炭素鋼継目無鋼管（Seamless Carbon Steel Pipe）の技術解説：製造・規格・検査・用途まで徹底ガイド

2025年12月25日 最終更新日時 : 2025年12月25日 エバープレイ編集部

概要：炭素鋼継目無鋼管とは何か

炭素鋼継目無鋼管（以下、継目無鋼管）は、溶接継目を持たない一体材の円筒状鋼材で、原料鋼塊（ビレット）から穿孔（せん孔）や押出、ロール加工などの塑性加工により中空形状に成形される鋼管です。英語では“seamless carbon steel pipe”と呼ばれ、圧力配管、ボイラー、熱交換器、機械構造、石油・ガス輸送など幅広い用途で用いられます。溶接継目がないため、溶接欠陥による弱点が少なく、高圧・高温・低温使用に向くのが特長です。

製造法の詳細（工程と原理）

主な製造法は以下の通りです。いずれも高温での塑性加工が中心で、必要に応じて冷間引抜や熱処理を組み合わせます。

  • ロータリーパアシング（Mannesmann プロセス）：加熱したビレットをローリングロールで回転させながら貫通させる穿孔法。大量生産に適し、一般的な継目無鋼管の原始工程として広く使われます。
  • プラグミル（Plug Mill）：穿孔後、内側にプラグ（芯金）を挿入して径と肉厚を整える装置で、寸法精度と表面品質を向上させます。
  • ピルガー圧延（Pilger Mill）：高精度の冷間あるいは温間圧延で、肉厚を薄くし高精度の直管を得るための工程。特に高精度・薄肉管に用いられます。
  • 押出（Extrusion）・引抜（Cold drawing）：押出しや冷間引抜により内径・外径・円形度をさらに精密に制御します。冷間加工後は降伏点上昇や硬化が生じるため、必要に応じて再加熱（焼なまし）します。
  • 熱処理：正規化（normalizing）や焼鈍（annealing）などにより、組織の均一化、靭性向上、応力除去を行います。

化学成分と機械的性質（典型値と設計上の取り扱い）

炭素鋼継目無鋼管は“炭素鋼（低～中炭素）”が基本で、用途により成分が調整されます。代表的な成分範囲（目安）は次の通りです。

  • 炭素（C）：約0.05～0.30％（低炭素鋼では0.10未満、一般構造用で0.10～0.25程度）
  • マンガン（Mn）：約0.3～1.0％（強度と硬化性の調整に寄与）
  • ケイ素（Si）：0.02～0.40％（脱酸による含有）
  • リン（P）・硫黄（S）：通常はそれぞれ0.035％以下に管理（脆性低下と加工性のため）

機械的特性は規格と熱処理により幅がありますが、一般的な構造用炭素鋼管の場合、引張強さは約360～510MPa、降伏点（または耐力）は約215～355MPa、伸び（Elongation）は20％前後が目安です（値は材種・板厚・熱処理に依存）。設計時は使用規格・供給データシートに基づく公称強度を用いてください。

代表的な規格と等級（設計・調達で注意すべき点）

継目無鋼管に関する代表的な国際規格・業界規格は以下です。用途に合わせて規格を指定することが重要です。

  • ASTM（米国）: ASTM A106（高温サービス用炭素鋼継目無鋼管）、ASTM A53（一般構造用および圧力用）など。
  • EN（欧州）: EN 10216-1（高温サービス用シームレス鋼管 — 非合金鋼）など。
  • JIS（日本）: 国内向け規格では鋼種や用途による規定が存在するため、設計現場では該当JIS規格を確認してください。
  • ASME（ボイラー・配管）: ASME B31系（配管設計）、ASME Section II/IIIなどで材質・設計係数を参照。

規格ごとに化学組成、機械的性質、寸法公差、検査項目が明確に定められているため、用途・圧力・温度条件に応じて適切な規格と等級を指定してください。

寸法公差と表面・形状管理

継目無鋼管は熱間加工後の加工精度により外径、肉厚、真円度が決まります。ピルガー圧延や冷間引抜きを行うことで厳しい寸法管理が可能です。一般的に配管設計で必要となる公差や段取りは規格に明記されていますが、特に高精度用途（熱交換器管、計器用毛細管など）では、内外径公差、真円度、端面平坦度を厳格に指定します。

非破壊検査・破壊試験（品質保証）

継目無鋼管の品質確認は多段階で行われます。代表的な検査項目は以下の通りです。

  • 化学成分分析（分光分析）：規定の化学成分に適合しているか確認。
  • 引張試験、降伏点、伸び：機械的特性の確認。
  • シャルピー衝撃試験（低温用途）：脆性評価。
  • 硬さ試験（必要に応じて）：焼なましや熱処理の効果確認。
  • 寸法検査（外径・肉厚・長さ・真円度）：図面許容差に適合するか。
  • 非破壊検査（UT、磁粉探傷、エディカレント）：内部欠陥や表面クラックの検出。高圧用途では100％UT検査を要求されることがある。
  • 水圧試験または空気圧試験：耐圧確認（規格や契約により要求）。

