KR101411242B1 - 해저 케이블용 도체 용접장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 케이블 도체의 접속을 위한 도체 용접에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해저 케이블의 도체 용접 방법과 용접시 과열되는 도체의 온도를 냉각하기 위한 냉각순환장치를 포함한 도체 용접장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 해저 케이블용 도체 용접장치는, 도체의 용접을 위해 단부를 V자 커팅하기 위한 V 커팅지그와, V커팅된 양쪽 도체를 수평으로 맞댄 상태에서 양쪽 도체를 지지하면서 용접열을 외부로 방열시키는 금속재의 용접지그와, 상기 용접지그를 기준으로 양측으로 상기 양쪽 도체 각각에 상하 결합되며 내부에 유로가 형성된 제1 및 제2 냉각부재를 포함하는 냉각부재와, 상기 제1 및 제2 냉각부재의 어느 하나의 일측면에 연결되는 냉각수 인입관 및 인출관과, 상기 제1 및 제2 냉각부재의 유로를 연결시키는 U자형 순환파이프와, 상기 양쪽 도체 각각에 체결된 냉각부재 서로의 유로를 연결시키는 순환파이프로 이루어지는 냉각순환장치를 포함하여 이루어진다.

Description

해저 케이블용 도체 용접장치{CONDUCTOR WELDING APPARATUS FOR SUBMARINE CABLE}
본 발명은 케이블 도체의 접속을 위한 도체 용접에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해저 케이블의 도체 용접 방법과 용접시 과열되는 도체의 온도를 냉각하기 위한 냉각순환장치를 포함한 도체 용접장치에 관한 것이다.
일반적으로 해저 케이블의 경우 해저 케이블간의 접속하기 위해 양측 도체를 용접하는 케이블 도체 용접 방식이 채택된다.
케이블 도체 용접 방식은 양측 해저 케이블의 피복을 벗겨낸 후 내부의 도체를 서로 맞댄 다음, 그 맞댄 부위에 용접재를 투입하여 용융시켜 한 몸체가 되도록 접속하는 방식이다.
이러한 케이블 도체 용접 방식은 접속의 용이성이 있으나, 반면에 용접에 의해 높은 열이 발생하게 되고, 용접에 의한 고열은 도체를 따라 전도되어 절연재 및 피복 부위에 열 손상을 입히기 쉬운 문제가 있다.
따라서, 케이블 도체 용접 방식에는 용접 열의 전도를 방지하기 위한 냉각장치가 반드시 필요하게 된다.
또한, 해저 케이블의 접속 방식이 채택되므로 도체간의 용접에 의해 접속이 이루어지고, 용접된 부위는 요구되는 스펙을 만족할 수 있는 도체 인장강도 및 도체 저항값을 만족해야 한다.
해저 케이블의 도체 용접 접속에 있어서, 종래의 냉각장치는 방열핀 구조의 블록을 형성시켜 대기중으로 방열핀을 통해 열을 발산시키는 구조가 있으나 열 발산의 한계가 있어 도체의 온도 상승을 근본적으로 차단하기 어렵다.
또한, 케이블 도체 용접 방식으로 티그(TIG, Tungsten Inert Gas Welding) 용접이나 대한민국 등록특허 10-0800262호에 개시된 고주판 유도가열을 이용한 도체 용접장치가 개시되어 있으나, 용접 부위의 도체 인장강도 및 도체 저항값이 기준치를 만족하지 못하는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 해저 케이블의 도체 용접시 용접된 도체 부위의 인장강도를 높이고 도체 저항값을 기준치 이하의 값을 만족할 수 있는 해저 케이블용 도체 용접장치를 제공하고자 한다.
