(57)【要約】      （修正有）【課題】べベル加工された管端部の全周に亘る形状を正確に測定する管端部の形状測定装置及び形状計測方法を提供する。【解決手段】管２６の端部形状を計測する管端部２６ａの形状測定装置２０である。管端部２６ａの形状を測定される管２６を載置するターニングローラー２１と、管２６をターニングローラー２１上で管周方向へ回転させる回転駆動装置２２と、管端部２６ａに管軸方向へ線状にレーザー光を照射して反射光を捉える２次元レーザー式距離計２３と、反射光から管２６の端面形状のプロフィールを算出する演算機２４とを備える。【選択図】図１
2017044652.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管の端部形状を計測する管端部の形状測定装置であって、
前記管端部の形状を測定される管を載置するターニングローラーと、
前記管を前記ターニングローラー上で管周方向へ回転させる回転駆動装置と、
前記管端部に管軸方向へ線状にレーザー光を照射して反射光を捉える２次元レーザー式距離計と、
反射光から前記管の端面形状のプロフィールを算出する演算機と
を備えることを特徴とする管端部の形状測定装置。
【請求項２】
前記２次元レーザー式距離計を２台有することを特徴とする請求項１に記載の管端部の形状測定装置。
【請求項３】
前記演算機は、前記端面形状のプロフィールから前記管のルートフェイス寸法及びべベル角度を算出する請求項１又は請求項２に記載の管端部の形状測定装置。
【請求項４】
管の端部形状を計測する管端部の形状測定方法であって、
管端部の形状を測定する鋼管をターニングローラーに載置し、
回転駆動装置により管をターニングローラー上で管周方向に回転させるとともに、
２次元レーザー式距離計により管端部に管軸方向へ線状にレーザー光を照射して反射光を捉え、
演算機により前記反射光から前記管の端面形状のプロフィールを算出すること
を特徴とする管端部の形状測定方法。
【請求項５】
２台の前記２次元レーザー式距離計により同じ管端部を測定することを特徴とする請求項４に記載の管端部の形状測定方法。
【請求項６】
前記演算機により前記端面形状のプロフィールから前記管のルートフェイス寸法及びベベル角度を算出する請求項４又は請求項５に記載の管端部の形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管端部の形状を測定するための装置及び方法に関し、特にべベル加工された管端部の形状測定装置及び形状計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原油や液化天然ガスを輸送するパイプラインは、通常、製管されたパイプ（鋼管）を現地で管端を周溶接して接続し敷設される。このため、鋼管は工場で製管された後に精整工程において管端部にべベル加工が施される。
【０００３】
図４は、べベル加工の端面加工機１を示す説明図であり、図４（ａ）は端面加工機１の加工部２を模式的に示す部分断面図、図４（ｂ）は端面加工機１の全体を示す説明図である。
【０００４】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、鋼管３をクランプ４により保持し、鋼管３と同一軸上で回転する面盤５のホルダ６，７にそれぞれ支持された外開先用バイト８，直面用バイト９により、鋼管３の管端部を切削して端面部を形成する。
【０００５】
ここで、べベル加工とは、鋼管３の端面部に溶接するためのＶ型開先を設けるために端面部の一部を斜めに加工することであり、その加工寸法はＡＰＩ、ＪＩＳ規格などで規定されており、場合によっては客先との取引の際に指定される。
【０００６】
図５は、べベル加工された鋼管３の管端の端面部の形状の一例を示す説明図である。
図５に示すように、べベル加工された鋼管３のルートフェイス寸法（管端面厚さ方向の直面部の長さ）ＲＦやべベル角度（管端面斜め加工部の管周方向から見たときの角度）θに誤差があると、現地周溶接時の溶接能率の低下、溶接部の強度低下、さらには溶接欠陥の発生などの原因となる。このため、現地における周溶接能率や溶接品質を確保するためには、べベル角度θ及びルートフェイス寸法ＲＦを管理する必要があり、品質上の重要な管理項目となっている。
