용접 강관 제조 공정: 심 유형별 공정 및 치수 총정리

용접관 생산 공정

강관은 한 위치에서 다른 위치로 유체 또는 유동화된 제품을 이송하는 데 주로 사용되는 긴 중공 튜브입니다. 주로 두 가지 구별되는 생산 공정으로 생산되며, 그 결과 용접관 또는 이음매 없는 강관이 됩니다.

용접 강관은 종심(longitudinal seam) 또는 나선심(spiral/helical seam)으로 생산됩니다. 이 관들의 직경은 약 6mm~2,500mm 범위이며 벽 두께는 0.5mm~약 40mm 범위입니다.

용접관 생산의 기재는 압연 평판 제품으로, 관 생산 공정, 관 치수 및 용도에 따라 열간 압연(HR) 또는 냉간 압연(CR) 강철 스트립/스켈프, HR 광폭 스트립 또는 판재가 될 수 있습니다. 이 기재는 뜨거운 상태 또는 차가운 상태에서 관 형태로 성형될 수 있습니다. 성형 공정은 연속 공정 또는 단일 관 성형 공정일 수 있습니다.

연속 관 성형 공정에서 어큐뮬레이터에서 언코일된 스트립 재료를 가져오며, 연속 코일의 선단과 후단이 맞대기 용접됩니다. 단일 관 성형 공정에서는 관 성형 및 용접 작업이 단일 관 길이로 수행됩니다.

용접관 생산에 주로 사용되는 두 가지 용접 공정 유형이 있습니다: (i) 압력 용접 공정, (ii) 융합 용접 공정. 일반적으로 사용되는 압력 용접 공정은 (i) 프레츠-문(Fretz-Moon) 공정, (ii) 직류(DC) 전기저항 용접(ERW), (iii) 저주파(LF) 전기저항 용접, (iv) 고주파(HF) 유도 용접, (v) HF 전도 용접입니다. 일반적으로 사용되는 융합 용접 공정은 (i) 서브머지드 아크 용접(SAW), (ii) 가스 차폐 용접입니다.

표 1 용접관 생산 공정
성형 공정	용접 공정	용접 유형	심 유형	관 크기 범위(외경) mm
연속 공정	고압 용접	프레츠-문	종심	13-115
	전기저항 용접(ERW)	1. 직류(DC) 2. 저주파(LF) 3. 고주파(HF)	종심	10-20
				10-115
				20-600
	전기 아크 용접(융합 용접)	1. 서브머지드 아크(SAW) 2. 가스 금속 아크(MAG)(태크 용접용) 3. 가스 금속 아크(TIG, MIG, ERW)*	나선심 나선심/종심	168-2,500
				405-2,030
				30-500 / 10-420
1. 단일 성형 작업 2. 3롤 벤딩 머신 3. C-잉 프레스		1. 서브머지드 아크(SAW) 2. 가스 금속 아크(TIG, MIG, ERW)*	종심	500 이상
				200-600
1. 단일 성형 작업 2. U/O-잉 프레스		1. 서브머지드 아크(SAW) 2. 가스 금속 아크(MAG)(태크 용접용)	종심	455-1,625
*스테인리스강(SS) 관

압력 용접 공정

대중적인 압력 용접 공정은 프레츠-문 공정입니다.

프레츠-문 공정 - 프레츠-문은 발명자 이름입니다. 이 공정에서 강철 스트립을 연속 스트립 형태로 성형 및 용접 라인에서 용접 온도로 가열합니다(그림 1). 롤러가 스트립을 연속적으로 개방 심 관으로 성형합니다. 이후 맞물리는 가장자리를 눌러 단조 용접 기술 기반 공정으로 용접합니다. 외경(OD) 40mm~115mm 관을 이 방법으로 생산할 수 있습니다. 용접 속도는 각각 200m/분~100m/분 범위입니다.

요즘 프레츠-문 플랜트에서 나온 무한 관은 직접 신장 감경 압연기(stretch-reducing mill)에 공급됩니다. 이 압연기는 런아웃 라인에 설치되어 동일한 열의 관을 약 13mm까지 다양한 직경으로 압연합니다. 관은 냉각 베드 배치를 위해 개별 길이로 절단됩니다. 이 조합은 프레츠-문 플랜트를 단일 일정 관 직경에 사용할 수 있게 하여 비용이 많이 드는 롤 교체 및 재설정 작업을 없애주는 장점이 있습니다.

