CN111094609B - 钢管和钢板 - Google Patents

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Abstract

本发明一方式的钢管具备：由筒状钢板制成的基材部、和设在所述钢板的对接部且沿所述钢板的长度方向延伸的焊接部，钢板的成分组成处于预定范围内，Ceq为0.30～0.53，并且Pcm为0.100～0.165，钢板的表层的金属组织包含按面积率计为0～50％的多边形铁素体，钢板的1/4t部的金属组织包含按面积率计为10～40％的多边形铁素体，钢板的1/2t部的金属组织包含按面积率计为5～30％的多边形铁素体，钢板的板厚面的有效结晶粒径为20μm以下，在钢板的板厚面上，板厚方向的硬度分布均匀化，并且表层的硬度与1/2t部的硬度之差为30Hv以下。

Description

钢管和钢板
技术领域
本发明涉及钢管和形成该钢管的钢板。
背景技术
近年来，随着全球能源需求的增大，正积极进行着石油和天然气等海底资源的探索和开采，该能源的探索和开采地正移向极寒地区、寒冷且深水的海域(例如北极圈)。与此相伴，作为铺设在极寒地区的管道用钢管，需要在极低温环境下、特别是在-60℃以下的极低温环境下具有优异韧性的高强度焊接钢管。
具体而言，在满足美国石油协会(API)标准X60(415MPa以上)的管线管用钢管中，需要提高极低温韧性并增大壁厚。另外，由于管线管彼此在极低温环境下焊接，所以为了容易在现场施工，也要求优异的现场可焊性。
并且，迄今为止，提出了一些能够应对该要求的管线管用钢板和管线管用焊接钢管的方案(例如参照专利文献1～4)。
专利文献4记载了一种低温韧性优异的高强度厚壁管线管用焊接钢管，该钢管是将成形为管状的母材钢板进行缝焊而得到的，其特征在于，母材钢板的成分组成，按质量％计，含有C：0.010～0.050％以下、Si：0.01～0.50％、Mn：0.50～2.00％、S：0.0001～0.0050％、Ti：0.003～0.030％、Mo：0.10～1.50％、B：0.0003～0.0030％、O：0.0001～0.0080％，且限制为P：0.050％以下、Al：0.020％以下，余量由铁和不可避免的杂质构成，Ceq为0.30～0.53、Pcm为0.10～0.20、元素含量满足10C+100Al+5Mo+5Ni<3.3，母材钢板的金属组织由按面积率计为20％以下的多边形铁素体和按面积率计为80％以上的贝氏体构成，有效结晶粒径为20μm以下，焊接热影响区的有效结晶粒径为150μm以下。
但是，目前，还得不到在-60℃等的极低温下母材部和焊接部稳定地具有优异的低温韧性的厚壁管线管用焊接钢管。
当通过UO工序加工钢板以制造钢管的情况下，一般，使钢板端部对接并通过电弧焊对其进行缝焊。通常，从内表面和外表面进行多次埋弧焊来对钢板端部进行缝焊，该情况下，在晶粒由于先焊接的热输入而粗大化了的焊接热影响区(Heat Affected Zone、以下称为“HAZ”)，由于后焊接的热输入，晶粒有时进一步粗大化。由此，HAZ韧性降低。
作为提高管线用焊接钢管的HAZ韧性的技术，提出了利用晶粒内相变来细化HAZ组织的方法。该方法对于提高直至-30℃的HAZ韧性是有效的，但是在-30℃以下的极低温度下确保HAZ韧性方面仍留有课题。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2008-013800号公报
专利文献2：日本特开2008-156754号公报
专利文献3：日本特开2008-163455号公报
专利文献4：日本特开2008-163456号公报
发明内容
本发明的课题是提高母材部的抗拉强度、屈服强度和低温韧性(特别是-60℃以下的极低温环境下的韧性)、以及焊接部的低温韧性，目的是提供一种解决该课题的钢管以及构成该钢管的钢板。
本发明人对于为了解决上述课题的方法进行了认真研究。结果，获得了以下见解。
在管线管用钢板中，(x)将Ceq和Pcm限定在所需范围内，(y)对于板厚方向的金属组织，在(1)从表面到深度1mm为止的区域即表层、(2)1/4t部(t：板厚)和(3)1/2t部这3个部位进行控制，并且(z)将板厚面的有效结晶粒径设为20μm以下，此时能够确保钢板强度，并且能够在-60℃以下的极低温环境下确保优异的韧性。对该见解稍后说明。
本发明是基于上述见解而完成的，其主旨如下所述。
(1)本发明一方案的钢管，具有：由筒状钢板制成的母材部、以及设在所述钢板的对接部且沿所述钢板的长度方向延伸存在的焊接部，所述钢板的成分组成以质量％为单位，包含以下元素，C：0.030～0.100％、Si：0.01～0.50％、Mn：0.50～2.50％、P：0.050％以下、S：0.005％以下、Al：0.040％以下、Ti：0.003～0.030％、O：0.005％以下、Nb：0.0001～0.20％、N：0～0.008％、Cu：0～1.00％、Ni：0～1.00％、Mo：0～1.00％、Cr：0～1.00％、V：0～0.10％、B：0～0.005％、Zr：0～0.050％、Ta：0～0.050％、Mg：0～0.010％、Ca：0～0.005％、REM：0～0.005％、Y：0～0.005％、Hf：0～0.005％、Re：0～0.005％、和W：0～0.005％，余量包含Fe和杂质，由下式1定义的Ceq为0.30～0.53，并且由下式2定义的Pcm为0.100～0.165，所述钢板的从表面起到深度1mm为止的区域即表层的金属组织包括：按面积率计为0～50％的多边形铁素体、以及包含贝氏体、针状铁素体和回火马氏体中的1种或2种以上的余量，所述钢板的1/4t部的金属组织包括：按面积率计为10～40％的所述多边形铁素体、以及包含所述贝氏体和所述针状铁素体中的1种或2种的余量，所述钢板的1/2t部的金属组织包括：按面积率计为5～30％的所述多边形铁素体、以及包含所述贝氏体和所述针状铁素体中的1种或2种的余量，所述钢板的板厚面的有效结晶粒径为20μm以下，所述钢板的所述板厚面上，板厚方向的硬度分布满足下式3，并且所述表层的硬度与所述1/2t部的硬度之差为30Hv以下，
Ceq＝[C]+[Mn]/6+([Ni]+[Cu])/15+([Cr]+[Mo]+[V])/5 式1
Pcm＝[C]+[Si]/30+([Mn]+[Cu]+[Cr])/20+[Ni]/60+[Mo]/15+[V]/10+5×[B]
式2
所述表层的所述硬度≥所述1/4t部的所述硬度≥所述1/2t部的所述硬度
式3
在此，所述式1和所述式2中，用括号括起来的元素符号表示该元素的以质量％为单位的所述钢板的所述成分组成中的含量。
(2)上述(1)记载的钢管中，可以是：在所述钢板的所述成分组成中，以质量％为单位，包含N：0.001～0.008％。
(3)上述(1)或(2)记载的钢管中，可以是：所述钢板的所述成分组成以质量％为单位，包含选自以下元素中的1种或2种以上，Cu：0.05～1.00％、Ni：0.05～1.00％、Mo：0.01～1.00％、Cr：0.01～1.00％、V：0.01～0.10％、B：0.0001～0.005％、Zr：0.0001～0.050％、Ta：0.0001～0.050％、Mg：0.0001～0.010％、Ca：0.0001～0.005％、REM：0.0001～0.005％、Y：0.0001～0.005％、Hf：0.0001～0.005％、Re：0.0001～0.005％、和W：0.0001～0.005％。
(4)上述(1)～(3)中任一项记载的钢管中，可以是：在所述钢板的所述成分组成中，以质量％为单位，包含Al：0.005％以下。
(5)上述(1)～(4)中任一项记载的钢管中，可以是：所述钢板的所述表层的所述金属组织含有按面积率计为1％以上的所述回火马氏体。
(6)上述(1)～(5)中任一项记载的钢管中，可以是：所述Pcm为0.100～0.140。
(7)上述(1)～(6)中任一项记载的钢管中，可以是：所述钢板的板厚为25.4mm以上，所述Ceq为0.35～0.53。
(8)本发明另一方案的钢板是用于上述(1)～(7)中任一项记载的钢管的钢板。
根据本发明，可得到确保母材部的抗拉强度和屈服强度，同时提高了母材部和焊接部的低温韧性、特别是-60℃以下的极低温环境下的韧性的钢管，以及构成该钢管的钢板。因此，根据本发明，例如能够提供铺设在极低温环境下的管道用的高强度钢板和高强度钢管。
