JP2014166649A - 継目無鋼管の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラグミルを用いた継目無鋼管延伸圧延で、断面内の偏肉および疵の発生を十分に防止する方法を提供する。
【解決手段】断面が円形ないしは楕円形である中空素管を出発素材とし、被圧延間の外面側を加工するカリバー形状が略円弧形状である一対の孔型ロール１と、内面側を加工する断面が円形状のプラグとを有するプラグミル２にて熱間で複数パスの延伸圧延を行い、その際、各パスとその次パスとで被圧延管のカリバー底当接位置を９０度ずらす圧下位置９０度変更を行う、継目無鋼管の製造方法において、各パスで、下記式（１）を満たすように延伸圧延を行う。Ｄｐ≦２×Ｒ１−２×ｔ＋０．０５×ｔ（１）ここで、Ｄｐ：ロールバイト下死点におけるプラグ径〔ｍｍ〕、Ｒ１：カリバー底部孔半径〔ｍｍ〕、ｔ：出側目標肉厚〔ｍｍ〕
【選択図】図１

Description

本発明は継目無鋼管の製造方法に関し、特に円柱状鋼片をマンネスマン穿孔等にて中空素管とし、これをプラグミルにて圧延する継目無鋼管の製造方法に関する。

一般に継目無鋼管は、円柱状鋼片を素材とし、マンネスマン穿孔等にて中空素管とし、これを適宜エロンゲータと呼ばれる中間圧延工程を経て肉厚および外径を調整したのち、プラグミルあるいはマンドレルミル等にて延伸圧延し、更に中間加熱を行う等し、最終的にサイザーやストレッチレデューサにより定径圧延して最終製品とされる。継目無鋼管は管全長に亘り一定の材質、強度が得られるため、使用環境の厳しい油井等で用いられ、あるいは機械構造用等の構造用鋼管に適用される。

構造用鋼管や一部の油井用鋼管は施工上、高寸法精度が要求されるが、継目無鋼管は製造技術上、肉厚精度を飛躍的に高めるのが難しい。例えば電縫溶接鋼管では素材が薄板圧延により得られたものであるため電縫溶接部を除けばその肉厚はミクロンオーダーの精度であるが、継目無鋼管では加熱した素材を穿孔するため中心孔となるべきものが偏芯しやすい。更に、プラグミルでは、1対の孔型ロールと内面工具（プラグ）を用い、通常２パスあるいはそれ以上で圧延が行われ、各パスとその次のパスとで、カリバー底に接触させる被圧延管の円周方向位置を９０度ずらして圧延する（これを、圧下位置９０度変更という）必要があるため、その対向部で均一な肉厚にはなりにくく、管断面内で偏肉を生ずる可能性がある。

加熱起因の偏芯偏肉は炉加熱パターンの制御等により軽減可能であるが、プラグミル圧延での偏肉は、前記圧下位置９０度変更が最終目標肉厚を達成するために必要であることから、軽減するのが難しい。
一方、例えば2以上のロールから構成される圧下スタンドを連続かつ奇数スタンドと偶数スタンドを対向配置して延伸圧延するマンドレルミルにおいては、多スタンドであることから、前段スタンドで比較的主圧下部の円弧形状範囲が狭い、いわゆるオープンカリバーとしたロールを使用し、肉厚や形状を決定する後段スタンドではその範囲を大きくするクローズドカリバーとしたロールを用いて偏肉を抑制している（非特許文献１）。

しかしながら、肉厚を減ずる圧延装置として大径鋼管の製造で適用されているプラグミル圧延方式では、通常、一対のカリバーロールと1個の内面工具（プラグ）にて圧延するため、前段の圧延装置であるエロンゲータなどにより製造された中空素管を所定の工具の組み合わせでしか圧延できない。加えてプラグとロールカリバーの位置関係から、管断面内において局部的に圧下の強い領域ができ、そこで疵を発生させることもある。このような偏肉や疵を防止する観点から、一部のプラグミルでは孔型を胴長の長いロールに複数個作製し、これをもって多スタンド圧延であるかのような延伸圧延も可能であるとされている（非特許文献２）。

