KR100592634B1 - 고압용기의 내구성 향상 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 통상의 방법으로 제작된, 바람직하게는 저항용접방법 또는 딥 드로잉방법 또는 D.D.I. 등의 방법으로 제작된 고압용기에 대하여 자긴압력 처리 작업시 상기 고압용기와 동일한 두께와 재질로 이루어진 원통에 삽입한 다음 더 높은 자긴 압력을 가한 후 상기 원통을 제거함으로써 높은 압축 잔류응력을 얻을 수 있도록 하고 이로 인한 고압용기의 구조강도 및 피로수명을 향상시킬 수 있는 고압용기의 내구성 향상 방법을 제안한다.

고압용기, 자긴압력, 압축잔류응력.

Description

고압용기의 내구성 향상 방법{method of improvement endurance for high-pressure vessel}

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 고압용기의 구조강도 및 피로수명을 향상시키기 위한 방법을 나타낸 도면.

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 자긴압력시의 고압용기 표면의 등가응력을 보이고 있는 도면.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 압력을 제거했을 때의 등가응력, 접선방향응력, 축방향응력, 반경방향응력을 나타낸 도면.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

100: 고압용기 200: 원통

200a: 테이퍼 300: 유격

본 발명은 고압용기의 제조방법에 있어서, 보다 구체적으로는 자긴압력(autofrettage process) 처리방법으로 고압용기의 구조강도 및 피로수명을 향상시킬 수 있는 방법에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이 소화기용 용기 또는 가스용기등과 같은 고압용기는 충전물을 용기 내에 고압 충전시키고 이들을 기화 또는 무화 상태로 배출시켜 사용하기 위한 것으로, 내고압성과 안정성을 고려하여 제조되고 있으며, 상기 내고압성에 따라 그 사용 압력이 결정되고 있다.

또한 상기 고압용기내에는 가스나 냉매등과 같은 고압력으로 압축된 물질이 충진되는 것이기 때문에 외부환경으로 부터의 물리적인 충격에 대해 그 내부에 담겨진 물질을 안전하게 보호할 수 있으면서 또한 용기의 내부에 충진된 고압력의 물질이 외부로 유출되지 않도록 이를 완벽하게 담아둘 수 있어야 한다.

한편, 전술한 바와 같이 소화기와 LPG 가스통과 같은 고압용기를 제조하는 방법은 크게 2가지로, 즉 저항용접방법과 딥 드로잉방법이 있으며, 이들의 제조방법은 아래에서 상세히 서술한다.

상기 저항용접방법은 우선 이음새 없는 튜브(seamless tube)를 사용하여 바닥성형(bottom forming)과 접합(closing) 공정 및 열간 오목성형(forming to concave bottom) 공정을 거쳐서 만들어진다. 즉, 고압용기를 상,하부 2개로 분리하여 용기부와 넥팅부를 각각의 금형으로 제작한 다음 이들을 용접으로 접합시켜 고압 가스용기를 제조하였다. 또한 상기 딥 드로잉방법은 금형의 상부방향에 놓여진 가공물이 수직방향으로 상,하 운동하는 가압수단에 의해 단계적으로 타격되어 원하는 형태의 용기형상이 점차적으로 성형되도록 하는 방법이다.

한편 전술한 고압용기의 제조방법들은 이미 널리 공지된 기술이기 때문에 상세한 설명은 생략하기로 하며, 부가적으로 이러한 제조방법들은 공개특허공보 공개번호 제 2001-609호(분자간 접합방식을 이용한 고압용기의 제조방법)에 상세히 기술되어 있다.

그러나 상기한 바와 같은 고압용기의 제조방법들은 고가의 재료비와 재료 보관상의 문제점이 있으며 경량화된 고품질의 고압용기의 생산을 어렵게 하는 단점이 있었다.

한편 이러한 단점들을 해결하기 위하여 최근에는 긴 대용량의 수평식 프레스가 개발되어 딥 드로잉 & 아이닝(deep drawing & ironing: 이하 "D.D.I."라 함) 공정을 이용한 고압용기의 제조가 가능하게 됨에 따라 후판의 블랭크를 D.D.I. 공정에 적용시켜 고압용기를 제조하는 공정에 관한 연구가 진행되고 있다. 참고로 전술한 D.D.I. 공정은 공개특허공보 공개번호 제 2001-94681호(딥 드로잉 아이어닝 방식에 의한 고압가스 용기의 제조방법)에 상세히 기술되어 있으므로 본 발명에서는 그 설명을 생략하기로 한다.

