JP2011005516A - 管材の溶接方法およびシールドガス充填用発泡剤 - Google Patents

Abstract

【課題】シールドガス保持性能および施工性を向上できる管材の溶接方法およびシールドガス充填用発泡剤を提供すること。
【解決手段】この管材の溶接方法では、管材１の内部に泡沫層Ｓが形成され、この泡沫層Ｓにより封止された空間にシールドガスが充填された後に、管材１、１の溶接が行われている。このとき、泡沫層Ｓの形成にあたり、ケラチンタンパク質を含むシールドガス充填用発泡剤が用いられている。また、スプレー装置２にシールドガス充填用発泡剤が充填され、そのノズル２２を介して管材１の内部にシールドガス充填用発泡剤が噴射されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、管材の溶接方法およびシールドガス充填用発泡剤に関し、さらに詳しくは、シールドガス保持性能および施工性を向上できる管材の溶接方法およびシールドガス充填用発泡剤に関する。

近年の管材の溶接方法では、例えば、鋼管、合金鋼管、ステンレス管、アルミニウム管などの溶接時にて、管材の内部に泡沫層を形成して管材の内部を封止し、この泡沫層により封止された空間にシールドガス（バックシールド）を充填して管材を溶接する方法が採用されている。また、この泡沫層の形成には、シールドガス充填用発泡剤が用いられている。そして、かかる溶接方法により、管材内部のシールドガス雰囲気が泡沫層により適正に保持されて、溶接の品質の向上が図られている。

かかる従来の管材の溶接方法には、特許文献１に記載される技術が知られている。また、シールドガス充填用発泡剤には、特許文献１〜特許文献３に記載される、飽和脂肪酸のアルカノールアミン塩および飽和脂肪酸のアルカノールアミドおよび溶媒として水およびアルコールを混合した薬剤を用いる技術が知られている。

特公平６−７５７８８号公報 特公平８−２６３０１号公報 特許第３２３３７４７号公報

管材の溶接方法では、泡沫層の形成から管材の溶接までに長時間を要する場合があり、工事の都合上、数日間にわたる長期の保持性能が求められる場合がある。シールドガス充填用発泡剤においては，形成された泡沫層が長時間にわたり安定に保持できることが求められているが，従来技術においては、形成された泡沫層は２４時間以上の保持が可能とされているものの、複数日間以上の保持性能については明確でない。従って実工事に問題なく対応するためには、シールドガス保持性能の更なる向上が求められていた。また実際の工事では，部分補修など開先合せ後に隙間から泡沫を充填しなければならない場合があるが，従来技術では隙間からの泡沫の充填が困難であることから対応できないという問題があることから，シールドガス保持性能に加えて施工性の向上が望まれていた。

そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、泡沫層のシールドガス保持性能および施工性を向上できる管材の溶接方法およびシールドガス充填用発泡剤を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明にかかる管材の溶接方法は、管材の内部に泡沫層を形成すると共に前記泡沫層により封止された空間にシールドガスを充填して前記管材を溶接する管材の溶接方法であって、前記泡沫層の形成にあたり、ケラチンタンパク質を含むシールドガス充填用発泡剤が用いられることを特徴とする。

また、この発明にかかるシールドガス充填用発泡剤は、管路に噴射されて発泡することにより泡沫層を形成して前記管路を封止するシールド用発泡剤であって、ケラチンタンパク質を含むことを特徴とする。

この発明にかかる管材の溶接方法およびシールドガス充填用発泡剤では、たんぱく質を含まないシールドガス充填用発泡剤およびコラーゲンタンパク質を含むシールドガス充填用発泡剤が用いられる構成と比較して、泡沫層の保持性・耐圧性が向上するため，シールドガス保持性能が向上する利点がある。また、ケラチンタンパク質が両親媒性を有することにより、泡剤の粘度が低下し，噴射時にノズル部で生じる圧力損失がより小さくなるため、より細長いノズルでの施工が可能となるなど施工性が向上する利点がある。

