JP4248058B2

JP4248058B2 - 耐摩耗性金属管及びその製造方法

Info

Publication number: JP4248058B2
Application number: JP29768398A
Authority: JP
Inventors: 洋一松原; 義信曽地; 正継藤田
Original assignee: Dai Ichi High Frequency Co Ltd
Current assignee: Dai Ichi High Frequency Co Ltd
Priority date: 1998-10-20
Filing date: 1998-10-20
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2018-10-20
Also published as: JP2000120939A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐摩耗性に優れた金属管及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼管には、その用途によって内面や外面に優れた耐摩耗性を要求されることがあり、従来より耐摩耗性を向上させるために、焼入れを行うとか、溶射や回転ライニングにより金属系耐摩耗性被覆を形成するといった冶金的処理が採られていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、鋼管に焼入れを施すと、耐摩耗性は向上するものの、溶接接合時に割れる恐れが生じ、このため、管端にフランジを溶接接合するとか、配管時に管端同志を突き合わせて溶接接合するという作業を行うことが困難になるといった問題があった。また、自溶合金などの金属系耐摩耗性被覆を形成した場合においても、溶接接合時に耐摩耗性被覆が割れる恐れがあり、やはり溶接作業が困難になるという問題があった。
【０００４】
なお、フランジ付鋼管を製造する場合には、あらかじめ鋼管にフランジを溶接接合し、そのフランジ付鋼管に対して、焼入れを施すとか、耐摩耗性被覆を形成することで、耐摩耗性に優れたフランジ付鋼管を製造することは可能である。しかしながら、フランジ付鋼管に対する焼入れ操作や、耐摩耗性被覆の形成操作は高能率化が図りにくく、コスト高となるという問題がある。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、管端に対して溶接を施すことの可能な且つ管内面又は外面若しくは管の内外面に必要な耐摩耗性を備えた耐摩耗性金属管及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の耐摩耗性金属管は、管端における溶接接合を可能とするため、金属系耐摩耗性被覆の形成といった耐摩耗性を向上させる冶金的処理を、管端の溶接時の熱影響を大きく受ける領域を除いた管体中央部分に施し、管端を含む小区間には管体中央部分よりも肉厚を大きくした厚肉部を設けることによって、摩耗による肉厚減少を補償する構成としたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の耐摩耗性金属管は、金属の管体の両端部分の、管端を含む小区間に、前記管体に増肉加工を施すことによって、前記小区間に挟まれた管体中央部分よりも肉厚を大きくした厚肉部を前記管体中央部分と一体構造に設けるとともに、管端の溶接時の熱影響を大きく受ける領域を除いた領域で且つ少なくとも前記管体中央部分を含む領域の管内面又は管外面若しくは管の内外面に、耐摩耗性被覆処理を施したことを特徴とするものである。ここで、管体の両端部分に設ける厚肉部は、管内外に出っ張る形状のものでもよいし、管内外の一方にのみ出っ張る形状のものでもよい。耐摩耗性金属管に使用する管体は、通常は鋼管であるが、それ以外の溶接接合可能な金属管を用いても良い。管体の形態は、円筒状、角筒状等任意であり、且つ直管、曲がり管のいずれでもよい。以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【０００８】
