JP4833574B2 - 連結管及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、連結管及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、複数の鋼管が突合せ溶接された連結管及びその製造方法に関する。

石油や天然ガス等を輸送する海底パイプラインは、鋼管を敷設地の洋上に船で運搬し、船上で鋼管の管端同士を突合せ溶接した後、海底に敷設される。このような敷設方法は、Ｓ−レイ、Ｊ−レイと呼ばれる。Ｓ−レイやＪ−レイといった敷設方法では、鋼管の現地溶接性が重要となる。現地溶接性の改善については、特開２００１−１９８６７８号公報（特許文献１）等、複数報告されている。

ところで、Ｓ−レイ、Ｊ−レイ以外の他の海底パイプラインの敷設方法として、リールバージがある。リールバージでは、予め陸上で鋼管の管端同士を突合せ溶接により接合して連結管とする。さらに、連結管を大型のドラムに巻き取り（リーリング）、そのドラムを敷設地の洋上に搬送する。敷設場所の洋上でドラムに巻かれた連結管を巻き戻しながら海底に敷設する。

このように、リールバージでは、鋼管を溶接して連結管とするだけでなく、連結管を曲げてドラムに巻き取る。ドラム巻き取り時に連結管に曲げ応力が生じるため、連結管の一部が座屈する場合がある。そのため、リールバージにより海底パイプラインとして敷設される連結管では特に、耐座屈性の向上が求められる。
特開２００１−１９８６７８号公報

本発明の目的は、耐座屈性に優れた連結管及びその製造方法を提供することである。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明者らは、リーリング時の連結管の座屈現象を調査するために、連結管を用いた曲げ試験と、有限要素法によるシミュレーションとを実施した。その結果、座屈は、連結管のうち、突合せ溶接部の止端部で発生するのではなく、止端部から軸方向に所定距離離れた鋼管母材部分で発生することが判明した。

そこで、鋼管母材部分での座屈現象についてさらに調査した結果、以下の知見を得た。

（ａ）座屈は、突合せ溶接される鋼管端部の形状が異なることにより生じる目違いに起因して発生する。

図１に示すように、鋼管１０及び２０を突合せ溶接したとき、鋼管１０の端部１１と鋼管２０の端部２１との形状の相違に起因して、外面の目違いＵＯと、内面の目違いＵＩとが生じる。具体的には、端部１１の外径ＤＯ１（ｍｍ）と、端部２１の外径ＤＯ２（ｍｍ）との外径差ΔＤＯ＝｜ＤＯ１−ＤＯ２｜により外面目違いＵＯが生じる。また、端部１１の内径ＤＩ１（ｍｍ）と、端部２１の内径ＤＩ２（ｍｍ）との内径差ΔＤＩ＝｜ＤＩ１−ＤＩ２｜により内面目違いＵＩが生じる。

そこで、座屈が発生した連結管の外径差ΔＤＯと内径差ΔＤＩとを調査した。その結果、外面目違いＵＯにより生じる局部応力が、内面目違いＵＩにより生じる局部応力よりも過剰に大きくなった場合に座屈が発生することが判明した。具体的には、外径差ΔＤＯが内径差ΔＤＩの１．５倍以上となった場合に、外面目違いＵＯによる局部応力が内面目違いＵＩによる局部応力よりも過剰に大きくなり、座屈が発生した。

以上の調査結果に基づいて、本発明者らは、以下の式（１）を満足すれば、耐座屈性を向上できることを見出した。
｜ＤＯ１−ＤＯ２｜≦１．５×｜ＤＩ１−ＤＩ２｜ （１）

（ｂ）外径差ΔＤＯ及び内径差ΔＤＩが式（１）を満足しても、内面目違いＵＩが過剰に大きければ、内面目違いＵＩのみに起因した局部応力により座屈が発生する。本発明者らは、内面目違いＵＩのみに起因した座屈は、鋼管１０及び２０の公称外径ＤＡ（ｍｍ）に対して内面目違いＵＩが過剰に大きくなった場合に発生すると考えた。

