(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼管原管の外周面を取り巻くように各々所定拘束角度に配置された複数個のケージロールで前記鋼管原管を拘束しつつ荷重を加えて、前記鋼管原管の連続仮付け溶接が行われる突合せ部のギャップをなくすＵＯＥ鋼管のケージロール拘束方法において、
鋼管仮付け溶接部に曲げモーメントが働かないように拘束された前記鋼管原管の形状を理想形状として計算で導出するとともに、前記複数個のケージロールで荷重を与えられた前記鋼管原管の形状を拘束形状として計算で導出し、
前記理想形状での前記鋼管原管の先端部の角度変化量と前記拘束形状での前記鋼管原管の先端部の角度変化量との差がΔθｍよりも小さくなるように前記複数個のケージロールの荷重および拘束角度を定めることで、ケージロール拘束から解放された際の鋼管仮付け溶接部に生ずる負荷が最小となるように前記複数個のケージロールの荷重および拘束角度を定めたことを特徴とするＵＯＥ鋼管のケージロール拘束方法。
但し、
0005621540.tif 000014
εｍ：溶接材の伸び
ａ：溶接幅
ｔ：溶接ノド厚
である。
【請求項２】
前記鋼管原管の肉厚、管径、材質およびシームギャップをパラメータとして、以下の式９および式１１により、鋼管仮付け溶接部の負荷を最小とするケージロール拘束位置を算出し、その算出した位置に従って前記複数個のケージロールの荷重および拘束角度を定めたことを特徴とする請求項１記載のＵＯＥ鋼管のケージロール拘束方法。
0005621540.tif 000015
0005621540.tif 000016
但し、
Δα：拘束形状の接触部角度変化量
θ：拘束前の鋼管原管の円周上の中央の固定端を点Ｏ、先端部を点Ｑ、中心を点Ｍとしたときの∠ＱＭＯ
Ｅ：鋼管原管の弾性係数
Ｒｍ：拘束前の鋼管原管の半径
Ｒ０：鋼管原管を真円形状に拘束し、シームギャップを閉じたときの鋼管原管の半径
εｍ：溶接材の伸び
ａ：溶接幅
ｔ：溶接ノド厚
σｙ：溶接材許容応力
ｔｐ：鋼管原管の肉厚
であり、ＲｍおよびＲ０における「半径」は、（内径＋外径）／４とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼板を「Ｕ」字状、次いで「Ｏ」字状にプレス成形した後、突合せ部をアーク溶接し、その後に内側から拡張（Ｅ）して所定の寸法に仕上げるＵＯＥ鋼管の製造過程において、プレス後の溶接鋼管原管の突合せ部を外面より仮付溶接する際に問題となる溶接部の負荷を低減するためのケージロール拘束方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プレス後の溶接鋼管の原管（パイプＰ）は、搬送ラインで仮付溶接機ＷＲに送られて突合せ部を仮付溶接された後に、内外面溶接を施される。原管の仮付溶接においては、ケージロールＣＲによる拘束から解放された際に溶接部に負荷が生ずる。この負荷は原管のスプリングバックに起因するものであり、肉厚の大きい鋼管ほど大きい負荷が生ずる（図１参照）。
【０００３】
従来の技術では、プレス後の鋼管原管の突合せ部の段差を解消する拘束方法および装置が確立されている（例えば特許文献１参照）。しかしながら、ケージロール拘束から解放された際に管溶接部に生ずる負荷に対する対策は施されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開平０５−０００２１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現在生産している管よりも厚肉かつ高強度の管を生産する場合、仮溶接する際に溶接部に生ずる負荷はより大きなものになると予測される。しかしながら、従来の方法ではこの負荷に対処することができず、ケージロール拘束から解放された際に溶接部で溶接剥れが生ずる危険が伴う。
