KR101360689B1 - Ｕｏｅ 강관 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일측면인 UOE강관 제조방법은 강판을 관형상으로 조관하는 조관공정, 조관된 관을 용접하는 용접공정, 용접된 관을 확관하는 확관공정 및 상기 확관된 강관을 코팅하는 코팅공정을 포함하고, 상기 코팅공정은 상기 강관의 외면전체 또는 상기 조관공정, 용접공정 및 확관공정 중의 적어도 하나의 공정에 의해 발생된 인장잔류응력이 존재하는 UOE강관의 외부면에 압축응력을 부여하도록 코팅하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 일측면인 UOE강관은 표면에 코팅층이 형성된 UOE강관으로서, 상기 코팅층은 그 두께가 350~450㎛이고, 코팅 전 강관 내 인장잔류응력이 존재하는 부위에 형성되어 압축응력을 부여한다.

Description

ＵＯＥ 강관 및 그 제조방법{UOE STEEL PIPE AND MANUFACTURING METHOD THEHEOF}

본 발명은 기계적 특성이 우수한 UOE강관 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 석유나 천연가스와 같은 천연 자원의 가격 상승이나 고갈로 인하여 그러한 자원들의 개발 구역이 점차 한랭지로 이동하기 시작하였다. 따라서 이러한 한랭지에서 천연가스나 오일을 수송하는 장거리의 파이프라인의 파괴는 중대한 사고로 연결된다. 상기 파이프라인으로는 고강도 강으로 이루어지는 UOE 강관 등이 사용되고 있다. 이러한 UOE강관은 파괴 안전성을 확보하는 것이 가장 중요하다.

UOE강관 조관시 필수적으로 사용되는 용접공정에 의하여 도 2에 나타난 바와 같이, 파이프 외면에는 인장잔류응력이 존재하고, 파이프 내면에는 압축잔류응력이 존재하게 된다. 그 중에서, 용접열영향부(HAZ) 특히, 용접토우(toe)부는 용접열원에 의하여 급열 및 급냉 상황을 겪게 되는데, 이로 인하여, 용접부 토우부의 외면에는 파이프 외면 보다 많은 인장잔류응력이 존재하고, 용접부 토우부의 내면에는 파이프 내면 보다 많은 잔류응력이 존재된다. 즉, 용접토우(toe)부는 금속조직학적으로 결정립이 조대화되거나 취약한 조직으로 상변태가 일어나는 경우가 많다.

따라서 용접토우(toe)부는 일반적으로 모재에 비하여 기계적 성질의 열화가 발생하고, UOE강관의 강도 및 저온인성과 같은 파이프 전체의 균일한 물성 확보에 있어 언제나 용접토우(toe)부의 문제가 제기된다.

지금까지, UOE조관은 판재에서의 파이프 조관을 하는 과정에서 잔류응력이 발생하였다. 특히, 극후물화에 따른 잔류응력 발생이 파이프 전체의 균일한 물성 확보에 있어 심각한 문제가 되고 있어, 후공정을 통하여 잔류응력 제거를 실시하였다.

후공정은 피닝(peening) 및 열처리 등이 있는데, 피닝을 실시하는 경우에는 표면특성이 저하되는 문제가 발생되며, 열처리 공정을 실시하는 경우에는 고가의 설비투자 및 유지비 등 경제적이지 못하다.

이와 같은 후공정은 잔류응력을 제거하는 일부 효과는 있으나, 파이프 전체의 균일한 물성 확보에는 무리가 있다.

본 발명은 파이프 전체의 균일한 물성 확보를 가능하게 하고, 더불어 내마모성 특성 확보가 가능한 UOE강관 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일측면인 UOE강관 제조방법은 강판을 관형상으로 조관하는 조관공정, 조관된 관을 용접하는 용접공정, 용접된 관을 확관하는 확관공정 및 상기 확관된 강관을 코팅하는 코팅공정을 포함하고, 상기 코팅공정은 상기 강관의 외면전체 또는 상기 조관공정, 용접공정 및 확관공정 중의 적어도 하나의 공정에 의해 발생된 인장잔류응력이 존재하는 UOE강관의 외부면에 압축응력을 부여하도록 코팅하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 일측면인 UOE강관은 표면에 코팅층이 형성된 UOE강관으로서, 상기 코팅층은 그 두께가 350~450㎛이고, 코팅 전 강관 내 인장잔류응력이 존재하는 부위에 형성되어 압축응력을 부여한다.

덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 의하면, UOE강관 제작시 판재에서 파이프 조관을 하는 과정에서 발생하는 인장잔류응력을 상쇄시켜 UOE조관 전체의 균일한 물성 확보가 가능하다. 더불어 내마모특성을 확보함으로써, 강관의 운영, 운송 및 설치시 발생할 수 있는 표면 긁힘, 노치 등과 같은 결함방생을 방지할 수 있고, 또한 이로 인하여, 매립 혹은 설치 후 장기간 사용시 파이프 외면의 내식성을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 통상의 UOE강관의 제조방법에 관한 모식도이다.
도 2는 조관후 파이프 잔류응력에 관한 모식도이다.
도 3은 용접후 잔류응력을 나타낸 사진이다.
도 4는 코팅 후 잔류응력상태를 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명에 따른 코팅 모습을 나타낸 사진이다.

본 발명자들은 잔류응력의 제거를 통한 파이프 전체의 균일한 물성을 갖는 UOE강관을 도출해내기 위하여 연구를 행한 결과, 확관공정 후에, 상기 조관공정, 용접공정 및 확관공정 중의 적어도 하나의 공정에서 발생되는 인장 잔류응력을 제거하기 위하여 외부면에 압축응력을 부여하도록 코팅함으로써, 기계적 특성이 우수한 UOE강관을 생산할 수 있음을 확인하고 본 발명에 이르게 되었다.

이하, 본 발명의 일측면인 UOE강관 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.

상기 UOE강관은 도 1에 나타난 바와 같이, 강판의 엣지 밀링(edge milling), 엣지 크림핑(edge crimping), 유형성형(U-ing) 및 오형성형(O-ing)을 포함하는 조관공정, 용접공정 및 확장공정(expansion)을 통하여 제조된다.

조관공정에서는 도 2에 나타난 바와 같이, 관의 외면에서는 강판이 인장되며, 내면에서는 강판이 압축되어 강판의 내·외면의 응력차이가 발생하게 되어 강관의 외면에 인장잔류응력이 발생하게 된다.

상기와 같이 조관 한 다음, 용접을 행하는데 이때, 용접부 토우부 및 열영향부를 포함하는 용접부 전체에 인장잔류응력이 발생하게 된다.

상기 코팅에 의해 부여되는 압축응력은 상기 UOE강관의 표면에 형성된 인장잔류응력의 80~120%의 크기를 갖는 것이 바람직하다. 더불어, 압축응력의 크기는 상기 인장잔류응력을 상쇄할 정도인 것이 보다 바람직하다.

본 발명에서의 토우부는 도 5의 (a)에 나타난 바와 같이, 외부용접부의 끝부분을 의미한다.

도 3에 나타난 바와 같이, 용접 후에는 특히 용접부 토우부에 가장 큰 인장잔류응력이 발생됨을 알 수 있다.

상기와 같이 용접 한 후 행해지는 확관시에도 인장잔류응력이 강관의 외부에 발생된다.

이러한 인장잔류응력을 상쇄시키기 위하여, 본 발명에서는 도 5에 나타난 바와 같이, 관의 외부면 또는 강관 외면 전체에 코팅을 행하는 것이 바람직하다.

도 5의 (a)는 용접부 토우부를 코팅한 것을 나타내고, 도 5의 (b)는 열영향부를 포함한 용접부 전체를 코팅한 것을 나타내며, 도 5의 (c)는 파이프 전체를 코팅한 것을 나타낸다.

상기 관의 외부면은 외부 용접부 토우부 및 열영향부를 포함하는 용접부 전체 중 적어도 하나의 부분인 것이 바람직하다.

특히, 조관공정, 용접공정과 확관공정을 거치게 되면서 잔류응력문제가 심각하게 부각 되는 외부 용접부 토우부에 코팅되는 것이 보다 바람직하다.

상기 코팅은 Cr+W-C:H, Cr+W-C:H+DLC, CrN+W-C:H+DLC, Cr+W-C:H+Si-DLC, Cr+W-C:H+ta-C로 이루어진 그룹에서 1종 이상의 코팅재료를 사용하여 코팅하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 코팅 재료는 강판표면에 코팅된 후 수축에 의하여 강판 표면에 압축응력을 부여하는 효과를 가진다. 뿐만 아니라 상기 코팅재가 가지는 경도로 인하여 강판 표면에 내마모성을 부여하는 효과도 가지는 것이다.

