KR-20260062032-A - PEENING SYSTEM FOR INNER SURFACE OF HOLLOW SPIRAL EXTENSION MEMBER AND METHOD FOR PEENING OF HOLLOW SPIRAL EXTENSION MEMBER USING THE SAME

Abstract

본 발명은 대상체의 피닝 대상 영역에 초음파 캐비테이션을 위한 초음파 전달 매질을 공급하는 구성을 포함하는 중공 나선형 연장부재의 내벽 피닝 시스템을 개시한다. 내벽 피닝 시스템은 초음파 전달 매질을 수용하는 매질 탱크와, 중공 나선형 연장부재와 상기 매질 탱크에 각각 연결되어, 상기 매질 탱크에서 상기 중공 나선형 연장부재 내부로의 상기 초음파 전달 매질의 이동 유로를 형성하는 연결관과, 상기 매질 탱크에 연결되고, 상기 매질 탱크 내부의 압력을 조절하여 상기 초음파 전달 매질의 유동을 제어하도록 이루어지는 압력 조절기, 및 상기 연결관에 설치되며, 상기 중공 나선형 연장부재의 내부에 상기 초음파 전달 매질이 채워진 상태에서 상기 중공 나선형 연장부재의 내벽에 대해 초음파 캐비테이션 피닝(ultrasonic cavitation peening)이 이루어지도록, 상기 연결관의 내부에서 상기 중공 나선형 연장부재의 내부를 향하여 초음파를 발생시키도록 이루어지는 초음파 발생기를 포함한다.

Inventors

• 정성환

Assignees

• 단국대학교 산학협력단

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20250917

Priority Date

20241028

Claims (20)