また、プラグミルによる圧下設定については、プラグ径が１種類であることを前提として幾何学的な影響を考慮し、相対的位置関係を示す特性値により圧下設定を行うという方法が提案されている（特許文献１）。さらに、この設定方法ではロールやプラグの熱膨張等により変化が考慮されておらず、最適設定に成りえないとして、被圧延材のサイズ等のロット変更にあたり、前材のロールギャップ値を基準として、圧延工具径と目標肉厚とで決まる幾何学的寸法差によって修正するとともに、さらに、前材と次材の材質変更に伴う変形抵抗差、前材と次材の温度差、または前材と次材の圧延工具径差による補正を加味して、被圧延材のロット替わり一本目の肉厚または長さが目標値となる初期圧下値を、前材の圧延情報を用いて決定する方法が提案されている（特許文献２）。

また、ピアサーミルで穿孔された鋼鋳片を、エロンゲータで拡管し、引き続き上下一対の主ロールおよび戻しロールからなるプラグミルで延伸圧延するに際して、延伸圧延中に、プラグミルの主ロールの上下間隔を、エロンゲータで使用するプラグの外径、エロンゲータを通過した管の外径および温度に基づき予め定めた速度で変更することにより、管長手方向での肉厚偏差を小さくする継目無鋼管の製造方法が提案されている（特許文献３）。

また、マンドレルミルにおいては内面工具であるバーに黒鉛系などの潤滑剤を付着させて圧延することにより内面性状を確保する技術が一般に使用されている（特許文献４）。マンドレルミルでは制御の有無に関わらずバーが一定ないしは圧延材に近い速度で圧延方向へ移動するため、内面工具（バー）と被圧延管との相対速度差が大きくなることは少なく、潤滑による内面疵の防止効果が得られる。

特開昭５７−９５２１号公報 特開平２−８０１１０号公報 特開２００４−２０２５７３号公報 特開昭５０−１４４８６８号公報

日本鉄鋼協会編、「第３版 鉄鋼便覧」、丸善株式会社、昭和５５年１１月２０日発行、ｐ９７９ 日本鉄鋼協会編、「第３版 鉄鋼便覧」、丸善株式会社、昭和５５年１１月２０日発行、ｐ９６１

しかしながら、前記プラグミルのロールに複数個の孔型を作製して圧延する方法は、大径鋼管を製造するためには大径かつ胴長の長い巨大なロールが必要となり、また寸法（特に外径）が多岐に亘る鋼管を製造するためには大きなロールを数多く保有する必要があるため現実的でなく、採用することができない。
加えて、特許文献１または特許文献２に示されるような圧下設定法は、全長を設定値に近くして平均肉厚を合わせることが可能であるとしても、圧延方向に対し垂直な横断面の肉厚分布、特に孔型形状とプラグ形状との関係に基づく圧下分布については改善が期待できない。また、特許文献３に示されている継目無鋼管の製造方法では、管長手方向での肉厚偏差を抑制することは可能であるが、プラグミルでは、通常、複数回の圧延が一回の圧延ごとに被圧延管を周方向に９０度回転して行われるため、管長手方向に垂直な断面内の偏肉を抑制することは困難である。

また、前記潤滑による内面疵防止対策も、プラグミルでは内面工具（プラグ）が固定されて内面工具と被圧延管との相対速度差が大きい上に、１パス圧延後すぐに出側から入側へ被圧延管を戻して間髪をおかず２パス目の圧延を行うという特異な圧延方式であることと、圧延前のプラグ温度が一般に低いことから強固な潤滑膜を形成させることが難しく、潤滑の効果が限定される。特に、焼付き疵などを低減させる酸化スケールが生じにくい鋼管材料の圧延や低温条件での圧延の場合は、内面疵の発生を防止することが非常に難しい状況にある。