상기 코팅시 코팅방법은 압축응력을 부여할 수 있는 코팅방법이라면, 특별히 제한되는 것은 아니다. 다만 몇 가지 비제한적이 예를 든다면 플라즈마 스프레이법, 기체상 도금법 및 액적 분사법 중 1종 이상의 방법이 바람직하다.

또한, 상기 코팅시 코팅온도는 80~800℃인 것이 바람직하다. 코팅온도가 80℃미만인 경우에는 코팅재료가 강관에 충분히 결합하지 못한다. 반면에, 800℃를 초과하는 경우에는 코팅재료의 변형이 생기는 문제가 있다. 따라서, 상기 코팅 온도는 80~800℃에서 행하는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 코팅온도는 80~ 300℃이다.

본 발명의 다른 일측면인 UOE강관에 관하여 상세히 설명한다.

본 발명의 다른 일측면인 UOE강관은 표면에 코팅층이 형성된 UOE강관으로서, 상기 코팅층은 그 두께가 350~450㎛이고, 코팅 전 강관 내 인장잔류응력이 존재하는 부위에 형성되어 압축응력을 부여한다.

상기 코팅층의 두께는 350~450㎛인 것이 바람직하다.

상기 코팅층의 두께에 의하여 UOE 강관의 내마모성 및 부식성 등의 특성이 변화하므로 코팅층의 두께를 조정하여야 한다. 내마모성, 부식성 및 박리를 방지하기 위하여 상기 코팅층의 두께는 350㎛이상으로 제어하는 것이 바람직하다. 내마모성 향상 효과 및 경제성을 고려하여 상기 코팅층의 두께의 상한은 450㎛로 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 코팅에 의해 UOE강관의 평균 마모속도는 종래재에 비하여 현저히 감소될수 있다. 즉, 통상의 경우는 2.3x10^-6~4.0x10^-6mm³N^-1m^-1수준이다. 본 발명과 같은 방식으로 코팅층을 형성할 경우 0.5x10^-6 ~ 2.0x10^-6mm³N^-1m^-1까지 감소시킬 수 있다.

상기 코팅에 의해 부여되는 압축응력은 상기 UOE강관의 표면에 형성된 인장잔류응력의 80~120%의 크기를 갖는 것이 바람직하다. 더불어, 압축응력의 크기는 상기 인장잔류응력을 상쇄할 정도인 것이 보다 바람직하다.

도 4의 (a)는 코팅층과 강판, 두 판재의 결합을 나타낸 것이고, 도 4의 (b)는 상기 두 판재의 스트레인 미스핏(Strain Misfit: Δε)이 발생한 경우를 나타낸 것이다. 또한, 도 4의 (c)는 두 판재간의 반대되는 동일한 힘(-P 와 P)이 발생하여 미스핏이 상쇄되는 것을 나타낸 것이고, 도 4의 (d)는 (c)의 결과 불균형적인 모멘트가 발생하는 것을 나타낸 것이다.

도 4에 나타난 바와 같이, 상기 코팅재료에 열을 가하여 열 전도도(α)와 온도 구배(?T)에 의하여 스트레인 미스핏(Strain misfit)발생에 의하여 강관 내 압축잔류응력이 전이됨으로써, 관의 외부면의 인장 잔류응력을 감소시키는 것이 가능하다. 보다 바람직하게는 상기 코팅에 의해 부여되는 압축응력은 관의 외부면의 인장 잔류응력을 상쇄할 정도의 크기를 가지는 것이 바람직하다. 상기와 같은 압축응력의 부여조건은 코팅재의 종류, 두께, 열처리 온도 등에 따라 달라지며 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상적인 지식을 가지는 자라면 상기 조건을 충적하도록 용이하게 코팅층을 형성할 수 있을 것이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

(실시예)

