JPH07256450A - 複合鋼管の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 肉盛溶接によって厚さが均一な肉盛層をもつ
薄肉長尺鋼管を能率よく、経済的に製造する方法を提供
する。 【構成】 鋼管１をトーチ４によって肉盛溶接するにあ
たって、温度調節計１０、水量調節ポンプ１１と測温計
２１、水量計２０とで温度と流量とが制御された冷却水
によって鋼管の肉盛面と反対側の面を冷却しつつ肉盛溶
接する。鋼管の肉盛部が溶去して溶け落ち孔を生じるこ
とがないように冷却用流体の温度と流量とを制御しつつ
肉盛溶接するので、薄肉の鋼管を能率よく溶接すること
ができる。また、肉盛り溶接時に鋼管１に軸方向の引張
り力を付加しつつ溶接することにより鋼管の曲がり発生
を低減することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、石油生産、石油輸送、
発電用熱交換器用鋼管などに用いられる肉盛溶接鋼管に
関する。

【０００２】

【従来の技術】石油生産用、石油輸送用などの鋼管とし
ては、例えば、ＡＰＩ−Ｌ８０等の低合金鋼製の鋼管が
用いられる。これらの鋼管の内面および外面は硫化水素
等を含む強い腐食性環境に曝されるうえ、岩盤掘削時に
生じるスライムや岩屑による摩耗が避けられないので、
耐食性が高く耐摩耗性に優れた鋼管が必要とされる。ま
た、発電用熱交換器に用いられる熱交換用パイプでは耐
熱性とともに高い耐食性が要求される。

【０００３】鋼の耐食性、耐摩耗性を高める経済的な方
法として金属の溶射、ＰＶＤ被覆、肉盛溶接等の各種の
表面被覆処理が用いられている。しかし、地金に対する
密着性がよいこと、厚い被覆層を得やすいことなどか
ら、前記の石油生産、石油輸送発電用熱交換器用鋼管な
どに用いられる鋼管の表面被覆処理としては肉盛溶接が
用いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】肉盛溶接法が地金に対
する密着性がよいのは、他の表面被覆処理法に較べて溶
着金属および被溶接材への入熱量が大きいので、溶着金
属と被溶接材とが十分に溶融して一体化することによる
ものである。そのため、肉盛溶接によって肉厚の小さい
被溶接材に厚い肉盛層を形成しようとするとき、被溶接
材が局所的に昇温して貫通孔を生じるとか、肉盛層の厚
さに不均一を生じるなどして、薄肉長尺の鋼管に均等に
肉盛溶接することは困難であった。 被溶接材の肉厚に
見合った薄い溶融層の形成によって肉盛溶接するために
は溶接入熱量を小さくする必要があり、溶着金属への入
熱量も少なくなるために、溶着金属と被溶接材との密着
性が損われてしまう。少ない溶接入熱量で密着性のよい
肉盛層を得るためには、溶加材の供給速度を小さくして
溶着金属が十分に溶融するまで溶接速度を低下する必要
があるため、著しく生産性が低下するという問題があっ
た。

【０００５】また、長尺の鋼管に肉盛溶接する際には、
鋼管の横断面上における入熱が時間的に不均一となるこ
とが避けられず、鋼管に曲りが生じることがある。その
ために溶接を継続することができなくなったり、溶接作
業終了後に鋼管を真直にするために矯正することが必要
となるという問題がある。本発明の目的は、上記の困難
を解決して、肉盛溶接によって厚さが均一な肉盛層をも
つ薄肉長尺鋼管を能率よく、経済的に製造する方法を提
供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに本発明の肉盛溶接鋼管の製造方法は、 （１） 鋼管の肉盛溶接面と反対側の面を流体によって
冷却しつつ肉盛溶接することを特徴とする。 （２） 前記鋼管の肉盛溶接において、この鋼管の軸方
向に引張り力を付与しつつ肉盛溶接することを特徴とす
る。 （３） 温度と流量とを制御した流体によって鋼管の肉
盛溶接面と反対側の面を冷却しつつ、かつ、前記鋼管の
軸方向に引張り力を付与しつつ肉盛溶接することを特徴
とする。

