JP2003094113A

JP2003094113A - 鋼管の製造方法および溶接鋼管

Info

Publication number: JP2003094113A
Application number: JP2001289758A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Takahashi; 伸彰高橋; Akio Yamamoto; 昭夫山本; Tomoaki Ikeda; 友彰池田; Tetsuya Fukuniwa; 哲也福庭
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-09-21
Filing date: 2001-09-21
Publication date: 2003-04-02
Anticipated expiration: 2021-09-21
Also published as: CA2403302A1; JP3846246B2; EP1295651B1; US20030062402A1; DE60202034T2; ES2227408T3; US6948649B2; DE60202034D1; EP1295651A3; EP1295651A2; CA2403302C

Abstract

(57)【要約】【課題】高強度鋼管に特有の高降伏比の問題を解決し、
併せて管の真円度を確保する鋼管製造方法を提供する。【解決手段】鋼板を成形し溶接して製造した鋼管に0.3
〜1.2％の拡管加工を施した後、0.1〜1.0％の縮管加工
を施す。この方法で製造した鋼管は、面積率で80％以上
のマルテンサイトまたは／およびベイナイトを含む組織
を有し、降伏強度が551MPa以上、降伏比が93％以下の高
強度鋼管である。縮管加工を拡管加工の加工率よりも小
さい加工率で行うのが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マルテンサイトま
たは／およびベイナイト組織を主体とするAPIのX80グレ
ード以上の高強度ラインパイプとして使用できる高強度
鋼管の製造方法に関する。この方法で製造された鋼管
は、高強度であるにもかかわらず、降伏比が低く、また
真円度の高い鋼管である。

【０００２】

【従来の技術】現在、UOEプロセスで製造される鋼管で
実用パイプラインに適用されているのはAPI X70グレー
ドまでであり、API X80グレードの実用化は、世界中で
ほんの数例に過ぎない。これは、X80グレード以上の高
強度鋼管では、降伏比が高くなってAPI規格に定められ
る許容降伏比以下にするのが難しいこと、および強度、
靭性等を含めたパイプの基本性能の確立が技術的に難し
いことによる。更に、X80グレード以上の鋼管の実用化
には、実パイプラインに高強度鋼を適用した場合の安全
性の評価も必要となる。

【０００３】しかし、輸送能率を高めるためにはライン
パイプを高強度化して高圧輸送を行う必要があり、近年
X100グレード以上の高強度鋼管も要求されるようになっ
てきた。

【０００４】ここで、APIとは American Petroleum Ins
titute のことであり、X60グレードは降伏強度が60ksi
（413MPa）以上、X80グレードとは同じく80ksi（551MP
a）以上、X100グレードとは同じく100ksi（689MPa）以
上のものをいう。現在、APIで規格化されているのはX80
グレードまでである。本明細書において「高強度鋼管」
というのはX80グレード以上の鋼管を意味する。

【０００５】UOEプロセスで製造される高強度鋼管にお
いては、従来の低強度鋼管では問題にならなかった新た
な課題が生じる。その一つが降伏比の上昇である。

【０００６】ラインパイプに関しては、安全性確保のた
め、降伏比、即ち、（降伏強度／引張強度）×100
（％）を93％以下とするように規定されている。低強度
鋼管ではこの93％以下の降伏比とすることは容易であ
る。しかし、マルテンサイトまたは／およびベイナイト
を主体とする高強度鋼管においては、加工硬化による降
伏強度の上昇が著しいため93％以下の降伏比を確保する
のは難しい。

【０００７】UOEプロセスでは、製造された鋼管に拡管
加工が施される。拡管は、真円度をはじめとする形状、
寸法の調整、溶接残留応力の除去等を目的とする。しか
し、この拡管によって降伏強度が上がり、降伏比が大き
くなる。その傾向はフェライト−ベイナイトまたはフェ
ライト−パーライトの組織を持つ低強度鋼管におけるよ
りも、マルテンサイトまたはベイナイトを主体とする組
織の高強度鋼管において顕著である。

