JP2000282144A - マルテンサイト系ステンレス溶接鋼管の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】溶接部品質の優れた製品を安定して製造するこ
とが可能なマルテンサイト系ステンレス溶接鋼管の製造
方法を提供する。 【解決手段】重量％で、C：0.03％以下、Cr：7〜14％を
含むマルテンサイト系ステンレス鋼板を常法に従ってオ
ープンパイプ状に成形した後、相対向する両エッジ部を
水素濃度が5体積％以下のArガスまたはArとHeとの混合
ガスからなる作動ガスを用いてプラズマ溶接し、このプ
ラズマ溶接後の溶接部をTIG溶接で化粧盛りした後、少
なくとも溶接部に800〜1100℃からの焼入れと500〜700
℃での焼戻しを施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭酸ガス腐食環境
において優れた耐食性を示すマルテンサイト系ステンレ
ス溶接鋼管の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年生産される石油や天然ガスは、湿潤
な炭酸ガスや硫化水素を含有するものが多い。このよう
な環境下で炭素鋼や低合金鋼を使用すると、鋼の腐食が
著しいので、その防食対策として腐食抑制剤が添加され
る。しかし、その効果は高温になると失われるほか、海
底パイプラインなどでは添加回収するのに膨大な費用が
かかる。

【０００３】したがって、最近では、腐食抑制剤の添加
を必要としない耐食材料、具体的にはＡＩＳＩ規格に規
定される４２０鋼に代表される１２〜１３重量％のＣｒ
を含有するマルテンサイト系ステンレス鋼が多く使用さ
れるようになってきた。

【０００４】しかし、上記の４２０鋼に代表にされる従
来のマルテンサイト系ステンレス鋼には、高強度を得る
ために比較的多量（０．１６〜０．２２重量％）のＣが
添加されている。このため、次のような問題があった。

【０００５】すなわち、上記のようなパイプラインは、
その構成材料であるラインパイプ同士を突き合わせて円
周溶接して敷設される。その際、４２０鋼のように比較
的多量のＣを含有するマルテンサイト系ステンレス鋼製
のラインパイプを通常の溶接方法で突き合わせ円周溶接
すると、溶接熱影響部の硬さが上昇して衝撃特性が著し
く低下する。また、硬さが上昇すると、硫化物応力腐食
割れ感受性が著しくなる。

【０００６】上記の硬さ上昇による問題の解決方法とし
ては、円周溶接後の溶接部に６００℃程度の温度に加熱
保持する後熱処理を施す方法やＣ含有量を少なくする方
法（例えば、特開平２−２４３７４０号公報、同５−２
８７４５５号公報）などがある。

【０００７】その結果、マルテンサイト系ステンレス鋼
からなるラインパイプ用の継目無鋼管や溶接鋼管の製造
が可能になってきた。例えば、溶接鋼管の製造方法の一
例を挙げると、特開平４−１９１３１９号公報や同９−
３２７７２１号公報に示される方法がある。

【０００８】すなわち、前者の公報に示される方法は、
Ｃ含有量が０．０８重量％以下の熱延鋼板を用いて電縫
溶接して造管した後、その電縫溶接部に特定条件の後熱
処理を施す方法である。また、後者の公報に示される方
法は、Ｃ含有量が０．０３重量％以下の熱延鋼板を用い
てレーザ溶接して造管した後、そのレーザ溶接部に特定
条件の後熱処理を施す方法である。

【０００９】しかし、前者の方法は、その溶接部にペネ
トレーターと称される溶接欠陥が発生しやすい。また、
後者の方法は、その溶接部にブローホールが発生しやす
い。このため、いずれの場合も、溶接部の信頼性に優れ
た製品を安定して製造できないという欠点を有してい
る。なお、後者の方法においてブローホールが発生しや
すいのは、照射するレーザビームのエネルギー密度が高
くて溶金量が少ないために溶金の冷却速度が速く、溶金
中に存在するガスの浮上分離が緩慢なためである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、溶接
部の信頼性に優れた製品を安定して製造することが可能
なマルテンサイト系ステンレス溶接鋼管の製造方法を提
供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、次のマ
ルテンサイト系ステンレス溶接鋼管の製造方法にある。

