JP2004358612A - 管内面ショット装置並びにそれを用いた鋼管およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】内面ショット鋼管の研掃能率を向上させるとともに、研掃材の原単位向上を図ることができる管内面ショット装置を提供する。
【解決手段】被研掃管の一端に吸引装置を接続するとともに、その他端に接続管を介してまたは直接に吸引管を接続して、前記吸引装置の空気吸引に伴って前記吸引管の供給口から吸引される研掃材により、前記被研掃管の内面スケールを除去する管内面ショット装置であって、前記吸引管の略中央に軸流制御管を配し、吸引管、軸流制御管、供給口、被研掃管の内径および接続管の絞り角度が、それぞれ最適範囲を有することを特徴とする管内面を研掃するショット装置である。さらに、それを用いて製造した鋼管およびその内面ショット鋼管の製造方法である。
【選択図】図２
【解決手段】被研掃管の一端に吸引装置を接続するとともに、その他端に接続管を介してまたは直接に吸引管を接続して、前記吸引装置の空気吸引に伴って前記吸引管の供給口から吸引される研掃材により、前記被研掃管の内面スケールを除去する管内面ショット装置であって、前記吸引管の略中央に軸流制御管を配し、吸引管、軸流制御管、供給口、被研掃管の内径および接続管の絞り角度が、それぞれ最適範囲を有することを特徴とする管内面を研掃するショット装置である。さらに、それを用いて製造した鋼管およびその内面ショット鋼管の製造方法である。
【選択図】図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油井管、ガス井管、化学工業用管、熱交換器用管および配管用管等の鋼管を対象として、内面に付着するスケールを除去するため、必要に応じて内面粗度を調整するために管内面を研掃するショット装置、並びにそれを用いて製造した鋼管およびその内面ショット鋼管の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
鋼管の内面スケール除去や粗度調整に用いられる内面ショット方式には、噴射式と吸引式がある。噴射式による内面ショットでは、研掃材を高圧空気とともにノズルから噴射しながら、ノズルを鋼管内面に沿って軸方向および周方向に移動させて、管内面の脱スケールを行うものである。
【０００３】
このため、噴射式内面ショットでは、ノズルの移動装置が必要になるとともに、研掃材の飛散を防止するカバー等の設置を要し、全体の装置が大型化する。また、構造的に鋼管内へ研掃材噴射ノズルを挿入することから、適用される鋼管寸法が制限され、小径管には不向きな方式である。
【０００４】
図５は、吸引式内面ショットを採用する装置の概略構成を説明する図である。同図に示すように、吸引式内面ショットでは、吸引装置１として吸引ブロア１ａとバグフィルタ１ｂを介して接続された研掃材回収タンク１ｃとで構成されており、この吸引装置１と吸引管３に接続された接続管４との間に被研掃管２が接続される。研掃材としては、一般的にアルミナ粒子が用いられる。アルミナ粒子は、研掃材供給ホッパ５から供給され、吸引装置１の吸引に伴って、吸引管の供給口３ａから空気とともに被研掃管２へ導入されて、鋼管内面のスケールが除去される。
【０００５】
通常、吸引式内面ショットでは被研掃管２は固定方式であるため、吸引管３で吸引空気に旋回流を発生させ、研掃材供給ホッパ５から自由落下で供給された研掃材をこの旋回流に伴わせることにより、被研掃管２の全内面に亘って均一に脱スケール（研掃）を行っている。脱スケール後の研掃材と吸引空気は、研掃材回収タンク１ｃで粗粒の研掃材を分離し、次いでバッグフィルタ１ｂで粉化した微粒研掃材を除去した後、吸引ブロア１ａから清浄空気が排気される。
【０００６】
図５に示す吸引式内面ショット方式では、研掃材の供給が重力落下による負圧吸引方式であるため、研掃材は研掃材回収タンク１ｃおよびバッグフィルタ１ｂで完全に回収されるので、粉塵飛散等の作業環境の悪化を懸念する必要がない。したがって、噴射式に比べ、粉塵飛散防止カバー等も必要なく、装置全体がコンパクトに構成される。しかし、研掃能率を確保するために、被研掃管内の研掃材速度を一定以上に確保する必要があることから、大径管に適用する場合には、吸引ブロア１ａが大型化し、設備コストの高騰を招くことになる。このため、吸引式内面ショット方式は、小径管または中径管に用いるのが有利である。
【０００７】
ところで、吸引式管内面ショットでは、特に長尺管の処理において、図５に示す研掃材回収タンク側に接続された被研掃管の管端数ｍの部分に、スケールが残り易いという問題がある。このため、被研掃管の当該部分のスケールを完全に除去するため、研掃時間がかかり、研掃能率が低下するとともに研掃材の粉化による原単位悪化を招くことになる。
【０００８】
このような問題に対処するため、特許文献１では、図５に示す吸引式内面ショットの装置において、吸引管と被研掃管を接続する接続管の絞り角度を０〜１０°とする装置、さらに吸引管の供給口の開口角度を６０°以下にするとともに供給口の開口面積をパイプの断面積の４倍以下にする装置、または、研掃材回収タンク側から被研掃管内へ中子を挿入する装置を提案している。
【０００９】
特許文献１で提案された装置では、いずれも被研掃管内の旋回流を強め、被研掃管の下流側、すなわち研掃材回収タンク側まで旋回流を到達させることができるので、旋回流強化の効果は認められる。しかし、この効果は、上記特許文献１で提案された全ての装置が相まって達成されるものであり、接続管の絞り角度、供給口の開口角度、開口面積比、および中子の挿入等について全ての装置構成を具備することが必須となる。
【００１０】
このため、特許文献１で提案された装置、なかでも研掃材回収タンク側から中子を挿入する装置では、被研掃管を交換する毎に、数ｍの中子を着脱しなければならず、そのための装置が必要になり、設備コストの高騰を招くとともに、中子の着脱時間がロスタイムとなり、結果として研掃能率の向上に結びつかない。
【００１１】
さらに、内面ショット時に研掃材が中子に衝突することにより、中子の摩耗および研掃材の粉化が進み、中子コストの上昇および研掃材の原単位の悪化の要因となる。
【００１２】
【特許文献１】
特開平８−９０４１８号公報
【非特許文献】
畠沢政保、外１名、”真っ直ぐな円管内の乱流旋回流の特性一流の相似性と逆流の発生条件”、ながれ、Ｖｏｌ．１６（１９９７）、１２８．
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
前述の通り、従来、特許文献１で提案された装置では、被研掃管の内面に中子を挿入する必要があるため、研掃能率の向上が制限され、中子コストの上昇および研掃材の原単位の悪化の要因となっている。
【００１４】
このため、中子の挿入を止め、接続管の絞り角度および供給口の開口角度や開口面積比を調整したとしても、前述した研掃材回収タンク側管端のスケール残りを充分に解消することができず、スケール残りをなくすために、さらに旋回流を強化し、延伸して管端の研掃能率を向上させる必要がある。
【００１５】
本発明は、このような従来技術の問題点を解決すべくなされたものであり、回収タンク側からの中子を挿入することなく、旋回流を強化し、回収タンク側に接続された被研掃管の管端スケール残りを抑制して、研掃能率を向上させるとともに研掃材の粉化を抑制して原単位向上を図ることができる、管内面ショット装置並びにそれを用いて製造された鋼管およびその製造方法を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、被研掃管の内部での旋回流の特性を把握するために透明管を用いたモデル実験と数値解析を行った。
【００１７】
図６は、透明管を用いたモデル実験での装置構成の概略を示す図である。圧力計１ｅおよび流量計１ｄを介して吸引ブロア１ａに接続したレシーバタンク１ｃを透明管２に連結し、透明管２の他端に取り付けた吸引管の供給口３ａから空気を吸引できるようにしている。ここで、透明管２は被研掃管に、レシーバタンク１ｃは研掃材回収タンクに見立てている。
【００１８】
