JP2000226642A

JP2000226642A - ラインパイプ用高Ｃｒ鋼管

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Publication number: JP2000226642A
Application number: JP11025432A
Authority: JP
Inventors: Yukio Miyata; 由紀夫宮田; Mitsuo Kimura; 光男木村; Takaaki Toyooka; 高明豊岡
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1999-02-02
Filing date: 1999-02-02
Publication date: 2000-08-15
Anticipated expiration: 2019-02-02
Also published as: AU758316B2; EP1070763A1; WO2000046415A1; EP1070763A4; US6464802B1; JP3509604B2; AU2323800A

Abstract

(57)【要約】【課題】成分系の変更によりＨＡＺ靱性と熱間加工
性を一段と向上させたラインパイプ用高Cr鋼管を提供す
る。【解決手段】Ｃ：0.02％以下、Si：0.5 ％以下、Mn：
0.2 〜3.0 ％、Cr：10.0〜14.0％、Ni：2.0 超〜3.0
％、Ｎ：0.02％以下、さらに好ましくはNb：0.3 ％以下
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなるライン
パイプ用高Cr鋼管。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、石油・天然ガス輸
送用に用いて好適な低温靱性に優れるラインパイプ用高
Cr鋼管に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、石油・天然ガスは、掘削が容易な
ものは掘り尽くされ、腐食が厳しい、深度が深い、寒冷
地や海底といった掘削環境が厳しい坑井にも手をつけざ
るを得なくなっている。このような坑井から生産される
石油・天然ガスの中には、炭酸ガスを多量に含む場合が
多く、このような環境では、炭素鋼あるいは低合金鋼で
は著しく腐食されるので、従来、その防食手段としてイ
ンヒビタを添加することが行われてきた。しかし、イン
ヒビタの使用は、高コストとなることや、高温では効果
が不十分なこと、漏洩が環境汚染の原因になることか
ら、近年ではインヒビタを用いる必要のない耐食材料を
用いる傾向にある。このような耐食材料として油井管で
は、Crを13％含有するマルテンサイト系ステンレス鋼が
広く用いられている。

【０００３】一方、ラインパイプでは、ＡＰＩ規格中に
Ｃ量を低減した12％Crマルテンサイト系ステンレス鋼が
規定されている。この鋼は、円周溶接に予熱、後熱が必
要であり高コストとなることや、溶接部の靱性に劣ると
いう欠点があることから、ラインパイプとして一般には
ほとんど採用されていない。このため、耐食性ラインパ
イプ用材料としては、溶接性と耐食性に優れているとの
理由で、Crを高めNi、Moを含有する二相ステンレス鋼が
用いられてきた。しかし、二相ステンレス鋼は坑井によ
っては過剰品質となり高コストとなるという問題があっ
た。

【０００４】この問題を解決すべく、特開平８−295939
号公報には、Ｃ、Ｎをそれぞれ0.03％以下、0.02％以下
に低減し、Cuを0.2 〜1.0 ％に調整した10〜14％Cr鋼を
造管後、特定条件で熱処理するというラインパイプ用高
Crマルテンサイト鋼管の製造方法が提案されている。こ
れにより、炭酸ガス環境下での耐食性、溶接性、溶接熱
影響部（ＨＡＺ）靱性に優れた鋼管が得られるとしてい
る。

