JP7255752B2 - ねじ付き鋼管およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ねじ付き鋼管、特に、ねじ部の疲労強度に優れ、高圧ガス用容器などの用途に好適に用いることができるねじ付き鋼管に関する。また、本発明は前記ねじ付き鋼管の製造方法に関する。
ＣＯ２排出問題を解決すると共に、エネルギー問題を解決可能な燃料電池自動車は、今後の新たな自動車として期待されている。この燃料電池自動車に水素を供給するための水素ステーションには、８０ＭＰａ以上の圧力で水素を蓄圧する高圧ガス用容器（蓄圧器とも呼ばれる）が設置されている。
このような、高圧ガス用容器には、大きく２種類の形状がある。一つはガスボンベに代表されるような、管の端部に絞り加工を施して鏡部（dome part）を作製したボンベ型容器であり、もう一つはストレートな管の両端に蓋をしたストレート型容器である。
ボンベ型容器は、ガスの出口、すなわち長手方向端部に向けて容器内の断面積が減少する形状を有しており、当該端部は「鏡部」と称される。前記鏡部の先端にはガスを出し入れするための口金が設けられており、前記口金はねじを有する留め金で封止される。前記留め金の面積は、該ボンベ型容器の円筒部の断面積に比べて十分小さいため、口金のねじ部にかかる応力は低減され、したがって、圧力の封止に関する問題はない。しかし、水素ステーション用などの高圧ガス用容器では、使用開始後に定期的に内面検査を行う必要があり、ボンベ型容器では容器の内面検査が困難であるという問題がある。
また、金属製容器を用いて高圧ガス用容器を作製する場合には、通常、強度向上を目的として金属製容器に熱処理が施される。前記熱処理においては、金属製容器を加熱した後に冷却水によって急冷する焼入れが施されることが一般的であるが、ボンベ型容器の場合、容器内部への冷却水の侵入および排出に時間がかかるため、熱処理時の冷却速度が遅くなり、鋼組織のばらつきが大きくなる。
さらに、前記熱処理によって金属製容器の表面にはスケールや脱炭層が生成するが、ボンベ型容器の場合、容器内面に生成したスケールや脱炭層を除去することが困難である。そのため、内面を熱処理ままの状態で用いることとなり、金属製容器の疲労特性劣化の原因となる。
そこで、上記のような問題を回避するために、ストレート型の容器を用いることが考えられる。ストレートな管に蓋をした構造であれば、管の開口部が大きいため、熱処理時の冷却が容易になり、鋼材の組織を精緻に制御することができる。また、熱処理時に生成する脱炭層やスケールを機械加工により容易に除去することができる。さらに、蓋を取り外すことにより、使用後に容器の内面を検査することも容易である。加えて、ストレート型容器では絞り加工された鏡部がないため、加工によるばらつきもほとんどなく、均一な容器製造が可能となる。このような高圧ガス用容器としては、例えば、特許文献１、２に記載されたものがある。
特開２０１５－１５８２４３号公報 特開２０１７－１４１９１９号公報
しかし、ストレート形状の容器を用いた場合、容器断面が一定であるため、内部の圧力はすべて蓋で受圧される。したがって、ストレート形状の容器を用いた高圧ガス用容器の蓋構造には、極めて高い圧力に耐えることが求められる。
ストレート型容器の蓋構造としては、ストレート形状の容器の端部にフランジを設け、該フランジを用いて蓋をボルト止めする構造や、鋼管の端部に雌ねじ部を設け、前記雌ねじ部と螺合する雄ねじ部を有する蓋を鋼管にねじ止めする構造などが考えられる。
しかし、フランジを用いた蓋構造では、フランジを設けるために容器サイズが大きくなり、コストが高くなるという問題がある。そのため、容器サイズの小型化や低コスト化の要請に応えるためには、ねじ止めによる蓋構造を採用することが望ましい。
しかし、ねじ止めによる蓋構造では、フランジを用いた場合の問題は回避できるものの、ねじ部に負荷される応力が高く、ねじ部を起点として疲労破壊が生じる場合がある。したがって、高圧ガス用容器の疲労寿命を延ばすためには、容器本体として使用されるねじ付き鋼管のねじ部を起点とする疲労破壊を防止することが求められる。
また、ねじ付き鋼管を高圧ガス用容器以外の用途に用いる場合にも同様に、製品寿命を延ばすためには、ねじ部を起点とする疲労破壊を防止することが望まれる。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ねじ付き鋼管において、使用時にねじ部にかかる応力を緩和し、疲労破壊を防止することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決するために検討を行った結果、以下の知見を得た。
（１）高圧ガス用容器の金属製容器内部にガスを充填すると、金属製容器に内圧がかかり、金属製容器には前記内圧による引張応力が発生する。前記引張応力は、ねじ部の、特にねじ底付近に集中する。
