JP5800030B2 - 帯状金属板 - Google Patents

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Description

本発明は、管体及び管を製造するのに適した鉄材やアルミ材などの材料からなる帯状金属板に関する。
なお、本明細書では、２以上の管体を直列に接合したものを管と呼ぶ。
通常、熱延鋼板は、一つのコイル（一本の熱間圧延板）内では、長手方向に沿った板厚の変動ができるだけ小さくなるように圧延処理を行って製造されることで、長手方向の板厚が一定かつ帯状の板となっている。なお、熱延鋼板は、必要に応じて、熱延後に酸洗処理が施される場合もある。また以下の説明で、熱延鋼板、または熱延鋼板を長手方向にスリットしたものを「帯鋼」と呼ぶ。
このような帯鋼の使用先の一例として油井洗浄用管がある。油井洗浄用管は、上記帯鋼から製管された複数の管体を順次、溶接接合して、若しくは帯鋼同士を溶接によって接合してから製管加工を施すことで製造される。この油井洗浄用管は、通常、先端に向かうほど小径かつ薄肉に製造される。このように製造される理由は、主として懸垂質量を軽減するためである。なお、油井洗浄用管は、リールに巻かれた状態で現場に搬送され、現場にて適宜巻き戻し・巻取りが行われる。
ここで、長手方向の板厚が一定の帯鋼を製管して複数の管体を製造し、その複数の管体を突合せ溶接にて接合して長尺の油井洗浄用管を製造する際に、油井洗浄用管の先端に向かうほど小径となるように設計すると、管体同士の突合せ部で段差が形成される。このような油井洗浄用管について、リールに巻かれた状態から巻戻し、巻取りが繰り返し実施されると、突合せ部の段差が起点となって割れが発生し易く、油井洗浄用管の寿命が短いという問題がある。
また、全て同板厚の帯鋼で製管された複数の鋼管を突合せ溶接して油井洗浄用管を製造した場合、油井洗浄用管の懸垂質量が増大することから、例えば鋼管材料を高級化して強度を上げるなどの対応が必要となる。またこの場合、油井洗浄用管全体の質量が増大することになるから、油井洗浄用管の長さを短くせざるを得ないという問題も発生する。なお、油井洗浄用管を搬送する道路によっては積載質量の制限があり、この点からも油井洗浄用管の質量増大は抑えたい。
このような問題点に対する従来技術として、例えば特許文献１に記載の帯鋼がある。この特許文献１に記載の帯鋼は、長手方向の板厚が一定勾配で変化した帯鋼である。すなわち、長手方向一端部から他端部に向けて一定比率で徐々に板厚が薄くなる帯鋼が記載されている。
特許文献１に記載の帯鋼を用いて製管された鋼管を、順次、突合せ溶接によって接続して、長尺の鋼管からなる油井洗浄用管とする場合には、第１の鋼管の尾端（小径側）と、接合する第２の鋼管の先端（大径側）の径を等しくなるように各帯鋼をそれぞれ製造しておき、その第１の鋼管の尾端と第２の鋼管の先端とを突合せ溶接することとなる。そして、これを繰り返すことで、長尺の鋼管（油井洗浄用管）とすることが出来る。これによって、先端に向かうほど肉厚が薄くなる鋼管であって、各接続部（突合せ溶接部）に段差が無い長尺の鋼管を製造することが出来る。
なお、長手方向で板厚が異なる鋼板としては、特許文献２に記載の鋼板もある。しかし、特許文献２に記載の鋼板は、コイル状に巻くことが無い厚板鋼板であって、コイルや帯鋼として使用される鋼板ではない。すなわち、本願発明が前提とする帯状金属板とは異なるものである。
日本国特開平７−５１７４３号公報 日本国特開２００３−３２０４０４号公報
上記特許文献１に記載の帯鋼では、板厚変化率が一定であるので、先端部（厚板側）の板厚が同じでも、圧延後の板の長さによって尾端部（薄板側）の板厚が異なる。そして、第１の鋼管の肉厚に応じて、接続する第２の鋼管用の帯鋼の先端部の板厚を予め設定して製造する必要があり、汎用性に欠ける。
