JP6112267B1 - 継目無鋼管及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
555MPa以上の降伏強度と優れた耐SSC性とを安定して得られる継目無鋼管を提供する。継目無鋼管は、質量%で、C:0.02〜0.15%、Si:0.05〜0.5%、Mn:0.30〜2.5%、Al:0.01〜0.10%、Ti:0.001〜0.010%、N:0.007%以下、Cr:0.05〜1.0%、Mo:0.02%以上0.5%未満、Ni:0.03〜1.0%、Cu:0.02〜1.0%、V:0.020〜0.20%、Ca:0.0005〜0.005%、等を含有し、炭素当量Ceqが0.430%以上0.500%未満であり、組織が、表層から肉中まで、焼戻しマルテンサイト又は焼戻しベイナイトを主相とし、旧オーステナイト粒の大きさが、ASTM E112−10に準拠した結晶粒度番号で6.0未満であり、内面から1mmの位置と外面から1mmの位置との間において、ビッカース硬さが250Hv以下であり、降伏強度が555MPa以上である。
Description
本発明は、継目無鋼管及びその製造方法に関し、より詳しくは、ラインパイプ用に好適な継目無鋼管及びその製造方法に関する。
陸上や浅海に位置する油田の石油、ガス資源が近年枯渇しつつあり、深海の海底油田の開発が活発になっている。海底油田では、海底に設置された油井、ガス井の坑口から、洋上のプラットホームまでフローラインやライザーを用いて原油やガスを輸送する必要がある。フローラインとは、地表又は海底面の地勢に沿って敷設されたラインパイプである。ライザーとは、海底面からプラットホーム方向(つまり上方)に立ち上がって配置されるラインパイプである。
深海に敷設されたフローラインを構成する鋼管の内部には、深い地層圧が加わった高圧の内部流体圧がかかり、また、操業停止時には深海の海水圧の影響を受ける。一方、ライザーを構成する鋼管は、さらに波浪による繰り返し歪の影響も受ける。したがって、このような用途に使用される鋼管としては、高強度で高靱性の鋼管が望まれている。さらに近年では、深海及び寒冷地に代表される、従来よりも過酷なサワー環境の油井及びガス井の開発が進んでいる。このような過酷なサワー環境に敷設される海底パイプラインは、従来よりも高い強度(耐圧性)及び靱性が要求され、さらに、耐水素誘起割れ性(耐HIC性)及び耐硫化物応力腐食割れ性(耐SSC性)が要求される。
特許文献1には、C:0.03〜0.08%、Si:0.15%以下、Mn:0.3〜2.5%、Al:0.001〜0.10%、Cr:0.02〜1.0%、Ni:0.02〜1.0%、Mo:0.02〜1.2%、Ti:0.004〜0.010%、N:0.002〜0.008%並びにCa、Mg及びREMのうちの1種又は2種以上を合計で0.0002〜0.005%含有し、残部はFe及び不純物からなり、不純物中のPが0.05%以下、Sが0.005%以下であり、かつ肉厚が30〜50mmであることを特徴とする高強度で靱性の良好なラインパイプ用厚肉継目無鋼管が開示されている。
特許文献2には、焼入焼戻処理を施されてなる、降伏強さ:450MPa超えを有する厚肉高強度継目無鋼管であって、管最外側又は管最内側で荷重:5kgf(試験力:49N)で測定可能なビッカース硬さHV5が、250HV5以下であることを特徴とする耐サワー性に優れたラインパイプ用厚肉高強度継目無鋼管が開示されている。
特許文献3には、質量%で、C:0.02〜0.10%、Si:0.5%以下、Mn:0.5〜2.0%、Al:0.01〜0.1%、Ca:0.005%以下、及び、N:0.007%以下を含有し、さらに、Ti:0.008%以下、V:0.06%未満、及び、Nb:0.05%以下からなる群から選択される1種又は2種以上を含有し、残部Fe及び不純物からなり、Ti、V、Nbの含有量が合計で0.06%未満であり、下記の式で定義される炭素当量Ceqが0.38%以上であり、Ti、V、Nb及びAlのうちの1種又は2種以上を含有する炭窒化物の大きさが200nm以下である、ラインパイプ用継目無鋼管が開示されている。
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15
特許文献4には、化学成分が、質量%で、C:0.02〜0.10%、Si:0.05〜0.5%、Mn:1.0〜2.0%、Mo:0.5〜1.0%、Cr:0.1〜1.0%、Al:0.01〜0.10%、P:0.03%以下、S:0.005%以下、Ca:0.0005〜0.005%、V:0.010〜0.040%、及び、N:0.002〜0.007%を含有し、さらに、Ti:0.001〜0.008%、及び、Nb:0.02〜0.05%からなる群から選択される1種又は2種を含有し、残部はFe及び不純物であり;炭素当量Ceqが0.50〜0.58%であり;特定炭化物を含有する;ことを特徴とする継目無鋼管が開示されている。
上記の従来技術を適用しても、API(米国石油協会)規格に規定されるX80級以上(下限降伏強度555MPa以上)の強度を有する継目無鋼管において、優れた耐SSC性を安定して得られない場合がある。
焼入れ‐焼戻し処理によって製造される継目無鋼管の強度及び靱性を向上させるためには、炭素等の合金元素の含有量を増やし、焼入れ性を高めれば良い。しかし、炭素等の合金元素の含有量を増やすと、鋼管表面の強度(硬さ)が高くなる。焼入れ‐焼戻し処理によって製造される継目無鋼管は、焼入れ処理時、表層は冷却速度が速く焼きが入りやすいため硬度が高くなり、肉中は硬度が低くなる。この傾向は、焼戻し後も残る場合がある。そのため、X80級以上の強度を有する継目無鋼管において、表層硬度がAPI 5L規格で耐サワーグレードとして要求される上限硬度250Hvを超えることがある。
特許文献1は、高強度と高靱性の実現には有効であるが、表層部の硬度抑制やこれに係る耐SSC性の改善には必ずしも配慮が払われていない。特許文献2は、鋼管表層部の硬度を250HV5以下に制御できるとするが、特殊な製造工程を必要とするようである。特許文献3では、耐SSC性に関しての配慮がなされているが、熱間製管後に直接焼入れ又はインライン焼入れを行い、さらに再加熱焼入れを行う必要がある。特許文献4では、鋼管表層部の硬度や耐HIC性に対しての配慮がなされているが、再加熱焼入れ工程を必須とし、必要により熱間製管後の直接焼入れ又はインライン焼入れを併用するもので、製造上のコスト合理性が、必ずしも高いとはいえない。
本発明の目的は、比較的合理的な製造プロセスで製造可能であって、かつ555MPa以上の降伏強度と優れた耐SSC性とを安定して得られる継目無鋼管を提供することである。
本発明の一実施形態による継目無鋼管は、化学組成が、質量%で、C:0.02〜0.15%、Si:0.05〜0.5%、Mn:0.30〜2.5%、P:0.03%以下、S:0.006%以下、O:0.004%以下、Al:0.01〜0.10%、Ti:0.001〜0.010%、N:0.007%以下、Cr:0.05〜1.0%、Mo:0.02%以上0.5%未満、Ni:0.03〜1.0%、Cu:0.02〜1.0%、V:0.020〜0.20%、Ca:0.0005〜0.005%、Nb:0〜0.05%、残部:Fe及び不純物であり、下記式(1)で定義される炭素当量Ceqが0.430%以上0.500%未満であり、組織が、表層から肉中まで、焼戻しマルテンサイト又は焼戻しベイナイトを主相とし、前記組織の旧オーステナイトの大きさが、ASTM E112−10に準拠した粒度番号で6.0未満であり、内面から1mmの位置と外面から1mmの位置との間において、ビッカース硬さが250Hv以下であり、降伏強度が555MPa以上である。
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15…(1)
式(1)中の元素記号には、質量%で、対応する元素の含有量が代入される。
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15…(1)
式(1)中の元素記号には、質量%で、対応する元素の含有量が代入される。
本発明の一実施形態による継目無鋼管の製造方法は、化学組成が、質量%で、C:0.02〜0.15%、Si:0.05〜0.5%、Mn:0.30〜2.5%、P:0.03%以下、S:0.006%以下、O:0.004%以下、Al:0.01〜0.10%、Ti:0.001〜0.010%、N:0.007%以下、Cr:0.05〜1.0%、Mo:0.02%以上0.5%未満、Ni:0.03〜1.0%、Cu:0.02〜1.0%、V:0.020〜0.20%、Ca:0.0005〜0.005%、Nb:0〜0.05%、残部:Fe及び不純物である素材を準備する工程と、素材を熱間加工して素管を製造する工程と、素管を直接焼入れ又はインライン焼入れによって焼入れする工程と、焼入れされた素管を焼戻しする工程とを備える。焼入れと焼戻しの間において、再加熱焼入れを実施しない。下記式(3)で定義される炭素当量Ceqが0.430%以上0.500%未満であり、下記式(4)で定義されるラーソン−ミラーパラメータPLが18800以上である。
