JP4400685B1 - 加工性に優れた鍛接鋼管の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鍛接管がフレア加工等の強加工を施されると、接合部の筋深さが深くなって、接合部から割れが発生しやすく、加工後の平面状態を損ないやすいという問題を解消させる鍛接鋼管の製造方法を提供する。
【解決手段】スリットした鋼帯２を加熱炉５で加熱し、成形鍛接機６により、ロール成形しつつ、かつ、酸素を混合させて酸素濃度を22〜30％とした混合空気をノズル７から鋼帯端部に噴射しつつ、鍛接する。
【選択図】図１

Description

本発明は、加工性に優れた鍛接鋼管の製造方法に関し、特に、フレア加工等の強加工を行っても接合部の筋深さが著しく浅いか平坦（ゼロ）であり、接合部から割れにくい加工性に優れた鍛接鋼管の製造方法に関する。

近年、配管は、その継ぎ手部分を兼ね備えるものとして、フレア加工のような管端部への強加工を施されるものが増えている。
従来は、この強加工で割れにくい性能を有するものとして電縫鋼管が使用されているが、電縫鋼管は高価なため、廉価な鍛接鋼管の適用が図られつつある。
鍛接鋼管の製造工程の一例を図１に示す。スリットした熱延鋼帯２を加熱炉５にて加熱し、場合によっては誘導加熱装置（図示省略）にて鋼帯端部（鋼帯幅端部の意、以下同じ）を昇温し、成形鍛接機６にて筒状に成形して、鋼帯端部にノズル７で空気または酸素を吹き付けて鋼帯端部の酸化熱により融点未満の温度に昇温させ、鍛接して拡散接合し、場合によってはさらに絞り圧延を行って、鋼管８に仕上げている。

一方、フレア加工した鋼管は、鋼管端部とフレア部分が拡管されて、拡げられた鋼管の内面が継手同士の接触箇所となる。従って、この継手接触箇所の平面状態が損なわれ、あるいは、接合部に割れが発生すると、これらの割れによって生じた隙間を通って、鋼管内から流体が洩れやすくなって問題であり、それゆえ、継手接触箇所では、隙間がないように平面度合いや、割れがないことが重視される。

従来の鍛接鋼管の場合、鋼管製造時に接合部に生じた深い筋が存在するため、フレア加工すると、その筋が拡大して溝となり、その深さおよび幅ともに増加して隙間を形成し、継手接触箇所の平面度合いが保持できなくなって問題視されていた。また、従来の鍛接鋼管は、接合部の強度が低くて、強加工すると接合部を起点として割れが発生しやすいため、フレア加工に適用するには不十分な性能と言われてきた。

そこで、従来は、接合部の割れのみに着目して、特許文献１に示されるように、鍛接時に吹き付けるガス流量を制御して接合部の強度向上を図っていた。
また、従来、鍛接時に吹き付けるガスは、特許文献２に示されるように、例えば空気のみ、酸素のみ、窒素のみと、ノズルごとに単一のガスが使われている。
さらに、特許文献３には、単一の酸素ガスを鋼帯端部に吹き付けて、鍛接時の鋼帯端部周辺の酸素濃度を測定し、30％を超える特定酸素濃度とする方法が開示されている。これは、酸素ガス単体を噴き付けるため、周辺の空気を巻き込んで酸素濃度が低下する問題があり、その対策として、鋼帯端部の昇温のみに着目して、それを可能とする特定の酸素濃度を維持させるため、ノズルと鋼帯端部吹き付け点との距離を調整する方法である。

なお、特許文献４に、鍛接鋼管製造途中の加熱炉において鋼帯(スケルプ)を加熱する際に、コークス炉ガス、液化石油ガス等の燃焼ガスや重油などの燃料とともに、燃料の燃焼効率を上げるための助燃用として、空気にO.5％から5％の酸素を富化する方法が開示されている。しかし、これは加熱炉で鋼帯全体を加熱する技術であって、燃焼ガスまたは燃料を供給しつつ、合わせてその助燃用として酸素濃度を変えた空気を供給する方法であるため、鍛接鋼管の接合時に鋼帯端部を突き合わせる際に、酸化性ガスのみを鋼帯端面に供給して、鋼の酸化熱を活用して鋼帯端面を集中的に加熱する方法とは本質的に加熱の原理が異なっている。
特開昭51-57667号公報 特開平4-123817号公報 特開昭54-42352号公報 特開昭50-62110号公報

しかし、上述の従来技術では、鍛接鋼管をフレア加工した後の継手部分の平面状態については、なんら記載がなく、平面度合いを確保する対策も取られていなかった。そのためもあってか、従来の技術では、鍛接管がフレア加工等の強加工を施されると、接合部の筋深さが深くなって、接合部から割れが発生しやすく、加工後の平面状態を損ないやすいという問題を解消させることは困難であるという課題があった。

