JP6389697B2 - 曲げ金属管の製造方法、金属管の曲げ加工装置およびコイル - Google Patents

Description

本発明は、曲げ金属管の製造方法、金属管の曲げ加工装置およびコイルに係り、特に、厚肉の金属管を熱間曲げ加工するのに好適な加熱コイルに関する。

工場やプラント、パイプライン、発電所などの各種の産業施設において液状あるいはガス状物質を搬送するために金属管が使用されている。特にパイプラインや発電所に使用される金属管は、より過酷な環境への適用が増大しつつある。

例えば、石油や天然ガスなどを輸送するパイプラインには高強度鋼材料が使用され、また深海向けのパイプラインが増加していることから肉厚の大きな厚肉管へのニーズが近年高まっている。火力発電プラントにおいては、高温高圧化による発電効率向上のため、配管の厚肉化が進められている。さらに金属管の構成材料として、従来の炭素鋼に代え、高温強度が高い合金鋼や超合金などの材料が使用されることもある。

このような金属管は、規格化され予め所定形状になされたエルボやベンド等の異形管が使用される一方で、施工対象に応じて直線状の管を曲げ加工した管（「曲げ管」と言う）も様々な曲率・管路形状への要求に柔軟に対応できることから広範に使用されている。

曲げ管を製造するには、一般に、図６〜図８に示すように加工対象である直線状の金属管１１の一部を、高周波電流の供給を受ける誘導加熱コイル１２によって環状に加熱するとともに、クランプアーム３１によって金属管１１の誘導加熱コイル１２より前端側（管先端側）を把持しながら誘導加熱コイル１２に向けて金属管１１を押し進める。クランプアーム３１は、支軸３２を中心として旋回し金属管１１の進路を弧状に規制するもので、このようなクランプアーム３１によって金属管１１を把持しながら推進させることで、誘導加熱コイル１２によって加熱された部分に曲げモーメントが加わり、支軸３２を中心とした半径Ｒの弧を描くように金属管１１を連続的に塑性変形させることが出来る。なお、図８は誘導加熱コイル１２を２つのコイル部（２ターンの巻線）１２ｃ，１２ｄによって構成した例を示している。

また、このような金属管の高周波曲げ加工に関する技術を開示するものとして下記特許文献がある。

特開２００９−０１２０６２号公報 特開２０１３−０１０１０９号公報 特開２０１４−０６５０７２号公報

ところで、金属管の高周波曲げを行う場合、管厚が厚くなると、管の外面温度に対して管の内面温度が上がり難く、管内外面の温度差が大きくなる。

この内外面温度差は、管外面の温度が同じになるように加熱しても管断面の平均温度が低いことを意味し、このため管の変形抵抗が大きくなって加工中に金属管を推進させる大きな推力が必要となり、加工可能な管のサイズが制限される問題が生じる。特に圧縮曲げは、非常に大きな推力が必要になるため、加工可能な管のサイズが大きく制限される問題が生じる。また、パイプラインに使用される高強度鋼材料は、曲げ変形の直後に水冷し焼入れされることにより強度が確保されるが、管の内面温度が十分に上がらない場合、管の強度を確保することが出来ない事態も生じ得る。

一方、このような事態を回避するため加工温度を高くすることも考えられる。しかしながら、単純に管内面の温度を上げようとすれば、管外面は必要以上の温度に加熱されることとなるから、材料の健全性を損ない、当該金属管の品質を劣化させるおそれがある。また、管内面の温度を上げるために加工速度（金属管の推進速度）を遅くすることも考えられるが、管の送り速度を遅くすることにも限度がある上、速度を遅くする分、生産効率が低下してしまう。

したがって、本発明の目的は、金属管の高周波曲げを行う新たなコイル、特に厚肉管の曲げ加工を良好に行うことが可能な加熱コイルに関する技術を提供することにある。

前記課題を解決し目的を達成するため、本発明に係る曲げ金属管の製造方法は、金属管の一部をコイルによって環状に加熱すると共に、金属管の加熱部近傍位置を把持可能で且つ当該把持部から一定距離隔てた支軸を中心として旋回可能なクランプアームによって金属管を把持し、金属管を材軸方向に推進させることによりクランプアームによる把持部を旋回させ金属管の少なくとも一部が弧を描いて湾曲するように案内することにより金属管の加熱部に曲げモーメントを加えて当該金属管の少なくとも一部を連続的に湾曲状態に塑性変形させて当該金属管を曲げ加工する曲げ金属管の製造方法であるが、前記コイルが、金属管の推進方向に順に並ぶように配置した第一のコイル部と第二のコイル部とを含み、曲げ加工のときに、第一のコイル部によって金属管が加工温度にまで加熱されるように第一のコイル部を第二のコイル部より大きな出力で駆動する。