그림 1 관용 프레츠-문 성형 및 용접 공정 개략도

HR 코일이 기재로 사용됩니다. 코일은 고속으로 언코일되고 스트립은 루프 어큐뮬레이터에 저장됩니다. 저장된 재료는 연속 생산 공정 중 버퍼 역할을 합니다. 이를 통해 진행 중인 스트립 후단을 다음 코일 스트립 선단과 맞대기 용접할 수 있습니다. 연속 스트립은 터널로로 보내져 고온으로 가열됩니다. 측면 배열 버너가 스트립 가장자리 온도를 스트립 중심부 온도보다 약 100°C~150°C 높게 용접 온도로 올립니다. 성형 롤 스탠드가 들어오는 스트립을 개방 심 관으로 연속 성형하며, 하류 스퀴즈 롤 용접 스탠드에서 둘레가 약간(약 3%) 줄어듭니다. 용접 스탠드는 선행 스탠드에 90도 오프셋되어 있습니다. 용접 스탠드는 가장자리를 눌러 용접하는 업셋 압력을 생성합니다. 용접 조직은 다시 90도 오프셋된 하류 감경 롤 스탠드에서 압축됩니다. 이 감경 롤 스탠드가 관 치수를 정합니다. 신장 감경 압연기가 없으면 하류에 플라잉 쏘가 무한 관을 개별 길이로 절단합니다. 이 절단 관은 냉각 베드를 거쳐 관 마무리 구간으로 이송됩니다.

ERW 관 생산 공정

직류(DC)와 교류(AC) 모두 ERW 관 생산에 사용됩니다. AC 용접 공정에서는 저주파(LF) 또는 고주파(HF) 전류가 사용됩니다.

DC 공정 - DC 공정은 준직류 효과(사각파 시스템)를 사용합니다. 사각파 용접기의 주요 특징은 용접점에 도달할 때까지 고전압/저전류만 사용한다는 것입니다. 전기적으로 DC와 사각파의 주요 차이는 라인 전류가 강압 변압기를 거치지 않고 전체 파 정류기만 거쳐 정류된다는 것입니다. DC 공정은 외경 20mm 이하 소구경 관(특수 경우 30mm)의 종심 용접에 사용되며, 벽 두께 0.5mm~2mm 범위입니다. 공차 요구사항 때문에 CR 스트립이 기재로 사용됩니다.

DC 용접의 LF 및 HF 용접 방법 대비 장점은 작은 리지(보강)로 매끄러운 내부 패스 마감입니다. 이는 매끄러운 내부 용접이 필요하고 용접 플래시 제거가 불가능할 때 중요합니다(예: 열교환기 관).

DC 공정 적용 범위는 공정에서 사용되는 디스크 전극이 전달할 수 있는 전기 전력에 의해 제한됩니다. 공정에서 얻는 용접 속도는 50m/분~100m/분 범위입니다. DC 공정으로 생산된 관은 일반적으로 이후 냉간 신장 감경됩니다. 이로 인해 관 본체 두께가 용접부보다 약간 더 증가하여 사실상 내부 용접 돌출이 없는 관이 됩니다.

LF 공정 - LF 공정에서는 50Hz~100Hz 주파수 범위에서 AC로 용접합니다. 구리(Cu) 합금 절연 디스크 2개로 구성된 전극이 전력 공급뿐만 아니라 성형 도구와 필요한 용접 압력 생성 요소로도 사용됩니다(그림 2). 벽 두께에 따라 최대 90m/분 용접 속도로 외경 10mm~115mm 종심 용접관을 생산합니다.

그림 2 저주파 압력 저항 용접

전극은 공정의 중요한 구성 요소로, 생산 중인 관 직경과 일치하는 홈이 제공되어야 합니다. 또한 이 홈은 운전 중 마모를 지속적으로 모니터링해야 합니다.

압력 용접 공정 중 재료는 용접부 따라 내부 및 외부 플래시를 형성하며, 이는 하류 내부 및 외부 트리머에 의해 인라인으로 제거되어야 합니다. 공정이 다양한 요구사항을 충족하도록 주의 깊게 모니터링되면 높은 완전도의 용접을 생산할 수 있습니다.

HF 공정 - 관 생산용 HF 전기저항 용접 공정은 1960년대에 도입되었습니다. 이 공정은 200kHz~500kHz 범위 HF 교류 전력 적용을 포함합니다. 관 성형과 에너지 입력 작업은 별도 유닛에서 수행됩니다. 스트립은 롤 성형기 또는 조정 가능 롤 스탠드(자연 기능 성형)에서 개방 심 관으로 성형되어 약 20mm~600mm 외경, 0.5mm~16mm 벽 두께 범위의 라인 파이프 및 구조용 파이프, 하류 신장 감경 압연기용 파이프 블랭크 등 다양한 파이프 제품을 포함합니다. 기재는 HR 광폭 강철 스트립 또는 스켈프입니다. 관 치수와 용도, 특히 정밀 관의 경우 강철 스트립이 상류 피클링 작업을 거치거나 CR 스트립이 사용될 수 있습니다. 코일은 고속으로 언코일되고 스트립은 루프 어큐뮬레이터에 저장됩니다. 저장된 재료는 연속 생산 공정 중 버퍼 역할을 합니다. 이는 후행 단부가 다음 코일 스트립 선단과 맞대기 용접되도록 합니다. 관 용접기는 루프 어큐뮬레이터에서 스트립을 당겨 10m/분~120m/분 속도로 연속 운전됩니다.

