KR20210126613A - 관 구조물 및 이러한 관 구조물의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 개시는 고압 응용물을 위한 관 구조물에 관한 것이다. 선행 기술로부터 공지된 관의 단점들 중 적어도 하나를 극복한 관 구조물을 제공하기 위해, 개시된 바에 따르면, 관 구조물은 금속으로 구성되며 내부면 및 외부면을 포함하는 내부관, 내부관의 외부면을 둘러싸며 복수의 얀을 포함하는 적어도 하나의 스트랜드 및 스트랜드와 내부관을 둘러싸는 보호관을 포함하고, 얀들 중 적어도 하나의 얀은 탄소 섬유를 포함하는 것이 제안된다.
Description
본 개시는 관 구조물, 이러한 관 구조물의 제조 방법 및 이러한 관 구조물의 용도에 관한 것이다.
관, 특히 금속으로 구성된 관은 높은 부하에 노출되는 다양한 기술 분야들에서 사용된다. 이러한 기술 분야에 관한 예시로, 내연기관을 위한 주입 기술 및 화학 산업이 있다. 이때 특히 장시간에 걸쳐 높은 압력을 견딜 수 있는 관 요건이 존재한다.
선행 기술로부터 12,000 bar를 초과한 압력을 견딜 수 있는 고압 응용물용 관이 이미 공지되어 있다. 이러한 높은 압력에서 관은 관 내에 크랙을 형성시킬 수 있는 매우 큰 부하를 받는다. 크랙 형성으로 인하여 관이 고장나고 최악의 경우 관의 파손이 발생할 위험이 있다.
균일한 물질 조성에서 관의 내압력성은 관의 벽두께에 의해 증가하는 것으로 알려져 있는데, 관의 내부면으로부터 관의 외부면으로 크랙의 확산은 벽두께의 증가 시 더 길게 소요되기 때문이다. 따라서 고압 응용물에서 일반적으로 두꺼운 벽의 관이 사용된다. 더 높은 압력일수록 관의 벽두께는 증가한다. 그러나 동일한 내부 직경에서 벽두께의 증가는 마찬가지로 관의 외부 직경 및 고유 중량을 증가시킨다. 이는 예컨대 지상용 차량 및 항공 차량에서 사용되는 바와 같은 다수의 적용예에서 단점인 것으로 확인되었다.
따라서 전술한 단점들 중에 적어도 하나의 단점을 극복하는 관 구조물이 요구된다. 또한, 선행 기술로부터 공지된 관들에 비해 훨씬 더 높은 압력을 견딜 수 있는 관 구조물이 요구된다. 또한, 이러한 관 구조물의 제조 방법이 요구된다.
본 개시의 제1 양태에 따르면, 금속으로 구성되며 내부면 및 외부면을 포함하는 내부관, 복수의 얀(yarn)을 포함하며 내부관의 외부면을 둘러싸는 적어도 하나의 스트랜드 및 이러한 스트랜드와 내부관을 둘러싸는 보호관을 포함하는 관 구조물이 제공되며, 이때 얀들 중 적어도 하나의 얀은 탄소섬유를 포함한다.
본 개시에 따른 관 구조물은, 내부관이 이러한 내부관을 둘러싸는 적어도 하나의 스트랜드에 의해 보강된다는 사상에 기초를 둔다. 일 실시 형태에서 관 구조물은 선행 기술로부터 공지된 관에 비해 더 높은 압력을 견딜 수 있다. 또한, 일 실시 형태에서 높은 압력에서 관 구조물의 보다 긴 유효 수명이 달성될 수 있다. 또한, 일 실시 형태에서 본 개시에 따른 관 구조물은 보호관과 내부관 사이에 힘에 의한 결합을 향상시킨다. 본 개시의 일 실시 형태에서 관 구조물은 15000 bar 이상의 압력을 견딘다.
관의 고장 및 관 파손은 주로 크랙의 임계적 성장과 함께 시작되는데, 이러한 임계적 성장에서 예컨대 크랙은 관 내부면으로부터 관 외부면까지 전파된다. 본 개시에 따르면, 적어도 하나의 스트랜드는 내부관을 둘러싸고, 포함하는 탄소 섬유의 속성들로 인하여 적어도 일 실시 형태에서 고압 시 내부관에 크랙이 형성되고 이러한 크랙이 내부관의 물질 내에서 전파되는 위험을 감소시킨다. 이는 선행 기술로부터 공지된 관에 비하여 전체 관 구조물의 고장 위험을 줄인다.
복수의 얀을 포함하는 적어도 하나의 스트랜드를 사용하고, 이러한 얀들 중 적어도 하나의 얀은 탄소 섬유를 포함함으로써, 선행 기술로부터 공지된 고압 응용물을 위한 관에 비하여 일 실시 형태에서 유사한 압력 하중이 있을 시 전체 관 구조물의 벽두께 및 이로 인하여 관 구조물이 차지하는 설치 공간이 감소될 수 있다. 본 개시에 따른 관 구조물의 벽두께는 보호관의 외부 직경과 내부관의 내부 직경 간의 차로 계산된다.
