JP2007296537A - 溶接部特性の良好な電縫管の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電縫管を製造するに際して、電縫溶接前の板（帯材）の端部にテーパ形状を適切に付与することによって、溶接品質を良好に保持することができる溶接部特性の良好な電縫管の製造方法を提供する。
【解決手段】切削工具３によって、帯材２０の上面側端部に、テーパ角度が２５°〜４０°、テーパ高さが板厚の５０％〜９０％となるテーパ形状を付与するとともに、フィンパス成形スタンド４の最終スタンド４ａにおいて、管３０の外面側端部に、テーパ角度が２５°〜４０°、テーパ高さが板厚の２０％〜４０％となるテーパ形状を付与する。
【選択図】図１

Description

本発明は、油井ラインパイプ向けなどの溶接部の靭性が要求される管あるいは油井のケーシングパイプなどの溶接部強度が要求される管の製造方法に関わる。

通常、管は溶接管と継目無管に大別される。溶接管は、電縫鋼管を例とするように、板をロール成形等によって丸めて端部を突き合わせて溶接して製造し、継目無管は、材料の塊を高温で穿孔しマンドレルミル等で圧延して製造する。溶接管の場合、一般に溶接部の特性は母材より劣ると言われ、管の適用に当たって、用途ごとに溶接部の靭性や強度の保証が常に議論されて問題となってきた。

例えば、原油や天然ガスなどを輸送するラインパイプでは、管を寒冷地に敷設されることが多いため低温靭性が重要であり、また、原油採掘の油井では採掘管を保護するためのケーシングパイプが必要とされ、管の強度が重要視される。

通常、電縫管の母材となる熱延板（帯材）は、管製造後の母材特性を考慮して成分設計や熱処理等が行われて、母材の靭性や強度等の特性は確保される。

しかし、溶接部の特性は、母材の成分設計や熱処理等以上に、電縫溶接方法によって大きく左右されるため、溶接技術の開発が重要であった。

電縫溶接の不良原因としては、ペネトレータと呼ばれる溶接板材の端面に生成する酸化物が、電縫溶接時に溶鋼とともに端面から排出されずに残留し、この残留したペネトレータを原因として靭性が低下し強度不足になる例が多かった。

そこで、従来、電縫溶接不良の主原因であるペネトレータを溶接部から除くため、溶接部の板端面から積極的に溶鋼を排出する技術が鋭意検討されてきた。例えば、特許文献１や特許文献２などに、板端面の形状について検討した例が記載されている。すなわち、通常、母材となる熱延板の端面はスリットや端面研削によってほぼ矩形を呈しているが、この端面に対してロール成形の前においてテーパ加工を施し、テーパ加工した端部形状によって電縫溶接時の溶鋼排出を良好にすることを目的としている。
特開２００１−１７０７７９号公報 特開２００３−１６４９０９号公報

しかし、特許文献１や特許文献２に記載された電縫管製造方法では、単にテーパ加工手段として、孔型ロール、切削バイト、研削ロールを羅列して紹介しているのみであるため、具体的に電縫管製造工程に適用するには種々の問題があり、さらに詳細な検討が必要であった。

すなわち、電縫管の製造過程では、板（帯材）はロール成形した後に電縫溶接されるが、このロール成形では、板を管にするため円周方向の曲げを加え、あるいは、電縫溶接での板端部同士の突き合わせ精度を良好に保つため、フィンパス圧延と呼ばれる、ロール成形の前半で丸めた板端部を拘束して断面を円に近い形状とする工程が必要である。このフィンパス成形において、断面を円形状にするためには、板端部をフィンパスロールに充分充満させる必要があることから、板端部はフィンパスロールのフィンに強圧されることになる。その結果、ロール成形前に加工していたテーパ形状が潰れて、ペネトレータ排出に充分なテーパ量を確保できなくなる場合があり、単に板端部にテーパ形状を付与するだけでは、電縫溶接時に充分な溶鋼排出ができず、ペネトレータを十分取り除くことができなくて、溶接品質を良好に保持することが著しく難しかった。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、電縫管を製造するに際して、電縫溶接前の板（帯材）の端部にテーパ形状を適切に付与することによって、溶接品質を良好に保持することができる溶接部特性の良好な電縫管の製造方法を提供することを目的とするものである。

前記の課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。

［１］帯材をロール成形し端部を突き合わせて電縫溶接して管とする電縫管の製造方法において、ロール成形前の帯材に対して、いずれかの表面側の端部に切削または研磨でテーパ形状を付与することとし、そのテーパの板厚方向に対する角度を２５°〜４０°、テーパの板厚方向の長さを板厚の５０％〜９０％とすることを特徴とする溶接部特性の良好な電縫管の製造方法。