그림 3은 롤 성형기 원리를 보여줍니다. 롤 성형기는 최대 600mm 관 직경에 사용됩니다. 일반적으로 스트립을 단계적으로(1~7 스탠드) 개방 심 관으로 점차 성형하는 8~10개 대부분 구동 롤 성형 스탠드로 구성됩니다. 마지막 3패스(8~10 스탠드)는 보통 개방 심 관을 용접 테이블(11)로 안내하는 마감 패스입니다. 성형 롤은 최종 관 직경에 정밀하게 맞춰져야 합니다. 대구경 관의 경우 자연 기능 성형 공정도 적용 가능합니다.

그림 3 롤 성형 공정 원리

성형 롤 스탠드의 주요 특징은 다수의 비구동 내부 및 외부 성형 롤이 넓은 제품 직경 범위에서 조정 가능하게 깔때기 모양 성형 라인에 배열되어 스트립을 점차 개방 심 관 형태로 굽힙니다. 입구 쪽 브레이크다운 스탠드와 출구 쪽 마감 패스 스탠드만 실제로 구동됩니다. 롤 성형기 내 롤 스탠드 개략도는 그림 4에 나와 있습니다. 그림에서 특정 단면 세부사항이 표시되어 변형 정도 n과 라인을 따른 다양한 구간의 성형 롤 배열을 나타냅니다.

그림 4 롤 성형기 내 롤 스탠드 개략도

용접 공정은 필러 재료 없이 개방 심의 스트립 가장자리를 결합하기 위해 압력과 열을 동시에 사용합니다. 용접 스탠드의 스퀴즈 및 압력 롤이 개방 심 관 가장자리를 점차 모아 용접에 필요한 압력을 가합니다. HF 교류 전력을 용접 공정 열 발생 에너지원으로 사용할 때 여러 장점이 있습니다. 예: 일반 교류 전력 대비 도체 단면적에서 매우 높은 전류 밀도(플럭스) 생성 장점이 있습니다. HF 특성으로 HF 전류는 도체 중심 코어에 자기장 축적 효과가 있습니다. 도체 옴 저항이 이 자기장에서 가장 높으므로 전자는 도체 외부 표면 영역의 최소 저항 경로를 따릅니다(스킨 효과). 따라서 전류가 개방 심 관 스트립 가장자리를 따라 가장자리가 맞닿는 지점(용접점)까지 흐르며, 음극 도체 근접성에 의한 집중화로 높은 에너지 이용률을 가져옵니다. 퀴리 점(768°C) 아래에서 전류 침투 깊이는 몇 1/100mm에 불과합니다. 강철이 이 온도 이상으로 가열되면 비자성이 되어 450kHz 영역 주파수에서 침투 깊이가 수 1/10mm로 상승합니다.

용접 전류는 슬라이딩 접촉을 이용한 전도적 수단이나 단일/다중 권선 코일을 이용한 유도적 수단으로 개방 심에 도입될 수 있습니다. 따라서 명칭에서 HF 유도(HFI) 용접과 HF 전도 용접 구분이 이루어집니다. 관 HF 용접 개략도는 그림 5에 나와 있습니다.

그림 5 관 HF 용접

최근 소량 생산 배치, 고강도 저합금(HSLA) 강종, 극단적 벽 두께/직경 비율 수용을 위해 직선 가장자리 성형 공정이 개발되었습니다. 이 공정에서 하부 성형 롤러 대신 롤러 직선 가장자리를 사용합니다. 이로 인해 성형 라인 길이가 크게 단축되었습니다. 이 공정은 벽 두께/직경 비율 1:8~1:100 범위 관을 성형할 수 있습니다.

중앙 집중식 도구 조정(CTA) 성형 공정 도입으로 한 관 크기에서 다른 관 크기로 전환 시간을 단축하여 공장 효율을 높입니다. 성형 라인 모든 롤러가 빔에 장착되어 단일 모터로 CTA 공정에 의해 조정됩니다. 이는 전체 크기 범위에서 성형 롤러(툴) 교체가 필요 없음을 의미합니다. 이로 인해 크기 전환 및 설정 시간이 크게 단축됩니다.