또한, 본 개시에 따른 관 구조물은 동일한 내부 직경 및 외부 직경을 가진 솔리드(solid) 관에 비해 경량이다. 이는 금속에 비해 탄소 섬유의 낮은 물질 밀도로 인한 것이다.
본 개시의 견지에서 탄소섬유는 카본섬유 또는 석탄섬유로도 지칭된다. 탄소 섬유는 산업적으로 제조되고 원료에 맞게 조정된 화학반응에 의해 그라파이트 방식으로 배치되는 탄소로 변환된다. 탄소 섬유는 높은 강도 및 강성을 포함함과 동시에 축방향으로 낮은 파단신율을 포함한다.
복수의 탄소섬유는 추가 처리를 위해 하나의 얀으로 결집된다. 이와 같은 탄소 섬유를 포함하는 얀은 멀티필라멘트 얀(multifilament yarn) 또는 로빙(roving)으로도 지칭된다. 본 개시에 따르면, 얀이란 개념은 길고 얇은 조형물을 의미한다. 본 개시의 견지에서의 얀은 일 실시 형태에서 탄소 섬유 외에 하나 이상의 다른 물질로 구성된 섬유들도 포함할 수 있다. 얀은 본 개시의 견지에서의 스트랜드를 제조하기 위한 중간 생성물로 역할한다.
본 개시의 일 실시 형태에서, 적어도 하나의 스트랜드는 제직물, 편조물, 편성물 및 다축 직물 또는 이들의 임의 조합으로부터 선택된다.
복수의 얀을 포함하는 적어도 하나의 스트랜드는 일 실시 형태에서 부가적으로 또한, 탄소 섬유와 상이한 하나 이상의 다른 물질을 포함하거나 이러한 물질로 구성된 하나 이상의 얀을 포함한다.
예컨대, 스트랜드는 일 실시 형태에서 부가적으로, 탄소 섬유의 속성들과 상이한 적어도 하나의 속성을 갖는 물질로 구성된 섬유를 포함하는 얀을 포함한다. 이러한 부가적 속성은 관 구조물의 특성에 긍정적으로 작용할 수 있다.
본 개시의 일 실시 형태에서 적어도 하나의 스트랜드는 튜브 방식 또는 양말 방식으로 형성된다. 튜브 방식 또는 양말 방식으로 형성됨으로써, 스트랜드가 둘레 방향에서 내부관을 둘러쌀 수 있는 것이 보장된다.
본 개시의 일 실시 형태에서 적어도 하나의 스트랜드는 적어도 50%의 탄소섬유 비율을 포함한다.
본 개시의 일 실시 형태에서 적어도 하나의 스트랜드는 적어도 90%의 탄소섬유 비율을 포함한다.
본 개시의 일 실시 형태에서 적어도 하나의 스트랜드는 전체적으로 탄소 섬유로 구성된다.
일 실시 형태에서, 내부관의 연신은 적어도 하나의 스트랜드의 연신보다 큰 반면, 이와 동시에 적어도 하나의 스트랜드의 인장 강도는 내부관의 인장 강도 보다 크다.
관, 본 개시의 견지에서 관 구조물은 종방향으로 신장되는 중공체이고, 이러한 중공체의 길이는 일 실시 형태에서 중공체의 직경보다 현저히 크다. 일 실시 형태에서 관, 본 개시의 견지에서 관 구조물은 종방향으로 신장되는 중공 실린더형 몸체이다. 이때 관 또는 본 개시의 견지에서의 관 구조물로서의 기능을 위해, 몸체의 내부에서 유체, 즉 액체 또는 가스의 이송을 위한 자유 횡단면이 제공되는 것이 중요하다.
본 개시의 일 실시 형태에서, 내부관은 심리스(seamless) 관, 즉 관의 종방향으로 (용접)심을 포함하지 않은 관이다. 심리스관의 이점들은 종방향으로 용접된 관에 비하여 관의 유효수명 증가, 동일한 강도에서 더 낮은 중량을 달성하는 가능성 및 내부면의 보다 양호한 품질이다. 동일한 외부 직경 및 동일한 벽두께를 포함하고 용접된 관과 심리스 관을 비교하면, 심리스 관이 더 높은 후프 응력(hoop stress)을 견딘다. 따라서 용접된 관에 비해 얇은 벽두께를 가지면서도 동일한 후프 응력을 견딜 수 있는 심리스 관이 제조될 수 있다. 이러한 이유로, 물질 및 중량이 절감될 수 있다. 따라서 내부관의 외부면을 둘러싸는 적어도 하나의 스트랜드의 용도 및 심리스 관을 조합하여, 선행 기술로부터 공지된 고압 응용물용 관에 비하여 얇은 벽두께 및 중량 감소에 추가적으로 유리하게 영향을 미칠 수 있다.
본 개시의 일 실시 형태에서, 내부관은 내부관의 종방향으로 용접된 관이다.
