JPWO2020175343A1 - 金属管および金属管の製造方法 - Google Patents

Abstract

拡管後の管端部の切断を必要とせずに、高寸法精度を有する、外径が１５０〜３０００ｍｍであり、且つ肉厚が２〜５０ｍｍである金属管及び金属管の製造方法の技術の提供。
素管１の両端における管端部１１を拡管する管端部拡管工程と、該工程後、素管１の両端の管最端部１２に対する管軸方向の押込み量を表す軸押込み量ｓ（ｍｍ）の変化に応じた内圧ｐ（ＭＰａ）が予め設定される最大内圧ｐｍａｘ（ＭＰａ）になるまで、素管１内部全体に内圧ｐを負荷することで素管１を拡管する内圧負荷工程とを含み、ｐおよびｓが以下の式（２）を満たすようにする。
０．５×（ｐ／ｐｍａｘ）×（ａ／２００）×Ｌ_０≦ｓ≦（ｐ／ｐｍａｘ）×（ａ／２００）×Ｌ_０・・・式（２）
式中、ａは予め設定される拡管率（％）であって０．３０≦ａ≦５．０、Ｌ_０は素管の平均長さ（ｍｍ）である。

Description

本発明は、ラインパイプ用金属管に好適な、全長にわたり高い外径精度を有する金属管およびその製造方法に関する。

パイプラインは、原油および天然ガスを安全かつ効率的に輸送する手段として広く用いられている。近年では、輸送効率を高めるためラインパイプ用鋼管の大径化が進んでいる。
パイプラインの敷設において、総費用のうち現地施工費用が占める割合は非常に高く、特に、海底敷設には多くの人員、船舶および機器が必要となり多大な費用がかかる。そのため、コスト削減の観点から現地施工期間の短縮が望まれている。
現地施工では、管を円周溶接して長手方向に接続する作業が行われるが、このとき管の真円度が低いと管端部同士で目違いが生じてしまい、溶接欠陥が発生しやすくなる。
そのため、円周溶接の前に、管を周方向に回して最適な突合せ位置を探すこと、あるいは管端部を研削すること等の調整作業が必要となっているのが現状である。
これらの調整作業による現地施工の長期化を避けるために、ラインパイプ用鋼管には高い真円度が求められる。

特許文献１には、鋼管における管端部の内径を矯正する方法であって、先ず管端部を冷間で縮径加工した後、この縮径加工した管端部に拡管治具を挿入し、縮径加工した部分のみを縮径分だけ拡管することを特徴とする鋼管の管端内径矯正方法が提案されている。

特許文献２には、鋼管における管端部の内径を矯正する方法であって、先ず管端部に拡管治具を挿入して冷間で拡管加工した後、この拡管加工した管端部に縮径治具を押し込んで拡管加工した部分のみを拡管した分だけ縮径することを特徴とする鋼管の管端内径矯正方法が提案されている。

しかし、特許文献１および特許文献２に記載の技術では、管端部近くの曲げ・曲げ戻し部にくびれや凹み等の形状不整が生じやすい。そのため、これらの方法で製造した管は、曲げや圧縮が加わった際に座屈しやすく構造物として用いるのに不向きであり、管端部付近は切断する必要がある。

特許文献３には、液圧を原管の内面あるいは外面に付与することにより所定径となるまで拡径あるいは縮径させ、高い寸法精度を持たせたことを特徴とする高寸法精度鋼管が提案されている。
しかし、特許文献３に記載の方法では、十分な寸法精度が得られない管端部を廃棄しなければならず生産性が悪い。

また、拡管技術として、管に内圧と管軸方向の軸押し力を負荷して成形するハイドロフォーム加工が従来知られている。このハイドロフォーム加工に関して、例えば、特許文献４〜６に記載のように、座屈または破裂が生じないように管の内圧および軸押し量を適切に制御する方法が知られている。
しかし、特許文献４〜６に記載の方法では、管端を確実にシールするため、図５の負荷経路Ｄのように、初期軸押込みを行うので、管端部が増肉して形状が悪化し、廃却部分が生じる。また、材料を変形部に流入させるために大きな軸押し力を必要とするため、外径が１５０ｍｍ以上となる大径管を対象とする場合には、軸押し力が非常に大きくなる。

特許第２８２００４３号公報 特許第２８２２８９６号公報 特開２００２−２３５８７５公報 特開２００５−２６２２４１公報 特許第５１２１０４０号公報 特許第４６８０６５２号公報

この点、本発明者らは、外径が１５０ｍｍ以上３０００ｍｍ以下となる大径管について、円周溶接部の溶接欠陥および座屈を防止するためには管の外径精度を全長にわたり０．１５％以下とすればよいことを知見した。しかしながら、前述したような従来の技術において、拡管後に管端部を切断することなく、所望の外径精度を得られる金属管の製造技術は確立されていなかった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、拡管後の管端部の切断を必要とせずに、高寸法精度を有する、外径が１５０ｍｍ以上３０００ｍｍ以下であり、且つ肉厚が２ｍｍ以上５０ｍｍ以下である金属管および金属管の製造方法を提供することを目的とする。

