KR20140124019A

KR20140124019A - Uoe 강관 및 구조물

Info

Publication number: KR20140124019A
Application number: KR20147027117A
Authority: KR
Inventors: 히사카즈 다지카; 타카히로 사키모토; 사토시 이기
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2012-04-02
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2014-10-23
Also published as: EP2818260A1; CN104203443B; CA2868973C; RU2572940C1; KR101498118B1; US20150090361A1; CN104203443A; US9205475B2; EP2818260A4; WO2013151056A1; EP2818260B1; CA2868973A1

Abstract

본 발명에 따른 UOE 강관은, 맞대기 원주 용접을 행하여 구조물을 형성하는 데에 이용되고, 길이 방향으로 파형의 외경 형상을 갖는 UOE 강관으로서, 길이 방향 양단부(兩端部)로부터 소정 길이 범위 내에 상기 파형의 외경 형상의 극소값이 존재하지 않도록 성형되어 있는 것을 특징으로 한다. 구체적으로는, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 UOE 강관은, 길이 방향 양단부로부터 2.26λ 내지 3.86λ의 범위 내(단, λ는 UOE 강관의 초기 좌굴(buckling) 반파장을 나타냄)에 있어서, 파형의 외경 형상의 극소값이 존재하지 않도록 제어하여 형성되어 있다. 본 발명의 제2 실시형태에 따른 UOE 강관에서는, 길이 방향 양단부로부터 적어도 길이 방향 2λ의 범위에 관지름의 변화량이 UOE 강관의 외경의 0.02％ 이하가 되는 플랫부(flat portion)가 형성되어 있다.

Description

UOE 강관 및 구조물{UOE STEEL TUBE AND STRUCTURE}

본 발명은, 제조 과정에서 다이스를 이용하여 확관(tube expansion)을 행하는 UOE 강관 및, UOE 강관에 맞대기 원주 용접(butt circumferential welding)을 행함으로써 형성된 구조물에 관한 것이다.

최근, 에너지 수요의 증가로부터 가스전이나 유전의 신규 개척이 왕성하게 이루어 지고 있어, 지진 지대나 불연속 동토 지대(permafrost zones)에 가스나 석유를 수송하는 파이프 라인을 부설하는 경우가 많아지고 있다. 그러나, 지진 지대나 불연속 동토 지대에서는 액상화, 단층 변위, 동상·용해(frost heaving and melting) 등의 요인에 의해 지반이 크게 변형되고, 그에 수반하여 지반에 매설된 파이프 라인이 변형되는 경우가 있다.

크게 변형된 지반에 매설된 파이프 라인은, 소성 변형한 후에도 큰 변위의 작용을 받는다. 파이프 라인에 과대한 변위가 작용한 경우, 파이프 라인을 형성하는 강관은 굽혀지고, 압축측에서 좌굴(buckling)한 후, 좌굴부 또는 좌굴부의 반대측의 인장측에서 파단한다. 이 때문에, 좌굴부에서의 강관의 손상이나 파단부로부터의 가스나 석유의 누출을 방지하는 관점에서, 강관에는 우수한 변형 성능이 요구되고 있다.

파이프 라인의 제조 분야에서는, 강관이 우수한 변형 성능을 발휘하기 위해 중요하다고 생각되어 온 요소는, 주로 강재의 특성, 특히 강재의 항복비이다. 이 때문에, 특허문헌 1 내지 3에는, 전봉관(electric resistance welded pipe;電縫管)을 대상으로 하고, 강재의 조성 및 연질·경질의 2상 조직에 의해 강재의 축방향 항복비를 낮게 함으로써, 변형 성능이 우수한 강관을 제조하는 기술이 기재되어 있다. 또한, 특허문헌 4에는, 전봉관을 대상으로 하고, 입측 교정 및 회전 교정의 과정에서 판두께 및 길이 방향으로 왜곡(strain)을 부여하는 것에 의해 강재의 항복비를 낮게 함으로써, 변형 성능이 우수한 강관을 제조하는 기술이 기재되어 있다.

또한, 파이프 라인의 제조 분야에서는, 좌굴 방지 대상 부위를 특정하고, 그 근방의 강성(剛性)을 강화함으로써 좌굴 방지를 도모하는 것도 생각되고 있다. 특허문헌 5에는, 용접부 근방의 좌굴이 인장 파괴를 초래한다고 하여, 강관의 관단(管端)에 덧붙임 용접(weld reinforcement)을 행하고, 덧붙임 용접에 의한 국소적 고강성화에 의해 용접부 근방의 좌굴을 방지하는 기술이 기재되어 있다.

또한, UOE 강관의 관 형상에 관해서는, 특허문헌 6에, 원호 형상의 상하 다이스를 이용하여 관단의 진원도(circularity)를 교정함으로써, 관단끼리를 용접할 때의 심 맞대기(centered with respect th each other)시에 형상이 맞지 않아 용접성이 악화되는 것을 방지하는 기술이 기재되어 있다. 또한, 특허문헌 7에는, 다이스로 밀어 넣어지지 않는 부분에 대해서, 강관을 회전시키면서 필요한 부위를 롤로 압하함으로써, 다이스의 형상에 의해 발생하는 관단 원주 방향의 진원도 부정(irregularity)을 강제(强制)하여, 진원에 가깝게 하는 기술이 기재되어 있다. 특허문헌 6, 7에 기재된 기술은 모두, 관단의 둘레 방향의 형상을 교정함으로써 관단 진원도를 확보하는 것이다.

