CN103429376A - 焊接有法兰盘的钢管 - Google Patents

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Abstract

一种焊接有法兰盘的钢管，具备：法兰盘，具有平板圆环状的法兰部以及连接部，该连接部位于法兰部的外周侧并具有其至少一部分向法兰部的单面侧突出的环状的部位；以及钢管，焊接到连接部的单面侧，管厚为t；在连接部与钢管之间具有通过焊接而形成的焊接金属部，在焊接金属部的包含钢管的管轴的截面中，钢管的比管厚方向中央更靠外周侧的截面积SO与更靠内周侧的截面积SI满足SO≥1.5SI的关系，焊接金属部的内面侧且法兰部侧的焊接缝边与连接部的内面和法兰部的单面相交的部位即法兰角部之间的距离为5mm以上、上述管厚t以下。

Description

焊接有法兰盘的钢管
技术领域
本发明涉及一种焊接有法兰盘的钢管。
背景技术
近年来，为了应对成为地球温暖化的一个原因的CO2气体的减少、石油等化石燃料将来的枯竭，而积极地尝试利用能够再生的自然能量。风力发电也是其中一种，风力发电正在世界性地普及。
此处，最适于风力发电的地区是能够期待不间断的强风的地区。因此，满足这种条件的海上的风力发电(海上风力发电)正在以世界规模进行计划及实现(参照专利文献1～6)。
在海上建造风力发电用的塔的情况下，为了实现风力发电塔的稳定，需要向海底的土地中打入塔的基础部分。此外，为了将风力发电机的涡轮叶片稳定地维持在离海平面充分高的位置上，塔的基础部分及设置在基础部分上的钢管柱需要具有充分的高度。其高度例如达到80m以上。
如此，海上风力发电用的塔为巨大的钢结构，但一直暴露于强风、波浪中。因此，塔整体由于强风、波浪、以及由涡轮叶片的旋转所引起的振动而不间断地受到反复载荷。
即，在这种环境下，对于塔的基础部分与设置在其上的钢管柱之间的焊接部，要求对于与通常的疲劳周期(106～7)级数不同的千兆周(109～10)区域的振动的抗疲劳特性。
因此，在海上风力发电塔的建造中，需要开发用于形成能够耐受千兆周(Giga cycle)区域的振动环境的焊接接头的焊接方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-111406号公报
专利文献2：日本特开2007-092406号公报
专利文献3：日本特开2007-322400号公报
专利文献4：日本特开2006-037397号公报
专利文献5：日本特开2005-194792号公报
专利文献6：日本特开2005-180239号公报
发明内容
发明要解决的课题
图5表示以往的海上风力发电用的塔的概略图。海上风力发电塔为，在基础结构体(基础部分)111之上载放管径3～5m、管厚30～80mm的钢管柱112，在钢管柱112的顶部载放具备涡轮叶片114的机舱(nacelle)113。
此外，海上风力发电塔的高度达到了80m以上，并常时被置于千兆周的振动环境中，因此基础结构体111与钢管102’的接合部A及钢管102’与钢管102的接合部B，必须能够耐受千兆周的振动。
此外，在建造如上述所示那样的海上风力发电塔的情况下，用于形成钢管柱112的钢管102’与钢管102的接头有时成为使用了法兰的管接头。在这种情况下，并非使用了这种法兰的管接头的钢管柱112向基础结构体111的安装、及法兰部件(法兰)与基础结构体111、钢管102’、钢管102的每个的接合也通过电弧焊(以下简称为焊接)等来进行。如此，在采用使用了法兰的管接头的情况下，接合部及其附近的抗疲劳特性的确保是重要的。
以下，对图5中的接合部B进行详细说明。
图6表示图5中的接合部B的钢管柱112的管轴向的截面模式图。
在钢管102的端面上，经由焊接金属部103而接合有法兰盘(以下简称为法兰)101，由此形成焊接了法兰盘的钢管110。另外，法兰101大体由平板圆环状的法兰部101a和连接部101b构成，该连接部101b与钢管102通过焊接接合。此处，将比后述的法兰角部101c更靠内周侧(内面侧)的法兰盘作为法兰部101a，将比法兰角部101c更靠外周侧(外面侧)的法兰盘作为连接部101b。此外，关于钢管102’和法兰101’也成为同样的结构。另外，连接部101b、101b’被设置为包围法兰部101a、101a’各自的外周。
