JP6288273B2 - 拡管機 - Google Patents

Description

本発明は、ＵＯＥ鋼管などの溶接管の製造に用いられる拡管機に関する。

一般的に、ＵＯＥ鋼管に代表される溶接管の製造では、管の内外面の溶接後に、この溶接の熱影響による残留応力に起因して真円度や真直度が悪化する。そのため、残留応力を除去して真円度や真直度を矯正するために、拡管を行う。

この拡管については、例えば非特許文献１に記載されている。図１（ａ）および（ｂ）は、非特許文献１に開示された図を転記したものである。拡管工程では、内外面よりサブマージアーク溶接を施された鋼管１の内側に、メカニカル拡管機１００の拡管ヘッド１３を通す。図１（ｂ）に示すように、拡管ヘッド１３のコーン１７が軸方向に引かれた際に、コーン１７およびジョー１８の楔作用によってジョー１８が径方向に広がり、ジョー１８の外側に取り付けたダイ１９が鋼管１を押し広げる。ここで、ジョー１８とダイ１９を合わせたものが拡管ヘッド外周部材に相当する。

このような拡管の工程では、図１（ｂ）に示すように、コーン１７およびジョー１８が、両者の接触面である滑り面において摺動する。

近年では、鋼管１が高強度化し、コーン１７が軸方向に引かれる際に過大な力がかかり、コーン１７およびジョー１８の間の滑り面において、面圧も過大となり、コーン１７およびジョー１８の滑り面において焼き付きが発生し、拡管が不可能となる問題が多発し、コーン１７およびジョー１８の滑り面のメンテナンスを要していた。

これに対し、特許文献１では、コーンの表層に窒化処理にて０．０５〜１．５ｍｍ深さの硬化層を形成することが提案されている。また、特許文献２では、セグメント（前述のジョーに相当）の硬さがＨＲＣ４５〜５２であり、表面に浸硫窒化処理を施すことが提案されている。そして、特許文献３では、コーン１７およびジョー１８の滑り面における焼き付きを低減させるために、コーン１７およびジョー１８の滑り面に潤滑油を供給することが提案されている。

特開平０１−２９９７２３号公報 特開平０５−１９５１５８号公報 特開２００７−２８４５１９号公報

鉄鋼便覧第３巻（２）、第４版、１２・４・６項

しかしながら、特許文献１や特許文献２では、コーンとセグメント（ジョー）との関係については何ら検討されておらず、滑り面の摺動部の焼き付きを、十分に防ぐことができない。また、滑り面の摺動部の焼き付きは、特許文献３のように潤滑油を供給するだけでは、十分に防ぐことができない。そして、摺動部で焼き付きが起こると、コーンを交換しなければならないが、コーンは高額のため、コーンの交換は鋼管の製造コストを大きく上昇させる。

本発明は、このような問題点に対してなされたものであり、低コストで鋼管を製造できる拡管機を提供することを目的とする。

発明者らは、上記した課題を達成するために、鋭意研究を重ねた。その結果、コーンが、ジョーとの接触面に、ライナーを有する構成とすることで、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には本発明は以下のものを提供する。

［１］シリンダに連結されたドローバーの先端に嵌め込まれ、軸方向に向って次第に外周の大きさが変化するコーンと、コーンの外周に配された拡管ヘッド外面部材と、を有し、シリンダによって軸方向にコーンが牽引されることによって、コーンと拡管ヘッド外面部材の楔作用により、拡管ヘッド外面部材が径方向に拡大して、拡管ヘッド外面部材の外周に設置された鋼管を拡管する拡管機であって、前記コーンは、前記拡管ヘッド外面部材との接触面に、着脱可能なライナーを有することを特徴とする拡管機。

