KR102613899B1 - 금속관의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

확관(擴管) 후의 관단부의 절단을 필요로 하지 않고, 고치수 정밀도를 갖는, 외경이 150∼3000㎜이고, 또한 두께가 2∼50㎜인 금속관 및 금속관의 제조 방법의 기술의 제공. 소관(1)의 양단에 있어서의 관단부(11)를 확관하는 관단부 확관 공정과, 당해 공정 후, 소관(1)의 양단의 관최단부(12)에 대한 관 축방향의 압입량을 나타내는 축압입량 s(㎜)의 변화에 따른 내압 p(㎫)가 미리 설정되는 최대 내압 pmax(㎫)가 될 때까지, 소관(1) 내부 전체에 내압 p를 부하함으로써 소관(1)을 확관하는 내압 부하 공정을 포함하고, p 및 s가 이하의 식 (2)를 충족하도록 한다. 0.5×(p/pmax)×(a/200)×L0≤s≤(p/pmax)×(a/200)×L0…식 (2) 식 중, a는 미리 설정되는 확관률(％)로서 0.30≤a≤5.0, L0은 소관(1)의 평균 길이(㎜)이다.

Description

금속관의 제조 방법 {MANUFACTURING METHOD FOR METAL TUBE}
본 발명은, 라인 파이프용 금속관에 적합한, 전체 길이에 걸쳐 높은 외경 정밀도를 갖는 금속관 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
파이프 라인은, 원유 및 천연가스를 안전하고 또한 효율적으로 수송하는 수단으로서 널리 이용되고 있다. 최근에는, 수송 효율을 높이기 위해 라인 파이프용 강관의 대경화(大徑化)가 진행되고 있다.
파이프 라인의 부설에 있어서, 총 비용 중 현지 시공 비용이 차지하는 비율은 매우 높고, 특히, 해저 부설에는 많은 인원, 선박 및 기기가 필요해져 다대한 비용이 든다. 그 때문에, 비용 삭감의 관점에서 현지 시공 기간의 단축이 요망되고 있다.
현지 시공(on-site construction)에서는, 관을 원주 용접하여 길이 방향으로 접속하는 작업이 행해지지만, 이 때 관의 진원도(roundness)가 낮으면 관단부(end portions of the pipes)끼리에서 접촉 불량이 생겨 버려, 용접 결함이 발생하기 쉬워진다.
그 때문에, 원주 용접 전에, 관을 둘레 방향으로 회전시켜 최적인 맞댐 위치를 찾는 것, 혹은 관단부를 연삭하는 것 등의 조정 작업이 필요해지고 있는 것이 현상이다.
이들 조정 작업에 의한 현지 시공의 장기화를 피하기 위해, 라인 파이프용 강관에는 높은 진원도가 요구된다.
특허문헌 1에는, 강관에 있어서의 관단부의 내경을 교정하는 방법으로서, 먼저 관단부를 냉간으로 축경 가공한 후, 이 축경 가공한 관단부에 확관 지그(expansion jig)를 삽입하고, 축경 가공한 부분만을 축경분만큼 확관하는 것을 특징으로 하는 강관의 관단(管端) 내경 교정 방법이 제안되어 있다.
특허문헌 2에는, 강관에 있어서의 관단부의 내경을 교정하는 방법으로서, 먼저 관단부에 확관 지그를 삽입하여 냉간으로 확관 가공한 후, 이 확관 가공한 관단부에 축경 지그를 압입하여 확관 가공한 부분만을 확관한 만큼 축경하는 것을 특징으로 하는 강관의 관단 내경 교정 방법이 제안되어 있다.
그러나, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 기재된 기술에서는, 관단부 가까이의 굽힘·굽힘 되돌림부에 잘록함이나 오목함 등의 형상 부정(shape irregularities)이 생기기 쉽다. 그 때문에, 이들 방법으로 제조한 관은, 굽힘이나 압축이 가해졌을 때에 좌굴하기 쉬워 구조물로서 이용하는 데에 적합하지 않아, 관단부 부근은 절단할 필요가 있다.
특허문헌 3에는, 액압을 원관(原管)의 내면 혹은 외면에 부여함으로써 소정 지름이 될 때까지 확경 혹은 축경시켜, 높은 치수 정밀도를 갖게 한 것을 특징으로 하는 고치수 정밀도 강관이 제안되어 있다.
그러나, 특허문헌 3에 기재된 방법에서는, 충분한 치수 정밀도가 얻어지지 않는 관단부를 폐기하지 않으면 안되어 생산성이 나쁘다.
또한, 확관 기술로서, 관에 내압과 관 축방향의 축압력을 부하하여 성형하는 하이드로 폼 가공이 종래 알려져 있다. 이 하이드로 폼 가공에 관하여, 예를 들면, 특허문헌 4∼6에 기재와 같이, 좌굴 또는 파열이 발생하지 않도록 관의 내압 및 축압량을 적절히 제어하는 방법이 알려져 있다.
그러나, 특허문헌 4∼6에 기재된 방법에서는, 관단을 확실히 시일하기 위해, 도 5의 부하 경로 D와 같이, 초기 축압입을 행하기 때문에, 관단부의 두께가 증가하여 형상이 악화되고, 폐각 부분이 발생한다. 또한, 재료를 변형부에 유입시키기 위해 큰 축압력을 필요로 하기 때문에, 외경이 150㎜ 이상이 되는 대경관을 대상으로 하는 경우에는, 축압력이 매우 커진다.
