JP2004148388A - 成形性に優れたｕｏｅ鋼管の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成形条件、シーム溶接部の形状、母材の成分を工夫することなく、拡管時の成形性を安定化させた、成形性に優れたＵＯＥ鋼管の製造方法を提供する。
【解決手段】鋼板を順にＣ成形、Ｕ成形、Ｏ成形し、鋼板の端部同士をシーム溶接後、拡管するＵＯＥ鋼管の製造方法において、拡管前の少なくともシーム溶接止端部に超音波振動によるピーニング処理を施す。超音波振動によるピーニング処理を４００℃未満の温度または室温で施すことが好ましい。
【選択図】 図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼板を順にＣ成形、Ｕ成形、Ｏ成形し、鋼板の端部同士をシーム溶接後、拡管する、図１に示したＵＯＥ鋼管の製造方法において、シーム溶接部の成形性を改善した、ラインパイプ等に好適なＵＯＥ鋼管の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、原油・天然ガスの長距離輸送方法としてラインパイプの重要性がますます高まっており、特に高圧化による輸送効率の向上やラインパイプの外径・重量の低減による現地施工能率の向上のため、今ではＡＰＩ規格でＸ１００（引張強さ７６０ＭＰａ以上）を超える高強度のラインパイプに対するニーズが強くなってきた。
【０００３】
ところが、鋼板をＣ成形、Ｕ成形、Ｏ成形し、鋼板の端部同士をシーム溶接後、拡管によって鋼管を製造する、ＵＯＥ鋼管の製造方法において、ラインパイプの高強度化に伴い、Ｏ成形後の形状不良によるシーム溶接後の拡管工程時の溶接部割れ・破断が問題になってきた。また、拡管工程時に割れを生じることなく、鋼管を製造できたとしても、製品の形状不良により内圧負荷時のシーム溶接部脆性破断（バースト）が発生するという新たな課題が生じるようになった。
【０００４】
これは、従来の引張強さ７００ＭＰａ程度の中低強度材の潜弧溶接などの溶接では、ほとんど問題にされなかった溶接熱影響部（以下、ＨＡＺ）の軟化が、引張強さ７６０ＭＰａを超える高強度材では大きくなり、板材加工時の延性亀裂が発生するまでの限界塑性歪みが小さくなることが原因である。
【０００５】
このような問題に対して、現設備の能力を向上させることなく、各成形工程の成形条件を特定することで、厚肉管の成形性を向上させて真円度等の形状を向上させる提案が多数なされてきたが、これらの方法によっても高強度材の拡管時の成形性を安定化させることは困難であり、製品の内圧負荷時のバーストを抑制することはできなかった。
【０００６】
また、鋼管溶接時のＨＡＺにピーニング処理を施し、圧縮残留応力を付与する方法が特許文献１に開示されているが、この方法をＵＯＥ鋼管のシーム溶接部に適用しても製品の内圧負荷時のバーストを抑制することはできなかった。また、残留応力をショットブラストで付与する場合、鋼球の処理上、オフラインでの作業が前提となり、オンラインの設備化は困難であった。
【０００７】
一方、溶接直後のシーム溶接部に沿って超音波振動による応力を与え、圧縮残留応力を導入する方法が、特許文献２に開示されている。しかし、この方法は、溶接直後の高温のシーム溶接部に超音波振動による打撃を与えるものであり、シーム溶接部およびＨＡＺが高温のため降伏強度が低く、応力によって容易に塑性変形するため応力は緩和され、圧縮残留応力が導入され難い。また、圧縮残留応力が導入されたとしても、その後の室温までの冷却過程で熱収縮によってキャンセルされるため、溶接止端部の圧縮残留応力導入の効果は十分に得られない。また、超音波振動子で打撃する範囲などの溶接止端部の圧縮残留応力導入のための具体的な条件の開示がないため、この方法を用いても拡管時の溶接部の拡管割れを防止することは困難である。
