JP3836919B2 - 低温靭性の優れた極厚高強度ベンド管の製造法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＡＰＩ規格Ｘ６５以上の強度と高靭性を有する極厚ベンド管（曲がり管）の製造法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
原油・天然ガスを輸送するパイプラインに使用するラインパイプ（直管）や異形管（ベンド管、エルボー管、Ｔ字管など）には、安全性の観点から優れた強度、低温靭性、溶接性などが求められる。とくにパイプライン敷設域の寒冷地化や深海化に伴い、−６０℃での低温靭性の確保や、極厚肉化が要求されるようになっている。
【０００３】
従来、ベンド管などは直管に比較して、鋼管の機械的性質（強度、低温靭性など）が劣化するため、特開昭６２−１０２１２号公報、特開平４−１５４９１３号公報、特開平７−３３３０号公報、特開平５−２７９７４３号公報、特開昭５９−２３２２２５号公報など、ベンド管の機械的性質を改善する方法が種々開示されている。
【０００４】
例えば、特開昭６２−１０２１２号公報、特開平４−１５４９１３号公報、特開平７−３３３０号公報、特開平５−２７９７４３号公報は鋼管を加熱後、曲げ加工しながら焼入れした後、冷却後特定の範囲内で焼戻し処理する方法である。しかしながらこれらの方法は、焼戻し処理が必須であるため、生産性や製造コストの観点から問題があった。
【０００５】
これらに対して、特開昭５９−２３２２２５号公報では、生産性の向上や製造コストの低減を図るために、焼戻し処理を省略して高強度と良好な低温靭性を確保するためのベンド管の製造法が記載されている。しかしながら、これはＣ量の低減による強度の低下をＭｎ，Ｃｒ，Ｍｏを添加して高強度化するものであり、この場合、加熱〜加工〜焼入れ後の組織中にＭＡ（Martensite-Austenite Constituent）、いわゆるマルテンサイトとオーステナイトが共存した組織が生成するため、極低温での靭性を安定的に確保することは不可能であると考えられる。そこで、生産性に優れ、高強度でかつ極低温での優れた靭性を有する極厚ベンド管の開発が強く望まれていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は生産性に優れ、高強度でかつ極低温での優れた靭性を有する極厚ベンド管の製造技術を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の要旨とするところは、質量％で、
Ｃ ：０．０３〜０．１０、 Ｓｉ：０．３以下、
Ｍｎ：０．８〜２．２、 Ｐ ：０．０１５以下、
Ｓ ：０．０３０以下、 Ｎｂ：０．０１〜０．０４２、
Ｔｉ：０．００５〜０．０３０、 Ａｌ：０．００４以下、
Ｎ ：０．００１〜０．００６、 Ｏ ：０．００３以下
を含有し、さらに
Ｎｉ：０．１〜１．０、 Ｃｕ：０．１〜１．０、
Ｃｒ：０．１〜１．０、 Ｍｏ：０．１〜１．０、
Ｖ ：０．０１〜０．１０、 Ｃａ：０．００１〜０．００５
のうち一種または二種以上
を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼管を９００〜１０２０℃に加熱後、曲げ加工して、その直後に急冷することにある。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の低温靭性の優れた極厚高強度ベンド管の製造方法について詳細に説明する。
従来より、極低炭素−高Ｍｎ−Ｎｂ−（Ｍｏ，Ｃｒ）−微量Ｔｉ鋼管を、加熱後、曲げ加工しながら焼入れ処理することにより高強度と良好な低温靭性を確保できることが知られている（特開昭５９−２３２２２５号公報参照）。しかしながら、高強度化、極厚化する場合、さらに合金元素量の増加が必要となり、母材の低温靭性は不十分となる。
【０００９】
そこで、加熱後曲げ加工し、焼入れままの極厚高強度ベンド管の低温靭性を改善するために鋭意研究した結果、本発明に至った。すなわち、本発明の特徴は、(1) 実質的にＡｌを含有しない低Ｃ−低Ｓｉ−Ｎｂ−微量Ｔｉ系鋼管であること、(2) この鋼管を加熱後、曲げ加工して、その直後に焼入れ処理すること、にあり、これによって高強度と優れた低温靭性を同時に達成している。
【００１０】
