(57)【要約】【課題】高強度ＵＯＥ鋼管のシーム溶接部およびＨＡＺの強度を安定化させ、汎用ＵＯＥ鋼管の内圧疲労強度を向上させた、シーム溶接強度特性および内圧疲労特性に優れたＵＯＥ鋼管の製造方法を提供する。【解決手段】鋼板を順にＣ成形、Ｕ成形、Ｏ成形し、鋼板の端部同士をシーム溶接後、拡管するＵＯＥ鋼管の製造方法において、拡管後の少なくともシーム溶接止端部に超音波振動によるピーニング処理を施す。【選択図】      図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板を順にＣ成形、Ｕ成形、Ｏ成形し、鋼板の端部同士をシーム溶接後、拡管するＵＯＥ鋼管の製造方法において、拡管後の少なくともシーム溶接止端部に超音波振動によるピーニング処理を施すことを特徴とするシーム溶接強度特性および内圧疲労特性に優れたＵＯＥ鋼管の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼板を順にＣ成形、Ｕ成形、Ｏ成形し、鋼板の端部同士をシーム溶接後、拡管する、図１に示したＵＯＥ鋼管の製造方法において、シーム溶接強度特性および内圧疲労特性を改善した、ラインパイプ等に好適なＵＯＥ鋼管の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、原油・天然ガスの長距離輸送方法としてラインパイプの重要性がますます高まっており、特に高圧化による輸送効率の向上やラインパイプの外径・重量の低減による現地施工能率の向上のため、今ではＡＰＩ規格でＸ１００（引張強さ７６０ＭＰａ以上）を超える高強度のラインパイプに対するニーズが強くなってきた。
【０００３】
ラインパイプの高強度化に伴い、従来の引張強さ７００ＭＰａ程度の中低強度材の潜弧溶接などの溶接では、ほとんど問題にされなかった溶接熱影響部（以下ＨＡＺ）の軟化が、引張強さ７６０ＭＰａを超える高強度材では大きくなるという新たな課題が生じるようになった。
【０００４】
一方、汎用のＵＯＥ鋼管を幹線のラインパイプに使用する場合、内圧の脈動が小さく、シーム溶接部からの疲労破壊が問題になることはなかった。しかし、昇圧、降圧が繰り返される環境下や内圧脈動が頻繁に経験される環境下では、疲労強度が要求され、またシーム溶接部の疲労強度は管体の疲労強度に比べてはるかに小さいため、シーム溶接部の疲労強度をこれまで以上に改善することが望まれていた。
【０００５】
このような問題に対し、鋼管溶接時のＨＡＺに圧縮残留応力を付与して強度を上昇させる方法が、特許文献１に開示されている。しかし、この方法をＵＯＥ鋼管製造法におけるシーム溶接部に適用しても顕著な効果は得られなかった。また、残留応力をショットブラストで付与する場合、鋼球の処理上、オフラインでの作業が前提となり、オンラインの設備化は困難であった。
【０００６】
また、溶接直後のシーム溶接部に沿って超音波振動による応力を与え、疲労強度を向上させる方法が、特許文献２に開示されている。しかし、この方法は、溶接直後の高温のシーム溶接部に超音波振動による打撃を与えるものであり、シーム溶接部およびＨＡＺが高温のため降伏強度が低く、応力によって容易に塑性変形するため、応力は緩和され、圧縮残留応力は導入され難い。また、圧縮残留応力が導入されたとしても、その後の室温までの冷却過程で熱収縮によってキャンセルされるため、溶接止端部への圧縮残留応力導入による疲労強度向上効果は十分に得られない。さらに、超音波振動子で打撃する範囲などの溶接止端部の圧縮残留応力導入のための具体的な条件の開示がないため、この方法を用いても安定して所定レベル以上の疲労強度を向上することは難しい。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭５４−４７８３９号公報
【特許文献２】
