JPH08294729A - 高強度厚肉鋼管の曲げ加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】内、外面の温度差を１００℃以内に保つことに
より十分な曲げ加工性を確保するとともに、曲げ部の減
肉率および楕円化率も小さくし、機械的性質の材料規格
値も十分満足すること。 【構成】鋼管１の長手方向の所定位置に高周波加熱コイ
ル１２を配設すると共に、ストック１０により鋼管１の
端部を直接支持し、クランプ１５で鋼管１を保持する。
この状態で高周波加熱コイル１２に高周波電流を流し、
高周波加熱コイル１２が巻かれた部分を局部的に加熱す
る。鋼管１の加熱部分が設定温度になった段階でストッ
ク１０から鋼管１に矢印Ｅ方向の推力を作用させ、鋼管
１を同方向に移動させる。この移動に追従してクランプ
１５およびアーム１６が所望の曲率半径で回動し、鋼管
１の加熱部分が図に示すように曲げ加工される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、たとえば発電プラント
等の配管装置に使用する高強度鋼管を熱間加工によって
製造するための曲げ加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】石油精製および化学プラントならびに発
電プラント等の配管装置には多数の鋼管が使用され、配
管装置の曲り部には、日本工業規格、たとえばＪＩＳ
Ｂ ２３１２、Ｂ ２３１３等に規定される溶接式管継
手（以下、エルボと呼ぶ）が採用されている。しかし、
これらのエルボは曲げ角度が１８０度の製品で、配管装
置を構成する場合には、エルボの両端と管および継手を
溶接により接続するため、溶接箇所、溶接工数とともに
溶接部の検査も増加してプラントの建設工期が延び、ま
たコストが上昇する一因となっている。こうした溶接箇
所を削減するため曲げ管の両端に直管部を有する寸法精
度の良好な熱間曲げ加工を施した曲り管が多用されてい
る。すなわち、直線状鋼管の必要部分のみ所望の曲率を
得るために直接鋼管を加熱して曲げ加工を行い、この曲
り管に配管および配管継手類を溶接して配管装置を構成
するものである。

【０００３】熱間曲げ加工の熱源としては種々の方法が
あるが、高周波誘導加熱が広く使用されている。この方
法は、被加工物である鋼管の周囲に高周波加熱コイルを
設置し、曲げ加工部のみを局部的に高周波誘導電流によ
って加工温度領域まで加熱することにより材料強度を低
下させるとともに、材料の延性を向上することにより小
さな加工力で加熱領域のみを塑成変形させるものであ
る。この場合の加熱温度はフェライト系鋼、オーステナ
イト鋼とも９５０℃〜１１５０℃の温度範囲に設定する
ことにより良好な曲げ加工性が確保される。この曲げ加
工方法を採用した曲げ管を使用する場合には、前述のエ
ルボを用いる場合に比べ、溶接箇所を大幅に低減できる
利点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】５３８℃〜５６６℃級
の発電プラントに多用されている炭素鋼あるいは低合金
鋼等の鋼管は材料強度レベルも低く、かつ鋼管の肉厚も
５０mm以下であるため鋼の状態図におけるＡ₃ 変態温度
以下でも十分曲げ加工を行うことができる。しかしなが
ら、近年、発電プラントの蒸気条件も５９３℃級から６
００℃超級へと次第に高温化に向かいつつあり、現状の
５９３℃級発電プラントでは材料の引張特性が高強度に
設定されている９％〜１２％Ｃｒ系鋼管が使用され始め
ている。蒸気条件の高温化にともない９％〜１２％Ｃｒ
系鋼管の肉厚も６０mm〜１００mmと高厚肉化してきてお
り、肉厚も６０mm以下でないとＡ₃ 変態温度以上の温度
に設定しても鋼管の内、外面の温度差が大きく高周波誘
導加熱曲げが困難となる。