일본특허공보 제4528356호 일본특허공보 제4575995호 일본특허공보 제4575996호 일본특허공보 제4442541호 일본공개특허공보 2006-292088호 일본공개특허공보 2010-167440호 일본특허공보 제3785998호

파이프 라인, 강관항(steel pipe pile), 강관 시판(steel pipe sheet pile) 등의 강관 구조물은, 약 12 내지 24m의 강관을 복수개, 길이 방향으로 용접 접합함으로써 형성되는 장척의 구조물이다. 이들 강관 구조물에 지반 등의 대변형이 작용하는 경우, 모재부 및 용접부가 모두 굽힘 변형한다. 용접부는, 덧붙임 용접 등에 의한 판두께의 변화나 용접 재료의 오버 매치 등의 영향으로부터 모재부의 강성과는 상이한 강성을 갖고, 강관의 굽힘 좌굴 시험에서 주로 용접부 근방에서 좌굴할 가능성이 높은 것이 알려져 있다. 이 현상은, 모재부의 변형 성능보다 용접부의 변형 성능이 하회하고 있어, 모재부에서 항복비를 상승시키는 것의 한계를 나타내고 있다. 이 때문에, 특허문헌 1 내지 4에 기재된 기술만으로는, 강관 단체(single steel pipe)가 아닌 파이프 라인으로서 생각한 경우, 용접부에서 소정의 변형 성능 개선 효과를 발휘할 수 없다.

또한, 특허문헌 5에 기재된 기술은, 둘레 용접부의 결함에 있어서 인장력이 탁월한 것을 방지하는 것을 목적으로 하고 있다. 그 때문에, 특허문헌 5에 기재된 기술은, 둘레 용접부 근방의 일정한 구간을 용접기로 덧붙임 용접하여 강성을 강화하고, 둘레 용접 근방만의 좌굴을 방지하고 있다. 일반적으로, 강관이 좌굴한 후에는 그 이측(rear side)에서 인장 왜곡이 탁월하여, 파단에 이른다. 이 때문에, 특허문헌 5에 기재된 기술에 의해, 인장 왜곡을 둘레 용접부에 집중시키지 않도록 할 수 있다. 그러나, 특허문헌 5의 기재에 의하면, 강성을 강화하여 좌굴을 방지할 수 있지만, 덧붙임 용접 종료 위치 근방의 덧붙임 용접이 없는 부분에서 좌굴이 발생한다. 또한, 모재부와 둘레 용접부와의 강성 차이에 의해, 강관 구조물은 모재부만의 경우보다도 작은 변형으로 좌굴한다고 생각된다. 이 때문에, 특허문헌 5에 기재된 기술에 의하면, 둘레 용접부에서 파괴시키지 않는다는 사명을 다할 수는 있지만, 강관 구조물 전체로서의 변형 성능은 낮아진다.

또한, 특허문헌 6, 7에 기재된 기술은, 둘레 이음매의 용접 시공성의 향상을 고려한 것이다. 특허문헌 6, 7에 기재된 기술에 의하면, 강관의 형상은 주로 둘레 방향으로 교정되어, 진원도가 향상하지만, 관축방향의 형상의 개선에는 직접 기여하지 않는다. 후술하는 바와 같이, 강관의 좌굴 방지에는 축방향의 형상의 교정이 중요하다. 이 때문에, 특허문헌 6, 7에 기재된 기술에서는, 구조물의 좌굴 방지에는 효과를 기대할 수 없다.

본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 좌굴 성능이 우수한 구조물을 형성 가능한 UOE 강관 및 좌굴 성능이 우수한 구조물을 제공하는 것에 있다.

본 발명에 따른 UOE 강관은, 맞대기 원주 용접을 행하여 구조물을 형성하는 데에 이용되고, 길이 방향으로 파형의 외경 형상을 갖는 UOE 강관으로서, 길이 방향 양단부(兩端部)로부터 소정 길이 범위 내에 상기 파형의 외경 형상의 극소값이 존재하지 않도록 성형되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 UOE 강관은, 상기 발명에 있어서, 길이 방향 양단부로부터 2.26λ 내지 3.86λ의 범위 내(단, λ는 UOE 강관의 초기 좌굴 반파장을 나타냄)에 있어서, 상기 파형의 외경 형상의 극소값이 존재하지 않도록 제어하여 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 UOE 강관은, 상기 발명에 있어서, 상기 제어는, UOE 강관에 확관을 행할 때에 이용되는 다이스의 길이 방향의 이송폭을 조정함으로써 행해지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 UOE 강관은, 상기 발명에 있어서, 상기 제어는, 길이 방향 양단부를 절단함으로써 행해지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 UOE 강관은, 상기 발명에 있어서, 길이 방향 양단부로부터 적어도 길이 방향 2λ의 범위(단, λ는 UOE 강관의 초기 좌굴 반파장을 나타냄)에 관 지름의 변화량이 UOE 강관의 외경의 0.02％ 이하가 되는 플랫부(flat portion)가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 구조물은, 본 발명에 따른 UOE 강관의 길이 방향 단부에 맞대기 원주 용접을 행함으로써 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 좌굴 성능이 우수한 구조물을 형성 가능한 UOE 강관 및 좌굴 성능이 우수한 구조물을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태인 UOE 강관의 길이 방향 단부의 형상을 나타내는 개략도이다.
도 2는 일반적인 UOE 강관의 길이 방향 단부의 형상을 나타내는 개략도이다.
도 3은 해석 실험의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태인 UOE 강관의 길이 방향 단부의 형상을 나타내는 개략도이다.
도 5는 일반적인 UOE 강관의 길이 방향 단부의 형상을 나타내는 개략도이다.
도 6a는 UOE 강관의 길이 방향의 형상 분포의 일 예를 나타내는 그래프이다.
도 6b는 UOE 강관의 원주 용접 위치와 축방향 위치와의 관계를 나타내는 개략도이다.
도 7a는 강관 굽힘 실험의 결과를 나타내는 사진이다.
도 7b는 초기 상태의 강관의 상태를 나타내는 개략도이다.
도 7c는 굽힘 모멘트가 작용했을 때의 강관의 상태를 나타내는 개략도이다.
도 8a는 좌굴 발생시의 왜곡 분포의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 8b는 인장측 왜곡과 압축측 왜곡을 설명하기 위한 개략도이다.
도 9는 해석 실험의 결과를 나타내는 그래프이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

