JP2016079474A - 溶接継手 - Google Patents

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Abstract

【課題】優れた耐サワー性を有する溶接継手を提供する。【解決手段】溶接継手は、母材と、溶接金属とを備える。母材の化学組成は、質量%で、C:0.01〜0.25%、Si:0.01〜1.0%、Mn:0.1〜3.0%、P:0.030%以下、S:0.010%以下、Ni:0.1〜2.0%、Cr:0〜10.5%未満、Mo:0.25〜3.00%、Al:0.005〜0.100%を含有し、残部はFe及び不純物からなる。溶接金属は、溶接材料を用いて形成され、溶接材料は、Ni:0.5〜70%、及びMo:0〜10%を含有する。母材のNi含有量を[NiB]%とし、Mo含有量を[MoB]%とし、溶接材料のNi含有量を[NiW]%とし、Mo含有量を[MoW]%とした場合、溶接継手は式(1)を満たす。溶接継手の最高硬さは、300Hv以下である。([NiW]+[MoW]/2)−([NiB]+[MoB]/2)>0.4 (1)【選択図】図3

Description

本発明は、母材と、溶接金属とを備える溶接継手に関する。
油井やガス井から産出される原油及び天然ガスは、硫化水素(H2S)を含有する。硫化水素が含有された湿潤硫化水素環境中では、鋼が腐食しやすく、かつ、鋼に水素が浸入しやすい。したがって、湿潤硫化水素環境で使用される溶接継手(パイプライン等)では、水素誘起割れ(Hydrogen Induced Cracking、以下、HICという)及び硫化物応力割れ(Sulfide Stress Cracking、以下、SSCという)が発生しやすい。
HICは、鋼材に外部応力が付加されていなくても、鋼材内部に発生する割れである。HICは、腐食反応により生成された水素が鋼中に侵入し、MnS等の介在物や、硬い第2相組織の周りに拡散及び集積することにより発生すると言われている。HICの発生を抑制する方法は、例えば特開昭54−110119号公報(特許文献1)、特開昭61−60866号公報(特許文献2)及び特開昭61−165207号公報(特許文献3)に提案されている。特許文献1に開示された鋼では、鋼中のSを低減し、Caを適量含有する。これにより、延伸状のMnSの生成を抑制してHICの発生を抑制する。特許文献2及び3に開示された鋼では、C、Mn、P等の偏析しやすい元素の含有量を低減して、割れの伝播経路となりやすい硬化組織の生成を抑制する。さらに、圧延後に加速冷却を実施して、圧延後の冷却での変態途中でCの拡散による硬化組織が生成するのを抑制する。
一方、SSCは、応力(外部応力又は残留応力)下で発生する割れである。SSC感受性は鋼の強度に支配され、高強度鋼ほどSSC感受性が高い。溶接継手は、母材と、熱影響部(HAZ)及び溶接金属を含む溶接部とを備えるが、溶接部は硬化するため、SSC感受性が高くなりやすい。特許第4502011号(特許文献4)で提案されたラインパイプ用継目無鋼管では、C含有量を低減し、かつ、Moを含有することにより、溶接後の溶接部の硬さを低減し、耐SSC性を高める。
サワー環境で使用される溶接継手には、上述のとおり、耐サワー性(耐HIC性及び耐SSC性)が要求される。耐サワー性に優れた溶接鋼管が特開平9−194991号公報(特許文献5)及び特開2006−283148号公報(特許文献6)に提案されている。
特許文献5では、母材及び溶接金属にCu及びNiを含有する。Cu及びNiを含有することにより、溶接部の局部腐食の発生が抑制され、母材の腐食速度も低減する。さらに、溶接金属のCu及びNiの和(CuW+NiW)を、母材のCu及びNiの和(Cu0+Ni0)よりも高くし、かつ、(Cu0+Ni0)+0.5%以下にする。この場合、溶接金属の選択腐食が抑制され、耐SSC性が高まる、と特許文献5には記載されている。
特許文献6に開示された溶接鋼管では、溶接金属の浸食電位(腐食電位)を、母材の浸食電位よりも高くする。この場合、溶接金属の選択腐食が抑制され、耐サワー性(耐HIC性及び耐SSC性)が高まる、と記載されている。
特開昭54−110119号公報 特開昭61−60866号公報 特開昭61−165207号公報 特許第4502011号 特開平9−194991号公報 特開2006−283148号公報