従来の曲げ加工では、前記図６〜図７ならびに前記特許文献１〜３に示すようにクランプアーム直前の金属管の部分を１ターンの巻線からなるコイルによって単純に加熱するか、あるいは、上記本発明のように複数のコイル部（例えば図８に示すように２ターンの巻線）を備えるコイルを使用する場合であっても従来では、各コイル部への投入電力を特に変えることなく同じ出力で駆動する（各コイル部に同等の電力供給を行う）ことが通常であった。

これに対して本発明の製造方法では、コイルが前述のように金属管の推進方向に順に並ぶように配置した第一のコイル部と第二のコイル部を含むようにし、曲げ加工のときに、第一のコイル部によって金属管が加工温度にまで加熱されるように第一のコイル部を第二のコイル部より大きな出力で駆動する。別の表現をすれば本発明に係るコイルは、金属管の推進方向に向かって後方（クランプアームから遠い側）に配置した第一のコイル部と、先方（クランプアームに近い側）に配置した第二のコイル部とを含み、第一のコイル部を、金属管の温度を加工温度にまで高める本加熱用コイルとし、第二のコイル部を、第一のコイル部によって高められた金属管の温度を加工温度に保持する（第一のコイル部によって加工温度まで加熱された管加熱部の温度を当該加工温度に保持するように金属管を加熱する）保温用コイルとする。

このような本発明の製造方法によれば、コイルの配置領域に進行した金属管は、当初から加工温度に達するように速やかに加熱されこの温度が維持されるから、厚肉管であっても管内面まで十分に温度を上昇させて小さな変形抵抗で曲げ加工を行うことが出来る。特に圧縮曲げは、必要な推力が非常に大きいため、小さな変形抵抗にすることでより減肉抑制の効果が大きくなる。高温で引張力を受けて割れが生じる場合でも、圧縮曲げを行うことにより引張ひずみを低減させて割れを抑制することも出来る。また、高強度を必要とされる材料に対して、管内面温度を十分高くできるため、焼入れにより強度を十分確保することが出来る。

また、本発明に係るコイルは、従来のコイルと同じコイル幅（金属管の進行方向の幅寸法）あるいは同じ管外面のピーク温度であっても、従来のコイルと比べて管外面と管内面の温度差を小さくすることが出来るもので、本発明に係るコイルは厚肉ではない管にも勿論適用可能であるが、特に厚肉管に有効なものである。

本発明に係る曲げ加工装置は、上記製造方法と同様の特徴を有する。具体的には、当該曲げ加工装置は、金属管の一部を環状に加熱するコイルと、金属管を材軸方向に推進させる推進装置と、金属管の加熱部近傍位置を把持可能で且つ当該把持部から一定距離隔てた支軸を中心として旋回可能なクランプアームとを備え、クランプアームによって金属管を把持し、金属管をコイルに向け推進させることによりクランプアームによる把持部を旋回させ金属管の少なくとも一部が弧を描いて湾曲するように案内することにより金属管の加熱部に曲げモーメントを加えて当該金属管の少なくとも一部を連続的に湾曲状態に塑性変形させて当該金属管を曲げ加工する曲げ加工装置であって、前記コイルは、金属管の推進方向に順に並ぶように配置した第一のコイル部と第二のコイル部とを含み、第一のコイル部は、第二のコイル部より大きな出力で駆動されることにより金属管を加工温度にまで加熱する本加熱用コイルであり、第二のコイル部は、金属管の加熱部を加工温度に保つための保温用コイルである。

また、本発明に係るコイルも前記製造方法と同様の特徴を有するもので、金属管の曲げ加工装置に備えられて金属管の一部を環状に加熱するコイルであって、当該コイルは、金属管の推進方向に順に並ぶように配置した第一のコイル部と第二のコイル部とを含み、第一のコイル部は、第二のコイル部より大きな出力で駆動されることにより金属管の一部を加工温度にまで加熱する本加熱用コイルであり、第二のコイル部は、第一のコイル部によって加熱された金属管の加熱部を加工温度に保つための保温用コイルである。

