JP2010534136A - 溶接状態にて最適な疲労特性となるように構成された熱間仕上げシームレス管を製造する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、溶接状態にて最適な疲労特性となるように構成され、７１１ｍｍ以下の外径と１００ｍｍ以下の呼び肉厚とを有する、金属製、特に鋼製の熱間仕上げシームレス管、特に熱間圧延シームレス管を製造するために、熱間圧延又は仕上げ圧延後少なくとも一方の管端部に、定められた長さに渡って、管内径及び管外径の公差を小さく定めた管横断面を形成し、次に当該管横断面を他の管の管端部との溶接可能とする、シームレス管を製造する方法に関する。そのため、第１ステップにて管端部の一部領域に残りの管本体よりも厚い肉厚を形成し、管端部の一部領域の外径を拡大及び／又は管端部の一部領域の内径を縮小し、第２ステップにて管端部の一部領域に機械加工によって所望の管横断面を形成し、この加工された領域から非加工の領域に至る移行領域を、わずかな表面粗さで、かつほとんど切欠き無しに流線状に形成し、当該加工領域に残る残肉厚を所望の公差内に収める。

Description

本発明は、請求項１の前文に記載されるように、溶接状態にて最適な疲労特性となるように構成される熱間仕上げシームレス管を製造する方法に関する。本発明はさらに、このような方法によって製造される管に関する。

シームレス管を製造する様々な方法が非特許文献１にて述べられている。

この方法により作製される管は、例えば、石油又はガスの輸送技術にて利用され、個々の管部分を結合する継目にて互いに溶接して管端無く列状に構成されている。

管継手を製造する場合にて、配管の使用状態にて溶接継手を高い疲労強度とするためには、小さな公差にて溶接する管端部同士を互いに正確に適合する形状とすることが不可欠な前提条件とされている。幾何学的な切欠き部分の発生を避けるためには、溶接すべき管端部の目違いが生じないように特に注意しなければならない。

溶接すべき管端部の正確な形状及び小さな公差は、疲労強度に対する厳しい要求を満足する上で重要であるだけでなく、溶接継手の製造費に関連するので重要となっている。

小さな公差にて溶接すべき管端部の正確な位置合せが実現される場合にのみ、溶接継手は安価で、かつ効率的に、例えば、自動溶接によって製造することができ、溶接継手の高い疲労強度が確保できることとなる。このような場合にのみ、配管内における極力円滑な媒体の流れも保証されることとなる。

しかしながら、熱間圧延シームレス管の公差は、製造に関連した要因のために、継手溶接の効率的な製造に必要とされる狭い範囲内に確実に抑えることができない。それに加えて、管直径には、わずかな肉厚による変動と楕円度とが現れることとなる。

そのことから、溶接すべき管端部同士をそれらの形状に対応するように選択して整列させることが必要になっている。それゆえに、これまでは適切な整列を行なうために管端部に対応して計測することが不可欠であった。

特許文献１により公知の装置は、管端部の内側及び外側の形状を計測しており、これによって互いに正確に適合する管端部を適切に選択することが可能となっている。

このような方法の欠点として、極力円滑に製造を行なうためには、形状面にて互いに適合する管を常に利用できるように管の在庫及び輸送に関して、手間のかかる物流管理が必要とされるということがある。他の欠点としては、例えば、配管端部の適合した形状を有する溶接すべき管を用いることができないような障害が発生した際、製造にて柔軟な対応ができないということがある。

国際公開第２００５／０３１２４９号パンフレット

鋼管ハンドブック（Stahlrohr Handbuch）、ブルカン出版、エッセン、第１２版１９９５年、９７頁〜１０１頁

そこで本発明の課題は、管端部の事前の計測と適切な整列とを必要とすることなく効率的な溶接を可能とするとともに、均一かつ正確な形状の管端を作製可能とし、同時に溶接継手を高い疲労強度とすることを実現可能とする熱間圧延シームレス管の製造方法を提供することにある。

この課題は、請求項１の前文と、特徴部分の特徴とを合せることによって解決される。有利な諸構成は従属請求項の対象となっている。

本発明の教示によれば、この課題を解決するために、管端部の一部領域に残りの管本体よりも厚い肉厚を形成し、管端部の一部領域の外径を拡大し、及び／又は管端部の一部領域の内径を縮小する第１ステップと、管端部の一部領域に機械加工によって所望の管横断面を形成し、この加工領域から非加工領域に至る移行領域を、わずかな表面粗さで、かつほとんど切欠き無しに流線状に形成し、前記加工領域に残る残肉厚を所望の公差内に収める第２ステップとを含むことを特徴とする方法が適用される。

