焊接有法蘭盤的鋼管的制作方法
【專利摘要】一種焊接有法蘭盤的鋼管，具備：法蘭盤，具有平板圓環(huán)狀的法蘭部以及連接部，該連接部位于法蘭部的外周側(cè)并具有其至少一部分向法蘭部的單面?zhèn)韧怀龅沫h(huán)狀的部位；以及鋼管，焊接到連接部的單面?zhèn)龋芎駷閠；在連接部與鋼管之間具有通過焊接而形成的焊接金屬部，在焊接金屬部的包含鋼管的管軸的截面中，鋼管的比管厚方向中央更靠外周側(cè)的截面積SO與更靠內(nèi)周側(cè)的截面積SI滿足SO≥1.5SI的關(guān)系，焊接金屬部的內(nèi)面?zhèn)惹曳ㄌm部側(cè)的焊接縫邊與連接部的內(nèi)面和法蘭部的單面相交的部位即法蘭角部之間的距離為5mm以上、上述管厚t以下。
【專利說明】焊接有法蘭盤的鋼管
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種焊接有法蘭盤的鋼管。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，為了應(yīng)對成為地球溫暖化的一個原因的CO2氣體的減少、石油等化石燃料將來的枯竭，而積極地嘗試?yán)媚軌蛟偕淖匀荒芰?。風(fēng)力發(fā)電也是其中一種，風(fēng)力發(fā)電正在世界性地普及。
[0003]此處，最適于風(fēng)力發(fā)電的地區(qū)是能夠期待不間斷的強風(fēng)的地區(qū)。因此，滿足這種條件的海上的風(fēng)力發(fā)電(海上風(fēng)力發(fā)電)正在以世界規(guī)模進(jìn)行計劃及實現(xiàn)(參照專利文獻(xiàn)I ?6)。
[0004]在海上建造風(fēng)力發(fā)電用的塔的情況下，為了實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電塔的穩(wěn)定，需要向海底的土地中打入塔的基礎(chǔ)部分。此外，為了將風(fēng)力發(fā)電機(jī)的渦輪葉片穩(wěn)定地維持在離海平面充分高的位置上，塔的基礎(chǔ)部分及設(shè)置在基礎(chǔ)部分上的鋼管柱需要具有充分的高度。其高度例如達(dá)到80m以上。
[0005]如此，海上風(fēng)力發(fā)電用的塔為巨大的鋼結(jié)構(gòu)，但一直暴露于強風(fēng)、波浪中。因此，塔整體由于強風(fēng)、波浪、以及由渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)所引起的振動而不間斷地受到反復(fù)載荷。
[0006]S卩，在這種環(huán)境下，對于塔的基礎(chǔ)部分與設(shè)置在其上的鋼管柱之間的焊接部，要求對于與通常的疲勞周期(IO6?7)級數(shù)不同的千兆周(IO9?1(|)區(qū)域的振動的抗疲勞特性。
[0007]因此，在海上風(fēng)力發(fā)電塔的建造中，需要開發(fā)用于形成能夠耐受千兆周(Gigacycle)區(qū)域的振動環(huán)境的焊接接頭的焊接方法。
[0008]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0009]專利文獻(xiàn)
[0010]專利文獻(xiàn)1:日本特開2008-111406號公報
[0011]專利文獻(xiàn)2:日本特開2007-092406號公報
[0012]專利文獻(xiàn)3:日本特開2007-322400號公報
[0013]專利文獻(xiàn)4:日本特開2006-037397號公報
[0014]專利文獻(xiàn)5:日本特開2005-194792號公報
[0015]專利文獻(xiàn)6:日本特開2005-180239號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]發(fā)明要解決的課題
[0017]圖5表示以往的海上風(fēng)力發(fā)電用的塔的概略圖。海上風(fēng)力發(fā)電塔為，在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體(基礎(chǔ)部分)111之上載放管徑3?5m、管厚30?80mm的鋼管柱112，在鋼管柱112的頂部載放具備潤輪葉片114的機(jī)艙(nacelle) 113。
[0018]此外，海上風(fēng)力發(fā)電塔的高度達(dá)到了 80m以上，并常時被置于千兆周的振動環(huán)境中，因此基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體111與鋼管102’的接合部A及鋼管102’與鋼管102的接合部B，必須能夠耐受千兆周的振動。