また、上記鋼管は、接続部に段差が形成されず、長尺の鋼管の長手方向全体に亘って肉厚の変化の急峻部を無くすことは可能であるものの、同じ肉厚であっても接続部が構造的に強度が弱いことから、長尺の上記管に対し巻戻し・巻取り作業を繰り返し実施すると、接続部に段差が形成されている場合よりは長寿命ではあるが、やはり接続部からの割れが発生するといった課題があった。
本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、構造上最弱部となりやすい接合部に対する強度を確保しつつ、管の質量を軽減可能な管用の帯状金属板を提供することを目的としている。
本発明は上記の知見に基づき完成されたものであり、その要旨は次のとおりである。
［１］圧延で形成された帯状の圧延金属板であって、
長手方向両端部である先端部及び尾端部の板厚が、ともに長手方向両端部以外の中間部分の板厚に比べて厚い帯状金属板。
［２］前記帯状金属板は、長手方向両端部、その長手方向両端部の間に位置する長手方向中途部、及び長手方向の各端部と前記長手方向中途部とを接続する２つの傾斜部とから構成され、該２つの傾斜部は、長手方向端部から長手方向中途部に向けて板厚が連続的に単調減少する、[1]に記載した帯状金属板。
［３］前記帯状金属板の長手方向両端部を構成する２つの端部のうちの少なくとも一方の端部は、端面から前記接続する傾斜部に向けて板厚が連続的に単調減少し、該連続的に単調減少する長手方向に沿った変化率が前記傾斜部において板厚が単調減少する変化率よりも小さい、[2]に記載した帯状金属板。
［４］前記帯状金属板の長手方向に沿った板厚において、長手方向端部の最大板厚をＡ、長手方向中途部の最小板厚をＢと定義したときに、（（Ａ−Ｂ）／Ａ）の比率が、７％以上５０％以下である、[2]又は[3]に記載した帯状金属板。
［５］前記傾斜部は、長手方向に沿った板厚の変化率が０．００１［ｍｍ／ｍ］以上０．１［ｍｍ／ｍ］以下である、[2]〜[4]のいずれか１項に記載した帯状金属板。
［６］前記帯状金属板の長手方向に沿った板厚の最大偏差の板厚に対する比が５％以下である、[2]〜[5]のいずれか１項に記載した帯状金属板。
［７］前記帯状金属板が、熱間圧延によって成形される、[1]〜[6]のいずれか１項に記載した帯状金属板。
［８］前記帯状金属板が、板厚１．０〜８．０ｍｍ、板全長８０〜１０００ｍの帯状金属板である、[1]〜[7]のいずれか１項に記載した帯状金属板。
ここで、帯状金属板の材質は、特に限定は無いが、鋼材やアルミ材などが例示できる。
本発明によれば、帯状金属板の両端部を相対的に厚く且つ該帯状金属板の中間部分の板厚を相対的に薄く形成することで、その帯状金属板で製管すると、管体全体の質量の軽減化を図りつつ接合部となる長手方向両端部の強度を高くすることが可能である。
この結果、構造上最弱部となりやすい接合部の強度を確保しつつ、管の質量を軽減することが可能な帯状金属板を提供可能となる。
本発明に基づく実施形態に係る帯状金属板を説明する模式的斜視図である。 帯状金属板の変形例を示模式的側面図である。 帯状金属板の変形例を示模式的側面図である。 複数の帯状金属板を接続した模式的側面図であって、（ａ）は本発明に基づく帯状金属板を使用した図であり、（ｂ）は比較例の図である。 帯状金属板の変形例を示模式的側面図である。 実施例を説明するための帯状金属板の側面図である。
次に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施形態の帯状金属板の例を示す模式的斜視図である。なお、いずれの図においても長手方向（圧延方向）の寸法を大幅に圧縮して図示している。
