JP5928328B2 - 転造ねじ加工性に優れたポリエチレン粉体ライニング鋼管 - Google Patents

Description

本発明は、主に水道用配管に用いられるポリエチレン粉体ライニング鋼管に関する。

さらに詳しくは、従来管端防食継手への適用が困難とされていた呼び径６５Ａ以上のサイズにおいても、転造ねじ加工後の鋼管の縮径が小さく、管端防食継手との嵌合性に優れる転造ねじ加工性に優れたポリエチレン粉体ライニング鋼管に関する。

上水道などの水道用鋼管には、内面の腐食防止の為に樹脂ライニング鋼管が使用されている。特に内面にポリエチレン粉体ライニングを施した鋼管は、リサイクル性、低温特性に優れることから、広く使用されている。

一方、水道用鋼管の接合方法は、特に呼び径１００Ａ以下の小径においては、ねじ接合が一般的である。

従来、ねじ接合は鋼管をチェザーという刃で切削加工してねじ山を形成する切削ねじが長年主流であったが、近年、転造ローラーというねじ山が予め形成されたローラーを鋼管に押し当てて、塑性加工によりねじ山を形成する転造ねじ加工法が普及しつつある。

転造ねじは、切削ねじと異なり、ねじ部の鋼管肉厚が確保されるので、ねじ接合部の強度が高まり、耐震性に優れるなどのメリットがある。

水道用のポリエチレン粉体ライニング鋼管に転造ねじを組み合わせることにより、水道配管の耐震性を高めることができることが期待される。

このポリエチレン粉体ライニングの下地処理方法に関して、以下の技術が開示されている。

特許文献１には、被ライニング材表面をブラストまたは酸洗処理したのち、被ライニング材表面を３００〜５００℃に加熱し、Ｆｅ_３Ｏ_４を主体とする被膜を形成させ、次いでｐＨが４．５〜６．０であって、ＣｒＯ_３濃度が０．００５〜０．０５ｗｔ％のクロム酸水溶液に接触させたのち乾燥するポリエチレン粉体ライニングの下地処理方法が開示されている。同様に、特許文献２〜４にもポリエチレン粉体ライニングの下地処理方法が開示されている。

しかし、これらの方法は、接着耐久性の向上には効果があるものの、特に化成処理が多段階プロセスであり、製造の長時間化やコストの上昇を招くという問題がある。

また、特許文献５には、リン酸マンガン被膜を介して、ポリオレフィン樹脂層と極性を有するオレフィン系接着樹脂層からなる２層以上の樹脂層を、最内面層がポリオレフィン樹脂層となるように被覆し、リン酸マンガン被膜が形成された後の鋼管内面の表面粗さＲｚが５〜３５μｍであるポリオレフィン樹脂内面被覆鋼管が開示されている。

しかし、この方法も、２層以上のポリオレフィン樹脂層を形成する必要が有るため、２回の粉体塗装を行う必要があるなど設備・工程上の制約もあり、また表面粗さが５〜３５μｍでは通常の使用方法では問題がないものの、転造ねじ加工時の塑性変形にはアンカー効果が不足し、転造ねじ加工部の接着力が低下するという問題がある。

特開平５−３０１０７２号公報 特開平５−３０１０７３号公報 特開平５−３０１０７４号公報 特開平５−３０１０７５号公報 特許第４１５８５８０号公報

本発明は、特定の鋼管と特定の被覆構成のライニングを組み合わせることにより、転造ねじ加工時に過大な縮径が起きず管端防食継手との嵌合性を改善することができ、特に呼び径６５Ａ以上のサイズにおいても問題なく嵌合が可能な、転造ねじ加工性に優れたポリエチレン粉体ライニング鋼管を提供するものである。

上記課題は下記構成を有する発明により解決される。すなわち、本発明の要旨は、以下の通りである。
［１］鋼管の内面に化成処理被膜および液状プライマーを介して、粉体ポリエチレン樹脂層を被覆したポリエチレンライニング鋼管であって、前記鋼管の降伏強さ（Ｙｓ）が２５０Ｎ／ｍｍ^２以下であり、前記液状プライマーの乾燥後の平均膜厚が１０〜３０μｍの範囲であって、前記の粉体ポリエチレン樹脂層の膜厚が１．０ｍｍ以下であることを特徴とする転造ねじ加工性に優れたポリエチレン粉体ライニング鋼管。
［２］前記の降伏強さ（Ｙｓ）が２５０Ｎ／ｍｍ^２以下の鋼管が鍛接鋼管であることを特徴とする［１］に記載の転造ねじ加工性に優れたポリエチレン粉体ライニング鋼管。

