JP4975354B2 - 高強度溶接鋼管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、天然ガス・原油輸送用ラインパイプ等に用いられる、引張強度が８５０ＭＰａ以上の高強度溶接鋼管の製造方法に関する。

天然ガスを輸送する長距離パイプラインにおいて輸送の効率化、付帯設備のコスト削減の観点から引張強度が８５０ＭＰａを超えるような超高強度な大径ラインパイプの敷設が検討されている。このようなラインパイプは通常、ＵＯＥ方式により造管され、つなぎ目となるシーム溶接部はサブマージアーク溶接により、内外面から溶接が行われる。その後、鋼管の真円度を整えるために拡管による矯正が行われる。

ＵＯＥ造管プロセスによる高強度溶接鋼管の製造における重要な課題は、拡管時のシーム溶接部からの割れ（拡管割れ）及び最大肉厚と最小肉厚の差が大きくなること（偏肉）である。しかし、これまで拡管割れ及び偏肉を防止する目的から拡管工程を工夫した発明はほとんどなかった。拡管工程に関する提案は汎用材に対して、鋼管の真円度、真直性を高めたものであり（例えば、特許文献１〜３）、高強度材に対して拡管割れ及び偏肉を防止できる技術ではなかった。

特許文献１及び２は、高摩擦係数を有したセグメントによって拡管する方法であり、高摩擦による真円度、真直度の向上については記載されている。しかし、拡管割れ、偏肉度、拡管率との相互関係については記載されておらず、高強度鋼管で偏肉度を確保しながら拡管割れを防止することについては記載されていない。

特許文献３には、拡管時の周方向位置で摩擦係数を変化させる方法が開示されており、鋼管の真直度を確保する目的から複数の相対的に異なった摩擦係数のセグメントを用いることが記載されている。しかし、鋼管の内面とセグメントとの摩擦係数を高めることにより拡管割れが防止できること、偏肉度を考慮したとき、摩擦係数、及び、摩擦係数を高くすべき部位に最適範囲が存在することについては記載されていない。

特開昭５７−９４４３４号公報 特開昭５７−９４４３３号公報 特開平９−１８２９２４号公報

本発明は、シーム溶接後の高強度鋼管を機械的に拡管矯正する際に、シーム溶接部に生じる拡管割れ及び偏肉を防止し得る、高強度溶接鋼管の製造方法を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、溶接部近傍の鋼管内面及びその他の部位の鋼管内面と拡管セグメントとの摩擦係数を特定の値とすることによって、溶接部に発生する歪みを抑制し、拡管割れ及び偏肉の発生を防止する高強度鋼管の製造方法であり、その要旨は、引張強度が８５０ＭＰａ以上の鋼板を筒状に成形し、鋼板端部同士を突き合わせてシーム溶接して鋼管とした後、該鋼管を拡管するにあたり、鋼管内面と拡管セグメントとの摩擦係数が０．１５以上である高摩擦係数適用領域を、シーム溶接部を周方向の中央として鋼管中心角が２５゜以上１８０゜以下の範囲とし、該高摩擦係数適用領域以外の部位における鋼管内面とセグメントとの摩擦係数を０．１５未満として拡管し、シーム溶接部に生じる拡管割れ及び偏肉を防止することを特徴とする高強度溶接鋼管の製造方法である。

本発明によれば、天然ガス・原油輸送用ラインパイプ等に用いられる引張強度が８５０ＭＰａ以上の高強度鋼管を、拡管割れ及び偏肉を発生することなく製造することができ、産業上の貢献が極めて顕著である。

ＵＯＥ造管プロセスでは、Ｃプレスで鋼板のエッジ近傍を曲げ、ＵプレスでＵ字形状に曲げ、次いでＯプレスにより鋼管状に成形し、その後、通常、外面からの仮付け溶接後、サブマージ溶接による内面溶接、続いて外面溶接を行い、さらに拡管により真円度が整えられ、ＵＯＥ鋼管となる。拡管は通常、周方向に１％程度の塑性変形を与えることで行われる。しかし、引張強度が８５０ＭＰａを超えるような鋼管では１％の塑性歪みを与える前にシーム溶接部止端部から破断する、いわゆる拡管割れが生産性を大きく損ねる結果となっていた。拡管割れは拡管率を低下させることで防止できるが、製品の真円度は著しく悪化することとなる。

本発明者らは、シーム溶接部近傍の鋼管内面とセグメントとの摩擦係数を高くし、それ以外の部位では鋼管内面とセグメントとの摩擦係数を低くすることにより、拡管割れの発生を防止する方法について検討を行った。

図１は、鋼管内面とセグメントとの摩擦係数を０．１５〜０．４０と高くする範囲（高摩擦係数適用領域という。）を周方向位置で変化させた時の止端部への歪み集中をＦＥＡにより解析したものである。高摩擦係数適用領域以外の部位の摩擦係数は０．１５未満とした。ここで横軸は高摩擦係数適用領域を鋼管の中心角の角度で示し、シーム溶接部の中央を０°としている。歪みは高摩擦係数適用領域が４０゜を下回ると上昇し始め、２５゜を下回ると急速に増加し、拡管割れを生じることがわかった。すなわち、シーム溶接部を周方向の中央部（中心角０°）とし、それを挟んで中心角が２５゜以上である部位を高摩擦係数適用領域とすれば、顕著な歪み低減効果が得られ、拡管割れを防止できることを図１は示している。

