焊接鋼管的制造方法及焊接鋼管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種具有優(yōu)良的耐壓曲性的焊接鋼管的制造方法。本實施方式的焊接鋼管的制造方法具有：準(zhǔn)備焊接管坯的工序；形成焊接鋼管的工序，其中，利用擴(kuò)管頭，以在公式（1）中定義的波紋度波長比D為0.8以下或者1.8以上的方式對焊接管坯的全長進(jìn)行擴(kuò)管而形成焊接鋼管。D＝p／λ（1）在該公式中，p是焊接鋼管的軸向的波紋度波長，λ是以下的公式（2）中定義的鐵木辛柯的壓曲波長。λ＝3.44×（r×t）1／2（2）在該公式中，r是焊接鋼管的內(nèi)半徑，t是焊接鋼管的壁厚。
【專利說明】焊接鋼管的制造方法及焊接鋼管
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鋼管的制造方法及該鋼管，更詳細(xì)而言，涉及焊接鋼管的制造方法及焊接鋼管。
【背景技術(shù)】
[0002]在石油、天然氣等的輸送中利用管線。管線由多根管線管構(gòu)成。管線管例如使用以UOE鋼管為代表的焊接鋼管。
[0003]焊接鋼管例如由以下的方法來制造。以C沖壓對鋼板的寬度方向端部進(jìn)行彎曲加工(C成形)。以U沖壓對C成形后的鋼板進(jìn)行彎曲加工(U成形)。以O(shè)沖壓對U成形后的鋼板進(jìn)行彎曲加工(O成形)。由此，獲得鋼板的寬度方向端部彼此相對的大致圓形的開管。將在開管的周向上相對的寬度方向端部彼此點焊起來。之后，對開管進(jìn)行內(nèi)表面焊接和外表面焊接。通過以上的工序得到焊接管坯。為了提高焊接管坯的圓度，利用擴(kuò)管機(jī)對焊接管還進(jìn)行擴(kuò)管。由此，制造出作為目標(biāo)的焊接鋼管(本例中是UOE鋼管)。
[0004]擴(kuò)管機(jī)例如在日本特開2006-28439號公報中被公開。擴(kuò)管機(jī)具有擴(kuò)管頭。擴(kuò)管頭在相對于焊接管坯沿著焊接管坯的軸向相對移動的同時對焊接管坯的全長進(jìn)行擴(kuò)管。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明要解決的問題
[0006]在被擴(kuò)管后的焊接鋼管用于管線的情況下，要求焊接鋼管具備優(yōu)良的耐壓曲性。管線有時會設(shè)置在加拿大等的寒冷地方的永久凍土區(qū)域或者日本等的地震發(fā)生區(qū)域。在由永久凍土發(fā)生融化或者地震發(fā)生所引發(fā)的地表面沿上下方向變動的情況下，構(gòu)成管線的焊接鋼管將受到該變動的影響。焊接鋼管優(yōu)選的是，即使受到像這樣的變動的影響，也能夠抑制壓曲的發(fā)生的鋼管。
[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種具有優(yōu)良的耐壓曲性的焊接鋼管的制造方法。
[0008]用于解決問題的方案
[0009]本發(fā)明的實施方式的焊接鋼管的制造方法具有:準(zhǔn)備焊接管坯的工序；形成焊接鋼管的工序，其中，利用擴(kuò)管頭，以在公式(I)中定義的波紋度波長比D為0.8以下或者1.8以上的方式對上述焊接管坯的全長進(jìn)行擴(kuò)管而形成焊接鋼管。
[0010]D = P / λ (I)
[0011]在該公式中，P是上述焊接鋼管的軸向的波紋度波長，λ是以下的公式(2)中定義的鐵木辛柯(Timoschenko)的壓曲波長。
[0012]λ = 3.44Χ (rXt) 1 7 2 (2)
[0013]在該公式中，r是上述焊接鋼管的內(nèi)半徑，t是上述焊接鋼管的壁厚。
