KR101625942B1 - 나중에 굽힘을 받는 원통형 압력 용기의 원주방향 용접부의 피로 수명을 증가시키기 위한 기구 - Google Patents

나중에 굽힘을 받는 원통형 압력 용기의 원주방향 용접부의 피로 수명을 증가시키기 위한 기구 Download PDF

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Abstract

굽힘을 받는 파이프에 부착되어 그 파이프의 맞대기 용접부에 대한 피로를 최소화하는 파이프 클램프에 관한 것이다. 이 파이프 클램프는 내측 및 외측 부분 클램프를 포함하며, 각각의 부분 클램프는 반원통형으로 되어 있고, 제 1 및 2 단부를 갖는다. 내측 부분 클램프의 내측 표면은 파이프의 외측 표면이 내측 부분 클램프의 내측 표면에 대해 미끄러질 수 있도록 실질적으로 매끄럽게 되어 있다. 외측 부분 클램프는 마찰 요소가 형성되어 있는 내측 표면을 갖는다. 이 마찰 요소는 외측 부분 클램프가 부착되는 파이프의 외측 표면을 잡기 위한 것이다. 내측 부분 클램프를 외측 부분 클램프에 고정시키기 위한 클램프 기구가 제공된다.

Description

나중에 굽힘을 받는 원통형 압력 용기의 원주방향 용접부의 피로 수명을 증가시키기 위한 기구{A MECHANISM FOR INCREASING THE FATIGUE LIFE OF THE CIRCUMFERENTIAL WELDS OF A CYLINDRICAL PRESSURE VESSEL THAT IS SUBSEQUENTLY BENT}
본 출원은 2010년 8월 13일자로 "CLAMP SUITABLE FOR INCREASING THE FATIGUE LIFE OF THE BUTT WELDS OF A PIPE PRESSURE VESSEL WHICH IS SUBSEQUENTLY BENT" 라는 명칭으로 출원된 미국 특허 출원 제 12/855,970 호에 대해 우선권을 주장하는 바이며, 이의 내용은 본원에 참조로 관련되어 있다.
본 발명은 파이프 용접부에 대한 굽힘 스트레인(strain)을 최소화하는 방법 및 이를 위한 파이프 클램프에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 굽힘력을 받는 파이프에 있는 맞대기 용접부 위에 배치되어 그 용접부에서의 과도한 스트레인에 대해 보호를 해주는 파이프 클램프에 관한 것이다.
본 발명은 매우 긴 길이(일반적으로 1 km 이상 30 km 이하)의 파이프, 예컨대 강 파이프로 구성된 압력 용기 안에 천연 가스(CNG) 또는 다른 유체나 가스를 압력하에 저장하는 것에 관한 것이다. 실제 관리를 위해, 이러한 길이의 파이프는 간단한 감기 과정으로 강 스풀에 감기게 되며, 그 결과물을 "Coselle®" 이라고 한다. 많은 Coselle®이 선박의 고정부에 설치될 수 있다. Coselle®을 지니고 있는 선박은 제 1 포트에서 가스를 싣고 제 2 포트에서 배출하게 된다. Coselle®을 지니고 있는 선박은 년간 ∼60 사이클을 만들 수 있다. 가스의 적재 및 하적과 관련된 가압 및 감압은 Coselle®의 강에서 큰 응력 변화를 유발하게 되며, 이 결과 피로 균열이 생길 수 있다. 긴 길이의 파이프는 부득이 더 짧은 길이의 파이프들을 함께 용접하여 만들어진다. 용접부 및 이 용접부에 인접한 파이프 재료는 파이프의 모 금속보다 피로 문제에 더 민감하다.
6" 파이프를 ∼9 m 직경의 허브 주위에 감아 실시한 원형(prototype) Coselle® 시험에서 명확히 밝혀진 바로, 파이프에 포함되어 있는 원주방향 이음 용접부, 즉 맞대기 용접부의 열영향부(HAZ) 계면에서 파이프의 외측벽에는 평균 보다 높은 스트레인이 발생한다. 높은 국부적 스트레인(대략 1.8%인 평균과는 대조적으로 대략 6%임)은 용접부의 피로 수명을 단축시키며 Coselle®의 극한 피로 수명을 제한하는 원인이 된다. 결과적으로, 피로 수명이 연장되는 경우에 허용되는 것 보다 낮은 작업 압력에서 작업할 필요가 있었는데, 그래서 가스량이 감소되었고 또한 전체적인 가스 운반 비용이 증가되었다.
