JP5614324B2 - 鋼管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ラインパイプ等に使用される大径かつ厚肉の鋼管の製造方法に関するものである。

ラインパイプ等に使用される大径かつ厚肉の鋼管の製造技術として、所定の長さ，幅，板厚を有する鋼板をＵ字状にプレス加工した後、Ｏ字状にプレス成形して突合せ部を溶接して鋼管とし、さらにその直径を拡大（いわゆる拡管）して真円度を高めた鋼管（いわゆるＵＯＥ鋼管）の製造技術が、広く普及している。しかしＵＯＥ鋼管の製造工程では、鋼板をプレス加工してＵ字状，Ｏ字状に成形する工程で多大なプレス圧力が必要となるので、大規模なプレス機械を使用する必要がある。

そこで、大径かつ厚肉の鋼管を製造するにあたって、プレス圧力を軽減して成形する技術が検討されている。
たとえば、鋼板の幅方向端部に曲げ（いわゆる端曲げ）を付与した後、複数回の３点曲げプレスを行なって鋼板をほぼ円形に成形し、さらに突合せ部を溶接して鋼管とし、次にその鋼管の内部に拡管装置を挿入して鋼管の直径を拡大（いわゆる拡管）する技術が実用化されている。拡管装置は、円弧を複数に分割した曲面を有する複数個の拡管工具を備え、その曲面を鋼管内面に当接させるので、鋼管を拡管するとともに形状を整える作用がある。

その技術で鋼管を製造する場合は、３点曲げプレスの回数を多くすれば鋼管の真円度は向上するが、鋼管の製造に長時間を要する。一方で、３点曲げプレスの回数を減らすと、鋼管が円形になり難いという問題がある。そのため鋼管の寸法に応じて、３点曲げプレスの回数（たとえば直径1200mmの鋼管では50〜60回）を経験的に定めて操業している。
これに対して、鋼板に施すプレス回数を減少させ、しかも真円度の高い鋼管を得る技術が検討されている。たとえば特許文献１には、金型を用いてプレス加工を４回行ない、さらに突合せ部を溶接した後、その鋼管を加熱して熱間ロール成形を施すことによって形状を整える技術が開示されている。しかしこの技術では、鋼管を加熱する必要があるので、多大なコスト増加を招く。しかも、素材である鋼板製造時に加速冷却等によって材質が向上した鋼管を加熱することによって、その材質が劣化するという問題がある。

特開2005-324255号公報

本発明は、３点曲げプレスの回数を減少させて鋼管の製造に要する時間を短縮するとともに、冷間で３点曲げプレスを行なうことによって材質の劣化を防止し、かつ真円度の高い鋼管を製造する方法を提供することを目的とする。

発明者らは、複数回の３点曲げプレスを施して得た鋼管を冷間で拡管することによって、その真円度を高める技術について検討した。その結果、拡管の際に鋼管の内部に挿入する複数個の拡管工具が当接する部位では鋼管の押し広げ量が大きくなり、拡管工具同士の隙間では鋼管の押し広げ量が少ないことが分かった。
一方で、３点曲げプレスの回数やピッチは、鋼管１の真円度を高めるために、通常はプレスを施して生じる変形部に隙間が生じないように定められる。しかし、３点曲げプレスの回数を減少させて鋼管の製造に要する時間を短縮しようとすると、３点曲げプレスを施すピッチが増大し、３点曲げプレスによって曲げ加工された変形部は円弧状に成形されるが、３点曲げプレスによって曲げ加工されない部位では鋼管に直線状の未変形部が残留した状態となる。

そこで、本発明者らが鋭意検討した結果、鋼管の直線状の未変形部にそれぞれ拡管工具を内面側から当接させて拡管すると、未変形部が円弧状に拡管されて、既に円弧状に成形されている変形部と連続した円弧を形成し、その結果、３点曲げプレスの際に未変形部が残留しても真円度の高い鋼管を得ることが可能であるという知見を得た。
本発明はこのような知見に基づいてなされたものである。

すなわち本発明は、端曲げを付与した鋼板の中心線の片側に前記鋼板の端部側から開始して中心へ向かって複数回の３点曲げプレスを行ない、次に、前記中心線の他方の側に前記鋼板の端部側から開始して中心へ向かって複数回の３点曲げプレスを行ない、さらに、前記中心線の位置で３点曲げプレスを行なうことによって成形した後、鋼板の突合せ部を溶接した鋼管の内部に複数個の拡管工具を挿入して、拡管工具を３点曲げプレスによる変形が生じていない全ての未変形部に当接させて鋼管を拡管することを特徴とする鋼管の製造方法である。
本発明の鋼管の製造方法においては、拡管工具の個数をＮとして、３点曲げプレスをａＮ−１回行なうことが好ましい。なお、ａは１，２等の整数である。

