JP6536637B2 - 金属管疵発生予測システム、金属管圧延システム、金属管疵発生予測方法および金属管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属管疵発生予測システム、金属管圧延システム、金属管疵発生予測方法および金属管の製造方法に関する。

従来、金属管の製造工程において、金属管内外面に疵等の不適合が大量に発生することを防止するための技術について検討がなされている。例えば、金属管の周方向でその一部を連続的に加工し、金属管を成形する加工の場合、圧延中に金属管が偏平し、圧延により延びた部分と、圧延を受けていない部分とが、管周方向の同一周で共存する。これにより、金属管の応力状態が不安定になり疵が生じやすいという欠点がある。

このような金属管の圧延では、適切な圧延条件を見出し、成形に用いる工具を適切に配置することや圧延量を調整することにより、高い生産効率で製造することが可能であるが、圧延中の疵の発生を圧延機出側等で検知、予測できなければ、その後の工程を経て最終検査時になるまで疵の発生有無を確認できず、その生産性の良さゆえに、かえって大量の不適合品を製造してしまう可能性がある。

これに対し、特許文献１では、こういった大量不適合を防ぐために、疵を検知する設備を配置し、製造中に疵を発見する手法が提案されている。

特開２０１５−１２５０８９号公報

特許文献１に記載の方法では、単純な形状を有する金属板等に対しては比較的容易にセンサーを配置し、疵の検知を行うことができる。しかしながら、金属管に対しては、圧延中に回転をさせる場合および回転が無い場合のいずれにおいても、管周方向の位置によって形状が異なりうる管表面全ての疵を検知できるセンサーの設置が必要となり、更なる改良が求められる。加えて、特に熱間圧延中に金属管の内部の疵を直接検知することは難しい。

このように、圧延中の金属管の内外表面に発生した疵を簡便に検出し、抑制することを可能にする技術の確立が希求されていた。

そこで、本発明は、簡便に、圧延中の金属管の疵を検出し、抑制することを可能にする金属管疵発生予測システム、金属管圧延システム、金属管疵発生予測方法および金属管の製造方法を提供することを目的とする。

なお、本発明でいう、疵とは、主に、圧延中に金属管内外表面に発生する疵のことを指す。

本発明者らは、圧延中の偏平した金属管の周方向の外面曲率が、圧延前後の金属管の周方向の外面曲率に対し異なった外面曲率を持つことに着目した。そして、本発明者らは、この圧延中に偏平した金属管の外面曲率の値を用い、間接的に金属管の内外面に疵が生じるか否かを判定するシステムを確立した。

上記の知見に基づいて完成した本発明の要旨は、次の通りである。

［１］圧延中の金属管の周方向の少なくとも一部の領域の外面曲率を測定し、前記外面曲率に基づいて前記金属管の疵の発生の有無を判定する疵発生判定部を備える金属管疵発生予測システム。

［２］前記疵発生判定部は、前記金属管の周方向の少なくとも一部の領域における、圧延中の外面曲率と圧延前および／または圧延後の外面曲率とを対比して、前記金属管の疵の発生の有無を判定する前記［１］に記載の金属管疵発生予測システム。

［３］前記疵発生判定部は、以下の式（１）を満たす領域を管周方向に前記金属管が有する場合に、前記金属管に疵は発生していると判定する前記［２］に記載の金属管疵発生予測システム。
Ｂ／Ａ＞Ｃ１ ・・・（１）
式（１）中、
Ｃ１：金属管の材料および周方向位置により設定される定数、
Ａ：金属管周方向の領域αの圧延中における外面曲率ｃｍ（１／ｍｍ）と、金属管周方向の領域αの圧延前および／または圧延後における外面曲率ｃｄ（１／ｍｍ）と、のうち、より小さい値、
Ｂ：前記ｃｍと前記ｃｄとのうち、より大きい値、である。
（但し、ｃｍ＝ｃｄの場合は、Ａ＝Ｂである。）
［４］前記疵発生判定部は、以下の式（２）を満たす領域を管周方向に前記金属管が有する場合に、前記金属管に疵は発生していると判定する前記［２］に記載の金属管疵発生予測システム。
（Ｂ／Ａ）×（ｔ／Ｄ）＞Ｃ２ ・・・（２）
式（２）中、
Ｃ２：金属管の材料および周方向位置により設定される定数、
Ａ：金属管周方向の領域αの圧延中における外面曲率ｃｍ（１／ｍｍ）と、金属管周方向の領域αの圧延前および／または圧延後における外面曲率ｃｄ（１／ｍｍ）と、のうち、より小さい値、
Ｂ：前記ｃｍと前記ｃｄとのうち、より大きい値、
ｔ：金属管肉厚（ｍｍ）、
Ｄ：金属管外径（ｍｍ）、である。
（但し、ｃｍ＝ｃｄの場合は、Ａ＝Ｂである。）
［５］前記外面曲率を、数値解析により求めた外面曲率の値を用いることを特徴とする［１］〜［４］のいずれかに記載の金属管疵発生予測システム。

