KR20100039351A - 용접된 상태에서 최적 피로 특성을 가진 고온 마무리 이음매없는 관을 생산하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 711mm에 달하는 외경 및 100mm에 달하는 공칭 벽 두께를 가지며, 금속 특히 강철로 이루어지고, 용접된 상태에서 최적 피로 특성을 가진 고온 마무리 특히 열간 압연 이음매없는 관을 생산하기 위한 방법에 관한 것이다. 열간 압연 또는 마무리 압연 후에, 소정 길이를 따라 하나 이상의 관 단부에 내경 및 외경에 대해 엄격한 허용오차를 가진 소정 관 단면이 형성된다. 본 발명에 따라, 제1 단계에서 한 영역에서 관심의 대상인 상기 관 단부에 벽 두께가 형성되고, 상기 두께는 나머지 관 본체보다 크며, 상기 외경이 증가되고 및/또는 상기 내경이 감소된다. 제2 단계에서, 필요한 상기 관 단면이 기계적 처리에 의해 상기 관 단부의 상기 영역에 형성되고, 상기 관의 처리된 영역으로부터 처리되지 않은 영역으로의 전이부가 작은 표면 조도를 가지며 노치가 거의 없이 형성되고, 상기 처리된 영역에 남는 잔여 벽 두께는 필요한 허용오차 내에 있다.

Description

용접된 상태에서 최적 피로 특성을 가진 고온 마무리 이음매없는 관을 생산하기 위한 방법{METHOD FOR THE PRODUCTION OF HOT-FINISHED SEAMLESS PIPES HAVING OPTIMIZED FATIGUE PROPERTIES IN THE WELDED STATE}

본 발명은, 청구항 1의 전제부에 따라 용접된 상태에서 최적 피로 특성을 가진 고온 마무리 이음매없는 관을 생산하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 방법으로 생산되는 관에 관한 것이다.

이음매없는 관을 생산하기 위한 여러 가지 다른 방법이 예를 들면 쉬탈로르 한트부흐(Vulkan-Verlag, Essen, 12. Auflage 1995, S.97-101)(에쎈에서 Vulkan-Verlag에 의해 발간된, 강관 핸드북의 1995년 12판 97-101페이지)에 설명되어 있다.

이러한 방법으로 생산된 관은 예를 들면 오일 및 가스 추출 기술에 이용되는데, 각각의 관 단면은 연속 런(continuoius run)을 형성하도록 맞대기 용접된다.

파이프라인의 작동 동안에 용접 연결부의 높은 피로 저항을 얻도록 관 연결부를 형성하기 위해, 엄격한 허용오차를 가지고 용접되어야 하는 관 단부의 정확한 형상 매칭이 필요하다.

형상의 노치를 제거하기 위해, 함께 용접되어야 할 관 단부가 옵셋 에지(offset edge)를 가지지 않도록 주의할 필요가 있다.

함께 용접되어야 할 관 단부의 정확한 형상 및 엄격한 허용오차는, 피로 저항에 관한 엄격한 요구사항을 충족시키기 위해서만 아니라 용접 연결부의 생산 비용을 충족시키기 위해 중요하다.

용접 연결부는, 함께 용접되어야 할 관 단부가 예를 들면 엄격한 허용오차를 가지고 정확히 정렬되기만 하면, 용접 연결부의 높은 피로 저항을 확실하게 하는 자동 용접에 의해 효율적으로 또한 비용면에서 효과적으로 생산될 수 있다. 관을 통한 매체의 실질적으로 방해받지 않는 흐름은 또한 이러한 상황에서만 확실하게 된다.

실제적 생산 상태 하에서, 열간 압연 이음매없는 관의 허용오차는, 용접 연결부를 효율적으로 생산하기 위해 필요한 엄격한 허용오차를 가지도록 유지될 수 없다. 또한, 벽 두께의 작은 변화 및 관 직경의 타원 모양이 발생할 수 있다.

용접되어야 할 관의 단부는 형상에 상응하여 선택되고 서로 매칭되어야 한다. 현재까지, 그러한 의도적 매칭은 관 단부를 실제로 측정함으로써만 가능하였다.

WO 2005/031249는, 관 단부의 내부 및 외부 형상을 측정하여 정확히 매칭되는 관 단부를 의도적으로 선택할 수 있게 하는 장치를 기술하고 있다.

불리하게도, 이러한 프로세스는, 문제점 없는 제조를 위해 매칭되는 형상이 항상 준비되어 있는 것을 확실하게 하기 위해, 관의 저장 및 운반을 위한 복잡한 계획을 필요로 한다. 또 다른 단점으로서, 이상이 발생한 동안에, 예를 들면 파이프라인 단부에 대한 용접 연결을 위해 매칭되는 형상을 가진 관을 이용할 수 없는 경우에, 생산에 융통성이 없어진다.

