JPS5853695B2 - 鋼管の冷却方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、焼戻し後の鋼管を強制的に冷却し、冷却床の
冷却能力の向上を図ること及び／または鋼管の引張強度
を高めることなく圧潰強度の向上を図るための鋼管の冷
却方法に関する。

以下、本発明の冷却技術を鋼管の焼入れ冷却法と比較し
つつ詳細に説明する。

鋼管の熱処理のための焼入れ冷却方法については、数多
くの方法が提供されているが、これ等はＡｃ３ 変態温
度（例えば、８５０℃）以上に加熱された鋼管を、多数
のノズルを取付けた円環状ヘッダー列から冷却水をスプ
レーし、その中を搬送しなからは２１００℃以下まで冷
却する。

これ等の焼入れ冷却法においては、高価な焼入れ性向上
元素の添加量の減少を計るために、極めて高い冷却能（
例えば、鋼管内面の平均冷却速度で３５〜ｂ れ、既に種々提案されて来た。

これらの冷却技術では、平均水量密度も３−／緬・ｍ′
以上もしくは平均熱伝達率が８０００Ｋｃａｌ ／ｍ、
” ｈ ・’Ｃ以上となる冷却条件が採用されて来た。

このような急速な焼入れ冷却後の鋼管は、５００〜７０
０℃に再加熱され、該温度に短時間保定される、所謂焼
戻し処理が施される。

更に、その後通常は冷却床で自然放冷に近い条件で非常
にゆっくり、１００℃前後乃至常温まで冷却される。

焼戻し後の冷却床での冷却は、所要時間が長いため、最
近のような高級熱処理鋼管の需要増大に対処するために
は、冷却床での冷却能力の向上あるいは代替冷却法の開
発が要請されるようになった。

前述の通り、焼入れ冷却法に関しては数多くの方法が研
究され、且つ、提案されているが、焼戻し後の冷却の特
性は殆んど公表されていない。

本発明者等の実験的比較研究の結果、焼戻し冷却は焼入
れ冷却と比較して、第１図に示す特徴が見出され、それ
等は以下のように要約されるが、新しい冷却技術の開発
が必要であることを示唆している。

第１図中の冷却能指数とは、無次元平均熱伝達率に比例
する量である。

（１）焼入れ冷却の場合、冷却開始温度が高い（≧約８
５０℃）ため膜沸騰が先行し、同一の水量密度に対する
熱伝達がよくない。

（２）焼戻し後の冷却の場合、冷却開始温度が低い（４
００〜７００℃）ため、遷移沸騰乃至核沸騰が支配的で
あるため熱伝達がよい。

換言すると、少ない水量で高い熱伝達が確保できる。

（３）両者の場合共、水量密度的４〜５−／血・ｍ二で
熱伝達率ははｇ飽和するが、焼戻し後冷却の場合水量密
度０．５〜４１１１／ｙｎｉｎ・ｍ′の範囲内では熱伝
達はそれ程太き（水量密度の影響を受げなＬ）。

（４）そのために、焼戻し後冷却の場合、特に冷却速度
の制御に高度の技術を要する。

第１図から４〜５ｒＩｉ′／ｙｎｉｎ・−の水量密度で
冷却能は飽和するけれども、本発明者等が節水及びポン
プ動力削減の観点から実験的に研究した結果、冷却開始
温度４００〜７００℃の場合、肉厚が厚くても、最大水
量密度２７７２″／血・ｍ′の冷却水量を確保できるよ
うに、冷却装置本体や付帯設備を設計すれば、実用上の
殆んど全ての利用目的を達成できることが確められた。

本願発明の冷却方法において、平均水量密度の上限を２
ｒｎ′／ｙｎｉｙｘ −ｍ二とした根拠は以下の通りで
ある。

（１）第１図に示した冷却能と平均水量密度の関係から
、２７７１″／血・ｍ′以上の平均水量密度の冷却水を
供給しても、冷却能力としては実用的にほぼ飽和する。

このことは、６００℃の冷却開始温度で代表される焼戻
し後の冷却能力と平均水量密度の関係線図に示されてい
る。

平均水量密度４７ｆ／ｍｉｘ・−と２ｍ゛／血・２では
熱伝達能力に、実用的に殆ど差がなく、むしろ低水量密
度冷却の方が経済的に有利である。

（２） また、第４図に示した鋼管の内面における円
周方向引張残留応力と平均水量密度との関係からも、平
均水量密度２ ｒｒｊ” ／ｍ１１１−ｍ二程度で該引
張残留応力がほぼ飽和する。

しかも、後掲のデータ（第１表）に示す通り、過大の引
張応力が残留すると、かえって、圧潰強度が著しく低下
するので、平均水量密度はこれ以下のレベルで残留応力
を制御すべきである。

