JP6332432B2 - 造管歪が小さい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く成形そのものが困難で、かつ造管時に付加される加工歪によって管周方向の肉厚分布が不均一になりやすい、厚肉および高強度の熱延鋼板を素材とした造管歪が小さい電縫鋼管の製造方法および造管歪が小さい電縫鋼管に関する。ここで、造管歪が小さいとは、熱延鋼板を管形状へ成形する過程で鋼管に加えられた歪が小さい、ということである。外径Ｄ、肉厚ｔの鋼管を製造する場合、理論上の成形歪量はｔ／Ｄとなる。従来のロール成形法では成形ロールへの巻き付き等により、一般的にｔ／Ｄの３倍以上の歪が発生しており、造管歪が小さい基準としては、目安としてｔ／Ｄの３倍よりも小さいことをいう。

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でも、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、厚肉とは前記熱延鋼板の板厚が１２〜２６ｍｍ、高強度とは前記熱延鋼板の引張強さが４６０ＭＰａ以上である場合をいう。

電縫鋼管は、図１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より制約され、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とを、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。

また、特許文献５には、開口部を有し、断面が管エッジ部、管側部、管底部およびそれらの境界部の各曲げ要素からなる縦長の小判型素管のフィンパスロール直前における断面形状または計画断面形状に関し、各曲げ要素領域の長さと帯板の幅との比、および各曲げ要素の曲げ半径と製品半径との比を適正範囲内に収めるように成形することを特徴の一つとするハイドロフォーミングに適した溶接管の製造方法が示されている。

さらに、フィンパスロール成形直前の小判型素管（オープン管）の断面形状に関しては、フィンパスロールの成形荷重を低減する厚肉電縫管の製造方法として、製造される円管の外周円の半径とオープン管の管底部近傍における円管の中心と外表面までの距離との関係が適正範囲となるように中間成形する製造方法が特許文献６に開示され、また、オープン管の外周の縦径と横径の比が適正範囲となるように中間成形する製造方法が特許文献７に開示されている。

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 特開２０００−３４３１３５号公報 特開２０１５−１４７２２６号公報 特開２０１５−１６７９７３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／または高強度の電縫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、厚肉および／または高強度の熱延鋼板を用いて電縫鋼管を製造しようとする際には、ケージロール群による成形で、管断面全体にわたって一様な歪ないし曲率とすることは困難であった。前記ケージロール群による成形を施す場合、しばしば、電縫鋼管の管底部に相当する熱延鋼板の板幅の中央付近に曲げ歪が集中し、その他の領域では曲率が小さい中間成形形状となることが多かった。その結果、最終的には管周方向で加工硬化の度合いが不均一で、降伏応力が管周方向位置で異なり、また肉厚の変動が大きい鋼管製品になるという問題があった。

また、特許文献５に記載の溶接管の製造方法では、厚肉および／または高強度の熱延鋼板を素材とした鋼管の場合、図１に示すエッジ成形機３を適用した場合においても、特に管エッジ先端部が曲がりにくく、結果として、特許文献５で開示されている適正条件の一つ、例えば、（管エッジ部曲げ長さ）／（帯板幅）＝０．２〜０．４，（管エッジ部曲げ半径）／（製品半径）＝１．０〜１．４といった範囲内に収めることが困難となり、厚肉および／または高強度の電縫鋼管には適用できない場合があることがわかった。極端な場合、管エッジ部から板幅方向に板厚の３倍程度までの幅領域は、ほとんど平坦で、曲率半径が無限大に近くなり、上記の規定上限をはるかに超えた。

特許文献６および特許文献７は、本発明と対象とする鋼管が同じであるが、それぞれ以下の問題点があった。

特許文献６に記載された発明は、オープン管の底部に接する円管の中心位置に対し、円周方向角度０≦θ≦４５°の領域で、断面形状を規定するものであり、その主旨から形状の対称性を考慮したとしても−４５°≦θ≦４５°のオープン管底部を含む円周方向に９０°領域の形状のみを規定している。よって、特に曲がりにくいオープン管を形成する鋼帯の幅端部付近の形状がフィンパス成形時に及ぼす影響について考慮していない。そのため、オープン管を形成する鋼帯の幅端部付近の曲げ変形が小さい場合には、管底部付近での歪の増大が発生し易くなり、結果として肉厚の変動幅が所定肉厚の±２％の範囲を超えるという問題があった。

また、特許文献７に記載された発明は、フィンパスロール成形直前のオープン管の断面形状の縦径と横径の比率のみを規定するものでありフィンパス成形に対するオープン管の曲率分布や形状様式の影響については考慮されていない。そのため、オープン管の管底部で曲げ歪が集中して曲率が大きいか、もしくは、オープン管を形成する鋼帯の幅端部付近の曲げ変形が小さく曲率が小さいかのいずれか一方が顕著でありながら、縦径と横径という指標では、他方と相殺され、問題なしと判断される条件下でも、結果として成形後、局所的に歪が集中し、肉厚の変動幅が所定肉厚の±２％の範囲を超える場合があるという問題があった。