이하, 본 발명의 제1 및 제2 실시 형태인 UOE 강관에 대해서 설명한다.

[제1 실시 형태]

먼저, 본 발명의 제1 실시 형태인 UOE 강관에 대해서 설명한다.

강성이 길이 방향으로 균일한 강관에서는, 길이 방향 단부에 가까운 위치에서 좌굴이 발생하기 쉬운 것이 알려져 있다. 한편, 파이프 라인, 강관항, 강관 시판 등의 구조물에 사용되는 강관은, 길이 방향 단부끼리를 원주 용접(circumferential welding)으로 접합하고, 또한 원주 용접부의 강도가 강관의 모재의 강도보다 높아지도록 하는, 환언하면, 원주 용접부의 강성을 다른 부분의 강성보다 높게 하는 것이 일반적이다. 이와 같이 강관 내에 강성이 높은 부분이 있으면 그 주위 부분도 좌굴하기 어려워진다. 이 때문에, 원주 용접부를 갖는 강관의 좌굴 위치는 원주 용접부로부터 어느 정도 떨어진 위치가 된다고 생각할 수 있다.

그러나, 파이프 라인과 같이 길이 방향의 도중에 원주 용접부를 갖는 강관의 좌굴 위치가 어느 위치가 되는지에 대해서는 이론적인 해명이 이루어져 있지 않았다. 그래서, 본 발명의 발명자들은, 원주 용접부 근방에서의 좌굴 위치를 특정하기 위해, 외경φ 48인치(1219㎜), 판두께 22.0㎜, 길이 8000㎜, 길이 방향의 중앙에 용접 재료 MG-S70을 이용한 11패스의 다층성(multi-pass)(약 1.1 내지 2.0kJ/㎜)의 원주 용접부를 갖는 강관을 예로 들어, 실관을 이용한 강관 굽힘 실험 및 실험과 합치하는 유한 요소법 해석에 의한 검토를 행했다.

그 결과, 본 발명의 발명자들은, 원주 용접부로부터 길이 방향으로 450 내지 770㎜ 정도의 위치에 좌굴이 발생하기 쉬운 것을 인식했다. 이 때문에, 원주 용접부로부터 길이 방향으로 450 내지 770㎜의 범위 내에 좌굴을 유발하는 바와 같은 외경 형상이 존재하면, 그 부위에서 좌굴이 유발되어, 강관 전체의 변형 성능이 저하된다고 생각할 수 있다.

다른 한편, 본 발명이 대상으로 하는 UOE 강관의 제조 공정에는, 다이스를 관 내에 삽입하고, 소정의 이송량으로 확관을 반복함으로써, 강관의 성형 정밀도를 올리는 공정이 있다. 그 때문에, UOE 강관의 외형은, 확경부와 축경부가 연속되는 바와 같은 형상, 환언하면 길이 방향 단면에 있어서 물결치는 바와 같은 형상으로 되어 있다. 이 때문에, UOE 강관의 좌굴은, 물결 형상에 있어서의 극소값의 부위에서 발생하기 쉽다고 생각할 수 있다.

이러한 UOE 강관의 외형의 특징과 원주 용접부를 갖는 강관의 좌굴이 발생하기 쉬운 위치를 맞추어 고찰하면, UOE 강관을 길이 방향으로 용접한 경우, 외경φ 48인치, 판두께 22.0㎜의 강관이면, 원주 용접부로부터 450 내지 770㎜의 범위 내에 물결 형상의 극소값이 존재하면, 외경 형상에 의한 미묘한 차이에서 좌굴이 발생하여, 결과적으로 강관 전체의 변형 성능이 저하된다.

실제, 원주 용접 이음매를 갖고, 원주 용접부로부터 길이 방향으로 600㎜의 위치에 물결 형상의 극소값이 있는 경우의 변형 성능과 원주 용접부로부터 길이 방향으로 450 내지 770㎜의 범위 내에 물결 형상의 극소값이 없는 경우와의 좌굴 성능을 비교한 결과, 전자에서는 2De 이동 평균 왜곡(굽힘 곡률의 지표: 표점(gauge point)을 외경 De의 2배로 한 경우의 좌굴이 발생하는 압축 왜곡량)이 1.35％였던 것에 대하여, 후자에서는 2De 이동 평균 왜곡은 1.55％ 정도였다.

