JP5573977B2 - 鍛接管のフレア加工性の評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、フレア加工などの強加工に供されても、接合部に割れが発生しにくい、加工性に優れた鍛接管に関する。

近年、配管は、その継手部分を兼ね備えるものとして、フレア加工のような管端部への強加工を施されたものが増えている。この強加工に耐える性能を有するものとして電縫管が適用されているが、電縫管は高価なため、廉価な鍛接管の適用が図られている。
従来の鍛接管は、接合部の強度が低くて、強加工すると接合部を起点として割れが発生しやすいため、フレア加工のような用途に適用するには不十分な性能と言われてきた。

鍛接管の製造においては、図１に一例を示すとおり、スリットした鋼帯２を、エッジ成形機４でエッジ部（幅端部）を成形（エッジ成形）し、加熱炉５にて全幅を加熱し、該加熱後の鋼帯を成形鍛接機６で管状に連続成形しつつ、エッジ部にノズル７で酸素または空気を吹き付けて酸化熱により融点直下近傍の温度まで昇温させ、エッジ衝合・鍛接して接合し、場合によっては絞り圧延を行って、管８に仕上げている。なお、図示していないが、スリットした鋼帯のエッジ部を切削してからエッジ成形する場合もある。また、酸素または空気を吹き付ける代わりに、加熱炉５の出側で鋼帯端部を高周波加熱する場合もある。

製造した鍛接管は、接合部に酸化物などが残留しやすく、また、接合部の外面側および内面側に筋が発生し、これらに起因して、フレア加工のような強加工において接合部に割れが発生していた。接合部の外面側の筋は、鋼帯をスリットしてエッジ部に発生したダレが鍛接時に残留したものである。また、内面側の筋は、接合時にエッジ衝合部が盛り上がってビード部を形成し、この谷間が筋となったものである。

そこで、従来は、特許文献１〜３に示されるように、管の一部を切り出して、外面側の筋深さ、内面側のビード高さ、内面側の筋深さ、接合部の介在物などを特定の範囲に規制することによって、接合部の強度向上を図った鍛接管を提供していた。

特開２００７−１５２４３０号公報 特開平１０−２６３８４６号公報 特開平４−２７０００９号公報

しかし、本発明者らの検討により把握されたことに、前記従来の技術に則って外面側の筋深さ、内面側のビード高さ、内面側の筋深さを特定範囲にしても、鍛接管の接合部の強度を充分に向上できず、フレア加工で接合部が割れてしまう場合が多い。また、接合部の介在物を規制することも行われているが、鍛接管の断面を切り出して調査するものであるため、調査する鍛接管の一部しかわからず、長手方向の広範囲にわたって、介在物を特定の範囲に規制することができず、製品として出荷する鍛接管の接合部品質を充分に保証できるものではなかった。

本発明は、上述の課題を解決し、フレア加工のような強加工を行なっても、接合部から割れることのない鍛接管を提供することを目的としてなされたものであり、その要旨は次のとおりである。

［１］ 鋼帯のエッジ部（幅端部）を成形（エッジ成形）し、加熱炉にて全幅を加熱し、該加熱炉の出側で鋼帯のエッジ部を高周波加熱した後、該加熱後の鋼帯を成形鍛接機で管状に連続成形しつつ、エッジ衝合・鍛接して製造する鍛接管、
または、鋼帯のエッジ部（幅端部）を成形（エッジ成形）し、加熱炉にて全幅を加熱し、該加熱後の鋼帯を成形鍛接機で管状に連続成形しつつ、エッジ部に酸素又は空気を吹き付けて酸化熱により融点直下近傍の温度まで昇温させ、エッジ衝合・鍛接して製造する鍛接管をフレア加工に供する際の評価方法であって、
鍛接管接合部の渦流探傷で検出した渦電流を、肉厚を貫通した直径３．２ｍｍのドリル孔を標準欠陥として検出した渦電流に対する百分率で表した渦電流の大きさＡ（％）が、管肉厚に対する接合部の肉厚方向長さの比（Ｒ１）を用いた下記＜１＞式で表される限界値Ａ１以下であれば、その鍛接管はフレア加工を行っても前記接合部に割れが発生しないと判定することを特徴とする鍛接管のフレア加工性の評価方法。
Ａ≦Ａ１＝１２．５・Ｒ１＋７．５‥‥＜１＞
［２］ 前記渦電流の大きさＡ（％）が、管肉厚に対するビード部最大肉厚の比（Ｒ２）を用いた下記＜２＞式で表される限界値Ａ２以下であることを特徴とする［１］に記載の鍛接管のフレア加工性の評価方法。
Ａ≦Ａ２＝２５・Ｒ２−６．２５‥‥＜２＞