［２］ロール成形途中のフィンパス成形において、ロール成形前にテーパ形状を付与した側と反対の表面側の端部にテーパ形状を付与することとし、そのテーパの板厚方向に対する角度を２５°〜４０°、テーパの板厚方向の長さを板厚の２０％〜４０％とすることを特徴とする前記［１］に記載の溶接部特性の良好な電縫管の製造方法。

［３］フィンパス成形での帯材の端部潰れによる板幅減少を補正して、予めその板幅減少量だけ板幅を広くした帯材を用いて電縫管を製造することを特徴とする前記［１］または［２］に記載の溶接部特性の良好な電縫管の製造方法。

本発明は、著しく良好な靭性および溶接強度を有する電縫管を高能率に製造することができる。

特許文献１や特許文献２に記載された電縫管製造方法では、単にテーパ形状付与手段として、孔型ロール、切削バイト、研削ロールを羅列して紹介しているのみであるが、実際の電縫管製造工程では種々の厚さの板をロール成形して管にしているので、板端部に単独でテーパ形状を付与する手段を用いた場合、例えば、孔型ロールを用いて板の上面側および下面側の端部にテーパ形状を付与するようにした場合、板の厚さが変更になった時に孔型ロールの交換などが必要となり、製造能率を著しく低下させていた。

そこで、本発明者らは、板厚が変わっても製造能率を低下させずに、板端部にテーパ形状を付与する手段を検討した。

その結果、上面側の板端部と下面側の板端部ごとに、テーパ形状を付与する手段を変更して、複数の手段でテーパ形状を付与することとした。すなわち、上面側および下面側の板端部に複数の手段でテーパ形状を付与することにして、一方の表面側の端部にテーパ形状を付与した後に、他方の表面側の端部にテーパ形状を付与すれば、板厚が種々異なっても、テーパ形状を付与する手段の上下位置を微調整するだけで、製造能率を低下させることなく、板の上下両端部にテーパ形状を付与できるからである。

その際に、ロール成形前の板はほぼ平坦であるため、ロール成形前に切削や研磨によっていずれかの表面側の板端部にテーパ形状を付与するとよいが、板端部が加工硬化していないことから、前述したように、フィンパス成形における板端部の強圧の影響により、板端部が大きく変形して、付与したテーパ形状がほとんど損なわれてしまう事態を招く可能性がある。

そこで、本発明者らは、フィンパス成形において板端部がどの程度変形してテーパ形状が損なわれるか、種々の検討を行った。なお、フィンパス成形は２スタンドまたは３スタンドのスタンド数で行うのが一般的である。

その結果、フィンパスの第１スタンドにおいては、入側の板端部がほとんど加工硬化していないため、テーパの約４０％〜６０％が損なわれる。そして、フィンパスの第２スタンドでは、板端部がフィンパス第１スタンドで強圧されて加工硬化するため、残ったテーパの１０％〜３０％が損なわれることを把握した。また、その後にスタンド数が増加しても、前のスタンドで残ったテーパの１０％〜３０％が各スタンドごとに損なわれることも把握した。

一方、フィンパス成形後の電縫溶接直前における最適なテーパ形状について検討した結果、垂線からの角度（テーパの板厚方向に対する角度）を２５°〜５０°の範囲として、テーパ開始位置から終了位置までの垂線の長さ（テーパの板厚方向の長さ）を板厚の２０％〜４０％とすると良いことを把握した。

すなわち、垂線からの角度を２５°未満とすると、板厚中央部からの溶鋼排出が不十分となってペネトレータが残留して不良となり、電縫溶接後の靭性や強度が低下し、垂線からの角度を５０°超えとすると、電縫溶接後にもそのテーパ形状が製品の管の疵として残留し問題である。また、テーパ開始位置から終了位置までの垂線の長さについては、板厚の２０％未満であると、板厚中央部の溶鋼排出が不十分となってペネトレータが残留しやすくなり、板厚の４０％を超えると電縫溶接後にもそのテーパ形状が製品の管の疵として残留し問題となる。

これらの結果から、ロール成形前（フィンパス成形前）に、予め切削や研磨によって一方の表面側の板端部に付与するテーパ形状を逆算すると、テーパ開始位置から終了位置までの垂線の長さを板厚の５０％〜９０％とするとよいことを把握できた。

そして、他方の表面側の板端部にテーパ形状を付与するには、ロール成形途中のフィンパス成形を活用するとよい。フィンパス成形では板をフィンパスロールに充満させるため、板端部が強圧される。従って、フィンパス成形において、フィン形状を２段以上のテーパとして、このフィン形状を板端部の強圧を活用して板に転写させるとよいからである。

