JP4843450B2

JP4843450B2 - 口絞りシェルの製造方法および口絞りシェル

Info

Publication number: JP4843450B2
Application number: JP2006282998A
Authority: JP
Inventors: 英樹柿本; 保樹石橋
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-10-17
Filing date: 2006-10-17
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2026-10-17
Also published as: JP2008100243A

Description

この発明は、半球形鏡板を接合するため、円筒状の端部が口絞りされた圧力容器用大型リング部材の口絞りシェルの製造方法とそれを用いた口絞りシェルに関する。

化工機器用リアクターや原子力用圧力容器などの大型圧力容器では、その本体部の直円筒状シェル（ストレートシェル）の端部に設けた口絞り部に、半球形状の鏡板が接合されている。従来、この半球形鏡板の直径と本体部の円筒状シェルの外径が大きく異なる場合は、図８（ａ）に示すように、半球形状の鏡板７と直円筒状シェル８との間にリング形状で両端面の外径が異なるダッチマン９と呼ばれる中間部材を介在させて接合していた。しかし、この中間部材を介在させる接合方法では、溶接線が増え、製造コストが高くなるため、ダッチマン９と直円筒状シェル８を一体成形することにより、図８（ｂ）に示すように、端部に口絞り部８ａが形成された口絞りシェルが求められていた。

例えば、特許文献１には、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、心金１０と金敷１１との間で、直円筒状の被鍛造部材を回転させながら鍛造する際に、心金１０に段部１３を設け、被鍛造材１２を鍛造中に、その端部を段部１３に下り込ませることによって、口絞り部１２ａを形成するようにした大形リングの口絞り鍛造方法が開示されている。

また、特許文献２では、大型肉厚の圧力容器の直円筒状部と半球形状鏡板との間に介在させる中空切頭円錐状長尺異径リングを、図１０（ａ）に示すように、まず、この異形リングの内部形状に合わせた異径スリーブ１４を嵌合した心金１５を心金支持台１６で支持し、この異径スリーブ１４に肉厚差を付けた鍛造素材１７を懸架し、穴広げ金敷１８と心金１５と異径スリーブ１４とで鍛造素材１７を順次回転させながら、その大径部１７ａの穴広げ鍛造を行ない、リング１９により小径部１７ｂの広がりを拘束した状態で大径部１７ａの穴広げを続行し、次に、図１０（ｂ）に示すように、前記金敷１８を、傾斜部２０と凸部２１を設けた金敷１８ａに取り換えて、鍛造素材１７を金敷１８ａと異径スリーブ１４とで穴広げを続行して鍛造成形する方法が開示されている。
特公昭５５−２４３７８号公報特公昭５７−４６９３８号公報

しかし、特許文献１に開示された鍛造方法で口絞り部を成形する場合、口絞り部１２ａと円筒状シェル部１２ｂの境目に引けによる欠肉が発生する。とくに、円筒状シェル部１２ａの端部に、その外周にわたって容器支持用に短く突出させたミニスカート部を設ける場合、前記欠肉の発生を防止するために、余肉を大きく付ける必要があり、鍛造工程設計が難しくなる。また、特許文献２に開示された鍛造方法では、金敷１８ａおよび異径スリーブの傾斜部１４ａの角度がとくに重要であるため、製品の円錐状長尺異径リングに合わせ金敷および異径スリーブが必要となり、製造コストが高くなる。

そこで、この発明の課題は、口絞り部と直円筒状シェルとの境界部での材料の引けを抑制して欠肉の発生を防止でき、かつ、低コストで製品歩留まりが向上する、大型圧力容器用の口絞りシェルの製造方法およびそれを用いた口絞りシェルを提供することである。

前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。

請求項１に係る口絞りシェルの製造方法は、リング状素材を芯金と金敷との間で回転させながら拡径鍛造することにより、円筒状シェルの端部に口絞り部が一体に形成されるようにした口絞りシェルの製造方法であって、前記リング状素材を１周または複数周回転させるごとに前記芯金をその軸方向に前記口絞り部と反対の方向へずらして拡径鍛造することを特徴とする。

