JP6447196B2

JP6447196B2 - チタン溶接管の製造方法

Info

Publication number: JP6447196B2
Application number: JP2015019370A
Authority: JP
Inventors: 美昭伊丹
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2015-02-03
Filing date: 2015-02-03
Publication date: 2019-01-09
Anticipated expiration: 2035-02-03
Also published as: JP2016140895A

Description

本発明は、チタン管及びチタン管の製造方法に関する。

液化天然ガス（ＬＮＧ）は、液化状態でマイナス１６０℃程度の極低温液体であり、冷熱エネルギーを有している。液化天然ガスが有する冷熱エネルギーは、例えば冷熱発電に利用される。冷熱発電では、伝熱管の外側に液化天然ガスを浸漬し、伝熱管の内部に温かい海水を通すことにより、液化天然ガスが０℃以上の温度まで加熱される。

伝熱管に関し、例えば下記の特許文献１には、管内に熱源となる海水を流し、管外に浸漬された冷媒を沸騰させる沸騰用伝熱管であって、内部に海水が流れるチタン製又はステンレス製の内管と、内管の外周面に設けられ、内管よりもヤング率の小さい金属製の外管とを有する伝熱管が記載されている。

特開２０１２−２３７４号公報

しかしながら、伝熱管内部に海水などを流して外部の冷媒を加熱する際、伝熱管への海水の供給が何らかの要因によって停止し、伝熱管内部の海水の流れが停止すると、海水が冷媒によって冷却されて凍結する。海水が伝熱管の内部で凍結すると、海水が氷になる際に膨張し、伝熱管が破損する問題がある。特に、伝熱管として溶接管を用いた場合、海水の膨張による破損が顕著に発生する問題があった。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、凍結による破損を確実に抑止することが可能な、新規かつ改良されたチタン溶接管の製造方法を提供することにある。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、内部に液体を通して伝熱管として用いられるチタン溶接管の製造方法であって、母材の幅方向のエッジ部に接触する部分にフィンが設けられたフィンロールを成形ロールとして用い、前記エッジ部の肉厚を母材の肉厚よりも５％以下の範囲で増肉するとともに母材を管状に成形し、前記エッジ部を溶接して接続した後、ＳＺロールにて外径を縮径する加工を行って前記チタン溶接管を製造し、前記成形ロールの圧下量を調整することにより、成形時に加工歪みを付与することで耐力を２７５ＭＰａ以上に高め、母材の円周方向の伸びが２６％以上の特性を有する、チタン溶接管の製造方法が提供される。

また、ＪＩＳ１種のチタン材を母材として使用するものであっても良い。

また、前記エッジ部をレーザ溶接して接続するものであっても良い。

以上説明したように本発明によれば、凍結による破損を確実に抑止することが可能な、チタン溶接管の製造方法を提供することができる。

高圧化における水の状態図を示す模式図である。成形歪み（加工歪み）を加えたことによる耐力の増加を示す模式図である。チタン管の製造工程を示す模式図である。ロールに成形されるチタン板が通過する様子を示す断面図である。異方加工硬化により、エッジ部（溶接部）の近傍で板厚が減少してくびれが生じた状態を示す断面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

天然ガスの産出地から遠隔に位置する日本などの消費地では、極低温状態（約−１８０℃）の液化天然ガスを受け入れ、常温までガス化することで、天然ガスを都市ガスや発電用燃料として利用している。

液化天然ガスをガス化する際には、気化器が用いられる。気化器は、伝熱管内に海水等を流し、伝熱管外に液化天然ガスを流すことにより、海水の熱によって液化天然ガスを気化させる。

この種の熱交換機器では、管内に流す液体が海水等の腐食性液体である場合には、耐食性に優れたチタン管が伝熱管として用いられる。しかしながら、前述の通り、管内を流れる海水が凍結した場合は、管に割れなどの損傷が生じることが想定される。

