JP2007296539A - 溶接部特性の良好な電縫管の高能率製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電縫管を製造するに際して、電縫溶接前の板（帯材）の端部にテーパ形状を適切に付与することによって、溶接品質を良好に保持することができるとともに、製造能率の低下も防止することができる溶接部特性に優れる電縫管の高能率製造方法を提供する。
【解決手段】孔型ロール３による圧延によって帯材２０の上面側の端部にテーパ形状を付与するとともに、フィンパス成形最終スタンド４ａにおいて、帯材２０の下面側の端部にテーパ形状を付与する。
【選択図】図１

Description

本発明は、油井のラインパイプ向けなどの溶接部靭性が要求される管あるいは油井のケーシングパイプなどの溶接部強度が要求される管のフレキシブルな製造方法に関わる。

通常、管は溶接管と継目無管に大別される。溶接管は、電縫鋼管を例とするように、板をロール成形等によって丸めて端部を突き合わせて溶接して製造し、継目無管は、材料の塊を高温で穿孔しマンドレルミル等で圧延して製造する。溶接管の場合、一般に溶接部の特性は母材より劣ると言われ、管の適用に当たって、用途ごとに溶接部の靭性や強度の保証が常に議論されて問題となってきた。

例えば、原油や天然ガスなどを輸送するラインパイプでは、管を寒冷地に敷設されることが多いため低温靭性が重要であり、また、原油採掘の油井では採掘管を保護するためのケーシングパイプが必要とされ、管の強度が重要視される。

通常、電縫管の母材となる熱延板（帯材）は、管製造後の母材特性を考慮して成分設計や熱処理等が行われて、母材の靭性や強度等の特性は確保される。

しかし、溶接部の特性は、母材の成分設計や熱処理等以上に、電縫溶接方法によって大きく左右されるため、溶接技術の開発が重要であった。

電縫溶接の不良原因としては、ペネトレータと呼ばれる溶接板材の端面に生成する酸化物が、電縫溶接時に溶鋼とともに端面から排出されずに残留し、この残留したペネトレータを原因として靭性が低下し強度不足になる例が多かった。

そこで、従来、電縫溶接不良の主原因であるペネトレータを溶接部から除くため、溶接部の板端面から積極的に溶鋼を排出する技術が鋭意検討されてきた。例えば、特許文献１や特許文献２などに、板端面の形状について検討した例が記載されている。すなわち、通常、母材となる熱延板の端面はスリットや端面研削によってほぼ矩形を呈しているが、この端面に対してロール成形の前においてテーパ加工を施し、テーパ加工した端部形状によって電縫溶接時の溶鋼排出を良好にすることを目的としている。
特開２００１−１７０７７９号公報 特開２００３−１６４９０９号公報

しかし、特許文献１や特許文献２には、単にテーパ加工手段として、孔型ロール、切削バイト、研削ロールを羅列して紹介しているのみであるため、具体的に電縫管製造工程に適用するには種々の問題があり、さらに詳細な検討が必要である。

例えば、切削の場合は、精度良く所定のテーパ形状を付与することが課題であり、単に切削すればよいわけではない。また、切削でテーパ形状を付与した場合には、テーパ形状を付与した部分が加工硬化していないために、ロール成形でのフィンパス成形によって、付与したテーパ形状がほとんどなくなってしまい、電縫溶接直前で所望するテーパ形状が得られない場合が多々生じていた。

これに対して、孔型ロールでの圧延によりテーパ形状を付与すれば、テーパ形状を付与した部分は加工硬化して、フィンパス成形でテーパ形状が損なわれることは少ないと考えられる。その際、従来の一般的な孔型ロールを用いるとすると、図４に示すような形状の孔型に板端部を充満させて、板（帯材）の上面側端部と下面側端部を同時にテーパ加工する方式となる。

しかし、この方式では、板厚が一定の場合は問題ないが、実際の電縫管製造工程では種々の厚みの板（帯材）をロール成形して管にしており、板厚が変わるとその都度孔型ロールを交換する必要があって、生産能率を著しく低下させてしまう。また、一つの鋼帯（帯材）の中で板厚変動が大きい場合、孔型ロールの上下部分が反力に耐えられず破損する場合もある。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、電縫管を製造するに際して、電縫溶接前の板（帯材）の端部にテーパ形状を適切に付与することによって、溶接品質を良好に保持することができるとともに、製造能率の低下も防止することができる溶接部特性に優れる電縫管の高能率製造方法を提供することを目的とするものである。

