JP6347307B2 - 鋼管の変形性能評価方法、鋼管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＵＯＥ鋼管のように製造過程においてダイスによる拡管工程を経て製造される鋼管の変形性能評価方法、及び該鋼管の変形性能評価方法を用いた鋼管の製造方法に関する。

近年、ガス・石油などエネルギー需要の高まりからガス田・油田の新規開拓が盛んになっている。このことからパイプラインを地震地帯や、凍土地帯に敷設することが多くなっている。地震地帯や、凍土地帯（特に不連続な凍土地帯）では液状化、断層変位や凍上・溶解により地盤が大きく動き、それに伴い埋設されているパイプラインが地盤の大変形の影響を受けて変形する可能性がある。

大変形が生ずる環境下においては、パイプラインは塑性化した後も大きな変形作用を受けることになる。過大な変形が作用した場合には、鋼管は曲げられ、圧縮側で座屈し、その後引張側で破断する。パイプラインが破断するとガス等の漏出事故につながるため、このような破断が生じないようにパイプラインを構成する鋼管には変形性能が求められている。

上記のようなパイプラインに用いられるＵＯＥ鋼管は、ダイスで外径方向に拡管する工程の影響で、鋼管の外形が波形状になっている。この波形状の影響により、鋼管の曲げ剛性は一定ではなく、バラつきがある。このため、一部の曲がりやすいところに曲げひずみが先行し、この部分に座屈が発生する。
鋼管が座屈せずに曲がるようにするため、すなわち変形性能が優れた鋼管にするためには、材質および形状の両面での改善が必要である。

この点、形状面に関しては、理想的には鋼管の形状が真円で、かつ板厚にバラツキが無く一定であり、かつ鋼管の径方向の形状にもバラツキがないことが望まれる。
もっとも、工業的に完全な真円でバラツキのない形状の鋼管を製作することは不可能であり、ある一定の製造公差以内に製品の形状特性を制御する必要がある。
この点、特許文献１には、うねり波長比Ｄというものを定義し、このうねり波長比Ｄの値を0.8以下として、0.8以下であれば耐座屈性すなわち変形性能が向上するとしている。
なお、特許文献１においては、波形形状の振幅は一定値、具体的には0.73mm=0.06%ODとして評価することが示されている。

特許５４４７４６１号公報

特許文献１において、振幅は全ての”うねり”において同じであることを前提として計算されており、振幅がどのように耐座屈性に影響するのかについて明記されていない。
また、波形形状の周波数が同一であるものを想定しており、複数の波長の波あるいはランダム波を想定したものではない。
上記のように、特許文献１においては、拡管される鋼管の形状に関し、その外形は単一周波数を有する鋼管形状を想定して設計や評価が行われている。

しかしながら、鋼管の外形は拡管制御方法、例えば拡管ピッチ等の違いにより、波形形状が変化する。例えば細かいピッチで拡管した場合には短周期小振幅となり、粗いピッチで拡管した場合には長周期大振幅になる傾向にある。ここで、拡管工程では一般に鋼管長よりも短いダイスという工具を用い、ダイスが鋼管の内径側に設置され外径側に鋼管を加力して拡大し、鋼管の部分的な拡管を終えた後、次の拡管位置に移動し同様の拡管処理を行う。本発明において、拡管ピッチとは、上記拡管処理でダイスが拡管位置に移動する際、その１回あたりの移動量を指す。
そして、実際には、拡管ピッチを粗いピッチ例えば450ｍｍピッチで拡管した場合には、図１０に示すように、鋼管の外形はサインカーブに近い形状となるが、拡管ピッチを細かいピッチ例えば80ｍｍピッチで拡管した場合には、図１１に示すように、波形が重畳することによって単純なサインカーブでなくランダムな波形になっている。
なお、図１０、図１１において、横軸は計測位置（ｍｍ）であり、縦軸は外径方向不整（ｍｍ）である。ここで、外径方向不整とは、鋼管の外形形状を計測して求めた平均径からのズレ量を意味している。
このようなことから、鋼管の外形の振幅又は波形に基づくのみではその変形性能を評価することができない。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、ダイスによる拡管工程を経て製造される鋼管について、拡管のピッチが粗いものあるいは細かいものでもその変形性能を評価できる鋼管の評価方法、及び該鋼管の評価方法を用いた鋼管の製造方法を提供することを目的としている。

