JP2009119484A - 溶接部特性に優れた電縫管の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】帯材の左右の幅端部を突き合せて電縫溶接して電縫管を製造するに際して、電縫溶接前の帯材の幅端部にテーパ形状を適切に付与することによって、溶接品質を良好に保持することができる溶接部特性に優れた電縫管の製造方法を提供する。
【解決手段】帯材２０の左右いずれか一方の幅端部のみについて、帯材２０の上面側または／および下面側にテーパ形状を付与した後、電縫溶接する。
【選択図】図２

Description

本発明は、油井のラインパイプ向けなどの溶接部靭性が要求される電縫管、あるいは、油井のケーシングパイプなどの溶接部強度が要求される電縫管の製造方法に関わる。

通常、管は溶接管と継目無管に大別される。溶接管は、電縫鋼管を例とするように、板をロール成形等によって丸めて端部を突き合わせて溶接して製造し、継目無管は、材料の塊を高温で穿孔しマンドレルミル等で圧延して製造する。溶接管の場合、一般に溶接部の特性は母材より劣ると言われ、管の適用に当たって、用途ごとに溶接部の靭性や強度の保証が常に議論されて問題となってきた。

例えば、原油や天然ガスなどを輸送するラインパイプでは、管を寒冷地に敷設することが多いため低温靭性が重要であり、また、原油採掘の油井では採掘管を保護するためのケーシングパイプが必要とされ、管の強度が重要視される。

通常、管の母材となる熱延板（帯材、板材）は、管製造後の母材特性を考慮して成分設計や熱処理等が行われて、母材の靭性や強度等の特性が確保される。

しかし、溶接部の特性は、母材の成分設計や熱処理等以上に、電縫溶接方法によって大きく左右されるため、溶接技術の開発が重要であった。

電縫溶接の不良原因としては、ペネトレータと呼ばれる溶接板材の端面に生成する酸化物が、電縫溶接時に溶鋼とともに端面から排出されずに残留し、この残留したペネトレータを原因として靭性が低下し強度不足になる例が多かった。

そこで、従来、電縫溶接不良の主原因であるペネトレータを溶接部から除くため、溶接部の板幅端面から積極的に溶鋼を排出する技術が鋭意検討されてきた。例えば、特許文献１などに、板幅端面の形状について検討した例が記載されている。すなわち、通常、板の左右の幅端面はスリットや端面研削によってほぼ矩形を呈しているが、この端面を電縫溶接前にテーパ形状に加工し、加工した端部形状によって電縫溶接時の溶鋼排出を良好にすることを特許文献１などは目的としている。

なお、特許文献１の概要は以下の如くである。

すなわち、基本的な電縫管製造ラインは図１に示すようなものであり、この電縫管製造ラインは、帯材１０を、アンコイラ１から払い出し、レベラー２で平坦に矯正し、ロール成形機４で帯材１０をその幅端部が上部になるように徐々に丸めていき、丸めた帯材２０の左右両幅端部同士を突き合わせ、誘導加熱部５とスクイズロール（電縫溶接部）６からなる電縫溶接機で電縫溶接して管３０となし、管３０の溶接ビード部をビード部切削機７で切削し、切削後の管３０を、サイザー８にて外径調整した後、管切断機９で所定長さに切断するという構成を有している。なお、ロール成形機４は、最後段に丸めた板端部を拘束して真円に近い形状とする所定台数のフィンパス成形スタンド群３を備えており、ここでは、第１スタンド３ａと第２スタンド３ｂよりなっている。

そして、特許文献１に記載の技術では、図３（ａ）に横断面図、図３（ｂ）にその部分詳細図を示すように、フィンパス成形第１スタンド３ａにおいて、管状に成形された帯材２０の左右の幅端部（板端部）の一部分をフィンパス孔型ロールのフィンに接触させることによって、図３（ｃ）に示すように、管の内面側となる板端部にテーパ形状を付与するとともに、図３（ｄ）に横断面図、図３（ｅ）にその部分詳細図を示すように、フィンパス成形第２スタンド３ｂにおいて、帯材２０の左右の幅端部（板端部）の他の部分をフィンに接触させることによって、図３（ｆ）に示すように、管の外面側となる板端部にテーパ形状を付与することで、Ｘ型開先を形成するようにしている。なお、フィンパス成形第１スタンド３ａ、第２スタンド３ｂにおけるフィンの角度は通常の１段階の角度である。
特開昭５７−３１４８５号公報

