JP4551462B2 - ルーズフランジ式フレア管継手のシール性改善方法、フレア部端面角度制御方法、ルーズフランジ式フレア管継手、ルーズフランジ式フレア管継手用鋼管、ルーズフランジ式フレア管継手用鋼管の製造方法及び鋼管の接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、フランジをボルトで締結して配管類を接合する管継手に関し、より詳細には、鋼管の端部に設けたフレア部にルーズフランジを係合した機械式継手に関する。

水、空気、蒸気等の流体を移送する屋内配管の接合には、フランジをボルトで締結する機械式継手が用いられる。このような機械式継手のフランジは、鋼管の端部に溶接するか、又は、鋼管の端部に設けたフレア部をルーズフランジに係合させる、などの方法により、鋼管の端部に設けられる。

近年では、溶接の必要がなく、施工現場にて簡便にフレア加工ができ、施工時間も短縮できるルーズフランジ式フレア管継手の需要が高まっている。また、屋内配管では、通常、鋼管に軸力や曲げを伴わない配管設計が行われ、ルーズフランジ式管継手によって配管が接合される（例えば、特許文献１、２）。

しかし、現場での施工時には位置合わせ等に対処する必要などが生じ、鋼管及び継手に曲げ応力や、引張応力が負荷されることがある。また、配管内に蒸気などの高温流体を通す場合、鋼管や継手には、熱膨張及び収縮に起因する軸応力や、曲げ応力が負荷されることもある。更には、鋼管及び継手に過度な軸力、曲げ荷重が負荷されるようなケース、例えば、耐震性を考慮する必要もある。

また、配管に過大な荷重が負荷される場合は、特に鋼管を接合する継手に荷重が集中する。しかし、このような過大な外力が負荷された際に、移送流体のシール性が維持できるような継手は、これまでには開発されていない。なお、内圧が高くなるほど密封力を増すルーズフランジ式管継手は提案されている（例えば、特許文献３）。しかし、この技術でも、軸力や、曲げ荷重が負荷された際には、シール性を確保することはできない。

また、フレア加工部の強度や疲労特性を向上させる方法も提案されている（例えば、特許文献４、５）。しかし、これらは、成形加工されたフレア部の特性を向上させたものであり、ルーズフランジ式フレア管継手のシール性については考慮されていない。

一方、フランジ部に応力が加わった際の耐破壊特性の向上を目的とした管継手として、フレア部のフランジとの接触面をテーパー状に加工したルーズフランジ式フレア管継手が提案されている（例えば、特許文献６）。しかし、このようなテーパー形状を有するフレア部を形成するためには、加工途中で工具を変更する必要があり、フレア部のつば出し加工の工程が複雑になる。

特開２００７−２１１８１１号公報 特開２０００−５５２３９号公報 登録実用新案第３１３６９５４号公報 特開２００５−３５１３８３号公報 特開平５−３２９５５７号公報 実開平７−２２１９３号公報

本発明は、鋼管の端部にフレア部を設け、鋼管の接合部においてフレア部の端面を衝合してルーズフランジによって挟持するルーズフランジ式フレア管継手に、特に過大な外力が負荷された際のシール性の改善を課題とするものである。

本発明は、フレア部の端面の角度を制御し、特に過大な引張、曲げなどの応力が負荷された際のシール性を改善したルーズフランジ式フレア管継手に関し、その要旨は以下のとおりである。

（１）本発明のある観点によれば、２本の鋼管の端部にそれぞれつば出し加工によって形成されたフレア部を、ガスケットを介在させて衝合し、当該両フレア部をルーズフランジで挟持するルーズフランジ式フレア管継手のシール性を改善する方法であって、前記ルーズフランジ式フレア管継手の非締結時の、前記鋼管の中心軸に対する前記フレア部の端面の角度θを８７°〜８９°に制御することを特徴とする、シール性改善方法が提供される。
（２）本発明の別の観点によれば、２本の鋼管の端部にそれぞれつば出し加工によって形成されたフレア部を、ガスケットを介在させて衝合し、当該両フレア部をルーズフランジで挟持するルーズフランジ式フレア管継手において、前記フレア部の端面の角度を制御する方法であって、前記ルーズフランジ式フレア管継手の非締結時の、前記鋼管の中心軸に対する前記フレア部の端面の角度θを８７°〜８９°に制御することを特徴とする、フレア部端面角度制御方法が提供される。