【０００８】特開平9-1233号公報には、通常のUOEプロ
セスにおける鋼管製造方法において、冷間口拡げ加工と
冷間口絞り加工とを組み合わせて実施することにより鋼
管の特性を調整する方法が開示されている。しかし、そ
の方法は、実施例からも明らかなように、X70グレード
を対象とするものである。また、同公報の請求項２の方
法では２％までの口絞り（縮管）の後に４％までの口広
げ（拡管）を行い、請求項３の方法では２％までの口広
げ（拡管）の後に４％までの口絞り（縮管）を行う。

【０００９】上記の方法のうち、縮管の後に拡管を行う
方法を高強度鋼管に適用すると、降伏比が上昇して前記
の規定（93％以下）を満足しなくなる。一方、拡管の後
に縮管を行う方法でも、２％の拡管率および４％の縮管
率という大きな加工を高強度鋼管に適用すると鋼管の靱
性が大きく低下する。

【００１０】要するに、特開平9-1233号に開示される発
明は、マルテンサイトまたは／およびベイナイト組織を
主体とする高強度鋼管の製造方法に関するものではな
い。同公報には高強度鋼管の降伏比を低く保つこと、お
よび真円度を確保することに関しての言及がない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】拡管および縮管が鋼管
の機械的性質に及ぼす影響は、管の金属組織によって異
なる。従って、フェライト−ベイナイト、またはフェラ
イト−パーライト組織の低強度鋼管とマルテンサイトま
たは／およびベイナイトを主体とする組織の高強度鋼管
とでは、拡管および縮管の影響を別個に検討しなければ
ならない。

【００１２】現在、高強度鋼管の降伏比が高くなりすぎ
るという問題を解決する製造プロセスに関する知見は得
られていない。本発明の目的は、上記のように高強度鋼
に特有の高降伏比の問題を解決し、併せて管の真円度を
確保する鋼管製造方法を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、下記(1)〜(3)
の鋼管の製造方法および(4)の溶接鋼管を要旨とする。

【００１４】(1)鋼板を成形し溶接して製造した鋼管に
0.3〜1.2％の拡管加工を施した後、0.1〜1.0％の縮管加
工を施すことを特徴とする面積率で80％以上のマルテン
サイトまたは／およびベイナイトを含む組織を有し、降
伏強度が551MPa以上の鋼管の製造方法。ここで、拡管率
および縮管率とは、拡管加工または縮管加工の前後で測
定した管の周長の差を加工前の周長で除して100倍した
ものをいう。

【００１５】(2)縮管加工を拡管加工の加工率よりも小
さい加工率で行う上記(1)の鋼管の製造方法。

【００１６】(3)拡管加工および縮管加工を施した後の
鋼管の降伏強度が689MPa以上である上記(1)または(2)の
鋼管の製造方法。

【００１７】(4)上記(1)から(3)までのいずれかの製造
方法で製造された溶接鋼管。

【００１８】

【発明の実施の形態】前記のように、従来のUOEプロセ
スでは、最終工程である拡管工程によって加工硬化に伴
う降伏比の上昇を引き起こす。また、管の高強度化に伴
い、設備能力の点からも真円度を目標範囲内に制御する
ことが困難となってくる。従来の拡管工程の目的は、主
に溶接部近傍の溶接後の残留応力を緩和すること、およ
び真円度の確保であったが、この工程では、上述した高
強度鋼に特有の高降伏比の問題を克服することができな
い。

【００１９】本発明者は、高強度鋼管の高降伏比につい
て、次に述べるような新しい知見を得ることができた。

【００２０】図１は、降伏強度の異なる多数の鋼管（UO
Eプロセスで製管したもの）の管周方向から採取した丸
棒引張試験片とAPI規格の板状引張試験片を用いて引張
試験を行った結果を引張強度と降伏比（YR）との関係で
整理した図である。

【００２１】図１に示すように、低強度鋼の場合、API
規格の板状引張試験片による試験と、丸棒引張試験片に
よる試験とでは、降伏比（YR）に大きな差異は生じな
い。しかし、高強度鋼になると、丸棒引張試験片での降
伏比は非常に高くなりAPIの「降伏比は93%以下」という
規定を大きく上回る。一方、板状引張試験片を用いた場
合は降伏比は引張強度によらずほぼ一定である。

