JP2009119482A - 溶接部特性に優れた電縫管の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電縫管を製造するに際して、電縫溶接前の帯材の幅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に優れた電縫管の製造方法を提供する。
【解決手段】ロール成形のフィンパス成形を行なう際に一つのフィンパス成形スタンドで帯材の上面側の幅端部および下面側の幅端部の双方にテーパ形状を付与するともに、帯材幅端部同士を突き合わせる際のＶシェープ角度を３°以上にして電縫溶接を行なう。
【選択図】図３

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電縫管、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電縫管の製造方法に関わる。

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、板材）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、溶接部の板幅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、２などに、板幅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、この端面を電縫溶接前にテーパ形状に加工し、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特許文献１、２は目的としている。

その概要は以下の如くである。

すなわち、基本的な電縫管製造ラインは図１に示すようなものであり、この電縫管製造ラインは、帯材１０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４で帯材１０をその幅端部が上部になるように徐々に丸めていき、丸めた帯材２０の左右両幅端部同士を突き合わせ、誘導加熱部５とスクイズロール（電縫溶接部）６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７で切削し、切削後の管３０を、サイザー８にて外径調整した後、管切断機９で所定長さに切断するという構成を有している。なお、ロール成形機４は、最後段に丸めた板端部を拘束して真円に近い形状とする所定台数のフィンパス成形スタンド群３を備えており、ここでは、第１スタンド３ａと第２スタンド３ｂよりなっている。

そして、特許文献１に記載の技術では、図４（ａ）に横断面図、図４（ｂ）にその部分詳細図を示すように、フィンパス成形第１スタンド３ａにおいて、管状に成形された帯材２０の幅端部（板端部）の一部分をフィンパス孔型ロールのフィンに接触させることによって、図４（ｃ）に示すように、管の内面側となる板端部にテーパ形状を付与するとともに、図４（ｄ）に横断面図、図４（ｅ）にその部分詳細図を示すように、フィンパス成形第２スタンド３ｂにおいて、帯材２０の幅端部（板端部）の他の部分をフィンに接触させることによって、図４（ｆ）に示すように、管の外面側となる板端部にテーパ形状を付与することで、Ｘ型開先を形成するようにしている。なお、フィンパス成形第１スタンド３ａ、第２スタンド３ｂにおけるフィンの角度は通常の１段階の角度である。

また、特許文献２に記載の技術では、図５（ａ）に横断面図を示すように、ロール成形工程の途中（フィンパス成形スタンド群の上流側）にエッジャロール１１を設置し、そのエッジャロール１１を用いて、管状に成形された帯材２０の幅端部を圧下することによって、図５（ｂ）に示すように、帯材２０の幅端部全体にテーパ形状を付与するとともに、図５（ｃ）に横断面図、図５（ｄ）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群３において、帯材２０の幅端部の一部分をフィンパス孔型ロールのフィンに接触させることによって、図５（ｅ）に示すように、管の外面側となる幅端部を垂直面に整形するようにしている。
特開昭５７−３１４８５号公報 特開昭６３−３１７２１２号公報

しかし、特許文献１、２の方法では、電縫溶接前の材料（帯材、板材）の幅端部にテーパ形状を適切に付与することが困難であることが判明した。

すなわち、特許文献１の場合、前述したように、フィンパス孔型ロールのフィンの角度を１段階としておいて、そのフィンに材料幅端部（板幅端部、板端部）を一部分接触させて材料幅端部（板幅端部、板端部）にテーパ形状を付与する方法を採用している。しかし、本発明者らがこの方法を検討してみると、フィンパス成形のアプセット量を０からプラスに大幅に変更し、板端部の一部のみをフィンに接触させようとしても著しく困難なことが判明した。これは、板端部がわずかしか加工硬化していないために、板端部全体がフィン部に完全充満し易くて、板端部にフィンの形状がほぼ完全に転写されてしまうためである。また、アプセット量をマイナスにすると、板端部がフィンに全く接触しなくなり、一部分のみフィンに接触させることが著しく困難であることによる。