附图说明
图1是示意性地表示控制冷却的一例的图。
图2是表示钢板的厚度方向上的极低温下的优选硬度分布的一例的图。
图3是表示从表面直到深度1mm为止的区域即表层的金属组织的图。
图4是表示1/4t部的金属组织的图。
图5是表示1/2t部的金属组织的图。
图6是表示本实施方式的钢管的一例的图。
具体实施方式
如图6所示，本实施方式的钢管1具有：构成钢管1的母材部的钢板2、以及设在所述钢板的对接部且沿所述钢管的长度方向延伸的焊接部3。母材部具有例如圆筒形。本实施方式的钢管1是通过将钢板2成形为筒状，接着将钢板2的两端部对接焊接而得到的。
以下，对本实施方式的钢管依次说明。本实施方式的钢管的主要特征包含在构成母材部的钢板中，所以以下记载中，主要对用于本实施方式的钢管的钢板进行说明。
(i)钢板的成分组成
首先，对本实施方式的钢管的钢板的成分组成的限定理由进行说明。以下说明的合金元素的数值全都关于钢管的钢板的成分组成。成分组成的单位“％”是指“质量％”。
C：0.030～0.100％
C是提高钢板强度所必需的元素。C含量低于0.030％时，不能充分获得提高强度的效果，因此C含量为0.030％以上。C含量优选为0.040％以上，更优选为0.050％以上。
另一方面，C含量超过0.100时，焊接性(钢板形成具备能够耐受低温环境的强度和韧性的焊接部的能力)、特别是焊接部韧性降低，因此C含量为0.100％以下。C含量优选为0.085％以下，更优选为0.075％以下或0.070％以下。
Si：0.01～0.50％
Si是具有脱氧作用、并且通过固溶强化而有助于提高钢板强度的元素。Si含量低于0.01％时，不能充分获得上述效果，因此Si含量为0.01％以上。Si含量优选为0.05％以上，更优选为0.10％以上。
另一方面，Si含量超过0.50％时，焊接性、特别是焊接部韧性降低，因此Si含量为0.50％以下。Si含量优选为0.40％以下，更优选为0.35％以下。
Mn：0.50～2.50％
Mn是有助于提高强度和韧性的元素。Mn含量低于0.50％时，不能充分获得上述效果，因此Mn含量为0.50％以上。Mn含量优选为0.80％以上，更优选为1.00％以上。
另一方面，Mn含量超过2.50％时，焊接部韧性降低，因此Mn含量为2.50％以下。Mn含量优选为2.35％以下，更优选为2.20％以下。
P：0.050％以下
P是作为杂质残留在钢板中，向晶界偏析，损害韧性的元素。P含量超过0.050％时，钢板韧性显著降低，并且焊接部韧性也降低，因此P含量为0.050％以下。P含量优选为0.030％以下，更优选为0.025％以下。
P不是本实施方式的钢管所必需的，因此P含量的下限为0％。但是，有时P含量小于0.0001％时，钢管的制造成本显著上升，因此可以将P含量的下限值设为0.0001％。
S：0.005％以下
S是作为杂质而残留在钢板中，在钢板的热轧时形成MnS的元素。MnS成为开裂的原因，损害韧性。S含量超过0.005％时，钢板韧性显著降低，并且焊接部韧性降低，因此S含量为0.005％以下。S含量优选为0.003％以下，更优选为0.001％以下。
S不是本实施方式的钢管所必需的，因此S含量的下限为0％。但是，有时将S含量降低到低于0.0001％时，钢管的制造成本显著上升，因此可以将S含量的下限值设为0.0001％。
Al：0.040％以下
Al是脱氧元素。Al含量超过0.040％时，生成过量的氧化物，钢板的洁净度降低，韧性降低，因此Al含量为0.040％以下。再者，Al含量越少，钢管的焊接部和HAZ的韧性就越高，因此Al含量优选为0.035％以下，更优选为0.030％以下。当特别希望提高HAZ韧性的情况下，可以将Al含量设为0.005％以下。
Al的脱氧效果对于本实施方式的钢管来说不是必须的，因此Al含量的下限为0％。但是，从钢原料中和/或在炼钢过程中，有时0.001％左右的Al混入到钢板中。将Al含量降低到低于0.001％时，钢管的制造成本大幅上升，因此可以将Al含量的下限值设为0.001％。
Ti：0.003～0.030％
Ti是形成碳氮化物，细化晶粒并有助于提高韧性的元素。Ti含量低于0.003％时，不能充分获得上述效果，所以Ti含量为0.003％以上。Ti含量优选为0.005％以上，更优选为0.008％以上。
另一方面，Ti含量超过0.030％时，碳氮化物过剩地生成，钢板韧性和焊接部韧性下降，因此Ti含量为0.030％以下。Ti含量优选为0.027％以下，更优选为0.025％以下。
O：0.005％以下
O不是本实施方式的钢管所必需的，因此O含量的下限为0％。但是，O是即使脱氧后也通常在钢板中残留0.0001％左右的元素。如果将O降低至低于0.0001％，则钢管的制造成本大幅上升，因此，可以将O含量设为0.0001％以上。O含量优选为0.0010％以上，更优选为0.0030％以上。
另一方面，O含量超过0.005％时，生成氧化物，钢板的洁净度降低，韧性降低，因此O为0.005％以下。O含量优选为0.004％以下，更优选为0.003％以下。
Nb：0.0001～0.20％
Nb是形成碳化物和氮化物，有助于提高强度的元素。Nb低于0.0001％时，不能充分获得上述效果，因此Nb含量设为0.0001％以上。Nb含量优选为0.0005％以上。
另一方面，Nb含量超过0.20％时，生成粗大的碳氮化物，极低温韧性降低，因此Nb含量设为0.20％以下。Nb含量优选为0.10％以下。
本实施方式的钢管的钢板的成分组成除了上述元素以外，可以在不损害其特性的范围还包含选自N、Cu、Ni、Mo、Cr、V、B、Zr、Ta、Mg、Ca、REM、Y、Hf、Re和W中的1种或2种以上的任选元素。不过，这些任选元素对于解决本实施方式的钢管的课题不是必须的，因此这些任选元素各自的含量下限值为0％。以下说明的任选元素的不是0％的下限值全都是优选下限值。
N：0.001～0.008％
N是形成氮化物，有助于钢板加热时的奥氏体晶粒的细化的元素。将N含量设为0.001％以上时，能够充分获得上述效果，因此优选。N含量更优选为0.003％以上。
另一方面，N含量超过0.008％时，过剩析出的氮化物积聚，使钢板韧性和焊接部韧性降低，因此N含量设为0.008％以下。N含量优选为0.006％以下。
Cu：0.05～1.00％
Cu是有助于提高强度的元素。将Cu含量设为0.05％以上时，能够充分获得上述效果，因此优选。Cu含量更优选为0.07％以上。另一方面，Cu含量超过1.00％时，热加工性降低，并且极低温韧性降低，因此Cu含量为1.00％以下。Cu含量优选为0.70％以下。
Ni：0.05～1.00％
Ni是有助于提高强度和韧性的元素。Ni含量低于0.05％时，不能充分获得上述效果，因此Ni含量为0.05％以上。Ni含量更优选为0.08％以上。另一方面，Ni含量超过1.00％时，不仅上述效果饱和，而且钢板的焊接性降低，因此Ni含量设为1.00％以下。Ni含量优选为0.50％以下。
Mo：0.01～1.00％
Mo是提高可淬性，有助于提高强度的元素。将Mo含量设为0.01％以上时，能够充分获得上述效果，因此优选。Mo含量更优选为0.05％以上。另一方面，Mo含量超过1.00％时，强度过度上升，韧性降低，并且焊接性、特别是极低温韧性也降低，因此Mo含量设为1.00％以下。Mo含量优选为0.50％以下。
Cr：0.01～1.00％
Cr是提高可淬性，有助于提高强度的元素。将Cr含量设为0.01％以上时，能够充分获得上述效果，因此优选。Cr含量更优选为0.05％以上。另一方面，Cr含量超过1.00％时，可淬性过度上升，极低温韧性降低，因此Cr含量设为1.00％以下。Cr含量优选为0.50％以下。
V：0.01～0.10％
V是形成碳化物和氮化物，有助于提高强度的元素。将V含量设为0.01％以上时，能够充分获得上述效果，因此优选。V含量更优选为0.03％以上。另一方面，V含量超过0.10％时，生成粗大的碳氮化物，极低温韧性劣化，因此V含量设为0.10％以下。V含量优选为0.07％以下。
B：0.0001～0.005％
B是在钢中固溶以提高可淬性，有助于提高强度的元素。将B含量设为0.0001％以上时，能够充分获得上述效果，因此优选。B含量更优选为0.0003％以上。
另一方面，使B含量超过0.005％时，析出粗大的BN，焊接部的极低温韧性降低，因此B含量设为0.005％以下。B含量优选为0.004％以下，更优选为0.003％以下。
