(57)【要約】本発明は、シーム溶接空気焼入れ可能鋼管（１２）、シーム溶接空気焼入れ可能鋼管（１２）を製造するための方法、そのような方法を実践するためのチューブミル、および本発明のシーム溶接空気焼入れ可能鋼管（１２）を使用する用途を提示する。
2005531414.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気焼入れ可能鋼からなり、および長手方向溶接シームを有する鋼管。
【請求項２】
前記空気焼入れ可能鋼はステンレスである、請求項１に記載の鋼管。
【請求項３】
空気焼入れ可能な前記ステンレス鋼は、マルテンサイトステンレス鋼である、請求項２に記載の鋼管。
【請求項４】
前記マルテンサイトステンレス鋼は、４００シリーズのステンレス鋼である、請求項３に記載の鋼管。
【請求項５】
前記４００シリーズのステンレス鋼は、４１０である、請求項４に記載の鋼管。
【請求項６】
空気焼入れ可能鋼からなる鋼帯ストックを選択し、
前記鋼帯ストックを、隣接する端部を有する１つの管にローラ成形し、
前記隣接する端部を溶接して、シームを形成し、そして、
溶接シームの冷却速度を制御する
ことを含む、空気焼入れ可能鋼管を製造する方法。
【請求項７】
空気焼入れ可能な前記鋼帯ストックは、ステンレス鋼である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ステンレス鋼は、マルテンサイトステンレス鋼である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記ステンレス鋼は、４００シリーズのステンレス鋼である、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記ステンレス鋼は４１０である、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
ローラ成形される前に、空気焼入れ可能な前記鋼帯ストックを焼きなまし状態に置く、請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
前記溶接シームの冷却速度を制御した後、前記管をサイジングし、そして、歪み矯正を行うことをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１３】
シーム溶接された空気焼入れ可能鋼管を熱処理して、高強度状態にすることをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１４】
前記溶接は、ガスタングステンアーク溶接である、請求項６に記載の方法。
【請求項１５】
ローラ成形する前に、前記鋼帯ストック上に表面仕上げ層をラミネートすることをさらに含み、これにより複数の層を有する管を製造する、請求項６に記載の方法。
【請求項１６】
１つまたは複数のシーム溶接された空気焼入れ可能鋼管を含む２つ以上の部品を、１つのアセンブリに連結することを含む、複数の管を１つの構造物に組み立てる方法。
【請求項１７】
連結した後、前記アセンブリ全体を熱処理して、前記アセンブリの空気焼入れ可能部分に高強度状態を付与することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記アセンブリに連結する前に、少なくとも１つのシーム溶接された空気焼入れ可能鋼管を熱処理して、高強度状態にすることを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記アセンブリは、荷重負担構造物である、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記アセンブリは、石油生産のための管である、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記アセンブリは、熱交換器の一部である、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
耐食性表面仕上げ層を、前記鋼管の１つまたは複数の内側および／または外側に形成することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２３】
少なくとも１つのシーム溶接された焼入れ可能鋼管を含む荷重負担構造物。
【請求項２４】
少なくとも１つのシーム溶接された空気焼入れ可能鋼管を含む２つ以上の部分からなる１つのアセンブリを備え、組み立て後に、構造物全体に熱処理を施して、前記構造物の空気焼入れ可能部分に高強度状態を付与する、請求項２３に記載の構造物。
【請求項２５】
前記構造物に連結する前に、少なくとも１つのシーム溶接された空気焼入れ可能鋼管を熱処理して、高強度状態にする、請求項２３に記載の構造物。
【請求項２６】
少なくとも１つのシーム溶接された前記鋼管は、ステンレス鋼である、請求項２３に記載の構造物。
【請求項２７】
少なくとも１つのシーム溶接された前記鋼管は、マルテンサイトステンレス鋼である、請求項２６に記載の構造物。
【請求項２８】
前記マルテンサイトステンレス鋼は、４００シリーズのステンレス鋼である、請求項２７に記載の構造物。
【請求項２９】
前記４００シリーズのステンレス鋼は、４１０である、請求項２８に記載の構造物。
【請求項３０】
前記構造物内の前記鋼管の１つまたは複数は、その内側および／または外側に耐食性表面仕上げ層を含む、請求項２３に記載の構造物。
【請求項３１】
前記構造物は静止している、請求項２３に記載の構造物。
【請求項３２】
前記構造物は、荷重負担梁またはトラスである、請求項３１に記載の構造物。
【請求項３３】
前記構造物は、橋である、請求項３１に記載の構造物。
【請求項３４】
前記構造物は、高架式車道または鉄道である、請求項３１に記載の構造物。
【請求項３５】
前記構造物は、建物である、請求項３１に記載の構造物。
【請求項３６】
前記構造物は、海洋オイルリングである、請求項３１に記載の構造物。
【請求項３７】
前記構造物は、イス、テーブル、またはその他の家具調度品である、請求項３１に記載の構造物。
【請求項３８】
前記構造物は、移動車両である、請求項２３に記載の構造物。
【請求項３９】
前記構造物は、自動車である、請求項３８に記載の構造物。
【請求項４０】
前記構造物は、航空機である、請求項３８に記載の構造物。
【請求項４１】
前記構造物は、自転車である、請求項３８に記載の構造物。
【請求項４２】
前記管は、少なくとも１つのシーム溶接された空気焼入れ可能鋼管を含む流体取扱装置である、請求項１に記載の管。
【請求項４３】
前記装置は、少なくとも１つのシーム溶接された空気焼入れ可能鋼管を含む２つ以上の部分からなる１つのアセンブリを備え、組立て後、構造物全体に熱処理を施して、アセンブリの前記空気焼入れ可能部分に高強度状態を付与する、請求項４２に記載の流体取扱装置。
【請求項４４】
前記装置内で連結する前に、少なくとも１つのシーム溶接された空気焼入れ可能鋼管を熱処理して、高強度状態にする、請求項４２に記載の流体取扱装置。
【請求項４５】
少なくとも１つのシーム溶接された前記鋼管は、ステンレス鋼である、請求項４２に記載の流体取扱装置。
【請求項４６】
少なくとも１つのシーム溶接されたステンレス鋼管は、マルテンサイトステンレス鋼である、請求項４５に記載の流体取扱装置。
【請求項４７】
前記マルテンサイトステンレス鋼は、４００シリーズのステンレス鋼である、請求項４６に記載の流体取扱装置。
【請求項４８】
前記４００シリーズのステンレス鋼は、４１０である、請求項４７に記載の流体取扱装置。
【請求項４９】
シーム溶接された焼入れ可能鋼管のうちの１つまたは複数は、腐食環境に接触するように構成された材料を含む、請求項４２に記載の流体取扱措置。
【請求項５０】
接触材料は、シーム溶接された空気焼入れ可能鋼管の内側および／または外側の層である、請求項４９に記載の流体取扱装置。
【請求項５１】
接触材料は、シーム溶接された空気焼入れ可能鋼管にラミネートされる、請求項４９に記載の流体取扱装置。
【請求項５２】
接触材料は、前記鋼帯ストックを１本の管にローラ成形する前に、前記鋼帯ストックの片側または両側に形成される、請求項４９に記載の流体取扱装置。
【請求項５３】
接触材料は、高耐食性グレードのステンレス鋼を含む、請求項４９に記載の流体取扱装置。
【請求項５４】
接触材料は、ニッケルおよびモリブデンを含有する特殊マルテンサイトステンレス鋼合金である、請求項４９に記載の流体取扱装置。
【請求項５５】
前記装置は、深海オイルライザーである、請求項４２に記載の流体取扱装置。
【請求項５６】
前記装置は、油田ケーシングまたは配管である、請求項４２に記載の流体取扱装置。
【請求項５７】
前記装置は、油田のサッカーロッドである、請求項４２に記載の流体取扱装置。
【請求項５８】
前記装置は、流体輸送パイプである、請求項４２に記載の流体取扱装置。
【請求項５９】
前記装置は、ガスパイプラインである、請求項４２に記載の流体取扱装置。
【請求項６０】
