JP2008080390A - 溶接部特性の良好な電縫管の製造方法 - 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溶接部特性の良好な電縫管の製造方法を提供する。
【解決手段】切削バイトを回転体に埋め込んだ装置４によって板端部にテーパ形状を付与した後に、電縫溶接直前の板端面同士がなすＶシュープ角度を２°〜８°にして電縫溶接する。
【選択図】図１

Description

本発明は、油井のラインパイプ向けなど溶接部の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における製造方法に関わる。

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、管を寒冷地に敷設す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、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が確保される。

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１〜５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、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、これをロール成形の前においてテーパ加工して、加工した端部形状によって溶接時の溶鋼排出を良好にすることを目的としている。
特開昭５７−３１４８５号公報 特開昭６３−３１７２１２号公報 特開２００１−１７０７７９号公報 特開２００１−２５９７３３号公報 特開２００３−１６４９０９５号公報

しかし、特許文献１〜５では、単にテーパ加工手段を羅列して紹介したのみであるため、それだけでは実際に電縫管製造工程に適用しても効果が充分でない場合があり、さらに詳細な検討が必要であった。

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溶接部特性の良好な電縫管の製造方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。

［１］板を成形して端部を突き合わせて電縫溶接して管とする電縫管の製造方法において、切削手段または研削手段により板端部にテーパ形状を付与した後に、Ｖシェープ角度を２°〜８°として電縫溶接することを特徴とする溶接部特性の良好な電縫管の製造方法。

［２］板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、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］に記載の溶接部特性の良好な電縫管の製造方法。

本発明は著しく良好な靭性および溶接強度を備えた電縫管を得ることができる。

前述したように、特許文献１〜５では、単にテーパ加工手段を羅列して紹介したのみであるため、それだけでは実際に電縫管製造工程に適用しても効果が充分でない場合があり、さらに詳細な検討が必要であった。

そこで、本発明者らは、電縫溶接前の板端部に所望のテーパ形状を適切に付与する方法について鋭意検討し、その結果、所望のテーパ形状を得るために切削手段または研削手段を用いることとした。

電縫溶接前の板端部にテーパ形状を所望のとおり付与するには、切削または研削により不要な部分を除去するか、塑性変形により形状を変更することが考えられるが、塑性変形では発生する余肉部分が除去できないために、所望のテーパ形状を得ようとすると周辺に余肉の盛り上がり部分が生じて、テーパ形状の最適化にはその余肉部分も考慮する必要がでてくる。

これに対して、切削または研削によって不要な部分を除去すれば、余肉部分の影響を考慮する必要はなく、テーパ形状の最適化が容易にできるわけである。その際に、精度よいテーパ形状を得るには、その形状をオンラインで直接観察しつつ切削または研削することが望ましい。

ただし、上記のようにして電縫溶接前の板端部にテーパ形状を付与した場合でも、電縫溶接後の溶接部の靭性または強度を充分に向上することが難しい場合があった。

この原因を詳細に調査すると、以下のようなことが分かった。

すなわち、電縫溶接前の板端部が加熱される過程において、溶接欠陥であるペネトレータの原因となる酸化物が板端面に形成される。その後、板端面の酸化物は電縫溶接時の溶鋼表面に浮いて、一部は溶鋼とともに排出される。この際に、板端面にテーパ形状が付与されていると、溶鋼が容易に排出されて、同時にペネトレータも有効に排出できるわけである。しかし、ペネトレータの元になる板端面の酸化物は、電縫溶接の加熱とともに順次生成してくるため、溶接条件によっては、板端部にテーパ形状を付与するのみでは、溶接後の靭性または強度を充分に向上できない場合が生じていた。

そこで、上記の問題に対応するために、本発明者らは電縫溶接現象を詳細に観察し直した結果、電縫溶接直前において板の幅方向両端面同士が長手方向になすＶ字形状の頂角（Ｖシェープ角度）に着目した。すなわち、溶鋼とともにペネトレータを有効に排出するためには、板端部のテーパ形状だけではなく、Ｖシェープ角度も大きく影響することを見出した。

電縫溶接において、板端面のＶシェープ角度が変わると、溶鋼の生成・排出状態が異なってくる。すなわち、Ｖシェープ角度が小さくなると、板端面は溶接部から遠方において加熱が開始されて、溶接部に近づくにつれて徐々に温度が上昇し、また、板端面の板厚上部および下部から板厚中央部に加熱が広がっていく。これらの現象とともに、溶鋼が徐々に発生するが、板端面の板厚上部（管外面側）および板厚下部（管内面側）から発生した溶鋼が溶接部に到達する前に固化が始まって、板厚中央部の溶鋼が外部に排出されにくくなる。その結果、溶鋼とともに生成するペネトレータも板内部に留まりやすくて、電縫溶接部の靭性または強度を大幅に低下させてしまうわけである。

そこで、Ｖシェープ角度について鋭意検討した結果、Ｖシェープ角度が２°以上であれば、溶鋼の排出が良好となって溶接部の靭性または強度が向上することを把握した。

ただし、Ｖシェープ角度が大きくなりすぎると、溶接部の加熱が不足して板端面の温度が上昇しにくくなり、溶鋼が発生せずに、冷接と称する端面全体が酸化膜に覆われた状態となって、溶接部の靭性または強度が著しく低下する。これに対しては、Ｖシェープ角度が８°以下であれば、冷接を防止できることを把握した。

なお、その際に、板端部にテーパ形状を付与しておくと、その体積減少分だけ先に溶融する一方の端部の溶融量が減少し、かつ、テーパ形状に沿って溶融して、さらに溶鋼が減少して、溶鋼による溶接部前の固化が起こりにくくなるため、Ｖシェープ角度とテーパ形状の双方の効果で、電縫溶接部のペネトレータを充分排出することができて、靭性および強度が著しく向上するわけである。

