JP3927056B2 - 高強度高靭性ベンド管の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高周波誘導コイルにより加熱し、曲げ加工を行うベンド管の製造方法に関し、特に、直管部と曲げ加工部の鋼管全長において米国石油協会規格（ＡＰＩ規格）Ｘ８０以上（降伏強さ５５２Ｎ／ｍｍ²以上、引張強さ６２１Ｎ／ｍｍ²以上）の強度と優れた靭性が得られるよう鋼管を管端の一方から他方へ逐次加熱するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
パイプライン建設費を低減するため、鋼管の高張力化により肉厚を薄くし溶接施工能率を向上することが有効で、Ｘ８０級の鋼管が実用化されている。鋼管を熱間曲げ加工するベンド管の場合、加熱により鋼管での特性（高強度、高靭性）が損なわれることが多いことから高張力化を目的に種種の提案がなされている。
【０００３】
特開平９−６７６２３号公報、特開平１１−１７２３７４号公報および特開平７−３３３０号公報には鋼管を加熱後、曲げ加工しながら焼入れし、特定の温度範囲で焼戻す技術が開示されている。
【０００４】
しかしながら、これらの技術はＸ６５（降伏強さ４４８Ｎ／ｍｍ²）級の鋼管が対象で、ベンド管の直管部は焼入れ処理が省略されるにもかかわらず、ベンド部に対する焼戻し処理も受けるため強度が低下する。
【０００５】
更に、焼入れ処理が不連続となるためその境界域に二相域に加熱される部分が生じ、該領域において強度、靭性が低下する懸念があった。
【０００６】
ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＩＳＩＪ，ｖｏｌ．２７，（１９８７）Ｐ．２９１〜２９８には鋼管全体に同一の熱処理を施す技術が記載されているが、ＡＰＩＸ６５級の鋼管が対象である。
【０００７】
特開平１１−１７２３７４号公報、特開２００１−１０７１３７号公報はＸ１００級のベンド管製造方法を対象とするものであるが、その原管はＮｉ，Ｍｏを多量に含有し、高価で且つ溶接性やＨＡＺ靭性が優れているとはいいがたく、後者に記載の技術では曲げ加工後の冷却操作が複雑で生産コストが上昇する。
【０００８】
また、ベンド管においても不安定き裂の伝播停止特性として、仕様温度のＤＷＴＴ特性として延性破面率８５％以上が要求されるが、現在の技術ではＸ８０級以上で仕様温度−１０℃において上記ＤＷＴＴ特性を満足することは困難とされている（シャルピー衝撃試験とＤＷＴＴ試験では延性破面率の遷移温度において５０〜７０℃相違し、−１０℃でＤＷＴＴ特性を満足するためには−８０℃でのシャルピー衝撃試験で少なくとも５０％以上の延性破面率（吸収エネルギ−で約１００Ｊ以上）が必要とされる。）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、ベンド管において直管部からベンド部の全長に亘ってＡＰＩＸ８０級（引張強度６２１Ｎ／ｍｍ²以上）超えの高強度を有し且つ−８０℃での吸収エネルギーが１００Ｊ以上の靭性に優れたベンド管の製造方法は確立されていない。
【００１０】
そこで、本発明は、複雑な熱処理や高価な元素を用いることなく直管部からベンド部のベンド管全長に亘って高強度で靭性に優れる特性が均一に得られる製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、加熱時間が短い高周波加熱におけるベンド部の焼入れ性向上について鋭意検討し、Ｘ８０級以上の鋼管の場合、原管のミクロ組織をベイナイト主体組織とすることが焼入れ性の向上にとって重要であり、また、Ｘ８０級鋼管においては、焼入れ焼戻しされたベンド部と焼戻しのみされる直管部との境界域において靭性が低下することを新たに見出した。
【００１２】
本発明はこれらの知見を基に更に検討を加えてなされたものである。すなわち、本発明は、
１．ベンド管の製造方法において、原管を質量％でＣ：０．０４〜０．１０％、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．５〜２．５％、Ｎｂ：０．００５〜０．０８％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物で、且つＣｅｑ（＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５）：０．４〜０．５の成分組成と体積率で９０％を超えるベイナイト組織を有する鋼管とし、管端の一方から他方に逐次高周波誘導コイルにより９００〜１１００℃に加熱し、直管部においては加熱後５℃／ｓｅｃ以上で冷却し、ベンド部においては加熱後曲げ加工した後５℃／ｓｅｃ以上で冷却し、その後ベンド管全体を２５０〜６５０℃で焼戻すことを特徴とする高強度高靭性ベンド管の製造方法。
