KR20150090070A - 금속 합금의 라이닝 파이프 제작방법 - Google Patents
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Abstract
360°의 방사 가열원을 사용하여 성능이 향상된 금속 합금층으로 파이프 및 튜브형 제품들의 내부 표면을 피복 및/또는 라이닝하는 장치 및 방법이 제공된다. 개시된 장치 및 방법의 사용은, 전형적으로 0.5" 내지 8"의 직경을 갖는 강재 파이프 또는 유사한 금속 기반의 튜브형 제품들의 내부에, 금속 합금 또는 합성물층을 야금 접합하는 것을 매우 용이하게 한다. 개시된 장치 및 방법들은, 석유 및 가스, 및 광산 산업 분야에서, 고온, 부식성 및/또는 마모성 유체의 이송 및/또는 운반에 사용되는 파이프를 생산하는 데에 특히 유용할 수 있다.
Description
본 발명은 파이프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 파이프의 라이닝과 기공들에 관한 것이다.
연성 철 파이프, 또는 그와 같은 금속 파이프는 액체 및 다른 물질들을 수송하기 위해서 사용될 수 있다. 전형적으로, 파이프는 금속 또는 수지로 라이닝된 금형내에서, 원심 주조를 이용하여 제조될 수 있다. 파이프에는 부식을 억제하거나 또는 내마모를 연장하기 위해서, 보호용 내부 라이닝 및 외부 코팅이 함께 제공될 수 있다. 철 파이프들은 시멘트 모르타르의 내부 라이닝을 가질 수 있고, 금속, 아스팔트, 페인트 등을 포함할 수 있는 외부 코팅을 가질 수 있다. 파이프의 수명은 주변 환경의 부식성, 및 파이프 내에서 흐르는 물질의 마모성 등을 포함하는 다양한 요인에 따라서 달라진다.
라이닝은 바람직할 수 있는데, 부식 또는 마모의 대상이 될 수도 있는 비용 효율적인 파이프 재료로서, 지지 구조를 형성할 수 있기 때문이다. 그 다음 보다 강하고, 그러나 더 비싼 재료 또는 코팅재료로서, 베이스 재료를 부식 및/또는 마모로부터 보호하도록 도포될 수 있다.
종래의 라이닝은 페인팅, 전기 도금, 고온 용융 도금 등을 포함하는 다양한 방식으로 적용될 수 있다. 도금과 같은 공정은 환경에 악영향을 줄 수 있으며, 그 이유는 도금 용액의 폐기가 문제를 일으킬 수 있기 때문이다.
따라서, 환경 친화적으로, 효율 좋고, 경제성이며, 그리고 내구성이 우수한 금속 내부 코팅을 파이프, 또는 이와 균등한 중공 구조에 적용할 수 있는 것이 바람직하다.
산업 전반에 걸쳐서, 특히 석유와 가스 산업 분야에서, 일반적인 문제점은 고가(高價)의 처리 장비, 격납 용기 및 배관 시스템들을, 거칠고 부식적인 작동 조건에 노출시키는 것으로부터 보호하고, 적절한 크기의 라이닝된 파이프를 생산하는 것에 관한 것이었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소할 수 있는 금속 합금의 라이닝 파이프 제작방법을 제공함에 그 목적이 있다.
이하에 기재된 내용는 독자에게 기본적인 이해를 제공하기 위하여 본 발명의 간략화된 요약을 제공한다. 이 요약은 본 명세서의 광범위한 전체 내용이 아니며, 본 발명의 핵심/중요 요소를 구별하거나, 본 발명의 범위를 기술하지 않는다. 그 유일한 목적은, 이후에 제시되는 상세한 설명에 대한 서두로서, 여기에 개시된 일부 개념들을 간략한 형태로 제시하고자 하는 것이다.
본 발명의 예는, 전형적으로 0.5"(인치) 내지 8"(인치)의 직경에 이르는 철제 파이프, 또는 이와 유사한 금속 기반의 파이프 및 튜브형 제품들의 내부 표면에 라이닝을 형성하기 위하여, 실질적으로 360°의 에너지 복사 방사 열원을 사용하는 금속 합금, 또는 합성물 층의 금속 접합 시스템 및 방법을 제공한다.
그러한 재료의 층은 내식성 합금, 내화학성 합금, 또는 CRA 등에 균등한 것으로 설명될 수 있다. 그러한 라이닝된 파이프를 제조하기 위한 개시된 장치 및 방법들은, 석유 및 가스 및 광산 산업 분야에서, 고온, 부식성 및/또는 마모성 유체의 이송 및/또는 운반에 특히 유용할 수 있다.
본 발명의 많은 수반되는 특징들은, 첨부된 도면에 관련하여 이하에 기재된 상세한 설명을 참조하면 보다 명확하게 잘 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 의하면, 종래의 문제점을 해소할 수 있는 금속 합금의 라이닝 파이프 제작방법이 제공된다.
본 발명은 첨부된 도면과 관련하여 이하의 상세한 설명을 참조하면 보다 용이하게 이해될 수 있을 것이다, 여기서:
도 1은 종래의 파이프를 도시한 것으로서, 파이프를 통해서 흐르는 물질로부터의 내부 마모, 또는 다른 마모 메커니즘에 기인한 마모를 도시한다.
도 2는 본 발명에서 설명된 라이닝 파이프를 위한 시스템 및 방법에 의해서 제조된 라이닝된 파이프를 포함하는 배관 계통을 도시한다.
도 3은 본 발명에서 설명되는 바와 같이, 라이닝된 파이프를 제조하는 전체적인 공정 흐름도이다.
도 4는 파이프 준비의 하위-공정 흐름도이다: 세척 및 건조 공정.
도 5는 파이프 준비의 하위-공정 흐름도이다: 부식 제거 및 먼지 제거 공정.
도 6은 CRA 재료 준비 공정 및 CRA 재료 적용 공정의 하위-공정 흐름도이다.
도 7은 건조 CRA 재료 공정의 하위-공정 흐름도이다.
도 8은 CRA 재료의 융합 접합 공정 및 융합된 CRA 재료의 응고 공정의 하위-공정 흐름도이다.
도 9는 수력학적 테스팅, 및 비파괴-평가(NDE) 공정의 하위-공정 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 공정을 구현하는 데에 활용되는 각종 제어 소프트웨어 모듈을 나타내는 블록도이다.
도 11은 본 출원에서 설명되는 라이닝된 파이프를 제조하는 공정이 구현될 수 있는 예시적인 컴퓨팅 환경을 도시한다.
도 12는 미 경화된 라이닝 물질을 혼합하고, 이송하기 위한 장치를 도시한다.
도 13은 파이프의 내부 표면, 또는 다른 긴 내부 표면에 미 경화된 라이닝 물질을 도포하기 위한 장치를 도시한다.
도 14는 라이닝 물질이 경화되는 동안, 파이프를 회전시키기 위한 장치를 도시한다.
도 15는 미 경화된 라이닝의 배치 도중, 및 경화 공정 도중에 파이프를 회전시키기 위한 장치를 도시한다.
도 16은 파이프 회전 장치의 종단면도를 도시한다.
도 17은 라이닝 물질을 경화시키기 위한 램프 조립체의 세부 사항을 도시한다.
도 18은 램프 조립체 및 파이프 회전을 제어하기 위한 시스템을 도시한다.
첨부 도면에서 동일한 참조 부호는 동일한 부분을 지칭하도록 사용되어 있다.
도 1은 종래의 파이프를 도시한 것으로서, 파이프를 통해서 흐르는 물질로부터의 내부 마모, 또는 다른 마모 메커니즘에 기인한 마모를 도시한다.
도 2는 본 발명에서 설명된 라이닝 파이프를 위한 시스템 및 방법에 의해서 제조된 라이닝된 파이프를 포함하는 배관 계통을 도시한다.
도 3은 본 발명에서 설명되는 바와 같이, 라이닝된 파이프를 제조하는 전체적인 공정 흐름도이다.
도 4는 파이프 준비의 하위-공정 흐름도이다: 세척 및 건조 공정.
도 5는 파이프 준비의 하위-공정 흐름도이다: 부식 제거 및 먼지 제거 공정.
도 6은 CRA 재료 준비 공정 및 CRA 재료 적용 공정의 하위-공정 흐름도이다.
도 7은 건조 CRA 재료 공정의 하위-공정 흐름도이다.
도 8은 CRA 재료의 융합 접합 공정 및 융합된 CRA 재료의 응고 공정의 하위-공정 흐름도이다.
도 9는 수력학적 테스팅, 및 비파괴-평가(NDE) 공정의 하위-공정 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 공정을 구현하는 데에 활용되는 각종 제어 소프트웨어 모듈을 나타내는 블록도이다.
도 11은 본 출원에서 설명되는 라이닝된 파이프를 제조하는 공정이 구현될 수 있는 예시적인 컴퓨팅 환경을 도시한다.
도 12는 미 경화된 라이닝 물질을 혼합하고, 이송하기 위한 장치를 도시한다.
도 13은 파이프의 내부 표면, 또는 다른 긴 내부 표면에 미 경화된 라이닝 물질을 도포하기 위한 장치를 도시한다.
도 14는 라이닝 물질이 경화되는 동안, 파이프를 회전시키기 위한 장치를 도시한다.
도 15는 미 경화된 라이닝의 배치 도중, 및 경화 공정 도중에 파이프를 회전시키기 위한 장치를 도시한다.
도 16은 파이프 회전 장치의 종단면도를 도시한다.
도 17은 라이닝 물질을 경화시키기 위한 램프 조립체의 세부 사항을 도시한다.
도 18은 램프 조립체 및 파이프 회전을 제어하기 위한 시스템을 도시한다.
첨부 도면에서 동일한 참조 부호는 동일한 부분을 지칭하도록 사용되어 있다.
첨부된 도면과 관련하여 아래에 기재된 상세한 설명은, 본 발명의 실시 예의 설명을 위한 것이며, 본 발명의 실시 예가 구성되거나 활용될 수 있는 유일한 형태를 나타내는 것은 아니다. 상세한 설명은 상기 예들의 기능과, 상기 예들을 구성하고 작동시키기 위한 일련의 단계들을 설명한다. 그러나, 동일하거나 또는 균등한 기능 및 시퀀스들이 다른 실시 예들에 의해서 달성될 수 있다.
아래의 예들은 라이닝 파이프들을 위한 시스템 및 방법을 설명한다.
비록 여기에서는, 본 발명의 실시 예들이 배관 시스템에서 구현되는 것으로 기재되고, 설명되어 있지만, 상기 설명된 시스템은 예를 들면서 제공된 것이며, 제한적으로서 제공된 것은 아니다. 당업자들이 잘 이해하는 바와 같이, 본 발명의 실시 예는 파이프, 배관 제품 및 다른 긴 중공 부재 등의 다양한 종류의 시스템의 적용에 적합하다.
여기에서 사용된 "스팅거"는, 그 끝단에 장치를 고정하기 위해서 사용되는 막대 또는 신장된 부재를 의미한다. 상기 스팅거는, 상기 장치가 파이프 등의 내부와 같은 튜브형 공간 내에 삽입되고, 인출되도록 할 수 있다.
본 발명은 주로 0.5"(인치) 내지 8"(인치)의 직경에 이르는 파이프 및 튜브형 제품들의 내부 표면에, 라이닝 또는 피복(clading)의 형태로, 360°의 에너지 복사 방사 열원을 사용하여 금속 합금 또는 합성물 층을 금속 접합시키는 것에 관한 것이다. 이것은 전형적으로 가열 램프를 사용하는 종래의 방법에 의해서, 라이닝되는 것보다 훨씬 작은 직경이다.
대표적인 석유와 가스 산업에서, 사용되는 파이프와 배관 시스템의 내부 표면은 지속적으로 공격적인 용액에 노출되어 있다. 고강도 탄소강 파이프가 종종 사용되며, 본질적으로 이것은 공격적인 용액으로부터의 공격에 내성이 있지 않으며, 전형적으로 파이프 또는 배관 시스템의 설계된 사용 수명을 통해서 공격적인 환경에 견딜 수 있는 내부식성 라이너로서 라이닝되어 있다.