【０００８】
【特許文献１】
特開昭５４−４７８３９号公報
【特許文献２】
米国特許第６，１７１，４１５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、成形条件、シーム溶接部の形状、母材の成分を工夫することなく、高強度ＵＯＥ鋼管のシーム溶接部の強度を向上させ、拡管時の成形性を安定化させた、成形性に優れたＵＯＥ鋼管の製造方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、高強度ＵＯＥ鋼管のシーム溶接部の引張試験を行い、溶接止端部への溶接後処理の効果について検討し、シーム溶接部の拡管時の割れ抵抗を改善した鋼管の製造方法を発明した。本発明の要旨とするところは、以下の通りである。
（１） 鋼板を順にＣ成形、Ｕ成形、Ｏ成形し、鋼板の端部同士をシーム溶接後、拡管するＵＯＥ鋼管の製造方法において、拡管前の少なくともシーム溶接止端部に超音波振動によるピーニング処理を施すことを特徴とする成形性に優れたＵＯＥ鋼管の製造方法。
（２） 超音波振動によるピーニング処理を４００℃未満の温度で施すことを特徴とする（１）記載の成形性に優れたＵＯＥ鋼管の製造方法。
（３） 超音波振動によるピーニング処理を室温で施すことを特徴とする（１）記載の成形性に優れたＵＯＥ鋼管の製造方法。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明者は、引張強度が８５０ＭＰａを超えるような高強度ＵＯＥ鋼管の製造において、溶接後の鋼管拡管時にシーム溶接部から破断する原因を明らかにするため、材質、成形条件、亀裂発生点などの詳細な解析を行った。その結果、破断は素材強度が高いほど、また、ピーキング値の絶対値が大きいほど起こりやすいことがわかった。ここでピーキングとは図２に示すように鋼管の公称外径と拡管前の溶接部を頂点とした相対差δ（ｍｍ）をいう。さらに調査を進めた結果、破壊の起点はピーキング値が正であれば内面溶接止端部で、ピーキング値が負であれば外面溶接止端部が起点であることが判明した。
【００１２】
図３は、引張強度が８５０〜１０５０ＭＰａの鋼管を成形するときの拡管割れの有無とピーキングの関係を示す。ピーキング値が−２．５〜２．５ｍｍの範囲であれば拡管割れを発生することなく成形できた。しかしながら、高強度材の成形では特に薄肉材でスプリングバックが大きくなり、ピーキング値を拡管割れを生じない範囲に安定的に制御することは困難になる。ピーキング値を狭幅に制御するにはＣプレス、Ｕプレスにおいても外径、肉厚ごとの特殊工具を用いる必要があったが、その場合でも大量生産では十分な歩留まりは確保できなかった。
【００１３】
本発明者は、鋼管製造時のピーキングの許容範囲を拡大し、製品の内圧負荷時のシーム部からのバーストを抑制するという課題に対して、シーム溶接部およびＨＡＺの強度を上昇させることが有効であると考え、拡管割れを発生しないピーキング値の範囲を拡大する方法として、拡管前にシーム溶接部の溶接止端部を含むＨＡＺに超音波振動によるピーニング処理を施し、シーム溶接部の強度を高めて拡管時の溶接部の破断を抑制する方法を指向した。拡管前の鋼管の溶接止端部を含むＨＡＺを覆うように超音波振動によるピーニング処理を行なった後の断面の状況を示す模式図を図４に示す。すなわち、図４において、母材（鋼板）１は外面溶接金属２と内面溶接金属３によりシーム溶接されており、拡管前のシーム溶接部の溶接止端部５を含むＨＡＺ４を覆うように超音波振動によるピーニング処理部８が形成されている。
【００１４】
