JP5376002B2

JP5376002B2 - Ｕｏｅ鋼管

Info

Publication number: JP5376002B2
Application number: JP2012083904A
Authority: JP
Inventors: 隆洋崎本; 久和田近; 聡伊木
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2012-04-02
Filing date: 2012-04-02
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2032-04-02
Also published as: JP2013212521A

Description

本発明は、突合せ円周溶接を施すことでパイプラインなどの構造物を形成する鋼管であって、特に製造過程で拡管ダイスによって拡管を行うＵＯＥ鋼管に関する。

近年、ガス・石油などエネルギー需要の高まりからガス田・油田の新規開拓が盛んになっている。このことからガスや油を輸送するパイプラインを地震地帯や、不連続凍土地帯に敷設することが多くなっている。
地震地帯や不連続凍土地帯では液状化、断層変位や凍上・溶解により地盤が大きく動きそれに伴い埋設パイプラインが地盤の大変形の影響を受けて変形する可能性がある。大変形をするような地盤に埋設されたパイプラインは塑性変形した後も大きな変位の作用を受けることになる。パイプラインに過大な変位が作用した場合、パイプラインを構成する鋼管は曲げられ、圧縮側で座屈し、その後座屈部あるいは座屈部の反対側の引張側で破断する。
したがって、座屈部での損傷や、破断部からのガス・油等の漏出事故を防ぐ観点から、鋼管には変形性能が求められている。

パイプライン分野においては、変形性能の発揮のために重要と考えられてきたのは主に材料特性であり、とりわけ材料の降伏比である。例えば特許文献１〜３では、電縫管を対象とし、鋼材の組成および軟質・硬質の二相組織により軸方向降伏比を低くすることで、変形性能に優れた鋼管を提案している。
また、特許文献４では、電縫管を対象とし、入側矯正・回転矯正の過程で板厚・管長方向に歪を付与することで、降伏比を低くすることで、変形性能に優れた鋼管を提案している。

また、座屈防止対象部位を特定し、その近傍の剛性を強化することで座屈防止を図ることも考えられている。
例えば、特許文献５では、溶接部近傍の座屈が引張破壊をもたらすとして、鋼管の管端に余盛溶接を行いそれによる局所的高剛性化により、周溶接部近傍の座屈を防止している。
また、ＵＯＥ鋼管の管形状に関しては、特許文献６に円弧状の上下ダイスを用いて管端の真円度を矯正する案が示されている。これにより、管端同士を溶接する際の芯合わせ時に形状が合わず溶接性が悪化することを防いでいる。
また、特許文献７には、ダイスで押しきれない部分を、鋼管を回転させながら必要な部位をロールで押下ることで、ダイスの形状により発生する管端円周方向の真円度不整を強制し、真円に近づける案が提案されている。
特許文献６、７に提案されているものはいずれも、管端の周方向の形状を矯正することにより管端真円度を確保するための加工手段である。

特許第４５２８３５６号特許第４５７５９９５号特許第４５７５９９６号特許第４４４２５４１号特開２００６−２９２０８８号公報特開２０１０−１６７４４０号公報特許第３７８５９９８号

パイプラインや鋼管杭等の鋼管構造物は、およそ12〜24mの鋼管を複数本、長手方向に溶接接合することで完成する長尺の構造物である。これらの鋼管構造物に地盤等の大変形が作用する場合、母材部および溶接部ともに曲げ変形する。溶接部では、(a)余盛などの板厚、(b)溶接材料のオーバーマッチ等の影響から、母材部と異なる剛性を有しており、鋼管の曲げ座屈試験で主に溶接部近傍で座屈する可能性が高いことが分かっている。
この現象は、母材部の変形性能より溶接部の変形性能が下回っており、母材部でYRを上昇させることの限界を示している。特許文献１〜４に示されたYR(降伏比)改善策のみでは、鋼管単体ではなくパイプラインとして考えた場合に溶接部で所定の変形性能改善効果を発揮できないという問題がある。

また、特許文献５に示されている、管端すなわち周継手近傍のみを対象とした座屈防止策は、そもそも周溶接部の欠陥での引張力卓越を防止することを目的としている。そのために、周溶接部近傍の一定の区間に溶接機で余盛して剛性を強化し、周溶接近傍のみの座屈を防止している。座屈した後はその裏側で引張ひずみが卓越し、破断に至るため、この措置で引張ひずみを溶接部に集中させないようにできる。
しかしながら、この方法は剛性を強化して座屈を防止しているが、この場合、余盛終了位置近傍の余盛のない部分で座屈が発生する。しかも、母材と周溶接部との剛性差により、母材のみの場合よりも小さな変形で座屈すると考えられ、周溶接部で破壊させないという使命は果たしたが、鋼管構造物全体としての変形性能は低くなるという問題がある。