【００２２】上記の現象が現れるのは、API規格の板状
引張試験片では鋼管から採取した湾曲試験片を平板状に
曲げ戻す（展開する）のに対して、丸棒引張試験片はこ
のような展開加工を受けないためであると推定される。
即ち、板状引張試験片での試験で降伏比が低くなるの
は、試験片加工時に曲げ戻すために、バウシンガー効果
により降伏強度が低下するからである。板状引張試験片
においては、この降伏強度の低下と、拡管処理による降
伏強度の上昇とが打ち消しあって、強度の上昇があって
も降伏比の上昇は殆どない。一方、丸棒引張試験片によ
る試験において、高強度になるにつれて降伏比が高くな
るのは、前記の展開加工のバウシンガー効果による降伏
強度の低下がないため、材料そのものの特性を評価する
ことになるからである。本発明の対象となる高強度鋼で
高降伏比となるのは、主体組織となるマルテンサイトや
ベイナイト組織では転位密度が高いので、歪み感受性が
極度に増大することが原因であると予想される。

【００２３】上記の試験結果から、X70グレード以下の
低強度鋼管では、板状引張試験片、丸棒引張試験片のど
ちらを用いても、降伏比はほぼ正確に評価できるが、X8
0グレード以上、特にX100グレード以上の高強度鋼管で
は、管の機械的性質を正確に評価するためには、丸棒引
張試験片を採用するのが良いといえる。従って、本発明
の基礎となったデータは全て丸棒引張試験片を用いた試
験によって得た。以下、試験結果を説明する。

【００２４】１．拡管および縮管の模擬試験小型試験片を用いてUOEプロセス後の拡管と縮管を模擬
した試験を行った。試験材料（鋼板）はC方向の引張強
度が900MPaのものである。この鋼板のＣ方向から14mm径
の丸棒試験片を採取し、O-Press相当の0.3%圧縮歪みを
与えた後、拡管工程に相当する1.0%および3.0%の引張歪
みを与え、その後、縮管工程を想定して、1.0%および3.
0%の圧縮歪みを与えた。これらの加工後の試験片からAS
TM規格の6.35mm径の丸棒引張試験片を採取して引張試験
を行い、圧縮歪みと降伏比の関係を整理した。その結果
を図２に示す。

【００２５】図２から明らかなように、1.0%および3.0%
の引張歪みを与えたままの状態では93〜100％であった
降伏比が、圧縮歪みを与えることによって大きく低下す
る。即ち、拡管の後に縮管を行うことにより降伏比が小
さくなる。しかも、1.0％というわずかな圧縮歪みによ
っても降伏比は90％以下に急減している。

【００２６】図３は、上記と同様に引張歪みと圧縮歪み
を与えた試験片を用いて行った衝撃試験の結果を示す図
である。先に説明した図２に示すように、降伏比を下げ
るためだけであれば、高い圧縮率が望ましい。しかし、
図３から明らかなように、高い圧縮率で加工すると靭性
は低下していく。

【００２７】２．製管試験前記の小形試験片でのシミュレート結果を基に、実生産
工程で製管する試験を行った。製造条件は後述する実施
例の製造条件と同じである。

【００２８】図４にUOEプロセスで拡管した後、0.1％、
0.3％および0.5％の縮管を実機で実施した場合の降伏比
の変化を示す。模擬試験の結果とほぼ同一の傾向を示す
ことが確認され、拡管後の降伏比が縮管工程を経ること
で低減することがわかる。実際の鋼管製造においても、
低強度鋼管で必要と思われる拡管率、縮管率よりも非常
に小さい加工率で十分な効果が得られることとなる。

【００２９】実際の製管工程では縮管率の増加と共に局
部的変形が進行して真円度等の形状確保も困難となって
いく。即ち、鋼管の基本性能および所定の形状を確保す
るためには、縮管率が過大であってはならない。

【００３０】また、降伏比が過度に低下すると、規格で
定められている降伏強度を確保するためには、合金成分
の添加によって降伏強度を高める必要が生じる。一般に
強度の上昇と共に靭性は低下するので、上記のように高
強度化した鋼で良好な靭性をも確保するのは困難であ
る。