ここで、高寸法精度とは、管全長における最大外径（ｍｍ）および最小外径（ｍｍ）が以下の式（１）を満たすことを言う。
（最大外径−最小外径）／［（最大外径＋最小外径）／２］≦０．００１５・・・式（１）

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、金属管を全長にわたり高寸法精度化するためには、真円断面を有する工具等により両管端部を拡管した後、真円の内周断面を有する金型内等で内圧を負荷して拡管すればよいことを見出した。更に、本発明者らは、重ねて検討を行った結果、内圧負荷の過程で軸押込み量を適切に制御することで、大径管においても設備負荷を過大にすることなく管端部を含めた管全長の高寸法精度化が可能となることを見出した。

本発明は、上記の知見に基づいて完成させたものであり、その要旨構成は以下のようになる。
［１］外径Ｄ_Ｘが１５０ｍｍ以上３０００ｍｍ以下であり、且つ肉厚ｔ_Ｘが２ｍｍ以上５０ｍｍ以下であり、管全長における最大外径（ｍｍ）および最小外径（ｍｍ）が以下の式（１）を満たす金属管の製造方法であって、
素管の両端における管端部を拡管する管端部拡管工程と、
該管端部拡管工程後、前記素管の両端の管最端部に対する管軸方向の押込み量を表す軸押込み量ｓ（ｍｍ）の経時変化に応じた内圧ｐ（ＭＰａ）が予め設定される最大内圧ｐｍａｘ（ＭＰａ）になるまで、前記素管内部全体に前記内圧ｐを負荷することで前記素管を拡管する内圧負荷工程と、
を含み、
前記内圧ｐおよび前記軸押込み量ｓが以下の式（２）を満たす金属管の製造方法。
（最大外径−最小外径）／［（最大外径＋最小外径）／２］≦０．００１５・・・式（１）
０．５×（ｐ／ｐｍａｘ）×（ａ／２００）×Ｌ_０≦ｓ≦（ｐ／ｐｍａｘ）×（ａ／２００）×Ｌ_０・・・式（２）
ここで、式中、ａは予め設定される拡管率（％）であって０．３０≦ａ≦５．０を満たし、Ｌ_０は管端部拡管工程前の素管の平均長さ（ｍｍ）である。
［２］前記管端部拡管工程では、
平均外径がＤ_０（ｍｍ）であり、且つ平均肉厚がｔ_０（ｍｍ）である前記素管の前記管最端部側から前記管軸方向に向けて拡管工具を前記素管内に挿入して、
前記拡管工具が有する、以下の式（３）で定義される外径がＤ_１（ｍｍ）である円柱状部の外周面と、前記素管の内周面とを当接させながら前記拡管工具による押圧力により前記管端部を拡管し、
前記内圧負荷工程では、
前記軸押込み量ｓ（ｍｍ）で前記拡管工具による前記管最端部に対する軸押込みを行うと共に、
金型内に設置された前記素管の内部全体に、前記内圧ｐを負荷することで、前記金型に形成され、且つ内径が以下の式（４）で定義されるＤ_２（ｍｍ）の断面形状を含み、前記素管を収容する円筒状の収容部の内壁面に、前記素管の外周面が当接するまで前記素管を拡管する、
前記［１］に記載の金属管の製造方法。
Ｄ_１＝（１＋ａ／１００）×Ｄ_０−２×（１−ａ／２００）×ｔ_０・・・式（３）
Ｄ_２＝（１＋ａ／１００）×Ｄ_０・・・式（４）
［３］前記外径Ｄ_Ｘが３００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下であり、且つ前記肉厚ｔ_ｘが５ｍｍ以上４０ｍｍ以下である前記［１］または［２］に記載の金属管の製造方法。
［４］前記金属管が鋼管である前記［１］〜［３］のいずれかに記載の金属管の製造方法。
［５］外径Ｄ_Ｘが１５０ｍｍ以上３０００ｍｍ以下であり、肉厚ｔ_Ｘが２ｍｍ以上５０ｍｍ以下であり、且つ管全長における最大外径および最小外径が式（１）を満足する金属管。
（最大外径−最小外径）／［（最大外径＋最小外径）／２］≦０．００１５・・・式（１）
［６］前記外径Ｄ_Ｘが３００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下であり、且つ肉厚ｔ_Ｘが５ｍｍ以上４０ｍｍ以下である前記［５］に記載の金属管。
［７］前記金属管が鋼管である前記［５］または［６］に記載の金属管。

ここで、平均外径は、いずれか一方の管最端部から管軸方向に１ｍｍの位置において、管周方向に４５度ピッチで測定した４箇所の外径を平均することにより得られる。
また、平均肉厚は、いずれか一方の管最端部から軸方向に１ｍｍの位置において、管周方向に４５度ピッチで測定した８箇所の肉厚を平均することにより得られる。
また、素管の平均長さは、管周方向に４５度ピッチで測定した８箇所の管長さを平均することにより得られる。

