JP3587067B2 - 低炭素マルテンサイト系ステンレス溶接鋼管の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ラインパイプまたは油井管等に好適な低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年生産される油井や天然ガス井には、湿潤な炭酸ガスを多く含有する場合が増加している。こうした環境下での耐食性の観点から、従来、溶接部のない油井管では、高強度で安価なＡＩＳＩ４１０鋼あるいは４２０鋼といった、Ｃを０．１〜０．２％含有し、１２〜１３％のＣｒを含有するマルテンサイト系ステンレス鋼管が広く使用されている。このような高Ｃ鋼は、溶接部の硬度が非常に高く溶接部衝撃靭性が悪いこと、遅れ破壊感受性が高くなること、および溶接時における酸化物の巻き込み等による溶接欠陥の発生のしやすさから、溶接鋼管ではなく、継目無鋼管として製造されている。
しかし、継目無鋼管は溶接鋼管に比べると生産性が低くコスト高で高価となることに加え、真円度および真直度の点でも劣っており、多重挿入されるケーシング管同士あるいはケーシング管とチュービング管の相互接触によるガルバニック腐食発生機会の低減を図る観点から、安価で真円度および真直度に優れた溶接部信頼性の高い溶接鋼管が強く望まれてきた。
【０００３】
このため、例えば、特開平４−１９１３１９号公報や特開平４−１９１３２０号公報には、Ｃ含有量を低減すると同時にＮ含有量も低減し、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ等の元素の含有量を制限することにより、高Ｃである一般のマルテンサイト系ステンレス鋼に比べ、溶接性に優れた低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼からなる鋼帯を用いて、複数のロール成形スタンドにより連続的に順次円筒状に成形し、両エッジ部を高周波電気抵抗溶接法を用いて溶融又は半溶融状態としつつ、スクイズサイドロールにて両エッジ部を加圧突合せ接合する電縫溶接法（以下、ＥＲＷ法という）による、ラインパイプおよび油井管の製造方法が提案されている。
【０００４】
しかしながら、低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼管をＥＲＷ法により製管溶接する場合、両エッジ突合せ部接合面（以下、シーム部という）の溶接金属および溶接金属に隣接して形成される熱影響部（以下、ＨＡＺという）で元素分配の不均一化を生じるため、耐食性の劣化が起こる。また、高Ｃｒであるため、シーム部に、ペネトレータと呼ばれる酸化物が形成されやすく品質上問題がある。このため最近では、低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼管のシーム部溶接品質向上の観点から、レーザービームを用いた手法（以下、レーザー溶接法という）が、特開平９−１６４４２５号公報や特開平９−３２７７２１号公報等で提案されている。
【０００５】
特開平９−１６４４２５号公報では、両エッジ部に対してレーザー溶接前にＥＲＷ法で用いられているコンタクトチップを用いた電気抵抗加熱法あるいは環状の誘導加熱法により加熱（予熱）することにより、より一層のＨＡＺ硬さの低減を図れると記載されている。また、その実施例中には予熱の併用により製造（溶接）速度の高速化が図れることが記載されている。特開平９−３２７７２１号公報においても、両エッジ部をレーザー溶接前に加熱（予熱）することにより、更なる製造速度の高速化が図れると記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、鋼板エッジ部を電気抵抗加熱法等により加熱（予熱）する場合、マルテンサイト系ステンレス鋼等の高合金鋼（低炭素マルテンサイトステンレス鋼も含む）では熱伝導率が炭素鋼に比べ小さいため、炭素鋼に比べ鋼板最エッジ部（鋼板の突合せ端面の上縁部又は下縁部の部位をいう）の近傍のみが高温となる温度分布を生じ、これに起因して鋼板最エッジ部のみが軟化し、スクイズロールにて両エッジ部を加圧し突合わせる（以下、アップセットという）際に、この最エッジ部の軟化部が僅かな上下方向への外力によりずれ（滑り）変形を生じるため、図１の（ａ）や（ｂ）に示す、いわゆるラップが炭素鋼に比べ非常に生じやすい。
実際の製造時にはこのようなラップを防止するため、鋼板両エッジ部の予熱温度を下げるか、あるいは予熱をせずに製造されている。しかしながら、これは、即、製造速度の低速化あるいはＨＡＺ部の硬度上昇に繋がっていた。
本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、ラインパイプまたは油井管等に好適な低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼管を、レーザー溶接法にて高い生産性で製造できる方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼からなる鋼帯を用いて、複数のロール成形スタンドにより連続的に順次円筒状に成形し、シーム部の接合にレーザービームを用いて溶接管を製造する方法において、レーザー溶接前の両エッジ部を電気抵抗加熱法あるいは誘導加熱法により加熱（予熱）し、両エッジ部の高さ方向ギャップを計測しつつ、最終フィンパスロールとスクイズロール間に配置された押上げロール装置を用いて押上げ量を調節しながら突合せ溶接を行うことにより、製造速度の高速化が実現でき、かつ、ラップも十分に抑制でき、溶接不良の無い安定した溶接部品質を持つ溶接管が製造できることを究明した。
