JP2009202195A

JP2009202195A - 溶接金属が優れた耐低温割れ性を有する溶接鋼管の製造方法

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Publication number: JP2009202195A
Application number: JP2008046429A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Murakami; 善明村上; Kenji Oi; 健次大井
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2009-09-10
Anticipated expiration: 2028-02-27
Also published as: JP5151548B2

Abstract

【課題】溶接金属中の拡散性水素を効率的に低減させることによって、溶接金属の成分に依存せず、かつ製造工程を追加せず、低温割れを防止できる溶接鋼管の製造方法を提供する。
【解決手段】融点が370〜1000℃の範囲内を満足しかつ室温にて固体粉末として存在するフッ素化合物を10質量％以下含有するフラックスを用いて、サブマージアーク溶接でシームを溶接する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ラインパイプや構造用パイプとして使用される溶接鋼管の製造方法に関するものである。

近年、ラインパイプや構造用パイプとして高強度の溶接鋼管を使用する要求が高まっている。たとえばラインパイプでは、天然ガスや原油を輸送するコストを削減するために輸送圧力の高圧化が検討されており、その圧力に耐え得る十分な強度を有する溶接鋼管が求められている。
また溶接鋼管には溶接による継ぎ目（いわゆるシーム）が存在し、その溶接鋼管を用いてパイプラインを構築する際にも多数の溶接鋼管を溶接して連結する。したがってシーム部も十分な強度を保持する必要がある。

このような用途に用いられる溶接鋼管を製造するにあたって、サブマージアーク溶接が広く採用されている。その理由は、ラインパイプや構造用パイプの用途に用いられる大径かつ厚肉の溶接鋼管を接合する際に大入熱の高速溶接が可能であり、かつ美麗な形状の溶接ビードが得られるからである。そして、溶接鋼管の外面と内面を各々１層ずつサブマージアーク溶接してシームを接合する。

しかしながら高強度の溶接鋼管のシームをサブマージアーク溶接で接合すると、溶接金属に微小な割れが発生し易い。この微小な割れは低温割れと呼ばれており、溶接鋼管の強度が高くなるほど、発生頻度が増加する。溶接金属の低温割れは溶接方向に直交して発生するので、ラインパイプや構造用パイプの用途に用いて応力負荷が加わると、溶接鋼管の破断を引き起こす惧れがある。そのため、溶接鋼管の製造過程で低温割れを除去しなければならない。

溶接金属の低温割れは、水素脆化割れと同様のメカニズムで発生すると考えられており、支配因子として溶接金属中の水素（すなわち拡散性水素）の濃度，溶接金属に負荷される応力，溶接金属の耐水素脆化割れ性等がある。溶接鋼管の強度が高くなれば溶接金属の強度も高める必要があるので、マルテンサイトやベイナイト等の硬質な組織が得られるような成分設計を選択せざるを得ない。ところがマルテンサイト，ベイナイト等は耐水素脆化割れ性が劣るので、溶接金属に同様のメカニズムで生じる低温割れが発生し易くなる。

そこで溶接金属の低温割れを防止する技術が種々検討されている。既に説明した通り、高強度の溶接鋼管のシームをサブマージアーク溶接で接合する際に発生する低温割れは、３つの支配因子が主な原因となって発生するものである。したがって低温割れを防止するためには、溶接金属中の拡散性水素の低減，溶接金属に負荷される応力の緩和，溶接金属の耐水素脆化割れ性の改善を図る必要がある。

たとえば特許文献１には、溶接金属の成分と冷却速度を規定して拡散性水素を低減することによって、低温割れを防止する技術が開示されている。しかしながら溶接金属の成分や冷却速度は靭性にも影響を及ぼすので、特許文献１の技術では溶接金属の靭性が劣化する惧れがある。
特許文献２には、溶接金属に脱水素処理を施して拡散性水素を低減することによって、低温割れを防止する技術が開示されている。脱水素処理は溶接金属を100〜200℃程度に加熱するものであるから、溶接鋼管の製造工程に加熱炉が必要となるばかりでなく、工程管理が複雑になり、溶接鋼管の生産性の低下，製造コストの上昇を招く。

