JP6256654B2 - 構造管用厚肉鋼板、構造管用厚肉鋼板の製造方法、および構造管 - Google Patents
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Description
本発明は、構造管用厚肉鋼板に関するものであり、特に、本発明は、ＡＰＩ Ｘ８０グレード以上の強度を有するとともに、板厚３８ｍｍ以上においても板厚中心部のシャルピー特性に優れ、さらに高い材質均一性を兼ね備えた構造管用厚肉鋼板に関するものである。
また、本発明は、上記構造管用厚肉鋼板の製造方法、および上記構造管用厚肉鋼板を用いて製造される構造管に関するものである。
また、本発明は、上記構造管用厚肉鋼板の製造方法、および上記構造管用厚肉鋼板を用いて製造される構造管に関するものである。
海底資源掘削船等による石油やガスの掘削においては、コンダクターケーシング鋼管やライザー鋼管等の構造管が使用される。これらの用途では、近年、圧力上昇による操業効率向上や素材コスト削減の観点から、ＡＰＩ（アメリカ石油協会） Ｘ８０グレード以上の高強度厚肉鋼管に対する要求が高まっている。
また、上述のような構造管は、合金元素量が非常に多い鍛造品（例えばコネクタ等）を円周溶接して用いられることが多い。溶接を行った場合には、溶接に起因する鍛造品の残留応力除去を目的としてＰＷＨＴ（Ｐｏｓｔ Ｗｅｌｄ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ、溶接後熱処理）が施されるが、熱処理によって強度等の機械的特性の低下が懸念される。そのため、構造管には、ＰＷＨＴ後においても優れた機械的特性、特に掘削時の海底での外圧による破壊防止のため、管の長手方向、すなわち圧延方向に高い強度を維持していることが要求される。
そこで、例えば特許文献１では、０．３０〜１．００％のＣｒ、０．００５〜０．００３０％のＴｉ、および０．０６０％以下のＮｂを添加した鋼を熱間圧延した後、加速冷却することによって、ＰＷＨＴの一種である応力除去（Ｓｔｒｅｓｓ Ｒｅｌｉｅｆ、ＳＲ）焼鈍を６００℃以上の高温で行った後においても優れた強度を維持することができる高強度ライザー鋼管用鋼板を製造することが提案されている。
また、特許文献２では、溶接鋼管において、母材部と溶接金属の成分組成をそれぞれ特定の範囲とするとともに、両者の降伏強度を５５１ＭＰａ以上としたものが提案されている。特許文献２には、前記溶接鋼管が、溶接部におけるＳＲ前後の靭性に優れることが記載されている。
特許文献３では、特定範囲の化学成分を有する鋼を熱間圧延した後、加速冷却を２段階で実施することにより、鋼板内の材質均一性に優れ、かつ、耐ＨＩＣ特性や伸び特性に優れる、ラインパイプ用鋼板及びその製造方法が開示されている。
しかし、特許文献１に記載の鋼板では、ＰＷＨＴ時にＣｒ炭化物を析出させることによってＰＷＨＴによる強度低下を補っているため、多量のＣｒを添加する必要がある。そのため、素材コストが高いことに加えて、溶接性や靭性の低下が懸念される。
また、特許文献２に記載の鋼管は、シーム溶接金属の特性改善を主眼においており、母材に対しては特段の配慮がなされておらず、ＰＷＨＴによる母材強度の低下が避けられない。母材強度を確保するには、制御圧延や加速冷却によってＰＷＨＴ前の強度を高めておく必要がある。
しかし、強度を向上させるために高い冷却速度で加速冷却を行った場合、鋼板全体を均一に冷却することが困難であるため、結果的に鋼板の材質均一性が低下するという問題がある。すなわち、加速冷却の際に鋼板表層部が急冷されるため、鋼板内部に比べて表層部の硬さが高くなり、板厚方向における硬さのばらつきが大きくなる。この板厚方向における硬さのばらつきは、特に板厚が大きい場合に顕著となる。また、冷却時の冷却温度ムラなどのため、板幅方向においても硬さのばらつきが生じる場合がある。板厚方向や板幅方向における硬さのばらつきが大きいと、鋼板の強度や伸び、成形性等の各種特性に悪影響があるため、厚肉鋼板において、強度の高さと硬さのばらつきの小ささ（材質均一性）を両立させることのできる技術が求められている。
特許文献３には、板厚方向および板幅方向の硬さバラつきを小さくする方法が開示されているが、実施例における板厚は、高々３８ｍｍまでである。ところで、鋼板を冷却する場合には、通常、板厚が大きくなると板厚中心部の冷却速度が熱伝導で律速される値に近づくため、鋼板が厚いほど板厚中心部の冷却速度を十分に大きくすることが困難になり、強度や靭性に悪影響を及ぼすおそれがある。したがって、板厚３８ｍｍまでの実施例しか示されていない特許文献３の技術を、さらに厚肉の鋼板製造にも適用できるかどうかは不明である。さらに、特許文献３の記載の技術は、機械特性のほかに耐ＨＩＣ特性に優れることを特徴とするが、本発明が対象とする構造管用途で要求されるＰＷＨＴ後の強度については言及がなく、構造管の分野で特許文献３に記載の技術が適用できるかどうかも不明である。
本発明は、上記の実情に鑑み開発されたもので、ＡＰＩ Ｘ８０グレード以上、板厚３８ｍｍ以上の高強度鋼板であって、多量の合金元素の添加なしで、圧延方向における強度と板厚中心部のシャルピー特性に優れ、さらに高い材質均一性を兼ね備えた構造管用厚肉鋼板を提供することを目的とする。
また、本発明は、上記構造管用厚肉鋼板の製造方法、および上記構造管用厚肉鋼板を用いて製造された構造管を提供することを目的とする。
また、本発明は、上記構造管用厚肉鋼板の製造方法、および上記構造管用厚肉鋼板を用いて製造された構造管を提供することを目的とする。
本発明者らは、板厚３８ｍｍ以上の厚肉鋼板において、引張強さや靭性といった機械的特性と材質均一性とを両立させるために、圧延条件が鋼板のミクロ組織に及ぼす影響について詳細な検討を行った。一般に溶接鋼管用の鋼板や溶接構造用の鋼板は溶接性の観点から化学成分が厳しく制限されるため、Ｘ６５グレード以上の高強度鋼板は熱間圧延後に加速冷却して製造されている。そのため、鋼板のミクロ組織はベイナイト主体か、ベイナイト中に島状マルテンサイト（Martensite-Austenite constituent、略してＭＡとも称す）を含んだ組織となるが、板厚が増加するほど、板厚中心部のシャルピー特性の低下は避けられない。そこで、本発明者らは、優れた耐ＰＷＨＴ性と、強度、および材質均一性が得られるミクロ組織に関して鋭意研究を行った結果、次の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）の知見を得た。
（ａ）板厚中心部のシャルピー特性向上には、鋼のミクロ組織の微細化が有効であり、そのためには未再結晶域での累積圧下率を高くする必要がある。
（ｂ）一方、冷却開始温度が低くなりすぎてしまうと、フェライト面積分率が増加して強度および靭性が低下する。そのため、冷却開始温度は高くする必要がある。
（ｃ）材質均一性を確保しつつ板厚中心における強度を確保するためには、表層組織をベイナイトとしたうえで後続の冷却により中心部の冷却速度を確保する必要がある。
（ａ）板厚中心部のシャルピー特性向上には、鋼のミクロ組織の微細化が有効であり、そのためには未再結晶域での累積圧下率を高くする必要がある。
（ｂ）一方、冷却開始温度が低くなりすぎてしまうと、フェライト面積分率が増加して強度および靭性が低下する。そのため、冷却開始温度は高くする必要がある。
（ｃ）材質均一性を確保しつつ板厚中心における強度を確保するためには、表層組織をベイナイトとしたうえで後続の冷却により中心部の冷却速度を確保する必要がある。
以上の知見に基づき、鋼の成分組成とミクロ組織および製造条件について詳細な検討を行い、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の要旨構成は、次のとおりである。
