KR20230081398A - 수소취성 저항성을 갖는 용접강관, 및 그 제조방법 및 장치 - Google Patents

수소취성 저항성을 갖는 용접강관, 및 그 제조방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 예는 수소취성 저항성을 갖는 용접강관 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 수소취성 저항성을 갖는 용접강관 제조방법은 용접 부분이 있는 용접 강관을 마련하는 제1 단계; 용접 강관의 내부에 용접 부분의 표면을 개질하는 마찰 교반 헤드를 구비한 마찰 교반기를 배치하는 제2 단계; 및 용접 강관 내부의 용접 부분에 마찰 교반기의 마찰 교반 헤드를 접촉하여 용접 강관의 용접 부분에 표면개질층을 형성하는 제3 단계를 포함하며, 제3 단계에서, 마찰 교반기의 마찰 교반 헤드는 용접 강관의 용접 부분의 표면을 따라 이동되면서 마찰 교반을 수행하여 표면개질층을 형성하며, 용접 부분은 용접 강관의 모재 사이에 마련되는 용접 용융부의 주위에서 용접 열에 의해 변화된 용접 열영향부를 포함한다.

Description

수소취성 저항성을 갖는 용접강관, 및 그 제조방법 및 장치{WELDED STEEL PIPE HAVING RESISTANCE TO HYDROGEN EMBRITTLEMENT, AND MANUFACTURING METHOD AND APPARATUS THEREFOR}
본 발명은 수소취성 저항성을 갖는 용접강관 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 수소취성에 대한 저항성이 있는 용접 강관으로 사용할 수 있는 수소취성 저항성을 갖는 용접강관 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근에는, 수소를 이용하는 수소 산업이 더욱 활성화되고 있으며, 수소를 액화하여 안정적으로 이송 공급하기 위한 파이프라인의 공급 체계에 대한 연구가 상당히 진행되고 있다.
수소는 다른 에너지 저장장치 대비 효율이 낮은 단점이 있지만, 친환경적이고 지속 가능한 다목적용 효율적인 에너지 매개체이다. 수소 경제가 활성화되기 위해서는 수소를 생산하고, 생산한 수소를 사용처까지 효과적으로 저장하여 운송하는 방법이 중요하다.
현재, 수소를 운송하는 방식은 크게 파이프라인 운송, 고압가스 운송, 액화수소 운송, 기타 액상 운송 등이 있다. 파이프라인 운송은 원료 산업/에너지 인프라로 나눌 수 있으며, 대부분 원료 산업 운반용으로 사용하고 있다. 수소의 원료 산업 인프라는 수소 파이프라인이 90% 이상을 차지한다.
파이프라인 운송은 석유화학 플랜트 내에서의 암모니아, 메탄올 생산 그리고 정제 과정의 수소 파이프라인, 석유화학 플랜트 간 플랜트-플랜트, 중/단거리용, 소구경 수소 파이프라인에 이미 사용되고 있다.
한편, 에너지 인프라에서는 수소차 충전용, 발전용 연료전지의 수소 공급 파이프로 사용되고 있다. 수소차 충전용의 경우 수소차 공급 확대에 따라 수소 공급용 파이프라인이 확대될 전망이다. 현재, 수소 공급 파이프는 부생(개질) 수소 수송용으로 사용 중이며, 장기적으로 전기분해 수소(신재생에너지) 수송용으로 확대될 전망이다.
수소의 이송 및 공급을 위한 파이프라인에는 강판을 둥글게 파이프 형상으로 가공한 후, 길이 방향을 따라 용접 결합한 용접 강관이 사용될 수 있다. 이러한 용접 강관들은 원주 방향으로 용접 결합되어 연결되며, 설치 장소에 배치될 수 있다.
이와 같은 용접 강관의 용접 부분은, 용접 시에 발생하는 용접 열에 의해 조직 구조의 변화가 내부적으로 일어난 것으로서, 시간이 지남에 따라 수소가 침투하기 용이한 구조를 가지므로, 점차적으로 수소 취성이 커지게 된다.
이에 따라, 용접 부분의 구조가 약화되어 균열이 발생되며, 높은 수소 압력의 변동에 따라 균열이 점점 커지면서 누설이 발생되거나 강관 자체가 쉽게 파괴되는 문제점이 있다.
이처럼 용접 강관의 용접 부분 또는 주위의 용접 열영향부는, 장기간 수소에 노출 사용 시에, 수소 취성이 커지면서 강성이 약화되므로, 용접 부분의 수소 취성에 대한 개선 기술이 요구되고 있다.
한편, 용접강관에서 수소취성 민감도가 가장 큰 영역이 용접 열영향부이며, 수소 원자가 강재 표면에 흡착 및 내부로 침투하지 못하게 수소투과 차단층을 개발하기 위한 노력들이 있었다.
지금까지 보고된 수소투과 차단막은 판상의 나노입자를 일정 방향으로 배향하고 적절한 폴리머 바인더를 이용하여 적층함으로써 수소투과를 차단하는 물리적 수소투과차단층이 개발되어 있으나, 수소저장용기 또는 수소배관 등 구조물에 직접 적용하기는 불가한 기술이다.
또한, 이러한 표면처리층은 강관의 노후화에 따라 박리가 일어나는 등의 문제로 인해 현재 적용되고 있지 못하고 있다.
이와 관련된 기술로서는, 공개특허 KR 10-2006-0072532에 제시된 “코팅과 마찰교반에 의한 금속 부재의 표면 처리 방법”과 등록특허 KR 10-0723166에 제시된 “인성, 고강도 및 수소유기균열 저항성이 우수한 라인 파이프 강재 및 그 제조방법”이 있다.