本発明によれば、拡管後の管端部の切断を必要とせずに、高寸法精度を有する、外径が１５０ｍｍ以上３０００ｍｍ以下であり、且つ肉厚が２ｍｍ以上５０ｍｍ以下である金属管が得られる。

図１は、本発明の金属管１の製造方法を説明するための概念図である。 図２は、本発明の管端部拡管工程における拡管方法を説明するための図である。 図３は、本発明の内圧負荷工程における拡管方法を説明するための図である。 図４は、拡管工具３の構成を説明するための断面図である。 図５は、本発明例および比較例の内圧−軸押込み負荷経路である。

本発明について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施形態によって本発明が限定されるものではない。

本発明の金属管の製造方法は、後述する管端部拡管工程と内圧負荷工程とを含む製造方法であり、外径Ｄ_Ｘが１５０ｍｍ以上３０００ｍｍ以下であり、且つ肉厚ｔ_Ｘが２ｍｍ以上５０ｍｍ以下であり、管全長における最大外径（ｍｍ）および最小外径（ｍｍ）が以下の式（１）を満たす金属管の製造方法であって、素管の両端における管端部を拡管する管端部拡管工程と、該管端部拡管工程後、前記素管の両端の管最端部に対する管軸方向の押込み量を表す軸押込み量ｓ（ｍｍ）の経時変化に応じた内圧ｐ（ＭＰａ）が予め設定される最大内圧ｐｍａｘ（ＭＰａ）になるまで、素管内部全体に内圧ｐを負荷することで素管を拡管していく内圧負荷工程と、を含み、内圧ｐおよび軸押込み量ｓが以下の式（２）を満たす。

（最大外径−最小外径）／［（最大外径＋最小外径）／２］≦０．００１５・・・式（１）
０．５×（ｐ／ｐｍａｘ）×（ａ／２００）×Ｌ_０≦ｓ≦（ｐ／ｐｍａｘ）×（ａ／２００）×Ｌ_０・・・式（２）
ここで、上記の（１）式における右辺の０．００１５は、金属管１の拡管後の全長にわたる外径精度の上限値を表す。

式中、ａは予め設定される拡管率（以下、狙い拡管率とも記す。）（％）であって０．３０≦ａ≦５．０を満たす。また、Ｌ_０は、管端部拡管工程前の素管１の平均長さ（ｍｍ）である。

図１は、本発明の金属管１の製造方法を説明するための概念図である。

図１（ａ）では、拡管前の素管１を示す。以下の説明では、拡管前の素管１としては、平均外径がＤ_０（ｍｍ）であり、且つ平均肉厚がｔ_０（ｍｍ）である。

次に、図１（ｂ）に示すように、管端部拡管工程において、管軸方向の押込みにより生じる押圧力等により、素管１の両端における管端部１１を拡管する。

管端部１１は、図２〜４を参照しながら後述する拡管工具３を用いる場合、拡管工具の円柱状部（図４の符号６参照）により拡管形成される領域である。
管端部拡管工程における押込みは、管端部１１の軸方向の長さが円柱状部６の軸方向の長さに等しくなった時点、すなわち拡管工具３の蓋部（図４の符号５参照）が管最端部１２に接触した時点で終了する。管端部拡管工程の後の押込みは、管最端部１２に対する管軸方向の押込みを行うものであり、素管１内部全体に内圧を負荷するまでは行わない。なお、本発明では、管端部拡管工程における押込みは、管端部１１の拡管を目的とするものであり、管端部１１の拡管は目的とせずに、管最端部１２に対する管軸方向の押込みを行うための初期軸押込みとは異なるものとする。

ここで、管端部１１は、特に限定されないが、管端部拡管工程において拡管工具３を用いる場合を例にすると、拡管工具３の円柱状部６の外周面と素管１の内周面との接触面における摩擦力が増加して、素管１に加わる圧縮力が大きくなり、管端部１１近傍が増肉して形状が悪化するため、管最端部１２から管軸方向に管端部拡管工程前の管全長の１．０％以下の長さまでの領域とすることが好ましい。なお、上記の摩擦力は、拡管工具３の円柱状部６の軸方向長さが大きい程、増加しやすくなる。

管端部拡管工程において、まず素管１の管端部１１を拡管しておくことで、後述の内圧負荷工程で、管端部１１の塑性変形を利用して管端を封じやすくし、内圧を効率的に負荷することができる。

管端部拡管工程では、管端部１１の平均内径を式（３）で定義されるＤ_１（ｍｍ）まで拡管することが望ましく、図２等を用いて後述するように、本発明では、拡管工具３を管最端部１２側から管軸方向に向けて挿入し、拡管工具３が有する式（３）で定義される外径がＤ_１（ｍｍ）である円柱状部６の外周面と素管１の内周面とを当接させながら、拡管工具３による押圧力により管端部１１を拡管する方法が挙げられる。
Ｄ_１＝（１＋ａ／１００）×Ｄ_０−２×（１−ａ／２００）×ｔ_０・・・式（３）
式中、ａは予め設定される拡管率（狙い拡管率とも記す。）（％）であって０．３０≦ａ≦５．０を満たす。

