JP5312735B2

JP5312735B2 - 溶接部特性の良好な電縫管製造方法

Info

Publication number: JP5312735B2
Application number: JP2006270273A
Authority: JP
Inventors: 一仁剣持; 泰康横山; 能知岡部; 幸夫関根; 邦保大石; 謙一岩崎
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2006-07-07
Filing date: 2006-10-02
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2026-10-02
Also published as: JP2008030115A

Description

本発明は、溶接部特性の良好な電縫管製造方法に関する。ここで、溶接部特性は、油井のラインパイプ向け電縫管に要求される溶接部靭性、および、油井のケーシングパイプ向け電縫管に要求される溶接部強度を含む。

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（板）を丸めて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、一般に溶接部の靭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されてきた。

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、管を寒冷地に敷設することが多いため低温靭性が重要であり、また、原油採掘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、溶接管の母材となる熱延板は、溶接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が確保される。

しかし、溶接部の特性は、母材の成分設計や熱処理等以上に、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。
電縫溶接の不良原因としては、溶接される板端面（板幅方向端面）に生成するペネトレータと呼ばれる酸化物が、電縫溶接時に溶鋼と共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が原因となって靭性が低下し強度不足になる例が多かった。

そこで、従来、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、板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、板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、板端面はスリットや端面研削によってほぼ平坦面を呈しているが、これをロール成形の前においてテーパ加工して、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

しかし、上記従来の技術では、テーパ加工手段を単独で用いて端部にテーパ形状を付与するか、あるいは、単にテーパ加工手段を羅列して紹介したのみであったため、具体的に電縫管製造工程に適用するには効果が充分でない場合があり、さらに詳細な検討が必要であった。
本発明は上述の難点を解決し、油井のラインパイプ向け電縫管に要求される溶接部靭性、および、油井のケーシングパイプ向け電縫管に要求される溶接部強度を達成しうる、溶接部特性の良好な電縫管製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するためになされた本発明は以下のとおりである。
１．平板状の帯材(11)を成形して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、帯材幅方向にほぼ垂直な端面(15)の上端及び下端に、前記端面(15)からの傾斜角度が２５〜５０度で且つ帯材厚さ方向長さが帯材厚さの２１〜４０％である傾斜面(16)が連なってなるテーパ形状をフィンパス成形で付与した後、電縫溶接直前の端面(15)の突き合わせ角度(13)を±１．０度以内（ただし、零度は含まず）として電縫溶接することにより溶接部強度、靭性を向上させることを特徴とする、溶接部肉厚中心位置の−４６℃での吸収エネルギーが125Ｊ以上、脆性破面率が35％以下である溶接部特性の良好なラインパイプ向けまたはケーシングパイプ向け電縫管製造方法。
ここで、「帯材幅方向にほぼ垂直な端面」とは、帯材幅方向に対する平均的な端面の角度が９０度±０．２度の範囲内である端面を指す。

本発明によれば、油井のラインパイプ向け電縫管に要求される溶接部靭性、および、油井のケーシングパイプ向け電縫管に要求される溶接部強度を十分満足する電縫管を製造することができる。

従来の技術は、いずれも板端面（帯材の幅方向端面）にテーパ加工を施すものであるが、単にテーパ加工を施すだけでは、電縫溶接後の溶接部の靭性または強度を充分に向上させることが難しい場合が多々あった。
この原因を詳細に調査すると、電縫溶接前の板端部が加熱される過程において、溶接欠陥であるペネトレータの原因となる酸化物が板端面に形成される。その後、板端面の酸化物は電縫溶接時の溶鋼表面に浮き、一部は溶鋼と共に排出される。この際に、板端部にテーパ形状が付与されていると、溶鋼が容易に排出されて、同時にペネトレータも有効に排出できる。しかし、ペネトレータの元になる板端面の酸化物は、電縫溶接の加熱とともに順次生成してくるので、溶接条件によっては、板端部のテーパ形状のみで、溶接後の靭性または強度を充分に向上させることができない場合が生じた。

