를 통하여, 이러한 압력 및 온도에서 LNG를 가공, 저장, 운송 및 배급하기 위한 경제적인 시스템이 아직까지 상업화된 적이 없다는 사실 때문일 것이다.
극저온 구조 적용에 편리하게 사용되는 니켈 함유 강, 예를 들면 니켈 함량이 약 3중량% 초과인 강은 DBTT(본원에서 정의된 바와 같은 인성의 척도)가 낮지만, 인장 강도가 상대적으로 낮다. 전형적으로, 시판 중인 Ni 3.5중량% 강, Ni 5.5중량% 강 및 Ni 9중량% 강은 DBTT가 각각 약 -100℃(-150℉), -155℃(-250℉) 및 -175℃(-280℉)이고, 인장 강도가 각각 약 485MPa(70ksi), 620MPa(90ksi) 및 830MPa(120ksi) 이하이다. 강도와 인성의 이들 조합을 달성하기 위하여, 이러한 강은 일반적으로 고가의 가공, 예를 들면, 이중 어닐링 처리를 수행한다. 극저온 적용의 경우, 상업용 니켈 함유 강이 저온에서의 인성이 우수하기 때문에 공업적으로 현재 사용되지만, 이의 상대적으로 낮은 인장 강도에 입각하여 설계해야 한다. 설계는 일반적으로 고하중 극저온 용도에 대해 지나친 강 두께를 필요로 한다. 따라서, 고하중 극저온 용도로 이러한 니켈 함유 강을 사용하는 것은 필요한 강 두께와 더불어 강의 높은 비용으로 인하여 고가인 경향이 있다.
각각 발명의 명칭이 "액화 천연 가스를 가공, 저장 및 운송하기 위한 개선된 시스템"인 5개의 동시 계류중인 미국 가특허원("PLNG 특허 출원")에는 약 1035kPa(150psi) 내지 약 7590kPa(1100psia)의 넓은 범위의 압력 및 -123℃(-190℉) 내지 약 -62℃(-80℉)의 넓은 범위의 온도에서 가압 액화 천연 가스(PLNG)를 저장하고 해양 수송하기 위한 컨테이너 및 유조선이 기재되어 있다. 가장 최근의 상기 PLNG 특허 출원은 우선일이 1998년 5월 14일이며, 출원인에 의해서는 도켓 번호 제97006P4호로서, 미국 특허상표청("USPTO")에 의해서는 출원 번호 제60/085467호로서 확인되어 있다. 상기 제1 PLNG 특허 출원은 우선일이 1997년 6월 20일이고, USPTO에 의하여 출원 번호 제60/050280호로서 인증되어 있다. 상기 제2 PLNG 특허 출원은 우선일이 1997년 7월 28일이고 USPTO에 의하여 출원 번호 제60/053966호로서 인증되어 있다. 상기 제3 PLNG 특허 출원은 우선일이 1997년 12월 19일이고 USPTO에 의하여 출원 번호 제60/068226호로서 인증되어 있다. 상기 제4 PLNG 특허 출원은 우선일이 1998년 3월 30일이고 USPTO에 의하여 출원 번호 제60/079904호로서 인증되어 있다. 그러나, 상기 PLNG 특허 출원에는 PLNG를 운송하기 위한파이프라인 배급 네트웍 시스템이 기재되어 있지 않다.
LNG 및 기타 극저온 유체(예: 액체 산소, 액체 수소 및 액체 헬륨)는 트럭에 의하여 중앙 가공 설비로부터 최종 사용자 위치로 정기적으로 운송된다. 액체 질소는, 예를 들면, 파이프라인 배급 네트웍 시스템을 통해 대학 캠퍼스 및 시설을 통해 운송된다. LNG에 대한 시장은 특히 천연 가스의 청정 연소 특성 때문에 최근 성장해왔다. 천연 가스가 우리가 아는 바와 같이 파이프라인 배급 네트웍 시스템을 통해 통상적으로 공급됨에도 불구하고, PLNG용 파이프라인 배급 네트웍 시스템의 상업화는 현재 전혀 이루어져 있지 않는 실정이다. PLNG의 형태로 생성된 천연 가스의 운반은, LNG와 비교하여, PLNG를 운송하고 운반하기 위한 경제적인 방법이 가능한 경우, PLNG가 보다 경제적으로 가공되기 때문에 최종 사용자에게 이익일 수 있다. 추가로, CNG와 비교하여, PLNG는 더 높은 액체 밀도로 인해 소정 용적에 대해 더 높은 생성물 질량 또는 에너지로 전환된다.
천연 가스와 같은 유체용의 상업적인 파이프라인 배급 네트웍 시스템을 제조하는데 통상 사용되는 탄소 강은 극저온, 즉 약 -40℃(-40℉) 미만의 온도에서 적합한 파괴 인성을 갖지 않는다. 극저온 파괴 인성이 탄소 강보다 탁월한 기타 재료, 예를 들면, 인장 강도가 약 830MPa(120ksi) 이하인 상술한 상업용 니켈 함유 강(Ni 3 1/2 내지 9중량%), 알루미늄(Al-5083 또는 Al-5085) 또는 스테인레스 강은 전통적으로 극저온 조건에 노출시키는 파이프라인 배급 네트웍 시스템을 제조하는데 사용된다. 또한, 티탄 합금과 같은 특수 재료 및 특정 에폭시 함침된 직포 유리섬유 복합재가 사용될 수 있다. 이러한 재료는 고가인 경향이 있으므로, 종종 프로젝트가 경제적 매력을 잃을 수 있다. 이러한 단점으로 PLNG를 운송하기 위한 파이프라인 배급 네트웍 시스템을 제조하는데 있어서 현재 시판중인 재료는 경제적 매력을 잃게 된다. PLNG 특허 출원에 논의된 바와 같이, 현재 PLNG의 가공에 대한 가능성과 함께, PLNG의 해양 운송에 적합한 컨테이너의 발견은, PLNG 뿐만 아니라 LNG 및 기타 극저온 유체를 경제적으로 유리하게 육로로 운송하기 위한 파이프라인 배급 네트웍 시스템에 대한 요구를 부각시켰다.
액체 형태로 운송되고 배급된 천연 가스의 공급원을 비용면에서 보다 효율으로 입수한다면 연료원으로서 천연 가스의 가용성이 크게 개선될 것이다. 다음은 에너지 수급을 위해 천연 가스를 사용하는 시스템으로서 현존하는 최근에 등장한 적용에 대한 간략한 설명이며, 이는 파이프라인 배급 네트웍 시스템과 같이 천연 가스를 육로로 운송 및 운반하기 위한 보다 경제적인 시스템의 입수로 인해 현저하게 유리할 수 있다.
LNG는 천연 가스 배급에 대한 하부구조가 존재하지 않는 원거리 위치에서의 연료 요구를 충족시키기 위해 정기적으로 트럭으로 운반된다. 추가로, 지역적인 조건으로 인해, 운송된 LNG는 점점 몇가지 주요 에너지 프로젝트에 대한 가스 파이프라인에 대한 경쟁적인 경제적 대체품이 되고 있다. 알래스카의 가스 회사는 동남부 알래스카에서의 17개 지역에서 원거리 LNG 기초량 시스템에 대한 2억달러 프로젝트를 제안하여 왔다. 이 회사는 또한 LNG를 트럭으로 1997년 11월에 시작하여 쿡 인렛(Cook Inlet)의 액화 플랜트로부터 페어뱅크스까지 300마일의 거리를 운반할 것으로 기대하고 있다. 동부 아리조나에서, 최근의 실행성 연구는, 원거리 기초량 LNG 공급 설비가 가스 파이프라인에 과유동 없이 다수의 고립 지역으로 흥미로운 저비용 에너지 용액을 공급할 수 있다는 것을 나타내고 있다. 이들은 실질적인 성장 가능성을 갖는, 특히 운송 시스템의 경제성이 개선된 대용적 LNG 운송 및 용도에서의 신경향을 나타낸다. 최근 등장한 PLNG 기술은 파이프라인 배급 네트웍 시스템과 같은 PLNG를 육로로 운송하는 보다 경제적인 수단이 유효한 경우, 이들 및 기타 유사한 육로용 용도에서 연료로서 PLNG의 사용을 경제적으로 가능하게 할 수 있을 것이다.
추가로, '휴대용 파이프라인' - 운송 가능한 LNG/증기화기 - 시스템을 사용하여 연속적인 중단되지 않는 가스 공급을 유지하는 것이 점점 증가하고 있다. 이는 가스 회사가 서비스 중단을 피하도록 조력하고 추운 겨울날, 손상된 지하 파이프로 인한 비상 사태, 가스 시스템의 유지 등과 같은 최고 수요 기간 동안 고객에게 천연 가스의 유동을 지속시키는 것이다. 특정 용도에 따라, LNG 증기화기는 천연 가스 배급 시스템의 전략 지점에 설치하거나 배치시킬 수 있고, 작동 조건을 보장하는 경우, LNG 탱크 트럭을 도입하여 증기화된 LNG를 제공하도록 한다. 현재, 본 발명자들이 알기로는, 최고 수요 동안 추가의 가스를 제공하기 위한 이러한 증기화기에 LNG 대신 PLNG을 운송하기 위한 상업용 PLNG 파이프라인 배급 네트웍 시스템은 존재하지 않는다.
마지막으로, 아시아에서 현재와 미래에 주요 LNG 수입국 중 몇몇 국가가 차량 연료로서 LNG 사용 가능성을 최대한으로 한다는 계획이 있다(수입량의 20% 정도). 연료 보급지로의 LNG의 파이프라인 배급 네트웍 시스템 운반은 지역적인 조건에 따라 가장 흥미로운 경제적 선택일 수 있다. 특히, 가스 배급에 대한 기존의 하부구조의 부재시, 비용 효율적인 파이프라인 배급 시스템은 PLNG 배급을 보다 흥미롭고 경제적인 대안으로 만들 수 있다.
원거리 천연 가스 자원이 대체 에너지 공급으로 보다 효율적으로 경쟁력이 있도록 하는, PLNG의 파이프라인 배급 네트웍 운송을 위한 경제적 시스템에 대한 요구가 존재한다.
그러므로, 본 발명의 특별한 목적은 통상적인 LNG 시스템에 비해 실질적으로 증가된 압력 및 온도에서 LNG를 배급하기 위한 경제적인 파이프라인 배급 네트웍 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 상기 가압 액화 천연 가스를 내장하기 위한 충분한 강도 및 파괴 인성을 갖는 재료로부터 제조되는 파이프 및 기타 부품을 갖는 상응하는 파이프라인 배급 네트웍 시스템을 제공하는 것이다.
