KR20110022613A

KR20110022613A - 대형 강관의 제조 방법

Info

Publication number: KR20110022613A
Application number: KR1020107028504A
Authority: KR
Inventors: 요헴 바이젤; 틸로 라이켈
Original assignee: 아이젠바우 크레이머 게엠베하
Priority date: 2008-06-06
Filing date: 2009-05-28
Publication date: 2011-03-07
Also published as: AU2009254199A8; CN102056687B; RU2456108C1; CA2726132C; CA2726132A1; AU2009254199B2; BRPI0915529A2; WO2009146838A8; UA103024C2; WO2009146838A1; AU2009254199A1; CN102056687A; JP2011521790A; DK2285507T3; ATE523271T1; EP2285507A1; JP5361996B2; PT2285507E; US9156074B2; EP2285507B1

Abstract

본 발명은 강판(4)을 벤딩 공정(a)으로 원형 단면을 갖는 관체로 형성하고, 후속의 용접 공정(b)에서 서로 대향하는 종방향 엣지를 따라서 용접하여 연속적인 이음매를 만들고, 응력완화 처리를 하는 강관 제조 방법에 관한 것이다. 압축에 의해 냉간 성형을 행하면서 종축선에 대하여 적어도 일부에서 원주를 따라서 동심상태에서 정확히 조정하는 공정(c)에서 응력 완화 처리가 실시되므로 제조시간을 줄이면서도 생산 품질이 향상된다 (도 1). 따라서 재료의 기계적 기술적 특성들도 향상된다.

Description

대형 강관의 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING A LARGE STEEL TUBE}

본 발명은 금속판이나 코일을 벤딩 공정으로 원형 단면의 관체로 형성하고, 후속의 용접 공정에서 서로 대향하는 종방향 엣지를 따라서 용접하여 하나의 연속적인 이음매를 만들고, 응력완화 처리를 하는 강관 제조 방법에 관한 것이다.

이런 유형의 한 가지 방법은 독일 특허공보 DE 10 2006 010 040 B3에 설명되어있다. 이 공지의 방법에서, 관은 동심상태의 교정(straightening)을 위해 원주방향으로 이격되어 축방향에서 동일 위치에 위치한 다수의 용접 장치에 의해 외주로부터 교정기에 의해 압축되며, 용접장치는 관의 외측 단면의 형상에 맞는 교정 쉘을 갖는다. 교정 쉘은 예를 들어 유압방식으로, 개별적으로 또는 서로 독립적으로 구동될 수 있으며, 이 작동은 개루프 제어 또는 폐루프 제어에 의해 이루어진다. 폐루프 제어 축선을 통해 교정 쉘을 갖는 교정 실린더는 관의 외형이 원형이 될 때까지 관을 교정할 수 있으며, 직경 및/또는 타원에 대하여 교정이 이루어진다. 최초 수축에 필요한 것에 의해 이 재료를 신장한계를 넘어서 업셋시키는 것도 가능하다.

유럽특허공보 EP 0 438 205 A2는 신장된 가공대상물의 단부를 교정하기 위한 방법 및 장치를 보여준다. 정지상태에서의 가공대상물에서, 단부 영역에서 보여지는 적어도 하나의 단면은 교대로 증가 및 감소하는 휨 응력을 받으며, 소정의 최대 처짐이 한번 또는 다수회 가공대상물 주위로 확장된다. 교대로 증가 및 감소하는 휨응력은 그 단면이 소성 범위로 변형될 정도로 선택된다. 가공대상물을 가공대상물의 탄성한계를 넘어서 일정 궤도로 굴절시키기 위한 수단은 반경방향으로 움직일 수 있고 공통축선을 중심으로 대칭상으로 배치된 적어도 3개의 태핏을 갖는데, 이 태핏(tappet)들은 각각 주행 및 시간에 의존하여 제어될 수 있는 피스톤-실린더 유니트에 연결되며, 피스톤-실린더 유니트가 서로 제어하에 연결되는 결과로서 태핏들은 교정 공정중에 위상옵셋 방식(phase-offset fashion)으로 정현파곡선으로 왕복동작을 실행한다. 이 경우, 교정은 진원도 또는 타원도에 대하여 이루어지지 않으며, 대신에 굴곡된 단부의 직선도의 편차의 교정이 이루어진다, 즉 종방향 교정이 이루어진다.