따라서 본 발명의 목적은 자긴압력(autofrettage process) 처리방법으로 고압용기의 구조강도 및 피로수명을 향상시킬 수 있는 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 높은 잔류압축응력을 얻을 수 있도록 하는 고압용기의 내구성 향상방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 고압용기의 재사용시 압력에 의한 용기의 파손을 방지할 수 있는 고압용기의 내구성 향상방법을 제공함에 있다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 소화기 또는 LPG 가스통 등과 같은 고압용기를 원통에 삽입한 후, 상기 고압용기에 자긴압력 처리법으로 상기 고압용기에 가스를 공급할 때 견딜 수 있는 압력보다 더 높은 자긴압력을 가한 다음, 상기 압력을 제거하는 과정으로 이루어짐을 특징으로 한다.

상기 원통의 두께는 상기 고압용기의 두께와 동일하게 제작하고, 또한 내주면은 일정 각도만큼 테이퍼지게 형성함을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 후술될 상세한 설명에서는 상술한 기술적 과제를 이루기 위해 본 발명에 있어 한 개의 대표적인 실시 예를 제시할 것이다. 그리고 본 발명으로 제시될 수 있는 다른 실시 예들은 본 발명의 구성에서 설명으로 대체한다.

우선 본 발명에서 사용되고 있는 '자긴압력(autofrettage process)이라는 용어는 실제로 고압용기로 사용하는 두꺼운 원통을 미리 과대한 내압을 가하므로써 상기 원통의 내주(즉, 내경 원주) 근방을 항복시켜 압축잔류응력을 발생시켜 강도를 높이는 작업을 수행할 때 발생하는 압력을 의미한다. 이때 위와 같은 작업을 자긴압력 처리법이라 한다. 따라서 본 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위에서 기술하고 있는 자긴압력은 위와 같은 작업(즉, 자긴압력 처리법)을 할 때 발생하는 압력을 일컫는 용어이다.

본 발명에서는 통상의 방법으로 제작된, 바람직하게는 저항용접방법 또는 딥 드로잉방법 또는 D.D.I. 등의 방법으로 제작된 고압용기(100)에 대하여 자긴압력 처리 작업시 상기 고압용기(100)와 동일한 두께와 재질로 이루어진 원통(200)에 삽입한 다음 더 높은 자긴 압력을 가한 후, 상기 원통(200)을 제거함으로써 높은 압축 잔류응력을 얻을 수 있도록 하고 이로 인한 고압용기(100)의 구조강도 및 피로수명을 향상시킬 수 있는 고압용기의 내구성 향상 방법을 제안한다.

위와 같이 본 발명을 통하여 높은 압축잔류응력을 얻을 수 있도록 하고, 이로 인한 고압용기(100)의 구조 강도 및 피로 수명을 향상시킬 수 있다. 이때 인장잔류응력이 존재하는 구조물에서는 오히려 강성이 낮아질 수도 있다.

이때 상기 자긴압력은 고압용기(100)에 가스를 공급할 때 용기(100)가 견딜 수 있는 최대 압력보다 더 큰 압력을 말한다. 예를 들어, 상기 고압용기(100)가 480~500bar 까지 견딜 수 있다고 가정할 때 상기 고압용기(100)에 가해지는 자긴압력은 약 820bar 정도이며, 이러한 데이터는 후술하는 실시예에 의해 명확하게 이해될 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 고압용기의 내구성 향상 방법을 보이고 있는 도면이다.

상기 도 1을 참조하면, 고압용기(100)는 통상적으로 사용되는 가스용기로서, 상세하게는 전술한 제작방법에 따라 만들어진 소화기 또는 LPG 가스통 등과 같은 고압 가스용기를 말한다.

원통(200)은 자긴압력(autofrettage process) 처리시에 상기 고압용기(100)가 삽입되는 곳이며, 상기 고압용기(100)의 내부에 고압의 자긴압력을 가할 때 고압용기(100)가 압력에 못이겨 파손되는 것을 방지한다.