이것으로부터, 외경φ 48인치, 판두께 22.0㎜의 강관이면, 원주 용접부로부터 길이 방향으로 450 내지 770㎜의 위치에 물결 형상의 극소값이 존재하지 않도록 UOE 강관의 길이 방향 단부의 형상을 제어함으로써, 그 범위에 물결 형상의 극소값이 있는 경우와 비교하여 15％ 정도의 내(耐)좌굴 성능이 향상하게 된다.

상기의 설명에서는, 외경φ 48인치, 판두께 22.0㎜의 강관에 대해서 설명했지만, 상기의 범위는 강관의 지름이나 판두께에 따라 변화하는 것을 생각할 수 있다. 그래서, 본 발명의 발명자들은, 강관의 지름이나 판두께를 변경한 해석 실험을 행하고, 좌굴이 발생하는 범위에 대해서 추가로 검토한 결과, 좌굴이 발생하는 범위와 강관의 초기 좌굴 반파장과의 사이에 상관 관계가 있는 것을 발견했다.

강관의 초기 좌굴 반파장 λ는 1.72√(De/2*t)(De: 관단의 외경, t: 강관의 판두께)로 산출할 수 있다. 좌굴이 발생하는 범위를 강관의 초기 좌굴 반파장 λ를 이용하여 나타내면, 좌굴이 발생하는 범위는 원주 용접부로부터 길이 방향으로 2.26λ 내지 3.86λ의 범위 내가 된다. 강관 모재의 동등한 내좌굴 성능으로부터 2.26λ 내지 3.86λ의 범위 내에서는, 내좌굴 성능이 저하되고, 최저값은 2.76λ 내지 3.13λ의 범위 내가 되어 있다.

이상의 검토 결과로부터, UOE 강관을 관축방향으로 용접 접합하여 파이프 라인을 형성하는 경우에 있어서, 파이프 라인의 좌굴 성능을 향상시키기 위해서는, 원주 용접부로부터 2.26λ 내지 3.86λ의 범위 내에 물결 형상의 극소값이 존재하지 않도록 길이 방향 단부의 형상을 제어함으로써, 원주 용접의 영향으로 좌굴 성능이 저하되어 있는 에이리어에서 좌굴은 발생하기 어려워지고, 가장 좌굴하기 쉽다고 여겨지는 부위에서의 좌굴을 방지할 수 있다. 그 결과, 좌굴은 원주 용접의 영향을 받지 않는 강관 모재부에서 발생하기 때문에, 강관 모재에서 상정하고 있던 변형 성능으로 파이프 라인 전체의 변형 성능을 규정할 수 있다.

이하, 본 발명의 제1 실시 형태인 UOE 강관의 구체적인 구성에 대해서 설명한다.

UOE 강관의 제조 공정에는, 다이스를 관내에 삽입하고, 소정의 이송량으로 확관을 반복함으로써 강관의 성형 정밀도를 올리는 공정이 있다. 그 때문에, 도 2에 나타내는 바와 같이, 일반적인 UOE 강관(10)에는, 길이 방향 단면에 있어서의 관 표면에 물결 형상이 형성되어 있다. 도 2에서는, 물결 형상의 극소값을 나타내는 부위에 검은 동그라미가 기재되어 있다. 또한, 도 2에 나타내는 UOE 강관(10)과 같이, 길이 방향 단부로부터 2.26λ 내지 3.86λ의 범위 Lw 내에 물결 형상의 극소값이 존재하면, 좌굴 성능이 저하된다.

그래서, 본 실시 형태의 UOE 강관(1)에서는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 길이 방향 단부로부터 2.26λ 내지 3.86λ의 범위 Lw 내에 물결 형상의 극소값이 존재하지 않도록, 도 2에 나타내는 UOE 강관(10)의 단부(10a)(단면으로부터 500㎜의 범위)가 절단되어 있다. 단, λ는, UOE 강관(1)의 초기 좌굴 반파장으로, λ＝1.72√(De/2*t)(De: 관단의 외경, t: UOE 강관의 판두께)이다.

도 1 및 도 2에 나타내는 UOE 강관(1, 10)의 길이 방향 단면에 나타나는 물결 형상을 함수 F(x)로 나타내면, 길이 방향 양단부로부터 2.26λ 내지 3.86λ의 범위 내에 물결 형상의 극소값이 존재하지 않는 것은, 하기의 (1)식을 충족하지 않는 것이라 표현할 수도 있다.

De<F(2.26λ) & De<F(3.86λ) & F'(Lx)＝0　…(1)

단, Lx는 관단으로부터 관 길이 방향의 거리로서, 2.26λ＜Lx＜3.86λ

De는 관단의 외경

본 실시 형태의 UOE 강관(1)은, 길이 방향 단부로부터 2.26λ 내지 3.86λ의 범위 내에 길이 방향 단면에 나타나는 물결 형상의 극소값이 포함되지 않도록 형성되어 있다. 이 때문에, 원주 용접부 근방에서 좌굴 성능이 저하되기 쉬운 장소, 즉 길이 방향 단부로부터 2.26λ 내지 3.86λ의 범위 내에 좌굴을 유발하는 형상이 존재하지 않고, 강관을 접합하여 형성되는 구조물 전체로서의 좌굴 성능을 향상시킬 수 있다.