本発明に係る方法の利点は、前記管端部同士が、いまや顧客要求に対応した再現可能な形状に形成され、この形状が事前の計測及び整列無しに相互に溶接可能となることにある。管の在庫用及び輸送用の物流管理の労力が最少となり、このことによって、かなりの費用が節約されることとなる。

同時に、機械加工によって管端部の形状の公差はごく小さな範囲内に抑えられるので、最適な溶接条件がもたらされ、例えば、自動溶接法による管継手の効率的な製造が可能となっている。それに加えて、わずかな表面粗さによる十分な平滑性のために管継手の高い疲労強度が保証されることとなる。

後に管継手の領域にて円滑に媒体を流すことにとって好ましいのは、管長手方向における管端部の厚肉領域から非厚肉領域に至る無段差の移行領域が形成されることである。本発明によれば、このため、加工された管端部から非加工の管端部に至る移行領域に極力大きな単数もしくは複数の湾曲部が設けられる。

有利には、管の公差に基づいて存在する、特に、真円度又は楕円度に関する寸法偏差が後続の機械加工によって、呼び肉厚を下まわることなくほぼ完全に補償できるように、厚肉領域が大きく定められる。

それゆえに、十分な加工の余地を確保するために、管端から少なくとも１００ｍｍの長さに渡って管外周面及び／又は管内周面に少なくとも３ｍｍの厚肉領域を設けると好ましいことが判明した。

しかしながら、必要なら厚肉領域は一層大きく又は一層小さくしておくこともでき、一層短い区間又は一層長い区間に渡って延設することもできる。

他方で、厚肉領域とその長手方向への延設は、製造技術に関する理由、及び費用上の理由によって、加工に不可欠とされる程度に限定されるべきであろう。

厚肉領域の機械加工は、例えば、中ぐり加工によって行うことができ、やはりごくわずかな直径公差、及びごくわずかな表面粗さにて、ごくわずかな楕円度が達成されることとなる。

質的に完璧な管端部の溶接を確保するためには、加工長さを管端から少なくとも１００ｍｍとすることが有利であると実証された。

必要な場合、管端部の溶接前に、自動溶接にとって最適な管端部の位置合せを保証するために、両方の管端部の加工領域内にて突出する芯出しリングを利用することができる。

有利な第１の方法の態様において本発明によれば前記厚肉領域は、据込みによって、特に管端部の熱間据込みによって作製されるとよい。

据込みのステップは、有利には、据込み時に管外周面及び管内周面に形成される管本体への移行領域を管長手方向にズレて配置するように、実施される。包括的研究が示したように、機械加工時に管長手方向における移行領域にて、このようにズラした配置と、異なる管横断面位置への湾曲部の配置とが、管の使用状態にて継手の疲労強度には有利に作用する。

このため有利には、これらの移行領域には厚肉領域の機械加工時に極力大きな湾曲部、又は湾曲部の組合せが設けられている。湾曲部、又は湾曲部の組合せは、異なる横断面のそれぞれの位置によって、所定の最低肉厚を維持することを保証し、管端部の非厚肉領域への切欠きの無い極力流線状の移行領域をもたらすこととなる。これにより有利なことに移行領域では低い応力集中係数が保証されることとなる。

本発明の他の有利な一構成によれば、肉盛溶接又は焼結によって管端部の厚肉領域を実現し、引き続き機械加工を行なうことも可能である。

上述の方法の態様において厚肉領域の形成は圧延ステップから完全に切り離されることとなる。このことの利点として、上述の利用目的のために、本来予定されていなかった管、例えば、軸受管に、厚肉領域と対応する機械加工領域とを追加的に設けることができる。

さらに、製造技術に関する観点から、それが有利であると考えられる場合、熱間圧延シームレス管の製造時に、既に管端部の厚肉領域を形成することが可能である。例えば、ロールを離反させることによって管端部に拡大された外径を形成し、拡大された内径を、例えば、対応して設計された内部工具によって形成することができる。