上述のように、プラグミルを用いた継目無鋼管延伸圧延では、孔型形状変更、潤滑剤の利用のいずれの手段も適用困難であって、管断面内の偏肉および内面疵の発生を完全には防止できないという課題があった。

発明者らは、上記の課題を解決するために、プラグミルでの延伸圧延中の被圧延管と、孔型ロールおよびプラグとの接触関係に着目し、ＦＥＡ（有限要素解析）および圧延実験により検討した結果、以下の要旨からなる発明を完成した。
〔１〕断面が円形ないしは楕円形である中空素管を出発素材とし、被圧延管の外面側を加工するカリバー形状が略円弧形状である一対の孔型ロールと、内面側を加工する断面が円形状のプラグとを有するプラグミルにて熱間で複数パスの延伸圧延を行い、その際、各パスとその次パスとで被圧延管のカリバー底当接位置を９０度ずらす圧下位置９０度変更を行う、継目無鋼管の製造方法において、各パスで、下記式（１）を満たすように延伸圧延を行うことを特徴とする継目無鋼管の製造方法。
Ｄｐ≦２×Ｒ１−２×ｔ＋０．０５×ｔ （１）
ここで、Ｄｐ：ロールバイト下死点におけるプラグ径〔ｍｍ〕、Ｒ１：カリバー底部孔半径〔ｍｍ〕、ｔ：出側目標肉厚〔ｍｍ〕

〔２〕１基のプラグミルを用い、前記圧下位置９０度変更は各パスとその次パスとの間で被圧延管を管周方向に９０度回転させて行い、且つ前記次パス用のプラグを前記式（１）を満たすものに交換することを特徴とする〔１〕に記載の継目無鋼管の製造方法。

本発明によれば、プラグミルを用いた鋼管の延伸圧延において被圧延管の内面疵および偏肉を大幅に低減することができる。

本発明の実施の形態を示す断面図（詳しくは圧延方向に垂直で且つロールバイト下死点を通る断面図）である。 式（１）を満足するプラグミル圧延１パス目で局所的な強圧下部が生じない場合の被圧延管とロール、プラグとの接触形態を例示するＦＥＡ結果の概略図である。 プラグミル圧延１パス目で過大な径のプラグを使用し、局所的な強圧下部が生じる場合の被圧延管とロール、プラグとの接触形態を例示するＦＥＡ結果の概略図である。 式（１）を満たす径のプラグを使用した圧延２パス目の被圧延管とロール、プラグとの接触形態を例示するＦＥＡ結果の概略図である。 過大な径のプラグを使用した圧延２パス目で偏肉や内面疵が生じる場合の被圧延管とロール、プラグとの接触形態を例示するＦＥＡ結果の概略図である。

プラグミルを用いた継目無鋼管の延伸圧延においては前述の通り、孔型の変更は困難である。そこで、発明者らは、プラグミルでの延伸圧延中に被圧延管が孔型ロールおよびプラグと最適な条件で接して圧延される圧延条件について、ＦＥＡ（有限要素解析）および圧延実験により検討した。
プラグミル圧延は、通常、これに先立つエロンゲータ圧延により減肉された略円形断面の中空素管を出発素材とし、１パス目の圧延後、再度入側へ戻して２パス目の圧延を行う。この際、各パスの圧延で管断面形状は略楕円形状となるが、発明者らは、ＦＥＡおよび圧延実験により、被圧延管とプラグおよびロールとの接触に特徴があることを見出した。

