JP2006263814A - 溶接金属の耐水素脆化割れ特性に優れた高強度溶接鋼管とその製造方法 - Google Patents

溶接金属の耐水素脆化割れ特性に優れた高強度溶接鋼管とその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は溶接部脆化割れ特性に優れた高強度溶接鋼管、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】引張強度が８５０MPa以上でシーム溶接を内外面から行い、その後、拡管あるいは縮管矯正を行う溶接鋼管の製造法において、前記鋼管の内外面で先行する溶接金属の水素濃度が前記矯正までの間に常温で１００ｇ当たり、０．２ｃｃ以下であることを特徴とする溶接金属の耐水素脆化割れ特性に優れた溶接鋼管の製造方法、及び先行する溶接金属の水素濃度が常温で１００ｇ当たり、０．２ｃｃ以下であることを特徴とする溶接金属の耐水素脆化割れ特性に優れた溶接鋼管。
【選択図】図５

Description

本発明は、天然ガス・原油輸送用ラインパイプ等に用いられる、母材およびアーク溶接によって形成された溶接金属の周方向の引張強度が８５０MPa以上である高強度溶接鋼管およびその製造方法に関する。
近年、天然ガスを輸送する長距離パイプラインにおいて輸送の効率化、付帯設備のコスト削減の観点から引張強度が８５０MPa以上である高強度大径ラインパイプの敷設が検討され始めてきた。このようなラインパイプは通常、ＵＯＥ方式、ＵＯＣ方式、ＪＯＥ方式やベンディングロール方式により、鋼板を筒状にして突合せ部をシーム溶接して造管される。この場合、つなぎ目となるシーム溶接部はサブマージアーク溶接により、通常、内面溶接、外面溶接の順で形成される。しかしながら、外面溶接後の非破壊検査でシーム溶接部に鋼管軸方向に直角方向の割れ、いわゆる横割れが散見される場合がある。
このような横割れが残存した鋼管を凍土地帯で使用すると、温度の季節変動によって、軸方向に管体の降伏強度を超えるような引張応力が負荷されて破壊する危険性や、繰り返しの応力負荷により割れが進展して輸送流体が漏洩し、大事故につながる危険性がある。このため製造時の割れ発生を未然に防ぐか、発生した割れを非破壊検査により確実に検出し、除去しなければならない。
シーム溶接部の横割れは、高強度材の脆化割れの一種である。この脆化割れは水素によるものが一般的であり、水素脆化割れとも呼ばれ、強度が低下すると発生しにくくなる。しかしながら、シーム溶接部の強度を低下させると脆化割れは起きにくくなるものの、内圧負荷時に選択的にシーム溶接部からの変形が促進され、溶接部からの破断に至る場合も想定される。したがって、溶接金属の強度を母材強度以上に保ちながら水素脆化割れを防止する方法が必要となった。
水素脆化割れは水素濃度、負荷応力、材料特性、特に強度に依存するため、複合的な効果によって水素脆化割れが発生しないように、これらを限界値以下に制御する必要がある。水素濃度を低下させる方法として溶接後、１００℃以上、好ましくは２００℃以上に加温し、適切な時間だけ保持する方法、いわゆる後熱は、シーム溶接後に溶接金属を加熱し、横割れが発生する限界以下の水素濃度になるように、水素を拡散させる方法である。
このような観点から、ＵＯＥ鋼管の溶接金属の強度、母材強度、溶接条件を複合的に抑えることで高強度材のシーム溶接部の水素脆化割れを防止する技術が特許文献１に開示されている。特許文献１には溶接部の横割れが先行するシーム溶接部で頻発することについては述べられているものの、水素濃度、溶接残留応力の抑制による横割れ防止について、具体的な条件は開示されていない。
また、溶接後、鋼管全体を焼入れ、焼戻しすることで靭性の低下、及び凝固割れを防止する方法が特許文献２に提案されているが、水素濃度、溶接残留応力については触れられていない。その他に水素脆化割れを誘起する要因である残留応力を緩和させる方法として、溶接後７００℃程度まで加熱するいわゆる応力除去焼純や、ハンマーピーニングによる殴打などで溶接部に塑性変形を与えることで残留応力を低下させる方法もあるが、水素濃度と残留応力の関係が横割れに及ぼす影響については不明であり、耐水素脆化割れ性は充分改善されていない。また、これらの方法は溶接後、直ちに行う必要があり、製造工程、製造コストを考慮すると必ずしもシーム溶接部への適用には適切な方法ではない。
