JP6743851B2 - 鋼管の管端直角度測定方法及び鋼管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管の管端直角度測定方法、及び、この管端直角度測定方法によって管端の直角度が測定される鋼管の製造方法に関する。

ラインパイプなどの円周溶接を行う鋼管において、管軸に対する管端面の直角度が適正範囲を外れる場合、溶接する管端を付き合わせた部分に目違いが生じ、溶接性に悪影響を与える。そのため、管端面の直角度を正確に測定する必要がある。

鋼管の管端直角度を自動で測定する装置が、特許文献１に開示されている。

特許文献１によると、管中心軸に擬したＸ軸と、Ｘ軸周りの回転半径方向の軸であるＹ軸とが為すＸＹ座標系が設けられ、Ｘ方向の２箇所でレーザ距離計をＸ軸周りに３６０度回転させて検出した管外周の距離データを採取するとともに、Ｘ軸方向管端面位置検出用としての光切断型レーザセンサをＸ軸周りに３６０度回転させて検出した管端面のＸ座標データを採取し、これらデータに対し、回転角度差が１８０度である対向２点の回転位置毎に下記の（ａ）〜（ｃ）の処理を施して直角度を算出し、各回転位置で算出された直角度絶対値の全データ中における最大値を管端直角度として出力することとしている。

＜処理＞
（ａ）Ｘ方向２箇所で対向２点の計４点の距離データ、及び管端の対向２点のＸ座標データから、管端面の対向２点のＹ座標値、及び管中心軸を算出する。
（ｂ）Ｘ軸に対する前記管中心軸の傾き角度が０度となる向きにＸＹ座標系を回転させ、管端面の対向２点の座標値を、前記回転後ＸＹ座標系の座標値に変換する。
（ｃ）前記変換後の管端の対向２点のＸ座標値の差を算出し、前記回転位置における直角度とする。

これにより、３６０度全周の直角度を全自動で１分以内のサイクルタイムで測定でき、信頼度の高い測定データが得られるとしている。

特開２０１３−１３４１６０号公報

しかしながら、特許文献１に開示される鋼管の管端直角度測定装置においては、以下の課題が有った。

即ち、前記２箇所のレーザ距離計のいずれかの箇所における全周３６０度測定において、測定範囲に鋼管の局所的に変形している部位が含まれる場合、前記＜処理＞（ａ）にて、管軸方向２点の管外周データと、これらとは１８０度対向する２点の管外周データの計４点の管外周データとから演算される管中心軸が、前記鋼管の変形による影響を受けてしまい、これによって真の管中心軸からの外れが大きくなり、過剰に直角度不良と誤判定するという問題が有った。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、鋼管の形状に局所的な変形が存在しても、また、鋼管に曲がりが存在しても、鋼管管端の直角度を精度良く測定することのできる、鋼管の管端直角度測定方法を提供することであり、また、この管端直角度測定方法によって管端の直角度が測定される鋼管の製造方法を提供することである。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［１］被測定鋼管の管軸方向管端面位置を検出する管端面位置測定器と、
該管端面位置測定器の管軸方向測定原点から管軸方向へ距離Ｄだけ離して配置された前記被測定鋼管の外周面の径方向の距離を検出する第１距離計と、
該第１距離計から管軸方向へ距離Ｌだけ離して配置された前記被測定鋼管の外周面の径方向の距離を検出する第２距離計と、を備え、
前記管端面位置測定器、前記第１距離計及び前記第２距離計が前記被測定鋼管の管周方向に３６０度回転しながら所定の回転角度毎に測定する管端直角度測定装置を用いた鋼管の管端直角度測定方法であって、
前記管端面位置測定器、前記第１距離計及び前記第２距離計による測定データを用いて、前記被測定鋼管の中心軸となる方向ベクトルｄと前記被測定鋼管の管端面の法線ベクトルｎとを求め、求めた方向ベクトルｄと求めた法線ベクトルｎとの為す角度θから管端直角度を求めることを特徴とする、鋼管の管端直角度測定方法。
［２］前記管端面位置測定器が、投光部及び受光部を有し、前記投光部から前記受光部へ向けて帯状のレーザ光を照射し、この全レーザ光路幅の一部が物体で遮蔽されたとき、その遮蔽幅の対全レーザ光路幅比から被測定鋼管の管軸方向管端面位置を検出するように構成された管端面位置検出センサであって、
前記被測定鋼管の管軸方向をｚ軸、鉛直方向をｙ軸、これらと垂直に交差する軸をｘ軸とし、
前記管端面位置検出センサ、前記第１距離計及び前記第２距離計による測定データを用い、下記の手順（１）から手順（６）によって前記被測定鋼管の管端直角度を求めることを特徴とする、上記［１］に記載の鋼管の管端直角度測定方法。
手順（１）；前記第１距離計を３６０度回転させたときに得られるｎ個の外周面データ列（ｘｐｉ，ｙｐｉ，Ｄ）を円の方程式に当てはめ、最小二乗法を用いて、円の中心ｐ（ｘｐ，ｙｐ，Ｄ）を求める。ここで、ｉ＝０，１，２，・・・，ｎ−１である。
手順（２）；前記第２距離計を３６０度回転させたときに得られるｎ個の外周面データ列（ｘｑｉ，ｙｑｉ，Ｄ＋Ｌ）を円の方程式に当てはめ、最小二乗法を用いて、円の中心ｑ（ｘｑ，ｙｑ，Ｄ＋Ｌ）を求める。ここで、ｉ＝０，１，２，・・・，ｎ−１である。
手順（３）；前記管端面位置検出センサにより測定された管軸方向管端面位置は、前記第１距離計及び前記第２距離計による２つの測定点を通過する直線上の点であると見做し、前記第１距離計の外周面データ列（ｘｐｉ，ｙｐｉ，Ｄ）及び前記第２距離計の外周面データ列（ｘｑｉ，ｙｑｉ，Ｄ＋Ｌ）と、前記管端面位置検出センサのｚ軸方向データ列（ｚｏｉ）とから、前記被測定鋼管の全周３６０度の管端面位置データ列（ｘｏｉ，ｙｏｉ，ｚｏｉ）を求める。ここで、ｉ＝０，１，２，・・・，ｎ−１である。
手順（４）；手順（３）で得られたｎ個の管端面位置データ列を平面の方程式に当てはめ、最小二乗法を用いて、管端面の法線ベクトルｎ（ｎ１，ｎ２，ｎ３）を求める。
手順（５）；手順（１）及び手順（２）で得られた２つの円の中心ｐ及び中心ｑを通る直線の方向ベクトルｄを求める。
手順（６）；手順（４）で求めた法線ベクトルｎと、手順（５）で求めた方向ベクトルｄとの２つのベクトルの為す角度θ（度）を求め、「９０−θ（度）」を被測定鋼管の管端面の直角度として演算する。
［３］前記管端面位置測定器が、被測定鋼管の管厚よりも広い測定視野を有し、測定視野の中心が前記管厚の中心線に一致するように、被測定鋼管の管端面に対向して配置された２次元レーザ距離計であって、
前記被測定鋼管の管軸方向をｚ軸、鉛直方向をｙ軸、これらと垂直に交差する軸をｘ軸とし、
前記２次元レーザ距離計、前記第１距離計及び前記第２距離計による測定データを用い、下記の手順（１１）から手順（１５）によって前記被測定鋼管の管端直角度を求めることを特徴とする、上記［１］に記載の鋼管の管端直角度測定方法。
手順（１１）；前記第１距離計を３６０度回転させたときに得られるｎ個の外周面データ列（ｘｐｉ，ｙｐｉ，Ｄ）を円の方程式に当てはめ、最小二乗法を用いて、円の中心ｐ（ｘｐ，ｙｐ，Ｄ）を求める。ここで、ｉ＝０，１，２，・・・，ｎ−１である。
手順（１２）；前記第２距離計を３６０度回転させたときに得られるｎ個の外周面データ列（ｘｑｉ，ｙｑｉ，Ｄ＋Ｌ）を円の方程式に当てはめ、最小二乗法を用いて、円の中心ｑ（ｘｑ，ｙｑ，Ｄ＋Ｌ）を求める。ここで、ｉ＝０，１，２，・・・，ｎ−１である。
手順（１３）；前記２次元レーザ距離計を３６０度回転させたときに得られるｎ個の管端面位置データ列（ｘｏｉ，ｙｏｉ，ｚｏｉ）を平面の方程式に当てはめ、最小二乗法を用いて、管端面の法線ベクトルｎ（ｎ１，ｎ２，ｎ３）を求める。ここで、ｉ＝０，１，２，・・・，ｎ−１である。
手順（１４）；手順（１１）及び手順（１２）で得られた２つの円の中心ｐ及び中心ｑを通る直線の方向ベクトルｄを求める。
手順（１５）；手順（１３）で求めた法線ベクトルｎと、手順（１４）で求めた方向ベクトルｄとの２つのベクトルの為す角度θ（度）を求め、「９０−θ（度）」を被測定鋼管の管端面の直角度として演算する。
［４］上記［１］から上記［３］のいずれかに記載の鋼管の管端直角度測定方法によって管端の直角度が測定されたことを特徴とする鋼管。

