JP2019519374A - 継ぎ目溶接部の侵食−腐食耐性を有する高マンガン鋼パイプおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2016年5月2日に出願された米国仮特許出願第62/330,400号の利益および優先権を主張するものであり、この仮特許出願の開示内容は、全体が参照により本明細書に援用される。
本開示は、改良された(又は向上した(improved))鋼組成物(又はスチール組成物(steel compositions))およびその製造方法、より具体的には、シーム溶接部(又はシームウェルドゾーン(seam weld zone))において強化された(又は向上した(enhanced))侵食−腐食耐性(又はエロージョン−コロージョン耐性(erosion-corrosion resistance))、機械的強度(又はメカニカル強度)および靱性(又はタフネネス)を有する高マンガン(Mn)鋼シーム溶接パイプ(又はハイマンガン(Mn)スチールシームウェルデッドパイプ(high manganese (Mn) steel seam welded pipe))ならびにその製造方法に関する。特に、溶接金属(又はウェルドメタル(weld metal))および熱影響部(又は熱影響ゾーン(heat affected zone))を含む高マンガン鋼シーム溶接部(又はハイマンガンスチールシームウェルドゾーン(high manganese steel seam weld zone))は、オイルサンドスラリー環境(oil sands slurry environment)において、継ぎ目(又はステップアウト(step-out))の侵食耐性(又はエロージョン耐性(erosion resistance))、腐食耐性(又はコロージョン耐性(corrosion resistance))、水素脆化耐性(hydrogen embrittlement resistance)および応力腐食亀裂耐性(又はストレスコロージョンクラッキング耐性(stress corrosion cracking resistance))を示す。
以下の明細書において、本開示は、オイルサンド製造に使用される高マンガン鋼スラリーパイプラインに関して記載される。しかしながら、本開示は、限定はされないが、パイプ以外のあらゆる溶接物を含む、十分な強度、靱性、および侵食/磨耗耐性を有する溶接物が望ましい侵食/磨耗耐性高マンガン鋼部品のあらゆる溶接により幅広く適用されることが明らかである。様々な用語が、以下の明細書において定義されている。便宜上、用語集が、特許請求の範囲の直前に提供される。
シーム溶接によって、侵食耐性高マンガン鋼スラリーパイプ(又はエロージョン耐性ハイマンガンスチールスラリーパイプ)を製造するために十分な強度、十分な靱性(又はタフネス)および高い侵食/腐食耐性(又はエロージョン/コロージョン耐性)を達成する、新規な溶接金属ならびにそれを製造および使用する方法を提供する。
本開示の実施形態は、その用途に好適な溶接微細構造(又はウェルドミクロストラクチャ(weld microstructures))および機械的特性(又はメカニカルプロパティ(mechanical properties))をもたらす、溶接金属化学(又はウェルドメタルケミストリ(weld metal chemistries))、溶接プロセス(又はウェルディングプロセス(welding processes))および溶接(又はウェルディング)の実施(又はプラクティス(practices))の制御(又はコントロール)を含み、それによって、接合部(又はジョイント(joints))、ひいては溶接構造全体(entire welded structure)の優れた強度(又はストレングス)を提供する。
約0.3重量%〜約1.2重量%の炭素、
約0.1重量%〜約3.0重量%のケイ素、
約9.0重量%〜約30重量%のマンガン、
以下の(i)、(ii)または(iii)の少なくとも1つ
