KR20170072292A - 폴리에틸렌 파이프라인의 전기융합을 위한 장치 및 시스템 - Google Patents

폴리에틸렌 파이프라인의 전기융합을 위한 장치 및 시스템 Download PDF

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KR20170072292A
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end portion
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파웰 복즈코우스키
마크 브랜던
제레미 조셉 코우델카
딜립 테일러
파스칼 라페리에르
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셔코 리미티드
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Abstract

중합체 외측 표면 재킷을 갖는 2개의 튜브 섹션 사이의 연결부를, 튜브 섹션의 외측 표면에 유사한 비-가교결합 중합체의 케이싱을 융합 접합하는 전기융합을 사용하여, 형성하기 위한 방법.

Description

폴리에틸렌 파이프라인의 전기융합을 위한 장치 및 시스템{APPARATUS AND SYSTEM FOR ELECTRO-FUSION OF POLYETHYLENE PIPELINE}
본 발명은 중합체 외측 표면 재킷(polymeric outer surface jacket)을 갖는 2개의 튜브 섹션 사이의 연결부를 형성하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 케이싱을 튜브 섹션의 중합체 외측 표면 재킷에 접합하는데 전기융합(electrofusion)을 이용한다. 접합부는 비-가교결합 중합체의 단일 층의 케이싱을 가질 수 있거나, 외측의 가교결합 중합체 층을 포함하는 2개(또는 그 이상) 층의 중합체 케이싱의 내측 층을 가질 수 있다.
이중단열 파이프라인(pre-insulated pipeline)은 소정 길이의 제조된 파이프를 조립함으로써 제작된다. 소정 길이의 파이프는 다양한 직경 및 길이로 제조되고, 선택적으로 에폭시 코팅되고, 폼 단열재 층으로 피복되고, 그 후에 중합체 외측 표면 재킷으로 피복된 전형적으로 강재 파이프이다. 금속 파이프는 파이프 길이부의 양 단부에서 파이프의 지정된 길이를 따라 노출된다. 금속 파이프의 하나의 노출된 길이부는 파이프라인의 단부에 거스(girth) 용접되어, 그 중심부에 거스 용접부를 갖고 양 측부가 폼 단열재 및 중합체 외측 표면 재킷에 의해 둘러싸이는 베어(bare) 강재 파이프의 컷백 영역(cut-back region)을 형성한다. 이상적으로, 파이프라인은 연속적인 단열재 및 외측 중합체 재킷 층을 가져야 하며, 따라서 컷백 영역은 다양한 상이한 방법 및 수단을 사용하여 충전된다. 전형적으로, 중합체의 케이싱은 컷백 영역의 양 단부 상에서 외측 중합체 재킷 층에 부착되고, 폼 단열재로 사출 충전된다.
외측 중합체 재킷에의 중합체 케이싱의 부착은 전형적으로 3개의 방법 중 하나로 실행된다: 중합체 재킷의 외측 층에의 중합체 케이싱의 내측 층의 전기융합, 유도 융합, 또는 접착 접합.
현장 조인트(field joint)에 케이싱을 전기융합하는 특정 방법이 본 기술분야에 잘 알려져 있다. 예를 들면, 1986년 12월 16일자로 공개되고 본 명세서에 참조로 포함되는 미국 특허 제4,629,216호는 비수축성 플라스틱 케이싱을 개시하고, 전기 가열 요소를 이용하여 이중단열 파이프의 플라스틱 재킷과 플라스틱 케이싱 사이에 접합부를 형성한다. 1989년 9월 12일자로 공개되고 본 명세서에 참조로 포함되는 미국 특허 제4,866,252호는 케이싱 및 슬리브 물품(sleeve article)을 갖는 이중단열 파이프들 사이의 연결을 개시하고 있고, 이 물품 중 하나는 이중단열 파이프의 재킷과 중첩하는 케이싱의 각 단부 위에 배치된다. 물품은 융합 접합부를 재킷에 형성하는 접합 재료, 외측 열 수축 층, 및 외측 층을 가열 및 수축시키기 위해 열 수축 층과 접촉하는 내장형 전기 가열 요소를 구비한다. 내장형 가열 요소로부터의 열 플럭스(heat flux)가 비교적 적기 때문에, 열 수축 층은 이 열 수축 층의 열 침투 및 수축을 허용하도록 얇게 제조되며, 이 특허에 따르면, 열 수축전의 물품의 두께는 6 ㎜ 이하일 수 있다. 이 물품은 보다 두꺼운 케이싱 부재가 큰 직경의 이중단열 파이프와 함께 사용하도록 요망되는 경우에 덜 유용하다. 케이싱을 결합하기 위한 전기 가열 요소의 사용은 또한 벨마플렉스 용접 조인트를 위한 전기 용접기에 대한 장착 설명서(Mounting Instructions for the Electric Welder for BelmaFlex Welding Joints)(BelmaFlex, Farsø, Denmark)에 설명되어 있다. 벨마플렉스 케이싱 시스템은 파이프 조인트의 각 단부 상에서 파이프의 외측 표면 재킷에 끼워 맞춰지는 가열 요소인 용접 밴드(welding band)를 포함한다. 그 후에, 케이싱은 파이프 조인트 위로 활주 되고, 케이싱의 단부는 파이프 조인트의 각 단부 상에서 외측 표면 재킷에 열 수축된다. 케이싱이 냉각되면, 버클(buckle)이 열 수축된 섹션 주위에 배치되고, 용접 밴드에 연결되고 케이싱과 외측 표면 재킷 사이에서 케이싱을 지나서 연장되는 전기 접속부를 통해, 용접 밴드에 전류가 가해진다. 전류의 인가는 용접 밴드가 가열되게 하여, 케이싱을 외측 표면 재킷에 용융시켜 융합시킨다. 그 후에, 케이싱이 드릴가공되고, 폼 단열재가 드릴 구멍 내로 사출되어 케이싱과 노출된 파이프 조인트 사이의 갭을 충전하고, 드릴 구멍이 덮인다.