なお、フィンパス成形において付与するテーパ形状については、前述したように、電縫溶接直前における最適なテーパ形状である、垂線からの角度（テーパの板厚方向に対する角度）を２５°〜５０°、テーパ開始位置から終了位置までの垂線の長さ（テーパの板厚方向の長さ）を板厚の２０％〜４０％とする。

上記の考え方に基づいて構成した本発明の一実施形態における電縫管製造ラインを図１に示す。この電縫管製造ラインは、帯材２０を、アンコイラ１から払い出し、レベラー２で平坦に矯正し、ロール成形機５で帯材２０を徐々に丸めていき、丸めた帯材２０の左右両端部を、誘導加熱部６とスクイズロール（電縫溶接部）７からなる電縫溶接機で電縫溶接して管３０となし、管３０の溶接ビード部をビード部切削機８で切削し、切削後の管３０を、サイザー９にて外径調整した後、管切断機１０で所定長さに切断するという基本構成を有している。なお、ロール成形機５は最後段に所定スタンド数（ここでは２スタンド）のフィンパス成形スタンド４を備えている。

そして、この実施形態においては、上記の基本構成に加え、レベラー２とロール成形機５の間に、切削刃をロール状に配置した切削工具（またはロール状砥石）３を帯材２０の幅方向に左右一対備えている。それによって、図２に示すように、帯材２０の上面側（管３０の内面側）の左右両端部に対して、板厚方向に対する角度（テーパ角度）γが２５°〜４０°、テーパの板厚方向の長さ（テーパ高さ）δが板厚の５０％〜９０％となるテーパ形状を付与するようになっている。

さらに、この実施形態においては、図３（ａ）に図１のＡ−Ａ矢視図を示し、図３（ｂ）にその部分詳細図を示すように、フィンパス成形スタンド４の最終スタンド４ａが、所定の２段テーパ（２段目のテーパ傾斜角度α、２段目の傾斜部垂直長さβ）となったフィン形状を備えている。そのフィン形状を帯材２０の幅端部に転写することによって、帯材２０の下面側（管３０の外面側）の左右両端部に、板厚方向に対する角度（テーパ角度）が２５°〜４０°、テーパの板厚方向の長さ（テーパ高さ）が板厚の２０％〜４０％となるテーパ形状を付与するようになっている。

これにより、板厚が異なる帯材の上面側および下面側の端部にテーパ形状を付与する場合、帯材２０の上面側（管３０の内周側）の端部に対しては、切削刃をロール状に配置した切削工具（またはロール状砥石）３を用いて、その高さ方向位置を微調整して、板厚方向の所定位置を切削または研削し、他方、帯材２０の下面側（管３０の外周側）の端部に対しては、フィンパス成形で板厚方向の所定位置にテーパ形状を転写すれば、製造能率を低下せることなく、板厚に応じて帯材の上下面双方の端部に所定のテーパ形状を付与することができる。

なお、その際に、フィンパス成形での端部潰れにより、板幅が大きく減少する場合があるので、これを補正して、予め板幅減少量だけ幅を広くした帯材を用いて電縫管を製造すると、所望する外径の電縫管を容易に製造できるわけである。

このようにして、この実施形態においては、電縫溶接前の帯材の端部にテーパ形状を適切に付与することができるので、著しく良好な靭性および溶接強度を有する電縫管を高能率に製造することができる。

なお、この実施形態では、ロール成形前に帯材２０の上面側（管３０の内周側）の端部にテーパ形状を付与し、フィンパス成形で帯材２０の下面側（管３０の外面側）の端部にテーパ形状を付与するようにしているが、場合によっては、ロール成形前に帯材２０の下面側（管３０の外周側）の端部にテーパ形状を付与し、フィンパス成形で帯材２０の上面側（管３０の内面側）の端部にテーパ形状を付与するようにしてもよい。

また、上記においては、帯材２０の上面側が管３０の内周側となる製造ラインを前提にしているが、本発明は、帯材２０の上面側が管３０の外周側となる電縫管製造ラインにおいても、同様に適用することができることはいうまでもない。

