JPH02104491A - ステンレス鋼溶接管の残留応力軽減方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は比較的小径薄肉のステンレス鋼溶接管において
、その残留応力をＯプレス成形装置を用いて軽減させる
ようにしたステンレス鋼溶接管の残留応力軽減方法に関
するものである。

〔従来の技術〕

例えば小径薄肉の３０４ステンレス鋼溶接管は、水道配
管用として使われるようになってきた。

このステンレス鋼溶接管は、所定幅で、且つ長尺のステ
ンレス帯板を、複数の成形用ロール間を通過させること
によって環状に折り曲げるとともに、この折り曲げた帯
板の両端を溶接して成形されるものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このようなステンレス鋼溶接管は、帯板を環状−２１、
に折り曲げて両端を溶接するものであるから、管割れを
引き起こし、これがしばしば問題となっている。

このような応力腐食割れの問題を解決するためには、前
記残留応力を減少させればよいことが知られており、従
来、溶接管に直径減少率を与えることにより、長手方向
ののび、ひずみを与えて残留応力を軽減させる矯正方法
が試みられている。

しかし、例えば矯正用のロール、プレスなどを用いた矯
正工程において、前述のように管に直径減少率を与えて
長平方向ののび、ひずみを与えたにもかかわらず、管の
溶接・冷却工程で生じた残留応力が必ずしも減少しない
ことは知られている。

本発明は前記従来の問題点に鑑み、ステンレス鋼溶接管
製造の溶接・冷却工程に注目して温度ならびに応力解析
、測定を行い、製造条件が残留応力に及ぼす影響を調べ
た。そして、０プレス成形装置を用いて溶接・冷却後の
管に直径絞りを与えて残留応力の軽減効果を調べる実験
を種々行った結果、満足する効果を得られたものである
。

よって、本発明は、管の残留応力を著しく軽減すること
のできるステンレス鋼溶接管の残留応力軽減方法を提供
することを目的とする。

ｃ問題点を解決するための手段〕 前記の目的を達成するため、本発明に係るステンレスＳ
Ｍｙ８接管の残留応力軽減方法は、０プレス成形装置を
用いて、溶接・冷却後のステンレス鋼溶接管に直径絞り
を与えて管の残留応力を軽減させる方法において、ダイ
ス長さを前記管外径の１゜３倍以上としたＯブレス金型
を用い、且つ直径減少率が１．８％以上になるようにプ
レスすることを特徴とするものである。

〔作　　用〕

ダイス長さを管外径の１．３倍以上とし、且つ直径減少
率を１．８％以上としたことにより、ダイス長さ及び直
径減少率を必要最少限に押さえることができ、なお且つ
管の応力腐食割れの発生防止に必要な引張り残留応力を
管の長平方向、周方向ともに、１００ＭＰａ以下に押さ
えるとかできるものである。

〔実　施　例〕

本発明の実施例を実験に基づいて以下詳細に説明する。

すなわち、本発明においては、ステンレス鋼溶接管の溶
接・冷却後の管に直径絞りを与えて残留応力の軽減効果
を調べる実験を行った。

以下、項を分けて説明する。

実験条件 第１図に示す溶接・冷却後の管１を、第２図に示すＯプ
レス金型２を用いて成形した。

この時のダイス穴型径Ｄｄ、ダイス長さＬｄ、溶接管の
板厚ｔ、管長さＬｐを表１に示す。また、溶接・冷却後
の管１の平均外周長から求めた管外径Ｄｐは、２２．５
〜２２．６ｍｍである。さらに、長手方向のひずみの変
化を調べる実験のみで管長さＬｐを５００１ｍとしたが
、これ以外の実験では１５０　ｔｍとした。

〔１〕板厚と直径減少率の関係 第３図に管１の板厚を変化させて０ブレスを行なった時
の公称直径減少率Ｒｎと、真直径減少率Ｒｔの関係を示
す。これらは次の式により計算した。

Ｒｎ＝Ｄｄ−Ｄｗｃ Ｄｗｃ Ｒｔ＝Ｄｏｐ−Ｄｗｃ Ｄｗｃ 但し、Ｄｄ　：ダイス穴型径 Ｄｗｃ　：溶接・冷却後の管平均外径 Ｄｏｐ：Ｏプレス後の管平均外径 第３図から、板厚の変化によらず、ＲｔはＲｎよりやや
低くなっていることがわかる。また、Ｒｎを小さく設定
した場合には、直径の減少を生じていない。

この結果から、ＲｎとＲｔとの間には、Ｒｔ　＝　０．
８４６　Ｒｎ　−０，３０６の関係があることがわかる
。

〔２〕真直径減少率の残留応力に及ぼす影響第４図には
板厚を１．０ｍｍとし、Ｒｔを変化させた時の管１の長
手方向ならびに周方向残留応力分布を示す。応力測定に
はＸ線回折装置を用いた。

第４図から、管周方向応力σ　θはＲｔによらず、応力
の絶対値が１００　Ｍ　Ｐ　ａ以内になっていることが
わかる。

一方、管長手方向応力σ　２についてみると、０プレス
を行うことにより、残留応力は減少しているが、Ｒｔが
小さい場合には、管底部３と熔接ビード４の近傍部に１
００〜２００　Ｍ　Ｐ　ａの引張残留応力が存在する。