즉, 상기 원통(200)을 사용하지 않고 고압용기(100)의 내부에 압력을 가하게 되면, 상기 고압용기(100)는 소성변형만을 일으키게 된다. 이때 상기 고압용기(100)는 통상 480~500bar까지 견딜 수 있도록 설계되어 있기 때문에 상기 고압용기(100)에는 400bar 정도의 압력만을 가할 수 밖에 없다.

하지만 상기 고압용기(100)를 원통(200)에 삽입한 다음 820bar 정도의 자긴압력(autofrettage process)을 처리하게 되면, 상기 고압용기(100)는 탄성변형과 소성변형을 일으키게 되고 이에 따라 상기 고압용기(100)의 원주면을 따라 압축잔류응력이 발생하게 된다. 이때 상기 고압용기(100)를 원통(200)에 삽입한 이유는 원통(200)이 없을 때보다 좀더 높은 압력을 걸어서 고압용기(100)에 더 높은 압축잔류응력을 얻기 위한 것으로 상기 고압용기(100)와 원통(200)이 탄성변형을 일으키는 것은 문제가 되지 않는다.

한편 전술한 바와 같은 특성을 가지는 원통(200)은 도 1에 도시한 바와 같이 내주면을 따라 테이퍼(200a)져 있으며, 바람직하게는 위에서 아래로 일정 각도만큼 테이퍼져 있다. 상기 테이퍼(200a)는 고압용기(100)에 가해진 자긴압력을 제거한 다음 고압용기(100)를 원통(200)으로부터 쉽게 분리할 수 있도록 하기 위함이고, 도 1에 도시한 바와 같이 상기 원통(200)에 고압용기(100)를 삽입하게 되면 테이펴(200a)면에 의해 상기 고압용기(100)와 원통(200) 사이에 유격(300)이 생기게 되고, 이 유격(300)에 의해 상기 고압용기(100)는 쉽게 원통(200)으로부터 분리되어진다. 이때 상기 테이퍼(200a)의 각도는 고압용기(100)의 직경에 따라 달라질 수 있으므로 본 발명에서는 그 수치(각도)를 한정하지 않은 것이다.

또한 전술한 원통(200)은 상기 고압용기(100)와 동일한 재질로 제작되고 또한 두께에 있어서도 상기 고압용기(100)와 동일하게 제작될 수 있다. 이는 본 발명을 구현할 때 최소의 비용을 들이면서 최대의 자긴압력 처리효과를 구현하기 위함이다. 즉, 상기 원통(200)의 두께를 고압용기(100)의 두께보다 두껍게 하여도 무방하지만 제작비용이 증가하기 때문에 동일한 두께와 재질로 상기 원통(200)을 제작 하였던 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 의거 상세히 설명하겠는 바, 상기 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

