JPH116032A - 耐局部座屈性に優れた耐震性溶接鋼管およびその製造方 法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大地震の際に、局部座屈を起こしにくい耐震
性鋼管を提供する。 【解決手段】 熱間圧延された鋼板を材料とする耐震性
溶接鋼管であって、その化学成分が、重量％で、Ｃ：
０．０３〜０．１５％、Ｍｎ：１．０〜２．０％を含有
し、Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、Ｎｉ：０．０５〜
０．５０％、Ｃｒ：０．０５〜０．５０％、Ｍｏ：０．
０５〜０．５０％、Ｎｂ：０．００５〜０．１０％、
Ｖ：０．００５〜０．１０％、Ｔｉ：０．００５〜０．
０８０％の内１種以上を含有し、下記の式で表されるＰ
ＣＭが０．１０〜０．２５であり、かつ、管軸方向の引
張試験における加工硬化指数が、０．１０以上であるこ
とを特徴とする耐局部座屈性に優れた耐震性溶接鋼管。 ＰＣＭ＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10
+5×B

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、曲げ応力に対し
て局部座屈を起こしにくい、耐局部座屈性に優れた耐震
性溶接鋼管およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＵＯＥ鋼管、スパイラル鋼管、継目無鋼
管、電縫鋼管、プレスベンド鋼管などの炭素鋼鋼管ある
いは低合金鋼鋼管は、大量にかつ安定して製造できるた
め、その優れた経済性や溶接施工性とあいまって、ガス
パイプラインや水道配管など流体の輸送用鋼管あるいは
建築・土木用の柱として、広く用いられている。

【０００３】建築用の鋼管においては、耐震性能を考慮
した鋼管がいくつか提案されている。例えば、特開平３
−１７３７１９号公報には、鋼板を圧延後Ａｒ₃ 点以上
の温度から又はＡｃ₃ 点以上の温度に再加熱後焼入れ、
その後３％以上の加工率で曲げ加工を施して鋼管とし、
その後Ａｃ₁ 変態点以下で焼戻し処理を行うという技術
が提案されている。これにより、降伏比８０％以下が得
られるというもので、実施例として７２〜７９％の降伏
比が記載されている。

【０００４】特開平５−６５５３５号公報、特開平５−
１１７７４６号公報、特開平５−１１７７４７号公報に
は、ｔ／Ｄ（ｔ：板厚、Ｄ：鋼管外径、以下同様）が１
０％以下の比較的厚物の建築用低降伏比鋼管の製造法が
提案されている。この方法では、Ｔｉ添加鋼の鋼板を冷
間成形して鋼管を製作し、その後５００〜６５０℃で焼
鈍を行っている。記載された実施例をみると、ｔ／Ｄは
３〜１０％、降伏比は８０％未満となっている。

【０００５】特開平５−１５６３５７号公報には、Ｎ
ｂ、Ｔｉ等を添加しない低炭素鋼による低降伏比の鋼管
の製造法が提案されている。この技術は、低炭素鋼を９
５０℃以下の圧下率が５０％以上となるよう熱間圧延し
空冷するもので、記載された実施例をみると、降伏比は
７６〜７８％となっている。

【０００６】特開平６−４９５４０号公報、特開平６−
４９５４１号公報、特開平６−１２８６４１号公報に
は、ｔ／Ｄが１０％以下の比較的厚物の建築用低降伏比
鋼管の製造法が提案されている。この方法では、Ｎｂ−
Ｔｉ添加鋼の鋼板を冷間成形して鋼管を製作し、その後
７００〜８５０℃で焼準を行っている。記載された実施
例をみると、ｔ／Ｄは４〜１０％、降伏比は８０％未満
となっている。

【０００７】特開平６−２６４１４３号公報、特開平６
−２６４１４４号公報には、やはりｔ／Ｄが１０％以下
の比較的厚物の建築用低降伏比鋼管の製造法が提案され
ている。この方法では、Ｔｉ添加鋼の鋼板を冷間成形し
て鋼管を製作し、その後Ａｃ ₁ 変態点以下で焼戻し処理
を行っている。記載された実施例をみると、ｔ／Ｄは４
〜１０％、降伏比は７０〜７８％となっている。