본 발명자의 일부는 또한, 이중단열 파이프라인의 컷백 영역에 케이싱 부재를 전기융합하기 위한 다양한 방법, 및 그러한 방법에 사용하기 위한 케이싱 부재를, 예를 들어 본 명세서에 참조로 포함되는 PCT 공보 제WO 2011/143733호에 개시하고 있다. 일반적으로, 케이싱 부재는 제1의 가교결합된 열 수축성 외측 층 및 제2의 비-가교결합된(덜 가교결합된) 내측 층을 구비한다. 케이싱 부재는 제2 층을 튜브 섹션에 융합 접합하기 위해 제1 층으로부터 내측으로 이격된 전기 가열가능한 부재를 구비한다.
사용시에, 케이싱 부재의 제1 층은 열 수축되는 경우, 하나의 바람직한 형태에서, 제2 층에 후프 응력(hoop stress)을 가한다. 제2 층이 전기 가열가능한 부재에 의해 가열되는 경우, 바람직한 형태에서, 제2 층의 재료와 튜브 섹션의 외측 표면의 재료 사이에 융합 접합부가 생성된다. 융합 접합부는 2개의 융화가능한 플라스틱 재료가 융합 또는 용접 조건 하에서 용융되어 함께 융합될 때 생성된다. 융합 접합부는 연속적이고 균질한 용접 부분이 된다. 전술한 후프 응력은 융합 접합부의 형성을 용이하게 한다.
특허문헌 제WO 2011/143733호는 또한, 융합 접합부를 생성하기 위해 튜브 섹션 표면 기재와 제2 층을 가열하는 특히 효과적이고 편리한 방식으로서 전기 가열가능한 부재의 사용을 개시하고 있다. 전기 가열가능한 부재는 예를 들어, 제2 층으로부터 내측에 배치될 수 있거나 제2 층 내에 일체로 배치될 수 있는 전기 저항식 가열 요소 또는 전기 유도식 가열가능한 요소의 형태일 수 있다.
일반적으로, 2개의 표면의 적절한 전기융합은 우수한 기계적 특성을 갖고, 비부착(unattach)되기 어렵다. 그러나, 일부의 종래 기술의 전기융합 방법은 밀봉부의 수분 침투에 준최적화(sub-optimal)적인 것으로서 비판받고 있다.
전기융합에 대한 알려진 대안적인 방법은 접착제를 사용하여 파이프의 외측 중합체 표면 층을 케이싱에 접합하는 것이다. 전형적으로, 접착제는 케이싱의 내측 층의 형태이다. 일부 방법에서, 접착제는 외측 중합체 표면 층 또는 케이싱의 내측(또는 모두)에 도포되는 액체 접착제이다. 대부분의 예에서, 접착제는 2개의 표면 중 적어도 하나에 접합하기 위해 가열되어야 한다. 접착제-기반 방법이 매우 잘 알려져 있고, 매우 성공적으로 사용되고 있지만, 일부 접착제-기반 방법은 최적의 기계적 특성에 미치지 못하는 것으로 비평받고 있고, 외부 환경 요인의 인가 및/또는 시간 경과에 의해 분리되는 것으로 알려져 있다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 파이프 조인트에서 파이프라인의 외측 표면 재킷에 케이싱을 부착하는 방법이 제공되며, 상기 방법은, 파이프 조인트의 각 측부 상에 경계면 영역을 형성하기 위해, 케이싱의 측부 부분이 파이프 조인트의 양 측부 상에서 외측 표면 재킷의 단부 부분과 중첩하도록 파이프 조인트 주위에 열 수축성 케이싱을 감싸거나 끼워맞추는 단계로서, 상기 경계면 영역은 외측 표면 재킷의 단부 부분과 케이싱의 측부 부분 사이에 있는 것으로 규정되고, 상기 경계면 영역, 단부 부분 및/또는 측부 부분은 그 둘레부 주위에 전기 가열 요소를 갖는, 단계; 경계면 영역에서 측부 부분과 단부 부분 사이에 압력을 제공하기 위해 상기 측부 부분 주위에 접착 테이프를 감싸는 단계; 상기 측부 부분을 상기 단부 부분에 융합시키기에 충분한 온도까지 상기 전기 가열 요소를 가열하기에 충분한 에너지를 갖는 전류를 상기 전기 가열 요소에 가하는 단계를 포함한다.
특정 실시예에 있어서, 전기 가열 요소는 파이프 조인트 주위에 케이싱을 감싸거나 끼워맞추기 전에 외측 표면 재킷의 단부 부분 주위에 감싸진다.
특정 실시예에 따르면, 케이싱은 열 수축가능하고, 적어도 케이싱의 측부 부분은 감싸는 단계 이전에 열 수축된다.
특정 실시예에 있어서, 접착 테이프는 실온에서 점착성을 제공하고 적어도 240℃의 온도까지 접착성을 계속 유지하는 접착제를 갖는다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 파이프 조인트에서 파이프라인의 외측 표면 재킷에 케이싱을 부착하는 방법이 제공되며, 상기 방법은, 파이프 조인트의 각 측부 상에 경계면 영역을 형성하기 위해, 케이싱의 측부 부분이 파이프 조인트의 양 측부 상에서 외측 표면 재킷의 단부 부분과 중첩하도록 파이프 조인트 주위에 케이싱을 감싸거나 끼워맞추는 단계로서, 상기 경계면 영역은 외측 표면 재킷의 단부 부분과 케이싱의 측부 부분 사이에 있는 것으로 규정되고, 상기 경계면 영역, 단부 부분 및/또는 측부 부분은 그 둘레부 주위에 전기 가열 요소 및 접착 스트립 모두를 갖는, 단계; 상기 측부 부분을 상기 단부 부분에 융합시키기에 충분한 온도까지 상기 전기 가열 요소를 가열하기에 충분한 에너지를 갖는 전류를 상기 전기 가열 요소에 가하는 단계를 포함한다.