米国特許第６，１７１，４１５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、成形条件、シーム溶接部の形状、母材の成分を工夫することなく、高強度ＵＯＥ鋼管のシーム溶接部およびＨＡＺの強度を安定化させ、汎用ＵＯＥ鋼管の内圧疲労強度を向上させた、シーム溶接強度特性および内圧疲労特性に優れたＵＯＥ鋼管の製造方法を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために、特に高強度のＵＯＥ鋼管のシーム溶接部およびＨＡＺの引張試験およびシャルピー衝撃試験を行い、汎用ＵＯＥ鋼管の疲労試験を行い、溶接止端部への溶接後処理の効果について検討し、シーム溶接部およびＨＡＺの引張強度、靭性および疲労特性を改善する製造方法を発明した。本発明の要旨とするところは、以下の通りである。
（１）  鋼板を順にＣ成形、Ｕ成形、Ｏ成形し、鋼板の端部同士をシーム溶接後、拡管するＵＯＥ鋼管の製造方法において、拡管後の少なくともシーム溶接止端部に超音波振動によるピーニング処理を施すことを特徴とするシーム溶接強度特性および内圧疲労特性に優れたＵＯＥ鋼管の製造方法。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明者は、まず引張強度が６００〜１０５０ＭＰａのＵＯＥ鋼管を図１に示したように、鋼板をＣ成形、Ｕ成形、Ｏ成形し、鋼板の端部同士をシーム溶接後、拡管するＵＯＥ方式により製造した。外径および肉厚は、それぞれ６０９〜９０４ｍｍおよび１６〜３８ｍｍであった。これらのＵＯＥ鋼管を偏平後、シーム溶接部を中央に配したＪＩＳ  Ｚ  ２２０１の１４Ｂ号引張試験片を採取し、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４１に準拠して引張試験を行った。
【００１１】
その結果を図２に示すが、これは破断箇所が継手であるか、管体であるかという破断形態と引張強度の関係を示したものであり、管体破断（管体の母材からの破断）が好ましい破断形態である。引張強度が７８０ＭＰａ以下では管体破断であるが、７８０ＭＰａ超から９５０ＭＰａ未満では、継手破断と管体破断の両方の破断形態が見られ、９５０ＭＰａ以上ではすべての試験片が継手破断であり、溶接部から破断することがわかった。
【００１２】
さらに継手破断した試験片の破断後の破面の詳細解析を、目視および走査型電子顕微鏡によって行ったところ、破断起点は内面の溶接止端部であることがわかった。このことから、高強度材では破断の原因がシーム溶接止端部の軟化であり、この部分の強化により母材から破断させることが可能であるとの結論に至った。
【００１３】
シーム溶接止端部の強度を向上させる方法として、図３および図４に模式的に示したように、拡管後のシーム溶接部にショットブラストによる加工歪みの導入あるいはＴＩＧ溶接による補強を施す方法が挙げられる。
【００１４】
すなわち、図３、図４は上記の処理を行なった後の断面の状況を模式的に示したものであるが、図３において、母材（鋼板）１は外面溶接金属２と内面溶接金属３によりシーム溶接されており、拡管後のシーム溶接部の両溶接金属２，３および溶接止端部５、ＨＡＺ４を覆う範囲にショットブラストが施され、ショットブラスト部６が形成されている。これにより、シーム溶接部に加工歪みを導入するものである。
【００１５】
また、図４においては、図３と同様に、母材（鋼板）１は外面溶接金属２と内面溶接金属３によりシーム溶接されており、拡管後のシーム溶接部の溶接止端部５、ＨＡＺ４を覆う範囲にＴＩＧ溶接部７が形成されている。これにより、シーム溶接部を補強するものである。
【００１６】
引張強度、外径および肉厚が、それぞれ６００〜１０５０ＭＰａ、６０９〜９０４ｍｍおよび１６〜３８ｍｍのＵＯＥ鋼管のシーム溶接部にショットブラストあるいはＴＩＧ溶接補強を施した。ショットブラストあるいはＴＩＧ溶接補強は止端部を含み、ＨＡＺを十分に覆う範囲に施した。ショットブラストでは加工深さが表面から０．０５〜０．１５ｍｍになるように加工した。加工深さの測定は、ミクロ写真による表面近傍の塑性変形の観察と、ビッカース硬さの測定によって行った。ＴＩＧ溶接は入熱０．２〜１．０ｋＪ／ｍｍ、速度１０ｃｍ／ｍｉｎで行った。
