JP6863158B2 - 管端蓋及びそれを用いた鋼管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、管端蓋及びそれを用いた鋼管の製造方法に関する。

鋼材の熱処理は機械部品や鉄鋼製品に所望の特性や性能を与えることを目的として古くから広く行われており、その本質は金属組織の調整である。なかでも「焼入れ」は熱処理の大半を占め、常温では通常フェライト・パーライト組織である被熱処理材をＡｃ_３点（オーステナイト変態終了温度）以上の高温に加熱してオーステナイト化後、急冷してマルテンサイト組織を形成するものである。マルテンサイト組織は金属材料のすべての組織のなかでも最も高い強度を示し、あらゆる産業分野で利用されている非常に重要な組織形態である。

管状体の焼入れにおいて最も留意すべき点は、周方向の均一冷却である。周方向の冷却が不均一となった場合、冷却中の鋼管の曲がりが発生する。この曲がりは鋼管が長くなるほど大きくなり、ライン搬送時のトラブルや曲がり矯正工程の追加など好ましくない事態を招く。鋼管の焼入れでは、鋼管を移動搬送しつつ冷却帯を通過させながら外面水冷することが好適である。外面水冷の均一化は環状主管に冷却ノズルを均等に配置するなどの手段で比較的簡単に実現できるが、内面水冷は技術的に課題が多いことに加え、設備構成を複雑化させることがその理由である。

鋼管の外面のみから冷媒を吹き付けても、管端部から鋼管の内部に冷媒が浸入する場合がある。鋼管の内部に冷媒が浸入すると、鋼管の内面が不均一に冷却され、曲がりの原因になる。鋼管肉厚が大きい場合は曲がりの悪影響は小さいが、そうであっても、硬さのばらつきなど、諸所の問題の原因となる。また、鋼管の内面を伝って冷媒が加熱炉に流入し、加熱炉を損傷させる恐れもある。

特開昭５８−２７３３１号公報には、搬送される管状物体に冷媒を噴射して冷却する冷却装置において、冷却水遮断用挿入円筒を設け、冷媒が管後端から管内に浸入することを防止することが記載されている。特許第５２５２１３１号公報には、鋼管を外面から水冷して焼入れする焼入れ方法において、管端部を空冷することが記載されている。特開２０１２−１７２１７３号公報には、加熱された鋼管を長手方向に沿って搬送しながら、鋼管の外周面に焼入れ水を搬送方向に対して傾斜して噴射し、鋼管を焼入れする方法において、鋼管の搬送方向の後端に蓋を取り付けることが記載されている。実開昭６１−７７１９２号公報には、複数の鋼管に対し、管端蓋を連続的に自動溶接する装置が記載されている。

特開昭５８−２７３３１号公報 特許第５２５２１３１号公報 特開２０１２−１７２１７３号公報 実開昭６１−７７１９２号公報

鋼管の内部への冷媒の浸入を抑制する手段としては、管端に蓋を取り付けるのが簡便かつ確実である。蓋の取り付けは、鋼管の管端に蓋を全周又はスポット溶接するのが一般的であるが、処理前の取り付け工程、及び処理後の蓋を含めた管端の切り落とし工程が必要になり、生産効率及び歩留まりが低下する。また、単なる挿入による取り付けでは、熱処理中に蓋が脱落する場合がある。

本発明の目的は、取り付けが容易で、熱処理中の脱落を防ぐことができる管端蓋を提供すること、及びこれを用いた鋼管の製造方法を提供することである。

本発明の一実施形態による管端蓋は、鋼管の管端に取り付ける管端蓋であって、前記鋼管の内面に接する第１当接部材と、前記第１当接部材に接して配置される耐熱性の圧縮コイルばねと、前記圧縮コイルばねを収容する有底筒状のばね座と、前記鋼管の前記第１当接部材が接する面と対向する面に接する第２当接部材と、前記ばね座と前記第２当接部材とを所定の間隔に保持して連結する連結部材と、前記連結部材に連結され、前記鋼管の開口部を覆う遮蔽板とを備える。

本発明の一実施形態による鋼管の製造方法は、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、前記管端蓋を取り付ける工程と、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。

