KR20060049007A - 플로우 스루 튜브 플러그 - Google Patents

플로우 스루 튜브 플러그 Download PDF

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KR20060049007A
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주니어 벅할터 레리
스텐리 드 커시 마이클
케네스 웨인버그 스테판
프레드릭 브리겔 케이스
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롬 앤드 하스 캄파니
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Abstract

본 발명은 열교환기 등에 사용하는 튜브가 손상된 경우, 이를 수리하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 플로우 스루 플러그(Flow Through Plug)를 열교환기 손상된 튜브 속으로 삽입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 플로우 스루 플러그는 테이퍼져 있어서 열교환기의 튜브 속으로 삽입되었을 때 프레스 끼워맞춤(press fit)을 형성한다. 상기 플로우 스루 플러그는 그 축을 따라 개구를 구비하고 있기 때문에 유체가 상기 개구를 통하여 플러그 내부를 관통하여 흐를 수 있다.
플로우 스루 플러그, 열교환기, 튜브 침식, 튜브시트

Description

플로우 스루 튜브 플러그{Flow Through Tube Plug}
도 1은 클래딩된 튜브시트에 대한 사시도.
도 2는 열교환기의 라미네이트된 튜브시트와 이에 관련된 튜브들에 대한 부분 단면도.
도 3은 튜브시트의 일부에 대한 사시도.
도 4는 본 발명의 플로우 스루 플러그에 대한 일 실시예를 도시한 도면.
도 5는 열교환기의 튜브 내에 삽입된 본 발명의 플로우 스루 플러그의 실시예에 대한 단면도.
도 6은 라미네이트된 튜브시트를 갖는 열교환기의 튜브 내에 삽입된 본 발명의 플로우 스루 플러그의 실시예에 대한 단면도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 대한 단면도.
본 발명은 손상된 튜브의 수리를 위한 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 상기 튜브는 열교환기 내부에 배치되는 튜브를 포함한다.
유체를 운송하는데 사용하는 튜브 부재는 그 내부에서 흐르는 유체에 의해 발생하는 침식 손상(erosion damage)을 받기 쉽다. 이러한 튜브 침식은 유체가 튜브 부재로 들어가면서 유체 내에 생성되는 와류(eddy current)와 같은 불규칙한 흐름 패턴(flow pattern)에 부분적으로 기인한다. 이러한 불규칙한 흐름 패턴은 가속된 유체의 흐름을 튜브 부재 내부의 특정 부분에 집중시켜, 그 특정 부위에서 튜브 부재의 물질을 침식한다. 본 발명을 개시함에 있어서, 튜브 부재는 노(Furnace), 반응기(reactor)(화학 및 원자력) 및 열교환기 등의 다양한 처리장치 내에서 사용되는 튜브를 포함하는 것이다.
열교환기의 경우, 열교환기의 튜브 측의 유체의 온도가 열교환기의 셸 측의 유체의 온도보다 현저히 높은 경우에 튜브 침식이 발생할 수 있다. 그 튜브가 합금으로 구성된 경우에는, 높은 온도 구배(high temperature gradients)에서 열교환기의 튜브 침식이 더 악화한다. 고온 환경에서는, 튜브의 합금 물질 내부의 내식성 원소(corrosion resistant element)들이 그들의 원래 자리에서 이탈하여 물질의 계면(grain boundary) 쪽으로 이동하여 그 물질의 상당 부분이 부식에 노출되기 때문이다. 이러한 종류의 손상은 종종 튜브의 입구과 출구쪽에서 문제가 된다. 도 2 및 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 내식성 원소들의 이동은 시간이 경과함에 따라 튜브(18) 내부에 부식이나 홈(pit)을 발생시켜 손상된 영역(damaged area)(22)을 생성한다. 대체로 이러한 손상된 영역(22)은 튜브시트(tubesheet)(10)의 개구의 입구(opening of aperture)(12)에 근접하여 발생하거나, 튜브(18)가 튜브시트(10)에 종종 용접되는 개구(12)의 립부(lip)(13)에서 발생한다. 이러한 종류의 손상은 열영향부 부식(heat affected zone corrosion)에 관한 당업자에게 일반적으로 알려진 사항이다. 손상된 부위(22)에 발생한 부식을 그대로 방치하면, 그 부식이 튜브(18)를 침식하여 튜브 측에 있는 유체가 열교환기의 셸 측으로 누출되거나, 또는 압력 구배에 따라서는 그 반대의 현상이 발생하기도 한다.
이러한 튜브 침식은 열교환기 튜브시트가 클래딩(cladding) 되거나 라미네이트(laminate) 된 경우에도 손상 효과를 갖는다. 주지된 바와 같이, 클래딩 되거나 라미네이트 된 튜브시트는 후면 튜브시트(16)와 이것에 기계적으로 접합된 클래딩 튜브시트(14)를 포함한다(도 1 및 도 2 참조). 클래딩은 통상 특정 물질이 튜브 측의 유체에 의한 부식이나 가혹한 환경의 영향을 극복할 필요가 있는 경우에 사용된다. 지르코늄(zirconium)과 같이 내식성이 있는 물질은 통상 고가이기 때문에, 비용 절감을 위해서는 저렴한 물질 위에 내식성 물질을 클래딩하여 사용한다. 그러나 클래딩 튜브시트(14)를 후면 튜브시트(16)에 접합하는 데 이용하는 기계적 접합은 종종 열화로 인해 클래딩된 튜브시트(10)의 접합부가 떨어지게 되어 디라미네이션(delamination) 영역(20)을 허용하게 된다. 클래딩 튜브시트(14)가 후면 튜브시트(16)로부터 충분히 디라미네이션 되면 클래딩된 튜브시트의 기계적 강도는 떨어지게 된다. 디라미네이션은 클래딩 튜브시트(14)에 의해 제공되는 보호층도 제거하고, 이는 후면 튜브시트(16)를 튜브 측의 유체의 부식성 영향에 노출시킨다.
