JP7206966B2 - 管端蓋及びそれを用いた鋼管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、管端蓋及びそれを用いた鋼管の製造方法に関する。

鋼材の熱処理は機械部品や鉄鋼製品に所望の特性や性能を与えることを目的として古くから広く行われており、その本質は金属組織の調整である。なかでも「焼入れ」は熱処理の大半を占め、常温では通常フェライト・パーライト組織である被熱処理材をＡｃ_３点（オーステナイト変態終了温度）以上の高温に加熱してオーステナイト化後、急冷してマルテンサイト組織を形成するものである。マルテンサイト組織は金属材料の組織のなかでも高い強度を示し、あらゆる産業分野で利用されている非常に重要な組織形態である。

管状体の焼入れにおいて最も留意すべき点は、周方向の均一冷却である。周方向の冷却が不均一となった場合、冷却中の鋼管の曲がりが発生する。この曲がりは鋼管が長くなるほど大きくなり、ライン搬送時のトラブルや曲がり矯正工程の追加など好ましくない事態を招く。鋼管の焼入れでは、鋼管を移動搬送しつつ冷却帯を通過させながら外面水冷することが好適である。外面水冷の均一化は環状主管に冷却ノズルを均等に配置するなどの手段で比較的簡単に実現できるが、内面水冷は技術的に課題が多いことに加え、設備構成を複雑化させることがその理由である。

鋼管の外面のみから冷媒を吹き付けても、管端部から鋼管の内部に冷媒が浸入する場合がある。鋼管の内部に冷媒が浸入すると、鋼管の内面が不均一に冷却され、曲がりの原因になる。鋼管肉厚が大きい場合は曲がりの悪影響は小さいが、そうであっても、硬さのばらつきなど、諸々の問題の原因となる。また、鋼管の内面を伝って冷媒が加熱炉に流入し、加熱炉を損傷させる恐れもある。

特開昭５６－９６０１８号公報には、搬送される管状物体に冷媒を噴射して冷却する冷却装置において、冷却水遮断用挿入円筒を設け、冷媒が管後端から管内に浸入することを防止することが記載されている。特許第５２５２１３１号公報には、鋼管を外面から水冷して焼入れする焼入れ方法において、管端部を空冷することが記載されている。特開２０１２－１７２１７３号公報には、加熱された鋼管を長手方向に沿って搬送しながら、鋼管の外周面に焼入れ水を搬送方向に対して傾斜して噴射し、鋼管を焼入れする方法において、鋼管の搬送方向の後端に蓋を取り付けることが記載されている。実開昭６１－７７１９２号公報には、複数の鋼管に対し、管端蓋を連続的に自動溶接する装置が記載されている。

特開昭５６－９６０１８号公報 特許第５２５２１３１号公報 特開２０１２－１７２１７３号公報 実開昭６１－７７１９２号公報

鋼管の内部への冷媒の浸入を抑制する手段としては、管端に蓋を取り付けるのが簡便かつ確実である。蓋の取り付けは、鋼管の管端に蓋を全周又はスポット溶接するのが一般的であるが、処理前の取り付け工程、及び処理後の蓋を含めた管端の切り落とし工程が必要になり、生産効率及び歩留まりが低下する。また、単なるはめ込みによる取り付けでは、熱処理中に蓋が脱落する場合がある。

本発明の目的は、取り付けが容易で、熱処理中の脱落を防ぐことができる管端蓋を提供すること、及びこれを用いた鋼管の製造方法を提供することである。

本発明の一実施形態による管端蓋は、鋼管の管端に取り付ける管端蓋であって、前記鋼管の内面に接する第１当接部材と、前記第１当接部材に接して配置される耐熱性の圧縮コイルばねと、前記圧縮コイルばねを収容する有底筒状のばね座と、前記鋼管の前記第１当接部材が接する面と対向する面に接する第２当接部材と、前記ばね座と前記第２当接部材とを所定の間隔に保持して連結する連結部材と、前記連結部材に連結され、前記鋼管の開口部を覆う遮蔽板とを備える。前記第１当接部材は、前記ばね座が嵌合する筒部を含む。

本発明の一実施形態による鋼管の製造方法は、素管を準備する工程と、前記素管の管端の少なくとも一方に、前記管端蓋を取り付ける工程と、前記管端蓋が取り付けられた素管を焼入れする工程とを備える。

本発明によれば、取り付けが容易で、熱処理中の脱落を防ぐことができる管端蓋が得られる。この管端蓋を用いて鋼管を製造することで、鋼管の曲がりを抑制することができる。

図１は、本発明の一実施形態による管端蓋の構成を示す分解斜視図である。 図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。 図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。 図４は、ばねユニット及び第１当接部材の近傍の構成を示す図である。 図５は、第２当接部材の近傍の構成を示す図である。 図６は、本発明の一実施形態による鋼管の製造方法を示すフロー図である。 図７は、熱処理ラインの一例の機能的構成を示すブロック図である。 図８は、相変態を生じる一般的な鉄鋼材料の温度－伸び線図である。 図９は、熱処理中の第１当接部材とばね座との間隙の変化を示す図である。 図１０は、鋼管の内面の熱伝達率と鋼管内面の残留引張応力との関係を示すグラフである。 図１１は、鋼管の底部に冷媒が滞留している状態を示す図である。 図１２は、底部に冷媒が滞留しているときの鋼管の応力分布である。 図１３は、防水性能評価試験の概要を示す図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。

