JP6209977B2 - 素管を製造する製造装置及び製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、素管を製造する製造装置及び製造方法に関する。

素管の製造装置としては、例えば、穿孔機がある。穿孔機は、マンネスマン法による継目無鋼管の製造に利用される。穿孔機は、ビレット（素材）を穿孔圧延して素管を製造する。

穿孔機は、一対の傾斜ロールとプラグとを備える。傾斜ロールは、パスラインに傾斜して配置される。プラグは、一対の傾斜ロールの間であって、且つ、パスライン上に配置される。穿孔機は、傾斜ロールによりビレットを周方向に回転させながらプラグに押し込み、ビレットを穿孔圧延して素管にする。

穿孔機が素管を製造するとき、素管に偏肉が発生する場合がある。その原因としては、例えば、穿孔圧延時のプラグの挙動、ビレットの温度ムラ、ビレットの表面性状、穿孔圧延時のビレットの振動等がある。これらの原因により、穿孔圧延時において、傾斜ロールとプラグとの間隔が変化する。その結果、素管の軸方向において、肉厚にばらつきが生じる。

継目無鋼管の寸法精度を高めるには、偏肉の発生を抑制することが重要である。そのためには、偏肉の発生を監視するとともに、偏肉が発生する原因を突き止める必要がある。

特開昭６１−１１９３１８号公報には、継目無管の偏肉発生監視方法が開示されている。この偏肉発生監視方法では、傾斜ロールの出側に設けた変位測定器により、穿孔又は圧延中のマンドレルバー及び／又は継目無管までの距離の変位量を測定し、その測定値に基づいて偏肉発生状態を監視する。

特開平４−１５７００５号公報には、継目無管の偏肉発生検知方法が開示されている。この偏肉発生検知方法では、エロンゲータの出側のシェルの振動振幅を、一軸ＣＣＤカメラを使用した波長センサで連続的に計測する。計測した振動振幅の信号に基づいて、継目無管１本あたりのシェル振動振幅のピーク値の平均値を演算する。演算した平均値が予め設定されているしきい値を超えるときには、警報を発する。

特開２００１−１２１２０３号公報には、継目無管の偏肉監視方法が開示されている。この偏肉監視方法では、傾斜ロールの出側で直交配置される２軸ＣＣＤカメラを用いて穿孔または圧延された素管の振動状況を連続して測定し、偏肉の発生状況を監視する。

特開昭６１−１１９３１８号公報 特開平４−１５７００５号公報 特開２００１−１２１２０３号公報

各公報に記載の方法によれば、素管の振動を監視することはできる。しかしながら、素管に偏肉が発生する原因を突き止めるには十分でない。例えば、偏肉の発生原因として特に重要であると考えられる、穿孔圧延時のプラグの挙動を監視することはできない。

本発明の目的は、素管を製造するときのプラグの挙動を監視できる、素管の製造装置を提供することである。

また、本発明は、素管を製造するときのプラグの挙動を監視できる、プラグの偏倚量を算出する方法を提供することも、目的とする。

本発明の実施の形態による素管の製造装置は、芯金と、プラグと、複数のロールと、加速度センサとを備える。芯金は、パスライン上に配置される。プラグは、芯金の先端であって、且つ、パスライン上に配置され、素管の素材に押し込まれる。複数のロールは、パスラインの周囲に配置され、素材を回転させる。加速度センサは、芯金の先端部内及び／又はプラグ内であって、且つ、パスライン上に配置され、パスラインに垂直な方向の加速度を検出する。

本発明の実施の形態によるプラグの偏倚量を算出する方法は、以下の工程を含む。
（ａ）パスラインに垂直な方向の加速度を検出する加速度センサを、芯金の先端部内及び／又は芯金の先端に配置されるプラグ内であって、且つ、パスライン上に設ける。
（ｂ）プラグが押し込まれる素管の素材を複数のロールで回転させているときに加速度センサが検出する加速度であって、プラグの中心軸がパスラインと一致するときの加速度と、プラグの中心軸がパスラインと一致しないときの加速度との差分を計算する。
（ｃ）上記差分に基づいて、プラグの偏倚量を計算する。

