JPWO2011016434A1 - 金属管の端部を拡管するためのプラグ、プラグを用いた拡管方法及び金属管の製造方法 - Google Patents
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Abstract
金属管の端部のうち開口部近傍の最先端部分の内径寸法のばらつきを低減できるプラグ(30)を提供する。プラグは、テーパ部(301)と円柱部(302)とを連続的に備える。テーパ表面(301S)の直径は、プラグの先端から後端に向かって徐々に大きくなる。テーパ表面(301S)は、接触表面部(CS)と、終点表面部(ES)と、始点表面部(OS)とを含む。接触表面部(CS)は、拡管前の金属管の内径と同じ大きさの直径を有する。接触表面部(CS)はさらに、1.0〜3.0°のテーパ角を有する。終点表面部(ES)は、テーパ表面(301S)の後端に位置し、直径D1を有する。始点表面部(OS)は、接触表面部(CS)と終点表面部(ES)との間に位置し、直径D2=D1×0.99を有する。始点表面部(OS)と終点表面部(ES)との間の軸方向距離LRは式(1)を満たす。22≦LR/((D1−D2)/2)≦115 (1)
Description
本発明は、金属管の端部を拡管するためのプラグに関する。
ラインパイプや油井管として使用される金属管の端部は、高い寸法精度を要求される。ラインパイプは通常、隣接する他のラインパイプに溶接される。互いに溶接されるラインパイプ同士の端部の内径寸法が異なれば、溶接不良が生じる。油井管は通常ネジ加工された端部を有する。油井管は、ネジ加工された端部で他の油井管とつなぎ合わされる。端部の内径寸法の精度が悪ければ、所定の形状にネジ加工できない。
金属管の端部の内径寸法の精度を向上することを目的に、金属管端部はエキスパンド装置により拡管される。
図9A〜図9Cを参照して、エキスパンド装置はチャック2とプラグ3とシリンダ4とを備える。プラグ3は先端から順にテーパ部31と円柱部32とを連続的に備える。テーパ部31の先端の直径はD10であり、テーパ部31の後端の直径はD11である。直径D11は直径D10よりも大きい。テーパ部31のテーパ角R10は一定である。円柱部32の直径はD11で一定である。
金属管1の端部を拡管する方法は次の通りである。金属管1をチャック2によりエキスパンド装置に固定する。このとき、固定された金属管1の軸心をプラグ3の軸心に合わせる(図9A)。続いて、プラグ3を金属管1の端部から所定の距離まで軸方向に押し込む(図9B)。プラグ3はシリンダ4により金属管1に押し込まれる。金属管1の端部はプラグ3により拡管される。
金属管端部から所定の距離までプラグ3を押し込んだ後、押し込んだ方向と反対方向にプラグ3を抜く(図9C)。以上の方法によりプラグ3の直径に基づいて金属管1の端部の内径寸法を所望の寸法にすることができる。そのため、端部の内径寸法精度を向上できる。
しかしながら、上述した従来の拡管方法では、拡管後の金属管端部の内径が周方向でばらつき、金属管端部の横断面が真円ではなかった。また、軸方向の内径寸法にもばらつきが生じていた。
そこで、本出願人は、上記課題を解決するプラグを国際公開第2006/033376号パンフレットで提案した。この文献に開示されたプラグは、プラグ先端から順にテーパ部と円柱部とを連続的に備える。テーパ部の横断形状は円形状である。テーパ部表面の直径は、プラグ先端から後端に向かって徐々に大きくなる。テーパ部表面後端での直径はD1である。テーパ部表面のうち、D1の0.99倍の直径D2を有する表面部分とテーパ部表面後端との間の軸方向距離LRは以下の式を満たす。
22≦LR/((D1−D2)/2)≦115 (1)
22≦LR/((D1−D2)/2)≦115 (1)
この特許文献に開示されたプラグは、金属管を過剰に拡管するのを抑制できる。そのため、拡管された金属管端部の内径寸法の精度を向上できる。
しかしながら、上記特許文献に開示されたプラグを用いて金属管端部を拡管しても、依然として内径寸法にばらつきが生じる場合がある。特に、拡管された金属管端部のうち、開口部近傍の最先端部分では、内径寸法がばらつきやすい。
本発明の目的は、金属管端部の寸法精度を向上できるプラグを提供することである。
本発明の他の目的は、金属管の端部のうち開口部近傍の最先端部分の内径寸法のばらつきを低減できるプラグを提供することである。
本実施の形態によるプラグは、金属管の端部を拡管するために用いられる。本発明によるプラグは、プラグの先端から後端に向かって順に、テーパ部と円柱部とを連続的に備える。テーパ部及び円柱部の横断面は、いずれも円形状である。
テーパ部は、テーパ表面を有する。テーパ表面の直径は、プラグの先端から後端に向かって徐々に大きくなる。テーパ表面は、接触表面部と、終点表面部と、始点表面部とを含む。接触表面部は、拡管前の金属管の内径と同じ大きさの直径を有する。接触表面部はさらに、1.0〜3.0°のテーパ角を有する。終点表面部は、テーパ表面の後端に位置する。終点表面部は直径D1を有する。始点表面部は、接触表面部と終点表面部との間に位置する。始点表面部は直径D2=D1×0.99を有する。始点表面部と終点表面部との間の軸方向距離LRは式(1)を満たす。
22≦LR/((D1−D2)/2)≦115 (1)
円柱部は、円柱表面を有する。円柱表面は、終点表面部となめらかにつながっている。円柱表面はさらに、直径D1を有する。
