JP4179133B2 - ステンレスクラッド鋼管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ステンレスクラッド鋼管の製造方法に関し、特に海水飛沫干満帯の耐隙間腐食性に優れたステンレスクラッド鋼管であって、クラッド鋼炭素鋼母材および炭素鋼母材シーム溶接部の機械的性質に優れたものの製造方法に関する。

河川の放流域にかかる海水域に空港などの土木建造物を建設する場合、完全な埋め立て工法ではその流れが阻害されるため、桟橋工法、埋め立て＋桟橋工法、浮体工法等が適用される。

桟橋工法の場合、主要な構造材として鉄鋼材料が用いられるが、海水域では腐食しやすいため、使用される部位に応じた防食が施される。
特に、海水と空気に交互に触れる海水飛沫帯は、海洋生物付着による隙間腐食を生じる最も厳しい腐食環境であり、従来から防食塗料やチタンクラッド鋼板を用いるなどの種々の提案がなされている。
先行特許文献１は耐海水鋼に関し、特定成分の組成：２０％Ｃｒ−１８％Ni−６％Ｍｏ−０．２％Nとすることにより海水中での耐腐食性を向上させた鋼が記載されている。
先行特許文献２は海洋構造物の薄板ライニング方式に用いられる薄肉のチタンクラッド鋼板の製造方法に関し、防食用途に限定した場合、合せ材と母材の剥離強度が低くても使用に耐えうることから既存の熱延設備を用いて大気中でチタンの合せ材と母材の普通鋼を圧延し、安価にチタンクラッド鋼板を製造することが記載されている。

先行特許文献３は海水飛沫干満帯で露出する鋼材を耐食性金属薄板で被覆する技術に関し、金属被覆防食鋼管の巻き付けによる製造方法が記載されている。
特開平１−１５４８４８号公報 特開平６−１５５０４９号公報 特開平８−２５７６３５号公報

先行特許文献１に記載されているステンレス鋼は高価であり、空港など巨大建造物で大量に使用することは現実的でなく、また溶接部の耐食性を確保するため大入熱溶接が適用できず工期的負担も大きい。また、γ系ステンレス鋼は耐力が低く、溶接構造物としては設計上板厚を大きくしなければならないため、実用に適さない。
先行特許文献２に記載されているチタンクラッド鋼板は、従来の圧延クラッド鋼板に対し安価であるが、空港のような巨大建造物では大量に使用されるため材料コストを上昇させる。また、チタンは異材との溶接ができないことから、ろう付けのような特殊な溶接方法を用いらなければならないため、手間が大きいばかりでなく、巨大建造物としての信頼性にも疑問が残る。

先行特許文献３記載の金属被覆防食鋼管は、流木などの浮遊物により機械的損傷を受けやすく、金属被覆が損傷を受けた部分から地の鋼管が腐食し、建造物全体の寿命が損なわれる。また、耐食被覆鋼材にチタンよりも安価でかつ施工性に優れた耐海水ステンレス鋼を用いる場合、板厚が２ｍｍ程度と薄いため、鋼管敷設現場における抵抗シーム溶接部における冷却速度が遅く、鋭敏化が避けられず、耐食性の劣化が懸念される。
上述した先行特許文献１の問題点を解決する手段として、耐海水ステンレス鋼を合せ材とするクラッド鋼板の適用が考えられる。しかしながら、合せ材の良好な耐食性を確保するためには、固溶化熱処理が必須となる。特に、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ等の添加量の多い耐海水性ステンレス鋼の場合、完全に固溶させるためには高温での熱処理が必要であり、母材となる炭素鋼の機械的特性の劣化が避けられない。
桟橋工法に耐海水性クラッド鋼管を用いた場合、鋼管敷設現場での合せ材に付属部品を取り付ける場合などの小入熱の溶接では、母材により鋼材としての板厚も大きくなるので溶接後の冷却速度が速く、合せ材の成分組成を最適化し、かつシーム溶接部を含めた鋼管全体が十分に固溶化熱処理されていれば耐食性の劣化は生じない。
なお、桟橋工法の場合、飛沫干満帯用の本鋼管を連結する円周溶接は比較的入熱が大きくなるため、円周溶接部においても耐食性の劣化が懸念されるが、下部連結部においては電気防食が有効であり、一方上部連結部においては飛沫干満帯から外れた位置となり重防食有機塗装等の他の防食法が適用できるため、耐食性の確保は可能である。
そこで、本発明は、耐海水ステンレスクラッド鋼管であって、シーム溶接部を含めたクラッド鋼母材の機械的性質が鋼建設物の主要な構造部材として使用できる性能と信頼性を備え、合せ材にチタンを用いるよりは安価であり、かつ溶接熱影響部の耐食性劣化が生じない、耐海水ステンレスクラッド鋼管の製造方法を提供することを目的とした。