침식된 튜브에 대한 종래의 수리 방법은, 튜브(18)의 입구에 속이 찬 솔리드 플러그(solid plug)(24)를 고정하는 것인데, 용접(26)을 이용하여 이를 더 확실히 고정할 수도 있다. 튜브를 밀폐시키는 이러한 방법은 손상된 영역(22)을 추가적인 침식으로부터 격리시키는 데에는 기여하지만, 손상된 튜브가 일단 플러그에 의해 밀폐되면 그 수선된 튜브의 열교환 기능은 상실되고, 열교환기의 전체적인 효용성이나 효능도 떨어지게 된다. 손상된 튜브를 밀폐하는 위 수리 방법에 대한 대체 방법이 미국특허 제 4,941,512; 5,201,118 및 5,167,907에 개시되어 있다.
위 문헌에 개시된 수리방법들은 손상된 부위(22)를 커버하도록 슬리브(sleeve)를 튜브(18)에 삽입하는 단계와; 상기 슬리브의 일단에 롤링 기술을 적용하여 상기 슬리브를 개구(aperture)의 립부(13)에 고정시키는 단계를 포함한다. 이 방법은 일단 고가의 롤링 머신을 구비하고 있을 것과 이를 운전하여 튜브의 단부를 성형할 수 있는 기술자가 있을 것을 전제로 하고 있다. 하지만 불행히도 이러한 방법으로는 튜브-튜브시트 간의 원주 용접 영역(circumferential tube-to-tubesheet weld area)에 대한 손상을 수리하기가 곤란하고, 튜브의 추가적인 손상을 방지하기 위해 요구되는 슬리브와 손상된 튜브의 내측 직경(inner diameter) 사이의 확실한 밀봉(bubbletight seal)을 얻을 수 없다. 또 이러한 방법으로는 클래딩 튜브시트의 디라미네이션을 수정할 수도 없다.
한편, 개구(12)의 립부(13)에서의 원주 용접 영역에 발생하는 침식 손상을 해결할 수 있는 튜브와 튜브시트 간의 용접에 대한 수리 기술도 존재한다. 예를 들어, 개구(12)의 립부(13)에 형성된 원주의 용접 영역은 기계적으로 연마하고, 새로운 금속, 바람직하게는 튜브시트(10)의 금속과 같은 물질을 종래의 용접 기술을 이용하여 덧붙일 수 있다. 그러나 불행히도 이러한 용접 수리 방법(weld-repair method)으로는 튜브(18) 내측(inner diameter)에 대한 손상을 해결하기 어렵다. 또한, 열교환기가 지르코늄과 같은 내식성 금속으로 이루어진 경우에는, 수리 조건 하에서, 이러한 용접 수리 방법을 통해 완전 용입 용접(full penetration weld)을 얻기가 사실상 어렵고, 또 이를 시도하는데 들어가는 비용도 너무 많다. 마지막으로, 이러한 방법을 통해서는 클래딩 된 튜브시트의 디라미네이션 문제를 적절히 해결할 수도 없다.
이러한 종래기술의 문제점을 감안할 때, 튜브를 통한 유체의 흐름을 저해하지 않으면서도 튜브 내측의 손상을 영구적으로 수리할 수 있는 방법 및 장치에 대한 필요성이 여전히 존재한다. 그리고 튜브의 립부에서의 튜브-튜브시트간의 원주 용접 영역을 수리하기 위한 방법 및 장치에 대한 필요성도 존재한다. 또한, 전술한 튜브와 용접의 손상과 연계해서 또는 이와는 독립적으로 발생할 수 있는 클래딩 된 튜브시트의 디라미네이션을 방지하거나 이를 다시 라미네이트하기 위한 방법 및 장치에 대한 필요성도 존재한다.
본 발명은 튜브 부재가 손상된 경우에 이를 수리하는 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명에 따른 수리 방법은, 흐름이 통하는 플러그(이하 '플로우 스루 플러그'라 함)를 튜브의 축과 실질적으로 동일한 방향의 힘으로 튜브 부재 내에 삽입하는 단계와; 적어도 튜브 부재의 손상된 부분의 일부가 상기 플로우 스루 플러그에 의해 커버될 수 있도록 상기 튜브 부재의 내부로 상기 플로우 스루 플러그를 가압하는 단계를 포함하며, 상기 플로우 스루 플러그는 종축과; 상기 종축 방향으로 형성된 개구를 구비하며, 상기 개구의 내부를 통하여 유체의 흐름이 가능 하다. 상기 플로우 스루 플러그는 튜브 부재 내에서 상당한 힘으로 가압되어 플로우 스루 플러그와 튜브 부재의 사이에서 프레스 끼워맞춤(press fit)을 형성한다.