本発明の目的は、造管によって付加される加工歪が小さく、かつ管周方向の分布が一様な電縫鋼管を製造することであり、特にその実現が困難な厚肉および／または高強度の電縫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結果、フィンパスロール入り側の半成形品（オープン管）の断面形状とフィンパス成形後の管周方向の加工歪分布の間には相関があり、フィンパス成形後の加工歪量すなわち加工硬化量を低減し、かつ管周方向の加工歪分布を一様化できる最適なオープン管の断面形状が存在すること、および、フィンパス成形前のケージロールによる成形過程で前記オープン管の内面側の管底部近傍をロールで押圧する方法により、前記オープン管を最適な断面形状に成形できることを見出し、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する中間成形工程と、フィンパスロール群により管状に仕上成形する仕上成形工程と、該仕上成形工程後に前記鋼帯の幅端部を電気抵抗溶接して管とする溶接工程と、を有する電縫鋼管の製造方法において、
前記仕上成形工程の最初の成形を施す上ロール、下ロールおよびサイドロールで構成される第１フィンパスロールの前記下ロールの中心軸を通りオープン管の進行方向と直交する断面に、前記第１フィンパスロールの入側での前記オープン管の進行方向と直交する前記オープン管の断面を、前記オープン管の底部の外表面と前記下ロールのカリバー底Ｃを一致させて投影した際に、前記オープン管を形成する鋼帯の幅端部の外表面側角部Ａと前記上ロールのフィン基端部Ｂとを含む直線である圧下方向線と前記オープン管の外表面との距離の最大値Ｓｍと、前記圧下方向線と前記カリバー底Ｃとの距離Ｓｃと、の比Ｒ１（＝Ｓｃ／Ｓｍ）が下記（１）式を満たすように前記オープン管を中間成形することを特徴とする造管歪が小さい電縫鋼管の製造方法。
０．７０ ≦ Ｒ１ ・・・・・ （１）
［２］ 前記圧下方向線と前記オープン管の外表面との距離が最長となる前記圧下方向線上の点Ｆと前記カリバー底Ｃから前記圧下方向線へ下ろした垂線の足Ｅとの距離ＥＦと、前記上ロールのフィン基端部Ｂから前記点Ｅまでの距離ＢＥと、の比Ｒ２（＝ＥＦ／ＢＥ）が下記（２）式を満たすように前記オープン管を中間成形することを特徴とする［１］に記載の造管歪が小さい電縫鋼管の製造方法。
Ｒ２ ≦ ０．３３ ・・・・・ （２）
［３］ 前記オープン管を形成する鋼帯の対向する両幅端部におけるそれぞれの外表面の接線が交差してなす前記オープン管側の交差角Ｘが１２０°以上となるように前記オープン管を中間成形することを特徴とする[１]または[２]に記載の造管歪が小さい電縫鋼管の製造方法。
［４］ 前記電縫鋼管が、肉厚が１２〜２６ｍｍの電縫鋼管であることを特徴とする［１］ないし［３］のいずれかに記載の造管歪が小さい電縫鋼管の製造方法。
［５］ 前記電縫鋼管が、肉厚と外径の比が２〜２０％の電縫鋼管であることを特徴とする［１］ないし［４］のいずれかに記載の造管歪が小さい電縫鋼管の製造方法。
［６］ 電気抵抗溶接による溶接部を有する電縫鋼管であって、前記電縫鋼管の肉厚の変動幅が、溶接部を上にしたときの管底部から−９０°〜＋９０°の範囲で、所定の肉厚を基準として±２％の範囲にあることを特徴とする造管歪が小さい電縫鋼管。
［７］ 前記肉厚が１２〜２６ｍｍであることを特徴とする［６］に記載の造管歪が小さい電縫鋼管。
［８］ 肉厚と外径の比が２〜２０％であることを特徴とする［６］または［７］に記載の造管歪が小さい電縫鋼管。
［９］ 前記電縫鋼管を形成する鋼帯が、引張強さが４６０ＭＰａ以上の熱延鋼板であることを特徴とする［６］ないし［８］のいずれかに記載の造管歪が小さい電縫鋼管。

本発明により、鋼管成形による素材（鋼板）の加工硬化の度合いを表す相当塑性歪のピーク値を従来比で３％程度低減し、管周方向の加工歪分布の均一性を向上させた厚肉および／または高強度の電縫鋼管を製造することができる。
これにより、鋼管の成形が安定するとともに、鋼管製品としての加工性も向上する。

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。 フィンパスロール成形前のオープン管の進行方向と直交する該オープン管の断面形状を示す模式図である。 オープン管の底部の外表面と第１フィンパスロールの下ロールのカリバー底Ｃを一致させて投影した模式図である。 第１フィンパスロールによる成形過程における、オープン管の外表面とサイドロールのカリバー面との接触状況を示す模式図である。 図４にオープン管を形成する鋼帯の幅端部に作用する圧下方向線と該圧下方向線からオープン管の外表面までの距離Ｓ（Ｙ）を併記した模式図である。 第１フィンパスロールによる成形過程における、オープン管の外表面と下ロールのカリバー面との接触状況を示す模式図である。 Ｒ１とＲ２の異なる比較例と本発明例のオープン管の断面形状を模式的に示す図である。 第１フィンパスロール成形後の管断面における相当塑性歪の管周方向分布と第１フィンパスロール入側でのオープン管の断面形状との関係を示す図である。 溶接工程後の鋼管の進行方向と直交する断面における相当塑性歪の管周方向の分布を示すグラフである。 溶接工程後の鋼管の進行方向と直交する鋼管の断面における板厚歪の管周方向の分布を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、電縫鋼管の製造設備の一例である。電縫鋼管の素材である鋼帯は、ケージロール群４で中間成形されてオープン管とされた後、フィンパスロール群５で仕上成形される。仕上成形の後は、前記鋼帯の幅端部を電気抵抗溶接して、電縫鋼管とされる。ここで、鋼帯は、炭素鋼の熱延鋼板を例とすることが出来る。