22≦LR/((D1−D2)/2)≦115 (1)
円柱部は、円柱表面を有する。円柱表面は、終点表面部となめらかにつながっている。円柱表面はさらに、直径D1を有する。
本実施の形態によるプラグでは、金属管端部の内径寸法精度が向上する。さらに、本発明のプラグでは、金属管の最先端部分の内径のばらつきを抑制できる。
本実施の形態による金属管の拡管方法は、上述のプラグを金属管の先端から所定の距離まで軸方向に押し込む工程と、押し込みを止め、押し込んだ方向と反対の方向へプラグを抜きとる工程とを備える。
本実施の形態による金属管の製造方法は、素材を軸方向に穿孔して素管にする工程と、素管を軸方向に延伸する工程と、延伸した素管を所望の外径寸法に加工する工程と、加工された素管の端部を上述の拡管方法で拡管する工程とを備える。
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
[プラグ]
図1を参照して、本実施の形態によるプラグ30は、プラグ30の先端から後端に向かって順に、テーパ部301、円柱部302、リリース部303を連続的に備える。プラグ30の横断面は円形状である。プラグ30の材質は特に限定されない。材質はたとえばハイス鋼でもよいし、超硬合金でもよい。また、プラグ30表面の粗度は限定されない。プラグ30の表面はコーティング加工されてもよい。
図1を参照して、本実施の形態によるプラグ30は、プラグ30の先端から後端に向かって順に、テーパ部301、円柱部302、リリース部303を連続的に備える。プラグ30の横断面は円形状である。プラグ30の材質は特に限定されない。材質はたとえばハイス鋼でもよいし、超硬合金でもよい。また、プラグ30表面の粗度は限定されない。プラグ30の表面はコーティング加工されてもよい。
テーパ部301の表面の後端は、円柱部302の表面の先端となめらかにつながっている。円柱部302の表面の後端は、リリース部303の表面の先端となめらかにつながっている。以下、テーパ部301の表面をテーパ表面301Sという。円柱部302の表面を円柱表面302Sという。
テーパ部301は、金属管端部を拡管する。金属管端部が拡管されるとき、金属管端部の内面は、プラグ30の表面のうち、テーパ表面301Sと最初に接触する。円柱部302は、拡管された金属管端部の内径を一定にする。円柱表面302Sは、テーパ部301で拡管された金属管端部の内面と接触する。リリース部303は、拡管された金属管端部の内面が、円柱部302の後端で傷つくのを抑制する。以下、テーパ部301、円柱部302及びリリース部303を詳述する。
[テーパ部]
テーパ部301の横断形状は円形状である。テーパ部301の縦断形状は台形状である。つまり、テーパ部301は、円錐台状のテーパ表面301Sを有する。テーパ表面301Sは、プラグ30の先端から後端に向かって徐々に大きくなる直径を有する。テーパ表面301Sは、プラグ30の先端から後端に向かって順に、第1表面部1Sと、第2表面部2Sと、第3表面部3Sとを連続的に備える。各表面部1S〜3Sは、互いに異なるテーパ角を有する。各表面部1S〜3Sが有するテーパ角は、それぞれ一定である。
テーパ部301の横断形状は円形状である。テーパ部301の縦断形状は台形状である。つまり、テーパ部301は、円錐台状のテーパ表面301Sを有する。テーパ表面301Sは、プラグ30の先端から後端に向かって徐々に大きくなる直径を有する。テーパ表面301Sは、プラグ30の先端から後端に向かって順に、第1表面部1Sと、第2表面部2Sと、第3表面部3Sとを連続的に備える。各表面部1S〜3Sは、互いに異なるテーパ角を有する。各表面部1S〜3Sが有するテーパ角は、それぞれ一定である。
第1表面部1Sはテーパ表面301Sの先端に位置する。第3表面部3Sはテーパ表面301Sの後端側に位置する。第2表面部2Sは、第1表面部1Sと第3表面部3Sとの間に位置する。第1表面部1Sの後端と第2表面部2Sの先端とは、なめらかにつながっている。第2表面部2Sの後端と第3表面部3Sの先端とは、なめらかにつながっている。
第1表面部1Sは、円錐台状の形状を有する。第1表面部1Sの先端の直径はD4であり、後端の直径はD3である。直径D3は直径D4よりも大きい。第1表面部1Sはさらに、一定のテーパ角R3を有する。
第2表面部2Sは、円錐台状の形状を有する。第2表面部2Sの先端の直径はD3であり、後端の直径はD20である。直径D20は直径D3よりも大きい。第2表面部2Sはさらに、一定のテーパ角R2を有する。テーパ角R2はテーパ角R3よりも小さい。
第3表面部3Sは、円錐台状の形状を有する。第3表面部3Sの先端の直径はD20であり、後端の直径はD1である。直径D1は直径D20よりも大きい。第3表面部3Sはさらに、一定のテーパ角R1を有する。テーパ角R1はテーパ角R2よりも小さい。
上述のとおり、各表面部1S〜3Sのテーパ角R1〜R3は、R1<R2<R3の関係を有する。要するに、表面部1S〜3Sのうち、第1表面部1Sの勾配が最も大きく、第3表面部3Sの勾配が最も小さい。換言すれば、テーパ表面301Sは、プラグ30の先端から後端に向かって順に緩やかになる3つの勾配を有する。
本明細書において、テーパ表面301S上の所定の点Pにおけるテーパ角は、点Pでの接線とプラグ30の中心軸Xとがなす角度で定義される(図6参照)。テーパ角R1は、第1表面部と中心軸Xとがなす角度である。同様に、テーパ角R2は、第2表面部2Sと中心軸Xとがなす角度である。テーパ角R3は、第3表面部3Sと中心軸Xとがなす角度である。
