JP2001192773A

JP2001192773A - ラインパイプ用鋼

Info

Publication number: JP2001192773A
Application number: JP2000004971A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Hisamune; 信之久宗
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-01-13
Filing date: 2000-01-13
Publication date: 2001-07-17

Abstract

(57)【要約】【課題】優れた強度、靱性および塑性変形能をあわせ持
つラインパイプを、安価かつ高効率に製造することがで
きる。【解決手段】Ｃ：0.10〜0.20％、Si：1.0％以下、Mn：
0.3〜2.5％、Ｐ：0.015％以下、Ｓ：0.003％以下、Ti：
0.06％以下、Al：0.001〜0.1％およびＮ：0.007％以
下、並びに任意元素としてCr：1.0％以下、Mo：1.0％以
下、Cu：1.0％以下、 Ni：1.0％以下、Nb：0.05％以
下、Ｖ：0.10％以下、Ｂ：0.003％以下およびCa：0.005
％以下を含有して、同時に下記(a)式を満足し、オース
テナイト平均粒径が30〜200μmのマルテンサイトおよび
ベイナイトを含む組織、またはこれらの焼戻し組織であ
ることを特徴とするラインパイプ用鋼である。 Al × （Ｎ−Ti／3.4） ≦ 0.0001 ・・・ (a)

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ラインパイプとし
て要求される、高強度や優れた靱性および塑性変形能を
あわせ持つ鋼に関するものである。

【０００２】

【従来技術】近年、エネルギー開発の進展にともない、
石油または天然ガスのパイプライン輸送が陸上に限ら
ず、海底においても大規模に行われるようになってい
る。通常、これらの輸送用として採用されるラインパイ
プには、破壊に対する安全性を確保するため、高強度で
あることに加え、靱性に優れることが要求される。さら
に、最近に至っては、海底にパイプラインを敷設する際
に、新しい敷設工法が適用されるようになり、この工法
に対応するため、前記強度および靱性の特性に加え、優
れた塑性変形能が強く要求されるようになっている。

【０００３】従来の海底パイプライン敷設工法として
は、敷設船上でパイプの周溶接を行い、船上で接続した
ラインパイプを送り出して海底に敷設する方法が−般的
である。しかし、この工法では敷設船上において周溶
接、溶接部検査、コーティング等を実施する必要があ
り、確保できる作業面積に制限があるとともに、敷設作
業の進捗は天候に大きく影響されるといった点から、作
業能率が悪く、敷設速度が遅くなり、多額の敷設費用が
必要になるという問題があった。

【０００４】このため、敷設船上での作業に代えて、陸
上で周溶接、検査、コーティング等を行い、接続された
ラインパイプを敷設船上に設けたリールに巻き取り、海
上の敷設場所において、リールからパイプを巻き戻しな
がら海底に敷設する、いわゆるリールバージ法が採用さ
れるようになっている。

【０００５】上述の敷設工法で用いられるラインパイプ
は、敷設船上でのリール巻き取りおよび巻き戻しという
変形を受けるため、通常、要求される高強度、高靱性の
特性に加え、さらに優れた塑性変形能、具体的には、低
い降伏比（降伏強さ／引張強さ）が要求される。

【０００６】上記の要求に対応するため、従来から、次
に説明するようなラインパイプの製造方法、若しくはラ
インパイプに用いられる鋼板の製造方法が提案されてい
る。

【０００７】まず、特開昭62−151523号公報では、成分
中の炭素含有量を目標上限降伏応力値（kg/mm²）との関
係で一定の範囲に制限したシームレス鋼管を熱間圧延
し、次いで、その圧延直後に直接焼入処理することによ
って、低降伏比の調質ラインパイプを製造する方法が開
示されている。ここで開示された方法によって製造され
たラインパイプは、オーステナイト粒が過度に粗粒とな
り、ラインパイプ用鋼として要求される靱性を確保する
ことができない。

