JP2001058279A - 拡管に適した炭素鋼管接合体の製造方法および拡管方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 拡管にともなう接合部の割れ等欠陥の発生
を防止でき、拡管後の機械的性質の優れた炭素鋼管接合
体の製造方法および炭素鋼管接合体の拡管方法を提供す
ること。 【解決手段】炭素鋼管３０、３０どうしを、インサート
材として融点１２００℃未満で厚さ８０μｍ以下のＮｉ
基合金またはＦｅ基合金を用い、該炭素鋼管接合面の面
粗さＲｍａｘ．２０μｍ以下、接合温度１２５０℃以上
１３３０℃以下、接合温度における保持時間３０秒以
上、加圧力２ＭＰａ以上４ＭＰａ以下なる条件で、非酸
化性雰囲気中で接合し、接合部の最大段差が該炭素鋼管
の厚さの２５％以下で、かつ、２５％以下の拡管率で拡
管する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭素鋼管の接合に
関し、更に詳しくは、油井、ガス井で用いられるケーシ
ングチューブ、プロダクションチューブ、コイルドチュ
ーブ等の油井管、あるいは、化学工業、石油化学工業等
で用いられるプラント用配管、ラインパイプの接合、お
よび、それら炭素鋼管接合体の内径を拡大する方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、油井、ガス井で用いられるケ
ーシングチューブ、プロダクションチューブ等の油井管
は、一定長さ（１０ｍ〜１５ｍ程度）の炭素鋼管を多数
接合して使用されている。

【０００３】例えば、油井、ガス井を掘削するに際して
は、地中に掘削された坑道の保護や原油、ガスの漏洩防
止等のため、坑道の中にケーシングチューブと呼ばれる
鋼管が埋設される。油田、ガス田は、通常、地下あるい
は海底下数千ｍの位置にあるので、ケーシングチューブ
も数千ｍの長さを有するものが必要とされる。また、油
井、ガス井から汲み上げられた原油、ガス等は、分離装
置を介して、貯槽あるいは精油設備に輸送されるが、そ
の場合、全長数ｋｍに及ぶフローライン、パイプライン
等が用いられる。

【０００４】このような用途に用いられる炭素鋼管の接
合方法としては、ねじ締結法（メカニカルカップリング
法）、溶接法（オービタル・ウェルディング法）、摩擦
圧接法、拡散接合法などが知られている。

【０００５】ねじ締結法は、炭素鋼管の端部に形成され
たねじを螺合させることにより、炭素鋼管どうしを接続
する方法である。ねじ締結法は、一継手当たりの接続時
間が５分〜１０分程度と短く、作業能率が高いという利
点があるが、締結部から油やガスが漏洩し易いという欠
点がある。そのため、炭素鋼管に形成されるねじには高
精度が要求され、しかも、ねじの螺合作業には高度の熟
練が要求される。また、高精度に加工されたねじ部の損
傷をさけるため、その輸送、取り扱いには細心の注意が
要求される。さらに、引張応力が作用する場合には締結
部の気密性は確保できるものの、圧縮応力が作用する場
合には、ねじ締結部は半径方向に拡大し、油やガスの漏
洩を助長するという欠点がある。

【０００６】一方、溶接法は、炭素鋼管の端面に開先を
設けて突き合わせ、開先内を溶接金属で充填することに
より、炭素鋼管どうしを接続する方法である。溶接法
は、溶接部に融合不良や気孔等の欠陥がない限り、溶接
部から油やガスが漏洩することはなく、また、健全な溶
接部は引張応力のみならず圧縮応力に対しても母材と同
等の特性が得られるという利点がある。しかしながら、
溶接法は、その能率に限界があり、特に、大径厚肉管の
場合には、多層溶接を行う必要があるので、一継手当た
りの作業時間が１時間〜２時間を要してしまう。さら
に、現地での溶接施工においては、天候、風等、環境の
影響を受けるばかりでなく、熟練した溶接技能を要する
という欠点がある。

【０００７】摩擦圧接法は、圧力を加えつつ、突き合わ
せた炭素鋼管どうしを相対的に回転、あるいは、摺動さ
せ、発生した摩擦熱により軟化した炭素鋼管端部を圧接
する方法である。他の接合法に比べて、熟練を必要とし
ない、短時間で接合できる、作業環境の影響をほとんど
受けない等の利点はあるものの、炭素鋼管圧接部内外表
面のバリ発生が避けられず、その除去、特に、内面に発
生したバリ、に多大の時間を要するという欠点がある。
その欠点を解決する方法として、一対の炭素鋼管端面ど
うしの間に楔状断面を有するリングを介挿し、一対の炭
素鋼管は固定したままで、そのリングを回転させながら
炭素鋼管の中心方向に押し込むことにより圧接を行うラ
ジアル摩擦圧接法が開発されているが、圧接継手の特性
は、必ずしも十分ではなく、油井管等の接合に適用され
た例は報告されていない。

【０００８】拡散接合法は、適正な条件で接合されれ
ば、接合部から油やガスが漏洩することはなく、圧縮応
力に対する抵抗は、上述の溶接法と同様手あるが、一継
手当たりの接合時間は、溶接法の１／３〜１／２程度と
短く、高品質の継手を高能率に製造することができると
いう利点がある。そのため、拡散接合法は、油井管やラ
インパイプ等の接合方法として特に優れている。

【０００９】一方、石油、ガス生産コストの大幅な低減
を目的として、従来よりも小径の坑道を掘削し、そこに
挿入した長さ数百ｍのケーシングチューブを現地で拡管
する方法が開発されている。（Ｗｏｒｌｄ Ｏｉｌ：
Ｐ．３１，Ａｐｒｉｌ，１９９９）

【００１０】これは、長さ数百ｍに及ぶケーシングチュ
ーブ内に挿入したチューブ外径よりも大きい外径を有す
る工具を水圧等を用いてチューブ内を移動させ、チュー
ブ内径を連続的に拡大する方法であり、坑道の小径化に
よる掘削コストの低減、坑道とケーシングチューブの間
隔を狭隘化することによるセメンティングコストの低
減、使用するケーシングチューブの削減等により、大幅
な石油、ガスの生産コスト低減が期待されている。

【００１１】しかし、前述したように、長さ数百ｍに及
ぶケーシングチューブを一本の炭素鋼管で製造すること
は不可能であり、一定長さの炭素鋼管を多数接続した炭
素鋼管接合体の拡管を行うことになる。その炭素鋼管接
合体の接続方法としては、前述したねじ締結法（メカニ
カルカップリング法）、溶接法（オービタルウェルディ
ング法）、摩擦圧接法、および、拡散接合法が用いられ
る。これら炭素鋼管接合体の接続部も炭素鋼管母材と同
様に拡管されるので、接続部には炭素鋼管母材と同等の
拡管性能が要求される。

【００１２】ねじ締結法を用いて接続された炭素鋼管接
合体を拡管する場合、接続部が変形することにより緊締
したねじに緩みが生じ、石油、ガス等が漏洩し易いとい
う欠点があるので、高精度な特殊形状のねじを適用して
いるが、必ずしも十分な特性が得られていない。また、
そのような特殊なねじの加工には多大のコストを要す
る、ねじ部の損傷を避けるため、その輸送あるいは取り
扱いには細心の注意を要するという欠点があるため、そ
の適用範囲が制約されている。

【００１３】溶接法により接合された炭素鋼管接合体
は、溶接部に融合不良や気孔等の欠陥がなければ、溶接
部の機械的性質は母材同等となる。しかし、一般的に
は、溶接部の機械的性質を確保するため、炭素鋼管溶接
部の外側表面には余盛と呼ばれる凸部が、炭素鋼管溶接
部の内側表面には裏波ビードと呼ばれる凸部が形成され
ているので、溶接法により接合された炭素鋼管接合体を
拡管工具を用いて拡管する場合、少なくとも、拡管工具
通過の妨げとなる炭素鋼管溶接部内側の裏波ビードを除
去する必要がある。しかし、油井、ガス井の掘削現場で
炭素鋼管溶接部内側の裏波ビードを除去することは多大
のコストを要するばかりでなく、非常に困難である。さ
らに、拡管工程における溶接部の割れ等の欠陥発生防止
の観点からは、応力集中源となる炭素鋼管溶接部外側表
面の溶接ビード端部を滑らかに加工する、あるいは、炭
素鋼管溶接部外側表面の余盛を削除する必要があるが、
それら加工にも多大のコストを要するという欠点があ
る。

