JP2009173995A - 電縫鋼管溶接部の高能率熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の電縫管溶接部熱処理（シームアニール）方法では、管の肉厚全体を効率良く目標温度に到達させることが困難である。
【解決手段】管５の内外両面側に誘導コイル11a,13aを配置したスタンド15を通管方向に複数配設し、溶接部を内外両面側から誘導加熱する。その際、前段スタンドで一方の側をフルパワーで加熱してＡｃ_３変態点超の目標温度に到達させ、その後のスタンドで、一方の側は肉厚中心部位への磁束集中状態に対応するキュリー点超の所定温度に保持し、他方の側はフルパワー未満で加熱してＡｃ_３変態点超の目標温度に到達させ、その後のスタンドで肉厚中心部位への磁束集中状態に対応するキュリー点超の所定温度に保持する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電縫鋼管に係り、とくに溶接部の加工性、靭性の向上を目的として、高精度、高効率に電縫管溶接部の熱処理を行うための、電縫鋼管溶接部の高能率熱処理方法に関する。

通常、電縫鋼管５は、図１に示すように、コイル状の鋼帯１を、アンコイラー６、レベラー７を介し、ロール成形機２により管状に成形したのち、板端面を突き合せて、高周波溶接機３で電縫溶接し、ビード部切削機８によりビードを切削され、さらにはサイザー９により所定の径に調整され、管切断機10により所定長さに切断された鋼管として製造されている。この電縫溶接では、突き合わせ部に高周波溶接機（誘導加熱装置）３で高周波電流を流し、ジュール熱を集中させて突き合わせ部を溶融しスクイズロール４で圧着して、溶接部を形成し、電縫鋼管５とする。形成された溶接部は、急速加熱されかつ急速冷却されるため、母材（鋼帯）と異なる組成、組織、強度を有し、加工性、靭性、さらには耐食性が他の部位（母材部）に比べて低下した状態となっている。そこで、溶接部の加工性、靭性、耐食性を母材部と同等以上とするために、溶接部にシームアニールと称する熱処理を施すのが一般的である。

前記シームアニールにはシームアニーラと称される装置が使用される。シームアニーラは、通常、管の外面側に誘導コイルを配置した高周波誘導加熱スタンドを通管方向に複数配設して構成されており、誘導コイルで磁束を発生させ、これによって溶接部およびその周辺に誘導電流を生じさせて、その抵抗発熱により加熱している。
しかし、従来のシームアニーラは、管の外面側からのみ加熱するものであるから、肉厚全体を均一に加熱するのが困難であり、必然的に管内外面の温度差が生じる。また、この温度差は、管の肉厚が厚いほど増大して、厚肉になると管内外面の一方が目的の温度に達せず問題となることが多かった。

例えば厚肉高靭性ラインパイプを製造する場合、管内部まで充分に加熱するために、誘導コイルへの投入電力を増加し、誘導電流を増加させると、管外面の温度が高くなりすぎて、結晶粒が粗大化し、かえって靭性が低下する場合がある。また、通管速度を極低速とし、シームアニーラによる加熱後の伝熱時間を十分に確保して、管内外面の温度差を低減する方法では、高周波誘導加熱スタンドのスタンド数を多くして長尺の設備とする必要があり、設備費が増大するとともに、投入電力量が増加し、ランニングコストの増加を招くことになる。また、造管速度を極低速とすると、電縫溶接部に欠陥が増加しやすくなり、溶接部特性の低下を招くという問題もある。また、造管時のトラブルにより製造ラインが停止した場合には、設備が長尺であるために電縫溶接部の不均一が増加し、歩留りが低下するという問題もある。

このような問題に対し、例えば、特許文献１には、厚肉電縫鋼管溶接部に高周波誘導加熱装置で、溶接部外面温度が（Ａｃ_３点＋100℃）〜（Ａｃ_３点＋300℃）となるように加熱する第１回目の焼ならしと、引続いて溶接部外面温度がＡc_１点以下に降下した時点で、Ａｃ_１点〜（Ａｃ_３点＋100℃）の温度範囲となるように加熱する第２回目の焼ならし・焼なましとからなる熱処理を行なう厚肉電縫鋼管の製造方法が記載されている。この技術によれば、複雑でしかも処理時間の長い工程を付加することなく、溶接部靭性の極めて優れた厚肉電縫鋼管を製造できるとしている。

