JP4613777B2 - 溶接部特性の良好な電縫管の安定製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接部特性の良好な電縫管の安定製造方法に関わり、特に、油井のラインパイプ向けなどの、溶接部の靭性が要求される管、あるいは油井のケーシングパイプなどの、溶接部の強度が要求される管を対象とした製造方法に関わる。

通常、管は、溶接管と継目無管に大別される。溶接管は、電縫鋼管を例とするように、帯材の幅を丸め、丸めた幅の両端部を突き合わせて溶接して製造し、継目無管は、材料の塊を高温で穿孔し、マンドレルミル等で圧延して製造する。溶接管の場合、一般に、溶接部の特性は母材より劣るといわれ、管の適用に当たって、用途ごとに溶接部の靭性や強度の保証が常に議論されて問題となってきた。

例えば、原油や天然ガスなどを輸送するラインパイプでは、管の敷設地が寒冷地に当たることが多いため低温靭性が重要であり、また、原油採掘用の油井では、採掘管を保護するためのケーシングパイプが必要とされ、管の強度が重要視される。
通常、管の母材となる熱延板は、管製造後の母材特性を考慮して成分設計や熱処理等が行われて、母材の靭性や強度等の特性は確保される。

しかし、溶接部の特性は、母材の成分設計や熱処理以上に、電縫溶接方法によって大きく左右されるため、溶接技術の開発が重要であった。
電縫溶接不良の原因としては、ペネトレータと呼ばれる、被溶接端面に生成する酸化物が、電縫溶接時に溶鋼とともに端面から排出されずに残留し、この残留したペネトレータを原因として靭性が低下したり強度不足になる例が多かった。

そこで、従来より、電縫溶接不良の主原因であるペネトレータを溶接部から除くため、被溶接端面から積極的に溶鋼を排出する技術が鋭意検討されてきた。例えば、特許文献１〜５などに、被溶接端面の形状について検討した例が記載されている。すなわち、通常、被溶接端面はスリットや端面研削によってほぼ矩形を呈しているが、これをロール成形の前にテーパ加工して、加工した端部形状によって溶接時の溶鋼排出を良好にすることを目的としている。
特開昭57-31485号公報 特開昭63-317212号公報 特開2001-170779号公報 特開2001-259733号公報 特開2003-164909号公報

一方、電縫管の製造過程では、帯材はロール成形された後、電縫溶接される。このロール成形では、帯材を管にするために帯材の幅の両端部近傍に円周方向の曲げを加えたり、あるいは、電縫溶接での被溶接端部の突き合わせ精度を良好に保つため、フィンパス圧延と呼ばれるロール成形で、帯材の丸めた幅の両端部を拘束して帯材の断面を円に近い形状とする工程が必要である。

これらロール成形過程において、例えばロール成形途中で曲げが加わると、ロール成形前に加工したテーパ形状がゆがんで、いびつな端部形状となり、電縫溶接時に十分な溶鋼排出ができず、ペネトレータを十分取り除くことができない。
また、上述のフィンパス圧延において、幅を丸めた帯材の断面を円形状にするためには、フィンパス圧延用ロールの孔型に、帯材の丸めた幅の両端部を十分充満させる必要があることから、当該端部はフィンに強圧されることになる。その結果、ロール成形前に加工していたテーパが潰れて、十分な量のテーパを確保できなくなるだけでなく、テーパ形状がフィンパス圧延条件に左右されてその形状の予測が困難であるため、いびつな端部形状となる場合もあって、電縫溶接時に十分な溶鋼排出ができず、ペネトレータを十分取り除くことができなくて、溶接品質を良好に保持することが著しく難しかった。

そこで、本発明は、電縫溶接直前の帯材の丸めた幅の両端部の形状を、確実にかつ安定的に所望のテーパ形状となし、溶接品質を良好に安定的に保持しうる、溶接部特性の良好な電縫管の安定製造方法を提供することを目的とする。

先述のように、従来の技術はいずれも、ロール成形の前に帯材の幅の両端面をテーパ加工するものである。これは、帯材の幅の端部が平坦な状態にあるため、端部を加工しやすいという理由で検討されたものであるが、反面、ロール成形の途中で曲げやフィンパス圧延が加わるため、溶接直前の、帯材の丸めた幅の両端部を確実にかつ安定的に所望の形状に保つには著しく不利なものであった。