前記装置は、熱交換器である、請求項４２に記載の流体取扱装置。
【請求項６１】
腐食環境に接触するように構成された材料をさらに含む、請求項１に記載の空気焼入れ可能鋼管。
【請求項６２】
接触材料は、前記管の片側または両側の層である、請求項６１に記載の空気焼入れ可能鋼管。
【請求項６３】
接触材料は、前記管にラミネートされる、請求項６１に記載の空気焼入れ可能鋼管。
【請求項６４】
接触材料は、前記鋼帯ストックを１本の管にローラ成形する前に、前記鋼帯ストックの片側または両側に形成される、請求項６１に記載の空気焼入れ可能鋼管。
【請求項６５】
接触材料は、高耐食性グレードのステンレス鋼を含む、請求項６１に記載の空気焼入れ可能鋼管。
【請求項６６】
接触材料は、ニッケルおよびモリブデンを含有する特殊マルテンサイトステンレス鋼合金である、請求項６１に記載の空気焼入れ可能鋼管。
【請求項６７】
前記管は、ハイドロフォーミング法で成形される、請求項１に記載のシーム溶接された空気焼入れ可能鋼管。
【請求項６８】
前記空気焼入れ可能鋼管は、ステンレス鋼である、請求項６７に記載の鋼管。
【請求項６９】
空気焼入れ可能な前記ステンレス鋼は、マルテンサイトステンレス鋼である、請求項６８に記載の鋼管。
【請求項７０】
前記マルテンサイトステンレス鋼は、４００シリーズのステンレス鋼である、請求項６９に記載の鋼管。
【請求項７１】
前記４００シリーズのステンレス鋼は、４１０ステンレス鋼である、請求項７０に記載の鋼管。
【請求項７２】
前記管の内側および／または外側に形成される耐食性表面仕上げ層をさらに含む、請求項６７に記載の鋼管。
【請求項７３】
空気焼入れ可能鋼管を製造するように構成されたチューブミルであって、
成形ローラと、
シーム溶接機と、
冷却速度コントローラと、
サイジングおよび歪み矯正ローラと
を備えるところのチューブミル。
【請求項７４】
空気焼入れ可能ステンレス鋼管を製造するように構成されている、請求項７３に記載のチューブミル。
【請求項７５】
前記冷却速度コントローラは、前記シーム溶接機の下流に配置された加熱装置である、請求項７３に記載のチューブミル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書とともに現在出願されているのは、「ＳＫＩＮＮＥＤ  ＡＩＲ  ＨＡＲＤＥＮＡＢＬＥ  ＳＴＡＩＮＬＥＳＳ  ＳＴＥＥＬ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＯＦ  ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＥ  ＴＨＥＲＥＯＦ」（参照番号４８００−０００５）という表題の出願である。
【０００２】
本発明の分野は、シーム溶接空気焼入れ可能鋼管およびパイプ、それから製作された構造物、ならびにシーム溶接空気焼入れ可能鋼管を製造するための方法である。
【背景技術】
【０００３】
溶接部にひび割れが実質的にないシーム溶接空気焼入れ可能鋼管は、従来技術では提案されていなかった。「空気焼入れ可能鋼」は、本明細書では、従来技術のローラ成形チューブミルで加工されたときにひび割れを引き起こすだけの十分な硬度レベルに達する鋼として定義される。ときには「空気焼入れ可能」と呼ばれる他の鋼は、匹敵するレベルの硬度に達せず、したがって、従来技術のローラ成形チューブミルで加工された場合にひび割れせず、これらの鋼は、本明細書では、「部分的空気焼入れ可能または非空気焼入れ可能」鋼に分類される。
【０００４】
シーム溶接管を製造するために現在使用されている非空気焼入れ可能鋼の一実施例は４１３０鋼（ＵＮＳ  Ｇ１０２２０）である。この鋼は、従来技術のローラ成形チューブミルで成形されたときにひび割れしないが、強度を高めるために熱処理した後に液体で急冷しなければならず、残念なことに、高いレベルの歪みを生じる傾向がある。そのため、４１３０などの液体で急冷した物質は、まっすぐで、歪みのないものでなければならないフレーム型の構造を必要とする用途に使用した場合にはいくつかの制限事項がある。このような用途の一実施例に自転車のフレームがある。理論的には、各部を溶接でつなぎ合わせてから全体として熱して液体で急冷すると最高の強度対重量比となり、フレームは全域にわたって一様な高強度を示す。しかし、フレーム全体を液体で一度に急冷すると、許容限度を超えて歪みを生じることになる。その代わりに、この物質から作った場合、自転車のフレームは、組み立て前に硬化されその後溶接または鑞付けでつなぎ合わせた個々の管で製作しなければならない。溶接または鑞付けでは弱い領域が局在するため、強度損失を補うために管壁を厚くしなければならず、また最終的には、フレームの強度対重量比も低下する。高性能自転車フレームなどのいくつかの用途では、管壁は、強度対重量比の低下を最小限度に抑えるために溶接または鑞付けで弱くなる領域のみを厚くする。このような対策は、重量増大を抑えられるが、管を引くなどの費用のかかる余分な処理工程が必要である。ようするに、４１３０などの液体で急冷された鋼は差し迫ったニーズに応えられるが、強度対重量比の高い構造を作ることができる廉価な管が利用できれば全般的な実用性、有用性、および経済性の多大な改善が行われるであろう。
【０００５】
管の製作に使用される部分的空気焼入れ可能鋼の一実施例に、ペンシルバニア州ピッツバーグのＡｌｌｅｇｈｅｎｙ  Ｌｕｄｌｕｍ社で市販している４１０Ｓ（ＵＮＳ  Ｓ４１００８）がある。４１０Ｓは、４１０（ＵＮＳ  Ｓ４１０００）の低炭素改質である。４１０Ｓは炭素レベルが低い（０．０８％最大）ため、加熱時のオーステナイトの形成が妨げられ、それにより、冷却時のマルテンサイトの形成が妨げられる。これは、金属は従来技術のローラ成形チューブミルでひび割れを引き起こさないだけでなく、高強度状態で硬化しないということを意味する。４１０Ｓからなる管は、高性能荷重負担用途に必要な強度を欠いている。
【０００６】
部分的空気焼入れ可能鋼管の他の実施例は、Ｔｒｕｅ  Ｔｅｍｐｅｒ  Ｓｐｏｒｔｓ，  Ｉｎｃ．社により生産されているＴｒｕｅ  Ｔｅｍｐｅｒ  ＯＸ  Ｇｏｌｄ  ａｎｄ  Ｐｌａｔｉｎｕｍシリーズの管である。これは、最初にローラ成形され、シーム溶接され、その後引かれる高価な自転車フレームで使用することを目的とするステンレスでない管である。この鋼は、従来技術のローラ成形チューブミルでひび割れを起こさずに高い強度を達成するが、これは、高価な合金成分を添加した場合のみ達成される。会社のＷｅｂサイトアドレスｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｅｎｒｙｊａｍｅｓ．ｃｏｍ／ｏｘｐｌａｔ．ｈｔｍｌで説明されているように、これらの合金鋼は、空気焼入れ可能鋼の溶接に内在する複数の問題点を緩和する特別な調合を行っている。ひび割れを防止するため材料を改質しようとすると、高価な専用管となり、有用性が限られ、大半の構造用途についてはそのコストは妥当なものとはいえない。高価な合金の利用に頼るのではなく、通常の安価な空気焼入れ可能鋼を利用して実質的にひび割れのない管を製作できるプロセスを作ると有益であろう。このようなプロセスは、被削材にステンレス鋼の耐食性を持たせられればなおいっそう有益であろう。
【０００７】
業界の複数の実務者と話し合ったところ、空気焼入れ可能鋼のシーム溶接管による実験は、これまでに乗り越えられなかったひび割れの問題のため放棄されたことは明らかである。従来技術のローラ成形ミルでの標準の管生産技術では、溶接部の金属は加熱された後、自然な速度で冷まされるが、これは、材料が空気焼入れ可能または部分的空気焼入れ可能タイプの場合に材料の硬化を引き起こす十分な速さである。したがって、溶接部の収縮により引き起こされる縦応力が、サイジングおよび歪み矯正ローラにより引き起こされる圧縮応力とともに、硬く、いくぶん脆い状態にある材料に作用しているのである。成形される材料が十分硬く、脆いと、溶接部にひびが入り、音響管を生産することはできない。従来技術は、この問題を解決しようとする取り組みが、実際にそのような取り組みが行われたとしても、成果をもたらしたということを示していない。たぶん、そのような管をさまざまな構造に関する目的に応用可能であることを想定していなかったため、この問題を解決する取り組みがまったくなされなかったか、または放棄され、非空気焼入れ可能鋼または部分的空気焼入れ可能鋼のみに対しローラ成形およびシーム溶接が正常に行えるという業界で受け入れられた事実となったのであろう。
【０００８】
歴史的に、空気焼入れ可能鋼は、主に、溶接を必要としない用途で使用されてきた。マルテンサイトステンレスなどの空気焼入れ鋼が、食事用器具類での使用を目的として、最初に商業的に開発された。空気焼入れ可能ステンレス鋼の通常の用途としては、ナイフの刃、外科手術用の器具、シャフト、スピンドル、およびピンがある。空気焼入れ可能ステンレス鋼は、他のステンレス鋼と比較して相対的に高い炭素含有量（炭素含有量は４１０の０．１５％最大から４４０の０．７５％最大まで）であり、クロム含有量は１２から１８％の範囲である。この組成のため、鋼は耐食性に優れ、高い強度条件の熱処理により硬化することができるが、溶接に関係するいくつかの問題点を有する。非ステンレス空気焼入れ可能鋼は、ステンレスタイプに比べてかなり高価であり、これもまた、溶接に関係するいくつかの問題点を有し、主に、切削工具に使用されてきた。
