機械材料の基礎：一般構造用炭素鋼鋼管（STK）

2025.12.29

機械材料

一般構造用炭素鋼鋼管は、日本産業規格 JIS G 3444 に規定される、土木建築や鉄塔、足場、杭、柵などの構造物に使用される円形断面の鋼管です。産業界ではその記号であるSTKの名で広く知られています。

構造用鋼管であるSTKは、圧縮、引張、曲げ、ねじりといった外力に耐え、構造体としての剛性と強度を維持することを目的としています。円筒形状は、方向性のない強度、高い座屈耐力、卓越したねじり剛性を提供します。

JIS規格と材料分類

STKという規格には、強度のランクに応じて5種類のグレードが設定されています。

強度区分と機械的性質

規格はSTK290、STK400、STK490、STK500、STK540の五つに分類されます。記号の末尾にある数字は、その材料が保証すべき最低引張強さをN/mm2単位で表したものです。例えば、最も一般的に流通しているSTK400は、引張強さが400N/mm2以上、降伏点または耐力が235N/mm2以上であることを保証しています。これは建築構造用圧延鋼材であるSS400とほぼ同等の機械的性質です。

一方、STK490やSTK500といった高強度グレードは、より大きな荷重がかかる鉄塔の主柱や、地盤に打ち込む鋼管杭などに用いられます。炭素量やマンガン量を調整することで強度を高めていますが、強度が上がるにつれて溶接性や加工性は低下する傾向にあるため、施工条件に合わせた選定が工学的に重要となります。

化学成分と溶接性

STKは炭素鋼ですが、その化学成分の規定は比較的緩やかです。基本的にはリンや硫黄といった不純物の上限が定められていますが、炭素量などの主要成分についてはグレードによって規定がない場合や上限のみの場合があります。これは、STKがあくまで強度を保証する規格であり、成分を厳密に固定するものではないためです。

しかし、一般的には溶接構造用として使用されることが多いため、市場に流通しているSTKは溶接性を考慮した成分調整、具体的には炭素当量を抑えた組成で製造されています。ただし、STK540などの高張力材を溶接する場合には、予熱やパス間温度の管理など、低温割れを防ぐための施工管理が必要となります。

製造プロセスとERW管

STKの製造方法は、シームレス、すなわち継目無管と、電気抵抗溶接による電縫管、アーク溶接による鍛接管などに分類されますが、中小径の分野においては電縫管が圧倒的なシェアを占めています。

造管プロセス

電縫管の製造は、熱延鋼帯であるホットコイルをスリットし、所定の幅にした帯鋼を成形ロール群に通すことから始まります。多数のロールによって帯鋼は徐々に円筒状へと曲げられ、オープンパイプとなります。そのエッジ部分に高周波電流を流すと、電流が接合部表面に集中し、瞬時に融点近傍まで加熱されます。この状態でスクイズロールによって加圧・圧着することで、溶加材を使わずに母材同士を一体化させます。

ビードカットと品質

溶接直後の管の内外面には、溶融した金属が盛り上がったビードが発生します。外面のビードはバイトによって切削除去され、滑らかな円筒面となります。内面のビードについては、用途に応じて除去される場合と残される場合がありますが、STKの場合は内面に流体が流れるわけではないため、コストダウンの観点から内面ビードは残されることが一般的です。また、溶接部は急熱急冷を受けるため硬化し、靭性が低下しています。これを改善するために、溶接部のみを誘導加熱で焼きなますシームアニール処理、あるいは管全体を熱処理することで、母材と同等の機械的性質を確保しています。

円形断面の構造力学的優位性

H形鋼や角パイプといった他の形状と比較した際、STKが持つ円形断面には構造的なメリットがあります。

断面二次モーメントの等方性

構造部材の曲げにくさを表す指標が断面二次モーメントです。H形鋼などでは、強軸（曲げに強い方向）と弱軸（曲げに弱い方向）が存在し、設置方向に制約が生じます。しかし、円形断面を持つSTKは、中心軸に対して点対称であるため、360度どの方向からの荷重に対しても等しい断面二次モーメントを持ちます。この方向性のない強度、すなわち等方性は、風荷重や地震荷重のように、どの方向から力がかかるか予測しにくい屋外構造物や、長柱として使用される場合に極めて有利に働きます。

座屈に対する抵抗力

柱として圧縮荷重を受ける部材は、ある荷重を超えると急激に横にたわむ座屈現象を起こします。座屈荷重は断面二次半径に比例しますが、円管は同じ断面積を持つ他の形状に比べて断面二次半径を大きく取ることができるため、軽量でありながら座屈に強いという特性を持ちます。これが、足場の支柱や基礎杭にSTKが多用される力学的根拠です。