[接触表面部、始点表面部及び終点表面部]
テーパ表面301Sはさらに、接触表面部CSと、始点表面部OSと、終点表面部ESとを含む。以下、接触表面部CS、始点表面部OS及び終点表面部ESについて詳述する。
テーパ表面301Sはさらに、接触表面部CSと、始点表面部OSと、終点表面部ESとを含む。以下、接触表面部CS、始点表面部OS及び終点表面部ESについて詳述する。
[接触表面部]
接触表面部CSは、金属管端部の内面が初めてテーパ表面301Sと接触する部分である。そのため、接触表面部CSは、テーパ表面301Sのうち、拡管前の金属管の内径と同じ長さの直径を有する。ここでいう金属管の内径は、以下のとおりに定義される。拡管前の金属管の先端(プラグが挿入される先端)から10mm以内の範囲において、周方向に45°おきに4箇所の内径を測定する。測定された内径の平均を金属管の内径と定義する。
接触表面部CSは、金属管端部の内面が初めてテーパ表面301Sと接触する部分である。そのため、接触表面部CSは、テーパ表面301Sのうち、拡管前の金属管の内径と同じ長さの直径を有する。ここでいう金属管の内径は、以下のとおりに定義される。拡管前の金属管の先端(プラグが挿入される先端)から10mm以内の範囲において、周方向に45°おきに4箇所の内径を測定する。測定された内径の平均を金属管の内径と定義する。
本実施の形態では、接触表面部CSは第2表面部2Sに含まれる。したがって、接触表面部CSのテーパ角RCはテーパ角R2と同じである。
接触表面部CSのテーパ角RCは1.0〜3.0°である。接触表面部CSのテーパ角を1.0〜3.0°とすれば、金属管端部のうち、特に開口部近傍の最先端部分の内径寸法精度を向上することができる。
[始点表面部及び終点表面部]
終点表面部ESは、テーパ表面301Sの後端に相当する。つまり、終点表面部ESは、第3表面部3Sの後端である。そのため、終点表面部ESは直径D1を有する。
終点表面部ESは、テーパ表面301Sの後端に相当する。つまり、終点表面部ESは、第3表面部3Sの後端である。そのため、終点表面部ESは直径D1を有する。
始点表面部OSは、テーパ表面301Sのうち、直径D1の0.99倍の長さの直径D2を有する表面部分である。図1では、始点表面部OSは第2表面部2Sに含まれる。始点表面部OSは第3表面部3Sに含まれてもよい。要するに、始点表面部OSは、接触表面部CSと終点表面部ESとの間に位置する。好ましくは、始点表面部OSは第2表面部に含まれる。この場合、プラグ30の全体の長さを短くすることができる。
図1において、始点表面部OSのテーパ角ROSはテーパ角R2と同じである。テーパ角ROSは、始点表面部OSと終点表面部ESとの間のテーパ表面部分でのテーパ角以上である。また、テーパ角ROSは、接触表面部CSのテーパ角RC以下である。
さらに、始点表面部OSと終点表面部ESとの間の軸方向距離LRは、式(1)を満たす。
22≦LR/((D1−D2)/2)≦115 (1)
軸方向距離LRが式(1)を満たすことにより、金属管のうち、拡管された端部の内径寸法精度が向上する。
22≦LR/((D1−D2)/2)≦115 (1)
軸方向距離LRが式(1)を満たすことにより、金属管のうち、拡管された端部の内径寸法精度が向上する。
[円柱部]
円柱部302の横断形状は円形状であり、縦断形状は矩形状である。円柱部302は、円柱状の円柱表面302Sを有する。円柱表面302Sの先端は、終点表面部ESとなめらかにつながっている。円柱表面302Sの直径はD1で一定である。円柱表面302Sは、テーパ部301により拡管された金属管部分の内面と接触する。円柱部302により、拡管された金属管部分の内径の寸法精度がより向上する。
円柱部302の横断形状は円形状であり、縦断形状は矩形状である。円柱部302は、円柱状の円柱表面302Sを有する。円柱表面302Sの先端は、終点表面部ESとなめらかにつながっている。円柱表面302Sの直径はD1で一定である。円柱表面302Sは、テーパ部301により拡管された金属管部分の内面と接触する。円柱部302により、拡管された金属管部分の内径の寸法精度がより向上する。
[リリース部]
リリース部303の横断形状は円形状であり、縦断形状は台形状である。リリース部303は、円錐台状のリリース表面を有する。リリース表面の先端は円柱表面302Sの後端となめらかにつながっている。リリース表面の先端の直径はD1である。リリース表面の直径は、プラグ30の先端から後端に向かって徐々に小さくなる。リリース表面の後端の直径はD0である。直径D0は直径D1よりも小さい。
リリース部303の横断形状は円形状であり、縦断形状は台形状である。リリース部303は、円錐台状のリリース表面を有する。リリース表面の先端は円柱表面302Sの後端となめらかにつながっている。リリース表面の先端の直径はD1である。リリース表面の直径は、プラグ30の先端から後端に向かって徐々に小さくなる。リリース表面の後端の直径はD0である。直径D0は直径D1よりも小さい。
リリース表面は拡管された金属管部分と接触しない。換言すれば、円柱部302が抜けた金属管部分は、プラグ30から離れる。リリース部303により、拡管された金属管部分の内面が円柱部302の後端で傷つきにくくなる。
なお、本発明のプラグはリリース部303を有していなくてもよい。リリース部303を有していなくても、本発明のプラグは、拡管された金属管端部の内径寸法の精度を向上できる。