そこで、発明者らは、帯材の被溶接端部のテーパ加工を、適切な孔型形状の孔型ロールを用いて、上述の問題が生じないような工程により施すことを検討し、本発明をなすに至った。
すなわち、本発明は、その端部を突き合わせて電縫溶接して管とする過程の途中で、前記端部に孔型ロールによる圧延を施してテーパを付与した後に、電縫溶接するものとし、前記テーパは、帯材の厚さ方向の両端面の位置からそれぞれ帯材内部側に帯材の厚さの２０〜４０％の距離だけ入った位置までの範囲内にあって、帯材の長さ方向および厚さ方向にほぼ平行な端面から帯材内部側に２５〜５０度の角度で傾斜した平面からなることを特徴とする溶接部特性の良好な電縫管の安定製造方法である。

本発明では、前記孔型ロールとして、ロール軸にほぼ平行な孔型面をもつ１つの平行部と、該平行部の両側にあってロール軸に対しそれぞれ２５〜５０度の角度で前記平行部から拡径側に傾斜した孔型面をもつ２つのテーパ部とを有し、各テーパ部のロール軸方向長さが、前記平行部と２つのテーパ部との併合部のロール軸方向長さの２０〜４０％になり、さらに、２つのテーパ部の各ロール端側にあってロール軸に対しそれぞれ６０〜８５度の角度で前記テーパ部から拡径側に傾斜した孔型面をもつ２つの傾斜逃がし部を有する孔型ロールを用いることが好ましい。

本発明によれば、電縫溶接直前の帯材の丸めた幅の両端部の形状を、確実にかつ安定的に所望のテーパ形状となし、溶接品質を安定的に良好に保持しうるので、著しく良好な溶接部靭性及び溶接強度を有する電縫管を得ることができる。

本発明において、帯材の成形とは、帯材の幅を段階的に丸めていって帯材の断面を円形状にするものであり、該成形の過程は、帯材の幅の両端部近傍の曲げ加工を行うロール成形初期段階と、帯材を最終的に円形状の断面に仕上げるフィンパス圧延段階とを有する。
まず、帯材の幅の端部近傍の曲げ加工は、ロール成形の初期段階で行われる。従って、この端部の曲げが行われた後に、端部にテーパ加工すると、曲げによるテーパ形状のゆがみがほとんどなく、良好なテーパ形状が保持できて良いわけである。

そこで、発明者らは鋭意検討した結果、成形の過程の途中に孔型ロールを設置して、その孔型形状を適切なもの、すなわち帯材の被溶接端部の目標形状に整合するもの、とすることで、帯材の幅の両端部が緩やかに曲がっていても、該両端部に所望どおりのテーパ形状を付与することが十分可能であることを把握した。
次に、フィンパス圧延において、帯材の丸められつつある幅の両端部が強圧される場合は、フィンパス圧延を終えた帯材の丸めた幅の両端部に当接させるべく、小型の孔型ロールを帯材の進行方向に千鳥状に配列することにより、所望のテーパ形状を付与できる。

発明者らは、造管機内の、ロール成形途中またはロール成形後の段階に対応する箇所に設置する孔型ロールの形状を最適化する検討を行った。従来の場合、テーパ形状はロール成形前に付与されるから、ロール成形途中の帯材の丸めつつある幅の両端部近傍の曲げや、フィンパス圧延での帯材の丸めた幅の両端部の潰れの影響を考慮して、電縫溶接直前の帯材の丸めた幅の両端部の目標形状から前記影響分だけずらしたテーパ形状を付与する必要があった。これに対し、本発明では、孔型ロールの設置箇所が、ロール成形の途中またはロール成形の後の段階に対応する箇所であるから、孔型ロールの孔型形状は、電縫溶接直前の帯材の丸めた幅の両端部の目標形状とほとんど完全に整合する形状に設計すればよい。

この目標形状は、前記テーパが、帯材の厚さ方向の両端面の位置からそれぞれ帯材内部側に帯材の厚さの２０〜４０％の距離だけ入った位置までの範囲内にあって、帯材の長さ方向および厚さ方向にほぼ平行な（この「ほぼ平行な」とは、平行（０度）から±５度以内の傾きまでを許容することを意味する。以下同じ）端面から帯材内部側に２５〜５０度の角度で傾斜した平面からなるという条件を満たす形状とする必要がある。