【００１４】摩擦圧接法を用いて圧接された炭素鋼管接
合体は、圧接部内外表面にバリが発生するので、摩擦圧
接法により圧接された炭素鋼管接合体を拡管工具を用い
て拡管する場合、少なくとも、拡管工具通過の妨げとな
る炭素鋼管圧接部内側のバリを除去する必要がある。し
かし、油井、ガス井の掘削現場で炭素鋼管圧接部内側の
バリを除去することは多大のコストを要するばかりでな
く、非常に困難である。さらに、拡管工程における圧接
部の割れ等の欠陥発生防止の観点からは、応力集中源と
なる炭素鋼管圧接部外側表面のバリを滑らかに加工す
る、あるいは、炭素鋼管圧接部外側表面のバリを削除す
る必要があるが、それら加工にも多大のコストを要する
という欠点がある。

【００１５】一方、拡散接合法を用いて接合された炭素
鋼管接合体は、溶接法を用いた場合のような炭素鋼管溶
接部外表面の余盛および内表面の裏波ビード、あるい
は、摩擦圧接法を用いた場合のような炭素鋼管圧接部内
外側表面のバリが発生することはない。したがって、拡
散接合法により接合された炭素鋼管接合体を拡管工具を
用いて拡管する場合、溶接法あるいは摩擦圧接法を用い
た場合のように、拡管工具通過の妨げとなる炭素鋼管接
合部内側の凸部を除去する必要はない。さらに、拡管工
程における接合部における割れ等の欠陥発生防止を目的
として、応力集中源となる炭素鋼管接合部外側表面の凸
部を滑らかに加工する、あるいは、炭素鋼管接合部外側
表面の凸部を削除する必要もないので、極めて能率的に
拡管作業を実施できるという利点がある。

【００１６】一般的に、拡散接合法を用いて炭素鋼管接
合体を製造する場合、予め接合のままの状態の炭素鋼管
接合継手の引張強さ、疲労強度等の特性に及ぼす接合温
度、接合温度における保持時間、接合面への加圧力等接
合条件の影響を調べ、要求特性を満たす接合条件範囲を
求め、その条件範囲内で炭素鋼管接合体の製造を行う。

【００１７】しかし、炭素鋼管接合体の内径よりも大き
な外径を有する工具を接合体内部に挿入して炭素鋼管接
合体を拡管する場合、接合のままの状態の炭素鋼管接合
継手の特性に及ぼす接合条件の影響調査結果から得られ
た接合条件範囲内で接合された炭素鋼管接合体では、拡
管中に接合部に割れ等の欠陥が発生する危険性のみなら
ず、拡管後の炭素鋼管接合体の特性が不十分となる危険
性がある。

【００１８】特に、拡管中に、深さ数百ｍの坑道中に挿
入された長さ数百ｍの炭素鋼管接合体の接合部に割れが
発生すると、発生した割れから加圧用液体が漏洩するこ
とにより、拡管工具を推進させる圧力が低下して、割れ
が発生した部位より先に拡管用工具が進行しなくなり、
拡管作業の継続が不可能となる。この場合、その復旧は
非常に困難で、最悪の場合には、油井、ガス井を放棄す
ることとなり、その損失は膨大となる。

【００１９】さらに、拡管中に、深さ数百ｍの坑道中に
挿入された長さ数百ｍの炭素鋼管接合体の接合部に割れ
が発生し、割れが発生した部位より先の炭素鋼管接合体
が脱落してしまうと、拡管作業の継続が不可能となるば
かりでなく、その衝撃により坑道が崩落したり、坑道と
拡管された炭素鋼管接合体の隙間から加圧用液体が噴出
して極めて危険である。この場合、その復旧は非常に困
難で、最悪の場合には、油井、ガス井を放棄することと
なり、その損失は膨大となる

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、適正
な接合条件範囲で炭素鋼管を接合することにより、炭素
鋼管接合体の内径よりも大きな外径を有する工具を接合
体内部に挿入して炭素鋼管接合体を拡管する加工方法に
適した炭素鋼管接合体の製造方法を提供することにあ
る。さらにもう一つの目的は、拡管中に接合部に割れ等
の欠陥が発生する危険性の少ない炭素鋼管接合体の拡管
方法を提供することである。

【００２１】

【課題を解決しようとする手段】上記課題を解決する本
発明の炭素鋼管接合体の製造方法は、図１に示すよう
に、炭素鋼管（３０，３０）を突き合わせ、該炭素鋼管
母材の融点（Ｔｂ）よりも低い融点（Ｔｉ）を有するイ
ンサート材（３１）を該炭素鋼管接合面間に挿入し、少
なくとも接合部近傍をＴｉ＜Ｔ＜Ｔｂなる温度（Ｔ）に
加熱し、両炭素鋼管（３０，３０）を加圧保持して拡散
接合する炭素鋼管接合体の製造方法において、インサー
ト材（３１）として融点１２００℃未満で厚さ８０μｍ
以下のＮｉ基合金またはＦｅ基合金を用い、該炭素鋼管
接合面の面粗さＲｍａｘ．２０μｍ以下、接合温度１２
５０℃以上１３３０℃以下、接合温度における保持時間
３０秒以上、加圧力２ＭＰａ以上４ＭＰａ以下なる条件
で、非酸化性雰囲気中で接合することを特徴とする。

【００２２】さらに、本発明の炭素鋼管接合体の拡管方
法は、図２に示すように、炭素鋼管を複数接合して構成
される接合体（３２）の内部に挿入した工具（３３）を
用いて該炭素鋼管接合体（３２）を拡管する方法におい
て、接合部の最大段差が炭素鋼管の厚さの２５％以下の
炭素鋼管接合体（３２）を用い、該炭素鋼管接合体内径
の拡大率（（拡大後の炭素鋼管内径（ｄ１）−拡大前の
炭素鋼管内径（ｄ０））／拡大前の炭素鋼管内径（ｄ
０）×１００％）を２５％以下にすることを特徴とす
る。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発
明の第一の実施の形態に係わる炭素鋼管接合体の製造方
法を示す工程である。図１において、本発明に係わる炭
素鋼管接合体の製造方法は、炭素鋼管の接合工程を備え
ている。

【００２４】炭素鋼管の接合工程について説明する。接
合工程は、図１（ａ）に示すよう、端面が所定の表面粗
さに加工された炭素鋼管３０，３０を突き合わせ、それ
ら端面の間に炭素鋼管３０よりも低い融点を有するイン
サート材３１を介挿し、炭素鋼管３０、３０どうしを液
相拡散接合させる工程である。

【００２５】図１（ｂ）に、炭素鋼管３０、３０の接合
面の間にインサート材３１を介挿して炭素鋼管３０、３
０を液相拡散接合する一例を示す。端面を所定の表面粗
さに加工された炭素鋼管３０，３０を把持装置４０，４
０を用いて把持し、炭素鋼管３０，３０の端面の間にイ
ンサート材３１を介挿してから、炭素鋼管３０，３０の
端面に所定の加圧力を負荷する。

【００２６】次に、炭素鋼管３０，３０の突き合わせ部
を非酸化性雰囲気４２として、高周波誘導加熱コイル４
１を用いて、インサート材３１の融点よりも高く、か
つ、炭素鋼管３０の融点よりも低い温度に加熱し、その
温度で所定の時間保持することにり、インサート材に含
有されている元素を炭素鋼管３０，３０中に拡散させて
強固に接合された炭素鋼管接合体３２を能率的に得る。

【００２７】上記方法で製造された炭素鋼管接合体３２
は、後述するように、炭素鋼管接合体３２の内径よりも
大きい外径を有する工具を用いて、その内径を拡大（拡
管）するという加工に供される。したがって、炭素鋼管
接合体３２の接合部には拡管に耐える特性が要求される
ので、炭素鋼管３０，３０の接合は適正な条件範囲で行
う必要がある。具体的には、以下の条件で行うよい。

【００２８】まず、使用するインサート材３１は、融点
が１２００℃より低いＮｉ系合金またはＦｅ系合金が好
適である。インサート材３１の融点が１２００℃以上に
なると、高い接合温度が必要となるので、接合中に炭素
鋼管３０母材を溶融させたり、あるいは、接合部が過大
に変形する原因となり、拡管工程における接合部の割れ
発生を招来する。また、インサート材３１の未溶融に起
因する未接合部が発生し易くなるので好ましくない。

【００２９】また、使用するインサート材３１の厚さは
８０μｍ以下が好ましい。インサート材３１の厚さが８
０μｍを超えると、接合界面における元素の拡散が十分
に行われず、接合強度が低下し、拡管工程における接合
部の割れ発生を招来するので好ましくない。

【００３０】なお、インサート材３１の形態は、特に限
定されるものではなく、厚さは８０μｍ以下の箔状のイ
ンサート材３１を接合界面に介挿してもよく、あるい
は、厚さが８０μｍ以下となるように、粉末状もしくは
鱗片状のインサート材３１を接合界面に散布したり、ペ
ースト状にして接合界面に塗布してもよい。

