JP6709638B2 - 鋼管構造体における鋼管と継手との溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管構造体における鋼管と継手との溶接方法に関するものである。

鋼管同士は、継手を介して接合されることで、単品の鋼管以上の長さにすることが可能である。このような継手による接合は、一般的に、鋼管同士を直線状にする。しかしながら、鋼管が設置される据付現場によっては、鋼管同士を直線状ではなく若干屈曲させて接合したい場合もある。このため、このような用途に適した継手も提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の継手は、鋼管（パイプ）の端部外周に一定の角度で傾斜して取り付けられたパイプエンドを、さらに上記角度で傾斜して受け得るように構成される。

実公昭４６−３５４８１号公報

ところで、上記特許文献１に記載の継手は、鋼管が設置される据付現場において、上記角度の２倍までボルトおよびナット群により鋼管と継手と傾斜を調整しようとするものである。このような調整は、鋼管の製作誤差および据付誤差の吸収を目的としている。このため、上記継手は、上記製作誤差などの吸収を、鋼管との適切な位置関係での溶接ではなく、ボルトおよびナット群により行おうとするものである。したがって、鋼管と継手との溶接では、上記製作誤差を考慮せず、鋼管と継手とを一律に上記角度で傾斜させた位置にする。この結果、鋼管の製作誤差などが大きい場合、溶接された鋼管と継手とは適切な位置関係でないという問題が生ずる。

そこで、本発明は、鋼管と継手とを適切な位置関係で溶接し得る鋼管構造体における鋼管と継手との溶接方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、第１の発明に係る鋼管構造体における鋼管と継手との溶接方法は、鋼管構造体における鋼管と継手との溶接方法であって、
上記鋼管構造体における鋼管の製作誤差を計測する計測工程と、
上記計測工程で計測された製作誤差が吸収される鋼管および継手の位置を算出する算出工程と、
上記継手を設計位置から傾斜させるとともに、上記鋼管を継手に差込んで、上記算出工程で算出された鋼管および継手の位置で当該鋼管と継手とを溶接する溶接工程とを備えるものである。

また、第２の発明に係る鋼管構造体における鋼管と継手との溶接方法は、鋼管構造体における鋼管と継手との溶接方法であって、
上記鋼管構造体における鋼管の製作誤差を計測する計測工程と、
上記計測工程で計測された製作誤差が吸収される鋼管および継手の位置を算出する算出工程と、
上記算出工程で算出された鋼管および継手の位置で当該鋼管と継手とを溶接する溶接工程とを備え、
上記算出工程で算出される鋼管および継手の位置が、継手を設計位置から傾斜させる角度である所定角度と、この所定角度で傾斜させた継手への鋼管の差込量とであるものである。

さらに、第３の発明に係る鋼管構造体における鋼管と継手との溶接方法は、第２の発明に係る鋼管構造体における鋼管と継手との溶接方法において、所定角度が、設計位置の鋼管の軸に直交する方向への製作誤差に基づいて算出されるものである。

加えて、第４の発明に係る鋼管構造体における鋼管と継手との溶接方法は、第２または３の発明に係る鋼管構造体における鋼管と継手との溶接方法において、所定角度で傾斜させた継手への鋼管の差込量が、当該所定角度と、設計位置の鋼管の軸に直交する方向への製作誤差と、設計位置の鋼管の軸に平行な方向への製作誤差とに基づいて算出されるものである。

上記鋼管構造体における鋼管と継手との溶接方法によると、製作誤差が吸収される鋼管および継手の位置を溶接する前に算出し、この位置で鋼管と継手とが溶接されるので、鋼管と継手とを適切な位置関係で溶接することができる。

本発明の実施の形態に係る鋼管構造体から構成される連結鋼管構造体を示す側面図である。 同連結鋼管構造体の鋼管構造体における鋼管と連結用鋼管との継手による接合を示す断面図である。 同鋼管の製作誤差によるズレを示す模式図である。 図３のＡ−Ａ矢視図である。 同ズレのうちＸＹ方向の成分のみを抽出して示す側面図である。 同ズレのうち傾きの成分のみを抽出して示す側面図である。 同ズレのうちＺ方向の成分のみを抽出して示す側面図である。 同鋼管と継手との溶接方法における計測工程で計測される複数点を示す概略斜視図である。 同溶接方法を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態に係る鋼管構造体における鋼管と継手との溶接方法について説明する。鋼管構造体における鋼管と継手とを溶接するのは、図１に示すように、複数（図１では一例として２つ）の鋼管構造体２，３を、これら鋼管構造体２，３とは異なる鋼管４（以下では連結用鋼管４という）で連結してなる、連結鋼管構造体１を製造するためである。

