JP2002515093A

JP2002515093A - 高速連続鋳造で製造されたラインパイプおよび構造用鋼

Info

Publication number: JP2002515093A
Application number: JP55047298A
Authority: JP
Inventors: グレイ，ジョン，マルコム
Original assignee: アメリカンキャストアイアンパイプカンパニー
Priority date: 1997-05-19
Filing date: 1998-05-15
Publication date: 2002-05-21
Also published as: CA2289084C; BR9809852A; KR20010012235A; EP0998591B1; EP0998591A1; KR100540686B1; WO1998053110A1; DE69834031D1; ATE321897T1; DE69834031T2; CA2289084A1

Abstract

(57)【要約】段階状割れおよび硫化物応力割れに強い強靭で高強度な低炭素／低マンガン鋼。この鋼は通常の速度で従来の鋳造法または薄板スラブ鋳造法によって低いマンガン偏析レベルで製造することができる。この鋼は過酷な酸性ガス環境下でのラインパイプ用途に優れている。

Description

【発明の詳細な説明】高速連続鋳造で製造されたラインパイプおよび構造用鋼発明の背景１．発明の分野本発明は酸性環境下で水素によって誘起される割れ（HIC）に対して強い強靭なラインパイプ（linepipe）と、構造用鋼とに関するものである。２．関連技術の説明酸性ガス（sourgas，H₂S）の環境下で使用されるラインパイプとしての使用寿命を延ばすことができる強靭な鋼の開発は長く要望されている。従来、酸性環境下で使用される強靭なラインパイプはニオブおよび／またはバナジウムを添加して強化された低炭素マンガン鋼で作られている。最も過酷な使用環境下で用いられるラインパイプの鋼のマンガン含有率は一般に0.90〜1.20重量％である。本発明では、上記の0.90〜1.20重量％の範囲のマンガン含有率を低炭素マンガン鋼に対して「かなり高い」マンガン含有率であるということにする。この鋼は酸性ガスに曝されることによって生じる割れに対する抵抗力を与えるが、マンガン含有率がかなり高い鋼を使用するため硫化マンガンストリンガー（鉱条）が形成されやすい。すなわち、Mn：S比が極めて高い（＞40,000：1）ため、鋼の硫黄含有率が極めて低い（＜0.003重量％）場合でもこのことはいえる。硫化マンガンストリンガーが形成されやすいというこの傾向を無くすためにカルシウム介在物を用いるのが標準的な方法になっている。このカルシウム介在物は球形または角のある好ましいカルシウムオキシ硫化物の介在物を形成する。希土類元素も硫化マンガンストリンガーを形成する鋼の傾向を弱める特性を有している。しかし、カルシウムの添加も希土類元素の添加も高価であり、過剰な煙霧が発生し、ノズルが詰まり、清浄度が低い等の作業上の問題がある。加工の観点からは、マンガン含有率が1.0重量％以上の鋼は鋳造速度が速くなるとラインパイプ鋼の鋳造で中心線偏析（centerline segregation）が起り易い。この中心線偏析は正しい過熱状態を維持しない場合および／または機械の保守時および水冷の実施が不十分である場合にも生じる。本発明の主目的は湿った酸性ガスの環境下でも使用可能な高強度鋼を提供することにある。本発明の他の目的はマンガン含有率を低くしてもい酸性ガス（H₂S）劣化に対して抵抗力のある高強度鋼を提供することにある。