JP4632428B2 - 鋼管の高周波誘導加熱造管方法 - Google Patents

Description

本発明は、インピーダ装置を使用した鋼管の高周波誘導加熱造管方法に関する。

従来から、高周波誘導加熱法を採用して電縫鋼管を製造する際、管円周方向に流れる無効電流を抑制するために、電縫溶接点直下の被溶接管内長手方向にインピーダを配置して高周波誘導加熱を行っている。
インピーダは、一般に電縫管のオープンパイプ側から挿入され、その先端に内面ビード切削用のバイトが取り付けられたインピーダ装置の中間部に取り付けられている。そして、インピーダは磁性材料からなるインピーダコアとそれを覆うインピーダケースとから構成されている。

インピーダコアは、溶接時の輻射熱の影響により自己発熱し、温度の上昇とともにその特性が著しく劣化する。この劣化を防止するためにインピーダコアの周りに冷却水ジャケットを形成し、冷却水を供給して常時強制冷却するようにしている。
そして、例えば図１に示すように、冷却水は、溶接点付近の管内面に位置するインピーダケース１１の先端部より、溶接時に発生するスパッタが治具に付着しないように排出され、同時にインピーダ装置の先端に取り付けられた内面ビード切削用のバイト１２を冷却する作用をも果たさせている（例えば特許文献１）。なお、図１中、１３がインピーダコアで、１４が強度支持材である。

しかしながら、上記のような冷却態様では、インピーダコアを冷却した冷却水は、管内に放出されているので、溶接点近傍は無水状態ではなくなる。一般に、電縫管素材がステンレス鋼等、酸素との親和力が高いＣｒ等を含むものである場合、Ａｒ，Ｎ₂等の無酸素雰囲気で、しかも無水状態で加熱・溶接する必要がある。しかし、インピーダコアを冷却した冷却水が管内に放出されると、水の加熱分解に伴い酸素が発生して酸化雰囲気となり、被溶接電縫管の内面を酸化させてしまう。

そこで、溶接点近傍を無水状態にするために、図２に示すように、インピーダ装置２０の冷却水ジャケット２１のオープンパイプ側に、オープンパイプ外から延設されている給水路２２を接続し、冷却水ジャケット２１の反オープンパイプ側に、管切断位置の直前まで延設されて切断開口直前の管内面に排水する排水路２３を接続し、冷却水ジャケット２１内における冷却水の流れを一方通行としたインピーダ装置が特許文献２で提案されている。なお、図２中、２４がインピーダコアである。
特開２００１−６２５７２号公報 特開平５−２３７６６８号公報

しかし、前記特許文献２で提案されている技術も、インピーダコアを冷却した冷却水は管内で放出されている。溶接点からは離れているとはいえ、高温状態の管内に水を残存させる形態となるため、水の加熱分解に伴って形成された酸化雰囲気は溶接点近傍へも影響を及ぼすこととなり、被溶接電縫管の内面を酸化させてしまう。また、管切断位置の直前まで延設された排水路が鋼管内面に触れて管内面にスレ疵等を発生させて品質を劣化させることになる。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、ロール成形された鋼帯の端部突合せ部を高周波誘導加熱して溶接する際に、溶接点近傍の被溶接電縫管内面を確実に無水状態に確保しつつ、インピーダコアの冷却効率を高め、しかも内面ビードをカットするバイトを冷却してバイトの寿命を高めた鋼管の高周波誘導加熱造管方法を提供することを目的とする。

本発明の鋼管の高周波誘導加熱造管方法は、その目的を達成するため、電縫管のオープンパイプ側から挿入されたインピーダ装置の溶接点付近に設けたインピーダコア周りに冷却水を供給しつつ被溶接鋼帯を高周波誘導加熱して造管する際に、前記インピーダ装置として、支持用中空管とそれを囲む外筒管及びその間に充填された円筒状インピーダコアを備えたものを用い、オープンパイプ側から供給され、支持用中空管と円筒状インピーダコアとの間を通り、電縫鋼管切断側で折り返して円筒状インピーダコアと外筒管との間を通って供給側に戻る冷却水で前記インピーダコアを冷却しつつ高周波誘導加熱するとともに、前記支持用中空管に内面ビード切削用バイトの冷却用ガスを流し、バイト取り付け箇所近傍で前記冷却用ガスを内面ビード切削用バイトに吹き付けることを特徴とする。

本発明により、円筒状インピーダコアは、当該インピーダコアの内側を通り、電縫鋼管の切断側で折り返してインピーダコアと外筒管の間の空間部を通って供給側に戻る冷却水で冷却され、被電縫鋼管内で排出されることがないので、溶接点近傍の被溶接電縫管内面は確実に無水状態が保たれる。また、インピーダコアは、円筒形状とし、支持用中空管と外筒管の間の空間部に充填される構造とされているために、インピーダ装置の横断面全体に亘っての均一配置が可能となる。しかも優れた冷却態様が確保できているため、比較的低温での溶接が可能となって、高温酸化を抑制することができる。さらに、内面ビード切削用バイトは、支持用中空管を経由して供給される冷却用ガスにより直接冷却されため、バイトの寿命を長くすることができる。

