KR100561361B1

KR100561361B1 - 소구경 튜브 홀을 가진 열교환기류의 튜브와 튜브시트와의 폭발접합 방법

Info

Publication number: KR100561361B1
Application number: KR1020030050861A
Authority: KR
Inventors: 이병일; 문인채; 주우찬; 강덕규; 김희열
Original assignee: (주)이엘테크
Priority date: 2003-07-24
Filing date: 2003-07-24
Publication date: 2006-03-16
Also published as: KR20050011828A

Abstract

본 발명은 열교환기류의 튜브와 튜브시트와의 폭발접합 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소구경 튜브 홀을 가진 열교환기의 튜브와 튜브시트와의 접합 방법에 있어서 기존의 일반적인 기계확관 방법, 수압확관 방법, 완충재와 완충재 캡을 이용한 폭발접합 방법으로는 접합할 수 없는 소구경 튜브 홀을 가진 튜브와 튜브시트와의 접합을 수평연결구와 도폭선을 이용하여 폭발접합을 하는 방법에 관한 것이다.

튜브, 튜브시트, 완충재, 완충재캡, 수평연결구, 화약, 도폭선, 뇌관

Description

소구경 튜브 홀을 가진 열교환기류의 튜브와 튜브시트와의 폭발접합 방법 {METHOD OF EXPLOSION BONDING FOR HEAT EXCHANGERS WITH THE SMALL INSIDE DIAMETER TUBE HOLES INTO TUBE SHEETS}

제1도는 발전소용 열교환기류의 열교환 원리를 설명하기 위한 개략적 단면 예시도

제2도는 본 발명에 의한 열교환기의 튜브시트와 튜브의 폭발접합 작업전의 작업 배치 예시도

제3도는 제1도의 A-A방향에서 본 튜브시트의 구멍배치 개략도

제4도는 본 발명의 화약결합체를 폭발접합하기 위해 도폭선으로 연결하는 방법을 예시한 측면도

제5도는 기존 완충재와 캡을 이용한 화약결합체를 폭발접합전 튜브시트 구멍내에 장착한 상태의 단면도

제6도는 본 발명의 화약결합체를 폭발접합전 튜브시트 구멍내에 장착한 상태의 단면도

열교환기류 설비는 일반적으로 제1도에 나타난 바와 같이 일정한 범위의 온도와 압력을 가진 물(1차 유체)이 유입구(가)로 들어와 튜브시트(2)를 통과하는 수백 내지 수만 개의 튜브(1)를 순환한 뒤 배출구(나)로 나가고, 또 다른 범위의 온도와 압력을 가진 2차 유체(물 또는 증기)는 제2 유입구(다)로부터 유입되어 열교환실(B)의 튜브 바깥쪽으로 흐름으로써 열교환이 이루어지며, 그 후 제2출구(라)로 나간다. 그리고 제1도 및 제3도와 같이 U형 튜브(1) 끝부분의 바깥 표면은 튜브시트(2)의 각 구멍의 내부 표면과 반드시 접합되어 있어야 한다. 이러한 튜브시트(2)와 튜브(1)의 접합은 저압(50kg/cm² 이하), 저온(200℃ 이하)용의 열교환기류에서는 기계적인 확관 방법이 사용되는 반면, 고압(50~300kg/cm²), 고온(200~600℃)용도에서는 원주 용접용 가스 텅스텐 아크 용접과 기계적 확관 방법을 동시에 사용하는 복합기술이 현재 널리 이용되고 있다.

그러나, 다른 기계적 접합방법은 다음과 같은 몇 가지 단점이 있다. 즉 제5도 A-B와 같이 용융용접은 수십 내지 수백 mm 두께인 튜브시트(2)의 구멍 안쪽에 대하여 용접이 불가능하고, 튜브시트(2)의 앞면(A쪽)에서의 좁은 범위에서만 용접이 가능하다. 또한 기계식 또는 수압에 의한 접합은 튜브시트(2)구멍 깊숙이 접합이 가능하지만 접합강도가 약하고, 열교환실(B)내의 튜브는 내부응력등이 과대하게 발생되어 축적됨으로써 사용 중 응력 부식 균열이 발생하기 때문에 고압, 고온 용도의 열교환기에는 적용할 수가 없다.

폭발용접에 의한 튜브시트와 튜브와의 접합에 관한 종래의 기술로서 미합중국 특허 제3,993,001호, 제4,030,419호, 제4,064,618호, 제4,117,966호 및 제4,749,117호가 있고 또 영국특허 제1,182,295호, 제1,386,969호, 제1,484,727호, 제1,514,491호 및 제2,102,320호가 있으며, 그 외에도 유럽특허(A2)제0,207,769호 및 제0,213,699호, 일본 특허공고 제79-1656호와 캐나다 특허 제883,545호 등이 있다.

