KR20130003682A - 조관 방법 및 성형기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 본 발명은 고강도 강판을 이용하여 UOE 강관 혹은 다른 방식의 강관을 제조함에 있어서, 강관의 성능에 영향을 주지 않고, 피킹각을 확보하는 것을 목적으로 하며, 이를 달성하기 위하여, 본 발명은 판재의 에지부를 가열하는 가열단계; 상기 가열단계에서 가열된 상기 판재의 에지부를 만곡시키는 만곡 단계 및 만곡된 에지부를 가지는 판재를 강관으로 성형하는 강관 성형 단계를 포함하는 조관 방법 및 판재를 연속적인 성형으로 통하여 강관으로 조관하도록, 상기 판재의 에지부를 상부 성형부와 하부 성형부로 가압 성형하여 판재를 C 형상으로 성형하는 C 성형기로서, 판재의 진행방향에서 상기 상부 성형부와 하부 성형부 이전에 배치되어 상기 판재의 에지부를 가열하는 가열기를 포함하는 C 성형기를 제공한다.

Description

조관 방법 및 성형기{PIPE MAKING METHOD AND PIPE MAKING DEVICE}

본 발명은 라인 파이프 등의 용도로 사용되는 강관을 조관하는 방법 혹은 조관하는 성형기에 대한 것으로, 보다 구체적으로는, 고강도 강판을 활용하여 대구경 강관을 제조할 수 있는 조관 방법 및 성형기에 대한 것이다.

전세계적인 에너지 수요의 증가와 함께 장거리 원유나 가스의 수송을 위해서는 라인파이프를 사용한 수송방법이 가장 효율적이다. 이와 같은 라인파이프는 파이프내의 유체 즉, 원유나 가스의 수송압력을 증가시킴으로써 그 효율을 극대화시킬 수 있다. 하지만, 유체의 수송압력의 증가를 위해서는 반드시 파이프 모재의 강도향상이 필요로 하게 된다.

현재는 통상 X70급 이하의 라인파이프용 강재가 주로 사용되고 있으나, 수송압력의 증가에 따른 수송 효율의 향상뿐만 아니라, 라인파이프의 직경 및 두께 감소를 통하여 사용되는 강재의 중량을 감소시킴으로써 라인파이프 건설비용을 절감시킬 수 있으며 파이프의 두께 감소에 의해 라인파이프 시공비용 중 큰 부분을 차지하고 있는 원주용접(파이프-파이프간 용접)시공시간을 감소시켜 시공비 절감에도 큰 효과를 얻을 수 있다.

종래의 UOE 조관 방법의 순서를 도 1에 나타내었다. 먼저, 판재(P)의 양 끝단을 굽히는 C-성형기의 상부 성형부(11)와 하부 성형부(12)로 가압하여 C-성형(C-crimping)을 한다. 그 후, 알파벳 U-성형기의 주성형부(21)와 치구(22)를 통하여 U자형상으로 판재(P)를 변형시키는 U-성형(U-press)을 한다.

U 성형까지 마친 U자 형상의 판재는 반원형 면을 각각 가지는 O 성형기의 상부 성형기(31)와 하부 성형기(32) 사이에서 눌려져 알파벳 O자형상으로 변형되는 O-성형된다. 이렇게 O 형으로 성형된 강관은 파이프 용접을 위해 스프링백(Spring back)현상에 의해 벌어지는 파이프를 고정시키기 위한 가접용접(Tack welding)을 실시한 후, 서브머지드 아크 용접(Submerged Arc Welding)방법으로 파이프를 용접하고, 진원도 향상 및 성형시 잔류응력 저감을 목적으로 확관을 실시하여 파이프 제조를 완료하게 된다.

이와 같은 UOE 조관 방법은 단시간의 성형에 의해 길이가 12m인 파이프를 대량 생산가능하고, 확관 과정을 포함하고 있어서 조관된 파이프의 품질이 우수하기 때문에 대부분의 파이프라인 시공에 사용되고 있다.

먼저, 강재의 항복강도가 높아짐에 따라 요구되는 파이프 직경은 감소하며, 강도증가 및 파이프 직경감소에 따라 조관시 판재의 균일한 성형이 곤란하게 되어 파이프의 진원도를 확보하는 것이 곤란하게 된다. 여기서 진원도는 파이프 세로길이에 대한 가로길이의 비를 의미한다.