【０００９】
空気焼入れ可能鋼の少数の用途では、材料の分かれているピースを連結するために溶接が使用される。これらの用途では、この分野に関係する教科書に、ひび割れを制御する「予熱」法が説明されている。予熱法を使用する場合、各被加工材料を溶接の前に熱する。被加工材料の潜熱により、溶接された継ぎ目の冷却速度が遅くなり、その結果ひび割れが抑制される。しかし、予熱法がシーム溶接でローラ成形空気焼入れ可能鋼を管にするために応用され成功したということが従来技術では示されておらず、これは、そのような管が市販されていないという事実から明らかであろう。これは、予熱法には制限が複数内在することを示すと考えられ、例えば、この方法は、溶接収縮による累積応力が比較的小さく、溶接ビードが一方の端から他の端まで走るまでに被加工材料があまり冷えない比較的小さな被加工材料を連結する比較的短い溶接部の場合にしか信頼できない。または、業界内には、このタイプの管の膨大な有用性に思い至らなかったため、この方法をシーム溶接空気焼入れ可能鋼管の生産に応用することを想像しなかった人々もいることを指摘できる。
【００１０】
構造に関する用途に空気焼き入れ可能鋼を使用することは、米国特許第５４８５９４８号で紹介され、さらに米国特許第５８７１１４０号で説明されている。これらの特許では、延伸管が中にある構造物を含む、空気焼入れ可能ステンレス鋼を１回炉に通して鑞付けと硬化を同時に行えるという事実を利用した鑞付け構造物を提示している。この方法で鑞付けし硬化したシーム継ぎ管を使用することは、低コストで荷重負担構造物を生産する際の利点になるとみなされていた。管形態の空気焼入れ材料を汎用の構造媒体として提案することはよい考えであったが、それは、圧縮およびトルク、さらに複数の管を１つのトラスに組み立てたときの曲げで荷重がかかったときの管の卓越した有効性（中身の詰まっている棒またはＩ形梁などの他の形状に比べて）のためである。しかし、提案されたシーム継ぎでは、管の重量が増し、応力集中部と不均一な外面および／または内面が作られ、熱処理されたときに管は弓なりに反るか、または歪む。
【００１１】
延伸空気焼入れ可能ステンレス鋼管は、従来技術で見つけられ、購入できるが、ほとんどの構造に関する用途については途方もなく高価である。
【００１２】
シーム継ぎ空気焼入れ可能ステンレス鋼管には性能に関するマイナス面があり、また延伸空気焼入れ可能ステンレス鋼管が高価であるため、われわれはシーム溶接空気焼入れ可能ステンレス鋼管にすればほとんどの構造に関する用途については総合的に最高の性能が得られると判断した。しかし、シーム溶接空気焼入れ可能鋼管は、好ましいステンレスタイプであろうと非ステンレスタイプであろうと、入手できないことが判明した。管の熱の影響を受ける部位に実質的にひび割れを生じないようにして空気焼入れ可能鋼帯からシーム溶接管を生産することの技術的難題を誰も解決していなかったからである。そのため、従来技術では、シーム溶接空気焼入れ可能鋼管を実現していなかった。
【００１３】
米国特許第５４８５９４８号および第５８７１１４０号ならびに関連するいくつかの国際出願以外では、従来技術においては構造に関する目的に空気焼入れ可能ステンレス鋼を使用することの説明はないが、これは、本明細書で上述したように、この材料を溶接することにかかわる複数の問題点があるためであり驚くにあたらない。今日使用されている最も一般的な構造材料としては、鉄筋コンクリート、軟鋼、高張力鋼、アルミニウム合金、木材、および炭素複合材およびチタンなどの新材料がある。用途に関する特定の要件が、構造材料の選択を規定するため、エンジニアはコスト、耐久性、耐食性、強度対重量比、および剛性対重量比などのいくつかの因子に基づいて選択を行う。残念なことに、この選択には、多くの場合、エンジニアおよび最終的には構造物の利用者が低コスト、安全性、軽量、または耐久性などの１つまたは複数の望ましい特徴を犠牲にする必要がある。
【００１４】
構造材料は、現在では、さまざまな強度対重量比のものが入手することができるが、これらの材料のコストは、一般に、強度対重量比に不釣り合いな形で増加する。例えば、炭素複合材およびチタンは、たぶん与えられた重量について軟鋼よりも１０倍以上強いが、通常は、与えられた荷重を受けるために使用されたときに５０倍以上費用がかかる。したがって、このような高性能材料は、通常、自転車およびテニスラケットなどの小さな製品、または航空機など高コストであっても妥当である用途でしか使用されない。
【００１５】
乗用車などのコスト重視の用途では、従来の構造材料だと、コストと燃料効率、安全性、および性能との間のトレードオフの関係が否応なく生じる。したがって、通常の乗用車は、重すぎてかつ弱すぎるフレームを備える傾向がある。重いフレームだと、より強力な推進システムが必要であり、燃料消費量、エミッション、およびメンテナンスコストが増大する。より強力な推進システムは、それ自体、構築するのに高い費用がかかり、使用する材料が多く、生産のためのエネルギーもよけいに必要であり、製造に関連するエミッションも増える。フレームが弱いと、車両の耐久性および占有者の安全性を損なう。
【００１６】
強く軽量でありながら低コストの構造材料がないことは、経済的に実現可能な低エミッション車両−通常の内燃機関から動力を得るものと性能、安全性、快適さ、および価格の面で匹敵しうる車両−の開発の一番の阻害要因となっている。車両を移動するための代替え動力システムを使用可能にするのに軽量で経済的に競争力がある構造材料がないと、根本的なエミッション低減は実現が極めて困難である。車体用の通常の鋼の現在の軽量代替え手段は、アルミニウム、プラスチック、高張力鋼、およびマグネシウムとチタンなどの新材料である。これらの材料はいずれも、十分な低価格で車両のフレーム要素の要求される性能パラメータ群を実現できない。これらの材料のうちいくつかは、ある点で軟鋼よりも優れていたり、または他の鋼よりも優れているが、コストの高さはその利点を相殺する。他の点では、性能は軟鋼よりも劣る。
【００１７】
性能および価格の面で軟鋼と比べて量子的な総体的進歩を示す軽量の構造材料がないと、より軽量の車両を設計することは、できる限り、トレードオフのバランスをとり、欠点を相殺する作業となる。例えば、車両の軽さと安全性は、従来から、反比例する関係にある。斜体に現在利用可能な軽量代替え手段を調査した１９９７年の記事（Ｆｒａｎｋ  Ｒ．  Ｆｉｅｌｄ  ＩＩＩおよびＪｏｅｌ  Ｐ．  Ｃｌａｒｋ著「Ａ  Ｐｒａｃｔｉｃａｌ  Ｒｏａｄ  ｔｏ  Ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ  Ｃａｒｓ」１９９７年１月）において、ＭＩＴの二人の教授が「軽量の自動車は衝突が発生した場合に乗客を保護するために構造コンポーネントに頼ることはできず、したがって、ある程度重量を増やすことになる、エアバッグなどの追加システムを採用する必要がある」と書いている。構造材料の現在の選択では、軽量の車体の研究開発は長期間にわたる費用のかかるプロセスとなり、しかも性能およびコストの目標に到達するという確証はない、ということはあり得そうである。
【００１８】
構造材料の制限により生じる、目的と目的との妥協は、他の多くの分野で見られ、それは次第に受け入れがたいものであることがわかってきている。例えば、鉄筋コンクリートの橋は、弱く重量があり、地震での崩壊の影響を受け、また経年変化にも敏感である。また、現場で工事しなくてはならず、工事期間も長すぎるが、これは、交通渋滞を緩和するために請け負った新しい橋の建設が、建設期間が長いため問題を悪化することを意味する。炭素複合材などの代替え架橋工事材料は、鉄筋コンクリートよりもかなり強く、これらの材料でできている橋は、コンクリートを使った場合よりも迅速に建設できるが、これらの材料はひどく高価である。
【００１９】
交通渋滞問題を解決することは、さらに、支持できるコストで必要な性能特性を満たす構造材料の開発にも左右される。多くの都市部では、幹線道路および高速道路を延長するコストは極めて高い。垂直方向の延長−高架式の都市間高速列車および高架式「２階建て」高速道路の建設−が提案されることが多いが、高架式鉄道または車道の建設コストを後で試算したところ、これらの空間効率のよい解決策を広く採用することは不可能であることがわかった。
【００２０】
建築構造物では、従来技術で説明されるタイプの鋼鉄フレームの持つ利点は、木材および石などの伝統的な構造材料を上回るコスト増大により相殺される。従来の鋼鉄フレームの建物は、相当する規模の木材フレームの建物よりも安全であり、耐久性があり、エネルギー効率が高いが、なんといっても高価である。
【００２１】
