KR20130127097A - 조관 장치 및 조관 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 O 성형이 루트-페이스의 길이가 증대되는 것을 막아서, 용접 시 입열량 및 용접부 결함을 저감시키기 위하여, U형 강재를 가압하여 강관을 조관하는 2 이상의 가압부재를 포함하며, 상기 가압부재는, 가압부재에 의해 상기 강재가 변형될 때 상기 강재의 양 단부가 만나는 위치에 배치되며, 상기 강재의 양 단부와 면접촉하는 지지부를 포함하는 조관 장치와, 판재의 양 단부를 곡면으로 성형하는 C 성형 단계; C 성형된 판재의 U형으로 성형하는 U 성형 단계; 및 U 성형된 판재를 원형으로 성형하는 O 성형 단계를 포함하며, 상기 O 성형 단계에서는 판재의 양 단부면의 형상을 유지시키면서 원형으로 성형시키는 조관 방법을 제공한다.

Description

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

본 발명은 라인 파이프 등의 용도로 사용되는 강관을 조관하는 방법 혹은 조관하는 장치에 대한 것으로, 보다 구체적으로는, 용접부의 성능이 확보될 수 있는 조관 방법 및 조관 장치에 대한 것이다.

전세계적인 에너지 수요의 증가와 함께 장거리 원유나 가스의 수송을 위해서는 라인 파이프를 사용한 수송방법이 가장 효율적이다. 이와 같은 라인 파이프는 파이프 내의 유체 즉, 원유나 가스의 수송압력을 증가시킴으로써 그 효율을 극대화시킬 수 있으며, 이러한 라인 파이프의 생산 방법으로는 UOE 조관 방법이 가장 대표적으로 쓰이고 있다.

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

U 성형까지 마친 U자 형상의 강재는 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.

기존의 O 성형시 도 2a와 같이 강재(1)의 단부(2)에서 루트-페이스는 접촉부(3)에서 선접촉으로 맞닿게 되는데, 이는 O 성형시 하중 부과에 의해서 찌그러짐이 발생한다.

이러한 접촉부(3)인 선접촉부의 찌그러짐에 의해서 도 2b 와 같이 판재(1)의 단부(2)는 면접촉(4)으로 변형되게 되며, 그에 따라서 루트-페이스의 길이(l)가 증가하게 되며, 그에 의해서 용접시 입열량이 증대되게 되어 파이프의 물성이 저하된다는 문제가 있다.

또한, 루트-페이스의 길이(l)에 따라서 용접조건이 변경되는데, 찌그러짐에 의해 변형되는 경우에 루트-페이스의 길이(l)가 예측 불가능하다는 문제가 있다. 즉, 루트-페이스의 길이(l)가 커지는 경우에 도 3 과 같이 내면, 외면 용접 비드(5)가 겹치지 않아서 결함이 발생하는 가능성이 증가한다는 문제가 있다.

본 발명은 위와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, O 성형시 루트-페이스의 길이가 증대되는 것을 막아서, 용접 시 입열량을 저감시키며, 용접부 결함을 저감시키는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 용접부 형상을 제어하는 것을 가능하며, 그로 인하여, 핫 와이어(Hot wire)나 콜드 와이어(Cold wire)와 같이 새로운 기술이 적용 가능한 조관 방법 및 조관 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 위와 같은 과제를 달성하기 위하여 다음과 같은 조관 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명은 U 형 강재를 가압하여 강관을 조관하는 2 이상의 가압부재를 포함하며, 상기 가압부재는, 가압부재에 의해 상기 강재가 변형될 때 상기 강재의 양 단부가 만나는 위치에 배치되며, 상기 강재의 양 단부와 접촉하는 지지부를 포함하는 조관 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 가압부재는 반원형의 내면을 가지는 하부 가압부재;와 상기 하부 가압부재의 위에 위치하며 반원형의 내면을 가지는 상부 가압부재를 포함하며, 상기 상부 가압부재의 내면 중앙부에 상기 지지부가 배치될 수 있다.

또, 이때, 상기 지지부는 반경 방향 내측으로 모이는 쐐기형 구조를 가지며, 강재의 양 단부의 단부면에 대응되는 경사면을 포함할 수 있다.

나아가, 상기 지지부는 상기 강재의 양 단부가 적어도 일지점에서 접촉하도록 상기 강재의 두께보다 작은 높이를 가질 수 있다.

