KR20160130501A

KR20160130501A - 티탄 용접관, 및 티탄 용접관의 제조 방법

Info

Publication number: KR20160130501A
Application number: KR1020167028756A
Authority: KR
Inventors: 게이타로 다무라; 야스유키 후지이; 요시오 이츠미; 히데토 오야마
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2015-03-11
Publication date: 2016-11-11
Also published as: JP2015175507A; WO2015141532A1; RU2016140597A; EP3121498A4; CN106062454A; EP3121498A1; US20170074599A1; CN106062454B

Abstract

전열성의 향상 및 표면 결함의 검출이 가능한 티탄 용접관(1) 및 그 제조 방법을 제공한다. 티탄 용접관(1)은, 티탄판을 관 형상으로 성형하여 그 단부를 맞대어 용접하는 것에 의해 형성된다. 티탄 용접관(1)의 외주면 및 내주면 중 적어도 한쪽에, 기면(3)과 복수의 볼록부(2)를 갖는 요철 패턴이 형성된다. 볼록부(2)의 최대 높이의 평균은 12㎛ 이상 45㎛ 이하이다. 볼록부(2)의 피치의 평균값에 대한 최대값의 비는 2 미만이며, 피치의 평균값에 대한 볼록부(2)의 최대 치수의 평균의 비는 0.90 이하이며, 두께에 대한 최대 높이의 평균의 비는 0.11 이하이다.

Description

티탄 용접관, 및 티탄 용접관의 제조 방법{WELDED TITANIUM PIPE AND WELDED TITANIUM PIPE MANUFACTURING METHOD}

본 발명은 열교환기의 전열관 등에 이용되는 티탄 용접관, 및 티탄 용접관의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 해수 담수화 장치나 LNG(액화 천연 가스) 기화기에서는, 전열관을 포함하는 열교환기가 이용된다. 상기 전열관은, 예를 들면, 외표면 또는 내표면에 돌기나 홈 등의 요철이 실시된 용접관에 의해 구성되어 있다. 상기 용접관은, 표면에 돌기 등의 볼록부가 형성된 금속제의 평판을 관 형상으로 가공하여 그 단부끼리를 용접하는 것에 의해 얻어지는 것으로서, 해당 용접관의 내부에 유체가 유통하는 것을 허용하여 해당 유체와 해당 용접관의 외부의 물질의 열교환을 촉진한다.

한편, 해수 담수화 장치나 LNG(액화 천연 가스) 기화기 등의 고성능화 및 소형화를 실현하기 위해서, 이들 담수화 장치나 기화기에 탑재되는 열교환기의 전열성, 환언하면, 열교환 효율의 향상이 요구되고 있다. 그 향상을 위해서, 특허문헌 1 내지 3에 개시되는 여러 가지의 전열관이 지금까지 제안되고 있다.

특허문헌 1은 핵비등형 전열관을 개시한다. 이러한 전열관은, 공동부가 형성된 외표면을 갖고, 상기 공동부는, 관 축방향으로 소정의 피치를 갖는 나선 형상이며, 또한 변화하는 단면을 갖는다. 해당 공동부는, 그 길이방향을 따라서 외부와 연통하는 연속 또는 불연속의 폭 0.13㎜ 이하의 불규칙한 형상의 좁은 간극부를 갖고, 관 축방향으로 인접하는 해당 간극부 상호간을 연결하도록 관 둘레방향에 대하여 소정의 피치를 갖는다. 상기 공동부에, 해당 공동부의 길이방향을 따라서 외부와 연통하는 폭 0.13㎜ 이하의 불규칙한 형상의 좁은 간극부가 마련된다.

특허문헌 2는 비등용 전열관을 개시한다. 이러한 전열관은, 관 본체와, 이 관 본체의 외주면 아래에 마련되고 관 축방향에 직교 또는 경사져서 연장되는 공동과, 이 공동을 따라서 마련되고 상기 공동의 내부 공간과 외부를 연락하는 복수의 개구부와, 상기 관 본체로부터 외측으로 돌출되는 핀을 갖는다. 상기 각 개구부의 개구 면적은 0.15 내지 0.25㎟이며, 상기 핀의 높이는 0.30 내지 0.50㎜이다.

특허문헌 3은 비등관용 전열관을 개시한다. 이러한 전열관은, 내부에 가열 매체가 흐르는 관 본체와, 상기 관 본체의 외주면에 마련된 복수의 제 1 핀과, 상기 복수의 제 1 핀과 소정 간격을 두고 상기 관 본체의 외주면에 마련된 복수의 제 2 핀을 구비한다. 해당 복수의 제 2 핀은, 상기 복수의 제 1 핀과 조합되는 것에 의해, 냉매를 유입하는 유입구를 갖는 공동을 형성한다. 해당 제 2 핀에는 복수의 배출구가 형성되며, 해당 배출구를 통하여, 상기 공동 내에 유입된 상기 냉매가 상기 가열 매체에 의해 비등했을 때의 기포가 외부로 배출된다.

그러나, 이상 설명한 종래 기술에는 다음과 같은 해결해야 할 과제가 있다.

상기한 특허문헌 1 내지 3에 개시된 전열관에서는, 전열성을 향상시키기 위해, 전열관의 외표면에 돌기, 홈 등 복잡한 요철이 가공되어 있다. 이러한 복잡한 요철의 가공을 용이하게 하기 위해, 전열관을 구성하는 재료에는 구리나 알루미늄 등의 전조 가공성이 좋은 금속 재료가 선정되어 있다. 한편, 전열관 내에 해수 등을 흘리는 경우에는, 내해수성(내부식성)이 뛰어난 티탄제의 전열관이 바람직하다. 그러나, 티탄제의 전열관은, 탄성 강도가 크고 전조 가공을 하는 것이 어려운 소재이므로, 요철 가공을 하는 것이 곤란하다. 예를 들면, 티탄제의 전열관의 외표면에 돌기, 홈 등 복잡한 요철 가공을 하는 것이 가능해졌다고 하여도, 해당 전열관을 제조하려면 두꺼운 평판이 필요하기 때문에, 전열관의 제조 비용이 대폭 상승하게 된다. 그러므로, 특허문헌 1 내지 3에 개시된 기술로, 티탄제의 전열관을 제조했다고 하여도, 최종 제품으로서 채용하는 것은 어렵다.

