焊接钢管的制造方法及焊接钢管的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种具有优良的耐压曲性的焊接钢管的制造方法。本实施方式的焊接钢管的制造方法具有：准备焊接管坯的工序；形成焊接钢管的工序，其中，利用扩管头，以在公式（1）中定义的波纹度波长比D为0.8以下或者1.8以上的方式对焊接管坯的全长进行扩管而形成焊接钢管。D＝p／λ（1）在该公式中，p是焊接钢管的轴向的波纹度波长，λ是以下的公式（2）中定义的铁木辛柯的压曲波长。λ＝3.44×（r×t）1／2（2）在该公式中，r是焊接钢管的内半径，t是焊接钢管的壁厚。
【专利说明】焊接钢管的制造方法及焊接钢管
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种钢管的制造方法及该钢管，更详细而言，涉及焊接钢管的制造方法及焊接钢管。
【背景技术】
[0002]在石油、天然气等的输送中利用管线。管线由多根管线管构成。管线管例如使用以UOE钢管为代表的焊接钢管。
[0003]焊接钢管例如由以下的方法来制造。以C冲压对钢板的宽度方向端部进行弯曲加工(C成形)。以U冲压对C成形后的钢板进行弯曲加工(U成形)。以O冲压对U成形后的钢板进行弯曲加工(O成形)。由此，获得钢板的宽度方向端部彼此相对的大致圆形的开管。将在开管的周向上相对的宽度方向端部彼此点焊起来。之后，对开管进行内表面焊接和外表面焊接。通过以上的工序得到焊接管坯。为了提高焊接管坯的圆度，利用扩管机对焊接管还进行扩管。由此，制造出作为目标的焊接钢管(本例中是UOE钢管)。
[0004]扩管机例如在日本特开2006-28439号公报中被公开。扩管机具有扩管头。扩管头在相对于焊接管坯沿着焊接管坯的轴向相对移动的同时对焊接管坯的全长进行扩管。
【发明内容】
[0005]发明要解决的问题
[0006]在被扩管后的焊接钢管用于管线的情况下，要求焊接钢管具备优良的耐压曲性。管线有时会设置在加拿大等的寒冷地方的永久冻土区域或者日本等的地震发生区域。在由永久冻土发生融化或者地震发生所引发的地表面沿上下方向变动的情况下，构成管线的焊接钢管将受到该变动的影响。焊接钢管优选的是，即使受到像这样的变动的影响，也能够抑制压曲的发生的钢管。
[0007]本发明的目的在于提供一种具有优良的耐压曲性的焊接钢管的制造方法。
[0008]用于解决问题的方案
[0009]本发明的实施方式的焊接钢管的制造方法具有:准备焊接管坯的工序；形成焊接钢管的工序，其中，利用扩管头，以在公式(I)中定义的波纹度波长比D为0.8以下或者1.8以上的方式对上述焊接管坯的全长进行扩管而形成焊接钢管。
[0010]D = P / λ (I)
[0011]在该公式中，P是上述焊接钢管的轴向的波纹度波长，λ是以下的公式(2)中定义的铁木辛柯(Timoschenko)的压曲波长。
[0012]λ = 3.44Χ (rXt) 1 7 2 (2)
[0013]在该公式中，r是上述焊接钢管的内半径，t是上述焊接钢管的壁厚。
[0014]发明的效果
[0015]本发明的实施方式的焊接钢管的制造方法能够制造出具有优良的耐压曲性的焊接钢管。【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是焊接管坯的剖视图。
[0017]图2是扩管机的侧视图。
[0018]图3是表示本实施方式的焊接钢管的扩管工序的局部剖视图。
[0019]图4是表示所制造的焊接钢管的表面的波纹度的图表。
[0020]图5是表示典型的弯曲扭矩与弯曲变形的关系。
[0021]图6是表示焊接钢管的弯曲扭矩与弯曲变形的关系的图表。
