JP3846246B2 - 鋼管の製造方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マルテンサイトまたは/およびベイナイト組織を主体とするAPIのX80グレード以上の高強度ラインパイプとして使用できる高強度鋼管の製造方法に関する。この方法で製造された鋼管は、高強度であるにもかかわらず、降伏比が低く、また真円度の高い鋼管である。
【0002】
【従来の技術】
現在、UOEプロセスで製造される鋼管で実用パイプラインに適用されているのはAPI X70グレードまでであり、API X80グレードの実用化は、世界中でほんの数例に過ぎない。これは、X80グレード以上の高強度鋼管では、降伏比が高くなってAPI規格に定められる許容降伏比以下にするのが難しいこと、および強度、靭性等を含めたパイプの基本性能の確立が技術的に難しいことによる。更に、X80グレード以上の鋼管の実用化には、実パイプラインに高強度鋼を適用した場合の安全性の評価も必要となる。
【0003】
しかし、輸送能率を高めるためにはラインパイプを高強度化して高圧輸送を行う必要があり、近年X100グレード以上の高強度鋼管も要求されるようになってきた。
【0004】
ここで、APIとは American Petroleum Institute のことであり、X60グレードは降伏強度が60ksi(413MPa)以上、X80グレードとは同じく80ksi(551MPa)以上、X100グレードとは同じく100ksi(689MPa)以上のものをいう。現在、APIで規格化されているのはX80グレードまでである。本明細書において「高強度鋼管」というのはX80グレード以上の鋼管を意味する。
【0005】
UOEプロセスで製造される高強度鋼管においては、従来の低強度鋼管では問題にならなかった新たな課題が生じる。その一つが降伏比の上昇である。
【0006】
ラインパイプに関しては、安全性確保のため、降伏比、即ち、(降伏強度/引張強度)×100(%)を93%以下とするように規定されている。低強度鋼管ではこの93%以下の降伏比とすることは容易である。しかし、マルテンサイトまたは/およびベイナイトを主体とする高強度鋼管においては、加工硬化による降伏強度の上昇が著しいため93%以下の降伏比を確保するのは難しい。
【0007】
UOEプロセスでは、製造された鋼管に拡管加工が施される。拡管は、真円度をはじめとする形状、寸法の調整、溶接残留応力の除去等を目的とする。しかし、この拡管によって降伏強度が上がり、降伏比が大きくなる。その傾向はフェライト−ベイナイトまたはフェライト−パーライトの組織を持つ低強度鋼管におけるよりも、マルテンサイトまたはベイナイトを主体とする組織の高強度鋼管において顕著である。
【0008】
特開平9-1233号公報には、通常のUOEプロセスにおける鋼管製造方法において、冷間口拡げ加工と冷間口絞り加工とを組み合わせて実施することにより鋼管の特性を調整する方法が開示されている。しかし、その方法は、実施例からも明らかなように、X70グレードを対象とするものである。また、同公報の請求項2の方法では2%までの口絞り(縮管)の後に4%までの口広げ(拡管)を行い、請求項3の方法では2%までの口広げ(拡管)の後に4%までの口絞り(縮管)を行う。
【0009】
上記の方法のうち、縮管の後に拡管を行う方法を高強度鋼管に適用すると、降伏比が上昇して前記の規定(93%以下)を満足しなくなる。一方、拡管の後に縮管を行う方法でも、2%の拡管率および4%の縮管率という大きな加工を高強度鋼管に適用すると鋼管の靱性が大きく低下する。
【0010】
要するに、特開平9-1233号に開示される発明は、マルテンサイトまたは/およびベイナイト組織を主体とする高強度鋼管の製造方法に関するものではない。同公報には高強度鋼管の降伏比を低く保つこと、および真円度を確保することに関しての言及がない。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
拡管および縮管が鋼管の機械的性質に及ぼす影響は、管の金属組織によって異なる。従って、フェライト−ベイナイト、またはフェライト−パーライト組織の低強度鋼管とマルテンサイトまたは/およびベイナイトを主体とする組織の高強度鋼管とでは、拡管および縮管の影響を別個に検討しなければならない。
【0012】
