JP2010247218A - 継目無鋼管の製造方法およびその製造設備 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱したビレットを穿孔機により穿孔圧延して中空素管に成形し、引き続きその中空素管を再加熱することなく延伸圧延機により延伸圧延し定径圧延機により定径圧延するに際し、定径圧延後の鋼管で長手方向温度分布の不均一が生じることなく、省エネルギー化を実現できる継目無鋼管の製造方法を提供する。
【解決手段】製造方法は、延伸圧延機の出側で中空素管の温度を長手方向に沿って測定するステップ１と、測定した中空素管の長手方向温度分布に応じて、定径圧延機の入側で中空素管に水を吹き付けて中空素管を冷却し、中空素管の長手方向温度分布を均一にするステップ２と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、マンネスマン製管法による継目無鋼管の製造方法、およびその製造方法を実施するのに適した継目無鋼管の製造設備に関する。

継目無鋼管は、高強度と優れた靭性が要求される油井管に用いられ、マンネスマン製管法により製造することができる。この製管法は、次のステップからなる：
（１）穿孔機（ピアサー）により、所定温度に加熱されたビレットを穿孔圧延し、中空素管（ホローシェル）に成形する；
（２）延伸圧延機（例：マンドレルミル）により、中空素管を延伸圧延する；
（３）定径圧延機（例：サイザー、ストレッチレデューサー）により、延伸圧延された中空素管を所定の外径と肉厚に定径圧延する；
（４）定径圧延で得られた継目無鋼管を冷却床で空冷したり、または継目無鋼管に焼入れ、焼戻し処理を施す。

従来、マンネスマン製管法を採用する製造設備は、延伸圧延された中空素管を再加熱炉で加熱して定径圧延を行う。また、定径圧延された鋼管に焼入れ処理を施す場合は、鋼管を焼入れ炉で加熱し焼入れを行う。

近年、省エネルギー化と生産効率の向上を図るため、定径圧延時の再加熱炉や焼入れ処理時の焼入れ炉を排除し、穿孔圧延から定径圧延に至るまで、場合によってはさらに焼入れ処理に至るまでを一連のオンラインとした製造設備が採用されることがある。再加熱炉や焼入れ炉を排除した製造設備では、穿孔圧延時に被圧延材の加熱を行った後、定径圧延や焼入れ処理に至るまで再加熱を一切行わない。この製造設備を採用した場合、定径圧延後の鋼管は、長手方向の温度分布が不均一になり、トップ部（先端部）側で温度が低く、ボトム部（後端部）側で温度が高くなる。このような現象は、以下の理由により生じる。

穿孔圧延の際、加熱されたビレットは、プラグによりトップ部側からボトム部側に穿孔されるため、先に穿孔されて管状になるトップ部側で放熱が著しい。このため、穿孔圧延後の中空素管は、トップ部側の温度が低く、ボトム部側の温度が高くなる。この長手方向温度分布の不均一は、被圧延材に再加熱を行わないことから、延伸圧延後の中空素管でも同様の傾向で生じ、さらに定径圧延後の鋼管でも同様の傾向で生じる。これにより、定径圧延後の鋼管には、長手方向で温度分布の不均一が現れる。

定径圧延後の鋼管において、長手方向の温度分布が不均一であると、冷却に伴う熱収縮量が長手方向で異なることから、冷却後に鋼管の外径が長手方向で不均一になる。また、定径圧延後に鋼管に焼入れを行う場合、長手方向の温度分布が不均一であると、焼入れ度合いが長手方向で異なることから、焼入れ後に鋼管の機械的特性が長手方向で不均一になる。

鋼管を製造する際の被圧延材の温度制御に関する従来技術は、下記のものがある。

特許文献１には、継目無鋼管の製造で用いられる多段式連続圧延機において、連続圧延機を経る過程で被圧延材の温度が過剰に低下するのを防止する技術が開示されている。同文献に開示された技術は、連続圧延機の入側と中間部に再加熱炉を配置するとともに、連続圧延機の中間部に配置した中間再加熱炉の入側と出側、および連続圧延機の出側に温度計を配置し、各温度計で測定した鋼管温度に基づいて、中間再加熱炉の温度制御を行うこととしている。

特許文献２には、電縫鋼管の製造で用いられるストレッチレデューサーにおいて、鋼管の周方向で温度低下に起因して肉厚偏差が発生するのを防止する技術が開示されている。同文献に開示された技術は、ストレッチレデューサーの入側に複数の誘導加熱コイルを直列的に配置するとともに、誘導加熱コイルの出側およびストレッチレデューサーの出側に温度計を配置し、温度計による鋼管周方向の温度測定値に基づいて、誘導加熱コイルへの電力供給量を調整することとしている。