[0019]此外，在建造如上述所示那樣的海上風(fēng)力發(fā)電塔的情況下，用于形成鋼管柱112的鋼管102’與鋼管102的接頭有時成為使用了法蘭的管接頭。在這種情況下，并非使用了這種法蘭的管接頭的鋼管柱112向基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體111的安裝、及法蘭部件(法蘭)與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體111、鋼管102’、鋼管102的每個的接合也通過電弧焊(以下簡稱為焊接)等來進(jìn)行。如此，在采用使用了法蘭的管接頭的情況下，接合部及其附近的抗疲勞特性的確保是重要的。
[0020]以下，對圖5中的接合部B進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0021]圖6表示圖5中的接合部B的鋼管柱112的管軸向的截面模式圖。
[0022]在鋼管102的端面上，經(jīng)由焊接金屬部103而接合有法蘭盤(以下簡稱為法蘭)101，由此形成焊接了法蘭盤的鋼管110。另外，法蘭101大體由平板圓環(huán)狀的法蘭部IOla和連接部IOlb構(gòu)成，該連接部IOlb與鋼管102通過焊接接合。此處，將比后述的法蘭角部IOlc更靠內(nèi)周側(cè)(內(nèi)面?zhèn)?的法蘭盤作為法蘭部101a，將比法蘭角部IOlc更靠外周側(cè)(外面?zhèn)?的法蘭盤作為連接部101b。此外，關(guān)于鋼管102’和法蘭101’也成為同樣的結(jié)構(gòu)。另外，連接部101b、101b’被設(shè)置為包圍法蘭部101a、101a’各自的外周。
[0023]另外，鋼管102與鋼管102’通過用螺栓107來緊固法蘭部IOla及法蘭部101a’而被結(jié)合，形成鋼管柱112。
[0024]圖7表示圖6所示的T部分的放大截面模式圖。
[0025]如圖7所示，鋼管102的端面與法蘭盤101的接合部101b，將從鋼管102及連接部IOlb的內(nèi)外面分別設(shè)置為V形的坡口(X形坡口)焊接而接合。
[0026]如此，當(dāng)焊接鋼管102和法蘭101時，通常在焊接金屬部103及其附近的鋼管102和連接部IOlb各自的內(nèi)面?zhèn)鹊谋砻嫔希a(chǎn)生管軸向的拉伸殘余應(yīng)力。另一方面，在海上風(fēng)力發(fā)電塔整體振動時，被要求最嚴(yán)格的疲勞特性的是應(yīng)力集中的、法蘭部IOla的連接部側(cè)的表面IOld與連接部IOlb的內(nèi)面相交的部位即法蘭角部101c。
[0027]因此，此前，為了使由于焊接而產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力的區(qū)域不包含法蘭角部101c，而設(shè)計成為如下結(jié)構(gòu):使連接部IOlb的管軸向的長度充分長，焊接金屬部103與法蘭角部IOlc充分地分離的結(jié)構(gòu)。
[0028]但是，今后，伴隨著海上風(fēng)力發(fā)電塔的大型化，需要抗疲勞特性的進(jìn)一步提高，在該情況下，構(gòu)成海上風(fēng)力發(fā)電塔的鋼管柱大徑化，作為鋼管柱而使用的鋼材(鋼管)厚壁化，但在這種情況下，當(dāng)然也不得不使法蘭的重量增加。
[0029]通常，海上風(fēng)力發(fā)電塔用的大型的法蘭成為高價的鍛造品。因此，高價的法蘭的重量增加導(dǎo)致海上風(fēng)力發(fā)電塔的整體成本的增大，因此如何使法蘭輕量化而抑制成本的增大成為課題。此外，如上述那樣，對于海上風(fēng)力發(fā)電塔的基礎(chǔ)部分及鋼管柱的各自與法蘭的連接部之間的焊接部，要求能夠耐受千兆周區(qū)域的振動的抗疲勞特性，因此兼顧該抗疲勞特性的提高與法蘭的輕量化成為課題。
[0030]因此，本發(fā)明的目的在于提供一種焊接有法蘭盤的鋼管，在鋼管上焊接輕量的法蘭的情況下，具有能夠耐受千兆周區(qū)域的振動的疲勞特性。
[0031]用于解決課題的手段
[0032]本發(fā)明為，作為上述課題的對策，將連接部與鋼管的端部焊接為，在焊接金屬部的包含鋼管的管軸的截面中，比管厚的1/2線(管厚的中央線)即管厚中央更靠外周側(cè)(外面?zhèn)?的焊接金屬部的截面積比更靠內(nèi)周側(cè)(內(nèi)面?zhèn)?的焊接金屬部的截面積的1.5倍大。并且，將焊接金屬部的內(nèi)面?zhèn)惹曳ㄌm側(cè)的焊接縫邊與法蘭角部之間的距離管理為某個一定值。由此，對法蘭角部賦予壓縮殘余應(yīng)力，使焊接有法蘭盤的鋼管的、相對千兆周區(qū)域的振動的疲勞特性提高。
[0033]本發(fā)明的主旨如以下那樣。
[0034](I)本發(fā)明一個方案的焊接有法蘭盤的鋼管，是在管軸向端部焊接有法蘭盤的鋼管，具備:法蘭盤，具有平板圓環(huán)狀的法蘭部以及連接部，該連接部位于上述法蘭部的外周側(cè)并具有其至少一部分向上述法蘭部的單面?zhèn)韧怀龅沫h(huán)狀的部位；以及鋼管，焊接在上述連接部的上述單面?zhèn)龋芎駷閠 (mm)，在上述連接部與上述鋼管之間具有通過焊接而形成的焊接金屬部，在上述焊接金屬部的包含上述鋼管的管軸的截面中，上述鋼管的比管厚方向中央更靠外周側(cè)的截面積Stj與更靠內(nèi)周側(cè)的截面積S1滿足Stj > 1.5?的關(guān)系，上述焊接金屬部的內(nèi)面?zhèn)惹疑鲜龇ㄌm部側(cè)的焊接縫邊與上述連接部的內(nèi)面和上述法蘭部的上述單面相交的部位即法蘭角部之間的距離，為5mm以上、上述管厚t以下。