본 발명의 다른 양상에서는, 디라미네이션(delamination) 된 섹션을 갖는 튜브시트를 수리하는 방법이 제공되며, 여기서 튜브시트의 각 섹션(section)은 이를 관통하여 형성된 튜브 개구를 포함한다. 그리고 상기 방법은 적어도 하나 이상의 튜브 개구 내에 플로우 스루 플러그를 삽입하는 단계(여기서 상기 플로우 스루 플러그는 장축과 상기 장축 방향으로 형성된 개구를 구비하고 상기 플로우 스루 플러그는 테이퍼 되어 있음)와; 상기 플로우 스루 플러그와 상기 튜브시트의 각 섹션의 사이에 프레스 끼워맞춤이 형성되기에 충분한 힘을 상기 플로우 스루 플러그에 가하여 튜브시트의 각 부분들이 다시 라미네이트 되는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 튜브 개구를 갖는 적어도 둘 이상의 섹션들을 구비한 라미네이트 된 튜브시트를 형성하는 방법이 제공된다. 이 방법은 각 섹션을 서로 인접하여 위치시키는 단계; 인접한 각 섹션 상에 튜브 개구들을 서로 정렬하는 단계; 및 상기 정열된 튜브 개구에 적어도 하나 이상의 플로우 스루 플러그를 각 튜브시트 섹션이 단단히 결합하기에 충분한 힘으로 삽입하여 라미네이트된 튜브시트를 형성하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 개구가 형성된 적어도 하나 이상의 튜브시트; 상기 개구에 삽입된 튜브 부재; 및 상기 튜브 부재 내에 축 방향으로 놓인 플로우 스루 플러그를 포함하는 장치에 관한 것이다. 이 장치는 튜브 부재 내에 손상된 부분을 더 구비하며, 상기 플로우 스루 플러그의 외면은 적어도 상기 손상된 부 분의 적어도 일부를 커버한다.
이외에 본 발명의 다른 추가적인 특징 및 장점은 아래에 기술하는 본 발명의 다양한 실시예로부터 명확하게 알 수 있다. 이러한 실시예들은 발명의 개시를 목적으로 제공되는 것이며, 본 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 이해할 수 있다.
첨부된 도면과 이에 관련된 본 발명에 관한 아래의 기재를 참조한다면 본 발명의 실시예들 및 이들의 장점들을 더욱 완전히 이해할 수 있으며, 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하도록 한다.
본 발명의 일 실시예가 도 5에 도시되어 있다. 이 도면에서 플로우 스루 플러그(28)는 튜브(18)의 통로에 삽입되어, 튜브시트(10a)의 개구(12) 내에 배치되어 있는 것으로 표현되어 있다. 플로우 스루 플러그(28)는 종축과 이 축을 따라 형성된 속이 빈 중심 개구(34)를 구비하는 것이 바람직하다. 플로우 스루 플러그(28)는 현재 공지되어 있거나 후에 개발될 다른 어떤 제조방법으로도 가공, 성형, 또는 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 플로우 스루 플러그의 내경은 플러그의 길이를 따라 일정할 수 있고, 아니면 플로우 스루 플러그 후단(32)의 내경이 플러그 전단(30)의 내경 보다 크게 되도록 플러그의 내측 면이 테이퍼지게 할 수도 있다. 또 다른 실시예에서는, 플로우 스루 플러그의 내측 면의 형상을 수렴/나팔 노즐(converging/diverging nozzle) 또는 벤트리(venturi)의 형상으로 하여 플로우 스루 플러그를 통과하면서 발생하는 압력의 저하를 극소화시킬 수 있다.
플로우 스루 플러그(28)의 외측 면은 플러그 후단(32)의 외경이 그 전단부 (30)의 외경보다 크도록 그 길이를 따라 테이퍼질 수 있다. 도 4에서는 상기 테이퍼에 대한 이해를 돕고자 그 구성상의 특징을 다소 과장하여 도시하고 있다. 플로우 스루 플러그(28)의 테이퍼 치수는 작게는 미터당 0.83 센티미터(피트당 0.1 인치)에서 크게는 미터당 50 센티미터의 경사 범위 내에서 선택할 수 있지만, 어떠한 사이즈의 테이퍼도 채택이 가능하다. 테이퍼의 경사는 플로우 스루 플러그(28)의 길이를 따라 실질적으로 일정할 수 있으나, 다양한 경사의 테이퍼로 구성된 다른 실시예도 가능할 것으로 사료된다. 일 실시예에서, 플로우 스루 플러그(28)의 후단(32)의 외경이 그 중앙(31)까지 실질적으로 동일하도록 플로우 스루 플러그(28)의 외측 면이 일정한 직경으로 하고, 그 다음 중앙(31)으로부터 전단(30)측으로 가면서는, 플러그의 중앙(31)의 외경이 전단(30)의 외경보다 크도록 테이퍼지게 형성할 수 있다. 플로우 스루 플러그(28)는 리브(rib), 베인(vane), 딤플(dimple), 오목 자국(indentation), 라이플링(rifling), 또는 플레어(flaring) 중에서 어느 하나 이상의 외부 형상을 병합할 수 있으나, 이들의 형상에 한정되어야 하는 것은 아니다. 또한, 플로우 스루 플러그(28)의 외측 면은 나사의 형상으로 하여도 좋고, 황삭(roughing)을 하거나 널링(knurling)된 표면을 형성하여, 플로우 스루 플러그가 튜브시트(10)의 내에 부착할 때에 플로우 스루 플러그(28)에 대한 추가적인 결속수단을 제공할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 플로우 스루 플러그(28)의 테이퍼진 길이는 플로우 스루 플러그의 전단측(30)이 튜브(18)의 내부에 유한한 거리까지 삽입되어, 그 안에서 프레스 끼워맞춤(press pit)이 되게 한다. 프레스 끼워맞춤(press pit)은 플로우 스루 플러그의 외면과 튜브(18)의 내면의 계면에서 유체가 흐르는 것을 막기에 충분한 프레스 실(press seal)을 상기 계면을 따라 형성하여야 한다. 따라서 플로우 스루 플러그(28)의 전단부(30)가 튜브(18)의 손상된 부분을 거쳐 연장되게 하고, 손상된 부분(22)이 플로우 스루 플러그(28)의 외면의 일부에 의해 접촉하거나 적어도 부분적으로 커버가 되도록 보장하는 것이 중요하다. 튜브(18)의 손상된 부분(22)의 전체 면은 플로우 스루 플러그(28)에 의해 커버되어 손상된 부분(22)을 통한 유체의 누출을 저지할 수 있다.
