JP2018192521A - 溶接鋼管の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】真円度の高い溶接鋼管を得ることができる、溶接鋼管の製造方法を提供する。【解決手段】溶接鋼管の製造方法は、溶接素管を準備する準備工程と、溶接素管の周方向に並ぶように溶接素管内に配置された複数のダイスを、溶接素管の内周面に接触させて溶接素管を拡管する第１拡管工程と、第１拡管工程後に、溶接素管の周方向に並ぶように溶接素管内に配置された複数のダイスを、溶接素管の内周面に接触させて溶接素管を拡管する第２拡管工程と、を備える。第２拡管工程では、溶接素管の内周面のうち、第１拡管工程において周方向に隣り合うダイス間に位置していた部分にそれぞれダイスを接触させる。第２拡管工程における拡管率は、第１拡管工程における拡管率よりも低い。【選択図】 図５

Description

本発明は、溶接鋼管の製造方法に関する。

従来、石油および天然ガスを輸送するためのラインパイプとして、ＵＯＥ鋼管等の溶接鋼管が使用されている。一般に、ＵＯＥ鋼管を製造する際には、まず、Ｃプレス、ＵプレスおよびＯプレスによって略円筒形状に成形された鋼板を溶接することによって、鋼管が製造される。その後、拡管装置を用いて鋼管を拡管することによって、鋼管の真円度が矯正される。

例えば、特許文献１に開示された鋼管の製造方法では、略円筒状に配置された複数枚のダイスによって１回目の拡管が行われる。その後、鋼管を上記複数枚のダイスに対して相対的に回転させた状態で、２回目の拡管が行われる。特許文献１には、このように２回に分けて拡管を行うことによって、真円度が特に良好な鋼管の製造が可能になることが記載されている。

特開平９−２４４３３号公報

ところで、近年、海底パイプラインの深海化および溶接作業の効率化等の観点から、溶接鋼管の真円度に対するユーザの要求が厳しくなっている。このため、さらに真円度の高い鋼管を製造できる方法の開発が望まれている。

そこで、本発明は、真円度の高い溶接鋼管を得ることができる、溶接鋼管の製造方法を提供することを目的としている。

本発明は、下記の溶接鋼管の製造方法を要旨とする。

（１）鋼からなる溶接素管を準備する準備工程と、
前記溶接素管の周方向に並ぶように前記溶接素管内に配置された複数のダイスを、前記溶接素管の内周面に接触させて前記溶接素管を拡管する第１拡管工程と、
前記第１拡管工程後に、前記溶接素管の周方向に並ぶように前記溶接素管内に配置された複数のダイスを、前記溶接素管の内周面に接触させて前記溶接素管を拡管する第２拡管工程と、を備え、
前記第２拡管工程では、前記溶接素管の内周面のうち、前記第１拡管工程において前記周方向に隣り合う前記ダイス間に位置していた部分にそれぞれ前記ダイスを接触させて、前記溶接素管を拡管し、
前記第２拡管工程における拡管率は、前記第１拡管工程における拡管率よりも低い、溶接鋼管の製造方法。

（２）前記第２拡管工程における拡管率は、前記第１拡管工程における拡管率の０．０５〜０．２５倍である、上記（１）に記載の溶接鋼管の製造方法。

（３）前記第２拡管工程における拡管率は、０．０５〜０．２０％である、上記（１）または（２）に記載の溶接鋼管の製造方法。

（４）前記第２拡管工程において使用される前記複数のダイスはそれぞれ、前記溶接素管の軸方向に直交する断面において円弧を形成する押圧面を有し、
前記押圧面が形成する前記円弧の中心角Ａｃは、下記式（ｉ）の関係を満たす、上記（１）から（３）のいずれかに記載の溶接鋼管の製造方法。
（３６０°／Ｎ）×０．９０≦Ａｃ≦（３６０°／Ｎ）×０．９５ ・・・（ｉ）
但し、上記式（ｉ）において、Ｎは、ダイスの数を示す。

