JP3840172B2

JP3840172B2 - Ｈａｚ靭性に優れたｕｏｅ鋼管の製造方法

Info

Publication number: JP3840172B2
Application number: JP2002318018A
Authority: JP
Inventors: 英司津留; 卓也原; 均朝日; 好男寺田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2022-10-31
Also published as: JP2004148383A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼板を順にＣ成形、Ｕ成形、Ｏ成形し、鋼板の端部同士をシーム溶接後、拡管する、図１に示したＵＯＥ鋼管の製造方法において、溶接熱影響部（以下、ＨＡＺ）靭性を改善した、ラインパイプ等に好適なＵＯＥ鋼管の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、原油・天然ガスの長距離輸送方法としてラインパイプの重要性がますます高まっており、特に高圧化による輸送効率の向上やラインパイプの外径・重量の低減による現地施工能率の向上のため、今ではＡＰＩ規格でＸ１００（引張強さ７６０ＭＰａ以上）を超える高強度のラインパイプに対するニーズが強くなってきた。
【０００３】
ラインパイプの高強度化および厚肉化に伴い、ＨＡＺ靭性の低下が顕著になり、素材および溶接方法の改善が行われてきた。溶接部のＨＡＺ靭性を向上させる技術として、母材では、ＴｉおよびＭｇを添加し、ＴｉＮおよびＴｉ−Ｍｇ系析出物によるピーニング処理を利用したもの、ＴｉＯにより粒内変態を促進させたもの、Ｎｉ添加による積層欠陥エネルギーの低下で靭性向上を図ったもの等がある。また、溶接方法としては、小入熱で溶接したもの、溶接後に熱処理を行うこともＨＡＺ靭性向上に有効とされている。
【０００４】
しかしながら母材の改良は新たな化学成分添加による合金鋼コストの上昇を招き、小入熱溶接では溶接欠陥が増えることにより歩留まりが悪化し、後熱処理では熱処理設備の増設が必要となり、鋼管製造コストが増加する結果となった。特に高強度鋼においては従来のＨＡＺ靭性向上対策も限定され、新たな技術開発が望まれていた。
【０００５】
また、特許文献１には、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接後、再結晶温度以上でピーニング処理により加工歪みを与え、結晶粒径を微細化し、機械的性質を改善する方法が開示されている。しかし、この方法は１０００℃以上という高温で加工することが必要であった。また、鋼管の溶接時に加工歪みを付与する方法としてショットブラストが考えられるが、ショットブラストでは鋼球の処理上、オフラインでの作業が前提となり、オンラインの設備化は困難であった。
【０００６】
特許文献２には、溶接部に超音波振動を与える方法が開示されているが、これは溶接部内部にまで塑性域を導入することで応力状況を疲労特性に好適に変化させ、溶接部の疲労強度を改善したものである。また、超音波振動によるピーニング処理による被加工部が細粒になることは述べているものの、超音波振動子で打撃する範囲などの具体的な条件の開示がないため、ＨＡＺ靭性を安定して所定レベル以上に向上させることは困難であった。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭６４−７９３２０号公報
【特許文献２】
米国特許第６，１７１，４１５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、オンラインでの超音波振動によるピーニング処理により冷却能力、細粒化を促進し、強度・靭性バランスを向上させ、高強度ＵＯＥ鋼管のＨＡＺ靭性を安定して向上させることが可能である、ＨＡＺ靭性に優れたＵＯＥ鋼管の製造方法を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