【０００７】
図６は、従来の管端形状測定器具を示す説明図であり、図６（ａ）はルートフェイス測定器具１０を示し、図６（ｂ）はべベル角度測定器具１１を示す。
【０００８】
鋼管３の管端形状（寸法）の計測作業は、従来、オペレーターが、図６（ａ）に示すルートフェイス測定器具１０の直尺１０ａや、図６（ｂ）に示すべベル角度測定器具１１のゲージ１１ａを使用して手作業で行っていた。このため、オペレーターの技量差により計測精度が異なり、計測誤差の原因となっていた。また、手作業での計測作業は鋼管３一品毎に必要となるため作業処理能力が低く、鋼管３の生産性を著しく阻害する要因になっていた。
【０００９】
そこで、これらの問題を解決するために従来から管の管端部の形状測定装置が多数提案されている。
【００１０】
特許文献１により開示された管の管端部の開先形状測定装置は、管端部に管軸方向からレーザーを照射して距離を測定する複数のレーザー式距離計を配置して、管端部の形状を測定するものである。
【００１１】
特許文献２により開示された管の管端部の開先形状測定装置は、管をローラーで回転させながら管端部に管側面方向から光を照射し透過光から得られる静止画像を画像処理することにより、管の管端部の形状を測定するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平６−１８５９２４号公報
【特許文献２】特開平６−１６７３１０号公報（特許第２６００５６７号明細書）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、特許文献１により開示された管の管端部の開先形状測定装置では、周方向に複数のレーザー式距離計を用いており、使用に際しては複数のレーザー式距離計全てについてキャリブレーション（校正）を行わなければならず、しかも他のレーザー距離計との関係も考慮の上、キャリブレーションを行う必要があるため、校正にかなり時間がかかっていた。さらに、周方向のレーザー式距離計間の形状計測は実際には行わず、計測したデータからの推測形状を推測しているに過ぎない。
【００１４】
一方、特許文献２により開示された管の管端部の開先形状測定装置では、管をローラーで回転させながら管端部の全体形状を一つの計測系により測定するため、特許文献１により開示された発明のような問題は生じない。しかしながら、特許文献２により開示された発明ではローラーと撮像装置とを同期させることで、管の周方向にある周期で静止映像を得て、画像処理して管端形状を求めるため、画像処理に時間がかかり、管全周において計測することはできない。また、管を挟んで反対側から光を照射し透過光を画像として捉えるため、外乱光の影響を受け易いという問題もある。
【００１５】
本発明は、従来の技術が有するこれらの課題に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、容易に全周に亘る管端部の形状を正確に測定することのできる管端部の形状を測定するための装置及び方法、具体的には、べベル加工された管端部の形状測定装置及び形状計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は以下に列記の通りである。
（１）第１発明
管の端部形状を計測する管端部の形状測定装置であって、
前記管端部の形状を測定される管を載置するターニングローラーと、
前記管を前記ターニングローラー上で管周方向へ回転させる回転駆動装置と、
前記管端部に管軸方向へ線状にレーザー光を照射して反射光を捉える２次元レーザー式距離計と、
反射光から前記管の端面形状のプロフィールを算出する演算機と
を備えることを特徴とする管端部の形状測定装置。
【００１７】
（２）第２発明
前記２次元レーザー式距離計を２台有することを特徴とする第１発明に記載の管端部の形状測定装置。
【００１８】
（３）第３発明