しかしながら、特許文献5及び特許文献6と同様の対策を実施した場合であっても、耐サワー性、特に、耐SSC性が低い場合がある。
本発明の目的は、優れた耐サワー性を有する溶接継手を提供することである。
本発明による溶接継手は、母材と、溶接金属とを備える。母材の化学組成は、質量%で、C:0.01〜0.25%、Si:0.01〜1.0%、Mn:0.1〜3.0%、P:0.030%以下、S:0.010%以下、Ni:0.1〜2.0%、Cr:0〜10.5%未満、Mo:0.25〜3.00%、Al:0.005〜0.100%、Cu:0〜0.5%、Ti:0〜0.05%、V:0〜0.1%、Nb:0〜0.1%、Zr:0〜0.1%、Ca:0〜0,005%、Mg:0〜0.005%、B:0〜0.010%を含有し、残部はFe及び不純物からなる。溶接金属は、溶接材料を用いて形成され、溶接材料は、Ni:0.5〜70%、及びMo:0〜10%を含有する。母材のNi含有量を[NiB]%とし、母材のMo含有量を[MoB]%とし、溶接材料のNi含有量を[NiW]%とし、溶接材料のMo含有量を[MoW]%とした場合、溶接継手は式(1)を満たす。溶接継手の最高硬さは、300Hv以下である。
([NiW]+[MoW]/2)−([NiB]+[MoB]/2)>0.4 (1)
上述の母材の化学組成は、Cu:0.03〜0.5%、Ti:0.002〜0.05%、V:0.01〜0.1%、Nb:0.01〜0.1%、Zr:0.01〜0.1%、Ca:0.0005〜0.005%、Mg:0.0005〜0.005%、及び、B:0.0003〜0.010%からなる群から選択される1種又は2種以上を含有してもよい。
上述の溶接材料の化学組成はさらに、C:0.2%以下、Si:1.0%未満、及び、Mn:0.5〜3.0%からなる群から選択される1種又は2種以上を含有してもよい。
本発明による溶接継手は優れた耐サワー性を有する。
鋼中のNi含有量(質量%)と、吸蔵水素濃度(ppm)との関係を示す図である。 図2は、ΔD=([NiW]+[MoW]/2)−([NiB]+[MoB]/2)と、溶接継手の最高硬さ(Hv)と、SSCの発生有無との関係を示す図である。 図3は、図2中のΔD=0〜1.2の範囲の拡大図である。 図4は、サワー環境における鋼中の(Ni+Mo/2)含有量(質量%)と、腐食電位(V)との関係を示す図である。
以下、本発明の実施の形態を詳しく説明する。
本発明者らは、溶接継手の耐サワー性(耐SSC性及び耐HIC性)について検討した。その結果、本発明者らは次の知見を得た。
(1)HIC感受性は、鋼中の吸蔵水素濃度と比例する。換言すれば、吸蔵水素濃度が低ければ、耐HIC性が高まる。
鋼中のNi含有量が0.1%以上であれば、吸蔵水素濃度が低下して耐HIC性が高まる。図1は、鋼中のNi含有量(質量%)と、吸蔵水素濃度(ppm)との関係を示す図である。図1は次の試験により得られた。
表1に示す化学組成の鋼板を製造した。鋼板に対して周知の焼入れ及び焼戻しを実施した後、吸蔵水素濃度測定試験を実施した。具体的には、鋼板から試験片を採取した。試験片を試験液(NACE−TM0177で規定されるSolution Aに準拠した、5質量%のNaClと0.5質量%の酢酸(CH3COOH)とを含む水溶液に1気圧の硫化水素を飽和させた環境)に720時間浸漬した。浸漬後、グリセリン捕集法を用いて、吸蔵水素濃度を測定した。
Figure 2016079474
図1を参照して、Ni含有量が0.1%以上であれば、吸蔵水素濃度が1.5ppm以下になり、優れた耐HIC性が得られる。したがって、溶接継手(母材及び溶接金属)のNi含有量は0.1%以上にする。
(2)Niが含有されれば、耐HIC性が高まるものの、母材において局部腐食が発生しやすくなる。また、母材がNiを含有すれば、溶接金属が優先的に腐食しやすくなり、腐食環境に接する溶接金属の面積は母材に対してはるかに小さいために、溶接金属において顕著な腐食又は局部腐食が発生する。局部腐食はSSCの起点となるため、耐SSC性が低下する可能性がある。
局部腐食の生成を抑制するために、本発明では、溶接金属の腐食電位を、母材よりも十分に高くする。腐食電位は、鋼を水溶液に浸した場合に鋼表面の酸化還元反応が釣り合う電位を意味する。