【０００６】
本発明は、前記課題を解決する高度な溶接部負荷低減方法を提供し、厚肉高強度管の生産を可能とすることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のケージロール拘束方法は前記課題を解決するために、ケージロールで拘束した際のパイプ（鋼管原管）の形状（以下、「拘束形状」という）が、ケージロールから解放後の溶接部の負荷が最小となる形状（以下、「理想形状」という）となるように、ケージロールによる鋼管原管の拘束位置を定めるものであり、具体的には、鋼管原管の外周面を取り巻くように各々所定拘束角度に配置された複数個のケージロールで前記鋼管原管を拘束しつつ荷重を加えて、前記鋼管原管の連続仮付け溶接が行われる突合せ部のギャップをなくすＵＯＥ鋼管のケージロール拘束方法において、ケージロール拘束から解放された際の鋼管仮付け溶接部に生ずる負荷が最小となるように前記複数個のケージロールの荷重および拘束角度を定めたことを特徴とするものである。この拘束の際、理想形状が具体的にどのような形状なのかを知らなければ、拘束をすることはできない。また、理想形状を知ったとしても、ケージロールの拘束力に対してパイプがどの程度変形するのかを知らなければ、拘束形状を理想形状に一致させることはできない。すなわち、理想形状と拘束形状とを予測する必要が生ずる。そこで本発明では、弾性法則を基本とし、パイプを「片持ち曲がり梁」とみなしてモデル化し、曲がり梁の荷重と撓みとの関係により、理想形状および拘束形状を理論的に求める技術を確立した。以下、理想形状および拘束形状の導出方法を記す。
【０００８】
［理想形状の導出］
図２は、ＦＥＭ（有限要素法）解析によって、管外径４８ｉｎ（１２１９．２ｍｍ）、肉厚４０ｍｍ、シームギャップ１５０ｍｍの鋼管に対し、解放後の溶接部に生ずる応力を調べたものである。case１は、上下左右のケージロールＣＲを用いてパイプＰを真円形状に拘束し、case２は、左右のケージロールＣＲを用いてパイプＰを縦長に拘束し、それぞれ解放後の溶接部応力を算出した（なお、case１は従来の拘束方法に相当する）。真円形状に拘束すると、溶接部には縦方向へ戻ろうとする曲げモーメントが働き、縦長に拘束すると、溶接部には横方向へ戻ろうとする曲げモーメントが働くことがわかる（この際の溶接部応力は１０００ＭＰａを超えており、溶接剥れが生ずる可能性がある）。case１とcase２とでは、曲げモーメントの方向が反対であることから、上下左右のケージロールＣＲで互いの曲げモーメントを打ち消しあうようパイプＰを拘束することで、解放後の溶接部に生ずる応力を低減させることができると考えられる。
【０００９】
case３においては、上述したように上下左右のケージロールＣＲで曲げモーメントを打ち消しあうような拘束力をパイプＰに与えてＦＥＭ解析を行った。溶接部の応力は１５ＭＰａと大幅に低減されており、拘束方法を工夫することで溶接剥れの危険性を回避できるとの知見を得た。上記ＦＥＭ解析の結果より、曲げモーメントが働かないように拘束することで溶接部応力を大幅に低減させることができることが分かった。従って、曲げモーメントが働かないように拘束された際のパイプ形状を理想形状とみなすことができる。
【００１０】
理想形状を理論的に求めるために、「片持ち曲がり梁」によってパイプをモデル化した（図３参照）。パイプ円周上の中央の固定端を原点Ｏとするξη座標を定め、パイプ先端部の座標をＱ（ξ１，η１）、パイプ円周上の任意の点の座標をＲ（ξ２，η２）とした。またパイプ中心を点Ｍとし、∠ＲＭＯ＝α、∠ＱＭＯ＝θとした。さらにパイプの弾性係数をＥ、断面二次モーメントをＩ、荷重を加えていない状態のパイプ半径をＲｍとした。これにより、上部にシームギャップを持つパイプの片側を、曲がり梁により表現することができる。解放後のパイプは、先端部Ｑに曲げモーメントＭおよび半径方向引張荷重Ｆを与えてシームギャップを閉じた状態とみなすことができる。