【０００８】特開平７−２３３４１６号公報には、Ｎｉ
−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｔｉ添加鋼による建築用低降伏比鋼管の
製造法が提案されている。この方法では、鋼板を冷間成
形して鋼管を製作し、その後６５０〜７５０℃で焼準を
行っている。記載された実施例をみると、ｔ／Ｄは４〜
９％、降伏比は７２〜７７％となっている。

【０００９】特開平７−１５０２４７号公報には、Ｎ
ｂ、Ｖ、Ｔｉの１種以上を添加した鋼板を、冷間成形し
て鋼管を製作し、その後二相域温度範囲に再加熱してい
る。記載された実施例をみると、降伏比は５５〜７０％
となっている。

【００１０】特開平７−１８８７４８号公報には、二相
域温度加熱時の島状マルテンサイト生成傾向を表すパラ
メータが、所定の範囲内となる鋼板を冷間成形して鋼管
を製作し、その後二相域温度範囲に再加熱している。記
載された実施例をみると、降伏比は４９〜６６％となっ
ている。

【００１１】これらの技術では、耐震性能として降伏応
力と引張強さの比である降伏比をとり、この比を小さく
するための鋼管製造方法に重点が置かれている。これら
はいずれも、柱の曲げ応力に対する塑性吸収能に関する
もので、降伏比を小さくすることにより、塑性崩壊に至
るまでのエネルギ吸収能を大きくし、建築物の倒壊の防
止をはかっている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、いずれ
の技術（以下、従来技術）についても柱の曲げ応力に対
する塑性変形吸収能に関する技術であり、低降伏比とす
ることに重点がおかれている。記載されている材料試験
値は、ＹＰ又はＹＳ、ＴＳ、ＹＲ（＝ＹＳ／ＴＳ）、あ
るいはこれに加えてｖＥｏであり、これらは通常の引張
試験値（降伏応力、引張強さ）とシャルピー衝撃試験値
（０℃の吸収エネルギ）と考えられる。

【００１３】従来技術では、降伏比として７０％台（一
部の技術ではそれ以下）を指標としており、このような
低降伏比を得るために、ほとんど総ての技術において鋼
管成型後に熱処理を行っている。そのため、製造コスト
が増加し、比較的安価な耐震性鋼管を供給することが困
難となる。鋼管は中空となっている部分の占める体積が
大きいため、鋼板等の熱処理に比べて熱処理に要する設
備が大型化する。

【００１４】これら以外の材料試験値については、いず
れの従来技術においても記載されておらず、鋼管自体の
曲げ試験等も行われていない。これは、従来技術におい
ては、建築用鋼管として、柱の曲げの際の塑性変形吸収
能を高くすることを目的としていたためである。これ
は、鋼板においては、低降伏比とすることにより塑性変
形吸収能を高くすることにより解決できる。

【００１５】しかし後述のように、単に低降伏比とする
だけでは鋼管の耐震性が向上しないことがわかった。そ
れは、鋼管の広い部分が塑性変形して、曲げ歪を吸収す
る以前あるいはその最中に、局部的な座屈が起こること
による。従来技術においては、このような柱の横方向か
らの応力による局部座屈、および局部座屈発生後の変形
による脆性亀裂の発生を防ぐことについては、ほとんど
検討されていなかった。

【００１６】その他、ガスなどの流体輸送用のラインパ
イプでは、延性破壊や脆性破壊など円周方向に応力が作
用する場合、即ち内圧に対する抵抗力については検討さ
れてきたが、軸方向の外力については、敷設時の曲げ変
形以外はほとんど考慮されていなかった。