（２）そこで、金属製容器として用いられるねじ付き鋼管のねじ底付近に、予め所定の残留圧縮応力を付与しておくことにより、金属製容器にガスを充填した際にねじ部に負荷される引張応力の少なくとも一部が前記残留圧縮応力により相殺され、実際にねじ部にかかる応力を大幅に緩和することができる。そしてその結果、ねじ部を起点として生じる疲労破壊を抑制することができる。
（３）ねじ付き鋼管を、金属製容器以外の用途に用いる場合も同様に、ねじ底付近に予め所定の残留圧縮応力を付与しておくことにより、使用時にねじ部にかかる応力を緩和し、疲労破壊を抑制することができる。
（４）ねじ付き鋼管の雌ねじ部に、該雌ねじ部に螺合する雄ねじを有する蓋をとり付けた状態で内圧を付与すると、応力が発生し、ねじ底に局所的な塑性変形が生じる。塑性変形が生ずる領域は一部であり、その他の領域の多くは弾性域であるため、前記内圧を除荷した後には、ねじ底部に圧縮応力が残留する。したがって、前記蓋を取り付けた状態でねじ付き鋼管に適切な荷重をかけることにより、該ねじ付き鋼管の雌ねじ部に所定の残留圧縮応力を付与することができる。
（５）同様に、ねじ付き鋼管の雌ねじ部に螺合する雄ねじを有する治具を用いてねじ付き鋼管に荷重をかけることによっても、該ねじ付き鋼管の雌ねじ部に所定の残留圧縮応力を付与することができる。
本発明は上述の知見に基づいてなされたものであり、以下を要旨とするものである。
１．少なくとも一方の端部の内周面に雌ねじ部を有するねじ付き鋼管であって、
前記雌ねじ部のねじ底における、前記ねじ底から深さ方向に０．４ｍｍの位置における残留圧縮応力の最大値が、１００ＭＰａ以上でかつ前記ねじ付き鋼管の材料の引張強度以下であるねじ付き鋼管。
２．前記残留圧縮応力の最大値が、前記ねじ付き鋼管の材料の降伏応力以下である、上記１に記載のねじ付き鋼管。
３．前記ねじ付き鋼管がシームレス鋼管からなる、上記１または２に記載のねじ付き鋼管。
４．少なくとも一方の端部の内周面に雌ねじ部を有するねじ付き鋼管に、雄ねじ部を外周面に有する蓋を、前記雄ねじ部が前記雌ねじ部に螺合するよう取り付ける蓋取付工程と、
前記蓋が取り付けられたねじ付き鋼管に、下記（Ａ）、（Ｂ）、および（Ｃ）を満たす条件で内圧を付与する内圧付与工程を有する、ねじ付き鋼管の製造方法。
（Ａ）前記雌ねじ部のねじ底応力が前記ねじ付き鋼管の材料の降伏応力より大きい
（Ｂ）前記ねじ付き鋼管の軸方向応力が前記ねじ付き鋼管の材料の引張強度以下
（Ｃ）前記ねじ付き鋼管の周方向応力が前記ねじ付き鋼管の材料の引張強度以下
５．少なくとも一方の端部の内周面に雌ねじ部を有するねじ付き鋼管に、雄ねじ部を外周面に有する治具を、前記雄ねじ部が前記雌ねじ部に螺合するよう取り付ける治具取付工程と、
前記治具を用いて、下記（Ａ）および（Ｂ）の両者を満たす条件で前記ねじ付き鋼管に荷重を付与する荷重付与工程を有する、ねじ付き鋼管の製造方法。
（Ａ）前記雌ねじ部のねじ底応力が前記ねじ付き鋼管の材料の降伏応力より大きい
（Ｂ）前記ねじ付き鋼管の軸方向応力が前記ねじ付き鋼管の材料の引張強度以下
６．前記ねじ付き鋼管がシームレス鋼管からなる、上記４または５に記載のねじ付き鋼管の製造方法。
本発明によれば、ねじ付き鋼管の使用時にねじ部にかかる応力を緩和し、疲労破壊を防止することができる。したがって、本発明のねじ付き鋼管は、従来に比べ、より高圧、大断面での使用に耐えうる。
本発明において残留圧縮応力を規定する位置を示す模式図である。 第一の実施形態におけるねじ付き鋼管の製造方法の一例を示す模式図である。 第二の実施形態におけるねじ付き鋼管の製造方法の一例を示す模式図である。
次に、本発明を実施する方法について具体的に説明する。なお、以下の説明は本発明の好適な実施態様を示すものであり、本発明は以下の説明によって何ら限定されるものではない。
［ねじ付き鋼管］
本発明の一実施態様におけるねじ付き鋼管は、少なくとも一方の端部の内周面に雌ねじ部を有している。前記ねじ付き鋼管を使用する際には、前記雌ねじ部に対応する雄ねじ部を有する部材を、該ねじ付き鋼管に螺合させることができる。例えば、前記ねじ付き鋼管を高圧ガス用容器として使用する場合、前記雌ねじ部には、雄ねじを有するねじ込み式の蓋を装着することができる。
前記ねじ付き鋼管は、一方の端部の内周面にのみ雌ねじ部を有していてもよく、両端の内周面に雌ねじ部を有していてもよい。また、前記ねじ付き鋼管が、一方の端部の内周面にのみ雌ねじ部を有している場合、他方の端部の内周面には雄ねじ部を備えていてもよい。
本発明においては、前記雌ねじ部のねじ底における、前記ねじ底から深さ方向に０．４ｍｍの位置における残留圧縮応力の最大値が１００ＭＰａ以上かつ前記ねじ付き鋼管の材料の引張強度以下であることが重要である。以下、その理由について説明する。