溶接金属の腐食電位が母材の腐食電位よりも十分に高い場合、溶接金属よりも母材の腐食が優先的に促進される。したがって、溶接金属において局部腐食が発生するのを抑制でき、溶接金属でSSCが発生するのを抑制できる。一方、母材表面は溶接金属と比較して優先的に腐食する。しかしながらこの場合、母材表面では、局部腐食が発生する代わりに、全面腐食が発生する。したがって、溶接金属及び母材の局部腐食の発生は抑制され、Niを含有しても耐SSC性が高まる。
Niは腐食電位を高める。さらに、Moは、Niの半分の効果で腐食電位を高める。他の元素に関しては、腐食電位にそれほど影響しない。そこで、母材のNi含有量を[NiB]%とし、母材のMo含有量を[MoB]%とし、溶接材料のNi含有量を[NiW]%とし、溶接材料のMo含有量を[MoW]%とした場合、式(1)を満たせば、溶接金属の腐食電位が、母材の腐食電位よりも十分に高くなる。
([NiW]+[MoW]/2)−([NiB]+[MoB]/2)>0.4 (1)
ΔD(%)=([NiW]+[MoW]/2)−([NiB]+[MoB]/2)と定義する。図2及び図3は、ΔD(%)と、溶接継手の最高硬さ(Hv)と、SSCの発生有無との関係を示す図である。溶接継手の最高硬さ(Hv)は、溶接継手の溶接部及び母材の硬さのうち、最大の硬さ(Hv)を意味する。最高硬さ(Hv)の測定方法は後述する。図2及び図3は、後述の実施例の耐SSC性評価試験で得られた結果に基づいて作成されたものである。図2は、横軸のΔDが0〜80%の範囲での結果であり、図3は、図2中のΔD=0〜1.2%の範囲の拡大図である。図2及び図3中の「◆」印はSSCが発生しなかったことを示し、「■」印はSSCが発生したことを示す。
図3を参照して、ΔDが0.4%以下である場合、最高硬さが300Hv以下であってもSSCが発生した。一方、図2及び図3を参照して、ΔDが0.4%よりも高くなると、最高硬さが300Hv以下であれば、SSCは発生しなかった。
以上の結果に基づけば、耐HIC性を高めるためにNiを0.1%以上含有しても、ΔDが0.4%よりも高く、かつ、最高硬さが300Hv以下であれば、優れた耐SSC性を有する溶接継手が得られる。
上述のとおり、式(1)を満たして母材が局部腐食に代えて全体腐食することにより耐SSC性が高まる。しかしながら、母材の全体腐食が過剰に促進されるのは好ましくない。母材中のMo含有量が0.25%以上、好ましくは0.30%以上であれば、全体腐食が抑制される。
以上の知見に基づいて、本発明による溶接継手は完成した。以下、本発明による溶接継手の詳細を説明する。
[溶接継手の構成]
本発明による溶接継手は、母材と、溶接金属とを備える。溶接継手はたとえば、鋼管(母材)同士又は鋼板(母材)同士を互いの端部で溶接したものである。鋼管は継目無鋼管であってもよいし、溶接鋼管であってもよい。以下、母材及び溶接金属について詳述する。
[化学組成]
本発明による溶接継手の母材の化学組成は、次の元素を含有する。
C:0.01〜0.25%
炭素(C)は焼入れ性を高めて鋼の強度を高める。C含有量が低すぎればこの効果が得られない。一方、C含有量が高すぎれば、鋼が硬化して耐SSC性が低下する。したがって、C含有量は0.01〜0.25%である。C含有量の好ましい上限は0.20%であり、さらに好ましくは0.15%である。
Si:0.01〜1.0%
シリコン(Si)は、鋼を脱酸する。Si含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Si含有量が高すぎれば、溶接熱影響部の靱性が低下する。したがって、Si含有量は、0.01〜1.0%である。Si含有量の好ましい上限は、0.50%であり、さらに好ましくは。0.35%である。
Mn:0.1〜3.0%
マンガン(Mn)は、鋼の焼入れ性を高めて鋼の強度を高める。Mn含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Mn含有量が高すぎれば、鋼の溶解が促進され、水素の鋼への侵入を増加させる。Mn含有量が高すぎればさらに、鋼中に偏析帯が形成されてHIC感受性が高まる。したがって、Mn含有量は0.1〜3.0%である。Mn含有量の好ましい下限は0.2%であり、さらに好ましくは0.3%である。Mn含有量の好ましい上限は2.5%であり、さらに好ましくは2.0%である。