１．構造管用厚肉鋼板であって、
質量％で、
Ｃ ：０．０３０〜０．１００％、
Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、
Ｍｎ：１．５０〜２．５０％、
Ａｌ：０．０８０％以下、
Ｍｏ：０．０５〜０．５０％、
Ｔｉ：０．００５〜０．０２５％、
Ｎｂ：０．００５〜０．０８０％、
Ｎ ：０．００１〜０．０１０％、
Ｏ ：０．００５％以下、
Ｐ ：０．０１０％以下、および
Ｓ ：０．００１０％以下、を含有し、
残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ
下記（１）式で定義される炭素当量Ｃeqが０．４２以上である成分組成を有し、
ベイナイト主体のミクロ組織を有し、
引張強さが６２０ＭＰａ以上、板厚中心部の−２０℃におけるシャルピー吸収エネルギーｖＥ-20℃が１００Ｊ以上、板厚方向におけるビッカース硬さのばらつきΔＨＶ10,tが５０以下、かつ板幅方向におけるビッカース硬さのばらつきΔＨＶ10,cが５０以下である、構造管用厚肉鋼板。
記
Ｃeq＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５・・・（１）
（ここで、（１）式中の元素記号は、前記鋼板中における各元素の含有量を質量％で表した値を表し、該鋼板中に当該元素が含有されない場合には０とする）
１．構造管用厚肉鋼板であって、
質量％で、
Ｃ ：０．０３０〜０．１００％、
Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、
Ｍｎ：１．５０〜２．５０％、
Ａｌ：０．０８０％以下、
Ｍｏ：０．０５〜０．５０％、
Ｔｉ：０．００５〜０．０２５％、
Ｎｂ：０．００５〜０．０８０％、
Ｎ ：０．００１〜０．０１０％、
Ｏ ：０．００５％以下、
Ｐ ：０．０１０％以下、および
Ｓ ：０．００１０％以下、を含有し、
残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ
下記（１）式で定義される炭素当量Ｃeqが０．４２以上である成分組成を有し、
ベイナイト主体のミクロ組織を有し、
引張強さが６２０ＭＰａ以上、板厚中心部の−２０℃におけるシャルピー吸収エネルギーｖＥ-20℃が１００Ｊ以上、板厚方向におけるビッカース硬さのばらつきΔＨＶ10,tが５０以下、かつ板幅方向におけるビッカース硬さのばらつきΔＨＶ10,cが５０以下である、構造管用厚肉鋼板。
記
Ｃeq＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５・・・（１）
（ここで、（１）式中の元素記号は、前記鋼板中における各元素の含有量を質量％で表した値を表し、該鋼板中に当該元素が含有されない場合には０とする）
２．さらに、前記成分組成が、質量％で、
Ｖ ：０．００５〜０．１００％、を含有する、前記１に記載の構造管用厚肉鋼板。
Ｖ ：０．００５〜０．１００％、を含有する、前記１に記載の構造管用厚肉鋼板。
３．さらに、前記成分組成が、質量％で、
Ｃｕ：０．５０％以下、
Ｎｉ：０．５０％以下、
Ｃｒ：０．５０％以下、
Ｃａ：０．０００５〜０．００３５％、
ＲＥＭ：０．０００５〜０．０１００％、および
Ｂ ：０．００２０％以下からなる群より選択される１種または２種以上を含有する、前記１または２に記載の構造管用厚肉鋼板。
Ｃｕ：０．５０％以下、
Ｎｉ：０．５０％以下、
Ｃｒ：０．５０％以下、
Ｃａ：０．０００５〜０．００３５％、
ＲＥＭ：０．０００５〜０．０１００％、および
Ｂ ：０．００２０％以下からなる群より選択される１種または２種以上を含有する、前記１または２に記載の構造管用厚肉鋼板。
４．前記１〜３のいずれか一つに記載の成分組成を有する鋼素材を、加熱温度：１１００〜１３００℃まで加熱する加熱工程と、
前記加熱工程において加熱された鋼素材を、８５０℃以下での累積圧下率：７０％以上の条件で熱間圧延して鋼板とする熱間圧延工程と、
前記熱間圧延された鋼板を、該鋼板の表面温度で、冷却開始温度Ｔs、1：Ａｒ3点以上、冷却終了温度Ｔe,1：５００℃以下、平均冷却速度Ｖ1：２０℃／ｓ以上１００℃／ｓ以下、かつ下記（２）式を満足する条件で加速冷却する第１冷却工程と、
前記第１冷却工程後の鋼板を、該鋼板の平均温度で、冷却終了温度Ｔe,2：５００℃以下、平均冷却速度Ｖ2：５℃／ｓ以上の条件で加速冷却する第２冷却工程とを、少なくとも有する、構造管用厚肉鋼板の製造方法。
記
３≦（７００−Ｔe,1）／Ｖ1 ・・・（２）
（ここで、（２）式中のＴe,1の単位は℃、Ｖ1の単位は℃／ｓとする）
前記加熱工程において加熱された鋼素材を、８５０℃以下での累積圧下率：７０％以上の条件で熱間圧延して鋼板とする熱間圧延工程と、
前記熱間圧延された鋼板を、該鋼板の表面温度で、冷却開始温度Ｔs、1：Ａｒ3点以上、冷却終了温度Ｔe,1：５００℃以下、平均冷却速度Ｖ1：２０℃／ｓ以上１００℃／ｓ以下、かつ下記（２）式を満足する条件で加速冷却する第１冷却工程と、
前記第１冷却工程後の鋼板を、該鋼板の平均温度で、冷却終了温度Ｔe,2：５００℃以下、平均冷却速度Ｖ2：５℃／ｓ以上の条件で加速冷却する第２冷却工程とを、少なくとも有する、構造管用厚肉鋼板の製造方法。
記
３≦（７００−Ｔe,1）／Ｖ1 ・・・（２）
（ここで、（２）式中のＴe,1の単位は℃、Ｖ1の単位は℃／ｓとする）
５．前記第２冷却工程の後、ただちに０．５℃／ｓ以上１０℃／ｓ以下の昇温速度で４００〜７００℃まで再加熱を行う再加熱工程をさらに有する、前記４に記載の構造管用厚肉鋼板の製造方法。
６．前記１〜３のいずれか一項に記載の構造管用厚肉鋼板からなる構造管。
７．前記１〜３のいずれか一つに記載の鋼板を長手方向に筒状に成形した後、突合せ部を内外面からいずれも少なくとも１層ずつ長手方向に溶接して得た構造管。
本発明によれば、ＡＰＩ Ｘ８０グレード以上の高強度鋼板であって、多量の合金元素の添加なしに、圧延方向の高強度を有しながら板厚中心部のシャルピー特性に優れ、さらに高い材質均一性を兼ね備えた構造管用厚肉鋼板および前記構造管用厚肉鋼板を用いた構造管を提供することができる。なお、本発明において「厚肉」とは、板厚が３８ｍｍ以上であることを意味する。本発明は、板厚が４２ｍｍ以上、さらには５０ｍｍ以上の場合にも、好適に適用することができる。
［成分組成］
次に、本発明における各構成要件の限定理由について述べる。
本発明においては、構造管用厚肉鋼板が所定の成分組成を有することが重要である。そこで、まず、本発明において鋼の成分組成を上記のように限定する理由を説明する。なお、成分に関する「％」表示は、特に断らない限り「質量％」を意味するものとする。
次に、本発明における各構成要件の限定理由について述べる。
本発明においては、構造管用厚肉鋼板が所定の成分組成を有することが重要である。そこで、まず、本発明において鋼の成分組成を上記のように限定する理由を説明する。なお、成分に関する「％」表示は、特に断らない限り「質量％」を意味するものとする。
Ｃ：０．０３０〜０．１００％
Ｃは、鋼の強度を増加する元素であり、所望の組織を得て、所望の強度、靭性とするためには、Ｃ含有量を０．０３０％以上とする必要がある。一方、Ｃ含有量が０．１００％を超えると溶接性が劣化し、溶接割れが生じやすくなるとともに、母材靭性およびＨＡＺ靭性が低下する。そのため、Ｃ含有量は０．１００％以下とする。なお、Ｃ含有量は、０．０５０〜０．０８０％とすることが好ましい。
Ｃは、鋼の強度を増加する元素であり、所望の組織を得て、所望の強度、靭性とするためには、Ｃ含有量を０．０３０％以上とする必要がある。一方、Ｃ含有量が０．１００％を超えると溶接性が劣化し、溶接割れが生じやすくなるとともに、母材靭性およびＨＡＺ靭性が低下する。そのため、Ｃ含有量は０．１００％以下とする。なお、Ｃ含有量は、０．０５０〜０．０８０％とすることが好ましい。
