KR20120046665A - 바이메탈 튜브의 제조 - Google Patents

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KR20120046665A
KR20120046665A KR1020110012914A KR20110012914A KR20120046665A KR 20120046665 A KR20120046665 A KR 20120046665A KR 1020110012914 A KR1020110012914 A KR 1020110012914A KR 20110012914 A KR20110012914 A KR 20110012914A KR 20120046665 A KR20120046665 A KR 20120046665A
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아우구스트-빌헬름 쉐퍼
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아베에스 쉐퍼 테크놀로기 게엠베하
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Abstract

본 발명은 바이메탈 튜브의 제조 방법으로서 다음 단계를 특징으로 하는 제조 방법에 관한 것이다. 외측 튜브로의 내측 튜브의 삽입 단계, 이와 관련하여 외측 튜브가 특정한 직경 추가분만큼 내측 튜브의 외경보다 약간 더 큰 내경을 가지며, 양측 튜브가 양측 단부에서 일직선 상으로 정렬되고, 양측 튜브 단부의 밀폐 단계, 양측 단부 밀폐부 중 적어도 하나를, 압력 하에서 내측 튜브의 내부로 유압액을 주입시키는 유압 시스템과 연결하는 단계, 내측 튜브 및 외측 튜브를 확장시키는 유압 압력을 내측 튜브에 과급하는 단계, 이와 관련하여 내측 튜브의 확장 소성 변형 뿐만 아니라 외측 튜브의 확장 탄성 변형도 동시에 나타나도록 직경 추가분 및 압력이 선택되며, 내측 튜브 직경부의 소성 확장이 외측 튜브의 탄성 복원력에 직경 추가분을 더한 것보다 크고, 압력 과급 전에 직경 추가분에 의해 열린 상태였던 사이 공간이 소개되고 과급된 압력 하에서 사라지며, 외측 튜브가 탄성에 의해 내측 튜브로 다시 복원되고 억지 끼워맞춤식 수축이음이 발생하는 튜브의 이완 단계, 유압액의 제거, 유압 시스템의 양측 단부 밀폐부 제거 및 양측 튜브 단부의 개방. 또한 본 발명은 방법의 실시를 위한 기계 및 제조된 바이메탈 튜브의 사용에 관한 것이다.

Description

바이메탈 튜브의 제조{MANUFACTURING OF A BIMETAL TUBE}
본 발명은 다양한 재질의 나란히 삽입된 형태의 튜브의 제조를 위한 방법 및 장치로서, 나란히 삽입된 형태의 튜브가 상호 결합되고 하나의 유닛을 형성한다. 이러한 유형의 튜브는 예를 들어 상수관로에 사용되며, 외측 튜브는 일반 탄소강으로 이루어질 수 있고 그 안으로 얇은 스테인리스 스틸 튜브가 삽입된다. 본 발명에 따른 이러한 유형의 결합에서 얻어진 바이메탈 튜브는 바람직하게도 특히 낮은 제조 비용으로 내부 부식방지가 필요한 분야에 사용할 수 있다.
튜브의 결합 및 나란히 삽입하는 방법 및 장치는 종래 기술에 해당한다. 예를 들어 유럽 특허 공보 EP 377 390 B1은 모관이 가열되는 방식으로 바이메탈 튜브가 제조되는 방법을 설명한다. 서로 다른 팽창률로 인해 냉각 시 수축이음이 형성된다. 다른 방법에서는 튜브는 경납땜을 통해 결합된다. 하지만 가열 및 첨가제가 모든 튜브 결합에서 허용되는 것은 아니다.
따라서 본 발명의 목적은 모관의 가열이 불필요할 뿐만 아니라 결합 첨가제도 사용되지 않는 경제적인 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 다음의 공정단계를 통해 달성된다:
- 외측 튜브로의 내측 튜브의 삽입 단계,
- 이와 관련하여 외측 튜브가 특정한 직경 추가분만큼 내측 튜브의 외경보다 약간 더 큰 내경을 가지며,
- 양측 튜브가 양측 단부에서 일직선 상으로 정렬되고,
- 양측 튜브 단부의 밀폐 단계,
- 양측 단부 밀폐부 중 적어도 하나를, 압력 하에서 내측 튜브의 내부로 유압액을 주입시키는 유압 시스템과 연결하는 단계,
- 내측 튜브 및 외측 튜브를 확장시키는 유압 압력을 내측 튜브에 과급하는 단계,
- 이와 관련하여 내측 튜브의 확장 소성 변형 뿐만 아니라 외측 튜브의 확장 탄성 변형도 동시에 나타나도록 직경 추가분 및 압력이 선택되며,
- 내측 튜브 직경부의 소성 확장이 외측 튜브의 탄성 복원력에 직경 추가분을 더한 것보다 크고,
- 압력 과급 전에 직경 추가분에 의해 열린 상태였던 사이 공간이 소개되고 과급된 압력 하에서 사라지며,
- 외측 튜브가 탄성에 의해 내측 튜브로 다시 복원되고 억지 끼워맞춤식 수축이음이 발생하는 튜브의 이완 단계,
- 유압액의 제거, 유압 시스템의 양측 단부 밀폐부 제거 및 양측 튜브 단부의 개방.
