KR20120113274A - 파이프 제조에 사용되는 중공 프로파일 - Google Patents

Abstract

나선으로 감긴 이중 벽 열 가소성 파이프의 제조에 사용되는 중공 프로파일(hollow profile)(1)은 본질적으로 직사각형 단면, 즉 내부의 공동(2)을 제한하는 2개의 측벽(5), 한 개의 외부 벽(3), 및 내부 벽(4)을 가진다. 중공 프로파일에서, 상기 파이프의 내부 벽(4)을 형성하게 되는 벽은 상기 파이프의 외부 벽(3)을 형성하게 되는 상기 중공 프로파일의 벽(3)보다 두껍다. 상기 중공 프로파일의 두꺼운 벽(4)에 인접한 모서리의 내부 라운딩 반경(7)은 상기 공동(6)의 다른 2개의 모서리의 라운딩 반경(6)보다 상당히 크며, 상기 두꺼운 벽(4)의 내부 표면은, 적어도 본질적으로 상기 프로파일의 전체 길이를 따라 상기 프로파일의 길이 방향으로 상기 파이프의 내부 측면을 형성하는 상기 프로파일의 측면에, 상기 프로파일의 중공에서 연장되는 리브(8)를 포함한다.

Description

파이프 제조에 사용되는 중공 프로파일{Hollow profile used in the manufacture of a pipe}

본 발명은 열가소성 프로파일(thermoplastic profile)과 그 생산 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은 나선으로 감긴 이중 벽 열가소성 파이프의 제조에 사용되는, 본질적으로 직사각형 단면을 갖는 중공 열가소성 프로파일에 관련된다. 중공의 프로파일로 구성된 나선으로 감긴 이중 벽 열가소성 파이프

상업적으로 Weholite 타입으로 알려진 이중 벽 열가소성 파이프(double-walled thermoplastic pipe)의 제조에서, 중공 프로파일(hollow profile)은 파이프의 내부 지름에 대응하는 드럼(drum) 등의 둘레에 나선형으로 감긴다. 중공 프로파일의 인접한 고리들(loops)은 서로 용접되어 파이프의 원통형 벽(cylidrical wall)을 형성한다.

상술한 방법으로 제조한 파이프는 동일한 양의 재료를 사용하여 제조된 솔리드 파이프(solid pipe)에 비하여 가벼우며, 뛰어난 링

강성(ring stiffness)을 나타낸다. 이중 벽 구조(double-walled structure)는 파이프에 뛰어난 절연 특성(insulating properties)을 준다.

종래 기술에 의한 나선으로 감긴 파이프(spirally wound pipe)의 제조에 사용되는 중공 프로파일(hollow prifile)은 본질적으로 직사각형 단면을 갖는다. 전형적으로 상기 직사각형의 모든 모서리는 동일한 크기의 라운딩 반지름(rounding radius)으로 라운드 가공되어 있다. 중공 프로파일의 각 벽은 대략 동일한 두께를 갖는다. 용접 후에 균일한 두께를 갖는 파이프를 생산하기 위해, 서로 결합되는 프로파일의 벽들은 직선이고 동일한 높이를 가져야만 하므로, 이는 필연적으로 직사각형 단면이 된다. 프로파일에 있는 구멍은 재료 사용을 최소화하기 위해 외측 단면의 윤곽(contour)을 따라야 한다.

주로 액체의 압력 없는 이송을 위한 것인 이러한 파이프의 상기 벽 구조는 흙 하중(earth load), 지하수(ground water) 및 트래픽 하중(traffic load)과 같은 외부 하중에 대해 저항하는 것에 최적화되어 있다. 그러나, 이들은 파이프 내부의 압력이 증가하는 용도에는 사용되도록 의도되지 않았다. 증가하는 내부 압력은 파이프 벽에 손상을 입힐 수 있다.

국제 특허 출원 No. WO 2004/076943은 낮거나 또는 적절한 압력 하에서 유체를 이송하도록 개발된 상기 기본 구조의 일 실시 예를 나타내고 있다. 제안된 해결책은 중공 프로파일의 두꺼운 벽에 인접한 모서리의 내부 라운딩 반경(inner rounding radius)이 공동의 다른 2개의 모서리의 라운딩 반경보다 상당히 큰 중공 프로파일 구조를 포함한다. 또한, 중공 프로파일의 벽 두께는 그 벽의 중심에서 가장 작으며, 이 벽에 인접한 2개의 중공 프로파일 측면 모서리들을 향해 점진적으로 커진다.