まず、上記連結鋼管構造体１の概略について図面に基づき説明する。
この連結鋼管構造体１は、図１に示すように、複数（図１では一例として２つ）の鋼管構造体２，３と、これら鋼管構造体２，３を連結する連結用鋼管４と、鋼管構造体２，３における鋼管１０と連結用鋼管４とを接合する継手２０とを備える。

上記鋼管構造体２，３は、多数の短い鋼管１０を、これらの全ての軸が１点（以下では格点Ｒという）に向くようにして放射状に溶接してなるものである。このため、上記鋼管構造体２，３は、その構成部材である多数の短い鋼管１０同士の溶接線が非常に複雑になってしまう。したがって、鋼管構造体２，３およびその構成部材である鋼管１０は、必然的に製作誤差を有することになる。

上記継手２０は、図２に示すように、例えばスリップオンフランジであり、一方側から鋼管構造体２，３における鋼管１０が差込まれるとともに溶接され、他方側から連結用鋼管４が差込まれるとともに溶接されて、一方側の鋼管１０と他方側の連結用鋼管４とを接合するものである。このため、上記継手２０は、上記鋼管１０および連結用鋼管４の外径よりも大きな内径を有する。この内径は、上記製作誤差を吸収可能な程度まで、鋼管１０および連結用鋼管４を傾斜して差込ませ得る寸法にされる。また、上記継手２０は、上記鋼管構造体２，３における鋼管１０が差込まれて溶接される第一フランジ２１と、上記連結用鋼管４が差込まれて溶接される第二フランジ２２と、これら第一フランジ２１および第二フランジ２２を円周上の複数位置で接合するボルトおよびナット群２３とを有する。

次に、上記連結鋼管構造体１の製造方法について説明する。
まず、工場において、鋼管構造体２，３における鋼管１０を継手２０に差込んだ後、当該鋼管１０と継手２０（具体的には第一フランジ２１）とを溶接する。鋼管１０に継手２０が溶接された鋼管構造体２，３を例えば２つ準備した後、これら鋼管構造体２，３を精密な位置に設置する。この設置と並行して、一方の鋼管構造体３における鋼管１０に溶接された継手２０に連結用鋼管４の一端部を差込み、他方の鋼管構造体２における鋼管１０に溶接された継手２０に連結用鋼管４の他端部を差込む。そして、継手２０（具体的には第二フランジ２２）と連結用鋼管４の両端部とを溶接することにより、上記連結鋼管構造体１が製造される。その後、当該連結鋼管構造体１の継手２０からボルトおよびナット群２３を取り外すことにより、連結鋼管構造体１を、３種類のパーツに分解でき、すなわち、運搬が容易な状態にできる。この３種類のパーツとは、第一フランジ２１が鋼管１０に溶接された鋼管構造体２，３（２つ）と、両端部に第二フランジ２２が溶接された連結用鋼管４と、第一フランジ２１および第二フランジ２２を接合するボルトおよびナット群２３とである。これら３種類のパーツを連結鋼管構造体１の据付現場まで運搬し、据付現場において、２つの鋼管構造体２，３のパーツを精密な位置に設置し、これら鋼管構造体２，３のパーツの間に連結用鋼管４のパーツを配置し、第一フランジ２１および第二フランジ２２をボルトおよびナット群２３で接合する。これにより、据付現場において、工場での精度に近い状態で連結鋼管構造体１を組み立てることができる。

以下、上記鋼管構造体３における鋼管１０と継手２０との溶接方法、すなわち、上記連結鋼管構造体１の製造方法における鋼管１０と継手２０との溶接方法について説明する。
上述のように、鋼管構造体３およびその鋼管１０には製作誤差があるので、図２および図３に示すように、上記鋼管１０と継手２０とを設計上の位置（二点鎖線で図示する）で溶接するのではなく、製作誤差が吸収される位置（実線で図示する）で溶接する。このため、上記溶接方法では、上記製作誤差を計測する計測工程と、上記製作誤差が吸収される鋼管１０および継手２０の位置を算出する算出工程と、算出された鋼管１０および継手２０の位置で鋼管１０と継手２０と溶接する溶接工程とを備える。ここで、鋼管１０および継手２０の、設計上の位置（以下では設計位置といい二点鎖線で図示する）と、製作誤差が吸収される位置（以下では調整位置といい実線で図示する）とを以下において説明する。この説明を分かりやすくするために、便宜上、図２および図３に示すように、設計位置での鋼管１０の軸方向（例えば水平方向）をＺ方向とし、このＺ方向に直交する方向をＸＹ方向（Ｘ方向およびＹ方向）とする。また、図４に示すように、Ｘ方向（例えば他の水平方向）とＹ方向（例えば鉛直方向）とは、直交するものとする。設計位置から見た調整位置であるズレは、図３に示すように、ＸＹ方向の最大ズレ量ｐと、Ｚ方向のズレ量ｄｚと、傾きαとに分解可能である。なお、ＸＹ方向の最大ズレ量ｐは、図４に示すように、Ｘ方向のズレ量ｄｘの二乗とＹ方向のズレ量ｄｙの二乗との和についての平方根である{ｐ＝√（ｄｘ^２＋ｄｙ^２）}。図５に示すように、ＸＹ方向の最大ズレ量ｐは継手２０を設計位置から所定角度θで傾斜させるために差込量を調整することで対応し、図６および図７に示すように、傾きαおよびＺ方向のズレ量ｄｚは、鋼管１０の継手２０への差込量を調整することで対応する。これらの対応により、上記製作誤差が吸収される。

