CN107427878A - 钢管、钢管构造物、钢管的制造方法以及钢管的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明的钢管通过扩管工序在该钢管的外径形成波形形状，该钢管的特征在于，在将波形形状的振幅以及波长分别设为a、w时，a/w的值处于0.038％以下的范围内。此外，优选，波形形状的波长w相对于铁木辛柯的压曲波长λ的比w/λ的值大于0.8。由此，能够提供减少扩管工序所需要的劳力以及时间并能够提高变形性能的钢管。

Description

钢管、钢管构造物、钢管的制造方法以及钢管的设计方法

技术领域

本发明涉及钢管、钢管构造物、钢管的制造方法以及钢管的设计方法。

背景技术

近年来，由于对气体、石油的需要提高而正在积极地进行气田、油田的新开拓，在地震地带、不连续冻土地带埋设输送气体、石油的管道的机会变多。然而，在地震地带、不连续冻土地带，由于液化、断层位移、冻拔、溶解等要因而使地基变动，随之有时管道发生变形。而且，在管道大幅变形的情况下，构成管道的钢管弯曲而在压缩侧压曲后，在拉伸侧断裂。根据这样的背景，从防止压曲部的损伤、气体、石油从断裂部漏出的观点出发，提出提高钢管的变形性能，以使钢管不被压曲而弯曲的技术。详细而言，专利文献1记载有如下技术：通过利用扩管工序使形成于钢管的长度方向的外径的波形形状(蜿蜒)的波长比(波形形状的波长/铁木辛柯(Tymoshenko)的压曲波长)的范围成为0.8以下来提高钢管的变形性能。

专利文献1：专利第5447461号公报(参照权利要求1、段落0044)

在专利文献1记载的技术中，将波形形状的振幅全部设为相同的值(0.73mm＝0.06％OD，OD为钢管的直径)，规定钢管的变形性能提高的波形形状的波长比的范围。然而，本发明的发明人经过了反复认真研究的结果，可知即使在波形形状的波长比处于上述范围内的情况下，由于波形形状的振幅的值，也使钢管的变形性能降低。另外，一般，波形形状的波长比越短，扩管工序的冲模的钢管长度方向的进给幅度越短，因此根据专利文献1记载的技术，伴随着钢管的变形性能的提高而扩管工序所需要的劳力以及时间变多。因此，期待提供能够减少扩管工序所需要的劳力以及时间并提高钢管的变形性能的技术。

发明内容

本发明是鉴于上述内容而完成的，其目的在于提供能够减少扩管工序所需要劳力以及时间并提高变形性能的钢管、钢管构造物、钢管的制造方法以及钢管的设计方法。

本发明的钢管通过扩管工序而在上述钢管的外径形成波形形状，上述钢管的特征在于，在将上述波形形状的振幅以及波长分别设为a、w时，a/w的值处于0.038％以下的范围内。

在上述发明的基础上，本发明的钢管的特征在于，上述波形形状的波长w相对于铁木辛柯的压曲波长λ的比w/λ的值大于0.8。

本发明的钢管构造物的特征在于，使用本发明的钢管形成。此处，作为钢管构造物，能够例示出管道、钢管桩、钢管板桩，闸门铁管等。

本发明的钢管的制造方法通过扩管工序而在上述钢管的外径形成波形形状，上述钢管的制造方法的特征在于，在上述扩管工序中，包括以在将上述波形形状的振幅以及波长分别设为a、w时使a/w的值处于0.038％以下的范围内的方式形成上述波形形状的步骤。

本发明的钢管的设计方法通过扩管工序而在上述钢管的外径形成波形形状，上述钢管的设计方法的特征在于，包括如下步骤：使用下述式(1)对所制造的钢管中的上述波形形状的波长w相对于铁木辛柯的压曲波长λ的比w/λ与压曲时弯曲角度的关系进行评价，并基于评价结果来决定波形形状的波长w以及振幅a，

[式1]

压曲时弯曲角度＝(D1+D2)/2+(D1-D2)/2*tanh((-X+α)/β…(1)

其中，式(1)中的参数D1、D2、α、β为通过所制造的钢管的外径以及板厚来决定的值。

根据本发明的钢管、钢管构造物、钢管的制造方法以及钢管的设计方法，能够减少扩管工序所需要的劳力以及时间并提高变形性能。

附图说明

图1是表示钢管的外径形状的一个例子的图。

图2是用于对钢管的弯曲压曲现象进行说明的示意图。

图3是表示外径20inch、板厚15.9mm的钢管以及外径48inch、板厚22mm的钢管的压曲时应变的分析结果的图。

图4是表示分别通过压曲波长以及波长为0时的压曲时应变来正规化图3所示的横轴以及纵轴而得的图表的图。

图5是表示波长与振幅比的关系的图。

图6是表示针对每个设计因素a/w的值的压曲波长比与压曲时弯曲角度的关系的图。

图7是表示压曲波长比与压曲时弯曲角度的关系的图。

具体实施方式

本发明人们为了对钢管的焊接接头部附近处的压曲现象进行评价，对具有焊接接头部的钢管(UOE钢管、外径48inch(1219mm)、板厚22mm)实施了弯曲实验。在弯曲实验之前，测量了钢管的外径形状的结果，发现钢管的外径形状为波形形状，且出现差异。该差异通过钢管的扩管工序而产生，波形形状的波长接近扩管工序的冲模的进给周期，波形形状的全部的振幅几乎相同且通过一定的机械扩径而产生。图1表示测量出的钢管的外径形状。图中，长度方向位置为零的点与焊接接头位置对应。在图1所示的例子中，波形形状的波长约为400mm左右。

