KR101228010B1 - 인바 트라이헤드론 제작 방법 - Google Patents

인바 트라이헤드론 제작 방법 Download PDF

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Abstract

인바 트라이헤드론 제작 방법이 개시된다. 트라이헤드론의 형태를 갖도록 정해진 취부 순서에 따라 인바 부재들을 취부하는 단계와, 정해진 용접 순서에 따라 상기 인바 부재들을 용접하는 단계를 포함한다. 취부하는 단계에서 다수개의 사각통 형상의 고정용 지그를 상기 인바 부재들 사이에 고정시킨다. 또한, 용접 시에 용접부위 외에 용접열이 전달되는 부위에 불활성가스를 공급하여 산소의 침투를 차단한다. 이와 같은 방식에 의해 변형이 최소화되고 스케일 발생이 적은 트라이헤드론이 제공될 수 있다.

Description

인바 트라이헤드론 제작 방법{METHOD FOR MANUFACTURING INVAR TRIHEDRON}
본 발명은 인바 트라이헤드론 제작 방법에 관한 것으로서, 특히 높은 정밀도를 가지는 트라이헤드론을 제작할 수 있는 방법에 관한 것이다.
액화천연가스(LNG) 운반선은 액화천연가스를 생산기기에서 인수기지까지 운반하는 선박으로 통상 줄여서 LNG선 또는 LNGC(LNG Carrier)라 한다. LNG(Liquefied Natural Gas)는 메탄(NH4)이 주성분인 천연가스를 대기압에서 영하 162℃로 액화시킨 것으로 LNG의 액체와 기체의 용적 비율은 약 1/600이고 액화 상태의 LNG 비중은 0.21~0.50이다.
액화천연가스 운반선에는 극저온에 견딜 수 있는 LNG 저장탱크가 설치되며, 이는 독립탱크형(Independent Type)과 멤브레인형(Membrane Type)으로 분류할 수 있다. 독립탱크형 저장탱크는 다량의 비철금속을 주재료 사용하기 때문에 저장탱크 제조비용이 비싸서 현재 LNG 저장탱크로는 멤브레인형 저장탱크가 많이 사용되고 있다. 멤브레인형 저장탱크는 가격이 상대적으로 저렴하고, 오랜 기간 동안 안전상의 문제를 야기하지 않은, LNG 저장탱크 분야에 적용되어 온 검증된 기술이다. 멤브레인형은 초저온의 천연액화가스가 직접 닿은 화물탱크의 내벽을 저온 인성이 강한 인바합금(Fe-Ni 합금)을 이용하여 탱크벽을 제작하고 그 외벽의 사이에 절연층을 두는 구조로 되어 있다.
한편, 금속은 일반적으로 저온으로 냉각되면 약한 충격에도 깨어지지 쉬운 취성(Brittle) 상태로 변화된다. 따라서 금속으로 제작된 상술한 저장탱크는 내부에 초저온의 액화가스를 저장하고 있기 때문에 매우 취약한 상태가 될 수밖에 없다. 이러한 상태에서 선박의 빈번한 롤링 및 피칭(Rolling 및 Pitching) 등이 저장탱크 내부의 액화가스의 요동을 일으켜 저장탱크 내벽을 타격하는 출렁거림을 야기하게 되면 취약한 상태에 있는 저장탱크가 파괴될 위험성을 가지게 된다. 이런 현상을 방지하기 위해 저장탱크 내벽에 45도의 경사면을 두어 출렁거림을 약화시킨다. 저장탱크 내벽의 경사면과 수평면 및 수직면에 만나는 부분에서는 135도 각도로 절곡된 부분에 두 개의 인바튜브를 서로 135도로 연결하는 부재가 인바 트라이헤드론이다.
이러한 인바 트라이헤드론을 제작하기 위해서는 특수 제작된 제작장치에 인바 부재를 마운팅한 후 용접 작업을 수행하는 매우 정밀한 공정이 요구된다.
이와 같은 트라이헤드론 제작 공정의 종래 기술로는 국내 특허공보 특1995-0005902(1995.06.07. 공고, 이하 “문헌1”이라 함)인 트라이헤드론 제작용작업대와, 미국 특허공보 US 3,998,350(1976.12.21. 공개, 이하 “문헌2라 함)인 Semi-membrane like container, heat-insulated fluid-tight tankembodying same and methods of making same 및, 국내 공개특허공보 제10-2012-0013478호(2012.02.15. 공개, 이하 “문헌3”이라 함)인 아아크 용접에 있어 불활성 가스의 파형 공급 방법 및 장치를 예로 들 수 있다.
그러나, 상기 종래 트라이헤드론 제작 방법들은 용접 작업의 순서가 특정되지 않고 불규칙하게 작업이 이루어지므로, 예컨대, 하나의 라인으로 이루어진 용접을 요하는 부분 중 어느 한쪽 방향에서 용접 작업 후 작업자가 위치를 이동하여 다른 방향에서 용접을 진행하여 용접부위를 연결시키게 되면, 용접부위에 변형이 발생하는 문제점이 있다.