【０００５】高周波誘導加熱による曲げの場合、高周波
加熱コイルは鋼管の外表面を覆い、誘導電流は鋼管の外
表面を流れるため、外表面は誘導電流により直接加熱さ
れるが、鋼管の内側は伝熱により加熱されるために外表
面の温度は所定の温度に達しても内面の温度は低くな
る。この現象は肉厚が厚くなる程、顕著になる。

【０００６】通常、高周波加熱コイルによる誘導加熱で
は鋼管の外表面から約１５mmまでは設定温度と同一温度
に保持できるが、１５mm以上になると伝熱によるもので
あり、内、外面の温度差を１００℃以内に保持できる肉
厚は６０mm以下となっている。肉厚が６０mm以上になる
と、内面の温度は外表面と比較し２００℃以上低くな
る。

【０００７】図９は鋼管の外径約４６０mm、肉厚１００
mmの１２Ｃｒ系鋼管を使用し、Ｆｅ−Ｃ系二次元合金状
態図におけるＡ₃ 変態点以上の温度で加熱した場合の肉
厚方向の温度分布を示したものである。縱軸は鋼管温
度、横軸は時間を示す。外表面の温度は１０００℃に達
した時に、肉厚中央部の外表面から５０mmの位置では９
３０℃と温度差が約１００℃であるのに対し、内面は温
度上昇しているにも拘らず約４００℃〜５５０℃と５０
０℃の温度差が生じている。

【０００８】外表面および肉厚中央部までは温度差が約
１００℃と曲げ加工に支障を生じない温度となっている
が、内面では５００℃の温度差があるために曲げ加工を
行った場合には外表面のみ肉厚変化を生じる結果とな
る。

【０００９】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、内、外面の温度差を１００℃以内に
保つことにより十分な曲げ加工性を確保するとともに、
曲げ部の減肉率および楕円化率も小さくし、機械的性質
の材料規格値も十分満足する高強度厚肉鋼管の曲げ加工
方法を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は肉
厚が６０mm以上の高強度厚肉鋼管を曲げ加工するにあた
り、鋼管の外表面を加熱するとともに、鋼管の内面を加
熱し、内、外面の温度差を１００℃以内に保って曲げ加
工を施すことを特徴とする。

【００１１】請求項２に係る発明は鋼管の外表面を高周
波加熱コイルにより９５０℃〜１１５０℃に加熱すると
ともに、鋼管の内面をガスバーナにて加熱し、内、外面
の温度差を１００℃以内に保って曲げ加工を施すことを
特徴とする。

【００１２】請求項３に係る発明は曲げ加工の前に、鋼
管の内面に熱風を送風して予加熱を行った後、鋼管の外
表面を高周波加熱コイルにより９５０℃〜１１５０℃に
保って曲げ加工を施すことを特徴とする。

【００１３】請求項４に係る発明は曲げ加工の前に、鋼
管全体を３７０℃〜７００℃に加熱した後、鋼管の内面
に熱風を送風すると同時に高周波加熱コイルにより９５
０℃〜１１５０℃に加熱して曲げ加工を施すことを特徴
とする。

【００１４】請求項５に係る発明は肉厚が６０mm以上の
高強度厚肉鋼管を曲げ加工するにあたり、鋼管の外表面
を９５０℃〜１１５０℃に加熱するとともに、５分〜６
０分加熱保持した後、自然冷却を行い、内、外面の温度
差が１００℃以内になった時点で再度９５０℃〜１１５
０℃に加熱し、その後曲げ加工を施すことを特徴とす
る。