다음에, 표면 결함의 검출에 대한 과제가 있다. 상기한 바와 같은 요철 가공이 실시된 전열관의 외표면 및 내표면에는, 해당 전열관을 제조했을 때에 생기는 미소한 흠집이 잔존하고 있다. 이러한 전열관의 외표면 및 내표면에 잔존한 미소한 흠집은, 열교환기로서 사용했을 때에, 피로 파괴적 전열관의 손상의 원인이 된다. 그 때문에, 전열관을 제조했을 때에, 비파괴 검사 장치를 이용하여, 그 전열관의 외표면 및 내표면에 잔존한 흠집 등의 결함의 탐상을 실행하는 것이 바람직하다. 이러한 비파괴 검사 장치로서는, 예를 들어 와류 탐상 장치 등을 들 수 있다.

그렇지만, 상기한 바와 같이, 전열관의 외표면 또는 내표면에는, 돌기나 홈이 가공되어 있으며, 이들 돌기 또는 홈이 전열관의 표면에 잔존한 결함(흠집)의 검출을 저해할 우려가 있다. 예를 들면, 와류 탐상 장치로 표면에 잔존한 결함의 탐상을 실행할 때에, 전열관의 표면에 형성된 깊은 홈 모양(요철) 등이 노이즈로서 검출되고, 관의 표면에 잔존하는 결함이 그 노이즈에 묻혀버려 검출할 수 없게 될 우려가 있다.

일본 특허 공개 제 1989-2878 호 공보 일본 특허 공개 제 1994-323778 호 공보 일본 특허 공개 제 2005-121238 호 공보

본 발명은 높은 전열성을 갖고, 또한 표면에 잔존하는 표면 결함을 보다 높은 정밀도로 검출하는 것이 가능한 용접관, 및 해당 티탄 용접관을 제조하기 위한 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

제공되는 티탄 용접관은, 티탄제의 판을 관 형상으로 하여 해당 판의 단부끼리를 맞대어 용접하는 것에 의해 형성된다. 해당 티탄 용접관은 외주면 및 내주면을 갖고, 해당 외주면 및 내주면 중 적어도 한쪽에 요철 패턴이 형성된다. 이러한 요철 패턴은 기면(基面)과, 이 기면보다 상기 티탄 용접관의 직경방향으로 돌출하는 복수의 볼록부를 갖고, 이들 볼록부는 상기 티탄 용접관의 축방향 및 둘레방향 중 적어도 한쪽에 대하여 서로 간격을 두고 나열된다. 상기 볼록부의 최대 높이의 평균(Ha)이 12㎛≤Ha≤45㎛가 되도록 설정된다. 상기 최대 높이는 상기 기면 중 상기 볼록부의 주위에서 가장 저위인 부분을 기준으로 한 상기 볼록부의 돌출 방향의 최대 치수를 말한다.

상기 티탄 용접관에 있어서, 상기 축방향 및 상기 둘레방향 중, 상기 복수의 볼록부가 보다 작은 피치로 나열되는 방향인 특정 배열 방향에서의 해당 피치의 평균값(Pa)에 대한 해당 피치의 최대값(Pmax)의 비는 Pmax/Pa＜2가 되도록 설정된다. 상기 축방향 및 상기 둘레방향 중 한 방향에 대해서만 상기 복수의 볼록부가 서로 간격을 두고 나열되는 경우는, 그 방향이 상기 특정 배열 방향에 해당한다.

또한, 상기 볼록부의 피치의 평균값(Pa)에 대한 상기 특정 배열 방향에 대한 상기 각 볼록부의 치수의 평균값(da)의 비는 da/Pa≤0.90이 되도록 설정되며, 상기 기면이 존재하는 영역에서 해당 기면이 가장 낮은 부위에서의 상기 티탄 용접관의 두께(t)에 대한 상기 볼록부의 최대 높이의 평균(Ha)의 비는 Ha/t≤0.11이 되도록 설정된다.

제공되는 방법은, 상기한 티탄 용접관을 제조하기 위한 티탄 용접관의 제조 방법으로서, 길이방향 및 이와 직교하는 폭방향을 갖는 티탄판의 표면 및 이면 중 적어도 한쪽에 상기 길이방향 및 상기 폭방향 중 적어도 한쪽에 대하여 상기 복수의 볼록부가 간격을 두고 나열되도록 상기 요철 패턴을 형성하는 요철 패턴 형성 단계와, 상기 요철 패턴이 형성된 티탄판에 상기 폭방향의 만곡을 부여하여 해당 폭방향의 양단을 맞대는 것에 의해 해당 티탄판을 관 형상으로 성형하는 성형 단계와, 서로 맞대어진 상기 티탄판의 폭방향의 양단끼리를 용접에 의해 접합하는 용접 단계를 포함한다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 티탄 용접관을 모식적으로 도시한 도면,
도 2는 도 1의 Ⅱ부를 확대한 도면,
도 3은 티탄 용접관으로서 형성되는 티탄판의 표면에 실시되는 요철 패턴의 확대 단면도(도 1의 Ⅱ부의 단면을 확대한 도면),
도 4는 와류 탐상 시험의 대상이 되는 티탄 용접관을 도시한 도면,
도 5는 실시예에 따른 티탄 용접관에 대하여 상기 와류 탐상 시험을 실시하는 것에 의해 얻어진 검사 데이터를 도시한 도면,
도 6은 비교예에 따른 티탄 용접관에 대하여 상기 와류 탐상 시험을 실행하는 것에 의해 얻어진 검사 데이터를 도시한 도면.

이하, 본 발명의 실시형태에 따른 티탄 용접관, 및 티탄 용접관의 제조 방법을 도면에 근거하여 상세하게 설명한다.