本発明によれば、金属管の熱間曲げ加工にあたって当該金属管を内面まで速やかに加熱して変形抵抗の増大を防ぎ、特に厚肉管の曲げ加工を良好に行うことが出来る。また、高強度を必要とされる材料に対して、管内面温度を十分高くできるため、焼入れにより強度を十分確保することが出来る。

本発明の他の目的、特徴および利点は、図面に基づいて述べる以下の本発明の実施の形態の説明により明らかにする。なお、本発明はこれら実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で種々の変更を行うことができることは当業者に明らかである。また各図中、同一の符号は、同一又は相当部分を示す。

図１は、本発明の一実施形態に係る曲げ加工装置（初期状態）を模式的に示す平面図である。 図２は、前記実施形態に係る曲げ加工装置（加工中の状態）を模式的に示す平面図である。 図３は、前記実施形態に係る曲げ加工装置のコイル配置部（金属管）の断面図（図１のＡ−Ａ断面）である。 図４は、前記実施形態に係る曲げ加工装置で加工を行った場合の金属管の外面の温度変化と内面の温度変化を示す線図である。 図５は、従来の曲げ加工装置で加工を行った場合の金属管の外面の温度変化と内面の温度変化を示す線図である。 図６は、従来の曲げ加工装置（初期状態）を模式的に示す平面図である。 図７は、従来の曲げ加工装置（加工中の状態）を模式的に示す平面図である。 図８は、従来の別の曲げ加工装置（初期状態）を模式的に示す平面図である。

図１〜図３に示すように本発明の一実施形態に係る曲げ加工装置は、加工対象である金属管１１の一部を環状に加熱する誘導加熱コイル１２と、コイル１２に向け金属管１１を推進する推進機構１４と、金属管１１の前方部分を把持する前方クランプ３３を有するとともに金属管１１の推進に伴い支軸３２を中心として回動することにより金属管１１に曲げモーメントを付与するクランプアーム３１と、金属管１１の推進と反対方向の力である引戻力を発生して金属管１１に圧縮力を付与する圧縮機構２１を備えている。

なお、図１〜図３には前後左右上下の方向を示しており、本実施形態ではこれらの方向に基づいて説明を行う。また、図中符号Ｃは金属管１１の中心線を、符号Ｒは金属管１１の曲げ半径を、符号１１ａは金属管１１の内面を、符号１１ｂは金属管１１の外面を、符号ｔは金属管１１の肉厚を、符号１３は金属管１１を案内するガイドローラをそれぞれ示している。

金属管１１を推進させる推進機構１４は、金属管１１の後部を把持する後方クランプ１５と、この後方クランプ１５を通じて金属管１１に前方への推進力を付与する推進駆動部１６とを有する。推進駆動部１６は、例えば油圧シリンダにより構成する。

一方、金属管１１に圧縮力をかける圧縮機構２１は、クランプアーム３１の下端部に固定されクランプアーム３１の支軸３２を中心としてクランプアーム３１と一緒に回転する（矢印Ｐ４参照）スプロケット２４と、このスプロケット２４と噛み合うチェーン２３と、チェーン２３を金属管１１の推進方向と逆方向（後方）へ引っ張る引戻力Ｐ５を発生する圧縮駆動部２２とを有する。圧縮駆動部２２は、例えば油圧シリンダにより構成すれば良い。

なお、これら推進機構１４および圧縮機構２１は、特定の構造に限定されるものではなく、本発明における推進機構１４は金属管１１を推進可能なものであれば、また、圧縮機構２１は金属管１１に対して圧縮力を付与可能なものあれば、それぞれ如何なるものであっても良く、図示した構造に限定されない。また、圧縮曲げを行わないのであれば、圧縮機構を備えなくても構わない。

金属管１１を加熱するコイル１２は、クランプアーム３１の後方に配置する。このコイル１２は、誘導加熱コイルからなり金属管１１を加工温度（塑性変形させるための温度であり加工中における最高温度）にまで高める本加熱用コイル部１２ａと、同じく誘導加熱コイルからなり本加熱用コイル部１２ａによって高められた金属管１１の温度を加工温度に保持する保温用コイル部１２ｂとからなる。