또한, 해저 케이블의 도체 용접의 용이성을 제공하고 용접에 따른 도체 온도의 상승을 냉각순환장치에 의해 방지하여 케이블의 절연체 및 피복층의 손상을 방지할 수 있는 해저 케이블용 도체 용접장치를 제공하고자 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 해저 케이블용 도체 용접장치는, 도체의 용접을 위해 단부를 V자 커팅하기 위한 V 커팅지그와, V커팅된 양쪽 도체를 수평으로 맞댄 상태에서 양쪽 도체를 지지하면서 용접열을 외부로 방열시키는 금속재의 용접지그와, 상기 용접지그를 기준으로 양측으로 상기 양쪽 도체 각각에 상하 결합되며 내부에 유로가 형성된 제1 및 제2 냉각부재를 포함하는 냉각부재와, 상기 제1 및 제2 냉각부재의 어느 하나의 일측면에 연결되는 냉각수 인입관 및 인출관과, 상기 제1 및 제2 냉각부재의 유로를 연결시키는 U자형 순환파이프와, 상기 양쪽 도체 각각에 체결된 냉각부재 서로의 유로를 연결시키는 순환파이프로 이루어지는 냉각순환장치를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 양쪽 도체의 용접은 미그 브레이징 용접 방식으로 용접되어 접속 부위에서 도체의 인장강도 및 도체 전기저항의 규격치를 만족하도록 한다.
여기서, 상기 제1 및 제2 냉각부재 각각은 상하 결합되며, 중심에 상기 도체가 끼워질 수 있도록 반원 형태의 홈이 상기 도체의 길이 방향으로 형성되도록 구현된다.
여기서, 상기 냉각순환장치에서 냉각수는 상기 인입관을 통해 인입되어, 일측 냉각부재의 하측에 있는 제2 냉각부재, 상측에 있는 제1 냉각부재, 타측 냉각부재의 상측에 있는 제1 냉각부재 및 하측에 있는 제2 냉각부재를 거쳐 순환되어 상기 인출관을 통해 배출되어 양쪽 도체의 상하 방향으로 물이 순환되도록 하여 용접 과열을 골고루 순환시킬 수 있도록 한다.
상술한 본 발명의 구성에 따르면, 해저 케이블의 도체 용접시 용접된 도체 부위의 인장강도를 높이고 도체 저항값을 기준치 이하의 값을 만족할 수 있으며, 도체 용접의 용이성을 제공하고 용접에 따른 도체 온도의 상승을 방지하여 케이블의 절연체 및 피복층의 손상을 방지할 수 있는 해저 케이블용 도체 용접장치를 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 해저 케이블용 도체 용접장치의 사시도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 해저 케이블용 도체 용접장치의 공정도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 해저 케이블용 도체 용접장치 구조 및 그 작용효과에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 해저 케이블용 도체 용접장치의 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 해저 케이블용 도체 용접장치(1)는 양측의 해저 케이블(2, 3)과, 노출된 양 도체(4, 5)와, 용접을 위한 용접지그(6)와, 냉각순환장치(7)를 포함하여 이루어진다.
일측의 해저 케이블(2)과 타측의 해저 케이블(3)이 접속부위가 피복되어 도체(4, 5)가 노출된 상태로 도체(4, 5)간 서로 대향되어 수평하게 위치된다.
노출된 상태의 도체(4, 5)는 V 커팅이 된 상태로 서로 맞대응된다.
용접지그(6)는 도체 접속을 위한 용접용 지그이며, 도체(4, 5)의 유동을 방지하기 위한 지지역할과 용접시 발생되는 열을 외부로 방출하기 위한 열방출 보조체(Heat-Sink)로 사용된다.
따라서, 용접지그(6)는 양 도체(4, 5)을 중심으로 하여 설치되며 하부에 설치되는 플레이트 형상의 하판(11)과 하판(11) 위로 도체가 노출되도록 하며 도체(4, 5)를 지지할 수 있도록 2개의 상부 결합체(12)가 볼트에 의해 체결된다.
