JP2009285710A - 耐座屈性能に優れる電縫管の製造方法 - Google Patents

Abstract

【要 約】
【課 題】 従来の技術では、真円度と耐座屈性能の両方に優れた電縫管を得ることが難しい。
【解決手段】 帯板を通材しつつロール成形し、突き合せた板幅両端部を電縫溶接して管となし、電縫溶接部に熱処理をした後、管を矯正する電縫管の製造方法であって、管を矯正するにあたり、回転矯正機を用い、該回転矯正機の鼓形ロールの最小径を前記管の外径以上とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、真円度と耐座屈性能に優れる電縫管の製造方法に関し、特に、ラインパイプとして敷設した場合、地震や凍土の地盤変化による座屈への影響を受けにくい、真円度と耐座屈性能に優れる電縫管の製造方法に関する。

石油や天然ガス等を輸送するパイプラインには、多くはＵＯＥ鋼管が適用され、ＪＣＯ、スパイラル鋼管、シームレス鋼管、一部には電縫管も適用されている。
電縫管は、熱延帯板を素材とするワーク（加工対象物）を、連続的に通板しつつロール成形してオープン管状となし、スクイズロールで板幅両端部を付き合わせ、電縫溶接して製造する。しかし、前記ロール成形の途中では、ワーク断面形状を真円形状に沿わせることができないため、電縫管は他の鋼管と比べ円周方向に不均一な機械的特性を有する。そこで、電縫溶接して管とした後、さらにサイザーで矯正して目標の真円度に近づけているが、円周方向の不均一歪みは残留したままであった。

その結果、特に電縫管をラインパイプとして敷設した場合、地震発生時に局部的にパイプが座屈しやすく、破損しやすいという問題があった。また、凍土地帯のラインパイプとして電縫管を埋設した場合、夏季には軟化し冬季には凍結する地盤変化による圧縮力が、パイプ長手方向に作用することで、ラインパイプが破損するに至るという問題を常に抱えていた。したがって、電縫管をラインパイプに適用する場合は、その敷設条件に大きな制約が伴うため、電縫管の普及率はＵＯＥ鋼管等に比較すると低くならざるを得なかった。

従来から、電縫管の普及を図るため、例えば、特許文献１、２等に示されるように、素材の改良によって低温靭性にすぐれたＡＰＩ規格Ｘ８０鋼管や機械的複合特性を有するラインパイプ用鋼材の技術開発が行われている。
特開昭５８−３４１３３号公報 特許第３９０３７４７号公報

しかし、前記従来の技術はいずれも素材または鋼管の平均的な機械的特性を変えるものであって、成形途中で生じた不均一な歪による機械的特性を管円周方向に均一化するものではない。
本発明者らが、電縫管を用いたラインパイプの円周方向機械的特性を調べたところ、素材のロール成形時に、素材の板幅中央部に歪みが集中し、歪みが集中した板幅中央部の降伏応力がそれ以外の部分の降伏応力よりも高くなり、これによって電縫管の円周方向に不均一な機械的特性が生じる大きな原因となっているということが判明した。

しかも、電縫管の矯正には、管の真円度を向上することを目的として、サイザーが多用される。このサイザーでは、管を回転させずに孔型ロールによる微小量の縮径のみで矯正するため、管円周方向の特定部位に集中する歪みを分散することが全くできないという欠点がある。すなわち、従来の技術では、真円度と耐座屈性能の両方に優れた電縫管を得ることが難しいという課題があった。

本発明は、前記課題を解決するためのものであり、その要旨構成は以下のとおりである。
（請求項１）
帯板を通材しつつロール成形し、突き合せた板幅両端部を電縫溶接して管となし、電縫溶接部に熱処理をした後、前記管を矯正する電縫管の製造方法であって、前記管を矯正するにあたり、回転矯正機を用い、該回転矯正機の鼓形ロールの最小径を前記管の外径以上とすることを特徴とする耐座屈性能に優れる電縫管の製造方法。
（請求項２）
前記回転矯正機は計３スタンド以上で、最前段を入側スタンド、最後段を出側スタンド、それらの間のスタンドを中央スタンドとして、入側、出側両スタンドのロール高さをほぼ同じとし、中央スタンドのロール高さを入側、出側両スタンドのそれに対し＋１ｍｍ以上、＋４０ｍｍ以下の範囲で上昇または下降させることを特徴とする請求項１に記載の耐座屈性能に優れる電縫管の製造方法。