【００１５】

【作用】肉厚６０mm以上の９〜１２％Ｃｒ系高強度フェ
ライト系鋼管をＡ₁ 変態点以下の温度で高周波誘導加熱
曲げを行う場合、曲げ部の強度低下量が小さく、しかも
管内面の温度は外表面よりもさらに低いために抵抗が大
きくなり曲げ加工ができない。そこで、曲げ加工力を低
減するために曲げ加工温度を９５０℃〜１１５０℃にて
行うことにした。この場合、１１５０℃以上の温度に加
熱すると９％〜１２％Ｃｒ系鋼ではオーステナイト結晶
粒の粗大化にともなう靭性の低下が、一方９５０℃以下
ではＡ₃ 変態点に近接するためこの温度範囲とした。し
かしながら、高周波による外表面からの加熱では先に述
べたように、内面との温度差が大きく、高周波誘導加熱
による曲げ加工時に内、外面の温度差が１００℃以下と
なるように内面をガスバーナあるいは熱風により加熱
し、外表面、肉厚中央部および内面の温度差を小さくす
ることにより均一な材料特性を有する曲げ管を得ること
ができる。９５０℃〜１１５０℃で曲げ加工後、素管の
材料特性と同等となる熱処理を施すことにより機械的性
質を所定値に確保することができる。

【００１６】図８は高周波加熱コイルにより肉厚１００
mmの鋼管を１０００℃まで加熱した場合の温度と時間の
関係を求めたものである。高周波加熱コイルにより外表
面から加熱を行った場合、外表面は曲線ａで示すように
約１０分で所定温度に達するが、肉厚中央部は曲線ｂで
示すように約１００℃低い温度となっている。このと
き、鋼管の内面は曲線ｃで示すように温度が上昇中であ
るため、外表面との温度差が極めて大きくなっている。
このため、外表面が設定温度に保持され、肉厚中央部の
温度が１００℃以内となったところで一旦加熱を中断さ
せる。この中断により外表面、肉厚中央部は温度が低下
していくが、内面は温度上昇を続けており、約１５分後
には肉厚全体の温度が約７００℃で一定温度を示す。一
定温度になったところで再度高周波加熱コイルにより外
表面から加熱を行うと、内、外面の温度差を１００℃以
内にすることができる。

【００１７】

【実施例】以下、添付図面を参照して本発明の実施例に
ついて説明する。

【００１８】図２は本発明の鋼管の曲げ加工方法を実施
する鋼管の曲げ加工装置の一例を示す概略平面図であ
る。鋼管１はその端部がストック１０に直接支持される
と共に、その途中がガイドローラ１１により案内支持さ
れている。ストック１０は鋼管１の長手方向への移動が
可能であり、鋼管１に矢印Ｅ方向の推力を付与する。鋼
管１の長手方向所定位置には鋼管１の外表面に沿ってド
ーナツ形状の高周波加熱コイル１２が配設されており、
その高周波加熱コイル１２には導線１３を介して高周波
変流器１４が接続されている。高周波加熱コイル１２は
鋼管１の外表面との間に適当なクリアランスを有すると
ともに、高周波電流によって鋼管１の高周波加熱コイル
１２の真下に誘導電流が流れ、この部分が帯状に加熱さ
れる。

【００１９】さらに、鋼管１における高周波加熱コイル
１２の近傍でストック１０の反対位置はクランプ１５に
よって保持される。そのクランプ１５はアーム１６を介
して装置本体に取り付けられた高周波加熱コイル１２の
軸方向の中央位置でこれに鉛直な平面内に位置する支点
１７に回転自在に支持されている。しかして、クランプ
１５に保持された鋼管１が矢印Ｅ方向に移動することに
より高周波加熱コイル１２によって加熱された部分が直
ちに曲げ加工される。この場合、アーム１６の長さは鋼
管１の所望の曲率を考慮して設定される。

【００２０】次に、上記鋼管の曲げ加工装置を用いた鋼
管の曲げ方法について図１を参照して説明する。鋼管１
の長手方向の所定位置に高周波加熱コイル１２を配設す
るとともに、ストック１０により鋼管１の端部を直接支
持し、クランプ１５で鋼管１を保持する。この状態で高
周波加熱コイル１２に高周波電流を流し、高周波加熱コ
イル１２が置かれた部分を局部的に加熱する。加熱部分
の肉厚が６０mmの場合には少なくとも５分〜１５分の加
熱を、肉厚が１００mmでは高強度厚肉管の熱伝導率を考
慮して２０分〜６０分加熱し、設定温度になった段階で
ストック１０から鋼管１に矢印Ｅ方向の推力を作用さ
せ、鋼管１を同一方向に移動させる。この移動に追従し
てクランプ１５およびアーム１６が所望の曲率半径で回
動し、鋼管１はその加熱部分が図１に示すように曲げ加
工される。