{실시예 1}

통상적인 방법으로 제작된 완제품 고압용기에 대하여 구조강도 및 피로수명 향상을 위한 자긴처리 작업시 자긴 압력을 높여 좀 더 큰 잔류응력을 얻기 위해 고압용기와 동일한 두께의 원통에 넣고 자긴 작업을 수행한 후 원통을 제거함으로써 종래의 고압용기 두께의 파열압력 4.64kgf/mm² 이상의 자긴압력 8.67kgf/mm²을 적용할 수 있고 그에 따른 압축잔류응력 또한 상당히 큰 값을 얻을 수 있었다. 자긴압력 처리 규칙(1)에 의해 계산된 고압용기의 내경 항복내압 8.13kgf/mm²과 고압용기의 외경 항복내압 8.85kgf/mm² 사이에서 내외경의 중간부분까지를 항복시키는 자긴압력 8.67kgf/mm²이 계산되어진다. 상기 자긴압력을 고압용기에 가한 후 제하 과정을 통해 압축잔류 응력을 발생시켰다. 상기 고압용기에 발생된 잔류응력은 자긴압력 처리 규칙(2,4,5)에 의해 6.85kgf/mm²을 얻었다. 계산된 잔류응력의 타당성을 검증하기 위하여 ANSYS 해석을 수행하였다.
한편 상기 ANSYS 해석을 위한 제반적인 조건은 아래와 같다.
첫 번째로, 인장테스트와 링 압축실험을 통하여 34CrMo4의 인장강도와 항복강도를 얻을 수 있었는데, 그 값은 다음과 같다. 즉, 인장강도는 52.6kgf/mm²이고, 항복강도는 30.9kgf/mm²이다.
두 번째로, 소재의 물성치는 E: 200Gpa이고 포아송비는 0.28이다.
세 번째로, 모델링은 축방향 대칭인 형상을 3차원 형상으로 해석하기 위한 모델링을 위해 8절점 6면체 요소인 솔리드(solid) 185 요소를 선택하였고, 해석시간을 줄이기 위해 실린더 상부 돔부분과 실린더 일부분만 해석에 적용하였다. 또한 원주방향으로 10도 회전하여 체적을 형성하였다.
네 번째로, 경계조건은 외부구속조건을 고려하지 않고 자체만의 구속조건을 고려하였으며, 1/4 대칭 모델이므로 압력용기의 두께면에 분포한 노드에 수직방향으로 구속조건(원주방향)을 적용하였다. 또한 축방향으로 대칭이라 가정(Boss부 고려하지 않음)하여 모델의 실린더 하부에 축방향으로 구속조건을 적용하였으며, 이때 사용압력은 500bar~820bar이었다.
도 3은 자긴압력 8.67kgf/mm²이 작용할 때의 등가응력의 분포를 보여주는 것으로 최대 등가응력이 91.13kgf/mm²로서 소재의 인장강도 101.02kgf/mm²보다 작으므로 안전함을 알 수 있다. 도 3a 내지 도 3d는 제하 과정 후 각 방향의 압축 잔류응력 분포를 보여주는데 θ방향(즉, 원주방향)의 최대 압축 잔류응력이 13.4kgf/mm²으로 자긴압력 처리 규칙에 의하여 계산된 값과 약간의 차이를 보였으나, 고압용기의 실린더 중간부분에서는 자긴압력 처리 규칙(5)에 의해 계산된 값과 거의 일치하였다.

따라서 본 발명의 전술한 과정을 통하여 자긴압력 처리를 수행한 고압용기는 용기에 압축 잔류응력이 존재함으로 인하여 구조강도 및 피로수명을 향상시킬 수 있었다.

한편 본 발명자는 전술한 실시예 1의 이해를 돕기 위하여 자긴압력 처리 규칙을 하기에서 간략하게 설명할 것이다.

자긴압력 처리 규칙

규칙(1): 자긴압력(autofrettage pressure)은 다음식을 만족하여야 한다.

규칙(2): 탄소성해의 소성역(a≤r≤c)에서 각 방향 응력은 다음식에 의해서 구해진다.

규칙(3): 탄소성해의 탄성력(c≤r≤b)에서 각 방향 응력은 다음식에 의해서 구해진다.

규칙(4): 탄성해로 구한 각 방향 응력은 다음과 같다.

규칙(5): 자긴처리에 의한 잔류 응력은 아래식으로부터 구할 수 있다.

이상으로 살펴본 바와 같이, 본 발명은 고압용기에 압축 잔류응력이 존해함으로 인하여 구조강도 및 피로수명을 향상시킬 수 있으며, 상기 고압용기의 재사용시 압력(고압가스)의 지속적인 주입과 배출로 인한 고압용기의 파손을 방지하고 수명을 연장시킬 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명은 원통에 고압용기를 삽입한 후 자긴압력 처리공정을 수행하므로써 압력 제거 후 쉽게 고압용기를 탈거시킬 수 있고, 특히 고압용기의 한계압력보다 높은 자긴압력을 가할 수 있기 때문에 높은 압축 잔류응력을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 통상적인 방법으로 제조된 고압용기의 내구성을 향상시키는 방법에 있어서,

   상기 고압용기를 원통에 삽입한 후, 상기 고압용기에 자긴압력 처리법으로 상기 고압용기가 견딜 수 있는 압력보다 더 높은 압력을 가한 다음, 상기 압력을 제거하는 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 고압용기의 내구성 향상방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 원통의 두께는 상기 고압용기의 두께와 동일함을 특징으로 하는 고압용기의 내구성 향상 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 원통의 내주면은 테이퍼져 형성됨을 특징으로 하는 고압용기의 내구성 향상방법.

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