또한, 이하에 설명하는 실시형태는, 본 발명을 구체화한 일 예로서, 그 구체적인 예를 가지고 본 발명의 구성을 한정하는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 본 실시형태에 개시 내용에만 한정되는 것은 아니다.

도 1은 상기 실시형태에 따른 티탄 용접관(1)을 모식적으로 도시한 도면이다. 도 2는 상기 티탄 용접관(1)의 외주면에 형성되어 있는 요철 패턴을 확대한 도면으로서 도 1의 Ⅱ부를 확대한 도면이다. 도 3은 상기 티탄 용접관(1)의 표면에 실시되는 요철 패턴을 확대하여 도시한 단면도, 즉 도 2에 도시하는 부분의 단면도이다.

상기 요철 패턴은, 복수의 볼록부(2)와, 이들 볼록부(2)의 사이에 위치하는 기면(3)을 갖는다. 상기 복수의 볼록부(2)는, 상기 티탄 용접관(1)의 축방향 및 둘레방향 중 적어도 한쪽에 서로 간격을 두고 나열된다. 각 볼록부(2)는 상기 기면(3)보다 상기 티탄 용접관(1)의 직경방향으로 돌출된다. 상기 티탄 용접관(1)은, 길이방향 및 이것과 직교하는 폭방향을 갖는 티탄제의 평판에 있어서 상기 요철 패턴이 표(앞)면 및 이면 중 해당 표면에 형성된 티탄판을 이용하여 제조되는 것이 가능하다. 구체적으로는, 그 티탄판에 상기 폭방향을 따른 굽힘을 부여하여 해당 폭방향의 양단을 서로 맞대도록 해당 티탄판을 관 형상으로 성형하는 것과, 그 맞댄 폭방향의 양단끼리를 용접관의 축방향을 따른 용접에 의해 접합함으로써, 상기 티탄 용접관(1)이 형성된다.

상기 요철 패턴은, 상기 티탄 용접관(1)의 내주면에 형성되어도 좋고, 외주면 및 내주면의 쌍방에 형성되어도 좋다. 이러한 요철 패턴이 형성된 티탄 용접관(1)은, 예를 들어 해수 담수화 장치나 LNG(액화 천연 가스) 기화기와 같은 열교환기의 전열관으로 이용되는 것이 가능하다.

상기 티탄 용접관(1)이 기화기의 열교환기로서 이용되는 경우, 와류 탐상 시험(예를 들면, JIS G0583:2012)에 의해, 해당 티탄 용접관(1)이 열교환기용의 최종 제품으로서 기준을 만족시키고 있는지의 여부(표면 결함의 유무)의 검사가 실행된다.

상기 티탄판은, 상기와 같이 길이방향 및 이것과 직교하는 폭방향을 갖는 티탄제의 장척(長尺)의 평판, 즉 띠판(帶板)으로서, 그 표면 및 이면 중 적어도 한쪽면에 상기 요철 패턴이 형성된다. 해당 요철 패턴은 상기 길이방향 및 폭방향 중 적어도 한 방향으로 상기 복수의 볼록부(2)가 간격을 두고 나열되도록 형성된다.

도 2는 티탄판의 표면을 해당 표면에 대하여 수직 방향에서 보았을 때의 상기 요철 패턴을 확대하여 도시한 도면으로서, 도 1의 Ⅱ부의 확대도이다. 도 2에서는, 각 볼록부(2)가 원형을 이루고, 또한 규칙적으로 나열되어 있다. 즉, 각 볼록부(2)는 원주 형상을 이룬다.

상기 각 볼록부(2)의 형상은 특별히 한정되지 않는다. 상기 각 볼록부(2)의 정상면은, 평탄 또는 대략 평탄한 것이 바람직하지만, 그 중앙부를 향함에 따라서 높이가 증대되는 상방을 향하여 볼록한 곡면 형상, 즉 산 형상이어도 좋다. 기면(3)은, 일정 또는 대략 일정한 직경을 갖는 것이 바람직하지만, 부분적으로 골 형상으로 함몰되어 있어도 좋다.

이상 설명한 바와 같이, 상기 요철 패턴의 형상은 특별히 한정되지 않는다. 도 1에 도시하는 요철 패턴에서는, 복수의 볼록부(2)가 축방향 및 둘레방향의 쌍방에 대하여 서로 간격을 두고 나열되도록 배열되어 있지만, 본 발명에 따른 요철 패턴은, 복수의 볼록부가 둘레방향으로만 나열된 패턴, 즉 각 볼록부가 축방향 전체 둘레에 걸쳐서 연장되는 돌조(突條)인 패턴, 혹은 복수의 볼록부가 축방향으로만 나열되는 패턴, 즉 각 볼록부가 전체 둘레에 걸쳐서 연장되는 돌조인 패턴도 포함한다. 복수의 볼록부가 축방향 및 둘레방향의 쌍방에 나열되는 경우, 각 볼록부의 바람직한 형상으로서는, 원주나 타원 기둥, 입방체, 직방체 등이 예시된다.

도 2에 도시하는 예에서는, 상기 복수의 볼록부(2)가 지그재그 형상으로 배열된다. 원주 형상의 각 볼록부(2)는 300㎛ 이상의 직경(d)을 갖는다.

여기서 지그재그 형상의 배치란, 상기 축방향 및 둘레방향에 대하여, 서로 인접하는 볼록부(2)의 중심이 해당 축방향으로도 해당 둘레방향으로도 일직선 상에 나열되지 않는다는 의미이다. 구체적으로, 도 1 내지 도 3에 도시하는 예에서는, 상기 둘레방향(도 2의 상하 방향)으로 서로 인접하는 볼록부(2)는, 해당 둘레방향과 직교하는 축방향(도 2의 좌우 방향)으로 약 반 피치 정도만큼 어긋나 있으며, 상기 축방향(도 2의 좌우 방향)으로 서로 인접하는 볼록부(2)의 중심끼리를 연결한 직선(Lb)과, 상기 둘레방향(도 2의 상하 방향)으로 인접하는 볼록부(2)의 중심끼리를 연결한 직선(Lc)의 각도(θ)가 60°가 되도록 상기 복수의 볼록부(2)가 배치되어 있다. 상기 각도(θ)는 60°에 한정되지 않는다. 상기 각도(θ)는 전열성의 향상의 효과가 얻어지는 범위에서 임의의 각도로 설정되는 것이 가능하다.