1. 초음파 전달 매질을 수용하는 매질 탱크; 중공 나선형 연장부재와 연결되는 일단부 및 상기 매질 탱크에 연결되는 타단부를 구비하고, 상기 매질 탱크에서 상기 중공 나선형 연장부재 내부로의 상기 초음파 전달 매질의 이동 유로를 형성하는 연결관; 상기 매질 탱크에 연결되고, 상기 매질 탱크 내부의 압력을 조절하여 상기 초음파 전달 매질의 유동을 제어하도록 이루어지는 압력 조절기; 및 상기 연결관에 설치되며, 상기 중공 나선형 연장부재의 내부에 상기 초음파 전달 매질이 채워진 상태에서 상기 중공 나선형 연장부재의 내벽에 대해 초음파 캐비테이션 피닝(ultrasonic cavitation peening)이 이루어지도록, 상기 연결관의 내부에서 상기 중공 나선형 연장부재의 내부를 향하여 초음파를 발생시키도록 이루어지는 초음파 발생기를 포함하는 중공 나선형 연장부재의 내벽 피닝 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 연결관의 일단부에는, 상기 중공 나선형 연장부재의 하측 단부와 착탈 가능하게 연결되는 커넥팅 튜브가 설치되는 것을 특징으로 하는 중공 나선형 연장부재의 내벽 피닝 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 초음파 발생기에서 초음파가 발생되는 초음파 프로브는 상기 커넥팅 튜브의 개구를 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 중공 나선형 연장부재의 내벽 피닝 시스템.
4. 제2항에 있어서, 상기 압력 조절기의 가압에 의해 상기 중공 나선형 연장부재의 내부에 상기 초음파 전달 매질이 채워진 상태에서, 상기 가압이 해제되면 상기 초음파 전달 매질이 중력에 의해 상기 중공 나선형 연장부재에서 모두 배출될 수 있도록, 상기 매질 탱크의 상단은 상기 커넥팅 튜브보다 낮게 위치하고, 상기 연결관의 타단부는 상기 매질 탱크의 저부와 연결되는 것을 특징으로 하는 중공 나선형 연장부재의 내벽 피닝 시스템.
5. 제1항에 있어서, 상기 중공 나선형 연장부재의 내부에 상기 초음파 전달 매질이 완전히 채워질 수 있으며, 상기 중공 나선형 연장부재의 내부 전체영역에서 압력안티노드의 안정적인 위치 제어가 가능하도록, 상기 중공 나선형 연장부재의 상측 단부에 착탈 가능하게 결합되며 상향 연장 형성되는 연장튜브를 더 포함하는 중공 나선형 연장부재의 내벽 피닝 시스템.
6. 제5항에 있어서, 상기 압력 조절기는, 압력 조절을 통하여 상기 연장튜브 내의 상기 초음파 전달 매질의 충진 수위를 조절하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 중공 나선형 연장부재의 내벽 피닝 시스템.
7. 제6항에 있어서, 상기 압력 조절기는, 상기 연장튜브 내의 상기 초음파 전달 매질의 수면이 상기 연장튜브의 끝단면을 초과하여 상기 초음파 전달 매질이 외부로 누출되는 상태에서 상기 중공 나선형 연장부재의 내벽에 대해 초음파 캐비테이션 피닝이 이루어지도록 상기 초음파 전달 매질의 충진 수위를 조절하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 중공 나선형 연장부재의 내벽 피닝 시스템.
8. 제1항에 있어서, 상기 초음파 캐비테이션 피닝 시 생성되는 캐비티(cavity) 내에 상기 초음파 전달 매질의 증기가 유입되는 것을 억제하도록, 상기 매질 탱크에 설치되어 상기 매질 탱크에 수용된 상기 초음파 전달 매질을 기설정된 온도 이하로 유지시키도록 이루어지는 냉각기를 더 포함하는 중공 나선형 연장부재의 내벽 피닝 시스템.
9. 제1항에 있어서, 상기 초음파 발생기에서 초음파가 발생되는 초음파 프로브는 상기 연결관을 관통하여 적어도 일부가 상기 연결관 내에 배치되도록 이루어지고, 상기 연결관에서 상기 초음파 프로브가 관통하는 부분에는 밀폐를 위한 실링부재가 설치되며, 상기 실링부재는 초음파 발생 시 진동 변위가 0이 되는 상기 초음파 프로브의 압력안티노드(pressure anti-node) 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 중공 나선형 연장부재의 내벽 피닝 시스템.
10. 제1항에 있어서, 상기 중공 나선형 연장부재는 중공 코일 스프링(hollow coil spring)이며, 상기 초음파 캐비테이션 피닝 과정 동안 상기 중공 코일 스프링을 압축된 상태로 유지하도록, 상기 중공 코일 스프링의 하측을 지지한 상태로 상측을 하측을 향하여 가압하도록 이루어지는 가압 지그를 더 포함하는 중공 나선형 연장부재의 내벽 피닝 시스템.
11. 제1항에 있어서, 상기 초음파 발생기에서 초음파가 발생되며 발생된 초음파에 의해 초음파 캐비테이션이 발생하는 초음파 프로브의 일단부의 표면을 보호하도록, 금속 또는 비금속 소재로 형성되며 상기 초음파 프로브의 일단부의 표면에 코팅되도록 이루어지는 코팅부재를 더 포함하는 중공 나선형 연장부재의 내벽 피닝 시스템.
