JP4028684B2 - 鋼管の接合構造 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、肉厚の異なる鋼管同士の突合せ溶接部における疲労強度に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の、鋼管の突合せ溶接構造として、例えば図８に示すようなものがある（第１従来例）。この溶接構造は、外径が等しく、肉厚ｔ₁，ｔ₂が異なる鋼管１０，１１同士が突合せ溶接されている。図示のように、厚肉の鋼管１０は内径から拡径するテーパ部（一般に勾配は１／５以下）を形成して、薄肉の鋼管１１の肉厚ｔ₂と等しくなった部位（［Ａ］部）にて溶接されている。
【０００３】
一方、これとは逆に、内径が等しく、肉厚ｔ₁，ｔ₂が異なる鋼管１２，１３同士が突合せ溶接される場合もある（第２従来例、図１１参照）。この場合には、厚肉の鋼管１２は外径から縮径するテーパ部を形成して、薄肉の鋼管１３の肉厚ｔ₂と等しくなった部位（［Ａ］部）にて溶接される。こうして、断面形状の急変にともなう応力集中を避け、切欠係数を小さくして疲労強度を高める方法が採られている。
【０００４】
また、一般に溶接止端部をグラインダーがけする方法、ショットピーニング、ハンマーピーニング等によって溶接止端部の残留応力を表面圧縮応力化して疲労強度を向上する方法も採られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記のような突合せ溶接では疲労強度上の弱点となる部分が存在する。すなわち、図９（第１従来例）に示すように、余盛ビード１４の止端部１５が弱点となる部分の一つで、余盛が大きい場合にビード止端部１５に応力集中が生じ、疲労亀裂発生の原因になり易い。
【０００６】
そのため道路橋示方書では余盛高さを制限しており（例えばビード幅２０ｍｍのとき余盛高さは３ｍｍ以下）、ビード止端部１５も滑らかに仕上げることが示されている。鋼管１０，１１の外面であれば、ビード止端部１５の仕上げが可能である。
【０００７】
弱点となる部分の二つ目として、溶接のルート部１６があげられる。通常は片側からだけの溶接の場合は裏波溶接を行うか、あるいは裏当て金をして溶接する。しかし鋼管の突合せ溶接の場合、一般にルート部１６は内側からの手入れが困難であり、仕上げができない場合が多く、この部分が疲労強度に対する弱点になり易い。
【０００８】
図１０は前記（図８）のように突合せ溶接された両鋼管１０，１１が、軸方向の引張力Ｐを受けた場合についての有限要素法（ＦＥＭ）による応力解析結果を示す。図１０に示すように、［Ａ］部から軸方向に離れた部位における鋼管１０内面の各引張応力σ₁，σ₂はそれぞれ公称応力値σ₁＝Ｐ／Ａ₁，σ₂＝Ｐ／Ａ₂（ここにＡ₁，Ａ₂は各鋼管の断面積）となるが、その中間の内面における各引張応力σは図１０に示すように変化する。
【０００９】
そして、厚肉鋼管１０のテーパ部の大径端（［Ａ］部）において著しく大きな極大点が生じる。ついで、［Ａ］部から距離（ｄ）だけ離れた［Ｂ］部にて薄肉鋼管１１側の極小点が生じる。このように疲労亀裂発生の起点となり易い突合せ溶接のルート部１６と引張応力σの極大点（［Ａ］部）が一致しているので、疲労強度が極めて弱い構造であり、問題である。
【００１０】
また、図１１は、厚肉と薄肉の鋼管１２，１３が突合せ溶接された場合についてのＦＥＭによる応力解析結果を示す。図１１示のように、［Ａ］部から軸方向に離れた部位における鋼管１２，１３の内面の各引張応力σ₁，σ₂は前記図１０と同じ公称応力値である。
【００１１】
そして、内表面の引張応力曲線は、厚肉鋼管１２の公称応力値σ₁の部位から薄肉鋼管１３側へ向かって図示のように変化する。［Ａ］部から薄肉鋼管１３側へ距離（ｄ）離れた部位に極小点▲２▼が生じるが、その薄肉鋼管１３側近傍に極大点が生じるので、溶接部位の設定に注意を要する。