Zr：0.0001～0.050％
Zr是控制硫化物和氧化物等的形状，有助于提高韧性的元素。将Zr含量设为0.0001％以上时，能够充分获得上述效果，因此优选。Zr含量更优选为0.0010％以上。另一方面，使Zr含量超过0.050％时，生成粗大的硫化物和氧化物，加工性降低，因此Zr含量设为0.050％以下。Zr含量优选为0.030％以下。
Ta：0.0001～0.050％
Ta是形成碳化物和氮化物等，有助于提高强度的元素。将Ta含量设为0.0001％以上时，能够充分获得上述效果，因此优选。Ta含量更优选为0.0010％以上。另一方面，使Ta含量超过0.050％时，生成粗大的碳氮化物，韧性下降，因此Ta含量设为0.050％以下。Ta含量优选为0.035％以下。
Mg：0.0001～0.010％
Mg是控制硫化物系夹杂物的形态，有助于提高韧性的元素。将Mg含量设为0.0001％以上时，能够充分获得上述效果，因此优选。Mg含量更优选为0.0010％以上。另一方面，使Mg含量超过0.010％时，生成氧化物，钢的洁净度降低，韧性降低，因此Mg含量设为0.010％以下。Mg含量优选为0.005％以下。
Ca：0.0001～0.005％
Ca是控制硫化物系夹杂物的形态，有助于提高韧性的元素。将Ca含量设为0.0001％以上时，能够充分获得上述效果，因此优选。Ca含量更优选为0.0010％以上。另一方面，Ca含量超过0.005％时，生成氧化物，钢的洁净度降低，韧性降低，因此Ca含量为0.005％以下。Ca含量优选为0.004％以下。
REM：0.0001～0.005％
在本实施方式中，术语“REM”是指由Sc和镧系元素组成的合计16种元素，术语“REM含量”是指这16种元素的合计含量。REM是控制硫化物系夹杂物的形态，有助于提高韧性的元素群的总称。将REM含量设为0.0001％以上时，能够充分获得上述效果，因此优选。REM含量更优选为0.0010％以上。另一方面，REM含量超过0.005％时，生成氧化物，钢的洁净度降低，韧性降低，因此REM含量为0.005％以下。REM含量优选为0.002％以下。
Y：0.0001～0.005％
Hf：0.0001～0.005％
Re：0.0001～0.005％
Y、Hf和Re是有助于提高热加工性的元素。将Y、Hf和Re中的一种以上的含量设为0.0001％以上时，能够充分获得上述效果，因此优选。更优选Y、Hf和Re中的一种以上的含量为0.0010％以上。
另一方面，Y、Hf或Re的含量超过0.005％时，合金成本上升并且制造性降低，因此，将Y、Hf和Re各自的含量分别设为0.005％以下。Y、Hf和Re各自的含量优选为0.002％以下。
W：0.0001～0.005％
W是通过固溶强化而有助于提高强度的元素。将W含量设为0.0001％以上时，能够充分获得上述效果，因此优选。W含量更优选为0.0010％以上。另一方面，W含量超过0.005％时，制造性由于析出和偏析而降低，因此W含量为0.005％以下。W含量优选为0.002％以下。
在本实施方式的钢管的钢板的成分组成中，上述元素以外的余量包含Fe和杂质。杂质是从钢原料中和/或在炼钢过程中混入，在不损害钢板特性和钢管特性的范围内残留在钢板中的元素。例如，Sb、Sn、Co和As分别可以残留0.10％以下，Pb和Bi分别可以残留0.005％以下，H可以残留0.0005％以下。
(ii)钢板的Ceq和Pcm
如上所述，本实施方式的钢管是具备钢板和对该钢板焊接而得到的焊接部的焊接钢管。为了获得能够在极低温环境下使用的钢管，钢板当然需要具备能够承受极低温环境的韧性的成分组成、金属组织和机械特性(对于钢板的成分组成如上所述。对于钢板的金属组织和机械特性稍后说明。)，焊接部也需要具备能够承受极低温环境的强度和韧性。为了提高焊接的强度和韧性，钢板必须具备能够形成具有能够承受极低温环境的强度和韧性的焊接部的焊接性。
本实施方式的钢管的钢板中，为了确保制管时的焊接性和将钢管彼此焊接的现场的焊接性(现场焊接性)，将Ceq(碳当量)和Pcm(焊接裂纹敏感性)限定为所需范围。以下进行说明。
Ceq：0.30～0.53
Ceq(碳当量)是表示钢板焊接性的指标之一。如上所述，在本实施方式的钢管的焊接部(特别是焊接热影响区)中，与钢管的母材钢板同样，需要确保能够承受极低温环境的强度和韧性。另外，即使在现场焊接钢管彼此的管端焊接部，也需要确保能够耐受极低温环境的强度和韧性。
因此，本实施方式的钢管的钢板中，为了确保钢管制造时的焊接性和现场焊接钢管彼此时的焊接性(现场焊接性)，将由下式(1)定义的Ceq设为0.30～0.53。
Ceq＝[C]+[Mn]/6+([Ni]+[Cu])/15+([Cr]+[Mo]+[V])/5…式(1)
式(1)中，用括号括起来的元素符号表示该元素的以质量％为单位的钢板的成分组成中的含量。
Ceq低于0.30时，无法在焊接部获得所需的组织，难以确保能够承受极低温环境的强度，因此Ceq为0.30以上。Ceq优选为0.35以上。
另一方面，Ceq超过0.53时，焊接部的强度变得过高，难以确保焊接部的焊接性、特别是低温韧性，因此Ceq设为0.53以下。Ceq优选为0.48以下。
Pcm：0.100～0.165
此外，为了确保现场焊接性，在本实施方式的钢管的钢板中，除了由上述式(1)定义的Ceq以外，将由下式(2)定义的Pcm设为0.100～0.165。
Pcm＝[C]+[Si]/30+([Mn]+[Cu]+[Cr])/20+[Ni]/60+[Mo]/15+[V]/10+5×[B]…式(2)
式(2)中，用括号括起来的元素符号表示该元素的以质量％为单位的钢板的成分组成中的含量。
Pcm是表示焊接部的裂纹敏感性的指标，基于影响焊接性的元素量算出。Pcm低于0.100时，在将本实施方式的钢管彼此在低温环境下焊接的焊接部中，得不到所需的组织，难以确保能够承受极低温环境的强度，因此Pcm设为0.100以上。Pcm优选为0.120以上。
另一方面，Pcm超过0.165时，在极低温环境下焊接本实施方式的钢管彼此的焊接部会产生裂纹，因此Pcm设为0.165以下。Pcm优选为0.150以下、0.140以下或0.135以下。
(iii)金属组织
接着，对本实施方式的钢管的钢板的金属组织进行说明。本实施方式的钢管被用作极低温环境下输送原油、天然气等的流体的管线管的情况下，整个钢管被暴露在极低温环境中。因此，本实施方式的钢管的钢板需要具备能够承受极低温环境的稳定的机械特性。
因此，在本实施方式的钢管的母材钢板中，承担机械特性的金属组织是重要的。
在本实施方式的钢管的钢板中，基本思想是，为了确保能够承受极低温环境的机械特性(特别是韧性)，(1)规定从表面到深度1mm为止的区域即表层的金属组织和板厚面的有效结晶粒径，而且(2)规定板厚的1/4t部(t：板厚)和板厚的1/2t部(t：板厚)的金属组织，而且(3)规定板厚方向的硬度分布，将整个钢板强韧化。再者，1/4t部是从钢板表面起为钢板的板厚t的1/4深度位置及其附近(或者以从钢板表面起为钢板的板厚t的1/4深度位置为中心面的厚度2mm的区域)，1/2t部是从钢板表面起为钢板的板厚t的1/2深度位置(即钢板的中心面)及其附近(或者以从钢板表面起为钢板的板厚t的1/2深度位置为中心面的厚度2mm的区域)。
本实施方式的钢管的钢板中，在板厚方向的3个部位(即表层、1/4t部和1/2t部)分别规定金属组织，但本实施方式的钢管的钢板板厚只要能够在上述3个部位形成所需的金属组织，就不限定于特定板厚。但是，如后所述，通过将钢板的板厚设为25.4mm以上，本实施方式的钢管能够相对于现有的钢管发挥显著的优越性。
以下，对本实施方式的钢管的钢板的金属组织进行说明。再者，钢板各部位的金属组织(特别是多边形铁素体量等)在表层、1/4t部和1/2t部可以分别不同，进而有时在各部位沿着厚度方向产生多边形铁素体量的差异。该情况下，如果钢板的各部位的多边形铁素体量的平均值在预定范围内，则看作满足本实施方式的钢管的钢板的多边形铁素体量的要件。再者，对于金属组织的形成方法稍后说明。
本实施方式的钢管的钢板的、从表面到深度1mm为止的区域(即表层)的金属组织包括：
(a)按面积率计为0～50％的多边形铁素体、以及
(b)包含贝氏体、针状铁素体和回火马氏体中的1种或2种以上的余量。