또한, 강재의 강도가 증가함에 따라서 파이프 조관후 스프링백(Spring back)현상이 심화되어 용접부에 작용하는 잔류응력이 증가하게 되고 이에 따라서 용접시 균열이 발생할 수 있는 가능성이 높아지게 된다.

종래의 C-성형기로 목표 반경에 따라 판재의 끝을 미리 성형하더라도, 강재의 강도가 증가함에 따른 파이프 조관 후 스프링백(Spring back)으로 형상이 복귀되며, 이렇게 스프링백이 발생한 상태에서 용접을 하는 경우에 도 3 에 도시된 바와 같이 용접된다.

고강도 강관의 용접을 위해서 강관 모재보다 높은 강도의 용접금속부(40)를 제공하는데, 이와 같은 용접과정에서 용접부 주변에서는 용접 입열로 인하여 변성부가 생성된다. 용접 열영향부(41)의 경우 도 3 (b)에서 보이 듯이, 주변에 비하여 강도가 낮아서, 강관에 잔류 응력이 많은 경우에는 용접 열영향부(41)에서 균열이 발생되며 이와 같은 용접부 결함은 파이프 확관시 파이프 파단에 이르게 될 수 있다.

UOE공정 중 C성형(C-crimping)공정은 조관후 용접이 실시되는 부분의 형상을 좌우하는 공정으로서, C성형이 제대로 되지 않으면 피킹각(Peaking angle)이 작아져 용접후 확관 공정에서 용접부 파단이 발생하여 조관이 곤란하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명은 고강도 강판을 이용하여 UOE 강관 혹은 다른 방식의 강관을 제조함에 있어서, 강관의 성능에 영향을 주지 않고, 피킹각을 확보하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 고강도 강관을 제조함에 있어서, C 성형이 잘되도록 프레스 하중을 증가시킬 필요가 없게 하여, 설비비 증가 요인을 저감시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 다음과 같은 조관 방법 및 성형기를 제공한다.

본 발명은 판재의 에지부를 가열하는 가열단계; 상기 가열단계에서 가열된 상기 판재의 에지부를 만곡시키는 만곡 단계 및 만곡된 에지부를 가지는 판재를 강관으로 성형하는 강관 성형 단계를 포함하는 조관 방법을 제공한다.

이때, 상기 가열 단계는 에지부가 두께 방향에서 고른 가열이 되도록 저주파 유도가열로 수행하는 것이 바람직하며, 이때 상기 저주파 유도 가열은 5kHz 이하인 것이 바람직하다.

또한, 상기 가열 단계는 상기 에지부의 온도를 A1 온도 이하로 가열하는 것이 바람직하다.

또, 본 발명에서는 상기 가열단계에서 가열되는 판재의 에지부는 판재의 폭방향 단부에서 100mm 이내인 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 판재는 830MPa 이상의 항복 강도를 가지는 고강도 강판일 수 있다.

다르게는 본 발명은 판재를 연속적인 성형으로 통하여 강관으로 조관하도록, 상기 판재의 에지부를 상부 성형부와 하부 성형부로 가압 성형하여 판재를 C 형상으로 성형하는 성형기로서, 판재의 진행방향에서 상기 상부 성형부와 하부 성형부 이전에 배치되어 상기 판재의 에지부를 가열하는 가열기를 포함하는 것을 특징으로 하는 성형기를 제공한다.

또, 상기 가열기는 저주파 유도 가열기이며, 상기 가열기는 상기 판재의 에지부를 둘러싸도록 'ㄷ' 자형으로 형성되거나, 상기 에지부의 상하방향에 배치될 수 있다.

또한, 본 발명에서는 상기 가열기에 연결되며, 상기 상부 성형부와 하부 성형부와의 간섭을 회피하거나 판재의 에지부가 균일하게 가열되도록 상기 가열기를 판재의 길이방향과 폭방향 중 하나 이상으로 이동시키는 구동부를 포함할 수 있다.

본 발명은 위와 같은 구성을 통하여 고강도 강판을 이용하여 UOE 강관 혹은 다른 방식의 강관을 제조함에 있어서, 강관의 성능에 영향을 주지 않으면서 피킹각을 확보하여 성능이 우수한 강관을 안정적으로 제조하는 제조방법을 제공할 수 있다.

