JPH03243286A - クラッド管の接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はクラッド管の周継手を接合する方法に関するも
のである。

［従来の技術］ 配管に耐食性を持たせるために、内側に耐食性金属層を
クラッドしたクラッド管が用いられている。

例えば化学プラントにおいては、炭素鋼またはクロムモ
リブデン鋼の内側にステンレス鋼またはニッケル合金鋼
をクラッドしたクラッド管が用いられている。このよう
なりラッド管を用いると、管全体を炭素鋼またはクロム
モリブデン鋼により形成する場合に比べてコストを安く
することができる。また管全体を炭素鋼また°はクロム
モリブデン鋼により形成すると、管の内面から応力腐食
割れが生じたときに亀裂が容易に肉厚方向に貫通してし
まうが、クラッド管を用いると亀裂が貫通するのを防ぐ
ことができる。

従来クラッド管どうしの接合はもっばらアーク溶接によ
り行っていた。クラッド管はほとんどの場合外径が８イ
ンチ（２１６ｍｍ）以下であるので、アーク溶接は管の
外側から行わざるを得ない。そのため従来は、クラッド
管の接合部を開先を介して対向させた状態で開先内に溶
融金属を充填することにより内側から外側へと順次溶接
金属層を形成して溶接を行っていた。

第８図は、アーク溶接により接合されたクラッド管１．
　１−の接合部の断面を概略的に示したもので、同図に
おいてｌａ、ｌａ−は炭素鋼またはクロムモリブデン鋼
からなる外側金属層、ｌｂ。

ｌｂ−はステンレス鋼またはニッケル合金鋼からなる内
側金属層である。

このようなりラッド管を溶接する場合、耐食性を確保す
るために初層２にはステンレス鋼またはニッケル合金鋼
を盛ることが必要とされる。ここで接合部の全層をステ
ンレス鋼またはニッケル合金鋼とすることも考えられる
が、全層をステンレス鋼またはニッケル合金鋼とすると
、応力腐食割れが生じたときに容易に亀裂が貫通する。

従って上層４には炭素鋼またはクロムモリブデン鋼を盛
ることか必要とされる。しかしステンレス鋼またはニッ
ケル合金鋼の初層の上に直接炭素鋼またはクロムモリブ
デン鋼を溶接すると、ステンレス鋼またはニッケル合金
鋼の一部が溶融して炭素鋼またはクロムモリブデン鋼の
層中に混入し、境界領域に脆弱なマルテンサイトの溶接
金属が形成されて溶接部の強度が低下する。これを避け
るため、従来は初層２と上層４との間に純鉄または極低
炭素鋼からなる中間層３を設けていた。

第８図に示したようにアーク溶接によりクラッド管を接
合した場合には、中間層３が大きく硬化（ビッカース硬
度で３５０〜４５０）するため、接合部の延性が低下す
るという問題があった。また管内が高温の水素環境の場
合には、中間層３が脆弱になり易いという問題があった
。更にアーク溶接によると溶接作業が繁雑であるためそ
の施工に技術を要し、コストが高くなるという問題もあ
った。

そこで、クラッド管を摩擦圧接により接合することが検
討された。従来周知の摩擦圧接法に従ってクラッド管を
接合する場合の手順は次の通りである。

第９図に示すようにクラッド管１．　１−の圧接面Ａ、
Ａ−をそれぞれの軸線方向に対して直角な面として一方
のクラッド管１を静止側のクランプに固定し、他方のク
ラッド管■′を回転駆動される主軸のチャックに把持さ
せる。そして加圧装置により一方のクラッド管を他のク
ラッド管に対して所定の圧力（加熱圧力という。）で加
圧接触させた状態で回転側のクラッド管１−を回転させ
、両管の接触部を摩擦により発熱させる。接合部の温度
が所定の温度に達した時点で回転側のクラッド管↓−を
停止させ、加圧装置によりクラッド管１．１−を大きい
アップセット圧力で加圧して圧接する。