また、特許文献２には、厚肉電縫鋼管溶接部に高周波誘導加熱装置で、溶接部内面の温度が（Ａｃ_３点＋50℃）以上となるように加熱する第１回目の加熱と、第１回目の加熱後水冷または空冷によって外面温度が被加熱材のベイナイト変態終了温度以下まで冷却し、ついでＡｃ_３変態域が第１回目の加熱・冷却によるベイナイト組織の発生領域をカバーしうる温度で、かつベイナイト組織が発生する温度以下まで加熱する第２回目の加熱とからなる熱処理を施す、厚肉電縫鋼管の熱処理方法が記載されている。この技術によれば、複雑でしかも処理時間の長い工程を付加することなく、溶接部靭性に優れた厚肉電縫鋼管を製造できるとしている。
特開昭５９−１２９７２９号公報 特開平０６−２２０５４７号公報

特許文献１に記載された技術では、第１回目の加熱後に所定の温度以下まで冷却するが、しかし、この温度が高く未変態のオーステナイトが残存して、第２回目の加熱後の冷却時に低温変態生成物に変態するため、所望の靭性向上が得られないという問題があった。
また、特許文献１、２に記載された技術では、第１回目の加熱後に冷却することから、熱処理設備を長くする必要があり、設備費の増大を招くとともに、非効率な製造となり、製造コスト（ランニングコスト）の増大を招くという問題がある。また、さらに冷却速度が水温、気温により微妙に変化するため、第１回加熱後の冷却時の到達温度を、精度よく一定の所望温度とすることが難しく、安定して十分な靭性の向上が得られにくいという問題があった。

本発明者らは、上述の問題（課題）を解決するために、電縫鋼管の溶接部の靭性を向上できる熱処理を効率よく施しうる加熱パターンについて鋭意考究した。
まず、電縫鋼管の溶接部の内面温度と外面温度をＡｃ_３変態点に到達させるまでの加熱方法を詳細に検討した結果、設備長が短くとも充分な急速加熱が可能であって、外面側を過加熱させず、内面側の加熱不足を防ぐためには、内面側と外面側の双方に誘導コイルを配置して、外面側からのみならず内面側からも誘導加熱することが有効であることを把握した。

従来の外面側のみからの誘導加熱では、特に肉厚が厚くなるほど、外面側が目標温度（Ａｃ_３変態点＋α）に到達しても内面側は目標温度にならない場合が多かった。そこで、従来は、外面側のみＡｃ_３変態点以上の温度に達した後、シーム熱処理の中間で一旦徐冷して、熱伝導を利用して温度の均一化を図り、その後再び加熱して、内面側の温度を目標に向けて微調整する方法や、設備長を長大にして熱伝導を利用しながら徐々に加熱する方法がとられており、非効率な製造がなされていたわけである。

これに対し、外面側のみならず内面側からも誘導加熱することにより、肉厚が厚い場合でもその約１/２を加熱すればよいことになり、加熱効率を著しく向上できるわけである。
続いて、本発明者らは溶接部の肉厚中心部位の温度に着目した。内外両面の温度を急速に上昇させると、肉厚中心部位の温度が追随するのが難しいというのが通念である。

そこで、本発明者らは、外面温度または内面温度がＡc_３変態点を超えた後に肉厚中心部位の温度を速やかに目標温度に到達させる方法を検討した。この検討の中で外面温度または内面温度がＡｃ_３変態点を超える温度に到達した溶接部の断面について、電磁場解析、伝熱解析および温度実測により磁束分布および温度分布を観察し、誘導加熱に与かる磁束はキュリー点以上の温度の領域を迂回することを見出した。すなわち、管を内外両面側から誘導加熱するためにキュリー点以上となる溶接部の内外両面側には磁束が集中せずに、その肉厚中心部位に磁束が集中し渦電流が発生して溶接部が加熱される。その結果、溶接部の肉厚中心部位が効率良く加熱されて、内外両面側の加熱が抑制されるために、管の表面と内部の間の温度差は低減して、均一加熱が可能になるわけである。この効果を得るには、内外両面側の温度がキュリー点を超える、ある適正な温度に保たれるように、誘導加熱すればよい。