case１〜case３に対して、先端部Ｑにそれぞれ曲げモーメントＭ１，Ｍ２，Ｍ３および半径方向引張荷重Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３が与えられているとして梁の曲げモーメント分布を図示すれば、図４〜６に示すようになる（Ｍ１とＭ２の符号は逆になり、Ｍ３＝０となる）。これにより、溶接部の応力が最小となる理想形状は、「先端部Ｑに半径方向引張荷重Ｆのみを加えてシームギャップが閉じたときの形状」とみなすことができる。
【００１１】
ここで、理想形状を数式で表現する。図７に示すように、荷重Ｆによりパイプ円周上の任意点Ｒ（ξ２，η２）が点Ｒ’(ξ’２，η’２）に移動したとする。また、変形前のパイプ中心を点Ｍ、変形後のパイプ中心を点Ｍ’とし、∠Ｒ’Ｍ’Ｏ＝α’と定義する。但し、点Ｍ’は、点Ｒ’におけるパイプ形状を示す曲線の法線と、ξ軸との交点として定義する。荷重Ｆによって生じた任意の点Ｒの変化量をδＲ（δｈ，δｖ）とすれば、δｈ，δｖは下記の式１のように定義される。
【００１２】
【数１】
0005621540.tif 000002
【００１３】
角度変化量δαをδα＝α’−αとして定義する。δｈ，δｖおよびδαを求めれば、先端荷重負荷時の曲がり梁形状を算出することができる。δｈ，δｖおよびδαは、弾性法則を基本とした「曲がり梁の荷重と撓みの関係式」より算出することができ、導出結果は下記の式２に示すようになる。但し、Ｅ，ＩおよびＲｍはそれぞれ、パイプの弾性係数、断面二次モーメントおよび拘束前のパイプ半径である。
【００１４】
【数２】
0005621540.tif 000003
【００１５】
荷重Ｆの大きさは、シームギャップが閉じるまで変形させる程度であることを考慮すれば、下記の式３に示すようになる。
【００１６】
【数３】
0005621540.tif 000004
但し、Ｒ０はパイプを真円形状に拘束し、ギャップを閉じたときのパイプ半径である。これにより、任意のサイズ、材質、シームギャップのパイプに対して、理想形状を導出することができる。なお、ＲｍおよびＲ０におけるパイプ「半径」は、パイプ肉厚の中央での値すなわち（内径＋外径）／４とする。
【００１７】
［拘束形状の導出］
ケージロール拘束時のパイプ形状を調べるために、図８に示すような曲がり梁を用いて拘束時のパイプを表現する。この図８は、４点の半径方向集中荷重によって曲がり梁が撓み、ギャップが閉じている状態を示している。ｎ番目のケージロールの荷重Ｗｎを拘束角度θｎとして付加した際に生ずる任意の点Ｒの位置変化量をδＲｎ（ｈｎ，ｖｎ）、角度変化量をδαｎとすれば、ｈｎ，ｖｎおよびδαｎは「曲がり梁の荷重と撓みの式」より、下記の式４のように導出される。
【００１８】
【数４】
0005621540.tif 000005
【００１９】
４つのケージロール荷重によって生ずる点Ｒの位置変化量をδＲｋ（Δｈ，Δｖ）、角度変化量ｗをΔαとすれば、重ね合わせの原理により下記の式５が成り立つ。
【００２０】
【数５】
0005621540.tif 000006
【００２１】
これにより、任意のサイズ、材質、シームギャップのパイプに対して、任意の荷重を与えた際の拘束形状を導出することができる。拘束形状が理想形状に一致するようにパイプを拘束することにより、拘束からの解放後の溶接部応力を最小とすることが可能となる。
【００２２】
実際は、パイプ形状を完全に理想形状に一致させる必要はなく、先端部の角度変化量が一致すれば充分である。そこで、下記の式６が成り立つように荷重Ｗｎ、拘束角度θｎを調節して拘束し、これを「解放後の溶接部応力を最小とする拘束方法」とする。
【００２３】
【数６】
0005621540.tif 000007
【００２４】