本発明者等は、溶接点近傍の被溶接電縫管内面を確実に無水状態に維持する対策について種々検討した。その結果、溶接点から離れた管切断位置の直前の管内で排水しても形成される酸化雰囲気が溶接点近傍に影響を及ぼすことを考慮し、管内で冷却水を全く排出することなくインピーダコアを冷却する態様を案出した。冷却水を管内で排出しないようにしたため、冷却水により内面ビード切削用バイトを冷却することができなくなった。そこで、内面ビード切削用バイトの冷却態様も併せて案出した。
以下にその詳細を説明する。

通常、インピーダは、前記特許文献１にも示されているように、電縫管のオープンパイプ側から挿入され、その先端に内面ビード切削用のバイトが取り付けられたインピーダ装置の中間部に取り付けられている。インピーダは、磁性材料からなるインピーダコア、このインピーダコアを覆うインピーダケース、及びそれらを保持するとともに先端に内面ビード切削用バイトを保持するために当該インピーダコアを貫通して配設された強度支持体から構成されている。

本発明では、インピーダ装置として、先端に内面ビード切削用バイト１を取り付けた支持用中空管２，当該支持用中空管２を囲む外筒管３及びその間に充填された円筒状インピーダコア４とを備え、前記外筒管の電縫鋼管切断側端部が閉じられているとともに、前記支持用中空管２と円筒状インピーダコア４との間の空隙に冷却水供給路６が、前記円筒状インピーダコア４と外筒管３との間の空隙に冷却水排出路７が接続されたものを用いる（図３）。前記外筒管３はインピーダケースとしての役割を持つ。なお、図３中５は冷却水を外筒管内の内面ビード切削用バイト取り付け部方向奥深くまで導入するための円筒材である。

さらに、本発明で用いるインピーダ装置では、前記先端に内面ビード切削用バイトを取り付けた支持用中空管２のオープンパイプ側の端部に内面ビード切削用バイト冷却用ガス供給路８が接続され、先端のバイト取り付け箇所近傍に内面ビード切削用バイト冷却用ガス噴出孔９が設けられている。

前記支持用中空管及び円筒材としては、非磁性材料を用いることが好ましい。インピーダコア冷却用の冷却水は、図３に示すように、円筒状インピーダコア４とその内側の支持用中空管２との間の空隙を通り、円筒状インピーダコアの電縫管切断側端部まで達した後、折り返して前記円筒状インピーダコア２の外面とインピーダケースとしての外筒管３内面との間の空隙を通り、オープンパイプ側の冷却水供給路を通って被電縫鋼管の外側に排出される。この際、円筒状インピーダコアはその内側を通って供給され、その外側を戻って被電縫鋼管外側のオープンパイプ供給側の排出される冷却水により冷却されることになる。

冷却水は被電縫鋼管の管内で排出されることがないので、被電縫鋼管内を無水状態で維持することができる。このため、溶接点近傍の溶接雰囲気が改善、特に露点が低下され、酸化物等の介在物の生成が抑制される。酸化物の生成が抑制されるため、溶接可能範囲を低入熱側及び高入熱側の両方に広げることができる。また、インピーダコアは前記支持用中空管と外筒管の間の空間部に円筒形状で配置される態様となるため、高い充填率での配置が可能となって、低い入熱量で加熱効率良く溶接することが可能となる。

さらに、本発明では、円筒状インピーダコアを保持する支持用中空管２の内部を通り、内面ビード切削用バイトの近傍箇所で噴出されて当該切削用バイトを冷却するガスを供給することができるので、バイトを直接に冷却することができる。このため、バイトの寿命を長くすることができる。
なお、内面ビード切削用バイトを冷却するために流すガスとしては、Ａｒ，Ｎ₂等の不活性ガスを用いることが好ましい。

次に本発明の特徴であるインピーダコアの冷却態様を採用して実際に電縫鋼管を製造した事例を説明する。
本事例では、板厚２．０ｍｍのＳＵＳ４２９を素材鋼帯として、φ３８．１ｍｍのステンレス鋼管を造管した。このサイズに合せるため、外径をφ３０ｍｍとしたインピーダ装置を用いた。インピーダコア部の実質長さは約２００ｍｍとし、インピーダコア部の約１ｍ先まで外筒管を配し、さらに支持用中空管の先端に内面ビード切削用バイトを取り付けた。
電縫鋼管は溶接点から離れた管切断位置で、管切断機により定尺カットされるが、本事例では、溶接ポイントから数１０ｍ離れた位置で切断した。