【０００８】
本発明の具体的構成は、低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼帯を複数のロール成形スタンドにより連続的に管状に成形し、その成形された管状鋼の突合わせ部である両エッジ部を加熱してレーザー溶接する低炭素マルテンサイト系ステンレス溶接鋼管の製造方法であって、前記両エッジ部の間隔を所定の距離に保持するフィンパスロールと、前記両エッジ部を加圧し突合わせるスクイズサイドロールとを備えるとともに、最終フィンパスロールと前記スクイズサイドロールとの間に押上げロール装置を配置し、前記押上げロール装置により、前記両エッジ部を下方から押上げながら突合せ溶接を行うものにおいて、（１）式で表されるエッジ収束領域Ｌ以内の任意の箇所における前記両エッジの高さ方向ギャップＧを計測し、（２）式で表される条件を満足するように、前記押上げロール装置による押上げ量を調節するものである。
【０００９】
【数３】
ここで、 Ｌ ：スクイズサイドロールの中心から成形上流側のエッジ収束領域
Ｄ ：溶接管の外径
Ｄｆ：スクイズサイドロールのフランジ外径
Ｂ ：スクイズサイドロール中心間距離からスクイズサイドロールのフラン ジ外径を引いて２で割った距離
【００１０】
【数４】
ここで、 Ｇ：両エッジの高さ方向ギャップ量（ｍｍ）
Ｒ：スクイズサイドロールのアップセット量（ｍｍ）
ｔ：鋼帯の板厚（ｍｍ）
ａ：計測位置による補正項であって、エッジ収束領域Ｌをスクイズサイドロ ールの中心からギャップ量計測位置までの距離で割った値
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を得られた実験結果とともに詳述する。
１．素材帯鋼
本発明における低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼帯とは、湿潤な炭酸ガス環境下での耐食性に優れ、現地での円周溶接性あるいは溶接部の衝撃靭性を良好なものとする成分であればよく、例えば、特開平９−１６４４２５号公報や特開平９−３２７７２１号公報等で提示されている成分で十分である。
【００１２】
２．予熱温度
両エッジ部に対して、レーザー溶接前に加熱（予熱）する方法としては、ＥＲＷ法で用いられているコンタクトチップを用いた電気抵抗加熱装置あるいは環状の誘導加熱装置をスクイズサイドロールの手前に配置し、これらに対する投入電力を制御して所望の温度に加熱する。
レーザー溶接前の鋼板エッジ部を予熱することによる溶接速度の増加効果を見極めるため、レーザー出力を２０ｋＷ一定の条件にて予熱温度を室温から融点付近まで変化させて溶接を行い、貫通溶接が可能な限界速度を調査した。
【００１３】
外径５０８ｍｍ×板厚１２．７ｍｍの炭素鋼帯を図２に示す造管ミルで、レーザー溶接前の両エッジ部を高周波電気抵抗溶接（電縫溶接）装置のコンタクトシュー４による直接通電で所望の温度まで加熱（予熱）した後、レーザービーム装置５により溶接した結果を図３に示す。
図３から明らかなように、予熱温度の上昇にともない貫通限界溶接速度が増加する傾向を示す。しかし、予熱温度が５００℃未満ではレーザー単独（予熱なし）時の貫通限界溶接速度との比率で求められる溶接速度の増加率が１．５倍以下と低くなり生産性に劣る。このため、高生産性を得るにはレーザー前の予熱温度を５００℃以上に設定する必要性がある。
【００１４】
そこで、本発明者らは、予熱温度５００℃以上の最エッジの軟化部が存在する状態でもラップを防止できる造管プロセスを究明した。
【００１５】
３．成形条件
両エッジの挙動観察
一般に、ラップを生じる原因としては、第１に図４に示すエッジウェーブ１１が鋼板厚相当あるいはそれ以上に大きく、両エッジを突合せることができない場合、第２にエッジウェーブ１１は鋼板厚に比して僅かであるが、図２に示すスクイズサイドロール６への鋼板両エッジの挿入状況が両エッジ部の曲げ成形状態の差、あるいは両エッジ部のエッジウェーブ等により、アップセットの際に鋼板端面に発生する応力が端面垂直方向成分以外に上下方向にも発生し、その上下方向の応力により突合せ面がずれる場合の２点が考えられる。
【００１６】
本発明者らはラップを防止するための造管プロセスを検討するため、アップセット直前の両エッジの挙動を詳細に調査した。
図５は以下に示す造管条件で溶接管を製造したときのオープンパイプ両エッジ部の高さ方向の変動を非接触型のレーザー変位計により計測した結果であり、その計測位置と計測結果の相関図を示す。なお、両エッジの高さ方向ギャップＧの計測は、レーザー変位計により計測された両エッジの計測値の差分量として算出した。
【００１７】
スクイズサイドロール６は、スクイズロール機構として使用されるもので、主に大径サイズの電縫管を製造する場合には、このスクイズサイドロール６の２ロールを、スクイズトップロールの２ロール、及びスクイズボトムロールの１ロールとともに用い、主に小径サイズの電縫管を製造する場合には、このスクイズサイドロール６の２ロールのみを用いる。スクイズサイドロールによる拘束は、スクイズトップロールによる拘束よりも極めて大きい。
【００１８】
図５から明らかなように、エッジ変動に関する管軸方向（長手方向）の位置の影響は、図６に示す以下の（１）式で表されるエッジ収束領域Ｌ以内の領域では、ほぼ一定値となる傾向を示す。これにより、両エッジの高さ方向ギャップＧはＬ以内では単調な減少を示す。エッジ収束領域Ｌ以内でエッジ変動が一定となる原因としては、オープンパイプが成形ロールで十分な拘束を受けることにより自由変形がしにくくなり、素板材質や素板のキャンバー等に由来する管全体の不均一オープンパイプの自励振動等の外乱を排除できるためと考えられる。