일본특허 제2820043호 공보 일본특허 제2822896호 공보 일본공개특허공보 2002-235875 일본공개특허공보 2005-262241 일본특허 제5121040호 공보 일본특허 제4680652호 공보
이 점, 본 발명자들은, 외경이 150㎜ 이상 3000㎜ 이하가 되는 대경관에 대해서, 원주 용접부의 용접 결함 및 좌굴을 방지하기 위해서는 관의 외경 정밀도를 전체 길이에 걸쳐 0.15％ 이하로 하면 좋다는 것을 인식했다. 그러나, 전술한 바와 같은 종래의 기술에 있어서, 확관 후에 관단부를 절단하는 일 없이, 소망하는 외경 정밀도를 얻을 수 있는 금속관의 제조 기술은 확립되어 있지 않았다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 확관 후의 관단부의 절단을 필요로 하지 않고, 고치수 정밀도를 갖는, 외경이 150㎜ 이상 3000㎜ 이하이고, 또한 두께가 2㎜ 이상 50㎜ 이하인 금속관 및 금속관의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
여기에서, 고치수 정밀도란, 관 전체 길이에 있어서의 최대 외경(㎜) 및 최소 외경(㎜)이 이하의 식 (1)을 충족하는 것을 말한다.
(최대 외경－최소 외경)/[(최대 외경＋최소 외경)/2]≤0.0015…식 (1)
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해 예의 검토를 행한 결과, 금속관을 전체 길이에 걸쳐 고치수 정밀도화하기 위해서는, 진원 단면을 갖는 공구 등에 의해 양관 단부를 확관한 후, 진원의 내주 단면을 갖는 금형 내 등에서 내압을 부하하여 확관하면 좋다는 것을 발견했다. 또한, 본 발명자들은, 거듭하여 검토를 행한 결과, 내압 부하의 과정에서 축압입량을 적절히 제어함으로써, 대경관에 있어서도 설비 부하를 과대하게 하는 일 없이 관단부를 포함하는 관 전체 길이의 고치수 정밀도화가 가능해지는 것을 발견했다.
본 발명은, 상기의 인식에 기초하여 완성시킨 것으로서, 그의 요지 구성은 이하와 같이 된다.
[1] 외경 DX가 150㎜ 이상 3000㎜ 이하이고, 또한 두께 tX가 2㎜ 이상 50㎜ 이하이고, 관 전체 길이에 있어서의 최대 외경(㎜) 및 최소 외경(㎜)이 이하의 식 (1)을 충족하는 금속관의 제조 방법으로서,
소관(素管; mother pipe )의 양단에 있어서의 관단부를 확관하는 관단부 확관 공정과,
당해 관단부 확관 공정 후, 상기 소관의 양단의 관최단부에 대한 관 축방향의 압입량을 나타내는 축압입량 s(㎜)의 시간 경과에 따른 변화에 따른 내압 p(㎫)가 미리 설정되는 최대 내압 pmax(㎫)가 될 때까지, 상기 소관 내부 전체에 상기 내압 p를 부하함으로써 상기 소관을 확관하는 내압 부하 공정,
을 포함하고,
상기 내압 p 및 상기 축압입량 s가 이하의 식 (2)를 충족하는 금속관의 제조 방법.
(최대 외경－최소 외경)/[(최대 외경＋최소 외경)/2]≤0.0015…식 (1)
0.5×(p/pmax)×(a/200)×L0≤s≤(p/pmax)×(a/200)×L0…식 (2)
여기에서, 식 중, a는 미리 설정되는 확관률(％)로서 0.30≤a≤5.0을 충족하고, L0은 관단부 확관 공정 전의 소관의 평균 길이(㎜)이다.
[2] 상기 관단부 확관 공정에서는,
평균 외경이 D0(㎜)이고, 또한 평균 두께가 t0(㎜)인 상기 소관의 상기 관최단부측으로부터 상기 관 축방향을 향하여 확관 공구를 상기 소관 내에 삽입하고,
상기 확관 공구가 갖는, 이하의 식 (3)으로 정의되는 외경이 D1(㎜)인 원기둥 형상부의 외주면과, 상기 소관의 내주면을 맞닿게 하면서 상기 확관 공구에 의한 압압력에 의해 상기 관단부를 확관하고,
상기 내압 부하 공정에서는,
상기 축압입량 s(㎜)로 상기 확관 공구에 의한 상기 관최단부에 대한 축압입을 행함과 함께,
금형 내에 설치된 상기 소관의 내부 전체에, 상기 내압 p를 부하함으로써, 상기 금형에 형성되고, 또한 내경이 이하의 식 (4)로 정의되는 D2(㎜)의 단면 형상을 포함하고, 상기 소관을 수용하는 원통 형상의 수용부의 내벽면에, 상기 소관의 외주면이 맞닿을 때까지 상기 소관을 확관하는,
상기 [1]에 기재된 금속관의 제조 방법.
D1＝(1＋a/100)×D0－2×(1－a/200)×t0…식 (3)
D2＝(1＋a/100)×D0…식 (4)
[3] 상기 외경 DX가 300㎜ 이상 1000㎜ 이하이고, 또한 상기 두께 tX가 5㎜ 이상 40㎜ 이하인 상기 [1] 또는 [2]에 기재된 금속관의 제조 방법.
[4] 상기 금속관이 강관인 상기 [1] 내지 [3] 중 어느 하나에 기재된 금속관의 제조 방법.
[5] 외경 DX가 150㎜ 이상 3000㎜ 이하이고, 두께 tX가 2㎜ 이상 50㎜ 이하이고, 또한 관 전체 길이에 있어서의 최대 외경 및 최소 외경이 식 (1)을 만족하는 금속관.
(최대 외경－최소 외경)/[(최대 외경＋최소 외경)/2]≤0.0015…식 (1)
[6] 상기 외경 DX가 300㎜ 이상 1000㎜ 이하이고, 또한 두께 tX가 5㎜ 이상 40㎜ 이하인 상기 [5]에 기재된 금속관.
[7] 상기 금속관이 강관인 상기 [5] 또는 [6]에 기재된 금속관.
여기에서, 평균 외경은, 어느 한쪽의 관최단부로부터 관 축방향으로 1㎜의 위치에 있어서, 관 둘레 방향으로 45도 피치로 측정한 4개소의 외경을 평균함으로써 얻어진다.