図１は、スラリー等の管体内面を摩耗させやすい流体輸送に供される、本発明の一実施形態による耐摩耗性金属管（以下金属管と略称する）１を示す概略断面図、図２はその金属管１の管端近傍を拡大して示す概略断面図である。金属管１は鋼管からなる管体２を有しており、その管体２は一定肉厚の管体中央部分２ａを備えると共に、管体２の両端部分の、管端を含む小区間（長さＬで示す小区間）に、該小区間に挟まれた管体中央部分２ａよりも肉厚を大きくした厚肉部２ｂを設けている。管体２の管体中央部分２ａの内面には、耐摩耗性を向上させる冶金的処理として金属系の耐摩耗性被覆５を施している。なお、金属管１の用途によっては、外面に耐摩耗性を要求される場合（例えば、金属管を砂漠等に敷設し、砂嵐等に外面がさらされて摩耗しやすい場合、金属管が熱交換器等に設けられ、外面側を高速で燃焼ガスなどが流れて摩耗しやすい場合等）があり、その場合には耐摩耗性被覆を管体中央部分２ａの外面に設ける。また、金属管の内外面に耐摩耗性を要求される場合には、当然耐摩耗性被覆は管体中央部分２ａの内外両面に設ける。
【０００９】
管体２の管端に設ける厚肉部２ｂは、図３に示すように、フランジ７を溶接金属８によって溶接接合するとか、図４に示すように管端同志を突き合わせ、溶接金属９によって溶接接合するために使用されるものであり、溶接時に割れ等のトラブルを生じることのないよう、焼入等の硬化処理は行っていない。このため、この厚肉部２ｂは摩耗しやすいが、その肉厚を大きくすることで、必要な耐用年数を確保している。換言すれば、図２において厚肉部２ｂの肉厚ｔは、金属管１をあらかじめ設定した耐用年数（例えば、３年）に渡って使用し、管体内面が内部を流れる流体で摩耗しても、必要な強度を確保しうる肉厚（通常、管体中央部分２ａの肉厚ｔ₀ に等しい）を確保できるように定めている。この肉厚ｔは、設定する耐用年数によっても異なるが、一般的には、寿命増メリットと増肉加工のコストとの兼合から、管体中央部分２ａの肉厚ｔ₀ の１．２〜３倍程度に設定することが好ましい。厚肉部２ｂの区間長さＬは、管端に対する溶接作業時の熱影響が耐摩耗性被覆５に大きく及んでその耐摩耗性被覆５に割れ等のトラブルを生じることがないように定めるものであり、２５〜１５０ｍｍ程度に選定することが好ましい。
【００１０】
耐摩耗性被覆５は管体２の耐摩耗性を向上させるために設けたものであり、当然管体２よりも耐摩耗性の大きい材料が選定される。具体的には、耐摩耗性被覆５としては、Ｎｉ基又はＣｏ基等の自溶合金被覆、或いはその自溶合金にタングステンカーバイド等のセラミックを混合した被覆等を挙げることができる。耐摩耗性被覆５の形成位置は少なくとも肉厚の薄い管体中央部分２ａとするが、必要に応じて厚肉部２ｂに、管端の溶接接合の影響を受けて亀裂等が生じない区間ないしは厚さの範囲で形成してもよい。耐摩耗性被覆５の肉厚ｔ₁ は、金属管１の所望の耐用年数を確保しうるように（例えば、所望の年数の使用により耐摩耗性被覆５が摩耗しきって管体中央部分２ａの管体の摩耗が始まらないよう、予想摩耗量よりも若干大き目に）、定めるものであり、具体的には管体２の内径、肉厚等によっても異なるが、耐用年数と施工適性との兼合から０．５〜５ｍｍ程度に定めることが好ましく、また、管体の耐摩耗性との関係では管体中央部分２ａの肉厚に対する比率を０．１〜０．５程度に選定することが好ましい。
【００１１】