12. 제1항에 있어서, 상기 일단부와 상기 타단부 사이에 연결되고, 복수의 개구를 구비하는 연장관을 더 포함하며, 상기 복수의 개구 각각에는 초음파 프로브가 장착되는 것을 특징으로 하는 중공 나선형 연장부재의 내벽 피닝 시스템.
13. 제12항에 있어서, 상기 연장관은 상기 연결관과 연통되는 단일 개구가 구비된 연통부를 상기 복수의 개구로 분기시키는 분기부를 포함하며, 상기 복수의 개구 각각으로 입사된 초음파가 상기 분기부에서 중첩되도록, 상기 분기부는 상기 복수의 개구 각각에 대하여 동일한 거리에 위치하는 것을 특징으로 하는 중공 나선형 연장부재의 내벽 피닝 시스템.
14. 제1항에 있어서, 상기 일단부와 상기 타단부 사이에 연결되는 연장관을 더 포함하며, 상기 연장관은, 상기 연결관과 연통되는 연통부; 상기 연통부를 향하여 초음파를 발생시키도록 이루어지는 초음파 프로브가 장착되는 공간을 형성하는 초음파 프로브 장착부; 및 상기 초음파 프로브에 의한 피닝 시 발생하는 버블이 부력에 의해 상승하며 배출될 수 있도록, 상기 연통부와 상기 초음파 프로브 장착부 사이에서 분기된 형태로 연장되는 버블 배출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공 나선형 연장부재의 내벽 피닝 시스템.
15. 제14항에 있어서, 상기 버블 배출부는, 상기 연장관의 특정 위치에 위치하여, 미세 버블을 배출하는 제1배출부; 및 상기 연장관 상의 제1배출부와 상이한 위치에 위치하며, 매크로 버블을 배출하는 제2배출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공 나선형 연장부재의 내벽 피닝 시스템.
16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 상기 내벽 피닝 시스템을 이용한 중공 나선형 연장부재의 피닝 방법에 있어서, 상기 연결관에 상기 중공 나선형 연장부재의 하측 단부를 연결하는 단계; 상기 압력 조절기를 제어하여 상기 중공 나선형 연장부재의 내부에 상기 초음파 전달 매질을 채우는 단계; 상기 초음파 발생기를 작동시켜 상기 중공 나선형 연장부재의 내벽에 대해 초음파 캐비테이션 피닝을 수행하는 단계; 상기 압력 조절기를 제어하여 상기 중공 나선형 연장부재의 내부에 채워진 상기 초음파 전달 매질을 상기 매질 탱크로 회수하는 단계; 및 상기 중공 나선형 연장부재를 상기 연결관으로부터 분리하는 단계를 포함하는 중공 나선형 연장부재의 피닝 방법.
17. 제16항에 있어서, 상기 초음파 캐비테이션 피닝을 수행하는 단계는, 상기 압력 조절기를 제어하여 초음파 캐비테이션 피닝 지점인 압력안티노드(pressure anti-mode)의 위치를 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공 나선형 연장부재의 피닝 방법.
18. 초음파 전달 매질을 공급 및 회수하도록 형성되는 매질 공급부; 중공 나선형 연장부재와 상기 매질 공급부에 각각 연결되어, 상기 매질 공급부에서 상기 중공 나선형 연장부재 내부로의 상기 초음파 전달 매질의 이동 유로를 형성하는 연결관; 초음파가 발생되는 초음파 프로브가 상기 연결관을 관통하도록 설치되며, 상기 중공 나선형 연장부재의 내부에 상기 초음파 전달 매질이 채워진 상태에서 상기 중공 나선형 연장부재의 내벽에 대해 초음파 캐비테이션 피닝(ultrasonic cavitation peening)이 이루어지도록, 상기 연결관의 내부에서 상기 중공 나선형 연장부재의 내부를 향하여 초음파를 발생시키도록 이루어지는 초음파 발생기; 및 상기 연결관에서 상기 초음파 프로브가 관통하는 부분에 설치되는 실링부재를 포함하며, 상기 실링부재는 초음파 발생 시 진동 변위가 0이 되는 상기 초음파 프로브의 압력안티노드(pressure anti-node) 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 중공 나선형 연장부재의 내벽 피닝 시스템.
19. 제18항에 있어서, 상기 연결관은 상기 중공 나선형 연장부재의 하측 단부에 연결되며, 상기 중공 나선형 연장부재의 내부에 상기 초음파 전달 매질이 완전히 채워질 수 있으며, 상기 중공 나선형 연장부재의 내부 전체영역에서 압력안티노드의 안정적인 위치 제어가 가능하도록, 상기 중공 나선형 연장부재의 상측 단부에 착탈 가능하게 결합되며 상향 연장 형성되는 연장튜브를 더 포함하는 중공 나선형 연장부재의 내벽 피닝 시스템.
20. 제19항에 있어서, 상기 매질 공급부는 상기 연장튜브 내의 상기 초음파 전달 매질의 충진 수위를 조절하고, 피닝 후에는 상기 초음파 전달 매질을 회수하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 중공 나선형 연장부재의 내벽 피닝 시스템.

