KR20120016061A

KR20120016061A - 바람직하게는 근해 풍력 에너지 설비를 위한 초대형 파이프 조인트의 제조 방법

Info

Publication number: KR20120016061A
Application number: KR1020117025018A
Authority: KR
Inventors: 라이너 스프레켈마이어
Original assignee: 아이에이지 매그넘 게엠베하
Priority date: 2009-04-23
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2012-02-22
Also published as: EP2422017A2; EP2422017B1; WO2010121596A3; CN102414371A; US20120023735A1; WO2010121596A2

Abstract

본 발명은 예컨대 근해 산업에서 이용되는 초대형 파이프 조인트를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법에서는 평면의 박판형 구조 부재에서 모든 절단 가공이 실행되고 그에 따라 고가의 파이프용 화염 절단기의 필요가 생략되는 방법이 기재된다.

Description

바람직하게는 근해 풍력 에너지 설비를 위한 초대형 파이프 조인트의 제조 방법{METHOD FOR THE PRODUCTION OF EXTRA HEAVY PIPE JOINTS, PREFERABLY FOR OFF-SHORE WIND ENERGY PLANTS}

본 발명은 근해 풍력 에너지 설비에서 초대형(extra heavy) 파이프 골격 구조, 파이프 구조 및 원뿔형 구조를 위한 구성요소(component)를 간단하고 경제적으로 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

근해 풍력 에너지 설비의 지지 및 기초 구조물은 대개 용접된 철골 구조로서, 또는 콘크리트 구조로서 형성된다. 콘크리트 소재의 기초 구조물은 예컨대 GB 2182375에 기재되어 있다.

강철 소재의 골격 컴포넌트가 콘크리트 소재의 탱크 부재들과 조합되어 있는 부유식(floating) 혼합 구조는 DE 102008003647에 기재되어 있다.

용접된 철골 구조는 전형적으로 파이프 프레임 또는 박스 구조물의 형태로 형성된다. n각형 지지 프레임으로 구성되는 박스 구조로서 하부 구조물은 독일 실용신안 공개 공보 DE 202004020720U1의 대상이다.

파이프 프레임은 연속적으로 만곡된 자체의 표면 덕분에 내부식성 및 유입 흐름 저항성과 관련하여 상당한 장점이 있으며, 이런 점은 특히 근해 적용 시에 효과가 있다. 그러나 문제는 파이프 프레임 부재의 상호 간 연결 구조에 있다. 그에 따른 연결은 거의 용접에 의해서만 실현된다.

유럽 특허 공보 EP 2067914는 격자 구조물 형태의 파이프 프레임 구조를 기재하고 있다. 비교적 작은 지름을 갖는 파이프들은, 이음 지점들, 이른바 노드들(node)의 기하학적 다양성이 대폭 감소되는 방식으로 대칭 프레임에 접합된다.

노드는 사전 제조되어 공사 현장에서 단순한 원형 솔기(circular seams)에 의해 인접 파이프들과 연결된다. 그에 따라 노드 내부의 최대 하중의 영역에서는 용접 솔기가 연장되지 않도록 하는 점을 달성하게 된다. 또한, 용접 솔기들은 궤도 용접법에 의해 자동화 또는 적어도 기계화 방식으로 제조될 수 있다. 노드 자체는 특별한 부재가 아니라, 양산 부재이고, 이음면 및 미리 준비된 용접 받침 리테이너를 구비하며, 자체 기하학적 형태, 횡단면 및 벽 두께와 관련하여 존재하는 힘에 적합하게 정확하게 조정될 수 있다.

당연하게 생각할 수 있는 점으로서 상기 노드를 주조 구조로서도 제조할 수 있다. 이는 독일 특허 공보 DE 2519769에서 제안된다. 거의 임의의 수많은 파이프 축은 한 지점에서 교차할 수 있으면서도 인접한 파이프들 간에 간섭은 발생하지 않는다.

주조된 노드의 단점은 낮은 구조상의 유연성이다. 경제적인 노드 제조는 요구되는 주조 패턴, 소실되는 주조 몰드, 비교적 시간 소모적인 생산으로 인해 양산과 유사한 제조 시에만 가능하다. 노드는 현장에서 제조될 수 없으며, 따라서 주조 공장으로부터 공사 현장으로 운반되어야 하는데, 이런 점은 노드의 최대 치수를 제한한다.

