(57)【要約】【課題】長手方向に平行な溶接部を有する鋼管の拡管割れ性を精度良く評価する装置及び方法を提供する。【解決手段】環状試験体１の内部に対向する部位が弧状である母材用治具５及び溶接部用治具３と、母材用治具５及び溶接部用治具３を相反する方向に直進させる駆動部７からなり、溶接部用治具３の頂部に溶接部対向溝４を設け、溶接部対向溝４の両側に隣接して形成される溶接部用治具中央部３ｃの曲率半径Ｒｃと、溶接部用治具中央部３ｃの外側に隣接して形成される溶接部用治具端部３ｓの曲率半径Ｒｓが、０．３Ｒｃ≦Ｒｓ≦０．８Ｒｃを満足し、溶接部用治具中央部３ｃが、曲率半径Ｒｃの中心を基準として、溶接部対向溝４の中心の両側にそれぞれ３０〜６０°の範囲に形成されていることを特徴とする、溶接鋼管の拡管割れ評価装置。【選択図】図２
2008232823.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状試験体の内部に対向する部位が弧状である母材用治具及び溶接部用治具と、該母材用治具及び該溶接部用治具を相反する方向に直進させる駆動部からなり、前記溶接部用治具の頂部に溶接部対向溝を設け、該溶接部対向溝の両側に隣接して形成される溶接部用治具中央部の曲率半径Ｒｃと、該溶接部用治具中央部の外側に隣接して形成される溶接部用治具端部の曲率半径Ｒｓが、
０．３Ｒｃ≦Ｒｓ≦０．８Ｒｃ
を満足し、前記溶接部用治具中央部が、曲率半径Ｒｃの中心を基準として、前記溶接部対向溝の中心の両側にそれぞれ３０〜６０°の範囲に形成されていることを特徴とする、溶接鋼管の拡管割れ評価装置。
【請求項２】
前記曲率半径Ｒｃの中心を基準として、前記溶接部対向溝の中心の両側にそれぞれ１０°〜３０°の範囲において、該溶接部用治具中央部の表面に分離可能な溶接部対向治具を設けたことを特徴とする、請求項１に記載の溶接鋼管の拡管割れ評価装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の拡管割れ評価装置に、環状試験体の溶接部を溶接部対向溝に対向させて設置し、溶接部用治具と母材用治具を相反する方向に移動させながら、前記母材用治具及び前記溶接部用治具の間に作用する荷重及び変位を測定することを特徴とする、溶接鋼管の拡管割れ評価方法。
【請求項４】
環状試験体の溶接部もしくはその近傍に歪み計測手段を設け、溶接部の歪みを測定することを特徴とする、請求項３に記載の溶接鋼管の拡管割れ評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼板を管状に成形し、突合せ部を溶接して製造された、長手方向に平行な溶接部を有する鋼管の拡管割れ性を評価する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼板を管状に成形し、突合せ部をシーム溶接した鋼管のうち、特に、ＵＯＥ方式により造管された鋼管は、真円度を向上させるために、拡管される。ＵＯＥ造管プロセスにより、図１に示した拡管を施すと、シーム溶接部からの割れ、いわゆる拡管割れが発生することがある。
【０００３】
拡管割れは、鋼管の機械特性、溶接部の形状だけでなく、拡管機の工具、いわゆるセグメントの形状、材質や鋼管との摩擦係数など、種々の因子に支配される複雑な現象である。したがって、製造ラインで拡管を行う前に、拡管割れの発生の有無を予測することは困難であった。
【０００４】
また、近年、油井に挿入された鋼管を油井内で拡管することによって、掘削面積を低減し、かつ掘削工期を大幅に短縮可能な工法が提案されている。このような用途に適用される電縫鋼管の拡管割れ性を評価するため、円錐の治具で鋼管の端部を拡管し、割れが発生した部位の拡管率を測定している。しかし、この方法では、歪み量が連続的に変化しているため、正確に拡管割れ性を評価することができない。
【０００５】
鋼管の機械特性は評価が困難であり、通常、鋼管を切断してプレスなどによって扁平にし、試験片を採取している。そのため、導入される歪みの影響により、機械特性を性格に評価できていない。このような問題に対しては、鋼管をリング状に切断し、内側から周方向に引張力を作用させる引張試験装置が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００６】