本発明に係る鋼管の管端直角度測定方法によれば、管軸方向の異なる２点の位置での鋼管全周外面プロフィールデータを用いて、円の方程式に当てはめて最小二乗法により前記２点の位置での中心を求め、これらの中心を結ぶ直線を鋼管の中心軸として演算する方法であるので、鋼管形状において局所的な変形が在ってもその影響が軽減され、また鋼管の曲りが在っても、鋼管の中心軸が正しく求められる。同様に、鋼管の管端面位置における全周プロフィールデータから最小二乗法を用いて平面方程式を演算する方法であるので、管端面位置における局所的な変形に対してもその影響を受けにくく、信頼性の極めて高い管端直角度測定が可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る鋼管の管端直角度測定方法で使用する管端直角度測定装置の概略図である。 本発明の第１の実施形態に係る鋼管の管端直角度測定方法を示す図であり、管端面位置検出センサ、第１距離計及び第２距離計と、被測定鋼管との位置関係を示す概略図である。 本発明における被測定鋼管の管端直角度を演算する方法を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る鋼管の管端直角度測定方法で使用する管端直角度測定装置の概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る鋼管の管端直角度測定方法で使用する２次元レーザ距離計の配置、及び、ベベル加工による端面開先形状を説明する概略図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る鋼管の管端直角度測定方法の実施形態を説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る鋼管の管端直角度測定方法で使用する管端直角度測定装置の概略図である。

図１に示すとおり、第１の実施形態で使用する鋼管の管端直角度測定装置１は、測定台車２と、回転昇降機構４と、回転機構５と、回転角度検出器６と、測定アーム７と、径方向移動機構８と、測定ヘッド９と、制御部１４と、演算部１５と、を備えている。ここで、「管端直角度」とは、被測定鋼管Ｓの中心軸線Ｃ１と被測定鋼管Ｓの管端面Ｔとが為す角度α（図１参照）で定義され、角度αが９０度に近い程良好である。

