JP6066022B1 - 鋼管、鋼管構造物、鋼管の製造方法、及び鋼管の設計方法 - Google Patents

Abstract

本発明に係る鋼管は、拡管工程によって外径に波形形状が形成された鋼管であって、波形形状の振幅及び波長をそれぞれａ，ｗとしたとき、ａ／ｗの値が０．０３８％以下の範囲内にあることを特徴とする。なお、ティモシェンコの座屈波長λに対する波形形状の波長ｗの比ｗ／λの値は０．８より大きいことが望ましい。これにより、拡管工程に要する労力及び時間を削減して変形性能を向上可能な鋼管を提供することができる。

Description

本発明は、鋼管、鋼管構造物、鋼管の製造方法、及び鋼管の設計方法に関するものである。

近年、ガスや石油に対する需要の高まりからガス田や油田の新規開拓が盛んになっており、ガスや石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埋設する機会が多くなっている。ところが、地震地帯や不連続凍土地帯では、液状化、断層変位、凍上、溶解等の要因によって地盤が変動し、それに伴いパイプラインが変形することがある。そして、パイプラインが大きく変形した場合には、パイプラインを構成する鋼管は、曲げられて圧縮側で座屈した後、引張側で破断する。このような背景から、座屈部での損傷や破断部からのガスや石油の漏出を防ぐ観点から、鋼管が座屈せずに曲がるように鋼管の変形性能を向上させる技術が提案されている。詳しくは、特許文献１には、拡管工程によって鋼管の長さ方向に形成される外径の波形形状（うねり）の波長比（波形形状の波長／ティモシェンコの座屈波長）の範囲を０．８以下とすることによって鋼管の変形性能を向上させる技術が記載されている。

特許第５４４７４６１号公報（請求項１，段落００４４参照）

特許文献１記載の技術では、波形形状の振幅を全て同じ値（0.73mm=0.06%OD，ODは鋼管の直径）として、鋼管の変形性能が向上する波形形状の波長比の範囲を規定している。しかしながら、本発明の発明者らは、鋭意検討を重ねてきた結果、波形形状の波長比が上記範囲内にある場合であっても、波形形状の振幅の値によっては鋼管の変形性能が低下することを知見した。また、一般に、波形形状の波長比が短くなるほど、拡管工程におけるダイスの鋼管長さ方向の送り幅が短くなるので、特許文献１記載の技術によれば、鋼管の変形性能の向上に伴い拡管工程に要する労力及び時間が多くなる。このため、拡管工程に要する労力及び時間を削減して鋼管の変形性能を向上可能な技術の提供が期待されていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、拡管工程に要する労力及び時間を削減して変形性能を向上可能な鋼管、鋼管構造物、鋼管の製造方法、及び鋼管の設計方法を提供することにある。

本発明に係る鋼管は、拡管工程によって外径に波形形状が形成された鋼管であって、前記波形形状の振幅及び波長をそれぞれａ，ｗとしたとき、ａ／ｗの値が０．０３８％以下の範囲内にあることを特徴とする。

本発明に係る鋼管は、上記発明において、ティモシェンコの座屈波長λに対する前記波形形状の波長ｗの比ｗ／λの値が０．８より大きいことを特徴とする。

本発明に係る鋼管構造物は、本発明に係る鋼管を用いて形成されていることを特徴とする。ここで、鋼管構造物としては、パイプライン、鋼管杭、鋼管矢板、水門鉄管等を例示することができる。

本発明に係る鋼管の製造方法は、拡管工程によって外径に波形形状が形成された鋼管の製造方法であって、前記拡管工程において、前記波形形状の振幅及び波長をそれぞれａ，ｗとしたとき、ａ／ｗの値が０．０３８％以下の範囲内になるように前記波形形状を形成するステップを含むことを特徴とする。

本発明に係る鋼管の設計方法は、拡管工程によって外径に波形形状が形成された鋼管の設計方法であって、下記数式（１）を用いて製造する鋼管におけるティモシェンコの座屈波長λに対する前記波形形状の波長ｗの比ｗ／λと座屈時曲げ角度との関係を評価し、評価結果に基づいて波形形状の波長ｗ及び振幅ａを決定するステップを含むことを特徴とする。