吸引ブロア１ａは、公称吸引圧力２２．６ｋＰａ、吸引量７ｍ３／ｍｉｎ、容量３．０８ｋＷの工業用掃除機２台を並列に接続して用いた。供試の透明管２は、ポリカーボネート製であり、内径４４ｍｍ、全長８ｍとした。透明管２の下流部分には２ｍの圧力損失測定区間を設けた。旋回流の観察は、吸引管の供給口３ａの近傍に超音波式加湿器６を設置し、これから発生する水蒸気を吸引させ、透明管内で凝縮した液滴の流跡をビデオおよびスチールカメラ７で撮影した。
【００１９】
図７は、モデル実験に供試した特許文献１の吸引管の構成を示す図である。同図に示すように、供試した吸引管３は、空気および研掃材を吸引管の接線方向に流入できる矩形断面の流路を形成しており、特許文献１の吸引管の形態に近似させている。以下の説明で、図７に示す吸引管３を「特許文献１の吸引管」という。
【００２０】
吸引管３に設けられる供給口３ａは、幅Ｗｍを１１ｍｍ、長さＬｍを３２０ｍｍとした。幅Ｗｍの１１ｍｍは吸引管の内径Ｄｍの１／４であり、特許文献１で規定する供給口の開口角度θの６０°に相当する。また、供給口の開口面積をＡｍ、透明管の内径基準の断面積をＡｐとした場合の開口面積比Ａｍ／Ａｐは２．３であり、特許文献１での供給口の開口面積をパイプの断面積の４倍以下にするのに相当する。
【００２１】
なお、モデル実験では接続管４を設けず、吸引管３と透明管の内径は同じとしたので、特許文献１で規定するレデューサの絞り角度０°に相当する。
【００２２】
管内旋回流の強さは、スワール数Ｎｓで評価した。スワール数Ｎｓは、角運動量と軸方向運動量の比であり、下記（１）式で表され、このスワール数が大きいほど旋回が強いことを示している。
【００２３】
【数１】
ここで、Ｒ：管内半径（ｍ）、Ｕ：軸速度（ｍ／ｓ）、Ｖ：周速度（ｍ／ｓ）、 ｒ：管の任意半径（ｍ）、ρ：密度（ｋｇ／ｍ３）である。
【００２４】
このスワール数Ｎｓを計算するには、上記（１）式からわかるように、旋回流の周方向および軸方向の速度分布を測定する必要がある。しかし、一般的には、スワール数Ｎｓと旋回角θｓとの関係は、旋回が自由渦であれば下記（２）式で表され、強制渦であれば下記（３）式で表される。
【００２５】
Ｎｓ ＝ ｔａｎθｓ （２）
Ｎｓ ＝ ｔａｎ（θｓ／２） （３）
管内旋回流は自由渦に近く、非特許文献１によれば、スワール数Ｎｓは下記（４）式で表されることが確かめられている。
【００２６】
Ｎｓ ＝ （ｔａｎθｓ）１．２５ （４）
したがって、このモデル実験では、供給口から吸引された水蒸気の凝縮液滴が管壁を伝わって流れる軌跡から管内壁面での旋回角θｓを測定し、上記（４）式でスワール数Ｎｓを求め、このスワール数で管内旋回流を評価した。
【００２７】
図８は、特許文献１の吸引管を用いたモデル実験におけるスワール数Ｎｓの管軸方向の変化状況を示す図である。図８において、管軸方向の距離Ｌは吸引管からの距離であり、管内径Ｄｍで除して無次元化して示した。スワール数Ｎｓは、管下流に向かうにしたがい指数関数的に小さくなり、Ｌ／Ｄｍが６０以上になると、スワール数Ｎｓは０．１以下になる。すなわち、旋回流は、管下流に向かうにしたがい減衰することがわかる。
【００２８】
図９は、特許文献１の吸引管近傍における空気の吸引状況を数値シミュレーションした結果を示す図である。数値シミュレーションは、ＦＬＵＥＮＴ（フルーエントアジアパシフィック（株）の商品名）を用いて行った。
【００２９】
図９（ａ）に示す吸引管断面図では、供給口より吸引された空気が、吸引管内で管中心を中心に渦巻き、旋回流が発生していることがわかる。同（ｂ）に示す軸方向断面図では、吸引管から被研掃管（透明管）にわたって軸対称の流れが発生しているが、管軸方向の中心部に逆流が発生していることがわかる。
【００３０】
逆流は管内旋回流特有の現象であり、旋回流の遠心力により中心部の静圧が低下し、この低圧部を補完するために空気が流れ込むことにより発生する。この管中心部の静圧低下は旋回流が強い吸引管の近傍で大きく、下流に向かい旋回流が弱くなるので小さくなり、逆流もなくなる。
【００３１】
図９は、管軸方向距離Ｌ／Ｄｍが１０までの吸引管近傍のみの流れ状態を示した図であり、さらに下流部分で逆流がなくなる状況は示してない。また、図９で示す管軸方向断面図の縦横プロポーションは１：１でなく、流速分布を見やすいように６：１で示している。
【００３２】
さらに、軸方向断面図において、管軸方向の流れを細かく見ると、軸方向流の対称線にわずかなうねりが観察され、旋回流は安定でなく、わずかに変動していることが観察される。
【００３３】
上述の通り、特許文献１の吸引管を用いた装置では、被研掃管下流に向かうにしたがい旋回流強度（スワール数Ｎｓ）は急激に減衰しており、また吸引管近傍の軸方向流れにおいては管中心部分に逆流と、わずかな揺らぎが発生していることがわかる。
【００３４】
これより、特許文献１の吸引管内では逆流により管中心部に管下流から供給される空気があるため、供給口から吸引される空気が滅少していることが推測できる。すなわち、ある一定量の空気は、被研掃管上流部分の逆流が生じている部分で循環しているため、被研掃管下流への運動量伝達が抑制されていることになる。また、中心部の逆流は、せん断速度が大きくなり、摩擦損失によるエネルギーロスの原因となっている。
【００３５】
前記図８における被研掃管の上流部（Ｌ／Ｄｍが小さい範囲）において、スワール数Ｎｓの減衰が大きいのはこのためである。したがって、この逆流を制御すれば、供給口からの空気吸引量を増加させることができるとともに、旋回流の初期減衰を抑制でき、被研掃管下流まで旋回流を保持できることに着目した。
【００３６】
図１は、本発明の軸流制御管を配した吸引管の構造を示す斜視図である。図１に示すように、まず吸引管３における吸引量の増加対策として、逆流により管中心部に管下流から供給される空気を抑制するために、吸引管の中心部分に軸流制御管３ｂを配置することとした。
【００３７】
さらに、この軸流制御管３ｂを通して被研掃管の中心部分に空気を吹込むか、または吸引することによって管中心部に発生する逆流を制御し、エネルギーロスを抑制して、旋回流を下流まで延伸できることを知見した。また、軸流制御管３ｂを配した吸引管を用いた場合、接続管により吸引管内で発生した旋回流が加速されることも知見した。
【００３８】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、下記（１）〜（４）の管内面ショット装置、（５）の鋼管および（６）の内面ショット鋼管の製造方法を要旨としている。
（１）被研掃管の一端に吸引装置を接続するとともに、その他端に接続管を介してまたは直接に吸引管を接続して、前記吸引装置の空気吸引に伴って前記吸引管の供給口から吸引される研掃材により、前記被研掃管の内面スケールを除去する管内面ショット装置であって、前記吸引管の略中央に軸流制御管を配し、吸引管の内径をＤｍ、吸引管の全長をＬｍ、軸流制御管の外径をｄｃおよび軸流制御管の有効長さをＩｃとしたとき、下記条件Ａまたは条件Ｂを満足することを特徴とする管内面ショット装置である。
【００３９】
条件Ａ：ｄｃ／Ｄｍが０．４〜０．９であり、Ｉｃ／Ｌｍが０．５以上であること
条件Ｂ：ｄｃ／Ｄｍが０．４未満であり、Ｉｃ／Ｌｍが０．７５以上であること
（２）被研掃管の一端に吸引装置を接続するとともに、その他端に接続管を介してまたは直接に吸引管を接続して、前記吸引装置の空気吸引に伴って前記吸引管の供給口から吸引される研掃材により、前記被研掃管の内面スケールを除去する管内面ショット装置であって、前記吸引管の略中央に軸流制御管を配し、供給口の開口面積特許文献１の吸引管近傍における空気の吸引状況を数値シミュレーションした結果を示す図である。をＡｍ、被研掃管の内径基準の断面積をＡｐ、供給口の幅をＷｍ、吸引管の内径をＤｍおよび吸引管の全長をＬｍとしたとき、下記条件Ｃを満足することを特徴とする管内面ショット装置である。
【００４０】
条件Ｃ：Ａｍ／Ａｐが０．４〜２．０であり、Ｗｍ／Ｄｍが０．３５以下であ
り、Ｌｍ／Ｄｍが６以下であること
（３）被研掃管の一端に吸引装置を接続するとともに、その他端に接続管を介して吸引管を接続して、前記吸引装置の空気吸引に伴って前記吸引管の供給口から吸引される研掃材により、前記被研掃管の内面スケールを除去する管内面ショット装置であって、前記吸引管の略中央に軸流制御管を配し、前記接続管の絞り角度をθとしたとき、下記条件Ｄを満足することを特徴とする管内面ショット装置である。