本発明のさらに他の目的はラインパイプでない鋼組成物の鋳造で用いられているような速い速度で連続鋳造ができる酸性ガス環境下で使用可能な高強度鋼を提供することにある。本発明のさらに他の目的は硫化マンガンストリンガーの形成を減らすためのカルシウムまたは希土類元素との合金処理が不要な高強度鋼を提供することにある。本発明のさらに他の目的は段階状割れおよび硫化物応力割れに対して非常に強い強靭な高強度鋼を提供することにある。本発明のさらに他の目的は酸性ガス環境下で用いられている従来の強靭鋼に比べて炭素およびマンガン含有率が極めて低い高強度鋼を提供することにある。発明の概要本発明の上記およびその他の目的は最も過酷な酸性ガスまたは湿った酸性ガスの環境下での攻撃に耐える強靭な高強度鋼が得られる鋼組成によって達成される。すなわち、強靭レベルを上げるのにマンガン含有率を高くする必要はないということ、鋼に強靭性を与えるのに必要なメカニズムはニオブ（さらには必要に応じて添加されるバナジウムおよび／またはその他の合金元素）に依存するということ、そして酸性ガス環境下で従来のマンガン含有率の高い強靭鋼で起こる上記問題はそれによって防ぐことができるということがわかった。下記の本発明鋼組成によって強靭で高強度な鋼が提供され、段階状割れおよび硫化物応力割れに耐えることができるということが示されているので、上記鋼組成物は過酷な酸性ガス環境下での用途、特に酸性ガス環境下で用いられるラインパイプに極めて適している。この鋼組成によって36〜80ksiの高い降伏強度と45〜90ksiの高い引張強度とを得ることができる。さらに、上記範囲の鋼は優れた衝撃強度（高エネルギー衝撃弁）およびシャルピーＶノッチ遷移温度を示す。図面の簡単な説明本発明の上記および他の特徴および効果は当業者に明らかであり、添付図面を参照した以下の好ましい実施例の説明からより良く理解できよう。図１はNACE TM0284-96の段階状割れ試験の結果を示したグラフであり、サンプルの降伏強度に対してマンガン重量％を表したものである。好ましい実施例の詳細な説明本発明の好ましい実施例ではマンガン含有率を高くせずに高強靭で高靭な鋼となる組成が提供される。本発明鋼でのマンガン含有率は極めて低く、例えば0.15 重量％以下にすることができ、それによってマンガンの偏析および鋼の硫化マンガン形成傾向を事実上排除することができる。さらに、鋼中に存在する硫黄に対する低マンガン対硫黄比は約3,000：１〜5,000：１にするのが好ましく、そうすることによってストリンガーを形成するMnSが生じうる傾向を最小にすることができる。本発明鋼はニオブ（必要に応じてされにバナジウム、モリブデン、クロム、ホウ素、銅およびニッケルの任意の１種または複数をニオブと組合せて用いる粉ともできる）を添加して強度を上げる。これらの元素が組み合わされてオーステナイト−フェライト（γ→α）変態温度が下がり、マンガンおよび炭素の含有率を極めて低くした本発明鋼でのフェライト粗粒子の生成を防ぐ。この強化メカニズムで得られる利点はストリップまたは鋼板の圧延後に水冷することでさらに強化され、最大になる。本発明の鋼は、ニオブ（さらには必要に応じて添加されるバナジウム）の析出硬化とオーステナイト−フェライト変態温度制御によって、より安定して製造することができる。コイル状に巻き取られた製品の機械特性に通常見られるバラツキ巻取り温度の変化および頭部と後部（前端と後端）の温度差に起因する）は上記強化元素（主としてニオブ）およびこの鋼の製造で使用するメカニズムによって最小になるか、除去することができる。本発明鋼は硫化物介在物の形状制御用のカルシウムまたは希土類元素を用いて従来方法で処理することができる。しかし、チタンを使用すると硫化マンガン塑性が低下する。