따라서, 본 발명의 목적은, 관 단부의 사전 측정 및 의도적인 매칭을 필요로 하지 않으면서 효율적으로 용접될 수 있고, 동시에 높은 피로 저항성을 가진 용접 연결부를 제공하는, 균일하고 정확한 형상의 관 단부를 가진 열간 압연 이음매없는 관을 생산하기 위한 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은 청구항 제1항의 특징부와 관련하여 전제부에 따라 해결된다.

본 발명의 교시에 따라, 상기 목적은, 대응하는 상기 관 단부의 영역에 나머지 관 본체보다 큰 벽 두께가 형성되며, 상기 외경이 증가되고 및/또는 상기 내경이 감소되는 제1 단계, 및 바람직한 상기 관 단면이 기계적 처리에 의해 상기 관 단부의 상기 영역에 형성되며, 상기 관의 처리된 영역으로부터 처리되지 않은 영역으로의 전이부가 작은 표면 거칠기를 가지며 노치가 거의 없이 연속적으로 형성되고, 상기 처리된 영역에 남는 잔여 벽 두께는 필요한 허용오차 내에 있는 제2 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법에 의해 해결된다.

본 발명의 방법에 의해, 고객의 요구사항을 충족시키고 사전 측정 및 매칭을 필요로 하지 않으면서 용접 연결을 가능하게 하는 재생 가능한 형상을 가진 관 단부가 이제 바람직하게 생산될 수 있다. 관의 저장 및 운반과 관련된 계획의 복잡성이 최소화되어, 비용이 상당히 절약된다.

동시에, 기계적 처리로 인해 관 단부에서 매우 엄격한 형상 허용오차가 유지되어, 최적 용접 상태를 발생시키고, 예를 들면 자동 용접 방법에 의해 관 연결부의 효율적인 생산을 가능하게 한다. 또한, 노치가 거의 완전히 없고 표면 거칠기가 작아 관 연결부의 높은 피로 저항성을 확보한다.

두꺼운 관 단부로부터 두껍지 않은 관 영역으로의 관의 길이방향의 단차없는 연결로 인해, 바람직하게 후속적으로 관이 연결되는 영역에서의 매체의 흐름이 방해받지 않는다. 본 발명에 따라, 처리된 관 단부로부터 처리되지 않은 관 단부로의 전이부에서의 반경은 가능한 한 크게 된다.

바람직하게, 벽 두께가 공칭 벽 두께보다 작게 되게 하지 않으면서, 관의 허용오차로 인해 특히 둥글기 또는 타원형에 대한 측정 편차가 후속적 기계적 처리에 의해 거의 완전히 보상될 수 있을 때까지, 벽 두께가 증가된다.

따라서, 적절한 처리 마진을 확보하기 위해, 관의 단부면으로부터 시작하여 100mm 이상의 길이를 따라 관의 외부를 향해 및/또는 관의 내부를 향해 3mm 이상의 후벽부(wall thickening)를 제공하는 것이 바람직한 것으로 판명되었다.

필요시, 후벽부는 더 크거나 작을 수 있고, 또한 더 짧거나 기다란 섹션에 걸쳐 연장될 수 있다.

한편, 생산을 편리하게 하고 비용을 절약하기 위해, 후벽부 및 그 길이방향으로의 길이는 처리에 필요한 크기로 제한되어야 한다.

후벽부의 기계적 처리는 예를 들면 회전에 의해 실현될 수 있으며, 그것은 매우 작은 직경 허용오차 및 매우 작은 표면 거칠기를 가지면서 타원형을 거의 발생시키지 않을 수 있다.

바람직하게, 관 단부의 질적으로 완전한 용접을 확실하게 하기 위해, 단부면으로부터 시작하여 100mm 이상의 처리 길이가 이점을 가지는 것으로 판명되었다.

필요시, 2개의 관 단부의 처리된 영역으로 돌출하는 센터링 링은, 자동 용접을 위한 관 단부의 최적 정렬을 확보하기 위해, 관 단부가 함께 용접되기 전에, 삽입될 수 있다.

본 발명에 따라, 상기 방법의 제1 바람직한 변경예에서, 후벽부는 관 단부의 업셋팅 특히 고온 업셋팅에 의해 생산된다.

