WO2014024287A1 - 鋼管の製造方法 - Google Patents

Description

鋼管の製造方法

　本発明は、ラインパイプ（line pipe）等に使用される大径かつ厚肉の鋼管（large-diameter and thick-walled steel pipe）の製造方法に関するものである。

　ラインパイプ等に使用される大径かつ厚肉の鋼管には、所定の幅、長さおよび板厚を有する素材となる鋼板をＵ字状にプレス成形（press bending）し、さらにＯ字状にプレス成形した後、突合せ部を溶接（welding the seam）して鋼管とし、その後、上記鋼管の直径を大きくする拡管成形（pipe expanding）して真円度（roundness）を高めた、いわゆるＵＯＥ鋼管が広く用いられている。しかし、上記のようなＵＯＥ鋼管の製造方法では、鋼板をプレス成形してＵ字状、Ｏ字状に成形する工程で、多大なプレス圧力（press force）が必要となるため、大規模なプレス機械（press machine）を使用する必要がある。

　そこで、大径かつ厚肉の鋼管を、プレス圧力を軽減して製造する方法が開発されている。例えば、鋼板の幅方向端部に曲げ（端曲げ（edge bend）複数回の３点曲げプレス（three point press bending）を行って鋼板をほぼ円筒に成形した後、突合せ部を溶接して鋼管とし、その後、その鋼管の内部に拡管装置（pipe expander）を挿入して拡管する方法が実用化されている。上記拡管装置は、円弧（circular arc）を複数に分割した曲面（curved surface）を有する複数個の拡管工具（expander tool）を備えたものであり、その曲面を鋼管の内面に当接させて押し拡げる（拡管）することで、鋼管形状を整えて真円度を高める作用がある。

　上記の方法で鋼管を製造する場合、３点曲げプレスの回数を多くすれば、得られる鋼管の真円度は向上する反面、鋼管の製造に長時間を要するため生産性（productivity）が低下する。逆に、３点曲げプレスの回数を減らすと、生産性は向上するが、鋼管の真円度が低下する。そのため、３点曲げプレスの回数を、鋼管の寸法に応じて、たとえば、直径１２００ｍｍの鋼管では５０～６０回と経験的に設定して製造しているのが実情である。

　一方、鋼板に施すプレス回数を低減し、なおかつ、真円度の高い鋼管を得る技術が検討されている。たとえば特許文献１には、金型（die）を用いてプレス加工（press bending）を４回行い、さらに突合せ部を溶接して鋼管とした後、その鋼管を加熱して熱間ロール成形（hot rolled forming）を施すことにより、形状を整える技術が開示されている。

特開２００５－３２４２５５号公報

　しかしながら、特許文献１の技術は、鋼管を加熱する必要があるため、そのための加熱設備が必要となり、製造コスト（production cost）の上昇を招く。また、加速冷却（accelerated cooling）等の技術を駆使して素材鋼板に造り込まれた強度（strength）、靭性（toughness）、溶接性（weldability）等の優れた特性が、鋼管の加熱によって劣化してしまうという問題もある。

　本発明は、従来技術が抱える上記問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、複数回の３点曲げプレスを行って大径かつ厚肉の鋼管を製造するに際して、鋼管を加熱する必要がなく、しかも、上記３点曲げプレス回数を減少しても、高い真円度を達成することができる鋼管の製造方法を提案することにある。

　鋼管製造における３点曲げプレスの回数やプレス間隔（center to center spacing of dies）（鋼板の送りピッチ（feed pitch））は、通常、鋼管の真円度を高めるため、プレスで生じる変形部（deformation area）に隙間（gap）が生じないように設定されている。そのため、鋼管の製造時間を短縮するために３点曲げプレスの回数を低減すると、プレス間隔が増大し、３点曲げプレスによって曲げ加工された変形部は円弧状（arc-like）となるが、加工されない未変形部（non-deformation area）は、直線状（flat）となり、得られる鋼管は真円度の低いものとなる。

　そこで、発明者らは、複数回の３点曲げプレスを行って製造する鋼管の真円度を高める方法について、拡管する際、鋼管に付与される歪量（deformation amount）に着目して検討を重ねた。その結果、鋼管を拡管する際、鋼管内部に挿入した拡管装置の複数個の拡管工具が当接する部位では変形量（deformation amount）（押し拡げ量（flaring amount ））が大きくなるのに対して、拡管工具が当接しない部位では変形量が小さくなる傾向があることを見出した。

