JPH11320120A - 鋼管の現地接合法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鋼管の現地接合において、接合の作業能率を
大幅に高め、かつ接合部が十分な強度・靭性を有する接
合方法を提供する。 【解決手段】 端面が垂直な鋼管同士を突き合せ、内面
から拡管芯合せして端面を密着させ、接合部にシールド
ガスを噴射しながら、接合部外周に配した加熱コイルに
中周波電流を流して鋼管端部を誘導加熱し、該鋼管端部
の外表面温度が１３２０〜１４２０℃の範囲に到達した
とき、アップセット量２〜８ｍｍの加圧を行って鋼管端
面を接合し、接合された鋼管端部に肉厚の増加比が１５
〜４０％の増肉を生じさせる。さらに、冷却ノズルから
ガスまたは水を噴射して接合された鋼管端部を４００℃
まで強制冷却した後、加熱コイルに再び通電して中周波
の誘導加熱による熱処理を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パイプライン敷設
等の際に鋼管端部を施工現地で接合する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】パイプライン敷設時の鋼管の接合は、熟
練した溶接工の手溶接で行れることが多い。その際、使
用される鋼管の肉厚が大きいため、端部に開先を設けて
６〜１２パス程度の多層溶接をする必要があり、複数の
溶接工がチームを編成して作業するいわゆるスプレッド
工法が一般に行われている。

【０００３】そのため、多数の熟練溶接工が必要になる
とともに、溶接の作業能率が低いことが問題であった。
熟練工の手によらない溶接作業を可能にするため、各種
の自動溶接機の開発が試みられて継手の品質が向上して
きたが、能率上は接合部に溶接機をセットするのに手間
がかかる上、溶接速度の向上はあるとしても原則的には
手溶接と大差なく、作業能率の大幅な改善が期待できな
い状況である。

【０００４】また、上記の手溶接は鋼管頂部から周方向
下向きに高速で行う必要があり、ハイセルローズ系の溶
接棒が使用されるため、発生するガスにより溶接金属の
水素量が高いことが問題となっている。

【０００５】一方、パイプライン敷設時の接合の作業能
率を大幅に高めるために、フラッシュバット溶接法が実
用化されている例もある。これは、接合する鋼管同士を
電極として直接通電し、両端部間に発生するアークによ
り端部を局部的に溶融させるとともに、管軸方向に押圧
して接合するものである。

【０００６】この方法は接合の作業能率は高いが、接合
時に融液が搾出されて接合部外周に異形のバリが生成す
るため、このバリ取りが必要となるだけでなく、接合部
の靭性が著しく低下するという問題がある。そのため、
とくに寒冷地のパイプラインにおいては、この方法は接
合部の品質が保証できず問題とされている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】パイプラインは苛酷な
自然環境の中で半ば恒久的に使用されるものであり、ま
たパイプラインの破損事故の大部分は接合部で発生して
いるという事実からも、その接合部は母管に匹敵する強
度・靭性を有することが必要である。

【０００８】したがって、パイプライン敷設時の現地接
合においては、単に接合の作業能率を高めるだけでな
く、接合部が十分な強度を有しかつその靭性を低下させ
ないような接合法が必要となる。とくに、寒冷地のパイ
プラインにおいては、接合部の低温靭性が所定の水準以
下にならないように接合することが重要である。

【０００９】そこで本発明は、パイプライン敷設時等の
現地接合において、熟練した溶接工を必要とせず、接合
の作業能率を大幅に高めることができ、かつ接合部に十
分な強度・靭性を確保しうる鋼管端部の現地接合法を提
供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】鋼管の突き合せ接合を迅
速に行うには、端部を集中加熱して圧接接合する方法が
優れているが、前述したフラッシュバットのような溶接
法では、接合部の靭性が確保できない。

【００１１】本発明者らは、鋼管端部の加熱を中周波誘
導加熱により行い、加熱温度、アップセット量等を制御
して圧接し、接合部に適正な増肉を与えることによりき
わめて高強度の接合が可能なことを見出した。また、接
合後に同じ加熱コイルで熱処理を施すことにより、接合
部の破断強度、衝撃特性等が母管に匹敵する水準になる
ことを見出した。

【００１２】これらの知見に基づく本発明の要旨は、施
工現地で鋼管の端部を中周波誘導加熱し管軸方向に圧接
接合する現地接合法であって、端面が垂直な鋼管同士を
突き合せ、内面から拡管芯合せして端面を密着させ、接
合部にシールドガスを噴射しながら、接合部外周に配し
た加熱コイルに中周波電流を流して鋼管端部を誘導加熱
し、該鋼管端部の外表面温度が１３２０〜１４２０℃の
範囲に到達したとき、アップセット量２〜８ｍｍの加圧
を行って鋼管端面を接合し、接合された鋼管端部に肉厚
の増加比が１５〜４０％の増肉を生じさせることを特徴
とする鋼管の現地接合法である。