本発明によれば、取り付けが容易で、熱処理中の脱落を防ぐことができる管端蓋が得られる。この管端蓋を用いて鋼管を製造することで、鋼管の曲がりを抑制することができる。

図１は、本発明の一実施形態による管端蓋の構成を示す分解斜視図である。 図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 図３は、本発明の一実施形態による鋼管の製造方法を示すフロー図である。 図４は、熱処理ラインの一例の機能的構成を示すブロック図である。 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。 図６は、熱処理中の上Ｒ座とばね座との間隙の変化を示す図である。 図７は、鋼管の内面の熱伝達率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８は、鋼管の底部に冷媒が滞留している状態を示す図である。 図９は、底部に冷媒が滞留しているときの鋼管の応力分布である。 図１０は、防水性能評価試験の概要を示す図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。

［管端蓋の構成］
図１は、本発明の一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、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。管端蓋１は、上Ｒ座（第１当接部材）３０、耐熱性の圧縮コイルばね２０（図２）、ばね座２１、下Ｒ座（第２当接部材）４０、連結部材１０、及び遮蔽板５０を備えている。

上Ｒ座３０及び下Ｒ座４０はそれぞれ、鋼管Ｐの内面の互いに対向する面に接するように配置される。圧縮コイルばね２０は、上Ｒ座３０に接するように配置される。ばね座２１は、有底筒状の形状を有し、圧縮コイルばね２０を収容する。連結部材１０は、ばね座２１と下Ｒ座４０とを所定の間隔に保持して連結する。遮蔽板５０は、連結部材１０に接続され、鋼管Ｐの開口部を覆うように配置される。以下、各部材を詳述する。

上Ｒ座３０は、鋼管Ｐの内面に接するように配置される。上Ｒ座３０の一方の面は、鋼管Ｐの内面に沿うように、鋼管Ｐの内径と概略同じ曲率半径の曲面に形成されている。上Ｒ座３０の他方の面には、円柱状のボス部３１が形成されている。ボス部３１は、圧縮コイルばね３１の内径よりも少し小さい外径を有している。ボス部３１を圧縮コイルばね２０に嵌合させることで、ボス部３１の軸方向と垂直な面内における上Ｒ座３０の位置を規制することができる。

ばね座２１は、圧縮コイルばね２０を収容する。ばね座２１は、より具体的には、圧縮コイルばね２０の外径よりも少し大きい内径を有する有底筒状の形状を有する。ばね座２１は、この構成により、圧縮コイルばね２０を底面及び周囲から保持し、圧縮コイルばね２０の位置を規制する。

ばね座２１はまた、上Ｒ座３０の移動を規制し、圧縮コイルばね２０が許容たわみ量を超えて圧縮されることを防止する。ばね座２１の深さｄは、（圧縮コイルばね２０の自然長−最大たわみ量）以上であることが好ましい。

圧縮コイルばね２０は、上Ｒ座３０に接した状態で、ばね座２１に収容される。すなわち、圧縮コイルばね２０は、上Ｒ座３０とばね座２１との間に配置される。管端蓋１は、例えば１０００℃前後に加熱されて使用される。そのため、圧縮コイルばね２０は、そのような高温でも弾性を失わない耐熱性を備えていることが好ましい。圧縮コイルばね２０は、例えば、セラミックばねである。

下Ｒ座４０は、鋼管Ｐの上Ｒ座３０が接する面と対向する面に接するように配置される。下Ｒ座４０の一方の面には、鋼管Ｐの内面に沿うように、鋼管Ｐの内径と概略同じ曲率半径の曲面に形成されている。下Ｒ座４０の他方の面には、連結部材１０を嵌合させるためのガイド溝４０ａが形成されている。

連結部材１０は、ばね座２１と下Ｒ座４０とを所定の間隔に保持して連結する。

本実施形態の連結部材１０は、ばね座２１と下Ｒ座４０との間隔を調整できるように構成されている。連結部材１０は、より具体的には、筒状の胴体部１１と、胴体部１１に接続されたボルト１２及び１３と、ゆるみ止めナット１２１及び１３１を備えている。胴体部１１には、ねじ穴１１ａと、ねじ穴１１ａと反対側の面に開口したねじ穴１１ｂとが形成されている。ボルト１２は、ねじ穴１１ａに嵌合し、ボルト１３は、ねじ穴１１ｂに嵌合する。