【００１７】
これらのＵＯＥ鋼管を偏平後、シーム溶接部を中央に配したＪＩＳ  Ｚ  ２２０１の１４Ｂ号引張試験片を採取し、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４１に準拠して引張試験を行った。拡管後のシーム溶接部にショットブラストによる加工歪みを導入した鋼管の試験結果を図５に、ＴＩＧ溶接による補強を施した鋼管の試験結果を図６に示す。
【００１８】
図５より、ショトブラストによって拡管後のシーム溶接部に加工歪みを導入した場合には、継手破断を起こす境界は９７０ＭＰａになり、図２の結果と比較して大幅に改善されたものの、それ以上の強度を有する鋼管に対しては依然、継手破断が起こった。また、図６に示すようにＴＩＧ溶接補強をした場合は、１０５０ＭＰａの高強度材でも継手破断は生じず、ショットブラストよりも効果が顕著であった。
【００１９】
以上のようにショットブラストおよびＴＩＧ溶接補強によるシーム溶接部の強化により、高強度材の継手破断の防止に効果が見られる。しかし、ショットブラストでは効果が不十分であり、また鋼球の処理上、オンラインの設備化は困難である。また、ＴＩＧ溶接補強は効果的であるものの、溶接設備を新たに増設する必要があり、生産効率が悪いため、安価に製造できるものではない。
【００２０】
そこでショットブラストよりもオンラインによる設備化が容易で、尚かつ、加工深さが深く、組織改善も期待できる超音波振動によるピーニング処理に着目した。超音波振動によるピーニング処理を、拡管後の鋼管の止端部を含む熱影響部を覆うように行った後の断面の状況を示す模式図を図７に示す。
【００２１】
すなわち、図７において、母材（鋼板）１は外面溶接金属２と内面溶接金属３によりシーム溶接されており、拡管後のシーム溶接部の溶接止端部５を含むＨＡＺ４を覆うように超音波振動によるピーニング処理部８が形成されている。
【００２２】
超音波振動によるピーニング処理によって止端部を含めたＨＡＺに塑性変形を加える場合、加工深さが数ミリに及ぶ。したがって、軟化したＨＡＺを硬化させる効果は、ショットブラストと比較して、超音波振動によるピーニング処理の方が優れ、結果としてより良好な管体破断形態が得られる。
【００２３】
なお、本発明に使用する超音波振動の超音波発生装置は特に問わないが、５００ｗ〜１ｋｗの電源を用いて、発振機により超音波を発振後、トランスデューサーによりその周波数を２０〜６０ｋＨｚに変換し、さらに、ウェーブガイドにてその振幅を増幅させて、直径２ｍｍ〜６ｍｍφのピンからなる超音波振動端子を２０〜４０μｍの振幅で機械的に振動させることによって、打撃部の表面において、平滑性を維持しつつ打撃前の表面に対して深さ数百μｍ程度の圧痕を形成することができる。
【００２４】
ここで圧痕は超音波処理を施した部分の、超音波処理前の表面から深さ数百μｍ程度の形状的変化であり、断面のマクロ写真、あるいは触針計で測定することができる。また、前述の加工深さとは超音波振動により塑性加工が及んだ深さであり、表面から数ミリ程度の加工組織を有する部分であり、断面のミクロ写真による測定が可能である。また、母材に対する加工組織の硬さ変化として、例えばＪＩＳ  Ｚ  ２２４４に準拠したビッカース硬さ試験により測定することができる。
【００２５】
【実施例】
（実施例１）
継手引張強度が６２０〜１０５０ＭＰａで外径、及び肉厚が６０９〜９０４ｍｍ、及び１６〜３８ｍｍ、管体強度が５９０〜１０３０ＭＰａのＵＯＥ鋼管を製造した。シーム溶接は、サブマージアーク溶接によって行った。拡管後、シーム溶接部内外面の止端部を含むＨＡＺに工具の振幅４０μｍ、振動数３０ｋＨｚで超音波振動によるピーニング処理を施した。圧痕の深さはサンプル断面のマクロ写真より計測し、０．０５〜０．１ｍｍであった。
【００２６】
これらのＵＯＥ鋼管を偏平後、シーム溶接部を中央に配したＪＩＳ  Ｚ  ２２０１の１４Ｂ号引張試験片を採取し、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４１に準拠して引張試験を行った。結果を図８に示すが、超音波振動によるピーニング処理をシーム溶接部の止端部を含むＨＡＺに施すと、最大１０５０ＭＰａの継手強度に対しても母材から破断した。
