KR890000119B1 - 전자기식으로 폭발되는 필라멘트를 이용한 파이프 내면의 라이닝 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

전자기식으로 폭발되는 필라멘트를 이용한 파이프 내면의 라이닝 방법

제1도는 예정된 위치에서 파이프를 확장시키기 위해 사용된 장치의 개략도.

제2도는 장치의 한 실시예의 개략도.

제3도는 장치의 변형 실시예의 개략도.

제4도 및 5도는 누수를 보수하기 위해 파이프의 내면을 수선하는데 사용되는 슬리브의 개략도.

제6도는 누수되는 파이프를 보수한 대표적인 단면도.

제7도는 누수되는 파이프를 보수한 다른 형태의 단면도.

제8도는 누수되는 파이프를 수선하기 위한 독립식 패키지(Self-Contained Package)의 상세도.

제9도는 수선 물질의 성질을 나타내는 응력선도.

제10도 및 11도는 수선 패키지의 2개의 변형된 형태의 개략도.

제12a 및 12b도는 파이프에서 구멍을 찾아내고 필요한 장소에 수선부를 위치시키는 방법을 도시한 개략도.

본 발명은 공지의 기술에 의해서는 접근이 용이하지 않은 장소에 파이프를 수선하기 위해 구멍을 막고 파이프를 보수하는 방법에 관한 것으로, 특히 전자기식으로 폭발되는 필라멘트를 이용한 파이프 내면의 라이닝 방법에 관한 것이다.

예를들면, 물감속 원자로에 있어서, 감속 파이프들은 행거(hanger)가 위치된 특별한 장소에서 진동으로 야기되는 기계적 마모를 받는다. 시간이 지남에 따라 파이프의 벽은 마모되어 누수를 일으켜 즉석의 수선을 필요로 한다. 그러나, 원자로 보울트내에 결함이 발생되면 그것이 콘크리이트 차폐물내에 에워싸여 있고, 더우기 높은 방사능 지역내에 있기 때문에 쉽게 접근할 수 없다.

어떤 경우에는 플러그를 삽입하여 누수 파이프를 차단시킬 수 있으나 여러개의 굽힘부들을 지나 파이프를 따라 플러그를 이송시키는데는 이러한 굽힘부들이 대개 그 통과를 방해하기 때문에 어려움이 있게 된다. 파이프를 막기 위하여 플러그의 통과를 허용하는 엘보우(elbow)와 같은 일정한 장소에서는 파이프를 확장시킬 필요가 있다. 만약 특정 위치에서 파이프의 외측으로부터 접근하기 어렵다면 그러한 확장은 파이프의 내측으로부터 일어나야 하며 파이프를 파손시키거나 약화시키지 않아야 한다.

파이프를 막는 대신에, 파이프가 마모되거나 또는 마모되려는 곳에 수선을 하는 것이 바람직하다. 이것을 위해 본 발명에 따라서, 소성 변형 가능한 금속 슬리브와 슬리브를 확장시켜서 슬리브가 파이프의 내면에 냉간 용접되게 하는 전자기식 폭발 기술을 사용하여 파이프를 따라 예정된 장소에서 파이프의 내면을 라이닝하는 방법이 제공된다. 그 방법은 슬리브를 필요한 장소에 위치시키고 도전성 필라멘트를 슬리브내에 동심적으로 위치시키며 필라멘트와 슬리브 사이의 공간을 에너지 전달 매체로 채우고 필라멘트를 폭발시키기 위해 필라멘트를 통해서 예정된 전하량을 급속히 방전하여 예정된 에너지의 충격파를 발생시키게 하여서 이루어진다. 충격파는 매체를 통해 슬리브에 부딪히게 전달되어 슬리브를 소성 확장시켜서 파이프의 내면과 냉간 용접 되게 한다.

대표적으로, 전하량은 알려진 전압으로 충전되는 공지의 용량의 축전기로부터 얻어지며 관형 부재를 따라 연장되는 차폐 케이블을 따라 도전된다. 따라서, 방전 에너지, 즉 충격파 에너지는 공지의 금속적 성질을 고려한 관형 부재의 필요한 양의 소성 확장을 이루도록 제어될수 있다. 에너지 전달 매체는 통상 파이프속에 존재하는 물과 같은 비폭발성 유체이거나 비폭발성 수용성 고체나 겔(gel)일 수 있다. 적당한 수용성 중합체들은 폴리비닐 알콜, 메틸셀룰로오즈 및 폴리아크릴산을 포함한다. DL손세척제도 적당한다.

