JP2011063879A - 内面突起つきスパイラル鋼管の製造法 - Google Patents

Abstract

【課題】現場での補強作業を省略でき、建築物等から受ける軸力や曲げモーメントに対しても十分な強度を持ち、溶接性に優れたコンクリート充填鋼管に使用される内面突起つきスパイラル鋼管およびその製造法を提供する。
【解決手段】Ｃ：０．０５〜０．２０、Ｓｉ：０．６以下、Ｍｎ：０．８〜２．２、Ｐ：０．０２以下、Ｓ：０．００５以下、Ｎｂ：０．００５〜０．０８０、Ｔｉ：０．００５〜０．０３０、Ａｌ：０．０５以下、Ｎ：０．００１〜０．００６、Ｏ：０．００６以下を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、かつ、ＣＥ値が０．３５〜０．４５の範囲にある母材からなる内面突起つきスパイラル鋼管を、鋼管長手方向が上下方向となる状態で９００〜１１５０℃に加熱後、鋼管内外表面が８６０℃以上の温度から１０℃／秒以上の冷却速度となるように内外両面側から３００℃以下まで水冷し、その後、６５０℃以下で焼き戻し処理する。
【選択図】なし

Description

本発明は、建築物や橋梁、鉄塔などの基礎構造に用いられるコンクリート充填鋼管に使用される４５０ＭＰａ以上６５０ＭＰａ以下の降伏強度を有する、溶接性に優れた内面突起つきスパイラル鋼管の製造法に関するものである。

一般に、ビルディング等の建築物や橋梁、鉄塔などの基礎構造は、鋼管杭の杭頭部にフーチングを支持させた構造になっている。鋼管杭の杭頭部には、建築物等の自重や地震時に発生する水平力により、軸力やせん断力や曲げモーメントが作用することになるが、最近の鋼管杭では、鋼管の高支持力化等による基礎構造の合理化等を背景に、杭頭部に要求される耐力が大きくなってきている。かかる要求に対応すべく、大径で厚肉の鋼管杭を用いることも行われているが、大径の鋼管杭に用いられるスパイラル鋼管は、加工上の理由から強度や板厚に限度がある。そこで、従来から鋼管杭において特に大きな曲げモーメントが発生する杭頭部を別途補強することが行われている。

例えば、特許文献１には、杭頭部の内部に鉄筋とコンクリートを充填した構造が開示されている。また、特許文献２には、二重管式杭頭構造の構築方法が開示されている。また、特許文献３には、フーチングの下部の鋼管杭と外管との中間に形成される空間内に物質を充填して水平耐力を増大させる方法が開示されている。また、特許文献４には、ずれ止めあるいは鉄筋を取り付けてコンクリートと鋼管との付着力を増大させる構造が開示されている。

一方、建築構造物の大型化や鋼管杭の高支持力化に伴う杭本数の効率化などを背景に、杭頭部にはより一層大きな支持力が要求されるようになった。杭頭の耐力を高めるためには、鋼管の高強度化、大径化、厚肉化、コンクリート充填鋼管が有効である。鋼管を高強度化する方法は数多くあり、例えば、特許文献５には、鋼管を加熱して水冷することによる厚肉高強度曲り管の製造方法が開示されている。また特許文献６にはコンクリートを充填する合成鋼管の製造方法が開示されている。

特開２００５−１６３４２１号公報 特開２００９−３０３７２号公報 特開２００９−４６８７９号公報 特開２００９−４６８８１号公報 特開平５−２７９７４３号公報 特開昭５３−５３０２１号公報

しかしながら、上記特許文献１のように、杭頭部の内部から補強するためには、鋼管杭を地盤に打設した後、あるいは、打設している最中に、杭頭部の内部を洗浄等することが必要となり、施工性を低下させるといった難点がある。また、上記特許文献２〜４の方法では、いずれの場合も建設現場で杭頭部を補強する作業をしなければならず、施工が煩雑となり、施工コストが高くなるという課題もある。

