KR20230119233A - 압력 배관용 강관 및 강관 소재 - Google Patents

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다이조 마키노
마사히로 야마자키
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닛폰세이테츠 가부시키가이샤
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Abstract

자긴(自緊) 처리(autofrettage)가 실시된 압력 배관용 강관으로서, 외표층 영역의 평균 경도가 내표층 영역의 평균 경도의 1.20배 이상이며, 강관의 외경을 D, 내경을 d, 외면의 잔류 응력의 실측값을 σo1, 반할(半割) 후의 외면의 잔류 응력의 실측값을 σo2, 반할 후의 내면의 잔류 응력의 실측값을 σi2로 한 경우에, [σi1=(-σi2) /(A×(t/T)2-1)], [t/T=((σo2-σo1)/(A×(σo2-σo1)-C×σi2))1/2], [A=3.9829×exp(0.1071×(D/d)2)], [C=-3.3966×exp(0.0452×(D/d)2)]으로부터 구해지는, 강관의 내면의 잔류 응력의 추정값 σi1이 -150MPa 이하인, 압력 배관용 강관.

Description

압력 배관용 강관 및 강관 소재
본 발명은, 압력 배관용 강관 및 강관 소재에 관한 것이다.
유압 실린더, 에어백 강관, 어큐뮬레이터, 수소용 배관 등의 압력 배관에는, 높은 강도뿐만 아니라, 우수한 내압 피로 특성이 요구되고 있다.
예를 들면, 특허문헌 1에는, 강관을 인발하여 실린더 튜브용 강관을 제조할 때에, 인발 후에 300~350℃에서 열처리를 하는 것을 특징으로 하는 내압 피로 특성이 우수한 실린더 튜브용 강관의 제조 방법이 개시되어 있다.
일본국 특허공개 평4-183820호 공보
나카야마 에이스케, 미야하라 미츠오, 오카무라 카즈오, 후지모토 히로키, 후쿠이 키요유키, 「초소형 시험편에 의한 자동차용 박판 스폿 용접 이음매의 피로 강도 예측」, 재료, 2004년 10월, 제53권, 제10호, p.1136-1142 사단법인 일본재료학회 편찬, 「X선 응력 측정법 표준(2002년판) -철강편」, 2002년 3월
특허문헌 1에 의하면, 비례 한도 강도를 향상시킴으로써 내압 피로 특성이 우수한 실린더 튜브용 강관을 얻을 수 있다. 그러나, 최근, 더 나은 내압 피로 특성의 향상이 요구되고 있으며, 개선의 여지가 남아 있다.
그런데, 내압 피로 특성을 향상시키는 방법으로서, 자긴(自緊) 처리(autofrettage)를 행하는 방법을 들 수 있다. 자긴 처리란, 과대 내압을 작용시킴으로써 내표면 근방을 부분적으로 소성 변형시키고, 압축 잔류 응력을 발생시키는 처리이다.
강관 재료의 강도가 높아지면, 당연히, 강관의 내측에 가해지는 압력을 높게 할 수 있다. 그러나, 강관의 내측에 압력을 가한 경우에, 강관 내면에 피로에 의한 파괴가 발생하지 않는 한계가 되는 내압(이하, 「한계 내압」이라고 한다.)은, 강관 재료의 강도에만 의존하지는 않는다. 자긴 처리를 행함으로써, 강관의 인장 강도를 상승시키지 않아도 한계 내압을 증가시키는 것이 가능해진다.
그러나, 자긴 처리에 있어서, 강관의 내표면에 부여하는 압력이 과대하면, 버스트(파열)의 리스크가 높아지기 때문에, 안전성의 면에서 낮게 설정하는 것이 일반적이다. 그 결과, 종래의 기술에서는, 자긴 처리를 행했다고 해도, 충분히 한계 내압을 높일 수 없어, 개선의 여지가 남아 있었다.
덧붙여, 박육의 강관의 경우, 관의 내외면의 응력차가 작아져, 강관 전체가 항복해 버릴 우려가 있으며, 내표면 근방만을 부분적으로 소성 변형시키는 것이 곤란하다는 문제도 있다.
본 발명은 상기의 과제를 해결하여, 높은 한계 내압을 갖는 압력 배관용 강관 및 강관 소재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 상기의 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 하기의 압력 배관용 강관 및 강관 소재를 요지로 한다.
(1) 자긴 처리가 실시된 압력 배관용 강관으로서,
상기 강관은 외표면 및 내표면을 갖고,
상기 외표면으로부터 두께의 1/4의 깊이 위치까지의 외표층 영역에 있어서의 평균 경도가, 상기 내표면으로부터 두께의 1/4의 깊이 위치까지의 내표층 영역에 있어서의 평균 경도의 1.20배 이상이며,
상기 강관의 외경을 D(mm), 내경을 d(mm)로 하고,
자긴 처리 후의 상기 강관의 외면의 잔류 응력의 실측값을 σo1(MPa), 자긴 처리 후 또한 반할(半割) 후의 상기 강관의 외면의 잔류 응력의 실측값을 σo2(MPa), 자긴 처리 후 또한 반할 후의 상기 강관의 내면의 잔류 응력의 실측값을 σi2(MPa)로 한 경우에,
하기 (i)식~(iv)식에 의해 구해지는, 자긴 처리 후의 상기 강관의 내면의 잔류 응력의 추정값 σi1(MPa)이 -150MPa 이하인,
압력 배관용 강관.
σi1=(-σi2)/(A×(t/T)2-1) ···(i)
t/T=((σo2-σo1)/(A×(σo2-σo1)-C×σi2))1/2 ···(ii)
A=3.9829×exp(0.1071×(D/d)2) ···(iii)
C=-3.3966×exp(0.0452×(D/d)2) ···(iv)
(2) D/d가 2.0 이하인,
상기 (1)에 기재된 압력 배관용 강관.
(3) 자긴 처리가 실시되는 용도로 이용되는 압력 배관용 강관 소재로서,
상기 강관 소재는 외표면 및 내표면을 갖고,
상기 외표면으로부터 두께의 1/4의 깊이 위치까지의 외표층 영역에 있어서의 평균 경도가, 상기 내표면으로부터 두께의 1/4의 깊이 위치까지의 내표층 영역에 있어서의 평균 경도의 1.20배 이상이며,
자긴 처리가 실시되었을 때에,
자긴 처리 후의 강관의 외경을 D(mm), 내경을 d(mm)로 하고,
자긴 처리 후의 상기 강관의 외면의 잔류 응력의 실측값을 σo1(MPa), 자긴 처리 후 또한 반할 후의 상기 강관의 외면의 잔류 응력의 실측값을 σo2(MPa), 자긴 처리 후 또한 반할 후의 상기 강관의 내면의 잔류 응력의 실측값을 σi2(MPa)로 한 경우에,
하기 (i)식~(iv)식에 의해 구해지는, 자긴 처리 후의 상기 강관의 내면의 잔류 응력의 추정값 σi1(MPa)이 -150MPa 이하가 되는,
압력 배관용 강관 소재.