［管端蓋の構成］
図１は、本発明の一実施形態による管端蓋１の構成を示す分解斜視図である。図２及び図３はそれぞれ、図１のＩＩ－ＩＩ線及びＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。管端蓋１は、連結部材１０、ばねユニット２０、第１当接部材３０、第２当接部材４０、遮蔽板５０、及び接続部材６０を備えている。

第１当接部材３０及び第２当接部材４０は、鋼管Ｐの内面の互いに対向する面に接するように配置される。第１当接部材３０と第２当接部材４０とは、連結部材１０、ばねユニット２０によって所定の間隔に保持される。管端蓋１は後述するように、ばねユニット２０の作用によって、熱処理時の連結部材１０と鋼管Ｐとの熱膨張差を吸収する。

遮蔽板５０は、鋼管Ｐの開口部を覆うように配置される。遮蔽板５０は、ボルト５１によって連結部材１０に連結される。

接続部材６０は、第１当接部材３０が連結部材１０の軸方向と平行な方向に移動できるように、第１当接部材３０と連結部材１０とを接続する。

以下、各部材を詳述する。以下の説明では、鋼管Ｐの管軸方向をｘ方向、連結部材１０の軸方向をｚ方向、これらに垂直な方向をｙ方向と呼ぶ。

［連結部材１０］
図１～図３に示すように、連結部材１０は、筒状の胴体部１１、ボルト１２及び１３、並びにゆるみ止めナット１２１及び１３１を備えている。

図２及び図３に示すように、胴体部１１は、ｚ方向と平行なねじ穴１１ａ及び１１ｂを有している。ねじ穴１１ａは、第１当接部材３０側に開口し、ボルト１２が嵌合できるように形成されている。ねじ穴１１ｂは、第２当接部材４０側に開口し、ボルト１３が嵌合できるように形成されている。ねじ穴１１ａと１１ｂとは、連通していてもよい。

ボルト１２の端部（ねじ穴１１ａに嵌合する側と反対側の端部）は、ばねユニット２０に接続される。この構成によれば、ボルト１２をねじ穴１１ａに嵌合させる深さを調整することによって、ばねユニット２０と胴体部１１との間隔を調整することができる。本実施形態ではボルト１２の端部は、ばねユニット２０のばね座２２（後述）の底面に溶接等によって固定されている。

ボルト１３の端部（ねじ穴１１ｂに嵌合する側と反対側の端部）は、第２当接部材４０に接続される。この構成によれば、ボルト１３をねじ穴１１ｂに嵌合させる深さを調整することによって、第２当接部材４０と胴体部１１との間隔を調整することができる。本実施形態ではボルト１３の端部は、第２当接部材４０の接続板４１（後述）に溶接等によって固定されている。

胴体部１１はさらに、ｚ方向と垂直な方向に胴体部１１を貫通する穴１１ｃを有している。穴１１ｃは、ボルト５１が嵌合できるように形成されている。ボルト５１は、ナット５１１によって胴体部１１に固定される。胴体部１１は、ボルト５１がｘ方向と平行になるように配置される。

［ばねユニット２０］
図４は、ばねユニット２０及び第１当接部材３０の近傍の構成を示す図である。ばねユニット２０は、圧縮コイルばね２１と、圧縮コイルばね２１を収納するばね座２２とを備えている。

圧縮コイルばね２１は、ばね座２２の内部に、第１当接部材３０と接するように配置される。圧縮コイルばね２１は、熱処理温度でも弾性を失わない耐熱性を有していることが好ましい。圧縮コイルばね２１は、例えば、セラミックばねである。

ばね座２２は、圧縮コイルばね２１を収容する。ばね座２２は、より具体的には、圧縮コイルばね２１の外径よりも少し大きい内径を有する有底筒状の形状を有している。ばね座２２の深さは、圧縮コイルばね２１を突出させるため、例えば圧縮コイルばね２１の自然長未満とする。ばね座２２の深さは、圧縮コイルばね２１が許容たわみ量を超えて圧縮されることを防止するため、（圧縮コイルばね２１の自然長－最大たわみ量）以上とすることが好ましい。

［第１当接部材３０］
引き続き図４を参照して、第１当接部材３０の構成を説明する。第１当接部材３０は、平板状の接続板３１と、上Ｒ座３２とを備えている。

第１当接部材３０はさらに、ばね座２２が嵌合する筒部３１１を含んでいる。筒部３１１は、接続板３１に溶接等によって固定されている。

筒部３１１は、より具体的には、ばね座２２の外径よりもわずかに大きい内径を有している。ばね座２２が筒部３１１に嵌合することで、第１当接部材３０のｘｙ面内の移動が規制される。一方、ばね座２２と筒部３１１とが摺動することで、第１当接部材３０は、ｚ方向に移動することができる。