【００１２】
そこで、本発明は、厚さの異なる鋼管同士の溶接接合部に高い耐久性を付与することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、本発明は次のように構成する。
【００１５】
請求項１の発明は、外径が等しく肉厚が異なる鋼管同士の突合せ溶接接合において、厚肉鋼管の内径をテーパ状に拡径して薄肉鋼管の肉厚と等しい等肉厚部を形成すると共に等肉厚部を所定長さ設け、前記等肉厚部の先端にて薄肉鋼管と突合せ溶接する接合構造であって、前記接合された鋼管に軸方向の引張力が作用したとき、原肉厚の中心のずれによって生じる局部的な曲げモーメントにより鋼管内面の表面引張応力が極小になる部位を求め、前記極小部位に一致するように前記等肉厚部の先端を設定することを特徴とする。
【００１６】
請求項２の発明は、内径が等しく肉厚が異なる鋼管同士の突合せ溶接接合において、厚肉鋼管の外径をテーパ状に縮径して薄肉鋼管の肉厚と等しい等肉厚部を形成すると共に等肉厚部を所定長さ設け、前記等肉厚部の先端にて薄肉鋼管と突合せ溶接する接合構造であって、前記接合された鋼管に軸方向の引張力が作用したとき、原肉厚の中心のずれによって生じる局部的な曲げモーメントにより鋼管内面の表面引張応力が極小になる部位を求め、前記極小部位に一致するように前記等肉厚部の先端を設定することを特徴とする。
【００１８】
請求項３の発明は、外径または内径が等しく、肉厚の変化が小さい、または、肉厚の等しい鋼管同士の突合せ溶接接合において、対向する鋼管の間に外径または内径が等しく肉厚の異なる第三の鋼管を部分的に挿入して、対向する鋼管と第三の挿入鋼管との接合部の少なくとも一方において、請求項１又は２記載の接合構造を適用したことを特徴とする。
【００１９】
請求項４の発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載の鋼管の接合構造であって、突合せ溶接接合に裏当て金を使用したことを特徴とする。
【００２０】
【作用】
本発明によると、厚さの異なる鋼材および鋼管の突合せ溶接接合において、外力に対して両部材間で応力中心線がずれることに起因する局部的な曲げモーメントが接合部近傍に生じる場合に、表面引張応力が相対的に小さい部位に溶接接合部を設定するので、その溶接接合部の疲労強度を向上することが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態を図１〜図３を参照して説明する。図１は，本実施形態の鋼管の突合せ溶接接合部を示す断面図である。図２、図３は，接合部近傍における軸方向の応力分布の解析結果を示す説明図である。
【００２２】
図１に示すように、鋼管１と鋼管２とは外径が８００ｍｍで等しく、肉厚はそれぞれ４０ｍｍ、２０ｍｍである。鋼管１の内径側を切削加工などにより、テーパ状（テーパ部の軸方向長さ４０ｍｍ）に加工して肉厚を徐々に減少させ、鋼管２の肉厚と等しくなった部位（［Ａ］部）から等肉厚部３を所定長さ（ｄ）だけ延長させて形成している。所定長さ（ｄ）はＦＥＭ解析によって予め求めておく。そして、所定長さ（ｄ）の先端（［Ｂ］部）にて両鋼管１，２を突合せ溶接している。溶接部の外面はグラインダー等により仕上げられる。
【００２３】
図２は、接合された鋼管１，２に軸方向の外力が作用した場合のＦＥＭ解析結果を示す。縦軸は鋼管１，２の外表面と内表面の応力値を示し、横軸は［Ａ］部を０ｍｍ点とし、左右にそれぞれ鋼管１側、鋼管２側への軸方向位置を示す。曲線４が外表面の応力変化を示し、曲線５が内表面の応力変化を示す。内表面の応力（曲線５）は０ｍｍ点（［Ａ］部）にて最大応力を生じるが、［Ａ］部から等肉厚部３上でｄ≒１５０ｍｍだけ先端側（薄肉鋼管２側）へずれた部位に極小点（［Ｂ］部）が生じる。