［６］前記［１］〜［５］のいずれかに記載の金属管疵発生予測システムと、
前記金属管疵発生予測システムによって金属管に疵が発生していると判定された場合に、前記金属管に対する圧延方法を変更する圧延制御部と、
前記金属管を圧延する圧延機と、
を備える金属管圧延システム。

［７］圧延中の金属管の周方向の少なくとも一部の領域の外面曲率を測定し、前記外面曲率に基づいて前記金属管の疵の発生の有無を判定する疵発生判定工程を含む金属管疵発生予測方法。

［８］前記外面曲率を、数値解析により求めた外面曲率の値を用いることを特徴とする［７］に記載の金属管疵発生予測方法。

［９］圧延中の金属管の周方向の少なくとも一部の領域の外面曲率を測定し、前記外面曲率に基づいて前記金属管の疵の発生の有無を判定する疵発生判定工程と、
前記疵発生判定工程で金属管に疵が発生していると判定された場合に、前記金属管に対する圧延方法を変更する圧延制御工程と、を含む金属管の製造方法。

［１０］前記外面曲率を、数値解析により求めた外面曲率の値を用いることを特徴とする［９］に記載の金属管の製造方法。

ここで、本発明において、外面曲率とは、管外面の周方向微小領域について３点の座標値から決まる円弧の半径の逆数のことを指す。また、外面曲率は、接触式または非接触式の変異センサーを用いて管周方向に連続的に計測した形状から導出してもよいし、上記センサーを管周方向に複数個近接して配置して得られた値から導出してもよい。

また、本発明者らは、圧延により偏平した部分（偏平部）は圧延前後の偏平していない部分に対して曲率が大きく異なることに着目しており、圧延開始位置から管軸方向において、いずれの位置で測定した外面曲率も使用可能であるが、特に偏平度合いが大きい（周断面で曲率のばらつきが大きい）と推定される領域で測定した外面曲率を用いることが好ましい。

また、上記の偏平部とは、周断面で曲率が１０％以上のばらつきを有する領域のことを指す。

本発明によれば、簡便に、圧延中の金属管の疵を抑制することができる。

本発明の金属管圧延システムの構成の一例の概略図である。 実施例１におけるＮｏ．１−１〜１−１０の結果を示すグラフ１である。 実施例１におけるＮｏ．２−１〜２−１０の結果を示すグラフ２である。 実施例１におけるＮｏ．３−１〜３−７の結果を示すグラフ３である。 実施例１におけるＮｏ．３−１〜３−７の結果を示すグラフ４である。 実施例１におけるＮｏ．３−８〜３−１４の結果を示すグラフ５である。 実施例１におけるＮｏ．３−８〜３−１４の結果を示すグラフ６である。 実施例１におけるＮｏ．４−１〜４−８の結果を示すグラフ７である。 実施例１におけるＮｏ．４−１〜４−８の結果を示すグラフ８である。 実施例１におけるＮｏ．１−１〜１−１０の実測値の結果について、数値解析値との比較結果を示すグラフである。

＜金属管圧延システム１＞
図１は、本発明の金属管圧延システムの構成の一例の概略図である。

本発明の金属管圧延システム１は、金属管疵発生予測システム２と、金属管疵発生予測システム２によって金属管Ｘに疵が発生していると判定された場合に、金属管Ｘに対する圧延方法を変更する圧延制御部３と、金属管Ｘを圧延する圧延機５１、５２とを有する。

（金属管疵発生予測システム２）
金属管疵発生予測システム２は、圧延中の金属管Ｘの周方向の少なくとも一部の領域の外面曲率を測定し、外面曲率に基づいて金属管Ｘの疵の発生の有無を判定する疵発生判定部２１を有する。

上記の構成を有する金属管疵発生予測システム２では、種々の金属管圧延時の外面曲率を測定して、圧延中金属管内外面に生じる疵を予測することが可能になる。より具体的には、金属管疵発生予測システム２は、本発明者らが、圧延中に生じる疵が圧延中に生じる管の偏平と相関があることに注目し、疵を直接的に観察したり、発見したりしなくても、圧延中に管内外面に疵が発生していることを予測可能であることを知見して、完成されたものである。

そして、金属管疵発生予測システム２では、管の偏平量を管の外面曲率として測定し、この外面曲率を、例えば、管の材質や温度（圧延中の管表面温度）等に応じて予め設定する閾値（後述の定数Ｃ１またはＣ２）と比較し、圧延中に管内外面に疵が発生していることを予測する。

さらに、近年の数値解析技術の進歩は著しく、金属管の圧延前後の形状や圧延中の形状を計算上で精度よく計算できるようになってきている。後述するように、圧延後の形状から数値解析により求めた外面曲率の値を用いてもよい。

また、本発明の金属管圧延システム１では、この予測結果に基づいて、圧延条件を変更することにより疵発生を抑制することができる。

ここで、本発明者らが知見した金属管Ｘの偏平と金属管内外面の疵との関係の相関性について、より詳細に説明する。

圧延機５１、５２は、孔型圧延、傾斜圧延のいずれの形式であっても、金属管Ｘの外面の少なくとも一部を圧下し、ロールバイト内、または圧延機出側で金属管Ｘは偏平し、その外面曲率に応じて管外面には管周方向に引張応力が発生し、管内面には管周方向に圧縮応力が発生する。