【００１７】この発明は、以上の問題点を解決し、大地
震の際に作用する曲げ応力に対して、局部座屈を起こし
にくい耐局部座屈性に優れた耐震性溶接鋼管およびその
製造方法を提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、熱間圧延
された鋼板を材料とする耐震性溶接鋼管であって、その
化学成分が、重量％で、Ｃ：０．０３〜０．１５％、Ｍ
ｎ：１．０〜２．０％を含有し、Ｃｕ：０．０５〜０．
５０％、Ｎｉ：０．０５〜０．５０％、Ｃｒ：０．０５
〜０．５０％、Ｍｏ：０．０５〜０．５０％、Ｎｂ：
０．００５〜０．１０％、Ｖ：０．００５〜０．１０
％、Ｔｉ：０．００５〜０．０８０％の内１種以上を含
有し、下記の式で表されるＰＣＭが０．１０〜０．２５
であり、かつ、管軸方向の引張試験における加工硬化指
数が、０．１０以上であることを特徴とする耐局部座屈
性に優れた耐震性溶接鋼管である。 ＰＣＭ＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10
+5×B ここで、式中の元素記号は各元素の重量％を示す。

【００１９】この発明は、大地震の際に作用する曲げ応
力に対して、鋼管の変形挙動について鋭意検討した結果
なされたものである。検討の過程で、鋼管の変形は、ま
ず全体的な曲げが進行した後、広い部分にわたって座屈
する以前に、局部的な座屈が起こることを見いだした。

【００２０】このように鋼管に局部座屈が発生すると、
その部分に曲げ応力が集中するため、急速変形となり脆
性亀裂が発生して破壊に至る。耐震性の向上のために
は、局部座屈を起こしにくい鋼管とする必要がある。し
かし、このような局部座屈に対しては、従来技術のよう
に単に低降伏比とすることでは解決できないことがわか
り、さらに検討を続けた。

【００２１】その過程で、鋼管の横方向（軸に垂直な方
向）から働く曲げ応力に対する耐座屈性を評価するため
に、各種の材質試験とともに実管曲げ試験を行い、鋼管
の製造方法や材質的な特性と局部座屈の発生挙動との相
関を調査した。図１は、実管曲げ試験における試験体と
試験装置の配置を模式的に示す図である。この試験は、
試験装置の４個の曲げ治具１１、１２により、試験体９
（鋼管）に対して曲げ応力を加える４点曲げ方式の実管
曲げ試験である。

【００２２】曲げ試験の初期においては、試験体９（鋼
管）は曲げ治具１２、１２の間の部分が全体的に曲がっ
ていく。ところが、さらに曲げ変形を加えると、試験体
９の曲げ治具１１、１１の間の領域１で局部的に変形が
進行し、局部座屈が発生する。その後は、この局部座屈
の発生した領域１以外の領域２はほとんど変形せず、領
域１にのみ変形が集中する。

【００２３】そこで、局部座屈の発生した時点の曲げ角
度（片方）θで、曲げ試験の評価を行った。曲げ変形の
角度がこの曲げ角度θ未満であれば、座屈が生じないの
で破壊に至ることはない。従って、地震の際の横方向の
外力に対する抵抗力を、この曲げ角度（片方）θで評価
することができる。

【００２４】この曲げ角度θに影響を及ぼす要因につい
て、製造方法その他種々検討する中で、一部の化学成分
の鋼を用いた鋼管について、曲げ角度θを大きくするこ
とができることを見いだし、良好な耐座屈性能を示すこ
とに成功した。また、これらの鋼管についての機械試験
結果との関係を検討すると、引張試験における降伏点付
近の挙動と密接な関係があることがわかった。

【００２５】その中でも、鋼管から軸方向に平行な引張
試験片を採取して、引張試験を行った際の加工硬化指数
が、局部座屈発生の主要因であることがわかった。それ
は、加工硬化指数が大きい鋼管は、局部座屈が発生する
曲げ角度θも大きいということである。特に、加工硬化
指数が０．１０以上になると、局部座屈の発生する曲げ
角度（片方）θが３°以上に達しており、良好な耐座屈
性能を示すということである。以上よりこの発明では、
加工硬化指数を０．１０以上とする。