このように、芯金をずらして拡径鍛造を行なうことにより、口絞り部を少なくとも２段階、すなわち多段階で成形して、その外周面の勾配を多段に緩やかに形成できるため、前記の口絞り部と円筒状シェル部の境目に引けによる欠肉や、口絞り部の外周部の欠肉の発生を防止することができる。

請求項２に係る口絞りシェルの製造方法は、リング状素材を芯金と金敷との間で回転させながら拡径鍛造することにより、円筒状シェルの端部に口絞り部が一体に形成されるようにした口絞りシェルの製造方法であって、前記リング状素材を１周または複数周回転させるごとにこのリング状素材をその軸方向に、前記口絞り部を前記芯金と反対の方向へずらして拡径鍛造することを特徴とする。

このようにしても、上記の芯金をずらして拡径鍛造する場合と同様に、口絞り部の外周面の勾配を多段に緩やかに形成でき、口絞り部と円筒状シェル部の境目に引けによる欠肉や、口絞り部の外周部の欠肉の発生を防止することができる。

請求項３に係る口絞りシェルの製造方法は、前記リング状素材の口絞り部を形成する外周面にノッチが少なくとも１箇所以上形成され、前記ノッチの直下部に芯金との接触端部がくるようにして、前記リング状素材を少なくとも１回拡径鍛造することを特徴とする。

このように、リング用素材の外周面にノッチを形成して拡径鍛造を行なうようにすれば、このノッチが鍛流線を分断する作用により、前記の口絞り部と円筒状シェル部の境目の欠肉および口絞り部の外周部の欠肉の発生をより有効に防止することができる。なお、この少なくとも１回行なう拡径鍛造とは、リング状素材を１周回以上させる拡径鍛造である。

請求項４に係る口絞りシェルの製造方法は、前記リング状素材の口絞り部が形成される側の端面に最も近いノッチの直下部に芯金との接触端部がくるようにして、拡径鍛造を開始することを特徴とする。

このようにすれば、口絞り部の先端側の外周面の勾配を大きく形成でき、かつ、前記ノッチの鍛流線分断作用により、前記外周面の欠肉を有効に防止することができる。それにより、製品形状に応じて、口絞り部の形状に融通性を持たせることができる。

請求項５に係る口絞りシェルの製造方法は、前記リング状素材の口絞り部が形成される側の端面とこの端面に最も近いノッチとの間で拡径鍛造を開始した後、このノッチまたは前記端面に最も遠いノッチの直下部に芯金との接触端部がくるようにして最終の拡径鍛造を行なうことを特徴とする。

このようにすれば、前記端面とノッチとの間の口絞り部の勾配を緩やかに形成でき、かつ、前記ノッチの鍛流線分断作用により、前記欠肉の発生を有効に防止することができる。それにより、製品形状に応じて、口絞り部の形状に融通性を持たせることができる。

請求項６に係る口絞りシェルは、リング状素材を芯金と金敷との間で回転させながら拡径鍛造することにより、円筒状シェルの端部に口絞り部が一体に形成された口絞りシェルであって、前記口絞りシェルが、請求項１から請求項５のいずれかに記載された口絞りシェルの製造方法により製造されたことを特徴とする。

このように、この発明では、リング状素材を芯金と金敷との間で、１周または複数周回転させるごとに、芯金をその軸方向に口絞り部と反対の方向へずらして、またはリング状素材をその軸方向に、口絞り部を芯金と反対の方向へずらして拡径鍛造することにより、円筒状シェルの端部に口絞り部が一体に形成されるようにしたので、口絞り部を多段階で成形して、その外周面の勾配を多段に緩やかに形成できるため、口絞り部と円筒状シェル部の境目に引けによる欠肉や、口絞り部の外周部の欠肉の発生を、簡便な方法で防止することができる。また、リング状素材の外周面にノッチを形成することにより、このノッチの鍛流線を分断する作用によって前記欠肉の発生をより有効に防止することができる。

