KR20020039251A - 열교환기 슬리이브단 확장장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 방법과 장치는, 접근불가능하게 위치된 연금속재 열교환기튜브의 결함부내에 이미 설치되어 있는 슬리이브의 단을 확장하도록 되어 있다. 슬리이브단은 설치된 슬리이브의 단에 닿도록 충분한 길이를 갖는 일련의 부분에 연결된 플라스틱블래더장치를 이용하여 확장된다. 확장은 단부의 슬리이브 내부에 플라스틱블래더를 위치시키고, 이 플라스틱블래더를 유압으로 압축하여, 튜브내로 슬리이브단을 확장하도록 포와송비의 함수로서 직경을 확장시킴으로써 수행된다.

Description

열교환기 슬리이브단 확장장치 {Heat exchanger sleeve end expander}

본 발명은 일반적으로 접근불가능한 튜브부를 수리하기 위해 슬리이브를 이용하는 열교환기튜브의 수리방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 슬리이브단의 확장을 필요로 하는 튜브수리에 관한 것이다.

열교환기튜브의 결함부를 수리하기 위한 슬리이브의 수리방법이 공지되어 있는 바, 튜브의 결함부에서 수리용 슬리이브의 양단은 롤확장과 유압확장 또는 다른확장방법에 의해 모튜브(parent tube)내로 확장될 수 있다. 황동, 구리-니켈, 구리, 탄소강 등과 같은 연성튜브를 포함하는 열교환기를 수리하는 데에 이용된 슬리이브의 수리에 있어서, 모튜브의 유동침식/부식의 위험을 최소화하기 위해 슬리이브의 단들을 튜브내로 확장할 필요가 있다. 이러한 확장에는 슬리이브와 튜브 사이의 내경(ID)을 최소화하는 단계가 포함되지만, 만일 슬리이브가 튜브다발내에 깊숙하게 설치된다면 튜브의 내경제한 때문에 압입(press fit)슬리이브를 삽입하는 것은 실용적이지 못하다. 슬리이브를 튜브내경과 폐쇄접촉하게 하는 다른 방법은 단부를 롤확장하는 것이다. 하지만 튜브의 길이방향의 다중의 슬리이브 위치 때문에, 그리고 열교환기 둘레의 공구연결문제 때문에, 슬리이브단을 롤확장하는 것이 항상 실용적이지는 않다. 어떤 경우에는, 수리용 슬리이브의 단은 튜브의 입구단으로부터 50피트를 넘어 위치될 수 있지만, 튜브단과 장애물 사이의 간극은 단지 5피트가 될 수도 있다.

슬리이브단의 롤확장 또는 매우 얇은 슬리이브의 이용과는 달리, 튜브와 접촉하면서 슬리이브의 극단을 확장하는 방법은 어떤 것도 공지되어 있지 않다. 슬리이브단을 확장하기 위해 가압된 블래더의 이용을 포함하는 다양한 방법이 시도되고 있지만, 튜브내에 깊숙하게 위치된 고장난 튜브영역에 슬리이브단을 확장하는 신뢰할만한 기준이 되는 것은 없다.

접근가능한 튜브영역에 이용된 상기 설명된 공지된 슬리이브의 수리기술은 아래의 미국특허들에 기술되어 있다.

미국특허 제 5,008,996호는 열교환기튜브의 고장영역에서의 확장슬리이브의이용에 관한 것이지만, 연금속재 열교환기튜브의 슬리이브단에서의 단계상의 문제점을 없애려는 해결책을 제시하지는 못하고, 공지된 롤확장 및 용접기술을 이용하는 슬리이브의 확장에 관해 기술하고 있다.

미국특허 제 4,876,871호는 열교환기튜브의 고장영역에서의 확장슬리이브의 이용에 관해 기술하고 있다. 하지만, 이는 또한 연금속재 열교환기튜브의 슬리이브단에서의 단계상의 문제점에 대한 해결책을 제시하지는 못하고, 슬리이브확장용의 공지된 롤확장장치를 이용하는 슬리이브의 확장에 관해 기술하고 있다.

미국특허 제 4,829,648호는 열교환기튜브의 고장영역에서의 확장슬리이브의 이용에 관해 기술하고 있다. 하지만, 이는 또한 연금속재 열교환기튜브의 슬리이브단에서의 단계상의 문제점에 대한 해결책을 제시하지는 못하고, 슬리이브를 튜브내로 확장하기 위한 맨드럴의 이용에 관해 기술하고 있다.