비정상적으로 높은 스트레인 외에도, 용접 특성은 굽힘 과정에서 일어나는 파이프의 타원형화에 의해 나쁜 영향을 받을 수 있다. 높은 곡룰과 낮은 곡률을 갖는 타원의 네 지점에서, 가압 과정 중에 응력이 증가하고 이 때문에 특히 맞대기 용접부에 대한 피로 수명이 감소하게 된다.
열영향부의 과도한 스트레인과 타원형화에 대한 보호로 Coselle® 파이프 압력 용기에 있는 맞대기 용접부에 대한 긴 피로 수명을 보장하는 것이 경제적으로 중요하다. 이는 본 발명에 따른 클램프 장치로 달성된다.
과도한 스트레인의 문제에 대해 선택되는 해결 방안은, 파이프의 굽힘을 크게 제한하고 맞대기 용접부의 영역에서 타원형화를 방지하며 또한 동시에 파이프의 외측면에서 스트레인을 크게 방지하는 것이다. 이는 클램프와 같은 굽힘 억제 부재를 맞대기 용접부 위에서 파이프에 가함으로써 달성될 수 있다. 다음 설명은 성공적으로 개발 및 시험된 클램프에 관한 것이다. 그러나, 원하는 결과를 얻기 위해 굽힘 억제 부재 또는 클램프의 다른 실시 형태도 유도될 수 있다.
맞대기 용접부의 근처에서 파이프를 굽힐 때의 중요한 관심 사항은 그 용접부에 인접한 열영향부, 예컨대 굽은 파이프의 외측 부분 또는 "신장된" 부분에 있는 열영향부에서의 스트레인이다. 본 발명의 클램프는 두 가지 기능을 한다. 첫째, 상기 클램프는 파이프의 굽힘을 크게 없애 준다. 둘째, 그 클램프는 또한 파이프의 상측 절반부가 스트레인을 받는 것을 방지한다. 일 실시 형태에서, 이는 클램프의 내측면에 있는 새긴 줄(scoring)로 달성된다. 이 새긴 줄의 좁은 리지(ridge)는 볼트의 조임으로 파이프 상에 압착될 때 높은 마찰력을 발생시키게 되는데, 이 마찰력은 파이프의 외측면이 크게 움직이는 것을 방지하고 그래서 용접부의 스트레인을 거의 없애 준다.
일 실시예의 클램프는 300 mm의 길이를 갖는다. 바람직하게는, 이 클램프는 파이프 외경의 1.75 배인 길이를 갖는데, 하지만 더 크거나 더 작은 클램프도 사용될 수 있다. 클램프는 반원형으로 된 두개의 곧은 강재 반원통으로 구성된 보강용 버팀부로서 기능하며, 그 두 반원통은 파이프의 양 측에서 함께 볼트 체결된다. 클램프는 파이프의 굽힘부의 외측면에 위치되는 제 1 반원통 및 파이프의 굽힘부의 내측면에 위치되는 제 2 반원통으로 구성된다. 클램프의 두 반원통의 내측 곡률 반경은 바람직하게는 파이프의 외경과 같다. 클램프의 두께는 이 클램프가 굽힘력에 의해 소성적으로 굽혀지지 않도록 되어 있다.
클램프의 강성은 용접부 영역에서 파이프의 굽힘을 제한하며, 후술하는 바와 같은 그 클램프의 특별한 점으로 인해, 파이프 외측벽에서의 국부적인 축방향 스트레인은 감기 중과 후에 낮게 유지된다. 동시에, 상기 클램프에 의해 타원형화가 최소화된다.
바람직한 실시 형태에서, 상기 클램프의 외측 절반부는 그의 내측면에서 새긴 줄을 포함하는데, 이 새긴 줄은 파이프 외측 표면과의 결합을 보장해준다. 클램프가 작동하여 파이프 외측면에서의 스트레인을 제한하는 일차적인 기구(mechanism)는 파이프 표면에서의 입자간 정마찰이며, 이러한 이유로 상기 새긴 줄을 제공하는 것이다. 이 새긴 줄(바람직하게는 나사와 유사함)의 피치는 리지가 파이프 안으로 약간 물고 들어가도록 되어 있고 또한 새긴 줄의 전체 접촉 면적은 굽힘 과정 중에 압축으로 파이프를 손상시키지 않도록 되어 있다. 본 출원의 목적으로, 본 출원인이 "나사산" 또는 "나사"라고 할 때, 이는 "스크류 또는 볼트의 나선형 리지의 특성을 갖는" 것을 의미한다. 클램프의 내측 절반부에는 새긴 줄이 없는데, 사실 파이프 내측면에서의 미끄러짐은 바람직지 않다.