Description

중공 나선형 연장부재의 내벽 피닝 시스템 및 이를 이용한 중공 나선형 연장부재의 피닝 방법{PEENING SYSTEM FOR INNER SURFACE OF HOLLOW SPIRAL EXTENSION MEMBER AND METHOD FOR PEENING OF HOLLOW SPIRAL EXTENSION MEMBER USING THE SAME} 본 발명은 대상체의 내벽에 초음파 캐비테이션(ultrasonic cavitation)을 통해 피닝(peening)을 수행하도록 이루어지는 중공 나선형 연장부재의 내벽 피닝 시스템 및 이를 이용한 중공 나선형 연장부재의 피닝 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 대상체의 피닝 대상 영역에 초음파 캐비테이션을 위한 초음파 전달 매질을 공급하는 구성을 포함하는 중공 나선형 연장부재의 내벽 피닝 시스템 및 이를 이용한 중공 나선형 연장부재의 피닝 방법에 관한 것이다. 중공 나선형 파이프는 중공 영역만큼 단면적이 감소되어 경량화가 가능하다. 한편, 반복하중을 받는 중공 나선형 연장부재의 경우 벽(외면)과 동시에 내벽(내면)에도 일정기준 이상의 피로강도를 구현하는 것이 필요하다. 여기서 중공 나선형 파이프의 피로강도를 일정 수준 이상으로 구현하기 위하여 피닝(peening)작업이 수행될 수 있다. 피닝작업은 예를 들어, 발전설비에 설치되는 나선형 파이프 형태의 열교환 장치는 반복적으로 열응력을 받기 때문에 피로강도 구현을 위해 파이프의 외벽과 내벽에 요구될 수 있으며, 원자로 압력용기에 연결된 다양한 노즐들의 내벽에 발생하는 인장잔류응력을 감소시키는 데에도 요구될 수 있다. 피닝은 재료의 표면층에 충격을 가함으로써 소성변형을 부여하여 잔류응력 및 피로강도를 개선하는 표면처리 방법으로, 흔히 활용되는 숏 피닝(shot peening)은 숏 볼(shot ball)이라 불리는 작은 크기의 강철 소재의 공을 파이프의 외면 및 내면에 투사하여 해머링(hammering)함에 따라 숏 피닝된 파이프의 외면 및 내면에 압축잔류응력을 인가하여 파이프의 피로강도가 증가시키는 방식을 말한다. 압축잔류응력은 소성변형으로 인해 재료가 변형된 후 외력이 모두 제거된 상태에서도 재료에 남아 있는 응력을 말하는 것으로, 피닝작업을 통해 피처리물 표면에 부여된 압축잔류응력으로 인해 피처리물의 피로 수명을 연장할 수 있다. 하지만, 파이프에 형성된 중공의 단면이 극소한 경우나 파이프가 만곡부 등을 포함하는 복잡한 형상을 갖는 경우, 숏 피닝을 위한 장치의 투입이 용이하지 않다. 또한 숏 피닝 이외에 워터 젯 피닝이나 레이저 피닝도 접근이 제한된 파이프 내벽 피닝은 구현이 어렵다. 이와 같은 중공 나선형 파이프의 내벽에 대한 피닝작업에는 초음파 캐비테이션 피닝(utrasonic cavitation peening)이 적용될 수 있다. 초음파 캐비테이션 피닝은 중공 나선형 파이프 내부에 삽입된 초음파 탐침부에 의해 중공 내부로 초음파 음파장이 형성되고, 이 음파장에 의해 초음파 캐비티(cavity)가 생성 및 폭발하는 과정을 통해 중공 나선형 파이프의 내벽에 피닝을 구현하는 방식이다. 한편 초음파 캐비테이션 피닝에서, 피닝 대상체에 초음파에 의해 상기 캐비티가 생성되는 초음파 전달 매질을 피닝 대상체에 보다 효율적으로 공급할 수 있는 방안에 대한 개발이 고려될 수 있다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중공 나선형 연장부재의 내벽 피닝 시스템의 구성을 보인 개념도이다. 