특히, 필라멘트의 크기는 충격파가 구면파 전면을 갖도록 슬리브 직경에 비해 작다. 슬리브의 내부 및 외부면은 회전면이 되며 내부면은 타원면이 되고 슬리브의 벽두께가 그 단부를 향하여 대칭으로 테이퍼져 있다. 외부면은 파이프의 내면과 부딪히는 각 지점에서의 충격 경사각이 냉간 용접이 일어날 수 있는 범위에서 대개 2

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에 있도록 형성되어야 한다.

본 발명을 효과적으로 수행하는 실시 방법이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.

제1도를 참조하면, 물감속 원자로의 감속 파이프와 같은 파이프의 선택적 부분을 확장시키는 장치가 도시된다. 이 경우에는, 적당한 장소에 플러그를 삽입하여 누수되는 파이프를 차단하는 것이 요구된다. 이것은 파이프를 따라 필요한 장소에 삽입시키는 것이 가능하다면 종래의 기술로서 쉽게 이루어질 수 있겠지만, 실제로는 적당한 직경을 플러그가 통과하는 것을 방해하는 많은 굽힘부가 파이프속에 존재한다.

이러한 플러그의 통과를 허용하기 위해서 일정위치에서 파이프를 확장시키는 것이 요구된다. 더우가, 확장량을 제어하는 것이 가장 중요하다. 이것은 본 발명에 따라서 예정된 에너지 양을 갖는 충격파를 발생시키도록 도전성 필라멘트를 파이프 내에서 폭발시켜서 성취된다. 제1도에 도시된 바와같이, 필라멘트(11)는 요구되는 장소에서 파이프(10)속에 동심적으로 위치되며 가요성 차폐 동축 케이블(12)을 통하여 충전된 축전기(13)에 연결되어 있다. 용량과 전압이 알려진 축전기는 필요한 충격파 에너지에 상응한 에너지량을 저장한다. 스위치(14)가 폐쇄되면, 축전기는 필라멘트(11)를 통하여 급속히 방전되어서 필라멘트를 폭발시킨다. 물론, 충격파를 일으키기 위해서는 파이프(10)의 적정 부분이 적당한 에너지 전달 매체(15)로 채워져 있어야 하는데, 이러한 매체는 대개 파이프속에 존재하는 물이거나 비폭발성 고체 또는 겔과 다른 매체일 수 있다. 공지의 에너지 충격파는 매체는 의해서 파이프의 내면에 부딪히게 전달되어 파이프의 내면을 소성 확장시키며, 방전 에너지와 방전 속도는 파이프위에 가해진 힘이 필요한 확장은 이루도록 충분한 양으로 파이프 금속의 항복 강도를 초과하게 선택된다.

폭발 와이어 공정은 스파크 방전 공정과는 원래부터 틀리며, 또 방전 에너지가 더욱 큰 속도에서 방출될 수 있기 때문에 더욱 효과적이다. 폭발 메카니즘은 다소 복잡하며, 필라멘트의 열팽창 및 기과 작용이 조합된 자기 유체 역학적 압축 과정을 지닌다. 대표적으로 1mm직경의 구리선을 통과하는 100KA전류 펄스는 선의 표면에서 약 40Tesla의 자속 밀도를 일으킨다. 최종 압출력은 600MPa(600기압)보다 크며 가열, 융해 및 기화에 의해 발생된 확장 압력과 맞선다. 이 상태는 매우 불안정하며 축적된 에너지의 일시 방출과 함께 폭발을 일으켜서 최대의 엄청난 정면 압력파를 일으킨다. 구리선의 폭발에 이은 전기방전은 또 다른 압력파를 발생시키나, 이것은 적은 진폭과 장기간의 작용으로 이러한 공정에서는 아무런 역활을 하지 못한다.