바람직하게도 유압액으로는 물이 사용된다. 유입된 공기를 위한 다른 연결부가 제공되어야 한다.
압력 과급 시 힘은 내측 튜브를 통해 외측 튜브로 직접 전달되며 유압액을 통해 전달되지 않는다. 따라서 한편으로는 압력 과급 중에 양측 튜브 사이의 공기가 전부 배기될 수 있어야 하고 에어 포켓이 남지 않아야 한다는 점에 유의해야 한다. 그렇지 않을 경우에는 이러한 위치에서 규정에 따른 변형 및 이로써 원하는 억지 끼워맞춤이 달성되지 않을 것이다. 다른 한편으로는 내측 튜브의 내부에서 유압액이 내측 튜브와 외측 튜브 사이의 틈새로 도달할 수 없어야 한다는 점에 유의해야 한다. 따라서 이러한 유형의 바이메탈 튜브의 제조에는 고전적 방식의 유압 및 기계적 압착이 적합하지 않다.
따라서 본 발명의 다른 목적은 개별 공정단계를 신뢰성 있게 그리고 경제적으로 수행할 수 있는 상응하는 특수 기계를 제공하는 것이다.
예를 들어 유럽 특허 공보 EP 1 243 353 B1에 설명되는 클램핑 유닛이 툴(tool)로서 사용되는데, 여기에서 그 모듈식 구조는 큰 이점으로 작용한다. 이 특허에 설명된 고정장치(유럽 특허 공보 EP 1 243 353 B1의 도 1의 번호 16 및 20)에는 2개의 하프쉘(half shell)로 구성된 툴이 장착되며, 이 툴은 무압력 상태에서 고정장치가 닫힌 후에 외측 튜브를 틈새 없이 감싸며, 내부 압력이 소실되면 정확하게 원하는 팽창량만큼 방사상 및 축방향 대칭적으로 함께 팽창할 수 있다. 이 툴 자체는, 매우 큰 압력을 수용할 수 있고 팽창 시 팽창량을 수용할 수 있는 형상안정적으로 실시된 고정장치에 의해 고정된다.
따라서 본 발명의 목적은 다음을 포함하는 장치를 통해서도 달성된다.
- 닫힌 위치에서 툴 지지판을 각각 측면에서 감싸는 2개의 U자형 클램핑 조(clamping jaw)를 갖는 2개의 상호 이동식 툴 지지판을 구비하며 개방하는 힘을 압박하는 툴을 위한 클램핑 유닛,
- 그 레그는 툴 지지판 방향으로의 동작 시 그리고 툴 지지판을 측방향으로 감쌀 때 경사지게 뻗어 있는 홈 위로 이동이 가능하며,
또한
- 툴 지지판에 완전히 조여진 툴 부분에는 팽창 가능하고 유연한 2개의 하프쉘이 배치되고,
- 이 하프쉘은 닫힌 상태에서 외측 튜브를 틈새 없이 감싸며,
- 액체를 통해 내측 튜브에 압력을 과급하기 위한 장치가 제공되고,
- 클램핑 유닛의 체결력(clamping force)은 내측 튜브의 압력 과급을 위한 장치의 개방력을 수용할 수 있다.
바이메탈 튜브의 제조 과정의 준비는 다음과 같이 진행된다.
- 제1 준비단계에서는 유럽특허 EP 1 243 353 B1에 따른 클램핑 유닛의 튜브 길이에 상응하는 수의 모듈이 사용되며,
- 제2 준비단계에서는 그 내경이 외측 튜브의 외경에 정확하게 일치하는 상응하는 하프쉘이 클램핑 유닛의 고정장치에 장착되고,
- 제3 준비단계에서는 삽입된 내측 튜브와 함께 외측 튜브가 열린 하단 하프쉘에 삽입되며,
- 제4 준비단계에서는 양측 하프쉘이 상단 고정장치의 하강을 통해 닫힌다.