常温で鋼中を拡散し、４００℃以下までの加熱時に放出される拡散性水素量と水素脆化割れとの関係については、拡散性水素量が１００ｇ当たり５ｃｃ以下であれば８２７MPaを超えるような高強度材においても水素脆化割れが起こらないことが非特許文献１に報告されている。しかし、係る知見は鋼管同士を多パスで溶接するガス溶接について述べているものであり、本発明が対象とするシーム溶接における溶接部では１００ｇ当たり５ｃｃ以下であっても依然として水素脆化割れが起こることが確認されている。
また、溶接材料の改良点として、ＶＮなどの水素トラップサイトを溶接金属に生成させて、割れに有害な拡散性水素を低減させる方法や、低温変態溶材により常温での残留応力を低下させる方法がある。しかし、水素トラップサイトの活用は高強度材では必ずしも有用な方法でなく、また、低温変態溶材の使用は著しいコスト上昇を招く。
特開２００３−３１１３２１号公報 特開昭５７−３５６３６号公報 Proceedings of IPC2004, October 4 - 8, 2004, IPC04-0585 Evaluation of Hydrogen Cracking Susceptibility in X120 Girth Welds
本発明は、内外面からシーム溶接を行う高強度溶接鋼管の溶接部に生じる、水素起因の横割れの防止を課題とする。溶接部の水素脆化割れを防止する技術として、熱処理による水素の拡散または残留応力の低減、塑性変形付与による残留応力の低減、水素のトラップサイト付与、溶接金属の成分設計による残留応力制御などがあるが、残留応力が低減するような比較的高温、例えば６００℃にまで加熱するには加熱冷却に過度な時間を要し、また、塑性変形による残留応力低減には特別な加工装置が必要となり、金属材料の改良は合金成分の追加による著しいコスト上昇を招く。
本発明は引張強度が８５０℃以上の高強度溶接鋼管の溶接金属、特に先行するシーム溶接によって形成された溶接金属の水素濃度を規定し、水素誘起割れである溶接部の鋼管軸に直角な方向の割れ、すなわち水素脆化割れを防止できる技術を提供するものである。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その要旨は以下のとおりである。
（１）引張強度が８５０MPa以上の鋼板を筒状に成形し、突合せ部を内外面からシーム溶接し、その後、拡管または縮管矯正を行って製造された溶接鋼管であって、前記鋼管の内外面からのシーム溶接のうち、先行する溶接によって形成された溶接金属の水素濃度が常温で１００ｇ当たり、０．２ｃｃ以下であることを特徴とする溶接金属の耐水素脆化割れ特性に優れた高強度溶接鋼管。
（２）引張強度が８５０MPa以上の鋼板を筒状に成形し、突合せ部を内外面からシーム溶接し、前記内外面からのシーム溶接のうち、先行するシーム溶接によって形成された溶接金属の水素濃度を常温で１００ｇ当たり、０．２ｃｃ以下とし、その後、拡管または縮管矯正を行うことを特徴とする溶接金属の耐水素脆化割れ特性に優れた高強度溶接鋼管の製造方法。
（３）脱水素処理により、内外面からのシーム溶接によって形成された溶接金属の水素濃度を常温で１００ｇあたり、０．２ｃｃ以下とすることを特徴とする上記（２）に記載の溶接金属の耐水素脆化割れ特性に優れた高強度溶接鋼管の製造方法。
（４）脱水素処理により、内外面からのシーム溶接のうち、先行する溶接によって形成された溶接金属の水素濃度を常温で１００ｇあたり、０．２ｃｃ以下とすることを特徴とする上記（２）に記載の溶接金属の耐水素脆化割れ特性に優れた高強度溶接鋼管の製造方法。
（５）脱水素処理の加熱温度Ｔ［℃］が１５０〜５００℃の範囲であり、加熱時間が溶接金属高さｈ［ｍｍ］および前記加熱温度Ｔから、下記式（１）により求められたt［ｓ］以上であることを特徴とする上記（３）または（４）に記載の溶接金属の耐水素脆化割れ特性に優れた高強度溶接鋼管の製造方法。