そして、圧下による金属管Ｘの偏平が過大になると、肉厚／外径（ｔ／Ｄ、ｔ：肉厚（ｍｍ）、Ｄ：外径（ｍｍ））が大きくなるにつれ、中立線を境に外面曲率に応じた管周方向の圧縮応力、引張応力が大きくなり、圧縮応力による管内面のしわ疵や管外面の引張応力による局所変形や延性破壊等が生じ、金属管に疵が発生する。上記の中立線は、曲げ変形時に肉厚方向で引っ張りと圧縮が入れ替わる線のことを指す。この線では、応力が０になりひずみも０になる。この線から内外表面に向けて応力が徐々に大きくなり、すなわち、肉厚が大きい程、応力も高くなり、最表面で最大応力が発生する。

また、外径を延ばす圧延により金属管を偏平させると共に、肉厚を減ずる圧延を施す場合は、同一の金属管Ｘの周方向で肉厚差が生じ、先行して薄くなった部分が管周方向や長手方向に伸びようとする際に生じる引張応力が、偏平により生じる外面の管周方向の引張応力に加算される。このような引張応力による局所変形や延性破壊等によっても、金属管に疵が発生する。

以上のように、圧延中の金属管の偏平により生じる引張応力、圧縮応力は金属管の内外面に生じる疵と相関しており、例えば、金属管の外面曲率（偏平量）を測定し、管の材質、圧延中の管表面温度等に応じて疵発生限界となる限界外面曲率（偏平量）を決めておけば、この限界外面曲率を基準にして、間接的に管内外面の疵発生を予測できる。

そして、管肉厚や外径を周断面で一部ずつ圧延する方式（管周方向で外径、肉厚の一部を圧延し、それを連続化して周断面全体の圧延を行う方式である。外径だけ圧延するものもあれば、内面工具を用いて外径と肉厚を圧延するものもある。）では、同一形状の管を製造する場合でも、圧延セットアップ（圧延工具の配置、ロールの回転速度、速度バランス、入出側鋼管形状の条件）に加え、プラグやバー等の金属管内部に入れる工具形状や圧延張力、ガイドシューの周速等の変更で圧延中の金属管の偏平度合いを変えることができる。

すなわち、圧延中に管の材質、管表面温度に応じて管理された疵発生の閾値と、圧延中の金属管の外面曲率とを比較し、疵が発生していると判断すれば、圧延セットアップを自動に変更するシステムを運用することで、金属管に発生する内外面の疵を管理しつつ、大量の欠陥発生を抑制し、疵の無い高品質な管製品を提供できる。

このような技術思想に基づく、本発明の金属管疵発生予測システム２が有する上記の疵発生判定部２１は、前述したように、金属管Ｘの周方向の少なくとも一部の領域における、圧延中の外面曲率と圧延前および／または圧延後の外面曲率とを対比して、外面曲率に基づいて金属管Ｘの疵の発生の有無を判定する。好ましくは、疵発生判定部２１は、圧延中の金属管Ｘの周方向の少なくとも一部の領域の外面曲率と、圧延前および／または圧延後の金属管の周方向の少なくとも一部の領域の外面曲率とを対比して、金属管の疵の発生の有無を判定する。

ここで、金属管疵発生予測システム２による金属管Ｘの外面曲率の測定方法の具体例について説明する。

金属管Ｘの外面曲率の測定方法については、接触式、非接触式のいずれの方法も適用可能である。また、金属管Ｘの周方向の一部の外面曲率の測定結果を利用して、圧延中の金属管Ｘの外面曲率を測定した位置とは異なる位置の外面曲率を理論式や計算により算出し、それらの値を用いて、疵の発生を予測してもよい。さらにまた、実測値に代わって数値解析により求めた外面曲率の値を用いて、疵の発生を予測してもよい。使用する外面曲率はその値自体を管理してもよいが、上記外面曲率と予め設定された入側および／または出側の素材の外面曲率との比や、あるいはさらに、この比に、管外内面の応力値に大きく影響する管の肉厚／外径（ｔ／Ｄ）とを掛け合わせて管理しても良い。

接触式としては、接触式変位計の端子を直接的に管の外表面に触れる位置に配置し、周断面に連続に測定した値、または近接した周断面３点から曲率を導出する手法が挙げられる。

また、非接触式としては、電磁波のレーザーを用いたもので、測定対象物から放出される電磁波の波長と異なるものを選択し、接触式と同様に周断面の曲率を導出することや、レーザーを走査することで三次元的に曲率を測定する手法が挙げられる。

本発明の金属管疵発生予測システム１で用いる金属管Ｘとしては、特に限定されず、金属材料全般で適用できる。どのような金属材料であっても非常に低い温度条件下でない限り、一般的に延性破壊を示し、圧延によるひずみとひずみを受ける際の応力で破壊が進行する。そのため、本技術では、金属管Ｘの応力発生の指標となる外面曲率を測定できれば、どのような金属材料であっても、疵の起点となる破壊を予測できる。従って、金属管Ｘの材質は特に限定されない。