次に、図１（ｃ）に示すように、内圧負荷工程では、管端部拡管工程後の管両端の管最端部１２に対する管軸方向の押込み量を表す軸押込み量ｓ（ｍｍ）の経時変化に応じた内圧ｐ（ＭＰａ）が、予め設定される最大内圧ｐｍａｘ（ＭＰａ）になるまで、素管１内部全体に内圧ｐを負荷することで素管１を拡管していく。

内圧負荷工程では、素管１の平均外径を式（４）で定義されるＤ_２（ｍｍ）まで拡管することが望ましく、図３等を用いて後述するように、引き続き、拡管工具３の円柱状部６と素管１の内周面とを当接させながら、軸押込み量ｓ（ｍｍ）で拡管工具３による管最端部１２に対する軸押込みを行う。そして、この軸押込みと共に、金型２内に設置された素管１内部全体に、軸押込み量ｓ（ｍｍ）に応じた上記の内圧ｐを負荷する。更に、金型２が有し、且つ内径が以下の式（４）で定義されるＤ_２（ｍｍ）の断面形状を含み、素管１を収容する円筒状の収容部の内壁面に、素管１の外周面が当接するまで素管１を拡管する。
Ｄ_２＝（１＋ａ／１００）×Ｄ_０・・・式（４）
式中、ａは予め設定される拡管率（狙い拡管率）（％）であって０．３０≦ａ≦５．０を満たす。

図１（ｄ）に示すように、上記の管端部拡管工程および内圧負荷工程の後、得られる金属管１は、外径Ｄ_Ｘが１５０ｍｍ以上３０００ｍｍ以下であり、且つ肉厚ｔ_Ｘが２ｍｍ以上５０ｍｍ以下であり、管全長における最大外径（ｍｍ）および最小外径（ｍｍ）が式（１）を満たす。
（最大外径−最小外径）／［（最大外径＋最小外径）／２］≦０．００１５・・・式（１）
外径Ｄ_Ｘは、好ましくは３００ｍｍ以上である。また、外径Ｄ_Ｘは、好ましくは１０００ｍｍ以下である。肉厚ｔ_Ｘは、好ましくは５ｍｍ以上である。また、肉厚ｔ_Ｘは、好ましくは４０ｍｍ以下である。

また、好ましくは、得られる金属管１は鋼管である。また、鋼管である場合、特に限定されないが、具体的には、電縫鋼管、スパイラル鋼管、ＵＯＥ鋼管、シームレス鋼管が挙げられる。

なお、平均外径Ｄ_０（ｍｍ）は、特に限定されないが、得られる金属管１の外径Ｄ_Ｘが１５０ｍｍ以上３０００ｍｍ以下であるため、Ｄ_０（ｍｍ）は、１４３ｍｍ以上であることが好ましい。また、Ｄ_０（ｍｍ）は２９９１ｍｍ以下であることが好ましい。
また、平均肉厚ｔ_０（ｍｍ）も、特に限定されないが、得られる金属管１の外径ｔ_Ｘが５ｍｍ以上４０ｍｍ以下であるため、ｔ_０（ｍｍ）は、５．１ｍｍ以上であることが好ましい。また、ｔ_０（ｍｍ）は４１．０ｍｍ以下であることが好ましい。

（狙い拡管率ａ（％）について）
式（２）、（３）、（４）において、予め設定される拡管率（狙い拡管率）ａ（％）は、前述しているように、０．３０％以上５．０％以下とする。拡管率ａを０．３０％未満として、所望の金属管１を得ようとする場合、素管１が塑性変形しないために、あるいは素管１に付与される塑性ひずみ量が非常に小さいために、素管１が式（２）を満足しなくなる。一方、ａが５．０％超である場合、後述の拡管工具３による管端部近くの曲げ変形量が大きくなり、くびれや凹み等の形状不整の原因となる。また、素管１が破断する可能性がある。よって、拡管率ａ（％）は、０．３０％以上５．０％以下とする。好ましくは、拡管率ａ（％）は１．０％以上である。また、好ましくは、拡管率ａ（％）は４．０％以下である。

（軸押込み量ｓ（ｍｍ）について）
本発明でいう軸押込み量ｓとは、管端部拡管工程における拡管が完了した時点での軸押込み量ｓ＝０ｍｍとして、その管端部拡管工程後の押圧力による管最端部１２に対する軸押込み量の大きさのことを指す。