本発明によれば、回転矯正機を用い、管を回転矯正することで、電縫管の円周方向に比較的均一な機械的特性を有する電縫管を得ることができ、真円度と耐座屈性能に優れた電縫管を製造可能である。

図１は、本発明の実施に適した電縫管造管ラインの１例を示す概略図である。図１の造管ラインでは、素材Ｗがアンコイラー１で払出され、レベラー２で矯正され、次いでロール成形機４で素材Ｗを板幅方向に丸めるようにロール成形される。
このロール成形の最終段階で、フィンパススタンド３により板幅方向両端部がさらにロール成形され、溶接前のシームがコンタクトチップ等からなる誘導加熱手段５で誘導加熱された後、スクイズロールからなる圧接手段で付き合わせ圧接される。この誘導加熱し付き合わせ圧接することを電縫溶接するという。電縫溶接により帯板は管10となる。管10は、スクイズロール６出側でビード部切削機７によりビード部切削され、図示しないシームアニーラーで電縫溶接部（溶接後のシームとその周辺の熱影響部）を熱処理された後、管切断機９で所定の長さに切断される。切断後の管10は、管の真円度を向上し管の曲がりを矯正するために回転矯正機８で回転矯正される。20は切断後の管10の通材方向である。

一方、図２に例示する従来多用される電縫管造管ラインは、アンコイラー１で払出された素材Ｗをロール成形した後、電縫溶接して得た管10にビード部切削および電縫溶接部熱処理を施すまでは図１と同じであるが、その後の工程が異なる。
すなわち、従来の製造工程では、アンコイラー１にまでつながっている管10が、回転されずにサイザー11により外径調整され、その後、管切断機９で所定長さに切断される。

本発明には、上下一対の鼓形ロールを組み込んでなるスタンドを計３スタンド以上直列に配置してなる回転矯正機８を用いる。回転矯正機８の各スタンドには、図３（ａ）に示すように、ロール軸芯12ａ、12ｂと回転矯正機のパスライン13とが所定のロール傾斜角αをなすよう、上下一対の鼓形ロール12を組み込んである。
図３（ａ）には本発明に用いる鼓形ロール12の形状を示し、図３（ｂ）にはそのロール傾斜角αを示した。ここで、ａは鼓形ロール12の最小径を示す。上下一対の鼓形ロール12はそのロールバレルの表面形状が回転双曲面形状とされ、ロール軸方向両端に最大径部、ロール軸方向中央に最小径部を有している。

本発明者らは、回転矯正時の材料（管）の挙動を鋭意検討し、その結果、回転矯正機のスタンド間において管の長手方向に圧縮歪みが蓄積すること、あるいは管の長手方向に圧縮歪み・引張歪みが交互に加わることを見出した。これらは、管の長手方向にバウシンガー効果と称する、材料の降伏応力を低減する効果が有効に働くことを示唆している。管の長手方向に圧縮歪みが加わり、塑性変形が生じておれば、その後の材料試験で引張荷重を作用させたとき引張荷重下で得られる降伏応力は、圧縮歪みが加わり塑性変形が生じていない場合よりも低減し、また管の長手方向に圧縮・引張歪みが交互に作用し、材料内部の可動転位が増加しておれば、可動転位が少ない場合よりも、その後の材料試験で降伏応力は低減する。しかも、その歪みは管が回転することによって管円周方向に均一な歪みとなりやすく、さらに、降伏応力の円周方向分布を調査したところ、管全体の降伏応力が低減するだけでなく、その歪みが円周方向で均等化する傾向にあることを把握した。

一方、従来の電縫管製造においては、サイザーによって、管を回転させずに孔型ロールによる微小量の縮径のみで矯正するため、管円周方向の特定部位に集中した歪みを分散することが全くできていなかったのである。
そこで、回転矯正機における上記の有用な作用を活用して、造管後の管を回転矯正すれば、ロール成形途中で生じた不均一な歪による降伏応力を、管円周方向に均一化することができ、真円度と耐座屈性能に優れる電縫管を製造可能である。