（帯状金属板の構成）
以下の説明では、帯状金属板の材質として鋼を例に挙げて説明する。但し、帯状金属板の材質は、鋼に限定されず、アルミ、銅など、熱間圧延が可能な金属材料であれば、本願発明は材料に制限は無い。
本実施形態の帯状金属板Ｌは、図１に示すように、長手方向両端部１を構成する先端部１ａ及び尾端部１ｂと、長手方向両端部１の間に位置する長手方向中途部２と、長手方向の各端部１ａ、１ｂと長手方向中途部２とをそれぞれ接続する２つの傾斜部３とからなる。ここで、帯状金属板Ｌは、熱間圧延（熱延）によって目標とする板厚形状にプロフィールが成形され、巻取り機に巻き取られてコイルとなっている。また必要に応じて、圧延後のコイルに対して酸洗処理を施す場合もある。このような帯状金属板Ｌの長さは、例えば５０ｍ〜２５００ｍの範囲となっている。
上記帯状金属板Ｌは、板厚が例えば１．０ｍｍ〜３０．０ｍｍの範囲における、予め設定した板厚となるように圧延させて製造される。このとき、本実施形態では、長手方向両端部１の板厚を共に、長手方向中途部２及び傾斜部３の板厚よりも厚くなるように設定する。なお、長手方向中途部２及び傾斜部３が、長手方向両端部１以外の中間部分となる。
本実施形態の帯状金属板Ｌは、長手方向中途部２の板厚が、長手方向に沿って一定若しくは略一定に設定され、上記傾斜部３の板厚が、長手方向端部から長手方向中途部２の端部に向けて徐々に薄くなるように設定されて、上記圧延で製造された熱延鋼板である。なお、熱延後に酸洗処理が施されていても良い。
そして、長手方向両端部１の最大板厚をＡとし、長手方向中途部２の板厚をＢとした場合に、（（Ａ−Ｂ）／Ａ）の比率が７％以上５０％以下となるように、帯状金属板Ｌの長手方向両端部１及び長手方向中途部２の板厚の板厚を設定する。なお、上記（（Ａ−Ｂ）／Ａ）の比率を本明細書では板厚偏差と呼ぶ。図１では、長手方向両端部１の板厚を一定としているので、長手方向両端部１の板厚そのものがＡとなるが、図２のように、長手方向両端部１の板厚が変化する場合には、その最大板厚（図２では端面での板厚）をＡとする。
なお、図３のように、長手方向の先端部１ａ及び尾端部１ｂの各最大板厚は同一である必要はなく、長手方向の各端部１ａ、１ｂの最大板厚がそれぞれ上記条件を満足するように設定する。
このとき、長手方向中途部２が、帯状金属板Ｌの本体（ボディ）、つまり製管加工した場合の管体の本体を構成することとなる。したがって、長手方向中途部２の板厚は、使用される用途で要求される強度が確保可能なだけの強度となるように、帯状金属板Ｌの材質や管体の径などに基づき設計する。その後に、例えば、その長手方向中途部２の強度を基準として接合部となる長手方向端部での接合強度が、長手方向中途部２での強度、特に対象とする長手方向端部近傍の長手方向中途部２の強度に近づくように当該長手方向端部の最大板厚を設計すればよい。
ここで、構造体の強度は、例えば断面二次モーメントの値で評価できるので、強度の向上は、厚さの二乗で効いてくる。
板厚偏差を７％以上５０％以下としたのは、７％未満では、軽量化の効果が低く且つ接続部での接合強度の向上効果が低いため、板厚偏差の下限値を７％以上とした。一方、５０％よりも大きいと、軽量化には貢献する可能性はあるものの、長手方向中途部２での強度と接続部での接合強度との強度差が大きくなってしまうため、座屈防止の観点から５０％以下とした。板厚偏差は、好ましくは１０％以上３０％以下である。なお、長手方向に沿った強度変化は小さく抑えたい。
また傾斜部３の長手方向に沿った厚さの変化量は、０．００１［ｍｍ／ｍ］以上０．１［ｍｍ／ｍ］以下の範囲に設定されている。
