JP5382250B2 - 鋼管及び該鋼管で形成されるパイプライン、鋼管杭、鋼管矢板 - Google Patents

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及び該鋼管で形成されるパイプライン、鋼管杭、鋼管矢板に関する。

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、その後引張側で破断するが、圧縮側の座屈波形の損傷により漏洩が発生する。
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・管長方向にひずみを付与することで、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。形状はおも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鋼管であって座屈性能に優れた構造物を形成できる鋼管及び該鋼管によって形成されるパイプライン、鋼管杭、鋼管矢板を得ることを目的としている。

パイプラインは、周溶接部近傍における剛性差により周継手部の近傍で座屈が生じる可能性が高い。座屈が生ずる場所は、鋼管の板厚・外径から決定される座屈半波長λ程度離れた場所で発生することが多い。
このような座屈を防止するためには、座屈場所の剛性を向上する、形状特性を改善する等の措置があるが、座屈場所の剛性を向上させたところで座屈位置が変わるだけで座屈時の曲げ変形量、座屈部のひずみ量はかわらない。
そこで発明者らは、形状特性を改善することに着目した。形状特性のうち、座屈に影響を与える影響の高いものとして外形の軸方向分布を挙げた。

外形の軸方向分布が生ずる鋼管の一例としてＵＯＥ鋼管がある。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真円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。このようなＵＯＥ鋼管の座屈は波形状における縮径部の部位で生じやすい。
そのため、鋼管を接合してパイプラインを形成した場合、パイプラインにおける座屈が生じやすい場所に縮径部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、結果としてパイプライン全体の変形性能が低下することになる。

そこで、発明者らは、形状特性の改善として、パイプラインにおける座屈が生じやすい場所をフラット（鋼管の径方向の変化が無い、あるいは微小である形状）にすることを考えた。
実験および実験と合致する有限要素法解析において、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）の円周溶接を有する鋼管を例としてフラット部長さと変形性能との関係について解析検討を行った。その結果、管端部から400mm程度のフラット部があることで周継手がない場合と同等の変形性能を有することを見出した。
周継手を有し、管端部がフラットではない場合の変形性能が、2D移動平均ひずみ(曲率を表す実験結果評価値)1.35%であり、400mm程度(2λ)以上フラットである場合には1.55%程度あったことから、15%程度の耐座屈性能向上が確認できた。

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、フラット部の長さ（周溶接部から400mm）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（円周溶接部から400mm）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2λとなる。

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2λの範囲をフラットにすることで、座屈が生じやすい場所に縮径部がなくなり、その部位での座屈は発生しにくくなり、「他の部位」に座屈が逃げる。「他の部位」は円周溶接部から離れた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。

管端部をフラットにするとして、実管においては完全にフラットにすることはできないことから、どの程度フラットにすることで効果があるかについてさらに検討した。
その結果、管長手方向断面に現れる外径の変化量を鋼管外径の0.02%以下にすることで、完全にフラットにした場合とほぼ同等の効果がえられることを確認した。
なお、上記においては、外形の軸方向分布が生ずる鋼管の一例としてＵＯＥ鋼管を挙げたが、上記の知見はＵＯＥ鋼管に限定されるものでないことは言うまでもない。
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鋼管であって、前記鋼管の両端部から少なくとも2λの範囲を、管径の変化量が鋼管外径の0.02%以下となるフラット部にしたことを特徴とするものである。
但し、λは、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、前記鋼管は、製造過程で波形状が生ずるＵＯＥ鋼管であることを特徴とするものである。

（３）本発明に係るパイプラインは、上記（１）又は（２）に記載の鋼管の端部を溶接して形成したことを特徴とするものである。

（４）また、本発明に係る鋼管杭は、上記（１）又は（２）に記載の鋼管の端部を溶接して形成したことを特徴とするものである。

（５）また、本発明に係る鋼管矢板は、上記（１）又は（２）に記載の鋼管の端部を溶接して形成したことを特徴とするものである。

本発明においては、鋼管の両端部から少なくとも2λの範囲を、管径の変化量が鋼管外径の0.02%以下となるフラット部にしたことにより、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。これにより、重要構造物の安全性を向上させることができるから産業上極めて有用である。

本発明の一実施の形態に係る鋼管の説明図である。 一般的なＵＯＥ鋼管の説明図である。 実施例で行った鋼管曲げ実験における周溶接位置の説明図である。 実施例の実験で試験体として用いたＵＯＥ鋼管の形状分布を示すグラフである。 実施例で行った鋼管曲げ実験の説明図である。 実施例で行った鋼管曲げ実験によって鋼管に曲げモーメントを与えたときに発生するひずみの説明図である。 実施例で行った鋼管曲げ実験の結果を示す写真である。 実施例で行った鋼管曲げ実験における座屈発生時のひずみ分布を示すグラフである。 実施例で行った解析実験の結果を示すグラフである。

本実施の形態においては、外形の軸方向分布が生ずる鋼管の一例としてＵＯＥ鋼管を例に挙げて説明する。
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真円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３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。
前述したように、管端部から2λ程度の範囲に波形の縮径部が存在すると、座屈性能が低下する。
そこで、本実施の形態に係る鋼管１は、図１に示すように、管端部から2λの範囲をフラット部１ａとなるように成形したものである。
但し、λは、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。
フラット部１ａとは、管外形の変化量が鋼管外径の0.02%以下となっている部位をいう。