本発明では、式（２）で説明したように、軸押込み量ｓは、「０．５×（ｐ／ｐｍａｘ）×（ａ／２００）×Ｌ_０」（以下、左辺とも記す）以上、「（ｐ／ｐｍａｘ）×（ａ／２００）×Ｌ_０」（以下、右辺とも記す）以下とする。
軸押込み量ｓが左辺未満である場合、素管１の縮み量に対して軸押込み量が不足する。例えば、後述の図２〜４を用いて説明する拡管工具３を管端部に挿入して素管１を拡管する場合、管端部１１が拡管工具３の円柱状部６から離れてしまい、管内部に注入された流体が外に漏れ出すおそれがある。
一方、軸押込み量ｓが右辺を超える場合、管端部１１近傍が拡管工具３の蓋部５（後述の図２〜４参照）による圧縮で増肉して形状が悪化するために、管端部を廃棄しなければならなくなる。さらに、軸押込み量ｓが右辺を超える場合、素管１の圧縮を積極的に行うため、軸押し力（軸押込み量ｓにおける管軸方向の荷重）が過大となる。特に、本発明のように大径管では内圧に対する軸押し力が大きいため、素管１の軸方向圧縮による軸押し力がさらに加わると、設備負荷が非常に大きくなる。また、軸押込み量ｓが右辺を超える場合、管端部１１の管内面または外面をパッキン等でシールする方式を採用すると、管端不感帯と呼ばれる内圧がかからず拡管されない部分が管端部１１に生じてしまい、これが形状不整の元になるため管端部１１の廃棄の要因となる。
よって、軸押込み量ｓは、「０．５×（ｐ／ｐｍａｘ）×（ａ／２００）×Ｌ_０」以上、「（ｐ／ｐｍａｘ）×（ａ／２００）×Ｌ_０」以下とする。

ここで、素管１の塑性変形を十分に進行させるためには、素管１に発生する周方向応力が素管１の降伏応力を超えるように、素管１に内圧を負荷することが好ましい。一方で、内圧が高すぎると設備の負荷が増大する場合がある。そのため、素管１に負荷する最大内圧ｐｍａｘ（ＭＰａ）は、以下の式（５）で与えられる範囲内とすることが好ましい。
（素管１の管端部拡管工程前の平均肉厚（ｍｍ）／素管１の管端部拡管工程前の平均内半径（ｍｍ））×素管１の降伏応力（ＭＰａ）＜ｐｍａｘ＜（素管１の管端部拡管工程前の平均肉厚（ｍｍ）／素管１の管端部拡管工程前の平均内半径（ｍｍ））×素管１の降伏応力（ＭＰａ）×１．５・・・（５）
次に、図２〜４を参照しながら、本発明の管端部拡管工程と内圧負荷工程で行う製造条件をより詳細に説明する。

図２は、本発明の管端部拡管工程における拡管方法の一例を説明するための図である。図３は、本発明の内圧負荷工程における拡管方法の一例を説明するための図である。
また、図４は、管端部拡管工程および内圧負荷工程において用いることができる拡管工具３の構成の一例を説明するための断面図である。

図２、４に示すように、管端部拡管工程における素管１の両端における管端部１１の拡管は、拡管工具３を素管１の両端における管最端部側から管軸方向に向けて挿入し、拡管工具３が有する外径がＤ_１である円柱状部６と、素管１の内周面とを、当接させることにより生じる拡管工具３の押圧力により行う。拡管工具３の円柱状部６は、真円断面を有することが好ましい。ここでいう、真円とは、周方向４５度ピッチの４箇所で測定した外径のうちの最大値ＯＤｍａｘと最小値ＯＤｍｉｎが、式（６）を満足することをいう。

（ＯＤｍａｘ−ＯＤｍｉｎ）／［（ＯＤｍａｘ＋ＯＤｍｉｎ）／２］≦０．００１０・・・式（６）
拡管工具３は、素管１の管端部近傍を拡管して外径精度を高めるとともに、素管１の両端部をシールして、素管１の内部に供給される流体の流出を防いでもよい。

また、図３に示すように、管端部拡管工程後の内圧負荷工程においても、この拡管工具３を用いて引き続き素管１を拡管する。内圧負荷工程では、拡管工具３により、管最端部１２に対して管軸方向の軸押込み量ｓ（ｍｍ）で軸押込みを行う。
このとき、軸押込み量ｓとは、図３に示すように、管端部拡管工程における拡管工具３による管端部１１の拡管が完了した時点での軸押込み量ｓを０ｍｍとして、その管端部拡管工程後の管軸方向に向けた拡管工具３の変位（管最端部１２に対する軸押込み量の大きさ）のことを指す。

拡管工具３は、前述したように、外径がＤ_１である円柱状部６を有していれば特に限定されないが、図４に示すように、素管１の管端部を徐々に拡げることができるテーパー部７と、円柱状部６と、円柱状部６と素管１の内周面とが当接している際に素管１の管端部の開口部に蓋をすることが可能な蓋部５とがこの順に形成される構成であってよい。蓋部５の外径は、円柱状部６の外径よりも大きいことが好ましい。蓋部５のこの構成により、管端部拡管工程における拡管工具３による管端部１１の拡管後、内圧負荷工程において、拡管工具３から他の工具３への取替作業等を必要とせず、同一の拡管工具３により、蓋部５が管最端部１２を押圧することにより、管最端部１２に対して軸押込み量ｓ（ｍｍ）での軸押込みを行うことができる。

また、拡管工具３は、テーパー部７、円柱状部６、蓋部５が並ぶ方向に貫通形成され、蓋部５側からテーパー部７側に流体を移動させることが可能な流体供給孔４を有していてもよい。すなわち、流体供給孔４は、拡管工具３により素管１の管端部１１に蓋をしている場合に、素管１外部から素管１内部に流体を供給することができる。