【００４１】
条件Ｄ：θが１０〜７５°であること
（４）上記（１）〜（３）の管内面ショット装置は、現に具備している条件に加え、さらに条件Ａまたは条件Ｂ、条件Ｃおよび条件Ｄのうち、１または２の条件を満足するのが望ましい。
（５）上記（１）〜（４）のいずれかの管内面ショット装置を用いて製造したことを特徴とする鋼管である。
（６）上記（１）〜（４）のいずれかの管内面ショット装置を用いて鋼管の内面をショットする際に、軸流制御管から被研掃管への吹き込み量をＱｃとし、吸引管の供給口から吸引される吸引量をＱｓとしたとき、Ｑｃ／Ｑｓが−０．０５〜０．１５を満足することを特徴とする内面ショット鋼管の製造方法である。ただし、吹き込み量Ｑｃは吹き込みの場合は＋（プラス）で示し、吸引の場合は−（マイナス）で示す。
【００４２】
本発明において、「吸引装置」とは、前記図５に示すように、研掃材回収タンク、バグフィルタおよび吸引ブロワで構成されている。さらに、吸引管における軸流制御管の配置位置に関し、「吸引管の略中央に」とは、製作上の誤差を含むものであって、吸引管および軸流制御管の寸法によって異なるが、許容値は最大±１０ｍｍ程度であることを意味する。
【００４３】
本発明の装置のうち、上記（１）および（２）の管内面ショット装置は、被研掃管の一端に吸引装置を接続するとともに、他端に接続管を介して吸引管を接続する場合と、必要に応じて他端に接続管を介することなく直接に吸引管を接続する場合を含む。
【００４４】
【発明の実施の形態】
本願発明の管内面ショット装置は、管中心部に発生する逆流を制御するため、吸引管の略中央に軸流制御管を配することを特徴としている。そのため、前記図１に示す、本発明の軸流制御管を配した吸引管の効果を確認するため、前述したモデル実験による旋回流の評価と同様の実験を行った。
【００４５】
すなわち、前記図１に示す本発明の軸流制御管を配した吸引管３を構成し、吸引管の内径Ｄｍは４４ｍｍで、軸流制御管３ｂの外径ｄｃは２２ｍｍで、軸流制御管の長さ（全長）は供給口長さＬｍの１・５倍の３１５ｍｍとした。この軸流制御管を配した吸引管３を用いて、前記図６に示すモデル実験装置を構成し、被研掃管に相当する透明管２内の旋回角度を計測し、スワール数Ｎｓの減衰状況を調査した。さらに、この軸流制御管３ｂから空気を吹き込むことによる旋回流への影響も調査した。
【００４６】
図２は、本発明の軸流制御管を配した吸引管を用いたモデル実験におけるスワール数Ｎｓの管軸方向の変化状況を示す図である。同図において、破線は前記図８に示す特許文献１の吸引管によるスワール数Ｎｓの減衰特性である（図中の比較例）。実線は、本発明の吸引管であって、軸流制御管を配したままの減衰特性であり、特許文献１の吸引管に比較して、旋回強度（スワール数Ｎｓ）は大きくなり、スワール数が０．１になる距離も、特許文献１の吸引管のＬ／Ｄｍ＝６０から７５になっており、被研掃管下流まで旋回流が延伸していることがわかる。
【００４７】
さらに、図２中で黒丸で示した減衰特性は、軸流制御管から空気を吹き込んだデータであり、旋回流はさらに下流まで延伸している。具体的には、吹き込み量は供給口からの吸引空気量の７％に相当する空気量であり、スワール数Ｎｓが０．１になる距離Ｌ／Ｄｍは１００程度になっていることがわかる。
【００４８】
また、図２に示す結果から、Ｌ／Ｄｍが１００におけるスワール数を比較すると、特許文献１の吸引管において０．０３５であったものが、吸引管に軸流制御管を配すると０．０５２に、さらに軸流制御管から空気を吹き込むと０．０９８になる。吸引管に軸流制御管を配することにより、顕著に被研掃管下流部分の旋回強度（スワール数Ｎｓ）が大きくなり、研掃材回収タンク側に接続された研掃管端での研掃能率の向上が期待できる。
【００４９】
上述の通り、図１に示す軸流制御管を配した吸引管により旋回流強度が増大できるとともに、被研掃管の下流まで旋回流を延伸できることが判明した。さらに、各部の形状および寸法の最適化を図る実験を行った。すなわち、軸流制御管の外径ｄｃおよび有効長さＩｃ、吸引管の供給口の幅Ｗｍ、開口長さ（吸引管全長）Ｌｍおよび開口面積Ａｍ、さらに軸流制御管からの吹き込み量Ｑｃ（吹き込みまたは吸引）および吸引管を被研掃管に接続する接続管の絞り角度θの影響を調査した。
【００５０】
まず、軸流制御管の外径ｄｃおよび有効長さＩｃを変化させた吸引管を作成し、そのスワール数Ｎｓの減衰特性を測定した。
【００５１】
図３は、本発明の軸流制御管を配した吸引管における軸流制御管の外径と有効長さの最適範囲を示した図である。同図では、吸引管の内径Ｄｍが８２ｍｍ、全長（開口長さ）Ｌｍが１４７ｍｍで、幅Ｗｍが１５ｍｍの供給口を形成した吸引管を用いて、軸流制御管の外径ｄｃと有効長さＩｃを変え、Ｌ／Ｄｍが１００の位置でのスワール数Ｎｓを特許文献１の吸引管と比較した。
【００５２】
比較評価の判定は、旋回強度の向上効果が２０％以上を○、同効果が２０％程度までを△、特許文献１の吸引管と同等あるいはそれ以下のものを×で示した。なお。軸流制御管外径ｄｃは吸引管の内径Ｄｍで除し、軸流制御管の有効長さＩｃは吸引管の全長（開口長さ）Ｌｍで除して無次元化している。
【００５３】
図３の結果から、ｄｃ／Ｄｍが０．４〜０．９である場合には、Ｉｃ／Ｌｍが０．５以上であること（条件Ａ）、またはｄｃ／Ｄｍが０．４未満である場合には、Ｉｃ／Ｌｍが０．７５以上であること（条件Ｂ）を満足すると、特許文献１の吸引管と比較して旋回強度が向上することがわかる。
【００５４】
さらに、ｄｃ／Ｄｍが０．４〜０．８である場合には、Ｉｃ／Ｌｍが０．７５以上であり、またはｄｃ／Ｄｍが０．４未満である場合には、Ｉｃ／Ｌｍが１以上であるのが望ましい。
【００５５】
ここで、本発明の軸流制御管を配した吸引管における軸流制御管３ｂ、吸引管３および接続管４の長さの関係は、前記図１に示すとおりである。上記の条件Ａ、Ｂでは、Ｉｃ／Ｌｍの上限を規定していないが、軸流制御管の有効長さＩｃは、吸引管の全長（開口長さ）Ｌｍと接続管の長さＹの和以下（Ｉｃ≦Ｌｍ＋Ｙ）とするのが望ましい。
【００５６】
軸流制御管の有効長さＩｃについて、本実験では、供給口の開口長さＬｍの１．５倍までしか検討していないが、吸引管は接続管を介して被研掃管に接続されるため、軸流制御管を接続管位置よりも下流まで延ばすと、接続管での流路断面積が狭くなり流体抵抗が増加し、旋回強度を低下させることになる。また、被研掃管内まで延ばすと、被研掃管の入れ替え交換時に邪魔になる。したがって、軸流制御管の有効長さＩｃの上限は、上述の吸引管の全長Ｌｍと接続管の長さＹの和以下にするのが望ましい。
【００５７】
さらに、上記条件Ｂにおいて、ｄｃ／Ｄｍが０．４未満と規定しているが、下限は０．０５にするのが望ましい。軸流制御管の外径ｄｃに関して、本実験では、ｄｃ／Ｄｍが０．０５まで検討を行ったが、この程度細くても効果が確認できたことによる。これは、吸引管の中心部に細くても固体壁が存在することによって、供給口から吸引された旋回流の中心が変動せず、旋回流が安定するためと考えられる。
【００５８】
ただし、軸流制御管の径が細くなると振動し、流れを乱すとともに耐久性等の問題が発生する。したがって、細径の軸流制御管を使用する場合には、旋回流を乱さないように吸引管の中心に固定させる方策を取る必要がある。
【００５９】
次に、本発明の軸流制御管を配した吸引管における開口部寸法の影響を検討した。本検討は、上述の内径Ｄｍが８２ｍｍの吸引管に、外径ｄｃが吸引管内径Ｄｍの０．２７倍（ｄｃ／Ｄｍ）、有効長さＩｃが供給口の開口長さＬｍの１．５倍の軸流制御管を取り付け、供給口の幅Ｗｍおよび開口長さＬｍを変化させて旋回強度を測定した。
【００６０】
図４は、本発明の軸流制御管を配した吸引管における供給口の開口幅、開口長さおよび開口面積比の最適範囲を示した図である。比較評価の判定は。前記図３の判定と同様とし、旋回強度の向上効果が２０％以上を○、同効果が２０％程度までを△、特許文献１の吸引管と同等あるいはそれ以下のものを×で示した。なお、供給口の幅Ｗｍおよび開口長さＬｍは、吸引管の内径Ｄｍで除して無次元化している。
