鋼管製造における応力の問題

鋼管の内部応力の主な原因は次のとおりです。不均一な温度変化, 不均一な塑性変形、 そして構造内の非同期相転移。これらの応力現象は製造工程の初期、中期、最終段階で発生し、一過性応力（工程終了後に消滅する）と残留応力（完成品に残留し品質を左右する中心要因）に分類されます。応力発生段階は製造ルート（継目無鋼管や溶接鋼管など）によって大きく異なります。具体的な詳細は以下のとおりです。

この段階では、応力は主に熱応力であり、主に一時的な応力です。初期残留応力の一部は、原材料とともに後続の加工ステップに引き継がれます。

• パイプビレットの初期残留応力: 連続鋳造管ビレットおよび圧延管ビレットの冷却および矯正プロセス中に、内部ストレスがかかっているすでに保留されています。これは原材料によってもたらされる加工前応力に属し、その後の加工応力に重畳されます。-
• 加熱過程における熱応力:管ビレットを加熱すると、熱により表層が先に膨張し、芯層は温度が低く膨張量が小さくなる。表面層は圧縮され、コア層は引き伸ばされます。加熱速度が速すぎたり、炉内の温度が不均一であったりすると、熱応力が急激に増大し、極端な場合にはパイプビレットの表面にクラックが発生する場合があります。均一に加熱すると、瞬間的な熱応力が大幅に軽減されます。

これはストレス生成にとって最も重要な段階です。大きな塑性変形と局所的な熱サイクルにより、大量の変形応力と熱応力が生成され、これらが最終製品の残留応力の主な原因となります。

• 継目無鋼管の主要工程

1. ピアス加工: 傾斜ローリング穿孔中、チューブ ビレットはロールとパンチ ヘッドの作用により激しい三次元の不均一な塑性変形を受けます。--肉厚や内外面の変形量に大きな差があり、大きな変形応力が発生します。穿孔後の不均一な冷却により熱応力が加わり、一緒にチューブの初期残留応力が形成されます。
2. ローリングチューブ/固定縮小径プロセス:連続圧延および自動管圧延中に、肉厚が減少し、軸方向の伸びが発生します。変形は壁の厚さに沿って不均一に分布します。固定直径および縮小直径のプロセスでは、円周方向の圧縮変形が発生し、内表面と外表面の変形の差がさらに増幅されます。これが、熱間圧延された継目無管の軸方向および円周方向の残留応力の主な原因となります。{1}}

• 溶接鋼管の中核工程

1. 成形プロセス:帯鋼はローラーで複数回曲げられ、パイプブランクが形成されます。曲げ変形により、鋼板の外層には張力がかかり、内層には圧縮がかかります。冷間塑性変形後、曲げ残留応力が残留します。これは成形加工応力に属します。
2. 溶接プロセス:溶接シームと熱影響部は局所的に急速に加熱および冷却されます。加熱領域の熱膨張は周囲の冷たい金属によって制限され、圧縮塑性変形が生じます。冷却中、収縮は周囲の母材によって制限され、最終的に溶接シーム領域に非常に高い残留引張応力が形成されます。バランスを維持するために両側の母材には圧縮応力がかかります。これは溶接パイプの最も中心的な応力源です。溶接線のエネルギーが大きくなり、冷却速度が速いほど、残留応力レベルは高くなります。

この段階では新たな残留応力が導入される可能性がありますが、これらの応力は前の段階の特定のプロセスを通じて除去できます。

• 冷却工程: 熱間圧延および溶接された鋼管が冷えるとき、表面はより速く冷却されますが、中心部はよりゆっくりと冷却されます。表面は最初に収縮して張力を受けますが、その後コアは収縮して圧縮され、残留熱応力が生じます。冷却速度が速くなり、冷却が不均一になると、残留熱応力が大きくなります。
• 矯正工程:冷間矯正では逆曲げと塑性変形を繰り返すことでパイプの曲率を矯正しますが、不均一な変形により新たな曲げ残留応力が発生します。通常、パイプの表層には圧縮応力が保持され、表層下には引張応力が保持されます。-熱間矯正 (圧延の残留熱を利用して矯正) では、冷間矯正よりもはるかに小さな応力が導入されます。
• 冷間加工ステージ（冷間引抜・冷間圧延管）: 室温で大きな塑性変形が発生すると、非常に強い加工硬化と残留応力が生成されます。これは、冷間引抜鋼管や冷間圧延鋼管の残留応力の絶対的な主な発生源です。-その応力レベルは、熱間圧延鋼管の応力レベルよりもはるかに高くなります。-
• 切断・パイプ端加工：鋸引き、ねじ切り、溝加工により局所的な塑性変形が生じ、管端部に局所的な応力集中が発生します。
• 熱処理工程：プロセスが適切に実行されるとストレスは解消されます。加熱が不均一であったり、冷却（焼き入れなど）が速すぎると、新たな熱応力や組織応力が発生し、ひどい場合には鋼管に亀裂が発生します。

