JPH0978164A

JPH0978164A - 溶接チタン管

Info

Publication number: JPH0978164A
Application number: JP23849495A
Authority: JP
Inventors: Atsuyuki Miyamoto; 淳之宮本; Katsuhiko Maehara; 克彦前原; Takanari Okuda; 隆成奥田; Eiichi Suzuki; 栄一鈴木; Katsumi Yoshioka; 勝美吉岡; Hiromichi Kawahara; 弘道河原
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1995-09-18
Filing date: 1995-09-18
Publication date: 1997-03-25
Anticipated expiration: 2015-09-18
Also published as: JP3035197B2

Abstract

(57)【要約】【課題】強度が45kgf/mm²以上の高強度を有し、か
つ、高速造管を行っても溶接ビード部のミクロクラック
の発生を充分に抑制する。【解決手段】帯板状のチタン材を管状に成形しつつ長
手方向接合縁を溶接して形成されるチタン管であって、
上記チタン材中のＦｅとＯとの各含有量をそれぞれａ重
量％，ｂ重量％とするとき、ａ：0.08重量％以下、ｂ：
0.40重量％以下、かつ、５３・ａ＋１１７・ｂ＋２８．３１≧４５である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、化学・石油精製プ
ラントの熱交換器等に使用される伝熱用の溶接チタン管
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、伝熱用溶接チタン管は、発電プ
ラントの復水器や海水淡水化装置など、主に海水を冷却
媒として利用する装置の伝熱管として大量に使用されて
いる。これら装置では、雰囲気温度がせいぜい 100℃
で、伝熱管への付加応力も低いために、通常肉厚が 0.5
〜0.7mm 、強度レベルも JIS H4631（伝熱用純チタン
管）２種相当の比較的軟質な薄肉溶接チタン管が使用さ
れている。

【０００３】このような溶接チタン管は、通常、チタン
の帯板材を室温で各種成形ロールに順次通過させて管状
体に成形し、該管状体の長手方向に亘る接合縁を溶接す
ることにより製造されている。上記のような溶接チタン
管の造管に際しては、図２に示すように、溶接管２０の
溶接ビード部２１の内面にミクロクラック２２が発生す
ることがある。そして、このミクロクラックの発生は、
図３に示すように、溶接直前のほぼ円形状にまで成形さ
れた素材のスプリングバック量δと造管速度とに密接に
関係することが明らかになっている。すなわち、同図に
示すように、溶接域では溶融プール２４がスクイズロー
ル２３の中心に置いた溶接トーチ位置から造管方向に長
く伸び、スクイズロール２３の中心から離れた最終凝固
点近傍ではスクイズロール２３による圧下が十分効かな
くなる。このため、素材のスプリングバックによる円周
方向応力が最終凝固点近傍に働いてミクロクラックが発
生すると考えられる。従って、素材のスプリングバック
量が大きくなるほど、又、造管速度が速いほど（溶融プ
ール長さが長くなるため）、ミクロクラックが発生し易
くなる。

【０００４】この種のミクロクラックを防止して造管速
度を向上させる方法として、特公平１−５４１２２号公
報に温間成形法が、また、特公平５−５１３７３号公報
に非対称成形法がそれぞれ開示されている。これらはい
ずれも成形後の素材のスプリングバック量を抑制してミ
クロクラックを防止する方法であり、前記した薄肉溶接
チタン管に対しては十分な効果が認められている。

【０００５】なお、工業用純チタンは、最も軟質な純チ
タン（ＪＩＳ１種）では、Ｆｅを0.03重量％，Ｏを0.05
重量％程度含有するが、これより強度レベルの高いＪＩ
Ｓ２種或いは３種の工業用純チタンでは、高強度化のた
めにＦｅ及びＯが同時に添加される。特に、ＪＩＳ３
種、或いは引張強さが45kgf/mm²を越えるような高強度
純チタンの場合は、Ｆｅ，Ｏともに 0.1重量％を越える
量が添加されている。