第１０図はクラッド管の圧接が完了した状態を示してい
る。同図から明らかなように外側金属層ｌａ、ｌａ−及
び内側金属層１ｂ、１ｂ−がそれぞれ管の外側及び内側
に押し出されてパリ５及び６が生じる。

化学プラントの配管等に用いる場合には、管内での流体
の流れを損なわないようにするためにパリを除去する必
要がある。パリの除去はパリ切削刃により行われる。パ
リ切削刃によりパリを除去した後のクラッド管の状態を
第１１図に示した。

［発明が解決しようとする課題］ 従来周知の摩擦圧接法に従ってクラッド管どうしを接合
した場合には、第１０図に示したように外側金属層が外
側及び内側に大きく押し出される。

従って接合されたクラッド管からパリを除去した場合に
は、内側のパリを除去した箇所Ｂにおいて外側金属層が
露出した状態になり、この部分でクラッド管の特性が失
われるという問題があった。

本発明の目的は、管の内側に外側金属層を露出させるこ
と無く、また割れや脆弱な硬化合金層を生じさせること
無くクラッド管どうしを接合することができるようにし
たクラッド管の接合方法を提案することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、外側金属層の内周側に該外側金属層よりも薄
い内側金属層がクラッドされた複数のりラッド管をそれ
ぞれの中心軸線を一致させた状態で突き合わせて接合す
る方法に係わるものである。

本発明の方法においては、接合すべきクラッド管の被接
合端部にＵ形開先を形成しておき、接合すべきクラッド
管の内側金属層間で摩擦接触を開始させて両クラッド管
を摩擦圧接する。

上記Ｕ形開先は１５度以上４５度以下の開先角度を有し
ていることが好ましい。

上記Ｕ形開先は、第７図（Ａ）に示すように開先面１０
Ａ、ｌ０Ａ−とルートフェースＩＯ８゜１０Ｂ−との境
界部に曲率を設けないものでも良く、また第７図（Ｂ）
ないしくＤ）に示すように開先面１０Ａ、ＩＯＡ”とル
ートフェース１０Ｂ。

１０Ｂ−との境界部１０Ｃ，ｌ０Ｃ−に曲率を設けたも
のでも良い。またルートフェースＩＯＢ。

１０Ｂ″の径方向寸法Ｆは、第７図（Ａ）及び（Ｂ）に
示すように内側金属層の厚さＣに一致していても良く、
第７図（Ｃ）に示すようにルートフェースの径方向寸法
Ｆが内側金属層の厚さＣより小さくても良い。更に第７
図（Ｄ）に示すようにルートフェースの径方向寸法Ｆを
内側金属層の厚さＣより大きく設定しても良い。

上記外側金属層は例えば炭素鋼またはクロムモリブデン
鋼からなり、内側金属層はステンレス鋼またはニッケル
合金鋼からなっている。

［作　用］ 上記のように、接合すべきクラッド管の被接合端部にＵ
形開先を設けて、接合すべきクラッド管の内側金属層間
で摩擦接触を開始させてクラッド管を摩擦圧接するよう
にすると、最初内側金属層の一部が開先側及び管の内側
に移動する形で圧接が進行するため、内側金属層どうし
を確実に接合することができ、管の内側のパリを除去し
た際に外側金属層が管の内面に露出するのを防ぐことが
できる。従って本発明によれば、クラッド管の特性を失
わせることなく、摩擦圧接の特徴を活かして、接続部に
脆弱な硬化金属層を生じさせることなくクラッド管どう
しを接合することができる。

またアーク溶接による場合に比べて手間を要しないため
、接合に要する工数を削減することができ、作業能率を
向上させることができる。

［実施例コ 以下添付図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明す
る。

第１図は本発明の実施例で接合したクラッド管１０．１
０−の被接合端部付近の半部断面を示したもので、クラ
ッド管１０．１０＝はそれぞれ外側金属層１０ａ、１０
ａ−と該外側金属層の内側にクラッドされた内側金属層
１０ｂ、１０ｂ”とからなっている。この実施例ではク
ラッド管１０゜１０−の被接合端部側で外側金属層の端
部が全周に亘って斜め切りされて開先面１０Ａ、ＩＯＡ
”が形成され、第２図に示すようにクラッド管１０゜（
０′の被接合端部どうしを突き合わせた際に両クラッド
管の接合部にＵ形開先１１が形成されるようになってい
る。

