JP2006152393A - 鋼管の冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 薄肉鋼管を焼入れする際に生じる曲がりを、鋼管の製造効率を低下させることなく効果的に抑制することのできる冷却方法を提供する。
【解決手段】 水平に配置された鋼管Ｐを周方向に回転させながら、鋼管Ｐ内に冷却水Ｗ１を噴射することにより鋼管内面の冷却を行うと共に、鋼管Ｐの軸方向に沿って鋼管外面に平面状の冷却水Ｗ２を上方から流下させることにより鋼管外面の冷却を行う鋼管の冷却方法であって、冷却する鋼管Ｐの肉厚と外径との比は３．８％以下であり、前記鋼管内面の冷却を前記鋼管外面の冷却よりも１０秒以上先行して開始することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、薄肉鋼管を焼入れする際に生じる曲がり（焼曲がり）を効果的に抑制することのできる鋼管の冷却方法に関する。

鋼管を焼入れする際には、その冷却むら等に起因して、曲がり（鋼管の軸方向についての湾曲）の生じることが知られている。特に、肉厚（ｔ）と外径（Ｄ）との比（ｔ／Ｄ）が小さい（３．８％以下程度）薄肉鋼管を焼入れする際には、問題となるような大きな曲がりが生じ易い。斯かる鋼管の曲がり（焼曲がり）等の変形を抑制するべく、従来より、種々の冷却方法が提案されている。

例えば、冷却の初期段階においては緩冷却を行って管表面各部の温度差を小さくした後に、通常の強冷却を行うことにより、管の曲がりを抑制する冷却方法（熱処理方法）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。なお、特許文献１には、管の外面冷却のみを行う構成が開示されている。

また、管全体を均一に且つ短時間で冷却することを目的として、管内へ噴流水をその一端から吹込むと共に、該管の外面側をそのほぼ全長にわたりノズルから噴射させる噴流水の衝突により冷却する方法において、内面噴流水の吐出端側ほど、外面冷却の噴射水量を大とする、又は外面冷却の冷却開始時期を早める、或いは外面冷却の冷却終了時期を遅らせる方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特公平２−７３７２号公報 特公昭６１−４８９６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、初期段階において緩冷却を行う必要がある上、管の外面冷却のみを行う構成であるため、必然的に冷却時間が長くなってしまい、管の製造効率が低下するという問題がある。

また、特許文献２に記載の方法では、管の軸方向について外面冷却の噴射水の水量や噴射するタイミングを異ならせる必要があり、装置構成や制御方法が複雑化するという問題がある。また、管全体を均一に冷却できることは開示されているものの、焼曲がりの抑制効果については具体的な開示がない。特に、冷却対象として例示されている鋼管のｔ／Ｄは、約７．５％（＝８．６／１１４）（特許文献２の第２頁右欄第１３行）であり、ｔ／Ｄが３．８％以下の薄肉鋼管について焼曲がりを抑制できるか否かについては、何ら開示も示唆もされていない。

本発明は、斯かる従来技術の問題点を解決するべくなされたものであり、薄肉鋼管を焼入れする際に生じる曲がりを、鋼管の製造効率を低下させることなく効果的に抑制することのできる冷却方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するべく、本発明の発明者らは鋭意検討した結果、鋼管の内外面を共に冷却する冷却方法において、鋼管内面の冷却を鋼管外面の冷却よりも１０秒以上先行して開始する構成を採用することにより、ｔ／Ｄが３．８％以下の薄肉鋼管であっても、鋼管の製造効率を低下させることなく効果的に焼曲がりを抑制することが可能であることを見出し、本発明を完成したものである。

すなわち、本発明は、特許請求の範囲の請求項１に記載の如く、水平に配置された鋼管を周方向に回転させながら、鋼管内に冷却水を噴射することにより鋼管内面の冷却を行うと共に、鋼管の軸方向に沿って鋼管外面に平面状の冷却水を上方から流下させることにより鋼管外面の冷却を行う鋼管の冷却方法であって、冷却する鋼管の肉厚と外径との比は３．８％以下であり、前記鋼管内面の冷却を前記鋼管外面の冷却よりも１０秒以上先行して開始することを特徴とする鋼管の冷却方法を提供するものである。