특정 실시예에 있어서, 케이싱의 측부 부분에 열이 가해져 접착 스트립을 용융시켜서, 외측 표면 재킷을 상기 케이싱에 접합시킨다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 파이프 조인트에서 파이프라인의 외측 표면 재킷에 케이싱을 부착하는 방법이 제공되며, 상기 방법은, 파이프 조인트의 각 측부 상에 경계면 영역을 형성하기 위해, 케이싱의 측부 부분이 파이프 조인트의 양 측부 상에서 외측 표면 재킷의 단부 부분과 중첩하도록 파이프 조인트 주위에 케이싱을 감싸거나 끼워맞추는 단계로서, 상기 경계면 영역은 외측 표면 재킷의 단부 부분과 케이싱의 측부 부분 사이에 있는 것으로 규정되고, 상기 경계면 영역, 단부 부분 및/또는 측부 부분은 그 둘레부 주위에 전기 가열 요소를 갖는, 단계; 상기 측부 부분을 상기 단부 부분에 융합시키기에 불충분한 에너지를 갖지만, 가열 요소를 예열하여 가열 요소의 온도를 보다 균일하게 하기에 충분한 에너지를 갖는 제1 전류를 상기 전기 가열 요소에 가하는 단계; 상기 측부 부분을 상기 단부 부분에 융합시키기에 충분한 온도까지 상기 전기 가열 요소를 가열하기에 충분한 에너지를 갖는 제2 전류를 상기 전기 가열 요소에 가하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 파이프 조인트에서 파이프라인의 외측 표면 재킷에 케이싱을 전기융합시키는데 사용하기 위한 가열 요소가 제공되며, 상기 가열 요소는 와이어 메시 본체 및 2개의 단부를 포함하며, 상기 본체는 2개의 단부가 서로 근접하지만 접촉하지 않는 방식으로 상기 외측 표면 재킷의 둘레부 주위를 꼭 맞게 감쌀 수 있도록 하기에 충분한 길이 및 가요성을 가지며; 상기 2개의 단부 각각은 미로 형태를 갖고, 전력원에의 연결을 위해 단부로부터 연장되는 리드선을 갖는다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 파이프 조인트에서 파이프라인의 외측 표면 재킷에 케이싱을 전기융합시키는데 사용하기 위한 가열 요소와 함께 사용하기 위한 스페이서(spacer)가 제공되며, 상기 가열 요소는 와이어 메시 본체 및 2개의 단부를 포함하며, 상기 본체는 2개의 단부가 서로 근접하지만 접촉하지 않는 방식으로 상기 외측 표면 재킷의 둘레부 주위를 꼭 맞게 감쌀 수 있도록 하기에 충분한 길이 및 가요성을 가지며, 상기 2개의 단부 각각은 전력원에의 연결을 위해 단부로부터 연장되는 리드선을 갖고, 상기 스페이서는 소망의 거리에 상기 2개의 단부를 유지할 수 있으며, 상기 스페이서는, 대략 소망의 거리의 폭 및 단부의 높이 이상의 높이를 갖는 갭 영역; 상기 갭 영역의 대향 측부로부터 각각 연장되고, 상기 갭 영역보다 낮은 높이를 갖는 2개의 텅부(tongue)를 포함하며; 각각의 텅부는 단부의 높이 이상의 높이까지 텅부로부터 연장되는 적어도 하나의 버튼(button)을 갖고, 상기 버튼은 상기 와이어 메시가 상기 텅부의 상부 상에 배치될 때 와이어 메시 내의 구멍 내로 연장될 수 있는 형상, 크기 및 형태를 갖는다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 파이프 조인트에서 파이프라인의 외측 표면 재킷에 케이싱을 전기융합시키는데 사용하기 위한 가열 요소에 근접하게 열전대(thermocouple)를 정확히 위치시키는데 사용하기 위한 스페이서가 제공되며, 상기 가열 요소는 와이어 메시 본체 및 2개의 단부를 포함하며, 상기 본체는 2개의 단부가 서로 근접하지만 접촉하지 않는 방식으로 상기 외측 표면 재킷의 둘레부 주위를 꼭 맞게 감쌀 수 있도록 하기에 충분한 길이 및 가요성을 가지며, 상기 2개의 단부 각각은 전력원에의 연결을 위해 단부로부터 연장되는 리드선을 갖고, 상기 스페이서는 가열 요소에 근접하게 열전대를 정확히 위치시킬 수 있으며, 상기 스페이서는, 배킹부(backing); 상기 배킹부로부터 연장되는 복수의 버튼으로서, 상기 복수의 버튼 각각은 상기 와이어 메시가 상기 배킹부의 상부 상에 배치될 때 와이어 메시 내의 구멍 내로 연장될 수 있는 형상, 크기 및 형태를 갖는, 복수의 버튼; 배킹부 내에 배치되고 열전대 프로브의 직경과 유사한 직경을 갖는 채널을 포함하며; 상기 채널은 일 단부에 열전대 프로브를 수용하기 위한 개구부를 갖고, 타 단부에 상기 채널을 지나서의 상기 열전대 프로브의 이동을 정지시키기 위한 스토퍼(stopper)를 갖는다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 단지 예시로서 보다 충분하게 설명될 것이다.
도 1은, 종래 기술에 알려진 바와 같이, 이중단열 파이프라인의 컷백 영역의 단면의 개략도를 도시한다.
도 2는 케이싱이 부착된 이중단열 파이프라인의 컷백 영역의 단면의 약간의 개략도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른, 케이싱이 적용된 컷백 영역의 단면의 약간의 개략도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 태양에 따른 컷백 영역의 일 단부의 사진을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 태양에 따른 메시 가열 요소 및 리드선의 일부분의 확대도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 태양에 따른 스페이서의 사시도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 태양에 따른 메시 가열 요소의 리드선 영역의 확대도를 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 태양에 따른 폴리에틸렌 인서트를 도시한다.