本発明者等は、種々の検討の結果、耐海水性に優れたステンレス鋼を合せ材とし、炭素鋼を母材としたステンレスクラッド鋼管の製造において、シーム溶接部の耐食性劣化を回復するためには適切な条件の固溶化熱処理が必須であり、かつその固溶化熱処理を施した場合であっても優れた機械的性質が得られる母材炭素鋼の成分を見出した。

すなわち、本発明は
１ 質量％でＣ：０．０３％以下、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ni：２１〜２５％、Ｃｒ：２３〜２７％、Ｍｏ：４〜６％、Ｎ：０．１５〜０．２５％、残部が実質的にFeからなるステンレス鋼を合せ材とし、質量％でＣ：０．０５〜０．１％、Ｓｉ：０．６％以下、Ｍｎ：１．６％以下、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｂ：０．０１〜０．０５％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、Ａｌ：０．００１〜０．０６％、Ｎ：０．００７％以下、残部が実質的にFeからなる炭素鋼を母材とするステンレスクラッド鋼板を造管後、シーム溶接し、鋼管となした後、加熱温度１１００〜１２００℃、冷却速度１℃／秒以上の冷却速度で固溶化熱処理を行うステンレスクラッド鋼管の製造方法。
２ 更に、ステンレス鋼の合せ材の成分組成に質量％でＣｕ：２％以下を添加することを特徴とする１記載のステンレスクラッド鋼管の製造方法。
３ 更に、炭素鋼の母材の成分組成に質量％でＣｕ：１％以下、Ｎｉ：１％以下の一種または二種を添加することを特徴とする１又は２記載のステンレスクラッド鋼管の製造方法。

本発明によるステンレスクラッド鋼管の製造条件を用いると耐海水性、特に海水飛沫干満帯での海洋生物等の付着物による耐隙間腐食性を向上させることが可能となる。また、クラッド鋼の母材の機械的特性も良好なため、建造物の主要な構造部材として適用することが可能である。

ステンレスクラッド鋼管は、厚板圧延等によりステンレスクラッド鋼板を製造し、曲げ加工などで造管後、シーム溶接し、その後固溶化熱処理を行って製造する。本発明ではステンレスクラッド鋼板の合せ材のステンレス鋼と母材の炭素鋼の成分組成、および固溶化熱処理条件を規定する。