コストと性能との妥協は、航空機、船舶、自転車、流体および気体輸送配管、および熱交換器などの構造に関する他の多くの用途において見られる。そこで、シーム溶接空気焼入れ可能鋼管を製作できれば、また特に、ステンレス鋼を使用する安価なプロセスを通じて製作できれば、かなり高価な材料に類似したまたはそれよりも優れた構造的特性が得られるであろうことがわかった。このような管は、われわれすべてが重く依存する構造材料の世界における革命となるであろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明は、空気焼入れ可能鋼および縦方向溶接継ぎ目を含む、熱の影響を受ける部位が実質的に安定していることおよびひびがないことを特徴とする鋼管を実現する。本明細書で定義されているように、空気焼入れ可能鋼は、従来技術のチューブミルで溶接され加工されるときにひび割れを生じる傾向のある鋼である。空気焼入れ可能鋼は、硬化を部分的に抑制し、それによりそのようなひび割れの傾向を回避するために特に改質された鋼を含まない。したがって、本明細書で定義されているように、ＯＸ  Ｐｌａｔｉｎｕｍは、空気焼入れ可能鋼の分類から除外される鋼の一実施例である。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の好ましい実施形態は、空気焼入れ可能ステンレス鋼でできているシーム溶接管である。この実施形態は、新しい技術を使用可能にし、移動する車両、航空機、橋、建物、流体および気体輸送配管、高架式鉄道および車道、熱交換器、ならびに船舶を含む、数多くの多様な応用における広範囲に及ぶ用途がある革新的鋼管を実現する。この新しい管の主ないくつかの利点は、高い強度対重量比、剛性対重量比、軽量、低コストの生産、耐食性、ならびにモジュール式建築およびプレハブの実現性にある。これらの利点を持つ構造材料では、汚染、交通渋滞、移動車両の安全性、経年変化する輸送インフラ基盤、ならびに構造の損傷、人命の喪失、および地震、天候に関係する大災害から生じる経済廃棄物をはじめとする、一般に業界、政府、および社会が直面している多数の重大な問題を解決することができる。
【００２４】
多くの用途では、シーム溶接空気焼入れ可能ステンレス鋼管は、今日入手可能な他の構造材料に比べてコストパフォーマンスに優れている。構造用途では、考慮しなければならないのは、所定の材料の強度対重量比と単位強度当たりのコストとの対比である。図１は、この点に関して本発明（菱形で表されている）と従来技術を比較したものである。図は、従来の構造材料のコストと強度対重量比との反比例する関係を示しており、強度対重量比がよいほど、コストは高い。同じ図にプロットすると、本発明は、従来の材料により定められる直線的数列からはっきりと外れている。これは、本発明により受け入れられる単位コスト当たりの性能の途方もない進歩をグラフで示している。
【００２５】
本発明の管では、さらに、所定の重量およびコストの剛性が現在入手可能な構造材料に比べて高くなっている。この因子により、多くの構造物の安全性および性能は、移動物も静止物も、改善される。
【００２６】
本発明のシーム溶接空気焼入れ可能ステンレス鋼管は、合金成分（鉄、炭素、およびクロム）が廉価であり豊富に存在するため、また本発明の生産方法はオートメーションに適しており、人件費の高い労働力を使わずに高品質の製品を生産できるため、コスト競争力がある。これは、延伸空気焼入れ可能ステンレス鋼管の生産で被る高い人件費とは対照的である。
【００２７】
本発明の内在する耐食性により、多くの場合、腐食を予想して行う塗装、亜鉛コーティング、または工学的に厚くした壁が不要になるためさらに重量の節減が可能になる。塗布したときに環境に損害を与える目障りな亜鉛メッキ仕上げは、なくすことができるのである。本発明の管は、材料が制御されている大気から空気に移行される熱処理プロセスの温度点を単に変えるだけで、加工処理−銀、黒、ならびに赤、青、緑、および金の抑えられた色合いを含む−を追加せずにさまざまな色で製作することができる。この仕上げにより、多くの物品の外観が見栄えよくなる。
【００２８】
多くの物品の外観は、管の高い強度対重量比および剛性対重量比のためさらに改善することができ、このため、構造物をよりスマートであまり目立たないプロファイルの設計とすることができる。例えば、張り出している高速道路標識構造物は、通常、がっちりした、亜鉛メッキされ目障りなものであるが、これもかなり見て美しいものにできる。
【００２９】
本発明は、熱の影響を受ける部位の冷却速度を制御することを含むシーム溶接空気焼入れ可能鋼管を製造する方法を提示する。冷却速度は、シーム溶接後、熱の影響を受ける部位の硬化を実質的に遅らせるのに必要なところまで遅くされる。脆化、したがってひび割れは、本発明により事実上なくなる。
【００３０】
本明細書で開示されている管製造方法は、非ステンレス空気焼入れ可能鋼の音響管を製作するためにも使用できるが、現在は、コストまたは性能の面で、空気焼入れ可能ステンレス鋼に太刀打ちできる非ステンレス空気焼入れ可能材料はなく、したがって、このような管は、構造に関する用途に使用するのには望ましいものではないであろう。しかし、新しい非ステンレスおよび新しいステンレスタイプの両方を含む、空気焼入れ可能鋼のさまざまな新しい調合を、本明細書で開示されている新しい管製造方法が利用可能になることに応じて開発できるようになることが予想される。これらの新しい調合は、実際には、いくつかの構造用途に関して現在利用可能な空気焼入れ可能ステンレス鋼に匹敵するか、さらにはそれを超える可能性があるため、本発明の目的は、明細書で説明されている方法を使用して空気焼入れ可能なステンレス鋼および非ステンレス鋼の両方をシーム溶接することである。
【００３１】
例えば、４００シリーズのタイプのステンレス鋼の炭素含有量は、現在の４００シリーズの間隔のパーセンテージで指定され、よりきつい許容誤差で保持される可能性がある。例えば、４１０は．１２％の炭素を約±．０２％の許容誤差で含み、４２０は．２５％の炭素を約±．０４％の許容誤差で含む。４１５Ｐというラベルが付いている新しい仕様は、．１９％の炭素含有量、±．０１％の許容誤差でたぶん作成できる。
【００３２】
さらに、炭素、クロム、および鉄以外の成分を含む新しい空気焼入れ可能鋼も、さまざまな特定の用途向けに鋼のさまざまな特性を改善するために開発できることは予想される。これらの新しい鋼は本明細書で教示されている生産の方法なしではシーム溶接で管にできないのであれば、これらの鋼のシーム溶接管は、本特許の範囲内にあるものとみなされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明は、ステンレス鋼を含む空気焼入れ可能鋼から管および管ベースの構造物を製作する方法を含む。本明細書で規定されている工程および材料の特定の組み合わせは、まとめることで管および管ベースの構造物の強度／重量／コスト比の量的な改善が得られるものとは以前には決して知られることはなかった。
【００３４】
シーム溶接空気焼入れ可能鋼管が市場に出ていないことと、そのような管が構造材料の世界にあいている大きな穴を埋めるという理解とがあいまって、本明細書で開示されている管生産の方法の本発明に至った。他の当業者が空気焼入れ可能鋼をシーム溶接しようとして失敗に終わった取り組みを調べた後、空気焼入れできる能力は、望ましい全体的性能の鋼管を製作するために最も必要な特性であると同時に製作に際しての最大の障害物であると理解した。
【００３５】
空気焼入れ特性では、特に、液体急冷の場合などの受け入れがたい量の歪みを付随して持ち込まずに管ベースのフレームまたはその他の構造物を高い強度状態になるまで硬化することができる。しかし、鋼の空気焼入れ特性では、さらに、従来技術のローラ成形ミルで溶接した後ひび割れが発生するので、他の当業者はそのような材料はシーム溶接で１つの管にできないと結論するに至ったのである。
【００３６】
本発明は、空気焼入れ可能鋼からのシーム溶接管の生産を初めて可能にした方法を含む。本発明の好ましい方法は、ミル上で溶接した直後に、溶接部が完全に硬化してしまわないように溶接部の冷却速度をポジティブに制御することを含む。この冷却速度の制御は、熱を溶接ボックスの下流にある継ぎ目に加えて熱の急激な消失を防止することからなる。
【００３７】
本発明の好ましい方法は、以下の工程からなる。
空気焼入れ鋼帯は、ローラ成形で１つの管にされ（工程１）、連続プロセスでシーム溶接される（工程２）。溶接の直後、かつサイジングの前に、溶接部冷却速度はポジティブに制御される（工程３）。冷却速度は、溶接部が完全に硬化して脆くなってしまわないようにするプロファイルに保持し、溶接で生じる応力ならびにサイジングおよび歪み矯正パスの圧力で溶接部にひびが入らないようにする。
【００３８】
溶接プロセスは、タングステン不活性ガスプロセス（ＴＩＧ）と正式に呼ばれるガスタングステンアーク溶接プロセスであるのが好ましい。
【００３９】
溶接部の冷却速度は、溶接ボックスの下流にある管に適用されるトーチアセンブリまたは誘導コイルを使用してポジティブに制御されるのが好ましい。
【００４０】