도 9는 전통적인 클램프 대신에 접착 테이프를 이용하여 이중단열 파이프의 외측 표면 층 상에 클램핑된 케이싱의 사진을 도시한다.
도 1은, 종래 기술에 알려진 바와 같이, 이중단열 파이프라인의 컷백 영역의 단면의 약간의 개략도를 도시하고 있다. 이 영역은 거스 용접부(12)에서 파이프라인(11)의 단부에 거스 용접되어 있는 강재 파이프(10)를 포함한다. 파이프(10) 및 파이프라인(11) 모두는 단열재 층(14)에 둘러싸여 있고, 이 단열재 층(14)은 외측 표면 재킷(16)에 둘러싸여 있으며, 이 외측 표면 재킷(16)은 전형적으로 구조적 강도 및 내수성을 제공하는 폴리올레핀 층이다.
파이프라인 영역(18)은 파이프 영역(20)에 연결되어, 단열재 또는 폴리올레핀 재킷 층을 포함하지 않는 베어 강재인 컷백 영역(22)을 남기게 된다.
도 2는 컷백 영역(22) 상에 배치된 종래 기술의 케이싱(36)을 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 케이싱(36)은 2개의 층, 즉 가교결합되고 열 수축가능한 외측 케이싱 층(34), 및 가교결합되지 않거나, 대안적으로 외측 케이싱 층(34)보다 덜 가교결합된 내측 케이싱 층(32)을 포함한다. 전기 커넥터 리드선(28, 30)을 각각 갖는 가열 요소(24, 26)가 도시되어 있다. 가열 요소(24, 26)는 전형적으로 구리 또는 다른 저항 금속의 밴드(band) 또는 메시(mesh)이다. 전류(도시되지 않음)가 가열 요소(24, 26)에 가해져서, 가열 요소(24, 26)의 저항 특성에 의해 열로 변환된다. 열은 외측 표면 재킷(16)의 일부분 및 내측 케이싱 층(32)의 일부분을 용융시켜 2개의 층을 함께 융합시키기에 충분한 에너지를 갖는다. 당업자에게 이해되는 바와 같이, 내측 케이싱 층(32) 및 외측 표면 재킷(16)의 중합체는 충분한 열의 존재시에 함께 융화가능하고 융합가능하도록 선택된다. 전형적인 방법론에서, 가열 요소(24, 26)가 조인트 내에 합체되고 융합후에 제거되지 않는다는 것에 주목하자.
케이싱(36)에서, 보다 특별하게는 융합될 케이싱(36)의 단부에서 일정 양의 후프 응력(hoop stress)을 유지하는 것이 바람직한 것으로 밝혀졌다. 후프 응력은 융합 프로세스를 크게 향상시킨다. 특허문헌 제WO 2011/143733호에 개시된 바와 같은 종래 기술의 방법에서, 이러한 후프 응력은 열 수축성 외측 케이싱 층을 이용함으로써 생성되고, 전기융합 이전에 상기 외측 케이싱 층의 열 수축이 일어난다. 따라서, 상기 방법은 2개의 주요 단계, 즉 케이싱(36)의 단부가 외측 표면 층(16)에 열 수축되는 가열 단계, 및 가열 요소(24, 26)를 통해 전기를 흘려서 케이싱을 외측 표면 층(16)에 융합시키는 전기융합 단계를 갖는다.
도 3은 본 발명에 따른 파이프라인의 컷백 영역에 케이싱을 적용하는 방법의 일 실시예의 약간 개략적인 단면을 도시하고 있다. 도 2의 종래 기술 방법과 마찬가지로, 케이싱(36)은 컷백 영역(22)에 끼워맞춰지고; 가열 요소(24, 26)는 리드선(28, 30)을 통해 전기를 공급받아 케이싱(36)의 내측 표면을 외측 표면 층(16)의 외측 표면에 전기융합시킨다. 그러나, 이러한 실시예에 있어서, 상기 방법은 또한 다른 단계를 포함한다. 컷백 영역(22)에의 케이싱(36)의 적용 이전에, 접착 스트립(38, 40)이 외측 표면 층(16)의 외측 표면 또는 케이싱(36)의 내측 표면 중 하나에 적용된다. 따라서, 케이싱(36)은 컷백 영역의 각 측부 상에서 외측 표면 층(16)에 두 번 접합된다 - 이미 설명된 바와 같은 제1 전기융합 접합부, 및 전기융합 접합부에 비해 컷백 영역(22)에 대해 원위에 있는 접착 접합부. 전기융합 접합부는 접합부에 구조적 강도 및 완전성(integrity)을 제공하는 반면, 접착 접합부는 수분 침투의 양호한 방지를 제공한다. 2개의 접합부의 병행 사용은 또한 케이싱-외측 표면 재킷 접합부에 대한 일정 정도의 중복성(redundancy) 및 보다 큰 전체 강도를 제공한다.
가열 요소(24, 26)는 예를 들어, 저항 가열식 와이어, 로드, 테이프 형태의 와이어 메시 또는 네팅(netting), 또는 파이프 재킷에의 케이싱 제2 층의 융합 접합과 융화가능한 중합체, 예컨대 폴리에틸렌으로 코팅된 전기 와이어 또는 편평한 금속 스트립의 형태일 수 있다. 바람직한 실시예에서, 가열 요소(24, 26)는 와이어 메시이다.
도 4는 도 3에 도시된 실시예의 대안적인 구성에 있어서의 컷백 영역의 일 단부의 사진을 도시하고 있다. 여기에서, 도 3에 도시된 예와 대조적으로, 가열 요소(24)는 접착 스트립(38)에 비해 컷백 영역(22)에 대해 원위에 있다. 접착 스트립(38)은, 모래, 먼지, 및 다른 환경적인 불순물이 접착 스트립(38)에 부착되어 접착 스트립(38)의 효력을 감소시키는 것을 방지하기 위해, 컷백 영역 주위에의 케이싱의 배치 직전 또는 (바람직하게는) 직후에 제거되는 배킹부(backing)(42)를 갖는다.