1. 공개특허 KR 10-2006-0072532 2. 등록특허 KR 10-0723166
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 용접 강관에 사용되는 강관 용접 부분의 용접 열영향부(HAZ)에 대한 수소침입을 차단하여 용접 제작된 강관의 수소취성 파괴를 방지하는 것으로서, 용접 열영향부의 표면을 기계 마찰로 표면 개질하여 수소 침입에 대비한 미세 조직의 표면부 차단막을 형성함으로써 수소취성에 대한 저항성을 갖게 만드는 수소취성 저항성을 갖는 용접강관 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 용접 부분이 있는 용접 강관을 마련하는 제1 단계; 상기 용접 강관의 내부에 용접 부분의 표면을 개질하는 마찰 교반 헤드를 구비한 마찰 교반기를 배치하는 제2 단계; 및 상기 용접 강관 내부의 용접 부분에 상기 마찰 교반기의 마찰 교반 헤드를 접촉하여 상기 용접 강관의 용접 부분에 표면개질층을 형성하는 제3 단계를 포함하며, 상기 제3 단계에서, 상기 마찰 교반기의 마찰 교반 헤드는 상기 용접 강관의 용접 부분의 표면을 따라 이동되면서 마찰 교반을 수행하여 표면개질층을 형성하며, 상기 용접 부분은 용접 강관의 모재 사이에 마련되는 용접 용융부의 주위에서 용접 열에 의해 변화된 용접 열영향부를 포함하며, 상기 마찰 교반 헤드는 상기 용접 열영향부를 따라 이동되면서 마찰 교반을 수행하는 수소취성 저항성을 갖는 용접강관의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 마찰 교반 헤드는 상기 용접 강관의 길이 및 원주 방향 중 하나 이상의 방향을 따라 이동될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 마찰 교반기의 마찰 교반 헤드는, 상호 중첩되는 표면개질층을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 공정 조건은, 상기 마찰 교반기의 마찰 교반 헤드의 500~1000rpm 회전속도와 300~700mm/min 전진 속도로서, 상기 표면개질층은, 1mm ~ 2mm 두께로 형성되되, 미세결정립으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 제3 단계 후에, 상기 마찰 교반기의 마찰 교반 헤드를 일정 각도 회전 이동시키고, 상기 제3 단계를 반복하는 제4 단계를 더 포함하며, 상기 4 단계 이후 상기 제3 단계부터 제4 단계까지 더 반복할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 제3 단계에서는, 상기 용접 강관의 용접 부분에 대응하는 길이만큼 상기 마찰 교반 헤드가 이동되되, 상기 제4 단계에서는, 상기 마찰 교반 헤드의 지름보다 짧은 원주만큼 상기 마찰 교반 헤드가 회전 이동될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 제3 단계는, 상기 마찰 교반기의 마찰 교반 헤드를 회전 작동하는 단계; 상기 마찰 교반 헤드의 인접부의 표면 온도를 측정하는 단계; 상기 표면 온도가 개질 온도 범위에 속하도록 상기 마찰 교반기에서 상기 마찰 교반 헤드의 마찰 교반에 대한 공정 조건을 조절하는 단계; 및 상기 공정 조건에 따라 상기 마찰 교반기를 이동시켜 상기 용접 강관 내부 표면에 표면개질층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 표면개질층의 표면 개질 상태를 확인하기 위해 비파괴 검사를 진행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 구성은, 용접 부분이 있는 용접 강관을 마련하는 제1 단계; 상기 용접 강관의 내부에 용접 부분의 양측 표면을 개질하는 마찰 교반 헤드를 구비한 마찰 교반기가 있는 표면개질장치를 배치하는 제2 단계; 상기 표면개질장치를 작동시켜 마찰 교반 헤드를 용접 강관의 모재 사이에 마련되는 용접 용융부의 주위에서 용접 열에 의해 변화된 용접 열영향부에 정렬하여 접촉시키는 제3 단계; 상기 표면개질장치에서 상기 마찰교반기를 작동시켜 마찰 교반 헤드를 회전시키는 제4 단계; 상기 용접 강관 내부에서 용접 부분을 따라 상기 표면개질장치를 원주 방향으로 이동시키는 제5 단계; 및 상기 제5 단계에서 형성되는 상기 마찰 교반 헤드의 원주 이동 경로에 상기 마찰 교반 헤드를 중첩하여 접촉하고 원주 방향으로 이동시킴으로써 상기 용접 강관의 용접 열영향부에 표면개질층을 형성하는 제6 단계를 포함하는 수소취성 저항성을 갖는 용접강관의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다른 실시 예에 있어서, 상기 표면개질장치에서 상기 마찰 교반기의 마찰 교반 헤드는 500~1000rpm 회전속도와 300~700mm/min 전진 속도로 제어되며, 상기 표면개질층은, 1mm ~ 2mm 두께로 형성되되, 미세결정립으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 구성은, 수소취성 저항성을 갖는 용접강관의 제조방법에 의해 제조된 용접강관을 제공한다.
본 발명의 또 다른 구성은, 중앙부가 상호 연결된 복수의 바디판으로 마련되는 장치본체; 상기 장치본체의 각각의 바디판에 마련되어 상기 장치본체를 용접 강관에 고정시키는 장치홀더; 상기 장치본체의 중앙부에 회전 가능하게 결합되는 회전바디; 상기 회전바디에 선형 이동 가능하게 결합되며, 용접 강관의 용접 열영향부를 마찰 교반하는 마찰 교반 헤드를 구비한 마찰 교반기; 상기 회전바디에 위치하여 상기 마찰 교반기를 직선 이동시키는 직선 구동부; 및 상기 장치본체에 위치하여 상기 회전바디를 회전시키는 회전 구동부를 포함하며, 상기 마찰 교반기는 상기 용접 강관의 용접 열영향부에 대한 표면개질을 수행하도록 회전 및 이동속도가 제어되는 수소취성 저항성을 갖는 용접강관의 제조장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 있어서, 상기 회전바디는, 상기 장치본체의 복수의 바디판 사이에 상호 이격되어 배치되는 한 쌍의 회전판; 상기 한 쌍의 회전판을 상호 연결하며, 상기 회전바디의 중앙부에 회전 가능하게 결합되는 중공바디; 및 상기 한 쌍의 회전판을 상호 연결하는 리니어 설치판을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 있어서, 상기 직선 구동부는, 상기 회전바디의 리니어 설치판에 결합되며, 상기 마찰 교반기가 선형 이동 가능하게 결합되는 리니어 가이드; 상기 한 쌍의 회전판에 설치되며, 상기 리니어 가이드에 연동되는 리드 스크류; 및 상기 리드 스크류를 구동하는 직선 구동모터를 포함하며, 상기 리드 스크류와 직선 구동모터에 마련되는 복수의 피니언 기어 또는 복수의 풀리와 벨트를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 있어서, 상기 회전 구동부는, 상기 중공바디에 결합되는 환형기어; 및 상기 장치본체 설치되며, 상기 환형기어에 기어 결합되는 구동기어를 구비한 회전 구동모터를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 있어서, 상기 장치홀더는, 상기 장치본체의 중앙부에 결합되는 중앙 홀더; 상기 중앙 홀더에 결합되는 복수의 유압 실린더; 및 상기 중앙 홀더에 마련되어 상기 복수의 유압 실린더에 유압을 제공하되, 전기모터를 구비한 유압펌프를 포함하며, 상기 유압 실린더에는 용접 강관의 용접 열영향부의 내벽부에 접촉되는 마찰패드가 구비될 수 있다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 용접 강관에 사용되는 강관 용접 부분의 용접 열영향부(HAZ)에 대한 수소침입을 차단하여 용접 제작된 강관의 수소취성 파괴를 방지하는 것으로서, 용접 열영향부의 표면을 기계 마찰로 표면 개질하여 수소 침입에 대비한 미세 조직의 표면부 차단막을 형성함으로써 수소취성에 대한 저항성을 갖게 만드는 수소취성 저항성을 갖는 용접강관 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소취성 저항성을 갖는 용접강관 제조방법의 개념도이다.
도 2의 도 1의 제조방법에 적용되는 공정도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 수소취성 저항성을 갖는 용접강관 제조방법의 개념도이다.
도 4의 도 2의 제조방법에 적용되는 공정도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예들에 의해 제조된 용접강관의 단면도이다.
도 6은 도 1의 용접강관 제조장치의 일측 및 반대 측 입체도이다.
도 7은 도 7의 정면도이다.
도 8는 도 7의 우측면도이다.
도 9는 도 6의 직선 구동부의 상세도이다.
도10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 용접강관 제조장치의 정면도이다.
도 11은 도 10의 우측면도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소취성 저항성을 갖는 용접강관 제조방법의 개념도이며, 도 2의 도 1의 제조방법에 적용되는 공정도이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 용접강관의 제조방법은, 수소 이송에 사용되는 용접 부분(11)이 있는 용접 강관(10)을 마련하는 제1 단계(P10); 용접 강관(10)의 내부에 용접 부분(11)의 표면을 개질하는 마찰 교반 헤드(131)를 구비한 마찰 교반기(130)를 배치하는 제2 단계(P20); 및 용접 강관(10) 내부의 용접 부분에 있는 용접 열영향부(13)에 마찰 교반기(130)의 마찰 교반 헤드(131)를 접촉하여 용접 강관(130)에 표면개질층을 형성하는 제3 단계(P30)를 포함한다.