以下に、この発明の実施形態を添付の図１から図７に基づいて説明する。

図１（ａ）〜（ｄ）は、例えば、Ｃｒ−Ｍｏ鋼等の圧力容器用の、全長Ｌ_０、肉厚Ｔのリング状素材１を、芯金４と金敷５の間にセットし、芯金４をその軸方向にずらして拡径鍛造を行なう状態を模式的に示したものである。このリング状素材１は、内部組織の改善のため、予め、その全長Ｌ_０にわたって予備の拡径鍛造が施されている。前記リング状素材１には、口絞り部２ｂが形成される一方の端面Ｅａから軸方向に沿った距離Ｌｆの位置に、外周面に沿ってＶ字状のノッチ３が加工されている。芯金４は、リング状素材１を1周または複数周回させるごとに、軸方向に前記口絞り部２ｂと反対の方向へずらすことができる構造に形成されている。そして、図１（ａ）に示したように、まず、芯金４の端面４ａを、リング状素材１の端面Ｅａとノッチ３との距離Ｌｆの間の適当な位置、例えば、中央の位置（端面Ｅａからの距離Ｌｍ）にセットして、リング状素材１を１周または複数周回転させて第１回目の拡径鍛造を行う。この第1回目の拡径鍛造による口絞りシェル２の口絞り量は、図１（ｂ）に示すように、δ１となる。次に、図１（ｃ）に示すように、芯金４を、その軸方向に、口絞り部２ｂと反対の方向へ、前記端面Ｅａがノッチ３の位置にくるまでずらし、1回または複数周回転させて第２回目の拡径鍛造を行う。この第２回目の拡径鍛造による口絞り量は、図１（ｄ）に示すように、δ２となる。したがって、第1回目の拡径鍛造と、芯金４をずらした第2回目の拡径鍛造により、（δ１＋δ２）の口絞り量が得られる。なお、上述のように、芯金４を軸方向にずらす（図１（ｂ）、（ｃ）参照）代わりに、芯金４は軸方向にずらさず、芯金４に対して、リング状素材１の方をその軸方向に、芯金４のずらし方向と反対の方向に移動させ、拡径鍛造して口絞り部２ｂを形成することもできる。

図２は、図１（ａ）〜（ｄ）に示したように芯金４のずらしを行って拡径鍛造Ａを行なった場合（口絞り量（δ１＋δ２））の口絞り部２ｂと、芯金４のずらしをせずに拡径鍛造Ｂを行なった場合（口絞り量δ）の形状を模式的に示したものである。図中に、太線で機械加工を施した後の口絞りシェル製品の形状Ｓを示した。「芯金ずらしあり」の拡径鍛造Ａの場合の口絞り量（δ１＋δ２）と「芯金ずらしなし」の拡径鍛造Ｂの場合の口絞り量δは、ほぼ同じであるが、拡径鍛造Ｂの場合は、口絞り部２ｂの外周面の勾配が大きくなるため、製品口絞り形状Ｓに機械加工を行なうと、製品口絞り部Ｓ１に欠肉部Ｕが発生することがわかる。これに対し、「芯金２ずらしあり」の拡径鍛造Ａの場合、口絞り部２ｂを２段階、すなわち多段階で成形して、その外周面の勾配を２段に、すなわち多段に緩やかに形成できるため、口絞り部２ｂと円筒状シェル部２ａの境目Ｃの引けによる欠肉や、口絞り部２ｂの外周の欠肉部Ｕの発生を防止することができる。