노드 제조의 추가적인 가능성은 GB 2205915에 기재되어 있다. 평평한 박판이 주형에서 우선 U자 형태로 성형된다. 그런 후에 맨드럴(심축)을 이용하여 추가의 주형에서 천공 및 절단되어 바 조인트를 형성하게 되는 파생물이 얻어진다.

유사한 해결 방법은 EP 0195063에도 기재되어 있다. 이 유럽 특허 공보에서는 각각의 작업 단계 사이에 열처리가 필요하다는 점이 참조 지시된다. 또한, 작업 단계들 중 일부 단계를 위해 구조 부재를 가열된 상태로 두는 점도 제안된다.

상기 유형의 노드 제조에 의해서는, 노치가 적은 상태에서 노드로부터 연결편으로 계속해서 전환될 수 있다. DE 1072581에 상응하게 상기 과정은 파이프 분기로서 지칭된다.

구조 부재 내 역선(lines of force)은 중단되지 않으며, 힘 흐름은 간섭받지 않는다. 전환 영역은 원추형으로 형성될 수 있다. 구조상 제한은 주조된 노드에서보다 더욱 효율적인데, 그 이유는 성형력을 가하기 위해 특별하게 형성된 툴과 기계가 필요하기 때문이다. 각각의 교차 각도 및 각각의 조인트 지름에 대해서는 또 다른 툴 및 맨드럴이 소요된다.

압출성형품의 제조는 특히 수작업으로 각인된 작업이며, 기계화나 자동화는 절대적으로 불가능한 것으로 판단된다. 그에 반해 수동 피팅 작업이 항상 요구된다. 제조가 어려울수록 파이프 지름도 더욱 커진다.

파이프 노드들은 순수 용접 이음부로서 구성될 수 있다. 출발 재료는 대개 서로 다른 지름을 갖는 2개의 원통형 파이프 세그먼트이며, 이들 파이프 세그먼트는 소정의 지름부터 솔기 없이 롤링 될 뿐 아니라, 길이방향 용접 솔기를 포함하여 원통형으로, 이른바 원통형 파이프 섹션으로 성형되는 원형 박판으로 제조된다.

지름이 더욱 작으면서 이음에 관여하는 파이프는 자체 단부에 관통 윤곽, 홈 윤곽 또는 새들 윤곽(saddle contour)으로서 지칭되는 형태를 보유한다. 공간 삼각법을 기반으로 하는 상기 윤곽의 계산은 컴퓨터를 이용하는 조건에서 비교적 간단하며 모든 현대적인 CAD 시스템에 의해서도 실시될 수 있다. 윤곽 제조를 위해서는 대개 화염 절단 및 플라스마 절단과 같은 열적 분리 방법이 이용된다. 철골 가공 산업에서는 부분적으로 형판을 이용하여 새들 윤곽에 괘선을 긋거나 펀치로 표시하고 작업자가 상기 표시된 경로를 따라 수동으로 토치(torch)를 이동시키면서 화염 절단 토치 또는 플라스마 토치를 조작하는 방법이 더욱더 널리 이용되고 있다. 그로 인해 매끄러운 절단면(cut flank)이나 소정의 챔퍼 형태는 자연스럽게 제조하지 못하게 된다. 새들 윤곽을 제조하기 위한 종래 기술에서는 파이프용 화염 절단기가 이용된다. 파이프는 상기 절단기 내에서 프로그램으로 제어되면서 회전 유닛에 의해 회전되고, 12시 위치에 위치하여 프로그램으로 제어되면서 파이프 축을 따라 이동되는 토치와 상호 작용하면서 새들 윤곽을 형성한다. 예컨대 EP 180738에 기재된 기술적 해결 방법과 같은 파이프용 고성능 화염 절단기는 새들 윤곽의 제조 이외에도 이른바 용접 솔기 준비부의 제조도 가능하게 한다. 이 용접 솔기 준비부는 연결할 두 파이프 사이에서 조립 시 용접 재료로 채워지고 두 파이프를 분리되지 않게 파이프 노드로 서로 연결시키는 V자형 이음부를 제공하는 역할을 한다.

DD 266144는 호칭 지름이 큰 엘보우의 제조 시에, 평면으로 원주면의 전개가 개시되고, 그런 다음 박판으로부터 평평한 단면 형태가 절단되며, 수동 수단으로 상기 단면 형태가 엘보우로 성형되는 방식으로, 절차가 반전되는 방법을 기재하고 있다. 이 경우 피팅 작업이 절대적으로 필요한데, 그 이유는 엘보우가 기하학적 측면에서 원환체(torus)을 나타내며, 그에 따라 대략적으로만 전개되는 2차원으로 만곡된 구조 부재를 나타내기 때문이다. 이런 방법의 경우 롤링 시 소성 변형 및 박판 두께는 고려되지 않는다.