제1 단계(P10)와 제2 단계(P20)는, 표면개질장치(100)의 마찰 교반을 위한 준비 작업이며, 실질적으로 마찰 교반은 제3 단계(P30)와 이를 반복하는 제4 단계(P40)를 통해 수행된다.
제3 단계(P30)에서, 마찰 교반기(130)의 마찰 교반 헤드(131)는 용접 강관(10)의 용접 부분(11)의 양측 표면을 따라 직선으로 이동되면서 마찰 교반을 수행하여 표면개질층을 형성하며, 용접 부분(11)은 용접 강관(10)의 모재 사이에 마련되는 용접 용융부(12)의 주위에서 용접 열에 의해 변화된 용접 열영향부(13)를 포함한다.
마찰 교반 헤드(131)는 용접 열영향부(13)를 따라 이동되면서 마찰 교반을 수행할 수 있다.
마찰 교반 헤드(131)는 용접 강관(10)의 길이 및 원주 방향 중 하나 이상의 방향을 따라 이동될 수 있다. 예를 들어, 마찰 교반 헤드(131)는 용접 열영향부(13)에서 직선 이동된 후, 중첩 마찰 교반을 위해서 일정 각도 회전되며, 다시 직선 이동될 수 있다. 이처럼 마찰 교반기(130)의 마찰 교반 헤드(131)는, 상호 중첩 이동하면서 표면개질층을 형성할 수 있다.
마찰 교반의 공정 조건은, 마찰 교반기(130)의 마찰 교반 헤드(131)를 500~1000rpm 회전속도와 300~700mm/min 전진 속도로 설정되도록 입력하며, 표면개질층이 1mm ~ 2mm 두께로 미세결정립이 형성되도록 마찰 교반의 가공 온도를 입력할 수 있다.
본 실시 예의 제3 단계(P30) 후에는 마찰 교반기(130)의 마찰 교반 헤드(131)를 일정 각도 회전 이동시키고, 제3 단계(P30)를 반복하는 제4 단계(P40)가 더 진행된다.
제4 단계(P40) 이후 제3 단계(P30)부터 제4 단계(P40)까지 더 반복할 수 있다. 이에 따라 마찰 교반기(130)의 마찰 교반 헤드(131)는 직선 이동의 마찰 교반 후에 중첩 교반이 이루어지도록 원주 상으로 일정 각도 이동되어 직선 이동되면서 마찰 교반을 수행하게 된다.
제3 단계(P30)에서는, 용접 강관(10)의 용접 부분(11)에 대응하는 길이만큼 마찰 교반 헤드(131)가 이동되며, 제4 단계에서(P40)는, 마찰 교반 헤드(131)의 지름보다 짧은 원주만큼 마찰 교반 헤드(131)가 회전 이동됨으로써 직선 경로의 마찰 교반이 중첩된다.
이처럼 제3 단계(P30)에서는, 마찰 교반기(130)의 마찰 교반 헤드(131)가 용접 강관(10)의 용접 열영향부(13)에 가압 접촉된 후, 회전하면서 용접 강관(10)의 용접 열영향부(13)에 대응하는 길이만큼 직선 이동될 수 있다.
이러한 마찰 교반 헤드(131)의 전체 직선 이동은 직선 이동부(140)에 의해 용접 강관(10)의 용접 열영향부(13)의 길이 방향을 따라 이루어지며, 이동 길이에 대응하는 영역에 마찰 교반 헤드(131)에 의한 마찰 교반이 진행된다.
마찰 교반 헤드(131)은 용접 열영향부(13)에 대한 마찰 교반 프로세스를 수행하도록 마련될 수 있다. 이를 테면, 마찰 교반 헤드(131)은 용접 열영향부(13) 모재에 대한 마찰 교반을 수행할 수 있는 원형 팁으로 마련될 수 있다.
이러한 마찰 교반 헤드(131)은 텅스텐 합금 또는 세라믹 소재로 마련될 수 있으며, 마찰 교반 헤드(131)의 지름은 용접 열영향부(13)의 폭보다는 작은 10mm이상으로 형성될 수도 있다.
본 실시 예에 따른 용접강관 제조방법에 의하면, 용접강관 제조장치(100)를 삽입한 후에, 용접 열영향부(13) 내부에 삽입된 마찰 교반기(130)에 의해 용접 열영향부(13) 내부 표면에 표면개질층을 형성한다. 이때 마찰 교반기(130)는 용접 열영향부(13) 내부 표면에 마찰 교반 프로세스를 수행하여 표면개질층을 형성하게 된다.
마찰 교반기(130)는 마찰 교반 헤드(131)을 제자리에서 회전시켜 마찰 교반 헤드(131)과 용접 열영향부(13)를 이루는 용접 강관(10) 사이에 마찰열이 발생되도록 할 수 있으며, 마찰 교반 헤드(131)을 고속으로 회전시켜 용접 강관(10)를 용융 가열하여 열처리할 수 있는 온도를 만들 수 있다.
마찰 교반기(130)가 작동된 후에는, 작동된 마찰 교반기(130)의 인접부의 표면 온도가 센서부에 의해 측정되며, 측정된 표면 온도가 기설정된 개질 온도 범위에 속하도록 마찰 교반기(130)의 공정 조건이 제어될 수 있다.
한편, 제3 단계(P30)는, 마찰 교반기(130)의 마찰 교반 헤드(131)를 회전 작동하며, 마찰 교반 헤드(131)의 인접부의 표면 온도를 측정하고, 표면 온도가 개질 온도 범위에 속하도록 마찰 교반기(130)에서 마찰 교반 헤드(131)의 마찰 교반에 대한 공정 조건을 조절한 후, 공정 조건에 따라 마찰 교반기(130)를 이동시켜 용접 강관(10) 내부 표면에 표면개질층을 형성하게 된다.
마찰 교반기(130)의 공정 조건은, 측정된 표면 온도가 기설정된 개질온도 범위에 속하도록 마찰 교반기(130)의 마찰 교반 헤드(131)의 회전속도와 전진 속도를 포함하게 되는데, 마찰 교반 헤드(131)에 의해 마찰 교반이 발생하고 있는 위치에서 측정된 온도가 기설정된 개질온도 범위에 속하도록 공정 조건인 마찰 교반 헤드(131)의 회전속도를 제어한다.
일 예로, 메인컨트롤러는 측정된 온도가 기설정된 개질 온도보다 낮을 경우 마찰 교반 헤드(131)의 회전 속도를 증가시키고, 측정된 온도가 기설정된 개질 온도보다 높을 경우 마찰 교반 헤드(131)의 회전 속도를 감소시킬 수 있다.
측정된 표면 온도가 기설정된 개질온도 범위에 속하도록 마찰 교반기(130)의 공정 조건이 제어된 후에는, 제어된 공정 조건에 따라 마찰 교반기(130)가 이동되면서 용접 열영향부(13) 내부 표면이 개질되어 표면개질층이 형성된다.
마찰 교반기(130)의 마찰 교반 헤드(131)의 전진 속도는 마찰 교반 헤드(131)과 용접 강관(10) 사이의 온도 및 형성하고자 하는 표면개질층의 깊이를 변수로 하여 결정될 수 있다.
표면개질층은, 용접 열영향부(13)인 용접 강관(10)의 내부 표면으로부터 깊이 1mm이상인 지점에 형성될 수 있다.