クラッド管１０．１０−の内側金属層１０ｂ。

１０ｂ′の端面は両クラッド管の軸線と直角をなすルー
トフェース（圧接面）ＩＯＢ、ｌ０Ｂ−となっており、
クラッド管１０．１０−の被接合端部どうしを開先１１
を介して突き合わせた際にこれらのルートフェースのみ
が面接触するようになっている。

クラッド管１０．１０−を接合するに当っては、例えば
一方のクラッド管１０を摩擦圧接装置に設けられた静止
側のクランプに固定し、他方のクラッド管１０′を回転
駆動される主軸のチャックに把持させる。そして加圧装
置により一方のクラッド管を他のクラッド管に対して所
定の圧力（加熱圧力という。）で加圧接触させた状態で
回転側のクラッド管１０−を回転させ、両管の接触部を
摩擦により発熱させる。

加圧装置は回転側及び静止側のいずれに設けても良いが
、実施例では回転側に加圧装置を設けた。

実施例で用いた摩擦圧接装置では、クラッド管ＩＯ−を
回転させる主軸、及び該主軸を回転させる駆動機構等を
支持する架台を主軸の軸線方向に移動可能とし、該架台
を油圧シリンダを用いた加圧装置により付勢することに
より、クラッド管１０゜↓０′間に必要な加圧力を与え
るようにした。

クラッド管１０．１０−の内側金属層１０ｂ。

１０　ｂ、−どうしを接触させて両者間に相対的な回転
を生じさせると摩擦熱により接合部の温度が上昇してい
く。これにより内側金属層１０ｂ、１０ｂ−が軟化する
ため、第３図に示すように内側金属層１０ｂ、１０ｂ−
の突合せ部付近が開先１■側及び管の内側に押し出され
ると同時にクラッド管１０．１０−が接近していく。

更に時間が経過すると第４図に示すようにＵ形開先１１
の谷部側から外側金属層１０ａ、１０ａ′どうしが接触
していき、外側金属層１０ａ、１０ａ−が開先内を外側
に移動しつつクラ・ソド管１０．１０−は更に接近して
いく。

接合部の温度が所定値に達した時点で回転側のクラッド
管１０−を停止させ、加圧装置によりクラッド管１０．
１ＣＩを大きいアップセット圧力で加圧して圧接する。

回転開始時からアップセット終了時までの総寄り代δは
、最終的に第５図に示すように開先面の開口側の端部１
０Ａ１．　１０Ａ２どうしく接合部の最も離れた箇所）
を完全に接合するのに十分な大きさに設定する。

このようにして接合が完了した状態では第５図に示した
ように接合部の外周側及び内周側にそれぞれパリ１３及
び１４が形成される。最後にこれらのパリを除去して第
６図に示すような状態を得る。

本発明の方法を実施するに際しては、Ｕ形開先１１の開
先角度θを１５度から４５度の範囲に設定するのが好ま
しい。開先角度θが１５度よりも小さいと、管の内側に
迫り出すパリの量が多くなり好ましくない。また開先角
度が４５度よりも大きいと寄り代が大きくなり過ぎ、圧
接に要する時間が長くなって作業能率が低下する。

以下本発明の効果を確認するために行った実験について
説明する。

［実験１］ 外側金属層１０ａ、１０ａ−を炭素鋼とし、内側金属層
１０ｂ、１０ｂ−をステンレス鋼（ＳＵＳ　３０４）と
したクラッド管１０．１０−　（、米国アスメ規格４Ｂ
ｘＳｃｈ８０を満足するもの。）を接合すべきクラッド
管とした。この実験では開先加工を施さず、加熱加圧時
の回転数Ｎを７５０［ｒｐｍ］、加熱圧力Ｐｉを２　（
ｋｇｆ／ｍｍ２］　、アップセット圧力Ｐ２を８　［ｋ
ｇ［／ｍｍ２］　、総寄り代δを１０　［ｍｍ］　とし
た。圧接を行った後管の内外のバノを除去し、接合部を
切断してその断面を顕微鏡で観察したところ、管の内面
に外側金属層の炭素鋼が露出していることが確認された
。