また、特許文献２の場合、前述したように、ロール成形工程の途中（フィンパス成形スタンドの上流側）に設置されたエッジャロールで材料幅端部（板幅端部、板端部）に傾斜した平滑面を付与した後、その一部のみをフィンパス孔型ロールでほぼ垂直にする方法を採用している。しかし、本発明者らが検討したところ、当該エッジャロールで板端部に傾斜した平滑面を付与するには、この特許文献２に記載されるとおり、管内面側（板上面側）が管外面側（板下面側）より径の大きいエッジャロールを用いて成形する必要があるが、管内面側の板端部がエッジャロール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って問題である。さらに、ロール成形される材料の断面方向には管を外側に開く大きな反力が作用するため、エッジャロールと板端部との圧力は必然的に小さくなる。その結果、特許文献１の場合と同様に、エッジャロールでの板端部の圧下では加工硬化しにくいまま、その後にフィンパス成形されて、フィンパス成形でのアプセット量を軽減したとしても材料がフィン部にほぼ充満するため、板端部に特許文献２に記載のようなテーパ形状を付与することは困難なことが確認された。

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、電縫溶接前の材料（帯材、板）の幅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に優れた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］帯材をロール成形し左右の幅端部同士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、ロール成形のフィンパス成形を行なう際に一つのフィンパス成形スタンドで帯材の上面側の幅端部および下面側の幅端部の双方にテーパ形状を付与するともに、帯材幅端部同士を突き合わせる際のＶシェープ角度を３°以上にして電縫溶接を行なうことを特徴とする溶接部特性に優れた電縫管の製造方法。

［２］帯材の幅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％〜４５％とすることを特徴とする前記［１］に記載の溶接部特性に優れた電縫管の製造方法。

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、２においては、電縫溶接前の材料（帯材、板材）の幅端面にテーパ形状を付与する際に、フィンパス孔型ロールに材料を充満させずに、フィンに材料の幅端部の一部を押し当ててテーパ形状を付与する方法がとられていたが、その方法では、電縫溶接前の材料の幅端部にテーパ形状を適切に付与することが困難であることが判明した。

これに対して、本発明者らの検討によれば、フィンパス孔型ロールに材料の円周方向全周が充満しなくとも、材料がフィンパス孔型ロールに装入される際に、材料幅端部がフィンに強圧されて、材料幅端部がフィン部に完全充満することを把握した。すなわち、材料がフィンパス孔型ロールに装入される場合、フィンに接触した材料幅端部およびそのほぼ１８０°反対側に位置する材料幅中央部（管の底の部分）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材料の反力が大きく作用して、たとえ材料がフィンパス孔型ロールに充満しなくとも、材料幅端部には円周方向に大きな圧縮力が作用し、その結果、材料幅端部はフィンに強圧されてフィンの形状がそのまま材料幅端部に転写されることを把握した。

そこで、本発明者らは、上記のように、材料幅端部がフィンパス孔型ロールにおいてフィンに強圧されることに着目して、この現象を材料幅端部へのテーパ形状の付与に積極的に活用することにした。すなわち、フィンパス孔型ロールにおいて、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少なくとも０％以上であれば、材料幅端部に所望とするテーパ形状を充分付与できるわけである。

さらに、材料幅端部に容易にテーパ形状を付与するには、一つのフィンパス成形スタンドで板材の上面側と下面側（管の内面側と外面側）の双方の幅端部に付与すると良いことを見出した。

すなわち、複数のフィンパス成形スタンドを用いて、例えば、一方のスタンドで管の外面側の幅幅端部にテーパ形状を付与し、他のスタンドで内面側の幅幅端部にテーパ形状を付与すると、先にテーパ形状が付与された外面側幅端部に、後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できない場合があるからである。

これに対して、一つのフィンパス成形スタンドで、材料幅端部の内面側と外面側に同時にテーパ形状を付与すると、このような問題がなく、安定してテーパ形状を付与することが可能になる。

なお、一つのフィンパス成形スタンドで材料幅端部の内面側と外面側に同時にテーパ形状を付与するには、３段階の角度を有するフィン形状とすればよい。ただし、３段階としたフィン形状のいずれかの角度がフィンパス孔型ロールの垂直方向より大きな角度になると、材料幅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たり、電縫溶接のスパークの原因となったりするので、フィンの角度は垂直方向以下にしておくとよい。