[0014]發(fā)明的效果
[0015]本發(fā)明的實施方式的焊接鋼管的制造方法能夠制造出具有優(yōu)良的耐壓曲性的焊接鋼管。【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是焊接管坯的剖視圖。
[0017]圖2是擴(kuò)管機(jī)的側(cè)視圖。
[0018]圖3是表示本實施方式的焊接鋼管的擴(kuò)管工序的局部剖視圖。
[0019]圖4是表示所制造的焊接鋼管的表面的波紋度的圖表。
[0020]圖5是表示典型的彎曲扭矩與彎曲變形的關(guān)系。
[0021]圖6是表示焊接鋼管的彎曲扭矩與彎曲變形的關(guān)系的圖表。
[0022]圖7是為了獲得圖6的圖表所利用的FEA I吳型的不意圖。
[0023]圖8是使用圖7的FEA模型而得到的、表示極限彎曲變形比與波紋度波長比的關(guān)系的圖表。
[0024]圖9是使用與圖8條件不同的FEA模型而得到的、表示極限彎曲變形比與波紋度波長比的關(guān)系的圖表。
[0025]圖10是使用與圖8以及圖9條件不同的FEA模型而得到的、表示極限彎曲變形比與波紋度波長比的關(guān)系的圖表。
【具體實施方式】
[0026]本
【發(fā)明者】對焊接鋼管的耐壓曲性進(jìn)行了調(diào)查和研究。其結(jié)果，本
【發(fā)明者】得到以下見解。
[0027](A)在利用擴(kuò)管機(jī)的擴(kuò)管頭對焊接鋼管全長進(jìn)行擴(kuò)管的情況下，焊接鋼管在軸向上具有波紋度。軸向的波紋度是有周期性的。換言之，軸向的波紋度具有波長。軸向的波紋度波長在擴(kuò)管工序中形成?；跀U(kuò)管頭的相對于焊接管坯的相對移動間距來確定波紋度波長。
[0028](B)焊接鋼管的耐壓曲性受到波紋度波長的影響較大。具體而言，在波紋度波長為公式(2)中所定義的鐵木辛柯(Timoschenko)的壓曲波長λ (mm)的情況下,焊接鋼管的耐壓曲性最低。
[0029]λ = 3.44Χ (rXt) 1 7 2 (2)
[0030]在該公式中，r (mm)是焊接鋼管的內(nèi)半徑，t是焊接鋼管的壁厚(mm)。
[0031](C)如果在擴(kuò)管工序中形成的焊接鋼管的波紋度波長與鐵木辛柯的壓曲波長λ是不同的值，則焊接鋼管的耐壓曲性提高。
[0032](D)更具體而言，在焊接鋼管的波紋度波長為P (mm)的情況下，以公式(I)中所定義的波紋度波長比D為0.8以下或者1.8以上的方式，通過在擴(kuò)管工序中對焊接管坯全長進(jìn)行擴(kuò)管，能夠提高焊接鋼管的耐壓曲性。
[0033]D = P / λ ( I)
[0034]基于以上的見解，本
【發(fā)明者】完成了以下的發(fā)明。
[0035]本發(fā)明的實施方式的焊接鋼管的制造方法具有:準(zhǔn)備焊接管坯的工序；形成焊接鋼管的工序，其中，利用擴(kuò)管頭，以在公式(I)中定義的波紋度波長比D為0.8以下或者1.8以上的方式對焊接管坯的全長進(jìn)行擴(kuò)管而形成焊接鋼管。
[0036]在該情況下，能夠制造出具有優(yōu)良的耐壓曲性的焊接鋼管。[0037]優(yōu)選的是，對焊接管坯的全長進(jìn)行擴(kuò)管的工序包括:以波紋度波長比為0.8以下或者1.8以上的方式設(shè)定擴(kuò)管頭的移動間距的工序；以所設(shè)定的移動間距對焊接管坯的全長進(jìn)行擴(kuò)管的工序。
[0038]在該情況下，形成于焊接鋼管的波紋度波長P與壓曲波長λ是不同的值。因此，提高焊接鋼管的耐壓曲性。
[0039]本發(fā)明的實施方式的焊接鋼管是對全長進(jìn)行擴(kuò)管而制造成的，在軸向上具有波紋度。而且，由公式(I)求得的波紋度波長比D為0.8以下或者1.8以上。