에폭시, 비닐 에스테르, 및 페놀 물질 또는 EDPM, SBR 및 NPR 고무와 같은 화학적 합성 막, 또는 HDPE, PVDF 및 HALAR 타입 또는 그와 유사한 플라스틱 재료들의 고분자 기반의 라이닝 물질들이 많은 라이닝 적용을 위해서 사용되었다. 이들 재료들은, 저비용이고, 적용하기 용이하며, 저항 능력 내에서 그러한 조건들 및 노출에 대한 허용가능한 수명을 제공하는 합리적인 것이었다. 그러나, 현재의 석유와 가스 산업 설비에서는, 이러한 이전에 사용된 코팅재료들이 만족할 만한 수준이 못되었는데, 그 이유는 보다 더 장기적인 저항 성능을 갖는 재료들이 요구되기 때문이다.
그 결과, 석유 및 가스 산업계에서는, 새로운 사용 조건에 노출되고, 그리고 정해진 또는 정기적 기준으로 교체될 수 없거나, 또는 사용되거나/보수될 수 없는 파이프 또는 배관 시스템들에 대해서는, 종종 인코넬 625, 인코넬 825 및 316L 스테인레스 강과 같은 내식 강을 사용하여 왔다. 이것은 대부분의 수집 배관, 벽체, 상승관, 또는 많은 파이프 라인을 포함하는 여러가지 중요한 업스트림 또는 정제적용 이전의 설비들을 포함하였다. 그러나, 이러한 타입의 파이프는 전형적으로, 이전에 사용된 고분자 또는 복합 막 라이닝의 탄소 금속 파이프보다 4~5 배 더 비용이 드는 것이다.
보다 저가의 대안은, 공격적인 사용 조건에 저항하기 위하여 내부 표면에 CRA(화학적 내식 합금)의 층으로 고강도 탄소강 파이프를 피복 또는 중첩 적용하는 것이다. 상기 피복 금속층의 두께와, 탄소 금속 파이프의 두께와 강도들은 사용 환경과 설계 수명에 의해서 결정된다. 그 결과는 이전에 사용된 파이프에 비교하여 상대적인 성능측에서만 약간의 감소가 있고, 상당한 비용 절감을 이룰 수 있다.
CRA 재료로 고강도 강철 파이프를 피복 또는 라이닝하기 위한 여러 가지 방법이 있다. 하나의 방법은 용접 피복으로서, 용접 피복은 두 개의 표면을 서로 접합하기 보다는 하나의 표면에 부식 및/또는 마모 저항 금속의 용접 층을 구축하는 용접 공정이다. 중첩 금속의 비드 또는 얇은 트랙은, 용접 아크내에 분말 스트림 또는 와이어를 주입(inject)하여 중첩 금속의 용융 풀을 생성함으로써 생성된다. 용접 장치가 표면을 가로 질러 앞뒤로 이동함에 따라서, 용접 금속의 중첩 표면이 생성된다. 용접 피복은 일반적으로 이음매 없는 파이프에서의 사용을 위해서 특정된다.
용접 장치 및 지지 장치의 크기로 인해, 파이프의 용접 피복은 생산적으로는, 8" ID(내경) 파이프로 제한되지만, 일반적으로는12" OD(외경) 파이프 또는 그 이상의 크기도 허용된다(비용 및 제작시 고려 사항). 용접 피복 공정 동안, CRA로의 베이스 재료의 혼합/오염에 기인하여, 피복 층의 통상 특정된 두께는 3mm이다. 그러나, 장기적인 저항을 위한 CRA의 사용 가능한 두께는 대략 1mm 내지1.25 mm이다.
두 번째로, 보다 경제적인 공정은 롤 결합이다-롤 결합은 강판의 합성물과, 인코넬 625, 인코넬 825, 또는 316L 스테인레스 강과 같은 부식 저항 재료 판을 함께, 고온 압연 프레스에 의해서 피복 판 또는 시트로 제조하는 방법이다. 상기 피복 판은 두 개의 판 재료를 오븐내에 넣고 생산되는데, 여기서는 거의 용융 상태에서, 두 장의 판들이 함께 가압 압연되며, 고체 상태의 용접이 달성된다. 피복 판의 전형적인 사용은, 압력 용기 및 탱크의 제조이다. 파이프의 제조에 사용하는 경우, 롤 결합 플레이트는 설계된 직경 및 용접된 이음매 길이로 가압 압연된다.
롤 결합 파이프의 제조에 있어서, 여러 가지 인식되는 공급 문제가 있다. 압연 결합된 파이프는, 전형적으로 대구경의 적용에 한정되는 데, 그 이유는 보다 작은 직경의 피복 관을 형성하는 동안, 두가지 이종 금속 재료 사이에서 생성되는 서로 다른 응력들에 기인한다. 또한, 두 개의 정합형 재료로 이루어진 용접 이음매는, 파이프의 전체 길이로 이어지며, 이것은 어떤 경우에는 시간이 지남에 따라서 파이프를 약화시킬 수 있다.
맨드릴 확장과 바이메탈 압출을 사용하여 CRA 라이너를 기계적으로 결합시키는 몇 가지 다른 공정들이 있다.
따라서, 공통적인 제한 사항은 성능면에서, 효과적으로 및/또는 생산적으로 보다 작은 직경의 파이프를 피복 또는 라인하는 것이다. 8" 직경 및 그 이하로 분류되어진 소직경 파이프들은, 대다수가 6" 직경 내지 2.5" 직경 사이에서 사용되는 것이 존재한다. 여기에서 설명된 예들은, 이전에는 경제적으로 생산될 수 없었던 광범위한 파이프들의 경제적이고, 효율적인 라이닝을 허용할 수 있다.
도 1은 종래의 파이프를 도시한 것으로서, 내부 연마 및 파이프를 통해서 흐르는 물질로부터의 연마에 기인한 마모를 도시한다. 전형적인 파이프 소재는 철, 강, 구리 등이 될 수 있다. 이들 물질들은 경제적으로 쉽게 작업할 수 있는 경향이 있다. 그러나, 이러한 종래의 파이프(102)들은 그것을 통해 흐르거나, 그 내부에 보관되는 물질(104)에 노출될 수 있고, 이것은 연마성, 부식성, 또는 반응성 등일 수 있다. 시간이 지남에 따라서, 상기 물질(104)은 파이프(102)의 내표면(106)에 침식 또는 약화를 초래할 수 있다. 상기 침식(106)은 파이프의 벽에 약화를 발생시킬 수 있고, 이는 부풀음과 같은 파이프의 파단, 또는 파이프내의 침식된 구멍으로부터, 또는 다르게는 파이프(102) 내의 압력으로부터 파이프의 벽에 파열 또는 구멍(108)을 초래할 수 있다.
보다 반응적이지 않고, 보다 내구성이 우수한 파이프(102) 재료가 사용될 수 있다.
그러나, 대체 재료들은 고가의 비용이거나, 파이프(102)의 기계적 설치를 위해서 필요한 원하는 특성을 가지지 못하는 경우가 있다. 실질적으로, 파이프(102)의 기계적 및 경제적인 이점을 갖는 배관을 제공하기 위한 노력으로, 그렇지만 마모 침식에 저항성이 있고, 내구성 및 비침식성 등을 구비하기 위해서, 파이프 라이닝이 활용될 수 있다.
도 2는 본 발명에 설명된 파이프 라이닝을 위한 시스템 및 방법에 의해서 제조된 라이닝 파이프를 포함한 배관 계통을 도시한다. 다수의 파이프(202)들은 전형적으로 플랜지, 커플러 등의 다수의 연결구들을 이용하여 예시적인 배관 시스템으로 결합될 수 있다. 예시적인 엘보우(204)는 용접, 납땜, MIG 용접, TIG 용접, 레이저 용접, 마찰 용접, 납땜 등에 의해서 파이프(210에 연결될 수 있고, 또는 나사 커플링과 같은 기계적 수단에 의해서 연결될 수 있다.
상기 파이프(202) 및 다양한 예시적인 연결구(204)들은, 전형적으로 본 발명에서 설명된 파이프 라이닝을 위한 시스템 및 방법에 의해서 제조된 것과 같은, 상대적으로 저렴하고 내구성이 있는 베이스 재료(208), 및 비반응성, 그리고 보다 내구성이 있는 라이닝(206)을 포함한다. 상기 라이닝(206)은 파이프의 베이스 재료(208)를, 배관 시스템을 통해서 흐르는 물질(212)의 유동에 의해서 유발될 수 있는 마모, 부식 또는 다른 부작용으로부터 보호한다. 비록 라이닝의 사용이 일반적으로 라이닝된 파이프의 비용을 절감시키지만, 여전히 라이닝된 파이프의 품질을 바람직하게 경제적으로 개선하는 파이프와, 배관 시스템의 부품들을 생산하는 것은 바람직할 수 있다.
파이프들은 그 내부에 반 액체 재료 또는 페이스트를 도포하고, 그리고 그것을 파이프에 융합시켜서 라이닝될 수 있다. 여기에서 제공된 바와 같이, 그러한 금속적 결합의 금속 합금 또는 합성물을, 파이프 라이닝과 같이 중공 부재의 내부 표면에 사용하는 것은, 상기 라이닝의 두께와, 환경 노출에 기인하는 제품 손실을 줄임으로써 파이프 또는 부재의 성능을 향상시킬 수 있다. 상기 설명한 바와 같은, 이러한 두께의 손실, 또는 마모 등은, 누출, 파열 등에 기인하여 파이프의 파단을 초래할 수 있다. 따라서, 여기에서 설명된 바와 같이 적용되는, 금속적 결합의 금속 합금 또는 합성물등은, 운송 및 설치의 결과와 같이, 취급으로부터의 손상에도 관대한 경향이 있다.
여기에서 설명된 바와 같은, 금속적 결합의 금속 합금 또는 합성물등은, 제품들의 개별적인 단면 또는 길이들이 결합되어, 그 결과적인 단면이 추가적인 응용에서 사용되는 파이프 또는 중공 부재의 성능을 향상시킬 수 있다. 전술한 바와 같이, 여기에 기재된 본 발명의 시스템 및 방법에 의해서 제조된 이러한 시스템은, 개선된 내식성과 내마모성을 갖는 경향이 있다.
첫째로, 부식 방지에 관련하여, 얻어진 금속 접합의 강화된 금속 합금 또는 합성물 층은 그것이 적용된 보디의 내식성을 향상시키는 경향이 있다. 상기 부식 방지는 주변의 다른 보디까지 확장될 수 있으며, 그 적용 범위는 인접 지역에 국한되지 않을 수 있다. 상기 도포 층은 국소적으로 또는 전체적으로 시스템의 전류 전위를 변경하여 전기 부식에 대한 저항성을 제공할 수 있다. 상기 도포 층은 부식 장벽으로서 역할을 하거나, 또는 우선적으로 부식하여 양극 보호를 제공할 수 있음으로써, 그에 따라서 베이스 재료를 보존한다. 상기 도포 층은 인가 전류의 적용을 허용할 수 있는 전기적인 경로를 제공함으로써, 또는 초기 부식 반응에서 생성된 전류에 반작용하는 2차 반응을 제공함으로써, 음극 보호를 제공할 수 있다. 상기 도포 층은 보호하고자 하는 베이스 재료와, 반응성 환경 사이에서 환경적으로 불활성 장벽으로서 작용함으로써 보호를 제공할 수 있다.
두 번째로, 마모 방지에 대하여, 상기 도포 층은 연마 또는 슬라이딩형 마모에 대한 시스템의 저항성을 개선하기 위해서 경질 모놀리틱(monolithic) 물질의 형태를 취할 수 있다. 이러한 도포 층은 충격에 의한 내마모성을 향상시킬 목적으로 연성 재료의 형태를 취할 수도 있다. 상기 도포 층은 상기 시스템의 마모 저항성을 추가적으로 개선하기 위해서 경질 입자와, 연성 매트릭스의 조합에 의해서 형성될 수 있다.