前記したように、厚肉部２ｂの肉厚ｔも耐摩耗性被覆５の肉厚ｔ₁ も共に金属管１に設定する耐用年数を考慮して定めるものであるので、両者の肉厚はそれぞれの摩耗速度から次のように定めることもできる。すなわち、自溶合金からなる耐摩耗性被覆５の摩耗速度は、厚肉部２ｂを普通鋼で焼入を行わないとした場合の摩耗速度の約１／４であるものとして、厚肉部２ｂの肉厚増加分（＝ｔ−ｔ₀ ）は、耐摩耗性被覆５の肉厚ｔ₁ の約４倍程度とすればよい。例えば、管体中央部分２ａの肉厚ｔ₀ を４ｍｍ、耐摩耗性被覆５の肉厚ｔ₁ を１ｍｍとした場合には、厚肉部２ｂの肉厚増加分は耐摩耗性被覆５の肉厚ｔ₁ の４倍即ち４ｍｍ程度とすればよく、従って、厚肉部２ｂの肉厚ｔは８ｍｍ（元の肉厚の２倍）としておけばよい。更に一般的には、耐摩耗性被覆５の摩耗速度を、厚肉部２ｂの摩耗速度の１／ｎとすると、厚肉部２ｂの肉厚ｔは耐摩耗性被覆５の肉厚ｔ₁ に対して次式を目安として定めればよい。
ｔ＝ｔ₀ ＋ｎｔ₁ ・・・（１）
【００１２】
図２において、管体２の管端に形成した厚肉部２ｂは、管内外に出っ張る形状としているが、本発明はこれに限らず、管内外の一方にのみ出っ張る形状としてもよい。厚肉部２ｂを耐摩耗性被覆５を形成した側に出っ張らせる場合には、厚肉化に伴う管体の出っ張り高さを、前記被覆を施した側の面に関して耐摩耗性被覆５の膜厚以上、厚肉部２ｂの肉厚増加分以下とすることが好ましい。この構成とすると、使用開始時における厚肉部２ｂ内面の出っ張り高さが極端に大きくなるとか、長期間の使用後における摩耗による厚肉部２ｂの内面の凹みが極端に大きくなるということを防止でき、管内の流れに対する悪影響が避けられるという利点が得られる。また、厚肉部２ｂの管体中央部分２ａに接する側に、肉厚が管体中央部分側を起点として漸増するテーパー部２ｃを設けることが好ましい。このようなテーパー部２ｃを設けると、管内の流れが乱されにくくなり、また、管体の強度、剛性が急激に変化する領域がなく、管体の応力集中を防止できる利点が得られる。
【００１３】
次に、上記構成の金属管１の製造方法を説明する。まず、一定肉厚ｔ₀ の鋼管を用意し、その両端に増肉加工を施して厚肉部２ｂを形成する。この増肉加工は熱間、冷間のいずれで行っても良いが、熱間据込み増肉加工を採用することが、加工のための圧縮力を小さくでき、従って圧縮装置を小型化でき且つ残留応力を少なくできるので好ましい。ここで、熱間据込み増肉加工とは、加工すべき領域を塑性変形容易な温度（通常、赤熱温度以上、例えば、鋼管に対しては、９００〜１３００°Ｃ程度が好ましい）に加熱し、管軸方向の圧縮力を加えて増肉させる方法である。この熱間据込み増肉加工の具体的方法としては、次の３つの方法を挙げることができ、いずれを採用してもよい。
【００１４】
（１）連続式熱間据込み増肉加工方法
この方法は、図５に示すように、増肉加工すべき鋼管である管体２の一端を支持部材１０で支え、反対端から押圧装置（図示せず）で管体２に矢印Ｆで示す管軸方向の圧縮力を加えた状態で、管体２の狭い幅の区間１１を誘導コイル１２によって塑性変形容易な温度に加熱して増肉させると共にその誘導コイル１２を管体２に対して矢印Ａ方向に連続的に相対移動させ且つ後ろ側の増肉直後の部分に冷却媒体１３を吹き付けて冷却固化させることで、管体２を連続的に増肉させ、所望長さの厚肉部２ｂを形成する方法である。この連続式では、管体２の内外面を型具で規制しないフリーの状態でも安定した増肉加工が可能であり、内外面にほぼ同様に出っ張った厚肉部を形成できる。なお、管体の内外面への出っ張り量を規制したい場合には、内外面のいずれかを型具で規制すればよい。
【００１５】
（２）逐次式熱間据込み増肉加工方法