特に、本発明鋼の特徴である低マンガン且つ低窒素含有率で、マンガン対硫黄比が極めて低い場合にはそうである。鋼中の炭素およびマンガンの含有率を低くすることによって凝固中のデルタ( δ)フェライト形成が最大になり、溶質の再分配が容易になる。リン不純物の許容量が増加し、パーライトバンディングは事実上存在しない。鋼は直接供給方式または通常の再加熱方式によってプレートミルまたはストリップミルで圧延することができる。上記の特徴を有する鋼は下記の好ましい組成範囲内で得られる：この全範囲内で、特に好ましい組成範囲は下記の通り：上記範囲内の組成を有する鋼は生産効率上から望ましい速い鋳造速度の0.8〜3 .0ｍ/分で従来のスラブ(200〜300ｍｍ厚）または薄板(50〜90ｍｍ厚）のキャスターによって鋳造することができる。このような速い速度で鋳造された鋼は偏析強度が低く、また、既に述べたように酸性環境下の用途で劣化または破損に対して強い高強度、高強靱特性を示す。本発明鋼は、上記の加工上の利点の他に、鋼にカルシウムおよび／または銅を用いない場合でも、段階状割れおよび硫化物応力に対する抵抗力に優れるという顕著な利点を有する。さらに、モリブデンが存在しない場合にも強靭特性が得られる。モリブデンが上記範囲内にある場合には、カルシウムが存在しなくてもい段階状割れおよび硫化物応力に対する優れた抵抗力と強靭性とが得られる。本発明鋼が酸性環境下で使用されるラインパイプとして適していることを実証し、鋼の強靭性および高強度を実証するために、表１に記載の組成範囲内に含まれる複数の鋼に対して引張試験、衝撃試験、段階状割れ（水素誘起割れすなわち HIC）試験および硫化物割れ試験を行った。特に、表４のＡ〜Ｄに示す４つのヒートから作られたサンプルに対しては引張試験、シャルピーＶノッチ付き衝撃試験、落重引裂試験および段階状割れ試験を行った。表４のＥ〜Ｇに示す他のヒートから作られたサンプルに対しては米国腐食技術者協会（NACE）規格TMO177に従って硫化物応力割れに対する抵抗力を試験した。これら全てのヒートから作られたサンプルと、表２および表３の組成範囲内に含まれる組成を有する他の何十のサンプルとを、耐水素誘起割れ性または耐段階状割れ性についてのNACE規格TM02 84-96で試験した。これらの試験の結果については以下で説明し、また図１に示す。表５は鋼ヒートＡ〜Ｄから製造されたサンプルに対して行ったシャルピーＶノッチ付き衝撃試験の結果を示している。シャルピー試験サンプルは標準試験片寸法の２／３である。表から分かるように、破壊エネルギーは零下の温度（°Ｆ）でも極めて高く、鋼ヒートＢは-80°Ｆ以下で顕著な耐衝撃性を示している。表６は落重引裂試験のデータ並びにシャルピーＶノッチ付き衝撃試験および落重引裂試験（DWIT）で示された脆性／延性遷移温度の50％および85％の値を示している。ここでも、上記鋼は優れた切欠き靭性特性を示し、特にヒートＢから作られたパイプは顕著な結果を示している。ヒートＡ〜Ｄ並びにヒートＥ〜Ｇから作られた引張試験片の降伏強度および引張強度は表７に示してある。一般に、この鋼の適用対象とするラインパイプ用途では降伏強度の望ましい範囲は約36〜80ksiであり、引張強度の望ましい範囲は4 5〜90ksiである。これらは強靭鋼とみなされる。「強靭」とは本明細書で用いられる意味である。強靭であればあるほど鋼は水素誘起割れを起こしやすいので、降伏強度の範囲は約36〜70ksiにするのが好ましく、引張強度の範囲は45 〜75にするのがより好ましい。鋼Ａ〜Ｇの大部分がこの好ましい範囲内であることは分かる。一般に、硫化物応力割れに対する抵抗力は当業者のレベルに応じてNACE規格TM 0177に記載の上記試験方法によって評価される。