前記冷却方法において、鋼管外面の冷却効率をより一層高めるには、特許請求の範囲の請求項２に記載の如く、前記鋼管外面の冷却は、鋼管の最上部を中心として略対称の２つの位置にそれぞれ平面状の冷却水を流下させることにより行われ、鋼管の回転方向上流側の位置に流下させる冷却水の流量を、回転方向下流側の位置に流下させる冷却水の流量よりも大きくすることが好ましい。

或いは、特許請求の範囲の請求項３に記載の如く、前記鋼管外面の冷却は、鋼管の最上部を跨って略等間隔の３つ以上の位置にそれぞれ平面状の冷却水を流下させることにより行われる構成を採用することによっても、鋼管外面の冷却効率をより一層高めることが可能である。

本発明に係る鋼管の冷却方法によれば、薄肉鋼管を焼入れする際に生じる曲がりを、鋼管の製造効率を低下させることなく効果的に抑制することが可能である。

以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明に係る鋼管の冷却方法の実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る鋼管の冷却方法を実施するための冷却装置の構成を模式的に示す図であり、（ａ）は縦断面図を、（ｂ）は側面図を示す。
図１に示すように、本実施形態に係る冷却装置１は、水平に配置された鋼管Ｐを周方向に回転させるための回転ローラ１１と、鋼管Ｐの一端側に配置され、鋼管Ｐ内に冷却水を噴射するための内面冷却用ノズル１２と、鋼管Ｐの上方に配置され、鋼管Ｐの軸方向に沿って鋼管Ｐ外面に平面状の冷却水を流下させるための外面冷却用ノズル１３とを備えている。

本実施形態に係る冷却装置１によって鋼管Ｐを冷却するに際しては、回転ローラ１１を回転させることにより鋼管Ｐを周方向に回転させながら、内面冷却ノズル１２から冷却水Ｗ１を噴射することにより鋼管Ｐ内面の冷却を行うと共に、外面冷却用ノズル１３から冷却水Ｗ２を流下させることにより鋼管Ｐ外面の冷却を行う。ここで、本実施形態に係る冷却方法は、鋼管Ｐ内面の冷却を鋼管Ｐ外面の冷却よりも１０秒以上先行して開始することを特徴としている。換言すれば、内面冷却ノズル１２から冷却水Ｗ１を噴射し始めるタイミングを、外面冷却用ノズル１３から冷却水Ｗ２を流下させ始めるタイミングよりも１０秒以上早めている。

なお、本実施形態に係る冷却方法によって内外面を冷却する対象となる鋼管Ｐは、問題となるような大きな曲がりが生じ易い肉厚（ｔ）と外径（Ｄ）との比が３．８％以下の薄肉鋼管である。さらには、本実施形態に係る冷却方法は、低強度で曲がりが生じ易い低炭素鋼からなるラインパイプの内外面を冷却するのに好適に用いられる（特に、ＡＰＩ規格におけるＸ６０以下のグレードのラインパイプの内外面を冷却するのに好適に用いられる）。

以下、本実施形態に係る冷却方法において、鋼管Ｐ内面の冷却を鋼管Ｐ外面の冷却よりも１０秒以上先行して開始することとした理由について説明する。
図２は、鋼管Ｐの内外面を冷却した場合における鋼管Ｐの表面温度、降伏応力ＹＳ及び軸方向応力σｚを数値計算によって算出した結果を示すグラフであり、（ａ）は鋼管Ｐの内外面の冷却を同時に開始した場合の結果を、（ｂ）は鋼管Ｐの内面冷却のみを行った場合の結果を示す。なお、図２に示す計算結果を得るために、鋼管Ｐを外径４１２．３ｍｍ、肉厚８．３０ｍｍ、長さ３０ｍの低炭素鋼とし、内面流量５４００ｍ^３／ｈｒ、外面流量２７００ｍ^３／ｈｒ、鋼管Ｐの回転数６５ｒｐｍ等の諸条件を用いた。