ここで、数式（１）中のパラメータＤ１，Ｄ２，α，βは製造する鋼管の外径及び板厚によって決まる値である。

本発明に係る鋼管、鋼管構造物、鋼管の製造方法、及び鋼管の設計方法によれば、拡管工程に要する労力及び時間を削減して変形性能を向上させることができる。

図１は、鋼管の外径形状の一例を示す図である。 図２は、鋼管の曲げ座屈現象を説明するための模式図である。 図３は、外径20inch、板厚15.9mmの鋼管及び外径48inch、板厚22mmの鋼管の座屈時ひずみの解析結果を示す図である。 図４は、図３に示す横軸及び縦軸をそれぞれ座屈波長及び波長が０であるときの座屈時ひずみで正規化したグラフを示す図である。 図５は、波長と振幅比との関係を示す図である。 図６は、設計因子ａ／ｗの値毎の座屈波長比と座屈時曲げ角度との関係を示す図である。 図７は、座屈波長比と座屈時曲げ角度との関係を示す図である。

本発明者らは、鋼管の溶接継手部近傍での座屈現象を評価するために、溶接継手部を有する鋼管（ＵＯＥ鋼管，外径48inch(1219mm)，板厚22mm）に対して曲げ実験を実施した。曲げ実験に先立ち、鋼管の外径形状を計測した結果、鋼管の外径形状に波形形状が見られ、ばらついていた。このばらつきは鋼管の拡管工程によって生じたものであり、波形形状の波長は拡管工程におけるダイスの送り周期に近く、波形形状の全ての振幅はほぼ同じで一定の機械拡径により生じたものであった。図１に計測された鋼管の外径形状を示す。図中、長さ方向位置がゼロである点が溶接継手位置に対応している。図１に示す例では、波形形状の波長は約400mm程度であった。

図２に鋼管の曲げ座屈現象の概要を示す。液状化した地盤や断層の移動によって鋼管は大きな変形（曲げモーメント）を受け、図２に示すように鋼管Ｐに曲げ座屈現象が発生することがある。そこで、曲げ座屈現象が発生するまでに許容される鋼管の曲げ変形量を検討するために、波形形状の波長を変えた複数の解析モデルを作成し、解析モデルを用いてその変形性能を比較した。図３に外径20inch、板厚15.9mmの鋼管及び外径48inch、板厚22mmの鋼管の座屈時ひずみの解析結果を示す。図３において、縦軸は座屈時ひずみ（座屈した時の移動平均ひずみ）を示し、横軸は解析モデルに与えた波形形状の波長を示している。

なお、座屈時ひずみは、鋼管の変形量や曲率と比例の関係にある。すなわち、小さな変形量や曲率で座屈してしまう鋼管（座屈時ひずみが小さい鋼管）は変形性能が低く、逆に大きな変形量や曲率が発生するまで座屈しなかった鋼管（座屈時ひずみが大きい鋼管）は高い変形性能を有しており、地震地帯等の厳しい環境にも適用可能な鋼管であるということができる。

図３に示すように、外径20inch、板厚15.9mmの鋼管及び外径48inch、板厚22mmの鋼管共に、波形形状の波長が小さい程、座屈時ひずみが大きくなっており、且つ、ある程度の小さな波形形状の波長では一定値以上の座屈時ひずみを示している。また、座屈時ひずみは、波形形状の波長が増加するのに伴いある閾値でＳ字を描くように低減している。これは、波形形状の波長をある閾値以下にすることによって変形性能の優れた鋼管を提供できることを示している。

そこで、図３に示す解析結果では外径及び板厚が異なる２つの鋼管を比較したが、これを標準化した。図４に、図３に示す横軸及び縦軸をそれぞれ、座屈波長λ（λはティモシェンコの座屈波長を示す）及び波長が０であるときの座屈時ひずみで正規化したグラフを示す。図４に示すように、外径20inch、板厚15.9mmの鋼管及び外径48inch、板厚22mmの鋼管では、座屈時ひずみと座屈波長λに対する波形形状の波長の比（波形形状の波長／座屈波長λ、以下、座屈波長比と表記）とはほぼ同様の関係を示している。

