JPH0377010B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ストリツプをスパイラル状に巻いて
製造した鋼管に所望の残留モーメントを付与する
ことができるスパイラル鋼管の残留モーメント制
御方法に関するものである。

［従来の技術］ スパイラル鋼管は、たとえば護岸工事における
杭として或は油送管（ラインパイプ）として使用
される等その用途は多岐にわたるが、その製造設
備の概要を第１５図に示す。ピラミツド形に配置
された３本の曲げ成形ロール１８，１９および２
０を備える曲げ成形装置に、コイルから巻戻され
たストリツプ２４をその長手方向に送り込みなが
らスパイラル状に曲げ成形し、曲げ成形されたス
トリツプの側縁端と既に管となつている部分との
合わせ目を内面溶接用トーチ２５で内面溶接しさ
らに、外面溶接用トーチ２６で外面溶接してスパ
イラル鋼管とされる。

尚、第１５図には、管外面或は内面押えロール
が図示されていないが、実際には押えロールの配
置の仕方に応じて３つの方式がある。即ち、例え
ば第３図にも示すように、曲げ成形装置によりス
パイラル状に成形されたストリツプの外側に多数
の押えロール３７を設けてストリツプの外周面を
拘束（ストリツプのスプリングバツクを拘束）す
る外面押え方式、また第６図の如くストリツプの
内側に多数の押えロール５２を設けてストリツプ
の内周面を拘束する内面押え方式、および押えロ
ール無しの方式の３つである。

外面押え方式によつてスパイラル鋼管を製造す
るときは、外面押えロールによつてストリツプ
（管状体）の拡径方向のスプリングバツクを拘束
した状態で合わせ目で溶接されてスパイラル鋼管
とされるから、周方向の１箇所に軸方向に延在す
るスリツトを入れたならば、周方向に開く正の残
留モーメント（リング開口度が正ともいう。リン
グ開口度については後述する）を有するスパイラ
ル鋼管が得られる。

他方、内面押え方式によつてスパイラル鋼管を
製造するときは、内面押えロールによつてストリ
ツプ（管状体）の縮径方向のスプリングバツクを
拘束した状態で合わせ目が溶接されてスパイラル
鋼管とされるから、周方向の１箇所に軸方向に延
在するスリツトをいれたならば、周方向に閉じる
負の残留モーメント（リング開口度が負）を有す
るスパイラル鋼管が得られる。

更に、押えロール無しの方式では、成形された
ストリツプ（管状体）がスプリングバツクし終つ
た状態で製品管直径に一致する直径にとなるよう
に曲げ成形されるので、この方式では零の残留モ
ーメントのスパイラル鋼管が得られる。

而して、スパイラル鋼管は、その用途に応じて
異なる残留モーメントを有していることが望まれ
る。たとえば、サワーガスを含む原油を輸送する
ためのラインパイプとしてスパイラル鋼管が用い
られる場合は、負の適切な値の残留モーメントを
有していることが望まれる。正の残留モーメント
を有していると、管の周方向に張力が作用し、応
力腐食割れが助長されるからである。また、スパ
イラル鋼管がラインパイプとして用いられる場
合、正の残留モーメントを有していると、管内の
液圧によつて拡管し管の強度を低下させるという
問題もある。

一方、スパイラル鋼管を杭として用いる場合、
管外周面に矢板爪と呼ばれる部材が溶接される。
そうすると負或は零の残留モーメントを有するス
パイラル鋼管では、管断面の真円度が壊れ、断面
形状がいびつなものとなる。従つて、スパイラル
鋼管を杭として用いる場合は、正の適切な値の残
留モーメントを有する管が望まれる。

このように、スパイラル鋼管は、その用途によ
つて正から負の領域に亙つて適切な値を有するス
パイラル鋼管を自在に造り分けることと同時に、
外面押え方式で負の残留モーメントを有する管
を、或いは内面押え方式で正の残留モーメントを
有する管を製造するというように、単一の製造設
備（外面押えロール方式又は内面押えロール方
式）で正負両領域の残留モーメントが任意に付与
しうる技術の実現が、強く望まれていた。

従来提案されているスパイラル鋼管の残留モー
メント制御手段としては、例えば、特願昭53−
12757号公報、特開昭53−142361号公報、特開昭
55−130333号公報等が挙げられる。特開昭53−
12757号公報に示すものは、外面押えロール方式
において、残留モーメントを零近傍に制御して成
形後の水圧試験による管径の拡大現象を防止する
目的で、造管時に初期曲げ半径を、鋼板がスプリ
ングバツクした後製品半径にほぼ等しくなるよう
にすることを内容とし、又特開昭53−142361号公
報は、この特開昭53−12757号公報の内容を実施
するに際し問題となる逆曲げ現象を解決するため
の方法を開示している。従つて、これらは単に残
留モーメントを零近傍に制御する手段であつて、
外面押えロール方式であつても正負の残留モーメ
ントを任意に付与し得るという点は全く開示して
いない。

更に、特開昭55−130333号公報に開示する内容
は、外面押え方式のスパイラル鋼管製造ライン
で、正の所望の値を有する残留モーメントを有す
る管を製造するということであり、この先行技術
によつても、正の所望の値を有する残留モーメン
トを有するスパイラル鋼管を製造することはでき
るけれども、負の残留モーメントを有する管を製
造することができないし、残留モーメントを制御
する機構も複雑である。