또한, 평균 두께는, 어느 한쪽의 관최단부로부터 축방향으로 1㎜의 위치에 있어서, 관 둘레 방향으로 45도 피치로 측정한 8개소의 두께를 평균함으로써 얻어진다.
또한, 소관의 평균 길이는, 관 둘레 방향으로 45도 피치로 측정한 8개소의 관 길이를 평균함으로써 얻어진다.
본 발명에 의하면, 확관 후의 관단부의 절단을 필요로 하지 않고, 고치수 정밀도를 갖는, 외경이 150㎜ 이상 3000㎜ 이하이고, 또한 두께가 2㎜ 이상 50㎜ 이하인 금속관이 얻어진다.
도 1은, 본 발명의 금속관(1)의 제조 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는, 본 발명의 관단부 확관 공정에 있어서의 확관 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은, 본 발명의 내압 부하 공정에 있어서의 확관 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는, 확관 공구(3)의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는, 본 발명예 및 비교예의 내압-축압입 부하 경로이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
본 발명에 대해서, 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 이 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 금속관의 제조 방법은, 후술하는 관단부 확관 공정과 내압 부하 공정을 포함하는 제조 방법으로서, 외경 DX가 150㎜ 이상 3000㎜ 이하이고, 또한 두께 tX가 2㎜ 이상 50㎜ 이하이고, 관 전체 길이에 있어서의 최대 외경(㎜) 및 최소 외경(㎜)이 이하의 식 (1)을 충족하는 금속관의 제조 방법으로서, 소관의 양단에 있어서의 관단부를 확관하는 관단부 확관 공정과, 당해 관단부 확관 공정 후, 상기 소관의 양단의 관최단부에 대한 관 축방향의 압입량을 나타내는 축압입량 s(㎜)의 시간 경과에 따른 변화에 따른 내압 p(㎫)가 미리 설정되는 최대 내압 pmax(㎫)가 될 때까지, 소관 내부 전체에 내압 p를 부하함으로써 소관을 확관해 가는 내압 부하 공정을 포함하고, 내압 p 및 축압입량 s가 이하의 식 (2)를 충족한다.
(최대 외경－최소 외경)/[(최대 외경＋최소 외경)/2]≤0.0015…식 (1)
0.5×(p/pmax)×(a/200)×L0≤s≤(p/pmax)×(a/200)×L0…식 (2)
여기에서, 상기의 (1) 식에 있어서의 우변의 0.0015는, 금속관(1)의 확관 후의 전체 길이에 걸친 외경 정밀도의 상한값을 나타낸다.
식 중, a는 미리 설정되는 확관률(이하, 목표 확관률이라고도 기재함)(％)로서 0.30≤a≤5.0을 충족한다. 또한, L0은, 관단부 확관 공정 전의 소관(1)의 평균 길이(㎜)이다.
도 1은, 본 발명의 금속관(1)의 제조 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 1(a)에서는, 확관 전의 소관(1)을 나타낸다. 이하의 설명에서는, 확관 전의 소관(1)으로서는, 평균 외경이 D0(㎜)이고, 또한 평균 두께가 t0(㎜)이다.
다음으로, 도 1(b)에 나타내는 바와 같이, 관단부 확관 공정에 있어서, 관 축방향의 압입에 의해 발생하는 압압력 등에 의해, 소관(1)의 양단에 있어서의 관단부(11)를 확관한다.
관단부(11)는, 도 2∼4를 참조하면서 후술하는 확관 공구(3)를 이용하는 경우, 확관 공구의 원기둥 형상부(도 4의 부호 6 참조)에 의해 확관 형성되는 영역이다.
관단부 확관 공정에 있어서의 압입은, 관단부(11)의 축방향의 길이가 원기둥 형상부(6)의 축방향의 길이로 동일해진 시점, 즉 확관 공구(3)의 덮개부(도 4의 부호 5 참조)가 관최단부(12)에 접촉한 시점에서 종료한다. 관단부 확관 공정 후의 압입은, 관최단부(12)에 대한 관 축방향의 압입을 행하는 것으로서, 소관(1) 내부 전체에 내압을 부하할 때까지는 행하지 않는다. 또한, 본 발명에서는, 관단부 확관 공정에 있어서의 압입은, 관단부(11)의 확관를 목적으로 하는 것으로서, 관단부(11)의 확관는 목적으로 하지 않고, 관최단부(12)에 대한 관 축방향의 압입을 행하기 위한 초기 축압입과는 상이한 것으로 한다.
여기에서, 관단부(11)는, 특별히 한정되지 않지만, 관단부 확관 공정에 있어서 확관 공구(3)를 이용하는 경우를 예로 하면, 확관 공구(3)의 원기둥 형상부(6)의 외주면과 소관(1)의 내주면의 접촉면에 있어서의 마찰력이 증가하고, 소관(1)에 가하는 압축력이 커져, 관단부(11) 근방이 두께 증가하여 형상이 악화되기 때문에, 관최단부(12)에서 관 축방향으로 관단부 확관 공정 전의 관 전체 길이의 1.0％ 이하의 길이까지의 영역으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기의 마찰력은, 확관 공구(3)의 원기둥 형상부(6)의 축방향 길이가 클수록, 증가하기 쉬워진다.
관단부 확관 공정에 있어서, 우선 소관(1)의 관단부(11)를 확관해 둠으로써, 후술하는 내압 부하 공정에서, 관단부(11)의 소성 변형을 이용하여 관단을 봉하기 쉽게 하여, 내압을 효율적으로 부하할 수 있다.
관단부 확관 공정에서는, 관단부(11)의 평균 내경을 식 (3)으로 정의되는 D1(㎜)까지 확관하는 것이 바람직하고, 도 2 등을 이용하여 후술하는 바와 같이, 본 발명에서는, 확관 공구(3)를 관최단부(12)측으로부터 관 축방향을 향하여 삽입하여, 확관 공구(3)가 갖는 식 (3)으로 정의되는 외경이 D1(㎜)인 원기둥 형상부(6)의 외주면과 소관(1)의 내주면을 맞닿게 하면서, 확관 공구(3)에 의한 압압력에 의해 관단부(11)를 확관하는 방법을 들 수 있다.