２．原管の成分組成が更にＣｕ：０．５％以下、Ｎｉ：０．４％未満、Ｃｒ：０．５％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｖ：０．０１〜０．１％の一種または二種以上を含有する１記載の高強度高靭性ベンド管の製造方法。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明では、原管の成分組成、ミクロ組織、およびベンド管の製造条件について規定する。以下、詳細に説明する。
１．成分組成
Ｃ
Ｃは強度、靭性向上に有効なためその作用効果が得られる０．０４％以上添加する。一方、０．１０％を超えると靭性が劣化し、溶接性が低下するため０．０４〜０．１０％（０．０４％以上、０．１０％以下）とする。
【００１４】
Ｓｉ
Ｓｉは脱酸、強度向上に有効なためその作用効果が得られる０．０１％以上添加する。一方、０．５％を超えるとＨＡＺ靭性、溶接性が低下するため０．０１〜０．５％とする。
【００１５】
Ｍｎ
Ｍｎは強度、靭性を向上させるため其の作用効果が得られる０．５％以上添加する。一方、２．５％を超えると鋼の焼入れ性が過度に向上し、靭性が低下し、また、連続鋳造時の中心偏析が助長されるため、０．５〜２．５％とする。
【００１６】
Ｐ，Ｓ
Ｐ，Ｓは本発明では不可避的不純物であり、少ないほど好ましいが生産コストを過度に上昇させないようＰは０．０２％以下、Ｓは０．０１％以下とすることが望ましい。
【００１７】
Ｎｂ
Ｎｂは炭窒化物の形成により焼入れ時の粒成長を抑制し細粒組織とし、靭性を向上させ、また固溶により鋼の焼入れ性を向上させるためその作用効果が得られる０．００５％以上添加する。一方、０．０８％を超えると溶接性、靭性が劣化するようになるため０．００５〜０．０８％とする。
【００１８】
Ｔｉ
Ｔｉは窒化物を形成し、焼入れ時の粒成長を抑制し靭性を向上させるためその作用効果が得られるように０．００５％以上添加する。一方、０．０５％を超えると靭性、溶接性が劣化するようになるため０．００５〜０．０５％とする。
【００１９】
本発明の好ましい基本成分組成は以上であるが更に特性を向上させるためＣｕ：０．５％以下、Ｎｉ：０．４％未満、Ｃｒ：０．５％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｖ：０．０１〜０．１％の一種または二種以上を添加することができる。
【００２０】
Ｃｕ
Ｃｕは強度を向上させる場合に添加するが、０．５％を超えて添加すると熱間加工性が低下するため０．５％以下とする。
【００２１】
Ｎｉ
Ｎｉは強度、靭性を向上させる場合に添加するが、０．４％以上添加すると溶接性が損なわれ、また生産コストが上昇するため０．４％未満とする。
【００２２】
Ｃｒ
Ｃｒは強度を向上させる場合、添加するが、０．５％を超えると靭性および溶接性が低下するため０．５％以下とする。
【００２３】
Ｍｏ
Ｍｏは強度靭性を向上させる場合添加するが０．５％を超えると靭性、溶接性が低下するため０．５％以下とする。尚、Ｍｏはミクロ組織をベイナイト化するのに有効であり高周波加熱による焼入れ性向上に特に有効である。
【００２４】
Ｖ
Ｖは強度を向上させる場合０．０１％以上添加するが０．１％を超えると溶接性が低下するため０．０１〜０．１％とする。
【００２５】
Ｃｅｑ（＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５）更に本発明ではＣｅｑ（＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５）を０．４〜０．５に規定する。焼入れ性を確保し、Ｘ８０級の強度を得るため０．４以上とし、溶接性やＨＡＺ靭性を損なわないように０．５以下とする。尚、本式において添加しない元素は計算に含めない。
【００２６】
２．ミクロ組織
本発明では原管のミクロ組織をベイナイト組織とする。本発明でベイナイト組織とは、ベイナイト以外の組織（フェライト、マルテンサイト、パーライト、セメンタイト等）を体積率で１０％以下含むものも対象とする。組織不均一を１０％以下とした場合、高周波加熱時に成分不均一が解消する。
【００２７】
ベイナイト組織は、炭化物が均一微細なため高周波加熱により容易に溶解し、その後の急冷焼戻しによりＡＰＩＸ８０級の強度靭性が得られる。
【００２８】
ベイナイト組織の原管は、熱間圧延後、Ａｒ3点以上から５℃／ｓｅｃ以上で加速冷却した鋼板を冷間加工により鋼管に成形するか、冷間または熱間成形で鋼管とし、その後オーステナイト温度域に加熱し、Ａｒ3点以上から加速冷却して得られる。
【００２９】
加速冷却停止温度は靭性を著しく劣化する島状マルテンサイト組織などが生成しないよう４００℃以上とすることが望ましい。
【００３０】
３．ベンド管の製造条件
本発明は高周波誘導コイルによる局部加熱を曲げ加工を行うところのみでなく鋼管の一方の端部から他方の端部へ鋼管全長に亘って施し、直管部と曲げ加工部の境界に加熱遷移領域を生じないようにする。局部加熱域の移動は高周波誘導コイルまたは鋼管を移動させることによって行う。
【００３１】
局部加熱条件
