JP2004249354A - 高強度ｕｏｅ鋼管の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】Ｘ８０グレード以上の高強度ＵＯＥ鋼管の製造において、拡管時に溶接金属部近傍のＨＡＺなどにおいて発生する割れや破断を防止する。
【解決手段】拡管前のパイプ形状について、ピーキング角度θを８０°以上１００°以下に調整し、更に、溶接金属と母材である鋼管１０の引張強さの比率を０．９５以上となるように溶接金属の材質を選定する。
【選択図】 図２
【解決手段】拡管前のパイプ形状について、ピーキング角度θを８０°以上１００°以下に調整し、更に、溶接金属と母材である鋼管１０の引張強さの比率を０．９５以上となるように溶接金属の材質を選定する。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ８０グレード以上の高強度ＵＯＥ鋼管の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
代表的なＵＯＥ鋼管の製造工程は、図１に示されるように、大きく分けると、エッジミーリング（鋼板幅端部の開先形状加工）、Ｃプレス（鋼板幅端曲げ加工）、Ｕプレス、Ｏプレスからなる成型工程と、仮付溶接、内面溶接、外面溶接からなる溶接工程と、拡管工程とからなる。
【０００３】
拡管前のパイプは、Ｃ〜Ｕ〜Ｏプレスによって局部的に塑性変形されているため、完全な真円形状ではなく、更に前述の局部的な塑性変形による残留応力に加え、溶接による熱応力起因の残留応力も局部的に存在する。
【０００４】
拡管工程では、パイプ内側をセグメントにより均一に押し広げることにより周方向に均一に塑性変形させることで、この残留応力を除去すると共にパイプ断面形状を真円に近づける。
【０００５】
近年、油井管やパイプライン用素材鋼管の分野では、操業圧力の増加による輸送効率の向上や管厚の低減による建設コスト抑制のため、従来一般的であったＸ７０グレード以下の鋼管に代わり、より高強度のＸ８０、Ｘ１００グレードクラスの鋼管が要求されつつある。
【０００６】
ここで、これら用途の鋼管の強度的なグレードの指標である、Ｘ８０、Ｘ１００等の呼称に示す数値は、最小規定降伏応力をｋｉｌｏ−ｐｏｕｎｄ ｐｅｒ ｓｑｕａｒｅ ｉｎｃｈ（ｋｐｓｉ）で示したものであり、ラインパイプ規格ＡＰＩ ５Ｌでは１ｋｐｓｉ＝６．８９４７６ＭＰａと規定される。ここでＸ８０、Ｘ１００などの高グレード鋼管の場合、溶接金属部に隣接したＨＡＺ（Ｈｅａｔ Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ）と称する溶接熱影響部の軟化が顕著であるため、母材部や溶接金属部に比べ熱影響部の引張強度が低くなり、拡管による塑性変形が付与された場合に割れや破断が発生する場合がある。
【０００７】
この問題を解決するために、例えば特許文献１では、拡管前の鋼管の溶接部を含む周方向１２０ｍｍ範囲での平均曲率半径（Ｒ）と拡管後の鋼管半径（ｒ）との比（Ｒ／ｒ）を０．６５〜２．０とする高強度鋼管の製造方法など、拡管前の形状を改善することを提案している。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−５９２１５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、拡管時の溶接部近傍のＨＡＺ等における割れ・破断を防止することはできなかった。
【００１０】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、Ｘ８０グレード、即ち、降伏応力５５２ＭＰａを超えるような高強度ＵＯＥ鋼管を製造する場合に、拡管時の溶接部近傍のＨＡＺ等における割れ・破断を防止することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、拡管前の鋼管の溶接部を含む周方向のピーキング角度θを８０°以上１００°以下に調整し、且つ、溶接金属部と母材である鋼管の引張強さの比率を０．９５以上となるように溶接金属の材質を選定することを特徴とするＸ８０グレード以上の高強度ＵＯＥ鋼管の製造方法である。
【００１２】
【作用】
前述の特許文献１のような方法では、溶接部を含む周方向１２０ｍｍという狭い範囲の曲率半径を拡管前後で規定して品質管理を行っている。ところが、このような狭い範囲での曲率半径を正確に測定するのは困難である。