그리고, 최종적으로, 조합된 보호가 본 명세서에 기재된 시스템 및 방법에 의해서 제조된 라이닝과 함께 획득될 수 있다. 상기 도포 층은 보다 연성의 부식 성분과 경질의 마모 성분을 가진 합성층과 같이, 마모 보호 성분과, 부식 보호 성분의 조합에 의해서 이루어질 수 있다. 부식 성분은 모든 부식 저항 합금이고, 그리고 마모 성분은 모든 경질 세라믹 성분일 수 있다. 상기 성분들의 비율은 필요 "마스터" 특성에 기초하여 변경될 수 있다.
일반적으로, 여기에서 기재된 라이닝(206)의 예들은, 파이프, 배관 제품 및 다른 긴 중공 부재, 이하에서 "파이프" 또는 "제품"이라고 불리우는 것과 같은 물품의 내부 표면에 보호를 제공하기 위해서 적용될 수 있다. 제공된 보호는, 전형적으로 이들 제품의 내부 표면에 라이닝을 배치함으로써 제공된다. 그러한 제품들은, 예시적인 적용에서, 화학 물질이나 원료의 수송, 유압 액츄에이터, 구조 상승관, 또는 구조적 튜브형 빔 등에서 사용될 수 있다. 이러한 적용에서, 상기 중공 부재의 내부 표면은 열화, 마모 등의 조건에 노출될 수 있다.
도 3은 라이닝된 파이프와 그와 유사한 구조체(300)를 생산하기 위한 전체적인 공정 흐름도이다. 상기 공정 흐름도에서의 블록들은 이후의 하위-공정도에서 더욱 상세히 설명될 것이다. 전형적으로 파이프는 조달되고, 그리고 처리 영역으로 이송된다. 그러한 파이프들은 여러 요소들에 노출된 것이며, 또는 낡은 것일 수 있어서, 라이닝을 적용하기 전에 표면 처리를 필요로 할 수 있다.
블록(302)에서 파이프가 세척될 수 있으며, 종래의 장치에 의해서 건조된다. 상기 파이프의 내부 표면, 및 임의로 외부 표면이 세척 및 건조될 수 있다. 상기 세척 및 건조의 정도는 파이프의 조건에 따라서 변경될 수 있다. 전형적으로 상기 파이프는 랙(rack)에 유지되고, 그 상태에서 긴 부재의 세척 헤드가 파이프 내에 삽입되어 적절한 세척제를 도포하며, 가능한 경우 연마 또는 스크러빙도 제공된다.
블록(304)에서 부식 제거 및 먼지 제거가 실행될 수 있다.
종래의 부식은 파이프의 내부 표면으로부터 제거될 수 있다. 그리고 부식 제거 공정에서 먼지와 오염 물질은 종래의 장비를 이용하여 파이프로부터 제거될 수 있다.
블록(306)에서, 사전-혼합된 CRA("내화학성 합금") 재료의 준비가 이루어진다. 내부 표면 상에 부착을 위한 상기 CRA 재료가 준비되고, 혼합되며, 파이프의 내부 표면에 나중에 도포되기 위하여 장치에 전달된다.
블록(308)에서, 파이프의 내부 표면에는 사전-혼합된 CRA 재료의 균일한 도포가 실행된다. 준비된 상기 사전-혼합된 CRA 재료가 상기 파이프의 내부 표면에 실질적으로 균일하게 도포되고, 일관된 두께를 보장하기 위해서 평활화될 수 있다. 도포 이후 또는 그 동안, 파이프는 회전되어 균일하게 도포 재료를 분배하며, 그것이 경화될 때까지 처지는 것을 방지하게 된다.
블록(310)에서 상기 CRA 재료는 경화된다. 상기 CRA 재료의 경화(310)는 파이프의 가열 및 환기를 포함할 수 있다. 사전-혼합 물질을 경화시키는 것은 파이프의 내부 표면에 상기 경화된 CRA 재료의 정착을 위하여 파이프를 준비하는 것이다.
블록(312)에서, 파이프의 내부 표면에 상기 사전-혼합된 CRA 재료의 융합이 실행된다. 긴 부재상에 전형적으로 동반되는 가열 장치를 통해서 높은 온도가 가해져서 파이프의 금속에 CRA를 융합시킨다.
블록(314)에서, 융합된 CRA 재료의 응고가 이루어진다.
블록(316)에서, 수력학 시험(316) 또는 수압 시험이 실행되며, 비파괴 평가(318)가 다른 품질 측정들 중에서도, 라이닝 두께, 표면 결함, 다공성, 결합 결함을 평가하기 위해 실행된다. 마지막으로, 블록(320)에서, 치수 제어가 이루어져서 라이닝된 파이프가 특정된 치수를 충족하였는 지를 확인한다.
도 4는 파이프 준비, 세척 및 건조 공정(도 3의 301)의 상세 정보를 추가적으로 나타내는 하위-공정 흐름도이다. 전형적으로 라이닝된 내부 표면을 갖고, 그리고 염, 오일, 그리스 및 불순물로부터 소제가 필요한 파이프, 튜브, 또는 중공형 부재들이 공정(402)을 위해서 선택된다. 그 다음, 선택된 파이프는 블록(404)에서 세척 설비내에 위치된다.
상기 파이프(406)의 회전은 일반적으로 세척을 촉진하기 위해서 사용된다. 또한, 외부 표면을 소제할 필요는 없지만, 필요하다면 이것들은 또한 세척될 수 있다.
블록(408)에서, 고압 세척 헤드를 가진 스팅거가 파이프내에 삽입될 수 있다. 다음으로, 블록(410)에서, 세척 또는 소제 용액의 압력과 온도가 설정된다.
블록(412)에서, 세척이 시작된다. 다음 블록(414)에서는, 파이프의 축선을 따르는 종방향으로 랜스의 이동 속도가 설정될 수 있다.
세척 작업은 온수 및/또는 세척제에 의해서 실행될 수 있다. 수증기, 고압 물 세척, 또는 일반적으로 사용되는 계면 활성제가 첨가된 고압 물 세척 등의 사용이 권장된다. 시판 장치의 사용이 세척 설비로서 사용될 수 있다.
세척 작업에서, 파이프의 경사가 일반적으로, 액체 잔류물의 제거를 용이하게 하기 위해서 사용된다. 내부 직경의 파이프 세척 시스템은, 일반적으로 높은 압력과 높은 온도로 사용된다.
세척 작업이 블록(416)에서 완료된 후, 파이프는 블록(418)에서 건조된다. 고온 공기 또는 파이프 가열이 일반적으로 건조를 돕기 위해서 사용된다. 적절한 건조를 위한 충분한 시간이 제공된다. 전형적으로 요구되는 시간은, 사용되는 특정 세척 방법, 및 습도와 온도와 같은 환경 조건들에 의존한다. 소제된 파이프는, 다음 제2 소제 공정에서 부식 및 먼지의 제거를 위해 준비된 상태이다.
도 5는 부식 및 먼지 제거 공정(도 3의 304)을 포함하는, 파이프 준비를 추가적으로 나타내는 하위-공정 흐름도이다. 파이프, 튜브 또는 중공 부재의 내부 표면의 부식 부착물들은, 충분한 표면 처리 수준 및 필요한 표면 조도를 달성하기 위해서 임의의 적절한 방법에 의해서 제거된다. 필요한 부식 부착물의 제거 수준은 부식 부착물이 대부분 제거된 상태이다. 일반적으로, "백색 금속 근접" 또는 이보다 우수한 소제 수준이 사용될 수 있다. 강재 모래 분사등의 사용이 표면 처리의 요구 레벨을 제공하는데 사용된다. 파이프 내부 표면을 위한 종래 공기 분사 시스템이 일반적으로 사용된다.
블록(502)에서, 상기 파이프는 두번째 세척 단계 동안, 파이프 분사 설비로 진행한다. 블록(504)에서, 선택적인 파이프의 회전이 시작된다. 블록(506)에서, 분사 노즐을 갖는 스팅거가 파이프 내로 삽입되고, 분사는 적절한 연마제를 사용하여 블록(508)에서 개시된다.
분사 도중에, 특정 내부 표면의 두께 프로파일은 도포되어지는 사전-혼합 CRA 재료의 두께에 따라서 결정된다. 요구되는 표면 프로파일은 적절한 연마제 크기, 경도, 및 공기압에 의해서 달성된다. 일반적으로, 20-100㎛의 범위의 조도가 필요하다.
또한, 분사 도중에, 대기 조건의 제어가 공정 도중에 발생하는 "플래시 녹(flash rust)"의 형성을 방지하기 위해서 요구될 수 있다. 일반적으로 낮은(> 40 %) 습도 환경이 좋다. 일반적으로 부식 부착물을 소제한 후, CRA 부착 물질의 도포는 대략 1 시간 이내에서 실행된다. 만일 보다 긴 시간이 경과하면, 부식 부착물의 재-처리가 추천된다.
블록(510)에서, 분사가 완료된다. 분사가 완료되면, 스팅거는 파이프로부터 제거된다.
블록(512)에서, 사전-혼합된 CRA 재료의 도포를 위한 좋은 표면을 보장하기 위하여 모래 분사후에, 약산 세척 용액을 사용한 먼지 제거는 선택 사항이다. 산 세척 작업은 가열 및 사전-혼합 물질이 부착되기 이전에, 파이프의 표면으로부터 염화물 및 기타 오염 물질을 제거하기 위해서 사용된다. 산은 계량 펌프를 통해서 도포되고, 가열로에 들어가기 이전에 고압 탈 이온수로 세척된다.
이것은 파이프의 외부 표면을 세척하기 위해서 필요한 것이 아니지만, 매우 추천할 만 하다. 가벼운 "상업적 모래 분사" 방법이 권장된다. 임의의 다른 적합한 방법도 사용될 수 있다. 외부 표면 세척은 온도 모니터링을 위한 균일한 표면을 가질수 있을 뿐만 아니라, 균일한 열 전달에도 유용할 수 있다.
도 6은 CRA 재료 준비 공정(도 3의 306), 및 CRA 재료 도포 공정(도 3의 308)의 하위-공정 흐름도이다. 상기 CRA 재료 준비 공정(306)이 먼저 설명될 것이다. 사전-혼합 금속 또는 합성물이, 고체 입자를 혼합하고, 그리고 후에 도포 방법에서 적합하게 요구되는 밀도 및 점도를 달성하기 위해서 용매를 첨가함으로써, 부착을 위해서 준비된다. 일반적으로, 상업적인 혼합장치와, 혼합 방법의 사용이 고 전단 혼합기 등과 같이 사용된다.
일반적으로, 파이프 내부로 CRA 재료를 도포하기 위한 스프레이 방법이 사용되며, 고체 입자들은 대략 100㎛ 직경까지의 범위이고, 입자 크기 분포는 변화한다. 만일 파이프 내부로 CRA 재료를 도포하는 페이스트 방법을 사용하는 경우, 광범위한 입자 크기 분포가 활용될 수 있으며, 일반적으로 대략 5mm 미만의 입자 크기를 활용할 수 있다. 고체 입자들은 금속, 유기 바인더, 고분자, 세라믹, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다.
상기 사전-혼합된 금속 분말 또는 합성 부착물은, 금속, 폴리머, 세라믹, 또는 이들 물질들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일반적으로 사용되는 물질은, UNS 06625, UNS 08825, SS 316L 등이다. 포함되는 세라믹 재료는, 만일 존재하는 경우, 금속 또는 세라믹 이전의 고분자로서, 전구체 물질 내에 존재하는 실재 형태로(in situ) 형성될 수 있다. 전형적으로 사용되는 재료는, 탄화 텅스텐, 탄화 크롬, 탄화 규소, 질화 티탄, 및 유사 물질이다.
블록(602)에서, 금속 합금 분말이 혼합기에 첨가된다. 일반적으로 금속 입자들, 또는 금속 합금 분말들은 니켈계 합금, 스테인리스 강, 구리 합금, 티탄 합금, 또는 유사한 것들이다. 일반적으로, 대략 1700℃ 까지의 융점을 갖는 모든 금속들이 사용될 수 있다.