本発明の実施の形態による素管の製造装置は、素管を製造するときのプラグの挙動を監視できる。

本発明の実施の形態によるプラグの偏倚量を算出する方法によれば、素管を製造するときのプラグの挙動を監視できる。

本発明の実施の形態による穿孔機の構成を示す模式図である。 加速度センサのＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向を示す概念図である。 プラグの中心軸がパスラインと一致しない状態の一例を示す断面図である。 加速度センサが検出する加速度を説明するための概念図である。 プラグがパスラインに対して傾いている場合に加速度センサが検出する加速度を説明するための概念図である。 プラグの偏倚量の相対値と素管の偏倚量の相対値との関係を示すグラフである。

本発明の実施の形態による素管の製造装置は、芯金と、プラグと、複数のロールと、加速度センサとを備える。芯金は、パスライン上に配置される。プラグは、芯金の先端であって、且つ、パスライン上に配置され、素管の素材に押し込まれる。複数のロールは、パスラインの周囲に配置され、素材を回転させる。加速度センサは、芯金の先端部内及び／又はプラグ内であって、且つ、パスライン上に配置され、パスラインに垂直な方向の加速度を検出する。

プラグが素材に押し込まれているとき、素材の中心軸とプラグの中心軸とが一致していないことがある。つまり、素材の中心軸はパスラインと一致しているが、プラグの中心軸はパスラインと一致していないことがある。このとき、素材が回転すると、プラグの中心軸は素材の中心軸を中心にして回転する。つまり、プラグの中心軸は、パスラインの周りを移動する。このようにプラグが動く原因としては、例えば、素材の温度ムラ、素材の表面性状、素材の振動等がある。プラグが動くと、プラグとロールとの間隔が変化する。その結果、素管の軸方向において、肉厚にばらつきが生じる。つまり、プラグの中心軸がパスラインと一致する（プラグがパスライン上に位置する）場合には、素管に偏肉は発生しないが、プラグの中心軸がパスラインと一致しない（プラグがパスライン上からずれた位置にある）場合には、素管に偏肉が発生する。

上記のように、プラグがパスライン上に位置していれば、素管に偏肉は発生しない。つまり、素管において偏肉が発生していない部分では、加速度センサがパスライン上に位置する。加速度センサがパスライン上に位置するとき、加速度センサは重力加速度のみを検出する。

上記のように、プラグがパスライン上からずれると、素管に偏肉が発生する。つまり、素管において偏肉が発生している部分では、加速度センサがパスライン上からずれた位置に存在する。加速度センサがパスライン上からずれた位置にあるとき、加速度センサは、重力加速度だけでなく、遠心力も検出する。この遠心力は、プラグの中心軸が素材の中心軸からずれた状態で、プラグが回転することによって発生する。

つまり、加速度センサがパスライン上に位置するか否かで、加速度センサが検出する加速度が異なる。したがって、加速度センサが検出する加速度を利用すれば、素管を製造するときのプラグの挙動を監視できる。

本発明の実施の形態によるプラグの偏倚量を算出する方法は、以下の工程を含む。
（ａ）パスラインに垂直な方向の加速度を検出する加速度センサを、芯金の先端部内及び／又は芯金の先端に配置されるプラグ内であって、且つ、パスライン上に設ける。
（ｂ）プラグが押し込まれる素管の素材を複数のロールで回転させているときに加速度センサが検出する加速度であって、プラグの中心軸がパスラインと一致するときの加速度と、プラグの中心軸がパスラインと一致しないときの加速度との差分を計算する。
（ｃ）上記差分に基づいて、プラグの偏倚量を計算する。

上記方法によれば、プラグの挙動を監視できる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。図中同一又は相当部分には、同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

［穿孔機］
図１を参照しながら、本発明の実施の形態による素管の製造装置としての穿孔機１０について説明する。穿孔機１０は、複数のロールとしての一対の傾斜ロール１２，１２と、プラグ１４と、芯金１６と、ガイド１８と、加速度センサ２０とを備える。