ボルト１２の一方の端部（すなわち、ねじ穴１１ａに嵌合する方と反対側の端部）には、ばね座２１が固定されている。この構成によれば、ボルト１２をねじ穴１１ａに嵌合させる深さを調整することによって、ばね座２１と胴体部１１との間隔を調整することができる。

ボルト１３の一方の端部（すなわち、ねじ穴１１ｂに嵌合させる方と反対側の端部）は、下Ｒ座４０に接続されている。より具体的には、ボルト１３の当該端部が下Ｒ座４０のガイド溝４０ａに嵌合している。この構成によれば、ボルト１３をねじ穴１１ｂに嵌合させる深さを調整することによって、下Ｒ座４０と胴体部１１との間隔を調整することができる。

圧縮コイルばね２０及び上Ｒ座３０は、ばね座２１に固定されておらず、ばね座２１に対して、ボルト１２の軸方向の周りに回転できるように構成されている。同様に、下Ｒ座４０も、ボルト１３に固定されておらず、ボルト１３に対して、ボルト１３の軸方向の周りに回転できるように構成されている。そのため、ボルト１２及びボルト１３を回転させても、上Ｒ座３０及び下Ｒ座４０の曲面が鋼管Ｐの内周面に沿ったままにすることができる。

連結部材１０、ばね座２１、上Ｒ座３０及び下Ｒ座４０の材質は特に限定されない。連結部材１０、ばね座２１、上Ｒ座３０及び下Ｒ座４０の素材は、例えば炭素鋼や、ステンレスである。連結部材１０、ばね座２１、上Ｒ座３０及び下Ｒ座４０の材質は、好ましくはＳＵＳ３０４であり、より好ましくは、ＳＵＳ３０４よりもさらに耐酸化性の高いＳＵＳ３０２Ｂ、ＳＵＳ３０９Ｓ、ＳＵＨ３１等である。連結部材１０、ばね座２１、上Ｒ座３０及び下Ｒ座４０は、すべて同じ材質であってもよいし、それぞれ異なる材質であってもよい。

遮蔽板５０は、連結部材１０に連結され、鋼管Ｐの開口部を覆うように配置される。遮蔽板５０は、鋼管Ｐの開口を覆って、冷媒が鋼管Ｐの内部に侵入するのを防止する。遮蔽板５０は、具体的には、鋼管Ｐの内径よりも大きく、鋼管Ｐの外径よりも小さい外径を有する円盤形状を有する。

本実施形態の遮蔽板５０は、ボルト５１によって連結部材１０と連結されている。遮蔽板５０は、具体的には、以下のような構成で連結部材１０に連結されている。連結部材１０の胴体部１１には、ねじ穴１１ａ及びねじ穴１１ｂと垂直な方向に貫通穴１１ｃが形成されている。貫通穴１１ｃにボルト５１を通した状態でナット５１１を締結することで、胴体部１１とボルト５１とが固定される。遮蔽板５０にも、ボルト５１を通すための貫通穴５０ａが形成されている。貫通穴５０ａにボルト５１を通した状態でナット５１２を締結することで、遮蔽板５０が胴体部１１側に移動する。遮蔽板５０は、鋼管Ｐの端面とナット５１２とに挟まれることによって、ボルト５１の軸方向（鋼管Ｐ軸方向）の位置が規制される。

遮蔽板５０は、鋼管Ｐの内周面に沿うように形成されたガイド５２をさらに備えている。ガイド５２は、遮蔽板５０にねじ５３によって固定されている。遮蔽板５０は、ガイド５２によって、遮蔽板５０の面内方向（鋼管Ｐの径方向）の位置が規制される。