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15…(3)
PL=(T+273)×(20+log(t))…(4)
式(3)中の元素記号には、質量%で、対応する元素の含有量が代入される。式(4)において、Tは焼戻し温度であり、tはその温度での保持時間である。Tの単位は℃であり、tの単位は時間である。
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15…(3)
PL=(T+273)×(20+log(t))…(4)
式(3)中の元素記号には、質量%で、対応する元素の含有量が代入される。式(4)において、Tは焼戻し温度であり、tはその温度での保持時間である。Tの単位は℃であり、tの単位は時間である。
本発明によれば、比較的合理的な製造プロセスで製造可能であって、かつ555MPa以上の降伏強度と優れた耐SSC性とを安定して得られる継目無鋼管が得られる。
本発明者らは、継目無鋼管において、555MPa以上の降伏強度を確保し、かつ優れた耐SSC性を安定して得る方法を検討した。その結果、鋼の炭素当量を適切な範囲に制限し、かつ継目無鋼管の表層の硬度と肉中の硬度との差を小さくすれば、熱間製管後の直接焼入れ又はインライン焼入れのみで、再加熱焼入れを行うことなく、555MPa以上の降伏強度を確保し、かつ優れた耐SSC性を安定して得られることを見出した。
圧延後の焼入れにおいて、継目無鋼管の表層は冷却速度が速く、焼きが入りやすい。そのため、継目無鋼管の表層は硬くなりやすく、API 5L規格やDNV−OS−F101規格で定められた硬さの値を超える場合もある。一方、継目無鋼管の肉厚中央部は冷却速度が遅いため、焼きが入りにくく、フェライト等の非焼入れ組織が混入する場合がある。このように、表層と肉中とで硬度差が生じるのが通常であり、この傾向は、焼戻しの条件によっては、焼戻し後にも残る場合がある。また、X80級以上の高強度鋼に適用されるような炭素当量の高い継目無鋼管では、表層と肉中とでの硬度差が顕著になる傾向がある。このように表層の硬度が高くなるのは、良好な耐サワー性を安定して得る上で問題となる。
炭素当量が低すぎれば、継目無鋼管の強度の確保が困難になる。一方、炭素当量が高すぎると、再加熱焼入れを行わずに直接焼入れ又はインライン焼入れの1回のみとする製造プロセスでは、表層のビッカース硬さを250Hv以下にすることが困難になる。これは、熱間製管後の焼入れを直接焼入れ又はインライン焼入れとする場合、再加熱焼入れをする場合に比べてオーステナイト粒が粗粒化しやすく、全体的に焼入れ性が高まるためである。そのため、下記の式(1)で定義されるCeqを、0.430%以上0.500%未満にする。
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15…(1)
式(1)中の元素記号には、質量%で、対応する元素の含有量が代入される。
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15…(1)
式(1)中の元素記号には、質量%で、対応する元素の含有量が代入される。
表層と肉中とでの硬度差を小さくするためには、炭素当量に加えて、焼戻し条件を適切に制限することが有効である。すなわち、焼戻しが不十分であれば、表層の硬度の低減が不十分になり、ビッカース硬さが250Hvよりも大きくなる箇所が発生する場合がある。具体的には、下記の式(2)で定義されるラーソン−ミラーパラメータPLを18800以上にする。
PL=(T+273)×(20+log(t))…(2)
式(2)において、Tは焼戻し温度(℃)であり、tはその温度での保持時間(時間)である。
PL=(T+273)×(20+log(t))…(2)
式(2)において、Tは焼戻し温度(℃)であり、tはその温度での保持時間(時間)である。
以上の知見に基づいて、本発明は完成された。以下、図面を参照して、本発明の一実施形態による継目無鋼管を詳述する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
[化学組成]
本実施形態による継目無鋼管は、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「%」は、質量%を意味する。
本実施形態による継目無鋼管は、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「%」は、質量%を意味する。
C:0.02〜0.15%
炭素(C)は、鋼の強度を高める。C含有量が0.02%未満であれば、上記効果が十分に得られない。一方、C含有量が0.15%を超えると、鋼の靱性が低下する。したがって、C含有量は0.02〜0.15%である。C含有量は、下限の観点では、好ましくは0.02%よりも高く、さらに好ましくは0.04%以上である。C含有量は、上限の観点では、好ましくは0.10%以下であり、さらに好ましくは0.08%以下である。
炭素(C)は、鋼の強度を高める。C含有量が0.02%未満であれば、上記効果が十分に得られない。一方、C含有量が0.15%を超えると、鋼の靱性が低下する。したがって、C含有量は0.02〜0.15%である。C含有量は、下限の観点では、好ましくは0.02%よりも高く、さらに好ましくは0.04%以上である。C含有量は、上限の観点では、好ましくは0.10%以下であり、さらに好ましくは0.08%以下である。
Si:0.05〜0.5%
シリコン(Si)は、鋼を脱酸する。Si含有量が0.05%以上であれば、上記効果が顕著に得られる。しかしながら、Si含有量が0.5%を超えると、鋼の靱性が低下する。したがって、Si含有量は0.05〜0.5%である。Si含有量は、下限の観点では、好ましくは0.05%よりも高く、さらに好ましくは0.08%以上であり、さらに好ましくは0.10%以上である。Si含有量は、上限の観点では、好ましくは0.5%未満であり、さらに好ましくは0.25%以下であり、さらに好ましくは0.20%以下である。
シリコン(Si)は、鋼を脱酸する。Si含有量が0.05%以上であれば、上記効果が顕著に得られる。しかしながら、Si含有量が0.5%を超えると、鋼の靱性が低下する。したがって、Si含有量は0.05〜0.5%である。Si含有量は、下限の観点では、好ましくは0.05%よりも高く、さらに好ましくは0.08%以上であり、さらに好ましくは0.10%以上である。Si含有量は、上限の観点では、好ましくは0.5%未満であり、さらに好ましくは0.25%以下であり、さらに好ましくは0.20%以下である。
Mn:0.30〜2.5%
マンガン(Mn)は、鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を高める。Mn含有量が0.30%未満であれば、上記効果が十分に得られない。一方、Mn含有量が2.5%を超えると、Mnが鋼中で偏析し、靱性が低下する。したがって、Mn含有量は0.30〜2.5%である。Mn含有量は、下限の観点では、好ましくは0.30%よりも高く、さらに好ましくは1.0%以上であり、さらに好ましくは1.3%以上である。Mn含有量は、上限の観点では、好ましくは2.5%未満であり、さらに好ましくは、2.0%以下であり、さらに好ましくは1.8%以下である。
マンガン(Mn)は、鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を高める。Mn含有量が0.30%未満であれば、上記効果が十分に得られない。一方、Mn含有量が2.5%を超えると、Mnが鋼中で偏析し、靱性が低下する。したがって、Mn含有量は0.30〜2.5%である。Mn含有量は、下限の観点では、好ましくは0.30%よりも高く、さらに好ましくは1.0%以上であり、さらに好ましくは1.3%以上である。Mn含有量は、上限の観点では、好ましくは2.5%未満であり、さらに好ましくは、2.0%以下であり、さらに好ましくは1.8%以下である。
P:0.03%以下
燐(P)は不純物である。Pは鋼の靱性を低下させる。したがって、P含有量はなるべく低い方が好ましい。そのため、P含有量は0.03%以下に制限する。P含有量は、好ましくは0.03%未満であり、さらに好ましくは0.015%以下であり、さらに好ましくは0.012%以下である。
燐(P)は不純物である。Pは鋼の靱性を低下させる。したがって、P含有量はなるべく低い方が好ましい。そのため、P含有量は0.03%以下に制限する。P含有量は、好ましくは0.03%未満であり、さらに好ましくは0.015%以下であり、さらに好ましくは0.012%以下である。
S:0.006%以下
硫黄(S)は不純物である。Sは、Mnと結合して粗大なMnSを形成し、鋼の靱性及び耐HIC性を低下する。したがって、S含有量はなるべく低い方が好ましい。そのため、S含有量は0.006%以下に制限する。S含有量は、好ましくは0.006%未満であり、さらに好ましくは、0.003%以下であり、さらに好ましくは0.002%以下である。