前述したように、従来の孔型ロールを単独で用いて、板の上面側端部と下面側端部に同時にテーパ形状を付与するようにすると、ロール破損や能率低下などの問題が生じる。

そこで、本発明者らは、その問題を解決するために、帯材の板厚が変わっても製造能率を低下させずに、板端部にテーパ加工を施すことができる方法を検討した。

その結果、板の上面側端部と下面側端部ごとに、テーパ形状を付与する手段を変更して、複数の手段でテーパ形状を与えることとした。すなわち、板の上面側端部と下面側端部に複数の手段でテーパ形状を付与することとし、一方の表面側の端部にテーパ形状を付与した後に、他方の表面側の端部にテーパ形状を付与すれば、板厚が種々異なっても、テーパ形状を付与する装置の上下位置を微調整するだけで、製造能率を低下させることなく、板の上面側端部と下面側端部にテーパ形状を付与できるからである。

その際、いずれかの表面側の端部にテーパ形状を付与する手段としては、テーパ形状を付与した部分が加工硬化する点を生かして、孔型ロールによる圧延とするのがよい。なお、孔型ロールは装置が比較的大きいために設置スペースが必要であり、ロール成形途中やロール成形後では設置し難いことや、ロール成形前の板はほぼ平坦であることから、孔型ロールによるテーパ形状の付与はロール成形前に行うのがよい。

そして、他方の表面側の端部にテーパ形状を付与する手段としては、ロール成形途中のフィンパス成形を活用するとよい。フィンパス成形では、板をフィンパスロールに充満させるため、板端部が強圧される。従って、フィンパス成形において、フィン形状を２段のテーパとして、このフィン形状を板端部の強圧を活用して板に転写させるとよいからである。

上記のような考え方に基づいて、本発明は以上の特徴を有している。

［１］帯材を成形し端部を突き合わせて電縫溶接し管とする電縫管の製造方法において、ロール成形前に、孔型ロールによる圧延によって帯材の一方の表面側の端部にテーパ形状を付与するとともに、ロール成形のフィンパス成形において、帯材の他方の表面側の端部にテーパ形状を付与することを特徴とする溶接部特性の良好な電縫管の高能率製造方法。

［２］孔型ロールによる圧延によって帯材の上面側の端部にテーパ形状を付与するとともに、ロール成形のフィンパス成形において、帯材の下面側の端部にテーパ形状を付与することを特徴とする前記［１］に記載の溶接部特性の良好な電縫管の高能率製造方法。

［３］いずれかの端部に付与するテーパ形状は、テーパの板厚方向に対する角度を２５°〜５０°として、テーパの板厚方向の長さを板厚の２０％〜４０％とすることを特徴とする前記［１］または［２］に記載の溶接部特性に優れる電縫管の高能率製造方法。

本発明は、著しく良好な靭性および溶接強度を有する電縫管を高能率に製造することができる。

本発明の一実施形態において用いる電縫管製造ラインを図１に示す。この電縫管製造ラインは、帯材２０を、アンコイラ１から払い出し、レベラー２で平坦に矯正し、ロール成形機５で帯材２０を徐々に丸めていき、丸めた帯材２０の左右両幅端部を、誘導加熱部６とスクイズロール（電縫溶接部）７からなる電縫溶接機で電縫溶接して管３０となし、管３０の溶接ビード部をビード部切削機８で切削し、切削後の管３０を、サイザー９にて外径調整した後、管切断機１０で所定長さに切断するという基本構成を有している。なお、ロール成形機５は最後段に２スタンドからなるフィンパス成形スタンド４を備えている。

そして、この実施形態においては、上記の基本構成に加え、レベラー２とロール成形機５の間に、帯材２０の端部にテーパ形状を付与するための孔型ロール３を備えている。

なお、孔型ロール３は、図２に示すように、ほぼ垂直な板端面に平行な面と、それに繋がる、ほぼ垂直な板端面に傾斜する面を備えているとともに、垂直方向に移動可能となっている。そして、その回転方法については、図２（ａ）に例を示すように、ほぼ垂直な板端面に平行な面を回転胴部として、ほぼ垂直な板端面に平行な回転軸を有するようにしてもよく、また、図２（ｂ）に例を示すように、ほぼ垂直な板端面に傾斜する面を回転胴部として、板端面に傾斜する面にほぼ平行な回転軸を有するようにしてもよい。