図１は、本発明において残留圧縮応力を規定する位置を示す模式図である。鋼管１０の少なくとも一方の端部の内周面に設けられた雌ねじ部１１には、複数のねじ溝１２が設けられており、ねじ溝１２の底部を雌ねじ部のねじ底１３とする。本発明では、雌ねじ部のねじ底１３のそれぞれから、深さ方向に０．４ｍｍの位置Ｐにおける残留圧縮応力の最大値を１００ＭＰａ以上かつ前記ねじ付き鋼管の材料の引張強度以下とする。なお、図１はあくまでも説明のための模式図であり、実際のねじ部の形状および寸法を表したものではない。
上述したように、高圧ガス用容器を使用する際に、金属製容器内部にガスを充填すると該金属製容器に内圧がかかり、前記内圧による引張応力が発生する。前記引張応力は、ねじ部の、特にねじ底付近に集中する。そこで、ねじ付き鋼管のねじ底付近に予め残留圧縮応力を付与しておくことにより、金属製容器にガスを充填した際にねじ部に負荷される引張応力の少なくとも一部が前記残留圧縮応力により相殺され、実際にねじ部にかかる応力を大幅に緩和することができる。そしてその結果、ねじ部を起点として生じる疲労破壊を抑制することができる。
しかし、高圧ガス用容器の使用時に発生する引張応力は、ねじ部の表面だけでなく材料内部にまで広がる。そのため、ねじ部の表層部にのみ残留圧縮応力が存在していても上記の効果を得ることはできない。そこで、本発明においては、ねじ底から深さ方向に０．４ｍｍの位置における残留圧縮応力の最大値を１００ＭＰａ以上とする。
一方、前記残留圧縮応力の最大値が過度に高いと、ねじ付き鋼管が座屈し、変形する。そのため、ねじ付き鋼管の変形を防止するために、前記残留圧縮応力の最大値を、前記ねじ付き鋼管の材料の引張強度以下とする。
なお、前記残留圧縮応力の最大値は、有限要素法（ＦＥＭ）による弾塑性解析により求めることができる。ただし、雌ねじ部の断面における残留応力をＸ線応力測定法により測定して、前記残留圧縮応力の最大値を求めることもできる。
ねじ部の座屈をより確実に防止するという観点からは、前記残留圧縮応力の最大値は、前記ねじ付き鋼管の材料の降伏応力以下であることが好ましい。
上記ねじ付き鋼管の材料としては、特に限定されることなく任意の金属を用いることができる。低コスト化の観点からは、前記材料として、低合金鋼を用いることが好ましい。前記低合金鋼としては、特に、クロムモリブデン鋼（ＪＩＳ ＳＣＭ ｓｔｅｅｌ）、ニッケルクロムモリブデン鋼（ＪＩＳ ＳＮＣＭ ｓｔｅｅｌ）、マンガンクロム鋼（ＪＩＳ ＳＭｎＣ ｓｔｅｅｌ）、マンガン鋼（ＪＩＳ ＳＭｎ ｓｔｅｅｌ）、ＡＳＥＭ ＳＡ－７２３、およびボロン添加鋼Ｎ２８ＣＢ、Ｎ３６ＣＢ、Ｎ４６ＣＢのうちいずれか１つを用いることが好ましい。中でも、材料強度との両立の観点からは、焼き入れ性を確保しやすいクロムモリブデン鋼、ＳＡ－７２３鋼、またはニッケルクロムモリブデン鋼を用いることがより好ましい。例えば、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４３５）は、Ｃ：０．３３～０．３８質量％、Ｓｉ：０．１５～０．３５質量％、Ｍｎ：０．６０～０．９０質量％、Ｐ：０．０３０質量％以下、Ｓ：０．０３０質量％以下、Ｃｒ：０．９０～１．２０質量％、Ｍｏ：０．１５～０．３０質量％である。
前記鋼管としては、電縫溶接鋼管やシームレス鋼管など、任意のものを用いることができるが、中でもシームレス鋼管を用いることが好ましい。シームレス鋼管は、靭性などの特性に優れることに加え、溶接部もないため、高圧ガス用容器などの用途に極めて好適に用いることができる。
本発明において、ねじ溝の深さはとくに限定されない。しかし、雌ねじ部における内径Ｄｓに対する、素管の内径Ｄｉの比、Ｄｉ／Ｄｓが０．８未満の場合、鋼管（素管）の肉厚に対してねじが深すぎるため、ねじ底にかかる応力が増加する。したがって、ねじ底にかかる応力をさらに低減するという観点からは、Ｄｉ／Ｄｓを０．８以上とすることが好ましい。なお、ここで雌ねじ部における内径Ｄｓとは、鋼管の内周面に形成されている雌ねじ部の、対向する位置におけるねじ底間の距離と定義する。また、素管の内径Ｄｉとは、鋼管の、雌ねじが形成されていない部分の内径を指すものとする。
本発明のねじ付き鋼管の用途はとくに限定されず、任意の用途に用いることができるが、上述したようにねじ部の疲労強度に優れるため、高圧ガス用容器や、継手（例えば、鋼管杭用継手）などの用途にとくに好適に用いることができる。
［製造方法］
次に、本発明の一実施形態におけるねじ付き鋼管の製造方法について説明する。上述したように、ねじ付き鋼管に内圧を付与するか荷重をかけると、応力が発生し、ねじ底に局所的な塑性変形が生じる。塑性変形が生ずる領域は一部であり、その他の領域の多くは弾性域であるため、前記内圧または荷重を除荷した後には、ねじ底部に圧縮応力が残留する。したがって、ねじ付き鋼管に適切な内圧または荷重をかけることにより、該ねじ付き鋼管の雌ねじ部に所定の残留圧縮応力を付与することができる。以下、内圧の付与による製造方法と荷重の付与による製造方法のそれぞれについて、具体的に説明する。
