WO2011016434A1 - 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

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

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

　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）

　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。

　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。

本発明の実施の形態によるプラグの側面図である。 プラグで拡管される金属管の状態を説明するための模式図である。 図１のプラグを用いて拡管される金属管の状態を説明するための模式図である。 拡管された金属管の先端部分の内径を示す図である。 図１のプラグを用いた金属管の製造方法における第１工程を示す図である。 図５Ａに続く、第２工程を示す図である。 図５Ｂに続く、第３工程を示す図である。 図１と異なる、本発明の他のプラグの側面図である。 図１及び図６と異なる、本発明の他のプラグの側面図である。 実施例で拡管された金属管の先端部分の内径を示す図である。 従来のプラグを用いた金属管の端部の拡管方法における第１の工程を示す図である。 図９Ａに続く第２の工程を示す図である。 図９Ｂに続く第３の工程を示す図である。

　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。

　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。

　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。

　［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。

　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。

　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。

　［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。

　［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。

　［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。

　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。

　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）

　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。

　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。

　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。

　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。

　有限要素法を用いたシミュレーション計算により、種々の形状のプラグによる金属管端部を拡管した。そして、拡管後の金属管の先端拡張率ＥＸ（％）と、オーバーシュート変形量（ｍｍ）とを求めた。

　［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。

　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）

　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。

　［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。

　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。

　［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。

　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。

　［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。

　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)

1. 　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）
2. 　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。
3. 　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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