KR20130031321A - 파이프 및 튜브에 보호 덮개를 적용하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

피복 튜브들(30)에 대해서 기술된다. 연소 챔버의 벽들을 정렬하도록 계획된 튜브(10)는 생성된 고압 증기를 저장하도록 고강도 재료로 제조된다. 그러나, 이 튜브들(10)은 통상적으로 내부식성/내침식성이 아니다. 부식성/침식성에 대한 고강도 및 고저항성을 모두 갖는 튜브들(10)의 제조는 과도하게 비싸다. 따라서, 튜브들(10)은 이 튜브들을 보호하기 위하여 비부식성 재료로 덮혀진다. 이는 튜브들(10)의 외면(12)에 고합금 재료의 스트립(20)을 표면 용접함으로써 행해진다. 스트립(20)을 튜브(10) 상에 표면 용접하기 위하여 전기 고주파 저항 용접을 사용하는 것이 바람직하다. 스트립(20)은 양호하게는 작은 용융 및 금속 희석으로 부착되어서, 상기 스트립(20)이 내부식성/내침식성을 유지할 수 있게 한다.

Description

파이프 및 튜브에 보호 덮개를 적용하기 위한 방법{METHOD FOR APPLYING PROTECTIVE COVERING TO PIPES AND TUBES}

관련 출원들의 교차 참조

본 출원은 2010년 6월 8일자 출원된 미국 가출원 61/352,448의 연속 부분이고 따라서 이 미국 가출원을 합체하고 이 출원으로부터의 우선권 및 초기 출원의 유익을 청구한다.

기술분야

본 공개는 일반적으로 튜브들을 피복(cladding)하기 위한 방법, 특히 튜브들을 피복하기 위하여 튜브들의 외면에 재료의 스트립들을 감싸는 방법에 관한 것이다.

보일러 내의 증기 발생 파이프들은 파열을 유발하는 얇은 벽으로 인하여 파이프들 및 튜브들의 조기 파손을 유발하는 부식 및 침식 환경에 노출된다.

통상적으로 발생된 증기는 전기 생산을 위한 작용 터빈 및 화학 반응을 개시하는데 에너지를 공급하기 위하여 화학 프로세스에서 사용된다. 일부 보일러들은 각각 복수의 튜브들로 형성된 하나 이상의 벽들을 포함하고, 상기 벽들은 서로 고정되어서 보일러 내의 연소 챔버를 둘러싼다. 추가 그룹의 튜브들이 연소 챔버 내에 배치될 수 있다.

각각의 튜브들은 또한 관통 연장 통로들을 형성하는 내면을 가진다. 복수의 튜브들의 각각의 일 단부는 물 공급 헤더(header)와 유체 교통하고 상기 복수의 튜브들의 각각의 대향 단부는 증기 헤더와 유체 교통할 수 있다. 보일러의 작동중에, 연소는 일반적으로 연소 챔버 내에서 발생되고 통로를 관통하여 흐르는 물을 가열해서, 증기 헤더로 공급되는 증기를 생성한다. 연소 챔버 내 및 보일러를 관통하는 튜브들의 외면들은 튜브들을 부식시키는 연료, 연소열 및 연소 부산물에 노출된다. 결과적으로, 튜브들의 수명이 감소된다.

강도를 증가시키거나 또는 부식 및 침식을 방지하도록 그 내구성을 개선하기 위하여, 표준 파이프들 및 튜브들에 보호 덮개를 추가하는데 사용되는 다수의 방법들이 존재하였다. 사실상 보호 덮개들을 용접하는 모든 방법들은 덮개들이 완전히 용융되어서 튜브에 덮개를 적절하게 부착하는 것을 필요로 한다.

종래 용접에서, 용접봉은 그 팁(tip)에서 용융된다. 용접되는 구조는 또한 용융되는 재료의 홈통(trough)을 가진다. 용융 용접봉 및 용융 표면은 함께 혼합되어서 '비드(bead)'를 생성한다. '비드'는 용융 용접봉 및 용융 표면의 모두의 혼합인 조성을 가진다. 상당량의 용접봉 및 상당량의 표면이 혼합되므로, 상당량의 금속의 혼합이 있다. 따라서, 용접봉이 고농도의 고등급 금속으로 제조되고 용접되는 표면이 저농도의 고등급 금속을 가지면, 그에 따른 혼합물('비드')은 최초 용접봉과 비교할 때 저농도의 고등급 금속을 가진다. 이는 결과적으로 혼합 금속 비드에서 고등급 금속의 농도를 희석하게 된다.

