KR20160065098A

KR20160065098A - 드로잉에 의해 메탈로지칼 본드를 갖는 다층 파이프를 제작하기 위한 프로세스 및 이러한 프로세스에 의해 제작된 다층 파이프

Info

Publication number: KR20160065098A
Application number: KR1020167007736A
Authority: KR
Inventors: 마르시오 실버리아 이 실바 줄리오; 에베링 티모; 다 실바 페르디자오 헤지크; 그란하 지오르지니 다니엘레; 와그너 다 실바 펜나 안토니오
Original assignee: 발로렉 튜보스 두 브라질 에스.에이.
Priority date: 2013-08-23
Filing date: 2014-07-23
Publication date: 2016-06-08
Also published as: CA2925940C; BR102013021664A2; WO2014169366A2; EP3036053A2; WO2014169366A3; MX2016002398A; EP3036053B1; CA2925940A1; BR102013021664B1; JP6558588B2; AU2018208660A1; AU2020220106A1; US20160273683A1; AU2020220106B2; ES2862465T3; CN105722615B; US10941885B2; CN105722615A; BR102013021664A8; KR102278376B1

Abstract

본 발명은 금속 재료로 적어도 하나의 외부파이프(10) 및 외부 파이프 내에 배치된 금속 재료인 하나의 내부 파이프(20), 그들의 계면의 적어도 일부에 내부 파이프(20)의 외부 표면에 기계적으로 본딩된 외부 파이프(10)의 내부 표면을 포함하는 관형 요소로부터 다층 파이프(1)를 생산하기 위한 프로세스에 관한 것이며, 생산 라인에서, 관형 요소는 동시에 가열되고 드로잉되며(drawn), 여기서 관형 요소의 각 부분은 유도에 의하여 가열되어 열간 드로잉되며 상기 관형 요소는 동시에 그것의 내부에 위치된 맨드렐로 드로운된다. 이 프로세스를 통해서, 파이프사이에 존재하는 기계적 연결은 메탈로직칼 본드으로 변환된다. 본 발명은 이 프로세스에 의하여 생산된 다층 파이프에 관한 것이며, 여기서 외부 파이프(10)는 타소 망간 철로 제조되고 내부 파이프는 내부식성 합금으로 제조된다.

Description

드로잉에 의해 메탈로지칼 본드를 갖는 다층 파이프를 제작하기 위한 프로세스 및 이러한 프로세스에 의해 제작된 다층 파이프{PROCESS FOR PRODUCING A MULTILAYER PIPE HAVING A METALLURGICAL BOND BY DRAWING, AND MULTILAYER PIPE PRODUCED BY THIS PROCESS}

본 발명은 적어도 하나의 열간 기계적 성형 단계(hot mechanical forming step)를 수단으로 하여 적어도 하나의 내부 파이프 및 하나의 외부 파이프로부터 메탈로지칼 본드(metallurgical bond)를 갖는 다층 파이프(multilayer pipe)를 제작하기 위한 프로세스에 관한 것이다. 이 방법에 의해 제작된 파이프들은 전형적으로 내부식성층(corrosion-resistant layer)을 가지는데, 이는 고부식성 환경(highly corrosive environments)에서 이들을 사용하는 것 및 높은 기계적 강도를 갖는 파이프를 가능하게 한다.

메탈로지칼 본드("클래드 파이프들(clad pipes)"이라고도 알려져 있음)를 갖는 파이프들 및 기계적 본드("라인드 파이프들(lined pipes)"이라고도 알려져 있음)를 갖는 파이프들과 같은 다층 파이프들뿐만 아니라 이들의 제작 프로세스들은 현재의 산업 개발의 목표이며, 코팅된 파이프(coated pipe)들은 강한 기계적 응력 및 고부식성 환경일 수 있는 석유 산업에서 주로 이용된다. 내부적으로 순환하는 유체(internally circulating fluid)는 파이프에 대한 화학적 침식(chemical attack)을 조장할 수 있어서, 내부식성 합금들의 이용을 필요로 한다.

DNV OS F101 및 API 5LD 표준들에서 제공되는 정의에 따르면, 클래드 파이프는 내부식성 내부층을 갖는 외부 파이프로 이루어지는데, 이 재료들 간의 본드는 메탈로지칼적이다(metallurgical). DNV OS F101 및 API 5LD 표준들에서 제공되는 정의에 따르면, 라인드 파이프는 내부식성 내부층을 갖는 외부 파이프로 이루어지는데, 이 재료들 간의 본드는 기계적이다(mechanical).

선행기술은 일반적으로 재료 준비 단계(material preparation step), 선택적인 레이어 단계(optional layer step), 및 클래딩 단계(cladding step)를 포함하는, 클래드 파이프들을 제작하기 위한 몇몇 프로세스들을 포함한다. 대량 생산 배치(large production batches)를 위해 산업적 규모로 이용되는 두 개의 잘 알려져 있는 프로세스들은 롤링(rolling) 및 오버레이 용접(overlay welding)에 의한 클래딩이다.

시트 롤링(sheet rolling)에 의한 클래딩 프로세스에서는, 두 개의 상이한 재료들의 시트 롤링이 동시에 이루어지고, 상기 프로세스는 하나의 단일한 클래드 시트를 낳는다(originating). 그리고 나서, 이 시트는 처리되고, 성형되고, 용접되어 심 클래드 파이프(seam clad pipe)를 길이로(longitudinally) 낳는다.

오버레이 용접에 의한 클래딩 프로세스에서는, 재료들이 내부 파이프 표면 전체에 걸친 필렛 웰드(fillet weld)들의 디포지션(deposition)에 의해 접합된다. 필렛 웰드에서 이용되는 재료는 일반적으로 내부식성 합금이다. 웰드 디포지션 프로세스(weld deposition process)는 클래드 파이프의 내부 및 외부 재료들 간의 메탈로지칼 본드를 가능하게 한다.