도 5는 본 발명의 특정 실시예의 메시 가열 요소(24) 및 리드선(28)의 일부분의 확대도를 도시하고 있다. 가열 요소(24)는 파이프의 외측 표면 재킷(16) 주위를 감싼다. 가열 요소(24)는 금속 부분(44) 및 갭(46)을 갖는 메시 형태를 갖는다. 당업자에게 이해되는 바와 같이, 리드선(28)은 2개의 별개 전기 리드선(28A, 28B)을 포함하고, 이들 중 하나를 전원의 양 및 음의 단자 각각에 연결함으로써 전류가 가해진다. 가열 요소의 단락(short-circuiting)을 방지하기 위해 리드선들(28A 및 28B) 사이에 충분한 갭(54)을 갖는 것이 필요하다. 이전의 전기융합 방법에서는, 리드선들 사이의 갭이 작업자에 의해 추정되었다. 이것은 상당한 품질 관리 문제를 야기하였다. 리드선들(28A, 28B) 사이의 리드선 갭(54)이 너무 크면, 전기융합부에서의 갭, 및 외측 표면 층(16)과 케이싱(36) 사이의 융합 경계면에서의 결과적인 갭에 대한 가능성이 있었다. 이에 의해, 수분 및/또는 공기가 침투하여 단열 층의 결과적인 열화 및 금속 파이프의 부식을 야기한다. 리드선들(28A, 28B) 사이의 리드선 갭(54)이 너무 작으면, 가열 요소(24)가 단락되어 불량하거나 완전히 실패한 전기융합을 야기하거나, 리드선의 위치에서 "소손(burn)" 또는 기포가 발생하여 불량한 영역 융합을 야기할 가능성이 있었다. 그러므로, 본 발명의 일 태양에 따르면, 스페이서(spacer)(48)가 제공된다. 스페이서(48)는 리드선들(28A 및 28B) 사이에 최적의 리드선 갭(54)을 제공하는 스페이서 영역(56)을 포함한다. 스페이서는 또한, 갭(46)을 통해 찔러넣고 스페이서(48)를 제위치에 유지하는 버튼(button)(50)을 이용하여 스페이서 영역(56)의 양 측부 상에서 복수의 갭(46)에 부착하는 텅부(tongue)(52A 및 52B)를 포함한다. 스페이서(48)는 외측 표면 층(17) 및 케이싱(36) 모두와 융합 융화가능하고 일회용이도록 설계된 타입의 중합체, 바람직하게는 폴리에틸렌의 하나의 부재로 제조된다. 가열 요소(24)와 마찬가지로, 융합후에, 융합된 층 내에 합체된다.
도 6은 스페이서 갭(56), 버튼(50) 및 텅부(52A, 52B)를 포함하는 스페이서(48)의 사시도를 도시하고 있다. 알 수 있는 바와 같이, 스페이서 갭(56)은, 버튼(50)과 마찬가지로, 가열 요소(24)의 두께 위로 연장되어, 리드선(28A, 28B) 및 그에 따라 가열 요소(24)를 제위치에 유지하도록 설계된다.
도 7은 당업자에게 명백한 방식으로 형태가 변형된, 바람직한 실시예에서 도 6의 스페이서와 조합될 수 있는 본 발명의 다른 실시예를 도시하고 있다. 도 7은 가열 요소(24)의 리드선(28A, 28B)을 포함하는 리드선 영역의 확대도를 도시하고 있다. 여기에서, 리드선 영역은 리드선 갭(54)에서의 가열된 표면적을 최대화하기 위해 미로 형상(labyrinth shape)으로 구성된다. 미로 형상의 리드선 영역은 임계 연결부들 갭에서의 가열된 표면적을 최대화하고, 그에 따라 용접가능 표면적을 최대화하여 리드선들 사이의 용접부의 강도 및 신뢰성을 향상시키는 것으로 밝혀졌다.
전기융합시에 도달되는 온도가 프로세스의 완전성에 매우 중요한 것으로 알려져 있다. 너무 낮은 온도가 이용되면, 중합체는 충분하게 용융되지 않고, 그에 따라 외측 표면 코팅과 케이싱의 내측 표면 사이의 강한 밀봉 접합부를 제공하는데 실패할 것이다. 역설적으로, 너무 높은 온도가 이용되면, 중합체의 블리스터링(blistering), 용융 및 드리핑(dripping)과, 다른 문제가 또한, 외측 표면 코팅과 케이싱의 내측 표면 사이의 강한 밀봉 접합부를 제공하는데 실패하는 것에 기여할 수도 있다. 이러한 이유 때문에, 전기융합을 이용하는 종래 기술의 방법은 외측 표면 코팅과 케이싱의 내측 표면 사이의 경계면에서 온도를 측정 및 제어하기 위해 일회용 또는 재사용가능 열전대(thermocouple)를 이용하여 왔다. 얇은 로드형 열전대가 이들 2개의 층들 사이에 삽입되고, 전기융합이 일어나는 동안에 판독값이 취해진다. 일부 실시예에 있어서, 열전대는 가열 요소를 통해 흐르는 전류를 자동적으로 제어하고, 그에 따라 경계면에서의 온도를 제어하고 있다.
놀랍게도 열전대의 위치설정이 중요한 것으로 밝혀졌다. 예를 들면, 금속 부분(44)에서의 열전대 판독값은 갭(46)에서의 열전대 판독값과 상이하다 - 전기융합 접합부의 강도가 영향을 받기에 충분히 상이하다. 종래 기술의 시스템 및 방법을 사용해서는, 통합형 일회용 열전대(바람직하지 않고 고가임)를 사용하지 않는 한, 열전대가 금속 부분(44)에서 판독하는지 갭(46)에서 판독하는지를 결정하는 것이 사실상 불가능하고, 결과적으로, 하나의 전기융합 케이싱과 다른 전기융합 케이싱간의 전체 가열 온도 및 접합부 강도에 상당한 변동이 있었다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예로서, 그리고 도 8에 도시된 바와 같이, 외측 표면 코팅과 케이싱의 내측 표면 사이의 열융합 용접 프로세스 동안에 온도를 보다 양호하고 보다 정확하게 제어하기 위해 재사용가능 열전대를 메시 가열 요소 내에 고정하기 위한 폴리에틸렌 인서트(insert)가 제공된다. 그러한 인서트의 사용은 통합형 열전대를 갖는 시스템에서 달성되는 정밀도와 유사한 온도 판독 정밀도를 제공하면서, 열전대 요소의 재사용을 허용하고, 그에 따라 시스템의 비용을 저감시킨다.