［３］ 鋼帯のエッジ部（幅端部）を成形（エッジ成形）し、加熱炉にて全幅を加熱し、該加熱炉の出側で鋼帯のエッジ部を高周波加熱した後、該加熱後の鋼帯を成形鍛接機で管状に連続成形しつつ、エッジ衝合・鍛接して製造する鍛接管、
または、鋼帯のエッジ部（幅端部）を成形（エッジ成形）し、加熱炉にて全幅を加熱し、該加熱後の鋼帯を成形鍛接機で管状に連続成形しつつ、エッジ部に酸素又は空気を吹き付けて酸化熱により融点直下近傍の温度まで昇温させ、エッジ衝合・鍛接して製造する鍛接管をフレア加工に供する際の評価方法であって、
鍛接管接合部の渦流探傷で検出した渦電流を、肉厚を貫通した直径１．６ｍｍのドリル孔を標準欠陥として検出した渦電流に対する百分率で表した渦電流の大きさＡ’（％）が、管肉厚に対する接合部の肉厚方向長さの比（Ｒ１）を用いた下記＜３＞式で表される限界値Ａ３以下であれば、その鍛接管はフレア加工を行っても前記接合部に割れが発生しないと判定することを特徴とする鍛接管のフレア加工性の評価方法。
Ａ’≦Ａ３＝５０・Ｒ１＋３０‥‥＜３＞
［４］ 前記渦電流の大きさＡ’（％）が、管肉厚に対するビード部最大肉厚の比（Ｒ２）を用いた下記＜４＞式で表される限界値Ａ４以下であることを特徴とする［３］に記載の鍛接管のフレア加工性の評価方法。
Ａ’≦Ａ４＝１００・Ｒ２−２５‥‥＜４＞

本発明によれば、フレア加工などの強加工に供されても、接合部に割れを発生させない鍛接管が得られる。

鍛接管の製造工程の一例を示す概略図 管肉厚に対する接合部の肉厚方向長さの比（Ｒ１）による、鍛接管接合部の割れ発生に伴う渦電流の限界値Ａ１を示す線図（標準欠陥として肉厚貫通の直径３．２ｍｍのドリル孔を用いた場合） 管肉厚に対するビード部最大肉厚の比（Ｒ２）による、鍛接管接合部の割れ発生に伴う渦電流の限界値Ａ２を示す線図（標準欠陥として肉厚貫通の直径３．２ｍｍのドリル孔を用いた場合） 管肉厚に対する接合部の肉厚方向長さの比（Ｒ１）による、鍛接管接合部の割れ発生に伴う渦電流の限界値Ａ３を示す線図（標準欠陥として肉厚貫通の直径１．６ｍｍのドリル孔を用いた場合） 管肉厚に対するビード部最大肉厚の比（Ｒ２）による、鍛接管接合部の割れ発生に伴う渦電流の限界値Ａ４を示す線図（標準欠陥として肉厚貫通の直径１．６ｍｍのドリル孔を用いた場合）

鍛接管をフレア加工のような強加工に供する場合、従来から接合部に割れが発生して問題であるため、鍛接管製造段階において、接合部が良好であるか確認して品質を確保しておく必要がある。
この接合部の強度を低下させる原因として、介在物が接合部に残留し、これが破壊の起点となって割れやすいことが言われている。

本来であれば、その介在物を直接測定すべきであるが、従来の鍛接管においては管の一部を切り出して、管の一部のみの接合部の介在物を調査することしかできなかった。
そこで、本発明者らは、ほぼ管全長にわたり接合部を直接調査する方法を検討し、比較的簡便な方法として渦流探傷を用いることとした。渦流探傷は、管に渦電流を与えて、介在物等の欠陥が存在した場合、その部分で渦電流が変化するため、この渦電流の変化を測定して介在物を検出するものである。

鍛接管の渦流探傷における最適条件を調査したところ、管肉厚を貫通する直径３．２ｍｍのドリル孔を穿孔し、これを標準欠陥として、この標準欠陥に対する渦電流の大きさを１００％として鍛接管接合部の渦電流の大きさ（％）を測定するとよく、接合部の介在物の量を百分率で表すことができて、簡便に割れ評価が可能なわけである。
接合部の渦電流の大きさ（％）は、値が大きいほど介在物が多くて接合部が割れやすいことを示し、値が小さいほど介在物が少なくて接合部が割れにくいことを示す。