σi1=(-σi2)/(A×(t/T)2-1) ···(i)
t/T=((σo2-σo1)/(A×(σo2-σo1)-C×σi2))1/2 ···(ii)
A=3.9829×exp(0.1071×(D/d)2) ···(iii)
C=-3.3966×exp(0.0452×(D/d)2) ···(iv)
(4) D/d가 2.0 이하인,
상기 (3)에 기재된 압력 배관용 강관 소재.
본 발명에 의하면, 높은 한계 내압을 갖는 압력 배관용 강관을 안정적으로 얻는 것이 가능해진다.
도 1은, 추정 장치에 의해 잔류 응력이 추정되는 자긴 처리 후의 강관의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2는, 다변수 함수의 도출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은, 다변수 함수의 도출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는, 다변수 함수의 도출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는, 외표층 영역과 내표층 영역의 경도비, 및 강관의 외경과 내경의 비의 적정 범위의 검토 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은, 외표층 영역과 내표층 영역의 경도비, 및 강관의 외경과 내경의 비의 적정 범위의 검토 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은, 외표층 영역과 내표층 영역의 경도비, 및 강관의 외경과 내경의 비의 적정 범위의 검토 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은, 외표층 영역과 내표층 영역의 경도비, 및 강관의 외경과 내경의 비의 적정 범위의 검토 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는, 외표층 영역과 내표층 영역의 경도비, 및 강관의 외경과 내경의 비의 적정 범위의 검토 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은, 내압 피로 시험편의 형상을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은, 덤벨 형상의 소형 시험편의 채취 위치 및 형상을 설명하기 위한 도면이다.
종래 기술에 있어서, 한계 내압을 충분히 높이기 위한 자긴 처리압을 최적화할 수 없는 요인으로서, 강관의 내면의 잔류 응력을 구하는 방법이 확립되어 있지 않았던 것을 들 수 있다. 또한, 본원 명세서에 있어서 잔류 응력이란, 강관의 둘레 방향에 있어서의 잔류 응력을 의미한다.
종래, 본 발명자들은, 자긴 처리 후의 강관을 반할 절단하여, 반할 후의 강관의 내면의 잔류 응력을 측정함으로써, 자긴 처리 후의 강관의 내면의 잔류 응력을 상대적으로 평가하고 있었다. 또한, 반할 절단이란, 축방향에서 봤을 때 강관이 원호 형상의 2개의 부재로 2등분되도록 당해 강관을 절단하는 것을 의미한다.
그러나, 자긴 처리압을 최적화하여 한계 내압을 충분히 높이기 위해서는, 자긴 처리 후 또한 반할 전의 강관의 내면의 잔류 응력을 정량적으로 평가할 필요가 있다. 그래서, 본 발명자들은, 강관의 내면의 잔류 응력을 정량적으로 평가하기 위한 방법에 대해서 연구를 진행시켜 왔다. 그 연구 중에서, 본 발명자들은, 반할 후의 강관의 내면의 잔류 응력에 더하여, 반할 전후의 강관의 외면의 잔류 응력을 고려함으로써, 자긴 처리 후 또한 반할 전의 강관의 내면의 잔류 응력을 평가하는 것을 검토했다.
본 발명자들은, 우선, 평가 대상이 되는 강관의 해석 모델을 이용하여, 다양한 조건으로 수치 해석(FEM 해석)을 행하고, 자긴 처리에 의해 강관의 각 부에 발생하는 잔류 응력(계산값)을 구했다. 구체적으로는, 본 발명자들은, 우선, 수치 해석에 의해, 자긴 처리 후 또한 반할 전의 강관의 외면의 잔류 응력 σo1, 자긴 처리 후 또한 반할 전의 강관의 내면의 잔류 응력 σi1, 자긴 처리 후 또한 반할 후의 강관의 외면의 잔류 응력 σo2, 및 자긴 처리 후 또한 반할 후의 강관의 내면의 잔류 응력 σi2를 구했다.
상기와 같이 하여 얻어진 각 잔류 응력에 대해서 상세한 검토를 행한 결과, 본 발명자들은, 반할 전의 강관의 내면의 잔류 응력 σi1은, 반할 전의 강관의 외면의 잔류 응력 σo1, 반할 후의 강관의 외면의 잔류 응력 σo2, 및 반할 후의 강관의 내면의 잔류 응력 σi2를 이용하여 고정밀도로 추정할 수 있는 것을 발견했다.
그리고, 반할 전의 강관의 내면의 잔류 응력의 추정값 σi1이 소정의 조건을 만족하도록 자긴 처리 조건을 조정함으로써, 높은 한계 내압을 갖는 강관을 안정적으로 얻을 수 있다는 지견을 얻기에 이르렀다.
덧붙여, 상술한 바와 같이, 박육의 강관의 경우, 내표면 근방만을 부분적으로 소성 변형시키는 것이 곤란하다는 문제도 있다. 본 발명자들은, 이 문제를 해결하기 위해 더욱 검토를 행한 결과, 강관의 외표면 측의 경도를 내표면 측의 경도에 대해, 미리 높여 둠으로써, 박육의 강관이어도, 내표면 근방만을 항복시켜, 잔류 응력을 부여할 수 있는 것을 발견했다.
본 발명은 상기 지견에 의거하여 이루어진 것이다. 이하, 본 발명의 각 요건에 대해서 자세하게 설명한다.
1. 압력 배관용 강관 및 강관 소재
본 발명의 일 실시 형태에 따른 강관은, 자긴 처리가 실시된 압력 배관용 강관이다. 압력 배관에는, 유압 실린더, 에어백 강관, 어큐뮬레이터, 수소용 배관, 연료 분사관 등이 포함된다. 또, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 강관 소재는, 상기의 압력 배관용 강관의 소재가 되는 것이며, 자긴 처리가 실시되는 용도로 이용되는 것이다. 즉, 강관 소재에 대해, 자긴 처리를 실시함으로써 압력 배관용 강관이 얻어진다.
그리고, 강관 소재의 외표층 영역에 있어서의 평균 경도가, 내표층 영역에 있어서의 평균 경도의 1.20배 이상이다. 이와 같이 규정하는 이유에 대해서는 후술한다. 여기서, 외표층 영역이란, 강관 소재의 외표면으로부터 두께의 1/4의 깊이 위치까지의 영역을 가리키며, 내표층 영역이란, 강관 소재의 내표면으로부터 두께의 1/4의 깊이 위치까지의 영역을 가리킨다.
강관 소재의 외표층 영역에 있어서의 평균 경도를, 내표층 영역에 있어서의 평균 경도의 1.20배 이상으로 함으로써, 강관 소재에 대해 자긴 처리를 실시했을 때에, 외표층 영역을 항복시키지 않고, 내표층 영역만 소성 변형시켜, 압축 잔류 응력을 부여하는 것이 가능해진다. 강관 소재의 외표층 영역에 있어서의 평균 경도는, 내표층 영역에 있어서의 평균 경도의 1.50배 이상인 것이 바람직하고, 2.00배 이상인 것이 보다 바람직하다.