本実施形態では、ばね座２２及び筒部３１１の両方が円筒形状である。本実施形態では上述のとおり、ボルト１２をねじ穴１１ａに嵌合させる深さを調整することによって、ばねユニット２０と胴体部１１との間隔を調整する。また、ボルト１２の端部はばね座２２の底面に固定されているため、ボルト１２を回転させると、ばね座２２も回転する。ばね座２２及び筒部３１１の両方を円筒形状にすることによって、ばね座２２が筒部３１１に嵌合した状態で、ばね座２２をｚ軸の周りに回転させることができる。

上Ｒ座３２は、鋼管Ｐの内面に沿うように、一方の面が鋼管Ｐの内径と概略同じ曲率半径の曲面に形成されている。接続板３１及び上Ｒ座３２は、それぞれ貫通孔３１ａ及び３２ａを有しており、ボルト３３及びナット３３１によって脱着することができる。

［第２当接部材４０］
図５は、第２当接部材４０の近傍の構成を示す図である。第２当接部材４０は、接続板４１と、下Ｒ座４２とを含んでいる。

接続板４１は上述のとおり、ボルト１３の端部と溶接等によって固定されている。

下Ｒ座４２は、鋼管Ｐの内面に沿うように、一方の面が鋼管Ｐの内径と概略同じ曲率半径の曲面に形成されている。第１当接部材３０の場合と同様に、接続板４１及び下Ｒ座４２は、それぞれ貫通孔４１ａ及び４２ａを有しており、ボルト４３及びナット４３１によって脱着することができる。

［遮蔽板５０］
図１及び図２を参照して、遮蔽板５０の構成を説明する。遮蔽板５０は、鋼管Ｐの開口を覆って、冷媒が鋼管Ｐの内部に侵入するのを防止する。遮蔽板５０は、具体的には、鋼管Ｐの内径よりも大きく、鋼管Ｐの外径以下の大きさの外径を有する円盤形状を有している。遮蔽板５０は、中央近傍に形成された貫通孔５０ａを有している。

本実施形態の遮蔽板５０は、ボルト５１によって連結部材１０と連結される。上述のとおり、ボルト５１は、ナット５１１によって連結部材１０の胴体部１１に固定される。貫通孔５０ａにボルト５１を通した状態でナット５１２を締結することで、遮蔽板５０が胴体部１１側に移動する。遮蔽板５０は、鋼管Ｐの端面とナット５１２とに挟まれることによって鋼管Ｐに密着する。

貫通孔５０ａは、ボルト５１のｚ方向の位置が鋼管Ｐの中心から多少ずれても調整できるように、遮蔽板５０の径方向に延びた形状に形成されている。

貫通孔５０ａは、ナット５１２を締結しても完全に密閉されないようにすることが好ましい。これによって、鋼管Ｐの熱処理時、鋼管Ｐの内部で熱膨張した空気を逃がすことができる。遮蔽板５０は、貫通孔５０ａとは別に、空気を逃がすための排気口をさらに備えていてもよい。

遮蔽板５０は、鋼管Ｐの内周面に沿うように形成されたガイド５２をさらに備えている。ガイド５２は、遮蔽板５０にねじ５３によって固定されている。ガイド５２によって、遮蔽板５０の面内方向（鋼管Ｐの径方向）の位置が規制される。

［接続部材６０］
図１、図３及び図４を参照して、接続部材６０の構成を説明する。接続部材６０は、第１当接部材３０がｚ方向に移動できるように、第１当接部材３０と連結部材１０とを接続する。本実施形態では、一対の板状の接続部材６０が、連結部材１０のｙ方向の両側に配置されている。

接続部材６０のそれぞれは、一方の端部が第１当接部材３０の接続板３１に固定されている（図４を参照）。接続部材６０のそれぞれは、他方の端部にｚ方向に伸びた長穴６０ａが形成されている（図１及び図３を参照）。長穴６０ａからボルト６１を挿入し、ボルト６１を連結部材１０に形成されたねじ穴（不図示）に嵌合させることで、接続部材６０と連結部材１０とが接続される。

長穴６０ａはｚ方向に伸びた形状を有しているため、第１当接部材３０は、長穴６０ａに沿ってｚ方向に移動することができる。この構成によれば、ばねユニット２０の動作を妨げることなく、第１当接部材３０と連結部材１０とを接続できる。これによって、鋼管Ｐへの取り付けや取り外し作業中に第１当接部材３０が脱落するのを防止できる。

［材質等］
連結部材１０、ばね座２２、第１当接部材３０、第２当接部材４０、及び接続部材６０の材質は特に限定されない。連結部材１０、ばね座２２、第１当接部材３０、第２当接部材４０、及び接続部材６０の材質は例えば、炭素鋼やステンレスである。連結部材１０、ばね座２２、第１当接部材３０、第２当接部材４０、及び接続部材６０の材質は、好ましくはＳＵＳ３０４（汎用酸化鋼で８７０℃までの繰り返し加熱に対応）であり、より好ましくはＳＵＳ３１０（１０３５℃までの繰り返し加熱に対応）である。連結部材１０、ばね座２２、第１当接部材３０、第２当接部材４０、及び接続部材６０は、すべて同じ材質であってもよいし、それぞれ異なる材質であってもよい。また、連結部材１０を構成する胴体部１１、ボルト１２及び１３等も、すべて同じ材質であってもよいし、それぞれ異なる材質であってもよい。