[0035](2)在上述(I)所述的焊接有法蘭盤的鋼管中，也可以為，上述法蘭盤的外周側(cè)的側(cè)面的管軸向的長度比上述法蘭部的板厚小。
[0036](3)在上述(I)或(2)所述的焊接有法蘭盤的鋼管中，也可以為，通過上述焊接而在上述法蘭角部形成壓縮殘余應(yīng)力。
[0037](4)在上述⑴或⑵所述的焊接有法蘭盤的鋼管中，也可以為，上述鋼管的上述管厚t為30_以上。
[0038](5)在上述⑴或⑵所述的焊接有法蘭盤的鋼管中，也可以為，上述鋼管用于風(fēng)力發(fā)電塔的鋼管柱。
[0039]發(fā)明的效果`
[0040]根據(jù)本發(fā)明，在通過焊接而接合有法蘭盤的鋼管中，在焊接金屬部的包含鋼管的管軸的截面中，比鋼管的管厚方向中央更靠外周側(cè)的截面積Stj比更靠內(nèi)周側(cè)的截面積S1的
1.5倍大，內(nèi)周側(cè)的焊接金屬部與法蘭角部之間的距離充分小，因此能夠在內(nèi)周側(cè)的焊接金屬部表面及其附近殘余壓縮應(yīng)力。并且，能夠提供一種焊接有法蘭盤的鋼管，通過使法蘭角部位于該壓縮殘余應(yīng)力的產(chǎn)生區(qū)域內(nèi)，由此具有千兆周區(qū)域的振動的抗疲勞特性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0041]圖1是用于說明本實施方式的焊接有法蘭盤的鋼管的截面模式圖。
[0042]圖2A是用于說明以往的焊接有法蘭的鋼管的焊接金屬部附近的應(yīng)力分布的截面模式圖。
[0043]圖2B是表示圖2A的線段X_X’的應(yīng)力分布的曲線圖。
[0044]圖2C是表示圖2A的線段Y-Y’的應(yīng)力分布的曲線圖。
[0045]圖3A是用于說明本實施方式的焊接有法蘭盤的鋼管的焊接金屬部附近的應(yīng)力分布的截面模式圖。
[0046]圖3B是表示圖3A的線段X_X’的應(yīng)力分布的曲線圖。
[0047]圖3C是表示圖3A的線段Y-Y’的應(yīng)力分布的曲線圖。
[0048]圖4是本實施方式的法蘭盤的截面模式圖。[0049]圖5是用于說明海上風(fēng)力發(fā)電用的塔的結(jié)構(gòu)的概略圖。
[0050]圖6是圖5中的接合部B的鋼管102的管軸向的截面模式圖。
[0051]圖7是圖6中所示的T部分的放大截面模式圖。
[0052]圖8是用于說明本發(fā)明實施例的坡口形狀的焊接有法蘭盤的鋼管的截面模式圖。
[0053]圖9是本發(fā)明實施例的板狀試樣的立體圖。
[0054]圖10是表示本發(fā)明實施例的疲勞試驗及預(yù)疲勞試驗的結(jié)果的曲線圖。
[0055]圖11是說明本發(fā)明實施例的預(yù)疲勞試驗的方法的模式圖。
【具體實施方式】
[0056]本發(fā)明為焊接有法蘭盤的鋼管，焊接有由設(shè)置在法蘭盤的端部的法蘭側(cè)坡口面和設(shè)置在鋼管的端部的鋼管側(cè)坡口面劃分的坡口。另外，本發(fā)明的法蘭盤大體由平板圓環(huán)狀的法蘭部以及連接部構(gòu)成，該連接部位于該法蘭部的外周側(cè)并具有其至少一部分向該法蘭部的單面?zhèn)?焊接有鋼管一側(cè)的面)突出的環(huán)狀的部位。此外，由法蘭側(cè)坡口面和鋼管側(cè)坡口面劃分的坡口為X形坡口、V形坡口、>形坡口、K形坡口或U型坡口等。
[0057]以下，參照附圖對本發(fā)明一個實施方式的焊接有法蘭盤的鋼管進(jìn)行說明。
[0058]圖1表示本實施方式的焊接有法蘭盤的鋼管的管軸向的截面模式圖。
[0059]如圖1所示，本實施方式的焊接有法蘭盤的鋼管10具備:法蘭盤1，具有平板圓環(huán)狀的法蘭部Ia以及連接部lb，該連接部Ib位于法蘭部Ia的外周側(cè)并具有其至少一部分向法蘭部Ia的單面(焊接有鋼管2 —側(cè)的面)Id側(cè)突出的環(huán)狀的部位lb’;鋼管2，與法蘭盤I焊接，管厚為t (mm)；以及后述的焊接金屬部3。另外，鋼管2焊接在法蘭盤I的單面Id側(cè)。
[0060]此外，法蘭盤I具有形成在面向鋼管2的端部上的法蘭側(cè)坡口面le，鋼管2具有形成在面向法蘭盤I的端部上的鋼管側(cè)坡口面2e。
[0061]進(jìn)一步，在法蘭盤I與鋼管2之間，通過焊接由法蘭側(cè)坡口面Ie與鋼管側(cè)坡口面2e劃分的坡口，由此形成有焊接金屬部3。此外，在圖1所示的焊接金屬部3的截面中，比鋼管2的管厚方向(鋼管2的壁厚方向)中央線(線段C-C)更靠外周側(cè)的截面積Stj比更靠內(nèi)周側(cè)的截面積S1的1.5倍大，焊接金屬部3的內(nèi)面?zhèn)惹曳ㄌm部Ia側(cè)的焊接縫邊le’與單面Id和連接部Ib的內(nèi)面相交的部位即法蘭角部Ic之間的距離為5mm以上、管厚t以下。
