(57)【要約】【課題】従来のフィンパス成形による板端部へのテーパ付与方法では所望のテーパ形状が得難かった。さらに、所望のテーパ形状が得られた場合でも、電縫溶接部の靭性や強度がさほど向上しないことが少なからずあり、これらが課題となっていた。【解決手段】帯材10を成形し端部を突き合わせて電縫溶接して管とする過程の中で、ロール成形過程のフィンパス成形中に同一スタンドで帯材端部に、帯材垂直端面14から帯材厚さ方向の外径側、内径側の両端面にそれぞれつながる傾斜面15を有するテーパ形状を付与した後、帯材垂直端面の突き合わせ角度Ψを±１度の範囲内として電縫溶接する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯材を成形し端部を突き合わせて電縫溶接して管とする過程の中で、ロール成形過程のフィンパス成形中に同一スタンドで帯材端部に、帯材垂直端面から帯材厚さ方向の外径側、内径側の両端面にそれぞれつながる傾斜面を有するテーパ形状を付与した後、帯材垂直端面の突き合わせ角度を±１度の範囲内として電縫溶接することを特徴とする溶接部特性に優れた電縫管製造方法。
【請求項２】
前記テーパ形状は、外径側、内径側の双方とも、傾斜面の帯材垂直端面からの傾斜角度を２５〜５０度とし、傾斜面の帯材厚さ方向長さを帯材厚さの２０〜４５％とするテーパ形状であることを特徴とする請求項１に記載の溶接部特性に優れた電縫管製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接部特性に優れた電縫管製造方法に関する。ここで、溶接部特性は、油井のラインパイプ向け電縫管に要求される溶接部靭性、および、油井のケーシングパイプ向け電縫管に要求される溶接部強度を含む。
【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（板）を丸めて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、一般に溶接部の靭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されてきた。
【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、管を寒冷地に敷設することが多いため低温靭性が重要であり、また、原油採掘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、溶接管の母材となる熱延板は、溶接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が確保される。
【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。
電縫溶接の不良原因としては、溶接される板端面（板幅方向端面）に生成するペネトレータと呼ばれる酸化物が、電縫溶接時に溶鋼と共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が原因となって靭性が低下し強度不足になる例が多かった。
【０００５】
そこで、従来、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、板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、板端部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、板端部はスリットや端面研削によって一平面的な垂直端面（板幅方向に垂直な端面）とされるが、特許文献１，２では板端部を溶接前に加工して、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】特開昭５７−３１４８５号公報
【特許文献２】特開昭６３−３１７２１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記従来の技術では、次のような問題がある。