直接暴露在极低温环境下的钢管表层需要具备能够承受极低温环境的高机械特性。例如，在钢管表面产生的裂纹即使很微小，也会在极低温环境下成为断裂的起点。因此，暴露在极低温环境下的钢管需要具备不易产生裂纹的表层、和/或裂纹即使产生也不易传播的表层。
因此，在本实施方式的钢管的钢板中，将从表面到深度1mm为止的区域即表层(以下有时简称为“表层”)的金属组织设为以下金属组织，其包含(a)按面积率计为0～0.50％的多边形铁素体、以及(b)包含贝氏体、针状铁素体和回火马氏体中的1种或2种以上的余量。
金属组织在上述范围内的高机械特性区域的深度低于1mm时，高机械特性区域的厚度过薄，难以长时间地维持能够承受极低温环境下的机械特性。因此，将应当赋予高机械特性的区域定为从表面到深度1mm为止。即，本实施方式的钢管的钢板中，在表层形成以下金属组织，该金属组织能够长期维持能够承受极低温环境下的机械特性。
在钢板表层的金属组织中，软质的多边形铁素体的面积率超过50％时，在钢板表层变得难以使用余量组织确保所需的强度和硬度，因此钢板表层的金属组织中的多边形铁素体的面积率为50％以下。钢板表层的金属组织中的多边形铁素体的面积率优选为45％以下、42％以下或40％以下。另一方面，即使钢板表层的金属组织中的多边形铁素体的面积率为0％，也能够通过余量组织确保所需的特性，因此钢板表层的金属组织中的多边形铁素体的面积率的下限值为0％。但是，也可以将钢板表层的金属组织中的多边形铁素体的面积率设为2％以上、5％以上或8％以上。
再者，在本实施方式的钢管的钢板中，多边形铁素体在光学显微镜组织中，以晶粒内不包含粗大渗碳体和MA等粗大析出物的白色块状组织的形式被观察到。在本实施方式的钢管的钢板中，贝氏体是原奥氏体晶界清晰，晶粒内微细的板条组织发达，板条内和板条间散布有微细的碳化物和奥氏体-马氏体杂化物的组织，或者原奥氏体晶界清晰，晶粒内在白色块状组织及其周围散布有碳化物和奥氏体-马氏体杂化物的组织。在本实施方式的钢管的钢板中，针状铁素体是原奥氏体晶界不清晰，晶粒内以随机的晶体取向生成针状的铁素体，且不包含碳化物和奥氏体-马氏体杂化物的组织。在本实施方式的钢管的钢板中，回火马氏体是能够采用通常的方法鉴定的受到回火的马氏体。
为了确保所需的机械特性，在钢板表层中，金属组织的余量包含贝氏体、针状铁素体和回火马氏体中的1种或2种以上。优选钢板表层的金属组织的余量仅由贝氏体、针状铁素体和回火马氏体中的1种或2种以上构成。但是，有时以点状包含其他组织和夹杂物(例如加工铁素体等)。该情况下，如果钢板表层中的多边形铁素体与贝氏体、针状铁素体和回火马氏体中的1种或2种以上的合计面积率为99％以上，则允许其他组织和夹杂物。
不需要规定钢板表层中的贝氏体、针状铁素体和回火马氏体各自的含量。但是，当例如钢板表层的金属组织包含按面积率计为1％以上、2％以上或3％以上的回火马氏体的情况下，钢板表层的强度提高，因此能够期待钢管寿命的提高。对于钢板表层的金属组织的形成方法稍后说明。
本实施方式的钢管的钢板的1/4t部的金属组织包括：
(a)按面积率计为10～40％的多边形铁素体、以及
(b)包含贝氏体和针状铁素体中的1种或2种的余量。
在形成承担极低温环境下能够耐受的机械特性、特别是极低温韧性的金属组织方面，1/4t部和1/2t部的金属组织是重要的。这是因为，最有助于钢板韧性的部位是从1/4t部到1/2t部为止的所谓钢板的中心区域。
为了在钢板的从表层到1/4t部为止之间形成承担在极低温环境下的机械特性、特别是极低温韧性的金属组织，在1/4部形成以下金属组织，该金属组织包括(a)按面积率计为10～40％的多边形铁素体、以及(b)包含贝氏体和针状铁素体中的1种或2种的余量。在1/4t部，需要生成10％面积以上的软质多边形铁素体，由此提高1/4t部的韧性。1/4t部的多边形铁素体的面积率优选为15％以上、18％以上、20％以上或25％以上。
另一方面，如果在1/4t部的金属组织中，软质多边形铁素体的面积率超过40％，则在1/4t部，厚度方向的强度和硬度大幅降低，钢板表层的金属组织与稍后说明的1/2t部的金属组织的连续性受损，变得难以确保机械特性的均等性，因此，板厚1/4t部的多边形铁素体的面积率为40％以下。可以将板厚1/4t部的多边形铁素体的面积率设为35％以下或30％以下。
通过将板厚1/4t部的金属组织中的多边形铁素体的面积率设为10～40％，并且如后所述地将板厚面的有效结晶粒径设为20μm以下，由此能够确保将-60℃的夏比吸收能设为200J以上、且将DWTT延性断裂率设为85％以上的钢管。
1/4t部的金属组织的余量包含贝氏体和针状铁素体中的1种或2种。通过该金属组织，能够确保所需的机械特性。优选1/4t部的金属组织的余量仅由贝氏体和针状铁素体中的1种或2种构成。但是，有时以点状包含其他组织和夹杂物。该情况下，如果在1/4t部的多边形铁素体与贝氏体和针状铁素体中的1种或2种的合计面积率为99％以上，则允许其他组织和夹杂物。
对于板厚1/4部的金属组织的形成方法，与钢板表层的金属组织的形成方法一并稍后说明。
1/2t部的金属组织包括：
(a)按面积率计为5～30％的多边形铁素体；以及
(b)包含贝氏体和针状铁素体中的1种或2种的余量。
为了形成承担在极低温环境下的机械特性、特别是强度和硬度的金属组织，使钢板强韧化，在1/2t部形成以下金属组织，该金属组织包括(a)按面积率计为5～30％的多边形铁素体、以及(b)包含贝氏体和针状铁素体中的1种或2种的余量。
在1/2t部的金属组织中，软质多边形铁素体的面积率低于5％时，1/2t部的强度和硬度变得过高，与1/4t部的金属组织的连续性受损，难以将机械特性(强度和硬度)的波动设在预定范围内。因此，1/2t部的金属组织中的多边形铁素体的面积率设为5％以上。1/2t部的金属组织中的多边形铁素体的面积率优选为10％以上、或者15％以上。不需要特别限定1/2t部的金属组织中的多边形铁素体的面积率的上限，但考虑到制造装置的能力等，推定30％是实质的上限。可以将1/2t部的金属组织中的多边形铁素体的面积率设为28％以下或25％以下。
1/2t部的金属组织的余量设为贝氏体和针状铁素体中的1种或2种。通过该金属组织，能够确保所需的机械特性。优选1/2t部的金属组织的余量仅由贝氏体和针状铁素体中的1种或2种构成。但是，有时以点状包含其他组织和夹杂物。该情况下，如果在1/2t部的多边形铁素体与贝氏体和针状铁素体中的1种或2种的合计面积率为99％以上，则允许其他组织和夹杂物。
对于1/2t部的金属组织的形成方法，与1/4t部的金属组织的形成方法和钢板表层的金属组织的形成方法一并稍后说明。
这样，在本实施方式的钢管中，钢板表层与有效结晶粒径、以及1/4t部和1/2t部的金属组织相配合，能够在极低温环境下确保优异的机械特性。
表层、1/4t部、1/2t部的组织的鉴定可以通过例如对包含各部位的试料的截面进行研磨，形成具有金属光泽的观察面，并将该观察面浸渗于硝酸乙醇溶液(即3％硝酸和97％乙醇溶液)中进行蚀刻，用光学显微镜观察该观察面的组织来进行。多边形铁素体的面积率可以通过对金属组织的光学显微镜照片进行图像分析来求得。在表层、1/4t部或1/2t部的多个部位拍摄金属组织的光学显微镜照片，算出各照片中的多边形铁素体的面积率的平均值，可以将该平均值看作表层、1/4t部或1/2t部中的多边形铁素体的面积率。
(iv)钢板的板厚面的有效结晶粒径
板厚面的有效结晶粒径：20μm以下
板厚面的有效结晶粒径在确保极低温环境下的优异韧性方面，上述的钢板表层、1/4t部和1/2t部的金属组织都很重要。
板厚面的有效结晶粒径超过20μm时，极低温环境下的韧性降低，因此板厚面的有效结晶粒径设为20μm以下。板厚面的有效结晶粒径优选为15μm以下。
再者，板厚面是平行于钢管的长度方向且垂直于钢板表面的切断面。有效结晶粒径是通过使用EBSP(Electron Back Scattering Diffraction Pattern)分析板厚面而得到的、具有15°以上的结晶取向差的边界所包围的部分(晶粒)的圆当量直径的平均值。有时在板厚面有效结晶粒径不均匀，该情况下可以将钢板表层、1/4t部和1/2t部的有效结晶粒径的平均值看作本实施方式的钢管的钢板的有效结晶粒径。
(v)硬度分布
对于本实施方式的钢管的钢板在极低温环境下的机械特性，如果钢板的板厚方向的硬度分布满足下式(3)，并且表层的硬度与1/2t部的硬度之差为30Hv以下，则更加显著地提高。
表层的硬度≥1/4t部的硬度≥1/2t部的硬度…(3)
