KR20100016293A - 시임 용접된 36 Ｎｉ-Ｆｅ 합금 구조체 및 이를 제조 및 사용하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 36% Ni-Fe 합금 스틸로 제조되는 용접된 구조체와, 저장 탱크, 파이프 라인 및 극저온 물질과 관련된 다른 장비에 사용하기 위한 용접된 스틸 구조체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 용접된 스틸은 용접부 및 기재 스틸에서 유사한 열팽창 계수를 갖는다.
36% Ni-Fe 합금, 열팽창 계수, 시임 영역, 용접 비드, 입자, 기재

Description

시임 용접된 36 Ｎｉ-Ｆｅ 합금 구조체 및 이를 제조 및 사용하는 방법 {SEAM-WELDED 36 NI-FE ALLOY STRUCTURES AND METHODS OF MAKING AND USING SAME}
본원 발명은 용접된 스틸(welded steel)과, 저장 탱크, 파이프 라인 및 다른 장비에 사용하기 위해 그러한 용접된 스틸을 제조하는 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 용접부 자체를 포함하는 용접된 스틸은 저열팽창 계수를 갖는 철-니켈 합금으로 형성된다. 이러한 용접된 스틸은 액화 천연 가스(LNG)와 같은, 극저온(cyrogenic) 물질의 이송 및/또는 저장에 적절한 구조체를 형성하는데 사용될 수도 있다.
오일 및 가스와 같은 다양한 산업에서, 극저온 조건에서 물질을 저장하고 이송할 필요가 있는데, 물질은 기체 상태로부터 냉각되어 액화될 수도 있다. 예컨대, 대략 -110 ℃부터 대략 -170 ℃까지의 범위의 온도와 같은 극저온 조건에서, 그리고 대략 대기로부터 대략 6000 kPa의 폭 넓은 범위의 압력에서, LNG를 저장하고 이송하기 위한 용기가 필요하다. 극저온 온도에서 산소, 질소, 헬륨, 수소, 아르곤, 네온, 플루오르, 공기, 메탄, 에탄, 또는 프로판과 같은 다른 압축 유체를 안전하고 경제적으로 저장하고 이송하기 위한 용기가 또한 필요하다.
극저온 물질을 저장하거나 이송하기 위한 재료를 선택하려는 여러 시도가 있 다. 선택된 재료는 극저온 조건 하에서 파손을 방지하기 위해 충분한 연성 및 인장(tensile) 강도를 유지하여야 한다. 연성(ductile) 재료는 과도한 응력 하에서 변형하는 반면, 취성(brittle) 재료는 부서지기(fracture) 때문에, 연성 재료가 선호된다. 온도가 강하되면, 많은 재료들은 연성으로부터 취성 습성으로 전이하여, 이들이 극저온 적용에 부적절하게 된다. 한편, 재료는 또한 낮은 열팽창 계수(CTE)를 가져야 한다. CTE는 온도가 강하됨에 따라, 재료 내의 수축량을 정량한다(quantify). 이러한 수축은 극저온 구조체 내에 열 응력을 생성하고, 그의 기하학적 구조를 변경하기 때문에, CTE가 낮을수록 이러한 효과를 최소화한다. 특히, 극저온 파이프는 파이프 내의 유동을 방해하는 것을 희생하여 높은 CTE에 의해 유발되는 열 응력을 완화하도록 파이프 루핑(looping)을 종종 필요로 한다.
일반적으로, 저온에서의 높은 기계적 강도와 연성 습성으로 인해, 극저온 구조체에는 금속이 선호된다. 많은 금속이 극저온 조건에서 취성을 갖지만, 알루미늄, 구리, 니켈 및 이들의 합금과 같은 면심 입방 결정 구조(fcc)를 갖는 금속은 연성이다. 35 중량% 내지 50 중량%의 니켈을 포함하는 니켈-철 합금은 낮은 CTE로 인해 선호되는 fcc 금속이다. FeNi36으로 때때로 지칭되고 임피 합금(Imphy Alloys)에 의해 상표명 "인바(Invar)"로 통상 판매되는 36% Ni-Fe 합금이 예외적으로 낮은 CTE를 갖기 때문에 바람직하다.
