JP4551463B2 - 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）。

このルーズフランジ式フレア管継手は火気を必要としないことから、例えば、船舶内配管における需要も高まっている。この場合、船舶のエンジン振動、波動による振動により継手部には繰り返しの引張応力が負荷される。したがって、繰り返し荷重下においてもシール性が維持できるルーズフランジ式フレア管継手が要求されるようになってきた。

これに対して、繰り返し荷重が負荷された際に、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、繰り返し応力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は提案されている（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、繰り返し応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とフレア部コーナーの曲率半径との関係を制御し、繰り返し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と、前記フレア部と前記鋼管との間のコーナー曲率半径Ｒ［ｍｍ］とが、下記式１を満足するよう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と、前記フレア部と前記鋼管との間のコーナー曲率半径Ｒ［ｍｍ］とが、下記式１を満足するように制御することを特徴とする、フレア部制御方法が提供される。

さらに、前記角度θが９１°以下であるようにしてもよい。

さらに、前記角度θが９１°以下であるようにしてもよい。

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繰り返し応力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３参照。）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、発明者らは１００ＡのＳＧＰ配管を用いて、繰り返し荷重負荷下でのルーズフランジ式フレア管継手のシール性能を評価した。

繰り返し応力を負荷した際のルーズフランジ式フレア管継手のシール性の評価は、以下のようにして行った。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、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。なお、フレア部２の端面９同士の衝合部にはガスケット３を介在させた。

次に、図２に例示したように、ルーズフランジ式フレア管継手を、鋼管１ａ、１ｂの接合部に曲げ応力が加わるように、４点曲げ試験機１０に設置した。その後、ルーズフランジ式フレア管継手に１ＭＰａの空気を充填し、繰り返し曲げ荷重を負荷した。繰り返し曲げ荷重を負荷しながら空気圧を測定し、急激に空気圧が低下した際にリークが生じたと判断して、試験を終了した。

曲げ荷重は、次式（２）及び（３）で表される曲げ応力σ_Bが５０ＭＰａとなるように制御した。ただし、Ｍ：曲げモーメント、Ｚ：断面係数、Ｗ_Ｂ：曲げ荷重、Ｌ_Ａ：短スパン、Ｌ_Ｂ：長スパン、である。

急激な内圧低下が見られた継手を調査したところ、フレア部２と鋼管１との間のコーナー部（図３のＲの近傍）より亀裂が発生し、鋼管１の外面から内面に向けて貫通していることがわかった。そこで、ルーズフランジ式フレア管継手の疲労強度を向上させるため、コーナー部に発生する応力を低下させる方法について検討した。なお、フレア部２と鋼管１との間のコーナー部は、図３に示すように、フレア部２と鋼管１との連結箇所外側で内側に湾曲した部分を指し、このコーナー部での曲率半径Ｒを、コーナー曲率半径Ｒと称する。

本発明者らが着目したのは、図３に示した鋼管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。）と、フレア部２と鋼管１との間のコーナー曲率半径Ｒ（以下「コーナーＲ」という。）との関係である。有限要素法解析（ＦＥＡ）により、継手を締結する際に、コーナー部に発生する表面応力とフレア部端面角度θとの関係を求めた。

結果を図４に示す。これよりフレア部端面角度θが９０゜より小さくなると、継手締結時の応力が圧縮側になり、その後の引張応力負荷時にも疲労強度に対して有利に働くことが推測できる。また、フレア部端面角度θが９１゜を超えた付近から降伏現象が現れることも、フレア部端面角度θとコーナー部に発生する表面応力との関係が線形性を失われることから判断できる。

さらにコーナー部の応力を低下させる手段として、コーナーＲを大きくすることが考えられる。そこでＦＥＡにより５０ＭＰａに相当する曲げ負荷時に、コーナー部で発生する応力振幅と平均応力を評価した。その結果、疲労破壊を防止するためには、フレア部端面角度θとコーナーＲとの関係を次式（１）に示す特定の関係に保つことが重要であると推定された。

そこで、１００Ａ（外径１１４．３ｍｍ、肉厚４．５ｍｍ）のＳＧＰ鋼管を用いて、フレア部端面角度θとコーナーＲとを変化させたルーズフランジ式フレア管継手を製造し、図２に示した試験機１０を用いて、上述の方法と同様の曲げ疲労試験を行った。この試験では、１００万回の曲げ荷重繰り返し負荷に対しても内圧が急激に低下しなかった鋼管を合格とした。

曲げ疲労試験結果を図５に示す。図５の○はリークが発生しないこと、×はリークが発生したことを意味する。これより式（１）を満たす継手に対しては１００万回の繰り返し荷重を負荷してもリークは発生しないことがわかる。一方、式（１）を満たさない継手は、１００万回未満の繰り返し荷重の負荷によってリークを起こし、検査の結果、コーナー部より亀裂が貫通していることがわかった。