本発明は、上述の知見に基づき、さらに検討を重ねてなされたものであり、以下のとおりである。
（請求項１）
電縫鋼管の通管方向に沿って該電縫鋼管の溶接部の外面側および内面側にそれぞれ誘導コイルを複数スタンド配置した誘導加熱装置を用いて溶接部の外面側および内面側を誘導加熱する電縫鋼管溶接部の熱処理方法であって、内面側の誘導コイル稼動条件を、内面温度がＡｃ_３変態点を超えるまでの前段スタンドではフルパワーに、後続のスタンドでは、内面温度がキュリー点超の所定内面温度に保持されるように設定し、外面側の誘導コイル稼動条件を、外面温度がＡｃ_３変態点を超えるスタンドまではゼロ超フルパワー未満のパワーに、それ以降のスタンドでは外面温度がキュリー点超の所定外面温度に保持されるように設定して、誘導加熱することを特徴とする電縫鋼管溶接部の高能率熱処理方法。
（請求項２）
電縫鋼管の通管方向に沿って該電縫鋼管の溶接部の外面側および内面側にそれぞれ誘導コイルを複数スタンド配置した誘導加熱装置を用いて溶接部の外面側および内面側を誘導加熱する電縫鋼管溶接部の熱処理方法であって、外面側の誘導コイル稼動条件を、外面温度がＡｃ_３変態点を超えるまでの前段スタンドではフルパワーに、後続のスタンドでは、外面温度がキュリー点超の所定外面温度に保持されるように設定し、内面側の誘導コイル稼動条件を、内面温度がＡｃ_３変態点を超えるスタンドまではゼロ超フルパワー未満のパワーに、それ以降のスタンドでは内面温度がキュリー点超の所定内面温度に保持されるように設定して、誘導加熱することを特徴とする電縫鋼管溶接部の高能率熱処理方法。

本発明によれば、電縫鋼管溶接部の靭性向上を安価で、効率よく、かつ安定して達成でき、産業上格段の効果を奏する。また、本発明によれば、誘導加熱装置（シームアニーラ）の設備長を短くでき、熱処理が効率よく行え、投入電力を低減でき、製造コスト（ランニングコスト）を低減できるという効果もある。

本発明で好ましく用いうる誘導加熱装置の１例を図２に示す。図２（ａ）に示すように、誘導加熱装置11はスクイズロール４の出側に配設することが、生産性向上の観点から好ましい。誘導加熱装置11は、図２（ｂ）に示すように、電縫鋼管（略して管）５の溶接部の外面側を誘導加熱する誘導コイル11aを支持するスタンド15を通管方向に沿って複数スタンド配置したものとする。誘導加熱装置11内にはさらに前記溶接部の内面側を誘導加熱する誘導コイル13aを支持するスタンドを通管方向に沿って複数スタンド配設するものとする。

誘導コイル11a,13aはそれぞれ溶接部の外面側,内面側から溶接部およびその周辺に誘導電流を発生させて、溶接部を局部加熱可能な構成とする。
各スタンド15の出側には、溶接部の外面温度,内面温度をそれぞれ計測しうる温度計12,14を配置することが好ましい。各スタンド15には、所望の周波数に随時適合可能なように周波数可変装置（図示せず）を備えることが好ましい。

なお、図２（ｂ）には、最良の形態として、溶接部の外面側のスタンドと同じ通管方向位置に同じ個数の内面側のスタンドを配置した例を示したが、内面側のスタンドの個数や通管方向位置は必ずしも外面側のスタンドのそれらと合致させなくてもよい。
請求項１記載の本発明では、上記の誘導加熱装置11を用いて管５の溶接部を熱処理するにあたり、内面側の誘導コイル稼動条件を、内面温度がＡｃ_３変態点を超えるまでの前段スタンドではフルパワーに、後続のスタンドでは内面温度がキュリー点超の所定内面温度に保持されるように設定する。ここで、誘導コイル稼動条件とは、誘導コイルに流す電流の周波数および誘導コイルへの投入電力の総称である。