硫黄(S)は不純物である。Sは、Mnと結合して粗大なMnSを形成し、鋼の靱性及び耐HIC性を低下する。したがって、S含有量はなるべく低い方が好ましい。そのため、S含有量は0.006%以下に制限する。S含有量は、好ましくは0.006%未満であり、さらに好ましくは、0.003%以下であり、さらに好ましくは0.002%以下である。
O:0.004%以下
酸素(O)は、不純物である。Oは粗大な酸化物、又は酸化物のクラスタを形成して鋼の靱性を低下させる。したがって、O含有量はなるべく低い方が好ましい。したがって、O含有量は0.004%以下に制限する。好ましいO含有量は0.003%以下であり、さらに好ましくは0.002%以下である。
酸素(O)は、不純物である。Oは粗大な酸化物、又は酸化物のクラスタを形成して鋼の靱性を低下させる。したがって、O含有量はなるべく低い方が好ましい。したがって、O含有量は0.004%以下に制限する。好ましいO含有量は0.003%以下であり、さらに好ましくは0.002%以下である。
Al:0.01〜0.10%
アルミニウム(Al)は、Nと結合して微細な窒化物を形成し、鋼の靱性を高める。Al含有量が0.01%未満では、上記効果が十分に得られない。一方、Al含有量が0.10%よりも高ければ、Al窒化物が粗大化し、鋼の靱性が低下する。したがって、Al含有量は0.01〜0.10%である。Al含有量は、下限の観点では、好ましくは0.01%よりも高く、さらに好ましくは0.02%以上である。Al含有量は、上限の観点では、好ましくは0.10%未満であり、さらに好ましくは0.08%以下であり、さらに好ましくは0.06%以下である。本明細書におけるAl含有量は、酸可溶Al(いわゆるSol.Al)の含有量を意味する。
アルミニウム(Al)は、Nと結合して微細な窒化物を形成し、鋼の靱性を高める。Al含有量が0.01%未満では、上記効果が十分に得られない。一方、Al含有量が0.10%よりも高ければ、Al窒化物が粗大化し、鋼の靱性が低下する。したがって、Al含有量は0.01〜0.10%である。Al含有量は、下限の観点では、好ましくは0.01%よりも高く、さらに好ましくは0.02%以上である。Al含有量は、上限の観点では、好ましくは0.10%未満であり、さらに好ましくは0.08%以下であり、さらに好ましくは0.06%以下である。本明細書におけるAl含有量は、酸可溶Al(いわゆるSol.Al)の含有量を意味する。
Ti:0.001〜0.010%
チタン(Ti)は、鋼中のNと結合してTiNを形成し、固溶したNによる鋼の靱性の低下を抑制する。さらに、分散析出した微細なTiNは鋼の靱性を高める。Ti含有量が0.001%未満では、上記効果が十分に得られない。一方、Ti含有量が0.010%よりも高くなると、TiNが粗大化したり、粗大なTiCが生成し、鋼の靱性が低下する。したがって、Ti含有量は0.001〜0.010%である。Ti含有量は、下限の観点では、好ましくは0.001%よりも高く、さらに好ましくは0.002%以上である。Ti含有量は、上限の観点では、好ましくは0.010%未満であり、さらに好ましくは0.006%以下であり、さらに好ましくは0.005%以下である。
チタン(Ti)は、鋼中のNと結合してTiNを形成し、固溶したNによる鋼の靱性の低下を抑制する。さらに、分散析出した微細なTiNは鋼の靱性を高める。Ti含有量が0.001%未満では、上記効果が十分に得られない。一方、Ti含有量が0.010%よりも高くなると、TiNが粗大化したり、粗大なTiCが生成し、鋼の靱性が低下する。したがって、Ti含有量は0.001〜0.010%である。Ti含有量は、下限の観点では、好ましくは0.001%よりも高く、さらに好ましくは0.002%以上である。Ti含有量は、上限の観点では、好ましくは0.010%未満であり、さらに好ましくは0.006%以下であり、さらに好ましくは0.005%以下である。
N:0.007%以下
窒素(N)はAlと結合して微細なAl窒化物を形成し、鋼の靱性を高める。しかしながら、N含有量が0.007%よりも高ければ、固溶したNが鋼の靱性を低下させる。N含有量が高すぎればさらに、炭窒化物及び/又は窒化物が粗大化し、鋼の靱性が低下する。したがって、N含有量は0.007%以下である。N含有量は、上限の観点では、好ましくは0.007%未満であり、さらに好ましくは0.006%以下であり、さらに好ましくは0.005%以下である。N含有量は、下限の観点では、好ましくは0.002%以上である。
窒素(N)はAlと結合して微細なAl窒化物を形成し、鋼の靱性を高める。しかしながら、N含有量が0.007%よりも高ければ、固溶したNが鋼の靱性を低下させる。N含有量が高すぎればさらに、炭窒化物及び/又は窒化物が粗大化し、鋼の靱性が低下する。したがって、N含有量は0.007%以下である。N含有量は、上限の観点では、好ましくは0.007%未満であり、さらに好ましくは0.006%以下であり、さらに好ましくは0.005%以下である。N含有量は、下限の観点では、好ましくは0.002%以上である。
Cr:0.05〜1.0%
クロム(Cr)は鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を高める。Crはさらに、鋼の焼戻し軟化抵抗を高める。Cr含有量が0.05%未満では、上記効果が十分に得られない。一方、Cr含有量が1.0%を超えると、鋼の靱性が低下する。したがって、Cr含有量は0.05〜1.0%である。Cr含有量は、下限の観点では、好ましくは0.05%よりも高く、さらに好ましくは0.2%以上である。Cr含有量は、上限の観点では、好ましくは1.0%未満であり、さらに好ましくは0.8%以下である。
クロム(Cr)は鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を高める。Crはさらに、鋼の焼戻し軟化抵抗を高める。Cr含有量が0.05%未満では、上記効果が十分に得られない。一方、Cr含有量が1.0%を超えると、鋼の靱性が低下する。したがって、Cr含有量は0.05〜1.0%である。Cr含有量は、下限の観点では、好ましくは0.05%よりも高く、さらに好ましくは0.2%以上である。Cr含有量は、上限の観点では、好ましくは1.0%未満であり、さらに好ましくは0.8%以下である。
Mo:0.02%以上0.5%未満
モリブデン(Mo)は、変態強化と固溶強化とにより鋼の強度を向上させる。Mo含有量が0.02%未満では、上記効果が十分に得られない。一方、Mo含有量が0.5%以上になると、鋼の靱性が低下する。したがって、Mo含有量は0.02%以上0.5%未満である。Mo含有量は、下限の観点では、好ましくは0.02%よりも高く、さらに好ましくは0.05%以上であり、さらに好ましくは0.1%以上である。Mo含有量は、上限の観点では、好ましくは0.4%以下であり、さらに好ましくは0.3%以下である。
モリブデン(Mo)は、変態強化と固溶強化とにより鋼の強度を向上させる。Mo含有量が0.02%未満では、上記効果が十分に得られない。一方、Mo含有量が0.5%以上になると、鋼の靱性が低下する。したがって、Mo含有量は0.02%以上0.5%未満である。Mo含有量は、下限の観点では、好ましくは0.02%よりも高く、さらに好ましくは0.05%以上であり、さらに好ましくは0.1%以上である。Mo含有量は、上限の観点では、好ましくは0.4%以下であり、さらに好ましくは0.3%以下である。
Ni:0.03〜1.0%
ニッケル(Ni)は、鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を高める。また、Niは焼入れのための加熱段階で、鋼の表面に形成されるスケールの密着性を向上させる作用があり、焼入れの冷却段階で前記スケールが鋼表面の冷却速度を抑制する結果、鋼表層部の硬度の上昇を抑制する作用もある。Ni含有量が0.03%未満であれば、上記効果が十分に得られない。一方、Ni含有量が1.0%よりも高ければ、耐SSC性が低下する。したがって、Ni含有量は0.03〜1.0%である。Ni含有量は、下限の観点では、好ましくは0.05%以上であり、さらに好ましくは0.08%以上であり、さらに好ましくは0.10%以上である。Ni含有量は、上限の観点では、好ましくは1.0%未満であり、さらに好ましくは0.7%以下であり、さらに好ましくは0.5%以下である。
ニッケル(Ni)は、鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を高める。また、Niは焼入れのための加熱段階で、鋼の表面に形成されるスケールの密着性を向上させる作用があり、焼入れの冷却段階で前記スケールが鋼表面の冷却速度を抑制する結果、鋼表層部の硬度の上昇を抑制する作用もある。Ni含有量が0.03%未満であれば、上記効果が十分に得られない。一方、Ni含有量が1.0%よりも高ければ、耐SSC性が低下する。したがって、Ni含有量は0.03〜1.0%である。Ni含有量は、下限の観点では、好ましくは0.05%以上であり、さらに好ましくは0.08%以上であり、さらに好ましくは0.10%以上である。Ni含有量は、上限の観点では、好ましくは1.0%未満であり、さらに好ましくは0.7%以下であり、さらに好ましくは0.5%以下である。