本発明例として、先端に内面ビード切削用バイトを固定した非磁性材料の中空管からなる支持用中空管，それを取り囲む外筒管，前記支持用中空管の外面と外筒管内面の間の空隙部に配置された磁性材料からなる円筒状インピーダコアとを備え、前記外筒管の電縫鋼管切断側端部が閉じられた形状を有するインピーダ装置を使用した。非磁性材料からなる円筒材を使用することによって、インピーダコア部の約１ｍ先まで配した外筒管を冷却し、その冷却水をオープンパイプ側に戻した。さらに、支持用中空管の内面ビード切削用バイト固定位置直前に設けた噴出孔から、バイト冷却用Ａｒガスを５ｌ／秒で噴出させた。
比較例として、図２に示されたような従来のインピーダ装置を用いた。したがって、従来例では、冷却水は溶接点から数１０ｍ先方の切断直前の溶接管内に排出している。
なお、上記従来例と本発明例とでは、インピーダコアの断面積比は１：１.５となっている。

溶接時の入熱量として、スパッタ発生開始入力電力量を基準＝０とした入力電力量を採用した。
まず、従来法によりインピーダ装置に冷却水を流しつつ、前記φ３８．１ｍｍのステンレス鋼管を通常のライン速度で高周波誘導加熱溶接して造管し、スパッタ発生開始入力電力量と冷却水量の関係を予備的に調べた。一定冷却水量でのスパッタ発生開始入力電力量を入熱量０の基準値とした。
次に、本発明法により、使用インピーダ装置を替えるのみで他の条件を同じにして、すなわち、上記と同じ量の冷却水を流しつつ同一の入熱量，ライン速度で高周波誘導加熱溶接して造管した。さらに、冷却水量やライン速度を同じにし、入熱量を変更した造管も行った。

そして、各条件で造管した電縫溶接管の溶接部の状況を目視で観察した。
その結果を図４に示す。
なお、図４中、入熱量は、
入熱量＝（入力電力量−スパッタ発生開始入力電力量）／（スパッタ発生開始入力電
力量）×１００
の％単位で表示している。
また、図４中、●は欠陥なしのものを、▲は酸化物生成に起因したペネトレータが多数形成されていたものを、×は割れが生じていたものを表している。

図４に示す結果からわかるように、本発明例で、すなわち、インピーダ装置として、支持用中空管とそれを囲む外筒管の間に充填された円筒状インピーダコアを備えたものを用い、冷却水をオープンパイプ側から供給し、支持用中空管と円筒状インピーダコアとの間を通り、電縫鋼管切断側で折り返して円筒状インピーダコアと外筒管との間を通って供給側に戻して前記インピーダコアを冷却しつつ高周波誘導加熱溶接した場合、溶接点近傍を無水状態に維持することができ、しかもインピーダコアの冷却効率が優れているため、幅広い入熱量範囲での溶接が可能である。

また、内面ビード切削用バイトの寿命についても調査した。この際、バイト寿命として、焼き付きまでの内面ビード切削長さを基準とした。
同一の入熱量，冷却水供給量のもとで、本発明例と図２に記載の従来例とでのバイト寿命の違いを調べた。その結果は、図５に示す通りである。冷却用のＡｒガスをバイトに吹き付けた本発明例の方が、単に冷却水を流して溶接管内切断位置直前で放出するのみの従来例と比べて１．７倍の寿命になっていることがわかった。

以上の結果から、溶接時に酸化物が生成しやすいステンレス鋼帯を素材として電縫鋼管を製造する際にあっても、本発明方法の適用により溶接部での酸化物の生成が抑制され、しかも低入熱量での溶接が可能になるとともに、内面ビード切削用バイトの寿命を大幅に延ばすことができる。このため、生産性良くステンレス鋼製電縫鋼管を製造することができる。

従来のインピーダ装置の構造を概略的に説明する図 従来のインピーダ装置の他の構造を概略的に説明する図 本発明で用いるインピーダ装置の構造を概略的に説明する図 従来技術と本発明方法とで異なる適正入熱量範囲を説明する図 従来技術と本発明方法とでバイト寿命の違いを説明する図

Claims (1)

1. 電縫管のオープンパイプ側から挿入されたインピーダ装置の溶接点付近に設けたインピーダコア周りに冷却水を供給しつつ被溶接鋼帯を高周波誘導加熱して造管する際に、前記インピーダ装置として、支持用中空管とそれを囲む外筒管及びその間に充填された円筒状インピーダコアを備えたものを用い、オープンパイプ側から供給され、支持用中空管と円筒状インピーダコアとの間を通り、電縫鋼管切断側で折り返して円筒状インピーダコアと外筒管との間を通って供給側に戻る冷却水で前記インピーダコアを冷却しつつ高周波誘導加熱するとともに、前記支持用中空管に内面ビード切削用バイトの冷却用ガスを流し、バイト取り付け箇所近傍で前記冷却用ガスを内面ビード切削用バイトに吹き付けることを特徴とする鋼管の高周波誘導加熱造管方法。

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