［実験２］ 外側金属層１０ａ、１０ａ−を炭素鋼とし、内側金属層
１０ｂ、１０ｂ−を７０％Ｎｉ−１５Ｃｒ合金鋼とした
クラッド管１０．１０”　（米国アスメ規格３ＢｘＳｃ
ｈ８０を満足するもの。）を接合すべきクラッド管とし
た。この実験でも開先加工は施さず、加熱加圧時の回転
数Ｎを７５０［ｒｐｍ］、加熱圧力Ｐ１を３　（ｋｇ［
／ｍｍ２］　、アップセット圧力Ｐ２を１２［４２１７
ｍｍ２］、総寄り代δを１０　［ｍｍ］とした。圧接さ
れた管の内外のパリを除去した後、接合部を切断してそ
の断面を顕微鏡で観察したところ、管の内面に外側金属
層の炭素鋼が露出していることが確認された。

［実験３］ 外側金属層１０ａ、１０ａ−を２１／４Ｃｒ−ＩＭｏ鋼
とし、内側金属層１０ｂ、１０ｂ−をステンレス鋼（Ｓ
ＵＳ３１６）としたクラッド管１０゜１０′　（米国ア
スメ規格４ＢｘＳｃｈ８０を満足するもの。）を接合す
べきクラッド管とした。開先角度θを６０度とし、加熱
加圧時の回転数Ｎを７５０［ｒｐｍ］、加熱圧力Ｐｉを
３　［ｋｇｆ／ｍｍ２］　、アップセット圧力Ｐ２を１
０　［ｋｇ［／ｍｍ２コ、総寄り代δを１４［ｍｍ］と
して圧接を行った後、管の内外のパリを除去し、接合部
を切断してその断面を顕微鏡で観察した。その結果接合
部において内側金属層が完全に接合され、クラッド管の
特性が失われていないことが確認された。また超音波に
よる接合部の非破壊試験を行ったところ、接合部に割れ
、ブローホール、融合不良等の欠陥は見出だされなかっ
た。

本発明の方法において採用する開先はいわゆるＵ形開先
であればよい。第７図（Ａ）ないしくＤ）に、本発明の
方法で採用し得るＵ狭開先の形状を例示した。

第７図（Ａ）に示した例は、開先面１０Ａ、１０Ａ−と
ルートフェース（開先先端面）ＩＯＢ。

１０Ｂ−との間の境界部に曲率を持たせない（アールを
つけない）場合で、第１図ないし第６図に図示した例で
はこの第７図（Ａ）のＵ狭開先を採用している。

また第７図（Ｂ）ないしくＤ）に示した例は開先面１０
Ａ、ｌ０Ａ−とルートフェース１０Ｂ。

１０Ｂ−との間の境界部１０Ｃ，ｌ０Ｃ−に曲率を持た
せた場合である。

ルートフェースＩＯＢ、ＩＯＢ”の径方向寸法Ｆは第７
図（Ａ）及び（Ｂ）に示したように内側金属層１０ｂ、
１０ｂ−の厚さＣに等しくても良く、第７図（Ｃ）に示
したように、内側金属層ｌＯｂ、１０ｂ−の厚さＣより
小さくても良い。また第７図（Ｄ）に示すようにルート
フェース１０Ｂ、ｌ０Ｂ−の径方向寸法Ｆを内側金属層
１０ｂ。