Ａｃ_３変態点は、鋼組成から予測式（例えば、（社）日本金属学会編：改訂３版金属データブック、p.152、平成５年３月25日、丸善発行）で予測した値、あるいは実験で測定した値を用いる。この予測あるいは実測には厳密には管溶接部の組成を用いるべきであるが、管の母材組成と溶接部組成との相違が無視できる程度であれば、母材組成を用いてもよい。

フルパワーとは、各誘導コイルの設備仕様から定まる可能最大投入電力の１００％である。前段スタンドでは、内面側をフルパワーで誘導加熱するので、内面側は急速加熱され、速やかにＡｃ_３変態点超の温度に到達する。第１スタンドから何番目のスタンドまでを前段スタンドとするかは、実機実験で決定できる。すなわち、フルパワーとするスタンドを第１スタンドから順に増やして通管し、スタンド出側の内面側の温度計14の計測値がＡｃ_３変態点超の温度になったスタンドを前段最終スタンドとすればよい。

次いで、後続のスタンドにおける内面側の誘導コイル稼動条件は、溶接部の内面温度がキュリー点を超える所定内面温度に保持されるように設定する。これに関しては、内面側および外面側がキュリー点以上に加熱された状態の溶接部を、さらに内面側および外面側から周波数および投入電力を違えて誘導加熱する過程について、電磁場解析および伝熱解析（例えば文献：鉄と鋼、vol93、No.5(2007)、P373〜378参照）により溶接部断面内の温度分布と磁束密度分布を計算し、その計算結果から、“可及的に小さい投入電力下で磁束密度が肉厚中心部位に最も効果的に集中する状態になって肉厚中心部位が速やかにＡｃ_３変態点以上の温度に到達しうる内面温度および外面温度”を求め、そのうちの内面温度を前記所定内面温度とし、かかる状態に対応した内面側の誘導コイルにおける周波数および投入電力の組み合わせを、前記後続のスタンドにおける内面側の誘導コイル稼動条件として採用すればよい。

次に、外面側の誘導コイル稼動条件については、第１スタンドから外面温度がＡｃ_３変態点を超えるスタンド（略してＳＡスタンド）まではゼロ超フルパワー未満のパワーに設定する。パワーをゼロにすると外面側への供給熱が内面側からの伝熱のみとなり、外面温度がＡｃ_３変態点を超えるまでの所要スタンド数が増大する。一方、パワーをフルパワーにすると、外面温度が速やかにＡｃ_３変態点を超えるが、内外両面側からのフルパワー誘導加熱となり、溶接部の表面あるいは内部が局所的に過加熱状態となりやすい。そのため、外面温度がＡｃ_３変態点を超えるスタンドまでの外面側の誘導コイル稼動条件は、ゼロ超フルパワー未満のパワーに設定する必要がある。ＳＡスタンドまでの外面側の誘導コイルへのパワーとＳＡスタンドのスタンド番号とは、これらの関係を実験あるいは計算で把握し、その結果に基づいて用いる値を選定すればよい。

ＳＡスタンドより後段側のスタンドでは、外面温度がキュリー点超の所定外面温度に保持されるように、外面側の誘導コイル稼動条件を設定する。これに関しては、前記電磁場解析および伝熱解析による計算から求まっている、“可及的に小さい投入電力下で磁束密度が肉厚中心部位に最も効果的に集中する状態になって肉厚中心部位が速やかにＡｃ_３変態点以上の温度に到達しうる内面温度および外面温度”のうち、外面温度を前記所定外面温度とし、かかる状態に対応した外面側の誘導コイルにおける周波数および投入電力の組み合わせを、前記ＳＡスタンドより後段側のスタンドにおける外面側の誘導コイル稼動条件として採用すればよい。

