KR20200081078A

KR20200081078A - 복합소재를 이용한 고압 파이프 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20200081078A
Application number: KR1020180171192A
Authority: KR
Inventors: 성화준; 변의현; 김민아
Original assignee: 한화글로벌에셋 주식회사
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2020-07-07

Abstract

본 발명은 높은 외압강도를 가지면서 경량화를 달성할 수 있는 복합소재를 이용한 고압 파이프 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 복합소재를 이용한 고압 파이프는 수지를 성형하여 파이프 형상으로 형성된 관체와; 복합소재로 이루어져서 상기 관체의 외주면에 와인딩된 보강테이프로 이루어지되, 상기 관체의 수지에 상기 보강테이프의 수지가 일체로 결합된 것을 특징으로 한다.

Description

복합소재를 이용한 고압 파이프 및 이의 제조방법{High pressure pipes using composite material}

본 발명은 복합소재를 이용한 고압 파이프 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 높은 외압강도를 가지면서 경량화를 달성할 수 있는 복합소재를 이용한 고압 파이프 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

고압 파이프는 원유, 오수 및 폐수 등을 수송하는 용도로 사용된다. 이러한 수송용 파이프는 안전성과 장기간의 수명을 갖기 위해서 적정한 환경응력균열저항성(ESCR성)을 유지하면서, 토압 등 외부하중에 대하여 매우 높은 외압강도를 가지는 것이 필수적이다.

고압 파이프는 강도가 높은 금속소재의 파이프가 사용되기도 하지만, 금속 소재의 파이프는 부식에 취약하고, 상당한 중량물이기 때문에 시공에 중장비가 동원되어야 하는 단점이 있다.

그래서, 고압 파이프는 강성이 우수한 플라스틱 소재의 파이프가 사용되고 있는 실정이다.

고압 파이프의 중요 물성치 중 하나인 외압강도는 고압 파이프를 형성하는 수지의 종류 및 결정화도에 크게 좌우된다. 예를 들어 고압 파이프를 성형하기 위하여 폴리에틸렌 수지를 사용하되, 넓은 분자량 분포도를 가지는 고밀도 폴리에틸렌 수지를 사용하는 기술이 널리 사용되고 있다. 하지만, 폴리에틸렌 자체의 결정화도, 즉 밀도를 높임으로써 폴리에틸렌의 외압강도를 향상시킬 수는 있으나, 폴리에틸렌의 밀도를 높여 외압강도를 향상시키면, 반대급부적으로 환경응력균열저항성이 현저하게 저하되는 문제가 있다.

그래서, 종래에는 고압 파이프의 외압강도를 향상시키기 위하여 수지 조성물을 개량하는 연구가 주로 실시되고 있었다.

하지만, 본 출원인은 수지 조성물의 개량이 아닌 고압 파이프의 구조를 변경하여 외압강도를 향상시키는 방안을 연구하였다.

상기의 배경기술로서 설명된 내용은 본 발명에 대한 배경을 이해하기 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

공개특허공보 제10-2003-0038277호 (2003.05.16)

본 발명은 높은 외압강도를 가지면서 경량화를 달성할 수 있는 복합소재를 이용한 고압 파이프 및 이의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 복합소재를 이용한 고압 파이프는 수지를 성형하여 파이프 형상으로 형성된 관체와; 복합소재로 이루어져서 상기 관체의 외주면에 와인딩된 보강테이프로 이루어지되, 상기 관체의 수지에 상기 보강테이프의 수지가 일체로 결합된 것을 특징으로 한다.

상기 보강테이프는 다수의 연속섬유 형태의 강화섬유와; 상기 다수의 강화섬유에 수지를 함침시켜서 강화섬유를 둘러싸는 필름 형태로 형성되는 피복필름으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 관체 및 피복필름을 형성하는 수지는 동일한 열가소성 수지인 것을 특징으로 한다.

상기 수지는 폴리케톤(Polyketone)인 것이 바람직하다.

상기 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유, 세라믹섬유 및 천연섬유 중 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다.

상기 보강테이프는 강화섬유의 함량이 보강테이프의 전체 중량 대비 30 ~ 70wt%인 것이 바람직하다.

상기 관체는 강화섬유에 상기 수지가 함침된 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 복합소재를 이용한 고압 파이프의 제조방법은 다수의 연속섬유 형태의 강화섬유에 수지를 함침시켜서 강화섬유를 필름 형태로 둘러싸는 보강테이프를 준비하는 보강테이프 준비단계와; 수지를 성형하여 파이프 형상으로 관체를 성형하는 관체 성형단계와; 성형된 관체가 경화되기 전에 상기 관체에 보강테이프를 와인딩하는 와인딩단계와; 상기 관체의 수지가 경화되면서 상기 보강테이프의 수지와 일체로 결합되는 경화단계를 포함한다.

상기 보강테이프 준비단계에서 상기 피복필름을 형성하는 수지와 상기 관체 성형단계에서 상기 관체를 형성하는 수지는 동일한 열가소성 수지인 것을 특징으로 한다.

