JP2554470B2 - 管の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 開示技術は、外管と内管を緊結させる耐摩耗性の二重
管等の配管製造技術の分野に属する。

〈要旨の概要〉 而して、この発明はスラリー輸送、空気輸送等に用い
られる配管の耐蝕性等を向上させるべく、例えば、外
管、内管を相対重層させた二重管等の素管に周方向のリ
ング状加熱を付与して環熱縮径法により管内面に耐蝕性
を具備させるようにした管の製造方法に関する発明であ
り、特に、管の膨径を拘束するようにして冷却後加熱付
与部分に対し内向塑性変形を連続的に付与するようにし
て縮径させ、管内面に圧縮残留応力を付与するようにす
る管の製造方法に係る発明である。

〈従来の技術〉 周知の如く、配管は各種産業分野で流体の輸送等に広
く用いられているが、これらの配管のうち、例えば、石
炭や各種鉱石、セメント等の固形物を水に混ぜて運ぶス
ラリー輸送管、或は、粉塵、硅砂等粉粒体の空気輸送管
や油井管、油送管等においては、管内面に著しく摩耗や
腐蝕が生じ易いという問題がある。

この種の配管には通常ガス管のような安価な鋼管が用
いられ、摩耗や腐蝕が生ずると、新しい管と交換したり
摩耗、腐蝕部分に当て板を溶接したりすることによって
消極的に対処している。

そして、このような管１にあっては一般にはその内面
５内を被輸送物が輸送されるが、上述の如く摩耗や腐蝕
が進行するのに対処して内張材を耐蝕性にするべく、所
謂クラッド管等の二重管等が案出されているが、一般の
単重管には技術的に内管５内面の全長に亘ってコーティ
ング材料を塗布することはし難いという難点があり、特
に、長尺管に於いては全内面に耐蝕性を付与することは
実際上不可能である欠点があり、やむを得ず、上述の如
く、クラッド管の二重管等に対して耐蝕性を付与する結
果、コスト高を招いているという不利点があった。

〈発明が解決しようとする課題〉 而して、これに積極的に対処するに、例えば、特公昭
63-3824号公報発明に示されている如く、製造上制約の
あるユニット長の管相互の溶接継手を介しての連結時
に、管の周方向の溶接の際に生ずる残留応力の緩和手段
として外面より加熱と冷却を付与し、強制的に残留応力
を生じさせて内面に圧縮残留応力を導入する技術もある
が、当該手段ではあくまで管継手部分の溶接による残留
応力の緩和技術に関するものであり、管の全長に亘って
の圧縮残留応力付与手段ではないという不具合があり、
結果的に単重管等では全体的に圧縮残留応力が付与され
ず、耐蝕性が具備されないという致命的な欠点があっ
た。

又、クラッド管や二重管においても、積極的な耐蝕性
をよりさらに高めることが出来ないという不都合さがあ
った。

〈発明の目的〉 この発明の目的は上述従来技術に基づく単重管やクラ
ッド管、二重管等の管内面の耐蝕性付与の問題点を解決
すべき技術的課題とし、管に対する管外面からの加熱冷
却を利用して巧みに環熱縮径法を介して管の内面に圧縮
残留応力を管の単重管、クラッド管等の種類に拘らず、
確実に付与することが出来るようにして各種産業におけ
る配管技術利用分野に益する優れた管の製造方法を提供
せんとするものである。

〈課題を解決するための手段・作用〉 上述目的に沿い先述特許請求の範囲を要旨とするこの
発明の構成は、前述課題を解決するために、管の外面に
於て加熱冷却を介して管内面に塑性変形を起こさせて縮
径し圧縮残留応力を付与するようにすることを基本と
し、更に、かかる加熱、冷却を管の軸方向に対し管と相
対的に移動させて管全長に亘り、単重管、二重管等の種
類にかかわりなく、全ての管内面、若しくは任意の管の
部分の内面に縮径を介して確実に圧縮残留応力を付与す
ることが出来るようにした技術的手段を講じたものであ
る。

〈実施例〉 次に、この発明の実施例を図面に従って説明すれば以
下の通りである。

第１図〜７図に示す基本的実施例の態様において、１
はオーステナイト系のステンレス鋼管の単重管であり、
加熱手段として高周波誘導コイル２を単重管１の外面
に、又、冷却手段として水道水のシャワーリングノズル
３を設けてそれぞれ単重管１の外面４と内面５に指向さ
せ、外面に所定の時間長さリング状の加熱作用を付与
し、その加熱部の軸方向への拡がりを阻止すべく冷却作
用を付与し、板厚方向温度差を有する環熱縮径処理を行
う。

