KR101461748B1 - 조관 방법 및 c 성형기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강관의 성능에 영향을 주지 않고, 진원도를 확보하기 위하여, 판재의 폭방향 양 가장자리를 벤딩시키는 C 성형기로서, 판재의 폭방향 양 가장자리에 대응되는 위치에 곡면을 가지는 한 쌍의 C 성형부 및 상기 C 성형부 사이에 배치되며 하면을 항햐여 돌출 곡면을 가지는 중앙 성형부를 포함하는 상부 성형기; 및 상기 C 성형부와 중앙 성형부의 형상에 대응되는 곡면을 가지는 하부 성형기;를 포함하는 C 성형기를 제공한다.

Description

조관 방법 및 C 성형기{PIPE MAKING METHOD AND C CRIMPING DEVICE}

본 발명은 라인 파이프 등의 용도로 사용되는 강관을 조관하는 방법 혹은 조관에 사용되는 성형기에 대한 것으로, 보다 구체적으로는, 고강도 강판에서도 변형이 충분히 가능한 조관 방법 및 C-성형기에 대한 것이다.

전세계적인 에너지 수요의 증가와 함께 장거리 원유나 가스의 수송을 위해서는 라인파이프를 사용한 수송방법이 가장 효율적이다. 이와 같은 라인파이프는 파이프내의 유체 즉, 원유나 가스의 수송압력을 증가시킴으로써 그 효율을 극대화시킬 수 있다. 하지만, 유체의 수송압력의 증가를 위해서는 반드시 파이프 모재의 강도향상이 필요로 하게 된다.

현재는 통상 X70급 이하의 라인파이프용 강재가 주로 사용되고 있으나, 수송압력의 증가에 따른 수송 효율의 향상뿐만 아니라, 라인파이프의 직경 및 두께 감소를 통하여 사용되는 강재의 중량을 감소시킴으로써 라인파이프 건설비용을 절감시킬 수 있으며 파이프의 두께 감소에 의해 라인파이프 시공비용 중 큰 부분을 차지하고 있는 원주 용접(파이프-파이프간 용접)시공시간 감소시켜 시공비 절감에도 큰 효과를 얻을 수 있다.

종래의 UOE 조관 방법의 순서를 도 1에 나타내었다. 먼저, 판재(P)의 양 끝단을 굽히는 C-성형기의 상부 성형부(11)와 하부 성형부(12)로 가압하여 C-성형(C-crimping)을 한다. 그 후, 알파벳 U-성형기의 주성형부(21)와 치구(22)를 통하여 U자형상으로 판재(P)를 변형시키는 U-성형(U-press)을 한다.

U 성형까지 마친 U자 형상의 판재는 반원형 면을 각각 가지는 O 성형기의 상부 성형부(31)와 하부 성형부(32) 사이에서 눌려져 알파벳 O자형상으로 변형되는 O-성형된다. 이렇게 O 형으로 성형된 강관은 파이프 용접을 위해 스프링백(Spring back)현상에 의해 벌어지는 파이프를 고정시키기 위한 가접용접(Tack welding)을 실시한 후, 서브머지드 아크 용접(Submerged Arc Welding)방법으로 파이프를 용접하고, 진원도 향상 및 성형시 잔류 응력 저감을 목적으로 확관을 실시하여 파이프 제조를 완료하게 된다.

이와 같은 UOE 조관 방법은 단시간의 성형에 의해 길이가 12m인 파이프를 대량 생산가능하고, 확관 과정을 포함하고 있어서 조관된 파이프의 품질이 우수하기 때문에 대부분의 파이프라인 시공에 사용되고 있다.

다만, 고강도 강재를 사용하는 경우에, 판재의 스프링 백에 의해서 조관 후에도 진원의 형상을 만들기 곤란하며, 이는 고강도 박판의 경우에 심하게 나타난다.

