JP4557006B2 - プラグ、プラグを用いた拡管方法及び金属管の製造方法及び金属管 - Google Patents

Description

本発明は、金属管の端部を拡管するためのプラグ及びそのプラグを用いた金属管端部の拡管方法及び金属管の製造方法に関する。

ラインパイプや油井管として使用される金属管の端部は高い寸法精度が要求される。ラインパイプは通常、現地において隣接する他のラインパイプに溶接される。互いに溶接されるラインパイプ同士の端部の内径寸法が異なれば溶接不良が生じ、溶接部の欠陥を引き起こす。油井管は通常ネジ加工された端部により互いにつなぎ合わされる。端部の内径寸法の精度が悪ければ、所定のネジ形状に加工できない。

金属管の端部の内径寸法の精度を向上することを目的に、金属管端部は拡管される。

図１Ａ〜図１Ｃを参照して、エキスパンド装置はチャック２とプラグ３とシリンダ４とを備える。プラグ３の形状は先端から順にテーパ部３１と平行部３２とで連続的に形成される。テーパ部３１の外径は先端でＤ１０、後端でＤ１１であり、Ｄ１１はＤ１０よりも大きい。テーパ部３１のテーパ角Ｒ１は一定である。平行部３２の外径はＤ１１で長手方向に一定である。

金属管１の端部を拡管する前、金属管１をチャック２によりエキスパンド装置に固定する。このとき、図１Ａに示すように、固定された金属管１の軸心をプラグ３の軸心に合わせる。続いて、図１Ｂに示すように、プラグ３を金属管１の端部から所定の距離まで軸方向に押し込む。プラグ３はシリンダ４により金属管１に押し込まれる。これにより、金属管１の端部は拡管される。

金属管端部から所定の距離までプラグ３を押し込んだ後、図１Ｃに示すように、プラグ３を押し込んだ方向と反対方向に抜く。以上の方法によりプラグ３の外径に基づいて金属管１の端部の内径寸法を所望の寸法にすることができる。そのため、端部の内径寸法精度を向上できる。

しかしながら、上述した従来の拡管方法では、拡管後の金属管端部の内径が周方向でばらつき、金属管端部の横断面が真円ではなかった。また、軸方向の内径寸法にもばらつきが生じていた。

本発明の目的は、金属管端部の寸法精度を向上できるプラグ、そのプラグを用いた拡管方法及び金属管の製造方法を提供することである。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明者らは、金属管１の端部の内径寸法誤差の発生原因を調査するため、従来のプラグを用いて金属管端部を拡管した。その結果、図２に示すように拡管された金属管１の端部の内径Ｄ２０が平行部３２の外径Ｄ１１よりも大きく変形することを見出した。以下、このような変形をオーバーシュート変形と称する。

プラグ３により金属管１の端部を拡管するとき、テーパ部３１が通過中の金属管部分１１は、金属管１の外方向に曲げ加工を受ける。その結果、金属管部分１１は拡管される。平行部３２が通過中の金属管部分１２は、テーパ部３１から曲げ加工を受けない。しかしながら金属管部分１２は、金属管部分１１がテーパ部３１から受ける曲げ加工の影響を受ける。そのため、金属管部分１２でオーバーシュート変形が生じる。

オーバーシュート変形中、金属管部分１２は平行部３２と接触しない。換言すれば、金属管１は平行部３２を拘束しないため、平行部３２から反力を受けない。そのため、金属管部分１２の内面が不安定になり、不均一なオーバーシュート変形が発生する。この不均一な変形により金属管部分１２の内径は不均一となり、横断面は真円にならない。さらに、金属管部分１２の内径は軸方向で不均一になる。

本発明者らは、平行部３２が通過中の金属管部分１２でオーバーシュート変形を発生させなければ、金属管１の端部の内径寸法精度が向上すると考えた。オーバーシュート変形がなければ、金属管１は平行部３２に接触するため、端部の内径は平行部３２の外径と等しくなるからである。

金属管部分１２でオーバーシュート変形を発生させないためには、プラグ３により金属管１の端部の内径がＤ１１に拡張されるまでに予めオーバーシュート変形を発生させ、かつ、オーバーシュート変形を終了させればよい。換言すれば、テーパ部３１が通過中の金属管部分１１でオーバーシュート変形を発生させ、かつ、終了させればよい。