【００１３】
そこで、発明者らはＵＯＥ鋼管の溶接部について、突合せ角度を測定することであれば比較的容易だということにまず気が付いた。突合せ角度の定義は後述するが、拡管前後で突合せ角度を規定して鋼管製品の品質を管理したほうが測定容易でかつ判りやすい。
【００１４】
拡管前の突合せ角度が所定範囲から外れた場合は、別の比較的要求品質の低いオーダーに充当先を変更する等して、とにかく外れたものを拡管してそのまま納入することがないようにする。
【００１５】
そして、拡管後の突合せ角度が所定範囲から外れた場合は、再度その鋼管に対し拡管を施すようにして所定範囲に入るようにすることで、納入先で使用中に管に割れが起こる等の不具合が生じないようにする。
【００１６】
図２にて、鋼管１０の中心を通る線Ｃと溶接部鋼管面の延長線Ｔのなす角度θをピーキング角度と定義する。以下に、発明者らが行ったＦＥＭ（有限要素法）解析結果について示す。対象材はＸ１００（降伏応力６９０ＭＰａ、引張強さ７３０ＭＰａ、外径９１４ｍｍ、管の肉厚１４．９ｍｍ）である。
【００１７】
図３に拡管を模し、溶接部を挟んで周方向に６９０Ｍｐａの引張応力を付与し、角度θを変化させた場合の溶接金属部近傍に掛かる最大応力について、ＦＥＭ（有限要素法）解析結果を示す。
【００１８】
θが７５°以下の場合は、熱影響部に応力が集中した結果と推定されるが、最大応力が引張強さである７３０ＭＰａを超え、７５０ＭＰａになっている。よって、この場合、拡管割れが発生する。
【００１９】
θが８０°以上の場合は、最大応力が引張強さである７３０ＭＰａ以下におさまり、拡管割れは発生しない。図示しない別途のＦＥＭ（有限要素法）解析の結果、拡管割れの発生しないθの上限は１００°であることがわかった。
【００２０】
次に拡管による割れ発生有無について母材と溶接金属の強度（引張強さ）比が重要であることを見出した。
【００２１】
図４に、溶接金属と母材の引張強さの比を０．８８と０．９５の２水準に変化させたときの、拡管時に溶接部近傍に生じる応力の分布を、先述と同様なＦＥＭ（有限要素法）解析結果に基づき、模式的に示す。溶接金属部と母材である鋼管の引張強さの比率（溶接金属の引張強さ÷母材である鋼管の引張強さ）が０．８８の場合は、拡管時に熱影響部に応力が集中したと推定されるが、最大応力が引張強さである７３０ＭＰａを超えてしまっている。ところが、溶接金属部と母材の引張強さの比率が０．９５の場合は、最大応力が引張強さである７３０ＭＰａを超えていない。よって、前者の場合は割れまたは破断が発生し、後者の場合は割れまたは破断が発生しないと考えられる。また、図示しない別途のＦＥＭ（有限要素法）解析の結果、拡管割れの発生しない溶接金属部と母材である鋼管の引張強さの比率の上限は特に存在しないことがわかった。しかしながら、現在世に製造可能な溶接金属の引張強さの上限からすると、比率の上限はＸ１００ＵＯＥ鋼管の場合で１．５である。
【００２２】
以上を総合すると、ピーキング角θを８０°以上とし、溶接金属と母材である鋼管の引張強さの比率を０．９５以上とした場合、Ｘ１００グレード以上の高強度鋼管であっても拡管割れを発生させずに製造することが可能になると言える。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２４】
ピーキング角度を８０°以上とするには以下に述べる手法を用いる。図５（ａ）に、Ｃプレスにおける鋼板１０とプレス金型１２Ａ（上金型）、１２Ｂ（下金型）の関係を模式的に示す。この際、通常は目標とする鋼管の径に合った曲率を持つ金型を選択するが、Ｘ８０、Ｘ１００グレードクラスの高強度鋼管を製造する場合はスプリングバックが大きいため鋼板の端部が十分に成型されない。その結果、Ｕプレス、Ｏプレス、溶接工程を経た後の鋼管のピーキング角度が小さくなってしまう。そこでＣプレス金型の曲率を大きくすることにより、ピーキング角度を大きくすることが可能となる。図５（ｂ）、（ｃ）に呼称外径９１４．０ｍｍ、管の肉厚を示す呼称板厚１４．９ｍｍのＸ１００グレードＵＯＥ鋼管に使用したＣプレス金型形状の例を示す。管が真円とした場合の曲率半径は９１４．０ｍｍ÷２＝４５７．０ｍｍであり、図５（ｂ）に示した従来の金型の鋼管と接触する側の曲面の曲率半径はその値になっているが、図５（ｃ）に示した金型は、鋼管と接触する側の曲面の曲率半径を４０６．４ｍｍとしている。しかしながら、本発明はこれに限るものではなく、同３６０〜４５０ｍｍの曲率半径の金型が用いて好適である。