（第一の実施形態）
本発明の一実施形態においては、少なくとも一方の端部の内周面に雌ねじ部を有するねじ付き鋼管に、雄ねじ部を外周面に有する蓋を取付け（蓋取付工程）、次いで、前記蓋が取り付けられたねじ付き鋼管に所定の条件を満たすよう内圧を付与する（内圧付与工程）ことにより、上述した所定の残留圧縮応力を有するねじ付き鋼管を製造することができる。
［蓋取付工程］
まず、少なくとも一方の端部の内周面に雌ねじ部を有するねじ付き鋼管に、雄ねじ部を外周面に有する蓋を、前記雄ねじ部が前記雌ねじ部に螺合するよう取り付ける（蓋取付工程）。
図２は、本実施形態におけるねじ付き鋼管１の製造方法の一例を示す模式図である。ねじ付き鋼管１は、円筒状の鋼管１０からなり、鋼管１０の端部には雌ねじ部１１が設けられている。図２に示した例では、鋼管１０の両端に雌ねじ部１１が設けられている。
そして、ねじ付き鋼管１に、雄ねじ部４１を外周面に有する蓋４０を、雄ねじ部４１がねじ付き鋼管１の雌ねじ部１１に螺合するよう取り付ける。図２に示したように、蓋４０は、その外周面にシール部材としてのＯリング４２を備えていることが好ましい。雄ねじ部４１は、Ｏリング４２よりも容器外側（内部空間１４と反対の側）に設けられている。
前記蓋としては、前記ねじ付き鋼管の雌ねじ部に螺合させることができるものであれば任意の蓋を用いることができる。前記ねじ付き鋼管が、両端に雌ねじ部を有している場合には、内圧の付与を可能とするために、該ねじ付き鋼管の両端に蓋を取り付ければよい。
前記蓋は、後述する内圧付与工程で使用する圧力媒体を出し入れするための貫通孔を備えることができる。前記貫通孔には、任意に配管やバルブを接続することができる。
前記蓋の材料は、とくに限定されないが、金属製とすることが好ましく、鋼製とすることがより好ましい。前記鋼としては、引張強度（ＴＳ）が７５０ＭＰａ以上の鋼材を用いることがさらに好ましい。前記鋼材は、例えば、低合金鋼であってよい。前記蓋の材料としては、前記鋼管の材料として挙げたものと同じ材料を使用することもできる。蓋の材料と鋼管の材料は、同じであっても異なっていてもよいが、同じとすることが好ましい。
［内圧付与工程］
次いで、前記蓋が取り付けられたねじ付き鋼管に内圧を付与する（内圧付与工程）。内圧付与工程においては、下記（Ａ）、（Ｂ）、および（Ｃ）を満たす条件で内圧を付与する必要がある。以下、その理由について説明する。
（Ａ）前記雌ねじ部のねじ底応力が前記ねじ付き鋼管の材料の降伏応力より大きい
（Ｂ）前記ねじ付き鋼管の軸方向応力が前記ねじ付き鋼管の材料の引張強度以下
（Ｃ）前記ねじ付き鋼管の周方向応力が前記ねじ付き鋼管の材料の引張強度以下
・条件（Ａ）
ねじ底付近に残留圧縮応力を付与するためには、ねじ底に塑性変形を生じさせる必要がある。そして、ねじ底に塑性変形を生じさせるためには、材料の降伏応力を超えるねじ底応力を付与すればよい。そこで本発明では、前記内圧付与工程において、上記（Ａ）を満たす条件で内圧を付与することとする。条件（Ａ）を満たすことにより、雌ねじ部に残留圧縮応力を付与することができる。
残留圧縮応力をより効果的に付与するためには、内圧付与工程において付与するねじ底応力を材料の引張強度以上とすることが好ましい。言い換えると、上記内圧付与工程においては、下記（Ａ’）を満たす条件で内圧を付与することが好ましい。
（Ａ’）前記雌ねじ部のねじ底応力が前記ねじ付き鋼管の材料の引張強度より大きい
なお、前記内圧付与工程における、雌ねじ部のねじ底応力の上限はとくに限定されず、所望の残留圧縮応力が付与されるように調整すればよい。なお、効果的に残留圧縮応力を付与するという観点からは、内圧付与工程において、ねじ付き鋼管の、前記雌ねじ部に相対する外表面（鋼管の外周面）における応力を、該ねじ付き鋼管の材料の降伏応力以下とすることが好ましい。ねじ底応力を降伏応力より大きくすると同時に、ねじ付き鋼管の外表面における応力を降伏応力以下とすることにより、ねじ付き鋼管の肉厚方向の全域にわたって降伏応力より高い応力をかけた場合に比べ、ねじ底付近に効果的に残留圧縮応力を付与することができる。
・条件（Ｂ）、（Ｃ）
上述したように、残留圧縮応力を付与するためには内圧をかけて塑性変形を生じさせる必要があるが、過度に内圧をかけると鋼管が破壊されてしまう。鋼管の破壊を防ぐためには、ねじ付き鋼管にかかる軸方向応力と周方向応力の両者を、該ねじ付き鋼管の材料の引張強度以下とする必要がある。上記（Ｂ）および（Ｃ）は、前記条件を具体的に定めたものである。
なお、ねじ付き鋼管にかかる軸方向応力と周方向応力は、それぞれ下記の（１）、（２）式で求めることができる。
軸方向応力＝（蓋の受圧面積×内圧）／ねじ付き鋼管の最小断面積…（１）