一般的に鋼の強度が高くなるほど靭性が劣化するが、強度・靭性バランスの優れた材料を得るには、ミクロ組織を強度・靭性バランスが比較的優れた下部ベイナイト組織とすることが好ましい。ＨＡＺについても同様であり、強度・靭性バランスを向上させるには、溶接後の冷却速度を上げて、ＨＡＺのミクロ組織を下部ベイナイト組織とすることが最も効果的である。さらに、靭性を向上させるには結晶粒径の微細化が有効である。
【００１０】
このようなＨＡＺ靭性を向上させる方法に対し、本発明者は、超音波振動によるピーニング処理は、金属端子を溶接後のＨＡＺに接触させることによって冷却速度を高め、大きい塑性歪みを与えることができるため、極めて効果的であると考えた。そこで詳細な検討を行った結果、結晶粒径の微細化には、溶接後、鋼の変態点以上で金属端子をＨＡＺに接触させて、超音波振動による塑性変形を与えることが効果的であることを見いだした。
【００１１】
すなわち、溶接後のＨＡＺに変態点以上で金属端子接触による冷却効果と金属端子の超音波振動による細粒化効果の両方を与えることで強度・靭性バランスの優れた溶接部を有するＵＯＥ鋼管を発明するに至った。本発明の要旨とするところは、以下の通りである。
（１）鋼板を順にＣ成形、Ｕ成形、Ｏ成形し、鋼板の端部同士をシーム溶接後、拡管するＵＯＥ鋼管の製造方法において、シーム溶接直後、溶接止端部を含む溶接熱影響部に４００℃以上で超音波振動によるピーニング処理を施すことを特徴とするＨＡＺ靭性に優れたＵＯＥ鋼管の製造方法。
（２）アーク溶接後のＨＡＺのミクロ組織が上部ベイナイトである鋼板を順にＣ成形、Ｕ成形、Ｏ成形し、鋼板の端部同士をシーム溶接後、拡管するＵＯＥ鋼管の製造方法において、シーム溶接直後、溶接止端部を含む溶接熱影響部に４００℃以上で超音波振動によるピーニング処理を施すことを特徴とするＨＡＺ靭性に優れたＵＯＥ鋼管の製造方法。
（３）引張強度が８００ＭＰａ以上で、母材のミクロ組織がベイナイト単相である鋼板を順にＣ成形、Ｕ成形、Ｏ成形し、鋼板の端部同士をシーム溶接後、拡管するＵＯＥ鋼管の製造方法において、シーム溶接直後、溶接止端部を含む溶接熱影響部に４００℃以上で超音波振動によるピーニング処理を施すことを特徴とするＨＡＺ靭性に優れたＵＯＥ鋼管の製造方法。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明者は、溶接後、高温でＨＡＺに加工歪みを導入することにより、組織を細粒化して、靭性を向上させる方法において、ショットブラストよりもオンラインによる設備化が容易で、尚かつ、加工深さが深く、組織改善も期待できる超音波振動によるピーニング処理に着目した。すなわち、超音波振動によるピーニング処理では、高温で塑性変形を受けて組織が細粒化される表面からの深さが深く、さらに金属工具が被加工物に直接接触するため、ＨＡＺの冷却速度が大きくなり焼入れ性の高い組織が得られ、ショットブラストよりも靭性の向上が顕著であると考えた。シーム溶接直後、止端部を含む熱影響部を覆うように超音波振動によるピーニング処理を行った後の断面の状況を示す模式図を図２に示す。
【００１３】
すなわち、図２において、母材（鋼板）１は外面溶接金属２と内面溶接金属３によりシーム溶接され、溶接直後、シーム溶接部の溶接止端部５を含むＨＡＺ４を覆うように超音波振動によるピーニング処理部８が形成されている。
【００１４】
本発明による効果を、図３によって説明する。図中で（ａ）は、現状を示し、（ｂ）は、冷速を大きくして強度が上昇した場合、（ｃ）は、細粒化した場合、（ｄ）は、冷却速度も上がり、尚かつ組織も細粒化された場合、すなわち（ｄ）は、本発明の超音波振動によるピーニング処理を施した場合を示している。汎用鋼の溶接でＨＡＺの組織が上部ベイナイトであった場合、すなわち、図３において（ａ）が上部ベイナイトにある場合、本発明により（ｄ）の方向に向かうため、強度が上がり、尚かつ靭性も向上することを意味する。また、図３において（ａ）がフェライト／パーライト組織、あるいは下部ベイナイト組織であった場合、本発明により（ｄ）の方向に向かうと、靭性はほぼ同等で、強度が上昇することがわかる。このように靭性の改善は、従来溶接法でのＨＡＺの組織が上部ベイナイトであった場合に特に顕著であると言える。