P:0.030%以下
燐(P)は不純物である。Pは鋼中で偏析し、硬化組織を形成しやすい。そのため、Pは鋼のSSC感受性を高める。したがって、P含有量は0.030%以下である。好ましいP含有量は0.020%以下である。P含有量はなるべく低い方が好ましい。
S:0.010%以下
硫黄(S)は不純物である。SはMnSを形成する。MnSはHICの起点となる。したがって、S含有量は0.010%以下である。好ましいS含有量は0.005%以下である。S含有量はなるべく低い方が好ましい。
Ni:0.1〜2.0%
ニッケル(Ni)は鋼中の吸蔵水素濃度を低減し、耐HIC性を高める。Niはさらに、鋼の焼入れ性を高め、鋼の靱性も高める。Ni含有量が低すぎれば、これらの効果は得られない。一方、Ni含有量が高すぎれば、局部腐食が発生しやすくなる。局部腐食はSSCの起点となるため、耐SSC性が低下する。したがって、Ni含有量は0.1〜2.0%である。1気圧のH2Sを含有した湿潤硫化水素環境での耐SSC性をさらに高めるためには、Ni含有量の好ましい上限は1.0%であり、さらに好ましくは0.7%である。
Cr:0〜10.5%未満
クロム(Cr)は任意元素である。含有される場合、Crは鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を高める。Cr含有量を高めれば、Cr酸化物が鋼の表面に形成されて耐食性が高まる。しかしながら、Cr含有量が高すぎれば、Cr酸化物の一部が破壊され、破壊された箇所がSSCの起点となる。したがって、Cr含有量は0〜10.5%である。Cr含有量の好ましい下限は0.03%である。Cr含有量の好ましい上限は3.0%であり、さらに好ましくは1.5%である。
Mo:0.25〜3.00%
モリブデン(Mo)は鋼の焼入れ性を高めて鋼の強度を高める。Moはさらに、腐食生成物の形成を助け、鋼の全体腐食を抑制する。腐食生成物の生成はさらに、水素の鋼中への侵入も抑制するため、水素に起因するSSCの感受性を低減する効果も期待される。Mo含有量が低すぎれば、これらの効果は得られない。一方、Mo含有量が高すぎれば、これらの効果は飽和する。Mo含有量が高すぎればさらに、焼入れ時の冷却速度が速い場合において、鋼の表面に硬化組織が形成されやすく、耐水素脆化性が低下する。したがって、Mo含有量は0.25〜3.00%である。全体腐食をさらに抑制するためのMo含有量の好ましい下限は0.3%であり、さらに好ましくは0.4%である。Mo含有量の好ましい上限は2.50%であり、さらに好ましくは2.10%である。
sol.Al:0.005〜0.100%
アルミニウム(Al)は、鋼を脱酸する。Al含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Al含有量が高すぎれば、粗大なクラスタ状のアルミニウムが形成されて、溶接熱影響部の靱性が低下する。したがって、Al含有量は0.005〜0.100%である。sol.Al含有量の好ましい下限は0.010%である。sol.Al含有量の好ましい上限は0.050%である。本明細書において、Al含有量はsol.Al(酸可溶Al)の含有量を意味する。
本発明の溶接継手の母材の化学組成の残部は、Fe及び不純物からなる。ここでいう不純物は、鋼の原料として利用される鉱石やスクラップ、又は、製造過程の環境等から混入される元素をいう。
母材の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Cuを含有してもよい。
Cu:0〜0.5%
銅(Cu)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Cuは鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を高める。Cuはさらに、pHの高い環境において、鋼の腐食を抑制し、水素の鋼への侵入を抑制する。しかしながら、Cu含有量が高すぎれば、これらの効果が飽和する。したがって、Cu含有量は0〜0.5%である。Cu含有量の好ましい下限は0.03%である。Cu含有量の好ましい上限は0.45%である。