例えば特許文献１の場合、フィンパス成形のフィンの角度を１段階としておいて、材料（板の材料）端部を一部分接触させてテーパを付与する方法を採用している。しかし発明者らがこの方法を検討したところ、フィンパス成形のフィンの角度を０からプラスに大幅に変更し、材料端部の一部のみをフィンに接触させようとしても著しく困難なことが判明した。これは、材料端部がわずかしか加工硬化していないために、材料端部全体がフィンに完全充満しやすくて、材料端部にフィンの形状がほぼ完全に転写されてしまうためである。また、アプセット量をマイナスにすると、材料端部がフィンに全く充満しなくなり、一部分のみフィンに接触させることが著しく困難であることによる。
【０００７】
また、例えば特許文献２の場合、ロール成形途中、エッジャーロールで材料端部全体に傾斜（板幅方向に垂直な面に対して傾斜）した平滑面を付与した後、その一部のみをフィンパス成形でほぼ垂直（板幅方向にほぼ垂直）にする方法を採用している。この方法では、材料端部の内径側（管としたときに内径側になる部位）に当てる側を外径側（管としたときに外径側になる部位）に当てる側より太くしたエッジャーロールを用いる必要があり、そのため材料端部の内径側がエッジャーロールにより削り取られて、「ひげ」と称する余肉材が発生する問題がある。
【０００８】
さらに、ロール成形される材料の断面には管を外側に開く大きな反力が作用するため、エッジャーロールと材料端部への圧力は必然的に小さくなる。その結果、エッジャーロールによる材料端部圧下では材料端部がわずかしか加工硬化せず、そのため、特許文献１の場合と同様、材料端部全体がフィンに完全充満しやすくて、材料端部にフィンの形状がほぼ完全に転写されてしまい、所期の形状を付与することが困難であることも確認された。
【０００９】
このように、従来のフィンパス成形による板端部へのテーパ付与方法では所望のテーパ形状が得難かった。さらに、所望のテーパ形状が得られた場合でも、電縫溶接部の靭性や強度がさほど向上しないことが少なからずあり、これらが課題となっていた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するためになされた本発明は以下のとおりである。
１．  帯材を成形し端部を突き合わせて電縫溶接して管とする過程の中で、ロール成形過程のフィンパス成形中に同一スタンドで帯材端部に、帯材垂直端面から帯材厚さ方向の外径側、内径側の両端面にそれぞれつながる傾斜面を有するテーパ形状を付与した後、帯材垂直端面の突き合わせ角度を±１度の範囲内として電縫溶接することを特徴とする溶接部特性に優れた電縫管製造方法。
【００１１】
ここで、「帯材垂直端面」とは、帯材幅方向（管状に丸められた後では当該管状体の円周方向）に対する平均的な端面の角度が９０度±０．２度の範囲内である端面を指す。
２．  前記テーパ形状は、外径側、内径側の双方とも、傾斜面の帯材垂直端面からの傾斜角度を２５〜５０度とし、傾斜面の帯材厚さ方向長さを帯材厚さの２０〜４５％とするテーパ形状であることを特徴とする前項１に記載の溶接部特性に優れた電縫管製造方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、油井のラインパイプ向け電縫管に要求される溶接部靭性、および、油井のケーシングパイプ向け電縫管に要求される溶接部強度を十分満足する電縫管を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】
【００１３】
前述のように、従来の電縫管製造方法では、フィンパス成形（フィンパス圧延による成形）を活用して材料端部にテーパ形状を付与する方法として、フィンパスロール孔型に材料を充満させずに、フィンに材料端部の一部を押し当ててる方法を採用していた。
しかし、発明者らの検討によれば、フィンパスロール孔型に材料の円周方向全部が充満しなくとも、材料がフィンパスロールスタンドに装入される際に、板端部がフィンに強圧されて、該板端部をなす材料端部がフィン型に完全充満することを把握した。すなわち、材料がロール孔型に装入される場合、フィンに接触した材料管周端部およびそのほぼ１８０度反対側に位置する材料管底部とが梁撓みの状態となって、断面を円弧形状に曲げようとする材料の反力が大きく作用して、たとえ材料が孔型に充満しなくとも、材料端部には円周方向に大きな圧縮力が作用し、その結果、材料端部はフィンに強圧されてフィンの断面形状がそのまま材料端部に転写されることを把握した。
【００１４】
