JP2011025311A - 電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉ラインパイプ向け電縫鋼管の製造方法 - Google Patents

電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉ラインパイプ向け電縫鋼管の製造方法 Download PDF

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泰康 横山
Yoshitomo Okabe
能知 岡部
Shunsuke Toyoda
俊介 豊田
Yoshikazu Kawabata
良和 河端
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Abstract

【課題】電縫溶接部の酸化物の形状および分散状態を最適化し、組成を最適化することで、電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉ラインパイプ向電縫鋼管を安定的に製造する。
【解決手段】特定組成の帯鋼(管素材1)を連続的に払い出しつつ管状にロール成形し、両端部を衝合し電縫溶接するにあたり、払い出し後から電縫溶接前までの途上で、管素材の被衝合端部を塑性変形させて被衝合端部の開先形状を、管内面側では開先角度θ1=5〜50°、開先深さt1=(1/10〜49/100)×板厚、管外面側では開先角度θ2=5〜50°、開先深さt2=(1/10〜49/100)×板厚、の範囲内とすることにより、電縫溶接部における、溶接シーム面内の長辺最大長さ:50μm以下、溶接シーム面に垂直な方向の厚さ:3μm以下、長辺最大長さと厚さの比であるアスペクト比:5以上の酸化物の存在面積率を20%以下とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉ラインパイプ向け電縫鋼管の製造方法に関し、詳しくは、電縫溶接部の耐サワー特性を支配する微小欠陥(微小酸化物・介在物)に注目し、電縫溶接部中の前記微小欠陥の面積分率を規定できる製造方法を限定することにより、電縫溶接部の耐サワー特性を向上させた高強度厚肉ラインパイプ向け電縫鋼管の製法に関する。
ここで、「耐サワー特性に優れた」とは、NACEのSol.A浸漬試験による電縫溶接部のHIC試験で測定される板厚方向割れ率(CTR)が3%未満であることを意味し、「高強度」とはAPI規格X65級以上の強度を意味し、「厚肉」とは肉厚が10mm以上であることを意味する。
鋼材の靭性、特に衝撃吸収エネルギーが、鋼中の非金属介在物の増加に伴い減少することは、過去から多く検討されており、例えばMnSについては非特許文献1に記載されている。また、炭化物の場合には非特許文献2で工具鋼中の一次炭化物の影響が述べられている。このような非金属介在物と衝撃吸収エネルギーの関係は、非金属介在物を鋼中の空孔欠陥とみなして一般化され、鋼中の欠陥寸法と衝撃特性の関係として検討され、介在物寸法の増加に伴い衝撃特性が低下するとされている。
一方、高強度厚肉ラインパイプ向け電縫鋼管では、従来、溶接部品質向上の観点から、経験に頼った入熱調整やVシェイプ角度調整などが行われてきた。これらにより、定性的には、高入熱、Vシェイプ角度の適正化(おおよそ2〜3度)により、溶接部品質の向上がなされてきた。しかし、このような経験に頼った調整では、必ずしも100%の耐サワー性能保証がなされることはなく、時に著しくHIC(水素誘起割れ)発生が認められ、これを抑制することができていなかった。
もっとも、電縫鋼管母材部に関しては、UOE鋼管、シームレス鋼管と同様、伸長したMnSを起点としてHICが発生することが知られており、この対策として、MnSの伸長を抑制するためにCa添加を実施することが公知となっている(例えば特許文献1参照)。一方、電縫溶接部に関しては、素材に既存の介在物のみならず、電縫溶接時に生成する酸化物がHICの起点となりうるため、問題が複雑となり、系統立った研究が行われておらず、前述のような定性的な溶接条件管理が実施されてきたのみであった。
特開昭54−110119号公報
日本学術振興会製鋼第19委員会編、「鉄鋼と合金元素(下)」:p.165〜274(特にp.191〜208)、昭和41年3月25日、第1版(株)誠文堂新光社発行 日本鉄鋼協会・日本金属学会編、「鋼の強靭性」:p.207、1971年、CLIMAX MOLYBDENUM DEVELOPMENT COMPANY(JAPAN)LDT.発行
しかし、上述した従来の定性的な溶接条件管理による電縫鋼管製造方法では、いまだ安定して優れた耐サワー特性を示す製品が得られるまでには至っていないという課題があった。