D1＝(1＋a/100)×D0－2×(1－a/200)×t0…식 (3)
식 중, a는 미리 설정되는 확관률(목표 확관률이라고도 기재함)(％)로서 0.30≤a≤5.0을 충족한다.
다음으로, 도 1(c)에 나타내는 바와 같이, 내압 부하 공정에서는, 관단부 확관 공정 후의 관 양단의 관최단부(12)에 대한 관 축방향의 압입량을 나타내는 축압입량 s(㎜)의 시간 경과에 따른 변화에 따른 내압 p(㎫)가, 미리 설정되는 최대 내압 pmax(㎫)가 될 때까지, 소관(1) 내부 전체에 내압 p를 부하함으로써 소관(1)을 확관해간다.
내압 부하 공정에서는, 소관(1)의 평균 외경을 식 (4)로 정의되는 D2(㎜)까지 확관하는 것이 바람직하고, 도 3 등을 이용하여 후술하는 바와 같이, 계속해서, 확관 공구(3)의 원기둥 형상부(6)와 소관(1)의 내주면을 맞닿게 하면서, 축압입량 s(㎜)로 확관 공구(3)에 의한 관최단부(12)에 대한 축압입을 행한다. 그리고, 이 축압입와 함께, 금형(2) 내에 설치된 소관(1) 내부 전체에, 축압입량 s(㎜)에 따른 상기의 내압 p를 부하한다. 또한, 금형(2)이 갖고, 또한 내경이 이하의 식 (4)로 정의되는 D2(㎜)의 단면 형상을 포함하고, 소관(1)을 수용하는 원통 형상의 수용부의 내벽면에, 소관(1)의 외주면이 맞닿을 때까지 소관(1)을 확관한다.
D2＝(1＋a/100)×D0…식 (4)
식 중, a는 미리 설정되는 확관률(목표 확관률)(％)로서 0.30≤a≤5.0을 충족한다.
도 1(d)에 나타내는 바와 같이, 상기의 관단부 확관 공정 및 내압 부하 공정 후, 얻어지는 금속관(1)은, 외경 DX가 150㎜ 이상 3000㎜ 이하이고, 또한 두께 tX가 2㎜ 이상 50㎜ 이하이고, 관 전체 길이에 있어서의 최대 외경(㎜) 및 최소 외경(㎜)이 식 (1)을 충족한다.
(최대 외경－최소 외경)/[(최대 외경＋최소 외경)/2]≤0.0015…식 (1)
외경 DX는, 바람직하게는 300㎜ 이상이다. 또한, 외경 DX는, 바람직하게는 1000㎜ 이하이다. 두께 tX는, 바람직하게는 5㎜ 이상이다. 또한, 두께 tX는, 바람직하게는 40㎜ 이하이다.
또한, 바람직하게는, 얻어지는 금속관(1)은 강관이다. 또한, 강관인 경우, 특별히 한정되지 않지만, 구체적으로는, 전봉 강관, 스파이럴 강관, UOE 강관, 심리스 강관을 들 수 있다.
또한, 평균 외경 D0(㎜)은, 특별히 한정되지 않지만, 얻어지는 금속관(1)의 외경 DX가 150㎜ 이상 3000㎜ 이하이기 때문에, D0(㎜)은, 143㎜ 이상인 것이 바람직하다. 또한, D0(㎜)은 2991㎜ 이하인 것이 바람직하다.
또한, 평균 두께 t0(㎜)도, 특별히 한정되지 않지만, 얻어지는 금속관(1)의 외경 tX가 5㎜ 이상 40㎜ 이하이기 때문에, t0(㎜)은, 5.1㎜ 이상인 것이 바람직하다. 또한, t0(㎜)은 41.0㎜ 이하인 것이 바람직하다.
(목표 확관률 a(％)에 대해서)
식 (2), (3), (4)에 있어서, 미리 설정되는 확관률(목표 확관률) a(％)는, 전술하고 있는 바와 같이, 0.30％ 이상 5.0％ 이하로 한다. 확관률 a를 0.30％ 미만으로 하여, 소망하는 금속관(1)을 얻고자 하는 경우, 소관(1)이 소성 변형하지 않기 때문에, 혹은 소관(1)에 부여되는 소성 변형량이 매우 작기 때문에, 소관(1)이 식 (2)를 만족하지 않게 된다. 한편, a가 5.0％ 초과인 경우, 후술하는 확관 공구(3)에 의한 관단부 가까이의 굽힘 변형량이 커져, 잘록함이나 오목함 등의 형상 부정의 원인이 된다. 또한, 소관(1)이 파단할 가능성이 있다. 따라서, 확관률 a(％)는, 0.30％ 이상 5.0％ 이하로 한다. 바람직하게는, 확관률 a(％)는 1.0％ 이상이다. 또한, 바람직하게는, 확관률 a(％)는 4.0％ 이하이다.
(축압입량 s(㎜)에 대해서)
본 발명에서 말하는 축압입량 s란, 관단부 확관 공정에 있어서의 확관이 완료된 시점에서의 축압입량 s＝0㎜로서, 그 관단부 확관 공정 후의 압압력에 의한 관최단부(12)에 대한 축압입량의 크기를 가리킨다.
본 발명에서는, 식 (2)에서 설명한 바와 같이, 축압입량 s는, 「0.5×(p/pmax)×(a/200)×L0」(이하, 좌변이라고도 기재함) 이상, 「(p/pmax)×(a/200)×L0」(이하, 우변이라고도 기재함) 이하로 한다.