상기 실시 형태에서는, 길이 방향 단부의 형상을 제어하는 방법으로서, 이미 제조된 UOE 강관(10)의 관단부(10a)를 절단하는 것으로 했지만, UOE 강관의 제조 과정에 있어서 확관 다이스의 이송폭을 조정함으로써, 길이 방향 단부로부터 2.26λ 내지 3.86λ의 범위 내에 물결 형상의 극소값이 존재하지 않도록 길이 방향 단부의 형상을 제어해도 좋다.

다음으로, 본 실시 형태의 효과를 확인하기 위한 강관 굽힘 실험 및 해석 실험의 결과에 대해서 설명한다.

[실시예]

[강관 굽힘 실험]

{실험 1}

본 실험에서는, 외경 48인치 및 관두께 22㎜의 UOE 강관을 이용했다. 실험에 앞서, 강관 외면의 형상을 계측했다. 그 결과, 강관의 외면 형상에 물결치는 것이 발견되었다. 이 물결치는 형상은, UOE 강관의 제조 과정에 있어서 다이스에 의해 확관을 행했을 때에 발생한 것으로, 형상 변화의 주기는 익스팬드(expansion)의 주기에 가깝고, 모든 진폭은 거의 동일하고 일정한 기계 확경에 의해 발생한 것이었다. 시험체의 강관에서는, 강관의 원주 용접부로부터 550㎜ 정도의 곳에 물결 형상의 극소값을 확인할 수 있었다. 이 시험체에 있어서의 550㎜의 위치는 2.8λ에 상당하고, 본 발명에 있어서 규정하는 2.26λ 내지 3.86λ의 범위 내이다.

굽힘 시험의 결과, 원주 용접부 근방의 500㎜ 위치에서 좌굴이 발생하고, 이 부위에서 변형이 진행했다. 굽힘 모멘트의 피크는 이 좌굴에 의해 강관의 내력이 저감하기 시작함으로써 발생했다. 동일한 재질을 갖는, 원주 용접부를 갖지 않는 강관의 굽힘 시험 결과와 비교하면 변형 성능은 15％ 정도 저하되고 있으며, 이에 따라, 원주 용접부 근방에서의 좌굴은 강관 전체의 변형 성능을 저하시키는 요인이 되는 것이 인식되었다.

{실험 2}

UOE 강관으로서, 물결 형상의 극소값이 원주 용접부로부터 300㎜(1.5λ)의 위치에 있는 것을 시험체로 하여, 상기와 동일한 실험을 행했다. 그 결과, 원주 용접부를 갖지 않는 UOE 강관의 굽힘 시험 결과와 동일한 정도의 좌굴 성능이 얻어졌다.

실험 1 및 실험 2의 결과로부터, 본 발명 범위인 2.26λ로부터 3.86λ의 범위 내에 물결 형상의 극소값이 존재하면 좌굴 성능이 저하되고, 반대로 2.26λ로부터 3.86λ의 범위 외에 물결 형상의 극소값이 존재하는 경우에는 좌굴 성능은 영향을 받지 않는 것이 확인되었다.

[해석 실험]

상기의 실관을 이용한 강관 굽힘 실험에서 얻어진 현상으로부터, 원주 용접부 근방에 존재하는 물결 형상의 극소값이 강관의 좌굴 현상에 영향을 주고 있는 것이 실증되었다. 그래서, 다음으로, 원주 용접부 근방에서 물결 형상의 극소값의 위치를 300 내지 1050㎜의 범위 내에 있어서 150㎜ 피치로 바꾸어, 강관 굽힘 실험에서 이용한 것과 동일한 외형과 관두께의 강관(외경: 48인치, 관두께: 22㎜)에 대해서 해석 실험을 행했다. 실험의 결과를 도 3의 그래프에 나타낸다. 도 3의 그래프는, 종축이 곡률 반경(m)이고, 횡축이 길이 방향 단부에서 극소값까지의 거리(㎜)를 나타내고 있다. 도 3의 그래프에는, 실관에 의한 굽힘 실험의 결과도 게재되어 있다.

도 3의 그래프를 보면, 300㎜ 및 450㎜의 위치에 물결 형상의 극소값이 있는 경우에는, 좌굴에 이르는 곡률 반경이 37m의 근방이다. 이에 대하여, 450㎜ 내지 750㎜의 범위 내에서는, 좌굴 발생시의 곡률 반경이 커지고 있어, 좌굴 성능이 저하되어 있다. 300㎜는 1.5λ, 450㎜는 2.26λ, 750㎜는 3.86λ에 상당한다. 따라서, 2.26λ 내지 3.86λ의 범위 내에 물결 형상의 극소값이 존재하면, 좌굴 성능이 저하되고, 반대로 그 범위 내에 물결 형상의 극소값이 존재하지 않으면 강관 모재에서 상정하고 있던 변형 성능을 얻을 수 있는 것이 해석적으로 실증되었다.

[제2 실시 형태]

다음으로, 본 발명의 제2 실시 형태인 UOE 강관에 대해서 설명한다.