母材の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Ti、V、Nb及びZrからなる群から選択される1種又は2種以上を含有してもよい。
Ti:0〜0.05%
V:0〜0.10%
Nb:0〜0.10%
Zr:0〜0.10%
チタン(Ti)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、及びジルコニウム(Zr)はいずれも任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、これらの元素はピンニング効果により鋼を細粒化し、鋼の靱性を高める。一方、これらの元素含有量が高すぎれば、その効果が飽和する。したがって、Ti含有量は0〜0.05%であり、V含有量は0〜0.10%であり、Nb含有量は0〜0.10%であり、Zr含有量は0〜0.10%である。Ti含有量の好ましい下限は0.002%である。Ti含有量の好ましい上限は0.03%である。V含有量の好ましい下限は0.01%である。V含有量の好ましい上限は0.08%である。Nb含有量の好ましい下限は0.01%である。Nb含有量の好ましい上限は0.08%である。Zr含有量の好ましい下限は0.01%である。Zr含有量の好ましい上限は0.08%である。
母材の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Ca及びMgからなる群から選択される1種以上を含有してもよい。
Ca:0〜0.005%
Mg:0〜0.005%
カルシウム(Ca)及びマグネシウム(Mg)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、これらの元素は介在物の形態を制御して、鋼の靱性及び耐食性を高める。これらの元素はさらに、鋳込み時のノズル詰まりを抑制する。しかしながら、これらの元素含有量が高すぎれば、介在物がクラスタ化して、かえって靱性及び耐食性(耐SSC性及び耐腐食疲労性)が低下する。したがって、Ca含有量は0〜0.005%であり、Mg含有量は0〜0.005%である。Ca含有量の好ましい下限は0.0005%である。Ca含有量の好ましい上限は0.0035%である。Mg含有量の好ましい下限は0.0005%である。Mg含有量の好ましい上限は0.0035%である。
母材の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Bを含有してもよい。
B:0〜0.010%
ボロン(B)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Bは鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を高める。しかしながら、B含有量が高すぎれば、粒界に粗大炭化物M236(MはFe、Cr、Mo)が生成して鋼の耐SSC性を低下する。したがって、B含有量は0〜0.010%である。B含有量の好ましい下限は0.0003%である。B含有量の好ましい上限は0.003%である。
[溶接金属]
溶接金属は、溶接材料を用いて周知の溶接方法で製造される。溶接材料の化学組成は、次の元素を含有する。
Ni:0.5〜70%
Mo:0〜10%
ニッケル(Ni)及びモリブデン(Mo)は、溶接金属の母材に対する腐食電位を高める。溶接金属の腐食電位が、母材の腐食電位よりも十分に高ければ、溶接金属が母材に対して優先的に腐食(局部腐食)されるのを抑制できる。具体的には、溶接金属よりも母材が優先的に腐食(全体腐食)される。そのため、溶接部におけるSSCの発生が抑制される。さらに、母材は全体腐食するため、母材の局部腐食の発生も抑制される。したがって、母材がNiを含有していても、溶接継手の耐SSC性は高まる。
溶接材料におけるNi含有量が少なすぎれば、母材に対して十分に高い腐食電位とすることが困難である。したがって、溶接材料中のNi含有量の下限は、0.5%である。一方、Ni含有量が60%を超えるNi基合金は水素脆化を起こすことが知られており、過剰なNiを含む溶材は本用途には不適である。加えて、Niは高価であり、施工時のコストを高める。溶接金属中のNi濃度を60%以下とするためには、溶接材料のNi含有量の上限を70%とする必要がある。
