JP5211843B2 - 耐圧潰性に優れた溶接鋼管およびその製造方法 - Google Patents
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Description
(i)造管時の繰返し負荷によるバウシンガー効果を小さくする
(ii)バウシンガー効果の発現が小さな鋼管素材を用いる
のが有効であることが、すでに知られている。
そこで、発明者らは、これらの因子による圧縮降伏応力の向上を、鋼管素材のミクロ組織およびミクロ組織を達成するための製造方法、特に制御圧延後の加速冷却とその後の再加熱という製造プロセスを用いて達成できないかを鋭意検討し、以下の知見を得た。
(1)質量%で、
C:0.03〜0.08%、
Si:0.01〜0.50%、
Mn:0.50〜1.75%、
Al:0.08%以下、
Nb:0.005〜0.060%および
Ti:0.005〜0.040%
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物の成分組成を有する溶接鋼管であって、第2相組織の体積分率が2%以下の金属組織を有し、管の表層と管厚み方向中心部とのビッカース硬さの差が40以内、かつ管周方向の圧縮降伏応力が周方向の引張降伏応力の0.90倍以上であることを特徴とする耐圧潰性に優れた溶接鋼管。
Mo:0.02〜0.40%および
V:0.005〜0.070%
の1種または2種を含有することを特徴とする前記(1)に記載の耐圧潰性に優れた溶接鋼管。
Cu:1%以下、
Ni:1%以下、
Cr:1%以下および
B:0.005%以下
の中から選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴とする前記(1)または(2)に記載の耐圧潰性に優れた溶接鋼管。
Ca:0.0005〜0.0040%、
Mg:0.005%以下および
REM:0.02%以下
の中から選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴とする前記(1)ないし(3)のいずれかに記載の耐圧潰性に優れた溶接鋼管。
まず、鋼素材の成分組成としては、以下のとおりである。なお、以下の成分組成に関する記述における「%」表示は、特に断らない限り「質量%」を意味する。
[成分組成]
C:0.03〜0.08%
Cは、焼入れ性を高めて強度を確保するために重要な元素であるが、含有量が0.03%未満では十分な強度が確保できない。一方、0.08%を超えると、組織中のマルテンサイトやセメンタイトの体積分率を増加させバウシンガー効果を大きくするため、C含有量は0.03〜0.08%とする。
Siは、脱酸のために添加するが、0.01%未満では脱酸効果が十分でなく、一方0.50%を超えるとマルテンサイト体積分率の増加や溶接性劣化をまねくため、Si含有量を0.01〜0.50%とする。好ましくは、0.01〜0.20%である。
Mnは、強度並びに靭性の向上に有効な元素であるが、0.50%未満ではその効果が十分でなく、一方1.75%を超えると焼入れ性が高まり、マルテンサイト体積分率の増加、表面硬さの上昇、溶接性の劣化を招くため、Mn含有量は0.50〜1.75%とする。特に、マルテンサイト生成抑制の観点からは、1.0〜1.5%とすることが好ましい。
Alは、脱酸剤として添加されるが、0.08%を超えると鋼の清浄度が低下し、靭性が劣化するため、Al含有量は0.08%以下に規制する。好ましくは、0.01〜0.08%とする。
Nbは、制御圧延の効果を高め、組織細粒化により強度および靭性を向上させる元素である。しかし、0.005%未満では効果がなく、0.060%を超えると溶接熱影響部の靭性が劣化するため、含有量は0.005〜0.060%とする。
Tiは、TiNのピニング効果により加熱時のオーステナイト粒の粗大化を抑制し、母材や溶接熱影響部の靭性を改善するために有効な元素である。しかし、0.005%未満では効果が無く、一方0.040%を超える添加はTiNが粗大化し、逆に溶接熱影響部靭性の劣化を招くため、含有量は0.005〜0.040%とする。さらに、Ti含有量を0.020%未満にすると、より優れた靭性を示す。
Mo:0.02〜0.40%
Moは、焼入れ性を向上し強度上昇に大きく寄与する元素である。しかし、0.02%未満ではその効果が得られず、一方0.40%を超える添加はマルテンサイト体積分率の増加や溶接熱影響部靭性の劣化を招くため、Moを添加する場合は0.02〜0.40%とすることが好ましい。さらに好適には、0.30%以下とする。