파이프 라인에서는, 원주 용접부 근방에 있어서의 강성 차이에 의해 둘레 이음매부의 근방에서 좌굴이 발생할 가능성이 높다. 좌굴이 발생하는 장소는, 강관의 판두께나 외경으로부터 결정되는 초기 좌굴 반파장 λ 정도 떨어진 장소에서 발생하는 경우가 많다. 좌굴이 발생하는 것을 방지하기 위해서는, 좌굴 장소의 강성을 향상하는 방법이나 형상 특성을 개선하는 방법 등의 방법을 생각할 수 있다. 그러나, 좌굴 장소의 강성을 향상시켰다고 해도, 좌굴 위치가 바뀔 뿐이며 좌굴시의 굽힘 변형량이나 좌굴부의 왜곡량은 변하지 않는다. 그래서, 본 발명의 발명자들은, 형상 특성을 개선하는 것에 착안했다. 형상 특성 중, 좌굴에 영향을 주는 영향이 높은 것으로서 외형의 축방향 분포를 들었다.

외형의 축방향 분포가 발생하는 강관의 일 예로서 UOE 강관이 있다. UOE 강관의 제조 공정에는, 다이스를 관 내에 삽입하고, 소정의 이송량으로 확관을 반복함으로써, 강관의 진원도를 올리는 공정이 있다. 그 때문에, UOE 강관의 외형은 확경부와 축경부가 연속되는 바와 같은 형상, 환언하면, 길이 방향 단면에 있어서 물결치는 바와 같은 형상으로 되어 있다. 이러한 UOE 강관의 좌굴은 물결 형상에 있어서의 극소값의 부위에서 발생하기 쉽다. 그 때문에, 강관을 접합하여 파이프 라인을 형성한 경우, 파이프 라인에 있어서 좌굴이 발생하기 쉬운 장소에 극소값이 존재하면, 외경 형상에 의한 미묘한 차이로 좌굴이 발생하여, 결과적으로 파이프 라인 전체의 변형 성능이 저하된다.

그래서, 본 발명의 발명자들은, 형상 특성의 개선책으로서, 파이프 라인에 있어서 좌굴이 발생하기 쉬운 장소를 플랫(강관의 지름 방향의 변화가 없는 또는 미소한 형상)으로 하는 것을 생각했다. 실험 및 실험과 합치하는 유한 요소법 해석에 있어서, 외경φ 48인치(1219㎜), 판두께 22.0㎜, 길이 8000㎜, 길이 방향의 중앙에 용접 재료 MG-S70을 이용한 11패스의 다층성(약 1.1 내지 2.0kJ/㎜)의 원주 용접부를 갖는 강관을 예로 하여 플랫부의 길이와 변형 성능과의 관계에 대해서 검토를 행했다.

그 결과, 길이 방향 단부로부터 400㎜ 정도의 범위 내에 플랫부가 있음으로써, 강관이 원주 이음매가 없는 경우와 동등한 변형 성능을 갖는 것을 발견했다. 원주 이음매를 갖고, 길이 방향 단부가 플랫이 아닌 경우의 변형 성능이, 2De 이동 평균 왜곡(굽힘 곡률의 지표: 표점을 외경 De의 2배로 한 경우의 좌굴이 발생하는 압축 왜곡량) 1.35％였던 것에 대하여, 400㎜ 정도 (2λ) 이상의 크기의 플랫부가 있는 경우에는 1.55％ 정도로서, 15％ 정도의 내좌굴 성능의 향상을 확인할 수 있었다.

상기의 설명에서는, 외경φ 48인치, 판두께 22.0㎜의 강관에 대해서 설명했지만, 플랫부의 길이는 강관의 지름이나 판두께에 따라 변화하는 것을 생각할 수 있다. 그래서, 본 발명의 발명자들은, 강관의 지름이나 판두께를 변경한 해석 실험을 행하고, 좌굴이 발생하는 범위에 대해서 더욱 검토한 결과, 좌굴이 발생하는 범위와 강관의 초기 좌굴 반파장 λ와의 사이에 상관 관계가 있는 것을 발견했다. 강관의 초기 좌굴 반파장 λ는 1.72√(De/2*t)(De: 관단의 외경, t: 강관의 판두께)로 산출할 수 있고, 좌굴이 발생하는 범위를 강관의 초기 좌굴 반파장 λ를 이용하여 나타내면, 원주 용접부로부터 길이 방향으로 2λ의 범위가 된다.

이상의 검토 결과로부터, UOE 강관을 관축방향으로 용접 접합하여 파이프 라인을 형성하는 경우에 있어서, 파이프 라인의 좌굴 성능을 향상시키기 위해서는, 원주 용접부로부터 2λ의 범위를 플랫으로 함으로써, 좌굴이 발생하기 쉬운 장소에 물결 형상의 극소값이 없어지고, 그 부위에서의 좌굴이 발생하기 어려워져, 다른 부위에 좌굴이 진행된다. 다른 부위는 원주 용접부로부터 떨어진 강관 모재부가 되기 때문에, 강관 모재에서 상정하고 있던 변형 성능으로 파이프 라인 전체의 변형 성능은 규정된다.

실관에 있어서는 외경을 완전하게 플랫으로 할 수 없는 점에서, 본 발명의 발명자들은, 외경을 어느 정도 플랫으로 함으로써 효과가 있는지에 대해서 추가로 검토했다. 그 결과, 길이 방향 단면에 나타나는 외경의 변화량을 강관 외경의 0.02％ 이하로 함으로써, 완전하게 플랫으로 한 경우와 거의 동등한 효과가 얻어진다는 것을 확인했다. 상기에 있어서는, 외형의 축방향 분포가 발생하는 강관의 일 예로서 UOE 강관을 들었지만, 상기의 인식은 UOE 강관으로 한정되는 것이 아니라는 것은 말할 필요도 없다.