극저온 구조체로의 금속의 프로세싱은 또한 독특한 어려움을 유발한다. 전체적으로 균일한 재료 특성을 갖는 구조체를 제조하는 것이 바람직하다. 특히, 극저온 구조체가 균일한 기계적 강도 및 열팽창 특성을 나타내는 것이 바람직하다. 구조체가 균일한 기계적 강도를 갖지 않는 경우에는, 보다 강한 영역에 의해 견뎌지는 응력으로 기계적으로 더 약한 영역에서 파괴(fracture)가 개시될 것이다. 한편, 동질이 아닌 열팽창 습성은 극저온 조건 하에서 추가 응력을 생성한다. 구조체의 하나의 영역이 보다 높은 CTE로 인해 보다 큰 수축을 나타낼 때, 기계적 파손을 초래할 수도 있는 추가 응력이 높은 CTE와 낮은 CTE 영역 사이의 경계를 따라 생성된다. 이 현상은 "CTE 부정합"으로서 종종 지칭된다.
기계적 강도 및 CTE의 변화를 방지하기 위해, 금속성 극저온 구조체는 동종 재료 특성을 획득하기 위해 단일의 몰드 또는 빌렛(billet)으로부터 종종 형성된다. 예컨대, 금속 파이프는 우선 빌렛을 대략 1000 ℃까지 가열시키고 만네스만 천공법(Mannesmann piercing method)을 사용하여 빌렛의 축을 통해 길이방향 구멍을 천공함으로써, 스틸의 단일 빌렛으로부터 형성될 수 있다. 이 후, 벽 두께 및 직경은 일련의 압출 및 열간 또는 냉간 사이징(sizing) 방법에 의해 원하는 기하학적 구조로 형성된다. 이러한 공정은 극저온 구조체를 위한 동종의 기계적 강도 및 CTE를 획득하는데 효과적이지만, 경제적 고려 사항 및 사이즈 고려 사항으로 인해 그의 유용성이 제한된다. 일반적으로, 빌렛 또는 몰드를 형성하는 것은, 고온 및 광범위한 압출 및 요구되는 사이징으로 인해, 다른 기술보다 더 고가이다. 또한, 형성된 구조체의 전체 크기는 처리될 몰드 또는 빌렛의 체적에 의해 제한된다. 주조(casting), 단조(forging) 또는 임의의 다른 방법에 의해 현재 제조될 수 있는 제한된 체적으로 인해 일정 사이즈를 초과하도록 단일의 몰드 또는 빌렛으로부터 금속성 극저온 구조체를 형성하는 것은 실행 불가능하다. 운송 제약은 또한 단일 의 몰드 또는 빌렛으로부터 형성되는 구조체의 사이즈를 제한할 수 있다.
단일의 몰드 또는 빌렛으로부터 금속성 극저온 구조체를 형성하는 것의 대안으로서, 구조체는 용접 공정을 사용하여 제조될 수도 있는데, 재료는 시임을 따라 결합된다. 통상적인 용접 공정은 냉각 시에 솔리드 조인트(solid joint)를 유착시키고(coalesce) 형성하는 용융 재료의 풀(pool)을 형성하기 위해 시임을 따라 몇몇의 에너지원의 적용을 포함한다. 가스 화염(flame), 전기 아크, 레이저, 전자 빔, 마찰 및 초음파를 포함하는 극저온 구조체를 용접하는데 사용될 수도 있는 다수의 에너지원이 있다.
충전 재료가 기재(base material)의 용접을 돕기 위해 시임을 따라 종종 추가된다. 충전 재료는 용접 공정 동안에 용융되고, 조인트의 시임을 따라 고화되는 용접 비드의 일부가 되도록 유착한다. 충전 재료는 용접의 다양한 특성을 개선하는데 종종 사용된다. 예컨대, 충전 재료는 기계적 파손이 용접된 시임을 따라 발생하지 않는다는 것을 보장하기 위해 용접부가 기재보다 기계적으로 더 강하도록 선택될 수도 있다.
극저온 구조체를 위한 용접 기술의 활용의 일례는 파이프의 제조이다. 파이프는 고속 롤 성형 밀(roll forming mill)을 사용하여 규정된 직경, 길이 및 길이방향 시임 영역의 관 형상으로 금속성 플레이트를 우선 형성함으로써 제조될 수도 있다. 이 후, 시임 영역은 파이핑 및 극저온 산업 표준에 의해 요구되는 바와 같이, 기재보다 기계적으로 더 강한 금속성 충전 재료로 텅스텐 불활성 가스(TIG) 용접으로 또한 알려진 가스 텅스텐 아크 용접을 사용하여 용접될 수도 있다.