本発明によれば、真円度の高い溶接鋼管を得ることができる。

図１は、第１拡管工程において使用される拡管機の概略構成を示す断面図である。 図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。 図３は、ダイスの押圧面の形状を説明するための図である。 図４は、第１拡管工程を説明するための図である。 図５は、第２拡管工程を説明するための図である。 図６は、解析結果（真円度と拡管率との関係）を示す図である。 図７は、解析結果（真円度と第２拡管工程における拡管率との関係）を示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係る溶接鋼管の製造方法について図面を用いて説明する。なお、以下に説明する各図は、本実施形態に係る溶接鋼管の製造方法を説明するための概略図であり、図中の構成部材の寸法は、実際の構成部材の寸法及び各構成部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。

（溶接鋼管の製造方法の概要）
本実施形態に係る溶接鋼管の製造方法は、鋼からなる溶接素管を準備する準備工程と、溶接素管を拡管する第１拡管工程と、第１拡管工程後の溶接素管を拡管する第２拡管工程とを備えている。なお、本実施形態に係る製造方法によって製造される溶接鋼管には、ＵＯＥ鋼管およびＪＣＯＥ鋼管が含まれる。

（準備工程）
溶接鋼管としてＵＯＥ鋼管を製造する場合、準備工程においては、まず、所定の寸法に切断された長尺状の鋼板に対してＣプレス、ＵプレスおよびＯプレスをこの順番で実施する。これにより、鋼板の短手方向（幅方向）における両端部が互いに対向するように、鋼板が略円筒形状に成形される。次に、鋼板の上記両端部同士を溶接する。具体的には、鋼板の上記両端部同士を仮付溶接し、その後、内面溶接および外面溶接を行う。これにより、溶接素管が得られる。なお、準備工程では、公知の種々のＵＯＥ鋼管の製造方法を利用して製造される鋼管（拡管前の鋼管）を、溶接素管として得ればよい。また、溶接鋼管としてＪＣＯＥ鋼管を製造する場合には、準備工程では、公知の種々のＪＣＯＥ鋼管の製造方法を利用して製造される鋼管（拡管前の鋼管）を、溶接素管として得ればよい。

（第１拡管工程）
図１は、第１拡管工程において使用される拡管機の概略構成を示す断面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。なお、第１拡管工程および後述の第２拡管工程においては、公知の種々の拡管機を用いることができるので、拡管機の構成については簡単に説明する。

図１および図２においては、準備工程において得られた溶接素管１が示されている。準備工程において、溶接素管１には、溶接素管１の軸方向に延びるように溶接部１ａ（図２参照）およびＨＡＺ（図示せず）が形成されている。

図１および図２を参照して、拡管機１０は、溶接素管１の軸方向に延びる円筒状のブーム１２、ブーム１２の軸方向に移動可能にブーム１２に挿通されたプルロッド１４、プルロッド１４の先端部に固定された角錐台状のコーン１６、およびコーン１６の周囲に配置された複数のダイス１８を備える。なお、図２に示した例では、１２個のダイス１８が設けられているが、ダイス１８の数は図２に示した例に限定されない。例えば、拡管機が備えるダイス１８の数が１０個であってもよく、８個であってもよい。

ブーム１２の先端部、プルロッド１４の先端部、コーン１６および複数のダイス１８は、溶接素管１内に配置される。溶接素管１の軸方向に延びる断面（図１に示す断面）において、ダイス１８は、溶接素管１の内周面に対向する押圧面１８ａと、コーン１６の外周面に対向する摺動面１８ｂとを備えている。上記断面において、押圧面１８ａは、溶接素管１の軸方向に対して平行に延び、摺動面１８ｂは、溶接素管１の軸方向に対して傾斜している。