また特許文献３には、溶接金属に負荷される応力を軽減する技術が開示されている。すなわち、溶接金属のマルテンサイト変態点を低下させることによって、その変態膨張に起因する溶接金属の引張残留応力を低減させる技術である。しかしながらマルテンサイト変態点を低下させるために添加される合金元素が、溶接金属の靭性の劣化を引き起こす惧れがある。

特許文献４にも、溶接金属に負荷される応力を軽減する技術が開示されている。すなわち、先行溶接金属の厚さと表面到達温度，後行溶接金属の厚さを規定することによって、溶接金属の引張応力を低減させる技術である。しかしながら溶接条件を厳密に制御する必要があるので、溶接の作業性が損なわれる。
特開2003-33876号公報特開2006-263814号公報特開2001-71176号公報特開2007-44710号公報

本発明は、溶接金属中の拡散性水素を効率的に低減させることによって、溶接金属の成分に依存せず、かつ製造工程を追加せず、低温割れを防止できる溶接鋼管の製造方法を提供することを目的とする。

拡散性水素は、大気中の水分，開先面に結露した水分，フラックスの水分等がサブマージアーク溶接のアーク中で水素イオン（Ｈ⁺）となり、その水素イオンが溶接金属に取込まれたものである。
本発明では、フッ素化合物をアーク中で解離させてフッ素イオン（Ｆ^-）を発生させ、さらに水素イオンと結合させることによってフッ化水素（ＨＦ）とする。フッ化水素は気体であるから溶接金属に取込まれることなく、容易にアークから離脱する。このようにして水素イオンをアークから排除することによって、水素イオンが溶接金属に取込まれるのを防止する。その結果、溶接金属の拡散性水素を低減して、低温割れを防止する。

一般のサブマージアーク溶接のフラックスに添加されるフッ化物はCaＦ₂である。そのCaＦ₂は、フラックスの塩基度を上げ、溶接金属中の酸素を低減させる作用を有するので、溶接金属の靭性を高めるために添加される。CaＦ₂もアーク中で解離してフッ素イオンを発生するが、CaＦ₂の融点が高温（すなわち1403℃）であるから、フッ素イオンの発生量は不十分であり、水素イオンをフッ化水素としてアークから排除するためには有効ではない。

そこで発明者らは、低融点のフッ素化合物に着目した。低融点のフッ素化合物を使用すれば、アーク中で容易に解離して十分な量のフッ素イオンを発生させて、水素イオンをアークから排除することができる。
本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。
すなわち本発明は、融点が370〜1000℃の範囲内を満足しかつ室温にて固体粉末として存在するフッ素化合物を10質量％以下含有するフラックスを用いて、サブマージアーク溶接でシームを溶接する溶接鋼管の製造方法である。

本発明の溶接鋼管の製造方法においては、フラックスとして溶融型フラックスまたは焼結型フラックスを用いることが好ましい。

本発明によれば、高強度の溶接鋼管のシームをサブマージアーク溶接で接合する際に発生する低温割れを防止し、ラインパイプや構造用パイプとして好適な溶接鋼管を簡便かつ安価に得ることができる。

発明者らは、融点の異なる種々のフッ素化合物をフラックスに添加して、高強度の溶接鋼管のシームをサブマージアーク溶接で接合し、溶接金属中の拡散性水素の量を測定した。溶接用ワイヤとフラックスは市販材を用いた。フラックスは溶融型フラックスまたは焼結型フラックスを用い、フッ素化合物の添加量は５質量％とした。シームの接合が終了した後、ＪＩＳ規格Z3118に準拠した方法で試験を行ない、溶接金属中の拡散性水素の量をガスクロマトグラフ法で測定した。その結果を図１に示す。なお、各溶接鋼管の溶接金属の引張強さは平均600Ｎ／mm²であった。