現在、高強度鋼管の降伏比が高くなりすぎるという問題を解決する製造プロセスに関する知見は得られていない。本発明の目的は、上記のように高強度鋼に特有の高降伏比の問題を解決し、併せて管の真円度を確保する鋼管製造方法を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下記(1)〜(3)の鋼管の製造方法要旨とする。
【0014】
(1)鋼板を成形し溶接して製造した鋼管に0.3〜1.2%の拡管加工を施した後、0.1〜1.0%の縮管加工を施すことを特徴とする面積率で80%以上のマルテンサイトまたは/およびベイナイトを含む組織を有し、降伏強度が551MPa以上の鋼管の製造方法。ここで、拡管率および縮管率とは、拡管加工または縮管加工の前後で測定した管の周長の差を加工前の周長で除して100倍したものをいう。
【0015】
(2)縮管加工を拡管加工の加工率よりも小さい加工率で行う上記(1)の鋼管の製造方法。
【0016】
(3)拡管加工および縮管加工を施した後の鋼管の降伏強度が689MPa以上である上記(1)または(2)の鋼管の製造方法。
【0018】
【発明の実施の形態】
前記のように、従来のUOEプロセスでは、最終工程である拡管工程によって加工硬化に伴う降伏比の上昇を引き起こす。また、管の高強度化に伴い、設備能力の点からも真円度を目標範囲内に制御することが困難となってくる。従来の拡管工程の目的は、主に溶接部近傍の溶接後の残留応力を緩和すること、および真円度の確保であったが、この工程では、上述した高強度鋼に特有の高降伏比の問題を克服することができない。
【0019】
本発明者は、高強度鋼管の高降伏比について、次に述べるような新しい知見を得ることができた。
【0020】
図1は、降伏強度の異なる多数の鋼管(UOEプロセスで製管したもの)の管周方向から採取した丸棒引張試験片とAPI規格の板状引張試験片を用いて引張試験を行った結果を引張強度と降伏比(YR)との関係で整理した図である。
【0021】
図1に示すように、低強度鋼の場合、API規格の板状引張試験片による試験と、丸棒引張試験片による試験とでは、降伏比(YR)に大きな差異は生じない。しかし、高強度鋼になると、丸棒引張試験片での降伏比は非常に高くなりAPIの「降伏比は93%以下」という規定を大きく上回る。一方、板状引張試験片を用いた場合は降伏比は引張強度によらずほぼ一定である。
【0022】
上記の現象が現れるのは、API規格の板状引張試験片では鋼管から採取した湾曲試験片を平板状に曲げ戻す(展開する)のに対して、丸棒引張試験片はこのような展開加工を受けないためであると推定される。即ち、板状引張試験片での試験で降伏比が低くなるのは、試験片加工時に曲げ戻すために、バウシンガー効果により降伏強度が低下するからである。板状引張試験片においては、この降伏強度の低下と、拡管処理による降伏強度の上昇とが打ち消しあって、強度の上昇があっても降伏比の上昇は殆どない。一方、丸棒引張試験片による試験において、高強度になるにつれて降伏比が高くなるのは、前記の展開加工のバウシンガー効果による降伏強度の低下がないため、材料そのものの特性を評価することになるからである。本発明の対象となる高強度鋼で高降伏比となるのは、主体組織となるマルテンサイトやベイナイト組織では転位密度が高いので、歪み感受性が極度に増大することが原因であると予想される。
【0023】
上記の試験結果から、X70グレード以下の低強度鋼管では、板状引張試験片、丸棒引張試験片のどちらを用いても、降伏比はほぼ正確に評価できるが、X80グレード以上、特にX100グレード以上の高強度鋼管では、管の機械的性質を正確に評価するためには、丸棒引張試験片を採用するのが良いといえる。従って、本発明の基礎となったデータは全て丸棒引張試験片を用いた試験によって得た。以下、試験結果を説明する。
【0024】
1.拡管および縮管の模擬試験
小型試験片を用いてUOEプロセス後の拡管と縮管を模擬した試験を行った。試験材料(鋼板)はC方向の引張強度が900MPaのものである。この鋼板のC方向から14mm径の丸棒試験片を採取し、O-Press相当の0.3%圧縮歪みを与えた後、拡管工程に相当する1.0%および3.0%の引張歪みを与え、その後、縮管工程を想定して、1.0%および3.0%の圧縮歪みを与えた。これらの加工後の試験片からASTM規格の6.35mm径の丸棒引張試験片を採取して引張試験を行い、圧縮歪みと降伏比の関係を整理した。その結果を図2に示す。
