JP2015513371A - 鋼から溶接管を製造するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、帯板または金属シートをストレートスリットまたはヘリカルスリットを有する溝付き管に成形し、該溝付き管の突合せエッジを溶接接合する、鋼から溶接管を製造するための方法であって、管製造のためのプロセスパラメータを帯板または金属シートの予め確定された材料特性および幾何学的形状に基づいて特定する方法に関する。前記成形プロセス前に、帯板または金属シートにその長さおよび幅の全体にわたって不均質性に対する連続的または不連続的な非破壊試験を実施し、帯板または金属シートの材料特性のための積分特性値を測定値から生成し、帯板または金属シートの長さおよび幅に関する材料特性の均質性の評価基準を種々の測定点の測定値の分散から導き、測定値の偏差が予め特定した制限値を超えたとき、成形プロセス前に、プロセスパラメータを再設定し、および／または帯板または金属シートに均質化プロセスを実施する。

Description

本発明は、特許請求項１に記載の鋼から溶接管を製造するための方法に関する。

以下の記載において、溶接管は、ストレートシーム溶接管、ならびにヘリカルシーム管、いわゆるスパイラル溶接管を意味する。

水、油、およびガスを移送するために、通常、サブマージアーク溶接（ＵＰ）導管、高周波誘導溶接（ＨＦＩ）導管、または電気抵抗溶接（ＥＲＷ）導管が用いられており、これらの溶接導管は、好ましくは、約１０ｍｍから２５ｍｍ超の厚みを有する熱延帯板または熱延板から製造されている。

ヘリカルシーム管は、通常、ＵＰ溶接によって製造されており、ストレートシーム溶接管は、ＵＰ溶接によって製造されているのに加えて、ＨＦＩ溶接またはＥＲＷ溶接によって製造されることもある。一方、レーザ溶接またはレーザ溶接とガスシールド溶接との併用からなるレーザハイブリッド溶接もこのような管にますます用いられている。

ＵＰ法によって溶接されるストレートシーム溶接大径管では、当技術分野においてＵＯＥと呼ばれる方法が、最も一般的に用いられている。この方法では、第１のステップにおいて、平坦な鋼シートの両エッジが曲げられる。後続のプレスが、該鋼シートを丸い金型によってＵ字状に成形する（Ｕ−プレス）。次いで、該鋼シートは、２つの閉鎖金型を有するＯプレスによって、丸形状のオープンシーム管に加圧される。鋼シートがオープンシーム管に成形された後、該オープンシーム管は、第２のステップにおいて、ＵＰ溶接によって仕上げ溶接される。多くの場合、内側溶接および外側溶接の後のこのようにして得られた管は、直径、真円度、および真直度に関する要件を満たしていないので、これらの管は、冷間拡張によって、較正（拡管）される。このようにして製造された管は、腐食抵抗に関する要求に依存して、被膜が施され、建造場所においてパイプラインに溶接され、例えば、油およびガスの移送に用いられることになる。

ヘリカルシーム管の場合、「スパイラル溶接された大径管−製造情報（ザルツギッターマンネスマン（Salzgitter Mannesmann）大径管３／０８）」と題するパンフレットから、コイルから巻き戻した後の熱延帯板を真直矯正し、該熱延帯板を成形装置によってオープンシーム管が得られるように螺旋状に成形し、この成形の後、該帯板を２ステッププロセスによって溶接し、管を得ることが知られている。

この目的のために、帯板は、成形ユニットまたは管成形機によって管に成形される。成形ユニットは、外側ローラ支持ケージと所謂オフセットローラとを有する３本ローラバー曲げシステムからなっている。高さ調整可能なオフセットローラによって、オープンシーム管の生じ得る帯板エッジのオフセットを補正することができる。ＨＴＳ（Helical Seam Two Step（ヘリカルシーム２ステップ））法として知られるこの製造プロセスでは、オープンシームの帯板エッジは、第１のステップにおいて、シールドガス仮付け溶接によって、最大１５ｍ／分の高溶接速度で溶接され、この場合、帯板エッジは、互いに部分的にしか接続されないようになっている。