【０００８】次に、特開平２−282427号公報では、常温
でフェライト−パーライトの混合組織を有する鋼を、Ac
₁変態点＋10℃〜Ac₁変態点＋90℃のフェライト−オース
テナイト二相域に加熱、保定後急冷し、または、さらに
焼戻し処理して、最高硬さと低降伏比と高強度を備える
鋼管の製造方法が提案されている。しかし、提案された
製造方法では、加熱されたフェライト−オーステナイト
二相域における組織の混合比率によって、鋼管の強度が
著しく変動するため、熱処理条件の管理が重要となり、
実操業における大量生産には適さないものである。

【０００９】さらに、高強度と低降伏比とを特徴とする
継目無鋼管、若しくはラインパイプの素材となる熱延鋼
板の製造方法として、圧延条件と熱処理条件とを組み合
わせた方法が開示されている。例えば、特開平９−1113
43号および特開平９−111344号の各公報では、継目無鋼
管の製造方法として、熱間穿孔圧延で中空素管を製造し
た後、Ar₃変態点＋50℃〜1000℃に再加熱して、Ar₃変態
点＋50℃以上で仕上圧延を行い、Ar₃変態点以上から焼
入れた後、Ac₁〜Ac₃変態点に加熱してから急冷し焼戻す
方法が開示されている。また、特開平７−316650号公報
では、熱延鋼板の製造方法として、950℃以上で80％以
上の累積圧下率で粗圧延を行い、引続き800〜900℃で65
％以下の累積圧下率で仕上圧延を終了し、450〜600℃の
温度範囲で巻き取る方法が開示されている。しかし、こ
れらで開示されたいずれの製造方法も、複雑な製造工程
に加え、圧延時の温度、圧下率等の管理が重要であり、
これらも実操業における大量生産に適さないものである
と言える。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】前述の通り、リールバ
ージ法による敷設工法でのラインパイプに要求される高
強度、高靱性、さらに塑性変形能を具備するために、従
来から開示、提案されていた製造方法では、幾つかの問
題点が存在していた。

【００１１】本発明は、従来の問題点に鑑みてなされた
ものであり、複雑な製造工程を用いることなく、また、
圧下時の温度、圧下率等を厳密に管理することなく、優
れた強度、靱性および塑性変形能をあわせ持つラインパ
イプ用鋼を提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上述した課
題を解決するため、種々のラインパイプの製造条件や鋼
中の組織について研究を重ねた結果、次(a)〜(c)の知見
を得ることができた。 (a) 低降伏比のラインパイプを製造するには、第二相で
あるマルテンサイトおよびベイナイトを強化する必要が
あり、そのため中炭素鋼を素材とするのが有効である。 (b) ただし、再加熱焼入法のように、オーステナイト粒
が細かい焼入−焼戻し組織では、充分な強度が得られ
ず、多量の合金元素の添加を必要となり、これにともな
って鋼の溶接性が損なわれることになる。しかしなが
ら、オーステナイト平均粒径が30〜200μmであるマルテ
ンサイトおよびベイナイトを含む組織、またはこれらの
焼戻し組織であれば、合金元素の添加量を抑えて、高強
度を確保することができる。 (c) 上記の平均粒径30〜200μmのように大きなオーステ
ナイト粒では、靱性が損なわれるおそれがあるが、Al、
TiおよびＮの添加量を制限することによって、細粒組織
としなくても優れた靱性を得ることができる。

【００１３】本発明は、上記の知見に基づいて完成され
たものであり、下記(1)、(2)のラインパイプ用鋼を要旨
とするものである。 (1) 質量％で、Ｃ：0.10〜0.20％、Si：1.0％以下、M
n：0.3〜2.5％、Ｐ：0.015％以下、Ｓ：0.003％以下、T
i：0.06％以下、Al：0.001〜0.1％およびＮ：0.007％以
下を含有して、残部はFeおよび不可避的不純物からな
り、同時に下記(a)式を満足し、オーステナイト平均粒
径が30〜200μmのマルテンサイトおよびベイナイトを含
む組織、またはこれらの焼戻し組織であることを特徴と
するラインパイプ用鋼である。

