JP2008132538A - 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、フィンパス成形３により付与した後、電縫溶接時のスクイズロールにおけるアプセット量を管外周長の０．５〜２．０％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２０〜４５％であることが好ましい。
【選択図】図２

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、フィンパス成形により付与した後、電縫溶接時のスクイズロールにおけるアプセット量を管外周長の０．５〜２．０％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．前記テーパ形状を、同一スタンドでのフィンパス成形により管外径側、管内径側の双方に同時に付与す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。
３．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２０〜４５％であることを特徴とする前項１または２に記載の溶接部特性に優れた電縫管製造方法。
４．前記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３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、発明者らはフィンパス成形を活用することを検討した。

フィンパス成形では、フィンパスロールに帯材の円周方向全周が充満しなくとも、帯材がフィンパスロールに装入される際に、帯材端部がフィンに強圧されて、帯材端部がフィンに充分に密着することを把握した。すなわち、帯材がフィンパスロールに装入される場合、フィンに接触した帯材端部とその対極（ほぼ180度反対側）に位置する帯材底部とが梁撓みの状態となって、断面を円弧形状に曲げようとする帯材の反力が大きく作用し、たとえ帯材がフィンパスロールに充満しなくとも帯材端部には円周方向に大きな圧縮力が作用し、その結果、帯材端部はフィンに強圧されてフィンの形状がそのまま帯材端部に転写されることを把握した。

そこで、発明者らは帯材端部がフィンに強圧されることに着目して、この現象を積極的に活用する手段を検討した。すなわち、フィンに２段階以上のテーパを付与しておけば、フィンパス成形でのアプセット量が小さくとも帯材端部には所望するテーパを充分付与できるわけである。
帯材端部の上面側（＝管内径側）と下面側（＝管外径側）のいずれか一方にテーパを付与する場合はフィン形状を２段階の傾斜面を有するものとすればよい。

また、帯材端部の上面側と下面側の双方にテーパを付与する場合は３段階の傾斜面を有するフィン形状とすればよい。ただし、３段階とした傾斜面のいずれかが、その傾斜面内点がフィンパスロールのロール軸から離れるほど該ロール軸のフィン中心を通る垂直二等分面から離れるものであると、帯材端部がフィンにより削り取られて、「ひげ」と称する余肉材が発生することがあり、フィンパス成形時に疵を発生させるとともに、電縫溶接のスパークの原因となるので、３段階とした傾斜面のいずれも、その傾斜面内点がフィンパスロールのロール軸から離れるほど該ロール軸のフィン中心を通る垂直二等分面に近づくものとしておくとよい。

なお、可能であれば、フィンパス最終スタンドで帯材端部の上面側と下面側のいずれか一方または双方にテーパを付与すると、そのすぐ後で電縫溶接が行われるため、良好なテーパ形状を保持したまま電縫溶接が可能である。また、フィンパス開始スタンドあるいは途中のスタンドでテーパを付与しても、一旦テーパを付与した帯材端部は、該テーパ付与時の強圧によって著しく加工硬化するため、その後のフィンパス成形を行っても比較的潰れにくくなり、フィンパス成形後もそのテーパ形状をほぼ良好に保持しうる。

また、２スタンド以上でのフィンパス成形が可能である場合、１つのスタンドのフィンに２段階の傾斜面を設けて帯材端部の上下いずれか一面側にテーパを付与し、別の１つのスタンドのフィンに前記と異なる形状の２段階の傾斜面を設けて帯材端部の前記一面側の反対側にテーパを付与するとよい。なお、１つのスタンドで先にテーパを付与された前記一面側は、その箇所が強圧によって著しく加工硬化するため、その後その反対側に別の１つのスタンドでテーパを付与しても、先に付与したテーパ形状は比較的潰れにくくなっている。従って、フィンパス成形後の帯材端部は、管内径側、管外径側とも目標に十分近いテーパ形状になるわけである。

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。フィンパス成形３は、ロール成形機５の仕上段階の加工であり、複数（通常は２〜３スタンド）のフィンパスロールスタンド３を用いて行われる。

図２は、フィンパス成形によるテーパ形状付与方法の概念を示す模式図であり、詳しくは、図２（ａ）は図１のフィンパス成形３において複数あるうちのいずれかのフィンパスロールスタンド３の全体断面図、図２（ｂ）〜（ｄ）は図２(ａ）における互いに異なる複数の形態の部分断面図である。
図示のように、フィン3Aの形状を２段階（図２（ｂ）、（ｃ））あるいは３段階（図２（ｄ））の傾斜面を有する形状に工夫し、それにより帯材11端部の、管外径側（図２（ｂ）；ロール成形前の板の下面側に対応）に、あるいは管内径側（図２（ｃ）；ロール成形前の板の上面側に対応）に、あるいは管内外両径側（図２（ｄ）；ロール成形前の板の上下両面側に対応）に、テーパ形状を付与する。