另外，钢管102与钢管102’通过用螺栓107来紧固法兰部101a及法兰部101a’而被结合，形成钢管柱112。
图7表示图6所示的T部分的放大截面模式图。
如图7所示，钢管102的端面与法兰盘101的接合部101b，将从钢管102及连接部101b的内外面分别设置为V形的坡口(X形坡口)焊接而接合。
如此，当焊接钢管102和法兰101时，通常在焊接金属部103及其附近的钢管102和连接部101b各自的内面侧的表面上，产生管轴向的拉伸残余应力。另一方面，在海上风力发电塔整体振动时，被要求最严格的疲劳特性的是应力集中的、法兰部101a的连接部侧的表面101d与连接部101b的内面相交的部位即法兰角部101c。
因此，此前，为了使由于焊接而产生拉伸残余应力的区域不包含法兰角部101c，而设计成为如下结构：使连接部101b的管轴向的长度充分长，焊接金属部103与法兰角部101c充分地分离的结构。
但是，今后，伴随着海上风力发电塔的大型化，需要抗疲劳特性的进一步提高，在该情况下，构成海上风力发电塔的钢管柱大径化，作为钢管柱而使用的钢材(钢管)厚壁化，但在这种情况下，当然也不得不使法兰的重量增加。
通常，海上风力发电塔用的大型的法兰成为高价的锻造品。因此，高价的法兰的重量增加导致海上风力发电塔的整体成本的增大，因此如何使法兰轻量化而抑制成本的增大成为课题。此外，如上述那样，对于海上风力发电塔的基础部分及钢管柱的各自与法兰的连接部之间的焊接部，要求能够耐受千兆周区域的振动的抗疲劳特性，因此兼顾该抗疲劳特性的提高与法兰的轻量化成为课题。
因此，本发明的目的在于提供一种焊接有法兰盘的钢管，在钢管上焊接轻量的法兰的情况下，具有能够耐受千兆周区域的振动的疲劳特性。
用于解决课题的手段
本发明为，作为上述课题的对策，将连接部与钢管的端部焊接为，在焊接金属部的包含钢管的管轴的截面中，比管厚的1/2线(管厚的中央线)即管厚中央更靠外周侧(外面侧)的焊接金属部的截面积比更靠内周侧(内面侧)的焊接金属部的截面积的1.5倍大。并且，将焊接金属部的内面侧且法兰侧的焊接缝边与法兰角部之间的距离管理为某个一定值。由此，对法兰角部赋予压缩残余应力，使焊接有法兰盘的钢管的、相对千兆周区域的振动的疲劳特性提高。
本发明的主旨如以下那样。
(1)本发明一个方案的焊接有法兰盘的钢管，是在管轴向端部焊接有法兰盘的钢管，具备：法兰盘，具有平板圆环状的法兰部以及连接部，该连接部位于上述法兰部的外周侧并具有其至少一部分向上述法兰部的单面侧突出的环状的部位；以及钢管，焊接在上述连接部的上述单面侧，管厚为t(mm)，在上述连接部与上述钢管之间具有通过焊接而形成的焊接金属部，在上述焊接金属部的包含上述钢管的管轴的截面中，上述钢管的比管厚方向中央更靠外周侧的截面积SO与更靠内周侧的截面积SI满足SO≥1.5SI的关系，上述焊接金属部的内面侧且上述法兰部侧的焊接缝边与上述连接部的内面和上述法兰部的上述单面相交的部位即法兰角部之间的距离，为5mm以上、上述管厚t以下。
(2)在上述(1)所述的焊接有法兰盘的钢管中，也可以为，上述法兰盘的外周侧的侧面的管轴向的长度比上述法兰部的板厚小。
(3)在上述(1)或(2)所述的焊接有法兰盘的钢管中，也可以为，通过上述焊接而在上述法兰角部形成压缩残余应力。
(4)在上述(1)或(2)所述的焊接有法兰盘的钢管中，也可以为，上述钢管的上述管厚t为30mm以上。
(5)在上述(1)或(2)所述的焊接有法兰盘的钢管中，也可以为，上述钢管用于风力发电塔的钢管柱。
发明的效果
根据本发明，在通过焊接而接合有法兰盘的钢管中，在焊接金属部的包含钢管的管轴的截面中，比钢管的管厚方向中央更靠外周侧的截面积SO比更靠内周侧的截面积SI的1.5倍大，内周侧的焊接金属部与法兰角部之间的距离充分小，因此能够在内周侧的焊接金属部表面及其附近残余压缩应力。并且，能够提供一种焊接有法兰盘的钢管，通过使法兰角部位于该压缩残余应力的产生区域内，由此具有千兆周区域的振动的抗疲劳特性。
