JP6252454B2 - 高強度厚肉電縫鋼管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電縫鋼管の製造方法に関し、特に、油井用、自動車用、あるいは建築用などのうちでロール成形時の負荷が大きい、高強度かつ厚肉の鋼管の製造に好適な電縫鋼管の製造方法に関する。

電縫鋼管は、寸法精度が良好で表面肌が美麗であり、かつ生産性が高いという優れた特長を有しており、石油や天然ガスなどのラインパイプ用鋼管や自動車用の鋼管、建築用の鋼管等の幅広い用途に用いられている。近年では、従来に比べて高強度や厚肉の電縫鋼管が求められるようになり、電縫鋼管の素材となる熱延鋼板の製造分野では、従来よりも高強度な鋼板や厚肉の鋼板が開発され製造されつつある。ここで、高強度とは引張強さが４９０ＭＰa以上、厚肉とは管厚が１６〜２６ｍｍの鋼管を言う。

電縫鋼管は、図７に示すように、鋼板（鋼帯）を連続的に管形状にロール成形した後、鋼板（鋼帯）幅端部を衝合溶接して製造される。電縫鋼管の製造設備は、通常、一つの成形ラインで、成形ロールの位置調整やロール交換を行うことにより、様々な外径や肉厚の鋼管を製造することが可能となっている。一つの成形ラインにおける鋼管の製造可能範囲は、厚肉側ではロールの成形力と駆動力に律速され、薄肉側では一般に縁波と呼ばれる鋼帯幅端部の座屈がロール成形中に発生することにより制限されている。

そこで、一つの成形ラインにおける管の製造可能範囲を拡大するため、様々な技術が開発されてきた。例えば、特許文献１には、粗、中間成形過程における帯状金属材料（半成形品）の内壁面内部から、その周方向における１点以上の位置で回転自在な内面ロールにより帯状金属材料進行方向に垂直な面内における材料の位置を規制することによって成形を行うことでエッジウェーブ（縁波）を防止することが開示されている。

また、特許文献２および３には、電縫鋼管成形ラインのフィンパススタンド群の前に、駆動ボトムロールと、上下方向に位置調整可能に設けられたトップロールと、このトップロールの両側に位置調整可能に設けられたインサイドロールと、コイルエッジ部の近くに作用する上下、左右方向に位置調整可能に設けられたアウトサイドロールを、長手方向に複数段設け、前記駆動ボトムロールと前記トップロールにより十分な駆動力を得、前記インサイドロールと前記アウトサイドロールとの組合せにより薄肉材の腰折れを防止し、また、アウトサイドロールを長手方向に複数段配置することにより、エッジ伸びを防止することができて、薄肉材から厚肉材に亘り、フィンパススタンド前のオープンパイプ形状をフィンパスロールカリバーに近付けることができる電縫鋼管の成形装置が開示されている。

さらに、特許文献４には、ＣＢＲ成形法を用いた溶接鋼管の製造方法において、最終のセンターベンド出側から第１フィンパスロール出側までの間で、両側部をケージロールで押されている素管の底部に近い両側部分を内面側から押えローラで肉厚方向に押すことにより、その間における素管の底部への曲げ応力の集中を緩和し、超薄肉、超高強度の帯板を小径に造管する場合でも、腰折れが生じず、フィンパスロール成形段階でエッジウェーブが生じることがない溶接鋼管の製造方法および装置が開示されている。

特開昭５６−６６３２３号公報 特開平０４−１７８２２１号公報 特開平０４−１７８２２２号公報 特開２００５−６６６７９号公報

しかしながら、上記の特許文献１〜４に開示された方法は、薄肉材に発生する縁波の防止には有効であったが、厚肉および高強度の鋼管を製造する場合に問題となるロールの成形力や駆動力の不足を解消するには不十分であった。特に、従来の製造設備ではフィンパスロールやスクイズロールの成形力が不足する場合が多く、製造可能範囲超えの厚肉かつ高強度の鋼管を製造しようとする際には、フィンパススタンドやスクイズスタンドの増強が必要となり、そのためには鋼管製造設備のレイアウト全体を改造することになるため巨額の投資が必要であった。

また、オープン管の成形過程で管の内面側の管底部近傍をロールで押し付ける方法を採用することにより、フィンパスロール入り側におけるオープン管の形状が変化するため、フィンパスロールの成形荷重が変化することは理論的に予想されていたが、スクイズロール入り側のオープン管の形状とスクイズロールによる溶接時のアプセット力（スクイズロールによる鋼帯幅端部衝合時に該鋼帯幅端部にかかる力）との関係については、定量的には全く明らかにされていなかった。したがって、従来技術では、製造可能範囲外の厚肉かつ高強度の鋼管を製造しようとする際には、ミルレイアウト全体を改造する必要があるという課題があった。