また、変形を防止する観点から、ボルト１２及び１３は太い方が好ましい。ボルト１２及び１３は、好ましくはＭ１２以上であり、より好ましくはＭ１４以上であり、さらに好ましくはＭ１６以上であり、一層好ましくはＭ１８以上である。

遮蔽板５０は、熱変形をできるだけ抑制するため、線熱膨張係数αが小さい材料で形成されていることが好ましい。遮蔽板５０の材質は例えば、炭素鋼である。

［鋼管の製造方法］
次に、この管端蓋１を用いた鋼管の製造方法を説明する。以下、鋼管の製造方法に関する説明では、熱処理の対象となる鋼管を「素管」と呼ぶ。また、「素管」と区別して、熱処理されて製造された鋼管という意味で「鋼管」の用語を用いる。

図６は、本発明の一実施形態による鋼管の製造方法を示すフロー図である。本実施形態による鋼管の製造方法は、素管を準備する工程（ステップＳ１）と、素管の管端の少なくとも一方に管端蓋１を取り付ける工程（ステップＳ２）と、管端蓋１が取り付けられた素管を焼入れする工程（ステップＳ３）とを備えている

熱処理の対象となる素管を準備する（ステップＳ１）。対象となる素管は限定されないが、本実施形態の製造方法は、炭素含有量が０．４５～０．６５質量％である高炭素系材料の鋼管の製造に好適であり、特に高炭素系材料の油井管の製造に好適である。本実施形態の製造方法は、より具体的には、炭素含有量が０．４５～０．６５質量％である低合金鋼及び高合金鋼の油井管の製造に特に好適である。

素管の管端の少なくとも一方に管端蓋１を取り付ける（ステップＳ２）。管端蓋１は、素管の管端の両方に取り付けることが好ましいが、冷媒を吹き付ける角度等によっては、前方及び後方の一方のみに取り付けることでも、冷媒の浸入を抑制することができる。

再び図２を参照して、管端蓋１の取り付け方法の具体例を説明する。まず、連結部材１０によってばね座２２と第２当接部材４０との間隔を短くした状態で、連結部材１０、ばねユニット２０、第１当接部材３０、第２当接部材４０等を素管の内部に配置する。

第１当接部材３０及び第２当接部材４０が素管の内面に接するようにした状態で、連結部材１０によってばね座２２と第２当接部材４０との間隔を広げていき、圧縮コイルばね２０を圧縮させる。このとき、接続板３１の下面とばね座２２の上端面とが接しないようにすることが好ましい。接続板３１の下面とばね座２２の上端面との間隙の好適な大きさについては後述する。圧縮コイルばね２０を所定量だけ圧縮させた後、遮蔽板５０を取り付ける。

再び図６を参照して、鋼管の製造方法の説明を続ける。管端蓋１が取り付けられた素管を焼入れする（ステップＳ３）。具体的には、管端蓋１が取り付けられた素管をＡｃ_３点以上の温度まで加熱してオーステナイト変態させた後、マルテンサイト変態終了温度以下まで冷却してマルテンサイト変態させる。このとき、冷却速度が小さすぎるとマルテンサイト以外の拡散変態相、例えばベイナイトとの混相組織となり、マルテンサイト率の高い組織が得られなくなる。一方、冷却速度が大きすぎると曲がりや焼割れが生じる。そのため、冷却速度を適切に制御する必要がある。好ましくは、マルテンサイト変態開始温度まではできるたけ冷却速度を大きくし、マルテンサイト変態開始温度から冷却終了温度（マルテンサイト変態終了温度又は室温）まではできるだけ冷却速度を小さくする。

図７は、熱処理ラインの一例である熱処理ライン１００の機能的構成を示すブロック図である。熱処理ライン１００は、焼入れ装置７０及び焼戻し装置８０を備えている。焼入れ装置７０は、加熱装置７１、冷却装置７２、及び浸漬槽７３を備えている。各装置の間には、搬送ローラ９０（搬送装置）が配置されている。

搬送ローラ９０は、加熱装置７１から冷却装置７２へ、冷却装置７２から浸漬槽７３へ、浸漬槽７３から焼戻し装置８０へ、素管を順次搬送する。素管は、加熱装置７１で加熱され、冷却装置７２及び／又は浸漬槽７３によって冷却される。素管はその後、焼戻し装置８０によって再び加熱される。

熱処理ライン１００の構成によれば、加熱装置７１によって素管をＡｃ_３点以上に加熱した後、冷却装置７２及び／又は浸漬槽７３によって素管を冷却することによって、素管を焼入れすることができる。さらに、焼戻し装置８０によって素管を所定の温度に加熱することによって、素管を焼戻しすることができる。焼戻しされた素管は例えば、図示しない冷却装置によって冷却された後、探傷装置などに搬送される。

熱処理ライン１００の構成によれば、素管に焼入れ焼戻しの熱処理を連続して実施することができる。ただし、焼入れ焼戻しは連続して実施されなくてもよい。この場合、熱処理ライン１００は、焼戻し装置８０を含んでいなくてもよい。