附图说明
图1是用于说明本实施方式的焊接有法兰盘的钢管的截面模式图。
图2A是用于说明以往的焊接有法兰的钢管的焊接金属部附近的应力分布的截面模式图。
图2B是表示图2A的线段X-X’的应力分布的曲线图。
图2C是表示图2A的线段Y-Y’的应力分布的曲线图。
图3A是用于说明本实施方式的焊接有法兰盘的钢管的焊接金属部附近的应力分布的截面模式图。
图3B是表示图3A的线段X-X’的应力分布的曲线图。
图3C是表示图3A的线段Y-Y’的应力分布的曲线图。
图4是本实施方式的法兰盘的截面模式图。
图5是用于说明海上风力发电用的塔的结构的概略图。
图6是图5中的接合部B的钢管102的管轴向的截面模式图。
图7是图6中所示的T部分的放大截面模式图。
图8是用于说明本发明实施例的坡口形状的焊接有法兰盘的钢管的截面模式图。
图9是本发明实施例的板状试样的立体图。
图10是表示本发明实施例的疲劳试验及预疲劳试验的结果的曲线图。
图11是说明本发明实施例的预疲劳试验的方法的模式图。
具体实施方式
本发明为焊接有法兰盘的钢管，焊接有由设置在法兰盘的端部的法兰侧坡口面和设置在钢管的端部的钢管侧坡口面划分的坡口。另外，本发明的法兰盘大体由平板圆环状的法兰部以及连接部构成，该连接部位于该法兰部的外周侧并具有其至少一部分向该法兰部的单面侧(焊接有钢管一侧的面)突出的环状的部位。此外，由法兰侧坡口面和钢管侧坡口面划分的坡口为X形坡口、V形坡口、レ形坡口、K形坡口或U型坡口等。
以下，参照附图对本发明一个实施方式的焊接有法兰盘的钢管进行说明。
图1表示本实施方式的焊接有法兰盘的钢管的管轴向的截面模式图。
如图1所示，本实施方式的焊接有法兰盘的钢管10具备：法兰盘1，具有平板圆环状的法兰部1a以及连接部1b，该连接部1b位于法兰部1a的外周侧并具有其至少一部分向法兰部1a的单面(焊接有钢管2一侧的面)1d侧突出的环状的部位1b’；钢管2，与法兰盘1焊接，管厚为t(mm)；以及后述的焊接金属部3。另外，钢管2焊接在法兰盘1的单面1d侧。
此外，法兰盘1具有形成在面向钢管2的端部上的法兰侧坡口面1e，钢管2具有形成在面向法兰盘1的端部上的钢管侧坡口面2e。
进一步，在法兰盘1与钢管2之间，通过焊接由法兰侧坡口面1e与钢管侧坡口面2e划分的坡口，由此形成有焊接金属部3。此外，在图1所示的焊接金属部3的截面中，比钢管2的管厚方向(钢管2的壁厚方向)中央线(线段C-C)更靠外周侧的截面积SO比更靠内周侧的截面积SI的1.5倍大，焊接金属部3的内面侧且法兰部1a侧的焊接缝边1e’与单面1d和连接部1b的内面相交的部位即法兰角部1c之间的距离为5mm以上、管厚t以下。
此处，在如图7所示那种以往的使用了焊接有法兰的钢管的结构中，从焊接效率的观点出发，通常作为焊接金属部103的坡口而采用X坡口。此外，如上述那样，在以往的结构中存在的问题为，在焊接金属部103及其附近的钢管102及连接部101b的表面区域中，产生钢管轴向的拉伸残余应力。
为了解决这种问题，在以往的结构中，认为重要的是，使焊接金属部103尽可能离开法兰角部101c而形成，在产生拉伸残余应力的区域中不包含法兰角部101c，由此尽可能降低拉伸残余应力对法兰角部101c的影响。
但是，为了使焊接金属部103尽可能离开法兰角部101c而形成，不得不增大连接部101b的管轴向的长度，因此结果，存在高价的法兰101的重量会增加的问题。
因此，本发明人锐意研究了如下的接头结构：为了轻量化而缩短法兰的连接部101b，并且应力集中的法兰角部101c具备能够耐受千兆周区域的振动的疲劳特性的接头结构。
以下，对本实施方式的焊接有法兰盘的钢管10进行详细说明。
如图1所示，本实施方式的焊接有法兰盘的钢管10大体包括：法兰盘1，具有平板圆环状的法兰部1a以及连接部1b，该连接部1b位于法兰部1a的外周侧并具有其至少一部分向法兰部1a的单面(焊接有钢管2一侧的一面)1d侧突出的环状的部位1b’；钢管2，与法兰盘1焊接，管厚为t(mm)；以及后述的焊接金属部3。