当对钢板进行控制冷却的情况下，钢板表层的冷却速度大于钢板内部的冷却速度，因此钢板表层的硬度变得高于钢板内部的硬度。这意味着钢板表层的韧性比钢板内部的韧性低，在板厚方向韧性产生差异，极低温环境下的钢板韧性大大降低。
但是，本发明人发现，如果本实施方式的钢管的钢板在板厚方向上的硬度分布满足上述式(3)，并且表层的硬度与1/2t部的硬度之差为30Hv以下，则板厚方向上的机械特性的变动差变小，能够确保可以耐受极低温环境的更优异的机械特性。对于形成满足上述式(3)且表层的硬度与1/2t部的硬度之差为30Hv以下的硬度分布的方法稍后说明。
钢管的钢板的表层硬度通过例如将钢管切断，制成与钢管长度方向平行且与钢板表面垂直的切断面，在该切断面的、从钢板表面起深度为0.5mm的位置，沿着钢管长度方向以1mm的间隔实施10点的维氏硬度测定，并取该测定结果的平均值而得到。1/4t部的硬度和1/2t部的硬度分别通过例如在上述切断面的从钢板表面起深度为1/4t的位置和深度为1/2t的位置，沿着钢管长度方向以1mm的间隔实施10点的维氏硬度测定，取该测定结果的平均值而得到。在任何维氏硬度测定中，都希望载荷为10kg。
由于本实施方式的钢管的钢板即圆筒状母材部具有上述组织，因此具备能够承受极低温环境的机械特性和优异的现场焊接性。另外，本实施方式的钢管的焊接部的钢板焊接性优异，因此与钢板同样地具有优异的机械特性。因此，本实施方式的钢管特别适合作为在极低温环境下铺设的管道用钢管。
本实施方式的钢管的钢板的板厚没有特别限定。但是，当钢板的板厚为25.4mm以上并且钢板的Ceq为0.35～0.53的情况下，本实施方式的钢管显示出相对于以往的钢管特别显著的优越性。这是因为钢板的板厚越大，并且钢板的Ceq越大，就越难以抑制钢板的金属组织和硬度沿着板厚方向的波动。本实施方式的钢管是通过包括控制冷却的上述制造方法而得到的，该控制冷却的特征在于还控制钢板内部的冷却速度，因此即使钢板的板厚和Ceq大，也可抑制板厚方向的硬度波动，钢板表层、钢板1/4t部和钢板1/2t部中的金属组织被设在预定范围内。
本实施方式的钢管的焊接热影响区没有特别限定。由于本实施方式的钢管将具有高焊接性的钢板作为母材，因此即使在极低温环境下，焊接热影响区也发挥高强度和高韧性。本实施方式的钢管的焊接金属部没有特别限定，是通过使用本实施方式的钢板所属的技术领域中一般的极低温用焊线和焊剂，对本实施方式的钢板进行焊接而得到的。
接着，对本实施方式的钢管的制造方法进行说明。
本实施方式的钢管的制造方法具有以下工序：对具有本实施方式的钢管的钢板的化学组成的钢片(钢坯)进行加热的工序；热轧所述钢片，得到厚钢板的工序；通过喷射冷却水来对所述厚钢板进行第1冷却的工序；使所述厚钢板复热的工序；对所述厚钢板进行第2冷却，得到钢管用钢板的工序；将所述钢管用钢板成形为筒状的工序；以及将成形为筒状的所述钢管用钢板的对接了的两端部进行焊接的工序。
在该制造方法中，加热的工序中的所述钢片的加热温度为950℃以上，热轧的工序在非再结晶温度范围内以3以上的压下比实施，进行热轧工序中的轧制终止温度Tz超过Ar3点-10℃，在进行第1冷却的工序中，以所述厚钢板的1/4t部的温度在后续的复热工序中在650～750℃的范围内保持1秒以上的方式，控制所述冷却水的喷射，在第1冷却的工序中的冷却停止温度Tb在所述厚钢板的表面为500℃以下，第1冷却的工序中的冷却速度Vc为50℃/秒以上，复热工序中的复热温度Tx为550℃以上，在复热工序中的复热速度Vr为50℃/秒以上，在第2冷却工序中，所述钢管用钢板的1/4部的冷却速度在铁素体和贝氏体相变区内，并且所述钢管用钢板的1/2t部的冷却速度在铁素体和贝氏体相变区内。
在对钢板进行控制冷却的情况下，冷却速度从钢板表面朝向钢板内部降低，因此生成的金属组织沿厚度方向不同。这意味着在钢板的板厚方向上，机械特性、特别是韧性上存在差异。并且，如果该差异大，则在极低温环境下的韧性大大降低。
但是，本发明人发现：通过在利用热轧后的控制冷却而生成的金属组织中，利用冷却后的复热来控制板厚度方向上的冷却速度的差异，并且如果适当地进行该控制，则能够抑制因冷却速度的差异而产生的金属组织的变化，能够确保可承受极低温环境的机械特性。
图1示意性地表示控制冷却的一例。A是厚钢板表层的冷却曲线，B是厚钢板的1/4t部的冷却曲线，C是厚钢板的1/2t部的冷却曲线。再者，厚钢板的表层是从厚钢板的表面到深度1mm的区域，厚钢板的1/4t部是从厚钢板的表面起为厚钢板的板厚t的1/4深度的位置及其附近，厚钢板的1/2t部是从厚钢板的表面起为厚钢板的厚度t的1/2深度的位置(即厚钢板的中心面)及其附近。以下，参照图1对本实施方式的钢管的制造方法的特征要件进行说明。
钢片的成分组成：与本实施方式的钢管的钢板的成分组成相同
作为本实施方式的钢管的材料的钢片，只要其成分组成在上述钢管的钢板的成分组成的范围内，就没有特别限定。钢片的制造方法可以考虑经济性等适当选择。
热轧中的钢片加热温度：950℃以上
钢片在供于热轧之前被加热。为了在奥氏体区域对钢片进行热轧以细化晶粒，使钢片在供于热轧之前加热到950℃以上。钢片加热温度优选为1000℃以上。钢片加热温度的上限没有特别限定，但当钢片加热温度过高的情况下，有时后述的热轧中的热轧温度变得过高。热轧在非再结晶温度范围实施，在此需要抑制奥氏体晶粒的粗大化，因此热轧前的加热中的钢片加热温度优选为1200℃以下。
不过，当钢片的Ac3点为950℃以上的情况下，为了在奥氏体区域对钢片进行热轧，需要在供于热轧之前将钢片加热到Ac3点以上。Ac3点是在加热钢时从铁素体向奥氏体的转变完成的温度，根据钢的化学成分而不同。Ac3点可以基于下式(4)近似地算出。数学式中的用括号括起来的元素符号表示厚钢板的成分组成(即钢管的钢板的成分组成)中的以质量％为单位的含量。
Ac3＝937.2-436.5×[C]+56×[Si]-19.7×[Mn]-16.3×[Cu]-26.6×[Ni]-4.9×[Cr]+38.1×[Mo]+124.8×[V]+136.3×[Ti]-19.1×[Nb]+198.4×[Al]+3315×[B]…(4)
式(4)中，用括号括起来的元素符号表示该元素的以质量％为单位的钢片的成分组成中的含量。
热轧中的非再结晶温度范围轧制时的压下比：3以上
对加热到上述温度以上的钢片进行热轧。该热轧包含在再结晶温度范围内实施的热轧、和在非再结晶温度范围进行的热轧。只要不妨碍在后述预定条件下进行在非再结晶区域内实施的热轧，在再结晶温度范围实施的热轧的条件就没有特别限制。
在非再结晶温度范围内，需要在3以上的压下比进行热轧。再者，当在非再结晶温度范围内的热轧分为多道次进行的情况下，在非再结晶温度范围内的所有道次的总压下比需要为3以上。通过在该非再结晶温度范围内的热轧，使晶粒细化，从而确保有效结晶粒径为20μm以下的金属组织。非再结晶温度范围内的热轧的压下比根据期望的板厚适当设定即可，因此，压下比的上限没有特别限定，通常为5以下。
热轧结束温度：超过(Ar3点-10℃)
热轧结束温度Tz(℃)是超过Ar3点-10℃的温度，即奥氏体区域和比其稍低的温度范围内的温度(参照图1)。热轧结束温度Tz是刚离开热轧中的最后的轧制道次后的厚钢板的表面温度。通过热轧结束后的控制冷却和复热，在钢板表层、板厚1/4t部和板厚1/2t部的各个部分形成所需的金属组织。为了实现这一点，需要在热轧结束后使控制冷却前的钢板组织实质上成为奥氏体。再者，Ar3点是在冷却钢时从奥氏体向铁素体的相变开始的温度，根据钢的化学成分而不同。Ar3点可以基于下式(5)来近似地算出。数学式中的用括号括起来的元素符号，表示厚钢板的成分组成(即钢管的钢板的成分组成)的以质量％为单位的含量，符号“t”表示厚钢板的以mm为单位的板厚。再者，鉴于在奥氏体区域完成热轧这一点，热轧结束温度Tz优选为Ar3点以上，因此在图1中，Tz被记载为高于Ar3点的温度。但是，如果热轧结束温度Tz超过Ar3点-10℃，则能够在热轧结束后将控制冷却前的钢板组织实质上设为奥氏体。
Ar3(℃)＝910-310×[C]-80×[Mn]-20×[Cu]-15×[Cr]-55×[Ni]-80×[Mo]+0.35(t-8)…(5)
式(5)中，用括号括起来的元素符号表示该元素的以质量％为单位的钢板的成分组成中的含量。
热轧结束后的控制冷却(第1冷却)
