JPS62124226A - 金属管の熱処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、金属管とくに各種鋼管の熱処理時の水冷にお
いて変形を生じさせない冷却方法に関する。

（従来の技術） 近年サワー性の強い原油やガスの掘削チャンスが増え、
それらの輸送に用いられるラインパイプにも優れた耐サ
ワー特性を要求されることが多くなっている。従来は、
この種の・耐サワー性を求められるのはＸ６０以上の比
較的高強度材が主であったのに対し、最近の傾向として
はより低強度側のラインパイプにおいても耐サワー特性
を要求されるケースが増えてきた。このような変化に対
応し、これまで熱間圧延のまま、もしくは簡単で製造さ
れていた低強度ラインパイプも、耐サワー特性保証の目
的で焼入れ焼もどしの熱処理を実施する必要が生じてき
た。低強度の鋼管は一般に熱間強度も低いため、熱処理
中に曲シの発生しやすい傾向にあり、とくに焼入れのた
めの水冷時には大きな曲りが生じやすい。

金属管とくに鋼管の冷却に関しては、すでに多くの提案
があシ、いずれも冷却に伴なう変形の防止と均一さを妨
げずに焼入れ冷却能力を高めることによる生産性向上が
配慮されている。例えば特公昭５３−３２０９７号公報
では、鋼管を回転させながら搬送し、その外周方向から
鋼管に対して接線方向に流体ジェット流を多数かつ均一
に噴射して均一冷却する装置が提案されている。また特
公昭５６−１９３７０号公報では円周方向に等間隔に配
列した多数のノズルから鋼管の進行方向に対して４５°
ないし８０°の方向に暴状噴流を当てて均一に冷却する
方法と装置が示されている。これらの提案は通常の鋼管
の冷却において一定の効果を与えるものではあるが、先
に述べた低強度ラインパイプなどの熱間強度が低く、と
くに肉厚の薄い鋼管に適用する場合には十分満足のいく
結果を得られるものではない。

低強度の金属管冷却時に曲シの発生しやすい理由は、高
強度材であれは高い剛性で十分吸収し得る程度の応力不
均一によっても、熱間強度の低い金属管は容易に変形し
てしまうことによるものと考えられる。冷却中に金属管
の部位により応力不均一を生じる原因は、金属管の冷却
速度が鋼管の部位によって異なることによって発生し、
その冷却速度の変動は、金属管表面（伝熱面）の粗さや
ミルスケール付着状況などの不均一に、主として起因す
るものである。このような金属管表面のミクロ的な不均
一性に原因する冷却速度のバラツキを抑制して金属管の
変形を防止する効果的な方法に関しては、これまでに提
案されていないのが実情である。

（発明が解決しようとする問題点） 前述の通り、広い意味で熱処理される金属管の表面特性
は、表面粗さ、ミルスケールの付着状態、ミルスケール
の表面状態その他がバラツキを有し、特に、金属管の熱
間強度が低い場合や肉厚が薄い等によりその剛性が低い
場合に、該金属管を水で冷却する時大きな変形を生ずる
原因となる。

本発明はこのように曲が９易い金属管の熱処理冷却によ
る変形を防止することを目的としている。

又本発明は熱間強度が低く且つ剛性の弱い金属管の冷却
に伴なう変形を防止することができ、通常の金属管の無
歪冷却法としても有効である。

（問題点を解決するための手段） 本発明は上述の如き諸問題点を有利に解決したものであ
り、その要旨とするところは、（１）　　金属管を所定
の焼入温度に加熱し冷却する熱処理方法において、前記
冷却を冷却開始から数秒間緩冷却を行りて強冷却開始点
における金属管各部の温度差を小さくし、次いで通常の
強冷却を行うことを特徴とする金属管゛の熱処理方法。

（２）金属管を所定の焼入温度に加熱し冷却する熱処理
方法において、狭面にミルスケールの付着した金属管の
場合、冷却の開始０．５〜３秒間でその伝熱面温度が加
熱温度から４５０℃〜６５０℃となるように、またミル
スケールの除去した金属管の場合、冷却の開始０．５〜
３秒間でその伝熱面温度が加熱温度から５５０℃〜７０
０℃となるように、緩冷却を行りて強冷却開始点におけ
る金属管各部の温度差を小さくし、次いでその温度から
通常の強冷却を行うことを特徴とする金属管の熱処理方
法である。

以下本発明を図面に基づいて具体的に説明する。

まず、金属管の表面条件に起因する冷却後の変形につい
て説明する。高温金属を冷却する時、最初に、膜沸騰熱
伝達が生じ、次いで遷移沸騰熱伝達から核沸騰熱伝達を
経由して対流熱伝達で常温まで冷却される。これを模式
的に示したのが、冷却曲線と呼ばれる第１図でおる。第
１図中に示したクエンチ点と呼ばれる伝熱面温度は蒸気
膜が安定して存在できず、蒸気膜が崩壊する温度と関連
がある。

すなわち、焼入時の冷却速度は、均一ではなく同一条件
で水冷を行なっても、クエンチ点以上の温度域は比較的
徐冷となり、クエンチ点をすぎると、急激に冷却が加速
される。しかもクエンチ点が前述したように伝熱面の表
面条件によって変動する。