【００２４】
図３は、接合部近傍の応力分布の拡大図である。前記の１５０ｍｍずれた極小点（［Ｂ］部）が突合せ溶接部として設定される。突合せ溶接のルート部となる［Ｂ］部は鋼管の場合一般には溶接後の仕上げ加工を行うことができず、溶け込み不足などの溶接欠陥による応力集中が疲労破壊の起点になり易いので、［Ｂ］部のような表面応力の極小点に溶接部を一致させることが得策である。
【００２５】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態を図４〜図６を参照して説明する。図４は本実施形態の鋼管の突合せ溶接接合部を示す断面図である。図５、図６は接合部近傍における軸方向の応力分布の解析結果を示す説明図である。
【００２６】
図４に示すように、鋼管６と鋼管７とは内径が７２０ｍｍで等しく、肉厚はそれぞれ４０ｍｍ、２０ｍｍである。鋼管６の外径側を切削加工などによりテーパ状（テーパ部の軸方向長さ４０ｍｍ）に加工して肉厚を徐々に減少させ、鋼管７の肉厚と等しくなった部位（［Ａ］部）から等肉厚部３を所定長さ（ｄ）だけ延長させて形成している。所定長さ（ｄ）はＦＥＭ解析によって予め求めておく。そして、所定長さ（ｄ）の先端（［Ｂ］部）にて両鋼管を突合せ溶接している。溶接部の外面はグラインダー等により仕上げられる。
【００２７】
もちろん、テーパ部、等厚部断面をなめらかな曲面状となるように切削加工しても、効果は同様に得られる。
【００２８】
図５は、接合された鋼管６，７に軸方向の外力が作用した場合の力ＦＥＭ解析結果を示す。縦軸は鋼管６，７の外表面と内表面の応力値を示し、横軸は［Ａ］部を０ｍｍとし、左右にそれぞれ鋼管６側、鋼管７側への軸方向位置を示す。曲線８が外表面の応力変化を示し、曲線９が内表面の応力変化を示す。内表面の応力（曲線９）は０ｍｍ点（［Ａ］部）の極近傍部位に極小点（［Ｂ］部）が生じる。
【００２９】
図６は、接合部近傍の応力分布の拡大図である。０ｍｍ点（［Ａ］部）から等肉厚部３上でｄ≒５ｍｍだけ先端側（薄肉鋼管７側）へずれた部位に極小点（［Ｂ］部）が生じる。
【００３０】
そして、前記の約５ｍｍずれた極小点（［Ｂ］部）が突合せ溶接部として設定される。突合せ溶接のルート部となる［Ｂ］部は鋼管の場合一般には溶接後の仕上げ加工を行うことができず、溶け込み不足などの溶接欠陥による応力集中が疲労破壊の起点になり易いので、［Ｂ］部のような表面応力の極小点に溶接部を一致させることが得策である。
【００３１】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態を、図７を参照して説明する。同図は、本実施形態の鋼管の突合せ溶接接合部を示す断面図である。
【００３２】
図７に示す外径が等しく、肉厚の等しい鋼管１７、１８同士の突合せ溶接接合においては、対向する鋼管１７、１８同士の板厚中心が一致し、そのため溶接接合部に外力が負荷されたとき、局部的な曲げモーメントは発生しない。したがって、表面応力が著しく変化することはない。
【００３３】
しかし、対向する鋼管１７、１８の間に、外径が等しく肉厚の大きな第三の鋼管（挿入鋼管１９）を部分的に挿入して溶接する。すると、板厚中心に偏心が生じて、外力が負荷されたとき、局部的な曲げモーメントが発生し、表面応力に変動が発生する。
【００３４】
第三の鋼管（挿入鋼管１９）の両端部は、予め切削加工によって、テーパー状に加工して肉厚を徐々に減少させ、対抗する鋼管１７、１８と同じ板厚となった部位から等肉厚部を所定長ｄだけ延長させて形成している。所定長ｄの決め方は、第１実施形態と同様である。
【００３５】