【００１５】
なお、母材のミクロ組織がベイナイト組織という場合は、上部ベイナイト組織と下部ベイナイト組織を区別しないことを意味しており、ベイナイト組織の観察は、ＨＡＺより試料を切り出し、鏡面研磨後、ナイタールエッチし、光学顕微鏡によって行うことができる。さらに上部ベイナイトと下部ベイナイトは、鏡面研磨後、ナイタールエッチした試料を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭという）によって観察することによって可能である。例えば、ＳＥＭにより３０００倍程度に拡大してベイナイトを観察すれば、上部ベイナイトは、ラスフェライトの界面にのみ炭化物が存在するものであり、下部ベイナイトは、ラスフェライトの界面および内部に炭化物が存在するものとして区別することができる。また、上部ベイナイトおよび下部ベイナイトの観察は透過型電子顕微鏡によって行っても良い。
【００１６】
ここで、超音波振動によるピーニング処理開始温度を４００℃以上とした理由は、４００℃未満ではオーステナイトからフェライトへの変態がすでに終了しており、加工熱処理効果が得られないためである。上限温度は、規定するものではないが、溶接速度と冷却速度の関係から８００℃以下からの開始になる場合が多い。
【００１７】
超音波によるピーニング処理は内外面どちらにも行った方が効果的ではあるが、溶着金属の形状、外面溶接による内面溶接の再加熱などを考慮すると外面に施すことが、より効果的である。
【００１８】
図３に示すように、母材がいかなる組織であろうと本発明の超音波によるピーニング処理による効果、すなわち強度および靭性がともに向上する、または強度を増加しても靭性が低下しないという効果が得られる。
【００１９】
なお、本発明の超音波によるピーニング処理によって上部ベイナイトから下部ベイナイトへの変態が促進される。したがって、溶接ままのＨＡＺが上部ベイナイトである鋼を溶接する際に、アーク溶接後４００℃以上で超音波によるピーニング処理を施すと、靭性が向上する効果が顕著である。すなわち、アーク溶接後のＨＡＺが上部ベイナイトとなるような鋼板を素材とし、ＵＯＥ鋼管を製造する際に、シーム溶接直後、４００℃以上で超音波によるピーニング処理を施し、拡管すれば、ＨＡＺの下部ベイナイトへの変態が促進され、靭性の向上が極めて顕著となり、好ましい。
【００２０】
さらには引張強度が８００ＭＰａ以上で、母材のミクロ組織がベイナイト単相である場合には、上部ベイナイトから下部ベイナイトへの変態が促進されるため、図３に示すように、強度上昇とともに靭性も向上し、本発明の効果がもっと顕著に得られる。
【００２１】
具体的には母材が質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１０％、Ｓｉ：０．６％以下、Ｍｎ：１．５〜２．５％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．００３％以下、Ｎｉ：０．１〜２．０％、Ｍｏ：０．１〜０．６％、Ｎｂ：０．００１〜０．１０％、Ｔｉ：０．０３０％以下、Ａｌ：０．０７％以下を含み、さらにＢ：０．００２０％以下、Ｎ：０．００６％以下、Ｖ：０．１０％以下、Ｃｕ：１．０％未満、Ｃｒ：１．０％以下、Ｃａ：０．０１％以下、ＲＥＭ：０．０２％以下、Ｍｇ：０．００６％以下の１種または２種以上を含有し、残部が実質的に鉄である鋼が好適である。
【００２２】
サブマージアーク溶接直後は、溶着金属上はフラックスに覆われ、一部は固形化しているため、これらのフラックスは機械的に取り除くか、もしくはフラックス内にピーニング金属端子を埋没させてもその効果は得られる。
【００２３】
なお、本発明に使用する超音波振動の超音波発生装置は特に問わないが、５００ｗ〜１ｋｗの電源を用いて、発振機により超音波を発振後、トランスデューサーによりその周波数を２０〜６０ｋＨｚに変換し、さらに、ウェーブガイドにてその振幅を増幅させて、直径２ｍｍ〜６ｍｍφのピンからなる超音波振動端子を２０〜４０μｍの振幅で機械的に振動させることによって、打撃部の表面において、平滑性を維持しつつ打撃前の表面に対して深さ数百μｍ程度の圧痕を形成することができる。