此外，法兰盘1具有形成在面向钢管2的端部上的法兰侧坡口面1e，钢管2具有形成在面向法兰1的端部上的钢管侧坡口面2e。
此外，在法兰盘1与钢管2之间，通过焊接由该法兰侧坡口面1e和钢管侧坡口面2e划分的坡口，由此形成有焊接金属部3。该焊接金属部3沿管厚方向(钢管2的壁厚方向)贯通钢管2。
另外，在本实施方式中，在法兰盘1的径向中央部形成有沿管轴向贯通了的开口部，以便为了钢管柱内部的检修等而人能够移动。
此外，在本实施方式中，在焊接金属部3的包含钢管2的管轴的截面中，比钢管2的管厚方向(钢管2的壁厚方向)中央更靠外周侧的截面积SO与更靠内周侧的截面积SI需要满足SO≥1.5SI的关系。即，如图1所示，使从作为钢管2的管厚的中央(1/2)线的线段C-C、即管厚中央向外周侧形成的外周侧焊接金属部3a的截面积SO，为从管厚中央向内周侧形成的内周侧焊接金属部3b的截面积SI的1.5倍以上。以下，对这种截面积SO与截面积SI的限定理由进行说明。
如图1所示，本实施方式的焊接金属部3形成为，在包含钢管2的管轴的截面中，比钢管2的管厚方向中央更靠外周侧的截面积SO与更靠内周侧的截面积SI满足SO≥1.5SI的关系。即，通过成为焊接金属部3中、外周侧的焊接金属部3a的熔敷金属量比内周侧的焊接金属部3b的熔敷金属量多的结构，由此能够在从焊接金属部3的内周侧表面到法兰角部1c为止的区域中残余压缩应力。
另外，当截面积SO小于截面积SI的1.5倍时，不能够充分地确保在从焊接金属部3的内周侧表面到法兰角部1c为止的区域中残余的压缩应力，而有可能不能够充分地得到法兰角部1c的抗疲劳特性。因此，在本实施方式中，使SO≥1.5SI。另外，为了进一步发挥抗疲劳特性的提高效果，而优选为SO≥2.0SI、更优选为SO≥2.5SI。
如此，通过使截面积SO比截面积SI大，能够在从焊接金属部3的内周侧表面到法兰角部1c为止的区域中残余压缩应力。
此外，在本实施方式中，需要使焊接金属部3b的内周侧且法兰部1a侧的焊接缝边1e’与法兰角部1c之间的距离d，为5mm以上、上述管厚t以下。
当该距离d过小时，会影响向内周侧焊接金属部3b的法兰部1a侧的焊接缝边1e’的应力集中，法兰角部1c的抗疲劳特性有可能劣化，因此使距离d的上限为5mm以上。此外，当使距离d超过管厚t时，法兰角部1c的位置会成为压缩应力的残余区域的范围外，不能够充分地得到法兰角部1c的抗疲劳特性，因此使距离d的下限为管厚t以下。另外，为了进一步发挥抗疲劳特性的提高效果，优选使距离d的下限为8mm或10mm、使距离d的上限为管厚t的80%或65%。
此处，关于本实施方式的焊接金属部3及其附近的应力分布，在与以往的焊接有法兰的钢管110的结构相比较的同时进行说明。
图2A表示采用了X坡口的以往的焊接有法兰的钢管的管轴向的截面模式图。
图2B及图2C表示图2A所示的焊接有法兰的钢管的焊接金属部103附近的应力分布。另外，图2B表示焊接金属部103的中心X-X’的应力分布，图2C表示从内周侧的焊接金属部103a表面的中心到法兰角部101c的Y-Y’(与X-X’垂直)的应力分布。
在作为焊接有法兰的钢管的结构而采用了以往的结构的情况下，如图2B所示，仅在焊接金属部103的径向中心部残余压缩应力，在焊接金属部103的外周侧与内周侧残余拉伸应力。
此外，如图2C所示，从内周侧焊接金属部103b到法兰角部101c的与焊接线垂直方向的残余应力一直为拉伸应力。
因此，以往认为，为了不对法兰角部101c的疲劳特性产生影响，而考虑在残余有拉伸应力的区域外配置法兰角部101c，并增大连接部101b的管轴向的长度是最佳的对策。因此，法兰101大型化，法兰101的成本上升。
此处，在约束由焊接引起的变形的同时、形成外周侧的坡口的宽度较宽的V型坡口的焊接金属部的情况下，该焊接金属部的外周侧表面及其附近的与焊接线垂直方向的残余应力成为拉伸。另一方面，焊接金属部的内周侧表面的残余应力成为压缩。这是因为，坡口的宽度为，与内周侧相比外周侧相对宽，而外周侧的熔敷金属量多。