［２］前記ライナーと前記拡管ヘッド外面部材との接触面において、前記ライナーと前記拡管ヘッド外面部材との間に硬度差が存在することを特徴とする［１］に記載の拡管機。

［３］前記硬度差は、２０〜５０ＨＳであることを特徴とする［２］に記載の拡管機。

［４］前記ライナーと前記拡管ヘッド外面部材との接触面において、軟質側の部材の硬度が、３０ＨＳ以上であることを特徴とする［２］または［３］に記載の拡管機。

［５］前記軟質側の部材は、前記ライナーであることを特徴とする［２］ないし［４］のうちいずれかに記載の拡管機。

［６］前記ライナーは、銅合金からなることを特徴とする［１］ないし［５］のうちいずれかに記載の拡管機。

本明細書において、ＨＳは、ＪＩＳ Ｚ ２２４６ショア硬さ試験による硬度ＨＳを指す。

本発明の拡管機のコーンは、拡管ヘッド外面部材との接触面に、着脱可能なライナーを有するため、ライナーに焼き付きが生じた場合には、コーン全体でなくライナーだけを交換すればよい。このため、本発明によれば、コーンの交換による、鋼管の製造コスト増大を抑えることができる。

図１は、拡管機の一例を示す模式図であり、（ａ）は従来の拡管機の構成を示す図であり、（ｂ）は拡管ヘッドの構成を示す図である。 図２は、本発明の拡管機の拡管ヘッドの一例を示す模式図であり、（ａ）はジョーとダイからなる拡管ヘッド外面部材の場合であり、（ｂ）はジョーとダイが一体となった拡管ヘッド外面部材の場合である。 図３は、本発明の拡管機に配されるコーンの一例を示す模式図であり、（ａ）は軸に垂直方向の断面であり、（ｂ）は軸方向の断面である。 図４は、ライナーとジョーの硬度差と、ライナーとジョーの間の摩擦係数との関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。

第一実施形態
図１は、拡管機の一例を示す模式図である。図１（ａ）は、拡管機の構成を示す図であり、（ｂ）は拡管ヘッドの構成を示す図である。

図２は、本発明の拡管機の拡管ヘッドの一例を示す模式図である。図２（ａ）はジョーとダイからなる拡管ヘッド外面部材の場合であり、（ｂ）はジョーとダイが一体となった拡管ヘッド外面部材の場合である。

図３は、本発明の拡管機に配されるコーンの一例を示す模式図である。

図１（ａ）に示すように、拡管機１００は、拡管機本体１４、アキシャルインフィード１５、クロスフィード１６を有している。

拡管機本体１４は、シリンダ１１、ホーン１２、および拡管ヘッド１３を有している。

クロスフィード１６は、ウォーキングビーム式により、紙面に直交する方向に鋼管１の搬送を行う。アキシャルインフィード１５は、クロスフィード１６によって搬送された鋼管１を、拡管機本体１４側に押し込む。

拡管ヘッド１３は、鋼管１が拡管機本体１４側に搬送されることによって、鋼管１の内部に挿入される。シリンダ１１は、ホーン１２の先端に設けられた拡管ヘッド１３を軸方向に牽引する。拡管ヘッド１３は、外周が径方向に拡大することで、鋼管１の径を内側から押し広げる。

図１（ｂ）に示すように、拡管ヘッド１３は、コーン１７、ジョー１８、ダイ１９を有している。コーン１７は、シリンダ１１に連結されたドローバー２１の先端に嵌め込まれている。コーン１７は、軸方向に向って次第に外周の大きさが変化する。「次第に外周の大きさが変化」とは形状がテーパー状であることを意味し、例えば、コーン１７は、角錐台形状とすることができる。シリンダ１１が伸縮することにより、コーン１７が軸方向に移動する。なお、ジョー１８とダイ１９を合わせたものが拡管ヘッド外面部材に相当する。

ジョー１８は、複数のセグメントにより構成され、複数のセグメントが組み合わされて管状に形成されている。管状のジョー１８の内側には、コーン１７が配される。ジョー１８の内側は、コーン１７の外周に沿った形状に形成され、コーン１７の外周と摺動可能となるように構成されている。なお、この説明では、コーン１７とジョー１８の摺動面を、滑り面とも呼ぶ。