一方、本発明者らは、接合部の肉厚方向長さに着目した。従来の接合部強度が低い鍛接管を詳細に観察すると、接合部の肉厚方向長さが短い場合、フレア加工のような強加工における管円周方向に作用する強い張力に対して、接合部の強度が不足していることを見出したわけである。
接合部の強度についてさらに詳細に述べると、管肉厚に対する接合部の肉厚方向長さの比が小さくなると接合部強度が低くなり、大きくなると接合部強度が向上するわけである。すなわち、フレア加工のような強加工においては、管端部およびその周辺が拡管されつつ円周方向に拡がっていく。その際、管端部およびその周辺では、円周方向に過大な張力が作用する。この張力は、管の肉厚が薄い部分に集中しやすいため、接合部の肉厚が薄い場合、すなわち、管肉厚に対する接合部の肉厚方向長さの比が小さい場合、接合部に応力集中して割れやすくなるわけである。

本発明者らは、介在物による渦電流および接合部の肉厚方向長さの双方を用いて、より充分な接合部強度を得ることが可能であることを把握して、本発明をなすに至った。
本発明に至るまでの検討過程において、製造した鍛接管の接合部分（鍛接管接合部）を渦流探傷し、測定した渦電流の大きさを、標準欠陥とした肉厚貫通の直径３．２ｍｍのドリル孔に対する渦電流の大きさに対する百分率で表した値Ａ（％）として求め、かつ、接合部の肉厚方向長さを測定し、かつ、該測定箇所に隣接した鍛接管部分をフレア加工して接合部の割れ発生有無を調査した。この調査結果を整理し、図２に示すとおり、管肉厚に対する接合部の肉厚方向長さの比（Ｒ１）を用いて下記＜１＞式で表される限界値Ａ１以下の範囲のＡであれば、その鍛接管は加工性に優れたものと、精度良く判定できることを把握した。
Ａ≦Ａ１＝１２．５・Ｒ１＋７．５‥‥＜１＞

また、上記検討過程において、標準欠陥として肉厚貫通の直径１．６ｍｍのドリル孔を用いると、さらに精度良く欠陥を検出できることも分った。すなわち、直径１．６ｍｍ孔を標準欠陥としてこれに対する鍛接管接合部の渦電流の比Ａ’（％）を用いて、前記Ａ（％）を用いた場合と同様に整理し、図４に示すとおり、管肉厚に対する接合部の肉厚方向長さの比（Ｒ１）を用いて下記＜３＞式で表される限界値Ａ３以下の範囲のＡ’であれば、その鍛接管は加工性に優れたものと、さらに精度良く判定できることを把握した。
Ａ’≦Ａ３＝５０・Ｒ１＋３０‥‥＜３＞

さらに、接合部の割れにつながる応力集中は、接合部の界面だけでなく、その周辺にも作用している。鍛接時には衝合端部に酸素または空気を吹き付けるため、鍛接後にビード部となる衝合端部周辺の温度が上昇して金属元素の一部が拡散しやすいなどから組織が管の他の部分と異なり、製造後の変形抵抗が変化して、場合によってはいくらか低くなる。その結果、フレア加工のような強加工の過大張力の影響を受けやすくなる。

そこで、接合部の肉厚方向長さだけでなく、接合部界面周辺に生成するビード部にも着目した。ビード部とは、接合時に衝合端部が盛り上がった部分であり、鍛接管の場合、主に内面側に盛り上がりやすいが、外面側にもわずかに盛り上がる。
このビード部の盛り上がりが大きいと、接合部の肉厚方向長さも増大しやすくて、断面の単位面積あたりの張力が小さくなって、応力集中が緩和され、接合部への過大張力の集中を緩和することができる。したがって、接合部だけでなく、その周辺のビード部においても肉厚を増加させることによって、フレア加工などの強加工における接合部周辺の応力集中を緩和できて、割れを充分防止できるわけである。

本発明者らが、前記Ａ（％）と、管肉厚に対するビード部最大肉厚の比（Ｒ２）の測定値と、該測定箇所に隣接した鍛接管部分をフレア加工して割れ発生有無を調査した結果とを整理すると、図３に示すとおり、管肉厚に対するビード部最大肉厚の比（Ｒ２）を用いて下記＜２＞式で表される限界値Ａ２以下の範囲のＡであれば、＜１＞式による判定精度がさらに向上することが分った。
Ａ≦Ａ２＝２５・Ｒ２−６．２５‥‥＜２＞

また、前記Ａ（％）に代えて前記Ａ’（％）を用いて同様に整理すると、図５に示すとおり、管肉厚に対するビード部最大肉厚の比（Ｒ２）を用いて下記＜４＞式で表される限界値Ａ４以下の範囲のＡ’であれば、＜３＞式による判定精度がさらに向上することが分った。
Ａ’≦Ａ４＝１００・Ｒ２−２５‥‥＜４＞