しかし、特許文献１などのように、帯材の左右両方の幅端部にテーパ形状を付与する方法では、帯材のロール成形条件を最適化しても、左右両方の幅端部のテーパ形状が同じような形状にならない場合があり、例えば、一方の幅端部にテーパ形状が形成されても、他方の幅端部にはテーパ形状がほとんど形成されない場合があって、テーパ形状の付与が不安定になるため、これらの方法を実用化する上で大きな問題となっていた。

本発明者らは、この原因を詳細に観察したところ、素材である帯材（熱延帯板）が大きく蛇行していると、一方の幅端部に所望のテーパ形状が形成されても、他方の幅端部には所望のテーパ形状が形成されず、テーパの付与が不安定になることが判明した。

しかも、特許文献１に記載の方法の場合、フィンパス孔型ロールのフィンの角度を１段階としておいて、帯材幅端部の一部分をフィンに接触させてテーパ形状を付与する方法を採用しているが、本発明者らがこの方法を検討してみると、帯材幅端部の一部のみをフィンに接触させようとしても著しく困難なことが判明した。

この原因も、上記の帯材（熱延帯板）の蛇行であり、帯材幅端部の一部のみをフィンに接触させようとしても、ある場合は強圧されてフィンの直線状テーパがそのまま転写されて、所望するＸ字テーパ形状（Ｘ型開先）にならず、また、ある場合は帯材幅端部がフィンに全く接触せずに、所望するＸ字テーパ形状（Ｘ型開先）にならなかった。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、電縫管を製造するに際して、電縫溶接前の材料（帯材）の幅端部にテーパ形状を適切に付与することによって、溶接品質を良好に保持することができる溶接部特性に優れた電縫管の製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明は以上の観点を鑑みてなされたものであり，
上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。

［１］帯材をロール成形し左右の幅端部同士を突き合わせて電縫溶接し管とする電縫管の製造方法において、帯材の左右いずれか一方の幅端部のみについて、帯材の上面側または／および下面側にテーパ形状を付与した後、電縫溶接することを特徴とする溶接部特性に優れた電縫管の製造方法。

［２］ロール成形のフィンパス成形において、前記テーパ形状を付与することを特徴とする前記［１］に記載の溶接部特性に優れた電縫管の製造方法。

［３］前記テーパ形状は、テーパの板厚方向に対する角度を３０°〜６０°とし、テーパの板厚方向の長さを板厚の２０％〜４５％とすることを特徴とする前記［１］または［２］に記載の溶接部特性に優れた電縫管の製造方法。

本発明は著しく良好な靭性および溶接強度を備えた電縫管を得ることができる。

前述したように、帯材の左右両方の幅端部にテーパ形状を付与する方法では、帯材のロール成形条件を最適化しても、左右両方の幅端部のテーパ形状が同じような形状にならず、テーパ形状が不安定になる場合が生じていたが、本発明者らは、この原因を詳細に観察したところ、素材である帯材（熱延帯板）が大きく蛇行していると、一方の幅端部に所望のテーパ形状が形成されても、他方の幅端部には所望のテーパ形状が形成されず、テーパの付与が不安定になり、その結果、電縫溶接時の溶鋼排出が不安定となって、ペネトレータが管の長手方向に部分的に残りやすくなることを把握した。

電縫管の素材である帯材（熱延帯板）は、長手方向にほぼ同一幅となるように、エッジミラー等の帯材幅端部の研削を行っているが、その端部は幅方向に常に垂直ではなく、蛇行しているのが一般的である。

