KR20110019107A - 폐열 회수 보일러용 핀 튜브 제작과정에 있어서의 핀 튜브 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐열 회수 보일러용 핀 튜브 제작과정에 있어서의 핀 튜브 제조 방법에 관한 것으로, 파이프 형상의 긴 튜브의 외부 표면을 황삭 가공하는 단계와; 황삭 가공된 튜브를 열처리하는 단계와; 열처리된 튜브를 회전 이동시키면서 그 외표면에 띠 형상의 핀을 나선형상으로 감으면서 고주파 용접하여 폐열 회수 보일러용 핀 튜브를 제조하는 가공단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 폐열 회수 보일러용 핀 튜브 제작과정에 있어서의 핀 튜브 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 파이프상의 튜브 외주면에 박판 띠 형상의 핀을 나선상으로 감으면서 연속적으로 용접할 때 재질에 따른 특정 용접조건을 갖추어 정밀도를 높이고, 용접 불량을 방지하며, 용접품질 향상에 따른 내구성을 높여 보다 고효율적인 열교환용 핀 튜브를 제작할 수 있다.

핀 튜브, 폐열 회수, 보일러, HRSG

Description

폐열 회수 보일러용 핀 튜브 제작과정에 있어서의 핀 튜브 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING FIN TUBE IN THE PROCESS OF MAKING FIN TUBE IN ORDER TO RECOVERY OF WASTED HEAT FOR BOILER}

본 발명은 폐열 회수 보일러용 핀 튜브 제작 과정에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 튜브 외측에 비교적 간격이 좁게 배열되는 많은 핀을 자동으로 고주파 용접 결합시 적정 조건에서 핀을 튜브에 최대한 빠르고 길게 용접시킬 수 있도록 하는 폐열 회수 보일러용 핀 튜브 제작과정에 있어서의 핀 튜브 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 열병합발전소 등지에서는 열효율을 향상시키기 위해 폐열회수보일러(Heat Recovery Steam Generator)가 적용되고 있으며 이는 "HRSG" 라 칭한다.

통상, 발전소 등지에서 가스터빈을 통해 전력을 생산하게 되는 경우 배기가스의 온도는 대략 200-550도의 고열을 발생하게 되어 상당량의 에너지를 가지고 있다고 할 수 있다. 이러한 배기가스가 그대로 외부에 배출되는 경우 상당한 에너지를 그대로 잃게 되는 문제점이 있어 최근 배출되는 배기가스로부터 에너지를 2차적으로 회수하여 다른 용도로 사용하기 위해 발전소 등지에서는 폐열회수보일러 시스 템을 적용하고 있다.

상기 폐열회수보일러 시스템은 대기중으로 배출되어 버려질 배기가스를 이용하여 증기를 발생시키고 폐열회수 보일러에서 발생된 증기로는 증기터빈을 구동하여 전력을 생산하는데 이용하고 있다.

이러한 폐열회수보일러는, 가스터빈의 배기가스로부터 열교환을 통하여 증기를 얻도록 하기 위해 다수의 열교환기를 구비하고 있으며, 이때, 열교환기는 지그재그 형상을 갖는 핀튜브가 적용되고 있다.

상기 핀튜브의 구조를 살펴보면 중공의 튜브와, 상기 튜브의 외측에 일정면적을 갖는 다수의 핀이 결합되어 이루어진 것이 적용되고 있다. 여기서, 상기 튜브에 핀을 결합시키는 것은 열접촉면을 확대시켜 열교환 효율을 증가시키고자 하는데 있는 것이다.

그 대표적인 핀튜브가 생산성 향상을 위한 나선형 핀튜브(spiral finned tube) 방식이 있으며, 상기 나선형 핀튜브의 튜브 외주면에 띠형상의 핀을 세워 나선형으로 감아 핀을 형성하는 방식의 열교환기로 핀을 형성함에 있어 공정이 단절되지 않고 지속적으로 유지될 수 있다는 장점이 있다.

그러나 종래의 나선형 핀튜브의 핀 상에는 제조상 주름이 발생되는 문제점이 있고 상기한 주름은 열교환기를 지나는 공기측의 유동저항을 급격하게 증가시키는 단점이 있다. 또한, 핀과 튜브 간에 접촉저항을 줄이기 위해 핀 용접을 하여야 하거나, 핀이 부착되는 위치에 나선형의 표면처리를 해야 되는 경우도 있어 생산성이 예상보다 저하되는 문제점이 있었다.