管径は、成形ユニット内への帯板の送給角度および使用される出発材料の帯板幅によって影響される。この管径は、高さ調整可能オフセットローラによって、調節することができる。

この後、第２のステップにおいて、帯板エッジの完全な溶接によって内側シームおよび外側シームをもたらす最終溶接が、個別の溶接スタンドにおいてＵＰ溶接によって行われる。

サブマージアーク溶接シームを管成形機において直接形成し、これによって、管の溶接を１ステップで完了させる従来の１ステップ法と比較したときの利点は、仮付け溶接を高速で行うことによって、管成形機の能力を高めることにある。

溶接の後、スパイラル溶接管は、気密性を試験するために水圧試験に供され、この後、多くのステーションにおいて、品質基準を満たすかどうかが試験され、次いで、出荷の準備が整えられることになる。

腐食抵抗の要求に依存して、ストレート溶接管またはスパイラル溶接管には、被膜が施されることもある。

特に、パイプラインが沖合に設置され、極めて高い外圧を受ける条件下では、管は、例えば、圧潰抵抗の要求の増大に起因して、真円度公差に関するさらに高まる要求を満たさねばならない。しかし、幾何学的形状（真円度、真直性）のみならず、強度、靭性、などのような材料特性も、管の性能特性に著しく影響を及ぼす。

管の幾何学的形状、材料、管断面、および長さに関する管特性および管同士を比較したときの相対的な管特性に対して、高度の不変性が要求されている。これらの要求される特性の均一性は、製造プロセスの全体にわたって、多くの因子によって影響される。

これらの因子は、一方では、出発材料（帯板または金属シート）の材料特性、例えば、強度、靭性、微細組織、集合組織、残留応力状態、などであり、これらは、長さおよび幅に沿って可能な限り均一かつ均質であるべきである。他方では、これらの因子は、例えば、成形ステップ中および後続の製造ステップにおける選択されたプロセスパラメータの不変性も含んでいる。

特許文献１から、帯板の残留応力状態が、管の幾何学的形状（楕円率、真直度、など）の均一性に影響を及ぼすことが知られている。しかし、残留応力状態の決定だけでは、仕上げ管の品質を特徴付けるのに充分ではない。何故なら、さらなる影響因子が考慮されていないからである。

すなわち、品質制御の範囲内において、仕上げ管の質的要求を満たすために、多くの統合破壊試験および種々の非破壊試験が、溶接管の製造プロセスにおいて行われている。

品質確保手段は、ストレートシーム溶接管またはヘリカルシーム溶接管に対して、同等のものである。

出発材料、すなわち、帯板または金属シートの材料特性値は、通常、無作為な試料採取に基づく破壊試験方法、例えば、引張試験またはノッチ衝撃試験によって決定され、幾何学的形状値（長さ、幅、厚み）と共に、製造パラメータ、例えば、帯板または金属シートの成形パラメータ、溶接パラメータ、または後続の矯正プロセスのパラメータの調整に考慮される。

例えば、帯板および金属シートの圧延中の種々の冷却条件に起因して、それらの幅および長さの全体にわたって、機械的な材料特性または残留応力状態が変動する可能性があることが知られている。帯板または金属シートの特性を知ることができれば、プロセスパラメータをそれに応じて調整することができる。

しかし、破壊材料試験の周知の方法は、帯板および金属シートの特性の局部的な無作為試験および制御しか行わないので、プロセスパラメータの必要な調整に及ぼす影響、従って、構成要素の特性に及ぼす影響に対して、限られた評価しか下すことができない。

帯板または金属シートの長さおよび幅の全体にわたっておよび成形管に対して機械的特性値、靭性、残留応力状態、微細組織、および集合組織を決定することによって得られる、製造プロセスにフィードバックされる材料特性の完全な評価は、現在では、個々の金属シートまたは帯板に対する破壊試験法によってのみ、従って、経済的ではない多大な努力を払ってのみ行われている。

それ故、材料特性に関する金属シート／帯板の品質の完全な試験および情報管理は、現在では、行われていない。

金属シートまたは帯板の表面の全体にわたって材料特性を経済的に試験することができると共に、例えば、金属シート／帯板をオープンシーム管に成形する最中の成形挙動に関して金属シート／帯板の特性を特徴付けることができる方法は、現在のところ、知られていない。