本発明によれば、耐震性・強度に優れた転造ねじ加工を行なっても、鋼管の縮径が小さく、内面ライニング（以降、粉体ポリエチレン樹脂層のことを、内面ライニング、ポリエチレン層、ポリエチレン樹脂層と称することもある）の接着力も高いため、内面ライニングが剥離したり浮いたりすることが無いため、管端防食継手との嵌合性および耐久性に優れたポリエチレン粉体ライニング鋼管が得られる。

特に、一般的に適用出来ないとされている呼び径６５Ａ以上の径の大きな鋼管に対しても、本発明の方法を適用すれば転造ねじと管端防食継手の組み合わせが可能である。

水道用のポリエチレン粉体ライニング鋼管は、鋼管の内面に上記の粉体ポリエチレン樹脂層を有するが、鋼管の外面の仕様により３種類のタイプ（ＰＡ；一次防錆塗装、ＰＢ；溶融亜鉛メッキ、ＰＤ；ポリエチレン被覆）があり、外面がそれぞれＰＡ、ＰＢ、ＰＤにより防食されている。本発明は鋼管の外面の仕様には関わらないため、上記ＰＡ、ＰＢ、ＰＤいずれのタイプにも適用が可能である。

以下に本発明を実施するための形態について説明する。まず、本発明の構成要件の限定理由について説明する。

鋼管として降伏強さが２５０Ｎ／ｍｍ^２以下の鋼管を使用：
本発明では、鋼管の降伏強さが２５０Ｎ／ｍｍ^２以下の鋼管を用いることが、優れた転造ねじ加工性を得るために必要である。この鋼管により、転造ねじ加工時の内径の縮径量が更に小さくなり、呼び径６５Ａ以上でも、一般の管端防食継手で許容できる範囲の内径範囲に留まるため、転造ねじ後の管端防食継手との嵌合を容易に行うことができる。

また本発明の鋼管の製法は鍛接鋼管であることが好ましい。鍛接鋼管は、１２００℃以上の高温での造管のため軟質の鋼管が得られ、降伏強さが２５０Ｎ／ｍｍ^２以下の鋼管を製造するのに適している。鋼管としては、ＪＩＳ Ｇ３４５２に規定された鋼管を用いることができる。

なお、降伏強さは、ＪＩＳ Ｚ２２４１（２０１１年）に準じて測定した値を用いることができる。

化成処理皮膜
化成処理被膜としては公知のものを使用することができ、通常、リン酸亜鉛カルシウム系やリン酸亜鉛系などのリン酸塩系を用いることができる。

液状プライマーの乾燥後の平均膜厚１０〜３０μｍ：
下地処理として鋼管の内面に化成処理被膜を形成し、その後、液状プライマーを塗布、乾燥することでプライマー層を形成する。このような処理を行なうことが、最上層の粉体ポリエチレン樹脂層の被覆の密着性を向上させ耐久性を向上させる上で必要である。

液状プライマーの乾燥後の平均膜厚が１０〜３０μｍであると、転造ねじ加工時にポリエチレン層に作用するせん断応力に対して十分な密着力を発揮し、転造ねじ加工時や管端防食継手との嵌合時に被覆が剥がれたりすることなく継手との嵌合性向上に寄与することを確認している。液状プライマーの乾燥後の平均膜厚が１０μｍ未満では、鋼管の表面をプライマーが十分にカバーできず、密着力が低下し、嵌合時被覆が剥がれて嵌合不良を起こす可能性がある。３０μｍを超えると、効果が飽和するとともに逆にプライマー塗装時のタレなどによる被覆異常が発生しやすい。さらに、好ましくは、１５〜２５μｍである。

具体的には、エポキシ樹脂系のプライマー樹脂を溶剤で希釈して鋼管を回転させながらエアレススプレーにより鋼管内面に塗装を行う方法が好ましい。塗装前、塗装後に、適宜鋼管を加熱状態としても良い。

なお、本発明では液状プライマーの平均膜厚範囲を上記範囲とすることで、粉体ポリエチレン樹脂層との密着性が向上するため、転造ネジ加工性が良好なものになる。また、1層の粉体ポリエチレン樹脂層で十分な密着性能を発揮することができる。１層の粉体ポリエチレン樹脂層であればライニングが一回で完結するため、１層分の粉体ライニング装置での製造が可能となり経済的である。

なお、上記液状プライマーの乾燥後の平均膜厚は、両管端部において、それぞれ周方向４点を電磁膜厚計により直接測定した測定結果の平均値としてもよく、また、内面に塗装したプライマー量とプライマーの固形分割合（ＮＶ）、および鋼管内面表面積から算出した値を用いてもよい。