(i) 約0.3重量%以下の硫黄、
(ii) 約0.03重量%以下のリン、または
(iii)それらの組合せ
を含み、残余(又は残余物又はバランス(balance))は、鉄である。
この溶接金属は、
約8重量%以下のクロム、
約6重量%以下のニッケル、
約6重量%以下のモリブデン、
約5重量%以下のタングステン、
約4重量%以下の銅、
約2重量%以下のニオブ、
約2重量%以下のバナジウム、
約2重量%以下のチタン、
約0.4重量%以下の窒素、および
約1重量%以下のホウ素
をさらに含み得る。
溶接金属化学(又はウェルドメタルケミストリ(weld metal chemistry))および溶接パラメータ(又はウェルディングパラメータ(welding parameters))(例えば、入熱(又はヒートインプット(heat input)))は、凝固割れ(又はソリディフィケーションクラッキング(solidification cracking))に対する脆弱性(又は感受率(susceptibility))を確実に減少させ、溶接金属(又はウェルドメタル(weld metal))および熱影響部(HAZ)靱性(又は熱影響ゾーン(HAZ)タフネス(heat affected zone (HAZ) toughness))および強度の著しい低下を防ぐように制御される。
一実施形態において、当該方法は、
高マンガン鋼(又はハイマンガンスチール)の少なくとも1つの片(又はピース)を供給すること(又は工程又はステップ)、
メタルコアードワイヤを供給すること(又は工程又はステップ)、
高マンガン鋼の少なくとも1つの片(又はピース)を、スラグ(slag)およびアーク安定剤(又はアークスタビライザ(arc stabilizer))に浸漬(又はサブマージ)すること(submerging)(又は工程又はステップ)、および
メタルコアードワイヤに電流を印加して、高マンガン鋼の少なくとも1つの片(又はピース)に液体合金鋼組成物(又はリキッドアロイスチール組成物(liquid alloy steel composition))を生成すること(又は工程又はステップ)
を含む。
メタルコアードワイヤは、
約0.3重量%〜約1.2重量%の炭素、
約0.1重量%〜約3.0重量%のケイ素、
約9.0重量%〜約30重量%のマンガン、
以下の(i)、(ii)または(iii)の少なくとも1つ
(i) 約0.3重量%以下の硫黄、
(ii) 約0.03重量%以下のリン、または
(iii)それらの組合せ
を含んでもよく、残余(又は残余物又はバランス(balance))は、鉄である。
本明細書に開示される例示的な実施形態は、有利な鋼組成物、ならびに本開示のシステムおよびその方法/手法を説明するものである。しかしながら、開示される実施形態は、本開示の例示に過ぎず、様々な形態で実施され得ることが理解されるべきである。したがって、例示的な鋼組成物/作製方法および関連する組立および使用の方法/手法に関して本明細書に開示される詳細は、限定するものと解釈されるべきではなく、本開示の有利な鋼組成物の作製および使用方法を当業者に教示するための単なる基礎として解釈されるべきである。図面は必ずしも縮尺どおりであるとは限らず、ある図では、明確にするために部分が誇張されていることがある。
CRA:耐腐食性合金は、腐食環境で使用される装置を作製するために良好な耐腐食性を有するように特別に配合された材料を意味し得るが、決してこれに限定されない。耐腐食性合金は、広範囲の過酷な腐食条件のために配合され得る。
本開示の新規な侵食耐性高Mn鋼(ER−HMS)溶接物は、シーム溶接によって侵食耐性HMSパイプを接合するのに必要な強度、靱性、および高い侵食・腐食耐性を提供することができる。これらの特性要件を満たすのに必要な微細構造は、溶接金属化学および溶接プロセスパラメータの適切な制御によって達成される。