[0040]以下，參照附圖對本發(fā)明的實施方式的焊接鋼管進(jìn)行說明。對圖中相同或者相當(dāng)部分標(biāo)注相同的附圖標(biāo)記，不重復(fù)進(jìn)行該說明。
[0041](焊接鋼管的制造方法)
[0042]焊接鋼管的制造方法具有:準(zhǔn)備焊接管坯的工序；對焊接管坯進(jìn)行擴(kuò)管而制造焊接鋼管的工序。將準(zhǔn)備焊接管坯的工序稱為“準(zhǔn)備工序”，將對焊接管坯進(jìn)行擴(kuò)管而制造焊接鋼管的工序稱為“擴(kuò)管工序”。對各工序進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0043](準(zhǔn)備工序)
[0044]首先，準(zhǔn)備圖1所示的焊接管坯12。在本實施方式中，焊接管坯12例如是UOE鋼管。
[0045]在焊接管坯12是UOE鋼管的情況下，焊接管坯12按照以下的方法進(jìn)行制造。首先，準(zhǔn)備鋼板。按照C成形、U成形以及O成形這樣順序?qū)λ鶞?zhǔn)備的鋼板依次實施C成形、U成形以及O成形。由此，獲得鋼板的寬度方向端部彼此相對的大致圓形的開管。
[0046]將在開管的周向上相對的寬度方向端部彼此點焊起來。之后，對開管進(jìn)行內(nèi)表面焊接和外表面焊接。由此，來制造焊接管坯12 (參照圖1)。
[0047](擴(kuò)管工序)
[0048]利用擴(kuò)管機(jī)對焊接管坯12的全長進(jìn)行擴(kuò)管。圖2是擴(kuò)管機(jī)100的側(cè)視圖。擴(kuò)管機(jī)100具有主體110、軸向進(jìn)給器105。主體110具有主缸體101、轉(zhuǎn)軸狀的軸式凹模(日文:* 一 >)102以及擴(kuò)管頭103。主體110配置于焊接管坯12的一端12Α側(cè)。軸向進(jìn)給器105配置于焊接管坯12的另一端12Β偵U。
[0049]擴(kuò)管頭103的后端安裝于軸式凹模102的頂端。擴(kuò)管頭103的頂端與焊接管坯12的端部12Α相對。軸式凹模102的后端安裝于主缸體101。
[0050]擴(kuò)管頭103呈圓柱狀，在周向配置有多個模具104。當(dāng)將軸式凹模102內(nèi)的牽引桿(未圖示)沿軸向拉拔時，通過楔作用而使多個模具104擴(kuò)張。更具體而言，模具104沿著擴(kuò)管頭103的徑向移動并擴(kuò)張。此時，多個模具104將焊接管坯12擴(kuò)開來進(jìn)行擴(kuò)管。當(dāng)牽引桿返回到原處時，多個模具104也返回到原來的位置，從而完成一次擴(kuò)管動作。
[0051]軸向進(jìn)給器105配置于焊接管坯12的端部12Β側(cè)。軸向進(jìn)給器105具有夾具106。夾具106用于保持焊接管坯12的端部12Β。軸向進(jìn)給器105在利用夾具106把持焊接管坯12的同時沿著軸向以規(guī)定的移動間距移動。因此，焊接管坯12沿著軸向以規(guī)定的移動間距向主體110側(cè)送入。其結(jié)果，擴(kuò)管頭103相對于焊接管坯12而向軸向進(jìn)給器105側(cè)相對移動。