遮蔽板５０は、熱変形をできるだけ抑制するため、線熱膨張係数αが小さい材量で形成されていることが好ましい。遮蔽板５０の材質は例えば、炭素鋼である。

［鋼管の製造方法］
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。

図３は、本発明の一実施形態による鋼管の製造方法を示すフロー図である。本実施形態による鋼管の製造方法は、素管を準備する工程（ステップＳ１）と、素管の管端の少なくとも一方に管端蓋１を取り付ける工程（ステップＳ２）と、管端蓋１が取り付けられた素管を焼入れする工程（ステップＳ３）とを備えている

熱処理の対象となる素管を準備する（ステップＳ１）。対象となる素管は限定されないが、本実施形態の製造方法は、炭素含有量が０．５０〜０．６０質量％である高炭素系材量の鋼管の製造に好適であり、特に高炭素系材量の油井管の製造に好適である。本実施形態の製造方法は、より具体的には、炭素含有量が０．５０〜０．６０質量％である低合金鋼及び高合金鋼の油井管の製造に特に好適である。

素管の管端の少なくとも一方に管端蓋１を取り付ける（ステップＳ２）。管端蓋１は、素管の管端の両方に取り付けることが好ましいが、冷媒を吹き付ける角度等によっては、前方及び後方の一方のみに取り付けることでも、冷媒の浸入を抑制することができる。

再び図２を参照して、管端蓋１の取り付け方法の具体例を説明する。まず、連結部材１０によってばね座２１と下Ｒ座４０との間隔を短くした状態で、連結部材１０、ばね座２１、圧縮コイルばね２０、上Ｒ座３０、及び下Ｒ座４０等を素管Ｐの内部に配置する。

上Ｒ座３０及び下Ｒ座４０が素管Ｐの内面に接するようにした状態で、連結部材１０によってばね座２１と下Ｒ座４０との間隔を広げていき、圧縮コイルばね２０を圧縮させる。このとき、上Ｒ座３０の下面とばね座２１の上端面とが接しないようにすることが好ましい。上Ｒ座３０の下面とばね座２１の上端面との間隙の好適な大きさについては後述する。圧縮コイルばね２０を所定量だけ圧縮させた後、遮蔽板５０を取り付ける。

再び図３を参照して、鋼管の製造方法の説明を続ける。管端蓋１が取り付けられた素管を焼入れする（ステップＳ３）。具体的には、管端蓋１が取り付けられた素管をＡｃ_３点以上の温度まで加熱してオーステナイト変態させた後、マルテンサイト変態終了温度以下まで冷却してマルテンサイト変態させる。このとき、冷却速度が小さすぎるとマルテンサイト以外の拡散変態相、例えばベイナイト相との混相組織となり、マルテンサイト率の高い組織が得られなくなる。一方、冷却速度が大きすぎると曲がりや焼割れが生じる。そのため、冷却速度を適切に制御する必要がある。好ましくは、マルテンサイト変態開始温度まではできるたけ冷却速度を大きくし、マルテンサイト変態開始温度から冷却終了温度（マルテンサイト変態終了温度又は室温）まではできるだけ冷却速度を小さくする。

図４は、熱処理ラインの一例である熱処理ライン１００の機能的構成を示すブロック図である。熱処理ライン１００は、焼入れ装置６０及び焼戻し装置７０を備えている。焼入れ装置６０は、加熱装置６１、冷却装置６２、及び浸漬槽６３を備えている。各装置の間には、搬送ローラ８０（搬送装置）が配置されている。

搬送ローラ８０は、加熱装置６１から冷却装置６２へ、冷却装置６２から浸漬槽６３へ、浸漬槽６３から焼戻し装置７０へ、素管を順次搬送する。素管は、加熱装置６１で加熱され、冷却装置６２及び／又は浸漬槽６３によって冷却される。素管はその後、焼戻し装置７０によって再び加熱される。

熱処理ライン１００の構成によれば、加熱装置６１によって素管をＡｃ_３点以上に加熱した後、冷却装置６２及び／又は浸漬槽６３によって素管を冷却することによって、素管を焼入れすることができる。さらに、焼戻し装置７０によって素管を所定の温度に加熱することによって、素管を焼戻しすることができる。焼戻しされた素管は例えば、図示しない冷却装置によって冷却された後、探傷装置などに搬送される。

