(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯材を成形して端部を突き合わせて電縫溶接して管とする電縫管の製造方法において、前記成形の前に帯材の上下両面の何れか一面側の前記端部に切削又は研削を施してテーパ形状を付与し、前記成形中のフィンパス圧延により前記一面側と対向する前記上下両面の何れか他面側の前記端部にテーパ形状を付与することを特徴とする溶接部特性の良好な電縫管の高能率製造方法。
【請求項２】
前記帯材の一面側を上面側とすることを特徴とする請求項１記載の溶接部特性の良好な電縫管製造方法。
【請求項３】
前記テーパ形状は、帯材の上下両面の各々を始点として帯材の幅端面から帯材内側への傾斜角度が２５度以上５０度以下になる各テーパ面の、始点から終点までの帯材厚さ方向距離が、帯材厚さの２０〜４０％になる形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶接部特性の良好な電縫管製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接部特性の良好な電縫管の高能率製造方法に関わり、特に、油井のラインパイプ向けなどの、溶接部の靭性が要求される管、あるいは油井のケーシングパイプなどの、溶接部の強度が要求される管を、製品寸法の変更にフレキシブルに対応して高能率に製造し得る製造方法に関わる。
【背景技術】
【０００２】
通常、管は、溶接管と継目無管に大別される。溶接管は、電縫鋼管を例とするように、帯材の幅を丸め、丸めた幅の両端部を突き合わせて溶接して製造し、継目無管は、材料の塊を高温で穿孔し、マンドレルミル等で圧延して製造する。溶接管の場合、一般に、溶接部の特性は母材より劣るといわれ、管の適用に当たって、用途ごとに溶接部の靭性や強度の保証が常に議論されて問題となってきた。
【０００３】
例えば、原油や天然ガスなどを輸送するラインパイプでは、管の敷設地が寒冷地に当たることが多いため低温靭性が重要であり、また、原油採掘用の油井では、採掘管を保護するためのケーシングパイプが必要とされ、管の強度が重要視される。
通常、管の母材となる熱延板は、管製造後の母材特性を考慮して成分設計や熱処理等が行われて、母材の靭性や強度等の特性は確保される。
【０００４】
しかし、溶接部の特性は、母材の成分設計や熱処理等以上に、電縫溶接方法によって大きく左右されるため、溶接技術の開発が重要であった。
電縫溶接不良の原因としては、ペネトレータと呼ばれる、被溶接端面に生成する酸化物が、電縫溶接時に溶鋼とともに端面から排出されずに残留し、この残留したペネトレータを原因として靭性が低下したり強度不足になる例が多かった。
【０００５】
そこで、従来より、電縫溶接不良の主原因であるペネトレータを溶接部から除くため、被溶接端面から積極的に溶鋼を排出する技術が鋭意検討されてきた。例えば、特許文献１、２などに、被溶接端面の形状について検討した例が記載されている。すなわち、通常、被溶接端面はスリットや端面研削によってほぼ矩形を呈しているが、これをロール成形の前にテーパ加工して、加工した端部形状によって溶接時の溶鋼排出を良好にすることを目的としている。
【特許文献１】特開2001-170779号公報
【特許文献２】特開2003-164909号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来の方法は、テーパ加工手段を単独で用いて帯材の幅端面にテーパ形状を付与するか、或いは、単にテーパ加工手段を羅列して紹介したのみであったため、具体的に電縫間製造工程に適用するには種々の問題があり、更に詳細な検討が必要であった。
実際の電縫管製造工程では、種々の厚さの帯材を電縫溶接管にしているが、例えば、孔型ロールを単独で用いて帯材の幅端面を形状を整える場合には、帯材厚さ毎に異なる孔型ロールを準備して、そのロールに交換しなくてはならないため、管の製造能率は低くなって問題である。切削バイトや研削ロールの場合も、帯材厚さに応じて帯材の幅の両端部の各々の厚さ方向の一端側と他端側の切削バイト又は研削ロールの位置を、双方ともに精度よく移動させる必要があって、電縫溶接の良好なテーパ形状とするには、これら切削バイト或いは研削ロールの相互間隔を帯材厚さに応じて精確に微調整する必要が生じて、管の製造能率を著しく低下させていた。
【０００７】