【０００７】肉盛溶接の方法としては、ガス溶接法、ア
ーク溶接法の何れを用いてもよいが、入熱量の制御が容
易なアーク溶接法を用いるのが好ましい。また、ステン
レス鋼、耐食合金など、酸素との親和力の大きい元素を
多く含む高合金を肉盛する場合には不活性ガス被包アー
ク溶接法が好ましい。被包ガスとしてはアルゴンと窒素
などを用いることができる。さらに、プラズマアークを
用いた粉末溶接法によれば、前記の高合金や、溶接線に
加工することが困難な硬質金属の肉盛も可能となり、溶
接入熱量と溶加材の供給量の制御とがそれぞれ独立に行
えるので、本発明の肉盛溶接鋼管の製造方法の実施にあ
たって極めて好適である。

【０００８】本発明の肉盛溶接鋼管の製造方法において
は、肉盛溶接される鋼管の、溶接面と反対側の面を流体
によって冷却しつつ溶接する。流体としては空気、窒
素、アルゴンなどの気体でもよく、また、水、油などの
液体でもよい。さらに、これらの液体と気体とを混合し
て噴霧状態としたものを用いることができる。冷却用流
体の温度と流量とを調節することによって、溶接入力に
見合った冷却を行い、肉盛溶接されるべき鋼管が溶融貫
通することがなく、しかも、溶着金属と前記鋼管とが十
分に融合して強固な肉盛層を形成することができる。

【０００９】鋼管の外側に肉盛溶接するときは鋼管の内
側に冷却用流体を流して前記鋼管の内壁を冷却しつつ肉
盛溶接する。肉盛溶接すべき鋼管の内径が大きく、冷却
用流体の量が多いときには、例えば、前記鋼管の内側に
鋼管と同心状に冷却用流体を流すための流路を設けて、
ここに冷却用流体を流しつつ肉盛溶接することにより冷
却用流体の温度制御が容易になる。

【００１０】また、鋼管の内側に肉盛溶接する場合に
は、前記鋼管の外側に直接冷却用流体を吹きつけてもよ
いが、例えばこれと同心状に冷却用流体を流すための流
路を設けて、ここに冷却用流体を流しつつ肉盛溶接する
のが好ましい。また、長尺の鋼管に肉盛溶接する際に
は、鋼管の横断面上における入熱が時間的に不均一とな
ることが避けられず、鋼管に曲りが生じることがある。
鋼管の肉盛溶接時にこの鋼管の軸方向に引張り力を付与
しつつ肉盛溶接することによってこのような曲りの発生
を防止することができる。加える引張り力の大きさは、
小さ過ぎればその効果を生ぜず、また、大き過ぎれば鋼
管が伸び変形し、遂には破断してしまう。加えるべき引
張り力の適正な値は、溶接時における温度分布によって
決る鋼管の実質的な強さに依存するため、溶接入力、冷
却条件などによって異なるので一概には決め難いが、少
なくとも、鋼管が大きな伸び変形を生じることなく、ま
た、溶接時に生じる曲りを抑制するに足りる大きさの力
を付与する必要がある。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の肉盛溶接鋼管の製造方法につ
いて、実施例によって具体的に説明する。図１は本発明
の肉盛溶接鋼管の製造方法の構成を示す模式的配置図で
ある。図１は鋼管１の外面に肉盛溶接する場合について
示している。封止板２は溶接等の方法により鋼管１の両
端面に取り付けられており、鋼管１の内側に冷却用流体
を流したとき、この流体が外に洩れないように封止する
働きをする。

【００１２】鋼管１はその外周に接して設けられた駆動
ローラ３によって駆動されて回転する。なお、封止板２
を鋼管１の外径よりもやや大きい直径をもつ円板状に形
成し、その中心を鋼管１の中心に合わせて取り付け、駆
動ローラ３をその外縁に接するように配置すれば、鋼管
１を滑らかに回転するのに好適である。トーチ４には、
溶接制御装置８によって制御された溶接電力、溶接金
属、シールドガスなどが供給される。トーチ４は、鋼管
１の長手方向に平行に設けられたトーチ駆動軸５とトー
チ保持竿６を備えたトーチ駆動装置７によって駆動さ
れ、鋼管１の軸方向に移動することができる。鋼管１の
肉盛溶接部にトーチ４を配置し、鋼管１を回転しつつト
ーチ４を移動することにより連続的に鋼管１の外周を肉
盛溶接することができる。