통상 플로우 스루 플러그는 햄머를 이용하여 수동으로 튜브에 가압될 수 있으나, 이는 자동화된 기구를 이용하거나 현재 알려져 있거나 장래에 개발될 다른 방법에 의해서도 가능할 것이다. 적절한 프레스 끼워맞춤(press fit)을 형성하기 위해 필요한 힘의 양은 당업자의 능력의 범위 내에서 과도한 실험 없이도 결정할 수 있다. 플로우 스루 플러그(28)의 외측 직경과 튜브시트(10a)의 전면이 접촉하는 부분에 용접(40)을 하는 것도 필요에 따라 선택 가능하다. 용접(40)이 플로우 스루 플러그(28)의 위치를 고정시키는데 필요한 것은 아니지만, 플로우 스루 플러그(28)의 설치 후의 이동을 막기 위한 보조적인 수단으로 추가할 수 있다. 플로우 스루 플러그(28)에 용접(40)을 채용하기 위해서는, 플로우 스루 플러그(28)의 후단부(32)가 튜브시트(10)와 같은 높이가 되어서는 않되고, 대신 튜브시트(10)로부터 바깥쪽으로 돌출되어야 한다.
플로우 스루 플러그(28)는 열교환기의 용도에 적합한 어떠한 물질로도 이루어 질 수 있는데, 이 중 일부만을 열거하면, 탄소강, 스테인리스강, 인코넬, 탄탈, 지르코늄 등이 있다. 그리고 플로우 스루 플러그(28)는 탄소강과 같이 일반적으로 내식성성이 없는 것으로 알려진 베이스 물질에 유리, 에폭시, 탄성중합체(elastomer), 불소중합체(fluoropolymer, 예를 들어 TEFLON), 또는 위에 열거된 어느 하나의 금속과 결합하여 구성할 수 있다. 몇몇 실시예에서는, 실리콘나이트라이드, 알루미나, 또는 실리콘카바이드를 포함하는 세라믹 물질 중에서 어느 하나 이상을 선택하여 플로우 스루 플러그(28)를 구성할 수 있다. 하지만 궁극적으로는, 실제 사용되는 물질은 튜브시트(10, 10a)와 튜브(18)의 물질, 유체의 종류, 플로우 스루 플러그(28)가 영향을 받는 동작 조건 등에 의해 결정될 것이다.
도 6을 참조하면, 플로우 스루 플러그(28)가 튜브(18)에 삽입되어 있는 것으로 도시되어 있으며, 여기서 튜브(18)은 라미네이트된 튜브시트(10)의 내부에 위치한다. 이때 플로우 스루 플러그(28)는 튜브(18) 내에서 프레스 끼워맞춤(press pit)이 되고, 그 전단부(30)는 튜브(18) 내에서 튜브의 손상된 영역(22)을 지나 연장된다. 위에서 언급한 바와 같이, 튜브(18) 내에서의 플로우 스루 플러그(28)의 적절한 프레스 끼워맞춤(press fit)은 플로우 스루 플러그(28)와 튜브(18) 사이의 영역을 밀폐하여 손상된 영역(22)을 통한 유체의 흐름을 차단한다. 이때 전단부(30)가 튜브시트(10)의 클래딩 튜브시트(14)와 후면 튜브시트(16) 단면을 모두 거쳐 연장되어야 한다는 점을 주시하여야 한다. 본 발명의 플로우 스루 플러그(28)를 라미네이트된 튜브시트안에 설치하는 것의 장점은 플로우 스루 플러그(28)와 튜브(18) 사이의 프레스 끼워맞춤(press fit)이 클래딩 튜브시트(14)와 후면 튜브시트(16) 양자의 개구(12)의 내측 직경에 대해 튜브(18)의 외측 직경을 밀어낸다는 것 이다. 튜브(18)와 개구(12)의 상호작용에 의해 발생하는 스트레스는 플로우 스루 플러그(28)와 클래딩 튜브시트(14) 및 후면 튜브시트(16) 간에 기계적 접합을 형성한다. 나아가, 크래딩 튜브시트(14)와 후면 튜브시트(16) 사이의 계면에 갭(17)이 존재하는 경우에는, 튜브(18)의 외측 직경이 플로우 스루 플러그(28)의 존재에 의해 변형되어 상기 갭(17)으로 압착된다. 따라서, 튜브(18) 내에서 플로우 스루 플러그(28)를 프레스 끼워맞춤(press fitting)이 형성되는 것에 의해, 도 6에 도시된 바와 같이, 클래딩 튜브시트(14)는 후면 튜브시트(16)와 접합된다. 이와 같이, 본 발명의 많은 장점 중의 하나는 라미네이트 된 튜브시트의 섹션들을 서로 접합할 수 있는 능력이다. 이런 특징은 디라미네이트 된 복수의 섹션들이 있는 튜브시트를 수리하는 경우만 아니라 새로운 라미네이트 된 튜브시트를 형성하는 데에도 이용할 수 있다. 여기서, 플로우 스루 플러그(28)를 튜브시트(10)에 단단히 부착하기 위해 용접(40)을 선택적으로 행할 수 있다.