여기서, 자긴 처리에 의해 경도는 크게 변화하지 않기 때문에, 자긴 처리 후의 강관에 대해서도, 강관 소재와 동일한 관계가 성립한다. 즉, 강관의 외표층 영역에 있어서의 평균 경도가, 내표층 영역에 있어서의 평균 경도의 1.2배 이상이며, 1.5배 이상인 것이 바람직하고, 2.0배 이상인 것이 보다 바람직하다. 여기서, 외표층 영역이란, 강관의 외표면으로부터 두께의 1/4의 깊이 위치까지의 영역을 가리키며, 내표층 영역이란, 강관의 내표면으로부터 두께의 1/4의 깊이 위치까지의 영역을 가리킨다.
또한, 강관 소재 또는 강관에 있어서의, 내표층 영역 및 외표층 영역에 있어서의 평균 경도는 이하와 같이 측정한다. 우선, JIS Z 2244：2009(비커스 경도 시험-시험 방법)에 준거하여, 강관 소재 또는 강관의 단면에 있어서의 비커스 경도 분포를 측정한다. 상기의 단면은, 강관 소재 또는 강관의 축방향에 수직인 단면이어도 되고, 축방향에 평행 또한 중심축을 지나는 단면이어도 된다.
경도 시험기에는 범용의 마이크로 비커스 경도계를 이용하고, 시험력은 강관의 치수에 따라 1~10N으로 한다. 측정 개소는, 경면 연마한 관찰면에 있어서, 내표면에서 외표면에 걸쳐 두께의 1/10~1/20의 거리를 경방향(徑方向) 간격으로 띄운다. 압흔끼리 근접하는 경우는, 경방향에 수직인 방향으로 측정 위치를 어긋나게 하여, 지그재그 형상의 위치에 대해서 측정해도 된다. 이렇게 하여 얻어진 경도 분포로부터, 내표층 영역 및 외표층 영역에 각각 포함되는 경도의 값을 평균화함으로써, 내표층 영역 및 외표층 영역에 있어서의 평균 경도가 얻어진다.
또, 강관 소재의 외표층 영역에 있어서의 평균 경도를 높이는 방법(이하, 「경화 처리」라고도 한다.)에 대해서는 특별히 제한은 없다. 예를 들면, 강관 소재의 외표면 측에서부터, 고주파 담금질을 행하는 방법을 들 수 있다. 구체적으로는, 고주파 가열에 의해 외표면의 온도가 900℃ 이상이 될 때까지 순간적으로 가열하고, 즉시 수랭함으로써, 외표층 영역의 경도만을 증가시키는 것이 가능하다. 고주파 담금질을 행한 후의 강관 소재에 대해, 필요에 따라, 100~300℃에서 30분 이상 유지한 후에 공랭하는 뜨임 처리를 실시해도 된다.
그 외에도, 강관 소재의 외표면에 대해 숏 피닝 처리 또는 롤 가공을 실시함으로써, 외표층 영역만을 가공 경화시키는 방법, 외표면에 침탄 처리, 질화 처리 혹은 침탄 질화 처리를 실시하는 방법 등을 채용해도 된다.
본 발명에 있어서, 강관의 치수에 대해서는 특별히 제한은 없다. 일반적으로는, 높은 내압에 견디기 위해서는, 강관의 내경이 클수록 그에 따라 두께를 크게 하는 것이 바람직하다. 강관의 내경이 일정하면, 두께가 커짐에 따라, 강관의 외경도 커진다. 즉, 높은 내압에 견디기 위해서는, 강관의 내경이 클수록 강관의 외경도 크게 하는 것이 바람직하다. 그러나, 상술한 바와 같이, 본 발명의 효과는, 박육의 강관에 있어서 보다 현저하게 발휘된다. 그 때문에, 본 발명에 있어서는, 강관의 외경을 D(mm), 내경을 d(mm)로 한 경우에, D/d는 2.0 이하, 1.9 이하, 또는 1.8 이하여도 된다.
그 외의 치수에 대해서는, 용도에 따라 선택하면 되고, 특별히 제한을 둘 필요는 없다. 예를 들면, 강관을 유압 실린더로서 이용하는 경우에는, 피스톤의 출력(하중)을 확보하기 위해, 사용 압력(내압)에 따른 내경이 일반적으로 15~580mm의 범위에서 선정하는 것이 바람직하다. 또, 내압의 반복에 견딜 수 있도록, 두께는 5~60mm의 범위에서, 외경은 30~700mm의 범위에서 선정하는 것이 바람직하다. 내압 피로 강도가 높을수록, 두께를 얇게 할 수 있고, 이에 따라 외경도 정해진다.
강관을 에어백 인플레이터로서 이용하는 경우에는, 강관의 외경은 20~100mm인 것이 바람직하고, 20~60mm인 것이 보다 바람직하다. 강관의 두께는 1~5mm인 것이 바람직하고, 1~4mm인 것이 보다 바람직하다.
강관을 어큐뮬레이터로서 이용하는 경우에는, 강관의 외경은 25~500mm인 것이 바람직하고, 50~400mm인 것이 보다 바람직하다. 강관의 두께는 2~40mm인 것이 바람직하고, 4~30mm인 것이 보다 바람직하다.
또, 강관을 수소 가스 배관 또는 연료 분사관으로서 이용하는 경우에는, 사용 시에 있어서의 내부의 압력 변동을 줄이기 위해, 어느 정도의 용량이 필요해진다. 그 때문에, 강관의 내경은 2.5mm 이상인 것이 바람직하고, 3.0mm 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, 높은 내압에 견딜 필요가 있기 때문에, 강관의 두께는 1.5mm 이상인 것이 바람직하고, 2.0mm 이상인 것이 보다 바람직하다. 한편, 강관의 외경은 20mm 이하인 것이 바람직하고, 15mm 이하인 것이 보다 바람직하며, 10mm 이하인 것이 더 바람직하다.
기계 특성에 대해서도, 용도에 따라 선택하면 되고, 특별히 제한을 둘 필요는 없다. 그러나, 압력 배관으로서 이용하기 위해서는, 경화 처리 전의 강관 소재의 인장 강도, 또는 경화 처리 및 그 후의 자긴 처리 후의 강관의 내표층 영역에 있어서의 인장 강도는, 500MPa 이상인 것이 바람직하고, 600MPa 이상인 것이 보다 바람직하며, 700MPa 이상인 것이 더 바람직하다. 항복 응력은, 300MPa 이상인 것이 바람직하고, 360MPa 이상인 것이 보다 바람직하며, 420MPa 이상인 것이 더 바람직하다.
또, 경화 처리 전의 강관 소재의 경도, 또는 경화 처리 및 그 후의 자긴 처리 후의 강관의 내표층 영역에 있어서의 경도는, 비커스 경도로, 150HV 이상인 것이 바람직하고, 180HV 이상인 것이 보다 바람직하며, 220HV 이상인 것이 더 바람직하다. 또한, 상기 경도에 상한을 둘 필요는 없지만, 특히 내표층 영역에 있어서의 경도가 과잉이면, 자긴 처리에 의해 압축 잔류 응력을 도입하는 것이 곤란해지기 때문에, 비커스 경도로, 500HV 미만인 것이 바람직하다.