図２（ａ）に示すように、鋼管Ｐの内外面の冷却を同時に開始した場合には、冷却開始後の初期段階（表面温度≧５５０℃）における鋼管Ｐの熱膨張・収縮によって生じる軸方向応力（図２（ａ）においてＡで示す領域の軸方向応力）や、鋼管Ｐの表面温度が低下（表面温度＜５５０℃）してからのベイナイト変態やマルテンサイト変態等の影響も加わって生じる軸方向応力（図２（ａ）においてＢで示す領域の軸方向応力）について、その絶対値｜σｚ｜が降伏応力の絶対値｜ＹＳ｜よりも大きくなる点が存在することが分かった。

一方、図２（ｂ）に示すように、鋼管Ｐの内面冷却のみを行った場合には、冷却開始から終了（表面温度が常温になるまで）までの間において、常に軸方向応力の絶対値｜σｚ｜＜降伏応力の絶対値｜ＹＳ｜となることが分かった。これは、瞬時においては平面状の冷却水Ｗ２が流下した部分しか冷却されない外面冷却に比べて、内面冷却では鋼管Ｐの全周に亘って略均一に冷却できるため温度むらが生じ難く、軸方向応力σｚのバラツキが小さくなるためだと考えられる。

さらに、図２に示す結果を得るために設定した諸条件と同様の条件で、実際に鋼管Ｐの冷却試験を行ったところ、内外面の同時冷却を行った場合には大きな曲がりが発生したのに対し、内面冷却のみを行った場合には問題となるような大きな曲がりは発生しなかった。

以上に説明した図２に示す結果及び冷却試験の結果からすれば、曲がり（焼曲がり）は、軸方向応力の絶対値｜σｚ｜＞降伏応力の絶対値｜ＹＳ｜となるときに発生すると考えられる。従って、逆に曲がりを抑制するには、常に｜σｚ｜＜｜ＹＳ｜が成り立つような冷却方法とすれば良いことを見出した。なお、図２（ｂ）に示す内面冷却のみを行う場合にも、常に｜σｚ｜＜｜ＹＳ｜が成り立つものの、冷却時間が長くなってしまうため、鋼管Ｐの製造効率が低下したり、鋼管Ｐからの復熱の影響等により、十分な冷却が行えないという問題が生じる。

そこで、製造効率等の観点より鋼管Ｐの内外面を共に冷却するものの、少なくとも初期段階において｜σｚ｜＜｜ＹＳ｜を成立させるには、内面冷却を外面冷却に先行させることが有効であるとの考えに基づき、当該先行時間の設定を種々変更して降伏応力ＹＳ及び軸方向応力σｚを数値計算した結果、先行時間を１０秒以上とすれば、冷却過程の略全てにおいて｜σｚ｜＜｜ＹＳ｜が成り立つことが分かった。

以上に説明した理由により、本実施形態に係る冷却方法では、鋼管Ｐ内面の冷却を鋼管Ｐ外面の冷却よりも１０秒以上先行して開始する（内面冷却用ノズル１２から冷却水Ｗ１を噴射し始めるタイミングを、外面冷却用ノズル１３から冷却水Ｗ２を流下させ始めるタイミングよりも１０秒以上早める）構成としており、これにより｜σｚ｜＜｜ＹＳ｜を達成し、ひいては鋼管Ｐの曲がりを効果的に抑制することが可能である。

＜第２実施形態＞
前述した第１実施形態では、図１（ａ）に示すように、軸方向から見て冷却水の吐出口が一つである外面冷却用ノズル１３を備えた冷却装置１について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、図３に示すように、鋼管Ｐ外面の冷却効率をより一層高めるべく、２つの吐出口１３Ａａ、１３Ａｂを具備する外面冷却用ノズル１３Ａを備えた冷却装置１Ａを採用することも可能である。