粉体ポリエチレン樹脂層の膜厚が１．０ｍｍ以下：
膜厚を１．０ｍｍ以下としたのは、ポリエチレン樹脂層の被膜の密着性を考慮したためである。好ましくは、密着性をさらに考慮し、ポリエチレン樹脂層の皮膜の膜厚は０．７５ｍｍ以下である。さらに膜厚は、耐食性を考慮して、０．５０ｍｍ以上が好ましい。膜厚が１．０ｍｍを超えると被膜の応力による密着性の低下や、内径が必要以上に小さくなりすぎることで管端防食継手への嵌合性が低下する可能性がある。０．５０ｍｍ未満では、防食性能の低下や万一疵などが付いた時に地鉄が露出して腐食の基点となる可能性があるので好ましくない。

なお、上記粉体ポリエチレン樹脂層の膜厚とは平均膜厚であり、電磁膜厚計により測定することができる。また、平均膜厚は、両管端部において、それぞれ周方向４点測定した測定結果の平均値で算出される。

また、粉体ポリエチレン樹脂層の形成には、マレイン酸無水物などの酸により変性した酸変性ポリエチレン樹脂の粉体を用いるのが好ましい。粉体ポリエチレン樹脂層は、加熱した鋼管の内側に、酸変性ポリエチレン樹脂などの樹脂の粉体を入れて、プライマー層の上に粉体の樹脂を融着することにより形成する。

また、経済的には不利になるが、酸変性ポリエチレン樹脂層を形成した後、その上にそのような変性をしていない通常のポリエチレン樹脂の粉体を用いて通常ポリエチレン樹脂層を形成しても良い。プライマー層の上の粉体ポリエチレン樹脂層をそのように２層構造とする際には、２層（酸変性ポリエチレン樹脂層、通常ポリエチレン樹脂層）合わせての平均厚さが、０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であれば良い。

本発明で、転造ねじ加工性に優れたとは、転造ねじ加工時に被膜の剥離などの異常が発生せず、かつ転造ねじ加工時の縮径後の内径が、管端防食継手の許容内径を下回ることなく、管端防食継手に嵌合させたときに、管端防食継手のコアを損傷させること無く、管端防食継手の機能を発揮した形での適切な接合ができることをさす。

ここで、転造ねじ加工時の縮径量は、転造ねじ加工前後の最管端部のライニング管の内径の差を意味し、測定はノギスなどでおこなうものである。

また、管端防食継手との嵌合性は、転造ねじ加工後、ＪＰＦ ＭＰ ００３ に規定された管端防食継手に規定トルクでねじ込みを行った後の嵌合状態の評価であり、管端防食継手のコアの損傷や被膜の剥がれなどが無く適切な嵌合が行われていれば良好である。

ポリエチレン粉体ライニング鋼管を製造した。

鋼管は、ＪＩＳ Ｇ３４５２（２０１０年）規定の鋼管を使用し、ＪＩＳ Ｚ２２４１（２０１１年）規定の引張試験における降伏強さ（Ｙｓ）が２３０〜３２０Ｎ／ｍｍ^２の範囲の複数の鋼管を用いた。鋼管にはポリエチレン粉体ライニングを行う前に、外面にＪＩＳ Ｇ３４５２（２０１０年）の白管と同等の亜鉛めっきを施した。

降伏強さが２５０Ｎ／ｍｍ^２を超える鋼管は、転造ねじ加工を行った時の縮径量が大きいため、本発明で目的とする呼び径６５Ａ以上のサイズにおける管端防食継手との嵌合性を実現するのが困難であった。また本実験中において、電縫管、熱間電縫鋼管は、鍛接鋼管よりも表面が平滑であるため、転造ねじ加工時のポリエチレン粉体ライニング（粉体ポリエチレン樹脂層）の密着力も低下しやすい傾向があり、鍛接鋼管の使用が好ましいことを見出した。一方、鍛接鋼管でも降伏強さが２５０Ｎ／ｍｍ^２を超えると嵌合性が低下することも見出した。

ポリエチレン粉体ライニングの製造方法は、上記鋼管の内面のみを酸洗することで付着したミルスケールやさび、内面のめっきなどを除去する。酸洗液は、塩酸（２７質量％、温度６０℃程度）を用いた。

次の化成処理工程では、リン酸亜鉛カルシウム系化成処理液を用い、温度８０〜９０℃とした。鋼管内面を前記化成処理液を一定時間（３〜１５分）流送させることで化成処理皮膜を形成させる。その後、湯洗し、余計な液を除去し洗浄後、乾燥させた。