そこで、発明者らは材料端部が上述の如くフィンに強圧されることに着目して、この現象を積極的に活用する手段を検討した。すなわち、フィンに２段階以上のテーパを付与しておくと、フィンパス圧延でのアプセット量が少なくとも０％以上であれば材料端部にはテーパ形状を充分に付与できて、材料端部に所望とするテーパ形状を充分付与できるわけである。
【００１５】
さらに、フィンパス成形中に材料端部に容易にテーパ形状を付与するには、通常用いられる複数のフィンパス成形スタンド（略してスタンド）のうちのいずれか１つのスタンドで板の内径側と外径側とに同時に付与すると良いことを見出した。すなわち、複数のスタンドを用いて、例えば先に一のスタンドで外径側にテーパを付与し、後に他のスタンドで内径側にテーパを付与すると、先にテーパ付与された外径側端部に、後の他のスタンドでのフィンパス圧延によってドッグボーンが形成されて目標とするテーパ形状を充分付与できない場合がある。
【００１６】
しかるに、材料端部の内径側、外径側とも同一のスタンドでテーパを付与すると、このような問題がなく安定してテーパを付与可能となる。
また、内径側と外径側とへのテーパ付与を同一のスタンドで行うには、３段階の角度を有するフィン形状とすればよい。この角度は、例えば図１に示すように、フィンロール軸11Ａに対する第１、第２、第３段階のフィン面分FS1,FS2,FS3の角度φ1,φ2,φ3で定義される。ただし、フィン形状に係る３段階の角度φ1,φ2,φ3のいずれかが９０度を超えると、帯材（板または材料ともいう。端部溶接後は管となる）10の端部がフィン11Fにより削り取られて、「ひげ」と称する余肉材が発生することがあり、フィンパス成形時の疵発生や、電縫溶接時のスパーク発生の原因となるので、フィン形状に係る角度は９０度以下としておくのがよい。なお、図１において、12はフィンロール11に対抗して管状の帯材10の管底部を支持するフィン下ロール、13は管状の帯材10の管側部を支持するサイドロールである。
【００１７】
これにより、所望のテーパ形状が容易に得られるようになるのであるが、前述のように、所望のテーパ形状が得られても、電縫溶接部の靭性や強度がさほど向上しない場合が生じた。
この原因を詳細に調査すると、ペネトレータの元になる板端面の酸化物は、電縫溶接の加熱とともに順次生成してくるので、溶接条件によっては、板端部のテーパ形状のみではペネトレータを充分排出できない場合が生じるということがわかった。
【００１８】
そこで、発明者らは電縫溶接現象を詳細に観察し直した結果、板端面の突き合わせ角度に着目した。すなわち、溶鋼とともにペネトレータが排出される現象には、帯材端部のテーパ形状だけでなく、電縫溶接直前の帯材垂直端面の突き合わせ角度が大きく影響することを見出した。
図２は、帯材端部のテーパ形状の特定用パラメータおよび帯材垂直端面の突き合わせ角度の定義を示す説明図である。同図は電縫溶接直前の状態を示している。図示のように、帯材10端部のテーパ形状は、帯材垂直端面14から帯材厚さ方向16の両端面（外径側の表面と内径側の表面）にそれぞれつながる傾斜面15を有する。また、テーパ形状の特定用パラメータは、外径側の傾斜面15の、帯材垂直端面14からの傾斜角度αおよび帯材厚さ方向長さβ、ならびに内径側の傾斜面15の、帯材垂直端面14からの傾斜角度γおよび帯材厚さ方向長さδである。なお、図１（ｂ）との照合からわかるように、α＝φ2−φ1、γ＝φ3−φ2となる。また、帯材垂直端面14,14の突き合わせ角度Ψの値は、相対する帯材垂直端面14,14が、互いに平行のとき０度、外径側に開いた状態のときプラスの開き角度、内径側に開いた状態のときマイナスの開き角度で与えるものとする。
【００１９】
電縫溶接において、帯材垂直端面の突き合わせ角度Ψが変わると、溶鋼の排出状態が異なってくる。すなわち、外径側に開くように突き合わせ角度が設定（Ψ＞０度）されると、テーパを付与した板端部では、内径側が優先的に加熱されて先に溶鋼が発生し、その溶鋼が電縫溶接中の板端面突き合わせとともに、外径側に押し出されてくる。また、内径側に開くように突き合わせ角度が設定（Ψ＜０度）されると、テーパを付与した板端部では、外径側が優先的に加熱されて先に溶鋼が発生し、その溶鋼が電縫溶接中の板端面突き合せとともに、内径側に押し出されてくる。
【００２０】