따라서, 용접봉 및 표면들이 더욱 많이 용융될 수록, 더욱 많은 희석이 이루어진다. 희석된 금속은 더욱 적은 내부식성, 내침식성 및/또는 강도를 가진다.

따라서, 관류와 같은 대상물의 전체 표면을 용접함으로써, 다량의 열을 필요로 한다. 다량의 열은 관류를 왜곡시킬 수 있고 종종 최적 두께로 침착된 덮개 재료의 양을 제어하는 것이 어렵게 된다. 이러한 방법의 관류 덮개는 실행하기에 어렵다.

통상적으로, 부식 또는 침식 환경들에서 작동되는 튜브들은 추가 보호성의 표면층을 제공하기 위하여, 서멀 스프레이(thermal spray) 또는 증기 증착과 같은 기법을 사용하여 코팅된다. 가장 침해성의 환경들에서는, 공동 압출에 의해서 생성된 피복 관류가 사용되었다. 그러나, 이러한 방식으로 형성된 접합부의 통일성의 제한사항들은 특히, 오스테나이트 및 페라이트(austenitic and ferritic steels) 강들 사이의 열팽창 계수에서의 부조화와 연계된 응력들의 결과로 인하여, 열 순환 조건들에서 장기간 노출되는 동안 접합 분리가 발생될 수 있다.

현재, 다량의 에너지에 대한 필요성이 없이 용이하게 적용될 수 있는, 보일러 튜브들을 침식 및 부식으로부터 보호하는 방법에 대한 필요성이 존재하고 있다.

본 발명에 있어서, 비부식성 재료의 스트립이 부식으로부터 튜브를 보호하기 위하여 상기 튜브의 외면에 적용된다.

본 발명은 피복 튜브들(30)을 제조하기 위한 방법으로서 구현될 수 있고, 상기 방법은

제 1 튜브(10)를 제공하는 단계;

세장형 스트립(20)을 제공하는 단계;

상기 스트립(20)의 내면(22) 및 상기 튜브(10)의 외면(12)을 표면 용접하고 상기 튜브(10)의 외면(12) 주위에 상기 스트립(20)을 나선형으로 감싸는 단계; 및

표면이 용접될 때, 상기 스트립(20)을 상기 튜브(10)에 가압하는 단계를 포함한다.

유사 요소들에 대해서는 유사 부호로 지정된 예시적인 실시예들인 도면을 참조한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 튜브의 외면에 적용되는 재료의 스트립의 사시도.
도 2는 도 1의 튜브의 외면에 적용되는 재료의 스트립의 평면도.
도 3은 도 1 및 도 2의 튜브의 외면에 적용되는 재료의 스트립의 입면도.

도 1은 보일러에서 사용되도록 계획된 튜브의 내부식성, 내침식성 또는 고강도와 같은 특성들이 부족한 저합금강과 같은 저렴한 재료의 튜브(10)를 도시한다. 보호 구성이 없는, 튜브(10)의 부식성 및 침식성은 튜브 벽 두께를 튜브들 내에 증기 압력을 유지하는 강도를 갖는 않는 두께로 감소시킨다. 이러한 상황이 발생될 때, 튜브들은 파열된다. 이 저합금강 튜브(10)는 튜브 벽들의 부식, 침식 및 두께감소를 감소시키도록 보호되어야 한다.

내부식성, 내침식성 또는 추가 강도를 나타내는 재료로 제조되는 스트립(20)은 본원에서 튜브(10)의 외면(12) 주위에 부분적으로 감싸지는 것으로 도시된다. 스트립은 양호하게는 튜브 주위에 나선 방식으로 감싸지거나 또는 권취되고 표면 용접 기법들을 사용하여 용접되어서 피복 관류(30)를 생성한다.