[0062]此處，在如圖7所示那種以往的使用了焊接有法蘭的鋼管的結(jié)構(gòu)中，從焊接效率的觀點出發(fā)，通常作為焊接金屬部103的坡口而采用X坡口。此外，如上述那樣，在以往的結(jié)構(gòu)中存在的問題為，在焊接金屬部103及其附近的鋼管102及連接部IOlb的表面區(qū)域中，產(chǎn)生鋼管軸向的拉伸殘余應(yīng)力。
[0063]為了解決這種問題，在以往的結(jié)構(gòu)中，認(rèn)為重要的是，使焊接金屬部103盡可能離開法蘭角部IOlc而形成，在產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力的區(qū)域中不包含法蘭角部101c，由此盡可能降低拉伸殘余應(yīng)力對法蘭角部IOlc的影響。
[0064]但是，為了使焊接金屬部103盡可能離開法蘭角部IOlc而形成，不得不增大連接部IOlb的管軸向的長度，因此結(jié)果，存在高價的法蘭101的重量會增加的問題。
[0065]因此，本發(fā)明人銳意研究了如下的接頭結(jié)構(gòu):為了輕量化而縮短法蘭的連接部101b，并且應(yīng)力集中的法蘭角部IOlc具備能夠耐受千兆周區(qū)域的振動的疲勞特性的接頭結(jié)構(gòu)。
[0066]以下，對本實施方式的焊接有法蘭盤的鋼管10進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0067]如圖1所示，本實施方式的焊接有法蘭盤的鋼管10大體包括:法蘭盤I，具有平板圓環(huán)狀的法蘭部Ia以及連接部lb，該連接部Ib位于法蘭部Ia的外周側(cè)并具有其至少一部分向法蘭部Ia的單面(焊接有鋼管2 —側(cè)的一面)Id側(cè)突出的環(huán)狀的部位lb’;鋼管2，與法蘭盤I焊接，管厚為t (mm);以及后述的焊接金屬部3。
[0068]此外，法蘭盤I具有形成在面向鋼管2的端部上的法蘭側(cè)坡口面le，鋼管2具有形成在面向法蘭I的端部上的鋼管側(cè)坡口面2e。
[0069]此外，在法蘭盤I與鋼管2之間，通過焊接由該法蘭側(cè)坡口面Ie和鋼管側(cè)坡口面2e劃分的坡口，由此形成有焊接金屬部3。該焊接金屬部3沿管厚方向(鋼管2的壁厚方向)貫通鋼管2。
[0070]另外，在本實施方式中，在法蘭盤I的徑向中央部形成有沿管軸向貫通了的開口部，以便為了鋼管柱內(nèi)部的檢修等而人能夠移動。
[0071]此外，在本實施方式中，在焊接金屬部3的包含鋼管2的管軸的截面中，比鋼管2的管厚方向(鋼管2的壁厚方向)中央更靠外周側(cè)的截面積Stj與更靠內(nèi)周側(cè)的截面積S1需要滿足Scj > 1.5?的關(guān)系。即，如圖1所示，使從作為鋼管2的管厚的中央(1/2)線的線段C-C、即管厚中央向外周側(cè)形成的外周側(cè)焊 接金屬部3a的截面積Stj，為從管厚中央向內(nèi)周側(cè)形成的內(nèi)周側(cè)焊接金屬部3b的截面積S1的1.5倍以上。以下，對這種截面積Stj與截面積S1的限定理由進(jìn)行說明。
[0072]如圖1所示，本實施方式的焊接金屬部3形成為，在包含鋼管2的管軸的截面中，比鋼管2的管厚方向中央更靠外周側(cè)的截面積Stj與更靠內(nèi)周側(cè)的截面積S1滿足Stj > 1.5?的關(guān)系。即，通過成為焊接金屬部3中、外周側(cè)的焊接金屬部3a的熔敷金屬量比內(nèi)周側(cè)的焊接金屬部3b的熔敷金屬量多的結(jié)構(gòu)，由此能夠在從焊接金屬部3的內(nèi)周側(cè)表面到法蘭角部Ic為止的區(qū)域中殘余壓縮應(yīng)力。
[0073]另外，當(dāng)截面積Stj小于截面積S1的1.5倍時，不能夠充分地確保在從焊接金屬部3的內(nèi)周側(cè)表面到法蘭角部Ic為止的區(qū)域中殘余的壓縮應(yīng)力，而有可能不能夠充分地得到法蘭角部Ic的抗疲勞特性。因此，在本實施方式中，使StjS 1.5S”另外，為了進(jìn)一步發(fā)揮抗疲勞特性的提高效果，而優(yōu)選為Stj ^ 2.0S1、更優(yōu)選為Stj ^ 2.5SIO
[0074]如此，通過使截面積Stj比截面積S1大，能夠在從焊接金屬部3的內(nèi)周側(cè)表面到法蘭角部Ic為止的區(qū)域中殘余壓縮應(yīng)力。
[0075]此外，在本實施方式中，需要使焊接金屬部3b的內(nèi)周側(cè)且法蘭部Ia側(cè)的焊接縫邊le’與法蘭角部Ic之間的距離d，為5mm以上、上述管厚t以下。
[0076]當(dāng)該距離d過小時，會影響向內(nèi)周側(cè)焊接金屬部3b的法蘭部Ia側(cè)的焊接縫邊le’的應(yīng)力集中，法蘭角部Ic的抗疲勞特性有可能劣化，因此使距離d的上限為5mm以上。此夕卜，當(dāng)使距離d超過管厚t時，法蘭角部Ic的位置會成為壓縮應(yīng)力的殘余區(qū)域的范圍外，不能夠充分地得到法蘭角部Ic的抗疲勞特性，因此使距離d的下限為管厚t以下。另外，為了進(jìn)一步發(fā)揮抗疲勞特性的提高效果，優(yōu)選使距離d的下限為8mm或10mm、使距離d的上限為管厚t的80%或65%。