本発明の目的は、既存の鋼管製造設備を大幅に改造することなく、既存設備では製造不可能であった厚肉かつ高強度の鋼管の製造方法を提供することである。

本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意検討した。その結果、スクイズロール入り側の半成形品（オープン管）の断面形状とスクイズロールによる溶接時のアプセット力との間には相関があり、スクイズロールによる溶接時のアプセット力を向上でき、スクイズロールの成形荷重を低減できる最適なオープン管の断面形状が存在することを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、以下の要旨からなる。
［１］ 鋼帯をケージロール群により中間成形し、フィンパスロール群により管状に仕上成形した後、スクイズロールにより前記鋼帯の幅端部を衝合溶接して円管とする電縫鋼管の製造方法において、スクイズロール入り側のオープン管の断面形状が下記式（１）を満足するように前記中間成形と前記仕上成形することを特徴とする高強度厚肉電縫鋼管の製造方法。
記
１．０４０≦Ｖ／Ｈ≦１．０６５ （１）
ここで、Ｖ：オープン管の外周の縦径（ｍｍ）
Ｈ：オープン管の外周の横径（ｍｍ）

［２］ 前記スクイズロールによるアプセット量を管肉厚の２５〜５０％とすることを特徴とする［１］に記載の高強度厚肉電縫鋼管の製造方法。

本発明により、アプセット量に対応したスクイズロールによる溶接時のアプセット力が向上し、かつスクイズロールの成形荷重を従来方法よりも約２０％以上低減することができ、従来は製造が不可能であった厚肉かつ高強度の鋼管を製造することができる。

スクイズロール入り側のオープン管の断面形状を示す模式図である。 Ｖ／Ｈとメタルフロー立ち上がり角度との関係を示す図である。 Ｖ／Ｈと溶接ボンド幅との関係を示す図である。 強度レベルがＡＰＩ規格Ｘ８０級で、外径５５８．８ｍｍ、肉厚２５．４ｍｍの電縫鋼管の製造におけるＶ／Ｈとメタルフロー立ち上がり角度との関係を示す図である。 強度レベルがＡＰＩ規格Ｘ８０級で、外径５５８．８ｍｍ、肉厚２５．４ｍｍの電縫鋼管の製造においてアプセット量がスクイズロールのサイドロール荷重に及ぼす影響を示す図である。 強度レベルがＡＰＩ規格Ｘ８０級で、外径５５８．８ｍｍ、肉厚２５．４ｍｍの電縫鋼管の製造においてアプセット量が溶接部の外面側メタルフロー立ち上がり角度に及ぼす影響を示す図である。 電縫鋼管製造ラインの１例を示す模式図である。 本発明の１実施形態を示す模式図である。 溶接部のメタルフロー立ち上がり角度とボンド幅を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

フィンパスロール群による仕上成形後、スクイズロール入り側のオープン管の断面は、図１に示すような形状となっている。図１において、前記オープン管の断面形状は左右対称であるとし、Ｖ（ｍｍ）は前記オープン管の外周の縦径であり、Ｈ（ｍｍ）は前記オープン管の外周の横径である。

まず、造管実験により、前記オープン管の断面形状がアプセット力の大きさの指標となる溶接部のメタルフロー立ち上がり角度とボンド幅（衝合溶接によって発生した溶融凝固部の幅）に及ぼす影響を調べた。ここで、前記メタルフロー立ち上がり角度と前記ボンド幅は、溶接部の断面を模式的に示した図９で定義される角度と幅である。その結果、図２と図３に示すように、Ｖ／Ｈ＝１．０００〜１．０８０の範囲ではＶ／Ｈが大きくなるほど同一のアプセット量でもメタルフロー立ち上がり角度が大きくなるとともに、ボンド幅が狭くなることを把握した。すなわち、Ｖ／Ｈ＝１．０００〜１．０８０の範囲ではＶ／Ｈが大きいほど同一のアプセット量でもアプセット力が向上し、衝合溶接時に発生する酸化物の排出性が良化した事が確認できた。結果的に衝合溶接時のアプセット量が低減できスクイズロールのサイドロール成形荷重が低減するという知見を得た。