[0022]图7是为了获得图6的图表所利用的FEA I吴型的不意图。
[0023]图8是使用图7的FEA模型而得到的、表示极限弯曲变形比与波纹度波长比的关系的图表。
[0024]图9是使用与图8条件不同的FEA模型而得到的、表示极限弯曲变形比与波纹度波长比的关系的图表。
[0025]图10是使用与图8以及图9条件不同的FEA模型而得到的、表示极限弯曲变形比与波纹度波长比的关系的图表。
【具体实施方式】
[0026]本
【发明者】对焊接钢管的耐压曲性进行了调查和研究。其结果，本
【发明者】得到以下见解。
[0027](A)在利用扩管机的扩管头对焊接钢管全长进行扩管的情况下，焊接钢管在轴向上具有波纹度。轴向的波纹度是有周期性的。换言之，轴向的波纹度具有波长。轴向的波纹度波长在扩管工序中形成。基于扩管头的相对于焊接管坯的相对移动间距来确定波纹度波长。
[0028](B)焊接钢管的耐压曲性受到波纹度波长的影响较大。具体而言，在波纹度波长为公式(2)中所定义的铁木辛柯(Timoschenko)的压曲波长λ (mm)的情况下,焊接钢管的耐压曲性最低。
[0029]λ = 3.44Χ (rXt) 1 7 2 (2)
[0030]在该公式中，r (mm)是焊接钢管的内半径，t是焊接钢管的壁厚(mm)。
[0031](C)如果在扩管工序中形成的焊接钢管的波纹度波长与铁木辛柯的压曲波长λ是不同的值，则焊接钢管的耐压曲性提高。
[0032](D)更具体而言，在焊接钢管的波纹度波长为P (mm)的情况下，以公式(I)中所定义的波纹度波长比D为0.8以下或者1.8以上的方式，通过在扩管工序中对焊接管坯全长进行扩管，能够提高焊接钢管的耐压曲性。
[0033]D = P / λ ( I)
[0034]基于以上的见解，本
【发明者】完成了以下的发明。
[0035]本发明的实施方式的焊接钢管的制造方法具有:准备焊接管坯的工序；形成焊接钢管的工序，其中，利用扩管头，以在公式(I)中定义的波纹度波长比D为0.8以下或者1.8以上的方式对焊接管坯的全长进行扩管而形成焊接钢管。
[0036]在该情况下，能够制造出具有优良的耐压曲性的焊接钢管。[0037]优选的是，对焊接管坯的全长进行扩管的工序包括:以波纹度波长比为0.8以下或者1.8以上的方式设定扩管头的移动间距的工序；以所设定的移动间距对焊接管坯的全长进行扩管的工序。
[0038]在该情况下，形成于焊接钢管的波纹度波长P与压曲波长λ是不同的值。因此，提高焊接钢管的耐压曲性。
[0039]本发明的实施方式的焊接钢管是对全长进行扩管而制造成的，在轴向上具有波纹度。而且，由公式(I)求得的波纹度波长比D为0.8以下或者1.8以上。
[0040]以下，参照附图对本发明的实施方式的焊接钢管进行说明。对图中相同或者相当部分标注相同的附图标记，不重复进行该说明。
[0041](焊接钢管的制造方法)
[0042]焊接钢管的制造方法具有:准备焊接管坯的工序；对焊接管坯进行扩管而制造焊接钢管的工序。将准备焊接管坯的工序称为“准备工序”，将对焊接管坯进行扩管而制造焊接钢管的工序称为“扩管工序”。对各工序进行详细说明。
[0043](准备工序)
[0044]首先，准备图1所示的焊接管坯12。在本实施方式中，焊接管坯12例如是UOE钢管。
[0045]在焊接管坯12是UOE钢管的情况下，焊接管坯12按照以下的方法进行制造。首先，准备钢板。按照C成形、U成形以及O成形这样顺序对所准备的钢板依次实施C成形、U成形以及O成形。由此，获得钢板的宽度方向端部彼此相对的大致圆形的开管。
[0046]将在开管的周向上相对的宽度方向端部彼此点焊起来。之后，对开管进行内表面焊接和外表面焊接。由此，来制造焊接管坯12 (参照图1)。
[0047](扩管工序)