【００１２】下記の〜の工程を順次経るマルテンサ
イト系ステンレス溶接鋼管の製造方法。

【００１３】重量％で、Ｃ：０．０３％以下、Ｃｒ：
７〜１４％を含有するマルテンサイト系ステンレス鋼板
を準備する工程、 マルテンサイト系ステンレス鋼板を、常法に従ってオ
ープンパイプ状に成形する工程、 オープンパイプ状に成形された鋼板の相対向する両エ
ッジ部を、不純物としての水素の濃度が５体積％以下の
ＡｒガスまたはＡｒとＨｅとの混合ガスを作動ガスとす
るプラズマ溶接法によって突き合わせ溶接する造管工
程、 プラズマ溶接造管後、そのプラズマ溶接部をＴＩＧ溶
接する工程、 ＴＩＧ溶接後、管全体または溶接部を、８００〜１１
００℃に加熱した後、空冷以上の冷却速度で冷却して焼
入れし、次いで５００〜７００℃で焼戻す焼入焼戻工
程。

【００１４】上記の本発明においては、工程のプラズ
マ溶接法による突き合わせ溶接前に、電気抵抗加熱法ま
たは誘導加熱法によってオープンパイプの両エッジ部を
加熱するのが好ましく、この場合には製管能率が向上す
る。

【００１５】上記の本発明は、次に述べる知見に基づい
て完成させた。すなわち、本発明者らは、上記の課題を
達成すべく、マルテンサイト系ステンレス溶接鋼管の製
造条件について種々検討した。その結果、次のことが判
明した。

【００１６】造管溶接手段にプラズマ溶接法とＴＩＧ溶
接法を用い、最初にプラズマ溶接を行い、次いでその溶
接部をＴＩＧ溶接すれば、溶接欠陥の発生が大幅に抑制
される。その際、プラズマ溶接の作動ガスには、不純物
としての水素の濃度が５体積％以下のＡｒガスまたはＡ
ｒとＨｅとの混合ガスを用いればよい。

【００１７】また、造管後、少なくとその溶接部に、８
００〜１１００℃の温度域からの焼入れと、５００〜７
００℃での焼戻しを施せば、所望の機械的性質と耐食性
が確保される。

【００１８】ただし、素材の鋼板には、Ｃ含有量が０．
０３重量％以下、Ｃｒ含有量が７〜１４重量％のマルテ
ンサイト系ステンレス鋼を用いる必要がある。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明のマルテンサイト系
ステンレス溶接鋼管の製造方法における諸条件を上記の
ように定めた理由について詳細に説明する。なお、以下
において、「％」は特に断らない限り「重量％」を意味
する。

【００２０】素材の鋼板：素材の鋼板は、少なくとも、
０．０３％以下のＣと、７〜１４％のＣｒを含むマルテ
ンサイト系ステンレス鋼製のものでなければならない。
その理由は次のとおりである。

【００２１】Ｃ含有量が０．０３％超であると、製品を
突き合わせ円周溶接した場合、その突き合わせ円周溶接
部の硬さが著しく高くなり、後熱処理が必要になってパ
イプラインの敷設費が高くなる。また、Ｃｒ含有量が７
％未満では、必要な耐食性（耐炭酸ガス腐食性）が確保
できない。逆に、Ｃｒ含有量が１４％超であると、焼入
性が低下して所望の強度が確保できなくなるからであ
る。

【００２２】なお、素材の鋼板は、ＣとＣｒの含有量が
上記を満たすマルテンサイト系ステンレス鋼であればど
のようなマルテンサイト系ステンレス鋼であってもよ
く、その他成分は特に制限しない。

【００２３】オープンパイプ状への成形：素材の鋼板
は、常法、具体的には、電縫溶接製管法で用いられるの
と同様のロール成形装置やＵＯＥ溶接製管法で用いられ
るＵプレスとＯプレスとからなる成形装置を用いてオー
プンパイプ状に成形すればよく、その成形方法は特に制
限しない。

【００２４】造管溶接：造管溶接は、先ず最初にプラズ
マ溶接し、次いでその溶接部をＴＩＧ溶接する。これ
は、次の理由による。

【００２５】ペネトレーターは、溶融溶接法を用いれば
発生しない。しかし、レーザ溶接法を用いると、前述し
たように、ブローホールが発生する。また、レーザ溶接
法は、ビーム径が極めて小さく、これをオープンパイプ
のエッジ部に正確に照射する必要があるが、その制御に
膨大な費用がかかる。

【００２６】これに対し、プラズマ溶接法は、レーザー
溶接法に比べるとエネルギー密度が低くて溶金量が遙か
に多く、溶金の冷却速度が遅くなって溶金中のガスが十
分に浮上分離し、ブローホールの発生はほとんどなくな
る。しかし、そのビード形状は、必ずアンダーフィルに
なり、その補修が必要なことが確認された。

【００２７】また、プラズマ溶接法は、そのフレーム径
がレーザビーム径に比べると遙かに大きいので、オープ
ンパイプのエッジ部に容易に照射することが可能で、そ
の位置制御に要する費用が少なくて済むという利点もあ
る。