そこで、低炭素低合金鋼の鋼帯を素材として、強度レベルがＡＰＩ規格Ｘ８０級で、外径５５８．８ｍｍ、肉厚２５．４ｍｍの電縫鋼管を製造するに当たって、アプセット量を管肉厚の３０％とし、前記オープン管の外周の縦径と横径の比Ｖ／Ｈを変数として前記オープン管の断面形状が溶接部のメタルフロー立ち上がり角度に及ぼす影響を調べた。その結果を、図２に示したデータと比較して図４に示す。図４から、Ｖ／Ｈが１．０４０≦Ｖ／Ｈ≦１．０６５の範囲で溶接部のメタルフロー立ち上がり角度が内面側、外面側とも目標範囲（６５〜８０°）内になることが分かる。ここで、前記目標範囲は、従来の製造実績から酸化物の排出不良が起因の溶接欠陥や冷接などの問題が発生しない範囲として決定したものである。Ｖ／Ｈが１．０４０未満の場合には、前記溶接部のメタルフロー立ち上がり角度が小さく、溶接時に生成した酸化物等の排出が不十分となり、溶接部の品質が低下する。一方、Ｖ／Ｈが１．０６５を超えると、前記溶接部のメタルフロー立ち上がり角度が大きくなりすぎて、メタルフローに沿って母材部にクラックが発生したり、溶接時のスクイズロールでロールマークが発生するといった問題が生じる。したがって、スクイズロール直前のオープン管の断面形状が下記式（１）を満足するように前記中間成形と前記仕上成形で成形することが必要である。
記
１．０４０≦Ｖ／Ｈ≦１．０６５ （１）
ここで、Ｖ：オープン管の外周の縦径（ｍｍ）
Ｈ：オープン管の外周の横径（ｍｍ）

さらに、前記電縫鋼管を製造するに当たって、スクイズロール入り側のオープン管の断面形状が前記式（１）を満足するように成形し、溶接時のアプセット量がスクイズロールのサイドロール荷重と溶接部のメタルフロー立ち上がり角度とに及ぼす影響を調べた結果を図５と図６に示す。図５に示すように、アプセット量を大きくすると前記サイドロール荷重が増大するため、前記サイドロール荷重の観点からアプセット量を管肉厚の５０％以下とすることが好ましい。また、図６に示すように、アプセット量が管肉厚の２８〜４５％の場合でも前記オープン管の断面形状が前記式（１）を満足するように成形することでアップセット力が向上し、溶接部のメタルフロー立ち上がり角度が前記目標範囲内にあって良好な溶接部特性が得られた。しかしながら、アプセット量が管肉厚の２５％未満ではアプセット力が不足となる場合があるため、アプセット量は管肉厚の２５％以上とすることが好ましい。したがって、好ましいアプセット量は管肉厚の２５〜５０％である。

さらに、前記オープン管の形状を上述の式（１）を満たすように成形するためには、図８に示すように、ケージロール群の最下流ゾーン（＃３ゾーン）の１対のケージロール間で鋼帯の半成形品内壁面側からその周方向における２点以上の位置を押圧するロール（インナーロール）を用いて、前記１対のケージロールと前記インナーロールによって前記鋼帯の材料進行方向に垂直な面内における位置を拘束することが好ましい。

低炭素低合金鋼の鋼帯を素材として、強度レベルがＡＰＩ規格Ｘ８０級で、外径５５８．８ｍｍ、肉厚２５．４ｍｍの電縫鋼管Ａと外径６１０．０ｍｍ、肉厚１７．５ｍｍの電縫鋼管Ｂを、スクイズロール入り側のオープン管の断面形状を表すＶ／Ｈおよびスクイズロールによるアプセット量を表１に示すように変化させて製造した。その結果を表１に示す。

本発明の製造条件を満たさない比較例では、溶接欠陥が発生するかロールマークの発生または母材部にクラックが発生したのに対し、本発明例では、スクイズロールのサイドロールの荷重など操業上の問題もなく、溶接部、母材部とも良好な品質の鋼管が製造できた。

１ アンコイラ
２ レベラ
３ エッジ成形機
４ 中間成形機（ケージロール群）
５ 仕上成形機（フィンパスロール群）
６ 加熱装置
７ スクイズロール
８ ビード切削機
９ サイザー
２０ 鋼帯
３０ 電縫鋼管

Claims (2)

1. 鋼帯をケージロール群により中間成形し、フィンパスロール群により管状に仕上成形した後、スクイズロールにより前記鋼帯の幅端部を衝合溶接して円管とする電縫鋼管の製造方法において、スクイズロール入り側のオープン管の断面形状が下記式（１）を満足するように前記中間成形と前記仕上成形することを特徴とする高強度厚肉電縫鋼管の製造方法。
   記
   １．０４０≦Ｖ／Ｈ≦１．０６５ （１）
   ここで、Ｖ：オープン管の外周の縦径（ｍｍ）
   Ｈ：オープン管の外周の横径（ｍｍ）
2. 前記スクイズロールによるアプセット量を管肉厚の２５〜５０％とすることを特徴とする請求項１に記載の高強度厚肉電縫鋼管の製造方法。

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