図１は、この実施の形態にかかる管材の溶接方法を示す説明図である。 図２は、この実施の形態にかかる管材の溶接方法を示す説明図である。 図３は、この実施の形態にかかる管材の溶接方法を示す説明図である。 図４は、この実施の形態にかかる管材の溶接方法を示す説明図である。 図５は、この実施の形態にかかる管材の溶接方法を示す説明図である。 図６は、図１〜図５に記載した管材の溶接方法に用いられるスプレー装置を示す説明図である。 図７−１は、泡沫層の保持性に関する性能試験の結果を示す表である。 図７−２は、泡沫層の保持性に関する性能試験の結果を示す表である。 図８は、泡沫層の保持性に関する性能試験の評価方法を示す表である。 図９は、泡沫層の評価装置を示す構成図である。 図１０は、泡沫層の耐圧性に関する性能試験の結果を示す表である。 図１１は、泡沫層の耐圧性に関する性能試験の評価方法を示す表である。 図１２は、泡沫層の移動距離に関する性能試験の試験方法を示す説明図である。 図１３は、泡沫層の移動距離に関する性能試験の結果を示す表である。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、この実施の形態の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。また、この実施の形態に記載された複数の変形例は、当業者自明の範囲内にて任意に組み合わせが可能である。

［管材の溶接方法］
この管材の溶接方法は、例えば、鋼管、合金鋼管、ステンレス管、アルミニウム管などの溶接時にて、管材の内部に泡沫層を形成して管材の内部を封止し、この泡沫層により封止された空間にシールドガス（バックシールド）を充填して管材を溶接する管材の溶接方法に適用される。以下、この管材の溶接方法について図面を参照しつつ詳細に説明する（図１〜図６参照）。

この管材の溶接方法では、まず、溶接対象である一対の管材１、１が溶接部を突き合わせて配置される（図１参照）。例えば、この実施例では、長尺かつ細長な一対の円筒管１、１が端部を突き合わせて配置されている。

次に、管材１内の所定の位置に泡沫層Ｓが形成される（図２参照）。例えば、円筒管１、１の突き合わせ部から円筒管１の内部にスプレー装置２のノズル２２が挿入され、このノズル２２を介してシールドガス充填用発泡剤が管材１内に噴射される。そして、シールドガス充填用発泡剤が発泡することにより、泡沫状の泡沫層Ｓが管材１内の所定の位置に形成される。また、この泡沫層Ｓが、突き合わされた一対の管材１、１の双方にそれぞれ形成される（図３参照）。なお、このシールドガス充填用発泡剤については、後述する。

なお、スプレー装置２は、シールドガス充填用発泡剤を噴射するための装置であり、例えば、本体部２１と、ノズル２２と、ストッパー（ガイド）２３とを有する（図６参照）。本体部２１は、シールドガス充填用発泡剤を収容する容器である。ノズル２２は、本体部２１から引き出された長尺なチューブであり、シールドガス充填用発泡剤の噴射経路となる。このノズル２２は、管材１の内部に湾曲しつつ挿入できるように、可撓性材料（例えば、プラスチック、フッ素樹脂などの樹脂材料）から成る。例えば、この実施例では、ノズル２２がフッ素樹脂材料により構成されている。これにより、シールドガス充填用発泡剤の泡切れの良さ、および、ノズル２２の耐摩耗性が高められている。また、かかるフッ素樹脂から成るノズル２２は、管材１の内壁を傷つけないため、好ましい。なお、ノズル２２の先端形状は、例えば、開放端形状、ラッパ形状、噴射孔を側部に有する形状などにより構成される。ストッパー２３は、管材１に対するノズル２２の挿入長さを規制する部材であり、例えば、シリコンゴム材料から成る。このストッパー２３は、ノズル２２が管材１の端部から内部に挿入されたときに、管材１、１の突き合わせ部に当接する。これにより、管材１に対するノズル２２の挿入長さが規制されて、ノズル２２の端部が所定の位置（泡沫層Ｓを形成すべき位置）に配置される。ノズル２２の長さは，溶接時に発生する熱の影響を受けない程度に溶接部から十分離れた距離に泡沫を形成できる，３０［ｃｍ］〜５０［ｃｍ］の範囲に設定されている。