플로우 스루 플러그(28)는 종래 속이 차 있는 솔리드 플러그를 설치하는데 이용하는 방법과 유사한 방법으로 튜브(18) 내에 설치될 수 있다. 이미 언급한 바와 같이, 열교환기의 초기 제작 시에, 튜브시트의 립부(13)에 근접한 튜브의 에지(edge)는 롤링되어 튜브시트(10)와 확실히 접촉하게 된다. 튜브(18)를 롤링하는 힘은 튜브(18)의 내측 직경에 가해지지만, 내측 직경은 튜브(18)의 외측 직경과 비교적 평행하게 남아 있는다. 따라서 테이퍼진 플로우 스루 플러그(28)를 수용하기 위해서는 플로우 스루 플러그(28)의 설치에 앞서, 예를 들면 자르노 테이퍼(Jarno taper)를 사용하여(이에 한정되는 것은 아님) 튜브(18)의 내측에 이에 대응하는 테 이퍼를 리밍(reaming)하여야 한다. 여기서 리밍 기능의 실행은 튜브에 형성된 과도한 침식이나 산화물 찌꺼기(scale) 등의 제거를 위해 리밍이 필요하다는 등의 열교환기가 놓이는 특정 상황에 대한 분석에 의존하지만, 얇은 벽을 갖는 튜브는 리밍히기에 충분한 물질이 아닐 수도 있다. 또한, 플로우 스루 플러그(28)가 튜브(18)의 내부로 프레스 끼워맞춤(press fit) 될 때, 튜브(18)가 플로우 스루 플러그(28)의 외부 형상에 맞추어 질 정도로 충분한 연성을 가진 금속으로 이루어진 경우에는 리밍을 하지 않아도 된다. 그러나 리밍이 필요한지 여부는 당업자가 그 능력의 범위에서 선택할 수 있는 사항이다. 튜브(18)를 리밍하는 것은 테이퍼진 플로우 스루 플러그(28)를 튜브(18)의 통로로 삽입할 수 있게 하고, 플로우 스루 플러그(28)가 튜브시트(10)의 개구(12)를 통해 이동하면서 개구(12)의 내측 직경을 압박할 수 있도록 플로우 스루 플러그(28)의 주위에 충분한 크기(mass)를 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 도 7에 도시된 바와 같이, 칼라(collar)(42)가 플로우 스루 플러그(28a)에 대한 실시예와 결합되어 포함되어 있다. 칼라(42)는 그 단면에서 보는 바와 같이, 플로우 스루 플러그(28a)의 일부를 에워싸고 있으며, 플로우 스루 플러그(28a)의 외측 직경에 형성된 테이퍼에 맞도록 그 내측 직경을 따라 테이퍼져 있다. 칼라(42)의 외측 직경은 튜브(18)로 가압되고, 튜브(18)를 통한 유체의 누출을 막기 위해 튜브(18)의 내부에 손상된 영역(22)을 커버하기에 적합한 크기로 할 수 있다. 칼라(42)는 튜브(18)를 반경 방향 외측으로 압박하기 때문에, 클래딩된 튜브시트의 경우, 컬러(42)로 인해 형성된 튜브(18)의 반경 방향 외측으로의 힘에 의해 튜브시트의 클래딩 부분이 서로 접합할 수 있다. 선택적으로 는, 칼라(42)는 튜브(18)의 내부에 추가적인 플로우 스루 플러그(28a) 없이도 설치 가능하다. 경우에 따라서는, 칼라(40)와 플로우 스루 플러그(28a)의 두 부분으로 구성된 조립체를 이용하는 것이 바람직하다. 즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 칼라(40)과 플로우 스루 플러그(28a)를 튜브(18)의 내부로 삽입한다. 이어 프레스 끼워맞춤(press fit)을 형성한 후, 플로우 스루 플러그(28a)를 제거한다. 선택적으로 채택 가능한 원주 용접도 튜브시트와 칼라(42)의 사이에 부가될 수 있다. 본 실시예에서의 변형된 설치방법을 통해 칼라(42)가 본 발명에 따른 수리방법에서 플로우 스루 플러그의 기능상의 이점을 제공할 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 플로우 스루 플러그(28)는 열교환기, 노, 반응기(reactor) 및 다른 유체 처리용 기구 등의 다양한 종류의 장치에 구비된 튜브 부재의 수리에 이용될 수 있는데, 반드시 위에 언급한 장치에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명에 따른 방법은, 아크릴산, 아크릴산 에스테르, 아크릴로니트릴 및 스티렌 등을 포함하는 물질(이에 한정되는 것은 아님)의 정제에 이용하는 강제 순환형(forced circulation-type) 및 서모사이펀형(thermosiphon-type) 증류탑 리보일러(distillation column reboiler) 모두에 사용될 수 있다. 이러한 리보일러는, 예를 들어 증류탑의 하부(sump portion)에 통합되는 베이어니트(bayonet)형 열교환기 등의 통합 열 운송 장치(integral heat transfer device)와, 배관 요소들에 의해 증류탑에 연결되는 별도의 용기들을 포함할 수 있다.