【0025】
図2から明らかなように、1.0%および3.0%の引張歪みを与えたままの状態では93〜100%であった降伏比が、圧縮歪みを与えることによって大きく低下する。即ち、拡管の後に縮管を行うことにより降伏比が小さくなる。しかも、1.0%というわずかな圧縮歪みによっても降伏比は90%以下に急減している。
【0026】
図3は、上記と同様に引張歪みと圧縮歪みを与えた試験片を用いて行った衝撃試験の結果を示す図である。先に説明した図2に示すように、降伏比を下げるためだけであれば、高い圧縮率が望ましい。しかし、図3から明らかなように、高い圧縮率で加工すると靭性は低下していく。
【0027】
2.製管試験
前記の小形試験片でのシミュレート結果を基に、実生産工程で製管する試験を行った。製造条件は後述する実施例の製造条件と同じである。
【0028】
図4にUOEプロセスで拡管した後、0.1%、0.3%および0.5%の縮管を実機で実施した場合の降伏比の変化を示す。模擬試験の結果とほぼ同一の傾向を示すことが確認され、拡管後の降伏比が縮管工程を経ることで低減することがわかる。実際の鋼管製造においても、低強度鋼管で必要と思われる拡管率、縮管率よりも非常に小さい加工率で十分な効果が得られることとなる。
【0029】
実際の製管工程では縮管率の増加と共に局部的変形が進行して真円度等の形状確保も困難となっていく。即ち、鋼管の基本性能および所定の形状を確保するためには、縮管率が過大であってはならない。
【0030】
また、降伏比が過度に低下すると、規格で定められている降伏強度を確保するためには、合金成分の添加によって降伏強度を高める必要が生じる。一般に強度の上昇と共に靭性は低下するので、上記のように高強度化した鋼で良好な靭性をも確保するのは困難である。
【0031】
3.素材鋼板について
高強度の鋼管を製造するのに用いる素材鋼板として望ましいのは、下記の化学組成を有する鋼板である。なお、各成分の含有量を示す%は質量%である。
【0032】
C:0.03〜0.10%、Si:0.05〜0.5%、Mn:0.8〜2.0%、P:0.02%以下、S:0.01%以下で、更に、Cu:0.05〜1.0%、Ni:0.05〜2.0%、Cr:0.05〜1.0%、Mo:0.03〜1.0%、Nb:0.005〜0.1%、V:0.01〜0.1%、Ti:0.005〜0.03%、Al:0.06%以下およびB:0.0005〜0.0030%の中から選んだ1種以上を含み、残部が鉄および不純物からなる鋼板。
【0033】
上記の鋼板は、更に0.005%以下のNまたは/および0.0003〜0.005%のCaを含むことができる。
【0034】
以下、上記各成分の作用効果について述べる。
【0035】
C:0.03〜0.10%
Cの含有量が0.03%よりも少ないと、鋼が所定のミクロ組織にならず、従って、目標の強度を得難い。一方、0.10%を超えると靭性の低下が著しくなり、母材の機械的特性に悪影響を及ぼすとともにスラブの表面疵の発生を助長する。従って、C含有量の適正範囲は、0.03〜0.10%である。
【0036】
Si:0.05〜0.5%
Siは鋼の脱酸剤となり、また鋼を強化する成分でもある。Si含有量が0.05%よりも少ないと脱酸が不十分となり、0.5%を超えると溶接熱影響部に縞状マルテンサイトが多く生成し靭性を劣化させる。従ってSi含有量の適正範囲は0.05〜0.5%である。
【0037】
Mn:0.8〜2.0%
Mnは鋼を強靭化する基本元素である。0.8%未満ではその効果が小さく所定のミクロ組織およびは強度が得られない。一方、2.0%を超えると中心偏析が増加し、母材靭性の低下をひきおこす。また溶接性も著しく劣化する。従って、Mnの適正含有量は0.8〜2.0%である。
【0038】
P:0.02%以下
Pは不純物であり、その含有量が0.02%を超えると中心偏析が増加し母材靭性の低下を招く。また、溶接時に溶接高温割れを引き起こす原因にもなる。従って、P含有量は、0.02%以下でできるだけ少ないことが望ましい。
【0039】
S:0.01%以下
Sも不純物であり、その含有量が0.01%を超えると、板での水素誘起割れおよび溶接時の水素割れが発生しやすくなる。従って、0.01%以下でできるだけ少ないのが望ましい。
【0040】
Cu:0.05〜1.0%