直到低于500℃的冷却停止温度Tb(℃)为止，以冷却速度Vc将热轧结束温度Tz(℃)的厚钢板的表面进行控制冷却(参照图1的“冷却曲线A”)。冷却停止温度Tb是在第1冷却和复热过程中的钢板表面的最低温度，通常是在冷介质向钢板表面喷射结束的瞬间的厚钢板的表面温度。冷却速度Vc是将热轧结束温度Tz与冷却停止温度Tb之差除以厚钢板的表面温度从热轧结束温度Tz下降到冷却停止温度Tb所需的时间而得到的值。冷却速度Vc的最佳值根据轧制结束温度Tz(℃)和钢种类而不同，因此厚钢板表面的冷却速度Vc没有特别限定，但优选为50℃/秒以上。通过该控制冷却，能够将钢板表层的金属组织设在上述范围内。
为了使钢板表层的金属组织更好，厚钢板表面的冷却速度Vc优选为用下式(6)和(7)定义的临界冷却速度Vc90以上。临界冷却速度Vc90表示为了将组织设为马氏体组织所需的最小冷却速度。
Vc90＝10(3.69-0.75×β)…(6)
β＝2.7×[C]+0.4×[Si]+[Mn]+0.45×([Ni]+[Cu])+2×[V]+0.8×[Cr]+[Mo]…(7)
式(7)中，用括号括起来的元素符号表示该元素的以质量％为单位的含量。
厚钢板表面的冷却停止温度Tb(℃)：小于500℃
如果厚钢板表面的冷却停止温度Tb(℃)为500℃以上，则钢板强度降低，因此，厚钢板表面的冷却停止温度Tb(℃)小于500℃。
为了在钢板表层确保面积率为50％以下的多边形铁素体，厚钢板表面的冷却停止温度Tb(℃)优选为(Ms点-50℃)以上且(Ms点+50℃)以下(参照图1“冷却曲线A”)。Ms点由下式(8)求得。
Ms＝545-330×[C]+2×[Al]-14×[Cr]-13×[Cu]-23×[Mn]-5×[Mo]-4×[Nb]-13×[Ni]-7×[Si]+3×[Ti]+4×[V]…(8)
式(8)中，用括号括起来的元素符号表示该元素的以质量％为单位的含量。
再者，第1冷却之后在钢板产生的复热是由钢板表面与钢板内部的温度差引起的。因此，通过在第1冷却时控制该温度差，能够控制复热的形态。当通过对钢板喷射冷却水等的冷介质来实施第1冷却的情况下，钢板内部的温度由钢板的厚度、热轧结束温度Tz、冷介质的温度、冷介质的流量和冷介质的流速等因素影响。通过改变这些因素，能够控制钢板内部的温度，因此能够控制复热的形态。通过以能够对钢板内部的温度造成影响的因素作为变量进行热行为模拟，由此能够确定用于控制钢板内部的温度的条件。
在第1冷却中，除了如上所述地控制钢板表面的冷却速度和冷却停止温度之外，还需要控制冷介质的喷射条件，将后续的复热形态设为后述的预定范围内。
控制冷却后的复热
控制冷却后，从冷却停止温度Tb(℃)直到处于550～650℃的温度范围的复热温度Tx(℃)为止，以复热速度Vr(℃/秒)对钢板表面进行复热(参照图1“冷却曲线A”)。复热温度Tx被定义为复热时的厚钢板表面的最大温度，复热速度Vr被定义为冷却停止温度Tb与复热温度Tx之差除以厚钢板表面温度从冷却停止温度Tb上升到复热温度Tx所需的时间而得到的值。钢板表面的复热速度Vr优选设为50℃/秒以上。
通过该复热，在钢板表层生成的马氏体被回火，能够得到包含以下(a)和(b)的金属组织：
(a)按面积率计为50％以下的多边形铁素体、以及
(b)余量：包含贝氏体、针状铁素体和回火马氏体中的1种或2种以上。
另外，如图1中的冷却曲线B所示，在将钢板表面复热到550～650℃的温度范围的复热温度Tx(℃)时，板厚1/4t部需要在650～750℃的铁素体区域的温度范围Tf(℃)保持1秒以上(参照图1中的“t”)。通过将板厚1/4t部在温度范围Tf内保持1秒以上，能够在板厚1/4t部生成软质的多边形铁素体，在1/4t部得到上述金属组织。再者，复热中的“温度保持”不仅包括严格的等温保持，还包括将温度变化速度抑制在±5℃/秒以下的情况。因此，“板厚1/4t部在650～750℃的铁素体区域的温度范围Tf保持1秒以上”是指板厚1/4t部的冷却历程在温度范围Tf中温度变化速度被抑制为±5℃/秒以下的期间为1秒以上。
在通常的控制冷却和复热中，在板厚1/4t部不发生如上所述的温度保持，而发生例如图1中的虚线所示的温度历程。但是，例如通过控制第1冷却中的冷却条件以增大1/2t部与1/4t部之间的温度差，在复热时产生从1/2t部向1/4部的热移动，由此能够实现上述温度保持。如上所述，增大1/2t部与1/4t部之间的温度差的冷却条件可通过进行将能够对钢板内部的温度造成影响的因素作为变量的热行为模拟来得到。
另外，如果复热后的钢板表面温度Tx低于550℃，则板厚1/4t部的温度保持在低于温度范围Tf(℃)、即低于650℃发生，因此在板厚1/4t部无法得到所需的金属组织。因此，复热后的钢板表面温度Tx设为550℃以上。钢板表面温度Tx优选为600℃以上。
另一方面，如果复热后的钢板表面温度Tx超过650℃时，则板厚1/4t部的温度保持在超过温度范围Tf(℃)、即超过750℃发生，因此同样地无法在1/4t部得到所需的金属组织。因此，复热后的钢板表面温度Tx设为650℃以下。钢板表面温度Tx优选为630℃以下。
复热后的冷却(第2冷却)
复热后，
(ii-1)厚钢板的表层直接冷却，或者暂且冷却后再次进行复热，然后冷却至室温，
(ii-2)厚钢板的1/4t部在至少600～500℃的温度范围内以进入铁素体和贝氏体相变区域的冷却速度进行冷却，
(ii-3)厚钢板的1/2t部在至少600～500℃的温度范围内以进入铁素体和贝氏体相变区域的冷却速度进行冷却。
如果将钢板表层直接冷却，则能够得到具有包含以下(a)和(b)的金属组织的表层，
(a)按面积率计为5％以下的多边形铁素体；以及
(b)包含贝氏体、针状铁素体和回火马氏体中的1种或2种以上的余量。
另外，如果在钢板表层的冷却途中进行1次以上的复热，则能够得到具有包含以下(a')和(b')的金属组织的表层，
(a')按面积率计为10％以下的多边形铁素体；以及
(b')包含贝氏体、针状铁素体和回火马氏体中的1种或2种以上的余量。
复热后，将1/4t部在至少600～500℃的温度范围内以进入铁素体和贝氏体相变区域的冷却速度进行冷却，由此，能够得到具有由(a)按面积率计为30％以下的多边形铁素体、以及(b)余量：贝氏体和针状铁素体中的1种或2种构成的金属组织的1/4t部。进入铁素体和贝氏体相变区域的冷却速度根据钢板的成分组成而确定，可以通过实验适当地求出。
另外，复热后，将1/2t部在至少600～500℃的温度范围内以进入铁素体和贝氏体相变区域的冷却速度进行冷却，由此能够得到具有由按面积比计为10％以上的多边形铁素体、以及(b)余量：贝氏体和针状铁素体中的1种或2种构成的金属组织的1/2t部。进入铁素体和贝氏体相变区域的冷却速度根据钢板的成分组成而确定，可以通过实验适当地求出。
在本实施方式的钢管的制造方法中，需要控制厚钢板的内部(1/4t部和1/2t部)的温度，但难以测定厚钢板内部的温度历程。厚钢板内部的温度历程的测定例如在厚钢板内部配置热电偶等测温单元，在该状态下实施各种制造工艺即可，但这样会大大损害钢管的生产率。因此，可以基于由上述手段等获得的一些实测数据进行模拟，推定厚钢板的内部温度历程，基于该推定值确定制造条件、特别是冷却介质的喷射条件等。即使是基于推定值的操作，也能够得到本实施方式的钢管。
在此，在图2表示依据上述制造方法制造出的板厚30mm的本实施方式的钢管的钢板的、板厚方向上的优选硬度分布的一例。硬度Hv是在10kg的重量下测得的硬度。
如图2所示，本实施方式的钢管中，从钢板的表层到1/2t部的硬度分布被均匀化，从表层到1/2t部的硬度差小于20Hv。在1/2t部的硬度降低是由于在1/2t部存在按面积率计为30％以下的多边形铁素体而引起的。该硬度降低不会显著影响钢板的极低温韧性。不过，如果在1/2t部的多边形铁素体的面积率超过30％，则难以在1/2t部确保足够的夏比吸收能。钢板的从表层到1/2t部的硬度分布被均匀化，因此，本实施方式的钢管中，能够确保在-60℃下的夏比吸收能为200J以上，并确保DWTT延性断裂面积率为85％以上。
钢管用钢板的成形手段没有特别限定，从尺寸精度的观点出发，优选冷加工。也可以使用温加工或热加工。接着，将成形为筒状的钢管用钢板的两端部进行对接焊接。焊接手段不限定于特定的焊接，但优选埋弧焊接。
本实施方式的钢管的制造方法中，能够以不生成在焊接部阻碍韧性的组织(面积率超过10％的铁素体/珠光体)的方式，对焊接部实施热处理。热处理温度可以在通常的温度范围，但特别优选在300℃～Ac1点的范围。