Ｓｉ：０．０１〜０．５０％
Ｓｉは、脱酸材として作用し、さらに固溶強化により鋼材の強度を増加させる元素である。前記効果を得るために、Ｓｉ含有量を０．０１％以上とする。一方、Ｓｉ含有量が０．５０％を超えると、ＨＡＺ靭性が著しく劣化する。そのため、Ｓｉ含有量は０．５０％以下とする。なお、Ｓｉ含有量は０．０５〜０．２０％とすることが好ましい。
Ｓｉは、脱酸材として作用し、さらに固溶強化により鋼材の強度を増加させる元素である。前記効果を得るために、Ｓｉ含有量を０．０１％以上とする。一方、Ｓｉ含有量が０．５０％を超えると、ＨＡＺ靭性が著しく劣化する。そのため、Ｓｉ含有量は０．５０％以下とする。なお、Ｓｉ含有量は０．０５〜０．２０％とすることが好ましい。
Ｍｎ：１．５０〜２．５０％
Ｍｎは、鋼の焼入れ性を高めるとともに、強度と靭性を向上させる作用を有する元素である。前記効果を得るために、Ｍｎ含有量を１．５０％以上とする。一方、Ｍｎ含有量が２．５０％を超えると溶接性が劣化するおそれがある。そのため、Ｍｎ含有量は２．５０％以下とする。なお、Ｍｎ含有量は１．８０％〜２．００％とすることが好ましい。
Ｍｎは、鋼の焼入れ性を高めるとともに、強度と靭性を向上させる作用を有する元素である。前記効果を得るために、Ｍｎ含有量を１．５０％以上とする。一方、Ｍｎ含有量が２．５０％を超えると溶接性が劣化するおそれがある。そのため、Ｍｎ含有量は２．５０％以下とする。なお、Ｍｎ含有量は１．８０％〜２．００％とすることが好ましい。
Ａｌ：０．０８０％以下
Ａｌは、製鋼時の脱酸剤として添加される元素である。Ａｌ含有量が０．０８０％を超えると靭性の低下を招くため、Ａｌ含有量は０．０８０％以上とする。なお、Ａｌ含有量は０．０１０〜０．０５０％とすることが好ましい。
Ａｌは、製鋼時の脱酸剤として添加される元素である。Ａｌ含有量が０．０８０％を超えると靭性の低下を招くため、Ａｌ含有量は０．０８０％以上とする。なお、Ａｌ含有量は０．０１０〜０．０５０％とすることが好ましい。
Ｍｏ：０．０５〜０．５０％
Ｍｏは、本発明において特に重要な元素であり、熱間圧延後の冷却時におけるパーライト変態を抑制しつつ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖと微細な複合炭化物を形成して鋼板の強度を大きく上昇させる機能を有している。前記効果を得るために、Ｍｏ含有量を０．０５％以上とする。一方、Ｍｏ含有量が０．５０％を超えると溶接熱影響部（Ｈｅａｔ−Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ、ＨＡＺ）靭性の低下を招くため、Ｍｏ含有量は０．５０％以下とする。
Ｍｏは、本発明において特に重要な元素であり、熱間圧延後の冷却時におけるパーライト変態を抑制しつつ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖと微細な複合炭化物を形成して鋼板の強度を大きく上昇させる機能を有している。前記効果を得るために、Ｍｏ含有量を０．０５％以上とする。一方、Ｍｏ含有量が０．５０％を超えると溶接熱影響部（Ｈｅａｔ−Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ、ＨＡＺ）靭性の低下を招くため、Ｍｏ含有量は０．５０％以下とする。
Ｔｉ：０．００５〜０．０２５％
Ｔｉは、Ｍｏと同様に本発明において特に重要な元素であり、Ｍｏと複合析出物を形成して鋼の強度向上に大きく寄与する。前記効果を得るために、Ｔｉ含有量を０．００５％以上とする。一方、０．０２５％を超える添加はＨＡＺ靭性および母材靭性の劣化を招く。そのため、Ｔｉ含有量は０．０２５％以下とする。
Ｔｉは、Ｍｏと同様に本発明において特に重要な元素であり、Ｍｏと複合析出物を形成して鋼の強度向上に大きく寄与する。前記効果を得るために、Ｔｉ含有量を０．００５％以上とする。一方、０．０２５％を超える添加はＨＡＺ靭性および母材靭性の劣化を招く。そのため、Ｔｉ含有量は０．０２５％以下とする。
Ｎｂ：０．００５〜０．０８０％
Ｎｂは、組織の微細粒化により靭性を向上させる作用を有する元素である。また、Ｍｏと共に複合析出物を形成し、強度向上に寄与する。前記効果を得るために、Ｎｂ含有量を０．００５％以上とする。一方、Ｎｂ含有量が０．０８０％を超えるとＨＡＺ靭性が劣化する。そのため、Ｎｂ含有量は０．０８０％以下とする。
Ｎｂは、組織の微細粒化により靭性を向上させる作用を有する元素である。また、Ｍｏと共に複合析出物を形成し、強度向上に寄与する。前記効果を得るために、Ｎｂ含有量を０．００５％以上とする。一方、Ｎｂ含有量が０．０８０％を超えるとＨＡＺ靭性が劣化する。そのため、Ｎｂ含有量は０．０８０％以下とする。
Ｎ：０．００１〜０．０１０％
Ｎは、通常、不可避不純物として鋼中に存在し、Ｔｉが存在しているとＴｉＮを形成する。ＴｉＮによるピンニング効果によってオーステナイト粒の粗大化を抑制するために、Ｎ含有量は０．００１％以上とする。しかし、ＴｉＮは、溶接部、特に溶接ボンド近傍で１４５０℃以上に加熱された領域において分解し、固溶Ｎを生成する。そのため、Ｎ含有量が高すぎると、前記固溶Ｎの生成に起因する靭性の低下が著しくなる。そのため、Ｎ含有量は０．０１０％以下とする。なお、Ｎ含有量は０．００２〜０．００５％とすることがより好ましい。
Ｎは、通常、不可避不純物として鋼中に存在し、Ｔｉが存在しているとＴｉＮを形成する。ＴｉＮによるピンニング効果によってオーステナイト粒の粗大化を抑制するために、Ｎ含有量は０．００１％以上とする。しかし、ＴｉＮは、溶接部、特に溶接ボンド近傍で１４５０℃以上に加熱された領域において分解し、固溶Ｎを生成する。そのため、Ｎ含有量が高すぎると、前記固溶Ｎの生成に起因する靭性の低下が著しくなる。そのため、Ｎ含有量は０．０１０％以下とする。なお、Ｎ含有量は０．００２〜０．００５％とすることがより好ましい。
Ｏ：０．００５％以下、Ｐ：０．０１０％以下、Ｓ：０．００１０％以下
本発明において、Ｏ、Ｐ、およびＳは不可避不純物であり、これらの元素の含有量の上限を次の通り規定する。Ｏは、粗大で靭性に悪影響を及ぼす酸素系介在物を形成する。前記介在物の影響を抑制するため、Ｏ含有量は０．００５％以下とする。また、Ｐは、中心偏析して母材の靭性を低下させる性質を持つため、Ｐ含有量が高いと母材靭性の低下が問題となる。そのため、Ｐ含有量は０．０１０％以下とする。また、ＳはＭｎＳ系介在物を形成して母材の靭性を低下させる性質を有しているため、Ｓ含有量が高いと母材靭性の低下が問題となる。そのため、Ｓ含有量は０．００１０％以下とする。なお、Ｏ含有量は０．００３％以下とすることが好ましく、Ｐ含有量は０．００８％以下とすることが好ましく、Ｓ含有量は０．０００８％以下とすることが好ましい。一方、Ｏ、Ｐ、Ｓ含有量の下限については限定されないが、工業的には０％超である。また、過度に含有量を低下させると精錬時間の増加やコストの上昇を招くため、Ｏ含有量は０．０００５％以上、Ｐ含有量は０．００１％以上、Ｓ含有量は０．０００１％以上とすることが好ましい。