いくつかの状況の下で、冷却速度制御、したがってひび割れ防止は、溶接前に鋼帯を予熱することにより管製造プロセスで実施することができる。空気焼入れ可能鋼を溶接するときにひび割れを制御する方法として予熱が従来技術では参照されているが、それらは、管の生産とは反対に材料の別々のピースを連結することのみを重視している。予熱法は、冷却速度を制御する比較的不正確で信頼性がない方法であり、この技術を教示している解説書が流布していることで、本明細書で開示されている好ましい方法などの、冷却速度を制御するよりポジティブな他の方法の開発が阻害されてきたのである。精度と信頼性が劣ることに加えて、予熱法は、エネルギー効率も、本明細書で教示されているポジティブな冷却速度制御法に比べて劣る。しかしながら、大気温度が暖かい、または圧延される鋼帯が十分な厚さを持つ場合などいくつかの条件の下では、鋼帯を予熱することで、実質的にひびの入らないシーム溶接空気焼入れ可能鋼管を十分生産できる。この方法がシーム溶接空気焼入れ可能鋼管を生産する方法として従来技術で提案されておらず、この方法のこの特定の応用で多大な有用性を有する新規性のある構造材料を生産できることが想像されていなかった範囲において、本発明の目的は、予熱法を冷却速度制御の唯一の出所として使用しシーム溶接空気焼入れ可能鋼管を製作することである。溶接ボックスの下流にある管の断熱で周辺大気への熱の損失を最小限度に抑えると、予熱システムを冷却速度制御の単独の手段として使用することを成功させる可能性を最大にまで高められるであろう。また、いくつかの状況の下で、最良の結果は、同じプロセス内で冷却速度制御の予熱法と後熱法の両方を適用することにより得られることも考えられる。
【００４１】
本発明では、従来技術のように、従来技術のチューブミルに合うように材料を改質し、管の性能を損なうのではなく、チューブミルを最良の材料に合うように修正したことに留意されたい。したがって、本発明は、シーム溶接空気焼入れ可能鋼管の製作のための新しいタイプのチューブミルを含む。
【００４２】
非常に軽く強いフレーム構造を製作するために、上述の複数の方法のうちの１つにより生産される個々の管の部位を溶接して、所望の構成の１つのフレームを形成し（工程４）、その後、フレーム構造全体を熱処理して（工程５）、一様な硬度、高強度状態にする。フレーム溶接は、必要な場合にプレートおよびフランジなどの他のコンポーネントを含むことができ、これらは空気焼入れ可能鋼であってもなくてもよい。熱処理の後、その結果として得られた構造物のすべての空気焼入れ可能部分は、同じ高硬度状態にある。したがって、この構造物は弱点がなく、多くの自転車フレームで従来から使用されているものなどの管の末端で（突き合わせ）管壁を厚くする必要がない。
【００４３】
他の用途については、管がその後溶接されフレーム構造にされなければ、連続プロセスでチューブミルから出るときに管を熱処理して硬化した高強度状態にすることができる。それとは別に、そのような個別に熱処理された管の部位を１つのフレーム構造に組み立てて、その後全体構造を熱処理することができる。
【００４４】
複雑な管形状が望まれる用途では、管をハイドロフォーミング法で形成し、その後必要ならば熱処理するようにできる。
【００４５】
表面仕上げ層
管の形成に使用される平坦な空気焼入れ可能鋼帯は、ローラ成形ミルに入る前に、異なるタイプの金属の薄い層で片側または両側を表面仕上げすることができる。それとは別に、管が成形された後、表面仕上げ層を付着させることもできる。この手法を採用することで、例えば、基本の管単独が有する耐食性よりも高い耐食性を備えるようにできる。高い腐食環境で使用する通常の表面仕上げ材料は、３１６ステンレス鋼とすることができる。表面仕上げ材料の選択に、導電性、表面粗さ、表面摩擦係数、色、および外観などの他の基準を採用することもできる。
【００４６】
表面仕上げ層は、ラミネート、プラズマ溶射、またはその他の通常に知られている方法により鋼帯のストックまたは基本の管に付着させることができる。好ましい実施形態では、２つのローラの間を表面仕上げおよび鋼帯が通過するときに表面仕上げが基材帯に溶接されるように、表面仕上げ層を、ピンチローラで圧着することにより鋼帯のストックに付着させることができる。
【００４７】
片側の表面仕上げ層は、他方の側の表面仕上げ層と異なるタイプまたは厚さの金属で形成できる。表面仕上げ層を個々に手直しすることは、例えば、熱交換器の場合に多いが、管の内側に見られる腐食状態が外側に見られる腐食と異なる用途では適切であろう。
【００４８】
以下の節で説明しているように、シーム溶接空気焼入れ可能ステンレス鋼管は、多くの用途にとって理想的であり、現在は必ず手直しされる、一方の性能、環境安全性、および個人の安全性と他方のコストとの妥協策の多くをなくすうえで大いに有望である。
【００４９】
移動車両
本発明は、シーム溶接空気焼入れ可能ステンレス鋼管で形成された移動車両フレームを実現する。図６は、本発明の車両フレームを表現したものである。この材料の車両フレームは、従来の車両フレームに比べてかなり軽く、小型の推進システムを実現することができ、その結果、燃料効率を高め、車両コストを低減することができる。強度対重量比および剛性対重量比が高いので、本発明では、電動式車両、電気ハイブリッド式車両、または燃料電池駆動式車両などの代替え電動モータ車両技術を使用できる。車両フレームは、既存の複合材料または通常の鋼鉄を使った場合に比べてかなり安く、軽くできる。軽量の車両フレームが使用できることは、現在開発中の代替え動力源が最終的に、内燃機関と経済性の面で競合する可能性があることを意味する。多くの社会的メリットは、最も目立つ、エミッション削減を含む、きれいで、潜在的に効率を高められる電動車両を普及させることで生じるであろう。したがって、本発明の管は、地球温暖化が車両エミッションにより生じるのだから、地球温暖化の低減に寄与しうるであろう。
【００５０】
また、本発明を使用すれば、車両重量を低減することに加えて、自動車の安全性を大いに向上させることであろう。高性能の、ただし値札が付けられないレーシングカーのように、この高強度対重量比および剛性対重量比の管のフレームを誇る車両は、匹敵するサイズの従来の車両に比べて乗員をケガと死亡事故から守る機能が高い。米国連邦鉄道管理局ならびに他の国々のそれに相応する機関の大きな関心事である、軌道車の耐衝撃性もまた、この新しい構造材料を使用することにより著しく改善することができる。
【００５１】
車両耐久性のブレークスルーは、シーム溶接空気焼入れ可能ステンレス鋼管を構造媒体として使用することにより達成できる。材料に内在する耐食性により、腐食を予想して行う塗装、亜鉛コーティング、または工学的に厚くした壁が不要になる。ステンレス鋼管は、事実上いつまでも耐えられ、他の車両コンポーネントが摩滅し、破棄されても、管フレームまたはそのコンポーネントは再利用およびリサイクルが可能である。
【００５２】
シーム溶接空気焼入れ可能ステンレス鋼管の構造フレームは、大半、ハードツーリングの使用を最低限に抑えながらロボットにより加工することができる。例えば、自動車の特定のモデルのツーリングは、主に、ソフトウェアプログラムからなる。これにより、各新モデルの生産準備をかなり迅速に、容易に、かつ安価に行うことができるだけでなく、所定の生産ラインにおいて異なるモデル同士を素早く切り替えることができる。
【００５３】
本発明は、平床型トレーラー付きのトラックなど、商用目的に使用される移動車両に対しさらに利点がある。本発明では、強度または耐久性を損なうことなく、これらの車両の重量を実質的に軽減することができ、それにより、事業者はより多くのペイロードを運び、収益を高めることができる。さらに、付随する環境損傷低減により積み荷の運搬の全体的効率が高まる。
【００５４】
本発明では、今日市場に出回っている匹敵する価格帯のゴルフカートに比べてかなり軽量の高性能ゴルフカートを実現できる。車両の軽さは、ゴルフコースに与える損傷を最小限に抑えるためにこの用途では重要である。近隣電気自動車を含む、他のタイプの実用車も、低コストで生産することが可能であり、シーム溶接空気焼入れ可能ステンレス鋼管を使用することにより性能を高められる。
【００５５】
シーム溶接空気焼入れ可能ステンレス鋼管を利用する他の移動車両用途としては、多用途トレーラー、船舶用トレーラー、バス、スノーモービルおよびオフロードカーなどのＲＶ車、ならびにホテルおよび航空機で使用されるものなどのホイールバロウおよびサービスカートを含むさまざまな種類の手押し車がある。
【００５６】
橋
本明細書で開示されている管の他の優れた用途に、橋がある。世界の橋の多くは、古くなったり、今日の交通量に対応できるように建設されていないため、リプレースする必要があり、交通渋滞を悪化させる「ボトルネック」になってしまった。Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｂｒｉｄｇｅ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎによれば、米国だけでも、すべての橋の３０．４５％は、リプレースの対象となっている。このような規模のプロジェクトに取り組むに際して政府機関が直面している２つの問題が、コストと交通の途絶であり、これらの問題は両方とも、本明細書で開示されている新しい構造材料により解決される。