마찰 교반 헤드(131)이 전진하게 되면, 마찰 교반 헤드(131)과 접한 용접 강관(10) 부분이 용융되면서 마찰 교반 헤드(131)의 경로와 대응되게 연장 형성된 개질홈이 형성될 수 있다.
개질홈은 용융되어 용접 강관(10)의 표면으로부터 소정의 깊이만큼 홈 형태를 갖게 되며, 개질홈의 내측은 표면개질층으로 형성된다. 즉, 개질홈의 깊이는1mm 이상 형성되므로, 표면개질층은 용접 강관(10)의 내부 표면으로부터 깊이가 1mm이상인 지점에서 형성될 수 있다.
표면개질층은, 미세결정립으로 이루어지도록 형성되며, 미세결정립이 형성된 깊이는, 표면개질층의 표면으로부터 0.95mm까지 일 수 있다. 즉, 표면개질층은 개질홈에 의해 형성된 표면으로부터 깊이 0.95mm 이하까지 형성될 수 있다.
여기서, 표면개질층을 이루는 미세결정립은 미세조직의 크기가 15ø이하로 이루어진 페라이트 상을 형성하도록 개질 처리된 것일 수 있다.
본 실시 예에는, 표면개질층의 표면 개질 상태를 확인하기 위해 비파괴 검사를 진행하는 단계(P50)가 더 포함될 수 있다.
용접 열영향부(13) 내부에 삽입된 마찰 교반기(130)에 의해 용접 열영향부(13) 내부 표면에 표면개질층이 형성된 이후에는, 형성된 표면개질층의 표면 개질 상태를 확인하기 위해 비파괴 검사가 이루어질 수 있다.
본 실시 예에서, 형성된 표면개질층의 표면 개질 상태를 확인하기 위해 비파괴 검사가 이루어지는 경우, 초음파 탐상기에 의해 비파괴 검사가 이루어질 수 있으며, 검사된 표면 개질 상태에 따라 표면 개질을 위한 공정 조건을 변경하거나 표면 개질을 다시 수행할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 수소취성 저항성을 갖는 용접강관 제조방법의 개념도이며, 도 4의 도 2의 제조방법에 적용되는 공정도이다.
도 3과 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 용접강관의 제조방법은, 용접 부분이 있는 용접 강관을 마련하는 제1 단계(P100); 용접 강관의 내부에 용접 부분의 양측 표면을 개질하는 마찰 교반 헤드를 구비한 마찰 교반기가 있는 표면개질장치(100)를 배치하는 제2 단계(P200); 표면개질장치(100)를 작동시켜 마찰 교반 헤드(131)를 용접 강관(10)의 모재 사이에 마련되는 용접 용융부의 주위에서 용접 열에 의해 변화된 용접 열영향부(13)에 정렬하여 접촉시키는 제3 단계(P300); 표면개질장치(100)에서 마찰교반기(130)를 작동시켜 마찰 교반 헤드(131)를 회전시키는 제4 단계(P400); 용접 강관(10) 내부에서 용접 부분(11)을 따라 표면개질장치(100)를 원주 방향으로 이동시키는 제5 단계(P500); 및 제5 단계(P500)에서 형성되는 마찰 교반 헤드(131)의 원주 이동 경로에 마찰 교반 헤드(131)를 중첩하여 접촉하고 원주 방향으로 이동시킴으로써 용접 강관(10)의 용접 열영향부(131)에 표면개질층을 형성하는 제6 단계(P600)를 포함한다.
제1 단계(P100)와 제2 단계(P200)는, 표면개질장치(100)의 마찰 교반을 위한 준비 작업이며, 실질적으로 마찰 교반은 제3 단계(P300)와 제4 단계(P400)를 통해 수행된다.
제5 단계(P500)에서는, 마찰 교반기(130)의 마찰 교반 헤드(131)가 용접 강관(10)의 용접 열영향부(13)를 가압 회전하면서 용접 강관(10)의 용접 열영향부(13)에 대응하는 길이만큼 원주 이동될 수 있다. 이러한 마찰 교반 헤드(131)의 직선 이동은 직선 이동부에 의해 수행된다.
제5 단계(P500)에서는 용접 강관(10)의 용접 열영향부(13)의 이음영역의 길이 방향으로 마찰 교반 헤드(131)에 의해 마찰 교반이 이루어진다.
이러한 마찰 교반 헤드(131)의 마찰 교반은 용접 강관(10)의 이음 용접부에 인접한 용접 열영향부(13)의 원주 방향을 따라 반복적으로 진행된다. 즉 제5 단계(P500)에서는, 마찰 교반 헤드(131)가 원주 방향으로 회전 이동되면서 마찰 교반을 수행하게 된다.
제5 단계(P500)에서는, 회전 구동부(150)가 장치본체(101)에서 양측에 있는 마찰 교반 헤드(131)를 0~180도 또는 360도까지 회전 이동시킬 수 있다.
장치본체(101)에서 180도 간격으로 마찰 교반기(130)가 양측에 배치된 경우에는, 도 6과 도 7의 회전 구동부(150)가 180도까지 마찰 교반기(130)를 일정 각도 만큼씩 직선 이동 후에 회전 이동시키게 되며, 장치본체(101)에서 마찰 교반기(130)가 하나만 설치되는 경우에는 마찰 교반기(130)를 360도까지 회전시키게 된다.
또한, 마찰 교반기(130)가 도 6과 도 7의 직선 구동부(140)에서 용접 강관(10)의 용접 열영향부(13) 측으로 거리가 조절되는 경우에는, 용접 강관(10)의 용접 열영향부(13)에 대한 마찰 교반의 교반 압력이 조절될 수 있다. 이에 따라 마찰 교반기(130)의 마찰 교반은 원주 방향을 따라 수회 반복될 수 있다.
표면개질장치(100)에서 마찰 교반기(130)의 마찰 교반 헤드(131)는 500~1000rpm 회전속도와 300~700mm/min 전진 속도로 제어되며, 표면개질층은, 1mm ~ 2mm 두께로 형성되되, 미세결정립으로 이루어질 수 있다.
이러한 마찰 교반 헤드(131)의 원주 이동에 의한 마찰 교반은 용접 강관(10)의 용접 열영향부(13)의 원주 방향을 따라 더 반복적으로 진행된다. 즉 제5 단계(P500)에서는, 마찰 교반 헤드(131)에 대응하는 원주만큼 마찰 교반 헤드(131)가 더 회전 이동될 수 있다.
제5 단계(P500)에서는, 도 6과 도 7의 회전 구동부(150)가 장치본체(101)에서 양측에 있는 마찰 교반 헤드(131)를 0~180도 또는 360도까지 더 회전 이동시킬 수 있다.
또한, 도 6과 도 7의 마찰 교반기(130)가 직선 구동부(140)에서 용접 강관(10)의 용접 열영향부(13) 측으로 거리가 조절되는 경우에는, 용접 강관(10)의 용접 열영향부(13)에 대한 마찰 교반의 교반 압력이 조절될 수 있다. 이에 따라 마찰 교반기(130)의 마찰 교반은 원주 방향을 따라 수회 반복될 수 있다.
마찰 교반 헤드(131)은 원주 방향으로 배치된 용접 열영향부(13)에 대한 마찰 교반 프로세스를 수행하도록 마련될 수 있다. 이를 테면, 마찰 교반 헤드(131)은 용접 열영향부(13) 모재에 대한 원주 방향의 마찰 교반을 수행할 수 있는 팁으로 마련될 수 있다.