마찬가지로, 튜브 부재로 구성되며, 컨덴서(condenser), 히터, 증발기, 냉각기 , 중간 냉각기(intercooler), 및 교차 열교환기(cross-exchanger)를 포함하는( 반드시 이들에 한정되는 것은 아님) 다른 열교환기도 본 발명의 방법을 사용하면 이득을 얻을 수 있다. 이러한 이득은 메타크릴산(methacrylic acid), 메타크릴산 에스테르(methacrylic acid ester), 메타크릴로니트릴(methacrylonitrile), 및 시안화수소(hydrogen cyanide) 등(반드시 이에 한정되는 것은 아님)의 물질을 제조하는 공정에서 찾을 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 방법은 선행기술로서 참조한 미국특허 6,545,176에서 예로 제시된 메타크릴산메틸(methyl methacrylate, MMA) 나 메타크릴산(methacryl acid, MAA)의 제조 공정에 사용하는 셸이나 튜브 타입 크랙커 원자로 예열기(cracker reactor pre-heater), 가열기, 냉각기에 적합하다.
본 발명에 따른 방법은, 튜브 부재를 포함하는, 노, 소각로, 열산화기(heat oxidizer) 및 가스 터빈 시스템과 결합된 폐열 회수 보일러(waste heat recovery boiler)와, 가스 직화 증기 보일러(direct fired steam boiler)에 유용하게 이용될 수 있다. 본 발명의 방법은, 예를 들어, 본 발명을 위해 참조한 미국특허 제2004/0093860에서 예로서 제시된 아크릴로니트릴(acrylonitrile)의 제조 공정에 사용되는 시스템과 같은 열산화기 시스템의 폐열 회수 스팀 보일러의 튜브를 수리하는 데 적합하다. 또한, 본 발명의 방법은 냉동 시스템, 칠러(chiller), 브라인 냉각기(brine cooler) 및 에어 컨디션닝 시스템(air conditioning system) 내에 있는 튜브 부재를 수리하는 데에도 유용하게 채택될 수 있다.
위에 언급된 예들 외에도, 본 발명의 방법은 튜브 측의 유체가 액체가 아닌 처리 가스를 사용하는 교환기, 예를 들어 질산이나 합성 가스("syngas")의 제조에 사용하는 교환기에 이용할 수 있다. 본 발명의 방법은, 본 발명의 완성을 위해 참 조한 미국특허 제 2001/0040024에서 여러 실시예로 제시된 시안화수소의 제조에 채용되는 셸이나 튜브 타입의 쿠웬치 교환기(quench exchanger)의 수리에 이용할 수 있다. 본 발명의 플로우 스루 플러그는 인코넬, 알루미나, 실리카, 실리콘카바이드 및 실리콘나이트라이드로 형성된 페룰(ferrule)을 포함하여 미국특허 제 2001/0040024에 예로서 제시된 페룰과 조합하여 사용할 수 있을 것으로 사료된다. 마찬가지로, 가스-가스 교환기, 예를 들어 직화 예열기(direct fired pre-heater) 및 리쿠퍼레이터(recuperator)에 사용되는 튜브 부재도 본 발명의 방법으로부터 이득을 얻을 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 용도는 열교환기 및 노에 한정되는 것은 아니고, 따라서 본 발명의 방법은 어떠한 유체 운송용 튜브의 수리나 조립에도 채용할 수 있다. 예를 들어 본 발명은 부분 산화 반응기(patial oxidation reactor)나 원자로와 같이 튜브를 포함하는 반응기에 사용할 수 있다. 튜브를 포함하는 부분 산화 반응기의 예는 아크롤레인(acrolein), 아크릴산/메타크릴산, 말레산무수물(maleic anhydride), VCM(vinyl chloride monomer) 및 산화에틸렌(ethylene oxide)의 제조에 이용되는 것들이지만, 반드시 이에 한정되어야 하는 것은 아니다. 본 발명의 방법은 하나 이상의 촉매 수용 튜브 부재를 포함하는 반응기, 예를 들어 프로필렌과 프로판을 포함하는 탄화수소로부터 아크롤레인과 아크릴산을 생산하는 공정에서 사용하는 반응기의 수리에 적합하다. 이러한 반응기는 미국특허 제 6,384,274에서 예로서 제시되어 있으며, 이러한 예들은 본 발명의 완성을 위해 참고로 이용하였다.
<실험예>
비제한적 실험예에서, 본 발명에 따른 수리방법을 메타크릴산("MAA")와 메타크릴산 에스테르(예 : 메타크린산 메틸, "MMA")의 제조에 관한 공정에 활용하였다. 좀더 구체적으로, 본 발명의 방법을 황 함유 잔사 스팀(sulfur-bearing residue stream)에서 유기 성분을 스트리핑(stripping)하거나 제거하는 공정으로 열을 유입시키는 셸-튜브 열교환기에 채용하였다. 특정 열교환기가 배치된 특정 스트리핑 공정이 현재 출원 중에 있는 미국특허출원번호 2002/0192131 A1에 구체적으로 설명되어 있으며, 이러한 내용은 본 발명에 참고로 포함되어 있다.