現場に納入される前の検査結果は試験成績書（Mill Test Certificate, MTC）として供給され、トレーサビリティの確保が求められます。

接合・施工上の留意点（溶接・継手・熱膨張）

継目無鋼管はそのまま配管として使用する場合や、溶接接合してラインを構築する場合があります。施工上のポイントは以下です。

  • 溶接：材料の炭素当量（CE値）により事前予熱・溶接後熱処理（PWHT）の要否が決まります。厚肉で高炭素の場合は割れ防止のための管理が必要です。
  • フランジ接合や継手：継目無鋼管は端面処理（面取り）を行い、規格のフランジや溶接継手を用いて接続。
  • 膨張・温度変化：長い配管では熱膨張を考慮し、伸縮継手やサポート配置を設計に組み込む。
  • 腐食対策：内部流体や外気・地下埋設環境に応じた防食設計（被覆、ライニング、陰極防食）を行う。

腐食特性と防食対策

炭素鋼は汎用性が高い一方、腐食（錆び）に対して無防備です。代表的な防食対策は以下の通りです。

  • 溶融亜鉛めっき（外面）：屋外や湿潤環境での大気腐食対策。
  • 塗装・コーティング：エポキシ系、ポリウレタン系などを用途に合わせて選択。
  • 内部ライニング：ポリエチレンやエポキシ、セラミックライニング等で流体による腐食を防止。
  • 陰極防食（CP）：埋設管や海洋構造物に対して用いられる。
  • 腐食許容肉厚の設計：寿命を見越した腐食余裕（corrosion allowance）の設定。

溶接継目管（ERW等）との比較

継目無鋼管と比較される代表的な管は電縫管（ERW: Electric Resistance Welded）や溶接接合された鋼管です。主な違いは次の通りです。

  • 継目無鋼管の利点：溶接継目が存在しないため、破断・欠陥リスクが低く、高圧・高温用途に有利。機械的特性や均一性が高い。
  • 溶接管の利点：大口径や薄肉管を経済的に製造可能で、コスト面で有利な場合が多い。
  • 選定基準：用途（圧力・温度・腐食環境）、コスト、寸法要件により使い分けるのが一般的。

代表的用途と事例

継目無鋼管の用途は広範です。主な事例は以下の通りです。

  • 高圧ボイラー管・過熱蒸気管：高温高圧に耐える材質が要求される。
  • 石油天然ガス（O&G）分野の高圧ライン、油井用チューブ（特定等級）
  • 熱交換器・配管系統：高温流体配管や冷媒系での使用。
  • 機械構造部材：摺動や回転を伴う構成部材としての使用（軸受けではないが、円筒部材として）。
  • 構造用丸棒代替：特定用途で継目無鋼管を用いることで軽量化や強度の最適化を図る。

品質管理とトレーサビリティ

発注者は購入仕様書で材質、規格、寸法、公差、必要な試験項目（UT、水圧、化学成分、機械試験、衝撃試験等）を明確にし、製造元のMTCや試験報告書を受領・保管する必要があります。鋼管のロット管理、熱間番号（heat number）によるトレーサビリティは品質保証の重要項目です。

環境配慮とリサイクル性

炭素鋼は鉄スクラップとして高いリサイクル価値があり、鋳造・再溶解で再利用される割合が高い材料です。製造や施工時のCO2排出・エネルギー消費を低減する取組み（効率的な熱処理、電源のクリーン化など）が進められています。設計段階での材料最適化はライフサイクル環境負荷低減に寄与します。

まとめ（設計者・調達者への提言）

炭素鋼継目無鋼管は高い信頼性と幅広い適用性を持つ一方で、使用環境に応じた材質選定・防食設計・検査項目の選定が欠かせません。設計者は使用温度・圧力、腐食環境、要求耐用年数、接合方法、規格の適合性を総合的に評価し、調達仕様書に明確に反映することが重要です。供給者からのMTCと非破壊検査報告を受領・確認することで、現場でのトラブルを未然に防げます。

参考文献

Seamless pipe - Wikipedia
Carbon steel - Wikipedia
ASTM A106 Standard Specification for Seamless Carbon Steel Pipe for High-Temperature Service
ASTM A53 Standard Specification for Pipe, Steel, Black and Hot-Dipped, Zinc-Coated, Welded and Seamless
Mannesmann process - Wikipedia
Pilger mill - Wikipedia
ASME - Codes and Standards (B31 series for piping)

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建築・土木
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