[0077]此處，關(guān)于本實施方式的焊接金屬部3及其附近的應(yīng)力分布，在與以往的焊接有法蘭的鋼管110的結(jié)構(gòu)相比較的同時進(jìn)行說明。
[0078]圖2A表示采用了X坡口的以往的焊接有法蘭的鋼管的管軸向的截面模式圖。
[0079]圖2B及圖2C表示圖2A所示的焊接有法蘭的鋼管的焊接金屬部103附近的應(yīng)力分布。另外，圖2B表示焊接金屬部103的中心X-X’的應(yīng)力分布，圖2C表示從內(nèi)周側(cè)的焊接金屬部103a表面的中心到法蘭角部IOlc的Y-Y’(與X-X’垂直)的應(yīng)力分布。
[0080]在作為焊接有法蘭的鋼管的結(jié)構(gòu)而采用了以往的結(jié)構(gòu)的情況下，如圖2B所示，僅在焊接金屬部103的徑向中心部殘余壓縮應(yīng)力，在焊接金屬部103的外周側(cè)與內(nèi)周側(cè)殘余拉伸應(yīng)力。
[0081]此外，如圖2C所示，從內(nèi)周側(cè)焊接金屬部103b到法蘭角部IOlc的與焊接線垂直方向的殘余應(yīng)力一直為拉伸應(yīng)力。
[0082]因此，以往認(rèn)為，為了不對法蘭角部IOlc的疲勞特性產(chǎn)生影響，而考慮在殘余有拉伸應(yīng)力的區(qū)域外配置法蘭角部101c，并增大連接部IOlb的管軸向的長度是最佳的對策。因此，法蘭101大型化，法蘭101的成本上升。
[0083]此處，在約束由焊接引起的變形的同時、形成外周側(cè)的坡口的寬度較寬的V型坡口的焊接金屬部的情況下，該焊接金屬部的外周側(cè)表面及其附近的與焊接線垂直方向的殘余應(yīng)力成為拉伸。另一方面，焊接金屬部的內(nèi)周側(cè)表面的殘余應(yīng)力成為壓縮。這是因為，坡口的寬度為，與內(nèi)周側(cè)相比外周側(cè)相對寬，而外周側(cè)的熔敷金屬量多。
[0084]本發(fā)明人利用該現(xiàn)象，在焊接有法蘭盤的鋼管中研究了其坡口形狀，并想到如果能夠?qū)?nèi)周側(cè)焊接金屬部和法蘭角部賦予壓縮殘余應(yīng)力，則可能兼顧法蘭角部的抗疲勞特性的提高和法蘭盤的輕量化。
[0085]即，在本實施方式中，為了最大限度地活用在內(nèi)周側(cè)焊接金屬部3b的表面及其附近殘余的壓縮應(yīng)力，而成為使內(nèi)周側(cè)焊接金屬部3b的法蘭部側(cè)焊接縫邊接近法蘭角部Ic的結(jié)構(gòu)。即，本實施方式的焊接有法蘭盤的鋼管10的結(jié)構(gòu)，是將與以往的想法完全相反的新的想法具體化了結(jié)構(gòu)。
[0086]圖3A表示本實施方式的焊接有法蘭盤I的鋼板2的管軸向的截面模式圖。
[0087]圖3B及圖3C表示圖3A所示的焊接金屬部3附近的應(yīng)力分布。另外，圖3B表示焊接金屬部3的中心X-X’的應(yīng)力分布，圖3C表示從內(nèi)周側(cè)(內(nèi)面?zhèn)?的焊接金屬部3a表面的中心到法蘭角部Ic的Y-Y’的應(yīng)力分布。
[0088]根據(jù)本實施方式的焊接有法蘭盤的鋼管10，如圖3B所示，在焊接金屬部3的外周側(cè)表面和內(nèi)周側(cè)表面上，鋼管的徑向(圖3A中X-X’ )的殘余應(yīng)力在法蘭外周側(cè)為拉伸，而在內(nèi)周側(cè)成為壓縮。
[0089]此外，通過在焊接金屬部3的附近配置法蘭角部lc，由此如圖3C所示，從焊接金屬部3的內(nèi)周側(cè)表面到法蘭角部Ic的與焊接線垂直的方向(圖中的Y-Y)的殘余應(yīng)力成為壓縮。
[0090]接著，對本實施方式的法蘭盤I的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。圖4(a)?(e)表示本實施方式的法蘭盤I的結(jié)構(gòu)。
[0091]本實施方式中的法蘭盤I大體包括位于比法蘭角部IOlc更靠鋼管徑向內(nèi)側(cè)的平板圓環(huán)狀的法蘭部Ia以及連接部lb，該連接部Ib位于法蘭部Ia的外周側(cè)并具有其至少一部分向法蘭部Ia的單面Id側(cè)突出的環(huán)狀的部位lb’。此外，在法蘭盤I上具有單面Id與連接部Ib的內(nèi)面相交的部位即法蘭角部lc。
[0092]在本實施方式中，法蘭盤I的連接部Ib的外周側(cè)的側(cè)面(外側(cè)面)的管軸向的長度hl，可以如圖4(c)?圖4(e)所示那樣比法蘭部Ia的板厚h大，但優(yōu)選如圖4(a)及圖4(b)所示那樣比法蘭部Ia的板厚h小。另外，法蘭盤I的連接部Ib的外側(cè)面的管軸向的長度hl，能夠視為法蘭盤I的外周端面的板厚。
[0093]此處，即使法蘭盤I的連接部Ib的外側(cè)面的管軸向的長度hi比法蘭部Ia的板厚h大，也能夠得到與本實施方式的效果同樣的效果。但是，在長度hi比法蘭部Ia的板厚h小的情況下，更能夠滿足上述的距離d的條件，且能夠容易滿足上述的截面積Stj與截面積S1的關(guān)系即Stj ^ 1.5SIO結(jié)果，與截面積S1相比能夠更容易確保截面積Stj,能夠容易地得到本實施方式的效果。即，能夠增大在從焊接金屬部3的內(nèi)周側(cè)表面到法蘭角部Ic為止的區(qū)域中殘余的壓縮應(yīng)力，能夠進(jìn)一步提高法蘭角部Ic的抗疲勞特性。