ダイ１９は、複数のセグメントにより構成され、ジョー１８の外周に設けられている。

潤滑油供給管２０は、コーン１７とジョー１８の摺動面に潤滑油を供給する。

このように構成された拡管機１００では、シリンダ１１の伸縮によって、コーン１７が軸方向に移動することにより、コーン１７とジョー１８が滑り面において互いに乗り上げる（楔作用）。これによって、ジョー１８の外周に設けられたダイ１９が放射状に広がる。ダイ１９の外周には、鋼管１が嵌め込まれるため、ダイ１９が放射状に広がることで、鋼管１が内側から押し広げられ、鋼管１の拡径が行われる。

従来の拡管機では、コーン１７とジョー１８の摺動面において、コーン１７に焼き付きが生じる。コーン１７の表面に生じる焼き付きは、コーン１７の交換を必要とする。コーン１７は高額なため、コーン１７の交換は、鋼管の製造コストを大幅に上昇させる。

そこで、本発明では、コーン１７がジョー１８と接触する面に、着脱可能なライナー１７１を有する構成を採用する。

以下、本発明の拡管機について説明する。本発明の拡管機の構成は、図１に示す拡管機と同様である。そこで、本発明の拡管機を、図１に記載の符号も用いつつ、図２、３を用いて説明する。

図２、３に示す通り、本発明の拡管機１００のコーン１７は、コーン本体１７０と、ライナー１７１と、コーン本体１７０にライナー１７１を固定するためのボルト１７２とを有する。

図２、３に示すコーン１７において、コーン本体１７０の外面は、軸方向に沿ってテーパー状になっている。また、図３（ｂ）に示す通り、コーン本体１７０は軸方向断面が正十角形状である。該正十角形の各辺が１個のセグメント１７００となり、このコーン本体１７０は１０個のセグメント１７００により構成される。なお、図３（ｂ）に示す通り、各セグメント１７００の、コーン１７の外周側の面には、コーン１７の軸方向に延びる溝１７０１が形成されている。溝１７０１は中央部が最も深くなっており、両端に段差面１７０１Ａ、１７０１Ｂを有する。

図２、３に示すコーン１７において、ライナー１７１は、コーン１７の軸方向に延びる板状であり、コーン本体１７０の各セグメント１７００に２枚ずつ固定される。図２、３に示すコーン１７では、段差面１７０１Ａ、１７０１Ｂに沿って、ライナー１７１がボルト１７２で固定される。なお、ボルト１７２により、ライナー１７１は着脱可能になっている。

図２、３に示すコーン１７において、ボルト１７２は、コーン本体１７０上にライナー１７１を着脱可能に固定できる固定具であればよく、ボルト１７２に限定されない。

本発明においては、コーン１７とジョー１８との接触面の全てにライナー１７１が存在しなくてもよく、コーン１７に焼き付きによる問題が生じないのであれば、接触面の一部にライナー１７１の存在しない領域があってもよい。

第一実施形態の拡管機１００の効果について説明する。

拡管機１００のコーン１７は、ジョー１８との接触面に、ライナー１７１を有する。したがって、拡管機１００の使用時に、ライナー１７１とジョー１８との接触面が滑り面となる。この滑り面での摺動により、ライナー１７１の表面に焼き付きが発生しても、ライナー１７１を交換すればよいため、コーン１７全体を交換する場合と比較して、費用の増大を抑えられる。

特に、焼き付きが発生したライナー１７１のみ交換すればよいため、よりコストを抑えることができる。

第二実施形態
第二実施形態の拡管機において、第一実施形態の拡管機１００と同一の構成には同一の符号を用いる。第二実施形態の拡管機１００は、第一実施形態の拡管機１００と同様の部材から構成される点で共通し、ライナー１７１の硬度とジョー１８の硬度が、特定の範囲に調整されている点で、第一実施形態の拡管機１００と異なる。以下の説明において、第一実施形態の拡管機１００との共通部分については説明を省略する。

