JP6089907B2 - スパイラル鋼管エッジポジション制御装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、スパイラル鋼管の製造時に使用するエッジポジション制御装置及び制御方法に関し、スパイラル鋼管製造時の溶接工程で生じる溶接ビード凹みを低減して、後処理の必要性を低減させる技術に関するものである。

スパイラル鋼管は、素材の幅に関係なく、所望のサイズの鋼管を製造することができ、その強度も高いために各種配管や土木建築用として多方面で利用されている。近年、スパイラル鋼管においても、高寸法精度の製品（厳格品）が要求されており、特に、溶接ビード凹み（ビード高さの不足による溶接金属部の痩せ）は、切欠きに類似した悪影響を及ぼす懸念があるため、製造後の手入れによる修正が必要とされ、製造コストの高騰を招いていた。

本発明者らは、スパイラル鋼管における溶接ビード部の凹みについて、その発生原因を詳細に調査した結果、スパイラル鋼管素材である鋼帯の蛇行がその一因であることを突き止め、本発明に至った。

すなわち、図１に工程図を示すように、スパイラル鋼管の製造工程は、アンコイラ１から巻戻された鋼帯２を、ベンダー３、レベラー４等を通過させて巻癖を除去し、開先加工部５、及びピンチロール６を通過して、成形スタンド７で所定の曲げ加工を施し、溶接工程に供給して、内面溶接８と外面溶接９を行う手順で製造される。
なお、レベラー４と開先加工部５との間には、コイル継ぎ部１０が配置されることがある。

図１に示す例では、既に溶接が終了した鋼管の右端部に、新たな鋼帯素材の左端部が供給されて、両端部で形成される開先を、たとえばサブマージドアーク溶接等により接合する。

このとき、該両端部が狙い通りの位置であれば、適切な溶接がなされ、溶接ビードも設計通りの断面形状で形成されるが、鋼帯の蛇行等により開先部に設計以上の隙間等が発生したり、或いは開先部同士が重なり過ぎて突合せ部に段差等が生じると、溶接による溶融金属量が不足してビード痩せ等が発生したり、或いは突合せ部に段差を生じたまま溶接がなされて、その程度によっては、溶接完了後に肉盛溶接等によって、不足した溶接金属部分を補充して溶接ビードを整形したり、溶接部に生じた段差部を研磨等によって手直しする必要があった。

図２は、適正に溶接がなされたスパイラル鋼管溶接部の断面を示す図である。適正に溶接が行われると、同図に示すように、内面側ビード中央に形成されがちな中央部凹みの最低高さ部においても、鋼管内面よりは高い位置にビード表面が形成され、鋼管の強度上不利な切欠き類似の形状にはならない。

しかしながら、図３に示すように、溶接部において、開先が許容値以上に幅広となると、溶接金属の沈み込みが発生し、形成された溶接ビード中央部の凹みが大となって、鋼管表面高さに至らないビード表面が形成される。このような凹みは、切欠きに類似した応力集中の原因となり、強度上不利となるので、厳格品と称される溶接部の形状に厳しい規格が求められる製品においては、スパイラル鋼管製造後にオフラインで、当該切欠き部に肉盛溶接等を施して補修している。

スパイラル鋼管製造の際に、開先を調整する手法として、例えば特許文献１には、ストリップの移行方向に沿って、第１及び第２の側縁検出器及びストリップ移行量検出器を配置して、これらによってストリップ上の同一点が第１及び第２の側縁位置検出器を通過する時の位置の測定及び両者の変位を求める演算装置を設け、該演算装置からの変位信号に基いて該変位を解消するように作動される変位矯正器を設けた技術が開示されているが、両端を、溶接部とアンコイラとで拘束された状態にある素材鋼帯を変位させることは容易でなく、薄い素材の場合などは側縁部に座屈を生じる虞もあり、その効果は限られていた。

また、特許文献２には、スパイラル鋼管製造時の開先加工に先立つトリミング工程の監視員を省略するためのトリム外れ警報方法及び装置に関する発明が記載されているが、基本的にスパイラル鋼管素材の帯鋼には、幅変化、送給中の横振れ、キャンバー等による側縁の移行があることを前提として、トリム代が基準値以下となった場合に警報を発する方法及び装置であり、開先部の位置ずれを矯正する技術ではない。

さらに、引用文献３には、スパイラル管製造のための素材である鋼ストリップのエッジの位置をセンサーにて検出し、該センサーによって出力された、センサーと鋼ストリップのエッジとの距離に比例する信号を入力し、前記信号の出力がパスライン位置許容値として設定された所定範囲の出力を超えたときに前記鋼ストリップのパスラインを修正する信号を出力するタイマーを作動させ、アンコイラ又はサイドガイドをパスラインと直交する方向に移動させてパスラインを修正するスパイラル管の製造時における鋼ストリップのパスライン修正装置に関する考案が記載されているが、図示されたセンサーでは、鋼ストリップのエッジの上下方向の変位の追随性に問題があると共に、アンコイラ又はサイドガイドのパスライン直交方向への移動をタイマーにより微速で移動させて行っており、パスライン制御の迅速性が見込めず、また、制御が発散する虞があって実用性のある技術とはいえないものである。