そこで、発明者らは電縫溶接現象を詳細に観察し直した結果、板端部の電縫溶接直前の端面の突き合わせ角度に着目した。すなわち、溶鋼とともにペネトレータを有効に排出するためには、板端部のテーパ形状だけでなく、電縫溶接直前の端面の突き合わせ角度が大きく影響することを見出した。
電縫溶接において、板端部の電縫溶接直前の端面の突き合わせ角度が変わると、溶鋼の排出状態が異なってくる。すなわち、管外径側に開くように電縫溶接直前の端面の突き合わせ角度が設定されると、テーパを付与した板端部では、管内径側が優先的に加熱されて先に溶鋼が発生し、その溶鋼が電縫溶接中の板端面の突合せとともに、管外径側に押し出されてくる。また、管内径側に開くように電縫溶接直前の端面の突き合わせ角度が設定されると、テーパを付与した板端部では、管外径側が優先的に加熱されて先に溶鋼が発生し、その溶鋼が電縫溶接中の板端面の突き合せとともに、管内径側に押し出されてくる。

この際、電縫溶接直前の端面の突き合わせ角度が±１．０度を超えて大きいと、端面閉じ側（管内径側、管外径側のいずれか一方の側）が優先的に溶融して端面開き側（閉じ側の反対側）に流れる溶鋼の量が著しく多くなるため、突き合わせが完了するまでの溶接時間の間に充分排出できなくなり、溶鋼が途中で板内部に閉じ込められたまま、電縫溶接が完了してしまう。その結果、溶鋼中あるいは溶鋼表面に凝集してくるペネトレータが板内部に留まって、その結果、電縫溶接部の靭性または強度を大幅に低下させてしまうわけである。そこで、電縫溶接直前の端面の突き合わせ角度は±１．０度以内とする必要がある。

なお、板端部にテーパを付与しておくと、その体積減少分だけ前記優先的に溶融する端面閉じ側の溶融量が減少すること、および、傾斜面に沿って溶融することから、溶鋼がさらに発生し難くなるので、突き合わせ角度とテーパ形状の双方で、電縫溶接部のペネトレータを充分排出することができて、靭性または強度が著しく向上するわけである。
また、板端部に付与するテーパについてその形状の最適化を図った結果、テーパ形状をなす傾斜面の前記端面からの傾斜角度（この傾斜角度をテーパ角度と称する）を２５〜５０度とし、該傾斜面の帯材厚さ方向長さ（この長さをテーパ深さと称する）を帯材厚さの２０〜４０％とすると良いことを把握した。

すなわち、テーパ角度を２５度未満とすると板厚（板厚＝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、電縫溶接部の靭性や強度の向上効果が低減し、一方、テーパ角度を５０度超とすると、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問題が発生しやすい。
また、テーパ深さが２０％未満であると板厚中央部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、一方、テーパ深さが４０％超であると、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問題が発生しやすい。

図１は、電縫溶接直前の端面の突き合わせ角度とテーパ角度の定義を示す断面図であり、11は帯材（板、端部溶接後は管）、12はテーパ角度、13は電縫溶接直前の端面の突き合わせ角度、15は端面、16は傾斜面である。板11の端部にテーパ形状を付与しない場合は、電縫溶接直前の端面の突き合わせ角度13は、図２のようにとられる。なお、電縫溶接直前の端面の突き合わせ角度は、対向する二端面が管外径側に開く場合を正（＋）、管内径側に開く場合を負（−）とし、＋の符号は記載を省略する。

次に、テーパ形状付与のための好ましい方法について述べる。
〈フィンパス成形〉
所望のテーパ形状を得るためには、フィンパス成形を活用するのがよい。
フィンパス成形では、フィンパスロールに帯材の円周方向全周が充満しなくとも、帯材がフィンパスロールに装入される際に、帯材端部がフィンに強圧されて、帯材端部がフィンに充分に密着することを把握した。すなわち、帯材がフィンパスロールに装入される場合、フィンに接触した帯材端部とその対極（ほぼ180度反対側）に位置する帯材底部とが梁撓みの状態となって、断面を円弧形状に曲げようとする帯材の反力が大きく作用し、たとえ帯材がフィンパスロールに充満しなくとも帯材端部には円周方向に大きな圧縮力が作用し、その結果、帯材端部はフィンに強圧されてフィンの形状がそのまま帯材端部に転写される。