图2表示钢管的弯曲压曲现象的概要。钢管由于液化后的地基、断层的移动而受到较大的变形(弯曲力矩)，如图2所示那样有时钢管P产生弯曲压曲现象。因此，为了对允许弯曲压曲现象产生之前的钢管的弯曲变形量进行研究，而制成改变了波形形状的波长的多个分析模型，使用分析模型对其变形性能进行了比较。图3示出外径20inch、板厚15.9mm的钢管以及外径48inch、板厚22mm的钢管的压曲时应变的分析结果。在图3中，纵轴表示压曲时应变(压曲时的移动平均应变)，横轴表示给予分析模型的波形形状的波长。

此外，压曲时应变成为与钢管的变形量、曲率成比例的关系。即，因较小的变形量、曲率而被压曲的钢管(压曲时应变小的钢管)的变形性能较低，相反甚至产生较大的变形量、曲率也未被压曲的钢管(压曲时应变较大的钢管)具有较高的变形性能，从而能够成为在地震地带等严酷的环境也能够应用的钢管。

如图3所示，外径20inch、板厚15.9mm的钢管以及外径48inch、板厚22mm的钢管共同为：波形形状的波长越小，压曲时应变越大，并且当为某种程度的较小的波形形状的波长时，示出一定值以上的压曲时应变。另外，压曲时应变伴随着波形形状的波长增加而以某个阈值描绘S字的方式减少。这显示通过使波形形状的波长成为某个阈值以下而能够提供变形性能优越的钢管。

因此，在图3所示的分析结果中，对外径以及板厚不同的两种钢管进行了比较，并将其标准化。图4是表示分别通过压曲波长λ(λ表示铁木辛柯的压曲波长)以及波长为0时的压曲时应变来正规化图3所示的横轴以及纵轴而得的图表。如图4所示，对于外径20inch、板厚15.9mm的钢管以及外径48inch、板厚22mm的钢管而言，压曲时应变和波形形状的波长相对于压曲波长λ的比(波形形状的波长/压曲波长λ，以下记为压曲波长比)示出几乎相同的关系。

根据该关系，通过将压曲波长比设定为0.50以下的范围内，能够较高地维持压曲时应变。另外，若压曲波长比成为1.0左右，则压曲时应变与压曲波长比高于1.0的情况相等，与压曲波长比为0.5以下的钢管比较，降低至65％左右。

作为使波形形状的波长变短的方法，在扩管工序中，使冲模的按下位置在钢管的长度方向上重复的冲模的重复按压是有效的。因此，将外径24inch的钢管作为对象，对实施了冲模的重复按压的钢管与未实施冲模的重复按压的钢管的外径的波形形状进行了评价。此处，冲模的有效长度约为450mm，在扩管工序中制成了以450mm按压的钢管和以80mm较细地按压的钢管(针对每一个有效长度进行5、6次按压)。

其结果，确认了外径的波形形状取决于冲模的按压方法。具体而言，在扩管工序中以450mm按压的钢管具有430-450mm左右的波长的波形形状，相对于此，在扩管工序中以80mm按压的钢管具有60-70mm左右的波长的波形形状。另一方面，确认了冲模的按压方法也影响波形形状的振幅，越细地按压冲模，波形形状的振幅也越小。

因此，本发明的发明人们对波形形状的波长与振幅的关系进行了评价。图5是表示波长与振幅比的关系的图。如图5所示，波形形状的波长与振幅成比例关系。因此，可以说通过使冲模较小而较细地按压能够提高钢管的变形性能。因此，本发明的发明人们，将振幅a相对于波形形状的波长w的比a/w考虑为新的设计因素，对该设计因素a/w的值给予变形性能的影响进行了评价。

图6是表示针对每个设计因素a/w的值的压曲波长比与压曲时弯曲角度的关系的图。如图6所示，确认了针对每个设计因素a/w的值，达到压曲时弯曲角度的最大值(本例中20deg.附近)的压曲波长比不同，压曲时弯曲角度与设计因素a/w的值变小对应地变大。另外，本发明的发明人们，对专利文献1记载的技术中的压曲波长比与压曲时弯曲角度的关系进行了评价。其结果，确认了如图6特征线L11所示那样，专利文献1记载的技术中的压曲时弯曲角度小于设计因素a/w的值为0.038％时的特征线L3所表示的压曲时弯曲角度。