本開示のさらなる態様は、例えば、高マンガン鋼を溶接するのに使用するためのメタルコアードワイヤに関する。新規なER−HMS溶接金属は、シーム溶接によって侵食耐性HMSスラリーパイプを製造するのに必要な溶接性を提供することができる。この溶接性は、溶接金属化学、溶接プロセスパラメータ、および溶接継ぎ手設計の適切な制御によって達成される。
本開示の別の態様は、高マンガン鋼を溶接する方法である。スラリーパイプライン建設の実用的な生産性で製造される確実なER−HMS溶接の適用は、例えば、サブマージアーク溶接を用いて達成され得る。
19mm〜20.6mmのパイプ壁厚を有する、直径24〜30インチの高マンガン鋼パイプを、図3に示されるように2つの異なるレベルの炭素含量を用いたサブマージアーク溶接によって作製した。シーム溶接を、以下の溶接条件:530〜630Aの電流および27〜31Vの電圧、510〜650mm/分の溶接速度および13〜23kJ/cmの入熱で行った。より高い炭素含量を用いたシーム溶接は、より低い炭素含量を有する溶接金属より増加した降伏強さおよび極限引張強さを示す。
厚さ19mmの高マンガン鋼板を、表1に示されるように多様な溶接金属化学の6種の溶接金属を用いて溶接した。各溶接金属の耐磨損性を、ASTM G65にしたがって回転ゴム車輪試験によって評価した。より高い炭素含量ならびにCr、Mo、およびWの強化された合金を有する溶接金属(SL−1〜SL−5)は、図4に示されるように、より低い炭素含量溶接金属(SL−6)およびAPI X70炭素鋼のものと比較して、改良された耐摩耗性を示す。
19mm〜20.6mmのパイプ壁厚を有する、直径24〜30インチの高マンガン鋼パイプを、表2に示されるように内径パス(ID pass)と外径パス(OD pass)との間で2つの異なるレベルのクロム合金含量を用いたサブマージアーク溶接によって作製した。シーム溶接パイプからカットしたシーム溶接試験片を、45℃の温度、1500ppmのNaCl、pH=8、および8ppmの溶解酸素のオイルサンドスラリーパイプ環境を模擬した水溶液に浸漬した。図5に示されるように、外径パスビーズのものより高いCr含量を有する内径パス溶接ビーズは、より少ない腐食規模および選択的溶接腐食に対するより良好な耐性を示す。
一態様によれば、本開示は、溶接組成物(又はウェルディング組成物(welding composition))を提供し、当該溶接組成物は、
0.3重量%〜1.2重量%の範囲の炭素、
0.1重量%〜3.0重量%の範囲のケイ素(b)、
9.0重量%〜30重量%の範囲のマンガン、
8重量%以下の量のクロム、
6重量%以下の量のニッケル、
6重量%以下の量のモリブデン、
5重量%以下の量のタングステン、
4重量%以下の量の銅、
2重量%以下の量のニオブ、
2重量%以下の量のバナジウム、
2重量%以下の量のチタン、
0.4重量%以下の量の窒素、
1重量%以下の量のホウ素、
以下の(i)、(ii)または(iii)の少なくとも1つ
(i)0.3重量%以下の量の硫黄、
(ii)0.03重量%以下の量のリン、または
(iii)それらの組合せ
を含み、
残余(又は残余物又はバランス(balance))は、鉄である。
クロムは、2〜6重量%の範囲であり、
ニッケルは、0〜5重量%の範囲であり、
モリブデンは、0.5〜3重量%の範囲であり、
タングステンは、0.1〜2重量%の範囲であり、
銅は、2重量%未満の量であり、
ニオブは、1重量%未満の量であり、
バナジウムは、1重量%未満の量であり、
チタンは、1重量%未満の量であり、
窒素は、0.01〜0.3重量%の範囲であり、および/または
ホウ素は、0.01〜0.4重量%の範囲である。
炭素は、0.45〜0.7重量%の範囲であり、
ケイ素は、0.2〜1.5重量%の範囲であり、および/または
マンガンは、12〜20重量%の範囲である。
0.3重量%〜1.2重量%の範囲の炭素、
0.1重量%〜3.0重量%の範囲のケイ素、
9.0重量%〜30重量%の範囲のマンガン、
8重量%未満の量のクロム、
6重量%未満の量のニッケル、
