JP7168047B1 - 鋼管の真円度予測モデルの生成方法、鋼管の真円度予測方法、鋼管の真円度制御方法、鋼管の製造方法、及び鋼管の真円度予測装置 - Google Patents
鋼管の真円度予測モデルの生成方法、鋼管の真円度予測方法、鋼管の真円度制御方法、鋼管の製造方法、及び鋼管の真円度予測装置 Download PDFInfo
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Abstract
Description
図1は、本発明の一実施形態である鋼管の製造工程を示す図である。図1に示すように、本発明の一実施形態である鋼管の製造工程では、素材となる鋼板として、鋼管の製造工程の前工程である厚板圧延工程によって製造される厚鋼板が用いられる。ここで、厚鋼板は、降伏応力245~1050MPa、引張強度415~1145MPa、板厚6.4~50.8mm、板幅1200~4500mm、及び長さ10~18mのものが代表的である。また、厚鋼板の幅方向端部は開先と呼ばれる面取り状の形状に予め研削される。これは、後の溶接工程において、幅方向端部の外面コーナー部の過加熱を防止して溶接強度を安定化させるためである。また、厚鋼板の幅は、鋼管に成形された後の外径に影響するため、後の工程における変形履歴を考慮して所定範囲に調整される。
端曲げ加工を行うCプレス装置について、図2、図3を用いて詳細に説明する。図2は、Cプレス装置の全体構成を示す斜視図である。図2に示すように、Cプレス装置30は、鋼板Sをその長手方向に沿う方向を搬送方向として搬送する搬送機構31と、鋼板Sの搬送方向下流側を前方として、一方の幅方向端部Scを所定の曲率に曲げ加工するプレス機構32Aと、他方の幅方向端部Sdを所定の曲率に曲げ加工するプレス機構32Bと、端曲げ加工を施す鋼板Sの幅に応じて、左右のプレス機構32A,32B間の間隔を調整する図示しない間隔調整機構と、を備えている。搬送機構31は、プレス機構32A、32Bの前後にそれぞれ配置された複数の回転駆動される搬送ロール31aからなる。なお、図中の符号Saは鋼板Sの先端部(長手方向前方端部)を示している。
図4は、プレスベンド装置を用いてU字状断面の成形体を成形する工程の一例を示す図である。図中、符号1は、鋼板Sの搬送経路内に配置されたダイを示している。ダイ1は、鋼板Sをその搬送方向に沿って2箇所で支持する左右一対の棒状部材1a,1bから構成されており、成形すべき鋼管のサイズに応じてその間隔ΔDが変更できるようになっている。また、符号2は、ダイ1に近接及び離隔する向きに移動可能なパンチを示している。パンチ2は、鋼板Sに直接接して鋼板Sを凹形状に押圧する下向き凸状の加工面を有するパンチ先端部2aと、パンチ先端部2aの背面に繋がり、パンチ先端部2aを支持するパンチ支持体2bと、を備えている。なお、通常、パンチ先端部2aの最大幅とパンチ支持体2bの幅(厚さ)とは等しくなっている。
プレスベンド工程により成形加工されたU字状断面の成形体S1は、その後、シームギャップ部の端面を相互に突合せ、溶接機(接合手段)により溶接して鋼管とする。溶接機(接合手段)としては、例えば仮付溶接機、内面溶接機、及び外面溶接機という3種類の溶接機で構成されるものを適用する。これらの溶接機において、仮付け溶接機は、ケージロールにより突き合せた面を適切な位置関係で連続的に密着させ、密着部をその管軸方向全長にわたって溶接する。次に、仮付けされた管は、内面溶接機により突き合せ部の内面から溶接(サブマージアーク溶接)され、さらに、外面溶接機により突き合せ部の外面から溶接(サブマージアーク溶接)される。
シームギャップ部を溶接された鋼管については、鋼管の内部に拡管装置を挿入して鋼管の直径を拡大(いわゆる拡管)する。図6(a)~(c)は、拡管装置の構成例を示す図である。図6(a)に示すように、拡管装置は、円弧を複数に分割した曲面を有する複数個の拡管ダイス16をテーパー外周面17の周方向に沿って備えている。拡管装置を利用して鋼管を拡管する際には、図6(b),(c)に示すように、まず、鋼管移動装置を用いて鋼管Pを移動することにより拡管ダイス16を拡管開始位置に合わせ、プルロッド18を拡管開始位置から後退させることによって1回目の拡管処理を行う。