업셋팅 공정은 바람직하게, 업셋팅 작동 동안에 외부 둘레부 및 내부 둘레부에 형성되는 관 본체의 전이부를 관의 길이방향 축을 따라 옵셋시킴으로써 수행된다. 광범위한 연구 결과, 기계적 처리 동안에, 전이부를 관의 길이방향 축을 따라 옵셋시키고, 반경을 관의 여러 가지 다른 단면 평면에 위치시키면, 작동 상태에서 연결부의 피로 저항성에 긍정적 효과가 있다.

여기에서 바람직하게, 이들 전이부에, 후벽부가 기계적으로 처리될 때 가능한 가장 큰 반경 또는 반경의 조합이 제공된다. 그 결과, 전이부가 여러 가지 다른 단면 평면에 위치되고, 따라서 관의 두껍지 않은 영역으로의 실질적으로 연속적이고 노치없는 전이부를 제공하기 때문에, 소정 최소 벽 두께가 신뢰성 있게 유지된다. 이러한 방법은 전이 존에서 응력 집중을 확실히 낮게 한다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따라, 관 단부의 후벽부는 또한 육성 용접(build-up welding) 또는 소결-용단(sinter-fusing)을 사용하고 그 뒤에 기계적 처리를 함으로써 실현될 수 있다.

본 발명의 방법의 상기 변경예에서, 후벽부를 발생시키는 것은 압연 공정으로부터 완전히 분리된다. 이것은, 원래 상술한 응용으로 의도되지 않은 관 예를 들면 베어링 관에 추후에 후벽부 및 각각의 기계적 처리가 제공될 수 있다는 이점을 가진다.

또한, 생산 관련 이유로 이점을 가지는 것으로 나타나면, 관 단부의 후벽부는 열간 압연 이음매없는 관의 생산과 관련하여 이미 생산될 수 있다. 예를 들면, 증가된 외경은 관 단부에서 롤러들을 이격된 상태로 이동시킴으로써 형성될 수 있고, 증가된 내경은 적절히 구성된 내부 툴을 사용함으로써 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 특징, 이점 및 상세사항은 다음의 예시적 실시예에서 설명된다.

도 1은, 업셋팅(upsetting)에 의해 형성되는 관의 일단에 있는 후벽부(wall thickening)를 도시하는 개략도이다.
도 2는, 처리된 상태에서의 본 발명에 따른 관 단부의 구조의 개략도이다.

도 1은, 업셋팅 후에 관 단부에 관의 외부 및 내부로 향해 두껍게 된 후벽부를 가진, 본 발명에 따라 생산되는 관의 세그먼트의 길이방향 단면도이다.

관(1)은 단부 영역에 열간 성형 단계에서 형성되는 후벽부(3)를 가지며, 후벽부(3)는 전이 영역(4, 4')에서 관(1)의 원래의 단면(2)으로 전이된다.

이러한 예에서, 후벽부(3)는, 관(1)의 외경을 증가시키고 내경을 감소시킴으로써 실현된다.

본 발명에 따라, 업셋팅 공정에서, 업셋팅 동안에 외부 둘레부에 형성되는 전이 영역(4) 및 내부 둘레부에 형성되는 전이 영역(4')은 길이방향 관축의 방향으로 관 본체에 대해 옵셋된다.

업셋팅 공정에 의해 형성되는 전이 영역(4)은 관(1)의 외부 둘레부에 위치되는 어깨부(5, 6)를 가지며, 전이 영역(4')은 내부 둘레부에 위치되는 어깨부(7,8)를 가진다.

도 2는 기계적 처리에 의해 형성되는 관(1)의 단부 영역의 마무리 상태를 도시한다.

기계적으로 처리된 관(1)의 마무리 윤곽은, 관(1)의 원래 두껍게 된 단부 영역에, 관(1)의 원래의 직경에 대응하는 외경을 가진다. 전이 영역(4)은, 처리된 영역에서 매우 작은 표면 거칠기와 관련하여 연속적 단차없는 전이로 인한 노치를 거의 완전히 제거하는 대반경부(9)를 가진다.

관(1)의 벽 두께가 전이 영역(4)의 영역에서 필요한 최소치 아래로 떨어지는 것을 방지하기 위해, 관의 두꺼운 단부의 내부 둘레부는 원래의 내경으로 감소되도록 기계가공되지 않고, 약간 두꺼운 후벽부(11)가 남으며, 후벽부(11)로부터의 전이 영역(4')에도 대반경부(10)가 구비되고, 대반경부(10)는 관(1)의 원래의 단면(2)으로 연속적으로 단차없이 전이된다.

본 발명에 따라, 대반경부(9, 10)는 관의 다른 단면 평면에 위치되며, 그것은 작동 상태에서 연결부의 피로 저항에 긍정적 효과를 가진다.