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、ペネトレータの元になる材料幅端面の酸化物は、電縫溶接の加熱とともに順次生成してくるため、電縫溶接条件によっては、材料幅端部のテーパ形状付与のみでは、電縫溶接後の靭性や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、電縫溶接において左右の材料幅端部同士を突き合わせる際の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、材料幅端部のテーパ形状だけではなく、Ｖシェープ角度が大きく影響することが判明した。

すなわち、電縫溶接において、左右の材料幅端部のＶシェープ角度が変わると、溶鋼の排出状態が異なってくる。通常、電縫溶接直前の誘導加熱によって、材料幅端面の外面側および内面側のコーナに近い部分が優先的に加熱され、電縫溶接で材料幅端面が突き合わされるかなり手前から先に溶融が開始される。その結果、コーナ部のみが先に溶鋼が発生して蓋をしてしまい、材料幅端面の内部が後から溶融して発生した溶鋼が押し出されにくくなる。その結果、ペネトレータが排出されにくくなって残留し、溶接部の靭性または強度を低下させていた。

そこで、本発明者らは、電縫溶接の突き合わせまでの時間を短くして、材料幅端面のコーナに近い部分の加熱域をできるだけ短くすることを考えた。すなわち、材料幅端面のコーナに近い部分の加熱域が短くなると、コーナ部の溶鋼による蓋が形成される部分が少なくなり、材料幅端部の内部から発生した溶鋼が排出されやすくなって、ペネトレータが残留しにくくなるためである。つまり、電縫溶接の突き合わせ部分から上流側になるに従って、誘導電流が急激に弱まって加熱されにくくなり、反面、突き合わせ部分に近づくほど誘導電流が強まって急激に加熱されやすくなる。その結果、材料幅端面のコーナに近い部分の加熱域が短くなって、溶鋼が排出されやすくなりペネトレータが残留しにくくなるわけである。

したがって、材料幅端面のコーナに近い部分の加熱域をできるだけ短くするには、左右の材料幅端部のＶシェープ角度を適切な大きさにすればよいことから、そのＶシェープ角度の大きさについて鋭意検討したところ、材料幅端面にテーパ形状が付与されている場合は、Ｖシェープ角度が３°以上あれば、良好な靭性または強度が得られることがわかった。ただし、Ｖシェープ角度が大きくなりすぎると管の成形が不安定となり、材料幅端部同士の突き合わせ精度が不良となるため、できれば１０°以下にするとよい。

また、フィンパス成形後の電縫溶接直前のテーパ形状について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％〜４５％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、垂線からの角度（テーパ角度）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。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十分となってペネトレータが残留しやすくなり、板厚の４５％を超えると、スクイズロールで挟んで電縫溶接した場合、左右の材料幅端部が上下にずれ易くて電縫溶接が正常にできず、製品としての管にすることできない場合が多々生じて問題であり、電縫溶接ができた場合でも、その後にテーパ形状が製品の管の疵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図面に基づいて以下に述べる。

本発明の一実施形態において用いる電縫管製造ラインは、前述の図１に示したものと同様である。すなわち、この電縫管製造ラインは、帯材１０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４で帯材１０をその幅端部が上部になるように徐々に丸めていき、丸めて管状になった帯材２０の左右両幅端部同士を突き合わせ、誘導加熱部５とスクイズロール（電縫溶接部）６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７で切削し、切削後の管３０をサイザー８にて外径調整した後、管切断機９で所定長さに切断するという基本構成を有している。

その上で、この実施形態においては、ロール成形機４は最後段に複数スタンド（例えば、第１スタンド３ａと第２スタンド３ｂ）からなるフィンパス成形スタンド群３を備えており、前述したように、その内の一つのスタンドにおいて、帯材２０の幅端部の内面側と外面側の双方に所定のテーパ形状を付与できるようになっている。

例えば、図２（ａ）に断面図を示し、図２（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群３の第２スタンド３ｂが、３段階のテーパ（１段目の傾斜部垂直長さδ、２段目のテーパ傾斜角度γ、３段目のテーパ傾斜角度α、３段目の傾斜部垂直長さβ）となったフィン形状を備えており、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、図２（ｃ）に示すように、帯材２０の外面側の左右両幅端部に、テーパ角度がαでテーパ高さがβのテーパ形状を付与し、帯材２０の内面側の左右両幅端部に、テーパ角度がγでテーパ高さがψのテーパ形状を付与する。