この際、突き合わせ角度Ψが±１度（０度±１度の意。以下同じ）の範囲を超えて大きいと、帯材垂直端面14の閉じ側（内径側、外径側のいずれか一方の側）が優先的に溶融してその反対側に流れる溶鋼の量が著しく多くなるため、突き合わせが完了するまでの溶接時間の間に充分排出できなくなり、溶鋼が途中で板内部に閉じ込められたまま、電縫溶接が完了してしまう。その結果、溶鋼中あるいは溶鋼表面に凝集してくるペネトレータが板内部に留まって、その結果、電縫溶接部の靭性または強度を大幅に低下させてしまうわけである。そこで、突き合わせ角度Ψは±１度の範囲内とする必要がある。
【００２１】
なお、板端部にテーパを付与しておくと、その体積減少分だけ前記優先的に溶融する側の溶融量が減少すること、および、傾斜面に沿って溶融することから、溶鋼がさらに発生し難くなるので、突き合わせ角度とテーパ形状の双方で、電縫溶接部のペネトレータを充分排出することができて、靭性または強度が著しく向上するわけである。
また、テーパ形状の最適化を図った結果、外径側、内径側の傾斜面15の傾斜角度α、γ（以下、「テーパ角度」ともいう）を２５〜５０度とし、かつ、外径側、内径側の傾斜面15の帯材厚さ方向長さβ、δ（以下、「テーパ深さ」ともいう）の、帯材厚さに対する比率（以下、「テーパ深さ比率」ともいう）を２０〜４５％とすると良いことを把握した。
【００２２】
すなわち、テーパ角度を２５度未満とすると板厚（板厚＝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、電縫溶接部の靭性や強度の向上効果が低減し、一方、テーパ角度を５０度超とすると、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する問題が発生しやすい。
また、テーパ深さ比率が２０％未満であると板厚中央部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、テーパ深さ比率が４５％超であると、帯材垂直端面の突き合わせの不整合が生じやすくて電縫溶接異常さらには製品不良を招きやすいほか、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する問題が発生しやすい。
【実施例】
【００２３】
以下、実施例に基づいて説明する。
帯材として、板幅１９２０ｍｍ、板厚１９．１ｍｍの鋼帯を用い、この鋼帯を、下記Ｎｏ．１〜５の造管条件ごとに対応させて調整した造管機に通して外径６００ｍｍの鋼管（電縫鋼管）を製造した。造管機としては、例えば図３に示すような、造管工程の上流から下流へアンコイラー１、レべラー２、ロール成形スタンド群４、誘導加熱手段（コンタクトチップ）５、圧接手段（スクイズロール）６、ビード部切削手段７、サイザー８、管切断機９を順次配置した造管機を用いた。ロール成形スタンド群４の最下流部はフィンパス成形スタンド群３で構成されている。電縫溶接手段は、誘導加熱手段５と圧接手段６からなる。
【００２４】
製造した鋼管の溶接部から試験片を切り出し、シャルピー試験を行って性能を評価した。シャルピー試験片は、ＪＩＳ５号の２ｍｍＶノッチ衝撃試験片に該当するものを、管長手方向位置が相違する１０点から１本ずつ、試験片長さ方向を管円周接線方向に平行にし、ノッチ長さ中心を溶接部肉厚中心位置として採取した。この試験片に対し−４６℃での衝撃試験を行ない、吸収エネルギー、脆性破面率を測定した。溶接部強度（衝撃強度）に関して吸収エネルギー１２５Ｊ以上、溶接部靭性に関して脆性破面率３５％以下を性能許容範囲とした。
【００２５】
（Ｎｏ．１：本発明例１）
フィンパス成形スタンド群を計３スタンドとした。うち第３スタンドのフィン形状を図１（ｂ）のように３段階角度とした（第１、第２スタンドのフィン形状は１段階角度とした）。フィンパス成形第３スタンドで帯材端部の内径側、外径側の双方（計４箇所のコーナ部）に、テーパ角度（α、γ）＝３０度、テーパ深さ（β、δ）＝５ｍｍ（テーパ深さ比率＝２６％）のテーパ形状付与を狙った。また、電縫溶接直前の帯材垂直端面の突き合わせ角度（Ψ）が０．５度となるようにロール成形スタンド群を調整した。
【００２６】
（Ｎｏ．２：本発明例２）