상기 지지부는 가압부재에서 원주 방향으로 이동하도록 상기 강재와 접촉하는 접촉부;와 상기 가압부재에서 원주 방향으로 형성된 홈에 걸리는 돌기부;를 포함할 수 있다.

다르게, 본 발명은 판재의 양 단부를 곡면으로 성형하는 C 성형 단계; C 성형된 판재의 U형으로 성형하는 U 성형 단계; 및 U 성형된 판재를 원형으로 성형하는 O 성형 단계;를 포함하며, 상기 O 성형 단계에서는 판재의 양 단부면의 형상을 유지시키면서 원형으로 성형시키는 조관 방법을 제공한다.

또, 상기 O 성형 단계는 상기 판재의 양 단부면의 형상을 유지시키도록 상술한 조관 장치에 의해서 수행될 수 있다.

본 발명은 위와 같은 구성을 통하여, O 성형시 루트-페이스의 길이가 증대되는 것을 막아서, 파이프의 용접 입열량을 저감시키며, 용접부 결함을 저감시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 용접부 형상을 제어할 수 있으며, 그로 인하여, 새로운 기술 및 강재 단부의 개선된 형상이 적용 가능한 조관 방법 및 조관 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 추가의 단계 없이 종래의 방법보다 개선된 파이프를 제공할 수 있는 조관 방법을 제공할 수 있다.

도 1 은 종래의 UOE 조관 방법 및 조관 장치의 개략도이다.
도 2 는 종래의 O 성형시 단부의 모습을 도시한 것으로 도 2a 는 O 성형 전의 강재의 단부 모습을 도시한 것이며, 도 2b 는 O 성형 후 강재의 단부 모습을 도시한 것이다.
도 3 은 도 2b 를 용접하였을 때 용접 비드가 겹치지 않은 단면 사진이다.
도 4a 는 본 발명의 조관 장치의 개략도이며, 도 4b 는 본 발명의 조관 장치로 O 성형 시의 모습을 도시한 단면도이다.
도 5a, 5b 는 O 성형 시의 강재 단부의 모습을 도시한 것이다.
도 6 은 본 발명에 의해 조관된 파이프의 입열량과 충격 흡수량과 종래의 방법에 의해 조관된 파이프의 입열량과 충격 흡수량을 도시한 그래프이다.
도 7a 는 본 발명의 다른 실시예의 조관 장치의 길이 방향 단면도이며, 도 7b 는 도 7a의 A-A라인 단면도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명하도록 한다.

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

도 4a 및 도 4b 에는 본 발명의 조관 장치인 O 성형기(100)의 개략도이며, 도 4b 는 본 발명의 조관 장치인 O 성형기(100)로 O 성형 시의 모습을 도시한 단면도이다.

본 발명에서 O 성형기(100)는 상부 가압부재(110)와 하부 가압부재(111)를 포함하며, 상부 가압부재(110)와 하부 가압부재(111)는 내면의 단면이 반원형으로 형성되어, 내부에 유입된 U형 강재(1)를 가압하여 강관을 형성한다. 또, 상부 가압부재(110)의 내면 중앙에는 강관의 길이 방향을 따라서 지지부(101)가 연장 형성된다.

도 4b 에서 보이듯이, 지지부(101)는 상부 가압부재(110)로부터 반경 방향 내측으로 향하여 모이는 쐐기 형상을 가지며, 지지부(101)는 강재(1)의 단부(2)의 단부면(2a, 2b)에 면접촉하게 된다.

도 5a 에는 도 4b 와 다른 단부면(2a, 2b)의 모습이 상세히 도시되어 있다. 강재(1)의 단부(2)는 최종 용접을 위하여 단부면(2a, 2b)이 서로 다른 경사로 형성된다. 각 단부(2)의 단부면(2a, 2b)은 접촉부(3)에서 맞닿으며, 선접촉하게 된다. 이러한 접촉부(3)까지 상부 가압부재(110)의 지지부(101)가 연장되며, 지지부(101)는 단부(2)의 단부면(2a)과 동일한 경사를 가지도록 구성되어 지지부(101)와 단부(2)의 단부면(2a)은 면접촉하게 된다.