【０００５】しかしながら、上記方法では熱処理により
靱性を改善しているので、熱処理の効果が失われるＨＡ
Ｚでは靱性に自ずと限界があり、より高い靱性要求に対
しては対応しきれない。また、そこに規定される成分系
では鋼の熱間加工性が不十分で、継目無鋼管とする場合
に疵が多発する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記従来技
術の問題点に鑑み、成分系の変更によりＨＡＺ靱性と熱
間加工性を一段と向上させたラインパイプ用高Cr鋼管を
提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記目的
達成に向けて鋭意検討した結果、図１に示すように、Ｃ
を0.02％以下に低減し、Niを従来の1.5 ％程度から2.0
％超に増量することにより低温靱性が改善され、これに
Nbを添加することによりさらに高い強度が得られるこ
と、そして、この成分系では、ＨＡＺ靱性、熱間加工性
も従来に増して優れたものとなることを新たに見いだし
た。なお、図１は、図中記載の組成の鋼管素材を加熱
し、φ273mm ×t13mm の継目無鋼管に造管したのち室温
まで空冷し、Ａc₃点以上に再加熱後焼入れしＡc₁点未満
で焼戻ししたサンプルの引張試験およびシャルピー衝撃
試験結果を整理して得た降伏強さ（ＹＳ）と破面遷移温
度（50％ＦＡＴＴ）の関係を示したものである。

【０００８】この知見に基づきさらに検討を重ねてなさ
れた本発明は、ラインパイプ用高Cr鋼管であって、その
組成が、重量％で、Ｃ：0.02％以下（0.015 ％以下）、
Si：0.5 ％以下（0.3 ％以下）、Mn：0.2 〜3.0 ％（1.
0 〜2.0 ％）、Cr：10.0〜14.0％、Ni：2.0 超〜3.0
％、Ｎ：0.02％以下（0.015 ％以下）、残部Feおよび不
可避的不純物であることを特徴とするラインパイプ用高
Cr鋼管である。

【０００９】本発明では、前記組成に、Nb：0.3 ％以下
（0.01〜0.10％）が付加されることが好ましい。また、
本発明では、前記組成に、以下の(a) 〜(c) の１つまた
は２つ以上が付加されてもよい。 (a) Ｖ：0.3 ％以下（0.03〜0.15％）、(b) Cu：1.0 ％
以下（0.2 〜1.0 ％）、(c) Ti、Zr、Ta：１種または２
種以上の合計0.30％以下なお、（）内はさらなる好適範囲を示す。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明鋼管の組成限定理由を以下
に述べる。Ｃ：0.02％以下（0.015 ％以下）Ｃは、ＨＡＺの硬さ低減、靱性向上、耐溶接割れ性の向
上、炭酸ガスおよび塩化物を含む環境下での耐全面腐食
性、耐孔食性の向上などの点からできるだけ低減するこ
とが望ましい。とくに、予熱なしでの溶接を可能とする
には、Ｃ量は0.02％以下とすることが必要であり、その
ためＣ量の上限を0.02％とした。なお、より良好な溶接
性確保の点から0.015 ％以下が好ましい。

【００１１】Si：0.5 ％以下（0.3 ％以下） Siは、脱酸剤として添加されるが、フェライト生成元素
であるので、多量に含有するとフェライトが生成しやす
くなり、母材およびＨＡＺの靱性を劣化させる。また、
フェライトが存在すると熱間加工性が低下し製造に支障
をきたすおそれがある。このためSi量は0.5 ％以下に限
定した。好ましくは0.3 ％以下である。

【００１２】Mn：0.2 〜3.0 ％（1.0 〜2.0 ％） Mnは、脱酸剤として作用し、さらに強度を増加させる元
素である。さらにオーステナイト生成元素であるためフ
ェライト生成を抑制し、母材およびＨＡＺの靱性を向上
させる働きもある。このような効果を得るためには、0.
2 ％以上必要であるが、3.0 ％を超えて添加しても効果
は飽和するため、Mn量は0.2 〜3.0 ％に限定する。好ま
しくは1.0 〜2.0 ％である。

【００１３】Cr：10.0〜14.0％ Crは、マルテンサイト組織を確保し、かつ炭酸ガスを含
む腐食環境における耐全面腐食性および耐孔食性を高め
るために必要な基本元素である。これらの効果を得るた
めには10.0％以上の添加が必要である。また、14.0％を
超えて含有するとフェライトの生成が容易となり、マル
テンサイト組織の安定確保または熱間加工性の低下防止
のために多量のオーステナイト生成元素の添加が必要と
なり、コスト高となる。よってCr量は10.0〜14.0％とす
る。