より具体的に説明すれば、図３に示すように、本発明の第２実施形態に係る冷却装置１Ａは、水平に配置された鋼管Ｐを周方向に回転させるための回転ローラ１１と、鋼管Ｐの一端側に配置され、鋼管Ｐ内に冷却水を噴射するための内面冷却用ノズル（図示せず）と、鋼管Ｐの上方に配置され、鋼管Ｐの軸方向に沿って鋼管Ｐの最上部を中心として略対称の２つの位置にそれぞれ平面状の冷却水を流下させるための吐出口１３Ａａ、１３Ａｂを具備する外面冷却用ノズル１３Ａとを備えている。

本実施形態に係る冷却装置１Ａによって鋼管Ｐを冷却するに際しては、回転ローラ１１を回転させることにより鋼管Ｐを周方向に回転させながら、内面冷却ノズルから冷却水を噴射することにより鋼管Ｐ内面の冷却を行うと共に、外面冷却用ノズル１３Ａの吐出口１３Ａａ、１３Ａｂからそれぞれ冷却水Ｗ２ａ、Ｗ２ｂを流下させることにより鋼管Ｐ外面の冷却を行う。ここで、本実施形態に係る冷却方法についても、第１実施形態と同様に鋼管Ｐ内面の冷却を鋼管Ｐ外面の冷却よりも１０秒以上先行して開始する。換言すれば、内面冷却ノズルから冷却水を噴射し始めるタイミングを、外面冷却用ノズル１３Ａから冷却水Ｗ２ａ、Ｗ２ｂを流下させ始めるタイミングよりも１０秒以上早めている。また、本実施形態に係る冷却方法によって内外面を冷却する対象となる鋼管Ｐはｔ／Ｄ≦３．８％である点と、低炭素鋼からなるラインパイプの内外面を冷却するのに好適に用いられる点も、第１実施形態と同様である。

ここで、鋼管Ｐ外面の冷却効率を高めるには、吐出口１３Ａａ、１３Ａｂからそれぞれ流下させる冷却水Ｗ２ａ、Ｗ２ｂの流量を双方とも大きくすることが考えられる。しかしながら、冷却水Ｗ２ａ、Ｗ２ｂの流量を双方とも大きくし過ぎれば、鋼管Ｐの外面であって冷却水Ｗ２ａ、Ｗ２ｂがそれぞれ流下する位置の間に溜まる水膜の厚みが必要以上に増す結果、冷却水の有効利用率（鋼管Ｐの冷却に真に寄与する冷却水の割合）が低下すると共に、鋼管Ｐの回転方向への冷却水の流れが悪くなってしまう。

また、鋼管Ｐの回転方向上流側の位置に流下させる冷却水（すなわち、吐出口１３Ａａから流下させる冷却水Ｗ２ａ）の大部分は、鋼管Ｐの外面に沿って回転方向に流れるのに対し、回転方向下流側の位置に流下させる冷却水（すなわち、吐出口１３Ａｂから流下させる冷却水Ｗ２ｂ）は、回転方向に逆らって流れる部分もあるものの、その多くが流下直後に下方に流れ落ちてしまう。つまり、鋼管Ｐ外面の冷却能力に対する寄与度としては、冷却水Ｗ２ａの方が冷却水Ｗ２ｂよりも大きいといえる。

以上の考えに基づき、本実施形態においては、流下させる冷却水全体としては第１実施形態と同様の流量とするものの、鋼管Ｐの回転方向上流側の位置に流下させる冷却水（すなわち、吐出口１３Ａａから流下させる冷却水Ｗ２ａ）の流量を、回転方向下流側の位置に流下させる冷却水（すなわち、吐出口１３Ａｂから流下させる冷却水Ｗ２ｂ）の流量よりも大きく設定している。

斯かる構成により、鋼管Ｐの外面に沿って回転方向に流れる冷却水の量を多くすることができると共に、鋼管Ｐの外面であって冷却水Ｗ２ａ、Ｗ２ｂがそれぞれ流下する位置の間に溜まる水膜を適切な厚みとすることが可能になる結果、鋼管Ｐ外面の冷却効率をより一層高めることが可能である。