이에 따라 생산성이 크게 향상되고 전열면적도 충분히 확보할 수 있으며 유동저항 측면에서도 유리한 새로운 방식의 열교환기가 필요하며 그의 생산 방법 및 장치가 시급히 요구되고 있다.

또한, 핀튜브(Finned Tube)는 제조시 튜브의 외측에 나선상으로 권취되는 핀이 용접된 것으로서, 상기 튜브를 서서히 회전시키고, 언코일러로부터 인출된 띠형상의 핀을 상기 튜브에 수직하게 세워 접선방향으로 접속시킨 상태에서, 상기 튜브와 핀에 전극팁을 근접시킨 다음, 상기 튜브와 핀의 접촉부에 고주파 아크를 발생시켜 상기와 같이 발생된 아크 열을 통해 용접 작업을 수행하게 된다.

상기와 같이 튜브에 핀을 용접함에 있어, 연속적으로 이송되는 띠형상의 핀을 수직으로 세움과 아울러 튜브로부터 소정의 간극을 유지하여야만 안정된 용접이 이루어지는데 종래에는 핀을 수직으로 세우는 전용장치가 없어 현장에서 임시방편적으로 만든 장치를 사용하였기 때문에 작업이 지연되고 용접 불량이 많이 발생하는 문제점이 있어왔다.

또한, 튜브의 외측에 핀 결합시 튜브의 외주면이 방청제 또는 매끈하게 처리되어 있어 용접시 용접이 쉽게 되지 않는 문제점이 있어왔다.

이를 해결하고자 튜브에 핀을 용접하기 전 튜브의 표면을 벨트 페이퍼(Belt paper)등으로 연마하는 작업을 하고 있으나, 성능이 저하되고 또한 벨트 페이퍼의 과다한 소모량으로 원가 상승 및 사용후 폐기시 재사용이 불가하므로 환경오염의 문제점을 발생시켜 왔었다.

또한, 벨트 페이퍼를 통한 작업시 분진이 과다하여 실내의 작업환경이 취약 하게 되는 문제점이 있어왔다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로 본 발명의 목적은, 핀을 튜브에 나선상으로 감으면서 고주파 용접할 때에 가장 적합한 기계적 용접조건을 구현하고, 용접선 전처리를 통해 용접대상 튜브의 표면을 선가공함으로써 용접후 용접품질도 향상시켜 내구성을 높이고, 유동저항은 낮추면서 열교환면적은 높일 수 있도록 한 폐열 회수 보일러용 핀 튜브 제작과정에 있어서의 핀 튜브 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 파이프 형상의 긴 튜브의 외측 표면을 황삭 가공하는 단계와; 가공된 튜브를 회전 이동시키면서 그 외측 표면에 띠 형상의 핀을 나선형상으로 감으면서 고주파 용접하여 폐열 회수 보일러용 핀 튜브를 제조하는 가공단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 폐열 회수 보일러용 핀 튜브 제작과정에 있어서의 핀 튜브 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 튜브는 탄소강, P235GH, T11, T22, T23, T91 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지고; 상기 핀은 탄소강 또는 T409 중 하나로 이루어진 것에도 특징이 있다.

뿐만 아니라, 상기 핀은 핀 간 거리가 8.38~8.81 inch를 유지하는 세레이트 타입(Serrated Type)인 것에도 그 특징이 있다.

아울러, 상기 가공단계에서, 고주파 용접조건은 용접속도 500~1200m/min, 고 주파 용접출력 100~200KW, 입력전류 350~360A, 양극전압 9~13KV, 양극전류 15~25A, 격자전류 4.5~4.9A인 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 파이프상의 튜브 외주면에 박판 띠 형상의 핀을 나선상으로 감으면서 연속적으로 용접할 때 재질에 따른 특정 용접조건을 갖추어 정밀도를 높이고, 용접 불량을 방지하며, 용접품질 향상에 따른 내구성을 높여 보다 고효율적인 열교환용 핀 튜브를 제작할 수 있다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 핀 튜브의 모식도이고, 도 2는 본 발명에 따른 요부 단면도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 핀 튜브는 열병합발전소 등지에서 열효율 향상을 위해 적용되고 있는 폐열 회수 보일러용 열교환 수단으로 활용된다.

본 발명에 따른 핀 튜브는 파이프 형상의 튜브(T)와, 상기 튜브(T)의 외주면을 따라 나선상으로 감기면서 고주파 용접되는 띠 형상의 핀(F)으로 구성된다.