そこで、鋼管杭の杭頭部の耐力を高めるためには、鋼管の高強度化、大径化、厚肉化、コンクリート充填鋼管が有効であり、上記特許文献５には、ＡＰＩ規格Ｘ６５〜Ｘ７０クラスの高強度厚肉曲り管の製造方法が開示されているが、コンクリートとの合成構造を目的とした鋼管ではないので、鋼管杭が素管（コンクリートとの合成構造ではない鋼管単体）だけの場合には杭頭部の十分な耐力が得られない。鋼管とコンクリートの付着強度を向上させるための方法としては鋼管に溶接ビードやスタッドボルトを施す方法も考えられるが、高強度材への溶接は施工管理が難しく合成構造とすることは困難である。また、鋼管杭が素管の場合、杭頭部の十分な耐力を得るためには、例えば降伏強度で７００ＭＰａ以上の鋼管が必要となり、合金元素の添加量が必然的に多くなるので、溶接性（耐溶接低温割れ性）や焼き戻し処理後の溶接金属の低温靭性が低下するという問題があった。

また、上記特許文献６にはコンクリートとの合成構造に使用される内面突起つきスパイラル鋼管の製造方法が開示されている。高強度の内面突起つきスパイラル鋼管を製造するためには高強度の熱延コイルが必要となるが、熱延コイルの巻取り能力の観点から高強度で厚肉の熱延コイルを経済的に製造することは困難である。また高強度の熱延コイルをスパイラル成形する際も大きな成形荷重が必要となり製造上の課題がある。

本発明の目的は、現場での補強作業を省略でき、建築物等から受ける軸力や曲げモーメントに対しても十分な強度を持ち、溶接性に優れたコンクリート充填鋼管に使用される内面突起つきスパイラル鋼管およびその製造法を提供することにある。

本発明の要旨は、「質量％で、Ｃ：０．０５〜０．２０、Ｓｉ：０．６以下、Ｍｎ：０．８〜２．２、Ｐ：０．０２以下、Ｓ：０．００５以下、Ｎｂ：０．００５〜０．０８０、Ｔｉ：０．００５〜０．０３０、Ａｌ：０．０５以下、Ｎ：０．００１〜０．００６、Ｏ：０．００６以下を含有し、あるいは、さらに、Ｃｒ：０．１〜０．5、Ｍｏ：０．１〜０．5、Ｖ：０．０１〜０．１０、Ｂ：０．０００３〜０．００２のうち一種または二種以上を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、かつＣＥ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４で定義されるＣＥ値が０．３５〜０．４５の範囲にある母材からなる内面突起つきスパイラル鋼管を鋼管長手方向が上下方向となる状態で９００〜１１５０℃に加熱後、鋼管内外表面が８６０℃以上の温度から１０℃／秒以上の冷却速度となるように内外両面側から３００℃以下まで水冷し、その後、６５０℃以下で焼き戻し処理すること」である。

本発明によれば、溶接性に優れた４５０ＭＰａ以上の降伏強度を有する、溶接性に優れた内面突起つきスパイラル鋼管が安定して製造できる。その結果、ビルディング等の建築物や橋梁、鉄塔などの基礎構造の安全性が向上する。

以下に、本発明の内面突起つきスパイラル鋼管の製造法について詳細に説明する。

ビルディング等の建築物や橋梁、鉄塔などの基礎構造において、鋼管杭の杭頭部の耐力を高めるためには、鋼管の高強度化、大径化、厚肉化、コンクリート充填鋼管が有効であるが、溶接性の観点から鋼管杭の耐力の増加について研究した結果、本発明に至った。すなわち、コンクリート充填鋼管に使用される内面突起つき鋼管の化学成分、降伏強度の範囲を制限するとともに、スパイラル鋼管を鋼管長手方向が上下方向となる状態で加熱後、鋼管の内外両面側から水冷して、その後焼戻しすることによって、合金元素の添加量が少なく、溶接性に優れた高強度の内面突起つきスパイラル鋼管が得られる。