プライマー塗布は、エポキシ樹脂系プライマーをエアレススプレーにて塗装した。鋼管内面に、先端に塗装ノズルがついたアームを鋼管端部から、他端まで挿入し、塗料（プライマー）をノズルから噴出しながら鋼管を回転させつつ、ノズルを全長に渡って移動させることで、鋼管内面にプライマーを塗装する。表1に、鋼管の内面積と、塗料（プライマー）吐出量と、塗料（プライマー）固形分割合（ＮＶ）から計算した平均膜厚を示す。

プライマー塗装時の鋼管の温度は３０℃〜６０℃が好ましい。３０℃以下ではプライマーの乾燥性が悪くなり、プライマーのタレやタマリなどの皮膜不良を起こしやすくなり、６０℃以上では溶剤が直ぐに揮発しすぎて、プライマー膜形成が十分に出来ない。

粉体ポリエチレン塗装は、プライマーを塗装した鋼管を熱風乾燥炉やインダクションヒーターなど公知の方法で、２００℃以上、好ましくは２５０℃〜３００℃程度の温度に加熱した状態で、ポリエチレンの粉末を鋼管の内部を循環させ、鋼管の熱によりポリエチレン粉末を融解させ、皮膜を形成する。皮膜の厚みはＪＷＷＡ Ｋ１３２に規格された膜厚以上とする。すなわち、呼び径１５から２５は０．３０ｍｍ以上、呼び径３２から５０は０．３５ｍｍ以上、呼び径６５から１００までは０．４０ｍｍ以上とすることが好ましい。したがって、皮膜の厚みは０．５０〜１．０ｍｍ以下の範囲が好ましい。

粉体ポリエチレン塗装時の鋼管の加熱温度は２００℃未満では十分な皮膜が形成されない。３００℃を超えると、粉体ポリエチレンやプライマーの熱劣化により、十分な性能の粉体ポリエチレン被膜が得られず、当該ライニング膜の耐久性が不足するので、好ましくない。

本実施例および比較例においては、ポリエチレンの粉末として酸変性ポリエチレン樹脂の粉末を用いて、粉体ポリエチレン樹脂層を形成した。平均膜厚は、両管端部において、それぞれ周方向４点での厚さを電磁膜厚計により測定し、その平均値とした。

実施した結果を表１に示す。

ここで、密着力評価方法は、ＪＷＷＡ Ｋ１３２に定められた１８０°ピール強度法により密着力を評価した。３０Ｎ/ｃｍ以上であれば、ＪＷＷＡ Ｋ１３２規格を満足するため、良好である。

また、転造ねじ加工部の密着力は、表面から転造ねじ加工を行なった後、ねじの変形影響を受けている部分のピール強度を測定することにより確認を行なった。３０Ｎ/ｃｍ以上であれば、ＪＷＷＡ Ｋ１３２規格を満足するため、良好である。

さらに、転造ねじ加工時の縮径量は、転造ねじ加工による最管端部のライニング管の内径をノギスにて測定し、転造ねじ加工前の内径との差とする。

管端防食継手との嵌合性の評価は、転造ねじ加工後、ＪＰＦ ＭＰ ００３ に規定された管端防食継手に規定トルクでねじ込みを行った後の嵌合状態を以下の◎、○、×の評価をすることに拠った。

◎：スムーズに嵌合し、適切な止水がなされている。

○：やや抵抗があるものの嵌合には問題は無く、適切な止水がなされている。

×：ライニング管管端部と管端防食継手のコアが干渉し、コアが変形し正しく嵌合が出来ていない。

表１より、本発明では、転造ねじ加工性に優れたポリエチレン粉体ライニング鋼管が得られている。また、転造ねじ加工後の嵌合性及び密着力に優れており、耐久性が良好である。一方、比較例では、転造ねじ加工時の管端防食継手との嵌合性が劣っている。

Claims (3)

1. 鋼管の内面に化成処理被膜および液状プライマーを介して、粉体ポリエチレン樹脂層を被覆したポリエチレン粉体ライニング鋼管であって、
   前記鋼管の降伏強さ（Ｙｓ）が２５０Ｎ／ｍｍ^２以下、前記鋼管の転造ねじ加工時の内径の縮径量が２．５ｍｍ以下であり、
   前記液状プライマーの乾燥後の平均膜厚が１０〜３０μｍの範囲であって、
   前記の粉体ポリエチレン樹脂層の膜厚が１．０ｍｍ以下である
   ことを特徴とする転造ねじ加工性に優れたポリエチレン粉体ライニング鋼管。
2. 前記鋼管が鍛接鋼管であることを特徴とする請求項１記載の転造ねじ加工性に優れたポリエチレン粉体ライニング鋼管。
3. 前記ポリエチレン粉体ライニング鋼管は、呼び径６５Ａ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の転造ねじ加工性に優れたポリエチレン粉体ライニング鋼管。