도 2는 도 1에 도시된 중공 나선형 연장부재를 연결관에 연결한 상태의 모습을 보인 개념도이다. 도 3은 도 1에 도시된 압력 조절기를 제어하여 중공 나선형 연장부재의 내부에 초음파 전달 매질이 채워진 상태의 모습을 보인 개념도이다. 도 4는 도 1에 도시된 초음파 발생기를 작동시켜 초음파 캐비테이션 피닝을 수행하는 모습을 보인 개념도이다. 도 5는 도 1에 도시된 압력 조절기를 제어하여 중공 나선형 연장부재의 내부에 채워진 초음파 전달 매질을 매질 탱크로 회수하는 모습을 보인 개념도이다. 도 6은 도 1에 도시된 중공 나선형 연장부재를 연결관으로부터 분리하는 모습을 보인 개념도이다. 도 7은 도 1에 도시된 내벽 피닝 시스템의 다른 일 예를 보인 개념도이다. 도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 복수의 초음파 프로브를 구비하는 내벽 피닝 시스템의 개념도이다. 도 9는 도 8에 도시된 복수의 초음파 프로브를 구비하는 내벽 피닝 시스템의 다른 일 예를 보인 개념도이다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 버블 배출부를 구비하는 중공 나선형 연장부재의 내벽 피닝 시스템의 개념도이다. 도 11은 도 10에 도시된 버블 배출부를 구비하는 내벽 피닝 시스템의 다른 일 예를 보인 개념도이다. 도 12는 도 10에 도시된 버블 배출부가 복수로 구비된 내벽 피닝 시스템의 개념도이다. 도 13은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 내벽 피닝 시스템을 이용한 중공 나선형 연장부재의 피닝 방법을 보인 흐름도이다. 이하, 본 발명에 관련된 중공 나선형 연장부재의 내벽 피닝 시스템(100) 및 이를 이용한 중공 나선형 연장부재(E)의 피닝 방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중공 나선형 연장부재의 내벽 피닝 시스템(100)의 구성을 보인 개념도이다. 도 2는 도 1에 도시된 중공 나선형 연장부재(E)를 연결관(120)에 연결한 상태의 모습을 보인 개념도이다. 도 3은 도 1에 도시된 압력 조절기(130)를 제어하여 중공 나선형 연장부재(E)의 내부에 초음파 전달 매질(M)이 채워진 상태의 모습을 보인 개념도이다. 도 4는 도 1에 도시된 초음파 발생기(140)를 작동시켜 초음파 캐비테이션 피닝을 수행하는 모습을 보인 개념도이다. 도 5는 도 1에 도시된 압력 조절기(130)를 제어하여 중공 나선형 연장부재(E)의 내부에 채워진 초음파 전달 매질(M)을 매질 탱크(110)로 회수하는 모습을 보인 개념도이다. 도 6은 도 1에 도시된 중공 나선형 연장부재(E)를 연결관(120)으로부터 분리하는 모습을 보인 개념도이다. 도 1 내지 도 6을 참조하면, 중공 나선형 연장부재의 내벽 피닝 시스템(100)은 중공 나선형 연장부재(E)의 내벽을 대상으로 피닝작업을 수행하도록 이루어질 수 있다. 피닝은 재료의 표면층에 충격을 가함으로써 소성변형을 부여하여 잔류응력 및 피로강도를 개선하는 표면처리 방법을 말한다. 중공 나선형 연장부재의 내벽 피닝 시스템(100)은 초음파 캐비테이션(utrasonic cavitation peening)을 이용한 피닝 방식을 갖도록 이루어진다. 