JP4311503B1 - 内面リブ付鋼管の製造方法 - Google Patents

Abstract

内面リブ付鋼管の螺旋状リブを形成する引抜加工時のトラブルを低減し、安定して螺旋状リブを形成することができる製造方法であり、化成処理された被加工管の内面に、外周面に複数条の螺旋溝が形成されたプラグを挿入して冷間引抜加工を行い、管軸方向に複数条の螺旋状リブを形成する内面リブ付鋼管を製造する際に、前記プラグを５０〜２００℃にプレヒーティングして引抜加工を行い、前記螺旋状リブを素管内面に形成する。前記化成処理を管表面の酸化スケールおよび錆びを取り除く酸洗工程、中和された管表面に燐酸亜鉛皮膜を形成する工程、および前記燐酸亜鉛皮膜の上に潤滑層を形成する工程で行うのが望ましい。得られた内面リブ付鋼管は、ボイラー用鋼管として優れた成形性と品質を備えていることから、ボイラーの大容量化や高温高圧化に十分に対応できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、引抜加工により鋼管内面に螺旋状のリブ（突起）を形成させる内面リブ付鋼管の製造方法および引抜用プラグに関し、さらに詳しくは、螺旋状のリブを安定して加工することができる内面リブ付鋼管の製造方法、およびこの製造方法に用いられる引抜用プラグに関するものである。

通常、ボイラー用、熱交換器用等の高温耐熱部には、発電効率を向上させるため、鋼管内面に螺旋状のリブ（突起）を形成した内面リブ付鋼管（ライフルチューブ）が用いられる。内面リブ付鋼管の内面は、内面のリブにより広い表面積を有するため、加熱された管内面と管内部を通過する水蒸気との接触面積が増加されるとともに、水蒸気を含む流体を乱流にして熱交換効率を高めている。最近のボイラーの大容量化や高温高圧化にともない、内面リブ付鋼管の需要は急速に増大している。

内面リブ付鋼管の製造は、継目無鋼管または電縫鋼管を素管として製造し、必要に応じて、その素管を十分に軟化させた後、冷間工程にて引抜用ダイスおよび外周面にリブ形成用の螺旋溝を構成したプラグを用いて、引抜加工される。

図１は、引抜加工によって内面リブ付鋼管を製造する方法を概略的に説明する図である。素管３を引抜加工する際には、プラグ１の片端をマンドレル４で保持して、ダイス２および素管３に対して同心状に素管３の内面に挿入し、プラグ１を回転させながら素管３を白抜き矢印の方向に引き抜く。

このとき、引き抜かれる素管３の外面は、ダイス２によって絞られる。一方、素管３の内面は、プラグ１の外周面に形成された螺旋溝１ａに沿って成形され、引抜後の素管３の内周面には、螺旋状のリブ３ａが形成される。

使用するプラグ１は、片端をマンドレル４に保持され、自由に回転できる構造である。そのプラグ形状は、内面リブ付鋼管のリブ高さ、リブ形状等（特に、リブコーナー部およびリード角）の寸法精度に大きな影響を及ぼし、引抜条件によっては、素管とプラグとの間で焼き付きが生じることがある。このため、従来から、内面リブ付鋼管の製造用として、所定形状の螺旋溝を形成した引抜用プラグが用いられる。

図２は、内面リブ付鋼管の製造に用いられる引抜用プラグに形成される螺旋溝の断面形状を示す図である。同図は、前記図１に示す螺旋溝のプラグ軸線と直交する断面形状を段階的に示す模式図であり、（ａ）は前記図１のＡ−Ａ矢視断面図、（ｂ）は前記図１のＢ−Ｂ矢視断面、および（ｃ）は前記図１のＣ−Ｃ矢視断面を示している。

通常、内面リブ付鋼管の引抜用プラグは、その外周面に形成される複数条の螺旋溝１ａの側壁として相対する両側壁１ａａと底面１ａｂとが交わる部分の曲率半径ｒを、図２（ａ）で示すプラグの先端部側で大きくとり、図２（ｃ）（ｂ）に示すように後端側になるに従い、逐次、小さくなるように構成している。このように引抜用プラグを構成することにより、素管内面でのリブ成形が段階的に行われ、焼付きが生じ難くなる。

図３は、他の実施形態に係る、内面リブ付鋼管の製造に用いられる引抜用プラグに形成される螺旋溝の断面形状を示す図である。前記図２と同様に、螺旋溝のプラグ軸線と直交する断面形状を、図３（ａ）は前記図１のＡ−Ａ矢視断面図、図３（ｂ）は前記図１のＢ−Ｂ矢視断面、および図３（ｃ）は前記図１のＣ−Ｃ矢視断面として段階的に示している。