しかし、Ｒｔを大きく設定することにより、σ　２につ
いても残留応力の絶対値が大幅に減少することが判明し
た。

ところで、３０４ステンレス鋼では、引張応力が約１０
０　Ｍ　Ｐ　ａ以下になれば、割れ発生時間が著しく長
くなることが一般に知られている。

しかして、−前記管用として用いられる小径のステンレ
ス鋼管では、１５０　Ｍ　Ｐ　ａ程度の引張残留応力状
態でも割れ発生の危険性は無いと考えられるが、まだＪ
ＩＳによる規定がないので、実験では、応力腐食割れを
生じないための残留応力を１００ＭＰａと設定した。そ
して、第４図の結果から、真直径減少率Ｒｔ　＝　１．
８％に設定すれば残留応力が１００　Ｍ　Ｐ　ａ以下と
なり、応力腐食割れの危険性がないことが確認された。

さらに、長手方向残留応力σ　２を減少させるためには
、周方向残留応力σ　θを減少させる場合よりも大きな
真直径減少率を必要とする理由として、真直径減少率に
対する管ｌの長手方向ののびを調べた。これを第５図に
示す。

図から、真直径減少率と長平方向ののびの関係は、　　
ｅ　　ｚ　＝　０．１７８Ｒｔ　＋　８．３Ｘ　１０−
”となり、与えられた真直径減少率のおよそ２０％が長
手方向ののびになっていることがわかる。つまり、直径
減少率が１．８％であれば、長手方向ののびは約０．３
％となって耐力を越えることになり、長手方向の塑性ひ
ずみを生じる。したがって、残留応力を軽減することが
できることが確認された。

〔３〕板厚の残留応力に及ぼす影響 第６図には、公称直径減少率Ｒｎ　＝　２．２％とし、
板厚を４種類に変化させた時の残留応力軽減状況を示す
。

図に示すように、周方向残留応力σ　θは、全ての板厚
で１００　Ｍ　Ｐ　ａ以下となっているが、長平方向残
留応力σ　２では、板厚が０．４〜０．６ｍｍの場合に
は、十分な軽減効果が認められないことがわかる。これ
は、同一のダイス大型径により直径絞りを行ったため、
第３図において、公称直径減少率Ｒｎ　＝　２．２％付
近での真直径減少率Ｒｔが板厚が薄くなるにつれて少な
いためである。

〔４〕ダイス長さの残留応力に及ぼす影響ところで、０
プレス成形装置を用いることによる残留応力軽減方法を
、実際のステンレス鋼溶接管製造ラインへ導入する場合
、○プレス金型２は、管１の製造速度と同期して、圧縮
・除荷・移動を繰返すことになる。ダイス長さが長くな
れば、圧縮回数が少なくなる一方で、移動距離が長くな
りいが、これまでの実験で採用したダイス長さ８０鰭の
時の残留応力軽減効果がどこまで適用できるか疑問であ
る。

そこで、本発明の実験では、ダイス長さが８０鰭の場合
に加えて、１０．２０．３０ｍｍの各ダイス長さのもの
を準備してＯブレス後の残留応力分布を調べてみた。

その結果を第７図に示す。この場合、板厚は１゜０鰭と
し、真直径減少率はＲｔ　＝　１．８％とした。

ダイス長さが１０．２０ｍｍの場合には、σ　２・σ　
θともに周方向位置におけるばらつきが大きく、許容値
よりもはずれている。ダイス長さ３０ｍｍにおいては、
各位置における残留応力値が１００　ＭＰａ以内となり
、ダイス長さ８０鰭の時の結果に近すいている。

この理由として、ダイス長さが短い場合、０プレス成形
された部分は前後の拘束を受けるため局部的な曲げ変形
などを受ける。そのために、ダイられる。

しかして、前記の結果から、管の外径が２２．５〜２２
．６ｍに対して、ダイス長さを３０ｍｍとしたものによ
り管の周方同各位置における残留応力値が１００ＭＰａ
となることから、応力軽減効果を十分ならしめるために
は、管外径の１．３倍以上のダイス長さが必要であるこ
とが判明した。

〔５〕０プレス成形後の形状精度 ０プレス成形による残留応力軽減効果とともに形状精度
の向上について測定を行い、１部ロール成形法と比較し
た。

■　板厚変化 第８図に周方向の板厚ひずみ分布を示す。

０プレス成形において、真直径減少率が大きくなるとと
もに板厚が厚くなり、特に管の側部でその傾向が著しい
。

また、第５図の結果と照らし合わせてみると、真直径減
少率の過半量が板厚増加に変換されていることがわかる
。同−真直径減少率の場合には、ロール成形法の板厚増
加があまり見られないことがわかる。これはロールの回
転とともに、管の長手方向ののびが促進されるためであ
る。