そこで、本発明は、帯材厚さ変更にフレキシブルに対応して、電縫溶接直前の帯材の丸めた幅の両端部の形状を、確実に所望のテーパ形状となし、溶接品質を良好に保持しうる、溶接部特性の良好な電縫管の高能率製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、発明者らは、帯材の厚さが変わっても製造能率を低下させずに帯材の幅の両端部にテーパ形状を付与する手段を検討し、本発明をなすに至った。
すなわち、本発明は、帯材を成形して端部を突き合わせて電縫溶接して管とする電縫管の製造方法において、前記成形の前に帯材の上下両面の何れか一面側の前記端部に切削又は研削を施してテーパ形状を付与し、前記成形中のフィンパス圧延により前記一面側と対向する前記上下両面の何れか他面側の前記端部にテーパ形状を付与することを特徴とする溶接部特性の良好な電縫管の高能率製造方法である。
【０００９】
本発明では、前記帯材の一面側を上面側とすることが好ましく、又、前記テーパ形状は、帯材の上下両面の各々を始点として帯材の幅端面から帯材内側への傾斜角度が２５度以上５０度以下になる各テーパ面の、始点から終点までの帯材厚さ方向距離が、帯材厚さの２０〜４０％になる形状であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、帯材厚さ変更にフレキシブルに対応して、電縫溶接直前の帯材の丸めた幅の両端部の形状を、確実に所望のテーパ形状となし、溶接品質を良好に保持しうるので、著しく良好な溶接部靭性及び溶接強度を有する電縫管を高能率で製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明において、帯材の成形とは、帯材の幅を段階的に丸めていって帯材の断面を円形状にするものであり、該成形の過程は、帯材の幅方向両側の端部近傍の曲げ加工を行うロール成形初期段階と、帯材を最終的に円形状の断面に仕上げるフィンパス圧延段階とを有する。
本発明では、帯材の上下両面の何れか一面側の端部にテーパ形状を付与する手段と、前記一面側と対向する前記上下両面の何れか他面側の端部にテーパ形状を付与する手段とを、相異なる種類のものとし、複数の手段で端部にテーパ形状を付与することとした。これにより、一面側の端部にテーパ形状を付与した後に、他面側の端部にテーパ形状を付与するようにすれば、帯材厚さが種々異なっても、テーパ形状を付与する装置の上下方向位置を調整するだけで、製造能率を低下させることなく、帯材の上下両面側の端部にテーパ形状を付与することができるわけである。
【００１２】
そこで、ロール成形入側では、帯材はほぼ平坦であるため、研削や切削によってテーパ形状を付与するとよい。これらテーパ形状の付与手段は、装置が比較的大きいために比較的広い設置スペースが必要であり、ロール成形途中やロール成形後では帯材の丸めつつある幅や丸めた幅の両端部の相互間隔が狭まるため設置し難い。又、切削用や研削用の装置は、装置単独で帯材端部を上下に拘束することが難しいため、帯材が通過する位置精度を保持する装置と併せて、装置の設置位置精度が要求される。従って、その装置の架台は剛性を高くする必要があって、設置スペースがより広く必要とされるわけである。そこで、切削又は研削手段はロール成形前がよい。
【００１３】
ここで、帯材の端部を上下両面側とも切削又は研削すると、ロール成形途中のフィンパス圧延において帯材をフィンパスロールに充満させるため、帯材の端部が強圧されて事前に付与したテーパ形状が潰れて所望の形状を得られない場合がある。従って、フィンパス圧延における帯材の端部の潰れを考慮して、予め所望のテーパ形状よりも大きなテーパ形状を付与しておくのがよいが、帯材の端部の上下両面側ともにテーパを付与すると帯材厚さの制限から大きなテーパ形状を得るのが難しいため、上下両面の何れか一方の面側のみを切削又は研削するのがよいわけである。
【００１４】
次に、テーパ形状を未だ付与していない、端部の他面側部分については、フィンパス圧延を活用してテーパ形状を付与することとした。上述の理由で上下両面の何れか一方の面側のみテーパ形状を付与したため、上下両面側ともテーパ形状を付与するには、ロール成形途中又はロール成形後に他方の面側にテーパ形状を付与するとよい。そこで、発明者らは、上述のフィンパス圧延で帯材端部が潰れやすいことに着目し、これを活用することとした。即ち、フィンパス圧延ロールのフィンにテーパを２段に設けて、フィンパス圧延の絞り量（アプセット）に応じて、フィンのテーパの角度と帯材端部当接位置を最適化すれば、未だテーパ形状を付与していない、端部の他面側部分にもテーパ形状を付与することができる。このテーパ加工は、フィンパス圧延そのもので行うものであるから、ロール成形により幅を丸められて間隔を狭められた両端部が互いに非常に近接していても、十分加工可能である。