ｔ＝（ｈ／１６）2／ｅｘｐ（−９５７／（２７３＋Ｔ））・・・（１）
本発明によれば、天然ガス・原油輸送用ラインパイプ等に用いられる、引張強度が８５０MPa以上である高強度溶接鋼管の溶接部での水素脆化割れの発生を防止することが可能となる。
引張強度が８５０MPa以上である高強度溶接鋼管をＵＯＥ造管プロセスで製造する際には、Ｃプレスで鋼板の端部を曲げ、ＵプレスでＵ字形状に曲げ、次いでＯプレスにより筒状に成形し、その後、通常、外面からの仮付け後、サブマージ溶接による内面溶接を行い、続いて外面溶接を行い、さらに拡管または縮管矯正により真円度を整える。
このＵＯＥ鋼管のシーム溶接部の欠陥を、ＪＩＳ Ｇ ０５８４に準拠して、超音波探傷によって検出すると、頻度は少ないものの横割れが散見された。超音波探傷の結果によって、欠陥が検出された位置を特定すると、横割れは先行して溶接した内面の溶接金属に発生していることがわかった。また、横割れの破面を走査型電子顕微鏡で観察した結果、水素脆化割れ特有の破面を呈していることもわかった。
このことから高強度溶接鋼管のシーム溶接部に発生する横割れが、フラックス、開先の結露、大気中の水分などから溶接金属内に取り込まれた水素と溶接残留応力による水素脆化割れであると結論づけた。しかし、内面溶接を行った後、外面溶接を行わずに超音波探傷による欠陥の検出を試みたところ、内面溶接ままでは横割れが発生していないことがわかった。
ここで述べるＵＯＥ鋼管の素材となる厚鋼板（母材）は、その鋼組成が、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１０％、Ｓｉ：０．０１〜０．６％、Ｍｎ：１．５〜２．５％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．００３％以下、Ｎｉ：０．１〜２．０％、Ｍｏ：０．１５〜０．６０％、Ｎｂ：０．００１〜０．１０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０３０％、Ａｌ：０．０６％以下を含有し、さらに、必要に応じてＢ：０．０００１〜０．００５％、Ｎ：０．０００１〜０．００６％、Ｖ：０．００１〜０．１０％、Ｃｕ：０．０１〜１．０％、Ｃｒ：０．０１〜１．０％、Ｚｒ：０．０００１〜０．００５％、Ｔａ：０．０００１〜０．００５％、Ｃａ：０．０００１〜０．０１％、ＲＥＭ：０．０００１〜０．０１％、Ｍｇ：０．０００１〜０．００６％の１種または２種類以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼を熱間制御圧延して得られたものである。
上記ＵＯＥ鋼管の製造に際しては、前述の鋼組成を有する厚鋼板（母材）を、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１２％、Ｓｉ：０．３％以下、Ｍｎ：１．２〜２．４％、Ｎｉ：４．０〜８．５％、Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ：３．０〜５．０％、Ｔｉ：０．００５〜０．１５％、Ａｌ：０．０２％以下からなる溶接ワイヤーを用いて入熱：１．５ｋＪ／ｍｍ〜６．３ｋＪ／ｍｍで溶接する。
このようにして得られた溶接金属については、成分が、質量％で、Ｃ：０．０４〜０．１４％、Ｓｉ：０．０５〜０．４％、Ｍｎ：１．２〜２．２％、Ｐ：０．０１％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｎｉ：１．３〜３．２％、Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ：１．０〜２．５％、Ｔｉ：０．００３〜０．０５０％、Ａｌ：０．０２％以下、Ｂ：０．００５％以下、Ｏ：０．０１〜０．０３％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるものである。