しかして、本件出願人は、これら従来技術の問
題点を解消し、製造方式にとらわれることなく正
負いずれの領域及び任意の値の残留モーメントを
付与し得るスパイラル鋼管の製造方法及び装置を
提案した（特開昭56−59532号公報）。この技術内
容の特色は、３本の曲げ成形ロールの出側曲げ成
形ロールの下流側近傍に管径方向に調整自在な曲
げモーメント付与ロールを設け、該ロールによつ
て曲げ成形後のストリツプの曲率を製品曲率に修
正し、正及び負の両領域に亙る残留モーメントを
付与しようとする点である。

［発明が解決しようとする課題］ この特開昭56−59532号公報に記載されたスパ
イラル鋼管製造技術は、それまでの残留モーメン
トを制御するためのスパイラル鋼管の製造手段で
は得られない優れた効果を発揮することが明らか
となつた。しかしながら、本発明者等は更にこの
技術を実施するに際して種々研究を重ねた結果、
スパイラル鋼管の基本的な成形手段である、３本
のピラミツド配置の曲げ成形ロールの位置設定が
実操業上の残留モーメント制御にとつて極めて重
要な要素となることを知見し、本発明を完成する
に至つた。この点について先の特開昭56−59532
号公報はもとより前掲の従来例のいずれも、何ら
対策を講じていない。

すなわち、本発明の上記の特開昭56−59532号
公報に記載されたスパイラル鋼管製造技術を前提
とし、正、負領域に亙つて任意の値の残留モーメ
ントを有するスパイラル鋼管を、製造方式にこだ
わらず、かつ投入される材料（ストリツプ）の厚
さや機械的性質が変動しても、高い精度下に製造
することができる方法を提供することを目的とし
てなされた。

［課題を解決するための手段］ 本発明の要旨とする処は、ピラミツド形に配置
された３本の成形ロールを備える曲げ成形装置に
ストリツプをその長手方向に送り込みながらスパ
イラル状に曲げ成形し、スパイラル状に成形され
たストリツプの外側或いは内側に設けた押えロー
ルによりストリツプの外周面或いは内周面を拘束
し、既に管となつている部分と曲げ成形されたス
トリツプの側縁端の合わせ目を連続的に溶接して
スパイラル鋼管を製造する方法において、 まず前記３本の成形ロールの内面曲げ成形ロー
ルを基準ロールとしてその位置を固定し、出側外
面曲げ成形ロールの位置（圧上量）δ₂を下記式に
より設定し、 さらに残留モーメントと平均圧上量δ_n（＝（δ₁＋
δ₂）／２）との関係を予め求めておき、所要の残
留モーメントに対応する前記平均圧上量δ_nに基づ
いて入側外面曲げ成形ロールの位置（圧上量）δ₁
を設定するとともに、 前記曲げ成形装置によつて成形された管状体の
直径を製品管直径に等しくすべく前記出側外面曲
げ成形ロールのストリツプ進行方向後段に隣接す
る曲げモーメント付与ロールの管半径方向位置を
調節する ことを特徴とするスパイラル鋼管の残留モーメン
ト制御方法 δ₂＝ρ_p＋r_e−√（_p＋_e）²−₂ 但し P_p：製品管半径 r_e：曲げ成形ロール半径 Ｌ：内面外面曲げ成形ロール軸心と出側外面曲げ
成形ロール軸心間の距離 にある。

［作用］ このように、本発明にあつては、内面成形ロー
ルおよび出側外面成形ロールの位置は、プリセツ
トされ、作業中に内面成形ロールおよび出側外面
成形ロールの位置が変化せしめられることはな
い。入側外面曲げ成形ロールの位置設定は残留モ
ーメントと平均圧上量との関係を予め求めてお
き、所要の残留モーメントに対応する平均圧上量
に基づいて決められるから、製品管に付与すべき
残留モーメントの方向（正か負か）等が変化する
ときは、入側外面成形ロールの位置のみが変化
（圧上量変化）せしめられる。

従つて、製品管の残留モーメントによつて影響
を受けるのは、入側外面成形ロールの位置のみで
あるから、入・出側外面成形ロール双方の圧上量
を共に調節する場合に比し、残留モーメントの制
御は容易かつ正確となる。

加えて、本発明にあつては、これら３本の成形
ロールを含む曲げ成形装置によつてスパイラル状
に曲げ成形されたストリツプ（管状体）を、出側
曲げ成形ロールのストリツプ進行方向後段に隣接
する曲げモーメント付与ロールの管半径方向位置
を調節することにより、その直径を製品管の直径
に精度よく一致せしめることができる。

以下、スパイラル鋼管の成形過程を単純曲げ理
論をベースに検討し、それに基づく製品管径およ
び残留モーメントの制御について述べ、次いで、
本発明について詳細に説明する。

先ず最初にスパイラル鋼管における残留モーメ
ントと１対１の対応関係にあるリング開口度につ
いて説明する。

第１図ｂに示すようにリング開口による幾何学
的関係から、ρ_pを製品管の半径、ρ_pをリング開口
後つまりスパイラル鋼管の周方向の１箇所に軸方
向に延在するスリツトを入れたときに完全に周方
向に開いた（スプリングバツクした）後の管の曲
率半径とすると、 α＝2ρ_p・sin（θ／２） 2πρ_p＝（2π−θ）ρ_p である。この２つの式から、リング開口度γをγ
≡α／D_pと定義すると、γは次式で与えられる。
ここで、D_pはストリツプ（板）厚中心における
管直径である。