　そして、上記知見から、３点曲げプレス後、溶接した鋼管を拡管する際、直線状のまま残留している未変形部に拡管工具を当接させて拡管してやれば、未変形部が円弧状に成形されるとともに、既に３点曲げプレスで円弧状に成形されている変形部と連続した円弧を形成して、真円度の高い鋼管を得ることができることに想到し、本発明を開発するに至った。なお、以降、上記溶接後で拡管前の鋼管を「素管（non-expanded pipe）」ともいう。

　すなわち、本発明は、端曲げを付与した鋼板を、幅方向に複数回の３点曲げプレスを行って円筒状に成形し、突合せ部を溶接して素管とした後、上記素管の内部に複数個の拡管工具を備えた拡管装置を挿入し、拡管して鋼管を製造する方法において、上記拡管工具を、３点曲げプレスにおける未変形部の全ての部位に当接して拡管することを特徴とする鋼管の製造方法を提案する。

　本発明の鋼管の製造方法は、上記３点曲げプレスの回数を、上記拡管工具の個数をＮとするとき、（ａＮ－１）回（ａは、１，２等の整数）とすることを特徴とする。

　本発明によれば、３点曲げプレス成形を行って大径かつ厚肉の鋼管を製造する際、鋼管を加熱する必要がなく、３点曲げプレスの回数を低減することができるので、素材鋼板の製造過程で造り込まれた強度、靭性、溶接性等の優れた特性を損なうことなく、真円度に優れた鋼管を、生産性よく製造することが可能となる。

本発明における素管の製造工程を説明する模式図である。 ３点曲げプレスの方法を説明する模式図である。 １１回の３点曲げプレスで成形した１２の未変形部を有する素管を、１２個の拡管工具を用いて拡管する鋼管Ａ（発明例）を説明する模式図である。 １９回の３点曲げプレスで成形した２０の未変形部を有する素管を、１０個の拡管工具を用いて拡管する鋼管Ｂ（発明例）を説明する模式図である。 １１回の３点曲げプレスで成形した１２の未変形部を有する素管を、１２個の拡管工具を用いて拡管する比較例Ａを説明する模式図である。 １１回の３点曲げプレスを行った素管を、１０個の拡管工具を用いて拡管する比較例を説明する模式図である。 乖離量（difference）ｍを説明する図である。

　まず、本発明の鋼管の製造方法における素管の製造工程を、図１を用いて説明する。
　図１（ａ）に示す板幅（plate　width）Ｗの鋼板３の両幅端部（幅Ｌ）を湾曲させて曲げ部を形成（以降、「端曲げ」という）した後、図１（ｂ）に示すように幅中心線ＣＬの片側半分を、鋼板３の一方の幅端部側から幅中央に向かって複数回の３点曲げプレス４を行い（ただし、幅中心線ＣＬの部分を残す）、鋼板３の片側半分を略半円弧状（circular　shape）に成形する。ここで、上記３点曲げプレスは、図２（ａ）に示すように、間隔を設けて配置された２個の下金型（lower　die）５ａ、５ｂ上に鋼板３を載置し、上金型（upper　forming　tool）６の円弧状の曲面で鋼板３を押圧することによって曲げ加工（bending）を施すものである。また、３点曲げプレス４にて上金型で押圧する位置の間隔（以降、「送りピッチＰ」ともいう）は等間隔とする。ただし、鋼板３の両幅端部に端曲げには、３点曲げプレスを用いることができない。その理由は、鋼板３の端部が下金型から脱落し、３点曲げプレスができないからである。そのため、端曲げは、通常、上下１対の金型を用いたプレスで行われる。

　次に、図１（ｃ）に示すように、鋼板の幅中心線ＣＬの残された片側半分に、複数回の３点曲げプレス４を等間隔で行い（ただし、幅中心線ＣＬの部分を残す）、鋼板３を略半円弧状に成形する。最後に、図１（ｄ）に示すように、幅中心線ＣＬの位置で３点曲げプレス４を行うことによって鋼板３の両幅端部を突合せ、次いで、上記突合せ部を溶接して、図１（ｅ）に示す素管１を得る。

　上記のようにして得た素管１には、その断面を図３に示すように、円弧状の変形部８（実線部）と直線状の未変形部９（点線部）が存在する。変形部８は、前述した図１に示す一連の３点曲げプレスによって変形を受けた部位（すなわち上金型６の円弧状の曲面で押圧されて変形を受けた部位）であり、未変形部９は、上記３点曲げプレスによって変形されなかった部位である。

