JP2021046673A - 鋼管杭継手、鋼管杭および鋼管杭の施工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高強度かつ耐座屈性能に優れた鋼管杭継手および鋼管杭を安価に提供する。【解決手段】鋼管杭の端部に取り付けられ前記鋼管杭を相互に連結するための機械的手段を備える管状の継手であって、管軸方向に延びる溶接部を有し、Ｃeqが０．２０以上０．６０以下である成分組成を有し、前記溶接部における溶融凝固部の管周方向の幅が管全厚にわたり１．０μｍ以上１０００μｍ以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、構造物を支持する鋼管杭の相互を機械的に連結するための鋼管杭継手に関する。さらに、本発明は、前記鋼管杭継手を有する鋼管杭および該鋼管杭の施工方法に関する。

例えば、軟弱地盤において杭基礎に大きな支持力が要求される場合、杭の先端を地下５０ｍ以上の深さの支持層まで到達させる必要がある。杭体として鋼管杭を用いる際には、輸送や施工上の制約から鋼管杭１本あたりの最大長さが１５ｍ程度に制限されるため、多くの場合、現場において鋼管杭同士を管軸方向に接合して杭の先端を支持層まで到達させなければならない。

一般に、鋼管杭の現場接合は溶接により行われるが、溶接工の確保、溶接部の品質管理および風雨時の作業などに困難が伴うものであり、また溶接部の検査に長時間を要することも問題であった。そこで、現場での溶接を行わずに鋼管杭を機械的に接続する方法がいくつか提案されている。

すなわち、特許文献１では、雄ねじを有する雄側筒体と雌ねじを有する雌側筒体とからなり、ねじは平行ねじの３条以上の多条ねじとし、雄側筒体の先端に前記雌ねじ内径に遊嵌する外径を有する円筒部を設けたことを特徴とする鋼管杭の接合継手が提案されている。特許文献２では、第１鋼管杭と第２鋼管杭とを直列に接合する、鋼管杭の継手構造が提案されている。

上記した従来の継手（以下、機械式継手と称する場合もある）は、いずれも対となる継手同士が機械的に接合される構造を有する。機械式継手には、継手を除く杭本体（鋼管）と同等以上の引張り、圧縮および曲げの各強度が要求される。

通常、機械式継手は、切削加工のために杭本体よりも薄肉となる。そのため、杭本体よりも高強度の素材を用いて継手部分を別途作製し、工場で杭本体に溶接したものを鋼管杭として用いるのが一般的である。そこで、機械式継手の素材には、鋼材を熱間鍛造して製造した鍛造リングが用いられるのが通例である。

この鍛造リングは、真円度が低いために、例えば機械式継手にする際のねじ切り加工等に余分な切削を要するため、製品歩留りが悪く、継手製造コストを高くする一因となっている。また、製造時に加熱コストがかかる上に、熱間鍛造後に所望の強度を得るために多くの合金元素添加を必要とするため、素材費が高価になるという問題もあった。

上記のコストの問題に対して、特許文献３では、ストレートシーム鋼管を用いることが提案されている。ストレートシーム鋼管は板巻加工法を用いて製造されるため、鍛造リングに比べて安価に提供できる。ここで、板巻加工法は、熱延鋼板を冷間プレス等により円筒状に成形し溶接して製造するものであり、製造コストを抑えることが可能である。以下、この板巻加工にて製造された鋼管を、板巻鋼管ともいう。

特許第３７４７５９４号公報 特許第６０７９９３３号公報 特開２０１７−１１５３６８公報

上記のとおり、板巻鋼管は、鍛造リングよりも素材費が安価であるが、鍛造リングと同様に真円度が低いために切削加工時の歩留りが悪い。また、管軸方向に延びる溶接部が存在するために管周方向の材質が均一ではなく、ねじ切りなどの鋼管を円周方向に切削する際に、硬さの変動に起因する切削性の低下や工具の破損といった、切削加工障害が生じるおそれがある。さらに、継手としての、抜け止め機構や管軸回りの回転防止機構等を付与するための、穴を空ける必要があるが、剛性が極端に低下しないように前記溶接部を避けて穴を空けなければならない。また、溶接部周辺における管軸方向の圧縮残留応力が高いため、圧縮剛性が低くなり、圧縮荷重が加わった際に座屈が生じやすくなる懸念があった。

本発明は、上記の事情を鑑みてなされたものであって、高強度の鋼管杭継手および鋼管杭を安価に提供することを目的とする。また、本発明は、前記鋼管杭を用いて杭を打設する鋼管杭の施工方法について提案することを目的とする。