【０００６】ところで、例えばテレフタル酸プラントの
ような化学プラントや石油精製プラントでは、雰囲気温
度が 200℃を越え、伝熱管への付加応力も高くなる。そ
のため、従来、これらの装置に用いられる伝熱管には、
１mmを越える比較的厚肉で、強度レベルも45kgf/mm²を
越えるようなＪＩＳ３種相当の厚肉シームレス管が使用
されている。しかし、最近になってコストダウンのため
にシームレス管を溶接管に代替しようとの動きがあり、
高強度厚肉溶接チタン管へのニーズが新たに生じてき
た。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記したニ
ーズに対応するために、例えば前述したＪＩＳ３種相当
のチタン材を使用し、かつ、前記公報記載の温間成形法
や非対称成形法を併用して高強度厚肉溶接チタン管を造
管しようとしても、充分な生産性が得られないという問
題を生じている。

【０００８】すなわち、管の肉厚が厚くなると溶接時の
溶接入熱を大きくする必要があり、このために溶融プー
ルが長くなることから、ミクロクラックが非常に発生し
易くなる。更に、肉厚が厚い分、薄肉溶接チタン管より
もスプリングバックを小さくすべきところが、高強度材
であるために通常はスプリングバックが大きくなり易
く、前記の温間成形法や非対称成形法を適用しても、満
足すべき造管速度までミクロクラックを抑制するだけの
スプリングバック量は達成できない。結果として、高強
度厚肉溶接チタン管では従来の薄肉溶接チタン管に比べ
極めて遅い速度で造管する必要があり、このために、生
産性に大きな問題が生じていた。

【０００９】本発明は、上記問題点に鑑みなされたもの
で、強度が45kgf/mm²以上の高強度を有し、かつ、高速
造管を行っても溶接ビード部のミクロクラックの発生が
充分に抑制された溶接チタン管を提供することを目的と
する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すべく、
本発明者らは溶接時のミクロクラックの発生に及ぼす要
因を詳細に検討した結果、チタン材中のＦｅの含有量が
ミクロクラックの発生に大きく影響していることを新た
に知見し、本発明をなすに至った。すなわち、本発明の
溶接チタン管は、帯板状のチタン材を管状に成形しつつ
長手方向接合縁を溶接して形成される溶接チタン管であ
って、上記チタン材中のＦｅとＯとの各含有量をそれぞ
れａ重量％，ｂ重量％とするとき、ａ：0.08重量％以
下、ｂ：0.40重量％以下、かつ、５３・ａ＋１１７・ｂ＋２８．３１≧４５ …（１）であることを特徴としている。

【００１１】上記のようにＦｅの含有量を0.08重量％以
下に抑えると、ミクロクラックの発生が抑制されると共
に満足できる範囲まで造管速度を上昇でき、特に0.05重
量％以下では大きな効果が得られる。なお、現状では、
最も高純度のチタンスポンジを使用しても0.03重量％程
度のＦｅが含有されている。一方、Ｆｅ量を低減させる
と強度が低下するため、Ｏ量を増加させて強度を補う。
この場合、引張強さが45kgf/mm² 以上となるように、換
算式（１）を用いてＯの含有量を設定する。なお、Ｏ量
を増加させると強度は上昇するが、延性が低下するた
め、極端に延性を損ねない範囲の0.40重量％をＯ量の上
限値とする。

【００１２】このようなチタン材からなる溶接チタン管
では、高速造管しても、溶接ビード部にミクロクラック
が殆ど認められず、品質に優れた高強度厚肉溶接チタン
管として提供することができる。なお、このような溶接
チタン管の肉厚については、 0.7mm未満では溶接時の溶
融プールの長さが短いためにミクロクラックの問題が発
生し難く、また、2.5mmを越える肉厚の溶接管について
は、前記した溶接管製造方法の採用が困難となるため、
肉厚の範囲を 0.7〜2.5mm に設定する。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の一
実施形態を説明する。初めに、図１を参照して溶接チタ
ン管の造管ラインについて説明する。同図において、１
はストリップ（帯板材）、２はアンコイラー、ＢＰはブ
レークダウンロール３を備えたブレークダウンパス、Ｆ
Ｐはフインパスロール４を備えたフインパス、５はスク
イズロール、ＳＰはサイジングロール６を備えたサイジ
ングパス、８はＴＩＧトーチ７を有する溶接部、９は走
行切断機、１０は造管方向を夫々示す。尚、ロールの配
列はこの他何種類か使われているが本質的には同じであ
る。