【００２６】次に、その他の材料特性も含め鋼の化学組
成について検討した。その結果、Ｃ、Ｍｎの含有量を適
切に制御するとともに、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎ
ｂ、Ｖ、Ｔｉの内１種以上を含有する必要があることが
わかった。さらに、下記の式（１）で表される値ＰＣＭ
についても適切な範囲があることがわかった。 ＰＣＭ＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5×B （１） ここで、式中の元素記号は各成分元素の重量％を表す。

【００２７】以下、化学成分の限定理由およびＰＣＭ
（式１）について説明する。 Ｃ： 構造物としての十分な強度を得るためには、最低
０．０３％必要である。一方、Ｃ量が０．１５％を超え
ると、溶接割れの可能性が増大する。従って、Ｃ量を
０．０３〜０．１５％に規定する。

【００２８】Ｍｎ： 構造用鋼としての十分な強度と靱
性を得るためには、１．０％以上の添加が必要である。
しかし、Ｍｎ量が２．０％を超えると、母材と溶接部の
靱性の劣化をまねく。従って、Ｍｎ量を０．５〜２．０
％に規定する。

【００２９】Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ： これらは強度
の上昇に有効な元素であるが、それぞれ０．０５％未満
では効果が見られない。しかし、０．５０％を超えると
母材と溶接部の靱性を劣化させる。従って、Ｃｕ、Ｎ
ｉ、Ｃｒ、Ｍｏを添加する場合は、添加量を０．０５〜
０．５０％とする。

【００３０】Ｎｂ： 鋼管の靱性と強度の向上に有効な
元素であるが、０．００５％未満では効果が見られな
い。また、０．１０％を超えると溶接性と溶接部の靱性
を劣化させる。従って、Ｎｂを添加する場合は、添加量
を０．００５〜０．１０％とする。

【００３１】Ｖ： Ｎｂと同様、鋼管の靱性と強度の向
上に有効な元素であるが、０．００５％未満では効果が
見られない。また、０．１０％を超えると溶接性と溶接
部の靱性を劣化させる。従って、Ｖを添加する場合は、
添加量を０．００５〜０．１０％とする。

【００３２】Ｔｉ： 鋼管の靱性の向上とともに、鋳造
時のスラブの傷防止に有効な元素であるが、０．００５
％未満では効果が見られない。また、０．０８％を超え
ると溶接性と溶接部の靱性を劣化させる。従って、Ｔｉ
を添加する場合は、添加量を０．００５〜０．０８％と
する。

【００３３】ＰＣＭ： この値は、構造物として十分な
強度を得るためと良好な耐局部座屈性を得るために所定
の値とする必要があり、０．１０が必要最低限の値であ
る。一方、０．２５を超えると溶接性が劣化し、また、
耐局部座屈性も低下する。従って、ＰＣＭの値を０．１
０〜２５とする。

【００３４】その他の元素は、発明の目的を損なわない
限り含有されていてもよい。また、通常の製鋼作業にお
ける脱酸元素等、製造上の必要に応じて上記以外の元素
が含まれていてよいことは言うまでもない。また、スク
ラップ等の原料から持ち込まれる元素も、普通鋼の範囲
内であれば不可避的不純物である。

【００３５】第２の発明は、第１の発明の化学成分の鋼
を熱間圧延し、圧延終了後６００℃以下まで５℃／ｓｅ
ｃ以上の冷却速度で冷却して鋼板を製造し、この鋼板を
冷間成形して鋼管を製造することにより、管軸方向の引
張試験における加工硬化指数を０．１０以上とすること
を特徴とする耐局部座屈性に優れた耐震性溶接鋼管の製
造方法である。

【００３６】この発明は、圧延後の冷却条件を規定して
いる。冷却速度が５℃／ｓｅｃ未満であると、０．１０
以上の加工硬化指数が得られず、良好な耐局部座屈性が
得られない。冷却停止温度が６００℃を超えると、やは
り０．１０以上の加工硬化指数と良好な耐局部座屈性が
得られない。従って、圧延後の冷却条件を６００℃以下
まで５℃／ｓｅｃ以上とする。