なお、本発明でいう「高強度」とは、降伏応力が６８５ＭＰａ以上であることを指す。例えば、継手に要求される強度は、杭本体の強度が一般的な降伏応力２３５ＭＰａ以上である場合、この杭本体の強度との兼ね合いから、降伏応力６８５ＭＰａ以上であることが望ましい。

本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討を行い、以下の知見（Ａ）および（Ｂ）を得た。
（Ａ）溶接部を有する鋼管を素材として鋼管杭継手を作製する場合、前記溶接部の溶融凝固部の周方向幅を１０００μｍ以下にすることにより、溶接部およびその熱影響部の幅が十分に小さくなり、非溶接部との硬さの差に起因する切削性の低下や切削加工障害の発生を抑制できる。また、抜け止め機構や管軸回りの回転防止機構等を備えるために必要な穴を空ける位置が、溶接部と重なっても、前記幅が１０００μｍ以下であれば極端な剛性低下が生じない。

（Ｂ）上記（Ａ）に加えてさらに、鋼管杭継手の表面における管軸方向の圧縮残留応力を２５０ＭＰａ以下とすることにより、圧縮剛性の低下量を小さくし、圧縮荷重が加わった際の早期座屈をも抑制することができる。

これらの知見に基づいてさらなる検討を重ねた結果、鋼管に電縫溶接する際のアプセット量を適切に制御して製造した、電縫鋼管を素材として作製した鋼管杭継手は、前記（Ａ）の特性を満足することを見出した。また、前記のアプセット量の制御に加えてさらに、前記電縫溶接後のサイジング工程における縮径率を適切に制御して製造した、電縫鋼管を素材として作製した鋼管杭継手は、前記（Ａ）の特性に加えて前記（Ｂ）の特性をも満足することを見出した。

さらに、前記の本発明に従う電縫鋼管を継手素材とした場合、従来の鍛造リングや板巻鋼管を素材とする場合よりも少ない合金元素添加にて所望の継手強度が得られることも見出した。
さらにまた、前記の本発明に従う電縫鋼管は、継目無鋼管や板巻鋼管よりも真円度が高いため、切削加工の歩留りが著しく向上するという利点も有することが分かった。

本発明は、以上の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は以下の[１]から[４]に示すとおりである。
［１］鋼管の端部に取り付けられ前記鋼管を相互に連結するための機械的手段を備える管状の継手であって、管軸方向に延びる溶接部を有し、次式（１）で定義されるＣeqが０．２０以上０．６０以下である成分組成を有し、前記溶接部における溶融凝固部の管周方向の幅が管全厚にわたり１．０μｍ以上１０００μｍ以下である鋼管杭継手。
Ｃeq＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋Ｓｉ／２４＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４…（１）
ただし、式中の各元素表示は当該元素の含有量（質量％）を示す。

[２]表面における前記管軸方向の圧縮残留応力が２５０ＭＰａ以下である前記［１］に記載の鋼管杭継手。

[３]前記［１］または［２］に記載の鋼管杭継手を鋼管の端部に有する鋼管杭。

[４]前記［３］に記載の鋼管杭同士を前記鋼管杭継手により連結し、鋼管杭の打設を行う鋼管杭の施工方法。

本発明によれば、高強度の鋼管杭継手および鋼管杭を安価に提供することが可能となる。

本発明の一実施の形態に係る多条ねじ継手付き鋼管杭の模式図である。 継手連結後の鋼管杭長手断面の模式図である。 溶接部の管周方向断面の模式図である。

本発明の鋼管杭継手は、鋼管杭を相互に連結するための機械的手段を備え、さらに管軸方向に延びる溶接部を有し、後述の（１）式で定義されるＣeqが０．２０以上０．６０以下である成分組成を有し、前記溶接部における溶融凝固部の管周方向の幅が管全厚にわたり１．０μｍ以上１０００μｍ以下であることを特徴とする。

まず、鋼管杭継手は継手としての前記機械的手段を備えているが、継手として機能するのであれば特に構造は限定されない。例えば、ねじ式や特許４６００４０７号公報に記載の差し込み式などの継手構造を適用できる。ここに、ねじ式継手構造の一例を、図１に示す。すなわち、図１に示すように、鋼管杭継手は、上側鋼管１および下側鋼管２の端部にそれぞれ取り付けられる。具体的には、上側鋼管１と下側鋼管２を接合する多条ねじ継手であって、平行ねじで３条以上の多条ねじからなるピン継手３と、平行ねじで３条以上の多条ねじからなるボックス継手４からなる。通常、ピン継手３を鋼管の一端に取り付け、ボックス継手４を同じ鋼管の他端に取り付ける。