본 개시의 일 실시 형태에서, 내부관은 냉간 성형된 관이다. 냉간 성형에 의하여 내부관의 금속의 냉간 경화가 달성된다. 냉간 경화에 의하여, 성형된 내부관의 재료 강도 및 이로 인하여 인장 강도 및 내압력성이 증가할 수 있다. 이때 인장 강도는 내부관의 재료가 파손 또는 찢김(tearing) 전에 견디는 최대의 기계적 인장 응력을 의미한다. 따라서 이와 같이 제조된 관의 속성들은 냉간 성형 및 이와 결부된 냉간 경화에 의해 목적한 바에 맞게 변경될 수 있다. 본 개시의 견지에서 냉간 성형은 금속의 재결정화 온도보다 낮은 온도에서의 성형을 의미한다.
본 개시의 일 실시 형태에서 내부관은 자긴가공된다.
본 개시의 일 실시 형태에서 내부관의 내부면은 버니싱된다(burnished).
고압 기술에서 관 및 다른 부품의 제조를 위해 상이한 금속 재료가 사용된다. 본 개시의 일 실시 형태에서 내부관의 물질은 탄소강, 저합금 강 및 고합금 강으로부터 선택된다. 특히 높은 동적 내압력성은 고합금 강으로 구성된 관에서 얻어지며, 이러한 관은 냉간 경화되거나 조질처리되고 마지막으로 적어도 내부관의 내부면에서 버니싱되었다.
본 개시의 일 실시 형태에서, 내부관은 스테인리스 강관이다. 본 개시의 일 실시 형태에서 내부관은 오스테나이트 스테인리스 강으로 구성된다.
본 개시의 일 실시 형태에서 내부관은 내식성을 가진다. 이러한 특징은 고압 응용물을 위한 관의 사용을 위해 유리한데, 내부관의 부식이 시작되고, 즉 분해가 진행되면 내부관의 내압력성을 저하시킬 것이기 때문이다.
본 개시의 다른 실시 형태에서 냉간 경화된 내부관은 적어도 900 MPa의 인장 강도(Rm)를 포함한다. 일 실시 형태에서 냉간 경화된 내부관은 적어도 1,100 MPa의 인장 강도(Rm)를 포함한다.
본 개시의 일 실시 형태에서, 내부관은 중량퍼센트로 C≤0.08, 8≤Mn≤10, Si≤1, P≤0.06, S≤0.03, 19≤Cr≤21, 5≤Ni≤7, 0.15≤N≤0.4, 1.5≤Mo≤3을 포함하고, 잔여 Fe 및 통상적으로 존재하는 불순물을 포함하는 오스테나이트 스테인리스 강으로 구성된다. 이러한 재료의 일 실시 형태에서 C≤0.040 중량퍼센트가 나타난다. 본 개시의 다른 실시 형태에서, 내부관은 중량퍼센트로 C≤0.08, 8≤Mn≤10, Si≤1, P≤0.03, S≤0.03, 19≤Cr≤21.5, 5.5≤Ni≤7.5, 0.15≤N≤0.4, 1.5≤Mo≤3으로 구성되고 잔여 Fe 및 통상적으로 존재하는 불순물을 포함하는 오스테나이트 스테인리스 강으로 구성된다. 이러한 재료의 일 실시 형태에서 C≤0.040 중량퍼센트가 나타난다.
앞에서 정의된 오스테나이트 스테인리스 강은 예컨대 Sandvik 사의 21-6-9 스테인리스 강으로 상업적으로 수득 가능하다. 이러한 스테인리스 강은 UNS S21900으로도 지칭된다. 이러한 물질은 고함량 Mn, 저함량 Ni 및 첨가물 N으로 특징지어진다. 이러한 강은 경화된 상태에서 높은 기계적 강도, -230℃까지 이르는 온도에서도 매우 양호한 충격강도 및 매우 양호한 고온 산화 저항성으로 특징지어진다.
이러한 개시의 일 실시 형태에서, 내부관은 내부 직경, 외부 직경 및 벽두께를 포함하는 고압관이다. 본 개시의 견지에서 고압관은 벽두께가 내부 직경과 동일하거나 그보다 큰 관을 가리킨다. 내부관의 벽두께는 내부관의 외부 직경과 내부관의 내부 직경 간의 차로 정의된다. 본 개시의 견지에서 고압관은 일 실시 형태에서 1300 bar를 초과하는 압력을 포함하는 유체를 안내하는 역할을 한다.
이러한 개시의 일 실시 형태에서, 내부관은 표면 품질을 포함하여, 적어도 내부면에 존재하는 크랙은 50 ㎛의 깊이를 초과하지 않는다. 보다 양호한 표면 품질은 크랙의 형성, 확산 및 성장에 대한 내부관의 보다 양호한 저항성과 결부된다. 따라서 내부관의 표면 품질이 높을수록, 높은 압력의 영향을 받을 시 내부관의 파열 위험이 감소된다.
