KR101382788B1 - 조관 방법 및 c 성형기 - Google Patents

조관 방법 및 c 성형기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고강도 강판, 특히 고강도 박판을 이용하여 UOE 강관을 제조함에 있어서, 강관의 성능에 영향을 주지 않고, 진원도를 확보하기 위하여, 판재의 폭방향 양 가장자리를 벤딩시키는 C 성형기로서, 판재의 폭방향 양 가장자리에 대응되는 위치에 곡면을 가지는 한 쌍의 C 성형부 및 상기 C 성형부 각각의 폭방향 내측으로 이웃하여 배치되며, 하면을 향하여 돌출 곡면을 가지는 한 쌍의 펀치를 포함하는 상부 성형부; 및 상기 C 성형부와 펀치의 형상에 대응되는 곡면을 가지는 하부 성형부;를 포함하는 C 성형기를 제공한다.

Description

조관 방법 및 C 성형기{PIPE MAKING METHOD AND C CRIMPING DEVICE}
본 발명은 라인 파이프 등의 용도로 사용되는 강관을 조관하는 방법 혹은 조관에 사용되는 성형기에 대한 것으로, 보다 구체적으로는, 고강도 강판에서도 변형이 충분히 가능한 조관 방법 및 C-성형기에 대한 것이다.
전세계적인 에너지 수요의 증가와 함께 장거리 원유나 가스의 수송을 위해서는 라인파이프를 사용한 수송방법이 가장 효율적이다. 이와 같은 라인파이프는 파이프내의 유체 즉, 원유나 가스의 수송압력을 증가시킴으로써 그 효율을 극대화시킬 수 있다. 하지만, 유체의 수송압력의 증가를 위해서는 반드시 파이프 모재의 강도향상이 필요로 하게 된다.
현재는 통상 X70급 이하의 라인파이프용 강재가 주로 사용되고 있으나, 수송압력의 증가에 따른 수송 효율의 향상뿐만 아니라, 라인파이프의 직경 및 두께 감소를 통하여 사용되는 강재의 중량을 감소시킴으로써 라인파이프 건설비용을 절감시킬 수 있으며 파이프의 두께 감소에 의해 라인파이프 시공비용 중 큰 부분을 차지하고 있는 원주 용접(파이프-파이프간 용접)시공시간 감소시켜 시공비 절감에도 큰 효과를 얻을 수 있다.
종래의 UOE 조관 방법의 순서를 도 1에 나타내었다. 먼저, 판재(P)의 양 끝단을 굽히는 C-성형기의 상부 성형부(11)와 하부 성형부(12)로 가압하여 C-성형(C-crimping)을 한다. 그 후, 알파벳 U-성형기의 주성형부(21)와 치구(22)를 통하여 U자형상으로 판재(P)를 변형시키는 U-성형(U-press)을 한다.
U 성형까지 마친 U자 형상의 판재는 반원형 면을 각각 가지는 O 성형기의 상부 성형부(31)와 하부 성형부(32) 사이에서 눌려져 알파벳 O자형상으로 변형되는 O-성형된다. 이렇게 O 형으로 성형된 강관은 파이프 용접을 위해 스프링백(Spring back)현상에 의해 벌어지는 파이프를 고정시키기 위한 가접용접(Tack welding)을 실시한 후, 서브머지드 아크 용접(Submerged Arc Welding)방법으로 파이프를 용접하고, 진원도 향상 및 성형시 잔류응력 저감을 목적으로 확관을 실시하여 파이프 제조를 완료하게 된다.
이와 같은 UOE 조관 방법은 단시간의 성형에 의해 길이가 12m인 파이프를 대량 생산가능하고, 확관 과정을 포함하고 있어서 조관된 파이프의 품질이 우수하기 때문에 대부분의 파이프라인 시공에 사용되고 있다.
다만, 고강도 강재를 사용하는 경우에, 판재의 스프링 백에 의해서 조관 후에도 진원의 형상을 만들기 곤란하며, 이는 고강도 박판의 경우에 심하게 나타난다.