本発明に係るケージロール群４は図２に示すように３つのゾーンに分かれており、そのうちの最下流ゾーン（＃３ゾーン）には、インナーロールが備えられている。

従来のケージロール群、すなわちインナーロールを具備していないケージロール群による中間成形では、仕上成形直前（第１フィンパスロールの入側）の半成形品（以下、オープン管という）の進行方向と直交する該オープン管の断面は、図３に示すような縦長の形状となる。図４は、第１フィンパスロールの成形ロール（上ロール、下ロール、サイドロール）のうちの、前記下ロールの中心軸を通りオープン管の進行方向と直交する第１フィンパスロールの断面に、前記第１フィンパスロールの入側でのオープン管の進行方向と直交する前記オープン管の断面を、前記オープン管の底部の外表面と前記下ロールのカリバー底Ｃを一致させて投影した図である。ここで、図４（ａ）は、前記オープン管が従来の方法で中間成形され、前記オープン管の断面が縦長の形状となった場合の例を示す図であり、図４（ｂ）は、図２に示したインナーロールを使用し、前記オープン管を本発明法の条件を満たす断面形状に中間成形した場合の例を示す図である。

第１フィンパスロールにおいては、上ロールと接触するオープン管を形成する鋼帯の幅端部の外表面側角部Ａと下ロールと接触する前記オープン管の底部の外表面とを作用点とした圧下曲げ変形により、オープン管の断面形状が図４に示した形状から、前記下ロールの中心軸を通りオープン管の進行方向と直行する断面における上ロール、下ロール、サイドロールのカリバー面で形成される孔型の形状とほぼ類似の図７に示すような形状に成形される。

そこで、図４（ａ）または図４（ｂ）のそれぞれの場合について、前記オープン管の外周面と第１フィンパスロール成形中の前記成形ロールのカリバー面との接触状況、および仕上成形後の鋼管の管周方向の歪分布などに及ぼす影響を調べた。その結果を図５（ａ）と図５（ｂ）に示す。図５（ａ）、（ｂ）は第１フィンパスロールによる成形過程における、オープン管の外表面とサイドロールのカリバー面との接触状況を示す図であり、後述する図７（ａ）、（ｂ）におけるオープン管の外表面とサイドロールのカリバー面との接触部位を拡大した図である。

図４（ａ）に示すように、前記オープン管の断面の形状が極端な縦長になっている場合、すなわち、第１フィンパスロールによる成形において前記オープン管に対する前記下ロールと前記上ロールによる圧下量が大きい場合、前記オープン管の外表面と前記下ロールのカリバー面とが一様に接触せず、接触部と非接触部の境界付近に曲げ変形による加工歪が集中して発生するため、加工歪の管周方向の分布が不均一になる。その結果、電縫鋼管の管周方向の肉厚が変動してしまう。さらに、前記オープン管の外表面とロールのカリバー面との局所的な接触は、図５（a）に示すように、前記オープン管の外表面とサイドロールのカリバー面との間でも発生し、その場合はオープン管を形成する鋼帯の変形は管周方向で一層不均一になり、製造された電縫鋼管の管周方向の肉厚の変動と加工歪分布も、より不均一になることがある。

上述のような問題の発生を防止するためには、第１フィンパスロールでの成形において、図５（ｂ）に示すように、オープン管の外表面と下ロールのカリバー面とが下ロールのカリバー底Ｃを始点として接触部分を拡大していく形態で、前記オープン管を形成する鋼帯が上ロールと前記下ロールによる圧下によって曲げ成形加工されることが好ましい。

そこで、第１フィンパスロールの入側でのオープン管の進行方向と直交する該オープン管の断面の形状が前記曲げ成形加工の成形形態に及ぼす影響について調べた。図６は、下ロールの中心軸を含むオープン管の進行方向と直交する第１フィンパスロールの断面に、前記第１フィンパスロールの入側での前記オープン管の進行方向と直交する前記オープン管の断面を、前記オープン管の底部の外表面と前記下ロールのカリバー底Ｃを一致させて投影した図であり、オープン管を形成する鋼帯の幅端部が第１フィンパスロールによる成形で変位する方向を示す該幅端部の外表面側角部Ａと第１フィンパスロールのフィン基端部Ｂを結ぶ直線である圧下方向線と、該圧下方向線上で前記フィン基端部Ｂから距離Ｙの位置における前記圧下方向線から前記オープン管の外表面までの距離Ｓ（Ｙ）および距離Ｓ（Ｙ）の最大値Ｓｍと、を併記している。

