KR102305430B1 - 스파이럴 튜브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 두께를 저감시키면서도 내부와 외부의 압력차에 의해 발생하는 붕괴 하중에 대한 저항 성능을 향상시킬 수 있는 스파이럴 튜브에 관한 것으로, 이는 스트립이 스파이럴 형상으로 연결되고 선단에서 용접된 튜브본체, 및 상기 튜브본체의 내면에 설치된 보강재를 포함한다.

Description

스파이럴 튜브 {Spiral Tube}

본 발명은, 내부와 외부의 압력차에 의해 발생하는 붕괴(Collaspe) 하중에 대한 저항 성능이 향상될 수 있는 스파이럴 튜브에 관한 것이다.

예를 들어, 300km/h 이상의 초고속 열차 시스템에서는 속도에 따라 2가지 저항을 해결해야 한다. 하나는 기하급수적으로 상승하는 공기 저항을 감소시키기 위해 공기역학적 주행체를 설계하고, 다른 하나는 주행체와 궤도의 마찰 저항을 감소시키기 위해 자기 부상 시스템을 도입하는 방향으로 진행되고 있다.

한편, 2012년 앨론 머스크가 주도하고 테슬라(Tesla) 및 스페이스엑스(SpaceX)의 기술진에 의해 처음 소개된 하이퍼루프 콘셉트(Hyperloop Concept)에서는 대략 0.001 기압의 상태로 밀폐된 진공의 튜브 속에 소형 주행체(통상 28인승)를 삽입하여 공기의 저항 없이 최고 1200km/h의 속도로 승객을 운송할 수 있는 기술을 제안하였다. 이후, 이러한 시스템을 실제로 구현하기 위한 다양한 시도가 진행되고 있다.

이러한 시도에서는 전자기 및 기계적으로 주행체를 부상시키고 추진하는 시스템도 중요하지만, 초기 투자비의 약 50% 이상을 차지하는 인프라에서 대략 0.001 기압의 아진공 상태를 유지하기 위한 튜브 구조를 구현하는 것도 중요하다.

튜브는 내부에 승객 또는 화물을 운반하는 주행체가 이동하는 통로이므로 주행체의 단면적보다 크게 설정되며, 통상 튜브 단면적 대비 주행체의 단면적으로 표현되는 단면적비(Blockage Ratio)가 0.38 ~ 0.60으로 나타나고 있다.

예컨대, 2012년에 제안된 하이퍼루프 콘셉트에서는 주행체의 직경이 1.38m이고 튜브의 직경이 2.23m로 단면적비는 0.38로 나타났으나, 주행체의 직경이 1.38m로 되면 사람이 일어설 수 없는 높이로 승객의 탑승성에 불리하다. 최근에, 버진 하이퍼루프 원(Virgin Hyperloop One) 등의 접근에서는 주행체 직경이 2.4m이고 튜브 직경이 3.66m로 대형화되는 추세에 있다.

튜브에 요구되는 기계적 성능으로는 여러 가지가 있는데, 그 중의 하나로는 대략 0.001 기압의 아진공 상태를 유지하기 위해 가스 방출률(Outgassing Rate)이 낮아야 된다. 예를 들면, 강재는 항복강도, 인장강도 등의 특징도 우수하지만 대략 0.001 기압 정도에서는, 튜브의 다른 후보 소재인 콘크리트나 폴리머 복합소재 등에 비해 가스 방출률이 우수하여 강재로 된 튜브가 우선적으로 검토되고 있다.

튜브의 직경이 커지면서 튜브의 두께도 상대적으로 증가하게 되는데, 예컨대 파이프 라인의 설계 기준(DNV-OS-F101 규격)에 따르면, 예를 들어 직경이 4m로 커질 때 안전율과 함께 붕괴 하중에 대한 저항 성능을 확보한 안전 두께는 28.4mm로 증가하게 된다. 여기서, 강재의 두께가 25mm보다 두꺼워지면 튜브의 생산 방식에 큰 제약이 생기게 된다.