冷却装置７２は、詳しい構成は図示しないが、複数の冷却リングを備えている。複数の冷却リングの各々は複数のノズルを備えており、複数のノズルの各々から、冷却リングの内側を通過する素管の外面に冷媒を吹き付けることができるように構成されている。冷媒の量は冷却リング毎に制御できるように構成されおり、冷却リング毎の冷媒量と素管の搬送速度とを調整することによって、素管を最適な速度で冷却することができる。

浸漬槽７３には、冷媒が充填されており、素管を浸漬させることで内外面から急冷することができる。熱処理対象の素管が焼割れ感受性の低い低中炭素鋼（Ｃ含有量０．３０％未満）の場合、冷却装置７２を使用せず、浸漬槽７３だけを使用して素管を冷却することもできる。この場合、処理速度を大きくすることができる。一方、熱処理対象の素管が焼割れ感受性の高い素管の場合でも、冷却装置７２によって鋼管を十分に冷却しておけば、浸漬槽７３に浸漬しても曲がりや焼割れが発生することはない。

すなわち、焼入れ装置７０の構成によれば、対象となる素管の性質に応じて、冷却装置７２による冷却と浸漬槽７３による冷却とを選択的に実施することができる。一方、焼割れ感受性の高い素管だけを対象とする場合、熱処理ライン１００は浸漬槽７３を含んでいなくてもよい。

［管端蓋１の効果］
以下、管端蓋１の効果を説明する。図８は、相変態を生じる一般的な鉄鋼材料の温度－伸び線図である。この鋼は、図８に示すように、室温からＡｃ_１点までは温度の上昇に伴い熱膨張するが、Ａｃ_１点を超えるとオーステナイト変態によって収縮する（オーステナイト変態収縮）。その後、オーステナイトの線膨張係数で再び膨張して最高温度（Ｔｍａｘ）に到達する。冷却過程ではマルテンサイト変態が開始するまでオーステナイトの状態で過冷されるため、オーステナイトの線膨張係数で収縮し、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓ（当該材料では３００℃前後）に到達すると膨張を開始する（α変態膨張）。

鋼管の熱処理においても、加熱・冷却によって図８に示す膨張や収縮が発現する。そのため、単純な機械的手段では、熱処理の前後にわたって蓋を鋼管に固定しておくことは困難である。例えば、ねじの反力を利用して鋼管の内面に密着させる固定手段（突張り棒）によって蓋を固定した場合、室温では強固に固定できても、加熱・冷却によって緩みが生じる。特に、冷却過程のα変態膨張に突張り棒が追従できず、緩みが生じる。

本実施形態の管端蓋１は、第１当接部材３０とばね座２２との間に配置された耐熱性の圧縮コイルばね２１を備える。この構成によれば、鋼管Ｐが膨張・収縮しても、圧縮コイルばね２１の反力によって、第１当接部材３０及び第２当接部材４０を鋼管Ｐの内面に密着させておくことができる。そのため、冷却終了温度（マルテンサイト変態終了温度又は室温）まで脱落することなく、冷媒の浸入を抑制することができる。

本実施形態の管端蓋１は、鋼管Ｐへの脱着が容易である。管端蓋１は、蓋を溶接して取り付ける場合のように熱処理後に管端を切断する必要がないため、歩留まりも向上する。また、管端蓋１は再利用が可能である。

本実施形態の管端蓋１の連結部材１０は、ばね座２２と第２当接部材４０との間隔を調整できるように構成されている。本実施形態の構成によれば、鋼管の内径に応じて上Ｒ座３２及び下Ｒ座４２だけを交換すれば、複数のサイズの鋼管に適用することができる。

本実施形態の管端蓋１のばね座２２は、有底筒状の形状を有する。この構成によれば、ばね座２２が、接続板３１の下端面に接触することによって、圧縮コイルばね２１が許容たわみ量を超えて圧縮されることを防止できる。これによって、圧縮コイルばね２１の破損を防止することができる。

一方、第１当接部材３０とばね座２２とが接触した状態で鋼管Ｐがさらに収縮すると（あるいは連結部材１０等が膨張すると）、連結部材１０に圧縮応力が加わる。この圧縮応力が過度になると、連結部材１０が折れ曲がるなどして、再利用できなくなる。連結部材１０の破損を防止するためには、熱処理中、連結部材１０に過度な圧縮応力が加わらないようにすることが好ましい。そのためには、初期状態において、第１当接部材３０とばね座２２との間隙（より正確には、接続板３１の本体部の下端面とばね座２２の上端との間隙）を適切な大きさに設定しておくことが好ましい。

以下、図９を参照して、熱処理中の第１当接部材３０とばね座２２との間隙の変化について説明する。図９では、変化を分かりやすくするため、第１当接部材３０とばね座２２との間隙を大きく図示している。また、接続部材６０等の図示を省略している。

鋼管Ｐの加熱時、鋼管の線膨張係数α_ｐｉｐｅと連結部材１０の線膨張係数α_ｂａｒとが異なっていれば、第１当接部材３０とばね座２２との間隙の大きさが変化する。温度差をΔＴ、鋼管内径をΦとしたとき、鋼管Ｐの膨張量ΔＬ_ｐｉｐｅ及び連結部材１０の膨張量ΔＬ_ｂａｒは下記の式で表される。
ΔＬ_ｐｉｐｅ＝α_ｐｉｐｅ・ΔＴ・Φ
ΔＬ_ｂａｒ＝α_ｂａｒ・ΔＴ・Φ