低合金鋼の低温靭性は、(1) 結晶粒のサイズ、(2) ＭＡや上部ベイナイト（Ｂｕ）などの硬化相の分散状態など種々の冶金学的要因に支配される。とくに極厚化、高強度化するほど合金元素の添加量は必然的に多くなり、焼入れ時の組織は上部ベイナイト主体の組織となり、ＭＡ生成の完全抑制は困難になる。本発明では鋼中のＳｉ量とＡｌ量を極力低減することにより、上部ベイナイトが生成する場合でもＭＡの生成量が抑制され、かつ微細に分散させて、低温靭性を向上させる。ＳｉとＡｌを添加した場合には、ＳｉやＡｌはセメンタイトへの溶解度が小さく、セメンタイト中にＳｉやＡｌが固溶しないために、未変態オーステナイト中でγが安定化してＭＡの生成が顕著になる。
【００１１】
この効果を十分に発揮させるために、Ｓｉ：０．３％以下、Ａｌ：０．００４％以下に限定した。Ｓｉ，Ａｌ量の上限の値はＭＡの生成を抑制して、低温靭性を向上させるために必要な値である。Ｓｉは脱酸や強度向上のために必要な元素であり、その上限の値を０．３％とした。ただし、Ｓｉ量は強度が確保できる範囲内でできるだけ少ない方が望ましい。Ａｌは通常脱酸剤として鋼に含まれるが、本発明では好ましくない元素である。Ａｌ量が０．００４％を超えるとＨＡＺでのＭＡの生成量が顕著となり、低温靭性の劣化を招くので上限を０．００４％とした。鋼の脱酸はＴｉのみでも十分であり、Ｓｉ，Ａｌは必ずしも添加する必要はない。
【００１２】
つぎに本発明のその他の成分元素の限定理由について説明する。
Ｃの下限０．０３％は母材および溶接部の強度、低温靭性の確保ならびにＮｂ，Ｖ添加による析出硬化、結晶粒の微細化効果を発揮させるための最小量である。しかしＣ量が多過ぎると低温靭性、現地溶接性の著しい劣化を招くので、上限を０．１０％とした。
Ｍｎは強度、低温靭性を確保する上で不可欠な元素であり、その下限は０．８％である。しかしＭｎが多過ぎると鋼の焼入性が増加して現地溶接性、ＨＡＺ靭性を劣化させるだけでなく、連続鋳造鋼片の中心偏析を助長し、低温靭性も劣化させるので上限を２．２％とした。
【００１３】
Ｎｂは制御圧延において結晶粒の微細化や析出硬化に寄与し、鋼を強靭化する作用を有する。この効果を発揮させるための最小量として、その下限を０．０１％とした。しかし、Ｎｂを０．０４２％超添加すると、現地溶接性やＨＡＺ靭性に悪影響をもたらすので、その上限を０．０４２％とした。
Ｔｉ添加は微細なＴｉＮを形成し、スラブ再加熱時および溶接ＨＡＺのオーステナイト粒の粗大化を抑制してミクロ組織を微細化し、母材およびＨＡＺの低温靭性を改善する。このようなＴｉＮの効果を発現させるためには、最低０．００５％のＴｉ添加が必要である。しかしＴｉ量が多過ぎると、ＴｉＮの粗大化やＴｉＣによる析出硬化が生じ、低温靭性が劣化するので、その上限は０．０３％に限定しなければならない。
【００１４】
さらに本発明では、不純物元素であるＰ，Ｓ，Ｏ量をそれぞれ、０．０１５％以下、０．０３０％以下、０．００３％以下とする。この主たる理由は母材、ＨＡＺ靭性の低温靭性をより一層向上させるためである。Ｐ量の低減は連続鋳造スラブの中心偏析を低減し、粒界破壊を防止し低温靭性を向上させる。またＳ量の低減は延伸化したＭｎＳを低減して延靭性を向上させる効果がある。Ｏ量の低減は鋼中の酸化物を少なくして、低温靭性の改善に効果がある。したがってＰ，Ｓ，Ｏ量は低いほど好ましい。
【００１５】
ＮはＴｉＮを形成してスラブ再加熱時および溶接ＨＡＺのオーステナイト粒の粗大化を抑制して母材、ＨＡＺの低温靭性を向上させる。このために必要な最小量は０．００１％である。しかし多過ぎるとスラブ表面疵や固溶ＮによるＨＡＺ靭性の劣化の原因となるので、その上限は０．００６％に抑える必要がある。
【００１６】
つぎにＮｉ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｃａを添加する理由について説明する。
基本となる成分にさらにこれらの元素を添加する主たる目的は本発明鋼の優れた特徴を損なうことなく、製造可能な板厚の拡大や母材の強度・靭性などの特性の向上をはかるためである。したがって、その添加量は自から制限されるべき性質のものである。
【００１７】
Ｎｉを添加する目的は低炭素の本発明鋼の強度を低温靭性や現地溶接性を劣化させることなく向上させるためである。Ｎｉ添加はＭｎやＣｒ，Ｍｏ添加に比較して圧延組織（とくにスラブの中心偏析帯）中に低温靭性に有害な硬化組織を形成することが少なく、強度を増加させる。この効果を発揮させるために、０．１％以上の添加が必要である。しかし、添加量が多過ぎると経済性だけでなく、現地溶接性やＨＡＺ靭性などを劣化させるので、その上限を１．０％とした。Ｎｉは連続鋳造時、熱間圧延時におけるＣｕクラックの防止にも有効である。
【００１８】
ＣｕはＮｉとほぼ同様な効果を持つとともに、耐食性、耐水素誘起割れ特性の向上にも効果がある。またＣｕ析出硬化によって強度を大幅に増加させる。この効果を発揮させるためには０．１％以上の添加が必要である。しかし過剰に添加すると析出硬化により母材、ＨＡＺの靭性低下や熱間圧延時にＣｕクラックが生じるので、その上限を１．０％とした。