このような孔型ロール３によって帯材２０を圧延することによって、図２に示すように、帯材２０の上面側（管３０の内面側）の端部に、テーパの板厚方向垂直端面からの角度（テーパの板厚方向に対する角度）がγで、片側におけるテーパ開始位置から終了位置までの垂線の長さ（テーパの板厚方向の長さ）がδとなるテーパ形状を付与することができる。

さらに、この実施形態においては、図３（ａ）に図１のＡ−Ａ矢視図を示し、図３（ｂ）にその部分詳細図を示すように、フィンパス成形スタンド４の最終スタンド４ａが、所定の２段テーパ（２段目のテーパ傾斜角度α、２段目の傾斜部垂直長さβ）となったフィン形状を備えている。そのフィン形状を帯材２０の幅端部に転写することによって、帯材２０の下面側（管３０の外面側）の左右両端部に所定のテーパ形状を付与することができる。

これにより、板厚が異なる帯材の上面側および下面側の端部にテーパ形状を付与する場合には、帯材２０の上面側（管３０の内周側）の端部に対しては、孔型ロール３を用いて、その高さ方向位置を微調整して、板厚方向の所定位置を圧延し、他方、帯材２０の下面側（管３０の外周側）の端部に対しては、フィンパス成形で板厚方向の所定位置にテーパ形状を転写すれば、製造能率を低下せることなく、板厚に応じて帯材の上下面双方の端部に所定のテーパ形状を付与することができる。

このようにして、板端面に平行な面と板端面に傾斜する面を備えるとともに、上下に移動可能な孔型ロール３と、２段テーパとなったフィン形状を備えたフィンパス最終スタンド４ａを組み合わせて、帯材の上面側端部と下面側端部の双方にテーパ形状を付与するようにしているので、異なる板厚の帯材にテーパ形状を付与する場合でも、能率低下を招くことはない。また、一つの帯材で板厚が大きく変動した場合でも、孔型ロールには無理な荷重が加わらず、孔型ロールを破損させることもない。

なお、孔型ロール３およびフィンパス最終スタンド４ａで付与するテーパ形状（すなわち、電縫溶接直前の板端部のテーパ形状）については、テーパの板厚方向垂直端面からの角度α、γを２５°〜５０°の範囲として、片側におけるテーパ開始位置から終了位置までの垂線の長さβ、δを板厚の２０％〜４０％とするとよい。

すなわち、テーパ角度α、γを２５°未満とすると、板厚中央部からの溶鋼排出が不十分となってペネトレータが残留して不良となり、電縫溶接後の靭性や強度が低下し、テーパ角度α、γを５０°超えとすると、電縫溶接後にもそのテーパ形状が製品の管の疵として残留し問題である。また、テーパ高さβ、δが板厚の２０％未満であると、板厚中央部の溶鋼排出が不十分となってペネトレータが残留しやすくなり、テーパ高さβ、δが４０％を超えると、電縫溶接後にもそのテーパ形状が製品の管の疵として残留し問題である。

このようにして、この実施形態においては、電縫溶接前の帯材の端部にテーパ形状を適切に付与することができるので、著しく良好な靭性および溶接強度を有する電縫管を高能率に製造することができる。

なお、この実施形態では、ロール成形前に帯材２０の上面側（管３０の内周側）の端部にテーパ形状を付与し、フィンパス成形で帯材２０の下面側（管３０の外面側）の端部にテーパ形状を付与するようにしているが、場合によっては、ロール成形前に帯材２０の下面側（管３０の外周側）の端部にテーパ形状を付与し、フィンパス成形で帯材２０の上面側（管３０の内面側）の端部にテーパ形状を付与するようにしてもよい。

また、上記においては、帯材２０の上面側が管３０の内周側となる製造ラインを前提にしているが、本発明は、帯材２０の上面側が管３０の外周側となる電縫管製造ラインにおいても、同様に適用することができることはいうまでもない。

以下、実施例に基づいて説明する。

ここでは、板幅１９２０ｍｍ×１９．１ｔｍｍの帯材（鋼帯）を用いて、φ６００の電縫管を製造し、続いて、板幅１９２０ｍｍ×１１．３ｔｍｍの帯材（鋼帯）を用いて、φ６００の電縫管を製造した。

