JP6859886B2 - 管端蓋及びそれを用いた鋼管の製造方法 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の第1の実施形態による管端蓋1の構成を示す分解斜視図である。図2は、管端蓋1を鋼管Pに取付けた状態を示す断面図である。管端蓋1は、鋼管Pの内側に配置される内蓋11と、鋼管Pの内側であって内蓋11よりも鋼管Pの管端に近い位置に配置される断熱材12と、鋼管Pの端面と内蓋11とを接続する接続部材であるステー13とを備えている。管端蓋1はさらに、鋼管Pの端面に隣接するように配置される外蓋14、外蓋14を固定するための連結ねじ15a等を備えている。
次に、この管端蓋1を用いた鋼管の製造方法を説明する。以下、鋼管の製造方法に関する説明では、熱処理の対象となる鋼管を「素管」と呼ぶ。また、「素管」と区別して、熱処理されて製造された鋼管という意味で「鋼管」の用語を用いる。
以下、管端蓋1の効果を説明する。図5は、相変態を生じる一般的な鉄鋼材料の温度−伸び線図である。この鋼は、図5に示すように、室温からAc1点までは温度の上昇に伴い熱膨張するが、Ac1点を超えるとオーステナイト変態によって収縮する(オーステナイト変態収縮)。その後、オーステナイトの線膨張係数で再び膨張して最高温度(Tmax)に到達する。冷却過程ではマルテンサイト変態が開始するまでオーステナイトの状態で過冷されるため、オーステナイトの線膨張係数で収縮し、マルテンサイト変態開始温度Ms(当該材量では300℃前後)に到達すると膨張を開始する(α変態膨張)。
図6は、本発明の第2の実施形態による管端蓋2の構成を示す分解斜視図である。図7は、管端蓋2を鋼管Pに取付けた状態を示す断面図である。管端蓋2は、管端蓋1の構成に加えて、鋼管Pの内側であって内蓋11よりも鋼管Pの管端に近い位置に配置され、内蓋11に連結された中蓋17をさらに備えている。
図8は、本発明の第3の実施形態による管端蓋3の構成を示す分解斜視図である。図9は、管端蓋3を鋼管Pに取付けた状態を示す断面図である。管端蓋3は、管端蓋2の構成に加えて、ステー13の各々に固定され、内蓋11に近づく方向に向かって厚さが大きくなるテーパ部材18をさらに備えている。
鋼管の内面冷却の影響を有限要素法(FEM)による数値解析によって調査した。図10は、鋼管の内面の熱伝達率(外面の熱伝達率hに対する比)と鋼管内面の残留引張応力との関係を示すグラフである。図10に示すとおり、内面の熱伝達率が外面の熱伝達率の50%となるとき、最も高い引張応力が発生する。内面の熱伝達率を外面と同等(100%)にすると応力は圧縮になるが、これは鋼管の内面を均一に冷却するという条件での結果である。
次に、管端に蓋を溶接した場合の影響を、同じく数値解析によって調査した。数値解析では、鋼管外面付近の節点と、同位置にある蓋の節点とを結合拘束することによって溶接接合を模擬した。この場合の発生応力は369MPaであった。これに対し、結合拘束条件を解除すると、応力は344MPaまで低下した。このことから、溶接による拘束が応力を高める方向に作用することが分かった。さらに、溶接金属の材料特性をパラメータとして与えた場合、応力は422MPaまで上昇した。このことから、脆弱な溶接金属が割れの基点となることが示唆された。
第1の実施形態の管端蓋1に準じた管端蓋(外面蓋14を除く)の構成を想定して、FEMによる数値解析を行い、冷却過程で鋼管と管端蓋との間に生じる間隙の大きさ等を計算した。図13に、数値計算で使用したモデルを示す。解析は鋼管、内蓋、断熱材から構成される二次元対象モデルを適用し、初期温度900℃から所定時間内の温度及び変形を計算した。条件は下記のとおりである。比較例として、断熱材を用いない場合の計算を実施した。
・鋼管材料 :0.5%C−1.0%Cr−0.7%Mo−0.015%Ti−0.002%B鋼
・鋼管寸法 :Φ426mm×t30mm×L2000mm
・蓋寸法 :Φ366mm×t10mm(鋼管と同材質)
・断熱材 :Φ366mm×t10mm(セラミック系耐熱性断熱材)
・初期温度 :900℃(加熱炉設定温度)
・水冷時間 :鋼管外面及び断熱材外面を水冷
・冷却熱伝達率:実測値から同定
第3の実施形態の管端蓋3に準じた構成の管端蓋を作製し、ラボ試験設備を用いて防水性能評価試験を実施した。対象鋼管として、Φ356mm×t21mm×L2000mmの炭素鋼管を使用した。
鋼管は、前工程から製造ラインを搬送され、加熱炉挿入口に到達する。図19は、鋼管の搬送の状況を模式的に示す図である。搬送の過程において、鋼管PはキッカーKによって持ち上げられた後、傾斜レールL上を転動し、ストッパーSで停止する。Φ356mm×t21mm×L12000mmの鋼管の管端に、管端蓋3を装着し、鋼管搬送時の耐衝撃性能を実搬送ラインで確認した。数回の衝撃テストの結果、管端蓋3が脱落することがないことを確認した。熱処理ラインで鋼管に最も大きな衝撃が加わるのはこの段階であり、これ以降の処理過程では衝撃は加わらない。
11 内蓋
12 断熱材
13 ステー(接続部材)
14 外蓋
15a 連結ねじ
15b,15c ナット
16 ねじ
17 中蓋
18 テーパ部材
Claims (6)
- 鋼管を焼入れする際に、前記鋼管の管端の少なくとも一方に取付ける管端蓋であって、
前記鋼管の内側に配置される内蓋と、
前記鋼管の内側であって前記内蓋よりも前記鋼管の管端に近い位置に配置される断熱材と、
前記鋼管の端面と前記内蓋とを接続して一定の距離に保持する接続部材とを備え、
前記内蓋の材質はステンレスであり、
前記内蓋の外径の下限は、前記鋼管の内径の99%である、管端蓋。 - 請求項1に記載の管端蓋であって、
前記鋼管の内側であって前記内蓋よりも前記鋼管の管端に近い位置に配置され、前記内蓋に連結された中蓋をさらに備え、
前記中蓋を前記内蓋に近づく方向に移動させることにより、前記接続部材が前記鋼管の径方向外側に広がるように構成されている、管端蓋。 - 請求項2に記載の管端蓋であって、
前記接続部材に固定され、前記内蓋に近づく方向に向かって厚さが大きくなるテーパ部材をさらに備える、管端蓋。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の管端蓋であって、
前記鋼管の端面に隣接するように配置される外蓋をさらに備える、管端蓋。 - 素管を準備する工程と、
前記素管の管端の少なくとも一方に、請求項1〜4のいずれか一項に記載の管端蓋を取付ける工程と、
前記管端蓋が取り付けられた素管を焼入れする工程とを備える、鋼管の製造方法。 - 請求項5に記載の鋼管の製造方法であって、
前記内蓋の線膨張係数が、前記鋼管の線膨張係数よりも大きい、鋼管の製造方法。
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