図３（ａ）および（ｂ）は、素材外周面に、熱間鋼の変形挙動とよく似た変形挙動を呈する鉛製の、ノッチを設けていないリング状素材１（図３（ａ）、口絞り位置Ｌｆ＝２０ｍｍ）とノッチを設けたリング状素材１ａ（図３（ｂ）、口絞り位置Ｌｆ（＝Ｌ１）＝２０ｍｍ）を示したもので、図４（ａ）は、これらのリング状素材１、１ａを用いて拡径鍛造実験を行なった結果を示したものである。表１に、前記各リング状素材１、１ａの寸法を示す。図４の横軸の肉厚減少率（％）は、図３（ａ）、（ｂ）に示したリング状素材１、１ａの肉厚Ｔの、拡径鍛造後の肉厚Ｔ１への肉厚減少率Ｒｔ（＝（（Ｔ−Ｔ１）／Ｔ）×１００（％））を、縦軸のδ／Ｌａは、口絞り部２ｂの外周面の端部から口絞り位置までの距離Ｌａに対する口絞り量δの比である（図４（ｂ）参照）。図４（ａ）から、「ノッチなし」および「ノッチあり」のいずれのリング状素材を用いた場合でも、肉厚減少率Ｒｔと比率（δ／Ｌａ）の関係は、以下の式（１）および式（２）で示す直線で回帰でき、いずれの式でも相関係数Ｒ^２は０．９８以上で、良好な相関を示すことがわかる。また、式（１）および式（２）から、口絞り量δは、それぞれ式（１ａ）および式（２ａ）で予測することができる。
ノッチなしの場合：
δ／Ｌａ＝０．０１３９×Ｒｔ---------------------------------（１）
δ＝０．０１３９×Ｒｔ×Ｌａ--------------------------------（１ａ）
ノッチありの場合：
δ／Ｌａ＝０．０１７×Ｒｔ-----------------------------------（２）
δ＝０．０１７×Ｒｔ×Ｌａ----------------------------------（２ａ）

表２および表３は、「ノッチなし」および「ノッチあり」のリング状素材（図３（ａ）、（ｂ）参照）について、「芯金ずらしなし」の場合および「芯金ずらしあり」の場合の、口絞り量の実測値と上記の式（１ａ）および式（２ａ）を用いて算出した予測値を示したものである。また、表４は、表３に示した「芯金ずらしあり」の場合の、１段目および２段目の口絞り量δ１およびδ２の合計を示したものである。この場合のリング状素材の径寸法は、内径φ４０ｍｍ、外径φ７０ｍｍ、拡径鍛造後の所要径寸法は、内径φ１６０ｍｍ、外径φ１７０ｍｍである。なお、表２および表３で、口絞り部の長さＬ、Ｌ１、Ｌ２は、口絞りを行なうリング状素材における長さである。

表２から、「芯金ずらし」なしの場合、「ノッチなし」および「ノッチあり」のいずれのリング状素材についても、前記の式（１ａ）および式（２ａ）を用いて算出した口絞り量δの予測値と実測値は、実用的精度でよく合致していることがわかる。また、表３から、「芯金ずらし」ありの場合、「ノッチなし」および「ノッチあり」のいずれのリング状素材についても、１段目鍛造（δ＝δ１）および２段目鍛造（δ＝δ２）ともに、口絞り量δの予測値と実測値は実用的精度でよく合致しており、表４から、いずれのリング状素材についても、全口絞り量（δ１＋δ２）の予測値と実測値とは、実用的精度でよく合致していることがわかる。

図５（ａ）および（ｂ）は、表２から表４に示した口絞り量の実測値から、「芯金ずらしなし」および「芯金ずらしあり」の場合の、ノッチなしおよびノッチありのリング状素材について、口絞り部の形状を図示したものである。図５（ａ）から、ノッチなしのリング状素材の場合、「芯金ずらしなし」では、前記の所要径寸法まで拡径鍛造すると、すなわち所要の肉厚減少率Ｒｔを実現すると、口絞り部の外周面の勾配が大きくなって、製品口絞り部の形状（Ｒ＝９０の曲面）に機械加工する際に、前記外周面に欠肉が発生する。これに対し、「芯金ずらしあり」では、前記の所要径寸法まで２段階で拡径鍛造するため、口絞り部の外周面の勾配が緩やかになり、製品口絞り部Ｓ１の形状（Ｒ＝９０の曲面）に機械加工する際に、前記外周面に欠肉が発生しないことがわかる。同様に、図５（ｂ）から、ノッチありのリング状素材の場合、前記の所要径寸法まで拡径鍛造すると、すなわち所要の肉厚減少率を実現すると、口絞り部の外周面の勾配が大きくなって、製品口絞り部Ｓ１の形状（Ｒ＝１５０の曲面）に機械加工する際に、前記外周面に欠肉が発生する。これに対し、「芯金ずらしあり」では、前記の所要径寸法まで２段階で拡径鍛造するため、とくに1段目で形成した口絞り部の外周面の勾配が緩やかになり、製品口絞り部Ｓ１の形状（Ｒ＝１５０の曲面）に機械加工する際に、前記外周面に欠肉が発生しないことがわかる。このように、製品口絞り部Ｓ１の機械加工形状に応じて、芯金をずらして拡径鍛造する場合の肉厚減少率などの鍛造条件は、前記の式（１）、（１ａ）および式（２）、（２ａ）を用いて選定することができる。