폴리에틸렌 인서트(58)는 배킹부(60) 및 버튼(62)을 포함하고, 이 버튼(62)은 메시 가열 요소(24) 내의 갭(46)을 통해 찔러넣고 폴리에틸렌 인서트(58)를 제위치에 유지하는 크기, 형상 및 형태를 갖는다. 인서트(58)는 또한 개구부(aperture)(64) 및 채널(66)을 포함하고, 이들 모두는 표준 및/또는 소망의 열전대 프로브(도시되지 않음)를 수용하도록 설계된 직경을 갖는다. 열전대 프로브는 개구부(64) 내로 삽입되고, 채널(66)을 따라 이동하여, 금속 부분(44)에서의 온도 판독을 위한 프로브의 정확한 배치를 제공한다. 스토퍼(stopper)(68)는 또한 채널(66)을 지나서 이동하는 것을 방지함으로써 프로브를 위치설정한다.
폴리에틸렌 인서트(58)는 외측 표면 코팅 및 케이싱의 내측 표면 모두와 융합-융화가능한 재료로 제조되고, 용융되어 외측 표면 코팅과 케이싱의 내측 표면 사이의 융합 접합부 내에 통합된다는 점에서 일회용이다.
케이싱을 파이프의 컷백 영역 상에 전기융합하는 종래 기술의 방법에 있어서, 전기융합을 개시하기 전에 케이싱에 압력을 부가하는 것이 바람직한 것으로 밝혀졌다. 후프 응력 형태의 이러한 압력을 부가하는 것은 전기융합 접합부의 강도 및 완전성을 향상시키는 것으로 밝혀졌다. 이러한 후프 응력의 부가는 외측 표면 코팅에 열 수축되는 열 수축성 케이싱의 사용을 통해 이루어졌다. 그러나, 이러한 열 수축 단계는 때때로 충분한 후프 응력을 제공하지 못하여, 전기융합이 불완전하거나 준최적화(sub-optimal)되게 한다. 그러한 압력을 케이싱에 부가하는데 습관적으로 사용되는 제2 방법은 케이싱을 둘러싸고 압력을 가하여 케이싱과 외측 표면 코팅을 함께 가압하는 클램프의 사용이었다. 클램프의 사용은 주효하지만, 무겁고 번거로운 클램프를 필요로 한다. 또한, 파이프의 상이한 크기에 대해 상이한 클램프 크기가 전형적으로 요구된다. 보다 나은 옵션이 요망되고 있다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 외측 표면 코팅에 대한 케이싱의 개선된 전기융합을 제공하기 위해 충분한 압력을 케이싱에 가하기 위한 방법이 제공된다.
놀랍게도, 충분한 압력 인가가 접착 테이프에 의해 제공될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 따라서, (열 수축성) 케이싱의 단부를 열 수축한 후에 자가-접착성 테이프를 감아서 적용함으로써 케이싱의 내측 표면과 외측 표면 코팅 사이에 충분한 압력을 제공하기 위한 방법이 제공된다. 테이프는, 일반적으로 파이프의 형상에 순응하고, 종종 압력차를 야기하는 이전에 알려진 강성 몰드 시스템보다 유리하며, 파이프의 전체 둘레부 주위에의 압력의 균일한 분포를 제공한다. 바람직한 실시예에 있어서, 자가 접착성 테이프는 실온에서 점착성(stickiness)을 제공하고 적어도 약 240℃의 온도까지 접착성을 계속 유지하는 접착제를 갖는 파이버 메시 보강된 종이-지지 테이프(paper backed tape)이다. 이러한 방식으로, 테이프는, 전기용융 온도에서, 분해되지도 않고 케이싱으로부터 분리되지도 않는다. 이상적인 실시예에 있어서, 테이프는 고온(240℃)에서 낮은 팽창 및 낮은 신율 특성을 갖고, 접착제는 240℃의 폴리에틸렌 용접 온도에서 유동하지 않는다.
또한, 테이프의 사용은 케이싱이 가교결합되고 사전신장되지 않은 상황, 또는 케이싱이 가교결합되지 않은 상황에서 이상적이다.
파이프의 컷백 영역 상에 적용된 케이싱(36)의 단부에 적용된 테이프(70)가 도 9에 나타낸 사진에 도시되어 있다.
용접 사이클이 개시되기 직전에, 가열 요소(24) 주위의 온도를 표준화하기 위해 예열 사이클(pre-warm cycle)을 작동하는 것이 바람직한 것으로 또한 밝혀졌다. 예열 사이클은 파이프의 둘레부 주위의 온도를 표준화하여, 파이프 주위의 원하지 않는 온도 변동을 제거하거나 감소시킨다.
전형적으로, 재킷 재료(46)뿐만 아니라, 케이싱 부재의 내측 및 외측 층은 폴리올레핀, 보다 전형적으로는 폴리에틸렌을 포함한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 파이프라인의 컷백 영역(22)에 케이싱(36)을 부착하기 위한 방법이 제공되고, 여기서 케이싱(36)은 파이프 조인트 주위에 배치되어, 컷백 영역(22)의 양 측부 상에서 파이프(10) 상의 외측 표면 재킷(16)의 단부와 중첩한다. 환형의 전기 가열가능한 가열 요소(24, 26)는 중첩 영역에서 외측 표면 재킷(16)의 외측 측부 상에 배치된다.