초음파 캐비테이션 피닝은 중공 나선형 연장부재(E)의 내부와 연통되게 배치되는 초음파 발생기(140)에 의해 중공 나선형 연장부재(E)의 중공 내부로 초음파 음파장이 형성되고, 이 음파장에 의해 초음파 캐비티(cavity) 즉 기공이 생성 및 폭발하는 과정을 통해 중공 나선형 연장부재(E)의 내벽에 피닝을 구현하는 피닝 방식을 말한다. 초음파에 의해 초음파 전달 매질(M) 내에 형성된 상기 캐비티는 중공 나선형 연장부재(E)의 내벽에 접촉하면서 수십 밀리초(millisecond) 정도의 짧은 순간에 순간적으로 수백 기압 이상의 압력과 고열을 발생시켜 피처리물인 중공 나선형 연장부재(E)의 내벽 표면에 압축잔류응력을 부여하면서 중공 나선형 연장부재(E)의 내벽을 피닝 처리할 수 있다. 한편 중공 나선형 연장부재(E)는 나선형의 외관을 가지며 내부가 빈 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 중공 나선형 연장부재(E)의 양단부 중 적어도 어느 하나는 개방되게 형성될 수 있다. 중공 나선형 연장부재의 내벽 피닝 시스템(100)은 매질 탱크(110), 연결관(120), 압력 조절기(130) 및 초음파 발생기(140)를 포함한다. 매질 탱크(110)는 초음파 전달 매질(M)을 수용 가능하도록 형성된다. 초음파 전달 매질(M)은 후술하는 초음파 발생기(140)에서 발생되는 초음파를 중공 나선형 연장부재(E)의 내부로 전달하기 위한 물질을 말한다. 초음파 전달 매질(M)은 예를 들어, 물, 젤, 다양한 기름 등으로 이루어질 수 있다. 또한 초음파 전달 매질(M)은 용액 속의 용존가스가 캐비테이션의 강도를 저하시킬 수 있어, 용존가스를 모두 제거시킨 탈기 처리된 형태로 이루어질 수 있다. 연결관(120)은 중공 나선형 연장부재(E)와 매질 탱크(110)에 각각 연결되어, 매질 탱크(110)에서 중공 나선형 연장부재(E) 내부로의 상기 초음파 전달 매질(M)의 이동 유로를 형성한다. 압력 조절기(130)는 매질 탱크(110)에 연결되며 매질 탱크(110) 내부의 압력을 조절하여 초음파 전달 매질(M)의 충진 수위를 제어하도록 이루어진다. 압력 조절기(130)는 매질 탱크(110) 내부의 압력을 양압 또는 음압으로 조절 가능하도록 이루어질 수 있다. 예를 들어 매질 탱크(110) 내부의 압력이 양압이되면 초음파 전달 매질(M)이 매질 탱크(110)에서 중공 나선형 연장부재(E)로 이동하고, 반대로 매질 탱크(110) 내부의 압력이 음압으로 형성되면 초음파 전달 매질(M)이 중공 나선형 연장부재(E)에서 매질 탱크(110)로 이동될 수 있다. 또한, 도 1 내지 7에서 압력 조절기(130)는 매질 탱크(110)의 상측에 연결되는 형태로 도시되었으나, 압력 조절기(130)는 매질 탱크(110)의 상측이 아닌 다른 부분에 연결될 수도 있다. 예를 들어 압력 조절기(130)는 매질 탱크(110)의 하측에 연결될 수도 있다. 이 경우 압력 조절기(130)가 매질 탱크(110)의 상측에 배치된 것과 달리, 압력 조절기(130)의 적어도 일부가 매질 탱크(110)에 수용된 초음파 전달 매질(M)에 잠길 수 있다. 초음파 발생기(140)는 상기 연결관(120)에 설치될 수 있다. 초음파 발생기(140)는 초음파가 발생되는 초음파 프로브(141)를 구비할 수 있다. 초음파 프로브(141)는 티타늄 또는 알루미늄 소재로 이루어질 수 있다. 초음파