Cu:0.02〜1.0%
銅(Cu)は、鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を高める。また、Cuは焼入れのための加熱段階で、鋼の表面に形成されるスケールの密着性を向上させる作用があり、焼入れの冷却段階で前記スケールが鋼表面の冷却速度を抑制する結果、鋼表層部の硬度の上昇を抑制する作用もある。Cu含有量が0.02%未満であれば、上記効果が十分に得られない。一方、Cu含有量が1.0%よりも高ければ、鋼の溶接性が低下する。Cu含有量が高すぎればさらに、高温における鋼の粒界強度が低下し、鋼の熱間加工性が低下する。したがって、Cu含有量は0.02〜1.0%である。Cu含有量は、下限の観点では、好ましくは0.05%以上であり、さらに好ましくは0.08%以上であり、さらに好ましくは0.10%以上である。Cu含有量は、上限の観点では、好ましくは1.0%未満であり、さらに好ましくは0.7%以下であり、さらに好ましくは0.5%以下である。
銅(Cu)は、鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を高める。また、Cuは焼入れのための加熱段階で、鋼の表面に形成されるスケールの密着性を向上させる作用があり、焼入れの冷却段階で前記スケールが鋼表面の冷却速度を抑制する結果、鋼表層部の硬度の上昇を抑制する作用もある。Cu含有量が0.02%未満であれば、上記効果が十分に得られない。一方、Cu含有量が1.0%よりも高ければ、鋼の溶接性が低下する。Cu含有量が高すぎればさらに、高温における鋼の粒界強度が低下し、鋼の熱間加工性が低下する。したがって、Cu含有量は0.02〜1.0%である。Cu含有量は、下限の観点では、好ましくは0.05%以上であり、さらに好ましくは0.08%以上であり、さらに好ましくは0.10%以上である。Cu含有量は、上限の観点では、好ましくは1.0%未満であり、さらに好ましくは0.7%以下であり、さらに好ましくは0.5%以下である。
V:0.020〜0.20%
バナジウム(V)は、鋼中のCと結合してV炭化物を形成し、鋼の強度を高める。Vはさらに、Mo炭化物中に固溶して炭化物を形成する。Vを含むことにより、炭化物は粗大化しにくくなる。V含有量が0.020%未満では、上記効果が有効に得られない。一方、V含有量が0.20%よりも高ければ、炭化物が粗大化する。したがって、V含有量は0.020〜0.20%である。V含有量は、下限の観点では、好ましくは0.020%よりも高く、さらに好ましくは0.04%以上である。V含有量は、上限の観点では、好ましくは0.16%未満である。
バナジウム(V)は、鋼中のCと結合してV炭化物を形成し、鋼の強度を高める。Vはさらに、Mo炭化物中に固溶して炭化物を形成する。Vを含むことにより、炭化物は粗大化しにくくなる。V含有量が0.020%未満では、上記効果が有効に得られない。一方、V含有量が0.20%よりも高ければ、炭化物が粗大化する。したがって、V含有量は0.020〜0.20%である。V含有量は、下限の観点では、好ましくは0.020%よりも高く、さらに好ましくは0.04%以上である。V含有量は、上限の観点では、好ましくは0.16%未満である。
Ca:0.0005〜0.005%
カルシウム(Ca)は、鋼中のSと結合してCaSを形成する。CaSの形成により、MnSの形成が抑制される。そのため、Caは、鋼の靱性及び耐HIC性を高める。Ca含有量が0.0005%未満では、上記効果が十分に得られない。一方、Ca含有量が0.005%よりも高ければ、鋼の清浄度が低下し、鋼の靱性及び耐HIC性が低下する。したがって、Ca含有量は0.0005〜0.005%である。Ca含有量は、下限の観点では、好ましくは0.0005%よりも高く、さらに好ましくは0.0008%以上であり、さらに好ましくは0.001%以上である。Ca含有量は、上限の観点では、好ましくは0.005%未満であり、さらに好ましくは0.003%以下であり、さらに好ましくは0.002%以下である。
カルシウム(Ca)は、鋼中のSと結合してCaSを形成する。CaSの形成により、MnSの形成が抑制される。そのため、Caは、鋼の靱性及び耐HIC性を高める。Ca含有量が0.0005%未満では、上記効果が十分に得られない。一方、Ca含有量が0.005%よりも高ければ、鋼の清浄度が低下し、鋼の靱性及び耐HIC性が低下する。したがって、Ca含有量は0.0005〜0.005%である。Ca含有量は、下限の観点では、好ましくは0.0005%よりも高く、さらに好ましくは0.0008%以上であり、さらに好ましくは0.001%以上である。Ca含有量は、上限の観点では、好ましくは0.005%未満であり、さらに好ましくは0.003%以下であり、さらに好ましくは0.002%以下である。
本実施形態による継目無鋼管の化学組成の残部はFe及び不純物である。ここでいう不純物は、鋼の原料として利用される鉱石やスクラップ、あるいは製造過程の環境等から混入される元素をいう。
本実施形態による継目無鋼管の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Nbを含有しても良い。
Nb:0〜0.05%
ニオブ(Nb)は選択元素である。Nbは、鋼中のC及び/又はNと結合して微細なNb炭化物を形成し、鋼の靱性を高める。Nbはさらに、Mo炭化物中に固溶して特定炭化物を形成し、特定炭化物の粗大化を抑制する。一方、Nb含有量が0.05%よりも高ければ、炭化物及び/又は炭窒化物が粗大化する。したがって、Nb含有量は0〜0.05%である。Nb含有量が0.010%以上であれば、上記効果が顕著に得られる。Nb含有量は、下限の観点では、好ましくは0.015%以上であり、さらに好ましくは0.020%以上である。Nb含有量は、上限の観点では、好ましくは0.040%以下であり、さらに好ましくは0.035%以下である。
ニオブ(Nb)は選択元素である。Nbは、鋼中のC及び/又はNと結合して微細なNb炭化物を形成し、鋼の靱性を高める。Nbはさらに、Mo炭化物中に固溶して特定炭化物を形成し、特定炭化物の粗大化を抑制する。一方、Nb含有量が0.05%よりも高ければ、炭化物及び/又は炭窒化物が粗大化する。したがって、Nb含有量は0〜0.05%である。Nb含有量が0.010%以上であれば、上記効果が顕著に得られる。Nb含有量は、下限の観点では、好ましくは0.015%以上であり、さらに好ましくは0.020%以上である。Nb含有量は、上限の観点では、好ましくは0.040%以下であり、さらに好ましくは0.035%以下である。
[炭素当量Ceq]
本実施形態による継目無鋼管は、式(1)で定義される炭素当量Ceqが0.430%以上0.500%未満である。
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 (1)
式(1)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
本実施形態による継目無鋼管は、式(1)で定義される炭素当量Ceqが0.430%以上0.500%未満である。
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 (1)
式(1)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
炭素当量Ceqが0.430%未満では、継目無鋼管の強度の確保が困難になる。一方、炭素当量Ceqが0.500以上では、熱間製管後の焼入れを直接焼入れ又はインライン焼入れの1回のみとする製造プロセスでは、表層のビッカース硬さを250Hv以下にすることが困難になる。
[組織]
本実施形態による継目無鋼管の組織は、表層から肉中まで、焼戻しマルテンサイト又は焼戻しベイナイトを主相とする。本実施形態による継目無鋼管は、少なくとも表面から1mm以上深い領域には再結晶化したフェライトを含まない。再結晶化したフェライトは、継目無鋼管の表層から1mmの位置の硬さを極端に低下させる。
本実施形態による継目無鋼管の組織は、表層から肉中まで、焼戻しマルテンサイト又は焼戻しベイナイトを主相とする。本実施形態による継目無鋼管は、少なくとも表面から1mm以上深い領域には再結晶化したフェライトを含まない。再結晶化したフェライトは、継目無鋼管の表層から1mmの位置の硬さを極端に低下させる。
なお、焼戻しマルテンサイト又は焼戻しベイナイトを主相とするとは、一般に、焼戻しマルテンサイトの体積率が50%以上の組織、焼戻しベイナイトの体積率が50%以上の組織、又は焼戻しマルテンサイトの体積率と焼戻しベイナイトの体積率の和が50%以上の組織を意味する。換言すれば、焼戻しマルテンサイトでもなく焼戻しベイナイトでもない組織(例えば、フェライト)の体積率が50%未満の組織を意味する。