発明者は、鋼管の外形形状の振幅又は波形では評価できなくなった実鋼管形状を対象として、鋼管の変形性能を評価する方法を鋭意検討した。その結果、鋼管の外形形状がランダムな波形を有する形状であっても、周期ごとにパワーを有する複合波となる点に着目し、鋼管の外形形状をスペクトル解析してそのパワースペクトルと鋼管の変形性能との間に相関関係があるとの知見を得て本発明を完成した。ここで、パワースペクトルとは、各波長（波数）における実際の信号強度分布を意味し、信号のパワーを一定の周波数帯域毎に分割し、各帯域毎のパワーを周波数の関数として表したものである。

本発明は、具体的には以下の構成からなるものである。
（１）本発明に係る鋼管の変形性能評価方法は、ダイスによる拡管工程を経て製造される鋼管の変形性能評価方法であって、
鋼管の外形を測定して外形形状を取得する外形形状取得工程と、取得した前記外形形状の波形からパワースペクトルを取得するパワースペクトル取得工程と、取得したパワースペクトルを所定の波長範囲について積分し、この積分値に基づいて変形性能を判定する判定工程とを備えた鋼管の変形性能評価方法である。

（２）また、上記（１）に記載の鋼管の変形性能評価方法において、前記判定工程は、前記積分値が予め定めた所定の値以下の場合には所定の変形性能を満たすと判定する。

（３）本発明に係る鋼管の製造方法は、上記（１）又は（２）に記載の鋼管の変形性能評価方法に基づいて鋼管を製造する鋼管の製造方法であって、
前記変形性能評価方法の判定工程において変形性能が所定の変形性能を満たさないと判定された場合には、ダイスによる拡管工程における拡管ピッチを小さくするようにした鋼管の製造方法である。

本発明においては、鋼管の外形を測定して鋼管の外形形状を取得する外形形状取得工程と、取得した外形形状の波形からパワースペクトルを取得するパワースペクトル取得工程と、取得したパワースペクトルを所定の波長範囲について積分し、この積分値に基づいて変形性能を判定する判定工程とを備えたことにより、拡管のピッチが粗いものあるいは細かいものでもその変形性能を的確に評価することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る鋼管の変形性能評価方法の説明図である。 図２は、本発明が対象としているダイスによる拡管工程を経て製造される鋼管の外形の模式図である。 図３は、拡管ピッチが450ｍｍの場合のパワースペクトルを示す図である。 図４は、拡管ピッチが125ｍｍの場合のパワースペクトルを示す図である。 図５は、拡管ピッチが80ｍｍの場合のパワースペクトルを示す図である。 図６は、パワースペクトルを正規化するためのランダム波を示す図である。 図７は、図６に示したランダム波のパワースペクトルを示す図である。 図８（ａ）はランダム波形のパワースペクトルの積分した面積を示す図であり、図８（ｂ）は拡管ピッチが450ｍｍの外形形状の波形のパワースペクトルの積分した面積を示す図であり、図８（ｃ）は拡管ピッチが125ｍｍの外形形状の波形のパワースペクトルの積分した面積を示す図であり、及び図８（ｄ）は拡管ピッチが80ｍｍの外形形状の波形のパワースペクトルの積分した面積を示す図である。 図９は、実施例における実験結果を示すものであり、正規化したパワースペクトルの積分値と座屈時の曲げ角度（deg）との関係を示すグラフである。 図１０は、拡管ピッチが450ｍｍの鋼管の外形形状の波形を示す図である。 図１１は、拡管ピッチが80ｍｍの鋼管の外形形状の波形を示す図である。

本発明の一実施の形態に係る鋼管の変形性能評価方法は、ダイスによる拡管工程を経て製造される鋼管を対象としており、図１に示すように、鋼管の外形形状の波形を取得する外形形状取得工程、取得した外形形状の波形からパワースペクトルを取得するパワースペクトル取得工程、及び鋼管の変形性能を判定する判定工程を備えている。例えば、本発明の鋼管の変形性能評価方法を実行する変形性能評価装置は、外形形状取得部、パワースペクトル取得部、および判定部を有する。図１に示す鋼管の変形性能評価処理は、変形性能評価装置に対して、波形の取得を示す信号の入力があったタイミングで開始され、後述の外形形状取得工程の処理に進む。
以下、各工程を詳細に説明する。