【００１３】また、上記の方法により鋼管端面の接合を
行った後、前記加熱コイルへの通電を停止し、冷却ノズ
ルからガスまたは水を噴射して接合された鋼管端部の強
制冷却を行い、該鋼管端部の外表面温度が４００℃まで
低下した後、前記加熱コイルに再び通電して中周波の誘
導加熱による熱処理を行うことを特徴とする鋼管の現地
接合法である。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に用いる接合装置
の例を示す一部破断側面概要図である。この接合装置
は、突き合せて接合する鋼管１ａと１ｂの接合部２の周
辺に配置され、クランプ装置３、誘導加熱コイル４とそ
の電源（図示していない）、冷却ノズル５等から構成さ
れている。

【００１５】図２は、図１のクランプ装置３の説明図で
ある。このクランプ装置はクランプ連結軸６の両端に１
対の固定クランプ７ａ、７ｂが取付けられ、その内側に
１対の拡管クランプ８ａ、８ｂが配されている。クラン
プ連結軸６は拡管クランプ８ａの中心を貫通し、拡管ク
ランプ８ａは、固定クランプ７ａに固定された油圧シリ
ンダー１０の押圧により軸方向（矢印Ａ方向）に摺動自
在に構成されている。

【００１６】固定クランプ７ａ、７ｂ及び拡管クランプ
８のａ、８ｂ外周には、複数個の可動シュー９が略等間
隔に配置され、内部からの油圧等により半径方向（矢印
Ｂ方向）に張出して鋼管内面を押圧することにより、ク
ランプの固定や拡管等の作用をする。また、クランプ装
置３には、管内での走行を可能にするため少くとも２対
の移動用車輪１１が取付けられている。

【００１７】接合部２の外周には環状の誘導加熱コイル
４が配設されている。突き合された鋼管１ａ、１ｂの両
端部を均等かつ一様に加熱するため、誘導加熱コイル４
は、その幅方向中心が接合部に一致し、かつ鋼管外周面
との間隔が一様になるよう位置調整することが重要であ
る。

【００１８】図３は、誘導加熱コイル４の内部構造の例
を示す断面概要図である。この例においては、コイルの
内部には環状のコイル冷却水通路１２とその内側に同じ
く環状のシールドガス通路１３が形成されている。シー
ルドガス通路１３は、コイル内面に開口し、周方向・幅
方向に所定の間隔で配置された多数のシールドガス噴出
孔１４に連結されている。

【００１９】また、誘導加熱コイルの両側には、ガスま
たは水を噴射して接合後の鋼管端部を急冷するための冷
却ノズル５が配されるが、一様な冷却を可能にするた
め、鋼管外周略等間隔に多数個の冷却ノズルを配置する
ことが望ましい。

【００２０】なお、本発明に用いる接合装置は、鋼管端
部の拡管芯合せ、誘導加熱、加圧圧接、接合後の急冷・
熱処理等の所定の機能を有するものであればよく、上記
の例に限られるものではない。

【００２１】本発明は上記のような接合装置を用い、以
下のような手順で実施される。 鋼管端面加工：接合する鋼管端面に酸化鉄等の異物が
あると、接合後の品質が著しく低下するので、接合に先
立って端面を機械切削しておくことが好ましい。

【００２２】鋼管の芯出し：前述したようなクランプ
装置を用い、可動シューを張出して突き合せた鋼管の中
心軸を一致させる。

【００２３】拡管：突き合せた鋼管の外径が僅かに相
違する場合があり、これが接合品質に影響するので、拡
管クランプの可動シューを強く押圧して、両端部の外径
を一致させる。

【００２４】シールドガス噴射：加熱中に鋼管端面に
酸化被膜が生成すると接合強度が著しく低下するので、
加熱コイル内面のシールドガス噴射孔から、Ａｒ、ＣＯ
₂等を接合部に噴射しながら誘導加熱を行う。

【００２５】誘導加熱：加熱コイルに０．７〜２ｋＨ
ｚの中周波電流を流して、鋼管端部の誘導加熱を行う。
周波数を上記の範囲にする理由は、誘導電流の密度分布
の指標である浸透深さを鋼管の肉厚(１０〜２０ｍｍ)と
同程度にして、鋼管断面での均一な加熱を可能にするた
めである。