この方法は、増肉加工すべき管体の加工すべき領域内の狭い幅の区間を塑性変形容易な温度に加熱し、管軸方向の圧縮力を加えて、その区間を増肉させて厚肉部を形成し、その厚肉部が冷却して固化した後、隣接した区間を塑性変形容易な温度に加熱し、その部分に圧縮力を作用させて増肉させるという動作を繰り返し、所望長さの厚肉部を形成する方法である。この逐次式でも、管体の内外面を型具で規制しないフリーの状態でも安定した増肉加工が可能であり、又、管体の内外面への出っ張り量を規制したい場合には、内外面のいずれかを型具で規制すればよい。
【００１６】
（３）一発式熱間据込み増肉加工方法
この方法は、管体の加工すべき領域全体を塑性変形容易な温度に加熱し、管軸方向の圧縮力を加えて、全体を同時に増肉させて厚肉部を形成する方法である。一発式では、座屈等を生じることなく安定した増肉加工を行うため、通常管体の内外面の一方又は双方を規制する型具を使用する。
【００１７】
上記したように管体２に対して増肉加工を施して両端に厚肉部２ｂを形成した後、厚肉部２ｂの端部近傍を切断して管端の整形を行う（なお、この動作は後述する被覆形成後に行っても良い）。次に、両端の厚肉部２ｂで挟まれた管体中央部分２ａに耐摩耗性被覆５を形成する。耐摩耗性被覆５の形成は公知の技法を適宜使用可能であり、耐摩耗性被覆５を形成する材料に適した方法を採用すればよい。例えば、自溶合金或いはセラミックを含有した自溶合金からなる耐摩耗性被覆５を形成するには、溶射法、回転ライニング法等を挙げることができる。ここで回転ライニング法とは、管体２を回転させながら、その内周面に耐摩耗性被覆を形成するための粉末金属を供給し、管体２を加熱して粉末金属を管体内面に付着させ、被覆を形成する方法である。溶射法、回転ライニング法等によって形成した自溶合金による被覆に対しては、自溶合金を再度溶融させて気孔を無くし且つ母材に対する接合を確実とするよう再溶融処理を施すことが好ましい。回転ライニング法を採用する場合には、特公平５−４７１号公報、特公平５−３３３０７号公報、特許第２７２７４５０号公報に記載されている方法を採用することが、粉末金属の焼結被覆の形成及びそれに続き再溶融処理を１工程で行い、気孔のない緻密な耐摩耗性被覆５を生産性よく形成できるので好ましい。
【００１８】
以上のようにして図１に示す金属管１が製造される。この構成の金属管１は、図３に示すように、その端部にフランジ７を溶接接合し、フランジ付金属管として使用される。また、図４に示すように、管端同志を直接突き合わせ、溶接接合して使用することもできる。いずれの使用においても、焼入などの処理が施されていない管端の厚肉部２ｂを、割れ等を生じることなく支障なく溶接接合することができ、配管作業が容易となる。また、厚肉部２ｂを長くしておけば、配管施工現場において、管端の厚肉部２ｂの一部を切り落とし、金属管１の全長を所望の取付長さに応じて調整することもでき、作業性が一層よくなる。
【００１９】
この金属管１の使用中において、内部を流れる流体によって金属管内面に摩耗が生じ、厚肉部２ｂでは耐摩耗性向上のための処理を施していないのでその摩耗量が大きくなるが、厚肉部２ｂは肉厚を大きくしているので、摩耗が多くても必要な肉厚を確保できる。このため、厚肉部２ｂも耐摩耗性被覆５を形成している管体中央部分２ａと同様な耐用年数を確保でき、所望の年数に亘って支障なく使用できる。
【００２２】
図６は本発明を曲げ管に適用した実施形態を示すものであり、金属管１Ｂは両端に直管部を残し、中央部分を曲げ部とした管体２を有している。この実施形態における管体２も、管端に溶接を施す際に過大な熱影響を受ける部分に厚肉部２ｂを形成し、両端の厚肉部２ｂ、２ｂ間の管体中央部分２ａは肉厚の薄いままとしている。そして、その管体中央部分２ａの内面に、耐摩耗性を向上させる冶金的処理として耐摩耗性被覆５を形成している。この構成の金属管１Ｂも図１〜図４に示す金属管１と同様に、端部にフランジを溶接接合してフランジ付金属管として使用するとか、管端同志を突き合わせ、溶接接合して使用される。