また、特許文献６、７に示されている真円度矯正策は周継手の溶接施工性向上を考慮したものである。形状は主に周方向に矯正され、真円度が向上するが、管軸方向の形状の改善には直接寄与しない。後述するように、鋼管の座屈防止には軸方向の形状の矯正が重要であるため、上記の方法では、構造物の座屈防止には効果が期待できない。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、突合せ円周溶接を施して構造物を形成するのに用いるＵＯＥ鋼管であって、座屈性能に優れた構造物を形成できるＵＯＥ鋼管を得ることを目的としている。

管長手方向に剛性が均一な鋼管の座屈現象において、管端部の近い位置で座屈が発生しやすいことが知られている。
一方、パイプライン等で使用する鋼管は、管端部と管端部を円周溶接で接合しさらに円周溶接部の強度が鋼管母材より高くなるようにするのが一般的である（円周溶接部の剛性は他の部分より高くなる）。このように剛性の高い部分があるとその周囲も座屈しにくくなる。このため、円周溶接部を有する鋼管の座屈位置はある程度離れた位置となると考えられる。

しかしながら、パイプラインのように管長手方向の途中に円周溶接部を有する鋼管の座屈位置がどの位置になるかについては理論的に解明されていない。
そこで、発明者らは、円周溶接部近傍での座屈現象を特定するため、外径φ48インチ(1219mm)、板厚22.0mm、鋼管長さ8000mm、長手方向の中央にMG-S70を用いた11パスの多層盛（約1.1〜2.0kJ/mm）の円周溶接有する鋼管を例として実管を用いた鋼管曲げ実験および実験と合致する有限要素法解析による検討を行った。
その結果、円周溶接部から管長手方向に450〜770mm程度の位置に座屈が生じやすいことを明らかにした。
このため、円周溶接部から管長手方向に450〜770mmの範囲に座屈を誘発するような外径形状が存在すると、当該部位での座屈が誘発され鋼管全体の変形性能が低下すると考えられる。

他方、本願発明が対象としているＵＯＥ鋼管は、その製造過程において拡管用ダイスを管に挿入して、所定の送り量で拡管を繰り返すことで鋼管の成形精度を上げる工程がある。そのため、ＵＯＥ鋼管の外形は拡径部と極小値が連続するような形状、換言すれば管長手方向断面において波打つような形状になっている。そのため、ＵＯＥ鋼管の座屈は波形状における極小値の部位で生じやすいことが考えられる。
このようなＵＯＥ鋼管の外形の特徴と、円周溶接部を有する鋼管の座屈が生じやすい位置とを合わせて考察すると、ＵＯＥ鋼管を管長手方向に溶接した場合、外径φ48インチ(1219mm)、板厚22.0mmの鋼管であれば円周溶接部から450〜770mmの範囲に、波形状の極小値が存在すると、外径形状による微妙な差で座屈が生じてしまい、結果として鋼管全体の変形性能が低下することになる。

実際、円周溶接継手を有し、円周溶接部から管長手方向に600mmの位置に前記極小値がある場合の変形性能と、円周溶接部から管長手方向に450〜770mmの範囲に前記極小値がない場合との座屈性能を比較したところ、前者では2De移動平均ひずみで1.35%（曲げ曲率の指標：標点を外径Deの2倍とした場合の座屈が発生する圧縮ひずみ量）であり、後者では1.55%程度あった。
このことから、外径φ48インチ(1219mm)、板厚22.0mmの鋼管であれば円周溶接部から管長手方向に450〜770mmの位置に極小値が存在しないようにＵＯＥ鋼管の管端部の形状を制御すれば、当該範囲に極小値がある場合に比較して15%程度の耐座屈性能向上が得られることになる。