周方向応力＝（ねじ付き鋼管の内径×内圧）／（２×ねじ付き鋼管の板厚）…（２）
ここで、「蓋の受圧面積」とは、蓋の内面（内圧を受ける面）の面積である。また、ねじ付き鋼管の「断面積」とは、該ねじ付き鋼管の軸方向に垂直な断面における、鋼部分の断面積を指し、該鋼管の内部空間の断面積は含まない。なお、ねじ付き鋼管の断面積は、該ねじ付き鋼管の長手方向位置によって異なる場合があり、ねじ付き鋼管にかかる軸方向応力は断面積が最小の部分で最大となる。そのため、上記（１）式ではねじ付き鋼管の最小断面積を使用する。
なお、ねじ付き鋼管にかかる軸方向応力と周方向応力の少なくとも一方が前記ねじ付き鋼管の材料の降伏応力を超えた場合、鋼管が塑性変形し、鋼管の内径が変化する可能性がある。内径が変化すると、該ねじ付き鋼管を高圧ガス用容器などに用いた際にシール性が低下するという問題がある。そのため、鋼管の塑性変形に起因するシール性の低下を抑制するという観点からは、ねじ付き鋼管にかかる軸方向応力および周方向応力を、前記ねじ付き鋼管の材料の降伏応力以下とすることが好ましく、降伏応力の９０％以下とすることがより好ましい。言い換えると、上記内圧付与工程においては、下記（Ｂ’）および（Ｃ’）を満たす条件で内圧を付与することが好ましく、下記（Ｂ’’）および（Ｃ’’）を満たす条件で内圧を付与することがより好ましい。
（Ｂ’）前記ねじ付き鋼管の軸方向応力が前記ねじ付き鋼管の材料の降伏応力以下
（Ｃ’）前記ねじ付き鋼管の周方向応力が前記ねじ付き鋼管の材料の降伏応力以下
（Ｂ’’）前記ねじ付き鋼管の軸方向応力が前記ねじ付き鋼管の材料の降伏応力の９０％以下
（Ｃ’’）前記ねじ付き鋼管の周方向応力が前記ねじ付き鋼管の材料の降伏応力の９０％以下
上記内圧付与工程においてねじ付き鋼管に内圧を付与するためには、任意の圧力媒体をねじ付き鋼管の内部に充填すればよい。前記圧力媒体としては、特に限定されることなく任意の媒体を用いることができるが、安全性の観点からは、水や油に代表されるような非圧縮性流体を用いることが好ましい。さらに、ねじ付き鋼管の腐食を防ぐという観点からは、腐食防止剤を含有する非圧縮性流体や、エチレングリーコル等のアルコールの水溶液を用いることが好ましい。
（第二の実施形態）
本発明の別の実施形態においては、少なくとも一方の端部の内周面に雌ねじ部を有するねじ付き鋼管に、雄ねじ部を外周面に有する治具を取付け（治具取付工程）、次いで、所定の条件を満たすよう前記治具を用いて前記ねじ付き鋼管に荷重を付与する（荷重付与工程）ことにより、上述した所定の残留圧縮応力を有するねじ付き鋼管を製造することができる。以下、図面を参照して具体的に説明する。
［治具取付工程］
図３は、本実施形態におけるねじ付き鋼管１の製造方法、すなわち、治具を用いて荷重を付与する方法を示した模式図である。ねじ付き鋼管１は、円筒状の鋼管１０からなり、鋼管１０の端部には雌ねじ部１１が設けられている。図３に示した例では、鋼管１０の両端に雌ねじ部１１が設けられている。
まず、ねじ付き鋼管１に、雄ねじ部２１を外周面に有する治具２０を、雄ねじ部２１がねじ付き鋼管１の雌ねじ部１１に螺合するよう取り付ける（治具取付工程）。治具２０としては、雌ねじ部１１に螺合する雄ねじ部２１を有する治具であれば、任意のものを用いることができる。
治具の材料は、とくに限定されないが、金属製とすることが好ましく、鋼製とすることがより好ましい。前記鋼としては、引張強度（ＴＳ）が７５０ＭＰａ以上の鋼材を用いることがさらに好ましい。前記鋼材は、例えば、低合金鋼であってよい。前記治具の材料としては、前記鋼管の材料として挙げたものと同じ材料を使用することもできる。治具の材料と鋼管の材料は、同じであっても異なっていてもよいが、同じとすることが好ましい。
［荷重付与工程］
次に、取り付けられた治具２０を用いて、ねじ付き鋼管１に荷重を付与する（荷重付与工程）。荷重を付与する方法はとくに限定されないが、例えば、ねじ付き鋼管１を固定した状態で、治具２０をねじ付き鋼管１の管軸に平行な方向かつ管の外部方向（図３における矢印Ａの方向）に引っ張ることにより荷重をかけることができる。具体的には、例えば、治具２０に取り付けられているロッド２２を、荷重付与器３０により引っ張ることができる。
なお、図３に示した例では、ねじ付き鋼管１の一方の端部に設けられた雌ねじ部１１に荷重を付与しているが、ねじ付き鋼管１の両方の端部に雌ねじ部１１が設けられている場合は、両端の雌ねじ部１１のそれぞれに対して、荷重を付与する処理を行うことが好ましい。その場合、一方の雌ねじ部１１への荷重の付与と、他方の雌ねじ部１１への荷重の付与は、同時に行ってもよく、別々に行ってもよい。
上記荷重付与工程においては、下記（Ａ）および（Ｂ）の両者を満たす条件で荷重を付与する必要がある。以下、その理由について説明する。
（Ａ）前記雌ねじ部のねじ底応力が前記ねじ付き鋼管の材料の降伏応力より大きい