상기 공지된 프로파일은 내부 압력을 견딜 수 있는 파이프의 강도를 향상시킨다. 그러나, 스트레스 피크(stress peaks)는 파이프의 제조 및 장기간 사용의 측면에서 최적이지 않은 점들에 설정되어 있다. 즉, 스트레스 피크는 내부 벽의 중앙 및 상기 프로파일의 고리 사이의 용접 이음매(welded seams)에 설정된다. 이러한 것은 그 자체로는 문제가 되지 않으나, 용접 이음매는 항상 재료에 불연속성을 생성하며, 이러한 것에 의해 야기되는 노치 인자(notch factor)는 특히 치명적으로 변화하는 하중 하에서 상기 구조의 손상 및 고장의 위험을 야기할 수 있다. 통상적으로 가변 하중(changing load)은 다른 종류의 진동과 관련된다. 파이프에 대해, 가변 하중은 상대적으로 긴 시간에 걸친 압력의 변화 또는, 예를 들면, 펌핑에 의해 야기되는 급속한 변화에 의한 압력의 변화에 의해 야기될 수 있다. 또한, 상기 용접 이음매는 재료에 크랙(crack)을 발전시키기 위한 시작점, 즉 핵(nucleus)을 제공할 수 있는 작은 크랙(cracks) 또는 불순물(impurities)을 포함할 수 있다. 상기 이유들 때문에, 구조 설계에서 주된 원리는 스트레스 점 또는 피크들(stress points or peaks)이 상기 구조의 불연속점들로부터 떨어져 있도록 상기 구조의 형상과 치수를 형성하는 것이다. 예를 들면, 재료의 사용, 상기 구조의 전체적인 사용성, 및 최종 제품의 무게를 동시에 고려하여야 하므로 이것이 어렵다는 것을 입증할 수 있다. 그러나, 탄성 물질이 파이프를 제조하기 위해 사용될 때, 재료의 탄성은 크랙 핵 주위의 스트레스의 일부를 흡수하므로, 이에 의해 이들 재료는 구조적 고장으로 귀결될 수 있는 전파되는 크랙을 덜 형성하는 경향이 있다. 어떤 경우에, 무슨 재료가 사용되는가에 관계없이, 재료가 가능한 한 일관되고 균일한 영역에 최고 스트레스(highest stress)가 위치하도록 상기 구조를 설계하는 것이 바람직하다.

본 발명의 목적은 가압되지 않은 유체와 약 2 또는 3바(bar)까지의 압력으로 가압된 유체를 이송하는데 적합한 나선으로 감긴 파이프 벽을 구성하는데 사용될 수 있는 대체 프로파일 구조를 제공하는 것이다.

본 발명은 일반적으로 직사각형 단면을 갖는 중공 프로파일을 제공하는 사상에 기초를 두고 있다. 상기 프로파일의 빈 공동에서, 파이프의 내부 면을 형성하는 프로파일의 면에 프로파일의 길이 방향으로, 적어도 본질적으로 상기 프로파일의 전 길이를 따라 연장되는 돌기가 존재한다. 그리고, 단면에서, 상기 프로파일은 상기 직사각형 단면의 하부 내면에 리브(rib)를 갖는다. 일반적으로 리브는 상기 직사각형의 중앙을 향해 연장된다. 상기 리브의 폭 방향 연장은 상기 프로파일의 전체 폭의 50% 이하이다.

표시된 종류의 프로파일은 다이와 맨드렐(die and mandrel)을 갖는 압출 다이 헤드(extruder die head)를 통해 프로파일을 압출함으로써 생산할 수 있다. 상기 다이와 맨드렐은 환형 단면을 가지며, 상기 다이의 내부 형태는 상기 프로파일의 외측 단면을 정의하고, 상기 맨드렐의 외측 단면은 상기 프로파일의 내부 단면, 즉 공동(cavity)의 단면의 형태를 정의한다. 상기 맨드렐은 상기 프로파일의 공동에 있는 돌기의 치수에 대응하는 치수를 갖는 홈(groove)을 포함한다.

상술한 이유 때문에, 내부 단면뿐만 아니라 상기 프로파일의 외측 단면은 직사각형이다.

리브를 포함하지 않는 상기 중공 프로파일의 3개의 벽은 서로 동일한 두께를 갖는 것이 바람직하다.