일 실시 형태에서, 적어도 내부관의 내부면에 존재하는 크랙은 20 ㎛의 깊이를 초과하지 않는다. 일 실시 형태에서 적어도 내부관의 내부면에 존재하는 크랙은 10 ㎛의 깊이를 초과하지 않는다. 일 실시 형태에서 적어도 내부관의 내부면에 존재하는 크랙은 7 ㎛의 깊이를 초과하지 않는다. 일 실시 형태에서, 최대 크랙 깊이에 대한 제공된 한계들은 내부면뿐만 아니라 내부관의 전체 표면에 적용된다. 이와 같이 높은 표면 품질은, 기존의 크랙이 내부관의 내부면으로부터 시작하여 내부관의 외부면의 방향으로 거의 확산될 수 없도록 역할하여, 내부관은 높은 내압력성을 가진다.
내부관이 이러한 내부관 내에서 안내되는 유체와 접촉하는 바로 그 위치들에서, 충분히 높은 표면 품질을 확보하는 것이 중요한데, 고압을 받는 유체와 접촉할 시 이미 근소한 요철로도 크랙의 형성을 야기할 수 있기 때문이다. 따라서 본 개시의 일 실시 형태에서 내부관의 내부면의 표면 품질은 내부면의 가공, 예컨대 버니싱에 의해, 앞에서 열거된 최대 크랙 깊이 한계값들이 준수되는 방식으로 형성된다.
적어도 하나의 스트랜드와 내부관을 둘러싸는 보호관은 적어도 하나의 스트랜드를 환경 영향으로부터 보호한다. 보호관은 예컨대, 장착된 상태에서 관 구조물을 둘러싸는 물질에 의해 적어도 하나의 스트랜드가 마손되는 것을 감소시킨다. 그렇지 않으면 이와 같은 환경 영향은 적어도 하나의 스트랜드의 약화 또는 파괴를 야기할 수 있다.
이러한 개시의 일 실시 형태에서, 보호관은 금속으로 구성된다. 이러한 개시의 일 실시 형태에서 보호관 및 내부관은 동일한 물질로 구성되는 반면, 대안적 실시 형태에서 보호관 및 내부관은 서로 상이한 물질을 포함한다. 서로 상이한 물질을 포함하는 경우, 보호관 및 내부관을 위해 목적한 바에 맞게 상이한 속성들이 제공될 수 있다는 이점이 있는데, 이러한 속성들은 특정한 응용물에 맞게 조정된 관 구조물을 수득하기 위해 임의적으로 서로 조합될 수 있다.
이러한 개시의 일 실시 형태에서, 보호관은 비철 금속(NE 금속)으로 구성된다. 본 개시의 견지에서 NE 금속은 철을 제외한 모든 금속 및 주요 요소로 철을 포함하지 않거나 순수한 철(Fe)의 비율이 50%를 초과하지 않는 금속 합금을 가리킨다. 이러한 견지에서 NE 금속을 위한 예는 구리, 알루미늄, 항공기용 알루미늄, 아연, 청동 및 황동이다.
이러한 개시의 일 실시 형태에서, 보호관은 심리스 관이다. 적어도 보호관으로서 심리스 관의 사용 시, 내부관은 내부관의 외부면을 둘러싸는 적어도 하나의 스트랜드와 함께 축방향으로 보호관의 개구부 내에 진입되는 것은 당연한 일이다.
이러한 개시의 일 실시 형태에서, 보호관은 관의 종방향으로 용접된 관이다. 종심용접(longitudinal seam welding)에 의해, 내부관은 적어도 하나의 스트랜드와 함께 보다 간단하게 보호관 내에 도입될 수 있다. 보호관이 금속으로 구성되는 일 실시 형태에서, 보호관은 금속 시트로 이루어진 스트립으로부터 종심 용접된 보호관으로 성형된다. 이러한 실시 형태에서, 우선 내부관은 내부관을 둘러싸는 적어도 하나의 스트랜드와 함께 금속 스트립 상에 제공될 수 있고, 금속 스트립은 절곡 및 이후의 종심 용접에 의하여 적어도 하나의 스트랜드를 둘러싸는 보호관으로 성형될 수 있다.
본 개시의 일 실시 형태에서, 적어도 하나의 스트랜드는 내부관에 대해 동심으로 연장된다. 보호관은 다시 스트랜드 및 내부관에 대해 동심으로 연장된다. 따라서 적어도 하나의 스트랜드는 내부관과 보호관 사이에 위치한다. 형상맞춤 결합이 생성되어, 적어도 하나의 스트랜드는 반경 방향으로 내부관 이상으로 그리고 보호관 이상으로 움직일 수 없다. 형상맞춤 결합만이 존재하면, 보호관, 스트랜드 및 내부관은 축방향에서 서로 반대방향으로 이동될 수 있다.
본 개시의 일 실시 형태에서, 보호관은 내부관 및 적어도 하나의 스트랜드 상에 인장된다. 따라서 보호관과 적어도 하나의 스트랜드 사이에 그리고 적어도 하나의 스트랜드와 내부관 사이에 반경 방향으로 밀접한 형상맞춤 결합이 생성되어, 적어도 하나의 스트랜드는 반경 방향으로 내부관 및 보호관에 대하여 움직일 수 없다.