卓越したねじり剛性

ねじりに対する抵抗力はねじり定数や断面二次極モーメントによって評価されます。円管のような閉断面構造は、H形鋼やチャンネル材のような開断面構造と比較して高いねじり剛性を持ちます。そのため、偏心荷重がかかる片持ち梁や、回転トルクを受ける機械構造部品、ローラーコンベアの軸などには、STKのような円管が最適解となります。

SGP配管用炭素鋼鋼管との違い

現場や設計において最も混同されやすく、かつ重大な事故につながる可能性があるのが、配管用炭素鋼鋼管であるSGPと、構造用炭素鋼鋼管であるSTKの取り違えです。

設計思想の相違

SGPは流体を輸送するための管であり、その肉厚は内圧に耐えること、およびねじ切り加工を考慮して設定されています。一方、STKは外力に耐えるための管です。最大の違いは、寸法の許容差と機械的性質の保証範囲にあります。STKは構造計算に基づいた設計が行われることを前提としているため、伸びや降伏点といった塑性変形能に関する規定が厳格です。

SGPを構造材として使用した場合、強度が不足したり、溶接性が保証されていなかったりするリスクがあります。逆に、STKを配管として使用した場合、水漏れ試験（水圧試験）が行われていないため、ピンホールによる漏洩リスクがあります。

寸法体系の違い

両者は外径の呼び方は似ていますが、肉厚の体系が異なります。STKは肉厚のバリエーションが豊富であり、荷重条件に合わせて最適な厚さを選定できます。SGPは基本的にスケジュールごとの固定肉厚です。正しい設計を行うためには、流体が通るならSGPやSTPG、力がかかるならSTKという原則を厳守する必要があります。

加工と接合のエンジニアリング

STKを構造体として組み上げるためには、切断、曲げ、そして接合が必要です。特に円管同士の接合は、平面同士の接合とは異なる複雑さを伴います。

相貫加工と溶接

円管と円管をT字や斜めに突き合わせて溶接する場合、その接合ラインは複雑な三次元曲線を描きます。かつては展開図を描いて型紙を作り、手作業でガス切断を行っていましたが、現在は3次元CADデータと連動したレーザー加工機やプラズマ切断機によって、高精度な相貫加工が可能となっています。

溶接においては、継ぎ手の角度が場所によって連続的に変化するため、溶接姿勢や開先角度の調整に熟練を要します。また、閉断面であるため、内部の溶接ビードの検査が困難であるという課題もあり、完全溶込み溶接が必要な場合は裏当て金を使用するなどの工夫が必要です。

曲げ加工

STKはアーチ形状の屋根や手すりなどに使用されるため、曲げ加工性が求められます。パイプベンダーを用いて冷間で曲げるのが一般的ですが、曲げ外側の減肉や、内側の座屈そして断面の扁平化といった変形が生じます。これを防ぐために、管内に砂を詰めたり、マンドレルと呼ばれる芯金を挿入しながら曲げたりする工法がとられます。

STK400などの低炭素グレードは延性が高く曲げに適していますが、STK500などの高強度材はスプリングバックが大きく、割れのリスクも高まるため、熱間曲げや高周波曲げが選択されることもあります。

腐食対策と表面処理

中空構造であるSTKにとって、腐食は外面だけでなく内面からも進行する深刻な問題です。肉厚が薄くなれば、断面二次モーメントが減少し、座屈強度が低下して構造物の崩壊を招きます。

溶融亜鉛めっき

屋外で使用されるSTKの防食として最も信頼性が高いのが、溶融亜鉛めっき、いわゆるドブづけめっきです。管を高温の亜鉛槽に浸漬することで、内外面ともに均一な亜鉛合金層を形成します。亜鉛の犠牲防食作用により、傷がついても鉄の腐食を防ぐことができます。標識柱やガードレール、照明柱などに使用されるSTKは、ほぼ例外なくこの処理が施されています。

ただし、密閉された管をめっき槽に入れると、内部の空気が膨張して爆発する危険があるため、必ず空気抜き用の穴を加工しておく必要があります。

塗装とメンテナンス

屋内や意匠性が求められる場所では、塗装が施されます。しかし、塗装は外面のみであることが多く、内面は無防備になりがちです。そのため、管端をキャップで密閉して湿気の侵入を防ぐ、あるいはあらかじめ内面塗装が施された管を使用するといった配慮が必要です。橋梁などの重要構造物では、内部の腐食状況を監視するための点検口やドレン穴（水抜き穴）の設置が設計段階で義務付けられます。