【００６１】
また、図中には、供給口の開口面積と被研掃管の断面積との比Ａｍ／Ａｐが一定になる等開口面積比線も示している。ここで、Ａｍ＝Ｗｍ×Ｌｍ、Ａｐ＝π×（Ｄｍ／２）２で表される。
【００６２】
図４の結果から、Ａｍ／Ａｐが０．４〜２．０であり、Ｗｍ／Ｄｍが０．３５以下であり、Ｌｍ／Ｄｍが６以下であること（条件Ｃ）を満足すると、特許文献１の吸引管と比較して旋回強度が向上していることがわかる。
【００６３】
さらに、Ａｍ／Ａｐが０．４〜１．５であり、Ｗｍ／Ｄｍが０．１〜０．３であり、Ｌｍ／Ｄｍが１．５〜５を満足するのが望ましい。
【００６４】
次に、本発明の軸流制御管を配した吸引管と被研掃管を接続する接続管の絞り角度θの影響を検討した。本実験では、径Ｄｍが８２ｍｍ、開口長さＬｍが１４７ｍｍで、幅Ｗｍが１５ｍｍの供給口を形成した吸引管に、外径ｄｃが吸引管内径Ｄｍの０．２７倍、有効長さＩｃが供給口開口長さの１．５倍の軸流制御管を取り付け、被研掃管内径は５５ｍｍとした。その結果を表１に示す。
【００６５】
【表１】
【００６６】
評価判定は、吸引管と被研掃管が同径すなわち絞り角度０°を基準とし、旋回強度向上効果が１０％以上を○、同効果が１０％程度までを△、向上効果が認められず逆に悪化したものを×で示した。表１の結果から、接続管の絞り角度は、１０〜７５°の範囲が望ましい。さらに好ましくは、１８〜６０°の範囲である。
【００６７】
ここで、接続管の絞り角度θを１０〜７５°にすると、縮径しないまたはわずかに縮径した場合より旋回流の強度向上に効果があるのは、接続管による損失抵抗の増加に比べ、絞りによる縮径で流れが加速し旋回流が強化されるためである。しかし、絞り角度がが７５°を超えると、接続管による損失抵抗が大きくなり、旋回流強度が低下する。
【００６８】
さらに、本発明の軸流制御管からの吹き込み量（吹き込みまたは吸引）Ｑｃと、吸引管の供給口からの吸引量Ｑｓとの影響を検討した。本実験では、吸引管の内径Ｄｍが８２ｍｍ、開口長さＬｍが１４７ｍｍで、幅Ｗｍが１５ｍｍの供給口を形成した吸引管を用いて、外径ｄｃが吸引管内径Ｄｍの０．２７倍、有効長さＩｃが供給口開口長さの１．５倍の軸流制御管を取り付け、被研掃管内径は５５ｍｍとした。その結果を表２に示す。
【００６９】
ここで、吹き込み量Ｑｃは、軸流制御管に流量計を介して取り付けたコンプレッサまたは吸引ブロアから空気を吹き込みあるいは吸引し、その流量をロータメータで測定し、標準状態に湿圧補正したものである。
また、吸引量Ｑｓは、吸引ブロアで吸引される流量をオリフィス流量計で測定し、標準状態に湿圧補正したものである。
【００７０】
なお、軸流制御管からの吹き込み量Ｑｃは、吹き込みの場合は＋（プラス）で示し、吸引の場合には−（マイナス）で示し、供給口からの吸引量Ｑｓで除して無次元化している。
【００７１】
【表２】
【００７２】
表２の結果から、軸流制御管から被研掃管に吹き込みまたは吸引される吹き込み量をＱｃとし、吸引管の供給口から吸引される吸引量をＱｓとしたとき、Ｑｃ／Ｑｓが−０．０５〜０．１５の範囲にするのが望ましい。
【００７３】
【実施例】
本発明の管内面ショット装置の効果を、具体的な実施例に基づいて説明する。
（比較例）
外径８８．９ｍｍ、内径７６ｍｍ、長さ１２．８ｍ（材質１３Ｃｒ）の被研掃管を図７に示す吸引管を用いて研掃材をアルミナとして、内面ショット処理をしたところ、１４．２分を要した。
【００７４】
このときの吸引管の寸法は、内径：１０１ｍｍ、開口長さ：５００ｍｍ、供給口の幅：２５ｍｍとし、接続管絞り角度：５°とした。
（実施例１）
比較例で用いたのと同じ寸法の被研掃管を、図１に示す本発明の吸引管を用いて、同じ研掃材で内面ショット処理を行った。このときの吸引管の寸法は、内径Ｄｍ：１０１ｍｍ、開口長さＬｍ：５００ｍｍ、供給口の幅Ｗｍ：２５ｍｍとし、さらに軸流制御管の外径ｄｃ：３４．３ｍｍ、有効長さＩｃ：６００ｍｍとして、ｄｃ／Ｄｍ：０．３４、Ｉｃ／Ｌｍ：１．２とした。また、接続管の絞り角度は０°とした。その結果、内面ショット処理に要した時間は１１．９分であった。
（実施例２）
比較例で用いたのと同じ寸法の被研掃管を、図１に示す本発明の吸引管を用いて、供給口の開口長さＬｍ：３００ｍｍとし、それ以外は実施例１と同じ条件とし、供給口の開口面積をＡｍ、被研掃管の内径の断面積をＡｐとして、Ａｍ／Ａｐ：１．６５、Ｗｍ／Ｄｍ：０．２４８、Ｌｍ／Ｄｍ：２．９７で内面ショット処理を行った。その結果、内面ショット処理に要した時間は９．７分であった。
（実施例３）
比較例で用いたのと同じ寸法の被研掃管を、図１に示す本発明の吸引管を用いて、接続管の絞り角度θ：２０°とし、それ以外は実施例２と同じ条件とし、内面ショット処理を行った。その結果、内面ショット処理に要した時間は８．８分であった。
（実施例４）
比較例で用いたのと同じ寸法の被研掃管を、図１に示す本発明の吸引管を用いて、実施例３の条件に加え、軸流制御管からの吹き込み量Ｑｃ、供給口からの吸引量ＱｓとしてＱｃ／Ｑｓ：０．０７の条件で内面ショット処理を行った。その結果、内面ショット処理に要した時間は７．８分であった。
【００７５】
上述の通り、図１に示す本発明の吸引管を用いることによって、実施例１〜４のいずれの場合であっても、従来の吸引管を使用した場合に比べ、大幅に研掃能率を向上させることができる。また、実施例４で長時間連続運転した結果、アルミナ粒子の粉化率が１８％改善し、研掃材の原単位の向上も達成できる。
【００７６】
【発明の効果】
本発明の管内面ショット装置によれば、吸引管と同心に軸流制御管を設けて、この軸流制御管から空気を吹き込む等により、旋回流の形成をスムーズにし、管内旋回流特有の管中心部に発生する逆流や変動を制御し安定化させることができるので、被研掃管内の旋回流を強化し、回収タンク側に接続された被研掃管の管端スケール残りを抑制して、研掃能率を向上させるとともに研掃材の粉化を抑制して原単位向上を図ることができる。
【００７７】
したがって、この管内面ショット装置を採用する鋼管およびその製造方法では、内面ショット管を低廉な製造コストで、かつ効率的に製造でき、工業的に効果が顕著なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の軸流制御管を配した吸引管の構造を示す斜視図である。
【図２】本発明の軸流制御管を配した吸引管を用いたモデル実験におけるスワール数Ｎｓの管軸方向の変化状況を示す図である。
【図３】本発明の軸流制御管を配した吸引管における軸流制御管の外径と有効長さの最適範囲を示した図である。
【図４】本発明の軸流制御管を配した吸引管における供給口の開口幅、開口長さおよび開口面積比の最適範囲を示した図である。
【図５】吸引式内面ショットを採用する装置の概略構成を説明する図である。
【図６】透明管を用いたモデル実験での装置構成の概略を示す図である。
【図７】モデル実験に供試した特許文献１の吸引管の構成を示す図である。
【図８】特許文献１の吸引管を用いたモデル実験におけるスワール数Ｎｓの管軸方向の変化状況を示す図である。
【図９】特許文献１の吸引管近傍における空気の吸引状況を数値シミュレーションした結果を示す図であり、（ａ）は吸引管断面図、（ｂ）は軸方向断面図である。
【符号の説明】
１：吸引装置、 １ａ：吸引ブロア
１ｂ：バグフィルタ、 １ｃ：研掃材回収タンク（レシーバタンク）
２：被研掃管（透明感）、 ３：吸引管
３ａ：供給口、 ３ｂ：軸流制御管
４：接続管、 ５：研掃材供給ホッパ
６：超音波式加湿器
７：ビデオ、スチールカメラ
【発明の属する技術分野】
本発明は、油井管、ガス井管、化学工業用管、熱交換器用管および配管用管等の鋼管を対象として、内面に付着するスケールを除去するため、必要に応じて内面粗度を調整するために管内面を研掃するショット装置、並びにそれを用いて製造した鋼管およびその内面ショット鋼管の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
鋼管の内面スケール除去や粗度調整に用いられる内面ショット方式には、噴射式と吸引式がある。噴射式による内面ショットでは、研掃材を高圧空気とともにノズルから噴射しながら、ノズルを鋼管内面に沿って軸方向および周方向に移動させて、管内面の脱スケールを行うものである。