このため、凍結した際の損傷を抑えるため、伝熱管には所定のスペックが要求される。例えば、伝熱管の両側解放口に伝熱管周方向の変形を十分に拘束できる凹型栓を設けて、伝熱管に水を満たし完全にシールした後、−５０℃の試験漕に浸漬して、そのシールした伝熱管内部を完全に凍結させ、次いでシールを外して室温に戻して解凍し、さらに水を加えて再度シールし、−５０℃の試験漕に浸漬してそのシールした伝熱管内部を完全に凍結させる、試験を繰り返し、伝熱管に亀裂が生じるまでの凍結回数が３回以上であることが一つの指標となる（例えば、特開昭６１−１８６４６１号公報）。

以上のような点に鑑み、本実施形態では、凍結する際の氷の相転移に着目し、凍結する際の拡管に耐えるチタン管を提供する。

図１は、高圧化における水の状態図を示している。図１中のＩ〜ＶＩＩＩはそれぞれ氷Ｉ〜ＶＩＩの存在領域であり、数字はそれぞれの領域の圧力の最も低い部分における密度［ｇ／ｃｍ^３］を示している。図１に示すように、水が凍結する際には、密度が１．０［ｇ／ｃｍ^３］から０．９２［ｇ／ｃｍ^３］へ変化する。従って、体積は１／０．９２＝１．０８倍となる。３回の凍結に耐えるためには、（１．０８）^３＝１．２６＝１２６％の拡管に耐えれば良いことが判る。換言すれば、チタン管の母材として、２６％以上の伸びを有することが求められる。

一般的に、閉じ管の応力は、周方向をσ_θ、軸方向（管長手方向）をσ_ｚとすると、σ_θ＝２＊σ_ｚとなり、大きな応力は周方向にかかる。従って、周方向に拡大変形が発生する。また、管軸方向にも伸びる変形が発生する。

柔らかい材料は、加工硬化係数が大きく、歪みとともに強度が高まるため、加工硬化特性に優れ、変形に耐えることができる。一方、チタン材において、酸素、鉄、窒素の少ない純チタン材は、強度が低くなり、伸びは５０％以上高くなるが、耐力２７５ＭＰａ（ＪＩＳ２種材に相当）を満足することができない。

このため、本実施形態では、チタン管の材料として軟らかい材料を用い、上述した３回の凍結に耐えるものを提供する。具体的には、延性に優れた軟らかい材料を用い、造管時に適度な成形歪みを加えることで、耐力２７５ＭＰａを満足させ、円周方向の伸び２６％以上（素材、幅方向伸び４０％）の拡管に耐えるチタン管を提供する。

図２は、成形歪み（加工歪み）を加えたことによる耐力の増加を示す模式図であって、引張試験の例を示している。図２において、横軸は公称歪み［％］を、縦軸は公称応力（耐力）［ＭＰａ］を示している。図２に示すように、素材に対して適当な歪を与えることで、公称応力を増加させることができる。歪を高くするほど耐力はより高くなるが延性は低くなる。本実施形態では、適度な歪みを与えることで、図２に示す破線の特性を得て、耐力を２７５Ｐａ以上に高めるとともに、延性も２６％以上確保できるようにする。

例えば、ＪＩＳ２種のチタン材を使用して溶接によりチタン管を製造したとしても、母材の伸びが２３％以上であるため、２６％以上の伸びを確保することができず、上述した３回の凍結回数に耐えることができない。本実施形態では、ＪＩＳ２種よりも柔らかいＪＩＳ１種のチタン材を使用することで、延性の良好な材料を使用し、且つ加工歪を与えることで耐力（０．２％耐力（＝σ_０．２））を高める。ＪＩＳ１種のチタン管の伸びは２７％以上であるため、３回の凍結に耐えるチタン管を提供することが可能となる。

以下、歪みの付与について詳細に説明する。図３は、本実施形態に係るチタン管の製造工程を示す模式図であって、チタン管を溶接管として製造する場合を示している。この場合、図３に示すように、冷延コイルのチタン板２００を溶接管ラインに通し、ロール３００によって管状に成形し、継目のエッジ部２００ａを溶接によって接続することによってチタン管１００が製造される。

図４は、ロール３００に成形されるチタン板２００が通過する様子を示す断面図である。図４に示すように、本実施形態では、継目に相当する部分にフィン３０２ａが設けられたフィンロール３０２とフィンロールと対向するロール３０４とによる絞り成形にてチタン管１００を成形する。これにより、成形されるチタン管１００に適度の成形歪みを加えることができ、耐力を高めることができる。