블록(606)에서, 바인더 및/또는 고분자들이 혼합기에 추가된다. 바인더들은 일반적으로 충분한 접착 및 요변성(thixotropic) 특성을 제공하는 모든 것이 될 수 있다. 폴리에틸렌 글리콜, 크산탄 검, 웰란 검, 또는 그와 유사한 재료들이 사용될 수 있다. 만일 요구되는 경우, 고분자들은 일반적으로 요소-포름알데히드, 멜라민 또는 그와 유사한 것일 수 있다.
블록(606)에서, 다른 입자들이 혼합기에 첨가될 수 있다. 이들 입자들은 세라믹, 탄화 텅스텐, 탄화 실리콘, 질화 티탄, 또는 유사한 것들을 포함할 수 있다.
일단 고체 입자(608)들이 혼합된 후, 용매가 첨가(610) 될 수 있다. 상기 용매는 물, 에탄올, 이소프로판올, 바인더 용액, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다.
고체 입자 또는 용매의 가열이 사전-혼합 물질의 혼합과 균질성을 용이하게하기 위해서 사용될 수 있다. 사전-혼합 물질의 가열은, 사전-혼합 물질의 특성을 변화시키도록 사용될 수 있어서, 이송, 건조, 경화, 또는 기타 장점들에 관련하여 이점을 제공할 수 있다.
사전-혼합 물질은 일반적으로 30~65% 범위에서 치밀하지만, 필요에 따라서는 이보다 높거나 낮은 밀도의 사전-혼합 물질이 제작될 수 있다. 이러한 경우에, 밀도는 상기 사전-혼합 물질이 전체 밀도가 아니며(입자들 사이에 공극 및 공간이 있음), 그리고 융합 공정 도중에 공간없이 거의 완전해질 것이다(일부 기공들은 어느 정도로 항상 전형적으로 존재). 점도는 일반적으로 600 내지 대략 500,000 cP의 범위이며, 그리고 도포 방법에 따라서 달라진다. 보다 낮은 점도가 일반적으로 분사 도포에서 사용되고, 보다 높은 점도는 일반적으로 페이스트(paste) 도포에서 사용된다.
부착된 재료의 타입에 따라서, 다른 특성들이 달성되고, 그리고 최종 제품의 요구 사항에 따라서, 부착된 재료의 다른 층들이 만들어질 수 있다.
상기 부착된 재료는 튜브, 파이프, 또는 중공 부재의 내부 표면에 적용된다. 가열 후, 상기 부착 재료는 용융되고 개선된 금속 합금 또는 합성물의 형태를 취할 수 있다. 상기 부착된 재료는 용융에 앞서서, 상기 중공 부재의 내부 표면에 도포되고, 사전-혼합된 금속 분말 또는 합성물, 포일, 테이프, 시트, 또는 이와 유사한 형태를 취할 수 있다.
상기 사전-혼합 물질은 그것을 파이프, 튜브 또는 중공 부재의 세척된 내부 표면상에 부착함으로써 파이프의 내부 표면에 도포된다. 도포 작업은 도포되는 페이스트의 원하는 두께 및 재료 조성에 따라서, 스프레이 법, 또는 페이스트 법을 사용하여 실행된다.
일반적으로, 대략 0.5 mm 이하의 두께를 갖는 금속 재료는 스프레이 법에 의해서 도포되지만, 페이스트 법은 이보다 두꺼운 두께 및/또는 합성물에서 사용된다. 여기에서 설명된 방법 및 장치들은, 페이스트 도포 당 100 미크론 내지 4mm 까지의 두께로, 전형적으로 균일한 페이스트 두께를 도포하는 것이 가능하다.
블록(308)에서, 상기 CRA 재료 도포 공정은, 파이프 내부에 블록(306)에서 준비된 혼합 재료를 도포한다. 블록(612)에서, 도포는 상기 파이프를 상기 사전-혼합된 물질 부착 시스템내에 배치하고, 파이프 내부에 도포하기 위해서 상기 시스템에 사전-혼합된 물질을 공급함으로써 시작한다. 블록(614)에서, 스팅거는 페이스트 분배 헤드 또는 분사기를 포함하고, 파이프의 단부에 도달할 때까지 파이프 내에 삽입된다. 페이스트는 아직 분배되지 않는다. 블록(616)에서, 파이프의 회전과, 파이프의 가열이 파이프의 내부에 페이스트를 분배하기 전에 실행된다. 상기 파이프는 부착 균일도를 향상시키기 위해서 사전-혼합 물질의 부착 도중에 회전될 수 있다.
블록(618)에서, 파이프내로 부착 헤드를 갖는 스팅거의 삽입 후, 상기 사전-혼합 물질은 분사 또는 페이스트 부착을 이용하여 파이프의 내부 표면에 도포된다. 부착은 상기 헤드가 파이프로부터 후퇴되는 경우에, 실행된다. 부착된 사전-혼합 물질의 두께는, 원하는 금속 접합식 강화 금속 합금, 또는 합성물 두께 및 사전-혼합 물질의 밀도에 기초한다. 블록(620)에서, 파이프의 내부에 페이스트의 부착이 완료되며, 페이스트 라이닝을 갖는 파이프는 경화 설비로 이동될 수 있다.
상기 사전-혼합 물질은, 원하는 최종 두께에 따라서 대략 0.05mm로부터 대략 8mm 두께 까지 부착될 수 있다. 도포 방법은 사전-혼합된 물질의 고체 입자의 크기 및 분포와 사전-혼합된 물질의 점도에 의해서 결정된다. 일반적으로, 저점도 재료는 분사 도포에 사용된다. 만일 사전-혼합 물질이 분사에 의해서 도포되는 경우, 전형적으로 시판되는 분무화 장치, 예를 들면 에어리스 또는 공기 보조식 시스템이 사용될 수 있다. 상기 분사 노즐은 파이프의 크기에 기초하여 결정되고, 360°타입의 노즐은 일반적으로 대략 4"의 내부 직경 이하의 파이프에서 사용된다.
필요한 금속 접합식 개선된 금속 합금, 또는 합성물의 보다 큰 고체 입자 크기 및 보다 두꺼운 두께는, 일반적으로 페이스트 부착의 사용에 의해서 인가된다. 부착 두께의 제어는 선형 공정 속도 및 사전-혼합 물질의 흐름을 제어함으로써 얻어진다. 만일 페이스트 도포 방법을 사용하는 경우, 페이스트의 압출은 임의의 적합한 방법에 의해서, 예를 들면 시판되는 오거, 압출기, 프로그레시브 캐비티 펌프, 실린더 펌프 등과 같은 것에 의해서 실행된다.
상기 압출 재료는 다림판 또는 실린더로서 분배된다. 부착된 물질의 두께는 기재 파이프에 대한 다림판(618), 또는 실린더의 크기에 의해서 제어된다. 부착된 사전-혼합 물질의 두께 균일성은, 파이프의 회전에 의해서 강화된다. 상기 파이프는 경화 설비(620)로 이동된다.
도 7은 CRA 재료의 경화 공정(도 3의 310)의 하위-공정 흐름도이다.
블록(702)에서, 파이프의 회전 및 외부 가열이 부착 재료의 경화를 향상시키기 위해서 사용될 수 있다. 상기 파이프는 선택적으로 회전된다. 예열 온도는 파이프의 크기와, 요구되는 부착 사전-혼합 물질의 두께에 의존한다. 파이프의 내부 표면상에 사전-혼합된 물질의 부착 후에, 상기 부착된 사전-혼합 물질의 경화가 요구된다.
경화에 필요한 시간은, 사전-혼합 물질의 부착 두께, 고체 입자 함량, 용매 종류, 사용되는 경화 방법에 따라서 달라진다. 경화는 파이프의 가열 및 공기 흐름에 의해서 강화된다. 가열은 임의의 가열원을 사용하여 실행할 수 있으며; 유도 가열, 불꽃, 고온 공기 등이 통상적인 가열원이다. 가열 온도는 부착된 사전-혼합 물질의 두께와 그 조성에 의존한다. 일반적으로, 가열 온도는 대략 70-110℃의 범위이다. 경화는 가열 챔버 또는 저온 로내에서 실행될 수 있다.
블록(704)에서, 강제식 또는 흡입 환기 공정이 실행되어, 경화 공정시 용매의 배출을 위해서 사용될 수 있다. 그 다음, 파이프는 융합 설비(706)로 이동된다.
도 8은 CRA 재료의 용융 부착 공정(도 3의 312)과, 융합된 CRA 재료의 응고 공정(도 3의 314)을 도시한 하위-공정 흐름도이다. 융합 공정(312)에 대하여 먼저 설명하기로 한다. 융합에 관련하여, 부착된 사전-혼합 물질의 금속 접합이, 부착된 사전-혼합 물질에 가해진 균일한 열을 이용하여 얻어진다. 가열원은 램프 배열에 의해서 형성될 수 있다. 상기 배열에서 사용되는 램프는, 일반적으로 기체 밀봉된 플라즈마 아크 램프 형태가 될 수 있다.
블록(802)에서, 부착되고, 그리고 경화된 사전-혼합된 물질은 융합 카트상에 위치된다. 상부 롤러들은 공정 처리 동안, 파이프가 회전하는 경우, 그것을 제자리에 유지시키기 위해서 파이프에 접촉하도록 낮춰질 수 있다.
블록(804)에서, 카트상의 파이프는 길이 방향으로 이동되어, 상기 램프 배열을 통과하고, 그 반대쪽의 끝단으로 나가게 된다.
블록(806)에서, 파이프 회전 및 예열이 시작된다. 파이프의 예열은, 일반적으로 램프 배열 가열 영역의 전방 대략 300 mm에서 실행되지만, 만일 필요하다면, 보다 짧거나 긴 거리에서의 예열이 사용될 수 있다. 이 공정에서 차폐 가스가 공정 도중에 파이프 내에 도입되어 불활성 분위기를 생성할 수 있다. 차폐 분위기가 파이프 내부에 생성될 수 있다.
대안적으로, 이러한 공정은 그것을 챔버 내부에 도입함으로써, 전체 파이프가 차폐 분위기 내부에서 실행될 수 있다. 상기 차폐 가스는 불활성 분위기를 제공하도록 의도된 것이고, 일반적으로는, 용접 공정에서 사용되는 임의의 다양한 표준 차폐 가스가 사용될 수 있다. 불활성 분위기의 샘플링 및 제어는 금속 융합 공정 도중에 실행될 수 있다.
원하는 회전 속도가 얻어진 때, 램프 배열이 작동되고, 융합을 위한 충분한 전력 레벨이 제공된다. 회전 속도는 일반적으로, 파이프, 튜브 또는 중공 부재의 크기, 및 개선된 금속 합금 또는 합성물의 필요한 두께에 의존한다. 회전은 충분한 원심력을 생성하도록 사용되어 액체 금속 합금 또는 합성물이 파이프, 튜브 또는 중공 부재의 아래쪽으로, 점도 변화 및 중력에 의해서 흐르는 것을 방지하도록 사용된다. 일반적으로, 회전 속도는 대략 200 내지 1600 rpm의 범위로서, 보다 느린 또는 빠른 속도가 충분한 힘이 생성되는 것을 고려하여 사용될 수 있다.
회전은 360°방향에서의 램프 배열에 의해 발생된 가열의 결과로서 얻어진 용융과 함께, 강화된 금속 또는 합성물의 균일한 층을 생성한다. 충분한 속도에서 회전으로 생성된 원심 압력은 기본 파이프와 상기 물질의 접촉을 향상시켜서, 감소된 다공성의 보다 더 조밀한 물질을 생성하고, 불순물과 산화물을 표면으로 밀어낸다.
다르게는, 상기 CRA 또는 금속 합금의 조성에 따라서, 융합 온도에 노출시 상기 도포된 CRA 또는 금속 합금 재료의 위치를 유지하기 위한 방법으로서, 회전 또는 회전없이 자력에 의한 견인 방법의 사용이 활용될 수 있다. 자력은 점도 변화 및 중력으로 인하여, 액체 금속 합금 또는 합성물이 파이프의 바닥으로 흐르는 것을 방지하기에 충분한 힘을 생성하도록 사용될 수 있다. 일반적으로, 전기 자석이 사용되고 있지만, 영구 자석도 또한 사용될 수 있다.