そして、帯材を管とするには、ロール成形のフィンパス成形において複数のフィンパス成形スタンドを用いるのが一般的であるが、上記のように蛇行した帯材を複数のフィンパス成形スタンドで成形すると、管形状に近くなった帯材が特定のフィンパス成形スタンドを支軸としてローリングし、支軸となった以外のフィンパス成形スタンドにおいて帯材幅端部がフィンに片当たりしやすくなる。したがって、帯材の左右いずれか一方の幅端部はフィンに強圧されて、フィンのテーパ形状がほぼそのまま転写されるのに対して、他方の幅端部はフィンに接触しにくくなり、フィンのテーパ形状が付与されず、それ以前の端部形状がそのまま残留しやすいわけである。

しかも、前述したように、特許文献１に記載の方法の場合、フィンパス孔型ロールのフィンの角度を１段階としておいて、帯材幅端部の一部分をフィンに押し当ててテーパ形状を付与する方法を採用しているが、帯材幅端部の一部のみをフィンに押し当てることは著しく困難であって、その結果、フィンパス成形後に帯材幅端部に所望するテーパ形状を付与することはほぼ不可能な状況であった。

そこで、本発明者らは電縫溶接現象を詳細に見直した結果、テーパ形状を付与する帯材幅端部に着目した。すなわち、溶鋼とともにペネトレータを有効に排出するには、帯材の左右両方の幅端部にテーパ形状を付与する必要はなく、突き合わせた左右幅端部の間に大きなテーパ形状の隙間が形成されればよいことを見出した。従って、突き合わせた左右幅端部の間に所定のテーパ形状の隙間を形成するには、帯材の左右いずれか一方の幅端部のみであっても、その幅端部に大きなテーパ形状を付与すればよいわけである。

これにより、帯材が蛇行して左右いずれか一方の幅端部しかテーパ形状を付与しにくく場合でも、帯材が蛇行して接触しやすくなるフィンに大きなテーパ形状を与えておけば、帯材の蛇行により当該フィンに一方の帯材幅端部が強圧されて、当該フィンのテーパ形状がその帯材幅端部に充分転写され、他方の帯材幅端部にテーパ形状が付与されなくとも、突き合わせた左右幅端部の間に大きなテーパ形状の隙間が形成されるわけである。

例えば、帯材が進行方向右側に蛇行している場合、帯材幅端部にテーパ形状を付与するフィンパス成形スタンドにおいて、帯材の進行方向にみてフィンの左側の部分を大きなテーパ形状としておけば、進行方向左側の帯材幅端部に大きなテーパを付与することが可能なわけである。

なお、ここでは、「進行方向」とは、帯材の進行方向を意味するものとする。

そして、その際に帯材幅端部に付与するテーパ形状（フィンパス成形後の電縫溶接直前のテーパ形状）について最適化を図った結果、垂線からの角度（テーパの板厚方向に対する角度）を３０°〜６０°とし、テーパ開始位置から終了位置までの垂線の長さ（テーパの板厚方向の長さ）を板厚の２０％〜４５％とすると良いことを把握した。

すなわち、垂線からの角度（テーパ角度）を３０°未満とすると、板厚中央部からの溶鋼排出が不十分となってペネトレータが残留して不良となり、電縫溶接後の靭性や強度が低下し、垂線からの角度（テーパ角度）を６０°超えとすると、電縫溶接後にもそのテーパ形状が製品の管の疵として残留し問題である。さらに、テーパ開始位置から終了位置までの垂線の長さ（テーパ高さ）について、板厚の２０％未満であると、板厚中央部の溶鋼排出が不十分となってペネトレータが残留しやすくなり、板厚の４５％を超えると、スクイズロールで挟んで電縫溶接した場合、左右の帯材幅端部が上下にずれ易くて電縫溶接が正常にできず、製品としての管にすることできない場合が多々生じて問題であり、電縫溶接ができた場合でも、その後にテーパ形状が製品の管の疵として残留し問題である。