測定台車２は、走行レール３に沿って被測定鋼管Ｓの中心軸線Ｃ１が延びる方向（管軸方向）へ移動可能なように配置されている。

回転昇降機構４は、回転機構５を測定台車２に対して昇降させるものであり、測定台車２から起立する起立部４ａと、起立部４ａに取り付けられた上下一対の軸受４ｅ、４ｅによって起立部４ａに対して回転可能に支持されたボールねじ軸４ｂと、ボールねじ軸４ｂの回転によって上下移動する一対のナット部材４ｃ、４ｃと、ボールねじ軸４ｂを回転駆動するための駆動モータ４ｄと、前記軸受４ｅ、４ｅとを備えている。

回転機構５は、回転昇降機構４により、測定台車２に対して昇降自在に取り付けられるものであり、回転昇降機構４の一対のナット部材４ｃ、４ｃに取り付けられた基台部５ａと、基台部５ａに固定された駆動モータ５ｂと、駆動モータ５ｂによって回転する回転軸５ｃと、回転軸５ｃの先端に固定された回転板５ｄと、を備えている。回転機構５は、回転軸５ｃの中心軸線Ｃ２が被測定鋼管Ｓの中心軸線Ｃ１とほぼ一致する位置となるように、回転昇降機構４によって昇降され、回転軸５ｃの中心軸線Ｃ２と被測定鋼管Ｓの中心軸線Ｃ１とがほぼ一致している状態で、回転軸５ｃは被測定鋼管Ｓの中心軸線Ｃ１とほぼ同一の軸心を中心に３６０度回転するようになっている。回転軸５ｃが回転すると、回転軸５ｃの先端に固定された回転板５ｄも回転する。

また、測定アーム７は、被測定鋼管Ｓの径方向に長く延びる部材であり、回転機構５の回転板５ｄに取り付けられていて、回転板５ｄとともに回転する。測定アーム７の回転中心は回転軸５ｃの中心軸線Ｃ２である。したがって、回転軸５ｃの中心軸線Ｃ２が被測定鋼管Ｓの中心軸線Ｃ１とほぼ一致しているときには、測定アーム７は被測定鋼管Ｓの中心軸線Ｃ１とほぼ同一の軸心を中心に３６０度回転する。

また、径方向移動機構８は、測定ヘッド９を被測定鋼管Ｓの径方向に移動させるものであり、測定アーム７に取り付けられた一対の軸受８ｄ、８ｄによって測定アーム７に対して回転可能に支持されたボールねじ軸８ａと、ボールねじ軸８ａの回転によって径方向に移動する一対のナット部材８ｂ、８ｂと、ボールねじ軸８ａを回転駆動するための駆動モータ８ｃと、前記軸受８ｄ、８ｄと、を備えている。

また、測定ヘッド９は、径方向移動機構８の一対のナット部材８ｂ、８ｂに固定されていて、測定アーム７に対して被測定鋼管Ｓの径方向へ移動自在に取り付けられている。

この測定ヘッド９には、被測定鋼管Ｓの径方向外側に位置するセンサ取り付けバー１３ａと、被測定鋼管Ｓの径方向内側に位置するセンサ取り付けバー１３ｂと、が取り付けられている。センサ取り付けバー１３ａには、投光部１０ａから受光部１０ｂへ向けて帯状のレーザ光を照射し、この全レーザ光路幅の一部が物体で遮蔽されたとき、その遮蔽幅の対全レーザ光路幅比から被測定鋼管Ｓの管軸方向管端面位置を検出する管端面位置検出センサ１０の投光部１０ａと、前記管端面位置検出センサ１０の管軸方向測定原点から距離Ｄだけ離れた位置で、被測定鋼管Ｓの外周面の位置を検出する第１距離計１１と、該第１距離計１１から管軸方向へ距離Ｌだけ離れた位置で、被測定鋼管Ｓの外周面の位置を検出する第２距離計１２とが配置されている。センサ取り付けバー１３ｂには、管端面位置検出センサ１０の受光部１０ｂが配置されている。つまり、第１の実施形態で使用する管端直角度測定装置１には、被測定鋼管Ｓの管軸方向管端面位置を検出する管端面位置測定器として、投光部１０ａと受光部１０ｂとで構成される管端面位置検出センサ１０が設置されている。

ここで、管端面位置検出センサ１０の管軸方向測定原点と第１距離計１１の測定点との距離Ｄは５０〜１５０ｍｍ程度、第１距離計１１の測定点と第２距離計１２の測定点との距離Ｌは５００〜１０００ｍｍ程度に設定される。

また、回転角度検出器６は、回転機構５の基台部５ａに取り付けられており、回転機構５の回転軸５ｃの回転角度を検出することで測定アーム７の回転角度を検出する。

制御部１４は、回転昇降機構４の駆動モータ４ｄ、回転機構５の駆動モータ５ｂ、及び径方向移動機構８の駆動モータ８ｃと電気的に接続され、それぞれの駆動を制御する。

演算部１５は、管端面位置検出センサ１０の投光部１０ａ、管端面位置検出センサ１０の受光部１０ｂ、第１距離計１１、第２距離計１２及び回転角度検出器６と電気的に接続されており、回転角度検出器６から得られる被測定鋼管Ｓの管周方向所定位置（被測定鋼管Ｓの円周方向における頂点の位置）を基準とした測定アーム７の回転角度データと、管端面位置検出センサ１０から得られる被測定鋼管Ｓの管軸方向管端面位置データと、第１距離計１１及び第２距離計１２から得られる被測定鋼管Ｓの外周面の径方向位置データと、に基いて、被測定鋼管Ｓの管周方向所定位置を基準とした管軸方向３箇所（Ａ、Ｂ、Ｃの３箇所）の外周面位置座標を算出し、最終的に、後述する被測定鋼管Ｓの管端直角度を演算する。ここで、管軸方向３箇所のうちのＡの位置とは、管端面位置検出センサ１０の測定位置、Ｂの位置とは、第１距離計１１の測定位置、Ｃの位置とは、第２距離計１２の測定位置である。