＜第３実施形態＞
前述した第２実施形態では、鋼管Ｐ外面の冷却効率をより一層高めるべく、図３に示すように、２つの吐出口１３Ａａ、１３Ａｂを具備する外面冷却用ノズル１３Ａを備えた冷却装置１Ａについて説明したが、本発明はこれに限るものではなく、図４に示すように、３つの吐出口を具備する外面冷却用ノズル１３Ｂを備えた冷却装置１Ｂを採用することも可能である。

より具体的に説明すれば、図４に示すように、本発明の第３実施形態に係る冷却装置１Ｂは、水平に配置された鋼管Ｐを周方向に回転させるための回転ローラ１１と、鋼管Ｐの一端側に配置され、鋼管Ｐ内に冷却水を噴射するための内面冷却用ノズル（図示せず）と、鋼管Ｐの上方に配置され、鋼管Ｐの軸方向に沿って鋼管Ｐの最上部を跨って略等間隔の３つの位置にそれぞれ平面状の冷却水を流下させるための吐出口１３Ｂａ、１３Ｂｂ及び１３Ｂｃを具備する外面冷却用ノズル１３Ｂとを備えている。

本実施形態に係る冷却装置１Ｂによって鋼管Ｐを冷却するに際しては、回転ローラ１１を回転させることにより鋼管Ｐを周方向に回転させながら、内面冷却ノズルから冷却水を噴射することにより鋼管Ｐ内面の冷却を行うと共に、外面冷却用ノズル１３Ｂの吐出口１３Ｂａ、１３Ｂｂ及び１３Ｂｃからそれぞれ冷却水Ｗ２ａ、Ｗ２ｂ及びＷ２ｃを流下させることにより鋼管Ｐ外面の冷却を行う。ここで、本実施形態に係る冷却方法についても、第１及び第２実施形態と同様に鋼管Ｐ内面の冷却を鋼管Ｐ外面の冷却よりも１０秒以上先行して開始する。換言すれば、内面冷却ノズルから冷却水を噴射し始めるタイミングを、外面冷却用ノズル１３Ｂから冷却水Ｗ２ａ、Ｗ２ｂ及びＷ２ｃを流下させ始めるタイミングよりも１０秒以上早めている。また、本実施形態に係る冷却方法によって内外面を冷却する対象となる鋼管Ｐはｔ／Ｄ≦３．８％である点と、低炭素鋼からなるラインパイプの内外面を冷却するのに好適に用いられる点も、第１実施形態及び第２実施形態と同様である。

本実施形態に係る冷却装置１Ｂによれば、外面冷却用ノズル１３Ｂが３つの吐出口１３Ｂａ、１３Ｂｂ及び１３Ｂｃを具備し、それぞれ冷却水Ｗ２ａ、Ｗ２ｂ及びＷ２ｃを流下させるため、鋼管Ｐの外面であって冷却水Ｗ２ａ、Ｗ２ｃがそれぞれ流下する位置の間に溜まる水膜が冷却水Ｗ２ｂによって攪拌されると共に、比較的均一な水膜となり易いため、鋼管Ｐ外面の冷却効率をより一層高めることが可能である。

なお、本実施形態では、鋼管Ｐの最上部を跨って略等間隔の３つの位置にそれぞれ平面状の冷却水を流下させる構成について説明したが、３つ以上の位置に流下させる構成を採用することも可能である。また、冷却水Ｗ２ａ、Ｗ２ｂ及びＷ２ｃの流量はそれぞれ同等としても良いし、第２実施形態と同様に、鋼管の回転方向上流側の位置に流下させる冷却水ほど流量を大きくする構成を採用することも可能である。