＜外形形状取得工程＞
外形形状取得工程は、例えばレーザートラッカーやスキャナーによって鋼管の外形を計測する、あるいは鋼管の外形を写真撮影し撮影画像を用いて鋼管の外形を測量することにより、鋼管の外形形状を取得する工程である。ここで、外形形状の波形とは、鋼管の管軸方向に測定される波形をさす。
ダイスによる拡管工程を経て製造される鋼管の場合、図２に示すように、鋼管１の外形に波長と振幅の波形が現れる場合がある。これは、図１０で示した、例えば450mmピッチで拡管したような場合である。図１０の例では、鋼管の外径はΦ609mmであり、板厚はt17.5mmである。
他方、図１０と同じ鋼管サイズを、例えば80mmピッチで拡管した場合には、図１１で示したように、波形が重畳して特定の振幅や波長の波形ではなく、ランダムな波形となる。

＜パワースペクトル取得工程＞
パワースペクトル取得工程は、外形形状取得工程で取得した鋼管の外形形状の波形からパワースペクトルを取得する工程である。
パワースペクトルは、以下の方法によって取得できる。
データ数をN、複素フーリエ係数f(z)を平均0で正規化された形状データであるとする。
離散フーリエ変換は下式で表される。

各周波数(ここでは波長)の振幅(z向きの不整値)の大きさＰ_（ｘ）は、下記に示すパワースペクトルで表記することができる。

上記の式で求まるパワースペクトルを図３〜図５に示す。図３は拡管ピッチが450ｍｍの場合のパワースペクトルのグラフ、図４は拡管ピッチが125ｍｍの場合のパワースペクトルのグラフ、図５は拡管ピッチが80ｍｍの場合のパワースペクトルのグラフである。なお、図３〜図５のいずれも、例えば鋼管の外径がΦ609mm、板厚がt17.5mmにおけるパワースペクトルのグラフである。
図３〜図５において、縦軸がパワースペクトル、横軸が波長（ｍｍ）である。
図３を見ると、波長が450ｍｍのところで非常に大きなパワースペクトルを示している。これは、450mmに卓越した周期を有しているためである。

図４を見ると、波長が125mmのところで大きなスペクトルを示している。一方で、450mmの波長のスペクトルは小さくなっているものの、全く無くなっているわけではなく、450mmの波長はその近傍の波長成分に比して高いパワースペクトルを示している。これは、ダイスは450mmが有効長であり、拡管ピッチが125mmであっても450mmの塑性加工を繰り返していることには変わりがなく、重ね押しにより125mmの単波長が実現できるわけではなく、450mmの波長を有しながらもそれが卓越しない程度までに抑えているにすぎないからである。

図５を見ると、図４の拡管ピッチが125mmの場合と同様に、450mmの波長のスペクトルは小さくなっている。また、図４の拡管ピッチが125mmの場合に比較して、短波長(横軸右側)にピークがシフトしており、さらに短波長になっており、かつ、パワースペクトルも小さい。すなわち、図５では、振幅が小さいよりフラットな鋼管になっていることがわかる。なお、450mmの波長のパワースペクトルはある程度は大きく、パワースペクトルのピークで言えば、この波長がmaxとも言える。つまり、図５の拡管ピッチが80ｍｍの場合も、図４の拡管ピッチが125mmの場合と同様に、450mmの波長を有しながらも、それが形状を支配すると言えない程度までに抑えられていると言える。

＜判定工程＞
判定工程は、パワースペクトル取得工程で取得したパワースペクトルの所定の波長範囲について積分し、この積分値に基づいて鋼管の変形性能を判定する工程である。
ここで所定の波長範囲とは、その上限値は８λ（約1000ｍｍ）とし、下限値はλ（約125ｍｍ）としている。なお、かっこ書き内の数値は、上述のように、例えば鋼管の外径がΦ609mmであり、板厚がt17.5mmであるときの値である。
ここでλはティモシェンコの座屈半波長であり、λ=1.72√(rt)（ここに、r：半径,t：板厚）と表される。
パワースペクトルの積分値Ｉは下式で与えられる。