발명의 요약
본 발명의 상기 기술된 목적에 따라, 가압 액화 천연 가스(PLNG)를 약 1035kPa(150psia) 내지 약 7590kPa(1100psia) 범위의 압력 및 약 -123℃(-190℉) 내지 약 -62℃(-80℉) 범위의 온도에서 운송하기 위한 파이프라인 배급 네트웍 시스템이 제공된다. 본 발명의 파이프라인 배급 네트웍 시스템은 니켈 9중량% 미만을 함유하고 상기 가압 액화 천연 가스를 함유하기에 적합한 강도 및 파괴 인성을 갖는 초고강도 저합금 강을 포함하는 재료로부터 제조된 파이프 및 기타 부품을 갖는다. 당해 강은 초고강도, 예를 들면, 인장 강도(위에서 정의한 바와 같음)가 830MPa(120ksi) 초과이고, DBTT(위에서 정의한 바와 같음)가 약 -73℃(-100℉) 미만이다.
본 발명은 가압 액화 천연 가스(PLNG)를 운송하기 위한 파이프라인 배급 네트웍 시스템에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 인장 강도가 830Mpa(120ksi) 초과이고 DBTT가 약 -73℃(-100℉) 미만이며 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도 저합금 강으로부터 제조되는 파이프 및 기타 부품을 포함하는 이러한 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 이점은 하기의 상세한 설명 및 다음 첨부된 도면을 참조하여 보다 잘 이해될 것이다:
도 1은 본 발명의 파이프라인 배급 네트웍 시스템을 도식적으로 도시한 것이고,
도 2a는 CTOD 파괴 인성 및 잔류 응력의 함수로서, 소정의 흠 길이에 대한 임계 흠 깊이의 플롯을 나타낸 것이며,
도 2b는 흠의 기하학적 형태(길이 및 깊이)를 나타낸 것이다.
본 발명은 이의 바람직한 양태와 관련하여 설명할 것이지만, 본 발명이 이로 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 반대로, 본 발명은 부가한 청구의 범위에서 정의한 바와 같이, 본 발명의 의도 및 영역 내에 포함될 수 있는 모든 대안, 변경 및 동등물을 포함하는 것으로 의도된다.
본 발명은 PLNG를 운송하기 위한 파이프라인 배급 네트웍 시스템에 관한 것이다. 압력이 약 1035kPa(150psia) 내지 약 7590kPa(1100psia)이고 온도가 약 -123℃(-190℉) 내지 약 -62℃(-80℉)인 가압 액화 천연 가스(PLNG)를 운송하기 위한 파이프라인 배급 네트웍 시스템이 제공되며, 여기서 당해 파이프라인 배급 네트웍 시스템은 인장 강도가 830MPa(120ksi) 초과이고 DBTT가 약 -73℃(-100℉) 미만이며 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도 저합금 강을 포함하는 재료로부터 제조된 파이프 및 기타 부품을 갖는다. 추가로, 압력이 약 1725kPa(250psia) 내지 약 4830kPa(700psia)이고 온도가 약 -112℃(-170℉) 내지 약 -79℃(-110℉)인 가압 액화 천연 가스를 운송하기 위한 파이프라인 배급 네트웍 시스템이 제공되며, 여기서 당해 파이프라인 배급 네트웍 시스템은 (i) 니켈 9중량%를 함유하는 초고강도 저합금 강을 포함하는 재료로부터 제조되고, (ii) 상기 가압 액화 천연 가스를 함유하기에 충분한 강도 및 파괴 인성을 갖는 파이프 및 기타 부품을 갖는다.
PLNG 운송 파이프
본 발명의 파이프라인 배급 네트웍 시스템을 달성하는 해답은 압력이 약 1035kPa(150psia) 내지 약 7590kPa(1100psia)이고 온도가 약 -123℃(-190℉) 내지 약 -62℃(-80℉)인 PLNG를 내장 및 운송하기에 적합한 파이프이다. 바람직하게는, PLNG는 약 1725kPa(250psia) 내지 약 7590kPa(1100psia) 범위의 압력 및 약 -112℃(-170℉) 내지 약 -62℃(-80℉) 범위의 온도에서 생성하여 운송한다. 보다 바람직하게는, PLNG는 약 2415kPa(350psia) 내지 약 4830kPa(700psia) 범위의 압력 및 약 -101℃(-150℉) 내지 약 -79℃(-110℉) 범위의 온도에서 생성하여 운송한다. 이보다 더 바람직하게는, PLNG에 대한 압력 및 온도의 하한선은 약 2760kPa(400psia) 및 약 -96℃(-140℉)이다. PLNG를 내장하고 운송하기 위한 파이프가 제공되며, 여기서 당해 파이프는 인장 강도가 830MPa(120ksi) 초과이고 DBTT가 -73℃(-100℉) 미만이며 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도의 저합금 강을 포함하는 재료로부터 제조된다. 추가로, 부속품과 같은 기타 시스템 부품이 제공되며, 이러한 부속품은 인장 강도가 830MPa(120ksi) 초과이고 DBTT가 -73℃(-100℉) 미만이며 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도의 저합금 강을 포함하는 재료로부터 제조된다. 본 발명의 파이프라인 배급 네트웍 시스템에 사용하기에 적합한 저장 컨테이너는 PLNG 특허 출원에 보다 상세하게 기술되어 있다.
파이프 및 기타 부품을 제조하기 위한 강
본원에 기술된 바와 같은 파쇄 기계의 공지된 원리에 따라, 작업 조건에서, PLNG와 같은 극저온 유체를 내장하기에 충분한 인성을 갖고 니켈을 9중량% 미만 함유하는 모든 초고강도 저합금 강이 본 발명의 파이프 및 기타 부품을 제조하는데 사용될 수 있다. 본 발명에 사용하기 위한 강의 예는, 이로써 본 발명을 제한하려는 것은 아니지만, 극저온 작업 조건에서 인장 강도가 830MPa(120ksi) 초과이고, 파괴 개시, 즉 실패의 경우를 방지하는 충분한 인성을 가지며 니켈을 9중량% 미만 함유하는 용접성 초고강도 저합금 강이다. 본 발명에 사용하기 위한 또다른 강의 예는, 이로써 본 발명을 제한하려는 것은 아니지만, 극저온 작업 조건에서 인장 강도가 1000MPa(145ksi) 이상이고, 파괴 개시, 즉 내장 실패의 경우를 방지하는 충분한 인성을 가지며 니켈을 3중량% 미만 함유하는 용접성 초고강도 저합금 강이다. 바람직하게는 이들 예시 강은 DBTT가 약 -73℃(-100℉) 미만이다.
강 제조 기술의 최근의 진보로, 탁월한 극저온 인성을 갖는 신규한 초고강도 저합금 강을 제조할 수 있게 되었다. 예를 들면, 쿠(Koo) 등에 허여된 3개의 미국 특허 제5,531,842호, 제5,545,269호 및 제5,545,270호에는, 신규한 강, 및 이러한 강을 가공하여 인장 강도가 약 830MPa(120ksi), 965MPa(140ksi) 및 그 이상의 값을 갖는 강판을 제조하기 위한 방법이 기재되어 있다. 상기 문헌에 기재된 강 및 가공 방법은 개선되고 변태되어 조합 강 화학 및 용접되는 경우 베이스 강 및 열 영향하의 구역 모두에 탁월한 극저온 인성을 갖는 초고강도 저합금 강을 제조하기 위한 공정을 제공하여 왔다. 이들 초고강도 저합금 강은 또한 시판 중인 표준 초고강도 저합금 강보다 인성이 개선되었다. 개선된 강은, "극저온 인성이 탁월한 초고강도 강"을 발명의 명칭으로 하고 우선일이 1997년 12월 19일이며 미국 특허 및 상표청("USPTO")에 의해 출원 번호 제60/068194호로 인증되어 동시 계류중인 미국 가특허원; "극저온 인성이 탁월한 초고강도 오스에이징된 강"을 발명의 명칭으로 하고 우선일이 1997년 12월 19일이며 USPTO에 의해 출원 번호 제60/068252호로 인증되어 동시 계류중인 미국 가특허원; "극저온 인성이 탁월한 초고강도 이중상 강"을 발명의 명칭으로 하고 우선일이 1997년 12월 19일이며 USPTO에 의해 출원 번호 제60/068816호로 인증되어 동시 계류중인 미국 가특허원(집합적으로는, "강(steel) 특허 출원"임)에 기재되어 있다.
강 특허 출원에 기재되고 추가로 하기의 실시예에 기재된 신규한 강은, 당해 강이 바람직하게는 두께가 약 2.5cm(1in) 이상인 강판에 대하여 다음 특성을 갖는다는 점에서 본 발명의 PLNG를 저장하고 운송하기 위한 컨테이너를 제조하는데 특히 적합하다: (i) 베이스 강에서 및 용접 HAZ에서, DBTT가 약 -73℃(-100℉) 미만, 바람직하게는 약 -107℃(-160℉) 미만이고, (ii) 인장 강도가 830MPa(120ksi) 초과, 바람직하게는 약 860MPa(125ksi) 초과, 보다 바람직하게는 약 900MPa(130ksi) 초과이며, (iii) 용접성이 뛰어나고, (iv) 전체 두께의 미세 구조 및 특성이 사실상 균일하며, (v) 시판 중인 표준 초고강도 저합금 강에 비해 인성이 개선되었다. 이보다 더 바람직하게는, 이러한 강은 인장 강도가 약 930MPa(135ksi) 초과, 약 965MPa(140ksi) 초과, 또는 약 1000MPa(145ksi) 초과이다.
강의 제1 예
위에서 논의한 바와 같이, 우선일이 1997년 12월 19일이고 "극저온 인성이 탁월한 초고강도 강"을 발명의 명칭으로 하며 USPTO에 의해 출원 번호 제60/068194호로 인증되어 동시 계류중인 미국 가특허원에는, 본 발명에 사용하기에 적합한 강이 기재되어 있다. 여기서, (a) (i) 강 슬랩을 실질적으로 균질화시키고 (ii) 강 슬랩 중의 니오븀 및 바나듐의 거의 모든 카바이드 및 카보니트라이드를 용해시키며 (iii) 강 슬랩 중의 미세 초기 오스테나이트 그레인을 달성하기에 충분히 높은 재가열 온도로 강 슬랩을 가열하는 단계, (b) 강 슬랩을 환원시켜 오스테나이트가 재결정화하는 제1 온도 범위에서 1회 이상의 열간 압연 조작으로 강판을 형성하는 단계, (c) 대략 Tnr온도 미만, Ar3변태 온도 초과의 제2 온도 범위에서 1회 이상 열간 압연 조작으로 강판을 추가로 환원시키는 단계, (d) 강판을 약 10 내지 약 40℃/sec(18 내지 72℉/sec)의 냉각 속도로 대략 Ms변태 온도 + 200℃(360℉) 미만의 급냉 중지 온도(QST)로 급냉시키는 단계, (e) 급냉을 중지하는 단계, 및 (f) 강판을 약 400℃(752℉) 내지 대략 Ac1변태 온도 이하, 바람직하게는 Ac1변태 온도 미만의 단련 온도에서 경화 입자, 즉 하나 이상의 ε-구리, Mo2C 또는 니오븀 및 바나듐의 카바이드 및 카보니트라이드를 침강시키기에 충분한 시간 동안 단련하는 단계를 포함하는, 주로 단련 미립화 라스 마르텐사이트, 단련 미립화 저 베이나이트 또는 이들의 혼합물을 포함하는 미세 구조를 갖는 초고강도 강판을 제조하기 위한 방법이 제공되어 있다. 경화 입자를 침강시키기에 충분한 시간은 강판의 두께, 강판의 화학 조성 및 단련 온도에 주로 좌우되며, 당해 기술분야의 숙련가에 의해 측정 가능하다. (주로, 경화 입자, Tnr온도, Ar3, Ms 및 Ac1변태 온도 및 Mo2C의 정의에 대해서는 용어 해설을 참조한다.)