Vは、強度上昇に寄与する元素である。しかし、0.005%未満では効果がなく、一方0.070%を超えると溶接熱影響部の靭性が劣化するため、Vを添加する場合は、0.005〜0.070%とすることが好ましい。
Cu:1%以下
Cuは、靭性の改善と強度の上昇に有効な元素である。その効果を得るためには、0.1%以上で添加することが好ましいが、多く添加すると溶接性の劣化やマルテンサイト体積分率の増加を招くため、添加する場合は1%を上限とする。
Niは靭性の改善と強度の上昇に有効な元素である。その効果を得るためには、0.1%以上で添加することが好ましいが、多く添加するとコスト的に不利になり、また溶接熱影響部の靭性が劣化するため、添加する場合は1.0%を上限とする。
Crは、Mnと同様に低Cでも十分な強度を得るために有効な元素である。その効果を得るためには、0.1%以上で添加することが好ましいが、多く添加すると溶接性の劣化やマルテンサイト体積分率の増加を招くため、添加する場合は1.0%を上限とする。
Bは、強度上昇、溶接熱影響部の靭性改善に寄与する元素である。その効果を得るためには、0.0005%以上で添加することが好ましいが、0.005%を超えて添加すると溶接性を劣化させるため、添加する場合は0.005%以下とする。
Ca:0.0005〜0.0040%
Caは、MnSの形態制御に有効な元素であり、母材靭性の向上に付与する。その効果を得るためには、0.0005%以上で添加することが好ましいが、0.0040%を超えて添加すると、Caの酸硫化物が過剰に生成し、粗大化やクラスタ状になることにより母材靭性を劣化させることから、上限を0.0040%とすることが好ましい。
Mgは、アルミナクラスタ(A1203)を、AlやMg系酸化物として微細分散させることによって母材靭性の向上に寄与する元素であり、その効果を得るには0.0005%以上で添加することが好ましい。一方、0.005%を超える添加では、酸化物の増加により母材靭性の低下が起こるため、添加する場合は0.005%以下とすることが好ましい。
REMは、Caと同様、MnSの形態制御に有効な元素であり、母材靭性の向上に寄与し、その効果を得るには0.005%以上で添加することが好ましい。しかし、0.02%を超えると、REMの酸硫化物が過剰に生成し、母材靭性を劣化させるため、添加する場合は0.02%以下とする。
なお、本発明においてNは不可避的不純物として扱うが、0.007%を超えると、溶接熱影響部の靭性が劣化するため、好ましくは0.007%以下に制限する。さらに、Ti量とN量の比であるTi/Nを最適化することによって、TiN粒子により溶接熱影響部のオーステナイト粗大化を抑制し、良好な溶接熱影響部の靭性を得ることが出来るため、好ましくはTi/Nを2〜8、さらに好ましくは2〜5とする。
本発明では、金属組織中の第2相組織の体積分率2%以下(0%を含む)とする。本発明において第2相組織はセメンタイトやマルテンサイト等の硬質相であり、その周辺に発生する局所的な歪み勾配による背応力の発生を防止し、バウシンガー効果による圧縮降伏応力の低下を抑制するため金属組織中において体積分率を2%以下とする。
すなわち、第2相組織の体積分率が2%を超えると、バウシンガー効果による圧縮降伏応力の低下が増大し、鋼板の強度設計を高くする必要があるため、合金コスト等の製造コストの上昇を招くことになる。バウシンガー効果軽減の観点から、1%以下とすることが好ましい。
管の表層と管厚中心部とのビッカース硬さの差は40以内とする。管の表層と管厚み方向中心部とのビッカース硬さの差を40以内に少なくすることによって、造管時の歪み分布が均一となり、局所的な歪み勾配が軽減され、バウシンガー効果を抑制することが出来る。また、管厚方向の硬さ分布が一定であるほど管の真円度が向上するため、拡管率の低い造管条件を採用することにより、圧縮試験前の背応力の発生を抑制することができる。より均一な歪み分布を得る観点から、前記ビッカース硬さの差を30以内とする。
なお、管の表層とは、鋼管の内・外表面からそれぞれ管厚中心1mmの深さ位置のこととする。
鋼管の圧潰強度は、鋼管の周方向の圧縮降伏応力によって評価される。このとき、圧縮降伏応力が高ければ高いほど圧潰強度も高くなるが、実際には引張降伏応力も同時に要求されるため、圧縮降伏応力が引張降伏応力の0.9倍以上であれば、圧縮降伏応力が問題とされずに鋼管の強度設計が行える。従って、圧縮降伏応力の下限値を引張降伏応力の0.9倍とする。