図３に示す引抜用プラグは、外周面に形成された複数条の螺旋溝１ａを形成し相対する両側壁１ａａと底面１ａｂとが交わる部分の曲率半径ｒを、プラグの先端部側から後端部側に至るまで一定に保つと共に、プラグの先端部側から後端部側に向けて、例えば、３°の勾配で縮径させるように構成している。これによっても、素管内面でのリブ成形が一定の変形加工率で段階的に行われることから、焼付きが生じ難くなる（特開２００１−１７９３２７号公報、参照）。

さらに、引抜用プラグの断面形状を図示しないが、前記図２および図３に示すように、引抜用プラグに形成される螺旋溝の断面形状を段階的に変化させるのに加え、引抜加工時に螺旋溝の溝山と素管内面との接触面積を減少させ、溝山の頂部と素管との間に生じる摩擦抵抗を低減するため、螺旋溝の溝山のエッジを曲線状または直線状に面取りを施した引抜用プラグを用いることもある（特開２００６−２７２３９２号公報、参照）。

通常、内面リブ付鋼管に適用される規格は、ＪＩＳ Ｇ ３４６１（ＳＴＢ）およびＪＩＳ Ｇ ３４６２（ＳＴＢＡ）であることから、素材鋼種として炭素鋼またはＣｒ系低合金鋼が振り当てられる。このような鋼種を素管とする場合には、デスケーリングには硫酸洗が用いられ、潤滑処理にはリン酸塩処理（リン酸亜鉛等）による化成処理が行われる。具体的な酸洗・潤滑処理の手順としては、デスケーリング後、素管の内外表面を水洗、中和し、すすぎ水洗した素管をリン酸塩処理浴に浸漬し、内外表面にリン酸塩の下地を形成する。次いで、表面を湯洗を行い、ステアリン酸ナトリウムを主成分とする石鹸処理の後、熱温風による乾燥を行う。

ところが、内面リブ付鋼管の製造に際し、後述するような適正な条件で素管表面に最適な化成処理を施したにもかかわらず、螺旋状リブを形成するための引抜加工前に、引抜用プラグの処理条件によっては、引抜加工トラブルが多発し、内面リブ付鋼管の成形性や製造歩留まりを著しく低下させることがある。

本発明は、上述した内面リブ付鋼管の引抜加工での問題点に鑑みてなされたものであり、螺旋状リブを形成するための引抜加工前に、引抜用プラグのプレヒーティングを行い、その加熱温度を管理することにより、螺旋状リブを形成する引抜加工時のトラブルを低減し、安定して螺旋状リブを形成することができる内面リブ付鋼管の製造方法を提供することを目的としている。

内面リブ付鋼管の引抜加工は、前記図２または図３に示すような断面形状からなる螺旋溝を外周面に形成させたプラグを用い、このプラグを化成処理された素管内面に挿入して引抜加工により行われる。このとき、素管外面での縮径とともに、素管内面でリブ成形が一定の冷間加工率で行われることから、塑性変形にともなう発熱により、螺旋状リブを形成するための引抜加工は高温環境の条件下で行われる。

また、内面リブ付鋼管の引抜加工は、前記図１に示すように、引抜加工用プラグに設けられた螺旋溝の溝山の頂部は、引抜加工の初期段階から仕上げ寸法に加工する最終段階に至るまで、必ず素管表面に接触することから、必然的にプラグと素管との接触長さが長くなる。

例えば、通常のボイラー用鋼管や熱交換器用鋼管の引抜加工におけるプラグと素管との接触長さは、加工寸法にもよるが、約３ｍｍ程度とされているが、仕上寸法を外径２８〜７０ｍｍとなるような内面リブ付鋼管の製造になると、プラグと素管との接触長さが１０〜１５ｍｍに及ぶことになる。このように、プラグと素管との接触長さが長くなることにより、内面リブ付鋼管に焼き付きが発生し易くなり、内面リブ付鋼管の引抜加工を過酷な塑性加工としている。

プラグと素管との接触長さに拘わらず、螺旋状リブを形成するための引抜加工を安定して行うには、引抜加工の初期段階から仕上げ寸法に加工する最終段階に至るまで、引抜加工用プラグに設けられた螺旋溝と素管の内表面との接触を、化成処理皮膜を介して維持することが必要になる。

本発明者は、上述した内面リブ付鋼管の引抜加工に関する技術事項に着目し、種々の検討を加えた結果、螺旋状リブを形成するための引抜加工前に、引抜用プラグのプレヒーティングを行い、その加熱温度を高温環境で行われる引抜加工に適合できる温度範囲で管理することにより、螺旋状リブを形成する引抜加工時のトラブルを低減できることを知見した。