이러한 개시의 일 실시 형태에서, 보호관 및 적어도 하나의 스트랜드는 또한 힘에 의한 결합방식으로 서로 연결된다.
이러한 개시의 일 실시 형태에서, 보호관, 적어도 하나의 스트랜드 및 내부관은 힘에 의한 결합방식으로 서로 연결된다. 한편으로 보호관과 적어도 하나의 스트랜드 사이의 마찰력, 다른 한편으로 적어도 하나의 스트랜드와 내부관 사이의 마찰력은 적어도 3개의 요소들의 상호 축방향 이동을 방지한다. 보호관과 적어도 하나의 스트랜드 사이에 힘에 의한 결합방식의 연결이 이루어짐으로써, 관 구조물의 속성들은 종합적으로 개선될 수 있어서, 관 구조물은 보다 높은 압력을 견딜 수 있을 뿐만 아니라, 내부관 내부에서 크랙의 형성, 확산 및 성장이 방지된다.
본 개시의 다른 양태에 따르면, 전술한 실시 형태들에 따른 관 구조물은 15,000 bar 이상의 압력의 영향을 받는 유체를 안내하기 위해 사용된다. 이러한 개시의 일 실시 형태에서, 관 구조물은 18,000 bar 이상의 압력의 영향을 받는 유체를 안내하기 위해 사용된다.
본 개시의 다른 양태에 따르면, 관 구조물을 제조하기 위한 방법이 제공되는데, 이러한 방법은:
- 금속으로 구성되며 내부면 및 외부면을 포함하는 내부관을 제공하는 단계,
- 복수의 얀을 포함하는 적어도 하나의 스트랜드를 내부관의 외부면에 조달하는 단계로, 얀들 중 적어도 하나의 얀은 탄소 섬유를 포함하는, 조달 단계, 및
- 스트랜드를 내부관과 함께 보호관 내에 도입하는 단계를 포함한다.
전문에서 본 개시의 실시 형태들에 따른 관 구조물의 특징들이 설명되었던 바에 한하여, 본 개시에 따른 방법은 이러한 개시를 구현하기 위해 상응하는 단계들을 포함한다. 또한, 전술한 방법을 이용하여 본 개시에 따른 관 구조물의 일 실시 형태가 마련될 수 있다.
내부관 상에 적어도 하나의 스트랜드를 조달하기 위해, 적어도 하나의 스트랜드가 내부관을 둘러싸게 하는 전체 공정들을 고려할 수 있다. 예컨대, 적어도 하나의 스트랜드는, 예컨대 원형 조물의 형태로 양말 또는 긴 양말과 같이 내부관 상에 인장될 수 있다. 그러나 이러한 개시의 일 실시 형태에서, 적어도 하나의 스트랜드를 내부관의 외부면에 조달하는 단계는 내부관의 외부면의 제직(weaving), 편조(braiding) 또는 편성(knitting)을 포함한다. 이러한 제직, 편조 또는 편성에 의해, 적어도 하나의 스트랜드와 내부관 사이에 형상맞춤 결합이 생성되어, 적어도 하나의 스트랜드는 반경 방향으로 내부관에 대해 더 이상 움직일 수 없다.
본 개시의 일 실시 형태에서, 제직, 편조 또는 편성은, 적어도 하나의 스트랜드와 내부관 사이에 반경 방향으로 형상맞춤 결합 외에 힘에 의한 결합 또는 마찰결합도 생성되는 방식으로 수행된다. 이러한 개시의 일 실시 형태에서, 제직, 편조 또는 편성은, 적어도 하나의 스트랜드가 이러한 스트랜드의 전체 연장부에 걸쳐 관 구조물의 종방향에서 힘에 의한 결합 또는 마찰 결합 방식으로 내부관과 연결되도록 수행된다.
본 개시의 일 실시 형태에서, 내부관을 제공하는 단계는 심리스 블룸(bloom)을 내부관으로 냉간 성형하는 것을 포함한다. 냉간 성형 공정은, 금속으로 구성된 중공 반제품, 즉 블룸을 완성된 내부관으로 성형하기 위해 사용된다. 냉간 성형에 의하여 관의 내부 직경 및 외부 직경이 변경될 수 있고 매우 정확하게 치수 결정될 수 있다. 또한, 냉간 성형은 관의 표면 속성들을 개선하기 위해 적합하다. 또한, 냉간 성형은 냉간 경화와 결부되어, 이와 같이 제조되는 관의 속성들은 목적한 바에 맞게 변경될 수 있다. 냉간 경화에 의하여, 성형된 관의 재료 강도 및 이로 인하여 인장 강도가 증가할 수 있다.