傾斜部３の変化の上限を０．１［ｍｍ／ｍ］としたのは次の理由である。長手方向の変化量が大きくなるほど、長手方向に沿った強度変化が大きくなり、座屈が発生する危険性が増大する。この観点から、変化が０．１［ｍｍ／ｍ］以下であれば、その座屈の危険性を小さく抑えられるからである。
一方、変化の下限を０．００１［ｍｍ／ｍ］としたのは、変化量を小さくするほど、上記帯状金属板Ｌ及び製管後の管体の本体を構成する、長手方向中途部２の長さが短くなってしまい、軽量化の効果がその分小さくなってしまうからである。このため、下限値を０．００１［ｍｍ／ｍ］以上とした。
ここで、熱間圧延で端部のみ厚く形成することがあっても、酸洗、スリット等でその厚くした端部を除去した帯状金属板は、本願発明の帯状金属板では無い。本願発明の帯状金属板は、製品の段階で、長手方向端部が厚くなっている。
（管体及び管について）
上記帯状金属板Ｌをそのまま、若しくは目的の幅のスリットとなるように切断して帯鋼とする。
その帯鋼を製管して管体とする。そして複数の管体の端部同士を突合せ溶接にて順次接続して長尺の管とする。
または、上記帯鋼を順次、溶接にて接合しつつ管体に製管することで、長尺の管を製造する。この長尺の管の製造方法は、従来の製管方法を採用すればよい。例えばロールフォーミングによって、コイルになっている帯鋼を巻き戻しながら、順次ロールによって、Ｕ字状更にはＯ字状に成型し、且つ幅方向両端部を連続的に溶接してＯ字状に閉じて、連続的に管を製造する。このとき先行のコイルの尾端部と次のコイルの先端部とを順次継ぎ足し溶接することで、長尺の管を製造する。
（作用効果）
図４（ａ）は、本実施形態に基づき、上記板厚形状の帯鋼を順次溶接した場合の模式的側面図である。図４（ｂ）は、端部の板厚が図４（ａ）の帯鋼の端部と同じ板厚として、長手方向で同一板厚の帯鋼を使用して順次溶接で接合した場合の比較例の図である。
ここで、上記帯鋼をＯ字状に成型して管体とすると、帯鋼の幅で管径が決定されるものの、板厚で管の肉厚が決定される。図４の（ａ）と（ｂ）との比較から分かるように、本実施形態（図４（ａ）参照）では、管体同士の接合部では、比較例と同様の接続強度を確保しつつ、管体の本体（長手方向中途部２）が薄肉になって軽量化が図れることが分かる。なおこのとき、本実施形態の帯鋼にあっては、長手方向中途部２の厚さを、対象とする管に要求される強度を確保可能な板厚に設定すればよい。
また、油井洗浄用管のように長尺の管とするときに、順次、接続する長手方向中途部２の板厚を薄くすることで、先端に向けて肉厚を薄くつまり先端に向かうほど軽くすることが可能となる。この場合でも長手方向両端部１の板厚を同じ板厚とすれば、長手方向中途部２の厚さが異なっていても、段差が無いか小さい状態で帯鋼同士を突合せ溶接することが可能となる。もっとも本実施形態では、油井洗浄用管のような長尺の管を製造しても、各管体を軽量化出来るので、長尺の管を先端に向かうほど小径とする必要はない。すなわち、管体となる各帯状金属板の形状が同形状であっても問題がない。
これによって溶接による接合部も含め、管の長手方向に沿った強度変化を小さく抑えつつ管全体の軽量化を図ることが可能となる。
（変形例）
ここで、上記実施形態では、長手方向中途部２の長手方向に沿った板厚が一定若しくは略一定の場合を例示したが、長手方向中途部２の長手方向に沿った板厚は一定である必要はない。長手方向中途部２について、例えば図５のように、先端側から尾端側に向けて徐々、例えば一定勾配で板厚が薄くなるよう形成されていても良い。長手方向中途部２の長手方向に沿った板厚が変化する場合、長手方向に沿った板厚の変化量は、０．１［ｍｍ／ｍ］以下が好ましい。これは、上述のように、長手方向に沿った強度変化が大きくなることによる、座屈発生を抑えるためである。