本发明的其他实施方式的钢板是本实施方式的钢管的钢板(母材部)，是上述本实施方式的钢管的制造方法中的中间材料的钢管用钢板。即，本实施方式的钢板，成分组成以质量％为单位，包含：C：0.005～0.100％、Si：0.01～0.50％、Mn：0.50～2.50％、P：0.050％以下、S：0.005％以下、Al：0.020％以下、Ti：0.003～0.030％、O：0.0001％～0.005％、Nb：0.0001～0.20％、N：0～0.008％、Cu：0～1.00％、Ni：0～1.00％、Mo：0～1.00％、Cr：0～1.00％、V：0～0.10％、B：0～0.005％、Zr：0～0.050％、Ta：0～0.050％、Mg：0～0.010％、Ca：0～0.005％、REM：0～0.005％、Y：0～0.005％、Hf：0～0.005％、Re：0～0.005％和W：0～0.005％，余量包含铁和杂质，(ii)由下式(1)定义的Ceq为0.30～0.53，且由下式(2)定义的Pcm为0.100～0.165，(iii-1)所述钢板的从表面到深度1mm为止的区域即表层的金属组织包含(a)按面积率计为0～50％的多边形铁素体、以及(b)含有贝氏体、针状铁素体和回火马氏体中的1种或2种以上的余量，(iii-2)所述钢板的1/4t部的金属组织包含(a)按面积率计为10％～40％的多边形铁素体、以及(b)含有贝氏体和针状铁素体中的1种或2种的余量，(iii-3)所述钢板的1/2t部的金属组织包含(a)按面积率计为5～30％的所述多边形铁素体、以及(b)含有贝氏体和针状铁素体中的1种或2种的余量，(iv)所述钢板的板厚面的有效结晶粒径为20μm以下，(v)所述钢板的所述板厚面上，板厚方向的硬度分布满足下式(3)，并且所述表层的硬度与所述1/2t部的硬度之差为30HV以下。
Ceq＝[C]+[Mn]/6+([Ni]+[Cu])/15+([Cr]+[Mo]+[V])/5…式(1)
Pcm＝[C]+[Si]/30+([Mn]+[Cu]+[Cr])/20+[Ni]/60+[Mo]/15+[V]/10+5×[B]…式(2)
所述表层的硬度≥所述1/4t部(t：板厚)的硬度≥所述1/2t部的硬度…式(3)
在此，所述式(1)和所述式(2)中，用括号括起来的元素符号表示该元素的以质量％为单位的钢板的成分组成中的含量。
不需要对本实施方式的钢管的母材材(钢板)实施热处理，因此，本实施方式的钢板与上述实施方式的钢管的钢板实质相同。因此，本实施方式的钢板与上述实施方式的钢管同样地具备能够承受极低温环境的机械特性。另外，根据上述实施方式的钢管的钢板的优选限定条件也能够适用于本实施方式的钢板。
实施例
接着，对本发明的实施例进行说明，实施例中的条件是为了确认本发明的可实施性和效果而采用的一个条件例，本发明没有限定于这一个条件例。只要不脱离本发明主旨而能够实现本发明的目的，本发明就可以采用各种条件。
(实施例1)
将具有表1～3所示成分组成的钢液进行连铸，制造了240mm厚的钢坯。表1～3所示各元素的含量的单位为质量％，各发明例和比较例的成分组成的余量为铁和杂质。再者，杂质水平以下的元素的含量在表中表示为空白。另外，对本发明范围外的元素的含量在表中附带下划线。另外，表4中记载的Ceq、Pcm、Ac3、Ar3、β、Vc90和Ms是基于上述式(1)、式(2)和式(4)～(8)算出的。
在表5所示热轧条件和表6所示复热条件下，由这些钢坯制造了具有表7所示结构的钢板。在表中，将热轧前的加热温度记为“加热温度”，将非再结晶温度范围内的热轧的总压下比记为“压下比”，将热轧后的厚钢板的板厚记为“板厚”，将热轧结束温度记为“结束温度”。另外，关于表中公开的厚钢板的表层的复热条件，将热轧后的冷却速度记为“冷却速度”，将热轧后的冷却停止温度记为“冷却停止温度”，将复热时的最高温度记为“复热温度”。关于表中公开的厚钢板的1/4t部的复热条件，将在复热时温度变化速度抑制在±5℃/秒以下的期间的温度记为“保持温度”，将复热时温度变化速度抑制在±5℃/秒以下的期间的长度记为“保持时间”，将复热后的600～500℃的温度范围的冷却速度记为“冷却速度”。关于表中公开的厚钢板的1/2t部的复热条件，将复热后的600～500℃的温度范围内的冷却速度记为“冷却速度”。再者，制造条件中的厚钢板的1/4t部的保持温度、保持时间和600～500℃的温度范围内的冷却速度、以及厚钢板的1/2t部的600～500℃的温度范围内的冷却速度，是通过将冷却介质的喷射条件、厚钢板的表面温度历程、厚钢板的大小和热轧结束温度作为变量的模拟而得到的推定值。在表示制造条件的表中，对不合适的值附带下划线。复热时，在厚钢板的1/4t部实质上不发生上述温度滞留的情况下，对“保持温度”记载符号“-”，保持时间记为“0.0”。再者，在全部发明例和比较例中，厚钢板的1/4t部的冷却速度和厚钢板的1/2t部的冷却速度被设为进入铁素体和贝氏体相变区域的冷却速度。
通过以下手段评价了从钢板的宽度方向和长度方向(钢板长度方向与钢管长度方向相同)的中心部制取的样品。将评价结果示于表7和表8。
从表面到深度1mm的区域即表层的硬度：钢板截面中的距钢板表面深度为0.5mm的位置，以1mm的间隔并以10kg的载荷在钢板长度方向上实施10点的维氏硬度测定，将它们的平均值看作表层的维氏硬度。
1/4t部的硬度：在钢板截面中的距钢板表面深度为1/4t的位置，以10mm的间隔并以10kg的载荷下在钢板长度方向上实施10点的维氏硬度测定，将它们的平均值看作1/4t部的维氏硬度。
1/2t部的硬度：在钢板截面中的距钢板表面深度为1/2t的位置，以1mm的间隔并以10kg的载荷在钢板长度方向上实施10点的维氏硬度测定，将它们的平均值看作1/2t部的维氏硬度。
在表中，将表层的硬度与1/2t部的硬度之差记载为“硬度差”。对本发明范围外的硬度差附带下划线。另外，在不满足以下硬度分布的试料中，对其1/4t部的硬度附带下划线。
表层的硬度≥1/4t部的硬度≥1/2t部的硬度
各部位的金属组织：研磨试料的截面，形成具有金属光泽的观察面，将该观察面浸渍于硝酸乙醇溶液(即3％硝酸和97％乙醇溶液)中进行蚀刻。用光学显微镜观察试验片的观察面的组织。通过对光学显微照片进行图像分析来求得多边形铁素体的面积率(PF分数)。另外，在表层的金属组织中，发现除了多边形铁素体、贝氏体、针状铁素体和回火马氏体以外的组织的情况，以及在1/4t部和1/2t部的金属组织的余量中，发现贝氏体和针状铁素体以外的组织的情况下，将该事实记载到表中。再者，在表示钢板组织的表中，符号“F”是铁素体、符号“PF”是多边形铁素体、符号“M”是马氏体、符号“B”是贝氏体、符号“TM”是回火马氏体、符号“AF”是针状铁素体、符号“DF”是加工铁素体(Deformed Ferrite)。当组织包含99面积％以上的多边形铁素体和回火马氏体的情况下，表中记载为“PF+TM”，当组织包含99面积％以上的多边形铁素体和贝氏体的情况下，表中记载为“PF+B”，当组织包含99面积％以上的多边形铁素体和针状铁素体的情况下，表中记载为“PF+AF”。当组织中包含超过1面积％的马氏体或加工铁素体的情况下，在表中记载该情况。
板厚面的有效结晶粒径：在表中记载了使用EBSP(Electron Back ScatteringDiffraction Pattern、电子背散射衍射分析)分析板厚面而得到的、具有15°以上的结晶取向差的边界所包围的部分(晶粒)的圆当量直径的平均值。
-60℃下的夏比冲击值(“vE-60”)：通过在-60℃下进行依据JIS Z 2242“金属材料的夏比冲击试验方法”的试验而得到。试验片的制取位置为1/2t部。
DWTT韧性断裂率(“DWTT”)：通过依据API 5L 2000的试验而得到。
宽度方向的总厚度的抗拉强度(“TS”)：通过依据API 5L 2000的试验而得到。
-60℃下的夏比冲击值的合格与否的基准值为200J。DWTT韧性断裂率的合格与否的基准值为85％。宽度方向的总厚度的抗拉强度的合格与否的基准值为530MPa。满足这些全部的合格与否的基准的钢板被判断为强度和低温韧性优异的钢板。
此外，在图3～图5中表示通过上述手段观察到的金属组织的照片。
图3表示表层的金属组织。白色块状的组织是多边形铁素体(用箭头表示的组织)，余量部分是回火马氏体(用圆包围的组织)。图4表示1/4t部的金属组织。白色块状的组织是多边形铁素体(用箭头表示的组织)，余量部分是贝氏体(用圆包围的组织)。图5表示1/2t部的金属组织。白色块状的组织是多边形铁素体(用箭头表示的组织)，余量部分是贝氏体(用圆包围的组织)。