스트립이 성형 구간에 진입하기 전, 스트립은 직선화되고 종단 에지 트리머에 의해 일정 폭으로 트리밍됩니다. 절단 가장자리는 용접 준비를 위해 추가로 베벨링될 수 있습니다. 스트립은 개방 심 관으로 성형되어 아직 비교적 넓은 간격 상태로 마감 패스 스탠드를 거쳐 용접 테이블로 공급됩니다. 용접점을 향해 테이퍼진 오버헤드 마감 롤은 간격 진입 각도를 결정하고 용접 테이블 중앙 위치를 제어합니다. 거기서 수렴하는 스트립 가장자리가 형상 스퀴즈 롤에 의해 서로 밀려 HF 전기저항 공정으로 용접됩니다. 전류는 개방 심 관 주위에 배치된 유도 코일을 통한 유도적 방식이나 개방 심 관 주위를 도는 슬라이딩 접촉을 통한 전도적 방식으로 전달될 수 있습니다.

외부 및 내부 리지(내경 약 30mm 이상 관에서 압력 용접 시 발생)는 여전히 뜨거울 때 플래닝이나 스크레이핑으로 재료를 제거하여 일반적으로 트리밍됩니다. 관은 2~6개 사이징 스탠드 사이에서 원형화 및 사이징됩니다. 이 스탠드들은 일반적으로 원주 방향 감경용으로 설계됩니다. 이 공정은 관에 교정 효과도 줍니다. 공장 런아웃 구간에 다중 스트랜드 성형 롤 사이징 유닛 추가는 원형 관을 직접 특수 형상으로 성형하는 것도 가능하게 합니다.

트리밍된 용접부는 비파괴 시험으로 검사되고 관은 플라잉 컷오프 머신으로 원하는 길이로 절단됩니다. 관 절단은 다음 방법 중 하나로 수행됩니다: (i) 좁은 유도 가열 구역에서 관을 끊는 방법, (ii) 디스크형 블레이드에 의한 회전 절단, (iii) 냉간 또는 마찰 파팅 오프 쏘.

HF 압력 용접은 용접 상태 그대로 두거나 관 용도에 따라 정규화 범위에서 후속 열처리할 수 있습니다. 부분 유도 어닐링을 연속 관에 수행하거나 개별 관을 길이 절단 후 별도 열처리할 수 있습니다.

HF 유도 용접 공정에서 벽 두께와 용도에 따라 최대 120m/분 용접 속도를 얻을 수 있습니다. 공정은 그림 5에 나와 있습니다. HF 전도 용접은 '서모툴(Thermatool)' 공정으로도 알려져 있습니다. 이 공정에서 벽 두께와 용도에 따라 최대 100m/분 용접 속도를 달성할 수 있습니다. 공정도 그림 5에 나와 있습니다.

융합 용접 공정

융합 용접 강관은 일반적으로 파이프라인 건설용 대구경 관 생산에 사용됩니다. 융합 용접 시 사용되는 관 성형 공정은 (i) 판재 성형용 3롤 벤딩 공정(냉간 또는 열간 성형 공정으로 사용), (ii) 판재 냉간 성형용 C-잉 프레스 공정, (iii) 판재 냉간 성형용 U-잉 및 O-잉 프레스 공정, (iv) 광폭 스트립 또는 판재 냉간 성형용 나선관 성형 공정입니다. 이 공정들은 그림 6에 나와 있습니다.

그림 6 관 성형 공정

위 네 가지 공정 중 마지막 두 공정인 (i) 판재 냉간 성형용 U-잉 및 O-잉 프레스 공정, (ii) 광폭 스트립 또는 판재 냉간 성형용 나선관 성형 공정이 오늘날 대부분의 생산 설비에서 자주 사용되는 공정입니다.

서브머지드 아크 용접(SAW) 공정이나 가스 차폐 태크 용접과 하류 SAW 조합이 대구경 관 용접 표준 방법으로 널리 받아들여지고 있습니다. 융합 용접 공정은 나선 및 종심 용접 고합금 스테인리스강 관 생산에도 사용됩니다. 이 경우 제품은 약 10mm~600mm 직경 범위 얇은 벽 관 형태입니다. 순수 TIG(텅스텐 불활성 가스 용접) 공정 외에 다양한 복합 용접 방법도 사용됩니다. 예: TP(텅스텐 플라즈마) 아크 용접 + TIG, TP + MIG(금속 불활성 가스) 용접, TP + SAW 공정.

SAW 공정 - SAW 공정은 숨겨진 아크로 수행되는 전기 융합 용접 방법입니다. 용접봉 아크 용접과 비교해 SAW 공정에서 아크는 슬래그와 플럭스 담요 아래에 숨겨집니다. SAW 공정의 특징 중 하나는 높은 증착률로, 이는 적용된 높은 전류와 유리한 열 균형에서 본질적으로 기인합니다.