【００１４】 Al × （Ｎ−Ti／3.4） ≦ 0.0001 ・・・ (a) ただし、Al、ＮおよびTiは質量％を示す (2) 上記(1)のラインパイプ用鋼では、さらに任意元素
として、質量％で、Cr：1.0％以下、Mo：1.0％以下、C
u：1.0％以下、 Ni：1.0％以下、Nb：0.05％以下、Ｖ：
0.10％以下、Ｂ：0.003％以下およびCa：0.005％以下の
うち１種以上を含有するようにするのが望ましい。これ
らの元素は、必ずしも添加されなくともよいが、任意添
加することによって、鋼の強度と靱性の向上が期待でき
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明において、鋼の化学組成お
よび組織を上記のように限定した理由を説明する。ま
ず、鋼の化学組成について説明するが、ここで化学組成
％は、質量％を示す。

【００１６】Ｃ：0.10〜0.20％Ｃは、焼入性を向上して強度を高め、低降伏比を確保す
るうえで重要な元素である。しかし、その含有量が0.10
％未満では目的とする低降伏比が得られない。一方、0.
20％を超えると母材および溶接部の熱影響部における靱
性が低下する。したがって、Ｃ含有量は0.10〜0.20％と
する。

【００１７】Si：1.0％以下 Siは、脱酸元素として有効な元素であると同時に、強度
向上にも寄与する。しかし、1.0％を超えて添加する
と、母材および溶接部の熱影響部における靱性が低下す
る。したがって、Si含有量は1.0％以下とする。

【００１８】Mn：0.3〜2.5％ Mnは、鋼の強度を高めるのに重要な元素であり、さらに
靱性を確保するにも有効な元素である。それらの効果を
発揮させるため、少なくとも0.3％の添加が必要である
が、2.5％を超えて含有させると、母材の靭性を低下さ
せる。したがって、Mn含有量は、0.3〜2.5％のとする。

【００１９】Ｐ：0.015％以下Ｐは鋼中に不可避的に存在する不純物であり、母材の靱
性を低下させる。その含有量が0.015％を超えると、母
材の靱性低下が著しくなる。したがって、Ｐ含有量は0.
015％以下とし、可能な限り含有量を少なくするのが望
ましい。

【００２０】Ｓ：0.003％以下Ｓは、Ｐと同様に、鋼中に不純物として存在する元素で
あり、母材の靱性を低下させる。その含有量が0.003％
を超えると、母材の靱性低下が著しくなる。したがっ
て、Ｓ含有量は0.003％以下とし、可能な限り含有量を
少なくするのが望ましい。

【００２１】Ti：0.06％以下通常、Tiは鋼中でＮ、Ｃと結合して、TiＮ、TiＣとして
存在するが、これらはいずれも母材が粗粒組織の場合に
は、靱性を悪化させるので極力添加しないようにするの
が望ましい。しかし、鋼中でTiＮとして固定されないＮ
は、Alと結合してAlＮとして存在し、母材の靱性を低下
させる。一方、TiＮが過度に存在すると、ピン止め効果
によってオーステナイト粒が細粒化し、鋼の焼入れ性を
低下させるので、充分な強度を確保することができな
い。

【００２２】したがって、Ti含有量は、後述する(a)式
を満足するように制御すればよいが、(a)式を満足する
場合であっても、Ti含有量が0.06％を超えると、母材の
靱性を低下させるので、その上限を0.06％とした。

【００２３】Al：0.001〜0.1％ Alは脱酸を目的として添加されるが、その含有量が0.00
1％未満では、充分な脱酸効果を得ることができず、脱
酸不足となって鋼質の劣化を招く。しかし、0.1％を超
えて含有させても、その効果は飽和し、むしろ鋼中の介
在物を増加させて靱性を低下させる。したがって、Al含
有量は、0.001〜0.1％とした。

【００２４】しかしながら、Al含有量が上記の範囲内で
あっても、鋼中のＮと結合してAlＮとして過度に存在す
ると、ピン止め効果によりオーステナイト粒を細粒化
し、鋼の焼入れ性を低下させる。一方、母材が粗粒組織
の場合には、母材の靱性を低下させる。したがって、Al
含有量も、後述する(a)式を満足するように制御する必
要がある。

【００２５】Ｎ：0.007％以下Ｎは、不純物として鋼中に存在し、Tiと結合してTiＮと
して固定される。一方、Tiで固定されないＮは、AlＮと
して鋼中に存在して、ピン止め効果によリオーステナイ
ト粒を細粒化し鋼の焼入れ性を低下させるとともに、母
材が粗粒組織の場合には、母材の靱性を低下させる。こ
のため、Ｎ含有量は極力低くするのが望ましく、上限を
0.007％とし、さらに後述する(a)式を満足するように制
御する必要がある。