なお、特許文献３の方法では、酸素ガス単体を供給するため、周辺の空気を巻き込んで酸素濃度が著しく不安定であって加熱効率が悪く、その結果、鋼帯端部での酸素濃度が30％を超える高濃度となるように酸素ガス単体の供給条件を設定する必要が生じるが、鋼帯端部での酸素濃度が実質30％を超えた場合、後述するように鋼帯端部が溶融して、接合により溶鋼が噴き出して大きな溶鋼ビードが発生して、鍛接鋼管のラインでは除去できず大問題である。

本発明は、上記のような状況に鑑み、フレア加工のような強加工を行っても、鋼管接合部の筋深さが著しく浅いか、あるいは平坦であり、接合部から割れることが無い鍛接鋼管の製造方法を提供するために創案されたものであり、その要旨構成は以下のとおりである。
(1) 鍛接管の製造方法であって、スリットした鋼帯を加熱してロール成形しつつ、かつ、酸素を空気に混合させて酸素濃度を22〜30体積％とした混合空気を鋼帯端部に噴射しつつ、鍛接することを特徴とする加工性に優れた鍛接鋼管の製造方法。
(2) 鍛接後の接合部肉厚方向長さを管肉厚以上とし、鍛接管フレア加工後の平面度合いを向上させて割れを防止することを特徴とする(1)に記載の加工性に優れた鍛接鋼管の製造方法。

ここで、鍛接後の接合部肉厚方向長さを管肉厚以上とすることは、そうなるように加熱から鍛接にかけてのプロセスパラメータを設定することを意味する。

本発明によれば、フレア加工などの強加工に供されても、鋼管接合部の筋深さが著しく浅いか、あるいは平坦で、加工後の面が良好であり、鋼管接合部に割れが発生しない鍛接鋼管を製造することができる。本発明で製造した鍛接鋼管は、フレア加工時に破損しにくく、能率および歩留まり良く加工されうるものであり、また、フレア加工後の鋼管同士を継いだ場合、継手部分から内部の流体が洩れにくくて、配管施工の能率や信頼性の向上に大いに役立つものである。

従来の鍛接鋼管をフレア加工した場合、フレア加工を受けた鋼管の部分では、管円周方向に過大な張力が作用して、鋼管内面側接合部の筋が拡大して溝となり、継手接触箇所の平面度合いが損なわれていた。この鋼管内面側接合部の筋は、鍛接鋼管の接合時に鋼帯端部および周辺が盛り上がってビード部を形成し、この谷間が筋になったものである。
そこで、本発明者らはこの内面側の筋を低減する検討を行なった。図２に示すとおり、従来、鍛接鋼管８は、内面に生じる筋９が深くて、接合部10の肉厚方向長さ11が管肉厚12に対して短い。一方、フレア加工において、フレア部分には円周方向に過大な張力が加わる。この張力は鋼管の肉厚が薄い部分に集中しやすいため、従来の鍛接鋼管では、肉厚方向長さ11が短い接合部10に集中して、その結果として、接合部の筋９および13が幅および深さとも拡大して深い溝となり、継手接触部分の平面度合いを阻害していたわけである。また、過大な張力が接合部に集中しすぎると、接合部が割れやすくなるわけである。

ここで、本発明者らは、フレア加工のような強加工を実施しても、接合部の筋が拡大して溝になりにくくて、接合部の割れも発生しにくくするため、鍛接鋼管製造時の鍛接方法に着目した。すなわち、接合部に張力が集中するのを防止するには、図３に示すとおり、接合部10の肉厚方向長さ11を管肉厚12と同等または厚くすればよいわけである。
本発明者らの検討では、この鍛接鋼管接合部10の状態は鋼帯端部の加熱によって大きく左右されることを把握した。すなわち、鋼帯端部の温度が周辺に比較して高い場合、鋼帯端部を鍛接した接合部は変形抵抗が低減して塑性変形しやすくなり、鍛接によって接合部の肉厚方向厚みが増加しやすい。この変形において、主に内面側に盛り上がりが生じて筋９が低減する。また、外面側にも盛り上がりが生じる場合があって、外面側の筋13も低減しやすい。

そこで、本発明者らは、鋼帯端部の加熱状態を変化させるため、吹き付ける空気に酸素を混入させた。従来、鍛接時に吹き付けるガスは、空気、酸素、アセチレン等の可燃性ガス、または窒素等の不活性ガスであり、これらは、一つのノズルから単一のガスとして鋼帯端部に吹き付けられることはあっても、これらを混合して用いられることはなかった。空気を鋼帯端部に吹き付けた場合、酸素が約21％含まれているため、この酸素が鋼帯端部と反応した酸化熱により鋼帯端面の温度が増加し、鍛接により接合できるわけである。なお、酸素濃度の単位は体積％であるが、ここでは単に％と記す。