図３は、ダイス１８の押圧面１８ａの形状を説明するための図である。図３においては、図１のＡ−Ａ線断面における溶接素管１および１つのダイス１８が示されている。図３を参照して、押圧面１８ａは、溶接素管１の軸方向に直行する断面において円弧を形成する。上記断面において押圧面１８ａによって形成される円弧の曲率半径は、例えば、溶接素管１の内周面の半径（以下、内半径と記載する。）と略同一または溶接素管１の内半径よりも小さく設定される。なお、図３には、上記断面において押圧面１８ａによって形成される円弧の曲率中心Ｃおよび中心角Ａｃが示されている。中心角Ａｃは、ダイス１８の数および溶接素管１の寸法等に応じて適宜設定される。なお、以下においては、押圧面１８ａによって形成される上記円弧の中心角Ａｃを、単に、押圧面１８ａの中心角Ａｃと記載する。

図１を参照して、第１拡管工程において溶接素管１を拡管する際には、プルロッド１４が矢印Ｘで示す方向（以下、Ｘ方向と記載する。）に移動し、コーン１６がブーム１２側に移動する。複数のダイス１８のＸ方向への移動はブーム１２によって規制されているので、コーン１６がＸ方向に移動することによって、各ダイス１８の摺動面１８ｂは、コーン１６の外周面上を摺動しつつ、溶接素管１の径方向外方に向かって移動する。これにより、複数のダイス１８は、溶接素管１内において放射状に拡がるように移動する。その結果、図４に示すように、溶接素管１の内周面に各ダイス１８の押圧面１８ａが接触し、溶接素管１の内周面が、ダイス１８によって径方向外方に向かって押される。これにより、溶接素管１が拡管される。

なお、図４においては、溶接素管１の内周面のうち、溶接素管１の周方向に隣り合うダイス１８間に位置する部分を破線の円１ｂで示している。以下においては、破線の円１ｂで示した部分を、第１拡管工程における隙間部分１ｂと記載する。

本実施形態では、第１拡管工程における拡管率は、例えば、０．８０〜０．９５％に設定される。また、本実施形態では、例えば、第１拡管工程の拡管率および後述する第２拡管工程の拡管率の合計の拡管率が１．０％となるように、各工程の拡管率が設定される。なお、拡管率は、下記式によって定義される。
拡管率＝（拡管後の管の外周長−拡管前の管の外周長）／拡管前の管の外周長

（第２拡管工程）
第２拡管工程では、例えば、上述の拡管機１０を用いて、第１拡管工程と同様の方法で、第１拡管工程後の溶接素管１が拡管される。ただし、第２拡管工程では、図５に示すように、溶接素管１の内周面のうち、第１拡管工程における隙間部分１ｂにそれぞれダイス１８を接触させて、拡管が行われる。なお、詳細な説明は省略するが、第１拡管工程と第２拡管工程とで、それぞれ別個の拡管機を用いてもよい。

本実施形態では、溶接素管１の軸方向に直交する断面において、各ダイス１８の押圧面１８ａによって隙間部分１ｂが押されるように、第２拡管工程が実施される。詳細な説明は省略するが、溶接素管１と複数のダイス１８との相対的な位置関係は、溶接素管１を周方向に回転させることによって調整してもよく、拡管機１０（コーン１６および複数のダイス１８）を周方向に回動させることによって調整してもよい。

本実施形態では、第１拡管工程と第２拡管工程とで、複数のダイス１８が取り替えられてもよい。例えば、第２拡管工程において使用されるダイス１８の押圧面１８ａの中心角Ａｃ（図３参照）が、第１拡管工程において使用される押圧面１８ａの中心角Ａｃよりも大きく設定されてもよい。

なお、第２拡管工程において使用されるダイス１８の押圧面１８ａの中心角Ａｃ（°）は、例えば、下記式（ｉ）の関係を満たすことが好ましい。
（３６０°／Ｎ）×０．９０≦Ａｃ≦（３６０°／Ｎ）×０．９５ ・・・（ｉ）
但し、上記式（ｉ）において、Ｎは、ダイスの数を示す。

なお、第２拡管工程において１０個のダイス１８を使用して拡管が行われる場合、ダイス１８の押圧面１８ａの中心角Ａｃは、例えば、３３°以上であることが好ましい。また、第１拡管工程および第２拡管工程において、ともに１０個のダイス１８によって拡管が行われる場合、第１拡管工程において使用されるダイス１８の押圧面１８ａの中心角Ａｃは、例えば、２８°〜３２°に設定される。