本発明によれば、配管の接合部におけるルーズフランジ式フレア管継手に過度な引張荷重、曲げ荷重などが負荷された場合においても、配管内の移送流体をシールすることが可能になり、産業上の貢献が極めて顕著である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１に、本発明の一実施形態にかかるルーズフランジ式フレア管継手の一部を模式的に例示する。本実施形態にかかるルーズフランジ式フレア管継手は、２つの鋼管１ａ、１ｂの接合部において、各鋼管１ａ、１ｂの端部を拡開して成形されたつば状のフレア部２ａ、２ｂを、ガスケット３を介して衝合させ、当該衝合された両フレア部２ａ、２ｂをその両側からルーズフランジ４ａ、４ｂで挟持して、ボルト５とナット６により機械的に締結する構造である。

より詳細に説明すると、鋼管１ａ、１ｂは、それぞれの端部につば出し加工によって形成されたフレア部２ａ、２ｂを有する。フレア部２ａ、２ｂは、２本の鋼管１ａ、１ｂを相互に接合するために、鋼管１ａ、１ｂの端部をその外側に折り曲げるように拡開する成形加工（つまり、フレア加工）された部分である。

このフレア部２ａ、２ｂには、それぞれ、ルーズフランジ４ａ、４ｂが係合している。このルーズフランジ４ａ、４ｂ（以下「フランジ４ａ、４ｂ」という。）は、鋼管１ａ、１ｂの外径よりも大きな内経を有する円環状フランジである。かかるフランジ４ａ、４ｂ内に鋼管１ａ、１ｂが挿通され、非締結時には、フランジ４ａ、４ｂの内周面は鋼管１ａ、１ｂの外周面に沿って摺動可能である。

鋼管１ａ、１ｂのフレア部２ａ、２ｂの端面９（図２参照。）同士は、必要に応じてガスケット３を介在させて衝合される。ガスケット３は、例えば、フレア部２ａ、２ｂの外径と同程度の外径を有する円環状の封止部材であり、衝合された２つのフレア部２ａ、２ｂの端面９の間をシールする機能を有する。フレア部２ａ、２ｂの衝合部は、その両側から上記フランジ４ａ、４ｂで挟持され、フランジ４ａ、４ｂは、ボルト５とナット６で締結されている。

かかるルーズフランジ式フレア管継手を用いて、鋼管１ａ、１ｂを接合する手順について説明する。まず、対向配置された鋼管１ａのフレア部２ａと鋼管１ｂのフレア部２ｂとの間に、ガスケット３を介在させ、その状態でフレア部２ａの端面９とフレア部２ｂの端面９とを衝合させる。次いで、当該衝合されたフレア部２ａ、２ｂを、その外側からフランジ４ａ、４ｂにより挟持する。その後、フランジ４ａ、４ｂに挿通したボルト５とナット６により、フランジ４ａ、４ｂを機械的に締結・固定することで、フレア部２ａ、２ｂを両側から押圧する。これにより、当該継手を用いて２本の鋼管１ａ、１ｂを好適に接合できる。なお、フランジ４ａ、４ｂを固定する手段としては、上記ボルト５とナット６の例に限定されず、フランジ４ａ、４ｂを機械的に締結・固定するものであれば、任意の固定部材を使用できる。

また、水、空気、蒸気などを移送する配管にはＳＴＰＧ（ＪＩＳ Ｇ ３４５４）やＳＧＰ（ＪＩＳ Ｇ ３４５２）等の配管材料が使用され、その外径は５０Ａ〜３５０Ａであり、１００Ａ前後の鋼管が主流となっている。そこで、本発明者らは１００ＡのＳＧＰ配管を想定した有限要素法解析（ＦＥＡ）により、ルーズフランジ式フレア管継手のシール性に影響を与える設計因子を分析することとした。

その結果、発明者らが注目したのは、図２に示す、鋼管１の中心軸８に対するフレア部２の端面９の角度θ（以下「フレア部端面角度θ」という。）である。このフレア部端面角度θと、ルーズフランジ式フレア管継手の衝合部に発生する面圧分布との関係を図３に示す。図３は、フレア部端面角度θを変更させたルーズフランジ式フレア管継手をボルト５で締結し、８０ＭＰａ相当の曲げ荷重が負荷された際に、衝合部のガスケット３に発生する接触面圧と、当該面圧が発生する位置との関係を示したものである。

図３に示したＦＥＡによる解析結果から、フレア部端面角度θが小さくなるに従って、曲げ荷重負荷時にガスケット３に生じる面圧が高くなることがわかる。したがって、曲げ荷重や引張荷重が負荷された場合、フレア部端面角度θを小さくすれば、継手のシール性が向上すると考えられる。

そこで、フレア部端面角度θを種々変化させたフレア鋼管１を製造し、継手のシール性の評価試験を行った。まず、１００Ａ（外径１１４．３ｍｍ、肉厚４．５ｍｍ）のＳＧＰ鋼管の端部をフレア加工し、フレア部２を形成した。このフレア部２にフランジ４を係合し、ガスケット３を介して両フレア部２を衝合してフランジ４をボルト５で締結し、ルーズフランジ式フレア管継手とした。