本発明の鋼管杭継手は、後述のとおり、コイル状に巻き取られた熱延鋼帯を円筒状にして側端面相互の突合せ部を電縫溶接して得た電縫鋼管であるために、前記突合せ部に沿って管軸方向に延びる溶接部を有する。この溶接部について、次の条件を満足していることが、高い継手強度を確保するために肝要である。

溶接部における溶融凝固部の管周方向幅が管全厚にわたり１．０μｍ以上１０００μｍ以下
溶融凝固部の管周方向幅が１．０μｍより小さいと、溶接部の接合が不十分となり、圧縮剛性が低下して継手圧縮試験における座屈ひずみが小さくなる。一方、溶融凝固部の管周方向幅が１０００μｍより大きいと、非溶接部との硬さの差に起因する切削性の低下や切削加工障害が生じやすくなる。また、鋼管杭継手表面における管軸方向の圧縮残留応力の大きさが大きくなり、圧縮剛性が低下して継手圧縮試験における座屈ひずみが小さくなる。なお、抜け止め機構や管軸回りの回転防止機構等を付与するために必要な、穴を空ける位置が溶接部と重なった際に、剛性が極端に低下するのを防ぐため、溶融凝固部の幅を好ましくは８００μｍ以下、さらに好ましくは５００μｍ以下とする。また、溶接部の接合を接合面全域において確実なものとするため、溶融凝固部の幅を好ましくは２．０μｍ以上、さらに好ましくは５．０μｍ以上とする。

また、本発明の鋼管杭継手は、次式（１）で定義されるＣeqが０．２０以上０．６０以下である成分組成を有する。すなわち、鋼管杭継手の素材となる前記の熱延鋼帯の成分組成は、機械的特性や溶接性を確保するため、次式（１）で定義されるＣeqが０．２０以上０．６０以下であることが肝要である。なお、次式（１）の式中の各種元素の表示はいずれも各種元素の含有量（質量％）である。ただし、式（１）において、含有されない元素は０（ゼロ）とする。
また、本明細書において、特に断りがない限り、鋼組成に関する「％」表示は「質量％」を意味する。
Ｃeq＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋Ｓｉ／２４＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４…（１）

上式（１）で定義されるＣeqは炭素当量であり、鋼管杭継手における母材部、溶接部および熱影響部の硬さの指標となる。このＣeqが０．２０％未満であると、固溶強化量や焼入れ性が低下するため、継手として必要な強度が得られない。また、Ｃeqが０．６０％を超えると、延性が低下して耐座屈性能が低下するとともに、溶接部が硬化し過ぎてしまい、切削障害の原因となる。

さらに、本発明の鋼管杭継手は、鋼管杭継手の表面における管軸方向の圧縮残留応力を２５０ＭＰａ以下とすることが好ましい。すなわち、圧縮剛性の低下量を小さくし、圧縮荷重が加わった際の早期座屈を抑制し、耐座屈性能に優れる鋼管杭継手を提供できる。ここでいう「耐座屈性能に優れる」とは、継手圧縮試験における座屈ひずみが０．７５％以上であることを指す。なお、管軸方向の圧縮残留応力を２５０ＭＰａ以下とするには、例えば後述のように、電縫溶接後のサイジング工程における鋼管の縮径を規定することで実現できる。

以下、本発明の鋼管杭継手の製造方法を述べる。
コイル状に巻き取られた熱延鋼帯を、連続的に払い出しながら冷間ロール成形して円筒状のオープン管とし、該オープン管の周方向突合せ部を高周波電気抵抗加熱により溶融させ、スクイズロールによるアプセットで圧接接合する電縫溶接により、電縫鋼管とする。

ここで、電縫溶接部の硬さを調整する目的で、必要に応じて電縫溶接部に熱処理を施してもよい。前記の熱処理は、生産性の観点から誘導加熱方式が好ましいが、炉加熱でも構わない。続いて、後段のサイジングロールにより前記の鋼管を縮径し、真円度を向上させるとともに、前段でのロール成形および電縫溶接時に導入された管軸方向の残留応力を低減させる。
縮径後の鋼管をオンラインで切断、あるいは定尺で切断した電縫鋼管をオフラインで更に切断し所定の長さにした後、切削加工により適宜の機械的継手手段を与えて目的形状の継手を作製する。
以上が本発明における鋼管杭継手の基本的な形態である。

さらに、作製した、例えば上記したピン継手およびボックス継手を杭本体となる鋼管に溶接して接合し、鋼管杭とする。一般的には、鋼管杭の一方の端部にピン継手、他方の端部にボックス継手をそれぞれ接合する。