풍력 에너지 설비의 규모가 증가함에 따라, 극대(특대) 치수(extreme dimension)를 갖는 기초 및 지지 구조물이 요구된다. 이런 구조물의 개별 부재들은 자체 질량 및 치수로 인해 도로를 통해 운반하기에는 적합하지 않다. 따라서 완벽한 가공은 현장에서 개시되어야 하며, 모든 필요한 기계 및 시스템은 상기 현장에서 이용할 수 있어야 한다. 이는 새들 윤곽의 제조와 관련하여 특히 위험하다. 수동 작업은 구조 부재의 치수와 기존의 정성 요건(qualitative requirements)으로 인해 배제된다. 그에 반해 파이프용 화염 절단기는 필요한 파이프 지름에 맞게 구성되어야 하고, 그로 인해 매우 복잡하게 형성되며 상당한 비용 요소를 나타낸다. 또한, 원추형 구조 부재, 예컨대 근해 및 육상 풍력 타워의 샤프트를 절단하는 경우, 파이프용 화염 절단기는 적합하지 않다.

본 발명의 목적은 초대형 파이프 구조의 컴포넌트들을 제조하기 위한 방법에 있어서, 피팅 정밀도, 용접 솔기 품질, 이음 지점에서의 노치 효과 및 내구성과 관련하여 풍력 에너지 분야의 매우 엄격한 새로운 요건을 충족하는 상기 방법을 제공하는 것에 있다. 본 발명의 또 다른 목적은, 반제품의 운송을 간소화하거나 우선 가능하게 하고 컴포넌트의 제조는 철골 가공 공장에 통상 존재하는 기계 장비로 실현할 수 있으면서 파이프용 화염 절단기의 사용을 배제하면서 컴포넌트 제조의 경제성을 높이는 것에 있다.

상기 목적은 본 발명에 따라 청구항 제1항의 특징들에 상응하게 달성된다.

우선 교차하는 2개의 구조 부재의 이음 지점에서 용접 기술의 측면에서 최적의 용접 솔기 준비부를 포함하여 구조 부재의 3차원 컴퓨터 모델이 작성된다. 솔기 준비부는, 전체 구조 부재 횡단면이 맞댄 이음부로 상대 부재와 결합될 수 있도록 형성되어야 한다. 상대 부재들 중 일측 상대 부재에는 반쪽의 V자 솔기로서, 또는 K자 솔기로서 형성되는 솔기 준비부가 제공된다. 또한, 기하학적 조건(지름 비율, 상대 부재 축들의 교차 각도 등)으로 인해 상황에 따라서는 솔기 준비부가 상대 부재의 내측면을 향해서도 형성되어야 한다.

3D 모델로서 존재하는 구조 부재는 기하학적 계산 및 구조역학적 계산에 의해, 그리고 롤링 공정 과정을 적용한 조건에서 반복되는 공정으로 챔퍼 각도가 가변하는 절단면을 갖는 평평한 박판형 구조 부재 모델로 변환된다. 이를 위해 3D 모델(단계_0)은 도 1에 상응하게 우선 역변환의 형식으로 명시적인 기하학적 변환에 의해 단면 형태로도 지칭되는 2D 모델로 변환된다(단계_1). 역변환은 변환 방향이 제조 순서의 반대 방향으로 이루어지는 것을 의미한다. 그 결과에 따라 본원에서 순변환은 변환 방향이 제조 흐름과 동일하게 이루어지는 것으로 간주된다.

단면 형태는 평평한 구조 부재이긴 하지만, 이 구조 부재의 절단면은 구조 부재 평면에 대해 수직 방향으로 연장되지 않되, 절단면은 단계_0의 3D 모델의 단면 윤곽의 챔퍼 각도 연장부로부터 제공된다. 그러나 단면 형태에서는 우선적으로 롤링 시 재료의 가소화의 영향이 고려되지 않는다.

상기 구조 부재 모델의 둘레에는 외접하여 둘러싸는 장방형이 위치되며, 홀딩 브리지 및 연결 웨브들을 포함하는 구조 부재 모델은 상기 장방형에 의해 고정되되, 이는 동시에 경우에 따라 존재하는 3D 모델의 컷아웃부(cut-out) 및 구멍들에 위치하는 잔여 재료가 동일한 방식으로 단면 형태와 연결되는 것(단계_2)과 같다. 그로 인해 홀딩 웨브 및 연결 브리지들에 의해 중단되는 하나 이상의 폐쇄된 단면 윤곽을 포함하는, 미완성 부재로도 지칭되는 장방형 박판 부재가 제조된다.

