JP5000447B2

JP5000447B2 - 高強度電縫ラインパイプ

Info

Publication number: JP5000447B2
Application number: JP2007258904A
Authority: JP
Inventors: 哲夫石塚; 基文小弓場; 敏幸緒方; 均朝日
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-02-13
Filing date: 2007-10-02
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2027-10-02
Also published as: JP2008223134A

Description

本発明は石油や天然ガスなどの輸送に使用されるＡＰＩＸ８０グレード以上の薄肉電縫ラインパイプに関する。

石油や天然ガスを輸送するパイプラインでは、高圧操業による輸送効率の向上や、薄肉化による鋼材重量の低減、溶接能率の向上のため、高強度化が進められている。パイプラインの幹線には主として大径のＵＯ鋼管やスパイラル鋼管が用いられるが、その枝となる支線や小規模なパイプラインの幹線には生産性に優れて安価な電縫鋼管が用いられる場合が多い。電縫鋼管はホットコイルを冷間成型して製造されるため、高強度の電縫ラインパイプには高強度のホットコイルが必要である。

特許文献１にはＡＰＩＸ７０グレードの強度を満足し高靱性のホットコイルおよびその製造方法が開示されている。

特許文献２にはＡＰＩＸ６５グレード以上の強度と耐ＨＩＣ性を有するホットコイルおよびその製造方法が開示されている。

特許文献３にはＡＰＩＸ８０グレードの強度を有するホットコイルおよびその製造方法が開示されている。

特許文献４にはＡＰＩＸ１００グレードの強度を有する厚肉鋼管の製造方法が開示されている。

特許文献５にはＡＰＩＸ６５〜８０グレードの強度を有する電縫鋼管の製造方法が開示されている。

特許第３８４６７２９号公報特開２００６−２７４３３８号公報特開２００５−２８１８３８号公報特開平８−１０４９２２号公報特開平８−１７６６６９号公報

電縫鋼管の高強度化に際しては高圧操業よりは薄肉化のニーズが高く、ｔ／Ｄの小さい高強度電縫鋼管が求められている。しかしながら電縫鋼管の製造工程では電縫溶接、シーム熱処理の工程の後にサイザーによって円周方向に圧縮加工が加わるために、バウシンガー効果により円周方向の耐力は大幅に減少する。ｔ／Ｄが大きい鋼管の場合には鋼管成型時の加工硬化の影響により耐力の減少は抑制されるが、ｔ／Ｄが小さくなるほど円周方向の耐力の低下は大きくなる。ラインパイプの規格強度は主として円周方向の耐力で規定されるためにこの影響は極めて重大である。

特許文献１〜３では鋼管素材であるホットコイルの高強度化にとどまり、ｔ／Ｄが低い場合の造管後の大幅な耐力低下が何ら考慮されておらず、このホットコイルを用いても実質的にはＡＰＩＸ８０グレード以上の薄肉の高強度電縫鋼管を製造することができない。

特許文献４ではＡＰＩＸ８０グレードの電縫鋼管が開示されているが、肉厚が１５ｍｍの厚肉鋼管であることからサイザーによる耐力の低下代が小さいため製造が容易であり、しかも高価なＮｉ、Ｍｏ添加量が高く経済性に乏しい。