第二実施形態の拡管機１００においては、ライナー１７１とジョー１８との接触面において、ライナー１７１とジョー１８との間に硬度差が存在する。硬度の測定には、ＪＩＳ
Ｚ ２２４６ ショア硬さ試験を用いればよい。

上記硬度差は、２０〜５０ＨＳであることが好ましい。

また、ライナー１７１とジョー１８との接触面において、軟質側の部材の硬度が、３０ＨＳ以上であることが好ましい。

また、軟質側の部材は、ライナー１７１であることが好ましい。

第二実施形態の拡管機１００の効果について説明する。

ライナー１７１とジョー１８に硬度差を設けることで、硬度の小さい方（軟質側）を摩耗させ、ライナー１７１とジョー１８の接触面の面圧を低減させ、ライナー１７１とジョー１８の摺動部の焼き付きを低減させることができる。その結果、ライナー１７１の交換頻度を少なくすることができる。

図４は、ライナー１７１とジョー１８の硬度差と、ライナー１７１とジョー１８の間の摩擦係数との関係を示す図である。図４の横軸の硬度差ＨＳは、ジョー１８の硬度からライナー１７１の硬度を差し引いた値である。ライナー１７１の硬度を４０ＨＳとし、ジョー１８の硬度を３３〜９５ＨＳまで変化させた場合のライナー１７１とジョー１８の摩擦係数を示す。

図４から、ライナー１７１とジョー１８の硬度差が２０〜５０ＨＳであれば、ライナー１７１とジョー１８の摩擦係数がより小さくなることが分かる。摩擦係数が小さいと、ライナー１７１とジョー１８に焼き付きが発生することをより抑えられる。

したがって、上記硬度差を２０〜５０ＨＳの範囲に調整すれば、ライナー１７１の交換頻度をさらに抑えることができる。

また、軟質側の部材の硬度を、３０ＨＳ以上とすることで、軟質側の部材が変形しすぎることによる不具合が起こりにくくなる。即ち、軟質側の部材の硬度が３０ＨＳ以上であれば、部材の所定形状を十分に保持できる。軟質側の部材の硬度は４０ＨＳ以上であることが好ましい。

軟質側の部材を、ライナー１７１とすることが好ましい。ライナー１７１には、ジョー１８と比較して、角部等が多く、これらを起点として焼き付きが発生しやすい。そのため、軟質側をライナー１７１とし、ライナー１７１の摩耗を促進させることで、この焼き付きを低減することができる。

変形例
本発明において、ライナー１７１には、銅合金を用いることが好ましい。銅合金には、質量分率（質量％）で５５％以上９６％以下の銅を含有する銅合金を用いることが好ましく、Ｃｕ以外の成分として、Ｐｂ、Ｆｅ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐなどを含んでもよい。特に、銅合金としてアルミニウム青銅を用いることが好ましい。上記の通り、ライナー１７１とジョー１８の硬度差は２０〜５０ＨＳであり、ライナー１７１が軟質であることが好ましいため、ジョー１８にはアルミニウム青銅の硬度３０ＨＳに対して、５０ＨＳ以上８０ＨＳ以下の硬度を持った部材を用いることが好ましい。

ライナー１７１にアルミニウム青銅等の銅合金を用い、特に、ジョー１８にライナー１７１に対して２０ＨＳ以上５０ＨＳの硬度差を設けることで、硬度の小さい方（アルミニウム青銅側）を摩耗させ、ライナー１７１とジョー１８の接触面の面圧を低減させ、ライナー１７１とジョー１８の摺動部の焼き付きを低減させることができる。その結果、ライナー１７１の交換頻度をさらに少なくすることができる。