本发明人利用该现象，在焊接有法兰盘的钢管中研究了其坡口形状，并想到如果能够对内周侧焊接金属部和法兰角部赋予压缩残余应力，则可能兼顾法兰角部的抗疲劳特性的提高和法兰盘的轻量化。
即，在本实施方式中，为了最大限度地活用在内周侧焊接金属部3b的表面及其附近残余的压缩应力，而成为使内周侧焊接金属部3b的法兰部侧焊接缝边接近法兰角部1c的结构。即，本实施方式的焊接有法兰盘的钢管10的结构，是将与以往的想法完全相反的新的想法具体化了结构。
图3A表示本实施方式的焊接有法兰盘1的钢板2的管轴向的截面模式图。
图3B及图3C表示图3A所示的焊接金属部3附近的应力分布。另外，图3B表示焊接金属部3的中心X-X’的应力分布，图3C表示从内周侧(内面侧)的焊接金属部3a表面的中心到法兰角部1c的Y-Y’的应力分布。
根据本实施方式的焊接有法兰盘的钢管10，如图3B所示，在焊接金属部3的外周侧表面和内周侧表面上，钢管的径向(图3A中X-X’)的残余应力在法兰外周侧为拉伸，而在内周侧成为压缩。
此外，通过在焊接金属部3的附近配置法兰角部1c，由此如图3C所示，从焊接金属部3的内周侧表面到法兰角部1c的与焊接线垂直的方向(图中的Y-Y)的残余应力成为压缩。
接着，对本实施方式的法兰盘1的结构进行说明。图4(a)～(e)表示本实施方式的法兰盘1的结构。
本实施方式中的法兰盘1大体包括位于比法兰角部101c更靠钢管径向内侧的平板圆环状的法兰部1a以及连接部1b，该连接部1b位于法兰部1a的外周侧并具有其至少一部分向法兰部1a的单面1d侧突出的环状的部位1b’。此外，在法兰盘1上具有单面1d与连接部1b的内面相交的部位即法兰角部1c。
在本实施方式中，法兰盘1的连接部1b的外周侧的侧面(外侧面)的管轴向的长度h1，可以如图4(c)～图4(e)所示那样比法兰部1a的板厚h大，但优选如图4(a)及图4(b)所示那样比法兰部1a的板厚h小。另外，法兰盘1的连接部1b的外侧面的管轴向的长度h1，能够视为法兰盘1的外周端面的板厚。
此处，即使法兰盘1的连接部1b的外侧面的管轴向的长度h1比法兰部1a的板厚h大，也能够得到与本实施方式的效果同样的效果。但是，在长度h1比法兰部1a的板厚h小的情况下，更能够满足上述的距离d的条件，且能够容易满足上述的截面积SO与截面积SI的关系即SO≥1.5SI。结果，与截面积SI相比能够更容易确保截面积SO，能够容易地得到本实施方式的效果。即，能够增大在从焊接金属部3的内周侧表面到法兰角部1c为止的区域中残余的压缩应力，能够进一步提高法兰角部1c的抗疲劳特性。
另外，还能够将法兰盘1中、与钢管进行焊接一侧即与单面1d相反侧的面和法兰盘1的外侧面相交的部位、与焊接金属部3的外面侧且法兰盘1侧的焊接缝边之间的距离，视为上述长度h1。
此外，如上述那样，本实施方式的连接部1b位于法兰部1a的外周侧，并具有其至少一部分向法兰部1a的单面1d侧突出的环状的部位1b’。
此处，在本实施方式中，如图4(a)及图4(b)那样，环状的部位1b’也可以未必与法兰盘1的外侧面相接。即，本实施方式的法兰盘1的连接部1b形成为，与钢管2焊接的连接部1b的至少一部分从单面1d侧向钢管2侧突出，上述距离d为5mm以上、上述管厚t以下即可。
此外，本实施方式的法兰盘1的法兰部1a的板厚h优选为管厚t的2倍以上、200mm以下。如此，通过成为管厚t的2倍以上，能够使焊接有法兰盘1的钢管2的机械接合强度提高。但是，当法兰部1a的板厚h过厚时，有可能导致制造成本的增大。因此，优选使法兰部1a的板厚h的上限为200mm以下。
此外，本实施方式的焊接，为了使抗疲劳强度提高，而优选为全焊透焊接，但也可以未必为全焊透焊接。即，即使焊接金属部是未必沿管厚方向贯通的部分焊透焊接，也没有影响。具体地，在X形坡口的情况下，在焊接金属部的内部，也可以存在钝边的一部分为未熔敷的部分。