本発明は、電縫溶接部のHIC起点となる酸化物に着目し、その分散量を規定できる製造方法を限定することで前記課題を解決したものであり、その要旨構成は以下のとおりである。
(1)質量%で、C:0.01〜0.15%、Si:0.005〜0.9%、Mn:0.2〜2.0%、P:0.01%以下、S:0.01%以下、Al:0.1%以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成の帯鋼を管素材に用い、これを連続的に払い出しつつ管状にロール成形し、形成したVシェイプの縁をなす管素材両端部を衝合し電縫溶接するにあたり、前記払い出し後から前記電縫溶接前までの途上で、前記管素材の被衝合端部を塑性変形させて該被衝合端部の開先形状を、管内面側では開先角度θ1=5〜50°、開先深さt1=(1/10〜49/100)×板厚、管外面側では開先角度θ2=5〜50°、開先深さt2=(1/10〜49/100)×板厚、の範囲内とすることにより、電縫溶接部における、溶接シーム面内の長辺最大長さ:50μm以下、前記溶接シーム面に垂直な方向の厚さ:3μm以下、前記長辺最大長さと前記厚さの比であるアスペクト比:5以上の酸化物の存在面積率を20%以下とすることを特徴とする、電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉ラインパイプ向け電縫鋼管の製造方法。
(2)前記組成に加えてさらに、質量%で、Cu:0.5%以下、Ni:0.5%以下の中から選ばれる1種または2種を含有することを特徴とする(1)に記載の電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉ラインパイプ向け電縫鋼管の製造方法。
(3)前記組成に加えてさらに、質量%で、Cr:3.0%以下、Mo:2.0%以下の中から選ばれる1種または2種を含有することを特徴とする(1)または(2)に記載の電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉ラインパイプ向け電縫鋼管の製造方法。
(4)前記組成に加えてさらに、質量%で、Nb:0.1%以下、V:0.1%以下、Ti:0.1%以下の中から選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴とする(1)〜(3)のいずれか1項に記載の電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉ラインパイプ向け電縫鋼管の製造方法。
(5)前記組成に加えてさらに、質量%で、Ca:0.005%以下を含有することを特徴とする(1)〜(4)のいずれか1項に記載の電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉ラインパイプ向け電縫鋼管の製造方法。
本発明によれば、電縫溶接部の酸化物の形状および分散状態を最適化でき、さらに組成を最適化することで、電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉ラインパイプ向電縫鋼管を安定的に製造することができる。
管素材の衝合端部形状(開先形状)を示す断面図
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
[基本製造プロセス]
本発明に係る電縫鋼管は、基本的に、初期形状が帯板状である管素材を管状に成形し、形成したVシェイプの縁(帯幅端部に相当)同士を衝合して電縫溶接するというプロセスで製造される。この基本製造プロセスで製造された電縫鋼管の電縫溶接部(以下、単に、溶接部ともいう)の清浄度は、一般に0.5%以下であり、ラインパイプとして必要な強度、靭性を確保するのを阻害しないレベルである。
なお、鋼中の清浄度は、顕微鏡視野内で、非金属介在物が占める面積率で表し、次式で計算する(http://is.jisw.com/01220/abc.html)。
d={n/(p×f)}×100
ここに、d:清浄度(%)、n:f個の視野における全介在物によって占められた格子点中心の数、p:視野内のガラス板上の総格子点数、f:視野数
[電縫溶接部の酸化物分散状態の適正化]
本発明者らは、強度がAPI規格X65グレード以上の高強度厚肉ラインパイプ向け電縫鋼管の耐サワー特性向上の観点から、電縫溶接部において酸化物の分散状態を種々変化させ、母材部の化学成分も同様に変更した電縫鋼管を実験的に作製した。この作製実験において、図1に示す管素材1の衝合端部形状(開先形状)パラメータt1(管内面側の開先深さ)、θ1(管内面側の開先角度)、t2(管外面側の開先深さ)、θ2(管外面側の開先角度)を種々変化させることで、溶接部における酸化物の分散状態を変化させうることを見出した。作製した電縫鋼管の溶接部から試験片を採取し、後述の実施例に示すHIC試験により耐サワー特性を評価するとともに、後述の実施例に示す酸化物調査方法で溶接部における酸化物の分散状態(形状、サイズ、面積率)を調査し、両者の関係を求めた。