鋼管杭をコンクリートとの合成構造とした場合、杭頭部にはＮ−Ｍ曲線（軸力Ｎと曲げモーメントＭの関係曲線）において曲げ耐力（曲げモーメントに対する耐力）で１５，０００ｋＮ・ｍ以上が求められている。これを達成するためには、内面突起つき鋼管の降伏強度として、４５０ＭＰａ以上６５０ＭＰａ以下、鋼管の厚みとして１４ｍｍ以上２５ｍｍ以下が必要であることが明らかとなった。この時の鋼管厚みとは、内面突起部のない箇所の厚みを示す。例えば、外径１４００ｍｍで鋼管厚２５ｍｍの時、降伏強度が４５０ＭＰａで曲げ耐力１９，０００ｋＮ・ｍが得られる。また、外径１４００ｍｍで鋼管厚１４ｍｍの時、降伏強度が６５０ＭＰａで曲げ耐力１６，５００ｋＮ・ｍが得られる。なお、鋼管厚みは、熱延巻き取り能力の観点から最大厚みを２５ｍｍとすることが好ましい。また、降伏強度が６５０ＭＰａを超えると鋼管の溶接性が低下するので、溶接性の観点から降伏強度の上限を６５０ＭＰａに制限した。

つぎに、化学成分の限定理由について述べる。

Ｃの下限０．０５％は、強度の確保ならびにＮｂ、Ｖ添加による析出硬化、結晶粒の微細化効果を発揮させるための最小量である。しかしＣ量が多過ぎると溶接性や低温靱性の著しい低下を招くので、上限を０．２０％とした。

Ｓｉは脱酸や強度向上のため添加する元素であるが、多く添加すると溶接性、低温靭性を低下させるので、上限を０．６％とした。

Ｍｎは強度、低温靭性を確保する上で不可欠な元素であり、その下限は０．８％である。しかし、Ｍｎが多すぎると鋼の焼入性が増加して溶接性、低温靭性を低下させるだけでなく、連続鋳造鋼片の中心偏析を助長し、低温靭性も低下させるので上限を２．２％とした。

本発明において、不可避的不純物であるＰ量を０．０２％以下とする。この主たる理由は、母材の低温靭性をより一層向上させるためである。Ｐ量の低減は、連続鋳造スラブの中心偏析を低減させて、粒界破壊を防止し低温靭性を向上させる。またＳ量を０．００５％以下とする。Ｓ量の低減は、延伸化したＭｎＳを低減して延靱性を向上させる効果がある。

Ｎｂは制御圧延において結晶粒の微細化や析出硬化に寄与し、鋼を強靱化する作用を有する。この効果を発揮させるための最小量として、その下限を０．００５％とした。しかしＮｂを０．０８０％以上添加すると、溶接金属のＮｂ量が増加し、溶接金属の低温靭性を低下させるとともに溶接性や低温靱性に悪影響をもたらすので、その上限を０．０８０％とした。

Ｔｉ添加は微細なＴｉＮを形成し、スラブ再加熱時および溶接ＨＡＺのオ−ステナイト粒の粗大化を抑制してミクロ組織を微細化し、低温靱性を改善する。このようなＴｉＮの効果を発現させるためには、最低０．００５％のＴｉ添加が必要である。しかしＴｉ量が多過ぎると、ＴｉＮの粗大化やＴｉＣによる析出硬化が生じ、低温靱性が低下するので、その上限は０．０３０％に限定した。

Ａｌは通常脱酸剤として鋼に含まれる元素で組織の微細化にも効果を有する。しかしＡｌ量が０．０５％を超えるとＡｌ系非金属介在物が増加して鋼の清浄度を害するので、上限を０．０５％とした。

ＮはＴｉＮを形成してスラブ再加熱時および溶接熱影響部（ＨＡＺ）のオ−ステナイト粒の粗大化を抑制して母材、ＨＡＺの低温靱性を向上させる。このために必要な最小量は０．００１％である。しかし多過ぎるとスラブ表面疵や固溶ＮによるＨＡＺ靱性の低下の原因となるので、その上限は０．００６％に抑える必要がある。

Ｏ量の低減は鋼中の酸化物を少なくして、低温靱性の改善に効果があるので、その上限は０．００６％以下とした。

さらにＣｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｂを添加する理由について説明する。基本成分にさらにこれらの元素を添加する主たる目的は、本発明鋼の特徴を損なうことなく、強度・低温靭性などの特性の向上をはかるためである。したがって、その添加量は自ら制限されるべき性質のものである。