γ＝ρ_p／ρ_psinρ_p／ρ_pπ＝sinωπ／ω……(1
) ここで、ω≡ρ_p／ρ_pである。

次に、リング開口による曲率の変化状況を曲げ
モーメントと曲率の関係から説明する。第２図に
示すように、たとえば最大曲率１／ρ_iのＡ点まで
曲げられた材料は、スプリングバツクの途中のＢ
点の製品管曲率１／ρ_pで側縁端衝合部位を溶接さ
れてスパイラル鋼管とされる。このスパイラル鋼
管は、正の残留モーメントM₁を有している。こ
のスパイラル鋼管の周方向における１箇所に軸方
向に延在するスリツトを入れてリング開口させる
と残留モーメントが解放され、リング開口後の管
の曲率は、第２図におけるＣ点で示される曲率
１／ρ_pとなる。

最大曲率をさらに大きくして、A′点まで曲げ
成形し、負の残留モーメントM₂を製品管に与え
る場合も全く同様であるが、この場合は、曲率
C′から曲率B′（製品管の曲率）にするために、曲
げ成形されたストリツプ（成形管）を内面から押
し拡げなければならない。B′点の製品管曲率
１／ρ_pで側縁端衝合部位を溶接されてスパイラル
鋼管とされたものを、周方向における１箇所に軸
方向に延在するスリツトを入れてリング開口させ
ると、第２図から明らかな如く、曲率半径は製品
管のそれよりも小さくなり、第１図に示すαは、
負、即ちγは負となる。

ωが、通常１前後の値であることから近似計算
すると、 γ＝sinωπ／ω≒π（１−ω）／ω ……(2) で表わされる。

一方、材料の応力−歪関係を、たとえば弾完全
塑性体とすると、単純曲げ理論により、 １／ρ_p＝１／ρ_i［１−３／２（σ_Yρ_i／Et） ＋１／２（σ_Yρ_i／Et）］ ……(3) で示される。ここで、Ｅ、σ_Y、2tは、それぞれ材
料のヤング率、降伏応力、ストリツプ（板）厚さ
である。

発明者等による実験結果によれば、σ_Yの代わり
に、σ^*＝1.15σ_iを用いるべきであることが確認さ
れた。σ_iは、曲げによる最大歪ｔ／ρ_iに対応する
変形抵抗である。従つて、以降本明細書におい
て、σ_Yはσ^*を意味するものとする。

処で、通常の曲げ成形では、(3)式における
「 」内の第３項は無視できるので、 ω≡ρ_p／ρ_p≒ρ_p／ρ_i（１−３／２・σ_Y・ρ_i／
Et）……(4) となる。

(2)、(4)式より、素材のヤング率Ｅと降伏応力σ_Y
と管断面寸法（厚さ：2t、曲率：ρ_p）および曲げ
の最大曲率１／ρ_iが決まると、リンク開口度γは
決定される。因みに、正または零の残留モーメン
トを有するスパイラル鋼管においては、 γ≧ｏ，（ω≦１）で ρ_p≧ρ_p≧ρ_i 負の残留モーメントを有するスパイラル鋼管に
おいては、 γ＜ｏ，（ω＞１）で ρ_p＞ρ_p＞ρ_i となる。

また、製品管の最外周面における残留応力をσ_R
とすると、単純曲げ理論の計算により、リング開
口度は次式で与えることもできる。即ち、 γ＝πε／１−ε，ε≡σ_Y・σ_p／Ｅ・ｔ（１／２＋
σ_R／σ_Y）……(5) さらに、最大曲率１／ρ_iにおける管の単位長さ
当りの曲げモーメントＭおよび管の単位長さ当り
の残留モーメントM_pはそれぞれ Ｍ＝σ_Yt²［１−１／３（σ_Yρ_i／Et）²］ ……(6) で表わされる。

上述の曲げ論理から明らかなように、ストリツ
プは、先ずストリツプ曲げ成形手段によつて製品
管半径ρ_pよりも小さい曲率半径ρ_iとなるように曲
げられる。曲げられたストリツプが完全にスプリ
ングバツクした後つまり残留モーメントが零とな
る曲率半径ρ_pが製品半径ρ_pよりもどれだけ大きい
か或は小さいかによつて、製品管における残留モ
ーメントの方向（正、負）と値が定まる。

［実施例］ 次に、第３図に示す外面押え方式製管装置及び
第６図に示す内面押え方式製管装置を用いて本発
明を実施する場合を説明する。尚、第３図及び第
６図のものは本発明者等が特開昭56−59532号公
報において開示した装置である。

第３図に示すように、本発明を実施するための
製管装置は、基台１１上に入側成形スタンド１２
および出側外面成形スタンド１３が設けられてい
る。また、基台１１上のフレーム（図示しない）
から内面成形スタンド１４が吊り下げられてい
る。入側、出側および内面成形スタンド１２，１
３および１４にはそれぞれ曲げ成形ロール１８，
１９および２０が回転自在に取り付けられてい
る。これら成形ロール１８，１９および２０は、
正面から見るとピラミツド形に配置されている。
なお、本明細書でロールという場合は、分割型ロ
ールの１セツトを総称するものである。