距離Ｓ（Ｙ）の長さと、オープン管を形成する鋼帯の幅端部と下ロールのカリバー底Ｃを作用点とする圧下により曲げ加工力が加えられた場合の前記鋼帯の張出し変形形態と、は相関があり、距離Ｓ（Ｙ）が最大となる前記鋼帯の位置Ｄで曲げモーメントが最大となり、前記張出し変形が始まる。圧下方向線からの距離が最大となるオープン管の外表面の位置Ｄが下ロールのカリバー底Ｃから離れた図６（ａ）の場合、図７（ａ）に示すように、フィンパスロールによる成形過程において曲げモーメントが最大となる位置Ｄが最初にフィンパスロールのカリバー面に接触し、カリバー底Ｃと位置Ｄとの間の位置で前記オープン管の外表面と前記下ロールのカリバー面との間に隙間が生じる。一方、位置Ｄが下ロールのカリバー底Ｃに一致する図６（ｂ）の場合、図７（ｂ）に示すように、オープン管の外表面と下ロールのカリバー面とが前記下ロールのカリバー底Ｃを始点として接触部分を拡大していく形態で変形が進み、前記オープン管の外表面と前記下ロールのカリバー面との間に隙間は発生しない。

したがって、第１フィンパスロールの成形ロール（上ロール、下ロール、サイドロール）のうち、前記下ロールの中心軸を含むオープン管の進行方向と直交する前記第１フィンパスロールの断面に、前記第１フィンパスロールの入側での前記オープン管の進行方向と直交する前記オープン管の断面を、前記オープン管の底部の外表面と前記下ロールのカリバー底Ｃを一致させて投影した際に、前記オープン管を形成する鋼帯の幅端部の外表面側角部Ａと前記第１フィンパスロールのフィン基端部Ｂを含む直線（圧下方向線）から前記オープン管の外表面までの距離Ｓ（Ｙ）が最大となる前記オープン管の外表面の位置Ｄが、前記下ロールのカリバー底Ｃに合致することが望ましく、少なくとも位置Ｄとカリバー底Ｃが下記の条件を満足するように中間成形する。

すなわち、前記圧下方向線から前記オープン管の外表面との距離の最大値をＳｍ、前記圧下方向線と下ロールのカリバー底Ｃとの距離をＳｃとするとき、Ｓｍに対するＳｃの比Ｒ１（＝Ｓｃ／Ｓｍ）が下記（１）式を満たすように前記オープン管を中間成形する。
０．７０ ≦ Ｒ１ ・・・・・ （１）
位置Ｄとカリバー底Ｃとの位置関係はＲ１で決まり、Ｒ１＝１のとき、曲げモーメントが最大となる位置Ｄがカリバー底Ｃに合致し、Ｒ１が1より小さくなると、位置Ｄがカリバー底Ｃから離れることを意味する。フィンパスロールによる成形では、曲げモーメントが最大となる位置Ｄで開始する前記オープン管を形成する鋼帯の張出し変形によって、位置Ｄ付近の前記オープン管の外表面が優先的にロールのカリバー面に接近・接触する。Ｒ１が０．７０未満では、カリバー底Ｃと位置Ｄの間で前記オープン管の外表面とロールのカリバー面との間に隙間が発生し、結果的に位置Ｄ付近でロールのカリバー面と接触する位置において前記オープン管を形成する前記鋼帯に加わる加工歪が高くなるため、Ｒ１の下限値を０．７０に限定した。なお、Ｒ１の上限値は、上記の定義から、必然的に位置Ｄがカリバー底Ｃに合致した際の１となり、Ｒ１の値が上限値の１に近いことが成形後の加工歪の管周方向分布を均一にするために好ましい。

また、前記距離Ｓｍが得られる前記圧下方向線上の点をＦ、前記距離Ｓｃが得られる前記圧下方向線上の点をＥとするとき、距離ＢＥに対する距離ＥＦの比Ｒ２（＝ＥＦ／ＢＥ）が下記（２）式を満たすように前記オープン管を中間成形することが好ましい。
Ｒ２ ≦ ０．３３ ・・・・・ （２）
Ｒ２もＲ１と同様に位置Ｄとカリバー底Ｃとの位置関係を決める変数であり、Ｒ２＝０のとき、曲げモーメントが最大となる位置Ｄがカリバー底Ｃと一致し、Ｒ２が０から大きくなるにつれ、位置Ｄがカリバー底Ｃから離れることを意味する。上述したように、フィンパスロールによる成形では、曲げモーメントが最大となる位置Ｄで開始する前記オープン管を形成する鋼帯の張出し成形によって、位置Ｄが優先的にロールのカリバー面に接近・接触する。この際に、Ｒ２が０．３３超えの場合、カリバー底Ｃと位置Ｄの間で前記オープン管の外表面とロールのカリバー面との間に隙間が発生し、結果的に位置Ｄ付近でロールのカリバー面と接触する位置において前記オープン管を形成する前記鋼帯に加わる加工歪が高くなるため、Ｒ２の上限値を０．３３に限定した。なお、Ｒ２の下限値は、前述の曲げモーメントが最大となる位置Ｄがカリバー底Ｃと一致した際の０となる。Ｒ２の値は０に近い方が成形後の加工歪の管周方向分布を均一にするためにより好ましい。

さらに、フィンパスロール入側でのオープン管を形成する鋼帯の対向する両幅端部におけるそれぞれの外表面の接線が交差してなす前記オープン管側の交差角Ｘが１２０°以上となるように前記オープン管を中間成形することが好ましい。

前記交差角Ｘが１２０°を下回り、より鋭角になれば、フィンパスロール群による仕上成形において、上ロールからの圧下が強まる影響で、管底部付近での加工歪が高くなり、仕上成形後の鋼管の管周方向の加工歪分布と肉厚変動が不均一になる傾向となる。なお、交差角Ｘの上限値については、フィンパスロールの成形ロールの形状にも依存するため、一義的に決定できないが、交差角Ｘが１５０°を超えた場合、オープン管を形成する鋼帯の対向する両幅端部を突合せ溶接する際に両幅端部の外表面が管の内側に入り込むという問題が発生することがあったため、より好ましい交差角Ｘの上限値は１５０°以下である。

