JP4462378B2

JP4462378B2 - 内面リブ付鋼管の製造方法

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Publication number: JP4462378B2
Application number: JP2008548386A
Authority: JP
Inventors: 研一別府
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2008-10-08
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2028-10-08
Also published as: JPWO2009081639A1; WO2009081639A1

Description

本発明は、冷間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に関し、さらに詳しくは、化成処理された被加工管の内面に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、内面リブを設けること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、ダイス２および素管３に対して同心状にプラグ１を素管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。素管３の外面は、ダイス２によって絞られる。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、自由に回転でき、およびマンドレル４に保持される。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）の品質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易くなる。

このため、従来から、内面リブ付鋼管の製造に関し、プラグ構造や形状について、種々の提案がなされている。例えば、特開２００１−１７９３２７号公報には、プラグの螺旋溝を形作る両側壁と底面とが交わる部分の曲率半径を、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一定の勾配で縮径させたプラグが提案されている。

また、特開２００６−２７２３９２号公報では、螺旋溝の溝山のエッジを曲線状あるいは直線状に面取りして、溝山の頂部と素管との接触面積を低減し、これにより溝山の頂部と素管との間に生じる摩擦抵抗の低減を図る内面リブ付鋼管の引抜加工用工具が開示されている。

前述した両公報によれば、これらに開示されたプラグを用いることにより、内面リブ付鋼管用素管の引抜加工時に焼き付きの発生を防止しできるとともに、プラグ自体も比較的容易に且つ安価に製造でき、内面リブ付鋼管製造コストを大幅に低減することができると記載されている。

ところが、内面リブ付鋼管の製造に際し、プラグの形状や構造にかかわらず、螺旋状リブを形成するための引抜加工前に、被加工管である素管に施される潤滑処理の条件によっては、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、素管に施される潤滑処理の条件を管理し、具体的には、少なくとも素管内面における化成処理皮膜の総厚さをコントロールすることにより、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。

本発明者は、上述した課題を解決するため、内面リブ付鋼管の引抜加工に関し種々の検討を加えた結果、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し、必然的にプラグと素管との接触長さが長くなることから、この接触長さが内面リブ付鋼管における焼き付き発生の主な要因となっていることに着目した。

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。

このため、プラグと素管との接触長さに起因する焼き付き発生を防止するには、螺旋状リブを形成するための引抜加工前に、素管に施される潤滑処理を最適にすることが必須であり、少なくとも素管内面における化成処理皮膜の総厚さをコントロールすることにより、螺旋状リブを形成する引抜加工時のトラブルを効果的に防止できることに知見した。

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に冷間引抜加工を施し、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表面に潤滑層を形成する工程からなり、前記螺旋状リブを形成するための引抜加工に際し、前記被加工管の内表面における化成処理皮膜が燐酸亜鉛皮膜、並びにこの燐酸亜鉛皮膜にステアリン酸ソーダを反応させて形成させた金属石鹸層および未反応のＮａ石鹸層とからなり、その総厚さが１０〜１００μｍであ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対象とするのは、炭素鋼または低合金鋼の鋼種であり、冷間引抜加工の仕上寸法を外径２８〜７０ｍｍとするボイラー用鋼管や熱交換器用鋼管とすることができる。

本発明が対象とする鋼種のうち、炭素鋼としてはＪＩＳＧ３４６１の各ＳＴＢ種が相当し、低合金鋼としてＪＩＳＧ３４６２のＳＴＢＡ２２（１Ｃｒ−１／２Ｍｏ鋼）、またはＳＴＢＡ２４（２Ｃｒ−１Ｍｏ鋼）クラスまでを対象として挙げることができる。

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ための引抜加工前に、素管に施される潤滑処理の条件を管理し、素管内面における化成処理皮膜の総厚さをコントロールすることにより、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。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、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。
図３は、化成処理により燐酸亜鉛皮膜の表面に潤滑層が形成された素管表面の断面構成を示す図である。

本発明の製造方法は、炭素鋼または低合金鋼の鋼種を対象にするものであり、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、化成処理が施される。

図２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指標として用いられる。酸洗条件は、処理温度を室温として、浸漬時間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。

素管表面に油脂分、汚れ等が付着している場合には、上記の酸洗工程の前に、脱脂剤を用いて、油脂分、汚れ等を湿潤・分散・乳化作用によって除去しておくのが望ましい。この場合には、市販の脱脂剤を用いて処理した後、水洗して素管表面に残っている脱脂剤や油脂分、汚れを洗い流して、上記の酸洗を行うことになる。

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、素管表面は安定化する。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Ｆｅ素地との反応は、下記（１）式で示される。
３Ｚｎ（Ｈ_２ＰＯ_４）＋２Ｆｅ→Ｚｎ_３（ＰＯ_４）_２＋２Ｆｅ（Ｈ_２ＰＯ_４）_２＋Ｈ_２
・・・（１）

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。

例えば、第３の処理工程として、燐酸亜鉛皮膜の上に潤滑層を形成するため、ステアリン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場合には、その反応は（２）式により示される。
Ｚｎ_３（ＰＯ_４）_２＋６Ｃ_１７Ｈ_３５ＣＯＯＮａ→３Ｚｎ(Ｃ_１７Ｈ_３５ＣＯＯ)_２＋２Ｎａ_３ＰＯ_４
・・・（２）