（Ｂ）前記ねじ付き鋼管の軸方向応力が前記ねじ付き鋼管の材料の引張強度以下
・条件（Ａ）
ねじ底付近に残留圧縮応力を付与するためには、ねじ底に塑性変形を生じさせる必要がある。そして、ねじ底に塑性変形を生じさせるためには、材料の降伏応力を超えるねじ底応力を付与すればよい。そこで本発明では、前記荷重付与工程において、上記（Ａ）を満たす条件で荷重を付与することとする。条件（Ａ）を満たすことにより、雌ねじ部に残留圧縮応力を付与することができる。
残留圧縮応力をより効果的に附与するためには、荷重付与工程において付与するねじ底応力を材料の引張強度以上とすることが好ましい。言い換えると、上記荷重付与工程においては、下記（Ａ’）を満たす条件で荷重を付与することが好ましい。
（Ａ’）前記雌ねじ部のねじ底応力が前記ねじ付き鋼管の材料の引張強度より大きい
なお、前記荷重付与工程における、雌ねじ部のねじ底応力の上限はとくに限定されず、所望の残留圧縮応力が付与されるように調整すればよい。なお、効果的に残留圧縮応力を付与するという観点からは、荷重付与工程において、ねじ付き鋼管の、前記雌ねじ部に相対する外表面（鋼管の外周面）における応力を、該ねじ付き鋼管の材料の降伏応力以下とすることが好ましい。ねじ底応力を降伏応力より大きくすると同時に、ねじ付き鋼管の外表面における応力を降伏応力以下とすることにより、ねじ付き鋼管の肉厚方向の全域にわたって降伏応力より高い応力をかけた場合に比べ、ねじ底付近に効果的に残留圧縮応力を付与することができる。
・条件（Ｂ）
上述したように、残留圧縮応力を付与するためには荷重をかけて塑性変形を生じさせる必要があるが、過度に荷重をかけると鋼管が破壊されてしまう。鋼管の破壊を防ぐためには、ねじ付き鋼管にかかる軸方向応力を、該ねじ付き鋼管の材料の引張強度以下とする必要がある。上記（Ｂ）は、前記条件を具体的に定めたものである。
なお、ねじ付き鋼管にかかる軸方向応力は、下記の（１）式で求めることができる。
軸方向応力＝荷重／ねじ付き鋼管の最小断面積…（１）
ここで、ねじ付き鋼管の「断面積」とは、該ねじ付き鋼管の軸方向に垂直な断面における、金属が存在している部分の断面積を指す。なお、ねじ付き鋼管の断面積は、該ねじ付き鋼管の長手方向位置によって異なる場合があり、ねじ付き鋼管にかかる軸方向応力は断面積が最小の部分で最大となる。そのため、上記（１）式ではねじ付き鋼管の最小断面積を使用する。
なお、ねじ付き鋼管にかかる軸方向応力が前記ねじ付き鋼管の材料の降伏応力を超えた場合、鋼管が塑性変形し、鋼管の内径が変化する可能性がある。内径が変化すると、該ねじ付き鋼管を高圧ガス用容器などに用いた際にシール性が低下するという問題がある。そのため、鋼管の塑性変形に起因するシール性の低下を抑制するという観点からは、ねじ付き鋼管にかかる軸方向応力を、前記ねじ付き鋼管の材料の降伏応力以下とすることが好ましく、降伏応力の９０％以下とすることがより好ましい。言い換えると、上記荷重付与工程においては、下記（Ｂ’）を満たす条件で内圧を付与することが好ましく、下記（Ｂ’’）を満たす条件で内圧を付与することがより好ましい。
（Ｂ’）前記ねじ付き鋼管の軸方向応力が前記ねじ付き鋼管の材料の降伏応力以下
（Ｂ’’）前記ねじ付き鋼管の軸方向応力が前記ねじ付き鋼管の材料の降伏応力の９０％以下
以下、本発明の作用効果について、実施例を用いて説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されない。
（実施例１）
ねじ付き鋼管のモデルを用いた有限要素法（ＦＥＭ）による弾塑性解析によりねじ底応力を解析した。なお、ねじ付き鋼管を高圧ガス用容器として用いることを想定し、前記モデルとしては、金属製容器としての低合金鋼製のねじ付き鋼管からなり、炭素繊維強化樹脂層を有さないタイプ１容器と、前記タイプ１容器と同じ低合金鋼製のねじ付き鋼管（ライナ）と、前記ねじ付き鋼管の表面にＣＦＲＰを厚さ５ｍｍとなるように巻き付けて形成された炭素繊維強化樹脂層とからなるタイプ２容器の２種類のモデルを使用した。前記金属製容器を構成するねじ付き鋼管と、後述する内圧付与工程および性能評価に使用する蓋の材質は同じ低合金鋼とし、前記低合金鋼の引張強度（ＴＳ）は８２１ＭＰａ、降伏応力（ＹＰ）は７０５ＭＰａとした。また、前記低合金鋼の応力－ひずみ曲線としては、ＴＳ：９００ＭＰａ級 ＳＮＣＭ４３９鋼の応力ひずみ曲線を用いた。
金属製容器を構成するねじ付き鋼管の寸法は、長手方向長さを４５００ｍｍ、外径を４０４ｍｍで固定とし、内径および肉厚は表１に示す通りとした。また、蓋は、円盤状の鏡板と、中空円筒状のねじ込みナットからなる構造とし、鏡板の肉厚は７５ｍｍ、ねじ込みナットの肉厚は３７ｍｍとした。ここで、ねじ込みナットの肉厚とは、外周面に設けられたねじ部の頂点から内面までの厚さとした。また、ねじ形状は、ピッチ１２ｍｍ、ねじ深さ１２ｍｍ、ねじ肩曲率半径２．２ｍｍのＪＩＳ台形ネジとした。