문헌 GB2085330는 내부 파이프와 외부 파이프 간의 양호한 기계적 본딩(mechanical bonding)을 획득하기 위하여 제1 냉간 드로잉(cold-drawing)을 포함하는 클래드 파이프들을 제작하는 방법을 공개한다. 그리고, 중간 제품(intermediate product)은 노(furnace)에서 가열 단계를 겪는데, 두 개의 파이프들이 함께 본딩된다. 그 후에, 중간 제품은 프레싱(pressing) 또는 롤링에 의해서 최종 제품(final product)을 형상화하기 위한 열간 워킹 단계(hot working step)를 거친다. 이 문헌에서, 클래드 파이프들의 제작 프로세스는 냉간 드로잉(cold drawing)에 접촉하게 되는 표면들을 준비하는 단계를 더 포함한다. 이 단계는 폴리싱(polishing)을 통한, 접촉하게 되는 표면들의 클리닝(cleaning)으로 이루어진다. 이와 달리, 이 단계는 폴리싱 대신에, 접촉하게 되는 표면들의 샷 블라스팅(shot blasting)을 포함할 수 있다.

또한, 문헌 GB2085330에 따르면, 내부 및 외부 파이프들 간의 열팽창 계수의 차이가 큰 경우에, 공기 침투가 파이프들의 품질에 영향을 줄 수 있기 때문에, 본딩된 파이프 단부(bonded pipe end)들은 본딩된 파이프를 형성하는 재료들 사이에 공기 침투를 막도록 용접된다. 일반적으로, 냉간 및 열간 성형(cold and hot forming) 이후에, 롤링이라는 최종 단계도 요구된다.

문헌 US3598156은 접합 금속(joint metal)을 갖는 바이메탈 튜빙(bimetal tubing)을 제작하는 방법을 공개하는데, 이것은 내부 파이프와 외부 파이프 간의 메탈로지칼 본딩을 수행한다. 상기 문헌에서 기술된 프로세스에서, 내부 파이프의 냉간 팽창(cold expansion)이 테이퍼링된 맨드렐(tapered mandrel)을 가지고 수행되어, 세 개의 금속층들 간의 강한 본드를 보장한다. 그리고 나서, 파이프는 전자기 유도 코일에 의해 가열되어, 더 높은 팽창 계수를 가진 내부 파이프가 외부 파이프보다 더 팽창되게 하고, 접합 중간층(joint intermediate layer)에 큰 압력을 가한다. 이러한 접합층은 내부 및 외부 파이프들을 녹이지 않으면서 녹고(melt), 그 이후에 다시 굳어져서, 내부 및 외부 파이프들 간의 메탈로지칼 본드를 초래한다. 이 문헌은 이후의 열간 드로잉 단계(hot drawing step)를 제시하지는 않는다.

게다가, 이 문헌은 또한 냉간 드로잉(cold drawing) 전에, 내부 파이프의 외부 표면 및 외부 파이프의 내부 표면의 화학적 처리 및/또는 폴리싱 단계가 수행되는 것을 공개한다. 하지만, 표면 거칠기(surface roughness) 및 접촉력(contact force)을 증가시키기 위한 표면의 블라스팅(blasting)을 제시하지는 않는다. 클래드 파이프이기 때문에, 다시 말해, 두 개의 파이프들이 함께 메탈로지칼적으로 본딩되기 때문에, 라인드 파이프들에 있어서 중요할 수 있는, 파이프들 간의 본드의 기계적 강도 및 표면 거칠기를 증가시킬 필요가 없다. 하지만, 이러한 처리로 클래드 제품의 향상이 획득될 수도 있다.

선행기술에서 제시된 클래딩 동심원 파이프(cladding concentric pipe)들의 프로세스들이, 준비 단계들, 파이프들 간의 메탈로지칼 본드를 낳는 단계인 웰드 재료를 성형(forming) 또는 디포지팅(depositing)하는 단계, 및 일반적으로 라미네이션(lamination), 프레싱(pressing), 롤링(rolling), 압출(extrusion), 또는 코드로잉(codrawing) 사이의 단계인 피니싱 단계(finishing step)를 항상 포함하는 것은 아니다.

선행기술의 프로세스들 중의 어느 것도 피니싱 단계 없이 단지 하나의 성형 단계에서만의 클래드 파이프들의 제작을 공개하지 않는다. 게다가, 선행기술의 프로세스들 중의 어느 것도, 노동 및 제작의 속도 및 프로세스에 부담을 주는, 가열된 파이프들을 노(furnace) 내부로부터 제작 라인으로 이동시키는 것 또는 단계들 간에 하나의 벤치(bench)에서 다른 벤치로 파이프를 이동시키는 것에 대한 필요 없이, 단일한 제작 라인(production line)상에서 모든 단계들을 구현하는 가능성을 제시하지는 않는다. 선행기술 문헌들 중의 어느 것도 메탈로지칼 본딩을 갖는 심리스 다층 파이프(seamless multilayer pipe)를 공개하지는 않는다.

본 발명의 목적은, 적어도 외부 파이프 내부에 배치된 금속 재료(metallic material)로 이루어진 하나의 내부 파이프 및 금속 재료로 이루어진 하나의 다른 파이프를 포함하는 관형 요소(tubular element)로부터 메탈로지칼 본드를 갖는 다층 파이프를 제작하기 위한 프로세스에 의해서 달성되는데, 외부 파이프의 내부 표면은 내부 파이프의 외부 표면에 기계적으로 본딩되고(mechanically bonded), 본 프로세스는 이하의 단계들을 포함한다:

제작 라인에서, 관형 요소는 동시에 가열되고 드로잉되는데(drawn), 관형 요소의 각 부분은 유도(induction)에 의한 가열을 거치고, 이후 열간 드로잉(hot drawing)을 거치며, 관형 요소는 그 내부에 위치해 있는 맨드렐을 가지고 드로잉된다.

외부 파이프는 탄소망간강 합금(carbon manganese steel alloy)으로 이루어지고, 내부 파이프는 내부식성 합금으로 이루어진다.

바람직하게는, 관형 요소의 각각의 섹션(section)은 제작 라인에 배치된 전자기 코일을 가로질러 지나갈 때 적어도 900℃의 온도로 가열된다. 또한, 바람직하게는, 가열 및 드로잉 단계들에서, 관형 요소는 적어도 하나의 전자기 코일의 내부를 통해서 당겨지는데, 여기서 950과 1050℃ 사이의 온도까지 가열되고, 드로잉 다이(drawing die)는 출력부(output)에 연속적으로 배치되고(arranged sequentially), 맨드렐을 가진 전자기 코일은 드로잉 다이 개구(drawing die opening)와 정렬해서 관 내에 배치된다.