【００３１】接合面の表面粗さＲｍａｘは、２０μｍ以
下が好ましい。接合面の表面粗さＲｍａｘが２０μｍを
超えると、接合面において炭素鋼管３０どうしが十分密
着せず、十分な接合部の強度および延性が得られず、拡
管工程における接合部の割れ発生を招来するので好まし
くない。十分な接合部の機械的性質を得るという点で
は、表面粗さＲｍａｘは小さい程好ましい。

【００３２】接合温度は、１２５０℃以上１３３０℃以
下の範囲が゛好適である。接合温度が１２５０℃未満に
なると、インサート材３１が部分的に溶融しなかった
り、あるいは、元素の拡散が十分に行われず、接合部の
強度および延性が低下して拡管工程における接合部の割
れ発生を招来するので好ましくない。また、接合温度が
１３３０℃を超えると、接合部が過大に変形したり、場
合によっては接合部が溶融して、拡管工程における接合
部の割れ発生を招来するので好ましくない。

【００３３】接合温度における保持時間は、３０秒以上
が好適である。保持時間が３０秒未満では、接合界面に
おける元素の拡散が不十分となり、接合部の強度および
延性が低下して拡管工程における接合部の割れ発生を招
来するので好ましくない。また、保持時間の上限はない
ものの、不必要に長時間にわたり保持することは経済的
ではないので、保持時間は３００秒程度以下とするのが
好ましい。

【００３４】さらに、接合面の付与する加圧力は、２Ｍ
Ｐａ以上４ＭＰａ以下が好適である。加圧力が２ＭＰａ
未満であると、接合面の密着が不十分となり、接後部の
強度および延性が低下して拡管工程における接合部の割
れ発生を招来するので好ましくない。また、加圧力が４
ＭＰａを超えると、接合部が過大に変形し、接後部の強
度および延性が低下して拡管工程における接合部の割れ
発生を招来するので好ましくない。

【００３５】接合雰囲気は、非酸化性雰囲気が好まし
い。酸化性雰囲気下で接合を行うと、接合面界面近傍、
および、インサート材が酸化し、接後部の強度および延
性が低下して拡管工程における接合部の割れ発生を招来
するので好ましくない。

【００３６】また、接合を行う際の加熱方法としては、
高周波誘導加熱、高周波直接通電加熱、抵抗加熱等の各
種方法を用いることができる。とりわけ高周波誘導加熱
および高周波直接通電加熱は、比較的大きな被接合炭素
鋼管であっても容易に加熱でき、加熱効率が高く、極め
て短時間に接合温度まで加熱できるので、加熱方法とし
て特に好適である。

【００３７】ただし、高周波誘導加熱または高周波直接
通電加熱に用いる高周波電流としては、周波数が１００
ｋＨｚ以下のものを用いるのが好ましい。周波数が１０
０ｋＨｚを超えると、表皮効果により表面のみが加熱さ
れ、接合面全面が均一に加熱されなくなるので好ましく
ない。

【００３８】次に、このようにして得られた拡管用炭素
鋼管接合体の拡管工程について説明する。拡管工程は、
上述した接合工程において製造された炭素鋼管接合体３
２の拡管を行い、炭素鋼管接合体３２の内径を一様の大
きさにする工程である。

【００３９】具体的には、図２（ａ）に示すように、非
接合部の内径ｄ０である炭素鋼管接合体３２の一端から
マンドレル３３を挿入し後方から水圧をかけることによ
り、図２（ｂ）に示すように、炭素鋼管接合体３２の他
端に向かってマンドレル３３を移動させ、炭素鋼管接合
体３２の内径をｄ１まで拡大させればよい。本発明にお
いては、拡管前の非接合部の内径の最小値に対する拡管
後の内径の増分を拡管率と呼び、次式で定義する。

【００４０】 拡管率（％）＝（ｄ１−ｄ０）×１００／ｄ０ ただし、ｄ１；拡管後の非接合部の内径 ｄ０；拡管前の非接合部の内径

【００４１】炭素鋼管そのものの拡管率は、拡管される
炭素鋼管の寸法・形状、炭素鋼管の機械的性質、炭素鋼
管内側の表面状態、および、拡管に用いるマンドレルの
寸法・形状、表面状態、潤滑方法、拡管速度等により異
なるものの、最大２５％〜３０％程度である。

【００４２】一般的に、工業製品として製造されている
炭素鋼管には、その外径および厚さに対してそれぞれの
許容差が定められている。例えば、日本工業規格の圧力
配管用炭素鋼鋼管（ＪＩＳ Ｇ３４５４）の熱間仕上継
目無鋼管の呼び径５Ｂ（スケジュール４０）の炭素鋼管
では、外径（１３９．８ｍｍ）に対して±１％（１．４
０ｍｍ）、厚さ（６．６ｍｍ）に対して＋１５％（０．
９９ｍｍ），−１２．５％（０．８３ｍｍ）の許容差が
規定されている。

【００４３】したがって、このような寸法許容範囲内に
ある炭素鋼管３０どうしを接合した炭素鋼管接合体３２
の接合部には、接合工程における接合面どうしの位置合
わせの精度とあいまって、段差と呼ばれる形状的不連続
部が不回避的に発生する。

【００４４】炭素鋼管接合体３２の拡管工程において、
接合部を拡管工具が通過する場合、このような形状的不
連続部が応力集中源となり、炭素鋼管接合体３２の接合
部に割れが発生することがある。接合部に発生した割れ
は、拡管した炭素鋼管接合体３２の機械的性質を劣化さ
せるばかりでなく、使用環境によっては、接合部に発生
した割れを起点として疲労亀裂が伸展したり、腐食が進
行して、拡管した炭素鋼管接合体３２接合部の板厚を貫
通することにより、原油、ガス等が漏洩することがあ
る。

【００４５】さらに、油圧、水圧等の液圧を用いてマン
ドレル３３を移動させて炭素鋼管接合体３２を拡管する
場合、炭素鋼管接合体３２の接合部に発生した割れを起
点として、液圧により接合部が破裂することがあり、マ
ンドレル３３がその位置で停止してしまい、それ以降の
拡管を行うことが不可能となることがある。また、深さ
数百ｍの坑道中に挿入された長さ数百ｍの炭素鋼管接合
体３２の接合部に割れが発生し、割れが発生した部位よ
り先の炭素鋼管接合体が脱落してしまうと、拡管作業の
継続が不可能となるばかりでなく、その衝撃により坑道
が崩落したり、坑道と拡管された炭素鋼管接合体３２の
隙間から加圧用液体が噴出して極めて危険である。この
場合、その復旧は非常に困難で、最悪の場合には、油
井、ガス井を放棄することとなり、その損失は膨大とな
る。

【００４６】これらの壊滅的な損傷の原因となる炭素鋼
管接合体３２の接合部の割れ発生を抑制するためには、
炭素鋼管接合体３２の接合部における内外周両面の段差
の最大値を、接合される炭素鋼管３０の規格値厚さの２
５％以下にすることが好適である。以下、炭素鋼管３０
の規格厚さに対する炭素鋼管接合体３２の接合部におけ
る内外周両面の段差の最大値の比率（％）を、最大段差
と云う。この最大段差が接合される炭素鋼管３０の規格
値厚さの２５％を超えると、炭素鋼管接合体３２の接合
部に割れが発生し易くなるので好ましくない。

【００４７】また、炭素鋼管３０の拡管率は最大２５％
〜３０％程度であるが、炭素鋼管接合体３２の接合部に
発生する段差を皆無とすることは不可能なので、炭素鋼
管接合体３２の拡管率は２５％以下とすることが好まし
い。炭素鋼管接合体３２の拡管率が２５％を超えると、
炭素鋼管接合体３２の接合部に割れが発生し易くなるの
で好ましくない。

【００４８】

【発明の作用】以下に本発明の作用について説明する。
炭素鋼管接合体の内径よりも大きな外径を有する工具を
炭素鋼管接合体内部に挿入して炭素鋼管接合体を拡管す
る加工方法において、炭素鋼管どうしを適正な条件範囲
で接合し、接合部の最大段差が２５％以下である炭素鋼
管接合体を、２５％以下の拡管率で拡管することによ
り、拡管工程において、炭素鋼管接合体の接合部に割れ
等の欠陥が発生することなく、良好な特性の拡管された
炭素鋼管接合体を得ることができる。

【００４９】ここで、拡管に適した炭素鋼管の適正な接
合条件としては、インサート材として融点＜１２００℃
で、厚さ≦８０μｍのＮｉ基合金またはＦｅ基合金を用
い、炭素鋼管接合面の面粗さ≦Ｒｍａｘ．２０μｍ、１
２５０℃≦接合温度≦１３３０℃、３０ｓ≦接合温度に
おける保持時間、２ＭＰａ≦加圧力≦４ＭＰａなる条件
で、非酸化性雰囲気中で接合することである。