その結果、溶接部における、溶接シーム面内の長辺最大長さ:50μm以下、溶接シーム面に垂直な方向の厚さ:3μm以下、長辺最大長さと厚さの比であるアスペクト比:5以上の酸化物の存在面積率が20%以下である場合に、安定して優れた耐サワー特性が実現することを見出した。その理由は、次のように考えられる。
酸化物の長辺最大長さが50μm以下であると、その酸化物にH原子が集積して分子状気体へ変態した場合、亀裂伝播が起こり易いが、前記酸化物の長辺最大長さが50μmを超えると、その酸化物上で水素分子が安定して亀裂伝播が起こり難い。
また、酸化物の厚さが3μm以下と薄いと、その酸化物端部における応力集中が厳しくなり、少量のH分子の集積でも割れが発生する。一方、酸化物の厚さが3μmを超えれば、酸化物にH原子が集積して分子状気体へ変態した場合でもその酸化物端部における応力集中が少ないため、割れの起点にはなり難い。
また、酸化物のアスペクト比(=長辺最大長さ/厚さ)が5以上と大きい場合、結果として酸化物端部における応力集中が厳しくなり、割れの起点となる。
上記形状を有する酸化物の、溶接シーム面内での存在面積率が20%を超えると、集積したH原子が水素分子化した際に割れが発生し、その亀裂が非常に伝播しやすい。
なお、窒化物、硫化物についても同様の調査を行ったが、それらの分散状態と耐サワー特性との間には明瞭な相関関係は認められなかった。
そこで、本発明では、耐サワー特性確保、すなわち水素誘起割れ防止の観点から、溶接シーム面内の長辺最大長さ:50μm以下、前記溶接シーム面に垂直な方向の厚さ:3μm以下、前記長辺最大長さと前記厚さの比であるアスペクト比:5以上の酸化物の存在面積率が20%以下となる適正な酸化物分散状態の実現を目指した。
[開先形状の付与]
さらに、上記実験の結果から分ったことに、前記払い出し後から前記電縫溶接前までの途上で、前記管素材の被衝合端部を塑性変形させて該被衝合端部の開先形状を、管内面側では開先角度θ1=5〜50°、開先深さt1=(1/10〜49/100)×板厚t、管外面側では開先角度θ2=5〜50°、開先深さt2=(1/10〜49/100)×板厚t、の範囲内とする(図1参照)ことにより、上述の適正な酸化物分散状態を実現することができる。
これは、被衝合端部に上記開先形状を付与することにより、接合させる端面全部の温度分布が均一化し、溶鋼の生成・排出が促進されるためである。
開先角度θ1、θ2が5°未満では、コーナ効果により端面のコーナ部が過加熱され、端面中央部の温度が相対的に低くなり、端面中央部の溶鋼生成・排出が抑制され、結果として端面中央部に酸化物が残存し、溶接部の耐サワー特性が確保できない。開先角度θ1、θ2が50°を超えると、端面開先部(成形面)の温度上昇が不十分となり、溶鋼生成が抑制され、成形面の酸化物の排出が抑制されるため、やはり溶接部の耐サワー特性が確保できない。
板厚tに対して開先深さt1、t2が(1/10)t未満では、成形面の領域が相対的に狭くなりすぎてコーナ効果の抑制ができず、コーナ部が過加熱され、端面中央部の温度が相対的に低くなり、溶鋼の排出が抑制され、溶接部の耐サワー特性が十分でない。開先幅t1、t2が(49/100)tを超えると、成形面の領域が相対的に広くなりすぎてこの領域の溶鋼精整が遅れるため、端面中央部のみが過加熱されて他の領域の接合が不十分となる。
また、被衝合端部を塑性変形させて開先形状を付与するとしたのは、切削や研削で開先形状を付与した場合、開先部の硬さは母材部と同等のままであり、ロール成形の際に端面が成形ロールと接触した場合に簡単に変形し、当初の目標とする開先形状を保持できないためである。
[化学組成]
本発明に係る電縫鋼管において、化学組成(略して組成)は、敷設時の総合的な低コスト化を考慮し、特に鋼管の輸送費低下を重要視している顧客の要求を考慮し、高強度(API規格X65級以上)を達成可能な組成を基本として設計された。個々の成分についての限定理由を以下に述べる。組成の各成分含有量単位は質量%であり、%と略記される。母材部の組成は、管素材の溶製段階で調整される。溶接部の組成は、電縫溶接プロセスが合金元素の添加を伴わないものであるから、母材部の組成とほとんど変わらない。