このため、両エッジの高さ方向ギャップＧを計測する位置としては、上述の如くエッジ変動が一定であり、かつ、ギャップＧが単調に減少するエッジ収束領域Ｌ以内が適切である。エッジ収束領域Ｌ以内ではギャップＧは単調な減少を示すため、ギャップＧにエッジ収束領域Ｌを計測位置で割った値を掛けることにより正当な評価ができる。また、ギャップＧの計測箇所数としては複数でも良いが、ギャップＧは単調に減少することから１カ所でも十分である。
【００１９】
【数５】
【００２０】
ここで、 Ｌ ：図６に示すスクイズサイドロール６の中心から成形上流側のエッジ収 束領域
Ｄ ：図６に示す溶接管１２’の外径
Ｄｆ：図６に示すスクイズサイドロール６のフランジ外径
Ｂ ：図６に示すスクイズサイドロール６の中心間距離からスクイズサイド ロール６のフランジ外径を引いて２で割った距離
【００２１】
図７は外径３２３．８ｍｍ×板厚６．２ｍｍの炭素鋼帯を図２に示す成形機にて成形する際に、冷間時の両エッジ突合せ部に鉛を挿入し、鉛を鋼板エッジで圧延させることによりエッジの挙動を鉛に転写させ、その転写面の断面検鏡結果からスクイズサイドロール６中心直前の鋼板両エッジの挙動を観察した結果である。
図７から明らかなように、スクイズサイドロール６中心直前、すなわち、アップセット直前の鋼板両エッジは高さ方向でギャップＧだけ離れ、一方は上方から下方への押込みが強く、もう一方は側方からの押込みが強く、両エッジはそれぞれ全く異なる挙動をしていることがわかる。
【００２２】
この結果から、アップセットの際の鋼板端面に発生する応力は、端面垂直方向だけに作用するのではなく上下方向にも作用し、かつ、両エッジでその応力方向が異なるために突合せ面でずれ変形を生じラップに至ると推察できる。特に、マルテンサイト系ステンレス鋼のように予熱温度５００℃以上の高温で最エッジが極度に軟化している場合、軟化部は容易にずれ変形するため、上述の異なる方向性を持った応力によりラップを生じやすくなるという結論に至った。
【００２３】
そこで、本発明者らは、上記マルテンサイト系ステンレス鋼における高温予熱時のラップ防止対策として、図８に示すようにフィンパスロール群の最終フィンパスロール３ａとスクイズサイドロール６間に押上げロール装置７を配置し、両エッジ部を下方から押上げることにより両エッジに張力を掛けつつ突合せ状況を改善し溶接を行うことを考案した。
押上げロール装置７の構造としては、本出願人らが先に出願した特開平５−２０８２１３号公報や特開平９−１２３２号公報によればよく、例えば、図９に示す如く、シーム部１２’ａを管内側から押上げるための左右対向配置された１対の押上げロール８と、押上げロール８を押上げる昇降装置９と、押上げロール装置７を鋼管内面で支えるための車輪１０および押上げロール８の高さ方向位置を検出するための押上げ高さ検出器（図示せず）を備えている。
【００２４】
図１０は外径３２３．８ｍｍ×板厚６．２ｍｍの炭素鋼管を押上げロール装置７を用いて成形した際の、前記（１）式で表される両エッジ収束領域Ｌ以内の鋼板両エッジの挙動を観察した結果である。図１０から明らかなように、スクイズサイドロール６中心直前、すなわち、アップセット直前の鋼板両エッジの挙動は押上げロール装置７を用いることにより矯正されて、両エッジの高さ方向のギャップＧも僅かとなり、両エッジがほぼ同様な挙動をすることがわかる。
このように、最終フィンパスロール３ａとスクイズサイドロール６間に押上げロール装置７を配置し、両エッジ部を下方から押上げ、両エッジ部に張力を掛けながら突合せ溶接を行うことにより、アップセット寸前の鋼板両エッジの挙動をほぼ同一となるよう矯正することができるため、アップセット時の鋼板両エッジ端面に発生する端面垂直方向以外の応力成分を極力少なくすることができる。
【００２５】
押上げ量
図１１は、後述する実施例によるものであるが、低炭素鋼マルテンサイト系ステンレス鋼板を用いた場合のレーザー溶接前の両エッジ予熱温度を５００℃以上とし、押上げ量を種々変化させて造管した場合の、（１）式で表されるエッジ収束領域Ｌ以内の鋼板両エッジの高さ方向ギャップＧ、スクイズサイドロール６の通過前後の管周長差により求まるアップセット量Ｒ、鋼板板厚ｔがラップ発生の有無に及ぼす影響を示し、横軸に以下の（２）式中の左辺で求められる値を、縦軸にラップ発生の有無をとって示した図である。
【００２６】
【数６】
【００２７】
ここで、 Ｇ：両エッジの高さ方向ギャップ（ｍｍ）
Ｒ：スクイズサイドロールのアップセット量（ｍｍ）
ｔ：板厚（ｍｍ）
ａ：計測位置の補正項でエッジ収束領域Ｌをスクイズサイドロールから計測 位置までの距離で割った値
【００２８】
なお、両エッジの高さ方向ギャップＧの計測は、図２中のコンタクトシュー４の位置を（１）式で求まるエッジ収束領域Ｌ以内に位置制御し、その上下動を絶縁処理を施した接触式変位計により両側ともに計測し、それぞれの計測値の差分値から算出した。
図１１から明らかなように、上記（２）式で求まる値が０．２５以下では、造管中のラップ発生は無くなっており、このことから上記（２）式を満足させるように押上げ量を調節するとよいことがわかる。
【００２９】
押上げロール装置に取付ける押上げロールは、図８の如く１段式でも良いが、図１２に示すような多段式でも良い。押上げロールを多段式とすることにより、押上げ時に作用する押上げ反力を各段に分散でき、押上げロールによる管内面のロールマークおよび押上げロールの圧壊を防止することができる。また、見掛け上の押上げロール径を大きくすることが可能であるため、押上げによる局部的なストレッチをエッジに与えることがない。