一般に、表面が粗いとクエンチ点は上昇する。

換言すると冷却が促進する。逆に、表面が滑かであると
、クエンチ点は降下し、冷却が遅延する。

金属管の部位によって冷却曲線のクエンチ点が異なる場
合、冷却の比較的初期に大きな温度差が生ずる。この温
度差に基ずく熱応力おるいは、この温度域に存在する変
態点に関連する変態応力等によって、変形が生じ冷却後
も残存する。

つまり、膜沸騰領域からの金属管の冷却において発生す
る変形は高温域における温度差、特にクエンチ点の不揃
いに起因するのである。

従って、このような冷却特性を示す実用金属管の冷却に
おいて金属管の各部位における冷却曲線を揃える冷却方
法を具現化することが、極めて重要な意味をもつ。

金属管の冷却の初期において冷却水が十分供給される場
合には、第２図に示した通υ、クエンチ点以降の冷却は
非常に促進され、まだ蒸気膜が崩壊せずクエンチ点に達
していない部位との温度差が著しく大きくなる（図中Ａ
、Ｂはクエンチ点を示す）。したがって冷却開始後一定
期間内は、部分的にクエンチ点を高めに引き上げる恐れ
のある強冷却をさけて緩冷却にすることによシ、第２図
中に示したクエンチ点到達時の温度差ΔＴをΔＴ１から
ΔＴ２に減少させることができる（　ＢＤ＝ΔＴ１゜Ｂ
Ｃ−ΔＴｚ）。しかる後に緩冷却から強冷却に移れば各
部位全体を、均一に、遷移沸騰から核沸騰熱伝達に移行
させることができ、金属管各部の冷却条件のバラツキを
著しく小さくできるため、変形も激減する。

ここでいう緩冷却の条件は、上述のごとくクエンチ点を
部分的に引き上げる恐れのない冷却条件であシ、実際的
な冷却水の水型密度で表わせば、４ｍ”／ｍ”・ｍｉｎ
を越えない範囲を意味する。

ま九、金属管の各部位のクエンチ点をそろえるもうひと
つの方法は伝熱面を粗面化することである。粗面の突起
が伝熱面に対する蒸気膜厚さよりも大きくすることが望
ましく、前記突起が蒸気膜を突き破シ、冷却水と直接接
触させると、その突起を核として蒸気膜の崩壊が促進さ
れ、クエンチ点が上昇する。例えばショツトブラスト等
でミルスケールを除去すると表面が清浄化されかつ突起
が均一に形成されるので、各部位のクエンチ点温度が揃
い前述の方法と組合せると更に効果的である。

本発明等の研究によれば、実用的な２０〜４５℃の水温
の冷却水の場合、実用金属のクエンチ点温度は伝熱面の
条件によって変化するが、５００℃〜８５０℃の範囲内
であった。

それ故、被冷却金属の熱間強度や剛性により、冷却初期
の緩冷却温度範囲は異なるが、ミルスケールの付着した
状態では伝熱面温度を４５０Ｃ〜６５０″Ｃまで、また
ミルスケールを除去し粗面化した状態では５５０’Ｃ〜
７００ｕまで低下させて、その後強冷却するとよいこと
が確認された。

実用熱処理金属管で、ミルスケールの付着した状態では
、クエンチ点温度の下限はほぼｓｏｏ℃であるから、伝
熱面温度を４５０Ｃ以下に緩冷却する必要はなく、伝熱
面温度６５０℃以上から急冷すると熱間強度が低く剛性
の弱い金属管の場合、曲り２５；す微（冷り早≠；１１
１七りとふ端ζ虚訪シｈ今　咄たミルスケールを除去し
、粗面化した状態ではクエンチ点温度の下限はほぼ６０
０℃であるから伝熱面温度を５５０℃以下に緩冷却する
必要はなく、伝熱面温度７００℃以上から急冷すると熱
間強度が低く剛性の弱い金属管は、曲りが大きく効果が
小さいことも確認された。

実際上の緩冷却の程度については、種々の実験の結果、
ミルスケールの付着した状態では冷却開始から０．５ｓ
ｅｃ乃至３ｓｅｃ間で伝熱面温度が加熱温度から４５０
℃〜６５０℃に低下する冷却条件がよく、またミルスケ
ールを除去し、粗面化した状態では０．５ｓｅｃ乃至３
　ｓｅｅ間で伝熱面温度が加熱温度から５５０℃〜７０
０℃に低下する冷却条件がよい。こうすることにより、
冷却初期の緩冷却は伝熱面の温度を実測することなく、
時間によりて管理でき、実際的である。緩冷却時間が０
．５ｓｅｃ以下の場合、各部位の温度不揃いが生じその
後、急冷すると大きな曲がりを生ずることがある。