항복비는, 0.50~0.95가 바람직하고, 보다 높은 압력으로 자긴 처리를 행하여, 큰 압축 잔류 응력을 얻기 위해서는, 항복비는 0.60 이상인 것이 보다 바람직하며, 0.70 이상인 것이 더 바람직하다. 또, 낮은 압력에 의한 자긴 처리로, 보다 효율적으로 압축 잔류 응력을 도입하기 위해서는, 항복비가 0.90 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.85 이하인 것이 더 바람직하다.
본 발명에 있어서, 강관의 내표층 영역의 기계적 특성은, 비특허문헌 1에 나타나는 바와 같은, 두께 0.2mm 정도의 덤벨 형상의 소형 시험편을, 강관의 내표면에 접하도록 방전 가공에 의해 잘라내어, 인장 시험을 행함으로써 측정할 수 있다. 인장 시험에서의 변형률 측정에 대해서는, 비특허문헌 1에 나타난 방법에 따라, 인장 시험기 액추에이터 변위(스트로크) 및 시험편의 평행부 길이로부터 환산하여 구한다.
또한, 경화 처리 전의 강관 소재가 있으면, 그 기계적 특성은, 강관의 직관부를 잘라내어, 그 양단면으로부터 일정 길이의 영역(이하, 「그립부」라고 한다.)을 척킹하고, 그립부 사이의 평행부에 신장계를 장착한 다음, 인장 시험을 행함으로써 구한다. 척킹은, 강관 외측 반경보다 얕은 V홈 또는 R홈을 형성한 접촉편을, 유압, 볼트 체결 또는, 쐐기 지그의 사용에 의해, 그립부를 압압(押壓)함으로써 행한다. 그립부의 길이는 시험 강관이 시험 중에 미끄러지지 않도록, 누름 압력과 시험 하중을 고려하여 결정하면 된다. 또, 평행부의 길이는, 신장계가 장착되며, 또한, 파단 직전의 네킹 변형이 척에 의해 영향을 받지 않을 정도로 확보되면 된다. 또한, 강관에 충분한 길이의 직관부가 없는 경우에 대해서도, 비특허문헌 1에 나타나는 바와 같은 박육 덤벨 형상의 소형 시험편을 잘라내어 인장 시험을 행해도 된다.
또, 본 발명에 따른 압력 배관용 강관은, 하기 (I)식을 만족하는 한계 내압을 갖는 것이 바람직하다.
IP≥0.44×TS×α ···(I)
α=[(D/d)2-1]/[0.776×(D/d)2] ···(II)
단, 상기 (I)식 중의 IP는 강관의 한계 내압(MPa), TS는 강관의 내표층 영역, 또는 강관 소재의 인장 강도(MPa)를 의미하고, α는 상기 (II)식으로 표시되는 값이다. 또, 상기 (II)식 중의 D는 강관의 외경(mm), d는 내경(mm)이다. α는 관의 외경과 내경의 비에 의해 내압과 관 내면의 발생 응력의 관계가 변화되는 것을 보정하는 계수이다.
또한, 본 발명에 있어서, 한계 내압이란, 내압 피로 시험에 있어서 최저 내압을 18MPa로 하고, 시간에 대해 정현파를 취하는 반복 내압 변동을 부여하여, 반복수가 107회가 되어도 파손(리크)이 발생하지 않는 최고 내압(MPa)을 의미한다. 구체적으로는, 종축을 최대 내압으로 하고, 횡축을 파손 반복수로 한 S-N선도 상에서, 파손이 발생한 최대 내압의 최소값과, 107회가 되어도 파손되지 않았던 최대값의 중간값을 한계 내압으로 한다.
2. 잔류 응력 추정 모델
반할 전의 강관의 내면의 잔류 응력 σi1을 추정하기 위한 모델에 대해서, 자세하게 설명한다. 도 1은, 본 모델에 의해 잔류 응력이 추정되는 자긴 처리 후의 강관의 일례를 나타내는 도면이다. 도 1에 있어서, (a)는, 자긴 처리가 실시된 강관(20)의 좌측면도이고, (b)는, (a)에 나타내는 강관(20)의 정면도이며, (c)는, (a)에 나타내는 강관(20)을 반할 절단하여 얻어지는 반할 시료(22)의 좌측면도이고, (d)는, (c)에 나타내는 반할 시료(22)의 정면도이다. 또한, 본 명세서에 있어서 반할 후의 강관이란, 자긴 처리 후의 강관을 반할 절단하여 얻어지는 반할 시료를 의미한다.
본 모델에서는, 자긴 처리 후의 강관(20)의 외면(20a)의 잔류 응력 σo1, 반할 시료(22)의 외면(22a)의 잔류 응력 σo2, 및 반할 시료(22)의 내면(22b)의 잔류 응력 σi2의 실측값을 이용한다. 또한, 상술한 바와 같이 잔류 응력이란, 강관(20)의 둘레 방향에 있어서의 잔류 응력을 의미한다.
도 1을 참조하여, 잔류 응력을 측정할 때의 강관(20)의 길이 L은, 강관(20)의 외경 D의 3배 이상으로 하는 것이 바람직하고, 예를 들면 30mm 정도로 할 수 있다. 강관(20)을 반할 절단할 때에 절단에 따른 발열이 과잉이 되면, 내면에 있어서의 잔류 응력에 영향을 준다. 이 때문에, 발열이 최대한 없는 절단 방법을 채용할 필요가 있으며, 와이어 컷 방전 가공에 의해 반할 절단하는 것이 바람직하다. 이 때, 반할 시료(22)를 측면에서 봤을 때, 반할 시료(22)의 절단면(22c)과 외면(22a)의 중심의 거리 X(절단면(22c)에 수직인 방향에 있어서의 거리)는, 강관(20)의 반경 r의 ±5% 이내의 범위가 되도록 제어한다.
잔류 응력의 측정은, 전해 연마에 의해 강관(20)의 외면(20a) 및 반할 시료(22)의 내면(22b)의 표층을 10μm 이하의 범위에서 제거한 후에 행한다. 측정 방법으로서는, X선 회절에 의한 sin2ψ법을 이용할 수 있으며, 비특허문헌 2에 준거하여 행할 수 있다.
이상의 방법에 의해 실측된 잔류 응력 σo1, σo2, σi2, 그리고 외경 D 및 내경 d를 변수로 하는 다변수 함수에 의해, 잔류 응력 σi1의 추정값을 산출한다.
구체적으로는, 도 2의 (a)에 나타내는 바와 같이, 이차원 평면 변형률 요소에 의해, 강관(20)의 횡단면(관축 방향에 수직인 단면)을 모델화한 원호 형상의 해석 모델(40)(1/4 모델)을 작성한다. 도시는 생략하지만, 해석 모델(40)은, 복수의 요소(메시)로 분할되어 있다. 해석 모델(40)의 물성값은, 탄성체로 한다.