이에 O 성형시 프레스 형상을 사과형상으로 제작하거나, 상부에서 추가적인 프레스에 의하여 과도한 변형을 주거나, O 성형시 강관을 회전하여 균일한 진원을 만들려는 시도가 있었다.

다만, 과도한 성형시 판재의 끝단부가 어긋나게 되어 불안정한 O 성형이 될 문제점이 있다. 또한, 강관을 회전하는 것은 생산성이 극단적으로 낮아져 현실적으로 실현가능성이 없다는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 고강도 강판, 특히 고강도 박판을 이용하여 UOE 강관을 제조함에 있어서, 강관의 성능에 영향을 주지 않고, 진원도를 확보하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 고강도 강관을 제조함에 있어서, C 성형기를 개량하여 추가의 공정의 증가 없이 강관 형상을 개선하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 다음과 같은 조관 방법 및 성형기를 제공한다.

본 발명은 판재의 폭방향 양 가장자리를 벤딩시키는 C 성형기로서, 판재의 폭방향 양 가장자리에 대응되는 위치에 곡면을 가지는 한 쌍의 C 성형부 및 상기 C 성형부 사이에 배치되며 하면을 항햐여 돌출 곡면을 가지는 중앙 성형부를 포함하는 상부 성형기; 및 상기 C 성형부와 중앙 성형부의 형상에 대응되는 곡면을 가지는 하부 성형기;를 포함하는 C 성형기를 제공한다.

이때, 상기 한 쌍의 C 성형부와 중앙 성형부는 단일 부재로 연속적으로 형성될 수 있다.

본 발명에서 상기 중앙 성형부의 곡면의 곡률 반경(r)은 조관하고자 하는 강관의 반경(R) 및 C 성형부의 곡률(Cr)은 r ≥ πR - Cr 관계를 만족하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 상기 중앙 성형부는 상기 C 성형부 측의 제 1 곡면부와, 제 1 곡면부 사이의 제 2 곡면부를 포함하며, 상기 제 1 곡면부와 상기 제 2 곡면부는 서로 다른 곡률을 가질 수도 있다.

본 발명은 판재의 폭방향 양 가장자리를 벤딩시키는 C 성형 단계; 상기 C 성형 단계와 동시에 상기 C 성형 단계의 성형부와 판재의 폭방향 중앙부 사이를 곡면으로 성형하여, U 성형 전에 판재를 U 형상으로 성형하는 정변형 성형 단계; 판재의 폭방향 중앙부를 기준으로 판재를 벤딩시키는 U 성형 단계; 판재를 O 형 성형기에 넣어서 원형으로 성형하는 O 성형 단계 및 원형으로 성형된 판재의 양 단부를 용접하는 용접 단계를 포함하는 조관 방법을 제공한다.

본 발명에서 상기 정변형 단계에서의 곡률 반경(r)은 조관하고자 하는 강관의 반경(R) 및 C 성형 단계에서의 곡률(Cr)과 r ≥ πR - Cr 관계를 만족할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 정변형 반복 가공이 가능하도록 상기 정변형 성형 단계에서 성형되는 성형 깊이(H)는 상기 U 성형 단계에서의 곡률 반경보다 작은 것이 바람직하다.

본 발명은 고강도 강판, 특히 고강도 박판을 이용하여 UOE 강관을 제조함에 있어서, 강관의 성능에 영향을 주지 않고, 진원도를 확보하는 것이 가능한 C 성형기 및 조관 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 고강도 강관을 제조함에 있어서, C 성형기 혹은 C 성형단계와 함께 정변형 단계를 수행하여 반복 가공 경화에 의한 강도 상승이 가능하며, 조관 후 YS(항복 강도) 저감 현상을 줄일 수 있다.

또, C 성형 단계와 함께 정변형 단계가 수행되기 때문에, C 성형 단계 후속 단계인 O 성형 단계에서 하중 저감이 가능할 뿐만 아니라, 박물재 조관 시 크게 작용하는 스프링 백의 영향도 저감가능하다.