(C:0.01〜0.15%) Cは炭化物として析出強化に寄与する元素であるが、C含有量が0.01%未満では十分な強度が確保できず、一方、0.15%を超えるとパーライト、ベイナイト、マルテンサイト等の第二相の組織分率が増加し、ラインパイプへの耐サワー特性の要求レベルの確保が困難となる。このため、C:0.01〜0.15%とする。なお、より良好な強度と耐サワー特性のバランスを確保するには、C:0.02〜0.07%が好ましい。
(Si:0.005〜0.9%) Siは脱酸のため添加するが、0.005%未満では脱酸効果が十分でなく、一方、0.9%を超えると電縫溶接時に溶接部にSi系酸化物が多量に残存し易くなり、耐サワー特性を劣化させるため、Si:0.005〜0.9%とする。なお、好ましくは、Si:0.01〜0.5%である。
(Mn:0.2〜2.0%) Mnは強度、靭性を確保するため添加するが、0.2%未満ではその効果が十分でなく、一方、2.0%を超えると第二相分率が増加し、ラインパイプとして必要な優れた耐サワー特性を確保し難いため、Mn:0.2〜2.0%とする。なお、好ましくは、Mn:0.6〜1.8%である。
(P:0.01%以下) Pは粒界に偏析して粒界強度を弱くし、HICの割れを進展させる不可避的不純物元素であるため、P含有量の上限を0.01%とする。
(S:0.01%以下) Sは一般的には鋼中においてはMnS介在物となり、HICの起点となるため少ないほどよい。しかし、0.01%以下であれば問題ないため、S含有量の上限を0.01%とする。
(Al:0.1%以下) Alは脱酸剤として添加されるが、0.1%を超えると鋼の清浄度が悪化し、靭性を劣化させるため、Al含有量は0.1%以下とする。
また、ラインパイプ向け電縫鋼管の強度や靭性をさらに改善する目的で、前記成分に加えてさらに、Cu:0.5%以下、Ni:0.5%以下の中から選ばれる1種または2種、Cr:3.0%以下、Mo:2.0%以下の中から選ばれる1種または2種、Nb:0.1%以下、V:0.1%以下、Ti:0.1%以下の中から選ばれる1種または2種以上、Ca:0.005%以下、を選択して含有できる。
(Cu:0.5%以下) Cuは一部の環境における耐サワー特性の向上と、靭性の改善と強度の上昇に有効な元素であるが、多く添加すると溶接性が劣化するため、添加する場合は0.5%を上限とする。
(Ni:0.5%以下) Niは靭性の改善と強度の上昇に有効な元素であるが、多く添加すると硬化第二相が生成し易くなり素材靭性の低下、耐サワー特性の劣化につながるため、添加する場合は0.5%を上限とする。
(Cr:3.0%以下) CrはMnと同様に低Cでも十分な強度を得るために有効な元素であるが、多く添加すると第二相が生成し易くなり素材靭性の低下、耐サワー特性の劣化につながるため、添加する場合は3.0%を上限とする。
(Mo:2.0%以下) MoはMn,Crと同様に低Cでも十分な強度を得るために有効な元素であるが、多く添加すると第二相が生成しやすくなり素材靭性を低下させ、耐サワー特性を劣化させるため、添加する場合は2.0%を上限とする。
(Nb:0.1%以下) Nbは炭窒化物の微細析出と組織の微細粒化により強度と靭性を向上させる。しかし、0.1%を超えると硬化した第二相が増加しやすくなり、耐サワー特性を劣化させるため、Nb含有量は0.1%以下とする。
(V:0.1%以下) VもNbと同様に炭窒化物の微細析出により強度上昇に寄与する。しかし、0.1%を超えるとNbと同様に硬化した第二相分率が増加し、耐サワー特性を劣化させるため、V含有量は0.1%以下とする。
(Ti:0.1%以下) TiもNb,Vと同様に炭窒化物の微細析出により強度上昇に寄与する。しかし、0.1%を超えるとNbと同様に硬化した第二相分率が増加し、耐サワー特性を劣化させるため、Ti含有量は0.1%以下とする。
(Ca:0.005%以下) Caは、HICの起点となり易い伸長したMnSの形態制御に必要な元素である。しかし0.005%を超えて添加すると過剰なCa酸化物、硫化物が生成し、逆に耐サワー特性を劣化させるため、Ca含有量は0.005%以下とする。
上記以外の残部はFeおよび不可避的不純物からなる。Oやその他の不可避的不純物は極力少量とすることが好ましい。
表1に示す組成、板厚、YS,TSの帯鋼(鋼種A〜J)を管素材に用い、電縫溶接前のフィンパス成形でフィンロール形状を種々変えて被衝合端部を塑性変形させることにより、図1に示す開先形状パラメータを表2の通り変化させて電縫溶接を行い、外径20インチの電縫鋼管を製造した。
いずれの帯鋼も、鋼片を熱間圧延にて所定の板厚に圧延したのち、巻き取ってホットコイルにするという方法で製造された。
製造した電縫鋼管の母材部および電縫溶接部の耐サワー特性を、次のHIC試験により測定した板厚方向割れ率(CTR)で評価し、溶接部のCTRが3%未満であれば合格(○)、そうでなければ不合格(×)とした。
[HIC試験]