필러 금속은 연속으로 공급되는 코일형 브라이트 용접 와이어 형태로, 증착률에 따라 액체 금속 풀에 공급됩니다. 모재(관) 바로 위에서 용접 전류가 슬라이딩 접촉을 통해 와이어 전극으로 전도되고 접지 리드를 통해 관 재료로 되돌아갑니다(그림 7).

그림 7 서브머지드 아크 용접 공정

아크는 들어오는 와이어와 개방 심 가장자리를 녹입니다. 연속 공급되는 용접 플럭스 일부도 아크 열에 의해 녹아 용접 풀, 녹는 와이어 전극, 아크 자체를 대기 영향으로부터 차폐하는 액체 슬래그 피복을 형성합니다.

또한 용접 플럭스는 용접 비드 형성을 돕고 합금 원소 공급원으로서 용해 및 산화 손실을 보상합니다. 많은 경우 용접 금속에 특정 화학적 기계적 특성을 부여하기 위해 의도적으로 합금화하는 데 사용됩니다. 아크 이동 후 남겨진 액체 슬래그는 응고됩니다. 녹지 않은 용접 플럭스는 진공 추출로 회수되어 재사용됩니다. 슬래그는 응고 후 쉽게 제거됩니다. 와이어 전극과 용접 플럭스 화학 조성은 용접되는 소재와 일치해야 합니다. 관 SAW 용접은 일반적으로 2패스 방법(첫 번째 런 후 실링 또는 백킹 런)으로 수행되며, 일반적으로 내부 패스 먼저, 외부 패스 두 번째로 수행됩니다. 이는 두 패스가 충분히 겹치도록 보장합니다.

결과는 일반적으로 추가 열처리가 필요 없는 융합 용접입니다. SAW 용접은 AC와 DC 모두로 가능하며, 멀티 와이어 시스템에서 AC와 DC 조합도 사용할 수 있습니다. SAW 공정 효율은 단위 시간당 필러 금속 증착률(증착률)로 주어집니다. 결과적으로 매우 높은 용접 속도가 가능합니다.

증착률은 용접 전류 증가로 높일 수 있습니다. 그러나 플럭스 제한 전류 용량으로 인해 단일 와이어 용접에서 최대 약 1,200A 입력까지 성능을 향상시킬 수 있습니다. 이 한계를 넘어 증착률을 높이려면 여러 와이어 전극 배치가 필요합니다. 그러면 개별 와이어 전극에서 플럭스 전류 용량이 초과되지 않으면서 전체적으로 더 높은 전류를 용접 작업에 적용할 수 있습니다. 실제 운전에서는 2, 3, 4개 전극 멀티 와이어 용접 구성으로 성능을 높입니다. 멀티 와이어 용접으로 달성된 더 높은 증착률은 실제 용접 조건에서 더 높은 용접 속도로 이어집니다.

고성능 플럭스 사용 시 3와이어 용접 공정은 일반적으로 벽 두께 20mm까지 충분히 효율적입니다. 벽 두께 20mm 초과 시 용접 속도 유지와 생산 효율 달성을 위해 4번째 와이어가 필요합니다. 멀티 와이어 용접 비용 효율적 적용 요건은 공정 매개변수가 최적화되어 용접 지정 품질 요구사항의 신뢰성 있는 달성을 보장하는 것입니다. 실제로는 용접 공정, 벽 두께, 플럭스 유형에 따라 1m/분~2.5m/분 범위 용접 속도를 달성할 수 있습니다.

가스 차폐 아크 용접 - 이 또한 전기 융합 용접 공정입니다. 이 공정에서 용접 풀은 전기 아크 효과로 생성됩니다. 아크는 전극과 공작물 사이에서 타며 잘 보입니다. 전극, 아크, 용접 풀은 용접 구역에 지속적으로 공급되는 불활성 또는 활성 차폐 가스에 의해 대기로부터 보호됩니다.

가스 차폐 아크 용접 공정은 전극 유형과 사용 가스에 따라 분류됩니다. 일반적으로 두 주요 범주로 나뉩니다: (i) 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW) - TIG, TP, THG(텅스텐 수소 가스) 아크 용접, (ii) 가스 금속 아크 용접(GMAW) - MIG, MAG(금속 활성 가스) 용접. 관 생산에 주로 사용되는 공정은 TIG, MIG, MAG 용접 공정입니다. TIG와 MIG 용접 공정은 주로 SS 관 생산에 사용됩니다. TIG 용접 공정에서 아크는 비소모성 텅스텐 전극과 공작물 사이에서 탑니다. 필러 금속은 주로 DC 입력 없이 공급됩니다. 차폐 가스는 가스 노즐에서 흘러나와 전극, 필러 금속, 액체 풀을 대기 공기 접촉으로부터 보호합니다.