스트립(20)은 고온 및 부식 환경을 지탱할 수 있는 적당한 내부식성/내침식성 재료, 예로서 오스테나이트 강으로 제조된다. 스트립(20)이 오스테나이트 강으로 제조되는 것으로 기술되지만, 피복 튜브는 그 계획된 용도에 따라서, 다른 내부식성, 내침식성, 고강도 또는 다른 피복 재료들로 제조될 수 있다는 것을 예상할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 스트립(20)은 튜브의 외면 및 내면이 계면(14)에서 만나는 곳에서, 튜브(10)의 내면(22)을 외면(12)에 표면 용접하는 것이 바람직하다.

전기 저항 용접의 한 유형은 고주파 용접이다. 이러한 유형의 용접에서, 고주파 교류는 스트립(20) 및 튜브(10)를 통과하여 전류 경로를 설정한다. 전류는 스트립(20)의 표면 및 튜브(10)를 통해서 흐르고 토스터기 가열선과 같이, 금속에 저항성 열을 생성한다.

도 2는 도 1의 튜브(10)의 외면(12)에 적용되는 재료의 스트립(20)의 평면도이다. 도 3은 도 1 및 도 2의 튜브의 외면에 적용되는 재료의 스트립의 입면도이다.

도 2 및 도 3에 있어서, 가공될 때 튜브(10)를 지지하는데 사용되는 롤러(51)를 갖는 프레임(50)이 도시된다. 롤러(51)는 튜브가 회전될 수 있게 한다. 모터(61)는 튜브(10)의 회전을 유발한다. 제 2 모터(71)는 튜브(10)의 길이방향 동작을 유발한다. 양호하게, 다른 형태의 시스템 뿐 아니라 모터들은 제어기(100)에 의해서 작동, 조정되고 제어된다.

스트립(20)은 롤(24) 상에 저장되고 롤로부터 제공된다. 안내부(26)는 튜브(10)의 길이방향 축에 대해서 각도형성된다. 튜브가 제어기(100) 및 모터들(61,71)에 의해서 회전될 때, 스트립(20)은 안내부(26)에 의해서 안내된 공급 롤(24)로부터 제공되고 압연 롤러(28)에 의해서 튜브(10)에 대해서 가압되고 튜브(10) 주위에 나선형으로 권취된다.

접촉부(41)는 용접 유닛(90)의 도선에 결합되고 스트립(20)이 파이프(10)와 접촉하는 위치 "B" 부근의 "A" 표시된 위치에서 스트립(20)과 접촉하도록 배치된다.

고주파 용접 유닛(90)의 제 2 도선에 결합된 제 2 접촉부(43)는 "C" 표시된 위치에서 튜브(10)와 접촉하도록 배치된다.

용접 유닛(90)은 제어기(100)에 의해서 작동되고 제어된다. 작동될 때, 표면 전류가 제 1 접촉부(41) 및 제 2 접촉부(43) 사이에서 흐르게 한다. 다량의 전류가 있기 때문에, 스트립(20) 및/또는 튜브(10)에서 비록 작은 인덕턴스(inductance)도 상당한 양의 열이 생성될 수 있게 한다.

전류는 위치 A"의 스트립(20)의 표면 사이에서, 위치 "B"에서의 튜브(10) 및 스트립(20)의 교차점을 통해서 그리고 위치 "C"의 제 2 접촉부(43)로 통과한다.

A-B-C 사이의 전류 경로는 "V" 형상이다. 표면 전류들의 특성으로 인하여, 전류들은 용접이 이루어지는 위치 "B"에서 그 에너지를 수렴하고 집중시킨다.

열은 표면 전류에 의해서 제공되므로, 스트립(20)의 내면 및 튜브(10)의 외면(12)에 걸쳐 균일하게 적용된다. 스트립(20) 및 튜브(10) 모두에서 용융된 금속의 양은 종래의 용접과 비교할 때 매우 소량이다. 금속의 혼합 및 희석은 상당히 감소된다.

본 발명의 표면 용접중에, 실질적으로 혼합, 희석이 적어지고 용접은 비드에서 바로 행해지지 않고, 스트립(10)의 내면(12)을 따라 행해진다. 따라서, 고니켈강이 스트립(10)으로서 사용되면, 종래 용접과 비교할 때 고주파 용접을 사용하여 덜 희석되고, 따라서 더욱 많은 내부식성을 유지할 수 있다. 이는 결과적으로 상당한 비용 절감이 이루어지게 한다.