なお、第１拡管工程において使用されるダイス１８の数および第２拡管工程において使用されるダイス１８の数は、同じであってもよく、異なっていてもよい。

第２拡管工程における拡管率は、第１拡管工程における拡管率よりも低い。本実施形態では、第２拡管工程における拡管率は、例えば、第１拡管工程における拡管率の０．０５〜０．２５倍に設定される。また、本実施形態では、第２拡管工程における拡管率は、例えば、０．０５〜０．２０％に設定される。

（作用効果）
本実施形態に係る溶接鋼管の製造方法では、２回の拡管工程が実施される。具体的には、１回目の拡管工程（第１拡管工程）において溶接素管１に生じた隙間部分１ｂが、２回目の拡管工程（第２拡管工程）において、複数のダイス１８によって押圧される。これにより、溶接素管１（溶接鋼管）の真円度を十分に向上させることができる。

また、第２拡管工程における拡管率は、第１拡管工程における拡管率よりも低い。すなわち、本実施形態では、第１拡管工程において比較的高い拡管率で溶接素管１を拡管することによって、溶接素管１の真円度をある程度向上させ、第２拡管工程においては、比較的低い拡管率で溶接素管１を拡管することによって溶接素管１の真円度を矯正している。このように第１拡管工程および第２拡管工程の拡管率を調整することによって、溶接素管１（溶接鋼管）の真円度を適切に向上させることができる。

なお、溶接素管１の真円度が低い場合には、寸法の大きなダイス１８を溶接素管１内に配置することができない。しかし、本実施形態では、上記のように、第１拡管工程において溶接素管１の真円度をある程度向上させることによって、第２拡管工程において、第１拡管工程において使用されるダイス１８よりも寸法の大きいダイス１８を用いることが可能となる。具体的には、第２拡管工程において使用されるダイス１８の押圧面１８ａの中心角Ａｃを、第１拡管工程において使用される押圧面１８ａの中心角Ａｃよりも大きく設定することができる。これにより、第２拡管工程において拡管を行う際に、ダイス１８間に生じる隙間を小さくすることができ、溶接素管１（溶接鋼管）の真円度を効率よく向上させることができる。

また、通常、ダイス１８の押圧面１８ａの曲率半径は、製品である溶接鋼管の内径に対応するように設定することが好ましい。しかし、製品によって内径は異なるので、製品毎に、対応するダイスを準備することは困難である。この点に関して、本実施形態では、上記のように２回の拡管工程を実施することによって溶接素管１の真円度を適切に向上させることができるので、製品毎に対応するダイスを準備しなくても、溶接素管１の真円度を十分に向上させることができる。言い換えると、寸法の異なる複数の製品に対して、１種類のダイス１８を共用することができる。これにより、溶接鋼管の製造コストを低減できる。また、異なる製品を製造する際にも、ダイス１８を取り替えなくてよいので、作業時間を短縮することができる。

また、第１拡管工程および第２拡管工程によって溶接素管１の真円度を十分に向上させることができるので、拡管工程前のＯプレス工程において要求される真円度を緩和することができる。これにより、Ｏプレス用のダイスについても、共用範囲を広げることが可能となる。

（シミュレーション）
本発明の効果を確認するため、溶接素管１およびダイス１８の解析モデル（２次元平面ひずみモデル）を作成し、ＦＥＭ解析を行なった。具体的には、１０個のダイス１８によって、溶接素管１の拡管を行う場合を想定して解析を行った。溶接素管１およびダイス１８の材料特性（ＳＳカーブ）としては、ＡＰＩ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）で規格化されているＸ６５グレードに相当する材料特性（ＳＳカーブ）を用いた。なお、溶接部１ａおよびＨＡＺの材料特性としてはそれぞれ、上記ＳＳカーブの応力を１．１倍および０．８５倍して得られるＳＳカーブを用いた。溶接素管１とダイス１８との摩擦係数は、０．１５に設定した。溶接素管１は、楕円形状とした。解析モデルは、２種類作成した。下記の表１に、解析モデルの条件を示す。