프랑스 특허공보 FR 737 123 A에 도시된 관 교정기에서, 이들 관도 역시 구체적으로 따뜻한 상태에서 길이방향으로 교정된다. 여기서, 두 개의 반대측 교정 요소는 그 사이에 관을 수용하며 구동부를 갖는 레버기구에 의해 서로에 대하여 가압될 수 있는 것으로서, 관의 전장에 걸쳐서 연장된다. 교정 요소들은 예를 들어 관의 직경에 따라서 둥글게 되어 있으며, 교정 요소의 내측부는 교체 가능하다. 교정 공정 전에 이들 관은 적열 상태로 가열되어 배출된다. 이렇게 실시되는 종방향 교정 후에, 관들은 이젝터에 의해 냉각장치로 운반된다. 특히 이런 대책에 의해 대형 강관을 교정시키는 것은 복잡하며, 동심상태에서의 교정에 대한 문제점 및 해결책은 이 참고문헌에서 발견되지 않는다.

독일특허공보 DE 196 02 920 A1에서, 관, 특히 대형 관을 제조하는 방법이 개시되어 있는데, 여기서 관들은 내측 및 외측에서의 시임 용접 후에 냉간 확장(widening(expansion))에 의해 측정 및 교정된다.

독일특허공보 DE 41 24 689 A1은 역시 관을 확장시킴으로써 용접된 압출관의 종방향 이음매에서 형상오차를 제거하고 좋지 않은 고유 응력을 감소시키는 방법 및 장치를 도시하는데, 이를 위해서 내측면에 위치하는 확장용 맨드렐이 이용된다. 압출관의 확장은 원주방향으로 존재하는 고유 응력이 가능한 많이 감소되도록 하는 정도까지 이루어진다.

관을 교정함에 있어서, 관체상의 국부적인 타원형상 같은 관 형상에서의 불균일성이 재료의 국부적인 성형에 의해 교정된다. 응력은 관 쟈켓, 구체적으로 관 원주를 통하여 균일하게 감소되지 않는다. 대신에, 공지의 국부 타원형상 교정에 의해 재료에서 추가의 정의되지 않은 응력이 발생한다. 교정에 의해 이런 방식으로 비교적 큰 노력으로 목표 직경을 정할 수 있지만, 그럼에도 불구하고 특히 관의 원주에 걸쳐 재료의 균일한 업셋팅 강도가 얻어지지 않는다.

이 확장법에서, 공구는 관의 내측에 균일한 힘을 발생시키고, 동심상태의 교정에서 이 공구는 재료를 원형으로 균일하게 만든다. 그러나 이 작업에서 관체에는 바람직하지 못한 응력 상태가 발생할 수 있으며, 그 결과 업셋팅 강도 및 관로의 붕괴에 대한 저항이 감소될 수 있다. 피복관(소위 클라드관)에서, 재료의 손상도 발생할 수 있으므로, 이런 관들은 종종 이 방법으로 측정할 수 없다. 이런 부작용은 확장정도가 증가함에 따라서 더욱 증폭될 수 있다.

본 발명의 목적은 가능한 가장 정확한 동심상태의 교정과 가능한 가장 짧은 제조시간으로 대형 강관을 제조하는 방법을 제공하는 것과, 이에 따라서 구현되어 재료의 기계적-기술적 성질도 개선된 관을 제공하는 것이다.

상기 목적은 청구항 1 및 6의 특징에 의해 달성된다. 청구항 1의 전제부의 특징을 갖는 방법에 있어서, 동심상태 교정 단계에서 관의 종축선에 대하여 적어도 일부의 원주를 따라서 업셋팅함에 의한 냉간성형으로 응력 완화 처리가 실시된다.

전술한 조합의 대책에 의해, 목표 직경이 적절히 정해질 수 있을 뿐만 아니라 동심상태 교정의 공정에서 응력 완화 처리도 행해진다. 이런 방식으로 재료의 균일한 소성 변형에 의해 단시간에 관의 허용오차 특히 타원형상이 개량될 뿐만 아니라 관체의 고유 응력 성능도 마찬가지로 향상된다. 기본 재료에서 시트 금속을 기계적으로 성형함에 의해 발생되는 응력이 감소될 뿐만 아니라, 관을 제조하는데 형성된 시트 금속 재료의 종방향 시임 용접에 의해 야기되는 열적으로 생성된 응력도 마찬가지로 감소된다. 전체적으로 이 방법에 의해 관의 기계적-기술적 특성들, 즉 예를 들어 업셋팅 강도 및 붕괴 저항이 향상된다. 연구 및 개발 작업과 관련된 계산들이 증명됨으로써, 복잡한 열처리(예를 들어 대략 600℃에서의 저응력 애닐링)를 필요로 하지 않으면서 수축 정도에 따라서 수축 후의 고유 응력 성능이 최소치까지 감소되고 실질적으로 완전한 응력 감소가 가능하게 되며, 열처리로부터 방생하는 이점들을 피할 수 있다. 관의 외표면에 걸쳐 균일한 업셋팅을 하기 때문에, 제조 공정에서 발생되는 고유 응력이 기본재료 및 용접된 이음매에서 종방향 및 원주 방향으로 감소한다. 본 발명자들이 행한 실험의 결과, 그 향상에 대한 한 가지 이유는 잔류 응력 상태가 반전되고, 즉 수축 후에 관의 내측에 인장 응력이 존재하고 관의 외측에 압축 응력이 존재하기 때문이라는 것이 명백하다. 그 결과, 내부 재료의 부식 특성의 감소가 없어진다. 피복 재료, 예를 들어 알로이 625에서, 부식 저항은 내부 잔류 응력으로부터 더욱 향상된다.