용접 기술들은 이들이 보다 큰 구조체의 제조를 가능하게 하고 빌렛 또는 몰드를 형성하는 것보다 경제적이기 때문에, 극저온 구조체를 제조하는데 있어서 종종 바람직하다. 빌렛 또는 몰드를 형성하는 대신에, 소스 재료는 저비용 연속 주조에 의해 형성되는 금속 플레이트일 수 있다. 용접 공정은 필요한 경우에 다중 플레이트가 결합되는 것을 허용한다. 따라서, 제조된 구조체의 크기는 소스 재료에 의해 제한되지 않고, 몇몇 경우에는 운송 제한을 방지하기 위해 현장에서 제조될 수도 있다. 또한, 용접 공정 자체는 압출 및/또는 냉간 가공의 대안보다 더 경제적일 수도 있다.
이점에도 불구하고, 극저온 구조체의 제조를 위한 용접 기술의 활용은, 이들이 본래 동질이 아닌 재료 특성을 생성하기 때문에 제한된다. 용접된 시임은 용접 공정이 시임을 따라 상이한 미세구조를 생성하기 때문에 상이한 기계적 특성을 통상적으로 갖는다. 일반적으로, 기재와 일치하는 충전 재료로 용접하는 것은, 시임을 따라 보다 큰 입도(grain size)를 생성하여, 파손되기 쉬운 기계적으로 보다 약한 시임의 결과를 가져온다. 용접된 시임을 따른 파손을 방지하기 위해, 기계적으로 보다 강한 충전 재료가 시임을 기재보다 더 강하게 하기 위해 종종 사용된다. 그럼에도 불구하고, 36% Ni-Fe 합금을 용접하는데 사용되는 보다 강한 충전 재료는 (강도를 위한 합금 첨가로 인해) 기재보다 더 큰 CTE를 통상 가져서, 극저온 조건 하에서 파손될 수도 있는 CTE 부정합의 결과를 가져온다. 따라서, 개선된 시임 용접된 36% Ni-Fe 합금 구조체 및 이를 제조하고 사용하는 방법이 계속하여 필요하다.
본 발명은 구조체의 기재 및 용접부 양자 모두에서 유사한 열팽창 계수를 갖는 구조체를 용접하기 위한 공정에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 극저온 액체의 이송, 수송 또는 저장과 같은 극저온 적용에 사용하기 위해 36% Ni-Fe 합금으로부터 구조체를, 예컨대 파이프와 같은 구조체를 제조하는 신규한 방법에 관한 것이다.
일 실시예에서, 구조체를 용접하는 방법은, (1) 원하는 벽 두께, 길이 및 시임 영역의 구조체를 형성하는 단계와, (2) 초과하는 용접 합금이 시임 영역에서 용접 비드의 일부로서 남도록, 시임 영역을 따라 구조체를 36% Ni-Fe 합금으로 용접하는 단계와, (3) 시임 영역에서의 두께가 구조체의 원하는 벽 두께와 대략 동일하도록, 용접 비드를 가공 경화(냉간 가공)하는 단계와, (4) 시임 영역을 열 처리하는 단계를 포함한다. 열 처리 완료 시에, 시임 영역 내의 입도는 구조체의 나머지의 입도와 유사하다. 이러한 구조체는 극저온 적용 및 조건에서 유용하다.
또 다른 실시예에서, 파이프는 (1) 소정의 벽 두께 및 길이를 갖는 관형 본체와, (2) 관형 본체의 길이를 연장하는 용접된 시임을 포함한다. 관형 본체 및 용접된 시임은 36% Ni-Fe 합금으로부터 제조되고, 실질적으로 동일한 입도를 갖는다. 이러한 파이프는 극저온 적용 및 조건에서 유용하다.
본 발명의 이들 및 다른 실시예, 특징 및 이점은 이하의 상세한 설명 및 실시예와 관련하여 명백해질 것이다.
본 발명의 보다 상세한 설명을 위해, 이제 첨부 도면이 참조될 것이다.
도 1은 다양한 Ni-Fe 합금 조성의 열팽창의 계수의 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 공정 단계의 흐름도이다.
도 3의 (a) 및 (b)는 본 발명에 따른 다양한 용접 조인트의 사시도이다.