주변 온도 및 극저온 인성을 보장하기 위하여, 이러한 강의 제1 예에 따르는 강은 바람직하게는 주로 단련 미립화 저베이나이트, 단련 미립화 라스 마르텐사이트 또는 이들의 혼합물로 구성된 미세 구조를 갖는다. 고베이나이트, 쌍정 마르텐사이트 및 MA와 같은 취성 성분의 형성을 실질적으로 최소화시키는 것이 바람직하다. 강의 제1 예 및 청구의 범위에 사용되는 용어 "주로"는 약 50용적% 이상을 의미한다. 보다 바람직하게는, 미세 구조는 단련 미립화 저베이나이트, 단련 미립화 라스 마르텐사이트 또는 이들의 혼합물을 약 60 내지 약 80용적% 포함한다. 이보다 더 바람직하게는, 미세 구조는 단련 미립화 저베이나이트, 단련 미립화 라스 마르텐사이트 또는 이들의 혼합물을 약 90용적% 이상 포함한다. 보다 바람직하게는, 미세 구조는 미립화 라스 마르텐사이트를 실질적으로 100% 포함한다.
이러한 강의 제1 예에 따라 가공된 강 슬랩은 통상적인 방식으로 제조하고, 하나의 양태에서, 철 및 다음 합금 원소를 다음 표 I에 나타낸 중량 범위로 포함한다.
합금 원소 범위(중량%)
탄소(C) 0.04 내지 0.12, 보다 바람직하게는 0.04 내지 0.07
망간(Mn) 0.5 내지 2.5, 보다 바람직하게는 1.0 내지 1.8
니켈(Ni) 1.0 내지 3.0, 보다 바람직하게는 1.5 내지 2.5
구리(Cu) 0.1 내지 1.5, 보다 바람직하게는 0.5 내지 1.0
몰리브덴(Mo) 0.1 내지 0.8, 보다 바람직하게는 0.2 내지 0.5
니오븀(Nb) 0.02 내지 0.1, 보다 바람직하게는 0.03 내지 0.05
티탄(Ti) 0.008 내지 0.03, 보다 바람직하게는 0.01 내지 0.02
알루미늄(Al) 0.001 내지 0.05, 보다 바람직하게는 0.005 내지 0.03
질소(N) 0.002 내지 0.005, 보다 바람직하게는 0.002 내지 0.003
때로는 바나듐(V)을 바람직하게는 약 0.10중량% 이하, 보다 바람직하게는 약 0.02 내지 약 0.05중량%로 강에 첨가한다.
때로는 크롬(Cr)을 바람직하게는 약 1.0중량% 이하, 보다 바람직하게는 약 0.2 내지 약 0.6중량%로 강에 첨가한다.
때로는 규소(Si)를 바람직하게는 약 0.5중량% 이하, 보다 바람직하게는 약 0.01 내지 약 0.5중량%, 이보다 더 바람직하게는 약 0.05 내지 0.1중량%로 강에 첨가한다.
때로는 붕소(B)를 바람직하게는 약 0.0020중량%, 보다 바람직하게는 약 0.0006 내지 약 0.0010중량%로 강에 첨가한다.
강은 바람직하게는 니켈을 약 1중량% 이상 함유한다. 강의 니켈 함량은 용접 후 성능을 강화시킬 필요가 있을 경우 약 3중량% 초과로 증가시킬 수 있다. 니켈을 각각 1중량% 첨가하면 강의 DBTT를 약 10℃ 강하시키는 것으로 예상된다. 니켈 함량은 바람직하게는 9중량% 미만, 보다 바람직하게는 약 6중량% 미만이다. 니켈 함량은 바람직하게는 최소화하여 강의 비용을 최소화시킨다. 니켈 함량이 약 3중량% 초과로 증가하는 경우, 망간 함량은 약 0.5 내지 0.0중량%로 감소시킬 수 있다. 그러므로, 넓은 의미에서는, 망간 약 2.5중량%가 바람직하다.
추가로, 잔사는 바람직하게는 강에서 실질적으로 최소화시킨다. 인(P) 함량은 바람직하게는 0.01중량% 미만이다. 황(S) 함량은 바람직하게는 0.004중량% 미만이다. 산소(O) 함량은 바람직하게는 0.002중량% 미만이다.
다소 상세히 설명하자면, 강의 제1 예에 따르는 강은 다음에 기술된 목적하는 조성물의 슬랩을 형성하여 제조한다: 슬랩을 약 955 내지 약 1065℃(1750 내지 1950℉)의 온도로 가열하고; 슬랩을 열간 압연하여 오스테나이트가 재결정화하는 제1 온도 범위, 즉 대략 Tnr온도 초과에서 약 30 내지 약 70% 환원이 일어나는 1회 이상의 조작으로 강판을 형성하고, 강판을 대략 Tnr온도 미만이고 대략 Ar3 변태 온도 초과의 온도인 제2 온도 범위에서 약 40 내지 약 80% 환원을 일으키는 1회 이상의 조작으로 강을 추가로 열간 압연한다. 이어서, 열간 압연 강판을 약 10 내지 약 40℃/sec(18 내지 72℉/sec)의 냉각 속도로 급냉하고, 대략 Ms변태 온도 + 200℃(360℉) 미만에서 급냉을 종결한다. 이러한 강의 제1 예의 하나의 양태에서, 강판은 후속적으로 주위 온도로 공기 냉각된다. 이러한 공정은 바람직하게는 주로 미립화 라스 마르텐사이트, 미립화 저베이나이트 또는 이들의 혼합물을 포함하거나, 보다 바람직하게는 실질적으로 100% 미립화 라스 마르텐사이트를 포함하는 미세 구조를 생성하는데 사용된다.
강의 제1 예에 따르는 강에서 직접 급냉된 마르텐사이트는 강도가 높지만 이의 인성은 약 400℃(752℉) 초과, 대략 Ac1변태 온도 이하의 적합한 온도에서 단련하여 개선시킬 수 있다. 이러한 온도 범위 내의 강의 단련은 또한 차례로 인성을 증가시키도록 유도하는 급냉 응력의 감소가 유도된다. 단련이 강의 인성을 강화시키는 반면, 이는 통상적으로 강도의 실질적 손실을 유도한다. 본 발명에서, 단련으로 인한 통상적인 강도 손실은 침강물 분산 경화의 유발에 의해 상쇄된다. 미세한 구리 침강물 및 혼합된 카바이드 및/또는 카보니트라이드로부터의 분산 경화는 마르텐사이트 구조를 단련하는 동안 강도 및 인성을 최적화시키는데 사용된다. 이러한 제1 예의 강의 독특한 화학 조성은 급냉 강도의 현저한 손실이 전혀 없이 약 400 내지 약 650℃(750 내지 1200℉)의 넓은 범위 내에서 단련을 허용한다. 당해 강판은 바람직하게는 약 400℃(752℉) 초과, Ac1변태 온도 미만의 단련 온도에서 경화 입자(본원에서 정의된 바와 같음)의 침강을 초래하기에 충분한 시간 동안 단련한다. 이러한 공정은 강판의 미세 구조를 주로 단련 미립화 라스 마르텐사이트, 단련 미립화 저베이나이트 또는 이들의 혼합물로 변태시키는 것을 용이하게 한다. 역시, 경화 입자를 침강시키기에 충분한 시간은 주로 강판의 두께, 강판의 화학 조성 및 단련 온도에 좌우되고, 당해 기술분야의 숙련가에 의해 측정될 수 있다.
강의 제2 예
위에서 논의한 바와 같이, 우선일이 1997년 12월 19일이고 "극저온 인성이 탁월한 초고강도 오스에이징된 강"을 발명의 명칭으로 하며 USPOT에 의해 출원 번호 제60/068252호로 인증되어 동시 계류중인 미국 가특허원에는 본 발명에 사용하기에 적합한 다른 강이 기재되어 있다. 여기서, (a) (i) 강 슬랩을 실질적으로 균질화시키고 (ii) 강 슬랩 중의 니오븀 및 바나듐의 실질적으로 모든 카바이드 및 카보니트라이드를 용해시키며 (iii) 강 슬랩 중의 미세 초기 오스테나이트 그레인을 달성하기에 충분히 높은 재가열 온도로 강 슬랩을 가열하는 단계, (b) 강 슬랩을 환원시켜 오스테나이트가 재결정화 하는 제1 온도 범위에서 1회 이상의 열간 압연 조작으로 강판을 형성하는 단계, (c) 대략 Tnr온도 미만 내지 Ar3변태 온도 초과의 제2 온도 범위에서 1회 이상 열간 압연 조작으로 강판을 추가로 환원시키는 단계, (d) 강판을 약 10 내지 40℃/sec(18 내지 72℉/sec)의 냉각 속도로 대략 Ms변태 온도 + 200℃(360℉) 미만의 급냉 중지 온도(QST)까지 급냉시키는 단계, (e) 급냉을 중지시키는 단계를 포함하는, 오스테나이트 필름 층 약 2 내지 약 10용적% 및 주로 미립화 마르텐사이트 및 미립화 저베이나이트의 라스 약 90 내지 약 98용적%를 포함하는 미세적층형 미세 구조를 갖는 초고강도 강판을 제조하기 위한 방법이 제공되어 있다. 하나의 양태에서, 당해 강의 제2 예의 방법은 강판을 QST로부터 주위 온도로 공기 냉각시키는 단계를 포함한다. 또 다른 양태에서, 당해 강의 제2 예의 방법은 강판을 주위 온도로 공기 냉각시키기 전에 약 5분 이하 동안 QST에서 강판을 실질적으로 등온으로 유지하는 단계를 추가로 포함한다. 또 다른 양태에서, 당해 강의 제2 예는 강판을 주위 온도로 공기 냉각시키기 전에 약 5분 이하 동안 약 1.0℃/sec(1.8℉/sec) 미만의 속도에서 QST로부터 강판을 서서히 냉각시키는 단계를 추가로 포함한다. 또 다른 양태에서, 본 발명의 방법은 강판을 주위 온도로 공기 냉각시키기 전에 약 5분 이하 동안 약 1.0℃/sec(1.8℉/sec) 미만의 속도에서 QST로부터 강판을 서서히 냉각시키는 단계를 추가로 포함한다. 이러한 공정은 강판의 미세 구조를 오스테나이트 필름 층 약 2 내지 약 10용적%와 주로 미립화 마르텐사이트 및 미립화 저베이나이트의 라스 약 90 내지 약 98용적%로 변태시키는 것을 용이하게 한다. (주로, Tnr온도, Ar3, 및 Ms 변태 온도의 정의에 대해서는 용어 해설을 참조한다.)