우선, 강관(20)을 모의하기 위해, 도 2의 (b)에 나타내는 바와 같이, 해석 모델(40)의 둘레 방향에 있어서의 양 단부(40a, 40b)의 둘레 방향으로의 이동을 규제하도록, 구속 조건을 설정한다. 그 후, 초기 상태로서, 자긴 처리 시의 강관(20)의 상태를 모의한 체적력을 설정한다. 구체적으로는, 초기 상태에서는, 해석 모델(40)의 내면(40c)에 둘레 방향의 압축 잔류 응력(-100MPa)을 부여한다.
또, 초기 상태에서는, 내면(40c)으로부터 해석 모델(40)의 경방향으로 떨어진 위치 P(원호 형상의 파선으로 나타내는 위치)와 외면(40d) 사이의 영역에는, 응력이 발생하지 않은 것으로 한다. 또한, 초기 상태에서는, 내면(40c)과 위치 P 사이의 영역의 응력 분포는, 내면(40c)으로부터 위치 P를 향해 압축 응력이 점차 저하되도록, 선형 분포로 했다. 또한, 도 2의 (b) 그리고 후술하는 도 3 및 도 4에는, 단부(40b)에 있어서의 응력 상태가 나타나 있다. 이하에 있어서는, 단부(40b) 상에 있어서 압축 응력이 0이 되는 점 P1과 내면(40c)의 경방향에 있어서의 거리를, 거리 t로 기재하고, 해석 모델(40)의 두께를, 두께 T로 기재한다. 또한, 단부(40b) 상에 있어서 압축 응력이 0이 되는 점이 복수 있는 경우는, 내면(40c)에 가까운 쪽의 일점을 P1로 한다.
상기와 같이 체적력을 설정한 후, 탄성 해석을 실시하여, 응력을 재배분한다. 이로 인해, 예를 들면, 도 3에 나타내는 바와 같이, 해석 모델(40)의 응력 상태가 변화한다. 또한, 도 3에 있어서는, 응력이 0으로 되어 있는 위치를 파선으로 나타내고 있다. 파선보다 내측의 영역에서는, 둘레 방향의 압축 응력이 발생하고, 파선보다 외측의 영역에서는, 둘레 방향의 인장 응력이 발생하고 있다. 도 3에 나타내는 상태에서는, 해석 모델(40)의 전체의 응력 분포의 적분값은 0이 된다. 도 3에 나타내는 응력 상태가, 자긴 처리 후의 강관(20)의 응력 상태에 대응한다. 그리고, 도 3에 나타내는 상태에 있어서, 내면(40c)과 단부(40b)의 교점의 응력을, 자긴 처리 후의 강관(20)의 내면(20b)의 잔류 응력 σi1로서 취득하고, 외면(40d)과 단부(40b)의 교점의 응력을, 자긴 처리 후의 강관(20)의 외면(20a)의 잔류 응력 σo1로서 취득한다.
다음에, 반할 시료(22)(반할 후의 강관(20))를 모의하기 위해, 도 4에 나타내는 바와 같이, 단부(40a)의 구속을 해제하고, 탄성 해석을 실시한다. 이로 인해, 해석 모델(40)의 응력 상태가 더 변화한다. 또한, 도 4에 있어서는, 응력이 0으로 되어 있는 위치를 파선으로 나타내고 있다. 도 4에 나타내는 예에서는, 해석 모델(40)에 있어서, 경방향에 있어서의 중앙부에는, 둘레 방향의 인장 응력이 발생하고, 내면(40c)을 따르는 원호 형상의 영역 및 외면(40d)을 따르는 원호 형상의 영역에는, 둘레 방향의 압축 응력이 발생하고 있다.
또, 도 4에 나타내는 해석 모델(40)에서는, 단부(40a)가 반할 시료(22)의 절단면(22c)(도 1 참조)에 대응하고, 단부(40b)가 반할 시료(22)의 둘레 방향에 있어서의 중심부(22d)(도 1 참조)에 대응한다. 그리고, 도 4에 나타내는 상태에 있어서, 내면(40c)과 단부(40b)의 교점의 응력을, 반할 시료(22)의 내면(22b)의 잔류 응력 σi2로서 취득하고, 외면(40d)과 단부(40b)의 교점의 응력을, 반할 시료(22)의 외면(22a)의 잔류 응력 σo2로서 취득한다.
임의의 치수의 강관(20)에 대해서, 도 2의 (b), 도 3 및 도 4에서 설명한 상기의 해석을, 초기 상태에 있어서의 거리 t를 다양하게 변화시켜(즉, 도 2의 (b)에 있어서 압축 응력이 0이 되는 점 P1의 위치를 변화시켜) 행한다.
본 발명자들의 다양한 검토의 결과, 강관(20)의 두께 T, 그리고 상기와 같이 하여 구해지는 자긴 처리 후의 강관(20)에 있어서의 거리 t(도 3 참조), 강관(20)의 외면(20a)의 잔류 응력 σo1(도 3 참조), 강관(20)의 내면(20b)의 잔류 응력 σi1(도 3 참조), 반할 시료(22)의 외면(22a)의 잔류 응력 σo2(도 4 참조), 및 반할 시료(22)의 내면(22b)의 잔류 응력 σi2(도 4 참조)의 사이에는, 일정한 관계가 있음을 알 수 있었다.
구체적으로는, 본 발명자들은, 자긴 처리 후의 강관(20)에 있어서의 (t/T)2의 값과, (σi2/-σi1)의 값 사이에, 일정한 상관이 있는 것을 발견했다. 그리고, (t/T)2의 값과, (σi2/-σi1)의 값의 관계를 최소 제곱법으로 선형 근사함으로써, 하기 (1)식을 구했다. 또한, 하기 (1)식에 있어서, A 및 B는 계수이다.
σi2/(-σi1)=A×(t/T)2-B ···(1)
상기 (1)식을 σi1에 대해서 정리하여, 하기 (i)식이 얻어진다. 또한, 본 발명에 있어서는, A는 하기 (iii)식으로 표시되는 값으로 하고, B는 1로 했다.
σi1=(-σi2)/(A×(t/T)2-1) ···(i)
A=3.9829×exp(0.1071×(D/d)2) ···(iii)
또, 본 발명자들은, 자긴 처리 후의 강관(20)에 있어서의 (t/T)2의 값과, ((σo2-σo1)/(-σi1))의 값 사이에도, 일정한 상관이 있는 것을 발견했다. 그리고, (t/T)2의 값과, ((σo2-σo1)/(-σi1))의 값의 관계를 최소 제곱법으로 선형 근사함으로써, 하기 (2)식을 구했다. 또한, 하기 (2)식에 있어서, C 및 E는 계수이다.