Cuは,固溶強化と焼入れ性増大の効果による組織変化を通して、鋼の靭性を大きく損なうことなく強度を上げる成分である。0.05%はこの効果を得る最少量である。一方、Cu含有量が1.0%を超えると、Cuチェッキングが発生し、スラブの表面疵発生を招く。スラブの低温加熱によってCuチェッキングを防ぐことは可能であるが、それでは鋼板の製造条件が制約される。従って、Cuの適正含有量は0.05〜1.0%である。
【0041】
Ni:0.05〜2.0%
Niは、Cuと同じく固溶強化と焼入れ性増大効果による組織変化を通して、靭性を大きく損なうことなく、鋼を強化する元素である。その効果は0.05%から顕著になる。しかし、2.0%を超えると鋼の製造コストが高くなり実用的ではない。
【0042】
Cr:0.05〜1.0%、Mo:0.03〜1.0%
CrおよびMoもCu、Niと同じく固溶強化と焼入れ性増大効果による組織変化を通して、靭性を大きく損なうことなく、鋼を強化する元素である。それぞれ0.05%以上、0.03%以上でその効果が顕著になる。一方、それぞれ1.0%を超えると溶接熱影響部の靭性を低下せしめる。
【0043】
Nb:0.005〜0.1%、V:0.01〜0.1%、Ti:0.005〜0.03%
これらの元素は、析出強化や焼入れ性増大効果による強度上昇、および結晶粒微細化に伴う靭性の改善に大きな効果をもたらす。それぞれの下限値はこれらの効果が発現する量である。一方、これらの元素の含有量が過剰になると溶接部の靭性低下をひきおこす。それぞれの上限値は性能確保の限界値である。
【0044】
Al:0.06%以下
Alは、Siと同様、脱酸剤としての作用があるが0.06%以下の含有量でもその効果が十分に得られる。0.06%を超える程の添加は経済面からも望ましくない。なお、Al含有量の下限は不純物レベルであってもよい。溶接金属の靱性を確保するにはAlの含有量が0.02%以上であることが望ましい。
【0045】
B:0.0005〜0.0030%
Bは、0.0005%以上の含有量で鋼の焼入れ性を顕著に増大させる効果を持つ。一方、0.0030%を超えると、溶接性を低下せしめる。従って、Bの適正な含有量は0.0005〜0.0030%である。
【0046】
N:0.005%以下
NはVおよびTi等と窒化物を形成し鋼の高温強度の向上に効果をもたらす。しかし、Nの含有量が0.005%を超えると、Nb、VおよびTiと粗大な炭窒化物を形成し、母材および熱影響部の靭性の低下を引き起こす。従って、N含有量は、0.005%以下に抑える必要がある。
【0047】
Ca:0.0003〜0.005%
Caは、介在物の形態制御、具体的には介在物の球状化、に効果があり、水素誘起割れや、ラメラーティアーを防止する。その効果は0.0003%以上で顕著になり、0.005%で飽和する。従って、Caを添加する場合は、その含有量を0.0003〜0.005%とするのがよい。
【0048】
4.金属組織について
得られた鋼管の金属組織はマルテンサイトまたは/およびベイナイトが面積率で80%以上のものでなければならない。即ち、マルテンサイト単独、ベイナイト単独、またはこれらの混合組織が面積率で80%を占める必要がある。このような組織を持つことによって、鋼管は降伏強度が551MPa以上の高強度鋼管となる。
【0049】
上記の金属組織を持つ高強度鋼管は、次のようにして得られる。即ち、所定の化学組成を有するスラブを制御圧延し、制御冷却することによって上記の金属組織の鋼板とし、これを素材として成形、溶接および拡管と縮管の加工を施す。鋼板の金属組織は加工後の鋼管においても保持される。
【0050】
5.拡管率および縮管率について
拡管率:0.3〜1.2%
溶接の後に溶接部近傍に残留する応力の低減および管の真円度確保のためには最低0.3%以上の拡管が必要である。一方、1.2%より大きい加工率で拡管すると、必要以上の加工硬化を引き起こし、機械的性質に悪影響を与える。なお、拡管方法は従来のUOEプロセスで実施されているメカニカル拡管、水圧拡管のいずれでもよい。
【0051】
縮管率:0.1〜1.0%
拡管に伴う加工硬化を打ち消し、バウシンガー効果により低降伏比を達成するためには、少なくとも0.1%の逆歪みを与える加工、即ち、縮管加工が必要である。一方、1.0%より大きい縮管をすると管の寸法形状の確保が困難であるとともに、局部的な変形が進む恐れがあり、管の周方向の性能不均一を引き起こすこととなる。また、前述の図3に示したように靱性低下を招く。なお、高荷重で1.0%を超える縮管を施しえた場合でも、降伏比が大きく低下するため、目標の降伏強度を確保するためには、引張強度を高める対策、例えば合金成分の添加、が必要になり、製造コストの上昇を招く。