열교환기의 예는 1.370 인치(3.48 센티미터)의 내경을 갖는 대략 550개의 지르코늄 튜브들을 포함하였다. 이러한 튜브들은 지르코늄이 클래딩된 튜브시트에 롤링되어 밀봉 용접되었다. 지르코늄이 클래딩된 튜브시트는 공칭값 2 인치(5 센티미터)의 두께를 갖는 탄소강 후면 튜브시트에 폭발 클래딩(explosion-cladding)된 공칭값 3/8 인치(0.95 센티미터)의 두께를 갖는 지르코늄 클래딩 튜브시트를 포함한다. 황산과 물을 포함하는 황 함유 잔사유(sulfur-bearing residue)가 115 ~ 143℃(240 ~ 290℉) 온도에서 열교환기의 튜브 사이드를 통하여 계속 순환되었다. 교환기의 셸은 카본강으로 구성되었다. 중압 스팀(medium pressure steam)(대략 5.2×105 Pa(75 psig))이 셸 사이드 가열 매체로 사용되었다.
수년간의 상업적 사용 후, 원 튜브의 약 10%정도가 손상을 입었다. 이 손상 은 일상적인 기계적 검사로 확인하였고, 각 플러그와 튜브시트의 사이에서 원주 용접과 함께 종래의 속이 차 있는 솔리드 플러그를 사용하여 손상된 튜브들을 밀폐 처리하였다. 이러한 튜브들을 밀폐함으로써, 교환기를 스트리핑 공정(stripping process)에 다시 이용할 수 있게 되었다. 그러나 손상된 튜브를 밀폐함으로써 교환기에서 가용한 열 운송 면적의 약 10% 정도가 손실되었고, 이에 대응하여 생산력도 손실되었다.
이어 재차 수년간 상업적으로 사용한 후, 기계적 검사를 통해 심각한 열영향부 부식을 받은 97개의 튜브를 추가로 발견하였다. 즉, 이러한 튜브들에서 원주 용접의 손상, 심각한 튜브 내벽의 손상 및 튜브 벽의 관통 등을 발견하였다. 관통된 튜브의 경우에는, 후면 튜브시트의 부식과 이로 인한 클래딩된 튜브시트에서의 디라미네이션의 징후도 확인되었다.
손상의 한도에서, 종래의 솔리드 플러그를 이용하여 손상된 튜브를 밀폐하는 것은 실용적이지 못했다. 왜냐하면 열교환기의 남아 있던 열 운송 면적의 약 20%가 추가로 손실되어, 스트리핑 공정이 바람직한 생산력보다 현저히 저하되었다. 지르코늄 열교환기를 완전히 교체하지 않기 위해 본 발명의 수리 방법을 채용하는 것이 제안되었다.
본 발명의 수리 방법에 따라 각 손상된 튜브의 내부를 종래의 #12 사이즈의 자르노 테이퍼(미터당 5 센티미터, 피트당 0.6 인치)를 이용하여 리밍하였다. 리밍의 정확한 깊이는 손상의 정도, 플로우 스푸 플러그의 치수, 그리고 각 튜브의 둥근 정도에 따라 튜브마다 약간 차이가 있었다. 그러나 일반적으로 리밍기는 0.01 미터에서 0.05 미터(0.5 인치에서 2 인치) 사이의 깊이로 삽입하였다.
리밍을 한 후에, 도 4에 도시된 것과 같은 타입의 0.05 미터(2 인치) 길이의 지르코늄 플로우 스루 플러그를 손으로 튜브의 끝에 삽입하였다. 플로우 스루 플러그는 그 후단의 외측 직경이 약 0.04 미터이고 그 전단부의 외측 직경이 약 0.03 미터가 되도록 그 외면을 길이 방향으로 테이퍼지게 하였다. 상기 플로우 스루 플러그는 0.028 미터(1.125 인치)의 축을 따라 내측 직경이 동일하였다. 그 다음 상기 플로우 스루 플러그를 해머를 사용하여 수동으로 플러그가 완전히 안착할 때까지 밀어 넣었다. 일반적으로, 플로우 스루 플러그는 튜브 내부로 0.01 미터(0.5인치)에서 0.445 미터(1.75 인치)의 깊이를 확보하면 완전히 안착된다는 것을 알 았다. 튜브를 안착시킨 후, 튜브시트와 플로우 스루 플러그 사이에 원주 밀봉 용접을 추가하였다.
수리를 완료한 후, 열교환기는 바로 스트리핑 공정에 재배치되었고, 눈에 뜨일만한 열 운송 면적의 손실 없이 동작한다는 것을 발견하였다. 바람직한 생산력으로 수개월간 연속 운행한 후에 열교환기의 운행을 다시 중지하고 검사를 실시하였다. 심각한 수준의 새로운 손상은 발견할 수 없었고, 따라서 수리도 필요하지 않았다. 시각적인 손상이 플로우 스루 플러그에서 발견되지 않아서, 다시 열교환기를 스트리핑 공정에 투입하였다. 따라서 본 발명에 의한 방법은 튜브를 통하는 유체의 흐름을 방해하지 않으면서도 크래딩된 튜브시트의 디라미네이션 및 손상된 튜브를 수리하는데 효과적이라는 것을 알 수 있다.