상기 티탄 용접관(1)이 열교환기 내의 전열관에 이용되는 경우에 있어서, 상기 복수의 볼록부(2)의 지그재그 형상의 배열은, 열교환기 내의 작동 유체의 흐름이 불균일한 경우에, 어느 방향으로부터의 흐름에 대해서도 상기 각 볼록부(2)가 작동 유체의 흐름에 대하여 직교하는 벽이 될 수 있는 것을 가능하게 하며, 이에 의해, 난류에 의한 전열성의 향상에 기여한다.

또한, 본원 발명자들은, 티탄 용접관(1)의 전열 성능(열교환 효율)을 향상시키기 위해, 상기 요철 패턴의 구체적인 형상, 특히 각 볼록부(2)의 치수나 볼록부(2)끼리의 간격, 즉 피치에 주목하여, 예의 연구를 거듭했다. 그 결과, 요철 패턴의 특정의 파라미터를 이하와 같이 규정함으로써, 티탄 용접관(1)의 전열 성능을 향상시킬 수 있는 것을 지견했다.

1. 볼록부(2)의 최대 높이(H)에 대하여

볼록부(2)의 최대 높이(H)의 평균(Ha)이 12㎛≤Ha≤45㎛가 되도록 설정된다. 볼록부(2)의 최대 높이(H)란, 상기 기면(3) 중 상기 볼록부(2)의 주위에서 가장 저위인 부분을 기준으로 한 상기 볼록부(2)의 돌출 방향의 최대 치수를 말한다.

그 이유는 다음과 같다. 상기 최대 높이의 평균(Ha)이 12㎛ 미만인 경우는 높은 전열 성능을 얻을 수 없다. 반대로, 상기 최대 높이의 평균(Ha)이 45㎛를 초과하면, 표면 결함을 검출하기 위한 와류 탐상 시험에서 볼록부(2)가 노이즈로서 검출되고, 표면에 잔존하는 결함이 그 노이즈에 묻혀버려 검출할 수 없게 될 가능성이 있다.

2. 볼록부(2)의 피치(P)에 대하여

특정 배열 방향에 대해 서로 인접하는 볼록부(2)끼리의 피치(P)는 해당 피치(P)의 평균값(Pa)에 대한 해당 피치(P)의 최대값(Pmax)의 비가 Pmax/Pa＜2가 되도록 설정된다. 상기 특정 배열 방향이란, 상기 티탄 용접관(1)의 축방향 및 둘레방향 중, 상기 복수의 볼록부(2)가 보다 작은 피치로 나열되는 방향을 말한다. 도 2에 도시하는 예에서는, 볼록부(2)의 축방향의 피치(Pb)가 둘레방향의 피치(Pc)보다 작으므로, 해당 축방향이 특정 배열 방향에 해당한다. 만약 복수의 볼록부가 축방향 및 둘레방향 중 어느 한쪽의 방향으로만 간격을 두고 나열되는 경우에는, 해당 한쪽 방향이 상기 특정 배열 방향에 해당한다.

상기 피치(P)의 설정의 이유는 다음과 같다. Pmax/Pa가 2 이상인 경우는, Pmax/Pa가 1에 가까운 경우, 즉 상기 피치(P)의 균등성이 높은 경우에 비하여, 상기 특정 배열 방향에 대한 상기 볼록부(2)의 배열의 불규칙성이 높고, 그만큼, 와류 탐상 시험을 실행할 때에 볼록부(2)가 노이즈로서 검출될 가능성이 높아져, 표면에 잔존하는 결함이 그 노이즈에 묻혀버려 검출할 수 없게 될 가능성이 높아진다.

3. 그 이외의 파라미터에 대하여

상기 피치의 평균값(Pa)에 관한, 상기 특정 배열 방향에 대한 상기 볼록부(2)의 최대 치수(d)의 평균값(da)의 비는 d/Pa≤0.90이 되도록 설정된다. 또한, 상기 볼록부(2)의 최대 높이(H)의 평균(Ha)의, 상기 기면(3)이 존재하는 영역 중 해당 기면(3)이 가장 낮은 부위에 있어서의 티탄 용접관(1)의 두께(t)에 대한 비는 Ha/t≤0.11이 되도록 설정된다.

그 이유는 다음과 같다. 상기 비(da/Pa)가 0.90보다 큰 경우, 또는 상기 비(Ha/t)가 0.11보다 큰 경우는, 상기 요철 패턴에 의한 티탄 용접관(1)의 표면의 체적 변화가 커지고, 와류 탐상 시험을 실행할 때에 볼록부(2)가 노이즈로서 검출되어 표면에 잔존하는 결함이 그 노이즈에 묻혀버려 검출할 수 없게 될 가능성이 높아진다.

이상 나타낸 볼록부 최대 높이의 평균(Ha) 및 볼록부(2)의 피치(P)를 포함하는 상기 요철 패턴의 각 치수의 규정은, 티탄 용접관(1)의 전열성을 향상시키고, 또한 표면에 잔존하는 표면 결함을 보다 높은 정밀도로 검출하는 것을 가능하게 한다. 바꾸어 말하면, 해당 규정은 상기 볼록부(2)가 와류 탐상 시험에 있어서 노이즈로서 검출되는 것을 유효하게 억제한다.

[실험예]

다음에, 이상 설명한 티탄 용접관(1)의 볼록부(2) 및 이것을 포함하는 요철 패턴의 치수의 우위성을, 이에 대하여 실행된 실험 및 그 결과에 근거하여 상세하게 설명한다.