そこで、公称外径ＤＡ及び内径差ΔＤＩと、座屈との関係を調査した結果、本発明者らは、式（２）を満足すれば、内面目違いＵＩのみに起因した座屈の発生を防止できることを見出した。
｜ＤＩ１−ＤＩ２｜≦０．０１×ＤＡ＋２ （２）

（ｃ）式（１）及び（２）を満たせば、目違いに起因した座屈は生じない。しかし、座屈は、上述した目違いに起因するものだけでなく、互いに突合せ溶接された鋼管の強度に起因して発生する場合もある。具体的には、鋼管１０の降伏応力Ｙ１（ＭＰａ）と、鋼管２０の降伏応力Ｙ２（ＭＰａ）との差が大きすぎれば、目違いが無くても座屈が発生する。したがって、突合せ溶接される鋼管１０及び２０の降伏応力差を小さくすることが必要である。

降伏応力差と座屈との関係を調査した結果、本発明者らは、式（３）を満足すれば、降伏応力差に起因した座屈の発生を防止できることを見出した。
｜Ｙ１−Ｙ２｜≦１２０ （３）

以上の知見に基づいて、本発明者らは以下の発明を完成した。

本発明による連結管の製造方法は、敷設時に曲げ応力が生じる海底パイプラインとして利用される。本発明による連結管の製造方法は、降伏応力Ｙ１（ＭＰａ）、突合せ溶接される側の外径ＤＯ１（ｍｍ）及び内径ＤＩ１（ｍｍ）が求められた第１の鋼管を準備する工程と、第１の鋼管と同じ公称外径ＤＡ（ｍｍ）を有し、降伏応力Ｙ２、第１の鋼管と突合せ溶接される側の端部の外径ＤＯ２（ｍｍ）及び内径ＤＩ２（ｍｍ）が求められ、求められた降伏応力Ｙ１，Ｙ２、公称外径ＤＡ、外径ＤＯ１、ＤＯ２、内径ＤＩ１及びＤＩ２を利用して、式（１）〜（３）を満足すると認定された第２の鋼管を準備する工程と、第１の鋼管の端部と第２の鋼管の端部とを突合せ溶接する工程とを備える。
｜ＤＯ１−ＤＯ２｜≦１．５×｜ＤＩ１−ＤＩ２｜ （１）
｜ＤＩ１−ＤＩ２｜≦０．０１×ＤＡ＋２ （２）
｜Ｙ１−Ｙ２｜≦１２０ （３）

ここでいう第１の端部の外径ＤＯ１及び内径ＤＩ１は、たとえば以下の方法で求めることができる。管端から軸方向に２００〜４００ｍｍまでの範囲内の異なる１０箇所で外径及び内径を測定し、測定した外径の平均（ｍｍ）を外径ＤＯ１とし、測定した内径の平均（ｍｍ）を内径ＤＩ１とする。第２の端部の外径ＤＯ２及び内径ＤＩ２も同様の方法で求めることができる。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

本実施の形態による連結管は、図２に示すように、同じ公称外径ＤＡ（ｍｍ）を有する鋼管１０及び２０を突合せ溶接することにより製造される。

まず、以下の各要件（Ａ）〜（Ｃ）を満足する鋼管１０及び鋼管２０を準備する。

（Ａ）端部１１の外径ＤＯ１（ｍｍ）と、端部１１の内径ＤＩ１（ｍｍ）と、端部２１の外径ＤＯ２（ｍｍ）と、端部２１の内径ＤＩ２（ｍｍ）とが、以下の式（１）を満足する。
｜ＤＯ１−ＤＯ２｜≦１．５×｜ＤＩ１−ＤＩ２｜ （１）

要するに、座屈の発生を防止するために、鋼管１０の端部１１と鋼管２０の端部２１との外径差ΔＤＯ＝｜ＤＯ１−ＤＯ２｜を内径差ΔＤＩ＝｜ＤＩ１−ＤＩ２｜の１．５倍以下とする。これにより、外面目違いにより生じる局部応力が、内面目違いにより生じる局部応力よりも過剰に大きくなるのを防止でき、耐座屈性を向上できる。