次に、図１に示す管端直角度測定装置１による測定データを用いて被測定鋼管Ｓの管端直角度を測定する方法について説明する。

先ず、被測定鋼管Ｓが、チェーンコンベア（図示せず）などによって搬入され、所定の位置で停止する。

次いで、管端直角度測定装置１の制御部１４は、被測定鋼管Ｓの公称外径寸法値に基づいた高さ情報により、回転昇降機構４の駆動モータ４ｄを制御して、回転軸５ｃの中心軸線Ｃ２が被測定鋼管Ｓの中心軸線Ｃ１の近傍に位置するように回転軸５ｃの高さ調整を行う。このとき、制御部１４は、駆動モータ５ｂを制御して測定アーム７が被測定鋼管Ｓの円周方向において頂点と一致するように位置制御する。

そして、管端直角度測定装置１の制御部１４は、被測定鋼管Ｓの公称外径寸法値及び公称管厚値に基づいて径方向移動機構８の駆動モータ８ｃを制御し、管端面位置検出センサ１０の投光部１０ａと受光部１０ｂとの間の中心線Ｃ３が被測定鋼管Ｓの管端面Ｔの頂点位置における管厚中心線と同程度の高さになるように、測定ヘッド９の径方向位置を調整する。このとき、管端面位置検出センサ１０、第１距離計１１及び第２距離計１２は、被測定鋼管Ｓの円周方向の頂点に対応した位置に位置する。

次いで、測定台車２を、走行レール３の上を被測定鋼管Ｓに向かって移動させて、被測定鋼管Ｓの管端面Ｔの位置が、管端面位置検出センサ１０における管軸方向測定原点に到達したところで、測定台車２を停止させる。このとき、第１距離計１１の測定位置は、被測定鋼管Ｓの管端面位置から距離Ｄ（５０〜１５０ｍｍ程度）の位置になり、第２距離計１２の測定位置は、第１距離計１１の測定位置から距離Ｌ（５００〜１０００ｍｍ程度）の位置になる。

この状態で、制御部１４は、回転機構５の駆動モータ５ｂを制御して、測定アーム７及び測定ヘッド９を、回転軸５ｃの中心軸線Ｃ２を中心に３６０度回転させる。

その際に、演算部１５は、回転角度検出器６から入力される被測定鋼管Ｓの管周方向所定位置（被測定鋼管Ｓの円周方向における頂点の位置）を基準とした測定アーム７の回転角度データと、管端面位置検出センサ１０から入力される被測定鋼管Ｓの管軸方向管端面位置データと、第１距離計１１から入力される被測定鋼管Ｓの外周面の径方向位置データと、第２距離計１２から入力される被測定鋼管Ｓの外周面の径方向位置データとを、回転角度毎に得て、得られたこれらのデータを用いて被測定鋼管Ｓの管端直角度を演算する。

以下、演算部１５における被測定鋼管Ｓの管端直角度の演算方法について、図２及び図３を用いて説明する。図２は、本発明の第１の実施形態に係る鋼管の管端直角度測定方法を示す図であり、管端面位置検出センサ１０、第１距離計１１及び第２距離計１２と、被測定鋼管Ｓとの位置関係を示す概略図であり、図３は、本発明における被測定鋼管Ｓの管端直角度を演算する方法を示す模式図である。尚、被測定鋼管Ｓの管端直角度を演算する際には、前述したように、管端面位置検出センサ１０は、管端面位置検出センサ１０の投光部１０ａから照射される帯状レーザ光ＲＥの全レーザ光路幅の一部が被測定鋼管Ｓによって遮断される位置に、測定台車２の移動によって設定されている。

図２及び図３に示すとおり、管端面位置検出センサ１０、第１距離計１１及び第２距離計１２の回転中心を原点とし、回転軸５ｃの中心軸線Ｃ２の方向、つまり、管軸方向をｚ軸、鉛直方向をｙ軸とし、これらｚ軸及びｙ軸に垂直に交差する方向をｘ軸とする。図２及び図３における「ｏ」のｚ軸方向座標は、管端面位置検出センサ１０が被測定鋼管Ｓの頂点位置に存在するときに、管端面位置検出センサ１０によって検出される被測定鋼管Ｓの管端面Ｔの位置である。本発明の第１の実施形態に係る被測定鋼管Ｓの管端直角度の演算方法は、下記の手順（１）から手順（６）によって行う。

手順（１）；先ず、第１距離計１１を３６０度回転させたときに得られるｎ個の外周面の回転角度データ及び径方向位置データから、ｎ個の外周面データ列（ｘｐｉ，ｙｐｉ，Ｄ）を演算する。ここで、ｉ＝０，１，２，・・・，ｎ−１である。演算したｎ個の外周面データ列（ｘｐｉ，ｙｐｉ，Ｄ）を円の方程式に当てはめ、最小二乗法を用いて、円の中心ｐ（ｘｐ，ｙｐ，Ｄ）を求める。

手順（２）；次に、手順（１）と同様にして、第２距離計１２を３６０度回転させたときに得られるｎ個の回転角度データ及び径方向位置データから、ｎ個の外周面データ列（ｘｑｉ，ｙｑｉ，Ｄ＋Ｌ）を演算する。ここで、ｉ＝０，１，２，・・・，ｎ−１である。演算したｎ個の外周面データ列（ｘｑｉ，ｙｑｉ，Ｄ＋Ｌ）を円の方程式に当てはめ、最小二乗法を用いて、円の中心ｑ（ｘｑ，ｙｑ，Ｄ＋Ｌ）を求める。

