JP5915371B2

JP5915371B2 - Ｕｏｅ鋼管の製造方法

Info

Publication number: JP5915371B2
Application number: JP2012115197A
Authority: JP
Inventors: 靖渡邉
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2012-05-21
Filing date: 2012-05-21
Publication date: 2016-05-11
Anticipated expiration: 2032-05-21
Also published as: JP2013240806A

Description

本発明は、ＵＯＥ鋼管の製造方法に関し、特に、引っ張り強度が７０５ＭＰａ以下のＵＯＥ鋼管を製造する際に、シーム部の仮付け溶接で能率の向上と溶接欠陥の低減を図ったＵＯＥ鋼管の製造方法に関する。

天然ガスを長距離輸送するためのラインパイプは、外径が４００〜１６００ｍｍの大径溶接鋼管が使用され、この大径溶接鋼管としてはＵＯＥ鋼管が多用される。近年、天然ガス輸送用のラインパイプは、ガス輸送時に発生するエネルギー損失を抑制し、時間当たりに大量のガスを送給するために、送給ガス圧が高められ、さらに効率的なガス輸送の実現が求められる傾向にある。

このため、ＵＯＥ鋼管の製造においては、高圧のガスに耐えることが可能な高い溶接品質の確保と、短期間に大量のラインパイプを供給できる高い生産性が要求されている。これに伴い、ＵＯＥ鋼管を製造する際、シーム部の本溶接で高速化を図るだけでなく、シーム部の仮付け溶接においても高速化と高品質化が強く求められるようになっている。

ＵＯＥ鋼管の製造方法は、次のステップからなる：
（１）エッジプレーナにより、タブ板が取り付けられた厚板鋼板の両縁に開先加工を施す；
（２）Ｃプレス機により、鋼板の開先近辺の形状を製品管（ＵＯＥ鋼管）の規定外径に近い曲率に変形させるＣ成形を施し、Ｃ管を造形する；
（３）Ｕプレス機により、Ｃ管を断面Ｕ字形に変形させるＵ成形を施し、Ｕ管を造形する；
（４）Ｏプレス機により、Ｕ管を断面Ｏ字形に変形させるＯ成形を施し、オープンパイプのＯ管を造形する；
（５）Ｏ管のシーム部である開先同士の突き合わせを行いながら、ガスシールドアーク溶接法（ＧＭＡＷ）により、シーム部の仮付け溶接を行う；
（６）サブマージアーク溶接法（ＳＡＷ）により、仮付け溶接されたＯ管のシーム部に、内面側、外面側の順に本溶接を行う；
（７）拡管機により、シーム部が溶接された素管の外径を製品管で規定される寸法に精整し、ＵＯＥ鋼管を得る。
このようにして製造されたＵＯＥ鋼管は、タブ材を切除した後、超音波やＸ線により溶接部の検査を行い、その後に出荷される。

仮付け溶接においては、ＣＯ₂を主体としたガスをシールドガスとして溶接を行うＭＡＧ溶接や、Ａｒ等の不活性ガスを主体としたガスをシールドガスとして溶接を行うＭＩＧ溶接を採用することができるが、通常、前者のＭＡＧ溶接を採用することが多い。ＭＡＧ溶接の方が大電流であり、高い溶け込みと溶金の溶融が得られ、高い生産性を実現できるからである。

ここで、仮付け溶接の目的は、ＳＡＷによる内面側の本溶接の際に、供給された溶金が外面側に漏れるいわゆる溶け落ちが発生するのを抑制し、これによって効率的な本溶接を達成することにある。仮にＯ成形で得られたＯ管を仮付け溶接することなく本溶接した場合、内面側の本溶接時に供給された溶金が開先突き合わせ部分から溶け落ち、本溶接における生産性が大きく阻害される。

また、仮付け溶接時に、スタッピングやハンピングの不用意な発生により溶接ビード形状が不良となり、これに伴って、ピンホールやブローホールといった溶接欠陥が発生した場合、この溶接欠陥は本溶接後においても残存し、その後の超音波やＸ線による検査で検出される。この場合、溶接欠陥部の補修や切り下げ等の処置が追加で必要となるため、生産性が大きく阻害される。

