JP2008105061A - 溶接部特性に優れた電縫管製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】油井のラインパイプ向け電縫管に要求される溶接部靭性、および、油井のケーシングパイプ向け電縫管に要求される溶接部強度を達成しうる、溶接部特性に優れた電縫管製造方法を提供する。
【解決手段】帯材11を成形して端部を突き合わせて電縫溶接して管とする過程の途中で、前記端部に、帯材幅方向にほぼ垂直な端面12に傾斜面13が連なってなるテーパ形状を、切削（例：切削バイトを回転体周辺に埋め込んだ装置４）または砥石研磨で付与した後、電縫溶接時の入熱量を、前記テーパ形状を付与しない場合のそれに比べて５〜２０％増として、電縫溶接する。傾斜面13は、端面12からの傾斜角度が２５〜５０度であり、該傾斜面の帯材厚さ方向長さが帯材厚さの２０〜４０％であることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶接部特性に優れた電縫管製造方法に関する。ここで、溶接部特性は、油井のラインパイプ向け電縫管に要求される溶接部靭性、および、油井のケーシングパイプ向け電縫管に要求される溶接部強度を含む。

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、帯材（板）を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、一般に溶接部の靭性は母材より劣るといわれ、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されてきた。

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、溶接管の母材となる熱延板は、溶接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、溶接される板端面（板幅方向端面）に生成するペネトレータと呼ばれる酸化物が、電縫溶接時に溶鋼と共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が原因となっ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、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、板端面はスリットや端面研削によってほぼ平坦面を呈しているが、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２００３−１６４９０９号公報

しかし、上記従来の技術では、テーパ加工手段を単独で用いて端部にテーパ形状を付与するか、あるいは、単にテーパ加工手段を羅列して紹介したのみであったため、具体的に電縫管製造工程に適用するには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。
本発明は上述の難点を解決し、油井のラインパイプ向け電縫管に要求される溶接部靭性、および、油井のケーシングパイプ向け電縫管に要求される溶接部強度を達成しうる、溶接部特性に優れた電縫管製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するためになされた本発明は以下のとおりである。
１．帯材を成形して端部を突き合わせて電縫溶接して管とする過程の途中で、前記端部に、帯材幅方向にほぼ垂直な端面に傾斜面が連なってなるテーパ形状を、切削または砥石研磨で付与した後、電縫溶接時の入熱量を、前記テーパ形状を付与しない場合のそれに比べて５〜２０％増として、電縫溶接することを特徴とする溶接部特性に優れた電縫管製造方法。

２．前記傾斜面は、前記端面からの傾斜角度が２５〜５０度であり、該傾斜面の帯材厚さ方向長さが帯材厚さの２０〜４０％であることを特徴とする前項１に記載の溶接部特性に優れた電縫管製造方法。

本発明によれば、油井のラインパイプ向け電縫管に要求される溶接部靭性、および、油井のケーシングパイプ向け電縫管に要求される溶接部強度を十分満足する電縫管を製造することができる。

従来、電縫溶接部の靭性または強度を向上させるため、ロール成形前に帯材の端部にテーパを付与していたが、より具体的に明示されていなかったため、これらの方法だけでは充分な効果が得られにくい場合が多々生じていた。
そこで、所望のテーパ形状を得るために、発明者らは切削または砥石研磨による手段を用いることとした。テーパ形状を所望のとおり付与するには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手段があるが、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ある。

これに対し、切削または砥石研磨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。また、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バイトまたは砥石研磨によって切削または研磨することが望ましい。
付与されるテーパ形状は、例えば図２に示すように、帯材11の幅方向にほぼ垂直な（幅方向と90度±0.4度以内の角度をなす）端面12に傾斜面13が連なった形状である。ここで、αは端面12の平均的な面に対する傾斜面13の角度（テーパ角度という）、βは傾斜面13の帯材厚み方向長さ（テーパ深さという）である。なお、図２（ａ）は帯材端部上面側（管内径側）にテーパ形状を付与した場合を示し、図２（ｂ）は帯材端部上下両面側（管内外両径側）にテーパ形状を付与した場合を示した。また、図示しないが、帯材端部下面側（管外径側）に付与する場合についても同様である。