[結晶粒度番号]
本実施形態による継目無鋼管の組織は、旧オーステナイト粒の大きさが、ASTM E112−10に規定される結晶粒度番号で6.0未満である。
本実施形態による継目無鋼管の組織は、旧オーステナイト粒の大きさが、ASTM E112−10に規定される結晶粒度番号で6.0未満である。
旧オーステナイト粒径は、鋼管の長さ方向(製管方向)に垂直な断面が被検面になるように、好ましくは、焼入れ後、焼戻し前の各鋼管から試験片を切り出して樹脂に埋め込み、ピクリン酸飽和水溶液で腐食するBechet-Beaujard法によって旧オーステナイト粒界を現出させることで、ASTM E112−10に準じて旧オーステナイト粒度番号を測定できる。
なお、焼戻し後の鋼管に対しては、電子線後方散乱回折法(EBSD)等の方法を用いて、結晶の方位関係から旧オーステナイト結晶粒のASTM粒度番号を求めることもできる。この場合は、焼戻し後の鋼管の金属組織をEBSDによって、次のように測定する。焼戻し後の継目無鋼管の横断面(継目無鋼管の軸方向と垂直な断面)の肉厚中央位置からサンプルを採取する。採取したサンプルを用いて500×500μm2の観察範囲でEBSDによって結晶方位解析を行い、Misorientation Angleが15〜51°の範囲にある粒同士の境界を旧オーステナイト粒界と定義して、線描画させ、その描画図を元に、ASTM E112−10に準拠して結晶粒度番号を求める。
理論的に焼入れ後焼戻し前の旧オーステナイト粒径と焼戻し後の旧オーステナイト粒径は同一である。焼戻し後のEBSD法により求めた旧オーステナイト粒径は、ほぼ粒度番号として±0.2程度の誤差で、焼入れ後焼戻し前にBechet−Beaujard法により現出させた結晶粒を観測した結果と一致する。それ故、本発明の「旧オーステナイト粒の大きさが、ASTM E112−10に規定される結晶粒度番号で6.0未満である。」とは、焼入れ後の結晶粒度が不明な場合においては、少なくとも、焼戻し後の状態でEBSD法によって求めた結晶粒度番号が5.8未満の場合は本発明の範囲であることを意味する。以下、特段の断りがない限り、旧オーステナイト粒径は焼入れ後焼戻し前の試料に関してBechet−Beaujard法で観察された数値を前提に記述する。
旧オーステナイト粒が結晶粒度番号で6.0以上の細粒になると、本実施形態のように炭素当量Ceqが低い材料では、十分な焼入れ性が得られない。そのため、所定の強度が得られない場合がある。また、熱間製管後の焼入れを直接焼入れ又はインライン焼入れの1回のみとする製造プロセスでは、このような細粒の組織にすることは困難である。旧オーステナイト粒の結晶粒度番号は、好ましくは5.5以下であり、さらに好ましくは5.0以下である。
[ビッカース硬さ及び降伏強度]
本実施形態による継目無鋼管は、内面から1mmの位置と外面から1mmの位置との間において、ビッカース硬さが250Hv以下である。より詳しくは、本実施形態による継目無鋼管は、内面から1mmの位置と外面から1mmの位置との間の任意の位置において、JIS Z 2244に準拠して測定されるビッカース硬さが250Hv以下である。
本実施形態による継目無鋼管は、内面から1mmの位置と外面から1mmの位置との間において、ビッカース硬さが250Hv以下である。より詳しくは、本実施形態による継目無鋼管は、内面から1mmの位置と外面から1mmの位置との間の任意の位置において、JIS Z 2244に準拠して測定されるビッカース硬さが250Hv以下である。
本発明による継目無鋼管は、肉厚方向の硬さの差が小さい。具体的には、内面から1mmの位置と肉厚中央位置との間におけるビッカース硬さの差、外面から1mmの位置と肉厚中央位置との間におけるビッカース硬さの差、及び内面から1mmの位置と外面から1mmの位置と間におけるビッカース硬さの差が、いずれも25Hv以下である。
本実施形態による継目無鋼管は、API規格に規定されるX80級以上(555MPa以上)の降伏強度を有する。
本実施形態による継目無鋼管は、これに限定されないが、肉厚が25〜55mmの継目無鋼管として好適に用いることができる。継目無鋼管の肉厚は、合金合理化の観点から、25〜40mmであることがより好ましい。
[製造方法]
以下、本実施形態による継目無鋼管の製造方法の一例を説明する。ただし、本実施形態による継目無鋼管の製造方法は、これに限定されない。
以下、本実施形態による継目無鋼管の製造方法の一例を説明する。ただし、本実施形態による継目無鋼管の製造方法は、これに限定されない。
[製造ライン]
図1は、製造ラインの一例を示すブロック図である。図1を参照して、製造ラインは、加熱炉1と、穿孔機2と、延伸圧延機3と、定径圧延機4と、補熱炉5と、水冷装置6と、焼戻し装置7とを備える。各装置間には、複数の搬送ローラ10が配置される。
図1は、製造ラインの一例を示すブロック図である。図1を参照して、製造ラインは、加熱炉1と、穿孔機2と、延伸圧延機3と、定径圧延機4と、補熱炉5と、水冷装置6と、焼戻し装置7とを備える。各装置間には、複数の搬送ローラ10が配置される。
[製造フロー]
図2は、本実施形態による継目無鋼管の製造工程を示すフロー図である。図3は、製造中のワークピース(鋼素材、素管及び継目無鋼管)の時間に対する表面温度の変化を示す図である。ここで、図中A1は、ワークピースが加熱される場合にはAc1点を示し、ワークピースが冷却される場合にはAr1点を示す。また、図中A3は、ワークピースが加熱される場合にはAc3点を示し、ワークピースが冷却される場合にはAr3点を示す。
図2は、本実施形態による継目無鋼管の製造工程を示すフロー図である。図3は、製造中のワークピース(鋼素材、素管及び継目無鋼管)の時間に対する表面温度の変化を示す図である。ここで、図中A1は、ワークピースが加熱される場合にはAc1点を示し、ワークピースが冷却される場合にはAr1点を示す。また、図中A3は、ワークピースが加熱される場合にはAc3点を示し、ワークピースが冷却される場合にはAr3点を示す。
図1〜図3に示すように、製造工程ではまず、鋼素材を加熱炉1で加熱する(加熱工程:S1)。鋼素材は例えば、丸ビレットである。鋼素材は、ラウンドCC等の連続鋳造装置によって製造されても良い。また、鋼素材は、インゴット又はスラブを熱間加工(鍛造又は分塊圧延等)して製造されても良い。以下では、鋼素材が丸ビレットである場合について説明する。
加熱された丸ビレットを熱間加工して継目無鋼管にする(S2及びS3)。具体的には、丸ビレットを穿孔機2によって穿孔圧延して素管にする(穿孔圧延工程:S2)。さらに、素管を延伸圧延機3及び定径圧延機4で圧延し、継目無鋼管にする(延伸圧延工程及び定形圧延工程S3)。
熱間加工によって製造された継目無鋼管を、必要に応じて、補熱炉5によって所定の温度に加熱する(補熱工程:S4)。熱間加工によって製造された継目無鋼管、又は加熱された継目無鋼管を、水冷装置6によって焼入れする(焼入れ工程:S5)。いずれの場合も、熱間加工によって製造された継目無鋼管は、Ar3点以下まで冷却されることなく焼入れされる。焼入れされた継目無鋼管を、焼戻し装置7によって焼戻しする(焼戻し工程S6)。
すなわち、上記の製造方法では、継目無鋼管を製管後、速やかに焼入れを実施する。より具体的には、熱間加工後、継目無鋼管の温度が放冷によって室温付近まで低下する前に、焼入れを実施する。ここで、熱間加工後の継目無鋼管をその表面温度がAr3点未満になる前に急冷する熱処理を「直接焼入れ」と呼び、熱間加工後の継目無鋼管をAc3点以上の温度で補熱してから急冷する熱処理を「インライン焼入れ」と呼ぶ。直接焼入れ又はインライン焼入れによれば、製管後に一旦冷却し、その後に急冷する熱処理(以下、再加熱焼入れと呼ぶ。)と比較して、組織が粗粒になる。具体的には、焼入れ後の結晶粒度番号が6.0未満になる。そのため、再加熱焼入れの場合と比較して組織の焼入れ性が向上し、炭素当量Ceqが低い鋼材を用いた場合でも、高強度を確保することができる。
以下、それぞれの工程について詳しく説明する。
[加熱工程(S1)]
丸ビレットを加熱炉1で加熱する。好ましい加熱温度は1100℃〜1300℃である。この温度範囲で丸ビレットを加熱すれば、鋼中の炭窒化物が溶解する。スラブ又はインゴットから熱間加工によって丸ビレットを製造する場合、スラブ又はインゴットの加熱温度が1100〜1300℃であれば良く、加熱炉1における丸ビレットの加熱温度は1100〜1300℃でなくても良い。インゴット及びスラブが加熱されるときに、鋼中の炭窒化物が溶解するからである。加熱炉1は例えば、ウォーキングビーム炉又はロータリー炉である。
丸ビレットを加熱炉1で加熱する。好ましい加熱温度は1100℃〜1300℃である。この温度範囲で丸ビレットを加熱すれば、鋼中の炭窒化物が溶解する。スラブ又はインゴットから熱間加工によって丸ビレットを製造する場合、スラブ又はインゴットの加熱温度が1100〜1300℃であれば良く、加熱炉1における丸ビレットの加熱温度は1100〜1300℃でなくても良い。インゴット及びスラブが加熱されるときに、鋼中の炭窒化物が溶解するからである。加熱炉1は例えば、ウォーキングビーム炉又はロータリー炉である。