【００２６】Cr：1.0％以下 Crは添加しなくてもよい。添加をすれば、焼入れ性を向
上させ第二相を増加させる作用があり、鋼を高強度、低
降伏比にするのに有効な元素である。したがって、これ
らの効果を得たい場合には添加することができる。しか
し、1.0％を超えて含有させると、溶接部の靱性が劣化
する。このため、添加する場合のCr含有量は、1.0％以
下とした。

【００２７】Mo：1.0％以下 Moは添加しなくてもよい。添加をすれば、Crと同様に、
焼入れ性を向上させ第二相を増加させる作用があり、鋼
の高強度化、低降伏比化に有効な元素である。したがっ
て、これらの効果を得たい場合には添加することができ
る。しかし、1.0％を超えて含有させると、溶接部の靱
性が劣化する。このため、添加する場合のMo含有量は、
1.0％以下とした。

【００２８】Cu：1.0％以下 Cuは添加しなくてもよい。添加をすれば、高強度化とと
もに耐食性の向上に有効な元素である。したがって、こ
れらの効果を得たい場合には添加することができる。し
かし、1.0％を超えた過剰の含有は、材料コストの上昇
とともに現地溶接性を悪化させる。このため、添加する
場合のCu含有量は、1.0％以下とした。 Ni：1.0％以下 Niは添加しなくてもよい。添加をすれば、靱性を劣化さ
せることなく高強度化を図る作用があり、高強度と靱性
を確保するには有効な元素である。したがって、これら
の効果を得たい場合には添加することができる。しか
し、1.0％を超えた過剰の含有は、材料コストの上昇と
ともに現地溶接性を悪化させる。このため、添加する場
合のNi含有量は、1.0％以下とした。

【００２９】Nb：0.05％以下 Nbは添加しなくてもよい。添加をすれば、析出強化によ
り強度を向上させることができる。したがって、これら
の効果を得たい場合には添加することができる。しか
し、0.05％を超えて含有させると、引張強度に比べ降伏
点の上昇が著しく、また靱性も劣化することになる。こ
のため、添加する場合のNb含有量は、0.05％以下とし
た。

【００３０】Ｖ：0.10％以下Ｖは添加しなくてもよい。添加をすれば、析出強化によ
り強度を向上させることができる。したがって、これら
の効果を得たい場合には添加することができる。しか
し、0.10％を超えて含有させると、靱性が劣化する。こ
のため、添加する場合のＶ含有量は、0.10％以下とし
た。

【００３１】Ｂ：0.003％以下Ｂは添加しなくてもよい。微量の添加によって、焼入れ
性を向上させることができる。したがって、これらの効
果を得たい場合には添加することができる。しかし、0.
003％を超えて含有すると、母材および溶接熱影響部の
靱性が低下する。このため、添加する場合のＢ含有量
は、0.003％以下とした。

【００３２】Ca：0.005％以下 Caは添加しなくてもよい。添加をすれば、鋼中のＳと反
応して硫化物を形成するが、圧延方向に伸びることがな
く、圧延後も介在物の形態を球状に保つので、MnＳのよ
うに延伸された介在物の先端を起点とする水素誘起割れ
等の発生を抑制することができる。したがって、これら
の作用を期待する場合には添加することができる。しか
し、0.005％を超えた過度の含有は、鋼の清浄性を悪化
させ、母材靱性を劣化させる。このため、添加する場合
のCa含有量は、0.005％以下とした。

【００３３】次に、上記したTi、AlおよびＮの含有量を
規定する、下記(a)式の内容について説明する。

【００３４】 Al × （Ｎ−Ti／3.4） ≦ 0.0001 ・・・ (a) 上述の通り、Al、Tiは鋼中Ｎと結合してTiＮ、AlＮとし
て存在するが、いずれもピン止め効果によりオーステナ
イト粒を細粒化し鋼の焼入れ性を低下させ、充分な強度
が得られず、母材が粗粒組織の場合には、母材の靱性を
低下させる。このような鋼中に形成されるTiＮ、AlＮに
起因する影響を回避するため、Ti、AlおよびＮの含有量
を個別に規定するのに加え、上記(a)式の左辺で得られ
る値を0.0001以下に制御することとした。これにより、
鋼の高強度と高靱性が保証されることになる。