そこで、本発明者らは、種々の内径及び肉厚を有する金属管１の端部をプラグ３を用いて拡管し、発生したオーバーシュート変形量を調査した。調査の結果、式（Ａ）で示す拡管率が８％以下の場合、オーバーシュート変形量は平行部３２の外径Ｄ１１の１％未満であることを新たに見出した。オーバーシュート変形量は、金属管１の内径及び肉厚には依存しなかった。
拡管率＝（Ｄ２０−Ｄ３０）／Ｄ３０×１００（％） （Ａ）
ここで、Ｄ３０は拡管前の金属管１の内径であり、Ｄ２０は拡管された金属管１の内径である。

以上の検討及び調査結果に基づいて、本発明者らは、以下の発明を完成させた。

本発明によるプラグは、金属管の端部を拡管するためのプラグであって、横断面は円であり、先端から順にテーパ部と平行部とで連続的に形成され、テーパ部の外径は先端から後端に向かって徐々に大きくなり、後端側でＤ１であり、外径がＤ２＝Ｄ１×０．９９の表面から外径Ｄ１の表面までの軸方向の距離ＬＲは式（１）を満たし、Ｄ２の表面のテーパ角はＤ２より後端側の表面のテーパ角以上であり、平行部の外径はＤ１である。
２２≦ＬＲ／（（Ｄ１−Ｄ２）／２）≦１１５ （１）

本発明によるプラグでは、テーパ部における外径Ｄ２の表面のテーパ角がＤ２よりも後端側の表面のテーパ角以上であり、かつ、距離ＬＲが式（１）を満たす。そのため、テーパ部の外径Ｄ２の表面から後端側では、金属管はプラグによる曲げ加工をほとんど受けない。その結果、外径Ｄ２の表面からテーパ部後端までの間で金属管をオーバーシュート変形させることができる。先述したとおり、オーバーシュート変形量は平行部の外径Ｄ１の１％未満であるため、オーバーシュート変形は、外径Ｄ２の表面からテーパ部後端までの間で終了する。換言すれば、金属管のうち、平行部が通過中の部分はオーバーシュート変形しない。そのため、金属管の内面は平行部に接触する。これにより、金属管端部の内径は平行部の外径と等しくなり、内径寸法精度が向上する。

本発明による金属管端部の拡管方法は、金属管に上記のプラグを金属管の端部から所定の距離まで軸方向に押し込む工程と、押し込みを止め、押し込んだ方向と反対の方向へプラグを抜き取る工程とを備える。

本発明による金属管端部の拡管方法では、上記プラグを用いて金属管を拡管する。そのため、上述のとおり金属管端部の内径はプラグの平行部の外径と等しくなり、内径寸法精度が向上する。
本発明による金属管の製造方法は、素材を軸方向に穿孔して素管にする工程と、素管を軸方向に延伸する工程と、延伸した素管を所望の外径寸法に加工する工程と、加工した素管に上記のプラグを素管の端部から所定の距離まで軸方向に押し込む工程と、押し込みを止め、押し込んだ方向と反対の方向へプラグを抜き取る工程とを備える。
本発明による金属管の製造方法では、上記プラグを用いて素管を拡管する。そのため、上述のとおり金属管端部の内径はプラグの平行部の外径と等しくなり、内径寸法精度が向上する

本発明による金属管は、中央が第１の円筒部、両端のうちの少なくとも一端が第２の円筒部、第１及び第２の円筒部の間がテーパ部で連続的に形成された金属管であって、第１の円筒部の外径はＤＡであり、第２の円筒部の外径は前記第１の円筒部の外径ＤＡより大きいＤＢであり、テーパ部の外径は、第１の円筒部から第２の円筒部に向かってＤＡからＤＢに徐々に大きくなり、かつ、外径がＤＣ＝ＤＢ×０．９９である表面からＤＢである表面までの軸方向の距離ＬＥが式（２）を満たす。
２２≦ＬＥ／（（ＤＢ−ＤＣ）／２）≦１１５ （２）