上記の説明では、外径φ48インチ(1219mm)、板厚22.0mmの鋼管について説明したが、前記の範囲（450〜770mm）は、管の径・板厚により変化することが考えられる。そこで、管径、管厚を変更した解析実験を行い、座屈が生ずる範囲についてさらに検討した結果、鋼管の初期座屈波形長との相関があることを見出した。
鋼管の初期座屈波形長λは1.72√(De/2*t)(ここにDeは管端の外径、tは板厚)で算出することができ、前記座屈が生ずる範囲（450〜770mm）を鋼管の初期座屈波形長λを用いて表すと、円周溶接部から管長手方向に2.26λ〜3.86λとなる。鋼管母材の同等の耐座屈性能から2.26λ〜3.86λの範囲では耐座屈性能が低下し最低値は2.76λ〜3.13λの範囲となっている。

以上の検討結果から、ＵＯＥ鋼管を管軸方向に溶接接合してパイプラインを形成する場合において、パイプラインの座屈性能を向上させるためには、円周溶接部から2.26λ〜3.86λの範囲に極小値が存在しないように管端部の形状を制御すれば、円周溶接の影響で座屈性能が低下しているエリアで座屈は発生しにくくなり、最も座屈しやすいとされる部位での座屈を防止することができる。その結果、座屈は円周溶接の影響を受けない鋼管母材部となるので、鋼管母材で想定していた変形性能でパイプライン全体の変形性能は規定される。
本発明はかかる知見に基づくものであり、具体的には以下の構成からなるものである。

（１）本発明に係るＵＯＥ鋼管は、突合せ円周溶接を施して構造物を形成するのに用いるＵＯＥ鋼管であって、前記ＵＯＥ鋼管の両端部から2.26λから3.86λの範囲に、管長手方向断面に現れる波形の極小値が存在しないように制御して製造されたことを特徴とするものである。
但し、λは、ＵＯＥ鋼管の初期座屈半波長であり、λ＝1.72√(De/2*t)である。
ここで、Deは管端の外径、ｔはＵＯＥ鋼管の板厚である。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記制御は、拡管ダイスの送り幅を調整することによって行われることを特徴とするものである。

（３）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記制御は、管端部を切断することによって行われることを特徴とするものである。

本発明に係るＵＯＥ鋼管は、両端部から2.26λから3.86λの範囲に、管長手方向断面に現れる波形の極小値が存在しないように制御して製造されているので、座屈性能が低下しやすい場所に座屈を誘発する形状が存在せず、鋼管を接合して形成される構造物全体としての座屈性能を向上させることができる。

本発明の一実施の形態に係るＵＯＥ鋼管の管端部の形状を説明する説明図である。一般的なＵＯＥ鋼管の管端部の形状を説明する説明図である。実施例の実験結果を示すグラフである。

ＵＯＥ鋼管は、前述したように、その製造過程において拡管用ダイスを管に挿入して、所定の送り量で拡管を繰り返すことで鋼管の成形精度を上げる工程がある。そのため、図２に示すように、一般的なＵＯＥ鋼管１０には、管長手方向断面における管表面に、図２に示すような波形が形成されている。図２においては、波形状の極小値を示す部位に黒丸を記載している。
前述したように、図２に示すＵＯＥ鋼管１０のように、管端部から2.26λから3.86λの範囲に波形の極小値が存在すると、座屈性能が低下する。
そこで、本実施の形態のＵＯＥ鋼管１は、図１に示すように、端部から2.26λから3.86λの範囲に、前記波形の極小値が存在しないように、図２に示すＵＯＥ鋼管１０の端部１０ａ（端面から500mmの範囲）を切断して製造されたことを特徴とするものである。
但し、λは、ＵＯＥ鋼管の初期座屈半波長であり、λ＝1.72√(De/2*t)である。
ここで、Deは管端の外径、ｔはＵＯＥ鋼管の板厚である。

図１、図２に示す、ＵＯＥ鋼管１、１０の管長手方向断面に現れる波形を関数F(x)で表わすとすれば、両端部から2.26λから3.86λの範囲に、前記波形の極小値が存在しないこととは、下記の（１）式を満たさないことであると表現することもできる。
De<F(2.26λ) かつDe<F(3.86λ)かつF’(Lx)=0 ・・・（１）
但し、Lxは管端から管長手方向の距離であり、2.26λ＜Lx＜3.86λ
Deは管端の外径

本実施の形態のＵＯＥ鋼管１は、管端部から2.26λから3.86λの範囲に、管長手方向断面に現れる波形状の極小値が含まれないようにしているので、円周溶接部近傍で座屈性能が低下しやすい場所、すなわち管端部から2.26λから3.86λの範囲に座屈を誘発する形状が存在せず、鋼管を接合して形成される構造物全体としての座屈性能を向上させることができる。