【００５０】このような条件範囲で炭素鋼管どうしを接
合することにより製造された炭素鋼管接合体は、接合部
における最大段差が２５％以下で、拡管率２５％以下の
拡管において、拡管中に炭素鋼管接合体の接合部に割れ
等の欠陥が発生することはなく、特性の優れた拡管され
た炭素鋼管接合体を得ることができる。

【００５１】〔実施例１〕以下の手順により、炭素鋼管
接合体を製造した。炭素鋼管として、日本工業規格の高
圧配管用炭素鋼鋼管（ＪＩＳ Ｇ３４５５，ＳＴＳ４１
０）の外径１３９．８ｍｍ、厚さ６．６ｍｍの鋼管を用
い、端面を表面粗さＲｍａｘ．１２μｍとなるように加
工し、炭素鋼管の接合界面にインサート材としてニッケ
ルろうＢＮｉ−３（ＪＩＳ Ｚ３２６５）相当の組成を
有する融点１０５０℃、厚さ５０μｍのＮｉ系合金箔を
介挿し、炭素鋼管どうしを最大段差５％で液相拡散接合
した。

【００５２】なお、接合部の加熱方法には、周波数３ｋ
Ｈｚの高周波電流を用いた高周波誘導加熱法を用いた。
また、接合条件は、接合温度１３００℃、保持時間６０
秒、加圧力３ＭＰａとし、Ａｒ雰囲気中で接合を行っ
た。さらに、得られた炭素鋼管接合体を、拡管率が２０
％となるようにマンドレルを用いて拡管した。

【００５３】〔実施例２〜３、比較例１〜２〕インサー
ト材として、銅ろう箔ＢＣｕ−１（ＪＩＳ Ｚ３２６
２：融点１０８０℃、比較例１）、Ｎｉ基合金箔（Ｎｉ
−１．５％Ｂ、融点１２５０℃、比較例２）、Ｆｅ合金
箔（Ｆｅ−３％Ｓｉ−３％Ｂ、融点１１９０℃、実施例
２）、ニッケルろう箔ＢＮｉ−５（ＪＩＳ Ｚ３２６
５：融点１１４０℃、実施例３）とした以外は、実施例
１と同様の条件で、炭素鋼管接合体の製造および拡管を
行った。

【００５４】〔実施例４〕インサート材としてニッケル
ろうＢＮｉ−３（ＪＩＳ Ｚ３２６５）相当の組成を有
する融点１０５０℃、厚さ８０μｍのＮｉ基合金箔を介
挿し、他の条件は実施例１と同様として炭素鋼管接合体
の製造および拡管を行った。

【００５５】〔実施例５〜６〕実施例５では、インサー
ト材としてニッケルろうＢＮｉ−３（ＪＩＳ Ｚ３２６
５）相当の組成を有する融点１０５０℃のＮｉ基合金粉
末を、厚さ５０μｍとなるように介挿し、実施例６で
は、実施例５と同一組成の鱗片状ニッケルろうを、厚さ
５０μｍとなるように介挿した以外は、実施例１と同様
の条件で炭素鋼管接合体の製造および拡管を行った。

【００５６】〔比較例３〕比較例３では、インサート材
としてニッケルろうＢＮｉ−３（ＪＩＳ Ｚ３２６５）
相当の組成を有する融点１０５０℃、厚さ１００μｍの
Ｎｉ基合金箔を介挿した以外は、実施例１と同様の条件
で炭素鋼管接合体の製造および拡管を実施した。

【００５７】実施例１〜６、および比較例１〜３で得ら
れた炭素鋼管接合体について、接合後に接合部の内外周
両面に発生した段差の最大値（以下「最大段差」とい
う）を測定した。また、拡管後の接合部表面について浸
透探傷試験を行い、割れの有無を調べた。さらに、拡管
した炭素鋼管接合体をアムスラー式万能試験機（２００
Ｔｏｎｆ）を用いて引張試験を実施した。結果を表１お
よび表２に示す。

【００５８】

【表１】

【００５９】

【表２】

【００６０】インサート材として融点１０８０℃、厚さ
５０μｍの銅ろう箔を用いた比較例１では、拡管後の浸
透探傷試験において、接合部の内外表面に開口した割れ
が観察された。また、拡管した炭素鋼管接合体の引張強
度は、３９４ＭＰａであり、接合界面で破断した。これ
は、銅ろう箔をインサート材として用いた場合、その融
点が１２００℃以下であるにもかかわらず、接合界面の
機械的性質が十分ではなく、接合界面が拡管による変形
に耐えることができず、接合界面に割れが発生したこと
に起因して、拡管した炭素鋼管接合体の引張強度が低下
したと考えられる。

【００６１】インサート材として融点１２３０℃、厚さ
５０μｍのＮｉ基合金箔を用いた比較例２では、拡管後
の浸透探傷試験において、接合部の内外表面に開口した
割れが観察された。また、拡管した炭素鋼管接合体の引
張強度は、４５７ＭＰａであり、接合界面で破断した。
これは、Ｎｉ基合金箔をインサート材として用いたもの
の、その融点が１２３０℃と高く、接合界面において、
溶融したインサート材中の元素の拡散が不十分で、良好
な接合部の機械的性質が得られず、拡管中に接合界面に
割れが発生したことに起因して、拡管した炭素鋼管接合
体の引張強度が低下したと考えられる。

【００６２】インサート材として融点１０５０℃、厚さ
５０μｍのＮｉ基合金箔を用いた実施例１では、拡管後
の浸透探傷試験において、接合部の内外表面に割れは観
察されなかった。また、拡管した炭素鋼管接合体の引張
強度は、５６２ＭＰａであり、接合界面以外の母材で破
断した。これは、インサート材として用いたＮｉ基合金
箔が完全に溶融し、含有される元素が十分拡散して、良
好な接合部の機械的性質が得られ、拡管中に接合界面に
割れ等の欠陥が発生しなかったことに起因して、拡管し
た炭素鋼管接合体の引張強度が炭素鋼管母材と同等とな
ったと考えられる。

【００６３】インサート材として融点１１９０℃、厚さ
５０μｍのＦｅ基合金箔を用いた実施例２では、拡管後
の浸透探傷試験において、接合部の内外表面に割れは観
察されなかった。また、拡管した炭素鋼管接合体の引張
強度は、５６１ＭＰａであり、接合界面以外の母材で破
断した。これは、インサート材として用いたＦｅ基合金
箔が完全に溶融し、含有される元素が十分拡散して、良
好な接合部の機械的性質が得られ、拡管中に接合界面に
割れ等の欠陥が発生しなかったことに起因して、拡管し
た炭素鋼管接合体の引張強度が炭素鋼管母材と同等とな
ったと考えられる。

【００６４】インサート材として融点１１４０℃、厚さ
５０μｍのＮｉ基合金箔を用いた実施例３では、拡管後
の浸透探傷試験において、接合部の内外表面に割れは観
察されなかった。また、拡管した炭素鋼管接合体の引張
強度は、５６３ＭＰａであり、接合界面以外の母材で破
断した。これは、インサート材として用いたＮｉ基合金
箔が完全に溶融し、含有される元素が十分拡散して、良
好な接合部の機械的性質が得られ、拡管中に接合界面に
割れ等の欠陥が発生しなかったことに起因して、拡管し
た炭素鋼管接合体の引張強度が炭素鋼管母材と同等とな
ったと考えられる。

【００６５】インサート材として融点１０５０℃、厚さ
８０μｍのＮｉ基合金箔を用いた実施例４では、拡管後
の浸透探傷試験において、接合部の内外表面に割れは観
察されなかった。また、拡管した炭素鋼管接合体の引張
強度は、５６１ＭＰａであり、接合界面以外の母材で破
断した。これは、インサート材として用いた厚さ８０μ
ｍのＮｉ基合金箔が完全に溶融し、含有される元素が十
分拡散して、良好な接合部の機械的性質が得られ、拡管
中に接合界面に割れ等の欠陥が発生しなかったことに起
因して、拡管した炭素鋼管接合体の引張強度が炭素鋼管
母材と同等となったと考えられる。

【００６６】インサート材として融点１０５０℃、厚さ
１００μｍのＮｉ基合金箔を用いた比較例３では、拡管
後の浸透探傷試験において、接合部の内外表面に開口し
た割れが観察された。また、拡管した炭素鋼管接合体の
引張強度は、４０９ＭＰａであり、接合界面で破断し
た。これは、インサート材として用いた厚さ１００μｍ
のＮｉ基合金箔は溶融したものの、含有される元素の拡
散は不十分で、良好な接合部の機械的性質が得られず、
拡管中に接合界面に割れが発生したことに起因して、拡
管した炭素鋼管接合体の引張強度が炭素鋼管が低下した
と考えられる。

