스파이럴 용접강관 제조공정의 유한요소 해석

Abstract

강관은 산업 전반에 걸쳐 매우 다양하게 사용되고 있다. 이러한 강관은 파이프를 만드는 과정에서 적용되는 조관 용접(seam welding) 공정과 현장에서 만들어진 파이프를 연결하는 둘레 용접(girth welding)을 거친 후 사용된다[1]. 조관 용접의 방법은 소재의 형태에 따라 여러가지로 분류되는데 크게 소재가 판재인 경우는 프레스에 의하여 성형되는 UOE 조관법과 코일 형태인 경우 사용되는 스파이럴 조관법으로 나누어진다. 스파이럴 강관은 코일 형태의 소재를 성형 롤러를 사용하여 강관의 형상으로 만들고 이를 용접하여 제작한다. 성형 공정과 용접 공정을 거치면서 소재는 복잡하고 다양한 응력과 변형의 과정을 거치게 된다. 코일 형태의 소재가 강관의 축 방향으로 일정한 각을 이루며 나선형으로 성형되는 과정은 대변형에 따른 소성변형을 유발하며 뒤이은 용접 과정에서는 용접 열의 불균일한 분포로 인해 열응력이 생성되고 이것은 냉각 후 잔류응력을 발생시키는 주요한 원인으로 작용한다. 이렇게 강관의 성형 및 용접 공정에서 발생하는 비선형 소성 변형과 이로 인해 생성되는 잔류 응력과 변형은 강관의 좌굴강도와 피로강도 등에 좋지 않은 영향을 미쳐 전반적인 구조의 건전성에 위해 요소로 작용하게 된다[2]. 따라서 이러한 잔류 응력과 변형에 대한 정밀한 평가는 매우 중요하다. 유한 요소법은 고체뿐만 아니라 유체, 열, 전자 등 다양한 분야에서 활발히 사용되고 있는 방법이며 최근 컴퓨터 계산 능력의 향상에 발맞추어 더욱 강력한 해석의 도구로 자리매김 하고 있다. 유한 요소법을 사용하여 스파이럴 강관의 제작공정을 모사하고 이에 따른 잔류응력을 평가하므로써 강관의 품질에 대한 예측이 가능하며 나아가 개선의 방향을 모색하는데 도움이 될 수 있다.