본원 발명은 36% Ni-Fe 합금의 용접부에 관한 것이고, 이는 극저온 조건 하에서 사용되기에 적합한 구조체(예컨대, 파이프)로 형성될 수 있다. 36% Ni-Fe 합금은 극저온에서 연성이고 조성물이 예외적으로 낮은 Ni-Fe 합금을 위한 CTE를 최소로 생성하기 때문에 극저온 구조체에 사용되기에 바람직하다. 도 1을 참조하면, Ni-Fe 합금 조성 범위에 걸쳐 있는 CTE를 도시한 그래프가 도시된다. 도 1로부터는 36% Ni-Fe 합금에 있어서 -196 ℃에서 약 1.3×10-6 ℃-1의 특징적 CTE 최소값이 있는 것이 명백하다. 이는 통상의 스텐레스 스틸의 CTE의 대략 1/10이다.
본원에 사용된 바와 같이, 36% Ni-Fe 합금은 ASTM F 1684 또는 ASTM A 333/A 333M 명세서에 의해 규정되고 이들 각각은 전체가 본원에 참조로서 포함된다. 일 실시예에서, 36% Ni-Fe 합금은 ASTM 명세서에 기재된 양으로 36%의 Ni와, 나머지의 Fe 및 극소량의 원소를 포함한다. 일 실시예에서, 36% Ni-Fe 합금은 ASTM F 1684에 기재된 바와 같이 합금 UNS No. K93603을 포함한다. 일 실시예에서, 36% Ni-Fe 합금은 ASTM A 333/A 333M에 기재된 바와 같이 합금 Grade 11을 포함한다. 일 실시예에서, 36% Ni-Fe 합금은 표 1에 기재된 1개 이상의 합금을 포함한다. 일 실시 예에서, 36% Ni-Fe 합금은 도 1의 플롯에 도시된 바와 같이 최소 CTE를 갖는 합금을 포함한다. 모든 원소는 중량 %로 주어지는 것으로 이해된다.
ASTM F1684
원소 UNS No. K93603 조성, % UNS No. K93050 조성, %
철, 공칭값 나머지A 나머지A
니켈, 공칭값 36A 36A
코발트, 최대값 0.50 0.50
망간, 최대값 0.60 1.00
규소, 최대값 0.40 0.35
탄소, 최대값 0.05 0.15
알루미늄, 최대값 0.10B ....C
마그네슘, 최대값 0.10B ....C
지르코늄, 최대값 0.10B ....C
티타늄, 최대값 0.10B ....C
크롬, 최대값 0.25 0.25
셀렌 .... 0.15 내지0.30
인, 최대값 0.015D 0.020
황, 최대값 0.015D 0.020
A: UNS No. K93603 및 K93050에 있어서, 철 및 니켈 요구조건은 공칭값이다. 이러한 레벨은 12.1로 지정된 바와 같이 열팽창 계수에 대한 요구조건에 부합하도록 제조자에 의해 조정될 수도 있다.
B: 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 및 지르코늄의 합계는 0.20%를 초과하지 않는다.
C: 이들 원소들은 이 합금을 위해 측정되지 않는다.
D: 인 및 황의 합계는 0.025%를 초과하지 않는다.
ASTM A333/A333M
원소 조성, % - Grade 11
탄소, 최대값 0.10
망간 최대 0.60
인, 최대값 0.025
황, 최대값 0.025
규소 최대 0.35
니켈 35.0 내지 37.0
크롬 최대 0.50
구리 ....
알루미늄 ....
바나듐, 최대값 ....
컬럼븀, 최대값 ....
몰리브덴, 최대값 최대 0.50
코발트 최대 0.50
바람직하게는, 개시 재료 또는 기재는 연속 주조 또는 당해 기술 분야에 알려져 있는 유사한 방법에 의해 제조되는 1개 이상의 플레이트이다. 일 실시예에서, 플레이트는 ASTM F 1684 또는 ASTM A 333/A 333M 명세서에 기재된 바와 같이 추가로 특징 지어진다. 금속 플레이트는 평활도, 부식 저항 등과 같은 원하는 특성을 달성하기 위한 추가 공정으로 처리될 수도 있다. 바람직하게는, 플레이트는 개시 재료 내에 균일한 기계적 특성을 보장하기 위해 실질적으로 동종인 미세구조를 갖는다.