축압입량 s가 좌변 미만인 경우, 소관(1)의 축소량에 대하여 축압입량이 부족하다. 예를 들면, 후술하는 도 2∼4를 이용하여 설명하는 확관 공구(3)를 관단부에 삽입하여 소관(1)을 확관하는 경우, 관단부(11)가 확관 공구(3)의 원기둥 형상부(6)로부터 떨어져 버려, 관내부에 주입된 유체가 외부로 누출될 우려가 있다.
한편, 축압입량 s가 우변을 초과하는 경우, 관단부(11) 근방이 확관 공구(3)의 덮개부(5)(후술하는 도 2∼4 참조)에 의한 압축으로 두께 증가하여 형상이 악화되기 때문에, 관단부를 폐기할 수밖에 없게 된다. 또한, 축압입량 s가 우변을 초과하는 경우, 소관(1)의 압축을 적극적으로 행하기 때문에, 축압력(축압입량 s에 있어서의 관 축방향의 하중)이 과대해진다. 특히, 본 발명과 같이 대경관에서는 내압에 대한 축압력이 크기 때문에, 소관(1)의 축방향 압축에 의한 축압력이 추가로 더해지면, 설비 부하가 매우 커진다. 또한, 축압입량 s가 우변을 초과하는 경우, 관단부(11)의 관 내면 또는 외면을 패킹 등으로 시일하는 방식을 채용하면, 관단 불감대라고 불리우는 내압이 걸리지 않아 확관되지 않는 부분이 관단부(11)에 생겨 버려, 이것이 형상 부정의 근원이 되기 때문에 관단부(11)의 폐기의 요인이 된다.
따라서, 축압입량 s는, 「0.5×(p/pmax)×(a/200)×L0」 이상, 「(p/pmax)×(a/200)×L0」 이하로 한다.
여기에서, 소관(1)의 소성 변형을 충분히 진행시키기 위해서는, 소관(1)에 발생하는 둘레 방향 응력이 소관(1)의 항복 응력을 초과하도록, 소관(1)에 내압을 부하하는 것이 바람직하다. 한편으로, 내압이 지나치게 높으면 설비의 부하가 증대하는 경우가 있다. 그 때문에, 소관(1)에 부하하는 최대 내압 pmax(㎫)는, 이하의 식 (5)로 주어지는 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
(소관(1)의 관단부 확관 공정 전의 평균 두께(㎜)/소관(1)의 관단부 확관 공정 전의 평균 내 반경(㎜))×소관(1)의 항복 응력(㎫)＜pmax＜(소관(1)의 관단부 확관 공정 전의 평균 두께(㎜)/소관(1)의 관단부 확관 공정 전의 평균 내 반경(㎜))×소관(1)의 항복 응력(㎫)×1.5…(5)
다음으로, 도 2∼4를 참조하면서, 본 발명의 관단부 확관 공정과 내압 부하 공정에서 행하는 제조 조건을 보다 상세하게 설명한다.
도 2는, 본 발명의 관단부 확관 공정에 있어서의 확관 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 3은, 본 발명의 내압 부하 공정에 있어서의 확관 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
또한, 도 4는, 관단부 확관 공정 및 내압 부하 공정에 있어서 이용할 수 있는 확관 공구(3)의 구성의 일 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2, 4에 나타내는 바와 같이, 관단부 확관 공정에 있어서의 소관(1)의 양단에 있어서의 관단부(11)의 확관는, 확관 공구(3)를 소관(1)의 양단에 있어서의 관최단부측으로부터 관 축방향을 향하여 삽입하여, 확관 공구(3)가 갖는 외경이 D1인 원기둥 형상부(6)와, 소관(1)의 내주면을, 맞닿게 함으로써 발생하는 확관 공구(3)의 압압력에 의해 행한다. 확관 공구(3)의 원기둥 형상부(6)는, 진원 단면을 갖는 것이 바람직하다. 여기에서 말하는, 진원이란, 둘레 방향 45도 피치의 4개소에서 측정한 외경 중 최대값 ODmax와 최소값 ODmin이, 식 (6)을 만족하는 것을 말한다.
(ODmax－ODmin)/[(ODmax＋ODmin)/2]≤0.0010…식 (6)
확관 공구(3)는, 소관(1)의 관단부 근방을 확관하여 외경 정밀도를 높임과 함께, 소관(1)의 양단부를 시일하여, 소관(1)의 내부에 공급되는 유체의 유출을 막아도 좋다.
또한, 도 3에 나타내는 바와 같이, 관단부 확관 공정 후의 내압 부하 공정에 있어서도, 이 확관 공구(3)를 이용하여 계속해서 소관(1)을 확관한다. 내압 부하 공정에서는, 확관 공구(3)에 의해, 관최단부(12)에 대하여 관 축방향의 축압입량 s(㎜)로 축압입을 행한다.
이 때, 축압입량 s란, 도 3에 나타내는 바와 같이, 관단부 확관 공정에 있어서의 확관 공구(3)에 의한 관단부(11)의 확관이 완료된 시점에서의 축압입량 s를 0㎜로 하고, 그 관단부 확관 공정 후의 관 축방향을 향한 확관 공구(3)의 변위(관최단부(12)에 대한 축압입량의 크기)를 가리킨다.
확관 공구(3)는, 전술한 바와 같이, 외경이 D1인 원기둥 형상부(6)를 갖고 있으면 특별히 한정되지 않지만, 도 4에 나타내는 바와 같이, 소관(1)의 관단부를 서서히 확대할 수 있는 테이퍼부(7)와, 원기둥 형상부(6)와, 원기둥 형상부(6)와 소관(1)의 내주면이 맞닿아 있을 때에 소관(1)의 관단부의 개구부에 덮개를 하는 것이 가능한 덮개부(5)가 이 순서로 형성되는 구성이면 좋다. 덮개부(5)의 외경은, 원기둥 형상부(6)의 외경보다도 큰 것이 바람직하다. 덮개부(5)의 이 구성에 의해, 관단부 확관 공정에 있어서의 확관 공구(3)에 의한 관단부(11)의 확관 후, 내압 부하 공정에 있어서, 확관 공구(3)로부터 다른 공구(3)로의 교체 작업 등을 필요로 하지 않고, 동일한 확관 공구(3)에 의해, 덮개부(5)가 관최단부(12)를 압압함으로서, 관최단부(12)에 대하여 축압입량 s(㎜)에서의 축압입을 행할 수 있다.