英国特許出願公開第２０２７３７３号明細書

従って、本発明の目的は、原材料（帯板／金属シート）の材料特性を金属シートまたは帯板の表面の全体にわたって容易にかつ費用効果的に特徴付けることができ、決定された特性値をプロセスパラメータを制御または調整するために用いることができる、鋼から溶接管を製造するための方法を提示することである。

この目的は、請求項１の特徴事項と共に請求項１の前文に基づいて達成される。有利な改良は、従属請求項の主題である。

本発明の示唆によれば、帯板または金属シートをストレートまたはヘリカルオープンシームを備える管に成形し、該オープンシーム管の突合せエッジを一緒に溶接する、鋼から溶接管を製造するための方法であって、管製造のためのプロセスパラメータを帯板の所定の材料特性値および幾何学的形状に基づいて決定する、方法において、成形前に、帯板／金属シートにその長さおよび幅の全体にわたって不均質に関する連続的または不連続的な非破壊試験を施し、帯板／金属シートの材料特性のための積分特性値を測定値から生成し、材料特性の均質性の程度を種々の測定点の測定値の分散から導き、測定値の偏差が所定の閾値を超えたとき、成形前に、プロセスパラメータを再調整し、および／または帯板／金属シートに均質化プロセスを施す、方法が提案されている。

周知の方法と比較したときの著しい利点は、管製造中の金属シートおよび帯板の材料特性が著しく改良されること、すなわち、より包括的に情報管理されることであり、さらに本発明による方法は、破壊試験方法と比較して著しくコストが節約される。非破壊試験方法が自動化されると、特に有利である。

材料特性は、もはや、無作為な試料採取による破壊試験によって検出かつ解析されず、帯板または金属シートの全表面にわたって、連続的または不連続的かつ非破壊的に（例えば、格子状にまたは揺動によって）検出かつ解析され、これによって、帯板または金属シートの長さおよび幅の全体にわたる材料特性の均質性の生じ得る変化は、プロセスパラメータの対応する調整によって直接対処可能になる。

試験によれば、帯板または金属シートの製造プロセスにおいて、例えば、不注意による誤りまたは誘発された誤りに起因して生じる材料特性の粗い変化は、測定値によって明瞭に検出可能であることが分かっている。

従って、最終製品の有用値を著しく制限する可能性がある対応する出発材料を、成形前に、予め選り分けることができる。

有利には、小さいバラツキが生じている場合、測定値を用いて、後続のプロセスステップのプロセスパラメータを自動的に制御または調節することができる。個々の測定値から、機械的性質（降伏強度、引張強度、破断伸び、靭性、など）、残留応力状態、材料の微細組織、および集合組織を特徴付ける、材料特性のための積分特性値がもたらされるようになっている。

個々の製造ステップにおいて、ここでは、特に帯板または金属シートの成形プロセスにおいて、プロセスパラメータは、最も均質な部品特性を達成するために調整されるべきであるが、これらのプロセスパラメータは、出発材料の均一性および均質性によって著しく影響されることが分かっている。例えば、帯板の幅および長さの全体にわたる強度値または残留応力の変化は、帯板の成形中に成形プロセスに直接影響を及ぼし、これによって、溶接管の幾何学的形状に直接影響を及ぼすことになる。開示されている方法の利点は、残留応力のみならず強度値が上記の積分特性値に著しい影響を与えるが、これらの強度値および残留応力の潜在的な不均質性を識別することができることにある。

本発明による非破壊試験、例えば、超音波を用いる方法または電磁気（例えば、渦電流）を用いる方法によって、帯板／金属シートの長さおよび幅の全体にわたって、測定値が、連続的にまたは不連続的に（例えば、格子状または揺動によって）採取され、材料特性の均質性の程度が、得られた測定値（測定パラメータ）の分散から導かれることになる。

試験では、特に、超音波試験が、材料特性の総合的な特性評価にきわめて有用な方法であることが分かっている。この場合、超音波の伝搬時間の変化が、材料特性の均質性の評価基準として用いられる。