図６（ａ）〜（ｅ）および図７（ａ）〜（ｅ）は、リング状素材１の口絞り部の外周面に、ノッチ３が１箇所形成され、芯金４をその軸方向に口絞り部と反対の方向へずらして拡径鍛造する他の実施形態をそれぞれ示したものである。

図６（ａ）および（ｂ）に示したように、拡径鍛造をノッチ３の直下部で開始して１段目の口絞り部２ｂ_１を形成した後、図６（ｃ）に示したように、ノッチが形成されていない、口絞り部２ｂ１と円筒シェル部２ａの境目Ｃの位置に、芯金４との接触端部６がくるように軸方向にずらして拡径鍛造を行い、口絞り部２ｂを２段（２ｂ１、２ｂ２）、すなわち多段に形成することもできる。このようにノッチ３の直下部で少なくとも１回の、１周回以上の拡径鍛造を行なえば、口絞り部２ｂの先端側の勾配を、外周面に欠肉を生ぜずに大きく形成することができ、製品形状に応じて、口絞り部２ｂの形状（勾配）に融通性を持たせることができる。なお、図６（ｄ）（口絞り部３段（２ｂ１〜２ｂ３））および（ｅ）（口絞り部２段（２ｂ１、２ｂ２））に示したように、リング状素材の外周面にノッチを複数、例えば２箇所（ノッチ３、３ａ）に設けて、ノッチ３ａの直下部で拡径鍛造を終了することもできる。このようにすれば、口絞り部２ｂと円筒シェル部２ａの境目の欠肉をより有効に防止できる。

図７（ａ）および（ｂ）に示したように、リング状素材１の口絞り部が形成される端面Ｅａとノッチ３との間で拡径鍛造を開始して口絞り部２ｂ１を形成した後、芯金４を、ノッチ３の直下部に芯金４との接触端部６がくるように軸方向にずらして、少なくとも１回拡径鍛造を行なう。そして、図７（ｃ）に示したように、芯金４をさらに、ノッチが形成されていない、口絞り部２ｂと円筒シェル部２ａとの境目まで軸方向にずらして、図７（ｄ）に示したように、最終の拡径鍛造を行なう。このようにして、ノッチ３の直下部で少なくとも1回拡径鍛造を行なうことによっても、口絞り部の外周面の欠肉を防止して、口絞り部２ｂを３段（２ｂ１〜２ｂ３）、すなわち多段に形成することができ、製品形状に応じて、口絞り部の勾配に融通性を持たせることができる。なお、図７（ｅ）に示したように、ノッチを複数、例えば2箇所に設けて（ノッチ３、３ａ）、リング状素材１の口絞り部が形成される端面Ｅａから最も遠いノッチ３ａの直下部で、最終の、例えば３段目（口絞り部２ｂ３）の拡径鍛造を行なうようにすれば、口絞り部２ｂと円筒シェル部２ａの境目の欠肉をより有効に防止できる。

なお、上記の芯金をずらして鍛造する拡径鍛造では、必ずしも、２段階または３段階の鍛造に限定するものではなく、製品口絞り部の形状など必要に応じて、芯金を順次ずらして４段階以上で鍛造して口絞り部を形成することもできる。