上記ＦＥＭによる解析は、以下の条件で実施した。
ソフトウェア：ABAQUS Ver.6.12-4（ダッソー・システムズ株式会社）
計算モデル：軸対称モデル
メッシュ分割：応力集中部において５０μｍ
境界条件：ねじ付き鋼管の内面および鏡板のガス貯蔵部側にガス圧力を付与
拘束条件：金属円筒：Ｙ対称面上の節点、Ｙ方向変位拘束
鏡板、ねじ込みナット：積極的な節点の変位の固定は無し
接触条件：接触摩擦係数μ＝０．０５
（内圧付与工程）
上記金属製容器に対し、表１に示した内圧を付与した際のねじ底応力をＦＥＭにより求めた。雌ねじ部におけるねじ底応力の最大値は表１に示したとおりであった。また、ねじ底応力の最大値とは、ねじ底から、該ねじ底とは反対側の表面までの肉厚方向全体における応力の最大値を指す。
また、上記内圧を付与した際の、ねじ付き鋼管の軸方向応力と周方向応力を表１に併記した。金属製容器がタイプ１容器である場合、前記軸方向応力と周方向応力は、下記（１）、（２）式により算出した。
軸方向応力＝（蓋の受圧面積×内圧）／ねじ付き鋼管の最小断面積…（１）
周方向応力＝（ねじ付き鋼管の内径×内圧）／（２×ねじ付き鋼管の板厚）…（２）
また、金属製容器がタイプ２容器である場合、前記軸方向応力と周方向応力はＦＥＭによる解析で求めた。
（残留圧縮応力）
次いで、ＦＥＭによる解析により、上記内圧を除荷した状態における、雌ねじ部のねじ底から深さ方向に０．４ｍｍの位置における残留圧縮応力を求めた。表２には、前記残留圧縮応力の最大値を示す。
次に、各ねじ付き鋼管の性能を評価するために、再度内圧を負荷した際のねじ底応力と、ねじ部破断寿命を求めた。
（内圧負荷時のねじ底応力）
ねじ付き鋼管を実際に高圧ガス容器として使用する際の条件を想定して、ねじ付き鋼管に蓋を取り付けた状態で８２ＭＰａの内圧を負荷した際のねじ底応力の最大値を、ＦＥＭによる解析で求めた。得られた結果は表２に示したとおりであった。
（ねじ部破断寿命）
ＦＥＭによる解析で求められた応力から、圧力サイクル試験におけるねじ部の破断寿命を評価した。破断寿命の評価は、高圧ガス保安協会が定めた「各種部位のき裂進展解析法」（ＫＨＫＳ ０２２０（２０１０）附属書ＩＸ）にしたがって実施した。圧力付与の条件は、最小圧力：２ＭＰａ、最大圧力：８２ＭＰａ、温度：室温とした。
表２に示した結果から分かるように、適切な条件で内圧付与を行うことにより、本発明の条件を満たす残留圧縮応力をねじ底に導入することができる。そして、前記ねじ底から深さ方向に０．４ｍｍの位置における残留圧縮応力の最大値が本発明の条件を満たすねじ付き鋼管は、内圧を負荷した際のねじ底応力が低減されており、その結果、優れた疲労寿命を示した。
Figure 0007255752000001
Figure 0007255752000002
（実施例２）
蓋をした状態で内圧を付与することに代えて、治具を用いて荷重を付与した点以外は上記実施例１と同じ手順で、弾塑性解析によるねじ底応力の解析を実施した。本実施例では、前記治具として、実施例１で使用した蓋と同形状の治具を使用した。
（荷重付与工程）
上記金属製容器に対し、治具を用いて荷重を付与した際のねじ底応力をＦＥＭにより求めた。雌ねじ部におけるねじ底応力の最大値は表３に示したとおりとした。なお、荷重の付与は計算上では前記治具を管軸に平行な方向かつ管の外部方向へ移動（変位）させることで付与した。その際、ねじ底応力の最大値が表３に示した値となるように前記治具の変位を制御した。また、ねじ底応力の最大値とは、ねじ底から、該ねじ底とは反対側の表面までの肉厚方向全体における応力の最大値を指す。
次いで、上記実施例１と同様の手順で、下記の値を評価した。評価結果を表４に示す。
・上記荷重を除荷した状態における、雌ねじ部のねじ底から深さ方向に０．４ｍｍの位置における残留圧縮応力
・内圧８２ＭＰａを負荷した際のねじ底応力の最大値
・力サイクル試験におけるねじ部の破断寿命
表４に示した結果から分かるように、適切な条件で治具を用いた荷重の付与を行うことにより、本発明の条件を満たす残留圧縮応力をねじ底に導入することができる。そして、前記ねじ底から深さ方向に０．４ｍｍの位置における残留圧縮応力の最大値が本発明の条件を満たすねじ付き鋼管は、内圧を負荷した際のねじ底応力が低減されており、その結果、優れた疲労寿命を示した。
Figure 0007255752000003
Figure 0007255752000004
１ ねじ付き鋼管
１０ 鋼管
１１ 雌ねじ部
１２ ねじ溝
１３ 雌ねじ部のねじ底
１４ 内部空間
２０ 治具
２１ 雄ねじ部
２２ ロッド
３０ 荷重付与器
４０ 蓋
４１ 雄ねじ部
４２ Ｏリング
Ｐ ねじ底から深さ方向に０．４ｍｍの位置

Claims (6)

  1. 少なくとも一方の端部の内周面に雌ねじ部を有するねじ付き鋼管であって、
