JP4311502B2 - 内面リブ付鋼管の製造方法および内面リブ付鋼管 - Google Patents

Description

本発明は、引抜加工により鋼管内面に螺旋状のリブ（突起）を形成させる内面リブ付鋼管の製造方法および内面リブ付鋼管に関し、さらに詳しくは、螺旋状のリブを安定して加工することができる内面リブ付鋼管の製造方法、およびこの方法を用いて得られた内面リブ付鋼管に関するものである。

通常、ボイラー用、熱交換器用等の高温耐熱部には、発電効率を向上させるため、鋼管内面に螺旋状のリブ（突起）を形成した内面リブ付鋼管（ライフルチューブ）が用いられる。内面リブ付鋼管の内面は、内面のリブにより広い表面積を有するため、加熱された管内面と管内部を通過する水蒸気との接触面積が増加されるとともに、水蒸気を含む流体を乱流にして熱交換効率を高めている。最近のボイラーの大容量化や高温高圧化にともない、内面リブ付鋼管の需要は急速に増大している。

内面リブ付鋼管の製造は、継目無鋼管または電縫鋼管を素管として製造し、必要に応じて、その素管を十分に軟化させた後、冷間工程にて引抜用ダイスおよび外周面にリブ形成用の螺旋溝を構成したプラグを用いて、引抜加工される。

図１は、引抜加工によって内面リブ付鋼管を製造する方法を概略的に説明する図である。素管３を引抜加工する際には、ダイス２および素管３に対して同心状にプラグ１を素管３の内面に挿入し、プラグ１を回転させながら素管３を白抜き矢印の方向に引き抜く。素管３の外面は、ダイス２によって絞られる。素管３の内面は、プラグ１の外周面に形成された螺旋溝１ａに沿って成形され、引抜後の素管３の内周面には、螺旋状のリブ３ａが形成される。

使用するプラグ１は、自由に回転でき、およびマンドレル４に保持される。そのプラグ形状は、内面リブ付鋼管のリブ高さ、リブ形状等（特に、リブコーナー部およびリード角）の品質に大きな影響を及ぼし、引抜条件によっては、素管とプラグとの間で焼き付きが生じる。

このため、従来から、内面リブ付鋼管の製造に関し、プラグ構造や形状について、種々の提案がなされている。例えば、特開２００１−１７９３２７号公報には、プラグの螺旋溝を形作る両側壁と底面とが交わる部分の曲率半径を、プラグの先端部側から後端部側に至るまで一定に保つと共に、プラグの先端部側から後端部側に向けて一定の勾配で縮径させたプラグが提案されている。

また、特開２００６−２７２３９２号公報では、螺旋溝の溝山のエッジを曲線状あるいは直線状に面取りして、溝山の頂部と素管との接触面積を低減し、これにより溝山の頂部と素管との間に生じる摩擦抵抗の低減を図る内面リブ付鋼管の引抜加工用工具が開示されている。

前述した両公報で開示されたプラグを用いることにより、内面リブ付鋼管用素管の引抜加工時に焼き付きの発生を防止できるとともに、プラグ自体も比較的容易に且つ安価に製造でき、内面リブ付鋼管製造コストを大幅に低減することができると記載されている。

ところが、プラグの形状や構造にかかわらず、曲がった素管を螺旋状リブを形成するために引抜加工すると、この素管曲がりに起因してトラブルが多発する。さらに、曲がり矯正を施した素管を螺旋状リブを形成するために引抜加工しても、螺旋状リブを形成する方向によっては引抜加工トラブルが多発する。

継目無鋼管または電縫鋼管のいずれもが、内面リブ付鋼管用素管として適用できるが、継目無鋼管を素管として採用する場合に、螺旋状リブを形成するための引抜加工前に、素管の管軸方向断面を略真円に矯正するための引抜加工（以下、「円仕上げ引抜」という）を施すことが望ましく、これにより、素管の成形性および内面リブ付鋼管の精度を著しく向上させることができる。