또한, 진원도가 상승함으로 인하여, 가접 용접시 잔류 응력에 의한 저온 균열 저감 및 확관시 용접부 부근 터짐 형상을 방지가능하다.

도 1 은 종래의 UOE 조관 방법 및 조관 장치의 개략도이다.
도 2 는 UOE 성형 후 관의 모습을 도시한 단면도이다.
도 3 은 종래의 C 성형기의 단면도이다.
도 4 는 본 발명의 일실시예의 C 성형기의 단면도로서, 도 4a 는 C 성형기가 판재를 성형하기 전의 단면도, 도 4b 는 C 성형기가 판재를 성형하는 단면도이다.
도 5 는 도 4 의 C 성형기에 의해서 성형된 판재의 단면도이다.
도 6 은 본 발명의 다른 실시예의 C 성형기에 의해 성형된 판재의 단면도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 구체적 실시예에 대하여 설명하도록 한다.

도 2 에서는 종래의 UOE 방식에 의해서 성형된 강관의 단면도가 도시되어 있다. 도 2 에서 보이듯이, UOE 성형에서는 C 성형에서 A 영역이 성형되며, U 성형에서 C 영역이 성형되며, O 성형에서 전체 영역이 성형되게 되는데, B 영역은 O 성형 외에는 성형을 받지 않기 때문에, 스프링 백으로 인하여 전체적인 형상이 망가지게 된다(진원도 하락).

도 3 에서는 종래의 C 성형기가 도시되어 있다. 도 3 의 C 성형기는 도 1 에 도시된 구성과 동일하며, 판재(P)의 단부만을 상부 성형부(11) 및 하부 성형부(12)를 통하여 성형하며, 상기 B 영역은 성형하지 않는다.

본 발명의 발명자는 상기 B 영역이 충분한 곡률을 가지지 못하는 이유가 O 성형 이외에는 성형이 되지 않기 때문이며, 따라서, B 영역에 대하여 O 성형 이전에 곡률을 가지게 할 필요성이 있음을 알아내었다. 또한, B 영역에 대하여 곡률을 가지게 하면서도 기존에 UOE 성형에 추가하여 별도의 공정을 가지지 않도록 하기 위한 본 발명을 도출하게 되었다.

도 4 에는 본 발명의 C 성형기의 단면이 도시되어 있다. 도 4a 에는 본 발명에 따른 C 성형기(100)가 판재(P)를 성형하기 전의 모습이 단면도로 도시되어 있으며, 도 4b 에는 본 발명에 따른 C 성형기(100)가 판재(P)를 성형하는 모습이 단면도로 도시되어 있다.

본 발명에서는 C 성형기(100)를 중심으로 설명하며, 나머지 U 성형, 및 O 성형은 종래기술에 기재되어 있으며, 널리 알려져 있기에 본 발명에서 상세한 설명은 생략하도록 한다.

도 4 에서 보이듯이, 본 발명의 C 성형기(100)는 상부 성형부(110)와 하부 성형부(120)를 포함하며, 상부 성형부(110)와 하부 성형부(120) 사이에 판재가 놓여진 상태로, 상부 성형부(110)를 하부 성형부(120)로 가압하여 판재(P)를 성형한다.

상부 성형부(110)는 판재의 양 단부를 성형하도록 상부 성형부(110)의 양단에 위치한 한 쌍의 C 성형부(111) 및 상기 C 성형부(111) 사이에 배치되는 중앙 성형부(115)를 포함한다.

C 성형부(111)는 판재의 단부가 소정의 곡률(Cr)을 가지도록 형성된 곡면부(112)를 포함하며, 중앙 성형부(115)는 소정의 곡률(r)을 가지는 곡면부(116)를 포함한다. 상부 성형부(110)에서 상기 C 성형부(111)와 중앙 성형부(115)는 일체로 형성되어 있기 때문에, 상부 성형부(110)가 움직임으로써, 한 쌍의 C 성형부(111) 및 중앙 성형부(115)가 함께 움직이게 된다.

