JP2006263814A5 - - Google Patents
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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４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。
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４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。
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０．２cc／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０．２cc／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０．２cc／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０．２cc／１００ｇ以下とすることができる。
ｔ＝（ｈ／１６） 2 ／ｅｘｐ（−９５７／（２７３＋Ｔ））・・・（１）
ここで、t 加熱時間［min］、h 溶接金属高さ［mm］、T 加熱温度［℃］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０．２cc／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０．２cc／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０．２cc／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０．２cc／１００ｇ以下とすることができる。
ｔ＝（ｈ／１６） 2 ／ｅｘｐ（−９５７／（２７３＋Ｔ））・・・（１）
ここで、t 加熱時間［min］、h 溶接金属高さ［mm］、T 加熱温度［℃］である。
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