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乾燥する方法を採用することができる。

図３は、化成処理により燐酸亜鉛皮膜の表面に潤滑層が形成された素管表面の断面構成を示す図である。充分に乾燥された素管３の表面には、図３に示すように、化成処理皮膜層として素管３の内表面および外表面に燐酸亜鉛皮膜層５、金属石鹸層６、および未反応石鹸層（Ｎａ石鹸層）７が積層される。

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、引抜加工用プラグと素管内表面との接触長さが長くなるにも拘わらず、これに起因する焼き付き発生を防止するため、素管の内表面における化成処理皮膜の総厚さが１０〜１００μｍで管理する必要がある。

すなわち、化成処理皮膜の総厚さが１０μｍ未満と、化成処理皮膜の形成が不充分であると、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安定して維持することができず、内面リブ付鋼管に焼き付き疵が発生し易くなる。

一方、化成処理皮膜の総厚さが厚くなるほど、引抜加工用プラグと素管の内表面との接触状態を安定して維持することができるが、その効果は化成処理皮膜の総厚さが１００μｍで飽和する。しかも、化成処理皮膜の総厚さが１００μｍを超えるようになると、前述の潤滑層を形成する工程において、浸漬時間が倍増し、場合によっては潤滑層を形成する工程を２度に亘り繰り返すことが必要になることがある。このため、本発明の製造方法では、素管の内表面における化成処理皮膜の総厚さが１０〜１００μｍで管理する。

通常、化成処理皮膜層のうち、専ら金属石鹸層６が潤滑作用に寄与するが、螺旋状リブを形成するための引抜加工では潤滑を必要とする領域が長く、最も潤滑作用が必要となる螺旋状リブの後端部で潤滑層の機能が発揮できないことがある。

これを回避するため、本発明の製造方法において、皮膜厚さを管理する化成処理皮膜を、前記図３に示すように、素管３表面に形成された燐酸亜鉛皮膜層５、並びにこの燐酸亜鉛皮膜にステアリン酸ソーダを反応させて形成させた金属石鹸層６および未反応石鹸層（Ｎａ石鹸層）７とする。

本発明の製造方法において、酸洗処理により被加工管の表面を活性化し、この活性化した表面に燐酸亜鉛皮膜を形成することとしたので、燐酸亜鉛皮膜の付着力を強固なものになり、さらにその表面に形成する金属石鹸などの潤滑層の保持力も高くなることから、これらの皮膜厚さを管理することにより、内面リブ付鋼管の引抜加工の際に発生する焼き付き疵を有効に防止することができる。

（実施例１）
本発明の内面リブ付鋼管の製造方法の効果を確認するため、鋼種がＪＩＳＳＴＢＡ２２（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の酸洗を行い、水洗、中和後、処理温度が７５〜８５℃の状態で燐酸亜鉛皮膜処理を行い、処理温度が７５〜８５℃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。その後、素管を乾燥させて、素管内面の燐酸亜鉛皮膜、金属石鹸層およびＮａ石鹸層の総厚さを測定して。

このときの化成処理に要した時間と、皮膜の総厚さの測定結果を表１に示す。

表１に示すように、本発明で規定する皮膜の総厚さ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。

本発明で規定する皮膜の総厚さに達しない比較例１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た。また、本発明で規定する皮膜の総厚さを超えた比較例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、金属石鹸皮膜処理で反応槽に２度漬けを行うなど、金属石鹸層を形成する処理が長時間となり、化成処理の効率化が図れなかった。
（実施例２）

実施例１と同じ目的で、鋼種がＪＩＳＳＴＢＡ２４（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、その処理後に、素管を乾燥させて、素管内面の燐酸亜鉛皮膜、金属石鹸層およびＮａ石鹸層の総厚さを測定した。このときの化成処理に要した時間と、皮膜の総厚さの測定結果を表２に示した。

実施例１の場合と同様に、本発明で規定する皮膜の総厚さ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疵は認められなかった。

本発明で規定する皮膜の総厚さに達しない比較例３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た。また、本発明で規定する皮膜の総厚さを超えた比較例４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、金属石鹸層を形成する処理が長時間となった。

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、化成処理での酸洗により被加工管の表面を活性化し、この活性化した表面に燐酸亜鉛皮膜を形成するようにしたので、燐酸亜鉛皮膜の付着力を強固なものになり、さらにその表面に形成する金属石鹸などの潤滑層の保持力も高くなることから、螺旋状リブを形成するための引抜加工前に、素管に施される潤滑処理の条件を管理し、素管内面における化成処理皮膜の総厚さをコントロールすることにより、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。

これにより、得られた内面リブ付鋼管は、ボイラー用鋼管や熱交換器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

化成処理された被加工管に冷間引抜加工を施し、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表面に潤滑層を形成する工程からなり、
前記螺旋状リブを形成するための引抜加工に際し、前記被加工管の内表面における化成処理皮膜が燐酸亜鉛皮膜、並びにこの燐酸亜鉛皮膜にステアリン酸ソーダを反応させて形成させた金属石鹸層および未反応のＮａ石鹸層とからなり、その総厚さが１０〜１００μｍであることを特徴とする内面リブ付鋼管の製造方法。
請求項１に記載の内面リブ付鋼管の製造方法であって、前記被加工管は炭素鋼および低合金鋼（例えば、ＪＩＳＧ３４６２ＳＴＢＡ２４相当）を用い、冷間引抜加工の仕上寸法を外径２８〜７０ｍｍとすることを特徴とする内面リブ付鋼管の製造方法。