本発明において、Ｏ、Ｐ、およびＳは不可避不純物であり、これらの元素の含有量の上限を次の通り規定する。Ｏは、粗大で靭性に悪影響を及ぼす酸素系介在物を形成する。前記介在物の影響を抑制するため、Ｏ含有量は０．００５％以下とする。また、Ｐは、中心偏析して母材の靭性を低下させる性質を持つため、Ｐ含有量が高いと母材靭性の低下が問題となる。そのため、Ｐ含有量は０．０１０％以下とする。また、ＳはＭｎＳ系介在物を形成して母材の靭性を低下させる性質を有しているため、Ｓ含有量が高いと母材靭性の低下が問題となる。そのため、Ｓ含有量は０．００１０％以下とする。なお、Ｏ含有量は０．００３％以下とすることが好ましく、Ｐ含有量は０．００８％以下とすることが好ましく、Ｓ含有量は０．０００８％以下とすることが好ましい。一方、Ｏ、Ｐ、Ｓ含有量の下限については限定されないが、工業的には０％超である。また、過度に含有量を低下させると精錬時間の増加やコストの上昇を招くため、Ｏ含有量は０．０００５％以上、Ｐ含有量は０．００１％以上、Ｓ含有量は０．０００１％以上とすることが好ましい。
また、本発明の構造管用厚肉鋼板は、上記元素に加えて、Ｖ：０．００５〜０．１００％、を、さらに含有することもできる。
Ｖ：０．００５〜０．１００％
Ｖは、Ｎｂと同様にＭｏと共に複合析出物を形成し、強度上昇に寄与する。Ｖを添加する場合、前記効果を得るためにＶ含有量を０．００５％以上とする。一方、Ｖ含有量が０．１００％を超えるとＨＡＺ靭性が低下するため、Ｖを添加する場合、Ｖ含有量を０．１００％以下とする。
Ｖは、Ｎｂと同様にＭｏと共に複合析出物を形成し、強度上昇に寄与する。Ｖを添加する場合、前記効果を得るためにＶ含有量を０．００５％以上とする。一方、Ｖ含有量が０．１００％を超えるとＨＡＺ靭性が低下するため、Ｖを添加する場合、Ｖ含有量を０．１００％以下とする。
また、本発明の構造管用厚肉鋼板は、上記元素に加えて、Ｃｕ：０．５０％以下、Ｎｉ：０．５０％以下、Ｃｒ：０．５０％以下、Ｃａ：０．０００５〜０．００３５％、ＲＥＭ：０．０００５〜０．０１００％、およびＢ：０．００２０％以下からなる群より選択される１種または２種以上を、さらに含有することもできる。
Ｃｕ：０．５０％以下
Ｃｕは、靭性の改善と強度の向上に有効な元素であるが、添加量が多すぎると溶接性が低下する。そのため、Ｃｕを添加する場合、Ｃｕ含有量は０．５０％以下とする。なお、Ｃｕ含有量の下限は特に限定されないが、Ｃｕを添加する場合はＣｕ含有量を０．０５％以上とすることが好ましい。
Ｃｕは、靭性の改善と強度の向上に有効な元素であるが、添加量が多すぎると溶接性が低下する。そのため、Ｃｕを添加する場合、Ｃｕ含有量は０．５０％以下とする。なお、Ｃｕ含有量の下限は特に限定されないが、Ｃｕを添加する場合はＣｕ含有量を０．０５％以上とすることが好ましい。
Ｎｉ：０．５０％以下
Ｎｉは、靭性の改善と強度の向上に有効な元素であるが、添加量が多すぎると耐ＰＷＨＴ特性が低下する。そのため、Ｎｉを添加する場合、Ｎｉ含有量は０．５０％以下とする。なお、Ｎｉ含有量の下限は特に限定されないが、Ｎｉを添加する場合はＮｉ含有量を０．０５％以上とすることが好ましい。
Ｎｉは、靭性の改善と強度の向上に有効な元素であるが、添加量が多すぎると耐ＰＷＨＴ特性が低下する。そのため、Ｎｉを添加する場合、Ｎｉ含有量は０．５０％以下とする。なお、Ｎｉ含有量の下限は特に限定されないが、Ｎｉを添加する場合はＮｉ含有量を０．０５％以上とすることが好ましい。
Ｃｒ：０．５０％以下
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が、過剰の添加は溶接性を低下させる。そのため、Ｃｒを添加する場合、Ｃｒ含有量を０．５０％以下とする。なお、Ｃｒ含有量の下限は特に限定されないが、Ｃｒを添加する場合はＣｒ含有量を０．０５％以上とすることが好ましい。
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が、過剰の添加は溶接性を低下させる。そのため、Ｃｒを添加する場合、Ｃｒ含有量を０．５０％以下とする。なお、Ｃｒ含有量の下限は特に限定されないが、Ｃｒを添加する場合はＣｒ含有量を０．０５％以上とすることが好ましい。
Ｃａ：０．０００５〜０．００３５％
Ｃａは、硫化物系介在物の形態制御による靭性向上に有効な元素である。前記効果を得るために、Ｃａを添加する場合、Ｃａ含有量を０．０００５％以上とする。一方、０．００３５％を超えてＣａを添加しても効果が飽和し、むしろ、鋼の清浄度の低下により靭性が低下する。そのため、Ｃａを添加する場合、Ｃａ含有量を０．００３５％以下とする。
Ｃａは、硫化物系介在物の形態制御による靭性向上に有効な元素である。前記効果を得るために、Ｃａを添加する場合、Ｃａ含有量を０．０００５％以上とする。一方、０．００３５％を超えてＣａを添加しても効果が飽和し、むしろ、鋼の清浄度の低下により靭性が低下する。そのため、Ｃａを添加する場合、Ｃａ含有量を０．００３５％以下とする。
ＲＥＭ：０．０００５〜０．０１００％
ＲＥＭ（希土類金属）は、Ｃａと同様に鋼中の硫化物系介在物の形態制御による靱性向上に有効な元素である。前記効果を得るために、ＲＥＭを添加する場合、ＲＥＭ含有量を０．０００５％以上とする。一方、０．０１００％を超えて添加しても効果が飽和し、むしろ、鋼の清浄度の低下により靭性を低下させるので、ＲＥＭを添加する場合、ＲＥＭ含有量を０．０１００％とする。
ＲＥＭ（希土類金属）は、Ｃａと同様に鋼中の硫化物系介在物の形態制御による靱性向上に有効な元素である。前記効果を得るために、ＲＥＭを添加する場合、ＲＥＭ含有量を０．０００５％以上とする。一方、０．０１００％を超えて添加しても効果が飽和し、むしろ、鋼の清浄度の低下により靭性を低下させるので、ＲＥＭを添加する場合、ＲＥＭ含有量を０．０１００％とする。
Ｂ：０．００２０％以下
Ｂは、オーステナイト粒界に偏析し、フェライト変態を抑制することで、特にＨＡＺの強度低下防止に寄与する。しかし、０．００２０％を超えて添加してもその効果は飽和するため、Ｂを添加する場合、Ｂ含有量は０．００２０％以下とする。なお、Ｂ含有量の下限は特に限定されないが、Ｂを添加する場合はＢ含有量を０．０００２％以上とすることが好ましい。
Ｂは、オーステナイト粒界に偏析し、フェライト変態を抑制することで、特にＨＡＺの強度低下防止に寄与する。しかし、０．００２０％を超えて添加してもその効果は飽和するため、Ｂを添加する場合、Ｂ含有量は０．００２０％以下とする。なお、Ｂ含有量の下限は特に限定されないが、Ｂを添加する場合はＢ含有量を０．０００２％以上とすることが好ましい。
本発明の構造管用厚肉鋼板は、以上の成分と、残部Ｆｅおよび不可避不純物とからなる。なお、「残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる」とは、本発明の作用・効果を損なわない限りにおいて、不可避不純物をはじめ、他の微量元素を含有するものが本発明の範囲に含まれることを意味する。
本発明においては、鋼に含まれる元素がそれぞれ上記条件を満たすことに加えて、下記（１）式で定義される炭素当量Ｃeqを０．４２以上とすることが重要である。
Ｃeq＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５・・・（１）
（ここで、（１）式中の元素記号は、前記鋼板中における各元素の含有量を質量％で表した値を表し、該鋼板中に当該元素が含有されない場合には０とする）
Ｃeq＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５・・・（１）
（ここで、（１）式中の元素記号は、前記鋼板中における各元素の含有量を質量％で表した値を表し、該鋼板中に当該元素が含有されない場合には０とする）
上記Ｃeqは、鋼に添加される元素の影響を炭素量に換算して表したものであり、母材強度と相関があるため、強度の指標として一般的に用いられる。本発明では、ＡＰＩ Ｘ８０グレード以上の高い強度を得るために、Ｃeqを０．４２以上とする。なお、Ｃeqは、０．４３以上とすることが好ましい。一方、Ｃeqの上限については特に限定されないが、０．５０以下とすることが好ましい。
［ミクロ組織］