[プラグの作用]
プラグ30は、式(1)を満たす軸方向距離LRを有する。そのため、プラグ30は、金属管を過剰に拡管しない(作用1)。さらに、プラグ30は、金属管が初めてプラグ表面と接触する部分(接触表面部CSに相当)において、1.0〜3.0°のテーパ角を有する。そのため、金属管の最先端部分の過剰な変形を抑制できる(作用2)。プラグ30は作用1及び作用2により、拡管された金属管端部の内径寸法精度を向上する。以下、作用1及び作用2について詳述する。
プラグ30は、式(1)を満たす軸方向距離LRを有する。そのため、プラグ30は、金属管を過剰に拡管しない(作用1)。さらに、プラグ30は、金属管が初めてプラグ表面と接触する部分(接触表面部CSに相当)において、1.0〜3.0°のテーパ角を有する。そのため、金属管の最先端部分の過剰な変形を抑制できる(作用2)。プラグ30は作用1及び作用2により、拡管された金属管端部の内径寸法精度を向上する。以下、作用1及び作用2について詳述する。
[作用1について]
本発明者らは、金属管1の端部の内径寸法誤差の発生原因を調査するため、従来のプラグ3を用いて金属管端部を拡管した。その結果、図2に示すように、拡管された金属管端部1の内径D200が、円柱部32の直径D11よりも大きく変形することを見出した。以下、このような変形をオーバーシュート変形と称する。
本発明者らは、金属管1の端部の内径寸法誤差の発生原因を調査するため、従来のプラグ3を用いて金属管端部を拡管した。その結果、図2に示すように、拡管された金属管端部1の内径D200が、円柱部32の直径D11よりも大きく変形することを見出した。以下、このような変形をオーバーシュート変形と称する。
拡管時、金属管1のうちテーパ部31と接触した部分11は、テーパ部31により、内径を拡張する方向に曲げ加工を受ける。その結果、金属管部分11は拡管される。
一方、金属管部分12では、テーパ部31が内部を通過して、円柱部32が新たに内部に挿入される。このとき、金属管部分12は、金属管部分11がテーパ部31により受ける曲げ加工の影響を受ける。その結果、金属管部分12でオーバーシュート変形が生じる。
オーバーシュート変形が発生した場合、金属管部分12の内面は円柱部32の表面と接触しない。つまり、金属管部分12は円柱部32を拘束しない。そのため、金属管部分12は、円柱部32から力(反力)を受けない。その結果、金属管部分12は不均一に変形する。不均一な変形は金属管部分12の内径を不均一にする。そのため、金属管内面の横断形状は真円になりにくい。さらに、金属管部分12の内径は軸方向にも不均一になる。
したがって、テーパ部が抜けた後に円柱部が挿入された金属管部分でオーバーシュート変形が発生するのを抑制できれば、拡管された金属管端部の内径寸法精度が向上する。
本実施の形態のプラグ30を用いて金属管の端部を拡管する場合を想定する。円柱部302が挿入されている金属管部分でオーバーシュート変形を発生させないためには、テーパ部301が挿入されている金属管部分で予めオーバーシュート変形が発生し、かつ、テーパ部301が抜ける前にオーバーシュート変形が完了すればよい。
終点表面部ESの直径D1と始点表面部OSの直径D2との差分(=D1−D2)に対して軸方向距離LRが長ければ、始点表面部OSと終点表面部ESとの間のテーパ表面部分のテーパ角が小さくなる。この場合、図3に示すように、始点表面部OSを含むテーパ表面領域50でオーバーシュート変形が発生する。このため、テーパ表面領域50は、金属管1の内面と接触しない。
一般的に、金属管1の拡管率が8%以下である場合、オーバーシュート変形量は直径D1の1%未満である。そのため、少なくとも始点表面部OS上でオーバーシュート変形が発生していれば、オーバーシュート変形が終了した時の金属管1の内径はD1以上にならない。
したがって、オーバーシュート変形が完了した後の金属管部分は、テーパ表面301Sに再び接触する。そして、テーパ表面領域50と終点表面部ESとの間のテーパ表面領域51で、金属管部分は若干拡管される。始点表面部OSと終点表面部ESとの間の軸方向距離LRが長ければ、表面部OSとESとの間のテーパ表面部分のテーパ角は小さい。そのため、領域51で金属管部分がテーパ部301から受ける力は極めて小さい。したがって、領域51で受けた力に基づくオーバーシュート変形はほぼ生じない。
円柱部302は、オーバーシュート変形が完了した金属管部分の内部に挿入される。そのため、金属管部分の内面は円柱表面302Sと接触する。
以上により、本実施の形態のプラグ30を用いて金属管端部を拡管すれば、拡管された金属管端部の内径寸法は周方向や軸方向でばらつきにくくなる。そのため、拡管された金属管端部の内径寸法の精度が向上する。
F1=LR/((D1−D2)/2)が式(1)の下限値以上であれば、上記効果を有効に発揮できる。式(1)の上限値を115としたのは、次の理由による。F1が115を超えると、プラグ30自体の長さが長くなりすぎる。そのため、プラグの製造コスト及びエキスパンド装置の設備コストが高くなる。したがって、式(1)の上限値は115である。ただし、F1が115を超えても、上述の本発明の効果は有効に得られる。
拡管率が8%以下の場合に上記効果は特に有効に得られるが、拡管率が8%よりも高い場合であっても上記効果をある程度得ることができる。
[作用2について]