도 1 은 종래의 UOE 조관 방법 및 조관 장치의 개략도이다.
도 2 는 종래의 UOE 조관 장치 중 C-성형기의 부분 단면도이다.
도 3(a) 는 종래의 UOE 조관 방법에 의해서 성형된 UOE 강관의 용접부의 단면이며, 도 3(b) 는 도 3(a) 의 일부면에서의 강도를 도시한 그래프이다.
도 4 는 강도와 성형성의 관계를 도시한 그래프이다.
도 5 은 피킹각을 도시한 강관의 단면도이다.
도 6 는 본 발명의 C 성형기의 일 실시예의 작동 순서도이다.
도 7 은 본 발명의 C 성형기의 일실시예의 개략 사시도이다.
도 8 은 본 발명의 C 성형기의 다른 실시예의 작동 순서도이다.

이하에서는 본 발명을 첨부한 도면을 참고로 하여 구제적으로 설명하도록 한다.

본 발명의 실시예에서 가공하는 강관의 재질은 특허출원 제2006-107917호의 재질을 사용하며, 용접재로는 특허출원 제2007-81137호의 용접재를 사용한다. 본 발명은 상기 두 문헌의 내용을 포함한다.

또한, 본 발명에서는 C-성형기(100) 를 제외한 U-성형기, O-성형기, 용접 및 확관 방법은 종래의 UOE 방법과 동일하므로, 그에 대한 설명은 생략하도록 한다.

본 발명에서는 C 성형기 (100)을 사용하는 UOE 강관 제조 방법을 실시예로서 설명하나, C 성형기(100)을 사용하여 성형하는 다른 강관 제조 방법, 예를들면 JCOE 강관 제조 방법에 적용될 수 있음은 물론이다.

도 4 에는 강판에서 성형성과 강도에 대한 관계가 도시되어 있다. 도 4 에서 보이듯이, 강판의 강도와 성형성은 반비례 관계를 가지기 때문에, 강도가 높아지면 높아질수록 성형성은 나빠지며, 성형성이 좋아지면 좋아질수록 강도가 나빠진다.

특히, 종래기술에서 설명한 바와 같이, 강관의 용접부에서는 열영향부의 영향으로 강도가 낮은데, 강관의 용접부의 피킹각(α, 도 5 참조)이 작은 경우에 용접부에 응력이 집중되게 되며, 이는 후공정인 확관 공정에서 강관의 용접부의 파단을 야기하여 관이 불가능하게 되는 요인 중 하나이다.

이러한 피킹각(α)은 강관의 조관 공정 초기에 행해지는 C 성형에 의해서 결정되는데, 판재의 강도가 높아지면 높아질수록 성형성이 나빠져서 C 성형을 하더라도 피킹각(α)이 확보되지 않을 수 있다.

본 발명의 발명자는 피킹각(α)에 영향을 주는 C 성형은 판재의 에지부만을 성형하는 것이며, 판재의 에지부는 후에 용접에 의해서 가열되는 부분이어서 용접 전까지의 열처리 과정이 강관의 성능에 영향을 주지 않으므로, 판재의 전체적인 가열이 아닌 판재의 에지부의 국부적인 가열을 통하여 C 성형의 성형성을 확보하는 것을 발명하였다.

이와 같이, C 성형 전에 판재의 에지부만을 가열함으로써, 전체 강관은 고강도를 유지하면서도 후에 용접으로 불가피하게 열을 받는 부분, 즉 에지부에 용접 이전의 C 성형에서 가열하여 성형성을 확보하여, 강관의 용접 후에 피킹강을 크게 확보하여, 강관의 안정적인 생산이 가능하다.

이때, 가열은 상변태가 일어나지 않는 온도, 즉, A1 온도 이하인 것이 조직 상에 영향을 주지 않으므로 바람직하다.

또한, 본 발명에서는 판재의 에지부의 성형성만 확보하면 충분한 것이며, 에지부 이외의 부분은 용접에 의해서 가열되는 부분이 아니기 때문에 가열되는 경우에 강관의 성능이 저하되는 결과를 가져올 수 있으므로, 판재의 에지부만을 국부적으로 가열할 수 있는 유도가열이 바람직하다.

특히, 에지부의 두께 방향에서는 고른 가열이 필요하므로, 5kHz 이하의 주파수 범위를 가지는 저주파 유도가열이 바람직하다. 주파수 범위가 5kHz를 넘는 경우에, 표면의 온도만 상승하게 되어 성형성이 증대되지 않는다.

도 6 내지 7 에는 본 발명의 일 실시예가 도시되어 있다.

