概要：JCOE（J-C-O成形＋機械的拡張）は、大径直継ぎサブマージアーク溶接（LSAW）鋼管の主流製造プロセスであり、長距離石油・ガスパイプライン、CCUS（二酸化炭素回収・貯留・利用）、海洋工学、橋梁鋼構造、水素エネルギー輸送など、主要な工学分野で広く使用されています。UOEプロセスと比較して、JCOE生産ラインは投資額が少なく、仕様の柔軟性が高いため、我が国の大径パイプライン鋼管生産能力の主軸となっています。しかし、成形精度、残留応力制御、低温靭性、水素脆化耐性、および高級厚肉管のデジタルインテリジェント製造には、依然として技術的なボトルネックが存在します。本稿では、JCOEプロセス原理、国内設備、産業構造を体系的に概観し、成形、溶接、拡管、非破壊検査といった全工程における主要な技術的課題をまとめ、国内主要JCOEメーカーの技術力を比較し、現状の研究ギャップをまとめ、高級パイプラインパイプ、CCUS/水素エネルギー専用パイプ、デジタルツイン製造といった今後の開発方向について考察する。本研究は、JCOE鋼管プロセスの最適化、エンジニアリング選定、規格改善のための理論的参考資料および工学的基礎を提供するものである。
キーワード：JCOE、直線シームサブマージアーク溶接管、LSAW、大径パイプライン鋼管、成形精度、残留応力、石油・ガス輸送、インテリジェント製造
I. はじめに
我が国では石油・ガスパイプライン、CCUSプロジェクト、洋上風力発電、水素エネルギー貯蔵・輸送、大規模鉄骨構造プロジェクトの建設が継続的に進められており、Φ406-1422 mmの大径厚肉サブマージアーク溶接鋼管の市場需要は増加し続けています。UOEプロセスは成形効率が高いものの、莫大な設備投資が必要で、単一仕様の大量生産に適しています。JCOEは段階的な多点プレス成形プロセスを採用しており、設備投資はUOE生産ラインの約60%～70%です。複数の仕様や小ロット注文にも柔軟に対応できるため、中国で新たに建設されるLSAW生産ラインの好ましいプロセスルートとなっています。
20年以上にわたる現地化開発を経て、中国は複数の近代的なJCOE生産ラインを構築し、X70およびX80高強度パイプラインパイプの国内供給を実現し、東西ガスパイプラインなどの国家レベルのパイプラインプロジェクトの建設を支えてきました。しかし、国内のJCOE業界には依然として不均衡が見られます。大手企業はAPI 5L PSL-2、DWTT落下ハンマー引裂試験、および全工程非破壊検査において完全な能力を備えている一方、多くの中小規模の生産ラインは、厚肉高強度成形時のスプリングバック制御、直径拡張時の残留応力、溶接部の低温靭性、およびデジタルプロセス管理などの分野で欠点を抱えています。
既存の研究文献は、プレベンディング工程、溶接シミュレーション、直径拡大パラメータといった単一の側面に焦点を当てたものがほとんどで、プロセスメカニズム、設備産業、工学的応用、そして今後の方向性を網羅した体系的なレビューが不足している。本稿では、プロセスメカニズム、国内産業の現状、主要な品質欠陥、そして技術的なボトルネックを統合し、この分野の研究ギャップを明らかにするとともに、中国におけるJCOEの技術革新と工学的応用への参考情報を提供する。
II．JCOE技術の基本原理とプロセスフロー
JCOEは、J成形、C成形、O成形、および拡張の頭文字をとったものです。この工程には、鋼板端部の予備曲げ、J字型段階的プレス加工、C字型連続プレス加工、O字型継ぎ目接合、予備溶接、内外サブマージアーク溶接、機械的直径拡張、丸めおよび矯正、全工程非破壊検査、物理化学検査、および防食処理が含まれ、鋼管製造工程が完了します。
1) 板端の予備曲げ：鋼板の直線部分をなくすことで、成形後の「膨らみ」欠陥を防ぎます。予備曲げダイの半径は、接合部の隙間の品質に直接影響します。
2) J-C-O段成形：平板を段階的にプレス加工することで、おおよそ円筒形の管状ブランクに成形します。鋼板のスプリングバックが、成形寸法を制御する上での最大の難点です。