【００６７】粉末状の融点１０５０℃のＮｉ基合金を、
厚さ５０μｍのインサート材として介挿した実施例５で
は、拡管後の浸透探傷試験において、接合部の内外表面
に割れは観察されなかった。また、拡管した炭素鋼管接
合体の引張強度は、５６２ＭＰａであり、接合界面以外
の母材で破断した。これは、インサート材として用いた
厚さ５０μｍのＮｉ基合金粉末が完全に溶融し、含有さ
れる元素が十分拡散して、良好な接合部の機械的性質が
得られ、拡管中に接合界面に割れ等の欠陥が発生しなか
ったことに起因して、拡管した炭素鋼管接合体の引張強
度が炭素鋼管母材と同等となったと考えられる。

【００６８】鱗片状の融点１０５０℃のＮｉ基合金を、
厚さ５０μｍのインサート材として介挿した実施例６で
は、拡管後の浸透探傷試験において、接合部の内外表面
に割れは観察されなかった。また、拡管した炭素鋼管接
合体の引張強度は、５５９ＭＰａであり、接合界面以外
の母材で破断した。これは、インサート材として用いた
厚さ５０μｍの鱗片状Ｎｉ基合金が完全に溶融し、含有
される元素が十分拡散して、良好な接合部の機械的性質
が得られ、拡管中に接合界面に割れ等の欠陥が発生しな
かったことに起因して、拡管した炭素鋼管接合体の引張
強度が炭素鋼管母材と同等となったと考えられる。

【００６９】以上の結果から、インサート材として、融
点が１２００℃より低く、厚さが８０μｍ以下のＮｉ基
合金またはＦｅ基合金を用いて接合した炭素鋼管接合体
は、拡管工程において割れ等の欠陥が発生することなく
拡管できることがわかった。また、拡管した炭素鋼管接
合体は、炭素鋼管母材と同等の機械的性質を有している
ことがわかった。

【００７０】〔実施例７〕以下の手順により、炭素鋼管
接合体を製造した。炭素鋼管として、日本工業規格の高
圧配管用炭素鋼鋼管（ＪＩＳ Ｇ３４５５，ＳＴＳ４１
０）の外径１３９．８ｍｍ、厚さ６．６ｍｍの鋼管を用
い、端面を表面粗さＲｍａｘ．２０μｍとなるように加
工し、炭素鋼管の接合界面にインサート材としてニッケ
ルろうＢＮｉ−３（ＪＩＳ Ｚ３２６５）相当の組成を
有する融点１０５０℃、厚さ５０μｍのＮｉ系合金箔を
介挿し、炭素鋼管どうしを最大段差５％で液相拡散接合
した。

【００７１】なお、接合部の加熱方法には、周波数３ｋ
Ｈｚの高周波電流を用いた高周波誘導加熱法を用いた。
また、接合条件は、接合温度１３００℃、保持時間６０
秒、加圧力３ＭＰａとし、Ａｒ雰囲気中で接合を行っ
た。さらに、得られた炭素鋼管接合体を、拡管率が２０
％となるようにマンドレルを用いて拡管した。

【００７２】〔比較例４〕端面を表面粗さＲｍａｘ．２
５μｍとなるように加工した炭素鋼管を用いた以外は、
実施例７と同様の条件で炭素鋼管接合体の製造および拡
管を行った。

【００７３】〔比較例５〕端面を表面粗さＲｍａｘ．５
０μｍとなるように加工した炭素鋼管を用いた以外は、
実施例７と同様の条件で炭素鋼管接合体の製造および拡
管を行った。

【００７４】実施例７、および比較例４〜５で得られた
炭素鋼管接合体について、接合後に接合部の内外周両面
に発生した最大段差を測定した。また、拡管後の接合部
表面について浸透探傷試験を行い、割れの有無を調べ
た。さらに、拡管した炭素鋼管接合体をアムスラー式万
能試験機（２００Ｔｏｎｆ）を用いて引張試験を実施し
た。結果を表３に示す。

【００７５】

【表３】

【００７６】接合面の表面粗さＲｍａｘ．２０μｍの炭
素鋼管を用いた実施例７では、拡管後の浸透探傷試験に
おいて、接合部の内外表面に割れは観察されなかった。
また、拡管した炭素鋼管接合体の引張強度は、５６０Ｍ
Ｐａであり、接合界面以外の母材で破断した。これは、
接合面の表面粗さＲｍａｘ．２０μｍの炭素鋼管を用い
た場合、溶融したインサート材が接合面全体に行き渡
り、かつ、接合界面において溶融したインサート材に含
有される元素が十分拡散したことにより、接合界面の機
械的性質が母材と同程度となり、拡管中に接合界面に割
れ等の欠陥が発生しなかったことに起因して、拡管した
炭素鋼管接合体の引張強度が炭素鋼管母材と同等になっ
たと考えられる。

【００７７】接合面の表面粗さＲｍａｘ．２５μｍの炭
素鋼管を用いた比較例４では、拡管後の浸透探傷試験に
おいて、接合部の内外表面に開口した割れが観察され
た。また、拡管した炭素鋼管接合体の引張強度は、５３
８ＭＰａであり、接合界面で破断した。これは、溶融し
たインサート材が接合面全体に行き渡らなかったことに
より、接合界面の機械的性質が不十分となり、拡管中に
接合界面に割れが発生したことに起因して、拡管した炭
素鋼管接合体の引張強度が炭素鋼管が低下したと考えら
れる。

【００７８】接合面の表面粗さＲｍａｘ．５０μｍの炭
素鋼管を用いた比較例５では、拡管後の浸透探傷試験に
おいて、接合部の内外表面に開口した割れが観察され
た。また、拡管した炭素鋼管接合体の引張強度は、比較
例４よりも低い３７２ＭＰａであり、接合界面で破断し
た。これは、溶融したインサート材が接合面の凹部の隅
々までは行き渡らなかったことにより、接合界面の機械
的性質が不十分となり、拡管中に接合界面に割れが発生
したことに起因して、拡管した炭素鋼管接合体の引張強
度が炭素鋼管が低下したと考えられる。

【００７９】以上の結果から、接合面の表面粗さＲｍａ
ｘ．２０μｍ以下の炭素鋼管を用いて接合した炭素鋼管
接合体は、拡管工程において割れ等の欠陥が発生するこ
となく拡管できることがわかった。また、拡管した炭素
鋼管接合体は、炭素鋼管母材と同等の機械的性質を有し
ていることがわかった。

【００８０】〔実施例８〕以下の手順により、炭素鋼管
接合体を製造した。炭素鋼管として、日本工業規格の高
圧配管用炭素鋼鋼管（ＪＩＳ Ｇ３４５５，ＳＴＳ４１
０）の外径１６５．２ｍｍ、厚さ７．１ｍｍの鋼管を用
い、端面を表面粗さＲｍａｘ．２０μｍとなるように加
工し、炭素鋼管の接合界面にインサート材としてニッケ
ルろうＢＮｉ−３（ＪＩＳ Ｚ３２６５）相当の組成を
有する融点１０５０℃、厚さ５０μｍのＮｉ基合金箔を
介挿し、炭素鋼管どうしを最大段差５％で液相拡散接合
した。

【００８１】なお、接合部の加熱方法には、周波数３ｋ
Ｈｚの高周波電流を用いた高周波誘導加熱法を用いた。
また、接合条件は、接合温度１２５０℃、保持時間３０
秒、加圧力３ＭＰａとし、Ａｒ雰囲気中で接合を行っ
た。さらに、得られた炭素鋼管接合体を、拡管率が２０
％となるようにマンドレルを用いて拡管した。

【００８２】〔比較例６〕比較例６は、接合温度１２０
０℃、保持時間３００秒とした以外は実施例８と同様の
条件で炭素鋼管接合体の製造および拡管を実施した。

【００８３】〔実施例９〜１０、比較例７〕実施例９、
実施例１０、および、比較例７は、それぞれ、接合温度
１３００℃、接合温度１３３０℃、および、接合温度１
３５０℃とした以外は、実施例８と同様の条件で炭素鋼
管接合体の製造および拡管を実施した。

【００８４】実施例８〜１０、および比較例６〜７で得
られた炭素鋼管接合体について、接合後に接合部の内外
周両面に発生した最大段差を測定した。また、拡管後の
接合部表面について浸透探傷試験を行い、割れの有無を
調べた。さらに、拡管した炭素鋼管接合体をアムスラー
式万能試験機（２００Ｔｏｎｆ）を用いて引張試験を実
施した。結果を表４に示す。

【００８５】

【表４】

【００８６】接合温度１２００℃、保持時間３００秒と
した比較例６て゛は、拡管後の浸透探傷試験において、
接合部の外側表面には開口した割れは観察されなかった
ものの、内側表面には開口した割れが観察された。ま
た、拡管した炭素鋼管接合体の引張強度は、５３９ＭＰ
ａであり、接合界面で破断した。これは、保持時間を３
００秒と長くしたにもかかわらず、接合温度１２００℃
て゛は、インサート材は溶融したものの、炭素鋼管接合
部の内外表面間に生じた温度差により、接合部内側表面
部では、溶融したインサート材中の元素の拡散が不十分
となり、機械的性質が低下し、拡管中に接合界面に割れ
が発生したことに起因して、拡管した炭素鋼管接合体の
引張強度が低下したと考えられる。