【００１４】Ni：2.0 超〜3.0 ％ Niは、オーステナイト生成元素であり、フェライトの生
成を抑制し、母材およびＨＡＺの靱性を向上させ、熱間
加工性の低下を抑制する働きがある。また、炭酸ガスを
含む腐食環境における耐全面腐食性および耐孔食性を向
上させる。とくに、熱処理の効果が失われるＨＡＺでの
靱性を従来以上に向上させ、かつ十分な熱間加工性を確
保するには2.0 ％を超える添加を必要とする。しかし、
3.0 ％を超える添加は靱性や熱間加工性の改善効果が飽
和し、いたずらにコストアップさせるだけとなって不利
である。このためNi量は2.0 超〜3.0 ％とする。

【００１５】Ｎ：0.02％以下（0.015 ％以下）Ｎは、Ｃと同様、溶接割れの回避、ＨＡＺの靱性向上、
およびＨＡＺの硬さ低減のためにできるだけ低減するこ
とが望ましく、0.02％を超えるとこれらの効果が十分得
られないため、0.02％以下に限定した。なお、好ましく
は0.015 ％以下である。

【００１６】Nb：0.3 ％以下（0.01〜0.10％） Nbは、Ｃとの親和力が強く、炭化物を形成する傾向が強
いため、Crとの共存でCr炭化物量を減少させ、耐食性と
くに耐孔食性に寄与する有効Cr量を増加させる。また、
Nb炭窒化物の微細分散析出強化により母材およびＨＡＺ
の強度を上昇させるとともに、細粒化効果も加わって靱
性も向上させる。そのため、積極的に添加するのが好ま
しい。ただし、0.3 ％を超えて添加すると、溶接割れ感
受性が増加し、また靱性改善効果が飽和するので、Nb量
は0.3 ％以下の範囲に止めるのがよい。なお、強度、靱
性のバランスの面から、0.01〜0.10％が好ましい。

【００１７】Ｖ：0.3 ％以下（0.03〜0.15％）Ｖは、高温強度の改善に有用な元素で、適宜添加してよ
いが、0.3 ％を超える添加では靱性の劣化を伴う強度上
昇をもたらすため、Ｖ量は0.3 ％以下の範囲に止めるの
がよい。なお高温強度改善の面から、0.03〜0.15％が好
ましい。 Cu：1.0 ％以下（0.2 〜1.0 ％）、 Cuは、Ni、Mn同様、オーステナイト生成元素であり、フ
ェライトの生成を抑制し、ＨＡＺの靱性向上、耐全面腐
食性向上に効果があり、また、熱間加工性の低下を抑制
する効果、ならびに炭酸ガスおよび塩化物を含有する環
境で不働態皮膜を安定化させ耐孔食性の向上させる効果
があるので、適宜添加してよいが、1.0％を超えると一
部が固溶せず析出するようになり、ＨＡＺの靱性に悪影
響を及ぼすので、Cu量は1.0 ％以下とするのがよい。な
お、前記種々の効果の面で好ましい範囲は0.2 〜1.0 ％
である。

【００１８】Ti、Zr、Ta：１種または２種以上の合計0.
30％以下 Ti、Zr、Taは、Nb同様、炭化物形成傾向が強く、Cr炭化
物量を減少させて耐食性とくに耐孔食性に寄与する有効
Cr量を増加する働きがあり、また、母材およびＨＡＺの
靱性向上にも効果があるので、適宜単独であるいは複合
して添加してよいが、合計で0.30％を超えると溶接割れ
感受性が増加し、また靱性が劣化するので、これらの添
加は合計で0.30％以下に止めるのがよい。なお、Ti単独
では0.01〜0.2 ％、Zr単独では0.01〜0.1 ％、Ta単独で
は0.01〜0.1 ％が好ましく、複合添加の場合は合計で0.
03〜0.2 ％が好ましい。