본 개시의 일 실시 형태에서, 심리스 블룸을 내부관으로 냉간 성형하는 것은 냉간 인발이다. 본 개시의 일 실시 형태에서, 내부관은 금속으로 구성된 블룸이 인발 다이를 통하여 인발됨으로써 그리고 선택적으로 인발 내부 공구를 통하여 제조된다. 인발 내부 공구는 고정적 또는 가동적 인발 코어일 수 있다.
본 개시의 일 실시 형태에서, 심리스 블룸을 내부관으로 냉간 성형하는 것은 냉간 필거 압연이다.
이러한 개시의 일 실시 형태에서, 내부관의 제공은 내부관의 내부면의 버니싱을 포함한다. 버니싱은 금속 부품에서 매우 높은 표면 품질을 생성하기 위한 성형 공정을 가리킨다.
본 개시의 일 실시 형태에서, 보호관과 적어도 하나의 스트랜드 사이에 힘에 의한 결합방식의 연결은 보호관의 냉간 성형에 의해 야기되며, 이때 냉간 성형 전의 보호관의 내부 직경은 냉간 성형 이후보다 크다. 보호관의 냉간 성형 중에, 적어도 하나의 스트랜드는 내부관과 함께 보호관 내에 연장된다.
이러한 개시의 일 실시 형태에서, 냉간 성형은 인발 다이를 통한 냉간 인발이다. 이러한 개시의 일 실시 형태에서, 보호관, 적어도 하나의 스트랜드 및 내부관은 함께 인발 다이를 통하여 인발된다.
보호관의 이러한 냉간 성형에 의하여, 일 실시 형태에서 내부관 및 내부관을 둘러싸는 적어도 하나의 스트랜드 및 스트랜드를 둘러싸는 보호관 사이에 반경 방향으로 밀접한 형상맞춤 결합이 초래된다. 따라서 적어도 하나의 스트랜드는 반경 방향으로 내부관 및/또는 보호관에 대하여 움직일 수 없다.
일 실시 형태에서, 보호관 내부에 연장된 적어도 하나의 스트랜드 및 내부관을 포함하는 보호관을 냉간 성형함으로써 보호관과 적어도 하나의 스트랜드 사이에 힘에 의한 결합이 야기된다. 일 실시 형태에서, 보호관 내부에 연장된 적어도 하나의 스트랜드 및 내부관을 포함하는 보호관을 냉간 성형함으로써 내부관과 적어도 하나의 스트랜드 사이에 힘에 의한 결합이 야기된다. 일 실시 형태에서, 보호관 내부에 연장된 적어도 하나의 스트랜드 및 내부관을 포함하는 보호관을 냉간 성형함으로써 보호관, 적어도 하나의 스트랜드 및 내부관 사이에 힘에 의한 결합이 야기된다. 보호관, 적어도 하나의 스트랜드 및 내부관 사이에 마찰 결합은 축방향에서 이러한 요소들 간의 상대 운동을 방지한다.
본 개시의 일 실시 형태에서, 보호관의 냉간 성형 이후에, 내부관, 적어도 하나의 스트랜드 및 보호관은 적어도 하나의 스트랜드의 전체 연장부에 걸쳐 관 구조물의 종방향에서 힘에 의한 결합 방식으로 서로 연결된다.
탄소섬유를 포함하는 복수의 얀들의 상호 마찰 또는 복수의 탄소섬유의 상호 마찰로, 적어도 개별 탄소 섬유들이 약화되거나 파괴될 수 있다. 이를 통해 얀들로 구성된 스트랜드의 속성들이 장기적으로 변화하고, 예컨대 인장 강도가 감소된다. 보호관의 냉간 성형에 의하여 관 구조물의 요소들 간에 힘에 의한 결합이 야기되는 일 실시 형태에서, 개별 얀들 사이에 및/또는 개별 탄소 섬유들 사이에 상호 마찰 또는 영향은 감소된다. 따라서 관 구조물 내부에서 얀들 또는 스트랜드들은 적어도 하나의 스트랜드 및 내부관 상에 보호관이 냉간 성형됨으로써 보호된다.
본 개시의 다른 이점들, 특징들 및 적용 가능성은 일 실시 형태 및 이에 속한 도면들에 관한 이하의 설명을 참조로 명확해진다. 본 개시의 실시 형태들의 구현에 관한 이하의 설명은 첨부된 도면과 연관하여 고찰하여 보다 양호하게 이해된다. 도시된 구현예들은 상세하게 설명된 형성방식들에 한정되지 않는다. 도면들에서 유사한 요소들은 동일한 참조번호로 표시된다.
도 1은 본 개시의 일 실시 형태에 따른 관 구조물의 구현예에 관한 개략적 횡단면도이다.
도 2는 본 개시의 구현예에서 관 구조물을 제조하기 위해 본 개시에 따른 방법의 구현예에 관한 흐름도이다.
도 2는 본 개시의 구현예에서 관 구조물을 제조하기 위해 본 개시에 따른 방법의 구현예에 관한 흐름도이다.