プロセス中の瞬間的な応力はプロセスの安定性にのみ影響します。残留応力は、最終製品の品質とサービスパフォーマンスを決定する中心的な要素であり、マイナスの影響と制御可能なプラスの影響という 2 つの影響があります。

• 寸法と形状の不安定性:残留応力は内部の自己平衡力です。-切断、ねじ切り、曲げなどの後続の加工ステップで応力バランスが崩れると、応力解放によって鋼管が曲がり、楕円率の限界を超え、直径が拡大または縮小し、寸法精度に影響を与えます。長期保管中の応力解放が遅いと、変形破損が生じる可能性もあります。-
• 圧力{0}}耐力と疲労性能の低下: 残留引張応力は、作動圧力や交番荷重によって発生する作動応力に重畳され、鋼管が実際に設計値よりも大きな力に耐えることになり、耐圧能力が低下します。-流体の圧力変動や振動などの交流負荷がかかると、残留引張応力により亀裂の発生が促進され、疲労寿命が大幅に短縮され、ひどい場合にはパイプの破断や破損が引き起こされます。
• 応力腐食割れを誘発する: 硫黄、塩化物イオンなどを含む腐食媒体 (石油やガスの輸送、化学パイプラインなど) では、残留引張応力が腐食と相互作用し、石油やガスの輸送パイプ、精製パイプや化学パイプの中核的な破損形態の 1 つである応力腐食割れ (SCC) を引き起こします。
• その後の処理性能の低下：残留応力が大きい鋼管は、曲げ、拡縮、収縮などの二次加工工程において、亀裂や過度の反発が発生しやすくなり、加工合格率が大幅に低下します。

すべての残留応力が有害であるわけではありません。表面残留圧縮応力は外部引張荷重の一部に対抗し、鋼管の疲労強度と耐応力腐食性を向上させることができます。産業界では、鋼管の使用性能を最適化するために、ショットピーニングや静水圧試験などのプロセスを通じて、制御された表面圧縮応力が積極的に導入されています。

応力に関しては、「既に発生している残留応力を除去・制御する」と「応力の発生源を低減する」の2種類のアプローチに分かれます。

• 熱処理法（最も芯があり、除去率が最も高い）

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最も一般的に使用される方法は応力除去焼鈍です。鋼管を再結晶温度（炭素鋼の場合は通常 550- 度、合金鋼の場合は材質に応じて調整します）以下に加熱し、しばらく保持した後、ゆっくりと冷却します。微小な塑性流動と原子拡散により、材料強度を大きく低下させずに内部応力を70%～90%の除去率で解放します。これは、冷間引き抜きパイプ、溶接パイプ、高圧ボイラーパイプの標準プロセスです。-

焼きならし＋焼き戻し処理は、残留応力を除去すると同時に組織を調整し、機械的性質を最適化する処理で、主に継目無鋼管の最終熱処理に使用されます。

• 機械的調整方式

1. 静水圧試験: 過圧の水圧を加えてパイプ壁の微小塑性変形を引き起こし、残留応力を解放して応力を再分配し、表層に有益な圧縮応力を形成します。品質検査と応力調整の 2 つの機能があり、耐圧鋼管には必要なプロセスです。-
2. ショットブラスト・ピーニング処理: - 高速の発射体が鋼管の表面に衝突し、表層の塑性変形を引き起こし、制御可能な表面残留圧縮応力を導入し、有害な引張応力に対抗し、同時に疲労強度と耐食性を向上させます。通常、防食の前の前処理に使用されます。-
3. 振動老化: 共振を利用して鋼管の微細な欠陥を滑りさせ、残留応力を解放します。大径鋼管や大型鋼管に適しており、エネルギー消費量が少なくサイクルが短いですが、応力除去率は熱処理に比べて低くなります。{0}}

• 自然な老化: ストレスをゆっくり自然に解放できるように屋外に保管します。サイクルが長く、効果は限られており、補助的な方法としてのみ使用されます。

• 熱処理技術の最適化: 管ビレットの加熱速度を制御して、炉の温度を均一にします。熱間圧延後に制御された冷却を採用し、急冷や不均一な冷却を回避し、熱応力を軽減します。
• 塑性変形技術の最適化: 穿孔、チューブ圧延、および一定圧下ダイ構成の設計を改善し、壁の厚さと長さ方向に沿って均一な変形を保証します。単一パスでの過剰な変形を避けるために、各パスで変形量を合理的に配分します。
• 溶接プロセスの最適化（溶接パイプ）: 溶接入熱を制御し、予熱および後加熱プロセスを採用して冷却速度を下げ、溶接シームの温度勾配を最小限に抑えます。対称溶接とマルチパス溶接を使用して、変形や応力を軽減します。-
• 冷間加工技術の最適化: 冷間引抜/冷間圧延における変形量を合理的に分散し、加工中の加工硬化と応力を除去するために中間焼鈍を計画してから、その後の冷間加工を進めます。
• 矯正プロセスの最適化: 冷間矯正の代わりに熱間矯正の使用を優先し、矯正減少量とロールパターンを最適化し、矯正によって導入される応力を軽減します。パイプ端での応力集中を軽減するために、せん断ではなく精密鋸引きを使用します。