また、金属管Ｘは、特に限定されないが、従来公知の油井用継目無鋼管としてよい。

そして、測定中の金属材料の温度（金属管の外表面温度）についても特に限定されず、温度範囲に応じた外面曲率測定方法を選び、適切に測定することが好ましい。外表面温度と外面曲率測定方法との関係については、前述した非接触式で外面曲率を測定する場合は、材料から熱により放出される電磁波と異なる波長を用いれば、精度が高い測定ができるため、外表面温度範囲に応じた波長を適宜選択することが好ましい。接触式で外面曲率を測定する場合は、接触部に対象物の温度が起因の損傷が起きない材質を選ぶことで精度よく測定できる。

また、外面曲率の測定位置についても、特に限定されず、後述の圧延機５１、５２、圧延制御部３、金属管疵発生予測システム２の設置位置や構造上の制限等を考慮して、測定位置を設定してよい。外面曲率の測定位置は、圧延機５１、５２夫々の入側〜出側にかけて、金属管Ｘの偏平部の全てとしてもよいし、偏平部の一部としてもよい。また、外面曲率の測定位置は、金属管Ｘの周方向の全てとしてもよいし、周方向の一部としてもよい。

また、上記の疵発生判定部２１は、以下の式（１）を満たす領域を管周方向に金属管Ｘが有する場合に、金属管Ｘに疵が発生していると判定することができる。
Ｂ／Ａ＞Ｃ１ ・・・（１）
式（１）中、
Ｃ１：金属管の材料および周方向位置により設定される定数、
Ａ：金属管周方向の領域αの圧延中における外面曲率ｃｍ（１／ｍｍ）と、金属管周方向の領域αの圧延前および／または圧延後における外面曲率ｃｄ（１／ｍｍ）と、のうち、より小さい値、
Ｂ：前記ｃｍと前記ｃｄとのうち、より大きい値、である。但し、ｃｍ＝ｃｄの場合は、Ａ＝Ｂである。

上記のように、ｃｄ（圧延中の金属管の外面曲率（１／ｍｍ））を、ｃｍ（圧延前および／または圧延後における金属管の外面曲率（１／ｍｍ））と対比した際に、ｃｍ／ｃｄとｃｄ／ｃｍとのうちより大きい値が、金属管Ｘの材質に基づいて予め設定されている定数Ｃ１超であることで、疵が発生していると予測することができ、この情報に基づいて、圧延制御部３は金属管Ｘに対する圧延機５１、５２の圧延方法（例えば、圧下量）を変更する。このようにして、金属管Ｘの疵を抑制することができる。

また、疵発生判定部２１は、以下の式（２）を満たす領域を管周方向に金属管Ｘが有する場合に、金属管Ｘに疵が発生していると判定することができる。
（Ｂ／Ａ）×（ｔ／Ｄ）＞Ｃ２ ・・・（２）
式（２）中、
Ｃ２：金属管の材料および周方向位置により設定される定数、
Ａ：金属管周方向の領域αの圧延中における外面曲率ｃｍ（１／ｍｍ）と、金属管周方向の領域αの圧延前および／または圧延後における外面曲率ｃｄ（１／ｍｍ）と、のうち、より小さい値、
Ｂ：前記ｃｍと前記ｃｄとのうち、より大きい値、
ｔ：金属管肉厚（ｍｍ）、
Ｄ：金属管外径（ｍｍ）、である。但し、ｃｍ＝ｃｄの場合は、Ａ＝Ｂである。

上記のように、ｃｄ（圧延中の金属管の外面曲率（１／ｍｍ））を、ｃｍ（圧延前および／または圧延後における金属管の外面曲率（１／ｍｍ））と対比した際に、ｃｍ／ｃｄとｃｄ／ｃｍとのうちより大きい値に、ｔ／Ｄをかけた値が、金属管の材質に基づいて予め設定されている定数Ｃ２超であることで、疵が発生しているとより精度良く予測することができ、この情報に基づいて、圧延制御部３は金属管に対する圧延機５１、５２の圧延方法（例えば、圧下量）を変更する。このようにして、金属管Ｘの疵を抑制することができる。

また、本発明では外面曲率ｃｍおよび外面曲率ｃｄを、実際の測定に代わって数値解析により求めた値を用いることもできる。すなわち、数値解析により実際の圧延前後の形状や圧延中の形状を読み取ることにより、外面曲率（ｃｍおよびｃｄ）を求めることができる。数値解析としては例えば、有限要素法、圧延理論による計算などが挙げられる。数値解析で形状を読み解くには、例えば有限要素法であれば、形状を示す節点の座標より、所望の位置の曲率を計算しても良いし、所望の位置にぴったり合致する節点が無ければ、隣接する節点間を内挿した値を利用して曲率を算出できる。

また、金属管疵発生予測システム２は、上述した疵発生判定部２１により判定された金属管Ｘの疵発生の有無の情報や種々の金属管Ｘの材質に応じた定数Ｃ１、Ｃ２等を記憶する記憶部（図１中図示せず）を有していてもよい。