이상 기재한 본 발명은 그 목적을 수행하고 위 언급한 결과와 장점, 그리고 거기에 내재하는 다른 것들을 얻기에 적합하다. 발명의 여러 실시예가 발명의 개시의 목적상 제시되었지만, 바람직한 결과를 달성하기 위해 세부적인 절차에 있어서 다양한 변경이 가능할 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 메타크릴산/아크릴산과 메타크릴산/아크릴산 에스테르의 정제에 사용되는 강제 순환형(forced circulation-type) 및 서모사이펀형(thermosiphon-type) 증류탑 리보일러 모두를 수리하는 데 사용할 수 있다. 또한, 본 발명은 튜브 사이드의 유체가 액체가 아닌 가스를 사용하는 경우, 예를 들어 시안화수소, 질산 또는 합성 가스("syngas")의 제조에 이용하는 장치인 쿠웬치 교환기(quench exchanger)의 수리에도 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 열교환기에 한정되는 것은 아니고, 유체를 운송용으로 유용한 어떠한 종류의 튜브 부재의 수리에도 이용할 수 있다. 나아가, 본 발명은 클래딩된 튜브시트의 섹션들을 접합하는 것뿐만 아니라, 침식에 대한 보호 수단으로서 새로 제작된 열교환기에 채용할 수도 있다. 그리고 본 발명은 손상되지 않은 튜브 안의 침식을 막기 위해 손상되지 않은 열교환기에도 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 수리방법 및 장치에 대한 다양한 유사 변형예들은 당업자가 쉽게 예측할 수 있는 것이고, 본 명세서에 개시된 발명의 기술적 사상의 범위와 특허청구범위에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (14)

  1. 손상된 부분을 포함하는 튜브 부재를 구비한 장치를 수리하는 방법에 있어서,
    튜브의 축과 실질적으로 동일한 방향의 힘으로 튜브 부재 내에 플로우 스루 플러그를 삽입하는 단계와;
    상기 튜브 부재 내에서 상기 플로우 스루 플러그를 가압하여, 상기 플로우 스루 플러그가 상기 튜브 부재의 손상된 부분의 적어도 일부를 커버하도록 하는 단계를 포함하며,
    상기 플로우 스루 플러그는,
    종축과; 그 내부에서 유체의 흐름이 적합하도록 상기 종축의 방향으로 형성된 개구를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 플로우 스루 플러그와 튜브 부재의 사이에 프레스 끼워맞춤을 형성하기에 충분한 힘으로 상기 플러그 스루 플러그를 가압하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 장치는 열교환기, 노 및 반응기로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 장치는 후면 튜브시트와 클래딩 튜브시트로 구성된 클래딩된 튜브시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    튜브 부재 내에서 상기 플로우 스루 플러그를 가압한 후에, 튜브 부재는 후면 튜브시트와 접촉하여 고정된 상태가 되고, 크래딩 튜브시트는 후면 튜브시트에 고정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 디라미네이트된 섹션들을 구비하되, 상기 섹션들은 각각 이를 관통하여 형성된 튜브 개구를 갖는 튜브시트를 수리하는 방법에 있어서,
    종축과 상기 종축을 따라 형성된 개구를 구비하며, 테이퍼 되어진 플로우 스루 플러그를 적어도 하나 이상의 튜브 개구에 삽입하는 단계와;
    상기 플로우 스루 플러그와 튜브시트의 각 섹션 사이에 프레스 끼워맞춤을 형성하기에 충분한 힘을 상기 플로우 스루 플러그에 가하여, 튜브시트의 각 섹션을 재라미네이트(relaminate)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 튜브 개구를 갖는 적어도 둘 이상의 섹션이 구비된 라미네이트된 튜브시트를 형성하는 방법에 있어서,
    상기 각 섹션들을 서로 인접하게 배치하는 단계;
    각 인접한 섹션 상에 튜브 개구들을 서로 정렬하는 단계; 및
    각 튜브시트 섹션을 견고하게 결합하여 라미네이트된 튜브시트를 형성하기에 충분한 힘으로 상기 정렬된 튜브 개구들에 적어도 하나 이상의 플로우 스루 플러그를 삽입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 플로우 스루 플러그는 종축과; 그 종축을 따라 형성된 개구를 구비하고, 상기 플로우 스루 플러그는 테이퍼져 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 라미네이트된 튜브시트는 열교환기, 반응기 및 노로 이루어진 그룹 중에서 선택된 장치에 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    라미네이트된 튜브시트에 상기 플로우 스루 플러그를 용접하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 내부를 관통하여 형성된 개구를 구비한 적어도 하나 이상의 튜브시트;
    상기 개구에 삽입된 튜브 부재; 및
    상기 튜브 부재 안에 축 방향으로 배치된 플로우 스루 플러그를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 장치는 열교환기, 노 및 반응기로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 튜브 부재는 손상된 부분을 더 포함하며,
    상기 플로우 스루 플러그의 외면은 상기 손상된 부분의 적어도 일부를 커버하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 튜브시트는 적어도 둘 이상의 튜브시트 섹션들을 포함하는 라미네이트 된 튜브시트이며,
    상기 플로우 스루 플러그는 상기 섹션들을 라미네이트 된 접촉 상태로 유지하는 라미네이팅 힘을 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.
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