주변 온도 및 극저온 인성을 보장하기 위하여, 미세적층형 미세 구조의 라스는 바람직하게는 저베이나이트 또는 마르텐사이트를 포함한다. 고베이나이트, 쌍링 마르텐사이트 및 MA와 같은 취성 성분의 형성을 실질적으로 최소화시키는 것이 바람직하다. 당해 강의 제2 예 및 청구의 범위에 사용되는 용어 "주로"는 약 50용적% 이상을 의미한다. 미세 구조의 잔여물은 추가의 미립화 저베이나이트, 추가의 미립화 라스 마르텐사이트 또는 페라이트를 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는, 미세 구조는 베이나이트 또는 마르텐사이트를 약 60 내지 약 80용적% 포함한다. 이보다 더 바람직하게는, 미세 구조는 저베이나이트 또는 라스 마르텐사이트를 약 90용적% 이상 포함한다.
이러한 강의 제2 예에 따라 가공된 강 슬랩은 통상적인 방식으로 제조하고, 하나의 양태에서, 바람직하게는 철 및 다음 합금 원소를 다음 표 II에 나타낸 중량 범위로 포함한다.
합금 원소 범위(중량%)
탄소(C) 0.04 내지 0.12, 보다 바람직하게는 0.04 내지 0.07
망간(Mn) 0.5 내지 2.5, 보다 바람직하게는 1.0 내지 1.8
니켈(Ni) 1.0 내지 3.0, 보다 바람직하게는 1.5 내지 2.5
구리(Cu) 0.1 내지 1.0, 보다 바람직하게는 0.2 내지 0.5
몰리브덴(Mo) 0.1 내지 0.8, 보다 바람직하게는 0.2 내지 0.4
니오븀(Nb) 0.02 내지 0.1, 보다 바람직하게는 0.02 내지 0.05
티탄(Ti) 0.008 내지 0.03, 보다 바람직하게는 0.01 내지 0.02
알루미늄(Al) 0.001 내지 0.05, 보다 바람직하게는 0.005 내지 0.03
질소(N) 0.002 내지 0.005, 보다 바람직하게는 0.002 내지 0.003
때로는 크롬(Cr)을 바람직하게는 약 1.0중량% 이하, 보다 바람직하게는 약 0.2 내지 약 0.6중량%로 강에 첨가한다.
때로는 규소(Si)를 바람직하게는 약 0.5중량% 이하, 보다 바람직하게는 약 0.01 내지 약 0.5중량%, 이보다 더 바람직하게는 약 0.05 내지 0.1중량%로 강에 첨가한다.
때로는 붕소(B)를 바람직하게는 약 0.0020중량%, 보다 바람직하게는 약 0.0006 내지 약 0.0010중량%로 강에 첨가한다.
강은 바람직하게는 니켈을 약 1중량% 이상 함유한다. 강의 니켈 함량은 용접 후 성능을 강화시킬 필요가 있을 경우 약 3중량% 초과로 증가시킬 수 있다. 니켈을 각각 1중량% 첨가하면 강의 DBTT를 약 10℃(18℉) 강하시키는 것으로 예상된다. 니켈 함량은 바람직하게는 9중량% 미만, 보다 바람직하게는 약 6중량% 미만이다. 니켈 함량은 강의 비용을 최소화시키기 위해 최소화하는 것이 바람직하다. 니켈 함량이 약 3중량% 초과로 증가하는 경우, 망간 함량은 약 0.5 내지 0.0중량%로 감소될 수 있다. 그러므로, 넓은 의미에서는, 망간 약 2.5중량% 이하가 바람직하다.
추가로, 잔사는 강에서 실질적으로 최소화시키는 것이 바람직하다. 인(P) 함량은 바람직하게는 약 0.01중량% 미만이다. 황(S) 함량은 바람직하게는 약 0.004중량% 미만이다. 산소(O) 함량은 바람직하게는 약 0.002중량% 미만이다.
다소 상세히 설명하자면, 제2 예에 따르는 강은 다음에 기술된 바와 같이 목적하는 조성의 슬랩을 형성하여 제조한다: 슬랩을 약 955 내지 약 1065℃(1750 내지 1950℉)의 온도로 가열하고; 슬랩을 열간 압연하여 오스테나이트가 재결정화하는 제1 온도 범위, 즉 대략 Tnr온도 초과에서 약 30 내지 약 70%의 환원을 일으키는 1회 이상의 조작으로 강판을 형성하고, 강판을 대략 Tnr온도 미만이고 대략 Ar3변태 온도 초과의 온도인 제2 온도 범위에서 약 40 내지 약 80% 환원을 일으키는 1회 이상의 조작으로 추가로 열간 압연한다. 이어서, 열간 압연 강판을 약 10 내지 약 40℃/sec(18 내지 72℉/sec)의 냉각 속도로 급냉하고, 대략 Ms변태 온도 + 100℃(180℉)에서 급냉을 종결한다. 이러한 강의 제2 예의 하나의 양태에서, 급냉을 종결한 후 강판을 QST로부터 주위 온도로 공기 냉각시킨다. 당해 강의 제2 예의 또 다른 양태에서, 급냉을 종결한 후 강판을 바람직하게는 약 1분 이하 동안 QST에서 실질적으로 등온으로 유지시킨 다음, 주위 온도로 공기 냉각시킨다. 또 다른 양태에서는 강판을 바람직하게는 약 5분 이하 동안 공기 냉각 속도보다 더 느린 속도, 즉 1℃/sec(1.8℉/sec) 미만의 속도로 서서히 냉각시킨다. 당해 강의 제2 예의 하나 이상의 양태에서는, Ms변태 온도는 약 350℃이고, 따라서 Ms 변태 온도 + 100℃(180℉)는 약 450℃(842℉)이다.
강판은 당해 기술분야의 숙련가에게 공지된 바와 같이, 어떠한 적합한 수단에 의해서도 예를 들면, 강판에 열 블랭킷을 배치시킴으로써 QST에서 실질적으로 등온적으로 유지될 수 있다. 강판은 급냉이 어떠한 적합한 수단에 의해 종결된 후에, 당해 기술분야의 숙련가에게 공지된 바와 같이, 예를 들면 절연 블랭킷을 강판에 배치시킴으로써 서서히 냉각시킬 수 있다.
강의 제3 예
위에서 논의한 바와 같이, 우선일이 1997년 12월 19일이고 "극저온 인성이 탁월한 초고강도 이중상 강"을 발명의 명칭으로 하며 USPOT에 의해 출원 번호 제60/068816호로 인증되어 동시 계류중인 미국 가특허원에는 본 발명에 사용하기에 적합한 다른 강이 기재되어 있다. 여기서, (a) (i) 강 슬랩을 실질적으로 균질화시키고 (ii) 강 슬랩 중의 니오븀 및 바나듐의 실질적으로 모든 카바이드 및 카보니트라이드를 용해시키며 (iii) 강 슬랩 중의 미세 초기 오스테나이트 그레인을 달성하기에 충분히 높은 재가열 온도로 강 슬랩을 가열하는 단계, (b) 강 슬랩을 환원시켜 오스테나이트가 재결정하는 제1 온도 범위에서 1회 이상의 열간 압연 조작으로 강판을 형성하는 단계, (c) 대략 Tnr온도 미만, Ar3변태 온도 초과의 제2 온도 범위에서 1회 이상 열간 압연 조작으로 강판을 추가로 환원시키는 단계, (d) 대략 Ar3변태 온도 미만, 대략 Ar1변태 온도 초과의 제3 온도 범위(즉, 임계간 온도 범위)에서 1회 이상의 열간 압연 조작으로 상기 강판을 추가로 환원시키는 단계, (e) 강판을 약 10 내지 약 40℃/sec(18 내지 72℉/sec)의 냉각 속도로 대략 Ms변태 온도 + 200℃(360℉) 미만의 급냉 중지 온도(QST)까지 급냉시키는 단계, (f) 급냉을 중지하는 단계를 포함하는, 실질적으로 100용적%(즉, 실질적으로 순수 또는 "본질적으로")의 제1 상 약 10 내지 약 40용적% 및 주로 미립화 라스 마르텐사이트, 미립화 저베이나이트 또는 이들의 혼합물의 제2 상 약 60 내지 약 90용적%를 포함하는 미세 구조를 갖는 초고강도, 이중 상 강판을 제조하기 위한 방법이 제공되어 있다. 당해 강의 제3 예의 또 다른 양태에서, QST는 바람직하게는 대략 Ms변태 온도 100℃(180℉) 미만, 보다 바람직하게는 약 350℃(662℉) 미만이다. 당해 강의 제3 예의 하나의 양태에서는, 강판을 단계(f) 후에 주위 온도로 공기 냉각시킨다. 이러한 공정은 강판의 미세 구조를 페라이트의 제1 상 약 10 내지 약 40용적% 및 주로 미립화 라스 마르텐사이트, 미립화 저베이나이트 또는 이들의 혼합물 약 60 내지 약 90용적%로 변태시키는 것을 촉진한다. (Tnr온도, Ar3, 및 Ar1변태 온도의 정의에 대해서는 용어 해설을 참조한다.)
주변 온도 및 극저온 인성을 보장하기 위하여, 강의 제3 예의 강의 제2 상의 미세 구조는 주로 미립화 저베이나이트, 미립화 라스 마르텐사이트 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 제2 상의 고베이나이트, 쌍정 마르텐사이트 및 MA와 같은 취성 성분의 형성을 실질적으로 최소화시키는 것이 바람직하다. 당해 강의 제3 예 및 청구의 범위에 사용되는 용어 "주로"는 약 50용적% 이상을 의미한다. 제2 상 미세 구조의 잔여물은 추가의 미립화 저베이나이트, 추가의 미립화 라스 마르텐사이트 또는 페라이트를 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는, 제2 상의 미세 구조는 미립화 저베이나이트, 미립화 라스 마르텐사이트 또는 이들의 혼합물을 약 60 내지 약 80용적% 포함한다. 이보다 더 바람직하게는, 제2 상의 미세 구조는 미립화 저베이나이트, 미립화 라스 마르텐사이트 또는 이들의 혼합물을 약 90용적% 이상 포함한다.
이러한 강의 제3 예에 따라 가공된 강 슬랩은 통상적인 방식으로 제조하고, 하나의 양태에서, 철 및 다음 합금 원소를 바람직하게는 다음 표 III에 나타낸 중량 범위로 포함한다.