이하, 본 발명의 제2 실시 형태인 UOE 강관의 구체적인 구성에 대해서 설명한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 외형의 축방향 분포가 발생하는 강관의 일 예로서 UOE 강관을 예로 들어 설명한다.

UOE 강관의 제조 과정에는, 다이스를 관 내에 삽입하고, 소정의 이송량으로 확관을 반복함으로써, 강관의 진원도를 올리는 공정이 있다. 그 때문에, 도 5에 나타내는 바와 같이, 일반적인 UOE 강관(11)에는, 길이 방향 단면에 있어서의 관 표면에 파장 2λ 및 진폭 f의 물결 형상이 형성되어 있다. 또한, UOE 강관(11)의 단부로부터 2λ 정도의 범위 내에 물결 형상의 극소값이 존재하면, 좌굴 성능이 저하된다.

그래서, 도 4에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태의 UOE 강관(2)에서는, 단부로부터 2λ의 범위 내가 플랫부(2a)가 되도록 성형되어 있다. 단, λ는, 강관의 초기 좌굴 반파장으로, λ＝1.72√(De/2*t)(De: 관단의 외경, t: UOE 강관의 판두께)이다. 또한, 플랫부(2a)란, 관 외형의 변화량이 강관 외경의 0.02％ 이하가 되어 있는 부위를 말한다.

UOE 강관(2)의 길이 방향 단부에 플랫부(2a)를 형성하기 위한 강관제법으로서는, UOE 강관의 제조 공정에서 사용하는 확관 다이스의 익스팬더 간격(expander interval)을 좁히도록 하는 방법을 들 수 있다. 익스팬더 간격을 좁힘으로써, 물결 형상이 중첩하고, 진폭 및 주기를 모두 저감할 수 있다. 플랫부(2a)를 형성하는 방법은 이것으로 한정되는 것은 아니며, 다른 방법이라도 좋다.

본 실시 형태의 UOE 강관(2)은, 길이 방향 단부로부터 2λ의 범위를 플랫부(2a)로 하고 있기 때문에, 원주 용접부 근방에서 좌굴 성능이 저하되기 쉬운 장소, 즉 길이 방향 단부로부터 2λ의 범위 내에 좌굴을 유발하는 형상이 존재하지 않고, 강관의 단부를 둘레 용접하여 형성되는 구조물 전체로서의 좌굴 성능을 향상시킬 수 있다. 강관을 둘레 용접하여 형성되는 구조물로서는, 예를 들면 파이프 라인, 강관항, 강관 시판 등이 있다.

상기의 설명에서는, 외형의 축방향 분포가 발생하는 강관의 일 예로서 UOE 강관을 예로 들어 설명했지만, 본 발명은 UOE 강관으로 한정되는 것이 아니며, 다른 제법에 의해 제조된 강관이라도 동일한 효과를 나타낸다.

다음으로, 상기의 본 실시 형태의 효과를 확인하는 강관 굽힘 실험 및 해석 실험의 결과에 대해서 설명한다.

[실시예]

[강관 굽힘 실험]

본 실험에는, 외경 48인치 및 관두께 22㎜의 UOE 강관을 이용했다. 실험에 앞서, 강관 외면의 형상을 계측했다. 도 6a는, 시험체의 UOE 강관의 형상 분포를 그래프로 나타낸 것으로, 종축이 관 지름(㎜), 횡축이 축방향의 위치(㎜)를 나타내고 있다. 본 실험에서는, 도 6b에 나타내는 UOE 강관(S)의 원주 용접 위치(P)를 축방향 위치가 0(㎜)인 위치로 했다.

도 6a에 나타내는 바와 같이, 시험체의 UOE 강관에서는, 강관의 외면 형상에 물결치는 것이 보였다. 이 물결치는 형상은, UOE 강관의 제조 과정에 있어서 다이스에 의해 확관을 행했을 때에 발생한 것으로, 형상 변화의 주기는 익스팬더(expansion)의 주기에 가깝고, 모든 진폭은 거의 동일하고 일정한 기계 확경에 의해 발생한 것이었다. 시험체의 강관에서는, 강관의 원주 용접부로부터 550㎜ 정도인 곳에 물결 형상의 극소값을 확인할 수 있었다.

도 7a는 강관 굽힘 실험의 결과의 사진이다. 본 실험에서는, 도 7b, 도 7c에 나타내는 바와 같이, 초기 상태가 직관이였던 강관(S)에 굽힘 모멘트를 작용시켜 굽히고, 원주 용접부(P)의 근방에 좌굴부(P1)를 형성시켰다. 이후, “축방향 위치”는 원주 용접부(P)를 기준(＝0)으로 한다. 도 8a는 좌굴 발생시의 왜곡 분포를 나타내는 그래프로서, 종축이 왜곡 ε(％), 횡축이 강관 축방향의 위치(㎜)를 나타내고 있다.

도 8a 중, 인장측 왜곡 분포란, 도 8b에 나타내는 바와 같이, 강관(S)의 둘레 방향 위치 θ＝0°에서 측정된 강관(S) 표면의 왜곡의 분포이며, 압축측 왜곡 분포란, 강관(S)의 둘레 방향 위치 θ＝180°에서 측정된 강관(S) 표면의 왜곡의 분포이다. 도 8a에 나타내는 바와 같이, 왜곡은, 좌굴 이전에는 균일한 분포를 나타내고 있지만, 좌굴 이후, 특히 압축 왜곡이 좌굴 부위(도 7a에 나타내는 원주 용접 위치로부터 길이 방향으로 ＋500㎜의 위치에서 얻어진 큰 좌굴 파형)에서 큰 값이 관측되었다.