【００２５】
【実施例】
呼称外形９１４．０ｍｍ（３６”）、呼称板厚１４．９ｍｍのＸ１００グレードＵＯＥ鋼管の拡管前ピーキング角度、引張特性値の例を示す。
【００２６】
【表１】
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、拡管前のパイプ形状（ピーキング角度）を８０°以上１００°以下に調整し、且つ、溶接金属引張強さと母材引張強さの比率を０．９５以上となるように溶接金属の材質を選定することにより、拡管時に溶接金属部近傍のＨＡＺ部などにおける応力集中が緩和され、拡管割れを起こすことなく、高強度ＵＯＥ鋼管を安定して製造することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＵＯＥ鋼管製造プロセスの概略を示す図
【図２】ＵＯＥ鋼管におけるピーキング角度の定義を示す図
【図３】ピーキング角度θを変化させた時の、拡管時に溶接金属部近傍の応力の分布をＦＥＭ解析した結果を示す図
【図４】溶接金属と母材の引張強さの比を変化させた時の、拡管時に溶接部近傍の応力分布をＦＥＭ解析した結果を示す図
【図５】ピーキング角度を８０°以上とするための、Ｃプレス金型形状の例を示す図
【符号の説明】
１０…鋼管
１２Ａ、１２Ｂ…金型
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ８０グレード以上の高強度ＵＯＥ鋼管の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
代表的なＵＯＥ鋼管の製造工程は、図１に示されるように、大きく分けると、エッジミーリング（鋼板幅端部の開先形状加工）、Ｃプレス（鋼板幅端曲げ加工）、Ｕプレス、Ｏプレスからなる成型工程と、仮付溶接、内面溶接、外面溶接からなる溶接工程と、拡管工程とからなる。
【０００３】
拡管前のパイプは、Ｃ〜Ｕ〜Ｏプレスによって局部的に塑性変形されているため、完全な真円形状ではなく、更に前述の局部的な塑性変形による残留応力に加え、溶接による熱応力起因の残留応力も局部的に存在する。
【０００４】
拡管工程では、パイプ内側をセグメントにより均一に押し広げることにより周方向に均一に塑性変形させることで、この残留応力を除去すると共にパイプ断面形状を真円に近づける。
【０００５】
近年、油井管やパイプライン用素材鋼管の分野では、操業圧力の増加による輸送効率の向上や管厚の低減による建設コスト抑制のため、従来一般的であったＸ７０グレード以下の鋼管に代わり、より高強度のＸ８０、Ｘ１００グレードクラスの鋼管が要求されつつある。
【０００６】
ここで、これら用途の鋼管の強度的なグレードの指標である、Ｘ８０、Ｘ１００等の呼称に示す数値は、最小規定降伏応力をｋｉｌｏ−ｐｏｕｎｄ ｐｅｒ ｓｑｕａｒｅ ｉｎｃｈ（ｋｐｓｉ）で示したものであり、ラインパイプ規格ＡＰＩ ５Ｌでは１ｋｐｓｉ＝６．８９４７６ＭＰａと規定される。ここでＸ８０、Ｘ１００などの高グレード鋼管の場合、溶接金属部に隣接したＨＡＺ（Ｈｅａｔ Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ）と称する溶接熱影響部の軟化が顕著であるため、母材部や溶接金属部に比べ熱影響部の引張強度が低くなり、拡管による塑性変形が付与された場合に割れや破断が発生する場合がある。
【０００７】
この問題を解決するために、例えば特許文献１では、拡管前の鋼管の溶接部を含む周方向１２０ｍｍ範囲での平均曲率半径（Ｒ）と拡管後の鋼管半径（ｒ）との比（Ｒ／ｒ）を０．６５〜２．０とする高強度鋼管の製造方法など、拡管前の形状を改善することを提案している。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−５９２１５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、拡管時の溶接部近傍のＨＡＺ等における割れ・破断を防止することはできなかった。