さらに、生産性を考慮しつつ設備投資を最小限に抑える観点から、例えば、本溶接の製造ラインが４本であるのに対して、仮付け溶接の製造ラインは１本または２本である場合が多く、仮付け溶接の溶接速度は本溶接の２〜４倍とされている。このため、高品質で高効率な仮付け溶接を行うことは、高い収益性と溶接部の信頼性を確保する上で極めて重要である。

仮付け溶接で能率の向上と溶接欠陥の低減を図る従来技術は、下記のものがある。特許文献１には、仮付け溶接の際、溶接スタート時から定常状態に移行するまでに溶接ビード形状が非連続となるスタッピングが発生したり、定常状態において溶接ビードが飛び飛びに形成されるハンピングが発生したりするのを抑制するため、溶接電流、電圧および溶接速度の適切な諸条件を設定することが開示されている。また、特許文献２には、ＭＩＧ溶接を採用する場合に、溶接ワイヤの太径化により溶接能率を改善させる方法が開示されている。特許文献３には、シーム部を予熱した状態で仮付け溶接を行うことにより、仮付け溶接の品質を向上させる方法が開示されている。

特開昭５８−１３２３７４号公報特開昭５４−９９０５３号公報特開平７−１６７５０号公報

前記特許文献１〜３に開示される技術は、いずれも、主に溶接アークに着目して対策を講じたものであり、Ｕ成形後のＵ管の幅や、仮付け溶接時にＯ管を拘束するケージロールの押付け量に関しては何ら着目されていない。本発明者が試験検討を重ねたところ、引っ張り強度が７０５ＭＰａ以下（ＡＰＩ規格のＸ８０グレード以下）のＵＯＥ鋼管を製造する場合、そのようなＵ管幅や仮付け溶接時のケージロール押付け量が溶接品質に影響を及ぼすことが判明した。すなわち、仮にケージロールの押付けが弱いと、溶接中にＯ管が変則的に動くため、いかに溶接アークを安定させる溶接条件を設定しても高効率で高精度な仮付け溶接を行うことができない。一方、ケージロールの押付けが強すぎると、溶接部に過大な残留応力が集中するため、仮付け溶接後に溶接部で割れが発生し、その結果として、内面側の本溶接時に溶け落ちが発生することがある。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、引っ張り強度が７０５ＭＰａ以下のＵＯＥ鋼管を製造するに際し、次の特性を有するＵＯＥ鋼管の製造方法を提供することである：
仮付け溶接で能率の向上と溶接欠陥の低減を図ること。

本発明の要旨は、次の通りである。

両縁に開先加工を施した鋼板にＣ成形およびＵ成形を順に行ってＵ管を造形し、このＵ管にＯ成形を行ってＯ管を造形し、このＯ管のシーム部にガスシールドアーク溶接法による仮付け溶接およびサブマージアーク溶接法による本溶接を順に行って、引っ張り強度が７０５ＭＰａ以下のＵＯＥ鋼管を製造する方法であって、
当該ＵＯＥ鋼管の製造方法は、
Ｕ成形の際、Ｕ管の幅（Ｗ）とＵＯＥ鋼管の外径（Ｄ）との比（Ｗ／Ｄ）が０．６０〜０．７５となる条件でＵ成形を行い、
仮付け溶接の際、シーム部を上側に位置させたＯ管に、ケージロールによって、左右からＯ管の外径の０．５〜１．０％の押付け量を付与するとともに、上方からＯ管の外径の０．１〜０．５％の押付け量を付与しながら、仮付け溶接を行うこと、
を特徴とするＵＯＥ鋼管の製造方法。

このＵＯＥ鋼管の製造方法では、前記仮付け溶接の際、溶接電流の印加を開始してから０．５〜２．０秒経過した後にＯ管の搬送を開始することが好ましい。

また、上記のＵＯＥ鋼管の製造方法では、前記仮付け溶接の際、Ｏ管の溶接開始管端部分における溶接速度（Ｖｅ）を、Ｏ管の中央部における溶接速度（Ｖｃ）の７０〜９０％とすることが好ましい。