【００２３】
次に、曲げ部を有する金属管１Ｂの製造方法を説明する。まず、直管状の金属管１の製造と同様に、一定肉厚の真っ直ぐな鋼管管体の両端に増肉加工を施して厚肉部２ｂを形成し、次いでその鋼管の内面に耐摩耗性被覆５を形成する。その後、その金属管に対して曲げ加工を行う。曲げ加工の方法としては、公知の方法を適宜用いればよいが、中でも、図７に示す誘導加熱を利用した連続熱間曲げ加工方法を採用することが好ましい。この連続熱間曲げ加工方法は、図７に示すように、曲げ加工すべき管体２の曲げ先端側を支点Ｏを中心として旋回可能な曲げアーム２３で把持し、その管体２の長手方向の小領域２４を誘導コイル２５で塑性変形容易な温度（例えば赤熱温度）に誘導加熱し、その管体２を矢印Ｂ方向に連続的に押すことによって、曲げアーム２３を旋回させ、加熱した小領域２４に曲げモーメントを付与して曲げ変形させ、同時に曲げ変形した直後の部分に誘導コイル２５から冷却水等の冷却媒体２６を噴射して冷却、固化させる方法であり、直管の所望領域に所望曲げ角度の曲げ加工を容易に行うことができるという利点を有している。
【００２４】
なお、連続熱間曲げ加工を行う際には管体を高温に加熱するので、加熱温度の設定によっては、管体内面に形成している自溶合金の耐摩耗性被覆５を再溶融処理することも可能である。従って、曲げ加工に供すべき、自溶合金の耐摩耗性被覆５を備えた金属管１Ｂを製造するに当たっては、直管状の管体の内面に自溶合金の耐摩耗性被覆５を形成する際、再溶融処理まで済ませておいてもよいが、溶融処理は行わず、単に溶射或いは回転ライニングによって焼結状態の被覆を形成し、その管体を連続熱間曲げ加工する際に曲げ加工と同時に被覆を再溶融処理して被覆中の気孔を無くし、緻密な耐摩耗性被覆５とする方法（特許第２６０７０８８号公報参照）を採用することもできる。この方法を採用すると、工程を簡略化してコストダウンを図ることができる。
【００２６】
図６に示す実施の形態の金属管１Ｂでは、両端の厚肉部２ｂを直管部とし、管体中央部分２ａを曲げ部としているが、厚肉部２ｂの一部も曲げ部とするように変更するとか、図８に示す金属管１Ｃのように厚肉部２ｂに続く管体中央部分２ａの一部迄を直管部とするように変更してもよい。ただし、図８に示す構成の金属管１Ｃを製造するための曲げ加工として、図７に示す曲げ装置を用い、曲げ加工と同時に内面の被覆５の再溶融処理も行おうとすると、図７の装置では、管体中央部分２ａのうち直管部となる部分の被覆５の再溶融処理を行うことができない。そこで、その場合には、図９（ａ）に示す方法を採用すればよい。
【００２７】
すなわち、図９に示すように、誘導コイル２５を管軸方向に移動可能としておき、まず、図９（ａ）に示すように、管体２を曲げアーム２３にセットし静止させた状態で、誘導コイル２５を厚肉部２ｂの内側の端部から矢印Ｃで示すように直管部を構成する管体中央部分２ａに沿って移動させて、その部分の被覆５の再溶融処理を行い、誘導コイル２５が曲げ基準線Ｏ−Ｐ上に到達した時点で、図９（ｂ）に示すように誘導コイル２５を停止させ、同時に管体２を矢印Ｂ方向に前進させて曲げ加工を開始し、曲げ加工と被覆の再溶融処理を行う。そして、図９（ｃ）に示すように、管体２の所定の範囲の曲げ加工が終了した時点で、管体２の移動を停止し、誘導コイル２５を矢印Ｃで示すように直管部を構成する管体中央部分２ａに沿って移動させて、その部分の被覆５の再溶融処理を行う。