（圧延制御部３および圧延機５１、５２）
圧延制御部３は、上述した金属管疵発生予測システム２により金属管Ｘに疵が発生していると判定された場合に、金属管Ｘに対する圧延方法を変更するよう圧延機に指示することができる。圧延方法の変更としては、圧下量の変更、ロール回転速度の変更、ガイドの距離、回転数変更、入側管形状や出側狙い形状の変更等が挙げられる。

また、圧延機については、圧延制御部３により金属管Ｘに対する圧延方法を変更することができれば、特に限定されないが、一例として、図１に示すように、ピアサー５１、エロンゲーター５２１等の傾斜圧延機が挙げられ、金属管圧延システム１はこれらを１または複数有することができる。また、図示しないが、金属管圧延システム１は、アッセルミル等の傾斜圧延機を有していてもよい。また、圧延機としては、図１に示すように、マンドレルミル５２３、プラグミル５２２等の孔型圧延機も挙げられ、金属管圧延システム１はこれらも１または複数有することができる。また、図示しないが、金属管圧延システム１は、サイザー、レデューサー、ピルガー等の孔型圧延機を有していてもよい。

これらの圧延機（ピアサー）５１、（鋼管の熱間圧延用）圧延機５２について、圧延形態の違いによる金属管疵発生予測システム２の運用上の調整は特に考慮しなくてよい。また、それぞれの圧延機５１、５２の大きさ、スタンド数、ロール数等に制限はなく、全ての圧延機に金属管疵発生予測システム２と圧延制御部３を適用してもよいが、装置導入コストの観点から、特に疵発生の問題が大きい圧延機に限定して設置することが好ましい。

なお、図１では、一例として、回転加熱炉４、ピアサー５１、鋼管の熱間圧延プロセス５２（エロンゲーター５２１、プラグミル５２２、マンドレルミル５２３）による金属管製造工程を順に経る場合を示している。

圧延機５１、５２としては、金属管Ｘをその周方向の一部について加工してよく、この場合、圧延中に金属管Ｘが偏平し、圧延により伸びた部分と、圧延を受けていない部分とが同一周方向で共存するため、応力状態が不安定になり疵が生じやすい。そのため、本発明の金属管圧延システム１では、金属管Ｘをその周方向の一部について加工する圧延機５１、５２を用いることで効果は顕著になる。

より具体的には、本発明では、ピアサー５１のような、周断面の一部を圧延し、それを連続的に行うことで周断面を均一に加工する方式の圧延機に金属管疵発生予測システム２を用いることで、該システム２による効果がより顕著に得られる。

上述した金属疵発生予測システム２の疵発生判定部２１および圧延制御部３の夫々は、所望の制御機能を備えたＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ、中央演算処理装置）を有していてよく、コンピュータ等に設けられていてよい。

＜金属管疵発生予測方法＞
本発明の金属管疵発生予測方法は、圧延中の金属管Ｘの周方向の少なくとも一部の領域の外面曲率を測定し、外面曲率に基づいて金属管の疵の発生の有無を判定する疵発生判定工程を含む。上述したように、外面曲率は数値解析により求めた値でもよい。本発明の金属管疵発生予測方法は、前述した金属管疵発生予測システム２の疵発生判定部２１による金属管の疵の発生を予測する方法である。

＜金属管の製造方法＞
本発明の金属管Ｘの製造方法は、圧延中の金属管Ｘの周方向の少なくとも一部の領域の外面曲率を測定し、外面曲率に基づいて金属管Ｘの疵の発生の有無を判定する疵発生判定工程と、疵発生判定工程で金属管Ｘに疵が発生していると判定された場合に、金属管Ｘに対する圧延方法を変更する圧延制御工程と、を含む。上述したように、外面曲率は数値解析により求めた値でもよい。

また、本発明の金属管の製造方法としては、上記の疵発生判定工程、圧延制御工程以外の穿孔工程や圧延工程は特に限定されない。金属棒を素材とする場合、まず、金属棒への穿孔や金属管の外径、肉厚圧延方法には、圧延軸対称形状のダイス、ポンチを利用して、その間を通過させることで、金属管の周方向に均一に加工することが可能な従来公知の押し抜き、引き抜き加工を経ることができる。

そして、マンドレルミル５２３やプラグミル５２２（図１を再参照）等の孔型圧延機、ストレッチレデューサー、サイザー、ピルガーミル（図２、３再参照）、その他の傾斜圧延機等を用いて、金属管Ｘを、周方向や厚み方向に単スタンドや単ピッチで圧延加工し、それを連結化、連続化することで金属管Ｘを周方向に均一に加工する。

マンドレルミル５２３やプラグミル５２２、ストレッチレデューサー、サイザー、ピルガーミルは、所定の仕上げ形状に合わせて、管周方向に一対、または複数個配置した孔型ロール間を通すことで圧延する孔型圧延機である。これらの孔型圧延機では、管内部へ挿入するプラグやバーの形状調整や速度制御、あるいはさらに複数段の圧延機を配設する場合には、スタンド間の張力制御により、金属管Ｘを所定の肉厚、外径に仕上げることができる。