図３〜図５において、パワースペクトルの積分範囲をグレーで示している。
上限値を８λとしたのは、ダイスによる拡管によって鋼管外形に生ずる波長が８λを越えることは通常考えられないからである。なお、現在製造している拡管が必要な鋼管のサイズを主として16〜56インチとし、一般的に用いられているダイスが拡管できる幅の観点より、例えば24インチ、板厚がｔ17mmの鋼管では上限値の8λは1000mmである。
また、下限値をλとしたのは、この波長以下では波形形状が及ぼす座屈発生への影響が少ないと考えられるからである。好ましくは、下限値は２λとする。なお、ティモシェンコの座屈波形の観点より、例えば24インチ、板厚がｔ17mmの鋼管では下限値のλは125mmであり、製造している鋼管サイズのうち最小径・板厚級の16インチ、板厚がｔ5mmの鋼管では下限値のλは55mmである。

なお、鋼管の外形の波形形状が示すパワースペクトルの積分値によって判定するに際しては、例えば図６に示すように、固有の振幅を有しないランダム波を作成し、このランダム波のパワースペクトルＩ₀を求め、図７に示すようにＩ/Ｉ₀として正規化するのが好ましい。ここでＩとは、鋼管の波形が示すパワースペクトルを指す。
図８には、（ａ）ランダム波のパワースペクトルの積分範囲の積分値、（ｂ）拡管ピッチが450ｍｍのパワースペクトルの積分範囲の積分値、（ｃ）拡管ピッチが125ｍｍのパワースペクトルの積分範囲の積分値、（ｄ）拡管ピッチが80ｍｍのパワースペクトルの積分範囲の積分値を図示している。

判定工程は、この積分範囲を正規化して得られた積分値によって鋼管の曲げ性能を判定するものであり、得られた積分値が小さいほど鋼管の変形性能に優れると評価できる。この点は、後述の実施例において実証している。
なお、具体的には得られた積分値が予め設定した所定の値以下の場合には、鋼管の変形性能に優れるとし、逆に得られた積分値が前記所定の値よりも大きい場合（超える場合）には、要求された鋼管の変形性能を満たさないと判定する。

このように、本実施の形態によれば、ランダム波となるような、拡管ピッチが小さく鋼管の外形形状の波形が重畳波形となるような場合にも鋼管の変形性能を正確に判定することができる。

次に、本発明の鋼管の変形性能評価方法に基づいて鋼管を製造する鋼管の製造方法について説明する。
本発明の鋼管の製造方法は、上記した変形性能評価方法の判定工程において変形性能が所定の変形性能を満たさないと判定された場合には、ダイスによる拡管工程における拡管ピッチを小さくするものである。
例えば、成形工程により、鋼板の幅方向端部同士が対向するように先端部に断面円弧状の外周面を有するパンチで鋼板を圧下するベンディングプレス方式で鋼板を円筒形状に成形し、次いで、溶接工程により、鋼板の幅方向端部同士を突き合わせて溶接し、次いで、拡管工程により、断面円弧状の外周面を有する複数の拡管ダイスが円周方向に配置された拡管機を用いて鋼管の内側から拡管して、鋼管を得る。その後、上記した変形性能評価装置により、鋼管の外形形状の波形を取得する外形形状取得工程が行われ、次いで、取得した外形形状の波形からパワースペクトルを取得するパワースペクトル取得工程が行われ、次いで、鋼管の変形性能を判定する判定工程が行われる。

上記の実施の形態で説明したパワースペクトルの積分値Ｉによって鋼管の変形性能を判定できることを実証するための実験を行ったので、これについて以下説明する。
実験としては、拡管ピッチと外形形状の振幅を変更した複数種類の拡管方法を行い、各拡管方法における正規化した積分値と座屈時の曲げ角度との関係を調査した。
拡管方法及び調査結果は下記の表に示す通りである。

表１に記載のＮｏ.１〜Ｎｏ.８のうち、現在実際に行われている拡管方法は、Ｎｏ.３、４、７である。その他の拡管方法は、Ｎｏ.３、４、７の間を埋めるために振幅を変更して模擬的に行ったものである。なお、表１における座屈時の曲げ角度は、60%、SMYS（specified minimum yield strength(X70)の内圧状況下で、鋼管に曲げを付与して座屈する試験を模した解析の結果である。
表１に示した座屈時の曲げ角度と正規化したパワースペクトルの積分値との関係を図９のグラフに示す。