次に高摩擦係数適用領域の上限を検討するため、高摩擦係数適用領域の範囲と偏肉度との関係を検討した。鋼管の偏肉度は、（最大肉厚―最小肉厚）／平均肉厚の値を百分率で示したものである。結果を図２に示すが、これにより、摩擦係数が０．４の場合、高摩擦係数適用領域がシーム溶接部を周方向の中央部（中心角０°）とし、それを挟んで中心角が１８０゜（鋼管の半周）を超えると偏肉が顕著になることがわかる。

この解析結果を実証するためにＵＯＥ鋼管の拡管試験を行い、シーム部の割れ発生を評価した。高摩擦係数適用領域の範囲は、シーム溶接部を周方向の中央として、鋼管中心角２５°とし、高摩擦係数適用領域以外の摩擦係数は０．１とした。拡管試験による拡管割れ発生と摩擦係数の関係を図３に示す。ここで試験は各摩擦条件に対して１０本行い、度数は周方向歪みを１．５％まで加えたときの割れ本数を意味する。摩擦係数が０．１２以下では割れが発生し、発生部位はシーム部からで溶接止端部が起点となっていた。これに対し、摩擦係数を０．１５以上にすると割れは発生しなかった。

以上の結果を基に、本発明では、少なくとも、シーム溶接部を周方向の中央として中心角が少なくとも２５゜以上、多くとも１８０゜以下の範囲内の鋼管内面とセグメントとの摩擦係数を０．１５以上にし、それ以外の部位の鋼管内面とセグメントとの摩擦係数を０．１５未満にして、機械的に拡管矯正を行うこととした。これにより、拡管割れを発生させず、かつ、偏肉度も著しく悪化させずに拡管できることがわかった。

本発明は拡管時のセグメントの数を特定するものではないが、全周で８〜１４分割されることが鋼管の多角形化を効率よく軽減するには望ましい。

本発明では、シーム溶接部を周方向の中央とし、鋼管の中心角が少なくとも２５゜以上、多くとも１８０゜以下の部位の鋼管内面を高摩擦係数適用領域とすることが重要であり、その部位に対応するセグメントの数を特定するものではない。１２等分割のセグメント使用時にはシーム部に相当するセグメント、すなわち３０゜分の摩擦係数を０．１５以上とし、その他の摩擦係数を０．１５未満にしても、３セグメント分、シーム溶接位置を含み９０゜分の摩擦係数を０．１５以上とし、その他の摩擦係数を０．１５未満にしても本発明に含まれる。

なお、本発明において、鋼板の引張強度が８５０ＭＰａ未満であると拡管割れが発生しないことから、引張強度を８５０ＭＰａ以上の鋼板を母材とする鋼管に限定した。鋼板の引張強度の上限は限定しないが、現状では、１２００ＭＰａを超える引張強度を有する鋼板から鋼管を製造することは困難である。

ＵＯＥ鋼管の素材となる厚鋼板（母材）は、その鋼組成が、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１０％、Ｓｉ：０．０１〜０．６％、Ｍｎ：１．５〜２．５％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．００３％以下、Ｎｉ：０．１〜２．０％、Ｍｏ：０．１５〜０．６０％、Ｎｂ：０．００１〜０．１０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０３０％、Ａｌ：０．０６％以下を含有し、さらに、必要に応じてＢ：０．０００１〜０．００５％、Ｎ：０．０００１〜０．００６％、Ｖ：０．００１〜０．１０％、Ｃｕ：０．０１〜１．０％、Ｃｒ：０．０１〜１．０％、Ｚｒ：０．０００１〜０．００５％、Ｔａ：０．０００１〜０．００５％、Ｃａ：０．０００１〜０．０１％、ＲＥＭ：０．０００１〜０．０１％、Ｍｇ：０．０００１〜０．００６％の１種または２種類以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼を溶製し、鋳造した鋼片を熱間制御圧延して製造すれば良い。

また、鋼板から鋼管を製造する方法は主にＵＯＥ造管プロセスであるが、ベンディングロールで成形した鋼管を内面から機械的に矯正する場合にも適用可能である。鋼管のシーム溶接は、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１２％、Ｓｉ：０．３％以下、Ｍｎ：１．２〜２．４％、Ｎｉ：４．０〜８．５％、Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ：３．０〜５．０％、Ｔｉ：０．００５〜０．１５％、Ａｌ：０．０２％以下からなる溶接ワイヤーを用いて、入熱を１．５ｋＪ／ｍｍ〜６．３ｋＪ／ｍｍとし、サブマージアーク溶接によって行えば良い。