【００１４】上記の造管ラインにより、溶接チタン管の
製造が次のように行われる。すなわち、アンコイラー２
に巻かれた純チタン材からなる素材ストリップ１が、室
温（非加熱状態）で、ブレークダウンパスＢＰ，フイン
パスＦＰによって管状に成形され、管状体の長手方向に
亘る接合縁を溶接部８でＴＩＧトーチ７により溶接され
て、溶接チタン管として造管される。

【００１５】上記のチタン材は、含有するＦｅとＯとの
量をそれぞれａ重量％，ｂ重量％とするとき、ａ：0.08重量％以下、ｂ：0.40重量％以下５３・ａ＋１１７・ｂ＋２８．３１≧４５肉厚： 0.7〜2.5mm の条件を満たすように調整されている。これら調整条件
〜は、溶接ビード部にミクロクラックが発生するこ
となく、高速造管が可能なように設定したものであり、
次に、このように設定した理由について説明する。

【００１６】まず、ミクロクラック発生メカニズムにつ
いて説明する。溶接チタン管の製造に際して、溶接域の
状況は図３の如くであり、溶融プール２４がスクイズロ
ール２３の中心に置いた溶接トーチ位置から造管方向に
長く伸び、最終凝固点がスクイズロール２３の中心から
離れている。このため、最終凝固点近傍ではスクイズロ
ール２３による圧下が十分効かなくなり、素材のスプリ
ングバックによる円周方向応力が最終凝固点近傍に働い
てミクロクラックが発生すると考えられる。

【００１７】溶融プール近傍の断面の状況は図４に示す
様に、母材２７に溶融部２５，半溶融部２８，凝固部２
６が形成され造管方向に沿って変化すると予想され、液
相と固相とが共存する半溶融部２８がビード内面に形成
された段階、すなわち図４（ｄ）のＣ−Ｃ’断面近傍に
円周方向のスプリングバック力が付加されることによっ
て、ビード内面部にミクロクラック（図２参照）が発生
する。例えば、外径22mm、肉厚 0.7mmの溶接チタン管
（材質：ＪＩＳ２種）を造管した場合のミクロクラック
の発生状況を図５に示す。同図より、スプリングバック
量δが大きくなるほど、又、造管速度ｖが速いほど（溶
融プール長さが長くなるため）、ミクロクラックが発生
し易くなっている。

【００１８】このようなミクロクラックの発生を抑制す
るために、本発明者らは溶融プールでの半溶融部、すな
わち液相と固相が共存する二相域を制御する方法に着目
した。例えば、溶接管の外径，肉厚，造管速度やスプリ
ングバック量等の造管条件などが一定の場合は、ミクロ
クラック発生のし易さは二相域の広さに依存するものと
推定され、そして、このチタン材料の二相域の広さは含
有する元素に依存することが考えられる。

【００１９】そこで、表１に示すような不純物組成のＪ
ＩＳ２種材及び３種材相当の２種類の純チタン帯板を用
いて、19Φ×1.57ｔmmの溶接管を造管した。造管方法は
上記に述べた方法を採用し、いずれの材料に対しても、
フインパスロールの圧下量を変えることにより、溶接直
前のほぼ円形状まで成形された素材（オープン管）のス
プリングバック量を変化させ、かつ、造管速度も種々変
化させて造管を行った。その後、すべての試料について
内面カラーチェックを行い、ビード中央部ミクロクラッ
クの発生の有無を確認した結果を図６に示す。なお、本
実験では、オープン管のスプリングバック量を、スクイ
ズロールの直前で切り出したオープン管の両エッジの隙
間間隔を測定して評価した。