本発明のＵＯＥ鋼管の製造方法は、下記の顕著な効果を有する：
引っ張り強度が７０５ＭＰａ以下のＵＯＥ鋼管を製造する際、仮付け溶接で能率を向上でき、溶接欠陥を低減できること。

本発明のＵＯＥ鋼管の製造方法における仮付け溶接で用いられる溶接装置の構成を示す模式図であり、同図（ａ）は側面図を、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断面図をそれぞれ示す。ケージロールの押付け量の最適範囲を示す図である。Ｕ管の幅（Ｗ）とＵＯＥ鋼管の外径（Ｄ）との比（Ｗ／Ｄ）の最適範囲を示す図である。仮付け溶接開始後の溶接速度および溶接電流の推移の一例を示す図である。

図１は、本発明のＵＯＥ鋼管の製造方法における仮付け溶接で用いられる溶接装置の構成を示す模式図であり、同図（ａ）は側面図を、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断面図をそれぞれ示す。

図１に示すように、Ｃ成形、Ｕ成形およびＯ成形を順に経て得られたＯ管１は、シーム部１ａを上側に位置させた状態でチェーントランスファ２上に載置される。チェーントランスファ２は、チェーンドライブモータ３により、図１（ａ）中の実線矢印で示すように駆動される。チェーントランスファ２にはフック４が取り付けられており、チェーントランスファ２の駆動に伴ってＯ管１の後端がフック４で押され、これにより、Ｏ管１は、図１（ａ）中の白抜き矢印で示すように一方向に搬送される。

Ｏ管１の搬送路には、上流側（図１（ａ）では左側）から順に、フィンロール５、ケージロール群６、溶接機８および搬出ロール１２が配設されている。フィンロール５は鍔状に突出するフィン部を有しており、チェーントランスファ２によって搬送されるＯ管１は、その先端が先ずフィンロール５に誘導され、そのシーム部である開先同士の間にフィンロール５のフィン部が挿入される。ここで、実際には、Ｏ管１は、フィンロール５の前段に配設された図示しないジャッキによって左右に広げられ、適度に広がった開先同士の間にフィンロール５のフィン部が挿入される。これにより、Ｏ管１は、搬送中に不用意に周方向に回転することなく、シーム部１ａが上側に位置した姿勢に保持される。

ケージロール群６は、図１（ｂ）に示すように、Ｏ管１の周囲を囲繞するように等角度間隔に配置された８つのケージロール６ａ〜６ｈを一群とし、これが複数段にわたって配設されてなる。これらのケージロール６ａ〜６ｈのうち、その位置を時計の文字盤に見立てて０時の位置に配置された上側ケージロール６ａは、シームロールとも称され、６時の位置に配置された下側ケージロール６ｅとの間にＯ管１を挟み込む。また、３時の位置に配置された右側ケージロール６ｃと９時の位置に配置された左側ケージロール６ｇは、Ｏ管１を左右から挟み込む。

チェーントランスファ２によって搬送されるＯ管１は、フィンロール５のフィン部の挿入によってシーム部１ａが上側に位置した状態で、上方から上側ケージロール６ａが押し付けられ、左右から右側ケージロール６ｃと左側ケージロール６ｇが押し付けられ、これらの押付けによって拘束されつつ、開先同士が突き合わされる。なお、上側ケージロール６ａ、右側ケージロール６ｃ、下側ケージロール６ｅおよび左側ケージロール６ｇ以外のケージロール６ｂ、６ｄ、６ｆ、６ｈは、多くの場合Ｏ管１に接触することはなく、補助的にＯ管１を拘束する。

溶接機８は、トーチ９、溶接ワイヤ１０およびワイヤ送給電動機１１から構成される。トーチ９は、Ｏ管１のシーム部１ａに対向配置され、ワイヤ送給電動機１１の駆動により溶接ワイヤ１０が送り込まれる。チェーントランスファ２によって搬送されるＯ管１は、ケージロール群６によって開先同士が突き合わされた状態で、溶接機８によってシーム部１ａを仮付け溶接される。こうして、Ｏ管１は、チェーントランスファ２による搬送に追従して溶接機８を作動させることにより、先端から後端までの全域にわたってシーム部１ａを仮付け溶接される。