열교환기튜브의 고장영역에서의 확장슬리이브의 이용이 널리 공지되어 있는 반면, 접근불가능한 영역에 수리용 슬리이브를 갖춘 연금속재 열교환기튜브의 슬리이브단에서의 단계상의 문제점은 공지된 종래예에는 특별히 나타나 있지 않으며, 수리용 슬리이브의 단계상의 문제점을 없애는 방법은 물론 튜브의 이러한 접근불가능한 영역에 이르는 방법에 관해서도 기술하고 있지 않다.

본 발명은 공지된 슬리이브튜브의 수리에 관한 상기 문제점과, 연금속재 열교환기튜브와, 슬리이브단의 롤확장에 이용되는 공지된 장치가 이를 수 없는 튜브의 고장영역을 수리하는 데에 이용된 슬리이브의 내경 사이의 단계를 최소화하는 방법과 장치에 의해 다른 문제점을 해결하고자 하는 것이다.

이를 성취하기 위해, 이런 접근불가능한 열교환기의 슬리이브단을 확장하는 데에 압축블래더공구가 이용된다. 확장은 일단의 슬리이브내에 플라스틱블래더를 위치시키고, 이 플라스틱블래더를 유압으로 압축함으로써 수행된다. 블래더가 길이방향으로 압축될 때, 포와송비의 함수로 확장하여 과정내의 슬리이브단을 확장시킨다. 유압확장력은 적절한 슬리이브단의 확장 및, 이에 따라 튜브부와 수리용 슬리이브 사이의 단계를 최소화하도록 변경될 수 있다. 그 다음, 블래더장치는 수리용 슬리이브의 다른 단으로 이동되고 과정은 반복된다.

상술된 점으로 미루어 볼 때, 본 발명의 특징은 접근불가능한 고장난 튜브영역에 대한 슬리이브와 연금속재 열교환기튜브의 내경 사이의 단계를 최소화하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 특징은 접근불가능한 고장난 튜브영역에 있는 수리용 슬리이브단을 확장하는 압축가능한 블래더공구를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 특징은 쉽게 제어할 수 있는 슬리이브단의 확장과정을 이용하여 수리용 슬리이브단을 튜브내로 확장하는 유압으로 작동되는 블래더공구를 제공하는 것이다.

본 발명의 이러한 특징 및 다른 특징들은 첨부하는 도면과 관련된 바람직한 실시예에 관한 아래의 설명에 의해 더 잘 이해될 것이다.

도 1a는 수리용 슬리이브단을 모튜브부내로 확장하는 데에 이용되는 본 발명에 따른 유압확장블래더공구의 일부를 나타낸 측단면도이고,

도 1b는 실제로 공구의 제 1부분에 연결되는 도 1a에 도시된 확장블래더공구의 단을 나타낸 측단면도,

도 2는 본 발명에 따른 블래더공구에 의해 확장된 단을 내부에 갖춘 수리용 슬리이브를 구비하는 튜브단면의 절단된 측면도이다.

도면을 참조하면, 도 1은 펌프(도시되지 않음)로부터 입구(16)의 실린더(12)에 작용된 유압으로 끼워지는 로드조립체(14)를 당기는 데에 이용되는 공지된 유압실린더(12)로 이루어진 확장공구조립체(10)를 나타낸다. 로드조립체(14)는 튜브입구에서 떨어진 고장난 튜브영역(20)내에 위치된 수리용 슬리이브(18)에 도달될 조립체(14)의 길이를 형성하도록, 전형적으로는 피스들을 동시에 나사산을 내어 견고하게 연결되는 부분(S)들로 이루어진다. 조립체(14)는 마지막부분(SL)에 고정되는 플라스틱블래더(22)를 구비하고, 각 부분(S)은 당김로드(26)를 구비하는 튜브(24)로 이루어진다. 튜브(24)는 마지막부분(SL)을 위치시키고 당김로드의 부하에 반응하는 한편, 당김로드(26)는 블래더(22)에 확장부하를 가한다. 각 부분의 튜브(24)와 로드(26)는 전형적으로 피스들을 동시에 나사산을 냄어 이들을 하나의 유니트로 작용시키도록 결합된다. 마지막부분(SL)의 당김로드(26')는 당김부하가 플라스틱블래더(22)에 전달되도록 나사산이 형성된 스토퍼(28)를 구비하며, 블래더(22)의 다른 단은 마지막부분(SL)의 튜브(24')를 민다. 조립체(14)가 적당한 위치에 위치된 후, 유압유체는 유압실린더(12)로 분출된다. 이는 부하를 가하고 로드(26)를 당기는 실린더를 작동시킨다. 나사산이 형성된 스토퍼(28)와 튜브(24') 사이에 지지되는 블래더(22)는, 튜브들(24,24')내로 당겨지는 로드들(26,26') 때문에 길이방향으로 압축된다. 포와송비에도 불구하고, 블래더(22)는 길이방향의 압축에 의해 직경이 확장된다.