熱処理ライン１００の構成によれば、素管に焼入れ焼戻しの熱処理を連続して実施することができる。ただし、焼入れ焼戻しは連続して実施されなくてもよい。この場合、熱処理ライン１００は、焼戻し装置７０を含んでいなくてもよい。

冷却装置６２は、詳しい構成は図示しないが、複数の冷却リングを備えている。複数の冷却リングの各々は複数のノズルを備えており、複数のノズルの各々から、冷却リングの内側を通過する素管の外面に冷媒を吹き付けることができるように構成されている。冷媒の量は冷却リング毎に制御できるように構成されおり、冷却リング毎の冷媒量と素管の搬送速度とを調整することによって、素管を最適な速度で冷却することができる。

浸漬槽６３には、冷媒が充填されており、素管を浸漬させることで内外面から急冷することができる。熱処理対象の素管が焼割れ感受性の低い低中炭素鋼（Ｃ含有量０．３０％未満）の場合、冷却装置６２を使用せず、浸漬槽６３だけを使用して素管を冷却することもできる。この場合、処理速度を大きくすることができる。一方、熱処理対象の素管が焼割れ感受性の高い素管の場合でも、冷却装置６２によって鋼管を十分に冷却しておけば、浸漬槽６３に浸漬しても曲がりや焼割れが発生することはない。

すなわち、焼入れ装置６０の構成によれば、対象となる素管の性質に応じて、冷却装置６２による冷却と浸漬槽６３による冷却とを選択的に実施することができる。一方、焼割れ感受性の高い素管だけを対象とする場合、熱処理ライン１００は浸漬槽６３を含んでいなくてもよい。

［管端蓋１の効果］
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Ａｃ_１点までは温度の上昇に伴い熱膨張するが、Ａｃ_１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）。

鋼管の熱処理においても、加熱・冷却によって図５に示す膨張や収縮が発現する。そのため、単純な機械的手段では、熱処理の前後にわたって蓋を鋼管に固定しておくことは困難である。例えば、ねじの反力を利用して鋼管の内面に密着させる固定手段（突張り棒）によって蓋を固定した場合、室温では強固に固定できても、加熱・冷却によって緩みが生じる。特に、冷却過程のα変態膨張に突張り棒が追従できず、緩みが生じる。

本実施形態の管端蓋１（図２）は、上Ｒ座３０とばね座２１との間に配置された耐熱性の圧縮コイルばね２０を備える。この構成によれば、鋼管Ｐが膨張・収縮しても、圧縮コイルばね２０の反力によって、上Ｒ座３０及び下Ｒ座４０を鋼管Ｐの内面に密着させておくことができる。そのため、冷却終了温度（マルテンサイト変態終了温度又は室温）まで脱落することなく、冷媒の浸入を抑制することができる。

本実施形態の管端蓋１は、鋼管Ｐへの脱着が容易である。管端蓋１は、蓋を溶接して取り付ける場合のように熱処理後に管端を切断する必要がないため、歩留まりも向上する。また、管端蓋１は再利用が可能である。

本実施形態の管端蓋１の連結部材１０は、ばね座２１と下Ｒ座４０との間隔を調整できるように構成されている。この構成によれば、複数のサイズの鋼管に対して、同じ連結部材１０を使用することができる。この場合、処理する鋼管のサイズに合わせて上Ｒ座３０及び下Ｒ座４０を交換すればよい。

本実施形態の管端蓋１のばね座２１は、有底筒状の形状を有する。この構成によれば、上Ｒ座３０の移動を規制して、圧縮コイルばね２０が許容たわみ量を超えて圧縮されることを防止できる。これによって、圧縮コイルばね２０の破損を防止することができる。

一方、上Ｒ座３０の下面とばね座２１の上端面とが接触した状態で鋼管Ｐがさらに収縮すると（あるいは連結部材１０が膨張すると）、連結部材１０に圧縮応力が加わる。この圧縮応力が過度になると、連結部材１０が折れ曲がるなどして、再利用できなくなる。連結部材１０の破損を防止するためには、熱処理中、連結部材１０に過度な圧縮応力が加わらないようにすることが好ましい。そのためには、初期状態において、上Ｒ座３０の下面とばね座２１の上端面との間隙（以下、単に「上Ｒ座３０とばね座２１との間隙」という場合がある。）を適切な大きさに設定しておくことが好ましい。