上記のような本発明の一実施形態を図面に基づいて以下に述べる。

本発明の一実施形態において用いる電縫管製造ラインは、前述の図１に示したものと同様である。すなわち、この電縫管製造ラインは、帯材１０を、アンコイラ１から払い出し、レベラー２で平坦に矯正し、ロール成形機４で帯材１０をその幅端部が上部になるように徐々に丸めていき、丸めて管状になった帯材２０の左右両幅端部同士を突き合わせ、誘導加熱部５とスクイズロール（電縫溶接部）６からなる電縫溶接機で電縫溶接して管３０となし、管３０の溶接ビード部をビード部切削機７で切削し、切削後の管３０をサイザー８にて外径調整した後、管切断機９で所定長さに切断するという基本構成を有している。

そして、この実施形態においては、ロール成形機４は最後段に複数スタンド（ここでは、第１スタンド３ａと第２スタンド３ｂ）からなるフィンパス成形スタンド群３を備えており、例えば、帯材が進行方向左側に蛇行している場合、その第２スタンド３ｂでは、進行方向にみてフィンの右側部分が、図２（ａ）に断面図を示し、図２（ｂ）にその部分詳細図を示すように、３段階のテーパ（１段目の傾斜部垂直長さδ、２段目のテーパ傾斜角度γ、３段目のテーパ傾斜角度α、３段目の傾斜部垂直長さβ）となったフィン形状を備えていて、そのフィン形状を帯材２０の右側幅端部に転写することによって、図２（ｃ）に示すように、帯材２０の進行方向右側の幅端部のみについて、テーパ角度がαでテーパ高さがβのテーパ形状を外面側に付与し、テーパ角度がγでテーパ高さがψのテーパ形状を内面側に付与するようになっている。

これによって、電縫溶接前の帯材２０の幅端部にテーパ形状を適切に付与することが可能となり、帯材２０の左右の幅端部を突き合わせた際に大きなテーパ形状の隙間が形成されて、電縫溶接部のペネトレータを充分排出することができ、著しく良好な靭性および溶接強度を備えた電縫管を得ることができる。

以下、実施例に基づいて説明する。

ここでは、板幅１９２０ｍｍ×１９．１ｔｍｍの帯材（鋼帯）を用いて、φ６００の電縫管を製造した。

そして、製造した電縫管の溶接部から試験片を切り出してシャルピー試験を行い、性能を評価した。シャルピー試験片は、管長手方向の相違する１０点から１本ずつ、試験片長さ方向を管円周方向に平行にし、ノッチ長さ中心を溶接部肉厚中心位置として採取し、ＪＩＳ５号の２ｍｍＶノッチ衝撃試験片として、−４６℃での衝撃試験を行い、吸収エネルギー、脆性破面率を測定した。なお、吸収エネルギーは１２５Ｊ以上、脆性破面率が３５％以下を性能許容範囲とした。

（本発明例１）本発明例１として、前述の実施形態に基づいて上記の電縫管を製造した。ここでは、進行方向左側に蛇行している帯材に対して、３スタンドからなるフィンパス成形スタンド群の第３スタンドにおいて、進行方向右側のフィン部分を３段階のテーパにして、進行方向右側の帯材幅端部の内面側と外面側の双方に、テーパ角度が５５°でテーパ高さが５ｍｍ（板厚の２６％）のほぼ直線上のテーパ形状を付与するとともに、進行方向左側のフィン部分は１段階のテーパにして、進行方向左側の帯材幅端部は矩形端面のままとした。

（本発明例２）本発明例２として、前述の実施形態に基づいて上記の電縫管を製造した。ここでは、進行方向右側に蛇行している帯材に対して、２スタンドからなるフィンパス成形スタンド群の第１スタンドにおいて、進行方向左側のフィン部分を２段階のテーパにして、進行方向左側の帯材幅端部の内面側に、テーパ角度が３０°でテーパ高さが８ｍｍ（板厚の４２％）のほぼ直線上のテーパ形状を付与し、かつ、第２スタンドにおいて、進行方向左側のフィン部分を２段階のテーパにして、進行方向左側の帯材幅端部の外面側に、テーパ角度が３０°でテーパ高さが８ｍｍ（板厚の４２％）のほぼ直線上のテーパ形状を付与した。一方、第１スタンドと第２スタンドともに、進行方向右側のフィン部分は１段階のテーパにして、進行方向右側の帯材幅端部は矩形端面のままとした。