上記のような条件を満たすオープン管の形状は、図２に示すように、ケージロール群による中間成形工程で、鋼帯の両側幅端部付近を外面側から押圧するケージロールと、成形中の鋼帯の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インナーロールとを用いて、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により、実現できる。すなわち、前記オープン管の形状を上述の条件を満たすように成形するためには、図２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。

さらに、製造する電縫鋼管が、肉厚が１２〜２６ｍｍおよび／または肉厚と外径の比が２〜２０％の電縫鋼管であることが好ましい。肉厚が１２ｍｍ未満および／または肉厚と外径の比が２％未満の場合には、従来方法でもフィンパスロールの成形荷重が低いことに加えて、前記インナーロールの押圧で鋼帯が腰折れするなどの極端な変形が懸念される。なお、肉厚が２６ｍｍ超えおよび／または肉厚と外径の比が２０％超えになると加工が著しく困難になるので、設備上の制約も多く、またコスト面でも不利になるため上限とした。

また、成形する鋼帯の強度が低い場合は、インナーロールの押圧で管内面に凹みが生ずる恐れがあるため、成形する鋼帯の引張強さは４６０ＭＰａ以上であることが好ましい。
なお、上記の説明は、フィンパスロール群５の最初の成形ロール（下側ロール、サイドロール、上側ロール）を用いて説明したが、これはフィンパスロール群５の最初の成形ロールの効果が大きいからで、フィンパスロール群５の第２番目以降の成形ロールについても、同様の効果が得られる。したがって、最初の成形ロールに限定されるものではない。

次に、管の肉厚については、例えば一般構造用炭素鋼鋼管のＪＩＳ規格では、サイズによる詳細規定が定められているものの、概ね±１２．５〜１０％程度を目安とする公差が許容されている。実際の製造においては、コイル原板の厚さが重要であるが、加えてコイル幅の設定により、最終管製品の管周長との比率である縮径率に応じて、通常は平均的な肉厚増加を制御することができる。ただし、肉厚増加は、オープン管を形成する鋼帯の幅端部の突き合わせ溶接部の付近が増肉するように加工されることが通常である。

これまで、オープン管の外表面と成形ロールのカリバー面との間の隙間や接触位置によって発生する局所的な加工歪について述べたが、体積一定の塑性変形であれば、管周方向の加工歪分布の不均一は、管周方向の肉厚分布の不均一を誘起する。このような、局所的な肉厚分布の不均一がある場合、コイル幅を再調整して製造し直すなどのコストの増大を招く場合がある。また、管周方向に局所的に肉厚が薄い箇所がある場合、管を使用中に応力や変形の集中を誘起することが想定される。よって、管周方向の肉厚分布はより均一であることが望ましく、本発明法を適用すれば、肉厚の変動幅が、溶接部を上にしたときの管底部から−９０°〜＋９０°の範囲で、所定の肉厚を基準として±２％の範囲にあることが可能となる。

ここで、管底部から−９０°〜＋９０°の範囲としたのは、その他の領域、すなわち突き合わせ溶接部に近い側の管半周分においては、上述のように、オープン管を形成する鋼帯の幅端部を突き合わせ溶接した溶接部の付近を増肉させることによる影響によって、増肉傾向が現れるため、管底部側の半周分の領域に限定した。

本発明で得られる電縫鋼管は、グレードがＡＰＩ規格Ｘ８０級をはじめとする様々な強度レベルの電縫鋼管である。Ｘ８０級より強度レベルが低い場合はいうまでもなく、また強度レベルが高い電縫鋼管であっても、設備能力上成形が可能であれば、本発明の適用が可能である。目的とするグレードに合わせて、素材となる鋼帯を適宜選択すればよい。ＡＰＩ規格Ｘ８０級の電縫鋼管の場合、鋼帯の化学組成の一例を挙げれば、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１２％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．５〜２．２％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ａｌ：０．００５〜０．１０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｔｉ：０．００１〜０．０５％であり、残部は鉄および不可避的不純物からなるものである。

ここで、上記の好ましい組成限定理由を簡単に説明する。
Ｃは、鋼の強度を向上させる作用を有する元素であり、所望の強度レベルを得るために、Ｃの含有量が０．０１％以上であることが必要となる。一方、Ｃの含有量が０．１２％を超えると、炭素当量の増加により溶接性が劣化するなどの悪影響がある。このため、Ｃの含有量を０．０１〜０．１２％の範囲に限定した。なお、より好ましくは０．０２〜０．０８％である。

Ｓｉは、固溶強化、焼入れ性の向上を介して、鋼の強度を向上する作用を有する。このような効果を得るためにはＳｉを０．０１％以上含有することが必要である。一方、Ｓｉは、電縫溶接時にＳｉを含有する酸化物を形成し、溶接部の品質を低下させるとともに、溶接熱影響部の靭性を低下させるため、Ｓｉはできるだけ低減することが望ましいが、１．０％までは許容できる。このようなことから、Ｓｉの含有量を０．０１〜１．０％に限定した。より好ましくは０．５％以下である。

