以下に添付図面を参照しながら、本発明� ��好適な実施の形態について詳細に説明する� ��なお、本明細書及び図面において、実質的� ��同一の機能構成を有する構成要素について� ��、同一の符号を付することにより重複説明� ��省略する。

 図1に、本発明の一実施形態にかかるルーズ フランジ式フレア管継手の一部を模式的に例 示する。本実施形態にかかるルーズフランジ 式フレア管継手は、2つの鋼管1a、1bの端部(接 合部)を拡開して形成されたつば状のフレア� �2a、2bと、フレア部2a、2bに当接するルーズフ ランジ4a、4bとを有する。このルーズフラン� �式フレア管継手は、2つの鋼管1a、1bの接合部 において、フレア部2a、2bを、ガスケット3を� ��して衝合させ、この衝合された両フレア部2 a、2bをその両側からルーズフランジ4a、4bで� �持して、ボルト5とナット6により機械的に締 結される構造を有する。
 なお、本願の図面では、ボルト5及びナット 6の大きさ、及びルーズフランジ4a,4bの厚さを 鋼管1a,1bに対して実際よりも大きく記載し、� ��れらの位置関係が明確になるようにしてい� ��。このため図面中の各部材の寸法比や鋼管1 a,1bの中心軸8の相対位置は、実際のフレア管� ��手とは必ずしも一致していない。

 より詳細に説明すると、鋼管1a、1bは、そ れぞれの端部につば出し加工によって形成さ れたフレア部2a、2bを有する。フレア部2a、2b� ��、2本の鋼管1a、1bを相互に接合するために� �鋼管1a、1bの端部をその外側に折り曲げるよ� ��に拡開する成形加工(つまり、フレア加工)� �れた部分である。

 このフレア部2a、2bには、それぞれ、ルー ズフランジ4a、4bが当接している。このルー� �フランジ4a、4b(以下「フランジ4a、4b」とい� �。)は、鋼管1a、1bの外径よりも大きな内径の 貫通孔を有する円環状フランジである。この フランジ4a、4bの貫通孔内に鋼管1a、1bが挿通� ��れ、非締結時には、フランジ4a、4bの内周面 は鋼管1a、1bの外周面に沿って摺動可能であ� �。なお、フランジ4a、4bは、フレア部2a、2bに 当接して鋼管1a、1bの端部から外れないよう� �なっている。

 鋼管1a、1bのフレア部2a、2bの端面9(図3参� �。)同士は、必要に応じてガスケット3を介在 させて衝合される。ガスケット3は、例えば� �フレア部2a、2bの外径と同程度の外径を有す� ��円環状の封止部材であり、衝合された2つの フレア部2a、2bの端面9の間をシールする機能� ��有する。フレア部2a、2bの衝合部は、その両 側(衝合面と相対する外側の面である鋼管1a、 1bの外周面側の面)から上記フランジ4a、4bで� �持され、フランジ4a、4bは、ボルト5とナット 6で締結される。

 このルーズフランジ式フレア管継手を用い� ��、鋼管1a、1bを接合する手順について説明す る。
 まず、対向配置された鋼管1aのフレア部2aと 鋼管1bのフレア部2bとの間に、ガスケット3を� ��在させ、その状態でフレア部2aの端面9とフ� ��ア部2bの端面9とを衝合させる。次いで、こ� ��衝合されたフレア部2a、2bを、その外側から フランジ4a、4bにより挟持する。その後、フ� �ンジ4a、4bに挿通したボルト5とナット6によ� �、フランジ4a、4bを機械的に締結・固定する� ��これにより、フレア部2a、2bを両側から押圧 する。以上により、この継手を用いて2本の� �管1a、1bを好適に接合できる。なお、フラン� ��4a、4bを固定する手段としては、上記ボルト 5とナット6の例に限定されず、フランジ4a、4b を機械的に締結・固定するものであれば、任 意の固定部材を使用できる。また、図1では� �ボルト5とナット6を1個ずつしか例示してい� �いが、ボルト5とナット6を2個以上の複数個� �用しても構わない。

 また、水、空気、蒸気などを移送する配� ��にはSTPG(JIS G 3454)やSGP(JIS G 3452)等の配管� �料が使用され、その外径は50A~350Aであり、100 A前後の鋼管が主流となっている。そこで、� �明者らは100AのSGP配管を用いて、繰り返し荷� ��負荷下でのルーズフランジ式フレア管継手� ��シール性能を評価した。

 繰り返し応力を負荷した際のルーズフラン� ��式フレア管継手のシール性の評価は、以下� ��ようにして行った。
 まず、2本の100A(外径114.3mm、肉厚4.5mm)のSGP鋼 管1a、1bの端部をフレア加工し、フレア部2a、 2bを形成した。このフレア部2a、2bにフランジ 4a、4bを当接し、両フレア部2a、2bを衝合して� ��ランジ4a、4bをボルト5とナット6で締結し、� ��ーズフランジ式フレア管継手とした。なお� ��フレア部2a、2bの端面9、9同士の衝合部には� ��スケット3を介在させた。