（比較例１）比較例１として、前述の先行文献１に基づいて上記の電縫管を製造した。ここでは、進行方向右側に蛇行している帯材に対して、３スタンドからなるフィンパス成形スタンドの第２スタンドにおいて、帯材の左右両方の幅端部について、その内面側にテーパ形状を付与するため、帯材幅端部の内面側を板厚方向のほぼ１／２までをフィンに接触させて、テーパ角度２０°のほぼ直線上のテーパ形状を付与することを狙い、その後、次の第３スタンドにおいて、帯材の左右両方の幅端部について、その外面側にテーパ形状を付与するため、帯材幅端部の外面側を板厚方向のほぼ１／２までをフィンに接触させて、テーパ角度２０°のほぼ直線上のテーパ形状を付与することを狙った。

（比較例２）比較例２として、進行方向右側に蛇行している帯材に対して、２スタンドからなるフィンパス成形スタンドにおいて、帯材の左右の幅端部を矩形に研磨して、通常の１段階のテーパを備えたフィンでフィンパス成形をした。

これらの本発明例１、２と比較例１、２について、電縫溶接直前の帯材幅端部の形状を実測した結果と、製造後の電縫管の溶接部におけるシャルピー衝撃値と脆性破面率を測定した結果を表１に示す。

表１より、本発明例１、２による電縫管は、溶接部の衝撃強度が高く脆性破面率が小さくて、靭性が良好であって、製品の信頼性が高い。これに対して、比較例１、２で製造した電縫管は、溶接部の衝撃強度が低く脆性破面率が大きくて、靭性が低下しており、製品の信頼性に乏しかった。フィンパス成形後の電縫溶接直前における帯材幅端部形状を比較すると、本発明例１、２の場合、帯材の内面側、外面側に所望するテーパ形状が付与されていたのに対して、比較例１では、進行方向右側の帯材幅端部は、内面側、外面側ともに板厚方向１／２のテーパ形状が付与されずに矩形端面であり、進行方向左側の帯材幅端部は、第３スタンドのフィンのテーパが板厚方向全体に転写されており、目標とするＸ字形状（Ｘ型開先）には全くならなかった。また、比較例２では、矩形端面のままであった。

これにより、本発明によって溶接部特性の良好な電縫管を製造できることが確認された。

本発明の一実施形態における電縫管製造ラインを示す図。 本発明の一実施形態における帯材幅端部へのテーパ形状の付与を示す図。 従来技術（特許文献１）を示す図。

符号の説明

１ アンコイラ
２ レベラー
３ フィンパス成形スタンド群
３ａ フィンパス成形スタンドの第１スタンド
３ｂ フィンパス成形スタンドの第２スタンド
４ ロール成形機
５ 誘導加熱装置（コンタクトチップ）
６ スクイズロール（電縫溶接部）
７ ビード部切削機
８ サイザー
９ 管切断機
１０ 帯材
２０ 管状に成形された帯材
３０ 管

Claims (3)

1. 帯材をロール成形し左右の幅端部同士を突き合わせて電縫溶接し管とする電縫管の製造方法において、帯材の左右いずれか一方の幅端部のみについて、帯材の上面側または／および下面側にテーパ形状を付与した後、電縫溶接することを特徴とする溶接部特性に優れた電縫管の製造方法。
2. ロール成形のフィンパス成形において、前記テーパ形状を付与することを特徴とする請求項１に記載の溶接部特性に優れた電縫管の製造方法。
3. 前記テーパ形状は、テーパの板厚方向に対する角度を３０°〜６０°とし、テーパの板厚方向の長さを板厚の２０％〜４５％とすることを特徴とする請求項１または２に記載の溶接部特性に優れた電縫管の製造方法。

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