特許文献３には、熱間成形された角形鋼管または丸形鋼管を冷却する際に曲がりが発生するのを抑制する技術が開示されている。同文献に開示された技術では、鋼管を所定の形状寸法に熱間成形する成形手段の前段に再加熱炉を配置するとともに、成形手段の後段に放水手段を配置し、成形手段を経た鋼管に放水手段により外周全方向から放水して鋼管を均一に冷却することとしている。

上記特許文献１〜３に開示された技術は、定径圧延前に鋼管を再加熱して温度の均一化を図っていることから、定径圧延後の鋼管で長手方向温度分布が不均一になる事態は生じない。しかし、上記特許文献１〜３に開示された技術のいずれも、定径圧延機の前段に再加熱炉や誘導加熱コイルが必須となることから、莫大な燃料や電力を消費し、省エネルギー化への対応策になり得ない。

特開２００４−５８１２８号公報 特開２００５−７４５２号公報 特開２００７−３０１５７４号公報

本発明の目的は、次の特性を有する継目無鋼管の製造方法およびその製造装置を提供することである：
（１）定径圧延後の鋼管において、長手方向温度分布の不均一が生じないこと；
（２）省エネルギー化を実現できること。

本発明の要旨は、次の通りである。

（Ｉ）加熱したビレットを穿孔機により穿孔圧延して中空素管に成形し、引き続きその中空素管を再加熱することなく延伸圧延機により延伸圧延し定径圧延機により定径圧延する継目無鋼管の製造方法であって、
当該製造方法は、
（ステップ１）延伸圧延機の出側で中空素管の温度を長手方向に沿って測定すること、
（ステップ２）測定した中空素管の長手方向温度分布に応じて、定径圧延機の入側で中空素管に水を吹き付けて中空素管を冷却し、中空素管の長手方向温度分布を均一にすること、
の一連の各ステップを含むことを特徴とする継目無鋼管の製造方法。

上記（Ｉ）の製造方法は、前記定径圧延に引き続いて、再加熱することなく焼入れを行う構成とすることができる。

これらの製造方法は、前記ステップ２において、中空素管に吹き付ける水量を、中空素管を長手方向に区分した複数の領域ごとに調整する構成とすることが好ましい。

（II）加熱したビレットを穿孔圧延して中空素管に成形する穿孔機と、その中空素管を再加熱することなく延伸圧延する延伸圧延機および定径圧延する定径圧延機と、を備える継目無鋼管の製造設備であって、
当該製造設備は、
延伸圧延機の出側に配置され、中空素管の温度を長手方向に沿って測定する温度計と、
定径圧延機の入側に配置され、前記温度計により測定した中空素管の長手方向温度分布に応じて、中空素管に水を吹き付けて中空素管を冷却し、中空素管の長手方向温度分布を均一にする水冷装置と、
を含むことを特徴とする継目無鋼管の製造設備。

本発明の継目無鋼管の製造方法は、下記の顕著な効果を有する：
（１）定径圧延後の鋼管において、長手方向温度分布の不均一が生じないこと；
（２）省エネルギー化を実現できること。

本発明の製造方法の優れた効果は、本発明の継目無鋼管の製造設備によって十分に発揮させることができる。

本発明の継目無鋼管の製造設備の構成例を示す模式図である。 本発明の継目無鋼管の製造設備における水冷装置の構成例を示す図であり、同図（ａ）は中空素管の搬送方向に沿った側断面図、同図（ｂ）は正面図をそれぞれ示す。 中空素管の１ｍあたりに吹き付ける水量と温度降下量との相関を示す図である。

本発明者は、上記目的を達成するため、穿孔圧延時に被圧延材の加熱を行った後、定径圧延や焼入れ処理に至るまで再加熱を行わないことを前提にし、定径圧延後の鋼管で長手方向温度分布の不均一が生じない手法について鋭意検討を重ねた。その結果、下記（ａ）および（ｂ）の知見を得た。

（ａ）定径圧延前の中空素管において長手方向温度分布を均一にすることにより、定径圧延後に鋼管の長手方向温度分布の不均一が生じない。
（ｂ）定径圧延前の中空素管で長手方向温度分布を均一にするには、中空素管の長手方向温度分布に応じて、中空素管に水を吹き付けて中空素管を冷却することが有効である。