更に、本実施形態では、フィンロール３０２にてチタン板２００のエッジ部２００ａを増肉させて、溶接部の強度を高める。これにより、溶接部近傍からの割れを抑止することができ、チタン板２００の全体を加工硬化させることができる。

フィンロール３０２は２段以上を設け、エッジ部２００ａを増肉させることのできる圧下量とする。一例として、チタン板２００の板厚を０．１ｍｍ以下増肉させる。チタン管１００の直径が１９ｍｍであり、母材（チタン板２００）の板厚ｔ＝１．２ｍｍの場合、母材の板厚の５％程度を増肉し、エッジ部２００ａの板厚ｔを１．２６ｍｍ程度とする。これにより、エッジ部２００ａの変形による損傷を確実に抑えることができる。また、０．１ｍｍ以下の増肉とすることで、製品の内径精度に規格外れが生じてしまうことも確実に抑止できる。

チタン板２００は、異方加工硬化を生じ、加工硬化係数が板の幅方向（チタン管１００の円周方向）で小さくなるため、図５に示すように、エッジ部２００ａ（溶接部）の近傍で板厚が減少してくびれ（変形）２００ｂが生じやすくなる。チタン管１００の凍結が繰り返されると、くびれの部分で割れが生じる可能性がある。このため、図４に示すフィンロール３０２を用いた成形により、チタン板２００のエッジ部２００ａにフィン３００ａを押し当ててチタン管１００の周長を短くするように成形を行う。これにより、ドッグボーン状の局部変形を経てエッジ部２００ａが増肉され、エッジ部２００ａの肉厚が厚くなる。エッジ部２００ａを増肉することで、変形が生じた際にエッジ部２００ａ以外の母材で先に変形が生じるようになり、加工硬化によるエッジ部２００ａのくびれ２００ｂの発生を確実に抑止することが可能である。また、くびれ２００ｂの発生を抑えることで、凍結が生じた際に溶接部の近傍で割れが発生することを確実に抑止することが可能となる。

溶接後には、ＳＺロールにてチタン管１００の外径収縮を行い、更に加工歪みを付与する。具体的には、上下のロールでチタン管１００を挟んで外径を縮径する。円周方向に１％程度の歪みを与えると、長手方向に０．５％程度増肉し、板厚方向に０．５程度の伸び歪みが入る。この際、加工延性バランスが重要であり、後熱処理により溶接部の残留応力が低下することも考慮して歪み付与を行うことが望ましい。

溶接はＴＧＩ溶接でも良いが、レーザ（ＬＡＳＥＲ）溶接であればＴＩＧ溶接のように内面ビード脇の減肉が生じないため、レーザ溶接が好適である。レーザとしてＹＡＧレーザ、ダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）等を用いることができる。

以上説明したように本実施形態によれば、水が凍結する際の密度の変化に着目することで、２６％以上の伸びを有する母材を用い、成形歪みを与えることでチタン管２００に所望の耐力を付与することができる。これにより、３回の凍結に耐えるチタン管２００を提供することが可能となる。従って、チタン管２００を伝熱管として用いる気化器などの設備の信頼性を大幅に高めることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１００チタン管

Claims

内部に液体を通して伝熱管として用いられるチタン溶接管の製造方法であって、
母材の幅方向のエッジ部に接触する部分にフィンが設けられたフィンロールを成形ロールとして用い、前記エッジ部の肉厚を母材の肉厚よりも５％以下の範囲で増肉するとともに母材を管状に成形し、前記エッジ部を溶接して接続した後、ＳＺロールにて外径を縮径する加工を行って前記チタン溶接管を製造し、
前記成形ロールの圧下量を調整することにより、成形時に加工歪みを付与することで耐力を２７５ＭＰａ以上に高め、
母材の円周方向の伸びが２６％以上の特性を有することを特徴とする、チタン溶接管の製造方法。
ＪＩＳ１種のチタン材を母材として使用することを特徴とする、請求項１に記載のチタン溶接管の製造方法。
前記エッジ部をレーザ溶接して接続することを特徴とする、請求項１又は２に記載のチタン溶接管の製造方法。