１０ｂ−の厚さＣより大きくしても良い。

一般にこの種の金属管の肉厚ｔは５〜３Ｑｍｍの範囲に
あり、内側金属層の厚みＣは２〜３ｍｍ（但しｔ＞Ｃ）
の範囲にある。

ルートフェースＩＯＢ、ｌ０Ｂ−の径方向寸法Ｆは、内
側金属層１０ｂ、１０ｂ−の厚さＣにもよるが、通常は
１〜ｌＱｍｍに設定するのが好ましい。また開先面とル
ートフェースとの間の境界部にアールをつける場合の曲
率半径は１〜５ｍｍに設定するのが好ましい。

上記の実施例では、クラッド管１０．１０”を突き合わ
せて加熱回転を行わせた後接合部が所定の温度に達した
時点でクラッド管の回転を停止させてからアップセット
を行うようにしたが、加熱回転時に加圧力を暫増させて
最後に圧力を急増させるようにしても良い。

上記の説明では、クラッド管１０．１０−の−方を静止
させ、他方を回転させるようにしたが、加熱回転時の回
転のさせ方は任意であり、摩擦圧接において既に提案さ
れている種々の回転のさせ方を採用することができる。

例えばクラッド管１０．１０−を互いに反対の方向に回
転させるようにしても良い。

上記の実施例では、２つのクラッド管１０，１０′を接
合する場合を例にとったが、３つのクラッド管を順次突
き合わせて、中央のクラッド管とその両側のクラッド管
との間に相対的な回転を生じさせて摩擦圧接を行わせる
場合にも、各突合せ部に開先を設けることにより本発明
の方法を適用することができる。

［発明の効果コ 以上のように、本発明によれば、接合すべきクラッド管
の被接合端部の外側金属層部分にＵ狭開先を設けて、接
合すべきクラッド管の内側金属層間で摩擦接触を開始さ
せてクラッド管を摩擦圧接するようにしたので、内側金
属層どうしを確実に接合することができ、管の内側のパ
リを除去した際に外側金属層が管の内面に露出するのを
防ぐことができる。従ってクラッド管の特性を失わせる
ことなく、摩擦圧接の特徴を生かして、接続部に脆弱な
硬化金属層を生じさせることなくクラッド管どうしを接
合することができる利点がある。

またアーク溶接による場合に比べて手間を要しないため
、接合に要する工数を削減することができ、作業能率を
向上させることができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法により接合されるクラッド管の被
接合端部付近の断面形状を示した半部断面図、第２図な
いし第６図は本発明の方法によりクラッド管を接合する
場合の接合部の断面形状の変化を概略的に示した断面図
、第７図（Ａ）ないしくＤ）は本発明の方法に適した種
々の開先形状を例示した断面図、第８図はアーク溶接に
よりクラッド管を接合した場合の接合部の断面形状を概
略的に示した断面図、第９図ないし第１１図は開先を設
けずにクラッド管を摩擦圧接した場合の接合部の断面形
状の変化を示した断面図である。 １０．１ＣＩ・・・クラッド管、１０ａ、１０ａ・・・
外側金属層、ＩＱｂ、１０ｂ−・・・内側金属層、１１
・・・Ｕ狭開先、１３．１４・・・パリ、θ・・・開先
角度。 第 図 第 図 第 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）外側金属層の内周側に該外側金属層よりも薄い内
   側金属層がクラッドされたクラッド管どうしをそれぞれ
   の中心軸線を一致させた状態で突き合わせて接合する方
   法において、 接合すべきクラッド管の被接合端部にＵ形開先を形成し
   ておき、 接合すべきクラッド管の内側金属層間で摩擦接触を開始
   させて両クラッド管を摩擦圧接することを特徴とするク
   ラッド管の接合方法。
2. （２）前記Ｕ形開先は１５度以上４５度以下の開先角度
   を有していることを特徴とする請求項１に記載のクラッ
   ド管の接合方法。
3. （３）前記外側金属層は炭素鋼またはクロムモリブデン
   鋼からなり、前記内側金属層はステンレス鋼またはニッ
   ケル合金鋼からなる請求項１または２に記載のクラッド
   管の接合方法。