또한, 용접 시 산화를 방지하기 위해 용접건에서 불활성 가스를 분사시키면서 용접을 실시하게 되는데, 용접을 하면서 이동하는 과정에서 또는 주변 환경의 변화에 의해 용접 부위 주변 불활성 가스의 양이 일정하게 유지되지 못하는 문제점이 있다.
본 발명은 보다 더 정밀한 인바 트라이헤드론을 제작할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 인바 트라이헤드론 제작방법을 제공하며, 이 방법은: 트라이헤드론의 형태를 갖도록 정해진 취부 순서에 따라 인바 부재들을 취부하는 단계; 및 정해진 용접 순서에 따라 상기 인바 부재들을 용접하는 단계;를 포함하고, 상기 취부하는 단계에서 다수개의 사각통 형상의 고정용 지그를 상기 인바 부재들 사이에 고정시킨다.
용접 시에 용접부위 외에 용접열이 전달되는 부위에 불활성가스를 공급하여 산소의 침투를 차단한다. 상기 불활성가스는 Ar일 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 트라이헤드론 제작 방법은 인바 부재의 취부 과정 및 용접 과정에서 정해진 순서에 따라서 작업을 수행하기 때문에 정밀도를 높일 수 있다. 특히, 용접 순서에 의해 전체적으로 동일, 유사하게 변형이 적용되기 때문에 실질적으로 변형이 최소화되게 된다. 더욱이 본 발명에서는 사각통 형상의 블록을 사용하여 정밀하게 제작할 수 있고, 용접 시에 불활성가스를 이용하여 산화를 최소화시킴으로써 스케일을 최소화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 인바 트라이헤드론이 적용되는 부위를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 인바 트라이헤드론 제작 방법에 의해 제작된 인바 트라이헤드론을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 인바 트라이헤드론 제작 방법에서 인바 부재의 취부 과정을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 인바 트라이헤드론 제작 방법에 채용되는 사각통형 블록을 보여주는 사진이다.
도 5a 및 5b는 도 4의 사각통형 블록이 적용된 상태를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 인바 트라이헤드론 제작 방법에 채용되는 다양한 지그를 보여주는 사진이다.
도 7은 본 발명의 인바 트라이헤드론 제작 방법에서 용접 순서를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 인바 트라이헤드론 제작 방법에서 퍼지가스 공급을 설명하기 위한 도면이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 인바 트라이헤드론이 적용되는 부위를 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이 인바 트라이헤드론은 세로 코너와 가로 코너가 만나는 지점에 설치되어 카고 탱크 내에서 발생하는 스트레스를 앵커리바를 통해 선체에 전달한다.
도 2는 본 발명의 제작 방법에 의해 제작되는 인바 트라이헤드론를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이 트라이헤드론은 8개의 인바 부재가 용접으로 결합된 제품이다. 도 2에서 부재 번호 ①, ②, 및 ③ 부재가 메인 부재라고 할 수 있다. 부재번호 ①은 LNG 저장 탱크의 각 모서리 부위의 각도를 보증하는 부재번호 ③은 각 부재와 연결되는 중심역할을 하며, 이 부재를 얼마나 정확하게 설치하는지가 핵심이라고 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 인바 트라이헤드론 제작 방법에서 인바 부재의 취부 과정을 보여주는 도면이다. 도 4는 본 발명의 인바 트라이헤드론 제작 방법에 채용되는 사각통형 블록을 보여주는 사진이다. 도 5a 및 5b는 도 4의 사각통형 블록이 적용된 상태를 보여주는 도면이다. 도 6은 본 발명의 인바 트라이헤드론 제작 방법에 채용되는 다양한 지그를 보여주는 사진이다.
이를테면, 도시한 바와 같이 사각통 형상의 블록(100)을 사용하여 직각 및 평면도를 보증하고 치수공차를 ±0.2mm 이내로 취부를 실시한다. 이어 정해진 순서에 따라 인바 부재들을 취부한다. 이때는 도시한 바와 같은 여러 가지의 지그부재를 이용하게 된다.