这意味着：通过使设计因素a/w的值为0.038％以下、更优选使设计因素a/w的值为0.038％以下并且使压曲波长比大于0.8，能够使为了实现专利文献1记载的压曲时弯曲角度所需要的压曲波长比即扩管工序的冲模的进给量较大。根据以上内容，通过调整波形形状的波长以及振幅而使设计因素a/w的值为0.038％以下，能够减少扩管工序所需要的劳力以及时间并提高变形性能。

此外，若使图6所示的各特征线一般化，则压曲时弯曲角度与压曲波长比X的关系如以下所示的式(1)那样表示。此处，如图7所示，式(1)中的参数D1、D2分别是表示压曲时弯曲角度的最大值以及最小值的参数，参数α是表示压曲时弯曲角度的值为(D1+D2)/2的点P的压曲波长比的参数，参数β是表示压曲时弯曲角度的值从最大值减少至最小值时的倾斜的程度(斜率)的参数。参数D1、D2、α、β的值均取决于钢管的外径以及板厚。变形性能较高的钢管的条件为：参数D1的值较大，且UOE钢管中特征性的波形形状的压曲波长比(w/λ)较小。在波形形状的波长未被控制而足够长的情况下，可认为变形性能减少至参数D2。为了通过制造时的波形形状的波长的控制而接近钢管最大发挥的变形性能D1，需要使参数α的值较小。假设压曲波长比(w/λ)与参数α的值相同，则其变形性能成为参数D1与参数D2的中间的值。另外，在欲即使从成为最低值的参数D2以上升值(D1－D2)的10％而提高变形性能的情况下，从式(1)选择tanh((－X+α)/β)的值成为－0.4的值的部位的(－X+α)/β＝1.1即可。认为钢管所谋求的变形性能影响其压曲、破坏现象，并由于给予公共的安全、环境的保存的影响而发生变化。另外，使压曲波长比(w/λ)较小即将钢管的波形形状的波长控制为较细小是由于一般扩管工序较长，所以认为生产上不利。为了实现通过使用本式而求出的变形性能，能够控制制造方法，能够给予所需充分的变形性能而供给具有成本优势的钢管制品。

[式2]

压曲时弯曲角度＝(D1+D2)/2+(D1-D2)/2*tanh((-X+α)/β…(1)

因此，针对每个钢管的外径以及板厚，通过预先实验、或者分析预先求出参数D1、D2、α、β的值，并读出与所制造的钢管的外径以及板厚对应的参数D1、D2、α、β的值，通过使用读出的值构建式(1)来对压曲时弯曲角度与压曲波长比X的关系进行评价，基于评价结果来决定制造的钢管的波形形状的波长以及振幅，由此能够设计出能够减少扩管工序所需要的劳力以及时间并提高变形性能的钢管。另外，根据决定出的压曲波长比来执行扩管工序，由此能够制造减少扩管工序所需要的劳力以及时间并提高变形性能的钢管。此外，本发明的钢管能够应用于管道、钢管桩、钢管板桩、水闸铁管等钢管构造物。

以上，虽然对应用了由本发明人完成的发明的实施方式进行了说明，但是不利用构成基于本实施方式的本发明的公开内容的一部分的记述及附图来限定本发明。即，由本领域技术人员基于本实施方式而完成的其它实施方式、实施例以及应用技术等全部包含在本发明的范畴内。

工业上的利用可能性

根据本发明，可提供能够减少扩管工序所需要的劳力以及时间并提高变形性能的钢管、钢管构造物、钢管的制造方法以及钢管的设计方法。

附图标记的说明

P...钢管。

Claims (5)

1.一种钢管，通过扩管工序而在所述钢管的外径形成波形形状，

所述钢管的特征在于，

在将所述波形形状的振幅以及波长分别设为a、w时，a/w的值处于0.038％以下的范围内。

2.根据权利要求1所述的钢管，其特征在于，

所述波形形状的波长w相对于铁木辛柯的压曲波长λ的比w/λ的值大于0.8。

3.一种钢管构造物，其特征在于，

使用权利要求1或2所述的钢管形成。

4.一种钢管的制造方法，通过扩管工序而在所述钢管的外径形成波形形状，

所述钢管的制造方法的特征在于，

在所述扩管工序中，包括以在将所述波形形状的振幅以及波长分别设为a、w时a/w的值处于0.038％以下的范围内的方式形成所述波形形状的步骤。

5.一种钢管的设计方法，通过扩管工序而在所述钢管的外径形成波形形状，

所述钢管的设计方法的特征在于，

包括如下步骤：使用下述式(1)对所制造的钢管中的所述波形形状的波长w相对于铁木辛柯的压曲波长λ的比w/λ与压曲时弯曲角度的关系进行评价，并基于评价结果来决定波形形状的波长w以及振幅a，

[式1]

压曲时弯曲角度＝(D1+D2)/2+(D1-D2)/2*tanh((-X+α)/β)…(1)

其中，式(1)中的参数D1、D2、α、β为通过所制造的钢管的外径以及板厚来决定的值。