また、上記実施形態では、帯状金属板Ｌによって長尺の管を製造する場合を例に説明したが、複数の帯鋼の端部同士を溶接接合して、長尺の梁などの構造物としても良い。この場合であっても、溶接部以外は板厚が薄いことから、構造上最弱部である溶接部強度を確保しつつ、構造体を軽減することが可能となる。但し、本発明は、特に長尺の管に提供する場合に、より有効に効果を発揮する。尚、長尺の管は、油井洗浄用管に限定されない。長尺の管を、梁や柱等に適用しても良い。
上記実施形態を採用した実施例について、図６を参照して説明する。
帯状金属板Ａ〜Ｉを、ＡＰ１ ５ＳＴ（熱鋼板での引張強度：６００〜７００ＭＰａ相当）の材質で製造して、次の寸法で製造してみた。帯状金属板の長さＸを１００ｍとし、板幅を１０００ｍｍとした。
なお、本実施形態の各帯状金属板は、次の条件で製造したものである。すなわち、下記組成の鋼を熱間圧延して帯状金属板とし、その際に、熱間仕上圧延終了後温度を８２０〜９２０℃の範囲の温度に設定し、かつ巻取り温度を５５０〜６２０℃の範囲の温度に設定した。
鋼の組成：質量％で、Ｃ：０．１３％、Ｓｉ：０．２％、Ｍｎ：０．７％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．００５％以下、Sol.Ａｌ：０．０１〜０．０７％、Ｃｒ：０．５％、Ｃｕ：０．２％、Ｎｉ：０．２％、Ｍｏ：０．１％、Ｎｂ：０．０２％、Ｔｉ：０．０１％、Ｎ：０．００５％以下を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有する。
帯状金属板Ａ
長手方向端部
長さｘ１：１．０ｍ
板厚ｔ１：５．１８ｍｍ
長手方向中途部
長さｘ２：７８ｍ
板厚ｔ２：４．４５ｍｍ
傾斜部３
長さｘ３：１０ｍ
帯状金属板Ｂ
長手方向端部
長さｘ１：１．０ｍ
板厚ｔ１：５．１８ｍｍ
長手方向中途部
長さｘ２：７８ｍ
板厚ｔ２：４．９３ｍｍ
傾斜部３
長さｘ３：１０ｍ
帯状金属板Ｃ
長手方向端部
長さｘ１：１．０ｍ
板厚ｔ１：５．１８ｍｍ
長手方向中途部
長さｘ２：８４ｍ
板厚ｔ２：４．４５ｍｍ
傾斜部３
長さｘ３： ７ｍ
帯状金属板Ｇ
長手方向端部
長さｘ１：０．０ｍ
板厚ｔ１：５．１８ｍｍ
長手方向中途部
長さｘ２：８０ｍ
板厚ｔ２：４．４５ｍｍ
傾斜部３
長さｘ３： １０ｍ
帯状金属板Ｈ
長手方向端部
長さｘ１：０．０ｍ
板厚ｔ１：５．１８ｍｍ
長手方向中途部
長さｘ２：８０ｍ
板厚ｔ２：４．９３ｍｍ
傾斜部３
長さｘ３：１０ｍ
帯状金属板Ｉ
長手方向端部
長さｘ１：０．０ｍ
板厚ｔ１：５．１８ｍｍ
長手方向中途部２
長さｘ２：８６ｍ
板厚ｔ２：４．４５ｍｍ
傾斜部３
長さｘ３： ７ｍ
また、別途、長手方向の板厚が変化しない比較例の帯状金属板として、帯状金属板Ｄ、Ｅ、Ｆを上述と同じ材料で製造した。その各帯状金属板の板厚は次の通りである。
金属帯状板Ｄ：４．４５ｍｍ
金属帯状板Ｅ：４．９３ｍｍ
金属帯状板Ｆ：５．１８ｍｍ
ここで、帯状金属板Ａ、Ｇは、（５．１８−４．４５）／５．１８＝０．１４すなわち、長手方向の板厚偏差は１４％である。また、傾斜部３の長手方向変化量は（５．１８−４．４５）／１０＝０．０７３［ｍｍ／ｍ］となっている。
また帯状金属板Ｂ、Ｈは、（５．１８−４．９３）／５．１８＝０．０４８すなわち、長手方向の板厚偏差は４．８％である。一方、傾斜部３の長手方向変化量は（５．１８−４．９３）／１０＝０．０２５ｍｍ／ｍとなっている。
帯状金属板Ｃ、Ｉは、（５．１８−４．４５）／５．１８＝０．１４すなわち、長手方向の板厚偏差は１４％である。一方、傾斜部３の長手方向変化量は（５．１８−４．４５）／７＝０．１０４ｍｍ／ｍとなっている。