図１から明らかなように、フッ素化合物の融点が1000℃以下であれば、溶接金属中の拡散性水素の量が低く抑えられているが、フッ素化合物の融点が1000℃を超えると、拡散性水素が大幅に増加する。そのため、フラックスに添加するフッ素化合物の融点は1000℃以下とする。
一方、高強度の溶接鋼管のシームをサブマージアーク溶接で接合する際に使用するフラックスは、予め150〜350℃程度に加熱（いわゆる乾燥処理）して水分を除去する。融点が350℃以下のフッ素化合物をフラックスに添加すると、この乾燥処理にてフッ素化合物が溶融し、乾燥処理が終了した後、再び凝固する。そのため、フッ素化合物が粗大化して、均一な分散が阻害される。このような乾燥処理によるフッ素化合物の溶融，凝固を防止するために、乾燥処理の温度のバラツキを考慮して、フッ素化合物の融点を370℃以上とする。好ましくは400℃以上である。

したがって、フラックスに添加するフッ素化合物の融点は370〜1000℃の範囲内とする。好ましくは400〜1000℃である。このようなフッ素化合物は室温（約25℃）で固体であるが、塊状のフッ素化合物はフラックスに均一に分散させることが困難である。そのため、室温にて粉末であるフッ素化合物を使用する。
ここで使用するフッ素化合物は、融点が上記した範囲内を満足し、室温にて固体粉末であれば良く、その組成は限定しない。ただし、安価で容易に入手できるNaＦ，ＫＦ，ＫＢＦ₄，Ｋ₃AlＦ₆等が好ましい。

ただし、フラックスに添加されるフッ素化合物の割合が10質量％を超えると、アークが不安定になり、スラグ巻込み等の欠陥が溶接金属に発生し易くなる。したがって、フッ素化合物の添加量は10質量％以下とする。ここで、フッ素化合物の添加量（質量％）は、フッ素化合物とフラックスの合計質量に対するフッ素化合物の質量の比率である。
フッ素化合物は、その添加量が極微量であっても、添加量に応じて拡散性水素を低減する効果が発揮される。そのため、フッ素化合物の添加量の下限値は特に限定しない。ただし、拡散性水素を低減する効果を安定して発揮させるためには、フッ素化合物を0.1質量％以上添加することが好ましい。

また本発明においては、１種のフッ素化合物をフラックスに添加（以下、単独添加という）しても良いし、あるいは２種以上のフッ素化合物をフラックスに添加（以下、複合添加という）しても良い。
複合添加の場合は、全フッ素化合物の合計添加量を10質量％以下とするとともに、融点が上記した範囲内を満足するフッ素化合物を少なくとも１種添加する。

フラックスの成分は特に限定せず、通常のサブマージアーク溶接用フラックスを使用する。ただし拡散性水素を低減する効果を安定して発揮させるために、溶融型フラックスまたは焼結型フラックスを用いることが好ましい。溶接用ワイヤの成分も特に限定せず、通常のサブマージアーク溶接用ワイヤを使用する。また、フラックスと溶接用ワイヤの組み合わせも特に限定せず、溶接鋼管の成分や用途に応じて適宜選択して使用する。

なお本発明は、大径かつ厚肉の溶接鋼管（たとえばＵＯＥ鋼管，スパイラル鋼管等）の製造に適用することが好ましい。
既に説明した通り、本発明ではフラックスに低融点のフッ素化合物を添加するが、フッ素化合物はフラックスや溶接用ワイヤの成分と反応せず、アークから水素イオンを排除する機能のみを発揮する。したがって、フラックスや溶接用ワイヤの成分に関わらず、溶接金属中の拡散性水素を低減することが可能である。