ＵＯＥ鋼管３の管端部にフラット部を形成するための鋼管製法としては、ＵＯＥ鋼管の製造工程で使用する拡管用ダイスのエキスパンド間隔を狭めるようにする方法が挙げられる。エキスパンド間隔を狭めることで、波形が重畳し、振幅・周期ともに低減できる。もっとも、フラット部１ａを形成する方法はこれに限られるものではなく、他の方法であってもよい。

本実施の形態の鋼管１は、管端部から2λの範囲をフラット部１ａ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2λの範囲に座屈を誘発する形状が存在せず、鋼管の端部を周溶接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。
鋼管を周溶接して形成される構造物としては、例えばパイプライン、鋼管杭、鋼管矢板などがある。

なお、上記の説明では、外形の軸方向分布が生ずる鋼管の一例としてＵＯＥ鋼管を例に挙げて説明したが、本発明の鋼管１はＵＯＥ鋼管に限定されるものではなく、他の製法によって製造された鋼管であっても同様の効果を奏する。

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＞
実験には、ＵＯＥ鋼管（外径：48インチ=1219mm,管厚：22mm）を用いた。試験体の鋼管は、図３に示すように、軸方向の中央部に周溶接の位置を設定した。以下において、鋼管の「軸方向位置」は周溶接部を基準(=0)とする。
実験に先立ち、鋼管外面の形状を計測した。図４は、試験体のＵＯＥ鋼管の形状分布をグラフで示したものであり、縦軸が管径（mm）、横軸が軸方向の位置(mm)を示している。試験体のＵＯＥ鋼管は、図４に示すように、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。
鋼管の円周溶接部から550mm程度のところに縮径部が確認できた。
鋼管曲げ実験は、図５に示すように、初期状態が直管（図５（ａ）参照）であった鋼管に、図５（ｂ）に示すように曲げモーメントを作用させて曲げ座屈させるというものである。

図６は、鋼管に曲げモーメントを作用させたときに発生するひずみの説明図である。図６に示すように、曲げモーメントにより、鋼管には引張ひずみが発生する側と圧縮ひずみが発生する側に分かれる。これらをそれぞれ、引張側、圧縮側と呼ぶ。
図７は鋼管曲げ実験の結果の写真である。また、図８は座屈発生時のひずみ分布のグラフであり、縦軸がひずみε(%)を、横軸が鋼管軸方向の位置(m)をそれぞれ示している。図８のグラフ中の引張側ひずみ分布は鋼管のθ=0側で得られた鋼管表面のひずみである。同様に、圧縮ひずみ分布は鋼管のθ=180側で得られた鋼管表面のひずみである。
ひずみは、座屈以前は均一な分布を示すが、座屈以降、とりわけ圧縮ひずみは座屈部位(図７の周溶接+500mmで得られた大きな座屈波形)で大きな値が観測された。
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。

＜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縮径部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。
この結果から、周溶接部近傍で縮径部がない場合について、縮径部のないフラットな領域の長さを様々に変えて解析を行った。
図９は解析結果を示すグラフであり、縦軸が座屈が生じない最小の曲率半径（m）を示し、横軸が周継手近傍のフラット区間（mm）を示している。図９のグラフに示すようにフラット部の長さが400mm程度のところで上限に達するようなカーブが得られ、フラット部がない場合には15%程度の耐座屈性能の低減が見られ、フラット部がおよそ400mm程度以上ある場合には溶接部のない鋼管と同等の変形性能が確認できた。

このことから、外径φ48インチ(1219mm)、板厚22mmの鋼管については、400mm程度のフラット部があれば鋼管の材質で発現される変形性能を有することが実証された。
前述のように、フラット部の長さは、管の径・板厚により変化することが考えられ、鋼管の初期座屈波形長λとの相関が見られる。
上記の外形φ48インチ(1219mm)、板厚(22mm)の鋼管では、λ＝1.72√(De/2*t)の式を用いてλを計算すると、約200mmとなる。他方、変形性能が十分安定して高くなるフラット部の長さは図９のグラフからおよそ400mmと読み取れる。したがって、周溶接近傍で座屈しにくい部位となるフラット部を波形長(2λ＝400mm)以上設けておけば、本来座屈しやすいエリアで座屈が発生しにくくなり、他の部位に座屈が逃げる。この「他の部位」は溶接から離れた鋼管母材部となり、この状態では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ことになる。

１ 鋼管
１ａ フラット部
３ ＵＯＥ鋼管

Claims (5)

1. 突合せ円周溶接を施して構造物を形成するのに用いる鋼管であって、前記鋼管の両端部から少なくとも2λの範囲を、管径の変化量が鋼管外径の0.02%以下となるフラット部にしたことを特徴とする鋼管。
   但し、λは、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は鋼管の板厚である。
2. 前記鋼管は、製造過程で波形状が生ずるＵＯＥ鋼管であることを特徴とする請求項１記載の鋼管。
3. 請求項１又は２に記載の鋼管の端部を溶接して形成したことを特徴とするパイプライン。
4. 請求項１又は２に記載の鋼管の端部を溶接して形成したことを特徴とする鋼管杭。
5. 請求項１又は２に記載の鋼管の端部を溶接して形成したことを特徴とする鋼管矢板。