[穿孔工程(S2)]
丸ビレットを加熱炉1から取出し、加熱された丸ビレットを穿孔機2によって穿孔圧延し、素管とする。穿孔機2は複数の傾斜ロールと、プラグとを備える。プラグは、傾斜ロールの間に配置される。好ましくは、穿孔機2は、交叉型の穿孔機である。交叉型の穿孔機を用いると、高い拡管率で穿孔できるので好ましい。
丸ビレットを加熱炉1から取出し、加熱された丸ビレットを穿孔機2によって穿孔圧延し、素管とする。穿孔機2は複数の傾斜ロールと、プラグとを備える。プラグは、傾斜ロールの間に配置される。好ましくは、穿孔機2は、交叉型の穿孔機である。交叉型の穿孔機を用いると、高い拡管率で穿孔できるので好ましい。
[延伸圧延工程及び定径圧延工程(S3)]
次に、素管を圧延する。具体的には、素管を延伸圧延機3により延伸圧延する。延伸圧延機3は直列に配列された複数のロールスタンドを含む。延伸圧延機3は例えば、マンドレルミルである。続いて、延伸圧延された素管を、定径圧延機4によって絞り圧延して、継目無鋼管を製造する。定径圧延機4は、直接に配列された複数のロールスタンドを含む。定径圧延機4は例えば、サイザ、ストレッチレデューサ等である。なお、延伸圧延工程及び定形圧延工程をまとめて、単に圧延工程という場合がある。
次に、素管を圧延する。具体的には、素管を延伸圧延機3により延伸圧延する。延伸圧延機3は直列に配列された複数のロールスタンドを含む。延伸圧延機3は例えば、マンドレルミルである。続いて、延伸圧延された素管を、定径圧延機4によって絞り圧延して、継目無鋼管を製造する。定径圧延機4は、直接に配列された複数のロールスタンドを含む。定径圧延機4は例えば、サイザ、ストレッチレデューサ等である。なお、延伸圧延工程及び定形圧延工程をまとめて、単に圧延工程という場合がある。
[補熱工程(S4)]
補熱工程(S4)は、必要に応じて実施される。つまり、本実施形態による製造方法は、補熱工程(S4)を含まなくても良い。具体的には、補熱工程(S4)は、焼入れ工程(S5)の水冷直前において、継目無鋼管の温度がAc3点以上の所定の温度になるように実施される。補熱工程(S4)を実施しない場合、図2において、ステップS3からステップS5に進む。補熱工程(S4)を実施しない場合、図1において、補熱炉5は配置されなくてもよい。
補熱工程(S4)は、必要に応じて実施される。つまり、本実施形態による製造方法は、補熱工程(S4)を含まなくても良い。具体的には、補熱工程(S4)は、焼入れ工程(S5)の水冷直前において、継目無鋼管の温度がAc3点以上の所定の温度になるように実施される。補熱工程(S4)を実施しない場合、図2において、ステップS3からステップS5に進む。補熱工程(S4)を実施しない場合、図1において、補熱炉5は配置されなくてもよい。
圧延工程の仕上げ温度(圧延工程終了直後の継目無鋼管の表面温度)が800℃未満の場合、補熱工程(S4)を実施する方が好ましい。補熱工程(S4)では、継目無鋼管を補熱炉5に挿入して加熱する。補熱炉5における好ましい加熱温度は、900〜1100℃である。好ましい均熱時間は30分以下である。均熱時間が長すぎると、Ti、Nb、C及びNからなる炭窒化物(Ti,Nb)(C,N)が析出し、粗大化する可能性があるからである。なお、補熱工程では、補熱炉5に代えて、インダクション加熱装置を用いてもよい。
[焼入れ工程(S5)]
継目無鋼管を水冷装置6により水冷する。水冷直前の継目無鋼管の温度(表面温度)は、Ac3点以上であり、好ましくは800℃以上である。
継目無鋼管を水冷装置6により水冷する。水冷直前の継目無鋼管の温度(表面温度)は、Ac3点以上であり、好ましくは800℃以上である。
水冷は、継目無鋼管の温度が800℃〜500℃の間の冷却速度を、5℃/秒(300℃/分)以上にすることが好ましい。これによって、均一な焼入れ組織が得られる。冷却停止温度は、Ar1点以下にする。好ましい冷却停止温度は450℃以下であり、常温まで冷却しても良い。焼入れ工程(S5)によって、母相(マトリクス)の組織は、マルテンサイト又はベイナイトを主体とする組織になる。
焼入れ工程(S5)に用いられる水冷装置6の構成は、例えば次のとおりである。水冷装置6は、複数の回転ローラと、ラミナー水流装置と、ジェット水流装置とを備える。複数の回転ローラは2列に配置される、継目無鋼管は2列に配列された複数の回転ローラの間に配置される。このとき、2列の回転ローラはそれぞれ、継目無鋼管の外面下部と接触する。回転ローラが回転すると、継目無鋼管が軸周りに回転する。ラミナー水流装置は、回転ローラの上方に配置され、継目無鋼管に対して上方から水を注ぐ。このとき、継目無鋼管に注がれる水は、ラミナー状の水流を形成する。ジェット水流装置は、回転ローラに配置された継目無鋼管の端近傍に配置される。ジェット水流装置は、継目無鋼管の端から鋼管内部に向かってジェット水流を噴射する。ラミナー水流装置及びジェット水流装置により、継目無鋼管の外面及び内面は同時に冷却される。このような水冷装置6の構成は、特に、25mm以上の肉厚を有する厚肉の継目無鋼管の加速冷却に好適である。
水冷装置6は、上述の回転ローラ、ラミナー水流装置及びジェット水流装置以外の他の装置であっても良い。水冷装置6は例えば、水槽であっても良い。この場合、継目無鋼管は水槽内に浸漬され、加速冷却される。水冷装置6はまた、ラミナー水流装置のみであっても良い。要するに、冷却装置6の種類は限定されない。
[焼戻し工程(S6)]
焼入れされた継目無鋼管に対して、焼戻しを実施する。具体的には、焼入れされた継目無鋼管を、Ac1点未満の所定の焼戻し温度まで加熱し、その温度で所定の時間保持する。このとき、下記式(2)で定義されるラーソン−ミラーパラメータPLが18800以上になるようにする。
PL=(T+273)×(20+log(t))…(2)
式(2)において、Tは焼戻し温度(℃)であり、tはその温度での保持時間(単位は時間)である。log(t)は、10を底とするtの対数である。
焼入れされた継目無鋼管に対して、焼戻しを実施する。具体的には、焼入れされた継目無鋼管を、Ac1点未満の所定の焼戻し温度まで加熱し、その温度で所定の時間保持する。このとき、下記式(2)で定義されるラーソン−ミラーパラメータPLが18800以上になるようにする。
PL=(T+273)×(20+log(t))…(2)
式(2)において、Tは焼戻し温度(℃)であり、tはその温度での保持時間(単位は時間)である。log(t)は、10を底とするtの対数である。
PLが18800未満では、表面硬度の低減が不十分であり、ビッカース硬度が250Hvを超える箇所が発生する場合がある。PLは、18900以上であることが好ましい。
一方、PLが高すぎると、表面から1mm以上深い領域でフェライトの再結晶化が発生し、強度の極端な低下や、表層の耐サワー性の低下、ブリスターの発生を引き起こす可能性がある。PLは、20000以下であることが好ましく、19500以下であることがさらに好ましい。
焼戻し温度の下限は、好ましくは600℃であり、さらに好ましくは630℃であり、さらに好ましくは650℃である。焼戻し温度の上限は、好ましくは700℃であり、さらに好ましくはさらに好ましくは680℃である。保持時間の下限は、好ましくは1時間であり、さらに好ましくは2時間であり、さらに好ましくは3時間である。保持時間の上限は、好ましくは6時間であり、さらに好ましくは5時間であり、さらに好ましくは4時間である。
以上の製造工程により、25mm以上の肉厚を有する継目無鋼管であっても、優れた強度、靭性及び耐HIC性能を得ることができる。上述の製造方法は、25mm以上の肉厚を有する継目無鋼管に特に好適であり、40mm以上の肉厚を有する継目無鋼管にも適用可能である。肉厚の上限は特に制限されないが、通常、60mm以下である。
以上、本発明の一実施形態による継目無鋼管、及びその製造方法を説明した。本実施形態によれば、比較的合理的な製造プロセスで製造可能であって、かつ555MPa以上の降伏強度と優れた耐SSC性とを安定して得られる継目無鋼管が得られる。
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明はこれらの実施例に限定されない。
種々の化学組成を有する複数の継目無鋼管を製造し、降伏強度、引張強度、表面硬さ、及び耐サワー性を調査した。
[調査方法]
表1に示す化学組成を有する複数の鋼を溶製し、連続鋳造法により製管用の丸ビレットを製造した。表1の鋼A、C、D1、D2、及びJは、化学組成又はCeqの値が本発明の規定を満足しない鋼である。
表1に示す化学組成を有する複数の鋼を溶製し、連続鋳造法により製管用の丸ビレットを製造した。表1の鋼A、C、D1、D2、及びJは、化学組成又はCeqの値が本発明の規定を満足しない鋼である。