図１は、本発明の実施の形態を示す断面図（詳しくは圧延方向に垂直で且つロールバイト下死点を通る断面図）である。１は一対の孔型ロール、２はプラグである。
プラグミルの孔型ロール１のカリバーは、一般に、カリバー底点Ｚとパスライン中心点０（詳しくはパスライン中心線内のいずれか２点）を通る平面に対して左右対称であり、カリバー底点Ｚを孤長中心とする曲率半径Ｒ１の円弧ＣＤをなすカリバー底部の両側に夫々曲率半径がＲ２（Ｒ２＞Ｒ１）の円弧ＢＣ，ＤＥをなすカリバー側面部が連接し、その外側に夫々逆曲がりの曲率半径Ｒ３（Ｒ３≪Ｒ２）の円弧ＡＢ、ＥＦをなすフランジ部が連接する形状とされる。

本発明に用いるカリバー形状が略円弧形状の孔型ロールとは、図１において、カリバー底部の曲率半径Ｒ１（即ちカリバー底部孔半径Ｒ１）の円弧ＣＤの角度範囲θが９０度〜１５０度のものをいう。
一方、プラグ２は、断面形状が円形状である。
上記プラグミルで、径が異なるプラグを用いて、前記略円形断面の中空素管に対し、１パス目の圧延およびこれに続き圧下位置９０度変更して行う２パス目の圧延を行った場合の、各圧延における被圧延材とロール、プラグとの接触状態をＦＥＡで求めた結果の例を図２〜５に示す。図２と図４は夫々プラグ径が適正で疵の発生がなく偏肉も小さい場合の１パス目と２パス目の例であり、図３と図５は夫々プラグ径が過大で内面疵が多く発生し偏肉も大きい場合の１パス目と２パス目の例である。これらの図において、１０は被圧延管（但し管全周の１/４の部分）、Ｋ１は管外面のロール接触開始線、Ｋ２は同接触終了線、Ｐ１は管内面のプラグ接触開始線、Ｐ２は同接触終了線である。ロール接触開始線Ｋ１からロール接触終了線Ｋ２までの管外面領域がロールとの接触部であり、プラグ接触開始線Ｐ１からプラグ接触終了線Ｐ２までの管内面領域がプラグとの接触部である。

図２と図３を比較すると、プラグ径が大きい場合（図３）にはフランジ側近くでロールとの接触が早く始まり、接触長さも長くなっていることがわかる。この現象は、接触開始点付近で局所的に圧下が大きくなっていることを示しており、１パス目の圧延で偏肉や内面疵を誘発することに繋がる。さらに、図４と図５に示すように、２パス目の圧延ではプラグ径によって接触状態が大きく異なってくる。すなわち、プラグ径が小さく適正な場合（図４）には１パス目で未圧延部となるカリバー底部を集中的に接触しているのに対し、プラグ径が過大な場合（図５）にはカリバー底部に加えフランジ側の部分でも大きく接触している。したがって、プラグ径が過大な場合には、１パス目で強圧下された近傍に加え、１パス目の圧延でカリバー底部であった部分も再度圧下されることになり、偏肉や内面疵を誘発することになる。

上記のことから、被圧延管とロールおよびプラグとの接触状態を適正化することで偏肉や内面疵の発生を抑制することが可能であると考え、そのための圧延条件を、実験乃至ＦＥＡにより鋭意検討した。その結果、プラグ径Ｄｐがロールカリバー底部孔半径Ｒ１および出側目標肉厚ｔと下記式（１）を満たすプラグを用いて圧延すると、偏肉や内面疵の発生を抑制することができることを見出した。
Ｄｐ≦２×Ｒ１−２×ｔ＋０．０５×ｔ （１）

なお、幾何学的に適正な範囲は、Ｄｐ≦２×Ｒ１−２×ｔであるが、更に付与されている項（＋０．０５×ｔ）は、実際の管圧延における被圧延管の変形挙動を考慮して補正したものである。すなわち、被圧延管の肉厚が薄い場合には、被圧延管の変形が圧延機外でも生じ、管断面内のフランジ側で被圧延管とプラグとの接触が緩くなってフランジ側での肉厚圧下が小さくなるのに対し、厚肉管の場合には、管の剛性が高いため被圧延管が圧延機外で変形することなく、圧延前の形状を維持した状態でロールバイト内で圧延されるため、全周に亘って適正に圧下され易い、という傾向を考慮して補正したものである。