以下、図６を参照して、熱処理中の上Ｒ座３０とばね座２１との間隙の変化について説明する。

鋼管Ｐの加熱時、鋼管の線膨張係数α_ｐｉｐｅと連結部材１０の線膨張係数α_ｂａｒとが異なっていれば、上Ｒ座３０の下面とばね座２１の上端面との間隙の大きさが変化する。温度差をΔＴ、鋼管内径をΦとしたとき、鋼管Ｐの膨張量ΔＬ_ｐｉｐｅ及び連結部材１０の膨張量ΔＬ_ｂａｒは下記の式で表される。
ΔＬ_ｐｉｐｅ＝α_ｐｉｐｅ・ΔＴ・Φ
ΔＬ_ｂａｒ＝α_ｂａｒ・ΔＴ・Φ

例えば、鋼管ＰがΦ＝３１４．３６の炭素鋼（α_ｐｉｐｅ＝１１×１０^−６／℃）、連結部材１０がＳＵＳ３０４（α_ｂａｒ＝１８×１０^−６／℃）であり、２０℃から９５０℃まで加熱する場合（ΔＴ＝９３０℃）、ΔＬ_ｐｉｐｅは３．２２ｍｍ、ΔＬ_ｂａｒは５．２６ｍｍとなる。鋼管Ｐの膨張量よりも連結部材１０の膨張量の方が大きいため、最高加熱温度における上Ｒ座３０とばね座２１との間隙の大きさＣ_ｈｅａｔは、初期の間隙の大きさＣ_ｉから２．０４ｍｍ（＝ΔＬ_ｂａｒ−ΔＬ_ｐｉｐｅ）縮まる。

最高加熱温度に到達してから冷却を開始後、鋼管Ｐが最も収縮するのは、鋼管Ｐの温度がマルテンサイト変態開温度（Ｍｓ＝３００℃）に到達する直前の時点である。ΔＴ＝９５０℃−３００℃＝６５０℃として、鋼管Ｐの膨張量（収縮量）ΔＬ_ｐｉｐｅは、上記と同じ式ΔＬ_ｐｉｐｅ＝α_ｐｉｐｅ・ΔＴ・Φから、−２．２７ｍｍとなる。このときのΦは最高加熱温度時の鋼管内径なので、３１７．５８ｍｍである。一方、連結部材１０は、鋼管Ｐの内側にあり、冷媒とも直接接触しないことから、その温度低下は非常に遅いと考えられる。そのため、この間における結合部材１０の膨張量（収縮量）ΔＬ_ｂａｒはゼロと近似できる。したがって、マルテンサイト変態開始直前における上Ｒ座３０とばね座２１との間隙の大きさＣ_ｃｏｏｌは、最高加熱温度時の間隙の大きさＣ_ｈｅａｔからさらに２．２７ｍｍ縮まる。

鋼管Ｐの温度がマルテンサイト変態開始温度以下になると、マルテンサイト変態膨張が起こり、上Ｒ座３０とばね座２１との間隙は大きくなる。そのため、上Ｒ座３０とばね座２１との間隙の大きさは、マルテンサイト変態開始直前で最も小さくなる。したがって、マルテンサイト変態開始直前の間隙Ｃ_ｃｏｏｌがゼロ以上であれば、熱処理中、連結部材１０に過度の圧縮応力が加わるのを防止できる。また、マルテンサイト変態開始時点で圧縮コイルばね２０は許容最大まで圧縮された状態になり、変態膨張に対して圧縮コイルばね２０の有する最大反力で変態膨張を補えるので、変態膨張による連結部材１０の緩み、それによる管端蓋１の脱落をより確実に防止することができる。上記の例の場合、初期の間隙Ｃ_ｉの大きさを２．０４ｍｍ＋２．２７ｍｍ＝４．３１ｍｍ以上にしておけばよい。