3) 事前溶接とサブマージアーク溶接: ガスシールド事前溶接でチューブブランクを固定し、続いて内外サブマージアーク溶接を行います。これは溶接部の強度と靭性を確保するためのコアプロセスです。
4）機械的拡管（Eプロセス）：分割式拡管ヘッドを用いてパイプ本体を塑性的に拡管し、真円度と寸法を修正するとともに、溶接残留応力を再分配します。これは、JCOEパイプを一般的な直線溶接パイプと区別する重要なプロセスです。
5) 非破壊検査: パイプライン鋼材には、ビレット鋼板の超音波探傷試験、溶接部のUT超音波探傷試験およびRT放射線探傷試験、DWTT落下ハンマー引裂試験および一連の衝撃試験が必要であり、API 5LおよびGB/T 9711規格の要件を満たしている。
重要な違い：機械的な直径拡張を行わない直継ぎサブマージアーク溶接鋼管は、厳密にはJCOE鋼管ではありません。直径拡張工程は、鋼管の真円度、残留応力レベル、および工学的使用における信頼性を直接的に決定します。
III．国内JCOE産業の概況と製造能力
中国におけるJCOEの生産ラインは河北省、江蘇省などの地域に集中しており、中央企業、上場企業、主要地域製造企業からなる三層構造の供給体制を形成している。
3.1中央国有企業を国家パイプライン企業として主導する
河北省青県にある巨龍鋼管有限公司は、中国で初めてJCOE生産ラインを設立した企業です。長年にわたり国の石油・ガス幹線パイプラインに製品を供給しており、X80 PSL-2パイプの安定した大規模生産能力を有しています。また、熱間曲げ加工パイプや内外一体型の防食処理も提供しており、中国の長距離パイプラインの中核サプライヤーとなっています。こうした企業の強みは、総合的なエンジニアリング実績と充実した物理化学試験設備にあり、高圧長距離石油・ガス幹線パイプラインプロジェクトに最適です。
3.2上場総合配管会社
沙港錦州パイプラインと珠江鋼管は、輸入JCOE成形ユニットを保有し、鋼板資源も豊富です。DNVおよびABSの船級協会から海洋工学および輸出プロジェクト向けの認定を受けており、バイメタル複合ストレートシームパイプの製造が可能です。海外の石油・ガスプロジェクトへの供給実績が豊富で、貿易、海洋パイプライン、化学媒体パイプライン市場にサービスを提供しています。
3.3河北地域の代表的な製造企業
河北省は中国におけるJCOE鋼管の主要生産地である。JCOE設備と物理化学試験システムを完備した代表的な地元企業3社を選定した。
1 ) 河北海前衛鋼管有限公司( Youfa Group )
専門性と革新性を兼ね備えた中小巨大企業として、当社はJCOE社製の全自動ステップバイステッププレス成形装置を保有しています。製品仕様は直径406～1422mm、肉厚6～50mm、最高鋼種はX80です。API 5L、CE、EACなどの国内外の認証を取得しており、非破壊検査、物理化学検査も完備しています。当社の製品は、国内の分岐パイプライン網、鉄骨構造物、そして海外輸出向けに供給されています。
2 ) 河北奥蘭徳鋼管有限公司
JCOE成形、サブマージアーク溶接、機械式径拡張の生産ライン一式を備え、製品仕様は直径Φ406～1422mm、肉厚7～40mmの範囲に対応可能です。GB/T9711およびAPI 5L規格に適合するX42～X80パイプライン鋼管およびQ345シリーズ構造用鋼管を量産できます。これらの製品は主に石油・ガス支線、スラリー輸送、橋梁鋼構造プロジェクトに使用されます。
3 ) 河北精業精密管製造有限公司
グループ独自の厚板生産能力を活用し、15,000トン級の大型JCO成形主設備を装備した同社は、超厚肉JCOE直継ぎサブマージアーク溶接鋼管の生産に注力しています。外径406～1626mm、肉厚10～120mmという極めて特殊な仕様の製品生産が可能で、鋼板と鋼管の製造を統合し、原材料のトレーサビリティと管理を確保しています。重鋼構造物、圧力容器支持構造物、特殊厚肉構造物などの用途に適しています。
3.4他地域における企業