차폐 가스는 불활성이며 일반적으로 아르곤(Ar), 헬륨(He), 또는 이 가스 혼합물입니다. MIG와 MAG 공정에서 TIG 공정과 대조적으로 아크는 공작물과 소모성 전극 사이에서 타며 필러 금속을 제공합니다. MIG 용접용 차폐 가스는 불활성으로 일반적으로 Ar, He, 또는 이 가스 혼합물입니다. MAG 용접 공정에서 차폐 가스는 활성이며 순수 CO₂(이산화탄소) 또는 CO₂, Ar, O₂(산소) 혼합 가스로 구성됩니다. MAG 공정은 대구경 종심 및 나선 용접관 생산에서 태크 용접용으로 점점 더 많이 사용됩니다. 태크 용접은 후속 SAW 공정의 용접 풀 백킹 역할도 합니다. 최적 용접 요건은 정밀한 가장자리 준비(넓은 루트 면을 가진 이중 V 맞대기 이음), 양호하고 연속적인 태크 용접입니다. 대구경 관 생산에서 태크 용접 용접 속도는 약 5m/분~12m/분 범위입니다.

종심 용접관 생산(U-잉/O-잉 공정)

종심 용접관용 판재는 U-잉용 개방 다이와 O-잉용 폐쇄 다이를 가진 프레스에서 성형됩니다. 이 공정을 UOE 성형 공정(U-잉, O-잉 및 확장)이라고도 하며, 개별 길이 최대 18m 종심 용접 대구경 관 생산에 사용됩니다. 이 공정을 사용하는 현대 플랜트는 약 400mm~1,620mm 관 직경, 6mm~40mm 벽 두께 범위로 설계됩니다. 기재는 강판입니다. 대구경 관 UOE 성형법 생산 중 중요 운전 및 검사 단계를 나타내는 공정 내 재료 흐름은 그림 8에 나와 있습니다.

그림 8 UOE 성형법에 의한 대구경 관 생산 공정 재료 흐름

용접 공정 시작 시 평판에 런인/런오프 탭을 용접하여 SAW 공정과 관련된 선단 및 후단 현상이 관 금속 외부에서 발생하도록 합니다. 판재가 다양한 단계와 성형 프레스로 개방 심 관으로 굽혀지기 전, 두 종단 가장자리는 플래너 머신으로 가공되어 평행함을 보장합니다. 관련 판재 두께용 용접 베벨도 절단됩니다.

첫 번째 성형 단계에서 판재 종단 가장자리 영역이 크림핑됩니다. 굽힘 비율은 개방 심 관 직경에 대략 대응합니다. 크림핑은 특수 성형 프레스에서 수행됩니다. 두 번째 단계에서 판재가 원호 반경 도구로 두 지지대 사이로 밀어넣어 한 번 작업으로 U자형으로 굽혀집니다. 작업 말미에 지지대 간 거리를 줄여 스프링백 효과를 상쇄하기 위한 약간의 오버벤드를 적용합니다. 세 번째 성형 작업에서 U자형을 O-잉 프레스에 넣어 한 번 작업으로 원형 개방 심 관을 만듭니다.

U-잉 및 O-잉 프레스에서 수행되는 성형 공정은 스프링백 효과를 효과적으로 상쇄하고 개방 심 관이 종단 가장자리가 플러시된 상태로 가능한 한 원형이 되도록 조정됩니다. 이 작업들은 높은 프레스 하중을 필요로 합니다.

개방 심 가장자리는 태크 용접 스탠드에서 눌러져(오프셋 제거) 롤러 케이지 형태로 설계된 곳에서 자동 MAG 용접기로 연속 심을 증착하여 결합합니다. 관 두께에 따라 적용 용접 속도는 5m/분~12m/분 범위일 수 있습니다.

태크 용접된 관은 롤러 테이블과 분배 시스템으로 SAW 스탠드로 이송되어 별도 라인에서 먼저 내부, 그 다음 외부 패스를 받습니다. 이 런들은 캐리지 위에서 관을 이동시켜 고정된 용접 헤드 아래에서 증착됩니다. 내부 패스용으로 용접 헤드는 관 내부로 연장된 암에 장착됩니다. 용접 센터라인 완벽한 정렬을 위해 내부 및 외부 헤드 모두 지속적으로 모니터링되고 제어됩니다. 관 치수(직경, 벽 두께)에 따라 멀티 와이어 SAW 공정 중 어느 것을든 사용할 수 있습니다. 용접 후 관은 마무리 구간으로 보내집니다.