鋼管の製造工程の最後となる検査工程では、鋼管の品質検査が行われ、鋼管の真円度が測定される。真円度測定工程において測定される真円度とは、鋼管の外径形状について、真円からのズレの程度を表す指標である。通常は、真円度がゼロに近いほど、鋼管の断面形状が完全な円に近い形状であることを示す。真円度は、真円度測定機によって計測された鋼管の外直径情報に基づいて算出される。例えば任意の管長位置で管を周方向に等分して対向する位置での外直径を計測し、それらのうちの最大径と最少径をそれぞれDmax、Dminとした場合、真円度はDmax-Dminで定義することができる。このとき、等分する数が多いほど、拡管工程後の鋼管における小さな凹凸も数値化した指標となり好ましい。具体的には4~36000等分した情報を用いるのが良い。より好ましくは360等分以上である。
図8は、本発明の一実施形態である鋼管の真円度予測装置の構成を示すブロック図である。図9は、図8に示す真円度オフライン計算部112の構成を示すブロック図である。
素材となる鋼板の属性情報を真円度予測モデルの入力に用いる場合には、鋼板の降伏応力、引張強度、縦弾性係数、板厚、板面内の板厚分布、鋼板の板厚方向の降伏応力の分布、バウシンガー効果の程度、表面粗さ等、拡管工程後の鋼管の真円度に影響を及ぼす任意のパラメータを用いることができる。特に、端曲げ工程における鋼板の幅方向端部でのスプリングバックに影響を与える因子や、プレスベンド工程における3点曲げプレスによる鋼板の変形状態やスプリングバックに影響を与える因子を指標とするのが好適である。
端曲げ工程の操業パラメータには、Cプレス装置30で使用する上金型33の成形面33aがなす形状や下金型34の押圧面34aがなす形状を特定するパラメータを操業パラメータとして用いることができる。また、端曲げ工程における端曲げ加工幅(端曲げ成形を施す幅)、押し上げ力(Cプレス力)、及びクランプ機構37による把持力を操業パラメータとして用いてもよい。これらは、端曲げ工程における鋼板の幅方向端部の変形に影響を与え得る因子だからである。また、端曲げ工程について3次元変形解析を実行する場合には、鋼板の送り量、送り方向、及び送り回数を端曲げ工程の操業パラメータとしてもよい。
本実施形態では、プレスベンド工程の操業パラメータを真円度予測モデルの入力に用いる。プレスベンド工程の操業パラメータとしては、上記に記載した3点曲げプレスのプレス回数、プレス位置情報、プレス圧下量、下ダイ間隔、パンチ曲率等、鋼板の局所的な曲げ曲率と、それらの板幅方向の分布に影響を与える各種パラメータを用いることができる。特に、パンチが鋼板を押圧するプレス位置情報とプレス圧下量、プレスベンド工程を通じて行うプレス回数の全てを含む情報を用いるのが好ましい。これらの情報を全て含むとは、図11に示す方法が例示できる。
上述した操業パラメータの他、拡管工程の操業パラメータを真円度予測モデルの入力に用いる場合には、拡管率を拡管工程の操業パラメータとして用いることができる。拡管率が大きいほど、拡管工程後の鋼管の真円度は向上するが、鋼管製品としての圧縮降伏強度の観点から拡管率の上限値が制限されるため、その範囲内での値を用いて基礎データ取得部110の計算条件を決定する。このとき、拡管率は、拡管装置を制御するために必要な情報であるため、上位計算値で設定された設定値により特定することができる。なお、拡管工程の操業パラメータとしては、拡管率の他、拡管ダイス枚数や拡管ダイス径を用いてもよい。
本実施形態では、上記のようにして真円度予測モデル生成部130によってオフラインで生成された真円度予測モデルMを用いて、オンラインで拡管工程後の鋼管の真円度を予測する。拡管工程後の鋼管の真円度予測にあたっては、まず、鋼管の製造工程の操業条件として設定される操業条件データセットをオンラインで取得する(操業パラメータ取得ステップ)。これは、上記のようにして生成した真円度予測モデルの入力となる操業条件データセットとして、鋼管の製造工程を統括する上位計算機又は各成形加工工程の制御用計算機から必要なデータを取得するステップである。ここで、「オンライン」とは、鋼管の製造工程の開始前から拡管工程が完了するまでの一連の製造工程の間を意味する。従って、必ずしもいずれかの成形加工工程で加工を実行中でなくてもよい。各成形加工工程の間で鋼板を次の工程に搬送するために待機している間も「オンライン」に含まれる。また、鋼管の製造工程の開始前であって素材となる鋼板を製造する厚板圧延工程が完了した後も「オンライン」に含めることができる。素材となる鋼板を製造する厚板圧延工程が完了すると、本実施形態の真円度予測モデルの入力となる操業条件データセットを取得できる状態になるからである。オンラインで使用するのは機械学習により学習した真円度予測モデルMであり、入力条件となる操業パラメータを設定すれば、即座に出力となる真円度を算出し、操業条件の再設定等を迅速に行うことができる。
