JP6172171B2 - 溶接鋼管の製造装置およびそれを用いた溶接鋼管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼板を断面Ｕ字状からＯ字状に成形して継目を溶接した後に所定寸法に拡管して製造する溶接鋼管（ＵＯＥ鋼管）の製造の際に継目溶接後の鋼管の拡管に用いられる製造装置に関し、特にはその製造装置のフレーム構造に関するものである。また本発明は、その製造装置を用いた溶接鋼管の製造方法にも関するものである。

ＵＯＥ鋼管の製造の際に継目溶接後の鋼管の拡管に用いられる製造装置（拡管装置）においては、コーンとプルロッドによりくさび機構を利用して鋼管内面を押し拡げる方法が一般的である。すなわち、油圧シリンダのシリンダロッドと連結されたプルロッドの先端にコーンが設けられ、油圧シリンダによってコーンが軸方向に引かれることにより、コーンの周囲に配置されて軸線方向への位置決め状態でコーンに摺接する複数のジョーが楔作用によって半径方向外方へ拡開される。このジョーの拡開にともない、それら複数のジョーの各々の外側に設けられた複数のダイが半径方向外方へ広がることにより、鋼管を押し広げる。

かかる製造装置では、製造するＵＯＥ鋼管のサイズに応じてコーンとプルロッドを交換する必要がある。コーンとプルロッドは筒状のブームで進退移動可能に支持され、ブームの基端部はブームプレートに装着され、油圧シリンダはシリンダプレートに装着され、ブームプレートとシリンダプレートとは円筒状の胴部を介して結合されていて、これらブームプレートとシリンダプレートと胴部とがフレームを構成している。フレーム内部ではプルロッドとシリンダロッドの端部同士が割ナットを介して互いに結合されており、フレームはこの割ナットの取付けおよび取外しのため、長手方向に延在する切欠きによって上部が空いた構造となっている。

従来の製造装置においては、セグメント（ジョー）のクラック発生防止技術に関する特許文献１や、コーンとセグメントとの間の摺動抵抗低減技術に関する特許文献２のように、くさび機構部分であるコーン部の強度問題やくさび機構の摺動部に対しては対策が取られているが、フレームについては特に考慮がなされていない。

また、円筒形状の構造に荷重がかかるものの溶接形状として、ＪＩＳ−Ｂ８２４３に圧力容器の設計基準が記載されているが、荷重形態として圧力による引張荷重が円筒に加わるものに対する基準であり、本フレームのように圧縮荷重が加わるものは対象としていない。さらに上記製造装置のフレームのように長手方向に延在する切欠きが入った円筒形状に関しては何ら言及されておらず、リブ設置等補強についても何ら言及されていない。

実開平３−０１８９２６号公報 特開２０１４−０８３５６０号公報

ところで近年、溶接鋼管の製造装置のフレームへの亀裂発生頻度が高くなる傾向が認められた。そこで、これに関して本発明者が探求したところ、以下の原因が判明した。

すなわち、上記製造装置のフレームは上部が空いた構造となっているため、拡管作業時にフレームに荷重が負荷されると圧縮荷重及び曲げモーメントによる応力集中がフレーム上部に生じ、この集中した応力が疲労強度以上になるとフレームに亀裂が発生するところ、従来のＵＯＥ鋼管の製造の際の拡管作業であれば、フレームはこの集中した応力に耐え得るように設計されていた。

しかしながら近年のエネルギー需要の増加に伴い、ＵＯＥ鋼管に高強度・厚肉化が求められるようになってきたため、フレームにかかる負荷が増大して亀裂発生頻度が高くなったものである。

それゆえ本発明の課題は、溶接鋼管の製造装置のフレームの疲労強度を大幅に向上させて、より高い負荷がかかる高強度・厚肉の鋼管の拡管をフレームに亀裂を発生させることなく行うことができる製造装置およびその製造装置を用いた溶接鋼管の製造方法を提案することにある。

上記課題を有利に解決することを目的とする本発明の溶接鋼管の製造装置は、
複数のジョーを拡開させるコーンを先端部に結合されたプルロッドを進退移動させる油圧シリンダと、
前記プルロッドを進退移動可能に支持するとともに前記複数のジョーを軸線方向に位置決めする筒状のブームを支持するフレームと、
を具え、
前記フレームは、
前記ブームの基端部を装着されるブームプレートと、
前記油圧シリンダを装着されるシリンダプレートと、
前記ブームプレートと前記シリンダプレートとの間に介在してそれらを一体的に結合する、上方が空いた概略筒状の胴部と、
を有し、
前記油圧シリンダのシリンダロッドでの前記プルロッドの引き込みによる前記コーンの後退移動により前記複数のジョーを継目溶接後の鋼管内で拡開させてその鋼管を拡管する溶接鋼管の製造装置において、
前記ブームプレートおよび前記シリンダプレートのうち少なくともブームプレートに前記胴部に対し軸線方向に整列する概略環状のフランジ部が一体に形成され、
前記フランジ部と前記胴部とが突合せ溶接されていて前記胴部への軸線方向圧縮荷重を受けることを特徴とするものである。