【００５７】
この配管システムを使用すると、橋建設のトータルコストは、鉄筋コンクリート、高張力鋼、および複合材料を含む、従来の構造材料を使用することにより被るコストのうちのほんの一部でよくなる。このコスト節減をもたらすもののうちの１つは、材料が橋全体または橋の一部を現場から離れたところで事前に組み立てるのに役立ち、そのため、現場建設で生じる交通途絶および付随する経済損失を最小限に抑えられる。
【００５８】
現場から離れた場所で橋を予め組み立てることは、本発明により可能になることであるが、これができれば、永続的な構造物に加えて費用効果の高い、モジュール式の一時的な橋を建設することができる。複数の政府機関および慈善援助組織が、そのようなモジュール式の橋の在庫をストックしておき、洪水が発生した場合に人的被害を低減し経済的損失を防止するために素早く配備するようにできることが考えられる。軍隊もまた、機動性があり／携帯でき（軽量の）、低コストで生産でき、耐衝撃性のある一時的橋を必要としている。現在存在している構造材料はどれも、これらの要件のすべてを満たすことはできず、軍用に検討される現在の解決策は、軽量であるが、極めて高い値札が付いている複合材料であり、付近の爆発の衝撃を防御することが可能である。さらに、複合材料は耐熱性が劣る。対照的に、本発明では、衝撃と熱に耐えられる低コストで軽量の橋を建設できる。
【００５９】
シーム溶接空気焼入れ可能ステンレス鋼管は、当業で大きな問題となっている、地震安全に関して、優れた橋建設材料でもある。シーム溶接空気焼入れ可能鋼管の橋は、地震災害時に、鉄筋コンクリートの橋または従来の鋼鉄製の橋に比べて相当に優れた性能を示す。実際、コンクリートの柱の脆弱性は、輸送部門が現在鋼鉄製ジャケットで改造しようと取り組んでいる作業において見られる。シーム溶接空気焼入れ可能鋼管の橋の支柱は、コンクリート製の橋の支柱に比べてかなり軽い荷重を支える。
【００６０】
この新しい構造材には耐食性があるため、将来の橋は経年変化しないであろう。これは、従来の橋をメンテナンスするために世界中で膨大な量の資源が消費されることに直面している中で果報である。
【００６１】
最後に、従来の橋とは異なり、シーム溶接空気焼入れ可能鋼管の橋は、それらが特に一時的なまたは移動可能な橋として設計されていなくても、分解し、移動し、適度のコストで新しい場所に素早く建設することができる。
【００６２】
高架式鉄道および車道
本発明は、さらに、極めて長い「橋」−つまり、高架式鉄道および車道−の建設に適している。図５は、本発明を表現したものである。
【００６３】
人口増加と絶えず増大する交通渋滞のため、都市間高速列車などの代替え輸送解決策が必要であることに対し世界中の注目が集まっているが、現在までそれらの提案のコストは、多くの場合においてひどく高い。都市交通の障害を取り除き、旅客機および自動車と競合できるように高速性を維持するために、鉄道全体またはその一部を高架式にする必要があるであろう。そのような高架式軌道に現在利用可能な構造材料は、高価であり、頻繁な間隔で支柱を必要とする。本発明では、支柱のスパンを長く取り、非常に安価な高架式鉄道を実現できるであろう。実際、高架式構造のコスト低減は磁気浮上（Ｍａｇｌｅｖ）列車のコストを相殺するが、これらは、運転が静かであり、加速がよく、急勾配も上れ、メンテナンス要件も著しく低減できるため、従来の鋼鉄製軌道の上に鋼鉄製車輪が載る列車よりも優れているという一般的な合意がある。
【００６４】
本発明では、都市間または空港モノレール、軽軌条システム、およびピープルムーバシステムを含む、他のタイプの列車の高架式構造物のための費用効果および高性能の解決策を提示する。
【００６５】
コストおよび交通上の優先権がある回廊を購入することに関連するその他の要因は、幹線道路および高速道路の延長にとってひどく高い。従来の手段を利用して既存の幹線道路の上に「二階建て」つまり高架橋を建設することも、非常に費用がかかる。幹線道路および高速道路を水平方向または垂直方向に延長することが不可能なため、輸送部門は交通渋滞解消を巡って苦況にある。本発明では、高架式車道を実現可能な解決策にする。シーム溶接空気焼入れ可能ステンレス鋼管を従来の構造材料の代わりに使用すると、高架式車道の建設は、極めて安価にできるが、それは、材料コストを低減し、構造物を現場から離れた場所で予め組み立てられ、それにより交通途絶を最小限に抑えられるからである。既存の高速道路および幹線道路の上の空中権を利用することにより、輸送部門は、土地の高いコストを被らずに道路容量を高めることができる。
【００６６】
同じ高架式プラットフォームを、自動車と列車の両用に使用できて、費用効果が高い。シーム溶接空気焼入れ可能ステンレス鋼管で作られている高架式プラットフォームは、地震安全性、メンテナンス要件、建設スピード、および外観に関して対応する鉄筋コンクリートに勝るであろう。
【００６７】
建物
シーム溶接空気焼入れ可能ステンレス鋼管を、個人の家ならびに公共および工場用の建物を含む静的構造物内の構造媒体として使用すると多くの利点が得られる。
【００６８】
現場でボルト締めされる、または他の手段により連結されるプレハブのトラスアセンブリからなるモジュール式の建築構造システムが考えられる。このシステムは、木材、乾式壁、サイジングおよびパネリングのさまざまな構成材などの従来の材料とともに使用することができ、これらは、「詰め物」および被覆材として最も効果的に使われ、基本的な建物の強度に関しては依存されない。
【００６９】
シーム溶接空気焼入れ可能をステンレス鋼管の内在する品質により、ビル建設の総合的コスト効率がかなり高められる。シーム溶接空気焼入れ可能鋼管の支柱およびトラスからなる基本的な荷重負担構造は、輸送に際して軽量かつ安価であり、したがって、現場から離れたところで工場生産することが可能である。オートメ化された機械による工場生産は、比較的安価であり、現場の熟練労働者による生産性よりも標準化された製品を作り出せる。管ベースのトラスは元々まっすぐであり、歪みがなく、軽量であり、標準化されたフィッティングで使用するのに適しているため、迅速で扱いやすく正確に位置を揃えられる現場組み立てが可能である。管の高い強度対重量比および剛性対重量比により、従来の鋼または木材を使用した場合よりも少ない垂直支持材で長いスパンをとることができる。
【００７０】
費用効果の増大に加えて、シーム溶接空気焼入れ可能鋼管を建物内の構造媒体として使用することで、火災時の崩壊に対する耐性増大、火災に注がれる燃料の低減、地震、激しい嵐、および暴風に優れた性能の発揮、耐久性およびエネルギー効率の向上、洪水およびシロアリ損害からの影響低減がもたらされる。火災にまたは自然災害による損害のリスクを低減すると、保険料を下げられ、これは、個人の家だけでなく、病院、学校、ホテル、工場、ショッピングセンターおよびモール、工業用建物、航空機格納庫、ならびに公共の建物についても重要な考慮事項である。また、性能および価格面で木材に匹敵する新しい構造材料として、ビル建設にシーム溶接空気焼入れ可能ステンレス鋼管を使用することで、森林を使い尽くす速さを遅くできる。
【００７１】
シーム溶接空気焼入れ可能鋼管は、建築設計に新しい可能性をいくつももたらす。例えば、空港ターミナル、モール、鉄道の駅、およびコンベンションホールなどの多くの大型公共建物の内装については、支柱のない広いオープンスペースとして設計することが望ましい。本発明の管材料を使用すると、非常に深いトラスに頼らずに長いスパンに対応できる。さらに、巨大な支柱、基礎などをあまり必要としないという付随する利点を利用して、所定のトラスの全死荷重は大幅に低減される。住宅建設では、このシステムで造られる小屋組は、木材トラスの一部である邪魔な垂直部材がない屋根裏を実現できる。
【００７２】
本発明を利用すれば、さらに、納屋、一時的な建物、および移動住宅などの費用効果のある移動可能なモジュール式建物を建設することができる。
【００７３】
流体および気体輸送配管
本発明の管システムでは、上水、下水、ならびに原油、精製鉱物油、および天然ガスなどのエネルギー産業製品の輸送を含む、流体および気体輸送の分野で実質的な経済的利得を得られる。多くの場合、例えば水平方向に長い導管が地上よりも高い位置にある場合や、内部圧力がある場合に、パイプの強度対重量比および剛性対重量比は重要である。これらの場合、シーム溶接空気焼入れ可能鋼管の強度対重量比および剛性対重量比が高いため、支持材の間の水平方向スパンを長くし、壁厚を薄くすることができるので、輸送およびパイプの配置に関して有利である。さらに、本発明のパイプは、例えばトラックトレーラーまたは船舶に取り付けられている移動式チューブミルを使用して、非常に長い連続する長さのままその場で生産することができる。こうして一本の長いパイプを生産すると、所定の用途に関して接合部が大幅に減り、このため、コストが低減され、パイプの強度対重量比が最大化される。