本発明者は、以下のようにして、引張強度が８５０MPa以上である高強度溶接鋼管の溶接金属の水素脆化割れが発生する応力と水素量の関係を調査した。溶接鋼管から内外面溶接金属を含むように、周方向と軸方向のサイズが２００ｍｍ×２００ｍｍであるサンプルを採取し、直ちにドライアイスで冷却し、保存した。このサンプルの溶接金属から、長手方向が溶接方向と平行であり、平行部の直径が６ｍｍである丸棒引張り試験片を採取した。これらの丸棒引張り試験片に、水素が逃散しないようにカドミウムめっきを施した。次に、この引張り試験片に一定荷重を２４０時間負荷し、破断の有無、すなわち水素脆化割れ発生の有無を調べた。更に、同様にして採取した平行部直径が６ｍｍの丸棒引張り試験片を用いて、ＪＩＳ Ｚ ３１１８の鋼溶接部の水素測定方法で採用されているガスクロマトグラフ法に準拠して水素量を測定した。
結果を図１に示すが、水素量は、上記の測定方法によって測定した、即ち４５℃で７２時間保持して捕集した拡散性水素の量を、試験片１００ｇ当りに含まれる水素の体積［ｃｃ］で表したものである。図１の縦軸は、試験片に負荷した定荷重を試験片の平行部の断面積で除して、応力σ［MPa］で表したものである。
図１に示したように、負荷された応力が高い場合は少量の水素で水素脆化割れが発生し、応力が低ければ水素量が多くても水素脆化割れが発生しない。また、図１から、水素量Ｈ［ｃｃ］と引張り応力σ［MPa］が、
（Ｈ−０．１）×（σ−５５０）≦４５
を満足する場合には、水素脆化割れは発生しないと推定できる。したがって、先行するシーム溶接によって形成された溶接金属に含有される水素量をＨ［ｃｃ］、該溶接金属に負荷される引張り残留応力を［MPa］が上記式の関係を満足すれば、高強度溶接鋼管の水素脆化割れを防止することができる。
そこで、本発明者は、ＵＯＥ工程における拡管前の溶接金属部の残留応力を有限要素法（以下、ＦＥＡともいう。）による数値解析シミュレーションで求めた。これは、内外面からシーム溶接した溶接金属の残留応力を非破壊で実測することが困難であるためである。
図２に、内面、外面の順でシーム溶接して溶接金属を形成し、拡管前の状態を仮定し、鋼管の周方向の断面における溶接金属の中心線（溶接中心線）での軸方向の残留応力の肉厚方向の分布をFEAで求めた結果を示す。なお、図２の横軸は、図３に模式的に示したように、鋼管の内面から外面への距離である。
図２に示したように、残留応力は先行して溶接した、内面溶接金属側で最大値を示し、その値は溶接金属の降伏強度に達する。また、残留応力が最大になる位置は横割れの発生個所と一致する。ここで、図１に示したように、高強度の溶接金属を有する鋼管の水素脆化割れの発生の有無は、溶接金属の強度、水素濃度、残留応力、水素の存在下で残留応力が負荷される時間によって決まることから、発明者らは引張強度が８５０MPa以上である高強度溶接鋼管を造管し、常温で一定の時間が経過した後の内面溶接金属の水素濃度と横割れ発生の関係に着目した。
横割れは、内面溶接および外面溶接の終了後、拡管せずに７２時間放置し、ＪＩＳ Ｇ ０５８４に準拠して超音波探傷法により検出し、検出された横割れの位置によって、発生した部位が内面溶接金属であるか、外面溶接金属であるかを特定した。
また、横割れは、シーム溶接を施してから、拡管または縮管矯正までの間に発生するため、先行して内面からシーム溶接した後、外面からシーム溶接し、その後、拡管または縮管矯正せず、４時間が経過して溶接金属が常温近傍になった時点で内面および外面の溶接金属の水素濃度を測定した。水素濃度を測定するため、溶接鋼管から内外面溶接金属を含むように、周方向と軸方向のサイズが２００ｍｍ×２００ｍｍであるサンプルを採取し、直ちにドライアイスで冷却し、保存した。このサンプルの内面溶接金属および外面溶接金属から５ｍｍ×５ｍｍ×４０ｍｍの試験片を採取した。拡散性水素の放出を抑制するため、水素濃度の測定は、試験片の採取後、直ちに行った。水素濃度は、４５℃で７２時間保持して拡散性水素を抽出した後、ＪＩＳ Ｚ ３１１８に規定されている鋼溶接部の水素測定方法で採用されているガスクロマトグラフ法によって測定した。水素濃度は、拡散性水素量を試験片の質量で除して、１００ｇ当たりの濃度として算出した。