この引張試験装置によれば、鋼管の母材の引張強さを測定することが可能である。しかし、溶接部の強度、特に拡管割れ性の評価を行なうことについては記載されていない。
【特許文献１】特開昭６３−１８２５４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、母材の引張特性を測定する試験機に改良を加えて、長手方向に平行な溶接部を有する鋼管の拡管割れ性を精度良く評価する装置及び方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）環状試験体の内部に対向する部位が弧状である母材用治具及び溶接部用治具と、該母材用治具及び該溶接部用治具を相反する方向に直進させる駆動部からなり、前記溶接部用治具の頂部に溶接部対向溝を設け、該溶接部対向溝の両側に隣接して形成される溶接部用治具中央部の曲率半径Ｒｃと、該溶接部用治具中央部の外側に隣接して形成される溶接部用治具端部の曲率半径Ｒｓが、
０．３Ｒｃ≦Ｒｓ≦０．８Ｒｃ
を満足し、前記溶接部用治具中央部が、曲率半径Ｒｃの中心を基準として、前記溶接部対向溝の中心の両側にそれぞれ３０〜６０°の範囲に形成されていることを特徴とする、溶接鋼管の拡管割れ評価装置。
（２）前記曲率半径Ｒｃの中心を基準として、前記溶接部対向溝の中心の両側にそれぞれ１０°〜３０°の範囲において、該溶接部用治具中央部の表面に分離可能な溶接部対向治具を設けたことを特徴とする、上記（１）に記載の溶接鋼管の拡管割れ評価装置。
（３）上記（１）又は（２）に記載の拡管割れ評価装置に、環状試験体の溶接部を溶接部対向溝に対向させて設置し、溶接部用治具と母材用治具を相反する方向に移動させながら、前記母材用治具及び前記溶接部用治具の間に作用する荷重及び変位を測定することを特徴とする、溶接鋼管の拡管割れ評価方法。
（４）環状試験体の溶接部もしくはその近傍に歪み計測手段を設け、溶接部の歪みを測定することを特徴とする上記（３）に記載の溶接鋼管の拡管割れ評価方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、特に、ＵＯＥ方式で製造される溶接鋼管の生産性を著しく阻害する要因である拡管割れの、発生因子の定量化を、簡易的かつ安価に行なうことが可能であり、産業上の貢献が極めて顕著である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１に、通常のＵＯＥ造管プロセスに採用されている拡管機の概略図を示す。拡管を行う際には、鋼管２０の内部において周方向に分割して配置された拡管セグメント２１を、同時に放射状に広げる。
【００１１】
本発明では、かかるＵＯＥ造管プロセスにおいて行われる拡管を精度良く再現させる。本発明では、機構を簡略化するため２つのセグメント（溶接部用治具３と母材用治具５）により鋼管を拡管することとした。
【００１２】
図２は、本発明の実施の形態にかかる試験機を示す模式図であり、（Ａ）は環状試験体１の溶接部２を上から見た平面図、（Ｂ）は環状試験体１の内部に取り付けられた試験機を正面から見た正面図、（Ｃ）は溶接部用治具３と環状試験体１の部分拡大図である。図２に示したように、環状試験体１の溶接部２は、溶接部用治具３と接触しないように、溶接部用治具３の頂部に設けた溶接部対向溝４に対応する位置に設置される。環状試験体１は、ＵＯＥ造管プロセスで製造された鋼管を適当な長さに切断したものである。環状試験体１の内部において、溶接部用治具３の反対側には、母材用治具５が配置される。これら溶接部用治具３と母材用治具５は、環状試験体１の内部に対向する部位が、環状試験体１の内部形状（円形状）に沿うように弧状に形成されている。溶接部用治具３と母材用治具５は、駆動部７により、相反する方向へ移動する。即ち図２の例では、駆動部７により、溶接部用治具３は相対的に上方に押し上げられ、母材用治具５は相対的に下方に押し下げられる。駆動部７により、溶接部用治具３と母材用治具５の両方を移動させても良く、何れか一方を固定し、他方を移動させても良い。駆動部７は、例えば油圧シリンダ等の載荷装置である。
【００１３】
