KR20200076206A - 용접부 균열 저항성이 우수한 강관의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 라인 파이프 등의 강관을 제조하는 기술에 관한 것으로서, 용접부의 균열 저항성이 우수한 강관과 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

용접부 균열 저항성이 우수한 강관의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING STEEL PIPE HAVING EXCELLENT CRACK RESISTANCE AT WELDED PART}

본 발명은 라인 파이프 등의 강관을 제조하는 기술에 관한 것으로서, 용접부의 균열 저항성이 우수한 강관과 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

강관을 제조하는 기술로, Roll bending, UOE, JCO 등 다양한 방법이 이용되고 있다. 일반적으로 강관 제조는 판재를 둥글게 말아서 원형의 단면을 갖추게 한 후, 끝단에 맞닿은 판재와 판재 사이를 용접하여 제조한다. 이와 같이 강관을 제조한 후, 진원도를 만들기 위해 확관을 수행하게 되고, 상기 확관율은 강관의 종류나 고객사의 요구조건에 따라 다양하게 적용될 수 있다.

그러나 이렇게 확관을 하는 과정에서 상기 용접한 용접부의 내면에서 균열(crack)이 발생하는 문제가 있다. 도 1은 이렇게 발생한 균열을 보여주는 일예를 나타낸 것이다. 이와 같이 용접부 내부에서 발생하는 균열은 용접 재료나 모재에 문제가 있는 경우도 있으나, 보통은 제조공정 상의 문제로 발생한다. 특히, 용접부 내부의 비드 끝단에서 응력 집중이 발생하여 균열이 발생한다.

따라서, 강관을 제조하는 과정에서 위와 같이 확관시, 용접부에서 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있는 기술에 대한 요구가 절실히 요구되고 있는 실정이다.

본 발명의 일측면은 강관을 제조하는 과정에서, 확관시 강관 용접부에서 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있는 강관의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 과제는 상술한 사항에 한정되지 않는다. 본 발명의 추가적인 과제는 명세서 전반적인 내용에 기술되어 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 명세서에 기재된 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.

본 발명의 일태양은 강판을 강관 형태로 성형하고, 상기 강판의 에지부를 용접하여 용접부를 형성하고, 이후 확관을 행하는 강관의 제조방법에 있어서,

상기 용접부의 토우각(toe angle)이 130°이상이 되도록 용접하는 용접부 균열 저항성이 우수한 강관의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 강관을 제조하는 과정에서, 확관 시 발생하는 용접부의 균열이 발생할 수 있는 확율을 낮출 수 있고, 이를 통해 제품의 불량율을 낮춰 안정적으로 강관을 제조할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래에 확관시 용접부에서 균열이 발생한 것을 관찰할 사진으로, 특히 비드 끝단에서 균열이 발생한 것을 관찰한 사진이다.
도 2는 용접부의 토우각(toe angle)을 개념을 모식화한 모식도이다.
도 3은 강관의 형상비(직경/두께, D/t)에 따른 토우각(toe angle)의 응력분포를 나타낸 그래프이다.

본 발명이 발명자들은 강관을 제조하는 과정에서, 먼저 판재를 강관 형태로 성형하고 용접한 후, 확관 과정에서 용접부에서 균열이 발생하는 것을 발견하고 그 원인을 깊이 연구하였다. 그 결과, 확관율 약 0.064% 정도에서 최초로 항복강도를 넘어선 후 최대 응력 집중을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 상기 확관율이 0.064% 수준에서 항복강도 이하의 응력 집중을 확보하는 것이 중요하다는 점을 인지하고, 본 발명에 이르게 되었다.

이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은, 강판을 성형하여 강관 형태로 제조하고, 강판의 에지부를 용접하여 용접부를 형성한 후, 확관을 행하는 강관의 제조 방법에 관한 것이다.

이때, 상기 용접부의 토우각(toe angle)은 130° 이상이 되도록 용접하는 것이 바람직하다.

강판을 강관 형태로 성형한 후 에지부를 용접하고 단면을 관찰하면, 일정한 각을 갖는다. 이때 양 에지부가 이루는 각을 반으로 나눈 값을 피킹각(peaking angle)이라 한다. 상기 피킹각(peaking angle)과 별개로, 상기 강관의 내면과 용접부가 이루는 각을 토우각(toe angle)이라 한다. 도 2는 상기 토우각(toe angle)을 모식적으르 나타낸 것이다.

도 3은 강관의 형상비(직경/두께, D/t)에 따른 토우각(toe angle)의 응력분포를 유한요소해석을 통해 얻은 결과 그래프이다. 상기 D는 강관의 직경(mm), t은 강판의 두께(mm)를 의미한다.