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

１．プラグ
図３を参照して、本実施の形態によるプラグは、先端から順にテーパ部３０１と平行部３０２とで連続的に形成される。プラグ３０の横断面は円である。

テーパ部３０１は、金属管の端部を拡管する役割を有する。テーパ部３０１の外径は先端から後端に向かって徐々に大きくなり、後端側でＤ１である。

テーパ部３０１では、外径Ｄ２＝Ｄ１×０．９９である表面のテーパ角Ｒ１は外径Ｄ２の表面より後端側の表面のテーパ角Ｒ２よりも大きい。さらに、外径Ｄ２の表面からＤ１の表面までの軸方向の距離ＬＲは、以下の式（１）を満たす。
２２≦ＬＲ／（（Ｄ１−Ｄ２）／２）≦１１５ （１）

拡管時に平行部３０２を通過中の金属管でオーバーシュート変形を発生させないためには、テーパ部３０１を通過中の金属管で予めオーバーシュート変形を発生させ、かつ、オーバーシュート変形を終了させればよい。（Ｄ１−Ｄ２）に対し距離ＬＲを長くすることにより、テーパ角Ｒ２を小さくすることができる。そのため、図４に示すように、外径Ｄ２の表面より後端側の領域５０でプラグ３０は金属管１と接触しない。そのため、領域５０の金属管１でオーバーシュート変形が発生する。

金属管１の拡管率が８％以下である場合、先述のとおり、オーバーシュート変形量はＤ１の１％未満である。そのため、外径Ｄ２（＝Ｄ１×０．９９）の表面直後の領域５０でオーバーシュート変形を発生させればオーバーシュート変形終了後の金属管１の内径はＤ１以上にならない。

オーバーシュート変形後の金属管１は、テーパ部３０１に再び接触し、平行部３０２の先端までの領域５１で若干拡管される。しかしながら、上述のとおりテーパ角Ｒ２は小さいため、領域５１での拡管率は極めて小さい。換言すれば、領域５１で金属管１の内面がテーパ部３０１から受ける接触力は極めて小さい。そのため、領域５１で受けた力に基づくオーバーシュート変形はほぼ生じない。よって、平行部３０２を通過する金属管１は平行部３０２に接触する。

以上により、本実施の形態のプラグ３０を用いて金属管端部を拡管する場合、金属管端部の内径寸法は周方向や軸方向でばらつくことなく常にＤ１となる。

なお、距離ＬＲが式（１）の下限値以上であれば、上記効果を有効に発揮できる。式（１）の上限値を１１５としたのは、これ以上距離ＬＲを長くすれば、プラグ３０自体の長さが長くなりすぎ、プラグの製造コスト及びエキスパンド装置の設備コストが高くなるためである。要するに、上限値が１１５以上であっても、本発明の効果は有効に得られる。

また、拡管率が８％以下の場合に上記効果は特に有効に得られるが、拡管率が８％よりも高い場合であっても上記効果をある程度得ることができる。

図３ではテーパ部３０１の表面が直線となっているが、他の形状でもよい。たとえば図５に示すように、テーパ部３０１の表面が曲面であってもよい。要するに、テーパ部３０１の外径は、先端から外径Ｄ１の後端に向かって徐々に大きくなり、テーパ角Ｒ１がテーパ角Ｒ２以上であり、かつ、距離ＬＲが式（１）を満たせばよい。なお、図５のようにテーパ部３０１の表面が曲面である場合のテーパ角Ｒは、テーパ部３０１内の所定の表面の接線と軸方向に平行な直線とで形成された角度をいう。具体的には、外径Ｄ２の表面の接線と軸方向に平行な直線とで形成された角度がテーパ角Ｒ１であり、外径Ｄ２よりも後端側の表面の接線と軸方向に平行な直線とで形成された角度がテーパ角Ｒ２となる。

なお、図３では、テーパ角Ｒ１をＲ２と異なる角度にしているが、同じ角度にしてもよい。プラグのテーパ角がＲ２で一定であり、かつ式（１）を満たすプラグにより金属管を拡管した場合、テーパ部及び平行部を通過中の金属管にオーバーシュート変形はほとんど生じない。そのため本発明の効果が有効に得られる。このようなプラグは先端から外径Ｄ２までの軸方向距離が長くなるため設備コストは高くなる。

