JP2011513584A

JP2011513584A - 卓越した溶接性および耐食性を含みたシームレス管用の高強度低合金鋼

Info

Publication number: JP2011513584A
Application number: JP2010547943A
Authority: JP
Inventors: シュナイダー，アンドレ; シュミット，ターニャ; ヴィンターマン，クリスティーナ
Original assignee: ファウ・ウント・エム・ドイチュラント・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング
Priority date: 2008-02-28
Filing date: 2009-02-02
Publication date: 2011-04-28
Anticipated expiration: 2029-02-02
Also published as: AR070624A1; EP2245201A1; BRPI0908484A2; MX2010009446A; JP5715826B2; US20110259478A1; EP2245201B1; DE102008011856A1; WO2009106033A1; BRPI0908484A8

Abstract

高強度鋼および高強度で溶接可能な鋼管。本発明は、高強度鋼および高強度で溶接可能な鋼管に関する。鋼が６２０ＭＰａの最小降伏強度および少なくとも６９０ＭＰａの抗張力を有し、卓越した溶接性および応力腐食亀裂に対する耐性を含みたシームレス鋼管用の高強度低合金鋼は、請求項１に示した組成によって特徴付けられる。

Description

本発明は、請求項１に記載の優れた溶接性および応力腐食亀裂に対する耐性を含みたシームレス管用の高強度低合金鋼に関する。

高強度鋼から構成されたシームレス管は、例えば石油またはガスを運搬するためのパイプラインで使用され、陸上はもちろんのこと沖合にも敷設することができる。

過去２年間に、管製造者らは、一方では、材料の要件を変更せずに、例えば壁厚を薄くして材料を節約しようとする要求の高まりを満足させるための、他方では高圧で運用されるガス輸送用パイプラインの設計の要請に対する、重要な試みを行ってきた。

合金は、通常、パイプラインのシームレス管に使用され、８０ｋｓｉ（５５１．２ＭＰａ）までの鋼グレード（Ｘ８０）に規格、例えばＡＰＩ５Ｌ、ＤＮＶ−ＯＳ−Ｆ１０１およびＥＮ１０２０８の形で定義される。８０ｋｓｉを超える高強度グレードでは、これらの規格によって合金元素の限界値に関する情報は与えられない。高強度グレードの開発では、これらの鋼鉄から製造された鋼管が溶接可能であり、優れた強度および延性特性を有するべきであることを考慮する必要がある。

現在までに、ＡＰＩ５ＬによるＸ８０までの標準鋼グレード（Ｒ_ｐ０．２：最低５５１ＭＰａ、Ｒ_ｍ：最低６２０ＭＰａ）がパイプラインに使用された。しかし１００ｋｓｉ（Ｘ１００）（Ｒ_ｐ０．２：最低６９０ＭＰａ、Ｒ_ｍ：最低７６０ＭＰａ）までの強度クラスの高強度鋼への要求が高まっている。

これらの鋼が石油およびガスを輸送するためのパイプラインで使用されるとき、特にＨ_２Ｓを含むガス（酸性ガス）を輸送するガスパイプラインでの、その溶接性（例えば管接合溶接）、−４０℃までの低温での延性および応力腐食亀裂に対する耐性に関して高い要求がなされる。

ＵＯＥ工程で製造される溶接鋼管での使用には、１００ｋｓｉ（Ｘ１００）までのまたはなお１２０ｋｓｉ（８２６．８ＭＰａ）（Ｘ１２０）までの鋼グレードが一般に公知である。

これらの鋼に要求される特性は、合金投入量を増加させることではなく、考えられる最も低い合金の含有率と管に形成される板金の熱機械圧延を組合せることによって達成される。

しかしこの製造方法が熱間圧延シームレス管に全くまたは限定された方法でしか適用できないのは、シームレス管の熱間加工中の特定の温度プロファイルによって、要求されるように変態温度を低下させることができないためであり、変態温度の低下によって次に熱機械処理の公知の概念が適用できるようになる。