適正初期間隙量Ｃ_ｉは、下記の式で一般化できる。すなわち、熱処理前の上Ｒ座３０の下面とばね座２１の上端面との間隙の大きさがＣ_ｉ以上であれば、連結部材１０に過度の圧縮応力が加わるのを防止できる。
Ｃ_ｉ＝Φ｛（α_ｂａｒ−α_ｐｉｐｅ）ΔＴ_ｈｅａｔ＋（１＋ΔＴ_ｈｅａｔ・α_ｐｉｐｅ）α_ｐｉｐｅ・ΔＴ_ｃｏｏｌ｝
ここで、Φは鋼管Ｐの内径、α_ｂａｒは連結部材１０の線熱膨張係数、α_ｐｉｐｅは鋼管の線熱膨張係数、ΔＴ_ｈｅａｔは焼入れ工程における最高加熱温度と室温との差、ΔＴ_ｃｏｏｌは最高加熱温度と鋼管のマルテンサイト変態開始温度との差である。

熱処理前の上Ｒ座３０の下面とばね座２１の上端面との間隙の大きさの上限は、好ましくはＣ_ｉ＋２ｍｍであり、より好ましくはＣ_ｉ＋１ｍｍであり、さらに好ましくはＣ_ｉ＋０．５ｍｍである。

以上、本発明の一次実施形態による管端蓋１、及び管端蓋１を用いた鋼管の製造方法を説明した。本実施形態によれば、取り付けが容易で、熱処理中の脱落を防ぐことができる管端蓋が得られる。また、この管端蓋を用いて鋼管を製造することで、鋼管の曲がりを抑制することができる。

本実施形態による鋼管の製造方法は、鋼管が角型鋼管の場合にも適用可能である。この場合、上Ｒ座（第１当接部材）３０及び下Ｒ座（第２当接部材）４０の鋼管と接触する面を平面とすればよい。

上述した実施形態では、上Ｒ座３０は圧縮コイルばね２０と脱着可能に構成されている。しかし、上Ｒ座３０は、圧縮コイルばね２０に固定されていてもよい。同様に、下Ｒ座４０は、連結部材１０に固定されていてもよい。下Ｒ座４０は、あるいは、連結部材１０に一体的に形成されたものであってもよい。

上述した実施形態では、連結部材１０は、ばね座２１と下Ｒ座４０との間隔を調整できるように構成されている。しかし、連結部材１０は、ばね座２１と下Ｒ座４０との間隔を調整できなくてもよい。連結部材１０は、例えば、ばね座２１と下Ｒ座４０とを接続する棒であってもよい。この場合でも、圧縮コイルばね２０をたわませることによって管端蓋１を鋼管に取り付けることができる。

上述した実施形態では、ばね座２１と下Ｒ座４０との間隔を調整できる連結部材１０の具体的な構成として、胴体部１１にねじ穴１１ａ及び１１ｂが形成され、これにボルト１２及び１３を嵌合させる構成を説明した。しかし、この構成は例示であり、連結部材１０は、種々の構成を採用することができる。

例えば、ばね座２１及び下Ｒ座４０にねじ穴が設けられ、ボルト１２及びボルト１３が胴体部１１に固定されている構成としてもよい。あるいは、胴体部１１、ばね座２１及び下Ｒ座４０のすべてにねじ穴が設けられ、両軸ボルトで連結する構成としてもよい。上述した実施形態では、ばね座２１と胴体部１１との間隔、下Ｒ座４０と胴体部１１との間隔をそれぞれ調整できる構成を説明したが、どちらか片方のみを調整できる構成としてもよい。すなわち、ボルト１２及びボルト１３の一方は、胴体部１１等に固定された棒であってもよい。また、部材間の間隔を調整する機構として、ボルトのねじ穴の他に、例えばロッドとクランプなどを採用することもできる。

上述した実施形態では、連結部材１０にボルト５１を固定し、このボルト５１に遮蔽板５０を固定する構成を説明した。この構成によれば、遮蔽板５０の脱着を簡便にできる。しかし、遮蔽板５０の固定方法は任意である。例えば、連結部材１０のボルト５１の代わりに棒を固定し、当該棒に遮蔽板５０をクランプで固定したり、遮蔽板５０を溶接して固定したりしてもよい。