これにより、図２と図４に示したように、被圧延管とロールおよびプラグとの接触が適性となり、偏肉や内面疵の発生を抑制できる。
なお、プラグ径が小さすぎると管断面円周方向の肉厚分布が極端に不均一となる。この弊害は、使用するプラグ径を常に計算上適正な径とすることで回避できるが、そのためには微妙に径の異なる多数のプラグを備えておく必要がある。しかしながら、保有するプラグ径のピッチを細分化し過ぎることはコスト上昇などの観点からも現実的でない。したがって、工業的に保有し得るプラグ径のピッチを考慮すると、上記式（１）の右辺から０．２×ｔを引き去った値を下限値とするのが好ましい。

また、１基のプラグミルを用いて複数パスの延伸圧延を行う場合、前記圧下位置９０度変更は、各パスとその次パスの間で被圧延管を管周方向に９０度回転させることで行う。これの代わりに孔型ロールをパスライン中心線周りに９０度回転させるのは設備が複雑となって不利である。また、圧延スケジューリングの段階で、前記次パスが式（１）を満たさないことがわかった場合、孔型ロール交換にて対応するのは時間がかかって圧延能率が低下するので、プラグ交換によって対応する。すなわち、当該次パス用のプラグを式（１）を満たすものに交換するのが良い。

一般炭素鋼（ＪＩＳ Ｇ３１０１ ＳＳ４００該当鋼）の継目無鋼管を、プラグミル１基を用いた２パスの延伸圧延（１パス目と２パス目の間で被圧延管を管周方向に９０度回転）により、次の圧延スケジュールで製造した。
・ビレット径:１７０ｍｍ、加熱温度：１２５０℃→穿孔（ピアサ）→エロンゲータ出側目標寸法：外径１９８ｍｍ×肉厚１７．０ｍｍ（＝プラグミル圧延の出発素材）
・プラグミル圧延：１パス目出側目標寸法（肉厚１４．５ｍｍ）→２パス目出側目標寸法（外径１９３ｍｍ×肉厚１３．０ｍｍ）
・プラグミル孔型ロールのＲ１＝９５．５ｍｍ
・プラグミルのプラグは、本発明例ではＤｐ＝１６２ｍｍのプラグを使用し、比較例ではＤｐ＝１６４ｍｍのプラグを使用した。
・圧延本数Ｎ：本発明例、比較例とも３０本
偏肉の抑制効果は、長手中央での断面内偏肉率(周方向を16点に分割マークし、該測定点を超音波肉厚計で実測して、その(最大肉厚−最小肉厚)/平均肉厚を求めた)にて評価した。また、内面疵の発生防止効果は、管長手先後端の非定常部各０．５ｍを除く全長での０．３ｍｍ深さを超える疵の発生有無によって評価した。

上記圧延スケジュールにおいて、プラグミル圧延１パス目で本発明に適合したプラグ径Ｄｐは
Ｄｐ≦２×Ｒ１−２×ｔ＋０．０５×ｔ
＝２×９５．５−２×１４．５＋０．０５×１４．５＝１６２．７２５
であり、プラグ径は１６２．７２５ｍｍ以下であれば本発明範囲であるが、プラグ径があまりに小さすぎると管断面円周方向の肉厚分布が極端に不均一になるため、上記式右辺から０．２×ｔを引き去った値を下限値とする。したがって、プラグ径１６２ｍｍが本発明範囲であり、プラグ径１６４ｍｍは径が過大である。一方、２パス目は、プラグ径１６４ｍｍが適性範囲となる。