そこで、発明者らは、孔型ロールの孔型形状の最適化を図った結果、次のような孔型形状にすればよいことを把握した。すなわち、図１に示すように、ロール軸にほぼ平行な孔型面をもつ１つの平行部１と、該平行部１の両側にあってロール軸に対しそれぞれ２５〜５０度の角度（テーパ角と称し、一側、他側のテーパ角を記号α、α’で表す）で前記平行部１から拡径側に傾斜した孔型面をもつ２つのテーパ部２、２’とを有し、各テーパ部のロール軸方向長さ（テーパ幅と称し、一側、他側のテーパ幅を記号Ｔ、Ｔ’で表す）が、前記平行部１と２つのテーパ部２、２’との併合部のロール軸方向長さ（実効加工幅と称し、記号Ｌで表す）の２０〜４０％になり、さらに、２つのテーパ部２、２’の各ロール端側にあってロール軸に対しそれぞれ６０〜８５度の角度（傾斜逃がし角と称し、一側、他側の傾斜逃がし角を記号β、β’で表す）で前記テーパ部２、２’から拡径側に傾斜した孔型面をもつ２つの傾斜逃がし部３、３’を有する孔型形状である。実効加工幅Ｌは帯材の厚さに等しくとる。

これにより、孔型ロールの孔型形状が、確実に帯材の幅の両端部に転写され、溶接直前の帯材の丸めた幅の両端部の形状を、安定的に所望どおりのテーパ形状とすることが可能となり、該端部からの溶鋼排出が十分行われて、ペネトレータを十分除去できる結果、溶接部の靭性や強度などの特性を安定的に良好に保持することが可能となるのである。
テーパ部２、２’のテーパ角α、α’のいずれか一方でも、２５度に満たないと、帯材厚さ中央部からの溶鋼排出が不十分となって、ペネトレータが残留して不良となり、電縫溶接後の溶接部の靭性や強度が低下し、５０度を超えると、電縫溶接後にもそのテーパ形状が製品の管の疵として残留する。また、テーパ幅Ｔ、Ｔ’の何れか一方でも、実効加工幅Ｌの２０％に満たないと、帯材厚さ中央部からの溶鋼排出が不十分となって、ペネトレータが残留しやすくなり、実効加工幅Ｌの４０％を超えると、電縫溶接後にもそのテーパ形状が製品の管の疵として残留する。

傾斜逃がし部３、３’は、通材中の帯材の振動等により、帯材の幅の端部の厚み範囲が実効加工幅Ｌの範囲から部分的に外れて、当該端部に所望のテーパ形状を付与できなくなったり、あるいは、前記振動等によって孔型ロールに過大な力が加わって、ロール割損を招いたりするのを防止するために設けたものである。傾斜逃がし部３、３’の傾斜逃がし角β、β’のいずれか一方でも、６０度に満たないと、帯材の幅の端部が孔型のテーパ部に十分接触し難くなり、所望の形状を得難く、また、８５度を超えると、前記振動等により孔型ロールに加わる過大な力が分散され難くなってロール割損が生じ易く、電縫管の安定製造が困難となる。

以下、実施例に基いて説明する。
実施例として以下に開示する本発明例、比較例、従来例ではいずれも、幅1920mm×厚さ19.1mmの鋼帯（帯材）を、アンコイラー、レベラー、ロール成形機、電縫溶接機、サイザーを順次配列した造管機に通して、外径600mmの鋼管（管）を製造した。
製造した鋼管の溶接部から試験片を切り出してシャルピー試験を行い、性能を評価した。シャルピー試験片は、管長手方向位置の相異する１０点から１本ずつ、試験片長さ方向を管円周方向に平行とし、ノッチ長さ中心を溶接部肉厚中心位置として採取し、JIS ５号の2mmVノッチ衝撃試験片として、-46℃での衝撃試験を行い、吸収エネルギー及び脆性破面率を測定した。なお、吸収エネルギーは125J以上、脆性破面率は35％以下を性能許容範囲とした。また、溶接部の盛り上がり研削後の形状を目視評価した。

（本発明例１） 図１の孔型ロールにおいて、ロール形状パラメータを、テーパ角α＝α’＝２５度、テーパ幅Ｔ＝Ｔ’＝7.6mm、実効加工幅Ｌ＝19.1mm、Ｔ/Ｌ×100＝４０％、傾斜逃がし角β＝β’＝６０度とした孔型ロールを用意し、これを、ロール成形機内の、帯材の幅の両端部近傍の曲げ加工を行うブレークダウン第１スタンドの出側（ロール成形の過程の途中に対応する箇所）に配設し、造管中に、孔型ロールにて帯材の幅の両端部を圧延した。その後、ロール成形を経て、電縫溶接し、サイザー圧延して、鋼管を製造した。