【００８７】それぞれ、接合温を１２５０℃、１３００
℃、および、１３３０℃として接合した実施例８、９、
および、１０では、保持時間が３０秒と短いにもかかわ
らず、いずれも拡管後の浸透探傷試験において、接合部
の内外表面には開口した割れは観察されなかった。ま
た、拡管した炭素鋼管接合体の引張強度は、それぞれ５
６０ＭＰａ、５６３ＭＰａ、および、５６１ＭＰａであ
り、いずれも接合界面以外の母材で破断した。これは、
保持時間が３０秒と短いにもかかわらず、接合温度１２
５０℃、１３００℃、および、１３３０℃とした場合、
溶融したインサート材中の元素が十分拡散して、良好な
接合部の機械的性質が得られ、拡管中に接合界面に割れ
等の欠陥が発生しなかったことに起因して、拡管した炭
素鋼管接合体の引張強度が炭素鋼管母材と同等となった
と考えられる。

【００８８】接合温度１３５０℃、保持時間３０秒とし
た比較例７て゛は、拡管後の浸透探傷試験において、接
合部の内側表面には開口した割れは観察されなかったも
のの、外側表面には開口した割れが観察された。また、
拡管した炭素鋼管接合体の引張強度は、５２２ＭＰａで
あり、接合界面で破断した。これは、接合温度１３５０
℃て゛は、溶融したインサート材中の元素は十分拡散し
たものの、接合部が過熱され、外表面部に部分的な溶損
が発生して応力集中源となり、拡管中に接合界面に割れ
が発生したことに起因して、拡管した炭素鋼管接合体の
引張強度が低下したと考えられる。

【００８９】以上の結果から、接合温度を１２５０℃以
上１３３０℃以下として接合した炭素鋼管接合体は、拡
管工程において割れ等の欠陥が発生することなく拡管で
きることがわかった。また、拡管した炭素鋼管接合体
は、炭素鋼管母材と同等の機械的性質を有していること
がわかった。

【００９０】〔比較例８〕以下の手順により、炭素鋼管
接合体を製造した。炭素鋼管として、日本工業規格の高
圧配管用炭素鋼鋼管（ＪＩＳ Ｇ３４５５，ＳＴＳ４１
０）の外径１６５．２ｍｍ、厚さ７．１ｍｍの鋼管を用
い、端面を表面粗さＲｍａｘ．１２μｍとなるように加
工し、炭素鋼管の接合界面にインサート材としてニッケ
ルろうＢＮｉ−３（ＪＩＳ Ｚ３２６５）相当の組成を
有する融点１０５０℃、厚さ５０μｍのＮｉ基合金箔を
介挿し、炭素鋼管どうしを最大段差５％で液相拡散接合
した。

【００９１】なお、接合部の加熱方法には、周波数３ｋ
Ｈｚの高周波電流を用いた高周波誘導加熱法を用いた。
また、接合条件は、接合温度１３３０℃、保持時間１０
秒、加圧力４ＭＰａとし、Ａｒ雰囲気中で接合を行っ
た。さらに、得られた炭素鋼管接合体を、拡管率が２０
％となるようにマンドレルを用いて拡管した。

【００９２】〔実施例１１〕実施例１１は、接合温度１
２５０℃、保持時間３０秒、加圧力３ＭＰａとした以外
は、比較例８と同様の条件で炭素鋼管接合体の製造およ
び拡管を実施した。

【００９３】比較例８および実施例１１で得られた炭素
鋼管接合体について、接合後に接合部の内外周両面に発
生した最大段差を測定した。また、拡管後の接合部表面
について浸透探傷試験を行い、割れの有無を調べた。さ
らに、拡管した炭素鋼管接合体をアムスラー式万能試験
機（２００Ｔｏｎｆ）を用いて引張試験を実施した。結
果を表５に示す。

【００９４】

【表５】

【００９５】接合温度１３３０℃、保持時間１５秒、加
圧力４ＭＰａとした比較例８て゛は、拡管後の浸透探傷
試験において、接合部の内外表面に開口した割れが観察
された。また、拡管した炭素鋼管接合体の引張強度は、
４２７ＭＰａであり、接合界面で破断した。これは、接
合温度および加圧力を、それぞれ１３３０℃および４Ｍ
Ｐａと高くしたにもかかわらず、保持時間が１５秒と短
いので、溶融したインサート材中の元素の拡散が不十分
で、良好な接合部の機械的性質が得られず、拡管中に接
合界面に割れが発生したことに起因して、拡管した炭素
鋼管接合体の引張強度が低下したと考えられる。

【００９６】接合温度１２５０℃、保持時間３０秒、加
圧力２ＭＰａとした実施例１１て゛は、拡管後の浸透探
傷試験において、接合部の内外表面に開口した割れは観
察されなかった。また、拡管した炭素鋼管接合体の引張
強度は、５５８ＭＰａであり、接合界面以外の母材で破
断した。これは、接合温度および加圧力を、それぞれ１
２５０℃および２ＭＰａと低くしたにもかかわらず、保
持時間３０秒であったので、溶融したインサート材中の
元素が十分拡散され、良好な接合部の機械的性質が得ら
れ、拡管中に接合界面に割れ等の欠陥が発生しなかった
ことに起因して、拡管した炭素鋼管接合体の引張強度が
炭素鋼管母材と同等となったと考えられる。

【００９７】以上の結果から、接合温度における保持時
間を３０秒以上として接合した炭素鋼管接合体は、拡管
工程において割れ等の欠陥が発生することなく拡管でき
ることがわかった。また、拡管した炭素鋼管接合体は、
炭素鋼管母材と同等の機械的性質を有していることがわ
かった。

【００９８】〔比較例９〕以下の手順により、炭素鋼管
接合体を製造した。炭素鋼管として、日本工業規格の高
圧配管用炭素鋼鋼管（ＪＩＳ Ｇ３４５５，ＳＴＳ４１
０）の外径１６５．２ｍｍ、厚さ７．１ｍｍの鋼管を用
い、端面を表面粗さＲｍａｘ．１２μｍとなるように加
工し、炭素鋼管の接合界面にインサート材としてニッケ
ルろうＢＮｉ−３（ＪＩＳ Ｚ３２６５）相当の組成を
有する融点１０５０℃、厚さ５０μｍのＮｉ基合金箔を
介挿し、炭素鋼管どうしを最大段差５％で液相拡散接合
した。

【００９９】なお、接合部の加熱方法には、周波数３ｋ
Ｈｚの高周波電流を用いた高周波誘導加熱法を用いた。
また、接合条件は、接合温度１３３０℃、保持時間３０
０秒、加圧力１ＭＰａとし、Ａｒ雰囲気中で接合を行っ
た。さらに、得られた炭素鋼管接合体を、拡管率が２０
％となるようにマンドレルを用いて拡管した。

【０１００】〔実施例１２〜１３、比較例１０〕実施例
１２は、接合温度１２５０℃、保持時間３０秒、および
加圧力２ＭＰａ、実施例１３は、接合温度１３００℃、
保持時間６０秒、および加圧力４ＭＰａ、および、比較
例１０は、接合温度１３３０℃、保持時間３０秒、およ
び加圧力５ＭＰａとした以外は、比較例９と同様の条件
で炭素鋼管接合体の製造および拡管を実施した。

【０１０１】比較例９、実施例１２、実施例１３、およ
び比較例１０で得られた炭素鋼管接合体について、接合
後に接合部の内外周両面に発生した最大段差を測定し
た。また、拡管後の接合部表面について浸透探傷試験を
行い、割れの有無を調べた。さらに、拡管した炭素鋼管
接合体をアムスラー式万能試験機（２００Ｔｏｎｆ）を
用いて引張試験を実施した。結果を表６に示す。

【０１０２】

【表６】

【０１０３】接合温度１３３０℃、保持時間３００秒、
加圧力１ＭＰａとして接合した比較例９では、拡管後の
浸透探傷試験において、接合部の内外表面に開口した割
れが観察された。また、拡管した炭素鋼管接合体の引張
強度は、３８４ＭＰａであり、接合界面で破断した。こ
れは、接合温度１３３０℃と高く、保持時間を３００秒
と長くしたにもかかわらず、加圧力が１ＭＰａと低い場
合には、溶融したインサート材が接合面の凹凸を十分に
は充填できなかったことにより、接合界面の機械的性質
が不十分となり、接合界面が拡管による変形に耐えるこ
とができず、接合界面に割れが発生したことに起因し
て、拡管した炭素鋼管接合体の引張強度が低下したと考
えられる。