합금 원소 범위(중량%)
탄소(C) 0.04 내지 0.12, 보다 바람직하게는 0.04 내지 0.07
망간(Mn) 0.5 내지 2.5, 보다 바람직하게는 1.0 내지 1.8
니켈(Ni) 1.0 내지 3.0, 보다 바람직하게는 1.5 내지 2.5
니오븀(Nb) 0.02 내지 0.1, 보다 바람직하게는 0.02 내지 0.05
티탄(Ti) 0.008 내지 0.03, 보다 바람직하게는 0.01 내지 0.02
알루미늄(Al) 0.001 내지 0.05, 보다 바람직하게는 0.005 내지 0.03
질소(N) 0.002 내지 0.005, 보다 바람직하게는 0.002 내지 0.003
때로는 크롬(Cr)을 바람직하게는 약 1.0중량% 이하, 보다 바람직하게는 약 0.2 내지 약 0.6중량%로 강에 첨가한다.
때로는 몰리브덴(Mo)을 바람직하게는 약 0.8중량% 이하, 보다 바람직하게는 약 0.1 내지 약 0.3중량%로 강에 첨가한다.
때로는 규소(Si)를 바람직하게는 약 0.5중량% 이하, 보다 바람직하게는 약0.01 내지 약 0.5중량%, 이보다 더 바람직하게는 약 0.05 내지 0.1중량%로 강에 첨가한다.
때로는 구리(Cu)를 바람직하게는 약 0.1 내지 약 1.0중량%, 보다 바람직하게는 약 0.2 내지 약 0.4중량%의 범위로 강에 첨가한다.
때로는 붕소(B)를 바람직하게는 약 0.0020중량% 이하, 보다 바람직하게는 약 0.0006 내지 약 0.0010중량%로 강에 첨가한다.
강은 바람직하게는 니켈을 약 1중량% 이상 함유한다. 강의 니켈 함량은 용접 후 성능을 강화시킬 필요가 있을 경우 약 3중량% 초과로 증가시킬 수 있다. 니켈을 각각 1중량% 첨가하면 강의 DBTT를 약 10℃(18℉) 강하시키는 것으로 예상된다. 니켈 함량을 9중량% 미만, 보다 바람직하게는 약 6중량% 미만이다. 니켈 함량을 최소화하여 강의 비용을 최소화시키는 것이 바람직하다. 니켈 함량이 약 3중량% 초과로 증가하는 경우, 망간 함량은 약 0.5 내지 0.0중량%로 감소될 수 있다. 그러므로, 넓은 의미에서는, 망간 약 2.5중량% 이하가 바람직하다.
추가로, 잔사는 바람직하게는 강에서 실질적으로 최소화시킨다. 인(P) 함량은 바람직하게는 0.01중량% 미만이다. 황(S) 함량은 바람직하게는 0.004중량% 미만이다. 산소(O) 함량은 바람직하게는 0.002중량% 미만이다.
다소 상세히 설명하자면, 제3 예에 따르는 강은 다음에 기술된 바와 같이 목적하는 조성의 슬랩을 형성하여 제조한다: 슬랩을 약 955 내지 약 1065℃(1750 내지 1950℉)의 온도로 가열하고; 슬랩을 열간 압연하여 오스테나이트가 재결정화하는 제1 온도 범위, 즉 대략 Tnr온도 초과에서 약 30 내지 약 70% 환원을 일으키는 1회 이상의 조작으로 강판을 형성하고, 대략 Tnr온도 미만, 대략 Ar3변태 온도 초과의 온도인 제2 온도 범위에서 약 40 내지 약 80% 환원을 일으키는 1회 이상의 조작으로 강판을 추가로 열간 압연하며, 대략 Ar3변태 온도 미만, 대략 Ar1변태 온도 초과의 임계간 온도 범위에서 약 15 내지 약 50% 환원을 일으키는 1회 이상의 조작으로 강판의 압연을 종결한다. 이어서, 열간 압연 강판을 약 10 내지 약 40℃/sec(18 내지 72℉/sec)의 냉각 속도에서 적합한 급냉 중지 온도(QST)까지 바람직하게는 대략 Ms변태 온도 + 120℃(360℉)까지 급냉시킨 다음, 이때 급냉을 종결한다. 본 발명의 또 다른 양태에서, QST는 바람직하게는 Ms변태 온도 + 100℃(180℉), 보다 바람직하게는 약 350℃(662℉) 미만이다. 당해 강의 제3 예의 하나의 양태에서, 강판은 급냉을 종결한 후에 주위 온도로 공기 냉각시킨다.
상기 강의 세가지 예에서, Ni는 고가의 합금 원소이기 때문에, 강 중의 Ni 함량은 강의 바용을 실질적으로 최소화하기 위하여 바람직하게는 3.0중량% 미만, 보다 바람직하게는 약 2.5중량% 미만, 보다 바람직하게는 약 2.0중량% 미만, 이보다 더 바람직하게는 약 1.8중량% 미만이다.
본 발명에 관련하여 사용하기에 적합한 다른 강은, 니켈 약 1중량% 미만을 함유하고 인장 강도가 830MPa(120ksi) 초과이고 저온 인성이 탁월한 초고강도 저합금 강이 기재되어 있는 다른 문헌에 기재되어 있다. 예를 들면, 이러한 강은 1997년 2월 5일에 공개되고 국제 출원 번호가 제PCT/JP96/00157호이고 국제 공개번호가 제WO 96/23909호(1996.08.08., Gazette 1996/36)인 유럽 특허원(이러한 강은 바람직하게는 구리 함량이 0.1 내지 1.2중량%)과, 우선일이 1997년 7월 28일이고 "초저온 인성이 탁월한 초고강도 용접성 강"을 발명의 명칭으로 하여 USPTO에 의해 출원 번호 제60/053915호로서 인증되어 계류 중인 미국 가특허원에 기재되어 있다.
상기 언급된 강 중의 어느 것에 대해서도, 당해 기술분야의 숙련가에 의해 이해되는 바와 같이, 본원에서 사용된 "두께 감소율(%)"은 언급된 감소 이전에 강 슬랩 또는 강판의 두께 감소율(%)을 나타낸다. 단지 설명하기 위해서이고 이로써 본 발명을 제한하려는 것은 아니지만, 두께가 약 25.4cm(10in)인 강 슬랩은 제1 온도 범위에서 약 12.7cm(5in)의 두께로 약 50% 감소(50% 감소)한 다음, 제2 온도 범위에서 약 2.5cm(1in)의 두께로 약 80% 감소(80% 감소)할 수 있다. 역시, 설명하기 위해서이고 이로써 본 발명을 제한하려는 것은 아니지만, 약 25.4cm(10in)의 강 슬랩은 제1 온도 범위에서 약 17.8cm(7in)의 두께로 약 30% 감소(30% 감소)하고, 제2 온도 범위에서 약 3.6cm(1.4in)의 두께로 약 80% 감소(80% 감소)한 다음, 제3 온도 범위에서 약 2.5cm(1in)의 두께로 약 30% 감소(30% 감소)할 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "슬랩"은 임의의 치수의 강 조각을 의미한다.
상기 언급된 강 중의 어느 것에 대해서도, 당해 기술분야의 숙련가에 의해 이해되는 바와 같이, 강 슬랩은 거의 슬랩 전체, 바람직하게는 슬랩 전체의 온도를 목적하는 재가열 온도로 상승시키기 위한 적합한 수단에 의해서, 예를 들면, 일정 기간 동안 슬랩을 노에 배치시킴으로써 재가열하는 것이 바람직하다. 상기 언급된 강 조성 중의 어느 것에 대해서도 사용되어야 하는 특정 재가열 온도는 당해 기술분야의 숙련가에 의해 실험으로 또는 적합한 모델을 이용한 계산으로 용이하게 측정될 수 있다. 추가로, 거의 슬랩 전체, 바람직하게는 슬랩 전체의 온도를 목적하는 재가열 온도로 상승시키는데 필요한 노 온도 및 재가열 시간은 표준 산업 문헌을 참조하여 당해 기술분야의 숙련가에 의해 용이하게 측정할 수 있다.
상기 언급된 강 중의 어느 것에 의해서도, 당해 기술분야의 숙련가에 의해 이해되는 바와 같이, 재결정화 범위 및 재결정화하지 않는 범위 사이의 경계를 정의하는 온도, 즉 Tnr온도는 강의 화학조성과, 보다 구체적으로는 압연 전의 재가열 온도, 탄소 농도, 니오븀 농도 및 압연 조작시 주어지는 환원량에 따라 좌우된다. 당해 기술분야의 숙련가는 이러한 온도를 각각의 강 조성에 대하여 실험으로 또는 모델 계산으로 측정한다. 게다가, 본원에서 언급된 Ac1, Ar1, Ar3및 Ms변태 온도는 실험으로 또는 모델 계산으로 각각의 강 조성에 대하여 당해 기술분야의 숙련가에 의해 결정될 수 있다.
상기 언급된 강 중의 어느 것에 대해서도, 당해 기술분야의 숙련가에 의해 이해되는 바와 같이, 거의 슬랩 전체에 적용되는 재가열 온도를 제외하고는, 본 발명의 가공 방법을 기술하는 데 있어서 언급되는 후속적인 온도는 강의 표면에서 측정된 온도이다. 강의 표면 온도는 광학 고온계를 사용하여 또는 강의 표면 온도를 측정하기에 적합한 기타 장치에 의하여 측정할 수 있다. 본원에서 언급된 냉각 속도는 플레이트 두께의 중앙에서 또는 거의 중앙에서의 속도이고; 급냉 중지 온도(QST)는 강판의 중간 두께로부터 전달된 열 때문에, 급냉이 중지된 후에 강판 표면에 이르는 최고 또는 거의 최고 온도이다. 예를 들면, 본원에 제공된 실시예에 따르는 강 조성의 실험적 열처리 동안에, 열전쌍을 강판 중앙 온도의 측정을 위해 강판 두께의 중앙 또는 거의 중앙에 배치시키는 한편, 표면 온도는 광학 고온계를 사용하여 측정한다. 동일하거나 실질적으로 동일한 강 조성의 후속적인 가공 동안에 중앙 온도와 표면 온도 사이의 상호관계를 사용하여, 표면 온도의 직접 측정을 통해 중앙온도를 측정할 수 있다. 또한, 목적하는 가속 냉각 속도를 달성하는 급냉 유체의 필요 온도 및 유속은 표준 산업 문헌을 참조하여 당해 기술분야의 숙련가에 의해 측정될 수 있다. 당해 분야의 숙련가는 본 발명의 파이프 및 기타부품을 제조하는데 사용되기에 적합한 높은 강도와 인성을 갖는 초고강도 저합금강을 제조하기 위해 본원에 제공된 정보를 사용하기 위한 필수 지식 및 기술을 갖고 있다. 기타 적합한 강이 현존하거나 추후에 개발될 수 있다. 이러한 모든 강은 본 발명의 영역내에 있다.