実公昭５７−３３９３８号公報 特開昭５９−１５６６５３号公報 実開平２−２２２０８号公報

本発明の目的は、スパイラル鋼管の製造において、素材の鋼帯を巻き戻しながら溶接工程に送る際に、開先加工したエッジ部を溶接工程に正確に送給して、開先間隔を適正に保つことにより、溶接ビードが過不足なく形成されるように制御し、溶接工程後の後処理の必要性を低減して、生産コストを下げ、効率的に厳格品等の高品質のスパイラル鋼管を製造することができるスパイラル鋼管エッジポジション制御装置及び制御方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために種々検討した結果、スパイラル鋼管製造の際に生じるビード部の凹みはコイルから供給される素材である鋼帯が、溶接工程に供給される際に生じる蛇行等によって、開先部の位置（ポジション）が、ずれることに起因することを発見した。
従って、開先部を形成した鋼帯を、溶接工程に正確な位置取りで供給すれば、ビード凹み等の後処理を必要とする溶接不良は、大幅に減少することが期待される。
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨とするところは以下の通りである。

（１）アンコイラから巻戻された鋼帯が、スパイラル鋼管製造装置の溶接工程に供給されるパスライン上に、ベンダー、レベラー、開先成形部、ピンチロールをこの順に配置し、上記アンコイラを搭載した架台をパスラインと直交する方向に移動自在とすると共に、アンコイラとベンダーとの間のパスライン上に鋼帯のエッジ位置検出機構を設け、該検出機構から出力された信号を、アンコイラを搭載した架台の移動機構の制御装置に入力することを特徴とするスパイラル鋼管エッジポジション制御装置。

（２）前記エッジ位置検出機構を、光学式、撮像式又は接触ロール式としたことを特徴とする前記（１）に記載のスパイラル鋼管エッジポジション制御装置。

（３）スパイラル鋼管製造のための鋼帯を、溶接工程に供給するパスライン上に、アンコイラ、ベンダー、レベラー、開先形成部、ピンチロールをこの順に配置すると共に、アンコイラとベンダーとの間のパスライン上に設けたエッジ位置検出機構からの検出信号に基いて、アンコイラを搭載した架台をパスラインと直交する方向に移動制御することを特徴とするスパイラル鋼管製造におけるエッジポジション制御方法。

（４）アンコイラを搭載した架台をパスラインと直交する方向に移動制御する際に、エッジ位置検出装置からの検出信号の値が所定の閾値以上の場合に、架台を移動させることを特徴とする前記（３）に記載のスパイラル鋼管製造におけるエッジポジション制御方法。

本発明によれば、スパイラル鋼管の製造において、開先部が形成された鋼帯素材を溶接工程に正確に送給することができ、その結果、溶接による接合工程が適切に実施されるため、ビード凹み等の溶接不良が大幅に低減され、生産コストを下げ、効率的に高品質のスパイラル鋼管を製造することができる。

スパイラル鋼管製造工程の俯瞰図である。 適切な溶接がなされたスパイラル鋼管溶接部の断面を示す図である。 開先位置と形成される溶接ビードとの関係を示す図である。 鋼帯エッジのずれ量と、シフト量との関係を示すグラフである。 鋼帯のエッジポジションの変動とビード高さとの関係を示す相関図である。

図１に、スパイラル鋼管の製造設備の俯瞰図を示す。
アンコイラ１によって、スパイラル鋼管の素材となる鋼帯コイルを巻き戻し、ベンダー３によって巻癖を除去し、更に、レベラー４によって平坦性を付与された鋼帯２は、両エッジ部に開先形成部５でべベル加工を施されて、成形スタンド７に供給され、まず、内面開先部を下向き溶接される。

該内面開先の溶接部分が製造工程の進行により、半周して当該部分がスパイラル鋼管の上端部に到達した時点で、外面開先部を下向き溶接により、溶接して、内外面の接合工程を終了する。

溶接は、各種アーク溶接が採用可能であるが、厚肉鋼帯を素材として内外面を各１度の溶接で接合するには、サブマージドアーク溶接が適している。

なお、レベラー４と開先形成部５との間に、鋼帯素材同士を接続するためのコイル継ぎ部１０を設置することができる。

図２に、内外面からの溶接工程を終了した溶接部の断面を示す。
図２において、上側がスパイラル鋼管の内面側である。
近年、強度設計上の問題等から、溶接ビード部、特に、内面側のビード高さが安定してプラスである、いわゆる厳格材に対する需要が増えている。

図３は、開先位置と形成される溶接ビードとの関係を示す。同図の上段に記載したように、開先位置が適正であれば、溶接金属により、溶接ビード中央部に形成されがちな凹みの最低部においても、鋼管内面よりは高い位置を確保することができる。

一方、開先が幅広になってしまうと、適切な溶接がなされても、溶接金属量が不足し、図３の下段に示すように、開先間隙を溶接金属で埋めきれず、溶接金属の沈み込み現象が生じて、形成された溶接ビードに凹みが生じてしまう。
厳格材において、この凹みは、修正しなければならないので、スパイラル鋼管製造後にオフラインで、肉盛溶接をしなければならない。