【００１９】その他元素は、不可避的に含有するが、母
材靱性確保の面からできるだけ低減するのが望ましい。
なお、Ｐ、Ｓ、Ｏはそれぞれ0.03％、0.01％、0.01％ま
では許容できる。次に、本発明鋼管の好ましい製造プロ
セスについて説明する。上記組成になる鋼を転炉あるい
は電気炉で溶製し、連続鋳造法あるいは造塊法により凝
固させる。その過程で溶鋼の取鍋精錬、真空脱ガス等は
必要に応じて実施する。これをそのまま鋼管素材とする
か、あるいはさらにこれを熱間圧延して鋼管素材とす
る。

【００２０】前記鋼管素材をＡc₃以上に加熱し、プラグ
ミル方式、マンドレルミル方式等の熱間圧延により継目
無鋼管とし、あるいはさらにサイザ、ストレッチレデュ
ーサにより熱間のまま所望の寸法の鋼管に造管する。造
管後は、所望の強度−靱性バランスを得るために熱処理
を行う。この熱処理は、焼入れ−焼戻し（Ｑ−Ｔ）、焼
入れ−二相域熱処理−焼戻し（Ｑ−Ｑ’−Ｔ）、焼入れ
−二相域熱処理（Ｑ−Ｑ’）、二相域熱処理−焼戻し
（Ｑ’−Ｔ）の中から目標の機械的性質に適合するもの
を採用すればよい。

【００２１】焼入れ（Ｑ）は、造管後の熱間状態から直
ちにＭs 点以下（200 ℃程度以下）まで冷却する直接焼
入れ（ＤＱ）、造管後γ域に再加熱後Ｍs 点以下（200
℃程度以下）まで冷却する再加熱焼入れ（ＲＱ）のいず
れで行ってもよい。本発明に係る組成では、Ｑを通常の
空冷で行ってもマルテンサイト組織が得られるが、衝風
冷却、水冷等により空冷よりも速く冷却する方が、変態
開始までのオーステナイト粒の成長を抑制することがで
き、変態後の組織が微細化し靱性が向上する。

【００２２】二相域熱処理（Ｑ’）は、Ａc₁点〜（Ａc₁
点＋50℃）の温度域に加熱する熱処理をいう。Ａc₁点以
上の加熱により、マルテンサイトとオーステナイトの微
細な二相組織となる。Ｃ、Ｎは、マルテンサイト相中溶
解度がオーステナイト相中溶解度よりも低いため、マル
テンサイト相からオーステナイト相へ拡散、濃縮する。
したがって、Ｑ’中は、Ｃ、Ｎが濃縮したオーステナイ
ト相とＣ、Ｎが希釈された焼戻しマルテンサイト相が形
成され、Ｑ’後の焼戻し（Ｔ）により、炭窒化物を多量
に含む焼戻しマルテンサイト相と、炭窒化物の非常に少
ない粒界強度の非常に高い焼戻しマルテンサイト相が形
成され、この粒界強度の高い焼戻しマルテンサイト相の
形成により、高靱性を有する鋼管となる。

【００２３】しかし、Ｑ’温度が（Ａc₁点＋50℃）を超
えると、最終的に粒界強度の高い焼戻しマルテンサイト
相になりゆくＣ、Ｎが希釈された焼戻しマルテンサイト
相の比率が下がり、靱性向上効果が減少する。また、粒
が粗大化することも靱性の低下につながる。Ｑ’の保持
時間は10〜60min とするのが好ましい。保持後の冷却は
空冷以上の冷却速度で行うのがよい。

【００２４】焼戻し（Ｔ）は、Ａc₁点未満（好ましくは
550 ℃以上）で行う。この温度に加熱保持後空冷以上の
冷却速度で冷却する。これにより炭窒化物の少ない粒界
強度の高い焼戻しマルテンサイト相を含んだ組織となる
ため、高靱性を有する鋼管となる。Ｔの保持時間は10〜
60min とするのが好ましい。