이러한 폐열 회수 보일러(HRSG)에 사용되고 있는 핀 튜브(Fin Tube)의 생산에 있어 아주 중요한 기술적 조건은 규정된 일정한 구간 내에서 일반적인 설계상의 제품보다 열효율을 향상시키기 위해 길이방향으로 튜브(T)에 얼마나 더 많은 핀(F) 을 연속적으로 고주파 자동 용접시킬 수 있느냐에 있다.

이와 같은 고도의 생산조건이 요구되는 핀 튜브(Fin Tube)를 생산하기 위해서는 기계적 운전조건 및 고주파 용접조건 그리고, 튜브(T)에 핀(F)을 일정하고 수직하게 용접할 수 있어야 한다.

본 발명자들은 전술한 종래 문제점들에 기반하여 수년간 연구 노력한 결과, Serrated Type/330~347Fins(8.38~8.81inch) 생산에 성공하였다.

본 발명이 속한 분야에서의 핀 튜브 제조는 금속재인 튜브(T)를 일정속도로 회전시키면서 그 외주면에 띠 형상의 핀(F)을 나선상으로 고주파 용접하여 제조되기 때문에 용접 모재가 되는 튜브(T)의 표면, 핀(F)의 두께, 용접 조건, 튜브(T)의 회전속도, 나선상으로 감기는 핀(F)의 피치 등 최종 품질에 중대한 영향을 미치는 많은 요소들이 산재해 있기 때문에 상당히 난해한 작업이다.

특히, 핀(F)은 일정한 압력을 받으면서 튜브(T)에 융착되어야 하고, 고주파 용접을 위한 고주파 용접기의 전압, 출력, 용접속도, 용접점(W)으로부터 통전점까지의 이격거리 등은 최종 품질에 직접적으로 영향을 미치는 매우 중요한 인자이다.

이는 연속적으로 회전이동되는 튜브(T)의 외측에 권취롤(미도시)로부터 풀려나오는 핀(F)이 튜브(T)의 외주면에 안정적으로 자동용접되어야 하기 때문이다.

이때, 용접점(W)은 핀(F)이 부착되는 튜브(T)의 위치이고, 통전점은 고주파 용접기의 컨덕터가 통전을 위해 배치되는 위치를 말한다.

본 발명에서는 핀(F)간 거리, 즉 피치가 8.38~8.81 inch를 갖는 나선형 자동 용접 방식의 핀 튜브 제조를 가능하게 하여 대량생산이 용이하고, 용접품질이 우수 하여 내구성이 향상되며, 보다 저렴한 비용으로 다량의 핀 튜브를 생산할 수 있는 장점을 가진다.

이를 위해, 본 발명은 먼저 소재황삭 단계를 거친다.

상기 소재황삭은 소재를 거칠게 가공하는 황삭(Rough Grinding) 가공을 말하며, 튜브(T)의 소재로는 탄소강, P235GH, T11, T22, T23, T91 등이 적당하다.

이러한 소재의 외표면을 다소 거칠게 가공함으로써 세레이트 타입(Serrated Type)의 핀 튜브 제작에 적당하도록 하여 준다.

이후, 가공단계를 거친다.

상기 가공단계는 열처리된 튜브(T)를 연속적으로 회전이송하면서 권취롤에 감긴 핀(F)을 풀어내 튜브(T)의 외주면에 나선형으로 감으면서 고주파 용접하는 단계로, 필요에 따라 1차와 2차로 나누어 처리할 수 있다.

이때, 상기 튜브(T)의 외주면에 용접되는 핀(F)은 용접 후 높이 13~19mm, 두께 0.8~1.0mm, 핀 간 거리(피치) 8.38~8.81 inch, 세그먼트 폭(Segment Width) 3.8~4.4mm로 이루어지고, 핀(F)을 구성하는 소재로는 탄소강 또는 T409가 바람직하다.

아울러, 용접시 조건은 다음과 같다.

먼저, 용접속도는 500~1200m/min이고, 고주파 용접출력은 100~200KW이며, 입력전류는 350~360A, 양극전압은 9~13KV, 양극전류는 15~25A, 격자전류는 4.5~4.9A로 유지되어야 한다.

