鋼管の製造および加工中に、内部の不均一な変形と温度変化により、外力がなくても自己平衡が保たれる一種の応力が内部に形成されます。{0}これが残留応力です。
🔍 鋼管の残留応力: 原因、影響、および除去方法
🔬 残留応力の定義と原因
残留応力とは、金属内に残り、外力が取り除かれた後に自己平衡状態にある応力を指します。{0}その出現は主に、製造プロセス中のさまざまな物理現象の不均一性に起因します。
• 不均一な冷却:
熱間圧延プロセス中、鋼管が高温状態から冷却されるとき、断面のさまざまな部分の冷却速度が一定でない場合、非同期収縮が発生し、内部に自己平衡残留応力が形成されます。-一般に、形鋼の断面サイズ-が大きくなるほど、残留応力は大きくなります。
• 不均一な塑性変形:
冷間圧延や冷間引抜などの冷間加工工程では、金属材料がロールによって押し出され、塑性変形が起こります。鋼管の内層と外層の変形度が一定でない場合、応力分布が不均一になります。-
• 溶接プロセス:
ストレートシーム溶接パイプやスパイラル溶接パイプの製造では、溶接部分の金属が局所的に激しく加熱および冷却されます。このプロセス中に、溶接シームの収縮によって引き起こされる局所的なひずみは降伏点ひずみの数倍になることが多く、それによって巨大な溶接残留応力が発生します。
⚠️残留応力の主な影響
残留応力の存在は鋼管の内部に「隠れた危険の種」を蒔いているようなもので、鋼管の性能と耐用年数に複数の脅威をもたらします。
1. 変形や寸法不安定の原因となります。
残留応力により鋼管内部の機械的バランスが崩れ、その後の加工、保管、使用中に曲げやねじれなどの変形が生じる可能性があります。残留応力が材料の降伏強度の15％を超えると、完成した鋼管の真直度誤差が30％を超えて急激に増加し、製品の寸法精度に重大な影響を及ぼす可能性があります。
2. 疲労寿命と耐荷重能力が低下します。-
残留応力、特に引張応力は鋼管の耐疲労性を著しく低下させる可能性があります。繰り返し荷重がかかると、残留引張応力のある領域では疲労亀裂が発生しやすくなり、その伝播が加速されるため、コンポーネントの早期故障が発生し、耐用年数が短くなります。
3. 亀裂のリスクの増加:
溶接鋼管の場合、溶接シーム領域に存在する残留応力は 3 方向の応力状態を示すことが多く、亀裂の危険性が大幅に高まります。{0}}鋼自体に層間剥離（介在物が薄いシートにプレスされている）がある場合、溶接シームが収縮するときに残留応力によって層間断裂が発生する可能性もあります。
4. 粒界腐食を激化させる:
残留応力は金属の化学反応性を高める可能性があります。残留引張応力の作用下では、鋼管（特にステンレス鋼管）は特に粒界腐食割れを起こしやすく、結晶境界で腐食し、耐食性に重大な影響を与えます。
5. 機械的特性と建設の安全性への影響:
スパイラル溶接管を例にとると、スパイラル線分布の亀裂方向と管軸とのなす角度（通常 30 ～ 70 度）とせん断破壊角度は類似しており、曲げ、引張、圧縮、ねじり性能がストレートシームサブマージアーク溶接管より劣る可能性があることを意味します。さらに、建設プロセス中に、ノードの交線溶接によってスパイラルシームが切断され、重大な溶接応力が発生し、コンポーネントの安全性能が弱まる可能性があります。
💡 残留応力を除去する主な方法
残留応力を克服するための中心的な考え方は、通常は物理的または熱力学的方法を通じて残留応力に「解放の出口」を提供することです。次の表は、3 つの主流の削除方法を比較しています。
| 消去法 |
基本原則 |
該当シーン | 除去効果 | 主な主な利点 |
|
熱処理 |
加熱により、原子は再配置するためのエネルギーを獲得し、徐冷プロセス中に応力が解放されます。 | 高精度かつ高応力のパイプ材料。-溶接後の応力を緩和します。 | ストレスの 60% ～ 90% を除去でき、最も徹底的な効果が得られます。 | これは最も完全な効果があり、業界で主流のソリューションです。 |
| 機械的方法 | 振動や圧力などの外力を加えることで局所的な塑性変形を生じさせ、残留応力を相殺または軽減します。 | 大きなパイプの材料、現場での建設、暖房が不便なシナリオ。{0}} | 通常、ストレスの 30% ～ 60% が解消されます。 | 柔軟かつ効率的で、加熱が不要で、低コストです。 |
| 自然な老化 | 自然環境における長期的な温度変化とわずかな振動を利用することで、ゆっくりと自然にストレスが解放されます。{0} | -建設期間の要件が厳しくなく、応力レベルも高くない低炭素鋼パイプ。 | 非常に長い期間（3～12ヶ月）を要し、20～30％しか除去できません | 設備やエネルギーを必要とせず、コストが非常に低い |
🔍機械的手法の具体的な用途:
• 熱処理プロセスの重要なポイント:
一般的な応力除去焼きなましでは、鋼管を特定の温度（通常は相変態温度または再結晶温度未満、たとえば 500-650 度）まで加熱し、一定期間保持した後、ゆっくりと冷却します。高炭素鋼や合金鋼の場合、硬度を大幅に低下させることなく応力を除去するために、低温焼戻し (150 ～ 250 度) を採用することもできます。
• 機械的手法の具体的な用途:
振動応力除去：鋼管に励振器を固定し、特定の周波数の振動を与えることで共振させ、応力を均一化または除去します。この方法はエネルギー消費量が少なく、時間も短いのですが、熱処理ほどの除去効果はありません。
圧力矯正: 鋼管の曲げ部や応力集中部に油圧プレスで圧力を加え、逆塑性変形を生じさせて応力を均衡させます。{0}}
• プロセス結合アプリケーション:
実際の工業生産では、状況に応じてこれらの方法を組み合わせて使用することがよくあります。例えば、非常に要求の高い鋼管の場合、熱処理と歪取り焼鈍を行った後、寸法や応力状態をさらに安定させるために振動時効処理を追加する場合があります。圧延プロセスパラメータの最適化、金型設計の改善、インテリジェント制御技術の導入により、残留応力の発生を根本から低減できます。