また、溶接部用治具３の環状試験体１の内部に対向する部位の曲率半径をすべての範囲で同一にすると、環状試験体１の溶接部２以外に応力が集中して、溶接部２で割れが発生しないことがある。したがって、溶接部２で破断させるためには、環状試験体１の溶接部２の近傍に相当する溶接部用治具３の中央部３ｃの曲率を端部３ｓの曲率よりも小さくし、溶接部２に応力を集中させることが必要である。
【００１４】
具体的には、図３に示すように、溶接部用治具３の頂部の中央を基準として、溶接部用治具３の頂部（溶接部対向溝４）の中心の両側にそれぞれ３０〜６０°の範囲にある溶接部用治具中央部３ｃの曲率半径Ｒｃと、溶接部用治具中央部３ｃの外側に隣接して形成される溶接部用治具端部３ｓの曲率半径Ｒｓが、
０．３Ｒｃ≦Ｒｓ≦０．８Ｒｃ
を満足することが必要である。なお、溶接部用治具３は一転鎖線で示した中心線Ｌに対して左右線対称の形状をなしている。そのため、図３では、溶接部用治具３の左半分部のみを示している。
【００１５】
なお、図３に示したように、溶接部用治具中央部３ｃの角度の範囲は、溶接部用治具中央部３ｃの曲率半径Ｒｃの曲率中心を基準とする中心角である。この角度が０°の位置は、一点鎖線で示したように、溶接部対向溝４を設けた溶接部用治具３の頂部である。また、溶接部用治具中央部３ｃと溶接部用治具端部３ｓの境界は破線Ｍで示している。溶接部用治具端部３ｓの曲率半径Ｒｓの曲率中心は、×で示すように、溶接部用治具中央部３ｃと溶接部用治具端部３ｓの境界（破線Ｍ）上の、Ｒｓ／Ｒｃが０．３〜０．８となる位置とする。
【００１６】
溶接部用治具５の頂部を中央として、少なくとも±３０°（両側３０°）の範囲（溶接部用治具中央部３ｃ）の溶接部用治具３の曲率半径Ｒｃを一定にするのは、製造ラインのセグメントによる拡管を精度良く再現するためである。一方、溶接部用治具５の頂部を中央として、±６０°（両側６０°）を超える範囲（溶接部用治具端部３ｓ）の溶接部用治具３の曲率半径Ｒｓが曲率半径Ｒｃと同じであると、環状試験体１の溶接部２で割れが発生しないことがある。
【００１７】
なお、前記溶接部用治具３の頂部を中央として両側３０〜６０°以内の溶接部用治具中央部３ｃの曲率半径Ｒｃと母材用治具５の曲率半径は、製品（環状試験体１）の半径と同等であることが好ましい。これにより、製造ラインの拡管機のセグメントによる拡管時の鋼管の変形状態を極めて精度良く再現することができる。
【００１８】
また、溶接部２で破断させるためには、図２（Ａ）に示すように、環状試験体１の溶接部２の近傍は幅を狭く加工することが好ましい。図２（Ａ）では、シーム溶接による溶接部２が環状試験体１の減幅加工部に設けられている。
【００１９】
また、溶接部用治具３は一体でも良いが、図４に示したように、溶接部対向溝４を含んだ溶接部対向治具３ａと、それ以外の溶接部用基盤治具３ｂに分割されていることが好ましい。溶接部対向治具３aと溶接部用基盤治具３ｂとは、図４に例示したようにボルト６で接合される。
【００２０】
溶接部用治具３において、溶接部対向溝４の近傍、具体的には、溶接部対向溝４の中心から両側１０〜３０°以内の範囲は最も負荷が高い部位であり、損傷する可能性が他の部位よりも高い。したがって、この部位を分離可能にすることにより、保守のコストを削減することができる。なお、溶接部対向溝４の中心から両側１０〜３０°以内の範囲の中心角は、図３と同様、曲率半径Ｒｃの曲率中心を基準としている。
【００２１】
また、溶接部対向治具３ａを分離可能にすることにより、拡菅割れ性に及ぼす拡管機のセグメントの摩擦係数の影響を調査することが可能になる。具体的には、溶接部用基盤治具３ｂとは摩擦係数が異なる溶接部対向治具３ａを複数用意し、環状試験体１の溶接部２の近傍に接触する溶接部対向治具３ａの摩擦係数を変化させて、拡管割れの評価を行う。なお、潤滑剤を併用すれば、摩擦係数を０．０４〜０．４まで変化させることができる。
【００２２】
駆動部７の荷重は荷重計８によって測定され、母材用治具５及び溶接部用治具３の間に生ずる変位は変位計９によって測定される。試験体１の溶接部２の近傍に歪み計測手段としての歪みゲージ１１を貼付し、歪み計１０で、周方向の歪みを測定することが好ましい。歪みゲージ１１は、溶接部対向溝４を設けたことにより、溶接部２周辺の内面側の、溶接部用治具３と環状試験体１とが接触しない部分に貼付することができる。これにより、歪みが所定の値に達した時点で駆動部７を停止することができる。なお、歪みゲージ１１は、溶接部２に貼付しても良い。