継手の形状は、対となる継手同士が機械的に接合される構造を有していればよい。例えば、上記したねじ式の継手構造が考えられる。この図１に示す継手は、前記鋼管杭の施工時に、図１に示すように、鋼管の上端側がボックス継手４および下端側がピン継手３となるように、地中に打設する。地中に打設された下側鋼管２に上側鋼管１を接続する場合、クレーン等によって下端がピン継手３となるように上側鋼管１を吊り、上側鋼管１を下降させて、上側鋼管１の下端のピン継手３を下側鋼管２の上端のボックス継手４に挿入し、その状態で上側鋼管１を回転させてピン継手３をボックス継手４にねじ込むことにより両鋼管を連結する。

さらに、本発明の鋼管杭継手および鋼管杭の製造方法について詳細に述べる。
まず、鋼管杭継手の素材となる前記の熱延鋼帯の成分組成は、機械的特性や溶接性を確保するため、上式（１）で定義されるＣeqを０．２０以上０．６０以下とすることに加えて、次式（２）で定義されるＰcmが０．２５以下であることが好ましい。なお、次式（２）の式中の各種元素の表示はいずれも各種元素の含有量（質量％）である。ただし、式（２）において、含有されない元素は０（ゼロ）とする。
Ｐcm＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ …（２）

上式（２）で定義されるＰcmは溶接割れ感受性を示す指標であり、Ｐcmが０．２５％を超えると溶融凝固部および熱影響部において低温割れが起こりやすくなる。

前記の熱延鋼帯の成分組成は、さらに、質量％で、Ｃ：０.０２％以上０．２５％以下、Ｓｉ：２.０％以下、Ｍｎ：０.２％以上３.０％以下、Ｐ：０．１０％以下、Ｓ：０．０５０％以下、Ａｌ：０.００５％以上０．１０％以下およびＮ：０．０１０％以下を含有し、さらにＮｂ：０．００５％以上０．１５０％以下、Ｖ：０．００５％以上０．１５０％以下およびＴｉ：０．００５％以上０．１５０％以下の１種以上を、Ｎｂ＋Ｖ＋Ｔｉ：０．０１０％以上０．２００％以下の下に含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物であることが好ましい。

また、上記成分組成に加えてさらに、質量％で、Ｃｒ：０．０１％以上２.０％以下、Ｍｏ：０．０１％以上１.０％以下、Ｃｕ：０．０１％以上１．０％以下、Ｎｉ：０．０１％以上１．０％以下、Ｃａ：０．０００５％以上０．０１０％以下およびＢ：０．０００３％以上０．０１０％以下のうちから選ばれた１種以上を含有してもよい。
以下、各成分含有量の限定理由について詳しく述べる。

Ｃ：０．０２％以上０．２５％以下
Ｃは、固溶強化および硬質相の形成や炭化物の析出に寄与することにより鋼の強度を上昇させる元素である。このような効果を得るためには、０．０２％以上のＣを含有することが好ましい。しかしながら、Ｃ含有量が０．２５％を超えると、固液２相共存の温度範囲が広くなり、電縫溶接時に低温まで液相が残存するため凝固割れが生じやすくなる。このため、Ｃ含有量は０．０２％以上０．２５％以下とすることが好ましい。より好ましくは、Ｃ含有量の下限は０．０４％であり、Ｃ含有量の上限は０．２０％である。

Ｓｉ：２．０％以下
Ｓｉは、固溶強化により鋼の強度を上昇させる元素であり、必要に応じて含有することができる。このような効果を得るためには、０．０１％以上のＳｉを含有することが望ましい。しかし、Ｓｉ含有量が２．０％を超えると、電縫溶接部に酸化物が生成しやすくなり、溶接部の靱性が低下する。このため、Ｓｉ含有量は２．０％以下とすることが好ましい。より好ましくは、Ｓｉ含有量の下限は０．０８％であり、Ｓｉ含有量の上限は１．５％である。

Ｍｎ：０．２％以上３．０％以下
Ｍｎは、固溶強化により鋼の強度を上昇させる元素である。また、Ｍｎは、フェライト変態開始温度を低下させて組織を微細化することで、強度および靱性の向上に寄与する元素である。このような効果を得るためには、０．２％以上のＭｎを含有することが好ましい。しかしながら、Ｍｎ含有量が３．０％を超えると、電縫溶接部に酸化物が生成しやすくなり、溶接部の靱性が低下する。このため、Ｍｎ含有量は０．２％以上３．０％以下とすることが好ましい。より好ましくは、Ｍｎ含有量の下限は０．８％であり、Ｍｎ含有量の上限は２．５％以下である。