【０００３】
このため、噴射式内面ショットでは、ノズルの移動装置が必要になるとともに、研掃材の飛散を防止するカバー等の設置を要し、全体の装置が大型化する。また、構造的に鋼管内へ研掃材噴射ノズルを挿入することから、適用される鋼管寸法が制限され、小径管には不向きな方式である。
【０００４】
図５は、吸引式内面ショットを採用する装置の概略構成を説明する図である。同図に示すように、吸引式内面ショットでは、吸引装置１として吸引ブロア１ａとバグフィルタ１ｂを介して接続された研掃材回収タンク１ｃとで構成されており、この吸引装置１と吸引管３に接続された接続管４との間に被研掃管２が接続される。研掃材としては、一般的にアルミナ粒子が用いられる。アルミナ粒子は、研掃材供給ホッパ５から供給され、吸引装置１の吸引に伴って、吸引管の供給口３ａから空気とともに被研掃管２へ導入されて、鋼管内面のスケールが除去される。
【０００５】
通常、吸引式内面ショットでは被研掃管２は固定方式であるため、吸引管３で吸引空気に旋回流を発生させ、研掃材供給ホッパ５から自由落下で供給された研掃材をこの旋回流に伴わせることにより、被研掃管２の全内面に亘って均一に脱スケール（研掃）を行っている。脱スケール後の研掃材と吸引空気は、研掃材回収タンク１ｃで粗粒の研掃材を分離し、次いでバッグフィルタ１ｂで粉化した微粒研掃材を除去した後、吸引ブロア１ａから清浄空気が排気される。
【０００６】
図５に示す吸引式内面ショット方式では、研掃材の供給が重力落下による負圧吸引方式であるため、研掃材は研掃材回収タンク１ｃおよびバッグフィルタ１ｂで完全に回収されるので、粉塵飛散等の作業環境の悪化を懸念する必要がない。したがって、噴射式に比べ、粉塵飛散防止カバー等も必要なく、装置全体がコンパクトに構成される。しかし、研掃能率を確保するために、被研掃管内の研掃材速度を一定以上に確保する必要があることから、大径管に適用する場合には、吸引ブロア１ａが大型化し、設備コストの高騰を招くことになる。このため、吸引式内面ショット方式は、小径管または中径管に用いるのが有利である。
【０００７】
ところで、吸引式管内面ショットでは、特に長尺管の処理において、図５に示す研掃材回収タンク側に接続された被研掃管の管端数ｍの部分に、スケールが残り易いという問題がある。このため、被研掃管の当該部分のスケールを完全に除去するため、研掃時間がかかり、研掃能率が低下するとともに研掃材の粉化による原単位悪化を招くことになる。
【０００８】
このような問題に対処するため、特許文献１では、図５に示す吸引式内面ショットの装置において、吸引管と被研掃管を接続する接続管の絞り角度を０〜１０°とする装置、さらに吸引管の供給口の開口角度を６０°以下にするとともに供給口の開口面積をパイプの断面積の４倍以下にする装置、または、研掃材回収タンク側から被研掃管内へ中子を挿入する装置を提案している。
【０００９】
特許文献１で提案された装置では、いずれも被研掃管内の旋回流を強め、被研掃管の下流側、すなわち研掃材回収タンク側まで旋回流を到達させることができるので、旋回流強化の効果は認められる。しかし、この効果は、上記特許文献１で提案された全ての装置が相まって達成されるものであり、接続管の絞り角度、供給口の開口角度、開口面積比、および中子の挿入等について全ての装置構成を具備することが必須となる。
【００１０】
このため、特許文献１で提案された装置、なかでも研掃材回収タンク側から中子を挿入する装置では、被研掃管を交換する毎に、数ｍの中子を着脱しなければならず、そのための装置が必要になり、設備コストの高騰を招くとともに、中子の着脱時間がロスタイムとなり、結果として研掃能率の向上に結びつかない。
【００１１】
さらに、内面ショット時に研掃材が中子に衝突することにより、中子の摩耗および研掃材の粉化が進み、中子コストの上昇および研掃材の原単位の悪化の要因となる。
【００１２】
【特許文献１】
特開平８−９０４１８号公報
【非特許文献】
畠沢政保、外１名、”真っ直ぐな円管内の乱流旋回流の特性一流の相似性と逆流の発生条件”、ながれ、Ｖｏｌ．１６（１９９７）、１２８．
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
前述の通り、従来、特許文献１で提案された装置では、被研掃管の内面に中子を挿入する必要があるため、研掃能率の向上が制限され、中子コストの上昇および研掃材の原単位の悪化の要因となっている。
【００１４】
このため、中子の挿入を止め、接続管の絞り角度および供給口の開口角度や開口面積比を調整したとしても、前述した研掃材回収タンク側管端のスケール残りを充分に解消することができず、スケール残りをなくすために、さらに旋回流を強化し、延伸して管端の研掃能率を向上させる必要がある。
【００１５】
本発明は、このような従来技術の問題点を解決すべくなされたものであり、回収タンク側からの中子を挿入することなく、旋回流を強化し、回収タンク側に接続された被研掃管の管端スケール残りを抑制して、研掃能率を向上させるとともに研掃材の粉化を抑制して原単位向上を図ることができる、管内面ショット装置並びにそれを用いて製造された鋼管およびその製造方法を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、被研掃管の内部での旋回流の特性を把握するために透明管を用いたモデル実験と数値解析を行った。
【００１７】
図６は、透明管を用いたモデル実験での装置構成の概略を示す図である。圧力計１ｅおよび流量計１ｄを介して吸引ブロア１ａに接続したレシーバタンク１ｃを透明管２に連結し、透明管２の他端に取り付けた吸引管の供給口３ａから空気を吸引できるようにしている。ここで、透明管２は被研掃管に、レシーバタンク１ｃは研掃材回収タンクに見立てている。
【００１８】
吸引ブロア１ａは、公称吸引圧力２２．６ｋＰａ、吸引量７ｍ３／ｍｉｎ、容量３．０８ｋＷの工業用掃除機２台を並列に接続して用いた。供試の透明管２は、ポリカーボネート製であり、内径４４ｍｍ、全長８ｍとした。透明管２の下流部分には２ｍの圧力損失測定区間を設けた。旋回流の観察は、吸引管の供給口３ａの近傍に超音波式加湿器６を設置し、これから発生する水蒸気を吸引させ、透明管内で凝縮した液滴の流跡をビデオおよびスチールカメラ７で撮影した。
【００１９】
図７は、モデル実験に供試した特許文献１の吸引管の構成を示す図である。同図に示すように、供試した吸引管３は、空気および研掃材を吸引管の接線方向に流入できる矩形断面の流路を形成しており、特許文献１の吸引管の形態に近似させている。以下の説明で、図７に示す吸引管３を「特許文献１の吸引管」という。
【００２０】
吸引管３に設けられる供給口３ａは、幅Ｗｍを１１ｍｍ、長さＬｍを３２０ｍｍとした。幅Ｗｍの１１ｍｍは吸引管の内径Ｄｍの１／４であり、特許文献１で規定する供給口の開口角度θの６０°に相当する。また、供給口の開口面積をＡｍ、透明管の内径基準の断面積をＡｐとした場合の開口面積比Ａｍ／Ａｐは２．３であり、特許文献１での供給口の開口面積をパイプの断面積の４倍以下にするのに相当する。
【００２１】
なお、モデル実験では接続管４を設けず、吸引管３と透明管の内径は同じとしたので、特許文献１で規定するレデューサの絞り角度０°に相当する。
【００２２】
管内旋回流の強さは、スワール数Ｎｓで評価した。スワール数Ｎｓは、角運動量と軸方向運動量の比であり、下記（１）式で表され、このスワール数が大きいほど旋回が強いことを示している。
【００２３】
【数１】
【００２４】
このスワール数Ｎｓを計算するには、上記（１）式からわかるように、旋回流の周方向および軸方向の速度分布を測定する必要がある。しかし、一般的には、スワール数Ｎｓと旋回角θｓとの関係は、旋回が自由渦であれば下記（２）式で表され、強制渦であれば下記（３）式で表される。
【００２５】
Ｎｓ ＝ ｔａｎθｓ （２）
Ｎｓ ＝ ｔａｎ（θｓ／２） （３）
管内旋回流は自由渦に近く、非特許文献１によれば、スワール数Ｎｓは下記（４）式で表されることが確かめられている。
【００２６】
Ｎｓ ＝ （ｔａｎθｓ）１．２５ （４）