【０１０４】接合温度１２５０℃、保持時間３０秒、加
圧力２ＭＰａとして接合した実施例１２、および、接合
温度１３００℃、保持時間６０秒、加圧力４ＭＰａとし
て接合した実施例１３では、拡管後の浸透探傷試験にお
いて、接合部の内外表面に開口した割れは観察されなか
った。また、拡管した炭素鋼管接合体の引張強度は、そ
れぞれ、５６１ＭＰａおよび５６３ＭＰａであり、いず
れも接合界面以外の母材で破断した。これは、加圧力を
２ＭＰａ〜４ＭＰａとしたことにより、溶融したインサ
ート材が接合面の凹凸を十分に充填して拡散したことに
より、良好な接合界面の機械的性質が得られ、拡管中に
接合界面に割れ等の欠陥が発生しなかったことに起因し
て、拡管した炭素鋼管接合体の引張強度が炭素鋼管母材
と同等になったと考えられる。

【０１０５】接合温度１３３０℃、保持時間３０秒、加
圧力５ＭＰａとして接合した比較例１０では、拡管後の
浸透探傷試験において、接合部の内外表面に開口した割
れが観察された。また、拡管した炭素鋼管接合体の引張
強度は、４３９ＭＰａであり、接合界面で破断した。こ
れは、加圧力が５ＭＰａと過大であったことにより、接
合部が過大に変形して応力集中源となったことにより、
拡管中に接合界面に割れが発生したことに起因して、拡
管した炭素鋼管接合体の引張強度が低下したと考えられ
る。

【０１０６】以上の結果から、加圧力を２ＭＰａ〜４Ｍ
Ｐａとして接合した炭素鋼管接合体は、拡管工程におい
て割れ等の欠陥が発生することなく拡管できることがわ
かった。また、拡管した炭素鋼管接合体は、炭素鋼管母
材と同等の機械的性質を有していることがわかった。

【０１０７】〔比較例１１〕以下の手順により、炭素鋼
管接合体を製造した。炭素鋼管として、日本工業規格の
高圧配管用炭素鋼鋼管（ＪＩＳ Ｇ３４５５，ＳＴＳ４
１０）の外径１６５．２ｍｍ、厚さ７．１ｍｍの鋼管を
用い、端面を表面粗さＲｍａｘ．１２μｍとなるように
加工し、炭素鋼管の接合界面にインサート材としてニッ
ケルろうＢＮｉ−３（ＪＩＳ Ｚ３２６５）相当の組成
を有する融点１０５０℃、厚さ５０μｍのＮｉ基合金箔
を介挿し、炭素鋼管どうしを最大段差５％で液相拡散接
合した。

【０１０８】なお、接合部の加熱方法には、周波数３ｋ
Ｈｚの高周波電流を用いた高周波誘導加熱法を用いた。
また、接合条件は、接合温度１３００℃、保持時間６０
秒、加圧力３ＭＰａとし、大気中で接合を行った。さら
に、得られた炭素鋼管接合体を、拡管率が２０％となる
ようにマンドレルを用いて拡管した。

【０１０９】〔実施例１４〜１５〕実施例１４および実
施例１５は、それぞれ接合雰囲気をＨｅおよび真空中
（＜１０^−３ｍｍＨｇ）とした以外は、比較例１１と同
様の条件で炭素鋼管接合体の製造および拡管を実施し
た。

【０１１０】比較例１１、実施例１４、および実施例１
５で得られた炭素鋼管接合体について、接合後に接合部
の内外周両面に発生した最大段差を測定した。また、拡
管後の接合部表面について浸透探傷試験を行い、割れの
有無を調べた。さらに、拡管した炭素鋼管接合体をアム
スラー式万能試験機（２００Ｔｏｎｆ）を用いて引張試
験を実施した。結果を表７に示す。

【０１１１】

【表７】

【０１１２】大気中で接合した比較例１１では、拡管後
の浸透探傷試験において、接合部の内外表面に開口した
割れが観察された。また、拡管した炭素鋼管接合体の引
張強度は、３１１ＭＰａであり、接合界面で破断した。
これは、大気中で接合したため、接合界面に酸化物が形
成され、接合界面の機械的性質が不十分となり、接合界
面が拡管による変形に耐えることができず、接合界面に
割れが発生したことに起因して、拡管した炭素鋼管接合
体の引張強度が低下したと考えられる。

【０１１３】接合雰囲気をＨｅとして接合した実施例１
４、および、接合雰囲気を真空中とした実施例１５で
は、拡管後の浸透探傷試験において、いずれも接合部の
内外表面に開口した割れは観察されなかった。また、拡
管した炭素鋼管接合体の引張強度は、それぞれ、５６０
ＭＰａおよび５６４ＭＰａであり、いずれも接合界面以
外の母材で破断した。これは、接合雰囲気を非酸化性と
したことにより、溶融したインサート材の元素の拡散に
悪影響を及ぼす酸化物が接合界面に形成されなかったこ
とにより、良好な接合界面の機械的性質が得られ、拡管
中に接合界面に割れ等の欠陥が発生しなかったことに起
因して、拡管した炭素鋼管接合体の引張強度が炭素鋼管
母材と同等になったと考えられる。

【０１１４】以上の結果から、接合雰囲気を非酸化性と
して接合した炭素鋼管接合体は、拡管工程において割れ
等の欠陥が発生することなく拡管できることがわかっ
た。また、拡管した炭素鋼管接合体は、炭素鋼管母材と
同等の機械的性質を有していることがわかった。

【０１１５】〔比較例１２〕以下の手順により、炭素鋼
管接合体を製造した。炭素鋼管として、日本工業規格の
高圧配管用炭素鋼鋼管（ＪＩＳ Ｇ３４５５，ＳＴＳ４
１０）の外径１６５．２ｍｍ、厚さ７．１ｍｍの鋼管を
用い、端面を表面粗さＲｍａｘ．１２μｍとなるように
加工し、炭素鋼管の接合界面にインサート材としてニッ
ケルろうＢＮｉ−３（ＪＩＳ Ｚ３２６５）相当の組成
を有する融点１０５０℃、厚さ５０μｍのＮｉ基合金箔
を介挿し、炭素鋼管どうしを最大段差５％で液相拡散接
合した。

【０１１６】なお、接合部の加熱方法には、周波数２０
０ｋＨｚの高周波電流を用いた高周波誘導加熱法を用い
た。また、接合条件は、接合温度１３００℃、保持時間
６０秒、加圧力３ＭＰａとし、Ａｒ雰囲気中で接合を行
った。さらに、得られた炭素鋼管接合体を、拡管率が２
０％となるようにマンドレルを用いて拡管した。

【０１１７】〔実施例１６〜１７〕実施例１６および実
施例１７は、それぞれ周波数１００ｋＨｚの高周波誘導
加熱法および２５ｋＨｚの高周波通電加熱法とした以外
は、比較例１２と同様の条件で炭素鋼管接合体の製造お
よび拡管を実施した。

【０１１８】比較例１２、実施例１６、および実施例１
７で得られた炭素鋼管接合体について、接合後に接合部
の内外周両面に発生した最大段差を測定した。また、拡
管後の接合部表面について浸透探傷試験を行い、割れの
有無を調べた。さらに、拡管した炭素鋼管接合体をアム
スラー式万能試験機（２００Ｔｏｎｆ）を用いて引張試
験を実施した。結果を表８に示す。

【０１１９】

【表８】

【０１２０】周波数２００ｋＨｚの高周波誘導加熱法を
用いて接合した比較例１２では、拡管後の浸透探傷試験
において、接合部の内外表面に開口した割れが観察され
た。また、拡管した炭素鋼管接合体の引張強度は、３３
７ＭＰａであり、接合界面で破断した。これは、２００
ｋＨｚと高い周波数の高周波誘導加熱法を用いて接合し
たため、表皮効果により接合部の内外表面に温度差が生
じたことにより、接合界面の機械的性質が不十分とな
り、接合界面が拡管による変形に耐えることができず、
接合界面に割れが発生したことに起因して、拡管した炭
素鋼管接合体の引張強度が低下したと考えられる。

【０１２１】周波数１００ｋＨｚの高周波誘導加熱法を
用いて接合した実施例１５、および、周波数２５ｋＨｚ
の高周波通電加熱法を用いて接合した実施例１６では、
拡管後の浸透探傷試験において、いずれも接合部の内外
表面に開口した割れは観察されなかった。また、拡管し
た炭素鋼管接合体の引張強度は、それぞれ、５５９ＭＰ
ａおよび５６１ＭＰａであり、いずれも接合界面以外の
母材で破断した。これは、周波数１００ｋＨｚ以下の高
周波誘導加熱法あるいは高周波通電加熱法を用いて接合
したことにより、表皮効果の悪影響が抑制され、良好な
接合界面の機械的性質が得られ、拡管中に接合界面に割
れ等の欠陥が発生しなかったことに起因して、拡管した
炭素鋼管接合体の引張強度が炭素鋼管母材と同等になっ
たと考えられる。