本発明のその他の特徴、利点及び詳細は図示した実施例の以下の説明から明らかとなる。

据込みによって管端部に形成される厚肉領域を示す図である。 本発明にて、加工された状態の管端部を示す図である。

据込み後に管端部の管外周面及び管内周面に厚肉領域を有することとなる本発明によって作製された管の一部が、図１に縦断面図として示されている。

管１は管端部の領域に、熱間塑性加工ステップにより形成される厚肉領域３を有し、この厚肉領域は、移行領域４、４’にて管１の元の横断面２に移行している。

この例では、厚肉領域３では管１の外径が拡大し、管１の内径が縮小するように実施されている。

本発明によれば、据込み時に外周面に作製される移行領域４と、内周面に作製される管本体への移行領域４’とを管長手方向にズレて配置するように、据込みステップが実施される。

据込みステップによって作製される移行領域４における管１の外周面には段差５，６が設けられ、移行領域４’の内周面には段差７，８が設けられている。

図２は、管１の管端部の一部領域を機械加工によって製造した仕上げ状態を示している。

機械加工された管１の仕上げ輪郭は、管１の最初に厚肉化された管端部の領域にて、管１の元の直径と一致する外径を有することとなる。移行領域４には大きな湾曲部９が設けられており、この湾曲部では、加工領域のごくわずかな表面粗さと合せて流線状の無段差の移行領域によって、十分な平滑性が保証されている。

移行領域４の領域内にて管１の所望の最低肉厚を下まわることのないように、管端部の厚肉領域の内周面が元の内径まで削られるのでなく、わずかな厚肉領域１１が残っており、この厚肉領域から移行領域４’にかけて、やはり大きな湾曲部１０が設けられており、この湾曲部が流線状かつ無段差で、管１の元の横断面２に移行している。

本発明によれば湾曲部９，１０が、異なる管横断面位置に位置決めされており、そのことは使用状態における継手の疲労強度に対して有利に作用する。

このような配置によって、一方で所望の最低肉厚を下まわらないことが保証され、他方で管１の元の横断面２への極力切欠きのない移行領域４’を設けることが実現されることとなる。

１ 管
２ 元の横断面
３ 厚肉領域
４、４’ 移行領域
５、６ 外側の移行領域の段差
７、８ 内側の移行領域の段差
９ 外側の移行領域の湾曲部
１０ 内側移行領域の湾曲部
１１ 管内周面の厚肉領域

Claims (11)

1. 溶接状態にて最適な疲労特性となるように構成され、７１１ｍｍ以下の外径と１００ｍｍ以下の呼び肉厚とを有する、金属製、特に鋼製の熱間仕上げシームレス管、特に熱間圧延シームレス管を製造するために、熱間圧延又は仕上げ圧延後に少なくとも一方の管端部に、定められた長さに渡って内径及び外径の公差を小さく定めた管横断面を形成するステップを含むシームレス管を製造する方法において、
   前記管端部の一部領域を残りの管本体よりも厚い肉厚に形成し、前記管端部の一部領域の外径を拡大し、及び／又は前記管端部の一部領域の内径を縮小する第１ステップと、
   前記管端部の一部領域を機械加工によって所望の前記管横断面に形成し、前記加工領域から非加工領域までの移行領域を、わずかな表面粗さで、かつほとんど切欠き無く流線状に形成して、前記加工領域に残る残肉厚を所望の公差内に収める第２ステップと
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記管端部の厚肉領域が前記管端部を据込むことによって形成され、前記据込み時に管外周面及び管内周面に形成される前記管本体への前記移行領域のそれぞれが、管長手方向にズレて配置されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記据込みが熱間据込みであることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記管端部の厚肉領域が焼結によって作製されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記管端部の厚肉領域が肉盛溶接によって作製されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 前記管端部の厚肉領域が仕上げ圧延前の熱間圧延によって作製されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 前記管端部の厚肉領域が少なくとも３ｍｍに形成されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記管端部の厚肉領域が管端から管長手方向に少なくとも１００ｍｍの長さに渡って延設されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 管外周面及び／又は管内周面に、管長手方向で前記管端部の厚肉領域から前記管端部の非厚肉領域に至る無段差の移行領域が形成されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記移行領域の外周面及び内周面に少なくとも各１つの湾曲部が設けられ、前記湾曲部のそれぞれが異なる横断面位置に配置されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法によって製造されるシームレス管。

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