なお、端部１１の外径ＤＯ１及び内径ＤＩ１は、たとえば以下の様に求めることができる。管端から軸方向に２００〜４００ｍｍまでの範囲Ｒ１内において、異なる１０箇所で外径及び内径を測定する。測定した外径の平均を外径ＤＯ１とし、測定した内径の平均を内径ＤＩ１とする。端部２１の外径ＤＯ２及び内径ＤＩ２も同様に求めることができる。具体的には、管端から軸方向に２００〜４００ｍｍまでの範囲Ｒ２内において、異なる１０箇所で外径及び内径を測定する。測定した外径の平均を外径ＤＯ２とし、測定した内径の平均を内径ＤＩ２とする。

（Ｂ）内径差ΔＤＩ＝｜ＤＩ１−ＤＩ２｜が式（２）を満足する。
｜ＤＩ１−ＤＩ２｜≦０．０１×ＤＡ＋２ （２）

外径差ΔＤＯ及び内径差ΔＤＩが式（１）を満足しても、内径差ΔＤＩが大きければ、内面目違いのみに起因した局部応力により座屈が発生する。内径差ΔＤＩが式（２）を満たせば、内面目違いのみに起因した座屈の発生を防止でき、耐座屈性を向上できる。

（Ｃ）鋼管１０の降伏応力Ｙ１（ＭＰａ）と鋼管２０の降伏応力Ｙ２（ＭＰａ）とが式（３）を満足する。
｜Ｙ１−Ｙ２｜≦１２０ （３）

式（１）及び式（２）を満足すれば、目違いによる局部応力は発生しない。しかし、鋼管１０及び２０の降伏応力差が大きければ、低強度側の鋼管に応力集中が生じ、座屈が発生する。したがって、式（３）に示すように、鋼管１０と鋼管２０との降伏応力差を１２０ＭＰａ以下にする。好ましい降伏応力差は１００ＭＰａ以下である。

以上の（Ａ）〜（Ｃ）の要件を満たす鋼管１０及び２０を準備した後、鋼管１０の端部１１と鋼管２０の端部２１とを突合せ溶接する。まず、突合せ溶接を行う前に、端部１１と端部２１とを開先加工する。加工後、鋼管２０を鋼管１０と同軸上に配置し、溶接材料を用いてＴＩＧ溶接により鋼管１０と鋼管２０とを突合せ溶接する。

以上の工程により図１に示した連結管が製造される。なお、鋼管１０と鋼管２０との突合せ溶接は、ＴＩＧ溶接以外の他の溶接方法を採用してもよい。他の溶接方法としては、たとえば、ＭＩＧ溶接や、ＭＡＧ溶接、被覆アーク溶接、レーザ溶接等がある。溶接材料は鋼管１０及び２０と同程度の強度を有することが好ましい。

製造された連結管は、図１に示すように、鋼管１０と鋼管２０との間に突合せ溶接部３０が形成される。図１では２つの鋼管部１０及び２０と、その間の突合せ溶接部３０とを示したが、連結管が、２以上の鋼管と、隣接する鋼管の間にある複数の突合せ溶接部とで構成されてもよい。

公称外径ＤＡが６０．３ｍｍ、公称肉厚が５．３ｍｍ、長さが９００ｍｍであり、表１に示す降伏応力Ｙ１（ＭＰａ）を有する鋼管１と、鋼管１と同じ公称外径、公称肉厚及び長さを有し、降伏応力Ｙ２（ＭＰａ）を有する鋼管２とをそれぞれ複数本準備した。

鋼管１及び２を突合せ、ＡＷＳ Ａ５．２８ ＥＲ９０Ｓ−Ｇに該当する溶接ワイヤを用いてＴＩＧ溶接により突合せ溶接を行い、複数の連結管を作製した。このとき、鋼管１及び２の端部に角度３０°の開先を加工した後、ＴＩＧ溶接を実施した。