本発明の方法によれば、従来、疲労の弱点なりやすかった裏当て金を用いた溶接継ぎ手であっても、疲労強度を落とすことなく適用できる。
【００３６】
そして、所定長ｄの先端にて対向する鋼管１７、または１８と突き合わせ溶接している。突き合わせ溶接の少なくとも一方は、通常、大型構造物が構築される現場でなされるので、施工性を考慮して裏当て金２０を用いた突き合わせ溶接としてもよい。
【００３７】
なお、前記の各実施形態では鋼管同士の突合せ溶接について説明したが、本発明は鋼管に限定されずに、例えば板厚の異なる板材やＨ形断面部材についても適用可能であることは勿論である。
【００３８】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、厚さの異なる鋼管同士の突合せ溶接接合部に外力が作用したとき、接合部近傍に局部的な曲げモーメントが生じる場合に、表面引張応力が相対的に小さい部位に、溶接欠陥による応力集中が生じ易い溶接接合部を設定するので、接合部の疲労強度を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の突き合せ溶接接合部を示す断面図である。
【図２】第１実施形態の接合部近傍における軸方向の応力分布の解析結果を示す説明図である。
【図３】図２の要部拡大図である。
【図４】本発明の第２実施形態の突き合せ溶接接合部を示す断面図である。
【図５】第２実施形態の接合部近傍における軸方向の応力分布の解析結果を示す説明図である。
【図６】図５の要部拡大図である。
【図７】本発明の第３実施形態の突き合せ溶接接合部を示す断面図である。
【図８】第１従来例の断面図である。
【図９】第１従来例の説明図である。
【図１０】第１従来例の説明図である。
【図１１】第２従来例の説明図である。
【符号の説明】
１ 鋼管
２ 鋼管
３ 等肉厚部
４ 応力分布曲線
５ 応力分布曲線
６ 鋼管
７ 鋼管
８ 応力分布曲線
９ 応力分布曲線

Claims (4)

1. 外径が等しく肉厚が異なる鋼管同士の突合せ溶接接合において、厚肉鋼管の内径をテーパ状に拡径して薄肉鋼管の肉厚と等しい等肉厚部を形成すると共に等肉厚部を所定長さ設け、前記等肉厚部の先端にて薄肉鋼管と突合せ溶接する鋼管の接合構造であって、前記接合された鋼管に軸方向の引張力が作用したとき原肉厚の中心のずれによって生じる局部的な曲げモーメントにより鋼管内面の表面引張応力が極小になる部位を求め、前記極小部位に一致するように前記等肉厚部の先端を設定することを特徴とする鋼管の接合構造。
2. 内径が等しく肉厚が異なる鋼管同士の突合せ溶接接合において、厚肉鋼管の外径をテーパ状に縮径して薄肉鋼管の肉厚と等しい等肉厚部を形成すると共に等肉厚部を所定長さ設け、前記等肉厚部の先端にて薄肉鋼管と突合せ溶接する鋼管の接合構造であって、前記接合された鋼管に軸方向の引張力が作用したとき原肉厚の中心のずれによって生じる局部的な曲げモーメントにより鋼管内面の表面引張応力が極小になる部位を求め、前記極小部位に一致するように前記等肉厚部の先端を設定することを特徴とする鋼管の接合構造。
3. 外径または内径が等しく、肉厚の変化が小さい、または、肉厚の等しい鋼管同士の突合せ溶接接合において、対向する鋼管の間に外径または内径が等しく肉厚の異なる第三の鋼管を部分的に挿入して、対向する鋼管と第三の挿入鋼管との接合部の少なくとも一方において、請求項１又は２記載の接合構造を適用したことを特徴とする鋼管の接合構造。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の鋼管の接合構造であって、突合せ溶接接合に裏当て金を使用したことを特徴とする鋼管の接合構造。

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