    前記雌ねじ部のねじ底における、前記ねじ底から深さ方向に０．４ｍｍの位置における残留圧縮応力の最大値が、１００ＭＰａ以上かつ前記ねじ付き鋼管の材料の引張強度以下であるねじ付き鋼管。
  2. 前記残留圧縮応力の最大値が、前記ねじ付き鋼管の材料の降伏応力以下である、請求項１に記載のねじ付き鋼管。
  3. 前記ねじ付き鋼管がシームレス鋼管からなる、請求項１または２に記載のねじ付き鋼管。
  4. 少なくとも一方の端部の内周面に雌ねじ部を有するねじ付き鋼管に、雄ねじ部を外周面に有する蓋を、前記雄ねじ部が前記雌ねじ部に螺合するよう取り付ける蓋取付工程と、
    前記蓋が取り付けられたねじ付き鋼管に、下記（Ａ）、（Ｂ）、および（Ｃ）を満たす条件で内圧を付与する内圧付与工程を有する、ねじ付き鋼管の製造方法。
    （Ａ）前記雌ねじ部のねじ底応力が前記ねじ付き鋼管の材料の降伏応力より大きい
    （Ｂ）前記ねじ付き鋼管の軸方向応力が前記ねじ付き鋼管の材料の引張強度以下
    （Ｃ）前記ねじ付き鋼管の周方向応力が前記ねじ付き鋼管の材料の引張強度以下
  5. 少なくとも一方の端部の内周面に雌ねじ部を有するねじ付き鋼管に、雄ねじ部を外周面に有する治具を、前記雄ねじ部が前記雌ねじ部に螺合するよう取り付ける治具取付工程と、
    前記治具を用いて、下記（Ａ）および（Ｂ）の両者を満たす条件で前記ねじ付き鋼管に荷重を付与する荷重付与工程を有し、
    前記荷重付与工程においては、前記治具を前記ねじ付き鋼管の管軸に平行な方向かつ前記ねじ付き鋼管の外部方向に引っ張ることにより荷重が付与される、ねじ付き鋼管の製造方法。
    （Ａ）前記雌ねじ部のねじ底応力が前記ねじ付き鋼管の材料の降伏応力より大きい
    （Ｂ）前記ねじ付き鋼管の軸方向応力が前記ねじ付き鋼管の材料の引張強度以下
  6. 前記ねじ付き鋼管がシームレス鋼管からなる、請求項４または５に記載のねじ付き鋼管の製造方法。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004052857A (ja) 2002-07-18 2004-02-19 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 均等荷重型ねじ蓋式高圧容器
JP2016089891A (ja) 2014-10-31 2016-05-23 Ｊｆｅコンテイナー株式会社 蓄圧器及び蓄圧器の製造方法
JP2018009683A (ja) 2016-07-15 2018-01-18 株式会社日本製鋼所 水素用圧力容器およびその製造方法
JP2019044967A (ja) 2017-09-04 2019-03-22 Ｊｆｅスチール株式会社 高圧水素ガス用蓄圧器
JP2019082188A (ja) 2017-10-27 2019-05-30 株式会社日本製鋼所 蓄圧容器
JP2019113121A (ja) 2017-12-25 2019-07-11 Ｊｆｅスチール株式会社 高圧水素ガス用蓄圧器

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6096136B2 (ja) 2014-02-24 2017-03-15 株式会社日本製鋼所 水素ガス蓄圧器
JP6781892B2 (ja) * 2016-02-12 2020-11-11 株式会社日本製鋼所 蓄圧容器
KR102134769B1 (ko) * 2018-05-09 2020-07-16 일성기계공업 주식회사 공기 배출이 용이한 고압가스용기용 캡

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004052857A (ja) 2002-07-18 2004-02-19 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 均等荷重型ねじ蓋式高圧容器
JP2016089891A (ja) 2014-10-31 2016-05-23 Ｊｆｅコンテイナー株式会社 蓄圧器及び蓄圧器の製造方法
JP2018009683A (ja) 2016-07-15 2018-01-18 株式会社日本製鋼所 水素用圧力容器およびその製造方法
JP2019044967A (ja) 2017-09-04 2019-03-22 Ｊｆｅスチール株式会社 高圧水素ガス用蓄圧器
JP2019082188A (ja) 2017-10-27 2019-05-30 株式会社日本製鋼所 蓄圧容器
JP2019113121A (ja) 2017-12-25 2019-07-11 Ｊｆｅスチール株式会社 高圧水素ガス用蓄圧器

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