1200 mm의 내부 지름을 갖는 파이프의 제조에 사용되는 중공 프로파일의 다른 벽들의 두께에 대한 두꺼운 벽의 최소 두께의 비는 120:77이 바람직하다. 상기 두꺼운 벽에 인접한 모서리들의 내부 라운딩 반지름은 24 mm가 바람직하다.

본 발명에 의해 상당한 이익이 달성된다. 상기 프로파일의 공동에 있는 리브는 이전의 어떤 프로파일과 비교하여도 완전히 다른 방법으로 상기 스트레스를 분산시킨다. 지금, 튜브 구조(tube structure)에 대해 행한 시뮬레이션이 최대 스트레스 피크가 리브의 기슭 옆에 위치하고 용접 이음매에서의 스트레스 레벨이 감소된다는 것을 보여준다. 이것은 정적 하중 하에서의 상기 구조의 강도와 변동 하중 하에서 신뢰성 및 강도를 증가시킨다. 최대 스트레스는 연속적인 압출 성형에 의해 생산된 재료의 일 부분에 위치한다. 연속적인 압출 성형에서, 제조 변수와 조건들은 일정하게, 가능한 최적 조건에 밀접하게 유지될 수 있다. 이에 의해 제조된 물질은 균질한 구조(homogeneous structure)를 가지며, 크랙(cracks)의 핵으로서 작용할 수 있는 재료 결점은 최소로 유지될 수 있다. 또한, 최고 스트레스의 영역은 상기 프로파일의 공동에 위치한다. 드문 경우에 내부 벽이 파열되고, 외부 벽이 손상되지 않고 파이프에서 이송되고 있는 물질이 충분히 오랜 기간 새지않고 견딜수 있기 때문에 이것은 여분의 안전을 제공한다.

상기 파이프의 내부 표면은 매끄럽게 용접될 수 있고, 이에 의해 용접 이음매의 노치 인자가 감소되므로 더 좋은 내압성(pressure resistance)을 언들 수 있다. 또한, 이 경우에, 조인트(joints)와 피팅류(fittings)가 매끄러운 표면에 더 쉽게 적응되므로 이들을 제작하는 것이 용이하다.

본 발명은 WO 2004/076903에서 기술된 라운드된 내부 모서리와 결합하여 사용될 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 설명된다.
도 1은 하중 하에서 스트레스 레벨을 포함하는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 파이프의 단면의 일부분을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 파이프의 일 부분의 단면의 다른 도면이다.
도 3은 제1용접 방법이 사용된 파이프 단면의 일 실시 예를 나타내다.
도 4는 다른 용접 방법이 사용된 파이프 단면의 일 실시 예를 나타낸다.

중공 프로파일(hollow profile)을 위한 재료로서, 폴리올레핀(polyolefin), 바람직하게는 고밀도-폴리올레핀(HD-polyolefin) 또는 폴리프로필렌(polypropylene)과 같은 압출 성형 가능한 열 가소성 물질(thermoplastic)이 사용될 수 있다. 상기 열가소성 물질을 필러(filler) 및/또는 강화제(reinforcing agents)로 수정함으로써, 향상된 관 강성 특성(ring stiffness properties)과 함께 향상된 내압 특성(pressure resistant properties)이 얻어진다. 일부 표준은 가압 시스템(pressurized system)에서 PE 등급(PE grades)으로 평가되는 압력의 사용을 요구한다. 지금으로서는 PE 80 또는 PE 100 물질이 유럽과 아시아에서 허용되고, PE 3408 은 북아메리카에서 허용된다.

예로서 여기에서 설명되는 파이프는 수많은 고객들의 요구에 적절한 전형적인 예이다. 수치 목표는 내부 지름(ID) 1200 mm까지의 크기, 최대 압력 2 bar, 및 파이프 벽 구조에서 최대 스트레스 레벨 5MPa이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 프로파일로 만들어진 파이프의 일부의 단면을 나타낸다. 인접한 프로파일들(1) 사이의 이음매(seam)는 명확하게 보이지 않는다. 그러나, 상기 이음매는 프로파일(1)의 2개의 공동(cavities) 사이의 벽 중앙에 위치한다. 프로파일의 단면은 직사각형이며, 외부 벽(3)과 내부 벽(4)인 2개의 긴 벽과 2개의 측벽(5)을 가지며, 이들은 서로 연결되어 파이프를 형성한다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 프로파일의 모든 벽들(3,5)은 대략 동일한 두께를 가지며, 빈 공동(2)의 모든 모서리는 라운드 되어 있다. 예를 들면, 1200mm의 내부 지름을 갖는 나선으로 감긴 슬로핑 파이프(spirally wound sloping pipe)의 제조를 위해서, 단면의 외부 폭이 93.8mm이고 외부 높이가 75mm 인 이런 타입의 중공 프로파일(1)이 사용될 수 있다.