Ｃｒは母材、溶接部の強度を増加させる効果があり、この効果を発揮させるためには０．１％以上の添加が必要である。しかし、多過ぎると現地溶接性やＨＡＺ靭性を著しく劣化させる。このためＣｒ量の上限は１．０％である。
【００１９】
Ｍｏを添加する理由は母材、溶接部の強度を増加させる効果がある。Ｎｂと共存して制御圧延時にオーステナイトの再結晶を強力に抑制し、オーステナイト組織の微細化にも効果がある。このような効果を得るためには、Ｍｏは最低０．１％必要である。しかし過剰なＭｏ添加はＨＡＺ靭性、現地溶接性を劣化させるので、その上限を１．０％とした。
ＶはほぼＮｂと同様の効果を有する。この効果を発揮させるためには０．０１％以上の添加が必要である。その上限は現地溶接性、ＨＡＺ靭性の点から０．１０％まで許容できる。
【００２０】
Ｃａは硫化物（ＭｎＳ）の形態を制御し、低温靭性を向上（シャルピー試験における吸収エネルギーの増加など）させる。しかしＣａ量が０．００１％以下では実用上効果がなく、また０．００５％を超えて添加するとＣａＯ−ＣａＳが大量に生成してクラスター、大型介在物となり、鋼の清浄度を害するだけでなく、現地溶接性にも悪影響をおよぼす。このためＣａ添加量を０．００１〜０．００５％に制限した。
なお、上記成分を有する鋼の圧延方法として、制御圧延または制御圧延〜加速冷却することが望ましい。これはベンド管の袖部の強度と低温靭性を確保するためである。
【００２１】
つぎに製造条件の限定理由について説明する。
本発明では、鋼管を９００〜１０２０℃の温度範囲に再加熱後、曲げ加工して、その後焼入れする必要がある。
鋼管の加熱温度を９００℃以上とする理由は、オーステナイト域で合金元素を十分に容体化させ、強度と低温靭性を向上させるためである。しかし加熱温度が１０２０℃を超えると、加熱時のオーステナイト粒が成長し、結晶粒が大きくなって低温靭性の劣化を招いたり、ベンド管の所定の寸法が得られなくなるためである。このため加熱温度の上限は１０２０℃とした。
【００２２】
加熱後、鋼管を曲げ加工して、その直後に焼入れ処理する必要がある。これは曲げ加工後直ちに焼入れ処理することにより高強度と優れた低温靭性を得るためである。曲げ加工後、直ちに焼入れしないと鋼管の温度が低下して、フェライトなどの生成により高強度化が達成できない。なお、焼入れ処理時の冷却速度は１５℃／秒以上が望ましい。
【００２３】
【実施例】
本発明の実施例について述べる。
表１に示す種々の鋼成分の鋼管から表２に示す条件でベンド管を製造して、諸性質を調査した。機械的性質は圧延と直角方向で調査し、その結果を表２に併記した。
本発明の鋼管は優れた強度・低温靭性を有する。
【００２４】
これに対して比較鋼は化学成分または鋼管製造条件が適切でなく、いずれかの特性が劣る。
すなわち、鋼９はＣ量が多過ぎるため、低温靭性が悪い。鋼１０はＭｎ量が高過ぎるため、低温靭性が悪い。鋼１１はＮｂが添加されていないため、Ｎｂ添加鋼よりもやや強度が低く、低温靭性が悪い。鋼１２はＴｉが添加されていないため、低温靭性が劣る。鋼１３はＡｌ量が多過ぎるため、低温靭性が悪い。鋼１４は化学成分は適当であるが、製造条件中の鋼管加熱温度が高過ぎるため、低温靭性が悪い。鋼１５は鋼管の加熱温度が低過ぎるため、容体化が不十分で強度が低い。鋼１６は曲げ加工後、空冷したため所定の強度を満足しない。
【００２５】
【表１】

【００２６】
【表２】

【００２７】
【発明の効果】
本発明により低温靭性に優れた極厚高強度ベンド管（ＡＰＩ規格Ｘ６５以上）が安定して製造できるようになった。その結果、パイプラインの安全性が著しく向上するとともに、パイプラインの輸送効率の向上が可能となった。

Claims (1)

1. 質量％で、
   Ｃ ：０．０３〜０．１０、 Ｓｉ：０．３以下、
   Ｍｎ：０．８〜２．２、 Ｐ ：０．０１５以下、
   Ｓ ：０．０３０以下、 Ｎｂ：０．０１〜０．０４２、
   Ｔｉ：０．００５〜０．０３０、 Ａｌ：０．００４以下、
   Ｎ ：０．００１〜０．００６、 Ｏ ：０．００３以下
   に、さらに
   Ｎｉ：０．１〜１．０、 Ｃｕ：０．１〜１．０、
   Ｃｒ：０．１〜１．０、 Ｍｏ：０．１〜１．０、
   Ｖ ：０．０１〜０．１０、 Ｃａ：０．００１〜０．００５
   のうち一種または二種以上
   を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼管を９００〜１０２０℃に加熱後、曲げ加工して、その直後に急冷することを特徴とする低温靭性の優れた極厚高強度ベンド管の製造法。