【００２６】図４に、肉厚１３．１ｍｍの鋼管の端部を
１ｋＨｚで誘導加熱した時の管断面の温度分布の測定結
果の例を示す。図に見られるように、周波数が上記の範
囲内ならば、ほぼ肉厚中央部が最高温となり、断面内外
の温度差が小さくなって、接合部の強度向上に有利とな
る。また、誘導加熱電力の調節や次工程開始時点の判定
のため、鋼管端部の外表面温度を熱電対や輻射温度計等
で測定することが好ましい。

【００２７】アップセット（管軸方向の加圧圧接）：
鋼管端部の外表面温度が１３２０〜１４２０℃の範囲に
到達したとき、クランプ装置の油圧シリンダーにより加
熱された鋼管端面を圧接する。圧接された鋼管端部は増
肉変形するが、拡管クランプのアップセット量(管軸方
向の変位量)が２〜８ｍｍの範囲内になるよう、油圧シ
リンダーの変位量を調整する。

【００２８】アップセット時の鋼管端部の外表面温度を
上記の範囲に制限する理由は、これが１３２０℃未満で
は、接合部の強度が不十分になるためである。また、１
４２０℃をこえると、外側への増肉が過大になるだけで
なく、接合部に気泡等の欠陥や異形のバリが生じるおそ
れがあるためである。

【００２９】アップセットされた鋼管の端部には、図５
に示すように滑らかな増肉部が形成され、接合面の面積
が増大して、その破断強度を高める働きをする。本発明
の接合法においては、図５に示すｔ_p、ｔ_iにより下式で
定義される肉厚の増加比△ｔを１５〜４０％にする必要
がある。

【００３０】 △ｔ（％）＝１００×（ｔ_p−ｔ_i）／ｔ_i △ｔを上記の範囲にする理由は、△ｔが１５％未満で
は、接合面積を増加させる効果が不十分であり、△ｔが
４０％をこえると、異形増肉が生じたり、増肉部の表面
に亀裂が生じてかえって接合強度を低下させることがあ
るためである。なお、△ｔは管周方向で若干の差がある
が、いずれの部位においても△ｔが１５〜４０％の範囲
内であることが望ましい。

【００３１】△ｔは主にアップセット量によって定ま
り、本発明者らの知見によれば鋼管端部の外表面温度が
１３２０〜１４２０℃の場合には、アップセット量を２
〜８ｍｍにすることにより、ほぼ確実に△ｔを１５〜４
０％にすることができる。

【００３２】高強度の接合を行うという目的からは、上
記の〜の工程終了後、接合部を自然冷却してもよ
い。しかし、接合部の品質とくにその靭性をより高める
ためには、アップセット後下記の強制冷却と熱処理を行
うことが望ましい。

【００３３】強制冷却：加熱コイルへの通電を停止
し、接合された鋼管端部に冷却ノズル５からガスまたは
水を噴射して強制冷却を行い、該鋼管端部の外表面温度
を４００℃まで低下させる。強制冷却する目的は、パー
ライトの析出等による靭性低下を防止するためおよび強
度を確保するためで、少なくとも４００℃までは急冷す
ることが望ましい。

【００３４】熱処理：強制冷却後、誘導加熱コイルに
再度中周波電流を流して接合された鋼管端部を加熱し、
所定温度に所定時間保定する。この熱処理は上記の急冷
で焼入れされた鋼の焼戻しに相当するもので、その条件
は鋼種によるが、例えば５５０〜６８０℃で２〜１０分
間保定すればよい。

【００３５】後記実施例に示すように、接合後上記の強
制冷却と熱処理を行うことにより、接合部の靭性を従来
の手溶接法等よりも大幅に高めることができ、また接合
に要する時間も大幅に短縮することができる。

【００３６】

【実施例】鋼管端部の突き合せ接合を本発明の方法で行
った場合と従来のフラッシュパット溶接法及び手溶接法
で、接合の作業時間及び接合部の強度・靭性を比較し
た。供試鋼管は外径６０９ｍｍφ、肉厚１２．７ｍｍ
で、その化学成分がＣ：０．０６％、Ｓｉ：０．１８
％、Ｍｎ：１．５２％、Ｓ：０．００６％、Ｐ：０．０
０９％、Ｎｂ：０．０３７％、Ｔｉ：０．０１５％のＸ
６０である。

【００３７】本発明例は、図１に示すような接合装置を
用い、前記の〜の作業手順で、１ＫＨｚの中周波で
鋼管端部を誘導加熱し、その外表面温度が１３８０℃に
なったところで、アップセット量４ｍｍで圧接接合し
た。接合後冷却ノズルから水を噴射して強制冷却を行
い、外表面温度４００℃まで低下した後、当該中周波誘
導により再加熱して、外表面温度６００℃で２分間保定
後自然冷却する熱処理を行った。