したがって、このモデル実験では、供給口から吸引された水蒸気の凝縮液滴が管壁を伝わって流れる軌跡から管内壁面での旋回角θｓを測定し、上記（４）式でスワール数Ｎｓを求め、このスワール数で管内旋回流を評価した。
【００２７】
図８は、特許文献１の吸引管を用いたモデル実験におけるスワール数Ｎｓの管軸方向の変化状況を示す図である。図８において、管軸方向の距離Ｌは吸引管からの距離であり、管内径Ｄｍで除して無次元化して示した。スワール数Ｎｓは、管下流に向かうにしたがい指数関数的に小さくなり、Ｌ／Ｄｍが６０以上になると、スワール数Ｎｓは０．１以下になる。すなわち、旋回流は、管下流に向かうにしたがい減衰することがわかる。
【００２８】
図９は、特許文献１の吸引管近傍における空気の吸引状況を数値シミュレーションした結果を示す図である。数値シミュレーションは、ＦＬＵＥＮＴ（フルーエントアジアパシフィック（株）の商品名）を用いて行った。
【００２９】
図９（ａ）に示す吸引管断面図では、供給口より吸引された空気が、吸引管内で管中心を中心に渦巻き、旋回流が発生していることがわかる。同（ｂ）に示す軸方向断面図では、吸引管から被研掃管（透明管）にわたって軸対称の流れが発生しているが、管軸方向の中心部に逆流が発生していることがわかる。
【００３０】
逆流は管内旋回流特有の現象であり、旋回流の遠心力により中心部の静圧が低下し、この低圧部を補完するために空気が流れ込むことにより発生する。この管中心部の静圧低下は旋回流が強い吸引管の近傍で大きく、下流に向かい旋回流が弱くなるので小さくなり、逆流もなくなる。
【００３１】
図９は、管軸方向距離Ｌ／Ｄｍが１０までの吸引管近傍のみの流れ状態を示した図であり、さらに下流部分で逆流がなくなる状況は示してない。また、図９で示す管軸方向断面図の縦横プロポーションは１：１でなく、流速分布を見やすいように６：１で示している。
【００３２】
さらに、軸方向断面図において、管軸方向の流れを細かく見ると、軸方向流の対称線にわずかなうねりが観察され、旋回流は安定でなく、わずかに変動していることが観察される。
【００３３】
上述の通り、特許文献１の吸引管を用いた装置では、被研掃管下流に向かうにしたがい旋回流強度（スワール数Ｎｓ）は急激に減衰しており、また吸引管近傍の軸方向流れにおいては管中心部分に逆流と、わずかな揺らぎが発生していることがわかる。
【００３４】
これより、特許文献１の吸引管内では逆流により管中心部に管下流から供給される空気があるため、供給口から吸引される空気が滅少していることが推測できる。すなわち、ある一定量の空気は、被研掃管上流部分の逆流が生じている部分で循環しているため、被研掃管下流への運動量伝達が抑制されていることになる。また、中心部の逆流は、せん断速度が大きくなり、摩擦損失によるエネルギーロスの原因となっている。
【００３５】
前記図８における被研掃管の上流部（Ｌ／Ｄｍが小さい範囲）において、スワール数Ｎｓの減衰が大きいのはこのためである。したがって、この逆流を制御すれば、供給口からの空気吸引量を増加させることができるとともに、旋回流の初期減衰を抑制でき、被研掃管下流まで旋回流を保持できることに着目した。
【００３６】
図１は、本発明の軸流制御管を配した吸引管の構造を示す斜視図である。図１に示すように、まず吸引管３における吸引量の増加対策として、逆流により管中心部に管下流から供給される空気を抑制するために、吸引管の中心部分に軸流制御管３ｂを配置することとした。
【００３７】
さらに、この軸流制御管３ｂを通して被研掃管の中心部分に空気を吹込むか、または吸引することによって管中心部に発生する逆流を制御し、エネルギーロスを抑制して、旋回流を下流まで延伸できることを知見した。また、軸流制御管３ｂを配した吸引管を用いた場合、接続管により吸引管内で発生した旋回流が加速されることも知見した。
【００３８】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、下記（１）〜（４）の管内面ショット装置、（５）の鋼管および（６）の内面ショット鋼管の製造方法を要旨としている。
（１）被研掃管の一端に吸引装置を接続するとともに、その他端に接続管を介してまたは直接に吸引管を接続して、前記吸引装置の空気吸引に伴って前記吸引管の供給口から吸引される研掃材により、前記被研掃管の内面スケールを除去する管内面ショット装置であって、前記吸引管の略中央に軸流制御管を配し、吸引管の内径をＤｍ、吸引管の全長をＬｍ、軸流制御管の外径をｄｃおよび軸流制御管の有効長さをＩｃとしたとき、下記条件Ａまたは条件Ｂを満足することを特徴とする管内面ショット装置である。
【００３９】
条件Ａ：ｄｃ／Ｄｍが０．４〜０．９であり、Ｉｃ／Ｌｍが０．５以上であること
条件Ｂ：ｄｃ／Ｄｍが０．４未満であり、Ｉｃ／Ｌｍが０．７５以上であること
（２）被研掃管の一端に吸引装置を接続するとともに、その他端に接続管を介してまたは直接に吸引管を接続して、前記吸引装置の空気吸引に伴って前記吸引管の供給口から吸引される研掃材により、前記被研掃管の内面スケールを除去する管内面ショット装置であって、前記吸引管の略中央に軸流制御管を配し、供給口の開口面積特許文献１の吸引管近傍における空気の吸引状況を数値シミュレーションした結果を示す図である。をＡｍ、被研掃管の内径基準の断面積をＡｐ、供給口の幅をＷｍ、吸引管の内径をＤｍおよび吸引管の全長をＬｍとしたとき、下記条件Ｃを満足することを特徴とする管内面ショット装置である。
【００４０】
条件Ｃ：Ａｍ／Ａｐが０．４〜２．０であり、Ｗｍ／Ｄｍが０．３５以下であ
り、Ｌｍ／Ｄｍが６以下であること
（３）被研掃管の一端に吸引装置を接続するとともに、その他端に接続管を介して吸引管を接続して、前記吸引装置の空気吸引に伴って前記吸引管の供給口から吸引される研掃材により、前記被研掃管の内面スケールを除去する管内面ショット装置であって、前記吸引管の略中央に軸流制御管を配し、前記接続管の絞り角度をθとしたとき、下記条件Ｄを満足することを特徴とする管内面ショット装置である。
【００４１】
条件Ｄ：θが１０〜７５°であること
（４）上記（１）〜（３）の管内面ショット装置は、現に具備している条件に加え、さらに条件Ａまたは条件Ｂ、条件Ｃおよび条件Ｄのうち、１または２の条件を満足するのが望ましい。
（５）上記（１）〜（４）のいずれかの管内面ショット装置を用いて製造したことを特徴とする鋼管である。
（６）上記（１）〜（４）のいずれかの管内面ショット装置を用いて鋼管の内面をショットする際に、軸流制御管から被研掃管への吹き込み量をＱｃとし、吸引管の供給口から吸引される吸引量をＱｓとしたとき、Ｑｃ／Ｑｓが−０．０５〜０．１５を満足することを特徴とする内面ショット鋼管の製造方法である。ただし、吹き込み量Ｑｃは吹き込みの場合は＋（プラス）で示し、吸引の場合は−（マイナス）で示す。
【００４２】
本発明において、「吸引装置」とは、前記図５に示すように、研掃材回収タンク、バグフィルタおよび吸引ブロワで構成されている。さらに、吸引管における軸流制御管の配置位置に関し、「吸引管の略中央に」とは、製作上の誤差を含むものであって、吸引管および軸流制御管の寸法によって異なるが、許容値は最大±１０ｍｍ程度であることを意味する。
【００４３】
本発明の装置のうち、上記（１）および（２）の管内面ショット装置は、被研掃管の一端に吸引装置を接続するとともに、他端に接続管を介して吸引管を接続する場合と、必要に応じて他端に接続管を介することなく直接に吸引管を接続する場合を含む。
【００４４】
【発明の実施の形態】
本願発明の管内面ショット装置は、管中心部に発生する逆流を制御するため、吸引管の略中央に軸流制御管を配することを特徴としている。そのため、前記図１に示す、本発明の軸流制御管を配した吸引管の効果を確認するため、前述したモデル実験による旋回流の評価と同様の実験を行った。
【００４５】
すなわち、前記図１に示す本発明の軸流制御管を配した吸引管３を構成し、吸引管の内径Ｄｍは４４ｍｍで、軸流制御管３ｂの外径ｄｃは２２ｍｍで、軸流制御管の長さ（全長）は供給口長さＬｍの１・５倍の３１５ｍｍとした。この軸流制御管を配した吸引管３を用いて、前記図６に示すモデル実験装置を構成し、被研掃管に相当する透明管２内の旋回角度を計測し、スワール数Ｎｓの減衰状況を調査した。さらに、この軸流制御管３ｂから空気を吹き込むことによる旋回流への影響も調査した。