すなわち、フィンに２段階以上のテーパを付与しておけば、フィンパス成形でのアプセット量が小さくとも帯材端部には所望するテーパを充分付与できるわけである。
帯材端部の上面側（＝管内径側）と下面側（＝管外径側）のいずれか一方にテーパを付与する場合はフィン形状を２段階の傾斜面を有するものとすればよい。
また、帯材端部の上面側と下面側の双方にテーパを付与する場合は３段階の傾斜面を有するフィン形状とすればよい。ただし、３段階とした傾斜面のいずれかが、その傾斜面内点がフィンパスロールのロール軸から離れるほど該ロール軸のフィン中心を通る垂直二等分面から離れるものであると、帯材端部がフィンにより削り取られて、「ひげ」と称する余肉材が発生することがあり、フィンパス成形時に疵を発生させるとともに、電縫溶接のスパークの原因となるので、３段階とした傾斜面のいずれも、その傾斜面内点がフィンパスロールのロール軸から離れるほど該ロール軸のフィン中心を通る垂直二等分面に近づくものとしておくとよい。

なお、可能であれば、フィンパス最終スタンドで帯材端部の上面側と下面側のいずれか一方または双方にテーパを付与すると、そのすぐ後で電縫溶接が行われるため、良好なテーパ形状を保持したまま電縫溶接が可能である。また、フィンパス開始スタンドあるいは途中のスタンドでテーパを付与しても、一旦テーパを付与した帯材端部は、該テーパ付与時の強圧によって著しく加工硬化するため、その後のフィンパス成形を行っても比較的潰れにくくなり、フィンパス成形後もそのテーパ形状をほぼ良好に保持しうる。

また、２スタンド以上でのフィンパス成形が可能である場合、１つのスタンドのフィンに２段階の傾斜面を設けて帯材端部の上下いずれか一面側にテーパを付与し、別の１つのスタンドのフィンに前記と異なる形状の２段階の傾斜面を設けて帯材端部の前記一面側の反対側にテーパを付与するとよい。なお、１つのスタンドで先にテーパを付与された前記一面側は、その箇所が強圧によって著しく加工硬化するため、その後その反対側に別の１つのスタンドでテーパを付与しても、先に付与したテーパ形状は比較的潰れにくくなっている。従って、フィンパス成形後の帯材端部は、管内径側、管外径側とも目標に十分近いテーパ形状になるわけである。

〈参考：孔型ロール圧延〉
テーパ形状付与手段として、フィンパス成形の代りに、孔型ロール圧延（すなわち孔型ロールを用いた帯材幅端部圧延）を用いてもよい。孔型ロールを用いると、帯材端部の形状がその孔型に従って精度良く得られやすいことによる。特に、テーパを精度良く付与するには稼動中に帯材を拘束する必要があるのに対して、ロール成形前またはロール成形前段では帯材端部のばたつきが大きくて、テーパを付与することが難しかった。しかし、孔型ロールを活用することによって、帯材端部を拘束しつつ効率良くテーパを付与可能である。また、設備が比較的小型で良いことから、電縫溶接前において、ロール成形の前やロール成形の途中に設置することが容易である。

以下、実施例に基づいて説明する。
帯材として、板幅１９２０ｍｍ、板厚１９．１ｍｍの鋼帯を用いた。この鋼帯から電縫鋼管を製造するにあたり、例えば図３に示すような、造管工程の上流から下流へアンコイラー１、レベラー２、ロール成形機５、電縫溶接機（コンタクトチップ６、スクイズロール７などからなる）、ビード切削機８、サイザー９、管切断機10を順次配置した基本形態を有する造管機を用い、後述のＮｏ．１〜Ｎｏ．６の各条件で、外径６００ｍｍの鋼管を製造した。なお、３はブレークダウン第１スタンド、20はフィンパス圧延機である。

製造した鋼管の溶接部から試験片を切り出し、シャルピー試験を行って性能を評価した。シャルピー試験片は、ＪＩＳ５号の２ｍｍＶノッチ衝撃試験片に該当するものを、管長手方向位置が相違する１０点から１本ずつ、試験片長さ方向を管円周方向に平行にし、ノッチ長さ中心を溶接部肉厚中心位置として採取した。この試験片に対し−４６℃での衝撃試験を行ない、吸収エネルギー、脆性破面率を測定した。溶接部強度（衝撃強度）に関して吸収エネルギー１２５Ｊ以上、溶接部靭性に関して脆性破面率３５％以下を性能許容範囲とした。

（Ｎｏ．１）
本発明例として、電縫溶接直前の端面の突き合わせ角度が０．５度となるようにロール成形機５を調整し、かつ、フィンパス圧延機20の第２、第３スタンドのフィンパス圧延ロールのフィン形状を工夫し、これらフィンパス圧延ロールを活用して、図１に示すような、溶接直前の端部の端面15の両側に傾斜面16が連なるテーパ形状を付与した。このテーパ形状のテーパ角度とテーパ深さを表１に示す。テーパ角度およびテーパ深さは４つの傾斜面16で同じ値とした。