この関係によれば、座屈波長比を０．５０以下の範囲内に設定することによって、座屈時ひずみを高く維持することが可能となる。また、座屈波長比が１．０程度になると、座屈時ひずみは、座屈波長比がそれ以上である場合と同等となってしまい、座屈波長比が０．５以下である鋼管に比較して６５％程度まで低下する。

波形形状の波長を短くする手段としては、拡管工程においてダイスの押下位置を鋼管の長さ方向で重複させるダイスの重ね押しが有効である。そこで、外径24inchの鋼管を対象として、ダイスの重ね押しを施したものと施していないものとの外径の波形形状を評価した。ここで、ダイスの有効長は約450mmであり、拡管工程において450mmで押したものと80mmで細かく押したもの(１有効長あたり5,6回押し)を作製した。

その結果、外径の波形形状はダイスの押し方に依存することが確認された。具体的には、拡管工程において450mmで押したものは430-450mm程度の波長の波形形状を有しているのに対して、拡管工程において80mmで押したものは60-70mm程度の波長の波形形状を有していた。一方、ダイスの押し方は波形形状の振幅についても影響し、ダイスを細かく押すほど、波形形状の振幅も小さくなることが確認された。

そこで、本発明の発明者らは、波形形状の波長と振幅との関係を評価した。図５は、波長と振幅比との関係を示す図である。図５に示すように、波形形状の波長と振幅とは比例関係にある。従って、ダイスを小さく、細かく押すことによって鋼管の変形性能を向上できると言える。このため、本発明の発明者らは、波形形状の波長ｗに対する振幅ａの比ａ／ｗを新たな設計因子として考え、この設計因子ａ／ｗの値が変形性能に与える影響を評価した。

図６は、設計因子ａ／ｗの値毎の座屈波長比と座屈時曲げ角度との関係を示す図である。図６に示すように、設計因子ａ／ｗの値毎に座屈時曲げ角度の最大値（本例では20deg.付近)に至る座屈波長比が異なっており、設計因子ａ／ｗの値が小さくなるのに応じて座屈時曲げ角度が大きくなることが確認された。また、本発明の発明者らは、特許文献１記載の技術における座屈波長比と座屈時曲げ角度との関係を評価した。その結果、図６に特性線Ｌ１１で示すように、特許文献１記載の技術における座屈時曲げ角度は、設計因子ａ／ｗの値が０．０３８％であるときの特性線Ｌ３が示す座屈時曲げ角度より小さいことが確認された。

これは、設計因子ａ／ｗの値を０．０３８％以下、より好ましくは設計因子ａ／ｗの値を０．０３８％以下、且つ、座屈波長比を０．８より大きくすることによって、特許文献１記載の座屈時曲げ角度を実現するために必要な座屈波長比、すなわち拡管工程におけるダイスの送り量を大きくできることを意味する。以上のことから、設計因子ａ／ｗの値が０．０３８％以下になるように波形形状の波長及び振幅を調整することによって、拡管工程に要する労力及び時間を削減して変形性能を向上できる。

なお、図６に示す各特性線を一般化すると、座屈時曲げ角度と座屈波長比Ｘとの関係は以下に示す数式（１）のように表される。ここで、図７に示すように、数式（１）中のパラメータＤ１，Ｄ２はそれぞれ座屈時曲げ角度の最大値及び最小値を示し、パラメータαは座屈時曲げ角度の値が（Ｄ１＋Ｄ２）／２である点Ｐにおける座屈波長比を示し、パラメータβは座屈時曲げ角度の値が最大値から最小値に減少する時の傾斜の程度（傾き）を示すパラメータである。パラメータＤ１，Ｄ２，α，βの値はいずれも鋼管の外径及び板厚に依存する。変形性能が高い鋼管の条件は、パラメータＤ１の値が大きいことと、ＵＯＥ鋼管に特徴的な波形形状の座屈波長比（ｗ／λ）が小さいことである。波形形状の波長が制御されずに十分に長くなる場合には、変形性能はパラメータＤ２まで低減することが考えられる。製造時の波形形状の波長の制御により鋼管が最大で発揮する変形性能Ｄ１に近づけるためには、パラメータαの値を小さくする必要がある。仮に座屈波長比（ｗ／λ）がパラメータαの値と同じであれば、その変形性能はパラメータＤ１とパラメータＤ２との中間の値となる。また、最低値となるパラメータＤ２から上がり代（Ｄ１−Ｄ２）の１０％でも変形性能を向上させたい場合には、数式（１）からｔａｎｈ（（−Ｘ＋α）／β）の値が−０．４となる値である所の（−Ｘ＋α）／β＝１．１を選択すればよい。鋼管に求められる変形性能は、その座屈や破壊現象が及ぼす、公共の安全や環境の保存に与える影響によって変わるものと考えられる。また、座屈波長比（ｗ／λ）を小さく、すなわち、鋼管の波形形状の波長を細かく制御することは、一般的には拡管工程を長くすることであるから、生産上不利になることも考えられる。本式を用いることで求められる変形性能を実現するために製造方法を制御することができ、必要十分な変形性能を与えてコスト優位性のある鋼管製品を供給することができる。