テーパ形状は、帯材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が連なってなる形状である。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は傾斜面の帯材厚さ方向長さ（テーパ深さという）である。
なお、板端部に用意にテーパを付与するには、フィンパス成形の全スタンド中の１つのスタンドだけを用いて、管内径側、管外径側の双方に同時に付与する（図２（ｄ）の形態で付与する）のが良い。すなわち、複数のスタンドを用いて、例えば一方のスタンドで管外径側にテーパを付与し、他方のスタンドで管内径側にテーパを付与すると、先にテーパを付与された管外径側端部に、他方のスタンドにおいてドッグボーンが形成されて目標とするテーパ形状を充分付与し難い場合があるのに対し、１つのスタンドで管内径側、管外径側の双方に同時にテーパを付与すると、上述のような難点はなく安定してテーパを付与できるからである。

しかしながら、前記フィンパス成形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、発明者らは電縫溶接現象を詳細に観察し直した結果、電縫溶接時のスクイズロールにおけるアプセット量に着目した。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、電縫溶接時のアプセット量が大きく影響するわけである。

電縫溶接において、スクイズロールでは帯材端面同士を接触させてアプセットが行われているが、このアプセット量が変わると溶鋼の排出状態が大きく異なってくる。すなわち、スクイズロールでのアプセット量が小さいと溶鋼の排出がわずかとなり、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。
そこで、電縫溶接時のスクイズロールにおけるアプセット量を鋭意検討した結果、その値を管外周長の０．５〜２．０％とするとよいことを見出した。すなわち、０．５％未満のアプセット量では、溶鋼が充分排出せずにペネトレータが残留しやすく、帯材端部にテーパ形状を付与すると、そのテーパをアプセットによって充分潰すことができずに溝となって残留する問題がある。また、２．０％を超えるアプセット量では、電縫溶接後のビード、すなわち排出された溶鋼の盛り上がり部分が大きくなりすぎて、電縫溶接後に充分切削除去できなくなるなどの問題がある。

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さ（板厚）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、テーパ深さを板厚の20〜45％（より好ましくは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、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、テーパ深さを板厚の20％未満とすると、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、一方、テーパ深さを板厚の45％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、図１の造管機（フィンパスロールスタンド数および／またはフィン形状を違えたものも含む）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）
全３スタンドとしたフィンパス成形の第３スタンドのフィン形状を図２（ｂ）のように設定し、帯材下面側（管外径側）に表１に示すテーパ形状を付与した。第１、第２スタンドのフィン形状はいずれも単一傾斜面形状である。電縫溶接時のスクイズロールにおけるアプセット量は表１に示す値とした。

（No.２：本発明例）
全２スタンドとしたフィンパス成形の、第１スタンドのフィン形状を図２（ｃ）のように設定して帯材上面側（管内径側）に、かつ、第２スタンドのフィン形状を図２（ｂ）のように設定して帯材下面側（管外径側）に、表１に示すテーパ形状を付与した。電縫溶接時のスクイズロールにおけるアプセット量は表１に示す値とした。

（No.３：本発明例）
全３スタンドとしたフィンパス成形の第３スタンドのフィン形状を図２（ｄ）のように設定し、帯材上下両面側（管内外両径側）に表１に示すテーパ形状を付与した。第１、第２スタンドのフィン形状はいずれも単一傾斜面形状である。電縫溶接時のスクイズロールにおけるアプセット量は表１に示す値とした。

（No.４：本発明例）
全２スタンドとしたフィンパス成形の第１スタンドのフィン形状を図２（ｄ）のように設定し、帯材上下両面側（管内外両径側）に表１に示すテーパ形状を付与した。第２スタンドのフィン形状は単一傾斜面形状である。電縫溶接時のスクイズロールにおけるアプセット量は表１に示す値とした。

（No.５：比較例）
全３スタンドとしたフィンパス成形の第１スタンドのフィン形状を図２（ｄ）のように設定し、帯材上下両面側（管内外両径側）に表１に示すテーパ形状を付与した。第２、第３スタンドのフィン形状はいずれも単一傾斜面形状である。電縫溶接時のスクイズロールにおけるアプセット量は表１に示す値とした。

（No.６：従来例）
全３スタンドとしたフィンパス成形のフィン形状はいずれも単一傾斜面形状であり、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。電縫溶接時のスクイズロールにおけるアプセット量は表１に示す値とした。
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。なお、比較例（No.５）では電縫溶接後に溶接部に溝が残留し、その管は製品としては不合格となった。

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。 フィンパス成形によるテーパ形状付与方法の概念を示す模式図である。

符号の説明

１ アンコイラー
２ レベラー
３ フィンパス成形（フィンパスロールスタンド）
3A フィン
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 (4)

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、フィンパス成形により付与した後、電縫溶接時のスクイズロールにおけるアプセット量を管外周長の０．５〜２．０％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. 前記テーパ形状を、同一スタンドでのフィンパス成形により管外径側、管内径側の双方に同時に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に優れた電縫管製造方法。
3. 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２０〜４５％であ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た電縫管製造方法。
4. 前記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３に記載の溶接部特性に優れた電縫管製造方法。

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