【００１３】温度調節器１０によって所要の温度に調節
された冷却用水は水量調節ポンプ１１によって加圧さ
れ、回転し得る管継手１２、給水管１３を経て鋼管１に
送り込まれる。鋼管１から出た冷却用水は配水管１４か
ら、水量計２０、測温計２１を経て貯水槽１５に蓄えら
れる。水量計２０によって鋼管１から排出された水量が
測定され、その測定結果は水量調節ポンプ１１にフィー
ドバックされて鋼管１に供給する冷却水の量が調整され
る。また、測温計２１によって鋼管１から排出された冷
却水の温度が測定され、その測定結果は温度調節器１０
にフィードバックされて鋼管１に供給する冷却水の量が
調整される。

【００１４】図２は本発明の方法によって鋼管１の内面
に肉盛溶接する場合の一例を示している。この場合に
は、トーチ駆動軸５、トーチ保持竿６は鋼管１の内側に
設けられ、トーチ４が鋼管１の内側に導入されるように
配置される。また、鋼管１の外側にはこれと同心状に外
筒９を設けて鋼管１の外面との間に冷却用水の流路を構
成する。給水管１３は前記冷却水用の流路に冷却水を供
給するためのものであるが、この場合、管継手１２の鋼
管１側で給水管１３を分岐して鋼管１の外周より均等に
冷却水が供給されるようにするのが好ましい。排水管１
４についても同様に複数の排水管１４を設けて排水が均
等に行われるようにするのが好ましい。

【００１５】鋼管１の冷却方法のその他の例を図３、図
４に示す。図３の方法は噴射水によって鋼管１の内面を
冷却するためのものである。先端を封じ、かつ、溶接ト
ーチに対応する側面に多数の噴水口を設けた給水管１３
を鋼管１の内部に挿入し、噴射口より冷却水を噴射して
溶接位置に対応する鋼管１の内面を冷却する。配水管１
４からの排水量を噴射水量より大きくして鋼管１の内部
には空隙が残る状態としている。

【００１６】図４の方法は流水によって鋼管１の内面を
冷却するためのものである。給水管１３を鋼管１の内部
に挿入し、その先端から冷却水を吐出して鋼管１の内側
を冷却する。鋼管１の内部は予め冷却水で充満してお
き、鋼管１の外から給水管１３により冷却水を送給して
鋼管１内の冷却水を還流し、排水管１４により排出す
る。

【００１７】（実験 １）外径４８．４ｍｍ、内径３
４．４ｍｍ、長さ４．５ｍのＪＩＳ ＳＴＢＡ２４の鋼
管の外面にプラズマアークによる粉末溶接法（以下ＰＰ
Ｗ法と呼ぶ）により、ＨａｓｔｅｌｌｏｙＣ２２合金粉
末を用いて肉盛溶接を行った。ＰＰＷ法に用いたトーチ
は図５に示す通りである。タングステン製の電極３１か
ら鋼管１へ向かうプラズマアーク３３の中へ、パウダー
ガス３４によって搬送されるＨａｓｔｅｌｌｏｙＣ２２
の合金粉末３６を投入して溶融し、これを鋼管１の表面
に溶着して肉盛層４１を形成せしめた。プラズマアーク
３３を発生させるためのセンターガス３２およびシール
ドガス３５としてはアルゴンを用いた。またプラズマア
ークを発生させるための電力はプラズマ電源４２から供
給される。溶接条件は表１に示す通りとした。

【００１８】

【表１】 実施例１では図３に示す噴射水冷却法により、冷却水の
噴射量を８ｌ／ｍｉｎとして鋼管１の外面に肉盛溶接を
行った。実施例２では図４に示す流水冷却法により、水
量４０ｌ／ｍｉｎの冷却水を送りつつ鋼管１の外面に肉
盛溶接を行った。実施例３では図２に示す方法により水
量４０ｌ／ｍｉｎの冷却水を送りつつ鋼管１の内面に肉
盛溶接を行った。比較例１では、溶接条件は表１と同様
として、強制的な冷却を全く行わない状態で溶接を行っ
た。

【００１９】溶接結果は表２に示すように比較例１では
肉盛溶接を続けるに従って鋼管の温度が上昇し、しばら
くすると溶け落ちが発生し、肉盛溶接を続行することが
できなくなった。本発明の方法によれば長尺の鋼管の溶
接が可能であった。

