JP3854476B2 - バースト特性に優れた高強度鋼管の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、天然ガス・原油輸送用ラインパイプ等として用いられる引張強度が９００Ｎ／mm² を超えるＵＯＥ製造法で成形する高強度鋼管において、成形性とバースト特性を改善する高強度鋼管の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＵＯＥ方式による鋼管の製造工程は、一般的に図１に示すように鋼板のＣ成形（プレス）、Ｕ成形（プレス）、Ｏ成形（プレス）、シーム溶接、拡管の各工程からなる。Ｃ成形工程では、鋼板の両縁部に開先加工が施した後、鋼板縁部近傍に曲げ加工を加える。Ｃ成形された板材は、さらにＵ成形工程で「Ｕ字状」に成形され、その後、さらにＯ成形工程で管形状に成形される。その後、管形状に成形された板材の開先同士が相対する関係にある両縁部をシーム溶接工程でシーム溶接する。この段階で初めて周方向に閉じた管が形成されることになるが、さらに良好な管形状、即ち管の真円度を向上させるため、その後、拡管工程において、エキスパンダーと呼ばれる拡管装置により拡管を行う。拡管では管内面から外側方向にセグメントなど利用し、強制的に変位を加えて行われる。
【０００３】
上記ＵＯＥ方式による製管法において、Ｃ成形、Ｕ成形、Ｏ成形、拡管の各成形工程の成形条件を特定することで、真円度等の成形性向上、現設備の能力向上、厚肉管の成形性向上等を実現させる提案が多数なされてきた。
例えば、Ｃプレスの成形方法に関しては、特願平８−２９４７２４号公報でＣプレス、Ｏプレスの能力を増強させることなく、Ｃ成形における加工長さ、板材降伏強度、板厚を特定の関係に規定することでピーキング（溶接部における同心円との正の偏差）を減少させ、厚板材、高強度材での成形を可能する方法が開示されている。
【０００４】
また、特開平９−２３９４４７号公報、特開平１０−２１１５２０号公報では、Ｃ成形時の曲げ領域長さを板厚の３．５倍以上とするか、あるいは、残留する直線部長さを板厚の１．５倍以下として、ピーキング（当該技術においては、突き合わせ部のとがり）を２mm以下にすることにより、現有設備能力で形状不良を軽減できることが開示されている。また、特許第１１３５９３３号では、Ｃプレス時の曲率半径（Ｏプレスする前の曲率半径）と鋼管曲率半径の比を０．８〜１．２とすることでピーキングを低下させ、鋼管形状を改善できることが開示されている。このようなＣプレスでの加工条件に着目した技術として、他にも、特開昭５５−１４７２４号公報、特開昭５９−１９９１１７号公報、特開昭６０−９２０１５号公報等が開示された技術がある。
【０００５】
また、Ｏプレスにより成形性を向上させた技術としては、特許第１２５８９７７号公報に開示されているダイスカリバー中央長手方向に異形部を形成し、ピーキングを減少させるものもある。その他にＯプレスの改善技術として特開平９−９４６１１号公報、特開昭５３−１１２２６０号公報に開示された技術がある。また、拡管工程を工夫して真円度、曲がりを強制する方法としては、特開平０３−９４９３６号公報で提案されているようなカリバーと被加工物の相対位置を変化させ、複数回プレスするものがある。その他の拡管に関連した真円度向上技術としては、特開昭５７−９４４３４号公報、特開昭６１−１４７９３０号公報に開示された技術がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
近年、原油・天然ガスの長距離輸送方法としてラインパイプの重要性がますます高まっており、特に（１）高圧化による輸送効率の向上や（２）ラインパイプの外径・重量の低減による現地施工能率の向上のため、現在ではＸ１００（引張強さ７６０Ｎ／mm² 以上）を超える高強度のラインパイプに対するニーズが強くなってきた。そして、こうしたニーズに応えるべく、近年では、従来、困難であった引張強さ７６０Ｎ／mm² を超える鋼板に対してもＴＭＣＰにより製造する技術が開発されてきた（特開平８−１９９２９２号公報参照）。
【０００７】
一方で、ラインパイプの高強度化に伴い、従来の引張強さ７００Ｎ／mm² 程度の中低強度材の潜弧溶接などの溶接では、殆ど問題にされなかった熱影響部（ＨＡＺ部）の軟化が、引張強さ７６０Ｎ／mm² を超える高強度材では相対的に大きくなり、板材加工時の延性亀裂が発生するまでの限界塑性歪みは小さくなることが判った。したがって、引張強さ７６０Ｎ／mm² を超えるようなラインパイプを成形する場合には、従来の中低強度の鋼管の製造時には、顕在化しなかった特にシーム溶接後の拡管工程時の溶接部割れ・破断という新たな課題が生じるようになった。
【０００８】
上述の従来技術は、せいぜい、７００Ｎ／mm² 程度の低中強度の汎用的なラインパイプ用鋼板を用いて鋼管を製造する際の板材の成形及び拡管方法であり、このような低中強度のラインパイプを製造する際には、十分な成形性が保たれてきた。しかしながら、引張強度が９００Ｎ／mm² を超えるような高強度ラインパイプの製造時には、拡管工程時の溶接部割れ・破断に加え、内圧負荷時に管体より先にシーム溶接部が破断するという新たな問題が生じた。
【０００９】
以上の従来技術の問題点に鑑みて、本発明は、引張強度が９００Ｎ／mm² を超えるような高強度ラインパイプ用鋼管を製造する際に、拡管工程時の溶接部割れ・破断がなく成形性に優れるとともに、鋼管使用時の内圧負荷に対してもシーム溶接部からの脆性破断がないバースト特性に優れた高強度鋼管の製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨とするところは、以下の通りである。
（１）引張強度が９００Ｎ／mm² 以上で、ＵＯＥ方式により製造する高強度鋼管の製造方法において、該鋼管の母材のビッカース硬さＨｖ，ＨＡＺ部の最小ビッカース硬さＨｚ、管体肉厚ｔ、拡管工程における拡管前の鋼管の溶接部を含む周方向１２０mm範囲での真円からのピーキング量δが式（１）の関係を満足することを特徴とするバースト特性に優れた高強度鋼管の製造方法。