一対の傾斜ロール１２，１２は、パスラインＰＬの周りに配置される。つまり、一対の傾斜ロール１２，１２の間に、パスラインＰＬが位置する。傾斜ロール１２は、パスラインＰＬに対して傾斜して配置される。一対の傾斜ロール１２，１２は、素材としてのビレット２２を周方向に回転し、プラグ１４とともに、ビレット２２を圧延する。

なお、傾斜ロール１２は、コーン型であってもよいし、バレル型であってもよい。図１に示す例では、穿孔機１０は、一対の傾斜ロール１２，１２を備える２ロール式であるが、例えば、パスラインＰＬの周りに配置された３つ以上の傾斜ロールを備えてもよい。

プラグ１４は、一対の傾斜ロール１２，１２の間であって、且つ、パスラインＰＬ上に配置される。プラグ１４は、横断形状が円形状であり、その外径は、プラグ１４の先端から後端に向かって大きくなる。要するに、プラグ１４の形状は、略砲弾状である。

穿孔機１０がビレット２２を穿孔圧延するとき、プラグ１４は、ビレット２２の前端面（つまり、プラグ１４と対向する端面）の中央部に押し込まれ、ビレット２２を穿孔する。

芯金１６は、パスラインＰＬ上に配置され、パスラインＰＬ方向に延びる。芯金１６は、プラグ１４を所定位置に配置する。芯金１６の先端は、プラグ１４の後端と結合される。例えば、プラグ１４の後端面は軸方向に凹んだ結合部を有し、芯金１６の先端部は、当該結合部に挿入され、固定される。

ガイド１８は、プラグ１４の前方（入側）に配置される。ガイド１８は、ビレット２２の振動を抑制する。ビレット２２の振動とは、例えば、側面視又は平面視でパスラインＰＬに垂直な方向にビレット２２が往復移動することである。

加速度センサ２０は、芯金１６の先端部１６Ａ内であって、且つ、パスラインＰＬ上に配置される。つまり、芯金１６は、少なくとも加速度センサ２０が配置される部分（先端部１６Ａ）において中空構造となっている。

ここで、先端部１６Ａは、芯金１６の軸方向の中心よりも先端側に位置する部分である。好ましくは、先端部１６Ａは、芯金１６の先端から芯金１６の軸方向長さの１／３の部分である。さらに好ましくは、先端部１６Ａは、芯金１６の先端から芯金１６の軸方向長さの１／５の部分である。

なお、加速度センサ２０は、プラグ１４内に配置されてもよいし、プラグ１４と先端部１６Ａとの境界部分に配置されてもよい。ここで、プラグ１４と芯金１６との境界部分に配置されるとは、プラグ１４内及び先端部１６Ａ内に配置されることをいう。つまり、プラグ１４と芯金１６との境界部分に配置されるとは、側面視又は平面視で加速度センサ２０がプラグ１４と芯金１６との境界に重なることをいう。

加速度センサ２０は、３軸加速度センサである。３軸加速度センサは、１つの検出素子で３次元空間の加速度をＸ軸方向の加速度成分、Ｙ軸方向の加速度成分及びＺ軸方向の加速度成分に分離して検出する。３軸加速度センサは、例えば、ピエゾ抵抗型であってもよいし、静電容量型であってもよいし、圧電型であってもよい。

図２を参照しながら、プラグ１４がビレット２２を穿孔圧延する前（初期設定）における、３軸加速度センサのＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向と、パスラインＰＬが延びる方向との関係について説明する。本実施形態において、Ｘ軸方向は、パスラインＰＬが延びる方向に垂直な方向であって、Ｙ軸と垂直な方向に一致している。Ｙ軸方向は、パスラインＰＬが延びる方向に垂直な方向であって、鉛直方向に一致している。Ｚ軸方向は、パスラインＰＬが延びる方向に一致している。

［プラグの偏倚量を算出する方法］
続いて、プラグ１４の偏倚量を算出する方法について説明する。先ず、芯金１６の先端部１６Ａ内であって、且つ、パスラインＰＬ上に、加速度センサ２０を配置する（配置工程）。続いて、穿孔機１０により、加熱炉で加熱されたビレット２２を穿孔圧延して素管２４にする。このときの加速度を加速度センサ２０によって検出する。加速度が変化する場合には、その変化量を算出する（変化量算出工程）。算出した変化量に基づいて、プラグ１４の偏倚量を算出する（偏倚量算出工程）。以下、変化量算出工程及び偏倚量算出工程の詳細について説明する。