製造された各丸ビレットを加熱炉により1100〜1300℃に加熱した。続いて、各丸ビレットを穿孔機によって穿孔圧延して素管にした。続いて、マンドレルミルによって各素管を延伸圧延した。続いて、サイザによって各素管を絞り圧延(定径圧延)し、表2及び表3に示す外径及び肉厚を有する継目無鋼管を製造した。
定形圧延された継目無鋼管を、補熱炉によって950℃に加熱した後、水冷装置によって、5℃/秒以上の冷却速度で常温まで冷却する焼入れを実施した。
焼入れ後、各継目無鋼管に対して表2及び表3に示す均熱温度及び保持時間で焼戻しを実施した。ただし、No.62については前記焼入れを実施後、焼戻し前に、オフラインで950℃に再加熱して20分間の均熱後、水令する焼入れを行った。
以上の製造工程によって製造された継目無鋼管に対して、以下の評価試験を実施した。
[降伏強度及び引張強度試験]
各番号の継目無鋼管の降伏強度を調査した。具体的には、継目無鋼管からJIS Z 2241に規定された12号試験片(幅25mm、標点距離50mm)を、引張強度試験片の長手方向が鋼管の長手方向(L方向)と平行になるように採取した。採取された試験片を用いて、JIS Z 2241に準拠した引張試験を、常温(25℃)の大気中で実施し、降伏強度(YS)及び引張強度(TS)を求めた。降伏強度は、0.5%全伸び法によって求めた。得られた降伏強度(MPa)及び引張強度(MPa)を表2及び表3に示す。表2及び表3中の「YS」は各試験番号の試験片で得られた降伏強度を示し、「TS」は引張強度を示す。
各番号の継目無鋼管の降伏強度を調査した。具体的には、継目無鋼管からJIS Z 2241に規定された12号試験片(幅25mm、標点距離50mm)を、引張強度試験片の長手方向が鋼管の長手方向(L方向)と平行になるように採取した。採取された試験片を用いて、JIS Z 2241に準拠した引張試験を、常温(25℃)の大気中で実施し、降伏強度(YS)及び引張強度(TS)を求めた。降伏強度は、0.5%全伸び法によって求めた。得られた降伏強度(MPa)及び引張強度(MPa)を表2及び表3に示す。表2及び表3中の「YS」は各試験番号の試験片で得られた降伏強度を示し、「TS」は引張強度を示す。
[表面硬さ試験]
各番号の継目無鋼管について、円周方向90°ごとに計4つの試験片を採取し、各試験片の横断面(中心軸に垂直な断面)において、内面から肉厚方向に1mm内側の任意の3点において、JIS Z 2244に準拠したビッカース硬さ試験を実施した。ビッカース硬さ試験の試験力Fは10kgf(98.07N)であった。得られた12点の値のうちの最大値を、「内面から1mm位置」の硬さとした。
各番号の継目無鋼管について、円周方向90°ごとに計4つの試験片を採取し、各試験片の横断面(中心軸に垂直な断面)において、内面から肉厚方向に1mm内側の任意の3点において、JIS Z 2244に準拠したビッカース硬さ試験を実施した。ビッカース硬さ試験の試験力Fは10kgf(98.07N)であった。得られた12点の値のうちの最大値を、「内面から1mm位置」の硬さとした。
同様に、各試験番号の継目無鋼管の4つの試験片の外面から肉厚方向に1mm内側の任意の3点においてビッカース硬さ試験を実施し、得られた12点の値のうちの最大値を、「外面から1mm位置」の硬さとした。さらに、各試験番号の継目無鋼管の4つの試験片の肉厚中央付近の任意の3点においてビッカース硬さ試験を実施し、得られた12点の値のうちの最大値を、「肉中」の硬さとした。
各試験番号の継目無鋼管の「外面から1mm位置」の硬さ、「内面から1mm位置」の硬さ、及び「肉中」の硬さをそれぞれ、表2及び表3の「外面」、「肉中」、内面」の欄に示す。
「外面から1mm位置」の硬さと「肉中」との硬さの差、「内面から1mm位置」の硬さと「肉中」との硬さの差、及び「外面から1mm位置」の硬さと「内面から1mm位置」の硬さとの差のうち、最も大きい値(以下、「最大硬度差」と呼ぶ)を、表2及び表3の「差」の欄に示す。
[組織観察]
各番号の継目無鋼管から内面、外面、及び肉厚中央位置を含むサンプルを採取し、組織を測定した。具体的には、各サンプルをナイタル腐食液によって腐食してミクロ組織を現出させ、光学顕微鏡によって観察した。
各番号の継目無鋼管から内面、外面、及び肉厚中央位置を含むサンプルを採取し、組織を測定した。具体的には、各サンプルをナイタル腐食液によって腐食してミクロ組織を現出させ、光学顕微鏡によって観察した。
各番号の継目無鋼管は、いずれも、焼戻しマルテンサイト又は焼戻しベイナイトを主相とする組織を有していた。しかし、幾つかの継目無鋼管では、表面から1mm以上深い領域でフェライトの再結晶化が発生していた。表面から1mm以上深い領域でのフェライトの再結晶化の有無を、表2及び表3の「フェライト再結晶化」の欄に示す。
組織の旧オーステナイト粒の結晶粒度番号は、以下の方法で測定した。まず、焼入れまま時点での鋼管の長さ方向(製管方向)に垂直な断面が被検面になるように、各鋼管から試験片を切り出して樹脂に埋め込み、ピクリン酸飽和水溶液で腐食するBechet−Beaujard法によって旧オーステナイト粒界を現出させ、光学顕微鏡(200倍)で観察して、ASTM E112−10に準じて旧オーステナイト粒度番号を測定した。この粒度番号を表2及び表3の「AsQ 旧γ粒度No.」の欄に示す。
さらに、焼戻し後の旧オーステナイト粒の粒度番号は、ピクリン酸飽和水溶液腐食では測定できないため、EBSDを援用することで測定した。EBSDは、焼戻し後の鋼管の長さ方向に垂直な断面が被検面となるように試験片を切り出し、鏡面研磨及び電解研磨にて被検面を仕上げ、鋼管の肉厚中央部の500×500μm2の領域に対して実施した。なお、FE−SEMに搭載されたEBSDの検出器(EDAX社製 型式DigiViewIV)を用いた。得られた結晶方位データから、解析ソフトウェア(EDAX社製 OIM Analysis ver.6)を用いて、Misorientation Angle 15〜51°に相当する結晶粒同士の境界を線で描画させ、線描画図を用いて、ASTM E112−10に準じて旧オーステナイト粒度番号を測定した。この粒度番号を表2及び表3の「QT 旧γ粒度No.」の欄に示す。
[調査結果]
表1〜表3に示すように、番号19〜33、及び52〜60の継目無鋼管は、化学組成が本発明の範囲内であり、炭素当量Ceqが0.430%以上0.500%未満であった。これらの継目無鋼管は、表面から1mm以上深い領域でのフェライトの再結晶化も発生せず、表層から肉中まで、焼戻しマルテンサイト又は焼戻しベイナイトを主相とする組織を有し、旧オーステナイト粒の結晶粒度番号が6.0未満であった。これらの継目無鋼管はさらに、「外面から1mm位置」、「内面から1mm位置」、及び「肉中」のいずれにおいても、ビッカース硬さが250Hv以下であり、555MPa以上の降伏強度を有していた。これらの継目無鋼管は、最大硬度差が25Hv以下であった。
表1〜表3に示すように、番号19〜33、及び52〜60の継目無鋼管は、化学組成が本発明の範囲内であり、炭素当量Ceqが0.430%以上0.500%未満であった。これらの継目無鋼管は、表面から1mm以上深い領域でのフェライトの再結晶化も発生せず、表層から肉中まで、焼戻しマルテンサイト又は焼戻しベイナイトを主相とする組織を有し、旧オーステナイト粒の結晶粒度番号が6.0未満であった。これらの継目無鋼管はさらに、「外面から1mm位置」、「内面から1mm位置」、及び「肉中」のいずれにおいても、ビッカース硬さが250Hv以下であり、555MPa以上の降伏強度を有していた。これらの継目無鋼管は、最大硬度差が25Hv以下であった。
番号1〜17の継目無鋼管は、降伏強度が555MPa未満であった。これは、鋼Aの炭素当量Ceqが低すぎたためと考えられる。
番号18の継目無鋼管は、表面から1mm以上深い領域でフェライトの再結晶化が発生した。そのため、番号18の継目無鋼管は、降伏強度が555MPa未満であった。これは、番号18の継目無鋼管のラーソン−ミラーパラメータPLが高すぎたためと考えられる。
番号34〜42、及び47〜51の継目無鋼管は、「外面から1mm位置」、「内面から1mm位置」、及び「肉中」のいずれかでビッカース硬さが250Hvよりも高かった。また、これらの継目無鋼管は、最大硬度差が25Hvよりも高かった。これは、番号34〜42、及び47〜51の継目無鋼管のラーソン−ミラーパラメータPLが低すぎたためと考えられる。
番号43、44の継目無鋼管は、「内面から1mm位置」のビッカース硬さが250Hvよりも高かった。これは、鋼Cの炭素当量Ceqが高すぎたためと考えられる。
番号45、46の継目無鋼管は、降伏強度が555MPa未満であった。これは、鋼D1及び鋼D2の炭素当量Ceqが低すぎたためと考えられる。
番号61の継目無鋼管は、すべての測定箇所でビッカース硬さが250Hvよりも高かった。これは、鋼Jの炭素当量Ceqが高すぎたためと考えられる。
番号62の継目無鋼管は、降伏強度が555MPa未満であった。これは、インライン焼入れと再加熱焼入れとを併用したため旧オーステナイト粒が細粒になりすぎ、焼入れ性が低くなったことによって強度不足になったものと考えられる。