6重量%未満の量のモリブデン、
5重量%未満の量のタングステン、
4重量%未満の量の銅、
2重量%未満の量のニオブ、
2重量%未満の量のバナジウム、
2重量%未満の量のチタン、
0.4重量%未満の量の窒素、
1重量%未満の量のホウ素
以下の(i)、(ii)または(iii)の少なくとも1つ
(i) 硫黄は、0.3重量パーセント未満であり、
(ii) リンは、0.03重量パーセント未満であり、または
(iii)それらの組合せ
残余(又は残余物又はバランス(balance))は、鉄である。
高マンガン鋼の少なくとも1つの片(又はピース)を供給すること(又は工程又はステップ)、
本開示のメタルコアードワイヤ(又はメタルコアのワイヤ)を供給すること(又は工程又はステップ)、
高マンガン鋼の少なくとも1つの片(又はピース)を、スラグ(slag)およびアーク安定剤(又はアークスタビライザ(arc stabilizer))に浸漬すること(又は工程又はステップ)、および
メタルコアードワイヤに電流を印加して、高マンガン鋼の少なくとも1つの片(又はピース)に液体合金鋼組成物(又はリキッドアロイスチール組成物(liquid alloy steel composition))を生成すること(又は工程又はステップ)
含む。
22〜24%のAl2O3、
10〜12%のSiO2、
6〜8%のMnO、
22.5〜24.5%のCAF2、
10.5〜12.5%のMgO、
11.5〜13.5%のCO2、
2.5〜4.5%のCaO、
0.5〜2.5%のNa2O、
1.0〜3.0%のTiO2、
0.5〜1.6%のZrO2、
0.3〜1.3%のK2O、
0.2〜1.2%のFe、
0.2〜2.2%のMn、および/または
0.1〜1.0%のSi
を含む。
23.1%のAl2O3、
11.2%のSiO2、
7.1%のMnO、
23.4%のCAF2、
11.6%のMgO、
12.4%のCO2、
3.5%のCaO、
1.3%のNa2O、
2.1%のTiO2、
1.1%のZrO2、
0.8%のK2O、
0.7%のFe、
1.2%のMn、および/または
0.5%のSi
を含む。
Claims (15)
- 溶接組成物であり、
0.3重量%〜1.2重量%の範囲の炭素、
0.1重量%〜3.0重量%の範囲のケイ素、
9.0重量%〜30重量%の範囲のマンガン、
8重量%以下の量のクロム、
6重量%以下の量のニッケル、
6重量%以下の量のモリブデン、
5重量%以下の量のタングステン、
4重量%以下の量の銅、
2重量%以下の量のニオブ、
2重量%以下の量のバナジウム、
2重量%以下の量のチタン、
0.4重量%以下の量の窒素、
1重量%以下の量のホウ素、
以下の(i)、(ii)または(iii)の少なくとも1つ
(i) 0.3重量%以下の量の硫黄、
(ii) 0.03重量%以下の量のリン、または
(iii)それらの組合せ
を含み、
残余が、鉄である、
溶接組成物。 - クロムは、2〜6重量%の範囲であり、
ニッケルは、0〜5重量%の範囲であり、
モリブデンは、0.5〜3重量%の範囲であり、
タングステンは、0.1〜2重量%の範囲であり、
銅は、2重量%未満の量であり、
ニオブは、1重量%未満の量であり、
バナジウムは、1重量%未満の量であり、
チタンは、1重量%未満の量であり、
窒素は、0.01〜0.3重量%の範囲であり、
ホウ素は、0.01〜0.4重量%の範囲であり、または
それらの組合せ
の少なくとも1つである、請求項1に記載の組成物。 - 炭素は、0.45〜0.7重量%の範囲であり、
ケイ素は、0.2〜1.5重量%の範囲であり、
マンガンは、12〜20重量%の範囲であり、または
それらの組合せ
の少なくとも1つである、請求項1または2に記載の溶接組成物。 - サブマージアーク溶接のためのメタルコアードワイヤであり、
前記メタルコアードワイヤが、コアとともに、鋼シースを含み、
前記コアが、
0.3重量%〜1.2重量%の範囲の炭素、
0.1重量%〜3.0重量%の範囲のケイ素、