구조 부재에서 이용되는 강철 장입물의 재료 물성으로 바람직하게는 인장 시험을 통해, 그리고 수학적 방법, 예컨대 널리 알려진 유한 요소법(FEM)을 이용하여 얻은 재료 물성을 기반으로, 미완성 부재는,

3롤 또는 4롤 벤딩 머신 또는 다각형 에징 절차의 이용,

롤 지름 또는 가장자리 반경,

롤링 단계의 횟수,

롤 이송 등과 같은

롤링 기술의 파라미터가 고려되는 조건에서, 순변환(단계_3)으로서 3차원 모델로 재계산되며(단계_4), 단계_0의 3D 모델에 대한 상기 모델의 기하학적 차이가 산출된다(단계_5). 만일 단계_0의 모델과 단계_4의 모델 사이의 기하학적 차이가 본 발명에 따라 1과 3㎜ 사이인 본원의 기술 분야의 통상적인 기하 공차보다 작다면, 반복 공정은 중단될 수 있고, 단계_2의 미완성 부재가 기계 프로그램으로 전달되어 절단될 수 있다(단계_8). 그런 후에 미완성 부재는 통상적으로 원통형이지만 원추형일 수도 있는 자체의 3차원 형태로 롤링된다(단계_9). 그런 다음 미완성 부재는 자체 길이방향으로 접착된다(단계_10). 마지막 기술 단계에서 단면 형태는 수동으로 연결 웨브 및 홀딩 브리지의 분리를 통해 분리되며(단계_11), 이에 이어서 용접 기술과 관련하여 통상적인 추가 가공이 이루어진다.

그 반대되는 경우에는 수치 수학적 방법, 예컨대 가위치법(Regular Falsi method)으로 오프셋 값들이 획득되며, 이들 오프셋 값은 단계_1의 단면 형태의 단면 윤곽의 각각의 지점에 가산된다(단계_7). 반복 공정은 단계_2부터 다시 개시된다.

현재의 종래 기술의 경우 계산 과정은 단계_3이며, 극히 계산 집중적인 순변환은 개인용 컴퓨터의 출력 용량을 훨씬 넘어설 정도로 충분한 계산 처리 능력을 필요로 하며, 그럼에도 대략 수 시간의 계산 시간을 소요한다. 이런 점이 실제 적용에 큰 장애가 된다.

그러므로 또한 바로 위에 기재한 수학적 계산의 결과뿐 아니라 롤링 공정의 실제 적용으로부터 얻은 경험 값 및 시험 결과로 채워져 있으면서 전문가 데이터 베이스의 의미에서 지속적으로 새롭고 향상된 데이터 재료로 갱신 및 향상되는 데이터 베이스를 제공하는 점이 제안된다. 단면 형태의 기하학적 유사성, 벽 두께, 2차원 확장 및 굽힘 반경에 따라, 데이터 베이스로부터는, 개선을 위해 데이터 베이스에서 수학적 방법으로 중간 보간된 오프셋 값들이 획득될 수 있으며, 이들 오프셋 값은 단계_1에서 단면 형태에 가산되며, 반복 단계를 감소시킴으로써 도 1에 기재된 반복(단계_2 내지 단계_7)을 단축하게 하거나 완전히 불필요하게 한다. 오프라인에서, 다시 말해 방법을 산업에 이용하기에 앞서, 데이터 베이스가 작성되며, 온라인에서, 산업 실무에 지속적으로 이용되는 경우, 오프셋 값들만이 상기 데이터 베이스로부터 호출되고 선택에 따라 3D 모델 자체에, 또는 이 3D 모델로부터 명시적인 기하학적 변환으로 계산된 단면 형태에 가산된다. 따라서 간소화되고 시간 및 비용을 절감하는, 도 2에 따른 계산 과정이 제공된다.

본 발명은 초대형 파이프 구조의 컴포넌트들을 제조하기 위한 방법에 있어서, 피팅 정밀도, 용접 솔기 품질, 이음 지점에서의 노치 효과 및 내구성과 관련하여 풍력 에너지 분야의 매우 엄격한 새로운 요건을 충족하는 상기 방법을 제공하는 효과와 본 발명의 또 다른 효과는, 반제품의 운송을 간소화하거나 우선 가능하게 하고 컴포넌트의 제조는 철골 가공 공장에 통상 존재하는 기계 장비로 실현할 수 있으면서 파이프용 화염 절단기의 사용을 배제하면서 컴포넌트 제조의 경제성을 높이는 효과가 있다.