따라서, 본 발명의 필라멘트를 폭발시키는 기술의 효율은 폭발이 일어나기전에 폭발의 중심에서 최대 에너지 축적을 이루는 능력에 달려있다. 이러한 조건은 와이어의 직경과 전류 펄스 형태의 적당한 선택에 의해서 최적화 될 수 있다. 이상적으로는, 충격파가 구면파 전면을 갖는 충격파를 이루기 위하여 선 또는 필라멘트는 점전하므로서 작용하기에 충분히 작아야 하며, 이것은 선의 크기를 파이프의 직경에 비해 작게 만들어서 성취될 수 있다. 적절하게, 그 선은 그 최대 크기가 파이프의 초기 내경의 약 1/8보다 크지 않는 체적을 갖는다. 초기의 압력파가 매우 짧은 기간에 이루어지기 때문에, 폐쇄된 시스템에서는 에너지 전달 매체를 지닐 필요가 없다.

상술한 장치의 실제 형태는 제2도에 도시되어 있다. 팽창될 파이프(10)는 약 4cm직경의 스텐레스강이다. 필라멘트(11)는 1.6mm 직경 10mm길이의 제14번 게이지 구리선이다. 도시되지 않은 장치가 필요한 위치에서 파이프내에 동심적으로 필라멘트를 위치시키기 위해 제공되어 있다. 필라멘트(11)는 한쌍의 도선(16)(선번호 6AWG형)과 버스 인터페이스(17)에 의해 파이프 내에서 연장하는 긴 동축의 케이블(18)에 연결된다. 케이블(18)은 15KV XLPE동심뉴트럴케이블이 되도록 차폐된다. 케이블의 먼 단부는 스위치(14)를 통하여 축전기(13)에 연결된다. 축전기는 1200μf의 용량을 가지며 10KV로 충전되고 따라서 저장된 에너지는 60KJ이 된다. 이러한 스위치는 이그니트론(ignitron)이며, 특히 제너럴 이렉트릭 캄파니에 의해 공급되는 GL 8205 및 GL 7703형 이그니트론이다. 축전기(13)로부터 확장될 파이프(10)까지 연장되는 임의의 분리된 부가의 접지 케이블(118)은 금속 파이프와 어떠한 금속 구조물의 접지 전위가 커지는 것을 방지하는데 필수적이지는 않지만 유익하다.

제3도에 도시된 바와같이, 전기 회로는 전기 방전을 제어하거나 변경시키는 요소부를 지닌다. 용량과 전압이 알려진 축전기(13)가 이그니트론 스위치(14)의 작동에 의해서 충전된다. 발생된 전류 펄스는 케이블(18)에 의해 필라멘트(11)로 전달되는데, 그 필라멘트는 전류 펄스의 형태와 방출 에너지양을 고려하여 방출을 제어하기 위해 적절한 직경, 형태, 체적 및 형상으로 선택된다. 전류 펄스의 형태를 제어하기 위해서, 회로는 펄스 변환기(19)와 하나 이상의 직렬 인덕터(20)를 지닌다.

주어진 위치에서 파이프를 확장하기 위해 사용되는 선을 폭발시키는 기술은 누수를 직접 수선하기 위해서 파이프속에 위치하는 관형 삽입물이나 슬리브를 확장시키기 위해 동일하게 사용될 수 있다. 이러한 수선 기술은 수선될 구멍(22)을 갖는 스텐레스 강철파이프(21)를 도시하는 제4도 내지 제7도에서 개략적으로 도시된다. 구멍(22)은 일정 기간 이상이 기계적 진동의 결과로서 행거(23)의 위치에서 기계적으로 마모될 수 있다. 근복적으로, 보수 방법은 요구된 위치에서 파이프내에 슬리브(24)을 위치시키고 누수를 막기 위해서 파이프의 내면과 냉간 용접되게 슬리브를 확장 시키기 위해 슬리브내에 중앙에 위치된 필라멘트를 폭발시켜서 이루어진다. 제4도는 구멍(22)부분에 위치된 슬리브(24)를 도시한다. 이 실시예에 있어서, 그 파이프는 약 6cmS의 내경을 갖는 스텐레스강이며 또 슬리브는 파이프의 금속에 냉간 용접될 수 있는 소성변형 가능한 금속, 예를들면 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 스테인레스강으로 이루어진다. 슬리브의 외경은 파이프의 내경보다 약간 작다. 이상적으로는, 슬리브가 여러개의 굽힘부를 지나 파이프를 따라 삽입될 수 있도록 슬리브가 구형이 되어야 하나, 어떤 경우에는 슬리브의 외부면이 회전면, 특히 타원이 되어야 한다. 본 실시예에 있어서, 슬리브의 내면은 역시 타원이며 외면과 동축적이고 슬리브의 벽두께가 그 단부를 향해 대칭적으로 테이퍼지도록 형성된다.