그러한 가열 요소(24, 26)는 그 자체가 다른 목적에 알려져 있고, 본 명세서에서 상세하게 설명될 필요가 없다.
케이싱(36)의 측부 부분은 그들 주위에 테이프(70)를 단단히 감쌈으로써 외측 표면 재킷(16)에 압력 클램핑된다. 그 후에, 가열 요소(24, 26)는 리드선(28A, 28B)에 연결된 전력원(도시되지 않음)을 사용하여 통전되어, 케이싱(36)과 외측 표면 재킷(16) 사이에 융합 접합을 유발한다.
외측 표면 재킷(16)에의 케이싱(36)의 측부의 융합 접합에 이어서, 케이싱의 내부는 충전 구멍(도시되지 않음)을 통해 폼의 전구체(precursor)를 수용하고, 폼은 완전히 성형 및 경화되게 된다.
대안적인 실시예에 있어서, 테이프(70)를 이용하는 대신에, 케이싱(36)은 적어도 하나의 열 수축성 층을 갖고, 케이싱(36)의 측부는 외측 표면 재킷(16)에 열 수축되어, 테이프(70)에 의해 제공된 압력과 적어도 동등한 강도의 후프 응력을 생성한다.
다른 대안적인 실시예에 있어서, 스트랩(도시되지 않음)이 테이프(70) 주위에 배치될 수 있다. 스트랩은 금속 가열 요소(24, 26)보다 폭이 좁고, 용접 프로세스에서 받는 온도에서 대체로 내신장성(elongation-resistant)을 갖는다. 케이싱(36)이 외측 표면 재킷(16)에 융합되는 용접 프로세스 동안에, 케이싱(36), 외측 표면 재킷(16) 및/또는 테이프(70)의 직경은 상당히 증가한다. 스트랩이 대체로 내신장성을 가지므로, 스트랩의 직경은 용접 프로세스 동안에 실질적으로 증가하지 않는다. 이것은 외측 표면 재킷(16) 및/또는 케이싱(36)의 폴리올레핀 재료가 스트랩 아래로부터 변위되게 한다. 놀랍게도, 그러한 변위 - 용융된 재료의 실제 이동 - 는 가열 요소의 에지를 지나서 연장되는 보다 넓은 스트랩 시스템보다 높은 품질의 용접부를 생성한다. 폴리올레핀의 변위량은 용접 프로세스의 완료후에 스트랩의 양 측부 상에 형성된 리지(ridge)를 통해 알 수 있다. 리지의 높이 및 폭은 달성된 용접부의 특성과 서로 관련이 있을 수 있다.

Claims (11)

  1. 파이프 조인트에서 파이프라인의 외측 표면 재킷에 열 수축성 케이싱을 부착하는 방법에 있어서,
    a. 상기 파이프 조인트의 각 측부 상에 경계면 영역을 형성하기 위해, 케이싱의 측부 부분이 상기 파이프 조인트의 양 측부 상에서 상기 외측 표면 재킷의 단부 부분과 중첩하도록 상기 파이프 조인트 주위에 상기 열 수축성 케이싱을 감싸거나 끼워 맞추는 단계로서, 상기 경계면 영역은 상기 외측 표면 재킷의 단부 부분과 상기 케이싱의 측부 부분 사이에 있는 것으로 규정되고, 상기 경계면 영역, 단부 부분 및/또는 측부 부분은 상기 파이프 또는 케이싱의 둘레부 주위에 전기 가열 요소를 갖는, 단계;
    b. 적어도 상기 측부 부분에 열을 가하여 상기 케이싱 또는 적어도 그 측부 부분을 수축시키는 단계;
    c. 상기 경계면 영역에서 상기 측부 부분과 상기 단부 부분 사이에 압력을 제공하기 위해 상기 측부 부분 주위에 접착 테이프를 감싸는 단계;
    d. 상기 측부 부분을 상기 단부 부분에 융합시키기에 충분한 온도까지 상기 전기 가열 요소를 가열하기에 충분한 에너지를 갖는 전류를 상기 전기 가열 요소에 가하는 단계를 포함하는, 케이싱 부착 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기 가열 요소는 상기 파이프 조인트 주위에 상기 케이싱을 감싸거나 끼워맞추기 전에 상기 외측 표면 재킷의 단부 부분 주위에 감싸지는, 케이싱 부착 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 접착 테이프는 실온에서 점착성을 제공하고 적어도 약 240℃의 온도까지 접착성을 계속 유지하는 접착제를 갖는, 케이싱 부착 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    전류를 가하는 단계 이전에, 상기 전기 가열 요소의 상부 상에 놓이도록 측방향 위치에서 그리고 상기 테이프의 상부 상에서, 상기 경계면 영역의 둘레부 주위에 스트랩이 고정되고, 상기 스트랩은 상기 전기 가열 요소보다 폭이 좁고 대체로 내신장성을 갖는, 케이싱 부착 방법.
  5. 파이프 조인트에서 파이프라인의 외측 표면 재킷에 케이싱을 부착하는 방법에 있어서,
    a. 상기 파이프 조인트의 각 측부 상에 경계면 영역을 형성하기 위해, 케이싱의 측부 부분이 상기 파이프 조인트의 양 측부 상에서 상기 외측 표면 재킷의 단부 부분과 중첩하도록 상기 파이프 조인트 주위에 케이싱을 감싸거나 끼워맞추는 단계로서, 상기 경계면 영역은 상기 외측 표면 재킷의 단부 부분과 상기 케이싱의 측부 부분 사이에 있는 것으로 규정되고, 상기 경계면 영역, 단부 부분 및/또는 측부 부분은 그 둘레부 주위에 전기 가열 요소 및 접착 스트립 모두를 갖는, 단계;
    b. 상기 측부 부분을 상기 단부 부분에 융합시키기에 충분한 온도까지 상기 전기 가열 요소를 가열하기에 충분한 에너지를 갖는 전류를 상기 전기 가열 요소에 가하는 단계를 포함하는, 케이싱 부착 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    단계 a) 이후 또는 단계 b) 이후에, 상기 케이싱의 측부 부분에 열을 가하여 상기 접착 스트립을 용융시켜서, 상기 외측 표면 재킷을 상기 케이싱에 접합시키는 단계를 추가로 포함하는, 케이싱 부착 방법.