また、回転矯正機を用い、管を回転矯正することで、バウシンガー効果を管の円周方向、長手方向にできるだけ均等化するように働かせるには、上下一対の鼓形ロール12の最小径部のロール表面と管表面とが接触する回数を増やす必要がある。
本発明者らは、鼓形ロール12の最小径ａに着目して、上下一対の鼓形ロール12の最小径部のロール表面と管表面とが接触する回数を増やす方法を検討した。図３（ａ）、（ｂ）を参照しつつ説明する。

図３（ａ）、（ｂ）中、通材方向（管長手方向）20は、上下一対の鼓形ロール12の最小径部のロール表面と接触した管が、回転矯正されつつ送り出される方向である。
すなわち、単位時間あたり、上下一対の鼓形ロール12が回転する回数（すなわち、鼓形ロール12の回転速度）および所定のロール傾斜角αが同じ場合、鼓形ロール12の最小径ａが小さいほど、最小径部のロール表面と接触して、管が通材方向に送り出される管送出し距離が短くなるとともに、その距離だけ管が送り出される間において管が回転する回数も減少してしまう。

単位時間あたり、上下一対の鼓形ロール12が回転する回転数をＮとした場合、管送出し距離および管が回転する回数は以下となる。
管送出し距離（単位時間あたり）＝π・ａ・Ｎ・ｓｉｎα ・・・（１）
管が回転する回数（単位時間あたり）＝π・ａ・Ｎ・ｃｏｓα／（π・Ｄ）
＝（ａ／Ｄ）・Ｎ・ｃｏｓα ・・（２）
ただし、Ｎ：上下一対の鼓形ロール12の回転数（単位時間あたり）、ａ：鼓形ロール12の最小径、Ｄ：回転矯正する管の外径。また、（π・ａ・Ｎ・ｓｉｎα）は、鼓形ロール12の最小径部における周速度の管軸方向成分、（π・ａ・Ｎ・ｃｏｓα）は、鼓形ロール12の最小径部における周速度の管周方向成分をそれぞれ表わす。

つまり、上下一対の鼓形ロール12の回転数をＮ＝１としたとき、管が通材方向に管送出し距離＝π・ａ・ｓｉｎαだけ送り出される間において、管は回数＝（ａ／Ｄ）・ｃｏｓαだけ回転することになる。
これより、鼓形ロール12の最小径ａを管の外径Ｄ以上とし、所定のロール傾斜角αを極限状態の０近く（ｃｏｓα＝１）に設定すれば、上記（１）、（２）から、管送出し距離＝π・ａ・ｓｉｎαとなり、管が回転する回数＝（ａ／Ｄ）≧１となる。一方、鼓形ロール12の最小径ａを管の外径Ｄ未満とした場合、所定のロール傾斜角αを極限状態の０近く（ｃｏｓα＝１）に設定しても、管が回転する回数＝（ａ／Ｄ）＜１となる。

そこで、所定のロール傾斜角α≦９０度に設定するとともに、鼓形ロール12の最小径ａを管の外径Ｄ以上としてやれば、上下一対の鼓形ロール12の回転数をＮ＝１としたとき、管が通材方向に管送出し距離＝π・ａ・ｓｉｎαだけ送り出される間において、上下一対の鼓形ロール12のロール軸方向中央の最小径部のロール表面と接触して回転する管の回数を１回転以上とすることができ、ロール成形途中で生じた不均一な歪による降伏応力を管円周方向に均一化させやすいことを把握した。

この条件を満たさない場合、ロール成形途中で生じた不均一な歪による降伏応力を管円周方向に均一化させることが困難となる。
また、回転矯正機は、通常計３スタンド以上で構成され、各スタンドが上下計２ロールを有し、最前段を入側スタンド、最後段を出側スタンド、それらの間のスタンドを中央スタンドとして、入側、出側両スタンドのロール高さをほぼ同じ（誤差１ｍｍ未満で同じ）とし、これらのロール高さに対して中央スタンドのロール高さを上昇または下降させて管長手方向に曲げ歪みを加える。

その際、入側、出側両ロール高さに対する中央ロール高さの上昇量または下降量を、＋１ｍｍ未満とすると、管長手方向の圧縮歪が不足して材料の弾性変形以内となり、歪が入らないか著しく低くなる。一方中央ロール高さの上昇量または下降量を＋４０ｍｍ超とすると、管の扁平変形が著しく大きくなり、管の真円度が低下する。そこで、入側、出側両ロール高さに対する中央ロール高さの上昇量または下降量（略して中央ロール上昇量または中央ロール下降量）を＋１ｍｍ以上、＋４０ｍｍ以下とするのがよい。