図４に内面溶接金属および外面溶接金属の水素濃度を度数分布で示す。図４は、１本の鋼管から３本の試料を採取して測定した水素濃度の平均値を、０．２未満、０．２〜０．４未満、０．４〜０．６未満、０．６〜０．８未満、０．８〜１．０未満に分類し、１本の鋼管の水素濃度を１度数としたものである。図３から、内面溶接金属の水素濃度は１００ｇ当たり、０．０〜０．６ｃｃに分散し、外面溶接金属の水素濃度は１００ｇ当たり、０．６〜１．０ｃｃに分布していたことがわかる。内面金属の水素濃度が外面に比べて低い理由は外面溶接時に内面溶接金属も加温され、水素が拡散したことである。
図５に内面溶接金属の水素濃度度数分布と割れ発生確率の関係を示す。水素濃度が１００ｇ当たり、０．２ｃｃを超えると横割れが発生し始めることがわかった。ここで、割れ発生確率とは、水素濃度の平均値が同等レベルの鋼管の内面溶接金属に横割れが検出される確率であり、例えば、水素濃度の平均値が０．２〜０．４ｃｃ未満の場合、度数が４、割れ発生確率が２０％であり、鋼管４本のうち、１本に横割れが検出されたことを意味する。なお、内面溶接金属に発生した横割れは、ＪＩＳ Ｇ ０５８４に準拠して超音波探傷法によって検出した。
図６に外面溶接金属の水素濃度度数分布と割れ発生確率の関係を示す。外面溶接部では水素濃度が内面の水素濃度より高いにもかかわらず、割れは発生しなかった。この理由は図２に示めす残留応力のピークが内面側で起こっていることに起因し、内面金属の水素濃度をより低いレベル抑制することの必要性を示唆している。ここで、割れ発生確率とは、水素濃度の平均値が同等レベルの鋼管の外面溶接金属に横割れが検出される確率であり、横割れは、ＪＩＳ Ｇ ０５８４に準拠して超音波探傷法によって検出した。
次に、内面からシーム溶接した後、外面からシーム溶接し、拡管または縮径矯正までの間に１５０〜２５０℃に加熱して水素濃度を低下させた溶接金属の横割れと水素濃度を調査した。横割れは超音波探傷法、水素濃度は、４５℃で７２時間保持して拡散性水素を抽出し、ＪＩＳ Ｚ ３１１８に規定されている鋼溶接部の水素測定方法で採用されているガスクロマトグラフ法に準拠して水素量を測定し、試料の質量１００ｇ当りの常温の水素の体積として算出した。この場合、内面溶接金属の水素濃度は１００ｇ当たり、０．２ｃｃ以下であった。
比較のため、先行する内面からのシーム溶接の前に開先面に油を付着させて内面外面からシーム溶接して、内面溶接金属の水素濃度を高め、同様に溶接金属の横割れと水素濃度を調査した。その結果、内面溶接金属の水素濃度は１００ｇ当たり、０．３ｃｃ以上であった。
図７に、内面溶接金属の水素濃度度数分布と割れ確率の関係を示す。水素濃度が１００ｇ当たり、０．２ｃｃ以下であると溶接金属からの割れ発生は皆無であった。一方、水素濃度が１００ｇ当たり、０．４ｃｃを超えるとすべてのサンプルに横割れを確認した。
以上から内面溶接金属の水素濃度を１００ｇ当たり、０．２ｃｃ以下に制御することで安定的に横割れ発生を防止できることがわかった。引張強度が８５０MPa以上である高強度溶接鋼管では、金属組織による耐水素割れ特性の改善を図ると、溶接金属の強度が低下する可能性が高く、水素濃度の低減は極めて効果的である。
本発明の高強度溶接鋼管の製造方法において常温での水素濃度を規定した必要性を次に述べる。
水素起因の割れは、先行するシーム溶接によって形成された溶接金属に、常温近傍で発生する。強度が８５０MPa以上の高強度溶接鋼管の溶接金属の変態点は３００〜４００℃である。この場合、溶接金属の温度が１００℃超である時には内面溶接金属の残留応力は５００MPa以下であり、温度が１００℃以下に低下すると内面溶接金属の残留応力は上昇して８００MPaを超えることが数値解析によって明らかになった。