[0094]另外，還能夠?qū)⒎ㄌm盤I中、與鋼管進(jìn)行焊接一側(cè)即與單面Id相反側(cè)的面和法蘭盤I的外側(cè)面相交的部位、與焊接金屬部3的外面?zhèn)惹曳ㄌm盤I側(cè)的焊接縫邊之間的距離，視為上述長度hi。
[0095]此外，如上述那樣，本實施方式的連接部Ib位于法蘭部Ia的外周側(cè)，并具有其至少一部分向法蘭部Ia的單面Id側(cè)突出的環(huán)狀的部位lb’。
[0096]此處，在本實施方式中，如圖4(a)及圖4(b)那樣，環(huán)狀的部位lb’也可以未必與法蘭盤I的外側(cè)面相接。即，本實施方式的法蘭盤I的連接部Ib形成為，與鋼管2焊接的連接部Ib的至少一部分從單面Id側(cè)向鋼管2側(cè)突出，上述距離d為5mm以上、上述管厚t以下即可。
[0097]此外，本實施方式的法蘭盤I的法蘭部Ia的板厚h優(yōu)選為管厚t的2倍以上、200mm以下。如此，通過成為管厚t的2倍`以上，能夠使焊接有法蘭盤I的鋼管2的機(jī)械接合強度提高。但是，當(dāng)法蘭部Ia的板厚h過厚時，有可能導(dǎo)致制造成本的增大。因此，優(yōu)選使法蘭部Ia的板厚h的上限為200mm以下。
[0098]此外，本實施方式的焊接，為了使抗疲勞強度提高，而優(yōu)選為全焊透焊接，但也可以未必為全焊透焊接。即，即使焊接金屬部是未必沿管厚方向貫通的部分焊透焊接，也沒有影響。具體地，在X形坡口的情況下，在焊接金屬部的內(nèi)部，也可以存在鈍邊的一部分為未熔敷的部分。
[0099]在本實施方式中，由法蘭側(cè)坡口面Ie和鋼管側(cè)坡口面2e劃分的坡口優(yōu)選為X形坡口、V形坡口、>形坡口、K形坡口或U形坡口的任一種。另外，當(dāng)考慮到滿足上述的截面積Stj與截面積S1的關(guān)系時，更優(yōu)選為V坡口、X形坡口或K形坡口。這是因為，通過采用V坡口、X形坡口或K形坡口，能夠更容易滿足上述的截面積Stj與截面積S1的關(guān)系。S卩，這是因為，更容易將大的壓縮殘余應(yīng)力賦予內(nèi)周側(cè)焊接金屬部3b的表面及其附近。
[0100]此外，在采用了 X形坡口或K形坡口的情況下，在內(nèi)周側(cè)焊接金屬部產(chǎn)生更大的壓縮應(yīng)力，因此優(yōu)選先焊接鋼管2和法蘭盤I的內(nèi)周側(cè)(內(nèi)面?zhèn)?，此后焊接外周側(cè)(外面?zhèn)?。另外，在這種情況下，通過蝕刻焊接金屬部的截面，能夠容易區(qū)別從哪個面?zhèn)冗M(jìn)行了焊接。
[0101]此外，在采用了 X形坡口或K形坡口的情況下，優(yōu)選使外周側(cè)坡口的深度比內(nèi)周側(cè)坡口的深度大。通過如此，能夠使內(nèi)周側(cè)焊接金屬部表面及其附近產(chǎn)生大的壓縮殘余應(yīng)力。[0102]此外，在本實施方式的焊接有法蘭盤I的鋼管10中，鋼管2的管厚t和連接部Ib的徑向的厚度也可以不同。即使在這種情況下，也能夠得到與本實施方式的效果同樣的效果。
[0103]此外，作為本實施方式的焊接有法蘭盤I的鋼管10使用的鋼管2，優(yōu)選使用管厚t為30mm以上的高強度大徑鋼管。作為這種高強度大徑鋼管，可以由公知的成分組成的屈服強度為315MPa以上或355MPa以上的焊接用結(jié)構(gòu)用鋼管來制造。此外，屈服強度可以為690MPa以下或600MPa以下。
[0104]另外,鋼管2的管厚t更優(yōu)選為40mm以上,進(jìn)一步優(yōu)選為50mm以上。通過采用這種管厚t，能夠更容易地對內(nèi)周側(cè)焊接金屬部表面及其附近賦予壓縮殘余應(yīng)力。
[0105]根據(jù)以上說明了的本發(fā)明的焊接有法蘭盤的鋼管，在焊接金屬部的包含鋼管的管軸的截面中，比鋼管的管厚方向中央更靠外周側(cè)的截面積比更靠內(nèi)周側(cè)的截面積大，內(nèi)周側(cè)的焊接金屬部與法蘭角部之間的距離充分小，因此能夠在內(nèi)周側(cè)的焊接金屬部表面及其附近殘余壓縮應(yīng)力。而且，通過使法蘭角部位于這種殘余壓縮應(yīng)力的產(chǎn)生區(qū)域內(nèi)，能夠使千兆周區(qū)域的振動的抗疲勞特性提高。
[0106]因此，在本發(fā)明的焊接有法蘭盤的鋼管中，作為被要求千兆周區(qū)域的振動環(huán)境的抗疲勞特性的風(fēng)力發(fā)電塔用的鋼管柱，是最適合的。
[0107]此外，在本發(fā)明的焊接有法蘭盤的鋼管的結(jié)構(gòu)中，與以往的結(jié)構(gòu)相比較，形成為包圍法蘭部的外周的連接部較小，因此能夠?qū)崱がF(xiàn)法蘭盤的大幅度的輕量化。由此，在將不通過鍛造而通過軋制來制造的厚鋼板切斷為圓形之后，通過切削該厚鋼板的板厚方向的一部分，由此能夠制造法蘭盤。
[0108]S卩，本發(fā)明的連接部的外周端面的板厚，與以往相比較為較薄的結(jié)構(gòu)，因此能夠進(jìn)一步使高價的法蘭盤輕量化，能夠抑制制造成本。