도 2에는 슬리이브튜브(20)내의 상기 설명된 확장과정의 결과가 도시되어 있다. 다중의 내부 당김로드(26)와 외부 튜브(24)로 이루어진 확장공구조립체(10)는, 필요한 만큼의 부분(S)으로 나뉘어져 설치된 슬리이브(18)의 단에 도달하는 데에 알맞게 공구의 길이가 조정될 수 있게 된다. 슬리이브(18)의 단을 확장하는 과정은 아래와 같다.

- 슬리이브(18)는 롤확장, 유압확장, 또는 다른 수단에 의해 튜브(20)내의 적당한 위치내에 설치된다.

- 확장공구조립체(10)는 슬리이브의 마지막부분(SL)에 위치된 슬리이브단의 하드스토퍼(30)가 슬리이브(18)의 가까운 단(32)에 접촉할 때까지 슬리이브(18)내로 삽입된다. 슬리이브단의 하드스토퍼(30)는 확장블래더(22)가 슬리이브단(32)에 대해 적당한 위치에 있도록 사용하기 전에 적소에 배치된다. 튜브/슬리이브내로 공구를 삽입하는 동안, 적절한 갯수의 내부 당김로드(26)와 외부 튜브부(24)는 튜브입구(34)로부터 슬리이브(18)의 위치에 대응되도록 슬리이브의 마지막부분(SL)에 부착된다.

- 확장공구조립체(10)가 적당한 위치에 놓인 후에, 튜브시트 스페이서 하드스토퍼(36)는 확장공구조립체(10)가 단의 확장과정 동안 필요한 만큼 이동할 수 있도록 튜브단(34)으로부터 소정거리 이동된다. 이는 슬리이브단의 하드스토퍼(30)가 슬리이브단(32)과 접촉한 후에 하드스토퍼(36)를 해제하고, 튜브단(34)으로부터 공지된 측정거리를 이동한다.

- 유압실린더(12)는 실린더커넥터(40)를 이용하는 공구조립체(10)의 뒷단에 위치되고, 당김로드너트(38)는 실린더(12)에 대해 팽팽해질 때까지 당김로드(26)위에 조여진다. 유압유체는 확장블래더(22)를 압축하기 위해 당김로드들(26,26')을 통해 부하를 가하는 유압실린더로 분출된다. 알맞은 유압실린더의 부하에 도달할 때 확장과정은 정지되고 유압실린더(12)는 감압된다. 확장공구는 슬리이브(18)의 마주보는 단으로 이동되고, 튜브시트 스페이서 하드스토퍼(36)는 튜브단(34)으로부터 소정거리에 재위치되고, 확장과정은 반복된다.

- 슬리이브의 양단이 적당히 확장된 후에, 당김로드너트(38)는 당김로드(26)로부터 풀려나고 유압실린더(12)는 당김로드(26)에서 분리되며 확장공구조립체(10)는 튜브(20)에서 분리되어, 열교환기 영역에서의 제한에 기초하여 요구된 공구로부터 적절한 갯수의 부분(S)을 분리하게 된다.

조립체(10)의 나누어진 부분(S)을 이용함으로써 확장블래더(22)를 튜브내 다중의 축위치에 위치시킬 수 있게 된다. 슬리이브단의 하드스토퍼(30)는 블래더가 슬리이브(18)의 단에 적당히 위치되게 하여 일관된 확장을 허용한다. 열교환기내의 모든 슬리이브의 위치는 확장공구의 유연성 때문에 단확장될 수 있다.