本発明は、上述した内面リブ付鋼管の引抜加工時の状況に鑑みてなされたものであり、螺旋状リブを形成するための引抜加工前に、素管に曲がり矯正を施すこと、曲がり矯正を施した素管内面に螺旋状リブを形成する場合はその形成する方向を最適にすること、さらに、適用する素管の種類に応じて引抜スケジュールを適正にすることにより、螺旋状リブを形成する引抜加工時のトラブルを低減し、安定して螺旋状リブを形成することができる内面リブ付鋼管の製造方法およびこの方法を用いた内面リブ付鋼管を提供することを目的としている。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、下記（１）〜（２）の内面リブ付鋼管の製造方法、および（３）の内面リブ付鋼管を要旨としている。

（１）内面リブ付鋼管用素管の曲がり矯正工程と螺旋状リブを形成するための引抜工程を含み、螺旋状リブを形成するための引抜工程において、内面リブ付鋼管用素管の曲がり矯正工程で素管内面に螺旋状に形成される高硬度領域と平行する方向または略平行する方向に螺旋状リブを形成することを特徴とする内面リブ付鋼管の製造方法である。

（２）上記（１）の内面リブ付鋼管の製造方法において、内面リブ付鋼管用素管として継目無鋼管を使用する場合、螺旋状リブを形成するための引抜工程の前に、素管としての継目無鋼管に少なくとも１回の管軸方向断面を略真円に矯正するための引抜加工を行うことが望ましい。

（３）内面リブ付鋼管用素管の曲がり矯正工程で螺旋状に形成される高硬度領域と平行する方向または略平行する方向に、前記螺旋状リブが形成されていることを特徴とする内面リブ付鋼管である。素管として継目無鋼管を使用する場合には、素管の曲がり矯正工程の前に少なくとも１回の素管の管軸方向断面を円仕上するための引抜加工工程を含む製造方法により製造されることが望ましい。

本発明で規定する「高硬度領域」とは、矯正ロール方式を採用することを前提に、矯正ロール間で直径方向の圧縮応力であるクラッシュ負荷が素管に加えられることにより、素管内面に形成される加工硬化された領域であり、延性および靱性に乏しく、破断が生じ易い難加工性の領域をいう。

本発明の内面リブ付鋼管の製造方法によれば、螺旋状リブを形成する引抜加工前に素管を曲がり矯正すること、それに伴う螺旋状リブの形成方向を最適にすること、さらに使用する素管の種類に応じて引抜スケジュールを適正にすることにより、螺旋状リブを形成する引抜加工のトラブルを抑制し、安定して螺旋状リブを形成することができる。これにより得られた内面リブ付鋼管は、優れた成形性と品質を備える。

図１は、引抜加工によって内面リブ付鋼管を製造する方法を概略的に説明する図である。
図２は、本発明の内面リブ付鋼管の製造方法に適用できる工程例を示す図である。
図３は、傾斜ロール式矯正機のロール配列の一例を示す図である。
図４は、対向配置のロール矯正機のクラッシュ負荷を説明する図である。
図５は、曲がり矯正で形成された螺旋状の高硬度領域と素管内面の螺旋状リブを形成する方向との関係を示す図であり、（ａ）は螺旋状の高硬度領域と素管内面の螺旋状リブを形成する方向が直交する場合を示し、（ｂ）は螺旋状の高硬度領域と素管内面の螺旋状リブを形成する方向が平行する場合を示している。

図２は、本発明の内面リブ付鋼管の製造方法に適用できる工程例を示す図である。本発明の内面リブ付鋼管が対象とする鋼種は、炭素鋼およびＣｒ系低合金鋼（例えば、ＳＴＢＡ２２、１Ｃｒ−１／２Ｍｏ鋼）であり、素管としては継目無鋼管および電縫鋼管を適用することができる。

通常、継目無鋼管は、生産効率に優れることからマンドレルミル製造法が適用され、熱間圧延により製造され、また、電縫鋼管は、溶接部の酸化防止や溶接ビードの安定化を図るため、不活性ガスシールド溶接や溶接入力量自動制御技術を採り入れた電気抵抗溶接法で製造される。