本発明の開発過程では、このNA CE規格を指定された最小降伏強度（SMYS）の80％で試験時間を96時間にするように変えてヒートＥ〜Ｇを試験した。これらの試験では割れは全く表れず、硫化物応力割れに対する抵抗力が許容可能なレベルであることを示している。硫化物応力割れに対する抵抗力について試験したこれらのヒートが、本発明に求められるマンガン含有率の範囲の上端寄りのマンガン含有率を有していたことは注目に値する。表３に記載のより好ましい範囲内でマンガン含有率がより低い鋼は、硫化物応力割れに対する抵抗力のレベルが同じかあるいは向上することが予想される。両者とも表１に記載の組成範囲内および範囲外である上記ヒートから作られたサンプルおよびに多数の他のサンプルを耐水素誘起割れまたは耐段階状割れについてNACE規格TM0284-96「規格試験方法−耐水素誘起割れに関するパイプラインおよび圧力容器用鋼の評価」に従って試験した。図１はこれらの試験の結果をまとめたグラフであり、鋼の降伏強度(ksi)に対する鋼のマンガン含有率を表している。このグラフから、マンガン含有率がより高い鋼および降伏強度が70ksiに近くそれを超える鋼は段階状割れを起こしやすいことが分かる。高い含有率のマンガンを使用して強度を高めることはかなりの犠牲を払うこと、すなわち段階状割れの発生度を高めることをこの図は実証している。 NACE TM0284-96規格で試験したほとんど全ての鋼組成物の硫黄含有率は＜0.00 6重量％であった。従って、試験結果に基づいて、特にマンガン含有率がより低く降伏強度がより高い破損した３つのサンプルおよびマンガン含有率がより高く降伏強度がより低いものに基づいて、割れ／割れなし境界100を詳細に描くことができた。本発明の鋼は一般に、図1のグラフに描かれた破線の下側に含まれる鋼に限定される。特に好ましい組成はマンガン含有率が約0.10〜0.60重量％で降伏強度が約55〜 70ksiの組成である。これらの基準を満たす鋼は図1のハッチングで示した部分に含まれる。0.60重量％のマンガンと70ksiの降伏強度の両方を有する鋼は割れ／割れなし境界100の近くに位置するので、基準の組をより保守的にするには最大降伏強度を70ksiから最大68ksiに下げ、マンガン含有率を0.50重量％から0.60重量％へ上げる。図1に示した結果は溶液A（pH5.2）NACE TM0284-96規格で規定された規格試験溶液を用いて行った試験に基づいていることは注目すべきである。追加の試験はこの規格に従って行われたが、上記規格で規定されたより低いpH、より過酷な腐食性溶液Ｂを用いた。ヒートＡ〜Ｄから作られたサンプル、並びに本発明の鋼組成に含まれる４つの他のサンプルをNACE試験の溶液Ｂを用いて試験し、全てのサンプルが上記のより過酷な腐食条件下でも段階状割れが全くないことを示し、試験に合格した。米国石油協会（API）は石油およびガス輸送および他の石油およびガス使用環境下で用いられる管状製品、例えばラインパイプ等に関する仕様を発布している。特に、API仕様5LXは石油またはガス輸送用の溶接または継目なし強靭鋼ラインパイプを適用対象としており、本発明の鋼はこの用途に特に良く適している。 API 5LXは全て参考として本明細書の一部を成す。API 5LXには複数の材料のグレード、例えばX46、X52、X56、X60、X65およびX70が含まれている。これらの名称の中の「Ｘ」の後ろの数字は各グレードの材料の最小降伏強度(ksi) である。各材料のグレードにはさらにいくつかの組成の必要条件および引張強度の必要条件がある。 API 5LXの材料グレードは合金鋼パイプをガスまたは酸性ガス環境下で用いる場合のものである。