本発明は、上記知見に基づいて完成されたものであり、下記（１）および（２）の内面リブ付鋼管の製造方法を要旨としている。
（１）化成処理された被加工管の内面に、外周面に複数条の螺旋溝が形成されたプラグを挿入して冷間引抜加工を行い、管軸方向に複数条の螺旋状リブを形成する内面リブ付鋼管の製造方法であって、前記プラグを５０〜２００℃にプレヒーティングして引抜加工を行い、前記螺旋状リブを素管内面に形成することを特徴とする内面リブ付鋼管の製造方法である。

（２）上記（１）の内面リブ付鋼管の製造方法では、前記化成処理を管表面の酸化スケールおよび錆びを取り除く酸洗工程、中和された管表面に燐酸亜鉛皮膜を形成する工程、および前記燐酸亜鉛皮膜の上に潤滑層を形成する工程で行うのが望ましい。

本発明の内面リブ付鋼管の製造方法によれば、螺旋状リブを形成する引抜加工前に引抜用プラグのプレヒーティングを行い、その加熱温度を管理することにより、螺旋状リブを形成する引抜加工のトラブルを抑制し、安定して螺旋状リブを形成することができる。これにより得られた内面リブ付鋼管は、優れた成形性と品質を備える。

図１は、引抜加工によって内面リブ付鋼管を製造する方法を概略的に説明する図である。
図２は、内面リブ付鋼管の製造に用いられる引抜用プラグに形成される螺旋溝の断面形状を示す図である。
図３は、他の実施形態に係る、内面リブ付鋼管の製造に用いられる引抜用プラグに形成される螺旋溝の断面形状を示す図である。
図４は、本発明の内面リブ付鋼管の製造方法に適用できる化成処理の工程例を示す図である。

本発明の内面リブ付鋼管が対象とする鋼種は、炭素鋼（例えば、ＪＩＳ Ｇ ３４６１、ＳＴＢ３４０〜５１０）、およびＣｒ系低合金鋼（例えば、ＪＩＳ Ｇ ３４６２、ＳＴＢＡ１２〜２４）であり、素管として継目無鋼管および電縫鋼管を適用することができる。

通常、継目無鋼管は、生産効率に優れることからマンドレルミル製造法が適用され、熱間圧延により製造され、また、電縫鋼管は、溶接部の酸化防止や溶接ビードの安定化を図るため、不活性ガスシールド溶接や溶接入力量自動制御技術を採り入れた電気抵抗溶接法で製造される。

素管の製造段階において、素管の鋼種や製造条件に応じて、素管軟化処理の要否が定められる。次に、内面リブ付加工が施される素管は、素管軟化が行われた後、または素管軟化を行うことなく、螺旋状リブを形成する引抜加工前に、素管の内外表面に潤滑皮膜を形成するため、化成処理が行われる。

図４は、本発明の内面リブ付鋼管の製造方法に適用できる化成処理の工程例を示す図である。まず、第１の処理工程として酸洗を行って、表面に付着する酸化スケールおよび錆を除去する。通常、使用する酸としては硫酸（１０〜１３％）が用いられ、管理項目として遊離酸度や鉄分濃度が用いられる。酸洗条件は、処理温度を室温として、浸漬時間の３０分が目安となる。この酸洗の後は、水洗（例えば、数分間程度）を行って、表面に残っている酸を洗い流す。

上記の酸洗工程に次いで、素管を苛性ソーダ液に浸漬し中和を行う。この中和により、素管表面を安定化させることができる。その後、第２の処理工程として、燐酸亜鉛皮膜処理を行って、素管表面に燐酸塩皮膜の下地を形成する。このときの燐酸亜鉛皮膜処理の条件は、処理温度を約８０℃として、浸漬時間の３０分が目安となる。この燐酸亜鉛皮膜処理の後は、湯洗（例えば、処理温度５０℃で数分間程度）を行う。

その後、第３の処理工程として、形成された燐酸亜鉛皮膜と石鹸系潤滑剤と反応させて、表面に潤滑層を形成する。潤滑層を形成する処理としては、ステアリン酸ソーダを燐酸亜鉛皮膜と反応させて金属石鹸層を形成するのが一般的であるが、本発明の製造方法ではこれに限定されるものではない。

潤滑層を形成する処理の条件は、処理温度を約８０℃として、浸漬時間の１５分が目安となる。上記の第１〜第３の処理工程により、化成処理が施された素管は乾燥される。素管表面を充分に乾燥させるため、素管を連続乾燥炉に装入して高温雰囲気で乾燥する方法を採用することができる。