■　周方向分布曲率 第９図に板厚０．４鶴の場合の０プレス成形法とロール
成形法による周方向曲率分布を、また、第１０図に板厚
１．Ｑｍｍにおける各真直径減少率での周方向曲率分布
を示す。

真直径減少率がほぼ同一の場合、成形法による差異は認
められない。また、同一減少率において、板厚１．０ｍ
ｍの場合Ｏプレス成形法がやや曲率分布が悪いが、残留
応力が十分軽減される真直径減少率の範囲では、Ｏブレ
ス成形法による方が精度が著しく向上していることがわ
かる。

■　管外径ならびに切口変形 第１１図に管外径の縦横比ならびに管切断後の縦横比の
変化を示す。管周方向に管外径を測定していくと、溶接
ビードと管底間の外径が最も大きく、管の側部間の外径
が最も小さい。これを無次元化して縦横比として表した
。

０プレス成形前は溶接・冷却の影響を受けて４〜５％の
楕円形であったが、成形後１％以下に精度が向上してい
る。真直径減少率Ｒｔが約０．７％付近での縦横比が一
番良好であり、その後直径絞りを与えても必ずしも縦横
比は改善されていない。

周方向各位置における管外径の測定結果を調べてみると
、減少率がＲｔ　＝　０．７％付近では、設定した大型
半径からの弾性回復量が周方向各位置において一様であ
る。

一方、真直径減少率Ｒｔ−が１％以上では、管側部はほ
ぼ設定した大型径なのに対し、管底部とビード部間では
、弾性回復量が大きく設定穴型径から偏位している。

このことから、直径減少率が大きくなると、管の圧縮状
況が周方向位置により異なることがわかり、より高精度
の管をＯプレス成形するためには、ダイス穴形状を真円
ではなく、やや横楕円形状にしなければならないことを
示している。

〔６〕応力腐食割れ試験 Ｏブレス成形を行って残留応力が軽減された管を４２％
塩化マグネシウム沸騰液中１４３℃へ漬ける応力腐食割
れ試験を行い、割れ発生までの時間を市販品と比較した
。割れは顕微鏡とカラーチエツクにより確認した。その
結果を第１２図に示す。

市販品では、試験開始後３０分で管全体にσ　２による
周方向の横割れが発生した。またＯプレスおよびサイジ
ング工程前、すなわち溶接・冷却後の管は管底部にσ　
θによる長手方向の縦割れが発生した。このことは管底
部外表面に引張りの残留応力が分布しているという解析
結果と一致する。

一方、ロール成形法によるサイジング工程後の管は、１
時間後に溶接ビード近傍のθ＝１３５°〜１６０°なら
びに４５°付近でσ　２による割れが発生した。これに
対し、Ｏプレス成形後の管は３時間経過後も割れ発生が
見られず、良好な結果であった。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、ステンレス鋼溶接管の溶
接・冷却後に生じる引張りの残留応力を０プレス成形に
より軽減する方法において、下記のような残留応力軽減
効果ならびに精度向上効果が得られたものである。

■　引張りの残留応力が管の長手方向、周方向ともに１
００ＭＰａ以下になるためには、直径減少率が１．８％
以上必要であり、且つ管外径の１．３倍以上のダイス長
さが必要であることが判明した。

よって、本発明の方法は、前記の数値を満たすべ〈実施
することにより、必要最少限のダイス長さ及び直径減少
率でもって、長平方向、周方向ともに引張り残留応力を
１００ＭＰａ以下に軽減した管を得ることができ、管に
分布する引張りの残留応力による応力腐食割れをなくす
ことができる優れた効果を有する。

■　しかも、０ブレス成形を行った溶接管の形状精度は
、ロール成形法と比較して優れているとともに、０プレ
ス成形による管の矯正法は、耐応力腐食割れ性において
も、ロール成形法による矯正に比べて優れているなどの
効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を実施するステンレス鋼溶接管の
断面図、第２図ｉ；！Ｏブレス金型の正面図、第２図Ｂ
は側面図、第３図は管の板厚と直径減少率を示すグラフ
、第４図は残留応力分布を示すグラフ、第５図は管の直
径絞りによる長平方向ののびを示すグラフ、第６図は管
の板厚変化による残留応力分布を示すグラフ、第７図は
ダイス長さの変化による残留応力分布を示すグラフ、第
８図はｈｐｔ分布を示すグラフ、第９図はプレス成形法
とロール成形法による周方向曲率分布を示すグラフ、第
１０図は各真直径減少率での周方向曲率分布を示すグラ
フ、第１１図は溶接管の縦横比を示すグラフ、第１２図
は管の応力腐食割れ試験結果を示すグラフである。 １・・・ステンレス鋼溶接管　２・・・０プレス金型３
・・・管底部　４・・・溶接ビード。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｏプレス成形装置を用いて溶接・冷却後のステン
   レス鋼溶接管に直径絞りを与えて管の残留応力を軽減さ
   せる方法において、ダイス長さを前記管外径の１．３倍
   以上としたＯプレス金型を用い、且つ直径減少率が１．
   ８％以上になるようにプレスすることを特徴とするステ
   ンレス鋼溶接管の残留応力軽減方法。