이제 도 2를 참조하면, 본원에 따른 공정 단계(200)를 도시하는 흐름도가 도시된다. 전술된 바와 같이, 개시 재료는 용접 전에 원하는 기하학적 구조로 플레이트를 형성(210)하기 위해 당해 기술분야에 알려진 다양한 금속 가공 공정으로 처음에 처리될 수도 있다. 드릴링(drilling), 터닝(turning), 스레딩(threading), 커팅(cutting), 연삭(grinding) 또는 당해 기술분야에 알려져 있는 다른 방법을 포함하는 다양한 기술에 의해 기계 가공될 수도 있다. 또한, 개시 재료는 단조, 압연(rolling), 압연, 압출, 스피닝(spinning), 절곡(bending) 또는 당해 기술분야에 알려져 있는 임의의 다른 기술에 의해 형성될 수도 있다. 예컨대, 플레이트는 파이프를 제조하기 위해 관(tubular) 형상을 형성하도록 열간 압연 또는 냉간 압연될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 이 후 파이프 에지는 기계 가공 기술을 사용하여 테이퍼링될 수도 있다.
일단 원하는 기하학 구조가 달성된다면, 적어도 하나의 시임은, 차폐된 금속 아크, 가스 텅스텐 아크 또는 텅스텐 불활성 가스(TIG), 가스 금속 아크 또는 금속 불활성 가스(MIG), 플라즈마 아크, 전자 빔, 옥시아세틸렌(oxyacetylene), 스폿 용접, 시임 용접, 프로젝션(projection) 용접, 플래시(flash) 용접 또는 당해 기술분야에 알려진 임의의 다른 기술과 같은 용접 기술을 사용하여 용접된다(220). 어떠한 조인트 유형도 용접하는데 이용될 수도 있다. 예컨대, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같은 버트 조인트(butt joint) 또는 도 3의 (b)에 도시된 바와 같은 단일-V 준비 조인트(single-V preparation joint)가 사용될 수도 있다. 추가적인 적절한 조인트 유형은 코너 조인트, 에지 조인트, 이중-V 준비 조인트, 단일-U 조인트 및 더블-U 조인트를 포함한다. 예컨대, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 단일-V 준비 조인트는 V-형상을 형성하기 위해 시임의 축을 따라 단일점에서 만나는 2개의 테이퍼진 표면을 포함한다. 조인트 기하학 구조 내의 공극(void)은, 앞으로의 냉간 압축을 수용하기 위해 기재보다 더 두껍게 의도적으로 제조되는 용접 비드를 형성하기 위해 용접 공정 동안에 추가되는 충전 재료를 수납한다. 다양한 조인트 유형으로 형성되는 공극을 충전하기 위해 36% Ni-Fe 합금 기재와 정확하게 또는 실질적으로 동일한 충전 재료가 사용될 수도 있다. 충전 재료와 기재를 매칭하는 것은, CTE가 용접된 시임과 기재 양자 모두에서 정확하게 또는 실질적으로 동일한 것을 보장하고, CTE 부정합을 방지한다. 일 실시예에서, 36% Ni-Fe 합금의 충전 재료는 36% Ni-Fe 플레이트(들)로부터 형성되는 단일-V 조인트 내에 가스 텅스텐 아크 용접에 의해 용접 비드를 형성하는데 사용된다.
용접된 시임이 고화된 후, 시임은 냉간 압연, 플래니싱(planishing) 또는 당해 기술분야에 알려진 임의의 다른 방법과 같은 가공 경화 공정으로 처리된다(230). 이론으로 제한되도록 의도하지 않으면서, 가공 경화 공정(230)이 전위(dislocation)의 밀도를 증가시키고 그리고/또는 후속 열 처리 또는 어닐링 공정 동안에 입자 정제(grain refining)하는데 사용하기 위해 재료에 활성 에너지를 부가하는 것으로 여겨진다. 금속의 항복 매커니즘(yield mechanism)은 전위의 이동을 포함한다. 전위의 밀도를 증가시키는 것은, 전위가 서로 교차하기 쉽기 때문에 이동을 방해하고, "조그(jog)"를 형성한다. 항복을 위한 매커니즘이 방해되기 때문에, 용접된 시임의 항복 강도는 증가된다. 일 실시예에서, 용접된 시임은 시임의 두께를 감소시키기 위해 시임을 플래니싱함으로써 가공 경화된다. 플래니싱된 시임은 약 20% 내지 약 60%만큼, 다르게는 약 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55 또는 60 %만큼, 두께가 감소될 수도 있다. 일 실시예에서, 시임은 용접 비드가 기재와 유사한(예컨대, 대략 동일하거나 실질적으로 동일한) 두께를 갖도록 플래니싱된다.