従来からの知見では、互いに摺動する２種類の金属の焼き付きやすさは、その２つの金属の２元系平衡状態図において、液相が全率固溶しない場合に、焼き付きが発生しにくい、とされている。ただ、鋼と液相で全率固溶しない金属としては、Ａｇ、Ｃｄ、Ｐｂ、などが知られている。これらの金属、あるいはこれらの金属を主成分とする合金は、コストや環境問題の観点から、工業的に採用することが困難である。一方、鋼と液相で全率固溶する金属として知られているＡｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉなどは、鋼との焼き付きが発生しやすい。ここで、Ｃｕも鋼と液相で全率固溶する金属として知られている。本発明者らが検討した結果、Ｃｕを含有する合金、すなわち、銅合金、特にアルミニウム青銅の場合には、鋼と摺動しても焼き付きが発生しにくいことがわかった。ライナー１７１に銅合金を用いることにより、摺動部の焼き付きが低減する機構については、必ずしも明らかではない。この点、本発明者らは、固相のＦｅにおけるＣｕ固溶限が小さく、固相域では固相Ｆｅと固相Ｃｕとが別々に存在しやすいことが、摺動部の焼き付きの低減に寄与しているのではないか、と推察する。銅合金の中でも、特にアルミニウム青銅が好適であるのも類似のメカニズムによるものと推察される。

なお、ここで、アルミニウム青銅とは、ＪＩＳ Ｈ ３１００に記載される合金番号Ｃ６１４０、Ｃ６１６１、およびＣ６２８０、並びに、ＪＩＳ Ｈ ３２５０に記載される合金番号Ｃ６１６１、Ｃ６１９１、およびＣ６２４１、などに該当する、Ｃｕ：７８．０〜９２．５％、Ａｌ：６．０〜１１．０％、Ｆｅ：１．５〜５．０％、Ｍｎ：２．０％以下、などを主成分とする銅合金を指す。また、アルミニウム青銅以外にも、同じくＪＩＳ
Ｈ ３１００に記載される合金番号Ｃ４２５０のすず入り黄銅をはじめとする、ＪＩＳ
Ｈ ３１００やＪＩＳ Ｈ ３２５０に記載される、５５％以上９６％以下のＣｕを含有する各種の銅合金を用いることができる。

なお、上記の通り、拡管ヘッド外面部材がジョー１８とダイ１９からなる場合を例に本発明を説明したが、図２（ｂ）に示すようなジョー１８とダイ１９が一体となった拡管ヘッド外面部材２２としても同様の作用効果を奏する。

本発明例として、溶接管の拡管において、図２、３におけるライナー１７１の硬度を４０ＨＳ、ジョー１８の硬度を４０ＨＳ、６０ＨＳ、８０ＨＳとした場合のライナー１７１とジョー１８の摺動面の焼き付き発生有無と摩耗発生有無の外観について調査した。その結果を、表１に示す。

ジョー１８の硬度が４０ＨＳ（硬度差０）である場合には、拡管回数１０００回で、ライナー１７１とジョー１８に摩耗がなく、焼き付きが発生した。そこで、ライナー１７１を新しいものに交換したところ、スムーズに拡管できるようになった（表１のＮｏ．１）。

ジョー１８の硬度が６０ＨＳ（硬度差２０ＨＳ）では、拡管回数３，０００回の時点でライナー１７１に小さな摩耗が発生したが、拡管回数３０，０００回の時点で焼き付きは発生していなかった。そして、ライナー１７１は、拡管回数３０，０００回でも交換不要であった（表１のＮｏ．２）。

また、ジョー１８の硬度が８０ＨＳ（硬度差４０ＨＳ）では、拡管回数３，０００回の時点でライナー１７１に大きな摩耗が発生したが、その時点で焼き付きは発生していなかった。ライナー１７１の交換頻度は、拡管回数３，０００回程度であった（表１のＮｏ．３）。

以上より、焼き付きが発生しても、ライナー１７１を交換すればよいため、拡管のコストを抑えられる。また、ライナー１７１とジョー１８との硬度差を２０〜５０ＨＳとすることで、焼き付きを低減させることができる。さらに、ライナー１７１とジョー１８の硬度差を前述の範囲内で変更することにより、ライナーの摩耗量を調整して、ライナー交換頻度を少なくできることが分かった。