【００３１】３．素材鋼板について高強度の鋼管を製造するのに用いる素材鋼板として望ま
しいのは、下記の化学組成を有する鋼板である。なお、
各成分の含有量を示す％は質量％である。

【００３２】Ｃ：0.03〜0.10%、Si：0.05〜0.5%、Mn：
0.8〜2.0%、Ｐ：0.02%以下、Ｓ：0.01%以下で、更に、C
u：0.05〜1.0%、Ni：0.05〜2.0%、Cr：0.05〜1.0%、M
o：0.03〜1.0%、Nb：0.005〜0.1%、V：0.01〜0.1%、T
i：0.005〜0.03%、Al：0.06%以下およびＢ：0.0005〜0.
0030%の中から選んだ１種以上を含み、残部が鉄および
不純物からなる鋼板。

【００３３】上記の鋼板は、更に0.005%以下のNまたは
／および0.0003〜0.005%のCaを含むことができる。

【００３４】以下、上記各成分の作用効果について述べ
る。

【００３５】Ｃ：0.03〜0.10％Ｃの含有量が0.03%よりも少ないと、鋼が所定のミクロ
組織にならず、従って、目標の強度を得難い。一方、0.
10%を超えると靭性の低下が著しくなり、母材の機械的
特性に悪影響を及ぼすとともにスラブの表面疵の発生を
助長する。従って、Ｃ含有量の適正範囲は、0.03〜0.10
％である。

【００３６】Si：0.05〜0.5％ Siは鋼の脱酸剤となり、また鋼を強化する成分でもあ
る。Si含有量が0.05％よりも少ないと脱酸が不十分とな
り、0.5％を超えると溶接熱影響部に縞状マルテンサイ
トが多く生成し靭性を劣化させる。従ってSi含有量の適
正範囲は0.05〜0.5％である。

【００３７】Mn：0.8〜2.0％ Mnは鋼を強靭化する基本元素である。0.8％未満ではそ
の効果が小さく所定のミクロ組織およびは強度が得られ
ない。一方、2.0％を超えると中心偏析が増加し、母材
靭性の低下をひきおこす。また溶接性も著しく劣化す
る。従って、Mnの適正含有量は0.8〜2.0％である。

【００３８】Ｐ：0.02％以下Ｐは不純物であり、その含有量が0.02％を超えると中心
偏析が増加し母材靭性の低下を招く。また、溶接時に溶
接高温割れを引き起こす原因にもなる。従って、Ｐ含有
量は、0.02％以下でできるだけ少ないことが望ましい。

【００３９】Ｓ：0.01％以下Ｓも不純物であり、その含有量が0.01％を超えると、板
での水素誘起割れおよび溶接時の水素割れが発生しやす
くなる。従って、0.01％以下でできるだけ少ないのが望
ましい。

【００４０】Cu：0.05〜1.0％ Cuは，固溶強化と焼入れ性増大の効果による組織変化を
通して、鋼の靭性を大きく損なうことなく強度を上げる
成分である。0.05％はこの効果を得る最少量である。一
方、Cu含有量が1.0％を超えると、Cuチェッキングが発
生し、スラブの表面疵発生を招く。スラブの低温加熱に
よってCuチェッキングを防ぐことは可能であるが、それ
では鋼板の製造条件が制約される。従って、Cuの適正含
有量は0.05〜1.0％である。

【００４１】Ni：0.05〜2.0％ Niは、Cuと同じく固溶強化と焼入れ性増大効果による組
織変化を通して、靭性を大きく損なうことなく、鋼を強
化する元素である。その効果は0.05％から顕著になる。
しかし、2.0％を超えると鋼の製造コストが高くなり実
用的ではない。

【００４２】Cr：0.05〜1.0％、Mo：0.03〜1.0％ CrおよびMoもCu、Niと同じく固溶強化と焼入れ性増大効
果による組織変化を通して、靭性を大きく損なうことな
く、鋼を強化する元素である。それぞれ0.05％以上、0.
03％以上でその効果が顕著になる。一方、それぞれ1.0
％を超えると溶接熱影響部の靭性を低下せしめる。