【００３０】
【実施例】
次に本発明の実施例について説明する。製管素板としては、湿潤な炭酸ガス環境下での耐食性に優れ、現地での円周溶接性あるいは溶接部の衝撃靭性を良好なものとする成分の低炭酸鋼マルテンサイト系ステンレス鋼板であればよく、ここでは、表１に示す成分組織の鋼を溶製し、熱間圧延により種々の板厚・板幅の鋼帯を製造し、溶接管素板に供した。
【００３１】
【表１】
【００３２】
上記の鋼帯を使用し、図２に示す成形機にて順次管状（又は円筒状）に成形した後、両エッジ突合せ部をコンタクトシュー（直接通電装置）４に対する投入電力を制御して所望の温度まで加熱し、さらに出力２５ｋＷのレーザー溶接機を用いて溶接し、肉厚・外径の異なる溶接管を製造した。
ここでは、図８に示す如く、押上げロール装置７をフィンパスロール群の最終フィンパスロール３ａとスクイズサイドロール６との間に設置する。押上げロール装置７をフィンパスロール３とスクイズサイドロール６間で一定の位置に保持する機構としては、既に公開されている特開平５−２０８２１３号公報による技術を採用することにより達成できる。また、押上げの位置は、既に公開されている特開平９−１２３２号公報による技術を採用することにより決定できる。
【００３３】
両エッジの高さ方向ギャップＧの計測は、図２中のコンタクトシュー４の位置を前述の（１）式で求まるエッジ収束領域Ｌ以内に位置制御し、その上下動を絶縁処理を施した接触式変位計により両側ともに計測し、それぞれの計測値の差分量から算出した。また、アップセット量はスクイズサイドロール６の通過前後の管の外周長を測定し、その差から求めた。
【００３４】
効果の指標として、造管中にラップが発生し溶接不良となった場合は×、ラップが発生せず良好な溶接が行えた場合は○で表わすようにして、各種溶接管の結果を表２に示した。
なお、両エッジが完全に突合わさらないようなラップは目視による確認が可能であるが、図１３に示すような鋼板厚以内でラップした場合には目視による観察は困難であるため、造管したサンプルから長手方向の任意の５０点を断面研磨により観察し、図１３に示す如く内面あるいは外面の両エッジの段差ｔG が板厚ｔの１０％を越える場合をラップとした。また、ラップの確認を容易にするため、通常行われる内外面のビードカットを施さずに造管した。
この結果、表２に示す如く、本発明の方法で製造したものはラップの発生が一切無く、安定した溶接品質を持つ溶接管の製造が可能となることが確認された。
【００３５】
【表２】
【００３６】
【発明の効果】
以上述べた如く、本発明によれば、エッジ突合せ状態の安定化により、常に安定した溶接品質を持つ、ラインパイプまたは油井管等に好適な低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼管を高い生産性で製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の成形法による成形材エッジ部のラップを示す説明図である。
【図２】溶接管の製造ラインを示す構成図である。
【図３】予熱温度と貫通限界溶接速度との関係を示す説明図である。
【図４】成形材シーム部に生じたエッジウェーブを示す説明図である。
【図５】スクイズサイドロールの中心から上流側への距離とエッジ変動及び両エッジのギャップ量との関係図である。
【図６】両エッジの高さ方向ギャップを計測する際の位置関係を示す説明図である。
【図７】従来の成形法によるスクイズサイドロール近傍の鋼板両エッジの挙動と両エッジの高さ方向ギャップを示す説明図である。
【図８】押上げロール装置を利用した本発明の実施の形態を示す説明図である。
【図９】本発明に用いる押上げロール装置の構成例を示す説明図である。
【図１０】本発明の成形法によるスクイズサイドロール近傍の鋼板両エッジの挙動と両エッジの高さ方向ギャップを示す説明図である。
【図１１】両エッジの高さ方向ギャップ、アップセット量、鋼板板厚がラップ発生に及ぼす関係を示す説明図である。
【図１２】本発明に用いる多段式押上げロール装置を示す説明図である。
【図１３】ラップの良否判定方法を説明する説明図である。
【符号の説明】
１ ブレークダウンロール群
２ ケージロールあるいはクラスタロール群
３ フィンパスロール群
３ａ 最終フィンパスロール
４ コンタクトシュー
５ レーザービーム溶接装置
６ スクイズサイドロール
７ 押上げロール装置
８ 押上げロール
９ 昇降装置
１０ 車輪
１２ 鋼帯（又は鋼板）
１２’鋼管
Ｇ 両エッジのギャップ
Ｒ スクイズサイドロールによるアップセット量
ｔ 鋼帯又は鋼板の板厚
ｔG 内面あるいは外面の両エッジの段差
Ｌ スクイズサイドロールの中心から成形上流側に配置される変位計までの距離
ａ 計測位置の補正項であってエッジ収束領域Ｌをスクイズサイドロールの中心からギャップ計測位置までの距離で割った値
Ｄ 溶接管の外径
Ｄｆ スクイズサイドロールのフランジ外径
Ｂ スクイズサイドロール中心間距離からスクイズサイドロールのフランジ外径を引いて２で割った距離
【発明の属する技術分野】
本発明は、ラインパイプまたは油井管等に好適な低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年生産される油井や天然ガス井には、湿潤な炭酸ガスを多く含有する場合が増加している。こうした環境下での耐食性の観点から、従来、溶接部のない油井管では、高強度で安価なＡＩＳＩ４１０鋼あるいは４２０鋼といった、Ｃを０．１〜０．２％含有し、１２〜１３％のＣｒを含有するマルテンサイト系ステンレス鋼管が広く使用されている。このような高Ｃ鋼は、溶接部の硬度が非常に高く溶接部衝撃靭性が悪いこと、遅れ破壊感受性が高くなること、および溶接時における酸化物の巻き込み等による溶接欠陥の発生のしやすさから、溶接鋼管ではなく、継目無鋼管として製造されている。