一方、外面溶接金属は常温での残留応力が６００MPaであるため、水素濃度が１００ｇ当たり、０．６６〜０．８８ｃｃであるにもかかわらず、割れ発生は皆無である。内面溶接金属の水素濃度は外面溶接金属よりも低く、内面溶接金属の１００℃以上での残留応力は、外面溶接金属の常温での残留応力よりも低いことから、１００℃以上では内面溶接金属に水素脆化割れが発生することはない。しかし、内面溶接金属の温度が１００℃以下では水素の拡散は著しく遅くなって水素濃度の低下が抑制され、さらに内面溶接金属の残留応力が引張強度を超えるまで上昇すると横割れ発生に至る。したがって、常温での水素濃度を規定することには、水素脆化割れを防止するための重要な意味がある。
次に、少なくとも外面溶接後、拡管または縮径矯正の矯正加工前までの間、内面溶接金属の水素濃度を１００ｇ当たり、０．２ ｃｃ以下とすることの必要性について述べる。
拡管または縮径矯正の矯正加工工程ではより良好な真円度を得るために通常１％程度の拡管または縮径矯正を行う。これにより溶接金属の残留応力は大きく解放され、内面金属の残留応力の最大値も５００MPa以下にまで激減する。この程度にまで残留応力が低下すると、通常の条件でのシーム溶接によって導入される水素濃度では水素脆化割れは発生しない。また、水素脆化割れは後行するシーム溶接から矯正加工工程までの期間に常温近傍で発生していることが調査の結果、明確となり、内面溶接を先行して行い、拡管により矯正加工する場合、少なくとも外面溶接後、拡管に至るまでの期間に常温で内面溶接金属の水素濃度を１００ｇ当たり、０．２ｃｃとすることが必要であるという結論に至った。
本発明者は、溶接鋼管の製造過程で先行する内面溶接からその後に続く外面溶接までの期間に割れが発生する可能性についても検討した。外面溶接前の内面溶接金属の水素濃度は、図４に示す外面の水素濃度と同等であり、１００ｇ当たり、０．６〜１．０ｃｃの範囲である。すなわち、外面からシーム溶接する前の内面溶接金属の水素濃度は、外面溶接後の水素濃度に比べ、はるかに高い水準にある。しかし、内面溶接のみによって生じる残留応力は最大で５００MPaであり、水素濃度が高いにもかかわらず、割れ発生に至らないことがわかった。従って、水素脆化割れ防止には、外面からのシーム溶接後、拡管前まで、常温での、内面溶接金属の水素濃度を１００ｇ当たり、０．２ｃｃ以下にすることが必要である。
以上の高強度溶接鋼管の残留応力による水素脆化割れ発生のメカニズムは、ＵＯＥ鋼管の製造において、シーム溶接をサブマージアーク溶接によって行い、内面からの溶接を先行して行い、その後外面から溶接した場合を想定したものである。なお、本発明には、外面溶接が先行し、内面溶接が追従した場合も含まれる。また、鋼管の成形法としてＵＯＥ成形プロセスを例に示したが、ベンディングロールやＪＯＣによる成形法でも引張強度８５０MPa以上の溶接鋼管であれば、本発明に含まれる。
シーム溶接部への予熱または後熱を行わずに高強度溶接鋼管を製造する場合、開先に油の付着のない通常の環境では図５に示すように２０％の確率で割れが発生している。この場合、溶接金属に水素が導入される原因は開先面への結露、フラックス中の水分などが考えられ、通常の製造工程では避けられないレベルである。
高強度溶接鋼管の溶接金属の水素濃度を１００ｇ当たり、０．２ｃｃ以下に抑える方法として、例えば、外面溶接後、後熱処理する方法がある。後熱処理による水素脆化割れの防止は、加熱温度を２００℃以上、４００℃以下、加熱温度での保持時間を１分から２０分とすることが好ましく、高温で加熱するほど短時間で効果が得られる。その他の具体的な方法として、シーム溶接における予熱、開先の洗浄、脱脂及び乾燥、極めて高水準でのフラックスの乾燥、外面からのシーム溶接の大入熱化による内面溶接金属の水素拡散などが挙げられる。
内外面からのシーム溶接後に溶接金属を後熱して水素濃度を低下させる方法は、水素脆化割れの防止に有効な対策であるが、比較的、高温で長時間の熱処理が必要である。特に鋼管の厚肉化に伴い、さらに長時間の処理が必要になり、加熱温度が同じである場合、肉厚の二乗に比例して加熱に要する時間が長くなる。