배경 기술 부분에서 전술한 바와 같이, 6" 파이프를 대략 9 m 직경의 허브에 감을 때 국부적인 스트레인이 발생된다. 클램프를 사용하지 않는 경우 그 국부적인 스트레인은 용접부의 영역에서 대략 6% 이고 파이프에 대한 평균 스트레인은 1.8% 인 것으로 나타났다. 본 발명의 클램프를 사용함으로써, 상기 국부적인 스트레인은 대략 0.5% 인 것으로 나타났다.
파이프 용접부의 근처에서, 그 파이프는 강성적인 클램프에 의해 거의 완전히 둘러싸인다. 그러므로, 파이프의 타원형화가 거의 완전히 방지된다. 그러나, 클램프가 있으면, 파이프가 스풀(spool) 주위에 감길 때 클램프의 양 단부에서 파이프의 심각한 타원형화, 심지어 비틀림이 유발될 수 있다. 이 문제에 대처하기 위해, 클램프의 내측 절반부에 대해 두 가지의 형상 수정이 이루어진다. 첫째, 클램프의 내측 절반부의 양 단부를 특정 패턴으로 갈아서 클램프의 단부에서 파이프에 대한 힘의 집중을 완화시켜 준다. 제거된 금속, 즉 공극(void)의 바람직한 형상은 파이프의 반경과 같은 반경을 갖는 반원인데, 하지만 이 반원형에 근사한 형상도 사용될 수 있다. 둘째, 클램프의 내측 절반부가 그의 중심부에서 보다 외측 가장자리에서 상당히 더 얇게 되도록(두께의 대략 절반이 바람직하다) 그 내측 절반부의 일부 두께를 갈아 제거하면 클램프 근처에서의 타원형화를 더욱 줄일 수 있다. 그 이유는 클램프가 상기 제거된 반원에 의해 제공되는 릴리프(relief)를 넘어 밑의 파이프에 처음 부딪힐 때 그 파이프에 대한 횡방향 힘을 더 최소화하기 위한 것이다.
클램프의 두 절반부는 파이프의 외측면과 동일한 곡률 반경을 갖고 있지만, 클램프의 그 두 절반부는 완전한 360°회전을 이루지 않는다. 볼트가 충분히 조여지면, 클램프의 상기 두 절반부는 바람직하게 서로 접촉하지 않고, 그래서 클램프 절반부들의 전체 힘이 파이프에 가해지게 된다.
파이프의 굽힘이 완료되면, 클램프를 다음과 같이 제거한다: 스풀링 허브를 아주 약간만 반대방향으로 돌려 파이프의 내향력을 줄인다. 그리고 나서 클램프를 분해한다. 클램프의 외측 절반부를 제거하고 다음에 그 클램프의 내측 절반부를 파이프 주위로 회전시켜 들어 낸다. 회전이 쉽게 되도록, 클램프의 하측 절반부는 바람직하게는 회전 방향으로 적절히 일정한 또는 감소된 두께 프로파일을 갖는다.
사용시, 클램프 절반부들은 일련의 볼트에 의해 파이프에 매우 강하게 조여진다. 상기 새긴 줄 및 볼트 구멍 안에 있는 조임 나사산은 사용됨에 따라 마모되며, 그래서 많은 횟수의 사용 후에는 클램프를 교체해야 할 것이다.
클램프의 두 절반부는 맞대기 용접부의 용접 비드를 수용하기 위해 원주 방향으로 상기 절반부의 내측 중심부로부터 제거된 금속의 작은 채널을 갖는다.
클램프는 바람직하게는 파이프의 강의 영률과 거의 같은 영률을 갖는 강으로 만들어진다. 클램프에 사용되는 강의 항복 응력은 바람직하게는 파이프의 항복 응력 이상이며 최대 40% 더 크다.
본 발명의 제 1 실시 형태는 강성적이고 무겁다(약 200 lbs의 중량을 가짐). 이 실시 형태는 용접부를 완전히 보호해 주고 또한 심지어 1,000,000 사이클에서도 용접부에 피로 손상이 발생되지 않은 것으로 나타났다. 그러나, 제 1 실시 형태는 조작이 번거롭다. 제 2 실시 형태는 더 가벼운 버젼이다(약 40 lbs).
위에서 상술한 클램프는 파이프가 코일 주위로 굽혀지고 있을 때(도 13) 그 파이프의 외측 가장자리에서의 스트레인을 최소화하고 또한 맞대기 용접부의 영역에서 타원형화를 최소화하는 장치의 바람직한 실시 형태이다. 다른 실시 형태가 또한 사용될 수 있다.