在本实施方式中，由法兰侧坡口面1e和钢管侧坡口面2e划分的坡口优选为X形坡口、V形坡口、レ形坡口、K形坡口或U形坡口的任一种。另外，当考虑到满足上述的截面积SO与截面积SI的关系时，更优选为V坡口、X形坡口或K形坡口。这是因为，通过采用V坡口、X形坡口或K形坡口，能够更容易满足上述的截面积SO与截面积SI的关系。即，这是因为，更容易将大的压缩残余应力赋予内周侧焊接金属部3b的表面及其附近。
此外，在采用了X形坡口或K形坡口的情况下，在内周侧焊接金属部产生更大的压缩应力，因此优选先焊接钢管2和法兰盘1的内周侧(内面侧)，此后焊接外周侧(外面侧)。另外，在这种情况下，通过蚀刻焊接金属部的截面，能够容易区别从哪个面侧进行了焊接。
此外，在采用了X形坡口或K形坡口的情况下，优选使外周侧坡口的深度比内周侧坡口的深度大。通过如此，能够使内周侧焊接金属部表面及其附近产生大的压缩残余应力。
此外，在本实施方式的焊接有法兰盘1的钢管10中，钢管2的管厚t和连接部1b的径向的厚度也可以不同。即使在这种情况下，也能够得到与本实施方式的效果同样的效果。
此外，作为本实施方式的焊接有法兰盘1的钢管10使用的钢管2，优选使用管厚t为30mm以上的高强度大径钢管。作为这种高强度大径钢管，可以由公知的成分组成的屈服强度为315MPa以上或355MPa以上的焊接用结构用钢管来制造。此外，屈服强度可以为690MPa以下或600MPa以下。
另外，钢管2的管厚t更优选为40mm以上，进一步优选为50mm以上。通过采用这种管厚t，能够更容易地对内周侧焊接金属部表面及其附近赋予压缩残余应力。
根据以上说明了的本发明的焊接有法兰盘的钢管，在焊接金属部的包含钢管的管轴的截面中，比钢管的管厚方向中央更靠外周侧的截面积比更靠内周侧的截面积大，内周侧的焊接金属部与法兰角部之间的距离充分小，因此能够在内周侧的焊接金属部表面及其附近残余压缩应力。而且，通过使法兰角部位于这种残余压缩应力的产生区域内，能够使千兆周区域的振动的抗疲劳特性提高。
因此，在本发明的焊接有法兰盘的钢管中，作为被要求千兆周区域的振动环境的抗疲劳特性的风力发电塔用的钢管柱，是最适合的。
此外，在本发明的焊接有法兰盘的钢管的结构中，与以往的结构相比较，形成为包围法兰部的外周的连接部较小，因此能够实现法兰盘的大幅度的轻量化。由此，在将不通过锻造而通过轧制来制造的厚钢板切断为圆形之后，通过切削该厚钢板的板厚方向的一部分，由此能够制造法兰盘。
即，本发明的连接部的外周端面的板厚，与以往相比较为较薄的结构，因此能够进一步使高价的法兰盘轻量化，能够抑制制造成本。
另外，本发明为，只要能够如上述那样对法兰角部赋予压缩残余应力即可，在该条件下，接合部(焊接金属部)的坡口形状、位置在不脱离本发明的主旨的范围内并不限定。此外，在焊接方法中也同样不限定。
此外，配合焊接效率、具有的设备来调整坡口形状和其位置，以使法兰角部位于产生压缩残余应力的区域内即可。另外，压缩残余应力能够通过基于X射线的残余应力测定、或通过应变仪来测定。
实施例
接着，对本发明的实施例进行说明，实施例的条件是为了确认本发明的可实施性及效果而采用的一个条件例，本发明并非仅限定于这一条件例。
本发明只要不脱离本发明的主旨、而实现本发明的目的，则能够采用各种条件或条件的组合。
(实施例)
使用具有表1所示的成分组成和机械特性的钢管、法兰盘、以及由JISZ3313YFL-C506R规定的1.2mm直径的焊条，在电流200A、电压21V、焊接速度7～25cpm、保护气体Ar+20%CO2(25l/min)的焊接条件下，制作了焊接有法兰盘的钢管。另外，在本实施方式中使用的钢管的抗拉强度为，在板厚(管厚)50mm以下制作了(财)日本海事协会(NK：Nippon Kaiji Kyokai)钢船规则·其检查要领(K卷材料)U1号试样，在板厚(管厚)超过50mm制作了JIS Z220114A号试样，而进行拉伸试验并测定。
此外，表2、表3表示使用的钢管的管厚t、法兰盘的法兰部的板厚h、法兰盘的外侧面的管轴向的长度h1、板厚h与长度h1之比h1/h、及坡口形状。另外，在本实施例中，使用的钢管的直径为700mm。