図２と図３では、素管１の両端夫々の拡管工具３に流体供給孔４が存在するが、内圧負荷工程において、素管１外部から、素管１内部に流体を供給できればよいため、流体供給孔４は金属管１の両端部内に挿入された拡管工具３のうちどちらか一方だけに存在していればよい。

次に、図３に戻り、内圧負荷工程において用いることができる金型２の構成及びその機能について説明する。図３に示すように、拡管工具３に設けられた流体供給孔４を通して素管１に内圧を負荷する。このとき、素管１の平均外径を式（４）で定義されるＤ_２（ｍｍ）まで拡管することが望ましく、素管１を金型２内に設置し、金型２に形成され、且つ内径が式（４）で定義されるＤ_２（ｍｍ）の断面形状を含み、素管１を収容する円筒状の収容部の内壁面に素管１が当接するまで素管１の外周面を拡管する。すなわち、素管１の外周面を金型２の内周面に沿わせるように素管１を拡管する。

Ｄ_２＝（１＋ａ／１００）×Ｄ_０・・・式（４）
金型２は、上記の収容部として真円の内周断面を有していることが好ましく、金属管１の外径精度を高めるために用いられる。ここでいう、真円とは、周方向４５度ピッチの４箇所で測定した内径のうちの最大値ＩＤｍａｘと最小値ＩＤｍｉｎが、式（５）を満足することをいう。

（ＩＤｍａｘ−ＩＤｍｉｎ）／［（ＩＤｍａｘ＋ＩＤｍｉｎ）／２］≦０．００１０・・・式（５）
なお、図３において流体供給孔４を通して供給される流体には、例えば水が用いられる。

以上説明した本発明の金属管の製造方法によれば、管端部拡管工程および内圧負荷工程の後、外径Ｄ_ｘが１５０ｍｍ以上３０００ｍｍ以下であり、且つ肉厚ｔ_ｘが２ｍｍ以上５０ｍｍ以下であり、管全長における最大外径（ｍｍ）および最小外径（ｍｍ）が式（１）を満たす金属管が得られる。

（最大外径−最小外径）／［（最大外径＋最小外径）／２］≦０．００１５・・・式（１）
また、本発明の金属管の製造方法により得られる金属管は、拡管により管が管軸方向に縮み、バウシンガー効果により管の軸方向の降伏応力ＹＳが拡管前よりも低下するが、管の軸方向のＹＳおよび長手方向の引張強さＴＳにより定義される降伏比（＝ＹＳ／ＴＳ）を、下記で定義する３０度、９０度、１８０度の位置において０．９０以下とすることができる。さらに、管周断面内の降伏比の差ΔＹＲを０．０８以下とすることができる。
ここで、降伏応力ＹＳおよび引張強さＴＳは、以下の方法により決定する。溶接管の場合には溶接部から管周方向３０度、９０度、１８０度の位置において、それ以外の場合には周方向任意の位置を０度位置としたときの管周方向３０度、９０度、１８０度の位置において、引張方向が管軸方向と平行になるように管長手中央部からＪＩＳ５号引張試験片を採取する。この試験片を用いてＪＩＳ Ｚ ２２４１の規定に準拠して引張試験を実施し、降伏応力ＹＳおよび引張強さＴＳを求める。降伏応力ＹＳは０．５％オンセット応力とする。なお、試験片本数は各２本とし、それらの結果を加算平均して降伏応力ＹＳおよび引張強さＴＳを算出することができる。また、管周断面内の降伏比の差ΔＹＲは、管周方向３０、９０、１８０度の位置において求めた降伏比の最大値と最小値の差として求められる。

上記のように、降伏比が０．９０以下である金属管は、降伏後の加工硬化が大きく塑性変形能が十分に高いため、曲げ変形を受けても局部座屈が生じにくい。例えば、海底にパイプラインを敷設する際に、管の曲げ変形による局部座屈を防止することができる。また、周断面内における降伏比の差が０．０８以下である金属管は、周断面内の塑性変形能が均一であり、外圧による局所的な変形が生じにくいため、耐圧壊性に優れる。

以下、実施例に基づき、本発明についてさらに説明する。
表１に示す寸法の種々の鋼管を、表２に示す寸法の拡管工具と金型を用いて拡管した。拡管工具には図４に示すような形状を有する拡管工具３を用いた。内圧を負荷するための流体には水を用いた。

具体的には、まず、平均外径（初期公称外径）Ｄ_０（ｍｍ）及び平均肉厚（初期公称肉厚）ｔ_０（ｍｍ）を有する素管１の管最端部１２から管軸方向に、円柱状部６の外径が以下の式（３）で定義されるＤ_１（ｍｍ）である拡管工具３を、図２に示すように挿入することで、拡管工具３が有する円柱状部６の外周面と素管１の内周面とを当接させながら、軸押込みによる押圧力により素管１の両端における管端部１１を拡管した（管端部拡管工程）。