一方、傾斜圧延機は、圧延ロールの回転軸が金属管Ｘの圧延パスセンターライン（管軸方向）に対して傾斜して２つ以上配置した圧延機のロールで金属管または金属棒を回転させながら引き込み圧延する圧延機である。傾斜圧延機では、ロール間隔や、内部に挿入するプラグやバーの形状、ガイドツールの回転速度をコントロールすることで所定の肉厚、外径形状に仕上げることができる。

本発明では、圧延機が管周方向により均一に加工可能であるほど、金属管Ｘに疵を発生させにくくすることができるが、金属管圧延システム１が金属管発生予測システム２を有するため、圧延機は管周方向に一部のみを加工可能であってよい。

以上説明したように、本発明によれば、圧延中の金属管の周方向の少なくとも一部の領域の外面曲率を測定して、この外面曲率に基づいて金属管の疵の発生の有無を判定し、疵発生を予測することが可能である。この予測により、簡便に、圧延中の金属管の疵を抑制することができる。

以下、実施例に基づいて本発明を説明する。

材質が異なる鋼種Ａ〜Ｄの４種類の金属を用い、Ｎｏ.１−１〜１−１０については、傾斜圧延機である熱間エロンゲーター圧延を行い、Ｎｏ.２−１〜２−１０については、同じく傾斜圧延機である熱間ピアサー圧延を行い、Ｎｏ.３−１〜３−１４については、傾斜圧延機を用いた管の冷間外径圧下を行い、Ｎｏ.４−１〜４−７については、孔型圧延であるマンドレル圧延を行い、表１〜５に示すそれぞれの測定位置から得られる外面曲率ｃｍを計測した。測定には非接触の変位計を用いて複数点の座標を計測し、その値を外面曲率に換算した。具体的には、周断面上に平面を仮定し、その平面上に３点以上の座標を変異計により測定すれば、その３点を通る円弧は１通りしか存在せず、一義的に円弧の半径が求められる。本実施例ではこの半径の逆数である曲率を利用した。なお、測定する座標の管周方向の間隔を小さくすれば局所的な曲率が求まり、間隔を広げると巨視的な曲率となるが、いずれについても偏平部の曲率を表すものであれば利用することができる。また、非接触式の変異計を複数個使わなくとも、変位計の測定エリアを走査させることで２次元的な曲率を測定することができ、その値も利用できる。本実施例では周断面で表中に示す角度に周断面に３つ配置する内の中心の変位計を中心の変位計から見て５〜４５°の間に管周方向左右に２つ設置し、計３か所の変位（座標）を測定して、その測定値を基に曲率を測定した。

Ｎｏ．１−１〜１−１０については、測定した圧延中に扁平した外面曲率ｃｍ（１／ｍｍ（以下、実施例中、ｃｍの単位は全て１／ｍｍである。））と、圧延後の出側の管の外面曲率ｃｄ（１／ｍｍ（以下、実施例中、ｃｄの単位は全て１／ｍｍである。））との比（ｃｍ／ｃｄ）を算出し疵発生判定に使用した。疵発生の有無の判定は、ｃｍ／ｃｄ値と、予め設定した閾値（定数Ｃ１（Ａ））１．３６とを比較して行った。閾値（定数Ｃ１（Ａ））については、同一材質の金属管に対して製品製造用とは異なる小型の圧延装置を用いてスケールの異なる圧延実験及び曲率測定実験を行い、曲率比と圧延後の管の疵の発生有無の関係を事前に検討し決定した。以下の他の閾値についても同様に決定し、曲率比やｔ／Ｄは管の大小に関係なく決まる閾値(定数)であるため、本実施例ではこのようにオフラインで実験的に決めた値を用いたシステムを運用した。Ｎｏ.１−６、１−１０については圧延中の外面曲率を変更する目的でガイド周速（ｒｐｍ）に対する管周速（ｒｐｍ）を変更した。結果を表１および図２のグラフ１に示す。なお、表１中、測定位置の「１３５°位置」とは、パスライン直上の管外面を０°とした場合の圧延出側から見て時計回りに１３５°回転した位置のことを指す。

Ｎｏ.２−１〜２−１０については、金属棒に対するピアサーによる穿孔圧延中に偏平した外面曲率ｃｍと、圧延後の出側の管の外面曲率ｃｄとの比（ｃｍ／ｃｄ）を算出し疵発生判定に使用した。疵発生の有無の判定は、ｃｍ／ｃｄ値と予め設定した閾値（定数Ｃ１（Ｂ））１．７５とを比較して行った。Ｎｏ．２−６、２−１０については圧延中の外面曲率を変更する目的でガイド周速（ｒｐｍ）に対する管周速（ｒｐｍ）を変更した。結果を表２および図３のグラフ２に示す。なお、表２中、測定位置の「１５５°位置」とは、パスライン直上の管外面を０°とした場合の圧延出側から見て時計回りに１５５°回転した位置のことを指す。

Ｎｏ.３−１〜３−１４については、金属管を冷間で傾斜圧延機を用いて外径を延ばす方向にのみ圧延し、圧延中に偏平した外面曲率ｃｍと、管の圧延入側の外面曲率ｃｄとの比（ｃｍ／ｃｄ）を算出し疵発生判定に使用した。