熱間圧延シームレス管に必要な特性は、次の焼戻し処理によって、特に合金化工程を適応させることによっておよび要件を満足する細粒構造を慎重に調整することによって達成する必要がある。

上述の用途のための熱間加工シームレス管の十分な延性を維持しながら必要なだけ強度を向上させるには、新たな合金概念の開発が必要である。特に、良好な溶接性を伴う十分な延性および十分な酸性ガス耐性は、５００ＭＰａを超える降伏強度範囲での従来の合金化工程によって達成することは困難である。

強度および延性の両方の向上に関与する公知の機構は、粒度の低下である。粒度の低下は特に、さらなるニッケルおよびモリブデンの合金化ならびに関連する変態温度の低下によって実現することができる。

モリブデンは、より高い焼戻し温度での硬度維持および無心焼入れも改善する。しかしある合金濃度から、ニッケルの添加によって熱間圧延管の表面品質が著しく低下する。

炭素含有率の著しい上昇による強度の向上によって、延性の低下および炭素当量の著しい増加が生じる。

この理由で、このような合金添加は、延性を向上させる手段を伴わなければならない。炭素当量は、分析の選択を著しく制限する困難な課題であることがしばしば証明されている。

マイクロ合金元素、例えばチタン、ニオブおよびバナジウムは、強度を向上させるためにさらに利用される。チタンはすでに、液相中で高温にて非常に粗粒の窒化チタンとして一部析出する。ニオブは、低温で析出する炭化ニオブを形成する。さらに温度が低下すると、バナジウムは炭窒化物の形でさらに蓄積して、すなわちＶＣ粒子の析出を予想することができる。

これらのマイクロ合金元素の非常に粗粒の析出物は、延性および酸性ガス耐性に悪影響を及ぼすことが多い。したがって、これらの合金元素の濃度は、あまり高すぎてはならない。さらに、析出の形成に必要な炭素および窒素を考慮に入れる必要がある。

ＷＯ２００７／０１７１６１は、溶接パイプのためのＡＰＩ５ＬによるＸ１００の要件を満足する、熱間圧延シームレス鋼管用の高強度低合金鋼を開示している。この従来の合金鋼は、Ｃ：０．０３〜０．１３％、Ｍｎ：０．９０〜１．８０％、Ｓｉ：≦０．４０％、Ｐ：≦０．０２０％、Ｓ：≦０．００５％、Ｎｉ：０．１０〜１．００％、Ｃｒ：０．２０〜１．２０％、Ｍｏ：０．１５〜０．８０％、Ｃａ：≦０．４０％、Ｖ：≦０．１０％、Ｎｂ：≦０．０４０％、Ｔｉ：≦０．０２０％、Ｎ：≦０．０１１％の合金モデルならびにベイナイトおよびマルテンサイトからなる混合構造を有する。

この従来の鋼は、焼戻し後にＸ１００（１００ｋｓｉ）に必要な機械的特性および溶接性を有するが、Ｈ_２Ｓを含むガス（酸性ガス）を輸送するガスパイプラインで使用するときに考えられる応力腐食亀裂に関連する情報は提供されていない。しかし従来の鋼で考えられる炭化クロムの形成は、酸性ガス耐性に悪影響を及ぼし得る。

さらに、従来の鋼のＮｉ濃度は非常に高く、１％に達することが可能であり、これにより管の熱間圧延の間に、例えば熱間ピルガー圧延、連続管圧延工程の間に表面のスケーリングが引き起こされることがあり、管の表面品質が大幅に低下して、費用のかかる表面の機械加工が必要となり得る。

上述の用途のためのパイプライン管の要件は、以下のようにまとめることができる：
最小降伏強度Ｒ_ｐ０．２：それぞれ６２０ＭＰａ（９０ｋｓｉ）および６９０ＭＰａ（１００ｋｓｉ）。
最小抗張力Ｒｍ：それぞれ６９０ＭＰａ（９０ｋｓｉ）および７６０ＭＰａ（１００ｋｓｉ）
切欠き衝撃強度Ａ_ｖ（長手方向）：−４０℃にて９０Ｊ
確実な一般溶接性
低いまたは制限されたＮｉ濃度
Ｈ_２Ｓを含むガス（酸性ガス）を輸送するときでも耐食性