搬出ロール１２はＯ管１の姿勢を保持する。溶接終了間際には、Ｏ管１は、搬送の進行によってフィンロール５およびケージロール群６を完全に抜けて拘束を受けないため、周方向に回転し、シーム部１ａが上側に位置した状態からずれるおそれがあるからである。搬出ロール１２を設置すれば、Ｏ管１の仮付け溶接の精度を後端に至るまで維持することができる。

ここで、溶接機８のトーチ９には、デジタル溶接電源１３のＰ極が結線され、ケージロール群６のうちの下側ケージロール６ｅを支持するフレーム７には、デジタル溶接電源１３のＮ極が結線されている。デジタル溶接電源１３には制御盤１４が接続され、この制御盤１４はワイヤ送給電動機１１に接続されている。仮付け溶接時、制御盤１４は、デジタル溶接電源１３からトーチ９（溶接ワイヤ１０）とフレーム７（下側ケージロール６ｅ）との間に印加する溶接電流および電圧を制御するとともに、ワイヤ送給電動機１１による溶接ワイヤ１０の送り速度を制御する。また、制御盤１４は、チェーントランスファ２を駆動させるチェーンドライブモータ３に接続され、Ｏ管１の搬送速度、すなわち溶接速度を制御する。

本発明者は、上記目的を達成するため、引っ張り強度が７０５ＭＰａ以下のＵＯＥ鋼管を製造することを前提とし、種々の試験を実施して仮付け溶接で能率の向上と溶接欠陥の低減を図る鋭意検討を重ねた。その結果、以下の知見を得て、本発明を完成した。

前記図１に示す溶接装置を用いて仮付け溶接を行う際、上述のとおり、Ｏ管１には、上方から上側ケージロール６ａを押し付け、左右から右側ケージロール６ｃと左側ケージロール６ｇを押し付ける。このとき、右側ケージロール６ｃと左側ケージロール６ｇの押付け量は、Ｏ管１の外径（ＯＤ）の０．５〜１．０％とする。これと同時に、上側ケージロール６ａの押付け量は、Ｏ管１の外径（ＯＤ）の０．１〜０．５％とする。これは以下の理由による。

上側ケージロール（シームロール）６ａをＯ管１の外径（ＯＤ）の０．５％を超える強さでＯ管１に押し付けた場合、仮付け溶接中の溶接ビードには、Ｏ管１の曲率とは反対方向の曲げ力が働くため、仮付け溶接ビードが割れる問題が発生する。さらに、この場合、チェーントランスファ２には、チェーンドライブモータ３の回転を妨げる方向の力が働くため、Ｏ管１の搬送速度が不安定になりスタッピングやハンピング等の溶接欠陥が発生する。右側ケージロール６ｃと左側ケージロール６ｇをＯ管１の外径（ＯＤ）の１．０％を超える強さでＯ管１に押し付けた場合も同様である。

一方、上側ケージロール６ａをＯ管１の外径（ＯＤ）の０．１％を下回る強さでＯ管１に押し付けた場合、Ｏ管１の拘束が緩く、Ｏ管１の搬送が不安定になる。右側ケージロール６ｃと左側ケージロール６ｇをＯ管１の外径（ＯＤ）の０．５％を下回る強さでＯ管１に押し付けた場合も同様である。

図２に以上の関係をまとめる。図２は、ケージロールの押付け量の最適範囲を示す図である。右側ケージロール６ｃと左側ケージロール６ｇの押付け量をＯ管１の外径（ＯＤ）の０．５〜１．０％とするとともに、上側ケージロール６ａの押付け量をＯ管１の外径（ＯＤ）の０．１〜０．５％とした条件で仮付け溶接を行えば、溶接欠陥が極めて少ない良好な溶接品質を確保することができる。