Ｎｏ.３−８〜３−１４については、４５°位置を中心に測定したＮｏ.３−１〜３−７と同一の材質および形状を有する管を用い、１２０°位置を中心に測定し、測定位置の違いによる判定結果を比較した。４５°位置で測定したＮｏ．３−１〜３−７は、ｃｍ／ｃｄ値と、予め設定した閾値（定数Ｃ１（Ｃ_４５°））１．１７２とを比較することに加え、ｃｍ／ｃｄに肉厚（ｍｍ）／外径（ｍｍ）（ｔ／Ｄ）を掛けたものと、予め設定した閾値（定数Ｃ２（Ｃ_４５°））０．１１５と比較して、疵発生判定を行った。

１２０°位置を測定したＮｏ．３−８〜３−１４については、測定した圧延中の外面曲率ｃｍと、圧延入側の外面曲率ｃｄとの比であるｃｄ／ｃｍ値を利用し、予め設定した閾値（定数Ｃ１（Ｃ_１２０°））１．０８５と比較して疵判定を行うことに加え、ｃｄ／ｃｍ値に肉厚（ｍｍ）／外径（ｍｍ）（ｔ／Ｄ）を掛けたものと、予め設定した閾値（定数Ｃ２（Ｃ_１２０°））０．１０９とを比較して、疵発生判定を行った。結果を表３、表４、図４のグラフ３、図５のグラフ４、図６のグラフ５、図７のグラフ６に示す。なお、表３中、測定位置の「４５°位置」とは、パスライン直上の管外面を０°とした場合の圧延出側から見て時計回りに４５°回転した位置のことを指す。また、表４中、測定位置の「１２０°位置」とは、パスライン直上の管外面を０°とした場合の圧延出側から見て時計回りに１２０°回転した位置のことを指す。

Ｎｏ.４−１〜４−７については、圧延中の管９０°位置について圧延中の外面曲率ｃｍを測定し、ｃｍと圧延機入側の管の外面曲率ｃｄとの比であるｃｍ／ｃｄ値を利用し、ｃｍ／ｃｄと、予め設定した閾値（定数Ｃ１（Ｄ））０．３０１とを比較することに加え、ｃｍ／ｃｄに肉厚（ｍｍ）／外径（ｍｍ）（ｔ／Ｄ）を掛けたものと、予め設定した閾値（定数Ｃ２（Ｄ））０．３５５とを比較して、疵発生判定を行った。結果を表５、図８のグラフ７、図９のグラフ８に示す。なお、表５中、測定位置の「９０°位置」とは、パスライン直上の管外面を０°とした場合の圧延出側から見て時計回りに９０°回転した位置のことを指す。また、表５中、圧延中張力有無の「有・弱」は、張力を圧延荷重の５％としたことを指し、「有・強」は、張力を圧延荷重の１０％としたことを指す。

それぞれの条件について圧延後の金属管を適切に切断し、目視、染色浸透探傷剤や磁粉探傷方法、切断後の疵断面を顕微鏡で直接観察することで疵発生有無を確認して、本システムにより事前に予測された疵発生結果と比較した。疵発生有無の判定基準としては、深さ０．５ｍｍ以下、１個／ｍ以下の場合、疵は無しと判定した。その結果、本発明で提案した圧延中の外面曲率を利用して疵発生を予測するシステムにより判定された結果と実験後の疵発生有無が一致していることを確認した。本発明では、熱間圧延および冷間圧延のいずれであっても、圧延中の管内外面における疵発生を予測できることを確認できた。

また、Ｎｏ.３−１〜７と、Ｎｏ.３−８〜１４との結果に示すように、圧延中の同一の金属管に対して、測定位置を変更した場合においても、材料、測定場所に応じた適切な閾値を予め設定しておくことで、同様の判定結果が得られており、測定場所の影響を受けないことを確認できた。

また、グラフ３とグラフ４、グラフ５とグラフ６、グラフ７とグラフ８に示すように、得られた曲率比（ｃｍ／ｃｄ）に、肉厚／外径（ｔ／Ｄ）を掛けることで、値のばらつきをより顕著にすることができ、より精度のよい疵発生の判定ができることを確認できた。

Ｎｏ.１−１、１−６、１−１０と、Ｎｏ.２−１、２−６、２−１０については、ガイドと管周速の比、さらに、Ｎｏ.４−１、４−３、４−８については、スタンド間の張力を調整して同一管形状を作る際の圧延中の偏平に伴い外面曲率を変化させたものであるが、これらの圧延条件を変更し、所定の閾値（Ｃ１、Ｃ２）以下にすることで疵発生を抑制できていることを確認できた。

本予測システムを利用して、鋼種Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄについて各１０００〜２０００本の圧延を行い、様々なサイズ、圧延条件に対して、閾値を超えて疵の発生が予測された場合に圧延条件を圧延制御部により自動で変更し、閾値を超えない様に調整して製造した管の疵発生割合と、本予測システムを運用しない場合の疵発生割合とを比較した。