제5도에 도시된 바와같이, 도전성 필라멘트(25)는 슬리브 내부를 채우는 수용성 중합체 또는 중합체 비누(26)같은 에너지 전달 매체에 잠겨서 슬리브(24)내에 동심적으로 위치된다. 슬리브의 내경에 비해 크기가 작은 필라멘트는 제2도에 도시된 선(11)과 같은 구리선이다. 제2도 또는 제3도에 도시된 것과 같은 필라멘트가 2개의 차폐 케이블(27)에 의해 연결된 전기 회로에 의해, 예정된 전하량이 필라멘트를 통하여 급속히 방전되어 예정된 에너지의 구면의 충격파를 일으키도록 필라멘트를 폭발시킨다. 충격파는 매체(26)에 의해서 슬리브의 내면에 부딪히게 전달되어 슬리브를 확장시킨다. 슬리브가 확장되면 슬리브는 파이프(21)의 내면에 부딪히며 슬리브의 외면위의 각점은 두 금속 사이의 냉간 용접이 일어나도록 일정 충격 경사각으로 파이프면과 접합한다. 도시된 슬리브의 형상에 있어서는 슬리브의 외면이 파이프(21)의 소성 변형없이 제6도에 도시된 것처럼 원통형이 되도록 하거나 또는 파이프의 내면이 제7도에 도시된 것처럼 파이프이 내면을 밀어내어 원통형이 되도록 하기 위해 폭발 에너지가 제어될 수 있다.

수용성 에너지 전달 매체는 이어서 씻겨나간다. 에너지 전달 매체로 고체나 겔을 사용하는 대신 파이프 속에 보통 존재하는 물을 사용할 수 있고, 필라멘트는 스파이더에 의해서 기계적으로 슬리브속에 위치된다.

최상의 결과를 얻기 위하여, 슬리브(24)의 설계에 주의해야 하는데, 이것은 이러한 요소가 필요한 양만큼 확장되어야 할뿐 아니라 파이프(21)의 내면과 결합하여 그 표면의 각점이 필요한 속도를 가지며 냉각 용접을 하기 위해 제9도의 도표를 참조하여 고려되어야 한다. 간단하게 슬리브는 구형으로 가정하였다.

중공구형 금속 슬리브(24)와 누수 파이프(21)의 내벽 사이의 충격 경사각은 견고한 결합을 얻기 우해 2

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사이로 유지된다. 이 각도는 슬리브의 내면의 형태를 변동시키고 또한 제8도에 도시된 바와같이 슬리브의 물질 단면과 벽두께를 변경하여 쉽게 조절될 수 있다. 압력파 펄스가 전자기적으로 발생되는 동안의 슬리브의 방사상 확장은 일정한 슬리브의 부분상의 동적 응력 평형에 의해서 이루어진다.

슬리브를 소성 변형하는데 필요한 압력은 제9도에 도시된 슬리브의 재료의 개략적인 동응력-변형 선도로부터 얻어질 수 있으며, 제9도에 도시된 S(e)는 하기식과 같다.

이러한 관계는 다음 방정식을 사용함에 의해 압력을 나타내도록 변형될 수 있다.

슬리브를 어닐링하면, 소성 변형을 성취하는 데 필요한 압력은 감소될 수 있다. 압력 펄스 파형은 폭발하는 선직경과 충격 전류 파형의 선택에 의해 제어되어서 변형율에 영향을 주며 동응력-변형 관계를 변경시킨다. 제8도에 도시된 부분 A 및 B에서 2개의 슬리브부분의 속도 V_A및 V_B는 식(1)로부터 계산될 수 있다. 간단하게 사용된 압력과 펄스는 균일한 것으로 가정한다.