트라이헤드론은 GTAW(Gas Tungsten Arc Welding) 용접 공법으로 제작하기 때문에 모든 부재 및 용가재(Filler metal)는 소위, 인바(Invar)(Fe-36% Ni 합금강)라는 저온 취성 강도가 강한 자재를 사용한다. 이와 같은 인바 자재를 사용하여 LNG 저장 탱크를 제작하는 이유는 LNG 수송은 영하 162℃의 초저온에 견딜수 있어야 하기 때문이다. 인바 합금은 팽창 계수가 SUS의 1/10에 해당한다.
또한 온도에 대해 불변이라는 뜻에서 'in(不) var(變)'라는 이름이 붙여졌다. 100℃ 이하에서는 100만 분의 1 전후의 변동을 보이며, 그래서 LNG 수송선박에 적합한 재질이라고 할 수 있다. 그러나 인바 재질은 높은 열을 사용하는 GTAW(Gas Tungsten Arc Welding) 용접 공법에서 과도한 열로 인하여 변형이 발생한다. 저온 100℃ 이하에서 상온까지의 평창계수는 아주 우수하나 GTAW(Gas Tungsten Arc Welding) 용접 작업에서는 순간 고융점이 3410℃ 까지 올라가며 그때 용접 변형이 발생하게 된다. 심지어 부재들의 취부 시에 택(Tack) 용접을 할 때에도 변형 및 치수의 변동이 발생한다. 따라서, 정해진 취부 순서에 따라 인바 부재들을 고정함으로써 변형을 막을 수 있게 된다.
이어서, 용접 작업을 수행한다. 트라이헤드론의 용접 작업에 있어 핵심은 작업 포인트와 용접순서이다. 도 7은 본 발명의 인바 트라이헤드론 제작 방법에서의 용접순서를 보여준다. 이를테면, a-a', b-b', c-c' 및 d-d'의 순으로 수행한다.
이러한 용접 순서를 지키지 않았을 경우에는 여러 가지 문제점이 발생할 수 있다. 즉, 용접을 실시한 반대쪽에서 또 용접을 하면 역 변형이 발생하여 균일한 용접응력을 가질 수 없고, 상기와 같은 용접 변형을 상술한 사각통형 블록(100)과 지그들을 이용하여 보정할 수 있다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 인바 트라이헤드론 제작 방법에서 퍼지가스 공급을 설명하기 위한 도면이다.
또한 본 발명의 인바 트라이헤드론 제작 방법에서는 용접 시에 가스 퍼징을 수행한다. 이를 위해, 가스 퍼지용 지그(200)를 장착하며, 가스주입구(210)를 통하여 아르곤가스를 주입한다. 이러한 방법으로 가스 퍼지용 지그(200)를 둘레에 전부 장착하여야 하는 이유는 가스가 일정한 양을 초과하지 않아야 하며 균일한 양이 분사 되어야 대기 중에 산소가 유입되는 현상이 없어진다. 대기 중에 산소가 유입되면 산화되는 현상이 발생한다.
취부 및 용접 완료된 트라이헤드론의 치수확인 본 용접 전 택(tack) 용접을 실시한다. 택 용접에서는 용접봉을 사용하지 않는 조건으로 용접 시작 포인트에서 10mm 간격으로 전류를 60~80%으로 설정하고 용접을 실시한다. 그러한 이유는 본 용접을 실시 할 때 발생하는 수축으로 인하여 취부 시 보증된 치수를 유지하기 위함이다.
이어 본 용접을 수행하고, 본 용접이 완료된 후 용접 끝 단부위에 부착된 시편을 채취한다. 채취한 시편의 내부를 금속 현미경을 사용하여 입의 깊이를 확인하여 요구 스펙을 충족하는지를 체크한다. 현미경 검사에 필요한 현미경은 40배로 확대하여 볼 수 있는 금속 현미경으로 검사를 실시하며 시편의 부식에 사용되는 주재료로는 질산 또는 염산, 에탄올, 과산화수소, 알코올이 사용될 수 있다.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.

Claims (3)

  1. 인바 트라이헤드론 제작 방법으로서:
    트라이헤드론의 형태를 갖도록 정해진 취부 순서에 따라 인바 부재들을 취부하는 단계; 및
    일측 상부(a-a')와 타측 하부(b-b')와 타측 상부(c-c') 일측 하부(d-d')로 정해진 용접 순서에 따라 상기 인바 부재들을 용접하는 단계;를 포함하고,
    상기 취부하는 단계에서 다수개의 사각통 형상의 고정용 지그를 상기 인바 부재들 사이에 고정시키고,
    용접 시에 용접부위 외에 용접열이 전달되는 부위에 불활성가스를 공급하여 산소의 침투를 차단하되, 불활성가스의 양을 일정하게 유지시키도록 공간을 형성하는 가스 퍼지용 지그(200)에 불활성가스를 주입하고 용접을 실시하는 것인,
    인바 트라이헤드론 제작 방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 불활성가스는 Ar인 것인,
    인바 트라이헤드론 제작 방법.
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