図１は、本発明の実施に用いられる造管機の１例を示す模式図である。この造管機は、アンコイラー１、レベラー２、ロール成形機５、電縫溶接機（コンタクトチップ６、スクイズロール７を含む）、ビード部切削機８、サイザー９、管切断機10からなり、これに帯材（板；端部溶接後は管）11を通して電縫鋼管を製造する。なお、３はブレークダウン第１スタンドである。

図１の例では、テーパ形状付与部位を帯材端部上面側（管内径側）とし、テーパ形状付与手段として切削バイトを回転体周辺に埋め込んだ装置４を用い、テーパ形状付与手段設置箇所をブレークダウン第１スタンド３の直後とした形態（説明の便宜上、形態Ａという）を示しているがこれに限定されない。例えば、形態Ａにおいて、テーパ形状付与部位を、帯材端部上面側（管内径側）から帯材端部下面側（管外径側）または帯材端部上下両面側（管内外両径側）に変更してもよく、また、テーパ形状付与手段として切削バイトを回転体周辺に埋め込んだ装置４の代りに、砥石研磨ロール（図示省略）または切削バイト（回転しない単体のもの；図示省略）などを用いてもよく、また、テーパ形状付与手段設置箇所をブレークダウン第１スタンド３の直後からレベラー２の直後などに変更してもよい。

もっとも、切削バイトまたは砥石研磨によるテーパ形状付与のみでは、電縫溶接後の溶接部の靭性または強度を十分に向上させるのが難しい場合があった。
この原因を詳細に調査すると、電縫溶接時の圧接（アプセット）前に帯材端部が加熱されていく段階で、溶接欠陥であるペネトレータの原因となる酸化物が帯材端面に形成される。この酸化物は、帯材端部が溶融する段階で該溶融した溶鋼表面に浮き、圧接の段階で、一部は溶鋼とともに排出される。この際に、帯材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帯材端面の酸化物は、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、帯材端部のテーパ形状のみでは、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た。
そこで、本発明者らは電縫溶接現象を詳細に観察し直した結果、電縫溶接時の入熱に着目した。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、帯材端部のテーパ形状だけではなく、電縫溶接時に入熱量が大きく影響するわけである。

電縫溶接において、入熱量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、入熱量が小さいと端部の溶融が不充分となって溶鋼の発生がわずかとなり、溶鋼とともにペネトレータの排出が不充分となって、電縫溶接後も溶接部に残留しやすくなる。また、入熱量が小さくなりすぎると、冷接と称する、鉄酸化物を噛み込んだ溶接となり、溶接部の靭性および強度は著しく劣化する。さらに、帯材端部にテーパ形状が付与されると、電縫溶接直前の端面同士に作用する誘導電流が減少するために、溶鋼の発生が不充分となりやすく、冷接が発生する場合もある。

そこで、電縫溶接時の入熱量を鋭意検討した結果、テーパ形状を付与した場合は、帯材端部にテーパ形状を付与しない場合（すなわち、帯材幅方向端部断面形状が矩形端部と同様な形状である場合）の適正な入熱量（無テーパ時入熱量という）に対し、その５〜２０％増の入熱量とするとよいことを見出した。すなわち、無テーパ時入熱量に対する増分が５％未満である入熱量では、帯材端部にテーパ形状を付与することで誘導電流が小さくなるため、溶鋼が充分発生せずにペネトレータが残留しやすい。一方、無テーパ時入熱量に対する増分が２０％超である入熱量では、電縫溶接時のスパッタが多発して、溶接部の隙間に入り込み、あるいは、電縫鋼管の表面に付着して疵になるなど問題である。なお、無テーパ時入熱量は、溶接実験あるいは従来操業実績から決定される。

なお、電縫溶接時の入熱量としては、一次側入熱量を採用するのが好ましい。ここで、一次側入熱量とは、高周波あるいは中周波の誘導加熱に投入する熱量を意味する。
また、テーパ形状について最適化を図った結果、帯材の幅方向にほぼ垂直な端面の平均的な面に対する傾斜面の角度（テーパ角度）αおよび傾斜面の帯材厚み方向長さ（テーパ深さ）β（図２参照）に適正範囲が存在すること、すなわちテーパ角度を25〜50度の範囲とし、テーパ深さを帯材厚みの20〜40％の範囲とすると良いことを把握した。