또한, 확관 공구(3)는, 테이퍼부(7), 원기둥 형상부(6), 덮개부(5)가 나열되는 방향으로 관통 형성되고, 덮개부(5)측으로부터 테이퍼부(7)측으로 유체를 이동시키는 것이 가능한 유체 공급 구멍(4)을 갖고 있어도 좋다. 즉, 유체 공급 구멍(4)은, 확관 공구(3)에 의해 소관(1)의 관단부(11)에 덮개를 하고 있는 경우에, 소관(1) 외부로부터 소관(1) 내부에 유체를 공급할 수 있다.
도 2와 도 3에서는, 소관(1)의 양단 각각의 확관 공구(3)에 유체 공급 구멍(4)이 존재하지만, 내압 부하 공정에 있어서, 소관(1) 외부로부터, 소관(1) 내부에 유체를 공급할 수 있으면 좋기 때문에, 유체 공급 구멍(4)은 금속관(1)의 양단부 내에 삽입된 확관 공구(3) 중 어느 한쪽에만 존재하고 있으면 좋다.
다음으로, 도 3으로 되돌아가, 내압 부하 공정에 있어서 이용할 수 있는 금형(2)의 구성 및 그 기능에 대해서 설명한다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 확관 공구(3)에 형성된 유체 공급 구멍(4)을 통하여 소관(1)에 내압을 부하한다. 이 때, 소관(1)의 평균 외경을 식 (4)로 정의되는 D2(㎜)까지 확관하는 것이 바람직하고, 소관(1)을 금형(2) 내에 설치하고, 금형(2)에 형성되고, 또한 내경이 식 (4)로 정의되는 D2(㎜)의 단면 형상을 포함하고, 소관(1)을 수용하는 원통 형상의 수용부의 내벽면에 소관(1)이 맞닿을 때까지 소관(1)의 외주면을 확관한다. 즉, 소관(1)의 외주면을 금형(2)의 내주면을 따르게 하도록 소관(1)을 확관한다.
D2＝(1＋a/100)×D0…식 (4)
금형(2)은, 상기의 수용부로서 진원의 내주 단면을 갖고 있는 것이 바람직하고, 금속관(1)의 외경 정밀도를 높이기 위해 이용된다. 여기에서 말하는, 진원이란, 둘레 방향 45도 피치의 4개소에서 측정한 내경 중의 최대값 IDmax와 최소값 IDmin이, 식 (5)를 만족하는 것을 말한다.
(IDmax－IDmin)/[(IDmax＋IDmin)/2]≤0.0010…식 (5)
또한, 도 3에 있어서 유체 공급 구멍(4)을 통하여 공급되는 유체에는, 예를 들면 물이 이용된다.
이상 설명한 본 발명의 금속관의 제조 방법에 의하면, 관단부 확관 공정 및 내압 부하 공정 후, 외경 DX가 150㎜ 이상 3000㎜ 이하이고, 또한 두께 tX가 2㎜ 이상 50㎜ 이하이고, 관 전체 길이에 있어서의 최대 외경(㎜) 및 최소 외경(㎜)이 식 (1)을 충족하는 금속관이 얻어진다.
(최대 외경－최소 외경)/[(최대 외경＋최소 외경)/2]≤0.0015…식 (1)
또한, 본 발명의 금속관의 제조 방법에 의해 얻어지는 금속관은, 확관에 의해 관이 관 축방향으로 축소되고, 바우신거 효과에 의해 관의 축방향의 항복 응력 YS가 확관 전보다도 저하하지만, 관의 축방향의 YS 및 길이 방향의 인장 강도 TS에 의해 정의되는 항복비(＝YS/TS)를, 하기에서 정의하는 30도, 90도, 180도의 위치에 있어서 0.90 이하로 할 수 있다. 또한, 관 둘레 단면 내의 항복비의 차 ΔYR을 0.08 이하로 할 수 있다.
여기에서, 항복 응력 YS 및 인장 강도 TS는, 이하의 방법에 의해 결정한다. 용접관의 경우에는 용접부로부터 관 둘레 방향 30도, 90도, 180도의 위치에 있어서, 그 이외의 경우에는 둘레 방향 임의의 위치를 0도 위치로 했을 때의 관 둘레 방향 30도, 90도, 180도의 위치에 있어서, 인장 방향이 관 축방향과 평행해지도록 관 길이 중앙부로부터 JIS5호 인장 시험편을 채취한다. 이 시험편을 이용하여 JIS Z 2241의 규정에 준거하여 인장 시험을 실시하고, 항복 응력 YS 및 인장 강도 TS를 구한다. 항복 응력 YS는 0.5％ 온셋 응력으로 한다. 또한, 시험편 개수는 각 2개로 하고, 그들 결과를 가산 평균 내어 항복 응력 YS 및 인장 강도 TS를 산출할 수 있다. 또한, 관 둘레 단면 내의 항복비의 차 ΔYR은, 관 둘레 방향 30, 90, 180도의 위치에 있어서 구한 항복비의 최대값과 최소값의 차로서 구해진다.
상기와 같이, 항복비가 0.90 이하인 금속관은, 항복 후의 가공 경화가 크고 소성 변형능이 충분히 높기 때문에, 굽힘 변형을 받아도 국부 좌굴이 생기기 어렵다. 예를 들면, 해저에 파이프 라인을 부설할 때에, 관의 굽힘 변형에 의한 국부 좌굴을 방지할 수 있다. 또한, 둘레 단면 내에 있어서의 항복비의 차가 0.08 이하인 금속관은, 둘레 단면 내의 소성 변형능이 균일하고, 외압에 의한 국소적인 변형이 생기기 어렵기 때문에, 내압괴성(耐壓壞性)이 우수하다.