[0052]軸向進(jìn)給器105將焊接管坯12送入I個移動間距的距離之后，利用擴(kuò)管頭103實施I次擴(kuò)管動作。[0053]圖3是擴(kuò)管動作的示意圖。參照圖3，如上述那樣，擴(kuò)管頭103在焊接管坯12內(nèi)從端部12A側(cè)向端部12B側(cè)進(jìn)行相對移動。圖3表示第η步驟的擴(kuò)管頭103的位置和第(η+1)步驟的擴(kuò)管頭103的位置。在完成了第η步驟的擴(kuò)管動作后，在第(η+1)步驟中，軸向進(jìn)給器105將焊接管坯12向主體110側(cè)(端部12Α側(cè))送入移動間距ΡΙ。由此，擴(kuò)管頭103相對于焊接管坯12向軸向進(jìn)給器105側(cè)(端部12Β側(cè))相對移動移動間距ΡΙ。移動后，對擴(kuò)管頭103的多個模具104進(jìn)行擴(kuò)張，而對焊接管坯12進(jìn)行擴(kuò)管。上述的移動間距PI相當(dāng)于I次的擴(kuò)管動作的移動距離。
[0054]移動間距PI例如能夠根據(jù)擴(kuò)管頭103的形狀、軸向進(jìn)給器105的驅(qū)動力(送入焊接管坯12的外力)、焊接管坯12的化學(xué)成分和強(qiáng)度等級、焊接管坯12的壁厚等進(jìn)行適當(dāng)變更。
[0055]擴(kuò)管頭103每移動移動間距PI的距離就重復(fù)進(jìn)行擴(kuò)管動作，并在焊接管坯12內(nèi)從端部12Α側(cè)向端部12Β側(cè)進(jìn)行相對移動。通過以上的工序，擴(kuò)管頭103對焊接管坯12的全長進(jìn)行擴(kuò)管并制造焊接鋼管。
[0056]圖4是表示所制造出來的焊接鋼管的外表面的軸向波紋度的示意圖。圖4的橫軸是焊接鋼管的軸向距離(將焊接鋼管軸向中央規(guī)定為“0”)，圖4的縱軸表示波紋度量。如圖4所示，焊接鋼管的外表面狀態(tài)不是恒定的，在軸向上具有波長P的波紋度。以下，將波長P稱為“波紋度波長”。
[0057]波紋度波長P與移動間距PI相對應(yīng)。更具體而言，波紋度波長P與移動間距實質(zhì)上是相同的。
[0058]推斷上述的焊接鋼管表面的波紋度是由于以下的理由而產(chǎn)生的。如圖3所示，第(η+1)步驟的擴(kuò)管區(qū)域的后部與第η步驟的擴(kuò)管區(qū)域的前部重疊。在以不重疊的方式進(jìn)行擴(kuò)管的情況下，在第(η+1)步驟與第η步驟之間將產(chǎn)生未擴(kuò)管的部分。為了不產(chǎn)生這樣的情況，要以第(η+1)步驟與第η步驟的擴(kuò)管部分局部重疊的方式進(jìn)行擴(kuò)管。由于存在這樣的重疊部分，能夠推斷出在焊接鋼管表面的軸向上將產(chǎn)生波紋度。
[0059]在焊接鋼管中，在波紋度波長P與公式(2)中所定義的鐵木辛柯的壓曲波長λ相同的情況下，焊接鋼管的變形能力最低，而發(fā)生壓曲。
[0060]λ = 3.44Χ (rXt) 1 7 2 (2)
[0061]圖5是表示在對焊接鋼管施加有彎曲扭矩的情況下的典型的彎曲扭矩與彎曲變形的關(guān)系的圖。當(dāng)彎曲扭矩達(dá)到了最大彎曲扭矩Mmax時，發(fā)生壓曲。將最大彎曲扭矩Mmax的彎曲變形定義為極限彎曲變形SC。極限彎曲變形ec越大，焊接鋼管的耐壓曲性越高。
[0062]在擴(kuò)管工序中，在所制造的焊接鋼管中，以在公式(I)中定義的波紋度波長比D為
0.8以下或者1.8以上的方式對焊接管坯的全長進(jìn)行擴(kuò)管。因此，制造出的焊接鋼管的耐壓曲性提高。其理由如下。