従って、鋼管の外径及び板厚毎にパラメータＤ１，Ｄ２，α，βの値を予め実験、又は、解析により求めておき、製造する鋼管の外径及び板厚に対応するパラメータＤ１，Ｄ２，α，βの値を読み出し、読み出された値を用いて数式（１）を構築することによって座屈時曲げ角度と座屈波長比Ｘとの関係を評価し、評価結果に基づいて製造する鋼管の波形形状の波長及び振幅を決定することによって、拡管工程に要する労力及び時間を削減して変形性能を向上可能な鋼管を設計できる。また、決定した座屈波長比に従って拡管工程を実行することにより、拡管工程に要する労力及び時間を削減して変形性能を向上させた鋼管を製造できる。なお、本発明に係る鋼管は、パイプライン、鋼管杭、鋼管矢板、水門鉄管等の鋼管構造物に適用することができる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

本発明によれば、拡管工程に要する労力及び時間を削減して変形性能を向上可能な鋼管、鋼管構造物、鋼管の製造方法、及び鋼管の設計方法を提供することができる。

Ｐ 鋼管

Claims (5)

1. 拡管工程によって外径に波形形状が形成された鋼管であって、
   前記波形形状の振幅及び波長をそれぞれａ，ｗとしたとき、ａ／ｗの値が０．０３８％以下の範囲内にあることを特徴とする鋼管。
2. ティモシェンコの座屈波長λに対する前記波形形状の波長ｗの比ｗ／λの値が０．８より大きいことを特徴とする請求項１記載の鋼管。
3. 請求項１又は２記載の鋼管を用いて形成されていることを特徴とする鋼管構造物。
4. 拡管工程によって外径に波形形状が形成された鋼管の製造方法であって、
   前記拡管工程において、前記波形形状の振幅及び波長をそれぞれａ，ｗとしたとき、ａ／ｗの値が０．０３８％以下の範囲内になるように前記波形形状を形成するステップを含むことを特徴とする鋼管の製造方法。
5. 拡管工程によって外径に波形形状が形成された鋼管の設計方法であって、
   製造する鋼管の外径及び板厚に対応するパラメータＤ１，Ｄ２，α，βの値を用いて製造する鋼管におけるティモシェンコの座屈波長λに対する前記波形形状の波長ｗの比ｗ／λと座屈時曲げ角度との関係を表す以下に示す数式（１）を構築し、該数式（１）を用いて前記比ｗ／λと座屈時曲げ角度との関係を評価し、評価結果に基づいて波形形状の波長ｗ及び振幅ａを決定するステップを含むことを特徴とする鋼管の設計方法。
   

   

   ここで、数式（１）中のパラメータＤ１は座屈時曲げ角度の最大値を示し、パラメータＤ２は座屈時曲げ角度の最小値を示し、パラメータαは座屈時曲げ角度の値が（Ｄ１＋Ｄ２）／２である点における比ｗ／λの値を示し、パラメータβは座屈時曲げ角度の値が最大値から最小値に減少する時の傾斜の傾きを示すパラメータであり、パラメータＸは比ｗ／λを示す。

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