예컨대, 죔력은 볼트가 아닌 외부 유압으로도 제공될 수 있다. 클램프의 절반부들은 용접 또는 와이어 묶기로 함께 유지될 수 있다. 대안적으로, 클램프 절반부는 배치되어 용접되기 전에 상당히 가열될 수 있다. 클램프가 냉각됨에 따라 금속 수축으로 인해 죔력이 생기게 될 것이다. 대안적으로, 두 클램프 절반부는 유압 프레스의 도움으로 또는 이 도움 없이 좌굴 기구에 의해 서로 끌어당겨 질 수 있다.
나사에 대한 필요성을 없애기 위해 대안적인 마찰 발생 수단을 개발할 수 있는데, 이러한 수단으로는 예컨대 금속간 접착제, 저온 금속 금속 합금 땜납 및 강 보다 단단한 물질(예컨대, 탄화규소)로 된 예리한 입자층이 있다. 추가적으로, 맞대기 용접부에 중심맞춤되는 강 스트립을 파이프에 축방향으로 용접할 수 있다. 맞대기 용접부 및 인접 영역은 파이프에 결합되는 강한 재료로 감겨질 수 있다. 이러한 재료는 강 와이어, e-유리, 케블러 또는 파이프에 영구적으로 결합될 수 있는 다른 재료일 수 있으며, 이들은 유도된 권취 스트레인을 감소시키고/감소시키거나 타원형화를 감소시키게 된다.
다른 실시 형태에서, 주 파이프의 외경과 동일한 내경을 갖는 부분 파이프를 용접 작업 전에 그 주 파이프 상에 끼울 수 있다. 그런 다음 상기 부분 파이프를 맞대기 용접부 위에 중심맞춤시킬 수 있다. 그 부분 파이프는 클램프와 유사한 것이지만, 주 파이프가 굽혀진 후에 제 위치에 유지될 수 있다.
대안적으로, 작은 부분 파이프 또는 다른 강 구조체가 주 파이프 내부에 삽입되어 맞대기 용접부에 중심맞춤되도록 구속될 수 있다. 상기 작은 부분 파이프는 용접 및 굽힘 후에 제 위치에 유지된다.
도 1 은 내측 부분 클램프와 외측 부분 클램프를 포함하는 본 발명의 파이프 용접부 클램프의 분해 사시도이다.
도 2 는 파이프에 설치되어 있는 도 1 의 파이프 용접부 클램프의 부분 단면도이다.
도 3 은 도 1 의 내측 부분 파이프 클램프의 사시도이다.
도 4 는 도 1 의 내측 부분 파이프 클램프의 외측 표면의 개략도이다.
도 5 는 도 1 의 내측 부분 파이프 클램프의 내측 표면의 개략도이다.
도 6 은 도 1 의 외측 부분 파이프 클램프의 사시도이다.
도 7 은 도 1 의 내측 부분 파이프 클램프의 외측 표면의 개략도이다.
도 8 은 도 1 의 내측 부분 파이프 클램프의 내측 표면의 개략도이다.
도 9 는 원형 용접부에 인접하여 단부에 형성되어 있는 새긴 줄을 갖는 수정된 파이프의 입면도이다.
도 10 은 원형 용접부에 인접하여 부분 파이프의 단부에 부착되어 있는 작은 입자들을 갖는 수정된 파이프의 입면도이다.
도 11a 는 부분 파이프에 고정되는 수정된 파이프 클램프의 입면도로, 이 수정된 파이프 클램프는 이 클램프의 내측 표면에 뚤려 있는 구멍 안에 부착되는 넬슨 스터드를 갖는다.
도 11b 는 도 11a 의 클램프의 확대도로, 일 클램프 부재의 구멍 안에 있는 넬슨 스터드가 나타나 있다.
도 12a 는 원형 용접부에 인접하여 내측면에 부착되어 있는 보강 스트랩 또는 핀(fin)을 갖는 수정된 파이프의 입면도이다.
도 12b 는 도 12a 의 수정된 파이프의 평면도이다.
도 13 은 코어에 감겨 있는 도 2 의 파이프의 사시도이다.
이제 도 1 및 2 를 참조하면, 전체적으로 "10"으로 표시되어 있는 파이프 클램프가 나타나 있다. 이 파이프 클램프(10)는 파이프(12)(도 2 및 13 참조)에 고정되기 위한 것이다. 파이프(12)는 단부에서 맞대기 용접부를 통해 서로 결합되는 복수의 부분 파이프로 이루어지는데, 예컨대 제 1 부분 파이프(14) 및 제 2 부분 파이프(16)가 맞대기 용접부(18)를 통해 서로 결합된다. 상기 파이프 클램프(10)는 맞대기 용접부(18) 및 그의 열영향부를 과도한 스트레인과 타원형화(이 둘은 예컨대 도 13 에서 보는 바와 같이 Coselle®를 형성하는 파이프(12)의 감기 과정에서 발생됨)로부터 보호하기 위해 제공된다.