【００４３】Nb：0.005〜0.1％、Ｖ：0.01〜0.1％、T
i：0.005〜0.03％これらの元素は、析出強化や焼入れ性増大効果による強
度上昇、および結晶粒微細化に伴う靭性の改善に大きな
効果をもたらす。それぞれの下限値はこれらの効果が発
現する量である。一方、これらの元素の含有量が過剰に
なると溶接部の靭性低下をひきおこす。それぞれの上限
値は性能確保の限界値である。

【００４４】Al：0.06％以下 Alは、Siと同様、脱酸剤としての作用があるが0.06％以
下の含有量でもその効果が十分に得られる。0.06％を超
える程の添加は経済面からも望ましくない。なお、Al含
有量の下限は不純物レベルであってもよい。溶接金属の
靱性を確保するにはAlの含有量が0.02％以上であること
が望ましい。

【００４５】Ｂ：0.0005〜0.0030％Ｂは、0.0005％以上の含有量で鋼の焼入れ性を顕著に増
大させる効果を持つ。一方、0.0030％を超えると、溶接
性を低下せしめる。従って、Ｂの適正な含有量は0.0005
〜0.0030％である。

【００４６】Ｎ：0.005％以下ＮはＶおよびTi等と窒化物を形成し鋼の高温強度の向上
に効果をもたらす。しかし、Ｎの含有量が0.005％を超
えると、Nb、ＶおよびTiと粗大な炭窒化物を形成し、母
材および熱影響部の靭性の低下を引き起こす。従って、
Ｎ含有量は、0.005％以下に抑える必要がある。

【００４７】Ca：0.0003〜0.005％ Caは、介在物の形態制御、具体的には介在物の球状化、
に効果があり、水素誘起割れや、ラメラーティアーを防
止する。その効果は0.0003％以上で顕著になり、0.005
％で飽和する。従って、Caを添加する場合は、その含有
量を0.0003〜0.005％とするのがよい。

【００４８】４．金属組織について得られた鋼管の金属組織はマルテンサイトまたは／およ
びベイナイトが面積率で80％以上のものでなければなら
ない。即ち、マルテンサイト単独、ベイナイト単独、ま
たはこれらの混合組織が面積率で80％を占める必要があ
る。このような組織を持つことによって、鋼管は降伏強
度が551MPa以上の高強度鋼管となる。

【００４９】上記の金属組織を持つ高強度鋼管は、次の
ようにして得られる。即ち、所定の化学組成を有するス
ラブを制御圧延し、制御冷却することによって上記の金
属組織の鋼板とし、これを素材として成形、溶接および
拡管と縮管の加工を施す。鋼板の金属組織は加工後の鋼
管においても保持される。

【００５０】５．拡管率および縮管率について拡管率：0.3〜1.2％溶接の後に溶接部近傍に残留する応力の低減および管の
真円度確保のためには最低0.3%以上の拡管が必要であ
る。一方、1.2％より大きい加工率で拡管すると、必要
以上の加工硬化を引き起こし、機械的性質に悪影響を与
える。なお、拡管方法は従来のUOEプロセスで実施され
ているメカニカル拡管、水圧拡管のいずれでもよい。

【００５１】縮管率：0.1〜1.0％拡管に伴う加工硬化を打ち消し、バウシンガー効果によ
り低降伏比を達成するためには、少なくとも0.1％の逆
歪みを与える加工、即ち、縮管加工が必要である。一
方、1.0％より大きい縮管をすると管の寸法形状の確保
が困難であるとともに、局部的な変形が進む恐れがあ
り、管の周方向の性能不均一を引き起こすこととなる。
また、前述の図３に示したように靱性低下を招く。な
お、高荷重で1.0%を超える縮管を施しえた場合でも、降
伏比が大きく低下するため、目標の降伏強度を確保する
ためには、引張強度を高める対策、例えば合金成分の添
加、が必要になり、製造コストの上昇を招く。

【００５２】縮管率は、拡管率よりも小さくするのが望
ましい。拡管率以上の加工率で縮管を行うと降伏比の低
下が大きくなりすぎることがある。

【００５３】降伏強度が689MPa以上の高強度鋼管（X100
グレード以上の鋼管）では、組織中のマルテンサイトの
比率が高くなる。従って、拡管による降伏比の上昇も大
きい。しかし、本発明方法の拡管と縮管の組合せによれ
ば、降伏比の上昇が抑えられ、降伏比93％以下という規
定を容易に満たすことができる。