드로잉 단계는 드로잉 다이와 맨드렐 사이에서 관형 요소의 압축(compression)에 의해 관형 요소의 벽 두께를 감소시키는 것을 포함할 수 있다.

본 프로세스는, 드로잉 단계 이후에, 관형 요소가 냉각(cooling)을 겪는 적어도 하나의 열처리 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 외부 파이프의 외부 표면 및 내부 파이프의 내부 표면의 선택적인 사전 윤활(previous lubrication)을 가진 냉간 드로잉(cold drawing)가 기하 공차(geometric tolerance) 및 표면 마감(surface finish)을 향상시키기 위하여 수행될 수 있다. 게다가, 드로잉 후에 관형 요소를 벤딩하는(bending) 추가적인 단계가 수행될 수 있다.

본 발명의 목적은 본 명세서에서 기술된 프로세스에 의하여 제작된 메탈로지칼 본드를 갖는 다층 파이프에 의해서 달성되는데, 다층 파이프는 적어도 금속 재료로 이루어진 하나의 외부 파이프 및 외부 파이프의 내부에 배치된 금속 재료로 이루어진 하나의 내부 파이프를 포함하고, 외부 파이프의 내부 표면은 내부 파이프의 외부 표면에 메탈로지칼적으로 본딩되고(metallurgically bond), 외부 파이프는 탄소망간강으로 이루어지고, 내부 파이프는 내부식성 합금으로 이루어진다.

금속 재료로 이루어지는 내부 파이프는 탄소강(carbon steel), 저합금강(low alloy steel), 고합금강(high alloy steel), 스테인리스강(stainless steel), 니켈 기반 합금(nickel base alloy), 티타늄 기반 합금(titanium base alloy), 코발트 기반 합금(cobalt base alloy), 구리 기반 합금(copper base alloy), 주석 기반 합금(tin base alloy), 및 지르코늄 기반 합금(zirconium base alloy) 중의 적어도 하나를 포함하는 재료로 만들어질 수 있다. 외부 및 내부 파이프들은 바람직하게는 심리스 파이프(seamless pipe)들이다.

다층 파이프는 외부 및 내부 파이프들 사이에 배치된 금속 재료로 이루어진 적어도 하나의 중간층을 포함할 수 있는데, 중간층은 금속 재료로 이루어진다. 중간층은 외부 및 내부 파이프들의 융점보다 더 낮은 융점을 가질 수 있다. 중간층은 니켈(Ni) 또는 지르코늄(Zn)을 포함할 수 있다. 다층 파이프는 외부 파이프까지 외부적으로 배치된(externally arranged) 추가적인 외부층을 포함할 수 있는데, 외부층은 외부 파이프의 외부 직경보다 더 큰 내부 직경을 갖는 제2 외부 파이프로 만들어지고, 외부 파이프에 메탈로지칼적으로 본딩된다. 외부층은 바람직하게는 내부식성(corrosion-resistant) 합금, 내마모성(abrasion-resistant) 합금, 및 내피로성(fatigue-resistant) 합금으로 이루어진다. 다층 파이프에서, 외부 파이프와 내부 파이프 사이에 100%까지의 메탈로지칼 본드가 존재할 수 있다.

도 1은 본 발명의 다층 파이프를 제작하기 위한 프로세스의 열간 드로잉 단계(hot drawing step)의 제1 실시예의 개요도이다.
도 2는 본 발명에 따른 단계의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 다층 파이프를 제작하기 위한 프로세스의 열간 드로잉 단계의 제2 실시예의 개요도이다.
도 4는, 파이프 사이의 계면에서 철(iron) 및 니켈(nickel) 요소의 농도(concentration)의 도표와 관련된, 본 발명의 프로세스에 의해 제작된, 기계적으로 본딩된 파이프 사이의 계면(interface)의 사진이다.
도 5는, 파이프 사이의 계면에서 철 및 니켈 요소의 농도의 도표와 관련된, 본 발명의 프로세스에 의해 제작된 메탈로지칼 본드(metallurgical bond)를 갖춘 인발 다층 파이프(drawn multilayer pipe)의 실시예의 파이프 사이의 계면의 사진이다.

도 1 내지 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 금속 재료(metallic material)의 적어도 하나의 외부 파이프(10)와 금속 재료의 하나의 내부 파이프(20)를 구비하는 관형 요소(tubular element)로부터 메탈로지칼 본드(metallurgical bond; 1)를 갖춘 다층 파이프를 제작하기 위한 프로세스에 관한 것으로, 프로세스에 의해 생산된 파이프는 내부 파이프(inner pipe; 20)로 이루어지는 내부 층에 적어도 부분적으로 메탈로지칼적으로 본딩되는(metalurgically bonded) 외부 파이프(outer pipe; 10)로 이루어지는 적어도 하나의 외부층을 구비하는 다층 파이프이다. 관형 요소는 대안적으로 초기에 2 이상의 파이프를 구비하여 구성될 수 있고, 서로 적어도 부분적으로 메탈로지칼적으로 본딩되는 다중 층을 갖는 하나의 파이프(1)를 발생시킨다.

본 프로세스에 의해 제작된 다층 파이프는 클래드 파이프(clad pipe)일 수 있고, 본 발명의 프로세스에 따라 제작된 다층 파이프를 형성하는 층 간의 본딩이 기준 ASTM A578 및 API 5LD의 최소 요구를 맞출 때, 즉 파이프의 표면 상의 소정의 비-클래드 영역(non-clad area)은 불연속성(discontinuity)의 표시에 대해 중심이 있는 225×225㎟의 스캐닝된 영역 내부에서 25㎜의 직경을 초과하지 않을 수 있다. 더욱이, 파이프는 파이프 종단으로부터 100㎜의 거리 내에서 소정의 비-클래드 영역을 갖지 않아야 한다. 본 발명에 따르면, 클래드 파이프는 외부 파이프(10)와 내부 파이프(20) 사이에서 100% 클래딩까지 본 발명에 따른 프로세스에 의해 제작될 수 있다.