【００２０】

【表１】

【００２１】図６の結果より、ＪＩＳ２種材（Ｆｅの含
有量：0.05重量％、Ｏの含有量：0.12重量％）に比べ
て，ＦｅとＯとの含有量が共に0.10重量％を越えるＪＩ
Ｓ３種材の方が、ミクロクラック発生限界は大幅に低速
度、低スプリングバック量側にきており、ＪＩＳ３種材
ではミクロクラックが極めて発生し易くなっていること
が明らかである。通常、高強度材の方がスプリングバッ
クが大きくなり易いため、ミクロクラックが発生し易い
が、図６の結果では同一のスプリングバック量でも明ら
かにＪＩＳ２種材とＪＩＳ３種材とでは発生限界が異な
っている。

【００２２】上記の実験では、両試料について、管寸
法，スプリングバック量，造管速度，溶接電流などのす
べての造管条件を同一にして実験を行っているため、Ｊ
ＩＳ２種材とＪＩＳ３種材のミクロクラック発生限界の
差は表１に示す不純物組成の差に起因すると考えられ
る。従って、本結果から、ＦｅとＯとの含有量の差が影
響を与えているものと判断される。

【００２３】このように、上記の結果からＦｅ又はＯが
ミクロクラックの発生に大きく関係していることが明ら
かとなったが、これら２種類のどちらが真の影響因子で
あるか確認するために、次に、Ｆｅ及びＯの含有量が異
なる表２に示すような純チタン帯板を準備して造管実験
を行った。この実験では、次の条件をすべて同一にして
造管した場合のミクロクラック発生の有無を調査し、ミ
クロクラック発生に及ぼすＦｅ量とＯ量の影響を個別に
評価した。

【００２４】・管寸法：19Φ×1.47ｔmm ・スプリングバック量δ： 2.0mm （フインパスロール圧下量を調整して設定）・造管速度： 1.0，1.5 ，2.0 ｍ／分・溶接電流：造管速度に応じて、適正ビード形状が得ら
れる最適電流に設定ミクロクラック発生の有無を調べた結果を表２に併せて
示している。なお、同表中の引張強さは、引張強さＴＳ
の換算式の一例として提案されている次式を利用して求
めたものである。

【００２５】ＴＳ（ kgf/mm²）＝５３・ａ＋１１７・ｂ
＋２８．３１０ここで、ａ，ｂはそれぞれＦｅ及びＯの含有量（重量
％）である。

【００２６】

【表２】

【００２７】上記の結果から、ミクロクラックの発生は
主にＦｅ量に依存しており、Ｆｅ量が0.08重量％以下で
は少なくとも 2.0ｍ／分の速度までスピードアップでき
ることが明らかである。このように、Ｆｅ量を0.08重量
％以下に抑えると、ミクロクラックを発生させることな
く、満足できる範囲まで造管速度を向上することができ
る。また、Ｆｅの減少とともに限界スピードは向上し、
0.05重量％以下で特に大きな効果が得られている。な
お、現状では、最も高純度のチタンスポンジを使用して
も、0.03重量％程度のＦｅが含有されている。

【００２８】ところで、工業用純チタンは、主としてＦ
ｅとＯとの含有量によって強度レベルをコントロールし
ている。そして、高強度化のためにＦｅとＯとを同時に
添加しているが、上記のようにＦｅ量を低減させる分、
強度が低下するため、Ｏを増加させて強度を補うことが
必要となる。そこで、このＯの含有量を、引張強さが45
kgf/mm² 以上になるように、前記の調整条件の式に基
づいて設定する。