溶接後、表２に示す各試験番号の連結管の外面及び内面を研削し、外径差ΔＤＯ（ｍｍ）及び内径差ΔＤＩ（ｍｍ）を人工的に作製した。

具体的には、図３に示すように、突合せ溶接部３の中央から鋼管１側へ３００ｍｍの範囲Ｒ１において、鋼管１の外周面を切削し、外径差ΔＤＯを作製した。また、突合せ溶接部３の中央から鋼管２側へ３００ｍｍの範囲Ｒ２において、鋼管２の内周面を切削し、内径差ΔＤＩを作製した。切削には旋盤を使用した。

外径差ΔＤＯ及び内径差ΔＤＩは以下のように求めた。範囲Ｒ１内の任意の１０箇所で外径及び内径を測定し、測定した外径の平均を鋼管１の外径ＤＯ１（ｍｍ）とし、測定した内径の平均を鋼管１の内径ＤＩ１（ｍｍ）とした。また、範囲Ｒ２内の任意の１０箇所で外径及び内径を測定し、測定した外径の平均を鋼管２の外径ＤＯ２（ｍｍ）とし、測定した内径の平均を鋼管２の内径ＤＩ２（ｍｍ）とした。測定にはノギスを用いた。求めた外径ＤＯ１及びＤＯ２、内径ＤＩ１及びＤＩ２とから外径差ΔＤＯ＝｜ＤＯ１−ＤＯ２｜、内径差ΔＤＩ＝｜ＤＩ１−ＤＩ２｜を求めた。

さらに、各試験番号の連結管に対して、以下の式（４）及び（５）に基づいてＦ１及びＦ２を求めた。
Ｆ１＝１．５×ΔＤＩ （４）
Ｆ２＝０．０１×ＤＡ＋２ （５）

要するに、Ｆ１は式（１）の右辺であり、Ｆ２は式（２）の右辺である。求めたＦ１及びＦ２を表２に示す。

以上の工程により作製した各試験番号の連結管に対し、図４に示すような曲げ試験機を用いて曲げ試験を実施した。

図４を参照して、曲げ試験機は、チャック１０１と、図示しない油圧シリンダにより水平に駆動するローラ１０２と、曲げ治具１０３とを備える。曲げ治具１０３の表面１０４の縦断面は、半径１８３０ｍｍの凸型の円弧とした。

曲げ試験は以下の方法で実施した。まず、各試験番号の連結管１００をチャック１０１により縦に固定した。続いて、連結管１００の上端から下端に向かって３００ｍｍの箇所Ｐ１をローラ１０２により水平方向に押した。連結管１００がローラ１０２により曲げられ、表面１０４の上辺Ｐ２に連結管１００が接触した時点でローラ１０２を停止し、曲げ試験を終了した。

曲げ試験後、連結管１００に座屈が発生したか否かを調査した。具体的には、接触式の形状測定器で連結管の形状プロファイルを測定した。測定結果の一例を図５に示す。図５（ａ）は曲げ試験終了後の連結管１００の一部の外観図であり、図５（ａ）中の領域２００の連結管１００の形状プロファイルが図５（ｂ）中の曲線Ｌ１（波線）である。図５（ｂ）に示すように、曲線Ｌ１に変曲点が発生した場合、座屈が発生したと判断した。

表２に座屈の有無の調査結果を示す。耐座屈性欄の「○」は座屈が発生しなかったことを示し、「×」は座屈が発生したことを示す。

表２を参照して、式（１）〜式（３）を満足した試験番号１〜５、及び８の連結管には座屈が発生しなかった。一方、試験番号６及び７の連結管は、式（２）及び（３）を満足したものの、式（１）を満足しなかったため、座屈が発生した。

曲げ試験後の連結管の形状プロファイルを有限要素法によるシミュレーションにより求め、座屈の有無を調査した。シミュレーションには、汎用の有限要素法解析用ソフトＭＡＲＣ Ｖｅｒ．２００３を使用した。シミュレーションの条件となる連結管の形状は実施例１と同じとした。具体的には、鋼管１及び鋼管２の各々の公称外径を６０．３ｍｍ、公称肉厚を５．３ｍｍ、長さを９００ｍｍに設定した。