[해석 실험]

상기의 실관을 이용한 강관 굽힘 실험에서 얻어진 현상으로부터, 원주 용접부 근방에 존재하는 물결 형상의 극소값이 강관의 좌굴 현상에 영향을 주고 있는 것이 실증되었다. 이 결과로부터, 둘레 용접부 근방에 물결 형상의 극소값이 존재하지 않는 경우에 대해서, 물결 형상의 극소값이 존재하지 않는 플랫한 영역의 길이를 여러 가지로 바꾸어 해석을 행했다. 도 9는 해석 결과를 나타내는 그래프로서, 종축이 곡률 반경(m)을 나타내고, 횡축이 둘레 이음매 근방의 플랫 구간(㎜)을 나타내고 있다.

도 9에 나타내는 바와 같이, 플랫부의 길이가 400㎜ 정도인 곳에서 상한에 도달하는 바와 같은 커브가 얻어지고, 플랫부가 없는 경우에는 15％ 정도의 내좌굴 성능의 저감이 보여, 플랫부가 대략 400㎜ 정도 이상 있는 경우에는 용접부가 없는 강관과 동등한 변형 성능을 확인할 수 있었다.

이것으로부터, 외경φ 48인치, 판두께 22㎜의 강관에 대해서는, 400㎜ 정도의 플랫부가 있으면 강관의 재질로 발현되는 변형 성능을 갖는 것이 실증되었다. 전술한 바와 같이, 플랫부의 길이는, 관의 지름이나 판두께에 의해 변화하는 것을 생각할 수 있고, 강관의 초기 좌굴 반파장 λ와의 상관을 볼 수 있다. 상기의 외형φ 48인치, 판두께(22㎜)의 강관에서는, λ는 약 200㎜가 된다.

따라서, 변형 성능이 충분히 안정적으로 높아지는 플랫부의 길이는 도 9에 나타내는 그래프로부터 대략 400㎜라고 판독할 수 있다. 즉, 둘레 용접 근방에서 좌굴하기 어려운 부위가 되는 플랫부를 파형 길이 (2λ) 이상 형성해 두면, 본래 좌굴하기 쉬운 에어리어에서 좌굴이 발생하기 어려워져, 다른 부위에 좌굴이 진행된다. 이 「다른 부위」는 용접으로부터 떨어진 강관 모재부가 되어, 이 상태에서는 강관 모재에서 상정하고 있던 변형 성능으로 파이프 라인 전체의 변형 성능은 규정되게 된다.

이상, 본 발명자에 의해 이루어진 발명을 적용한 실시 형태에 대해서 설명했지만, 본 실시 형태에 의한 본 발명의 개시된 일부를 이루는 기술 및 도면에 의해 본 발명은 한정되는 일은 없다. 예를 들면, 상기 제2 실시 형태인 UOE 강관을 형성하는 데에 많은 시간을 필요로 하는 경우는 상기 제1 실시 형태인 UOE 강관을 제조하는 등, UOE 강관의 성형에 사용하는 설비의 성능이나 제조 시간에 따라서 상기 제1 및 제2 실시 형태의 UOE 강관의 한쪽 또는 양쪽을 선택해도 좋다. 이와 같이 본 실시 형태에 기초하여 통상의 기술자 등에 의해 이루어지는 다른 실시 형태, 실시예 및, 운용 기술 등은 모두 본 발명의 범주에 포함된다.

1, 2 : UOE 강관
2a : 플랫부
10, 11 : 일반적인 UOE 강관
10a : 단부

Claims

맞대기 원주 용접을 행하여 구조물을 형성하는 데에 이용되고, 길이 방향으로 파형의 외경 형상을 갖는 UOE 강관으로서,
길이 방향 양단부(兩端部)로부터 소정 길이 범위 내에 상기 파형의 외경 형상의 극소값이 존재하지 않도록 성형되어 있는 UOE 강관.
제1항에 있어서,
길이 방향 양단부로부터 2.26λ 내지 3.86λ의 범위 내(단, λ는 UOE 강관의 초기 좌굴(buckling) 반파장을 나타냄)에 있어서, 상기 파형의 외경 형상의 극소값이 존재하지 않도록 제어하여 형성된 것을 특징으로 하는 UOE 강관.
제2항에 있어서,
상기 제어는, UOE 강관에 확관을 행할 때에 이용되는 다이스의 길이 방향의 이송폭을 조정함으로써 행해지는 것을 특징으로 하는 UOE 강관.
제2항에 있어서,
상기 제어는, 길이 방향 양단부를 절단함으로써 행해지는 것을 특징으로 하는 UOE 강관.
제1항에 있어서,
길이 방향 양단부로부터 적어도 길이 방향 2λ의 범위(단, λ는 UOE 강관의 초기 좌굴 반파장을 나타냄)에 관 지름의 변화량이 UOE 강관의 외경의 0.02％ 이하가 되는 플랫부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 UOE 강관.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 UOE 강관의 길이 방향 단부에 맞대기 원주 용접을 행함으로써 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 구조물.