これらのコイル部１２ａ，１２ｂは共に、高周波電力を供給する電源を含む駆動部（図示せず）によってそれぞれ駆動するが、本加熱用コイル部１２ａは保温用コイル部１２ｂに比べて高周波電力の投入量を大きくする。これは、本加熱用コイル部１２ａによって金属管１１の温度を加工温度にまで速やかに高めて、保温用コイル部１２ｂによって温度を維持し管断面の平均温度を上げることにより当該金属管１１の変形抵抗（必要推力）の増大を防ぐ。また、保温用コイル部１２ｂは、本加熱用コイル部１２ａによって高められた温度を維持するだけ良いから、本加熱用コイル部１２ａに比べて電力投入量は少なくて良い。

具体的な例を述べれば、本実施形態の装置では、一段目の本加熱用コイル部１２ａに例えば７０％、二段目の保温用コイル部１２ｂに例えば３０％の電力をそれぞれ投入する。なお、前記第一のコイル部と第二のコイル部の駆動の方法（第一のコイル部を第二のコイル部より大きな出力で駆動する）について別の表現をすれば、本発明では第一のコイル部の電流密度が第二のコイル部の電流密度より大きくなるように各コイル部に電流を供給すると言うことも出来る。また、本加熱用コイル部１２ａおよび保温用コイル部１２ｂは、本実施形態ではそれぞれ１つのコイル部（１ターンの巻線）を備えるものとしたが、これら各コイル部１２ａ，１２ｂは、いずれか一方または双方を複数のコイル部（２ターン以上の巻線）からなるようにしても良い。

また、曲げ加工直後に金属管１１を冷却できるように冷却水を噴射可能な冷却機構（冷却機構自体は図示しないが、当該冷却機構から噴射される冷却水を図２において符号１０で示した）をコイル１２（保温用コイル部１２ｂ）と一体に設けてあり、加工時にはコイル１２（保温用コイル部１２ｂ）の直ぐ前方の金属管１１の外表面１１ｂに向け冷却水１０を吹き付け、加熱され曲げられた金属管１１を冷却する。

加工にあたっては、金属管１１の後部を後方クランプ１５によって、金属管１１の前部を前方クランプ３３によってそれぞれ把持し、後方クランプ１５を介して油圧シリンダ１６により金属管１１を前方へ推進する（矢印Ｐ１参照）。

金属管１１が前方へ推進されると（矢印Ｐ２参照）、この推進力Ｐ２を受けてクランプアーム３１は支軸３２を中心として水平に回動し（矢印Ｐ３参照）、金属管１１を把持している前方クランプ３３は支軸３２を中心として弧を描くように旋回する。これに伴い、前方クランプ３３により把持された金属管１１には曲げモーメントが加わり、コイル１２によって加熱された部分が次々と曲げられて金属管１１が連続的に弧状に塑性変形される（図２参照）。

一方、金属管１１（曲げ外周側）の引張ひずみを低減し或いは管外周側の減肉（曲げ加工に伴い肉厚が薄くなること）を防ぐためには、次のような圧縮曲げを行えば良い。

金属管１１の推進に伴うクランプアーム３１の回動により、スプロケット２４が回転してチェーン２３が巻き取られるが、これに抗する力（後方への引戻力）Ｐ５を圧縮駆動部２２によってチェーン２３及びスプロケット２４を介してクランプアーム３１にかける。これにより、金属管１１に対して材軸方向の圧縮力を付与し、曲げ加工中に金属管１１に発生する引張ひずみを低減し、あるいは、金属管１１の曲げ外周側の減肉を抑制することが出来る。

図４は肉厚ｔの大きな金属管について本実施形態に係る曲げ加工装置で加工を行った場合の金属管の内外各面１１ａ，１１ｂの温度変化を示すもので、金属管１１の或る点（部分）が金属管１１の推進に伴い（時間が経過するにつれて）コイル１２に接近していき、コイル１２内に進入して加熱され、その後コイル１２内から抜け出て冷却水１０によって冷却されるまでの温度変化を管内面１１ａ（破線）と管外面１１ｂ（実線）のそれぞれについて示している。また図５は同様の金属管を従来の装置で加工を行った場合の金属管の内外各面１１ａ，１１ｂの温度変化を図４と同様に示すものである。