이렇게 한정하는 이유는 세레이트 타입(Serrated Type)의 핀 튜브 용접방식의 경우 용접속도가 500m/min 이하가 되면 용접점이 넓어져 융착성이 저하되고, 1200m/min을 넘게 되면 미용접에 의한 용접불량이 발생할 수 있으므로 상기 범위로 한정되어야 하며, 용접출력을 비롯한 입력전류 및 양극전압이나 전류의 경우 용접속도와 세레이트 타입의 표면을 갖는 튜브(T)를 감안하여 가장 합리적인 범위이기 때문이다.

이와 같은 단계를 거치게 되면, 도 2의 (b)와 같이, 안정적인 용접점(W)을 갖는 핀 튜브를 완성할 수 있게 된다.

이하, 실시예에 대하여 설명한다.

[실시예 1]

본 발명에 따른 용접조건을 확인하기 위하여 상술한 제조방법에 따라 제조하면서 마지막 단계인 가공단계에서, 다음 표 1과 같은 규격과 조건으로 용접하였다.

그런데, 상기 표 1에 나타난 실시예 1의 경우에는, 스퀴즈롤(Squeeze Roll)의 두께 치수를 기존과 같은 2.0mm로 하여 테스트하였으나 핀과 핀 사이의 거리가 좁은 관계로 고주파 누전현상으로 용접성불량이 확인되었으며, 또한 속도(RPM)가 너무 빠른 관계로 용접 불량이 가중되었다.

스퀴즈롤은, 암수 한 쌍으로 조립되며 핀과 핀 사이에 위치하여 핀을 수직상태로 세워주는 역할을 수행하게 된다. 또한 고주파 용접시 열이 전도 및 분산되는 것을 방지하며, 더불어 튜브 표면에 핀이 밀착될 수 있도록 하게 된다.

[실시예 2]

본 발명에 따른 용접조건을 확인하기 위하여 상술한 제조방법에 따라 제조하면서 마지막 단계인 가공단계에서, 다음 표 2와 같은 규격과 조건으로 용접하였다.

상기 표 2에 나타난 실시예 2의 경우에는, 고주파 누전현상을 개선할 목적으로 스퀴즈롤(Squeeze Roll)의 두께 치수를 2.0~1.5mm로 변경 가공하여 테스트하였다.

그러나, 두께 치수가 1.5mm로 얇아진 관계로 기존 소재(SCM4)의 고열에 의한 변형발생으로 고주파용접 자체가 불가하였다. 그리고, 속도는 1200 이하로 조정하였다.

[실시예 3]

상기한 실시예 1,2의 경험을 토대로, 보다 정확한 용접 조건을 찾기 위해 하기한 표 3과 같은 조건으로 용접을 실시하였다.

상기 표 3과 같은 조건으로 테스트한 본 발명 실시예 3의 경우에는 본 발명자들이 원하는 특성을 모두 만족시켰다.

이를 통해, 세레이트 타입의 핀 튜브를 보다 내구성 강하면서 높은 용접품질을 갖도록 제조할 수 있었다.

도 1은 본 발명에 따른 핀 튜브의 모식도,

도 2는 본 발명에 따른 요부 단면도.

♧ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명♧

T....튜브 F....핀

W....용접점

Claims (4)

1. 탄소강, P235GH, T11, T22, T23, T91 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진 파이프 형상의 긴 튜브(T) 외측 표면을 황삭 가공하는 단계와;

   튜브(T)를 회전 이동시키면서 그 외표면에 띠 형상의 핀(F)을 나선형상으로 감으면서 고주파 용접하여 폐열 회수 보일러용 핀 튜브를 제조하는 가공단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 폐열 회수 보일러용 핀 튜브 제작과정에 있어서의 핀 튜브 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서;

   상기 핀(F)은 탄소강 또는 T409 중 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 폐열 회수 보일러용 핀 튜브 제작과정에 있어서의 핀 튜브 제조방법.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서;

   상기 핀(F)은 핀 간 거리가 8.38~8.81 inch를 유지하는 세레이트 타입(Serrated Type)인 것을 특징으로 하는 폐열 회수 보일러용 핀 튜브 제작과정에 있어서의 핀 튜브 제조방법.
4. 청구항 1에 있어서;

   상기 가공단계에서, 고주파 용접조건은 용접속도 500~1200m/min, 고주파 용 접출력 100~200KW, 입력전류 350~360A, 양극전압 9~13KV, 양극전류 15~25A, 격자전류 4.5~4.9A인 것을 특징으로 하는 폐열 회수 보일러용 핀 튜브 제작과정에 있어서의 핀 튜브 제조방법.

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