관형 요소를 구성하는 파이프는 바람직하기는 심리스 파이프(seamless pipes)이다. 이 경우, 본 발명에 따른 프로세스에 의해 제작된 다층 파이프는 또한 심리스이다. 본 발명의 대안적 실시예에 있어서, 외부 파이프(10)는 심리스 파이프일 수 있고, 내부 파이프(20)는 용접 심 파이프(welded seam pipe)일 수 있다.

내부 파이프(20)는 바람직하기는 CRA(corrosion-resistant alloy)로 이루어질 수 있고 내부 파이프(10) 내에 초기에 배열되며, 후자를 위한 일종의 코팅(coating)을 제공한다. 내부 파이프는 또한 WRA(abrasion-resistant alloys) 또는 내피로성 합금(fatigue-resistant alloys)으로 이루어질 수 있다. 전형적으로, 외부 파이프(10)는 최종 다층 파이프에 대해 기계적 강도를 제공하는 것을 담당한다. 외부 파이프(10)의 내부 표면은 내부 파이프(20)의 외부 표면에 기계적으로 본딩되어 2개의 파이프 사이에는 산소(oxygen)가 없다는 것이 또한 중요하다. 파이프 사이의 계면에서 산소의 존재는 부식(corrosion)을 발생시키고 파이프 사이에서 양호한 클래딩을 방지하는 산화물(oxides)의 제작을 야기시킬 수 있다. 기계적으로 함께 본딩된 파이프를 구비하는 관형 요소는 라인드 파이프(lined pipe)로 불리워질 수 있다.

파이프 사이에서 기계적 본드의 형성은, 다른 것들 사이에서 기계적 팽창(mechanical expansion), 압출(extrusion), 냉간 드로잉(cold drawing), 롤링(rolling)에 의한 기계적 성형 단계와 같은 소정의 종래 방법에 의해 만들어질 수 있다. 바람직하기는, 파이프 사이에서 기계적 본드 성형 단계 전에, 함께 기계적으로 본딩되는 블라스팅 단계(blasting step)가 외부 파이프(10)의 내부 표면 상과 내부 파이프(20)의 외부 표면 상에서 수행된다. 이들 표면은 바람직하기는 그들의 거칠기(roughness)를 증가시키고 재료 사이에서 접촉력(contact force)을 최적화하기 위해 스틸 샷(steel shots)으로 블라스팅되고(blasted), 따라서 파이프 사이에서 기계적 본딩을 개선한다. 샷(shots)이 강철(steel)로 만들어지고, 파이프의 표면 상에서 불순물(impurities)의 증가에 기여하지 않기 때문에, 블라스팅에서 스틸 샷의 이용은 이점이 있다.

본 발명의 제품의 예에 따른 라인드 파이프(lined pipe; 1)를 구성하는 외부 파이프(10)와 내부 파이프(20) 사이의 기계적 본드는 도 4에서 알 수 있다. 본 도면은 파이프 사이의 교차점(junction)의 계면의 (비에칭된(unetched)) 단면 미세 사진을 포함하고, 여기서 외부 파이프(10)는 회색의 더 어두운 음영의 좌측에 도시되고 내부 파이프(20)는 회색의 더 밝은 음영의 우측에 도시된다. 상부의 더 작은 박스에 대응하는 섹션의 파이프 사이의 계면은 그 아래 도표에서 양 파이프의 재료의 농도의 관점에서 표현된다. 이 도표는 상기 계면 섹션의 확대된 버전으로, 종축은 질량 퍼센트(mass percent)로 각 요소의 농도를 나타내고, 횡축은 계면에 수직 방향으로 라인드 파이프의 위치를 나타낸다. 도표는 라인드 파이프에서 파이프 사이의 계면 영역의 X 방향으로 요소 철(Fe) 및 니켈(Ni)의 농도를 나타낸다. 실선은, 본 발명의 1실시예에 따른, 외부 파이프(10)의 주요 성분 중 하나인, 철(Iron)의 농도를 나타낸다. 파선은 본 계면 영역에서 니켈(Nickel)의 농도를 나타내고, 여기서 니켈은 본 발명의 실시예에 따른 내부 파이프(20)의 주 요소이다. 철과 니켈의 농도의 급격한 변화가 파이프 사이의 계면 영역을 나타내는 그래프의 동일한 위치에서 야기된다. 이는 2개의 파이프의 재료 사이에서 현저한 확산(diffusion)이 없었고, 따라서 메탈로지칼 본드없이, 즉 클래딩 없이, 그들 사이에서 단지 기계적 본드만이 있다는 것을 의미한다.

도 2는 본 발명에 따른 프로세스의 바람직한 실시예의 플로우차트를 나타낸다. 파이프의 기계적 본딩 후 및 열간 드로잉 전에, 본 발명의 프로세스는, 맨드렐(mandrel; 2)과 접촉하게 되는, 내부 파이프(20)의 내부 표면과, 열간-드로잉 단계 동안 드로잉 다이(drawing die; 4)와 접촉하게 되는, 외부 파이프(10)의 외부 표면의 윤활(lubrication)의 단계를 갖추어 이루어진다. 이 윤활은 또한 드로잉 단계(drawing step) 동안 수행될 수 있다. 윤활제(lubricant; 11)의 순환이 도 1 및 도 3에 도시된다. 윤활은 드로잉 다이 및 맨드렐과 관형 요소의 접촉으로부터 초래되는 마찰(friction)을 감소시키기 위해 영향을 미칠 수 있다. 이용된 윤활제(11)는 바람직하기는 물(water)과 흑연(graphite)의 혼합물, 또는 hex-α-BN과 같은, 고온 프로세스를 위한 소정의 윤활제를 기초로 한다. 이러한 윤활제는 파이프의 표면 화학 성분을 변경시키지 않는다는 이점을 갖는다.

본 발명에 따른 프로세스에 있어서는, 메탈로지칼 본드(metallurgical bond)가 외부 파이프(10)와 내부 파이프(20) 사이에 형성되도록, 적어도 하나의 열간 드로잉 단계(hot-drawing step; 22)가 수행되고, 파이프를 가열 및 드로잉(drawing, 인발)하는 단계들이 동일한 제작 라인에서 동시에 수행된다. 따라서, 관형 요소(tubular element)의 각 부분은 동일한 제작 라인에서 유도 가열과 그 뒤에 열간 드로잉을 거친다. 드로잉은 관형 요소 내부에 위치된 맨드렐(mandrel; 22)의 도움으로 발생한다.