이러한 마찰 교반 헤드(131)은 텅스텐합금 또는 세라믹 소재로 마련될 수 있으며, 마찰 교반 헤드(131)의 지름은 10mm이상으로 형성될 수도 있으나, 용접 열영향부(13)보다 작게 형성된다.
도 6과 도 7의 직선 구동부(140)와 회전 구동부(150)는 마찰 교반 헤드(131)을 회전 및 이동시키도록 마련되어 있으며, 마찰 교반 헤드(131) 및 직선 구동부(140) 및 회전 구동부(150)를 제어하도록 메인컨트롤러가 마련될 수 있다.
메인컨트롤러는 용접강관 제조방법에 따라 마찰 교반 헤드(131) 및 직선 구동부(140)와 회전 구동부(150)를 제어하도록 설정되거나 실시간 제어될 수 있다.
이처럼 직선 구동부(140)와 회전 구동부(150)는 마찰 교반 헤드(131)의 회전속도, 이동속도, 이송 경로 등을 제어하도록 마련된 메인컨트롤러에 연결되어 자동 제어됨으로써 자동으로 마찰 교반 작업을 수행할 수 있다.
한편, 제5 단계(P500)는, 마찰 교반기(130)의 마찰 교반 헤드(131)를 회전 작동하며, 마찰 교반 헤드(131)의 인접부의 표면 온도를 측정하고, 표면 온도가 개질 온도 범위에 속하도록 마찰 교반기(130)에서 마찰 교반 헤드(131)의 마찰 교반에 대한 공정 조건을 조절한 후, 공정 조건에 따라 마찰 교반기(130)를 이동시켜 용접 강관(10) 내부 표면에 표면개질층을 형성하게 된다.
센서부는 마찰 교반이 일어나는 부위의 온도를 측정하며, 메인컨트롤러에 측정한 온도에 대한 정보를 제공하게 된다.
메인컨트롤러는 센서부에 의해 측정된 온도 정보에 따라 마찰 교반 헤드(131)을 회전시키는 속도와 직선 구동부(140)와 회전 구동부(150)가 전진 속도 및 회전 이동 시점 등을 제어할 수 있다.
메인컨트롤러는 측정 온도가 기설정된 개질온도 범위에 속하도록 마찰 교반 헤드(131)의 회전속도를 제어할 수 있다.
본 실시 예에 따른 용접강관 제조방법에 의하면, 용접강관 제조장치(100)를 삽입한 후에, 용접 열영향부(13) 내부에 삽입된 마찰 교반기(130)에 의해 용접 열영향부(13) 내부 표면에 원주 배치의 표면개질층을 형성하며, 마찰 교반기(130)는 용접 열영향부(13) 내부 표면에 마찰 교반 프로세스를 수행하여 표면개질층을 형성하게 된다.
마찰 교반기(130)는 마찰 교반 헤드(131)을 제자리에서 회전시켜 마찰 교반 헤드(131)과 용접 열영향부(13)를 이루는 용접 강관(10) 사이에 마찰열이 발생되도록 할 수 있으며, 마찰 교반 헤드(131)을 고속으로 회전시켜 상기 용접 강관(10)를 용융시킬 수 있는 온도를 갖도록 할 수 있다.
마찰 교반기(130)가 작동된 후에는, 작동된 마찰 교반기(130)의 인접부의 표면 온도가 센서부에 의해 측정되며, 측정된 표면 온도가 기설정된 개질온도 범위에 속하도록 마찰 교반기(130)의 공정 조건이 제어될 수 있다.
측정된 표면 온도가 기설정된 개질온도 범위에 속하도록 마찰 교반기(130)의 공정 조건은, 마찰 교반기(130)의 마찰 교반 헤드(131)의 회전속도와 전진 속도를 포함할 수 있다.
일 예로, 메인컨트롤러는 측정된 온도가 기설정된 개질 온도보다 낮을 경우 마찰 교반 헤드(131)의 회전 속도를 증가시키고, 측정된 온도가 기설정된 개질 온도보다 높을 경우 마찰 교반 헤드(131)의 회전 속도를 감소시킬 수 있다.
측정된 표면 온도가 기설정된 개질온도 범위에 속하도록 마찰 교반기(130)의 공정 조건이 제어된 후에는, 제어된 공정 조건에 따라 마찰 교반기(130)가 이동되면서 용접 열영향부(13) 내부 표면이 개질되어 표면개질층이 형성된다.
마찰 교반기(130)의 마찰 교반 헤드(131)의 원주 속도는 마찰 교반 헤드(131)과 용접 강관(10) 사이의 온도 및 형성하고자 하는 표면개질층의 깊이를 변수로 하여 결정될 수 있다.
표면개질층은, 용접 열영향부(13)인 용접 강관(10)의 내부 표면으로부터 깊이 1mm이상인 지점에 형성될 수 있다.
마찰 교반 헤드(131)이 원주 이동하게 되면, 마찰 교반 헤드(131)과 접한 용접 강관(10) 부분이 용융되면서 마찰 교반 헤드(131)의 경로와 대응되게 연장 형성된 개질홈이 형성된다.
개질홈은 용융되어 용접 강관(10)의 표면으로부터 소정의 깊이만큼 홈 형태를 갖게 되며, 개질홈의 내측은 표면개질층으로 형성된다. 즉, 개질홈의 깊이는1mm 이상 형성되어 표면개질층은 용접 강관(10)의 내부 표면으로부터 깊이가 1mm이상인 지점에서 형성된다.
표면개질층은, 미세결정립으로 이루어지도록 형성되며, 미세결정립이 형성된 깊이는, 표면개질층의 표면으로부터 0.95mm까지 일 수 있다. 즉, 표면개질층은 개질홈에 의해 형성된 표면으로부터 깊이 0.95mm 이하까지 형성될 수 있다.
여기서, 표면개질층을 이루는 미세결정립은 미세조직의 크기가 15ø이하로 이루어진 페라이트 상을 형성하도록 개질 처리된 것일 수 있다.
또한, 제어된 공정 조건에 따라 마찰 교반기(130)가 이동되면서 용접 열영향부(13) 내부 표면이 개질되어 표면개질층이 형성되는 경우, 마찰 교반기(130)는, 용접 열영향부(13)의 원주 방향을 따라 이동하면서 표면개질층을 형성할 수 있다. 그리고, 원주 방향을 따라 형성된 표면개질층은 상호 중첩 형성될 수 있다.
이처럼 마찰 교반 헤드(131)에 의해 용접 강관(10)이 용융될 때, 외곽으로 갈수록 용접 강관(10)가 용융되는 깊이가 얕아지게 된다. 따라서, 한번 용접 강관(10)의 원주 방향을 따라 이동하면서 마찰 교반이 수행된 후에는, 마찰 교반 헤드(131)의 직경보다 적게 용접 강관(10)의 길이 방향을 따라 이동한 상태에서 다시 용접 강관(10)의 원주 방향을 따라 이동하면서 마찰 교반을 수행할 수 있다.
바람직하게는, 마찰 교반 헤드(131)의 반지름 이하만큼 용접 강관(10)의 길이 방향을 따라 마찰 교반 헤드(131)가 이동하도록 마련되어 용접 강관(10)의 원주 방향을 따라 수행되는 마찰교반이 상호 중첩되도록 할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
용접 열영향부(13) 내부에 삽입된 마찰 교반기(130)에 의해 용접 열영향부(13) 내부 표면에 표면개질층이 형성된 이후에는, 형성된 표면개질층의 표면 개질 상태를 확인하기 위해 비파괴 검사가 이루어질 수 있다.