그 후에는 전술된 바와 같이 바이메탈 튜브의 제조 과정이 진행될 수 있다. 이후 바이메탈 튜브의 각 제조 과정에서는 제3 준비단계에서 시작할 수 있다.
유연성의 하프쉘을 통하여, 공기 또는 기타 이물질에 의해 불균일한 팽창이 발생하는 것이 방지된다. 강성의 고정장치를 통해 팽창의 끝점이 정확하게 정의되는데, 이는 외측 튜브의 제조 공차와 관련하여 큰 의미를 가질 수 있다.
본 발명에 따르는 바이메탈 튜브의 제조는 모관의 가열이 불필요할 뿐만 아니라 결합 첨가제도 사용되지 않는 경제적인 방법을 제공하는 효과가 있다.
하기 예시에서 바이메탈 튜브의 제조가 정확하게 설명된다. 결합효과는 응력중첩을 통해 달성되며, 결합력은 결합 전단강도를 특징으로 한다. 본 출원에서는 예시적으로 상수관로용 바이메탈 튜브의 제조 방법이 설명된다. 최소 결합 전단강도는 20,000 PSI 또는 137.9 MPa이다. 그립력(gripping force) 테스트 예시는 다음과 같이 실시되는 잔류압축응력 시험방법을 근거로 한다.
- 2개 내지 4개의 2축 스트레인 게이지(strain gauge)가 코팅 튜브의 좁은 환형 부분에 있는 CRA 코팅의 내측 표면에 부착된다.
- CRA 내측 튜브가 베이스의 미가공 재료에서 제거된다.
- CRA 내측 튜브의 제거 전 및 후에 축방향 팽창과 접선방향 팽창의 전환이 측정된다.
- 그립력(∂y)이 평균값으로서 계산된다.
- 원주방향에서 그립력(∂y)은 다음과 같다
∂y = E/( 1-v2 )
Figure pat00001
(Σεy/
Figure pat00002
+ vΣεx/
Figure pat00003
)
∂y = 그립력
E = 탄성계수
v = CRA 코팅의 포아송비(Poisson's ratio)
Figure pat00004
= 스트레인 게이지의 수
εy = 원주방향 팽창
εx = 길이방향 팽창
IHU(internal high-pressure forming) 성형의 튜브 치수의 선택은 소재 쌍 및 배치에 따라 결정된다. 일반적으로 상수관로에서는 페라이트계 외측 튜브와 오스테나이트계 내측 튜브가 사용된다.
스틸 튜브에서는 외측 튜브의 탄성 팽창이 단지 직경의 0.2%여야 하는데, 그 이유는 그렇지 않을 경우 탄성 팽창이 소성 팽창으로 천이되고 원하는 효과를 달성하는 것이 불가능할 수 있기 때문이다. 따라서 외측 튜브의 팽창은 상응하는 툴을 통해 제한해야 한다. 이 툴은 매우 정밀하게 제조되어야 하고 그 형태는 고압 조건에서도 그대로 유지되어야 하며 틈새 없는 툴 클램핑이 보장되어야 한다.
50 mm의 외측 튜브 직경에서 팽창은 0.1 mm이며 200 mm의 외측 튜브 직경에서는 0.4 mm이다. 이때 국소적 팽창은 튜브의 전체 길이에서 초과되지 않아야 한다. 이를 위해 6 또는 12미터의 튜브 길이에서는 멀티툴 사용이 가능하다.
내측 튜브는 소성화되어야 하며 이를 통해 그 외경은 경량성 외측 튜브 내경보다 약 1 내지 5% 작아야 한다. 내측 튜브는 매우 경미하게만 탄성으로 복원되고 따라서 외측 튜브와 내측 튜브 사이에는 수축응력로도 불리는 접촉응력이 발생한다. 이로 인해 튜브 축방향에서는 양측 튜브 사이에 수축력과 마찰계수의 곱에 해당하며 파단하중으로 불리는 저항이 발생한다.
외측 튜브는 탄성으로 확장되어야 하므로 툴 윤곽은 사용된 튜브보다 최대 0.2%가 크다. 다른 재료의 경우에 전문가는 상응하는 다른 탄성한계를 선택할 것이다. 양측 튜브의 소재 쌍은 임의일 수 있다. 양측 튜브는 탄소강 또는 오스테나이트 또는 그 조합의 재질일 수 있으며 다른 금속 및 합금의 조합일 수도 있다.