請求項２記載の本発明は、請求項１記載の本発明において、内面と外面とを入れ替えたものであり、その効果は請求項１記載の本発明の効果と同様である。

質量％で、０．０５％Ｃ-０．２％Ｓｉ-１．４％Ｍｎ系の熱延鋼帯（Ａｃ_３変態点：８６０℃）を、図１に示すような、アンコイラー６、レベラー７、ロール成形機２、高周波溶接機３、スクイズロール４、サイザー９等を有する造管機で加工し、電縫鋼管（外径６００φｍｍ×肉厚１９．１ｍｍ）とした。ついで、これら電縫鋼管を被処理材として、図２に示したような誘導加熱装置11を用いて、溶接部の熱処理を行なった。誘導加熱装置11の構成は、外面側の誘導コイル11aが７スタンド配列され、各誘導コイル11aと同じ通管方向位置の内面側に同側を誘導加熱する誘導コイル13aが配置された構成である。各スタンドの出側の溶接部の外面側、内面側に温度計12,14を配置し、これらを用いて、各スタンド出側の溶接部の外面温度、内面温度を測定した。
（従来例）
従来例では、外面側の誘導コイル11aのみを使用し、溶接部を外面側からのみ誘導加熱するものとした。溶接部の外面温度が目標温度（８８０℃）となるように、各スタンド（外面側の誘導コイル11a）への投入電力を、従来どおり（操業経験のまま外面側の各誘導コイル11aの効率がほぼ均等になるよう）に調整して、熱処理を行なった。その結果、第５スタンド出側で溶接部の外面温度（該スタンド出側の温度計12の計測値）が目標温度に到達し、さらに第７スタンド出側で溶接部の内面温度（該スタンド出側の温度計14の計測値）が目標温度に到達した。
（本発明例１）
本発明例１では、第１〜第４スタンドの外面側、内面側の誘導コイル11a、13aを使用し、次の誘導コイル稼動条件で溶接部を内外面双方の側から誘導加熱する熱処理を行った。
（内面側）
・第１、第２スタンド：フルパワー６００ｋＷに設定した（第２スタンド出側の内面温度がＡｃ_３変態点超の温度となることは実験で検証済みである）。
・第３、第４スタンド：溶接部の内面側が電磁場解析および伝熱解析から求めたキュリー点超の所定内面温度（磁束が肉厚中心部位に最も集中する状態に対応する）に保持されるように設定した。
（外面側）
・第１〜第３スタンド：フルパワーの５０％に設定した（第３スタンド出側の外面温度がＡｃ_３変態点超の温度となることは実験で検証済みである）。
・第４スタンド：溶接部の外面側が電磁場解析および伝熱解析から求めたキュリー点超の所定外面温度（磁束が肉厚中心部位に最も集中する状態に対応する）に保持されるように設定した。

通管中に温度計で監視した第２スタンド出側の計測内面温度、第３スタンド出側の計測外面温度は、Ａｃ３変態点超の目標温度に達し、第３、第４スタンド出側の計測内面温度は所定内面温度とほぼ一致し、第４スタンド出側の計測外面温度は所定外面温度とほぼ一致した。
（本発明例２）
本発明例２では、第１〜第４スタンドの外面側、内面側の誘導コイル11a、13aを使用し、次の誘導コイル稼動条件で溶接部を内外面双方の側から誘導加熱する熱処理を行った。
（外面側）
・第１、第２スタンド：フルパワー６００ｋＷに設定した（第２スタンド出側の外面温度がＡｃ_３変態点超の温度となることは実験で検証済みである）。
・第３、第４スタンド：溶接部の外面側が電磁場解析および伝熱解析から求めたキュリー点超の所定外面温度（磁束が肉厚中心部位に最も集中する状態に対応する）に保持されるように設定した。
（内面側）
・第１〜第３スタンド：フルパワーの５０％に設定した（第３スタンド出側の内面温度がＡｃ_３変態点超の温度となることは実験で検証済みである）。
・第４スタンド：溶接部の内面側が電磁場解析および伝熱解析から求めたキュリー点超の所定内面温度（磁束が肉厚中心部位に最も集中する状態に対応する）に保持されるように設定した。

通管中に温度計で監視した第２スタンド出側の計測外面温度、第３スタンド出側の計測内面温度は、Ａｃ_３変態点超の目標温度に達し、第３、第４スタンド出側の計測外面温度は所定外面温度とほぼ一致し、第４スタンド出側の計測内面温度は所定内面温度とほぼ一致した。
上記各例の熱処理後の溶接部およびその近傍からサンプルを切り出し、断面組織を観察した。その結果、従来例では、溶接部の内面側は比較的微細なフェライト-パーライト組織であったが外面側には靭性を劣化させるベイナイト組織が一部発達していた。すなわち、外面加熱のみの従来例では溶接部の肉厚全体をＡｃ_３変態点超の目標温度に到達させるには７スタンドを要し、内面側よりも速く目標温度に到達した外面側は、さらに内面側が目標温度に到達するまでに過加熱されて組織が靭性を劣化させるものとなった。