본 발명에 따르는 중공 프로파일(1)은 내부 압력을 상당히 더 잘 견디는 나선으로 감긴 파이프의 제조를 가능하게 한다. 나선으로 감긴 파이프의 내부 벽을 형성하도록 된 본 발명에 따르는 중공 프로파일(1)의 벽(4)은 중공 프로파일(1)의 다른 벽들(3,5)에 비해 본질적으로 더 두꺼우며, 동시에 상기 내부 벽(4)에 인접한 빈 공간(4)의 모서리들의 라운딩 반경(rounding radius)(7)은 다른 2개의 모서리들의 라운딩 반경(6)보다 상당히 크다. 본 발명의 유리한 실시 예에 따르면, 상기 벽(4)의 두께는 전체 폭에 걸쳐서 일정하지 않다. 상기 내부 벽은 상기 벽(4)의 중간에 리브(rib)(8)를 갖는다. 상기 리브(8)는 공동(cavity)(2)의 내부를 향해 연장된다. 그 폭은 상기 프로파일의 측벽들(5) 사이의 거리의 절반보다 작고, 상기 내부 벽(4)의 가장 얇은 두께보다 작은 치수를 갖는다. 즉, 튜브 내부를 향하는 상기 벽의 표면 사이의 거리는 내부 벽(4)의 가장 작은 지름의 2배보다 작다. 상기 리브(8)는 노치 인자(notch factor)를 최소화하기 위해 매끄러운 경사로서 내부 벽(4)을 연결하는 매끄러운 둥근 단면을 갖도록 하는 윤곽을 갖는다. 두께는 산마루와 측벽(5)의 중간에서 가장 작으며, 측벽(5)에 인접한 중공 프로파일의 2개의 모서리를 향해 점차로 커진다. 그래서, 중공 프로파일(1)의 공동은 이 두껍게 한 벽(2)에서 대략 물결 형상(wave-shaped)의 단면을 갖는다. 1200mm의 내부 지름을 갖는 나선으로 감긴 파이프를 제조하기 위해서는, 상기 두껍게 한 벽(4)의 최소 두께는 12mm일 수 있다. 반면에 중공 프로파일(1)의 외부 벽(3,5)은 7.7mm의 두께를 갖는다. 내부 벽(4)에 인접한 빈 공간(hollow space)(2)의 모서리에서의 라운딩 반지름(rounding radius)(7)은 최소 24mm이다.

WO 2004/076903의 중공 프로파일들과 비교하여, 본 발명에 따르는 파이프 단면은 FEM 계산(FEM-calculation)과 압력 시험(pressure tests)을 사용하여 분석하였다. 도 1 및 도 2에서 선들은 그렇게 얻어진 스트레스 레벨(stress level)을 나타낸다. 내부 압력 하에서 가장 높은 스트레스는 내부 벽(4)의 리브(8) 옆에 존재한다. 이 영역은 참조번호 9로 표시되었다(도 2 참조). 10으로 표시된 용접 이음매에서의 스트레스는 본 발명의 원래의 목적인 5MPa로 감소된다. 또한, 가장 높은 스트레스 레벨은 상기 이음매 영역에서 이동되었다. 파이프 단면의 외부 표면을 연구하면, 이음매 영역(11,12로 표시)에서의 스트레스 레벨은 낮고, 용접된 분리 벽(5,5) 내부의 스트레스(13)는 더욱 넓은 영역에 퍼져 있으며, 점 같은 스트레스(point-like stress)는 감소된다. 결과에서 나타나는 것처럼, 본 발명에 따르는 중공 프로파일에 의해 파이프의 내압 특성(pressure resistance property)에 대해 상당한 향상이 얻어진다.