형성된 표면개질층의 표면 개질 상태를 확인하기 위해 비파괴 검사가 이루어지는 경우, 초음파 탐상기에 의해 비파괴 검사가 이루어질 수 있으며, 검사된 표면 개질 상태에 따라 표면 개질을 위한 공정 조건을 변경하거나 표면 개질을 다시 수행할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예들에 의해 제조된 용접강관의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 상기 제조방법에 의하면 용접 강관(10)의 용접 부분(11)의 양측에 있는 용접 열영향부(13)에는 표면개질층(13a)이 형성된다. 이러한 표면개질층(13a)은 수소배관으로 사용되는 용접 강관(10)의 용접 열영향부(13) 내부로 수소의 침투를 차단하여 수소 취성에 따른 배관의 파괴 현상을 방지하게 된다.
도 6은 도 1의 용접강관 제조장치의 일측 및 반대 측 입체도이며, 도 7은 도 7의 정면도이고, 도 8는 도 7의 우측면도이다.
도 1, 도 3 및 도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 용접강관 제조장치는, 용접 강관(10) 내부로 수용 가능하게 마련되는 장치본체(101), 용접 강관(10)에 고정을 위한 장치홀더(110), 장치본체(101) 마련되는 회전바디(120), 회전바디(120)에 장착되는 마찰 교반기(130), 마찰 교반기(130)의 이동을 위한 직선 구동부(140), 및 회전 구동부(150)를 포함하며, 마찰 교반기(130)가 용접 강관(10)의 용접 열영향부(13)에 대한 표면개질을 수행하도록 회전 및 이동속도가 제어된다.
장치본체(101)는 중앙부가 상호 연결된 한 쌍의 상호 이격된 바디판(102)과 바디판(102)의 중앙부를 연결하는 센터 샤프트(105)로 마련되는 것으로서, 중앙부의 중앙 홀(106)과, 중앙 홀(106)에 대해 일정 각도 간격로 배치되는 배치 홀(107)을 구비할 수 있다.
한 쌍의 바디판(102)은 용접 강관(10)의 내부로 진입이 가능하도록 모서리가 둥글게 가공된 판재로서, 센터 샤프트(105)의 중앙 홀(106)의 주변에 무게를 줄이기 위한 배치 홀(107)이 마련된다.
장치홀더(110)는 장치본체(101)의 각각의 바디판(102)에 마련되어 장치본체(101)를 용접 강관(10)에 고정시키는 것으로서, 장치본체(101)의 중앙부에 결합되는 중앙 홀더(111), 중앙 홀더(111)에 결합되는 복수의 유압 실린더(112), 및 중앙 홀더(111)에 마련되어 복수의 유압 실린더(112)에 유압을 제공하며 전기모터를 구비한 유압펌프(113)를 포함할 수 있다.
유압 실린더(112)에는 용접 강관(10)의 용접 열영향부(13)의 내벽부에 접촉되는 마찰패드(114)가 구비되며, 장치본체(101)에는 유압 실린더(112)가 고정되도록 일정 각도 간격으로 복수의 실린더 브라켓(115)이 구비될 수 있다.
이러한 장치홀더(110)는 장치본체(101)의 양측으로 마련된 바디판(102)에 각각 마련되는 것으로서, 장치본체(101)의 양측에서 세 방향으로 뻗어지는 유압 실린더(112)의 단부에 있는 마찰패드(114)를 용접 강관(10)의 내벽부에 접촉시킴으로써 장치본체(101)의 마찰 교반을 위한 용접 강관(10)의 용접 열영향부(13) 부분에 장치본체(101)를 견고하게 고정할 수 있다.
유압 실린더(112)는 중앙 홀더(111)에 결합된 상태에서, 전기구동식 유압펌프(113)에서 공급되는 오일에 의해 로드에 결합된 마찰패드(114)를 반경 방향을 따라 이동시키게 된다.
이러한 전기구동식 유압 실린더(112)는 외부의 오일 공급 없이, 장치본체(101)에 자체적으로 설치되며 전기 신호로 작동 가능한 전기모터를 구비한 유압펌프(113)에 의해 가동되도록 설치됨으로써 외부에서 오일 라인을 용접 강관(10) 내로 진입시키는 작업을 절약하게 만든다.
회전바디(120)는 장치본체(101)의 중앙부에 회전 가능하게 결합되는 것으로서, 장치본체(101)의 복수의 바디판(102) 사이에 상호 이격되어 배치되는 한 쌍의 회전판(121), 한 쌍의 회전판(121)을 상호 연결하며 회전바디(120)의 중앙부에 회전 가능하게 결합되는 중공바디(122), 및 한 쌍의 회전판(121)을 상호 연결하는 리니어 설치판(125)을 포함한다.
한 쌍의 회전판(121)은, 중공바디(122)가 장치본체(101)의 센터 샤프트(105)에 양측에 배치 가능한 베어링으로 지지되어 결합됨으로써 센터 샤프트(105)에 대해 회전될 수 있다. 이에 따라 회전판(121)에 설치되는 마찰 교반기(130)의 원주 방향의 이동이 가능하게 된다.
리니어 설치판(125)은 마찰 교반기(130)의 선형 이동을 위한 직선 구동부(140)의 일부 구성요소들이 설치 지지되는 구조를 제공한다.
마찰 교반기(130)는 회전바디(120)에 선형 이동 가능하게 결합되며, 용접 강관(10)의 용접 열영향부(13)를 마찰 교반하는 것으로서, 용접 강관(10)의 용접 열영향부(13)을 가압하고 회전 작동하는 마찰 교반에 의해 용접 강관(10)의 확관부에 삽입된 다른 용접 강관(10)의 삽입부를 결합시키게 된다.
이러한 마찰 교반기(130)는 용접 강관(10)의 용접 열영향부(13)의 길이 방향을 따른 일정 구간의 직선 이동과 용접 강관(10)의 용접 열영향부(13)의 원주 방향을 따라 회전 이동 중 하나 이상 의해 용접 강관(10)의 용접 열영향부(13)에 대한 마찰 교반을 수행하는 마찰 교반 헤드(131)를 구비한다.
본 실시 예에 따른 마찰 교반기(130)는 장치본체(101)의 중앙부를 기준으로 양측에 상호 대칭되게 배치됨으로써 용접 강관(10)의 용접 열영향부(13)의 양측 부분에 대한 마찰 교반을 동시에 진행할 수 있다.
도 9는 도 6의 직선 구동부의 상세도이다.
도 8과 도 9를 참조하면, 직선 구동부(140)는 회전바디(120)에 위치하여 마찰 교반기(130)를 직선 이동시키는 것으로서, 회전바디(120)의 리니어 설치판(125)에 결합되며 마찰 교반기(130)가 선형 이동 가능하게 결합되는 리니어 가이드(141), 한 쌍의 회전판(121)에 설치되며 리니어 가이드(141)에 연동되는 리드 스크류(142), 및 리드 스크류(142)를 구동하는 직선 구동모터(143)를 포함한다.
리드 스크류(142)와 직선 구동모터(143)는 복수의 피니언 기어(144) 또는 복수의 풀리와 벨트에 의해 동력을 전달하도록 연결된다. 복수의 피니언 기어(144)와 복수의 풀리는 직선 구동모터(143)가 리드 스크류(142)를 구동할 수 있는 지름비로 마련될 수 있다.
회전 구동부(150)는 장치본체(101)에 위치하여 회전바디(120)를 회전시키는 것으로서, 중공바디(122)에 결합되는 환형기어(151), 및 장치본체(101)에 설치되며 환형기어(151)에 기어 결합되는 구동기어(153)를 구비한 회전 구동모터(152)를 포함할 수 있다.