溶接材料はMoを含有しなくてもよい。つまり、Moは任意元素である。上述のとおり、MoはNiの半分程度の効果で腐食電位を高める。したがって、Niと共にMoを含有すれば、溶接金属の腐食電位が上昇しやすい。一方、Mo含有量が高すぎれば、その効果が飽和する。加えてMoも高価な元素であり、施工時のコストを高める。したがって、Mo含有量は0〜10%である。Mo含有量の好ましい下限は0.05%である。
さらに、溶接材料中のNi含有量を[NiW]%、Mo含有量を[MoW]%、母材のNi含有量を[NiB]%、Mo含有量を[MoB]%とした場合、溶接材料中のNi含有量及びMo含有量は、式(1)を満たす。
([NiW]+[MoW]/2)−([NiB]+[MoB]/2)>0.4 (1)
図4は、サワー環境(NACE−TM0177で規定されるSolution Aに準拠した、5質量%のNaClと0.5質量%の酢酸(CH3COOH)とを含む水溶液)における鋼中の(Ni+Mo/2)含有量(質量%)と、腐食電位(V)との関係を示す図である。図4を参照して、腐食電位は、(Ni+Mo/2)にほぼ比例する。つまり、サワー環境における母材の腐食電位は[NiW]+[MoW]/2に依存し、サワー環境における溶接金属の腐食電位は[NiB]+[MoB]/2に依存する。母材及び溶接金属の他の元素の、サワー環境における腐食電位への影響は非常に小さい。
上述のとおり、サワー環境において、Niは腐食電位を貴側に移行し、MoもNiの半分の効果で腐食電位を貴側に移行する。式(1)が満たされれば、溶接金属の腐食電位は母材の腐食電位よりも十分に高い。そのため、溶接金属が母材よりも優先的に腐食されるのを抑制できる。この場合、母材は溶接金属よりも優先的に腐食されるものの、上記のとおり、母材の腐食は局部腐食ではなく、全体腐食となる。そのため、局部腐食に起因したSSCの起点の生成は抑制される。
ΔD=([NiW]+[MoW]/2)−([NiB]+[MoB]/2)と定義した場合、好ましいΔDは0.5以上である。
溶接材料の化学組成の残部は、例えば、Fe及び不純物である。
溶接材料はさらに、C、Si、Mnからなる群から選択される1種又は2種以上を含有してもよい。これらの元素の含有量は特に制限されない。溶接材料がCを含有する場合、C含有量はたとえば、0.2%以下である。溶接材料がSiを含有する場合、Si含有量はたとえば1.0%未満である。溶接材料がMnを含有する場合、Mn含有量はたとえば、0.5〜3.0%である。しかしながら、C、Si及びMn含有量は上記範囲に限定されない。
上述の溶接材料の化学組成はさらに、他の元素を含有してもよい。溶接材料の化学組成はたとえば、Cr、Cu等を含有してもよい。Cr含有量はたとえば、0.5%未満である。Cu含有量はたとえば、0.5%未満である。
[ビッカース硬さ]
SSC感受性は、硬さ依存性が高い。本発明による溶接継手は、サワー環境で用いられるため、母材及び溶接金属の最高硬さはビッカース硬さで300Hv以下である。
最高硬さは次の方法で測定される。溶接熱影響部(HAZ)の特に溶接線近傍(溶接線からHAZ側0.5mm以内の範囲)から任意の10点を選択する。選択された各点において、JIS Z2244(2009)に準拠したビッカース硬さ試験を実施する。試験力は0.98Nとする。得られたビッカース硬さのうちの最高値を、最高硬さ(Hv)と定義する。測定箇所をHAZの溶接線近傍とするのは、溶接継手においてHAZの溶接線近傍における冷却速度が最も早く、最も高い硬さを有する可能性が高いためである。
[製造方法]
本発明の溶接継手の製造方法の一例を説明する。上述の化学組成を有する母材の溶鋼を製造する。製造された溶鋼からインゴット又は鋳片(スラブ)を製造する。インゴット又はスラブを用いて周知の製造方法で母材を製造する。母材はたとえば鋼板や、鋼管である。
鋼管は、たとえば次の方法で製造される。製造されたインゴット、スラブ、又はブルームを熱間加工してビレットを製造する。製造されたビレットを熱間加工して鋼管を製造する。熱間加工はたとえば、マンネスマン法による穿孔圧延である。熱間加工として熱間押出を実施してもよいし、熱間鍛造を実施してもよい。