그러나 상기 종래의 폭발 용접 방법은 다음과 같은 문제점이 있다.

미합중국 특허 제3,993,001호와 제4,030,419호 및 제4,064,618호는 1회 뇌관 사용으로 다수의 튜브를 확관할 수 있도록 플라스틱 재질의 완충재로 구성되어 있고 화약은 PETN등의 1종만을 사용함으로써 폭발용접시 폭발속도가 용접속도보다 빠르다. 따라서 폭발후에 용접이 되지 않고 튜브의 확관만이 일어남으로써 튜브와 튜브시트와의 접합이 이루어지지 않기 때문에 용도가 저압용으로 한정되어 있다. 미합중국 특허 제4,117,966호는 튜브시트 구멍을 앞쪽으로 경사지게 가공한 다음 화약 중심부에서 기폭시키는 방법으로서, 튜브시트의 뒤쪽, 즉 열교환실(B)쪽에서는 튜브의 접합이 이뤄지지 않을 뿐만 아니라, 화약과 완충제가 일체형이 아니기 때문에 작업이 신속하지 못했다.

또, 미합중국특허 제4,749,117호는 튜브시트(2)의 열교환실(B)쪽에 다른 종류의 재질로 크래드(Clad)하고 튜브쪽 크래드의 구멍 주변에 둥근 홈을 형성하여 내식성을 양호하게 할 목적이었으나, 실제 대형 열교환기의 튜브시트 양면에 2중으로 이종 재질에 대한 크래드(9) 접합은 현실성이 없으며, 더욱이 열교환실(B)의 튜브시트면에 홈을 가공하기에는 비용부담이 가중됨은 물론 튜브의 피치 간격이 좁기 때문에 작업 수행도 불가능하다.

한편, 영국특허 제1,182,295호, 제1,386,969호 및 제2,102,320호는 화약을 중심으로 하는 원형 완충재를 특징으로 하는 중심에 화약이 장전된 일반적인 폭발접합용 결합체이다. 그러나, 이 방법의 단점은 완충재(3) 부분이 튜브시트의 열교환실(B)로 들어가지 않음으로써 튜브쪽으로 폭발력이 발산되어 튜브에 심각한 손상을 주게 될 뿐 아니라, 열교환실(B)쪽 튜브의 배가 불러지는 벌징(Bulging) 현상이 발생하고, 또한 폭발 잔류물들이 “U”자로 구부린 부분의 튜브내에 축적되기 때문에 튜브내면의 청정 작업이 어렵게 되어 원자력 발전소 등 고청정을 필요로 하는 열교환기류에는 적용이 불가능하다는 것이다.

또, 영국특허 제1,482,727호는 폭발시 앞면(A)쪽 튜브시트의 손상을 줄이기 위해 완충재로 도폭선을 싸고 있는 것을 특징으로 하고 있다. 이 방법은 폭발력이 열교환실(B)보다도 튜브 밖, 즉 튜브시트의 앞면(A)쪽에서 크게 작용함으로써 다수의 튜브시트 구멍에서의 동시 폭발시 폭발진동 및 상호 폭발간섭으로 인해 도폭선이 단선되기도 하고 정확한 위치에서의 폭발도 불가능해지는 문제점이 있다.

그리고 영국특허 제1,514,491호는 화약 폭발시 용접이 일어날 수 있는 아음속 조건으로 속도를 줄이기 위해 튜브를 경사지게 가공한 것을 특징으로 한다. 그러나 실제로 “U”튜브의 끝 부분은 정밀한 치수 제어 가공이 곤란하므로 실제로는 가공이 될 수 없는 가상에 불과한 기술이라고 말할 수가 있다.

또한 유럽특허 제0,207,769호 및 제0,213,699호는 영국특허 제1,182,295호, 제1,386,969호 및 제2,102,320호의 기존 여러가지 결점을 보완한 것으로서 폭발시의 힘과 폭발 잔류물을 튜브내로 분산시키지 않음으로써 튜브의 손상과 오염 문제를 개선하였다. 그러나 이 방법은 튜브용접보다는 튜브를 폐쇄시키는 기능에만 활용이 가능하다.