저주파 유도 가열기(50)는 판재(P)의 양단부를 둘러싸도록 'ㄷ'자 형으로 형성되며, 각 면에 유도 코일이 배치되어, 판재의 에지부(E)가 균일하게 승온될 수 있도록 구성된다. 본 발명에서 'ㄷ'자 형이란, 'ㄷ'과 역'ㄷ'을 모두 포함하는 것이다.

도 6a 에서 보이듯이, C 성형기(100)에 판재(P)가 들어오면, 저주파 유도 가열기(50)는 에지부(E)를 감싸도록 상기 저주파 유도 가열기(50)에 연결된 구동부(미도시)의 동작으로 'ㄷ'자 형 내부로 판재(P)의 에지부(E)가 삽입되도록 이동된다.

그 후에, 저주파 유도 가열기(50)는 에지부(E)를 가열하며, 이때 온도는 A1 온도 이하, 바람직하게는 600~700℃ 범위가 되도록 제어한다. 600℃ 미만인 경우에 가열로 인한 성형성의 향상이 부족하며, 700℃를 초과하는 경우에 A1 온도를 넘어 상변화의 위험이 있기 때문이다. 저주파 유도 가열기(50)는 비접촉식 온도 센서를 구비하여 피드백 제어를 하는 것도 가능하나, 사전에 계산된 시간만큼 저주파 유도 가열기(50)를 동작시키는 것도 가능하다.

에지부(E)가 소정온도로 가열되면, 저주파 유도 가열기(50)는 판재(P)로부터 빠져나와 소정 거리로 떨어진 상태로 대기한다(도 6b 참조). 이는 저주파 유도 가열기(50)에 의해서 가열된 에지부(E)가 상부 성형부(11)와 하부 성형부(21) 사이에서 가압되어야 하기 때문이다.

다음으로, 상부 성형부(11)와 하부 성형부(21) 사이에 에지부(E)가 위치한 후 상부 성형부(11)가 하부 성형부(21)측으로 가압함으로써, 에지부(E)가 성형되며, 이러한 C 성형을 통하여 판재는 양 에지부가 꺽여진 대략 'C' 형상을 가지게 된다.

도 7 에서 보이듯이, 저주파 유도 가열기(50)는 판재(P)의 길이의 일부만을 커버하며, 저주파 유도 가열기(50)가 판재(P)의 에지부(E)를 감싼 상태에서 구동부(미도시)에 의해 판재(P)의 길이방향으로 왕복 이동하면서 판제(P)의 에지부(E)를 전체적으로 승온시키는 것도 가능하다.

또한, 본 발명에서 에지부(E)는 C-성형기(100)에 의해서 성형되는 부분을 의미하는 것으로, 용접에 의해서 승온되는 범위인 판재(P)의 폭방향 단부로부터 100mm 이내인 것이 바람직하다. 100mm를 초과하는 경우에 용접에 의해서 가열되는 영역을 벗어난 것이어서 C 성형전에 가열하지 않는 종래의 방식에 비하여 강도가 저하될 수 있다.

도 7 에서처럼, 저주파 유도 가열기(50)는 판재의 폭방향 양단부 각각에 복수 개가 배치될 수 있음은 물론이다.

본 발명은 판재의 종류에 구분되지 않고 온도가 올라가는 경우에 강관의 성형성을 향상되므로, 특별히 판재의 강도가 제한되지는 않으나, 강도가 높아서 C 성형이 곤란한 830MPa 이상의 항복 강도를 가지는 강판에 보다 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예가 도 8 에 개시되어 있다.

도 8 에서는 도 6 의 실시예와 동일하게 C 성형기(100)에 들어온 판재(P)의 에지부(E)를 가열한다. 하지만, 도 6 의 실시예와는 달리 저주파 유도 가열기(60)는 상부 가열부(60a)와 하부 가열부(60b)로 구성되며, 에지부(E)의 상단 및 하단에 상기 상부 가열부(60a)와 하부 가열부(60b)가 각각 배치된다. 그에 따라서, 에지부(E)의 상하부을 상부 가열부(60a)와 하부 가열부(60b)로 가열한다. 이때 온도는 전의 실시예와 동일하게 A1 온도 이하, 바람직하게는 600~700℃ 범위가 되도록 제어한다.

에지부(E)가 소정온도로 가열되면, 저주파 유도 가열기(60)는 구동부(미도시)에 의해 판재(P)의 중앙부로 이동된다. 상부 성형부(11) 및 하부 성형부(21)는 판재의 중앙부분은 성형하지 않으므로, 중앙부의 공간부가 형성되며, 저주파 유도 가열기(60)는 이 공간부에 위치됨으로써, 상부 성형부(11) 및 하부 성형부(21)와의 간섭이 회피될 수 있다.