特許文献５ではＡＰＩＸ８０グレードでｔ／Ｄ＝１．６％の薄肉高強度電縫鋼管が開示されているが、高価なＭｏの添加量が高く経済性に乏しい。

本発明は上記問題点に鑑み、ＡＰＩＸ８０グレードの強度を有するｔ／Ｄが２％以下の薄肉高強度電縫ラインパイプを低価格で提供することを課題とする。

本発明者らは上記の課題を解決するために鋭意検討を重ね、鋼の引張強度、組織、化学成分を適正化することによりｔ／Ｄが２％以下でも耐力が高い電縫鋼管が得られた。その要旨とするところは以下のとおりである。
（１）板厚４ｍｍ以上１２ｍｍ以下のホットコイルから、冷間でのロール成形、電縫溶接、シーム熱処理、サイザーの工程を経て製造された、外径２００ｍｍ以上６１０ｍｍ以下、肉厚／外径比（ｔ／Ｄ）が２％以下の電縫鋼管であって、
質量％で
Ｃ：０．０４超〜０．０８％
Ｓｉ：０．１〜０．３％
Ｍｎ：１．６超〜２．０％
Ｐ：０．０２％以下
Ｓ：０．００３％以下
Ｎｂ：０．０４〜０．０８％
Ｖ：０．０５〜０．１％
Ｎｉ：０．１〜０．５％
Ｃｕ：０．１〜０．５％
Ｍｏ：０．０５〜０．２０％
Ｔｉ：０．０１〜０．０３％
Ａｌ：０．０５％以下
Ｎ：０．００５％以下
であり、かつ、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ含有量が下記＜１＞式を満足し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなり、金属組織が平均結晶粒径５μｍ以下のアシキュラーフェライト組織であり、扁平後の周方向の引張強度が７００Ｎ／ｍｍ ² 以上、０．５％耐力が５５０Ｎ／ｍｍ ² 以上、電縫溶接衝合部の酸化物占有面積率が０．１％以下であることを特徴とする、高強度電縫ラインパイプ。
１．０＞３Ｍｏ＋Ｎｉ＋Ｃｕ＞０．８＜１＞
（２）質量％で、さらに、
Ｓ：０．００２０％以下
Ｃａ：０．００１〜０．００３％
であることを特徴とする（１）に記載の高強度電縫ラインパイプ。

本発明の高強度電縫ラインパイプは、低ｔ／Ｄで且つ肉厚が薄いのにもかかわらず、引張強さ、耐力が高いため、既存のラインパイプをさらに薄肉化することができ、鋼材使用重量を大幅に低減できる。金属組織が微細であるため靱性に優れる。電縫溶接衝合部の酸化物面積率が低く、さらにシーム熱処理が施されているため、電縫溶接部が母材並みの健全性を有する。また、高価な合金元素の使用を極力抑制した化学成分で且つ、生産性の高い電縫管であるため、同等な強度レベルのＵＯ鋼管、スパイラル鋼管、シームレス鋼管に比べて製造コストが大幅に低い。

発明者らは電縫鋼管でＡＰＩＸ８０グレード以上の強度を有するｔ／Ｄが２％以下の薄肉高強度鋼管を得るべく検討を重ねた。ｔ／Ｄが２％以下になると、サイザーでの圧縮応力に起因するバウシンガー効果により円周方向の耐力が大幅に低下する。膨大な製造実績の調査の結果、ｔ／ＤとＹＲ（耐力と引張強さとの比）の関係は図１に示すようなデータバンドで示され、ｔ／Ｄが２％以下になるとＹＲは０．７９〜０．７３まで低下することが明らかになった。従って、ｔ／Ｄが２％以下でＡＰＩＸ８０グレードの耐力の下限である５５０Ｎ／ｍｍ²を確保するためには鋼管の引張強さは７００Ｎ／ｍｍ²以上でなくてはならないことが判明した。より好ましくは７５０Ｎ／ｍｍ²以上である。

このような高強度の電縫鋼管用ホットコイルを得るには、後に説明するように化学成分範囲を厳密に規定し、熱延条件として高強度鋼板を得るために用いられる通常の条件を適用することにより得ることができる。

その際に重要なのは金属組織を平均結晶粒径５μｍ以下のアシキュラーフェライトにすることである。これは、高い引張強度を得ながらも必要最低限の靱性を確保するために必要な条件である。ここでいうアシキュラーフェライトとは、パーライトのような層状組織を有さず炭化物が均一に分散し、ベイナイトとは異なり旧オーステナイト粒界の痕跡を残さない組織のことである。このようなアシキュラーフェライトは、パーライトよりも低温側でフェライト変態して転位密度が高いという性質を有する。本発明では、金属組織中のアシキュラーフェライトが面積率で９０％以上を占めていれば、アシキュラーフェライト組織であるとみなす。ここで必要最低限の靱性とは、ＡＰＩＸ８０グレードであれば、−２０℃の吸収エネルギーがＪＩＳＺ２２０２Ｖノッチ試験片で１００Ｊ以上（１／２サブサイズ試験片で５０Ｊ以上）、ｖＴｒｓが−５０℃以下の条件が好ましい条件である。また、金属組織を平均結晶粒径５μｍ以下のアシキュラーフェライトにするためには、細粒組織を得るための通常の圧延方法を採用することにより実現することができる。