용접 후 관은 일반적으로 직경과 원형도 공차 요구사항을 충족하지 못합니다. 따라서 마무리 부서에서 관을 철저히 검사하고 냉간 확장으로 사이징합니다. 이 작업은 기계적 또는 유압 확장기로 수행됩니다. 적용 확장량은 약 1%이며, 이 값은 개방 심 관 초기 둘레 결정 시 고려됩니다. 생산 공정은 관 끝 가공 및 필요한 재작업 수행으로 마무리 부서에서 완료됩니다.

관은 관 끝 가공 작업 전 수압 시험을 받습니다. 그런 다음 용접부 전체 길이에 걸쳐 최종 초음파(US) 검사가 자동으로 수행됩니다. 이 자동 US 검사로 드러난 표시와 관 끝 용접 구역은 X-선 검사로 추가 확인됩니다. 모든 관 끝은 랩과 라미네이션에 대해 US 검사도 받습니다.

나선관 생산

나선관은 헬리컬 심 관으로도 알려져 있습니다. 나선관 생산 중 열간 스트립 또는 시트가 일정한 굽힘 반경으로 나선 성형 설비에 의해 연속적으로 관 형태로 성형되며, 맞닿는 스트립 가장자리도 인라인으로 연속 용접됩니다.

종심 용접관 생산에서 각 관 직경이 특정 스트립 폭을 필요로 하는 것과 비교해, 나선관 생산은 단일 스트립 폭으로 다른 직경 관을 생산할 수 있다는 특징이 있습니다. 이는 스트립이 성형 유닛에 공급될 때 접근 각도를 변경할 수 있기 때문입니다. 이 입구 각도가 작을수록 같은 스트립에서 더 큰 직경 관이 나옵니다. 관 직경과 스트립 폭의 기술적 최적 비율은 1:2~1:2.2 범위입니다. 나선관 생산 시 적용되는 공급 각도, 스트립 폭, 관 직경 간 수학적 의존성이 그림 9에 나와 있습니다.

나선 용접 공정 기술로 생산되는 관 직경 범위는 약 500mm~2,500mm입니다. 나선 용접관 생산 기재는 일반적으로 최대 20mm 벽 두께 광폭 HR 스트립입니다. 20mm 초과 관 두께에는 일반적으로 최대 30m 개별 길이 판재가 필요합니다.

나선관 생산 관련 두 가지 유형 설비가 있습니다. 이 설비들은 (i) 일체형 성형 및 SAW 관 가공 라인, (ii) 분리형 성형 및 SAW 관 가공 라인(그림 9)으로 구성될 수 있습니다.

그림 9 나선관 생산용 SAW 관 가공 라인

일체형 성형 및 SAW 용접 라인 - 일체형 성형 및 SAW 용접 라인은 나선관 생산의 전통적 생산 설비입니다. 이 유형 설비에서 생산 공정은 (i) 스트립 준비 단계, (ii) 동시 내부 및 외부 패스 SAW 유닛과 결합된 관 성형 작업으로 구성됩니다. 스트립을 함께 용접하는 것 외에 스트립 준비 단계는 스트립을 직선화하고 정확한 폭으로 트리밍합니다. 스트립 가장자리는 엄격한 공차 내 정확하게 가공되어야 하며, 관 성형 성공을 위해 정의된 가장자리 크림핑도 수행되어야 합니다.

언코일러에서 공급되는 스트립은 이전 코일 후행 단부와 SAW 공정으로 용접됩니다. 용접부는 나중에 관 내부 표면이 될 면을 따라 증착됩니다. 외부 SAW 패스는 완료된 관에서 별도 라인에 증착됩니다. 스트립은 직선화기를 통과하고 에지 트리머로 일정 폭으로 절단됩니다. 추가 장치로 주요 SAW 용접 작업 준비로 가장자리를 베벨링합니다. 성형 구간 진입 전 스트립 가장자리를 크림핑하여 결합부 리지/피킹 방지.

일체형 라인에서 스트립 준비 단계는 동시 내부 및 외부 용접 SAW 공정과 결합된 성형 공정에 바로 이어집니다. 핀치 롤 유닛이 미리 정해진 입구 각도로 스트립을 기계 성형 구간에 공급합니다.

성형 구간 목적은 그림 9에 주어진 수학적 관계에 따라 정확하게 준비된 폭 'A' 스트립을 특정 공급 각도로 원통형 관 직경 'D'로 굽히는 것입니다.

나선 용접관 생산에 많은 성형 방법이 사용됩니다. 직접 슈 방법(제한 있음) 외에 두 가지 주요 나선 용접 기술(그림 10)이 일반적으로 사용됩니다: (i) 내부 직경 롤러 케이지가 있는 3롤 벤딩, (ii) 외부 직경 롤러 케이지가 있는 3롤 벤딩. 3롤 벤딩 시스템에서 단일 성형 롤 대신 여러 개별 및 가이드 롤러가 사용됩니다.