【００５４】

【実施例】表１に示す化学組成およびミクロ組織の鋼板
（厚さ：10〜25mm）を素材として外径30インチから48イ
ンチまでの鋼管を製造した。ミクロ組織は光学顕微鏡お
よび電子顕微鏡で観察し、マルテンサイトおよびベイナ
イトの比率を測定した。

【００５５】まず、鋼板をC-U-Oプレス成形し、仮付
け、内面および外面溶接（SAW溶接）を行った。その
後、メカニカル拡管およびO-プレスによる縮管を行っ
た。拡管率および縮管率は表２に示すとおりである。

【００５６】

【表１】

【００５７】表２に拡管率、縮管率、シャルピー衝撃試
験および引張試験の結果、ならびに真円度を示した。特
に、シャルピー衝撃値、引張特性および真円度は、ライ
ンパイプの性能を保証する上で、確認すべき重要な項目
である。

【００５８】衝撃試験片はJIS４号、引張試験片は丸棒
試験片とし、−30℃での吸収エネルギーならびに降伏強
度および引張強度を測定し降伏比を算出した。これらの
結果を表２中に記した。なお、衝撃値は、ノッチがそれ
ぞれ母材、溶接金属および溶融線（fusion line)になる
ように試験片を採取して調べた。真円度の欄の○はAPI
規格で許容される公称外径の±１％以内にあるもの、×
はこの許容範囲を超えるものである。△は真円度を満足
させるための設備の負荷が著しく大きいことを示す。

【００５９】

【表２】

【００６０】表２から明らかなように、本発明例では、
素材鋼板のミクロ組織が規定の条件を満たすと同時に、
適正な拡管率と縮管率で成形されているので、母材、溶
接金属および溶融線の吸収エネルギーがそれぞれ200J、
40J、40Jを超え、靱性が高い。また、適切な強度を有し
ており、真円度も良好である。

【００６１】一方、比較例では、適切な金属組織分率を
有していないか、組織が適正であっても、拡管率または
／および縮管率が不適当であるために、降伏比低減の効
果が少なく、目標値である93％を超えてしまう。さら
に、より高強度で縮管率が高い場合は、母材靱性が低下
している。

【００６２】

【発明の効果】本発明の方法によれば、高強度鋼管に特
有の降伏比が高くなりすぎるという問題が解決でき、実
ラインパイプとしての安全性が確保できる。そして、靭
性および真円度にも優れた鋼管を製造できる。本発明方
法は、高強度鋼管の製造方法としてきわめて有用であ
り、その鋼管はX80グレード以上のラインパイプとして
実用できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】引張試験片の形状の相違による鋼の引張強度と
降伏比との関係を示す図である。

【図２】丸棒試験片を用いて引張歪みを加えた後の圧縮
歪みと引張試験での降伏比との関係を示す図である。

【図３】引張歪みを与えた後、圧縮歪みを加えた試験片
による衝撃試験の結果を示す図である。

【図４】実管における拡管と縮管の後の降伏比を示す図
である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者池田友彰茨城県鹿嶋市大字光３番地住友金属工業株式会社鹿島製鉄所内 (72)発明者福庭哲也茨城県鹿嶋市大字光３番地住友金属工業株式会社鹿島製鉄所内Ｆターム(参考） 4E028 CB04 CB08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鋼板を成形し溶接して製造した鋼管に0.3
〜1.2％の拡管加工を施した後、0.1〜1.0％の縮管加工
を施すことを特徴とする面積率で80％以上のマルテンサ
イトまたは／およびベイナイトを含む組織を有し、降伏
強度が551MPa以上の鋼管の製造方法。
【請求項２】縮管加工を拡管加工の加工率よりも小さい
加工率で行う請求項１に記載の鋼管の製造方法。
【請求項３】拡管加工および縮管加工を施した後の鋼管
の降伏強度が689MPa以上である請求項１または２に記載
の鋼管の製造方法。
【請求項４】請求項１から３までのいずれかに記載の製
造方法で製造された溶接鋼管。