初めに、有限要素法によるシミュレーションが実際の曲げ試験結果と一致するか否かを確認した。具体的には、シミュレーションの条件として、鋼管１及び２の降伏応力を表１に示すＹ１、Ｙ２と同じ値に設定し、かつ、表１中の試験番号６と同じΔＤＯ、ΔＤＩに設定してシミュレーションを実施した。シミュレーション結果を図５に示す。図５中の曲線Ｌ２（実線）がシミュレーションにより求めた形状プロファイルであり、曲線Ｌ１が実施例１の試験番号６で得られた形状プロファイルである。図５（ｂ）より、シミュレーションにより求めた形状プロファイル（曲線Ｌ２）は、実施例１で求めた形状プロファイル（曲線Ｌ１）とほぼ同じであり、シミュレーションに再現性があることを確認した。

続いて、表３に示すシミュレーション番号の連結管ごとに、公称外径ＤＡ、公称肉厚、鋼管１の降伏応力Ｙ１及び鋼管２の降伏応力Ｙ２、ΔＤＯ、ΔＤＩを設定し、式（４）及び（５）に基づいてＦ１及びＦ２を求めた。さらに、表３に示した各シミュレーション番号の連結管に対してシミュレーションを実施し、シミュレーションにより得られた形状プロファイルに座屈が発生したか否かを調査した。

シミュレーション結果を表３に示す。耐座屈性欄の「○」は座屈が発生しなかったことを示し、「×」は座屈が発生したことを示す。

表３を参照して、シミュレーション番号３〜９、１２〜１６及び１９は、いずれも式（１）〜（３）式を満足したため、座屈が発生しなかった。

一方、シミュレーション番号１及び２は、式（１）及び（２）を満足するものの、鋼管１と鋼管２との降伏応力差が１２０ＭＰａを超えたため、座屈が発生した。また、シミュレーション番号１０、１１、１７及び１８は、式（２）及び式（３）を満足するものの、ΔＤＯ及びΔＤＩが式（１）を満足しなかったため、座屈が発生した。シミュレーション番号２０〜２３は、式（１）及び式（３）を満足するものの、ΔＤＩが式（２）を満足しなかったため、座屈が発生した。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

本発明による連結管は、パイプラインとして利用可能であり、特に、リールバージによる敷設されるパイプラインとして有用である。

本発明の実施の形態による連結管の縦断面図である。 図１に示した連結管の製造方法中の一工程を示す図である。 実施例での曲げ試験の試験片の縦断面図である。 曲げ試験機の概略図である。 曲げ試験後の連結管の形状を示す図である。

符号の説明

１０、２０ 鋼管
１１，２１ 端部
３０ 突合せ溶接部

Claims (1)

1. 敷設時に曲げ応力が生じる海底パイプラインとして利用される耐座屈性に優れた連結管の製造方法であって、
   降伏応力Ｙ１（ＭＰａ）、突合せ溶接される側の端部の外径ＤＯ１（ｍｍ）及び内径ＤＩ１（ｍｍ）が求められた第１の鋼管を準備する工程と、
   前記第１の鋼管と同じ公称外径ＤＡ（ｍｍ）を有し、降伏応力Ｙ２（ＭＰａ）、前記第１の鋼管と突合せ溶接される側の端部の外径ＤＯ２（ｍｍ）及び内径ＤＩ２（ｍｍ）が求められ、求められた前記降伏応力Ｙ１，Ｙ２、前記公称外径ＤＡ、前記外径ＤＯ１、ＤＯ２、前記内径ＤＩ１及びＤＩ２を利用して、式（１）〜式（３）を満足すると認定された第２の鋼管を準備する工程と、
   前記第１の鋼管の端部と前記第２の鋼管の端部とを突合せ溶接する工程とを備えることを特徴とする連結管の製造方法。
   ｜ＤＯ１−ＤＯ２｜≦１．５×｜ＤＩ１−ＤＩ２｜ （１）
   ｜ＤＩ１−ＤＩ２｜≦０．０１×ＤＡ＋２ｍｍ （２）
   ｜Ｙ１−Ｙ２｜≦１２０ＭＰａ （３）

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