そして本発明の溶接鋼管の製造方法は、本発明の製造装置を用いて継目溶接後の鋼管を拡管することを特徴とするものである。

本発明者が有限要素法（ＦＥＭ）解析を用いてフレームの応力解析を行ったところ、従来の製造装置のフレームでは、胴部の両端部がブームプレートとシリンダプレートとの表面に突き当てられて隅肉溶接されていたため、胴部に圧縮応力が加わって上部の切欠きが開くように胴部に応力が働くと上部の切欠き近傍で溶接部に曲げモーメントによる応力集中が生じることになり、この応力集中によって剛性が低い溶接部に亀裂が発生することが判明した。

これに対し本発明の製造装置のフレームでは、ブームプレートおよびシリンダプレートのうち少なくとも、ブームの基端部を装着されるためブームからの負荷も加わるブームプレートに、胴部に対し軸線方向に整列する概略環状のフランジ部が一体に形成され、そのフランジ部と胴部とが突合せ溶接されていて胴部への軸線方向圧縮荷重を受けるので、胴部への軸線方向圧縮荷重で胴部に圧縮応力が加わって上部の切欠きが開くように胴部に応力が働いても、上部の切欠き近傍でフランジ部の付け根に曲げモーメントによる応力集中が生じることになり、フランジ部の付け根はブームプレートと一体ゆえ剛性が高いので、例え応力が集中しても充分に耐えられる高い疲労強度を有している。そしてシリンダプレートにもフランジ部が一体に形成されていれば、本発明の製造装置のフレームは、より高い疲労強度を有することになる。

従って、本発明の溶接鋼管の製造装置によれば、フレームの疲労強度を大幅に向上させたので、フレームに亀裂を発生させることなくより高い負荷がかかる高強度・厚肉のＵＯＥ鋼管の拡管を行うことが可能となった。また、フレームの上部を空けたままフレーム強度を向上させたため、コーンとプルロッドとブームの交換作業に支障をきたすことがない。

なお、本発明の溶接鋼管の製造装置においては、前記フランジ部は下記（１）式の条件を満たしていると好ましい。
１００≧Ｌ≧ｔ×０．５・・・（１）
ここに、Ｌはフランジ部の長さ（ｍｍ）、ｔは胴部の厚み（ｍｍ）である。

また、本発明の溶接鋼管の製造装置においては、前記胴部の上端部の外側面と前記胴部の上下方向中央部の内側面との少なくとも一方に補強リブが取り付けられていると好ましい。

本発明の一実施形態の溶接鋼管の製造装置の構成を模式的に示す断面図である。 上記実施形態の製造装置におけるフレームを軸線に沿った断面で示す断面図である。 上記実施形態の製造装置におけるフレームを軸線に直交する断面で示す断面図である。 上記実施形態の製造装置におけるフレームをシリンダ側の斜め上方から見て示す斜視図である。 従来の製造装置におけるフレームを軸線に沿った断面で示す断面図である。 従来の製造装置におけるフレームの応力分布をシリンダ側の斜め上方から見て示す説明図である。 上記実施形態の製造装置におけるフレームの応力分布をシリンダ側の斜め上方から見て示す説明図である。 従来の製造装置と上記実施形態の製造装置との安全率を比較して示す説明図である。

図１は、本発明の一実施形態の溶接鋼管の製造装置の構成を模式的に示す断面図であり、図２は、上記実施形態の製造装置におけるフレームを軸線に沿った断面で示す断面図である。この実施形態の溶接鋼管の製造装置（すなわち拡管装置）は、外側にダイ１が設けられた複数のジョー２と、それらのジョー２を拡開させるコーン３と、そのコーン３を先端部に結合されたプルロッド４と、そのプルロッド４を進退移動させる油圧シリンダ５と、プルロッド４を進退移動可能に支持するとともに複数のジョー２を軸線方向に位置決めする筒状のブーム６と、そのブーム６を支持するフレーム７と、を具えている。