도 1은 구조 부재 모델의 기하학적 계산 및 구조역학적 계산 과정을 도시하며,
도 2는 간소화되고 시간 및 비용을 절감하는 계산 과정을 도시하며,
도 3은 본 발명에 따른 제1 실시예를 도시하며,
도 4 내지 도 6은 구체적인 구현예들을 도시하며
도 7은 본 발명에 따른 제2 실시예를 도시하며,
도 8 내지 도 9는 구체적인 구현예들을 도시한다.

본 발명의 추가적인 구성은 하기에 기재된 실시예들에서 추가로 설명된다.

도 3에 상응하는 제1 실시예는 풍력 에너지 설비의 원추형 마스트 세그먼트(2)와 비교적 두꺼운 벽의 타원형 프레임(3) 사이의 관통구를 도시하고 있다. 프레임(3)은 도어 개구부를 둘러싸면서 마스트 세그먼트 횡단면의 약화를 보상한다. 프레임(3)은 박판으로 롤링 되고 길이방향 용접 솔기(4)로 폐쇄되는 타원형이며, 자연스럽게 상당한 공차를 보유한다. 프레임(3)은 마스트 세그먼트(2)의 프레임 개구부(5) 내로 삽입되며, 그런 다음 용접을 통해 재료 결합 방식으로 상기 마스트 세그먼트(2)와 결합된다.

마스트 세그먼트(2)와 프레임(3)의 용접은 프레임(3)과 이 프레임(3)을 위해 마스트 세그먼트(2)에 형성된 프레임 개구부(5) 사이의 HV 솔기로서 형성되는 맞댄 이음부를 통해 이루어진다. 이를 위해 마스트 세그먼트(2)의 개구부에는 3차원 절단면(6)이 형성된다. 종래의 제조는 마스트 세그먼트의 롤링, 세그먼트 상에서 돌출된 프레임 형태의 표시, 그리고 수동의 수작업 방법으로 표시된 부분의 절개 및 솔기 준비의 순서로 이루어진다. 달성 가능한 피팅 정밀도는 자연히 낮으며, 이에 대한 시간 소모는 높다. 프레임 개구부(5)의 절개를 위한 산업 로봇의 이용은 접근성, 존재하는 공차 및 거친 제조 환경으로 인해 실현될 수 없다.

그에 반해 앞서 기재한 절차에 상응하게는 프레임(3)의 실제 횡단면 형태가 측정되어 CAD 시스템에서 평면 윤곽으로서 모델링 되며, 이어서 원통형 또는 원추형 세그먼트 상에 배치되면서 솔기 준비부를 포함한 관통구가 계산된다. 이와 같은 공정 단계는 간단하면서도 신속하게 실시될 수 있다. 마스트 세그먼트(2)는 대개 단일의 박판으로 이루어지는 것이 아니라 길이방향 솔기들(4) 및 원형 솔기들(22)을 포함하는 더욱 많은 개수의 박판으로 조립될 정도로 큰 지름을 보유한다. 프레임 개구부(5)는 솔기 교차를 피하기 위해 완전하게 박판 세그먼트에 의해 둘러싸일 수 있도록 마스트 세그먼트에 배치되어야 한다.

상기 세그먼트는, 도 4에 상응하게, 명시적인 기하학적 변환을 통해서, 평평한 부재로, 즉 변환된 절단면(9)을 포함하는 2차원 박판 세그먼트(8)로 변환된다.

2차원 박판 세그먼트(8)에는, 도 5에 상응하게, 폐기부(11)가 2차원 박판 세그먼트(8)와 연결된 상태로 유지되도록 연결 웨브들(10)이 제공된다. 연결 웨브들(10)은 바람직하게는 굽힘 시에 발생하는 비교 응력이 최대값을 형성하는, 변환된 절단면(9)의 위치에 결합된다.

데이터 베이스(1)로부터는, 롤링 시 소성 변형의 효과를 보상하는 기하학적 오프셋 값들이 획득된다. 이들 오프셋 값은 평평한 구조 부재에 제공되고 그에 따라, 도 6에 순수 정성 형태(qualitative form) 및 축척에 따라 극히 과장된 크기로 도시된 바와 같이, 구조 부재의 이상적인 기하학적 형태를 변형시킨다. 그런 다음 세그먼트는 셸(shell)로 변형되며, 이런 점은 3롤 또는 4롤 벤딩 머신, 에징 머신(edging machine), 또는 단조 다이(forging die)에서 실시될 수 있되, 유형 및 순서(이용되는 기계의 유형, 이송 정도, 롤 지름 등)와 관련하여 성형 공정은 데이터 베이스의 사전 설정 값에 상응해야 한다.