발명예 1

두께 18㎜, 폭 2400㎜, 길이 1000㎜의 강판을 엣지 밀링하여 개선면을 형성하고, 이후 엣지 크림핑, 유형 성형, 오형 성형을 포함하는 과정으로 조관하였다. 조관된 강관에 대하여 용접을 실시한 후 확관하여 UOE강관을 제조하였다. 상기 UOE강관의 전체면을 Cr+W-C:H 코팅재료를 이용하여 280℃에서 플라즈마 스프레이 법에 의해 코팅하였다. 코팅후 코팅재료의 두께는 400㎛이었다. 상기 코팅된 강관을 마찰시험으로 건전성을 평가하였다. 마찰시험기는 회전식 볼 타입으로 회전식 볼은 200Hv의 경도값을 가지는 9.53mm 직경의 황동(brass) 소재를 사용하였으며 하중은 2N, 회전속도는 0.5m/s, 총 회전거리는 5000m를 수행하였다. 시험후 마모량은 마모부위의 cross-section 면적을 측정하였다. 총 10회 실시결과, 평균 마모속도는 1 x 10^-6 mm³N^-1m^{- 1}결과를 얻었다

발명예 2

코팅되는 부위를 열영향부를 포함하는 용접부 전체로 한정한 것 이외에는 상기 발명예 1과 동일한 방식으로 UOE강관의 외면에 코팅층을 형성하고 마찰시험을 행하였다. 총 10회 실시결과, 평균 마모속도는 1.23 x 10^-6 mm³N^-1m^-1의 값을 얻었다.

발명예 3

코팅되는 부위를 용접부 토우부로 한정한 것 이외에는 상기 발명예 1과 동일한 방식으로 UOE강관의 외면에 코팅층을 형성하고 마찰시험을 행하였다. 총 10회 실시결과, 평균 마모속도는 1.12 x 10^-6 mm³N^-1m^-1의 값을 얻었다.

종래예

코팅을 실시하지 않은 것 이외에는 상기 발명예 1과 동일한 방식으로 UOE강관을 제조하고 마찰시험을 행하였다. 총 10회 실시결과, 평균 마모속도는 2.36 x 10^-1 mm³N^-1m^-1의 값을 얻었다.

상기 발명예 1 내지 3의 결과와 종래예의 결과로부터 알 수 있듯이 강관의 외면에 코팅을 실시한 발명예의 경우가 훨씬 개선된 파괴특성을 나타냄을 알 수 있었다. 특히, 전체면에 코팅을 실시한 것이 일부에 대해 실시한 것 보다 우수하며, 일부에 코팅한 것 중에서도 열영향부를 포함하는 용접부 전체에 코팅한 것이 토우부만 코팅한 것에 비해서 양호한 결과를 나타내고 있었다.

따라서, 본 발명의 유리한 효과를 확인할 수 있었다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

1. 강판을 관형상으로 조관하는 조관공정, 조관된 관을 용접하는 용접공정, 용접된 관을 확관하는 확관공정 및 상기 확관된 강관을 코팅하는 코팅공정을 포함하고, 상기 코팅공정은 상기 강관의 외면전체 또는 상기 조관공정, 용접공정 및 확관공정 중의 적어도 하나의 공정에 의해 발생된 인장잔류응력이 존재하는 UOE강관의 외부면에 상기 UOE강관의 표면에 형성된 인장잔류응력의 80~120%의 크기를 갖는 압축응력을 부여하도록 코팅하는 UOE강관 제조방법.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 코팅은 플라즈마 스프레이법, 기체상 도금법 및 액적 분사법 중 1종 이상의 방법에 의해 행해지는 UOE강관 제조방법.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 코팅시 코팅재료는 Cr+W-C:H, Cr+W-C:H+DLC, CrN+W-C:H+DLC, Cr+W-C:H+Si-DLC, Cr+W-C:H+ta-C로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상인 UOE강관 제조방법.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 코팅시 코팅 온도는 80~300℃인 UOE강관 제조방법.
   
6. 표면에 코팅층이 형성된 UOE강관으로서,
   상기 코팅층은 그 두께가 350~450㎛이고, 코팅 전 강관 내 인장잔류응력이 존재하는 부위에 형성되어 압축응력을 부여하는 UOE강관.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 코팅된 UOE 강관의 평균 마모속도는 0.5x10^-6 ~ 2.0x10^-6mm³N^-1m^-1인 하는 UOE 강관.
   
8. 제 6항에 있어서,
   상기 코팅에 의해 부여되는 압축응력은 상기 UOE강관의 표면에 형성된 인장잔류응력의 80~120%의 크기를 갖는 UOE 강관.

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