　次いで、上記素管の内部に、円弧を複数に分割した曲面を有する複数個の拡管工具を備えた拡管装置を挿入し、これを径方向（radial direction）に拡大し、素管を拡管して鋼管とする。上記素管には、前述したように、円弧状の変形部と直線状の未変形部が存在するため、鋼管の真円度を高めるためには、直線状の未変形部を円弧状に変形させてやる必要がある。しかし、拡管装置の隣り合う拡管工具間には隙間が存在するため、素管を周方向（circumferential direction）で均一に拡管することはできない。

　そこで、本発明では、素管の内部に複数の拡管工具を備えた拡管装置を挿入して拡管する際、拡管工具の円弧状の曲面をすべての未変形部に当接させて素管を拡管する。こうすることで、拡管工具に当接しない変形部の変形を抑制し、未変形部を優先的に変形させることによって、未変形部が既に円弧状に成形されている変形部と連続した円弧を形成することができ、ひいては鋼管の真円度を高めることができる。

　上記のように、未変形部を精度よく円弧状に変形させるためには、素管の未変形部の数を、素管内部に挿入する拡管装置の拡管工具の個数と同数とすることが好ましい。つまり、拡管工具の個数をＮ個とすると、素管の未変形部もＮ箇所となるように３点曲げプレスを行うことが好ましい。この場合、Ｎ個の拡管工具の隙間には、１箇所の突合せ溶接部と、（Ｎ－１）箇所の変形部が配列することになる。また、この場合、３点曲げプレス回数は（Ｎ－１）回でよい。

　例えば、前述した図３は、未変形部９の数と拡管工具２の数が一致している例、すなわち、１１回の３点曲げプレスを行った素管１を、１２個の拡管工具２を用いて拡管する例についての図である。図３のように、未変形部９の数を１２箇所とするには、素材鋼板に施す３点曲げプレス４の回数は、図１（ｂ）に示した、幅中心線ＣＬの片側半分に施す３点曲げプレス４を５回、図１（ｃ）に示した、他方の片側半分に施す３点曲げプレス４を５回、最後に、図１（ｄ）に示した、幅中心線ＣＬの位置に施す３点曲げプレス４を１回（合計１１回）とすればよい。何故ならば、未変形部は、３点曲げプレスによる変形部の間（１０箇所）と、端曲げ部と３点曲げプレスの変形部の間（２箇所）の合計１２箇所となるからである。そして、１２箇所全ての未変形部のそれぞれに、１２個の拡管工具を当接させて拡管を行えばよい。

　なお、本発明においては、素管の未変形部の数を、素管内部に挿入する拡管装置の拡管工具の個数の２倍、３倍等の整数倍としてもよい。図４は、３点曲げプレスを１９回行って２０箇所の未変形部９を形成した素管１に、１０個の拡管工具２を有する拡管装置を挿入して拡管する例、すなわち、未変形部９の数が拡管工具２の個数の２倍である例を示したものである。この場合、隣り合う２箇所の未変形部に対して１つの拡管工具が当接するようにしてやれば、全ての未変形部に各拡管工具に当接することができる。そして、図４のように、拡管工具の個数Ｎに対して２倍の２Ｎ箇所の未変形部を形成するのに必要な３点曲げプレスの回数は（２Ｎ－１回）であればよい。

　上記のように、本発明においては、拡管工具の個数をＮとしたとき、３点曲げプレスの回数は（ａＮ－１）回（ただし、ａは任意の整）とすればよく、前述した図３はａ＝１の例、図４はａ＝２の例に相当する。また、ａが３以上であっても、各拡管工具に未変形部がａ箇所ずつ当接するので、全ての未変形部が拡管工具を当接させることができる。

　ここで、本発明では、３点曲げプレスにおける鋼板の送りピッチは等間隔としているので、未変形部の間隔もプレス時の送りピッチと同じとなる。その送りピッチＰ_Ｐは、３点曲げプレス開始位置の板幅中心からの距離をＷ_０、プレス回数をＭとすると、下記（１）式で表される。
　Ｐ_Ｐ＝２Ｗ_０／（Ｍ－１）　　　・・・（１）
　なお、上記Ｗ_０は、素材鋼板の板幅をＷ、端曲げ幅をＬとすると（Ｗ／２－（Ｌ＋Ｐ_ｐ／２））である。したがって、（１）式は、
　Ｐｐ＝（Ｗ－２Ｌ）／Ｍ
となる。また、拡管工具の数（円周の分割数）をＮとすると、拡管工具が接触しない部位はＮ箇所となり、その間隔をＰ_ｄとすると、下記（２）式で表される。
　Ｐ_ｄ＝Ｗ／Ｎ　　　・・・（２）