마지막 제조 단계에서 성형 공정에 따라 연결 웨브들(10)은 수동으로, 예컨대 각 연삭기 또는 수동 절단 토치가 이용되는 조건에서 개방되며, 그리고 경우에 따라 재다듬질 및 연삭된다.

도 7에 상응하는 제2 실시예는 지름이 매우 큰 2개의 파이프의 이음부로서 초대형 파이프 노드의 제조를 도시하고 있다. 보다 명확한 도시를 위해 도 7에는 성인 작업자(15)도 도시되어 있다. 이와 관련하여 철골 공사에서 통상적인 절차에 따라서, 파이프 노드에 관여하는 두 파이프 중 지름이 더욱 큰 메인 파이프(12)는 비가공 상태로 유지되며, 그 중 더욱 작은 지름의 연결 파이프(14)는 "차분(difference)"의 불 논리 연산(boolean operation)의 의미에서 절단되고 그런 다음 조립을 위해 메인 파이프(12) 상에 안착된다. 메인 파이프(12)와 연결 파이프(14)의 결합은 용접을 통해 이루어지되, 이를 위해 연결 파이프(14)에는 맞댄 이음부를 위한 용접 솔기 준비부(16)가 제공된다. 두 파이프, 즉 메인 파이프(12)와 연결 파이프(14)에 의해 형성되는 둔각의 영역에서 용접 솔기 준비부는 연결 파이프(14)의 외측면에 위치하고, 반전점(17)(reversal point)에서는 연결 파이프(14)의 내측면으로 이동된다. 반전점(17)에서 파이프 외측면으로부터 파이프 내측면으로 이동되는 용접 솔기 준비부(16)를 포함하여 메인 파이프(12)에 대한 연결 파이프(14)의 이음부의 설계는 기하학을 기반으로 하는 특정한 소프트웨어에 의해 신속하고 간단하게 이루어지며, 그 외에도 비록 극히 시간 소모적이긴 하지만, 3차원 CAD 시스템에서 점별로(pointwise) 산출될 수도 있다.

뒤이은 단계에서, 도 8에 상응하게, 연결 파이프(14)의 원주면은 명시적인 기하학적 변환에서 비평면의 절단면(19)을 갖는 판형 부재(18)로 변환된다. 연결 파이프(14)의 치수가 크기 때문에, 판형 부재(18)는 단일 박판으로 제조되는 것이 아니라, 다수의 장방형 박판 세그먼트(20)로 제조되어야 한다. 이를 위해 도 9에 상응하게, 박판 세그먼트들(20)의 두 가장자리가 파이프 축(21)과 평행을 이루도록 박판 세그먼트들(20)은 판형 부재(18) 상에 배치되어야 한다. 또한, 박판 세그먼트들(20)은, 솔기 교차가 회피될 수 있도록 배치되어야 한다. 절단면(19)은 박판 세그먼트들(20)의 각각 마주보는 두 가장자리와 교차하지만, 그럼에도 폐기 재료량 비율이 최솟값으로 유지되도록 개별 박판 세그먼트들(20)에 삽입되어야 한다.