各ケージロールの拘束力を調節し、式６が成り立つようΔαの値を定めることで、「解放後の溶接部応力を最小とする拘束」を実現できる。但し、上記のように拘束したとしても、溶接部の応力は０にはならない。上端部に円周方向引張荷重Ｆが作用するからである。従って、式３に示す荷重Ｆに耐えられるように溶接材質、溶接ノド厚を選択しなければならない。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、仮溶接時の鋼管のケージロール拘束方法と、溶接部に生ずる負荷との関係が明らかとなったので、より肉厚の大きい鋼管において、溶接剥れをおこさずに仮溶接を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】ケージロール解放後にスプリングバックによって鋼管の溶接部に生ずる負荷を示す説明図である。
【図２】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、case1（真円形状に拘束），case2（縦長形状に拘束），case3（応力を低減させる形状に拘束）のそれぞれについてケージロール解放後の溶接部に生ずる負荷を示す説明図である。
【図３】無負荷状態の片持ち曲がり梁でモデル化したパイプを示す説明図である。
【図４】case1（真円形状に拘束）においてパイプに働く曲げモーメントを示す説明図である。
【図５】case2（縦長形状に拘束）においてパイプに働く曲げモーメントを示す説明図である。
【図６】case3（応力を低減させる形状に拘束）においてパイプに働く曲げモーメントを示す説明図である。
【図７】（ａ），（ｂ）は、無負荷状態の片持ち曲がり梁形状および円周方向引張り荷重による理想形状をそれぞれ示す説明図である。
【図８】半径方向荷重負荷時の片持ち曲がり梁でモデル化したパイプを示す説明図である。
【図９】パイプの溶接部を拡大して示す説明図である。
【図１０】先端部角度変化量の定義を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明のケージロール拘束方法は、例えば図１の中央および図２の左端に示すように、略Ｏ字状に成形された鋼管原管Ｐの外周面を取り巻くような拘束角度に配置された複数個のケージロールＣＲでその鋼管原管Ｐを拘束しつつ、それらのケージロールＣＲに例えば油圧シリンダで圧力をかけることで鋼管原管Ｐに荷重を加えて、その鋼管原管Ｐの連続仮付け溶接が行われる突合せ部のギャップをなくす際に、前述の如く、解放したときに管断面形状が変化しないように荷重を加えて拘束するので、溶接部に曲げモーメントが作用しなくなり、溶接部に生ずる負荷を低減させることができる。
【００２８】
課題を解決するための手段で述べたように、応力を最小とするよう拘束するためには、式６が成立するよう拘束すればよい。すなわち、理想形状の接触部角度変化量δα｜α＝θと拘束形状の接触部角度変化量Δαとに大きな差があると、溶接剥れが発生し、差が小さければ溶接剥れは発生しないといえる。そこで、溶接剥れが発生しない範囲を以下に導く。
【００２９】
接触部の仮溶接は、図９に示すような形となっている。Δαがδα｜α＝θと大きく異なる場合、溶接部には大きな負荷が加わるが直ぐに溶接剥れが生ずることはなく、まず溶接材が伸び、理想形状の接触部角度変化量δα｜α＝θに近づこうとする。溶接材が伸びることによって生ずる角度の変化量をΔθとすれば、Δθは梁と撓みの関係により、図９に示す座標ｘ，ｙを用いて下記の式７のように定義することができる。但し、ｔ，ａおよびεはそれぞれ溶接ノド厚、溶接幅および溶接材のひずみである。また、ρは任意点ｘにおける、撓みによって生ずる極率半径である。
【００３０】
【数７】
0005621540.tif 000008
【００３１】
従って、Δθの最大値Δθｍは、上式７のひずみεに溶接材の伸びεｍを代入した下記の式８の値である。Δθｍよりも大きな角度変化が生じた場合、ひずみεが溶接材の伸びを上回り、溶接剥れが生ずる。