Ｍｎは、鋼の焼入れ性を向上させる作用を有し、鋼板の強度を向上する。また、Ｍｎは、ＭｎＳを形成しＳを固定することにより、Ｓの粒界偏析を防止してスラブ割れを抑制する。このような効果を得るためには、Ｍｎを０．５％以上含有することが必要となる。一方、Ｍｎの含有量が１．８％を超えると、スラブ鋳造時の凝固偏析を助長し、鋼板にＭｎ濃化部を生じさせ、その結果セパレーションの発生を増加させる。このＭｎ濃化部を消失させるには、１３００℃を超える温度にスラブを加熱する必要があり、このような熱処理を工業的規模で実施することは現実的ではない。このため、Ｍｎの含有量を０．５〜２．２％の範囲に限定した。なお、より好ましくは０．９〜１．７％である。

Ｐは、鋼中に不純物として不可避的に含まれるが、鋼の強度を上昇させる作用を有する。しかし、０．０３％を超えて過剰に含有すると溶接性が低下する。このため、Ｐの含有量を０．０３％以下に限定した。なお、より好ましくは０．０２％以下である。

Ｓは、Ｐと同様に鋼中に不純物として不可避的に含まれるが、Ｓを、０．００５％を超えて過剰に含有すると、スラブ割れを生起させるとともに、熱延鋼板においては粗大なＭｎＳを形成し、延性の低下を生じさせる。このため、Ｓの含有量を０．００５％以下に限定した。なお、より好ましくは０．００４％以下である。

Ａｌは、脱酸剤として作用する元素であり、このような効果を得るためには、Ａｌを０．００５％以上含有することが望ましい。一方、Ａｌの含有量が０．１０％を超えると、電縫溶接時の溶接部の清浄性を著しく損なう。このため、Ａｌの含有量を０．００５〜０．１０％に限定した。なお、より好ましくは０．００５〜０．０８％である。

Ｎｂは、オーステナイト粒の粗大化、再結晶を抑制する作用を有する元素であり、熱間仕上圧延において、オーステナイト未再結晶温度域での圧延を可能にする。また、炭窒化物として微細析出することにより、溶接性を損なうことなく、少ない含有量で熱延鋼板を高強度化する作用を有する。このような効果を得るためには、Ｎｂの含有量が０．０１％以上であることを必要とする。一方、Ｎｂの含有量が０．１０％を超えると、熱間仕上圧延中の圧延荷重の増大をもたらし、熱間圧延が困難となる場合がある。このため、Ｎｂの含有量を０．０１〜０．１０％の範囲に限定した。なお、より好ましくは０．０３〜０．０９％である。

Ｔｉは、窒化物を形成しＮを固定しスラブ割れを防止する作用を有する。また、炭化物として微細析出することにより、鋼板を高強度化させる。このような効果は、Ｔｉの含有量が０．００１％以上で顕著となるが、一方でＴｉの含有量が０．０５％を超えると、析出強化により降伏点が著しく上昇する。このため、Ｔｉの含有量を０．００１〜０．０５％の範囲に限定した。なお、より好ましくは０．００５〜０．０３５％である。

以上が基本的な組成であるが、前記組成に加えて、鋼帯の強度を向上させるために、Ｖ：０．０１〜０．１０％、Ｍｏ：０．０１〜０．５０％、Ｃｒ：０．０１〜１．０％、Ｃｕ：０．０１〜０．５０％、Ｎｉ：０．０１〜０．５０％の中の１種または２種以上を含んでいてもよい。

Ｖは、焼入性を向上させるとともに、炭窒化物を形成して鋼板を高強度化する作用を有する元素であり、このような効果は０．０１％以上含有することで顕著となる。一方、含有量が０．１０％を超えると、溶接性を劣化させる。このため、Ｖの含有量を０．０１〜０．１０％とすることが好ましい。なお、さらに好ましくは０．０３〜０．０８％である。

Ｍｏは、焼入性を向上させるとともに、炭窒化物を形成して鋼板を高強度化する作用を有する元素であり、このような効果は０．０１％以上含有することで顕著となる。一方、０．５０％を超える多量の含有は、溶接性を低下させる。このため、Ｍｏの含有量を０．０１〜０．５０％に限定することが好ましい。なお、より好ましくは０．０５〜０．３０％である。

Ｃｒは、焼入性を向上させ、鋼板の強度を向上する作用を有する元素である。このような効果は、０．０１％以上含有することで顕著となる。一方、含有量が１．０％を超えると、電縫溶接時に溶接欠陥を多発させる傾向となる。このため、Ｃｒの含有量を０．０１〜１．０％に限定することが好ましい。なお、さらに好ましくは０．０１〜０．８０％である。

Ｃｕは、焼入れ性を向上させるとともに、固溶強化あるいは析出強化により鋼板の強度を向上する作用を有する元素である。このような効果を得るためには、０．０１％以上含有することが望ましいが、含有量が０．５０％を超えると熱間加工性を低下させる。このため、Ｃｕの含有量を０．０１〜０．５０％に限定することが好ましい。なお、より好ましくは０．１０〜０．４０％である。