【００３８】一対の鋼管の接合に要した時間は、芯合せ
拡管に５分、加熱開始から圧接接合までに３分、冷却・
熱処理に１７分で、合計２５分で継手を完成することが
できた。継手完成後、継手接合部のＸ線検査、継手部引
張試験・接合部の衝撃試験を行った。Ｘ線検査の結果は
良好であった。継手部引張試験での強度は５９０Ｎ／ｍ
ｍ²で、母材部被断であった。接合部の衝撃試験(２ｍｍ
Ｖノッチのシャルピー試験)で温度０℃での吸収エネル
ギーは、試験数３でそれぞれ６８Ｊ、７８Ｊ、６３Ｊで
あった。

【００３９】一方、同種の供試鋼管を用いてフラッシュ
バット溶接で接合した場合、溶接時間は７分と短かった
が、溶接部のバリ取りに３２分を要した。また、継手部
のＸ線検査の結果は良好であったが、継手部引張試験で
強度は５４０Ｎ／ｍｍ²とやや低下し、接合部破断であ
った。接合部の衝撃試験で上記温度での吸収エネルギー
はそれぞれ５Ｊ、４Ｊ、６Ｊと著しく低下した。

【００４０】次いで同種の供試鋼管をハイセルローズ系
溶接棒を用いて、下進の手溶接で継手を作製した。ルー
トパスを含めて７パス溶接となり、溶接時間は４３分で
あった。継手部引張試験で強度は５７０Ｎ／ｍｍ²で母
材破断であったが、接合部衝撃試験の吸収エネルギーは
それぞれ３２Ｊ、４２Ｊ、２８Ｊとなり、本発明の方法
によった場合よりもかなり低かった。

【００４１】

【発明の効果】本発明により、パイプライン敷設等の現
地施工における鋼管端部の突き合せ接合の作業能率を大
幅に高めることが可能になり、かつ接合部に十分な強度
・靭性を有する継手を形成することが可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に用いる接合装置の例を示す一部破断側
面概要図である。

【図２】図１のクランプ装置の説明図である。

【図３】誘導加熱コイルの内部構造の例を示す断面概要
図である。

【図４】鋼管端部を中周波誘導加熱した時の管断面温度
分布の測定結果の例を示す図で、図中の数字は管断面各
部位の温度、曲線は断面の推定等温線である。

【図５】接合後の増肉部の形状を示す模式図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ：鋼管 ２：接合部 ３：クランプ装置 ４：誘導加熱コイル ５：冷却ノズル ６：クランプ連結軸 ７ａ，７ｂ：固定クランプ ８ａ，８ｂ：拡管クランプ ９：可動シュー １０：油圧シリンダー １１：移動用車輪 １２：コイル冷却水通路 １３：シールドガス通路 １４：シールドガス噴出孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｆ１６Ｌ 13/02 Ｆ１６Ｌ 13/02 Ｈ０５Ｂ 6/10 ３７１ Ｈ０５Ｂ 6/10 ３７１ // Ｂ２３Ｋ 101:06 (72)発明者 千野 博孝 東京都千代田区岩本町二丁目11番９号 日 鉄防蝕株式会社内 (72)発明者 櫻井 英夫 東京都千代田区岩本町二丁目11番９号 日 鉄防蝕株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 施工現地で鋼管の端部を中周波誘導加熱
   し管軸方向に圧接接合する現地接合法であって、端面が
   垂直な鋼管同士を突き合せ、内面から拡管芯合せして端
   面を密着させ、接合部にシールドガスを噴射しながら、
   接合部外周に配した加熱コイルに中周波電流を流して鋼
   管端部を誘導加熱し、該鋼管端部の外表面温度が１３２
   ０〜１４２０℃の範囲に到達したとき、アップセット量
   ２〜８ｍｍの加圧を行って鋼管端面を接合し、接合され
   た鋼管端部に肉厚の増加比が１５〜４０％の増肉を生じ
   させることを特徴とする鋼管の現地接合法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の方法により鋼管端面の接
   合を行った後、前記加熱コイルへの通電を停止し、冷却
   ノズルからガスまたは水を噴射して接合された鋼管端部
   の強制冷却を行い、該鋼管端部の外表面温度が４００℃
   まで低下した後、前記加熱コイルに再び通電して中周波
   の誘導加熱による熱処理を行うことを特徴とする鋼管の
   現地接合法。