プラグ30が式(1)を満たせば、上述のとおり、オーバーシュート変形に基づく金属管の内径のばらつきを低減できる。しかしながら、式(1)を満たしたプラグを用いてもなお、拡管された金属管端部の最先端部分の内径だけが他の部分の内径よりも大きくなる場合が生じる。図4は、従来のプラグで拡管された金属管端部の内径を示す図である。図4の縦軸は内径寸法を示す。横軸は、拡管された金属管の先端を基準(0)とした軸方向距離を示す。たとえば、横軸で−100のデータは、金属管の先端から100mmの距離に位置する内面部分の内径寸法を示す。
プラグ30が式(1)を満たせば、上述のとおり、オーバーシュート変形に基づく金属管の内径のばらつきを低減できる。しかしながら、式(1)を満たしたプラグを用いてもなお、拡管された金属管端部の最先端部分の内径だけが他の部分の内径よりも大きくなる場合が生じる。図4は、従来のプラグで拡管された金属管端部の内径を示す図である。図4の縦軸は内径寸法を示す。横軸は、拡管された金属管の先端を基準(0)とした軸方向距離を示す。たとえば、横軸で−100のデータは、金属管の先端から100mmの距離に位置する内面部分の内径寸法を示す。
図4を参照して、金属管の先端から+20mm程度までの内面領域で、内径が大幅に変化している。具体的には、+20mmの内面部分から金属管の先端(0mm)に向かうにしたがって、内径が急速に大きくなっている。
このような金属管の先端の内径ばらつきは、以下の原因によると推定される。金属管の先端がテーパ表面301Sに初めて接触するとき、金属管先端はテーパ部301から大きな力を受ける。このとき、金属管の先端は、内径が拡張される方向に過剰に曲げ加工される。そのため、図4に示すように金属管の先端で過剰に内径が大きくなる。
本実施の形態のプラグ30では、接触表面部CSでのテーパ角RCが1.0〜3.0°である。接触表面部CSの直径は、拡管前の金属管の内径と同じである。そのため、金属管の先端は初めに接触表面部CSに接触する。接触表面部CSのテーパ角を3.0°以内にすれば、接触時に金属管の先端にかかる力(金属管の径方向にかかる力)を小さくできる。その結果、金属管の先端の内径ばらつきを抑えることができる。より具体的には、図4中の先端変形量Hが小さくなり、以下の式(2)で示される先端拡張率EX(%)が0.10%未満になる。
先端拡張率EX=先端変形量H/拡張された金属管端部の平均内径×100 (2)
先端拡張率EX=先端変形量H/拡張された金属管端部の平均内径×100 (2)
ここで、先端変形量H(mm)及び平均内径(mm)は以下の方法で測定される。拡管後の金属管端部を特定する。拡管後の金属管端部は、拡管された金属管先端から円柱部302の先端が挿入された地点までの領域(図3中の領域500)で定義される。金属管端部において、内径を軸方向位置1mmピッチで形状測定機を用いて測定する。測定された内径の平均値をその軸方向位置での内径と定義する。拡張された金属管端部の平均内径は、各軸方向位置での内径の平均値で定義する。
先端変形量Hは以下のとおり定義する。金属管先端から20mmまでの軸方向位置において、最大内径と最小内径とを選ぶ。そして最大内径から最小内径を差分した値を先端変形量Hと定義する。
接触表面部CSのテーパ角が3.0°以下であれば、先端拡張率EXを0.10%未満に抑えることができる。一方、テーパ角が3.0°を超えると、先端拡張率EXが0.10%を超え、金属管の先端での内径がばらつく。接触表面部のテーパ角の下限は上記効果と異なる他の理由に基づく。接触表面部CSのテーパ角を1°未満とすれば、プラグ30自体の長さが長くなりすぎるためである。
[始点及び終点表面部間の表面部のテーパ角について]
好ましくは、始点表面部OSと終点表面部ESとの間のテーパ表面部分は、一定のテーパ角を有さず、複数のテーパ角を有する。図1では、始点表面部OSのテーパ角ROS(=R2)は、終点表面部ESのテーパ角R1よりも大きい。仮に、テーパ角ROSがテーパ角R1と等しければ、たとえ式(1)を満たしても、プラグ30全体が長くなってしまう。そのため、始点表面部OSと終点表面部ESとの間のテーパ表面部分は、複数の勾配を有し、かつ、各勾配は、プラグ30の先端から後端に向かうにしたがって緩やかになるのが好ましい。換言すれば、始点表面部OSと終点表面部ESとの間のテーパ表面部分は、プラグ30の先端から後端に向かって連続してつながっている複数の表面部分を含む。そして、各表面部部分のテーパ角は、プラグ30の先端から後端に向かって順番に小さくなる。この場合、プラグ30全体が長くなり過ぎるのを抑制できる。
好ましくは、始点表面部OSと終点表面部ESとの間のテーパ表面部分は、一定のテーパ角を有さず、複数のテーパ角を有する。図1では、始点表面部OSのテーパ角ROS(=R2)は、終点表面部ESのテーパ角R1よりも大きい。仮に、テーパ角ROSがテーパ角R1と等しければ、たとえ式(1)を満たしても、プラグ30全体が長くなってしまう。そのため、始点表面部OSと終点表面部ESとの間のテーパ表面部分は、複数の勾配を有し、かつ、各勾配は、プラグ30の先端から後端に向かうにしたがって緩やかになるのが好ましい。換言すれば、始点表面部OSと終点表面部ESとの間のテーパ表面部分は、プラグ30の先端から後端に向かって連続してつながっている複数の表面部分を含む。そして、各表面部部分のテーパ角は、プラグ30の先端から後端に向かって順番に小さくなる。この場合、プラグ30全体が長くなり過ぎるのを抑制できる。