しかし、継目無鋼管は溶接鋼管に比べると生産性が低くコスト高で高価となることに加え、真円度および真直度の点でも劣っており、多重挿入されるケーシング管同士あるいはケーシング管とチュービング管の相互接触によるガルバニック腐食発生機会の低減を図る観点から、安価で真円度および真直度に優れた溶接部信頼性の高い溶接鋼管が強く望まれてきた。
【０００３】
このため、例えば、特開平４−１９１３１９号公報や特開平４−１９１３２０号公報には、Ｃ含有量を低減すると同時にＮ含有量も低減し、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ等の元素の含有量を制限することにより、高Ｃである一般のマルテンサイト系ステンレス鋼に比べ、溶接性に優れた低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼からなる鋼帯を用いて、複数のロール成形スタンドにより連続的に順次円筒状に成形し、両エッジ部を高周波電気抵抗溶接法を用いて溶融又は半溶融状態としつつ、スクイズサイドロールにて両エッジ部を加圧突合せ接合する電縫溶接法（以下、ＥＲＷ法という）による、ラインパイプおよび油井管の製造方法が提案されている。
【０００４】
しかしながら、低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼管をＥＲＷ法により製管溶接する場合、両エッジ突合せ部接合面（以下、シーム部という）の溶接金属および溶接金属に隣接して形成される熱影響部（以下、ＨＡＺという）で元素分配の不均一化を生じるため、耐食性の劣化が起こる。また、高Ｃｒであるため、シーム部に、ペネトレータと呼ばれる酸化物が形成されやすく品質上問題がある。このため最近では、低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼管のシーム部溶接品質向上の観点から、レーザービームを用いた手法（以下、レーザー溶接法という）が、特開平９−１６４４２５号公報や特開平９−３２７７２１号公報等で提案されている。
【０００５】
特開平９−１６４４２５号公報では、両エッジ部に対してレーザー溶接前にＥＲＷ法で用いられているコンタクトチップを用いた電気抵抗加熱法あるいは環状の誘導加熱法により加熱（予熱）することにより、より一層のＨＡＺ硬さの低減を図れると記載されている。また、その実施例中には予熱の併用により製造（溶接）速度の高速化が図れることが記載されている。特開平９−３２７７２１号公報においても、両エッジ部をレーザー溶接前に加熱（予熱）することにより、更なる製造速度の高速化が図れると記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、鋼板エッジ部を電気抵抗加熱法等により加熱（予熱）する場合、マルテンサイト系ステンレス鋼等の高合金鋼（低炭素マルテンサイトステンレス鋼も含む）では熱伝導率が炭素鋼に比べ小さいため、炭素鋼に比べ鋼板最エッジ部（鋼板の突合せ端面の上縁部又は下縁部の部位をいう）の近傍のみが高温となる温度分布を生じ、これに起因して鋼板最エッジ部のみが軟化し、スクイズロールにて両エッジ部を加圧し突合わせる（以下、アップセットという）際に、この最エッジ部の軟化部が僅かな上下方向への外力によりずれ（滑り）変形を生じるため、図１の（ａ）や（ｂ）に示す、いわゆるラップが炭素鋼に比べ非常に生じやすい。
実際の製造時にはこのようなラップを防止するため、鋼板両エッジ部の予熱温度を下げるか、あるいは予熱をせずに製造されている。しかしながら、これは、即、製造速度の低速化あるいはＨＡＺ部の硬度上昇に繋がっていた。
本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、ラインパイプまたは油井管等に好適な低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼管を、レーザー溶接法にて高い生産性で製造できる方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼からなる鋼帯を用いて、複数のロール成形スタンドにより連続的に順次円筒状に成形し、シーム部の接合にレーザービームを用いて溶接管を製造する方法において、レーザー溶接前の両エッジ部を電気抵抗加熱法あるいは誘導加熱法により加熱（予熱）し、両エッジ部の高さ方向ギャップを計測しつつ、最終フィンパスロールとスクイズロール間に配置された押上げロール装置を用いて押上げ量を調節しながら突合せ溶接を行うことにより、製造速度の高速化が実現でき、かつ、ラップも十分に抑制でき、溶接不良の無い安定した溶接部品質を持つ溶接管が製造できることを究明した。
【０００８】
本発明の具体的構成は、低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼帯を複数のロール成形スタンドにより連続的に管状に成形し、その成形された管状鋼の突合わせ部である両エッジ部を加熱してレーザー溶接する低炭素マルテンサイト系ステンレス溶接鋼管の製造方法であって、前記両エッジ部の間隔を所定の距離に保持するフィンパスロールと、前記両エッジ部を加圧し突合わせるスクイズサイドロールとを備えるとともに、最終フィンパスロールと前記スクイズサイドロールとの間に押上げロール装置を配置し、前記押上げロール装置により、前記両エッジ部を下方から押上げながら突合せ溶接を行うものにおいて、（１）式で表されるエッジ収束領域Ｌ以内の任意の箇所における前記両エッジの高さ方向ギャップＧを計測し、（２）式で表される条件を満足するように、前記押上げロール装置による押上げ量を調節するものである。