上述の化学組成を有する溶接材料を用いて、母材に対して溶接を実施して溶接継手を製造する。溶接方法はたとえば、TIG溶接、MIG溶接、MAG溶接(GMAG溶接)、及び、サブマージアーク溶接等である。溶接時に溶接材と母材の一部とが溶融及び凝固して溶接金属が形成される。
表2に示す化学組成を有するマークA〜Lのインゴットを製造した。
Figure 2016079474
表2中の「Others」欄の数値及び元素記号は、対応するマークの鋼に含有される元素及び含有量(質量%)を示す。たとえば、マークEの鋼にCuが0.29%含有されることを意味する。
各マークのインゴットを熱間加工して複数のブロックを製造した。各ブロックを1250℃に加熱した後、熱間圧延によって厚さ20mmの鋼板を製造した。鋼板に対して焼入れ及び焼戻しを実施した。焼入れ温度は950℃であり、鋼板を水冷した。焼戻し温度は650℃であり、焼戻し後の鋼板を空冷した。
表3中の溶接材料を用いて、鋼板に対して種々の入熱条件でGMAW溶接を実施して溶接金属を形成し、溶接継手を製造した。具体的には、GMAW溶接は次の2つの条件で実施した。「CASE1」では、溶接時の入熱を0.7kJ/mmとした。「CASE2」では、溶接時の入熱を1.5kJ/mmとした。
Figure 2016079474
[最高硬さ試験]
各試験番号のCASE1及びCASE2の溶接継手において、最高硬さ(Hv)を求めた。具体的には、各溶接継手の溶接熱影響部(HAZ)の任意の10点で、JIS Z2244(2009)に準拠したビッカース硬さ試験を実施した。試験力は98.07Nとした。得られたビッカース硬さのうちの最高値を、最高硬さ(Hv)と定義した。
[耐SSC性評価試験]
各試験番号CASE1及びCASE2の溶接継手の鋼板の板厚中央位置から、厚さ5mm×幅15mm×長さ115mmの平滑試験片を採取した。このとき、溶接継手の溶接金属が平滑試験片の長手方向中央部に配置されるよう、平滑試験片を採取した。
平滑試験片を用いて、硫化水素を含む試験液中で4点曲げ試験を実施した。具体的には、試験液として、5質量%のNaClと0.5質量%の酢酸(CH3COOH)とを含む水溶液(NACE−TM0177で規定されるSolution A)を準備した。試験中の4点曲げ平滑試験片の表面のHAZに、595MPaの応力を付加した。応力が付加された状態の平滑試験片を、試験片に浸漬した。試験中、1barのH2Sガスを試験液に吹き込んだ。試験温度は24℃とし、試験時間は720時間とした。
試験後の溶接継手を目視で観察し、SSCの発生の有無及び耐食性を調査した。SSCが発生しなかったものの、溶接金属が鋼板(母材)と比較して優先的に腐食している場合、耐食性の観点から問題があると判定した。溶接金属が母材よりも優先的に腐食した溶接継手については、表3中の「最高硬さ及びSSC性試験」欄において、「▽」で示した。
溶接金属部分に腐食が観察されなかった溶接継手に対しては、SSCの発生の有無を目視で観察した。SSCが観察された溶接継手については、「最高硬さ及びSSC性試験」欄において、「▼」で示した。SSCが観察されなかった溶接継手については、「○」で示した。
[試験結果]
表3を参照して、「CASE1」欄及び「CASE2」欄内の数値は、最高硬さ(Hv)を示す。「判定」欄の「NA」は耐SSC性が低いことを示し、「E」は優れた耐SSC性を有することを示す。
表3を参照して、試験番号3、試験番号4のCASE2、試験番号8のCASE2、試験番号12のCASE2、試験番号14のCASE2、試験番号15、試験番号16のCASE2、18〜24のCASE2の溶接継手では、ΔDが0.4よりも高かった。そのため、最高硬さが300Hv以下であれば、溶接金属が母材と比較して優先的に腐食されず、SSCも観察されなかった。したがって、これらの試験番号では、優れた耐SSC性が得られた。
一方、試験番号1では、ΔDがマイナスとなった。そのため、CASE1及び2いずれにおいても、溶接金属が母材よりも優先的に腐食され、耐SSC性が低かった。溶接金属の腐食電位が母材の腐食電位よりも低かったためと考えられる。
試験番号2では、ΔDが0.4以下であった。そのため、CASE1及び2のいずれにおいても、SSCが観察された。
試験番号4のCASE1では、最高硬さが300Hvを超えた。そのため、SSCが観察された。