１．ステンレスクラッド鋼板
「合せ材」
Ｃ
Ｃは耐食性、特に溶接熱影響部の耐食性の観点から低いほど好ましく、０．０３％以下に制限する必要がある。
Ｓｉ
Ｓｉは脱酸のため必要であるが１．５％を超えると熱間加工性を著しく阻害するため、１．５％以下とする。
Ｍｎ
Ｍｎは脱酸のため必要であるが、２％を超えると耐食性を劣化させるため２％以下とする。
Ｃｒ
Ｃｒは耐孔食性、耐隙間腐食性向上のために有効であり、２３％以上必要とする。一方、２７％を越えると合せ材として製造する際およびクラッド圧延時やその冷却時にシグマ相の析出が著しく促進され、固溶化熱処理の溶接熱履歴によってもシグマ相が析出して耐食性および熱間加工性が阻害されてしまうため、２３〜２７％とする。
Ｍｏ
Ｍｏは耐孔食性、耐隙間腐食性向上のため有効であり、４％以上とする。一方、６％を越えると合せ材として製造する際およびクラッド圧延時やその冷却時にシグマ相の析出が著しく促進され、固溶化熱処理の溶接熱履歴によってもシグマ相が析出して耐食性および熱間加工性が阻害されてしまうため、４〜６％とする。
Ｎｉ
Ｎｉはオーステナイト相の安定性の観点から、主にＣｒおよびＭｏとのバランスにより、２１％以上必要である。一方、経済性および高Ｎｉ化に伴う熱間変形抵抗の増大を考慮して２５％以下とする。
Ｎ
Ｎは耐食性を高める効果があり、その効果を得るため０．１５％以上とする。一方、０．２５％を超えると他成分の関係から含有させることが困難となるため、０．１５〜０．２５％とする。
Ｐ、Ｓ
Ｐ、Ｓは熱間加工性の観点から低いほど好ましくＰが０．０４％、Ｓが０．０３％を超えると熱間加工性が損なわれるため、Ｐは０．０４％以下、Ｓは０．０３％以下とする。
更に、耐食性を向上させるため、Ｃｕを添加しても良い。但し、２％を超えると熱間加工性を阻害するため、添加する場合は２％以下とする。
上記以外の残部は実質的にＦｅからなる。残部が実質的にＦｅからなるとは、本発明の作用効果を無くさない限り、不可避不純物をはじめ、他の微量元素を含有しても構わないことを意味する。
「母材」
Ｃ
Ｃは強度確保の観点から、０．０５％以上必要であるが、０．１％を超えると固溶化熱処理時に生じる硬化相のため、延靭性が著しく劣化するので、０．０５〜０．１％とする。シーム溶接部靭性の観点から、好ましくは０．０５〜０．０８％、更に好ましくは０．０５〜０．０６％とする。
Ｓｉ
Ｓｉは脱酸のため必要であるが０．６％を超えると溶接部の機械的性質を阻害するため、０．６％以下とする。シーム溶接部靭性の観点から、好ましくは０．４％以下、更に好ましくは０．２〜０．４％とする。
Ｍｎ
Ｍｎは強度確保および脱酸のため必要であるが、１．６％を超えると溶接部の機械的性質を劣化させるため１．６％以下とする。シーム溶接部靭性の観点から、好ましくは１．４％以下、更に好ましくは０．８〜１．２％とする。
Ｐ，Ｓ
Ｐ，Ｓは靭性の観点から低いほど好ましくＰが０．０１５％、Ｓが０．０１％を超えると靭性が損なわれるため、Ｐは０．０１５％以下、Ｓは０．０１％以下とする。
Ｎｂ
ＮｂはＴｉ、Ｃ、Ｎと共に炭窒化物を形成し、固溶化熱処理時のオーステナイト粒の粗大化を抑制して靭性を向上させる効果があり、効果を発揮するために０．０１％以上必要である。一方、０．０５％を超えると、過剰に炭窒化物を生成し、かえって靭性を劣化させるため、０．０１〜０．０５％とする。シーム溶接部靭性の観点から、好ましくは０．０１〜０．０４％、更に好ましくは０．０２〜０．０３％とする。
Ｔｉ
ＴｉはＮと共に窒化物を形成し、またＮｂ、Ｃ、Ｎと共に炭窒化物を形成して、固溶化熱処理時のオーステナイト粒の粗大化を抑制して靭性を向上させる効果があり、効果を発揮するために０．００５％以上必要である。一方、０．０５％を超えると、過剰に炭窒化物を生成し、かえって靭性を劣化させるため、０．００５〜０．０５％とする。
シーム溶接部靭性の観点から、好ましくは０．００５〜０．０３％、更に好ましくは０．０１〜０．０２％とする。
Ａｌ
Ａｌは脱酸のため必要であり、０．００１％以上必要である。一方、０．０６％を超えると靭性を阻害するので、０．００１〜０．０６％とする。
Ｎ
Ｎは固溶することにより強度を上げるが、０．００７％を超えると靭性低下を招くので、０．００７％以下とする。シーム溶接部靭性の観点から、好ましくは０．００５％以下とする。

更に、強度、靭性を向上させる場合、Ｃｕ：１％以下，Ｎｉ：１％以下の一種または二種を添加することができる。

上記以外の残部は実質的にＦｅからなる。残部が実質的にＦｅからなるとは、本発明の作用効果を無くさない限り、不可避不純物をはじめ、他の微量元素を含有しても構わないことを意味する。
母材の成分組成はシーム溶接部靭性の観点から、０．０５〜０．０６％Ｃ−０．２〜０．４％Ｓｉ−０．８〜１．２％Ｍｎ−０．０２〜０．０３％Ｎｂ−０．０１〜０．０２％Ｔｉ−０．００５％以下Ｎ系とすることが最も好ましい。

２．固溶化熱処理
本発明では、造管後、シーム部を溶接し、鋼管全体を固溶化熱処理する。固溶化熱処理の加熱温度は１１００℃未満では合せ材の固溶化が不十分で耐食性が不足し、一方、１２００℃超えでは表面の酸化や管の変形が著しくなり、後工程の精整が負担となるため、１１００〜１２００℃とする。
加熱後の冷却速度は合せ材で優れた耐食性が得られるように１℃／秒以上とし、好ましくは合せ材表面で５℃／秒とする。この固溶化熱処理により海洋性生物付着による隙間腐食が防止される。
表１に化学成分を示す合せ材用ステンレス鋼を用いて、ＪＩＳ Ｇ０５７８に規定されている孔食発生臨界温度試験を行った。ステンレス鋼はシーム溶接を模した入熱１９ｋJ／ｃｍで溶接を行った。１つの試験片は溶接後、さらに１１５０℃の固溶化熱処理を行い、もう１つの試験片は溶接ままで試験に供した。試験結果を表２に示す。
尚、表１の数値はｍａｓｓ％とする。