要するに、プラグ３０において、テーパ角Ｒ１≧Ｒ２であり、かつ、ＬＲが式（１）を満足していればよい。

プラグ３０の素材は特に制限されない。たとえばハイス鋼であってもよいし、超硬合金であってもよい。また、プラグ３０表面の粗度は限定されない。プラグ３０の表面はコーティング加工されてもよい。

２．製造方法
本実施の形態による金属管の製造方法について説明する。高炉又は電炉溶解により溶鋼を製造し、製造した溶鋼を周知の方法で精錬する。
精錬後、溶鋼を連続鋳造法又は造塊法により、たとえば、スラブ、ブルーム、ビレット、又はインゴットにする。
スラブやブルーム、インゴットを熱間加工してビレットにする。このとき、熱間圧延によりビレットにしてもよいし、熱間鍛造によりビレットにしてもよい。
続いて、ビレットをピアサにより軸方向に穿孔して素管にする（穿孔工程）。穿孔工程後、素管をマンドレルミルにより軸方向に延伸する（延伸工程）。延伸工程後、素管を所望の外径寸法に加工する（定径工程）。
定径工程後、素管の端部を拡管する（拡管工程）。以下、拡管工程、つまり、金属管の端部の拡管方法について説明する。図６Ａ〜図６Ｃを参照して、エキスパンド装置はチャック２及びシリンダ４を備える。定径工程後の素管である金属管１をチャック２によりエキスパンド装置に固定する。また、プラグ３０をエキスパンド装置のシリンダ４の先端に周知の方法により取り付ける。続いて、金属管１の軸心をプラグ３０の軸心に合わせる（図６Ａ）。

軸心を合わせた後、シリンダ４によりプラグ３０を金属管１の端部から所定の距離まで押し込む。このとき、金属管１の端部はプラグ３０により拡管される（図６Ｂ）。所定の距離までプラグ３０を押し込んだ後、シリンダ４によりプラグ３０を押し込んだ方向と反対方向に引き抜く（図６Ｃ）。

以上の製造工程により製造された金属管１は、第１の円筒部１０１、端部の第２の円筒部１０２、第１及び第２の円筒部の間のテーパ部１０３で連続的に形成される（図６Ｄ）。第１の円筒部１０１の外径はＤＡであり、拡管された部分である第２の円筒部１０２の外径ＤＢはＤＡよりも大きい。

テーパ部１０３の形状はプラグ３０の形状により決定される。具体的には、テーパ部１０３の内径は第１の円筒部１０１から内径Ｄ１の第２の円筒部１０２に向かって徐々に大きくなり、第２の円筒部１０２側の内径はＤ１である。さらに、内径Ｄ２＝Ｄ１×０．９９の内周面から内径Ｄ１の内周面までの軸方向距離ＬＲは式（１）を満たす。要するに、テーパ部１０３の内周面の形状はプラグ３０のテーパ部３０１の外周面の形状と同じである。

さらに、テーパ部１０３の外周面の形状は、テーパ部１０３の内周面の形状とほぼ同じである。具体的には、テーパ部１０３の外径は、第１の円筒部１０１から第２の円筒部１０２に向かってＤＡからＤＢに徐々に大きくなる。さらに、外径がＤＣ＝ＤＢ×０．９９の外周面からＤＢの外周面までの軸方向距離ＬＥは式（２）を満たす。
２２≦ＬＥ／（（ＤＢ−ＤＣ）／２）≦１１５ （２）

上述した拡管工程で拡管された金属管１は図６Ｄに示す形状であってもよいし、図７Ａに示すように、両端部が第２の円筒部１０２で形成されていてもよい。また、図７Ｂに示すように、一端が拡管された第２の円筒部１０２で形成され、他端が縮径された第３の円筒部１０４で形成され、第３の円筒部１０４と第１の円筒部１０１との間のテーパ部１０５で連続的に形成されてもよい。第３の円筒部１０４及びテーパ部１０５はダイスに管端を押し込む等の方法により加工される。