次に、管材１、１の突き合わせ部から管材１内にシールドガスＧが充填されて、泡沫層Ｓ、Ｓ間にシールドガス雰囲気が形成される（図４参照）。そして、管材１、１の端部が突き合わされた後、このシールドガス雰囲気下にて管材１、１の溶接が行われる。このとき、管材１内部のシールドガス雰囲気が泡沫層Ｓにより適正に保持されるので、内面の溶接金属の酸化が抑制され、溶接の品質が向上する。その後に、管材１の内部が水洗浄されて、泡沫層Ｓが除去される（図５参照）。このとき、泡沫層Ｓを形成する泡沫（シールドガス充填用発泡剤）が水溶性なので、泡沫層Ｓの水洗浄が容易に行われて、管材１内の残留異物が低減される。なお、シールドガスＧには、例えば、アルゴンガス、ヘリウムガスなどの不活性ガスが用いられる。また、管材１の溶接には、例えば、アーク溶接機が用いられる。

［シールドガス充填用発泡剤］
ここで、この管材の溶接方法では、泡沫層Ｓの形成にあたり、ケラチンタンパク質を含むシールドガス充填用発泡剤が用いられることが好ましい。かかる構成では、たんぱく質を含まないシールドガス充填用発泡剤およびコラーゲンタンパク質を含むシールドガス充填用発泡剤が用いられる構成と比較して、（１）泡沫層Ｓ（泡沫の泡性状）の保持性が向上し、また、（２）泡沫層Ｓの耐圧性が向上する利点がある。また、ケラチンタンパク質が両親媒性を有するので、（３）泡剤の粘度が低下する利点がある。

例えば、（１）泡沫層Ｓの保持性が向上すると、シールドガス雰囲気が長時間適正に保持される。管材溶接の施工現場では、全体工程の都合上，管材の溶接方法の泡沫層Ｓの形成から管材１の溶接までに一定の時間が設けられる場合がある。このため、泡沫層Ｓの保持可能時間が長いほど，泡沫層Ｓの形成から管材１の溶接までの時間を長く設定することが出来、管材の溶接方法と他の工程との調整が容易となり，工事の都合上好ましい。

また、（２）泡沫層Ｓの耐圧性が向上すると、泡沫層ＳがシールドガスＧの圧力により流動することなく所定の位置に保持される。また、管材溶接の施工現場では、ユニット内の温度差により大気の比重差が生じて、管材内部に差圧が発生する場合がある。このとき、この差圧により泡沫層Ｓが管材内部を流動すると、シールドガス雰囲気が悪化するおそれがある。したがって、泡沫層Ｓの耐圧性が向上することにより、かかる事態が防止される。

また、（３）泡剤の粘度が低下すると、噴射される泡沫の粘度が低くなり、施工の自由度が広がるので好ましい。例えば、泡沫の粘度が低いほど、噴射時にノズル部で生じる圧力損失がより小さくなるため、より細長いノズル（例えば、内径２［ｍｍ］かつ長さ５００［ｍｍ］のノズル）２２を用いて泡沫層Ｓを形成できる。すると、管材１、１の突き合わせ部の狭い隙間からでもノズル２２を挿入できるので、開先合わせの前後で時期を選ばず泡沫層Ｓの形成が可能である。これにより、泡沫層Ｓの形成のために他の工程を調整する必要が無くなる。また，部分補修など開先合せ後に隙間から泡沫を充填しなければならない場合でも対応が可能である。なお、ＬＰＧの配合率は、１０［％］〜４０［％］の範囲にあることが好ましく、１５［％］〜３５［％］の範囲にあることがより好ましい。