Ｃｒは母材の強度を増加させる効果があり、この効果を発揮させるためには０．１％以上の添加が必要である。しかし、多過ぎると溶接性やＨＡＺ靱性を低下させる。このためＣｒ量の上限は０．５％である。

Ｍｏは母材及び溶接部の強度を上昇させる元素であるが、０．５％を超えるとＣｒと同様に母材、ＨＡＺ靭性及び溶接性を低下させる。また、０．１％以下の添加ではその効果が薄い。

Ｖは、ほぼＮｂと同様の効果を有するが、その効果はＮｂに比較して格段に弱い。その効果を発揮させるためには０．０１％以上の添加が必要である。また、上限は現地溶接性、ＨＡＺ靭性の点から０．１％まで許容できる。

Ｂは極微量で鋼の焼入性を飛躍的に高め、良好な強度と靭性が得られる。この効果を発揮させるためには０．０００３％以上の添加が必要である。また、多すぎるとＨＡＺ靭性を低下させるので、その上限の値を０．００２％に限定した。

さらに、ＣＥ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４で定義されるＣＥ値が０．３５〜０．４５の範囲に限定する。ＣＥ値が０．３５未満では十分な強度が得られない。またＣＥ値が０．４５を超えると、溶接性および靭性が低下する。

つぎに製造条件の限定理由について説明する。

本発明では、上記の成分を有する内面突起つきスパイラル鋼管を鋼管長手方向が上下方向となる状態で９００〜１１５０℃に加熱後、鋼管内外表面が８６０℃以上の温度から１０℃／秒以上の冷却速度となるように内外両面側から３００℃以下まで水冷し、その後、６５０℃以下で焼き戻し処理する。

内面突起つき熱延コイルをスパイラル状に成形、溶接した鋼管をコンクリートとの合成構造に用いることにより、コンクリートと鋼管の密着性を高めることができる。なお、内面突起つき鋼管の突起高さおよび突起間隔はＪＩＳ Ａ ５５２５（２００９）で規定されている。

鋼管の加熱温度を９００℃以上とする理由は、オ−ステナイト域で合金元素を十分に溶体化させ、強度と低温靱性を向上させるためである。しかし加熱温度が１１５０℃を超えると、加熱時のオ−ステナイト粒が成長し、結晶粒が大きくなって低温靱性の低下を招くためである。このため加熱温度の上限は１１５０℃とした。

加熱後、鋼管内外表面が８６０℃以上の温度から１０℃／秒以上の冷却速度で内外両面側から３００℃以下まで冷却することによって、合金元素を多量に添加することなく、溶接性に優れ、所定の強度を達成する。８６０℃以上から水冷する理由は、水冷前のオーステナイトの分率を高くして、水冷による変態強化によって十分な強度を得るためである。また１０℃／秒以上の冷却速度で冷却する理由は、水冷による変態強化によってベイナイトやマルテンサイトを生成させて、十分な強度を得るためである。さらに３００℃以下まで冷却する理由は、水冷による変態強化によってベイナイトやマルテンサイトを生成させて十分な強度を得るためである。鋼管を鋼管長手方向が垂直方向に移動するように加熱、水冷するのは、内面突起つき鋼管を加熱後に内表面側から冷却する場合、冷却水が内面の突起にぶつかり、冷却水がうまく排出されず、加熱温度や冷却速度のばらつきに起因する材質のばらつきを防止するためである。鋼管長手方向が上下方向となる状態で加熱、水冷することによって、内面突起つき鋼管においても冷却水を下方に排出することができ、加熱温度や冷却速度のばらつきを抑制して材質のばらつきが小さくできる。また、６５０℃を超える温度で焼き戻しすると、所定の強度が得られないので、上限の温度を６５０℃とした。

本発明の実施例について述べる。種々の成分を有する熱延コイルからスパイラル成形、溶接して、外径１４００ｍｍの内面突起つきスパイラル鋼管を製造した。その後、この鋼管に加熱、水冷、焼き戻し処理をして、諸性質を調査した。低温靭性はシャルピー衝撃試験を行い、０℃での吸収エネルギーで評価した。鋼管の溶接性は鋼管へ付属品を溶接した時の低温割れ発生の有無で評価した。