Ｐ：０．１０％以下
Ｐは、不可避的不純物であり、粒界に偏析し靱性を低下させる。これを回避するためには、Ｐ含有量を０．１０％以下とすることが望ましい。より好ましくは、０．０８％以下である。

Ｓ：０．０５０％以下
Ｓは、不可避的不純物であり、鋼中では通常、ＭｎＳとして存在するが、ＭｎＳは、熱間圧延工程で薄く延伸され、靱性を低下させる。これを回避するためには、Ｓ含有量を０．０５％以下とすることが望ましい。より好ましくは、０．０２０％以下である。

Ａｌ：０．００５％以上０．１０％以下
Ａｌは、強力な脱酸剤として作用する元素である。このような効果を得るためには、０．００５％以上のＡｌを含有することが好ましい。しかし、Ａｌ含有量が０．１０％を超えるとアルミナ系介在物が多くなり、溶接性が悪化するとともに、溶接部の靱性も低下する。このため、Ａｌ含有量は０．００５％以上０．１０％以下とすることが好ましい。より好ましくは、Ａｌ含有量の下限は０．００８％であり、Ａｌ含有量の上限は０．０８％である。

Ｎ：０．０１０％以下
Ｎは、不可避的不純物であり、転位の運動を強固に固着することで靭性を低下させる作用を有する元素である。これを回避するためには、Ｎ含有量を０．０１０％以下とすることが望ましい。より好ましくは、０．００８％以下である。

Ｎｂ：０．００５％以上０．１５０％以下、Ｖ：０．００５％以上０．１５０％以下およびＴｉ：０．００５％以上０．１５０％以下の１種以上
Ｎｂ、ＴｉおよびＶは、いずれも鋼中で微細な炭化物、窒化物を形成することにより鋼の強度向上に寄与する元素である。このような効果を得るため、Ｎｂ、ＴｉおよびＶの１種以上を含有する場合には、各々の含有量を０．００５％以上とし、かつＮｂ＋Ｖ＋Ｔｉ：０．０１０％以上とすることが必要である。一方、各々の含有量が０．１５０％を超えるか、またはＮｂ＋Ｖ＋Ｔｉが０．２００％を超えると、強度上昇の効果が飽和し、添加量に見合った強度上昇量が得られない。また、靱性が低下する。より好ましくは、Ｎｂ＋Ｖ＋Ｔｉ：０．０２０％以上０．１５０％以下である。

残部はＦｅおよび不可避的不純物である。ただし、不可避的不純物として、Ｏを０．００５％以下含有してもよい。

上記の成分が本発明における鋼管の鋼素材の基本の成分組成である。さらに、必要に応じて下記の元素を含有することができる。
Ｃｒ：０．０１％以上２.０％以下、Ｍｏ：０．０１％以上１．０％以下、Ｃｕ：０．０１％以上１．０％以下、Ｎｉ：０．０１％以上１．０％以下、Ｃａ：０．０００５％以上０．０１０％以下およびＢ：０．０００３％以上０．０１０％以下のうちから選ばれた１種以上

Ｃｒ：０．０１％以上２．０％以下、Ｍｏ：０．０１％以上１．０％以下
ＣｒおよびＭｏは、鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を上昇させる元素であり、必要に応じて含有することができる。上記した効果を得るため、ＣｒおよびＭｏを含有する場合には、それぞれＣｒ：０．０１％以上、Ｍｏ：０．０１％以上とすることが好ましい。一方、過度の含有は、靱性の低下および溶接性の悪化を招く、おそれがある。よって、ＣｒおよびＭｏを含有する場合には、それぞれＣｒ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下とすることが好ましい。このため、ＣｒおよびＭｏを含有する場合には、それぞれＣｒ：０．０１％以上１．０％以下およびＭｏ：０．０１％以上１．０％以下とすることが好ましい。より好ましくは、Ｃｒの下限は０．０２％であり、Ｃｒの上限は０．８％である。より好ましくは、Ｍｏの下限は０．０２％であり、Ｍｏの上限は０．８％である。