また、肉厚貫通の直径３．２ｍｍのドリル孔を標準欠陥とする＜１＞式で、あるいはさらに＜２＞式で、鍛接管接合部の健全性を評価した後に、肉厚貫通の直径１．６ｍｍのドリル孔を標準欠陥とする＜３＞式で、あるいはさらに＜４＞式で、さらに厳密に鍛接管接合部の健全性を評価することとしてもよい。

なお、管肉厚とは、鍛接管の円周方向の平均肉厚でもよく、管の接合部と反対側に位置する部分の肉厚でもよく、接合部周辺で肉厚がほぼ同等となる特定位置、例えば接合部肉厚方向長さ相当のｎ倍の距離分だけ接合部から離した位置の肉厚、接合部を挟んで管円周方向１／ｎの範囲で平均した肉厚など、としてもよい。
さらに、サンプル本数を増やして＜１＞式、＜２＞式の信頼性を追跡調査し、次の結果を得ている。
・＜１＞式を満たさない場合、＜２＞式を満たすか否かによらず、フレア加工での割れ発生本数率は、約９５％である。
・＜１＞式を満たし、＜２＞式を満たさない場合、フレア加工での割れ発生本数率は、約５％である。
・＜１＞式および＜２＞式を満たす場合、フレア加工での割れ発生本数率は、約０．６％である。

また、＜３＞式、＜４＞式について同様に信頼性を追跡調査し、次の結果を得ている。
・＜３＞式を満たさない場合、＜４＞式を満たすか否かによらず、フレア加工での割れ発生本数率は、約９８％である。
・＜３＞式を満たし、＜４＞式を満たさない場合、フレア加工での割れ発生本数率は、約３％である。
・＜３＞式および＜４＞式を満たす場合、フレア加工での割れ発生本数率は、約０．３％である。

図１に一例を示した製造工程で鍛接管を製造した。すなわち、スリットした鋼帯２を、エッジ成形機４でエッジ部（幅端部）を成形（エッジ成形）し、加熱炉５にて全幅を加熱し、該加熱後の鋼帯を成形鍛接機６で管状に連続成形しつつ、エッジ部にノズル７で酸素または空気を吹き付けて酸化熱により融点直下近傍の温度まで昇温させ、成形鍛接機６でエッジ衝合・鍛接して接合し、絞り圧延を行って鍛接管を製造した。

上記製造工程で製造した鍛接管について、管肉厚に対する接合部の肉厚方向長さの比（Ｒ１）を測定し、そのＲ１を用いて＜１＞式から鍛接管接合部の渦電流の限界値Ａ１（％）を計算した。また、管肉厚に対するビード部最大肉厚の比（Ｒ２）を測定し、そのＲ２を用いて＜２＞式から鍛接管接合部の渦電流の限界値Ａ２（％）を計算した。また、接合部を渦流探傷して渦電流の大きさＡ（％）を測定し、かつ、フレア加工を行なって接合部の割れ発生の有無を調べた。それらの結果を表１に示す。

表１より、本発明例Ｎｏ．１〜６では、いずれの鍛接管もＡ≦Ａ１かつＡ≦Ａ２であり、フレア加工において接合部に割れが発生せずに良好であった。これに対し、比較例（従来例）Ｎｏ．７〜10では、いずれの鍛接管もＡ＞Ａ１であり、フレア加工において接合部に割れが発生し、接合部強度は低くて満足できる結果ではなかった。

図１に一例を示した製造工程で鍛接管を製造した。すなわち、スリットした鋼帯２を、エッジ成形機４でエッジ部（幅端部）を成形（エッジ成形）し、加熱炉５にて全幅を加熱し、該加熱後の鋼帯を成形鍛接機６で管状に連続成形しつつ、エッジ部にノズル７で酸素または空気を吹き付けて酸化熱により融点直下近傍の温度まで昇温させ、成形鍛接機６でエッジ衝合・鍛接して接合し、絞り圧延を行って鍛接管を製造した。

上記製造工程で製造した鍛接管について、管肉厚に対する接合部の肉厚方向長さの比（Ｒ１）を測定し、そのＲ１を用いて＜３＞式から鍛接管接合部の渦電流の限界値Ａ３（％）を計算した。また、管肉厚に対するビード部最大肉厚の比（Ｒ２）を測定し、そのＲ２を用いて＜４＞式から鍛接管接合部の渦電流の限界値Ａ４（％）を計算した。また、接合部を渦流探傷して渦電流の大きさＡ’（％）を測定し、かつ、フレア加工を行なって接合部の割れ発生の有無を調べた。それらの結果を表２に示す。