【００３２】
【数８】
0005621540.tif 000009
【００３３】
よって、理想形状の接触部角度変化量δα｜α＝θと拘束形状の接触部角度変化量Δαとの差がΔθｍよりも小さければ溶接剥れは生じない。すなわち、下記の式９で示す範囲では曲げによる溶接剥れは生じない。
【００３４】
【数９】
0005621540.tif 000010
【００３５】
但し、溶接部の溶接材は、溶接部の曲げモーメントだけでなく、管円周方向引張荷重Ｆによっても負荷を受ける。すなわち、パイプの管長をｌ、溶接材許容応力をσｙとすれば、下記の式１０が成り立たねばならない。
【００３６】
【数１０】
0005621540.tif 000011
【００３７】
上記の式１０をノド厚ｔに対して解けば、下記の式１１のようになる。但し、パイプの肉厚をｔｐとしている。
【００３８】
【数１１】
0005621540.tif 000012
【００３９】
よって、これら式（９）および式（１１）を満たす範囲で、拘束形状の接触部角度変化量Δαとノド厚ｔとを定めれば、仮溶接後の溶接剥れの発生を防止することができる。
【実施例】
【００４０】
本発明の実施例として、下記の表１に示す二種類の条件のパイプに対し、溶接可能となる溶接ノド厚ｔと拘束形状の接触部角度変化量Δαの範囲とを示す。
【００４１】
【表１】
0005621540.tif 000013
【００４２】
実施例１に対して式９および式１１を適用すれば、下記の条件が得られる。
(式１２)
ｔ≧１．６［ｍｍ］
(式１３)
１．８［°］≦Δα≦１３．０［°］
【００４３】
溶接ノド厚は７ｍｍであるので上記の式１２に関する条件は満たしている。よって、式１３を満たすように複数個のケージロールでパイプを拘束することで、仮溶接後の溶接剥れの発生を防止することができる。
【００４４】
実施例２に対して式９および式１１を適用すれば、下記の条件が得られる。
(式１４)
ｔ≧０．８［ｍｍ］
(式１５)
０．９［°］≦Δα≦６．６［°］
【００４５】
溶接ノド厚は７ｍｍであるので上記の式１４に関する条件は満たしている。よって、式１５を満たすように複数個のケージロールでパイプを拘束することで、仮溶接後の溶接剥れの発生を防止することができる。
【００４６】
以上、実施例に基づき説明したが、本発明は上述の例に限定されるものでなく、例えば鋼管原管に荷重を加えるためのケージロールの加圧を行うのは油圧シリンダに限られず、例えばモータでネジ軸またはそこに螺合するナットを回転させて推進力を得る電動駆動機構等でも良い。また、本発明によれば、他のサイズや材質のパイプに対しても、同様の手順により、溶接剥れの発生しない溶接ノド厚ｔと接触部角度変化量Δαとを求めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
かくして本発明のケージロール拘束方法によれば、仮溶接時の鋼管のケージロール拘束方法と、溶接部に生ずる負荷との関係が明らかとなったので、より肉厚の大きい鋼管において、溶接剥れをおこさずに仮溶接を行うことができる。
【符号の説明】
【００４８】
ＣＲ  ケージロール
Ｐ  パイプ
ＷＭ  溶接材
ＷＲ  仮付溶接機
【図１】
0005621540.tif 000017
【図２】
0005621540.tif 000018
【図３】
0005621540.tif 000019
【図４】
0005621540.tif 000020
【図５】
0005621540.tif 000021
【図６】
0005621540.tif 000022
【図７】
0005621540.tif 000023
【図８】
0005621540.tif 000024
【図９】
0005621540.tif 000025
【図１０】
0005621540.tif 000026