도체(4, 5)는 하판(11)과 2개의 상부 결합체(12)의 결합에 의해 지지되므로, 도체(4, 5)가 닿는 하판(11)과 2개의 상부 결합체(12)는 반원 형태의 오목부가 각각 형성되어 그 오목부 내에 도체(4, 5)가 삽입되어 체결되도록 구현된다.
냉각순환장치(7)는 용접지그(6)의 양측으로 소정 간격으로 이격되어 설치되며, 양측의 해저 케이블(2, 3)의 노출된 도체(4, 5)에 각각 형성되는 냉각부재(13)와, 냉각수를 순환시키는 순환파이프(14, 15, 16))들과, 냉각수의 인입과 인출을 각각 담당하는 인입관(17) 및 인출관(18)을 구비한다.
냉각순환장치(7)는 도 1에 도시된 바와 같이 조립 체결되며, 냉각부재(13)를 고정시키기 위해 고정체 베이스(19b)와 고정체(19a)가 볼트에 의해 상하 조립될 수 있다.
냉각부재(13)는 양측 해저 케이블(2, 3)의 도체(4, 5)에 각각 설치되며, 도체(4, 5)가 삽입되어 안착될 수 있도록 제1 및 제2 냉각부재(13a, 13b)에는 반원 형태의 도체 삽입홈이 형성된다.
제1 및 제2 냉각부재(13a, 13b) 각각은 그 내부에 유로(미도시)가 형성되어야 한다. 유로는 블록체의 일측면을 하나 이상 관통시키고 다른 측면을 다시 하나 이상 관통시키고 측면의 홀을 막아서 내부에 유로를 형성시킬 수 있다.
제2 냉각부재(13b)의 일측면에는 유로와 연결되는 인입관(17) 또는 인출관(18)이 연결되며, 타측면에는 U자형 순환파이프(15, 16)에 의해 제1 및 제2 냉각부재(13a, 13b)가 서로 유로 연결된다. 제1 냉각부재(13a) 및 제2 냉각부재(13b)의 상측으로는 서로 유로를 연결시키도록 순환파이프(14)가 연결된다.
이러한 구성은 일측의 인입관(17)으로부터 펌프를 이용하여 냉각수가 인입되고 인입된 냉각수는 제1 및 제2 냉각부재(13a, 13b)의 내부에 형성된 유로 및 U자형 순환파이프(15, 16) 및 순환파이프(14)을 통해 순환되어 다시 인출관(18)을 통해 외부로 배출된다.
즉, 도체(4, 5)의 접속을 위해 용접시 용접에 따른 고온에 의해 도체로 전달되는 열을 냉각부재(13)를 통해 외부로 배출시킴으로써 도체(4, 5)에 피복된 절연체 및 피복체의 손상을 사전에 방지하도록 한다.
상술한 냉각부재(13), U자형 순환파이프(15, 16) 및 순환파이프(14)는 동재질의 관으로 이루어지며, 인입관(17) 및 인출관(18)은 플라스틱재 호스로 이루어질 수 있다.
상술한 구조로 이루어진 도체의 용접장치(1)를 이용하여 도체의 용접 과정을 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 해저 케이블용 도체 용접장치의 공정도이다.
먼저, (A)와 같이 도체의 접속을 위해 해저 케이블(2)의 단부를 절단한 상태에서 피복을 벗겨내고 도체(4)를 소정 길이만큼 노출시킨다. 이 상태에서 노출된 도체(4)의 중간부분에 철사등으로 임의 고정을 시킨 후 도체(4)를 V 커팅하기 위해 V 커팅지그(21)를 체결한 후 V 커팅지그(21)의 커팅면을 따라 도체(4)를 절단하며 다른 쪽의 해저 케이블도 동일하게 도체를 V 커팅한다. 양측의 커팅된 도체(4, 5)를 서로 수평하게 맞대어 커팅면이 V자가 되도록 한다.
다음으로 (B)와 같이 도체(4, 5)를 용접하기 위해 용접지그(6)를 하판(11)과 2개의 상부결합체(12)를 체결하며, 이때 용접될 도체 부분(V 커팅된 부분)이 노출된 상태에 놓인다.