なお、上記の例では、管端部の形状を制御する方法として、既に製造されたＵＯＥ鋼管１０の管端部１０ａを切断する例を示したが、ＵＯＥ鋼管の製造過程において、拡管ダイスの送り幅を調整することによって、管端部から2.26λから3.86λの範囲に波形の極小値が存在しないように、管端部の形状を制御してもよい。

上記の本実施の形態の効果を確認する鋼管曲げ実験及び解析実験を行ったので、この点を以下に示す実施例において説明する。

＜鋼管曲げ実験＞
・実験１
実験１には、ＵＯＥ鋼管（外径：48インチ=1219mm,管厚：22mm）を用いた。
実験に先立ち、鋼管外面の形状を計測した。その結果、鋼管の外面形状に波打ちが見られた。この波打ちの形状は、ＵＯＥ鋼管の製造過程において拡管用ダイスによって拡管を行った際に生じたものであり、形状変化の周期はエキスパンドの周期に近く、すべての振幅はほぼ同じで一定の機械拡径により生じたものであった。
試験体の鋼管では、鋼管の円周溶接部から550mm程度のところに極小値が確認できた。この試験体における550mmの位置は、2.8λに相当し、本発明において規定する2.26λから3.86λの範囲内である。
曲げ試験の結果、円周溶接部近傍の500mm位置で座屈が発生し、この部位で変形が進行した。曲げモーメントのピークはこの座屈により鋼管の耐力が低減し始めたことにより生じた。同じ材質をもつ、円周溶接部を有しない鋼管の曲げ試験結果と比較すると変形性能は15%程度低下しており、これにより、円周溶接部近傍での座屈は鋼管全体の変形性能を低下させる要因になることがわかる。
・実験２
ＵＯＥ鋼管であって、極小値が円周溶接部から300mm（1.5λ）の位置にあるものを試験体として、上記と同様の実験を行った。その結果、円周溶接部を有しないＵＯＥ鋼管の曲げ試験結果と同程度の座屈性能であった。

実験１、２の結果から、本発明範囲である2.26λから3.86λの範囲内に極小値が存在すると座屈性能が低下し、逆に2.26λから3.86λの範囲外に極小値が存在する場合には座屈性能の低下に影響されないことが確認された。

＜解析実験＞
上記の実管を用いた鋼管曲げ実験で得られた現象より、円周溶接部近傍に存在する極小値が鋼管の座屈現象に影響を与えていることが実証されたので、次に、円周溶接部近傍で極小値の位置を、300〜1050mmの範囲において150mmピッチで変えて、鋼管曲げ実験で用いたいのと同様の外形と管厚の鋼管（外径：48インチ=1219mm,管厚：22mm）について解析実験を行った。
実験の結果を図３のグラフに示す。図３のグラフは、縦軸が曲率半径［m］で、横軸が管端部から極小値までの距離を示している。
図３のグラフには、実管による曲げ実験の結果も載せている。

図３のグラフを見ると、300mm、450mmの位置に極小値がある場合には、座屈に至る曲率半径が37mの近傍であるが、450m〜750mmの範囲では、座屈発生時の曲率半径が大きくなっており座屈性能が低下していることが分かる。
300mmは1.5λ、450mmは2.26λ、750mmは3.86λに相当する。したがって、2.26λ〜3.86λの範囲内に極小値が存在すると、座屈性能が低下し、逆に当該範囲に極小値が存在しなければ鋼管母材で想定していた変形性能を得られることが解析的に実証された。

１ＵＯＥ鋼管
１０一般的なＵＯＥ鋼管
１０ａ端部

Claims

突合せ円周溶接を施して構造物を形成するのに用いるＵＯＥ鋼管であって、前記ＵＯＥ鋼管の両端部から2.26λから3.86λの範囲に、管長手方向断面に現れる波形の極小値が存在しないように制御して製造されたことを特徴とするＵＯＥ鋼管。
但し、λは、ＵＯＥ鋼管の初期座屈半波長であり、λ＝1.72√(De/2*t)である。
ここで、Deは管端の外径、ｔはＵＯＥ鋼管の板厚である。
前記制御は、拡管ダイスの送り幅を調整することによって行われることを特徴とする請求項１記載のＵＯＥ鋼管。
前記制御は、管端部を切断することによって行われることを特徴とする請求項１記載のＵＯＥ鋼管。