本発明が適用された本発明鋼Ｎｏ．１〜１４、３３、３４、および、本発明の範囲から外れた条件を有する比較鋼Ｎｏ．１５〜３２の組成および降伏強度を、それぞれ表１および表２に示す。また、表１および表２に示すそれぞれの母材からなるスパイラル鋼管の加熱、冷却、焼き戻し条件および諸性質を、それぞれ表３および表４に示す。なお、表２および表４において、本発明の範囲から外れている条件または性質を示す欄に下線を引いた。

表３に示すように、本発明例であるＮｏ．１〜１４、３３、３４の内面突起つき鋼管は、強度、低温靭性、溶接性において、優れた特性を有していた。これに対して、比較鋼Ｎｏ．１５〜３２は、化学成分またはスパイラル鋼管の製造条件が適切でなく、表４に示すように、いずれかの特性が劣っていた。

Ｎｏ．１５は母材のＣ量が多過ぎるため、低温靱性が低い。Ｎｏ．１６は母材のＭｎ量が多過ぎるため、低温靱性が低い。Ｎｏ．１７は母材のＮｂ量が多過ぎるため、低温靱性が低い。Ｎｏ．１８はＣｒ量が多すぎるため、低温靭性が低い。Ｎｏ．１９はＭｏ量が多すぎるため、低温靭性が低い。Ｎｏ．２０はＶ量が多すぎるため、低温靭性が低い。Ｎｏ．２１はＢ量が多すぎるため、低温靭性が低い。Ｎｏ．２２はＣＥ値が大きすぎるため、強度が著しく上昇し、低温靭性が低く、溶接時に低温割れが発生した。Ｎｏ．２３はＣＥ値が低く、降伏強度ＹＳが低いため十分な曲げモーメントが得られない。Ｎｏ．２４は強度が高すぎるため、低温靭性が低く、溶接時に低温割れが発生した。Ｎｏ．２６は鋼管の加熱温度が高すぎるため、低温靱性が低い。Ｎｏ．２７は加熱後の水冷開始温度が低すぎるため、強度が低い。Ｎｏ．２８は加熱後の冷却速度が遅いため強度が低い。Ｎｏ．２９は冷却時に鋼管長手方向が水平方向に移動しているため、円周方向の降伏強度のばらつきが大きい。Ｎｏ．３０は焼き戻し温度が高すぎるため、強度が低く、低温靭性も低い。Ｎｏ．３１は水冷停止温度が高すぎるため、強度が低く、低温靭性も低い。Ｎｏ．３２は鋼管の加熱温度が低すぎるため強度が低い。

以上のように、本発明のいずれかの条件から外れると、良好な性質のスパイラル鋼管が得られないのに対し、本発明により、溶接性に優れた４５０ＭＰａ以上の降伏強度を有する、溶接性に優れた内面突起つきスパイラル鋼管が安定して製造できた。

Claims (2)

1. 質量％で、Ｃ：０．０５〜０．２０、Ｓｉ：０．６以下、Ｍｎ：０．８〜２．２、Ｐ：０．０２以下、Ｓ：０．００５以下、Ｎｂ：０．００５〜０．０８０、Ｔｉ：０．００５〜０．０３０、Ａｌ：０．０５以下、Ｎ：０．００１〜０．００６、Ｏ：０．００６以下を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、かつ、ＣＥ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４で定義されるＣＥ値が０．３５〜０．４５の範囲にある母材からなる内面突起つきスパイラル鋼管を、鋼管長手方向が上下方向となる状態で９００〜１１５０℃に加熱後、鋼管内外表面が８６０℃以上の温度から１０℃／秒以上の冷却速度となるように内外両面側から３００℃以下まで水冷し、その後、６５０℃以下で焼き戻し処理することを特徴とする４５０ＭＰａ以上６５０ＭＰａ以下の降伏強度を有する内面突起つきスパイラル鋼管の製造法。
2. 前記母材が、質量％で、さらに、Ｃｒ：０．１〜０．５、Ｍｏ：０．１〜０．５、Ｖ：０．０１〜０．１０、Ｂ：０．０００３〜０．００２のうち一種または二種以上を含有することを特徴とする請求項１記載の４５０ＭＰａ以上６５０ＭＰａ以下の降伏強度を有する内面突起つきスパイラル鋼管の製造法。