手順（３）；前記端面位置検出センサ１０により測定された管軸方向管端面位置は、前記第１距離計１１及び前記第２距離計１２による２つの測定点を通過する直線上の点であると見做し、前記第１距離計１１の外周面データ（ｘｐ０，ｙｐ０，Ｄ）及び前記第２距離計１２の外周面データ（ｘｑ０，ｙｑ０，Ｄ＋Ｌ）の２点を通る直線の方程式を求め、この直線上に存在して、ｚ軸座標が管端面位置検出センサ１０によって求められるｚｏ０である位置のｘ軸座標ｘｏ０及びｙ軸座標ｙｏ０を求める。以下同様にして、被測定鋼管Ｓの全周３６０度のｎ個の管端面位置検出センサ１０のｚ軸方向データ列（ｚｏｉ）、第１距離計１１の外周面データ列（ｘｐｉ，ｙｐｉ，Ｄ）及び第２距離計１２の外周面データ列（ｘｑｉ，ｙｑｉ，Ｄ＋Ｌ）から、管端面位置データ列（ｘｏｉ，ｙｏｉ，ｚｏｉ）を求める。ここで、ｉ＝０，１，２，・・・，ｎ−１である。

手順（４）；手順（３）で得られたｎ個の管端面位置データ列を平面の方程式に当てはめ、最小二乗法を用いて、管端面Ｔの法線ベクトルｎ（ｎ１，ｎ２，ｎ３）を求める。

手順（５）；手順（１）及び手順（２）で得られた２つの円の中心ｐ及び中心ｑを通る直線の方向ベクトルｄを求める。

手順（６）；手順（４）で求めた法線ベクトルｎと、手順（５）で求めた方向ベクトルｄとの２つのベクトルの為す角度θ（度）を求め、「９０−θ（度）」を被測定鋼管Ｓの管端面Ｔの直角度として演算する。

このように、第１の実施形態では、管端面位置検出センサ１０、第１距離計１１及び第２距離計１２による測定データを用いて、被測定鋼管Ｓの中心軸となる方向ベクトルｄと被測定鋼管Ｓの管端面の法線ベクトルｎとを求め、求めた方向ベクトルｄと求めた法線ベクトルｎとの為す角度θから管端直角度を求める。

［第２の実施形態］
図４は、本発明の第２の実施形態に係る鋼管の管端直角度測定方法で使用する管端直角度測定装置の概略図であり、図５は、本発明の第２の実施形態に係る鋼管の管端直角度測定方法で使用する２次元レーザ距離計の配置、及び、ベベル加工による端面開先形状を説明する概略図である。

第１の実施形態で用いた管端直角度測定装置１では、被測定鋼管Ｓの管軸方向管端面位置を検出する管端面位置検出器として、投光部１０ａから受光部１０ｂへ向けて帯状のレーザ光を照射し、この全レーザ光路幅の一部が物体で遮蔽されたとき、その遮蔽幅の対全レーザ光路幅比から被測定鋼管Ｓの管軸方向管端面位置を検出するように構成された管端面位置検出センサ１０を使用したが、第２の実施形態で使用する管端直角度測定装置１Ａでは、図４及び図５に示すように、管端面位置検出センサ１０に替えて、２次元レーザ距離計１６を使用する。第２の実施形態で使用する管端直角度測定装置１Ａのその他の構成は、第１の実施形態で用いた管端直角度測定装置１と同一である。

２次元レーザ距離計１６で構成されるセンサは、第１の実施形態で用いた管端面位置検出センサ１０に比較すると高価であるが、以下に説明するように、管端面全周の形状寸法、即ち、ベベル角度及びルートフェース高さについても、同時に測定することが可能であるという優れた利点を有する。

図４及び図５に示すように、被測定鋼管Ｓの管厚ｔに比べて充分に広い測定視野を有する２次元レーザ距離計１６を被測定鋼管Ｓの管端面Ｔに対向して配置し、２次元レーザ距離計１６から２次元レーザ光１７を管端面Ｔに向けて照射する。ここでは、２次元レーザ距離計１６により、被測定鋼管Ｓの管端面の「Ａの位置」（図５を参照）、つまり、内面管端位置までの距離を測定する。２次元レーザ距離計１６の測定視野は被測定鋼管Ｓの管厚ｔに比べて充分に広いので、管端面Ｔの形状測定が可能になる。

その際に、２次元レーザ距離計１６の測定視野の中心線Ｃ４が被測定鋼管Ｓの管端面Ｔの頂点位置における管厚中心線に一致するように、測定ヘッド９の径方向位置を径方向移動機構８によって調整する。また、第１距離計１１の測定位置が、被測定鋼管Ｓの管端面位置から距離Ｄ（５０〜１５０ｍｍ程度）の位置になり、第２距離計１２の測定位置が、第１距離計１１の測定位置から距離Ｌ（５００〜１０００ｍｍ程度）の位置になるように、測定台車２の位置を調整する。

演算部１５は、２次元レーザ距離計１６、第１距離計１１、第２距離計１２及び回転角度検出器６と電気的に接続されており、回転角度検出器６からは、被測定鋼管Ｓの管周方向所定位置（被測定鋼管Ｓの円周方向における頂点の位置）を基準とした測定アーム７の回転角度データが得られ、２次元レーザ距離計１６からは、被測定鋼管Ｓの管軸方向管端面位置データが得られ、第１距離計１１及び第２距離計１２からは、被測定鋼管Ｓの外周面の径方向位置データが得られる。