試験番号5では、溶接材料にNiが含有されなかった。そのため、ΔDがマイナスになった。その結果、溶接金属が母材よりも優先的に腐食され、耐SSC性が低かった。
試験番号6では、ΔDがマイナスになった。そのため、溶接金属が母材よりも優先的に腐食され、耐SSC性が低かった。
試験番号7では、ΔD値が0.4以下であった。そのため、CASE1及び2のいずれにおいても、SSCが観察された。
試験番号8のCASE1では、最高硬さが300Hvを超えた。そのため、SSCが観察された。
試験番号9及び10では、ΔD値がマイナスになった。そのため、溶接金属が母材よりも優先的に腐食され、耐SSC性が低かった。
試験番号11では、ΔD値が0.4以下であった。そのため、CASE1及び2のいずれにおいても、SSCが観察された。
試験番号12のCASE1では、最高硬さが300Hvを超えた。そのため、SSCが観察された。
試験番号13では、ΔD値が0.4以下であった。そのため、CASE1及び2のいずれにおいても、SSCが観察された。
試験番号14及び16のCASE1では、最高硬さが300Hvを超えた。そのため、SSCが観察された。
試験番号17では、ΔD値が0.4以下であった。そのため、CASE1及び2のいずれにおいても、SSCが観察された。
試験番号18〜24のCASE1では、最高硬さが300Hvを超えた。そのため、SSCが観察された。
試験番号25では、母材のNi含有量が高すぎた。そのため、CASE1及び2のいずれにおいても、母材でSSCが観察された。母材のNi含有量が高すぎたため、式(1)を満たしていても、局部腐食が発生したと考えられる。
試験番号26及び27では、母材のMo含有量が低すぎた。その結果、母材の耐SSC性が不足し、CASE1及び2いずれにおいても、SSCが確認された。
以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。

Claims (3)

  1. 質量%で、
    C:0.01〜0.25%、
    Si:0.01〜1.0%、
    Mn:0.1〜3.0%、
    P:0.030%以下、
    S:0.010%以下、
    Ni:0.1〜2.0%、
    Cr:0〜10.5%未満、
    Mo:0.25〜3.00%、
    Al:0.005〜0.100%、
    Cu:0〜0.5%、
    Ti:0〜0.05%、
    V:0〜0.10%、
    Nb:0〜0.10%、
    Zr:0〜0.10%、
    Ca:0〜0.005%、
    Mg:0〜0.005%、
    B:0〜0.010%
    を含有し、残部はFe及び不純物からなる化学組成を有する母材と、
    Ni:0.5〜70%、及び
    Mo:0〜10%、
    を含有する化学組成を有する溶接材料を用いて形成される溶接金属とを備え、
    前記母材のNi含有量を[NiB]%とし、前記母材のMo含有量を[MoB]%とし、前記溶接材料のNi含有量を[NiW]%とし、前記溶接材料のMo含有量を[MoW]%とした場合、式(1)を満たし、
    300Hv以下の最高硬さを有する、溶接継手。
    ([NiW]+[MoW]/2)−([NiB]+[MoB]/2)>0.4 (1)
  2. 請求項1に記載の溶接継手であって、
    前記母材の化学組成は、
    Cu:0.03〜0.5%、
    Ti:0.002〜0.05%、
    V:0.01〜0.10%、
    Nb:0.01〜0.10%、
    Zr:0.01〜0.10%、
    Ca:0.0005〜0,005%、
    Mg:0.0005〜0.005%、及び
    B:0.0003〜0.010%、
    からなる群から選択される1種又は2種以上を含有する、溶接継手。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の溶接継手であって、
    前記溶接材料の化学組成はさらに、
    C:0.2%以下、
    Si:1.0%未満、及び、
    Mn:0.5〜3.0%、
    からなる群から選択される1種又は2種以上を含有する、溶接継手。
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