（ａ）〜（ｄ）実施形態の拡径鍛造を行なう状態を模式的に示す説明図である。芯金のずらしの有、無の場合の口絞り部の形状をそれぞれ模式的に示す説明図である。（ａ）リング状素材の形状を示す説明図である（ノッチなし）。（ｂ）同上（ノッチあり）。（ａ）ノッチ有無の拡径鍛造の実験結果を示す説明図である。（ｂ）口絞り部の形状を示す説明図である。（ａ）「芯金ずらしなし」の場合の、ノッチなしおよびノッチありのリング状素材についての口絞り部の予測形状を示す説明図である。（ｂ）「芯金ずらしあり」の場合の、ノッチなしおよびノッチありのリング状素材についての口絞り部の予測形状を示す説明図である。（ａ）〜（ｄ）他の実施形態の拡径鍛造を行なう状態を模式的に示す説明図である。（ａ）〜（ｅ）他の実施形態の拡径鍛造を行なう状態を模式的に示す説明図である。（ａ）中間部材を用いて半球形状鏡板と円筒状本体部を接合する構造を模式的に示した説明図である。（ｂ）円筒シェル部の端部に口絞り部を設けた一体型口絞りシェルを示す説明図である。（ａ）、（ｂ）従来技術の拡径鍛造により口絞りシェルを製造する方法を示す説明図である。（ａ）、（ｂ）他の従来技術の拡径鍛造により口絞りシェルを製造する方法を示す説明図である。

符号の説明

１：リング状素材２：口絞りシェル２ａ：円筒状シェル部
２ｂ、２ｂ１〜２ｂ３：口絞り部３、３ａ：ノッチ４：芯金
４ａ：芯金端面５：金敷６：接触端部
７：鏡板８：円筒状シェル部９：ダッチマン
Ｃ：境目Ｅａ：リング状素材端面Ｓ：製品口絞り形状
Ｓ１：製品口絞り部

Claims

リング状素材を芯金と金敷との間で回転させながら拡径鍛造することにより、円筒状シェルの端部に口絞り部が一体に形成されるようにした口絞りシェルの製造方法であって、前記リング状素材を１周または複数周回転させるごとに前記芯金をその軸方向に前記口絞り部と反対の方向へずらして拡径鍛造することを特徴とする口絞りシェルの製造方法。
リング状素材を芯金と金敷との間で回転させながら拡径鍛造することにより、円筒状シェルの端部に口絞り部が一体に形成されるようにした口絞りシェルの製造方法であって、前記リング状素材を１周または複数周回転させるごとにこのリング状素材をその軸方向に、前記口絞り部を前記芯金と反対の方向へずらして拡径鍛造することを特徴とする口絞りシェルの製造方法。
前記リング状素材の口絞り部を形成する外周面にノッチが少なくとも１箇所以上形成され、前記ノッチの直下部に芯金との接触端部がくるようにして、前記リング状素材を少なくとも１回拡径鍛造することを特徴とする請求項１または２に記載の口絞りシェルの製造方法。
前記リング状素材の口絞り部が形成される側の端面に最も近いノッチの直下部に芯金との接触端部がくるようにして、拡径鍛造を開始するようにした請求項３に記載の口絞りシェルの製造方法。
前記リング状素材の口絞り部が形成される側の端面とこの端面に最も近いノッチとの間で拡径鍛造を開始した後、このノッチまたは前記端面に最も遠いノッチの直下部に芯金との接触端部がくるようにして最終の拡径鍛造を行なうことを特徴とする請求項３に記載の口絞りシェルの製造方法。
リング状素材を芯金と金敷との間で回転させながら拡径鍛造することにより、円筒状シェルの端部に口絞り部が一体に形成された口絞りシェルであって、前記口絞りシェルが、請求項１から５のいずれかに記載された口絞りシェルの製造方法により製造されたことを特徴とする口絞りシェル。