（３）シたがって、焼戻し後の冷却時間（冷却床での）
の短縮の為の制御冷却や後述の焼戻し後の残留応力制御
冷却においては、前記り及び（２）の理由から、２７７
Ｉ″／ｙｒｉｎ−ｒｒｌ以下の平均水量密度範囲内で、
鋼管サイズ（外径、肉厚）、鋼種、用途その他により、
適正冷却条件を個々に選択すればよいことになる。

しかも、例えば、肉厚が２５．４ｍｍ以下の通常のシー
ムレス鋼管等を焼戻し後、外面冷却による強制水冷を付
加して冷却床能力の補強乃至代替冷却法として利用する
場合には、冷却水量密度としては１７１ｊ／ｍｉｘ・ｍ
′以下でも十分実際上の目的を達成できることを見出し
た。

本発明者等の実験によれば、焼戻し熱処理された鋼管を
焼戻し炉の直後に設置された定型機を通し、その後該冷
却方法で冷却した結果、冷却後の形状は従来の自然放冷
に近い冷却床で冷却された鋼管より良好であり、従来の
ように矯正や歪取り焼鈍（矯正工程で発生した残留応力
の解放）を省略できる。

冷却装置としては、第２図に例示した如く、通過する鋼
管４と同心の円周上に等間隔に且つ前・後列で互いに千
鳥状となるように多数のノズル２および３を持つ円環状
ヘッダー１を１段または複数段配置したものが実用的で
ある。

実線のノズル２が前列のノズルでその噴出冷却水は５で
示し、また点線３および６が後列のノズルおよびその噴
出冷却水を示している。

ヘッダ−１内部には整流板を挿入することが望ましいが
、図では省略している。

各ノズルからの冷却水の噴出形態としては、幕伏流また
は比較的大きな液滴状流でも水単独または気水混合の噴
霧粒の流れでもよい。

前述の通り、冷却開始温度が通常の焼入れ冷却よりも低
く、核沸騰が支配的な冷却であるため、いずれの噴出形
態でも高い冷却能が得られる特徴がある。

蒸気膜も不安定なため、噴出圧力も低くてよく、３ ｋ
ｇ ／ｃｆＡＧ以下でよい。

それ以上の高噴出圧力は省エネルギーの面からも無駄で
ある。

第３図に冷却装置の側面から見た噴出形態を例示した。

すなわち、第３図ａは例えば鋼管８に対してフラットノ
ズル７等の如く最初幕状流９を伴なう場合で、鋼管８に
衝突後の冷却水１０のように表面に沿って流れる。

また第３図すは例えばフルコーンノズル７等の如（噴霧
状の微細液滴１１で冷却する場合を示している。

本願発明者等は、温間定型機の後面に本願発明の冷却方
法を適用し、冷却床内で鋼管の温度が高く、冷却待ちの
為に焼戻し作業ピッチを低（抑える必要が皆無となり、
焼戻し作業の能率が大幅に向上した。

本発明者等は、焼戻し後の強制水冷が熱処理鋼管の諸性
性に及ぼす影響について、広範囲に実験的に検討した結
果、該強制水冷によって鋼管内面の円周方向に引張残留
応力、外表面に圧縮の残留応力が発生し、且つ、冷却の
強さに応じて該残留応力が変化することを見出した。

代表的な例を第４図に示したが、第１図に示した如く水
量密度によって冷却能（換言すると、平均熱伝達率）が
変化することを考慮すれば、該冷却の強さにより該残留
応力を制御可能であることも見出した。

従来の自然放冷に近い冷却床で徐冷された鋼管には残留
応力は殆んど発生せず、大略５ｋｇ／ｍｉ以下（引張応
力である場合が殆んどであるが、まれに圧縮応力である
場合もある）で、機械的緒特性に与える影響は実用上問
題とならない程度であった。

鋼管の円周方向に引張残留応力が発生すると、素材自身
の強度を高めることなく圧潰強度を向上させることが見
出されており、近年開発されつ工あるサワー性の強い深
層高圧油井等の劣悪使用条件下で実用的効果を発揮する
ことが期待される。

本発明者等は耐サワー性高圧潰強度鋼管の製造法として
、前記発明の焼戻し後冷却法を利用する方法を種々検討
し、実験を重ねた。

焼戻し後余り強く冷却し過ぎると、内面円周方向に大き
な引張応力が発生するが、同時に、外表面には大きな圧
縮応力が残留するので、鋼管全体としての圧潰強度を高
めることにはならないことが見出された。

引続き、本発明者等は鋼管全体としての圧潰強度を高め
る冷却法を追求した。

その結果、前記冷却装置で鋼管内面の平均冷却速度（気
水噴霧冷却を含む水冷開始温度から３５０℃間）を５〜
ｂとにより、鋼管全体としての圧潰強度が向上すること
を突き止めた。

平均冷却速度が５℃／秒以下では残留応力レベルが小さ
過ぎ、また、４０℃／秒以上では残留応力レベルが犬き
過ざ、両者の場合共、鋼管全体としての圧潰強度は向上
しない。