따라서, 충격의 임계각의 각 부분의 국부속도를 제어하면 조절될 수 있으며, 그것은 부분의 벽두께의 기능이다.

더우기, 충격 경사각의 제어는 에너지 전달 매체의 국부밀도를 변경시켜서 달성될 수 있는데, 예를들면 2가지 이상의 수용성 중합체를 슬리브속에 적당히 위치시켜서 이루어진다.

제10도는 전류 펄스가 두개의 케이블(27)을 통하여 공급되는 중앙에 위치된 필라멘트(25)를 갖는 구형 형상의 슬리브(24)를 도시한다. 제11도는 전류펄스가 동일축상의 케이블을 통하여 공급되는 중앙에 위치된 필라멘트(25)를 갖는 유사 슬리브(24)를 도시한다. 또한, 하나 이상의 필라멘트가 사용될 수 있다.

상술된 방법을 사용하기 위해 먼저 수선될 파이프의 부분을 정하고 슬리브 및 폭발하는 필라멘트를 요구되는 장소로 이동시키는 것이 물론 필요하다. 이것은 공지의 장치를 사용하여 성취된다. 구멍같은 결함의 위치를 찾아내는 초음파 검사기들은 이 분야에서 공지되어 있다. 수선 슬리브와 폭발성 필라멘트와 같은 수선 패키지를 후미에 연결한 초음파 위치 측정 탐침 및 기계적 이송기와 함께 상기의 장치를 사용하여, 수선 패키지를 필요한 장소에 쉽게 위치시킨다. 제12a 및 12b도에 도시된 바와같이, 이러한 방법이 구멍(22)이 제12a도에 도시된 위치 측정 탐침(29)에 의해서 발결될때 까지 기계적 이송기(28), 위치 측정 탐침(29) 및 수선 패키지(30)는 구멍(22)을 지나 일정거리에 위치된다. 따라서, 기계적 이송기는 역전되어 같은 거리를 이동하여 수선 패키지를 제12b도에 도시된 구멍 위치로 이동시킨다. 위치 측정 탐침은 초음파 변환기이며, 그 계수들이 문제의 파이프의 내경에 맞도록 선택된다. 예를들면, 3.81cm의 내경의 파이프에서 적당한 변환기는 5MHz의 작동 주파수를 가지며, 물속에서 1.905cm로 포커스되는 0.635cm의 직경을 지닌다. 이러한 변환기는 메가소닉 회사에 의해서 제작된다. 기계적 이송기는 1979년 5월 1이자 "전기 세계"의 80페이지에 기술된 형태일 수 있거나 제이. 디. 힐의 미합중국 특허 제3,224,734호인 "공압식 자동 추진장치"에 기술된 형태일 수 있다. 이와는 달리, 어떤 경우에는 수동으로 케이블을 밀어서 수선 패키지를 간단히 이동시킬 수 있다.

Claims (1)

1. 금속 슬리브(24)를 파이프내의 예정된 위치에 고정시키고 도전성 필라멘트(25)를 금속 슬리브(24)속에 동심적으로 위치시키며 필라멘트(25)와 슬리브(24)사이의 공간은 에너지 전달 매체로 채우고 필라멘트(25)를 전자기적으로 폭발시켜서 충격파가 슬리브(24)위에 매체를 통하여 전달되게 하여 스릴브(24)를 소성확장시키는 파이프의 외부에서 접근 불가능한 예정된 위치에서 파이프(21)의 내면을 라이닝하는 방법에 있어서, 필라멘트(25)가 예정된 전하량을 급속히 방전시켜 폭발되어서 예정된 에너지의 충격파를 일으키며 슬리브(24)는 파이프(21)의 내면에 냉간 용접되게 확장되며, 필라멘트(25)는 충격파가 구면파 전면을 지니도록 슬리브(24)의 내경의 1/8미만의 최대 크기의 체적을 지니고, 슬리브(24)의 내면 및 외면이 동축 회전면이고 외면은 타원이며 슬리브(24)의 벽두께는 그 단부를 향해 대칭적으로 테어퍼져 있는 것을 특징으로 하는 전자기식으로 폭발되는 필라멘트를 이용한 파이프 내면의 라이닝 방법.

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