溶接後、１１５０℃で固溶化熱処理した試験片では、母材、溶接熱影響部のいずれににおいても７０℃の試験温度で孔食が発生しなかった。
一方、溶接ままの場合、溶接熱影響部で耐食性劣化を生じ、良好な耐食性を確保するためにはシーム溶接後に固溶化熱処理の必要なことが確認された。
孔食発生臨界温度は海水における耐隙間腐食性と相関があり、孔食発生臨界温度が６０℃以上であれば海水中で腐食が生じることはない（例えば「耐海水性ステンレス厚板及びクラッド鋼板」ＮＫＫ技報 Ｎｏ．１３２（１９９０）Ｐ９６〜９９）。よって、固溶化熱処理により、溶接部熱影響部においても隙間腐食が防止されることが分かる。
本発明において、クラッド鋼板の製造方法は特に限定されるものではなく、熱間圧延法、爆着法、爆着圧延法、拡散法、拡散圧延法、鋳込み圧延法などが適用できるが、品質、生産能率に優れる熱間圧延法が好ましい。
また、本発明では、造管方法は特に規定しないが、空港など巨大建造物に用いるため板厚の厚いステンレスクラッド鋼板から造管する場合、Ｕ，Ｏプレスによる曲げ加工やプレスベンドで造管後、シーム溶接を行う方法が好ましい。この際、鋼板寸法の制約からシーム部が複数となる場合も生じるが、本発明によればいずれのシーム部でも良好な耐食性が得られる。

本発明に従い、母材の機械的性質としてＳＭ４９０ＹＢを目標とし、鋼管長５．５ｍ、母材板厚２２＋合せ材板厚２ｍｍのステンレスクラッド鋼管を製造した。表３に化学成分を示す母材と、表４に化学成分示す合せ材を組合せて、熱間圧延法によりステンレスクラッド鋼板を製造した。尚、表３、４の数値はｍａｓｓ％とし、＊印は本発明範囲外であることを示す。

次に、これらのクラッド鋼板を冷間プレスベンドにより造管後、シーム溶接を、開先形状をＸ開先、母材側を最大入熱８０ｋＪ／ｃｍのＳＡＷ、合せ材をＡｌｌｏｙ６２５系の溶接材料を用いて最大入熱２５ｋＪ／ｃｍのＦＣＡＷで行い、鋼管とし、その後、表５に示す温度で、保持時間１５分とする固溶化熱処理を行った。
固溶化熱処理は、水冷により鋼管表層部での冷却速度が３０℃／秒、板厚中央部で１０℃／秒での条件で冷却した。
得られた鋼管の母材について非溶接部と溶接部で機械的性質を求めた。鋼管の母材の非溶接部については引張強度（ＪＩＳ５号）、シャルピー衝撃値を求め、鋼管の母材の溶接部については引張強度（ＪＩＳ突合せ継手１号）とシャルピー衝撃値を求めた。合せ材については、非溶接部と溶接部それぞれについて、ＪＩＳ Ｇ０５７８に規定されている孔食試験を行った。
表５に試験結果を示す。本発明によれば、海洋鋼構造物を桟橋工法で建造する場合に、その飛沫干満帯用の鋼管に必要とされる特性を満足する優れた特性が得られることを示している。尚、表５において＊印は本発明範囲外であることを示す。

Claims (3)

1. 質量％でＣ：０．０３％以下、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ni：２１〜２５％、Ｃｒ：２３〜２７％、Ｍｏ：４〜６％、Ｎ：０．１５〜０．２５％、残部が実質的にFeからなるステンレス鋼を合せ材とし、質量％でＣ：０．０５〜０．１％、Ｓｉ：０．６％以下、Ｍｎ：１．６％以下、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｂ：０．０１〜０．０５％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、Ａｌ：０．００１〜０．０６％、Ｎ：０．００７％以下、残部が実質的にFeからなる炭素鋼を母材とするステンレスクラッド鋼板を造管後、シーム溶接し、鋼管となした後、加熱温度１１００〜１２００℃、冷却速度１℃／秒以上の冷却速度で固溶化熱処理を行うステンレスクラッド鋼管の製造方法。
2. 更に、ステンレス鋼の合せ材の成分組成に質量％でＣｕ：２％以下を添加することを特徴とする請求項１記載のステンレスクラッド鋼管の製造方法。
3. 更に、炭素鋼の母材の成分組成に質量％でＣｕ：１％以下、Ｎｉ：１％以下の一種または二種を添加することを特徴とする請求項１又は２記載のステンレスクラッド鋼管の製造方法。