以下、実施例に基づいて説明する。

ここでは、板幅１９２０ｍｍ×１９．１ｔｍｍの帯材（鋼帯）を用いて、下記に示す本発明例１、本発明例２、比較例、従来例によって、それぞれφ６００の電縫管を製造した。

そして、製造した電縫管の溶接部から試験片を切り出してシャルピー試験を行い、性能を評価した。シャルピー試験片は、管長手方向の相違する１０点から１本ずつ、試験片長さ方向を管円周方向に平行にし、ノッチ長さ中心を溶接部肉厚中心位置として採取し、ＪＩＳ５号の２ｍｍＶノッチ衝撃試験片として、−４６℃での衝撃試験を行い、吸収エネルギー、脆性破面率を測定した。なお、吸収エネルギーは１２５Ｊ以上、脆性破面率が３５％以下を性能許容範囲とした。

（本発明例１）本発明例１として、前述の実施形態に基づいて上記の電縫管を製造した。その際に、ロール成形前であるレベラー加工後において、切削刃をロール状に配置した切削工具（切削ロール）を用いて、板の上面側端部（管の内面側端部）を切削し、テーパ角度が３０°、テーパ高さが板厚の７０％となるほぼ直線上のテーパ形状を付与した。そして、２スタンドのフィンパス成形の第２スタンドにおいて、管の外面側端部（板の下面側端部）に、テーパ角度が３０°、テーパ高さが板厚の３０％となるほぼ直線上のテーパ形状を付与した。

（本発明例２）本発明例２として、前述の実施形態に基づいて上記の電縫管を製造した。その際に、ロール成形前であるレベラー加工後において、ロール状砥石を用いて、板の上面側端部（管の内面側端部）を切削し、テーパ角度が４０°、テーパ高さが板厚の８５％となるほぼ直線上のテーパ形状を付与した。そして、３スタンドのフィンパス成形の第３スタンドにおいて、管の外面側端部（板の下面側端部）に、テーパ角度が４０°、テーパ高さが板厚の２５％となるほぼ直線上のテーパを付与した。

（比較例）比較例として、上記の電縫管を製造するに際して、ロール成形前であるレベラー加工後において、ロール状砥石を用いて、板の上面側端部および下面側端部双方とも研削し、テーパ角度が２０°、テーパ高さが板厚の４０％となるほぼ直線上のテーパを付与した。そして、通常どおりの一段テーパのフィンを有する３スタンドのフィンパススタンドで成形した。

（従来例）従来例として、上記の電縫管を製造するに際して、ロール成形前であるレベラー加工後において、板の端部を垂直に平滑研磨し、その後、従来どおりのロール成形を経るようにして、電縫管を製造した。

これらにより製造した電縫管の溶接部におけるシャルピー衝撃値と脆性破面率を測定した結果を表１に示す。なお、比較例においは、フィンパス成形後の電縫溶接直前のテーパ形状がテーパ高さが板厚の１０％以下となり、フィンパス成形でテーパ高さが著しく減少していた。

表１より、本発明例１、２による電縫管は、溶接部の衝撃強度が高く脆性破面率が小さくて、靭性が良好であって、製品の信頼性が高い。これに比較して、比較例および従来例による電縫管は、溶接部の衝撃強度が低く脆性破面率が大きくて、靭性が低下しており、製品の信頼性に乏しかった。

本発明の一実施形態における電縫管製造ラインを示す図である。 ロール成形前に帯材の上面側端面に付与したテーパ形状を示す図である。 ２段テーパを備えたフィン形状のフィンパススタンドを示す図である。

符号の説明

１ アンコイラ
２ レベラー
３ 切削刃をロール状に配置した切削工具（またはロール状砥石）
４ フィンパス成形スタンド
５ ロール成形機
６ 誘導加熱装置
７ スクイズロール（電縫溶接部）
８ ビード部切削機
９ サイザー
１０ 管切断機
２０ 帯材
３０ 管

Claims (3)

1. 帯材をロール成形し端部を突き合わせて電縫溶接して管とする電縫管の製造方法において、ロール成形前の帯材に対して、いずれかの表面側の端部に切削または研磨でテーパ形状を付与することとし、そのテーパの板厚方向に対する角度を２５°〜４０°、テーパの板厚方向の長さを板厚の５０％〜９０％とすることを特徴とする溶接部特性の良好な電縫管の製造方法。
2. ロール成形途中のフィンパス成形において、ロール成形前にテーパ形状を付与した側と反対の表面側の端部にテーパ形状を付与することとし、そのテーパの板厚方向に対する角度を２５°〜４０°、テーパの板厚方向の長さを板厚の２０％〜４０％とすることを特徴とする請求項１に記載の溶接部特性の良好な電縫管の製造方法。
3. フィンパス成形での帯材の端部潰れによる板幅減少を補正して、予めその板幅減少量だけ板幅を広くした帯材を用いて電縫管を製造することを特徴とする請求項１または２に記載の溶接部特性の良好な電縫管の製造方法。

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