도 1은 본 개시의 일 실시 형태에 따른 관 구조물(1)의 구현예에 관한 개략적 횡단면도이다. 관 구조물(1)은 내부면(3) 및 외부면(4)을 포함하는 내부관(2)을 포함한다. 내부관(2)의 외부면(4)은 스트랜드(5)에 의해 둘러싸인다. 스트랜드(5)는 다시 보호관(6)에 의해 둘러싸인다.
내부관(2)은 "21-6-9"로 지칭되는 오스테나이트 스테인리스 강으로 구성된 심리스 냉간 경화된 관이다. 내부관(2)은 냉간 인발에 의해 제조되었고, 이를 통해 야기되는 냉간 경화로 인하여 1,100N의 인장 강도를 포함한다. 내부관(2)은 내부 직경(D1), 외부 직경(D2) 및 벽두께(w)를 포함한다. 내부관(2)의 벽두께(w)는 내부관(2)의 내부 직경(D1)보다 크다. 이는 고압관을 가리킨다. 내부관(2)의 냉간 인발에 의하여 내부관은 높은 표면 품질을 포함함으로써, 내부면(3)에 존재하는 크랙은 10 ㎛의 깊이를 초과하지 않는다.
스트랜드(5)는 복수의 얀으로 구성되고, 얀들은 다시 전체가 탄소 섬유로부터 제조된다. 스트랜드(5)는 도시된 실시 형태에서 튜브 방식의 조물이고, 이러한 조물은 내부관(2)을 양말과 같이 둘레 방향에서 둘러싼다.
보호관(6)은 알루미늄으로 구성되고 용점심(7)을 포함하며, 용접심은 종방향으로 전체 관 구조물(1)에 걸쳐 연장된다. 보호관(6), 스트랜드(5) 및 내부관(2)은 관 구조물(1)의 전체 종방향에 걸쳐 힘에 의한 결합 방식으로 서로 연결된다.
도 2에는 도 1에 도시된 관 구조물(1)을 제조하기 위한 방법의 구현예에 관한 흐름도가 도시되어 있다. 제1 단계(100)에서 내부관(2)이 제공되고, 이러한 단계에서 오스테나이트 스테인리스 강 "21-6-9"로 구성된 심리스 블룸이 내부관(2)으로 냉간 성형된다.
냉간 성형은 심리스 블룸이 인발 다이를 통하여 냉간 인발됨으로써 수행된다. 인발 다이는 내부관의 외부면을 가공하고 내부관(2)의 외부 직경(D2)을 결정한다. 또한, 내부관의 내부면(3)을 가공하여 내부관(2)의 내부 직경(D1)을 확정하기 위해, 인발 코어가 사용된다. 인발 다이를 통한 냉간 인발에 의하여 그리고 인발 코어를 통해, 내부관(2)의 표면 품질은 적어도 내부면(3) 상에서 버니싱에 의해 향상된다.
101 단계에서 내부관(2)의 외부면(4)이 전체적으로 탄소섬유로 구성된 복수의 얀에 의해 제직됨으로써 스트랜드(5)는 내부관(2)의 외부면(4) 상에 조달된다. 제직에 의해, 내부관(2)과 스트랜드(5) 사이에 형상맞춤 결합이 생성되어, 스트랜드(4)는 반경 방향으로 내부관(2)에 대해 움직일 수 없다. 부가적으로, 이러한 제직에 의해, 스트랜드(5) 및 내부관(2)은 스트랜드(5)의 전체 연장부에 걸쳐 관 구조물(1)의 종방향에서 힘에 의한 결합 방식으로 서로 연결된다. 따라서 작용하는 마찰력으로 인하여 스트랜드(5)는 축 방향에서 내부관(2)에 대해 더 이상 움직일 수 없다.
102 단계에서 스트랜드(5)는 내부관(2)과 함께 보호관(6) 내에 도입된다. 이를 위해 보호관(6)은 스트랜드(5) 및 내부관(2) 상에 인장됨으로써, 부가적으로 반경 방향으로 스트랜드(5), 내부관(2) 및 보호관(6) 사이에 밀접한 형상맞춤 결합이 얻어진다.
도 2에 따른 방법으로 수득되는 도 1의 관 구조물(1)은 고압 안정성을 가지며 15,000 bar 이상의 압력의 영향을 받는 유체를 안내하기 위해 적합하다.
최초 개시의 목적을 위해, 본원의 설명 및 도면 그리고 청구항들로부터 당업자에게 추론되는 바와 같은 전체 특징들은 이러한 특징들이 구체적으로 특정한 추가적 특징들과 연관하여서만 설명되었을지라도, 개별적으로 뿐만 아니라 본원에 개시된 다른 특징들 또는 특징 그룹들과의 임의 편성으로도 조합 가능하며, 이점이 명시적으로 배제되었거나 기술적 여건들이 이러한 방식의 조합들을 불가능하게 또는 무의미하게 만들지 않는 한에서 그러하다는 것을 언급해둔다. 고려 가능한 전체적 특징 조합들에 대한 포괄적이고 명시적인 설명은 본원에서 설명의 가독성 및 간결함을 위해서만 생략된다.