하판(11)과 2개의 상부결합체(12)는 도체(4, 5)를 고정하는 역할과 함께 용접시 용접열을 방출하기 위한 방열판의 역할을 겸하므로 열전도도가 좋은 알루미늄 계열 또는 동계열의 금속 또는 합금재를 사용하는 것이 바람직할 것이다.
다음으로 (C)와 같이 용접지그(6) 양측으로 해저 케이블(2, 3)의 도체(4, 5) 위에 냉각부재(13)를 포함한 냉각순환장치(7)를 설치한다(C).
도체(4, 5)의 용접시 피복된 부분에 전달되는 온도를 측정하기 위해 온도센서를 장착하고 온도기록계(22)를 온도센서와 연결시킨다(D). 이과정은 최초의 온도센서 확인을 위해 필요하며, 용접작업을 수행하는 동안 지속적으로 케이블 도체의 온도를 확인하기 위해 필요하다. 냉각순환장치에 의해 온도센서로 측정한 결과 케이블 도체 온도는 80도 미만으로 유지할 수 있었고, 냉각순환장치를 설치하지 않는 경우 케이블의 도체온도는 300 내지 400도까지 올라 케이블의 절연체 및 피복에 심각한 손상을 입히는 것으로 확인된다.
그리고, (E)와 같이 도체(4, 5)의 용접을 시행한다.
여기서, 도체(4, 5)의 용접은 용접후 용접된 부위(접속된 부위)에서의 인장강도 및 도체 저항값의 스펙치를 만족할 수 있어야 한다.
따라서, 이러한 스펙치를 만족시키기 위해 본 발명에서는 도체의 용접을 기존의 방식과 달리 미그 브레이징 용접방식을 채택한다.
미그용접(Metal Electrode Inert Gas Welding)는 TIG(Tungsten Inert Gas Welding) 용접과 달라서 용가 금속 자신이 소모 전극이 되어 용가 금속의 선단과 모재의 사이에서 아크를 발생시켜 전극 자신이 용착하여 용접하는 방법이며, 불활성 분위기 하에서 용접이 이루어진다.
브레이징이란 450도 이상에서 접합하고자하는 모재(BASE METAL) 용융점(MELTING POINT) 이하에서 모재는 상하지 않고 용가재와 열을 가하여 두 모재를 접합하는 기술이다. 브레이징시 일정한 온도(BRAZING TEMPERATURE)에 이르면 브레이징 용재(BRAZING FILLER METAL)가 양 용재 사이로 녹아 스며 들어가서 브레이징이 되어야만 이상적인 브레이징이라 할 수 있다. 이때 양 모재와 용가재(FILLER METAL)의 친화력의 정도를 나타내는 성질을 젖음성(WETTING)으로 표현할 수 있으며 양 모재 접합간격(JOINT GAP) 사이로 흘러 들어가게 하는 현상이 모세관 현상(CAPILLARY ACTION)이라 표현할 수 있다.
본 발명의 용접방식인 미그 브레이징은 미그용접과 브레이징을 결합한 방식을 채택한다.
미그 브레이징은 가스로 차폐되고, 저융점의 연속적으로 공급되는 소모성 와이어 전극으로 실시되는 아크 용접 공정이다. 일반적으로, 충전 금속(filler metal)은 약 3% 내지 8% 의 알루미늄과 함께 실리콘을 포함하고 융점이 약 900℃ 내지 1100℃인 구리 합금이 된다.
충전 금속을 용융시키는데 필요한 에너지가 낮기 때문에, 통상적으로 브레이징된 조인트(joint)와 유사하게, 베이스 금속(base metal) 용융이 감소되거나 또는 완전히 방지된다.
미그 브레이징은 통상적인 브레이징과 실질적으로 상이하며, 미그 브레이징은 주요 접합 기구로서 습윤(wetting) 효과를 가지며, 통상적인 브레이징은 모세관 작용에 의해 이루어진다.