なお、ケラチンタンパク質は、動物の毛、皮膚外皮の角質、毛髪、爪などから抽出され、特に、ヒトの毛髪の８割以上を構成する。ケラチンタンパク質のアミノ酸組成は、他のタンパク質にほとんど存在しないシスチンを約１割含有する。シスチンは分子内にジスフィルド結合（Ｓ−Ｓ結合）を有することから，ケラチンたんぱく質のペプチド鎖はシスチンに由来するジスルフィド結合で網目状に結ばれ，その結果ケラチンたんぱく質が一定の機械的強度を有することが知られている。

なお、この管材の溶接方法では、シールドガス充填用発泡剤にかかるケラチンタンパク質の濃度が０．１［％］以上５［％］以下であることが好ましい。かかる構成では、シールドガス充填用発泡剤の泡沫の保持性・耐圧性・粘度が適正化されるので、シールドガス充填用発泡剤のシールドガス保持性能・施工性を両立できる利点がある。例えば、ケラチンタンパク質の濃度が５［％］を越えると、泡沫の粘性が過大となり、施工性が失われ好ましくない。また、ケラチンタンパク質の濃度が０．１［％］未満となると、ケラチンタンパク質添加による泡沫の保持性・耐圧性向上効果が十分に現れないため好ましくない。

この実施例では、相互に異なる成分を有するシールドガス充填用発泡剤について、泡沫層Ｓの保持性、耐圧性および移動距離に関する性能試験が行われた。以下、これらの性能試験について説明する。

［泡沫層の保持性に関する性能試験］
泡沫層の保持性に関する性能試験では、まず、調製されたシールドガス充填用発泡剤と噴射剤であるＬＰＧ（Liquefied petroleum gas）とが重量比２：１（ＬＰＧの重量比３３．３［％］）の割合でスプレー缶２（図６参照）に充填される。次に、このシールドガス充填用発泡剤が円筒形状のアクリル管（内径５０［ｍｍ］かつ長さ３００［ｍｍ］）の内部に噴射されて、アクリル管の内部に泡沫層Ｓが形成される。そして、両端を解放したアクリル管が縦置き状態にて温度２０［℃］の条件下で放置される。その後に、所定時間の経過後における泡沫層Ｓの性状が目視にて観察されて、評価が行われる。評価は、◎、○、△および×の４段階にて行われ、◎側であるほど好ましい（図８参照）。

図７−１において、実施例１、比較例１および比較例２のシールドガス充填用発泡剤は、（ａ）ステアリン酸トリエタノールアミン塩、（ｂ）ヤシ油脂肪酸ジエタノールアミド、（ｃ）アルコール、（ｄ）タンパク質、（ｅ）水により調製されている。（ａ）ステアリン酸トリエタノールアミン塩および（ｂ）ヤシ油脂肪酸ジエタノールアミドは、微細気泡（泡沫）を安定化するための発泡剤として用いられる。（ｃ）アルコールは、溶媒および安定剤として用いられる。（ｄ）タンパク質は、主として泡沫の保水性および金属に対する密着性を確保するために用いられる。（ｅ）水は、溶媒として用いられる。なお、これらの成分の配合比は、当業者自明の範囲内にて最適化され得る。また、（ｄ）タンパク質を除く他の成分が共通となっている（図７−１参照）。この（ｄ）タンパク質について、実施例１では、ケラチンタンパク質（配合比５［％］）が用いられている。また、比較例１では、コラーゲンタンパク質が用いられ、比較例２では、ガゼインタンパク質が用いられている。一方、従来例のシールドガス充填用発泡剤は、市販品（商品名「サンフォームＰ−３０」）であり、ケラチンタンパク質が配合されていない。

