JP5929968B2 - Ｕｏｅ鋼管及び該ｕｏｅ鋼管で形成された鋼管構造物 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管及び該鋼管で形成されたパイプライン、鋼管杭、鋼管矢板等の鋼管構造物に関する。

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、電縫鋼管を対象として、板厚方向及び管長方向に所定の歪を与えると共に材料組成を所定の値にすることが提案されている。

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方法が示されている。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、真円に近づける方法が提案されている。
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。
したがって、鋼管構造物の変形性能を向上させるには、母材部及び溶接部の変形性能の向上を図る必要がある。
そこで、本発明では、鋼管構造物の主な構成部材となる鋼管についての変形性能向上を考える。

特許文献１〜３の方法は、鋼材の組成および軟質・硬質の二相組織により母材部の変形性能を向上させている。鋼材の組成等の調整による手法は従来から種々の提案があるものの、より簡易な方法が望まれている。
また、特許文献４に記載のものは、形状についての検討もなされている。しかし、鋼管材質を向上させるため組成変更も必要としており、上記特許文献１〜３と同様に簡易な方法とは言えない。

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、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にて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、この方法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、この方法では、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。形状は主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。

以上のように、従来提案されているものには、鋼管材料の組成を調整するものであったり、溶接部の変形性能のみを対象としているものであり、鋼管の母材部に着目して、かつ簡易に形状を最適化することによって鋼管の変形性能を向上させるものはない。
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、鋼管の形状を簡易に最適化でき、座屈性能に優れた鋼管及び該鋼管で形成された鋼管構造物を提供することを目的としている。

外径を拡径加工する加工方法によって製造される例えばＵＯＥ鋼管では、ダイスで外径方向に拡管する工程の影響で、鋼管の外形が波形状になっている。この波形状の影響により、鋼管の曲げ剛性は一定ではなく、管軸方向にバラつきがある。このため、一部の曲がりやすいところに曲げひずみが先行して座屈が発生する。鋼管が座屈せずに曲がるようにするためには、材質面のみならず形状面でも座屈させないようにする必要がある。

鋼管の形状面における改善方法として、波形状の振幅を小さくすることが考えられる。しかしながら、振幅を限りなく0に近づけると座屈性能が向上するとしても、振幅が0に近い鋼管を製造するには製造コストがかかる。つまり、振幅を0に近づけて座屈性能を向上させることとコスト低減とは二律背反の関係にある。
したがって、コスト面を考慮すると振幅を限りなく0に近づけることは現実的ではなく、最大限の効果が最小限のコストで得られるための製造目標を明示することは有意義である。
そこで、発明者は、振幅と座屈性能の関係を調査した結果、鋼管に現れる波形状の振幅（以下、「外径振幅」という）を鋼管外径の0.1%以下とした場合は、外径振幅の大きさにかかわらずほぼ同様の曲げ変形性能が得られ、外径振幅が0.1%を越えると、徐々に座屈性能が低下し、0.3%の外径振幅では、80%まで座屈性能が低下することが明らかとなった。なお、外径振幅とは、鋼管の軸方向断面において上下に現れる各波形状の振幅（半振幅）の和をいう（図１、図３参照）。
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、外径を拡径又は縮径加工する加工方法によって製造される鋼管であって、前記拡径又は縮径加工によって形成される外形波形状の外径振幅が、鋼管外径の0.1%以下とすることを特徴とするものである。

（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）本発明に係る鋼管構造物は、上記（１）又は（２）に記載の鋼管で形成したことを特徴とするものである。
鋼管構造物としては、例えばパイプライン、鋼管杭、鋼管矢板、水門鉄管等がある。

本発明に係る鋼管は、外径を拡径又は縮径加工する加工方法によって製造されるものであって、拡径又は縮径加工によって形成される外形波形状の外径振幅が、鋼管外径の0.1%以下に設定されていることにより、変形性能に優れた鋼管となっている。

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鋼管の形状を説明する説明図である。 一般的なＵＯＥ鋼管の軸方向断面の一部を示す図であって、外径振幅の説明図である。 鋼管に生ずる座屈現象の説明図である。 座屈時ひずみ及び曲率半径と、外径振幅/外径との関係を示すグラフである。 外径振幅/外径が0.1%の鋼管における、鋼管外半径及び座屈ひずみと、鋼管軸方向位置との関係を示すグラフである。 外径振幅/外径が0.1%及び0.3%の鋼管における、座屈ひずみと鋼管軸方向位置との関係を示すグラフである。

本実施の形態に係る鋼管は、図１に示すように、外径を拡径又は縮径加工する加工方法によって製造される鋼管１であって、拡径又は縮径加工によって形成される外形波形状の外径振幅（A）が、鋼管外径（D）の0.1%以下に設定されていることを特徴とするものである。鋼管外径（D）の0.1%の外径振幅とは、例えば鋼管外径Dが48インチ（=1219mm）の鋼管の場合1.219mmとなる。
以下、外径振幅を鋼管外径（D）の0.1%以下に設定する理由を説明する。

本発明者らは、外径を拡径又は縮径加工する加工方法によって製造される鋼管の外形形状が、変形性能（座屈性能）に与える影響を調査するため、鋼管外面の形状を計測した。計測対象としたのは、ＵＯＥ鋼管（外径：48インチ=1219mm,管厚：22mm）である。
図２は、試験体のＵＯＥ鋼管の外形を模式的に示したものである。図２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、形状変化は周期的に現れており、拡管用ダイスによる拡管の周期に近いものであった。
この試験体に示されるように、一般のＵＯＥ鋼管には波打ち形状がみられ、図３に示すように、鋼管外径をＤとしたときの外径振幅Ａは一般的には鋼管外径Ｄの1.0%前後、すなわちＡ≒Ｄ×0.01である。