フィンパス成形スタンド群を計２スタンドとした。うち第１スタンドのフィン形状を図１（ｂ）のように３段階角度とした（第２スタンドのフィン形状は１段階角度とした）。フィンパス成形第１スタンドで帯材端部の内径側、外径側の双方（計４箇所のコーナ部）に、テーパ角度（α、γ）＝４０度、テーパ深さ（β、δ）＝８ｍｍ（テーパ深さ比率＝４２％）のテーパ形状付与を狙った。また、電縫溶接直前の帯材垂直端面の突き合わせ角度（Ψ）が−０．２度となるようにロール成形スタンド群を調整した。
（Ｎｏ．３：従来例１）
フィンパス成形スタンド群を計２スタンドとした。これら２スタンドのフィン形状は１段階角度とした。フィンパス成形第１スタンドでフィンに帯材端部の内径側（計４箇所のうち２箇所のコーナ部）を接触させて（図４（ａ）参照）、テーパ角度（γ）＝２０度、テーパ深さ（δ）＝８ｍｍ（テーパ深さ比率４２％）のテーパ形状付与を狙った。ついでフィンパス成形第２スタンドでフィンに帯材端部の外径側（残り２箇所のコーナ部）を接触させて（図４（ｂ）参照）、テーパ角度（α）＝２０度、テーパ深さ（β、δ）＝８ｍｍ（テーパ深さ比率４２％）のテーパ形状付与を狙った。また、電縫溶接直前の帯材垂直端面の突き合わせ角度（Ψ）が１．１度となるようにロール成形スタンド群を調整した。
（Ｎｏ．４：従来例２）
フィンパス成形スタンド群を計３スタンドとした。これら３スタンドのフィン形状はいずれも１段階角度とした。フィンパス成形では、帯材端部内径側、外径側へのテーパ付与は行わず、帯材垂直端面全体がフィンに接触するようにした。また、電縫溶接直前の帯材垂直端面の突き合わせ角度（Ψ）が１．１度となるようにロール成形スタンド群を調整した。
（Ｎｏ．５：比較例）
Ｎｏ．１において、電縫溶接直前の帯材垂直端面の突き合わせ角度（Ψ）が、０．５度に代えて、１．５度となるようにロール成形スタンド群を調整した。
【００２７】
上述の各条件で製造した鋼管のシャルピー試験結果を表１に示す。また、フィンパス成形でテーパ付与を狙った条件（Ｎｏ．１〜３）の鋼管について電縫溶接直前の材料端部を切り出して採取し、端部テーパ形状を観察した結果も付記した。
表１より、本発明例では、溶接部の吸収エネルギーが著しく高く脆性破面率が小さくて、溶接部強度、靭性とも十分良好であって製品の信頼性が高い。これに対し、従来例では、溶接部の吸収エネルギーが低く脆性破面率が大きくて、溶接部強度、靭性とも不十分であり、製品の信頼性に乏しかった。また、比較例では、溶接部強度、靭性が、従来例よりは良好であったが、性能許容範囲を外れた。
【００２８】
また、フィンパス成形後電縫溶接直前の端部テーパ形状観察結果をみると、本発明例および比較例では目標通りのテーパ形状が得られたのに対し、従来例１では、端部の板厚方向全体がフィンパス成形第２スタンドのフィンで強圧されて潰され、面一（つらいち）の傾斜面15になってしまった（図５参照）ことがわかる。
【００２９】
【表１】
2009045643.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】３段階の角度を有するフィン形状の概要を示す説明図である。
【図２】帯材端部のテーパ形状の特定用パラメータおよび帯材垂直端面の突き合わせ角度の定義を示す説明図である。
【図３】本発明の実施に用いられる造管機の1例を示す模式図である。
【図４】従来例１のテーパ付与方法の説明図である。
【図５】従来例１の電縫溶接直前の帯材端部テーパ形状観察結果を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  アンコイラー
２  レベラー
３  フィンパス成形スタンド群
４  ロール成形スタンド群
５  誘導加熱手段（コンタクトチップ）
６  圧接手段（スクイズロール）
７  ビード部切削手段
８  サイザー
９  管切断機
10  帯材（板または材料ともいう。端部溶接後は管となる）
11  フィンロール
11A  フィンロール軸
11F  フィン
12  フィン下ロール
13  サイドロール
14  帯材垂直端面
15  傾斜面
16  帯材厚さ方向
【図１】
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【図２】
2009045643.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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