本発明によれば、大径かつ厚肉の鋼管を製造するにあたって３点曲げプレスの回数を減少させることによって、鋼管の生産効率を向上するとともに、冷間で成形することによって素材である鋼板の製造過程で得た強度，靭性，溶接性等の優れた特性を維持しつつ、真円度に優れた鋼管を製造できる。

本発明を適用し、12個の拡管工具を用いて11回の３点曲げプレスを行なった鋼管を拡管する例を模式的に示す断面図である。 本発明を適用し、10個の拡管工具を用いて19回の３点曲げプレスを行なった鋼管を拡管する例を模式的に示す断面図である。 本発明を適用して鋼管を製造する工程を模式的に示す断面図である。 ３点曲げプレスの例を模式的に示す断面図である。 本発明の比較のために鋼管を拡管した例を模式的に示す断面図である。 乖離量の測定方法を示す断面図である。 本発明の比較のために鋼管を拡管した他の例を模式的に示す断面図である。

図１は、本発明を適用するにあたって、拡管工具２を12個用いて、鋼管１を拡管する例を模式的に示す断面図である。まず、その鋼管１を製造する工程を説明する。
図３(a)に示す板幅Ｗ（mm）の鋼板３の両端部（幅Ｌ（mm））を湾曲させて曲げ部を形成（以下、端曲げという）した後、図３(b)に示すように中心線CLの片側に、鋼板３の端部側から開始して中心へ向かって複数回の３点曲げプレス４を行ない、鋼板３の片側を半円弧状に成形する。３点曲げプレスは、図４に示すように、間隔を設けて配置される２個の下金型5a，5b上に鋼板３を載置し、上金型６の円弧状の曲面で鋼板３を押圧することによって曲げ加工を施すものである。３点曲げプレス４にて上金型で押圧する位置の間隔（以下、送りピッチＰ（mm／回）という）は等間隔とする。

なお、鋼板３の両端部に端曲げを付与する際には、３点曲げプレスは採用できない。その理由は、３点曲げプレス中に鋼板３の端部が下金型から脱落するからである。そのため、上下１対の金型を用いて端曲げを行なう。
次に、図３(c)に示すように中心線CLの他方の側に複数回の３点曲げプレス４を等間隔（すなわち送りピッチＰ）で行ない、鋼板３の他方の側をも半円弧状に成形する。さらに、図３(d)に示すように中心線CLの位置で３点曲げプレス４を行なって鋼板３の両端部を突合せた後、鋼板３の突合せ部を溶接して、図３(e)に示すような鋼管１を得る。その鋼管１を拡大して図１に示す。

図１に示すように、鋼管１には円弧状の変形部８（実線部）と直線状の未変形部９（点線部）が存在する。変形部８は、図３に示す一連の３点曲げプレスによって変形した部位（すなわち上金型６の円弧状の曲面で押圧した部位）であり、未変形部９は３点曲げプレスによる変形が生じなかった部位である。
次に、鋼管１の内部に、円弧を複数に分割した曲面を有する複数個の拡管工具２を備えた拡管装置を挿入し、これを径方向に拡大して、鋼管１の直径を拡大する。その際、図１に示すように、隣り合う拡管工具の間にはそれぞれ隙間が存在するため、鋼管１の周方向全体を均一に拡管することはできない。

一方、本発明を適用する複数回の３点曲げプレスを施された鋼管１には、前述したように、円弧状の変形部８と直線状の未変形部９が存在する。したがって鋼管１の真円度を高めるためには、直線状の未変形部９を円弧状に拡管する必要がある。
そこで、本発明では、鋼管１の内部に複数個の拡管工具２を挿入して、その拡管工具２の円弧状の曲面を未変形部９に当接させ、さらにその拡管工具２によって鋼管１を拡管する。このとき、鋼管１の円弧状の変形部８は拡管工具２に当接しないので、変形部８の変形は抑制される。鋼管１を拡管することによって未変形部９を円弧状に成形し、既に円弧状に成形されている変形部８と連続した円弧を形成することが可能となり、鋼管１の真円度が向上する。

未変形部９を精度良く円弧状に拡管するためには、鋼管１における未変形部９の数と鋼管１内部に挿入する拡管工具２の個数とを一致させることが好ましい。つまり使用する拡管工具２の個数をＮ個とすると、鋼管１の未変形部９もＮケ所となるように３点曲げプレスを行なうことが好ましい。その場合、拡管工具２間のＮカ所の隙間には溶接部７（すなわち１ケ所）と変形部８（すなわちＮ−１ケ所）を配置することになるので、３点曲げプレスをＮ−１回行なう。