上記基台１１には、第３図に示すように、ピラ
ー３５により断面Ｃ形の管軸方向に延在するフオ
ーミングケース３６が支持されている。フオーミ
ングケース３６には、成形された管２の外周面に
沿うように配列された多数の外面押えロール３７
が、ねじ機構を含む支持部材３８を介して回転自
在に取り付けられている。外面押えロール３７
は、支持部材３８のねじ機構によつて管２の半径
方向に進退して押え位置が調整される。また、外
面押えロール３７は、管２の外周面に接触し、管
２のスパイラル運動に従つて回転する。

上記内面成形スタンド１４には、スパイラル鋼
管の管軸に垂直な断面内で見て１箇の、管軸方向
に沿つて複数個に分割された曲げモーメント付与
ロール４１が取り付けられている。曲げモーメン
ト付与ロール４１の管周方向における位置は、第
３図に示すように、出側外面成形ロール１９と最
初に当接する外面押えロール３７の間つまり出側
にあり、装置の配置上の条件が許す限り外面成形
ロール１９に近接することが望ましい。曲げモー
メント付与ロール４１の取り付け方は、適宜の手
段にて管の半径方向にその位置を調整可能に取付
けられる。

このように構成された製管装置を用いて、本発
明によつてスパイラル鋼管を製造する方法を、以
下に説明する。

先ず、成形ロール１８，１９および２０は、内
面成形ロール２０がストリツプの管２の内面とな
るべき部位を押圧し、入側および出側外面成形ロ
ール１８，１９でストリツプの管２の外面となる
べき部位を支持する。前記内面成形ロール２０の
位置で最大曲率１／ρ_iとなるように、また出側外
面成形ロール１９の位置でほぼ製品管の曲率１／
ρ_pとなるように、それぞれの成形ロールの位置が
設定される。外面押えロール３７および曲げモー
メント付与ロール４１は、成形ロール１８，１９
および２０によつて曲げ成形されたストリツプ
（成形管）の曲率が製品管の曲率と一致するよう
にストリツプを案内拘束すべくその位置（管半径
方向位置）に設定される。尚、各ロールの位置設
定の詳細は後述する。

このように各ロールが位置設定された製管装置
に、第３図に示すように鋼ストリツプが連続的に
送り込まれる。ストリツプ１は、入側外面成形ロ
ール１８の内面成形ロール２０の間で曲げられて
曲率を増し、内面成形ロール２０の位置で最大曲
率１／ρ_iとなる。内面成形ロール２０と出側外面
成形ロール１９との間では、ストリツプ１は、ス
プリングバツクによつて徐々に曲率が減じ、出側
外面成形ロール１９の位置でほぼ最終曲率１／ρ_p
となる。而して、曲げモーメント付与ロール４１
による押し拡げ或は外面押えロール３７による案
内拘束によつて最終曲率１／ρ_pを保つた状態でス
パイラル管状に成形されたストリツプの側縁端と
既に溶接されてスパイラル鋼管となつている部分
のストリツプの側縁端の衝合部が溶接トーチによ
つて連続的に内面溶接される。

上記第３図の製管装置を用いて、負の残留モー
メントを有するスパイラル鋼管を製造するには、
第４図に示すように、所定の値の負の残留モーメ
ントが生じる最大曲げ曲率１／ρ_iとすべく、曲げ
成形ロール１８，１９の圧上量（管半径方向にお
ける位置、残留モーメントと圧上量との関係は予
め求めてある）を調整して曲げ成形を行い、成形
されたストリツプ（成形管：第４図に２点鎖線で
示す）を残留モーメント付与ロール４１によつて
第４図に実線で示す製品管径となるまで押し拡げ
る。

即ち、ストリツプを第２図におけるA′点の曲
率１／ρ′_iに曲げ成形し、曲げモーメント付与ロー
ル４１で製品管の曲率１／ρ_pとなるまでストリツ
プ（成形管）を押し拡げる（曲率C′から曲率
B′へ）。この状態で、成形されたストリツプの側
縁端と既に溶接されてスパイラル鋼管となつてい
る部分のストリツプの側縁端の衝合部を連続的に
溶接する。こうして得られたスパイラル鋼管は、
第２図におけるM₂なる負の残留モーメントを有
している。

一方、第３図の装置を用いて正の残留モーメン
トを有するスパイラル鋼管を製造するには、第５
図に示すように、所定の値の正の残留モーメント
が生じる最大曲げ曲率１／ρ_iとすべく曲げて、成
形されたストリツプ（成形管：第５図に２点鎖線
で示す）を外面押えロール３７で製品管の曲率
１／ρ_p（第５図に実線で示す）と一致するように
案内拘束する。この状態で、成形されたストリツ
プの側縁端と既に溶接されてスパイラル鋼管とな
つている部分のストリツプの側縁端の衝合部を連
続的に溶接する。こうして得られたスパイラル鋼
管は、正の残留モーメントを有している。これは
通常行われている操作である。