【0052】
縮管率は、拡管率よりも小さくするのが望ましい。拡管率以上の加工率で縮管を行うと降伏比の低下が大きくなりすぎることがある。
【0053】
降伏強度が689MPa以上の高強度鋼管(X100グレード以上の鋼管)では、組織中のマルテンサイトの比率が高くなる。従って、拡管による降伏比の上昇も大きい。しかし、本発明方法の拡管と縮管の組合せによれば、降伏比の上昇が抑えられ、降伏比93%以下という規定を容易に満たすことができる。
【0054】
【実施例】
表1に示す化学組成およびミクロ組織の鋼板(厚さ:10〜25mm)を素材として外径30インチから48インチまでの鋼管を製造した。ミクロ組織は光学顕微鏡および電子顕微鏡で観察し、マルテンサイトおよびベイナイトの比率を測定した。
【0055】
まず、鋼板をC-U-Oプレス成形し、仮付け、内面および外面溶接(SAW溶接)を行った。その後、メカニカル拡管およびO-プレスによる縮管を行った。拡管率および縮管率は表2に示すとおりである。
【0056】
【表1】
【0057】
表2に拡管率、縮管率、シャルピー衝撃試験および引張試験の結果、ならびに真円度を示した。特に、シャルピー衝撃値、引張特性および真円度は、ラインパイプの性能を保証する上で、確認すべき重要な項目である。
【0058】
衝撃試験片はJIS4号、引張試験片は丸棒試験片とし、−30℃での吸収エネルギーならびに降伏強度および引張強度を測定し降伏比を算出した。これらの結果を表2中に記した。なお、衝撃値は、ノッチがそれぞれ母材、溶接金属および溶融線(fusion line)になるように試験片を採取して調べた。真円度の欄の○はAPI規格で許容される公称外径の±1%以内にあるもの、×はこの許容範囲を超えるものである。△は真円度を満足させるための設備の負荷が著しく大きいことを示す。
【0059】
【表2】
【0060】
表2から明らかなように、本発明例では、素材鋼板のミクロ組織が規定の条件を満たすと同時に、適正な拡管率と縮管率で成形されているので、母材、溶接金属および溶融線の吸収エネルギーがそれぞれ200J、40J、40Jを超え、靱性が高い。また、適切な強度を有しており、真円度も良好である。
【0061】
一方、比較例では、適切な金属組織分率を有していないか、組織が適正であっても、拡管率または/および縮管率が不適当であるために、降伏比低減の効果が少なく、目標値である93%を超えてしまう。さらに、より高強度で縮管率が高い場合は、母材靱性が低下している。
【0062】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、高強度鋼管に特有の降伏比が高くなりすぎるという問題が解決でき、実ラインパイプとしての安全性が確保できる。そして、靭性および真円度にも優れた鋼管を製造できる。本発明方法は、高強度鋼管の製造方法としてきわめて有用であり、本発明方法によって製造された鋼管はX80グレード以上のラインパイプとして実用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】引張試験片の形状の相違による鋼の引張強度と降伏比との関係を示す図である。
【図2】丸棒試験片を用いて引張歪みを加えた後の圧縮歪みと引張試験での降伏比との関係を示す図である。
【図3】引張歪みを与えた後、圧縮歪みを加えた試験片による衝撃試験の結果を示す図である。
【図4】実管における拡管と縮管の後の降伏比を示す図である。

Claims (3)

  1. 鋼板を成形し溶接して製造した鋼管に0.3〜1.2%の拡管加工を施した後、0.1〜1.0%の縮管加工を施すことを特徴とする面積率で80%以上のマルテンサイトまたは/およびベイナイトを含む組織を有し、降伏強度が551MPa以上の鋼管の製造方法。
  2. 縮管加工を拡管加工の加工率よりも小さい加工率で行う請求項1に記載の鋼管の製造方法。
  3. 拡管加工および縮管加工を施した後の鋼管の降伏強度が689MPa以上である請求項1または2に記載の鋼管の製造方法。
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