도 3 및 도 4는 본 발명에 따르는 프로파일로 만들어진 2가지 다른 종류의 파이프 단면을 나타낸다. 파이프는 일반적으로 부분이 아닌 전체적인 파이프로 만들어지며, 이 단면들은 단지 예시 목적으로 나타낸 것이라는 것을 유념해야 한다. 도 3에서, 이음매(14)는 이런 종류의 파이프를 만들기 위해 사용되는 일반적인 스타일로 용접된다. 본 해결방안에서, 2개의 평행한 홈(grooves)(15)은 상기 이음매(14)의 각 측면에 형성된다. 그러한 홈은 가압된 벽(pressurized wall)에서 스트레스 피크(stress peak)를 형성하기 때문에 상기 벽에서 가장 약한 점이다. 그러나, 파이프가 적절한 치수로 되면, 홈은 위험하지 않다. 더욱 바람직한 실시 예는 도 4에 도시되어 있다.

도 3에 도시된 한 개의 특징은 프로파일들이 제조될 파이프의 내부 표면과 외부 표면에서 부분적으로 함께 용접된다는 것이다. 전체 깊이에 걸쳐 이음매를 용접하는 것은 불필요하다. 왜냐하면, 스트레스들은 상기 구조의 표면 또는 근처에 위치하기 때문이다. 도 4에서 용접 이음매(14)는 매끄럽고 균일한 표면을 제공하는 용접 영역(16)에 걸쳐 평평하다. 이것은 리브에 의한 다른 스트레스 분포 때문에 가능하다. 용접이 매끄럽게 되면, 스트레스 피크가 최고 압력이 있는 프로파일의 외부 벽이 아니라 리브(8) 옆의 프로파일의 내부 벽에 있다는 것을 확신할 수 있다. 매끄러운 표면 구조는 파이프에 대한 고정구(fixtures)와 연결부재(connections)를 만드는 것을 더욱 쉽게 한다.

Claims (6)

1. 나선으로 감긴 이중 벽 열 가소성 파이프의 제조에 사용되는 중공 프로파일(hollow profile)(1)에 있어서,
   상기 중공 프로파일은 본질적으로 직사각형 단면, 즉 내부의 공동(2)을 제한하는 2개의 측벽(5), 한 개의 외부 벽(3), 및 내부 벽(4)을 가지며,
   상기 중공 프로파일은 상기 파이프의 내부 벽(4)을 형성하게 되는 벽은 상기 파이프의 외부 벽(3)을 형성하게 되는 상기 중공 프로파일의 벽(3)보다 두꺼우며,
   상기 중공 프로파일의 두꺼운 벽(4)에 인접한 모서리의 내부 라운딩 반경(7)은 상기 공동(6)의 다른 2개의 모서리의 라운딩 반경(6)보다 상당히 크며,
   상기 두꺼운 벽(4)의 내부 표면은, 적어도 본질적으로 상기 프로파일의 전체 길이를 따라 상기 프로파일의 길이 방향으로 상기 파이프의 내부 측면을 형성하는 상기 프로파일의 측면에, 상기 프로파일의 중공에서 연장되는 리브(8)를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공 프로파일.
2. 제 1 항에 있어서,
   파이프의 내부 벽을 형성하는 상기 중공 프로파일의 상기 벽(4)의 두께는 이 벽의 중간 부분에서 상기 리브(8)에서 가장 크고, 이 벽(2)에 인접하여 위치하는 중공 프로파일(1)의 2개의 옆 모서리를 향해 점차적으로 커지며,
   상기 벽의 가장 얇은 부분은 상기 리브(8)와 상기 모서리 사이인 것을 특징으로 하는 중공 프로파일.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 리브는 상기 두꺼운 벽(4)의 최소 두께의 두 배보다 작은 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 중공 프로파일.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 리브(8)의 폭은 상기 프로파일의 측벽(5) 내면 사이의 거리의 절반보다 작고, 상기 내부 벽(4)의 최소 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 중공 프로파일.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서,
   상기 중공 프로파일(1)은 폴리올레핀(polyolefin), 바람직하게는 고밀도-폴리올레핀(PE-HD) 또는 폴리프로필렌(polypropylene)과 같은 압출 성형이 가능한 열가소성 물질로 만들어진 것을 특징으로 하는 중공 프로파일.
6. 제 5 항에 있어서,
   내압성(pressure resistance)과 관 강성 특성(ring stiffness property)을 향상시키기 위해 상기 열가소성 물질은 필러(fillers) 및/또는 강화제(reinforcing agents)로 수정되는 것을 특징으로 하는 중공 프로파일.

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