상기 파이프 클램프(10)는 내측 부분 클램프(20)(도 1, 3 ∼ 5 참조)를 포함한다. 이 내측 부분 클램프(20)는 반원통형으로 되어 있으며 제 1 단부(22) 및 제 2 단부(24)를 갖는다. 내측 부분 클램프(20)는 추가적으로 내측 표면(26), 상부 길이방향 결합 표면(28) 및 하부 길이방향 결합 표면(30)을 갖는다. 제 1 단부(22)에는 제 1 응력 완화 영역(32)이 형성되어 있다. 제 2 단부(24)에는 제 2 응력 완화 영역(34)이 형성되어 있다(도 3 ∼ 5 참조).
바람직하게 상기 내측 부분 클램프(20)에는, 이 내측 부분 클램프(20)가 파이프(12)에 배치되면 상기 맞대기 용접부(18)를 수용하기 위한 반경방향 홈(36)이 형성되어 있다. 내측 부분 클램프(20)의 내측 표면은 파이프(12)의 외측 표면이 내측 부분 클램프(20)의 내측 표면(26)에 대해 미끄러질 수 있도록 바람직하게 실질적으로 매끄럽게 되어 있다.
일 실시 형태에서, 제 1 응력 완화 영역(32)은 제 1 반원의 형태로 되어 있고 제 2 응력 완화 영역(34)은 제 2 반원의 형태로 되어 있다. 제 1 응력 완화 영역(32)에 의해 규정된 상기 제 1 반원 및 제 2 응력 완화 영역(34)에 의해 규정된 상기 제 2 반원은 바람직하게는 각기 파이프(12)의 반경와 대략 같은 반경을 갖는다. 반원형에 가까운 형태도 응력 완화 영역용으로 고려될 수 있다.
일 실시 형태에서, 도 4 에서 가장 잘 볼 수 있듯이, 제 1 단부(22) 및 제 2 단부(24) 부근에서의 내측 부분 클램프(20)의 두께는, 내측 부분 클램프(20)의 중심부에서의 내측 부분 클램프(20)의 두께 보다 작게 되어 있다.
파이프 클램프(10)는 추가로 외측 부분 클램프(40)(도 1, 2, 6 ∼ 8 참조)를 포함한다. 이 외측 부분 클램프는 반원통형으로 되어 있다. 외측 부분 클램프(40)는 제 1 단부(42) 및 제 2 단부(44)를 갖는다. 외측 부분 클램프(40)는 추가로 상부 길이방향 결합 표면(46) 및 하부 길이방항 결합 표면(48)을 갖는다. 외측 부분 클램프(40)는 추가로 내측 표면(50)을 갖는다. 바람직하게는, 내측 표면(50)은 마찰 요소(52)를 갖는다. 이 마찰 요소(52)는 파이프(12)의 외측 표면을 잡기 위한 것이다.
바람직하게 외측 부분 클램프(40)에는, 이 외측 부분 클램프(40)가 파이프(12)에 위치되면 맞대 용접부(18)를 수용하기 위한 반경 방향 홈(54)(도 6 및 8 참조요)이 추가로 형성되어 있다. 바람직한 실시 형태에서, 마찰 요소(52)는 내측 표면(50)에 있는새긴 줄(scoring)로 구성된다. 보다 바람직하게는, 상기 새긴 줄은 나사로 구성된다. 일예의 나사는 0.77"의 깊이 및 0.166"의 피크간 거리를 갖는다. 마찰 요소(52)는 금속 접착제, 저온 금속 합금 땜납의 사용을 통해 또는 내측 표면(50)에 위치되는 단단한 입자층으로 형성될 수도 있다.