例えば、鋼管ＰがΦ＝３１４．３６ｍｍの炭素鋼（α_ｐｉｐｅ＝１１×１０^－６／℃）、連結部材１０がＳＵＳ３０４（α_ｂａｒ＝１８×１０^－６／℃）であり、２０℃から９５０℃まで加熱する場合（ΔＴ＝９３０℃）、ΔＬ_ｐｉｐｅは３．２２ｍｍ、ΔＬ_ｂａｒは５．２６ｍｍとなる。鋼管Ｐの膨張量よりも連結部材１０の膨張量の方が大きいため、最高加熱温度における接続板３１の下面とばね座２２の上端面との間隙の大きさＣ_ｈｅａｔは、初期の間隙の大きさＣ_ｉから２．０４ｍｍ（＝ΔＬ_ｂａｒ－ΔＬ_ｐｉｐｅ）縮まる。

最高加熱温度に到達してから冷却を開始後、鋼管Ｐが最も収縮するのは、鋼管Ｐの温度がマルテンサイト変態開温度（Ｍｓ＝３００℃）に到達する直前の時点である。ΔＴ＝９５０℃－３００℃＝６５０℃として、鋼管Ｐの膨張量（収縮量）ΔＬ_ｐｉｐｅは、上記と同じ式ΔＬ_ｐｉｐｅ＝α_ｐｉｐｅ・ΔＴ・Φから、－２．２７ｍｍとなる。このときのΦは最高加熱温度時の鋼管内径なので、３１７．５８ｍｍである。一方、連結部材１０は、鋼管Ｐの内側にあり、冷媒とも直接接触しないことから、その温度低下は非常に遅いと考えられる。そのため、この間における結合部材１０の膨張量（収縮量）ΔＬ_ｂａｒはゼロと近似できる。したがって、マルテンサイト変態開始直前における第１当接部材３０とばね座２２との間隙の大きさＣ_ｃｏｏｌは、最高加熱温度時の間隙の大きさＣ_ｈｅａｔからさらに２．２７ｍｍ縮まる。

鋼管Ｐの温度がマルテンサイト変態開始温度以下になると、マルテンサイト変態膨張が起こり、第１当接部材３０とばね座２２との間隙は大きくなる。そのため、第１当接部材３０とばね座２２との間隙の大きさは、マルテンサイト変態開始直前で最も小さくなる。したがって、マルテンサイト変態開始直前の間隙Ｃ_ｃｏｏｌがゼロ以上であれば、熱処理中、連結部材１０に過度の圧縮応力が加わるのを防止できる。また、マルテンサイト変態開始時点で圧縮コイルばね２１は許容最大まで圧縮された状態になり、変態膨張に対して圧縮コイルばね２１の有する最大反力で変態膨張を補えるので、変態膨張による連結部材１０の緩み、それによる管端蓋１の脱落をより確実に防止することができる。上記の例の場合、初期の間隙Ｃ_ｉの大きさを２．０４ｍｍ＋２．２７ｍｍ＝４．３１ｍｍ以上にしておけばよい。

適正初期間隙量Ｃ_ｉは、下記の式で一般化できる。すなわち、熱処理前の第１当接部材３０とばね座２２との間隙の大きさがＣ_ｉ以上であれば、連結部材１０に過度の圧縮応力が加わるのを防止できる。
Ｃ_ｉ＝Φ｛（α_ｂａｒ－α_ｐｉｐｅ）ΔＴ_ｈｅａｔ＋（１＋ΔＴ_ｈｅａｔ・α_ｐｉｐｅ）α_ｐｉｐｅ・ΔＴ_ｃｏｏｌ｝
ここで、Φは鋼管Ｐの内径、α_ｂａｒは連結部材１０の線熱膨張係数、α_ｐｉｐｅは鋼管の線熱膨張係数、ΔＴ_ｈｅａｔは焼入れ工程における最高加熱温度と室温との差、ΔＴ_ｃｏｏｌは最高加熱温度と鋼管のマルテンサイト変態開始温度との差である。

熱処理前の第１当接部材３０とばね座２２との間隙の大きさの上限は、好ましくはＣ_ｉ＋２ｍｍであり、より好ましくはＣ_ｉ＋１ｍｍであり、さらに好ましくはＣ_ｉ＋０．５ｍｍである。

以上、本発明の一次実施形態による管端蓋１、及び管端蓋１を用いた鋼管の製造方法を説明した。本実施形態によれば、取り付けが容易で、熱処理中の脱落を防ぐことができる管端蓋が得られる。また、この管端蓋を用いて鋼管を製造することで、鋼管の曲がりを抑制することができる。

本実施形態による鋼管の製造方法は、鋼管が角型鋼管の場合にも適用可能である。この場合、第１当接部材３０及び第２当接部材４０の鋼管と接触する面を平面とすればよい。

図１～図３等では、連結部材１０の軸方向が、天地方向（鉛直方向）と平行になるように配置されている場合を図示した。連結部材１０は、作業性の観点からは、軸方向が天地方向と平行になるように配置することが好ましい。しかし、必ずしもこのように配置しなければならない訳ではなく、連結部材１０の軸方向を天地方向から傾けて配置してもよいし、あるいは、天地方向と垂直に配置してもよい。第１当接部材３０の上Ｒ座３１、及び第２当接部材４０の下Ｒ座４１といった名称も、あくまでも便宜上のものである。第１当接部材３０が、第２当接部材４０よりも下側になるように配置してもよい。