ＵＯＥ工程で高強度溶接鋼管を量産する場合、熱処理時間は生産性に直接影響するため、１分でも短い方が良い。そこで、本発明者は、短時間の熱処理で横割れを防止する方法を検討した。図２の残留応力分布、図５、６の結果から明らかなように、横割れを防止するには、先行するシーム溶接によって形成された内面溶接金属中の水素濃度を低下させれば良い。
まず、本発明者は、内面からのシーム溶接後、１週間放置して水素を拡散させ、その後に外面からシーム溶接を行った。その結果、外面溶接後の内面溶接金属の水素濃度は０．２ ｃｃ／１００ｇ以下であり、横割れは全く発生しなかった。次に、内面からのシーム溶接後、１５０〜５００℃に加熱し、加熱温度に到達した後、保持せず冷却する脱水素処理を実施し、その後外面からシーム溶接を行った。この場合、内面溶接金属の水素濃度は０．２ ｃｃ／１００ｇ以下で横割れは全く発生しなかった。
脱水素処理の加熱温度は、１５０℃以下では水素濃度を０．２ ｃｃ／１００ｇ以下に低下させるのに要する時間が長くなり、５００℃を超えると高強度溶接鋼管の母材が靭性が熱影響によって劣化する。そのため、脱水素処理の加熱温度は１５０〜５００℃の範囲内とすることが好ましい。
脱水素処理の加熱時間については、実験結果に基づいて、次式（１）のｔより長時間とすることが好ましい。これにより、外面溶接後の内面溶接金属の水素濃度を０．２ ｃｃ／１００ｇ以下とすることができる。
ｔ＝（ｈ／１６）2×ｅｘｐ（（１７０００／（２７３＋Ｔ））−３０）・・・（１）
ここで、t 加熱時間［s］、h 溶接金属高さ［mm］、T 加熱温度［℃］である。
以下に本発明を実施例によって詳細に説明する。なお、ここでφは直径、ｔは肉厚を意味する。
表１に鋼管サイズφ７１１×１３ｔ、φ７６２×１６ｔ、φ９１４×１６ｔ、φ１１１８×１９ｔ、φ１２１９×１９ｔ、鋼管強度８５０〜１１００MPa、鋼管強度９００〜１０５０MPaのＵＯＥ成形プロセス、ベンディングロール（ＢＲ）成形プロセスにより造管し、内面、外面の順番でシーム溶接したときの実施例と比較例を示した。なお、表１の引張強度は母材から長手方向を周方向としてＡＰＩ全厚試験片を採取し、測定したものである。
本実施例に用いたＵＯＥ鋼管の母材は、質量％で、Ｃ：０．０８％、Ｓｉ：０．１５％、Ｍｎ：１．８５％、Ｐ：０．０１１％、Ｓ：０．０００３％、Ｎｉ：０．３８％、Ｍｏ：０．３４％、Ｎｂ：０．０２９％、Ｔｉ：０．０１３％、Ａｌ：０．０２％、Ｂ：０．０００８％、Ｎ：０．００２５％、Ｖ：０．０５９％、Ｃｕ：０．１０％、Ｃｒ：０．４５％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有していた。
また、溶接金属については、質量％で、Ｃ：０．０６１％、Ｓｉ：０．２６％、Ｍｎ：１．６８％、Ｐ：０．０１％、Ｓ：０％、Ｎｉ：２．４％、Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ：１．９％、Ｔｉ：０．０２％、Ａｌ：０．０１３％、Ｂ：０．０００９％、Ｏ：０．０１５％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有していた。
なお、上記溶接に用いた溶接ワイヤーは、質量％で、Ｃ：０．０４１％、Ｓｉ：０．２１％、Ｍｎ：１．７３％、Ｎｉ：４．９％、Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ：４．３％、Ｔｉ：０．００５％、Ａｌ：０．０１２％以下を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有しており、溶接条件としての入熱量は２．８ｋＪ／ｍｍであった。
横割れ発生は外面溶接終了後、拡管までの間７２時間放置し、ＪＩＳ Ｇ ０５８４に準拠して、超音波探傷により検出した。水素濃度の測定には内面溶接後、外面溶接を施し、拡管工程に至る以前の期間において外面溶接後、４時間が経過し、溶接金属が常温近傍になった時点で水素濃度を測定した。水素濃度を測定するための試験片は内外面溶接金属を含む２００ｍｍ×２００ｍｍのサンプルを採取し、ドライアイス中に保存した。かかるサンプルの内面溶接金属から５ｍｍ×５ｍｍ×４０ｍｍの試験片を採取し、４５℃で７２時間保持の条件で拡散性水素抽出した後、ガスクロマトグラフ法を用いて測定を行った。ガスクロマトグラフ法は、ＪＩＳ Ｚ ３１１８で規定されている鋼溶接部の水素測定方法で使用している方法を用いた。表１中には水素濃度を３試験片の平均値で示す。