또 일본특허공고 소 54-1656호 및 캐나다 특허 제883,545호는 화약을 튜브시트 앞면(제1도의 A)에 장착하여 폭발용접하는 방법으로서, 폭발력의 전달 방향이 앞에서 설명한 기존의 방법과는 반대로 하기 때문에 입구쪽에 있는 재질이나 인명 손상을 입기 쉬우며, 폭발력의 일부만이 튜브에 전달되므로 튜브시트 두께 전체에 걸쳐 균일한 튜브접합이 이뤄지지 않고, 화약과 완충제도 단위결합체가 아니므로 신속한 작업을 이룰 수가 없었다.

또 국내특허 특1991-0013782는 열교환기의 튜브와 튜브시트를 접합시키는데 있어서 완충재와 직렬로 연결된 서로 양이 다른 3단 화약을 일체로 하여 구성된 화약결합체를 이용하므로 완충재를 삽입하여 폭발접합을 하기에 곤란한 소구경 튜브 홀에 적용하기는 부적합하다.

본 발명의 목적은 상기 종래의 기술로는 접합하기 어려운 소구경 튜브 홀을 가진 열교환기류의 튜브와 튜브시트와의 폭발접합 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존의 열교환기류의 튜브시트와 튜브를 폭발접합 시키는 방법인 저밀도 폴리에틸렌 수지 재질의 완충재와 완충재 캡을 이용한 화약결합체로는 폭발접합 시킬 수 없는 소구경 튜브 홀을 가진 열교환기의 튜브와 튜브시트와의 폭발접합 방법에 관한 것으로, 소구경 튜브 홀을 가진 열교환기의 튜브와 튜브시트와의 폭발접합작업을 안전하고 또한 신속하게 수행할 수 있고, 폭발용접후 우수한 접합효과를 얻을 수 있는 열교환기의 튜브와 튜브시트와의 폭발접합 방법을 제공하는 데 있다.

상기 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 폭발용접방법은 열교환기류의 튜브와 튜브시트의 사양에 따라 적합한 화약을 선정하여 소구경 튜브 홀보다 외경이 비교적 0.1~5mm 정도 적은 외경을 가진 화약을 선정하여 완충재와 완충재 캡 없이 수평연결구에 삽입하여 화약결합체를 튜브시트(1도A)면에 접착성 테잎을 이용하여 부착시킨다. 이때 튜브시트내(A-B사이)에는 완충재 없이 화약이 직접 삽입되며 상술한 특허 등에서 사용된 저밀도 폴리에틸렌재의 완충재가 화약의 폭발력을 감소시키던 것과는 달리 튜브홀과 화약사이의 빈공간이 화약의 폭발력을 완화시키는 완충재 역할을 하게된다. 이때 튜브홀에서 화약의 위치가 튜브홀 중심선과 일치하여야 하며 튜브시트(A)면에 수평을 유지하며 부착시키는 것이 중요하다. 화약(6-a)을 수평연결구(11-a) 중앙구멍에 장착하여 이루어진 화약결합체를 튜브시트의 앞쪽 최상단부터 아래쪽으로 3~5칸을 뛰어 각 튜브구멍에 장착한 후 횡으로 도폭선을 연결하고 연결된 도폭선 끝을 한가닥의 연결용 도폭선(12)에 접착성 테잎을 이용하여 연결하고 연결용 도폭선(12)의 끝단부에 전기뇌관 또는 비전기뇌관을 연결시켜 폭발접합 시킴을 특징으로 한다.

본 발명에 사용되는 화약은 5,000~8,500m/sec의 폭발속도를 갖는 PETN(Pentrit), RDX(Cyclonite) 또는 TNT(TrinitroToluene)등을 심약으로 사용한 도폭선을 사용하며, 화약량은 1g/m-40g/m까지 적용제품의 사양에 따라 달리 사용한다. 화약은 제6도에 나타난 바와 같이 수평연결구(11-a)의 중심에 장착된다. 이때 화약의 외경은 튜브 홀 내경보다 0.1-5mm보다 작아야 하며 화약(6-a)의 길이는 화약 끝부분이 튜브시트(2)의 B측면과 일치하거나 약간 짧게 하여야 한다.

본 발명에 따른 폭발접합방법에 의하여 기존의 방식으로는 튜브 홀 내경이 너무 작아 튜브 홀내에 완충재를 사용할 수 없는 튜브와 튜브시트와의 접합을 화약의 힘과 공기의 완충효과를 이용하여 튜브와 튜브시트와의 접합을 용이하게 수행할 수 있다.

본 발명에 이용된 화약결합체에 있어 화약량은 튜브(1)의 항복강도의 증가, 튜브 두께의 증가 및 튜브직경 감소 등 복합적인 인자에 따라 화약량을 증가하는데 이는 어디까지나 확관과 접합 및 용접범위의 용접조건에 적합하도록 최적의 화약량을 사용하는 것에 바탕을 두는 것이다.