바람직하게는, 내측 부분 클램프(20)의 상기 제 1 길이방향 표면(28) 및 제 2 길이방향 표면(30)에는 다수의 오리피스(60)가 형성되어 있다. 추가로, 바람직한 실시 형태에서, 외측 부분 클램프(40)의 제 1 길이방향 표면(46) 및 제 2 길이방향 표면(48)에는 다수의 오리피스(62)가 형성되어 있다. 내측 부분 클램프(20)의 제 1 길이방향 표면(28) 및 제 2 길이방향 표면(30)에 형성되어 있는 다수의 상기 오리피스(60)에 위치되는 다수의 볼트(64)(도 1 및 2 참조)가 제공된다. 이들 볼트(64)는 또한 외측 부분 클램프(40)의 제 1 길이방향 표면(46) 및 제 2 길이방향 표면(48)에 형성되어 있는 다수의 오리피스(62)내에도 추가로 위치된다. 볼트(64)는 내측 부분 클램프(20)를 외측 부분 클램프(40)에 고정시킨다. 바람직한 실시 형태에서, 볼트(64)는 머리부(64a) 및 더 작은 직경의 섕크(shank; 64b)를 갖는다. 바람직하게는, 내측 부분 클램프(20)에는, 볼트(64)의 나사 가공된 섕크(64b)를 수용하기 위해 나사 가공된 오리피스(60)가 형성되어 있다. 외측 부분 클램프(40)에는 바람직하게 매끄러운 벽의 오리피스(62)가 형성되어 있고, 이 오리피스에는 볼트 머리부 결합 표면(62a)이 형성되어 있다. 그러므로, 볼트(64)가 상기 구멍(60, 62) 내부에 위치되면, 상기 볼트 머리부 결합 표면(62a)은 구멍(60)에 형성되어 있는 나사산쪽으로 끌려가고, 그리하여 내측 부분 클램프(20)의 제 1 길이방향 표면(28)이 외측 부분 클램프(40)의 제 1 길이방향 표면(46) 쪽으로 끌려가게 된다.
바람직한 실시 형태에서, 내측 부분 클램프(20) 및 외측 부분 클램프(40)의 두께는, 파이프 클램프(10)(즉, 내측 부분 클램프(20) 및 외측 부분 클램프(40))가 파이프(12)에 고정된 후에 그 파이프(12)가 굽혀질 때 감기 과정에서 발생되는 굽힘력에 의해 파이프 클램프(10)가 소성 변형되지 않도록 정해진다.
바람직한 실시 형태에서, 내측 부분 클램프(20) 및 외측 부분 클램프(40)는 파이프(12)의 곡률 반경과 실질적으로 같은 곡률 반경을 갖는다. 바람직하게는, 내측 부분 클램프(20) 및 외측 부분 클램프(40)의 크기는, 내측 부분 클램프(20) 및 외측 부분 클램프(40)가 파이프(12) 주위에 완전히 조여지면 내측 부분 클램프(20)의 제 1 길이방향 표면(28) 및 외측 부분 클램프(40)의 제 1 길이방향 표면(46)이 서로 접촉하지 않도록 정해진다. 유사하게, 볼트(64)가 조여지면 내측 부분 클램프(20)와 외측 부분 클램프(40)의 전체 압축력이 파이프(10)에 가해지도록, 내측 부분 클램프(20)의 제 2 길이방향 표면(30) 및 외측 부분 클램프(40)의 제 2 길이방향 표면(48)이 서로 접촉하지 않는 것이 바람직하다.
유압으로 내측 부분 클램프(20) 및 외측 부분 클램프(40)에 함께 힘을 주는 것을 포함하여, 파이프 클램프(10) 내부의 파이프(12)를 압축시키는 다른 방법을 또한 생각할 수 있다. 또한, 조여지는 와이어로 내측 부분 클램프(20) 및 외측 부분 클램프(40)에 함께 힘을 줄 수 있다. 또한, 내측 부분 클램프(20) 및 외측 부분 클램프(40)의 금속 냉각으로 내측 부분 클램프(20) 및 외측 부분 클램프(40)에 함께 힘을 줄 수도 있다.
이제 도 9 를 참조하면, 본 발명의 일 실시 형태가 나타나 있는데, 여기서, 새긴 줄(90)이 마멸 공구 또는 다른 적절한 방법(예컨대 사포질로 파이프(12)의 외측면을 거칠게 하는 것과 같은)으로 맞대기 용접부(18)의 양쪽에서 파이프(12)의 외측면에 형성되어 있다. 그 새긴 줄의 형성 과정은 전술한 바와 같이 클램프(10)에 새긴 줄을 형성하는 것과는 반대로 이루어지지만, 유사한 효과를 갖는다. 그래서, 클램프(10)의 외측 부분 클램프(40)는 매끄러운 내부를 가질 수 있다.
도 10 을 참조하면, 매우 단단한(강, 코런덤, 산화알루미늄, 카보런덤 보다 단단함) 물질의 날카롭고 작은 입자(100)가 외측 부분 클램프(40)의 매끄러운 내측 표면(26)과 파이프(12)의 외측 절단부 사이에 삽입되어 있다(예컨대, 파이프(12)의 외측 절반부 또는 외측 부분 클램프(40)의 내측 표면(26)에 있는 여전히 액체 점성인 접착제에 점성 액체로 칠해지거나 뿌려짐). 그런 다음, 클램프(10)를 조이면, 상기 입자(100)가 외측 부분 클램프(40) 및 파이프(12)의 표면에 침투하고, 원하는 마찰력을 발생시키게 된다.