액체 금속의 온도 및/또는 회전 및/또는 자력 제어로서, 라이닝내의 높은 수준의 입자 크기 제어가 달성될 수 있다. 보다 높은 회전 속도 및/또는 보다 강한 자력은 더 개선된 입자 구조를 제공할 뿐만 아니라, 수지상 성장을 감소시키고, 그리고 내식성을 위한 보다 유리한 미세 조직을 증대시킨다.
회전 및/또는 자력은 추가적으로, 높은 접합 강도와 함께, 강화된 금속 층의 높은 수준의 균일성을 제공하며, 비접합의 결함 수준을 감소시킨다. 일단 접합되어지는 파이프의 단면은 충분히 복사 가열된다. 램프 헤드는 융합되는 다음 단면으로 이동된다.
블록(808)에서, 상기 온도에 도달되면, 카트 이동이 개시되고, 카트는 결정된 공정 속도로 길이 방향을 따라서 이동하기 시작한다. 일반적으로, 길이 방향 속도는 사전-혼합된 물질의 타입, 두께, 및 파이프 타입 및 직경에 기초한다. 일반적으로, 속도는 대략 60-900mm/분의 범위에 있지만, 만일 필요하다면 다른 속도가 사용될 수 있다. 속도는 반드시 소정의 이송 속도로 설정되지 않는다. 속도는 피드백 제어 루프를 형성하기 위해서 사용되는 다양한 공정 제어 변수들에 기초하여 조절될 수 있다.
종방향 속도 제어(826)는 단면에서의 융합이 종료될 수 있는 때, 그리고 융합 램프가 이동될 수 있는 때, 또한 그것이 얼마나 빠르게 이동될 수 있는 가 등을 결정하는 필요한 매개 변수들을 측정함으로써 실시간으로 실행될 수 있다.
종방향 속도 제어는 하위 공정(810) 및 (812)들에 의해서 제공될 수 있다.
블록(810)에서, 공정 도중의 온도 모니터링은, 모든 원하는 모니터링 지점에서 실행된다. 만일 공정 설계에 의해서 필요한 경우, 상기 파이프는 이러한 융합 공정의 초기 단계에서 모든 적용 가능한 방법에 의해서 예열될 수 있다.
일반적으로, 저주파 유도 가열이 예열 공정을 위해서 사용될 수 있다. 상기 예열 온도는 변화하며, 기본 파이프 타입 및 직경을 기반으로 하고, 일반적으로 대략 100-350℃ 의 범위에 있다.
특히 블록(812)에서, 온도가 원하는 수준에 도달한 때, 종방향 이동이 개시될 수 있다는 신호가 블록(808)에 결합된다.
블록(816)에서, 상기 공정의 모니터링은 허용 가능한 라이닝이 생성되어지도록 상기 램프의 이동을 제어하는 공정의 각각의 단계에서 실행될 수 있다. 일반적으로, 시간-온도는 중요 공정 요건이다. 온도 모니터링은 파이프의 외부와 내부의 상이한 위치에서 실행된다. 필요한 공정 매개 변수들에 기초하여, 온도 측정은, 공정 도중에는 종방향 속도, 전력, 예열, 가열, 그리고 공정 후에는 냉각, 또는 그것들의 조합을 실시간으로, 조정하는 데 사용된다.
가열 공정도중에, 상기 부착된 사전-혼합 물질은 그것의 액상 온도 또는 그 이상으로 가열된다. 추가적으로, 상기 파이프 내부 표면은 필요한 공정 온도로 가열된다. 필요한 내부 표면 온도에 따라서, 그것은 전체 두께에 열을 가해야 할 필요도 있다.
파이프는 전형적으로, 그것의 강도 특성을 변경하기 위해서 적용된 어떠한 열처리도 갖지 않는, "그린" 상태로 제조업체로부터 공급될 수 있다. 상기 파이프에 강도 특성을 부여하기 위한 열처리가 라이닝 공정과 조합하여 실행될 수 있으며, 그 이유는 원하는 열처리 프로필이 라이닝 도중에 동시적으로 인가될 수 있기 때문이다. 이러한 조합적인 공정은 실행되어야 할 추가적인 열처리 단계를 절약할 수 있는데, 그 이유는 라이닝과, 기본 파이프 재료의 기계적 강도를 위한 열처리가 동일한 공정에 의해서 달성될 수 있기 때문이다.
액체 금속의 온도와 파이프 외부 표면의 모니터링이 실행된다. 일반적으로, 비-접촉식 온도 측정 방법이 사용되며, 예를 들면 적외선, 흑체 광섬유 온도계, 무선 주파수 측정 등이 활용된다.
필요한 공정 매개 변수들을 유지하는 것은, 에너지 방사 손실의 제어를 필요로 하며, 따라서, 냉각 또는 가열이 이들을 유지하기 위해서 적용될 수 있다. 냉각은 강제 또는 압축 공기 및/또는 물로서 이루어진다. 가열은, 필요한 경우 모든 적절한 방법으로 실행될 수 있지만; 그러나, 저주파 유도 가열이 전형적으로 사용된다. 에너지 복사 손실은 임의의 적절한 수단을 통해서 최소화될 수 있으며; 일반적으로 국소적인 단열 차폐가 사용된다.
블록(814)에서, 센서 판독에 기초한 공정 피드백(818)에 의해서 제어되는 종방향 이동은, 파이프의 내부 표면의 360°상에 연속 공정을 생성하고, 파이프의 전체 길이에 걸쳐서 균일한 라이닝을 생성한다. 라이닝 다음 공정은 융합된 CRA 재료의 응고 공정(314)에서 냉각된다.
융합된 CRA 재료의 응고가 다음의 블록(314)에서 실행된다. 상기 응고 및 냉각 공정은 상기 파이프의 가열된 영역이 상기 램프 배열의 가열 에너지 영역으로부터 벗어나는 경우, 시작된다. 내부적으로, 차폐 가스는 강화된 금속 합금 또는 합성물의 응고 공정을 향상시키기 위해서 사용될 수 있다. 일반적으로 압력, 유량 및 온도가 모니터링된다. 사용되는 압력은 대략 20-125 psi이며, 유량은 대략 1-20 리터/분이고, 온도는 대략 10-50℃ 이며, 그렇지만 시간-온도 조건들에 의해서 요구되는 경우, 다른 변수들이 사용될 수 있다.
블록(818)에서, 설계 공정 조건에 기초하여 다른 냉각 선택의 조합이 설정될 수 있다. 이러한 블록에서, 상기 처리된 파이프 영역은 제어된 방식으로 냉각될 수 있다.
블록(820)에서, 공정 냉각 또는 가열은 몇몇의 영역에서 실행될 수 있다. 제어는 설정된 시간 및 온도 프로파일에 기초하고, 측정된 온도 값에 비교하여 제공된다. 일반적으로, 특정 영역 또는 영역들(820)에서 파이프의 360°표면상의 외부 물 냉각이, 각각의 영역의 유량, 압력 및 온도 제어를 통해서 사용된다. 공기 냉각이 일부 또는 모든 영역에서 단독으로 또는 물과 조합하여 사용될 수 있다.
냉각 공정은 파이프나 중공 부재의 외측과 내측 모두로부터 서로 다른 영역에서 온도 측정에 의해서 모니터링될 수 있다. 제어 소프트웨어는 센서 판독에 기초하여 공정 매개 변수들을 변경하는 데 사용될 수 있다.
블록(822)에서, 공정 매개 변수에 따라서 전체 파이프가 가열되고, 냉각될 때, 카트는 이동을 중지한다. 블록(824)에서, 파이프는 카트에서 제거된다.
도 9는 수력학적 시험 공정(도 3의 316) 및 비파괴 평가 공정(도 3의 318), 및 치수 제어 공정(도 3의 320)의 하위-공정 흐름도이다. 추가적으로, 결함이 발견되는 경우, 상기 파이프는 공정 흐름으로부터 제거되고, 블록(918)에서 수리된다. 마지막으로, 열처리(914)가 제공되고, 그 다음 파이프는 표시되며, 저장(916)된다.
일단 전체 파이프가 융합을 위해서 처리되고, 그리고 냉각되면, 상부 롤러들이 상승되고, 상기 파이프는 융합 카트로부터 제거된다.
블록(902)에서, 상기 처리된 파이프는 육안으로 결함이 검사된다. 만일 허용될 수 없는 결함이 발견되면, 파이프는 수리(918)를 위해서 제거된다. 만일 결함이 없는 경우, 파이프가 블록(904)에서 수력학적 시험 설비로 이동되고, 여기서는 위치가 고정되고, 가압 헤드가 결합된다. 수력 시험 및 압력 시험 설비는 라이닝된 파이프를 압력 시험하기 위해서 설계된 것이다. 일반적으로, 상업적으로 이용 가능한 수력 시험 장비가 사용된다.
블록(906)에서, 파이프는 규정된 시험 압력까지 가압 헤드를 통해 물이 채워진다. 압력은 지정된 시간동안 지정된 압력으로 유지될 수 있다. 블록(908)에서, 압력이 해제되고, 가압 헤드가 제거되며, 파이프는 수력학적 시험설비에서 해제되어 제거된다.
비파괴 평가(318)는 금속 접합부의 품질을 검증하기 위해서 실행될 수 있다. 일반적으로, 육안 검사, 위상 배열 초음파 탐상 및 두께 측정이 실행될 수 있다. 시험은 일반적으로 시판되는 장비를 이용하여 수동으로 또는 자동화된 시스템을 사용하여 실행할 수 있다. 만일 라이닝의 결합에서의 결함, 라이닝의 표면 결함, 라이닝 내의 기공, 또는 두께 결함에 발견되면, 파이프는 제거되고, 수리(918)를 위해서 이송된다. 만일 비파괴 평가 도중에 결함이 발견되지 않으면, 파이프는 최종 처리를 위해서 준비된 상태이다.
후 열처리(914)가 다음에 적용될 수 있다. 일반적으로, 특정된 제어 냉각/가열 공정에 이어서 가열노의 사용은 적용된다. 만일 사용되는 경우, 열처리는 파이프의 사용 목적에 필요한 특정 금속 구조를 제공하도록 설계된다. 마지막으로, 블록(916)에서, 파이프가 표시될 수 있으며, 배포 또는 처분을 위해서 저장될 수 있다. 또한 종래의 차원 제어 방법(도 3의 320)이, 특정 적용에서의 사용이 고려될 때, 적절한 결합을 제공하도록 최종의 라이닝된 파이프에 적용될 수 있다.
상기 설명에서, 모든 공정은 수동으로, 또는 컴퓨터 제어하에서 기계적으로 직접 구현될 수 있거나, 또는 임의의 조합으로 구현될 수 있다. 컴퓨터 제어가 이러한 공정들을 구현하기 위한 가장 유리한 방법이라고 생각되며, 단일 제어기에 의해서, 또는 중앙 제어기의 지시에 따라서, 하나 이상의 공정을 실행하는 다수의 분산된 프로세서를 갖는 중앙 제어기에 의해서 실행된다. 따라서, 상기 공정은 개별적인 프로그램, 응용 프로그램, 하위-루틴 또는 그와 유사한 것으로 분리될 수 있어서, 하나 또는 그 이상의 프로세서 상에서 프로그래밍과 실행이 적절하게 이루어진다. 임의의 적절한 프로그래밍 언어가, 이러한 공정들을 구현하기 위해서 사용되며, 보다 높은 수준, 또는 목적 지향 프로그래밍 언어, 기계 코드 등을 포함한다. 상기 언급된 공정의 코딩은, 주어진 컴퓨터 설정에 대한 종래의 프로그래밍 기술들에 의해서 달성될 수 있다.