Ｄ_１＝（１＋ａ／１００）×Ｄ_０−２×（１−ａ／２００）×ｔ_０・・・式（３）
なお、このとき、円柱状部６の外周面の軸方向の長さが、管端部拡管工程前の管全長の１．０％の長さとなるように各鋼管の拡管における拡管工具３を採用した。これにより、管端部拡管工程において、拡管された管端部１１は、管最端部１２から管軸方向に管全長の１．０％の長さまでの領域となった。

次に、引き続き、拡管工具３の円柱状部６の外周面と素管１の内周面とを当接させながら、軸押込み量ｓ（ｍｍ）で拡管工具３による管最端部１２に対する軸押込みを行うと共に、金型２内に設置した素管１内部全体に、経時変化する軸押込み量ｓ（ｍｍ）に応じた上記の内圧ｐ（ＭＰａ）が予め設定される最大内圧ｐｍａｘ（ＭＰａ）になるまで素管１を拡管した。具体的には、素管１内部全体に内圧ｐを負荷し、金型２内に形成され、且つ内径が以下の式（４）で定義されるＤ_２（ｍｍ）の断面形状を含み、素管１を収容する円筒状の収容部の内壁面に、素管１の外周面が当接するまで素管１を拡管した（内圧負荷工程）。

Ｄ_２＝（１＋ａ／１００）×Ｄ_０・・・式（４）
内圧ｐは時間に対して線形的に上昇させ、最大内圧ｐｍａｘ＝（管の平均肉厚／管の平均内半径）×管の降伏応力×１．３に到達したところで、内圧ｐを最大内圧ｐｍａｘのまま１０秒以上保持した後、除圧した。

図５は、本発明例および比較例の内圧−軸押込み負荷経路を示すグラフである。図５に示すように、内圧ｐと軸押込み量ｓの負荷経路は、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄのいずれかとした。
図５における破線Ｕおよび破線Ｌは、それぞれ式（４）から得られた内圧ｐに対する軸押込み量ｓの上下限である。
すなわち、破線Ｕと破線Ｌは、それぞれ、内圧ｐと軸押込み量ｓとが以下のように表される。
破線Ｌは、「ｓ＝０．５×（ｐ／ｐｍａｘ）×（ａ／２００）×Ｌ_０」である。
すなわち、図５のグラフに対応した記載として、破線Ｌは、「ｐ＝ｓ×ｐｍａｘ×４００／（ａ×Ｌ_０）」である。
また、破線Ｕは「ｓ＝（ｐ／ｐｍａｘ）×（ａ／２００）×Ｌ_０」である。
すなわち、図５のグラフに対応した記載として、破線Ｕは、「ｐ＝ｓ×ｐｍａｘ×２００／（ａ×Ｌ_０）」である。
原点を通り傾き（Δｐ/Δｓ）がＵ以上Ｌ以下となる経路をＡとし、Ｌ超となる経路をＢとし、Ｕ未満となる経路をＣとした。
また、初期軸押込みｓ₀（内圧ｐ＝０ＭＰａの状態での管最端部１２に対する押込み量ｓ_０）を与えた後に、傾き（Δｐ/Δｓ）がＵ以上Ｌ以下となるように内圧ｐと軸押し量ｓを負荷する経路をＤとした。

すなわち、負荷経路Ａは、式（２）を満足するが、他の負荷経路Ｂ、Ｃ、Ｄは、式（２）を満足しないということになる。また、負荷経路Ｄは従来のハイドロフォーム加工に広く用いられる。

表３は各実施例における初期軸押込みｓ₀および負荷経路の傾き（Δｐ/Δｓ）をまとめたものである。

管の外径測定には光波距離計を使用した。管両端部から１ｍｍ位置および管端部から１／８、２／８、３／８、４／８、５／８、６／８、７／８長さ位置の９箇所において、それぞれ管周方向に２２．５度ピッチで８箇所ずつ、計７２箇所で外径を測定した。前記で測定した外径の最大値、最小値をそれぞれ管の最大外径、最小外径とした。

表４に各鋼管の拡管後の最大外径及び最小外径を示す。

表４中、Ｎｏ.１、７〜１２は本発明例、Ｎｏ.２〜６は比較例である。本発明例はいずれも拡管率が０．３０％以上５．０％以下であり、内圧と軸押込みの負荷経路が図５の破線Ｕと破線Ｌの間を通る負荷経路Ａのようになっていた。そのため、拡管後の最大外径と最小外径が式（１）を満足し、全長にわたり高い外径精度を有する管が得られた。

比較例のＮｏ.２は負荷経路の傾き（Δｐ/Δｓ）がＬ超であり、式（２）を満足しないため、軸押込み量ｓが不足して水漏れが生じ十分に拡管することができず、式（１）を満足する管が得られなかった。

比較例のＮｏ.３は負荷経路の傾き（Δｐ/Δｓ）がＵ未満であり、式（２）を満足しないため、軸押込み量ｓが過剰となって端部の形状が悪くなり、式（１）を満足する管が得られなかった。