【００３５】本発明のラインパイプ用鋼は、上記の化学
組成を有し、オーステナイト平均粒径が30〜200μmのマ
ルテンサイトおよびベイナイトを含む組織、またはこれ
らの焼戻し組織であることを特徴としている。このよう
に、組織を限定した理由について説明する。

【００３６】オーステナイト平均粒径が30μｍ以上のマ
ルテンサイトおよびベイナイトを含む組織とすること
で、焼入性が向上して、合金元素の添加量を抑えなが
ら、高強度を得ることができる。一方、オーステナイト
平均粒径が200μmを超えるようになると、鋼中の化学組
成の調整にも拘わらず、靱性が低下する。したがって、
鋼の組織を上記のように限定することによって、高強度
で、優れた靱性および低降伏比を確保することができ
る。

【００３７】

【実施例】本発明のラインパイプ用鋼の効果を確認する
ため、表１に示す化学組成の23種の鋼（発明鋼11種、比
較鋼12種）を真空溶解炉にて溶製し、50kg丸型インゴッ
トとした。このインゴットを熱間圧延し、厚さ25.4mmの
鋼板に仕上げ圧延したのち、直ちに熱処理を施して供試
鋼板とした。製造された供試鋼板から、圧延方向に対し
て直角にJIS Z2202 Ｖノッチシャルピー衝撃試験片およ
びJIS Z2201丸棒引張試験片を採取して、それぞれシャ
ルピー衝撃試験、引張試験に供した。供試鋼板の製造条
件および試験結果を表２に示す。

【００３８】

【表１】

【表２】表２の結果から明らかなように、本発明で規定する化学
組成および組織を具備する本発明例No.１〜14は、いず
れも引張強さは550MPa以上と高強度で、降伏比は85％以
下と低い特性を示し、同時に破面遷移温度は−70℃以下
であり優れた靱性が確保されている。

【００３９】これに対し、化学組成が規定範囲外となる
比較例No.15〜26、オーステナイト平均粒径が規定範囲
外となる比較例No.27、28、さらに圧延後の熱処理が焼
きならしであるためマルテンサイトおよびベイナイトを
含む組織が得られなかった比較例No.29は、いずれも引
張強さが550MPa以下、降伏比が85％以上、若しくは破面
遷移温度が−70℃以上であり、ラインパイプとして要求
される特性を具備していないことが分かる。

【００４０】

【発明の効果】本発明のラインパイプ用鋼によれば、化
学成分を限定すると同時に、鋼中の組織を限定すること
により、複雑な製造工程を用いることなく、また、圧延
時の温度、圧下率等を厳密に管理することなく、優れた
強度、靱性および塑性変形能をあわせ持つラインパイプ
を、安価かつ高効率に製造することができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量％で、Ｃ：0.10〜0.20％、Si：1.0％
以下、Mn：0.3〜2.5％、Ｐ：0.015％以下、Ｓ：0.003％
以下、Ti：0.06％以下、Al：0.001〜0.1％およびＮ：0.
007％以下を含有して、残部はFeおよび不可避的不純物
からなり、同時に下記(a)式を満足し、オーステナイト
平均粒径が30〜200μmのマルテンサイトおよびベイナイ
トを含む組織、またはこれらの焼戻し組織からなること
を特徴とするラインパイプ用鋼。 Al × （Ｎ−Ti／3.4） ≦ 0.0001 ・・・ (a) ただし、Al、ＮおよびTiは質量％を示す
【請求項２】さらに、質量％で、Cr：1.0％以下、Mo：
1.0％以下、Cu：1.0％以下、 Ni：1.0％以下、Nb：0.05
％以下、Ｖ：0.10％以下、Ｂ：0.003％以下およびCa：
0.005％以下のうち１種以上を含有することを特徴とす
る請求項１記載のラインパイプ用鋼。