상기 수지는 폴리케톤(Polyketone)인 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에 따르면, 복합소재를 관체의 외주면에 와인딩하는 간편한 공법으로 관체의 경량화를 달성하면서 외압강도를 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재를 이용한 고압 파이프를 보여주는 사시도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보강테이프를 보여주는 도면이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재를 이용한 고압 파이프를 제조하는 방법을 보여주는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재를 이용한 고압 파이프를 보여주는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보강테이프를 보여주는 도면이다.

도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 복합소재를 이용한 고압 파이프는 수지를 성형하여 파이프 형상으로 형성된 관체(100)와; 복합소재로 이루어져서 상기 관체(100)의 외주면에 와인딩된 보강테이프(200)로 이루어진다.

이때 관체(100)의 수지와 보강테이프(200)의 수지는 그 접촉면이 일체로 결합되는 것이 바람직하다.

관체(100)는 원유, 오수 및 폐수 등을 수송하는 파이프의 역할을 할 수 있도록 내부에 중공이 형성된 파이프 형상으로 형성된다. 이때 관체(100)의 단면 형상은 원형에 한정되지 않고, 다양한 형상으로 변경되어 구현될 수 있다.

관체(100)는 내열성, 내부식성, 내마모성 및 내화학성을 갖는 수지를 사용하여 제작되는 것이 바람직하다. 예를 들어 관체(100)는 폴리케톤(Polyketone)을 사용하여 제작될 수 있다. 물론 관체(100)를 제작하는데 사용되는 수지는 폴리케톤(Polyketone)으로 한정되는 것이 아니라, 수용용 고압 파이프에서 요구되는 물성을 달성할 수 있는 다양한 종류의 수지가 적용될 수 있다.

한편, 관체(100)는 폴리케톤(Polyketone)을 사용하여 수지로만 형성할 수 있지만, 이에 한정되지 않고, 강화섬유에 폴리케톤(Polyketone)을 함침하여 파이프 형상으로 제작될 수 있다. 이때 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유, 세라믹섬유 및 천연섬유 중 어느 하나 또는 그 이상의 섬유가 사용될 수 있다.

보강테이프(200)는 관체(100)의 외주면에 와인딩되어 관체(100)의 강성을 보강하는 수단이다.

예를 들어 보강테이프(200)는 다수의 연속섬유 형태의 강화섬유(210)와; 상기 다수의 강화섬유(210)에 수지를 함침시켜서 강화섬유를 둘러싸는 필름 형태로 형성되는 피복필름(220)으로 이루어진다.

강화섬유(210)는 다발로 준비되어 수지의 함침에 의해 형성되는 피복필름(220)에 의해 피복된다. 이때 강화섬유(210)는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유, 세라믹섬유 및 천연섬유 중 어느 하나 또는 그 이상의 섬유가 사용될 수 있다.

피복필름(220)은 관체(100)과의 결합력을 향상시키기 위하여 관체(100)를 형성하는 수지와 동일한 열가소성 수지로 형성되는 것이 바람직하다. 그래서 본 실시예에서는 피복필름(220)을 관체(100)와 동일하게 폴리케톤(Polyketone)을 사용하여 제작할 수 있다.

이때 피복필름(132)은 보강테이프(130)가 관체(100)의 외주면에 와인딩될 수 있도록 유연성을 갖는 것이 바람직하다. 이를 위하여 피복필름(220)은 강화섬유(210)을 피복할 수 있으면서 가능한 두께를 얇게 하여 유연성을 확보하는 것이 바람직하다.

한편, 관체(100) 및 피복필름(220)을 형성하는 수지인 폴리케톤(Polyketone)은 일산화탄소와 에틸렌, 프로필렌이 공조합된 수지로서, 융점(Tm)이 220℃ 이상으로 높기 때문에 내열성, 내마모성, 내충격성 및 내화학성이 우수한 엔지니어링 플라스틱이다.

그리고, 보강테이프(200)는 강화섬유(210)의 함량이 보강테이프의 전체 중량 대비 30 ~ 70wt%인 것이 바람직하다. 강화섬유(210)의 함량이 제시된 함량보다 적은 경우에는 보강테이프로 인한 강도 보강의 효과를 원하는 수준으로 기대할 수 없고, 강화섬유의 함량이 제시된 함량보다 많은 경우에는 보강테이프(200)와 관체(100)의 결합을 원하는 수준으로 보장할 수 없는 문제가 있다.

상기와 같이 이루어지는 복합소재를 이용한 고압 파이프를 제조하는 방법에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재를 이용한 고압 파이프를 제조하는 방법을 보여주는 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재를 이용한 고압 파이프의 제조방법은 다수의 연속섬유 형태의 강화섬유(210)에 수지를 함침시켜서 강화섬유(210)를 필름 형태로 둘러싸는 보강테이프(200)를 준비하는 보강테이프 준비단계와; 수지를 성형하여 파이프 형상으로 관체(100)를 성형하는 관체 성형단계와; 성형된 관체(100)가 경화되기 전에 상기 관체(100)에 보강테이프(200)를 와인딩하는 와인딩단계와; 상기 관체(100)의 수지가 경화되면서 상기 보강테이프(200)의 수지와 일체로 결합되는 경화단계를 포함한다.