次に、本発明における鋼のミクロ組織の限定理由について説明する。
本発明においては、鋼板がベイナイト主体のミクロ組織を有することが重要である。ミクロ組織をこのように制御することにより、ＡＰＩ Ｘ８０グレードの高強度を達成することが可能である。なお、前記ミクロ組織は、鋼板の板厚方向位置にかかわりなく満足する必要があるが、本発明においては、後述するような組織のばらつきを小さくする冷却工程をとっていることにより、板厚中心部におけるミクロ組織が次項の条件を満たしていれば、板厚全域にわたって同条件を満たしているといえる。
次に、本発明における鋼のミクロ組織の限定理由について説明する。
本発明においては、鋼板がベイナイト主体のミクロ組織を有することが重要である。ミクロ組織をこのように制御することにより、ＡＰＩ Ｘ８０グレードの高強度を達成することが可能である。なお、前記ミクロ組織は、鋼板の板厚方向位置にかかわりなく満足する必要があるが、本発明においては、後述するような組織のばらつきを小さくする冷却工程をとっていることにより、板厚中心部におけるミクロ組織が次項の条件を満たしていれば、板厚全域にわたって同条件を満たしているといえる。
ここで、「ベイナイト主体」とは、鋼板のミクロ組織に占めるベイナイトの面積分率が９０％以上であることを意味する。ベイナイトの面積分率は９５％以上であることが好ましい。一方、ベイナイトの面積分率は高い方が望ましいため、上限は特に限定されず、１００％であってよい。
ベイナイト以外の組織は少ないほどよいが、ベイナイトの面積分率が十分に高ければ、残部の組織の影響はほぼ無視できるため、ベイナイト以外の組織の１種または２種以上を、合計面積率で１０％以下含むことは許容される。これらのベイナイト以外の組織は、合計面積率で５％以下であることが好ましい。残部組織の例としては、フェライト、パーライト、セメンタイト、マルテンサイト、島状マルテンサイト等が挙げられる。
なお、ベイナイトの面積分率は、板厚中心位置から採取した試料を鏡面研磨し、ナイタール腐食した面について、走査型電子顕微鏡（倍率１０００倍）でランダムに５視野以上観察を行って同定すればよい。
［機械的特性］
本発明の構造管用厚肉鋼板は、引張強さが６２０ＭＰａ以上、板厚中心部の−２０℃におけるシャルピー吸収エネルギーｖＥ-20℃が１００Ｊ以上という機械的特性を有している。ここで、引張強さ、シャルピー吸収エネルギー、およびビッカース硬さのばらつきは、実施例に記載の方法で測定することができる。なお、引張強さの上限は特に限定されないが、通常はたとえば、Ｘ８０グレードならば８２５ＭＰａ以下、Ｘ１００グレードならば９９０ＭＰａ以下である。同様に、ｖＥ-20℃の上限も特に限定されないが、通常は５００Ｊ以下である。
本発明の構造管用厚肉鋼板は、引張強さが６２０ＭＰａ以上、板厚中心部の−２０℃におけるシャルピー吸収エネルギーｖＥ-20℃が１００Ｊ以上という機械的特性を有している。ここで、引張強さ、シャルピー吸収エネルギー、およびビッカース硬さのばらつきは、実施例に記載の方法で測定することができる。なお、引張強さの上限は特に限定されないが、通常はたとえば、Ｘ８０グレードならば８２５ＭＰａ以下、Ｘ１００グレードならば９９０ＭＰａ以下である。同様に、ｖＥ-20℃の上限も特に限定されないが、通常は５００Ｊ以下である。
さらに、本発明においては、構造管用厚肉鋼板の板厚方向におけるビッカース硬さのばらつきΔＨＶ10,tが５０以下、かつ板幅方向におけるビッカース硬さのばらつきΔＨＶ10,cが５０以下であることが重要である。板厚方向や板幅方向における硬さのばらつきが大きいと、鋼板の強度や伸び、成形性、耐ＨＩＣ性、耐ＳＳＣＣ性能等に悪影響がある。例えば、鋼板表層部の硬さが鋼板内部に比べて過度に高いと、該鋼板を成形した後にスプリングバックが起こりやくなったり、硫化水素に対する割れ感受性が高まったりする。また、板幅方向における硬さのばらつきが大きいと、成形時に硬い部分と軟らかい部分とで変形の仕方に差が生じて所望の形状が得られないという問題や、小板に切断した場合にそれぞれの小板で強度や伸びが異なってしまうといった問題が生じる。そのため、本発明ではΔＨＶ10,tとΔＨＶ10,cの両者を５０以下とする。なお、ΔＨＶ10,tとΔＨＶ10,cは、それぞれ４０以下であることが好ましく、３０以下であることがより好ましい。一方、ΔＨＶ10,tおよびΔＨＶ10,cは小さい方が好ましいため下限は特に限定されず、０以上であればよい。なお、ΔＨＶ10,tおよびΔＨＶ10,cは実施例に記載の方法で測定することができる。
［鋼板の製造方法］
次に、本発明の鋼板の製造方法について説明する。なお、以下の説明において、特に断らない限り、温度は鋼板の板厚方向の平均温度とする。鋼板の板厚方向の平均温度は、板厚、表面温度および冷却条件等から、シミュレーション計算等により求められる。例えば、差分法を用い、板厚方向の温度分布を計算することにより、鋼板の板厚方向の平均温度が求められる。
次に、本発明の鋼板の製造方法について説明する。なお、以下の説明において、特に断らない限り、温度は鋼板の板厚方向の平均温度とする。鋼板の板厚方向の平均温度は、板厚、表面温度および冷却条件等から、シミュレーション計算等により求められる。例えば、差分法を用い、板厚方向の温度分布を計算することにより、鋼板の板厚方向の平均温度が求められる。
本発明の構造管用厚肉鋼板は、上記成分組成を有する鋼素材を、次の（１）〜（４）の工程で順次処理することによって製造できる。また、さらに任意に（５）の工程を行うこともできる。
（１）上記鋼素材を加熱温度：１１００〜１３００℃まで加熱する加熱工程、
（２）前記加熱工程において加熱された鋼素材を、８５０℃以下での累積圧下率：７０％以上の条件で熱間圧延して鋼板とする熱間圧延工程、
（３）熱間圧延された鋼板を、該鋼板の表面温度で、冷却開始温度Ｔs、1：Ａｒ3点以上、冷却終了温度Ｔe,1：５００℃以下、平均冷却速度Ｖ1：２０℃／ｓ以上１００℃／ｓ以下、かつ下記（２）式を満足する条件で加速冷却する第１冷却工程、
（４）前記第１冷却工程後の鋼板を、該鋼板の平均温度で、冷却終了温度Ｔe,2：５００℃以下、該鋼板の表面温度で、平均冷却速度Ｖ2：５℃／ｓ以上の条件で加速冷却する第２冷却工程、および
（５）前記第２冷却工程の後、ただちに０．５℃／ｓ以上１０℃／ｓ以下の昇温速度で４００〜７００℃まで再加熱を行う再加熱工程。
上記各工程は、具体的には以下に述べるように行うことができる。
（１）上記鋼素材を加熱温度：１１００〜１３００℃まで加熱する加熱工程、
（２）前記加熱工程において加熱された鋼素材を、８５０℃以下での累積圧下率：７０％以上の条件で熱間圧延して鋼板とする熱間圧延工程、
（３）熱間圧延された鋼板を、該鋼板の表面温度で、冷却開始温度Ｔs、1：Ａｒ3点以上、冷却終了温度Ｔe,1：５００℃以下、平均冷却速度Ｖ1：２０℃／ｓ以上１００℃／ｓ以下、かつ下記（２）式を満足する条件で加速冷却する第１冷却工程、
（４）前記第１冷却工程後の鋼板を、該鋼板の平均温度で、冷却終了温度Ｔe,2：５００℃以下、該鋼板の表面温度で、平均冷却速度Ｖ2：５℃／ｓ以上の条件で加速冷却する第２冷却工程、および
（５）前記第２冷却工程の後、ただちに０．５℃／ｓ以上１０℃／ｓ以下の昇温速度で４００〜７００℃まで再加熱を行う再加熱工程。
上記各工程は、具体的には以下に述べるように行うことができる。
［鋼素材］
上記鋼素材は、常法にしたがって溶製することができる。鋼素材の製造方法は特に限定されないが、連続鋳造法によって製造することが好ましい。
上記鋼素材は、常法にしたがって溶製することができる。鋼素材の製造方法は特に限定されないが、連続鋳造法によって製造することが好ましい。
［加熱工程］