이에 O 성형시 프레스 형상을 사과형상으로 제작하거나, 상부에서 추가적인 프레스에 의하여 과도한 변형을 주거나, O 성형시 강관을 회전하여 균일한 진원을 만들려는 시도가 있었다.
다만, 과도한 성형시 판재의 끝단부가 어긋나게 되어 불안정한 O 성형이 될 문제점이 있다. 또한, 강관을 회전하는 것은 생산성이 극단적으로 낮아져 현실적으로 실현가능성이 없다는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 고강도 강판, 특히 고강도 박판을 이용하여 UOE 강관을 제조함에 있어서, 강관의 성능에 영향을 주지 않고, 진원도를 확보하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 고강도 강관을 제조함에 있어서, C 성형기를 개량하여 추가의 공정의 증가 없이 강관 형상을 개선하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 다음과 같은 조관 방법 및 성형기를 제공한다.
본 발명은 판재의 폭방향 양 가장자리를 벤딩시키는 C 성형기로서, 판재의 폭방향 양 가장자리에 대응되는 위치에 곡면을 가지는 한 쌍의 C 성형부 및 상기 C 성형부 각각의 폭방향 내측으로 이웃하여 배치되며, 하면을 향하여 돌출 곡면을 가지는 한 쌍의 펀치를 포함하는 상부 성형부; 및 상기 C 성형부와 펀치의 형상에 대응되는 곡면을 가지는 하부 성형부;를 포함하는 C 성형기를 제공한다.
이때, 상기 한 쌍의 펀치는 300~500mm 의 폭을 가질 수 있다.
또, 상기 한 쌍의 펀치의 곡면의 곡률 반경(r)은 조관하고자 하는 강관의 반경(R)은 1/R ≤ 1/r < 0 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 한 쌍의 펀치에 의해 판재에 성형되는 돌출 곡면에 의해서 판재가 W 형상을 가지도록 상기 한 쌍의 펀치 사이의 폭방향 중앙부는 미성형부로 구성될 수 있다.
본 발명에서 상기 펀치의 폭(W)은 W= πR/2-Cr을 만족하며, 여기서 R은 조관하고자 하는 강관의 반경, Cr은 C 성형부의 곡률 반경인 것이 바람직하다.
본 발명은 판재의 폭방향 양 가장자리를 벤딩시키는 C 성형 단계; 상기 C 성형 단계와 동시에 상기 C 성형 단계의 성형부와 판재의 폭방향 중앙부 사이를 곡면으로 성형하여, U 성형 전에 판재를 W 형상으로 성형하는 역변형 성형 단계; 판재의 폭방향 중앙부를 기준으로 판재를 벤딩시키는 U 성형 단계; 판재를 O 형 성형기에 넣어서 원형으로 성형하는 O 성형 단계 및 원형으로 성형된 판재의 양단부를 용접하는 용접 단계를 포함하는 조관 방법을 제공한다.
상기 역변형 성형 단계에서의 성형부의 곡면의 곡률 반경(r)은 조관 후 강관의 반경(R)과 1/R ≤ 1/r < 0 관계를 가지는 것이 바람직하다.
본 발명은 고강도 강판, 특히 고강도 박판을 이용하여 UOE 강관을 제조함에 있어서, 강관의 성능에 영향을 주지 않고, 진원도를 확보하는 것이 가능한 C 성형기 및 조관 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 고강도 강관을 제조함에 있어서, C 성형기 혹은 C 성형단계와 함께 역변형 단계를 수행하여 별도의 공정의 증가 없이 강관 형상을 개선할 수 있다.
또한, 진원도가 상승함으로 인하여, 가접 용접시 잔류 응력에 의한 저온 균열 저감 및 확관시 용접부 부근 터짐 형상을 방지가능하다.
도 1 은 종래의 UOE 조관 방법 및 조관 장치의 개략도이다.
도 2 는 UOE 성형 후 관의 모습을 도시한 단면도이다.
도 3 은 종래의 C 성형기의 단면도이다.
도 4 는 본 발명의 C 성형기의 단면도로서, 도 4a 는 C 성형기가 판재를 성형하기 전의 단면도, 도 4b 는 C 성형기가 판재를 성형하는 단면도이다.