これにより、図１で説明した第１の実施形態における管端面位置検出センサ１０によって測定した「Ａの位置」に相当する管端位置（図４、図５にも管端位置として「Ａの位置」を表示）の座標を求めることができる。更に、測定ヘッド９を、回転軸５ｃの中心軸線Ｃ２を中心として３６０度回転させ、第１の実施形態で説明した方法と同様にして、被測定鋼管Ｓの管端面位置Ｔにおける全周ｎ個のプロフィールデータから最小二乗法を用いて平面方程式を求めることで、被測定鋼管Ｓの管端面Ｔの直角度の演算が可能となる。

第２の実施形態における演算部１５での管端面Ｔの直角度の演算方法は、第１の実施形態の演算方法と同様であるが、第１の実施形態とは若干異なるので、重複することもあるが、図３を参照して以下に説明する。

２次元レーザ距離計１６、第１距離計１１及び第２距離計１２の回転中心を原点とし、回転軸５ｃの中心軸線Ｃ２の方向、つまり、管軸方向をｚ軸、鉛直方向をｙ軸とし、これらｚ軸及びｙ軸に垂直に交差する方向をｘ軸とする。図３における「ｏ」のｚ軸方向座標は、２次元レーザ距離計１６が被測定鋼管Ｓの頂点位置に存在するときに、２次元レーザ距離計１６によって検出される被測定鋼管Ｓの管端面Ｔの位置である。第２の実施形態に係る被測定鋼管Ｓの管端直角度の演算方法は、下記の手順（１１）から手順（１５）によって行う。尚、第１の実施形態の手順に対して手順（１３）が異なるだけであり、その他の手順は同一である。具体的には、第２の実施形態では、第１の実施形態の手順（３）及び手順（４）を、手順（１３）で行っている。

手順（１１）；先ず、第１距離計１１を３６０度回転させたときに得られるｎ個の外周面の回転角度データ及び径方向位置データから、ｎ個の外周面データ列（ｘｐｉ，ｙｐｉ，Ｄ）を演算する。ここで、ｉ＝０，１，２，・・・，ｎ−１である。演算したｎ個の外周面データ列（ｘｐｉ，ｙｐｉ，Ｄ）を円の方程式に当てはめ、最小二乗法を用いて、円の中心ｐ（ｘｐ，ｙｐ，Ｄ）を求める。

手順（１２）；次に、手順（１１）と同様にして、第２距離計１２を３６０度回転させたときに得られるｎ個の回転角度データ及び径方向位置データから、ｎ個の外周面データ列（ｘｑｉ，ｙｑｉ，Ｄ＋Ｌ）を演算する。ここで、ｉ＝０，１，２，・・・，ｎ−１である。演算したｎ個の外周面データ列（ｘｑｉ，ｙｑｉ，Ｄ＋Ｌ）を円の方程式に当てはめ、最小二乗法を用いて、円の中心ｑ（ｘｑ，ｙｑ，Ｄ＋Ｌ）を求める。

手順（１３）；２次元レーザ距離計１６を３６０度回転させたときに得られるｎ個の回転角度データ及び管軸方向位置データから、被測定鋼管Ｓの全周３６０度のｎ個の管端面位置データ列（ｘｏｉ，ｙｏｉ，ｚｏｉ）を演算する。ここで、ｉ＝０，１，２，・・・，ｎ−１である。演算したｎ個の管端面位置データ列（ｘｏｉ，ｙｏｉ，ｚｏｉ）を平面の方程式に当てはめ、最小二乗法を用いて、管端面Ｔの法線ベクトルｎ（ｎ１，ｎ２，ｎ３）を求める。

手順（１４）；手順（１１）及び手順（１２）で得られた２つの円の中心ｐ及び中心ｑを通る直線の方向ベクトルｄを求める。

手順（１５）；手順（１３）で求めた法線ベクトルｎと、手順（１４）で求めた方向ベクトルｄとの２つのベクトルの為す角度θ（度）を求め、「９０−θ（度）」を被測定鋼管Ｓの管端面Ｔの直角度として演算する。

このように、第２の実施形態では、、２次元レーザ距離計１６、第１距離計１１及び第２距離計１２による測定データを用いて、被測定鋼管Ｓの中心軸となる方向ベクトルｄと被測定鋼管Ｓの管端面Ｔの法線ベクトルｎとを求め、求めた方向ベクトルｄと求めた法線ベクトルｎとの為す角度θから管端直角度を求める。

尚、上記説明は、被測定鋼管Ｓの管端面Ｔの平面方程式を求める際、演算に用いる全周プロフィールデータとして、管周方向ｎ個の内面管端位置（図５に示す「Ａの位置」）の管端面位置データ列（ｘｏｉ，ｙｏｉ，ｚｏｉ）を使用したが、演算結果は同じであるので、外面管端位置（図５に示す「Ａ’の位置」）の管端面位置データ列（外周面データ列）を用いてもよい。

前述のとおり、ラインパイプは、現地において管端部を円周溶接により接続して敷設されるが、図５に示すとおり、管端面Ｔを拡大して表すと、管端面Ｔはベベル加工され、このベベル加工によるルートフーイス寸法Ｆ及びベベル角度βに誤差が生じると、溶接能率の低下や溶接部の強度不足及び溶接欠陥の原因となるので、その管理も重要である。

従来、これらの測定は、ノギスなど測定器具を用いて、人手により測定を行っていたが、熟練を要する作業であることと、測定に時間を費やし、生産性が低下することから、自動化が望まれていた。

そこで、図５に示すとおり、管端面位置測定器として、管端面形状プロフィール１８の測定が可能な２次元レーザ距離計１６を使用することで、ルートフーイス寸法Ｆ及びベベル角度βについても、管全周にわたり自動測定することが可能であり、これらの品質管理の強化が可能となる。