以下、実施例を示すことにより、本発明の特徴とするところをより一層明らかにする。
＜実施例１＞
外径３４０ｍｍ、肉厚１３ｍｍ、長さ２５ｍの鋼管（低炭素鋼）を、図１に概略構成を示す冷却装置を用いて、表１に示す条件で冷却し、冷却後の曲がり量を評価した。曲がり量は、冷却後の鋼管について周方向４箇所の位置で全長に亘って糸を張設した場合における当該糸と鋼管Ｐとの隙間の最大値を長さ１０ｍで正規化した値（前記隙間の最大値に１０／２５を乗算した値）とした。なお、外面冷却用ノズルの吐出口は幅６ｍｍのスリット状開口とした。また、内面冷却の先行時間は２０秒とした。

＜実施例２＞
図３に概略構成を示す冷却装置（ただし、冷却水Ｗ２ａとＷ２ｂの流量は同一とした）を用いた以外は、実施例１と同様の条件で冷却し、冷却後の曲がり量を評価した。なお、外面冷却用ノズルが具備する２つの吐出口の間隔は１００ｍｍとした。

＜実施例３＞
図３に概略構成を示す冷却装置を用い、冷却水Ｗ２ａとＷ２ｂの流量比を５：４とした以外は、実施例２と同様の条件で冷却し、冷却後の曲がり量を評価した。

＜実施例４＞
図４に概略構成を示す冷却装置（ただし、冷却水Ｗ２ａ、Ｗ２ｂ及びＷ２ｃの流量は同一とした）を用いた以外は、実施例２と同様の条件で冷却し、冷却後の曲がり量を評価した。なお、外面冷却用ノズルが具備する３つの吐出口の間隔はそれぞれ１００ｍｍとした。

＜比較例＞
図１に概略構成を示す冷却装置を用いて、内外面を同時に冷却（先行時間０秒）し、冷却後の曲がり量を評価した。

＜評価結果＞
評価結果を表１に示す。表１に示すように、実施例１〜４の冷却方法によれば、比較例に比べて曲がり量を低減することが可能であった。

図１は、本発明の第１実施形態に係る鋼管の冷却方法を実施するための冷却装置の構成を模式的に示す図であり、（ａ）は縦断面図を、（ｂ）は側面図を示す。 図２は、鋼管の内外面を冷却した場合における鋼管の表面温度、降伏応力ＹＳ及び軸方向応力σｚを数値計算によって算出した結果を示すグラフであり、（ａ）は鋼管の内外面の冷却を同時に開始した場合の結果を、（ｂ）は鋼管の内面冷却のみを行った場合の結果を示す。 図３は、本発明の第２実施形態に係る鋼管の冷却方法を実施するための冷却装置の構成を模式的に示す縦断面図である。 図４は、本発明の第３実施形態に係る鋼管の冷却方法を実施するための冷却装置の構成を模式的に示す縦断面図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ・・・冷却装置
１１・・・回転ローラ
１２・・・内面冷却用ノズル
１３，１３Ａ，１３Ｂ・・・外面冷却用ノズル
Ｐ・・・鋼管

Claims (3)

1. 水平に配置された鋼管を周方向に回転させながら、鋼管内に冷却水を噴射することにより鋼管内面の冷却を行うと共に、鋼管の軸方向に沿って鋼管外面に平面状の冷却水を上方から流下させることにより鋼管外面の冷却を行う鋼管の冷却方法であって、
   冷却する鋼管の肉厚と外径との比は３．８％以下であり、
   前記鋼管内面の冷却を前記鋼管外面の冷却よりも１０秒以上先行して開始することを特徴とする鋼管の冷却方法。
2. 前記鋼管外面の冷却は、鋼管の最上部を中心として略対称の２つの位置にそれぞれ平面状の冷却水を流下させることにより行われ、
   鋼管の回転方向上流側の位置に流下させる冷却水の流量を、回転方向下流側の位置に流下させる冷却水の流量よりも大きくすることを特徴とする請求項１に記載の鋼管の冷却方法。
3. 前記鋼管外面の冷却は、鋼管の最上部を跨って略等間隔の３つ以上の位置にそれぞれ平面状の冷却水を流下させることにより行われることを特徴とする請求項１に記載の鋼管の冷却方法。

Images