テーパ角度を25度未満とすると帯材厚み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、電縫溶接後の靭性や強度が低下しやすく、一方、テーパ角度を50度超えとすると、電縫溶接後にそのテーパ形状が製品管の疵として残留しやすい。また、テーパ深さを帯材厚みの20％未満とすると、帯材厚み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、一方、テーパ深さを帯材厚みの40％超とすると、電縫溶接後にそのテーパ形状が製品管の疵として残留しやすくなる。

実施例では、板幅1920mm×板厚19.1mmの鋼帯からなる帯材を、前記形態Ａに若干変更を加えた形態の造管機に通して、外径600mmの鋼管を製造した。製造条件は以下の４通りとした。
（No.１：本発明例）
前記形態Ａにおいて、テーパ形状付与部位を帯材端部上面側（管内径側）から帯材端部上下両面側（管内外両径側）に変更した形態（説明の便宜上、形態Ｂという）の造管機を用いた。該造管機のテーパ形状付与手段を用いて帯材端部を切削し、帯材端部上下両面側（管内外両径側）に表１に示すテーパ形状を付与した。電縫溶接時の入熱量（一次側入熱量）は無テーパ時入熱量に対し表１に示す割合とした。

（No.２：本発明例）
前記形態Ｂにおいて、テーパ形状付与手段として切削バイトを回転体周辺に埋め込んだ装置４の代りに砥石研磨ロールを用い、テーパ形状付与手段設置箇所をブレークダウン第１スタンド３の直後からレベラー２の直後に変更した形態（説明の便宜上、形態Ｃという）の造管機を用いた。該造管機のテーパ形状付与手段を用いて帯材端部を砥石研磨し、帯材端部上下両面側（管内外両径側）に表1に示すテーパ形状を付与した。電縫溶接時の入熱量（一次側入熱量）は無テーパ時入熱量に対し表1に示す割合とした。

（No.３：比較例）
前記形態Ｃにおいて、テーパ形状付与手段として砥石研磨ロールの代りに切削バイト（回転しない単体のもの）を用いる形態の造管機を用いた。該造管機のテーパ形状付与手段を用いて帯材端部を切削し、帯材端部上下両面側（管内外両径側）に表1に示すテーパ形状を付与した。電縫溶接時の入熱量（一次側入熱量）は無テーパ時入熱量に対し表1に示す割合とした。

（No.４：従来例）
図１の造管機からテーパ形状付与手段を取り除いた造管機を用いた。帯材端部へのテーパ形状付与は行わず、電縫溶接前の帯材端部形状はほぼ矩形端部形状のままである。電縫溶接時の入熱量（一次側入熱量）は無テーパ時入熱量と同等とした。
上記各条件で製造した鋼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。シャルピー試験片として、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とり、ノッチ長さ中心を溶接部肉厚中心位置にとって採取した、JIS ５号の２mmＶノッチ衝撃試験片を用いて、試験片温度−46℃で衝撃試験を行い、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：125Ｊ以上、脆性破面率：35％以下を性能許容範囲とした。その結果を表１に示す。

表１より、本発明例では、溶接部の衝撃強度（吸収エネルギー）が著しく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が、これに比べて、比較例および従来例では、溶接部の衝撃強度（吸収エネルギー）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かった。

本発明の実施に用いられる造管機の１例を示す模式図である。 テーパ角度とテーパ深さの定義説明図である。

符号の説明

１ アンコイラー
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 コンタクトチップ
７ スクイズロール
８ ビード部切削機
９ サイザー
10 管切断機
11 帯材（板；端部溶接後は管）
12 帯材幅方向にほぼ垂直な端面
13 傾斜面

Claims (2)

1. 帯材を成形して端部を突き合わせて電縫溶接して管とする過程の途中で、前記端部に、帯材幅方向にほぼ垂直な端面に傾斜面が連なってなるテーパ形状を、切削または砥石研磨で付与した後、電縫溶接時の入熱量を、前記テーパ形状を付与しない場合のそれに比べて５〜２０％増として、電縫溶接することを特徴とする溶接部特性に優れた電縫管製造方法。
2. 前記傾斜面は、前記端面からの傾斜角度が２５〜５０度であり、該傾斜面の帯材厚さ方向長さが帯材厚さの２０〜４０％であることを特徴とする請求項１に記載の溶接部特性に優れた電縫管製造方法。

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