【００１０】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、Ｘ８０グレード、即ち、降伏応力５５２ＭＰａを超えるような高強度ＵＯＥ鋼管を製造する場合に、拡管時の溶接部近傍のＨＡＺ等における割れ・破断を防止することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、拡管前の鋼管の溶接部を含む周方向のピーキング角度θを８０°以上１００°以下に調整し、且つ、溶接金属部と母材である鋼管の引張強さの比率を０．９５以上となるように溶接金属の材質を選定することを特徴とするＸ８０グレード以上の高強度ＵＯＥ鋼管の製造方法である。
【００１２】
【作用】
前述の特許文献１のような方法では、溶接部を含む周方向１２０ｍｍという狭い範囲の曲率半径を拡管前後で規定して品質管理を行っている。ところが、このような狭い範囲での曲率半径を正確に測定するのは困難である。
【００１３】
そこで、発明者らはＵＯＥ鋼管の溶接部について、突合せ角度を測定することであれば比較的容易だということにまず気が付いた。突合せ角度の定義は後述するが、拡管前後で突合せ角度を規定して鋼管製品の品質を管理したほうが測定容易でかつ判りやすい。
【００１４】
拡管前の突合せ角度が所定範囲から外れた場合は、別の比較的要求品質の低いオーダーに充当先を変更する等して、とにかく外れたものを拡管してそのまま納入することがないようにする。
【００１５】
そして、拡管後の突合せ角度が所定範囲から外れた場合は、再度その鋼管に対し拡管を施すようにして所定範囲に入るようにすることで、納入先で使用中に管に割れが起こる等の不具合が生じないようにする。
【００１６】
図２にて、鋼管１０の中心を通る線Ｃと溶接部鋼管面の延長線Ｔのなす角度θをピーキング角度と定義する。以下に、発明者らが行ったＦＥＭ（有限要素法）解析結果について示す。対象材はＸ１００（降伏応力６９０ＭＰａ、引張強さ７３０ＭＰａ、外径９１４ｍｍ、管の肉厚１４．９ｍｍ）である。
【００１７】
図３に拡管を模し、溶接部を挟んで周方向に６９０Ｍｐａの引張応力を付与し、角度θを変化させた場合の溶接金属部近傍に掛かる最大応力について、ＦＥＭ（有限要素法）解析結果を示す。
【００１８】
θが７５°以下の場合は、熱影響部に応力が集中した結果と推定されるが、最大応力が引張強さである７３０ＭＰａを超え、７５０ＭＰａになっている。よって、この場合、拡管割れが発生する。
【００１９】
θが８０°以上の場合は、最大応力が引張強さである７３０ＭＰａ以下におさまり、拡管割れは発生しない。図示しない別途のＦＥＭ（有限要素法）解析の結果、拡管割れの発生しないθの上限は１００°であることがわかった。
【００２０】
次に拡管による割れ発生有無について母材と溶接金属の強度（引張強さ）比が重要であることを見出した。
【００２１】
図４に、溶接金属と母材の引張強さの比を０．８８と０．９５の２水準に変化させたときの、拡管時に溶接部近傍に生じる応力の分布を、先述と同様なＦＥＭ（有限要素法）解析結果に基づき、模式的に示す。溶接金属部と母材である鋼管の引張強さの比率（溶接金属の引張強さ÷母材である鋼管の引張強さ）が０．８８の場合は、拡管時に熱影響部に応力が集中したと推定されるが、最大応力が引張強さである７３０ＭＰａを超えてしまっている。ところが、溶接金属部と母材の引張強さの比率が０．９５の場合は、最大応力が引張強さである７３０ＭＰａを超えていない。よって、前者の場合は割れまたは破断が発生し、後者の場合は割れまたは破断が発生しないと考えられる。また、図示しない別途のＦＥＭ（有限要素法）解析の結果、拡管割れの発生しない溶接金属部と母材である鋼管の引張強さの比率の上限は特に存在しないことがわかった。しかしながら、現在世に製造可能な溶接金属の引張強さの上限からすると、比率の上限はＸ１００ＵＯＥ鋼管の場合で１．５である。
【００２２】
以上を総合すると、ピーキング角θを８０°以上とし、溶接金属と母材である鋼管の引張強さの比率を０．９５以上とした場合、Ｘ１００グレード以上の高強度鋼管であっても拡管割れを発生させずに製造することが可能になると言える。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２４】