（Ｎｏ．２）
参考例として、電縫溶接直前の端面の突き合わせ角度が−０．７度となるようにロール成形機５を調整し、かつ、レベラー２とロール成形機５の間に配置した孔型ロール（図示省略）を活用して、図１に示すような、溶接直前の端部の端面15の両側に傾斜面16が連なるテーパ形状を付与した。このテーパ形状のテーパ角度とテーパ深さを表１に示す。テーパ角度およびテーパ深さは４つの傾斜面16で同じ値とした。

（Ｎｏ．３）
参考例として、電縫溶接直前の端面の突き合わせ角度が０．３度となるようにロール成形機５を調整し、かつ、図４に示すように、ブレークダウン第１スタンド出側直近に配置した孔型ロール４を活用して、図１に示すような、溶接直前の端部の端面15の両側に傾斜面16が連なるテーパ形状を付与した。このテーパ形状のテーパ角度とテーパ深さを表１に示す。テーパ角度およびテーパ深さは４つの傾斜面16で同じ値とした。

（Ｎｏ．４）
参考例として、電縫溶接直前の端面の突き合わせ角度が−０．２度となるようにロール成形機５を調整し、かつ、レベラー２とロール成形機５の間に配置した孔型ロール（図示省略）を活用して、図１に示すような、溶接直前の端部の端面15の両側に傾斜面16が連なるテーパ形状を付与した。このテーパ形状のテーパ角度とテーパ深さを表１に示す。テーパ角度およびテーパ深さは４つの傾斜面16で同じ値とした。

（Ｎｏ．５）
比較例として、電縫溶接直前の端面の突き合わせ角度が１．１度となるようにロール成形機５を調整し、かつ、レベラー２とロール成形機５の間に配置した切削バイト（図示省略）を用いて、図１に示すような、溶接直前の端部の端面15の両側に傾斜面16が連なるテーパ形状を付与した。このテーパ形状のテーパ角度とテーパ深さを表１に示す。テーパ角度およびテーパ深さは４つの傾斜面16で同じ値とした。

（Ｎｏ．６）
従来例として、電縫溶接直前の端面の突き合わせ角度が１．１度となるようにロール成形機５を調整し、端部には図２に示すように、テーパ形状を付与しなかった。
上述の各条件で製造した鋼管のシャルピー試験結果を表１に示す。表１より、本発明例では、溶接部の吸収エネルギーが著しく高く脆性破面率が小さくて、溶接部強度、靭性とも十分良好であって製品の信頼性が高い。これに対し、比較例および従来例では、溶接部の吸収エネルギーが低く脆性破面率が大きくて、溶接部強度、靭性とも不十分であり、製品の信頼性に乏しかった。

電縫溶接直前の端面の突き合わせ角度とテーパ角度の定義を示す断面図である。端部にテーパ形状を付与しない場合の電縫溶接直前の端面の突き合わせ角度の定義を示す断面図である。本発明の実施に用いられる造管機の基本形態の1例を示す模式図である。本発明の実施形態の1例を示す模式図である。

符号の説明

１アンコイラー
２レベラー
３ブレークダウン第１スタンド
４孔型ロール
５ロール成形機
６コンタクトチップ
７スクイズロール
８ビード切削機
９サイザー
10 管切断機
11 帯材（板、端部溶接後は管）
12 テーパ角度
13 電縫溶接直前の端面の突き合わせ角度
15 端面
16 傾斜面
20 フィンパス圧延機

Claims

平板状の帯材(11)を成形して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、帯材幅方向にほぼ垂直な端面(15)の上端及び下端に、前記端面(15)からの傾斜角度が２５〜５０度で且つ帯材厚さ方向長さが帯材厚さの２１〜４０％である傾斜面(16)が連なってなるテーパ形状をフィンパス成形で付与した後、電縫溶接直前の端面(15)の突き合わせ角度(13)を±１．０度以内（ただし、零度は含まず）として電縫溶接することにより溶接部強度、靭性を向上させることを特徴とする、溶接部肉厚中心位置の−４６℃での吸収エネルギーが125Ｊ以上、脆性破面率が35％以下である溶接部特性の良好なラインパイプ向けまたはケーシングパイプ向け電縫管製造方法。