용접된 시임 또는 전체 구조체는 기재와 유사한(예컨대, 대략 동일하거나 실질적으로 동일한) 입도로 용접된 시임 내의 입도를 감소시키기 위해, 열 처리 또는 어닐링 공정으로 처리된다(240). 일 실시예에서, 용접된 시임 내의 평균 입자 크기는 기재 내의 평균 입자 크기로부터 10% 이하만큼 벗어난다. 이론으로 제한되도록 의도되지 않으면서, 입도의 감소는 항복하게 하는 전위의 이동을 고정하여(pin) 항복 강도가 증가하는, 보다 큰 결정입계(grain boundary)의 결과를 가져온다. 그리고, 재료를 파괴하도록 요구되는 응력의 양이 입도에 반비례하기 때문에, 재료의 최대 인장 강도는 열 처리 공정에 의해 증가된다. 열 처리 공정(240)의 완료 시에, 용접 비드는 기재의 강도와 동일하거나 초과할 수도 있다. 예컨대, 용접 비드 및 기재 양자 모두는 본원에 기재된 ASTM 명세서와 같은 적용 가능한 명세서에 기재된 최소 인장 강도를 초과할 수도 있다.
일 실시예에서, 용접된 시임 또는 시임 영역, 또는 그의 조합을 재결정화하도록 연성 습성을 허용하는 균일한 입자 구조를 달성하기 위해, 용접된 시임 자체는 국부 가열되거나, 전체 구조체는 입도를 정제하는데 효과적인 조건 하에서 가열된다. 적절한 열 처리 조건은 용접된 시임 및/또는 시임 영역이 이러한 변화(예컨대, 재결정화, 입도 정제/균일성 등)를 겪게 하는데 충분하거나 효과적인 시간과 온도로 용접된 시임 및/또는 전체 구조체를 가열하는 것을 포함한다. 실시예에서, 용접된 시임 및/또는 전체 구조체는 이러한 변화(예컨대, 재결정화, 입도 정제/균일성 등)를 겪는데 충분하거나 효과적인 시간 동안 760 ℃ 내지 870 ℃(1400 ℉ 내지 1600 ℉)로 가열된다. 용접된 시임 또는 전체 구조체는 다중 열 처리 사이클의 적용을 받을 수도 있다.
열 처리 시에, 시임 또는 전체 구조체는 필요에 따라 블라스팅(blasting), 클리닝(cleaning) 및 피클링(pickling)을 포함하는 다양한 중간 및/또는 마감 가공 기술의 적용을 받을 수도 있다. 예컨대, 몇몇 경우에, 용접을 초음파로 검사하는 것이 바람직할 수도 있다. 마찬가지로, 몇몇 경우에, 구조체는 산화물 침전물(oxide deposit)을 제거하기 위해 블라스팅 또는 화학적 피클링될 수도 있다. 코팅은 제조된 구조체에 선택적으로 적용될 수도 있다.
완료된 용접된 시임이 기재와 유사한 조성물 및 입자 구조를 갖기 때문에, 공정은 표준 용접 기술을 이용하여 대략 균일한 기계적 강도 및 열팽창 계수를 갖는 구조체를 생성한다. 구조체의 기계적 강도는 항복 강도, 최대 인장 강도 및 인성(toughness)으로 측정된 바와 같이, 극저온 조건 하에서 작동하기에 충분하여야 한다.
최대 인장 강도는 전체가 본원에 참조로서 포함되는 ASTM 스탠다드 E8-04, "금속 재료의 인장 시험을 위한 표준 시험 방법"에 기재된 바와 같은 표준 인장 시험 기술에 의해 측정될 수 있다. 실시예에서, 구조체의 용접된 시임 및 기재 양자 모두는, 실온에서 58 ksi 이상이거나, 다르게는 60 ksi 이상이거나, 다르게는 65 ksi 이상인 최대 인장 강도를 갖는다.