【０００９】
【数３】
Ｄ ：溶接管の外径
Ｄｆ：スクイズサイドロールのフランジ外径
Ｂ ：スクイズサイドロール中心間距離からスクイズサイドロールのフラン ジ外径を引いて２で割った距離
【００１０】
【数４】
Ｒ：スクイズサイドロールのアップセット量（ｍｍ）
ｔ：鋼帯の板厚（ｍｍ）
ａ：計測位置による補正項であって、エッジ収束領域Ｌをスクイズサイドロ ールの中心からギャップ量計測位置までの距離で割った値
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を得られた実験結果とともに詳述する。
１．素材帯鋼
本発明における低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼帯とは、湿潤な炭酸ガス環境下での耐食性に優れ、現地での円周溶接性あるいは溶接部の衝撃靭性を良好なものとする成分であればよく、例えば、特開平９−１６４４２５号公報や特開平９−３２７７２１号公報等で提示されている成分で十分である。
【００１２】
２．予熱温度
両エッジ部に対して、レーザー溶接前に加熱（予熱）する方法としては、ＥＲＷ法で用いられているコンタクトチップを用いた電気抵抗加熱装置あるいは環状の誘導加熱装置をスクイズサイドロールの手前に配置し、これらに対する投入電力を制御して所望の温度に加熱する。
レーザー溶接前の鋼板エッジ部を予熱することによる溶接速度の増加効果を見極めるため、レーザー出力を２０ｋＷ一定の条件にて予熱温度を室温から融点付近まで変化させて溶接を行い、貫通溶接が可能な限界速度を調査した。
【００１３】
外径５０８ｍｍ×板厚１２．７ｍｍの炭素鋼帯を図２に示す造管ミルで、レーザー溶接前の両エッジ部を高周波電気抵抗溶接（電縫溶接）装置のコンタクトシュー４による直接通電で所望の温度まで加熱（予熱）した後、レーザービーム装置５により溶接した結果を図３に示す。
図３から明らかなように、予熱温度の上昇にともない貫通限界溶接速度が増加する傾向を示す。しかし、予熱温度が５００℃未満ではレーザー単独（予熱なし）時の貫通限界溶接速度との比率で求められる溶接速度の増加率が１．５倍以下と低くなり生産性に劣る。このため、高生産性を得るにはレーザー前の予熱温度を５００℃以上に設定する必要性がある。
【００１４】
そこで、本発明者らは、予熱温度５００℃以上の最エッジの軟化部が存在する状態でもラップを防止できる造管プロセスを究明した。
【００１５】
３．成形条件
両エッジの挙動観察
一般に、ラップを生じる原因としては、第１に図４に示すエッジウェーブ１１が鋼板厚相当あるいはそれ以上に大きく、両エッジを突合せることができない場合、第２にエッジウェーブ１１は鋼板厚に比して僅かであるが、図２に示すスクイズサイドロール６への鋼板両エッジの挿入状況が両エッジ部の曲げ成形状態の差、あるいは両エッジ部のエッジウェーブ等により、アップセットの際に鋼板端面に発生する応力が端面垂直方向成分以外に上下方向にも発生し、その上下方向の応力により突合せ面がずれる場合の２点が考えられる。
【００１６】
本発明者らはラップを防止するための造管プロセスを検討するため、アップセット直前の両エッジの挙動を詳細に調査した。
図５は以下に示す造管条件で溶接管を製造したときのオープンパイプ両エッジ部の高さ方向の変動を非接触型のレーザー変位計により計測した結果であり、その計測位置と計測結果の相関図を示す。なお、両エッジの高さ方向ギャップＧの計測は、レーザー変位計により計測された両エッジの計測値の差分量として算出した。
スクイズサイドロール６は、スクイズロール機構として使用されるもので、主に大径サイズの電縫管を製造する場合には、このスクイズサイドロール６の２ロールを、スクイズトップロールの２ロール、及びスクイズボトムロールの１ロールとともに用い、主に小径サイズの電縫管を製造する場合には、このスクイズサイドロール６の２ロールのみを用いる。スクイズサイドロールによる拘束は、スクイズトップロールによる拘束よりも極めて大きい。
【００１８】
図５から明らかなように、エッジ変動に関する管軸方向（長手方向）の位置の影響は、図６に示す以下の（１）式で表されるエッジ収束領域Ｌ以内の領域では、ほぼ一定値となる傾向を示す。これにより、両エッジの高さ方向ギャップＧはＬ以内では単調な減少を示す。エッジ収束領域Ｌ以内でエッジ変動が一定となる原因としては、オープンパイプが成形ロールで十分な拘束を受けることにより自由変形がしにくくなり、素板材質や素板のキャンバー等に由来する管全体の不均一オープンパイプの自励振動等の外乱を排除できるためと考えられる。
このため、両エッジの高さ方向ギャップＧを計測する位置としては、上述の如くエッジ変動が一定であり、かつ、ギャップＧが単調に減少するエッジ収束領域Ｌ以内が適切である。エッジ収束領域Ｌ以内ではギャップＧは単調な減少を示すため、ギャップＧにエッジ収束領域Ｌを計測位置で割った値を掛けることにより正当な評価ができる。また、ギャップＧの計測箇所数としては複数でも良いが、ギャップＧは単調に減少することから１カ所でも十分である。
【００１９】
【数５】
ここで、 Ｌ ：図６に示すスクイズサイドロール６の中心から成形上流側のエッジ収 束領域
Ｄ ：図６に示す溶接管１２’の外径
Ｄｆ：図６に示すスクイズサイドロール６のフランジ外径
Ｂ ：図６に示すスクイズサイドロール６の中心間距離からスクイズサイド ロール６のフランジ外径を引いて２で割った距離
【００２１】