【００１５】
かくして、帯材の厚さが種々異なっても、溶接直前の帯材の丸めた幅の両端部には、帯材の厚さにフレキシブルに対応して、所望どおりのテーパ形状が付与される。
尚、切削や研削によるテーパ形状付与は、比較的大きい装置がロール成形入側の帯材搬送用テーブルと干渉しないように、帯材幅端部の上面側部分に対して行うとよい。この場合、帯材幅端部の下面側部分がフィンパス圧延によるテーパ形状付与対象部分となるが、帯材は通常、幅方向両端部が上側になるように丸められ、帯材の幅端部の下面側が管外面側となり、同側にフィンパス圧延ロールが設置されるので、フィンパス圧延ロールのフィン形状の変更により同側にテーパ形状を付与するのが容易である。
【００１６】
又、テーパ形状について最適化を図った結果、帯材の上下両面の各々を始点として帯材の幅端面（幅方向とほぼ直角（９０度±５度）をなす端面）から帯材内側への傾斜角度（テーパ角θという）が２５度以上５０度以下になる各テーパ面の、始点から終点までの帯材厚さ方向距離（テーパ距離Tという）が、帯材厚さの２０〜４０％になる形状とすると良いことを把握した。
【００１７】
即ち、テーパ角θが、２５度未満であると、帯材厚さ中央部からの溶鋼排出が不十分となってペネトレータが残留して不良となり、電縫溶接後の靭性や強度が低下し、一方、５０度超であると電縫溶接後にもそのテーパ形状が製品の管の疵として残留し問題である。又、テーパ距離Tが、帯材厚さの２０％未満であると帯材厚さ中央部からの溶鋼排出が不十分となってペネトレータが残留しやすくなり、一方、帯材厚さの５０％超であると電縫溶接後にもそのテーパ形状が製品の管の疵として残留し問題である。
【実施例】
【００１８】
以下、実施例に基づいて説明する。
（本発明例１）  本発明例１では、図１に示す造管機を用いた。この造管機は、図１（ａ）に示すように、帯材２０を、アンコイラー１から払い出し、レベラー２で平坦に矯正し、ロール成形機５で帯材の幅を徐々に丸めていき、丸めた幅の両端部を、電縫溶接機（誘導加熱部７及びスクイズロール（電縫溶接部）８からなる）で電縫溶接して管３０となし、管３０の溶接ビード部をビード部切削機９で切削し、該切削後の管３０を、サイザー１０にて外形調整した後、管切断機１１で所定の長さに切断するという基本構成を有する。ロール成形機５は前段側にブレークダウン第１スタンド３、最終段にフィンパス圧延スタンド６を有する。
【００１９】
更に、上記基本構成に加え、ロール成形機５の入側で且つレベラー２の出側に、切削又は研削手段４として、切削刃をロール状にしたものを、図１（ｂ）に示すように、ロール状の切削刃が帯材２０の幅方向両端部の帯材上面側部分を切削して同部分に所定のテーパ角θ及び所定のテーパ距離Tのテーパ形状を付与可能に配設し、且つ、フィンパス圧延第１スタンド６Ａのフィンパス圧延ロールを、図１（ｃ）に示すように、フィンにテーパを２段に設けたものとし、帯材２０の丸められつつある幅の両端部の帯材下面側部分を圧延して同部分に所定のテーパ角θ及び所定のテーパ距離Tのテーパ形状を付与可能としている。
【００２０】
図１の造管機を用い、幅1920mm×厚さ19.1mmの鋼帯（帯材A）から外径600mmの鋼管（管）を製造し、続いて幅1920mm×厚さ11.3mmの鋼帯（帯材B）から外径600mmの鋼管（管）を製造した。造管中、切削又は研削手段４により帯材幅端部上面側に、フィンパス圧延第１スタンド６Ａのフィンパス圧延ロールにより帯材幅端部上面側に、夫々テーパ形状を付与した。テーパ形状は、帯材Aでは、上下両面側共、テーパ角θ＝30度、テーパ距離T＝5mm（帯材厚さの26％）とし、帯材Bでは、上下両面側共、テーパ角θ＝30度、テーパ距離T＝2.5mm（帯材厚さの22％）とした。尚、帯材A（厚さ19.1mm）から帯材B（厚さ11.3mm）への切替わり時、切削又は研削手段４の位置を下方に5.3mm移動させて切削位置を微調整した。
【００２１】
製造した鋼管の溶接部から試験片を切り出してシャルピー試験を行い、性能を評価した。シャルピー試験片は、管長手方向位置の相異する１０点から１本ずつ、試験片長さ方向を管円周方向に平行とし、ノッチ長さ中心を溶接部肉厚中心位置として採取し、JIS  ５号の2mmVノッチ衝撃試験片として、-46℃での衝撃試験を行い、吸収エネルギー及び脆性破面率を測定した。なお、吸収エネルギーは125J以上、脆性破面率は35％以下を性能許容範囲とした。