試験のために、すなわち、金属シートまたは帯板に超音波を照射するために、有利には、同一の測定点に作用する２つの独立した超音波モードが用いられ、この場合、超音波の伝搬時間に対する金属シートまたは帯板の厚みの影響を排除するために、測定された伝搬時間の値が互いに関連付けられるようになっている。この目的のために、互いに異なる偏波方向を有する横波が有用であることが分かっている。

材料特性または残留応力成分の種類および分布の詳細な情報を得るために、３つ以上の超音波モードが用いられてもよい。例えば、１つの縦波モードおよび２つの横波モードが用いられると、伝搬時間の測定値を互いに関連付けることによって、さらに肉厚に依存しない変数を得ることができる。この肉厚に依存しない変数は、材料特性を特徴付けるのに適している。

音速の変化による伝搬時間の間の物理的な関係または伝搬時間の変化から、試験片のそれぞれの測定点における金属シートまたは帯板の特性の積分特性数のための値が、種々の超音波間の伝播時間の関係によって（例えば、伝搬時間の関連性または相対差を得ることによって）導かれることになる。

金属シートまたは帯板の材料特性（降伏強度、引張強度、破断伸び、靭性、材料の微細組織、集合組織、など）が製造プロセスの全体にわたって一定であるなら、生じ得る積分特性数の変動は、本質的に残留応力の変動に依存する。特性数が大きくなるほど、残留応力のレベルが高くなる。

本発明の有利な改良では、超音波は、電磁励起によって試験片内に導入されるようになっている。この場合、連結手段が不要である。

また一方、非破壊試験の結果は、管製造中にプロセスパラメータを調整または最適化させるために用いられるのみならず、金属シートまたは帯板の製造中に圧延パラメータまたは冷却パラメータのような製造パラメータを最適化し、測定結果のフィードバックに基づいて、金属シート／帯板の均質性を改良するために用いられてもよい。その結果、管製造中にプロセスパラメータを調整することなく、管の品質を著しく改良することができる。

しかし、材料特性の均質性を特徴付けるためのこの試験方法の見込まれる用途は、管製造のための出発材料の試験に限られず、有利には、個々の製造ステップにおいて管の材料特性の均質性を特徴付けるのにも適している。

上記の用途を要約すると、以下の通りである。
・幅および長さの全体にわたって、管体あるいは帯板または金属シートの組織および機械的な物理的特性、すなわち、
−引張試験特性値（強度および延性）
−靭性
−残留応力状態
−微細組織および集合組織
を積分特性値として測定する。
・使用される帯板または金属シートに対して、前述の機械的な物理的特性の均一性および均質性に関する連続的または無作為の品質試験を行う。
・管の被覆までの金属シート／帯板の全ての製造段階におよぶ管製造中の調整されたプロセスパラメータの均一性／安定性の連続的または無作為の試験／監視を行う。
・以下のプロセスステップ、すなわち、
１．帯板を巻き取るステップ
２．熱延帯板または金属シートを真直矯正するステップ（真直矯正プロセス）
３．管を成形するステップ（冷間成形）
４．管を溶接するステップ
５．管を較正または管を拡径するステップ（冷間成形）
６．水圧試験（応力除去）
７．管を被覆するために管を加熱するステップ
に対して、（各ステップまたはいくつかのステップ）の最中または後に連続的または無作為な特性の決定を行う。
・全管体の一部または全体にわたる微細組織および機械的な物理的特性の均一性に関して製造された管の連続的または無作為の品質試験および制御を行う。
・不十分な機械的特性を有する管を見分ける。
・特性を改良するために管製造パラメータを調整する（例えば、真直矯正プロセス中に冷間変形性を高めることによって降伏強度を増大させる）。