これは、高周波誘導加熱し、水冷却する環熱縮径処理
においては、事実上、管の外面が内面より高温にまで加
熱される場合が多いためである。

尚、板厚方向に多少の温度差があっても、管の全体温
度が高ければ、管は縮径し、且つ、前述在来態様に示さ
れるように、管の外面温度が内面温度より高くなるよう
な板厚方向の温度差があれば、管の内面に圧縮の残留応
力が付与出来るものである。

又、第３図に示す様に、管１が自由端を有する場合に
は内面５が冷却され、外面４が加熱されるために、該外
面４は軸方向のＦ方向に熱膨脹し、内面５はＦ方向に引
きづられるために当該第３図に示す様に、管１は実線状
態から点線状態へと熱膨脹して引きづりにより伸張しよ
うとするが、実際には自由端が無いためにその伸張は拘
束され、初期の加熱、冷却作用がなされていない状態で
の応力が内面５、及び、外面４に於ては第５図に示す様
に内外面５、４が等しい応力分布であるものが第６図に
示す様に外面４が軸方向へ伸張して外方への塑性変形が
大きくなるようにされる。

そして、所定の加熱、冷却作用を行なった後、第２図
に示す様に外面４に対する加熱付与を停止して内面５に
対する冷却同様に外面４に対しても水道水のシャワーリ
ングノズル３より冷却作用を付与することにより膨脹し
ようにも、膨脹不能で収縮し、第７図に示す様に外面４
には収縮が起こり、内方への塑性変形が生じようとする
が、内面５が冷却拘束されているために圧縮応力が生
じ、第４図に示す様に外面４には周方向には極めて小さ
な残留応力の引張り応力が、内面５の軸方向には圧縮応
力が付与され、その結果、内面５には環熱縮径を介して
の大きな軸方向の圧縮残留応力が付与されることにな
る。

このようにして、管１の外面４と内面５に於ける加熱
と冷却による温度差に基因する熱膨脹の差により、管１
は縮径し内面５には大きな圧縮の軸方向残留応力が形成
されることになる。

この発明は管の全長に亘り内面に圧縮の残留応力を有
する管の製造方法であり、これは前述在来態様の実施目
的が配管の周溶接部近傍に発生する引張りの残留応力を
除去し、管の内面に圧縮の残留応力を付与するものであ
るために、その施工範囲が管の全長ではなくて溶接部直
近の限られた範囲と取れることからである。

尚、前述公報には施工時に熱源もしくは管を移動させ
ることをその実施例で示しているがこれをもって溶接部
以外を対象として管の内面に圧縮の残留応力を付与する
方法を包含しているとは考え難いものである。

上述基本的な原理態様に基づくオーステナイト系ステ
ンレス鋼管１に対する具体的な実施例を第８〜13図に示
すと、単重管１の外面４に高周波誘導コイル２をリング
状に臨ませると共に、これに対応する部位にて内面５に
水道水のシャワーリングノズル３を軸方向のパイプによ
る等の適宜手段により臨ませ、又、外面４に於いては、
高周波誘導コイル２の軸方向前後両側に水道水のシャワ
ーリングノズル３、３を併設し、単重管１を矢印方向
に、即ち、高周波誘導コイル２、及び、各水道水シャワ
ーリングノズル３、３…に対して相対的に軸方向移動す
ることにより、上述基本的原理態様同様に第１、２図に
示した外側面４に対する加熱、及び、冷却が経時的にず
らされた態様で付与され、又、内面５に対する冷却を経
時的に軸方向に対して行なうことが出来る。

そして、第９図の横方向に長さを、上下方向に温度を
示す様に外面４に於いては昇温し、各加熱、冷却作用を
行なう部分に自由端が無いために、その熱膨脹は拘束さ
れて外方に加熱プロセスでは熱膨脹しようとし、第10図
に示す様に、高周波誘導コイル２の管１に対する相対移
動の前後に水道水シャワーリングノズル３、３による冷
却作用が付与されて外方への塑性変形が生じ、第11図に
示す様に加熱の軸方向前後には引張り応力が、又、その
間には圧縮応力が付与され、その管１の内面５に対して
は常に冷却作用が付与されているために、当該内面５の
熱膨脹は拘束され、結果的に第12図に示す様に加熱作
用、及び、その前後の冷却作用の軸方向通過により、管
は内側に向けて塑性変形して突出するように縮径されよ
うとするが、内面５が常に冷却されているためにそれは
拘束され、第13図に示す様に経時的に軸方向に移動する
圧縮残留応力が管１の全長に於いて形成されることにな
る。