表１に記載の範囲内の組成を有する本発明の鋼は、API 5LX に記載の全ての組成上の制約を満たし、表７に記載の降伏強度の結果から分かるように、X70グレードまでの全てのグレードの必要条件を満たす鋼を製造することができる。従って、本発明に従って作られた鋼はAPI 5LXラインパイプ仕様の事実上全範囲でラインパイプとして使用することができる。さらに、5LX仕様下で現在市販されている鋼に対して耐水素誘起割れ性の向上を示したことにより、材料グレードの仕様に加えて耐水素誘起割れ性に関する必要条件が指定または課せられる場合に、本発明の鋼は5LXラインパイプ（例えばX52）として使用するのに特に良く適している。従って、本発明の低炭素／低マンガン鋼はラインパイプ用途、特に酸性ガス環境下での用途に望ましい特性を有していることがわかる。本発明の鋼は強靭性および高強度を有するので、構造用鋼としての使用にも適している。上記の特定の実施例および組成は単なる例であり、本発明が特定の実施例に限定されるものではない。本発明の精神および範囲を逸脱しない範囲で本発明は変更できることは当業者には理解できよう。従って、本発明の範囲は添付の請求の範囲によって限定すべきである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】平成１１年７月２日（１９９９．７．２）【補正内容】請求の範囲１．約0.015〜0.080重量％の炭素と、約0.10〜1.0重量％のマンガンと、約≦0.008重量％の硫黄とを含み、熱間圧延条件下で約36ksi〜約80ksiの降伏強度を有する、フェライト粗粒子を実質的に含まないミクロ組織を有する強靭鋼。２．約0.10〜0．60重量％のマンガンをさらに含む請求項１に記載の強靭鋼。３．約0.10〜0.23重量％のマンガンと、約0.005〜0.15のニオブとをさらに含み、約66〜79ksiの降伏強度を有し、約-58°Ｆから＜-80°Ｆでシャルピ−Ｖノッチ50％FATTを有し、 H₂S劣化に強い請求項２に記載の強靭鋼。４．段階状割れおよび硫化物応力割れに強く、カルシウムを実質的に含まない請求項１に記載の強靭鋼。５．段階状割れおよび硫化物応力割れに強く、銅を実質的に含まない請求項１に記載の強靭鋼。６．モリブデンを実質的に含まない請求項１に記載の強靭鋼。７．約0.0〜0.60重量％のモリブデンをさらに含む請求項１に記載の強靭鋼。８．段階状割れおよび硫化物応力割れに強く、カルシウムを実質的に含まない請求項６に記載の強靭鋼。９．マンガン対硫黄比が約3000:1〜5000:1である請求項１に記載の強靭鋼。 10．約0.001〜0.010重量％の窒素と、約0.005〜0.030重量％のチタンとをさらに含み、これらの元素がマンガンと組み合わされて鋼のMnS塑性を低下させる請求項１に記載の強靭鋼。 11．下記化学組成を有する、フェライト粗粒子を実質的に含まないミクロ組織を有する強靭鋼： 12．下記化学組成を有する請求項11に記載の強靭鋼： 13．約36〜約80ksiの降伏強度を有する請求項11に記載の強靭鋼。 14．約36〜約80ksiの降伏強度を有する請求項12に記載の強靭鋼。 15．約0.8〜3.0ｍ/分の通常の鋳造速度で連続鋳造され、マンガン偏析傾向が低く、H₂S環境での段階状割れに強い請求項13に記載の強靭鋼。 16．約0.8〜3.0ｍ/分の通常の鋳造速度で連続鋳造され、マンガン偏析傾向が低く、H₂S環境での段階状割れに強い請求項14に記載の強靭鋼。 17．下記化学組成を有する鋼を含む耐水素誘起割れ（HIC）性ラインパイプ： 18．鋼の化学組成が下記である請求項17に記載の耐HIC性ラインパイプ：19．上記ラインパイプが約36〜約80ksiの降伏強度を有し、ラインパイプがAPI仕様5LXの全ての必要条件を満たす請求項17に記載の耐HIC性ラインパイプ。 