보강테이프 준비단계에서는 열가소성 수지인 폴리케톤(Polyketone)을 강화섬유(210)에 함침시킨 다음 경화시켜 준비한다. 이때 보강테이프(200)의 두께를 얇게 하여 보강테이프(200)에 유연성이 확보되도록 하는 것이 바람직하다.

관체 성형단계는 열가소성 수지인 폴리케톤(Polyketone)을 파이프 형상으로 성형한다. 이때 관체(100)는 폴리케톤(Polyketone)만을 사용하여 형성할 수 있지만, 이에 한정되지 않고, 강화섬유에 폴리케톤(Polyketone)을 함침하여 파이프 형상으로 제작될 수 있다.

와인딩단계에서는 관체(100)를 형성하는 수지가 완전히 경화되기 전에 그 외주면에 보강테이프(200)를 와인딩시킨다.

경화단계는 관체(100)를 형성하는 수지가 경화되면서 보강테이프(200)의 수지와 접촉면에서 일체로 결합된다.

도 3은 와인딩단계와 열처리단계가 실시되는 장치를 보여준다. 도 3에 도시된 바와 같이 준비된 보강테이프(200)는 다수의 드럼(30)에 권취하여 준비한다. 이 상태에서 폴리케톤(Polyketone)을 압출기(10)로 인입시켜 파이프 형상의 관체(100)로 압출 성형시킨다. 이렇게 압출 성형된 관체(100)는 오븐(20)을 통과하면서 그 외주면에 융점 이상으로 가열되면서 관체(100)의 외주면에 보강테이프(200)가 일체로 결합될 준비를 한다.

이 상태에서 오븐(20)을 통과한 관체(100)를 회전시키면서 인출시키고, 관체(100)의 회전에 의해 드럼(30)에 권취된 보강테이프(200)가 풀리면서 관체(100)의 외주면에 와인딩된다. 관체(100)의 외주면에 와인딩된 보강테이프(200)는 오븐(20)에서 가열된 관체(100)의 표면 온도에 의해 일부 용융되면서 관체(100)의 용융된 외주면과 일체로 결합된다.

경화단계에서는 상온에서 관체(100)가 완전히 경화되면서 보강테이프(200)와의 접촉면에서 관체(100)의 수지와 보강테이프(200)의 수지가 일체로 결합된다.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

100: 관체 200: 보강테이프
210: 강화섬유 220: 피복필름
10: 압출기 20: 오븐
30: 드럼

Claims

수지를 성형하여 파이프 형상으로 형성된 관체와;
복합소재로 이루어져서 상기 관체의 외주면에 와인딩된 보강테이프로 이루어지되,
상기 관체의 수지에 상기 보강테이프의 수지가 일체로 결합된 것을 특징으로 하는 복합소재를 이용한 고압 파이프.
청구항 1에 있어서,
상기 보강테이프는 다수의 연속섬유 형태의 강화섬유와; 상기 다수의 강화섬유에 수지를 함침시켜서 강화섬유를 둘러싸는 필름 형태로 형성되는 피복필름으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합소재를 이용한 고압 파이프.
청구항 2에 있어서,
상기 관체 및 피복필름을 형성하는 수지는 동일한 열가소성 수지인 것을 특징으로 하는 복합소재를 이용한 고압 파이프.
청구항 3에 있어서,
상기 수지는 폴리케톤(Polyketone)인 것을 특징으로 하는 복합소재를 이용한 고압 파이프.
청구항 2에 있어서,
상기 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유, 세라믹섬유 및 천연섬유 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 복합소재를 이용한 고압 파이프.
청구항 2에 있어서,
상기 보강테이프는 강화섬유의 함량이 보강테이프의 전체 중량 대비 30 ~ 70wt%인 것을 특징으로 하는 복합소재를 이용한 고압 파이프.
청구항 1에 있어서,
상기 관체는 강화섬유에 상기 수지가 함침된 것을 특징으로 하는 복합소재를 이용한 고압 파이프.
다수의 연속섬유 형태의 강화섬유에 수지를 함침시켜서 강화섬유를 필름 형태로 둘러싸는 보강테이프를 준비하는 보강테이프 준비단계와;
수지를 성형하여 파이프 형상으로 관체를 성형하는 관체 성형단계와;
성형된 관체가 경화되기 전에 상기 관체에 보강테이프를 와인딩하는 와인딩단계와;
상기 관체의 수지가 경화되면서 상기 보강테이프의 수지와 일체로 결합되는 경화단계를 포함하는 복합소재를 이용한 고압 파이프의 제조방법.
청구항 8에 있어서,
상기 보강테이프 준비단계에서 상기 피복필름을 형성하는 수지와 상기 관체 성형단계에서 상기 관체를 형성하는 수지는 동일한 열가소성 수지인 것을 특징으로 하는 복합소재를 이용한 고압 파이프의 제조방법.
청구항 9에 있어서,
상기 수지는 폴리케톤(Polyketone)인 것을 특징으로 하는 복합소재를 이용한 고압 파이프의 제조방법.