即ち、上述プロセスを経時的に説明すると、まず第10
図に示す様に、管１の外側にリング状の高周波誘導コイ
ル２を、その軸方向前後に水道水リングノズル３、３を
設置し、又、高周波誘導コイル２の対向する内面５側に
水道水シャワーリングノズル３を臨ませて、これらの加
熱冷却機構と管１と軸方向に相対移動させてることによ
り、初期の加熱部位では第９図に示す様に熱膨脹分布が
当然のことながら加熱された外側で高く、その軸方向の
前後では低いために第10図点線で示す様に加熱部位は外
側に熱膨脹して塑性変形しようとし、加熱の軸方向前後
の両側部では引張りが作用し、加熱部位の内面には圧縮
が付与され、続いて該加熱部位に水道水シャワーリング
３が経時的に移動してくるために第12図に示す様に加熱
部位は冷却されて内側に塑性変形して縮径しようとする
が、内面５の冷却によりそれは拘束され、初期加熱部位
の外面４には引張りが、その軸方向前後には圧縮が作用
され、これが軸方向に移動することにより、管全長に亘
り軸方向の圧縮残留応力がその内面５に形成され、軸方
向移動を所望にコントロールすることにより、任意の部
位に於ける内面５に圧縮残留応力が付与されることにな
る。

このようにして外面４に対するリング状の加熱、冷却
を軸方向に経時的にずらして交互に印加し、内面５には
常にリング状の冷却作用を付与して熱膨脹とその拘束に
よる塑性変形を介して外方突出、内方突出の塑性変形を
反復して与えるように環熱縮径が作用して内面５に対し
大きな軸方向の圧縮残留応力を付与することが出来る。

上述実施例は単重管の管１の内面４に大きな圧縮残留
応力を形成して製造する態様であるが、先述した如く、
耐蝕性の高い管を得るべく外管に炭素鋼管を、内管にオ
ーステナイト系のステンレス鋼管等を配した自緊二重管
等は内外管の緊結により内管には圧縮残留応力が付与さ
れているものが多いが、更にこの発明の管の製造方法を
付与することにより、内管に対しより強い軸方向の圧縮
残留応力を付与することが出来る。

即ち、第14図〜16図に示す実施例の如く、予め内管
５′に対し外管４′を出願人の案出した多くの先願発
明、考案に示されている熱拡管手段を用いて緊結した二
重管１′に対し、外管４′の外面に上述実施例同様に第
15図に示す様に、高周波誘導コイル２を設け、その軸方
向前後に水道水シャワーリングノズル３、３を配し、
又、高周波誘導コイル２の内側に於いて内管５′の内面
に水道水シャワーリングノズル３を設けて、これらの加
熱冷却機構と二重管１′を軸方向に相対移動させること
により、上述実施例同様に内管５′が冷却されて拘束さ
れた状態で外管４′の加熱膨脹、及び、内向塑性変形が
より強く拘束されて内管５′の内面には大きな軸方向の
圧縮残留応力がよりさらに形成されるようになる。

したがって、自緊二重管１′の内管５′には自緊によ
る圧縮残留応力に加えてこの発明の厚み方向の熱膨脹差
による大きな軸方向の圧縮残留応力が環熱縮径を介して
大きく付与されることになり、より強い耐蝕性が付与さ
れることになる。

而して、上述実施例は自緊二重管に対する態様である
が、外管４′と内管５′とが冶金的に結合されているク
ラッド鋼管に対しても同様に適用出来、内管の温度上昇
が抑えられているために、内管の圧縮残留応力に加えて
該内管５′の内面の材質劣化が防止出来る。

このようにして、単重管、二重管クラッド鋼管の態様
の如何を問わず、流体流過内面に大きな軸方向の圧縮残
留応力を付与することが出来、その耐蝕性を向上するこ
とが出来る。

この発明では管の内面に大きな軸方向の圧縮の残留応
力を付与するために、環熱縮径処理を施す結果、管が縮
径し、管（内）径が変化してしまうが、これについては
外径の許容差の範囲内であれば問題はないと考えると、
例えば、JIS-G-3454「圧力配管用炭素鋼鋼管」では下表
のように許容差が定義されているので環熱縮径処理によ
る炭素鋼管の縮径量をそれ以下にすれば良く、そのため
には適当な最高加熱温度を選定する等の方法により対応
すれば良い。