[0063]圖6是表示具有不同波紋度波長的焊接鋼管的彎曲扭矩與彎曲變形的關(guān)系的圖。圖6是根據(jù)以下的方法得到的。利用圖7所示的FEA (Finite Element Analysis)模型10來實施FEA。在FEA中，使用通用的彈塑性有限元分析軟件MSC.Marc。在FEA模型10中，考慮到幾何學(xué)的對稱性，將焊接鋼管的I / 4部分(軸向I / 2、徑向I / 2的部分)模型化。焊接鋼管的軸向長度假定為焊接鋼管的直徑OD的10倍(100D)。圖7中的FEA模型10的左端IOL相當(dāng)于焊接鋼管的中央。FEA模型10的右端IOR相當(dāng)于焊接鋼管端部。假設(shè)內(nèi)壓是12MPa的壓力。在右端IOR上，從FEA模型10的中心軸的下方的IOOD的距離處沿著FEA模型10的軸向施加位移。如圖7所示，作為幾何學(xué)的缺陷(日文:初期不整)，在焊接鋼管中央部的外表面沿著軸向在中央部形成了振幅的峰值為3p / 4的波紋度波長。
[0064]作為FEA模型的焊接鋼管的強(qiáng)度等級是X80等級(0.2%屈服強(qiáng)度是555MPa以上)。外徑是1219mm (48英寸)。壁厚是24mm?；诠?2)的壓曲波長λ是408mm。
[0065]對將波紋度波長P設(shè)定為0.6 λ和1.0 λ的2個FEA模型進(jìn)行分析，求出各FEA模型的彎曲扭矩和彎曲變形。此時，F(xiàn)EA模型10的波紋度的振幅d是恒定的(0.73mm =
0.06%0D)?；谒玫降慕Y(jié)構(gòu)作成了圖6。
[0066]參照圖6，圖6中的實線是波紋度波長P = 0.6 λ的彎曲扭矩-彎曲變形曲線。圖6中的虛線是波紋度波長P = 1.0 λ的彎曲扭矩-彎曲變形曲線。將波紋度波長P = 0.6 λ的情況與波紋度波長P = 1.0 λ的情況相比較，極限彎曲變形量變大了。即，在波紋度波長P是與壓曲波長λ不同的值時，焊接鋼管的耐壓曲性提高。
[0067]因此，進(jìn)一步使用圖7所示的FEA模型10，使波紋度波長P從0.6 λ變化至3.0 λ，求得各波紋度波長P的極限彎曲變形。此時，F(xiàn)EA模型10的焊接鋼管的壁厚為24mm。此夕卜，其他的條件與用于得到圖6的FEA條件相同。
[0068]圖8是表示上述FEA結(jié)果的圖。圖8的橫軸表示由公式(I)定義的波紋度波長比D (單位是無量綱)。
[0069]波紋度波長比D = ρ/ λ (I)
[0070]圖8的縱軸表示由公式(3)定義的極限彎曲變形比(單位是無量綱)。
[0071]極限彎曲變形比=波紋度波長P的、極限彎曲變形/波紋度波長P = 1.0 λ的情況的極限彎曲變形(3)
[0072]參照圖8，隨著波紋度波長比D變得比1.0大，極限彎曲變形比逐漸增大，當(dāng)波紋度波長比D為1.8以上時，在波紋度波長比D增大的同時極限彎曲變形比顯著增大。另一方面，隨著波紋度波長比D變得比1.0小，極限彎曲變形比增大，當(dāng)波紋度波長比D為0.8以下時，在波紋度波長比D降低的同時極限彎曲變形比顯著增大。
[0073]進(jìn)一步而言，如后述的實施例所示，如果波紋度波長比D在0.8以下或者1.8以上，即使焊接鋼管的壁厚發(fā)生變化，也能得到優(yōu)良的耐壓曲性。
[0074]因此，在擴(kuò)管工序中，以所制造的焊接鋼管的波紋度波長比D為0.8以下或者1.8以上的方式，利用擴(kuò)管頭103對焊接管坯12的全長進(jìn)行擴(kuò)管。由此，焊接鋼管的耐壓曲性提聞。
[0075]為了使波紋度波長比D在0.8以下或者1.8以上，例如擴(kuò)管工序包括移動間距設(shè)定工序、擴(kuò)管動作工序。在移動間距設(shè)定工序中對使擴(kuò)管頭103移動的移動間距PI進(jìn)行調(diào)整，從而以使波紋度波長比D為0.8以下或者1.8以上的方式來設(shè)定移動間距ΡΙ。在擴(kuò)管動作工序中在使擴(kuò)管頭103移動設(shè)定好的移動間距PI的同時對焊接管坯12的全長進(jìn)行擴(kuò)管。
[0076]如上所述，波紋度波長P與移動間距PI相對應(yīng)。更具體而言，波紋度波長P與移動間距PI實質(zhì)上是相同的。