前記演算機は、前記端面形状のプロフィールから前記管のルートフェイス寸法及びべベル角度を算出する第１発明又は第２発明に記載の管端部の形状測定装置。
具体的には、前記演算機は、前記端面のプロフィールより変曲点を求め、該変曲点間の距離から前記管のルートフェイス寸法を算出するとともに、前記変曲点を結ぶ直線から前記管のべベル角度を算出する。
【００１９】
（４）第４発明
管の端部形状を計測する管端部の形状測定方法であって、
管端部の形状を測定する鋼管をターニングローラーに載置し、
回転駆動装置により管をターニングローラー上で管周方向に回転させるとともに、
２次元レーザー式距離計により管端部に管軸方向へ線状にレーザー光を照射して反射光を捉え、
演算機により前記反射光から前記管の端面形状のプロフィールを算出すること
を特徴とする管端部の形状測定方法。
【００２０】
（５）第５発明
２台の前記２次元レーザー式距離計により同じ管端部を測定することを特徴とする第４発明に記載の管端部の形状測定方法。
【００２１】
（６）第６発明
前記演算機により前記端面形状のプロフィールから前記管のルートフェイス寸法及びべベル角度を算出する第４発明又は第５発明に記載の管端部の形状測定方法。
具体的には、前記演算機は、前記端面のプロフィールより変曲点を求め、該変曲点間の距離から前記管のルートフェイス寸法を算出するとともに、前記変曲点を結ぶ直線から前記管のべベル角度を算出する。
【発明の効果】
【００２２】
第１発明及び第４発明によれば、単一のレーザー式距離計により鋼管全周のプロフィールを算出することができ、管端面に鋭利なキズやへこみ等の欠陥がないか確認することができる。また、２次元レーザー式距離計を用いることで測定レンジが広くなるので、管端部の鼻曲がり等の欠陥があっても測定レンジを外れることなく測定をすることができる。
【００２３】
特に、第２発明及び第５発明によれば、２台の２次元レーザー距離計を設置し、ルートフェイス算出用、ベベル角度算出用とすることで、１台の２次元レーザー距離計を用いるよりもさらに高精度の測定を行うことができる。
【００２４】
特に、第３発明及び第６発明によれば、ルートフェイス寸法及びべベル角度を算出できるので、管の端面部の加工寸法が規格に合うか、あるいは客先の要求に合う寸法であるかを確認することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明に係る管端部の形状測定装置の概略を模式的に示す説明図である。
【図２】図２は、形状測定装置を用いて測定を行い、演算機により計算した後の管端面のプロフィール例を示す説明図である。
【図３】図３は、実施例のテスト条件１に示す鋼管を本発明により測定したときの鋼管の全周にわたるべベル角度及びルートフェイス寸法の測定結果を示すグラフである。
【図４】図４は、べベル加工の端面加工機を示す説明図であり、図４（ａ）は端面加工機の加工部を模式的に示す部分断面図、図４（ｂ）は端面加工機の全体を示す説明図である。
【図５】図５は、べベル加工された鋼管の管端の端面部の形状の一例を示す説明図である。
【図６】図６は、従来の管端形状測定器具を示す説明図であり、図６（ａ）はルートフェイス測定器具を示し、図６（ｂ）はべベル角度測定器具を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の管端部の形状測定装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。
１．形状測定装置２０
図１は、本発明に係る管端部の形状測定装置２０の概略を模式的に示す説明図である。
【００２７】
図１に示すように、本発明に係る管端部の形状測定装置２０は、ターニングローラー２１と、回転駆動装置２２と、２次元レーザー式距離計２３と、演算機２４とを備える。
【００２８】
図１では、形状測定装置２０の構成要素としてホストＰＣ２５も示すが、ホストＰＣ２５は必ずしも必須ではなく、回転駆動装置２２によるターニングローラー２１の回転と２次元レーザー式距離計２３を介した演算機２４による端面形状のプロフィール解析はおのおの独立に存在し、制御されてもよい。ホストＰＣ２５を用いればターニングローラー２１の回転と２次元レーザー式距離計２３による測定とを連動して行うことができるので、回転駆動装置２２、２次元レーザー式距離計２３及び演算機２４を制御するホストＰＣ２５があることが好ましい。