실시예
이하, 실시예에 기초하여, 본 발명에 대해서 추가로 설명한다.
표 1에 나타내는 치수의 여러 가지의 강관을, 표 2에 나타내는 치수의 확관 공구와 금형을 이용하여 확관했다. 확관 공구에는 도 4에 나타내는 바와 같은 형상을 갖는 확관 공구(3)를 이용했다. 내압을 부하하기 위한 유체에는 물을 이용했다.
구체적으로는, 우선, 평균 외경(초기 공칭 외경) D0(㎜) 및 평균 두께(초기 공칭 두께) t0(㎜)을 갖는 소관(1)의 관최단부(12)로부터 관 축방향으로, 원기둥 형상부(6)의 외경이 이하의 식 (3)으로 정의되는 D1(㎜)인 확관 공구(3)를, 도 2에 나타내는 바와 같이 삽입함으로써, 확관 공구(3)가 갖는 원기둥 형상부(6)의 외주면과 소관(1)의 내주면을 맞닿게 하면서, 축압입에 의한 압압력에 의해 소관(1)의 양단에 있어서의 관단부(11)를 확관했다(관단부 확관 공정).
D1＝(1＋a/100)×D0－2×(1－a/200)×t0…식 (3)
또한, 이 때, 원기둥 형상부(6)의 외주면의 축방향의 길이가, 관단부 확관 공정 전의 관 전체 길이의 1.0％의 길이가 되도록 각 강관의 확관에 있어서의 확관 공구(3)를 채용했다. 이에 따라, 관단부 확관 공정에 있어서, 확관된 관단부(11)는, 관최단부(12)에서 관 축방향으로 관 전체 길이의 1.0％의 길이까지의 영역이 되었다.
다음으로, 계속해서, 확관 공구(3)의 원기둥 형상부(6)의 외주면과 소관(1)의 내주면을 맞닿게 하면서, 축압입량 s(㎜)로 확관 공구(3)에 의한 관최단부(12)에 대한 축압입을 행함과 함께, 금형(2) 내에 설치한 소관(1) 내부 전체에, 시간 경과에 따라 변화하는 축압입량 s(㎜)에 따른 상기의 내압 p(㎫)가 미리 설정되는 최대 내압 pmax(㎫)가 될 때까지 소관(1)을 확관했다. 구체적으로는, 소관(1) 내부 전체에 내압 p를 부하하여, 금형(2) 내에 형성되고, 또한 내경이 이하의 식 (4)로 정의되는 D2(㎜)의 단면 형상을 포함하고, 소관(1)을 수용하는 원통 형상의 수용부의 내벽면에, 소관(1)의 외주면이 맞닿을 때까지 소관(1)을 확관했다(내압 부하 공정).
D2＝(1＋a/100)×D0…식 (4)
내압 p는 시간에 대하여 선형적으로 상승시켜, 최대 내압 pmax＝(관의 평균 두께/관의 평균 내 반경)×관의 항복 응력×1.3에 도달한 결과, 내압 p를 최대 내압 pmax인 그대로 10초 이상 보존유지(保持)한 후, 제압(除壓)했다.
도 5는, 본 발명예 및 비교예의 내압-축압입 부하 경로를 나타내는 그래프이다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 내압 p와 축압입량 s의 부하 경로는, A, B, C, D의 어느 것으로 했다.
도 5에 있어서의 파선 U 및 파선 L은, 각각 식 (4)로부터 얻어진 내압 p에 대한 축압입량 s의 상하한이다.
즉, 파선 U와 파선 L은, 각각, 내압 p와 축압입량 s가 이하와 같이 나타난다.
파선 L은, 「s＝0.5×(p/pmax)×(a/200)×L0」이다.
즉, 도 5의 그래프에 대응한 기재로서, 파선 L은, 「p＝s×pmax×400/(a×L0)」이다.
또한, 파선 U는 「s＝(p/pmax)×(a/200)×L0」이다.
즉, 도 5의 그래프에 대응한 기재로서, 파선 U는, 「p＝s×pmax×200/(a×L0)」이다.
원점을 통과하여 기울기(Δp/Δs)가 U 이상 L 이하가 되는 경로를 A로 하고, L 초과가 되는 경로를 B로 하고, U 미만이 되는 경로를 C로 했다.
또한, 초기 축압입 s0(내압 p＝0㎫ 상태에서의 관최단부(12)에 대한 압입량 s0)을 부여한 후에, 기울기(Δp/Δs)가 U 이상 L 이하가 되도록 내압 p와 축압량 s를 부하하는 경로를 D로 했다.
즉, 부하 경로 A는, 식 (2)를 만족하지만, 다른 부하 경로 B, C, D는, 식 (2)를 만족하지 않는다는 것이 된다. 또한, 부하 경로 D는 종래의 하이드로 폼 가공에 널리 이용된다.
표 3은 각 실시예에 있어서의 초기 축압입 s0 및 부하 경로의 기울기(Δp/Δs)를 정리한 것이다.
관의 외경 측정에는 광파 거리계를 사용했다. 관 양단부로부터 1㎜ 위치 및 관단부로부터 1/8, 2/8, 3/8, 4/8, 5/8, 6/8, 7/8 길이 위치의 9개소에 있어서, 각각 관 둘레 방향으로 22.5도 피치로 8개소씩, 합계 72개소에서 외경을 측정했다. 상기에서 측정한 외경의 최대값, 최소값을 각각 관의 최대 외경, 최소 외경으로 했다.
표 4에 각 강관의 확관 후의 최대 외경 및 최소 외경을 나타낸다.