そこで、接合部の酸化熱を増加させるため、空気に酸素を混合する方法を検討した。すなわち、例えば図１のノズル７から、空気に酸素を混合させてなる混合空気を鋼帯端部に噴射する方法である。しかし、酸素濃度を増加させても、22％未満では、製造した鍛接鋼管をフレア加工した後の接合部の筋は拡大して溝として残留し、また、接合部の割れも発生しやすい。これに対して、酸素濃度が22％以上であれば、フレア加工後の接合部の筋が低減して、フレア加工面の平面度合いが保たれやすい。また、酸素濃度が30％を超えると、鍛接時の鋼帯端部の温度が上昇しすぎて鋼の融点を超えるため、鋼帯端部が溶解して溶鋼が発生し、製造した管は、溶鋼ビードが大きく盛り上がって鍛接管ではなく電縫管並みの形態となる。そうなってしまうと、鍛接鋼管製造ラインには管内面の溶鋼ビードの切削および除去装置が設置されていないことから、その溶鋼ビード処理に多大な手間が掛かり、生産性を大いに阻害する結果となる。

本発明者らは、さらにフレア加工後の平面度合いを向上させて、割れを防止する方法を検討した。すなわち、鍛接鋼管製造時の接合部の肉厚方向長さに着目した。標記の鋼帯端部の温度増加を活用して、より積極的に、接合部の肉厚方向長さを管肉厚より厚くしておけば、上記と同様に、接合部にフレア加工の過大張力による応力集中が起きにくくなり、筋が円周方向に伸ばされて、深さが低減して平面度合いが向上する。また、上記の検討から、接合部の肉厚方向長さが肉厚以上となれば、フレア加工による過大な張力が接合部に集中することがなくなるので、接合部に割れが発生しにくくなる。

さらに、本発明者らは、フレア加工後の平面度合いを向上させて、割れを防止する方法を検討した。すなわち、図３に示すとおり、ビード部最大肉厚14を管肉厚12の1.010以上とすると、接合部の筋がさらに平坦になりやすい。鍛接管接合時にビード部最大肉厚14が増大すると、それに伴って、接合部10の肉厚方向長さ11が増大しやすくて、管肉厚12とほぼ同じか、管肉厚12より厚くなり、その結果、フレア加工の過大張力が接合部10に集中しにくくなり、同時にフレア加工の張力により、筋が円周方向に伸ばされて、深さが低減し平坦度が向上するからである。また、接合部の割れも発生しにくくなる。

ここで、管肉厚12とは、鍛接鋼管の円周方向の平均肉厚でもよく、鍛接鋼管の接合部と反対側に位置する部分の肉厚でもよく、接合部周辺で肉厚がほぼ同等となる特定位置、例えば接合部肉厚方向長さ相当の距離分だけ接合部から離した位置の肉厚、接合部を挟んで管円周方向1/4の範囲で平均した肉厚など、としてもよい。

以下、実施例を挙げて、本発明をさらに具体的に説明する。
図１に一例を示す製造工程で、鍛接鋼管を製造した。すなわち、スリットした鋼帯２をエッジ成形機４で成形して、加熱炉５で融点以下の温度まで加熱し、成形鍛接機６でロール成形しつつ、かつ、鋼帯端部にノズル７で酸素を混合させた空気または空気そのものを吹き付けつつ、鍛接し、次いで絞り圧延を行って鍛接管８を製造した。

上記製造工程で採用した、空気に酸素を混合させてノズル７から供給する際の酸素濃度などの製造条件、および、製造された鍛接鋼管の接合部の肉厚方向長さ11と管肉厚12との比、ビード部最大肉厚14と管肉厚12との比、フレア加工した後の接合部の溝深さおよび割れ発生の有無について、表１に示した。
本発明例No.1〜6、No.11〜13は、酸素濃度を22〜30％として鍛接したので、接合部の溝は僅かであり、割れは発生しなかった。これに対して、比較例No.7〜9、No.14,15では、酸素濃度22％未満で鍛接したので、接合部の肉厚方向長さが短くなり、フレア加工後の溝が深くて、割れも発生した。なお、No.10は酸素濃度が31％であり、上限の30％を超えたため、鍛接時に鋼帯端部の温度は融点を超え、溶鋼が発生して溶鋼ビードが盛り上がって、鍛接鋼管の製造ラインではその除去ができず、多大な労力も掛けられないことから、それら鋼管は廃棄せざるを得なかった。

鍛接鋼管の製造工程の一例を示す概略図 接合部周辺の断面形状の一例（その１）を示す概略図 接合部周辺の断面形状の一例（その２）を示す概略図

符号の説明

１ コイラー
２ 鋼帯（スリットした熱延鋼帯）
３ ルーパー
４ エッジ成形機
５ 加熱炉
６ 成形鍛接機
７ ノズル
８ 鍛接鋼管
９ 内面側に生じる筋
10 接合部
11 接合部の肉厚方向長さ
12 管肉厚
13 外面側に生じる筋
14 ビード部最大肉厚

Claims (2)

1. 鍛接管の製造方法であって、スリットした鋼帯を加熱してロール成形しつつ、かつ、酸素を空気に混合させて酸素濃度を22〜30体積％とした混合空気を鋼帯端部に噴射しつつ、鍛接することを特徴とする加工性に優れた鍛接鋼管の製造方法。
2. 鍛接後の接合部肉厚方向長さを管肉厚以上とし、鍛接管フレア加工後の平面度合いを向上させて割れを防止することを特徴とする請求項１に記載の加工性に優れた鍛接鋼管の製造方法。

Images