[0109]另外，本發(fā)明為，只要能夠如上述那樣對法蘭角部賦予壓縮殘余應(yīng)力即可，在該條件下，接合部(焊接金屬部)的坡口形狀、位置在不脫離本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)并不限定。此外，在焊接方法中也同樣不限定。
[0110]此外，配合焊接效率、具有的設(shè)備來調(diào)整坡口形狀和其位置，以使法蘭角部位于產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力的區(qū)域內(nèi)即可。另外，壓縮殘余應(yīng)力能夠通過基于X射線的殘余應(yīng)力測定、或通過應(yīng)變儀來測定。
[0111]實施例
[0112]接著，對本發(fā)明的實施例進(jìn)行說明，實施例的條件是為了確認(rèn)本發(fā)明的可實施性及效果而采用的一個條件例，本發(fā)明并非僅限定于這一條件例。
[0113]本發(fā)明只要不脫離本發(fā)明的主旨、而實現(xiàn)本發(fā)明的目的，則能夠采用各種條件或條件的組合。
[0114](實施例)
[0115]使用具有表I所示的成分組成和機(jī)械特性的鋼管、法蘭盤、以及由JISZ3313YFL-C506R規(guī)定的1.2mm直徑的焊條，在電流200A、電壓21V、焊接速度7?25cpm、保護(hù)氣體Ar+20%C02 (251/min)的焊接條件下，制作了焊接有法蘭盤的鋼管。另外，在本實施方式中使用的鋼管的抗拉強度為，在板厚(管厚)50_以下制作了(財)日本海事協(xié)會(NK =Nippon Kaiji Kyokai)鋼船規(guī)則?其檢查要領(lǐng)(K卷材料)U1號試樣，在板厚(管厚)超過50mm制作了 JIS Z220114A號試樣，而進(jìn)行拉伸試驗并測定。
[0116]此外，表2、表3表示使用的鋼管的管厚t、法蘭盤的法蘭部的板厚h、法蘭盤的外側(cè)面的管軸向的長度h1、板厚h與長度hi之比hl/h、及坡口形狀。另外，在本實施例中，使用的鋼管的直徑為700mm。
[0117]此處，坡口形狀的種類采用了如圖8(a)所示那樣的X形坡口、或如圖8(b)所示那樣的V形坡口的任一種。在焊接金屬部3(焊接部)中，表2、表3分別表示從焊接部外周側(cè)到鈍邊的距離tl、從焊接部內(nèi)周側(cè)到鈍邊的距離t2、坡口角度0 1、0 2、及根部間隙g。另夕卜，在如圖8(b)所示那樣的V形坡口的情況下，使從焊接部外周側(cè)到鈍邊的距離tl與管厚t為相同值。
[0118]接著，沿管軸向切斷所得到的焊接有法蘭盤的鋼管的焊接金屬部。在該焊接金屬部的切斷面中，分別測定比管厚方向中央更靠外周側(cè)的截面積Stj和更靠內(nèi)周側(cè)的截面積S1,并求出Stj與S1的截面積比StZS115
[0119]此外，測定內(nèi)周側(cè)的焊接金屬部的法蘭盤側(cè)焊接縫邊與法蘭角部之間的距離d，并且求出該距離d與管厚t之比d/t。
[0120]接著，關(guān)于所得到的焊接有法蘭盤的鋼管的性能，評價了表2、表3所示的機(jī)械特性。以下對評價方法進(jìn)行說明。
[0121]首先，在將所得到的焊接有法蘭盤的鋼管彼此用螺栓7緊固并結(jié)合后，切斷并采取如圖9所示那樣的寬度80mm的板狀試樣，在室溫大氣中，在應(yīng)力比-1、重復(fù)速度10?30Hz的條件下進(jìn)行疲勞試驗，測定了斷裂壽命為重復(fù)數(shù)200萬次(2X106次)的接頭疲勞強度F1。結(jié)果在表2、表3中表示。
[0122]另一方面，關(guān)于千兆周的疲勞強度，在通常的疲勞試驗機(jī)中需要極長時間，因此通過下述所示的方法來推斷并評價了與千兆周(I X IO9次)對應(yīng)的接頭疲勞強度F2。對接頭疲勞強度F2的推斷方法進(jìn)行說明。
[0123]首先，在試驗編號3的坡口條件下，與上述Fl同樣地切斷并采取焊接有法蘭盤的鋼管的寬度80mm的板狀試樣，在室溫大氣中，應(yīng)力比-1、重復(fù)速度10?30Hz、鋼管軸向的應(yīng)力振幅從250Mpa起使應(yīng)力變化5個等級而進(jìn)行了試驗。結(jié)果，如圖10的(A)所示，在重復(fù)數(shù)分別為約1.3X106、2.2 X IO6及1.2 X IO7時達(dá)到斷裂，在應(yīng)力振幅為140MPa和130MPa時，即使重復(fù)數(shù)為IX IO9次也沒有達(dá)到斷裂。根據(jù)圖10的(A)可以想到，疲勞強度在IX IO7次?I X IO8次之間幾乎達(dá)到疲勞極限，在從I X IO8次到I X IO9次之間疲勞強度幾乎不降低。另外，在本實施例中使用的鋼材，抗拉強度大致為500?800MPa的范圍，因此認(rèn)為，即使焊接條件變化，也如圖10的(A)那樣，在I X IO7次?I X IO8次之間示出疲勞極限(在本實施例中為145MPa)。使用該關(guān)系推斷了千兆周(IXlO9次)的接頭疲勞強度F2。具體地，將由圖10的(A)推測的板狀試樣的2X IO6時的疲勞強度與相當(dāng)于疲勞極限的I X IO8次時的疲勞強度相比較，求出這兩個條件之間的降低率。將該降低率乘上在各個坡口條件下所得到的2 X IO6次的接頭疲勞強度Fl，從而求出了千兆周下的接頭疲勞強度(推斷值)F2。另外，降低率為85%。