[0048]利用扩管机对焊接管坯12的全长进行扩管。图2是扩管机100的侧视图。扩管机100具有主体110、轴向进给器105。主体110具有主缸体101、转轴状的轴式凹模(日文:* 一 >)102以及扩管头103。主体110配置于焊接管坯12的一端12Α侧。轴向进给器105配置于焊接管坯12的另一端12Β侦U。
[0049]扩管头103的后端安装于轴式凹模102的顶端。扩管头103的顶端与焊接管坯12的端部12Α相对。轴式凹模102的后端安装于主缸体101。
[0050]扩管头103呈圆柱状，在周向配置有多个模具104。当将轴式凹模102内的牵引杆(未图示)沿轴向拉拔时，通过楔作用而使多个模具104扩张。更具体而言，模具104沿着扩管头103的径向移动并扩张。此时，多个模具104将焊接管坯12扩开来进行扩管。当牵引杆返回到原处时，多个模具104也返回到原来的位置，从而完成一次扩管动作。
[0051]轴向进给器105配置于焊接管坯12的端部12Β侧。轴向进给器105具有夹具106。夹具106用于保持焊接管坯12的端部12Β。轴向进给器105在利用夹具106把持焊接管坯12的同时沿着轴向以规定的移动间距移动。因此，焊接管坯12沿着轴向以规定的移动间距向主体110侧送入。其结果，扩管头103相对于焊接管坯12而向轴向进给器105侧相对移动。
[0052]轴向进给器105将焊接管坯12送入I个移动间距的距离之后，利用扩管头103实施I次扩管动作。[0053]图3是扩管动作的示意图。参照图3，如上述那样，扩管头103在焊接管坯12内从端部12A侧向端部12B侧进行相对移动。图3表示第η步骤的扩管头103的位置和第(η+1)步骤的扩管头103的位置。在完成了第η步骤的扩管动作后，在第(η+1)步骤中，轴向进给器105将焊接管坯12向主体110侧(端部12Α侧)送入移动间距ΡΙ。由此，扩管头103相对于焊接管坯12向轴向进给器105侧(端部12Β侧)相对移动移动间距ΡΙ。移动后，对扩管头103的多个模具104进行扩张，而对焊接管坯12进行扩管。上述的移动间距PI相当于I次的扩管动作的移动距离。
[0054]移动间距PI例如能够根据扩管头103的形状、轴向进给器105的驱动力(送入焊接管坯12的外力)、焊接管坯12的化学成分和强度等级、焊接管坯12的壁厚等进行适当变更。
[0055]扩管头103每移动移动间距PI的距离就重复进行扩管动作，并在焊接管坯12内从端部12Α侧向端部12Β侧进行相对移动。通过以上的工序，扩管头103对焊接管坯12的全长进行扩管并制造焊接钢管。
[0056]图4是表示所制造出来的焊接钢管的外表面的轴向波纹度的示意图。图4的横轴是焊接钢管的轴向距离(将焊接钢管轴向中央规定为“0”)，图4的纵轴表示波纹度量。如图4所示，焊接钢管的外表面状态不是恒定的，在轴向上具有波长P的波纹度。以下，将波长P称为“波纹度波长”。
[0057]波纹度波长P与移动间距PI相对应。更具体而言，波纹度波长P与移动间距实质上是相同的。
[0058]推断上述的焊接钢管表面的波纹度是由于以下的理由而产生的。如图3所示，第(η+1)步骤的扩管区域的后部与第η步骤的扩管区域的前部重叠。在以不重叠的方式进行扩管的情况下，在第(η+1)步骤与第η步骤之间将产生未扩管的部分。为了不产生这样的情况，要以第(η+1)步骤与第η步骤的扩管部分局部重叠的方式进行扩管。由于存在这样的重叠部分，能够推断出在焊接钢管表面的轴向上将产生波纹度。
[0059]在焊接钢管中，在波纹度波长P与公式(2)中所定义的铁木辛柯的压曲波长λ相同的情况下，焊接钢管的变形能力最低，而发生压曲。
[0060]λ = 3.44Χ (rXt) 1 7 2 (2)