【００２９】
ターニングローラー２１は、管端部２６ａの形状を測定される管２６を載置するものである。ターニングローラー２１は、管２６の管軸方向からみたときに円形状を有する円柱の装置であり、ターニングローラー２１が回転することによって、それと接触する管２６が逆方向に回転する。
【００３０】
ターニングローラー２１は、図１に示すように、測定される管２６の下部に２基取り付け、その間で管２６を載置できるようにしておけばよい。管２６も様々な外径の管を測定できるように、２基のターニングローラー２１の間隔を自由に調整できるような機構を有することが好ましい。また、図１では２基のターニングローラー２１しか示していないが、管２６の全長に合わせて形状測定装置２０に４機又は６機以上のターニングローラー２１が設置されていてもよい。
【００３１】
回転駆動装置２２は、管２６をターニングローラー２１上で管周方向に回転させるものである。回転駆動装置２２は管２６を回転させるものであれば如何なる形式のものでもよいが、通常はターニングローラー２１と連動し、回転駆動装置２２が作動することによりターニングローラー２１が回転し、管２６を回転させることができるようになっていればよい。
【００３２】
ターニングローラー２１は上述のように４基又は６基以上あってもよいが、全てのターニングローラー２１が回転駆動装置２２と連動し、回転作動する必要はない。管２６を回転させる駆動力を得られれば、回転駆動装置２２と連動するターニングローラー２１は１基であってもよい。
【００３３】
回転駆動装置２２によって回転するターニングローラー２１の回転速度は早いほど測定は早くできるので好ましいが、回転が速過ぎると２次元レーザー式距離計２３での測定が追いつかなくなるので、ターニングローラー２１の回転速度は０．１〜０．２ｍ／ｓｅｃとすることが好ましい。
【００３４】
２次元レーザー式距離計２３は、管２６の管端部２６ａに管軸方向へ線状にレーザー光を照射するとともに、管端部２６ａから反射したレーザー光を捉え、管端部２６ａとの距離を計測する装置である。２次元レーザー式距離計２３は、鋼管２６の管軸方向へレーザー光を照射できるように設置される。このように、２次元レーザー式距離計２３が鋼管２６の管軸方向へレーザー光を照射できるように設置される理由は、管軸方向と直交する方向へレーザー光を照射するのでは、鋼管２６のルートフェイス寸法及びべベル角度θを同時に測定することが困難だからである。
【００３５】
２次元レーザー式距離計２３は、レーザー光を鋼管２６の管端部２６ａの端面に対し線状に照射する。線状に照射した各点において反射波を捉えレーザー式距離計２６と管端面との間の距離を測定することにより、その線に沿った測定データを得ることができる。
【００３６】
２次元レーザー式距離計２３は、特殊なものを使用する必要はなく、通常市販されている２次元レーザー式距離計を用いればよい。また、２台の２次元レーザー式距離計２３を用意し、同じ管端部２６ａを測定することが好ましい。例えば、上下４５°の角度から同じ管端部２６ａを測定し、そのデータを演算することでより精度の高い形状測定が可能となる。
【００３７】
演算機（ＰＣ）２４は、２次元レーザー式距離計２３により得られたデータから管端部２６ａの管端面形状のプロフィールを算出する装置である。レーザー式距離計２３では反射光をデータとして受光するが、そのデータを演算機２４で計算することにより管２６の管端面形状のプロフィールを得ることができる。
【００３８】
２．鋼管２６のルートフェイス寸法及びべベル角度θの測定
図２は、形状測定装置２０を用いて測定を行い、演算機２４により計算した後の管端面のプロフィール例を示す説明図である。
【００３９】