上述した実施形態では、連結部材１０が、ゆるみ止めナット１２１及び１３１を備えている場合を説明した。連結部材１０は、ゆるみ止めナット１２１及び１３１の両方を備えていることが好ましいが、どちらか片方だけであってもよいし、あるいは、どちらも備えていなくてもよい。

上述した実施形態では、連結部材１０は、ばね座２２と第２当接部材４０との間隔を調整できるように構成されている。しかし、連結部材１０は、ばね座２２と第２当接部材４０との間隔を調整できなくてもよい。連結部材１０は、例えば、ばね座２２と第２当接部材４０とを接続する棒であってもよい。この場合でも、圧縮コイルばね２１をたわませることによって管端蓋１を鋼管に取り付けることができる。

上述した実施形態では、ばね座２２と第２当接部材４０との間隔を調整できる連結部材１０の具体的な構成として、胴体部１１にねじ穴１１ａ及び１１ｂが形成され、これにボルト１２及び１３を嵌合させる構成を説明した。しかし、この構成は例示であり、連結部材１０は、種々の構成を採用することができる。

例えば、ばね座２２の底面及び第２当接部材４０にねじ穴が設けられ、ボルト１２及びボルト１３が胴体部１１に固定されている構成としてもよい。あるいは、胴体部１１、ばね座２２及び第２当接部材４０のすべてにねじ穴が設けられ、両軸ボルトで連結する構成としてもよい。上述した実施形態では、第１当接部材３０と胴体部１１との間隔、第２当接部材４０と胴体部１１との間隔をそれぞれ調整できる構成を説明したが、どちらか片方のみを調整できる構成としてもよい。すなわち、ボルト１２及びボルト１３の一方は、胴体部１１等に固定された棒であってもよい。また、部材間の間隔を調整する機構として、ボルトのねじ穴の他に、例えばロッドとクランプなどを採用することもできる。

上述した実施形態では、ばね座２２、及び第１当接部材３０の筒部３１１の両方が円筒形状の場合を説明した。この構成によれば、ばね座２２が筒部３１１に嵌合した状態で、ばね座２２をｚ軸の周りに回転させることができる。しかし上述のとおり、第一当接部材３０と第２当接部材４０との間の間隔を調整することは必須ではなく、ばね座２２は回転できなくてもよい。そのため、ばね座２２及び筒部３１１は、円筒形状でなくてもよい。

ばね座２２を回転させる場合も、ばね座２２の外周及び筒部３１１の内周が円であればよく、ばね座２２の内周及び筒部３１１の外周の形状は任意である。また、ばね座２２及び筒部３１１が摺動する部分のみが、円形であればよい。

上述した実施形態では、接続板３１と上Ｒ座３２とが別の部品として構成されている場合を説明した。しかし、接続板３１と上Ｒ座３２とは一体物であってもよい。同様に、上述した実施形態では、接続板４１と下Ｒ座４２とが別の部品として構成されている場合を説明したが、接続板４１と下Ｒ座４２とは一体物であってもよい。

上述した実施形態では、連結部材１０にボルト５１を固定し、このボルト５１に遮蔽板５０を固定する構成を説明した。この構成によれば、遮蔽板５０の脱着を簡便にできる。しかし、遮蔽板５０の固定方法は任意である。例えば、連結部材１０のボルト５１の代わりに棒を固定し、当該棒に遮蔽板５０をクランプで固定したり、遮蔽板５０を溶接して固定したりしてもよい。

上述した実施形態では、一対の接続部材６０が連結部材１０のｙ方向の両側に配置されている構成を説明した。しかし、接続部材６０は、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。また、接続部材６０は任意の構成であり、管端蓋１は、接続部材６０を備えていなくてもよい。管端蓋１が接続部材６０を備えていなくても、蓋の脱落を防止するという目的は達成できる。

上述した実施形態では、接続部材６０にｚ方向に伸びた長穴６０ａが形成され、長穴６０ａを通してボルト６１を連結部材１０に嵌合させることで、第１当接部材３０と連結部材１０とを接続させる構成を説明した。しかし、接続部材６０は、第１当接部材３０がｚ方向に移動可能なように第１当接部材３０と連結部材１０とを接続できるものであればよく、その構成は任意である。例えば、接続部材６０を連結部材１０に固定して、ボルト６１を第１当接部材３０に嵌合させる構成としてもよい。また、接続部材６０として、直線運動軸受け等を備えるものを用いてもよい。

以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明する。なお、この実施例は本発明を限定するものではない。

［内面冷却の影響調査］
鋼管の内面冷却の影響を有限要素法（ＦＥＭ）による数値解析によって調査した。図１０は、鋼管の内面の熱伝達率（外面の熱伝達率ｈに対する比）と鋼管内面の残留引張応力との関係を示すグラフである。図１０に示すとおり、内面の熱伝達率が外面の熱伝達率の５０％となるとき、最も高い引張応力が発生する。内面の熱伝達率を外面と同等（１００％）にすると応力は圧縮になるが、これは鋼管の内面を均一に冷却するという条件での結果である。