　そして、全ての拡管工具が全ての未変形部に当接するためには、上記のＰ_Ｐが、Ｐ_ｄと同一となるか、Ｐ_ｄを整数倍で除した値となるように、プレス回数Ｍおよび端曲げ長さＬを設定してやればよいことになる。なお、上記Ｐ_Ｐの設定に際しては、３点曲げプレス時の未変形部の幅を考慮し、未変形部の全域が拡管工具と当接するようにしてやることで、真円度をより向上させることができる。

　上記に説明したように、本発明の製造方法を用いることにより、大径かつ厚肉の鋼管の製造に必要な３点曲げプレス回数を、拡管工具の数Ｎとしたとき、（ａＮ－１）回（だだし、ａは１，２等の整数）まで低減することができるので、鋼管の生産性を大幅に向上することが可能となる。また、鋼板の端曲げから３点曲げプレスを経て拡管に至るまでの全ての工程を冷間で行うことができるので、素材鋼板の優れた特性を損なうことなく、鋼管を製造することができる。特に本発明の効果は、厚さが２５．４～５０．８ｍｍの厚肉鋼管の製造に適用したときに顕著である。

　板幅Ｗが３７１３ｍｍの素材鋼板（板厚２５．４ｍｍ、引張強さ７４５～７５７ＭＰａ）を７枚準備し、その鋼板の両幅端部（幅Ｌ：２１５ｍｍの範囲）を、曲率半径（radius）が３８０ｍｍの金型で、除荷後の曲げ角度（bent　angle；図１（ｂ）参照）が１６．９°となるように端曲げを行い、次いで、上記端曲げを付与した鋼板を、曲率半径が３８０ｍｍの上金型を用いて３点曲げプレスを行い、円筒状とした後、突合せ部を溶接して素管とし、その後、上記素管の内部に、素管内面に当接する面の曲率半径が５８０ｍｍである複数の拡管工具を有する拡管装置を挿入して、拡管率（＝１００×（拡管後の直径－拡管前の直径）／拡管前の直径）が１％の拡管を施して鋼管を製造した。なお、上記以外の３点曲げプレス条件および拡管条件を、表１および表２に示したように種々に変化させた。

　まず、鋼管Ａ（発明例）は、上記素材鋼板に対して、幅中心線から片側へ１４９２ｍｍの位置を開始点とし、幅中心線方向への送りピッチＰ_Ｐを２９８ｍｍとする３点曲げプレスを５回行い、次いで、鋼板の幅中心線から他方の側へ１４９２ｍｍの位置を開始点とし、幅中心線方向への送りピッチＰ_Ｐを２９８ｍｍとする３点曲げプレスを５回行い、最後に、幅中心線の位置で３点曲げプレスを１回（合計１１回）行って略円筒状の形状とした後、鋼板幅端部の突合せ部を溶接して未変形部の数が１２の素管とした。なお、上記３点曲げプレスにおける除荷後の１回の曲げ角度（図２（ｂ）参照）は２９．６°とした。

　その後、上記素管の内部に、円周方向に拡管工具を１２個配列した拡管装置を挿入して、図１に示したように、それぞれの未変形部に拡管工具を当接させ、かつ、拡管工具間の隙間に素管の溶接部を配置して拡管し、鋼管を製造した。因みに、上記拡管工具の素管内面と当接する面は、曲率半径５８０ｍｍ、角度２７．７°の円弧である。（拡管工具数が１２の場合は、以下同様）。

　また、鋼管Ｂ（発明例）は、鋼管Ａと同様にして、表１に示した条件で未変形部の数が１０の素管を製造した後、表２に示したように、その素管の内部に、円周方向に拡管工具を１０個配列した拡管装置を挿入し、それぞれの未変形部に拡管工具を当接させ、かつ、拡管工具間の隙間に素管の溶接部を配置して拡管し、鋼管を製造した例である。因みに、上記拡管工具の素管内面と当接する曲率半径が５８０ｍｍの円弧の開き角（円弧角）は３３．４°であった（拡管工具数が１０の場合は、以下同様）。