電縫鋼管では電縫溶接部が母材並みの強度、靱性を確保していることが求められるが、本発明では電縫衝合部の酸化物占有面積率を０．１％以下、より好ましくは０．０５％以下に規定し、さらに電縫溶接後にシーム熱処理が施されることを必須としたことにより、母材並みの強度、靱性を確保することができた。ここで、酸化物占有面積率は、電縫衝合部にノッチを入れたシャルピー試験片にて１６０℃でシャルピー試験を行い、試験後の試験片破面の光学顕微鏡観察にて測定される。また、シーム熱処理とは、電縫溶接後に、例えば誘導加熱方式により電縫溶接部近傍のみを熱処理することであるが、その方法は、Ａｃ３点以上に加熱し急冷する、あるいは、Ａｃ３点以上に加熱し急冷後、Ａｃ１点以下に加熱することにより実施する。より望ましくは後者の方法である。電縫衝合部の酸化物占有面積率を０．１％以下とするためには、例えば溶接速度と溶接入力との関係を、酸化物占有面積率が０．１％以下となる第２種溶接現象領域に設定して溶接することにより実現することができる（例えば「鉄と鋼、７０（１９８４）、Ｓ１１６２（図１）」参照）。あるいは、溶接部の周囲をシールドボックスで囲い、アルゴンガス雰囲気中で溶接することにより、電縫衝合部の酸化物占有面積率を０．１％以下とすることができる。

板厚４ｍｍ以上１２ｍｍ以下のホットコイルに制限した理由は、肉厚１５ｍｍ以上のＡＰＩＸ８０グレードの厚肉電縫鋼管は公知であり、また、板厚４ｍｍ未満になると冷間成形が困難になるためである。より望ましい肉厚は６〜１０ｍｍである。

外径２００ｍｍ以上６１０ｍｍ以下に規定した理由は、上述の板厚の制限範囲内で、従来存在しなかったｔ／Ｄ≦２％が実現できる外径範囲だからである。より望ましくは３５０〜５５０ｍｍである。

以下に本発明の高強度電縫ラインパイプの化学成分について説明する。

Ｃの下限０．０４％超は、母材および溶接部の強度、低温靱性の確保ならびにＮｂ、Ｖ添加による析出強化、再結晶の抑制、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靱性や現地溶接性の劣化を招くので、上限を０．０８％とした。

Ｓｉは脱酸や強度向上のために添加する元素であり、その効果を得るためには０．１％以上含有することが必要である。一方、多量に添加すると靱性、溶接性を劣化させるので、含有量を０．１〜０．３％に制限した。

Ｍｎはアシキュラーフェライト組織を得て強度、靱性を確保する上で不可欠な元素であり、その下限は１．６％超である。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、靱性も劣化させるので、上限を２．０％とした。

Ｐ、Ｓは靱性に悪影響を及ぼす元素であるため、Ｐは０．０２％以下、Ｓは０．００３％以下、より望ましくは、Ｓは０．００２％以下に限定する。

Ｎｂは結晶粒の微細化や析出強化に寄与し、鋼を強靱化する作用を有する。本発明で規定される強度を得るためには０．０４％以上含有することが必要である。しかし、Ｎｂを０．０８％超添加してもさらなる強度向上効果は得られないだけでなく、溶接性や靱性に悪影響をもたらすので、含有量を０．０４〜０．０８％に規定した。

Ｖはホットコイル巻き取り後の徐冷時に炭化物として析出し、強化に寄与する。本発明で規定される強度を得るためには０．０５％以上含有することが必要である。しかし、Ｖを０．１０％超添加してもさらなる強度向上効果は得られないだけでなく、溶接性や靱性に悪影響をもたらすので、含有量を０．０５〜０．１０％に規定した。