구체적으로, 강재의 열연 코일은 그 두께가 25mm 이내로 제조되도록 생산 설비가 설정되어 있고, 통상 두께가 25mm 이상인 철강 제품은 후판으로 제작되어야 한다. 튜브 제작시 후판 제품은 연속 공정이 불가능한 방법을 사용하여 열연 코일의 연속 공정에 비하여 생산 단가가 훨씬 높다. 따라서, 튜브의 제작에 연속 공정이 가능하도록, 그리고 초기 투자비를 절감하도록 튜브의 두께를 25mm 이하로 할 필요가 있다.

(특허문헌 1) KR 1731869 B1

이에 본 발명은 두께를 저감시키면서도 내부와 외부의 압력차에 의해 발생하는 붕괴 하중에 대한 저항 성능을 향상시킬 수 있는 스파이럴 튜브를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 스파이럴 튜브는, 300km/h 이상의 속도로 이동하는 주행체를 위한 통로로 제공되며, 스트립이 스파이럴 형상으로 연결되고 선단에서 접합된 튜브본체, 및 상기 튜브본체의 내면에 접합되어 상기 튜브본체의 방사상 안쪽으로 돌출하도록 설치된 보강재를 포함할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 튜브본체 내에 보강재를 위치시킴으로써, 튜브의 두께를 저감시키면서도 붕괴 하중에 대한 저항 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 얻게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스파이럴 튜브의 일부를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 스파이럴 튜브의 부분 확대도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스파이럴 튜브의 변형예 중 일부를 도시한 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 스파이럴 튜브의 부분 확대도이다.
도 5a 및 도 5b는 종래기술과 본 발명에 따른 스파이럴 튜브의 붕괴 해석을 나타낸 도면들이다.

일반적인 파이프 라인은 압력 유체를 이송하기 때문에 내부 압력이 외부 압력보다 크게 되어 붕괴보다는 파열(Burst)에 대한 저항성을 강화하는 데에 주안점을 두고 있다.

예를 들어, 직경이 1m 이상인 튜브의 제작에는 열연 코일의 연속 공정으로 경제적인 스파이럴 용접 방식이 주로 사용된다.

이렇게 제작된 스파이럴 튜브에서 예컨대 직경이 4m이고 두께가 28.4mm이면, 직경 대 두께비(D/t)가 130 이상으로 되어 일반적인 파이프 라인(예를 들어 직경 이 762mm이고 두께가 20mm로서 D/t = 38인 경우)에 비해 상대적으로 직경은 크고 매우 얇은 구조를 가질 수 있게 된다.

이와 같이 직경 대 두께비(D/t)가 커지게 되면 자중의 영향으로 타원도(Ovality)를 제어하는 것이 매우 어렵다.

일반적인 파이프 라인의 타원도 제어량은, 일례로 소직경(직경 < 500mm, D/t < 30)의 경우에 0.5% 이하로 하며, 중직경(직경 < 1,300mm, D/t < 45)의 경우에는 1.5% 이하로 제어할 수 있다.

하지만, 대직경인 4m와 직경 대 두께비(D/t)가 130의 경우는 타원도가 대략 5.0% 정도로 예상된다.

압력 유체를 이송하는 파이프 라인의 경우에 이러한 타원도를 제어하는 주된 이유는 개별 파이프 간의 연결 단면을 일치시키기 위함이다.

한편, 스파이럴 튜브를 제작할 때에는 예를 들어 강재 재질의 열연 코일로 되고서 일정한 폭을 가진 스트립을 길게 늘어뜨려 비틀어 감으면서 원하는 직경에 따라 설정된 각도로 스파이럴 형태로 용접을 하게 된다.

통상의 스파이럴 튜브는 스트립의 두께에 맞게 맞대기 용접으로 진행하여 튜브의 내부 및 외부에 용접 비드만 남기고 최대한 매끈한 표면을 유지하도록 가공한다. 이러한 매끈한 표면은 특히 스파이럴 튜브의 내부에서 유체(가스, 오일, 물 등)의 이동을 원활히 하기 위한 것이다.

이에 반해, 본 발명에 따른 스파이럴 튜브는, 내면으로부터 일정한 간격을 두고 주행체가 움직이며 내부가 진공인 튜브로 사용하기 위한 것으로서, 이러한 스파이럴 튜브에서는 붕괴 하중에 대한 저항 성능이 충분히 확보되어야 한다.