미그 브레이징의 사용으로 인한 이점은 다음과 같다. (1) 낮은 열 입력으로 인해 아크 용접 및 통상적인 브레이징과 비교할 때 적은 변형과 보다 적은 열의 사용으로 열의 의한 열변형성이 적다. (2) 용접 심(seam) 부분에 부식의 방지가 가능하다. (3) 심 인접부의 베이스 금속의 음극화 보호(cathodic protection)가 가능하다. (4) 또한, 도체 커넥팅 상태에서 등외경 연결을 위한 용접이 가능하다.
본 발명의 미그 브레이징 방식에 의해 V 커팅된 도체의 용접을 시행하여 인장시험 및 도체 저항을 측정한 결과 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.
도체 인장시험의 경우 SQ당 7kgf를 기준으로 하여 계산하면, 325SQ 도체인 경우 2275[kgf/㎠]의 인장강도를 만족하여야 하며, 본 발명에 의해 실시된 도체 용접부의 인장강도는 4200 내지 4300[kgf/㎠] 정도로서 충분한 인장력을 지닌 것으로 확인된다.
또한, 도체 저항에 있어서 한전기준으로 0.0568[Ω/km] 이하일 것이 요구되며, 본 발명에 의해 실시된 도체 용접부의 도체 저항은 0.0557[Ω/km]로 그 기준값 범위 내에 있는 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같은 용접이 이루어진 후 용접지그(6) 및 냉각순환장치(7)를 해체(F)시킨 후 용접된 부분을 연마용 페이퍼 및 연마 그라인더로 샌딩작업 마무리하게 된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1 : 도체 용접장치 2, 3 : 해저 케이블
4, 5 : 도체 6 : 용접지그
7 : 냉각순환장치 11 : 하판
12 : 상부 결합체 13 : 냉각부재
13a : 제1 냉각부재 13b : 제2 냉각부재
14 : 순환 파이프 15, 16 : U자형 순환파이프
17 : 인입관 18 : 인출관
19a : 고정체 19b : 고정체 베이스
21 : V 커팅지그 22 : 온도기록계

Claims (4)

  1. 도체의 용접을 위해 단부를 V자 커팅하기 위한 V 커팅지그와,
    V커팅된 양쪽 도체를 수평으로 맞댄 상태에서 양쪽 도체를 지지하면서 용접열을 외부로 방열시키는 금속재의 용접지그와,
    상기 용접지그를 기준으로 양측으로 상기 양쪽 도체 각각에 상하 결합되며 내부에 유로가 형성된 제1 및 제2 냉각부재를 포함하는 냉각부재와, 상기 제1 및 제2 냉각부재의 어느 하나의 일측면에 연결되는 냉각수 인입관 및 인출관과, 상기 제1 및 제2 냉각부재의 유로를 연결시키는 U자형 순환파이프와, 상기 양쪽 도체 각각에 체결된 냉각부재 서로의 유로를 연결시키는 순환파이프로 이루어지는 냉각순환장치를 포함하는, 해저 케이블용 도체 용접장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양쪽 도체의 용접은 미그 브레이징 용접 방식으로 용접되는, 해저 케이블용 도체 용접장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 냉각부재 각각은 상하 결합되며, 중심에 상기 도체가 끼워질 수 있도록 반원 형태의 홈이 상기 도체의 길이 방향으로 형성되는, 해저 케이블용 도체 용접장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉각순환장치에서 냉각수는 상기 인입관을 통해 인입되어, 일측 냉각부재의 하측에 있는 제2 냉각부재, 상측에 있는 제1 냉각부재, 타측 냉각부재의 상측에 있는 제1 냉각부재 및 하측에 있는 제2 냉각부재를 거쳐 순환되어 상기 인출관을 통해 배출되는, 해저 케이블용 도체 용접장치.

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