도 4에 도시하는 표면 결함(흠집)(4)이 존재하는 표면을 갖는 티탄 용접관(1)에 대하여, 그 결함(4)의 검출을 위한 와류 탐상 시험이 실행되었다. 그 결과를 표 1에 나타낸다. 표 1은 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 5에 대한 볼록부 최대 높이 평균(Ha) 및 비(Pmax/Pa)와, 상기 와류 탐상 시험에 의한 흠집 검출의 가부(可否)의 결과를 나타내고 있다. 또한, 표 2는 실시예 1 내지 4 및 비교예 4 티탄 용접관(1)에 대하여 실행된 증발 전열 성능의 실험의 결과를 나타내고 있다. 또한, 도 5는 상기 실시예 1 내지 4에 따른 티탄 용접관(1)에 대하여 와류 탐상 시험을 실행하는 것에 의해 얻어진 검사 데이터를 나타내며, 도 6은 비교예 2 내지 5에 따른 티탄 용접관에 대하여 와류 탐상 시험을 실행하는 것에 의해 얻어진 검사 데이터를 나타내고 있다.

[표 1]

[표 2]

본 발명자들은, 상세하게는, 상기한 볼록부(2)의 최대 높이 평균(Ha), 및 볼록부(2)의 피치(P) 등의 치수의 최적화를 위해, 볼록부(2)의 치수가 다른 복수 종의 티탄 용접관(1)을 상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 5로 하여 작성하고, 각각의 티탄 용접관(1)의 표면에 생기고 있는 결함이 와류 탐상 시험에서 검출 가능한지의 여부를 조사했다. 보다 구체적으로는, 열교환기의 전열관 등으로서 사용 가능한 복수 종의 티탄 용접관에 있어서, 표 1에 나타내는 바와 같이, 상기 볼록부 최대 높이 평균(Ha), 상기 특정 배열 방향의 볼록부(2)의 피치(P)의 평균값(Pa), 및 상기 특정 배열 방향의 상기 볼록부(2)의 피치의 최대값(Pmax)의 비가 다른 9종류의 티탄 용접관(1)을 작성했다. 그리고, 이러한 티탄 용접관(1)에 대하여 각 시험 및 측정이 실행되었다. 그 구체적인 순서는 다음과 같다.

1. 티탄 후프의 작성

0.6㎜의 두께(t) 및 59.3㎜의 폭(W)을 갖는 9매의 티탄판(JIS 2종)의 편측의 면에 각각 요철 패턴이 형성되며, 이에 의해 9 종류의 티탄 후프가 작성된다. 각 티탄 후프의 직경(φ)은 400㎛로 공통되지만, 상기 요철 패턴에 있어서의 볼록부(2)의 최대 높이 평균(Ha) 및 피치(P)가 서로 상이하다. 각 티탄 후프에 있어서, 상기 복수의 볼록부(2)는 평면에서 보아 물방울 모양과 같이 배열되어 있다.

2. 티탄 용접관(1)의 작성

다음에, 상기 볼록부(2)를 포함하는 요철 패턴이 형성된 면이 외주면이 되도록, 조관 롤을 이용하여, 상기 각 티탄 후프가 관 형상으로 성형되며, 그 폭방향의 양단이 서로 맞대어진 상태에서 용접에 의해 접합된다. 이에 의해, 19㎜의 직경(d), 0.6㎜의 두께(t), 및 10000㎜의 전체 길이(Lo)를 갖는 티탄 용접관(1)이 작성된다.

3. 각 파라미터의 측정 및 와류 탐상 시험

이와 같이 하여 작성된 상기 9개의 티탄 용접관(1), 즉 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 5에 따른 티탄 용접관(1)의 볼록부 최대 높이의 평균(Ha)이 각각 레이저 현미경을 이용하여 측정된다. 또한, 레이저 현미경에 의해 특정되는 프로파일에 근거하여, 티탄 용접관(1)의 특정 배열 방향(축방향 또는 둘레방향)으로 인접하는 볼록부(2)의 피치(간격)(P)의 평균값(Pa)에 대한 해당 피치(P)의 최대값(Pmax)의 비(=Pmax/Pa)가 측정된다.

또한, 상기 각 티탄 용접관(1)에 방전 가공으로 φ0.8㎜의 관통 구멍을 뚫는 것에 의해, 해당 티탄 용접관(1)에 인공적인 흠집(결함)이 부여된다. 그 후, 그 인공적인 흠집이 표면에 부여된 티탄 용접관(1)에 대하여 와류 탐상 시험이 실행되고, 그 표면 흠집의 검출 가능성이 확인된다. 상기 표 1은 그 결과를 나타낸다.

표 1에 의하면, 실시예 1의 티탄 용접관(1)에서는, 볼록부 최대 높이 평균(Ha)이 12.8㎛, Pmax/Pa가 1.22이며, 이 실시예 1의 티탄 용접관(1)에 대해서는, 와류 탐상 시험에 의해 표면에 부여된 흠집을 검출할 수 있었다. 즉, 실시예 1의 티탄 용접관(1)의 볼록부(2)는 와류 탐상 시험에서 노이즈로서 검출되지 않았다.

실시예 2의 티탄 용접관(1)에서는, 볼록부 최대 높이 평균(Ha)이 16.1㎛, Pmax/Pa가 1.17이며, 이 실시예 2의 티탄 용접관(1)에 대해서도, 와류 탐상 시험에 의해 표면에 부여된 흠집을 검출할 수 있었다. 즉, 실시예 2의 티탄 용접관(1)의 볼록부(2)도 와류 탐상 시험에서 노이즈로서 검출되지 않았다.

실시예 3의 티탄 용접관(1)에서는, 볼록부 최대 높이 평균(Ha)이 18.0㎛, Pmax/Pa가 1.24이며, 이 실시예 3의 티탄 용접관(1)에 대해서도, 와류 탐상 시험에 의해 표면에 부여된 흠집을 검출할 수 있었다. 즉, 실시예 3의 티탄 용접관(1)의 볼록부(2)도 와류 탐상 시험에서 노이즈로서 검출되지 않았다.