試験結果に示すように、実施例１では、噴射直後および２４時間放置後の泡性状が「◎：硬く安定した泡」のまま維持されており、比較例１および比較例２よりも好ましい（図７−１および図８参照）。また、４８時間放置後の泡性状が「○：比較的硬い泡（泡の緻密さが低下）」に留まっており、「△：泡の緻密さが喪失」した従来例よりも好ましい。このように、シールドガス充填用発泡剤がケラチンタンパク質を含むことにより、泡沫層Ｓの保持性が向上することが分かる。

また、図７−２において、実施例６、実施例７および比較例３のシールドガス充填用発泡剤は、（ａ）ステアリン酸トリエタノールアミン塩、（ｂ）ヤシ油脂肪酸ジエタノールアミド、（ｃ）アルコール、（ｄ）ケラチンタンパク質、（ｅ）水により調製されている。また、（ｄ）ケラチンタンパク質の配合比が０．５［％］、０．１［％］および０．０［％］から選択されており、これに応じて（ｅ）水の配合比が調整されている。

試験結果に示すように、実施例６および実施例７では、噴射直後および４８時間放置後の泡性状が「○：比較的硬い泡」に維持されており、比較例３よりも好ましい（図７−２および図８参照）。このように、シールドガス充填用発泡剤がケラチンタンパク質を含むことにより、泡沫層Ｓの保持性が向上することが分かる。特に、実施例７のように少量（０．１［％］）のケラチンタンパク質が配合された場合であっても、ケラチンタンパク質が配合されていない比較例３よりも好ましい試験結果が得られている。また、実施例６と実施例７とを比較すると、０．５［％］の配合比を有する実施例６は、１週間経過後における泡性状が「△：泡の緻密さが喪失」に留まっており、０．１［％］の配合比を有する実施例７よりも好ましい。したがって、ケラチンタンパク質の配合比が適正化されることにより、泡沫層Ｓの保持性が向上することが分かる。

［泡沫層の耐圧性に関する性能試験］
泡沫層の耐圧性に関する性能試験では、調製されたシールドガス充填用発泡剤と噴射剤であるＬＰＧとが重量比２：１（ＬＰＧの重量比３３．３［％］）の割合でスプレー缶２（図６参照）に充填される。次に、このシールドガス充填用発泡剤が円筒形状のアクリル管１０（内径５０［ｍｍ］かつ長さ３００［ｍｍ］）の内部に噴射されて、アクリル管１０の内部に泡沫層Ｓが形成される。次に、両端を解放したアクリル管１０が縦置き状態にて温度２０［℃］の条件下で放置される。次に、所定時間の放置後に、評価装置３が用いられてアクリル管１０に内圧が付加される。そして、内圧が５［ｍｍＨ２０／ｍｉｎ］の速度で加圧され、内圧の上昇が停止（泡沫層Ｓが崩壊）したときの内圧が計測されて、評価が行われる（図９参照）。評価は、◎、○、△および×の４段階にて行われ、◎側であるほど泡が崩壊し難く好ましい（図８参照）。

なお、評価装置３は、圧力調整用アクリル管３１と、流量計３２と、マノメータ３３と、圧力調整用バルブ（流量可変バルブ）３４と、内圧開放用バルブ３５とを備える（図９参照）。また、圧力調整用アクリル管３１と泡沫層Ｓが形成されたアクリル管１０とが接続管３６を介して接続される。この評価装置３では、圧縮空気が流量計３２を介して圧力調整用アクリル管３１に導入される。そして、マノメータ３３および圧力調整用バルブ３４が用いられて、圧力調整用アクリル管３１内の空気圧が調整される。これにより、アクリル管１０内の空気圧が調整される。

図１０において、実施例２〜実施例５のシールドガス充填用発泡剤は、（ａ）ステアリン酸トリエタノールアミン塩、（ｂ）ヤシ油脂肪酸ジエタノールアミド、（ｃ）アルコール、（ｄ）ケラチンタンパク質、（ｅ）水により調製されており、共通の成分を有している。ただし、（ｄ）ケラチンタンパク質の配合比が３．０［％］、４．０［％］および５．０［％］から選択されており、これに応じて他の成分（ａ）〜（ｃ）および（ｅ）が調整されている。一方、従来例のシールドガス充填用発泡剤は、市販品（商品名「サンフォームＰ−３０」）であり、ケラチンタンパク質が配合されていない。