열간 드로잉 단계는, 0.1∼5.0 m/min에서 변화하는 속도 및 800∼1300℃에서 변화하는 온도로 1∼5회 수행되는 것이 바람직하다.

드로잉 다이 개구(drawing die opening; 4)가 이것을 통해 끌어 당겨지는 관형 요소보다 더 작은 직경을 가지기 때문에, 드로잉 전에 관형 요소는 포인팅(pointing, 바르기)하는 단계를 거치는 것이 바람직하고, 거기에서 파이프 단부(pipe end)는 이것이 초기에 드로잉 다이 개구(4)를 통해 끌어 당겨질 수 있도록 감소된 그 외부 직경을 갖기 위해 성형(shape)된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서는, 관형 요소의 팁(tip)은 라인 또는 노(furnace)에서 가열되고, 그 후에 드로잉 다이를 통한 그 트랙션(traction, 견인)에 요구되는 직경 및 사이즈를 추정하도록 성형된다. 포인팅은 또한 냉간 단조(cold forging)에 의해 행해질 수 있다.

열간 드로잉을 수행하기 위한 가열 단계에 있어서는, 코일을 가로지를 때 각 파이프 섹션이 파이프의 형상, 생산되는 길이, 사용되는 재료, 그 중에서도 적용된 감소에 따라 코일의 출구(outlet)에서 900℃의 최소 온도에 도달하고 바람직하게는 950℃ 내지 1050℃의 범위에 있는 주울 효과(Joule Effect)를 통한 인덕션(induction, 유도)에 의해 가열되도록, 관형 요소는 제작 라인에 배치된 적어도 하나의 전자기 코일(electromagnetic coil; 7)의 내부를 통해 끌어 당겨진다.

그 다음에, 열간 관형 요소는 동일한 제작 라인에서 전자기 코일(7)의 출력에 연속적으로 배치된 드로잉 다이(4)를 통해 끌어 당겨진다. 관형 요소가 드로잉 다이(4)를 가로지를 때, 맨드렐(2)은 드로잉 다이 개구(4)와 일직선이 되어 관형 요소 내부에 배치된다.

드로잉 단계에 있어서, 관형 요소의 벽 두께는 드로잉 다이(4)와 맨드렐(2) 사이에서의 관형 요소의 압축에 의해 감소될 수 있다. 이 관형 요소의 압축 파라미터 및 최종 파이프의 두께는 얻어지는 최종 제품(final product)의 함수(function)로 조정될 수 있다. 필요할 경우, 본 발명에 따른 프로세스에 있어서는, 파이프가 소망하는 치수(dimension)에 도달하도록 하나 이상의 냉간 드로잉(cold-drawing) 또는 열간 드로잉 단계가 수행될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서는, 열간 드로잉 단계가 도 1에 나타낸 드로잉 벤치(drawing bench) 상에서 수행되고, 여기서 관형 요소 내에 배치된 커넥팅 로드(connecting rod, 연결봉)(3)에 고정된 맨드렐(2)을 이용하여, 관형 요소가 전자기 코일(7)과 드로잉 다이(4)를 통과하도록 하는 도 1에 나타낸 화살표(F)의 방향으로 관형 요소의 단부가 차량(car)에 의해 끌어 당겨진다. 맨드렐(2)은, 관형 요소가 맨드렐(2)과 드로잉 다이(4)를 통과하도록 드로잉 다이 개구 내부에 위치된다. 드로잉 장비는, 도 1 및 도 3에서 볼 수 있는 바와 같은 그 컴포넌트들 사이의 물 순환(water circulation; 12)에 의해 냉각될 수 있다.

파이프의 가열을 위한 전자기 유도 코일의 사용은, 이것이 가열 중에 파이프의 균일 온도(homogenous temperature)를 검증하고 벤치의 속도 및 코일의 전력 등의 적절한 보정(due correction)을 위해 다른 프로세스 파라미터를 동적으로 제어하기 때문에 이익이 된다. 더욱이, 드로잉 단계과 동시에 수행되는 이 코일에 의한 가열은, 다른 가열 수단에 의해 얻어지는 것보다 더 높은 가열 속도를 제공한다. 이들 높은 가열 속도는, 재료가 고온에서 긴 시간 동안 노출되는 경우에 통상의 가열 중에 발생할지도 모르는 가능한 입자 성장(grain growth, 결정 성장)을 막는다.

본 발명에서 성취되는 유도에 의한 가열의 다른 이점은, 전자기 유도 코일이 라인에 설치하기 쉽고, 이 이동가능한 코일이 안전에 직접적으로 영향을 미치는 열간 코일을 다루기 위한 필요를 제거하며, 이것이 노로부터 제작 라인으로 파이프를 운반(transport)하는 필요를 제거하기 때문에 또한 파이프 생산의 속도를 증가시킨다는 점이다. 게다가, 유도에 의한 가열은 노에서 파이프를 가열하기 위해 연료 가스를 태우는 필요를 제거한다.

열간 드로잉 후에, 특정 포맷으로 구부러진 파이프를 생산하는 것이 요망될 때 파이프는 적어도 하나의 벤딩 단계(bending step)를 거칠 수 있다.

본 발명에 따른 프로세스는, 재료 특성을 조정할 목적으로, 가열 및 열간 드로잉의 단계들 후에 열 처리 단계들(heat treatment steps)을 더 포함할 수 있다. 이들 열 처리 단계는, 조정을 필요로 할 수 있는 다층 파이프(multilayer pipe; 1)의 기계적 특성 및 메탈로지칼 특성(metallurgical property)에 의존한다. 몇몇의 재료는, 제작 단계들 중에 그들의 기계적 특성, 메탈로지칼 특성 및 부식 특성 중 일부를 잃을 수 있다. 따라서, 이들 추가적인 열 처리들은, 예를 들어 파이프(10, 20)가 X65 강철 및 인코넬®(Inconel®, 니켈 합금)로 만들어질 때, 파이프의 기계적 특성, 메탈로지칼 특성 및 부식 특성을 회복시키기 위해, 수행될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서는, 열 처리 단계에서, 다층 파이프가 파이프의 기계적 특성, 메탈로지칼 특성 및 부식 특성을 조정하는데 기여하는 냉각 또는 퀀칭 및 템퍼링(quenching and tempering) 단계를 거친다.