20．上記ラインパイプが約36〜約80ksiの降伏強度を有し、ラインパイプがAPI仕様5LXの全ての必要条件を満たす請求項18に記載の耐HIC性ラインパイプ。 21．約0.015〜0.080重量％の炭素と、約0.10〜0.23重量％のマンガンと約≦0.008重量％の硫黄とを含み、約36ksi〜約80ksiの降伏強度を有する強靭鋼。 22．約0.015〜0.080重量％の炭素と約0.10〜1.0重量％のマンガンと、約≦0.008重量％の硫黄と、約0.03〜0.15重量％のニオブ（コロンビウム）とを含み、約36ksi〜約80ksiの降伏強度を有する強靭鋼。 23．約0.015〜0.080重量％の炭素と、約≦0.008重量％の硫黄とを含み、モリブデンを実質的に含まず、約36ksi〜約80ksiの降伏強度を有する強靭鋼。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号０８／８７９，３３１ (32)優先日平成９年６月20日(1997．6．20) (33)優先権主張国米国（ＵＳ） (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＢＲ，ＣＡ，ＪＰ，ＫＲ，ＭＸ

Claims

【特許請求の範囲】１．約0.015〜0.080重量％の炭素と、約0.10〜1.0重量％のマンガンと約≦0.008重量％の硫黄とを含む、約36ksi〜約80ksiの降伏強度を有する強靭鋼。２．約0.10〜0．60重量％のマンガンをさらに含む請求項１に記載の強靭鋼。３．約0.10〜0.23重量％のマンガンと、約0.005〜0.15のニオブとをさらに含み、約66〜79ksiの降伏強度を有し、約-58°Ｆから＜-80°ＦでシャルピーＶノッチ50％FATTを有し、 H₂S劣化に対して強い、請求項２に記載の強靭鋼。４．段階状割れおよび硫化物応力割れに強く、カルシウムを実質的に含まない請求項１に記載の強靭鋼。５．段階状割れおよび硫化物応力割れに強く、銅を実質的に含まない請求項１に記載の強靭鋼。６．モリブデンを実質的に含まない請求項１に記載の強靭鋼。７．約0.0〜0.60重量％のモリブデンをさらに含む請求項１に記載の強靭鋼。８．段階状割れおよび硫化物応力割れに強く、カルシウムを実質的に含まない請求項６に記載の強靭鋼。９．マンガン対硫黄比が約3000:1〜5000:1である請求項１に記載の強靭鋼。 10．約0.001〜0.010重量％の窒素と、約0.005〜0.030重量％のチタンとをさらに含み、これらの元素はマンガンと組み合わされて鋼のMnS塑性を低下させる請求項１に記載の強靭鋼。 11．下記化学組成を有する強靭鋼：12．下記化学組成を有する請求項11に記載の強靭鋼：13．約36〜約80ksiの降伏強度を有する請求項11に記載の強靭鋼。 14．約36〜約80ksiの降伏強度を有する請求項12に記載の強靭鋼。 15．約0.8〜3.0ｍ/分の通常の鋳造速度で連続鋳造され、マンガン偏析傾向が低く、H₂S環境での段階状割れに強い請求項13に記載の強靭鋼。 16．約0.8〜3.0ｍ/分の通常の鋳造速度で連続鋳造され、マンガン偏析傾向が低く、H₂S環境での段階状割れに強い請求項14に記載の強靭鋼。 17．下記化学組成を有する耐水素誘起割れ（HIC）ラインパイプ鋼：18．下記化学組成を有する請求項17に記載の耐HICラインパイプ鋼： 19．上記鋼が約36〜約80ksiの降伏強度を有し、API仕様5LXの全ての必要条件を満たす請求項17に記載の耐HICラインパイプ鋼。 20．上記鋼が約36〜約80ksiの降伏強度を有し、API仕様5LXの全ての必要条件を満たす請求項18に記載の耐HICラインパイプ鋼。