試験結果に示すように、実施例２〜実施例５では、噴射直後における泡沫層Ｓの耐圧性が「◎：２０［ｍｍＨ２０／ｍｉｎ］」の水準にあり、「△：５［ｍｍＨ２０／ｍｉｎ］」である従来例よりも好ましい（図１０および図１１参照）。このように、シールドガス充填用発泡剤がケラチンタンパク質を含むことにより、泡沫層Ｓの耐圧性が向上することが分かる。さらに、実施例２および実施例３では、１週間放置後における泡沫層Ｓの耐圧性が「○：１０［ｍｍＨ２０／ｍｉｎ］」の水準にあり、実施例４および実施例５よりも好ましい。このように、（ｄ）ケラチンタンパク質の比率が適正化されることにより、泡沫層Ｓの耐圧性が向上することが分かる。

［泡沫層の移動距離に関する性能試験］
泡沫層の移動距離に関する性能試験では、調製されたシールドガス充填用発泡剤と噴射剤であるＬＰＧとが重量比２：１（ＬＰＧの重量比３３．３［％］）の割合でスプレー缶２（図６参照）に充填される。次に、このシールドガス充填用発泡剤が円筒形状のステンレス管２０（内径５０［ｍｍ］かつ長さ６００［ｍｍ］）の内部に噴射されて、ステンレス管２０の内部に泡沫層Ｓが形成される。次に、評価装置３（図９参照）が用いられてステンレス管２０に内圧５［ｍｍＨ２０］が付加される。そして、ステンレス管２０を縦置きにして温度２０［℃］の条件下で放置する（図１２参照）。次に、所定時間の放置後に、泡沫層Ｓの長さおよび移動距離が測定される。そして、この測定結果に基づいて評価が行われる。

この性能試験では、ケラチンタンパク質を含む実施例１のシールドガス充填用発泡剤（図７−１参照）と、従来例のシールドガス充填用発泡剤とが比較される。

試験結果に示すように、実施例１のシールドガス充填用発泡剤では、従来例のシールドガス充填用発泡剤と比較して、経過時間に対する泡沫層の移動距離が短い（図１３参照）。すなわち、実施例１のシールドガス充填用発泡剤では、工事現場でユニット内の温度差による大気の比重差などにより管材１内部に差圧が発生した場合にも泡沫層Ｓが移動し難いので、従来例に比べてシールドガス雰囲気がより適正に確保される。したがって、シールドガス充填用発泡剤がケラチンタンパク質を含むことにより、差圧条件下におけるシールドガス保持性能が向上することが分かる。

以上のように、この発明にかかる管材の溶接方法およびシールドガス充填用発泡剤は、シールドガス保持性能および施工性を向上できる点で有用である。

１ 管材
２ スプレー装置（スプレー缶）
２１ 本体部
２２ ノズル
２３ ストッパー
３ 評価装置
３１ 圧力調整用アクリル管
３２ 流量計
３３ マノメータ
３４ 圧力調整用バルブ
３５ 内圧開放用バルブ
３６ 接続管
１０ アクリル管
２０ ステンレス管
Ｇ シールドガス
Ｓ 泡沫層

Claims (2)

1. 管材の内部に泡沫層を形成すると共に前記泡沫層により封止された空間にシールドガスを充填して前記管材を溶接する管材の溶接方法であって、
   前記泡沫層の形成にあたり、ケラチンタンパク質を含むシールドガス充填用発泡剤が用いられることを特徴とする管材の溶接方法。
2. 管路に噴射されて発泡することにより泡沫層を形成して前記管路を封止するシールド用発泡剤であって、
   ケラチンタンパク質を含むことを特徴とするシールドガス充填用発泡剤。

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