【００２９】従って、Ｆｅを0.08重量％以下とするに
は、Ｏを少なくとも 0.106重量％以上含有させる。一
方、Ｏの含有量を増加させると強度は上昇するが延性が
低下するため、極端に延性を損ねない範囲の0.40重量％
を上限値としている。なお、その他の元素については精
錬, 溶解時にコントロールの対象となっていないが、Ｈ
の含有量が高すぎると水素化合物が生成して延性を極端
に低下させるため、上限値を0.01重量％にしている。Ｎ
はＯ以上に強度上昇と延性低下に影響を与える元素であ
り、著しい延性低下を防止するために上限値を0.05重量
％に設定している。なお、Ｈ，Ｎ含有量を下げることに
ついては、Ｏの含有量を若干増加させることで強度低下
に対応することができ、その他の弊害も考えられないた
め、両元素を含まないようにすることも可能である。

【００３０】又、溶接チタン管の肉厚については、肉厚
が 0.7mm未満ではもともと溶融プールの長さが短く、ミ
クロクラックの問題が発生し難いため、下限を 0.7mm以
上とし、また、2.5mm を越えると、前記の溶接管製造方
法の採用が困難となるため、上限を2.5mm としている。
以上の説明のように、本実施形態での溶接チタン管は、
前述した調整条件〜を満たすチタン材からなること
により、45kgf/mm² 以上の引張強さを有し、しかも、高
速造管を行っても溶接ビード部にミクロクラックが殆ど
認められず、品質に優れた高強度厚肉溶接チタン管とし
て提供することができる。

【００３１】なお、上記の例では、スプリングバック量
を２mm一定として不純物量の影響を調べたが、スプリン
グバック量を成形で小さくすればより一層のスピードア
ップが可能である。又、どのようなスプリングバック量
にしてもＦｅ低減の効果は損なわれるものではない。一
方、製造方法についても、上記方法に限らず、例えば前
述した特公平１−５４１２２号公報に記載の温間成形法
や特公平５−５１３７３号公報に記載の非対称成形法を
併用して造管することも可能である。その他、多段スク
イズロールを用いて素材のスプリングバックを保持抑制
する方法や、電流を分散することにより最終トーチ後の
溶融プール長さを短くする多段電極溶接法などの製造法
と併用することも可能である。

【００３２】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の溶接チタン
管は、高速造管しても溶接ビード部にミクロクラックが
殆ど認められず、このため、生産性に優れ、かつ品質に
優れた高強度溶接チタン管として提供することができ
る。又、溶接チタン管の肉厚が 0.7〜2.5mm であるの
で、高強度を必要とする化学プラントや石油精製プラン
トの熱交換器等に使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態における溶接チタン管の造
管ラインの概略を示す説明図である。

【図２】溶接管におけるミクロクラックの発生状況を示
す断面図である。

【図３】溶接管製造時の溶接域の概略を示す説明図であ
る。

【図４】（ａ）は図３の溶接域の相変化を示す長手方向
断面図、（ｂ）はＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）はＢ−Ｂ’
線断面図、（ｄ）はＣ−Ｃ’線断面図である。

【図５】ミクロクラックに対する造管速度とスプリング
バック量の影響を示すグラフである。

【図６】ＪＩＳ２種及び３種材のミクロクラック発生限
界を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木栄一山口県下関市長府港町13番地１号株式会社神戸製鋼所長府北工場内 (72)発明者吉岡勝美山口県下関市長府港町13番地１号株式会社神戸製鋼所長府北工場内 (72)発明者河原弘道東京都千代田区丸の内１丁目８番２号株式会社神戸製鋼所東京本社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】帯板状のチタン材を管状に成形しつつ長
手方向接合縁を溶接して形成される溶接チタン管であっ
て、上記チタン材中のＦｅとＯとの各含有量をそれぞれａ重
量％，ｂ重量％とするとき、ａ：0.08重量％以下、ｂ：0.40重量％以下、かつ、５３・ａ＋１１７・ｂ＋２８．３１≧４５であることを特徴とする溶接チタン管。
【請求項２】肉厚が 0.7〜2.5mm であることを特徴と
する請求項１に記載の溶接チタン管。