此处，坡口形状的种类采用了如图8(a)所示那样的X形坡口、或如图8(b)所示那样的V形坡口的任一种。在焊接金属部3(焊接部)中，表2、表3分别表示从焊接部外周侧到钝边的距离t1、从焊接部内周侧到钝边的距离t2、坡口角度θ1、θ2、及根部间隙g。另外，在如图8(b)所示那样的V形坡口的情况下，使从焊接部外周侧到钝边的距离t1与管厚t为相同值。
接着，沿管轴向切断所得到的焊接有法兰盘的钢管的焊接金属部。在该焊接金属部的切断面中，分别测定比管厚方向中央更靠外周侧的截面积SO和更靠内周侧的截面积SI，并求出SO与SI的截面积比SO/SI。
此外，测定内周侧的焊接金属部的法兰盘侧焊接缝边与法兰角部之间的距离d，并且求出该距离d与管厚t之比d/t。
接着，关于所得到的焊接有法兰盘的钢管的性能，评价了表2、表3所示的机械特性。以下对评价方法进行说明。
首先，在将所得到的焊接有法兰盘的钢管彼此用螺栓7紧固并结合后，切断并采取如图9所示那样的宽度80mm的板状试样，在室温大气中，在应力比-1、重复速度10～30Hz的条件下进行疲劳试验，测定了断裂寿命为重复数200万次(2×106次)的接头疲劳强度F1。结果在表2、表3中表示。
另一方面，关于千兆周的疲劳强度，在通常的疲劳试验机中需要极长时间，因此通过下述所示的方法来推断并评价了与千兆周(1×109次)对应的接头疲劳强度F2。对接头疲劳强度F2的推断方法进行说明。
首先，在试验编号3的坡口条件下，与上述F1同样地切断并采取焊接有法兰盘的钢管的宽度80mm的板状试样，在室温大气中，应力比-1、重复速度10～30Hz、钢管轴向的应力振幅从250Mpa起使应力变化5个等级而进行了试验。结果，如图10的(A)所示，在重复数分别为约1.3×106、2.2×106及1.2×107时达到断裂，在应力振幅为140MPa和130MPa时，即使重复数为1×109次也没有达到断裂。根据图10的(A)可以想到，疲劳强度在1×107次～1×108次之间几乎达到疲劳极限，在从1×108次到1×109次之间疲劳强度几乎不降低。另外，在本实施例中使用的钢材，抗拉强度大致为500～800MPa的范围，因此认为，即使焊接条件变化，也如图10的(A)那样，在1×107次～1×108次之间示出疲劳极限(在本实施例中为145MPa)。使用该关系推断了千兆周(1×109次)的接头疲劳强度F2。具体地，将由图10的(A)推测的板状试样的2×106时的疲劳强度与相当于疲劳极限的1×108次时的疲劳强度相比较，求出这两个条件之间的降低率。将该降低率乘上在各个坡口条件下所得到的2×106次的接头疲劳强度F1，从而求出了千兆周下的接头疲劳强度(推断值)F2。另外，降低率为85%。
此处，使用模拟了实际设备的焊接有法兰盘的钢管来进行预疲劳试验，并进行了与上述板状试样的疲劳试验结果的比较。
作为预疲劳试验，首先，如图11所示，以表2的试验编号3的坡口形状将板厚80mm的法兰盘1焊接在模拟了实际设备的直径700mm、管厚40mm的钢管2上。此外，关于钢管2’和法兰盘1’也同样以试验编号3的坡口形状来进行焊接，制作了焊接有法兰盘的钢管。法兰盘1、1’彼此由螺栓紧固而制作管接头。
接着，如图11所示，将管接头的两端固定，并且进行了使中央部2处(参照图11中的箭头处)在箭头方向上振动的四点弯曲试验。另外，两端充分地确保相对于由弹性变形引起的部件的伸长、收缩、旋转的自由度而固定。此外，该预疲劳试验为，在室温大气中，在应力比-1、重复速度0.1～0.3Hz、应力振幅为180MPa、200MPa的条件下进行了试验。此后，求出断裂寿命为重复数200万次(2×106次)的接头疲劳强度A1。结果，在试验编号3，得到了如图10的(B)所示那样的结果。即，在模拟了实际设备的焊接有法兰盘的钢管和从该钢管切出的板状试样各自的疲劳强度中，得到了A1＞F1这种结果。推断这是因为在焊接有法兰盘的钢管和从该钢管切断采取的如图9所示那样的板状试样中，焊接变形的约束状态不同。即，认为焊接有法兰盘的钢管对焊接变形的约束力强，因此产生了比板状试样更大的残余应力。因此，本发明的效果在焊接有法兰盘的钢管中得到发挥，但即使板状试样、也能够确认本发明的效果显著，因此在本实施例中进行了板状试样的评价。