ピーキング値が正の場合は拡管による周方向引張応力に加え、真円度を整えるための角変形による内面引張応力が重複され、内面止端部から破断するため、少なくともシーム溶接部の内面溶接止端部には超音波振動によるピーニング処理を施す必要がある。一方、ピーキング値が負の場合では外面溶接止端部へ角変形による引張応力が負荷されるため、少なくともシーム溶接部の外面溶接止端部へは超音波振動によるピーニング処理を施す必要がある。拡管後の真円度の観点およびＯプレス時の開先バックリング防止の観点から、ピーニング処理を内面溶接止端部にのみ行い、かつピーキング値を正とするように製造することが好ましい。
【００１５】
なお、本発明に使用する超音波振動の超音波発生装置は特に問わないが、５００ｗ〜１ｋｗの電源を用いて、発振機により超音波を発振後、トランスデューサーによりその周波数を２０〜６０ｋＨｚに変換し、さらに、ウェーブガイドにてその振幅を増幅させて、直径２ｍｍ〜６ｍｍφのピンからなる超音波振動端子を２０〜４０μｍの振幅で機械的に振動させることによって、打撃部の表面において、平滑性を維持しつつ打撃前の表面に対して深さ数百μｍ程度の圧痕を形成することができる。
【００１６】
また、超音波振動によるピーキング処理を施す温度は、塑性歪みが回復しない温度である４００℃未満が好ましく、施工性を考慮すれば室温が最適である。
【００１７】
【実施例】
引張強度が８５０〜１０５０ＭＰａで外径および肉厚が、それぞれ７１１〜１２２０ｍｍおよび１２〜２０ｍｍのＵＯＥ鋼管を製造する際に、シーム溶接をサブマージアーク溶接によって行い、ピーキング値を測定した。さらに拡管前にシーム溶接部内外面の止端部を含むＨＡＺに工具の振幅８０μｍ、振動数２０ｋＨｚで超音波振動によるピーニング処理を室温で施した。その後、拡管して拡管割れ発生の有無を調査した。加工後の圧痕深さは０．０５〜０．１５ｍｍであることが、断面写真から観察された。
【００１８】
図５にピーキング値と拡管割れの発生の有無を示す。ピーニング処理を施した鋼管ではピーキングの絶対値が３．５ｍｍを超えるまで拡管割れが発生することはなく、成形性が向上した。一方、図３に示したように、溶接後そのまま拡管した鋼管ではピーキングの絶対値が２．５ｍｍを超えると拡管割れが発生し始めていた。したがって、超音波振動によるピーニング処理によって拡管割れが発生しないピーキングの範囲を拡大することができ、これにより大量生産における歩留まりが向上する。
【００１９】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、ＵＯＥ方式で拡管前にシーム溶接部に超音波振動によるピーニング処理を施すことでシーム溶接部の成形性に優れた鋼管を提供することができるため、産業上の貢献が極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＵＯＥ方式による鋼管製造プロセスを示す模式図。
【図２】ピーキング値の定義を説明する図。
【図３】溶接後無処理材の拡管割れの有無とビーキング値との関係を示す図。
【図４】シーム溶接部への本発明の超音波振動によるピーニング処理後の断面の状況を示す模式図。
【図５】本発明の超音波振動によるピーニング処理材の拡管割れの有無とピーキング値との関係を示す図。
【符号の説明】
１…母材
２…外面溶接金属
３…内面溶接金属
４…ＨＡＺ
５…溶接止端部
８…超音波振動によるピーニング処理部

Claims (3)

1. 鋼板を順にＣ成形、Ｕ成形、Ｏ成形し、鋼板の端部同士をシーム溶接後、拡管するＵＯＥ鋼管の製造方法において、拡管前の少なくともシーム溶接止端部に超音波振動によるピーニング処理を施すことを特徴とする成形性に優れたＵＯＥ鋼管の製造方法。
2. 超音波振動によるピーニング処理を４００℃未満の温度で施すことを特徴とする請求項１記載の成形性に優れたＵＯＥ鋼管の製造方法。
3. 超音波振動によるピーニング処理を室温で施すことを特徴とする請求項１記載の成形性に優れたＵＯＥ鋼管の製造方法。

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