穿孔機１０においては、ビレット２２を穿孔圧延して素管２４にするときに、ビレット２２の中心軸と、プラグ１４の中心軸とが一致していないことがある。例えば、図３に示すように、ビレット２２の中心軸ＲＡはパスラインＰＬと一致するが、プラグ１４の中心軸ＲＢはパスラインＰＬと一致しないことがある。このようにプラグ１４が動く原因としては、例えば、ビレット２２の温度ムラ、ビレット２２の表面性状、ビレット２２の振動等がある。

プラグ１４が動くと、プラグ１４と傾斜ロール１２との間隔が変化する。その結果、素管２４の軸方向において、肉厚にばらつきが生じる。つまり、中心軸ＲＢがパスラインＰＬと一致する（プラグ１４がパスラインＰＬ上に位置する）場合には、素管２４に偏肉は発生しないが、中心軸ＲＢがパスラインＰＬと一致しない（プラグ１４がパスラインＰＬ上からずれた位置にある）場合には、素管２４に偏肉が発生する。

プラグ１４がパスラインＰＬ上に位置する場合、素管２４に偏肉は発生しない。つまり、素管２４において偏肉が発生していない部分では、加速度センサ２０がパスラインＰＬ上に位置する。加速度センサ２０がパスラインＰＬ上に位置する場合、図４に示すように、加速度センサ２０は重力加速度のみを検出する。つまり、加速度センサ２０がパスラインＰＬ上に位置する場合、加速度センサ２０が検出する加速度は常に一定である。

プラグ１４がパスラインＰＬ上からずれた位置にある場合、素管２４に偏肉が発生する。つまり、素管２４において偏肉が発生している部分では、加速度センサ２０がパスラインＰＬ上からずれた位置に存在する。加速度センサ２０がパスラインＰＬ上からずれた位置にある場合、加速度センサ２０は、図４に示すように、重力加速度だけでなく、遠心力も検出する。つまり、加速度センサ２０がパスラインＰＬ上からずれた位置にある場合、加速度センサ２０が検出する加速度は、周期的に変化する。

上述のように、加速度センサ２０がパスラインＰＬ上に位置するか否かで、加速度センサ２０が検出する加速度は異なる。したがって、加速度センサ２０が検出する加速度を監視すれば、プラグ１４の動きを監視することができる。

加速度センサ２０が検出する加速度の変化は、プラグ１４がパスラインＰＬ上に位置する場合の加速度と、プラグ１４がパスラインＰＬ上からずれた位置に存在する場合の加速度との差分、つまり、加速度の変化量ΔＧを算出することで監視できる。この変化量ΔＧを算出する工程が、変化量算出工程である。

変化量ΔＧと、プラグ１４の偏倚量Ｒ１（プラグ１４の中心軸ＲＢとパスラインＰＬとの距離Ｒ１）とは、以下の式（１）を満たす関係にある。
ΔＧ＝Ｒ１×ω^２・・・（１）
ここで、ωは、角速度であり、以下の式（２）によって表される。
ω＝２πｆ・・・（２）
ここで、ｆは、プラグ１４の回転周波数である。プラグ１４の回転周波数は、例えば、加速度センサ２０によって検出された加速度の波形を利用して、フーリエ変換により算出してもよいし、ゼロクロス法により算出してもよい。

ビレット２２を穿孔圧延しているとき、プラグ１４が傾くことがある。つまり、プラグ１４の中心軸ＲＢがパスラインＰＬに対して傾斜することがある。このとき、加速度センサ２０は、図５に示すように、重力加速度のＺ軸方向の成分と、Ｙ軸方向の成分とを検出する。中心軸ＲＢのパスラインＰＬに対する傾斜角度をθとする。プラグ１４の傾きを考慮する場合、式（１）は、以下のように書き換えられる。
ΔＧ＝Ｒ１×ω^２／ｃｏｓθ・・・（１´）