素管の製造段階において、素管の鋼種や製造条件に応じて、素管軟化処理の要否が定められる。次に、内面リブ付鋼管用素管は、素管軟化が行われた後、または素管軟化を行うことなく、直ちに酸洗によるデスケーリングが行われ、素管の内外表面のスケールが除去され、潤滑処理が施される。

通常、本発明が対象とする鋼種の素管では、デスケーリングには硫酸洗が用いられ、潤滑処理にはリン酸塩処理（リン酸亜鉛等）による化成処理が行われる。具体的な酸洗・潤滑処理の手順としては、デスケーリング後、素管の内外表面をアルカリ脱脂剤を用いて洗浄し、すすぎ水洗した素管をリン酸塩処理浴に浸漬し、内外表面にリン酸塩の下地を形成する。次いで、中和処理を行い、ステアリン酸ナトリウムを主成分とする石鹸処理の後、熱温風による乾燥を行う。上記の手順では、処理効果の促進を図るために、潤滑処理は加温された状態で行われる。

螺旋状リブを形成するための引抜加工（以下、「リブ形成引抜」という場合がある）は、前記図１に示すように、素管の内面にプラグを挿入し、プラグが回転可能な状態で引き抜くことにより、素管の外面はダイスによって絞られ、素管の内周面には螺旋状リブが形成される。

図２に示す工程例のように、引抜加工で螺旋状リブが形成された鋼管は、最終熱処理および精整処理を経て、検査工程でリブ高さ、リブ形状等の品質が確認されたのち、内面リブ付鋼管製品となる。

本発明の内面リブ付鋼管の製造方法は、螺旋状リブを形成する引抜加工の前に、素管に曲がり矯正を施すことを特徴とする。すなわち、引抜加工前に曲がり矯正を行うことにより、引抜加工トラブルを低減し、安定して螺旋状リブを形成することができる。

一般に、素管の曲がり矯正に用いられるロール矯正機は、鼓型のロールが複数個組み合わされた傾斜ロール式が採用されている。傾斜式ロール矯正機には、ロールの個数、配列（上下、左右方向）および配置（対向型、千鳥型）の組合せにより多数の構成が存在するが、素管の曲がり矯正としては対向配置のロール矯正機が用いられる。

図３は、傾斜ロール式矯正機のロール配列の一例を示す図である。ロール矯正機は回転軸の方向が互いに交差する状態で上下方向に対向配置した複数対の矯正ロールＲａ、Ｒｂを配し、図示するロール配列では、入側、中央および出側からなる３対の矯正ロール、Ｒａ１およびＲｂ１、Ｒａ２およびＲａ２並びにＲａ３およびＲｂ３を対向配置し、出側矯正ロールの出口に補助ロールＲｃを備えている。通常、このようなロール配列のロール矯正機を（２−２−２−１）型矯正機という。

これら１対の矯正ロールＲａ１、Ｒｂ１の対向間隔および交差角度はそれぞれ個別に調整することが可能である。さらに、１対の矯正ロールＲａ１、Ｒｂ１と隣接する１対の矯正ロールＲａ２、Ｒｂ２の高さ方向位置はそれぞれ個別に調整することも可能である。

曲がり矯正に際し、素管３の表面が矯正ロールの表面に沿うように、ロール角度を調整し、矯正ロールＲａ１、Ｒｂ１の対向間隔を素管３の外径より若干小さく設定して、クラッシュ負荷を付与するとともに、隣接する１対の矯正ロールＲａ２、Ｒｂ２の高さ位置（クラッシュ高さ）を調節することにより、素管３の曲がりを矯正する。

リブ形成する引抜加工の前に、素管の曲がり矯正を行うことにより、まず、引抜加工の準備段階である素管にプラグおよびマンドレルを装入する際に、素管が真直な管であることから、素管内面とプラグおよびマンドレルとの間に隙間を確保でき、内面に付着させた潤滑剤の剥離や擦過疵の発生を抑制でき、引抜加工トラブルを低減し、安定して螺旋状リブを形成することができる。