上記鋼素材は、圧延に先立って加熱される。その際の加熱温度は、１１００〜１３００℃とする。加熱温度を１１００℃以上とすることにより鋼素材中の炭化物を固溶して、目標とする強度を確保することができる。前記加熱温度は、１１２０℃以上とすることが好ましい。一方、加熱温度が１３００℃を超えるとオーステナイト粒が粗大化し、最終的な鋼組織も粗大化して靭性が劣化するので、前記加熱温度は１３００℃以下とする。前記加熱温度は、１２５０℃以下とすることが好ましい。
上記鋼素材は、圧延に先立って加熱される。その際の加熱温度は、１１００〜１３００℃とする。加熱温度を１１００℃以上とすることにより鋼素材中の炭化物を固溶して、目標とする強度を確保することができる。前記加熱温度は、１１２０℃以上とすることが好ましい。一方、加熱温度が１３００℃を超えるとオーステナイト粒が粗大化し、最終的な鋼組織も粗大化して靭性が劣化するので、前記加熱温度は１３００℃以下とする。前記加熱温度は、１２５０℃以下とすることが好ましい。
［熱間圧延工程］
次に、上記加熱工程において加熱された鋼素材を圧延する。その際、８５０℃以下における累積圧下率が７０％未満であると、圧延後の鋼板板厚中心部におけるシャルピー特性を確保できない。そのため、８５０℃以下での累積圧下率を７０％以上とする。なお、８５０℃以下での累積圧下率の上限は特に限定されないが、９０％以下とすることが好ましい。また、後述のように、Ａｒ3点以上の温度域から第１冷却工程における冷却を開始するために、Ａｒ3点以上で圧延を終了させることが好ましい。
次に、上記加熱工程において加熱された鋼素材を圧延する。その際、８５０℃以下における累積圧下率が７０％未満であると、圧延後の鋼板板厚中心部におけるシャルピー特性を確保できない。そのため、８５０℃以下での累積圧下率を７０％以上とする。なお、８５０℃以下での累積圧下率の上限は特に限定されないが、９０％以下とすることが好ましい。また、後述のように、Ａｒ3点以上の温度域から第１冷却工程における冷却を開始するために、Ａｒ3点以上で圧延を終了させることが好ましい。
熱間圧延工程終了後、該熱間圧延工程で得られた鋼板を加速冷却する。本発明においては、前記加速冷却を第１冷却工程と第２冷却工程の２段階に分け、各冷却工程における冷却を特定の条件で行うことが重要である。すなわち、第１冷却工程においては鋼板全体の高強度化を図りつつ、鋼板表層部において硬化を抑制したミクロ組織を造り込み、第２冷却工程においては専ら鋼板を高強度化、高靭性化することに努める。両冷却工程における具体的な冷却方法を以下に説明する。
［第１冷却工程］
第１冷却工程においては、前記熱間圧延された鋼板を、以下に述べる特定の条件で冷却する。なお、以下の第１冷却工程に関する説明における温度は、特に断らない限り鋼板の表面温度を表す。
第１冷却工程においては、前記熱間圧延された鋼板を、以下に述べる特定の条件で冷却する。なお、以下の第１冷却工程に関する説明における温度は、特に断らない限り鋼板の表面温度を表す。
冷却開始温度Ｔs、1：Ａｒ3点以上
第１冷却工程においては、前記熱間圧延された鋼板を、Ａｒ3点以上の温度域から冷却する。Ａｒ3点未満の温度域から冷却を開始するとフェライトが増加するため、鋼板の強度を十分なものとすることができない。なお、本発明においてＡｒ3点は、次式に計算されるものとする。
Ａｒ3（℃）＝９１０−３１０Ｃ−８０Ｍｎ−２０Ｃｕ−１５Ｃｒ−５５Ｎｉ−８０Ｍｏ
上記式において、元素記号は各元素の含有量（質量％）を示し、鋼中に当該元素が含有されない場合は０とする。一方、Ｔs、1の上限は特に限定されない。なお、Ｔs、1は、Ａｒ3点以上で、かつ、圧延終了温度から１００℃以内とすることが好ましい。
第１冷却工程においては、前記熱間圧延された鋼板を、Ａｒ3点以上の温度域から冷却する。Ａｒ3点未満の温度域から冷却を開始するとフェライトが増加するため、鋼板の強度を十分なものとすることができない。なお、本発明においてＡｒ3点は、次式に計算されるものとする。
Ａｒ3（℃）＝９１０−３１０Ｃ−８０Ｍｎ−２０Ｃｕ−１５Ｃｒ−５５Ｎｉ−８０Ｍｏ
上記式において、元素記号は各元素の含有量（質量％）を示し、鋼中に当該元素が含有されない場合は０とする。一方、Ｔs、1の上限は特に限定されない。なお、Ｔs、1は、Ａｒ3点以上で、かつ、圧延終了温度から１００℃以内とすることが好ましい。
平均冷却速度Ｖ1：２０℃／ｓ以上１００℃／ｓ以下
高強度化を図りつつ、鋼板内の硬さのばらつきを低減し、材質均一性を向上させるためには、冷却速度を制御することが重要である。鋼板表面の冷却速度が２０℃／ｓ未満では鋼板全体で十分な強度が得られず、一方、１００℃／ｓを超えると鋼板表層部でマルテンサイトや島状マルテンサイト（ＭＡ）等の硬質相が生成して、表層硬さが著しく上昇するため、硬さのばらつきが大きくなる。そのため、第１冷却工程における平均冷却速度は２０℃／ｓ以上１００℃／ｓ以下の範囲とする。
高強度化を図りつつ、鋼板内の硬さのばらつきを低減し、材質均一性を向上させるためには、冷却速度を制御することが重要である。鋼板表面の冷却速度が２０℃／ｓ未満では鋼板全体で十分な強度が得られず、一方、１００℃／ｓを超えると鋼板表層部でマルテンサイトや島状マルテンサイト（ＭＡ）等の硬質相が生成して、表層硬さが著しく上昇するため、硬さのばらつきが大きくなる。そのため、第１冷却工程における平均冷却速度は２０℃／ｓ以上１００℃／ｓ以下の範囲とする。
冷却終了温度Ｔe,1：５００℃以下
上記の条件で冷却を行って鋼板表層部にベイナイト相を生成させるが、冷却停止温度が５００℃を超えているとベイナイトの生成が十分ではなく、その状態で２段目の冷却を開始すると表層部にマルテンサイトや島状マルテンサイト（ＭＡ）が生成してしまう。したがって、１段目の冷却終了温度は、鋼板の表面温度で５００℃以下とする。一方、冷却終了温度の下限は特に限定されないが、過度に冷却終了温度が低くなると、引き続く第２冷却工程の開始が遅れて冷却の効果が不十分となり、高強度高靭性化が得られなくなる。そのため、冷却終了温度は３００℃以上とすることが好ましい。
上記の条件で冷却を行って鋼板表層部にベイナイト相を生成させるが、冷却停止温度が５００℃を超えているとベイナイトの生成が十分ではなく、その状態で２段目の冷却を開始すると表層部にマルテンサイトや島状マルテンサイト（ＭＡ）が生成してしまう。したがって、１段目の冷却終了温度は、鋼板の表面温度で５００℃以下とする。一方、冷却終了温度の下限は特に限定されないが、過度に冷却終了温度が低くなると、引き続く第２冷却工程の開始が遅れて冷却の効果が不十分となり、高強度高靭性化が得られなくなる。そのため、冷却終了温度は３００℃以上とすることが好ましい。
第１冷却工程においては、下記（２）式を満足する条件で加速冷却を行うことが重要である。
３≦（７００−Ｔe,1）／Ｖ1 ・・・（２）
（ここで、（２）式中のＴe,1の単位は℃、Ｖ1の単位は℃／ｓとする）
上記（２）式の右辺は、第１冷却工程におけるおおよその冷却時間を表している。したがって、上記（２）式は、第１冷却工程における冷却が３秒以上継続する必要があることを示している。これは、表層の組織が硬質とならないように、ベイナイト相が十分に生成するためには、３秒以上の時間を要するためである。（２）式が満たされない場合には、鋼板表層部にマルテンサイトや島状マルテンサイトが生成して、表層部の硬さ上昇が著しくなり、その結果、板厚方向における硬さのばらつきが大きくなる。そのため、第１冷却工程は、（２）式を満足する条件で行われる必要がある。一方、（２）式における右辺の値の上限は特に限定されないが、鋼板全体において十分な強度を確保するため、３０以下とすることが好ましい。
３≦（７００−Ｔe,1）／Ｖ1 ・・・（２）
（ここで、（２）式中のＴe,1の単位は℃、Ｖ1の単位は℃／ｓとする）