図２中の白線で示すように、べベル加工された管２６の端面形状のプロフィールが算出できることが分かる。図２中の白線には３点の変曲点１，２，３が存在する。これら３つの変曲点１，２，３を目印にすればルートフェイス寸法ＲＦ及びべベル角度θを算出することができる。すなわち、ルートフェイス寸法ＲＦは、変曲点２，３の間（鋼管２６の端面の平行部分）の距離を求めることにより幾何学的に得られる。また、べベル角度θは、変曲点１，２の変化から幾何学的に求められる。
【００４０】
以上、本発明の実施形態の例について詳細に説明したが、上述した実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならない。
【実施例】
【００４１】
本発明に係る図１に示す、管端部の形状測定装置２０を用いて、べベル加工した鋼管２６の管端部２６ａの形状を、ターニングローラー２１の回転速度を０．１７ｍ／ｓｅｃとして、測定した。
【００４２】
表１に測定した鋼管２６のスペックを示す。このうち、条件２に示す鋼管２６は、ルートフェイスなし（０ｍｍ）の鋼管である。表１には、手作業での計測したべベル角度θ、ルートフェイス寸法ＲＦ及びこの鋼管２６に要求されるこれらのスペックも併せて示す。
【００４３】
【表１】
2017044652.tif 000003
【００４４】
表２に、鋼管２６を本発明により測定したときのべベル角度θ及びルートフェイス寸法ＲＦの最大値及び最小値を示す。
【００４５】
【表２】
2017044652.tif 000004
【００４６】
また、特に図３にテスト条件１に示す鋼管２６を本発明により測定したときの鋼管２６の全周にわたるべベル角度θ及びルートフェイス寸法ＲＦの測定結果を示す。なお、図３中横軸は測定時間であるが、この測定時間によりターニングローラー２１の回転速度との関係により管２６の位置を特定できる。
【００４７】
テスト条件１の測定結果では、べベル角度θの手作業での測定値が１３．７°であるのに対し、形状測定装置２０によるべベル角度θの最大値は１４．４４°、最小値は１３．４２°であり、この最大値と最小値の間に手作業での測定値が入る形で測定された。手作業での測定値との差異の最大値は０．７４°であり、最大で５．４％程度の誤差があることがわかる。しかし、いずれもべベル角度θのスペックの範囲内（１０〜２０°）で値であり、誤差を勘案しても、形状測定装置２０により測定して良否判断しても問題がないことが分かる。
【００４８】
また、ルートフェイス寸法ＲＦの手作業での測定値が２１．５ｍｍであるのに対し、形状測定装置２０によるルートフェイス寸法ＲＦの最大値は２１．７６ｍｍ、最小値は２０．６１ｍｍであり、これも最大値と最小値の間に手作業での測定値が入る形で測定された。手作業での測定値の際の最大値は０．８９ｍｍであり、最大で４．１％程度の誤差があることがわかる。しかし、いずれもルートフェイス寸法ＲＦのスペックの範囲内（２０〜２２ｍｍ）で値であり、これも誤差を勘案しても、形状測定装置２０により測定して良否判断しても問題がないことが分かる。
【００４９】
テスト条件２の測定結果では、べベル角度θの手作業での測定値が１７．２°であるのに対し、形状測定装置２０によるべベル角度θの最大値は１７．５４°、最小値は１７．２０°であり、いずれも手作業での測定値以上の値が測定された。手作業での測定値との差異の最大値は０．３４°であり、最大で２．０％程度の誤差があることがわかる。しかし、いずれのべベル角度θのスペックの範囲内（１３．５〜２０°）で値であり、誤差を考えても、形状測定装置２０により測定して良否判断しても問題がないことが分かる。
【符号の説明】
【００５０】
２０  管端部の形状測定装置
２１  ターニングローラー
２２  回転駆動装置
２３  ２次元レーザー式距離計
２４  演算機
２５  ホストＰＣ
２６  管
２６ａ  管端部
【図３】
2017044652.tif 000005
【図１】
2017044652.tif 000006
【図２】
2017044652.tif 000007
【図４】
2017044652.tif 000008
【図５】
2017044652.tif 000009
【図６】
2017044652.tif 000010