上記計測工程では、鋼管構造体３における鋼管１０の端部での複数点における位置を、３次元計測器により計測する。これら複数点は、任意に選択されるが、例えば、鋼管１０の外周上で等ピッチに選択される点を含むのが精度上好ましい。このように選択された複数点は、図８に示すように、例えば、鋼管１０の端部における外周上で、Ｙ方向が最大となるａ点と、Ｘ方向が最大となるｂ点と、Ｙ方向が最小となるｃ点と、Ｘ方向が最小となるｄ点と、当該鋼管１０の軸とこれらａ〜ｄ点を含む面との交点であるｏ点とである。この場合、３次元計測器により計測されるのは、図８に示すａ〜ｄ点でのそれぞれのＺ方向のズレ量ｄｚ（ａ），ｄｚ（ｂ），ｄｚ（ｃ），ｄｚ（ｄ）と、図４に示すｏ点でのＸＹ方向の各ズレ量ｄｘ，ｄｙとである。

上記算出工程では、上記計測工程で計測されたａ〜ｄ点でのＺ方向のズレ量ｄｚ（ａ）〜ｄｚ（ｄ）およびｏ点でのＸＹ方向の各ズレ量ｄｘ，ｄｙに基づいて、継手２０を設計位置から傾斜させる所定角度θと、鋼管１０のａ〜ｄ点での継手２０への差込量とが算出される。

具体的に説明すると、継手２０を設計位置から傾斜させる所定角度θは、図５に示すように、他方の鋼管構造体２における格点Ｒからｏ点の設計位置までの長さＬと、ｏ点でのＸＹ方向の最大ズレ量ｐとに基づいて、アークタンジェントにより算出される。ここで、上記長さＬは、他方の鋼管構造体２および連結用鋼管４の設計位置から明らかであり、ｏ点でのＸＹ方向の最大ズレ量ｐは、ｏ点でのＸＹ方向の各ズレ量ｄｘ，ｄｙから算出される。一方で、鋼管１０のａ〜ｄ点での継手２０への差込量は、ｏ点のＸＹ方向での最大ズレ量ｐのみに基づいて仮算出された上で、ａ〜ｄ点でのＺ方向のズレ量ｄｚ（ａ）〜ｄｚ（ｄ）を考慮した補正により算出される。上記仮算出では、上記所定角度θと、図４に示すｏ点のズレにより生ずる角度ω（面内変位が最大となる鋼管１０の角度ω）とから、鋼管１０のａ〜ｄ点での継手２０への暫定的な差込量が求められる。上記補正では、上記暫定的な差込量にａ〜ｄ点でのＺ方向のズレ量ｄｚ（ａ）〜ｄｚ（ｄ）が加算されることで、鋼管１０のａ〜ｄ点での継手２０への精密な差込量が求められる。なお、上記算出工程では、例えば表計算用のソフトウェアなどが用いられる。

上記溶接工程は、上記算出工程で算出された所定角度θおよび精密な差込量に従って、継手２０を設計位置から傾斜させるとともに、鋼管構造体３における鋼管１０を継手２０に差込んで、鋼管１０と継手２０とを組み合わせた後に溶接する。この溶接では、必要に応じて、鋼管１０と継手２０との隙間を溶接ビードで埋めるようにする。