이하, 본 발명이 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명된다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스파이럴 튜브의 일부를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 스파이럴 튜브의 부분 확대도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 스파이럴 튜브는, 스트립이 스파이럴 형상으로 연결되고 선단에서 접합된 튜브본체(1), 및 이 튜브본체의 내면에 설치된 보강재(2)를 포함하고 있다.

튜브본체(1)는, 예를 들어 강재 재질의 열연 코일로 되고서 일정한 폭을 가진 스트립을 길게 늘어뜨려 비틀어 감으면서 원하는 직경에 따라 설정된 각도로 스파이럴 형태로 용접되어 형성되게 된다.

스트립이 강재 등과 같은 금속인 경우에, 이 스트립은 예컨대 약 400MPa의 항복강도와 약 440MPa의 인장강도를 가질 수 있다.

여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 스파이럴 튜브는 유체의 수송을 목적으로 하지 않기 때문에, 그 내부 또는 외부에 매끈한 표면을 필요로 하지 않는다.

보강재(2)는 튜브본체(1)의 내면에 접합되어 튜브본체의 방사상 안쪽으로 돌출하도록 설치될 수 있다.

도 1 및 도 2에는 예를 들어 방사상의 길이(즉 보강재의 폭)가 약 100mm이고 두께가 약 8mm 정도인 평탄한 판 형상의 보강재(2)가 나타나 있다.

하지만, 보강재의 치수는 반드시 이에 한정되지 않으며, 스파이럴 튜브의 직경에 따라 보강재의 폭과 두께는 변경될 수 있음은 물론이다.

이러한 보강재(2)는, 튜브본체(1)를 형성하기 위해 예를 들어 열연 코일로 된 스트립을 연속 공정에 의해 비틀어 감으면서 용접할 때 용접선(3)에 위치될 수 있게 함으로써, 추가적인 용접 공정 없이 튜브본체의 내부에 스파이럴 형태로 결합될 수 있다.

도면들에는 보강재(2)가 튜브본체(1)의 내측에 있는 스파이럴 용접선(3) 상에 대략 직교하는 방향으로 위치한 예가 나타나 있으나, 반드시 이에 한정되지 않는다.

예를 들면, 보강재(2)는 용접선에서 벗어나 위치하거나, 튜브본체(1)의 내면에 대해 다소 경사지게 접합될 수도 있다.

또, 튜브본체(1)의 형성시 용접선(3)을 활용하여 보강재(2)를 동시에 용접하는 연속 공정이 전술되었으나, 튜브본체를 제작한 후 보강재를 따로 설치하는 공정도 가능하다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스파이럴 튜브의 변형예 중 일부를 도시한 사시도이고, 도 4는 도 2에 도시된 스파이럴 튜브의 부분 확대도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 스파이럴 튜브의 변형예에서는 절곡된 대략 ＜ 모양, ㄷ자 모양이나 만곡된 ⊂모양 등의 단면 형상을 가진 보강재(2)가 채용되어, 스파이럴 튜브의 강성을 보강시키는 효과를 더욱 증대시킬 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 스파이럴 튜브는 그 내면에 결합한 보강재(2)를 채택함으로써, 스파이럴 튜브가 거의 진공인 내부 압력과 대기압인 외부 압력 사이의 압력차로 발생하는 붕괴 하중에 대한 저항 성능을 안전하게 확보할 수 있게 되는 것이다.

특히, 통상의 파이프 라인에서 직경이 4m로 커질 때 안전율과 함께 붕괴 하중에 대한 저항 성능을 확보한 안전 두께는 28.4mm로 증가하게 되지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 스파이럴 튜브에서는 보강재(2)로 인하여 동일 성능을 확보하면서도 튜브본체(1)의 두께를 25mm 이하로 저감시킬 수 있다.

다음으로, 스파이럴 튜브의 붕괴 하중에 대한 저항 성능에 영향을 미치는 중요한 인자로는 튜브 자체의 기하학적인 특성인 타원도이다.