長さおよび幅の全体にわたって超音波によって走査された金属シートの表面のいくつかの例を示している。図示されているのは、超音波信号の伝搬時間測定値の結果である。図に隣接する目盛に示されている数は、互いに異なる偏波方向に対する伝搬時間の相対差（伝搬時間の合計に対する差）を％で表している。 長さおよび幅の全体にわたって超音波によって走査された金属シートの表面のいくつかの例を示している。図示されているのは、超音波信号の伝搬時間測定値の結果である。図に隣接する目盛に示されている数は、互いに異なる偏波方向に対する伝搬時間の相対差（伝搬時間の合計に対する差）を％で表している。 長さおよび幅の全体にわたって超音波によって走査された金属シートの表面のいくつかの例を示している。図示されているのは、超音波信号の伝搬時間測定値の結果である。図に隣接する目盛に示されている数は、互いに異なる偏波方向に対する伝搬時間の相対差（伝搬時間の合計に対する差）を％で表している。

図１に示されているように、超音波信号の測定された相対的な伝搬時間は、金属シートの縦方向および幅方向において良好な対称性を示しており、従って、略均質に分布された材料特性が、対称軸に対してもたらされていることになる。２つの偏波方向間の伝搬時間の差に対して示されている値が比較的低いので、対象となる金属シートは、対称軸に関して均質な特性分布を有していることになる。

図２は、シート厚みにおけるより対称的な特性分布を有する金属シートの例を示している。しかし、この例は、超音波の伝搬時間の相対差が高いことによって、著しい特性の変動をもたらしている。この著しい特性の変動は、金属シートの成形に際して考慮されねばならない。しかし、良好な対称性を有しているので、通常、この著しい特性の変動に良好に対処することができる。

シート厚みにおける特性の著しい非対称性を有する金属シートが、図３に示されている。プロセスパラメータを調整しない限り、この金属シートから製造される管は、成形および溶接の後、著しい楕円形状を呈することになる。

Claims (11)

1. 帯板または金属シートをストレートスリットまたはヘリカルスリットを有するオープンシーム管に成形し、前記オープンシーム管の突合せエッジを溶接接合する、鋼から溶接管を製造するための方法であって、前記管製造のプロセスパラメータを前記帯板または金属シートの所定の材料特性値および幾何学的形状に基づいて決定する、方法において、
   前記成形の前に、前記帯板または金属シートにその長さおよび幅の全体にわたって不均質性に関する連続的または不連続的な非破壊試験を施し、前記帯板または金属シートの前記材料特性のための積分特性値を前記測定値から生成し、前記帯板または金属シートの前記長さおよび幅に関する前記材料特性の均質性の評価基準を種々の測定部位の前記測定値の分散から導き、測定偏差が所定の閾値を超えたとき、前記成形の前に、前記プロセスパラメータを再調整し、および／または前記帯板および金属シートに均質化プロセスを施すことを特徴とする方法。
2. 前記非破壊試験は、超音波によって行われ、前記超音波信号の伝搬時間の前記測定値の分散が、前記材料特性の均質性を評価するための基準として用いられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記試験において、少なくとも２つの独立した超音波モードが用いられ、前記超音波信号の伝搬時間の前記測定値を互いに関連付けることによって、それぞれの金属シート厚みまたは帯板厚みの影響が排除されるようになっていることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記超音波モードとして、互いに異なる偏波方向を有する多数の横波が用いられることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記超音波モードとして、縦波および横波が用いられることを特徴とする請求項３に記載の方法。
6. 前記成形前の前記帯板の前記均質化プロセスは、熱処理および／または機械的真直矯正プロセスを含んでいることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
7. 前記測定値偏差は、プロセス制御またはプロセス調節に用いられることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
8. 前記測定値偏差に基づいて、前記帯板成形プロセスおよび／または前記溶接プロセスおよび／または後続の較正または真直矯正プロセスのプロセスパラメータが再調整されることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の方法。
9. 前記帯板または金属シートへの前記非破壊試験は、自動的に行われることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の方法。
10. 前記管製造の前記個々のプロセス中に、前記材料特性が、前記管に対して決定され、後続のプロセスステップのプロセスパラメータを調整するために用いられることを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の方法。
11. 前記帯板または金属シートに対して決定された前記材料特性の前記積分特性値は、後続の圧延帯板または金属シートの圧延パラメータを調整するために用いられることを特徴とする請求項１〜１０の何れか一項に記載の方法。