도 3은 파이프의 냉각 장비(8)가 드로잉 다이(4)의 출력에 직렬로 배치되어 있는 본 발명의 실시예를 개략적으로 나타낸다. 냉각의 유형(form)은 얻어지는 다층 파이프의 최종 파라미터에 따라 결정된다.

냉각은, 예를 들어 고온을 유지하고 긴 시간 동안 확산을 허용하기 위해, 또는 외부 파이프의 기계적 강도를 증가시켜 프로세스 중의 제한(restriction)을 회피하기 위해 강제적 대류 냉각(forced convection cooling)을 촉진하는 산업용 송풍기(industrial fan)를 이용하는 내화재(refractory material)로 줄지어진 벤치 상에서 행해질 수 있다. 냉각은 또한 단순히 재료의 특성을 조정하기 위한 대기의 공기 또는 임의의 다른 냉각 수단으로 될 수 있다.

냉간 드로잉의 단계는 또한 기하 공차(geometric tolerance, 형상 공차) 및 표면 마감(surface finish)을 향상시키기 위해 열간 드로잉 후에 수행될 수도 있다. 이 냉간 드로잉이 수행되는 경우에는, 내부 파이프의 내부 표면 및 외부 파이프의 외부 표면의 이전의 윤활(lubrication)도 또한 이행될 수 있다. 그렇지 않은 경우에는, 열간 드로잉에서 남은 흑연(graphite)이 마찰을 줄이기 위한 윤활제(lubricant)의 역할을 할 수 있다.

중요한 것은, 드로잉 후에는, 종래 기술의 프로세스와 달리, 추가적인 후속의 롤링 단계(rolling step)가 필요치 않다는 점이다. 도 5는, 메탈로지칼 본딩이 형성되어 있는 최종 다층 파이프(1)의 부분에, 본 발명의 예시적인 제품에 따른 다층 파이프 사이의 교차점(junction)의 계면(interface)의 미세한 단면 그림을 함유하고 있고, 여기서 외부 파이프(10)는 회색의 더 어두운 음영(shade)으로 좌측에 나타내어져 있고 내부 파이프(20)는 회색의 더 밝은 음영으로 우측에 나타내어져 있다. 파이프의 이들 부분에서 메탈로지칼 본딩을 특징짓는 내부 파이프와 외부 파이프 사이의 계면은, 가상적으로 구별된다. 상부의 더 작은 박스에 대응하는 섹션에서 파이프들 사이의 계면은, 그것 아래의 도면에서 양 파이프의 재료의 농도에 관하여 나타내어져 있다. 이 도면은, 세로 좌표 축(ordinate axis)이 각 원소의 농도를 질량%(mass percent)로 나타내고 가로 좌표(abscissa)는 다층 파이프 내의 위치를 나타내는 상기 계면 섹션의 확대된 버전이다. 도 4에서와 마찬가지로, 이 도면은 메탈로지칼 본딩이 형성되어 있는 부분의 파이프들 사이의 계면 영역에 있어서 X 방향으로 원소 철(Fe) 및 니켈(Ni)의 농도를 나타내고 있다. 실선(solid line)은 외부 파이프(10)를 나타내는 철의 농도를 나타내고, 점선(dashed line)은 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 파이프(20)를 나타내는 니켈의 농도에 대응한다. 상술한 두 원소 및 그에 의한 내부 및 외부 파이프의 재료가 혼합되는 확산 존(diffusion zone)을 제공하는, 철과 니켈의 농도의 변화(variation)가 더 스무드하다는 점에 유의해야 한다. 이것은, 파이프들 사이에 메탈로지칼 본딩, 즉 클래딩(cladding)이 있음을 의미한다. 더 얇고 더 균일한 확산 존이 흔히 더 좋은 클래딩으로 이어진다.

또는, 파이프를 냉각한 후에, 클래딩이 일어났음을 확인하기 위해 파이프들 사이의 메탈로지칼 본드의 검증 단계(verifying step)가 수행될 수 있다. 검증은, 예를 들어 이들 파이프 모두에서 외부 및 내부 파이프가 그대로 부착되어 있는지 여부를 검증하기 위해 90°의 간격으로 파이프의 섹션을 절단함으로써 파괴적으로 될 수 있다. 검증은 또한, 메탈로지칼 클래드(metallurgical clad)가 적어도 본 발명에 따른 프로세스에 의해 생산된 파이프의 일부에서 얻어졌는지를 체크하기 위해, 초음파 시험(ultrasonic testing)에 의한 검사(inspection), 미세 구조(microstructure)의 분석, 계면의 단면 분석, 그 중에서도 SEM/EDX 또는 GDOES 시험을 통해 비파괴적으로도 될 수 있다.

본 발명에 따른 프로세스는 기존의 기술과 비교하여 보다 높은 성능을 갖는데, 이것이 드로잉 장비(drawing equipment) 이외의 설비 제조(manufacturing installations) 내에서 파이프 또는 내부 및 외부 파이프의 어떠한 이동(displacement)을 요구하지 않기 때문이다. 그리고 프로세스의 평이도(simplicity) 및 줄어든 단계의 수 관점에서, 100 m/h보다 높은 추정 생산성(estimated productivity)으로 작은 기간(small period) 내에서 많은 양의 다층 파이프를 제작하는 것이 가능하다.