図１１示すように、実際には鋼管Ｐの底部に冷媒Ｃが滞留し、円周方向に不均一な熱応力が生じていると考えられる。そこで、鋼管横断面をモデル化し、冷媒が滞留している部分の熱伝達率を外面と同等、それ以外の部分を空冷とした条件で残留応力を計算した。結果を図１２に示す。図１２に示すように、冷媒有無の境界部分で高い引張応力が発生することが分かった。

［防水性能評価試験］
実施形態で説明した管端蓋１に準じた構成の管端蓋を作製し、ラボ試験設備を用いて防水性能評価試験を実施した。対象鋼管として外径３５６ｍｍ、肉厚２１ｍｍ、長さ２０００ｍｍの炭素鋼管を使用した。

試験の概要を図１３に示す。鋼管Ｐの先端側に管端蓋１を装着し、加熱炉Ｑで９５０℃まで加熱・均熱後、水冷リングＲ設置位置まで速やかに搬送して定位置に留め、蓋装着部を水冷した。水冷リングＲからの冷媒供給量は５０ｍ^３／ｈｒとした。管端蓋１を装着した鋼管Ｐの先端部で冷却水の浸入があれば鋼管Ｐの後端部から流出する。当試験において、水漏れは発生せず、管端蓋１の防水機能が満足できるものであることを確認した。

以上、本発明の実施の形態を説明した。上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

１ 管端蓋
１０ 連結部材
１１ 胴体部
１１ａ、１１ｂ ねじ穴
１１ｃ 穴
１２、１３ ボルト
１２１、１３１ ゆるみ止めナット
２０ ばねユニット
２１ 圧縮コイルばね
２２ ばね座
３０ 第１当接部材
３１ 接続板
３１１ 筒部
３１ａ 貫通孔
３２ 上Ｒ座
３２ａ 貫通孔
３３ ボルト
３３１ ナット
４０ 第２当接部材
４１ 接続板
４１ａ 貫通孔
４２ 下Ｒ座
４２ａ 貫通孔
４３ ボルト
４３１ ナット
５０ 遮蔽板
５１ ボルト
５１１ ナット
５１２ ナット
５２ ガイド
５３ ねじ
６０ 接続部材
６０ａ 長穴
６１ ボルト
７０ 焼入れ装置
７１ 加熱装置
７２ 冷却装置
７３ 浸漬槽
８０ 焼戻し装置
９０ 搬送ローラ（搬送装置）
１００ 熱処理ライン

Ｐ 鋼管（素管）
Ｃ 冷媒
Ｑ 加熱炉
Ｒ 水冷リング

Claims (5)

1. 鋼管の管端に取り付ける管端蓋であって、
   前記鋼管の内面に接する第１当接部材と、
   前記第１当接部材に接して配置される耐熱性の圧縮コイルばねと、
   前記圧縮コイルばねを収容する有底筒状のばね座と、
   前記鋼管の前記第１当接部材が接する面と対向する面に接する第２当接部材と、
   前記ばね座と前記第２当接部材とを所定の間隔に保持して連結する連結部材と、
   前記連結部材に連結され、前記鋼管の開口部を覆う遮蔽板とを備え、
   前記第１当接部材は、前記ばね座が嵌合する筒部を含む、管端蓋。
2. 請求項１に記載の管端蓋であって、
   前記第１当接部材が前記連結部材の軸方向と平行な方向に移動できるように、第１当接部材と連結部材とを接続する接続部材をさらに備える、管端蓋。
3. 請求項１又は２に記載の管端蓋であって、
   前記連結部材は、前記ばね座と前記第２当接部材との間隔を調整できるように構成されている、管端蓋。
4. 素管を準備する工程と、
   前記素管の管端の少なくとも一方に、請求項１～３のいずれか一項に記載の管端蓋を取り付ける工程と、
   前記管端蓋が取り付けられた素管を焼入れする工程とを備える、鋼管の製造方法。
5. 請求項４に記載の鋼管の製造方法であって、
   前記管端蓋を取り付ける工程において、前記第１当接部材と前記ばね座との間隙を下記の式で定義される適正初期間隙量Ｃ_ｉ （ｍｍ）以上にする、鋼管の製造方法。
   Ｃ_ｉ＝Φ｛（α_ｂａｒ－α_ｐｉｐｅ）ΔＴ_ｈｅａｔ＋（１＋ΔＴ_ｈｅａｔ・α_ｐｉｐｅ）α_ｐｉｐｅ・ΔＴ_ｃｏｏｌ｝
   ここで、Φ（ｍｍ）は前記素管の内径、α_ｂａｒ （１／℃）は前記連結部材の線熱膨張係数、α_ｐｉｐｅ （１／℃）は前記素管の線熱膨張係数、ΔＴ_ｈｅａｔ （℃）は前記焼入れする工程における最高加熱温度と室温との差、ΔＴ_ｃｏｏｌ （℃）は前記最高加熱温度と前記素管のマルテンサイト変態開始温度との差である。

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