このようにして得られた溶接金属については、成分が、質量％で、Ｃ：０．０４〜０．１４％、Ｓｉ：０．０５〜０．４％、Ｍｎ：１．２〜２．２％、Ｐ：０．０１％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｎｉ：１．３〜３．２％、Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ：１．０〜２．５％、Ｔｉ：０．００３〜０．０５０％、Ａｌ：０．０２％以下、Ｂ：０．００５％以下、Ｏ：０．０１〜０．０３％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるものである。

本発明の方法によって製造した高強度鋼管はシーム溶接止端部への歪み集中が従来技術で製造した鋼管に比べ、相対的に低くなっているため、内圧を負荷した時のバースト強度についてもシーム部からの破断を回避でき、有利であると考えられる。

以下に本発明例と比較例により本発明の実施による効果を説明する。

表１は鋼管サイズφ９１４×１２ｔ、φ９１４×１６ｔ、φ１０１６×１９ｔ、φ１２１９×２０ｔ、鋼管強度８５０〜１０４０ＭＰａのＵＯＥ鋼管の拡管を、図４の領域Ａに示すシーム溶接部を含んだ周方向領域の角度を変化させ、また、領域Ａ及び領域Ａ以外の鋼管内部とセグメントとの摩擦係数を変化させて行った結果であり、拡管割れの発生と偏肉度を示す。摩擦係数を領域毎に変化させる方法としては表２に示したように、異なった表面性状を有したセグメントを部分的に配置する方法、及び潤滑剤種類、あるいは塗布の有無を周方向位置で変えることで実現した。

摩擦係数は、図５に示すように、管状に成形する前の鋼板から切り出したサンプルを、セグメントの表面と同等の加工を施した金型を用いて、拡管と同等の潤滑を行い、面圧１００ＭＰａで両側から挟みつけ、引張試験機で片方から引き抜き、そのときの引き抜き荷重、Ｐと挟み付け荷重、Ｗの比の１／２を摩擦係数μとして求めた（下記（１）式）。

この試験法の試験条件と得られた摩擦係数を表２に示す。なお、表２のセグメントの表面性状の欄には、金型の表面の加工方法を示した。ショットブラストでは表面粗さをＲｍａｘ＝２０μｍとし、目立てでは引き抜き荷重方向と４５゜方向に深さ０．１ｍｍで溝を与えた。また、潤滑剤のコンパウンドグリス及びソリュブル油はサンプルに塗布したが、固体潤滑剤は、金型の表面にリン酸塩皮膜を施し、二硫化モリブデンを含有させたポリアミドイミド樹脂を吹き付け、焼き固めたものである。

実施例１〜１３は領域Ａが２５゜以上、１８０゜以下であり、摩擦係数が０．１５以上であり、尚かつ、領域Ａ以外では摩擦係数が０．１５未満であったため、拡管割れは起こさず、偏肉度も３％以下であった。

鋼管の偏肉度は、（最大肉厚―最小肉厚）／平均肉厚の値を百分率で示したものであり、各摩擦条件で１０本ずつ拡管した結果の平均である。拡管割れの数値は、各摩擦条件による拡管を１０本ずつ行ったときの拡管割れが発生した本数から、割れが発生した率を算出し、百分率で示したものである。なお、拡管は、周方向歪みを１．０％として行った。

比較例１、３，５，６は、領域Ａが２５゜未満であり、摩擦係数が０．１５以上である高摩擦係数適用領域が本発明の範囲よりも小さかったため、拡管割れを起こした。比較例３は、更に領域Ａ以外の摩擦係数が０．１５超であるため、偏肉度も３％を超えている。比較例２は摩擦係数が０．１５以上である高摩擦係数適用領域が１８０゜を超えており、偏肉度が３％を超えた。比較例４及び８は領域Ａの範囲が広く、しかも摩擦係数が０．１５未満であるため、即ち、高摩擦係数適用領域とすべき部位の摩擦係数が０．１５未満であるため、拡管割れを生じた。比較例７は領域Ａの範囲は２５゜以上であったが、摩擦係数が０．１５未満であったため、拡管割れを生じた。

高摩擦係数適用領域とシーム溶接止端部への塑性歪みの関係を示す図。 高摩擦係数適用領域と偏肉度の関係を示す図。 鋼管内面−セグメント間の摩擦係数に対する拡管割れのヒストグラム。 摩擦係数を特定した領域を示す図。 摩擦係数の測定方法を示す図。

符号の説明

１ 拡管までの鋼管
２ シーム溶接部
３ 拡管セグメント

Claims (1)

1. 引張強度が８５０ＭＰａ以上の鋼板を筒状に成形し、鋼板端部同士を突き合わせてシーム溶接して鋼管とした後、該鋼管を拡管するにあたり、鋼管内面と拡管セグメントとの摩擦係数が０．１５以上である高摩擦係数適用領域を、シーム溶接部を周方向の中央として鋼管中心角が２５゜以上１８０゜以下の範囲とし、該高摩擦係数適用領域以外の部位における鋼管内面とセグメントとの摩擦係数を０．１５未満として拡管し、シーム溶接部に生じる拡管割れ及び偏肉を防止することを特徴とする高強度溶接鋼管の製造方法。

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