本発明は、上記（ａ）および（ｂ）の知見に基づき完成させたものである。以下に、本発明の継目無鋼管の製造方法およびその製造設備の好ましい態様について説明する。

１．継目無鋼管の製造設備
図１は、本発明の継目無鋼管の製造設備の構成例を示す模式図である。同図に示すように、製造設備１は、加熱装置２と、穿孔機３（ピアサー）と、延伸圧延機４（例：マンドレルミル）と、定径圧延機５（例：サイザー、ストレッチレデューサー）と、冷却床６と、を一連のオンライン設備として備える。さらに、製造設備１は、延伸圧延機４の出側に配置された温度計７と、続く定径圧延機５の入側に配置された水冷装置８と、温度計７と水冷装置８に接続された制御装置９と、を備える。

加熱装置２は、被圧延材としてのビレットを穿孔圧延に適した所定温度に加熱する。穿孔機３は、加熱されたビレットを穿孔圧延し、中空素管に成形する。延伸圧延機４は、中空素管を再加熱することなく延伸圧延する。定径圧延機５は、延伸圧延された中空素管を再加熱することなく定径圧延し、所定の外径と肉厚の鋼管に仕上げる。定径圧延された鋼管は、冷却床６で空冷される。

この製造設備１では、定径圧延機５で定径圧延を行うに際し、温度計７により、延伸圧延機４で延伸圧延された中空素管の温度を長手方向に沿って測定する。制御装置９は、温度計７から測定温度の信号を順次受け取り、中空素管の長手方向の温度分布を算出し、その温度分布に応じた駆動信号を水冷装置８に送出する。水冷装置８は、制御装置９からの駆動信号に基づいて中空素管に適正な水量で水を吹き付け、中空素管の長手方向温度分布が均一となるように冷却する。冷却された中空素管が定径圧延機５で定径圧延される。

この製造設備１において、中空素管は、穿孔機３から延伸圧延機４に至るまで、および延伸圧延機４から水冷装置８を経て定径圧延機５に至るまで、ローラーコンベアにより長手方向に搬送される。

図２は、本発明の継目無鋼管の製造設備における水冷装置の構成例を示す図であり、同図（ａ）は中空素管の搬送方向に沿った側断面図、同図（ｂ）は正面図をそれぞれ示す。同図（ａ）では、中空素管の搬送方向を太線矢印で示す。

同図に示すように、水冷装置８は、中空素管Ｐの搬送経路を中心に挿通させる環状パイプ１１を備える。環状パイプ１１には給水管１２が接続され、この給水管１２には給水ポンプ１３が接続されている。給水ポンプ１３は、前記図１に示す制御装置９からの駆動信号に基づいて駆動し、送り出す水の水量を調整することが可能である。

環状パイプ１１の内周には、複数のノズル１４が周方向に等間隔に設けられている。各ノズル１４は、給水ポンプ１３の駆動に伴い給水管１２を通じて環状パイプ１１に供給された水を、中空素管Ｐに向けて吹き出す。これにより、長手方向に搬送される中空素管Ｐは、環状パイプ１１を通過する都度、周方向で均一に冷却される。

ノズル１４の数は、特に限定しないが、４個〜２４個程度とするのが好ましい。４個より少ないと、中空素管Ｐにおける周方向での均一冷却が不十分となるおそれがあり、２４個より多くても、その均一冷却の度合いが飽和するからである。

各ノズル１４は、中空素管Ｐの搬送方向と反対方向（ボトム部側の方向）に向けて僅かに傾斜させて設けるのが好ましい。環状パイプ１１を通過した中空素管Ｐの内部に、その後端から水が浸入するのを防止するためである。

前記図１に示す製造設備１は、このような構成の水冷装置８を中空素管Ｐの搬送経路に沿って複数段設置することができる。水冷装置８の設置は１段であっても構わない。温度計７としては、放射温度計を採用することができる。

前記図１に示す製造設備１は、定径圧延後の鋼管に焼入れ処理を施すために、冷却床６に代え、または冷却床６に並列して、焼入れ炉を配置することなく急冷装置を備えることができる。急冷装置としては、水槽浸漬方式のものやラミナー水流流下方式のものを採用することができる。急冷装置の後段には、焼入れ後の鋼管に焼戻し処理を施すために、焼戻し炉を配置することができる。

２．継目無鋼管の製造方法
前記図１を参照しながら、本発明の継目無鋼管の製造方法を説明する。本発明の製造方法では、加熱したビレットを穿孔機３により穿孔圧延して中空素管に成形し、引き続きその中空素管を再加熱することなく延伸圧延機４により延伸圧延し定径圧延機５により定径圧延する。