도 10은 파이프 라이닝을 위한 방법을 실행하는 데에 이용될 수 있는 다양한 제어 소프트웨어 모듈과 유사한 구조를 도시한 블록도(1000)이다. 소프트웨어 제어 모듈은 단일 제어기에 의해서 실행되거나, 또는 대안적으로는 중앙 처리부의 지시에 따라서 실행을 위한 원격의 프로그램 가능한 원격 제어 모듈내로 로딩될 수 있다. 이러한 소프트웨어 모듈은 예시적인 것이며, 하나 이상의 프로세서에 의해서 제어되는 장치에서, 상기 설명된 공정들을 실행하도록 제공될 수 있는 기능들을 나타낸다.
제어 소프트웨어(1001)가 사용되어 융합 공정을 제어하고, 그리고 필요한 공정 조건을 얻게 된다. 제어 소프트웨어(CS)(1001)는, 모든 필수 요소들을 위하여 부착 강화된 금속 합금, 또는 합성물을 갖는 파이프, 튜브 또는 중공 부재를 위하여 설계된 융합 공정 조건 입력들을 관리하고, 공정 모니터링 센서로부터 측정 값을 얻으며, 융합 공정에 영향을 미치는 변수를 변경시키기 위해서 출력을 제공한다. 상기 공정을 제어하는 데에 이용되는 센서들은, 일반적으로 온도 센서, 속도 센서, 힘 센서, 유량 센서, 불활성 분위기의 품질 및/또는 그와 유사한 것들이다. 상기 공정의 연속 제어는 각각의 파이프, 튜브 또는 중공 부재의 처리 시작부터 끝날 때까지 실행된다.
상기 제어 소프트웨어로의 입력은, 원하는 제품 특성을 생성하기 위해서 필요한 용융 공정 조건을 모니터링하도록 설계된다. 일반적으로, 제어 소프트웨어로의 입력은, 회전 속도, 불활성 분위기 조건, 램프 전력, 예열 온도, 액체 금속의 온도, 여러 위치에서 외부 파이프, 튜브 또는 중공 부재 온도, 내부 및 외부 표면을 위한 냉각 시간 온도 곡선등을 포함한다. 만일 필요한 경우, 원하는 최적의 융합 공정을 제공하기 위해서 추가적인 입력들이 사용된다.
상기 제어 소프트웨어에 의해서 생성된 출력은, 공정 결과에 영향을 미치는 변수들을 조정하는 매개 변수들을 공정 설비에 제공한다. 일반적으로, 조절될 수 있는 변수는, 회전 속도, 종방향 이동 속도, 불활성 가스 압력, 불활성 가스 흐름 및 분배, 예열, 방사 손실 제어, 가열 영역에서의 냉각, 공정 후 온도 조절, 환기 등이다. 필요한 경우, 다른 변수들도 포함될 수 있다. 이러한 입력 및 출력들을 상기 제어 소프트웨어(1001) 내에서 처리하고, 지시하기 위해서 통상적으로 구성되는 다양한 소프트웨어 모듈들이 도시되어 있다.
분위기 제어(1004)는 이하의 것들을 제어하는 모듈을 포함할 수 있으며: 산소 레벨, 불활성 가스 압력, 불활성 가스의 흐름과 환기 등이다. 램프 작동(1012)은 전원 및 램프 온도의 제어를 포함할 수 있다. 예열(1002)은 그것의 제어를 위한 전용 소프트웨어 모듈을 가질 수 있다. 외부 열 입력(1010)은 수냉, 공냉, 가열, 및 차폐 제어를 포함할 수 있다. 공정 후 냉각(1008)은, 내부 불활성 기체 냉각 제어, 공냉 및 수냉의 외부 냉각 영역의 제어를 포함할 수 있다.
파이프 이동 제어 소프트웨어 모듈(1006)은, 추가적으로 롤러 맞물림, 가열 영역에 관련된 센서의 위치, 장비들의 변수와 결합을 제어하는 장비의 위치 등을 제어한다.
도 11은 본 출원에 설명된 라이닝된 파이프의 제조 공정이 구현될 수 있는 예시적인 컴퓨팅 환경(1100)을 도시한다. 예시적인 컴퓨팅 환경(1100)은 단지 컴퓨팅 시스템의 하나의 예이며, 이러한 특정 컴퓨팅 환경으로 본 출원에서 설명된 실시 예를 제한하려는 것이 아니다.
예를 들면, 상기 컴퓨팅 환경(1100)은 많은 다른 범용 또는 특수 목적의 컴퓨팅 시스템 구성으로 구현될 수 있다. 잘 알려진 컴퓨팅 시스템의 예는, 퍼스널 컴퓨터, 핸드 헬드(hand-held) 또는 랩탑 장치, 마이크로 프로세서 기반 시스템, 멀티 프로세서 시스템, 셋톱 박스, 게임 콘솔, 가전 장치, 휴대 전화, PDA 등을 포함할 수 있지만, 이들에 한정되지는 않는다.
상기 컴퓨터(1100)는 컴퓨팅 장치(1011) 형태의 범용 컴퓨팅 시스템을 포함한다. 컴퓨팅 장치(1101)의 구성 성분들은 하나 이상의 프로세서(CPU들, GPU들, 마이크로 프로세서 등)(1107), 시스템 메모리(1109), 및 여러가지 시스템 구성 성분들을 결합하는 시스템 버스(1108) 등을 포함할 수 있다. 프로세서(1107)는 다양한 컴퓨터 실행 가능한 명령들을 처리하고, 파이프를 라이닝하기 위한 방법을 구현하는 것과 그 유사한 구조를 포함하며, 컴퓨팅 장치(1101)의 작동을 제어하고, 다른 전자 및 컴퓨팅 장치(도시 생략)와 통신하는 것을 포함한다. 상기 시스템 버스(1108)는, 여러 종류 중 임의의 수의 버스 구조를 나타내고, 메모리 버스 또는 메모리 제어기, 주변 버스, 가속 그래픽 포트 및 프로세서 또는 임의의 다양한 버스 아키텍쳐를 사용하는 로컬 버스를 포함한다.
시스템 메모리(1109)는 랜덤 액세스 메모리(RAM)와 같은 휘발성 메모리 및/또는 판독 전용 메모리(ROM)와 같은 비휘발성 메모리 형태의 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함한다. 기본적인 입/출력 시스템(BIOS)은 ROM 내에 저장된다. RAM은 전형적으로, 즉시 액세스 가능하고 및/또는 하나 이상의 프로세서(1107)에 의해서 바로 작동되는 데이터 및/또는 프로그램 모듈을 포함한다.
대용량 저장 장치(1104)가 컴퓨팅 장치(1101)에 연결되거나, 또는 버스에 연결함으로써 컴퓨팅 장치에 통합된다. 그러한 대용량 저장 장치(1104)는, 탈착형의 비휘발성 자기 디스크(예를 들면, "플로피 디스크")(1105)로부터 판독가능하고, 그리고 기록하는 자기 디스크 드라이브, 또는 CD ROM 또는 그와 유사한 것(1106)과 같은 탈착형 비휘발성 광학 디스크로부터 판독가능하고, 그리고/또는 기록하는 광학 디스크 드라이브를 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체(1105,1106)는 전형적으로, 플로피 디스크, CD, 휴대용 메모리 스틱 등에 공급되는 컴퓨터 판독 가능 명령, 데이터 구조, 프로그램 모듈 등을 구현한다.
임의의 수의 프로그램 모듈들은, 하드 디스크(1101), 대용량 저장 장치(1104), ROM 및/또는 RAM(1109) 상에 저장될 수 있고, 예를 들면, 운영 시스템, 하나 이상의 응용 프로그램, 다른 프로그램 모듈, 및 프로그램 데이터 등을 포함한다. 그러한 각각의 운영 시스템, 응용 프로그램, 다른 프로그램 모듈 및 프로그램 데이터(또는 그 일부 조합)들은, 본 명세서에서 기재된 시스템 및 방법의 실시 예를 포함할 수 있다.
디스플레이 장치(1102)는 비디오 어댑터(1111)와 같은 인터페이스를 통해서 시스템 버스(1108)에 연결될 수 있다. 사용자는 키보드, 포인팅 장치, 조이스틱, 게임 패드, 직렬 포트, 및/또는 그와 유사한 것들과 같은 모든 다른 입력 장치(1103)를 통해서 컴퓨팅 장치(702)와 인터페이스할 수 있다. 이들 및 다른 입력 장치들은 시스템 버스(1108)에 접속되는 입력/출력 인터페이스(1102)를 통하여 프로세서(1107)에 연결되어 있지만, 병렬 포트, 게임 포트, 및/또는 범용 직렬 버스(USB)와 같은 다른 인터페이스 및 버스 구조에 의해서 접속될 수 있다.
컴퓨팅 장치(1100)는 하나 이상의 근거리 통신망(LAN), 광역 네트워크(WAN) 등을 통한 하나 이상의 원격 컴퓨터와의 연결을 사용하여 네트워크 환경에서 작동할 수 있다. 컴퓨팅 장치(1101)는 네트워크 어댑터(1113)를 통해서, 또는 다르게는 모뎀, DSL, ISDN 인터페이스 등에 의해서 네트워크(1114)에 접속된다.
도 12는 미 경화된 라이닝 물질(1200)를 혼합하고 이송하기 위한 장치를 도시한다. 상기 미 경화된 사전-혼합된 라이닝 물질 성분 및 용매들은, 종래의 혼합기(도시 생략)에서 혼합되고, 사전-혼합된 물질(1202)은 스크류 구동 펌프(1204) 또는 그 균등물과 같은 재료 펌프에 부착된 호퍼내에 배치될 수 있다. 비록 스크류 구동 펌프, 또는 오거가 도시되어 있지만, 슬러리 타입 또는 페이스트 물질을 처리하기 위한 임의의 적합한 펌프 및 시스템이 사용될 수 있으며, 예를 들면 압출기, 프로그레시브 캐비티 펌프, 실린더 펌프 또는 유사한 것들이 사용될 수 있다. 상기 펌프는 모터(1208)에 의해서 구동될 수 있으며, 이는 스크류 구동 펌프(1204)를 회전시키고, 파이프의 내부 도포를 위한 물질 이송 장치(도시 생략)에 사전-혼합 공급장치(1206)를 통하여 상기 사전-혼합된 라이닝 물질을 밀어낸다.
도 13은 파이프, 튜브, 또는 중공 부재(1300)의 내부 표면에 미 경화된 사전-혼합된 라이닝 물질을 도포하기 위한 장치를 도시한다. 파이프, 튜브, 또는 중공 부재(1302) 및 미 경화된 사전-혼합된 라이닝 물질을 도포하기 위한 장치(1300)를 통한 길이 방향 단면이 도시되어 있다. 상기 장치는 스팅거(1310)로 구성되며, 여기에는 교체가능한 헤드(1316)가 탈착이능하게 부착될 수 있다. 다른 탈착가능한 헤드가, 상이한 직경의 파이프에 미 경화된 사전-혼합된 라이닝 물질을 도포하기 위해서 사용될 수 있다.
높이 조절이 가능한 휠 지지대(1308) 및 지지 휠(1306)들이 상기 교체가능한 헤드(1316)에 부착될 수 있어서, 상기 파이프의 직경 중심에 상기 교체가능한 헤드를 위치시킬 수 있다. 하나 또는 그 이상의 높이 조절식 휠 지지대(1308)와, 지지 휠(1306)들이 사용될 수 있다.