仮付け溶接に先立ち、Ｕ成形の際、Ｕ管の幅（Ｗ）とＵＯＥ鋼管の外径（Ｄ）との比（Ｗ／Ｄ）が０．６０〜０．７５となる条件でＵ成形を行う。これは以下の理由による。なお、ここでいうＵ管の幅（Ｗ）は、当該Ｕ成形によって得られるＵ管の最大幅を意味し、ＵＯＥ鋼管の外径（Ｄ）は、当該Ｕ管を用いて製造されるＵＯＥ鋼管の公称外径を意味する。

Ｕ管幅（Ｗ）が過剰に狭く、Ｗ／Ｄが０．６未満であると、Ｏ成形後のＯ管に内在する残留応力に起因し、開先を非常に強い力で閉じようとする「閉」の力が働くため、前記図１に示す溶接装置を用いて仮付け溶接を行うに際し、Ｏ管の開先同士の間にフィンロールのフィン部を挿入するにあたり、ジャッキによって開先同士を適度に広げた状態にするのに多大な力が必要となる。このため、フィンロールの適用が不可能になる。

一方、Ｕ管幅（Ｗ）が広すぎて、Ｗ／Ｄが０．７５を超える程度に大きくなると、Ｏ成形後、Ｏ管を開こうとする「開」の力が非常に強く働くため、前記図１に示す溶接装置を用いて仮付け溶接を行う際、右側ケージロールと左側ケージロールに多大な負荷がかかる。これに起因し、チェーントランスファがロック状態となり、Ｏ管の円滑な搬送ができなくなったり、仮付け溶接後の溶接ビードに割れが発生したりする。

図３に以上の関係をまとめる。図３は、Ｕ管の幅（Ｗ）とＵＯＥ鋼管の外径（Ｄ）との比（Ｗ／Ｄ）の最適範囲を示す図である。Ｗ／Ｄが０．６０〜０．７５となるＵ管を用いてＯ成形を行い、得られたＯ管に仮付け溶接を行うことにより、支障なくフィンロールを適用することが可能となり、しかも、溶接欠陥が極めて少ない良好な溶接品質を確保することができる。

また、前記図１に示す溶接装置を用いた仮付け溶接においては、制御盤からの指令により、チェーンドライブモータを駆動させてＯ管を搬送し、Ｏ管の先端のタブ材が溶接機のトーチ直下に到達した段階でＯ管の搬送を一旦停止させる。そして、デジタル溶接電源による溶接電流の印加を開始してから、すなわち仮付け溶接を現実に開始してから０．５〜２．０秒経過した後に、Ｏ管の搬送を再び開始することが好ましい。その理由は次のとおりである。

図４は、仮付け溶接開始後の溶接速度および溶接電流の推移の一例を示す図である。同図に示す溶接速度は、設定した速度を１とした比率で示している。同図に示す溶接電流も同様に、設定した電流値を１とした比率で示している。なお、同図は、外径が３６インチ、肉厚が２５．４ｍｍで、Ｘ６５グレードのＵＯＥ鋼管を製造する際、直径が４．０ｍｍの溶接ワイヤを用い、溶接速度の設定を５．０ｍ／ｍｉｎ、溶接電流の設定を１２００Ａとした条件で仮付け溶接を行った場合の結果である。

図４に示すように、制御盤からの指令により、溶接機への溶接電流の印加開始に伴って仮付け溶接を開始したとき、溶接電流は瞬時に設定電流値に達して安定するわけではなく、約０．５秒経過した後に安定する。このため、溶接電流の印加と同時にＯ管の搬送を開始するのではなく、０．５〜２．０秒程度のアイドルタイムを設けてＯ管の搬送を開始すれば、溶接電流が設定電流値に安定し溶接状態も安定する。例えば、図４に示すように、溶接電流の印加を開始してから０．８秒経過した後にＯ管の搬送を開始すればよい。

さらに、前記図１に示す溶接装置を用いた仮付け溶接においては、制御盤からの指令により、Ｏ管の溶接開始管端部分における溶接速度（Ｖｅ）を、Ｏ管の中央部における溶接速度（Ｖｃ）の７０〜９０％とすることが好ましい。仮付け溶接を高速で行う場合、溶接開始時に、いきなりＯ管中央部で適用する高速の溶接速度（Ｖｃ）にすると、溶接ビードの性状が悪化し易いからである。なお、Ｏ管の溶接開始管端部分とは、Ｏ管の全長の１％の領域のことである。