도 11a 및 11b를 참조하면, 추가적이고 대안적인 파이프 굽힘 억제 장치가 나타나 있다. 많은 작은 구멍(110)(예컨대, 15 mm의 직경을 가짐)이 상부 클램프에 뚫려 있다. 넬슨 스터드(Nelson stud; 112)(예컨대, 10 mm 직경 × 10 mm 높이를 가짐)가 파이프(12)에 부착되어 있는데, 예컨대 점용접되어 있다. 파이프(12)의 굽힘이 완료되면, 클램프(10)를 제거하고 스터드(112)를 깍아낼 수 있다.
도 12a 및 12b 를 참조하면, 대안적인 파이프 굽힘 억제 장치가 나타나 있다. 적어도 하나의 스트랩(strap) 또는 핀(fin; 120)이 굽힘부의 외측에서 파이프(12)의 외측면에 용접된다. 클램프는 필요 없다. 핀(120)의 길이는 예컨대 20" 이고, 높이는 4 인치이며 두께는 0.4" 이다. 핀(120)은 바람직하게는 맞대기 용접부(18)의 용접 비드를 수용하기 위해 중간부에서 작은 원형 절개부(122)(도 9b 참조)를 갖는다. 핀(120)은 파이프(12)가 굽혀지고 있을 때 그 파이프(12)의 외측면이 스트레인을 받는 것을 방지하게 된다. 일단 파이프(12)가 코셀(Coselle)에 있으면, 핀(120)을 잘라 제거하고 표면을 매끄럽게 갈아야 한다.
또한, 부분 파이프가 맞대기 용접부(18) 위에 중심맞춤될 수 있다. 추가로, 부분 파이프가 파이프(12)의 내부에서 맞대기 용접부(18)의 아래에 중심맞춤될 수 있다.
파이프(12)의 굽힘이 완료되면, 클램프(10)를 다음과 같이 제거한다: 스풀링 허브(66)(도 13 참조)를 아주 약간만 반대방향으로 돌려 파이프(12)의 내향력을 줄인다. 그리고 나서 클램프(10)를 분해한다. 외측 부분 클랠프(40)를 제거하고 다음에 클램프(10)의 내측 부분 클램프(20)를 파이프(12) 주위로 회전시켜 들어 낸다. 회전이 쉽게 되도록, 클램프(10)의 하측 절반부는 바람직하게는 회전 방향으로 적절히 일정한 또는 감소된 두께 프로파일을 갖는다.
사용시, 부분 클램프(20, 40)는 일련의 볼트(64)에 의해 파이프(12)에 매우 강하게 조여진다. 다른 클램프 기구도 사용될 수 있다. 마찰 요소(52), 예컨대 새긴 줄, 작은 입자 또는 스터드 및 볼트 구멍(60) 안에 있는 조임 나사산은 사용됨에 따라 마모되며, 그래서 많은 횟수의 사용 후에는 클램프(10)를 교체해야 할 것이다.
클램프(10)의 두 부분 클램프(20, 40)는 용접부(18)의 용접 비드를 수용하기 위해 원주 방향으로 부분 클램프(20)의 내측 표면(26) 및 부분 클램프(40)의 내측 표면(50)에서 제거된 금속의 작은 채널 또는 반경방향 홈(36)을 갖는다.
클램프(10)는 바람직하게는 파이프(12)의 강의 영률과 거의 같은 영률을 갖는 강으로 만들어진다. 클램프(10)에 사용되는 강의 항복 응력은 파이프(12)의 항복 응력 이상이며 최대 40% 더 크다.
따라서, 본 발명은 대상을 실시하고 또한 전술한 바와 같은 또한 그에 내재된 목적과 이점들을 달성하는데 잘 적합하다. 현재의 바람직한 실시 형태는 이 개시의 목적으로 설명되었지만, 당업자에게는 많은 변경과 수정이 분명 가능하다. 이러한 변경과 수정도 본 명세서에 의해 규정되는 바와 같은 본 발명의 요지에 포함되는 것이다.