항복 강도는 ASTM 스탠다드 E8-04, "금속 재료의 인장 시험을 위한 표준 시험 방법"에 기재된 바와 같은 표준 인장 시험에 의해 측정될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 구조체의 용접된 시임 및 기재 양자 모두는, 실온에서 30 ksi 이상이거나, 다르게는 33.33 ksi 이상이거나, 다르게는 35 ksi 이상인 항복 강도를 갖는다.
본 발명은 산업 공정에 사용하기 위한 임의의 구조체, 예컨대 극저온 조건 하에서 작동하는 것과 같은 낮은 CTE를 요구하는 구조체를 제조하는데 이용될 수 있다. 특히, 본 발명은 질소, 산소, 헬륨, 수소, 네온, 플루오르, 아르곤, 메탄, 공기, 프로판 (LP) 및 천연 가스(LNG)를 포함하지만 이에 제한되지 않는 액화 가스의 저장, 수송 및 이송을 위한 구조체를 제조하는데 적합하다. 일 실시예에서, 본원에 기재된 바와 같은 구조체는 LNG 공정에 사용될 수도 있다. 적절한 가스 액화 처리 및 관련 장비 및 구조체의 일례들은 미국 특허출원공개공보 제20030005698호와, 미국 특허 제7,074,322호; 제7,047,764호; 제7,127,914호; 제6,722,157호; 제6,658,8921 6,647,744호; 6,250,105호; 제6,158,240호; 제6,125,653호; 제6,070,429호; 제6,023,942호; 제5,724,833호; 제5,651,270호; 제5,600,969호; 제5,611,216호; 제5,473,900호; 제4,698,080호; 제4,548,629호; 제4,430,103호; 제4,225,329호; 제4,195,979호; 및 제4,172,7111호에 개시되어 있고, 이들 각각은 전체가 본원에 참조로 포함된다.
본 발명을 사용하여 수행될 수도 있는 구조체는, 오목하거나 타원형이거나 편평한 단부를 갖는 구형 또는 원통형과 같이 저장 탱크에 통상 사용되는 기하학적 구조, 또는 관 형상 조인트 또는 엘보우(elbow) 조인트와 같이 파이핑에 통상 사용되는 기하학적 구조를 포함한다. 이러한 파이프 및 저장 탱크는 플랫폼, 도크(dock) 및 탱커 쉽(tanker ship)과 같은 해양 설비를 포함하는, 육상 또는 해상에 있는 액화, 이송, 저장 또는 재기화(regasification) 설비에 사용될 수도 있다. 선택된 임의의 구조체에서, 구조체는 원하는 벽 두께, 길이 및 시임 영역을 포함하는 것으로 이해된다. 본 발명은 파이프의 제조에 특히 적합하고, 관 형상은 플레이트로부터 용이하게 형성되고, 용이하게 플래니싱될 수 있는 선형 시임을 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예가 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 기술사상 또는 교시를 벗어나지 않으면서 당해 기술분야의 숙련자에 의해 그의 변형이 이루어질 수 있다. 본원에 기재된 실시예는 단지 예시적이고, 제한적이지 않다. 시스템 및 장치의 많은 변경 및 변형이 가능하고, 본 발명의 범위 내에 있도록 의도된다. 예컨대, 본 발명은 임의의 특정 기하학 구조에 제한되도록 의도되지 않고, 극저온 조건 하에서 작동하는 임의의 구조체를 제조하는데 사용될 수도 있다. 이에 따라, 보호 범위는 본원에 설명된 실시예로 제한되지 않지만, 후속되는 청구항에 의해 단지 제한되며, 그의 범위는 청구항의 청구요지의 모든 등가물을 포함한다. 특히, 순서가 명시적으로 상술되지 않는다면, 청구항에서의 단계의 상술은, 단계가 임의의 특정 순서로 수행되거나, 임의의 단계가 또 다른 단계의 시작 전에 완료되어야 하는 것을 요구하도록 의도되지 않는다.