【００２８】このため、本発明では、先ず最初にプラズ
マ溶接し、次いでその溶接部をＴＩＧ溶接、具体的には
プラズマ溶接で形成されたアンダーフィルを消去するた
めの化粧盛りＴＩＧ溶接を行うこととした。

【００２９】上記のプラズマ溶接は、その作動ガスに、
不純物としての水素の濃度が５体積％以下のＡｒガスま
たはＡｒとＨｅとの混合ガスを用いる必要がある。これ
は、水素の濃度が５体積％を超えるＡｒガスや混合ガス
を用いると、溶接金属中の水素濃度が高くなり、水素割
れが発生するためである。なお、作動ガス中の水素濃度
は低ければ低いほどよい。また、上記の混合ガスに占め
るＨｅの割合は特に制限されない。

【００３０】以上に説明した造管溶接は、通常、室温状
態下で行うが、電気抵抗加熱法や誘導加熱法を用いてオ
ープンパイプ状に成形された鋼板の両エッジ部を加熱し
てから行ってもよく、この場合には製管速度を速くで
き、生産性が向上する。その際の加熱温度は融点未満で
あればよく特に制限しない。

【００３１】後熱処理：上記造管溶接後の管の少なくと
も溶接部には、下記条件の後熱処理、すなわち焼入焼戻
処理を施す必要がある。その理由は、プラズマ溶接され
た溶接部の熱影響部の幅は比較的広く、しかもその溶接
金属の凝固組織は粗大であり、溶接のままでは所望の機
械的性質（強度や靭性）が確保できないためである。な
お、この後熱処理は管全体に施してもよい。

【００３２】焼入温度と冷却速度：８００℃未満の温度
に加熱したのでは十分にオーステナイト化せず、所望の
強度が確保できない。逆に、１１００℃を超えて加熱す
ると、結晶粒が粗大化して靭性が低下し、所望の靭性が
確保できない。また、冷却速度が空冷未満であると、高
温に保持される時間が長くなるため結晶粒が粗大化して
靭性が低下する。このため、焼入温度と冷却速度は、そ
れぞれ、８００〜１１００℃、空冷以上とした。

【００３３】焼戻温度：５００℃未満の温度に加熱した
のでは十分に焼戻されず、強度が高すぎて所望の強度と
靭性が確保できない。逆に、７００℃を超えて加熱する
と、組織の一部がオーステナイト化してマルテンサイト
化するために靭性が著しく低下し、所望の靭性が確保で
きない。このため、焼戻温度は、５００〜７００℃とし
た。

【００３４】

【実施例】表１に示す化学組成を有する２種類のマルテ
ンサイト系ステンレス鋼製で、板厚がいずれも６．３５
ｍｍの熱延コイルを準備した。

【００３５】

【表１】

【００３６】準備した熱延コイルは、常法に従ってオー
プンパイプ状に成形した後、表２に示す種々の作動ガス
条件下で造管溶接し、次いでその溶接部に表２に示す種
々条件の焼入焼戻処理を施して降伏応力が５０ｋｇ／ｍ
ｍ² 以上の製品管とした。

【００３７】その際、プラズマ溶接とＴＩＧ溶接は表３
に示す条件で行い、ＴＩＧ溶接には表４に示す化学組成
を有するフィラーワイヤを用いた。また、一部の製品管
は、比較のために造管溶接をプラズマ溶接のみとした。

【００３８】

【表２】

【００３９】

【表３】

【００４０】

【表４】

【００４１】そして、得られた各製品管の溶接部を目視
観察してアンダーフィルの発生の有無を調べる一方、超
音波探傷法とＸ線透過法とで溶接部を検査し、割れ（ブ
ローホール）の発生の有無を調べた。

【００４２】また、各製品管からは、長手方向が管の円
周方向で、その中央部に溶接部が位置するＪＩＳ Ｚ
２２０１に規定される５号の引張試験片、ＪＩＳ Ｚ
２２０２に規定される４号のサブサイズ衝撃試験片、お
よび厚さ５ｍｍ、幅３０ｍｍ、長さ５０ｍｍで、幅方向
の中央部に溶接部が位置する腐食試験片を採取し、それ
ぞれ、下記条件の引張試験、シャルピー衝撃試験および
炭酸ガス腐食試験に供した。なお、衝撃試験片は母材部
と溶接部の２ケ所から採取し、溶接部から採取した試験
片のＶノッチは溶接部の中央に成形した。また、腐食試
験片は管の外表面側から採取した。