仮に、曲がっている素管を引抜加工すると、局部的に過大な応力が作用する。すなわち、曲がりの内側に負荷する応力は曲がりの外側の負荷応力より大きいため、曲がりの内側の肉厚が外側よりも薄くなるような偏肉が発生する。したがって、引抜加工の前に、素管を曲がり矯正することにより、引抜加工トラブルを低減し、形成される螺旋状リブの品質特性や寸法特性を改善させることができる。

本発明の内面リブ付鋼管の製造方法は、前記曲がり矯正で螺旋状に形成された高硬度領域と平行する方向または略平行する方向に、前記螺旋状リブを形成することを特徴とする。前述の通り、素管の曲がり矯正では対向配置のロール矯正機が用いられるが、このとき素管にクラッシュ負荷が作用して曲がりが矯正される。クラッシュ負荷が作用することにより、矯正された素管の全長に亘り、螺旋状（スパイラル状）に高硬度領域が形成される。

図４は、対向配置のロール矯正機のクラッシュ負荷を説明する図である。ロール矯正により、素管３は楕円形状の素管３ｃとなる。クラッシュ負荷は、旋回しながら移動する素管１の全長に亘り加わるため、螺旋状（スパイラル状）の高硬度領域が形成されながら、素管の曲がりが矯正される。

図５は、曲がり矯正で形成された螺旋状の高硬度領域と素管内面の螺旋状リブを形成する方向との関係を示す図であり、（ａ）は螺旋状の高硬度領域と素管内面の螺旋状リブを形成する方向が直交する場合を示し、（ｂ）は螺旋状の高硬度領域と素管内面の螺旋状リブを形成する方向が平行する場合を示している。図５において、白抜矢印は引抜方向を示している。

引抜加工により螺旋状リブを形成する場合に、リブ部３ａの加工が最も高加工度になる。一方、図５（ａ）、（ｂ）中で矢印Ｌに示すように、高硬度領域５と直交して跨ぐ方向では、延性および靱性が著しく低下し、引抜加工にともなって素管が破断し易くなる。

このため、図５（ａ）に示すように、高硬度領域５と素管内面の螺旋状リブ３ａを形成する方向が直交する場合には、延性および靱性が低下した方向に加工応力が作用するため、引抜加工にともなって素管が破断し易くなる。

一方、図５（ｂ）に示すように、高硬度領域５と素管内面の螺旋状リブ３ａを形成する方向が平行する場合には、延性および靱性が低下した方向に加工応力が作用することが回避できることから、引抜加工を行っても破断を生じることなく、安定して螺旋状リブを形成することができる。

本発明で「高硬度領域と平行する方向または略平行する方向」と規定するのは、高硬度領域５と素管内面に形成される螺旋状リブ３ａが交わることを回避するものではなく、少なくとも、図５（ａ）に示すように、高硬度領域５の方向と素管内面の螺旋状リブ３ａを形成する方向とを直交させ、延性および靱性が低下した方向に加工応力が作用することをなくすことを意味する。

本発明の内面リブ付鋼管の製造方法は、素管として継目無鋼管を用いる場合に、引抜加工で螺旋状リブを形成する前に、少なくとも１回の円仕上げ引抜を施す必要がある。この「円仕上げ引抜」は、ダイスのみを用いた、所謂空引き加工を包含するものではなく、ダイスおよびプラグを用いた引抜加工を意味するものである。

前述の通り、内面リブ付鋼管用素管に用いる継目無鋼管は、マンドレルミル製造法で熱間圧延により製造される。通常、マンドレルミル製造法では、穿孔圧延後にマンドレルミルによる延伸圧延が行われ、ストレッチレデューサー等を用いた定径圧延が行われる。この定径圧延において、素管は圧延ロールで圧下されるが、管内面を規制する工具を用いないため、管内面の長手方向に縦筋状のしわ疵や角張が発生し易い。

したがって、素管に少なくとも１回の円仕上げ引抜を施すことにより、内表面のしわ深さや角張を改善することにより、螺旋状リブを形成する引抜加工時のトラブルを低減し、安定して螺旋状リブを形成することができる。

引抜加工によるしわ深さや角張の改善に関しては、肉厚加工度が大きな影響を及ぼすことから、円仕上げ引抜において、肉厚加工度を１０％以上確保するのが望ましい。引抜加工における肉厚加工度は、｛（素管肉厚−引抜加工後肉厚）／素管肉厚｝×１００（％）で表される。