중앙 성형부(115)의 소정의 반경(r)을 가지는 곡면부(116)는 C 성형부(111) 보다 돌출 형성된다. 따라서, 상부 성형부(110)가 일체로 움직일 때, 중앙 성형부(115)는 판재에서 C 성형되는 부분 사이를 반경(r)으로 성형할 수 있다.

한편, 하부 성형부(120)의 경우에, 상기 상부 성형부(110)의 C 성형부(111)와 중앙 성형부(115)에 대응되는 형상을 가지도록 C 대응부(121) 및 중앙 대응부(122)를 포함한다.

이때, 중앙 성형부(115)의 곡면의 곡률 반경(r)은 조관하고자 하는 강관의 반경(R)과 다음 관계를 만족한다.

r ≥ πR - Cr

중앙 성형부(115)의 곡면의 곡률 반경(r)이 πR - Cr 보다 작은 경우에, O 성형에 들어갈 때, 판재의 끝부분이 강관 안쪽으로 들어가게 되며, 따라서 강관이 전체적으로 사과모양을 가지게 되는 문제가 있다.

또한, 중앙 성형부(115) 에 의해서 성형되는 깊이(H)는 후속하는 U 성형기(도 1 참고)에서의 주성형부(21)의 반경보다 작아야 후속하는 U 성형에서 성형이 원만하게 수행될 수 있으며, 반복 가공 경화에 의한 강도 상승을 기대할 수 있다.

이러한 상부 성형부(110)와 하부 성형부(120) 사이에 판재(P)가 놓이며, 상부 성형부(110)에 의해서 성형된 판재(P)의 모습이 도 5 에 도시되어 있다.

도 5 에서 보이듯이, 판재(P)는 중앙 성형부(115)와 C 성형부(111)에 의해서 성형되어서, C 성형부(111)와 중앙 성형부(115)에 대응되게 성형된다. 따라서, C 성형기(110)는 판재(P)에 단부에는 작은 반경(Cr)의 C 성형을 수행하며, 나머지 중앙부에는 큰 반경(r)의 성형을 수행하여, O 성형 이전에 전 영역에 대하여 성형을 1차적으로 수행하게 한다. 따라서, 상술한 바와 같이 O 성형 이전의 미성형 영역(도 2 의 B)을 일차적으로 성형하게 하므로, O 성형에서의 하중 감소도 가능하게 할 뿐만 아니라, 진원도의 상승도 가져오게 된다.

또한, 반복적인 가공이 수행되는 것이므로, 반복 가공에 의한 강도 상승(프레스 경화)도 가능하다.

따라서, 본 발명은 박물재의 스프링 백을 최소화 하면서도, 종전의 미성형 영역에 곡률을 부여함으로써, 진원도를 상승시킬 뿐만 아니라, C 성형기에 중앙 성형부를 추가함으로써 별도의 추가 공정 없이도 위의 효과를 달성가능하게 한다.

아래의 표 1 에는 본 발명의 C 성형기로 성형한 후 조관한 실시예와 도 1 이나 도 3 과 같은 종래의 C 성형기로 성형한 후 조관한 비교예가 도시되어 있다. C 성형기를 제외한 다른 U 성형, O 성형은 동일한 성형기로 수행하였다.

여기서, 진원도는 가접 용접 후 진원도이며, 가로직경/세로직경을 의미하며, 항복비(Yield ratio)는 항복 강도(YS)/인장 강도(TS)를 의미한다.

상기 표에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 실시예가 비교예에 비하여 진원도가 1 에 가까우며, 항복비가 향상된 것을 확인할 수 있다. 즉, 진원도의 상승으로 용접 수행이 쉬워 졌으며, 조관 방향으로의 반복 성형으로 인하여 항복 강도가 가공 경화 현상에 의해 증가함을 알 수 있다.