次に、ルーズフランジ式フレア管継手に、１ＭＰａの空気を充填し、引張軸力を加えながら、空気圧の急激な低下が観察されたときの負荷荷重（リーク荷重）を求めた。このリーク荷重を、鋼管１の管体降伏強度によって除し、シール性指数αを算出した。なお、鋼管の管体降伏強度は、フレア鋼管１と同一のロットの鋼管から試験片を採取して、引張試験を行って測定した。

図４は、上記評価試験により得られたフレア部端面角度θとシール性指数αの関係を示す。これよりフレア部端面角度θが減少するに従い、シール性指数αは増加し、シール性が向上することがわかる。特に、フレア部端面角度θが８９゜未満になると、シール性指数αは８０％以上になり、シール性の耐荷重特性が向上することが実証できた。しかし、フレア部端面角度θが８７゜未満になると、継手締結時又は軸力負荷時にガスケット３が破損した。これは局部的に接触面圧が大きくなりすぎ、ガスケット３の耐荷重抵抗を上回ったものと推測できる。

以上、実管試験よって、管体の降伏荷重に対して８０％以上の軸力までガスシールでき、尚かつ、ガスケット３を破損させないためには、フレア部端面角度θを８７゜以上、８９゜以下の値に制御することが重要であることが確認された。さらに、図４の結果によれば、フレア部端面角度θが８８゜以下であれば、シール性指数αは９０％以上であるので、フレア部端面角度θが８７°〜８８゜とすることで、シール性能をさらに向上できる。

なお、本実施形態にかかる鋼管１の端部にフレア部２を形成する加工法については、これを限定するものではないが、例えば、図５に示すように鋼管１及びコーン７（円錐ローラ）を回転させ、相対的に自転と公転を繰り返して接触させる方法を採用することが好ましい。この方法によって、コーン７の軸と鋼管１の軸との角度を漸次大きくすれば、フレア部端面角度θを徐々に大きくすることが可能であり、フレア部端面角度θを精度良く制御することができる。

次に、本発明の実施例として、種々の鋼管１において、フレア部端面角度θを変化させたときのシール性指標αを評価した実験について説明する。

本実験では、まず、種々のＳＧＰ鋼管の端部を図５に示した方法でつば出し加工し、フレア部端面角度θ（図２）を測定した。更に、フレア部２にルーズフランジ４を係合させ、ガスケット３を介在させてフレア部２の端面９同士を衝合し、ボルト５で締結して、ルーズフランジ式フレア管継手を製造した。表１に示したように、試験に供したＳＧＰ鋼管は、サイズ６５Ａ〜２００Ａの、鍛接鋼管、電縫鋼管である。なお、これらの鋼管からは、別途、引張試験片を採取して、降伏強度を測定した。

なお、本実験では、ガスケット３として、ニチアス株式会社製“汎用ＮＡジョイントシール ＴＯＭＢＯ Ｎｏ．１９９５”を使用した。このガスケット３は、無機繊維とアラミド繊維に無機充填剤を加え、バインダーとして耐油性合成ゴムを配合した非石綿ジョイントシールである。このガスケット３の寸法は以下の通りである。また、該当規格は、ＪＩＳ Ｆ０６０２ＨＪ、ＡＳＴＭ１０４Ｆ７１２１００−Ｂ５Ｅ１２Ｍ５である。なお、かかるガスケット３は本実験で使用した例であり、本発明のガスケット３がかかる例に限定されるものではない。
サイズ ６５Ａの鋼管：ガスケット３の外径１２４ｍｍ、内径７７ｍｍ、厚み３ｍｍ
サイズ１００Ａの鋼管：ガスケット３の外径１５９ｍｍ、内径１１５ｍｍ、厚み３ｍｍ
サイズ２００Ａの鋼管：ガスケット３の外径２７０ｍｍ、内径２１８ｍｍ、厚み３ｍｍ

ルーズフランジ式フレア管継手には、１ＭＰａの空気を封入後、引張軸力を加えながら、圧力が急激に低下したときの荷重（リーク荷重）を求めた。このリーク荷重を管体の降伏荷重で除して、シール性指標αを評価した。かかる実験結果を次の表１に示す。

実施例１〜１２ではθが本発明の範囲内（８７°〜８９°）であり、αは８０％以上であった。これに対して比較例１〜４、６〜１０、１３〜１６ではθが大きすぎるため、αは８０％に満たなかった。また、フレア部端面角度θが小さすぎる比較例５、１１、１２、１７では、継手締結時または引張荷重負荷時にガスケット３が破損した。