以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明する。なお、この実施例は本発明を限定するものではない。

［内面冷却の影響調査］
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７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７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。

図８示すように、実際には鋼管Ｐの底部に冷媒Ｃが滞留し、円周方向に不均一な熱応力が生じていると考えられる。そこで、鋼管横断面をモデル化し、冷媒が滞留している部分の熱伝達率を外面と同等、それ以外の部分を空冷とした条件で残留応力を計算した。結果を図９に示す。図９に示すように、冷媒有無の境界部分で高い引張応力が発生することが分かった。

［防水性能評価試験］
実施形態で説明した管端蓋１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。

試験の概要を図１０に示す。鋼管Ｐの先端側に管端蓋１を装着し、加熱炉Ｑで９５０℃まで加熱・均熱後、水冷リングＲ設置位置まで速やかに搬送して定位置に留め、蓋装着部を水冷した。水冷リングＲからの冷媒供給量は５０ｍ^３／ｈｒとした。管端蓋１を装着した鋼管Ｐの先端部で冷却水の浸入があれば鋼管Ｐの後端部から流出する。当試験において、水漏れは発生せず、管端蓋１の防水機能が満足できるものであることを確認した。

以上、本発明の実施の形態を説明した。上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

１ 管端蓋
１０ 連結部材
１１ 胴体部
１２，１３ ボルト
１２１、１３１ ゆるみ止めナット
２０ 圧縮コイルばね
２１ ばね座
３０ 上Ｒ座（第１当接部材）
４０ 下Ｒ座（第２当接部材）
５０ 遮蔽板
５１ ボルト
５１１、５１２ ナット
５２ ガイド

Claims (5)

1. 鋼管の管端に取り付ける管端蓋であって、
   前記鋼管の内面に接する第１当接部材と、
   前記第１当接部材に接して配置される１０００℃以上の温度に耐熱可能な圧縮コイルばねと、
   前記圧縮コイルばねを収容する有底筒状のばね座と、
   前記鋼管の前記第１当接部材が接する面と対向する面に接する第２当接部材と、
   前記ばね座と前記第２当接部材とを所定の間隔に保持して連結する連結部材と、
   前記連結部材に連結され、前記鋼管の開口部を覆う遮蔽板とを備える、管端蓋。
2. 鋼管の管端に取り付ける管端蓋であって、
   前記鋼管の内面に接する第１当接部材と、
   前記第１当接部材に接して配置されるセラミックス製の圧縮コイルばねと、
   前記圧縮コイルばねを収容する有底筒状のばね座と、
   前記鋼管の前記第１当接部材が接する面と対向する面に接する第２当接部材と、
   前記ばね座と前記第２当接部材とを所定の間隔に保持して連結する連結部材と、
   前記連結部材に連結され、前記鋼管の開口部を覆う遮蔽板とを備える、管端蓋。
3. 請求項１又は２に記載の管端蓋であって、
   前記連結部材は、前記ばね座と前記第２当接部材との間隔を調整できるように構成されている、管端蓋。
4. 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１〜３のいずれか一項に記載の管端蓋を取り付ける工程と、
   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。
5. 請求項４に記載の鋼管の製造方法であって、
   前記管端蓋を取り付ける工程において、前記第１当接部材と前記ばね座との間隙を下記の式で定義される適正初期間隙量Ｃ_ｉ以上にする、鋼管の製造方法。
   Ｃ_ｉ＝Φ｛（α_ｂａｒ−α_ｐｉｐｅ）ΔＴ_ｈｅａｔ＋（１＋ΔＴ_ｈｅａｔ・α_ｐｉｐｅ）α_ｐｉｐｅ・ΔＴ_ｃｏｏｌ｝
   ここで、Φは前記素管の内径、α_ｂａｒは前記連結部材の線熱膨張係数、α_ｐｉｐｅは前記素管の線熱膨張係数、ΔＴ_ｈｅａｔは前記焼入れする工程における最高加熱温度と室温との差、ΔＴ_ｃｏｏｌは前記最高加熱温度と前記素管のマルテンサイト変態開始温度との差である。

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