ここで、フレーム７は、図２にも併せて示すように、ブーム６の基端部プレート８の下端部を溝型の下端部に嵌合されるとともにその基端部プレート８の上端部をコ字状の連結金具９で連結されてブーム６の基端部を装着される側面視でＪ字状のブームプレート１０と、油圧シリンダ５の前端部を装着されるシリンダプレート１１と、ブームプレート１０とシリンダプレート１１との間に介在してそれらを一体的に結合する、上方が空いた概略筒状の胴部１２と、を有している。油圧シリンダ５のシリンダロッド１３の先端部とプルロッド４の後端部とは、径方向に分割可能な割りナット１４で連結されている。なお、図中符号１５は、胴部１２と油圧シリンダ５とをそれぞれ支持する脚を示す。

上記構成を具えるこの実施形態の溶接鋼管の製造装置は、図示しない継目溶接後の鋼管内にブーム６の先端部を挿入した後、油圧シリンダ５のシリンダロッド１３でのプルロッド４の引き込みによるコーン３の図では右方への後退移動で、ブーム６の先端部に位置決めされている複数のジョー２を楔作用によって上記継目溶接後の鋼管内で拡開させ、その拡開位置を鋼管内で順次に移動させることにより、上記継目溶接後の鋼管を所定の寸法および断面形状に拡管してＵＯＥ鋼管を製造することができる。

図３は、上記実施形態の製造装置におけるフレームを軸線に直交する断面で示す断面図であり、図４は、上記実施形態の製造装置におけるフレームをシリンダ側の斜め上方から見て示す斜視図である。フレーム７の胴部１２は、図３および図４に示すように、軸線方向に延在する切欠きによって上方が空いた概略筒状をなしているので、上方から作業して割りナット１４を脱着することで、製造する溶接鋼管の寸法等に応じたコーン３とプルロッド４とブーム６の交換作業を支障なく行うことができる。

かかる溶接鋼管の製造装置において、この実施形態では、図２に断面で示すように、フレーム７のブームプレート１０およびシリンダプレート１１にそれぞれ、それらのプレート１０，１１の表面から突出するフランジ部１６がそれらのプレート１０，１１と一体に形成され、これらのフランジ部１６は、対向する胴部１２の端部と突合せ溶接可能なように、胴部１２の端部と実質的に同一の半径と厚さの概略環状をなしている。そしてこれらブームプレート１０およびシリンダプレート１１にそれぞれ形成されたフランジ部１６は、図２に示すように、胴部１２の両端部にそれぞれ溶接部Ｗで突合せ溶接されている。

この実施形態によれば、ブームプレート１０およびシリンダプレート１１にフランジ部１６を形成して、それらのフランジ部１６と胴部１２の両端部との溶接を隅肉溶接と比較して許容応力が高い突合せ溶接にすることにより溶接部の強度を向上させるとともに、フレーム７の上部が空いていることに起因する応力集中部から強度上最弱部となる溶接部Ｗをずらしたので、フレーム７の強度を大幅に向上させることができる。

フランジ部１６の加工方法としては、鍛造によりプレートとフランジ部の大まかな形状を加工した後に切削加工で削り出す方法、厚鋼板から全て切削により加工する方法などがある。

フランジ部１６の形状は、下記式（１）の範囲とすることが好ましい。フランジ部１６の長さ（プレート表面からの高さ）Ｌを胴部１２の板材の厚みｔの０．５倍以上とするのは、応力集中が生じるフランジ部１６の付け根と溶接部Ｗの位置が重ならないようにするためであり、強度上はフランジ部１６の長さが長ければ長いほうが好ましい。ただし、製作上の観点から１００ｍｍ以下とすることが望ましい。
１００ｍｍ≧Ｌ≧ｔ×０．５・・・（１）
ここに、Ｌ：フランジ部の長さ（ｍｍ）、ｔ：胴体の厚み（ｍｍ）である。

この実施形態では、上述した溶接形状および溶接位置の変更に加えてさらに、図３および図４に示すように、胴部１２の上端部外側に補強リブ１７を取り付け、また胴部１２の上下方向中央部の内側に補強リブ１８を取り付ける。これらの補強リブ１７，１８はそれぞれ、ブームプレート１０およびシリンダプレート１１間の全長に亘って胴部１２の軸線方向に延在し、両端部をブームプレート１０およびシリンダプレート１１の表面に突き当てられる。これによりフレーム７の剛性自体を向上させて、応力集中の発生そのものも低減することができる。

図６および図７は、本発明者による、通常の有限要素法（ＦＥＭ）のプログラムを用いたコンピュータでのフレーム発生応力の解析結果である。従来の製造装置のフレームでは、胴部１２の両端部がブームプレート１０とシリンダプレート１１との表面に突き当てられて隅肉溶接されていたため、図６に示すように、胴部１２に圧縮応力が加わって上部の切欠き（開口部）が開くように胴部１２に応力が働くと、上部の切欠き近傍で溶接部に曲げモーメントによる応力集中（図６ではブームプレート１０側で−２３０ＭＰａ、シリンダプレート１１側で−１３８ＭＰａ）が生じることになり、この応力集中によって、剛性が低い隅肉溶接部（図５中の溶接部Ｗ）に亀裂が発生することが判明した。