上記（２）式の右辺は、第１冷却工程におけるおおよその冷却時間を表している。したがって、上記（２）式は、第１冷却工程における冷却が３秒以上継続する必要があることを示している。これは、表層の組織が硬質とならないように、ベイナイト相が十分に生成するためには、３秒以上の時間を要するためである。（２）式が満たされない場合には、鋼板表層部にマルテンサイトや島状マルテンサイトが生成して、表層部の硬さ上昇が著しくなり、その結果、板厚方向における硬さのばらつきが大きくなる。そのため、第１冷却工程は、（２）式を満足する条件で行われる必要がある。一方、（２）式における右辺の値の上限は特に限定されないが、鋼板全体において十分な強度を確保するため、３０以下とすることが好ましい。
［第２冷却工程］
次に、上記第１冷却工程において冷却された鋼板を、以下の条件でさらに冷却する。なお、以下の第２冷却工程に関する説明における温度は、特に断らない限り鋼板の平均温度を表す。
次に、上記第１冷却工程において冷却された鋼板を、以下の条件でさらに冷却する。なお、以下の第２冷却工程に関する説明における温度は、特に断らない限り鋼板の平均温度を表す。
平均冷却速度Ｖ2：５℃／ｓ以上
第２冷却工程における平均冷却速度Ｖ2とは、（「第２冷却工程開始時の鋼板平均温度」−「第２冷却工程が終了して鋼板表面が復熱したときの鋼板平均温度」）／（「第２冷却工程が終了して鋼板表面が復熱したときの時刻」−「第２冷却工程開始時刻」）である。第２冷却工程が終了した時点では、鋼板の板厚方向中央部に比べて鋼板表面の温度が低くなっているが、その後、温度の高い板厚中央部から表面に熱が伝わるので、表面温度は上昇し、表面温度は極大値を取る。この現象は復熱と称され、復熱した状態、すなわち、表面温度が極大値となった状態では、鋼板の板厚方向温度差は小さくなる。第２冷却工程開始時の板厚方向の鋼板平均温度から、鋼板表面が復熱したときの板厚方向の鋼板平均温度を差し引いた温度差を、冷却開始から復熱完了までの所要時間で割ることにより、第２冷却工程における平均冷却速度を求めることができる。
第２冷却工程における平均冷却速度Ｖ2とは、（「第２冷却工程開始時の鋼板平均温度」−「第２冷却工程が終了して鋼板表面が復熱したときの鋼板平均温度」）／（「第２冷却工程が終了して鋼板表面が復熱したときの時刻」−「第２冷却工程開始時刻」）である。第２冷却工程が終了した時点では、鋼板の板厚方向中央部に比べて鋼板表面の温度が低くなっているが、その後、温度の高い板厚中央部から表面に熱が伝わるので、表面温度は上昇し、表面温度は極大値を取る。この現象は復熱と称され、復熱した状態、すなわち、表面温度が極大値となった状態では、鋼板の板厚方向温度差は小さくなる。第２冷却工程開始時の板厚方向の鋼板平均温度から、鋼板表面が復熱したときの板厚方向の鋼板平均温度を差し引いた温度差を、冷却開始から復熱完了までの所要時間で割ることにより、第２冷却工程における平均冷却速度を求めることができる。
平均冷却速度が５℃／ｓに満たないと、強度上昇効果を十分に得られないため、第２冷却工程における平均冷却速度は５℃／ｓ以上とする。また、この冷却条件を厚肉鋼板で得ようとする場合には、鋼板表面温度が２００℃以上の温度域において、鋼板表面の冷却速度として１００℃／ｓを超える条件で冷却を行う必要がある。
なお、鋼板の冷却は表面から行われるため、第１冷却工程が終了して第２冷却工程を開始する時点にいて、鋼板表面温度が板厚中央部の温度よりも低くなっている可能性がある。しかし、本発明においては、第２冷却工程における冷却速度を、上述のように鋼板表面温度ではなく板厚方向の鋼板平均温度に基づいて定めているため、本発明で規定する冷却速度を確保すれば、鋼板内部の領域についても所期の鋼板を得るために必要な冷却速度を確保することができる。なお、板厚方向の鋼板平均の温度および冷却速度については、物理的に直接測定することはできないが、表面の温度変化を基にしたシミュレーション計算によりリアルタイムで求めることができる。
冷却終了温度Ｔe,2：５００℃以下
合金元素を削減し、低合金化した成分組成の鋼においては、第２冷却工程における冷却終了温度が高くなると粗大なＭＡが形成され靭性の劣化を招く。そのため、第２冷却工程における冷却終了温度を５００℃以下とする。なお、ここで、第２冷却工程における冷却終了温度Ｔe,2は、第２冷却工程における冷却が終了し、鋼板表面が復熱した時点における鋼板の板厚方向の平均温度とする。一方、前記冷却終了温度の下限は特に限定されないが、板厚方向の硬さばらつきを小さくする観点から２００℃以上とすることが好ましい。
合金元素を削減し、低合金化した成分組成の鋼においては、第２冷却工程における冷却終了温度が高くなると粗大なＭＡが形成され靭性の劣化を招く。そのため、第２冷却工程における冷却終了温度を５００℃以下とする。なお、ここで、第２冷却工程における冷却終了温度Ｔe,2は、第２冷却工程における冷却が終了し、鋼板表面が復熱した時点における鋼板の板厚方向の平均温度とする。一方、前記冷却終了温度の下限は特に限定されないが、板厚方向の硬さばらつきを小さくする観点から２００℃以上とすることが好ましい。
［再加熱工程］
上記加速冷却終了後、再加熱を行ってもよい。再加熱を行う場合、加速冷却工程の後、ただちに０．５℃／ｓ以上１０℃／ｓ以下の昇温速度で４００〜７００℃まで再加熱を行う。ここで、「加速冷却後ただちに」とは、加速冷却終了後、１２０秒以内に０．５℃／ｓ以上１０℃／ｓ以下の昇温速度での再加熱を開始することをいう。上記加速冷却工程における加速冷却終了温度が低く、マルテンサイトなど、ベイナイト以外の低温変態組織が多量に生成した場合でも、再加熱を実施して焼きもどし処理をすることにより、材質の均一化がはかれ、硬さのばらつきを低減することが可能である。
上記加速冷却終了後、再加熱を行ってもよい。再加熱を行う場合、加速冷却工程の後、ただちに０．５℃／ｓ以上１０℃／ｓ以下の昇温速度で４００〜７００℃まで再加熱を行う。ここで、「加速冷却後ただちに」とは、加速冷却終了後、１２０秒以内に０．５℃／ｓ以上１０℃／ｓ以下の昇温速度での再加熱を開始することをいう。上記加速冷却工程における加速冷却終了温度が低く、マルテンサイトなど、ベイナイト以外の低温変態組織が多量に生成した場合でも、再加熱を実施して焼きもどし処理をすることにより、材質の均一化がはかれ、硬さのばらつきを低減することが可能である。
以上の工程により、ＡＰＩ Ｘ８０グレード以上の高い強度を有し、板厚中心部のシャルピー特性に優れ、さらに高い材質均一性を兼ね備えた構造管用厚肉鋼板を製造することができる。なお、上述した通り本発明の構造管用厚肉鋼板は３８ｍｍ以上の板厚を有するものとする。板厚の上限は特に限定されないが、板厚７５ｍｍを超えると、本発明に記載の製造条件を満足させることが難しくなる可能性があるので、本発明は板厚７５ｍｍ以下の場合に適用することが好ましい。
［鋼管］
上記のようにして得られた鋼板を素材として用いて、鋼管を製造することができる。前記鋼管は、例えば、上記構造管用厚肉鋼板が長手方向に筒状に成形され、突き合わせ部が溶接された構造管とすることができる。鋼管の製造方法としては、特に限定されることなく、任意の方法を用いることができる。例えば、鋼板を常法に従ってＵプレスおよびＯプレスで鋼板長手方向に筒状とした後、突き合わせ部をシーム溶接してＵＯＥ鋼管とすることができる。前記シーム溶接は、仮付溶接後、内面、外面をいずれも少なくとも１層ずつサブマージアーク溶接で行うことが好ましい。サブマージアーク溶接に用いられるフラックスは特に制限はなく、溶融型フラックスであっても焼成型フラックスであってもかまわない。シーム溶接を行った後、溶接残留応力の除去と鋼管真円度の向上のため、拡管を実施する。拡管工程において拡管率（拡管前の管の外径に対する拡管前後の外径変化量の比）は、通常、０．３％〜１．５％の範囲で実施される。真円度改善効果と拡管装置に要求される能力とのバランスの観点から、拡管率は０．５％〜１．２％の範囲であることが好ましい。上述のＵＯＥプロセスの代わりに、鋼板に三点曲げを繰り返すことにより逐次成形するプレスペンド法により、ほぼ円形の断面形状を有する鋼管を製造した後に、上述のＵＯＥプロセスと同様にシーム溶接を実施してもよい。プレスペンド法の場合も、ＵＯＥプロセスの場合と同様、シーム溶接を行った後、拡管を行ってもよい。拡管工程において拡管率（拡管前の管の外径に対する拡管前後の外径変化量の比）は、通常、０．３％〜１．５％の範囲で実施される。真円度改善効果と拡管装置に要求される能力とのバランスの観点から、拡管率は０．５％〜１．２％の範囲であることが好ましい。また、必要に応じ、溶接前の予熱や溶接後の熱処理を行うこともできる。