本発明の製造方法では、螺旋状リブを形成するための引抜加工に際し、引抜加工の初期段階から仕上げ寸法に加工する最終段階に至るまで、引抜加工用プラグに設けられた螺旋溝と素管の内表面との接触状態を、化成処理皮膜を介して安定して維持するため、引抜用プラグのプレヒーティングを行い、その加熱温度を５０〜２００℃に管理することが必要になる。

螺旋状リブを形成するための引抜加工前に、引抜用プラグのプレヒーティングを実施しない場合、またはプレヒーティングを実施しても、引抜加工用プラグの加熱温度が５０℃に達しない場合には、引抜加工の開始時に素管内面のリブ形成部で焼き付きが発生し易くなる。引抜加工の開始時に焼き付きを発生させると、引抜加工を継続することが困難となり、素管の切断や引抜用プラグの折損トラブルが生じる事態になる。

一方、引抜用プラグのプレヒーティングにより加熱温度が２００℃を超える場合には、化成処理皮膜が破壊され、引抜加工の初期段階から仕上げ寸法に加工する最終段階に至るまで、引抜加工用プラグに設けられた螺旋溝と素管の内表面との間に、充分な化成処理皮膜を介在させることができず、内面リブ付鋼管に焼き付き疵が発生し易くなる。

したがって、本発明の製造方法では、素管内面に挿入される引抜加工用プラグを５０〜２００℃にプレヒーティングして引抜加工を行うことにより、螺旋状リブを形成する引抜加工時のトラブルを低減し、寸法精度や製造歩留まりに優れた内面リブ付鋼管を製造することができる。

具体的なプレヒーティング要領は、加熱コイルで形成される加熱帯を環状に構成して、環状加熱帯の内部に引抜用プラグを挿入して、所定の温度範囲に加熱する。加熱タイミングは、引抜用プラグがマンドレルに保持される前の状態、または引抜用プラグがマンドレルに保持された状態であっても、螺旋状リブを形成するための引抜加工前であれば、いずれの状態であってもよい。

本発明の引抜用プラグは、素管内面でのリブ成形が段階的に行われる外周面の構成であればよく、例えば、前記図２に示すように、外周面にリブ成形用として複数条の螺旋溝１ａが形成され、この螺旋溝を形成し相対する両側壁１ａａと底面１ａｂとが交わる部分の曲率半径ｒを、逐次、マンドレルに保持されるプラグの先端部側から後端部側に亘り減少させた構成である。

さらに、本発明の引抜用プラグは、図示しないが、外周面にリブ成形用として複数条の螺旋溝が形成され、この螺旋溝を形成し相対する両側壁と溝山の底面とが交わる部分の曲率半径ｒを、逐次、マンドレルに保持されるプラグの先端部側から後端部側に亘り減少させた構成とすることができる。

本発明の引抜用プラグとして、同様の理由から、他の実施形態として前記図３に示すように、外周面にリブ成形用として複数条の螺旋溝１ａが形成され、この螺旋溝を形成し相対する両側壁１ａａと底面１ａｂとが交わる部分の曲率半径ｒを、マンドレルに保持されるプラグの先端部側から後端部側に至るまで一定に保つと共に、プラグの先端部側から後端部側に向けて一定の勾配で縮径させた構成のものを用いることができる。

本発明により得られる内面リブ付鋼管は、上述した製造方法に本発明の引抜用プラグを用いて製造されるものであり、ボイラー用鋼管として優れた成形性と寸法精度を備えることから、ボイラーの大容量化や高温高圧化に十分に対応できるものである。以下、本発明の製造方法による効果を、具体的な実施例に基づいて説明する。

（実施例１）
実施例１では、鋼種がＪＩＳ ＳＴＢＡ２２（１Ｃｒ−１／２Ｍｏ鋼）である継目無鋼管を素管として用いて、素管軟化−酸洗・潤滑処理−途中引抜加工（円仕上げ）−軟化の工程を経た後、引抜加工により４条の螺旋状リブを有する内面リブ付鋼管を製造した。

このときの引抜スケジュールは、素管寸法を外径３８．０ｍｍ×肉厚８．２ｍｍで、途中引抜寸法を外径３２．０ｍｍ×肉厚７．２ｍｍとし、最終的に外径２８．６ｍｍ×肉厚６．０ｍｍ×リブ深さ０．８ｍｍに引抜加工を行った。