9.0重量%〜30重量%の範囲のマンガン、
8重量%未満の量のクロム、
6重量%未満の量のニッケル、
6重量%未満の量のモリブデン、
5重量%未満の量のタングステン、
4重量%未満の量の銅、
2重量%未満の量のニオブ、
2重量%未満の量のバナジウム、
2重量%未満の量のチタン、
0.4重量%未満の量の窒素、
1重量%未満の量のホウ素、
以下の(i)、(ii)または(iii)の少なくとも1つ
(i) 硫黄は、0.3重量パーセント未満であり、
(ii) リンは、0.03重量パーセント未満であり、または
(iii)それらの組合せ
残余は、鉄である
の粉末を含む、メタルコアードワイヤ。 - 前記鋼が、炭素鋼または高マンガン鋼のいずれかである、請求項4に記載のメタルコアードワイヤ。
- 前記鋼シースが、溶接される長手方向シームを有する、請求項4または5に記載のメタルコアードワイヤ。
- 前記鋼シースの表面が、銅で被覆されている、請求項4〜6のいずれか1項に記載のメタルコアードワイヤ。
- 高マンガン鋼を溶接する方法であり、
高マンガン鋼の少なくとも1つの片を供給すること、
請求項4〜7のいずれか1項に記載のメタルコアードワイヤを供給すること、
前記高マンガン鋼の少なくとも1つの片を、スラグおよびアーク安定剤に浸漬すること、および
前記メタルコアードワイヤに電流を印加して、前記高マンガン鋼の少なくとも1つの片に液体合金鋼組成物を生成すること
を含む、方法。 - 前記スラグが、
22〜24%のAl2O3、
10〜12%のSiO2、
6〜8%のMnO、
22.5〜24.5%のCAF2、
10.5〜12.5%のMgO、
11.5〜13.5%のCO2、
2.5〜4.5%のCaO、
0.5〜2.5%のNa2O、
1.0〜3.0%のTiO2、
0.5〜1.6%のZrO2、
0.3〜1.3%のK2O、
0.2〜1.2%のFe、
0.2〜2.2%のMn、
0.1〜1.0%のSi、または
それらの組合せ
の少なくとも1つを含む、請求項8に記載の方法。 - 前記高マンガン鋼の少なくとも1つの片が、高マンガン鋼の少なくとも2つの片であり、前記メタルコアードワイヤに電流を印加して、前記高マンガン鋼の少なくとも2つの片の間の接合部において、液体鋼組成物を生成させる、請求項8または9に記載の方法。
- 前記高マンガン鋼の少なくとも2つの片を接合する合金鋼組成物を形成するために、前記液体合金鋼組成物を冷却することをさらに含む、請求項8〜10のいずれか1項に記載の方法。
- 前記スラグおよびアーク安定剤が、TiO2、SiO2、ZrO2、Al2O3、Na2O、K2O、金属フッ化物またはそれらの組合せの少なくとも1つを含む、請求項8〜11のいずれか1項に記載の方法。
- 前記金属フッ化物が、CaF2、NaF2、MgF2、BaF2およびK2ZrF6からなる群から選択される、請求項8〜12のいずれか1項に記載の方法。
- 前記印加される電流が、510〜650mm/分の溶接速度を達成する530〜630Aの範囲内である、請求項8〜13のいずれか1項に記載の方法。
- 前記スラグが、
23.1%のAl2O3、
11.2%のSiO2、
7.1%のMnO、
23.4%のCAF2、
11.6%のMgO、
12.4%のCO2、
3.5%のCaO、
1.3%のNa2O、
2.1%のTiO2、
1.1%のZrO2、
0.8%のK2O、
0.7%のFe、
1.2%のMn、
0.5%のSi、または
それらの組合せ
の少なくとも1つを含む、請求項8〜14のいずれか1項に記載の方法。
Applications Claiming Priority (3)
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---|---|---|---|
US201662330400P | 2016-05-02 | 2016-05-02 | |
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