(試験片採取位置) 電縫溶接部中心位置(溶接シーム面)からの管周方向角度で、母材部は180°の位置、溶接部は0°の位置とした。
(試験片) 全厚、幅20mm、長さ(管長方向)100mmのHIC試験片を10本ずつ採取した。
(試験方法) NACEのSol.A浸漬試験を行い、CTRを測定した。
また、電縫溶接部における酸化物の分散状態を次の酸化物調査方法で調査し、溶接シーム面内の長辺最大長さ:50μm以下、前記溶接シーム面に垂直な方向の厚さ:3μm以下、アスペクト比(前記長辺最大長さと前記厚さの比):5以上の酸化物の存在面積率を求めた。
[酸化物調査方法]
(1) 溶接部を含む管厚さ方向3箇所において管厚さ方向直交断面を被観察面として、SEM(走査電子顕微鏡)で、倍率を100〜1000倍、視野数を10視野以上にとって観察し、存在した酸化物の個々の長辺最大長さ、厚さ、アスペクト比、面積を測定する。
(2) 上記(1)の測定データから、長辺最大長さが50μm以下、かつ厚さが3μm以下、かつアスペクト比が5以上である酸化物の合計面積の、長辺最大長さが50μm以下である酸化物の合計面積に対する比率rを求める。
(3) 溶接シーム面を被観察面として、SEMで、倍率を100〜1000倍、視野数を10視野以上にとって観察し、存在した酸化物の個々の長辺最大長さ、面積を測定する。
(4) 上記(3)の測定データから、長辺最大長さが50μm以下である酸化物の合計面積に前記比率rを掛けて、視野の合計面積で割り、この計算結果を、溶接シーム面内の長辺最大長さ:50μm以下、前記溶接シーム面に垂直な方向の厚さ:3μm以下、アスペクト比:5以上の酸化物の存在面積率とする。
それらの結果を表3に示す。なお、表3には、前記酸化物調査方法の(1)で測定した長辺最大長さ、厚さ、アスペクト比の測定データの平均値も参考のため記した。本発明例はいずれも優れた耐サワー特性を示して合格であるのに対し、比較例はいずれも、組成、開先形状(開先形状は特に溶接部における酸化物分散状態に影響する)のいずれかの点で本発明を逸脱し、不合格であった。
Figure 2011025311
Figure 2011025311
Figure 2011025311
1 管素材(初期形状は帯板状)

Claims (5)

  1. 質量%で、C:0.01〜0.15%、Si:0.005〜0.9%、Mn:0.2〜2.0%、P:0.01%以下、S:0.01%以下、Al:0.1%以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成の帯鋼を管素材に用い、これを連続的に払い出しつつ管状にロール成形し、形成したVシェイプの縁をなす管素材両端部を衝合し電縫溶接するにあたり、前記払い出し後から前記電縫溶接前までの途上で、前記管素材の被衝合端部を塑性変形させて該被衝合端部の開先形状を、管内面側では開先角度θ1=5〜50°、開先深さt1=(1/10〜49/100)×板厚、管外面側では開先角度θ2=5〜50°、開先深さt2=(1/10〜49/100)×板厚、の範囲内とすることにより、電縫溶接部における、溶接シーム面内の長辺最大長さ:50μm以下、前記溶接シーム面に垂直な方向の厚さ:3μm以下、前記長辺最大長さと前記厚さの比であるアスペクト比:5以上の酸化物の存在面積率を20%以下とすることを特徴とする、電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉ラインパイプ向け電縫鋼管の製造方法。
  2. 前記組成に加えてさらに、質量%で、Cu:0.5%以下、Ni:0.5%以下の中から選ばれる1種または2種を含有することを特徴とする請求項1に記載の電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉ラインパイプ向け電縫鋼管の製造方法。
  3. 前記組成に加えてさらに、質量%で、Cr:3.0%以下、Mo:2.0%以下の中から選ばれる1種または2種を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉ラインパイプ向け電縫鋼管の製造方法。
  4. 前記組成に加えてさらに、質量%で、Nb:0.1%以下、V:0.1%以下、Ti:0.1%以下の中から選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉ラインパイプ向け電縫鋼管の製造方法。
  5. 前記組成に加えてさらに、質量%で、Ca:0.005%以下を含有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉ラインパイプ向け電縫鋼管の製造方法。
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