이때, 지지부(101)의 돌출 높이는 강재(1)의 두께보다 작게 형성되어 단부면(2a) 사이의 접촉부(3)에서 선접촉이 발생하게 하는 것이 바람직한데, 이는 접촉부(3)가 없이 조관되는 경우에는 최종 용접된 후의 형상이 진원에 가깝지 못하게 되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 본 발명에서, 지지부(101)와 단부(2)의 단부면(2a)은 선접촉이 아닌 면접촉을 하게 되며, 그에 의해서 단부(2)는 찌그러짐과 같은 변형 없이 설계한 초기의 형상을 그대로 유지할 수 있다. 이는 예상되는 형상을 제어할 수 있는 것이며, 그로 인하여 용접에 유리한 형상을 가지도록 조관할 수 있다.

도 5b 에는 또 다른 형상의 단부면(2a)을 가지는 단부(2) 및 지지부(101)의 모습이 도시되어 있다.

도 5b 에서 보이듯이, 단부(2)의 단부면(2a)은 단일 경사로 구성될 수 있다. 이때, 단부면(2a)의 상측 및 하측이 동일한 경사를 가질 수도 있지만, 그렇지 않더라도 무방하다. 지지부(101)는 상기 단부면(2a)과 동일한 경사면(101a)과 그에 연장되며 상부 가압부재(100)와 경사면(101a)을 연결하며, 반경 방향으로 형성된 기부면(101b)을 포함한다.

기부면(101b)은 단부(2)의 단부면(2a)에 접촉하지 않으며, 경사면(101a)이 단부면(2a)에 면접촉한다. 따라서, 가압 시에도 경사면(101a)과 단부면(2a)의 면접촉으로 압력이 분산되어 찌그러짐과 같은 변형 없이 초기에 설계한 단부면(2a)의 형상이 유지될 수 있다.

도 5b 에서는 지지부(101)가 기부면(101b)과 경사면(101a)을 포함하는 것이나, 경사면(101a)과 단부면(2a)이 면접촉할 수 있다면, 기부면(101b) 없이 경사면(101a)만으로 구성되는 것도 가능함은 물론이다.

본 발명에서는 지지부(101)를 통하여 단부면(2a)끼리의 맞닿는 압력을 지지부(101)와 단부면(2a)의 면접촉으로 분산시켜, 단부면(2a)의 형상 변형을 막을 수 있다.

이는 예상되지 않았던 단부면(2a)의 변형을 원천적으로 제거하여 균일한 강관을 조관하는 것뿐만 아니라, 새로운 방식의 용접부 형상을 적용할 수 있게 한다. 예를 들어 본 발명은 UOE 조관에 있어서, 대한민국 공개특허 제2011-0077220호와 같은 용접부 형상을 적용할 수 있게 한다.

또한, 단부면(2a) 끼리의 접촉이 선접촉으로 유지될 수 있게 하며, 이는 루트-페이스의 길이가 발생하는 종래의 UOE 조관에서는 적용 불가능한 새로운 용접 방식, 예를 들면 핫 와이어나 콜드 와이어를 적용하는 것을 가능하게 한다.

도 6 에는 본 발명의 O 성형기(100)를 통하여 조관된 강관과 종래의 O 성형기(31, 32)를 통하여 조관된 강관을 동일한 방식으로 용접하여 그 성능을 대비한 결과 그래프이다. 초기에 동일한 단부면(2a)을 가지는 강재(1)를 사용하여 조관하였으며, 용접은 내부 및 외부 용접비드가 교차하도록 수행되었다.

본 발명에서는 단부면(2a)의 형상이 유지되어 양 단부(2)의 접촉이 선접촉으로 유지되어 용접 금속의 유입이 유리하여 영하 20℃ 및 0℃ 고성능을 유지하였다. 하지만, 종래의 경우 초기에는 단부면(2a)이 선접촉하였으나 O 성형시 찌그러져 루트-페이스 길이(l; 도 2b 참고)가 증대되어 상대적으로 많은 입열량이 요구되었으며, 그로 인하여 특히 퓨전 라인에서의 성능이 크게 차이 나는 것을 확인할 수 있다.

도 7a 및 도 7b 에는 본 발명의 다른 실시예가 도시되어 있다.

도 7a 에서 O 성형기(100')는 도 4의 실시예와 동일하게 상부 가압부재(110)와 하부 가압부재(111)를 포함하여 구성된다. 상부 가압부재(110)에는 홈(130)이 형성되어 있으며, 상기 홈(130)에 지지부(121)가 삽입된다. 또한, 상기 홈(130)에 삽입된 지지부(121)의 반경 방향의 움직임이 발생하지 않도록 고정부(125)가 지지부(130)가 삽입된 후 상부 가압부재(110)에 장착된다.