(σo2-σo1)/(-σi1)=-C×(t/T)2-E ···(2)
상기 (1)식 및 (2)식으로부터, (t/T)는, 하기 (3)식으로 표시할 수 있다.
t/T=((B×(σo2-σo1)-E×σi2)/(A×(σo2-σo1)-C×σi2))1/2 ···(3)
또한, 본 발명에 있어서는, B는 1로 하고, E는 0으로 하여, 하기 (ii)식이 얻어진다. 또, C는 하기 (iv)식으로 표시되는 값으로 했다.
t/T=((σo2-σo1)/(A×(σo2-σo1)-C×σi2))1/2 ···(ii)
C=-3.3966×exp(0.0452×(D/d)2) ···(iv)
이상의 추정 모델로부터 얻어지는 (i)식~(iv)식에 의해, 자긴 처리 후의 강관(20)의 내면(20b)의 잔류 응력의 추정값 σi1을 산출할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 강관은, σi1의 값이 -150MPa 이하이다. 압축 잔류 응력이 -150MPa을 초과하는, 즉, 잔류 응력의 절대값이 150MPa 미만이면, 후술하는 실시예에 나타내는 바와 같이, 한계 내압을 향상시키는 효과가 얻어지지 않는다. 자긴 처리에 의해, σi1을 -150MPa 이하로 함으로써, 높은 한계 내압이 얻어지게 된다.
3. 외표층 영역/내표층 영역의 경도비, 강관의 외경/내경비의 적정 범위의 검토
상술한 바와 같이, 본 발명에서는, 강관 소재의 외표층 영역에 있어서의 평균 경도 Hvo와, 내표층 영역에 있어서의 평균 경도 Hvi의 비 Hvo/Hvi를 1.20 이상으로 하는 것, 강관 소재의 외경 D와 내경 d의 비 D/d가 2.0 이하인 것을 적정 범위로 했다. 그 근거는, 이하에 나타내는 FEM 해석에 의거한 수치 계산에 의거한 것이다.
해석 대상은 도 1에 나타내는 강관 형상이며, 도 5의 (a)에 나타낸 삼차원 육면체 이차 요소에 의한 1/4 원통 형상의 해석 모델을 FEM 해석에 이용했다. 해석 모델에는, D/d를 1.2, 1.5, 1.8 및 2.0으로 한 4종류의 형상을 이용했다.
모델의 물성값은, 탄소성체로 했다. 탄성 영역의 영률은 205.8GPa, 포아송 비는 0.3으로 하고, 탄소성 영역에 있어서는, 도 6에 일례를 나타내는 진응력과 진소성 변형률에 따른 응력-변형률 곡선을 이용했다. 도면 중의 응력-변형률 곡선은 비커스 경도에 따라 복수 있다. 이는 경도 레벨을 바꾼 탄소강에 의한 예비 시험을 행한 결과에 의거하여, 응력-변형률 곡선의 경도 의존성을 근사한 것이다. 탄소성 영역의 경화칙에는 이동 경화칙을 이용했다. 해석 모델 내에는, 도 7에 나타내는 바와 같이, 반경 방향 위치에 따라, 경도 분포에 따른 상이한 응력-변형률 곡선을 설정했다. Hvo/Hvi로서는, 1.00, 1.20 및 1.75의 3종류가 있다.
내압을 작용시킨 상태를 해석하려면, 도 5의 (b)에 나타내는 바와 같이 모델의 내면에 내압 P에 상당하는 반경 방향 응력 σr을 부여하고, 동시에 모델 횡단면에 축방향 응력 σax를 부여한다. σr 및 σax는, 내경 d를 이용하여 다음 식으로 주어진다.
σr=-P ···(4)
σax=P×d2/(D2-d2) ···(5)
여기서, 상기 (5)식은, 원통 용기에 관한 기초식이며, 이하의 발상에 의거하고 있다. 해석 대상을 폐단면 부재로 가정하면, 모델의 내측 단면에 내압이 작용함으로써 축방향 하중 P×πd2/4가 발생한다. 이 축방향 하중이 모델 횡단면에 작용하기 때문에, 축방향 응력 σax는, 상기 축방향 하중을 모델 횡단면의 단면적 π(D2-d2)/4로 나눔으로써 얻어진다.
맨 처음, 버스트 시험을 재현하는 해석을 행했다. 우선, 모델에 상기 (4) 및 (5)식의 σr 및 σax를, 제로에서부터 선형적으로 서서히 증가시키면서 부여한다. 그리고, 모델 전체가 소성 변형하고, 해석이 수렴되지 않는 한계에 도달하면 해석을 마친다. 이 한계의 내압을, 해석으로 얻어지는 버스트 강도로 한다. 예비 시험에서 실험에 의한 버스트 강도와 해석에 의한 버스트 강도가 대응하는 것을 확인하고 있다.
다음에, 자긴 처리를 재현하기 위해, 버스트 강도의 0.60배, 0.70배, 및 0.85배의 내압에 대응한 σr 및 σax를 모델에 작용시켜, 제하(除荷)했다. 제하 후의 내면의 둘레 방향 잔류 응력을 출력하고, 그 최소값(기본적으로, 압축 잔류 응력이기 때문에, 절대값은 최대값)을, 자긴 처리에 의해 도입된 잔류 응력의 대표값으로 했다.
이렇게 하여 얻어진 자긴 처리에 의한 잔류 응력에 대해서, Hvo/Hvi와의 관계를 도 8에, D/d와의 관계를 도 9에 나타낸다. 도 8에 있어서, D/d가 1.2인 경우에, Hvo/Hvi가 1.20 이상에서 내면의 압축 잔류 응력이 -150MPa 이상으로 되어 있다. 또, D/d가 1.8인 경우에, Hvo/Hvi가 1.20 이상에서는 압축 잔류 응력은 변화하지 않음을 알 수 있다.
도 9에 있어서, Hvo/Hvi가 1.20인 경우에, D/d가 1.2 이상에서 내면의 압축 잔류 응력이 -150MPa 이상으로 되어 있다. D/d의 증대와 함께 압축 잔류 응력이 증대하고 있지만, Hvo/Hvi가 1.75인 경우에는 D/d가 1.5 이상에서는 증대하지 않고, 일정값으로 포화되어 있다. Hvo/Hvi가 1.20인 경우에는, D/d가 1.8 이상이 되면, Hvo/Hvi가 1.75인 압축 잔류 응력의 포화값과 동등하게 되어 있다. D/d가 1.8에서 더 커지면, Hvo/Hvi가 1.00인 압축 잔류 응력과 Hvo/Hvi가 1.20 이상인 압축 잔류 응력의 차가 작아진다. 그리고, D/d가 2.0에서는, Hvo/Hvi가 1.00인 압축 잔류 응력과 Hvo/Hvi가 1.20 이상인 압축 잔류 응력의 차가 미미해져, D/d가 2.0을 초과하는 영역에서는 경화 처리에 의한 자긴 처리 후의 압축 잔류 응력 저감 효과가 작다고 할 수 있다.
이상으로부터, 경화 처리 강관 소재의 외표층 영역에 있어서의 평균 경도 Hvo와, 내표층 영역에 있어서의 평균 경도 Hvi의 비 Hvo/Hvi를 1.20배 이상으로 하는 것, 강관 소재의 외경 D와 내경 d의 비 D/d가 2.0 이하인 것을 적정 범위로 했다.
3. 제조 방법
본 발명에 따른 압력 배관용 강관의 제조 방법에 대해서 특별히 제한은 없지만, 예를 들면, 외표층 영역에 있어서의 평균 경도가 내표층 영역에 있어서의 평균 경도의 1.20배 이상인 복수의 강관 소재에 대해, 다양한 조건으로 자긴 처리를 행하고, 얻어진 각 강관에 대해서, 상술한 방법에 의해 σi1을 구하고, -150MPa 이하가 되는 강관을 선별하는 공정을 행함으로써 제조할 수 있다.