당해 기술분야의 숙련가는 본 발명의 시스템을 제조하는데 사용하기 위한 적합한 고강도 및 적합한 극저온을 갖는 강판을 여전히 제조하면서, 본원에 제공된 실시예에 따라 제조되는 강판의 두께와 비교하여 개질된 두께를 갖는 초고강도 저합금 강판을 제조하는 본원에 제공된 정보를 사용하는 필수적인 지식 및 기술을 갖고 있다. 예를 들면, 당해 기술분야의 숙련가는 본 발명의 파이프 및 기타 부품을 제조하는데 사용하기 위한, 두께가 약 2.54cm(1in)이고 적합한 고강도 및 적합한 극저온 인성을 갖는 강판을 제조하는 본원에서 제공된 정보를 사용할 수 있다. 다른 적합한 강이 현존하거나 추후에 개발될 수 있다. 이러한 모든 강은 본 발명의 영역 내에 있다.
이중상 강이 본 발명에 따르는 파이프를 제조하는데 사용되는 경우, 이중상 강은 바람직하게는 강이 이중상 구조를 생성하기 위한 임계간 온도 범위에서 유지되는 동안의 일정 기간이 냉각 또는 급냉 단계를 촉진시키기 전에 존재하는 방법으로 가공된다. 바람직하게는, 당해 공정은 Ar3변태 온도 내지 대략 Ar1변태 온도의 강을 냉각시키는 동안 이중상이 형성되도록 한다. 본 발명에 따르는 파이프의 제조에 사용하기 위한 강에 대하여 추가로 바람직하게는, 당해 강은 인장 강도가 830MPa(120ksi)이고 DBTT가, 가속화된 냉각 또는 급냉 단계의 완료시, 즉 단련과 같은 강의 재가열을 필요로 하는 어떠한 추가의 가공도 없이, 약 -73℃(-100℉) 미만이다. 보다 바람직하게는 급냉 또는 냉각 단계의 완료시 강의 인장 강도는 약 860MPa(125ksi) 초과, 보다 바람직하게는 900MPa(130ksi) 초과이다. 일부 출원에서는, 급냉 또는 냉각 단계의 완료시 인장 강도가 약 930MPa(135ksi) 초과이거나, 965MPa(140ksi) 초과이거나, 1000MPa(145ksi) 초과인 강이 바람직하다.
파이프 및 기타 부품을 제조하기 위한 접합방법
본 발명의 파이프 및 기타 부품을 제조하기 위하여 강판을 접합하는 적합한 방법이 요구된다. 본 발명에 사용되기에 충분한 강도 및 인성을 접합부에 부여하는 모든 접합방법이 적합한 것으로 간주된다. 바람직하게는, 내장되거나 운송되는 유체를 내장하기에 충분한 강도 및 파괴 인성을 제공하기에 적합한 용접 방법이 본 발명의 파이프 및 기타 부품들을 제조하는데 사용된다. 바람직하게는, 이러한 용접 방법은 적합한 소모성 와이어, 접합한 소모성 가스, 적합한 용접방법 및 적합한 용접과정을 포함한다. 예를 들면, 강 가공 산업분야에 널리 공지되어 있는 가스 금속 아크 용접(Gas Metal Arc Welding; GMAW)과 텅스텐 불활성 가스(TIG) 용접은 적합한 소모성 와이어-가스 조합물이 사용되는 조건하에 둘 다 강판 접합에 사용될 수 있다.
처음 예시된 용접방법에서, 가스 금속 아크 용접(GMAW) 방법은 철과 탄소 약 0.07중량%, 망간 약 2.05중량%, 규소 약 0.32중량%, 니켈 약 2.20중량%, 크롬 약 0.45중량%, 몰리브덴 약 0.56중량%, 인 약 110ppm 미만 및 황 약 50ppm 미만을 포함하는 용접 금속 화학 조성물을 제조하는 데 사용된다. 산소 약 1중량% 미만을 갖는 아르곤계 차폐 가스를 사용하여 상술한 강 중의 하나와 같은 강에 대해 용접을 수행한다. 용접열 도입량은 약 0.3 내지 약 1.5kJ/mm(7.6 내지 38kJ/in)의 범위이다. 이러한 방법에 의한 용접은, 인장 강도가 약 900MPa(130ksi) 초과, 바람직하게는 약 930MPa(135ksi) 초과, 보다 바람직하게는 약 965MPa(140ksi) 초과, 이보다 더 바람직하게는 약 1000MPa(145ksi) 이상인 용접부(용어해설 참조)를 제공한다. 추가로, 이러한 방법에 의한 용접은, DBTT가 -73℃(-100℉) 미만, 바람직하게는 약 -96℃(-140℉) 미만, 보다 바람직하게는 약 106℃(-160℉) 미만, 이보다 더 바람직하게는 약 -115℃(-175℉) 미만인 용접 금속을 제공한다.
또 다른 예시 용접방법에서, GMAW 방법은 철과 탄소 약 0.10중량%(바람직하게는 탄소 약 0.10중량% 미만, 보다 바람직하게는 약 0.07 내지 약 0.08중량%), 망간 약 1.60중량%, 규소 약 0.25중량%, 니켈 약 1.87중량%, 크롬 약 0.87중량%, 몰리브덴 약 0.51중량%, 인 약 75ppm 미만 및 황 약 100ppm 미만을 포함하는 용접 금속 화학 조성물을 제조하는 데 사용된다. 용접열 도입량은 약 0.3 내지 약1.5kJ/mm(7.6 내지 38kJ/in)의 범위이며, 약 100℃(212℉)의 예열이 채용된다. 산소 약 1중량% 미만을 갖는 아르곤계 차폐 가스를 사용하여 상술한 강 중의 하나와 같은 강에 대해 용접을 수행한다. 이러한 방법에 의한 용접은, 인장 강도가 약 900MPa(130ksi) 초과, 바람직하게는 약 930MPa(135ksi) 초과, 보다 바람직하게는 약 965MPa(140ksi) 초과, 이보다 더 바람직하게는 약 1000MPa(145ksi) 이상인 용접부를 제공한다. 추가로, 이러한 방법에 의한 용접은, DBTT가 -73℃(-100℉) 미만, 바람직하게는 약 -96℃(-140℉) 미만, 보다 바람직하게는 약 106℃(-160℉) 미만, 이보다 더 바람직하게는 약 -115℃(-175℉) 미만인 용접 금속을 제공한다.
또 다른 예시 용접방법에서, 텅스텐 불활성 가스 용접(TIG) 방법은 철과 탄소 약 0.07중량%(바람직하게는 탄소 약 0.07중량% 미만), 망간 약 1.80중량%, 규소 약 0.20중량%, 니켈 약 4.00중량%, 크롬 약 0.5중량%, 몰리브덴 약 0.40중량%, 구리 약 0.02중량%, 알루미늄 약 0.02중량%, 타타늄 약 0.010중량%, 지르코늄(Zr) 약 0.015중량%, 인 약 50ppm 미만 및 황 약 30ppm 미만을 포함하는 용접 금속 화학 조성물을 제조하는 데 사용된다. 용접열 도입량은 약 0.3 내지 약 1.5kJ/mm(7.6 내지 38kJ/in)의 범위이며, 100℃(212℉)의 예열이 채용된다. 산소 약 1중량% 미만을 갖는 아르곤계 차폐 가스를 사용하여 상술한 강 중의 하나와 같은 강에 대해 용접을 수행한다. 이러한 방법에 의한 용접은, 인장 강도가 약 900MPa(130ksi) 초과, 바람직하게는 약 930MPa(135ksi) 초과, 보다 바람직하게는 약 965MPa(140ksi) 초과, 이보다 더 바람직하게는 약 1000MPa(145ksi) 이상인 용접부를 제공한다. 추가로, 이러한 방법에 의한 용접은, DBTT가 -73℃(-100℉) 미만, 바람직하게는 약 -96℃(-140℉) 미만, 보다 바람직하게는 약 106℃(-160℉) 미만, 이보다 더 바람직하게는 약 -115℃(-175℉) 미만인 용접 금속을 제공한다.
실시예에 언급된 유사한 용접 금속 화학 조성물은 GMAW 또는 TIG 용접방법을 사용하여 제조될 수 있다. 그러나, TIG 용접은 GMAW에 비해 불순물의 함량이 더 낮고 미세 구조가 보다 고도로 정제되어 저온 인성이 개선된다.
당 분야의 숙련가들은, 본 발명의 파이프와 기타 부품들을 제조하는데 사용하기 위한 적합한 높은 강도 및 파괴 인성을 갖는 접합부를 제조하기 위한 초고강도 저합금 강판을 용접하기 위해 본원에서 제공된 정보를 사용하는 필수 지식 및 기술을 사용한다. 기타 적합한 접합 및 용접 방법은 현존하거나 추후 개발될 수 있다. 이러한 모든 접합 또는 용접 방법은 본 발명의 범주 내에 포함된다.
파이프 및 기타 부품들의 제조
본 발명을 제한하려는 것은 아니지만, (i) 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도 저합금 강을 포함하는 재료로부터 제조되며, (ii) 극저온 유체, 특히 PLNG를 내장하기에 충분한 강도와 극저온 파괴 인성을 갖는 파이프 및 기타 부품들이 제공되며, 추가로 인장강도가 830MPa(120ksi) 초과이고 DBTT가 약 -73℃(-100℉) 미만이며 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도 저합금 강을 포함하는 재료로부터 제조되는 파이프 및 기타 부품들이 제공되고, 추가로 (i) 니켈을 약 3중량% 미만 함유하는 초고강도 저합금 강을 포함하는 재료로부터 제조되며 (ii) 극저온 유체, 특히 PLNG를 내장하기에 충분한 강도와 극저온 파괴 인성을 갖는 파이프 및 기타부품들이 제공되며, 추가로 니켈을 약 3중량% 미만 함유하는 초고강도 저합금 강을 포함하는 재료로부터 제조되며 인장강도가 약 1000MPa(145ksi) 초과이고 DBTT가 약 -73℃(-100℉) 미만인 파이프 및 기타 부품들이 제공된다. 이러한 파이프 및 기타 부품들은 본원에서 기재되는 우수한 극저온 인성을 갖는 초고강도 저합금 강으로부터 제조되는 것이 바람직하다.
본 발명의 파이프 및 기타 부품들은 우수한 극저온 인성을 갖는 초고강도 저합금 강으로 이루어진 분리된 강판들로부터 제조되는 것이 바람직하다. 적용 가능한 경우, 파이프와 기타 부품들의 접합부는 초고강도 저합금 강판과 거의 동일한 강도 및 인성을 갖는 것이 바람직하다. 어떤 경우에는, 강도를 약 5 내지 약 10% 낮게 조절하는 것이 보다 낮은 응력의 위치에 대해 유리할 수 있다. 바람직한 특성을 갖는 접합부는 적합한 접합 기술에 의해 제조될 수 있다. 예시적인 접합기술이 "파이프 및 기타 부품을 제조하기 위한 접합방법"라는 부제하에 본원에 기술되어 있다.