比較例のＮｏ.４は初期軸押込みを行い、負荷経路Ｄとなり、式（２）を満足しないため、管端部の形状が悪くなり式（１）を満足する管が得られなかった。

比較例のＮｏ.５は拡管率が本発明の範囲を下回っていたため、管を十分に成形できず、式（１）を満足する管が得られなかった。

比較例のＮｏ.６は拡管率が本発明の範囲を上回っていたため、管端部の形状が悪くなり、式（１）を満足する管が得られなかった。

以上から、管の端部を拡管工具等で拡管し、続けて金型内部で管を拡管させる工程において、拡管率および内圧と軸押込み負荷経路を適切に制御することにより、切削加工を行うことなく、全長にわたり高い外径精度を有する高寸法精度金属管を製造することが可能となることが分かった。

１ 金属管（素管）
２ 金型
３ 拡管工具
４ 流体供給孔
５ 蓋部
６ 円柱状部
７ テーパー部
１１ 管端部
１２ 管最端部
Ａ 本発明における適切な負荷経路
Ｂ 軸押込みが不足となる負荷経路
Ｃ 軸押込みが過剰となる負荷経路
Ｄ 初期軸押込みを与える負荷経路
Ｕ 式（２）の右辺から得られた内圧ｐに対する軸押込み量ｓの上限
Ｌ 式（２）の左辺から得られた内圧ｐに対する軸押込み量ｓの下限
ｐｍａｘ 最大内圧
ｓ_０ 初期軸押し量

Claims (7)

1. 外径Ｄ_Ｘが１５０ｍｍ以上３０００ｍｍ以下であり、且つ肉厚ｔ_Ｘが２ｍｍ以上５０ｍｍ以下であり、管全長における最大外径（ｍｍ）および最小外径（ｍｍ）が以下の式（１）を満たす金属管の製造方法であって、
   素管の両端における管端部を拡管する管端部拡管工程と、
   該管端部拡管工程後、前記素管の両端の管最端部に対する管軸方向の押込み量を表す軸押込み量ｓ（ｍｍ）の経時変化に応じた内圧ｐ（ＭＰａ）が予め設定される最大内圧ｐｍａｘ（ＭＰａ）になるまで、前記素管内部全体に前記内圧ｐを負荷することで前記素管を拡管する内圧負荷工程と、
   を含み、
   前記内圧ｐおよび前記軸押込み量ｓが以下の式（２）を満たす金属管の製造方法。
   （最大外径−最小外径）／［（最大外径＋最小外径）／２］≦０．００１５・・・式（１）
   ０．５×（ｐ／ｐｍａｘ）×（ａ／２００）×Ｌ_０≦ｓ≦（ｐ／ｐｍａｘ）×（ａ／２００）×Ｌ_０・・・式（２）
   ここで、式中、ａは予め設定される拡管率（％）であって０．３０≦ａ≦５．０を満たし、Ｌ_０は管端部拡管工程前の素管の平均長さ（ｍｍ）である。
2. 前記管端部拡管工程では、
   平均外径がＤ_０（ｍｍ）であり、且つ平均肉厚がｔ_０（ｍｍ）である前記素管の前記管最端部側から前記管軸方向に向けて拡管工具を前記素管内に挿入して、
   前記拡管工具が有する、以下の式（３）で定義される外径がＤ_１（ｍｍ）である円柱状部の外周面と、前記素管の内周面とを当接させながら前記拡管工具による押圧力により前記管端部を拡管し、
   前記内圧負荷工程では、
   前記軸押込み量ｓ（ｍｍ）で前記拡管工具による前記管最端部に対する軸押込みを行うと共に、
   金型内に設置された前記素管の内部全体に、前記内圧ｐを負荷することで、前記金型に形成され、且つ内径が以下の式（４）で定義されるＤ_２（ｍｍ）の断面形状を含み、前記素管を収容する円筒状の収容部の内壁面に、前記素管の外周面が当接するまで前記素管を拡管する、
   請求項１に記載の金属管の製造方法。
   Ｄ_１＝（１＋ａ／１００）×Ｄ_０−２×（１−ａ／２００）×ｔ_０・・・式（３）
   Ｄ_２＝（１＋ａ／１００）×Ｄ_０・・・式（４）
3. 前記外径Ｄ_Ｘが３００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下であり、且つ前記肉厚ｔ_Ｘが５ｍｍ以上４０ｍｍ以下である請求項１または２に記載の金属管の製造方法。
4. 前記金属管が鋼管である請求項１〜３のいずれかに記載の金属管の製造方法。
5. 外径Ｄ_Ｘが１５０ｍｍ以上３０００ｍｍ以下であり、肉厚ｔ_Ｘが２ｍｍ以上５０ｍｍ以下であり、且つ管全長における最大外径および最小外径が式（１）を満足する金属管。
   （最大外径−最小外径）／［（最大外径＋最小外径）／２］≦０．００１５・・・式（１）
6. 前記外径Ｄ_Ｘが３００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下であり、且つ肉厚ｔ_Ｘが５ｍｍ以上４０ｍｍ以下である請求項５に記載の金属管。
7. 前記金属管が鋼管である請求項５または６に記載の金属管。
   
   

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