【００４６】
図２は、本発明の軸流制御管を配した吸引管を用いたモデル実験におけるスワール数Ｎｓの管軸方向の変化状況を示す図である。同図において、破線は前記図８に示す特許文献１の吸引管によるスワール数Ｎｓの減衰特性である（図中の比較例）。実線は、本発明の吸引管であって、軸流制御管を配したままの減衰特性であり、特許文献１の吸引管に比較して、旋回強度（スワール数Ｎｓ）は大きくなり、スワール数が０．１になる距離も、特許文献１の吸引管のＬ／Ｄｍ＝６０から７５になっており、被研掃管下流まで旋回流が延伸していることがわかる。
【００４７】
さらに、図２中で黒丸で示した減衰特性は、軸流制御管から空気を吹き込んだデータであり、旋回流はさらに下流まで延伸している。具体的には、吹き込み量は供給口からの吸引空気量の７％に相当する空気量であり、スワール数Ｎｓが０．１になる距離Ｌ／Ｄｍは１００程度になっていることがわかる。
【００４８】
また、図２に示す結果から、Ｌ／Ｄｍが１００におけるスワール数を比較すると、特許文献１の吸引管において０．０３５であったものが、吸引管に軸流制御管を配すると０．０５２に、さらに軸流制御管から空気を吹き込むと０．０９８になる。吸引管に軸流制御管を配することにより、顕著に被研掃管下流部分の旋回強度（スワール数Ｎｓ）が大きくなり、研掃材回収タンク側に接続された研掃管端での研掃能率の向上が期待できる。
【００４９】
上述の通り、図１に示す軸流制御管を配した吸引管により旋回流強度が増大できるとともに、被研掃管の下流まで旋回流を延伸できることが判明した。さらに、各部の形状および寸法の最適化を図る実験を行った。すなわち、軸流制御管の外径ｄｃおよび有効長さＩｃ、吸引管の供給口の幅Ｗｍ、開口長さ（吸引管全長）Ｌｍおよび開口面積Ａｍ、さらに軸流制御管からの吹き込み量Ｑｃ（吹き込みまたは吸引）および吸引管を被研掃管に接続する接続管の絞り角度θの影響を調査した。
【００５０】
まず、軸流制御管の外径ｄｃおよび有効長さＩｃを変化させた吸引管を作成し、そのスワール数Ｎｓの減衰特性を測定した。
【００５１】
図３は、本発明の軸流制御管を配した吸引管における軸流制御管の外径と有効長さの最適範囲を示した図である。同図では、吸引管の内径Ｄｍが８２ｍｍ、全長（開口長さ）Ｌｍが１４７ｍｍで、幅Ｗｍが１５ｍｍの供給口を形成した吸引管を用いて、軸流制御管の外径ｄｃと有効長さＩｃを変え、Ｌ／Ｄｍが１００の位置でのスワール数Ｎｓを特許文献１の吸引管と比較した。
【００５２】
比較評価の判定は、旋回強度の向上効果が２０％以上を○、同効果が２０％程度までを△、特許文献１の吸引管と同等あるいはそれ以下のものを×で示した。なお。軸流制御管外径ｄｃは吸引管の内径Ｄｍで除し、軸流制御管の有効長さＩｃは吸引管の全長（開口長さ）Ｌｍで除して無次元化している。
【００５３】
図３の結果から、ｄｃ／Ｄｍが０．４〜０．９である場合には、Ｉｃ／Ｌｍが０．５以上であること（条件Ａ）、またはｄｃ／Ｄｍが０．４未満である場合には、Ｉｃ／Ｌｍが０．７５以上であること（条件Ｂ）を満足すると、特許文献１の吸引管と比較して旋回強度が向上することがわかる。
【００５４】
さらに、ｄｃ／Ｄｍが０．４〜０．８である場合には、Ｉｃ／Ｌｍが０．７５以上であり、またはｄｃ／Ｄｍが０．４未満である場合には、Ｉｃ／Ｌｍが１以上であるのが望ましい。
【００５５】
ここで、本発明の軸流制御管を配した吸引管における軸流制御管３ｂ、吸引管３および接続管４の長さの関係は、前記図１に示すとおりである。上記の条件Ａ、Ｂでは、Ｉｃ／Ｌｍの上限を規定していないが、軸流制御管の有効長さＩｃは、吸引管の全長（開口長さ）Ｌｍと接続管の長さＹの和以下（Ｉｃ≦Ｌｍ＋Ｙ）とするのが望ましい。
【００５６】
軸流制御管の有効長さＩｃについて、本実験では、供給口の開口長さＬｍの１．５倍までしか検討していないが、吸引管は接続管を介して被研掃管に接続されるため、軸流制御管を接続管位置よりも下流まで延ばすと、接続管での流路断面積が狭くなり流体抵抗が増加し、旋回強度を低下させることになる。また、被研掃管内まで延ばすと、被研掃管の入れ替え交換時に邪魔になる。したがって、軸流制御管の有効長さＩｃの上限は、上述の吸引管の全長Ｌｍと接続管の長さＹの和以下にするのが望ましい。
【００５７】
さらに、上記条件Ｂにおいて、ｄｃ／Ｄｍが０．４未満と規定しているが、下限は０．０５にするのが望ましい。軸流制御管の外径ｄｃに関して、本実験では、ｄｃ／Ｄｍが０．０５まで検討を行ったが、この程度細くても効果が確認できたことによる。これは、吸引管の中心部に細くても固体壁が存在することによって、供給口から吸引された旋回流の中心が変動せず、旋回流が安定するためと考えられる。
【００５８】
ただし、軸流制御管の径が細くなると振動し、流れを乱すとともに耐久性等の問題が発生する。したがって、細径の軸流制御管を使用する場合には、旋回流を乱さないように吸引管の中心に固定させる方策を取る必要がある。
【００５９】
次に、本発明の軸流制御管を配した吸引管における開口部寸法の影響を検討した。本検討は、上述の内径Ｄｍが８２ｍｍの吸引管に、外径ｄｃが吸引管内径Ｄｍの０．２７倍（ｄｃ／Ｄｍ）、有効長さＩｃが供給口の開口長さＬｍの１．５倍の軸流制御管を取り付け、供給口の幅Ｗｍおよび開口長さＬｍを変化させて旋回強度を測定した。
【００６０】
図４は、本発明の軸流制御管を配した吸引管における供給口の開口幅、開口長さおよび開口面積比の最適範囲を示した図である。比較評価の判定は。前記図３の判定と同様とし、旋回強度の向上効果が２０％以上を○、同効果が２０％程度までを△、特許文献１の吸引管と同等あるいはそれ以下のものを×で示した。なお、供給口の幅Ｗｍおよび開口長さＬｍは、吸引管の内径Ｄｍで除して無次元化している。
【００６１】
また、図中には、供給口の開口面積と被研掃管の断面積との比Ａｍ／Ａｐが一定になる等開口面積比線も示している。ここで、Ａｍ＝Ｗｍ×Ｌｍ、Ａｐ＝π×（Ｄｍ／２）２で表される。
【００６２】
図４の結果から、Ａｍ／Ａｐが０．４〜２．０であり、Ｗｍ／Ｄｍが０．３５以下であり、Ｌｍ／Ｄｍが６以下であること（条件Ｃ）を満足すると、特許文献１の吸引管と比較して旋回強度が向上していることがわかる。
【００６３】
さらに、Ａｍ／Ａｐが０．４〜１．５であり、Ｗｍ／Ｄｍが０．１〜０．３であり、Ｌｍ／Ｄｍが１．５〜５を満足するのが望ましい。
【００６４】
次に、本発明の軸流制御管を配した吸引管と被研掃管を接続する接続管の絞り角度θの影響を検討した。本実験では、径Ｄｍが８２ｍｍ、開口長さＬｍが１４７ｍｍで、幅Ｗｍが１５ｍｍの供給口を形成した吸引管に、外径ｄｃが吸引管内径Ｄｍの０．２７倍、有効長さＩｃが供給口開口長さの１．５倍の軸流制御管を取り付け、被研掃管内径は５５ｍｍとした。その結果を表１に示す。
【００６５】
【表１】
評価判定は、吸引管と被研掃管が同径すなわち絞り角度０°を基準とし、旋回強度向上効果が１０％以上を○、同効果が１０％程度までを△、向上効果が認められず逆に悪化したものを×で示した。表１の結果から、接続管の絞り角度は、１０〜７５°の範囲が望ましい。さらに好ましくは、１８〜６０°の範囲である。
【００６７】
ここで、接続管の絞り角度θを１０〜７５°にすると、縮径しないまたはわずかに縮径した場合より旋回流の強度向上に効果があるのは、接続管による損失抵抗の増加に比べ、絞りによる縮径で流れが加速し旋回流が強化されるためである。しかし、絞り角度がが７５°を超えると、接続管による損失抵抗が大きくなり、旋回流強度が低下する。
【００６８】
さらに、本発明の軸流制御管からの吹き込み量（吹き込みまたは吸引）Ｑｃと、吸引管の供給口からの吸引量Ｑｓとの影響を検討した。本実験では、吸引管の内径Ｄｍが８２ｍｍ、開口長さＬｍが１４７ｍｍで、幅Ｗｍが１５ｍｍの供給口を形成した吸引管を用いて、外径ｄｃが吸引管内径Ｄｍの０．２７倍、有効長さＩｃが供給口開口長さの１．５倍の軸流制御管を取り付け、被研掃管内径は５５ｍｍとした。その結果を表２に示す。
【００６９】