Claims (13)

  1. 굽힘을 받는 파이프형 압력 용기의 맞대기 용접부의 피로 수명을 연장시키는 방법으로서,
    굽힘 억제 부재를 상기 압력 용기의 맞대기 용접부 위에서 그 압력 용기의 외측 표면에 부착하는 단계;
    상기 굽힘 억제 부재가 부착되어 있는 상태에서 상기 압력 용기를 구부리는 단계; 및
    상기 굽힘 억제 부재를 제거하는 단계
    를 포함하는, 굽힘을 받는 파이프형 압력 용기의 맞대기 용접부의 피로 수명을 연장시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 굽힘 억제 부재에는 상기 맞대기 용접부를 수용하기 위한 채널이나 반경방향 홈이 형성되어 있는, 굽힘을 받는 파이프형 압력 용기의 맞대기 용접부의 피로 수명을 연장시키는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압력 용기와 맞대기 용접부가 압력 용기의 다수의 가압 사이클과 관련된 반복적인 인장 연신 응력을 받게 하는 단계를 더 포함하는, 굽힘을 받는 파이프형 압력 용기의 맞대기 용접부의 피로 수명을 연장시키는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압력 용기는 허브 주위에 또는 상기 파이프형 압력 용기의 이전 코일 주위에 감기는, 굽힘을 받는 파이프형 압력 용기의 맞대기 용접부의 피로 수명을 연장시키는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 굽힘 억제 부재는 맞대기 용접부 위에서 압력 용기에 부착되는 핀(fin)이며, 굽힘 억제 부재는 압력 용기의 굽힘부의 외측면에 부착되는, 굽힘을 받는 파이프형 압력 용기의 맞대기 용접부의 피로 수명을 연장시키는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 핀에는 맞대기 용접부를 수용하기 위한 절개부(cutout)가 형성되어 있는, 굽힘을 받는 파이프형 압력 용기의 맞대기 용접부의 피로 수명을 연장시키는 방법.
  7. 굽힘을 받는 파이프형 압력 용기의 맞대기 용접부 및 인접 영역에 대한 축방향 인장 굽힘 스트레인을 최소화하는 방법으로서,
    상기 압력 용기의 외측 표면의 반경과 동일한 내측 표면 반경을 갖는 내측 부분 클램프와 외측 부분 클램프를 갖는 굽힘 억제 부재를 상기 압력 용기의 맞대기 용접부 위에서 그 압력 용기의 외측 표면에 부착하는 단계;
    상기 압력 용기의 맞대기 용접부 위에서 그 압력 용기의 외측 표면에 상기 외측 부분 클램프를 부착하는 단계; 및
    상기 맞대기 용접부가 굽힘으로 인한 축방향 인장 스트레인을 받는 것을 방지하기 위해 상기 내측 부분 클램프와 외측 부분 클램프로 압력 용기에 압축 응력을 가하는 단계
    를 포함하는, 굽힘을 받는 파이프형 압력 용기의 맞대기 용접부 및 인접 영역에 대한 축방향 인장 굽힘 스트레인을 최소화하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 부분 클램프들을 상기 압력 용기에 위치시킬 때, 상기 내측 부분 클램프와 외측 부분 클램프의 내측 표면에 형성되어 있는 내측 반경방향 홈을 상기 맞대기 용접부의 용접 비드 위에 위치시키는 단계를 더 포함하는, 굽힘을 받는 파이프형 압력 용기의 맞대기 용접부 및 인접 영역에 대한 축방향 인장 굽힘 스트레인을 최소화하는 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 내측 부분 클램프의 내측 표면을 압력 용기의 외측 표면에 대해 미끄러질 수 있게 하는 단계를 더 포함하는, 굽힘을 받는 파이프형 압력 용기의 맞대기 용접부 및 인접 영역에 대한 축방향 인장 굽힘 스트레인을 최소화하는 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 외측 부분 클램프의 내측 표면과 상기 압력 용기의 외측 표면 중의 하나 또는 둘다에 있는 마찰 요소를 사용하여 상기 외측 부분 클램프로 파이프를 잡는 단계를 더 포함하는, 굽힘을 받는 파이프형 압력 용기의 맞대기 용접부 및 인접 영역에 대한 축방향 인장 굽힘 스트레인을 최소화하는 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 압력 용기를 둘러싸도록 상기 내측 부분 클램프를 외측 부분 클램프에 고정하기 위해, 상기 내측 부분 클램프에 형성되어 있는 다수의 오리피스에 다수의 볼트를 삽입하고 또한 상기 외측 부분 클램프의 다수의 오리피스에 상기 다수의 볼트를 삽입하는 단계를 더 포함하는, 굽힘을 받는 파이프형 압력 용기의 맞대기 용접부 및 인접 영역에 대한 축방향 인장 굽힘 스트레인을 최소화하는 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 압력 용기와 맞대기 용접부가 상기 압력 용기의 다수의 가압 사이클과 관련된 응력을 받게 하는 단계를 더 포함하는, 굽힘을 받는 파이프형 압력 용기의 맞대기 용접부 및 인접 영역에 대한 축방향 인장 굽힘 스트레인을 최소화하는 방법.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 압력 용기는 허브 또는 상기 파이프형 압력 용기의 이전 코일 주위에 감기는, 굽힘을 받는 파이프형 압력 용기의 맞대기 용접부 및 인접 영역에 대한 축방향 인장 굽힘 스트레인을 최소화하는 방법.
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