【００７４】
石油産業では、石油およびガスのリフト、輸送、および精製に管状材料を多用している。上述のシーム溶接空気焼入れ可能ステンレス鋼管の利点は、この分野にも当てはまる。さらに、本発明の管システムは、往復人工採油システムで使用するための高性能、低コストのリフトロッドを生産するのに使用することができる。したがって、従来の材料で作られている「サッカーロッド」は、本発明の管から組み立てられたサッカーロッドで置き換えられ、管の内側を油田調整流体または化学薬品の注入に使用したり、それとは別に、油田生成物を表面に流すための追加スペースとして使用することもできるという利点がさらにある。この用途でも、現場で１本の連続する長い管を生産することができ、上述のと同じ利点がある。
【００７５】
航空機
シーム溶接空気焼入れ可能ステンレス鋼管は、軽量、低いコスト、ならびに高い強度および剛性を持つため、航空機構造物用の理想的な材料となる。シーム溶接空気焼入れ可能ステンレス鋼管またはそれらから作られたトラス構造物は、翼桁を含む主要骨組みから座枠などの内部アクセサリまで、航空機構造物の多くの部品に使用することができる。通常の航空機材料は、価格が高い傾向があるが、本発明により、性能ペナルティなしで航空機建造のコストを低減することができる。
【００７６】
エンジンコンポーネント
シーム溶接空気焼入れ可能鋼管は、ターボファンエンジン用のファンブレードおよびピストンエンジン用のコネクティングロッドを予め組み立てておくのに使用することが可能であり都合がよい。
【００７７】
船舶
シーム溶接空気焼入れ可能ステンレス鋼管の骨組み部材は、船舶の建造で使用することができ、従来の鋼を使用した場合に比べて重量軽減および耐腐食性の大幅な向上が見られる。
【００７８】
熱交換器
本発明の管は非常に強度が高く、管壁を薄くし、管壁の単位面積当たりの熱伝達を高められるため、熱交換器に使用することができる。耐腐食性が高いため、熱交換器の管の片側または両側を特別な材料の薄い層で表面仕上げして、所望の特性を得ることができる。
【００７９】
自転車
フレームの重量は、自転車では非常に重要であり、カーボンおよびチタンなどの軽量新材料は、非常に高価であるにもかかわらず、この用途に使われることが非常に多い。本発明によれば、高価な新材料で作られたものと本質的に同じ重量、強度、および剛性の自転車フレームを妥当なコストで生産することができる。例えば、延伸チタンは、まっすぐな材料では強度対重量比が高い。しかし、溶接部では、金属の熱の影響を受ける部位の強度が失われるため、かなりの壁厚にする必要がある。一定の強度の自転車を製作するために必要な金属の全質量は、本発明のチタンおよび４１０管の場合と類似している。コスト差は、本発明で作られたフレームに関して４０倍安価であると推定される。
【００８０】
中空バネ
空気焼入れ可能ステンレス鋼は、本質的に、非常によいバネ特性を有する。したがって、本明細書で開示されている管は、螺旋型管およびトルク管などの構成でバネ媒体として使用することができる。代表的なバネと比較すると、シーム溶接空気焼入れ可能ステンレス鋼管のバネは、バネ媒体の無応力の中心コア領域をなくすことができるため軽量化され、また耐食性を高められる。シーム溶接空気焼入れ可能ステンレス鋼管の中空バネは、特に、車両総重量の低減が重要である移動車両の応用に適している。
【００８１】
個人移動支援装置
本発明を採用すれば、車いすフレーム、松葉づえなどの身体障害者を補助するための安価で軽量な高性能装置を産することが可能になる。
ミサイルのケーシングおよびロケットのケーシング
本発明の管は、ミサイルおよびロケットの建造に使用すると有利であり、同じ強度の従来の材料と比べてミサイルおよびロケットの壁の厚さを薄くし、コストを低減することができる。壁の厚さを減らすと、所定の内部スペースに対し引きずりが減る。
【００８２】
宇宙および地球外構造物
本発明の管は、低コストであり高性能であるため、宇宙ステーションなどの大規模な宇宙または地球外構造物の建造で有利に使用することができる。
【００８３】
シーム溶接空気焼入れステンレス鋼管の他の用途としては、
クレーンおよびガントリー、航空機製造を含む製造に使用される備品、コンクリート形態の支持および骨組み、キャットウォークおよびアクセス通路、はしご、柵の支柱および手すり、ボートのマストおよびボートの手すり、油圧および空気圧シリンダ、工具および用具、張り出している高速道路案内標識を含む、道路案内標識、街灯柱、信号灯柱、および旗竿、テントの支柱、天幕フレーム、傘、およびキャノピーフレーム、オールおよびパドルシャフト、ラケットフレーム、スキーのストック、および登山用具、エレベータカーおよびシャフト、幹線道路レール、建築掘割、採掘坑などの陥没防止装置、ダムの骨組み、屋根無し観覧席および一時的座席、プラットフォームおよび舞台、建物および船舶をサンドブラストするために使用されるものなどの足場フレームおよび一時的エンクロージャ用フレーム、カートップラック、光学式および無線望遠鏡、ソーホースおよび携帯型ベンチ、カメラ三脚を含む三脚、電柱を含む垂直の塔、無線塔、送電塔、ならびにスキーリフトおよび路面軌道塔、電気および光ファイバケーブル布線、煙出しおよび煙突、家具、ならびに貯蔵および圧力タンクなどがある。
【００８４】
これらの用途では、それぞれ、この安価で軽量で強く耐食性のある管システムを利用する。実際、本明細書で開示されて管は、軽く、強い、かつ／または耐食性のある構造を必要とする用途の優れた選択肢となっている。
【００８５】
実施例１：管
壁厚０．０２０”（０．０５０８ｃｍ）、ＯＤ直径１．１２５”（２．８５７５ｃｍ）の１００フィート（３０．４８ｍ）の配管を製造した。これは、上述の方法でカリフォルニア州のＵｌｂｒｉｃｈ  Ｓｔｅｅｌ  ｏｆ  Ｆｒｅｓｎｏ社の幅３．５５５”（９．０２９７ｃｍ）の４１０ステンレス鋼帯から本発明のミルで製造された。
【００８６】
このミルで使用された溶接機は、オハイオ州クリーブランドのＬｉｎｃｏｌｎ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙ社製造のＬｉｎｃｏｌｎ（登録商標）Ｓｑｕａｒｅｗａｖｅ  ＴＩＧ  ２５５であり、アルゴン大気中で約３５Ａに設定されている。フィルタは追加しなかった。ステンレス鋼帯を溶接ボックスに送り込む速度は、毎秒２インチ（５．０８ｃｍ）であった。溶接された管は、溶接ボックスの下流に配置されたアセチレン灯を使用してポジティブ制御の冷却にさらした。その火炎を調整して熱の影響を受ける部位が上限から下限臨界温度までゆっくりと冷やされるようにするが、自然冷却と制御された冷却の速度の差は、図４に示されている。制御された冷却速度は、自然冷却速度の約６倍になると推定した。４１０ステンレスの上限および下限臨界温度は、それぞれ１８５０℃および１４５０℃である。
【００８７】
実施例２：自転車フレーム
上記の管から管のいくつかの部分を切り取り、他の延伸管とともに自転車フレームに組み立てる。組み立てられたフレームに含まれる延伸管は、後部三角形の壁厚０．０２０”（０．０５０８ｃｍ）０．５”（１．２７ｃｍ）および０．６２５”（１．５８７５ｃｍ）のＯＤ４１０ステンレス鋼延伸管部分を含んでいた。複数のシーム溶接および延伸管部分は、カリフォルニア州サンジエゴのＳａｎ  Ｄｉｅｇｏ  Ｗｅｌｄｉｎｇ  Ｓｕｐｐｌｙ社が供給している標準４１０ステンレスフィラーロッドを用いるオハイオ州クリーブランドのＬｉｎｃｏｌｎ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙ社製造のＬｉｎｃｏｌｎ（登録商標）Ｓｑｕａｒｅｗａｖｅ  ＴＩＧ  ２５５を使用し、溶接機のアンペアを約８から１０Ａの範囲で変調して、突き合わせ溶接を介して手で組み立てた。次に組み立てられたフレームをバッチタイプの真空炉で１９００から２０００°Ｆ（１０３７．８から１０９３．３℃）の範囲で熱処理した。カリフォルニア州の公認Ｍｅｔａｌｃｒａｆｔ  ｏｆ  Ｅｌ  Ｃａｊｏｎ社が熱処理炉を提供した。
【００８８】
このフレームを使用するこの自転車は、離れた場所、および困難な地形で厳格な現場試験を受けたところ、軽量で、レスポンスがよく、適度に剛性があることがわかった。フレームに失敗はなかった。フレームの延伸およびシーム溶接部分の間の性能の違いは目立ったものではなかった。
【００８９】
実施例３：室温での張力疲労
室温での疲労試験を実施して、自転車フレームの場合と同様の方法で硬化された本発明の硬化シーム溶接ステンレス鋼管の強度に関するデータを得た。
【００９０】
われわれは、この試験から、従来技術の仕上げられた管の熱の影響を受ける部位に、通常、ひび割れはまったくないことが示される。
【００９１】
硬化された後の試験された管は、実施例１で説明されている配管のピースであった。試験片は、ＭＩＬ−ＳＴＤ−１３１２−１１Ａに従って試験された。被加工製品に対し、軸力の５００ポンド（２２６．７９６２ｋｇ）の低荷重（７０００ｐｓｉ）および５０００ポンド（２２６７．９６２ｋｇ）の高荷重（７００００ｐｓｉ）を１３００００回繰り返した。この試験片は障害の生じるまで試験されていない。