なお、加熱温度、圧延終了温度および冷却停止温度は、鋼板の平均温度とする。この平均温度は、スラブもしくは鋼板の表面温度より、板厚や熱伝導率等のパラメータを考慮して、計算により求めたものである。ただし、再加熱の温度のみは、鋼板表面近傍および板厚中心の温度履歴ともに重要であるために、それぞれに対して規定する。また、冷却速度は、冷却開始後、冷却停止温度(300〜600℃)まで冷却に必要な温度差をその冷却を行うのに要した時間で割った平均冷却速度とする。
スラブ加熱温度が1000℃未満では十分な強度が得られず、一方1300℃を超えると母材靭性が劣化するため、1000〜1300℃とする。
本発明では、硬質相の少ない均一な組織とすることが重要であるが、圧延終了温度がAr3変態点未満であると、初析フェライトが生成し冷却後の金属組織がフェライトとベイナイトの混合組織となるため、圧延終了温度はAr3変態点以上とする。
圧延終了後、Ar3変態点以上から直ちに5℃/s以上の冷却速度で冷却する。冷却開始温度がAr3変態点未満となると、初析フェライトが生成し混合組織となるためバウシンガー効果が大きくなり、さらに強度不足を招く。また、冷却速度が5℃/s未満では、冷却時に硬質相であるパーライトが生成するため、冷却開始をAr3変態点温度以上、圧延終了後の冷却速度5℃/s以上にする。
さらに、冷却の停止温度は、300〜600℃とする。冷却停止温度が300℃未満では、冷却中に島状マルテンサイトが生成し、その後の再加熱で分解しても凝集したセメンタイトが生成する。さらに、300℃未満となると表面硬度が上昇する。一方、600℃を超えると、冷却停止時の未変態オーステナイト分率が高くなり、再加熱後の空冷時にマルテンサイトやパーライトが生成する。このような凝集したセメンタイトやパーライトは局所的な歪み勾配の原因となり、鋼管成型時のバウシンガー効果による降伏応力の低下が大きくなるため、冷却停止温度を300〜600℃にする。好ましくは、350〜550℃であり、より好ましくは400〜530℃である。
前述したように、冷却材におけるセメンタイトやマルテンサイトといった硬質相は、加速冷却後の空冷時にCが濃化した、未変態オーステナイトやベイナイトラス間で生成する。本発明では、冷却直後の再加熱中に微細な炭窒化物を析出させ、Cを消費することによって、未変態オーステナイトへのC濃化を抑え、マルテンサイトやセメンタイトの生成を抑制する。
また、再加熱時に鋼板表面温度を板厚中心部温度より高くすることによって、表面を軟化させることが可能であり、均一な板厚方向の硬度分布が得られる。
ここで、昇温速度が0.5℃/s未満では、所望の再加熱温度に達するまでに長時間を要するために製造効率が悪化し、またパーライト変態が生じるため、バウシンガー効果が大きくなる。
また、上述した製造方法を実施する設備として、圧延ラインの上流から下流側に向かって熱間圧延機、冷却装置、誘導加熱装置、ホットレべラーを逐次配置したものが好適である。
誘導加熱装置あるいは他の熱処理装置を、圧延設備である熱間圧延機およびその出側に配置される冷却装置と同一ライン上に設置する事によって、圧延、加速冷却終了後迅速に再加熱処理が行えるため、加速冷却後の鋼板温度を過度に低下させることなく加熱することが可能である。
[造管方法]
本発明は、厚鋼板を素材とした溶接鋼管であるため、UOE法、JCO法およびプレスベンド法など厚鋼板を対象とした造管方法で製造した溶接鋼管であれば、いずれも所望の効果が得られる。一方で、圧縮降伏応力の低下が懸念される鋼管は、UOE法やJCO法などの最終工程に拡管を行う造管方法の場合が一般的であり、拡管を行わない鋼管の場合は、本発明のような製造方法を用いなくとも一般的に所望とする特性が確保できるので、造管方法を管状に成形し、その突合せ部を溶接し鋼管とした後、さらに拡管を行うこととする製造手法において、本発明はより有意義である。
[拡管率]
一般的に厚肉の高強度UOE鋼管は、0.9〜1.2%程度の範囲の拡管率で造管を行う。一方で、鋼管周方向の圧縮強度を確保するために、拡管率を低減することが効果的である。したがって、圧縮強度を確保する必要のあるUOE鋼管は、通常の範囲の下限もしくは、それよりも小さい拡管率の範囲(例えば0.6〜1.0)で造管される。本発明では、真円度の確保の観点から、拡管率の下限値を0.5%とするが、母材の製造方法により圧縮強度を向上させることが可能であるため、従来の手法よりも高い拡管率(例えば1.1%以上)での製造が可能である。本発明の鋼板を用いることにより、1.4%までの拡管率で所望の圧縮強度特性が得られる。