即ち、ストリツプを、第２図におけるＡ点の曲
率１／ρ_iに曲げ成形し、製品管の曲率１／ρ_p（Ｂ
点）となるまでスプリングバツクさせ外面押えロ
ールで拘束した状態下で、既に溶接されてスパイ
ラル鋼管となつている部分のストリツプの側縁端
との衝合部を連続的に溶接する。かくして得られ
たスパイラル鋼管は、M₁なる正の残留モーメン
トを有している。

このように、ストリツプの曲げ成形における最
大曲率を、第２図におけるＡ〜A′の間の所定の
値に設定すれば、Ｂ〜B′の範囲で正、負所望の
領域の所望の値の残留モーメントを有するスパイ
ラル鋼管を得ることができる。

次に第６図において、第３図に示す部材と同一
のものには同じ参照符号を付け、説明を省略す
る。外面曲げ成形ロール１８，１９と内面曲げ成
形ロール２０とによつて構成されるストリツプ曲
げ成形手段で、ストリツプは曲げ成形されてスパ
イラル鋼管２とされる。ストリツプがスパイラル
状に曲げ成形されるに際しては、架台５１によつ
て管２の半径方向に進退自在に支持された多数の
内面押えロール５２と、スタンド５４に支持され
た、スパイラル鋼管の管軸に垂直な断面内でみて
１箇の、管軸方向に沿つて複数個に分割された曲
げモーメント付与ロール５５によつて管直径D_p
の保持がなされる。前記曲げモーメント付与ロー
ル５５は、出側外面曲げ成形ロール１９の後に、
成形管の外側に位置するように設置される。内面
成形スタンド１４および架台５１は、管２の内側
に配設された内面押えロール支持台５７によつて
支持される。

第６図に示す内面押え方式の製管装置によつて
正の残留モーメントを有するスパイラル鋼管を製
造するには、３つの曲げ成形ロールで所要の値の
正の残留モーメントが生じるような、例えば第２
図におけるＡ点の曲げをストリツプに与えて第７
図に示す２点鎖線の成形管とし、これを曲げモー
メント付与ロール５５によつて第７図に実線で示
す製品管径となるように押し縮める。この状態下
で、既に溶接されてスパイラル鋼管となつている
部分のストリツプの側縁端との衝合部を連続的に
溶接する。こうして得られたスパイラル鋼管は、
正の残留モーメントを有している。即ち、スプリ
ングバツクさせれば第２図に示すＣ点の曲率とな
るものを、曲げモーメント付与ロールによつてＢ
点の曲率となるように曲げ成形されたストリツプ
（成形管）を押し縮めて予定された製品管径とし、
衝合部を連続的に溶接する。かくして得られたス
パイラル鋼管は、M₁なる正の残留モーメントを
有している。

一方、第６図に示す製管装置によつて負の残留
モーメントを有するスパイラル鋼管を製造するに
は、第８図に２点鎖線で示す曲率に曲げ成形し、
これを内面押えロール群５２によつて、実線で示
す製品管の曲率とすべく押し拡げるようにストリ
ツプを案内拘束する。この状態の下で、既に溶接
されてスパイラル鋼管となつている部分のストリ
ツプの側縁端との衝合部を連続的に溶接する。こ
うして得られたスパイラル鋼管は、負の残留モー
メントを有している。即ち、第２図における
A′点の曲率にストリツプを曲げ成形したものを、
B′点の曲率（製品管の曲率）まで内面押えロー
ル５２によつて拡大し、その状態の下で衝合部を
連続的に溶接する。かくして得られたスパイラル
鋼管は、M₂なる負の残留モーメントを有してい
る。

このように、第６図に示す製管装置によるとき
も、ストリツプの曲げ成形における最大曲率を、
第２図におけるＡ〜A′の間の所定の値に設定す
れば、Ｂ〜B′の範囲で正、負所望の領域で所望
の値の残留モーメントを有するスパイラル鋼管を
得ることができる。

叙上のように、本発明によれば、同一製管装置
によつて正の残留モーメントを有するスパイラル
鋼管と負の残留モーメントを有するスパイラル鋼
管を造り分けることができるのみならず、一端か
ら他端へむけて正の領域の残留モーメントから負
の領域の残留モーメントへと連続的に変化する１
本のスパイラル鋼管を製造することもできる。

次に、本発明の残留モーメント制御方法の基本
的な考え方について説明する。

(1) 残留モーメントまたはリング開口度の、入側
曲げ成形ロールによる初期設定 素材のヤング率と降伏点（Ｅ，σ_Y）とパイプ
サイズ（2t、ρ_p）及び所望される残留モーメン
トすなわちリング開口度γが与えられると、曲
げ成形装置による曲げの最大曲率１／ρ_iは(2)、
(4)式より次式で与えられる。

１／ρ_i＝１／ρ_p（π／π＋γ＋３／２・σ_Y・σ_p／
Ｅ・ｔ）……(8) 通常ρ_iは直接測定することが困難であるの
で、例えば曲げ成形装置の内面曲げ成形ロール
直下のストリツプの曲率と成形装置のロール位
置との関係を求めておき(8)式のρ_iに対応するロ
ール位置を設定すれば、γの初期値設定は達成
される。以下、この点について説明する。

本発明者達はピラミツド形に配置された３つ
の成形ロールによるストリツプの曲げ成形につ
いて論理的な解析を行つた結果、これら成形ロ
ールの位置関係によつてリング開口度γ（即ち
残留モーメント）を調整できることを見出し
た。これを、成形ロールの位置関係を示す第９
図により具体的に説明する。