質量％で０．０５％Ｃ、０．２％Ｓｉ、１．２％Ｍｎを含有する鋼組成になる熱延鋼帯を素材とし、該素材を図１または図２に示した造管ラインに通板し、外径が６００ｍｍ、肉厚が１９．１ｍｍの電縫管を製造した。
製造した電縫管の電縫溶接部から円周方向にほぼ９０度の位置、およびほぼ１８０度の位置（電縫溶接部の対向する位置）において、管長手方向にＪＩＳ１３号引張試験片を各々１０本切り出し、引張試験を行って機械的特性を求め、効果を評価した。得られた機械的特性を表１に示す。

(Ｎｏ．１) 本発明例として、図１の造管ラインにて造管し、その際、計３スタンドからなる回転矯正機の鼓形ロール12の最小径を管の外径Ｄ以上とし、ロール傾斜角αおよび中央ロール上昇量をそれぞれ表１のＮｏ．１欄に示す値に設定した。
(Ｎｏ．２) 比較例として、図１の造管ラインにて造管し、その際、計３スタンドからなる回転矯正機の鼓形ロール12の最小径を管の外径Ｄ未満とし、ロール傾斜角αおよび中央ロール上昇量をそれぞれ表１のＮｏ．２欄に示す値に設定した。
(Ｎｏ．３) 比較例として、図１の造管ラインにて造管し、その際、計３スタンドからなる回転矯正機の鼓形ロール12の最小径を管の外径Ｄ未満とし、ロール傾斜角αおよび中央ロール上昇量をそれぞれ表１のＮｏ．３欄に示す値に設定した。
(Ｎｏ．４) 従来例として、図２の造管ラインにて造管し、その際、サイザーは４スタンド構成のものとした。

表１に示した結果から、Ｎｏ．１の本発明例の電縫管は、１８０度位置近傍の降伏応力ＹＳが、Ｎｏ．２の比較例、Ｎｏ．４の従来例に比べて低下し、円周方向降伏応力の差ΔＹＳがＮｏ．２の比較例、Ｎｏ．４の従来例よりも小さくなっている。したがって、本発明例によれば、真円度と耐座屈性能に優れる電縫管を得ることができた。
これに対し、Ｎｏ．２の比較例、Ｎｏ．４の従来例では、１８０度位置近傍の降伏応力ＹＳが低下しておらず、円周方向降伏応力の差ΔＹＳが本発明例よりも大きい。また、比較例(Ｎｏ．３)の場合、回転矯正機の最小径が管の外径Ｄ未満であり、ロール傾斜角α＜９０度であるため、管を送り出すことができず、回転矯正することができなかった。

本発明の実施に適した電縫管造管ラインの１例を示す概略図である。 従来多用される電縫管造管ラインの１例を示す概略図である。 （ａ）は本発明に用いる鼓形ロールの形状を示す平面図、（ｂ）はそのロール傾斜角αを示した図である。

符号の説明

Ｗ 素材（熱延帯板）
Ｄ 管の外径
α ロール傾斜角
１ アンコイラー
２ レベラー
３ フィンパススタンド
４ ロール成形機
５ 誘導加熱手段（コンタクトチップ）
６ 圧接手段（スクイズロール）
７ ビード部切削機
８ 回転矯正機
９ 管切断機
10 管
11 サイザー
12 鼓形ロール
12ａ、12ｂ ロール軸芯
13 パスライン
20 通材方向

Claims (2)

1. 帯板を通材しつつロール成形し、突き合せた板幅両端部を電縫溶接して管となし、電縫溶接部に熱処理をした後、前記管を矯正する電縫管の製造方法であって、前記管を矯正するにあたり、回転矯正機を用い、該回転矯正機の鼓形ロールの最小径を前記管の外径以上とすることを特徴とする耐座屈性能に優れる電縫管の製造方法。
2. 前記回転矯正機は計３スタンド以上で、最前段を入側スタンド、最後段を出側スタンド、それらの間のスタンドを中央スタンドとして、入側、出側両スタンドのロール高さをほぼ同じとし、中央スタンドのロール高さを入側、出側両スタンドのそれに対し＋１ｍｍ以上、＋４０ｍｍ以下の範囲で上昇または下降させることを特徴とする請求項１に記載の耐座屈性能に優れる電縫管の製造方法。

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