동심상태의 교정 및 응력 완화를 위한 한 가지 유리한 대책은 동심상태 교정에서 관체의 소성 변형이 전체 원주에 걸쳐서 행해지는 것이다.

정확한 동심상태의 교정에 대한 다른 유리한 특징들은 동심상태의 교정에서 소정의 관 외경 또는 소정의 관 내경까지 조정이 행해지는 것이다.

관체의 고유 응력 성능을 향상시키는데 기여하는 또 다른 것은 응력 완화를 위한 동심상태의 교정에서 원주방향으로의 업셋팅과 유압방식 응력 완화(예를 들어 하이드로테스터(hydrotester)에 의함)가 서로 조합되는 것이다. 수축 및 유압방식 응력 완화는 역시 교대로 제어방식으로 다수 회 실시될 수 있다.

동심상태의 교정 및 응력 완화 공정들은 동심상태의 교정 및 응력 완화가 원주방향으로 이격되어 반경방향 외측으로부터 관 축선 쪽으로 가압하며 일부분이 관의 원주 형상에 맞추어진 교정 쉘을 갖는 적어도 두 개, 특히 적어도 세 개의 용접장치에 의해 실시된다는 사실에 의해 더욱 향상된다.

유리한 특성을 갖는 관은 전술한 과정 중의 하나에 의해 제조함에 의해 얻어진다.

이하 본 발명을 도면을 참조하는 예시적인 실시 형태에 대하여 설명할 것이다. 도면에서:
도 1은 동심상태 교정기 속에 배치된 관을 개략단면도로 도시하며;
도 2는 관을 제조하는 단계들의 개략도이다.

축방향 평면도의 도 1은 내측 반경(r_i)과 외측 반경(r_a)을 가지며, 그 반경 사이의 차이가 벽두께(t)를 규정하는 원형 단면의 관(1)을 보여준다. 관(1)은 종방향으로 연장되는 용접 이음매(2)를 갖는다. 관 벽에는 한편으로는 기계적 성형 공정의 결과로서 다른 한편으로는 용접의 열 영향의 결과로서 기계적 및 열적 응력 영역(3, 3')이 존재한다.

교정기 또는 교정장치(10)는 원주방향으로 균일하게 분포되어 축방향에서 동일한 위치에 배치된 다수의 용접 장치를 갖는데, 각각은 각각의 교정 쉘(11, 12, 13, 14)을 구비하며, 이들 교정 쉘은 각각 그 자신의 홀더(15)에 교체 가능하게 장착되며 관(1)측으로의 측면에는 관(1)의 표면 형상에 맞추어진 표면 형태가 구비되며, 그 표면은 관 표면을 따라서 원주방향으로 연장되므로, 모든 교정 쉘이 접촉할 때 관 표면은 주로 원주방향으로 둘러싸여 진다. 역으로 축방향에서는 교정 쉘(11, 12, 13, 14)이 관(1)의 짧은 부분에만 걸쳐서 연장되며, 교정 쉘(11, 12, 13, 14)를 포함하는 다수의 이런 유니트들이 그 외면에 걸쳐 관(1)의 종방향으로 배치될 수 있다. 교체 가능성 때문에, 다른 관 직경에 맞추어진 교정 쉘이 쉽게 삽입되거나 교환될 수 있다. 교정 쉘(11, 12, 13, 14)의 홀더(15)는 조정 장치(20)에 의한 개방 또는 폐쇄제어에 의해 관체의 업셋팅 및 반대 방향으로의 유압 응력 완화를 달성하기 위해 지지체(16) 내에 관(1)의 중심쪽으로 향하는 반경 방향으로 폐 루프 제어 축선(17)을 따라서 유압방식으로 조정된다. 소정의 내경 또는 외경으로의 교정이 이루어질 수 있으며, 절대 위치는 조정 장치를 통해서 미리 결정될 수 있다.