緩冷却時間が３１１０以上の場合、肉厚内部の温度も低
下し、特に、焼入れ等の熱処理冷却においては、厚い表
層が完全焼入組織にならない場合があり不適当である。

（作用） シームレス鋼管の焼入れを例に具体的に述べる。

最近、サワー性の強い原油やガスの掘削が進み、原油や
ガスの輸送に用いられる低強度ラインパイプ等について
も焼入れ一焼戻し熱処理を施すことが要求されるように
なっている。これ等の鋼管は従来は、熱間圧延のままあ
るいは簡単で製造されていたものであるが、耐サワー性
の観点から焼入れ一焼戻し熱処理が要求されるようにな
って来たものである。

これ等の熱間強度が低く且つ肉厚も薄く鋼管の剛性が通
常の鋼管と比較して非常に低い場合、従来の冷却初期か
ら強冷却する焼入方法では、冷却に伴なう曲が９が大き
く、既存の焼戻し炉に装入できない。あるいは焼戻し炉
内の搬送がうまく行かず、作業トラブルが発生し、焼入
れ一焼戻し熱処理低強度ラインパイプの生産性が非常に
悪く、コストも大幅に上昇している。又、従来の焼入れ
作業では、冶金学的観点から８００℃〜５００℃間を可
及的強冷却することが推奨されている。

それに対し、本発明による条件で、前段緩冷却して鋼管
の伝熱面温度を揃え、冷却面中の最低クエンチ点温度近
傍から急冷することによシ、焼入変形が激減し、殆んど
真直に近い鋼管が得られる。

本発明の冷却方法により、焼入変形の問題は解消し、低
強度−低剛性鋼管の焼入れ一焼戻し熱処理が安定してで
きるようになった。

（実施例） 第３図に示すようにパイプ１進行方向に多数のブロック
Ｑ１〜Ｑ１ｏより構成される鋼管外面冷却装置（特公昭
５６−１９３７０号公報）で、下記の低強度シームレス
ラインパイプ材を用いて本発明を適用し、その結果を第
−表に示す。第１図中２は・にイブ１の搬送装置、３の
矢印はパイプ１の進行方向を示す。

供試材 （１）規　格　ＡＰＩ　−５ＬＢ （２）４？ｌ　、ｌ”　　１４０．３φＸ４．５ｔＸ１
１．８０ＯＬなお、この実施例の強冷開始温度について
はパイプの表面に熱電対を埋め込んで温度を測定したが
、通常は時間コントロールで強冷却開始温度をコントロ
ールするものである。

これによると冷却前段の緩冷却時間が０．５ｓａｅ以下
では、強冷開始温度が高く、その後の各部位の冷却曲線
が異なるために、曲がりが大きいが、緩冷却時間を約０
．５ｓ＠ｃ以上にし、ミルスケールの付着した状態では
伝熱面温度を約６５０℃以下に、またミルスケールを除
去し、粗面化した状態では伝熱面温度を約７００℃以下
にすると、曲がりが急激に減少する。しかし緩冷却時間
を約３ｓｅｃ以上とすると、ミルスケールの付着した状
態では伝熱面温度を４５０℃以下に、またミルスケール
を除去し、粗面化した状態では、伝熱面温度を５５０℃
以下になり、しかも光層部のかなり厚い部分の温度が低
下し、マルテンサイト組織が得られなかった。以上の理
由から冷却前段の緩冷却時間は０．５ｓｅｃ〜３　ａ＠
ｅ間、強冷開始温度は、ミルスケールの付着した状態で
は４５０℃〜６５０℃、ミルスケールを除去し粗面化し
た状態では５５０℃〜７００℃となるような前段緩冷却
条件を選ぶとよいことが確認された。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、低強度−低剛性金
属管の無歪冷却法が確立され、例えば、前述の通シ、従
来は、焼入れ一焼戻し熱処理の不可能であった鋼管等の
熱処理冷却が可能となり、耐サワー性等の・！イブの特
性向上に大いに役立つ。

また通常の金属管の熱処理冷却における無歪化冷却法が
具現化し、工業的に大きな効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を説明するための高温金属の冷却過程を
示す模式図、第２図は本発明を説明するための金属管の
冷却過程を示す図、第３図は本発明を適用する焼入装置
のブロックダイヤグラムである。 １：／４’イブ、　　　　　　２：パイプ搬送装置、３
：ノ９イデ進行方向、　Ｑ：水冷装置。 第１図 一二命去ｐ時刻 ；そ五ρ時間

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属管を所定の焼入温度に加熱し冷却する熱処理
   方法において、前記冷却を冷却開始から数秒間緩冷却を
   行って強冷却開始点における金属管各部の温度差を小さ
   くし、次いで通常の強冷却を行うことを特徴とする金属
   管の熱処理方法。
2. （２）金属管を所定の焼入温度に加熱し冷却する熱処理
   方法において、表面にミルスケールの付着した金属管の
   場合、冷却の開始０．５〜３秒間でその伝熱面温度が加
   熱温度から４５０℃〜６５０℃となるように、またミル
   スケールの除去した金属管の場合、冷却の開始０．５〜
   ３秒間でその伝熱面温度が加熱温度から５５０℃〜７０
   ０℃となるように、緩冷却を行って強冷却開始点におけ
   る金属管各部の温度差を小さくし、次いでその温度から
   通常の強冷却を行うことを特徴とする金属管の熱処理方
   法。