회전 구동부(150)는 회전 구동모터(152)의 구동기어(153)가 환형기어(151)를 작동시키며, 환형기어(151)가 중공바디(122)를 회전시키는 작동시키는 구조로서, 회전 구동모터(152)가 일정 각도씩 회전바디(120)를 회전시키도록 각도 제어된다.
한편, 직선 구동부(140)와 회전 구동부(150)는 마찰 교반 헤드(131)을 자동으로 회전 및 직선 이동시키도록 구성될 수 있다. 즉, 마찰 교반 헤드(131), 직선 구동부(140) 및 회전 구동부(150)는 자동 제어를 위한 메인컨트롤러가 연결될 수 있다.
메인컨트롤러는 용접강관 제조방법에 따라 마찰 교반 헤드(131) 및 직선 구동부(140)와 회전 구동부(150)를 제어하도록 설정되거나 실시간으로 통신을 통한 외부 입력에 의한 자동 제어를 수행하도록 구성될 수 있다.
이처럼 직선 구동부(140)와 회전 구동부(150)는 마찰 교반 헤드(131)의 회전속도, 이동속도, 이송 경로 등을 제어하도록 마련된 메인컨트롤러에 연결된다.
또한, 마찰 교반기(130)에는 온도를 측정하기 위한 센서부로서, 온도센서(132)가 연결되어 있다.
센서부는 마찰 교반이 일어나는 부위의 온도를 측정하며, 메인컨트롤러에 측정한 온도에 대한 정보를 제공하게 된다.
메인컨트롤러는 센서부에 의해 측정된 온도 정보에 따라 마찰 교반 헤드(131)을 회전시키는 속도와 직선 구동부(140)와 회전 구동부(150)가 전진 속도 및 회전 이동 시점 등을 제어할 수 있다.
메인컨트롤러는 측정 온도가 기설정된 개질온도 범위에 속하도록 마찰 교반 헤드(131)의 회전속도를 자동 제어할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 용접강관 제조장치의 정면도이며, 도 11은 도 10의 우측면도이다.
도 10과 도 11을 참조하면, 다른 실시 예에 따른 마찰 교반기(130)는 장치본체(101)의 중앙부를 기준으로 일측에 배치되며, 장치본체(101)에서 마찰 교반기(130)의 반대 측에는, 마찰 교반기(130)를 지지하도록 장치홀더(110)의 일부가 배치될 수 있다.
이러한 마찰 교반기(130)는 장치본체(101)에서 반경 및 직선 방향으로 이동 가능하게 마련되며, 용접 강관(10)의 용접 열영향부(13)에 대해 승강 구동부(170)에 의해 거리 조절될 수 있으며, 장치본체(101)에서 경사 또는 수평라인에 가까운 라인을 따라 선형 이동 가능하도록 설치될 수 있다.
직선 구동부(140)와 승강 구동부(170)는 핸들 구조의 수동방식으로 도시되어 있으나, 전술한 실시 예와 같이 모터를 구성하여 자동으로 구현이 가능하다.
도시된 배관 구조와 다른 방식의 배관의 암수 결합 구조에 따른 용접 결합은, 암수로 결합된 부분의 내부에 삽입 구조의 압박에 따른 테이퍼 형상을 만들 수 있다. 마찰 교반기(130)의 경사 라인을 따른 이동은 배관의 내부에 테이퍼 형상에 대응하여 사용될 수 있다. 또한, 마찰 교반기(130)의 경사 이동을 위한 경사 라인은 직선 구동부의 리니어 가이드의 설치 각도에 따라 경사도가 조절될 수 있다.
상기 실시 예들에 따른 장치본체(101)에 마련되는 이동바퀴(160), 및 장치본체(101)에서 이동바퀴(160)의 양측에 마련되는 서포트 롤러(165)가 구비될 수 있다. 이에 따르면, 장치본체(101)는 이동바퀴(160)에 의해 용접 강관(10) 내부에서 용이하게 이동될 수 있으며, 서포트 롤러(165)에 의해 지지됨으로써 이동 자세가 유지될 수 있다.
한편, 이동바퀴(160)는 원격 제어 및 자체적으로 위치 제어가 가능한 전동식으로 마련될 수 있다.
상기와 같은 본 실시 예들에 따르면, 용접 강관(10)의 용접 열영향부(13)가 수소 취성으로 완전히 자유롭게 되기 위해서, 용접부로 수소 확산을 원천적으로 차단할 수 있는 수소 투과 차단벽(Hydrogen permeation Barrier) 역할의 물리적 개질층이 도입된다.
이는 배관 길이 방향 또는 원주 방향 용접부에 손쉽게 적용할 수 있을 뿐만 아니라 영구적인 수소투과 차단 역할을 할 수 있는 미세결정립층을 형성하는 마찰교반공정(Friction Stir Process)를 적용하여 이루어진다.
또한, 길이방향으로 용접된 용접 강관(10)에서, 파이프 내면비드의 양쪽에 대해 고속으로 회전하는 툴을 인입하여 적절한 입열량의 마찰교반 공정을 적용한 후, 강재의 미세조직 변화와 따른 수소취성 강화를 통해 그 효과를 확인할 수 있다.
마찰교반공정을 적용하기 전의 열영향부(HAZ)의 미세조직은 수소 확산이 상대적으로 용이한 하부 베이나이트상인데 반해, 마찰교반공정 적용을 통해 개질된 미세결정립층의 형성이 확인된다.