水素濃度が１００ｇ当たり、０．２ｃｃ以下の鋼管では水素脆化割れは皆無であった。これに対し、水素濃度が１００ｇ当たり、０．２超〜０．４ｃｃでは割れが発生する場合と発生しない場合が混在し、１００ｇ当たり、０．４ｃｃを超えるとすべての鋼管に対して割れが観察された。ここで水素濃度が１００ｇ当たり、０．２超〜０．４ｃｃのサンプルは、内外面を溶接した後、２００℃で３分間保持する後熱を施した場合を含む。水素濃度が１００ｇ当たり、０．４ｃｃを超えるサンプルに関しては熱処理は施されていない。
表２に鋼管サイズφ７１１×１３ｔ、φ７６２×１６ｔ、φ９１４×１６ｔ、φ１１１８×１９ｔ、φ１２１９×１９ｔ、鋼管強度８５０〜１１００MPaのＵＯＥ成形プロセス、ベンディングロール（ＢＲ）成形プロセスにより造管し、内面、外面の順番でシーム溶接した後、所定の熱処理を施したときの実施例と比較例を示した。
実施例１７〜３５に示すように本発明で必要とされる加熱時間以上に加熱された場合、水素濃度が１００ｇ当たり、０．２ ｃｃ／１００ｇ以下となり水素脆化割れは発生していないが、比較例３６〜４２に示すように時間が短い場合は水素濃度が１００ｇ当たり、０．２ ｃｃ以上となり割れが発生している。
Figure 2006263814
Figure 2006263814
水素割れ発生におよぼす水素量と応力の影響。 鋼管サイズφ９１４×１６ｍｍ、引張強度８５０MPaのＵＯＥ鋼管のシーム溶接中心での軸方向残留応力分布を内面からの位置との関係で示した図である。 軸方向残留応力分布を求めた位置を示した図である。 内外面溶接金属での水素濃度度数分布を示した図である。 内面溶接金属の水素濃度度数分布と割れ発生率を示した図である。 外面溶接金属の水素濃度度数分布と割れ発生率を示した図である。 熱処理材、油滴下材を含む内面溶接金属の水素濃度度数分布と割れ発生率を示した図である。

Claims (5)

  1. 引張強度が８５０MPa以上の鋼板を筒状に成形し、突合せ部を内外面からシーム溶接し、その後、拡管または縮管矯正を行って製造された溶接鋼管であって、前記鋼管の内外面からのシーム溶接のうち、先行する溶接によって形成された溶接金属の水素濃度が常温で１００ｇ当たり、０．２ｃｃ以下であることを特徴とする溶接金属の耐水素脆化割れ特性に優れた高強度溶接鋼管。
  2. 引張強度が８５０MPa以上の鋼板を筒状に成形し、突合せ部を内外面からシーム溶接し、前記内外面からのシーム溶接のうち、先行するシーム溶接によって形成された溶接金属の水素濃度を常温で１００ｇ当たり、０．２ｃｃ以下とし、その後、拡管または縮管矯正を行うことを特徴とする溶接金属の耐水素脆化割れ特性に優れた高強度溶接鋼管の製造方法。
  3. 脱水素処理により、内外面からのシーム溶接によって形成された溶接金属の水素濃度を常温で１００ｇあたり、０．２ｃｃ以下とすることを特徴とする請求項２に記載の溶接金属の耐水素脆化割れ特性に優れた高強度溶接鋼管の製造方法。
  4. 脱水素処理により、内外面からのシーム溶接のうち、先行する溶接によって形成された溶接金属の水素濃度を常温で１００ｇあたり、０．２ｃｃ以下とすることを特徴とする請求項２に記載の溶接金属の耐水素脆化割れ特性に優れた高強度溶接鋼管の製造方法。
  5. 脱水素処理の加熱温度Ｔ［℃］が１５０〜５００℃の範囲であり、加熱時間が溶接金属高さｈ［ｍｍ］および前記加熱温度Ｔから、下記式（１）により求められたt［ｓ］以上であることを特徴とする請求項３または４に記載の溶接金属の耐水素脆化割れ特性に優れた高強度溶接鋼管の製造方法。
    ｔ＝（ｈ／１６）2／ｅｘｐ（−９５７／（２７３＋Ｔ））・・・（１）
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