상기 도 3의 결과는 조관 후 0.064%의 확관율로 확관할 경우, 용접부 토우각(toe angle)에 따라, 응력 분포(σ_Hoop/σ_YS, 여기서 σ_Hoop는 소재에 걸리는 하중, σ_YS는 소재가 갖는 항복강도를 의미함)를 나타낸 것으로서, 형상비(D/t)에 상관없이, 확관시 약 130°의 토우각(toe angle)에서 항복강도와 동일한 응력집중 즉, σ_Hoop/σ_YS이 1이 되는 것을 있다. 따라서, 상기 토우각(toe angle)이 130° 이상인 경우에는 구조의 설계응력 기준인 소재의 항복강도 이하인 응력 집중 상태가 나타나므로, 용접부의 균열이 발생할 확률이 낮아지는 것을 알 수 있다.

한편, 상기 토우각(toe angle)의 상한은 특별히 한정하지 않으나, 강관 내부와 용접부가 이루는 각도이므로, 이론적으로 180°를 초과하지 않는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 강관을 제조하는데 사용되는 강판은 그 종류를 특별히 제한하지 않는다. 일예로써, 원유(oil), 가스 등을 수송하는 라인파이프에 사용되는 강재가 있다. 이러한 강재는 강관의 사용환경에 따라 저온에서의 균열전파저항성과 인성이 우수하거나, 오일이나 가스 내의 불순물인 황화수소(H₂S) 가스의 의한 수소유기균열 저항성이 우수한 강재가 바람직하다.

상기 강관 형태로 성형하는 방법은 확관을 수반하는 라인파이프 제조 공정이 적용될 수 있다. 일예로서, UOE 방법, JCOE 방법, 롤 벤딩(Roll bending) 등이 적용될 수 있다.

상기 UOE 방법은 판재를 프레스에 의해 판재 양 끝단(edge)을 굽혀주는 C-crimping 공정 후, 판재를 알파벳 U자, O자 순서로 성형한 후, 상기 양 끝단을 서브머지드 아크 용접으로 용접하여 강관을 제조하고, 진원도 향상 및 잔류 응력 완화를 위해 확관을 실시한다.

상기 JCOE 방법은 판재를 알파벳 J자, C자 및 O자 순서로 성형한 후 판재 끝단을 용접하여 강관을 제조한 후, 확관을 실시한다. 롤 벤딩(Roll bending)은 3개의 롤(Roll) 사이에 판재를 통과시키면서, 롤(Roll)을 눌러 원하는 직경으로 강관을 제작한 후, 용접을 실시하고 확관을 행하여 강관을 제작하는 기술이다.

상기 용접 방법은 일예로써, 서브머지드 아크 용접(Submerged Arc Welding, SAW)법이 적용될 수 있다. 이때 용접재료 및 용접조건(전극, 전류, 속도 등)은 제조되는 강관, 파이프의 재질, 기계적 특성, 용도, 용접 주체 등에 따라서 달라질 수 있다.

용접부에 형성되는 상기 토우각(toe angle)을 증가시키기 위해서는 용접시 비드의 여성부(reinforcement) 높이를 줄여야 하며, 이를 위해 용접시 전류값을 증가시켜 비드 폭을 증가시키는 것이 바람직하다. 한편, 과도한 용접 입열량에 의해 비드 높이가 증가할 수 있기 때문에 강관의 두께에 맞는 적정 용접 입열량의 선정이 중요하다.

상기 확관 공정은 통상적으로 용접 후, 제조된 강관의 진원도를 향상시키기 위해 행해지며, 일정한 곡률을 가진 다수의 맨드릴(Mandrel)을 강관 내부에 위치시키고, 강관의 내부에서 외부로 일정한 압력을 가해 원하는 직경의 강관을 제조하는 공정이다. 이때, 확관율은 강관의 종류나 고객사의 요구조건에 따라 다양하게 적용될 수 있으며, 일예로 0.8~1.5% 범위에서 수행된다.

Claims (4)

1. 강판을 강관 형태로 성형하고, 상기 강판의 에지부를 용접하여 용접부를 형성하고, 이후 확관을 행하는 강관의 제조방법에 있어서,
   상기 용접부의 토우각(toe angle)이 130°이상이 되도록 용접하는 용접부 균열 저항성이 우수한 강관의 제조방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 확관 시, 강관의 응력 분포(σ_Hoop/σ_YS, 여기서 σ_Hoop는 소재에 걸리는 하중, σ_YS는 소재가 갖는 항복강도를 의미함)가 1 이하인 용접부 균열 저항성이 우수한 강관의 제조방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 성형은 UOE 방법, JCOE 방법 및 롤 벤딩(Roll bending) 방법 중 어느 하나의 방법으로 행하는 용접부 균열 저항성이 우수한 강관의 제조방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 확관 시, 확관율은 0.8~1.5%로 행하는 용접부 균열 저항성이 우수한 강관의 제조방법.
   

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