(实施例2)
将通过上述实验得到的钢板冷加工成圆筒状，将圆筒状钢板的两端部对接，进行埋弧焊，制造了钢管。对钢管A21的焊接部实施加热到550℃的热处理。
将钢管的焊接部设为0°，从90°位置测定母材部的-60℃下的夏比冲击值(“母材vE-60”)、母材部的DWTT延展性断裂率(“DWTT”)和母材部的周向的总厚度的屈服强度(“YS”)和抗拉强度(“TS”)。屈服强度是使用应力-应变曲线的0.5％欠载下的值测定的。此外，为了评价焊接部的韧性，测定了焊接部的-50℃下的夏比冲击值(“焊接部vE-50”)。焊接部vE-50是通过在-50℃下进行基于JIS Z 2242“金属材料的夏比冲击试验方法”的试验来得到的。试验片的制取位置在钢管的外表面侧，在钢管外面的FL部分(Fusion Line Portion、熔合线部分)形成V形切口。其他特性的测定方法与实施例1中的测定方法相同。
-60℃下的夏比冲击值(vE-60)的合格与否的基准值为200J。DWTT韧性断裂率的合格与否的基准值为85％。宽度方向的总厚度的抗拉强度(拉伸强度)的合格与否的基准值为530MPa。宽度方向的总厚度的屈服强度(屈服强度)的合格与否的基准值为450MPa。焊接部vE-50的合格与否的基准值为80J。满足所有这些合格与否的基准的钢管被判断为强度和低温韧性优异的钢板。
表1
Figure GDA0002580660570000321
带下划线的值在本发明的规定范围外。
表2
Figure GDA0002580660570000331
带下划线的值在本发明的规定范围外。
表3
Figure GDA0002580660570000341
带下划线的值在本发明的规定范围外。
表4
Figure GDA0002580660570000351
带下划线的值在本发明的规定范围外。
表5
Figure GDA0002580660570000361
带下划线的值是不合适的值。
表6
Figure GDA0002580660570000371
带下划线的值是不合适的值。
表7
Figure GDA0002580660570000381
带下划线的值在本发明的规定范围外。
表8
Figure GDA0002580660570000391
带下划线的值在合格范围外。
表9
Figure GDA0002580660570000401
带下划线的值在合格范围外。
根据表中公开的发明例和比较例，可知本发明的钢管在极低温环境下的母材韧性、焊接部韧性、屈服应力和抗拉强度全都优于作为比较例的以往钢管。
产业上的可利用性
如上所述，根据本发明，能够提供一种铺设在极低温环境下的管道用钢管、以及作为其材料的钢板。因而，本发明在钢板制造产业和能源产业中的可利用性高。
附图标记说明
1 钢管
2 钢板
3 焊接部

Claims (16)

1.一种钢管，具有：
由筒状钢板制成的母材部、以及
设在所述钢板的对接部且沿所述钢板的长度方向延伸存在的焊接部，
所述钢板的成分组成以质量％为单位，包含以下元素，
C：0.030～0.100％、
Si：0.01～0.50％、
Mn：0.50～2.50％、
P：0.050％以下、
S：0.005％以下、
Al：0.040％以下、
Ti：0.003～0.030％、
O：0.005％以下、
Nb：0.0001～0.20％、
N：0～0.008％、
Cu：0～1.00％、
Ni：0～1.00％、
Mo：0～1.00％、
Cr：0～1.00％、
V：0～0.10％、
B：0～0.005％、
Zr：0～0.050％、
Ta：0～0.050％、
Mg：0～0.010％、
Ca：0～0.005％、
REM：0～0.005％、
Y：0～0.005％、
Hf：0～0.005％、
Re：0～0.005％、和
W：0～0.005％，
余量包含Fe和杂质，
由下式1定义的Ceq为0.30～0.53，并且由下式2定义的Pcm为0.100～0.165，
所述钢板的从表面起到深度1mm为止的区域即表层的金属组织包括：按面积率计为0～50％的多边形铁素体、以及包含贝氏体、针状铁素体和回火马氏体中的1种或2种以上的余量，
所述钢板的1/4t部的金属组织包括：按面积率计为10～40％的所述多边形铁素体、以及包含所述贝氏体和所述针状铁素体中的1种或2种的余量，
所述钢板的1/2t部的金属组织包括：按面积率计为5～30％的所述多边形铁素体、以及包含所述贝氏体和所述针状铁素体中的1种或2种的余量，所述钢板的板厚面的有效结晶粒径为20μm以下，
所述钢板的所述板厚面上，板厚方向的硬度分布满足下式3，并且所述表层的硬度与所述1/2t部的硬度之差为30Hv以下，
Ceq＝[C]+[Mn]/6+([Ni]+[Cu])/15+([Cr]+[Mo]+[V])/5 式1
Pcm＝[C]+[Si]/30+([Mn]+[Cu]+[Cr])/20+[Ni]/60+[Mo]/15+[V]/10+5×[B] 式2
所述表层的所述硬度≥所述1/4t部的所述硬度≥所述1/2t部的所述硬度 式3
在此，所述式1和所述式2中，用括号括起来的元素符号表示该元素的以质量％为单位的所述钢板的所述成分组成中的含量。
2.根据权利要求1所述的钢管，在所述钢板的所述成分组成中，以质量％为单位，包含
N：0.001～0.008％。
3.根据权利要求1所述的钢管，所述钢板的所述成分组成以质量％为单位，包含选自以下元素中的1种或2种以上，
Cu：0.05～1.00％、
Ni：0.05～1.00％、
Mo：0.01～1.00％、
Cr：0.01～1.00％、
V：0.01～0.10％、
B：0.0001～0.005％、
Zr：0.0001～0.050％、
Ta：0.0001～0.050％、
Mg：0.0001～0.010％、
Ca：0.0001～0.005％、
REM：0.0001～0.005％、
Y：0.0001～0.005％、
Hf：0.0001～0.005％、
Re：0.0001～0.005％、和
W：0.0001～0.005％。
4.根据权利要求2所述的钢管，所述钢板的所述成分组成以质量％为单位，包含选自以下元素中的1种或2种以上，
Cu：0.05～1.00％、
Ni：0.05～1.00％、
Mo：0.01～1.00％、
Cr：0.01～1.00％、
V：0.01～0.10％、
B：0.0001～0.005％、
Zr：0.0001～0.050％、
Ta：0.0001～0.050％、
Mg：0.0001～0.010％、
Ca：0.0001～0.005％、
REM：0.0001～0.005％、
Y：0.0001～0.005％、
Hf：0.0001～0.005％、
Re：0.0001～0.005％、和
W：0.0001～0.005％。
5.根据权利要求1所述的钢管，在所述钢板的所述成分组成中，以质量％为单位，包含
Al：0.005％以下。
6.根据权利要求2所述的钢管，在所述钢板的所述成分组成中，以质量％为单位，包含
Al：0.005％以下。
7.根据权利要求3所述的钢管，在所述钢板的所述成分组成中，以质量％为单位，包含
Al：0.005％以下。
8.根据权利要求4所述的钢管，在所述钢板的所述成分组成中，以质量％为单位，包含
Al：0.005％以下。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的钢管，所述钢板的所述表层的所述金属组织含有按面积率计为1％以上的所述回火马氏体。
10.根据权利要求1～8中任一项所述的钢管，所述Pcm为0.100～0.140。
11.根据权利要求9所述的钢管，所述Pcm为0.100～0.140。
12.根据权利要求1～8中任一项所述的钢管，所述钢板的板厚为25.4mm以上，
所述Ceq为0.35～0.53。
13.根据权利要求9所述的钢管，所述钢板的板厚为25.4mm以上，
所述Ceq为0.35～0.53。
14.根据权利要求10所述的钢管，所述钢板的板厚为25.4mm以上，
所述Ceq为0.35～0.53。
15.根据权利要求11所述的钢管，所述钢板的板厚为25.4mm以上，
所述Ceq为0.35～0.53。
16.一种钢板，是用于权利要求1～15中任一项所述的钢管的所述钢板。
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