【０１２２】以上の結果から、周波数１００ｋＨｚ以下
の高周波誘導加熱法あるいは高周波通電加熱法を用いて
接合した炭素鋼管接合体は、拡管工程において割れ等の
欠陥が発生することなく拡管できることがわかった。ま
た、拡管した炭素鋼管接合体は、炭素鋼管母材と同等の
機械的性質を有していることがわかった。

【０１２３】〔比較例１３〕以下の手順により、炭素鋼
管接合体を製造した。炭素鋼管として、日本工業規格の
高圧配管用炭素鋼鋼管（ＪＩＳ Ｇ３４５５，ＳＴＳ４
１０）の外径１６５．２ｍｍ、厚さ７．１ｍｍの鋼管を
用い、端面を表面粗さＲｍａｘ．１２μｍとなるように
加工し、炭素鋼管の接合界面にインサート材としてニッ
ケルろうＢＮｉ−３（ＪＩＳ Ｚ３２６５）相当の組成
を有する融点１０５０℃、厚さ５０μｍのＮｉ基合金箔
を介挿し、炭素鋼管どうしを３０％の最大段差が生じる
ように液相拡散接合した。

【０１２４】なお、接合部の加熱方法には、周波数３ｋ
Ｈｚの高周波電流を用いた高周波誘導加熱法を用いた。
また、接合条件は、接合温度１３００℃、保持時間３０
秒、加圧力３ＭＰａとし、Ａｒ雰囲気中で接合を行っ
た。さらに、得られた炭素鋼管接合体を、拡管率が２５
％となるようにマンドレルを用いて拡管した。

【０１２５】〔実施例１８〜１９〕実施例１８および実
施例１９は、それぞれ、最大段差を２５％および１０％
とした以外は比較１３と同様の条件で炭素鋼管接合体の
製造および拡管を実施した。

【０１２６】〔比較例１４〕比較例１４は、最大段差を
５％、拡管率を３０％した以外は、比較例１３と同様の
条件で炭素鋼管接合体の製造および拡管を実施した。

【０１２７】実施例１８〜１９、および比較例１３〜１
４で得られた炭素鋼管接合体について、拡管後の接合部
表面について浸透探傷試験を行い、割れの有無を調べ
た。さらに、拡管した炭素鋼管接合体をアムスラー式万
能試験機（２００Ｔｏｎｆ）を用いて引張試験を実施し
た。結果を表９に示す。

【０１２８】

【表９】

【０１２９】最大段差３０％として拡管率２５％で拡管
した比較例１３て゛は、拡管中に炭素鋼管接合体が接合
界面から分離してしまったので、拡管した炭素鋼管接合
体の引張試験は実施できなかった。

【０１３０】それぞれ、最大段差２５％および１０％と
して拡管率２５％で拡管した実施例例１８および実施例
１９て゛は、拡管後の浸透探傷試験において、いずれも
接合部の内外表面には開口した割れは観察されなかっ
た。また、拡管した炭素鋼管接合体の引張強度は、それ
ぞれ５５９ＭＰａおよび５６１ＭＰａであり、いずれも
接合界面以外の母材で破断した。これは、接合界面の段
差による応力集中はあるものの、拡管率２５％以下で
は、拡管中に割れを発生させるには至らず、拡管した炭
素鋼管接合体の引張強度が炭素鋼管母材と同等となった
と考えられる。

【０１３１】最大段差５％として拡管率３０％で拡管し
た比較例１４て゛は、拡管後の浸透探傷試験において、
接合部の内外表面には開口した割れが観察された。ま
た、拡管した炭素鋼管接合体の引張強度は、５２１ＭＰ
ａであり、接合界面で破断した。これは、接合面の最大
段差は５％と小さかったにもかかわらず、拡管率が３０
％と大きいため、拡管中に応力集中による割れが接合界
面に発生したことに起因して、拡管した炭素鋼管接合体
の引張強度が低下したと考えられる。

【０１３２】以上の結果から、最大段差を２５％以下と
して接合した炭素鋼管接合体を、拡管率２５％以下で拡
管した炭素鋼管接合体は、拡管工程において割れ等の欠
陥が発生することなく拡管できることがわかった。ま
た、拡管した炭素鋼管接合体は、炭素鋼管母材と同等の
機械的性質を有していることがわかった。

【０１３３】

【発明の効果】本発明は、インサート材として融点１２
００℃未満で厚さ８０μｍ以下のＮｉ基合金またはＦｅ
基合金を用い、該炭素鋼管接合面の面粗さＲｍａｘ．２
０μｍ以下、接合温度１２５０℃以上１３３０℃以下、
接合温度における保持時間３０秒以上、加圧力２ＭＰａ
以上４ＭＰａ以下なる条件で、非酸化性雰囲気中で炭素
鋼管を突き合わせて接合することにより、最大段差が該
炭素鋼管の厚さの２５％以下、拡管率２５％以下の範囲
内で、拡管中に割れ等の欠陥が発生しない、機械的性質
が良好で該炭素鋼管母材と同等である炭素鋼管接合体が
得られるという効果がある。

【０１３４】以上のように、本発明に係わる炭素鋼管接
合体の製造方法および拡管方法によれば、接合部に割れ
等の欠陥が発生することなく炭素鋼管接合体の拡管が可
能となり、拡管後の機械的特性に優れた炭素鋼管接合体
が得られるものであり、これを例えば、油井、ガス井で
用いられるケーシングチューブ、プロダクションチュー
ブ、コイルドチューブ等に応用すれば、石油、ガス掘削
作業の大幅なコストダウンや、信頼性の向上に寄与する
ものであり、産業上その効果は極めて大きい発明であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係わる炭素鋼管接合体
の製造方法を示す工程図である。

【図２】本発明の一実施の形態に係わる炭素鋼管接合体
の拡管方法を示す工程図である。

【符号の説明】

３０ 炭素鋼管 ３１ インサート材 ３２ 炭素鋼管接合体 ３３ 拡管工具 ４０ 把持装置 ４１ 高周波誘導加熱コイル ４２ 非酸化性雰囲気 ｄ０ 拡管前の非接合部の内径 ｄ１ 拡管後の非接合部の内径

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 稲垣 繁幸 愛知県名古屋市南区天白町３−９−111 大同特殊 鋼天白荘205 (72)発明者 山田 龍三 愛知県知多市大草四方田48番地の１ 大同 特殊鋼臨 海荘Ａ−301 Ｆターム(参考） 4E067 AA02 AB02 AB05 AD02 BH01 BH03 BM00 DA09 DB02 DC03 DC06 DC07 EA03 EC06

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭素鋼管を突き合わせ、該炭素鋼管母材
   の融点（Ｔｂ）よりも低い融点（Ｔｉ）を有するインサ
   ート材を該炭素鋼管接合面間に挿入し、少なくとも接合
   部近傍をＴｉ＜Ｔ＜Ｔｂなる温度（Ｔ）に加熱し、両炭
   素鋼管を加圧保持して拡散接合する炭素鋼管接合体の製
   造方法において、インサート材として融点１２００℃未
   満で厚さ８０μｍ以下のＮｉ基合金またはＦｅ基合金を
   用い、該炭素鋼管接合面の面粗さＲｍａｘ．２０μｍ以
   下、接合温度１２５０℃以上１３３０℃以下、接合温度
   における保持時間３０秒以上、加圧力２ＭＰａ以上４Ｍ
   Ｐａ以下なる条件で、非酸化性雰囲気中で接合すること
   を特徴とする拡管に適した炭素鋼管接合体の製造方法。
2. 【請求項２】 接合部の加熱方法が周波数１００ｋＨｚ
   以下の高周波電流を用いた高周波誘導加熱法、または、
   高周波通電加熱法を用いた請求項１の炭素鋼管接合体の
   製造方法。
3. 【請求項３】 接合部の最大段差を炭素鋼管の厚さの２
   ５％以下とする請求項１または２の炭素鋼管接合体の製
   造方法。
4. 【請求項４】 炭素鋼管を複数接合して構成される接合
   体の内部に挿入した工具を用いて該炭素鋼管接合体を拡
   管する方法において、接合部の最大段差が炭素鋼管の厚
   さの２５％以下の炭素鋼管接合体を用い、該炭素鋼管接
   合体内径の拡大率（（拡大後の炭素鋼管内径−拡大前の
   炭素鋼管内径）／拡大前の炭素鋼管内径×１００％）を
   ２５％以下にすることを特徴とする炭素鋼管接合体の拡
   管方法。