상기 탈착가능한 헤드는 그 끝단에서 확장되어 상기 파이프(1302)의 내부 표면을 향해 사전-혼합된 라이닝 물질을 이송시킬 수 있다. 상기 탈착가능한 헤드의 확장 단부 먼쪽에 부착된 것은 실린더형 또는 원형의 노즐 두께 조정기(1314)이다. 상기 원형의 노즐 두께 조정기(1314)는 상기 탈착가능한 헤드에 착탈식으로 부탁되고, 상기 탈착가능한 헤드(1316)의 확장 단부와 원형의 노즐 두께 조정기(1314) 사이의 공간은 다른 것들 중에서도, 라이닝 물질로 선택된 재료, 최종 층의 원하는 두께, 파이프 베이스 재료 등에 따라서 변화될 수 있다. 상기 파이프(1302)의 내부 표면에 가장 가까운 원형 노즐 두께 조정기(1314)의 표면은, 도포된 사전-혼합된 라이닝 물질(1304)를 매끄럽게 부착되도록 하고, 그에 따라서 사전-혼합 물질(1304)가 평활면을 갖고서 균일한 두께를 갖도록 한다. 추가적으로, 상기 사전-혼합된 라이닝 물질의 도포 중에 파이프가 회전하면, 부착 물질의 균일성을 향상시키고, 상기 물질이 파이프의 하부에 고이는 것을 방지할 수 있다.
사용시, 미 경화된 사전-혼합된 라이닝 물질은 사전-혼합 물질 공급 장치(1312)를 통해서, 상기 스팅거와 탈착가능한 헤드(1316)의 샤프트 부분을 따라서 탈착가능한 헤드(1316)의 확장 단부와, 상기 원형 노즐 두께 조정기(1314) 사이의 공간으로 펌핑 공급된다. 상기 미 경화된 사전-혼합된 라이닝 물질은 이러한 공간을 통해서, 오거, 압출기, 프로그레시브 공간 입력기, 실린더 펌프 또는 그 유사한 것(도 12의 1200) 들을 사용하여 파이프(1302)의 내부 표면으로 강제 공급된다. 상기 파이프(1302)의 내부 표면과, 상기 원형 노즐 두께 조정기(1314)의 직경 사이의 공간은, 파이프의 회전 조합과 함께 도포된 사전-혼합 물질(1304)의 두께를 결정하고, 경화 이전에 도포된 사전-혼합 물질(1304)에 매끄러운 표면 마무리를 제공한다.
도 14는 사전-혼합된 라이닝 물질이 경화하는 동안, 파이프를 회전시키기 위한 장치를 도시한다. 미 경화된 사전-혼합된 라이닝 물질(1404)를 갖는 파이프(1402)는, 두 쌍의 하부 롤러(1414)들에 의해서 형성되는 크래들 내에 배치되고, 파이프(1402)의 외주면에 접촉하는 이동식 높이 조절 상부 롤러(1412) 들에 의해서 제자리에 고정될 수 있다. 모터(1406)는 구동 샤프트(1416)를 회전(1410)시킨다. 상기 구동 샤프트의 회전은, 구동 샤프트(1416)의 반대 방향으로 파이프(1402)의 회전(1408)을 초래한다.
경화되어야 할 파이프의 길이에 따라서, 추가적인 하부 롤러(1414)와 상부 롤러(1412) 들이 경화되는 파이프(1402)의 길이를 지지하기 위해서 필요할 수 있다는 점은 당업자에게는 자명한 것이다.
도 15는 미 경화된 라이닝의 배치 도중, 및 경화와 융합 공정 도중에 파이프를 회전시키는 장치를 도시한다. 이 도면은 파이프, 상기 공정이 튜브 또는 중공 부재(1508)의 양단으로부터 어떻게 이루어지는 지를 도시한다. 상기 사전-혼합된 라이닝 물질은 실린더 페이스트 토출 장치(1800)를 갖는 스팅거를 통해서 파이프의 내부 표면 상에 부착되며, 이것은 공정 제어 설비(1504)에 의해서 제어된다. 상기 공정 제어 설비(1504)는, 다른 것들 중에서도 회전 파이프, 파이프 길이 방향의 움직임, 온도, 대기 환경들을 제어한다. 상기 사전-혼합된 라이닝 물질은 상기 사전-혼합 및 이송 장치(1200)에 의해서 제공된다.
상기 파이프에 부착된 사전-혼합된 라이닝 물질을 경화시키는 것은 동일한 융합 카트(1502) 상에 잔류하는 파이프, 튜브 또는 중공 부재와 함께 실행될 수 있다. 경화는 상기 파이프, 튜브 또는 중공 부재를 가열함으로써, 그리고 공기 흐름을 인가함으로써 전형적으로 실행된다. 가열은 유도 가열, 화염, 고온 공기, 또는 다른 방법(도시 생략)과 같은, 임의의 열원을 사용하여 실행될 수 있다. 강제 또는 흡입 통풍(도시 생략)의 사용은 경화 공정의 제품을 배출시키는 데에 사용될 수 있다.
상기 사전-혼합된 라이닝 물질의 융합은 스팅거(1700) 상에 장착된 램프 배열을 사용하여 이루어진다. 상기 스팅거(1700) 상의 램프 배열은 파이프의 직경 중심에 위치한다. 상기 램프 위치는 여러가지 적합한 방법에 의해서 얻어질 수 있다. 추가적으로, 지지대가 스팅거상의 하나 이상의 위치에 위치된, 하나 또는 그 이상의 전자석을 이용하여 강화되어 파이프(도시 생략) 내의 정확한 위치를 용이하게 하도록 사용될 수 있다. 전자기장은 파이프에 대하여 정확한 상관 관계로, 램프 위치를 제공하게 된다.
대안적으로, 가이드(도시 생략)가 사용될 수 있으며, 파이프 또는 중공 부재 내부의 원하는 위치에 램프가 정확하게 위치하도록 사용될 수 있다. 일반적으로, 상기 가이드는 스팅거 상의 램프 배열의 반대측으로부터 파이프, 튜브 또는 중공 부재내에 삽입되고, 그 반대측으로 빠져 나가는 인장 와이어 케이블이다. 후속적으로, 상기 와이어 케이블은 램프 배열 측에 부착된 후, 인장된다.
상기 융합 카트(1502)는, 롤러 결합 조립체(1600) 세트들이 대략 400~600mm 떨어져서 배치되고, 상기 롤러들의 반대 측은 대략 200~400mm 정도 오프셋되어 롤러들의 2개의 대향 측면 중간에 공간을 형성하는 방식으로 구축된다. 롤러 결합 조립체(1600)의 동일한 세트들이 카트 상부로부터 위치한다. 파이프가 하부 롤러 결합 조립체(1600) 상의 위치로 굴려질 때, 롤러 결합 조립체(1600)를 갖는 전체 상부 장치는 하강되어 파이프(1508) 상에 파이프 압력을 유지시킨다. 이를 위하여 임의의 적당한 메카니즘이 사용될 수 있다: 그러나, 유압 또는 공기 압력 실린더들이 권장된다. 롤러는 폴리머, 금속, 고무, 및 임의의 조합으로 구성될 수 있다.
각각의 롤러 결합 조립체(1600)는 독립적으로 이동가능하여 파이프와의 접촉이 분리될 수 있다. 몇몇의 롤러 결합 조립체(1600)는 자유롭게 회전하고, 일부는 파이프의 필요한 회전을 제공하는 동력식 롤러이다. 롤러들은 램프에 의한 가열 공정이 실행되는 영역에서는, 파이프, 튜브 또는 중공 부재의 접촉으로부터 후퇴된다. 이것은 공정 제어 센서 및 온도 제어 장치(도시 생략)를 위한 공간을 제공하기 위해서 필요하다. 상기 파이프, 튜브 또는 중공 부재의 회전 속도는, 파이프, 튜브 또는 중공 부재의 크기, 두께, 및 강화된 금속 합금 또는 합성물의 밀도 등에 의해서 결정되며, 컴퓨터 프로그램 및 제어 유닛(1808)에 의해서 제어된다.
도 16은 파이프 회전 장치의 종단면도를 도시한다. 상기 장치는 그 내부에 유압 피스톤(1604)이 구비된 베이스(1602)에 의해서 지지된다. 상기 유압 피스톤은, 처리될 파이프의 크기에 따라서, 모터(1606)를 갖는 베이스의 높이를 변화시키는 것이 가능하다. 모터(1606)를 갖는 베이스는, 동력 휠(1608)을 회전시키고, 그에 따라서 상기 동력 휠(1608)에 결합된 체인(1616)이 이동되도록 한다. 상기 이동하는 체인(1616)은 동력 전달 휠(1623)을 회전시키고, 그에 따라서 지지 휠(1610)이 회전하도록 한다. 상기 동력 전달 휠을 구동하는 체인은 금속 체인, 구동 벨트, 케이블 또는 임의의 적절한 재료일 수 있다는 것을 주목해야 한다.
상기 지지 휠(1610)은 마찰을 제공하는 고무 층(1612)을 그 외경부에 구비하며, 도포된 사전-혼합된 라이닝 물질(1620)을 갖는 파이프(1618)가 회전하도록 한다. 체인 장력은 높이 조절식 실린더(1622) 상에 장력 조절 휠(1624)의 사용에 의해서 유지된다. 점선으로 도시된 바와 같이, 동일한 시스템이 제1 시스템과는 180°관계로 배치되고, 간섭을 방지하기 위해서 오프셋되며, 또한 상기 파이프의 회전을 구동시킨다.
도 17은 라이닝 물질을 경화시키기 위한 램프 조립체(1700)의 상세를 도시한다. 램프 배열(1706)은, 하나 또는 그 이상의 램프(1708)들을 가질 수 있으며, 여기서 상기 램프의 개수는 파이프의 크기와, 부착된 사전-혼합 물질의 두께에 의해서 정의된다. 상기 램프들은 일반적으로 원형으로 배치된다. 이 도면에서는, 6개의 램프들이 있으며, 여기서는 세 개의 램프가 측방으로부터 도시되어 있으며, 그 반대측에는 다른 세 개의 램프들이 존재한다. 이러한 타입의 램프는, 일반적으로 기체 밀봉된 플라즈마 아크 램프로 지칭되며, 크세논 아크 램프, T3 램프, 아르곤 아크 램프 등이 될 수 있다. 일반적으로, 램프 배열은 18-350 W/㎠ 사이의 에너지 밀도를 발생시키며, 그렇지만 전형적으로 900 W/㎠ 까지의 임의의 적합한 에너지 밀도가 사용될 수 있다.
상기 램프 배열의 길이는 변화할 수 있다. 일반적으로, 대략 300mm 길이의 램프(1708)를 사용할 수 있다. 그러나, 램프의 길이는 대략 25mm에서 대략 600mm 까지 형성될 수 있다.
상기 램프 배열(1706)는 스팅거 상에 장착된다. 상기 스팅거는 금속, 고분자, 또는 합성물일 수 있다. 추가적으로, 상기 스팅거는 다른 것들 중에서도, 전기 케이블, 냉각수, 센서 케이블, 불활성 가스 라인 등에 대한 지지를 제공한다.
도 17에 관련하여, 상기 램프 배열(1706)은 고정구(1708)를 포함하고, 이는 상기 램프와, 전력, 운전 제어, 및 냉각 등의 작동을 위한 서비스 공급원, 및 상기 고정구에 장착된 다수의 플라즈마 아크 램프들 사이에서의 연결 지점으로서 기능을 한다.
이러한 예에서, 각각의 플라즈마 아크 램프(1710)는 밀봉 가스 타입의 플라즈마 아크 램프이며; 그러나, 다른 플라즈마 아크 램프 또는 우시오(Ushio)와 헤라우스(Heraeus) 등에 의해서 생산된 것과 같은, 이러한 설계의 다른 유사한 고강도 가열 램프들도 사용될 수 있다. 각각의 플라즈마 아크 램프는 전극들을 가로질러서 충분한 전위를 인가함으로써 작동하고, 램프내에서 가압된 가스를 이온화하며, 그에 따라서 주로 적외선, 가시 및 UV 스펙트럼으로 전자기 방사선을 생성하고, 이는 플라즈마 아크 램프로부터 방사되어 파이프 또는 튜브형 표면과의 접촉시에 열을 발생시킨다.
상기 배열내의 각각의 플라즈마 아크 램프(1710)에 의해서 방출된 방사선은 서로 중첩하고, 그리고 집단적으로 파이프 또는 튜브의 내부 표면의 전체 둘레를 가열시킨다. 가열은 실질적으로 램프 배열(1706)의 둘레에서 장축을 따라 360°에서 달성되며, 사전-혼합 물질을 파이프(1702)에 융합시켜서, 라이닝된 파이프를 형성한다.