Ｃｕ：０．０１％以上１．０％以下、Ｎｉ：０．０１％以上１．０％以下
ＣｕおよびＮｉは、鋼の焼入れ性を高め、かつ固溶強化により鋼の強度を上昇させる元素であり、必要に応じて含有することができる。上記した効果を得るため、ＣｕおよびＮｉを含有する場合には、それぞれＣｕ：０．０１％以上およびＮｉ：０．０１％以上とすることが好ましい。一方、過度の含有は、靱性の低下および溶接性の悪化を招く、おそれがある。よって、ＣｕおよびＮｉを含有する場合には、それぞれＣｕ：１．０％以下およびＮｉ：１．０％以下とすることが好ましい。このため、ＣｕおよびＮｉを含有する場合には、それぞれＣｕ：０．０１％以上１．０％以下およびＮｉ：０．０１％以上１．０％以下とすることが好ましい。より好ましくは、Ｃｕの下限は０．０２％であり、Ｃｕの上限は０．８％である。より好ましくは、Ｎｉの下限は０．０２％であり、Ｎｉの上限は０．８％である。

Ｃａ：０．０００５％以上０．０１０％以下
Ｃａは、熱間圧延工程で薄く延伸されるＭｎＳ等の硫化物を球状化することで鋼の靱性向上に寄与する元素であり、必要に応じて含有できる。このような効果を得るため、Ｃａを含有する場合は、０．０００５％以上のＣａを含有することが好ましい。しかし、Ｃａ含有量が０．０１０％を超えると、鋼中にＣａ酸化物クラスターが形成され、靱性が悪化する場合がある。このため、Ｃａを含有する場合は、Ｃａ含有量は０．０００５％以上０．０１０％以下とすることが好ましい。より好ましくは、Ｃａ含有量の下限は０．０００８％であり、Ｃａ含有量の上限は０．００８％である。

Ｂ：０．０００３％以上０．０１０％以下
Ｂは、フェライト変態開始温度を低下させて組織を微細化することで、強度および靱性の向上に寄与する元素である。このような効果を得るため、Ｂを含有する場合は、０．０００３％以上のＢを含有することが好ましい。しかし、Ｂ含有量が０．０１０％を超えると、延性が低下する場合がある。このため、Ｂを含有する場合は、０．０００３％以上０．０１０％以下とすることが好ましい。より好ましくは、Ｂ量の下限は０．０００５％であり、Ｂ量の上限は０．００８％である。

さらに、上記した成分組成を有する熱延鋼帯から鋼管を作製する際の詳細を、以下に説明する。なお、以下の説明において、温度に関する「℃」表示は、特に断らない限り、熱延鋼帯の表面温度とする。この表面温度は、放射温度計等で測定することができる。
前記の熱延鋼帯の仕上圧延終了後の冷却工程においては、冷却時の相変態による残留応力の発生を抑制するため、冷却停止温度までの平均冷却速度は６０℃／s以下、冷却停止温度は３５０℃以上であることが好ましい。
冷却停止温度までの平均冷却速度が６０℃／s超、または冷却停止温度が３５０℃未満である場合、鋼帯の冷却中に表面付近に生成するマルテンサイトの体積率が高くなり、鋼帯表面の圧縮残留応力が高くなる。

電縫溶接においては、本発明で必要とする溶融凝固部の管周方向幅を満足するため、電縫溶接時に生じる溶鋼を十分に排出できるように、電縫溶接時のアプセット量を板厚の２０％以上とする必要がある。アプセット量が板厚の２０％未満の場合、溶融凝固部の管周方向幅が１０００μｍより大きくなり、切削性が低下し、また圧縮残留応力が大きくなる。アプセット量が板厚の１００％超である場合、スクイズロール負荷が大きくなるとともに、溶融凝固部の管周方向幅が１．０μｍより小さくなって、溶接部の接合が不十分となり、圧縮剛性が低下して継手圧縮試験における座屈ひずみが小さくなる。そのため、アプセット量は、板厚の２０％以上１００％以下とすることが好ましい。より好ましくは、４０％以上８０％以下である。
ここで、アプセット量とは、電縫溶接前の鋼管（オープン管）の外周長をＬ１、電縫溶接後の鋼管の外周長をＬ２としたとき、（Ｌ１−Ｌ２）／Ｌ１×１００（％）として定義される。

なお、電縫溶接におけるその他の条件は、電縫溶接の一般に従えばよく、特に限定する必要はない。

次に、電縫溶接後のサイジング工程においては、本発明で必要とする真円度（０．５％以下）および管軸方向の残留応力を満足するため、鋼管周長が合計で０．３０％以上の割合で減少するように鋼管を縮径する必要がある。ただし、鋼管周長が合計で２．０％超の割合で減少するように縮径した場合、ロール通過時の管軸方向の曲げ量が大きくなり、縮径後の管軸方向の残留応力がかえって上昇してしまう。さらに、鋼管が大きく加工硬化するため延性が低下し、耐座屈性能が低下してしまう。このため、鋼管周長が０．３０％以上２．０％以下の割合で減少するように縮径することが好ましい。