疵発生有無の判定は、圧延後の非破壊検査（超音波探傷や磁粉探傷を用いた非破壊検査）により調査した。本予測システムを運用しない場合には、疵が発生しやすい特定のサイズを圧延する際に疵の発生に気づかず、大量の不適合品を製造してしまい、全体の疵発生割合が約２３％であった。一方、本予測システムを使用することで、疵の発生が予測された圧延条件を圧延制御部により自動で変更することで、最小限の疵発生にでき、疵発生割合を２％にまで減ずることができた。

実施例１のＮｏ．１−１〜１−１０について、数値解析（有限要素法）を用いて実施例１の曲率測定位置と同一位置における曲率（外面曲率ｃｄ、外面曲率ｃｍ）を求め、実施例１の実測値と比較した。なお、外面曲率ｃｍは圧延中の管の形状から数値解析により求め、外面曲率ｃｄは圧延後の管の形状から数値解析によりそれぞれ求めた。結果を図１０に示す。図１０の結果から、数値解析値（図１０中の△）は、実測値（図１０中の●）とほぼ同一の値を取り、実際の測定値に代わって数値解析の値を用いることが可能であることを確認した。

１ 金属管圧延システム
２ 金属管疵発生予測システム
２１ 疵発生判定部
３ 圧延制御部
４ 回転加熱炉
５１ 圧延機（ピアサー）
５２ （鋼管の熱間圧延用）圧延機
５２１ エロンゲーター
５２２ プラグミル
５２３ マンドレルミル

Claims (10)

1. 圧延中の金属管の周方向の少なくとも一部の領域の外面曲率を測定し、外面曲率と金属管内外面の疵との相関性に基づき定まる疵発生の閾値と、測定した前記外面曲率とを対比して、前記金属管の疵の発生の有無を判定する疵発生判定部を備える金属管疵発生予測システム。
2. 前記疵発生判定部は、前記金属管の周方向の少なくとも一部の領域における、圧延中の外面曲率と圧延前および／または圧延後の外面曲率とを対比して、前記金属管の疵の発生の有無を判定する請求項１に記載の金属管疵発生予測システム。
3. 前記疵発生判定部は、以下の式（１）を満たす領域を管周方向に前記金属管が有する場合に、前記金属管に疵が発生していると判定する請求項２に記載の金属管疵発生予測システム。
   Ｂ／Ａ＞Ｃ１ ・・・（１）
   式（１）中、
   Ｃ１：金属管の材料および周方向位置により設定される定数、
   Ａ：金属管周方向の領域αの圧延中における外面曲率ｃｍ（１／ｍｍ）と、金属管周方向の領域αの圧延前および／または圧延後における外面曲率ｃｄ（１／ｍｍ）と、のうち、より小さい値、
   Ｂ：前記ｃｍと前記ｃｄとのうち、より大きい値、である。
   （但し、ｃｍ＝ｃｄの場合は、Ａ＝Ｂである。）
4. 前記疵発生判定部は、以下の式（２）を満たす領域を管周方向に前記金属管が有する場合に、前記金属管に疵が発生していると判定する請求項２に記載の金属管疵発生予測システム。
   （Ｂ／Ａ）×（ｔ／Ｄ）＞Ｃ２ ・・・（２）
   式（２）中、
   Ｃ２：金属管の材料および周方向位置により設定される定数、
   Ａ：金属管周方向の領域αの圧延中における外面曲率ｃｍ（１／ｍｍ）と、金属管周方向の領域αの圧延前および／または圧延後における外面曲率ｃｄ（１／ｍｍ）と、のうち、より小さい値、
   Ｂ：前記ｃｍと前記ｃｄとのうち、より大きい値、
   ｔ：金属管肉厚（ｍｍ）、
   Ｄ：金属管外径（ｍｍ）、である。
   （但し、ｃｍ＝ｃｄの場合は、Ａ＝Ｂである。）
5. 前記外面曲率を、数値解析により求めた外面曲率の値を用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の金属管疵発生予測システム。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の金属管疵発生予測システムと、
   前記金属管疵発生予測システムによって金属管に疵が発生していると判定された場合に、前記金属管に対する圧延方法を変更する圧延制御部と、
   前記金属管を圧延する圧延機と、
   を備える金属管圧延システム。
7. 圧延中の金属管の周方向の少なくとも一部の領域の外面曲率を測定し、外面曲率と金属管内外面の疵との相関性に基づき定まる疵発生の閾値と、測定した前記外面曲率とを対比して、前記金属管の疵の発生の有無を判定する疵発生判定工程を含む金属管疵発生予測方法。
8. 前記外面曲率を、数値解析により求めた外面曲率の値を用いることを特徴とする請求項７に記載の金属管疵発生予測方法。
9. 圧延中の金属管の周方向の少なくとも一部の領域の外面曲率を測定し、外面曲率と金属管内外面の疵との相関性に基づき定まる疵発生の閾値と、測定した前記外面曲率とを対比して、前記金属管の疵の発生の有無を判定する疵発生判定工程と、
   前記疵発生判定工程で金属管に疵が発生していると判定された場合に、前記金属管に対する圧延方法を変更する圧延制御工程と、を含む金属管の製造方法。
10. 前記外面曲率を、数値解析により求めた外面曲率の値を用いることを特徴とする請求項９に記載の金属管の製造方法。

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