이러한 유형의 용접은 용접되는 영역에만 열을 인가하고 튜브 및 스트립 재료 전체를 용융시키지 않는다. 따라서, 외부 보호 재료의 용융을 요구하는 종래 기술의 방법들과 비교할 때 튜브(10) 및 스트립(20)의 휨 및 왜곡이 적으며, 스트립 합금의 내부식성은 튜브 재료의 저등급 합금과 혼합됨으로써 희석되지 않는다.

일단 스트립(20) 및 튜브(10)가 가열되면, 이들은 표면(12,22)에서 약간 용융된다. 고주파 저항 용접을 사용할 때, 표면 전류들은 스트립(20)의 두께의 5 내지 15%만을 용융시킨다. 이것은 약 0.040인치(1.01mm) 두께일 수 있다. 이는 유사한 형태 및 용도의 종래 용접에서 일반적인 0.1 내지 0.3인치(2.54 내지 7.62mm)보다 상당히 작다. 압연 롤러(28)는 튜브(10)에 스트립을 가압하고 그에 의해서 스트립(20)의 용융 내면(22)이 파이프(10)의 용융 외면(12)을 단조(forge)시킨다.

튜브(10)의 회전 및 길이방향 이동은 스트립(20)이 튜브(10) 상으로 나선형으로 감싸지도록 제어기(100)에 의해서 선택된다. 전류는 또한 스트립(20)의 에지들(31,33)을 관통하여 흐르기 때문에, 에지들이 또한 가열된다. 튜브(10)의 회전 및 길이방향 동작이 정확하게 선택되면, 테이프는 튜브(10) 및 스트립(20)의 이전 랩(wrap)에 대해서 동일 높이로 끼워진다. 스트립(20)의 제 1 에지(31)가 계면(14) 부근에서 제 2 에지(33)와 만날 때, 전류 흐름의 집중이 존재한다. 이러한 전류 집중은 나선형 스트립(20)의 인접 에지들(31,33)이 함께 용융 및 융합되게 한다. 따라서, 스트립 에지들은 또한 함께 단조가공어서 스트립(20)의 한 랩이 스트립(20)의 이전 랩에 접합되게 한다.

양호하게, 용접이 불활성 대기에서 행해진다. 따라서, 네온(neon), 아르곤 또는 제논(xenon)과 같은 불활성 또는 비반응성 가스(97)의 소스는 입력 라인(99)을 통과해서 불활성 인클로져(enclosure;95) 안으로 들어간다. 불활성 인클로져는 용접 영역을 포괄하고 일반적으로 불활성 대기를 유지할 수 있을 정도로 용접 영역을 밀봉한다. 이는 용접중에 발생되는 산화 및 기타 반응들을 감소 또는 제거한다.

본 발명의 이 실시예에서, 튜브(10)는 스트립(20)이 그 외면 주위에 권취될 때 회전된다. 또한 디바이스는 튜브(10) 주위에서 회전할 것이다.

그에 따른 피복 관류(30)는 고강도 재료로 제조되는 튜브(10)로 인해서 강도를 나타낸다. 피복 관류(30)는 또한 튜브(10)를 덮는 스트립(20)으로 인하여 내부식성을 나타낸다. 튜브(30)는 전체적으로 고강도, 내부식성 재료로 제조되는 튜브 보다 상당히 낮은 비용이다.

대안 실시예에서, 튜브(10)는 스트립(20)을 파이프(10) 상으로 감싸기 전에 예열될 것이다. 많은 상이한 예열기들이 사용될 수 있지만, 도 2에서는 유도식 결합 코일(80)이 제공된다. 코일(80)은 튜브(10) 내에서 급격한 가변 전류를 유도하여 결과적으로 저항열을 생성한다. 예열 코일(80)을 사용하면 디바이스의 효과를 증가시킨다.

본 발명을 실행하기 위하여, 기존의 튜브 핀 적용 기계류(tube fin applying machinery)는 금속 스트립(20)을 튜브(10)의 표면에 부착하도록 재구성될 수 있다. 이는 결과적으로 낮은 개시 비용과 기존의 기계류의 이중 사용을 얻을 수 있게 한다.