特に、比較的小径のスパイラル鋼管の内面側溶接ビードを肉盛溶接することは、狭隘な空間で、手作業による肉盛溶接作業を必要とし、技術的にも困難で、製造コストを上昇させる原因となっていた。

本発明は、上述した溶接ビードの凹みを低減すべく、鋼管素材が供給されるアンコイラ自体を、その巻軸方向にシフトさせて、べべル加工部で形成された開先が、スパイラル鋼管製造時の溶接部に適正な位置で供給されるようにすることで、常に開先が適正な位置を保ち、溶接ビードに設計通りの高さを確保することを可能とした。

即ち、図１に示すように、アンコイラ１は、鋼帯２のパスラインと直交する方向に移動可能な架台上に設置され、該架台は、油圧シリンダ等からなる駆動装置によって、移動可能となっている。

パスライン上のアンコイラとベンダー３の間には、エッジ位置検出機構が設置されている。このエッジ位置検出機構は、光学式、撮像式又は接触ロール式の何れでもよいが、例えば撮像装置を用いて画像処理により、エッジ位置を検出するタイプのものを使用すれば、鋼帯２のエッジの上下方向への変位に関係なくエッジ部分の水平位置を検出することが可能であるので、都合が良い。

エッジ位置検出機構から出力された位置情報は、演算装置に送られて、アンコイラを鋼帯パスラインと直交する方向に移動させる駆動装置の制御に使用される。

図４は、エッジ位置検出装置が検出したエッジ位置のズレ量と、アンコイラ１のシフト量の関係を示すもので、図示された例においてはエッジ位置のズレ量が±αまではアンコイラ１の位置を変化させず、αを超えた場合に、当該ズレ量と同じ量だけ架台をズレを解消する方向に移動する制御を行なう例を示す。

αの値は、鋼帯の板厚等に応じて、適宜決定するのがよい。
一般にスパイラル鋼管素材が肉厚であるほど、単位長さあたりの溶接金属量が増大するので、αも大きく設定することができるが、１２ｍｍ程度の板厚の素材からスパイラル鋼管を製造する場合には、αを３ｍｍ程度にとり、エッジ位置のズレ量が３ｍｍを超えた場合に、当該超えた値だけ、アンコイラを搭載した架台を逆方向に移動させると、溶接工程において開先が適正な位置に導かれるので、完成したスパイラル鋼管の溶接ビードに欠陥が生ずることが少なくなる。

図５は、１２ｍｍ厚の鋼帯から、直径１０００ｍｍのスパイラル鋼管を溶接した場合の鋼帯エッジ位置ズレ量とその部分の溶接ビード高さとの関係を示すグラフであるが、ズレ量が８〜１０ｍｍあると、溶接ビード高さが−０．３〜０．５ｍｍ程度発生するのに対し、鋼帯エッジ位置ズレ量が３ｍｍ以下においては、ビード高さは全て＋であって、鋼帯表面より低い凹みが生じることはないことがわかる。

本発明を適用すると、スパイラル鋼管製造後にオフラインで溶接ビード部の凹みを肉盛溶接して補修する必要がほとんどなくなり、製造したままで、厳格材として出荷することが可能となり、その生産性向上及びコスト削減効果は大である。

１ アンコイラ
２ 鋼帯
３ ベンダー
４ レベラー
５ 開先加工部
６ ピンチロール
７ 成形スタンド
８ 内面溶接部
９ 外面溶接部
１０ コイル継ぎ部

Claims (4)

1. アンコイラから巻戻された鋼帯が、スパイラル鋼管製造装置の溶接工程に供給されるパスライン上に、ベンダー、レベラー、開先成形部、ピンチロールをこの順に配置し、上記アンコイラを搭載した架台をパスラインと直交する方向に移動自在とすると共に、アンコイラとベンダーとの間のパスライン上に鋼帯のエッジ位置検出機構を設け、該検出機構から出力された信号を、アンコイラを搭載した架台の移動機構の制御装置に入力することを特徴とするスパイラル鋼管エッジポジション制御装置。
2. 前記エッジ位置検出機構を、光学式、撮像式又は接触ロール式としたことを特徴とする請求項１に記載のスパイラル鋼管エッジポジション制御装置。
3. スパイラル鋼管製造のための鋼帯を、溶接工程に供給するパスライン上に、アンコイラ、ベンダー、レベラー、開先形成部、ピンチロールをこの順に配置すると共に、アンコイラとベンダーとの間のパスライン上に設けたエッジ位置検出機構からの検出信号に基いて、アンコイラを搭載した架台をパスラインと直交する方向に移動制御することを特徴とするスパイラル鋼管製造におけるエッジポジション制御方法。
4. アンコイラを搭載した架台をパスラインと直交する方向に移動制御する際に、エッジ位置検出装置からの検出信号の値が所定の閾値以上の場合に、架台を移動させることを特徴とする請求項３に記載のスパイラル鋼管製造におけるエッジポジション制御方法。

Images