본 발명은 이러한 두 개의 파이프들 간의 계면(interface)의 적어도 일부분에서, 내부 파이프(20)로부터 성형된 내부 층(inner layer)에 메탈로지칼적으로 연결되고(metallurgically bonded) 외부 파이프(10)로부터 성형되는 적어도 하나의 외부 층(outer layer)을 포함하는, 여기에 묘사된 프로세스에 의해 제작되는 메탈로지칼 본드(metallurgical bond)를 갖는 다층 파이프에 관련된 것이다. 선택적으로, 다층 파이프는 외부적으로 그리고 내부적으로 그들의 표면들의 적어도 일부분에서 파이프(10)에 내부적으로 연결된 메탈로지칼 본드를 갖는 다층들을 포함할 수 있는데, 이들은 기계적 강도를 최종 다층 파이프(final multilayer pipe)에 제공하는 역할을 한다. 이러한 층들은 바람직하게는 외부 파이브(10)에 외부적으로 배열되는 심리스(seamless) 파이프들로부터 만들어지고 여기에 묘사된 열간 드로잉 프로세스(hot drawing process)를 거친다.

제작되는 다층 파이프가 그들 표면에서 심들(seams)을 갖는 것을 방지하기 위해, 내부 파이프(20) 및 외부 파이프(10)는 심리스인 것이 바람직하다.

전형적으로 기계적 강도를 제공하는 외부 파이프(10)는 카본 망간강 합금으로 구성되고, 내부 파이프(20)는 내부식성(corrosion), 내마모성(abrasion), 또는 내피로성(fatigue)의 합금으로 구성된다.

본 발명의 하나의 실시예에 따라, 외부 파이프(10)는 다음과 같은 화학 조성(chemical composition)을 가질 수 있다.

C ≤ 0,30

Mn ≤ 1,40

P ≤ 0,030

S ≤ 0,030

Cu ≤ 0,5

Cr ≤ 0,5

Ni ≤ 0,5

Mo ≤ 0,15

Nb+V+Ti ≤ 0,15

그리고 본 발명에 따르면 프로세스 전 후로 다음과 같은 기계적 특징들을 가질 수 있다(YS = 항복 강도(yield strength) 및 UTS = 인장 강도(tensile strength)).

360　MPa < YS < 830　Mpa

455　MPa < UTS < 935　Mpa

최소 신장값(minimum elongation) εmin = 15%.

내부 파이프(20)의 부식 내성 합금에 관한 부식 환경은 국제 표준 NACE MR0175의 I 내지 VII 레벨에 해당된다.

위에서 설명하였듯이, 내부식성 합금(corrosion-resistant alloy, CRA) 또는 내마모성 합금(abrasion-resistant alloy, WRA) 또는 내피로성 합금(fatigue-resistant alloy)의 다른 파이프들은, 추가적인 외부 층들을 구성하면서 외부 파이프에 적용될 수 있다. 내부 파이프(20) 및/또는 외부 클래딩(cladding)을 위해 사용되는 파이프들은 탄소강(carbon steel), 저합금강(low alloy steel), 고합금강(high alloy steel), 스테인리스강(stainless steel), 니켈 기반 합금(nickel base alloy), 티타늄 기반 합금(titanium base alloy), 코발트 기반 합금(cobalt base alloy), 구리 기반 합금(copper base allowy), 주석 기반 합금(tin base alloy), 지르코늄 기반 합금(zirconium base alloy) 및 인코넬(Inconel)® 중에서 적어도 하나를 포함하는 재료를 가지고 만들어 질 수 있다.

본 발명의 선택적인 실시예에서, 관형 요소(tubular element)는, 열간 드로잉(hot drawing) 전에, 외부 파이프(10) 및 내부 파이프(20) 사이의 계면(interface) 상의 적어도 하나의 금속 재료(metallic material)의 중간 층(intermediate layer)을 포함한다. 이러한 금속 재료의 중간 층은 외부 파이프(10) 및 내부 파이프(20)을 구성하는 금속 재료의 융점보다 낮은 융점을 가질 수 있는데, 그러나 이는 파이프들 사이의 메탈로지칼 본딩(metallurgical bonding)을 보장하는 필수 구성요소는 아니다. 따라서, 열간 드로잉을 갖는 본 발명에 따른 실시예에서, 파이프는 보고된 950°C 내지 1050°C 범위에서 상당히 아래의 온도까지 가열될 수 있다. 재료들 사이의 계면(interface)을 약화시킬 수 있는 유해 구간(deleterious phases)의 성형을 결과적으로 방지하기 위해, 금속 재료의 중간 층은 외부 파이프(10) 및 내부 파이프(20)의 금속 재료와 유사성을 갖는 재료를 가지고 성형될 수 있다. 중간 층은 니켈(Ni), 지르코늄(Zn) 또는 다른 금속(metals) 또는 금속 합금들(metal alloys)로 구성될 수 있다.

다층 파이프를 성형하는 층들 사이의 본딩이 상기 묘사되었듯이 기준 ASTM A578 및 API 5LD의 최소한의 요구 조건을 만족하는 때에, 이러한 프로세스에 의해 제작되는 다층 파이프는 클래드 파이프(clad pipe)이다.

본 발명의 프로세스에 의해 제작되는 다층 파이프의 치수(dimensions)는 그의 활용에 달려 있다. 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 파이프들은 dext가 50,80　mm < dext < 355,6　mm 에서 변하는 외부 직경(outer diameter)을, 그리고 5,0　mm < WT < 30,0　mm 에서 변하는 벽 두께(wall thickness) WT를 가질 수 있고, 라인파이프(linepipe)를 위한 부식 내성의 합금의 파이프의 최소 벽 두께는 WTmin-CRA　=　2,50　mm 일 수 있다.

본 발명에 따른 제작 프로세스 이전에 초기 조립된 파이프들과 비교하여 최종 파이프의 전체 변형 값들은 다음과 같다:

외부 직경 변형(outer diameter deformation): 0,1 내지 20%

벽 두께 변형(wall thickness deformation): 0,1 내지 40%

벽 섹션 영역 변형(wall section area deformation): 0,1 내지 40%

상기 묘사된 예시는 바람직한 실시예를 대표한다; 그러나, 본 발명의 범위는 다른 가능한 변형들(variations)을 포괄하고, 모든 가능한 등가물을 포함하는 부수의 청구항들의 내용에 의해서 단지 제한된다.