上述した製造方法では、定径工程後に拡管工程を実施したが、素管の軸方向の曲がりの矯正や真円度の向上を目的とした矯正工程を、定径工程前に実施してもよい。矯正工程は、たとえばストレートナを用いて実施される。
また、素管の強度や靭性等の特性を調整するために、定径工程と矯正工程との間に熱処理を実施してもよい。
矯正工程後、素管端部の内径寸法を調整するために、素管端部を絞り加工してもよい（スエージング工程）。たとえば、ダイスを用いて素管端部を押出加工して素管端部の内径寸法を調整し、その後、拡管工程を実施する。
また、拡管工程により金属管に発生した加工歪や残留応力を除去するために、拡管された部分を熱処理してもよい。また、強度や靭性といった金属管の機械特性を調整ｓるうために、拡管工程後に熱処理を実施してもよい。 上述した金属管の製造方法では、素管として継目無鋼管を製造し、その継目無鋼管に対して拡管工程を実施したが、溶接鋼管を用いて、その溶接鋼管に対して拡管工程を実施してもよい。

種々の形状のプラグを用いて金属管端部を拡管し、拡管後の金属管の内径寸法、真円度及び外径寸法を調査した。

［調査方法］
試験で用いたプラグの形状を図８及び表１に示す。外径Ｄ１、Ｄ２及びテーパ角Ｒ１，Ｒ２，軸方向距離ＬＲの定義は図３と同じである。外径Ｄ０はプラグ先端の外径である。軸方向距離ＬＢはプラグの平行部の長さである。表１中のＦ１値は式（３）に基づいて求められた値である。
Ｆ１＝ＬＲ／（（Ｄ１−Ｄ２）／２） （３）

試験ＮＯ１〜３及び６〜８のプラグの形状は本発明の規定範囲を満たした。一方、試験ＮＯ４，５，９，１０のプラグの形状は本発明の規定範囲外であった。具体的にはいずれのプラグもＦ１値が式（１）の下限値未満であった。なお、試験ＮＯ５及び１０のプラグは、テーパ角Ｒ１及びＲ２が一定で、かつ、Ｆ１値が式（１）を満たさない従来のプラグ形状であった。

各試験ＮＯで使用した拡管前の金属管の外径は３００ｍｍであり、長さは４０００ｍｍであった。また、内径Ｄ１００及び肉厚は表１に示した通りであった。

各試験ＮＯのプラグをエキスパンド試験装置に取り付け、取り付けたプラグを用いて各試験ＮＯの金属管端部を拡管した。具体的には、プラグを金属管端部から押し込み、プラグの先端から金属管端部までの距離が２００ｍｍとなるまで押し込んだ。プラグを抜き取った後、拡管された金属管端部（図６Ｄにおける第２の円筒部１０２に相当）の内径Ｄ２００を求めた。具体的には、ノギスを用いて第２の円筒部の内径を周方向に等間隔の８箇所で測定した。測定した内径の平均値を内径Ｄ２００とした。内径Ｄ２００を表１に示す。

測定した内径のうち、最大のものと最小のものとの差を真円度とした。真円度が０．５ｍｍ以下の場合合格とし（表１中「○」で表示）、０．５ｍｍを超えた場合不合格とした（表１中「×」で表示）。

さらに、第２の円筒部の外径ＤＢを測定した。具体的には、ノギスを用いて第２の円筒部の外径を周方向に等間隔の８箇所で測定し、その平均値を外径ＤＢとした。外径ＤＢからＤＣ＝ＤＢ×０．９９を算出した。外径ＤＣの外周面から外径ＤＢの外周面までの軸方向距離ＬＥをノギスにより測定した。求めた外径ＤＢ、ＤＣ、軸方向距離ＬＥ及び式（４）に基づいて表１に示すＦ２値を求めた。
Ｆ２＝ＬＥ／（（ＤＢ−ＤＣ）／２） （４）

［調査結果］
表１を参照して、試験ＮＯ１〜３の金属管の内径Ｄ２００はいずれも２８８．４ｍｍであり、各試験ＮＯで使用したプラグの平行部の外径Ｄ１と同じであった。また、真円度はいずれも０．５ｍｍ未満であった。