【００９２】
この試験により、本発明の少なくとも１つの方法では、目に見えるひび割れおよび目に見えないひび割れを有する従来技術の管を生産しないことがわかった。
【００９３】
実施例４：軸力試験
ＡＳＴＭ  Ｆ  ６０６−００に従ってサンプルを試験し、本発明の管の引っ張り強度を測定した。被加工製品では、１４４５３ｌｂｓ（６５５５．８ｋｇ）（２０６０００ｐｓｉ）が加えられた。硬化された４１０の記帳されている値は、２０００００から２１００００ｐｓｉである。これらのデータから、溶接部が構造全体にとって弱い部分になることはなく、この材料は類似の直径、壁厚、および材料の延伸管と同等であることがわかる。
【００９４】
実施例５：チューブミル
図２および図３は、本発明のチューブミルの側面および上面図である。鋼帯１０は、サイジングおよび成形ローラ１６を通じて送られ、その後これは溶接ボックス２０に送られる。溶接ボックス２０の下流には、溶接された被加工製品の冷却速度を制御するため使用されるトーチアセンブリ１８がある。その後、溶接された被加工製品はサイジングローラ１４でサイジングされ、本発明のシーム溶接空気焼入れ可能管１２の生産が行われる。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】相対的強度／重量／コストの関係を示す図である。
【図２】本発明のチューブミルの側面図である。
【図３】本発明のチューブミルの上面図である。
【図４】冷却のプロファイルチャートである。
【図５】本発明の静的構造の側面図である。
【図６】本発明の移動体構造の側面図である。
【図１】
2005531414.tif 000003
【図２】
2005531414.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年6月16日(2005.6.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気焼入れ可能鋼および長手方向溶接シームを有する鋼管であって、前記空気焼入れ可能鋼は、マルテンサイトステンレス鋼、好ましくは、４００シリーズのステンレス鋼、特に、４１０ステンレス鋼のマルテンサイトステンレス鋼等のステンレス鋼であることを特徴とする鋼管。
【請求項２】
空気焼入れ可能鋼からなる鋼帯ストックを選択し、
前記鋼帯ストックを、隣接する端部を有する１つの管にローラ成形し、
前記隣接する端部を溶接して、シームを形成し、そして、
溶接シームの冷却速度を制御する
ことを含む、空気焼入れ可能鋼管を製造する方法であって、
空気焼入れ可能な前記鋼帯ストックは、マルテンサイトステンレス鋼、好ましくは、４００シリーズのステンレス鋼、特に、４１０ステンレス鋼のマルテンサイトステンレス鋼等のステンレス鋼であることを特徴とする方法。
【請求項３】
ローラ成形される前に、空気焼入れ可能な前記鋼帯ストックを焼きなまし状態に置く、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
（ａ）  前記溶接シームの冷却速度を制御した後、前記管をサイジングし、そして、歪み矯正を行い、
（ｂ）  シーム溶接された空気焼入れ可能鋼管を熱処理して、高強度状態にし、
（ｃ）  ローラ成形する前に、前記鋼帯ストック上に表面仕上げ層をラミネートし、このようにして複数の層を有する管を製造する
ことをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記溶接は、ガスタングステンアーク溶接である、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
（ａ）  １つまたは複数のシーム溶接された空気焼入れ可能鋼管を含む２つ以上の部品を、１つのアセンブリに連結し、
（ｂ）  連結した後、前記アセンブリ全体を熱処理して、前記アセンブリの空気焼入れ可能部分に高強度状態を付与し、
（ｃ）  前記アセンブリに連結する前に、少なくとも１つのシーム溶接された空気焼入れ可能鋼管を熱処理して、高強度状態にし、
（ｄ）  耐食性表面仕上げ層を、前記鋼管の１つまたは複数の内側および／または外側に形成すること
を含む、複数の管を１つの構造物に組み立てる方法。
【請求項７】
前記アセンブリは、荷重負担構造物、石油生産のための管、または、熱交換器の一部である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
少なくとも１つのシーム溶接された焼入れ可能鋼管を含む荷重負担構造物であって、少なくとも１つのシーム溶接された前記鋼管は、マルテンサイトステンレス鋼、好ましくは、４００シリーズのステンレス鋼、特に、４１０ステンレス鋼のマルテンサイトステンレス鋼等のステンレス鋼であることを特徴とする荷重負担構造物。
【請求項９】
少なくとも１つのシーム溶接された空気焼入れ可能鋼管を含む２つ以上の部分からなる１つのアセンブリを備え、組み立て後に、構造物全体に熱処理を施して、前記構造物の空気焼入れ可能部分に高強度状態を付与する、請求項８に記載の構造物。
【請求項１０】
前記構造物に連結する前に、少なくとも１つのシーム溶接された空気焼入れ可能鋼管を熱処理して、高強度状態にする、請求項８に記載の構造物。
【請求項１１】
前記構造物内の前記鋼管の１つまたは複数は、その内側および／または外側に耐食性表面仕上げ層を含む、請求項８に記載の構造物。
【請求項１２】
前記構造物は静止しており、荷重負担梁またはトラス；橋；高架式車道または鉄道；建物；海洋オイルリング；イス、テーブル、またはその他の家具調度品の１以上から選択される、請求項８に記載の構造物。
【請求項１３】
前記構造物は、移動車両であり、そして、自動車、航空機または自転車の１以上から選択される、請求項８に記載の構造物。
【請求項１４】
請求項１に記載の少なくとも１つのシーム溶接された空気焼入れ可能鋼管を含む流体取扱装置。
【請求項１５】
前記装置は、少なくとも１つのシーム溶接された空気焼入れ可能鋼管を含む２つ以上の部分からなる１つのアセンブリを備え、組立て後、構造物全体に熱処理を施して、アセンブリの前記空気焼入れ可能部分に高強度状態を付与する、請求項１４に記載の流体取扱装置。
【請求項１６】
前記装置内で連結する前に、少なくとも１つのシーム溶接された空気焼入れ可能鋼管を熱処理して、高強度状態にする、請求項１４に記載の流体取扱装置。
【請求項１７】
シーム溶接された焼入れ可能鋼管のうちの１つまたは複数は、腐食環境に接触するように構成された材料を含み、接触材料は、シーム溶接された空気焼入れ可能鋼管の内側および／または外側の層として設けられ、そして、前記接触材料は、シーム溶接された空気焼入れ可能鋼管に場合によりラミネートされる、請求項１４に記載の流体取扱措置。
【請求項１８】
前記接触材料は、前記鋼帯ストックを１本の管にローラ成形する前に、前記鋼帯ストックの片側または両側に形成される、請求項１７に記載の流体取扱装置。
【請求項１９】
前記接触材料は、高耐食性グレードのステンレス鋼、ニッケルおよびモリブデンを含有する特殊マルテンサイトステンレス鋼合金から選択される、請求項１７に記載の流体取扱装置。
【請求項２０】
前記装置は、深海オイルライザー；油田ケーシングまたは配管；油田のサッカーロッド；流体輸送パイプ；ガスパイプライン；及び熱交換器の１つ以上から選択される、請求項１４に記載の流体取扱装置。
【請求項２１】
腐食環境に接触するように構成された材料をさらに含み、接触材料は、前記管の片側または両側の層として設けられ、そして、前記接触材料は、前記管にラミネートされる、請求項１に記載の空気焼入れ可能鋼管。
【請求項２２】
前記接触材料は、前記鋼帯ストックを１本の管にローラ成形する前に、前記鋼帯ストックの片側または両側に形成される、請求項２１に記載の空気焼入れ可能鋼管。
【請求項２３】
前記接触材料は、高耐食性グレードのステンレス鋼、ニッケルおよびモリブデンを含有する特殊マルテンサイトステンレス鋼合金から選択される、請求項２１に記載の空気焼入れ可能鋼管。
【請求項２４】
前記管は、ハイドロフォーミング法で成形される、請求項１に記載のシーム溶接された空気焼入れ可能鋼管。
【請求項２５】
前記管の内側および／または外側に形成される耐食性表面仕上げ層をさらに含む、請求項２４に記載の鋼管。
【請求項２６】
空気焼入れ可能鋼管を製造するように構成されたチューブミルであって、
成形ローラと、
シーム溶接機と、
冷却速度コントローラと、
サイジングおよび歪み矯正ローラと
を備えるところのチューブミル。
【請求項２７】
空気焼入れ可能ステンレス鋼管を製造するように構成されている、請求項２６に記載のチューブミル。
【請求項２８】
前記冷却速度コントローラは、前記シーム溶接機の下流に配置された加熱装置である、請求項２６に記載のチューブミル。
【国際調査報告】
2005531414.tif 000009
2005531414.tif 000010
2005531414.tif 000011