생산 가능한 바이메탈 튜브는 다양하게 사용할 수 있다:
- 바이메탈 튜브의 방음 효과가 활용되는 그래뉼의 운반
- 예를 들어 물, 가스 및 오일과 같은 유체의 운반
- 부식 성분의 운반
- 자동차 분야 및 강 구조공학 분야에서 구조관.

Claims (8)

  1. 바이메탈 튜브의 제조 방법으로서 다음 단계를 특징으로 하는 제조 방법
    - 외측 튜브로의 내측 튜브의 삽입 단계,
    - 이와 관련하여 외측 튜브가 특정한 직경 추가분만큼 내측 튜브의 외경보다 약간 더 큰 내경을 가지며,
    - 양측 튜브가 양측 단부에서 일직선 상으로 정렬되고,
    - 양측 튜브 단부의 밀폐 단계,
    - 양측 단부 밀폐부 중 적어도 하나를, 압력 하에서 내측 튜브의 내부로 유압액을 주입시키는 유압 시스템과 연결하는 단계,
    - 내측 튜브 및 외측 튜브를 확장시키는 유압 압력을 내측 튜브에 과급하는 단계,
    - 이와 관련하여 내측 튜브의 확장 소성 변형 뿐만 아니라 외측 튜브의 확장 탄성 변형도 동시에 나타나도록 직경 추가분 및 압력이 선택되며,
    - 내측 튜브 직경부의 소성 확장이 외측 튜브의 탄성 복원력에 직경 추가분을 더한 것보다 크고,
    - 압력 과급 전에 직경 추가분에 의해 열린 상태였던 사이 공간이 소개되고 과급된 압력 하에서 사라지며,
    - 외측 튜브가 탄성에 의해 내측 튜브로 다시 복원되고 억지 끼워맞춤식 수축이음이 발생하는 튜브의 이완 단계,
    - 유압액의 제거, 유압 시스템의 양측 단부 밀폐부 제거 및 양측 튜브 단부의 개방.
  2. 제1항에 있어서,
    - 제1 준비단계에서는 유럽 특허 공보 EP 1 243 353 B1에 따른 클램핑 유닛의 튜브 길이에 상응하는 수의 모듈이 사용되며,
    - 제2 준비단계에서는 그 내경이 외측 튜브의 외경에 정확하게 일치하는 상응하는 하프쉘이 클램핑 유닛의 고정장치에 장착되고,
    - 제3 준비단계에서는 삽입된 내측 튜브와 함께 외측 튜브가 열린 하단 하프쉘에 삽입되며,
    - 제4 준비단계에서는 양측 하프쉘이 상단 고정장치의 하강을 통해 닫히는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 따른 방법으로 제조된 바이메탈 튜브의 그래뉼 운반 용도의 사용.
  4. 제1항 또는 제2항에 따른 방법으로 제조된 바이메탈 튜브의 유체 운반 용도의 사용.
  5. 제1항 또는 제2항에 따른 방법으로 제조된 바이메탈 튜브의 부식 성분 운반 용도의 사용.
  6. 제1항 또는 제2항에 따른 방법으로 제조된 바이메탈 튜브의 구조관 용도의 사용.
  7. 페라이트계 외측 튜브 및 오스테나이트계 내측 튜브를 포함하는 제1항 또는 제2항에 따른 방법으로 제조된 바이메탈 튜브의 상수관로로서의 사용.
  8. 다음을 구비한 바이메탈 튜브 제조 장치로서,
    - 닫힌 위치에서 툴 지지판을 각각 측면에서 감싸는 2개의 U자형 클램핑 조(clamping jaw)를 갖는 2개의 상호 이동식 툴 지지판을 구비하며 개방하는 힘을 압박하는 툴을 위한 클램핑 유닛,
    - 그 레그는 툴 지지판 방향으로의 동작 시 그리고 툴 지지판을 측방향으로 감쌀 때 경사지게 뻗어 있는 홈 위로 이동이 가능한,
    장치에 있어서,
    - 툴 지지판에 완전히 조여진 툴 부분에는 팽창 가능하고 유연한 2개의 하프쉘이 배치되고,
    - 이 하프쉘은 닫힌 상태에서 외측 튜브를 틈새 없이 감싸며,
    - 액체를 통해 내측 튜브에 압력을 과급하기 위한 장치가 제공되고,
    - 클램핑 유닛의 체결력은 내측 튜브의 압력 과급을 위한 장치의 개방력을 수용할 수 있는
    것을 특징으로 하는 장치.
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