Ｎｉは、焼入性を向上させ、鋼の強度を向上するとともに、鋼板の靭性をも向上する作用を有する元素である。このような効果を得るためには、０．０１％以上含有することが望ましい。一方、０．５０％を超えて含有しても、その効果が飽和し含有量に見合う効果が期待できなくなり経済的に不利となる。このため、Ｎｉの含有量を０．０１〜０．５０％に限定することが好ましい。なお、より好ましくは０．１０〜０．４５％である。
前記組成に加えて、さらにＣａ：０．０００５〜０．００５％、Ｂ：０．００１％以下、ＲＥＭ：０．０００５〜０．００５％の中の１種または２種以上を含有してもよい。

Ｃａは、ＳをＣａＳとして固定し、硫化物系介在物を球状化し、介在物の形態を制御する作用を有する元素である。また、介在物の周囲のマトリックスの格子歪を小さくし、水素のトラップ能を低下させる。このような効果を得るためには、Ｃａを０．０００５％以上含有させることが望ましいが、０．００５％を超えて含有すると、ＣａＯの増加を招き、耐食性、靭性を低下させる。このため、Ｃａを含有する場合には、０．０００５〜０．００５％に限定することが好ましい。なお、より好ましくは０．０００９〜０．００３％である。

Ｂは、少量の含有で焼入れ性を顕著に向上させ、鋼板強度の増加に寄与する。このような効果は０．０００３％以上の含有で顕著となるが、０．００１％を超えて含有させても効果が飽和する。このようなことから、Ｂを含有する場合には０．００１％以下に限定することが好ましい。

ＲＥＭは、展伸した粗大な硫化物を球状の硫化物とする硫化物の形態制御に寄与する元素である。このような効果を得るためには、ＲＥＭを０．０００５％以上含有することが望ましいが、０．００５％を超えて多量に含有すると、鋼板の清浄度を低下させる。そのため、ＲＥＭは０．０００５〜０．００５％に限定することが好ましい。

熱延鋼板の製造は、ＡＰＩ規格Ｘ８０級レベルの鋼帯が得られるのであれば、特に限定されない。一例を挙げれば、上記した組成の鋼素材を、好ましくは１１００〜１３００℃に加熱する。加熱温度が１１００℃未満では、変形抵抗が高く圧延負荷が増大し圧延能率が低下する。一方、加熱温度が１３００℃を超えて高温になると、結晶粒が粗大して低温靭性が低下するうえ、スケール生成量が増大し表面性状が低下する恐れがある。このため、熱間圧延における加熱温度は１１００〜１３００℃とすることが好ましい。

ついで、加熱された鋼素材に熱間圧延を施す。
熱間圧延は、粗圧延と仕上げ圧延からなる圧延とする。粗圧延の条件はとくに限定する必要はなく、所定寸法形状のシートバーとすることができればよいが、粗圧延されたのちの仕上げ圧延では、未再結晶温度域での熱間圧延率を２０％以上、仕上げ圧延終了温度：７５０℃以上に調整することが好ましい。また圧延機への負荷の観点から熱間圧下率は９５％以下とすることが好ましい。

仕上げ圧延後の冷却は、必要に応じて適切な手段を用いることが出来る。
巻取温度は、４００〜５８０℃であればよい。巻取温度が５８０℃を超えると、Ｔｉ、Ｎｂの炭窒化物の析出が促進され、鋼板の強度が高くなりすぎる可能性がある。一方で、４００℃を下回るとＴｉ、Ｎｂ炭窒化物の析出が不十分で、Ｘ８０級以上の強度を得られなくなる場合がある。このため、巻取温度は４００〜５８０℃の範囲に限定した。好ましくは４６０〜５５０℃である。

なお、上記の成分範囲、製造方法は、ＡＰＩ規格Ｘ８０級グレードの例であるが、目的とするグレードに合わせて、成分範囲、製造方法を適宜選択、調整できることは言うまでもない。

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Ｘ５６級で、外径６００ｍｍ、肉厚２５．４ｍｍの電縫鋼管を、インナーロールの適用条件を調整することで、第１フィンパスロール入側のオープン管の断面形状を図８に示す３通りの形状として製造した。断面１はＲ１＝０．４４、Ｒ２＝０．３６、Ｘ＝１１５．７°の比較例１、断面２はＲ１＝０．６９、Ｒ２＝０．３４、Ｘ＝１１１．７°の比較例２、断面３はＲ１＝０．８６、Ｒ２＝０．２８、Ｘ＝１２２．２°の本発明例である。これらの各鋼管について、製造過程における変形挙動を有限要素法を用いた成形計算により第１フィンパスロールによる成形後の相当塑性歪とスクイズロール成形後の相当塑性歪、および電縫溶接後の鋼管を形成する鋼帯の板厚歪を算出し、それぞれの管周方向分布を求めた。なお、前記相当塑性歪は、変形様式にかかわらず、塑性変形による加工硬化後の降伏応力（相当応力）を被加工材の真応力―真歪曲線を用いて求めるための指標となる塑性歪である。

第１フィンパスロールによる成形後の相当塑性歪の管周方向分布を図９に示す。第１フィンパスの下ロールと接触する管底部からの管断面周方向距離が０〜２５０ｍｍの間で、断面１（比較例１、Ｒ１＝０．４４、Ｒ２＝０．３６、Ｘ＝１１５．７°）の場合の相当塑性歪はピーク値が５％程度と大きく、管周方向分布が最も不均一であった。これに対し、断面３（本発明例、Ｒ１＝０．８６、Ｒ２＝０．２８、Ｘ＝１２２．２°）では相当塑性歪のピーク値が２．５％（０．０２５）と小さく、断面１、断面２（比較例２、Ｒ１＝０．６９、Ｒ２＝０．３４、Ｘ＝１１１．７°）の場合に比べ相当塑性歪の管周方向分布も均一であった。