一方、本実施形態の製造装置のフレームでは、図７に示すように、補強リブ１７，１８の設置により各部の応力が、従来の製造装置のフレームと比較して３０〜４０％低減されている。この補強リブ１７，１８による応力低減効果に加えて、隅肉溶接部から突合せ溶接部（図２中の溶接部Ｗ）への溶接部の位置変更により、フレーム７の安全率は、図８に示すように従来の製造装置よりも上昇する。本実施形態の製造装置および、その製造装置を用いて継目溶接後の鋼管を拡管する本発明の一実施形態の溶接鋼管の製造方法によれば、上述した補強リブ設置と溶接位置変更という２つの手法を併用することによって、高強度・厚肉のＵＯＥ鋼管（例えば材質：ＡＰＩ ５Ｌ Ｘ８０、厚み：３４．３ｍｍ、外径：９１４．４ｍｍ）の製造の際の拡管を行う場合でも安全率が１を超えるため、製造装置のフレーム７に亀裂は発生しない。

以上、図示例に基づき説明したが、この発明の溶接鋼管の製造装置は、上記例に限定されるものでなく、特許請求の範囲の記載範囲内で適宜変更し得るものであり、例えば、胴部１２の端部に突合せ溶接されるフランジ部１６は、シリンダプレート１１よりも負荷が大きいブームプレート１０側のみに形成してもよい。また、補強リブ１７，１８の何れか一方をより太くすることで、他方の取り付けを省略してもよい。

本発明の溶接鋼管の製造装置およびそれを用いて継目溶接後の鋼管を拡管する本発明の溶接鋼管の製造方法によれば、フレームの疲労強度を大幅に向上させたので、フレームに亀裂を発生させることなくより高い負荷がかかる高強度・厚肉のＵＯＥ鋼管の拡管を行うことが可能となった。また、フレームの上部を空けたままフレーム強度を向上させたため、コーンとプルロッドとブームの交換作業に支障をきたすことがない。

１ ダイ
２ ジョー
３ コーン
４ プルロッド
５ 油圧シリンダ
６ ブーム
７ フレーム
８ 基端部プレート
９ 連結金具
１０ ブームプレート
１１ シリンダプレート
１２ 胴部
１３ シリンダロッド
１４ 割りナット
１５ 脚
１６ フランジ部
１７，１８ 補強リブ
Ｌ フランジブ長さ
ｔ 胴部厚さ
Ｗ 溶接部

Claims (4)

1. 複数のジョーを拡開させるコーンを先端部に結合されたプルロッドを進退移動させる油圧シリンダと、
   前記プルロッドを進退移動可能に支持するとともに前記複数のジョーを軸線方向に位置決めする筒状のブームを支持するフレームと、
   を具え、
   前記フレームは、
   前記ブームの基端部を装着されるブームプレートと、
   前記油圧シリンダを装着されるシリンダプレートと、
   前記ブームプレートと前記シリンダプレートとの間に介在してそれらを一体的に結合する、上方が空いた概略筒状の胴部と、
   を有し、
   前記油圧シリンダのシリンダロッドでの前記プルロッドの引き込みによる前記コーンの後退移動により前記複数のジョーを継目溶接後の鋼管内で拡開させてその鋼管を拡管する溶接鋼管の製造装置において、
   前記ブームプレートおよび前記シリンダプレートのうち少なくともブームプレートに前記胴部に対し軸線方向に整列する概略環状のフランジ部が一体に形成され、
   前記フランジ部と前記胴部とが突合せ溶接されていて前記胴部への軸線方向圧縮荷重を受けることを特徴とする溶接鋼管の製造装置。
2. 前記フランジ部は下記（１）式の条件を満たしていることを特徴とする、請求項１記載の溶接鋼管の製造装置。
   １００≧Ｌ≧ｔ×０．５・・・（１）
   ここに、Ｌはフランジ部の長さ（ｍｍ）、ｔは胴体の厚み（ｍｍ）である。
3. 前記胴部の上端部の外側面と前記胴部の上下方向中央部の内側面との少なくとも一方に補強リブが取り付けられていることを特徴とする、請求項１または２記載の溶接鋼管の製造装置。
4. 請求項１から３までの何れか１項記載の溶接鋼管の製造装置を用いて継目溶接後の鋼管を拡管することを特徴とする溶接鋼管の製造方法。

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