그림 10 두 가지 주요 나선 용접 기술

롤러 케이지는 관 축을 고정하고 관 원형도를 최대화하여 용접점에서 스트립 가장자리의 오프셋 없는 수렴을 보장합니다. 이는 정확한 관 치수 달성을 용이하게 하여 기계에서 나가는 관이 이미 표준 직경, 원형도, 직진도 공차 내에서 생산됩니다. 따라서 용접 후 관 확장/사이징이 필요 없습니다.

나선관 성형 및 SAW 기계에서 수렴하는 스트립 가장자리는 약 6시 위치에서 먼저 내부 용접되고, 반 바퀴 더 돌아 12시 위치에서 외부 용접됩니다. 용접 헤드 정렬과 간격 제어는 자동으로 수행됩니다.

생산된 관 스트링은 이후 플라잉 파팅 오프 장치로 길이 절단됩니다. 개별 관은 관 끝 가공과 재작업 수행으로 생산 공정이 완료되는 마무리 구간으로 보내집니다. 관 끝 가공 전 관에 수압 시험을 수행합니다. 전체 용접 구역을 US 검사하고, 관 끝 용접 구역도 X-선으로 검사합니다. 또한 각 관을 전체 둘레에 대해 랩/라미네이션 US 검사합니다. 필요시 수압 시험 전 용접부와 모재도 US 검사합니다.

이 공정 생산성은 SAW 작업 속도에 의해 결정됩니다. 관 성형은 일반적으로 훨씬 높은 생산 속도를 낼 수 있습니다. 나선관 성형 구간 효율을 활용하기 위해 플랜트는 이제 분리형 성형 및 SAW 라인 기준으로 설계됩니다. 이러한 플랜트에서 성형 라인은 성형 라인 속도와 맞는 생산 속도 능력을 가진 태크 용접 설비를 특징으로 합니다. SAW 라인은 성형 라인 생산성과 맞는 여러 개별 용접 스탠드에서 오프라인으로 심 용접을 수행합니다.

분리형 성형 및 SAW 용접 라인 - 분리형 성형 및 SAW 용접 라인을 가진 플랜트 주요 특징은 (i) 내부 태크 용접을 포함한 관 성형, (ii) 별도 용접 스탠드에서의 내부 및 외부 SAW 작업이라는 두 독립적 생산 유닛이 있다는 것입니다.

더 빠른 성형 및 태크 작업으로 인한 높은 비용 효율성 외에도 두 작업을 분리함으로써 기술적 이점도 있습니다. 이 이점은 두 작업을 개별적으로 최적화할 수 있기 때문입니다.

나선관 성형 구간에서 합쳐지는 스트립 가장자리(이미 성형된 관 구간 하나와 들어오는 스트립 둘째)가 내부 태크 용접으로 연속 결합됩니다. 태크 용접 공정은 6시 위치 영역에서 12m/분 속도로 MAG 용접으로 수행됩니다. CO₂가 일반적으로 차폐 가스로 사용됩니다. 용접 위치 아래 용접부는 강성 고정 가이드 롤러 위에서 사실상 간격 없이 움직입니다.

파팅 오프 장치가 태크 용접된 관 스트링을 필요한 개별 길이로 절단합니다. 이 관 절단 공정은 나선 성형 라인에서 수행되는 마지막 작업입니다. 태크 용접 속도가 높으므로 기존 산소-아세틸렌 토치 대신 물 주입 고속 플라즈마 토치를 사용해야 합니다. 절단된 관은 최종 용접을 위해 결합 2패스 SAW 스탠드에서 수행되는 하류 SAW 작업으로 보내집니다.

특수 롤러 테이블이 관을 나선 이음매에 정확히 맞춰 회전시켜 SAW 헤드가 먼저 내부 용접, 그 다음 외부 용접을 수행할 수 있게 합니다. 내부 및 외부 용접 헤드의 정밀한 용접 센터라인 정렬 제어가 용접 오프셋 최소화를 위해 이 작업에서 필요합니다. 내부 및 외부 패스 용접 작업에 2와이어 또는 3와이어 방법을 사용합니다.

몇 가지 수정을 제외하면 관 끝 가공, 수압 시험, 비파괴 검사 및 기계적 시험 같은 후속 생산 단계는 원칙적으로 일체형 나선 용접 라인에서 사용된 것과 동일합니다. 이 시험 및 검사 피드백은 지속적인 제품 품질 최적화를 위해 개별 생산 단계에 즉시 제공됩니다.