素管の円仕上げ引抜を行うと素管が加工硬化するため、螺旋状リブを形成するための引抜加工のトラブルをなくすため、円仕上げ引抜後の素管を熱処理し、十分に軟化させてからリブ形成引抜加工を行うことが望ましい。

本発明の内面リブ付鋼管は、上述した製造方法によって得られるものであり、曲がり矯正された素管の内面に、引抜加工により管軸方向に複数条の螺旋状リブを形成し、しかも曲がり矯正で螺旋状に形成された高硬度領域と平行する方向または略平行する方向に、前記螺旋状リブを形成することを特徴としている。

本発明の内面リブ付鋼管は、ボイラー用鋼管として優れた成形性と品質を備えることから、ボイラーの大容量化や高温高圧化に十分に対応できるものである。

（実施例１）
本発明の内面リブ付鋼管の製造方法の効果を確認するため、鋼種がＪＩＳ
ＳＴＢＡ２２（１Ｃｒ−１／２Ｍｏ鋼）である継目無鋼管を素管として用いて、素管軟化−酸洗・潤滑処理−円仕上げ引抜−軟化の工程を経た後、引抜加工により４条の螺旋状リブを有する内面リブ付鋼管を、本発明例および比較例毎に各１０本を製造した。

このときの引抜スケジュールは、素管寸法を外径３８．０ｍｍ×肉厚８．２ｍｍで、円仕上げ引抜寸法を外径３２．０ｍｍ×肉厚７．２ｍｍとし、最終的に外径２８．６ｍｍ×肉厚６．０ｍｍ×リブ深さ０．８ｍｍに引抜加工を行った。酸洗・潤滑処理は、いずれも硫酸洗、並びにリン酸亜鉛皮膜およびステアリン酸ナトリウム石鹸処理とした。

本発明例１では、円仕上げ引抜後に、対向配置のロール矯正機を用いて曲がり矯正を行い、引抜加工により螺旋状リブを形成した。このときの引抜加工では、いずれも焼き付きを生じなかった。

比較例１では、円仕上げ引抜後に曲がり矯正を行うことなく、引抜加工により螺旋状リブを形成したが、焼き付きが多発した。焼き付きが発生しない場合であっても、顕著に偏肉が発生した。

（実施例２）
実施例１と同じ条件で、引抜加工により４条の螺旋状リブを形成する内面リブ付鋼管を製造した。
本発明例２では、円仕上げ引抜後に、対向配置のロール矯正機を用いて曲がり矯正を行い、前記図５（ｂ）に示すように、この曲がり矯正で螺旋状に形成された高硬度領域と平行する方向に、引抜加工により螺旋状リブを形成した。このときの引抜加工では、いずれも焼き付きを生じなかった。

比較例２では、円仕上げ引抜後に、対向配置のロール矯正機を用いて曲がり矯正を行い、前記図５（ａ）に示すように、この曲がり矯正で螺旋状に形成された高硬度領域と直交する方向に、引抜加工により螺旋状リブを形成した。このとき、高硬度領域と直交する部位で焼き付きが多発し、さらにリブ部に割れが発生することがあった。

（実施例３）
本発明の内面リブ付鋼管の製造方法における引抜スケジュールの比較を行うために、鋼種がＪＩＳ ＳＴＢＡ２２（１Ｃｒ−１／２Ｍｏ鋼）である電縫鋼管と継目無鋼管を素管に用いて、引抜加工により４条の螺旋状リブを形成する内面リブ付鋼管を製造工程別に各１０本を製造した。

このときの引抜スケジュールは、素管寸法を外径３８．０ｍｍ×肉厚７．２ｍｍとし、円仕上げ引抜を行うことなく、引抜加工により４条の螺旋状リブを形成する内面リブ付鋼管を製造した。その他の条件は、実施例１と同様とした。

本発明例３では、電縫鋼管を素管として用い、円仕上げ引抜を行うことなく、引抜加工により螺旋状リブを形成した。このときの引抜加工では、いずれも焼き付きを生じなかった。