（本発明例２） 図１の孔型ロールにおいて、ロール形状パラメータを、テーパ角α＝α’＝５０度、テーパ幅Ｔ＝Ｔ’＝3.9mm、実効加工幅Ｌ＝19.1mm、Ｔ／Ｌ×100＝２０％、傾斜逃がし角β＝β’＝８５度とした孔型ロールを用意し、これを、ロール成形機の最終段のフィンパス圧延スタンドの出側でかつ電縫溶接機の前段（ロール成形の過程の後に対応する箇所）に、千鳥状の配列形態で配設し、造管中に、孔型ロールにて帯材の丸めた幅の両端部を圧延した。その後、電縫溶接し、サイザー圧延して、鋼管を製造した。

（比較例１） 本発明例１において、孔型ロールのロール形状パラメータを、テーパ角α＝α’＝２０度、テーパ幅Ｔ＝Ｔ’＝2.8mm、実効加工幅Ｌ＝19.1mm、Ｔ／Ｌ×100＝１５％、傾斜逃がし角β＝β’＝８７度とし、これ以外は本発明例１と同様にして、鋼管を製造した。
（比較例２） 本発明例２において、孔型ロールのロール形状パラメータを、テーパ角α＝α’＝５５度、テーパ幅Ｔ＝Ｔ’＝8.6mm、実効加工幅Ｌ＝19.1mm、Ｔ／Ｌ×100＝４５％、傾斜逃がし角β＝β’＝５８度とし、これ以外は本発明例２と同様にして、鋼管を製造した。

（従来例） 造管前に幅の両端面をほぼ矩形とした鋼帯を造管機に通し、成形途中から成形後にかけての間、孔型ロールによる鋼帯の幅の端部の圧延は行わず、鋼管を製造した。
これらにより製造した鋼管の溶接部におけるシャルピー衝撃値と脆性破面率を測定した結果を表１に示す。

表１より、本発明例による製品鋼管は、溶接部の衝撃強度が高く脆性破面率が小さくて、靭性が良好であって、盛り上がりを除去した後の溶接部も平滑であり、製品の信頼性が高いものである。これに比較して、比較例１では、造管途中で孔型ロールがテーパ部のコーナから割損し、比較例２では、造管途中で孔型ロールの孔型形状が鋼帯の丸めた幅の両端部に十分転写できない状態となった。しかも、比較例１乃至２で一部製造できた鋼管、および、従来例による鋼管は、ペネトレータが残留するか、あるいは、溶接部に凹部形状が残留して、溶接部の衝撃強度が低く脆性破面率が大きくて靭性が低下し、製品の信頼性に乏しいものである。

なお、上述の実施例では、帯材の成形の途中及び成形の後のいずれか一方で、孔型ロールによる圧延を行う場合について開示したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、成形の途中及び成形の後の両方で、孔型ロールによる圧延を行う場合も、本発明の範囲内であることはいうまでもない。また、実施例では、テーパ角α、α’、テーパ幅Ｔ、Ｔ’、傾斜逃がし角β、β’は一側と他側とで同じ値としたが、これに限らず、本発明の数値限定範囲内であれば、一側と他側とで異なる値としてもよい。

本発明に用いる孔型ロールの孔型形状について説明するための側面図である。

符号の説明

１ 平行部
２、２’ テーパ部
３、３’ 傾斜逃がし部

Claims (2)

1. 帯材を成形し、その端部を突き合わせて電縫溶接して管とする過程の途中で、前記端部に孔型ロールによる圧延を施してテーパを付与した後に、電縫溶接するものとし、前記テーパは、帯材の厚さ方向の両端面の位置からそれぞれ帯材内部側に帯材の厚さの２０〜４０％の距離だけ入った位置までの範囲内にあって、帯材の長さ方向および厚さ方向にほぼ平行な端面から帯材内部側に２５〜５０度の角度で傾斜した平面からなることを特徴とする溶接部特性の良好な電縫管の安定製造方法。
2. 前記孔型ロールとして、ロール軸にほぼ平行な孔型面をもつ１つの平行部と、該平行部の両側にあってロール軸に対しそれぞれ２５〜５０度の角度で前記平行部から拡径側に傾斜した孔型面をもつ２つのテーパ部とを有し、各テーパ部のロール軸方向長さが、前記平行部と２つのテーパ部との併合部のロール軸方向長さの２０〜４０％になり、さらに、２つのテーパ部の各ロール端側にあってロール軸に対しそれぞれ６０〜８５度の角度で前記テーパ部から拡径側に傾斜した孔型面をもつ２つの傾斜逃がし部を有する孔型ロールを用いることを特徴とする請求項１記載の溶接部特性の良好な電縫管の安定製造方法。

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