尚、この発明の実施態様は上述各実施例に限るもので
はないことは勿論であり、種々の態様が採用可能であ
る。

又、設計変更的には三重管等の複重管にも適用出来、
その加熱の温度制御や冷却の温度制御により、又、印加
時間の制御により圧縮残留応力の付与の強弱をコントロ
ールすることが出来、又、管の全長、或は、部分的にも
必要に応じ設計的に圧縮残留応力を付与することが出来
る。

そして、対象とする管は流体輸送用の管に限らず、構
造物の部材としての管体に対しても適用出来るものであ
る。

又、管の内側に対する冷却作用としては上述の水道水
シャワーリングノズル等の設計に対し管内側に水道水等
の冷却水等や、特別の低温液を充満、流過させる等する
ことも可能であり、加熱手段としては高周波誘導コイル
以外にもバーナー等による加熱も適用可能である。

〈発明の効果〉 以上、この発明によれば、単重管や二重管、或は、ク
ラッド鋼管等の流体流過内面に対して素管の製造後に外
面加熱と冷却を厚さ方向に温度勾配を付してリング状に
付与するだけで、流体流過内面に大きな軸方向の圧縮残
留応力を付与することが出来るという優れた効果が奏さ
れる。

そして、基本的には厚み方向において、初期に外面に
対し加熱作用を付与すると共に、内面に冷却作用を付与
することにより管内面の温度上昇を抑えるために、管の
塑性変形が抑えられて内部応力が大きく拘束され、結果
的に大きな引張り応力と圧縮応力が形成され、外面に対
する加熱による熱膨脹の拘束が加熱直後の内面に対する
冷却により内面に対する大きな圧縮応力として現れ、結
果的に内面に大きな軸方向の圧縮残留応力が付加される
ことになるという優れた効果が奏される。

したがって、素管に対する厚み方向の熱膨脹の差だけ
で大きな圧縮残留応力を付与することが出来、機械的な
加工や拘束無しに大きな耐蝕性を付与することが出来る
という優れた効果が奏される。

而して、かかる厚み方向の加熱と圧縮残留応力に加え
てこれらを軸方向に管に対し相対的に移動させることに
より、管の全長、若しくは継手部分に於ける大きな軸方
向の圧縮残留応力を設計通りに付与することが出来ると
いう優れた効果が奏される。

又、二重管素管に対し、この発明を適用した場合に外
管と内管との間の温度差が大きくなり、初期の緊結状態
に加えて環熱縮径を介して大きな圧縮応力が内管に印加
され、結果的に内管の内面に大きな軸方向の圧縮残留応
力が付与出来るという優れた効果が奏される。

又、この発明をクラッド鋼管に適用した場合には、内
管の内面の温度上昇が抑制されるために、内管の内面の
温度変化による材質劣化をも防止することが出来るとい
う優れた効果が奏される。

そして、この発明はあらゆる流体配管や構造物の部材
としてそれらの耐蝕性を大きく飛躍させ、経時的に応力
腐蝕割れ等を防止することが出来るという優れた効果が
奏される。

【図面の簡単な説明】

図面はこの発明の実施例の説明図であり、第１、２図は
基本態様の部分断面図、第３図は厚み方向加熱と冷却に
よる軸方向熱膨脹の伸張と拘束の説明グラフ図、第４図
は厚み方向の引張応力と圧縮応力の分布図、第５図は加
熱前の管の断面模式図、第６図は加熱後の断面模式図、
第７図は冷却後の断面模式図、第８図は単重管に対する
加熱と冷却の概略斜視図、第９図は加熱プロセスでの温
度分布図、第10図は管に対する加熱と冷却の付与模式
図、第11図は加熱プロセスでの厚み方向応力分布図、第
12図は冷却後の管の概略模式図、第13図は冷却後の応力
分布グラフ図、第14、15、16図は二重管の実施例の部分
断面図である。 １……管、４……外面、５……内面、２……加熱手段、
３……冷却手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森 英介 東京都港区浜松町２丁目４番１号 川崎 重工業株式会社東京本社内 (56)参考文献 特公 昭53−38246（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭59−52689（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】管に対しリング状加熱を付与するようにし
   た管の製造方法において、管外面にリング状加熱作用を
   付与し、加熱部の熱膨脹をその軸方向両側の前後の低温
   部により拘束して膨脹を抑えるようにし、而して管のリ
   ング状加熱作用を管に対し軸方向に相対移動させ、加熱
   部の全長に亘り冷却後の管の直径が初期径より小さくな
   るように縮径し、管内面の全長に亘り圧縮残留応力を付
   与するようにすることを特徴とする管の製造方法。