なお、接触表面部CSのテーパ角RCは、少なくとも終点表面部ESのテーパ角(ここではR1)よりも大きい。これにより、プラグ30全体の長さを短くできる。
[製造方法]
プラグ30を用いた金属管の製造方法について説明する。
プラグ30を用いた金属管の製造方法について説明する。
高炉又は電炉により溶鋼を製造する。製造された溶鋼を周知の方法で精錬する。精錬された溶鋼を鋳込んで素材(スラブ、ブルーム、ビレット、又はインゴット)を製造する。スラブやブルーム、インゴットを熱間加工してビレットにする。このとき、熱間圧延によりビレットにしてもよいし、熱間鍛造によりビレットにしてもよい。
製造されたビレットをピアサにより軸方向に穿孔して素管にする(穿孔工程)。穿孔工程後、素管をマンドレルミルにより軸方向に延伸する(延伸工程)。延伸工程後、素管をサイザにより所望の直径寸法に加工する(定径工程)。
定径工程後、素管の端部を拡管する(拡管工程)。図5A〜図5Cを参照して、エキスパンド装置はチャック2及びシリンダ4を備える。定径工程後の素管である金属管1をチャック2によりエキスパンド装置に固定する。プラグ30をエキスパンド装置のシリンダ4の先端に周知の方法により取り付ける。金属管1の軸心をプラグ30の軸心に合わせる(図5A)。
続いて、シリンダ4によりプラグ30を金属管1の端部から所定の距離まで押し込む。このとき、金属管1の端部はプラグ30により拡管される(図5B)。所定の距離までプラグ30を押し込んだ後、シリンダ4によりプラグ30を押し込んだ方向と反対方向に引き抜く(図5C)。
以上の製造工程により製造された金属管1は、拡管された端部を有する。上述のプラグ30の特徴により、拡管された端部における内径ばらつきは少ない。また、先端拡張率EXは0.10%未満に抑えられる。
上述した製造方法では、定径工程後に拡管工程を実施する。しかしながら、素管の軸方向の曲がりの矯正や真円度の向上を目的とした矯正工程を、定径工程と拡管工程との間に実施してもよい。矯正工程は、たとえばストレートナを用いて実施される。また、素管の強度や靭性等の特性を調整するために、定径工程と矯正工程との間に熱処理を実施してもよい。矯正工程後、素管端部の内径寸法を調整するために、素管端部を絞り加工してもよい(スエージング工程)。たとえば、ダイスを用いて素管端部を押出加工して素管端部の内径寸法を調整する。この場合、スエージング工程後に拡管工程を実施する。拡管工程後の金属管には加工歪や残留応力が発生する可能性がある。そのため、これらの歪みや応力を除去するために、拡管工程後に熱処理を実施してもよい。
上述した金属管の製造方法では、素管として継目無鋼管を製造した。そして、その継目無鋼管を拡管した。しかしながら、溶接鋼管を製造して、製造された溶接鋼管を拡管してもよい。
[他の形状のプラグ]
上述の実施の形態では、各第1〜第2表面部1S〜3Sの表面は平面となっている。しかしながら、テーパ表面301Sは他の形状であってもよい。たとえば、図6に示すように、テーパ表面301Sが凸の曲面となっていてもよい。この場合、テーパ表面301Sの縦断形状は凸の曲線状となる。要するに、テーパ表面301Sの直径は、プラグ30の先端から後端に向かって徐々に大きくなっていればよい。そして、テーパ表面301Sは、接触表面部CSと、始点表面部OSと、終点表面部ESとを備えていればよい。
上述の実施の形態では、各第1〜第2表面部1S〜3Sの表面は平面となっている。しかしながら、テーパ表面301Sは他の形状であってもよい。たとえば、図6に示すように、テーパ表面301Sが凸の曲面となっていてもよい。この場合、テーパ表面301Sの縦断形状は凸の曲線状となる。要するに、テーパ表面301Sの直径は、プラグ30の先端から後端に向かって徐々に大きくなっていればよい。そして、テーパ表面301Sは、接触表面部CSと、始点表面部OSと、終点表面部ESとを備えていればよい。
接触表面部CSでのテーパ角は1.0〜3.0°である。ここで、接触表面部CSでのテーパ角は、接触表面部CSの接線と中心軸Xとがなす角度である。また、始点表面部OSと終点表面部ESとの間の軸方向距離LRは式(1)を満たす。好ましくは、テーパ角RCは、始点表面部OSと終点表面部ESとの間のテーパ表面部分のテーパ角よりも大きい。また、始点表面部OSと終点表面部ESとの間のテーパ表面部分は、プラグ30の先端から後端に向かって順に小さくなる複数のテーパ角(勾配)を有する。
また、図7に示すように、テーパ表面301Sは、プラグ30の先端から後端に向かって順に、第1〜第4表面部1S〜4Sを連続的に備えてもよい。テーパ表面301Sは複数のテーパ角R10、R20、R30及びR40とを有する。複数のテーパ角のうち、第1表面部1Sのテーパ角R10が最も大きい。第2表面部2Sのテーパ角R20は第3表面部3Sのテーパ角R30よりも大きい。テーパ角R30は第4表面部4Sのテーパ角R40よりも大きい。テーパ表面301は、接触表面部CSと、始点表面部OSと、終点表面部ESとを含む。
同様に、テーパ表面301は、プラグ30の先端から後端に向かって順に、勾配が小さくなる3個以上の表面部を連続的に備えてもよい。
[調査方法]
各試験NOで用いたプラグの形状を図1及び表1に示す。D4は第1表面部1Sの先端の直径である。D3は第1表面部1Sの後端(及び第2表面部2Sの先端)の直径である。D20は第2表面部2Sの後端(及び第3表面部3Sの先端)の直径である。D1は終点表面部ES(及び円柱部302、リリース部303の先端)の直径である。D0はリリース部303の後端の直径である。DCは接触表面部CSの直径である。D2は始点表面部OSの直径である。