【００３７】

【発明の実施の形態】この発明では、鋼管の材料につい
ては、発明の化学成分であれば製造方法は特に問わな
い。また、Ｓｉ、Ａｌ等の脱酸元素は、必要に応じて含
まれていてよい。その他、Ｐ、Ｓ、Ｎ、Ｏ等の不純物
は、少ない方がよい。また、介在物の制御のためのＣａ
やＲＥＭ等の元素は、特にこの発明の目的を損なうもの
ではないことから含まれていてもよい。その他、場合に
よっては、Ｂを０．００１％を超えない範囲で含んでい
てもよい。

【００３８】鋼板の圧延条件等の製造条件は、製造方法
や設備に合った条件とすればよい。加熱温度としては、
例えば、１０５０〜１２５０℃とすればよい。圧延終了
後の冷却方法は、０．１０以上の加工硬化指数が得られ
れば特に問わないが、加速冷却を行うことが必要であ
る。冷却条件は、６００℃以下まで５℃／ｓｅｃ以上と
するのが好ましい。

【００３９】鋼管を製造する製管工程では、熱間圧延で
得られた鋼板を、ＵＯＥ、ベンディングロール、プレス
ベンドなどの冷間成形法により鋼管の形状に加工する。
その他、鋼管の成形方法は、冷間加工である限り制限は
ない。その後、突合せ部を溶接して鋼管を製造する。溶
接についても、この発明の成分範囲の材料であれば、通
常の溶接方法および条件で特に問題なく溶接可能であ
る。

【００４０】

【実施例】種々の化学成分からなる鋼から熱間圧延によ
り鋼板を製造し、冷間成形により管厚１０〜３０ｍｍ、
管外径６００ｍｍの溶接鋼管を製造した。これらの鋼管
について、前述の実管試験と引張試験を行った。

【００４１】表１に、鋼管の化学成分と式（１）の値Ｐ
ＣＭ、および実管試験と引張試験の結果を示す。化学成
分については、鋼種Ａ（Ａ１、Ａ２）〜Ｋは発明の範囲
内、鋼種Ｌ〜Ｑは発明の範囲外である。これらの鋼を材
料とする鋼管Ａ１，Ｂ１，Ｃ〜Ｋ（表中の鋼種と同じ記
号で表す）は発明の鋼管、鋼管Ａ２，Ｂ２，Ｌ〜Ｑは比
較用の鋼管である。

【００４２】試験結果については、耐局部座屈性（表で
は、耐座屈性）は、実管曲げ試験において、局部座屈の
発生した時点の曲げ角度（片方）θが、３％以上となっ
た場合を○印、それ未満の場合をＸ印で示してある。

【００４３】溶接性については、鋼管成形後の縦シーム
溶接部について、溶接割れの有無を調べた。強度は、Ｊ
ＩＳＺ２２４１に規定された引張試験に準じて行った。
これらの試験結果は、溶接割れがなく引張強さが５０ k
g/mm² 以上の場合を○印、それ以下の場合をＸ印で、表
１の溶接性／強度の欄に示した。加工硬化指数（表では
ｎ値）は応力−歪曲線より通常の方法で求めた。

【００４４】

【表１】

【００４５】発明鋼管Ａ１，Ｂ１，Ｃ〜Ｋについては、
加工硬化指数が０．１０以上となっており、良好な耐局
部座屈性を示している。

【００４６】比較鋼管については、鋼管Ａ２とＢ２は化
学成分は発明の範囲内であるが、製造方法が不適切なた
め、加工硬化指数（ｎ値）が０．１０未満となってい
る。その結果、耐局部座屈性（耐座屈性）が不良であ
る。比較鋼管ＬはＣ、Ｃｕ、およびＰＣＭが上限を超え
ており、耐局部座屈性が不良である。比較鋼管ＭはＭｎ
とＶが上限を超えており、溶接性が不良である。