본 발명은 여러 예시적인 실시예들을 참조하여 기술되었지만, 당업자는 본 발명의 범주 내에서 여러 변화들이 이루어지고 등가물이 그 요소들을 대체할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 핵심 범주 내에서 본 발명의 교시에 특정 상황 또는 재료를 적응되게 하도록 많은 수정이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 실행하기 위하여 계획된 최상의 형태로 공개된 특정 실시예에 국한되지 않고, 본 발명은 첨부된 청구범위 내에 있는 모든 실시예들을 포함한다.

Claims (14)

1. 피복 튜브들을 제조하기 위한 방법으로서,
   외면을 갖는 튜브를 제공하는 단계;
   세장형 스트립을 제공하는 단계;
   상기 스트립의 내면 및 상기 튜브의 외면을 표면 용접하고 상기 튜브의 외면 주위에 상기 스트립을 나선형으로 감싸는 단계; 및
   표면이 용접될 때, 상기 스트립을 상기 튜브에 가압하는 단계를 포함하는, 피복 튜브들의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 튜브는 제 1 금속으로 제조되고 상기 스트립은 제 2 금속으로 제조되며 상기 표면 용접은 상기 스트립과 상기 제 1 금속의 희석을 최소화하는, 피복 튜브들의 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 스트립의 내면은 상기 스트립이 상기 튜브 주위에 나선형으로 감싸질 때 상기 튜브의 외면에 용접되는, 피복 튜브들의 제조 방법.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 스트립의 내면은 상기 스트립이 상기 튜브 주위에 나선형으로 감싸질 때 표면 용접 기법들을 사용하여 상기 튜브의 외면에 용접되는, 피복 튜브들의 제조 방법.
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 스트립의 내면은 상기 스트립이 상기 튜브 주위에 나선형으로 감싸질 때 고주파 표면 용접 기법들을 사용하여 상기 튜브의 외면에 용접되는, 피복 튜브들의 제조 방법.
6. 제 2 항에 있어서,
   상기 스트립의 내면은 상기 스트립의 두께의 단지 5 내지 15%만을 용융하여 상기 스트립의 최소 희석을 유발하는 표면 용접 기법들을 사용하여 상기 튜브의 외면에 용접되는, 피복 튜브들의 제조 방법.
7. 제 2 항에 있어서,
   더욱 연속적인 덮개를 생성하도록, 상기 스트립의 에지를 이전에 감싸진 스트립의 에지에 접합하는 단계를 추가로 포함하는, 피복 튜브들의 제조 방법.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 가압 단계는 압연 롤러로써 스트립을 튜브에 대해서 가압하는 단계를 포함하는, 피복 튜브들의 제조 방법.
9. 외면을 갖는 제 1 튜브를 제공하는 단계;
   내부식성 재료의 세장형 스트립을 제공하는 단계;
   상기 스트립의 내면 및 상기 튜브의 외면을 용융하기 위하여, 상기 스트립 및 상기 튜브에 고주파 표면 전류를 제공하는 단계; 및
   상기 스트립을 상기 튜브에 가압하면서, 상기 튜브의 외면 주위에 상기 스트립을 나선형으로 감싸는 단계에 의해서 제조되는, 피복 관류.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 스트립의 내면은 상기 스트립이 상기 튜브 주위에 나선형으로 감싸질 때 상기 튜브의 외면에 표면 용접되는, 피복 관류.
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 스트립의 내면은 상기 스트립이 상기 튜브 주위에 나선형으로 감싸질 때 상기 튜브의 외면에 전기 저항성 용접 기법들을 사용하여 표면 용접되는, 피복 관류.
12. 제 9 항에 있어서,
    상기 스트립의 내면은 상기 스트립이 상기 튜브 주위에 나선형으로 감싸질 때 상기 튜브의 외면에 고주파 전기 저항성 용접 기법들을 사용하여 표면 용접되는, 피복 관류.
13. 제 9 항에 있어서,
    상기 스트립의 제 1 에지는 상기 스트립의 이전에 감싸진 부분의 제 2 에지에 접합되는, 피복 관류.
14. 제 9 항에 있어서,
    상기 스트립 및 상기 튜브에 고주파 전류를 제공하는 단계는 일반적으로 불활성 대기에서 실행되는, 피복 관류.
    

Images