上記の２種類の解析モデルＡ，Ｂを用い、拡管率を変えて、上述の第１拡管工程および第２拡管工程を実施して、溶接素管１の真円度を調べた。ＦＥＭ解析において設定した第１拡管工程および第２拡管工程の拡管率、ならびに解析結果（真円度）を、下記の表２に示す。なお、本シミュレーションでは、第２拡管工程後の溶接素管１の外径の最大値と最小値との差を、真円度とした。また、表２に示す解析Ｎｏ．９では、第２拡管工程を実施していない。

表２に示したように、本発明の要件（第２拡管工程の拡管率＜第１拡管工程の拡管率）を満たした解析Ｎｏ．１および３〜８の真円度と、本発明の要件を満たしていない解析Ｎｏ．２および９の真円度との比較から、本発明によれば、溶接素管１の真円度が十分に向上することが分かる。

また、解析Ｎｏ．１の真円度と、解析Ｎｏ７の真円度との比較から、ダイス１８の押圧面１８ａの曲率半径を、製品の内径（表１の公称径）よりも小さくしても、溶接素管１の真円度を十分に向上させることが可能であることが分かる。この結果から、本発明によれば、製品毎に対応するダイスを準備しなくても、溶接素管１の真円度が十分に向上することが分かる。

図６に、解析Ｎｏ．２〜８における、真円度と拡管率との関係を示す。なお、図６において、横軸は、第２拡管工程における拡管率を第１拡管工程における拡管率で除した値を示す。図６に示した結果から、第２拡管工程における拡管率を、第１拡管工程における拡管率の０．０５〜０．２５倍に設定することによって、真円度が２．５ｍｍ以下になり、真円度が十分に向上することが分かる。

また、図７に、解析Ｎｏ．２〜８における、真円度と第２拡管工程における拡管率との関係を示す。図７に示した結果から、第２拡管工程における拡管率を、０．０５〜０．２０％に設定することによって、真円度が２．５ｍｍ以下になり、真円度が十分に向上することが分かる。

本発明によれば、真円度の高い溶接鋼管を得ることができる。

１ 溶接素管
１０ 拡管機
１８ ダイス
１８ａ 押圧面
Ａｃ 押圧面が形成する円弧の中心角

Claims (4)

1. 鋼からなる溶接素管を準備する準備工程と、
   前記溶接素管の周方向に並ぶように前記溶接素管内に配置された複数のダイスを、前記溶接素管の内周面に接触させて前記溶接素管を拡管する第１拡管工程と、
   前記第１拡管工程後に、前記溶接素管の周方向に並ぶように前記溶接素管内に配置された複数のダイスを、前記溶接素管の内周面に接触させて前記溶接素管を拡管する第２拡管工程と、を備え、
   前記第２拡管工程では、前記溶接素管の内周面のうち、前記第１拡管工程において前記周方向に隣り合う前記ダイス間に位置していた部分にそれぞれ前記ダイスを接触させて、前記溶接素管を拡管し、
   前記第２拡管工程における拡管率は、前記第１拡管工程における拡管率よりも低い、溶接鋼管の製造方法。
2. 前記第２拡管工程における拡管率は、前記第１拡管工程における拡管率の０．０５〜０．２５倍である、請求項１に記載の溶接鋼管の製造方法。
3. 前記第２拡管工程における拡管率は、０．０５〜０．２０％である、請求項１または２に記載の溶接鋼管の製造方法。
4. 前記第２拡管工程において使用される前記複数のダイスはそれぞれ、前記溶接素管の軸方向に直交する断面において円弧を形成する押圧面を有し、
   前記押圧面が形成する前記円弧の中心角Ａｃは、下記式（ｉ）の関係を満たす、請求項１から３のいずれかに記載の溶接鋼管の製造方法。
   （３６０°／Ｎ）×０．９０≦Ａｃ≦（３６０°／Ｎ）×０．９５ ・・・（ｉ）
   但し、上記式（ｉ）において、Ｎは、ダイスの数を示す。

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