【００４７】比較鋼管ＮはＣが下限未満であり、耐局部
座屈性、強度とも不良である。比較鋼管ＯはＰＣＭが上
限を超えており、耐局部座屈性、溶接性とも不良であ
る。比較鋼管ＰはＰＣＭが下限未満であり、耐局部座屈
性、強度とも不良である。比較鋼管ＱはＴｉが上限を超
えており、溶接性が不良である。

【００４８】ここで、比較鋼管Ｌ、Ｏ、Ｐでは、加工硬
化指数は発明範囲の０．１０以上となっているが、化学
成分が発明の範囲内にないため、耐局部座屈性が不良で
あり、強度あるいは溶接性も不良となっている。また、
比較鋼管Ｍ、Ｑでは、加工硬化指数は発明範囲の０．１
０以上となっており、耐局部座屈性も良好であるが、化
学成分が発明の範囲内にないため、溶接性が不良となっ
ている。

【００４９】次に、熱間圧延後、種々の冷却条件を適用
して製造した鋼板から製造した鋼管について、同様の試
験を行った。結果を表２に示す。鋼管Ａ−３、Ａ−４、
Ｂ−１〜Ｊ−１は発明鋼管であり、その他は比較鋼管で
ある。

【００５０】

【表２】

【００５１】発明鋼管Ａ−３〜Ｊ−１については、加工
硬化指数が０．１０以上となっており、良好な耐局部座
屈性を示している。

【００５２】比較鋼管Ａ−１は冷却停止温度が６００℃
より高く、比較鋼管Ａ−２は冷却速度が５℃／ｓより低
いため、いずれも加工硬化指数が発明範囲（０．１０以
上）より低く、耐局部座屈性が不良となっている。

【００５３】比較鋼管Ｌ−１、Ｌ−２、Ｍ−１、Ｏ−
１、Ｐ−１、Ｑ−１は、発明の化学成分の範囲にないた
め、熱間圧延後の加速冷却の適用のいかんにかかわら
ず、耐局部座屈性が不良、あるいは耐局部座屈性は良好
でも溶接性が不良（比較鋼管Ｍ−１）となっている。

【００５４】

【発明の効果】本発明の鋼管を用いることにより、鋼管
に横方向から作用する外力による局部座屈の発生と、そ
れに起因する脆性的な亀裂や破断の発生を防止できる。
その結果、大地震が発生した際に、ガスパイプラインや
水道管の破損および内部流体の流出、あるいは高速道路
の橋脚柱の破断による倒壊などの災害を防ぐことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実管曲げ試験における試験体と試験装置の配置
を模式的に示す図である。

【符号の説明】

１ 局部座屈の発生した領域 ２ 局部座屈の発生していない領域 ９ 試験体（鋼管） １１ 曲げ治具（内側） １２ 曲げ治具（外側）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱間圧延された鋼板を材料とする耐震性
   溶接鋼管であって、その化学成分が、重量％で、Ｃ：
   ０．０３〜０．１５％、Ｍｎ：１．０〜２．０％を含有
   し、Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、Ｎｉ：０．０５〜
   ０．５０％、Ｃｒ：０．０５〜０．５０％、Ｍｏ：０．
   ０５〜０．５０％、Ｎｂ：０．００５〜０．１０％、
   Ｖ：０．００５〜０．１０％、Ｔｉ：０．００５〜０．
   ０８０％の内１種以上を含有し、下記の式で表されるＰ
   ＣＭが０．１０〜０．２５であり、かつ、管軸方向の引
   張試験における加工硬化指数が、０．１０以上であるこ
   とを特徴とする耐局部座屈性に優れた耐震性溶接鋼管。 ＰＣＭ＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10
   +5×B ここで、式中の元素記号は各元素の重量％を示す。
2. 【請求項２】 請求項１記載の化学成分の鋼を熱間圧延
   し、圧延終了後６００℃以下まで５℃／ｓｅｃ以上の冷
   却速度で冷却して鋼板を製造し、この鋼板を冷間成形し
   て鋼管を製造することにより、管軸方向の引張試験にお
   ける加工硬化指数を０．１０以上とすることを特徴とす
   る耐局部座屈性に優れた耐震性溶接鋼管の製造方法。