圧延の結果、比較例では全数の偏肉率が１０．７％であったのに対し、本発明例では８．２％と大幅に改善した。また、比較例では３０本中１３本で内面疵が発生したが、本発明例では全く発生しなかった。

一般炭素鋼（ＪＩＳ Ｇ４０５３ ＳＣＭ４３５該当鋼）の継目無鋼管を、プラグミル１基を用いた２パスの延伸圧延（１パス目と２パス目の間で被圧延管を管周方向に９０度回転）により、次の圧延スケジュールで製造した。
・ビレット径:３００ｍｍ、加熱温度：１２５０℃→穿孔（ピアサ）→エロンゲータ出側目標寸法：外径３２９ｍｍ×肉厚１１．５ｍｍ（＝プラグミル圧延の出発素材）
・プラグミル圧延：１パス目出側目標寸法（肉厚９．３ｍｍ）→２パス目出側目標寸法（肉厚８．５ｍｍ）
・プラグミル孔型ロールのＲ１＝１６０ｍｍ
・プラグミルのプラグは、比較例では１パス目と２パス目とで同じものを使用し、本発明例では１パス目と２パス目とでＤｐの異なるプラグを使用した。
（本発明例）１パス目用プラグのＤｐ＝３００ｍｍ（≦２×Ｒ１−２×ｔ＋０．０５×ｔ＝２×１６０−２×９．３＋０．０５×９．３＝３０１．８６５）、２パス目用プラグのＤｐ＝３０２ｍｍ（≦２×Ｒ１−２×ｔ＋０．０５×ｔ＝２×１６０−２×８．５＋０．０５×８．５＝３０３．４２５）
（比較例）１パス目用プラグのＤｐ＝３０２ｍｍ（＞２×Ｒ１−２×ｔ＋０．０５×ｔ＝２×１６０−２×９．３＋０．０５×９．３＝３０１．８６５）、２パス目用プラグのＤｐ＝３０２ｍｍ（≦２×Ｒ１−２×ｔ＋０．０５×ｔ＝２×１６０−２×８．５＋０．０５×８．５＝３０３．４２５）
・圧延本数Ｎ：本発明例、比較例とも３０本
圧延後、前記と同じ方法で偏肉と内面疵の評価を行った結果、径３０２ｍｍのプラグを連続使用した比較例では、３０本中１１本で疵が発生し、偏肉率が９．７％であったが、本発明例では疵の発生はなく、偏肉率も８．３％と大幅に改善した。

１ 孔型ロール
２ プラグ
１０ 被圧延管
Ｋ１： ロール接触開始線
Ｋ２： ロール接触終了線
Ｐ１： プラグ接触開始線
Ｐ２： プラグ接触終了線

Claims (2)

1. 断面が円形ないしは楕円形である中空素管を出発素材とし、被圧延間の外面側を加工するカリバー形状が略円弧形状である一対の孔型ロールと、内面側を加工する断面が円形状のプラグとを有するプラグミルにて熱間で複数パスの延伸圧延を行い、その際、各パスとその次パスとで被圧延管のカリバー底当接位置を９０度ずらす圧下位置９０度変更を行う、継目無鋼管の製造方法において、各パスで、下記式（１）を満たすように延伸圧延を行うことを特徴とする継目無鋼管の製造方法。
   Ｄｐ≦２×Ｒ１−２×ｔ＋０．０５×ｔ （１）
   ここで、Ｄｐ：ロールバイト下死点におけるプラグ径〔ｍｍ〕、
   Ｒ１：カリバー底部孔半径〔ｍｍ〕、ｔ：出側目標板厚〔ｍｍ〕
2. １基のプラグミルを用い、前記圧下位置９０度変更は各パスとその次パスとの間で被圧延管を管周方向に９０度回転させて行い、且つ前記次パス用のプラグを前記式（１）を満たすものに交換することを特徴とする請求項１に記載の継目無鋼管の製造方法。

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