加えて、前記図１に示す溶接装置を用いた仮付け溶接においては、溶接機に電流を印加するための溶接電源としてデジタル溶接電源を適用しているので、従来のアナログ式の溶接電源と比較し、溶接電流の波形の位相制御や周波数制御を行える。このため、溶接ビード形状や溶け込みを精緻に調節することができ、溶接速度の高速化も実現できる。例えば、溶接電流の周波数を８０ｋＨｚとすれば、溶滴のスプレー移行を高速・高頻度とし、溶接時に発生するスパッタを抑制することもできる。

本発明のＵＯＥ鋼管の製造方法は、Ｕ成形の際、Ｕ管の幅（Ｗ）とＵＯＥ鋼管の外径（Ｄ）との比（Ｗ／Ｄ）が０．６０〜０．７５となる条件でＵ成形を行い、仮付け溶接の際、シーム部を上側に位置させたＯ管に、ケージロールによって、左右からＯ管の外径の０．５〜１．０％の押付け量を付与するとともに、上方からＯ管の外径の０．１〜０．５％の押付け量を付与しながら、仮付け溶接を行うこととする。これにより、特に５ｍ／ｍｉｎ以上の高速で仮付け溶接を行う場合であっても、ピンホールやブローホール等の溶接欠陥や溶接部の割れを低減させることができる。その結果、内面側の本溶接時に溶け落ちの発生を防止することができ、本溶接後に仮付け溶接欠陥の残存に伴う溶接補修による生産能率の低下や、欠陥部切り下げによる歩留ロスを抑制することができる。したがって、本発明は、高効率的で高品質な溶接を行うことが可能となる。

本発明は、天然ガス輸送用のラインパイプに適用されるＵＯＥ鋼管、とりわけＡＰＩ規格のＸ８０グレード以下のＵＯＥ鋼管の製造に有効に利用できる。

１：Ｏ管、１ａ：シーム部、２：チェーントランスファ、
３：チェーンドライブモータ、４：フック、５：フィンロール、
６：ケージロール群、６ａ〜６ｈ：ケージロール、
７：下側ケージロールのフレーム、８：溶接機、９：トーチ、
１０：溶接ワイヤ、１１：ワイヤ送給電動機、１２：搬出ロール、
１３：デジタル溶接電源、１４：制御盤

Claims

両縁に開先加工を施した鋼板にＣ成形およびＵ成形を順に行ってＵ管を造形し、このＵ管にＯ成形を行ってＯ管を造形し、このＯ管のシーム部にガスシールドアーク溶接法による仮付け溶接およびサブマージアーク溶接法による本溶接を順に行って、引っ張り強度が７０５ＭＰａ以下のＵＯＥ鋼管を製造する方法であって、
当該ＵＯＥ鋼管の製造方法は、
Ｕ成形の際、Ｕ管の幅（Ｗ）とＵＯＥ鋼管の外径（Ｄ）との比（Ｗ／Ｄ）が０．６０〜０．７５となる条件でＵ成形を行い、
仮付け溶接の際、シーム部を上側に位置させたＯ管に、ケージロールによって、左右からＯ管の外径の０．５〜１．０％の押付け量を付与するとともに、上方からＯ管の外径の０．１〜０．５％の押付け量を付与しながら、仮付け溶接を行うこと、
を特徴とするＵＯＥ鋼管の製造方法。
前記仮付け溶接の際、溶接電流の印加を開始してから０．５〜２．０秒経過した後にＯ管の搬送を開始すること、
を特徴とする請求項１に記載のＵＯＥ鋼管の製造方法。
前記仮付け溶接の際、Ｏ管の溶接開始管端部分における溶接速度（Ｖｅ）を、Ｏ管の中央部における溶接速度（Ｖｃ）の７０〜９０％とすること、
を特徴とする請求項１または２に記載のＵＯＥ鋼管の製造方法。