당 분야의 숙련가에게 익숙한 바와 같이, 샤피 V-노치(CVN) 시험이 PLNG와 같은 가압 극저온 유체를 운송하는 파이프의 설계에 있어서 파단 인성 평가와 파단 제어의 목적으로, 특히 연성-취성 전이 온도(DBTT)를 사용함으로써, 채용될 수 있다. DBTT는 구조적인 강에서 2가지 파단 체제를 나타낸다. DBTT 미만의 온도에서, 샤피-V-노치 시험의 실패는 저에너지 분해(취성) 파괴에 의해 발생하는 경향이 있는 반면, DBTT 초과의 온도에서의 실패는 고에너지 연성 파괴에 의해 발생하는 경향이 있다. PLNG를 운송하고 기타 적하물을 운송하는 극저온 서비스를 위해 용접 강으로부터 제조된 파이프는 샤피 V-노치 시험에 의해 측정되는 DBTT가 취성 실패를 피하기 위해 구조물의 서비스 온도보다 훨씬 낮은 온도이어야 한다. 설계, 서비스 조건 및/또는 적용 가능한 분류 단체의 요건에 따라, 요구되는 DBTT 온도 범위는 서비스 온도보다 5 내지 30℃(9 내지 54℉) 정도 낮을 수 있다.
당 분야의 숙련가들에게 익숙한 바와 같이, PLNG와 같은 가압 극저온 유체를 운송하기 위한 용접 강으로부터 제조되는 파이프의 설계시 고려되는 작동조건은 기타 조건들 중에서도 작동 압력과 작동 온도 뿐만 아니라 강 또는 용접부(용어해설 참조)에 부과될 수 있는 추가의 응력을 포함한다. (i) 평면-변형 파괴 인성의 척도인 임계 응력 강도 인자(KIC) 및 (ii) 탄성-가소성 파괴 인성의 척도로 사용될 수 있는 균열 말단 개방 변위(crack tip opening displacement; CTOD)와 같은 당 분야의 숙련가들에게 익숙한 표준 파괴 역학적 특성을 사용하여 강 및 용접부의 파괴 인성을 측정할 수 있다. 예를 들면, 흔히 "PD 6493 : 1991"로 인용되는 문헌[BSI publication "Guidance on methods for assessing the acceptablility of flaws in fusion welded structues"]에 제시된 바와 같은 강 구조 설계에 통상 허용되는 산업 코드를 사용하여 강 및 용접부(HAZ 포함)의 파괴 인성과 파이프에 부과되는 응력을 토대로 파이프의 최대로 허용 가능한 흠 크기를 측정할 수 있다. 당 분야의 숙련가는 (i) 부과되는 응력을 최소화하는데 적합한 파이프 설계, (ii) 결함을 최소화하기 위한 적합한 제조 품질 제어, (iii) 파이프에 부과되는 라이프 사이클 하중 및 압력의 적합한 제어 및 (iv) 파이프의 흠 및 결함을 신뢰성있게 검측하는 적합한 조사 프로그램을 통해 파괴 개시를 완화시키는 파괴 제어 프로그램을 개발할 수 있다. 본 발명의 시스템에 바람직한 설계 철학은 당 분야의 숙련가들에게 익숙한 바와 같이 "실패 전 누출"이다. 이러한 고찰은 일반적으로 "파괴 역학의 공지된 원리"로서 본원에서 인용된다.
다음은 본 발명에 따르는 파이프에서 파괴 개시를 방지하기 위한 파괴 제어 계획에 사용되는 소정의 흠 길이에 대한 임계 흠 깊이를 계산하기 위한 과정에서 상기한 파괴 역학의 공지된 원리를 적용하는 비제한적 실시예이다.
도 2B는 길이가 315이고 깊이가 310인 흠을 도시한 것이다. PD6493을 사용하여 파이프에 대한 다음 설계 조건을 토대로 도 2a에 도시한 임계 흠 크기 플롯 300에 대한 수치를 계산한다:
파이프 직경 : 914m(36in)
파이프 벽 두께: 20mm(0.787in)
작동 축 응력: 0.80 x SMYS = 662MPa(96ksi)
이러한 실시예의 목적상, 표면 흠 길이, 예를 들면, 용접 봉합부에 위치한 축상 흠이 100mm(4in)로 측정된다. 이제 도 2a를 참조하면, 플롯 300은 잔여 응력 수준이 항복 응력의 15%, 25%, 50%, 75% 및 100%인 경우, 임계 흠 깊이의 수치를 CTOD 파괴 인성과 잔여 응력의 함수로서 나타낸다. 잔여 응력은 제조 및 용접으로 인해 발생될 수 있고, PD6493은, 용접후 가열처리(PWHT) 또는 역학적 응력 해제와 같은 기술을 사용하여 용접부에서 응력이 제거되지 않은 한, 용접부(HAZ 포함)의 항복 응력의 100%를 잔여 응력 수치로 사용할 것을 추천한다.
최저 서비스 온도에서 강의 CTOD 파괴 인성을 기준으로 하여, 파이프 용접 과정은 잔여 응력을 감소시키도록 조절할 수 있으며, 임계 흠 크기에 대한 대조용으로 흠을 검측하기 위한 조사 프로그램(초기 조사 및 서비스 도중의 조사 둘 다에 대한 프로그램)을 가설할 수 있다. 이러한 경우의 예에서, 강의 CTOD 인성(실험실의 시료를 사용하여 측정한 값)이 최저 서비스 온도에서 0.030mm이고 잔여 응력이 강 항복 강도의 15%로 감소되는 경우, 임계 흠 깊이의 값은 약 1mm이다(도 2a의 포인트 320 참조). 유사한 계산 과정을 따라, 당 분야의 숙련가들에게 널리 공지된 바와 같이, 임계 흠 깊이는 각종 흠의 기하학적 형태 뿐만 아니라 각종 흠 길이에 대해 측정될 수 있다. 이러한 정보를 사용하여, 품질 제어 프로그램 및 조사 프로그램(기술, 검측 가능한 흠 치수, 빈도)이 개발되어 흠이 임계 흠 깊이에 도달하기 전 또는 설계 하중에 적용되기 전에 검측 및 조치되도록 할 수 있다. CVN, KIC및 CTOD 파괴 인성 사이의 공개된 실험 상관관계를 토대로, CTOD 인성 0.030mm는 통상 약 44J의 CVN과 상관관계에 있다. 이러한 실시예들은 어떠한 방식으로도 본 발명을 제한하지 않는다.
강의 굴곡, 예를 들면, 컨테이너용 원통형 또는 파이프용 관형으로의 굴곡이 요구되는 파이프 및 기타 부품에 대해, 강은 강의 우수한 극저온 인성에 치명적인 영향을 미치지 않도록 주변 온도에서 목적하는 형태로 굴곡시키는 것이 바람직하다. 강이 굴곡 후 목적하는 형태를 취하도록 가열시켜야 하는 경우, 강은 상술한 바와 같은 강 미세 구조의 유리한 효과를 보존하기 위해 약 600℃(1112℉) 이하의 온도로 가열하는 것이 바람직하다.
이러한 파이프 및 기타 부품과 관련된 독특한 이점은 이하에 상세하게 기술하였다.
파이프라인 배급 네트웍 시스템
도 1을 참고로 하면, PLNG를 배급하기 위한 본 발명에 따르는 파이프라인 배급 네트웍 시스템(10)은 바람직하게는 하나 이상의 저장 컨테이너(12), 하나 이상의 1차 배급 파이프(14) 및 한 곳 이상의 목적지(16)를 포함한다. 목적지(16)는, 본 발명을 제한하지 않으면서 단지 예시용으로서, 차량 연료 재충전소, 제조 공장, 또는 천연 가스 파이프라인 상의 LNG 증기화 장소를 포함한다. 도 1에 도시된 파이프라인 배급 네트웍 시스템은 또한 하나 이상의 2차 배급 파이프(18) 및 하나 이상의 3차 배급 파이프(15)를 갖는다.
파이프라인 배급 네트웍 시스템(10)은 바람직하게는 PLNG의 증기화를 제어하기 위해 시스템 내에서의 열 누출을 제어하도록 설계된다. 열 누출은 1차 배급 파이프(14)와 같은 파이프와 저장 컨테이너(12)를 둘러싸고 있는 적합한 절연재와 이러한 절연재 두께에 의해 당 분야의 숙련가에게 공지된 수단에 의해 제어할 수 있다. 추가로, 재액화기를 포함하는 증기 취급 설비(도 1에 도시되지 않았음)가 파이프라인 배급 네트웍 시스템(10)에 포함될 수 있으며, 과량의 증기가 가스 동력 장치에 연료 공급을 위해 사용될 수 있다.
PLNG는 극저온 펌프(도 1에 도시되지 않음)에 의해 펌핑되는 것이 바람직하다. 추가로, 극저온 펌프는 파이프라인 배급 네트웍 시스템(10) 전체에 걸쳐서 다양한 위치에 사용되어 시스템을 통해 펌핑되는 PLNG의 압력과 온도를 소정의 범위로 유지시키는 것이 바람직하다. 당 분야의 숙련가에 의해 적합한 극저온 펌프가 선택될 수 있다. 바람직하게는, 목적지(16)와 시스템 내의 파이핑[예: 2차 배급 파이프(18)] 사이의 검사 밸브(도 1에 도시되지 않음)는 종착지(16)으로부터 파이핑으로의 역류를 방지한다. 본 발명의 파이프라인 배급 네트웍 시스템의 이점은 PLNG(액체)가 목적지로 펌핑됨으로써 전형적인 천연 가스 배급 시스템과 연관된 압축 비용의 증가를 피할 수 있다는 점이다.
PLNG용의 전형적인 수용 터미널은 PLNG 유조선으로부터 PLNG를 수용하는 해변에 위치한다. 상기 터미널은 하나 이상의 PLNG 저장 컨테이너(12)와 PLNG를 증기화시키기 위한 설비(도 1에 도시되지 않음)를 갖는 것이 바람직하다. 각각 1일 PLNG를 약 3,000갤론씩을 필요로 하는 100군데의 PLNG 사용자/배급자를 갖는 전형적인 메트로폴리탄 네트웍에 대한 파이프라인 배급 네트웍 시스템(10)은, 예를 들면, 10" 1차 배급 파이프(14), 약 10개의 3" 2차 배급 파이프 및 100개의 1.5" 3차 배급 파이프(15)를 포함한다.
상술한 바와 같은 PLNG를 배급하기 위한 파이프라인 배급 네트웍 시스템의 파이프 및 기타 부품은 "파이프 및 기타 부품을 제조하기 위한 강"이란 부제하에 상술한 강 중의 임의의 강과 같은 본원에 기재된 적합한 초고강도 저합금 강으로부터 제조된다. 파이프 및 기타 부품은 파이프라인 배급 네트웍 시스템이 사용되는 PLNG 프로젝트의 수요에 따라 치수가 정해진다. 본 명세서에 제공되는 정보 이외에도, 당 분야의 숙련가는 파이프 및 기타 부품에 대한 필요 치수, 벽 두께 등을 측정하기 위해 당 산업 분야에서 입수할 수 있는 문헌 및 표준 공업 실시를 이용하여 본 발명의 파이프라인 배급 네트웍 시스템을 제조 및 작동시킬 수 있다.