本発明例として、溶接管の拡管において、図２、３におけるライナー１７１、ジョー１８を表２に示す材質および硬度にした場合のライナー１７１とジョー１８の摺動面の焼き付き発生有無と摩耗発生有無の外観について調査した。その結果を、表２に示す。なお、本実施例２は、ライナーに銅合金を用いることの効果を確認するために行った。

ライナーの硬度が８０ＨＳでジョー１８の硬度が８０ＨＳ（硬度差０）である場合には、拡管回数１０００回で、ライナー１７１とジョー１８に摩耗がなく、焼き付きが発生した。そこで、ライナー１７１を新しいものに交換したところ、スムーズに拡管できるようになった（表２のＮｏ．４）。

ライナーに、質量％で、Ｃｕ：８２．３％、Ａｌ：１０．４％、Ｆｅ：３．４％、Ｍｎ：１．９％、Ｎｉ：１．８２％、残部：不純物、からなるアルミニウム青銅（硬度が３０ＨＳ）を用いジョー１８の硬度が５０ＨＳ（硬度差２０ＨＳ）では、拡管回数３，０００回の時点でライナー１７１に小さな摩耗が発生していることが確認されたが、拡管回数９０，０００回で、ライナー１７１を調べたところ、焼き付きは発生しておらず、まだ交換の必要がないことが確認された。（表２のＮｏ．５）。

また、ライナーに、質量％で、Ｃｕ：８２．３％、Ａｌ：１０．４％、Ｆｅ：３．４％、Ｍｎ：１．９％、Ｎｉ：１．８２％、残部：不純物からなるアルミニウム青銅（硬度が３０ＨＳ）を用いてジョー１８の硬度が８０ＨＳ（硬度差５０ＨＳ）では、拡管回数３，０００回の時点でライナー１７１に大きな摩耗が発生したが、拡管回数１０，０００回の時点でも焼き付きは発生していなかった。ライナー１７１の交換頻度は、拡管回数１０，０００回程度であった（表２のＮｏ．６）。

以上より、ライナー１７１にアルミニウム青銅を用いてジョー１８との硬度差を２０〜５０ＨＳとすることで、焼き付きを低減させることができ、かつ摩耗量の大きさを適切に設定することによってライナー交換頻度を適正化できることが分かった。

１ 鋼管
１１ シリンダ
１２ ホーン
１３ 拡管ヘッド
１４ 拡管機本体
１５ アキシャルインフィード
１６ クロスフィード
１７ コーン
１７０ コーン本体
１７００ セグメント
１７０１ 溝
１７１ ライナー
１７２ ボルト
１８ ジョー
１９ ダイ
２０ 潤滑油供給管
２１ ドローバー
２２ 拡管ヘッド外面部材
１００ 拡管機

Claims (4)

1. シリンダに連結されたドローバーの先端に嵌め込まれ、軸方向に向って次第に外周の大きさが変化するコーンと、
   コーンの外周に配された拡管ヘッド外面部材と、を有し、
   シリンダによって軸方向にコーンが牽引されることによって、拡管ヘッド外面部材が径方向に拡大して、拡管ヘッド外面部材の外周に設置された鋼管を拡管する拡管機であって、
   前記コーンは、前記拡管ヘッド外面部材との接触面に、着脱可能なライナーを有し、
   前記ライナーと前記拡管ヘッド外面部材との接触面において、前記ライナーと前記拡管ヘッド外面部材との間に硬度差が存在し、
   前記硬度差は、２０〜５０ＨＳであることを特徴とする拡管機。
2. 前記ライナーと前記拡管ヘッド外面部材との接触面において、軟質側の部材の硬度が、３０ＨＳ以上であることを特徴とする請求項１に記載の拡管機。
3. 前記軟質側の部材は、前記ライナーであることを特徴とする請求項２に記載の拡管機。
4. 前記ライナーは、銅合金からなることを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれかに記載の拡管機。

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