一般的に、厚肉の高強度UOE鋼管は、0.3〜0.5%程度(圧縮率/拡管率が1/3以上)の範囲の冷間曲げ時に付与される圧縮率で造管を行う。鋼管周方向の圧縮強度を確保するために、冷間曲げ時に鋼板に付与される圧縮率を高くすることが効果的である。本発明では、母材の製造方法により圧縮強度を向上させることが可能であるから、従来の手法よりも低い圧縮率(例えば、圧縮率/拡管率が1/3以下)での製造が可能である。本発明の鋼板を用いることにより、拡管率の1/4以上の圧縮率であれば所望の圧縮強度特性が得られる。
加速冷却速度は、加速冷却開始後、加速冷却停止温度まで冷却に必要な温度差をその冷却を行うのに要した時間で割った、平均冷却速度とした。
再加熱昇温速度は、加速冷却後、板厚中心部の再加熱温度までの再加熱に必要な温度差を再加熱するのに要した時間で割った、平均昇温速度とした。
再加熱終了時の鋼板表面温度は、放射温度計で測定し、鋼板板厚中心部温度は、鋼板の表面温度より、板厚、熱伝導率等のパラメータを考慮して計算により求めた。
これらの評価結果を表3にまとめて示す。
Claims (7)
- 質量%で、
C:0.03〜0.08%、
Si:0.01〜0.50%、
Mn:0.50〜1.75%、
Al:0.08%以下、
Nb:0.005〜0.060%および
Ti:0.005〜0.040%
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物の成分組成を有する溶接鋼管であって、第2相組織の体積分率が2%以下の金属組織を有し、管の表層と管厚み方向中心部とのビッカース硬さの差が40以内、かつ管周方向の圧縮降伏応力が周方向の引張降伏応力の0.90倍以上であることを特徴とする耐圧潰性に優れた溶接鋼管。 - 前記成分組成としてさらに、質量%で、
Mo:0.02〜0.40%および
V:0.005〜0.070%
の1種または2種を含有することを特徴とする請求項1に記載の耐圧潰性に優れた溶接鋼管。 - 前記成分組成としてさらに、質量%で、
Cu:1%以下、
Ni:1%以下、
Cr:1%以下および
B:0.005%以下
の中から選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の耐圧潰性に優れた溶接鋼管。 - 前記成分組成としてさらに、質量%で、
Ca:0.0005〜0.0040%、
Mg:0.005%以下および
REM:0.02%以下
の中から選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の耐圧潰性に優れた溶接鋼管。 - 請求項1ないし4のいずれかに記載の成分組成を有する鋼素材を、1000〜1300℃の温度に加熱して熱間圧延を施し、Ar3変態点以上の温度にて熱間圧延を終了し、次いでAr3変態点以上の温度域から300〜600℃の温度域まで5℃/s以上の速度にて冷却を行い、その後直ちに0.5℃/s以上の昇温速度にて、鋼板表面温度:600〜750℃、かつ板厚中心温度:650℃以下まで再加熱を行って、該加熱終了時の鋼板表面の温度を板厚中心部の温度よりも高く、かつ両者の温度差を20℃以上に調整し、該鋼板を室温まで冷却したのち管状に成形し、その突合せ部を溶接し管とした後、さらに拡管を行って管周方向の圧縮降伏応力が周方向の引張降伏応力の0.90倍以上の管を成形することを特徴とする耐圧潰性に優れた溶接鋼管の製造方法。
- 前記拡管における拡管率を0.5〜1.4%とすることを特徴とする請求項5に記載の耐圧潰性に優れた溶接鋼管の製造方法。
- 前記管状に成形する工程を複数回の冷間曲げ加工にて行い、該冷間曲げ加工時の鋼板における圧縮率は前記拡管率の1/4以上であることを特徴とする請求項6に記載の耐圧潰性に優れた溶接鋼管の製造方法。
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JP2008127972A JP5211843B2 (ja) | 2008-05-15 | 2008-05-15 | 耐圧潰性に優れた溶接鋼管およびその製造方法 |
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