또, 강관의 두께가 두꺼운 경우가 얇은 경우에 비하여 항복 강도 증가 효과가 뛰어남을 확인할 수 있다.

한편, 도 6 에는 본 발명의 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 6 은 성형기를 기재하지는 않았지만, 판재(P)를 성형함에 있어서, 중앙 성형부(115; 도 4a 참고)를 복수의 곡률 반경을 가지는 곡면(116; 도 4a 참고)으로 구성될 수 있다. 즉, 곡면(116)은 도 6 에 도시된 판재(P)와 같이 성형되도록, 중앙 성형부(115)가 C 성형부 측의 제 1 곡면부와 제 1 곡면부 사이의 제 2 곡면부를 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 제 1 곡면부와 상기 제 2 곡면부는 서로 다른 곡률을 가지게 할 수도 있다. 예를 들어, 도 6 에 도시된 바와 같이, 제 1 곡면부의 반경(r1)보다 제 2 공면부(r2)의 반경이 크게 형성될 수도 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 본 발명에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 실시예로 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범주내에서 다양하게 변형될 수 있다.

100: C 성형기 110: 상부 성형부
111: C 성형부 115: 중앙 성형부
120: 하부 성형부
P: 판재 r: 중앙 성형부 곡률 반경
Cr: C 성형부 곡률 반경

Claims (7)

1. 판재의 폭방향 양 가장자리를 벤딩시키는 C 성형기로서,
   판재의 폭방향 양 가장자리에 대응되는 위치에 곡면을 가지는 한 쌍의 C 성형부 및 상기 C 성형부 사이에 배치되며 하면을 항하여 돌출 곡면을 가지는 중앙 성형부를 포함하는 상부 성형기; 및
   상기 C 성형부와 중앙 성형부의 형상에 대응되는 곡면을 가지는 하부 성형기;를 포함하는 C 성형기.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 한 쌍의 C 성형부와 중앙 성형부는 단일 부재로 연속적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 C 성형기.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 중앙 성형부의 곡면의 곡률 반경(r), 조관하고자 하는 강관의 반경(R) 및 C 성형부의 곡률(Cr)은 다음과 같은 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 C 성형기.
   r ≥ πR - Cr
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 중앙 성형부는 상기 C 성형부 측의 제 1 곡면부와, 제 1 곡면부 사이의 제 2 곡면부를 포함하며,
   상기 제 1 곡면부와 상기 제 2 곡면부는 서로 다른 곡률을 가지는 것을 특징으로 하는 C 성형기.
   
5. 판재의 폭방향 양 가장자리를 벤딩시키는 C 성형 단계;
   상기 C 성형 단계와 동시에 상기 C 성형 단계의 성형부와 판재의 폭방향 중앙부 사이를 곡면으로 성형하여, U 성형 전에 판재를 U 형상으로 성형하는 정변형 성형 단계;
   판재의 폭방향 중앙부를 기준으로 판재를 벤딩시키는 U 성형 단계;
   판재를 O 형 성형기에 넣어서 원형으로 성형하는 O 성형 단계 및
   원형으로 성형된 판재의 양 단부를 용접하는 용접 단계를 포함하는 조관 방법.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 정변형 성형 단계에서의 곡률 반경(r)은 조관하고자 하는 강관의 반경(R) 및 C 성형 단계에서의 곡률(Cr)과 다음과 같은 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 조관 방법.
   r ≥ πR - Cr
   
7. 제 5 항에 있어서,
   정변형 반복 가공이 가능하도록 상기 정변형 성형 단계에서 성형되는 성형 깊이(H)는 상기 U 성형 단계에서의 곡률 반경보다 작은 것을 특징으로 하는 조관 방법.
   

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