【００１１】
（１＋０．００５ｔ｜δ｜）Ｈ_z ＜０．０３５８４Ｈ_v ²−２５．３４Ｈ_v ＋４７１２ …………（１）
（２）請求項１の高強度鋼管製造方法において、ピーキング量δが式（２）の関係を満たすことを特徴とするバースト特性に優れた高強度鋼管の製造方法。
｜δ｜＜４０／ｔ …………（２）
【００１２】
【発明の実施の形態】
発明者らは、引張強度が９００Ｎ／mm² を超える高強度鋼管の溶接部を含んだ鋼片を偏平し、溶接線に直角方向に引張試験を行った。その結果、中強度材（Ｘ−６５，Ｘ８０）や高強度材（引張強度＝８００Ｎ／mm² 級）では試験片は母材部より破断するのに対し、引張強度が９００Ｎ／mm² を超える鋼管では試験片は溶接部から破断するものが多発した。さらに、破断面を詳細に観察すると延性破面を呈するものと脆性破面を呈するものに分別できることがわかった。ここで各試験片の成形条件、素材強度、ＨＡＺ強度、溶接形状、溶接条件などを詳細に分析した。その結果、図２に示すように母材のビッカース硬度とＨＡＺのビッカース硬度の間を特定の範囲に保つことで、脆性破面と延性破面が分類できることがわかった。ここで母材のビッカース硬さとは、溶接部破断起点側の管母材平均硬さで代表し、ＨＡＺのビッカース硬さとは、管溶接部破断起点側ＨＡＺ部の最小硬さを意味し、通常溶接部端部より３mm以内に存在する。溶接部破断の起点は拡管前のピーキング量と密接な関係があり、正のピーキングでは破断起点は内面となり、負のピーキングでは破断起点は外面となる。ここで言うピーキング量δの定義は図３に示すように拡管前の溶接部を中心とした１２０mm区間での管公称外径との相差を言う。すなわち、母材硬さ、ＨＡＺ硬さ、ピーキング量、管肉厚の関係が式（１）を満たしていれば破断面は延性破面を呈するということである。
【００１３】
（１＋０．００５ｔ｜δ｜）Ｈ_z ＜０．０３５８４Ｈ_v ²−２５．３４Ｈ_v ＋４７１２ …………（１）
Ｈ_v ：母材のビッカース硬さ
Ｈ_z ：ＨＡＺ部のビッカース硬さ
δ：拡管前のピーキング量、mm
ｔ：管肉厚、mm
発明者らは、ピーキングの正負により破断個所が変わり、かつ、ピーキング量の大小により破断形態に影響を及ぼすことに着目し、式（１）の関係を導出した。ピーキング量が正の値であると拡管時に内面ＨＡＺ部により多くの歪みが集中し、ピーキング量が負の値であると外面ＨＡＺ部により多くの歪みが集中する。かかる塑性歪みを被った鋼管を偏平にした後、引張試験に供しても拡管時に残留した塑性歪みの影響が大きく、ピーキングの正負に依存した割れ起点が発生する。さらに、ピーキング量が大きいということは拡管時に被る塑性歪み量が大きいことを意味し、引張試験時には母材は多くの伸びを生じないまま限界歪み量に達し、脆性的に破壊が起こると推察される。発明者らが有限要素法（ＦＥＭ）で拡管時にＨＡＺに生じる相当塑性歪み量を解析したところ、２５％を超えており、限界歪み量まで余裕のないことも確認できている。
次に、溶接継手引張試験片と隣接した場所から取り出した鋼管の内圧バースト試験を行った。図４に外径９１４mm、肉厚１６mmの鋼管に対するバースト試験の破断形態を図３の溶接継手引張試験結果と重ね合わせて示す。バースト試験の破断形態は、溶接部から破断したものと管体部が破断したものに分類され、管体破断の試験体は溶接継手の引張試験で延性破面を呈した鋼管に一致し、シーム溶接部で破断した試験体は溶接継手の引張試験で脆性破面を呈した鋼管であった。すなわち、溶接継手引張試験の破断面の性状分類が実管バースト試験時の破断形態分類に一致することがわかった。従って、母材硬さ、ＨＡＺ硬さ、ピーキング量を式（１）の関係に制御することで管体バーストを実現できることを見出した。
【００１４】
具体的な制御方法については、硬さについては母材自身の化学成分、ＴＭＣＰにおける水冷開始、停止温度、冷却速度、溶接入熱制御などで可能であり、ピーキング量についてはＣプレス時の曲率、Ｕプレスの幅、Ｏプレス時のアプセット率制御などにより可能である。
母材強度範囲を９００Ｎ／mm² 以上に限定した理由として８００Ｎ／mm² 級の鋼管では母材に対するＨＡＺ軟化割合が大きくなく、拡管時にＨＡＺに歪みが集中し、硬化してもバースト試験時に容易に管体破断に至るためである。因みに、硬さと引張強度の相関を調べたところ、図６に示すような関係が得られた。
【００１５】
次に発明者らは式（１）の関係が得られやすいより具体的な製造指標について研究した。引張強度が９００Ｎ／mm² を超えるような高強度鋼管では拡管時にシーム溶接割れが起こりやすいため、式（１）を満たす前提条件として拡管割れを起こさない鋼管製造が必要となる。拡管率０．８〜１．２％の間で肉厚、外径の異なった試験体について造管試験を行った。
【００１６】
図５に拡管割れを起こした試験体と溶接部が割れずに拡管ができた試験体を管体肉厚の関係で示す。ピーキング量と肉厚の関係が式（２）を満たせば極めて精度よく、拡管割れを防止できることがわかった。
｜δ｜＜４０／ｔ …………（２）
限界ピーキング量が肉厚に逆比例する理由は溶接止端部に集中する歪み量が肉厚に比例して拡大する傾向があるためである。負のピーキング側で試験例が少なくなっている理由は負ピーキングサンプルではＯプレス時に開先がパックリングするためである。今回試験に供したサンプルはＣプレス時に管軸方向に曲率を変化させたり、Ｏプレス時にパックリング防止装置を配置することで実現した。
【００１７】
【実施例】
以下に本発明例と比較例により本発明の実施による効果を表１、表２に示した。表中の破断形態指標は式（１）の右辺より左辺を差し引いた値を意味する。表１、表２に示したように、母材硬さ、ＨＡＺ硬さ、ピーキング量を式（１）、または式（１）および式（２）において、指標が負の場合は引張試験で脆性破面を呈し、バースト試験ではシーム部から破壊した。一方、上記式（１）または式（１）および式（２）において指標が正の値となる本発明例では管体より破断していることがわかる。
【００１８】
【表１】