そして、上述の各帯状金属板Ａ〜Ｉ毎に、同じ帯状金属板を４本溶接にて直列に接続した。
そして、溶接接合部及び板厚変化部を切出して試験片とし、その試験片に対し引張試験を実施した。このとき、試験片についてはＪＩＳ５号、試験方法についてはＪＩＳＺ２２０１にそれぞれ準拠して、試験を実施した。
一般的に、引張強度は材料の疲労強度と相関がある。このため、引張強度比を疲労強度比とみなすことが出来る。
その結果を、表１に示す。
Figure 0005800030
表１から分かるように、本発明に基づく帯状金属板Ａ、Ｇを使用した場合には、帯状金属板Ｆと同じ引張強度比を確保しつつ、帯状金属板Ｆよりも１２％も軽量化を図ることが出来る。
一方、帯状金属帯Ｂ、Ｈを使用した場合には、帯状金属板Ｆと同じ引張強度比を確保できるものの、帯状金属板Ａ、Ｇほどの軽量化を図ることが出来ない。
また、帯状金属帯Ｃ，Ｉを使用した場合には、帯状金属板Ａ、Ｇと同程度の軽量化を図ることが出来るものの、帯状金属帯Ａ，Ｇ，Ｆよりも引張強度比が低い、つまり疲労強度比が低くなってしまう。
なお、帯状体金属帯Ｄ、Ｅ、Ｆから分かるように、帯状体金属帯全体の板厚が薄くなるほど、軽量化率が向上するが、引張強度比つまり疲労強度比が小さくなる。すなわち、一般には、引張強度比（疲労強度比）と軽量化率とはトレードオフの関係にある。これに対し、本発明に基づく帯状金属板Ａ、Ｇは、引張強度比（疲労強度比）を落とすことなく軽量化を有意に達成できていることが分かる。
以上のように、本発明の範囲を満足する帯状金属板Ｌで長尺の管を形成すると、軽量化を図りつつ、寿命の向上を図ることが可能となることが分かる。
１ 長手方向両端部
１ａ 先端部
１ｂ 尾端部
２ 長手方向中途部
３ 傾斜部
Ｌ 帯状金属板

Claims (7)

  1. 管の製造に用いるための、圧延で形成されてコイル状に巻き取られた帯状の圧延金属板であって、
    長手方向両端部である先端部及び尾端部の板厚が、ともに長手方向両端部以外の中間部分の板厚に比べて厚い帯状金属板。
  2. 前記帯状金属板は、長手方向両端部、その長手方向両端部の間に位置する長手方向中途部、及び長手方向の各端部と前記長手方向中途部とを接続する２つの傾斜部とから構成され、該２つの傾斜部は、長手方向端部から長手方向中途部に向けて板厚が連続的に単調減少する、請求項１に記載した帯状金属板。
  3. 前記帯状金属板の長手方向両端部を構成する２つの端部のうちの少なくとも一方の端部は、端面から前記接続する傾斜部に向けて板厚が連続的に単調減少し、該連続的に単調減少する長手方向に沿った変化率が前記傾斜部において板厚が単調減少する変化率よりも小さい、請求項２に記載した帯状金属板。
  4. 前記帯状金属板の長手方向に沿った板厚において、長手方向端部の最大板厚をＡ、長手方向中途部の最小板厚をＢと定義したときに、（（Ａ−Ｂ）／Ａ）の比率が、７％以上５０％以下である、請求項２又は請求項３に記載した帯状金属板。
  5. 前記傾斜部は、長手方向に沿った板厚の変化率が０．００１［ｍｍ／ｍ］以上０．１［
    ｍｍ／ｍ］以下である、請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載した帯状金属板。
  6. 前記帯状金属板の長手方向に沿った板厚の最大偏差の板厚に対する比が５％以下である、請求項２〜請求項５のいずれか１項に記載した帯状金属板。
  7. 前記帯状金属板が、熱間圧延によって成形される、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載した帯状金属板。
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