また、フレア部端面角度θは、小さいほどコーナーＲの許容度は大きくなる。しかし、フレア部端面角度θが小さすぎると、継手を締結した際に局所的にガスケット３に過大な面圧が発生する。特に、フレア部端面角度θが８７°未満になると、ガスケットが破断することがあるため、θの下限を８７°以上とする。一方、フレア部端面角度θが９１°を超えると、コーナー部に降伏が生じることがあるため、上限を９１°以下とすることが好ましい。

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６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とコーナーＲを変化させたときの、リークまでのサイクル回数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及びコーナーＲ（図３）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、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で接合された鋼管１ａ、１ｂを図２に示したように４点曲げ試験機１０に設置し、内部には１ＭＰａの空気を封入し、継手の接合部に繰り返し応力を負荷した。なお、下記式（２）及び（３）から計算される曲げ応力σ_Bが５０ＭＰａになる曲げ荷重の負荷、除荷を最高１００万回繰り返し、圧力が急激に低下したときをリークまでの繰り返しサイクル数とした。

ただし、Ｍ：曲げモーメント、Ｚ：断面係数、Ｗ_Ｂ：曲げ荷重、Ｌ_Ａ：短スパン、Ｌ_Ｂ：長スパン、である。かかる実験結果を表１に示す。

実施例１〜１９ではフレア部端面角度θとコーナーＲとの関係が適正であり（上記式（１）を満たす関係）、１００万回の繰り返し曲げ負荷に対しても継手からリークが生じることはなかった。これに対して比較例１〜１８では、フレア部端面角度θが、コーナーＲとの関係で式（１）により定められる上限値よりも大きいため、曲げ繰り返し数が１００万回に達する以前にリークを生じた。比較例１９〜２２は、フレア部端面角度θが８７°よりも小さいため、継手締結時にガスケット３が破断した。また、フレア部端面角度θが９１°より大きい比較例３、５、１１、１３、１６、１７、１８では、コーナー部に降伏が生じたが、フレア部端面角度θが９１°以下である場合には、コーナー部の降伏は観察されなかった。

従って、かかる実験結果によれば、フレア部端面角度θが、コーナーＲとの関係式（１）の右辺を満たさない場合、繰り返し荷重に対する所望の耐リーク性能が得られず、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°以上であり、かつ、コーナーＲとの関係式（１）の右辺を満たす場合、リークまでの繰り返しサイクル数が１００万回を超え、継手に繰り返し応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。さらに、フレア部端面角度θを９１°以下とすることで、継手組立時に、鋼管１とフレア部２との連結箇所にあるコーナー部が降伏することを防止できる。

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とコーナーＲを、上記式（１）を満たす適切な値に調整することで、繰り返し荷重に対する耐リーク性能を高めることができる。従って、例えば、舶内配管において船舶のエンジン振動、波動による振動によって継手に繰り返し応力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。 繰り返し曲げ負荷試験の模式図である。 フレア部端面角度θとコーナーＲとを示した図である。 コーナー部の表面応力とフレア部端面角度θの関係を示す図である。 シール性に及ぼすフレア部端面角度θとコーナーＲ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
１０：４点曲げ試験機

Claims (9)

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と、前記フレア部と前記鋼管との間のコーナー曲率半径Ｒ［ｍｍ］とが、下記式１を満足するよう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. 前記角度θが９１°以下であ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. 前記ルーズフランジ式フレア管継手に対して繰り返し荷重が負荷されたときに、前記フレア部と前記鋼管との間のコーナー部に発生する表面応力を低下させるように、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と、前記フレア部と前記鋼管との間のコーナー曲率半径Ｒ［ｍｍ］とが、前記式１を満足するように制御することを特徴とする、請求項１〜３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シール性改善方法。
5. 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と、前記フレア部と前記鋼管との間のコーナー曲率半径Ｒ［ｍｍ］とが、下記式１を満足するよう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制御方法。
   
6. 前記角度θが９１°以下であることを特徴とする、請求項５に記載のルーズフランジ式フレア管継手のフレア部制御方法。
7. 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５又は６に記載のルーズフランジ式フレア管継手のフレア部制御方法。
8. 前記ルーズフランジ式フレア管継手に対して繰り返し荷重が負荷されたときに、前記フレア部と前記鋼管との間のコーナー部に発生する表面応力を低下させるように、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と、前記フレア部と前記鋼管との間のコーナー曲率半径Ｒ［ｍｍ］とが、前記式１を満足するように制御することを特徴とする、請求項５〜７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制御方法。
9. 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と、前記フレア部と前記鋼管との間のコーナー曲率半径Ｒ［ｍｍ］とが、前記式１を満足するように制御することを特徴とする、請求項５〜８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制御方法。