도 2는 관(1)의 제조에서 필수적인 단계, 즉 성형 공정(a)을 보여주는데, 여기서 시트금속판(4)은 시트금속판(4)이 진행함에 따라서 성형 공구에 의한 성형 장치(30)에 의해 서서히 굴곡부(1.1)로 성형되고 최종적으로는 사방으로 굽어진 관체(1.2)로 성형된다. 다음으로, 관체(1.2)는 용접을 위해 미리 준비된 서로 대향하는 가장자리가 용접 장치(40) 내의 종방향 용접 이음매에 의해 용접 공정(b)에서 밀폐된다. 이 성형 공정 및 용접 공정의 결과로서, 전술한 바와 같이 기계적 및 열적 응력 영역(3, 3')이 생긴다. 다음으로, 아마도 또 다른 처리 및/또는 감시 단계가 실시된 후, 관(1)의 동심상태 교정에 의해 교정 공정(c)이 행해지는데, 여기서 동시에 응력 완화 처리도 이루어진다. 이 응력 완화 처리는 후속의 단계(d)에서 예를 들어 하이드로테스터(hydrotester)에 의한 정수압 응력 완화와 추가적으로 조합될 수 있는데, 여기서 관의 내부의 압력 매체에 의해 내측 관표면에 작용하는 외측방향의 압력(P)이 발생한다.

대형 관, 즉 특히 벽두께가 t ≥9mm이고 직경이 d ≥300mm, 예를 들어 t=80mm, d=200mm의 대형 관에 있어서, 원주에 걸친 균일한 측정에 의한 동심상태의 교정은 서두에서 언급한 DE 10 2006 010 040 B3에도 도시된 유형의 전술한 교정기에 의해 성공적인데, 이 교정기에 의해 원주방향으로의 재료의 업셋팅과 높은 공차요구를 갖는 동심상태의 교정이 달성되며, 연신 한계를 초월하는 업세팅이 가능하다. 동심상태의 교정에서의 소성 변형에 의해, 전체적으로 원주에 걸쳐서 기계적 및 열적 응력 영역(3, 3')의 응력 완화가 동시에 이루어질 수 있다. 그 결과, 추가의 열처리 없이 관체의 고유 응력 성능이 뛰어나게 향상되며, 동시에 열처리, 예를 들어 저응력 애닐링의 결과로서 발생할 수 있는 이런 유형의 나쁜 영향을 피할 수 있다. 따라서, 시트금속 재료의 성형에 의해 기계적으로 야기된 응력이 감소될 뿐만 아니라, 종방향 시임용접에 의해 야기되는 열에 의해 발생된 응력도 감소되며, 전체 관 원주에 걸쳐서 관체(1.2)의 소성 변형이 일어난다. 응력완화 처리에 의해 동심상태 교정은 냉간 성형에 의해 이루어진다.

조정 장치(20)를 통한 개루프 제어 또는 폐루프 제어에 의한 수축 및 유압 응력 완화의 조합에 의해, 응력 완화 공정이 목적하는 방식으로 변화될 수 있다. 동시에, 관의 외경 또는 관의 내경이 목표 방식으로 소정의 값으로 조정될 수 있다. 이 방법에 의해, 원재료의 강도 및 열팽창계수 같은 기계적-기술적 특성들이 목표로 하는 방식으로 유리하게 얻어질 수 있다. 게다가, 관의 붕괴 성능 및 피로 변형하에서의 특성이 개선된다. 종래의 제조 공정에서보다 높은 관 공차를 갖는 전체적으로 고품질이고 실질적으로 응력이 없는 관이 아주 짧은 시간에 제조될 수 있다. 계산에 의한 연구 및 개발 작업에서 증명된 바와 같이, 수축 정도에 따라서 수축후의 고유 응력 성능이 최소치까지 감소될 수 있으며, 응력을 완전히 감소시키는 것도 가능하다.

Claims

금속 시트나 코일을 벤딩 공정으로 원형 단면의 관체(1.2)로 형성하고, 후속의 용접 공정(b)에서 서로 대향하는 종방향 가장자리를 따라서 용접하여 하나의 연속적인 이음매를 만들고, 응력 완화 처리를 하는 강관의 제조 방법에 있어서,
상기 응력 완화 처리는 업셋팅에 의한 냉간성형에 의해 종축선에 대하여 적어도 일부를 원주를 따라서 동심상태의 교정(c) 작업하여 실시되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 동심상태 교정에서, 관체의 소성변형은 전체 원주에 걸쳐서 실시되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 동심상태 교정에 있어서, 소정의 관 외경(r_a) 또는 소정의 관 내경(r_i)으로의 조정이 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중의 한 항에 있어서,
상기 동심상태 교정에 있어서, 응력 완화를 위해, 원주방향으로의 업셋팅과 유압방식 응력 완화가 서로 조합되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중의 한 항에 있어서,
상기 동시상태 교정 및 응력 완화는 원주방향으로 이격되어 있고 반경 방향 외측으로부터 관 축선쪽으로 가압하며, 일부가 관(1)의 원주 형상에 맞추어진 교정 쉘(11, 12, 13, 14)을 갖는 적어도 두 개 특히 적어도 세 개의 용접 장치에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중의 한 항의 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 관.