ピーキング角度を８０°以上とするには以下に述べる手法を用いる。図５（ａ）に、Ｃプレスにおける鋼板１０とプレス金型１２Ａ（上金型）、１２Ｂ（下金型）の関係を模式的に示す。この際、通常は目標とする鋼管の径に合った曲率を持つ金型を選択するが、Ｘ８０、Ｘ１００グレードクラスの高強度鋼管を製造する場合はスプリングバックが大きいため鋼板の端部が十分に成型されない。その結果、Ｕプレス、Ｏプレス、溶接工程を経た後の鋼管のピーキング角度が小さくなってしまう。そこでＣプレス金型の曲率を大きくすることにより、ピーキング角度を大きくすることが可能となる。図５（ｂ）、（ｃ）に呼称外径９１４．０ｍｍ、管の肉厚を示す呼称板厚１４．９ｍｍのＸ１００グレードＵＯＥ鋼管に使用したＣプレス金型形状の例を示す。管が真円とした場合の曲率半径は９１４．０ｍｍ÷２＝４５７．０ｍｍであり、図５（ｂ）に示した従来の金型の鋼管と接触する側の曲面の曲率半径はその値になっているが、図５（ｃ）に示した金型は、鋼管と接触する側の曲面の曲率半径を４０６．４ｍｍとしている。しかしながら、本発明はこれに限るものではなく、同３６０〜４５０ｍｍの曲率半径の金型が用いて好適である。
【００２５】
【実施例】
呼称外形９１４．０ｍｍ（３６”）、呼称板厚１４．９ｍｍのＸ１００グレードＵＯＥ鋼管の拡管前ピーキング角度、引張特性値の例を示す。
【００２６】
【表１】
【発明の効果】
本発明によれば、拡管前のパイプ形状（ピーキング角度）を８０°以上１００°以下に調整し、且つ、溶接金属引張強さと母材引張強さの比率を０．９５以上となるように溶接金属の材質を選定することにより、拡管時に溶接金属部近傍のＨＡＺ部などにおける応力集中が緩和され、拡管割れを起こすことなく、高強度ＵＯＥ鋼管を安定して製造することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＵＯＥ鋼管製造プロセスの概略を示す図
【図２】ＵＯＥ鋼管におけるピーキング角度の定義を示す図
【図３】ピーキング角度θを変化させた時の、拡管時に溶接金属部近傍の応力の分布をＦＥＭ解析した結果を示す図
【図４】溶接金属と母材の引張強さの比を変化させた時の、拡管時に溶接部近傍の応力分布をＦＥＭ解析した結果を示す図
【図５】ピーキング角度を８０°以上とするための、Ｃプレス金型形状の例を示す図
【符号の説明】
１０…鋼管
１２Ａ、１２Ｂ…金型
Claims (1)
- 拡管前の鋼管の溶接部を含む周方向のピーキング角度θを８０°以上１００°以下に調整し、且つ、溶接金属部と母材である鋼管の引張強さの比率を０．９５以上となるように溶接金属の材質を選定することを特徴とするＸ８０グレード以上の高強度ＵＯＥ鋼管の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003044283A JP2004249354A (ja) | 2003-02-21 | 2003-02-21 | 高強度ｕｏｅ鋼管の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003044283A JP2004249354A (ja) | 2003-02-21 | 2003-02-21 | 高強度ｕｏｅ鋼管の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004249354A true JP2004249354A (ja) | 2004-09-09 |
Family
ID=33027027
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2003044283A Pending JP2004249354A (ja) | 2003-02-21 | 2003-02-21 | 高強度ｕｏｅ鋼管の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004249354A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105834697A (zh) * | 2016-05-20 | 2016-08-10 | 中国石油大学(华东) | X80管线钢直缝焊管的制造方法 |
-
2003
- 2003-02-21 JP JP2003044283A patent/JP2004249354A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105834697A (zh) * | 2016-05-20 | 2016-08-10 | 中国石油大学(华东) | X80管线钢直缝焊管的制造方法 |
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