パイプラインが敷設された地盤が液状化したり、断層が移動したりするとき、鋼管は大きな曲げモーメントを受け、図４に示すように、座屈を生じることがある。曲げ座屈に至るまでに許容される変形を検討するために、外径振幅を変えた解析モデルを作成して、外径振幅と座屈時ひずみとの関係を調査した。

図５は、解析結果を示すグラフであり、縦軸（左）が座屈時ひずみ（％）、縦軸（右）が曲率半径（ｍ）、横軸が外径振幅/外径（％）をそれぞれ示している。
座屈時ひずみは、座屈した時の移動平均ひずみである。ひずみは、鋼管の変形量、曲率と比例関係にある。すなわち、小さなひずみ、小さな曲率で座屈してしまう鋼管は変形性能が低く、逆に大きなひずみが発生するまで座屈しなかった鋼管は高い変形性能を有しており、地震地帯等のシビアな環境にも適用可能な鋼管であるということができる。

図５に示すように、外径振幅/外径が大きくなるほど、形状不整は大きくなるため座屈時ひずみは低下する。しかし、外径振幅/外径が0.1%以下の場合には、若干のばらつきがあるものの概ね座屈時ひずみが1.8%以上(これは、曲率半径にして67m程度)で安定した高い変形性能を示した。一方、外径振幅/外径が0.1%より大きい場合には、徐々に変形性能が低下し、外径振幅/外径が0.3%程度の場合には、外径振幅/外径が0.1%の場合よりも20%近い性能低下が認められた。このように、外径振幅/外径が0.1%以下の場合は、変形性能が完全なものと同等程度の性能を保持できる。

図６は、外径振幅／外径が0.1%の鋼管に曲げを付与し、座屈が発生した後の鋼管表面の軸方向圧縮ひずみ(%)および、鋼管外径半径(mm)と鋼管の軸方向位置(mm)との関係を示すグラフであり、図６(a)が鋼管表面に貼付したひずみゲージにより得られた鋼管の軸方向ひずみ(%)と鋼管の軸方向位置(mm)との関係を示し、図６(b)鋼管外径半径(mm)と鋼管の軸方向位置(mm)との関係を示している。
圧縮ひずみは通常負の値で示すが、図６(a)においては理解を容易にするために圧縮側を正として、圧縮ひずみが大きいほど上に突出するグラフとしている。鋼管の軸方向ひずみは、鋼管を曲げた際に圧縮側(図４に示す曲げ鋼管の下側)で圧縮ひずみが、引張側４(図４に示す曲げ鋼管の上側)で引張ひずみが生じる。曲げの初期状態においては、圧縮側、引張側でともに、軸方向に均一なひずみが発生する。曲げが進展し座屈発生以降はとりわけ鋼管の圧縮側において軸方向ひずみ分布には図６(a)に示すように、ピークを示す。図６の例では軸方向位置400mmで座屈が発生しており、座屈位置に圧縮ひずみが集中するために図６(a)において、軸方向圧縮ひずみのピークが400mmで確認できる。
鋼管の波形状の波長は400mmであり、波形状が外形側に突出しているのは、500mm,900mm,1300mm…となっている。図６を見ると、座屈しなかった部分(例900-2000mm)で、波形状が外形側に突出して居る部位は900mm,1300mmm,1700mmであるが(図６(b)参照)、この部位では圧縮ひずみが大きくなっていることがわかる(図６(a)参照)このことから、外形不整が鋼管の座屈に大きな影響を与えていることがわかる。

図７は、外径振幅/外径が0.1%の鋼管と0.3%の鋼管について、圧縮ひずみ（%）と鋼管の軸方向位置（mm）との関係を示したグラフである。外径振幅/外径が0.1%の鋼管に関しては、図６と同一のグラフであり、外径振幅/外径が0.3%の鋼管に関しては、鋼管の波形状の波長は外径振幅/外径が0.1%の鋼管と同様に400mmである。
図７を見ると、外径振幅/外径が0.1%の鋼管の圧縮ひずみが、外径振幅/外径が0.3%の鋼管よりも鋼管軸方向の全長に亘って大きくなっており、変形性能に優れていることが分かる。
また、座屈しなかった部分（例900mm〜2000mm）で、波形状が外形側に突出している部位は、外径振幅/外径が0.1%の鋼管と0.3%の鋼管について一致しており、外径振幅の大きさにかかわらず外形不整が鋼管の座屈に影響することも分かる。

以上の考察から、外径振幅を、鋼管外径（D）の0.1%以下に設定することで、高い変形性能を有する鋼管が得られることがわかる。
したがって、本発明によれば、完璧な形状の商品でなくとも、完璧なものと同等程度の性能を持つための製造公差を規定することができるため、産業上大きな意味を持つ。

なお、ＵＯＥ鋼管の外径振幅は、ＵＯＥ鋼管の製造工程で使用する拡管用ダイスの拡径量によって調整することができる。

本実施の形態の鋼管１は、外径振幅が、鋼管外径（D）の0.1%以下に設定しているので、鋼管として高い変形性能が得られ、また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。
また、鋼管自体の変形性能が向上することで、変形性能に優れる鋼管を用いた例えば水門鉄管等の鋼管構造物についても、高い変形性能が得られる。

なお、上記の説明では、外径を拡径又は縮径加工する加工方法によって製造される鋼管の例として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、外径を拡径又は縮径加工する加工方法によって製造されるものであれば、同様の効果を奏する。

１ 鋼管

Claims (2)

1. 外形波形状の外径振幅が、鋼管外径の0.1%以下であることを特徴とするＵＯＥ鋼管。
2. 請求項１に記載のＵＯＥ鋼管によって形成したことを特徴とする鋼管構造物。