도 5 는 C 성형기에 의해서 성형된 판재의 단면도이다.
도 6 은 C 성형기의 펀치의 반경이 작은 경우에 조관된 모습을 도시한 단면도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 구체적 실시예에 대하여 설명하도록 한다.
도 2 에서는 종래의 UOE 방식에 의해서 성형된 강관의 단면도가 도시되어 있다. 도 2 에서 보이듯이, UOE 성형에서는 C 성형에서 A 영역이 성형되며, U 성형에서 C 영역이 성형되며, O 성형에서 전체 영역이 성형되게 되는데, B 영역은 O 성형 외에는 성형을 받지 않기 때문에, 스프링 백으로 인하여 전체적인 형상이 망가지게 된다(진원도 하락).
도 3 에서는 종래의 C 성형기가 도시되어 있다. 도 3 의 C 성형기는 도 1 에 도시된 구성과 동일하며, 판재(P)의 단부만을 상부 성형부(11) 및 하부 성형부(12)를 통하여 성형하며, 상기 B 영역은 성형하지 않는다.
본 발명의 발명자는 상기 B 영역이 충분한 곡률을 가지지 못하는 이유가 O 성형 이외에는 성형이 되지 않기 때문이며, 따라서, B 영역에 대하여 O 성형 이전에 곡률을 가지게 할 필요성이 있음을 알아내었다. 또한, B 영역에 대하여 곡률을 가지게 하면서도 기존에 UOE 성형에 추가하여 별도의 공정을 가지지 않도록 하기 위한 본 발명을 도출하게 되었다.
도 4 에는 본 발명의 C 성형기의 단면이 도시되어 있다. 도 4a 에는 본 발명에 따른 C 성형기(100)가 판재(P)를 성형하기 전의 모습이 단면도로 도시되어 있으며, 도 4b 에는 본 발명에 따른 C 성형기(100)가 판재(P)를 성형하는 모습이 단면도로 도시되어 있다.
본 발명에서는 C 성형기(100)를 중심으로 설명하며, 나머지 U 성형, 및 O 성형은 종래기술에 기재되어 있으며, 널리 알려져 있기에 본 발명에서 상세한 설명은 생략하도록 한다.
도 4 에서 보이듯이, 본 발명의 C 성형기(100)는 상부 성형부(110)와 하부 성형부(120)를 포함하며, 상부 성형부(110)와 하부 성형부(120) 사이에 판재가 놓여진 상태로, 상부 성형부(110)를 하부 성형부(120)로 가압하여 판재(P)를 성형한다.
상부 성형부(110)는 판재의 양 단부를 성형하도록 상부 성형부(110)의 양단에 위치한 한 쌍의 C 성형부(111), 상기 C 성형부(111)로부터 폭방향 안쪽에 이웃하여 배치되며, 하면을 항하여 돌출 곡면을 가지는 한 쌍의 펀치(115), 및 한 쌍의 펀치(115)를 연결하며 판재 중앙에 미성형부를 형성하게 하는 미성형부(119)를 포함한다.
C 성형부(111)는 판재의 단부가 소정의 곡률(Cr)을 가지도록 형성된 곡면부(112)를 포함한다. C 성형부(111)와 펀치(115) 사이에는 C 성형부(111)와 펀치(115)를 연결하는 연결부(117)가 배치되며, C 성형부(111), 연결부(117), 펀치(115) 및 미성형부(119)가 연결된다.
따라서, 상부 성형부(110)가 움직임으로써, 한 쌍의 C 성형부(111) 및 한 쌍의 펀치(115)가 함께 움직이게 된다.
한 쌍의 펀치(115)는 소정의 반경(r)을 가지는 곡면이 C 성형부(111) 보다 돌출 형성된다. 따라서, 상부 성형부(110)가 일체로 움직일 때, 한 쌍의 펀치(115)는 판재에서 C 성형되는 부분의 내측을 반경(r)으로 성형할 수 있다.