[0061]图5是表示在对焊接钢管施加有弯曲扭矩的情况下的典型的弯曲扭矩与弯曲变形的关系的图。当弯曲扭矩达到了最大弯曲扭矩Mmax时，发生压曲。将最大弯曲扭矩Mmax的弯曲变形定义为极限弯曲变形SC。极限弯曲变形ec越大，焊接钢管的耐压曲性越高。
[0062]在扩管工序中，在所制造的焊接钢管中，以在公式(I)中定义的波纹度波长比D为
0.8以下或者1.8以上的方式对焊接管坯的全长进行扩管。因此，制造出的焊接钢管的耐压曲性提高。其理由如下。
[0063]图6是表示具有不同波纹度波长的焊接钢管的弯曲扭矩与弯曲变形的关系的图。图6是根据以下的方法得到的。利用图7所示的FEA (Finite Element Analysis)模型10来实施FEA。在FEA中，使用通用的弹塑性有限元分析软件MSC.Marc。在FEA模型10中，考虑到几何学的对称性，将焊接钢管的I / 4部分(轴向I / 2、径向I / 2的部分)模型化。焊接钢管的轴向长度假定为焊接钢管的直径OD的10倍(100D)。图7中的FEA模型10的左端IOL相当于焊接钢管的中央。FEA模型10的右端IOR相当于焊接钢管端部。假设内压是12MPa的压力。在右端IOR上，从FEA模型10的中心轴的下方的IOOD的距离处沿着FEA模型10的轴向施加位移。如图7所示，作为几何学的缺陷(日文:初期不整)，在焊接钢管中央部的外表面沿着轴向在中央部形成了振幅的峰值为3p / 4的波纹度波长。
[0064]作为FEA模型的焊接钢管的强度等级是X80等级(0.2%屈服强度是555MPa以上)。外径是1219mm (48英寸)。壁厚是24mm。基于公式(2)的压曲波长λ是408mm。
[0065]对将波纹度波长P设定为0.6 λ和1.0 λ的2个FEA模型进行分析，求出各FEA模型的弯曲扭矩和弯曲变形。此时，FEA模型10的波纹度的振幅d是恒定的(0.73mm =
0.06%0D)。基于所得到的结构作成了图6。
[0066]参照图6，图6中的实线是波纹度波长P = 0.6 λ的弯曲扭矩-弯曲变形曲线。图6中的虚线是波纹度波长P = 1.0 λ的弯曲扭矩-弯曲变形曲线。将波纹度波长P = 0.6 λ的情况与波纹度波长P = 1.0 λ的情况相比较，极限弯曲变形量变大了。即，在波纹度波长P是与压曲波长λ不同的值时，焊接钢管的耐压曲性提高。
[0067]因此，进一步使用图7所示的FEA模型10，使波纹度波长P从0.6 λ变化至3.0 λ，求得各波纹度波长P的极限弯曲变形。此时，FEA模型10的焊接钢管的壁厚为24mm。此夕卜，其他的条件与用于得到图6的FEA条件相同。
[0068]图8是表示上述FEA结果的图。图8的横轴表示由公式(I)定义的波纹度波长比D (单位是无量纲)。
[0069]波纹度波长比D = ρ/ λ (I)
[0070]图8的纵轴表示由公式(3)定义的极限弯曲变形比(单位是无量纲)。
[0071]极限弯曲变形比=波纹度波长P的、极限弯曲变形/波纹度波长P = 1.0 λ的情况的极限弯曲变形(3)
[0072]参照图8，随着波纹度波长比D变得比1.0大，极限弯曲变形比逐渐增大，当波纹度波长比D为1.8以上时，在波纹度波长比D增大的同时极限弯曲变形比显著增大。另一方面，随着波纹度波长比D变得比1.0小，极限弯曲变形比增大，当波纹度波长比D为0.8以下时，在波纹度波长比D降低的同时极限弯曲变形比显著增大。
[0073]进一步而言，如后述的实施例所示，如果波纹度波长比D在0.8以下或者1.8以上，即使焊接钢管的壁厚发生变化，也能得到优良的耐压曲性。
[0074]因此，在扩管工序中，以所制造的焊接钢管的波纹度波长比D为0.8以下或者1.8以上的方式，利用扩管头103对焊接管坯12的全长进行扩管。由此，焊接钢管的耐压曲性提闻。