【００４３】引張試験：室温下で実施。評価は、母材部
で破断したものを良好「○」、溶接部で破断したものを
不芳「×」とした。

【００４４】シャルピー衝撃試験：−４０℃、−２０
℃、０℃および２０℃の各温度にて３個ずつ実施。そし
て、試験後の各試験片の延性破面の面積をノッチ底の断
面積で除して求められる延性破面率の平均値から遷移温
度を求めた。評価は、遷移温度が−３０℃以下のものを
良好「○」、−３０℃超のものを不芳「×」とした。

【００４５】炭酸ガス腐食試験：３０気圧の炭酸ガスを
飽和させた液温１５０℃の５％ＮａＣｌ水溶液中に試験
片を７２０時間浸漬する全面腐食試験を実施。評価は、
腐食進行速度が０．１２５ｍｍ／年以下のものを良好
「○」、０．１２５ｍｍ／年超のものを不芳「×」とし
た。

【００４６】さらに、得られた各製品管は、パイプライ
ン敷設時の突き合わせ円周溶接を模擬し、その溶接部を
対象にして、入熱量１．７ｋＪ／ｍｍの条件でビードオ
ンプレート溶接を実施した。そして、、ビードオンプレ
ート溶接後の溶接部と母材部の硬さを、測定荷重１．０
ｋｇｆのビッカース硬度計を用いて測定し、その最高硬
さを調べた。評価は、最高硬さが３４０以下のものを良
好、３４０超のものを不芳「×」とした。

【００４７】以上の結果を、表２に併せて示した。

【００４８】表２に示す結果からわかるように、本発明
の方法に従って製造されたマルテンサイト系ステンレス
溶接鋼管（試番１〜４）は、その溶接部に割れ（ブロー
ホール）やアンダーフィルが発生しておらず、しかもそ
の溶接部の強度、靭性および耐食性がいずれも良好であ
った。また、突き合わせ円周溶接を模擬したビードオン
プレート溶接後における溶接部と母材部の硬さも良好で
あった。

【００４９】これに対し、母材のＣ含有量、造管溶接条
件および後熱処理条件のいずれかが本発明で規定する範
囲から外れる条件のもとに製造された比較例のマルテン
サイト系ステンレス溶接鋼管（試番５〜１０）は、その
溶接部に割れ（ブローホール）やアンダーフィルが発生
したり、その溶接部の強度、靭性およびビードオンプレ
ート溶接後における溶接部と母材部の硬さのいずれかが
不芳であった。

【００５０】

【発明の効果】本発明の方法によれば、溶接部に溶接欠
陥がなく、しかもその溶接部の機械的性質と耐炭酸ガス
腐食性が良好なマルテンサイト系ステンレス溶接鋼管を
安価かつ大量に製造できる。また、その製品管は、これ
を突き合わせ円周溶接した場合でも溶接部と母材部の硬
さが低い。このため、当該円周溶接部に後熱処理を施す
必要がないので、パイプライン敷設費の低減が図れる。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｃ２２Ｃ 38/00 ３０２ Ｃ２２Ｃ 38/00 ３０２Ｚ 38/18 38/18 Ｆターム(参考） 4E001 AA03 BB07 BB11 DD02 DD03 DG01 DG04 EA10 4K042 AA06 AA24 BA02 BA06 BA11 CA05 CA07 CA08 CA11 CA12 CA13 CA16 DA01 DA02 DB01 DB02 DC02 DC05 DE03

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】下記の〜の工程を順次経ることを特徴
   とするマルテンサイト系ステンレス溶接鋼管の製造方
   法。 重量％で、Ｃ：０．０３％以下、Ｃｒ：７〜１４％を
   含有するマルテンサイト系ステンレス鋼板を準備する工
   程、 マルテンサイト系ステンレス鋼板を、常法に従ってオ
   ープンパイプ状に成形する工程、 オープンパイプ状に成形された鋼板の相対向する両エ
   ッジ部を、不純物としての水素の濃度が５体積％以下の
   ＡｒガスまたはＡｒとＨｅとの混合ガスを作動ガスとす
   るプラズマ溶接法によって突き合わせ溶接する造管工
   程、 プラズマ溶接造管後、そのプラズマ溶接部をＴＩＧ溶
   接する工程、 ＴＩＧ溶接後、管全体または溶接部を、８００〜１１
   ００℃に加熱した後、空冷以上の冷却速度で冷却して焼
   入れし、次いで５００〜７００℃で焼戻す焼入焼戻工
   程。
2. 【請求項２】プラズマ溶接法による突き合わせ溶接前
   に、電気抵抗加熱法または誘導加熱法により、オープン
   パイプの両エッジ部を加熱することを特徴とする請求項
   １に記載のマルテンサイト系ステンレス溶接鋼管の製造
   方法。