펀치(115)는 소정의 폭(W)을 가지고 형성되며, 한 쌍의 펀치(115)는 미성형부(119)를 사이에 두고 배치되기 때문에, 펀치(115)와 펀치(115) 사이는 눌리지 않게 되며, 그로 인하여, C 성형부(111)보다 안쪽으로 판재(P)가 들어가게 된다.
한편, 하부 성형부(120)의 경우에, 상기 상부 성형부(110)의 C 성형부(111)와 펀치(115)에 대응되는 형상을 가지도록 C 대응부(121) 및 펀치 대응부(122)를 포함하며, 펀치 대응부(122) 사이에 평면부(123)를 포함한다.
이때, 펀치(115)의 곡면의 곡률 반경(r)은 조관하고자 하는 강관의 반경(R)과 다음 관계를 만족한다.
1/R ≥ 1/r > 0
특히, 진원도의 효과가 우수하기 위해서는 펀치(115)의 곡률 반경(r)과 조관하고자 하는 강관의 반경(R)이 동일한 것이 바람직하나, 펀치(115)의 곡률 반경(r)이 조관하고자 하는 강관의 반경(R)보다 작은 경우에 O 성형에 들어갈 때, 도 6 의 D 와 같이 판재의 끝부분이 강관 안쪽으로 들어가게 되며 그럼으로써, 강관이 전체적으로 사과모양을 가지게 된다.
따라서, 펀치(115)의 곡률 반경은 조관하고자 하는 강관의 반경(R)보다는 크거나 같은 것이 바람직하다.
또한, 펀치(115)의 폭(W)은 한 쌍의 C 성형부(111) 미성형부(119) 사이에 위치하면 되는데, 판재(P)의 단부로부터 500mm 정도의 C 성형부를 제외한 길이의 반을 가질 수 있다. 바람직하게는 140 ~ 500mm, 더욱 바람직하게, 펀치(115)의 폭(W)은 조관하고자 하는 강관의 반경(R) 및 C 성형부(111)의 반경(Cr)과 다음의 관계를 만족시킨다.
W = πR/2 - Cr
이러한 상부 성형부(110)와 하부 성형부(120) 사이에 판재(P)가 놓이며, 상부 성형부(110)에 의해서 성형된 판재(P)의 모습이 도 5 에 도시되어 있다.
도 5 에서 보이듯이, 판재(P)는 펀치(115)와 C 성형부(111)에 의해서 성형되어서, C 성형부(111)와 펀치(115)에 대응되게 성형된다. 다만, 펀치(115) 사이의 미성형부(119)에서는 판재(P)의 성형이 없었으며, 미성형부(119) 양측에서 펀치(115) 눌림으로 인하여 미성형부(119)는 위로 올라오게 되며, 그로 인하여, 판재는 전체적으로 대략 'W'자 형상을 가지게 된다.
이는 후속하는 공정을 거치면서 판재(P)의 중앙부에 강관의 곡률과는 반대 면으로 역변형된 것인데, 이러한 역변형의 경우에 YS(Yield Strength)가 감소하게 되나, 박물재 조관시 스프링 백을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.
따라서, 본 발명은 박물재의 스프링 백을 최소화 하면서도, 종전의 미성형 영역에 곡률을 부여함으로써, 진원도를 상승시킬 뿐만 아니라, C 성형기에 펀치를 추가함으로써 별도의 추가 공정 없이도 위의 효과를 달성가능하게 한다.
[실시예]
아래의 표 1 에는 본 발명의 C 성형기로 성형한 후 조관한 실시예와 도 1 이나 도 3 과 같은 종래의 C 성형기로 성형한 후 조관한 비교예가 도시되어 있다. C 성형기를 제외한 다른 U 성형, O 성형은 동일한 성형기로 수행하였다.