ＵＯＥプロセスで表１に示す鋼板から溶接鋼管を製造した。なお、鋼板から溶接鋼管を製造する過程で脱水素処理は施していない。
溶接鋼管の外径は表１に示す通りであり、シームの接合はサブマージアーク溶接にて内面（１層），外面（１層）の順で行なった。溶接用ワイヤは、Ｃを0.07質量％，Siを0.5質量％，Moを0.5質量％含有するソリッドワイヤを使用した。フラックスは、SiＯ₂−CaＯ−CaＦ₂を主成分とする溶融型フラックス（これをＢと記す）、およびMgＯ−CaＯ−CaＣＯ₃−CaＦ₂を主成分とする焼結型フラックス（これをＣと記す）を用いた。フラックスＢ，Ｃは、いずれも予め300℃で１時間加熱して乾燥処理を行なった。

これらのフラックスＢ，Ｃに各種のフッ素化合物を添加した。使用したフッ素化合物の融点と添加量は表２，３に示す通りである。なお表２中のＢ０はフッ素化合物を添加しない例であり、Ｂ１〜13，17〜22は単独添加の例であり、Ｂ14〜16，23〜24は複合添加の例である。表３中のＣ０はフッ素化合物を添加しない例であり、Ｃ１〜９，14〜16は単独添加の例であり、Ｃ10〜13，17〜18は複合添加の例である。

表２，３に示すフッ素化合物の添加量（質量％）は、フッ素化合物とフラックスの合計質量に対するフッ素化合物の質量の比率である。
表２，３に発明例として示したＢ１〜16，Ｃ１〜13は、フッ素化合物の融点と添加量が本発明の範囲を満足する例である。比較例として示したＢ０，Ｃ０はフッ素化合物を添加しない例であり、Ｂ17〜18，Ｂ23〜24，Ｃ14，Ｃ17〜18は、フッ素化合物の添加量が10質量％を超える例であり、Ｂ20〜22，Ｃ16はフッ素化合物の融点が1000℃を超える例であり、Ｂ19，Ｃ15はフッ素化合物の添加量と融点が本発明の範囲を外れる例である。

溶接鋼管を製造した後、シーム部を目視で観察してビード概観を調査した。ビード概観は、フッ化物の添加がなく溶接ビードに乱れが生じていないものを良（◎），フッ化物の添加により溶接線方向のビードの乱れはあるものの実用上問題が生じないと判断されるものを可（○），ビードの乱れが大きく溶接後手直しが必要となるものを不良（×）として評価した。その結果を表４，５に示す。

また、内面と外面の溶接金属からそれぞれ試験片（５mm×５mm×10mm）を採取し、ＪＩＳ規格Z3118に規定されるガスクロマトグラフ法に準拠して拡散性水素量を測定した。その結果を表４，５に示す。
さらに、72時間放置した後、ＪＩＳ規格G0584に準拠してシーム部の超音波探傷試験を行ない、溶接金属の低温割れの有無を調査した。その結果を表４，５に示す。

表４，５から明らかなように、発明例１〜33では、ビード概観が可（○）であり、拡散性水素量は内面，外面ともに低く抑えられ、低温割れは認められなかった。一方、フッ素化合物を添加しない比較例１，２では、拡散性水素量が増大して低温割れが発生した。フッ素化合物の添加量が本発明の範囲を外れる比較例３〜５では、拡散性水素量が発明例と同等で低温割れは認められなかったものの、ビード概観は不良（すなわち蛇行，スラグ巻込み）であった。フッ素化合物の融点が本発明の範囲を外れる比較例６〜11では、拡散性水素量が増大して低温割れが発生した。フッ素化合物を複合添加して、その合計添加量が本発明の範囲を外れる比較例12〜15では、拡散性水素量が発明例と同等に低く抑えられて低温割れは認められなかったものの、ビード概観は不良（すなわち蛇行，スラグ巻込み）であった。

フッ素化合物の融点と拡散性水素の量との関係を示すグラフである。

Claims

融点が370〜1000℃の範囲内を満足しかつ室温にて固体粉末として存在するフッ素化合物を10質量％以下含有するフラックスを用いて、サブマージアーク溶接でシームを溶接することを特徴とする溶接鋼管の製造方法。
前記フラックスとして溶融型フラックスまたは焼結型フラックスを用いることを特徴とする請求項１に記載の溶接鋼管の製造方法。