 次に、図2に例示したように、ルーズフラ ンジ式フレア管継手を、鋼管1a、1bの接合部� �曲げ応力が加わるように、4点曲げ試験機10� �設置した。その後、ルーズフランジ式フレ� �管継手に1MPaの空気を充填し、繰り返し曲げ� ��重を負荷した。繰り返し曲げ荷重を負荷し� ��がら空気圧を測定し、急激に空気圧が低下� ��た際にリークが生じたと判断して、試験を� ��了した。

 曲げ荷重は、次式(2)及び(3)で表される曲げ� ��力σ _B が50MPaとなるように制御した。ただし、式中� ��M:曲げモーメント、Z:断面係数、W _B :曲げ荷重、L _A :短スパン、及びL _B :長スパンである。

 急激な内圧低下が見られた継手を調査し� ��ところ、フレア部2と鋼管1との間のコーナ� �部(図3のRの近傍)より亀裂が発生し、亀裂は� ��鋼管1の外面から内面に向けて貫通している ことがわかった。そこで、ルーズフランジ式 フレア管継手の疲労強度を向上させるため、 コーナー部に発生する応力を低下させる方法 について検討した。なお、フレア部2と鋼管1� ��の間のコーナー部は、図3に示すように、フ レア部2と鋼管1との連結箇所の外面側に位置� ��、湾曲部の内側部分を指し、このコーナー� ��での曲率半径Rを、コーナー曲率半径Rと称� �る。

 本発明者らが着目したのは、図3に示した 鋼管1の中心軸8に対するフレア部2の端面9の� �度θ[°](以下「フレア部端面角度θ」という� �)と、フレア部2と鋼管1との間のコーナー曲� �半径R[mm](以下「コーナーR」という。)との関 係である。有限要素法解析(FEA)により、継手� ��締結する際に、コーナー部に発生する表面� ��力とフレア部端面角度θとの関係を求めた� �

 結果を図4に示す。これよりフレア部端面 角度θが90゜より小さくなると、継手締結時� �応力が圧縮側になり、その後の引張応力負� �時にも疲労強度に対して有利に働くことが� �測できる。また、フレア部端面角度θが91゜� ��超えた付近から降伏現象が現れることも、� ��レア部端面角度θとコーナー部に発生する� �面応力との関係が線形性を失われることか� �判断できる。

 さらにコーナー部の応力を低下させる手� ��として、コーナー曲率半径Rを大きくするこ とが考えられる。そこでFEAにより50MPaに相当� ��る曲げ負荷時に、コーナー部で発生する応� ��振幅と平均応力を評価した。その結果、疲� ��破壊を防止するためには、フレア部端面角� ��θとコーナー曲率半径Rとの関係を次式(1)に� ��す特定の関係に保つことが重要であると推� ��された。

 そこで、100A(外径114.3mm、肉厚4.5mm)のSGP鋼� ��を用いて、フレア部端面角度θとコーナー� �率半径Rとを変化させたルーズフランジ式フ� ��ア管継手を製造し、図2に示した試験機10を� ��いて、上述の方法と同様の曲げ疲労試験を� ��った。この試験では、100万回の曲げ荷重繰� ��返し負荷に対しても内圧が急激に低下しな� ��った鋼管を合格とした。

 曲げ疲労試験結果を図5に示す。図5の○� �リークが発生しないこと、×はリークが発生 したことを意味する。これより式(1)を満たす 継手に対しては100万回の繰り返し荷重を負荷 してもリークは発生しないことがわかる。一 方、式(1)を満たさない継手は、100万回未満の 繰り返し荷重の負荷によってリークを起こし 、検査の結果、コーナー部より亀裂が貫通し ていることがわかった。

 また、フレア部端面角度θは、小さいほ� �コーナー曲率半径Rの許容度は大きくなる。� ��かし、フレア部端面角度θが小さすぎると� �継手を締結した際に局所的にガスケット3に� ��大な面圧が発生する。特に、フレア部端面� ��度θが87°未満になると、ガスケットが破断� ��ることがあるため、θの下限を87°以上とす� ��。一方、フレア部端面角度θが91°を超える� ��、コーナー部に降伏が生じる場合があるた� ��、上限を91°以下とすることが好ましい。

 なお、本実施形態にかかる鋼管1の端部に フレア部2を形成する加工法については、こ� �を限定するものではないが、例えば、図6に� ��すように鋼管1及びコーン7(円錐ローラ)を回 転させ、相対的に自転と公転を繰り返して接 触させる方法を採用することが好ましい。こ の方法によって、コーン7の軸と鋼管1の軸と� ��なす角度を漸次大きくすれば、フレア部端� ��角度θを徐々に大きくすることが可能であ� �、フレア部端面角度θを精度良く制御するこ とができる。