[0077]因此，通過調(diào)整移動間距ΡΙ，能夠容易地調(diào)整焊接鋼管的波紋度波長P。
[0078]而且，可以在擴(kuò)管頭103的模具104的表面預(yù)先形成沿著軸向延伸的波紋度。該情況下所形成的波紋度波長P在0.8 λ以下或者1.8λ以上。采用這樣的模具104，在模具的表面擴(kuò)寬焊接管坯時，模具104的表面的波紋度轉(zhuǎn)印在焊接管坯上，從而在焊接管坯的內(nèi)表面和外表面形成0.8 λ以下或者1.8 λ以上的波紋度波長ρ。
[0079]優(yōu)選的是，在擴(kuò)管工序中，以所制造的焊接鋼管的波紋度波長比D小于0.8的方式對焊接鋼管進(jìn)行擴(kuò)管。如圖8所示，與波紋度波長比D比1.0大的情況相比，在波紋度波長比小于1.0的情況下，伴隨波紋度波長比的變動的極限彎曲變形比的變動較大。因此，在波紋度波長比是0.8以下的情況下，耐壓曲性顯著增強(qiáng)。認(rèn)為其原因在于，在波紋度波長ρ較小的情況下，焊接鋼管的剛性變高。
[0080]更加優(yōu)選的是，在擴(kuò)管工序中，以所制造的焊接鋼管的波紋度波長比D小于0.6的方式對焊接鋼管進(jìn)行擴(kuò)管。在該情況下，擴(kuò)管后的焊接鋼管的圓度提高。
[0081](實施例)
[0082]實施了上述的FEA (有限元法)。具體而言，如表1所示，準(zhǔn)備標(biāo)記I和標(biāo)記2的FEA模型。標(biāo)記I的FEA模型的焊接鋼管的壁厚是18mm。標(biāo)記2的FEA模型的焊接鋼管的壁厚是30mm。標(biāo)記I和標(biāo)記2的FEA模型的強(qiáng)度等級和外徑與上述的壁厚24mm的FEA模型相同。以下，將壁厚24mm的FEA模型稱為標(biāo)記3。
【權(quán)利要求】
1.一種焊接鋼管的制造方法，其具有: 準(zhǔn)備焊接管坯的工序； 形成焊接鋼管的工序，其中，利用擴(kuò)管頭，以在公式(I)中定義的波紋度波長比D為0.8以下或者1.8以上的方式對上述焊接管坯的全長進(jìn)行擴(kuò)管而形成焊接鋼管， D = P / λ (I) 在該公式中，P是上述焊接鋼管的軸向的波紋度波長，λ是以下的公式(2)中定義的鐵木辛柯的壓曲波長， λ = 3.44X (rXt) 1/2 (2) 在該公式中，r是上述焊接鋼管的內(nèi)半徑，t是上述焊接鋼管的壁厚。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接鋼管的制造方法，其中， 對上述焊接管坯的全長進(jìn)行擴(kuò)管的工序包括: 以上述波紋度波長比D為0.8以下或者1.8以上的方式設(shè)定上述擴(kuò)管頭的相對于上述焊接管坯進(jìn)行移動的移動間距的工序； 以所設(shè)定的上述移動間距對上述焊接管坯的全長進(jìn)行擴(kuò)管的工序。
3.一種焊接鋼管，其是對全長進(jìn)行擴(kuò)管而制造成的，在軸向上具有波紋度，利用以下公式(I)求出的波紋度波長比D是0.8以下或者1.8以上， D = P / λ (I) 在該公式中，P是焊接鋼管的波紋度波長，λ是從以下的公式(2)求出的鐵木辛柯的壓曲波長， λ = 3.44X (rXt) 1/2 (2) 在該公式中，r是上述焊接鋼管的內(nèi)半徑，t是上述焊接鋼管的壁厚。
【文檔編號】B21D39/20GK103781567SQ201280042232
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月30日
【發(fā)明者】下本豪紀(jì) 申請人:新日鐵住金株式會社