図７は外径３２３．８ｍｍ×板厚６．２ｍｍの炭素鋼帯を図２に示す成形機にて成形する際に、冷間時の両エッジ突合せ部に鉛を挿入し、鉛を鋼板エッジで圧延させることによりエッジの挙動を鉛に転写させ、その転写面の断面検鏡結果からスクイズサイドロール６中心直前の鋼板両エッジの挙動を観察した結果である。
図７から明らかなように、スクイズサイドロール６中心直前、すなわち、アップセット直前の鋼板両エッジは高さ方向でギャップＧだけ離れ、一方は上方から下方への押込みが強く、もう一方は側方からの押込みが強く、両エッジはそれぞれ全く異なる挙動をしていることがわかる。
【００２２】
この結果から、アップセットの際の鋼板端面に発生する応力は、端面垂直方向だけに作用するのではなく上下方向にも作用し、かつ、両エッジでその応力方向が異なるために突合せ面でずれ変形を生じラップに至ると推察できる。特に、マルテンサイト系ステンレス鋼のように予熱温度５００℃以上の高温で最エッジが極度に軟化している場合、軟化部は容易にずれ変形するため、上述の異なる方向性を持った応力によりラップを生じやすくなるという結論に至った。
【００２３】
そこで、本発明者らは、上記マルテンサイト系ステンレス鋼における高温予熱時のラップ防止対策として、図８に示すようにフィンパスロール群の最終フィンパスロール３ａとスクイズサイドロール６間に押上げロール装置７を配置し、両エッジ部を下方から押上げることにより両エッジに張力を掛けつつ突合せ状況を改善し溶接を行うことを考案した。
押上げロール装置７の構造としては、本出願人らが先に出願した特開平５−２０８２１３号公報や特開平９−１２３２号公報によればよく、例えば、図９に示す如く、シーム部１２’ａを管内側から押上げるための左右対向配置された１対の押上げロール８と、押上げロール８を押上げる昇降装置９と、押上げロール装置７を鋼管内面で支えるための車輪１０および押上げロール８の高さ方向位置を検出するための押上げ高さ検出器（図示せず）を備えている。
【００２４】
図１０は外径３２３．８ｍｍ×板厚６．２ｍｍの炭素鋼管を押上げロール装置７を用いて成形した際の、前記（１）式で表される両エッジ収束領域Ｌ以内の鋼板両エッジの挙動を観察した結果である。図１０から明らかなように、スクイズサイドロール６中心直前、すなわち、アップセット直前の鋼板両エッジの挙動は押上げロール装置７を用いることにより矯正されて、両エッジの高さ方向のギャップＧも僅かとなり、両エッジがほぼ同様な挙動をすることがわかる。
このように、最終フィンパスロール３ａとスクイズサイドロール６間に押上げロール装置７を配置し、両エッジ部を下方から押上げ、両エッジ部に張力を掛けながら突合せ溶接を行うことにより、アップセット寸前の鋼板両エッジの挙動をほぼ同一となるよう矯正することができるため、アップセット時の鋼板両エッジ端面に発生する端面垂直方向以外の応力成分を極力少なくすることができる。
【００２５】
押上げ量
図１１は、後述する実施例によるものであるが、低炭素鋼マルテンサイト系ステンレス鋼板を用いた場合のレーザー溶接前の両エッジ予熱温度を５００℃以上とし、押上げ量を種々変化させて造管した場合の、（１）式で表されるエッジ収束領域Ｌ以内の鋼板両エッジの高さ方向ギャップＧ、スクイズサイドロール６の通過前後の管周長差により求まるアップセット量Ｒ、鋼板板厚ｔがラップ発生の有無に及ぼす影響を示し、横軸に以下の（２）式中の左辺で求められる値を、縦軸にラップ発生の有無をとって示した図である。
【００２６】
【数６】
ここで、 Ｇ：両エッジの高さ方向ギャップ（ｍｍ）
Ｒ：スクイズサイドロールのアップセット量（ｍｍ）
ｔ：板厚（ｍｍ）
ａ：計測位置の補正項でエッジ収束領域Ｌをスクイズサイドロールから計測 位置までの距離で割った値
【００２８】
なお、両エッジの高さ方向ギャップＧの計測は、図２中のコンタクトシュー４の位置を（１）式で求まるエッジ収束領域Ｌ以内に位置制御し、その上下動を絶縁処理を施した接触式変位計により両側ともに計測し、それぞれの計測値の差分値から算出した。
図１１から明らかなように、上記（２）式で求まる値が０．２５以下では、造管中のラップ発生は無くなっており、このことから上記（２）式を満足させるように押上げ量を調節するとよいことがわかる。
【００２９】
押上げロール装置に取付ける押上げロールは、図８の如く１段式でも良いが、図１２に示すような多段式でも良い。押上げロールを多段式とすることにより、押上げ時に作用する押上げ反力を各段に分散でき、押上げロールによる管内面のロールマークおよび押上げロールの圧壊を防止することができる。また、見掛け上の押上げロール径を大きくすることが可能であるため、押上げによる局部的なストレッチをエッジに与えることがない。
【００３０】
【実施例】
次に本発明の実施例について説明する。製管素板としては、湿潤な炭酸ガス環境下での耐食性に優れ、現地での円周溶接性あるいは溶接部の衝撃靭性を良好なものとする成分の低炭酸鋼マルテンサイト系ステンレス鋼板であればよく、ここでは、表１に示す成分組織の鋼を溶製し、熱間圧延により種々の板厚・板幅の鋼帯を製造し、溶接管素板に供した。
【００３１】
【表１】
上記の鋼帯を使用し、図２に示す成形機にて順次管状（又は円筒状）に成形した後、両エッジ突合せ部をコンタクトシュー（直接通電装置）４に対する投入電力を制御して所望の温度まで加熱し、さらに出力２５ｋＷのレーザー溶接機を用いて溶接し、肉厚・外径の異なる溶接管を製造した。