比較例３では、継目無鋼管を素管として用い、円仕上げ引抜を行うことなく、引抜加工により螺旋状リブを形成した。このときの引抜加工では、素管の縦筋状のしわ疵や角張に起因して、焼き付きが多発した。

（実施例４）
本発明の内面リブ付鋼管の製造方法における処理工程および加工条件が、引抜加工での焼き付き発生に及ぼす影響を確認するため、鋼種がＪＩＳ ＳＴＢＡ２２（１Ｃｒ−１／２Ｍｏ鋼）である継目無鋼管を素管として用いて、引抜加工により４条の螺旋状リブを形成した。処理工程は円仕上げ引抜の有無および曲がり矯正の有無で影響を確認し、加工条件は螺旋状リブの形成方向および深さを変化させて、その影響を確認した。

このときの引抜加工（試験Ｎｏ．１〜６）は、酸洗・潤滑処理を硫酸洗、並びにリン酸亜鉛皮膜およびステアリン酸ナトリウム石鹸処理とし、仕上げ寸法を外径２８．６ｍｍでリブ深さを０．６ｍｍ、０．８ｍｍおよび１．０ｍｍに変動させて、各条件で５本を製造した。その結果を表１に示すが、焼き付き発生状況は（焼付本数／引抜本数）で示した場合に、０／５および１／５を良好とした。

表１の結果より、継目無鋼管を素管として用いる場合、試験Ｎｏ．４に示すように、円仕上げ引抜後に曲がり矯正を行い、引抜加工により螺旋状リブを「高硬度領域」と平行する方向に形成することにより、リブ深さに拘わらず焼き付き発生状況は良好であった。

一方、試験Ｎｏ．３に示すように、円仕上げ引抜および曲がり矯正を行うことなく、引抜加工により螺旋状リブを形成すると、いずれのリブ深さの場合においても焼き付きが発生した。

産業上の利用の可能性

本発明の内面リブ付鋼管の製造方法によれば、螺旋状リブを形成する引抜加工前に素管に曲がり矯正を施すこと、それに伴う螺旋状リブの形成方向を最適にすること、さらに素管に応じて引抜スケジュールを適正にすることにより、螺旋状リブを形成する引抜加工時のトラブルを低減し、安定して螺旋状リブを形成することができる。
得られた内面リブ付鋼管は、ボイラー用鋼管として優れた成形性と品質を備えていることから、ボイラーの大容量化や高温高圧化に十分に対応できるものであり、広く適用できる。

Claims (4)

1. 管軸方向に複数条の螺旋状リブを形成する内面リブ付鋼管の製造方法であって、
   内面リブ付鋼管用素管の曲がり矯正工程と前記螺旋状リブを形成するための引抜工程を含み、
   前記引抜工程において、前記曲がり矯正工程で当該素管内面に螺旋状に形成される高硬度領域と平行する方向または略平行する方向に螺旋状リブを形成することを特徴とする内面リブ付鋼管の製造方法。
2. 請求項１に記載の内面リブ付鋼管の製造方法であって、内面リブ付鋼管用素管として使用する継目無鋼管を製造する工程を含み、螺旋状リブを形成するための引抜工程の前に、前記製造された継目無鋼管の管軸方向断面を略真円に矯正するために少なくとも１回の引抜加工を含むことを特徴とする内面リブ付鋼管の製造方法。
3. 管の内面に管軸方向に複数条の螺旋状リブが形成された内面リブ付鋼管であって、
   内面リブ付鋼管の製造工程の一つである内面リブ付鋼管用素管の曲がり矯正工程で螺旋状に形成される高硬度領域と平行する方向または略平行する方向に、前記螺旋状リブが形成されていることを特徴とする内面リブ付鋼管。
4. 前記内面リブ付鋼管用素管が継目無鋼管であり、前記内面リブ付鋼管用素管の曲がり矯正工程の前に少なくとも１回の素管の管軸方向断面を円仕上するための引抜加工工程を含む製造方法により製造されることを特徴とする請求項３に記載の内面リブ付鋼管。

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