[0124]此處，使用模擬了實際設(shè)備的焊接有法蘭盤的鋼管來進(jìn)行預(yù)疲勞試驗，并進(jìn)行了與上述板狀試樣的疲勞試驗結(jié)果的比較。
[0125]作為預(yù)疲勞試驗，首先，如圖11所示，以表2的試驗編號3的坡口形狀將板厚80mm的法蘭盤I焊接在模擬了實際設(shè)備的直徑700mm、管厚40mm的鋼管2上。此外，關(guān)于鋼管2’和法蘭盤I’也同樣以試驗編號3的坡口形狀來進(jìn)行焊接，制作了焊接有法蘭盤的鋼管。法蘭盤1、1’彼此由螺栓緊固而制作管接頭。
[0126]接著，如圖11所示，將管接頭的兩端固定，并且進(jìn)行了使中央部2處(參照圖11中的箭頭處)在箭頭方向上振動的四點彎曲試驗。另外，兩端充分地確保相對于由彈性變形引起的部件的伸長、收縮、旋轉(zhuǎn)的自由度而固定。此外，該預(yù)疲勞試驗為，在室溫大氣中，在應(yīng)力比-1、重復(fù)速度0.1?0.3Hz、應(yīng)力振幅為180MPa、200MPa的條件下進(jìn)行了試驗。此后，求出斷裂壽命為重復(fù)數(shù)200萬次(2X106次)的接頭疲勞強度Al。結(jié)果，在試驗編號3，得到了如圖10的(B)所示那樣的結(jié)果。即，在模擬了實際設(shè)備的焊接有法蘭盤的鋼管和從該鋼管切出的板狀試樣各自的疲勞強度中，得到了 Al > Fl這種結(jié)果。推斷這是因為在焊接有法蘭盤的鋼管和從該鋼管切斷采取的如圖9所示那樣的板狀試樣中，焊接變形的約束狀態(tài)不同。即，認(rèn)為焊接有法蘭盤的鋼管對焊接變形的約束力強，因此產(chǎn)生了比板狀試樣更大的殘余應(yīng)力。因此，本發(fā)明的效果在焊接有法蘭盤的鋼管中得到發(fā)揮，但即使板狀試樣、也能夠確認(rèn)本發(fā)明的效果顯著，因此在本實施例中進(jìn)行了板狀試樣的評價。
[0127]另外，在制作試樣時，為了不產(chǎn)生焊接變形而將試樣固定來制作試樣，由此盡可能接近了焊接有法蘭盤的鋼管的殘余應(yīng)力狀態(tài)。
[0128]接著，應(yīng)用切斷法測定了法蘭角部的鋼管軸向的殘余應(yīng)力。將單軸型的應(yīng)變儀(東京測器制FLG-02-11等)與鋼管軸向平行地粘貼在鋼管內(nèi)面?zhèn)鹊姆ㄌm角部附近而進(jìn)行了測定。另外，此時，在法蘭角部與內(nèi)面?zhèn)群附涌p邊之間的距離d低于7mm以下的情況下，不能夠確保設(shè)置應(yīng)變儀的空間，因此未進(jìn)行測定。
[0129]此外，如以下那樣評價了焊接有法蘭盤的鋼管的抗疲勞特性。
[0130]在通過上述的疲勞試驗而得到的千兆周下的接頭疲勞強度F2中，在接頭的抗疲勞特性中，設(shè)滿足F2 > IlOMPa的抗疲勞特性為合格。
[0131]表2、表3表示以上的測定結(jié)果及評價結(jié)果。
【權(quán)利要求】
1.一種焊接有法蘭盤的鋼管，在管軸向端部焊接有法蘭盤，其特征在于， 具備: 法蘭盤，具有平板圓環(huán)狀的法蘭部以及連接部，該連接部位于上述法蘭部的外周側(cè)并具有其至少一部分向上述法蘭部的單面?zhèn)韧怀龅沫h(huán)狀的部位；以及鋼管，焊接在上述連接部的上述單面?zhèn)龋芎駷閠 (mm)， 在上述連接部與上述鋼管之間具有通過焊接而形成的焊接金屬部， 在上述焊接金屬部的包含上述鋼管的管軸的截面中，上述鋼管的比管厚方向中央更靠外周側(cè)的截面積Stj與更靠內(nèi)周側(cè)的截面積S1滿足Stj ^ 1.SS1的關(guān)系， 上述焊接金屬部的內(nèi)面?zhèn)惹疑鲜龇ㄌm部側(cè)的焊接縫邊與上述連接部的內(nèi)面和上述法蘭部的上述單面相交的部位即法蘭角部之間的距離，為5mm以上、上述管厚t以下。
2.如權(quán)利要求1或2所述的焊接有法蘭的鋼管，其特征在于， 上述法蘭盤的外周側(cè)的側(cè)面的管軸向的長度比上述法蘭部的板厚小。
3.如權(quán)利要求1或2所述的焊接有法蘭盤的鋼管，其特征在于， 通過上述焊接而在上述法蘭角部形成壓縮殘余應(yīng)力。
4.如權(quán)利要求1或2所述的焊接有法蘭盤的鋼管，其特征在于， 上述鋼管的上述管厚t為30mm以上?！?br> 5.如權(quán)利要求1或2所述的焊接有法蘭盤的鋼管，其特征在于， 上述鋼管用于風(fēng)力發(fā)電塔的鋼管柱。
【文檔編號】F03D11/04GK103429376SQ201180069310
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2011年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月25日
【發(fā)明者】本間龍一, 石川忠, 島貫廣志 申請人:新日鐵住金株式會社