도 17에 도시한 예는, 여섯 개의 아크 램프를 특징으로 하며, 이는 균일하게 이격되고, 원형 램프 배열을 형성하지만, 그러나 상기 램프 배열은, 처리되는 파이프의 직경과, 필요한 가열 출력 등과 같은 요인에 따라서 다른 수의 아크 램프들을 포함할 수 있다.
융합 또는 금속 접합 공정 도중에, 상기 램프들을 안전한 작동 온도 내에서 유지하기 위해서, 각각의 아크 램프는 개별적인 냉각 조립체가 장착될 수 있고, 여기서는 냉각제가 기능적으로 투명한 외측 튜브를 통해서 순환된다. 상기 외측 튜브는 상기 배열 고정구에 위치되고, 연결된다. 전형적으로, 상기 램프들은 투명한 석영 유리 재킷이 장착되어 있으며, 이러한 물질은 실질적으로 상기 램프로부터 방사된 광을 방해하지 않으면서, 상기 램프로부터 열을 제거시키는 냉각제가 흐를 수 있도록 한다.
또한, 도시된 것은 스팅거(1704) 또는 지지 암 메커니즘으로서, 이는 파이프 또는 튜브의 내부 길이를 따른 램프 배열의 축 방향 이동을 용이하게 하고, 상기 스팅거는 또한, 전력 공급, 작동 제어, 작동에 필요한 냉각제 공급, 제어 및 모니터링 작동 등을 위한 유틸리티 지지대 및 도관의 기능도 실행한다.
이러한 적합한 램프 배열(1706)은, Bumbulovic 의해서, 2013년 5월 28일자로 출원된, 계류중인 미국 특허 출원 번호 제61/828,102호의 "관형 또는 밀폐된 구조의 내부 표면의 열처리를 위한 장치"에 추가적으로 상세히 기재되어 있으며, 그 내용은 여기에서 참조로 인용된다.
도 18은 램프 조립체를 제어하기 위한 시스템을 도시한다. 여기서, 그 내부 표면(1822) 상에 경화된 사전-혼합된 라이닝 물질을 갖는 파이프는, 그 끝단부에 램프 배열을 갖고, 상기 파이프(1822)의 직경 중심에 삽입된 스팅거(1818)을 갖는다. 경화된 사전-혼합된 라이닝 물질(1822)을 갖는 파이프는, 전형적으로 도 15에 도시된 바와 같이, 처리 시스템(도시 생략) 내에 장착된다. 이는 공정 도중에 파이프 회전(1820)을 제공한다.
상기 스팅거(1818)를 따라서 분포된 것은, 램프 배열 냉각제 공급 및 복귀(1804) 계통이다. 상기 냉각제 공급 및 복귀(1804) 계통은, 그 작동 도중에 램프 배열을 냉각하기 위한 물을 전력 및 지지 모듈(1814)로부터 제공하고, 가열된 물을 상기 전력 및 지지 모듈(1814)로 복귀시킨다. 상기 램프 배열(1802)을 냉각시키는 것은, 유용한 사용 수명을 연장시킨다.
컴퓨터 프로그램 및 제어 유닛(1808)은, 상기 전력 및 지지 모듈(1814)과 기본 작동 유닛(1806)에 지시를 제공한다. 그러한 지시는, 필요에 따라서 전송 시간, 램프 세기, 냉각 속도 등으로서, 특정 파이프와 사전-혼합된 라이닝 물질 조성물 및 두께의 특정 처리를 위해서 제공된다.
당업자는 상기에서 설명된 공정 시퀀스가 원하는 결과를 달성하기 위해서 임의의 순서로 실행될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 하위-공정은 상기 설명된 공정의 전체 기능으로부터 벗어남이 없이, 필요한 경우 전형적으로 생략될 수도 있다.
당업자들은 프로그램 명령을 저장하는데 활용되는 저장 장치들이 네트워크를 통해서 분배될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들면, 원격 컴퓨터는 소프트웨어로서 설명된 공정의 예를 저장할 수 있다. 로컬 또는 터미널 컴퓨터는 원격 컴퓨터에 액세스하고, 상기 프로그램을 실행하기 위한 일부 또는 모든 소프트웨어를 다운로드할 수 있다. 대안적으로, 상기 로컬 컴퓨터는 필요한 경우, 소프트웨어 부분을 다운로드하고, 또는 로컬 터미널에서 몇몇 소프트웨어 명령어를 실행하며, 원격 컴퓨터(또는 컴퓨터 네트워크)에 의해서 일부를 실행함으로써 분배적으로 처리할 수 있다. 당업자들은 또한, 당업자에게 공지된 통상의 기술을 이용함으로써, 상기 소프트웨어 명령의 전체 또는 일부분이 DSP, 프로그래머블 로직 배열, 또는 그와 유사한 전용 회로에 의해서 실행될 수 있음도 잘 이해할 수 있을 것이다.
Claims (21)
- 파이프 또는 강재 튜브형 구조체의 내부 표면에 페이스트 형태의 금속 합금을 도포하고, 그 도중에 상기 강재 튜브형 구조체가 그것의 장축상에서 회전되어 상기 페이스트 층 상에 작용하는 원심력을 통하여 상기 페이스트를 실질적으로 균일하게 확산시키는 단계; 및
상기 파이프 또는 강재 튜브형 구조체의 장축의 주위에서 360°로 열을 균일하게 방사하는 다수의 밀봉 가스 플라즈마 아크 램프에 의해서 생성된 열에 페이스트 층을 노출시켜서, 상기 파이프 또는 강재 튜브형 구조체의 내부 표면 상에 성능 향상의 금속 합금층을 형성하는 단계;를 포함하고, 여기서 다수의 크세논 전극 램프 또는 유사한 전극 램프들로부터 방사된 에너지는, 실질적으로 35 와트(watts)/㎠ 내지 900 와트/㎠ 이며, 야금 접합 공정 도중에 생성된 금속 합금 라이닝의 균일성은, 원심력 또는 압력에 의해서 향상되는 것을 포함하는 강재 파이프 또는 튜브형 구조체의 내부 표면에 성능 향상의 금속 합금층을 야금 접합하는 방법. - 제1항에 있어서, 상기 페이스트는 미분된 분말 형태이고, 반-액체내에 혼합되며, 바인더로서 반-고체 페이스트를 형성하는 금속 합금을 포함하는 것임을 특징으로 하는 강재 튜브형 구조체의 내부 표면에 성능 향상의 금속 합금층을 야금 접합하는 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 바인더는 물과 같은 습윤제와 혼합될 때, 젤라틴 형태로 되어지는 미분된 비-오염 분말인 것임을 특징으로 하는 파이프 또는 강재 튜브형 구조체의 내부 표면에 성능 향상의 금속 합금층을 야금 접합하는 방법.
- 제1항에 있어서, 원심력 또는 압력을 생성하기 위한 회전은 200rpm 내지 1600rpm 사이인 것임을 특징으로 하는 강재 튜브형 구조체의 내부 표면에 성능 향상의 금속 합금층을 야금 접합하는 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 바인더는 고체, 액체 또는 반-액체 바인더 물질을 형성하는 저탄소인 것임을 특징으로 하는 파이프 또는 강재 튜브형 구조체의 내부 표면에 성능 향상의 금속 합금층을 야금 접합하는 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 금속 합금은 주로, 크롬 합금, 주석 합금, 니켈 합금, 코발트 합금, 구리 합금, 알루미늄 합금, 아연 합금, 티타늄 합금, 스테인레스 강 및 기타 철 기반 합금들, 또는 반-비정질 합금으로 구성될 수 있는 것임을 특징으로 하는 강재 튜브형 구조체의 내부 표면에 성능 향상의 금속 합금층을 야금 접합하는 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 금속 합금은 성능 향상의 비-금속 재료, 그리고 탄화물, 질화물, 붕화물, 규화물 및 산화물 등과 같은 기능성 필러 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 첨가제와 혼합되는 것임을 특징으로 하는 강재 튜브형 구조체의 내부 표면에 성능 향상의 금속 합금층을 야금 접합하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 페이스트는 상기 강재 튜브형 구조체의 내부 표면 상에 균일한 층으로 도포되는 것임을 특징으로 하는 강재 튜브형 구조체의 내부 표면에 성능 향상의 금속 합금층을 야금 접합하는 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 바인더는 혼합된 금속 합금의 균일한 배치를 촉진하고, 유지하는 요변성 및 접착 특성을 갖는 것임을 특징으로 하는 강재 튜브형 구조체의 내부 표면에 성능 향상의 금속 합금층을 야금 접합하는 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 혼합된 금속 합금은 상기 파이프 또는 튜브형 구조 상에 도포당 100 미크론 내지 4 밀리미터의 균일한 두께로 부착된 것임을 특징으로 하는 강재 튜브형 구조체의 내부 표면에 성능 향상의 금속 합금층을 야금 접합하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 다수의 밀봉 가스 플라즈마 아크 램프들은, 상기 강재 파이프 또는 튜브형 구조체의 내부 길이를 따라서 축방향 이동을 허용하는 배열을 형성한 지지 메카니즘에 고정된 것임을 특징으로 하는 강재 튜브형 구조체의 내부 표면에 성능 향상의 금속 합금층을 야금 접합하는 방법.
- 제10항에 있어서, 다수의 밀봉 가스 충전 플라즈마 아크 램프 또는 유사한 전자기 방사원으로 구성된 것임을 특징으로 하는 파이프 또는 강재 튜브형 구조체의 내부 표면에 성능 향상의 금속 합금층을 야금 접합하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 금속 합금과 베이스 금속 표면의 화학적 조성에 기초하여, 불활성 가스, 또는 아르곤, 아르곤-수소 혼합물, 또는 이산화탄소와 같은 불활성 가스들의 조합물의 분위기가 램프의 근방에서 내부 분위기에 도입되고, 금속 접합 및 냉각 공정 동안 유지될 수 있는 것임을 특징으로 하는 방법.
- 실시간(inline time)으로 강재 파이프의 라이닝을 제어하고, 상기 파이프의 온도 조절을 제어하는 단계; 및
상기 라이닝된 강재 파이프를 후 공정 열처리하는 단계;를 포함하는 강재 파이프 라이닝 방법. - 제14항에 있어서, 상기 강재 파이프 또는 튜브형 구조체의 기계적 및/또는 야금적 특성은 실시간-온도의 냉각 또는 담금질 및/또는 후 공정 열처리의 사용에 의해서 제어되거나 생성되는 것임을 특징으로 방법.
- 제14항에 있어서, 추가적으로 상기 강재 파이프의 내부 표면에 금속 합금을 야금 접합한 후, 외부, 내부, 또는 내부와 외부 모두로부터 제어된 속도에서 상기 라이닝된 강재 파이프를 냉각시키는 것을 포함하는 것임을 특징으로 하는 강재 파이프 라이닝 방법.
- 제14항에 있어서, 온도 제어는, 추가적으로,
상기 파이프의 외부에 물을 가함으로써 강재 파이프를 냉각시키는 단계; 및
불활성 차폐 가스로서, 상기 파이프의 내부를 채우는 단계;를 포함하는 것임을 특징으로 하는 강재 파이프 라이닝 방법. - 제17항에 있어서, 냉각 및 채움은 동시에 실행되는 것임을 특징으로 하는 강재 파이프 라이닝 방법.
- 제17항에 있어서, 상기 차폐 가스는 아르곤인 것임을 특징으로 하는 강재 파이프 라이닝 방법.
- 제17항에 있어서, 상기 차폐 가스는 아르곤 및 수소, 또는 아르곤 및 이산화탄소와 같은 차폐 가스 혼합물인 것임을 특징으로 하는 강재 파이프 라이닝 방법.
- 제17항에 있어서, 전체 파이프를 가열하기 위해 노의 사용에 의해 요구되는 기계적 또는 금속적 특성을 가지도록 후공정 열처리를 수행하고, 이어서 제어된 냉각을 수행하는 것임을 특징으로 하는 강재 파이프 라이닝 방법.
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