図９のグラフを見ると、「座屈時の曲げ角度」と正規化した「パワースペクトルの積分値」との関係は、Ｎｏ.２とＮｏ.８との間では逆転しているが、この点を除けば、概ね反比例する関係にあり、正規化したパワースペクトルの積分値を指標としてパワースペクトルの積分値が小さくなることで、鋼管の変形性能に優れると判定できることが分かる。
そして、Ｎｏ.３とＮｏ.８の振幅を見ると、共に±0.2ｍｍで同じであるが、Ｎｏ.８の積分値は小さく、座屈時の曲げ角度は大きくなっている。このことから、鋼管の外形形状の振幅が同じであっても、鋼管の変形性能には差異があり、従来の外形形状のみからの判定では判定できないものが、本願発明によれば判定できることが示唆されている。

前述したように、Ｎｏ.４の拡管ピッチが80ｍｍ、Ｎｏ.７の拡管ピッチが125ｍｍの外形形状は、450ｍｍ波長の成分を有しながらも、それが形状を支配すると言えない程度までに抑えられているものであった。これが意味するのは、450ｍｍの波長を有していたとしても、450ｍｍの波長の振幅成分を減じ、あるいは、別の周波数成分に振り分けることが出来るのであれば、鋼管の変形性能は向上する、ということを意味している。

従来の変形性能（座屈性能）の改善方法は、特定の波長を有さない、あるいは、管端に特定の最小径と最大径の差を設けないようにするというものであったが、このような考え方では、拡管ピッチが80ｍｍ、125ｍｍの外形形状のような複雑な波形を有する鋼管の性能を規定することができない。そして、広域な周波数帯域にそれぞれの振幅を有するのが製造時に生み出される一般的な鋼管であることから、従来の考え方ではこのような一般的な鋼管に対する性能向上や性能評価をすることができない。
しかし、上記のように特定の波長を有していたとしても、その特定の波長の振幅成分を減じ、あるいは、特定の波長を別の周波数成分に振り分けることが出来るのであれば、鋼管の変形性能は向上するという知見が得られた。これにより、本発明によれば、上記の一般的な鋼管においても性能向上や性能評価をすることができる。

なお、この実施例の結果からすれば、拡管ピッチは125ｍｍ程度に小さくすれば十分であり、あるいは拡管後の外形形状の振幅が±0.1ｍｍ以下にできるようにダイスを改善することで、鋼管の変形性能を向上できることが分かる。
このように、本発明の判定方法を用いることで、鋼管の変形性能の判定のみならず、ダイスによる拡管方法に関し、鋼管の変形性能を向上させるための改善方法の指針ともなり得る。
また、製造された鋼管の外形形状は、上述したようにレーザートラッカーやスキャナー等によってオンラインで計測して取得可能であるため、それを製造時に逐次計測し、計測結果に基づいて本発明の判定方法を実施し、判定結果を拡管制御にフィードバックすることで変形性能に優れる鋼管を随時製造することができる。これにより、製品歩留まりの向上も図ることが出来る。
なお、フィードバックの具体例としては、所定の鋼管の変形性能を満たさないと判定された場合には、ダイスによる拡管工程における拡管ピッチを小さくするようにすればよい。

１ 鋼管

Claims (3)

1. ダイスによる拡管工程を経て製造される鋼管の変形性能評価方法であって、
   鋼管の外形を測定して外形形状の波形を取得する外形形状取得工程と、
   取得した前記外形形状の波形から下記のP(x)で定義されるパワースペクトルを取得するパワースペクトル取得工程と、
   取得したパワースペクトルを所定の波長範囲について積分し、この積分値に基づいて鋼管の変形性能を判定する判定工程とを備えた鋼管の変形性能評価方法。
   ただし、N：データ数
   f(z)：複素フーリエ係数を平均0で正規化された形状データ
2. 前記判定工程は、前記積分値が予め定めた所定の値以下の場合には所定の変形性能を満たすと判定する請求項１記載の鋼管の変形性能評価方法。
3. 請求項１又は２に記載の鋼管の変形性能評価方法に基づいて鋼管を製造する鋼管の製造方法であって、
   前記変形性能評価方法の判定工程において変形性能が所定の変形性能を満たさないと判定された場合には、ダイスによる拡管工程における拡管ピッチを小さくする鋼管の製造方法。