【００２７】
溶接継手引張試験で母材から破断するということは実管によるバースト試験においても管体から破断することを意味する。したがって、ラインパイプなどに使用する際に最も好ましい破断形態である。
【００２８】
（実施例２）
引張強度が６００ＭＰａで外径、肉厚がそれぞれ、６６０ｍｍ、２５ｍｍのＵＯＥ鋼管を製造した。シーム溶接は、サブマージアーク溶接によって行った。拡管後、シーム溶接部内外面の止端部を含むＨＡＺに工具の振幅４０μｍ、振動数３０ｋＨｚで超音波振動によるピーニング処理を施した。圧痕の深さはサンプル断面のマクロ写真より計測し、０．０５〜０．１ｍｍであった。また、比較のため、一部の鋼管には、拡管後、シーム溶接部内外面の止端部を含むＨＡＺにショットブラストを施した。ショットブラストの条件は表面粗さがＲｍａｘで０．１ｍｍ、加工深さで０．１５ｍｍになるように調整した。Ｒｍａｘは触針計で測定し、加工深さは、断面のミクロ組織を３〜５視野観察し、加工組織の深さとして測定した。
【００２９】
これらの鋼管、すなわち拡管後、シーム溶接部内外面の止端部を含むＨＡＺに超音波振動によるピーニング処理またはショットブラストを施した鋼管と、拡管ままの鋼管を実管内圧疲労試験に供した。内圧疲労試験は圧力媒体に油を使用し、軸力が発生しないように１０秒／サイクルで、所定の応力比となるように内圧を上下させて行った。内圧疲労特性は、応力比を変化させた際のバーストが生じるまでのサイクル数として評価した。結果を図９に示す。
【００３０】
図９において、超音波振動によるピーニング処理を施した試験材の結果を「超音波ピーニング」として示した。シーム溶接部内外面の止端部を含むＨＡＺに超音波振動によるピーニング処理を施した鋼管の内圧疲労特性は、拡管ままの鋼管および拡管後にショットブラストを施した鋼管よりも大幅に向上した。
【００３１】
このように、シーム溶接部内外面の止端部を含むＨＡＺにショットブラストを施した鋼管を比較材として内圧疲労試験に供したが、内圧疲労特性は超音波振動によるピーニング処理を施した鋼管の方が優れており、本発明の効果が実証された。
【００３２】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、ＵＯＥ方式で拡管後のシーム溶接部に超音波振動によるピーニング処理を施すことにより、シーム溶接強度特性および内圧疲労特性に優れたＵＯＥ鋼管を提供することができるため、産業上の貢献が極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＵＯＥ方式による鋼管製造プロセスを示す模式図。
【図２】拡管まま継手の破断形態の破断強度による比較を示す図。
【図３】シーム溶接部にショットブラスト処理を行なった後の断面の状況を示す模式図。
【図４】シーム溶接部にＴＩＧ溶接補強を施した後の断面の状況を示す模式図。
【図５】ショットブラスト処理を行なった溶接継手の破断形態の破断強度による比較を示す図。
【図６】ＴＩＧ溶接補強を施した溶接継手の破断形態の破断強度による比較を示す図。
【図７】シーム溶接部への本発明の超音波振動によるピーニング処理後の断面の状況を示す模式図。
【図８】本発明の超音波振動によるピーニング処理を施したＵＯＥ鋼管の破断形態の破断強度による比較を示す図。
【図９】ＵＯＥ鋼管の内圧疲労試験強度に対する本発明の超音波振動によるピーニング処理と他の処理との効果の比較を示す図。
【符号の説明】
１…母材
２…外面溶接金属
３…内面溶接金属
４…ＨＡＺ
５…溶接止端部
６…ショットブラスト部
７…ＴＩＧ溶接部
８…超音波振動によるピーニング処理部
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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