その際、穿孔圧延後の中空素管は、穿孔圧延時にトップ部側で放熱が著しいことに起因して、長手方向の温度分布が不均一になる。このため、延伸圧延後の中空素管も、長手方向の温度分布が同様の傾向で不均一になる。

本発明の製造方法では、定径圧延機５で定径圧延を行うに際し、温度計７により、延伸圧延機４の出側で中空素管の温度を長手方向に沿って測定する。そして、測定した中空素管の長手方向温度分布に応じて、水冷装置８により、定径圧延機５の入側で中空素管に水を吹き付けて中空素管を冷却し、中空素管の長手方向温度分布を均一にする。

具体的には、温度計７に接続された制御装置９により、中空素管を長手方向に区分した複数の領域ごとに温度を求め、各領域の温度のうちの最小温度を選定して、領域ごとに最小温度との温度差を求める。そして、その温度差に基づき、水冷装置８から中空素管に吹き付ける水量を領域ごとに算定し、その水量に対応する駆動信号を水冷装置８に送出する。これにより、搬送される中空素管は、領域ごとに水冷装置８から適正な水量の水が吹き付けられて冷却され、長手方向の温度分布が均一になる。

ここで、中空素管に吹き付ける水量と温度降下量との間には相関がある。このため、中空素管に吹き付ける水量は、中空素管の各領域における上記温度差に基づき、例えば、下記図３に示す中空素管の温度降下量との相関から算定することができる。

図３は、中空素管の１ｍあたりに吹き付ける水量と温度降下量との相関を示す図である。同図は、外径および肉厚を種々変更した中空素管を用い、１１００℃に加熱された各中空素管に１ｍあたりの水量を種々変更して水を吹き付ける試験を行い、当該水を吹き付けた領域の温度降下量を調査した結果を示している。

同図に示すように、中空素管に吹き付ける水量Ｑ［ｍ³］と温度降下量ΔＴ［℃］との間には、中空素管の外径および肉厚の寸法にかかわらず、ΔＴ＝１６０×Ｑの相関がある。この関係式から、中空素管の各領域における上記温度差をΔＴとして、中空素管に吹き付ける水量Ｑを算定することができる。

本発明の継目無鋼管の製造方法によれば、定径圧延を行うに際し、中空素管に水を吹き付けて長手方向温度分布を均一にすることができるため、定径圧延後の鋼管で長手方向温度分布が不均一になる事態は生じない。このため、定径圧延後の鋼管は、冷却に伴う熱収縮量が長手方向で異なることなく、冷却後に鋼管の外径が長手方向の全域にわたって均一になる。また、定径圧延後に鋼管に焼入れを行う場合であっても、焼入れ度合いが長手方向で異なることなく、焼入れ後に鋼管の機械的特性が長手方向の全域にわたって均一になる。

また、本発明の継目無鋼管の製造方法によれば、穿孔圧延時に被圧延材の加熱を行った後、定径圧延や焼入れ処理に至るまで再加熱を行わないため、莫大な燃料や電力を消費することなく、省エネルギー化を実現することができる。

本発明の継目無鋼管の製造方法は、本発明の継目無鋼管の製造設備によってその効果を十分に発揮させることができる。

（実施例１）
本発明の効果を確認するため、前記図１に示す製造設備を用いて穿孔圧延、延伸圧延および定径圧延を行い、下記仕様の継目無鋼管を製造する実機試験を実施した。
・寸法：外径４０６．４ｍｍ、肉厚：３０．７ｍｍ、長さ：１２ｍ
・材質：低炭素鋼（Ｃ：０．６ｗｔ％）

定径圧延を行うに際し、延伸圧延後の中空素管の温度を測定し、その長手方向温度分布に応じ、下記表１に示す水量で中空素管に水を吹き付けた。また、比較のために、水の吹き付けを行うことなく試験を実施した。

定径圧延直後に継目無鋼管の温度を測定し、さらにその鋼管を冷却した後、長手方向の全域にわたって鋼管の外径を測定した。その結果を表１に併せて示す。表１では、鋼管の先端より１〜３ｍ範囲のトップ部領域、鋼管の長手中心２ｍ範囲のミドル部領域、および鋼管の後端より１〜３ｍ範囲のボトム部領域について示した。

表１に示す結果から次のことが示される。

本発明例では、定径圧延前に中空素管に水を吹き付けることにより、定径圧延直後の鋼管の温度が長手方向で均一になった。その結果、冷却後の鋼管は、外径が長手方向で均一になった。

比較例では、定径圧延前に中空素管に水を吹き付けなかったため、定径圧延直後の鋼管の温度が長手方向で４０℃程度ばらついて不均一になった。その結果、冷却後の鋼管は、外径が長手方向で０．２ｍｍ程度ばらついて不均一になった。