江蘇省張家港市と連雲港市には、海洋工学、貿易、化学パイプラインプロジェクトを支援するため、沙港金州鋼管や珠江鋼管などの大規模生産ラインが設立されている。全体として、中国はすでに世界最大のJCOE鋼管生産能力を有しているが、ハイエンド特殊パイプ（深海パイプライン、純水素輸送、超臨界CO₂輸送パイプなど）に関しては、技術的な改善の余地がまだかなり残されている。
IV．JCOE製造プロセスにおける主要な品質問題と技術的ボトルネック
4.1成形時のスプリングバックと形状精度の欠陥
鋼板の段付きプレス加工では、スプリングバック効果が顕著に現れ、楕円度、管径のずれ、管端の膨らみ、位置ずれなどの欠陥が発生しやすくなります。過度の楕円度は、現場での周方向溶接組立に直接影響を与え、外部圧力に対する耐性を低下させます。API 5L規格では、一般的に0.5%～1.0%Dの楕円度制御が求められますが、肉厚の高級鋼材では、この制御はさらに困難になります。
影響要因としては、鋼板の機械的特性の変動、予備曲げ金型の形状、JCOプレス段差、圧下量分布、直径拡大比の選択などが挙げられる。既存の解析モデルでは、複数の工程が連動して発生するスプリングバックを完全に記述することは困難であり、実務では経験に基づく調整に大きく依存している。有限要素シミュレーションは、工程最適化のための重要なツールとなっている。
4.2溶接残留応力と直径膨張のプロセス制御
サブマージアーク溶接では、大きな残留引張応力が発生します。機械的な直径拡張によって応力場を再構築することは可能ですが、拡張比が過剰または不十分であったり、拡張ヘッドの構造が不適切であったりすると、軸方向および周方向の応力分布が不均一になる可能性があります。寸法精度と残留応力のバランスを取るためには、拡張プロセスのパラメータが非常に重要です。多くの中小規模の生産ラインでは、簡略化された拡張プロセスと不十分な拡張比が問題となっており、稼働中に潜在的な安全上の危険が生じる可能性があります。
4.3高級鋼溶接部および熱影響部の低温靭性
X70/X80パイプライン鋼は、溶接部、熱影響部における-20℃および-40℃での衝撃靭性、DWTT落下ハンマー引裂抵抗など、厳しい要求事項が課せられています。溶接材料のマッチング、溶接入熱制御、鋼板の純度、微量合金元素はすべて延性-脆性遷移温度に影響を与え、高品位JCOEパイプの製造における主要な技術的課題となっています。
4.4新たな事業環境がもたらす新たな課題
CCUS（二酸化炭素回収・利用・貯留）による超臨界二酸化炭素輸送、水素輸送、深海パイプラインといった分野では、パイプ材料の水素脆化、CO₂腐食、外部圧力崩壊に対する耐性がこれまで以上に高く求められています。既存のJCOE（米国エネルギー省エネルギー局）のパイプライン規格ではこれらの要求を十分に満たすことができず、特殊なパイプ材料の材料システム、プロセスウィンドウ、試験・評価システムは現在も開発段階にあります。
4.5デジタル化のレベルが不十分
中国のJCOE生産ラインのほとんどは、依然として主に生産後の検査に依存しており、成形、溶接、直径拡張におけるクローズドループのオンライン監視が不足している。デジタルツインやAIベースのプロセスパラメータの適応最適化の適用は低く、プロセスパラメータは依然としてオペレーターの経験に大きく依存しているため、バッチ性能の一貫性を向上させる必要がある。
V. 現在の研究状況と研究上の課題
JCOEに関しては、国内外で広範なシミュレーションおよび実験的研究が行われてきた。国際的には、EUROPIE、Salzgitter、JFEが金型設計、レーザーオンライン輪郭検出、直径拡張閉ループ制御に注力している。国内では、単一工程有限要素シミュレーション、プレベンディング工程最適化、溶接材料開発に重点が置かれている。既存の文献に基づくと、研究には大きなギャップが存在する。
1) 多工程結合メカニズムに関する研究が不十分：予備曲げ-JCO成形-溶接-直径拡張の全工程における応力-変形結合のシミュレーションは少なく、そのほとんどは単一の工程のみをシミュレーションしている。