다음으로, 상부 성형부(11)와 하부 성형부(21) 사이에 에지부(E)가 위치한 후 상부 성형부(11)가 하부 성형부(21)측으로 가압함으로써, 에지부(E)가 성형되며, 이러한 C 성형을 통하여 판재는 양 에지부가 꺽여진 대략 'C'자 형상을 가지게 된다

도 8 의 실시예의 경우, 저주파 유도 가열기(60)가 판재(P)의 외측으로 이동되지 않고 중앙측으로 이동되므로, C 성형기(100)가 차지해야하는 공간이 감소될 수 있다.

또한, 도 8 의 실시예 역시 도 6 의 실시예와 같이, 저주파 유도 가열기(60)가 판재(P)의 길이방향 일부만을 커버하도록 구성되고, 이러한 저주파 유도 가열기(60)가 구동부(미도시)에 의해서 판재(P)의 길이방향으로 이동되면서 으로 판재(P)의 에지부(E)를 가열하는 것도 가능함은 물론이다.

상술한 두 실시예에서는 저주파 유도 가열기(50, 60)로 에지부(E)를 국부적으로 가열하는 장치 및 방법을 설명하였으나, 국부적으로 가열할 수 있다면 다른 가열 수단을 사용하는 것도 가능함은 물론이다.

위와 같은 C 성형방법 및/또는 C 성형기로 고강도 강판을 성형하는 경우에, 종래의 성형방법 및/또는 성형기로 고강도 강판을 성형하는 경우와 비교할 때, 완성된 강관의 강도에는 영향을 주지 않으면서 피킹각(α)의 개선이 가능하다.

따라서, 용접 후의 확관 과정에서 피킹각의 부족에 따른 용접부의 스트레스 집중으로 인한 강관의 파단은 막아질 수 있으며, 이는 강관의 안정적인 생산을 가능하게 한다.

또한, 본 발명의 C 성형방법 및/또는 C 성형기는 고강도 강판을 성형할 때도 상부 성형부(11)와 하부 성형부(21) 사이의 가압력이 크게 요구되지 않으므로, 가압력을 증대시키기 위한 설비비 증가를 막을 수 있다는 효과도 있다.

11: 상부 성형부 21: 하부 성형부
50, 60: 저주파 유도 가열기 60a: 상부 가열부
60b: 하부 가열부 P: 판재
E: 에지부

Claims (9)

1. 판재의 에지부를 가열하는 가열단계;
   상기 가열단계에서 가열된 상기 판재의 에지부를 만곡시키는 만곡 단계; 및
   만곡된 에지부를 가지는 판재를 강관으로 성형하는 강관 성형 단계;를 포함하는 조관 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 가열단계는 에지부가 두께 방향에서 고른 가열이 되도록 저주파 유도가열로 수행하는 것을 특징으로 하는 조관 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 가열단계는 상기 에지부의 온도를 A1 온도 이하로 가열하는 것을 특징으로 하는 조관 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 가열단계에서 가열되는 판재의 에지부는 판재의 폭방향 단부에서 100mm 이내인 것을 특징으로 하는 조관 방법.
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 저주파 유도 가열은 주파수가 5kHz 이하인 것을 특징으로 하는 조관 방법.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 판재는 830MPa 이상의 항복 강도를 가지는 강판인 것을 특징으로 하는 조관 방법.
7. 판재를 연속적인 성형으로 통하여 강관으로 조관하도록, 상기 판재의 에지부를 상부 성형부와 하부 성형부로 가압 성형하여 판재의 에지부를 만곡시키는 성형기로서,
   판재의 진행방향에서 상기 상부 성형부와 하부 성형부 이전에 배치되어 상기 판재의 에지부를 가열하는 가열기를 포함하는 것을 특징으로 하는 성형기
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 가열기는 저주파 유도 가열기이며,
   상기 가열기는 상기 판재의 에지부를 둘러싸도록 'ㄷ' 자형으로 형성되거나, 상기 에지부의 상하방향에 배치되는 것을 특징으로 하는 성형기
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 가열기에 연결되며, 상기 상부 성형부와 하부 성형부와의 간섭을 회피하거나 판재의 에지부가 균일하게 가열되도록 상기 가열기를 판재의 길이방향과 폭방향 중 하나 이상으로 이동시키는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 성형기.

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