（実施例２）
前記図１に示す製造設備を用いて穿孔圧延、延伸圧延、定径圧延、および焼入れ、焼戻し処理を行い、下記仕様の継目無鋼管を製造する実機試験を実施して、中空素管への水の吹き付けが鋼管の機械的特性に及ぼす影響を確認した。
・寸法：外径４０６ｍｍ、肉厚：１４ｍｍ、長さ：１２ｍ
・材質：下記表２に成分組成を示す低炭素鋼
・機械的特性：ＡＰＩ規格のＸ６５グレード

定径圧延を行うに際し、延伸圧延後の中空素管の温度を測定し、その長手方向温度分布に応じ、下記表３に示す水量で中空素管に水を吹き付けた。また、比較のために、水の吹き付けを行うことなく試験を実施した。

定径圧延後の焼入れ直前に継目無鋼管の温度を測定し、さらにその鋼管に焼入れ、焼戻し処理を施した後、長手方向に沿った各領域から試験片を採取して、結晶粒度および降伏強さ（ＹＳ）を測定した。結晶粒度を測定する試験方法は、ＡＳＴＭに準拠し、降伏強さを測定する試験方法は、ＡＳＴＭに準拠した。その結果を表３に併せて示す。表３でも、上記実施例１と同様に、トップ部領域、ミドル部領域、およびボトム部領域について示した。

表３に示す結果から次のことが示される。

本発明例では、定径圧延前に中空素管に水を吹き付けることにより、焼入れ直前の鋼管の温度が長手方向で均一になった。その結果、焼入れ、焼戻し後の鋼管は、結晶粒度および降伏強さがともに長手方向で均一になった。

比較例では、定径圧延前に中空素管に水を吹き付けなかったため、焼入れ直前の鋼管の温度が長手方向で５０℃程度ばらついて不均一になった。その結果、焼入れ、焼戻し後の鋼管の結晶粒度は、トップ部領域では粒度番号１１の微粒、ボトム部領域では粒度番号５の粗粒となり、長手方向で不均一になった。結晶粒度がボトム部領域で粗粒となったのは、焼入れまでの温度がトップ部領域よりもボトム部領域で高いことに起因して、ボトム部領域で結晶が成長し粗大化したからである。また、焼入れ、焼戻し後の鋼管の降伏強さは長手方向で６０ＭＰａ程度ばらついて不均一になった。

本発明は、マンネスマン製管法による継目無鋼管の製造に有効に利用できる。

１：製造設備、 ２：加熱装置、 ３：穿孔機、 ４：延伸圧延機、
５：定径圧延機、 ６：冷却床、 ７：温度計、 ８：水冷装置、
９：制御装置、 １１：環状パイプ、 １２：給水管、 １３：給水ポンプ、
１４：ノズル、 Ｐ：中空素管

Claims (4)

1. 加熱したビレットを穿孔機により穿孔圧延して中空素管に成形し、引き続きその中空素管を再加熱することなく延伸圧延機により延伸圧延し定径圧延機により定径圧延する継目無鋼管の製造方法であって、
   当該製造方法は、
   （ステップ１）延伸圧延機の出側で中空素管の温度を長手方向に沿って測定すること、
   （ステップ２）測定した中空素管の長手方向温度分布に応じて、定径圧延機の入側で中空素管に水を吹き付けて中空素管を冷却し、中空素管の長手方向温度分布を均一にすること、
   の一連の各ステップを含むことを特徴とする継目無鋼管の製造方法。
2. 前記定径圧延に引き続いて、再加熱することなく焼入れを行うことを特徴とする請求項１に記載の継目無鋼管の製造方法。
3. 前記ステップ２において、中空素管に吹き付ける水量を、中空素管を長手方向に区分した複数の領域ごとに調整することを特徴とする請求項１または２に記載の継目無鋼管の製造方法。
4. 加熱したビレットを穿孔圧延して中空素管に成形する穿孔機と、その中空素管を再加熱することなく延伸圧延する延伸圧延機および定径圧延する定径圧延機と、を備える継目無鋼管の製造設備であって、
   当該製造設備は、
   延伸圧延機の出側に配置され、中空素管の温度を長手方向に沿って測定する温度計と、
   定径圧延機の入側に配置され、前記温度計により測定した中空素管の長手方向温度分布に応じて、中空素管に水を吹き付けて中空素管を冷却し、中空素管の長手方向温度分布を均一にする水冷装置と、
   を含むことを特徴とする継目無鋼管の製造設備。

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