【００２３】
外径×肉厚が、それぞれ、φ９１４×１６ｔ、φ１０１６×１９ｔ、φ１２１９×２０ｔであり、引張強度が８４０〜１０４０ＭＰａの、拡管前のＵＯＥ鋼管を用いて、製造ラインの拡管機による拡管と、本発明の拡管試験機による拡管を行なった。
【００２４】
図５は、溶接部に割れが生じたときの実機での拡管率と試験機の変位とを比較したグラフである。実機において拡管割れが発生する限界拡管率と、本発明の試験機において割れが発生する限界変位に良好な相関があることを図５は示している。
【００２５】
また、図６は同一の鋼管の溶接部に割れが生じた際の溶接部周辺の周方向歪み量を、実機と試験機について比較したものである。周方向歪み量は、歪みゲージによって測定した。鋼管外面・内面ともに拡管割れ発生時の歪みはよく一致しており、本発明の試験機で実機拡管機におけるシーム溶接部周辺の変形状態を再現可能であることを示している。
【実施例１】
【００２６】
以下に実施例と比較例により本発明の実施による効果を説明する。
表１は製品寸法φ９１４×１６ｔ、φ１０１６×１９ｔ、φ１２１９×２０ｔ、鋼管強度８４０〜１０４０ＭＰａでピーキング値の異なる拡管前のＵＯＥ鋼管について、拡管機による拡管と本発明の拡管試験機による拡管、および比較例としてＡＰＩ  Ｓｐｅｃ  ５Ｌに従ったシーム溶接部を扁平後に試験片を採取する溶接継ぎ手引張試験を行ない、それぞれシーム溶接に割れが発生したときの歪みを比較した結果である。実機拡管と比較したとき、溶接継ぎ手試験は一度溶接部が扁平されるため、割れ発生時の歪みを正確に評価できないのに対し、試験機の歪みはよく実機と一致することが確認された。
【００２７】
【表１】
2008232823.tif 000003
【実施例２】
【００２８】
表２は製品寸法φ１２１９×２０ｔ、強度８７０ＭＰａおよびφ１０１６×１９ｔ、強度９３０ＭＰａの拡管前の溶接鋼管に対して、セグメント曲率半径が製品半径と異なる範囲、およびその曲率半径の値を変化させ試験を行なった結果である。比較例１、２、５、６はセグメント曲率半径が製品半径と比較し８０％以上あるいは３０％以下である。また比較例３、４、７、８はセグメント曲率半径が製品半径と異なる範囲がシーム溶接部左右両側の３０°以内あるいは６０°以上であり、いずれも実機拡管と異なり割れがシーム溶接部から発生しない。
【００２９】
【表２】
2008232823.tif 000004
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明によれば、真円度を高めるための拡管工程、油井内で拡管される油井管、内圧によるラインパイプの破壊など、鋼管の拡管時における母材及び溶接部の引張特性、特に、歪み−強度曲線を精度良く測定することができる。したがって、拡管に伴う割れの発生の原因を、簡便に特定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】拡管機の模式図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる試験機を示す模式図であり、（Ａ）は環状試験体１の溶接部２を上から見た平面図、（Ａ）は環状試験体１の内部に取り付けられた試験機を正面から見た正面図、（Ｃ）は溶接部用治具３と環状試験体１の部分拡大図である。
【図３】本発明の試験機の溶接部用治具の模式図であり、左右線対称の形状をなす溶接部用治具の左半分部のみを示している。
【図４】本発明の分離可能な溶接部対向治具の模式図である。
【図５】拡管機による拡管率と本発明の試験機の変位を示す図である。
【図６】拡管機及び本発明の試験機による拡管後の歪み分布を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１：環状試験体
２：溶接部
３：溶接部用治具
３a：溶接部対向治具
３b：溶接部用基盤治具
４：溶接部対向溝
５：母材用治具
６：ボルト
７：駆動部
８：荷重計
９：変位計
１０：歪み計
１１：歪みゲージ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2008232823.tif 000009
【図６】
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