【００２２】
（本発明例２） 本発明例２では、本発明例１においてテーパ角θを40度に変更し、これ以外は本発明例１と同様にして、鋼管を製造し、シャルピー試験を行って性能を評価した。
（比較例） 比較例では、図２に示す造管機を用いた。この造管機は、同図に示すように、図１と同じ基本構成を有する。更に、この基本構成に加え、ロール成形機５の入側で且つレベラー２の出側に、孔型圧延ロール１２を配設し、帯材２０の幅方向両端部を圧延して同両端部の帯材上下両面側に同時に所定のテーパ角θ及び所定のテーパ距離Tのテーパ形状を付与可能としている。尚、フィンパス圧延ロールスタンド６のフィンパス圧延ロールは、図１の場合とは異なり、通常の場合と同様、何れのロールにも、フィンに２段のテーパは設けていない。
【００２３】
図２の造管機を用い、幅1920mm×厚さ19.1mmの鋼帯（帯材A）から外径600mmの鋼管（管）を製造し、続いて幅1920mm×厚さ11.3mmの鋼帯（帯材B）から外径600mmの鋼管（管）を製造した。造管中、孔型圧延ロール１２により帯材幅端部の上下両面側を圧延して同部にテーパ形状を付与した。テーパ形状は本発明例１と同じとした。尚、帯材A（厚さ19.1mm）から帯材B（厚さ11.3mm）への切替わり時、造管機の運転を一旦停止して、テーパ付与用孔型ロール１２を、厚さ19.1mm用のものから厚さ11.3mm用のものへ交換した。
【００２４】
製造した鋼管について、本発明例１と同様にシャルピー試験を行って性能を評価した。
（従来例）  比較例において、図２の造管機からテーパ付与用孔型ロール１２を除去したものを用い、造管中、帯材２０は、幅方向両端部にテーパ形状を付与せず、断面矩形状のままとし、これ以外は比較例と同様にして、鋼管を製造し、シャルピー試験を行って性能を評価した。
【００２５】
これらの例により製造した鋼管の溶接部におけるシャルピー衝撃値と脆性破面率を測定した結果を表１に示す。又、これらの例における製造能率を表１に併せて示した。この製造能率は、製造時間の逆数を、従来例の値（１に正規化）に対する相対比で示した。
【００２６】
【表１】
0004816015.tif 000002
【００２７】
表１より、従来例による製品鋼管は、溶接部の衝撃強度が低く脆性破面率が大きくて、靭性が低下しており、製品の信頼性に乏しい。比較例による製品鋼管は、従来例に比べ溶接部の衝撃強度が高く脆性破面率が小さくて、靭性が良好であり、製品の信頼性が高いが、製造能率が低下している。これらに対し、本発明例による鋼管は、溶接部の靭性が比較例と同等以上であり、然も製造能率が従来例と同等程度に高いことが明らかである。
【００２８】
尚、上述の実施例では、帯材の上面側と下面側とが厚さ中心面に関して対称形になるテーパ形状を付与したが、これに限らず、帯材の上面側と下面側とが厚さ中心面に関して非対称形になるテーパ形状を付与してもよい。又、上下が図１とは逆になる（即ち帯材上面側が管外面側になる）造管機を用いる場合は、成形前の切削は研削によるテーパ形状付与を、帯材幅端部の帯材下面側部分に対して行い、フィンパス圧延によるテーパ形状付与を帯材幅端部の帯材上面側部分に対して行うとよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】（ａ）は本発明例１に用いた造管機を示す設備配置図、（ｂ）は（ａ）のA-A矢視図、（ｃ）は（ａ）のB-B矢視図である。
【図２】比較例に用いた造管機を示す設備配置図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  アンコイラー
２  レベラー
３  ブレークダウン第１スタンド
４  切削又は研削（切削又は研削手段）
５  ロール成形機
６  フィンパス圧延（フィンパス圧延スタンド）
６Ａ  フィンパス圧延第１スタンド
７  誘導加熱部
８  スクイズロール（電縫溶接部）
９  ビード部切削機
１０  サイザー
１１  管切断機
１２  孔型圧延ロール
２０  鋼帯（帯材）
３０  鋼管（管）
【図１】
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【図２】
0004816015.tif 000004