Claims

금속 재료인 적어도 하나의 외부 파이프(10) 및 외부 파이프 내에 배치된 금속 재료인 하나의 내부 파이프 (20), 그들의 계면의 적어도 일부에 내부 파이프(20)의 외부 표면에 기계적으로 본딩된 외부 파이프(10)의 내부 표면을 포함하는 관형 요소에서 메탈로직칼 본드(1)를 가진 다층 파이프를 생산하기 위한 프로세스에서,
프로세스는
생산 라인에서, 관형 요소가 동시에 가열되고 드로잉되며(drawn),
관형 요소의 각 부분은 유도(induction)에 의하여 가열되어 열간(hot) 드로잉되며 상기 관형 요소는 그것의 내부에 위치된 맨드렐로 드로운된 다층 파이프를 생산하기 위한 프로세스.
청구항 1에 있어서,
외부 파이프(10)은 탄소 망간 강철 합금으로 구성되고 내부 파이프는 내부식성 합금으로 제조됨을 특징으로 하는 다층 파이프를 생산하기 위한 프로세스.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
관형 요소의 각 섹션은 생산 라인에 배치된 전자기 코일(7)을 지나갈 때 적어도 900℃ 온도로 가열됨을 특징으로 하는 다층 파이프(1)를 생산하기 위한 프로세스.
청구항 1내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
가열 및 드로잉 단계에서, 관형 요소는 적어도 하나의 전자기 코일(7)을 통해서 당겨지며, 그것은 950℃ 내지 1050℃사이의 온도로 가열되고 드로잉 다이 개구(4)와 정렬된 관형 요소 내에 위치된 맨드렐로 전자기 코일(7)의 출구에 순차적으로 배치된 드로잉 다이를 통해서 당겨짐(pulled)을 특징으로 하는 다층 파이프(1)를 생산하기 위한 프로세스.
청구항 1내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 드로잉 단계는 드로잉 다이(4)와 맨드렐(2)사이에서 관형 요소를 압축하여 관형요소의 벽 두께를 감소시킴을 특징으로 하는 다층 파이프(1)를 생산하기 위한 프로세스.
청구항 1내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 드로잉 단계 후에는 적어도 하나의 열처리 단계를 더 포함하되, 관형 요소를 냉각시키는 것을 포함함을 특징으로 하는 다층 파이프(1)를 생산하기 위한 프로세스.
청구항 1내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
열간(hot)드로잉 단계 후, 이어서 선택적으로 내부 파이프(20)의 내부 표면과 외부 파이프(10)의 외부 표면의 사전 윤활 단계를 가진 냉각 드로잉 단계를 포함함을 특징으로 하는 다층 파이프(1)를 생산하기 위한 프로세스.
청구항 1내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
드로잉 후 관형 요소의 밴딩(bending) 단계를 포함함을 특징으로 하는 다층 파이프(1)를 생산하기 위한 프로세스.
청구항 1내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다층 파이프 생산 시 0,1 내지 20%의 외부 직경의 변형(deformation), 0,1 내지 40%의 벽 두께 변형 및 0,1 내지 40% 벽 섹션 영역의 변형을 가진 설치된 파이프로 제공함을 특징으로 하는 다층 파이프(1)를 생산하기 위한 프로세스.
청구항 1내지 청구항9 중 어느 한 항의 프로세스에 의하여 생산된 메탈로직칼 본드(1)을 가진 다층 파이프에 있어서,
금속 재료의 적어도 하나의 외부 파이프와 외부 파이프 내에 배치된 금속 재료인 하나의 내부 파이프(20), 그들 계면의 적어도 일부에 내부 파이프(10)의 외부 표면과 메탈로지칼적으로 본딩된 외부 파이프(10)의 내부 표면을 포함하되, 탄소 망간 철로 제조된 외부 파이프(10)와 내부식성 합금으로 만들어진 내부 파이프(20)로 제조됨을 특징으로 하는 메탈로직칼 본드(1)을 가진 다층 파이프.
청구항 10에 있어서,
금속 파이프의 내부 재료는 탄소강, 저 합금강, 고 합금강, 스테인레스 강, 니켈 기반 합금, 티타늄 기반 합금, 코발트 기반 합금, 구리 기반 합금, 주석 기반 합금, 지르코늄 합금 및 인코넬
중 적어도 하나를 포함하는 재료로 제조됨을 특징으로 하는 메탈로직칼 본드(1)을 가진 다층 파이프.
청구항 10 또는 청구항 11에 있어서,
외부 파이프와 내부 파이프(10, 20)는 심리스(seamless) 파이프임을 특징으로 하는 메탈로직칼 본드(1)을 가진 다층 파이프.
청구항 10 또는 청구항 11에 있어서,
외부 파이프(10)는 심리스(seamless) 파이프이고 내부 파이프(20)는 용접된 심을 가짐을 특징으로 하는 메탈로직칼 본드(1)을 가진 다층 파이프.
청구항 10내지 청구항13 중 어느 한 항에 있어서,
외부 파이프와 내부 파이프(10, 20) 사이에 배치된 적어도 하나의 금속 재료의 중간 층을 포함함을 특징으로 하는 메탈로직칼 본드(1)을 가진 다층 파이프.
청구항 14에 있어서,
중간 층 재료의 융점은 외부 파이프(10)과 내부 파이프(20)의 융점보다 낮음을 특징으로 하는 메탈로직칼 본드(1)을 가진 다층 파이프.
청구항 14 또는 청구항 15에 있어서,
중간 층은 니켈((Ni) 또는 지리코늄(Zn)을 포함함을 특징으로 하는 메탈로직칼 본드(1)을 가진 다층 파이프.
청구항 10내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
외부 파이프의 외부로 배치된 외부 층과, 내부 직경을 가진 제2 외부 파이프에 의하여 만들어지는 외부 층은 외부 파이프(10)의 외부 직경보다 크고 외부 파이프와 메탈로직칼 본드됨을 특징으로 하는 메탈로직칼 본드(1)을 가진 다층 파이프.
청구항 17에 있어서,
외부 층은 내부식성 합금, 내마모성 합금 및 내피로성 합금 중 하나로 구성된 메탈로직칼 본드(1)을 가진 다층 파이프.
청구항 10내지 청구항18 중 어느 한 항에 있어서,
외부 파이프(10)와 내부 파이프(20)사이를 100% 까지 메탈로직칼 본드으로 제조됨을 특징으로 하는 메탈로직칼 본드(1)을 가진 다층 파이프.