JP2011026695A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】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を提供する。
【解決手段】電縫溶接部中の、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％以下に制限し、かつ電縫溶接部および母材部の化学組成を規制した、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である。
【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、その分散量を規定することにより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電縫鋼管であって、その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が２０％以下であ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。
（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。
（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。
（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。
（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。

本発明によれば、安定して優れた耐サワー特性を有する高強度厚肉ラインパイプ向電縫鋼管が得られ、品質信頼性の向上に寄与する。

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。
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、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％以下に限定した。

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。
［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。
［好ましい製造方法］
本発明に係る電縫鋼管の好ましい製造方法は、前記基本製造プロセスにおいて、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が２０％以下となるように、管素材の衝合端部形状を最適化すること、すなわち図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、θ１、ｔ２、θ２を最適化することである。この最適化を行うには、予め、これらのパラメータと溶接部における酸化物のサイズおよび分散量との関係特性を実験により決定しておき、その関係特性に基づいて衝合端部成形加工を行なうことが好ましい。

衝合端部成形加工の実施に好適な加工方法としては、帯板状から管状へのロール成形途上での砥石研削あるいはエッジャーロール圧下などによる加工方法や、電縫溶接直前のフィンパス成形段階でのフィン形状転写による加工方法などが挙げられる。

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、図１に示す開先形状パラメータをエッジャーロール圧下により表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、溶接部における酸化物分散状態の点で本発明範囲を逸脱し、不合格であった。
なお、比較例において、Ｎｏ．１，２は、Ｃ量の点でも本発明範囲を逸脱しており、鋼組織がフェライト‐ベイナイト系となった。Ｎｏ．３，４は、ＭｎあるいはＮｂ量の点でも本発明範囲を逸脱しており、著しく高強度の第二相が生成した。Ｎｏ．７，９，１１は、鋼組成の点では本発明範囲に入るが、溶接部における酸化物分散状態の点で本発明範囲を逸脱した。

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電縫鋼管であって、その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が２０％以下であ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。
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。
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。
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。
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。

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