또한, 자긴 처리 조건에 대해서는, 예를 들면, 자긴 처리압 및/또는 자긴 처리 시간을 제어함으로써, σi1이 -150MPa 이하가 되도록 조정하는 것이 가능하다. 상술한 바와 같이, 자긴 처리 후 또한 반할 전의 강관의 내면의 잔류 응력을 정확하게 추정함으로써, 자긴 처리 조건을 최적화할 수 있으며, 높은 한계 내압을 갖는 강관을 안정적으로 얻는 것이 가능해진다.
이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하는데, 본 발명은 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
실시예
표 1에 나타내는 화학 조성을 갖는 강을 용제한 후, 열간 단조를 행하여, 직경 50mm의 둥근 봉을 얻었다. 또한, 당해 둥근 봉을 880℃로 가열하는 소준 처리를 행하여, 시험편의 소재로 했다. 시험편 소재의 항복 응력은 382MPa, 인장 강도는 621MPa였다.
그리고, 상기의 시험편 소재에 대해, 조(粗)기계 가공, 열처리, 마무리 가공을 행하여, 도 10에 나타내는 형상의 내압 피로 시험편을 복수개 채취했다. 여기서, 조기계 가공 후의 형상은, 도 10의 마무리 가공 후의 형상에 대해, 외경이 1mm 크고, 내경이 1mm 작은 형상으로 했다. 또한, 도 10에 기재된 길이의 단위는 mm이다.
얻어진 내압 피로 시험편(시험 No.1~7) 중, 시험 No.1~3에 대해서는 그대로 이용하고(소준품), 시험 No.4~7에 대해서는, 추가로 고주파 가열에 의해 외표면을 1000℃까지 순간적으로 가열하고 나서 즉시 급냉하고, 계속해서 150℃로 가열하여 1시간 유지 후 공랭하는 고주파 담금질 뜨임 처리를 행했다(소입품). 그리고, 최종 마무리 가공을 행하여, 시험부의 내외면에 있어서는 연마 마무리를 행했다. 또한, 도 10의 시험편 형상에 있어서, 시험 No.1, 2, 및 4~6의 외경은 9.0mm(D/d：1.5), 시험 No.3 및 7의 외경은 13.2mm(D/d：2.2)이다.
또한, 시험 No.2, 3, 및 5~7의 시험편에 대해, 표 2에 나타내는 압력으로 자긴 처리를 실시했다. 자긴 처리는, 도 10의 내압 피로 시험편의 한쪽 측의 단면을 시일하고, 다른 쪽 측의 단면으로부터 시험편 내부에 압력 매체로서 작동유를 봉입하고, 봉입부의 내압을 제어하여 행했다. 자긴 처리는, 봉입부의 내압을 자긴 처리압까지 상승시키고, 제하함으로써 행하는 것이다.
각 시험 No.에 대해서 6개씩 시험편을 제작하고, 그 중 1개의 시험편을 이용하여, 외표층 영역 및 내표층 영역의 평균 경도의 측정과 내표층 영역의 인장 시험을 행했다. 경도의 측정에 있어서는 시험편의 축방향에 대해, 중심축을 지나는 평행한 단면을 시험편 시험부로부터 잘라내고, 이 단면이 관찰면이 되도록 수지에 매입(埋入)하고, 에머리 페이퍼 또한 버프에 의한 경면 연마를 행했다. 경도 시험기에는 범용의 마이크로 비커스 경도계를 이용하고, 시험력은 3N으로 했다. 측정은 상기 관찰면에 있어서 내표면에서 외표면에 걸쳐 반경 방향으로 0.1mm 피치로 행했다. 즉, 측정 개소는, 시험 No.1, 2, 및 4~6에서는 합계 14점, 시험 No.3 및 7에서는 합계 35점으로 하여, 당해 위치에 비커스 압흔을 도입했다. 이렇게 하여 얻어진 경도 분포로부터, 내표층 영역의 3점 및 외표층 영역의 3점의 경도의 데이터를 평균화함으로써, 내표층 영역 및 외표층 영역에 있어서의 평균 경도로 했다.
표 2에 나타내는 바와 같이, 시험 No.1~3의 외표층 및 내표층 영역의 경도, 그리고 시험 No.4~7의 내표층 영역의 경도는, 196~205HV의 범위 내에 있으며, 경화 처리의 유무, 자긴 처리의 유무에 의한 변화는 보이지 않았다. 시험 No.4~7의 외표층 영역의 경도는, 433~445HV이며, Hvo/Hvi는 2.17~2.24였다.
인장 시험에 대해서는, 도 11에 나타내는 바와 같이, 내압 피로 시험편 시험부의 내표층 영역으로부터, 0.2mm 정도의 두께의 덤벨 형상의 소형 시험편을, 내압 피로 시험편 시험부의 내표면에 접하도록 방전 가공에 의해 2개 잘라내고, 그것을 이용하여 행했다. 인장 시험기에는, MTS사 제조 Tytron250을 이용했다. 변형률 측정에 대해서는, 비특허문헌 1에 나타난 방법에 의해, 인장 시험기 액추에이터 변위(스트로크) 및 시험편 평행부 길이로부터 환산하여 구했다. 이렇게 하여 얻어진 응력-변형률 곡선에 있어서, 0.2% 내력을 항복 응력으로 하고, 최대 응력을 인장 강도로 하여, 소형 시험편 2개의 평균값을 측정값으로 했다.
표 2에 나타내는 바와 같이, 시험 No.1~7의 내표층 영역에 있어서, 인장 강도는 621~632MPa, 항복 응력은 382~391MPa, 항복비는 0.61~0.62이며, 경화 처리 및 자긴 처리에 의한 변화는 보이지 않았다.
또, 다른 1개의 시험편에 대해서는, 잔류 응력 측정에 제공했다. 우선, 전해 연마에 의해 시험편의 길이 방향 중앙 위치 외면의 표층을 10μm 이하의 범위에서 제거한 후, 둘레 방향 잔류 응력 σo1을 측정한다. 측정 방법으로서는, X선 회절에 의한 sin2ψ법을 이용하여, 비특허문헌 2에 준거하여 행했다. 상세한 측정 조건은 이하에 나타내는 바와 같다.
·주사법：측경법(側傾法), η 일정법(PSPC법)
·X선 응력 측정 장치：주식회사 리가쿠 제조 PSPC-RSF
·특성 X선：Crkα
·측정 회절면：α-Fe211
·입사 슬릿：싱글 콜리메이터, 직경 0.3mm
·입사각(ψ)：0°, 12.9°, 18.5°, 22.8°, 26.6°, 30.0°, 33.3°, 36.3°, 39.3°
·입사각(ψ)：ψP축 요동 ±3°
·회절각 결정법：반가폭법
·응력 상수(K)：-318MPa/°
또한, 이하에 나타내는 잔류 응력 측정 조건에 대해서도, 전부 상기한 바와 같이 했다.