Claims (20)

  1. 구조체를 용접하는 방법이며,
    원하는 벽 두께, 길이 및 시임 영역을 갖고 36% Ni-Fe 합금 기재로부터 제조되는 구조체를 형성하는 단계와,
    잉여 용접 보강부가 시임 영역에서 용접 비드의 일부로서 남도록, 36% Ni-Fe 합금 충전재로 시임 영역을 따라 구조체를 용접하는 단계와,
    시임 영역에서의 두께가 감소되도록, 용접 비드를 냉간 가공하는 단계와,
    시임 영역이 기재와 대략 동일하거나 기재보다 큰 최대 인장 강도를 갖거나, 기재와 대략 동일하거나 기재보다 큰 항복 강도를 갖거나, 기재와 대략 동일하거나 기재보다 큰 최대 인장 강도 및 항복 강도 양자 모두를 갖도록 할 수 있는 조건 하에서, 시임 영역을 열 처리하는 단계를 포함하는
    구조체 용접 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    시임 영역 및 기재는 58 ksi 이상의 최대 인장 강도를 갖는
    구조체 용접 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    시임 영역 및 기재는 30 ksi 이상의 항복 강도를 갖는
    구조체 용접 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    열팽창 계수는 기재 및 시임 영역에서 대략 동일한
    구조체 용접 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    입도가 기재 및 시임 영역에서 대략 동일한
    구조체 용접 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    시임 영역을 재결정화할 수 있는 시간 동안에, 약 760 ℃ 내지 약 870 ℃(약 1400 ℉ 내지 약 1600℉)의 범위의 온도에서 열 처리가 수행되는
    구조체 용접 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    시임 영역에서의 두께는 냉간 가공 후에 약 20% 내지 약 80%의 범위로 감소되는
    구조체 용접 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    시임 영역에서의 두께는 냉간 가공 후에 구조체의 원하는 벽 두께와 실질적으로 동일한
    구조체 용접 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    용접하는 단계는 텅스텐 불활성 가스 용접을 사용하여 수행되는
    구조체 용접 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    시임 영역은 단일-V 준비 조인트로부터 형성되는
    구조체 용접 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    구조체를 형성하는 단계는 시임 영역을 형성하도록 플레이트를 형상화하는 단계를 더 포함하는
    구조체 용접 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    구조체는 극저온 서비스를 위한 파이프 또는 저장 탱크인
    구조체 용접 방법.
  13. 구조체를 용접하는 방법이며,
    원하는 벽 두께, 길이 및 시임 영역을 갖고 36% Ni-Fe 합금 기재로부터 제조되는 구조체를 형성하는 단계와,
    잉여 용접 보강부가 시임 영역에서 용접 비드의 일부로서 남도록, 36% Ni-Fe 합금 충전 재료로 시임 영역을 따라 구조체를 용접하는 단계와,
    시임 영역에서의 두께가 감소되도록, 용접 비드를 냉간 가공하는 단계와,
    시임 영역이 재결정화되게 할 수 있는 조건 하에서 시임 영역을 열 처리하는 단계를 포함하는
    구조체 용접 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    재결정화할 때, 시임 영역 및 기재는 대략 동일한 입도를 갖는
    구조체 용접 방법.
  15. 1개 이상의 용접된 시임 영역을 갖는 구조체이며,
    구조체 및 용접된 시임 영역은 36% Ni-Fe로부터 제조되고, 대략 동일한 열팽창 계수를 갖는
    용접된 시임 영역을 갖는 구조체.
  16. 제15항에 있어서,
    구조체 및 용접된 시임 영역은 58 ksi 이상의 최대 인장 강도를 갖거나, 30 ksi 이상의 항복 강도를 갖거나, 58 ksi 이상의 최대 인장 강도 및 30 ksi 이상의 항복 강도를 갖는
    용접된 시임 영역을 갖는 구조체.
  17. 제15항에 있어서,
    구조체는 극저온 조건에서의 서비스를 위한 파이프 또는 저장 탱크를 포함하는
    용접된 시임 영역을 갖는 구조체.
  18. 1개 이상의 용접된 시임 영역을 갖는 구조체이며,
    구조체 및 용접된 시임 영역은 36% Ni-Fe 합금으로부터 제조되고, 대략 동일 입도를 갖는
    용접된 시임 영역을 갖는 구조체.
  19. 제18항에 있어서,
    구조체 및 용접된 시임 영역은 대략 동일한 열팽창 계수를 갖는
    용접된 시임 영역을 갖는 구조체.
  20. 1개 이상의 용접된 시임 영역을 갖는 구조체이며,
    구조체 및 용접된 시임 영역은 36% Ni-Fe 합금으로부터 제조되고, 58 ksi 이상의 최대 인장 강도를 갖거나, 30 ksi 이상의 항복 강도를 갖거나, 58 ksi 이상의 최대 인장 강도 및 30 ksi 이상의 항복 강도를 갖는
    용접된 시임 영역을 갖는 구조체.
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