各試験NOで用いたプラグの形状を図1及び表1に示す。D4は第1表面部1Sの先端の直径である。D3は第1表面部1Sの後端(及び第2表面部2Sの先端)の直径である。D20は第2表面部2Sの後端(及び第3表面部3Sの先端)の直径である。D1は終点表面部ES(及び円柱部302、リリース部303の先端)の直径である。D0はリリース部303の後端の直径である。DCは接触表面部CSの直径である。D2は始点表面部OSの直径である。
R3は第1表面部1Sのテーパ角である。R2は第2表面部2Sのテーパ角である。R1は第3表面部3Sのテーパ角である。R0はリリース部303のテーパ角である。RCは接触表面部CSのテーパ角である。
L1Sは第1表面部1Sの軸方向長さである。L2Sは第2表面部2Sの軸方向長さである。L3Sは第3表面部3Sの軸方向長さである。L302は円柱部302の軸方向長さである。L303はリリース部303の軸方向長さである。LRは始点表面部OSと終点表面部ESとの間の軸方向距離である。
表中のF1は以下の式に基づいて求められた値である。
F1=LR/((D1−D2)/2)
F1=LR/((D1−D2)/2)
試験NO7〜9のプラグの形状は、本発明の規定範囲を満たした。一方試験NO1〜6のプラグでは、接触表面CSのテーパ角が本願発明で規定されたテーパ角の上限を超えた。さらに、試験NO4〜6のプラグでは、F1値が式(1)の下限未満であった。
各試験NOで使用した拡管前の金属管の外径Dは359.0mmであった。また、肉厚は22.0mmであった。内径は315.0mmであった。
各試験NOのプラグを用いて拡管プロセスのシミュレーションを実行した。シミュレーションでは、プラグを金属管端部から軸方向に、プラグの終点表面部から金属管端部までの距離が150mmとなるまで押し込んだ。そして押し込んだプラグを引き抜いた。プラグが押し込まれたままの金属管端部の内径寸法と、プラグが引き抜かれた後の金属管端部の内径寸法とをそれぞれ求めた。
[先端拡張率の調査]
拡管された金属管端部の先端変形量H(mm)、平均内径(mm)及び先端拡張率EX(%)を上述の方法で求めた。求めた先端変形量H、平均内径及び先端拡張率EXを表1に示す。先端変形量H、平均内径及び先端拡張率EXは、プラグを引き抜いた後の金属管端部の内径寸法に基づいて求めた。
拡管された金属管端部の先端変形量H(mm)、平均内径(mm)及び先端拡張率EX(%)を上述の方法で求めた。求めた先端変形量H、平均内径及び先端拡張率EXを表1に示す。先端変形量H、平均内径及び先端拡張率EXは、プラグを引き抜いた後の金属管端部の内径寸法に基づいて求めた。
[オーバーシュート変形量の調査]
さらに、拡管された金属管端部のオーバーシュート変形量(mm)を次の方法で求めた。プラグを押し込まれたままの金属管端部(図3中の領域500に相当)について、円柱部302の最後端位置(図3参照)上の内面地点P10での金属管の内径(mm)を求めた。求めた内径を用いて、以下の式によりオーバーシュート変形量(mm)を求めた。
さらに、拡管された金属管端部のオーバーシュート変形量(mm)を次の方法で求めた。プラグを押し込まれたままの金属管端部(図3中の領域500に相当)について、円柱部302の最後端位置(図3参照)上の内面地点P10での金属管の内径(mm)を求めた。求めた内径を用いて、以下の式によりオーバーシュート変形量(mm)を求めた。
オーバーシュート変形量=(内径−D1)/2
オーバーシュート変形量が0である場合、オーバーシュート変形が発生しなかったことを示す。オーバーシュート変形量が0よりも大きい場合、オーバーシュート変形が発生したことを示す。求めたオーバーシュート変形量を表1に示す。
オーバーシュート変形量が0である場合、オーバーシュート変形が発生しなかったことを示す。オーバーシュート変形量が0よりも大きい場合、オーバーシュート変形が発生したことを示す。求めたオーバーシュート変形量を表1に示す。
[調査結果]
表1を参照して、試験NO7〜9の金属管の先端拡張率EXはいずれも0.10%未満であった。つまり、金属管の最先端の内径ばらつきを抑えることができた。また、オーバーシュート変形量は0mmであった。つまり、オーバーシュート変形は発生しなかった。
表1を参照して、試験NO7〜9の金属管の先端拡張率EXはいずれも0.10%未満であった。つまり、金属管の最先端の内径ばらつきを抑えることができた。また、オーバーシュート変形量は0mmであった。つまり、オーバーシュート変形は発生しなかった。
試験NO1〜3の金属管では、オーバーシュート変形量は0mmであった。しかしながら、先端拡張率EXはいずれも0.10%を超えた。テーパ角RCが3.0°を超えたためと推定される。
試験NO4〜6の金属管では、先端拡張率EXが0.10%を超えた。さらに、オーバーシュート変形量が0mmよりも大きかった。テーパ角RCが3.0°を超え、かつ、F1値が式(1)の下限値未満であったためと推定される。
[調査方法]
表1中の試験NO3及び8のプラグを作製した。そして、周知のエキスパンド装置と作製されたプラグとを用いて、金属管の端部を拡管した。具体的には、プラグを金属管端部から軸方向に、プラグの終点表面部から金属管端部までの距離が150mmとなるまで押し込んだ。そして、押し込んだプラグを引き抜いた。拡管された金属管端部の内径を、3次元形状測定装置を用いて測定した。