마찰교반공정 적용 전/후의 미소인장시험편에 대해 동일한 전기화학적 수소장입(10mA/cm2 for 24hr) 후 SSRT 평가를 통해, 수소취성 민감도를 비교 분석한 결과, 용접 열영향부의 수소취성 민감도(HEI)를 마찰교반공정을 적용 전 33%에서 마찰교반공정을 적용 후 15%이하로 달성할 수 있었다. 이는 마찰교반공정에 의해 재료 조직의 결정립을 미세화하여 수소의 확산을 어렵게 할 뿐만 아니라 수소취성을 열위하게 조장하는 M/A상 등 석출물을 균일하게 분포시켜 국부적인 수소 트랩을 억제함으로써 수소 취성 민감도가 향상시킨다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 용접 강관 11: 용접 부분
12: 용접 용융부 13: 용접 열영향부
30: 이음부
100: 장치 101: 장치본체
102: 바디판 105: 센터 샤프트
110: 장치홀더
111: 중앙 홀더 112: 유압 실린더
113: 유압펌프 114: 마찰패드
115: 실린더 브라켓
120: 회전바디 121: 회전판
122: 중공바디 125: 리니어 설치판
130: 마찰 교반기 131: 마찰 교반 헤드
132: 온도센서
140: 직선 구동부 141: 리니어 가이드
142: 리드 스크류 143: 직선 구동모터
144: 피니언 기어 150: 회전 구동부
151: 환형기어 152: 회전 구동모터
153: 구동기어 160: 이동바퀴
165: 서포트 롤러 170: 승강 구동부

Claims (16)

  1. 용접 부분이 있는 용접 강관을 마련하는 제1 단계;
    상기 용접 강관의 내부에 용접 부분의 표면을 개질하는 마찰 교반 헤드를 구비한 마찰 교반기를 배치하는 제2 단계; 및
    상기 용접 강관 내부의 용접 부분에 상기 마찰 교반기의 마찰 교반 헤드를 접촉하여 상기 용접 강관의 용접 부분에 표면개질층을 형성하는 제3 단계를 포함하며,
    상기 제3 단계에서, 상기 마찰 교반기의 마찰 교반 헤드는 상기 용접 강관의 용접 부분의 표면을 따라 이동되면서 마찰 교반을 수행하여 표면개질층을 형성하며,
    상기 용접 부분은 용접 강관의 모재 사이에 마련되는 용접 용융부의 주위에서 용접 열에 의해 변화된 용접 열영향부를 포함하며,
    상기 마찰 교반 헤드는 상기 용접 열영향부를 따라 이동되면서 마찰 교반을 수행하는 것을 특징으로 하는 수소취성 저항성을 갖는 용접강관의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 마찰 교반 헤드는 상기 용접 강관의 길이 및 원주 방향 중 하나 이상의 방향을 따라 이동되는 것을 특징으로 하는 수소취성 저항성을 갖는 용접강관의 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 마찰 교반기의 마찰 교반 헤드는, 상호 중첩되는 표면개질층을 형성하는 것을 특징으로 하는 수소취성 저항성을 갖는 용접강관의 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 공정 조건은, 상기 마찰 교반기의 마찰 교반 헤드의 500~1000rpm 회전속도와 300~700mm/min 전진 속도로서,
    상기 표면개질층은, 1mm ~ 2mm 두께로 형성되되, 미세결정립으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소취성 저항성을 갖는 용접강관의 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 단계 후에, 상기 마찰 교반기의 마찰 교반 헤드를 일정 각도 회전 이동시키고, 상기 제3 단계를 반복하는 제4 단계를 더 포함하며,
    상기 4 단계 이후 상기 제3 단계부터 제4 단계까지 더 반복하는 것을 특징으로 하는 수소취성 저항성을 갖는 용접강관의 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제3 단계에서는, 상기 용접 강관의 용접 부분에 대응하는 길이만큼 상기 마찰 교반 헤드가 이동되되,
    상기 제4 단계에서는, 상기 마찰 교반 헤드의 지름보다 짧은 원주만큼 상기 마찰 교반 헤드가 회전 이동되는 것을 특징으로 하는 수소취성 저항성을 갖는 용접강관의 제조방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제3 단계는,
    상기 마찰 교반기의 마찰 교반 헤드를 회전 작동하는 단계;
    상기 마찰 교반 헤드의 인접부의 표면 온도를 측정하는 단계;
    상기 표면 온도가 개질 온도 범위에 속하도록 상기 마찰 교반기에서 상기 마찰 교반 헤드의 마찰 교반에 대한 공정 조건을 조절하는 단계; 및
    상기 공정 조건에 따라 상기 마찰 교반기를 이동시켜 상기 용접 강관 내부 표면에 표면개질층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소취성 저항성을 갖는 용접강관의 제조방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 표면개질층의 표면 개질 상태를 확인하기 위해 비파괴 검사를 진행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소취성 저항성을 갖는 용접강관의 제조방법.
  9. 용접 부분이 있는 용접 강관을 마련하는 제1 단계;
    상기 용접 강관의 내부에 용접 부분의 양측 표면을 개질하는 마찰 교반 헤드를 구비한 마찰 교반기가 있는 표면개질장치를 배치하는 제2 단계;
    상기 표면개질장치를 작동시켜 마찰 교반 헤드를 용접 강관의 모재 사이에 마련되는 용접 용융부의 주위에서 용접 열에 의해 변화된 용접 열영향부에 정렬하여 접촉시키는 제3 단계;
    상기 표면개질장치에서 상기 마찰교반기를 작동시켜 마찰 교반 헤드를 회전시키는 제4 단계;
    상기 용접 강관 내부에서 용접 부분을 따라 상기 표면개질장치를 원주 방향으로 이동시키는 제5 단계; 및
    상기 제5 단계에서 형성되는 상기 마찰 교반 헤드의 원주 이동 경로에 상기 마찰 교반 헤드를 중첩하여 접촉하고 원주 방향으로 이동시킴으로써 상기 용접 강관의 용접 열영향부에 표면개질층을 형성하는 제6 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소취성 저항성을 갖는 용접강관의 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 표면개질장치에서 상기 마찰 교반기의 마찰 교반 헤드는 500~1000rpm 회전속도와 300~700mm/min 전진 속도로 제어되며,
    상기 표면개질층은, 1mm ~ 2mm 두께로 형성되되, 미세결정립으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소취성 저항성을 갖는 용접강관의 제조방법.
  11. 청구항 1 및 청구항 9 중 어느 한 항에 따른 수소취성 저항성을 갖는 용접강관의 제조방법에 의해 제조된 용접강관.
  12. 중앙부가 상호 연결된 복수의 바디판으로 마련되는 장치본체;
    상기 장치본체의 각각의 바디판에 마련되어 상기 장치본체를 용접 강관에 고정시키는 장치홀더;
    상기 장치본체의 중앙부에 회전 가능하게 결합되는 회전바디;
    상기 회전바디에 선형 이동 가능하게 결합되며, 용접 강관의 용접 열영향부를 마찰 교반하는 마찰 교반 헤드를 구비한 마찰 교반기;
    상기 회전바디에 위치하여 상기 마찰 교반기를 직선 이동시키는 직선 구동부; 및
    상기 장치본체에 위치하여 상기 회전바디를 회전시키는 회전 구동부를 포함하며,
    상기 마찰 교반기는 상기 용접 강관의 용접 열영향부에 대한 표면개질을 수행하도록 회전 및 이동속도가 제어되는 것을 특징으로 하는 수소취성 저항성을 갖는 용접강관의 제조장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 회전바디는,
    상기 장치본체의 복수의 바디판 사이에 상호 이격되어 배치되는 한 쌍의 회전판;
    상기 한 쌍의 회전판을 상호 연결하며, 상기 회전바디의 중앙부에 회전 가능하게 결합되는 중공바디; 및
    상기 한 쌍의 회전판을 상호 연결하는 리니어 설치판을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소취성 저항성을 갖는 용접강관의 제조장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 직선 구동부는,
    상기 회전바디의 리니어 설치판에 결합되며, 상기 마찰 교반기가 선형 이동 가능하게 결합되는 리니어 가이드;
    상기 한 쌍의 회전판에 설치되며, 상기 리니어 가이드에 연동되는 리드 스크류; 및
    상기 리드 스크류를 구동하는 직선 구동모터를 포함하며,
    상기 리드 스크류와 직선 구동모터에 마련되는 복수의 피니언 기어 또는 복수의 풀리와 벨트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소취성 저항성을 갖는 용접강관의 제조장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 회전 구동부는,
    상기 중공바디에 결합되는 환형기어; 및
    상기 장치본체 설치되며, 상기 환형기어에 기어 결합되는 구동기어를 구비한 회전 구동모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소취성 저항성을 갖는 용접강관의 제조장치.
  16. 청구항 12에 있어서,
    상기 장치홀더는,
    상기 장치본체의 중앙부에 결합되는 중앙 홀더;
    상기 중앙 홀더에 결합되는 복수의 유압 실린더; 및
    상기 중앙 홀더에 마련되어 상기 복수의 유압 실린더에 유압을 제공하되, 전기모터를 구비한 유압펌프를 포함하며,
    상기 유압 실린더에는 용접 강관의 용접 열영향부의 내벽부에 접촉되는 마찰패드가 구비되는 것을 것을 특징으로 하는 수소취성 저항성을 갖는 용접강관의 제조장치.
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