2) 鋼板の元の形状欠陥と最終的な鋼管の真円度との間の定量的関係に関する体系的なモデルが不足している。
3) 直径拡大プロセスパラメータと残留応力および崩壊抵抗との関係に関する定量的データベースが不十分である。
4) 水素エネルギーおよびCCUSの特殊な作業条件下におけるJCOE鋼管の完全な製造プロセスおよび評価基準はまだ完成していません。
5) JCOEプロセスにおけるインテリジェント製造およびオンライン品質予測モデルのエンジニアリング実装事例は比較的少ない。
VI. JCOE直継ぎサブマージアーク溶接鋼管技術の発展動向
6.1特殊な作業条件に対応する高品位鋼管の開発
CCUS、水素エネルギー、深海工学を対象とし、水素誘起割れやCO₂腐食に強いJCOEパイプラインパイプを開発し、微量合金鋼板とサブマージアーク溶接材料のマッチングを最適化し、専用の評価・試験方法を確立し、特殊輸送パイプにおける技術的ギャップを埋めていきます。
6.2成形膨張プロセスのシミュレーションとデジタル最適化
有限要素シミュレーションに基づいてスプリングバック予測モデルを構築し、金型輪郭、プレスピッチ、膨張率のデジタル補助設計を実現し、試作コストを削減し、寸法精度を向上させます。また、経験に基づくデバッグからデータ駆動型製造への転換を促進するために、プロセス品質データベースを構築します。
6.3全工程オンライン非破壊検査およびクローズドループ品質管理
レーザーによるオンライン輪郭測定とリアルタイムのフェーズドアレイ超音波による溶接部検出を推進し、成形、溶接、および直径拡張プロセスの品質に関するオンラインフィードバックを実現し、閉ループ制御システムを構築し、プロセス後の不良率を低減する。
6.4環境に配慮した低炭素製造
低エネルギー成形プロセス、低合金薄肉パイプの開発、溶接プロセスの省エネルギー最適化、および環境に優しい防食コーティングの併用により、製品単位あたりの二酸化炭素排出量を削減します。
6.5産業標準化およびエンジニアリング選定システム
国内のJCOE生産能力は膨大ですが、生産ラインのレベルには大きなばらつきがあります。エンジニアリング調達においては、完全なJCOE（機械的に拡張された直径を含む）と簡略化された直線シームサブマージアーク溶接製品を厳密に区別し、さまざまなエンジニアリングシナリオに応じた選定ガイドラインを策定することで、低レベルの製品を高圧・高リスクのパイプラインに適用することを避けるべきです。
7.結論
1) JCOEプロセスは、適度な投資と高い仕様柔軟性という利点から、中国における大口径LSAW鋼管の主流製造ルートとなっています。中国では、中央企業、上場企業、主要地域製造企業を含む多層的な産業構造が形成されており、石油・ガスおよび鉄骨構造プロジェクトの大部分のニーズを満たすことができます。しかし、ハイエンドの特殊鋼管には依然として技術的な欠点があります。
2) 成形時のスプリングバック、幾何学的精度制御、溶接残留応力、直径拡大プロセス、および高級鋼の低温靭性は、JCOE製造における主要な技術的ボトルネックであり、水素エネルギー、CCUS、および海洋工学は新たな技術的課題をもたらしている。
3) 現在の研究上の課題は、複数のプロセスの結合メカニズム、特殊な作業条件下でのパイプ材料の完全なプロセスセット、およびデジタル閉ループ製造に集中しています。今後は、プロセス全体のシミュレーション、オンライン検出、 特殊なパイプ材料の開発を強化し、エンジニアリングの選択と標準化システムを改善する必要があります。
4) エンジニアリング用途では、機械的な拡張手順の実行を確認し、完全な非破壊検査、およびDWTTなどのパイプライン鋼固有のテストを実施して、JCOE純正製品を拡張のない単純な直線シームサブマージアーク溶接パイプと区別し、パイプラインの長期的な安全な運用を確保することが不可欠です。
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