ここで、吹き込み量Ｑｃは、軸流制御管に流量計を介して取り付けたコンプレッサまたは吸引ブロアから空気を吹き込みあるいは吸引し、その流量をロータメータで測定し、標準状態に湿圧補正したものである。
また、吸引量Ｑｓは、吸引ブロアで吸引される流量をオリフィス流量計で測定し、標準状態に湿圧補正したものである。
【００７０】
なお、軸流制御管からの吹き込み量Ｑｃは、吹き込みの場合は＋（プラス）で示し、吸引の場合には−（マイナス）で示し、供給口からの吸引量Ｑｓで除して無次元化している。
【００７１】
【表２】
表２の結果から、軸流制御管から被研掃管に吹き込みまたは吸引される吹き込み量をＱｃとし、吸引管の供給口から吸引される吸引量をＱｓとしたとき、Ｑｃ／Ｑｓが−０．０５〜０．１５の範囲にするのが望ましい。
【００７３】
【実施例】
本発明の管内面ショット装置の効果を、具体的な実施例に基づいて説明する。
（比較例）
外径８８．９ｍｍ、内径７６ｍｍ、長さ１２．８ｍ（材質１３Ｃｒ）の被研掃管を図７に示す吸引管を用いて研掃材をアルミナとして、内面ショット処理をしたところ、１４．２分を要した。
【００７４】
このときの吸引管の寸法は、内径：１０１ｍｍ、開口長さ：５００ｍｍ、供給口の幅：２５ｍｍとし、接続管絞り角度：５°とした。
（実施例１）
比較例で用いたのと同じ寸法の被研掃管を、図１に示す本発明の吸引管を用いて、同じ研掃材で内面ショット処理を行った。このときの吸引管の寸法は、内径Ｄｍ：１０１ｍｍ、開口長さＬｍ：５００ｍｍ、供給口の幅Ｗｍ：２５ｍｍとし、さらに軸流制御管の外径ｄｃ：３４．３ｍｍ、有効長さＩｃ：６００ｍｍとして、ｄｃ／Ｄｍ：０．３４、Ｉｃ／Ｌｍ：１．２とした。また、接続管の絞り角度は０°とした。その結果、内面ショット処理に要した時間は１１．９分であった。
（実施例２）
比較例で用いたのと同じ寸法の被研掃管を、図１に示す本発明の吸引管を用いて、供給口の開口長さＬｍ：３００ｍｍとし、それ以外は実施例１と同じ条件とし、供給口の開口面積をＡｍ、被研掃管の内径の断面積をＡｐとして、Ａｍ／Ａｐ：１．６５、Ｗｍ／Ｄｍ：０．２４８、Ｌｍ／Ｄｍ：２．９７で内面ショット処理を行った。その結果、内面ショット処理に要した時間は９．７分であった。
（実施例３）
比較例で用いたのと同じ寸法の被研掃管を、図１に示す本発明の吸引管を用いて、接続管の絞り角度θ：２０°とし、それ以外は実施例２と同じ条件とし、内面ショット処理を行った。その結果、内面ショット処理に要した時間は８．８分であった。
（実施例４）
比較例で用いたのと同じ寸法の被研掃管を、図１に示す本発明の吸引管を用いて、実施例３の条件に加え、軸流制御管からの吹き込み量Ｑｃ、供給口からの吸引量ＱｓとしてＱｃ／Ｑｓ：０．０７の条件で内面ショット処理を行った。その結果、内面ショット処理に要した時間は７．８分であった。
【００７５】
上述の通り、図１に示す本発明の吸引管を用いることによって、実施例１〜４のいずれの場合であっても、従来の吸引管を使用した場合に比べ、大幅に研掃能率を向上させることができる。また、実施例４で長時間連続運転した結果、アルミナ粒子の粉化率が１８％改善し、研掃材の原単位の向上も達成できる。
【００７６】
【発明の効果】
本発明の管内面ショット装置によれば、吸引管と同心に軸流制御管を設けて、この軸流制御管から空気を吹き込む等により、旋回流の形成をスムーズにし、管内旋回流特有の管中心部に発生する逆流や変動を制御し安定化させることができるので、被研掃管内の旋回流を強化し、回収タンク側に接続された被研掃管の管端スケール残りを抑制して、研掃能率を向上させるとともに研掃材の粉化を抑制して原単位向上を図ることができる。
【００７７】
したがって、この管内面ショット装置を採用する鋼管およびその製造方法では、内面ショット管を低廉な製造コストで、かつ効率的に製造でき、工業的に効果が顕著なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の軸流制御管を配した吸引管の構造を示す斜視図である。
【図２】本発明の軸流制御管を配した吸引管を用いたモデル実験におけるスワール数Ｎｓの管軸方向の変化状況を示す図である。
【図３】本発明の軸流制御管を配した吸引管における軸流制御管の外径と有効長さの最適範囲を示した図である。
【図４】本発明の軸流制御管を配した吸引管における供給口の開口幅、開口長さおよび開口面積比の最適範囲を示した図である。
【図５】吸引式内面ショットを採用する装置の概略構成を説明する図である。
【図６】透明管を用いたモデル実験での装置構成の概略を示す図である。
【図７】モデル実験に供試した特許文献１の吸引管の構成を示す図である。
【図８】特許文献１の吸引管を用いたモデル実験におけるスワール数Ｎｓの管軸方向の変化状況を示す図である。
【図９】特許文献１の吸引管近傍における空気の吸引状況を数値シミュレーションした結果を示す図であり、（ａ）は吸引管断面図、（ｂ）は軸方向断面図である。
【符号の説明】
１：吸引装置、 １ａ：吸引ブロア
１ｂ：バグフィルタ、 １ｃ：研掃材回収タンク（レシーバタンク）
２：被研掃管（透明感）、 ３：吸引管
３ａ：供給口、 ３ｂ：軸流制御管
４：接続管、 ５：研掃材供給ホッパ
６：超音波式加湿器
７：ビデオ、スチールカメラ
Claims (8)
- 被研掃管の一端に吸引装置を接続するとともに、その他端に接続管を介してまたは直接に吸引管を接続して、前記吸引装置の空気吸引に伴って前記吸引管の供給口から吸引される研掃材により、前記被研掃管の内面スケールを除去する管内面ショット装置であって、
前記吸引管の略中央に軸流制御管を配し、吸引管の内径をＤｍ、吸引管の全長をＬｍ、軸流制御管の外径をｄｃおよび軸流制御管の有効長さをＩｃとしたとき、下記条件Ａまたは条件Ｂを満足することを特徴とする管内面ショット装置。
条件Ａ：ｄｃ／Ｄｍが０．４〜０．９であり、Ｉｃ／Ｌｍが０．５以上であること
条件Ｂ：ｄｃ／Ｄｍが０．４未満であり、Ｉｃ／Ｌｍが０．７５以上であること - 被研掃管の一端に吸引装置を接続するとともに、その他端に接続管を介してまたは直接に吸引管を接続して、前記吸引装置の空気吸引に伴って前記吸引管の供給口から吸引される研掃材により、前記被研掃管の内面スケールを除去する管内面ショット装置であって、
前記吸引管の略中央に軸流制御管を配し、供給口の開口面積をＡｍ、被研掃管の内径基準の断面積をＡｐ、供給口の幅をＷｍ、吸引管の内径をＤｍおよび吸引管の全長をＬｍとしたとき、下記条件Ｃを満足することを特徴とする管内面ショット装置。
条件Ｃ：Ａｍ／Ａｐが０．４〜２．０であり、Ｗｍ／Ｄｍが０．３５以下であり、Ｌｍ／Ｄｍが６以下であること - 被研掃管の一端に吸引装置を接続するとともに、その他端に接続管を介して吸引管を接続して、前記吸引装置の空気吸引に伴って前記吸引管の供給口から吸引される研掃材により、前記被研掃管の内面スケールを除去する管内面ショット装置であって、
前記吸引管の略中央に軸流制御管を配し、前記接続管の絞り角度をθとしたとき、下記条件Ｄを満足することを特徴とする管内面ショット装置。
条件Ｄ：θが１０〜７５°であること - 上記請求項１で規定する条件Ａまたは条件Ｂを満足し、かつ上記請求項２で規定する条件Ｃを満足することを特徴とする管内面ショット装置。
- 上記請求項１で規定する条件Ａまたは条件Ｂを満足し、かつ上記請求項３で規定する条件Ｄを満足することを特徴とする管内面ショット装置。
- 上記請求項１で規定する条件Ａまたは条件Ｂを満足すると同時に、上記請求項２で規定する条件Ｃを満足し、さらに上記請求項３で規定する条件Ｄを満足することを特徴とする管内面ショット装置。
- 上記請求項１〜６のいずれかに記載の管内面ショット装置を用いて製造したことを特徴とする鋼管。
- 上記請求項１〜６のいずれかに記載の管内面ショット装置を用いて鋼管の内面をショットする際に、
軸流制御管から被研掃管への吹き込み量をＱｃとし、吸引管の供給口から吸引される吸引量をＱｓとしたとき、Ｑｃ／Ｑｓが−０．０５〜０．１５を満足することを特徴とする内面ショット鋼管の製造方法。
ただし、吹き込み量Ｑｃは吹き込みの場合は＋（プラス）で示し、吸引の場合は−（マイナス）で示す
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