最終的に螺旋状リブを形成するための引抜加工前の化成処理として、硫酸（１０〜１３％）を用い処理温度が室温で処理時間が３０分の酸洗を行い、水洗、中和後、処理温度が７５〜８５℃の状態で処理時間が３０分の燐酸亜鉛皮膜処理を行い、処理温度が７５〜８５℃、処理時間が１５分でステアリン酸ソーダを燐酸亜鉛皮膜と反応させて金属石鹸層を形成した。

使用した引抜用プラグは、前記図２に示された断面形状からなる螺旋溝が外周面に複数条で形成されたプラグとし、加熱コイルで形成される環状加熱帯の内部に挿入してプレヒーティングを行い、所定の温度範囲に加熱した後、螺旋状リブを形成するための引抜加工を実施した。

このときの引抜用プラグのプレヒーティングでの加熱温度および引抜加工状況を表１に示した。表中の引抜加工状況の欄では、○は焼き付き発生なし、△は軽微な焼き付き発生あり、および×は顕著な焼き付き発生ありを示している。

表１に示すように、本発明で規定するプレヒーティングでの加熱温度を満足する本発明例１〜３では、いずれも最終の引抜加工によって仕上げられた内面リブ付鋼管には焼き付き疵は認められなかった。

プレヒーティングを実施しなかった比較例１では、引抜加工の開始時に焼き付きを発生し、素管の切断トラブルに至った。また、本発明で規定する加熱温度の範囲を超えた比較例２では、引抜加工によって仕上げられた内面リブ付鋼管に焼き付き疵が発生しなかったが、素管内面のリブ形成部の一部に軽微な焼き付きが発生した。

（実施例２）
実施例２では、鋼種がＪＩＳ ＳＴＢＡ２４（２Ｃｒ−１Ｍｏ鋼）である継目無鋼管を素管に用いて、素管軟化−酸洗・潤滑処理−途中引抜加工（円仕上げ）−軟化の工程を経た後、引抜加工により４条の螺旋状リブを有する内面リブ付鋼管を製造した。

このときの引抜スケジュールは、素管寸法を外径８７．０ｍｍ×肉厚１０．２ｍｍで、途中引抜寸法を外径８０．０ｍｍ×肉厚９．２ｍｍとし、最終的に外径７０．０ｍｍ×肉厚８．０ｍｍ×リブ深さ１．１ｍｍに引抜加工を行った。

最終的に螺旋状リブを形成するための引抜加工前の化成処理の条件は、実施例１と同様とした。また、使用した引抜用プラグ形状、および引抜用プラグのプレヒーティングも実施例１と同様とし、所定の温度範囲に加熱した後、螺旋状リブを形成するための引抜加工を実施した。

このときの引抜用プラグのプレヒーティングでの加熱温度および引抜加工状況を表２に示し、引抜加工状況の観察結果に基づく評価は、実施例１の場合と同様とした。

実施例１の場合と同様に、本発明で規定するプレヒーティングでの加熱温度を満足する本発明例４〜６では、いずれも最終の引抜加工によって仕上げられた内面リブ付鋼管には焼き付き発生は認められなかった。

本発明で規定するプレヒーティングの加熱温度に達しない比較例３では、引抜加工の開始時からに素管内面のリブ形成部に顕著な焼き付き発生があった。また、本発明で規定するプレヒーティングの加熱温度を超えた比較例４では、化成処理皮膜の破壊が認められ、顕著な焼き付き発生があった。

産業上の利用の可能性

本発明の内面リブ付鋼管の製造方法によれば、螺旋状リブを形成する引抜加工前に引抜用プラグのプレヒーティングを行い、その加熱温度を管理することにより、螺旋状リブを形成する引抜加工のトラブルを抑制し、安定して螺旋状リブを形成することができる。
これにより、得られた内面リブ付鋼管は、ボイラー用鋼管として優れた成形性と品質を備えていることから、ボイラーの大容量化や高温高圧化に十分に対応できるものであり、広く適用できる。

Claims (2)

1. 化成処理された被加工管の内面に、外周面に複数条の螺旋溝が形成されたプラグを挿入して冷間引抜加工を行い、管軸方向に複数条の螺旋状リブを形成する内面リブ付鋼管の製造方法であって、
   前記プラグを５０〜２００℃にプレヒーティングして引抜加工を行い、前記螺旋状リブを被加工管の内面に形成することを特徴とする内面リブ付鋼管の製造方法。
2. 前記化成処理が管表面の酸化スケールおよび錆びを取り除く酸洗工程、中和された管表面に燐酸亜鉛皮膜を形成する工程、および前記燐酸亜鉛皮膜の上に潤滑層を形成する工程からなることを特徴とする請求項１に記載の内面リブ付鋼管の製造方法。

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