表1及び図12を参照して、本発明の実施形態である真円度制御方法について説明する。
次に、図13を参照して、本発明の一実施形態である鋼管の真円度予測装置について説明する。
本実施例では、板厚38.0~38.4mm、板幅2700~2720mmのラインパイプ用鋼板(API グレード X60)を用い、拡管工程後の直径が36インチの鋼管を端曲げ工程、プレスベンド工程、溶接工程、及び拡管工程を経て製造する製造条件に対応して、オフラインの拡管工程後の真円度予測モデルを生成した。本実施例に用いた端曲げ工程の有限要素モデル生成部により生成された有限要素モデルの例を図14に例示する。使用した有限要素解析ソルバーはAbaqus2019であり、1ケース当たりの計算時間は概ね3時間であった。データベースに蓄積したデータセットの数は300、機械学習モデルとして基底関数に動径基底関数を用いたガウシアン過程回帰を用いた。
1a,1b 棒状部材
2 パンチ
2a パンチ先端部
2b パンチ支持体
16 拡管ダイス
17 テーパー外周面
18 プルロッド
20 アーム
21a,21b 変位計
22 回転角度検出器
25 回転アーム
26a,26b 押圧ローラ
30 Cプレス装置
31 搬送機構
31a 搬送ロール
32A,32B プレス機構
33 上金型
33a 成形面
34 下金型
34a 押圧面
36 油圧シリンダ
37 クランプ機構
110 基礎データ取得部
111 操業条件データセット
112 真円度オフライン計算部
112a 端曲げ工程の有限要素モデル生成部
112b プレスベンド工程の有限要素モデル生成部
112c 拡管工程の有限要素モデル生成部
112d 有限要素解析ソルバー
120 データベース
130 真円度予測モデル生成部
140 上位計算機
150 操業条件再設定部
160 鋼管の真円度予測装置
161 操業パラメータ取得部
162 記憶部
163 真円度予測部
164 出力部
165 入力部
166 表示部
G シームギャップ部
M 真円度予測モデル
P 鋼管
R1,R2 領域
S 鋼板
S1 成形体
Claims (12)
- 鋼板の幅方向端部に端曲げ加工を施す端曲げ工程と、パンチによる複数回の押圧により端曲げ加工が施された鋼板をオープン管に成形加工するプレスベンド工程、及び前記オープン管の端部同士を接合した鋼管に対して拡管による成形加工を行う拡管工程を含む鋼管の製造工程における、前記拡管工程後の鋼管の真円度を予測する真円度予測モデルを生成する鋼管の真円度予測モデルの生成方法であって、
前記端曲げ工程の操業パラメータから選択した1又は2以上の操業パラメータ及び前記プレスベンド工程の操業パラメータから選択した1又は2以上の操業パラメータを含む操業条件データセットを入力データに含み、前記拡管工程後の鋼管の真円度を出力データとする数値計算を、前記操業条件データセットを変更しながら複数回実行することにより、前記操業条件データセットと対応する前記拡管工程後の鋼管の真円度のデータの組を学習用データとしてオフラインで複数生成する基礎データ取得ステップと、
前記基礎データ取得ステップにおいて生成された複数の学習用データを用いて、前記操業条件データセットを入力データ、拡管工程後の鋼管の真円度を出力データとする真円度予測モデルをオフラインで機械学習により生成する真円度予測モデル生成ステップと、
を含む、鋼管の真円度予測モデルの生成方法。 - 前記基礎データ取得ステップは、有限要素法を利用して前記操業条件データセットから前記拡管工程後の鋼管の真円度を算出するステップを含む、請求項1に記載の鋼管の真円度予測モデルの生成方法。
- 前記真円度予測モデルは、前記入力データとして、前記鋼板の属性情報から選択した1又は2以上のパラメータを含む、請求項1又は2に記載の鋼管の真円度予測モデルの生成方法。