홈(130)은 길이 방향을 따라서 복수 개 형성될 수 있으며, 길이 방향 전체적으로 형성되지 않더라도 강재(1)의 단부(2) 형상을 유지할 정도의 면접촉을 유발할 수 있을 정도면 충분하다.

한편, 지지부(121)는 돌출부(122)가 길이 방향을 따라서 형성되어 있으며, 이 돌출부(122)는 홈(130)의 걸림부(131)에 걸려서 지지부(121)가 원주 방향을 따라서 이동이 가능하게 구성된다. 지지부(121)는 걸림부(131)와 고정부(125)에 의해서 반경 방향으로는 고정된 상태로 홈(130)을 따라서 원주 방향으로 이동된다.

이렇게 지지부(121)가 이동됨으로써, U 성형을 마친 U 형 강재가 O 성형기(100')에 들어왔을 때, 약간의 오차를 커버할 수 있다.

위에서는 O 성형기(100)를 위주로 설명하였으며, 이하에서는 O 성형기(100)를 적용하여 강관을 생산하는 방법에 대하여 설명하도록 한다. 먼저, 강재(1)의 양 끝단에 단부(2)를 원하는 용접부 형상으로 가공하며, 그 후에 단부(2)를 굽히는 C-성형기를 통하여 C 성형한다.

C 성형을 통하여 단부(2)가 성형된 강재(1)는 U 성형기로 공급되며, U 성형기에서 주성형부와 치구를 통하여 대략 U자형상으로 강재(1)를 변형시키는 U-성형(U-press)이 수행된다.

U 성형까지 마친 U자 형상의 강재(1)는 상술한 O 성형기(100, 100')의 상부 가압부재(110)와 하부 가압부재(111) 사이로 제공되며, 하부 가압부재(111)에 놓인 U자 형상의 강재(1)에 상부 가압부재(110)가 내려오면서 가압 성형한다. 이때, 상부 가압부재(110)에 구비된 지지부(101)는 초기에 가공된 단부(2)의 단부면(2a)의 형상을 유지한 채로 O 성형 될 수 있게 한다.

O 형으로 성형된 강관(1)은 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.

본 발명에서는 UOE 조관 방법에서의 O 성형기를 위주로 설명하였으나, UOE 조관 방식인 아닌 다른 조관 방식에서의 조관 장치에서도 사용될 수 있음은 물론이다.

100, 100' : O 성형기 101, 121: 지지부
110: 상부 가압부재 111: 하부 가압부재
101a: 경사면 101b: 기부면
122: 돌출부 125: 고정부
130: 홈 131: 걸림부

Claims (7)

1. U 형 강재를 가압하여 강관을 조관하는 2 이상의 가압부재를 포함하며,
   상기 가압부재는, 가압부재에 의해 상기 강재가 변형될 때 상기 강재의 양 단부가 만나는 위치에 배치되며, 상기 강재의 양 단부와 면접촉하는 지지부를 포함하는 조관 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 가압부재는
   반원형의 내면을 가지는 하부 가압부재;와
   상기 하부 가압부재의 위에 위치하며 반원형의 내면을 가지는 상부 가압부재;를 포함하며,
   상기 상부 가압부재의 내면 중앙부에 상기 지지부가 배치되는 것을 특징으로 하는 조관 장치.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 지지부는 반경 방향 내측으로 모이는 쐐기형 구조를 가지며,
   강재의 양 단부의 단부면에 대응되는 경사면을 포함하는 것을 특징으로 하는 조관 장치.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 지지부는 상기 강재의 양 단부가 적어도 일지점에서 접촉하도록 상기 강재의 두께보다 작은 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 조관 장치.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 지지부는 가압부재에서 원주 방향으로 이동하도록 상기 강재와 접촉하는 접촉부;와 상기 가압부재에서 원주 방향으로 형성된 홈에 걸리는 돌기부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 조관 장치.
   
6. 판재의 양 단부를 곡면으로 성형하는 C 성형 단계;
   C 성형된 판재의 U형으로 성형하는 U 성형 단계; 및
   U 성형된 판재를 원형으로 성형하는 O 성형 단계;를 포함하며,
   상기 O 성형 단계에서는 판재의 양 단부면의 형상을 유지시키면서 원형으로 성형시키는 조관 방법.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 O 성형 단계는 상기 판재의 양 단부면의 형상을 유지시키도록 제 1 항 또는 제 2 항의 조관 장치에 의해서 수행되는 것을 특징으로 하는 조관 방법.

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