실시예 4의 티탄 용접관(1)에서는, 볼록부 최대 높이 평균(Ha)이 23.4㎛, Pmax/Pa가 1.52이며, 이 실시예 4의 티탄 용접관(1)에 대해서도, 와류 탐상 시험에 의해 표면에 부여된 흠집을 검출할 수 있었다. 즉, 실시예 4의 티탄 용접관(1)의 볼록부(2)도 와류 탐상 시험에서 노이즈로서 검출되지 않았다.

비교예 1의 티탄 용접관에서는, 볼록부 최대 높이 평균(Ha)이 11.0㎛, Pmax/Pa가 1.20이며, 이 비교예 1의 티탄 용접관에 대해서도, 와류 탐상 시험에 의해 표면에 부여된 흠집을 검출할 수 있었다.

비교예 2의 티탄 용접관에서는, 볼록부 최대 높이 평균(Ha)이 12.2㎛, Pmax/Pa가 2.02이며, 이 비교예 2의 티탄 용접관에 대해서는, 와류 탐상 시험에 의해 표면에 부여된 흠집을 검출할 수 없었다. 비교예 3 내지 비교예 5의 티탄 용접관도, 비교예 2의 티탄 용접관과 마찬가지로, 와류 탐상 시험에서 표면에 부여된 흠집을 검출할 수 없었다.

도 5에 도시하는 바와 같이, 실시예 1 내지 4의 티탄 용접관(1) 및 비교예 1의 티탄 용접관의 요철 패턴에 있어서는, 티탄관의 표면에 형성된 오목부(3)나 볼록부(2)는, 와류 탐상 시험에서, 약간의 피크값을 나타내지만, 표면에 부여된 인공 흠집에 의한 피크값의(5)의 반 이하이며, 이 때문에 노이즈로서 검출되지 않았다.

그러나, 도 6에 도시하는 바와 같이, 비교예 2 내지 비교예 5의 티탄 용접관의 요철 패턴에 있어서는, 티탄관의 표면에 형성된 오목부나 볼록부가, 와류 탐상 시험에서, 표면에 부여된 인공 흠집에 의한 피크값(5)과 마찬가지로 높은 피크값을 나타내고 있다. 따라서, 비교예 2 내지 5에 따른 요철 패턴은, 와류 탐상 시험에서 노이즈로서 검출되는 것에 의해 표면의 인공 흠집의 피크값을 숨겨버려, 와류 탐상 시험에서 해당 인공 흠집이 검출되는 것을 방해해 버린다.

또한, 인공 흠집을 검출할 수 있었던 실시예 1 내지 4의 티탄 용접관(1) 및 비교예 1의 티탄 용접관에 대하여, 증발 전열성 시험이 실행되고, 이에 의해, 평활한 표면을 갖는 티탄 용접관(이후, 평활관이라 부름)에 대한 전열성의 향상률이 구해졌다. 구체적으로는, 매체(프레온 R134a) 중에 시료가 되는 실시예 1 내지 4의 티탄 용접관(1) 및 비교예 1의 티탄 용접관이 각각 세트되며, 이들 티탄 용접관 내에 각각 약 35℃의 온수가 일정한 유량(예를 들면, 25L/min)으로 공급되었다. 그리고, 이 때의 매체(프레온 R134a)의 온도의 변화와, 실시예 1 내지 4의 티탄 용접관(1) 내의 온도의 변화와, 비교예 1에 따른 티탄 용접관 내에 공급된 온수의 온도 변화의 변화와, 온수의 압력과, 온수의 유량의 계측이 실행되었다.

상기 계측의 결과에 근거하여, 각 티탄 용접관의 증발 전열 성능이 산정되었다. 구체적으로는, 실시예 1 내지 4의 티탄 용접관(1) 및 비교예 1의 티탄 용접관의 온도 및 유량에 근거하는 온수(약 35℃)와 매체(프레온 R134a)의 사이에서의 교환 열량의 산정, 이 교환 열량에 근거하는 열전달 계수(α1)의 산정, 및 비교를 위한 평활관의 열전달 계수(α2)의 산정이 실행되었다. 그리고, 평활관의 열전달 계수(α2)에 대한 실시예 1 내지 4의 티탄 용접관(1) 및 비교예의 티탄 용접관의 열전달 계수(α1)의 비가 대(對) 평활관 전열성 향상률로서 구해졌다. 즉, 대 평활관 전열성 향상률은, 평활관의 열전달 계수(α2)를 1.00으로 했을 때의 실시예 1 내지 4의 티탄 용접관(1) 및 비교예의 티탄 용접관의 열전달 계수(α1)의 상대값이다.

여기서, 평활관과 비교했을 때의 요철면을 갖는 티탄 용접관(1)의 전열 성능을 생각하면, 열교환기용 플레이트에 이용하는 티탄 용접관(1)의 대 평활판 전열성 향상률은, 평활관의 열전달 계수(α2)의 1.00보다 큰 것이 필요하지만, 또한 본원 발명자들은, 열교환기에서 현저하게 개선된 열교환 효율을 얻기 위해서는, 대 평활판 전열성 향상률이 1.05 이상인 것이 바람직한 것을 지견했다.

표 2에 의하면, 실시예 1 내지 4에 따른 티탄 용접관(1)의 대 평활판 전열성 향상률은 모두 1.07 이상이며, 충분한 전열 성능(열교환 효율)을 갖고 있는 것을 알 수 있다.

다음에, 상기한 증발 전열 성능의 실험에 이용된 각 티탄 용접관에 형성되는 볼록부의 피치, 및 높이에 관한 파라미터에 대해 다음의 표 3을 함께 참조하면서 설명한다.

[표 3]

표 3에 나타내는 바와 같이, 실시예 1의 티탄 용접관(1)에 있어서의 볼록부(2)의 피치의 평균값(Pa)에 대한 볼록부(2)의 피치의 최대값(Pmax)의 비(Pmax/Pa)는 1.22이며, 볼록부(2)의 피치(P)의 평균값(Pa)에 대한 해당 볼록부(2)의 특정 배열 방향의 치수(d)의 평균값(da)의 비(da/Pa)는 0.5이며, 볼록부(2)의 최대 높이(H)의 평균(Ha)에 대한 두께(t)의 비(Ha/t)는 0.0213이다.