【００２１】図３は鋼管の外径約４６０mm、肉厚１００
mmの１２％Ｃｒ系鋼管の１０００℃における曲げ加工部
の半径方向のビッカース硬さを測定した結果である。鋼
の管内面から外表面にかけて硬さが増加し、外表面は加
熱による焼入れ状態になっているにも拘らず内面は素管
の硬さを示し、高周波加熱コイル１２による外表面加熱
だけでは温度差を生じ、しかも不均一な材料特性となる
ことがわかる。

【００２２】本発明の他の実施例を図４を参照して説明
する。

【００２３】図４は本発明による鋼管の曲げ加工装置の
内側にガスバーナを入れ、内面を加熱した場合の構成の
一例を示す概略断面図である。なお、図４の構成におい
て、図２と同一構成のものは説明を省略する。

【００２４】鋼管１の内側にガスバーナ２０を配置し、
ガス管２１により鋼管１の外側に接続したものである。
なお、ガスバーナ２０は中心部に配置されるように内面
に沿ったガイドローラ２６で曲げ加工開始時にはストッ
ク１０側に移動する。自動着火方式で加工部を中心に約
１００mm〜５００mmの範囲に加熱を行い、所定温度より
も約５０℃低い温度に達すると、ガス流量を調整する構
造となっている。

【００２５】図５は本発明による鋼管の曲げ加工装置の
内側にガスバーナ２０を入れ、内面を加熱した場合の作
用を示す図である。縦軸は鋼管温度を、横軸は鋼管１の
内面、肉厚中央および外表面の各位置を示したものであ
る。内側にガスバーナ２０を挿入し、内面を予熱するこ
とにより、ある設定温度Ｔにした場合、内、外面の温度
差△Ｔは３０℃以内とすることができる。したがって、
高周波加熱コイルの加熱時に内、外面の温度がほぼ同一
になり、曲げ管の内、外面の材料特性の均一性を高くす
ることができる。

【００２６】さらに、異なる実施例を図６を参照して説
明する。

【００２７】図６は本発明による鋼管の曲げ加工装置に
装着した鋼管１の菅端部に予加熱用の熱風送風機を取付
けた場合の構成の一例を示す概略断面図である。鋼管１
の菅端部に熱風送風機２２を設置し、高周波加熱コイル
１２による加熱前に予め熱風を送風し、内面をある設定
温度まで上昇させるものである。

【００２８】図７は本発明による鋼管の曲げ加工装置に
装着した鋼管１の管端部に予加熱用の熱風送風機を取付
けた場合の作用を示す図である。縦軸は鋼管温度を、横
軸は鋼管１の内面、肉厚中央および外表面の各位置を示
したものである。管端部に熱風送風機２２を設置し、内
面を予め予熱することによりある設定温度Ｔにした場
合、内、外面の温度差△Ｔは１００℃以内とすることが
できる。したがって、高周波加熱コイルの加熱時に内、
外面の温度差を極めて小さくすることができ、曲げ管の
内、外面の材料特性の均一性を高めることが可能にな
る。

【００２９】また、曲げ加工を行う鋼管を加熱炉で肉厚
に応じて予め全体加熱する。このとき、鋼管の肉厚が６
０mm程度と比較的薄い場合は３００℃〜５００℃程度に
加熱した後、鋼管内面を熱風で加熱すると同時に、高周
波加熱コイルで５分〜１５分通電すると、曲げ全体の温
度が上昇し曲げ加工が容易となる。さらに、鋼管の肉厚
が厚い場合は予熱温度を５００℃〜７００℃に上げ、鋼
管内、外面の温度差を小さくして高周波加熱コイルで２
０分〜６０分再通電すると曲げ部全体の高温強度レベル
が一定となり曲げ加工が容易となる。