たとえば図１に示すように12個の拡管工具２を用いる場合は、図３(b)に示すように中心線CLの片側に５回の３点曲げプレス４を行ない、さらに図３(c)に示すように他方の側にも５回の３点曲げプレス４を行なった後、図３(d)に示すように中心線CLの位置で３点曲げプレス４を１回行なって、合計11回とする。その結果、未変形部９は、３点曲げプレス間の隙間（10ケ所）および端曲げと３点曲げプレスとの隙間（２ケ所）の合計12ケ所となる。そして、全ての未変形部９（12ケ所）に内側から拡管工具２（12個）をそれぞれ当接させて拡管する。

図２は、３点曲げプレスを19回行なって20ケ所の未変形部９を形成した鋼管１に、10個の拡管工具２を挿入して拡管する例を示す断面図である。この場合も、全ての未変形部９が拡管工具２に当接する。つまり、各拡管工具２に未変形部９が２ケ所ずつ当接する。図２に示す例では、拡管工具２の個数をＮとすると、３点曲げプレスの回数は２Ｎ−１回である。

本発明においては、拡管工具２の個数をＮ、任意の整数をａとして、３点曲げプレスの回数はａＮ−１回とすれば良い。図１はａ＝１の例、図２はａ＝２の例である。ａが３以上であっても、各拡管工具２に未変形部９がａケ所ずつ当接するので、全ての未変形部９が拡管工具２に当接する。
これらの３点曲げプレスは等間隔で行なわれるので、未変形部の間隔も、プレス時の間隔と同じとなり、その間隔Ｐ_Pはプレス開始位置の板幅中心からの距離Ｗ₀とプレス回数Ｍを用いて下記の(1)式で算出される。
Ｐ_P＝２Ｗ₀／（Ｍ−１） ・・・(1)
また、拡管工具分割数をＮとすると、拡管工具が接触しない部位はＮケ所となり、その間隔Ｐ_dは、板幅Ｗを用いて下記の(2)式で算出される。
Ｐ_d＝Ｗ／Ｎ ・・・(2)
このとき、未変形部が拡管工具に確実に当接するためには、Ｐ_PはＰ_dと等しい値もしくは任意の整数で除した値とすることが望ましい。

あるいは、拡管工具の個数が未変形部の数に等しい、または任意の整数で除した数であることが望ましい。
さらに、端曲げと３点曲げの境界部の未変形部にも拡管工具が当接するために、端曲げ長さＬをＰ_d以下とすることが望ましい。
なお、これらの送りピッチや端曲げ長さの設定には、３点曲げプレス時の未変形部の幅を考慮し、未変形部全域が拡管工具に十分接するようにすることで、形状精度はより向上する。

このようにして、大径かつ厚肉の鋼管を製造するにあたって３点曲げプレスの回数を減少させることによって、鋼管の生産効率を向上することが可能である。しかも、鋼板の端曲げから３点曲げプレスを経て拡管まで、全工程を冷間で行なうので、素材である鋼板の製造過程で得た強度，靭性，溶接性等の優れた材質を維持できる。この効果は、板厚が25.4〜50.8mmの鋼板にて最も顕著に発揮される。

板幅Ｗが3713mmの鋼板（板厚25.4mm，引張強さ745〜757MPa）を８枚準備し、両端部（幅Ｌ：215mmの範囲）を、曲率半径が380mmの金型で16.9°の曲げ角度となるように端曲げを行なった。
引き続き、曲率半径380mmの上金型３点曲げプレスで成形し、突合せ部を溶接した後、鋼管に当接する面の曲率半径580mmの工具を用いて、拡管率（＝100×（拡管後の直径−拡管前の直径）／拡管前の直径）が１％となるように拡管を行なった。このとき、３点曲げプレスでのプレス条件（拡管工具の数，配置）は種々変更した。

１つめの条件は、鋼板の中心線から片側へ1492mmの位置で３点曲げプレスを開始し、中心線方向へ送りピッチＰを298mm／回として３点曲げプレスを５回行なった。３点曲げプレスでは、１回で29.6°の曲りが生じるように３点曲げプレスを行なった。次いで、鋼板の中心線から他方の側へ1492mmの位置で３点曲げプレスを開始し、中心線方向へ送りピッチＰを298mm／回として３点曲げプレスを５回行なった。

さらに中心線の位置で３点曲げプレスを１回行なった後、鋼板の突合せ部を溶接して鋼管を得た。３点曲げプレスの回数は合計11回（所要時間359秒／本）である。
その後、図１に示すように、拡管工具２を円周方向に12個配列して鋼管１内部に挿入して、拡管工具２間の隙間に鋼管１の溶接部７を配置し、未変形部９に拡管工具２をそれぞれ当接させて拡管を行なった。鋼管１に当接する拡管工具２の面は曲率半径580mm，角度27.7°の円弧である。これを鋼管Ａ（発明例）とする。