次に、スクイズロール成形後の相当塑性歪の管周方向分布を図１０に示す。図１０に示すように、断面３（本発明例、Ｒ１＝０．８６、Ｒ２＝０．２８、Ｘ＝１２２．２°）の場合の相当塑性歪が管周方向位置の全般にわたって相対的に小さく、当該領域にわたる相当塑性歪の平均値を用いて比較すると、断面１、２の場合に比べ０．８〜０．９％（０．００８〜０．００９）小さいことが確認できた。また、本発明例の相当塑性歪のピーク値は０．０３８であって、製造した電縫鋼管のｔ（肉厚）／Ｄ（外径）＝０．０４より小さく、造管歪が小さいことを確認できた。

さらに、仕上成形工程が完了し、鋼帯の幅端部を溶接した後の電縫鋼管を形成する鋼帯の板厚歪（Thickness strain）の管周方向分布においても、図１１に示すように、断面３（本発明例）として製造した電縫鋼管を形成する鋼帯の板厚歪の管周方向分布が他の断面（比較例１、２）の場合に比べて、より一様となり、管底から周方向に±９０°の範囲での板厚歪の変化量（板厚の変化率に相当）が±０．６％以内であった。

また、本発明の製造方法で、強度レベルがＡＰＩ規格Ｘ５６〜Ｘ８０級で、外径２１９〜６１０ｍｍ、肉厚１２〜２６ｍｍの電縫鋼管を製造し、それぞれの鋼管について管周方向の各位置における肉厚、および管周方向の各位置から切り出した引張試験片を用いて管周方向各位置における降伏応力を測定し、造管による肉厚の変化率すなわち電縫鋼管を形成する鋼帯の板厚歪の変化量と降伏応力の上昇量すなわち加工硬化の大きさを評価した。その結果、肉厚が１２〜２６ｍｍであり、肉厚と外径の比が２〜２０％の範囲内であれば、肉厚の変化率は、管底部から周方向に±９０°の範囲で、±１％の範囲にあり、降伏応力の上昇量は、素材の強度に応じて異なるが、一例として、ＡＰＩ規格Ｘ６５の場合、管底部で４８．５ＭＰａ（相当塑性歪３．３％の加工硬化量に相当）、管底部から±９０°の位置で３０．３ＭＰａ（相当塑性歪１．９％の加工硬化量に相当）であることを確認した。

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
Ａ オープン管の鋼帯幅端部の外表面側角部
Ｂ フィンパスロールのフィン基端部
Ｃ フィンパスロールの下ロールのカリバー底
Ｄ 圧下方向線からの距離が最大となるオープン管の外表面の位置

Claims (3)

1. 鋼帯を、インナーロールを備えたケージロール群により中間成形する中間成形工程と、
   フィンパスロール群により管状に仕上成形する仕上成形工程と、
   該仕上成形工程後に前記鋼帯の幅端部を電気抵抗溶接して管とする溶接工程と、
   を有する電縫鋼管の製造方法において、
   前記仕上成形工程の最初の成形を施す上ロール、下ロールおよびサイドロールで構成される第１フィンパスロールの前記下ロールの中心軸を通りオープン管の進行方向と直交する断面に、前記第１フィンパスロールの入側での前記オープン管の進行方向と直交する前記オープン管の断面を、前記オープン管の底部の外表面と前記下ロールのカリバー底Ｃを一致させて投影した際に、
   前記オープン管を形成する鋼帯の幅端部の外表面側角部Ａと前記上ロールのフィン基端部Ｂとを含む直線である圧下方向線と前記オープン管の外表面との距離の最大値Ｓｍと、前記圧下方向線と前記カリバー底Ｃとの距離Ｓｃと、の比Ｒ１（＝Ｓｃ／Ｓｍ）が下記（１）式を満たし、かつ前記圧下方向線と前記オープン管の外表面との距離が最長となる前記圧下方向線上の点Ｆと前記カリバー底Ｃから前記圧下方向線へ下ろした垂線の足Ｅとの距離ＥＦと、前記上ロールのフィン基端部Ｂから前記点Ｅまでの距離ＢＥと、の比Ｒ２（＝ＥＦ／ＢＥ）が下記（２）式を満たし、かつ前記オープン管を形成する鋼帯の対向する両幅端部におけるそれぞれの外表面の接線が交差してなす前記オープン管側の交差角Ｘが１２０°以上となるように、前記中間成形工程で、前記鋼帯の両側幅端部付近を外面側から押圧するケージロールと、成形中の前記鋼帯の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前記インナーロールとを用いて、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ように前記オープン管を中間成形することを特徴とする造管歪が小さい電縫鋼管の製造方法。
   ０．７０ ≦ Ｒ１ ・・・・・ （１）
   Ｒ２ ≦ ０．３３ ・・・・・ （２）
2. 前記電縫鋼管が、肉厚が１２〜２６ｍｍの電縫鋼管であることを特徴とする請求項１に記載の造管歪が小さい電縫鋼管の製造方法。
3. 前記電縫鋼管が、肉厚と外径の比が２〜２０％の電縫鋼管であることを特徴とする請求項１または２に記載の造管歪が小さい電縫鋼管の製造方法。

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