【００１９】
【表２】

【００２０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明は引張強度９００Ｎ／mm² 以上の高強度鋼管のＵＯＥ方式による製造方法において、拡管時のシーム溶接部割れがなく成形性及び生産効率を向上できるとともに、得られた鋼管に内圧を負荷した場合でも管体破断以前のシーム溶接部破断を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＵＯＥ方式による鋼管の製造工程の概略図。
【図２】母材硬さとＨＡＺ硬さの関係から継手引張試験時の破断面の形態を分類した図。
【図３】ピーキング量の定義を模した図。
【図４】母材硬さ、ＨＡＺ硬さの関係からバースト試験時の破断形態を分類した図。
【図５】肉厚とピーキング量から拡管時の破断の有無を分類した図。
【図６】ビッカース硬さと引張強度の関係を示す図。

Claims (2)

1. 引張強度が９００Ｎ／mm² 以上で、ＵＯＥ方式により製造する高強度鋼管の製造方法において、該鋼管の母材のビッカース硬さＨｖ，ＨＡＺ部のビッカース硬さＨｚ、管体肉厚ｔ、拡管工程における拡管前の鋼管の溶接部ピーキング量δが式（１）の関係を満足することを特徴とするバースト特性に優れた高強度鋼管の製造方法。
   （１＋０．００５ｔ｜δ｜）Ｈ_z ＜０．０３５８４Ｈ_v ²−２５．３４Ｈ_v ＋４７１２ …………（１）
2. 請求項１の高強度鋼管製造方法において、ピーキング量δが式（２）の関係を満たすことを特徴とするバースト特性に優れた高強度鋼管の製造方法。
   ｜δ｜＜４０／ｔ …………（２）

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