以上の動作により、曲げ部及びその両側の直管部に延びる管体中央部分２ａの全長の被覆５を再溶融処理することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明の耐摩耗性金属管は、金属系耐摩耗性被覆の形成といった耐摩耗性を向上させる冶金的処理を、管端の溶接時の熱影響を大きく受ける領域を除いた管体中央部分の管内面又は管外面若しくは管の内外面に施し、管端を含む小区間には管体中央部分よりも肉厚を大きくした厚肉部を設けるという構成としたことにより、管端に対して溶接接合を支障なく行うことができ、フランジを溶接接合してフランジ付金属管として使用するとか、管端同志を突き合わせて溶接接合するという使用方法を採用することができ、施工が容易となり、使用時には厚肉部が摩耗しても肉厚が大きいため耐摩耗処理を施している管体中央部分と同等の期間に亘って必要な肉厚を確保でき、耐用年数を長くすることができるという効果を有している。管体内面側に耐摩耗処理を施した金属管は、内部を流れる流体に対する耐摩耗性に優れるため、固形粒子を含むスラリー（例えば、コンクリート、水砕粉、コークス、セラミック等を含むスラリー）の輸送に好適である。
【００２９】
本発明の製造方法は、一定肉厚の鋼管等の管体の両端に熱間据込み増肉加工を施して肉厚部を形成しているので、低コストで両端に厚肉部を有する管体を製造でき、且つその厚肉部とそれに挟まれた管体中央部分とは継ぎ目のない完全に一体な構造であるので、継ぎ目による強度低下、品質むら等が発生せず、強度、品質の安定した管体を製造でき、結局、強度、品質の安定した耐摩耗性金属管を低コストで製造できるという効果を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施の形態による耐摩耗性金属管の概略断面図
【図２】図１の金属管の管端近傍を拡大して示す概略断面図
【図３】図１の金属管の端部にフランジを接合した状態を示す概略断面図
【図４】図１の金属管の端部を突き合わせて溶接接合した状態を示す概略断面図
【図５】管体に増肉加工を施す状態を示す概略断面図
【図６】本発明の他の実施の形態による耐摩耗性金属管を示す概略断面図
【図７】管体に連続熱間曲げ加工を施す状態を示す概略断面図
【図８】本発明の更に他の実施の形態による耐摩耗性金属管を示す概略断面図
【図９】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図８に示す金属管を製造する際の連続熱間曲げ加工を説明する概略断面図
【符号の説明】
１、１Ｂ、１Ｃ耐摩耗性金属管（金属管）
２管体
２ａ管体中央部分
２ｂ厚肉部
５耐摩耗性被覆
７フランジ
８、９溶接金属
１０支持部材
１２誘導コイル
１３冷却媒体
２３曲げアーム
２５誘導コイル
２６冷却媒体

Claims

金属の管体の両端部分の、管端を含む小区間に、前記管体に増肉加工を施すことによって、前記小区間に挟まれた管体中央部分よりも肉厚を大きくした厚肉部を前記管体中央部分と一体構造に設けるとともに、管端の溶接時の熱影響を大きく受ける領域を除いた領域で且つ少なくとも前記管体中央部分を含む領域の管内面又は管外面若しくは管の内外面に、耐摩耗性被覆処理を施したことを特徴とする耐摩耗性金属管。
前記厚肉部の肉厚を前記管体中央部分の肉厚の１．２〜３倍とした請求項１記載の耐摩耗性金属管。
前記厚肉部の区間長さを２５〜１５０ｍｍとした、請求項１又は２記載の耐摩耗性金属管。
前記厚肉部の、厚肉化に伴う管体の出っ張り高さを、前記被覆を施した側の面に関して該被覆の膜厚以上、厚肉部の肉厚増加分以下とした、請求項１から３のいずれか１項記載の耐摩耗性金属管。
前記厚肉部の前記管体中央部分に接する側に、肉厚が管体中央部分側を起点として漸増するテーパー部を設けた、請求項１から４のいずれか１項記載の耐摩耗性金属管。
前記厚肉部を熱間据込み増肉加工によって形成する、請求項１〜５のいずれか１項記載の耐摩耗性金属管の製造方法。