【００３０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は高強度厚肉鋼管の管内をガスバーナおよび熱風等によ
り予熱を行うことにより、加熱時に生じる内、外面の温
度差を抑制して曲げ加工時の曲げ抵抗力を軽減するとと
もに、鋼管の機械的性質の不均一をなくし、曲げ加工後
の機械的性質も素管と同等とすることが可能となる。

【００３１】また、内面を予熱することなく外表面から
の加熱を所定温度において一旦停止し、内面の温度と外
表面の温度が同一となった時点で再度加熱することによ
り鋼管に付与される熱履歴が最小で済み、寸法制度の優
れた曲げ管を安価に製造することができる。

【００３２】このため、均質性および信頼性が高い高強
度厚肉鋼管を極めて良好な寸法制度で高周波誘導加熱に
より曲げ加工を行うことができ、発電プラントの性能な
らびに長期運用性の向上をはかれる等、優れた効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による曲げ加工装置における鋼管の曲げ
方法を示す平面図。

【図２】本発明による鋼管の曲げ方法を実施する曲げ加
工装置の一例を示す平面図。

【図３】１０００℃において曲げ加工を行った場合の曲
げ管の半径方向の硬さの一例を示した図。

【図４】曲げ加工を行う鋼管の内側にガスバーナを入れ
た場合の構成の一例を示す図。

【図５】曲げ加工を行う鋼管の内側にガスバーナを入れ
た場合の作用説明図。

【図６】曲げ加工を行う鋼管端部に熱風送風機を設置し
た場合の一例を示す図。

【図７】曲げ加工を行う鋼管端部に熱風送風機を設置し
た場合の作用説明図。

【図８】鋼管の外表面からの加熱と内面の温度分布およ
び再加熱による鋼管の半径方向温度の一例を示す図。

【図９】１０００℃で曲げ加工を施した場合の曲げ管半
径方向の温度分布を示す特性図。

【符号の説明】

１ 鋼管 １１ ガイドローラ １２ 高周波加熱コイル １５ クランプ １６ アーム ２０ ガスバーナ ２２ 熱風送風機

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 肉厚が６０mm以上の高強度厚肉鋼管を曲
   げ加工するにあたり、鋼管の外表面を加熱するととも
   に、該鋼管の内面を加熱し、内、外面の温度差を１００
   ℃以内に保って曲げ加工を施すことを特徴とする高強度
   厚肉鋼管の曲げ加工方法。
2. 【請求項２】 前記鋼管の外表面を高周波加熱コイルに
   より９５０℃〜１１５０℃に加熱するとともに、前記鋼
   管の内面をガスバーナにて加熱し、内、外面の温度差を
   １００℃以内に保って曲げ加工を施すことを特徴とする
   請求項１記載の高強度厚肉鋼管の曲げ加工方法。
3. 【請求項３】 曲げ加工の前に、前記鋼管の内面に熱風
   を送風して予加熱を行った後、前記鋼管の外表面を高周
   波加熱コイルにより９５０℃〜１１５０℃に保って曲げ
   加工を施すことを特徴とする請求項１記載の高強度厚肉
   鋼管の曲げ加工方法。
4. 【請求項４】 曲げ加工の前に、前記鋼管全体を３７０
   ℃〜７００℃に加熱した後、前記鋼管の内面に熱風を送
   風すると同時に高周波加熱コイルにより９５０℃〜１１
   ５０℃に加熱して曲げ加工を施すことを特徴とする請求
   項１記載の高強度厚肉鋼管の曲げ加工方法。
5. 【請求項５】 肉厚が６０mm以上の高強度厚肉鋼管を曲
   げ加工するにあたり、前記鋼管の外表面を９５０℃〜１
   １５０℃に加熱するとともに、５分〜６０分加熱保持し
   た後、自然冷却を行い、内、外面の温度差が１００℃以
   内になった時点で再度９５０℃〜１１５０℃に加熱し、
   その後曲げ加工を施すことを特徴とする高強度厚肉鋼管
   の曲げ加工方法。