이러한 개시가 도면들 및 이상의 설명에서 상세하게 도시 및 설명되었으나, 이러한 도시 및 설명된 것은 오로지 예시에 불과하고 청구항들에 의해 정의되는 바와 같은 보호 범위를 한정하는 것으로 간주되지 않는다. 이러한 개시는 개시된 실시 형태들에 한정되지 않는다.
개시된 실시 형태들의 수정들은 도면들, 설명 및 첨부된 청구항들로부터 당업자에게 명확하다. 청구항들에서 "포함하다(aufweisen)"라는 단어는 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않으며, 부정 관사("eine", "ein")는 복수를 배제하지 않는다. 특정한 특징들이 상이한 청구항들에서 청구된다는 단순한 사실은 이러한 특징들의 조합을 배제하지 않는다. 청구항들에서 참조번호들은 보호 범위를 한정하는 것으로 간주되지 않는다.
1
관 구조물
2 내부관
3 내부면
4 외부면
5 스트랜드
6 보호관
7 용접심
D1 내부 직경
D2 외부 직경
w 벽두께
100 내부관을 제공하는 단계
101 내부관 상에 스트랜드를 조달하는 단계
102 보호관 내에 스트랜드를 포함하는 내부관을 도입하는 단계
2 내부관
3 내부면
4 외부면
5 스트랜드
6 보호관
7 용접심
D1 내부 직경
D2 외부 직경
w 벽두께
100 내부관을 제공하는 단계
101 내부관 상에 스트랜드를 조달하는 단계
102 보호관 내에 스트랜드를 포함하는 내부관을 도입하는 단계
Claims (15)
- 관 구조물(1)로서,
금속으로 구성되며 내부면(3) 및 외부면(4)을 포함하는 내부관(2),
복수의 얀을 포함하며 상기 내부관(2)의 상기 외부면(4)을 둘러싸는 적어도 하나의 스트랜드(5)로, 얀들 중 적어도 하나의 얀은 탄소섬유를 포함하는, 적어도 하나의 스트랜드(5), 및
상기 스트랜드(5) 및 상기 내부관(2)을 둘러싸는 보호관(6)을 포함하는 관 구조물(1). - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 스트랜드(5)는 제직물, 편조물, 편성물 및 다축 직물 또는 이들의 임의 조합으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 관 구조물(1). - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 스트랜드(5)는 튜브 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 관 구조물(1). - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 스트랜드(5)는 적어도 50%의 탄소섬유 비율을 포함하는 것을 특징으로 하는 관 구조물(1). - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부관(2)은 내부 직경(D1), 외부 직경(D2) 및 벽두께(w)를 포함하는 고압관이며, 상기 벽두께(w)는 상기 내부 직경(D1)과 동일하거나 그보다 큰 것을 특징으로 하는 관 구조물(1). - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부관(2)은 심리스 관인 것을 특징으로 하는 관 구조물(1). - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부관(2)은 냉간 성형된 관인 것을 특징으로 하는 관 구조물(1). - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부관(2)의 물질은 탄소강, 저합금 강 및 고합금 강으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 관 구조물(1). - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부관(2)은 상기 내부면(3) 상에 존재하는 크랙이 50 ㎛의 깊이를 초과하지 않는 방식으로 표면 품질을 포함하는 것을 특징으로 하는 관 구조물(1). - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 보호관(6)은 금속으로 구성되는 것을 특징으로 하는 관 구조물(1). - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 보호관(6) 및 적어도 하나의 스트랜드(5)는 힘에 의한 결합방식으로 서로 연결되거나 상기 적어도 하나의 스트랜드(5) 및 상기 내부관(2)은 힘에 의한 결합 방식으로 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 관 구조물(1). - 15000 bar 이상의 압력의 영향을 받는 유체를 안내하기 위해 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 관 구조물(1)의 용도.
- 관 구조물(1)의 제조 방법으로서,
금속으로 구성되며 내부면(3) 및 외부면(4)을 포함하는 내부관(2)을 제공하는 단계(100),
상기 내부관(2)의 상기 외부면(4) 상에 복수의 얀들을 포함하는 적어도 하나의 스트랜드(5)를 조달하는 단계(101)로서, 상기 얀들 중 적어도 하나의 얀은 탄소섬유를 포함하는, 상기 조달하는 단계(101), 및
상기 스트랜드(5)를 상기 내부관(2)과 함께 보호관(6) 내에 도입하는 단계(102)를 포함하는 관 구조물의 제조 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 내부관(2)의 상기 외부면(4) 상에 상기 적어도 하나의 스트랜드(5)의 상기 조달하는 단계(101)는 상기 내부관(2)의 상기 외부면(4)의 제직, 편조 또는 편성을 포함하는 것을 특징으로 하는 관 구조물의 제조 방법. - 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
상기 내부관(2)의 상기 제공하는 단계(100)는 심리스 블룸을 상기 내부관(2)으로 냉간 성형하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 관 구조물의 제조 방법.
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