다음에, 외면의 잔류 응력을 측정한 시험편을, 와이어 컷 방전 가공에 의해 관축 방향으로 반할 절단했다. 절단 위치는 상기 외면 잔류 응력 측정 위치를 둘레 방향 0°로 한 경우에 ±90° 근방으로 했다. 반할 후의 각 시료의 절단면과 길이 방향 중앙 위치의 외면의 두께 t는, D/2±0.2mm의 범위였다.
그리고, 반할 후의 시료에 있어서 상기한 반할 전 외면 잔류 응력 측정 위치에서 둘레 방향 잔류 응력 σo2를 재차 측정했다. 또한, 반할 후의 전해 연마에 의해 시험편 길이 방향 중앙 위치 내면의 표층을 10μm 이하의 범위에서 제거한 후, 관 내면의 중앙 위치에 있어서의 둘레 방향 잔류 응력 σi2를 측정했다.
이렇게 하여 얻어진 잔류 응력 측정값 σo1, σo2, σi2를 표 2에 나타낸다. 이들을 (i)식~(iv)식에 대입하여 자긴 처리 후 반할 전의 내면 잔류 응력의 추정값 σi1이 얻어졌다.
또한, 나머지 시험편에 대해서 내압 피로 시험을 행하여, 한계 내압을 명확하게 했다. 내압 피로 시험은, 최대 내압으로부터 최소 18MPa의 범위에서, 시간에 대해 정현파를 취하도록 반복 변동시키는 것이다. 내압 변동의 주파수는 8Hz로 했다. 내압 피로 시험의 결과로서 반복수가 107회가 되어도 파손(리크)이 일어나지 않는 최대 내압을 한계 내압으로서 평가했다. 그 결과를 표 2에 함께 나타낸다.
표 2의 결과로부터 명백하듯이, 소준품의 시험 No.1과 시험 No.2를 비교하면, 시험 No.2에 있어서, 경화 처리를 하지 않고 경도비를 1.20 이상으로 하지 않았기 때문에, 자긴 처리를 실시했음에도 불구하고, 충분한 압축 응력이 부여되지 않고, 자긴 처리를 실시하지 않은 시험 No.1에 대해, 한계 내압을 향상시킬 수 없었다.
이에 반해, 소입품의 시험 No.4와 시험 No.5 및 6을 비교하면, 외표층 영역의 경도를 높이고 있었기 때문에, 자긴 처리에 의해 잔류 응력이 충분히 부여되고 있어, 한계 내압이 향상되는 결과가 되었다.
또한, 시험 No.3은, 경도비가 본 발명의 규정을 만족하지 않은 비교예이지만, D/d가 2.2로 높기 때문에, 자긴 처리에 의해 잔류 응력이 충분히 부여되어, 한계 내압이 향상되는 결과가 되었다. 또, 시험 No.7에서는, 시험 No.3과 D/d가 같고, 외표층 영역의 경도를 높이고 있어, 자긴 처리에 의해 잔류 응력이 충분히 부여되었지만, 그 값은 시험 No.3의 그것과 동등했다. 이 때문에, 한계 내압에 대해서도 시험 No.7과 시험 No.3에서 동등했다.
본 발명에 의하면, 높은 한계 내압을 갖는 압력 배관용 강관을 안정적으로 얻는 것이 가능해진다. 따라서, 본 발명에 따른 압력 배관용 강관은, 특히 유압 실린더, 에어백 강관, 어큐뮬레이터, 수소용 배관, 연료 분사관 등으로서 적합하게 이용할 수 있다.
20: 강관 20a: 외면
20b: 내면 22: 반할 시료
22a: 외면 22b: 내면
22c: 절단면 22d: 중심부
40: 해석 모델 40a, 40b: 단부
40c: 내면 40d: 외면

Claims (4)

  1. 자긴(自緊) 처리(autofrettage)가 실시된 압력 배관용 강관으로서,
    상기 강관은 외표면 및 내표면을 갖고,
    상기 외표면으로부터 두께의 1/4의 깊이 위치까지의 외표층 영역에 있어서의 평균 경도가, 상기 내표면으로부터 두께의 1/4의 깊이 위치까지의 내표층 영역에 있어서의 평균 경도의 1.20배 이상이며,
    상기 강관의 외경을 D(mm), 내경을 d(mm)로 하고,
    자긴 처리 후의 상기 강관의 외면의 잔류 응력의 실측값을 σo1(MPa), 자긴 처리 후 또한 반할(半割) 후의 상기 강관의 외면의 잔류 응력의 실측값을 σo2(MPa), 자긴 처리 후 또한 반할 후의 상기 강관의 내면의 잔류 응력의 실측값을 σi2(MPa)로 한 경우에,
    하기 (i)식~(iv)식에 의해 구해지는, 자긴 처리 후의 상기 강관의 내면의 잔류 응력의 추정값 σi1(MPa)이 -150MPa 이하인, 압력 배관용 강관.
    σi1=(-σi2)/(A×(t/T)2-1) ···(i)
    t/T=((σo2-σo1)/(A×(σo2-σo1)-C×σi2))1/2 ···(ii)
    A=3.9829×exp(0.1071×(D/d)2) ···(iii)
    C=-3.3966×exp(0.0452×(D/d)2) ···(iv)
  2. 청구항 1에 있어서,
    D/d가 2.0 이하인, 압력 배관용 강관.
  3. 자긴 처리가 실시되는 용도로 이용되는 압력 배관용 강관 소재로서,
    상기 강관 소재는 외표면 및 내표면을 갖고,
    상기 외표면으로부터 두께의 1/4의 깊이 위치까지의 외표층 영역에 있어서의 평균 경도가, 상기 내표면으로부터 두께의 1/4의 깊이 위치까지의 내표층 영역에 있어서의 평균 경도의 1.20배 이상이며,
    자긴 처리가 실시되었을 때에,
    자긴 처리 후의 강관의 외경을 D(mm), 내경을 d(mm)로 하고,
    자긴 처리 후의 상기 강관의 외면의 잔류 응력의 실측값을 σo1(MPa), 자긴 처리 후 또한 반할 후의 상기 강관의 외면의 잔류 응력의 실측값을 σo2(MPa), 자긴 처리 후 또한 반할 후의 상기 강관의 내면의 잔류 응력의 실측값을 σi2(MPa)로 한 경우에,
    하기 (i)식~(iv)식에 의해 구해지는, 자긴 처리 후의 상기 강관의 내면의 잔류 응력의 추정값 σi1(MPa)이 -150MPa 이하가 되는, 압력 배관용 강관 소재.
    σi1=(-σi2)/(A×(t/T)2-1) ···(i)
    t/T=((σo2-σo1)/(A×(σo2-σo1)-C×σi2))1/2 ···(ii)
    A=3.9829×exp(0.1071×(D/d)2) ···(iii)
    C=-3.3966×exp(0.0452×(D/d)2) ···(iv)
  4. 청구항 3에 있어서,
    D/d가 2.0 이하인, 압력 배관용 강관 소재.



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