なお、サイジング工程においては、ロール通過時の管軸方向の曲げ量を極力小さくし、管軸方向の残留応力の発生を抑制するため、複数スタンドによる多段階の縮径を行うことが好ましく、各スタンドにおける縮径は、管周長が１．０％以下の割合で減少するように行うことが好ましい。

また、サイジング工程において、前記の方法で縮径を実施することにより、電縫鋼管が適切な量だけ加工硬化し、延性を大きく低下させることなく降伏応力を所望の値まで上昇させることができる。

以下、実施例に基づいてさらに本発明を詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されない。
表１に示す成分組成を有する溶鋼を転炉で溶製し、連続鋳造法でスラブ（鋼素材：肉厚２５０ｍｍ）とした。得られたスラブの一部を熱間圧延後、表２に示す条件の冷却工程を施して熱延鋼板とした。前記熱延鋼板の一部は巻取工程を施してコイル状とし、電縫鋼管用熱延鋼板とした。残りは板巻鋼管用熱延鋼板とした。

前記の熱延鋼板に対し、以下に示す造管工程を施した。
電縫鋼管用熱延鋼板については、ロール成形により円筒状のオープン管に成形し、その突合せ部分を電縫溶接した。電縫溶接時には、溶鋼を排出するために左右に配置したロールにより、表２に示す量のアプセットを行った。その後、上下左右に配置したサイジングロールにより、表２に示す縮径率の絞りを加え、外径６１０ｍｍ、板厚２５ｍｍの電縫鋼管を得た。

残りの板巻鋼管用熱延鋼板については、プレス曲げ成形により円筒状のオープン管に成形し、その突合せ部分を内外面からサブマージアーク溶接することで、外径６１０ｍｍ、板厚３０ｍｍの板巻鋼管を得た。なお、サブマージアーク溶接は、突合せの一般的条件にて行った。

前記スラブの残りは熱間圧延してビレットとし、その後１１５０℃以上に再加熱して熱間鍛造を施すことで、外径６１０ｍｍ以上、内径５５０ｍｍ以下、長さ２２０ｍｍ以上の鍛造リングを得た。得られた鍛造リングは、加熱炉により９００℃以上１０５０℃以下に加熱して水冷した後、５００℃以上７００℃以下に再加熱して空冷した。

得られた電縫鋼管、板巻鋼管および鍛造リングを切削し、図２に示すように、４条の平行ねじからなる最大外径６００ｍｍのピン継手５と、４条の平行ねじからなる最大外径６００ｍｍのボックス継手６をそれぞれ作製した。接合時の継手の管軸方向長さは２００ｍｍとした。

〔引張試験〕
継手素材の強度を測定するため、素材鋼管の溶接部から管周方向９０度の位置において引張方向が管軸方向と平行になるようにＪＩＳ５号引張試験片を採取した。これを用いてＪＩＳ Ｚ ２２４１の規定に準拠して引張試験を実施し、降伏応力を求めた。なお、試験片本数は各２本とし、それらの降伏応力の平均値を継手素材の降伏応力とした。

〔切削試験〕
継手素材の切削性を評価するため、素材鋼管を旋盤に設置し、Ｐ１０種超硬の直方体チップを用いて、切削速度１００ｍ／分、送り０．１ｍｍ／ｒｅｖ、切込み深さ０．５ｍｍの条件で外周を切削した。１０００ｍ切削したところで切削を止め、工具チップの逃げ面の摩耗幅を測定し、摩耗幅が０．１０ｍｍ以下であれば切削性良好とした。

〔溶接部の特定および溶融凝固部の管周方向幅の測定〕
溶接部の特定は、継手の円周方向断面を研磨して適切な方法で腐食し、この研磨面を目視で観察し、溶融凝固部および熱影響部からなる領域として、判別した。その後、溶接部を含む小片を切り出して、光学顕微鏡での観察により外面から内面まで板厚方向に１ｍｍ間隔で溶融凝固部の管周方向幅を測定した。ここで、腐食液は鋼成分、鋼管の種類に応じて適切なものを選択すればよい。また、溶融凝固部は、腐食後の前記断面を図３に模式で示すように、図３において母材部９および熱影響部１０と異なる組織形態やコントラストを有する領域１１として視認できる。例えば、炭素鋼および低合金鋼の電縫鋼管の溶融凝固部は、ナイタールで腐食した前記断面において、光学顕微鏡で白く観察される領域として特定できる。また、炭素鋼および低合金鋼のＵＯＥ鋼管の溶融凝固部は、ナイタールで腐食した前記断面において、光学顕微鏡でセル状またはデンドライト状の凝固組織を含有する領域として特定できる。