また、板端部に付与するテーパ形状について、その形状の最適化を図った結果、垂線からの角度（テーパの板厚方向に対する角度）を２５°〜５０°とし、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）を板厚の２０％〜４０％とすると良いことを把握した。

すなわち、垂線からの角度（テーパ角度）を２５°未満とすると、板厚中央部からの溶鋼排出が不充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、垂線からの角度（テーパ角度）が５０°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傷として残留し問題である。さらに、テーパ開始位置から終了位置までの垂線の長さ（テーパ高さ）について、板厚の２０％未満であると板厚中央部の溶鋼排出が不充分となってペネトレータが残留しやすくなり、板厚の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傷として残留し問題である。

上記のような本発明の一実施形態を以下に述べる。

図１は、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示す図である。この電縫管製造ラインは、板（帯材）１１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１１を徐々に丸めていき、丸めて管状になった帯材１２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１３となし、管１３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１３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。

そして、この実施形態においては、ロール成形機５のブレークダウン第１スタンド３の後に、切削手段（ここでは、切削バイトを回転体に埋め込んだ装置４）を備えており、この切削バイトを回転体に埋め込んだ装置４によって板端部の上面側（管の内面側）または／および板端部の下面側（管の外面側）に所定のテーパ形状を付与できるようになっている。

そして、図２に示すように、例えば、外面側にテーパ角度αでテーパ高さβのテーパ形状が付与され、内面側にテーパ角度γでテーパ高さδのテーパ形状が付与された管状の帯材２０を、Ｖシェープ角度ψが２°〜８°となるようにして、電縫溶接を行なうようになっている。

これによって、電縫溶接部のペネトレータを充分排出することができ、著しく良好な靭性および溶接強度を備えた電縫管を得ることができる。

なお、上記では、切削手段（例えば、切削バイトを回転体に埋め込んだ装置）を用いて板端部にテーパ形状を付与しているが、研削手段（例えば、砥石研磨ロール）を用いて板端部にテーパ形状を付与してもよい。

また、切削手段または研削手段は、板（帯材）１１が比較的平坦な位置に設置するのが好ましい。上記のブレークダウン第１スタンド３の後以外では、例えば、ロール成形機５の前に設置すればよい。

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１）本発明例１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、切削バイトを回転体に埋め込んだ装置４によって、帯材１１の下面側（管１２の外面側）に、テーパ角度αが２５°でテーパ高さβが４ｍｍ（板厚の２１％）のほぼ直線上のテーパ形状を付与し、帯材１１の上面側（管１２の内面側）に、テーパ角度γが２５°でテーパ高さδが４ｍｍ（板厚の２１％）のほぼ直線上のテーパ形状を付与し、電縫溶接直前の板端面同士のなすＶシェープ角度ψが２．５°となるようにロール成形を調整して、電縫溶接を行なった。

（本発明例２）本発明例２として、前述の実施形態において、切削バイトを回転体に埋め込んだ装置４に替えて、砥石研磨ロールをロール成形機５の前に設置して、上記の電縫管を製造した。その際、砥石研磨ロールによって、帯材１１の下面側（管１２の外面側）に、テーパ角度αが４５°でテーパ高さβが７ｍｍ（板厚の３７％）のほぼ直線上のテーパ形状を付与し、帯材１１の上面側（管１２の内面側）に、テーパ角度γが４５°でテーパ高さδが７ｍｍ（板厚の３７％）のほぼ直線上のテーパ形状を付与し、電縫溶接直前の板端面同士のなすＶシェープ角度ψが７．５°となるようにロール成形を調整して、電縫溶接を行なった。

（比較例）比較例として、ロール成形機５の前に切削バイトを設置し、その切削バイトによって、帯材１１の下面側（管１２の外面側）に、テーパ角度αが２０°でテーパ高さβが３ｍｍ（板厚の１６％）のほぼ直線上のテーパ形状を付与し、帯材１１の上面側（管１２の内面側）に、テーパ角度γが２０°でテーパ高さδが３ｍｍ（板厚の１６％）のほぼ直線上のテーパ形状を付与し、電縫溶接直前の板端面同士のなすＶシェープ角度ψが１．５°となるようにロール成形を調整して、電縫溶接を行なった。

（従来例）従来例として、板端面をほぼ矩形として、図３に示す電縫溶接直前の板端面同士のなすＶシェープ角度ψが１．８°となるようにロール成形を調整して、電縫溶接を行なった。

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。

表１より、本発明例１、２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、比較例および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。

これにより、本発明によって溶接部特性の良好な電縫管を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。 テーパ形状を付与した板の電縫溶接直前のＶシェープ角度を示す図である。 従来の矩形端面の板の電縫溶接直前のＶシェープ角度を示す図である。

符号の説明

１ アンコイラ
２ レベラー
３ ブレークダウン第１スタンド
４ 切削バイトを回転体周辺に埋め込んだ装置
５ ロール成形機
６ 誘導加熱装置（コンタクトチップ）
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
１１ 帯材（板）
１２ 管状に成形された板
１３ 管

Claims (2)

1. 板を成形して端部を突き合わせて電縫溶接して管とする電縫管の製造方法において、切削手段または研削手段により板端部にテーパ形状を付与した後に、Ｖシェープ角度を２°〜８°として電縫溶接することを特徴とする溶接部特性の良好な電縫管の製造方法。
2. 板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、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に記載の溶接部特性の良好な電縫管の製造方法。

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