表２より、本発明例Ｎｏ．11〜16では、いずれの鍛接管もＡ’≦Ａ３かつＡ’≦Ａ４であり、フレア加工において接合部に割れが発生せずに良好であった。これに対し、比較例（従来例）Ｎｏ．17〜20では、いずれの鍛接管もＡ’＞Ａ３であり、フレア加工において接合部に割れが発生し、接合部強度は低くて満足できる結果ではなかった。

本発明に係る鍛接管は、接合部強度が良好であり、フレア加工のような強加工に供しても接合部が割れることがなく、著しく良好な性能を有しており、廉価な鍛接管への厳しい性能要求にも充分耐えるものであって、その産業上の利用可能性は極めて大きいものである。

１ コイラー
２ スリットした鋼帯
３ ルーパー
４ エッジ成形機
５ 加熱炉
６ 成形鍛接機
７ ノズル
８ 鍛接管（管）

Claims (4)

1. 鋼帯のエッジ部（幅端部）を成形（エッジ成形）し、加熱炉にて全幅を加熱し、該加熱炉の出側で鋼帯のエッジ部を高周波加熱した後、該加熱後の鋼帯を成形鍛接機で管状に連続成形しつつ、エッジ衝合・鍛接して製造する鍛接管、
   または、鋼帯のエッジ部（幅端部）を成形（エッジ成形）し、加熱炉にて全幅を加熱し、該加熱後の鋼帯を成形鍛接機で管状に連続成形しつつ、エッジ部に酸素又は空気を吹き付けて酸化熱により融点直下近傍の温度まで昇温させ、エッジ衝合・鍛接して製造する鍛接管をフレア加工に供する際の評価方法であって、
   鍛接管接合部の渦流探傷で検出した渦電流を、肉厚を貫通した直径３．２ｍｍのドリル孔を標準欠陥として検出した渦電流に対する百分率で表した渦電流の大きさＡ（％）が、管肉厚に対する接合部の肉厚方向長さの比（Ｒ１）を用いた下記＜１＞式で表される限界値Ａ１以下であれば、その鍛接管はフレア加工を行っても前記接合部に割れが発生しないと判定することを特徴とする鍛接管のフレア加工性の評価方法。
   Ａ≦Ａ１＝１２．５・Ｒ１＋７．５‥‥＜１＞
2. 前記渦電流の大きさＡ（％）が、管肉厚に対するビード部最大肉厚の比（Ｒ２）を用いた下記＜２＞式で表される限界値Ａ２以下であることを特徴とする請求項１に記載の鍛接管のフレア加工性の評価方法。
   Ａ≦Ａ２＝２５・Ｒ２−６．２５‥‥＜２＞
3. 鋼帯のエッジ部（幅端部）を成形（エッジ成形）し、加熱炉にて全幅を加熱し、該加熱炉の出側で鋼帯のエッジ部を高周波加熱した後、該加熱後の鋼帯を成形鍛接機で管状に連続成形しつつ、エッジ衝合・鍛接して製造する鍛接管、
   または、鋼帯のエッジ部（幅端部）を成形（エッジ成形）し、加熱炉にて全幅を加熱し、該加熱後の鋼帯を成形鍛接機で管状に連続成形しつつ、エッジ部に酸素又は空気を吹き付けて酸化熱により融点直下近傍の温度まで昇温させ、エッジ衝合・鍛接して製造する鍛接管をフレア加工に供する際の評価方法であって、
   鍛接管接合部の渦流探傷で検出した渦電流を、肉厚を貫通した直径１．６ｍｍのドリル孔を標準欠陥として検出した渦電流に対する百分率で表した渦電流の大きさＡ’（％）が、管肉厚に対する接合部の肉厚方向長さの比（Ｒ１）を用いた下記＜３＞式で表される限界値Ａ３以下であれば、その鍛接管はフレア加工を行っても前記接合部に割れが発生しないと判定することを特徴とする鍛接管のフレア加工性の評価方法。
   Ａ’≦Ａ３＝５０・Ｒ１＋３０‥‥＜３＞
4. 前記渦電流の大きさＡ’（％）が、管肉厚に対するビード部最大肉厚の比（Ｒ２）を用いた下記＜４＞式で表される限界値Ａ４以下であることを特徴とする請求項３に記載の鍛接管のフレア加工性の評価方法。
   Ａ’≦Ａ４＝１００・Ｒ２−２５‥‥＜４＞

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