〔圧縮残留応力測定〕
圧縮残留応力の測定は、ピン継手の内表面およびボックス継手の外表面をそれぞれ１００μｍ電解研磨した面において、Ｘ線回折法により行った。測定する残留応力方向は管軸方向とした。測定は、溶接部およびそれを基準とした管周方向３０度間隔の各位置で、継手1個あたり１２箇所で行い、ピン継手とボックス継手１組あたり２４箇所で行った。それら２４箇所での測定結果から、圧縮応力の大きさの最大値を求めた。

〔継手圧縮試験（座屈ひずみ）〕
継手の圧縮試験は、ピン継手とボックス継手を接合し、一体となった継手に管軸方向の荷重を載荷して実施した。圧縮試験は、ピン継手を上側、ボックス継手を下側にして行った。図２において、荷重は鉛直上方から載荷され、圧縮力はピン継手５とボックス継手６の突合せ部７において伝達される。このとき、継手に作用する圧縮応力はボックス継手６の断面積が最小の部分において最も高くなるため、圧縮試験結果はボックス継手６のねじ山高さを除いた厚さに大きく影響される。本実施例では、作製したボックス継手６のねじ山高さを除いた板厚を、すべて６ｍｍにして継手圧縮試験を実施した。最大圧縮荷重における変位を、継手の初期全長２００ｍｍで除して１００倍した値を座屈ひずみ（％）とした。この座屈ひずみが０．７５％以上であれば良好な特性を有すると判断した。
得られた結果を表３に示す。

表３中、継手Ｎｏ．１、３、５、６、８、１０および１１は本発明例であり、継手Ｎｏ．２、４、７および９は比較例である。なお、継手Ｎｏ．１、３および５〜１１は電縫鋼管から作製した継手であり、継手Ｎｏ．２および４は板巻鋼管から作製した継手である。

本発明例の継手は、いずれもＣeqが０．２０以上０．６０以下であり、溶接部の溶融凝固幅の管周方向幅が管全厚にわたり１．０μｍ以上１０００μｍ以下であり、６８５ＭＰａ以上の降伏応力を示した。また、切削試験後の工具チップ逃げ面の摩耗幅がいずれも０．１０ｍｍ以下であり、良好な切削性を示した。

比較例の継手Ｎｏ．２、４は、溶接部の溶融凝固幅が本発明の範囲を上回っていたため、工具チップ逃げ面の摩耗幅および圧縮残留応力が所望の値に達しなかった。また、圧縮残留応力が所望の値に達しなかったため、座屈ひずみが所望の値に達しなかった。また、降伏応力が所望の値に達しなかった。

比較例の継手Ｎｏ．７は、Ｃｅｑが本発明の範囲を上回ったため、座屈ひずみが所望の値に達しなかった。

比較例のＮｏ．９は、溶接部の溶融凝固幅が本発明の範囲を上回っていたため、工具チップ逃げ面の摩耗幅および圧縮残留応力が所望の値に達しなかった。また、圧縮残留応力が所望の値に達しなかったため、座屈ひずみが所望の値に達しなかった。

さらに、本発明例のうち、Ｎｏ．１、３、５、８、１０および１１は、電縫溶接後の合計の縮径率が適切な範囲内であったため、圧縮残留応力が２５０ＭＰａ以下となり、０．７５％以上の座屈ひずみを示した。

１ 上側鋼管
２ 下側鋼管
３ ピン継手
４ ボックス継手
５ ピン継手の長手断面
６ ボックス継手の長手断面
７ 圧縮力を伝達する突合せ部
８ 管の中心軸
９ 母材部
１０ 溶接熱影響部
１１ 溶融凝固部

Claims (4)

1. 鋼管の端部に取り付けられ前記鋼管を相互に連結するための機械的手段を備える管状の継手であって、管軸方向に延びる溶接部を有し、次式（１）で定義されるＣeqが０．２０以上０．６０以下である成分組成を有し、前記溶接部における溶融凝固部の管周方向の幅が管全厚にわたり１．０μｍ以上１０００μｍ以下である鋼管杭継手。
   Ｃeq＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋Ｓｉ／２４＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４…（１）
   ただし、式中の各元素表示は当該元素の含有量（質量％）を示す。
2. 表面における前記管軸方向の圧縮残留応力が２５０ＭＰａ以下である請求項１に記載の鋼管杭継手。
3. 請求項１または２に記載の鋼管杭継手を鋼管の端部に有する鋼管杭。
4. 請求項３に記載の鋼管杭同士を前記鋼管杭継手により連結し、鋼管杭の打設を行う鋼管杭の施工方法。

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