  7. 파이프 조인트에서 파이프라인의 외측 표면 재킷에 케이싱을 부착하는 방법에 있어서,
    a. 상기 파이프 조인트의 각 측부 상에 경계면 영역을 형성하기 위해, 케이싱의 측부 부분이 상기 파이프 조인트의 양 측부 상에서 상기 외측 표면 재킷의 단부 부분과 중첩하도록 상기 파이프 조인트 주위에 케이싱을 감싸거나 끼워맞추는 단계로서, 상기 경계면 영역은 상기 외측 표면 재킷의 단부 부분과 상기 케이싱의 측부 부분 사이에 있는 것으로 규정되고, 상기 경계면 영역, 단부 부분 및/또는 측부 부분은 그 둘레부 주위에 전기 가열 요소를 갖는, 단계;
    b. 상기 측부 부분을 상기 단부 부분에 융합시키기에 불충분한 에너지를 갖지만, 상기 가열 요소를 예열하여 상기 가열 요소의 온도를 보다 균일하게 하기에 충분한 에너지를 갖는 제1 전류를 상기 전기 가열 요소에 가하는 단계;
    c. 상기 측부 부분을 상기 단부 부분에 융합시키기에 충분한 온도까지 상기 전기 가열 요소를 가열하기에 충분한 에너지를 갖는 제2 전류를 상기 전기 가열 요소에 가하는 단계를 포함하는, 케이싱 부착 방법.
  8. 파이프 조인트에서 파이프라인의 외측 표면 재킷에 케이싱을 전기융합시키는데 사용하기 위한 가열 요소에 있어서,
    a. 와이어 메시 본체 및 2개의 단부를 포함하며, 상기 본체는 상기 2개의 단부가 서로 근접하지만 접촉하지 않는 방식으로 상기 외측 표면 재킷의 둘레부 주위를 꼭 맞게 감쌀 수 있도록 하기에 충분한 길이 및 가요성을 가지며;
    b. 상기 2개의 단부 각각은 미로 형태를 갖고, 전력원에의 연결을 위해 상기 단부로부터 연장되는 리드선을 갖는, 가열 요소.
  9. 파이프 조인트에서 파이프라인의 외측 표면 재킷에 케이싱을 전기융합시키는데 사용하기 위한 가열 요소와 함께 사용하기 위한 스페이서로서, 상기 가열 요소는 와이어 메시 본체 및 2개의 단부를 포함하며, 상기 본체는 상기 2개의 단부가 서로 근접하지만 접촉하지 않는 방식으로 상기 외측 표면 재킷의 둘레부 주위를 꼭 맞게 감쌀 수 있도록 하기에 충분한 길이 및 가요성을 가지며, 상기 2개의 단부 각각은 전력원에의 연결을 위해 상기 단부로부터 연장되는 리드선을 갖고, 상기 스페이서는 소망의 거리에 상기 2개의 단부를 유지할 수 있는, 스페이서에 있어서,
    a. 대략 상기 소망의 거리의 폭 및 상기 단부의 높이 이상의 높이를 갖는 갭 영역;
    b. 상기 갭 영역의 대향 측부로부터 각각 연장되고, 상기 갭 영역보다 낮은 높이를 갖는 2개의 텅부를 포함하며;
    c. 각각의 텅부는 상기 단부의 높이 이상의 높이까지 상기 텅부로부터 연장되는 적어도 하나의 버튼을 갖고, 상기 버튼은 상기 와이어 메시가 상기 텅부의 상부 상에 배치될 때 와이어 메시 내의 구멍 내로 연장될 수 있는 형상, 크기 및 형태를 갖는, 스페이서.
  10. 파이프 조인트에서 파이프라인의 외측 표면 재킷에 케이싱을 전기융합시키는데 사용하기 위한 가열 요소에 근접하게 열전대를 정확히 위치시키는데 사용하기 위한 스페이서로서, 상기 가열 요소는 와이어 메시 본체 및 2개의 단부를 포함하며, 상기 본체는 상기 2개의 단부가 서로 근접하지만 접촉하지 않는 방식으로 상기 외측 표면 재킷의 둘레부 주위를 꼭 맞게 감쌀 수 있도록 하기에 충분한 길이 및 가요성을 가지며, 상기 2개의 단부 각각은 전력원에의 연결을 위해 상기 단부로부터 연장되는 리드선을 갖고, 상기 스페이서는 가열 요소에 근접하게 열전대를 정확히 위치시킬 수 있는, 스페이서에 있어서,
    a. 배킹부;
    b. 상기 배킹부로부터 연장되는 복수의 버튼으로서, 상기 복수의 버튼 각각은 상기 와이어 메시가 상기 배킹부의 상부 상에 배치될 때 와이어 메시 내의 구멍 내로 연장될 수 있는 형상, 크기 및 형태를 갖는, 복수의 버튼;
    c. 상기 배킹부 내에 배치되고 열전대 프로브의 직경과 유사한 직경을 갖는 채널을 포함하며;
    d. 상기 채널은 일 단부에 열전대 프로브를 수용하기 위한 개구부를 갖고, 타 단부에 상기 채널을 지나서의 상기 열전대 프로브의 이동을 정지시키기 위한 스토퍼를 갖는, 스페이서.
  11. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    전류를 가하는 단계 이전에, 상기 전기 가열 요소의 상부 상에 놓이도록 측방향 위치에서, 상기 경계면 영역의 둘레부 주위에 스트랩이 고정되고, 상기 스트랩은 상기 전기 가열 요소보다 폭이 좁고 대체로 내신장성을 갖는, 케이싱 부착 방법.
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