설명된 단확장공구에 대한 대안이면서 슬리이브단의 확장과정에 가장 적당한 것은 튜브(20)내에 확장실린더(12)를 위치시키는 일일 것이다. 만일 이 특징이 이용되었다면, 공구를 위치시키기 위해 나누어진 당김로드와 외부 부분을 이용할 필요가 없게 될 것이며, 실린더와 확장공구는 가까운 슬리이브단(32)에 대해 하나의 조립체로 전달될 것이다. 그 다음, 확장과정은 슬리이브단을 확장하기 위해 소정의 부하를 이용하고 튜브부와 수리용 슬리이브 사이의 단계를 최소화하여, 상기 설명되었던 대로 수행될 것이다. 이와 같은 확장방법의 이용은 튜브내에 끼워질 수 있는 확장실린더를 필요로 하고, 이 확장과정을 수행하기 위해 높은 부하를 전달할 것이다.

상술된 점으로부터 슬리이브단 확장공구를 이용할 때 본 발명이 아래의 장점들을 제공함을 알 수 있을 것이다.

- 도 2에 도시된 것과 같이 슬리이브의 각 단을 모튜브와 폐쇄접촉하도록 확장함으로써, 슬리이브(18)에서 튜브(20)까지 내경을 내는 단계는 최소화되어 더 연성인 모튜브재료의 침식/부식의 가능성은 더 낮아지게 된다.

- 단의 확장과정은 슬리이브단(32)상의 하드스토퍼(30)를 이용하여 단의 확장블래더의 반복되는 위치설정에 의해 신뢰가능하게 되고, 이 과정은 일관된 확장이 이루어지도록 공지된 압력으로 제어된다. 슬리이브단을 확장하기 위해 영구적인 변형 없이 확장 및 수축될 수 있는 강성의 플라스틱블래더의 이용은, 공구가 슬리이브내에 부착될 위험을 최소화시킨다.

- 공구는 튜브단의 간극을 고려하지 않고 다수의 열교환기 튜브내로 삽입되도록 다중의 부분으로 나누어질 수 있다. 또한, 이동가능한 하드스토퍼(30,36)와 함께 공구의 분절특성은 무한대의 슬리이브길이에 이용될 튜브와 공구내의 무한한 축위치에 위치되게 한다.

- 단확장공구를 이용함으로써, 슬리이브는 끼워질 튜브를 개선하기 위해 비교적 연성의(예컨대, 황동, 구리-니켈, 구리, 탄소강 등의) 모튜브내에 설치될 수 있다.

약간의 변경 및 개선예가 명세서의 이해를 명료하게 할 수 있는 바, 일예로서 다른 확장수단이 여기에 이용될 수 있다.

슬리이브단의 확장공구의 이용에 대한 이런 대안은 롤확장과정과, 내부로 가압된 블래더과정 및, 테이퍼가공된 핀을 포함한다. 하지만, 아래의 문제들은 각각의 이런 방법과 공존할 수 있음을 주지해야 한다.

- 롤확장공구는 전형적으로는 종종 이용가능한 횟수보다 튜브단 위에 더 큰 간극을 필요로 할 수 있기 때문에 튜브를 따라 어디에라도 이용하기에는 유연성이 충분하지 않다. 하지만, 만일 슬리이브가 모든 튜브의 동일한 위치에 설치되어 있고 슬리이브가 튜브단에 비교적 밀접하게 위치된다면 롤확장은 매력적인 대안이 될 것이다.

- 내부로 가압된 블래더는 슬리이브의 단을 넘어 블래더를 위치시켜야 하므로 슬리이브단에서 반복되는 결과를 발생시키지는 않는다. 이로써, 길이방향을 따라 항상 슬리이브에 의해 지지되지 않으므로 가압과정 동안 블래더가 고장날 수 있다. 만일 이렇게 되면, 블래더는 슬리이브단에 부착되어 공구의 추출을 매우 어렵게 할 수 있다.

- 슬리이브단내에 테이퍼가공된 핀을 삽입하는 것은 매우 효과적인 확장작업이다. 하지만, 만일 슬리이브가 u자형 굽힘부를 갖춘 튜브내에 설치되면 튜브단으로부터 가장 멀리에 슬리이브의 단을 확장하는 것은 불가능하다. 따라서, 테이퍼가공된 핀은 단지 u자형 굽힘부의 슬리이브의 일단에 이용될 수 있다.