마찬가지로, 실시예 2의 티탄 용접관(1)에서는, Pmax/Pa=1.17, da/Pa=0.67, Ha/t=0.0268, 실시예 3의 티탄 용접관(1)에서는, Pmax/Pa=1.24, da/Pa=0.67, Ha/t=0.03, 실시예 4의 티탄 용접관(1)에서는, Pmax/Pa=1.52, da/Pa=0.83, Ha/t=0.039이다.

이상의 측정 결과는, 티탄 용접관(1)의 특정 배열 방향에 있어서 서로 인접하는 볼록부(2)의 피치(P)의 평균값(Pa)에 대한 해당 특정 배열 방향의 볼록부(2)의 치수(d)의 평균값(da)의 비가 0.90 이하인 것, 볼록부(2)의 최대 높이(H)의 평균(Ha)의 티탄 용접관(1)의 두께(t)에 대한 비가 0.11 이하인 것, 및 상기 피치(P)의 평균값(Pa)에 대한 해당 피치(P)의 최대값(Pmax)의 비가 2 미만인 것이 중요하다는 것을 나타내고 있다.

또한, 비교예 1의 티탄 용접관은, 상기 각 비에 대한 조건을 만족하지만, 볼록부 최대 높이(H)의 평균(Ha)이 11.0㎛, 즉 12.0㎛ 미만이기 때문에, 전열 성능이 낮으며, 따라서 열교환용의 배관에 이용할 수 없다.

따라서, 상기 각 실시예 1 내지 4에 따른 티탄 용접관(1)에 의하면, 그 표면적의 유효한 확대에 의해 열교환 효율이 향상하며, 또한 미세한 요철 패턴이 비등핵이 되는 것에 의해 증발 전열성 효율이 향상하는 한편, 형성된 요철 패턴이 와류 탐상 시험에서 노이즈로서 검출되는 것을 방지하고, 이에 의해, 피로 파괴 등의 원인이 되는 관 표면의 미소한 흠집 등의 결함을 고정밀도로 검출할 수 있다.

상기한 티탄 용접관(1)은 다음의 단계를 포함하는 제조 방법에 의해 제조되는 것이 가능하다. 즉, 이러한 제조 방법은, 티탄판의 표(앞)면 및 이면 중 한쪽에 상기 요철 패턴을 형성하는 요철 패턴 형성 단계와, 해당 요철 패턴이 형성된 티탄판을 예를 들어 조관 롤에 의해 관 형상으로 성형하는 성형 단계와, 해당 성형에 의해 서로 맞대어지는 상기 티탄판의 폭방향 양단을 용접에 의해 서로 용접하는 용접 단계를 포함한다.

상기 요철 형성 단계에서는, 상기 티탄판의 한쪽면에 상기 요철 패턴이 형성되며, 이러한 요철 패턴은 기면(3) 및 이 기면(3)보다 직경방향으로 돌출되는 복수의 볼록부(2)를 포함한다. 여기서, 상기 복수의 볼록부(2)의 볼록부 최대 높이(H)의 평균(Ha)은 12㎛≤Ha≤45㎛가 되도록 설정되며, 특정 배열 방향에 대한 볼록부(2)의 피치(P)는 그 평균값(Pa)에 대한 최대값(Pmax)의 비가 2 미만이 되도록 설정된다(Pmax/Pa＜2). 또한, 상기 피치(P)의 평균값(Pa)에 대한 해당 볼록부(2)의 특정 배열 방향의 치수(d)의 평균값(da)의 비가 d/Pa≤0.90이 되도록 설정되며, 볼록부(2)의 최대 높이(H)의 평균(Ha)에 대한 티탄관의 두께(t)의 비가 Ha/t≤0.11이 되도록 설정된다.

이러한 요철 패턴이 형성된 티탄판은, 상기 성형 단계에서, 상기 요철 패턴이 형성된 면이 한쌍의 조관 롤로 각각 향하는 자세로 해당 조관 롤 끼리의 사이를 통과함으로써, 관 형상으로 성형된다. 이 때, 상기 티탄판의 표면에 형성된 요철 패턴이 상기 조관 롤과의 마찰에 의해 압궤되는, 즉 마멸되는 일이 없도록, 해당 요철 패턴의 치수가 설정되어 있다. 이렇게 하여, 해당 요철 패턴은, 티탄판이 티탄 용접관(1)으로서 성형되었을 때에, 해당 티탄 용접관(1)의 외주면에 충분한 표면적을 부여하여 해당 티탄 용접관(1)이 높은 열교환 효율을 갖는 것을 가능하게 한다.

상기와 같이 관 형상으로 성형된 티탄판의 폭방향의 양단은, 상기 용접 단계에서, TIG(Tungsten Inert GAS) 용접법 등에 의한 심 용접에 의해 접합된다. 이에 의해, 티탄 용접관(1)이 완성된다.

이상과 같이, 높은 전열성을 갖고, 또한 표면에 잔존하는 표면 결함을 보다 높은 정밀도로 검출하는 것이 가능한 티탄 용접관, 및 해당 티탄 용접관을 제조하기 위한 방법이 제공된다.

제공되는 티탄 용접관은, 티탄제의 판을 관 형상으로 하여 해당 판의 단부끼리를 맞대어 용접하는 것에 의해 형성된다. 해당 티탄 용접관은 외주면 및 내주면을 갖고, 해당 외주면 및 내주면 중 적어도 한쪽에 요철 패턴이 형성된다. 이러한 요철 패턴은 기면과, 이 기면보다 상기 티탄 용접관의 직경방향으로 돌출되는 복수의 볼록부를 갖고, 이들 볼록부는 상기 티탄 용접관의 축방향 및 둘레방향 중 적어도 한쪽에 대하여 서로 간격을 두고 나열된다. 상기 볼록부의 최대 높이의 평균(Ha)이 12㎛≤Ha≤45㎛가 되도록 설정된다. 상기 최대 높이는 상기 기면 중 상기 볼록부의 주위에서 가장 저위인 부분을 기준으로 한 상기 볼록부의 돌출 방향의 최대 치수를 말한다.