ここでは、図８に示す如く、押上げロール装置７をフィンパスロール群の最終フィンパスロール３ａとスクイズサイドロール６との間に設置する。押上げロール装置７をフィンパスロール３とスクイズサイドロール６間で一定の位置に保持する機構としては、既に公開されている特開平５−２０８２１３号公報による技術を採用することにより達成できる。また、押上げの位置は、既に公開されている特開平９−１２３２号公報による技術を採用することにより決定できる。
【００３３】
両エッジの高さ方向ギャップＧの計測は、図２中のコンタクトシュー４の位置を前述の（１）式で求まるエッジ収束領域Ｌ以内に位置制御し、その上下動を絶縁処理を施した接触式変位計により両側ともに計測し、それぞれの計測値の差分量から算出した。また、アップセット量はスクイズサイドロール６の通過前後の管の外周長を測定し、その差から求めた。
【００３４】
効果の指標として、造管中にラップが発生し溶接不良となった場合は×、ラップが発生せず良好な溶接が行えた場合は○で表わすようにして、各種溶接管の結果を表２に示した。
なお、両エッジが完全に突合わさらないようなラップは目視による確認が可能であるが、図１３に示すような鋼板厚以内でラップした場合には目視による観察は困難であるため、造管したサンプルから長手方向の任意の５０点を断面研磨により観察し、図１３に示す如く内面あるいは外面の両エッジの段差ｔG が板厚ｔの１０％を越える場合をラップとした。また、ラップの確認を容易にするため、通常行われる内外面のビードカットを施さずに造管した。
この結果、表２に示す如く、本発明の方法で製造したものはラップの発生が一切無く、安定した溶接品質を持つ溶接管の製造が可能となることが確認された。
【００３５】
【表２】
【発明の効果】
以上述べた如く、本発明によれば、エッジ突合せ状態の安定化により、常に安定した溶接品質を持つ、ラインパイプまたは油井管等に好適な低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼管を高い生産性で製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の成形法による成形材エッジ部のラップを示す説明図である。
【図２】溶接管の製造ラインを示す構成図である。
【図３】予熱温度と貫通限界溶接速度との関係を示す説明図である。
【図４】成形材シーム部に生じたエッジウェーブを示す説明図である。
【図５】スクイズサイドロールの中心から上流側への距離とエッジ変動及び両エッジのギャップ量との関係図である。
【図６】両エッジの高さ方向ギャップを計測する際の位置関係を示す説明図である。
【図７】従来の成形法によるスクイズサイドロール近傍の鋼板両エッジの挙動と両エッジの高さ方向ギャップを示す説明図である。
【図８】押上げロール装置を利用した本発明の実施の形態を示す説明図である。
【図９】本発明に用いる押上げロール装置の構成例を示す説明図である。
【図１０】本発明の成形法によるスクイズサイドロール近傍の鋼板両エッジの挙動と両エッジの高さ方向ギャップを示す説明図である。
【図１１】両エッジの高さ方向ギャップ、アップセット量、鋼板板厚がラップ発生に及ぼす関係を示す説明図である。
【図１２】本発明に用いる多段式押上げロール装置を示す説明図である。
【図１３】ラップの良否判定方法を説明する説明図である。
【符号の説明】
１ ブレークダウンロール群
２ ケージロールあるいはクラスタロール群
３ フィンパスロール群
３ａ 最終フィンパスロール
４ コンタクトシュー
５ レーザービーム溶接装置
６ スクイズサイドロール
７ 押上げロール装置
８ 押上げロール
９ 昇降装置
１０ 車輪
１２ 鋼帯（又は鋼板）
１２’鋼管
Ｇ 両エッジのギャップ
Ｒ スクイズサイドロールによるアップセット量
ｔ 鋼帯又は鋼板の板厚
ｔG 内面あるいは外面の両エッジの段差
Ｌ スクイズサイドロールの中心から成形上流側に配置される変位計までの距離
ａ 計測位置の補正項であってエッジ収束領域Ｌをスクイズサイドロールの中心からギャップ計測位置までの距離で割った値
Ｄ 溶接管の外径
Ｄｆ スクイズサイドロールのフランジ外径
Ｂ スクイズサイドロール中心間距離からスクイズサイドロールのフランジ外径を引いて２で割った距離
Claims (1)
- 低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼帯を複数のロール成形スタンドにより連続的に管状に成形し、その成形された管状鋼の突合わせ部である両エッジ部を加熱してレーザー溶接する低炭素マルテンサイト系ステンレス溶接鋼管の製造方法であって、
前記両エッジ部の間隔を所定の距離に保持するフィンパスロールと、前記両エッジ部を加圧し突合わせるスクイズサイドロールとを備えるとともに、最終フィンパスロールと前記スクイズサイドロールとの間に押上げロール装置を配置し、
前記押上げロール装置により、前記両エッジ部を下方から押上げながら突合せ溶接を行うことを特徴とする低炭素マルテンサイト系ステンレス溶接鋼管の製造方法において、
（１）式で表されるエッジ収束領域Ｌ以内の任意の箇所における前記両エッジの高さ方向ギャップＧを計測し、（２）式で表される条件を満足するように、前記押上げロール装置による押上げ量を調節することを特徴とする低炭素マルテンサイト系ステンレス溶接鋼管の製造方法。
Ｄ ：溶接管の外径
Ｄｆ：スクイズサイドロールのフランジ外径
Ｂ ：スクイズサイドロール中心間距離からスクイズサイドロールのフラン ジ外径を引いて２で割った距離
Ｒ：スクイズサイドロールのアップセット量（ｍｍ）
ｔ：鋼帯の板厚（ｍｍ）
ａ：計測位置による補正項であって、エッジ収束領域Ｌをスクイズサイドロ ールの中心からギャップ量計測位置までの距離で割った値
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