そして、製造した電縫管の溶接部から試験片を切り出してシャルピー試験を行い、性能を評価した。シャルピー試験片は、管長手方向の相違する１０点から１本ずつ、試験片長さ方向を管円周方向に平行にし、ノッチ長さ中心を溶接部肉厚中心位置として採取し、ＪＩＳ５号の２ｍｍＶノッチ衝撃試験片として、−４６℃での衝撃試験を行い、吸収エネルギー、脆性破面率を測定した。なお、吸収エネルギーは１２５Ｊ以上、脆性破面率が３５％以下を性能許容範囲とした。

（本発明例）本発明例として、前述の実施形態に基づいて上記の電縫管を製造した。その際、図２に示した孔型ロール３を用いて、板の上面側端部（管の内面側端部）にテーパ角度γを３０°としたほぼ直線上のテーパを付与した。そして、フィンパス成形において、板の上面側端部（管の外面側端部）にテーパ角度αを３０°としたほぼ直線上のテーパを付与した。なお、帯材の板厚が１９．１ｔｍｍから１１．３ｔｍｍへ変更した際に、孔型ロール３の位置を下側に７．８ｍｍ移動させて微調整した。

（比較例）比較例として、上記の電縫管を製造するに際して、ロール成形前であるレベラー加工後において、図４に示した従来の孔型ロールを用いて、板の上面側端部と下面側端部板の双方に同時に、テーパ角度を３０°としたほぼ直線上のテーパを付与した。なお、帯材の板厚が１９．１ｔｍｍから１１．３ｔｍｍへ変更した際には、一旦製造ラインを止めて、孔型ロールを１９．１ｔｍｍ用から１１．３ｍｍｔ用へ交換した。

（従来例）従来例として、上記の電縫管を製造するに際して、ロール成形前であるレベラー加工後において、板端部を垂直に平滑研磨し、その後、従来のロール成形を経て電縫管を製造した。なお、板厚が１９．１ｔｍｍから１１．３ｔｍｍへ変更した際、製造ラインを一旦止めたが、直ぐ運転を再開して製造を継続した。

これらにより製造した電縫管の溶接部におけるシャルピー衝撃値と脆性破面率を測定した結果を表１に示す。また、比較例の製造能率を１として、それに対する各例の製造能率の比率を同表に示した。

表１より、本発明例による電縫管は、溶接部の衝撃強度が高く脆性破面率が小さくて、靭性が良好であって、製品の信頼性が高い。これに対して、従来例による電縫管は、溶接部の衝撃強度が低く脆性破面率が大きくて、靭性が低下しており、製品の信頼性に乏しい。また、本発明例では、比較例に比べて、著しく製造能率が向上している。

したがって、本発明によって溶接部特性の良好な電縫管を高能率に製造できることが確認された。

本発明の一実施形態における電縫管製造ラインを示す図である。 孔型ロールによって帯材の上面側端部にテーパ形状を付与する状況を示す図である。 ２段テーパを備えたフィン形状のフィンパススタンドを示す図である。 従来の孔型ロールを示す図である。

符号の説明

１ アンコイラ
２ レベラー
３ 孔型ロール
４ フィンパス成形スタンド
５ ロール成形機
６ 誘導加熱装置
７ スクイズロール（電縫溶接部）
８ ビード部切削機
９ サイザー
１０ 管切断機
２０ 帯材
３０ 管

Claims (3)

1. 帯材を成形し端部を突き合わせて電縫溶接し管とする電縫管の製造方法において、ロール成形前に、孔型ロールによる圧延によって帯材の一方の表面側の端部にテーパ形状を付与するとともに、ロール成形のフィンパス成形において、帯材の他方の表面側の端部にテーパ形状を付与することを特徴とする溶接部特性の良好な電縫管の高能率製造方法。
2. 孔型ロールによる圧延によって帯材の上面側の端部にテーパ形状を付与するとともに、ロール成形のフィンパス成形において、帯材の下面側の端部にテーパ形状を付与することを特徴とする請求項１に記載の溶接部特性の良好な電縫管の高能率製造方法。
3. いずれかの端部に付与するテーパ形状は、テーパの板厚方向に対する角度を２５°〜５０°として、テーパの板厚方向の長さを板厚の２０％〜４０％とすることを特徴とする請求項１または２に記載の溶接部特性に優れる電縫管の高能率製造方法。

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