曲げ加工を容易とし、且つ直管部を含めた鋼管全体でＡＰＩＸ８０級強度と優れた靭性が得られるように加熱は９００〜１１００℃とする。加熱温度が９００℃未満ではＮｂ系炭化物がオ−ステナイト中に固溶する量が不足し強度が低下し、一方、１１００℃を超えると組織が粗大化し靭性が低下するため９００〜１１００℃とする。
【００３２】
加熱後の冷却速度
局部加熱域は９００〜１１００℃に加熱後、５℃／ｓｅｃ以上で冷却する。冷却速度が５℃／ｓｅｃ未満では変態強化が不充分でＡＰＩＸ８０級強度と優れた靭性が得られない。冷却方法は特に規定せず、５℃／ｓｅｃ以上の冷却速度が得られれば良い。
【００３３】
本発明では曲げ加工部を９００〜１１００℃に加熱し、曲げ加工後、５℃／ｓｅｃ以上で冷却し、直管部は９００〜１１００℃に加熱後、５℃／ｓｅｃ以上で冷却する。
【００３４】
焼戻し温度
焼戻しは２５０℃未満ではその効果が十分でなく、一方、６５０℃を超えると強度が低下するため２５０〜６５０℃とする。
【００３５】
【実施例】
表１に示す供試鋼管（原管）から種々の条件で高周波ベンド管を製造した。高周波加熱による局部加熱温度、冷却速度、焼戻しを変化させたが、曲げ加工部は曲げ半径を管直径の３倍、曲げ角度は９０°の一条件とした。また、焼戻しは３０分間とした。
【００３６】
ベンド管の直管部、ベンド部について引張試験、シャルピー衝撃試験を行った。引張試験では直管部の場合は管軸方向からＡＰＩ試験片を採取し、ベンド部は曲げ内側から管軸方向にＡＰＩ試験片を採取した。
【００３７】
シャルピー衝撃試験では直管部の場合は管周方向から２ｍｍＶノッチ試験片を採取し、ベンド部は曲げ中立軸側から管周方向に２ｍｍＶノッチ試験片を採取し、それぞれ試験温度−８０℃で吸収エネルギーを求め、１００Ｊ以上を本発明例とした。
【００３８】
表２に曲げ加工条件および直管部、ベンド部の引張試験結果、シャルピー衝撃試験結果を示す。
【００３９】
Ｎｏ．１〜７は本発明例でＸ８０級強度と優れた靭性が得られている。Ｎｏ．８〜１２は原管の成分組成、ミクロ組織のいずれかが本発明範囲外で、Ｎｏ．１３〜２０はベンド部の焼入れ焼戻し条件のいずれかが本発明範囲外で比較例となっている。
【００４０】
Ｎｏ．８は原管のミクロ組織がベイナイトと体積率２０％のフェライトを有し、Ｎｏ．９は原管のミクロ組織がフェライトとパーライトを有しているためそれぞれＸ８０級強度が得られていない。
【００４１】
Ｎｏ．１０はＣｅｑが本発明範囲外で低く、Ｎｏ．１１はＣ量が本発明範囲外で低く、いずれも強度に劣る。Ｎｏ．１２はＮｂ量が本発明範囲外で低く靭性に劣っている。
【００４２】
Ｎｏ．１３は曲げ加工時の加熱温度が本発明範囲外で高く、靭性が低い。Ｎｏ．１４は曲げ加工時の加熱温度が本発明範囲外で低く、強度が低い。Ｎｏ．１５は曲げ加工後の冷却速度が本発明範囲外で遅く靭性に劣る。Ｎｏ．１６は焼戻し処理を行っていないため、靭性におとる。
【００４３】
Ｎｏ．１７は焼戻し温度が本発明範囲外で高く強度が低下している。Ｎｏ．１８は焼戻し温度が本発明範囲外で低く強度が低い。
【００４４】
Ｎｏ．１９は曲げ加工部のみを加熱し、直管部を加熱しなかったため、曲げ加工部と直管部の境界部に加熱遷移領域が生じ、その部分での強度、靭性に劣っている。
【００４５】
Ｎｏ．２０は曲げ加工部の焼戻し処理を省略し、直管部を加熱しなかったため、ベンド部、境界部の靭性に劣っている。
【００４６】
【表１】

【００４７】
【表２】

【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、ＡＰＩＸ８０級以上の強度と優れた靭性を鋼管全長に亘って有するベンド管が安価に製造でき産業上極めて有用である。

Claims (2)

1. ベンド管の製造方法において、原管を質量％でＣ：０．０４〜０．１０％、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．５〜２．５％、Ｎｂ：０．００５〜０．０８％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物で、且つＣｅｑ（＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５）：０．４〜０．５の成分組成と体積率で９０％を超えるベイナイト組織を有する鋼管とし、管端の一方から他方に逐次高周波誘導コイルにより９００〜１１００℃に加熱し、直管部においては加熱後５℃／ｓｅｃ以上で冷却し、ベンド部においては加熱後曲げ加工した後５℃／ｓｅｃ以上で冷却し、その後ベンド管全体を２５０〜６５０℃で焼戻すことを特徴とする高強度高靭性ベンド管の製造方法。
2. 原管の成分組成が更にＣｕ：０．５％以下、Ｎｉ：０．４％未満、Ｃｒ：０．５％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｖ：０．０１〜０．１％の一種または二種以上を含有する請求項１記載の高強度高靭性ベンド管の製造方法。