これら図４および図５から分かるように、本実施形態の装置（図４）によれば、従来装置（図５）に比べて管外面１１ｂと管内面１１ａの温度差を小さくすることが出来る。肉厚ｔの大きな管は、外面１１ｂと比べて内面１１ａの温度が特に十分に上がらず、肉厚ｔの薄い管と比べて変形抵抗が増大するが、本実施形態の装置によれば、このような厚肉の管についても従来の装置より変形抵抗を小さく抑えることが出来る。また、パイプライン用の管のような高い強度を必要とされる高強度鋼材料に対しても、管内面温度を十分高くすることが出来るため、焼入れにより強度を十分確保することが可能となる。

Ｃ 金属管の中心線
Ｒ 曲げ半径
１１ａ 金属管の内面
１１ｂ 金属管の外面
ｔ 金属管の肉厚
１１ 金属条材（金属管）
１２ 誘導加熱コイル
１２ａ 本加熱用コイル部
１２ｂ 保温用コイル部
１２ｃ １段目のコイル部（１ターン目の巻線）
１２ｄ ２段目のコイル部（２ターン目の巻線）
１３ ガイドローラ
１４ 推進機構
１５ 後方クランプ
１６ 推進駆動部
２１ 圧縮機構
２２ 圧縮駆動部
２３ チェーン
２４ スプロケット
３１ クランプアーム
３２ 支軸
３３ 前方クランプ

Claims (3)

1. 金属管の一部をコイルによって環状に加熱すると共に、
   支軸を中心として旋回可能で且つ前記支軸から一定距離隔てた前記金属管の加熱部近傍位置を把持可能なクランプアームによって前記金属管を把持し、
   前記金属管を材軸方向に推進させることにより前記クランプアームによる把持部を旋回させ前記金属管の少なくとも一部が弧を描いて湾曲するように案内することにより前記金属管の加熱部に曲げモーメントを加えて当該金属管の少なくとも一部を連続的に湾曲状態に塑性変形させて当該金属管を曲げ加工する
   曲げ金属管の製造方法であって、
   前記コイルは、前記金属管の推進方向に順に並ぶように配置した第一のコイル部と第二のコイル部とを含み、
   前記曲げ加工のときに、
   前記第一のコイル部によって前記金属管が加工温度にまで加熱されるように前記第一のコイル部を前記第二のコイル部より大きな出力で駆動するとともに、
   前記第一のコイル部によって加工温度まで加熱された前記金属管の加熱部の温度が当該加工温度に保持されるように且つ前記金属管の加熱部の管外面と管内面の温度差が小さくなるように前記第二のコイル部によって前記金属管を加熱する
   ことを特徴とする曲げ金属管の製造方法。
2. 金属管の一部を環状に加熱するコイルと、
   前記金属管を材軸方向に推進させる推進装置と、
   支軸を中心として旋回可能で且つ前記支軸から一定距離隔てた前記金属管の加熱部近傍位置を把持可能なクランプアームと
   を備え、
   前記クランプアームによって前記金属管を把持し、前記金属管を前記コイルに向け推進させることにより前記クランプアームによる把持部を旋回させ前記金属管の少なくとも一部が弧を描いて湾曲するように案内することにより前記金属管の加熱部に曲げモーメントを加えて当該金属管の少なくとも一部を連続的に湾曲状態に塑性変形させて当該金属管を曲げ加工する
   金属管の曲げ加工装置であって、
   前記コイルは、前記金属管の推進方向に順に並ぶように配置した第一のコイル部と第二のコイル部とを含み、
   前記第一のコイル部は、前記第二のコイル部より大きな出力で駆動されることにより前記金属管を加工温度にまで加熱する本加熱用コイルであり、
   前記第二のコイル部は、前記金属管の加熱部を前記加工温度に保ち且つ前記金属管の加熱部の管外面と管内面の温度差を小さくするための保温用コイルである
   ことを特徴とする金属管の曲げ加工装置。
3. 金属管の曲げ加工装置に備えられて金属管の一部を環状に加熱するコイルであって、
   当該コイルは、前記金属管の推進方向に順に並ぶように配置した第一のコイル部と第二のコイル部とを含み、
   前記第一のコイル部は、前記第二のコイル部より大きな出力で駆動されることにより前記金属管の一部を加工温度にまで加熱する本加熱用コイルであり、
   前記第二のコイル部は、前記第一のコイル部によって加熱された金属管の加熱部を前記加工温度に保ち且つ前記金属管の加熱部の管外面と管内面の温度差を小さくするための保温用コイルである
   ことを特徴とするコイル。

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