上記の第１及び第２の実施形態では、被測定鋼管Ｓの管端直角度として、被測定鋼管Ｓの中心軸となる方向ベクトルｄと被測定鋼管Ｓの管端面Ｔの法線ベクトルｎとの為す角度θから求める方法について述べたが、特許文献１に記載されるような、３６０度全周において１８０度対向する管端面位置の管中心軸方向の最大距離値となる値を直角度Ｇとする場合には、図３の右下方に記載するように、前記角度θ（度）と、第１距離計１１から演算される管端外径測定値Ｒとを用いて、直角度Ｇ＝Ｒ／ｔａｎ（９０−θ）＝Ｒｔａｎθによって算出される。

また、図１及び図４には、管端面位置から管軸方向へ「Ｄ」及び「Ｄ＋Ｌ」だけ離れた位置における被測定鋼管Ｓを円と見做したときの中心や、管端面データ列による平面の方程式を求めるために、外周面データを計測する第１距離計１１及び第２距離計１２を示したが、これらを管内面側へ配置し、管端面位置より管軸方向へ各々、「Ｄ」及び「Ｄ＋Ｌ」だけ離れた位置における内周面データを計測する構成としてもよい。上記で示した方法と同様の方法により、管端直角度が演算される。

以上説明したように、本発明の鋼管の管端直角度測定方法によれば、鋼管形状に局所的な変形が在ってもその影響を受けにくく、鋼管が曲がっていたり傾いたりしていても、正確に管端の直角度を測定することが可能となる。また、本発明の鋼管の製造方法によれば、管端の直角度が正確に測定された鋼管が製造できるので、現地での溶接作業などにおいて、目違いを生じることなく、確実な溶接作業を実現できる。

図１に示す管端直角度測定装置を用い、管端面位置検出センサ、第１距離計及び第２距離計による円周方向測定間隔を０．１度（ｎ＝３６００）として、中・大径電縫鋼管（管外径；３１８．５〜６６０．４ｍｍ）の検査工程に本発明を適用した。従来は、特許文献１に開示される方法を採用して管端の直角度を測定していた。

本発明の適用後は、過剰に直角度不良と誤判定するという、特許文献１に開示される方法を採用した場合に発生した問題がなくなり、その場合の再測定に費やす時間が不要となり、生産性（処理本数/ｈｒ）を従来方法に比べて大幅に向上させることができた。また、直角度の誤測定に起因するトラブルは皆無となった。

１ 管端直角度測定装置
１Ａ 管端直角度測定装置
２ 測定台車
３ 走行レール
４ 回転昇降機構
４ａ 起立部
４ｂ ボールねじ軸
４ｃ ナット部材
４ｄ 駆動モータ
４ｅ 軸受
５ 回転機構
５ａ 基台部
５ｂ 駆動モータ
５ｃ 回転軸
５ｄ 回転板
６ 回転角度検出器
７ 測定アーム
８ 径方向移動機構
８ａ ボールねじ軸
８ｂ ナット部材
８ｃ 駆動モータ
８ｄ 軸受
９ 測定ヘッド
１０ 管端面位置検出センサ
１０ａ 投光部
１０ｂ 受光部
１１ 第１距離計
１２ 第２距離計
１３ａ センサ取り付けバー
１３ｂ センサ取り付けバー
１４ 制御部
１５ 演算部
１６ ２次元レーザ距離計
１７ ２次元レーザ光
１８ 管端面形状プロフィール
Ｓ 被測定鋼管
Ｃ１ 被測定鋼管の中心軸線
Ｃ２ 回転軸５ｃの中心軸線
Ｃ３ 投光部１０ａと受光部１０ｂとの間の中心線
Ｃ４ ２次元レーザ距離計１６の測定視野の中心線
Ｆ ルートフーイス寸法
Ｔ 被測定鋼管の管端面
ｔ 被測定鋼管の管厚
ＲＥ 帯状レーザ光
α 管端直角度
β ベベル角度
θ 法線ベクトルｎと方向ベクトルｄとの為す角度（度）

Claims (3)