상기 티탄 용접관에 있어서, 상기 축방향 및 상기 둘레방향 중 상기 복수의 볼록부가 보다 작은 피치로 나열되는 방향인 특정 배열 방향에서의 해당의 피치의 평균값(Pa)에 대한 해당 피치의 최대값(Pmax)의 비는 Pmax/Pa＜2가 되도록 설정된다. 상기 축방향 및 상기 둘레방향 중 한 방향에 대해서만 상기 복수의 볼록부가 서로 간격을 두고 나열되는 경우는, 그 방향이 상기 특정 배열 방향에 해당한다.

또한, 상기 볼록부의 피치의 평균값(Pa)에 대한 상기 특정 배열 방향에 대한 상기 각 볼록부의 치수의 평균값(da)의 비는 da/Pa≤0.90이 되도록 설정되며, 상기 기면이 존재하는 영역에 있어서 해당 기면이 가장 낮은 부위에 있어서의 상기 티탄 용접관의 두께(t)에 대한 상기 볼록부의 최대 높이의 평균(Ha)의 비는 Ha/t≤0.11이 되도록 설정된다.

상기 볼록부 최대 높이의 평균(Ha)이 12㎛ 이상인 것은 충분한 전열 성능의 향상을 가능하게 한다. 한편, 해당 평균(Ha)이 45㎛ 이하인 것, 및 상기 각 비가 각각 상기의 범위 내에 있는 것은, 와류 탐상 시험에 있어서 상기 요철 패턴이 노이즈로서 검출됨으로써 상기 티탄 용접관의 표면 결함의 검출을 방해하는 것을 방지하고, 이에 의해, 해당 검출이 보다 높은 정밀도로 실행되는 것을 가능하게 한다.

제공되는 방법은, 상기한 티탄 용접관을 제조하기 위한 티탄 용접관의 제조 방법으로서, 길이방향 및 이것과 직교하는 폭방향을 갖는 티탄판의 표면 및 이면 중 적어도 한쪽에 상기 길이방향 및 상기 폭방향 중 적어도 한쪽에 대하여 상기 복수의 볼록부가 간격을 두고 나열되도록 상기 요철 패턴을 형성하는 요철 패턴 형성 단계와, 상기 요철 패턴이 형성된 티탄판에 상기 폭방향의 만곡을 부여하여 해당 폭방향의 양단을 맞대는 것에 의해 해당 티탄판을 관 형상으로 성형하는 성형 단계와, 서로 맞대어진 상기 티탄판의 폭방향의 양단끼리를 용접에 의해 접합하는 용접 단계를 포함한다.

이러한 제조 방법은, 열교환 효율 및 증발 전열성 효율을 향상시킬 수 있는 동시에, 형성된 요철 패턴이 와류 탐상 시험에서 노이즈로서 검출되지 않는, 즉 관 표면의 미소한 흠집 등의 결함을 검출할 수 있는 티탄 용접관을 제조하는 것을 가능하게 한다.

또한, 금회에 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 고려되어야만 하는 것이다. 특히, 금회에 개시된 실시형태에 있어서, 명시적으로 개시되어 있지 않은 사항, 예를 들어 운전 조건이나 조업 조건, 각종 파라미터, 구성물의 치수, 중량, 체적 등은 당업자가 통상 실시하는 범위를 일탈하는 것이 아니며, 통상의 당업자이면, 용이하게 상정하는 것이 가능한 값을 채용하고 있다.

Claims

티탄제의 판을 관 형상으로 하여 상기 판의 단부끼리를 맞대어 용접하는 것에 의해 형성되는 티탄 용접관에 있어서,
외주면 및 내주면을 갖고, 상기 외주면 및 내주면 중 적어도 한쪽에 요철 패턴이 형성되며, 상기 요철 패턴은 기면과, 상기 기면보다 상기 티탄 용접관의 직경방향으로 돌출되는 복수의 볼록부를 갖고, 이들 볼록부는 상기 티탄 용접관의 축방향 및 둘레방향 중 적어도 한쪽에 대하여 서로 간격을 두고 나열되며,
상기 볼록부의 최대 높이의 평균(Ha)은 12㎛≤Ha≤45㎛가 되도록 설정되며,
상기 티탄 용접관의 축방향 및 둘레방향 중, 상기 복수의 볼록부가 보다 작은 피치로 나열되는 방향인 특정 배열 방향에서의 상기 볼록부의 피치의 평균값(Pa)에 대한 상기 볼록부의 피치의 최대값(Pmax)의 비가 Pmax/Pa＜2가 되도록 설정되며,
상기 피치의 평균값(Pa)에 대한 상기 특정 배열 방향의 상기 볼록부의 최대 치수의 평균값(da)의 비가 da/Pa≤0.90이 되도록 설정되며,
상기 기면이 존재하는 영역에 있어서 상기 기면이 가장 낮은 부위에서의 상기 티탄 용접관의 두께(t)에 대한 상기 볼록부의 최대 높이의 평균(Ha)의 비가 Ha/t≤0.11이 되도록 설정되는
티탄 용접관.
제 1 항에 기재된 티탄 용접관을 제조하기 위한 방법에 있어서,
티탄제의 판에 있어서 길이방향 및 이것과 직교하는 폭방향을 갖는 티탄판의 표면 및 이면 중 적어도 한쪽에 상기 길이방향 및 상기 폭방향 중 적어도 한쪽에 대하여 상기 복수의 볼록부가 간격을 두고 나열되도록 상기 요철 패턴을 형성하는 요철 패턴 형성 단계와,
상기 요철 패턴이 형성된 상기 티탄제의 판에 상기 폭방향의 만곡을 부여하여 상기 폭방향의 양단을 맞대는 것에 의해 상기 티탄판을 관 형상으로 성형하는 성형 단계와,
서로 맞대어진 상기 티탄판의 폭방향의 양단끼리를 용접에 의해 접합하는 용접 단계를 포함하는
티탄 용접관의 제조 방법.