そして、上記のようにして、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ψのテーパ形状が付与された帯材２０を、図３に示すように、Ｖシェープ角度θが３°以上となるようにして、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。

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、３スタンドからなるフィンパス成形スタンド群の第３スタンドにおいて、帯材の外面側の左右幅端部にテーパ角度αが３０°でテーパ高さβが５ｍｍ（板厚の２６％）のほぼ直線上のテーパ形状を付与し、帯材の内面側の左右幅端部にテーパ角度γが３０°でテーパ高さψが５ｍｍ（板厚の２６％）のほぼ直線上のテーパ形状を付与するとともに、電縫溶接直前の帯材のＶシェープ角度θが３°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、前述の実施形態に基づいて上記の電縫管を製造した。その際、２スタンドからなるフィンパス成形スタンド群の第１スタンドにおいて、帯材の外面側の左右幅端部にテーパ角度αが４０°でテーパ高さβが８ｍｍ（板厚の４２％）のほぼ直線上のテーパ形状を付与し、帯材の内面側の左右幅端部にテーパ角度γが４０°でテーパ高さψが８ｍｍ（板厚の４２％）のほぼ直線上のテーパ形状を付与するとともに、電縫溶接直前の帯材のＶシェープ角度θが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。

（従来例１）従来例１として、前述の特許文献１に基づいて上記の電縫管を製造した。その際には、２スタンドからなるフィンパス成形スタンド群の第１スタンドにおいて、まず、帯材の内面側幅端部を板厚方向のほぼ１／２までフィンに接触させて、テーパ角度を２０°としたほぼ直線上のテーパ形状の付与を狙い、その後、第２フィンパス成形スタンドにおいて、帯材の外面側幅端部に板厚方向のほぼ１／２までのテーパ形状を付与することを狙ってフィンパス成形するとともに、電縫溶接直前の帯材のＶシェープ角度θ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２）従来例２として、前述の特許文献２に基づいて上記の電縫管を製造した。その際には、エッジャロールとフィンパス成形スタンドを用いて、帯材の内面側の幅端部にテーパ角度を２０°としたほぼ直線上のテーパ形状の付与することを狙うとともに、電縫溶接直前の帯材のＶシェープ角度θが２°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。

これらの本発明例１、２と従来例１、２について、電縫溶接直前の帯材幅端部のテーパ形状を実測した結果と、製造後の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、従来例１、２で製造した電縫管は、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かった。フィンパス成形後の電縫溶接直前における帯材幅端部形状（テーパ形状）を比較すると、本発明例１、２の場合、帯材の内面側、外面側に所望するテーパ形状が付与されていたのに対して、従来例１、２では、いずれもテーパ形状が不足しており、フィンパス成形で板厚方向に平滑化されてしまったことが分かる。

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。 本発明の一実施形態における帯材幅端部へのテーパ形状の付与を示す図。 本発明の一実施形態における電縫溶接直前の帯材のＶシェープ角度を示す図。 従来技術（特許文献１）を示す図。 従来技術（特許文献２）を示す図。

符号の説明

１ アンコイラ
２ レベラー
３ フィンパス成形スタンド群
３ａ フィンパス成形スタンド群の第１スタンド
３ｂ フィンパス成形スタンド群の第２スタンド
４ ロール成形機
５ 誘導加熱装置（コンタクトチップ）
６ スクイズロール（電縫溶接部）
７ ビード部切削機
８ サイザー
９ 管切断機
１０ 帯材
２０ 管状に成形された帯材
３０ 管

Claims (2)

1. 帯材をロール成形し左右の幅端部同士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、ロール成形のフィンパス成形を行なう際に一つのフィンパス成形スタンドで帯材の上面側の幅端部および下面側の幅端部の双方にテーパ形状を付与するともに、帯材幅端部同士を突き合わせる際のＶシェープ角度を３°以上にして電縫溶接を行なうことを特徴とする溶接部特性に優れた電縫管の製造方法。
2. 帯材の幅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％〜４５％と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の製造方法。

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