【００２０】

【表２】 （実験 ２）図４に示す流水冷却法を用いて給水管から
供給する冷却水の温度を２０℃とし、その流量を変え
て、実験１と同一の鋼管の外面に、ＰＰＷ法により表１
に示す溶接条件でＨａｓｔｅｌｌｏｙＣ２２合金粉末を
肉盛溶接した。溶接結果は表３に示すように冷却水の流
量１０ｌ／ｍｉｎ以下では溶け込み量の変動幅がやや大
きいが、溶け落ちを生じることなく肉盛溶接を継続する
ことができた。冷却水流量２０ｌ／ｍｉｎでは溶け込み
量の変動も少なく、安定した肉盛溶接が行われた。

【００２１】

【表３】 （実験 ３）鋼管１の内面を冷却しつつ、ＴＩＧ溶接法
により鋼管１の外面に肉盛溶接を行った。このとき鋼管
１の軸方向に引張り力を付与しつつ肉盛溶接を行った。
鋼管１としてはＪＩＳ ＳＵＳ３０４製で外径５０．８
ｍｍ、内径３４．８ｍｍ、長さ４．５ｍのものを用い
た。溶加材としては直径２．６ｍｍのＳＵＳ３１０鋼線
を用いた。ＴＩＧ溶接の溶接電流は８０Ａ、溶接電圧は
２０Ｖとした。

【００２２】実施例１０および実施例１１では、図３に
示す噴射水冷却法により、噴射水量８ｌ／ｍｉｎとして
鋼管１の内面を冷却した。実施例１２〜１５では、図４
に示す流水冷却法により、水温２０℃、流量４０ｌ／ｍ
ｉｎとして鋼管１の内面を冷却した。なお、実施例１０
と実施例１２では軸方向引張り力を付与しないで肉盛溶
接を行った。

【００２３】肉盛溶接した鋼管１の長さと、その間に発
生した曲りの大きさを溶接位置における心振れとして測
定した。その結果を表４に示す。溶接位置における心振
れが大きくなると溶接トーチ４と鋼管１との間隔が変動
し、肉盛幅、溶け込み深さなどが不揃いとなる。さらに
心振れが大きくなれば溶接トーチ４と鋼管１とが接触し
て溶接することが不可能となる。本実施例の場合には実
質的に溶接不可能となる心振れの量は約１０ｍｍであっ
た。表４から明らかなように、軸方向引張り力を付与す
ることは、肉盛溶接中に生じる曲りの低減に著しく効果
があり、曲りの発生により生じる溶接の不具合を減じて
長尺管の肉盛溶接に有効であることが判る。

【００２４】

【表４】

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、肉
盛溶接によって厚さが均一な肉盛層をもつ薄肉長尺鋼管
を能率よく、経済的に製造する方法を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】鋼管の外面に肉盛溶接する場合における本発明
の構成を示す模式的配置図である。

【図２】本発明における鋼管内面の肉盛溶接状況を示す
模式的部分切断図である。

【図３】本発明における噴射水冷却による鋼管内面の冷
却法を示す要部断面図である。

【図４】本発明における流水冷却による鋼管内面の冷却
法を示す要部断面図である。

【図５】ＰＰＷ用トーチの要部断面図である。

【符号の説明】

１ 鋼管 ２ 封止板 ３ 駆動ローラ ４ トーチ ５ トーチ駆動軸 ６ トーチ保持竿 ７ トーチ駆動装置 ８ 溶接制御装置 ９ 外筒 １０ 温度調節器 １１ 水量調節ポンプ １２ 管継手 １３ 給水管 １４ 排水管 １５ 貯水槽 ２０ 水量計 ２１ 測温計 ３１ 電極 ３２ センターガス ３３ プラズマアーク ３４ キャリアガス ３５ シールドガス ３６ 合金粉末 ４１ 肉盛層 ４２ プラズマ電源

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鋼管の肉盛溶接面と反対側の面を流体に
   よって冷却しつつ肉盛溶接することを特徴とする複合鋼
   管の製造方法。
2. 【請求項２】 前記鋼管の肉盛溶接において、この鋼管
   の軸方向に引張り力を付与しつつ肉盛溶接することを特
   徴とする請求項１記載の複合鋼管の製造方法。
3. 【請求項３】 温度と流量とを制御した流体によって鋼
   管の肉盛溶接面と反対側の面を冷却しつつ、かつ、前記
   鋼管の軸方向に引張り力を付与しつつ肉盛溶接すること
   を特徴とする複合鋼管の製造方法。