以下、上記鋼管構造体３における鋼管１０と継手２０との溶接方法を図９に示すフローチャートにより説明する。
この溶接方法では、図９に示すように、まず計測工程として、ａ〜ｄ点でのＺ方向のズレ量ｄｚ（ａ）〜ｄｚ（ｄ）およびｏ点でのＸＹ方向の各ズレ量ｄｘ，ｄｙを、３次元計測器により計測する（図９のＳ１参照）。次に算出工程として、他方の鋼管構造体２における格点Ｒからｏ点の設計位置までの長さＬと、計測されたｏ点でのＸＹ方向の各ズレ量ｄｘ，ｄｙとに基づいて、継手２０を設計位置から傾斜させる所定角度θを算出する（同Ｓ２参照）。算出された所定角度θと、ｏ点のズレにより生ずる角度ωとから、鋼管１０のａ〜ｄ点での継手２０への暫定的な差込量を仮算出する（同Ｓ３参照）。仮算出された鋼管１０のａ〜ｄ点での継手２０への暫定的な差込量を、ａ〜ｄ点でのＺ方向のズレ量ｄｚ（ａ）〜ｄｚ（ｄ）に基づき、精密な差込量に補正する（同Ｓ４参照）。最後に溶接工程として、算出された所定角度θで継手２０を設計位置から傾斜させるとともに、算出された精密な差込量で鋼管１０を継手２０に差込んでから、鋼管１０と継手２０とを溶接する（同Ｓ５参照）。

このように、上記鋼管構造体３における鋼管１０と継手２０との溶接方法によると、製作誤差が吸収される鋼管１０および継手２０の位置を溶接する前に算出し、この位置で鋼管１０と継手２０とが溶接されるので、鋼管１０と継手２０とを適切な位置関係で溶接することができる。

また、溶接する前に算出される位置が、継手２０を設計位置から傾斜させる所定角度θと、この所定角度θで傾斜させた継手２０への鋼管１０の差込量とであるから、この位置に鋼管１０および継手２０を合わせるのが容易となる結果、鋼管１０と継手２０とを一層適切な位置関係で溶接することができる。

さらに、上記所定角度θがｏ点でのＸＹ方向の最大ズレ量ｐに基づいて算出されるので、溶接する前に算出される位置が一層適切となる結果、鋼管１０と継手２０とを一層適切な位置関係で溶接することができる。

加えて、上記所定角度θで傾斜させた継手２０への鋼管１０の差込量が、上記所定角度θ、上記最大ズレ量ｐ、および鋼管１０の端部における複数点でのＺ方向のズレ量に基づいて算出されるので、溶接する前に算出される位置が一層適切となる結果、鋼管１０と継手２０とを一層適切な位置関係で溶接することができる。

ところで、上記実施の形態において、鋼管構造体２，３は、多数の短い鋼管１０を放射状に溶接してなるものとして説明したが、継手２０に溶接される鋼管１０を有する構造体であればよい。

また、上記実施の形態において、継手２０は、スリップオンフランジとして説明したが、一方側から鋼管構造体２，３における鋼管１０が製作誤差を吸収する程度の傾きで差込まれるとともに溶接されて、一方側の鋼管１０と他方側の鋼構造物とを接合し得る物であればよい。

さらに、上記実施の形態において、長さＬは、他方の鋼管構造体における格点Ｒからｏ点の設計位置までとして説明したが、この格点Ｒを通るＺ方向での他の点からｏ点の設計位置までであってもよい。

Ｒ 格点
１ 連結鋼管構造体
２，３ 鋼管構造体
４ 連結用鋼管
１０ 鋼管
２０ 継手
２１ 第一フランジ
２２ 第二フランジ
２３ ボルトおよびナット群

Claims (4)

1. 鋼管構造体における鋼管と継手との溶接方法であって、
   上記鋼管構造体における鋼管の製作誤差を計測する計測工程と、
   上記計測工程で計測された製作誤差が吸収される鋼管および継手の位置を算出する算出工程と、
   上記継手を設計位置から傾斜させるとともに、上記鋼管を継手に差込んで、上記算出工程で算出された鋼管および継手の位置で当該鋼管と継手とを溶接する溶接工程とを備えることを特徴とする鋼管構造体における鋼管と継手との溶接方法。
2. 鋼管構造体における鋼管と継手との溶接方法であって、
   上記鋼管構造体における鋼管の製作誤差を計測する計測工程と、
   上記計測工程で計測された製作誤差が吸収される鋼管および継手の位置を算出する算出工程と、
   上記算出工程で算出された鋼管および継手の位置で当該鋼管と継手とを溶接する溶接工程とを備え、
   上記算出工程で算出される鋼管および継手の位置が、継手を設計位置から傾斜させる角度である所定角度と、この所定角度で傾斜させた継手への鋼管の差込量とであることを特徴とする鋼管構造体における鋼管と継手との溶接方法。
3. 所定角度が、設計位置の鋼管の軸に直交する方向への製作誤差に基づいて算出されるものであることを特徴とする請求項２に記載の鋼管構造体における鋼管と継手との溶接方法。
4. 所定角度で傾斜させた継手への鋼管の差込量が、当該所定角度と、設計位置の鋼管の軸に直交する方向への製作誤差と、設計位置の鋼管の軸に平行な方向への製作誤差とに基づいて算出されるものであることを特徴とする請求項２または３に記載の鋼管構造体における鋼管と継手との溶接方法。

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