試験ＮＯ６〜８の金属管の内径Ｄ２００はいずれも２４７．２ｍｍであり、各試験で使用したプラグの平行部の外径Ｄ１と同じであった。さらに、真円度はいずれも０．５未満であった。

また、試験ＮＯ１〜３及び６〜８の拡管後の金属管の管テーパ部（図６Ｄの管テーパ部１０３に相当）の表面形状は、プラグのテーパ部の表面形状とほぼ同じであった。また、Ｆ２値は式（２）の範囲内であった。

一方、試験ＮＯ４，５，９，１０の金属管の内径Ｄ２００はいずれもプラグ平行部の外径Ｄ１よりも大きい寸法であった。プラグ平行部でオーバーシュート変形が発生したためと考えられる。また、真円度はいずれも０．５ｍｍを超えた。Ｆ２値は式（２）の下限値未満であった。

なお、金属管の肉厚は内径寸法精度及び真円度に影響しなかった。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

本発明によるプラグは、金属管の拡管に広く利用可能であり、特に、油井管及びラインパイプの端部の拡管に利用可能である。

従来のプラグを用いた拡管工程の第１工程を示す図である。 従来のプラグを用いた拡管工程の第２工程を示す図である。 従来のプラグを用いた拡管工程の第３工程を示す図である。 拡管時に金属管端部の内径寸法に誤差が生じる原因を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態によるプラグの側面図である。 図２に示すプラグで金属管端部を拡管するときの金属管の加工状態を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態による他の例のプラグの側面図である。 図２のプラグを用いた拡管工程の第１工程を示す図である。 図２のプラグを用いた拡管工程の第２工程を示す図である。 図２のプラグを用いた拡管工程の第３工程を示す図である。 図２のプラグを用いて拡管した金属管の側面図である。 図２のプラグを用いて拡管した他の例の金属管の側面図である。 図２のプラグを用いて拡管した他の例の金属管の側面図である。 実施例で用いたプラグの側面図である。

Claims (4)

1. 金属管の端部を拡管するためのプラグであって、
   横断面は円であり、先端から順にテーパ部と平行部とで連続的に形成され、
   前記テーパ部の外径は先端から後端に向かって徐々に大きくなり、後端側でＤ１であり、外径がＤ２＝Ｄ１×０．９９の表面から外径Ｄ１の表面までの軸方向の距離ＬＲは式（１）を満たし、Ｄ２の表面のテーパ角はＤ２より後端側の表面のテーパ角以上であり、
   前記平行部の外径はＤ１であることを特徴とするプラグ。
   ２２≦ＬＲ／（（Ｄ１−Ｄ２）／２）≦１１５ （１）
2. 金属管に請求項１に記載のプラグを前記金属管の端部から所定の距離まで軸方向に押し込む工程と、
   押し込みを止め、押し込んだ方向と反対の方向へ前記プラグを抜き取る工程とを備えたことを特徴とする金属管端部の拡管方法。
3. 素材を軸方向に穿孔して素管にする工程と、
   前記素管を軸方向に延伸する工程と、
   前記延伸した素管を所望の外径寸法に加工する工程と、
   前記加工した素管に請求項１に記載のプラグを前記素管の端部から所定の距離まで軸方向に押し込む工程と、
   押し込みを止め、押し込んだ方向と反対の方向へ前記プラグを抜き取る工程とを備えたことを特徴とする金属管の製造方法。
4. 中央が第１の円筒部、両端のうちの少なくとも一端が第２の円筒部、前記第１及び第２の円筒部の間がテーパ部で連続的に形成された金属管であって、
   前記第１の円筒部の外径はＤＡであり、
   前記第２の円筒部の外径は前記第１の円筒部の外径ＤＡより大きいＤＢであり、
   前記テーパ部の外径は、前記第１の円筒部から第２の円筒部に向かってＤＡからＤＢに徐々に大きくなり、かつ、外径がＤＣ＝ＤＢ×０．９９である表面からＤＢである表面までの軸方向の距離ＬＥが式（２）を満たすことを特徴とする金属管。
   ２２≦ＬＥ／（（ＤＢ−ＤＣ）／２）≦１１５ （２）

Images