예를 들어, 튜브본체(1)가 대직경인 4m의 직경을 갖고서 대략 5.0% 정도의 타원도를 가진 경우에, 공칭 직경인 4m에 비해 튜브본체의 장축 직경은 약 100mm 정도 늘어나고 반대로 튜브본체의 단축 직경은 약 100mm 정도 줄어들게 됨으로써 튜브본체는 타원 형태의 단면 형상을 갖게 될 수 있다.

이러한 타원화 현상은 튜브본체(1)를 형성할 때에 나타날 수 있고, 튜브본체를 운반하거나 시공 도중에 외부 하중에 따라 더 악화될 수도 있다.

내부가 거의 진공인 상태로 유지되는 스파이럴 튜브의 경우에는, 이러한 타원화 현상으로 인해 외부의 대기압이 하중으로 작용하면 단축 직경의 방향으로 붕괴가 발생하기 쉬워지기 때문에, 타원화 현상의 제어가 요구된다.

타원화 현상이 증가할수록 붕괴 하중에 대한 저항 성능이 저하되므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 스파이럴 튜브는 튜브본체(1)의 형성시 그 내면에 결합한 보강재(2)를 채택함으로써, 타원화 현상을 최소로 하여 붕괴 하중에 대한 저항 성능을 안전하게 확보할 수 있게 되는 것이다.

도 5a 및 도 5b는 종래기술과 본 발명에 따른 스파이럴 튜브의 붕괴 해석을 나타낸 도면들이다.

도 5a는 종래기술에 따른 스파이럴 튜브의 붕괴에 대한 수치해석의 형상으로서, 이 종래기술의 스파이럴 튜브는 직경이 4m이고 두께가 25mm이며, 타원도는 5%를 적용하였다.

또한, 항복강도가 400MPa이고 인장강도가 440MPa인 강재를 적용하여 최대 저항 압력은 0.17MPa로 나타났다.

하지만, 안전율 2.0을 고려하면, 종래기술에 따른 스파이럴 튜브는 그 내부가 거의 진공 상태일 때 대기압에 저항할 수 없어 붕괴됨을 볼 수 있다. 다시 말해, 직경이 4m이면 25mm의 두께를 가진 튜브는 사용할 수 없으며, 튜브의 두께를 더욱 증가시켜야 하는 것이다.

도 5b는 본 발명에 따른 스파이럴 튜브의 붕괴에 대한 수치해석의 형상으로서, 이 본 발명의 스파이럴 튜브도 직경이 4m이고 두께가 25mm이며, 타원도는 5%를 적용하였다.

또한, 전술한 종래기술의 스파이럴 튜브와 동일한 강재를 사용하였다.

본 발명에 따른 스파이럴 튜브에서는 그 내면에 결합한 보강재(2)에 의해 최대 저항 압력이 0.30MPa로 나타났으며, 안전율 2.0을 고려해도 그 내부가 진공일 때 1기압인 외부의 대기압에 저항함을 알 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 튜브본체 내에 보강재를 위치시킴으로써, 튜브의 두께를 저감시키면서도 붕괴 하중에 대한 저항 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 얻게 된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 튜브본체
2: 보강재
3: 용접선

Claims (7)

1. 300km/h 이상의 속도로 이동하는 주행체를 위한 통로로 제공되며,
   스트립이 스파이럴 형상으로 연결되고 선단에서 접합된 튜브본체, 및
   상기 튜브본체의 내면에 접합되어 상기 튜브본체의 방사상 안쪽으로 돌출하도록 설치된 보강재
   를 포함하는 스파이럴 튜브.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 스트립은 금속 재질이고,
   상기 스트립은 용접된 스파이럴 튜브.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 보강재는 상기 튜브본체의 내부에 스파이럴 형태로 결합된 스파이럴 튜브.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 보강재는 상기 튜브본체의 용접선에 위치된 스파이럴 튜브.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 보강재는 평탄한 판 형상이며, 상기 튜브본체의 내면에 대해 직교하는 방향으로 또는 경사지게 접합된 스파이럴 튜브.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 보강재는 절곡되거나 만곡된 모양의 단면 형상을 가진 스파이럴 튜브.
   
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 튜브본체의 직경은 1m 이상이고 4m 이하이며, 두께는 0mm를 초과하고 25mm 이하인 스파이럴 튜브.

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