第９図の如く成形ロールは入側外面成形ロー
ル１８、内面成形ロール２０および出側外面成
形ロール１９よりなつている。これら成形ロー
ルはすべて同径ｒであり、図に示すr_eは成形ロ
ール相当半径であり、r_e＝ｒ＋ｔである（ここ
で板厚＝2tである）。したがつて、図は各成形
ロールが曲げ加工されているストリツプの板厚
中心線Ｎに接しているように描かれている。内
面成形ロール２０に対する入・出側外面成形ロ
ール１８，１９の水平距離はそれぞれ等しくＬ
である。また、入・出側外面成形ロール１８，
１９の高さ位置（圧上量）は内面成形ロール２
０の下端に接する水平線Ｈから各ロールの上端
に至る距離δ₁、δ₂で表わされる。ここで、成形
ロールの平均圧上量δ_n＝（δ₁＋δ₂）／２とする
と、値δ_n／L²は材料の縦弾性係数Ｅ、降伏応
力σ_Y、製品管の半径ρ_pおよび肉厚2t、ならびに
リング開口度γによつて定まる。

ところで、曲げ成形装置では一般に成形ロー
ル半径ｒおよびロール間距離Ｌは固定されてい
るので、ロール位置関係において成形作業中に
調整可能な量は上記平均圧上量δ_nである。な
お、本発明者達の研究結果によれば、Ｌ／√
Ｄ・2t＝1.2〜1.4となるようにＬの値を選ぶこ
とが望ましい。ここで、Ｄは仕上管の外径であ
る。このＬの値は溶接の安定性および圧上量制
御の容易性についての経験的および一部実験的
な検討により得られたものである。係数1.2〜
1.4は材料強度に依存し、強度が大きいほど、
係数は大きくとることが好ましい。δ_nは入側外
面成形ロール１８の圧上量δ₁および出側外面成
形ロール１９の圧上量δ₂によつて調整される
が、本発明者達は更に、δ₂を適当な値に固定
し、δ₁のみを調整すると残留モーメントを正確
に調整できることを見出した。次に、これを説
明する。

理想的には第９図に示すように、最終曲率半
径ρ_pで曲げられたストリツプの外周上に出側外
面成形ロール１９の接触面があればよい。（図
では相当半径r_eで描かれた出側外面成形ロール
が点Ｐでストリツプの中心線Ｎに接するように
示されている。）このような接触状態にない場
合、例えば出側外面成形ロール１９の位置が高
すぎる（δ₂が大きすぎる）場合、この外面成形
ロール１９に接触する近傍のストリツプは管外
面が凹むように逆向きに湾曲する。このため
に、成形にむだなエネルギを消費し、残留モー
メントの調整が不可能となる。また、逆に出側
外面成形ロール１９の位置が低すぎる（δ₂が小
さすぎる）場合、外面成形ロール１９はストリ
ツプから離れてしまい、ストリツプを所要の曲
率に曲げ成形することできなくなる。

出側外面成形ロール１９の適当な位置すなわ
ち最適圧上量δ₂は、第９図を参照して次のよう
に求められる。ストリツプの板厚中央の有効曲
げ長さをｌ、曲げ傾斜角をθとすると、幾何学
的な関係から ｌ＝ρ_psinθ ……(9) Ｌ＝ｌ＋r_esinθ ……(10) 式(9)、(10)より Ｌ＝（ρ_p＋r_e）sinθ ……（11） また、有効圧上量（接点Ｐの位置の高さ）δ^*
は δ^*＝δ₂−r_e（１−cosθ） ＝ρ_p（１−cosθ） ……（12） で表わされ、これより δ₂＝（ρ_p＋r_e）（１−cosθ） ……（13） 式（11）、（13）より L²／（ρ_p＋r_e）²＋（ρ_p＋r_e−δ₂）²／（ρ_p＋r_e）
²＝１……（14） 式（14）より δ₂＝ρ_p＋r_e−√（ρ_p＋r_e）²−L²……（15） したがつて、出側外面成形ロール１９の圧上
量δ₂を予め式（15）で与えられる値に設定すれ
ばよい。

第１０図は上記の結果を実験によつて確かめ
たもので、γとδ_n／L²との関係を示すグラフ
である。この実験は管半径ρ_p＝400mm、板厚2t
＝９mm、成形ロール半径ｒ＝40mmおよびストリ
ツプ降伏応力σ_Y＝30Kg／mm²の条件のもとで、Ｌ
をそれぞれ90mm、100mm、110mmとした時に、δ₂
を決めてδ₁を変数とした場合と逆にδ₁を決めて
δ₂を変数とした場合におけるγの変化を調べ
た。

このグラフから明らかなように、入側外面成
形ロールの圧上量δ₁を変数としてこれを大きく
する、即ちδ_n／L²を大きくして行くと残留モ
ーモントが正から負に変化することが分かる
（変形曲線Ｅ参照）。しかし、出側外面成形ロー
ルの圧上量δ₂を変化させた場合には、その値が
大きくなりすぎると逆曲げ部分Ｇを含む変形曲
線Ｆのようになり、本来リング開口度γが負で
あるべきものが、正の値を示すことがある。