각각의 박판 세그먼트(20)에 대해서는 데이터 베이스(1)로부터 오프셋 값들이 획득되어 절단면(19)의 지점들에 가산된다. 이는 최소한 각각의 박판 세그먼트(20)의 4개의 모서리 점에 대해 이루어진다. 명시적으로 데이터 베이스(1)로부터 획득되는 파라미터를 포함하지 않는 절단면(19)의 지점들의 오프셋 값은 인접한 오프셋 값들을 기반으로 선형으로 또는 스플라인(spline)에 의해 보간된다. 오프셋 값들은 각각의 박판 세그먼트(20)의 장방형 형태를 변형시키지만, 이는 박판 세그먼트(20)의 치수에 비해 작은 정도로 실시한다. 절단면(19)의 부분들을 포함하는 박판 세그먼트(20)가 상기 절단면(19)에 의해 분할되는 점은, 연결 웨브들(10)이 최대 비교 응력을 갖는 위치에 삽입되는 방식으로 연결 웨브들(10)의 삽입을 통해 배제된다. 또한, 연결 웨브들은 외부 윤곽이 중단되지 않는 형태로 각각의 박판 세그먼트(20)의 외부 윤곽의 영역에도 삽입된다. 지금까지 전적으로 컴퓨터 워크스테이션에서만 조작된 데이터는 다음 단계에서 표준화된 데이터 형식, 예컨대 DSTV 형식(NC 제어[XNC]를 위한 철골 구조 부재의 표준 설명. DSTV 기술 위원회 IT의 권장안, 제9판, 2006년11월)으로 절단기에 전송되어 절단에 적용된다. 절단기는 4개 이상의 수치 제어 축을 포함해야 하며, 그 중 2개의 축은 토치의 배향을 위해 이용된다. 박판 세그먼트들(20)이 절단되면, 그 박판 세그먼트들은 연결 파이프(14)의 반경으로 롤링 되되, 롤링 공정은 이용되는 롤링기 및 그 파라미터(롤 지름, 롤 이송 등)와 관련한 데이터 베이스(1)의 사전 설정 값에 상응하게 이루어져야 한다. 그런 후에 롤링 된 박판 세그먼트들(20)은 상호 간에 길이방향 솔기들(4) 및 원형 솔기들(22)에 의해 결합되어 연결 파이프(14)를 형성하며, 그런 다음 연결 파이프(14)는 용접 솔기 준비부(16)를 따라 메인 파이프(12)와 결합된다.

본 발명에 따른 해결 방법의 장점

본 발명에 따른 해결 방법의 장점은 파이프용 화염 절단기의 이용을 배제하는 점에 있다. 상기 절단기는 고가이며, 특히 본원에서 고려되는 구조 부재 치수에 적합하게 설계된다면 탱크 또는 설비 시공자는 결코 경제적으로 운영할 수 없다. 그리고 서비스 제공 업체를 이용하려면 원통형 파이프 섹션을 서비스 제공 업체로 운송하고 다시 제조 사업장으로 운송해야 한다. 더욱이 이를 위한 운송 비용도 높으며, 도로를 통한 운송은 그 치수로 인해 상황에 따라서는 전혀 고려하지 못한다.

본 발명의 해결 방법에 상응하게, 기재한 구조 부재를 구현하기 위해 여하히 필요한 기계만이, 다시 말해 일측에서 토치 회동을 위한 챔퍼 유닛을 구비한 화염 절단기와 타측에서는 원통형 파이프 섹션 및 셸을 제조하기 위한 롤링기만 소요된다. 박판에서부터 제조 완료된 파이프 조인트에 이르기까지 모든 가공 단계는 현장에서 실시할 수 있다. 피팅 작업 역시도 더욱 용이하게 실시되는데, 그 이유는 조립 시에 완전한 연결 파이프 대신에 비교적 적은 질량이면서 취급이 용이한 개별 셸들만을 취급하기만 하면 되기 때문이다.

1: 데이터 베이스
2: 마스트 세그먼트
3: 프레임
4: 길이방향 용접 솔기
5: 프레임 개구부
6: 3차원 절단면
7: 원통형으로 성형된 박판 세그먼트
8: 2차원 박판 세그먼트
9: 변환된 절단면
10: 연결 웨브
11: 폐기부
12: 메인 파이프
13:
14: 연결 파이프
15: 작업자
16: 용접 솔기 준비부
17: 반전점(reversal point)
18: 판형 부재
19: 절단면
20: 장방형 박판 세그먼트
21: 파이프 축
22: 원형 솔기