これに対し、本発明例では、溶接部の肉厚全体にわたり比較的微細なフェライト-パーライト組織が得られていた。すなわち、外面、内面の両側から加熱する本発明例では、溶接部の肉厚全体をＡｃ_３変態点超の目標温度に到達させるには４スタンドで十分であり、しかも外面、内面の両側が過加熱されてそれらの組織が靭性を劣化させるものとなることはなかった。

また、上記各例の熱処理後の溶接部についてシャルピー衝撃試験を行い、靭性を評価した。試験方法は次のとおりとした。
（シャルピー衝撃試験）
得られた電縫鋼管の溶接部から、JIS Z 2242の規定に準拠して、衝撃試験片（Ｖノッチ試験片）を採取した。試験片の採取位置は、管長手方向の異なる10箇所で、試験片長さ方向を管周接線方向に平行とし、試験片ノッチ位置を溶接部の幅（管周方向での延在範囲）中心として、溶接部の肉厚中心部位から採取した。これら試験片を用いて、JIS Z 2242の規定に準拠して、試験温度：−４６℃でシャルピー衝撃試験を実施し、吸収エネルギーおよび脆性破面率を求めた。その結果を表１に示す。

本発明例では、誘導コイルの所要スタンド数が比較的少ない（誘導加熱装置の所要設備長が比較的短い）にもかかわらず、吸収エネルギー値が高く、脆性破面率が低く靭性に優れた溶接部となっており、信頼性の高い製品管となっている。一方、従来例では、誘導コイルの所要スタンド数が比較的多い（誘導加熱装置の所要設備長が比較的長い）にもかかわらず、吸収エネルギー値が低く、脆性破面率が高く溶接部靭性が低下して、信頼性の低い製品管となっている。

本発明に好適な電縫鋼管製造ラインの一例を模式的に示す説明図である。 本発明に好適な(ａ）誘導加熱装置の設置位置、（ｂ）構成の一例を模式的に示す説明図である。

符号の説明

１ 鋼帯
２ ロール成形機
３ 高周波溶接機
４ スクイズロール
５ 管（電縫鋼管）
６ アンコイラ
７ レベラー
８ ビード切削機
９ サイザー
10 管切断機
11 誘導加熱装置
11a,13a 誘導コイル
12,14 温度計
15 スタンド

Claims (2)

1. 電縫鋼管の通管方向に沿って該電縫鋼管の溶接部の外面側および内面側にそれぞれ誘導コイルを複数スタンド配置した誘導加熱装置を用いて溶接部の外面側および内面側を誘導加熱する電縫鋼管溶接部の熱処理方法であって、内面側の誘導コイル稼動条件を、内面温度がＡｃ_３変態点を超えるまでの前段スタンドではフルパワーに、後続のスタンドでは、内面温度がキュリー点超の所定内面温度に保持されるように設定し、外面側の誘導コイル稼動条件を、外面温度がＡｃ_３変態点を超えるスタンドまではゼロ超フルパワー未満のパワーに、それ以降のスタンドでは外面温度がキュリー点超の所定外面温度に保持されるように設定して、誘導加熱することを特徴とする電縫鋼管溶接部の高能率熱処理方法。
2. 電縫鋼管の通管方向に沿って該電縫鋼管の溶接部の外面側および内面側にそれぞれ誘導コイルを複数スタンド配置した誘導加熱装置を用いて溶接部の外面側および内面側を誘導加熱する電縫鋼管溶接部の熱処理方法であって、外面側の誘導コイル稼動条件を、外面温度がＡｃ_３変態点を超えるまでの前段スタンドではフルパワーに、後続のスタンドでは、外面温度がキュリー点超の所定外面温度に保持されるように設定し、内面側の誘導コイル稼動条件を、内面温度がＡｃ_３変態点を超えるスタンドまではゼロ超フルパワー未満のパワーに、それ以降のスタンドでは内面温度がキュリー点超の所定内面温度に保持されるように設定して、誘導加熱することを特徴とする電縫鋼管溶接部の高能率熱処理方法。
   

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