従って、かかる実験結果によれば、フレア部端面角度θが８９°より大きいと、シール性指標αが８０％未満となり所望のシール性能が得られず、一方、θが８７°未満であると、ガスケット３が破損してしまうため、好適でないといえる。これに対して、フレア部端面角度θが８７°以上、８９°以下であれば、シール性指標αが８０％以上となり、継手に過大な外力が負荷された際でも好適なシール性を発揮でき、かつ、ガスケット３も破損しないことが実証されたといえる。

以上、本実施形態にかかるルーズフランジ式フレア管継手について詳細に説明した。本実施形態によれば、鋼管１のフレア部端面角度θを適切な角度（８７°〜８９°）に調整することで、衝合されたフレア部２間に介在するガスケット３に対する接触面圧を適切に高めることができる。従って、地震時などにおいて、継手に過度な引張荷重、曲げ荷重などが負荷された場合においても、継手のシール性を確保して、配管内の移送流体の漏れを防止できる。

また、本実施形態にかかるルーズフランジ式フレア管継手では、鋼管１の接合部のシール性を向上させるためには、フレア部２をつば出し加工する際にフレア部端面角度θを調整するだけでよい。従って、上記特許文献６のように、テーパー形状を有するフレア部を形成するために、成形加工途中で工具を変更する必要がない。よって、フレア部２のつば出し加工の工程を簡便にすることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明の一実施形態にかかるルーズフランジ式フレア管継手の一例の模式図である。 フレア部端面角度θを示した図である。 衝合部の接触面圧に及ぼすフレア部端面角度θの影響を示した図である。 シール性に及ぼすフレア部端面角度θの影響を示す図である。 フレア加工の模式図である。

符号の説明

１：鋼管
２：フレア部
３：ガスケット
４：ルーズフランジ
５：ボルト
６：ナット
７：コーン
８：鋼管の中心軸
９：フレア部の端面

Claims (7)

1. ２本の鋼管の端部にそれぞれつば出し加工によって形成されたフレア部を、ガスケットを介在させて衝合し、当該両フレア部をルーズフランジで挟持するルーズフランジ式フレア管継手のシール性を改善する方法であって、
   前記ルーズフランジ式フレア管継手の非締結時の、前記鋼管の中心軸に対する前記フレア部の端面の角度θを８７°〜８９°に制御することを特徴とする、ルーズフランジ式フレア管継手のシール性改善方法。
2. 前記ガスケットは非石綿ジョイントシールからなることを特徴とする、請求項１に記載のルーズフランジ式フレア管継手のシール性改善方法。
3. 前記ルーズフランジ式フレア管継手に対して引張荷重又は曲げ荷重が負荷されたときに、衝合された前記フレア部間に介在する前記ガスケットに対する接触面圧を高めるように、前記ルーズフランジ式フレア管継手の非締結時の、前記鋼管の中心軸に対する前記フレア部の端面の角度θを８９°以下に制御することを特徴とする、請求項１又は２に記載のルーズフランジ式フレア管継手のシール性改善方法。
4. ２本の鋼管の端部にそれぞれつば出し加工によって形成されたフレア部を、ガスケットを介在させて衝合し、当該両フレア部をルーズフランジで挟持するルーズフランジ式フレア管継手において、前記フレア部の端面の角度を制御する方法であって、
   前記ルーズフランジ式フレア管継手の非締結時の、前記鋼管の中心軸に対する前記フレア部の端面の角度θを８７°〜８９°に制御することを特徴とする、ルーズフランジ式フレア管継手のフレア部端面角度制御方法。
5. 前記ガスケットは非石綿ジョイントシールからなることを特徴とする、請求項４に記載のルーズフランジ式フレア管継手のフレア部端面角度制御方法。
6. 前記ルーズフランジ式フレア管継手に対して引張荷重又は曲げ荷重が負荷されたときに、衝合された前記フレア部間に介在する前記ガスケットに対する接触面圧を高めるように、前記ルーズフランジ式フレア管継手の非締結時の、前記鋼管の中心軸に対する前記フレア部の端面の角度θを８９°以下に制御することを特徴とする、請求項４又は５に記載のルーズフランジ式フレア管継手のフレア部端面角度制御方法。
7. 前記鋼管の端部に前記フレア部を形成するときに、自転する円錐ローラを前記鋼管に対して相対的に公転させながら前記鋼管の端部に接触させ、前記円錐ローラの中心軸と前記鋼管の中心軸との角度を漸次大きくすることにより、前記鋼管の中心軸に対する前記フレア部の端面の角度θを８７°〜８９°に制御することを特徴とする、請求項４〜６のいずれか一項に記載のルーズフランジ式フレア管継手のフレア部端面角度制御方法。
   

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