冷却終了温度は平均冷却速度や素材の成分系、素材寸法
及びその他に依存して決定されるが、強制水冷以降の空
冷過程の応力除去焼鈍作用により残留応力が変化しない
こと及び空冷途中での部分的な温度差かもとで鋼管が変
形しないこと等を勘案すると、冷却終了温度の上限は経
験的に３５０℃であった。

本発明の制御冷却法の適用場所は焼戻し炉の後工程であ
る。

該焼戻し炉と冷却床の間に温間定型機が設置されている
場合には、定型機の後で該制御冷却法を実施するのが望
まい・。

しかし、定型機における縮管量が２〜３％ならば、焼戻
し炉と定型機間で該制御冷却を行なっても、鋼管に付与
される残留応力分布及び大きさ共、実用的に大差がなか
った。

定型機内で該冷却を併せて行なうことも試みたが、冷却
制御がむづかしく、したがって、残留応力制御が非常に
困難であった。

該制御冷却後橋正を行なうと、残留応力分布が変化し、
場合によっては内面円周方向の残留応力が圧縮に変化す
るので、矯正は避けるべきである。

特に、大きな矯正は不可である。

したがって、形状不良が発生しないように、圧延、熱処
理及び成形工程での偏肉対策、焼戻し炉等での偏熱対策
及び該制御冷却時の均一冷却には特に注意を要する。

焼戻し後の該制御冷却法でも、最大平均水量密度として
２７７１′／ｍｖＬ−ｍ′が確保できるように冷却装置
本体や付帯設備を設計すればよ（・ことも確めた。

本願発明者等は、温間定型機の後面に本願発明の冷却方
法を適用し、鋼管内面に適度の引張残留応力を付与する
ことにより、第１表に示す如く、圧潰強度が上昇し、且
つ、製品の圧潰強度のバラツキも少なくなり、安定して
高圧潰強度鋼管を製造、供給できろようになった。

本発明者等の制御冷却の均一化に関する実験によれば、
フラットノズルによる幕状流及び液滴（ｄｒｏｐｌｅｔ
ｓ ）状況でもよいが、例えば、フルコーンノズルその
他による水単独噴霧冷却や気体噴霧冷却が均−性並びに
冷却の強さの制御性の点で優れている。

本発明の制御冷却では、蒸気膜が不安定であること並び
に水量密度が小さい等の理由により、冷却能は水量密度
に最も強く支配されるので、冷却水の噴出圧力は比較的
低くてよく、ノズル型式や噴出形態にも依存するが、最
大噴出圧力として３ｋｇ／ｃｒ；ｉＧが確保できるよう
に冷却設備を設計すればよい。

以上の通り、本発明の冷却法によれば、焼戻し後の冷却
床能力の補強あるいは代替冷却が可能である。

更に、焼戻し後、鋼管に生ずる残留応力を制御すること
によって耐サワー性高圧潰強度油井用鋼管を製造する為
の制御冷却法が確立した。

【図面の簡単な説明】 第１図は焼戻し後冷却の特性を示す一例であり、通常の
焼入れ冷却と対比して示した図表である。 第２図は冷却用ヘッダー及び冷却水の噴出状況の説明図
（正面図）である。 第３図は冷却装置の側面から見た冷却水の噴出状況を示
す説明図で、ａは例えばフラットノズル等の如きノズル
による場合、ｂは例えば、フルコーンノズル等の如きノ
ズルによる場合を例示している。 第４図は焼戻し後の冷却によって生じた残留応力の大き
さと冷却条件の影響を示す図表である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 鋼管の焼戻し熱処理炉の後工程に、多数の冷却水噴
   射ノズルを前・後列で互に千鳥状となるように取付けた
   円環状ヘッダーを１段または複数段配置した外面冷却装
   置を設置し、軸方向に搬送されつ工ある加熱された鋼管
   を４００℃乃至７００℃の温度から冷却を開始し、３５
   ０℃乃至常温まで、平均水量密度２ｍｔ／１ｎｉｎ・−
   以下で冷却することを特徴とする鋼管の冷却方法。 ２ 鋼管の焼戻し熱処理炉の後工程に多数の冷却水噴射
   ノズルを前・後列で互に千鳥状となるように取付けた円
   環状ヘッダーを１段または複数段配置した外面冷却装置
   を設置し、軸方向に搬送されつつある加熱された鋼管を
   ４００℃乃至７００℃の温度から冷却を開始し、３５０
   ℃乃至常温まで平均水量密度２７１１／ｍ１ｔｔ−ｉ以
   下の水量で且つ鋼管内面の平均冷却速度５〜ｂ ともに、少なくとも水量密度を変化させることにより鋼
   管の内面円周方向に発生する引張残留応力を制御するこ
   とを特徴とする鋼管の冷却方法。