- 前記真円度予測モデルは、前記入力データとして、前記拡管工程の操業パラメータの中から選択した拡管率を含む、請求項1~3のうち、いずれか1項に記載の鋼管の真円度予測モデルの生成方法。
- 前記端曲げ工程の操業パラメータは、端曲げ加工幅、Cプレス力、及びクランプ把持力のうちの1又は2以上のパラメータを含む、請求項1~4のうち、いずれか1項に記載の鋼管の真円度予測モデルの生成方法。
- 前記プレスベンド工程の操業パラメータは、前記プレスベンド工程に用いるパンチが鋼板を押圧するプレス位置情報及びプレス圧下量と共に、前記プレスベンド工程を通じて行うプレス回数を含む、請求項1~5のうち、いずれか1項に記載の鋼管の真円度予測モデルの生成方法。
- 前記機械学習として、ニューラルネットワーク、決定木学習、ランダムフォレスト、ガウシアン過程回帰、及びサポートベクター回帰から選択した機械学習を用いる、請求項1~6のうち、いずれか1項に記載の鋼管の真円度予測モデルの生成方法。
- 請求項1~7のうち、いずれか1項に記載の鋼管の真円度予測モデルの生成方法により生成された鋼管の真円度予測モデルの入力として、前記鋼管の製造工程の操業条件として設定される操業条件データセットをオンラインで取得する操業パラメータ取得ステップと、
前記操業パラメータ取得ステップにおいて取得した前記操業条件データセットを前記真円度予測モデルに入力することにより、拡管工程後の鋼管の真円度情報を予測する真円度予測ステップと、
を含む、鋼管の真円度予測方法。 - 請求項8に記載の鋼管の真円度予測方法を用いて、前記鋼管の製造工程を構成する端曲げ工程、プレスベンド工程、及び拡管工程の中から選択した再設定対象工程の開始前に、前記拡管工程後の鋼管の真円度情報を予測し、予測された鋼管の真円度情報に基づいて、少なくとも前記再設定対象工程の操業パラメータの中から選択した1又は2以上の操業パラメータ、又は、前記再設定対象工程よりも下流側の成形加工工程の操業パラメータの中から選択した1又は2以上の操業パラメータを再設定するステップを含む、鋼管の真円度制御方法。
- 請求項9に記載の鋼管の真円度制御方法を用いて鋼管を製造するステップを含む、鋼管の製造方法。
- 鋼板の幅方向端部に端曲げ加工を施す端曲げ工程と、パンチによる複数回の押圧により端曲げ加工が施された鋼板をオープン管に成形加工するプレスベンド工程、及び前記オープン管の端部同士を接合した鋼管に対して拡管による成形加工を行う拡管工程を含む鋼管の製造工程における、前記拡管工程後の鋼管の真円度を予測する鋼管の真円度予測装置であって、
前記端曲げ工程の操業パラメータから選択した1又は2以上の操業パラメータ及び前記プレスベンド工程の操業パラメータから選択した1又は2以上の操業パラメータを含む操業条件データセットを入力データとして含み、前記拡管工程後の鋼管の真円度情報を出力データとする数値計算を、前記操業条件データセットを変更しながら複数回実行することにより、前記操業条件データセットと対応する前記拡管工程後の鋼管の真円度情報のデータの組を学習用データとして複数生成する基礎データ取得部と、
前記基礎データ取得部において生成された複数の学習用データを用いて、前記操業条件データセットを入力データ、拡管工程後の鋼管の真円度情報を出力データとする真円度予測モデルを機械学習により生成する真円度予測モデル生成部と、
前記鋼管の製造工程の操業条件として設定される操業条件データセットをオンラインで取得する操業パラメータ取得部と、
前記真円度予測モデル生成部において生成された真円度予測モデルを用いて、前記操業パラメータ取得部により取得した前記操業条件データセットに対応する拡管工程後の鋼管の真円度情報をオンラインで予測する真円度予測部と、
を備える、鋼管の真円度予測装置。 - ユーザの操作に基づく入力情報を取得する入力部と、前記真円度情報を表示する表示部と、を有する端末装置を備え、
前記操業パラメータ取得部は、前記入力部が取得した入力情報に基づいて、前記鋼管の製造工程における操業条件データセットの一部又は全部を更新し、
前記表示部は、前記更新された操業条件データセットを用いて前記真円度予測部が予測した前記鋼管の真円度情報を表示する、請求項11に記載の鋼管の真円度予測装置。
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