Ｎｉ、Ｃｕは焼き入れ性を向上させアシキュラーフェライト組織を確保するために必要な元素である。その効果を得るためには、０．１％以上の添加が必要であるが、高価な元素であることと、多量な添加は溶接性を劣化させるために、含有量を０．１〜０．５％に規定した。

Ｍｏは焼き入れ性を向上させアシキュラーフェライト組織を確保するために必要な元素であるとともに、ホットコイル巻き取り後の徐冷時に炭化物として析出し、強化に寄与する。その効果を得るためには、０．０５％以上の添加が必要であるが、高価な元素であることと、多量な添加は溶接性を劣化させるために、含有量を０．０５〜０．２０％に規定した。

Ｔｉ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の靱性を向上させる。このようなＴｉＮの効果を発揮させるためには、最低０．０１％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、靱性が劣化するので、含有量を０．０１〜０．０３％に規定した。

Ａｌは、通常脱酸剤として鋼に含まれる元素であり、組織の微細化にも効果を有する。しかし、Ａｌ量が０．０５％を超えるとＡｌ系非金属介在物が増加して鋼の清浄度を害するので、上限を０．０５％とした。

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の低温靱性を向上させる。しかし、Ｎ量が多過ぎるとスラブ表面疵や固溶ＮによるＨＡＺ靱性の劣化の原因となるので、その上限は０．００５％とした。

Ｃａは鋼中でＣａＳを形成することにより鋼中Ｓを固定し、靱性や熱間加工性を改善させる効果がある。その効果を得るためには０．００１％以上の添加が必要であるが、添加しすぎるとＣａＯを形成してかえって靱性が低下するために、含有量を０．００１〜０．００３％に規定した。なお、Ｃａを積極的に添加しない場合、鋼中のＣａ含有量は０．０００１〜０．０００２質量％程度である。

本発明では上記に加えて、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏの添加量を＜１＞式を満足するように添加することを好ましい条件として規定した。これは、アシキュラーフェライト組織を確実に確保するためのものであり、０．８以下になるとフェライト＋パーライトが、１．０以上になるとベイナイトが主体となるからである。
１．０＞３Ｍｏ＋Ｎｉ＋Ｃｕ＞０．８＜１＞

本発明においてホットコイルの圧延条件は、金属組織、強度が本発明を満足するものを任意に採用することが可能である。

本発明における電縫鋼管には、通電加熱方式と誘導加熱方式の両者が含まれる。

（実施例１）
表１に化学成分を示した成分記号１の連続鋳造スラブを、抽出温度１２３０℃で、仕上げ全圧下率、仕上げ圧延終了温度、巻き取るまでの冷却速度、巻き取り温度を変化させて、板厚７ｍｍのホットコイルに圧延した後、外径４０６．４ｍｍの管に造管した。その際の、ホットコイル（板）の板幅方向の強度、扁平した管の円周方向の強度、金属組織、結晶粒径、１／２サブサイズ試験片でのシャルピー試験結果を表２に示す。なお、いずれも電縫溶接衝合部の酸化物占有面積率は０．１％以下であった。

管記号ａ〜ｃは、管の引張強度、耐力がＡＰＩＸ８０グレードを満足し、−２０℃の吸収エネルギーが５０Ｊ以上、ｖＴｒｓが−５０℃以下と靱性も良好な本発明例である。

それに対し、管記号ｄは巻き取り温度が低かったために、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏの析出強化が十分に発揮されず、ホットコイルの強度はＡＰＩＸ８０グレード並みであったが、造管後の耐力の低下によって、ＡＰＩＸ８０グレードが満足できなかった例である。

管記号ｅは、平均結晶粒径が大きかったために、−２０℃の吸収エネルギーが５０Ｊ以下、ｖＴｒｓが−５０℃以上と、靱性に乏しかった例である。

管記号ｆは、未再結晶域圧延により扁平した旧γ粒界が明瞭に残るベイナイト組織で、強度は十分であったが、旧γ粒の短径が本発明である５μｍを大きく越えたためにｖＴｒｓが高かった例である。