このようにδ_n／L²とリング開口度γ（残留モ
ーメント）との間には一定の関係にあるので、
成形ロールの平均圧上量δ_n（＝（δ₁＋δ₂）／２）
により残留モーメントを調整することができ、
更に、式（15）により出側外面成形ロール１９
の圧上量δ₂を設定すれば、入側外面成形ロール
１８の圧上量δ₁のみにより残留モーメントを調
整することができる。換言すれば、本発明では
残留モーメント（リング開口度γ）と平均圧上
量δ_nとの関係を予め求めておけば、例えば使用
する材料毎に第１０図の如き関係を事前に求
め、製品管に付与すべき正又は負の所要の値の
残留モーメント（即ちリング開口度γ）から
δ_n／L²を決めることにより、入側外面成形ロ
ール１８の圧上量δ₁を設定することが可能とな
るのである。

本発明者達は入側外面成形ロールの圧上量δ₁
のみにより残留モーメントを調整することが効
果的であることを更に別の実験により確かめ
た。この結果を第１１図および第１２図に示
す。管径その他の実験条件は第１０図に関して
行われた実験の条件と同じである。

これらの図面では、Ｌ＝100mmとし横軸に内
面成形ロールからの距離をとり（０位置が内面
成形ロール、−100位置が入側曲げ成形ロール、
100位置が出側曲げ成形ロールのそれぞれの位
置を示している）、縦軸に曲率の変化をとつて
いる。そして、第１１図は入側外面成形ロール
の圧上量δ₁を変化させた場合、第１２図は出側
外面成形ロールの圧上量δ₂を変化させた場合を
示す。いずれの場合も曲率が成形部入側で急激
に大きくなり、ほぼ内面成形ロール直下（０位
置）で最大となつたのち、内面成形ロール出側
で大きく減少していることを示している。そし
て、成形部出側で最終的に製品曲率に等しくな
つている。しかし、δ₁を変化させた場合は異常
は生じないが、出側外面成形ロールの圧上量δ₂
を変化させた第１２図の場合、圧上量δ₂が15mm
と大きすぎると出側外面成形ロール付近で曲率
１／ρは著しく減少する（破線参照）。この現
象は第２図に示す曲線C″〜B″が表わすバウシ
ンガー効果と逆曲げとの複合効果による。この
結果、第２図に示すように、製品管径（2ρ_p）
に仕上げられたスパイラル鋼管は所要の負の残
留モーメントの代りに正の残留モーメントM₃
が付与されることになる。

このように出側外面成形ロールの圧上量δ₂の
みを変化させた場合、第１２図から明らかなよ
うに平均圧上量δ_nが等しくても圧上量δ₂が大き
くなると、逆曲げが発生する。その結果、残留
モーメントの制御が困難となるばかりでなく、
むだなエネルギーを消費し、ロールマークが発
生し易くなる。

また、反対に平均圧上量δ_nが小さく、変化さ
せる圧上量δ₂も小さい場合においては、第１３
図に示す出側外面成形ロール１９の成形荷重
Q₁はほとんど零となる。したがつて、ストリ
ツプ１はピラミツド配置の成形ロール１８，１
９および２０の組に代り、成形ロール１８，２
０および押えロール３７の組（斜線を入れた
組）によつて成形されることになり、重要な出
側成形ロールが殆ど関与せず成形が極めて不安
定となる不都合が生じる。

(2) 外乱（σ_Yおよび2tの変化）への対応 成形中、ストリツプの降伏応力σ_Yおよび板厚
2tの変化による外乱が発生した場合の残留モー
メントM_pの調節について説明する。

成形装置の圧上装置、ハウジングなどの弾性
変形があるために、成形ロールの見掛けの圧上
量S_nと真の圧上量δ_nは一致せず、両者の関係
は次式で与えられる。

Ｑ＝Ｋ（S_n−δ_n） ……（16） ここでＱは曲げ成形荷重、Ｋは成形スンタド
のバネ常数である。

一方、発明者達は実験により材料の成形力Ｑ
はほぼσ_Y、2t、δ_nの関数と考えることできるこ
とを知つた。すなわち Ｑ＝（σ_Y、2t、δ_n） ……（17） 次に説明する第１４図にＱ＝（σ_Y、2t、δ_n）
をグラフにより定性的に示している。

また、近似的にδ∝１／ρであるからδ_nはρ_i
の関数である。すなわち δ_n≒Ψ（ρ_i） ……（18） （16）〜（18）式より S_n＝１／Ｋ・（σ_Y、2t、δ_n）＋Ψ（ρ_i） ……（19） 今、成形中、σ_Yがσ′_Yへ変化した場合の例で
残留モーメント調整の考え方について説明す
る。製品径（2ρ_p）及び残留モーメント（γ）
を一定に保つためには、(8)式の関係に従つて、
σ_Y→σ′_Yに応じてρ_i→ρ′_iに変えなければならな
い、すなわち（19）式により、S_nから S′_n＝１／Ｋ・（σ_Y、2t、δ_n）＋Ψ（ρ_iへ成形
ロー ル（前述のように出側外面成形ロールのみ）の
圧上量を設定変更すればよい。