その他の鋼板は、表２に示す条件で３点曲げプレスを行なった後、以下に述べる条件で拡管を行ない鋼管Ｂ〜Ｈとした。
鋼管Ｂ（発明例）は、拡管工具を円周方向に10個配列して鋼管内部に挿入して、拡管工具間の隙間に鋼管の溶接部を配置し、未変形部に拡管工具をそれぞれ当接させて拡管を行なった。拡管工具は曲率半径580mm，角度33.4°の円弧状の面を有するものを使用した。

鋼管Ｃ（発明例）は、３点曲げプレスを19回行なって未変形部を20ケ所形成した鋼管の内部に、拡管工具を10個挿入して、拡管工具に未変形部をそれぞれ２個ずつ当接させて拡管を行なった。
鋼管Ｄ（比較例）は、鋼管Ａと同様に製造した鋼管の内部に、鋼管Ａと同じ拡管工具を円周方向に12個配列して鋼管内部に挿入して、図５に示すように拡管工具２をそれぞれ変形部に当接させて、すなわち未変形部が拡管工具の隙間にくるようにして、拡管（拡管率１％）を行なった。

鋼管Ｅ（比較例）は、鋼管Ｂと同様に製造した鋼管の内部に、鋼管Ｂと同じ拡管工具を円周方向に10個配列して鋼管内部に挿入して、拡管工具をそれぞれ変形部に当接させて、すなわち未変形部が拡管工具の隙間にくるようにして、拡管（拡管率１％）を行なった。
鋼管Ｆ（比較例），鋼管Ｇ（比較例）は、鋼管Ｂと同じ拡管工具を円周方向に10個配列して鋼管内部に挿入し、拡管工具間の隙間に鋼管の溶接部を配置したが、未変形部の数と拡管工具の数が異なるため、拡管工具が当接しない未変形部があった。鋼管Ｇの拡管工具と未変形部の位置を図７に示す。

これらの鋼管Ａ〜Ｇの真円度を調査した結果を表１に示す。真円度は、図６に示すように、鋼管１の外表面と仮想真円10との乖離量ｍを150mm間隔でダイヤルゲージを用いて測定し、各々の鋼管の乖離量ｍのうちの最も大きいデータｍ_maxを、鋼管Ｄのｍ_maxに対する比（以下、乖離指数という）で評価した。つまり鋼管Ｄの乖離指数は1.00となる。鋼管１が真円に近いほど乖離量ｍがゼロに近づくので、表１に示す乖離指数が小さいほど、鋼管の寸法精度が良いことを示す。

表１から明らかなように、発明例の鋼管Ａ〜Ｃの乖離指数は0.62〜0.66であったのに対して、比較例の鋼管Ｄ〜Ｇの乖離指数は0.93〜1.14であった。つまり発明例の鋼管は、比較例に比べて寸法精度が向上していることが確かめられた。
また、発明例の中でも鋼管Ａ，Ｂに比べ、鋼管Ｃは寸法精度に優れるものの、プレス時間は鋼管Ａ，Ｂの1.4倍近くとなり、生産効率が悪くなっている。

大径かつ厚肉の鋼管を製造するにあたって３点曲げプレスの回数を減少させることによって、鋼管の生産効率を向上するとともに、冷間で成形することによって、素材となる鋼板の製造過程で得た強度，靭性，溶接性等の優れた材質を維持しつつ、真円度の高い鋼管を製造できるので、産業上格段の効果を奏する。

１ 鋼管
２ 拡管工具
３ 鋼板
４ ３点曲げプレス
5a 下金型
5b 下金型
６ 上金型
７ 溶接部
８ 変形部
９ 未変形部
10 仮想真円

Claims (2)

1. 端曲げを付与した鋼板の中心線の片側に前記鋼板の端部側から開始して中心へ向かって複数回の３点曲げプレスを行ない、次に、前記中心線の他方の側に前記鋼板の端部側から開始して中心へ向かって複数回の３点曲げプレスを行ない、さらに、前記中心線の位置で３点曲げプレスを行なうことによって成形した後、前記鋼板の突合せ部を溶接した鋼管の内部に複数個の拡管工具を挿入して、該拡管工具を前記３点曲げプレスによる変形が生じていない全ての未変形部に当接させて前記鋼管を拡管することを特徴とする鋼管の製造方法。
2. 前記拡管工具の個数をＮとして、前記３点曲げプレスをａＮ−１回（ａは１，２等の整数）行なうことを特徴とする請求項１に記載の鋼管の製造方法。

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