表1中の試験NO3及び8のプラグを作製した。そして、周知のエキスパンド装置と作製されたプラグとを用いて、金属管の端部を拡管した。具体的には、プラグを金属管端部から軸方向に、プラグの終点表面部から金属管端部までの距離が150mmとなるまで押し込んだ。そして、押し込んだプラグを引き抜いた。拡管された金属管端部の内径を、3次元形状測定装置を用いて測定した。
[調査結果]
測定した結果を図8に示す。図8の縦軸は内径寸法を示す。横軸は拡管された金属管の最先端を基準(0)とした軸方向距離を示す。たとえば、横軸で−50のデータは、金属管の先端から50mmの距離に位置する内面部分の内径寸法を示す。図中の実線は試験NO8のプラグで拡張された金属管端部の内径寸法である。図中の破線は試験番号NO3のプラグで拡張された金属管端部の内径寸法である。
測定した結果を図8に示す。図8の縦軸は内径寸法を示す。横軸は拡管された金属管の最先端を基準(0)とした軸方向距離を示す。たとえば、横軸で−50のデータは、金属管の先端から50mmの距離に位置する内面部分の内径寸法を示す。図中の実線は試験NO8のプラグで拡張された金属管端部の内径寸法である。図中の破線は試験番号NO3のプラグで拡張された金属管端部の内径寸法である。
図8を参照して、試験NO8のプラグにより拡管された金属管の方が、試験NO3のプラグにより拡管された金属管よりも、先端部(軸方向距離=0〜−20mm)での内径のばらつきが小さかった。より具体的には、試験NO3のプラグにより拡管された金属管では、最先端(軸方向距離=0)近傍で内径が顕著に大きくなった。一方、試験NO8のプラグにより拡管された金属管では、先端部での内径のばらつきは試験NO3よりも小さかった。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。
本発明によるプラグは、金属管の拡管に広く利用可能である。本発明のプラグは特に、油井管及びラインパイプの端部の拡管に利用可能である。
Claims (3)
- 金属管の端部を拡管するためのプラグであって、
前記プラグの先端から後端に向かって順に、円形状の横断面を有するテーパ部と、円形状の横断面を有する円柱部とを備え、
前記テーパ部は、
前記プラグの先端から後端に向かって徐々に大きくなる直径を有するテーパ表面を有し、
前記テーパ表面は、
拡管前の前記金属管の内径と同じ直径を有し、1.0〜3.0°のテーパ角を有する接触表面部と、
前記テーパ表面の後端であって、直径D1を有する終点表面部と、
前記接触点表面部と前記終点表面部との間に位置し、前記直径D2=D1×0.99を有する始点表面部とを含み、
前記始点表面部と前記終点表面部との間の軸方向距離LRは式(1)を満たし、
前記円柱部は、前記終点表面部と滑らかにつながっており、直径D1を有する円柱表面を有する、プラグ。
22≦LR/((D1−D2)/2)≦115 (1) - 金属管端部の拡管方法であって、
プラグであって、前記プラグの先端から後端に向かって順に、円形状の横断面を有するテーパ部と、円形状の横断面を有する円柱部とを備え、前記テーパ部は、前記プラグの先端から後端に向かって徐々に大きくなる直径を有するテーパ表面を有し、前記テーパ表面は、拡管前の前記金属管の内径と同じ直径を有し、1.0〜3.0°のテーパ角を有する接触表面部と、前記テーパ表面の後端であって、直径D1を有する終点表面部と、前記接触点表面部と前記終点表面部との間に位置し、前記直径D2=D1×0.99を有する始点表面部とを含み、前記始点表面部と前記終点表面部との間の軸方向距離LRは式(1)を満たし、前記円柱部は、前記終点表面部と滑らかにつながっており、直径D1を有する円柱表面を有する、プラグを準備する工程と、
22≦LR/((D1−D2)/2)≦115 (1)
金属管に前記プラグを前記金属管の先端から所定の距離まで軸方向に押し込む工程と、
押し込みを止め、押し込んだ方向と反対の方向へ前記プラグを抜き取る工程とを備えた金属管端部の拡管方法。 - 素材を軸方向に穿孔して素管にする工程と、
前記素管を軸方向に延伸する工程と、
前記延伸した素管を所望の外径寸法に加工する工程と、
前記加工した素管に、プラグであって、前記プラグの先端から後端に向かって順に、円形状の横断面を有するテーパ部と、円形状の横断面を有する円柱部とを備え、前記テーパ部は、前記プラグの先端から後端に向かって徐々に大きくなる直径を有するテーパ表面を有し、前記テーパ表面は、拡管前の前記金属管の内径と同じ直径を有し、1.0〜3.0°のテーパ角を有する接触表面部と、前記テーパ表面の後端であって、直径D1を有する終点表面部と、前記接触点表面部と前記終点表面部との間に位置し、前記直径D2=D1×0.99を有する始点表面部とを含み、前記始点表面部と前記終点表面部との間の軸方向距離LRは式(1)を満たし、前記円柱部は、前記終点表面部と滑らかにつながっており、直径D1を有する円柱表面を有する、プラグを前記素管の先端から所定の距離まで軸方向に押し込む工程と、
22≦LR/((D1−D2)/2)≦115 (1)
押し込みを止め、押し込んだ方向と反対の方向へ前記プラグを抜き取る工程とを備えた金属管の製造方法。
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