[0075]为了使波纹度波长比D在0.8以下或者1.8以上，例如扩管工序包括移动间距设定工序、扩管动作工序。在移动间距设定工序中对使扩管头103移动的移动间距PI进行调整，从而以使波纹度波长比D为0.8以下或者1.8以上的方式来设定移动间距ΡΙ。在扩管动作工序中在使扩管头103移动设定好的移动间距PI的同时对焊接管坯12的全长进行扩管。
[0076]如上所述，波纹度波长P与移动间距PI相对应。更具体而言，波纹度波长P与移动间距PI实质上是相同的。
[0077]因此，通过调整移动间距ΡΙ，能够容易地调整焊接钢管的波纹度波长P。
[0078]而且，可以在扩管头103的模具104的表面预先形成沿着轴向延伸的波纹度。该情况下所形成的波纹度波长P在0.8 λ以下或者1.8λ以上。采用这样的模具104，在模具的表面扩宽焊接管坯时，模具104的表面的波纹度转印在焊接管坯上，从而在焊接管坯的内表面和外表面形成0.8 λ以下或者1.8 λ以上的波纹度波长ρ。
[0079]优选的是，在扩管工序中，以所制造的焊接钢管的波纹度波长比D小于0.8的方式对焊接钢管进行扩管。如图8所示，与波纹度波长比D比1.0大的情况相比，在波纹度波长比小于1.0的情况下，伴随波纹度波长比的变动的极限弯曲变形比的变动较大。因此，在波纹度波长比是0.8以下的情况下，耐压曲性显著增强。认为其原因在于，在波纹度波长ρ较小的情况下，焊接钢管的刚性变高。
[0080]更加优选的是，在扩管工序中，以所制造的焊接钢管的波纹度波长比D小于0.6的方式对焊接钢管进行扩管。在该情况下，扩管后的焊接钢管的圆度提高。
[0081](实施例)
[0082]实施了上述的FEA (有限元法)。具体而言，如表1所示，准备标记I和标记2的FEA模型。标记I的FEA模型的焊接钢管的壁厚是18mm。标记2的FEA模型的焊接钢管的壁厚是30mm。标记I和标记2的FEA模型的强度等级和外径与上述的壁厚24mm的FEA模型相同。以下，将壁厚24mm的FEA模型称为标记3。
【权利要求】
1.一种焊接钢管的制造方法，其具有: 准备焊接管坯的工序； 形成焊接钢管的工序，其中，利用扩管头，以在公式(I)中定义的波纹度波长比D为0.8以下或者1.8以上的方式对上述焊接管坯的全长进行扩管而形成焊接钢管， D = P / λ (I) 在该公式中，P是上述焊接钢管的轴向的波纹度波长，λ是以下的公式(2)中定义的铁木辛柯的压曲波长， λ = 3.44X (rXt) 1/2 (2) 在该公式中，r是上述焊接钢管的内半径，t是上述焊接钢管的壁厚。
2.根据权利要求1所述的焊接钢管的制造方法，其中， 对上述焊接管坯的全长进行扩管的工序包括: 以上述波纹度波长比D为0.8以下或者1.8以上的方式设定上述扩管头的相对于上述焊接管坯进行移动的移动间距的工序； 以所设定的上述移动间距对上述焊接管坯的全长进行扩管的工序。
3.一种焊接钢管，其是对全长进行扩管而制造成的，在轴向上具有波纹度，利用以下公式(I)求出的波纹度波长比D是0.8以下或者1.8以上， D = P / λ (I) 在该公式中，P是焊接钢管的波纹度波长，λ是从以下的公式(2)求出的铁木辛柯的压曲波长， λ = 3.44X (rXt) 1/2 (2) 在该公式中，r是上述焊接钢管的内半径，t是上述焊接钢管的壁厚。
【文档编号】B21D39/20GK103781567SQ201280042232
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年8月30日 优先权日:2011年8月30日
【发明者】下本豪纪 申请人:新日铁住金株式会社