순서
강재
강관 사이즈 펀치폭
(W, mm)
펀치 반경
(r, mm)
진원도
Yield ratio(%)
두께(mm) 반경(mm)
비교예1 X65 14 610 - - 0.9610 0.84
비교예2 X65 20 610 - - 0.9838 0.84
비교예3 X52 11.1 191 - - 0.9573 0.83
비교예4 X70 19 254 - - 0.9811 0.85
비교예5 X80 25.4 711 - - 0.996 0.87
실시예1 X65 14 610 348 610 1.0002 0.79
실시예2 X65 14 610 348 711 0.9959 0.82
실시예3 X65 14 610 348 991 1.01 0.82
실시예4 X65 20 610 348 610 0.9997 0.80
실시예5 X65 20 610 348 991 1.006 0.82
실시예6 X52 11.1 191 218 381 1.0007 0.78
실시예7 X52 11.1 191 218 610 1.0011 0.80
실시예8 X70 19 254 145 381 0.9970 0.84
실시예9 X80 25.4 711 406 610 1.002 0.87
여기서, 진원도는 가접 용접 후 진원도이며, 가로직경/세로직경을 의미하며, 항복비(Yield ratio)는 항복 강도(YS)/인장 강도(TS)를 의미한다.
상기 표에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 실시예가 비교예에 비하여 진원도가 1 에 가까우며, 항복비가 낮아진 것을 확인할 수 있다. 즉, 진원도의 상승으로 용접 수행이 쉬워 졌으며, 조관 후 항복비의 저감이 가능하여 파이프 변형시 파이프 변형 안정도가 증가함을 알 수 있다.
또한, 펀치(115)의 반경(r)이 강관 반경(R)과 같은 경우에 진원도가 가장 1 에 근접한다는 것도 확인할 수 있다.
또, 강관의 두께가 얇은 경우가 두꺼운 경우에 비하여 효과가 뛰어남을 확인할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 본 발명에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 실시예로 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범주내에서 다양하게 변형될 수 있다.
100: C 성형기 110: 상부 성형부
111: C 성형부 115: 펀치
117: 연결부 119: 미성형부
120: 하부 성형부 r: 펀치 곡률 반경
Cr: C 성형부 곡률 반경 W: 펀치 폭

Claims (7)

  1. 판재의 폭방향 양 가장자리를 벤딩시키는 C 성형기로서,
    판재의 폭방향 양 가장자리에 대응되는 위치에 곡면을 가지는 한 쌍의 C 성형부 및 상기 C 성형부 각각의 폭방향 내측으로 이웃하여 배치되며, 하면을 향하여 돌출 곡면을 가지는 한 쌍의 펀치를 포함하는 상부 성형부; 및
    상기 C 성형부와 펀치의 형상에 대응되는 곡면을 가지는 하부 성형부;를 포함하는 C 성형기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 펀치는 140 ~ 500mm 의 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 C 성형기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 펀치의 곡면의 곡률 반경(r)과 조관하고자 하는 강관의 반경(R)은 다음과 같은 관계를 가지는 것을 특징으로 하는 C 성형기.
    1/R ≥ 1/r > 0
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 펀치에 의해 판재에 성형되는 돌출 곡면에 의해서 판재가 W 형상을 가지도록 상기 한 쌍의 펀치 사이의 폭방향 중앙부는 미성형부로 구성되는 것을 특징으로 하는 C 성형기.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 펀치의 곡률 반경은 상기 C 성형부의 곡률 반경보다 크며,
    상기 펀치의 폭(W)은 다음과 같은 관계를 가지는 것을 특징으로 하는 C 성형기.
    W= πR/2-Cr (R: 조관하고자 하는 강관의 반경, Cr: C 성형부의 반경)
  6. 판재의 폭방향 양 가장자리를 벤딩시키는 C 성형 단계;
    상기 C 성형 단계와 동시에 상기 C 성형 단계의 성형부와 판재의 폭방향 중앙부 사이를 곡면으로 성형하여, U 성형 전에 판재를 W 형상으로 성형하는 역변형 성형 단계;
    판재의 폭방향 중앙부를 기준으로 판재를 벤딩시키는 U 성형 단계;
    판재를 O 형 성형기에 넣어서 원형으로 성형하는 O 성형 단계 및
    원형으로 성형된 판재의 양 단부를 용접하는 용접 단계를 포함하는 조관 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 역변형 성형 단계에서의 성형부의 곡면의 곡률 반경(r)은 조관 후 강관의 반경(R)과 다음과 같은 관계를 가지는 것을 특징으로 하는 조관 방법.
    1/R ≥ 1/r > 0
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