슬리이브단의 확장을 최적화하기 위한 본 발명의 테스트 동안, 공구는 튜브내에서 슬리이브단의 확장을 테스트하도록 조립된다. 이 테스트를 수행하기 전에,슬리이브단의 외부는 벽을 얇게 하도록 기계가공된다. 모든 요소가 조립된 후에 테스트확장은 도 2에 도시된 것과 같이 수행된다. 테스트를 하는 동안, 확장블래더는 최적의 단확장을 이룬 지점을 결정하기 위해 슬리이브단으로부터 다양한 위치에 위치된다. 또한, 블래더를 압축하기 위해 이용된 부하는 슬리이브확장에 영향을 미치도록 변경된다.

결국, 확장공구와 확장과정은 일관된 단확장이 성취된 지점에서 마무리된다. 이 최적화는 적당한 슬리이브단의 확장으로 발생한다. 슬리이브의 외부는 튜브내경을 이루도록 퍼지는 슬리이브의 내경에 의해 모튜브와 접촉하면서 확장된다. 확장과정은 필드열교환기에서 반복가능하게 수행될 수 있는 확실한 확장을 이루며, 이 과정은 슬리이브단에서보다 튜브의 침식/부식에 대한 가능성을 최소화할 것이다.

약간의 변경예와 상세한 설명이 간결성과 이해를 위해 여기서는 생략되어 있지만, 이들은 청구범위의 범주내에 있다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 접근불가능한 튜브부를 수리하기 위해 슬리이브를 이용하여 슬리이브단을 튜브내로 확장함으로써 튜브의 유동침식/부식의 위험을 최소화할 수 있다.

Claims (7)

1. 접근불가능하게 위치되어 있는 결함이 있는 튜브부로 뻗기에 충분한 길이를 형성하도록 함께 연결된 일련의 튜브부와;

   상기 일련의 튜브부와 함께 연결되고, 이 튜브부내에 위치된 일련의 당김로드;

   상기 튜브부들의 단과 나사산이 형성된 이동가능한 스토퍼 사이에 위치되고, 상기 일련의 당김로드 중 하나의 단부에 부착되는 확장가능한 블래더; 및,

   직경을 증가시키는 상기 확장가능한 블래더를 압축하도록 상기 일련의 당김로드를 당기는 수단;으로 이루어진 열교환기내에 접근불가능하게 위치되어 있는 열교환기튜브의 일부에 설치된 슬리이브의 단을 확장하는 튜브수리장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 당김수단은 견고하게 연결된 상기 일련의 튜브부의 일단에, 그리고 상기 유압실린더에 가해진 유압에 반응해서 이동하여 상기 블래더를 압축하도록 상기 유압실린더내로 뻗는 상기 일련의 당김로드의 마주보는 단부에 유압실린더를 포함하도록 된 튜브수리장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 열교환기튜브의 결함부내에 위치된 소정길이를 갖는수리용 슬리이브와, 상기 슬리이브내로 상기 블래더의 다른 삽입을 방지하도록 상기 슬리이브의 단과 정렬되도록 상기 일련의 튜브부에 위치된 하드스토퍼링을 포함하는 튜브수리장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 하드스토퍼는 조정가능하고 이 하드스토퍼와 정렬된 상기 단부와 마주보는 상기 슬리이브의 단과 함께 상기 당김로드에 연결된 상기 블래더의 단과 정렬되도록 조정되는 튜브수리장치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 블래더는 플라스틱으로 되어 있고, 포와송비에 따라서 상기 당김로드에 의해 압축에 반응하여 직경이 확장되도록 된 튜브수리장치.
6. 수리용 슬리이브를 결함이 있는 튜브부내에 설치하는 단계와;

   블래더가 하나의 단에서 수리용 슬리이브내에 정렬될 때까지 단에 확장가능한 블래더를 갖는 일련의 공구부를 설치하는 단계; 및,

   직경을 증가시키고, 결함이 있는 튜브부내로 슬리이브의 단을 확장시키도록 상기 블래더를 압축하는 단계;로 이루어진 열교환기내에 접근불가능하게 위치되어 있는 결함이 있는 열교환기튜브의 일부를 수리하는 방법.
7. 블래더를 수리용 슬리이브내에서 자유롭게 이동하도록 하는 단계와;

   상기 블래더를 슬리이브의 마주보는 단의 고정위치로 이동시키는 단계; 및,

   직경을 증가시키고, 결함이 있는 튜브부내로 슬리이브의 다른 단을 확장하도록 상기 블래더를 압축하는 단계;를 더 포함하여 이루어진 결함이 있는 열교환기튜브의 일부를 수리하는 방법.