　また、鋼管Ｃ（発明例）は、表１に示したように、３点曲げプレスを１９回行って未変形部の数が２０の素管を製造した後、表２に示したように、その素管の内部に、円周方向に拡管工具を１０個配列した拡管装置を挿入し、２箇所の未変形部に拡管工具を１ずつ当接させて拡管し、鋼管を製造した例である。

　一方、鋼管Ｄ（比較例）は、鋼管Ａと同じ条件で製造した未変形部の数が１２の素管の内部に、鋼管Ａと同じ拡管工具数が１２の拡管装置を挿入し、ただし、図５に示すように、各拡管工具を変形部に当接させて、すなわち未変形部が拡管工具の隙間にくるようにして拡管を行い、鋼管を製造した例である。

　また、鋼管Ｅ（比較例）は、鋼管Ｂと同じ条件で製造した未変形部の数が１０の素管の内部に、鋼管Ｂと同じ拡管工具数が１０の拡管装置を挿入し、ただし、図５と同様に、各拡管工具を変形部に当接させて、すなわち未変形部が拡管工具の隙間にくるようにして拡管を行い、鋼管を製造した例である。

　また、鋼管Ｆ（比較例）および鋼管Ｇ（比較例）は、表１に示した条件で未変形部の数が８または１０の素管を製造した後、表２に示したように、上記素管の内部に拡管工具の数が未変形部の数と異なる拡管装置を挿入し、未変形部の一部に拡管工具が当接しない状態で拡管を行い、鋼管を製造した例である。参考として、図６に鋼管Ｇの場合を示した。

　上記のようにして得た鋼管Ａ～Ｇについて、鋼管の真円度と製造性を調査し、その結果を表２に併記した。なお、上記真円度は、図７に示すように、鋼管１１の外表面と仮想真円（virtual　true　circle）１０との乖離量（difference）ｍを、ダイヤルゲージ（dial　gauge）を用いて円周方向に１５０ｍｍ間隔で測定して各々の鋼管の乖離量ｍの最大値ｍ_ｍａｘを求め、鋼管Ｄのｍ_ｍａｘに対する各鋼管のｍ_ｍａｘの比（以下、この比を「乖離指数（ratio）」という）でもって評価した。つまり、鋼管Ｄの乖離指数は１．００であり、鋼管が真円に近いほど乖離量ｍがゼロに近づく、すなわち、乖離指数が小さいほど、鋼管の寸法精度が良いことを示している。また、生産性は、最初の３点曲げプレス開始から最後の３点曲げプレス終了までの時間で評価した。

　表２から、発明例の鋼管Ａ～Ｃの乖離指数は０．６２～０．６６であるのに対して、比較例の鋼管Ｄ～Ｇの乖離指数は０．９３～１．１４であり、本発明例の鋼管は、比較例の鋼管に比べて寸法精度（roundness）が優れていることがわかる。
　また、本発明例の中で、３点曲げプレス回数が少ない鋼管Ａ、Ｂは、プレス回数が多い鋼管Ｃに比べて寸法精度が僅かに劣るものの、表１に示すように、プレス所要時間（pressing time）は３０％以上短縮されており、本発明を適用することにより、高い真円度の鋼管を高い生産性をもって製造できることがわかる。

　本発明の鋼管の製造方法は、大径かつ厚肉の鋼管の製造に限定されるものではなく、３点曲げプレスを行って鋼管を製造する方法のすべてに適用することができる。

　１：素管
　２：拡管工具
　３：鋼板
　４：３点曲げプレス
　５ａ、５ｂ：下金型
　６：上金型
　７：溶接部
　８：変形部
　９：未変形部
　１０：仮想真円
　１１：鋼管
 
 

Claims (2)

1. 端曲げを付与した鋼板を、幅方向に複数回の３点曲げプレスを行って円筒状に成形し、突合せ部を溶接して素管とした後、前記素管の内部に複数個の拡管工具を備えた拡管装置を挿入し、拡管して鋼管を製造する方法において、
   前記拡管工具を、３点曲げプレスにおける未変形部の全ての部位に当接して拡管することを特徴とする鋼管の製造方法。
2. 前記３点曲げプレスの回数を、前記拡管工具の個数をＮとするとき、（ａＮ－１）回（ａは１，２等の整数）とすることを特徴とする請求項１に記載の鋼管の製造方法。
    
    

Images