第１４図は、上記演算をグラフで説明するも
のである。成形装置の弾性特性直線群S_n、
S′_n、S″_nはS_nをパラメータとして式（16）を
表わすものである。成形荷重曲線群Ｑ、Q′、
Q″は降伏応力σ_Yをパラメータとし式（17）を
表わしている。式（17）は板厚2tも変数として
いるが、ここでは板厚一定としている。直線
M_pは所要の残留モーメントを表わしている。
すなわち、所要の残留モーメントM_pが与えら
れれば、M_p≒Qlおよび近似的にδ∝１／ρよ
り第２図の例えば直線は、第１４図上に直
線M_pで近似的に表わすことができる。

この第１４図において、点ａは降伏応力σ_Yの
ストリツプを圧上量δ_nで成形することにより残
留モーメントM_pの管が得られることを示して
いる。今、降伏応力がσ′_Yに変つたとすると、
式（17）により成形荷重は変化し、荷重曲線は
Q′となる。所要の残留モーメントを得るため
には直線M_pと曲線Q′との交点ｂの成形荷重で
成形しなければならない。このときの見掛けの
圧上量は、この交点ｂを通る直線S′_nが示す量
S′_nである。板厚2tが変化した場合も上記と同
様にして、所要の残留モーメントを管に与える
ことができる。

［発明の効果］ 以上述べた本発明の方法によれば、同一製管装
置によつて正の残留モーメントを有するスパイラ
ル鋼管と負の残留モーメントを有するスパイラル
鋼管を所望の値にて造り分けることができるのみ
ならず、望むならば、一端から他端へむけて正の
領域の残留モーメントから負の領域の残留モーメ
ントへと連続的に変化する１本のスパイラル鋼管
を製造することもできる。

しかも本発明によれば、ストリツプに所要の曲
率を付与するための基本となる、ピラミツド配置
の３個の曲げ成形ロールの位置設定を極めて合理
的に行うことができるため、投入される材料（ス
トリツプ）の厚さや機械的性質が変動しても、高
精度に残留モーメントを制御でき、スパイラル鋼
管製造技術の向上に多大に貢献する。

【図面の簡単な説明】

第１図はリング開口度の説明図で、ａはリング
開口前、ｂはリング開口後の状態を示す。第２図
は、成形途中および完成した管の曲率と曲げモー
メントとの関係を示す線図である。第３図は本発
明の方法が応用される装置例で曲げモーメント付
与ロールが設置された外面押え方式の製管装置の
正面図である。第４図および第５図は外面押え方
式における曲げ加工工業の説明図である。第６図
は本発明の方法が応用される装置例で曲げモーメ
ント付与ロールが設置された内面押え方式の製管
装置の正面図である。第７図および第８図は内面
押え方式における曲げ加工工業の説明図である。
第９図は本発明における成形ロールの相互間の位
置関係を説明する図面である。第１０図は成形ロ
ールの位置（δ_n／L²）と残留モーメント（γ）
との関係の一例を示すグラフである。第１１図お
よひ第１２図はそえぞれ入側成形ロールおよび出
側成形ロールの圧上量を調節した場合における曲
率の変化の一例を示す線図である。第１３図は圧
上量が小さい場合における成形ロールおよび押え
ロールの作用を説明する図面である。第１４図は
本発明の残留モーメントを入側外面曲げ成形ロー
ルの位置によつて制御する方法を説明する線図で
ある。第１５図は、スパイラル鋼管の造管機の概
略を示す図である。 １……ストリツプ、１８……入側外面曲げ成形
ロール、１９は出側外面曲げ成形ロール、２０…
…内面曲げ成形ロール、３７……外面押えロー
ル、５２……内面押えロール、４１，５５……残
留モーメント付与ロール。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ピラミツド形に配置された３本の成形ロール
   １８，１９，２０を備える曲げ成形装置にストリ
   ツプ１をその長手方向に送り込みながらスパイラ
   ル状に曲げ成形し、スパイラル状に成形されたス
   トリツプの外側或いは内側に設けた押えロール３
   ７又は５２によりストリツプの外周面或いは内周
   面を拘束し、既に管となつている部分と曲げ成形
   されたストリツプの側縁端の合わせ目を連続的に
   溶接してスパイラル鋼管を製造する方法におい
   て、 まず前記３本の成形ロールの内面曲げ成形ロー
   ル２０を基準ロールとしてその位置を固定し、出
   側外面曲げ成形ロール１９の位置（圧上量）δ₂を
   下記式により設定し、 さらに残留モーメントと平均圧上量δ_n（＝（δ₁＋
   δ₂）／２）との関係を予め求めておき、所要の残
   留モーメントに対応する前記平均圧上量δ_nに基づ
   いて入側外面曲げ成形ロール１８の位置（圧上
   量）δ₁を設定するとともに、 前記曲げ成形装置によつて成形された管状体の
   直径を製品管直径に等しくすべく前記出側外面曲
   げ成形ロール１９のストリツプ進行方向後段に隣
   接する曲げモーメント付与ロール４１又は５５の
   管半径方向位置を調節する ことを特徴とするスパイラル鋼管の残留モーメン
   ト制御方法。 δ₂＝ρ_p＋r_e−√（_p＋_e）²−₂ 但し P_p：製品管半径 r_e：曲げ成形ロール半径 Ｌ：内面外面曲げ成形ロール軸心と出側外面曲げ
   成形ロール軸心間の距離