【００２５】

【実施例】表１に示す組成になる鋼を転炉で溶製し、真
空脱ガス処理を行い、連続鋳造法により凝固させて得た
鋳片をビレット圧延して鋼管素材とした。これら鋼管素
材をマンネスマン−プラグミル方式の製造設備によりφ
273mm ×t 13mmの継目無鋼管に造管し、造管疵の発生状
況を調査するとともに、造管後の鋼管を表２に示す条件
で熱処理し、ＹＳを600MPa前後に調整した鋼管母材から
試験片を採取し、引張特性、低温靱性、耐食性（耐全面
腐食性、耐孔食性）を調査した。また、鋼管母材を用
い、二相ステンレス鋼を溶接材料としたＴＩＧ溶接（電
圧15V 、電流200A、溶接速度10cm/min、入熱18kJ/cm ）
にて鋼管継手を作製し、ＨＡＺ（ボンドから1mm ）の低
温靱性を調査した。

【００２６】引張試験は、ASTM370 に準拠して行った。
低温靱性は、シャルピー衝撃試験を行い、破面遷移温度
（50％ＦＡＴＴ）が−70℃以下を◎、−70℃超−60℃以
下を○、それ以外は×と評価した。腐食試験は、炭酸ガ
ス腐食試験法（オートクレーブ中で3.0MPaの炭酸ガスを
飽和させた20％NaCl水溶液中に3.0mm ×25mm×50mmの試
験片を浸漬し、80℃で７日間保持する）により行った。

【００２７】耐全面腐食性は、腐食試験後、水洗、乾燥
した試験片の重量を測定し、重量減少速度を１年間の厚
み減少量に換算し、その値が0.1mm ／年未満は○、それ
以外は×と評価した。耐孔食性は、腐食試験後、水洗、
乾燥した試験片の表面を肉眼観察して孔食の有無を調査
し、１個以上の孔食発生は×、それ以外は○と評価し
た。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】本発明例は、孔食の発生はみられず、厚み
減少量も0.1mm ／年未満であり、耐孔食性、耐全面腐食
性に優れ実用的に使用可能なレベルであり、造管疵はな
く、母材はもとよりＨＡＺ靱性にも優れ、ラインパイプ
用として十分な特性である。本発明を外れる比較例で
は、とくにＨＡＺ靱性と造管疵の面で本発明例に比べて
劣っている。

【００３１】

【発明の効果】かくして本発明鋼管は、炭酸ガスおよび
塩化物を含有する環境で優れた耐孔食性、耐全面腐食性
を示し、かつ母材靱性、ＨＡＺ靱性に優れ、造管疵も発
生しないため、石油・天然ガス輸送用のラインパイプ材
として安価に提供でき、産業の発展に寄与するところが
大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】50％ＦＡＴＴとＹＳとの関係を示すグラフであ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者豊岡高明愛知県半田市川崎町１丁目１番地川崎製鉄株式会社知多製造所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ラインパイプ用高Cr鋼管であって、その
組成が、重量％で、Ｃ：0.02％以下、 Si：0.5 ％以下、 Mn：0.2 〜3.0 ％、 Cr：10.0〜14.0％、 Ni：2.0 超〜3.0 ％、Ｎ：0.02％以下、残部Feおよび不可避的不純物であることを特徴とするラ
インパイプ用高Cr鋼管。
【請求項２】前記組成に、Nb：0.3 ％以下が付加され
た請求項１記載のラインパイプ用高Cr鋼管。
【請求項３】前記組成に、Ｖ：0.3 ％以下が付加され
た請求項１または２に記載のラインパイプ用高Cr鋼管。
【請求項４】前記組成に、Cu：1.0 ％以下が付加され
た請求項１〜３のいずれかに記載のラインパイプ用高Cr
鋼管。
【請求項５】前記組成に、Ti、Zr、Ta：１種または２
種以上の合計0.30％以下が付加された請求項１〜４のい
ずれかに記載のラインパイプ用高Cr鋼管。