표 4 중, No.1, 7∼12는 본 발명예, No.2∼6은 비교예이다. 본 발명예는 모두 확관률이 0.30％ 이상 5.0％ 이하이고, 내압과 축압입의 부하 경로가 도 5의 파선 U와 파선 L의 사이를 통과하는 부하 경로 A와 같이 되어 있었다. 그 때문에, 확관 후의 최대 외경과 최소 외경이 식 (1)을 만족하여, 전체 길이에 걸쳐 높은 외경 정밀도를 갖는 관이 얻어졌다.
비교예의 No.2는 부하 경로의 기울기(Δp/Δs)가 L 초과이고, 식 (2)를 만족하지 않기 때문에, 축압입량 s가 부족하여 누수가 생겨 충분히 확관하지 못하고, 식 (1)을 만족하는 관이 얻어지지 않았다.
비교예의 No.3은 부하 경로의 기울기(Δp/Δs)가 U 미만이고, 식 (2)를 만족하지 않기 때문에, 축압입량 s가 과잉이 되어 단부의 형상이 나빠져, 식 (1)을 만족하는 관이 얻어지지 않았다.
비교예의 No.4는 초기 축압입을 행하고, 부하 경로 D가 되어, 식 (2)를 만족하지 않기 때문에, 관단부의 형상이 나빠져 식 (1)을 만족하는 관이 얻어지지 않았다.
비교예의 No.5는 확관률이 본 발명의 범위를 하회하고 있었기 때문에, 관을 충분히 성형하지 못하여, 식 (1)을 만족하는 관이 얻어지지 않았다.
비교예의 No.6은 확관률이 본 발명의 범위를 상회하고 있었기 때문에, 관단부의 형상이 나빠져, 식 (1)을 만족하는 관이 얻어지지 않았다.
이상으로부터, 관의 단부를 확관 공구 등으로 확관하고, 계속해서 금형 내부에서 관을 확관시키는 공정에 있어서, 확관률 및 내압과 축압입 부하 경로를 적절히 제어함으로서, 절삭 가공을 행하는 일 없이, 전체 길이에 걸쳐 높은 외경 정밀도를 갖는 고치수 정밀도 금속관을 제조하는 것이 가능해지는 것을 알 수 있었다.
1 : 금속관(소관)
2 : 금형
3 : 확관 공구
4 : 유체 공급 구멍
5 : 덮개부
6 : 원기둥 형상부
7 : 테이퍼부
11 : 관단부
12 : 관최단부
A : 본 발명에 있어서의 적절한 부하 경로
B : 축압입이 부족해지는 부하 경로
C : 축압입이 과잉이 되는 부하 경로
D : 초기 축압입을 부여하는 부하 경로
U : 식 (2)의 우변으로부터 얻어진 내압 p에 대한 축압입량 s의 상한
L : 식 (2)의 좌변으로부터 얻어진 내압 p에 대한 축압입량 s의 하한
pmax : 최대 내압
s0 : 초기 축압량

Claims (5)

  1. 외경 DX가 150㎜ 이상 3000㎜ 이하이고, 또한 두께 tX가 2㎜ 이상 50㎜ 이하이고, 관 전체 길이에 있어서의 최대 외경(㎜) 및 최소 외경(㎜)이 이하의 식 (1)을 충족하는 금속관의 제조 방법으로서,
    소관(mother pipe)의 양단에 있어서의 관단부를 확관(expand)하는 관단부 확관 공정과,
    당해 관단부 확관 공정 후, 상기 소관의 양단의 관최단부에 대한 관 축방향의 압입량을 나타내는 축압입량 s(㎜)의 시간 경과에 따른 변화에 따른 내압 p(㎫)가 미리 설정되는 최대 내압 pmax(㎫)가 될 때까지, 상기 소관 내부 전체에 상기 내압 p를 부하함으로써 상기 소관을 확관하는 내압 부하 공정,
    을 포함하고,
    상기 내압 p 및 상기 축압입량 s가 이하의 식 (2)를 충족하는 금속관의 제조 방법.
    (최대 외경－최소 외경)/[(최대 외경＋최소 외경)/2]≤0.0015…식 (1)
    0.5×(p/pmax)×(a/200)×L0≤s≤(p/pmax)×(a/200)×L0…식 (2)
    여기에서, 식 중, a는 미리 설정되는 확관률(％)로서 0.30≤a≤5.0을 충족하고, L0은 관단부 확관 공정 전의 소관의 평균 길이(㎜)이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 관단부 확관 공정에서는,
    평균 외경이 D0(㎜)이고, 또한 평균 두께가 t0(㎜)인 상기 소관의 상기 관최단부측으로부터 상기 관 축방향을 향하여 확관 공구를 상기 소관 내에 삽입하고,
    상기 확관 공구가 갖는, 이하의 식 (3)으로 정의되는 외경이 D1(㎜)인 원기둥 형상부의 외주면과, 상기 소관의 내주면을 맞닿게 하면서 상기 확관 공구에 의한 압압력에 의해 상기 관단부를 확관하고,
    상기 내압 부하 공정에서는,
    상기 축압입량 s(㎜)로 상기 확관 공구에 의한 상기 관최단부에 대한 축압입을 행함과 함께,
    금형 내에 설치된 상기 소관의 내부 전체에, 상기 내압 p를 부하함으로써, 상기 금형에 형성되고, 또한 내경이 이하의 식 (4)로 정의되는 D2(㎜)의 단면 형상을 포함하고, 상기 소관을 수용하는 원통 형상의 수용부의 내벽면에, 상기 소관의 외주면이 맞닿을 때까지 상기 소관을 확관하는, 금속관의 제조 방법.
    D1＝(1＋a/100)×D0－2×(1－a/200)×t0…식 (3)
    D2＝(1＋a/100)×D0…식 (4)
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 외경 DX가 300㎜ 이상 1000㎜ 이하이고, 또한 상기 두께 tX가 5㎜ 이상 40㎜ 이하인 금속관의 제조 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속관이 강관인 금속관의 제조 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 금속관이 강관인 금속관의 제조 방법.
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