図4は、鋼Bについて、ラーソン−ミラーパラメータPLと降伏強度YSとの関係をプロットした散布図である。図4に示すように、降伏強度YSは、ラーソン−ミラーパラメータPLが大きくなるにつれて低くなる傾向を示した。鋼Bでは、フェライトの再結晶化が進んだ番号18の継目無鋼管を除いて、555MPa以上の降伏強度が得られた。
図5は、鋼Aについて、ラーソン−ミラーパラメータPLと降伏強度YSとの関係をプロットした散布図である。鋼Aでは、焼入れ条件を調整しても、555MPa以上の降伏強度を得られなかった。これは、鋼Aの炭素当量Ceqが低すぎたためと考えられる。
図6は、鋼Bについて、ラーソン−ミラーパラメータPLと、外面、肉中、及び内面の硬さとの関係をプロットした散布図である。図6に示すように、外面、肉中、及び内面の硬さはいずれも、ラーソン−ミラーパラメータPLが大きくなるにつれて低くなる傾向を示した。図6に示すように、ラーソン−ミラーパラメータPLが18800以上では、外面、肉中、及び内面の硬さをいずれも250Hv以下にすることができた。一方、ラーソン−ミラーパラメータPLが18800未満では、外面、肉中、及び内面の硬のいずれかが250Hvよりも高くなった。
図7は、鋼Aについて、ラーソン−ミラーパラメータPLと、外面、肉中、及び内面の硬さとの関係をプロットした散布図である。鋼Aの場合も、鋼Bの場合と同様に、外面、肉中、及び内面の硬さはいずれも、ラーソン−ミラーパラメータPLが大きくなるにつれて低くなる傾向を示した。
図8は、鋼Bについて、ラーソン−ミラーパラメータPLと最大硬度差との関係をプロットした散布図である。図8に示すように、ラーソン−ミラーパラメータPLが18800以上では、最大硬度差が25Hv以下になった。なお、番号18の継目無鋼管は、表面から1mm以上深い領域でフェライトの再結晶化が進んだため、最大硬度差が大きくなったと考えられる。
図9は、鋼Aについて、ラーソン−ミラーパラメータPLと最大硬度差との関係をプロットした散布図である。図9に示すように、ラーソン−ミラーパラメータPLと最大硬度差との関係については、鋼Aにおいても同様の傾向を示した。番号3の継目無鋼管は、表面から1mm以上深い領域でフェライトの再結晶化が進んだため、最大硬度差が大きくなったと考えられる。
[耐サワー性評価]
各番号の継目無鋼管の幾つかについて、下記の耐サワー性評価(耐HIC性試験、4点曲げ試験)を実施した。
各番号の継目無鋼管の幾つかについて、下記の耐サワー性評価(耐HIC性試験、4点曲げ試験)を実施した。
[耐HIC性試験]
各継目無鋼管から、内面を含む試験片、肉厚中央を含む試験片、外面を含む試験片をそれぞれ採取した。各試験片の厚さは20mmであり、幅(円周方向)は20mmであり、長さは100mmであった。NACE(National Association of Corrosion Engineers)TM0284−2011に従って、各試験片の耐HIC性を評価した。試験片を浸漬する試験浴は、1atmの硫化水素ガスを飽和させた温度24℃の5%食塩+0.5%酢酸水溶液であった。
各継目無鋼管から、内面を含む試験片、肉厚中央を含む試験片、外面を含む試験片をそれぞれ採取した。各試験片の厚さは20mmであり、幅(円周方向)は20mmであり、長さは100mmであった。NACE(National Association of Corrosion Engineers)TM0284−2011に従って、各試験片の耐HIC性を評価した。試験片を浸漬する試験浴は、1atmの硫化水素ガスを飽和させた温度24℃の5%食塩+0.5%酢酸水溶液であった。
浸漬してから96時間経過後、試験後の試験片に対して超音波探傷(UT)を実施して最大割れ箇所を特定し、その部位を切断した。このときの断面は、試験片の肉厚×幅(円周方向)の断面であった。切断された試験片を用いて、割れ長さ率CLR(=割れ長さ(mm)/試験片の幅(mm))を求めた。各鋼管から採取された各試験片でのCLRの内、最も大きな値を、その試験番号の割れ長さ率CLRと定義した。
さらに、試験後の試験片のブリスター(表面近傍の割れによるふくれ)の有無を確認し、試験片に発生したブリスターの個数をカウントした。各鋼管から採取された各試験片でのブリスター個数の内、最も大きい値を、その試験番号のブリスター個数と定義した。
[4点曲げ試験]
各継目無鋼管の肉厚中央を含む試験片に、4点曲げ治具を用いて、ASTM G39に準拠して、実降伏強度(各番号の継目無鋼管の降伏強度)の95%の応力を負荷した。応力が負荷された試験片を試験槽に配置した。試験浴は、1atmの硫化水素ガスを飽和させた温度24℃の5%食塩+0.5%酢酸水溶液であった。720時間経過した後、試験片に割れが発生しているか否かを目視観察した。割れが発生していなかった場合、その板材は耐SSC性に優れると評価した。
各継目無鋼管の肉厚中央を含む試験片に、4点曲げ治具を用いて、ASTM G39に準拠して、実降伏強度(各番号の継目無鋼管の降伏強度)の95%の応力を負荷した。応力が負荷された試験片を試験槽に配置した。試験浴は、1atmの硫化水素ガスを飽和させた温度24℃の5%食塩+0.5%酢酸水溶液であった。720時間経過した後、試験片に割れが発生しているか否かを目視観察した。割れが発生していなかった場合、その板材は耐SSC性に優れると評価した。
表4において、「耐HIC性試験」及び「4点曲げ試験」の欄における「○」は、当該試験で割れが発生しなかったことを示す。「耐HIC性試験」及び「4点曲げ試験」の欄における「‐」は、当該試験を実施しなかったことを示す。
表4に示すように、降伏強度が555MPa以上であり、かつ「外面から1mm位置」、「内面から1mm位置」、及び「肉中」のいずれにおいてもビッカース硬さが250Hv以下である継目無鋼管は、耐HIC性試験、4点曲げ試験のいずれにおいても割れが発生せず、良好な耐サワー性が安定して得られた。一方、「外面から1mm位置」、「内面から1mm位置」、及び「肉中」のいずれかにおいてビッカース硬さが250Hvよりも高い継目無鋼管は、耐サワー性が不芳であった。この結果から、ビッカース硬さと耐サワー性との関係が裏付けられた。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。
Claims (4)
- 化学組成が、質量%で、
C :0.02〜0.15%、
Si:0.05〜0.5%、
Mn:0.30〜2.5%、
P :0.03%以下、
S :0.006%以下、
O :0.004%以下、
Al:0.01〜0.10%、
Ti:0.001〜0.010%、
N :0.007%以下、
Cr:0.05〜1.0%、
Mo:0.02%以上0.5%未満、
Ni:0.03〜1.0%、
Cu:0.02〜1.0%、
V :0.020〜0.20%、
Ca:0.0005〜0.005%、
Nb:0〜0.05%、
残部:Fe及び不純物であり、
下記式(1)で定義される炭素当量Ceqが0.430%以上0.500%未満であり、
組織が、表層から肉中まで、焼戻しマルテンサイト又は焼戻しベイナイトを主相とし、
前記組織の旧オーステナイト粒の大きさが、ASTM E112−10に準拠した結晶粒度番号で6.0未満であり、
内面から1mmの位置と外面から1mmの位置との間において、ビッカース硬さが250Hv以下であり、
降伏強度が555MPa以上である、継目無鋼管。
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15…(1)
前記式(1)中の元素記号には、質量%で、対応する元素の含有量が代入される。 - 請求項1に記載の継目無鋼管であって、
前記化学組成が、質量%で、
Nb:0.010〜0.05%、
を含有する、継目無鋼管。 - 請求項1又は2に記載の継目無鋼管であって、
内面から1mmの位置と肉厚中央位置との間におけるビッカース硬さの差、外面から1mmの位置と肉厚中央位置との間におけるビッカース硬さの差、及び内面から1mmの位置と外面から1mmの位置と間におけるビッカース硬さの差が、いずれも25Hv以下である、継目無鋼管。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の継目無鋼管を製造する方法であって、
素材を熱間加工して素管を製造する工程と、
前記素管を直接焼入れ又はインライン焼入れによって焼入れする工程と、
前記焼入れされた素管を焼戻しする工程とを備え、
前記焼入れと焼戻しの間において、再加熱焼入れを実施せず、
下記式(4)で定義されるラーソン−ミラーパラメータPLが18800以上である、継目無鋼管の製造方法。
PL=(T+273)×(20+log(t))…(4)
前記式(4)において、Tは焼戻し温度であり、tはその温度での保持時間である。Tの単位は℃であり、tの単位は時間である。
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