이러한 배치에 의해, 벽 두께는 필요 최소 벽 두께보다 작게 되는 일이 없으며, 관(1)의 원래의 단면(2)으로의 실질적으로 노치없는 전이 영역(4')은 이러한 방식으로만 실현될 수 있다.

1: 관
2: 원래의 단면
3: 후벽부
4, 4': 전이 영역
5, 6: 외부 단차 전이 영역
7, 8: 내부 단차 전이 영역
9: 외부 반경 전이 영역
10: 내부 반경 전이 영역
11: 내부 후벽부

Claims (11)

1. 711mm에 달하는 외경 및 100mm에 달하는 공칭 벽 두께를 가지며, 금속 특히 강철로 이루어지고, 용접된 상태에서 최적 피로 특성을 가진 고온 마무리 특히 열간 압연 이음매없는 관을 생산하기 위한 방법에 있어서,
   열간 압연 또는 마무리 압연 후에, 소정 길이를 따라 엄격한 허용오차를 가진 내경 및 외경을 가진 소정 관 단면이 하나 이상의 관 단부에 형성되며,
   상기 방법은,
   대응하는 상기 관 단부의 영역에 나머지 관 본체보다 큰 벽 두께가 형성되며, 상기 외경이 증가되고 및/또는 상기 내경이 감소되는 제1 단계, 및
   바람직한 상기 관 단면이 기계적 처리에 의해 상기 관 단부의 상기 영역에 형성되며, 상기 관의 처리된 영역으로부터 처리되지 않은 영역으로의 전이부가 작은 표면 조도를 가지며 노치가 거의 없이 연속적으로 형성되고, 상기 처리된 영역에 남는 잔여 벽 두께는 필요한 허용오차 내에 있는 제2 단계
   를 포함하는,
   용접된 상태에서 최적 피로 특성을 가진 고온 마무리 특히 열간 압연 이음매없는 관을 생산하기 위한 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 대응하는 상기 관 단부의 상기 영역의 후벽부(wall thickening)는 상기 관 단부를 업셋팅(upsetting)함으로써 형성되며,
   상기 업셋팅 동안에 상기 관 본체에 대해 외부 둘레부 및 내부 둘레부에 형성되는 상기 전이부는 길이방향 관축에 대해 옵셋(offset)되는,
   용접된 상태에서 최적 피로 특성을 가진 고온 마무리 특히 열간 압연 이음매없는 관을 생산하기 위한 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 업셋팅은 고온 업셋팅인, 용접된 상태에서 최적 피로 특성을 가진 고온 마무리 특히 열간 압연 이음매없는 관을 생산하기 위한 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 대응하는 상기 관 단부의 상기 영역의 상기 후벽부는 소결-용단(sinter-fusing)에 의해 형성되는, 용접된 상태에서 최적 피로 특성을 가진 고온 마무리 특히 열간 압연 이음매없는 관을 생산하기 위한 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 대응하는 상기 관 단부의 상기 영역의 상기 후벽부는 육성 용접(build-up welding)에 의해 형성되는, 용접된 상태에서 최적 피로 특성을 가진 고온 마무리 특히 열간 압연 이음매없는 관을 생산하기 위한 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 후벽부는 마무리 압연 전에 열간 압연에 의해 형성되는, 용접된 상태에서 최적 피로 특성을 가진 고온 마무리 특히 열간 압연 이음매없는 관을 생산하기 위한 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 후벽부는 3mm 이상인, 용접된 상태에서 최적 피로 특성을 가진 고온 마무리 특히 열간 압연 이음매없는 관을 생산하기 위한 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 후벽부는 상기 관 단부의 단부면으로부터 시작하여 상기 관의 길이방향으로 100mm 이상의 길이에 걸쳐 연장되는, 용접된 상태에서 최적 피로 특성을 가진 고온 마무리 특히 열간 압연 이음매없는 관을 생산하기 위한 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 관의 상기 길이방향으로 상기 외부 둘레부 및/또는 상기 내부 둘레부에, 두껍게 된 상기 관 단부로부터 두껍게 되지 않은 상기 관의 영역으로 단차없는 전이부가 형성되는, 용접된 상태에서 최적 피로 특성을 가진 고온 마무리 특히 열간 압연 이음매없는 관을 생산하기 위한 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 전이부에 상기 외경 및 상기 내경 각각에 하나 이상의 대응하는 반경이 구비되고,
    상기 전이부는 여러 가지 다른 단면 평면에 위치되는,
    용접된 상태에서 최적 피로 특성을 가진 고온 마무리 특히 열간 압연 이음매없는 관을 생산하기 위한 방법.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 생산된 이음매없는 관.
    

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