수평연결구(11-a)는 폴리에틸렌 등의 재질이며, 튜브 홀의 크기에 따라 외경을 달리한다. 상술한 수평연결구(11-a), 완충제(3) 및 완충제 캡(10)은 일반 플라스틱 등 수지로 압출 성형하여 가공한 후 조립한다.

본 발명에 따른 열교환기의 튜브시트와 튜브의 폭발용접방법을 설명하면 다음과 같다.

화약과 수평연결구(11-a)의 결합체를 하나의 유니트로 구성하여 폭발용접하려는 튜브시트(2) 구멍의 튜브(1) 안쪽에 화약부분만을 수평이 되게 장착하고, 수평연결구는 튜브시트(1)의 한면(A측)에 접착성 테잎을 이용하여 튜브홀 중심과 수평연결구 홀 중심과 일치하게 부착시킨 다음 한 가닥의 도폭선(12)으로 각각의 단위 결합체를 횡으로 연결한 다음 동일한 방법으로 아래로 3-5줄 건너 다시 횡으로 연결하는 것을 되풀이하여 화약결합체를 제4도와 같이 연결한다. 각각의 단위 결합체를 도폭선(12)으로 연결한 다음, 도폭선의 연결(16)부분을 접착성 테이프로 5cm이상 중첩되게 연결하고 1가닥의 도폭선(12)에는 뇌관(14)를 설치한다. 이 뇌관(14)는 비전기뇌관 또는 전기뇌관이며 도시하지 아니한 각 뇌관별 발파장치를 사용하여 폭발접합 한다.

일반적으로 비전기식뇌관 및 전기뇌관을 기폭시키면, 뇌관(14)이 점화, 폭발하고 그 충격은 연결용 도폭선에 의해 각각의 화약결합체로 전달돼 연쇄적으로 폭발이 일어나면서 각각의 튜브(1)와 튜브시트(2)와의 접합이 이뤄진다.

본 발명에 따른 폭발접합 방법을 이용하여 소구경 튜브 홀을 가진 열교환기의 튜브시트와 튜브를 폭발접합할 경우 기존의 확관 및 접합방법으로는 접합하기 어려웠던 튜브시트와 튜브와의 접합을 용이하게 수행하고, 접합부위의 접합률과 접합강도 등 접합품질을 높일 있다. 특히 상업용 원자력, 화력, 열병합 발전소의 증기발생기, 보일러, 급수가열기, 응축기, 재생열교환기 등의 열교환기류 중 소구경 튜브 홀을 가진 튜브와 튜브시트와의 사이에 원활한 폭발접합을 할 수 있다.

Claims

기존의 화약의 폭발력을 이용하여 열교환기류의 튜브와 튜브시트를 접합하는 방법인 완충재(도5의3)와 완충재캡(도5의11)을 이용한 화약결합체(도5의3)(도5의11)로는 폭발접합시킬 수 없는 튜브 내경이 10mm이하인 소구경 튜브 홀을 가진 열교환기류의 튜브와 튜브시트를 접합하는 방법에 있어서,

열교환기류의 튜브(도6의1)와 튜브시트(도6의2)의 사양에 따라, 알디엑스(RDX) 또는 피이티엔(PETN) 또는 TNT(Trinitrotoluene)를 심약으로 하는 도폭선으로서, 화약량은 1-20g/m를 가지며, 소구경 튜브 홀보다 0.5-5mm 정도 작은 외경을 가진 적합한 화약(도6의6-a)을 선정하여 저밀도 폴리에틸렌 재질이며, 연결홈을 가지며, 연결홈에는 연결용 도폭선 지지용 돌기가 형성되어 있는 수평연결구(도6의 11-a)에 형성된 중앙구멍에 화약(도6의6-a)을 수평이 되도록 장착하여 이루어진 화약결합체(도6의6-a)(도6의11-a)를 튜브시트(도6의2) 앞쪽(도6의A) 표면에 접착성 테이프로 튜브시트(도6의2)에 장착된 튜브(도6의1) 홀 중심과 화약결합체(도6의6-a)(도6의11-a)의 화약(도6의6a) 부분의 중심이 상호 일치하도록 부착시킨 다음 한 가닥의 도폭선(도6의12)으로 화약결합체(도6의6-a)(도6의11-a)와 연결한 후 도폭선(도6의12)의 한쪽 끝에 뇌관을 부착시켜 폭발접합하는 것을 특징으로 하는 소구경 튜브 홀을 가진 열교환기류의 튜브와 튜브시트와의 폭발접합 방법.
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