1. 被測定鋼管の管軸方向管端面位置を検出する管端面位置測定器と、
   該管端面位置測定器の管軸方向測定原点から管軸方向へ距離Ｄだけ離して配置された前記被測定鋼管の外周面の径方向の距離を検出する第１距離計と、
   該第１距離計から管軸方向へ距離Ｌだけ離して配置された前記被測定鋼管の外周面の径方向の距離を検出する第２距離計と、を備え、
   前記管端面位置測定器、前記第１距離計及び前記第２距離計が前記被測定鋼管の管周方向に３６０度回転しながら所定の回転角度毎に測定する管端直角度測定装置を用いた鋼管の管端直角度測定方法であって、
   前記管端面位置測定器、前記第１距離計及び前記第２距離計による測定データを用いて、前記被測定鋼管の中心軸となる方向ベクトルｄと前記被測定鋼管の管端面の法線ベクトルｎとを求め、求めた方向ベクトルｄと求めた法線ベクトルｎとの為す角度θから管端直角度を求めるにあたり、
   前記管端面位置測定器が、投光部及び受光部を有し、前記投光部から前記受光部へ向けて帯状のレーザ光を照射し、この全レーザ光路幅の一部が物体で遮蔽されたとき、その遮蔽幅の対全レーザ光路幅比から被測定鋼管の管軸方向管端面位置を検出するように構成された管端面位置検出センサであって、
   前記管端面位置測定器、前記第１距離計及び前記第２距離計を前記被測定鋼管の管周方向に回転させる回転機構の回転軸の中心軸線の方向をｚ軸、鉛直方向をｙ軸、これらと垂直に交差する軸をｘ軸とし、
   前記管端面位置検出センサ、前記第１距離計及び前記第２距離計による測定データを用い、下記の手順（１）から手順（６）によって前記被測定鋼管の管端直角度を求めることを特徴とする、鋼管の管端直角度測定方法。
   手順（１）；前記第１距離計を３６０度回転させたときに得られるｎ個の外周面データ列（ｘｐｉ，ｙｐｉ，Ｄ）を円の方程式に当てはめ、最小二乗法を用いて、円の中心ｐ（ｘｐ，ｙｐ，Ｄ）を求める。ここで、ｉ＝０，１，２，・・・，ｎ−１である。
   手順（２）；前記第２距離計を３６０度回転させたときに得られるｎ個の外周面データ列（ｘｑｉ，ｙｑｉ，Ｄ＋Ｌ）を円の方程式に当てはめ、最小二乗法を用いて、円の中心ｑ（ｘｑ，ｙｑ，Ｄ＋Ｌ）を求める。ここで、ｉ＝０，１，２，・・・，ｎ−１である。
   手順（３）；前記管端面位置検出センサにより測定された管軸方向管端面位置は、前記第１距離計及び前記第２距離計による２つの測定点を通過する直線上の点であると見做し、前記第１距離計の外周面データ列（ｘｐｉ，ｙｐｉ，Ｄ）及び前記第２距離計の外周面データ列（ｘｑｉ，ｙｑｉ，Ｄ＋Ｌ）と、前記管端面位置検出センサのｚ軸方向データ列（ｚｏｉ）とから、前記被測定鋼管の全周３６０度の管端面位置データ列（ｘｏｉ，ｙｏｉ，ｚｏｉ）を求める。ここで、ｉ＝０，１，２，・・・，ｎ−１である。
   手順（４）；手順（３）で得られたｎ個の管端面位置データ列を平面の方程式に当てはめ、最小二乗法を用いて、管端面の法線ベクトルｎ（ｎ１，ｎ２，ｎ３）を求める。
   手順（５）；手順（１）及び手順（２）で得られた２つの円の中心ｐ及び中心ｑを通る直線の方向ベクトルｄを求める。
   手順（６）；手順（４）で求めた法線ベクトルｎと、手順（５）で求めた方向ベクトルｄとの２つのベクトルの為す角度θ（度）を求め、「９０−θ（度）」を被測定鋼管の管端面の直角度として演算する。
2. 被測定鋼管の管軸方向管端面位置を検出する管端面位置測定器と、
   該管端面位置測定器の管軸方向測定原点から管軸方向へ距離Ｄだけ離して配置された前記被測定鋼管の外周面の径方向の距離を検出する第１距離計と、
   該第１距離計から管軸方向へ距離Ｌだけ離して配置された前記被測定鋼管の外周面の径方向の距離を検出する第２距離計と、を備え、
   前記管端面位置測定器、前記第１距離計及び前記第２距離計が前記被測定鋼管の管周方向に３６０度回転しながら所定の回転角度毎に測定する管端直角度測定装置を用いた鋼管の管端直角度測定方法であって、
   前記管端面位置測定器、前記第１距離計及び前記第２距離計による測定データを用いて、前記被測定鋼管の中心軸となる方向ベクトルｄと前記被測定鋼管の管端面の法線ベクトルｎとを求め、求めた方向ベクトルｄと求めた法線ベクトルｎとの為す角度θから管端直角度を求めるにあたり、
   前記管端面位置測定器が、被測定鋼管の管厚よりも広い測定視野を有し、測定視野の中心が前記管厚の中心線に一致するように、被測定鋼管の管端面に対向して配置された２次元レーザ距離計であって、
   前記管端面位置測定器、前記第１距離計及び前記第２距離計を前記被測定鋼管の管周方向に回転させる回転機構の回転軸の中心軸線の方向をｚ軸、鉛直方向をｙ軸、これらと垂直に交差する軸をｘ軸とし、
   前記２次元レーザ距離計、前記第１距離計及び前記第２距離計による測定データを用い、下記の手順（１１）から手順（１５）によって前記被測定鋼管の管端直角度を求めることを特徴とする、鋼管の管端直角度測定方法。
   手順（１１）；前記第１距離計を３６０度回転させたときに得られるｎ個の外周面データ列（ｘｐｉ，ｙｐｉ，Ｄ）を円の方程式に当てはめ、最小二乗法を用いて、円の中心ｐ（ｘｐ，ｙｐ，Ｄ）を求める。ここで、ｉ＝０，１，２，・・・，ｎ−１である。
   手順（１２）；前記第２距離計を３６０度回転させたときに得られるｎ個の外周面データ列（ｘｑｉ，ｙｑｉ，Ｄ＋Ｌ）を円の方程式に当てはめ、最小二乗法を用いて、円の中心ｑ（ｘｑ，ｙｑ，Ｄ＋Ｌ）を求める。ここで、ｉ＝０，１，２，・・・，ｎ−１である。
   手順（１３）；前記２次元レーザ距離計を３６０度回転させたときに得られるｎ個の管端面位置データ列（ｘｏｉ，ｙｏｉ，ｚｏｉ）を平面の方程式に当てはめ、最小二乗法を用いて、管端面の法線ベクトルｎ（ｎ１，ｎ２，ｎ３）を求める。ここで、ｉ＝０，１，２，・・・，ｎ−１である。
   手順（１４）；手順（１１）及び手順（１２）で得られた２つの円の中心ｐ及び中心ｑを通る直線の方向ベクトルｄを求める。
   手順（１５）；手順（１３）で求めた法線ベクトルｎと、手順（１４）で求めた方向ベクトルｄとの２つのベクトルの為す角度θ（度）を求め、「９０−θ（度）」を被測定鋼管の管端面の直角度として演算する。
3. 請求項１または請求項２に記載の鋼管の管端直角度測定方法によって管端の直角度が測定されて製造されることを特徴とする、鋼管の製造方法。