另外，在制作试样时，为了不产生焊接变形而将试样固定来制作试样，由此尽可能接近了焊接有法兰盘的钢管的残余应力状态。
接着，应用切断法测定了法兰角部的钢管轴向的残余应力。将单轴型的应变仪(东京测器制FLG-02-11等)与钢管轴向平行地粘贴在钢管内面侧的法兰角部附近而进行了测定。另外，此时，在法兰角部与内面侧焊接缝边之间的距离d低于7mm以下的情况下，不能够确保设置应变仪的空间，因此未进行测定。
此外，如以下那样评价了焊接有法兰盘的钢管的抗疲劳特性。
在通过上述的疲劳试验而得到的千兆周下的接头疲劳强度F2中，在接头的抗疲劳特性中，设满足F2＞110MPa的抗疲劳特性为合格。
表2、表3表示以上的测定结果及评价结果。
Figure BDA0000382494860000151
Figure BDA0000382494860000161
在表2中，试验编号1～27为发明例，满足本发明的全部要件，重复数200万次(2×106次)和千兆周(1×109次)的接头疲劳强度为良好的。
表3所示的、试验编号29、30、35及36的比较例为，内周侧的焊接金属部的焊接缝边与法兰角部之间的距离d过大，因此不能够对法兰角部赋予压缩残余应力，重复数200万次和千兆周的疲劳强度的降低会变大。
另一方面，试验编号28、34的比较例为，距离d过小，因此从作为应力集中部的焊接部缝边产生疲劳裂纹，成为重复数200万次和千兆周的疲劳强度都非常低的结果。
试验编号31～33、37～39的比较例为，焊接金属部的截面积比低于1.5，因此不能够对从焊接金属部的内周侧表面到法兰角部为止的区域赋予充分的压缩残余应力，成为重复数200万次和千兆周的疲劳强度都非常低的结果。
产业上的可利用性
本发明的焊接有法兰盘的钢管具有能够耐受千兆周区域的重复的疲劳特性，因此能够应用于海上风力发电塔用的钢管。
符号的说明
1、1’、101、101’…法兰盘(法兰)
1a、101a、101a’…法兰部
1b、101b、101b’…连接部
1b’…环状的部位
1c、101c…法兰角部
1d、101d…法兰部的单面(表面)
1e…法兰侧坡口面
1e’…内周侧缝边
2、2’、102、102’…钢管
2e…钢管侧坡口面
3、3’、103、103’…焊接金属部
3a、103a…外周侧焊接金属部
3b、103b…内周侧焊接金属部
10、110…焊接有法兰盘的钢管
d…距离
h…法兰部的板厚
h1…连接部的外周侧的侧面的管轴向的长度
t…钢管的管厚
107…螺栓
111…基础结构体
112…钢管柱
113…机舱
114…涡轮叶片

Claims (5)

1.一种焊接有法兰盘的钢管，在管轴向端部焊接有法兰盘，其特征在于，
具备：
法兰盘，具有平板圆环状的法兰部以及连接部，该连接部位于上述法兰部的外周侧并具有其至少一部分向上述法兰部的单面侧突出的环状的部位；以及
钢管，焊接在上述连接部的上述单面侧，管厚为t(mm)，
在上述连接部与上述钢管之间具有通过焊接而形成的焊接金属部，
在上述焊接金属部的包含上述钢管的管轴的截面中，上述钢管的比管厚方向中央更靠外周侧的截面积SO与更靠内周侧的截面积SI满足SO≥1.5SI的关系，
上述焊接金属部的内面侧且上述法兰部侧的焊接缝边与上述连接部的内面和上述法兰部的上述单面相交的部位即法兰角部之间的距离，为5mm以上、上述管厚t以下。
2.如权利要求1或2所述的焊接有法兰的钢管，其特征在于，
上述法兰盘的外周侧的侧面的管轴向的长度比上述法兰部的板厚小。
3.如权利要求1或2所述的焊接有法兰盘的钢管，其特征在于，
通过上述焊接而在上述法兰角部形成压缩残余应力。
4.如权利要求1或2所述的焊接有法兰盘的钢管，其特征在于，
上述钢管的上述管厚t为30mm以上。
5.如权利要求1或2所述的焊接有法兰盘的钢管，其特征在于，
上述钢管用于风力发电塔的钢管柱。
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