本発明の目的は、降伏強度、抗張力および切欠き衝撃強度に関して上述の要件を確実に満足し、さらに一般に良好な溶接性、および、酸性ガスと共に使用するときに十分な耐食性を有し、熱間圧延後に欠陥のない表面も有する、高強度溶接可能シームレス鋼管を製造するための低コストの低合金鋼を提供することである。

目的は、請求項１の特徴によって解決される。有利な実施形態は、従属請求項で列挙される。

本発明の教示により、高強度で溶接可能な熱間圧延シームレス鋼管を製造するための低合金鋼として、以下の化学組成：
０．０３０〜０．１２％のＣ
最大０．４０％のＳｉ
１．３０〜２．００％のＭｎ
最大０．０１５％のＰ
最大０．００５％のＳ
０．０２０〜０．０５０％のＡｌ
０．２０〜０．６０％のＮｉ
０．１０〜０．４０％のＣｕ
０．２０〜０．６０％のＭｏ
０．０２〜０．１０％のＶ
０．０２〜０．０６％のＮｂ
最大０．０１００％のＮ
と、溶融関連不純物を含む残りの鉄とを含み、Ｔｉ＋Ｎｂ＋Ｖの濃度の和が≧０．０４％〜≦０．１５％の値を有し、比Ｃｕ／Ｎｉが＜１の値を有するという条件で任意にＴｉが添加される鋼が提案される。

本発明による合金鋼は、パイプラインのためのＡＰＩ５Ｌ、ＩＳＯ３１８３、ＤＮＶ−ＯＳ−Ｆ１０１およびＥＮ１０２０８による鋼の開発に基づいて改善している。

本発明の状況で実施された実験によって、驚くべきことに、Ｃｒを除去して、所定のＣｕ／Ｎｉ比を維持することによって、機械的特性（強度および延性）および溶接性に悪影響を及ぼさずに、従来の合金鋼と比較してこの強度グレードの酸性ガス耐性を改善できることが示された。

ニッケルに加えて、銅も酸性ガス耐性を改善することができる。反対に、さらなる合金銅だけでは、熱間加工性に悪影響が及ぼされ、粒界が破壊される。このことは、酸性ガス耐性に適合したＣｕ／Ｎｉ比（Ｃｕ／Ｎｉ＜１）でニッケルをさらに合金することによって補われる。

基本工程としての本発明による合金概念と、熱形成工程後に必要な焼戻しとの組合せによって、開発したシームレス鋼管の酸性ガス耐性が生じる。

チタン、ニオブおよびバナジウムの濃度の和は、一方では、必要な強度の向上を達成するために十分に高い≧０．０４％の値だけでなく、必要な延性特性および十分な酸性ガス耐性も確保するために十分に低い≦０．１５％でもある。

顧客の要件に応じて、本発明による合金概念を使用して、各グレードに特有の全ての要件を維持しながら、グレード９０ｋｓｉの鋼（Ｘ９０）はもちろんのこと、グレード１００ｋｓｉの鋼（Ｘ１００）も得ることができる。

以下に挙げる本発明による合金鋼と共に溶融される工程から製造されたシームレス鋼管は、優れた強度および延性の値を有する。
０．１０％のＣ
０．３０％のＳｉ
１．６８％のＭｎ
０．０１５％のＰ
０．００２％のＳ
０．０２６％のＡｌ
０．１９％のＣｕ
０．４８％のＮｉ
０．３７％のＭｏ
０．０４７％のＶ
０．０４２％のＮｂ
０．００３％のＴｉ
０．００６％のＮ
ならびにＣｕ／Ｎｉ＝０．４０およびＴｉ＋Ｎｂ＋Ｖ＝０．０９２。

その後、以下の表に挙げた値を決定する。値は３つの張力試料または３つの切欠き衝撃強度試料それぞれからの平均値である。試料は、運転中に製造された熱処理管からの長手方向の試料として得た。