본 발명의 시스템은 PLNAG를 배급/운송하는 데 유리하게 사용된다. 추가로, 본 발명의 시스템은 (i) 기타 가압 극저온 유체를 배급/운송하거나 (ii)극저온은 아닌 가압 유체를 배급/운송하거나 (iii) 대기압에서 극저온인 유체를 배급/운송하는데 유리하게 사용된다.
전술한 발명은 하나 이상의 바람직한 양태의 견지에서 기술되었지만, 기타 변형이 후술되는 청구범위에 나타낸 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있음을 이해해야 한다.
용어해설:
Ac1변태 온도: 오스테나이트가 가열 동안 형성되기 시작하는 온도;
Ac3변태 온도: 페라이트의 오스테나이트로의 변태가 가열 동안 완결되는 온도;
Ar1변태 온도: 오스테나이트의 페라이트로의 또는 페라이트 및 시멘타이트로의 변태가 냉각 동안 완결되는 온도;
Ar3변태 온도: 오스테나이트가 냉각 동안 페라이트로 변태되기 시작하는 온도;
극저온: 약 -40℃(-40℉) 이하의 온도;
CTOD: 균열 말단 개방 변위;
CVN: 샤피-V-노치;
DBTT(연성-취성 전이 온도): 구조적인 강에서 2개의 파괴 양식을 나타내며; DBTT 이하의 온도에서, 저에너지 균열(취성) 파괴에 의해 내장 실패가 발생하는 경향이 있는 반면, DBTT 이상의 온도에서, 고에너지 연성 파괴에 의해 내장 실패가 발생하는 경향이 있다;
필수적으로: 실질적으로 100용적%;
Gm3: 십억 입방 미터;
GMAW: 가스 금속 아크 용접;
경화 입자: 하나 이상의 ε-구리, Mo2C, 또는 니오브 및 바나듐의 카바이드 및 카보니트라이드;
HAZ: 열 영향대;
임계간 온도 범위: 가열시의 약 Ac1변태 온도 내지 약 Ac3변태 온도, 및 냉각시의 약 Ar3변태 온도 내지 약 Ar1변태 온도;
KIC: 임계 응력 강도 계수;
kJ: 킬로주울;
kPa: 천 파스칼;
ksi: 제곱 인치당 천 파운드;
저합금 강: 철과 총 합금 부가물 약 10중량% 미만을 함유하는 강;
MA: 마르텐사이트-오스테나이트;
최대 허용 가능한 흠 크기: 임계 흠 길이 및 깊이;
Mo2C: 몰리브덴 카바이드 형태;
MPa: 백만 파스칼;
Ms변태 온도: 냉각 동안 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태되기 시작하는 온도;
PLNG: 가압 액화 천연 가스;
주로: 약 50용적% 이상;
ppm: 백만분의 1;
psia: lb/in2절대압;
급냉: 공기 냉각에 반대하여, 강의 냉각 속도를 증가시키는 경향에 대해 선택된 유체를 사용하는 임의의 수단에 의한 가속 냉각;
급냉(냉각) 속도: 판 두께의 중심 또는 거의 중심에서의 냉각 속도;
급냉 중지 온도: 판의 중간 두께로부터 전달된 열로 인해, 급냉을 중지한 후, 판의 표면에 도달된 최고 또는 거의 최고 온도;
QST: 급냉 중지 온도;
슬랩: 임의의 치수를 갖는 강편;
TCF: 1조 입방 피트;
인장 강도: 인장 시험에서, 원래 단면적에 대한 최대 부하 비율;
TIG 용접: 텅스텐 불활성 가스 용접;
Tnr온도: 오스테나이트가 재결정화되지 않는 온도 이하;
USPTO: 미국 특허 상표청; 및
용접부: (i) 용접 금속, (ii) 열 영향대(HAZ) 및 (iii) HAZ의 "인접"에서의 베이스 금속을 포함하는 용접된 접합부. HAZ의 "인접"내인 것으로 간주되어서 용접부의 일부인 베이스 금속 부분은 당해 기술분야의 숙련가에게 공지된 인자, 예를 들면, 이로서 제한되는 것은 아니나, 용접부의 넓이, 용접되는 품목의 크기, 품목을 제조하는데 요구되는 용접부의 개수 및 용접부간의 거리에 따라 다양하다.

Claims (16)

  1. 인장 강도가 830MPa(120ksi) 초과이고 DBTT가 -73℃(-100℉) 미만이며 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도 저합금 강을 포함하는 재료로 이루어진 하나 이상의 분리된 판을 함께 구부리고 접합시킴으로써 제조되며 이때 접합에 의해 형성된 접합부의 강도가 상기 초고강도 저합금 강의 인장강도의 90% 이상이고 접합부의 DBTT가 -73℃(-100℉) 미만인, 압력이 1035kPa(150psia) 내지 7590kPa(1100psia)이고 온도가 -123℃(-190℉) 내지 -62℃(-80℉)인 가압 액화 천연 가스를 운송하기 위한 파이프라인 배급 네트웍 시스템에 사용하기에 적합한 파이프.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 접합부가 가스 금속 아크 용접법(gas metal arc welding)에 의해 형성되는 파이프.
  5. 제1항에 있어서, 접합부가 텅스텐 불활성 가스 용접법에 의해 형성되는 파이프.
  6. 인장 강도가 830MPa(120ksi) 초과이고 DBTT가 -73℃(-100℉) 미만이며 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도 저합금 강을 포함하는 재료로 이루어진 하나 이상의 분리된 판을 함께 구부리고 접합시킴으로써 제조되며 이때 접합에 의해 형성된 접합부의 강도가 상기 초고강도 저합금 강의 인장강도의 90% 이상이고 접합부의 DBTT가 -73℃(-100℉) 미만인 파이프를 하나 이상 포함하는, 가압 액화 천연 가스를 배급하기 위한 파이프라인 배급 네트웍 시스템.
  7. (a) 압력이 1035kPa(150psia) 내지 7590kPa(1100psia)이고 온도가 -123℃(-190℉) 내지 -62℃(-80℉)인 가압 액화 천연 가스를, 가압 액화 천연 가스의 저장 장소에 위치한, 인장 강도가 830MPa(120ksi) 초과이고 DBTT가 -73℃(-100℉) 미만이며 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도 저합금 강을 포함하는 재료로 이루어진 하나 이상의 분리된 판을 함께 구부리고 접합시킴으로써 제조되며 이때 접합에 의해 형성된 접합부의 강도가 상기 초고강도 저합금 강의 인장강도의 90% 이상이고 접합부의 DBTT가 -73℃(-100℉) 미만인 파이프를 하나 이상 포함하는 파이프라인 배급 네트웍 시스템의 입구로 운반하는 단계; 및
    (b) 가압 액화 천연 가스를 목적지에 위치한 파이프라인 배급 네트웍 시스템의 출구로 펌핑하는 단계를 포함하는, 가압 액화 천연 가스를 저장소로부터 목적지까지 운송하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 가압 액화 천연 가스를 가스로 전환시켜 사용자 또는 배급자에게 운반하기 위한 증기화 장치가 파이프라인 배급 네트웍 시스템의 출구와 연결되어 있는 방법.
  9. 제8항에 있어서, (c) 가스를 가스 파이프라인으로 운반하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  10. 제7항에 있어서, 파이프라인 배급 네트웍 시스템이, 인장 강도가 830MPa(120ksi) 초과이고 DBTT가 -73℃(-100℉) 미만이며 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도 저합금 강을 포함하는 재료로 이루어진 다수의 분리된 판들을 함께 접합시킴으로써 제조되며 이때 분리된 판들 사이의 접합부의 강도가 상기 초고강도 저합금 강의 인장강도의 90% 이상이고 접합부의 DBTT가 -73℃(-100℉) 미만인 저장 컨테이너를 하나 이상 포함하는 방법.
  11. 인장 강도가 830MPa(120ksi) 초과이고 DBTT가 -73℃(-100℉) 미만이며 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도 저합금 강을 포함하는 재료로 이루어진 다수의 분리된 판들을 함께 구부리고 접합시킴으로써 제조되며 이때 접합에 의해 형성된 접합부의 강도가 초고강도 저합금 강의 인장강도의 90% 이상이고 접합부의 DBTT가 -73℃(-100℉) 미만인 파이프를 하나 이상 포함하며 가압 액화 천연 가스를 수용하기 위한 입구가 구비된 파이프라인 배급 네트웍 시스템을 포함하는, 압력이 1035kPa(150psia) 내지 7590kPa(1100psia)이고 온도가 -123℃(-190) 내지 -62℃(-80℉)인 가압 액화 천연 가스를 배급하기 위한 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 파이프라인 배급 네트웍 시스템이, 인장 강도가 830MPa(120ksi) 초과이고 DBTT가 -73℃(-100℉) 미만이며 니켈을 9중량% 미만 함유하는 초고강도 저합금 강을 포함하는 재료로 이루어진 다수의 분리된 판을 함께 접합시킴으로써 제조되며 이때 분리된 판들 사이의 접합부의 강도가 초고강도 저합금 강의 인장강도의 90% 이상이고 접합부의 DBTT가 -73℃(-100℉) 미만인 저장 컨테이너를 하나 이상 포함하는 시스템.
  13. 인장 강도가 830MPa(120ksi) 초과이고 DBTT가 -73℃(-100℉) 미만이며 니켈을 2중량% 미만 함유하는 저합금 고강도 강을 포함하는 재료로 이루어진 다수의 분리된 판을 함께 접합시킴으로써 제조되며 이때 분리된 판들 사이의 접합부의 강도가 초고강도 저합금 강의 인장강도의 90% 이상이고 접합부의 DBTT가 -73℃(-100℉) 미만인, 압력이 1725kPa(250psia) 내지 7590kPa(1100psia)이고 온도가 -112℃(-170℉) 내지 -62℃(-80℉)인 가압 액화 천연 가스를 저장하기 위한 컨테이너.
  14. 인장 강도가 830MPa(120ksi) 초과이고 DBTT가 -73℃(-100℉) 미만이며 니켈을 2중량% 미만 함유하는 저합금 고강도 강을 포함하는 재료로 이루어진 다수의 분리된 판을 함께 접합시킴으로써 제조되며 이때 분리된 판들 사이의 접합부의 강도가 초고강도 저합금 강의 인장강도의 90% 이상이고 접합부의 DBTT가 -73℃(-100℉) 미만인, 압력이 1725kPa(250psia) 내지 7590kPa(1100psia)이고 온도가 -112℃(-170℉) 내지 -62℃(-80℉)인 가압 액화 천연 가스를 운송하기 위한 파이프라인 배급 네트웍 시스템에 사용하기에 적합한 컨테이너.
  15. 삭제
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