Claims

자체의 축들에서 교차하고 원통형, 원추형 또는 타원형 외주면을 구비한 2개의 상대 부재, 즉 프레임(3) 및 마스트 세그먼트(2), 또는 메인 파이프(12) 및 연결 파이프(14)로 이루어진 초대형 파이프 조인트를 제조하기 위한 방법으로서,
상기 상대 부재들 중 일측 상대 부재는 원통형 또는 원추형 형태를 보유하고 관통구를 형성하는, 상기 초대형 파이프 조인트 제조 방법에 있어서,
상기 상대 부재들이 (루트 간격(root gap)을 제외하고) 원주에서 서로 선형으로 접촉하고 상대 부재와 함께 구조 부재 외측면 또는 구조 부재 내측면에 대해 교호적으로 40도 이상의 일정한 솔기 개방 각도를 갖는 V자형 이음부를 형성하지만, 그와 동시에 45도의 최대 제조 가능한 챔퍼 각도를 고려할 때 절단 방법의 기술적 한계 값이 초과되지 않도록, 상기 상대 부재들이 접합되는 3차원 컴퓨터 모델이 형성되고,
상기 V자형 이음부가 일체로 형성되는 각각의 상대 부재는 3차원 컴퓨터 모델로부터 명시적인 기하학적 변환을 통해 평평한 판형 단면 형태로, 즉 박판 표면에 대해 직각 방향으로 연장되지 않는 절단면을 포함하는 판형 부재(18)로 변환되되, 이런 변환은, 절단면(19)이 보간법을 통해 궤도 곡선을 형성하는 서로 밀접하게 위치하는 점들의 목록으로서 존재하고, 각각의 점에 대해서는 궤도 곡선의 법선 방향으로 연장되면서 상기 판형 부재(18)의 표면에 대해 측정되는 각도가 상기 목록을 보완하는 방식으로 이루어지며,
보정 값들로 채워져 있으면서 개선을 위해 적합한 수학적 방법으로 중간 보간된 데이터 베이스(1)로부터는, 상기 판형 부재(18)의 기하학적 유사성, 벽 두께, 2차원적 확장 및 굽힘 반경에 따라, 롤링 또는 굽힘 시에 발생하는 소성 변형을 보상하기 위한 오프셋 값들과 굽힘 또는 롤링 공정에 대한 사전 설정 값들이 상기 판형 부재(18)의 윤곽에 가산되면서 획득되는 것을 특징으로 하는 초대형 파이프 조인트 제조 방법.
제1항에 있어서, 2개의 장방형 측면이 파이프 축(21)에 대해 평행한 방식으로, 상기 판형 부재(18)를 외접하여 둘러싸는 장방형이 위치되는 것을 특징으로 하는 초대형 파이프 조인트 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 판형 부재(18)의 절단은, 최소한 컴퓨터로 제어되는 4개의 이동 축을 구비하고 수치 제어되는 기계에 의해 실시되되, 상기 4개의 이동 축 중 2개의 이동 축은 수직선에 대해 상대적인 토치 배향을 위해 이용되고, 상기 기계의 요구되는 이동 프로그램은 오프셋 값을 공급받는 절단면(19)의 지점 및 각도 목록으로부터 획득되며, 그리고 외접하여 둘러싸는 장방형보다 더욱 큰 박판으로부터 우선 상기 판형 부재(18)가 절단되고 그런 다음 외접하여 둘러싸는 장방형이 절단되며, 그리고 상기 판형 부재(18)와 상기 외접하여 둘러싸는 장방형 사이의 견고한 연결은 연결 웨브들(10)을 통해 유지되며, 그리고 박판 두께에 비해 무시할 정도로 작은 절단 부위를 형성하는 절단 방법이 이용되는 것을 특징으로 하는 초대형 파이프 조인트 제조 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 판형 부재(18)는, 연결 웨브들(10)에 의해 이 연결 웨브들과 견고하게 연결되는 외접하여 둘러싸는 장방형과 함께, 3롤 또는 4롤 벤딩 머신 또는 에징 머신에서 가장자리 간 간격이 매우 적은 조건에서 다각형으로 라운딩 되고, 이 라운딩 절차의 순서는 상기 데이터 베이스(1)의 사전 설정 값들에 정확하게 상응하는 것을 특징으로 하는 초대형 파이프 조인트 제조 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 판형 부재(18)의 대응하는 크기에서, 상기 판형 부재는 복수의 장방형 박판 세그먼트(20)로 분리되되, 이는 상기 복수의 장방형 박판 세그먼트(20)의 상호 간 연결 가장자리들에서 V자형 용접 솔기 준비부가 제조되는 방식으로 이루어지며, 그리고 상기 복수의 장방형 박판 세그먼트(20)는 상기 박판 부재(18)로 끼워 맞춰지되, 이는 상기 판형 부재(18)의 표면이 상기 복수의 장방형 박판 세그먼트(20)에 의해 솔기 교차를 배제하는 조건에서 완전하게 덮이고 각각의 장방형 박판 세그먼트(20)의 가장자리는 파이프 축(21)과 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는 초대형 파이프 조인트 제조 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 굽힘 또는 롤링 후에 연결 파이프(14)를 형성하는 판형 부재(18) 또는 상기 연결 파이프의 부재들은, 연결 웨브들(10)이 제거됨으로써 상기 하나 또는 복수의 장방형 박판 세그먼트(20)로부터 제거되고, 상기 연결 파이프는 용접을 통해 메인 파이프(12)와 결합되는 것을 특징으로 하는 초대형 파이프 조인트 제조 방법.