プラグ１４がパスラインＰＬに対して傾いていない場合には、上記式（１）及び（２）を用いて、プラグ１４の偏倚量Ｒ１を算出し、プラグ１４がパスラインＰＬに対して傾いている場合には、上記式（１´）及び（２）を用いて、プラグ１４の偏倚量Ｒ１を算出する（偏倚量算出工程）。これにより、穿孔圧延中のプラグ１４の動きを監視することができる。

図６は、偏倚量Ｒ１の相対値と素管２４の偏肉量の相対値との関係を示すグラフである。偏倚量Ｒ１の相対値は、算出した偏倚量Ｒ１の平均値と、算出した偏倚量Ｒ１との差分である。偏肉量の相対値は、以下の方法により算出した。先ず、素管２４を適当な長さ（例えば、６００ｍｍ以下）に切断し、切断された部分ごとに偏肉量を測定した。偏肉量は、軸方向に５ｍｍごとに測定した。偏肉量の測定には、接触式変位計を用いた。具体的には、接触式変位計により、肉厚を軸方向で５ｍｍごとに且つ周方向で８箇所測定し、その最大値と最小値との差分を算出した。この差分を偏肉量とした。上記偏肉量の相対値とは、算出した偏肉量の平均値と、算出した偏肉量との差分である。

図６に示すように、偏倚量Ｒ１の相対値と素管２４の偏肉量の相対値との間には、略相関関係がある。したがって、穿孔圧延中のプラグ１４の動きを監視すれば、素管２４における偏肉の発生を監視することができる。穿孔圧延中のプラグ１４の動きを参照して、穿孔圧延時の条件を修正することができる。

以上、本発明の実施の形態について詳述してきたが、これらはあくまでも例示であって、本発明は、上述の実施の形態によって、何等、限定されない。

１０：穿孔機（素管の製造装置）、１２：傾斜ロール（ロール）、１４：プラグ、１６：芯金、１６Ａ：先端部、２０：加速度センサ、２２：ビレット（素材）、２４：素管、ＰＬ：パスライン

Claims (2)

1. 穿孔圧延により素管を製造する製造装置であって、
   パスライン上に配置され、前記パスライン方向に延びる芯金と、
   前記芯金の先端に固定され、前記パスライン上に配置されたプラグと、
   前記パスラインの周囲に配置され、穿孔圧延の際に前記素管の素材を回転させて前記プラグに押し込む複数のロールと、
   前記芯金の先端部内、前記プラグ内、及び、前記プラグと前記芯金の先端部との境界部分のいずれかであって、且つ、前記パスライン上に配置された、３軸の加速度を検出する加速度センサと、
   を備え、
   穿孔圧延の際に、
   前記加速度センサは、重力加速度の大きさから、前記加速度センサの傾きを求め、
   前記加速度センサが前記パスライン上からずれた位置にある場合に検出する加速度及び前記傾きから求めた値と、前記加速度センサが前記パスライン上に位置する場合に検出する加速度の値とから、前記プラグの偏倚量を算出し、
   前記偏倚量に基づいて圧延条件を修正する、製造装置。
2. 穿孔圧延により素管を製造する製造方法であって、
   パスライン上に配置され、前記パスライン方向に延びる芯金と、
   前記芯金の先端に固定され、前記パスライン上に配置されたプラグと、
   前記パスラインの周囲に配置され、穿孔圧延の際に前記素管の素材を回転させて前記プラグに押し込む複数のロールと、
   前記芯金の先端部内、前記プラグ内、及び、前記プラグと前記芯金の先端部との境界部分のいずれかであって、且つ、前記パスライン上に配置された、３軸の加速度を検出する加速度センサと、
   を備えた製造装置を用い、
   穿孔圧延の際に、
   前記加速度センサを用いて、重力加速度の大きさから、前記加速度センサの傾きを求め、
   前記加速度センサが前記パスライン上からずれた位置にある場合に検出する加速度及び前記傾きから求めた値と、前記加速度センサが前記パスライン上に位置する場合に検出する加速度の値とから、前記プラグの偏倚量を算出し、
   前記偏倚量に基づいて圧延条件を修正する、製造方法。

Images