【００２４】
【実施例】
質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１０％、Ｓｉ：０．６％以下、Ｍｎ：１．５〜２．５％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．００３％以下、Ｎｉ：０．１〜２．０％、Ｍｏ：０．１〜０．６％、Ｎｂ：０．００１〜０．１０％、Ｔｉ：０．０３０％以下、Ａｌ：０．０７％以下を含み、さらにＢ：０．００２０％以下、Ｎ：０．００６％以下、Ｖ：０．１０％以下、Ｃｕ：１．０％未満、Ｃｒ：１．０％以下、Ｃａ：０．０１％以下、ＲＥＭ：０．０２％以下、Ｍｇ：０．００６％以下の１種または２種以上を含有し、残部が実質的に鉄であり、ミクロ組織がベイナイト単相である鋼板を、Ｃ成形、Ｕ成形、Ｏ成形し、鋼板の端部同士をシーム溶接後、拡管し、ＵＯＥ鋼管を製造した。鋼板の引張試験をＪＩＳＺ２２４１に準拠して行った結果、引張強度は８００ＭＰａ以上であった。
【００２５】
ＵＯＥ鋼管の引張強度、外径および肉厚は、それぞれ８５０〜１０５０ＭＰａ、７１１〜１２２０ｍｍおよび１２〜２０ｍｍであった。引張試験はＪＩＳＺ２２４１に準拠して行った。なお、ＵＯＥ鋼管を製造する際に、シーム溶接をサブマージアーク溶接にて行い、シーム溶接直後にＨＡＺの温度が４００℃を下回らないうちに溶接止端部を含むＨＡＺに工具（金属端子）の振幅８０μｍ、振動数２０ｋＨｚで超音波振動によるピーニング処理を施した。
【００２６】
拡管終了後、シーム溶接部からノッチ位置をフュージョンラインとして、ＪＩＳＺ２２０２のＶノッチシャルピー試験片を採取し、ＪＩＳＺ２２４２に準拠して−３０℃で衝撃試験を行った。図４にシャルピー吸収エネルギーを３点の平均値として示す。図４に示すように超音波振動によるピーニング処理の開始温度が４００℃以上では吸収エネルギーが増加し、ＨＡＺ靭性が向上することが実証できた。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、ＵＯＥ方式で製造する鋼管のシーム溶接部に超音波振動によるピーニング処理を施すことでシーム溶接引張強度、疲労強度、ＨＡＺ靭性を向上した鋼管を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＵＯＥ方式による鋼管製造プロセスを示す模式図。
【図２】シーム溶接部への超音波振動によるピーニング処理後の断面の状況を示す模式図。
【図３】ミクロ組織と強度・靭性バランスの関係を説明する模式図。
【図４】超音波振動によるピーニング処理温度と衝撃吸収エネルギーの関係を示す図。
【符号の説明】
１…母材
２…外面溶接金属
３…内面溶接金属
４…ＨＡＺ
５…溶接止端部
８…超音波振動によるピーニング処理部

Claims

鋼板を順にＣ成形、Ｕ成形、Ｏ成形し、鋼板の端部同士をシーム溶接後、拡管するＵＯＥ鋼管の製造方法において、シーム溶接直後、溶接止端部を含む溶接熱影響部に４００℃以上で超音波振動によるピーニング処理を施すことを特徴とするＨＡＺ靭性に優れたＵＯＥ鋼管の製造方法。
アーク溶接後のＨＡＺのミクロ組織が上部ベイナイトである鋼板を順にＣ成形、Ｕ成形、Ｏ成形し、鋼板の端部同士をシーム溶接後、拡管するＵＯＥ鋼管の製造方法において、シーム溶接直後、溶接止端部を含む溶接熱影響部に４００℃以上で超音波振動によるピーニング処理を施すことを特徴とするＨＡＺ靭性に優れたＵＯＥ鋼管の製造方法。
引張強度が８００ＭＰａ以上で、母材のミクロ組織がベイナイト単相である鋼板を順にＣ成形、Ｕ成形、Ｏ成形し、鋼板の端部同士をシーム溶接後、拡管するＵＯＥ鋼管の製造方法において、シーム溶接直後、溶接止端部を含む溶接熱影響部に４００℃以上で超音波振動によるピーニング処理を施すことを特徴とするＨＡＺ靭性に優れたＵＯＥ鋼管の製造方法。