Claims

６２０ＭＰａの最小降伏強度および少なくとも６９０ＭＰａの抗張力を有する、優れた溶接性および応力腐食亀裂に対する耐性を含みたシームレス鋼管用の高強度低合金鋼であって、以下の化学組成（質量％）：
０．０３０〜０．１２％のＣ、
０．０２０〜０．０５０％のＡｌ、
最大０．４０％のＳｉ、
１．３０〜２．００％のＭｎ、
最大０．０１５％のＰ、
最大０．００５％のＳ、
０．２０〜０．６０％のＮｉ、
０．１０〜０．４０％のＣｕ、
０．２０〜０．６０％のＭｏ、
０．０２〜０．１０％のＶ、
０．０２〜０．０６％のＮｂ、
最大０．０１００％のＮ、
と、溶融関連不純物を含む残りの鉄とを含み、Ｔｉ＋Ｎｂ＋Ｖの濃度の和が≧０．０４％〜≦０．１５％の値を有し、比Ｃｕ／Ｎｉが＜１の値を有するという条件で任意にＴｉが添加されるシームレス鋼管用の高強度低合金鋼。
Ｔｉ濃度が最大０．０２％であることを特徴とする、請求項１に記載の鋼。
以下の化学組成（質量％）：
０．０８０〜０．１１％のＣ
０．０２０〜０．０５０％のＡｌ、
０．２５〜０．３５％のＳｉ、
１．６５〜１．９０％のＭｎ、
最大０．０１５％のＰ、
最大０．００５％のＳ、
０．４５〜０．５５％のＮｉ、
０．１５〜０．２０％のＣｕ、
０．３５〜０．５５％のＭｏ、
０．０４〜０．０６％のＶ、
０．０４〜０．０５％のＮｂ、
最大０．００６％のＮを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の鋼。
鋼が６９０ＭＰａの最小降伏強度および少なくとも７６０ＭＰａの抗張力を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の鋼。
６２０ＭＰａの最小降伏強度および少なくとも６９０ＭＰａの抗張力を有する、優れた溶接性および応力腐食亀裂に対する耐性を含みた、熱間圧延と続いての焼戻しによって製造される高強度で溶接可能なシームレス鋼管であって、以下の合金組成：
０．０３０〜０．１２％のＣ、
０．０２０〜０．０５０％のＡｌ、
最大０．４０％のＳｉ、
１．３０〜２．００％のＭｎ、
最大０．０１５％のＰ、
最大０．００５％のＳ、
０．２０〜０．６０％のＮｉ、
０．１０〜０．４０％のＣｕ、
０．２０〜０．６０％のＭｏ、
０．０２〜０．１０％のＶ、
０．０２〜０．０６％のＮｂ、
最大０．０１００％のＮ、
と、溶融関連不純物を含む残りの鉄とを含み、Ｔｉが場合により添加され、ただしＴｉ＋Ｎｂ＋Ｖ濃度の和が＜０．１５％の値を有し、比Ｎｉ／Ｃｕが≧１の値を有するという条件である鋼を含む、高強度で溶接可能なシームレス鋼管。
鋼が最大０．０２０％のチタン濃度を有することを特徴とする、請求項４に記載の鋼管。
鋼が以下の合金組成：
０．０８０〜０．１１％のＣ
０．０２０〜０．０５０％のＡｌ、
０．２５〜０．３５％のＳｉ、
１．６５〜１．９０％のＭｎ、
最大０．０１５％のＰ、
最大０．００５％のＳ、
０．４５〜０．５５％のＮｉ、
０．１５〜０．２０％のＣｕ、
０．３５〜０．５５％のＭｏ、
０．０４〜０．０６％のＶ、
０．０４〜０．０５％のＮｂ、
最大０．００６％のＮを有することを特徴とする、請求項４または５に記載の鋼管。
鋼が６９０ＭＰａの最小降伏強度および少なくとも７６０ＭＰａの抗張力を有することを特徴とする、請求項５〜７のいずれか一項に記載の鋼管。