管記号ｇは、フェライト＋パーライト組織で、強度が低かったのに加えて、平均粒径が大きかったために靱性にも乏しかった例である。

（実施例２）
表２の管記号ａの鋼管を電縫溶接する際に、入熱条件を変化させて、意図的に電縫溶接衝合部の酸化物占有面積率が高い部分を作り、焼き入れ焼き戻しによるシーム熱処理を行った。溶接部がノッチ位置となるような１／２サブサイズ試験片を用いての−２０℃でのシャルピー試験結果を表３に示す。管記号ａ−１、ａ−２は母材と同等以上の吸収エネルギーを有する本発明例である。

管記号ａ−３，ａ−４は酸化物占有面積率が高すぎて、吸収エネルギーが５０Ｊ以下に低下した例である。

（実施例３）
表１の化学成分の連続鋳造スラブを、抽出温度１２３０℃、仕上げ全圧下率８０％、仕上げ圧延終了温度８６０℃、冷却速度１０℃／ｓ、巻き取り温度５７０℃で、各々の板厚、板幅に圧延し、造管した。その際の、扁平した管の円周方向の強度、金属組織、結晶粒径、１／２サブサイズ試験片でのシャルピー試験結果を表４に示す。

管記号Ａ〜Ｈ、Pは、管の引張強度、耐力がＡＰＩＸ８０グレードを満足し、−２０℃の吸収エネルギーが５０Ｊ以上、ｖＴｒｓが−５０℃以下と靱性も良好な本発明例である。

それに対し、管記号Ｉは、ｔ／Ｄが大きすぎたために造管による耐力低下は小さかったが、肉厚が厚すぎたために結晶粒の微細化が十分でなく、靱性が低めであった例である。

管記号ＪはＣ量が多すぎたために強度がＡＰＩＸ８０グレードを越えるほど高くなり、靱性が低かった例である。

管記号ＫはＣ量が少なすぎたために十分な強度が得られなかった例である。

管記号ＬはＭｎ量が多すぎたためにベイナイトとアシキュラーフェライトの混合組織となり、靱性が低かった例である。

管記号ＭはＭｎ量が少なすぎたためにフェライト＋パーライトとアシキュラーフェライトの混合組織となり、強度と靱性が低かった例である。

管記号Ｎは＜１＞式が０．８以下のためにフェライト＋パーライトとアシキュラーフェライトの混合組織となり、強度と靱性が低かった例である。

管記号Ｏは＜１＞式が１．０以上のためにベイナイトとアシキュラーフェライトの混合組織となり、靱性が低かった例である。

電縫鋼管のｔ／Ｄと円周方向のＹＲの関係を示す図である。

Claims

板厚４ｍｍ以上１２ｍｍ以下のホットコイルから、冷間でのロール成形、電縫溶接、シーム熱処理、サイザーの工程を経て製造された、外径２００ｍｍ以上６１０ｍｍ以下、肉厚／外径比（ｔ／Ｄ）が２％以下の電縫鋼管であって、質量％で
Ｃ：０．０４超〜０．０８％
Ｓｉ：０．１〜０．３％
Ｍｎ：１．６超〜２．０％
Ｐ：０．０２％以下
Ｓ：０．００３％以下
Ｎｂ：０．０４〜０．０８％
Ｖ：０．０５〜０．１％
Ｎｉ：０．１〜０．５％
Ｃｕ：０．１〜０．５％
Ｍｏ：０．０５〜０．２０％
Ｔｉ：０．０１〜０．０３％
Ａｌ：０．０５％以下
Ｎ：０．００５％以下
であり、かつ、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ含有量が下記＜１＞式を満足し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなり、金属組織が平均結晶粒径５μｍ以下のアシキュラーフェライト組織であり、扁平後の周方向の引張強度が７００Ｎ／ｍｍ ² 以上、０．５％耐力が５５０Ｎ／ｍｍ ² 以上、電縫溶接衝合部の酸化物占有面積率が０．１％以下であることを特徴とする、高強度電縫ラインパイプ。
１．０＞３Ｍｏ＋Ｎｉ＋Ｃｕ＞０．８＜１＞
質量％で、さらに、
Ｓ：０．００２０％以下
Ｃａ：０．００１〜０．００３％
であることを特徴とする請求項１に記載の高強度電縫ラインパイプ。