上記のようにして得られた鋼板を素材として用いて、鋼管を製造することができる。前記鋼管は、例えば、上記構造管用厚肉鋼板が長手方向に筒状に成形され、突き合わせ部が溶接された構造管とすることができる。鋼管の製造方法としては、特に限定されることなく、任意の方法を用いることができる。例えば、鋼板を常法に従ってＵプレスおよびＯプレスで鋼板長手方向に筒状とした後、突き合わせ部をシーム溶接してＵＯＥ鋼管とすることができる。前記シーム溶接は、仮付溶接後、内面、外面をいずれも少なくとも１層ずつサブマージアーク溶接で行うことが好ましい。サブマージアーク溶接に用いられるフラックスは特に制限はなく、溶融型フラックスであっても焼成型フラックスであってもかまわない。シーム溶接を行った後、溶接残留応力の除去と鋼管真円度の向上のため、拡管を実施する。拡管工程において拡管率（拡管前の管の外径に対する拡管前後の外径変化量の比）は、通常、０．３％〜１．５％の範囲で実施される。真円度改善効果と拡管装置に要求される能力とのバランスの観点から、拡管率は０．５％〜１．２％の範囲であることが好ましい。上述のＵＯＥプロセスの代わりに、鋼板に三点曲げを繰り返すことにより逐次成形するプレスペンド法により、ほぼ円形の断面形状を有する鋼管を製造した後に、上述のＵＯＥプロセスと同様にシーム溶接を実施してもよい。プレスペンド法の場合も、ＵＯＥプロセスの場合と同様、シーム溶接を行った後、拡管を行ってもよい。拡管工程において拡管率（拡管前の管の外径に対する拡管前後の外径変化量の比）は、通常、０．３％〜１．５％の範囲で実施される。真円度改善効果と拡管装置に要求される能力とのバランスの観点から、拡管率は０．５％〜１．２％の範囲であることが好ましい。また、必要に応じ、溶接前の予熱や溶接後の熱処理を行うこともできる。
表１に示す成分組成の鋼（鋼種Ａ〜Ｋ）を溶製し、連続鋳造法によりスラブとした。得られたスラブを加熱して熱間圧延し、その後、ただちに水冷型の加速冷却設備を用いて２段階冷却して板厚３８〜５１ｍｍの鋼板（Ｎｏ．１〜１８）を製造した。各鋼板の製造条件を表２に示す。得られた鋼板のそれぞれについて、以下に述べる方法により、ミクロ組織に占めるベイナイトの面積分率と機械的特性を評価した。評価結果を表３に示す。
ベイナイトの面積分率は、板厚中心位置から採取した試料について、走査型電子顕微鏡（倍率１０００倍）でランダムに５視野以上観察を行って評価した。
機械的特性のうち、０．５％耐力（ＹＳ）と引張強さ（ＴＳ）は、得られた厚肉鋼板から圧延方向に対して垂直方向の全厚試験片を採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４１（１９９８）の規定に準拠して引張試験を実施して測定した。
機械的特性のうち、シャルピー特性については、板厚中心部より、圧延方向を長手方向とする２ｍｍＶノッチシャルピー試験片を各３本ずつ採取し、各試験片について−２０℃でシャルピー衝撃試験により吸収エネルギー（ｖＥ-20℃）を測定し、それらの平均値を求めた。
機械的特性のうち、ビッカース硬さのばらつきは次のようにして求めた。鋼板の圧延方向に直角な断面について、ＪＩＳ Ｚ ２２４４に準拠して荷重１０ｋｇｆの条件でビッカース硬さＨＶ10を複数の点で測定し、測定値の最大値と最小値の差をビッカース硬さのばらつきΔＨＶ10とした。その際、板厚方向におけるばらつきΔＨＶ10,tは、板幅中央部において、鋼板表層下１ｍｍの位置から、板厚方向に１ｍｍピッチで板厚全体にわたって測定したビッカース硬さから決定した。また、板幅方向におけるばらつきΔＨＶ10,cは、鋼板表層下１ｍｍの位置において、板幅方向に２０ｍｍピッチで板幅全体にわたって測定したビッカース硬さから決定した。なお、板幅方向の硬さは、ｔ／４位置（板厚１／４位置）およびｔ／２位置（板厚中心部）においても測定したが、いずれの鋼板においても表面下１ｍｍ位置において硬さのばらつきが最大を示したので、上述の通り、表面下１ｍｍ位置における硬さのばらつきを、鋼板のビッカース硬さのばらつきとした。
また、溶接熱影響部（ＨＡＺ）靭性を評価するために、再現熱サイクル装置によって入熱４０ｋＪ／ｃｍ〜１００ｋＪ／ｃｍに相当する熱履歴を加えた試験片を作製し、得られた試験片を用いてシャルピー衝撃試験を行った。上述した−２０℃におけるシャルピー吸収エネルギーの評価と同様の方法で測定を行い、得られた−２０℃でのシャルピー吸収エネルギーが１００Ｊ以上の物を良好（○）、１００Ｊ未満のものを不良（×）とした。
さらに、耐ＰＷＨＴ特性を評価するために、ガス雰囲気炉を用いて各鋼板のＰＷＨＴ処理を行った。このときの熱処理条件は６００℃で２時間とし、その後、鋼板を炉から取り出し、空冷によって室温まで冷却した。得られたＰＷＨＴ処理後の鋼板それぞれについて、上述のＰＷＨＴ前の測定と同様の方法で０．５％ＹＳ、ＴＳ、およびｖＥ-20℃を測定した。
表３に示したように、本発明の条件を満たす発明例（Ｎｏ．１〜７）は、ＰＷＴＨ前において、材質均一性に優れる（ビッカース硬さのばらつきが小ささい）とともに、優れた強度、靭性、およびＨＡＺ靭性を有し、さらに、６００℃という高温でＰＷＨＴを行った後においても、十分な強度を維持していた。一方、本発明の条件を満たさない比較例（Ｎｏ．８〜１８）においては、材質均一性や、ＰＷＴＨ前と後の一方または両方における機械的特性が劣っていた。例えば、Ｎｏ．８〜１４は、鋼の成分組成が本発明の条件を満たしているが、母材の強度や材質均一性、シャルピー特性等が劣っている。そのうちＮｏ．９は、８５０℃以下における累積圧下率が低いため、シャルピー特性が低下したものと考えられる。また、Ｎｏ．１０は、鋼板ミクロ組織がベイナイト主体となっておらず、母材強度が劣っている。これは、第１冷却工程における冷却開始温度が低かったため、多量のフェライトが生成したためであると考えられる。Ｎｏ．１１、１２では、第１冷却工程における冷却速度が過大であったため、表層部の硬さが上昇し、その結果、ビッカース硬さのばらつきが大きくなったものと考えられる。Ｎｏ．１５〜１８は鋼の化学成分が本発明の範囲外であるため、母材強度、シャルピー特性、ＨＡＺ靭性の少なくとも一つが劣っていた。
本発明によれば、ＡＰＩ Ｘ８０グレード以上、板厚３８ｍｍ以上の高強度鋼板であって、多量の合金元素の添加なしに、圧延方向の高強度を有しながら板厚中心部のシャルピー特性に優れ、さらに高い材質均一性を兼ね備えた構造管用厚肉鋼板および前記構造管用厚肉鋼板を用いた構造管を提供することができる。前記構造管は、材質均一性に優れるとともに、ＰＷＨＴ後においても優れた機械的特性を維持しているため、コンダクターケーシング鋼管やライザー鋼管等の構造管として極めて有用である。
Claims (7)
- 構造管用厚肉鋼板であって、
質量％で、
Ｃ ：０．０３０〜０．１００％、
Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、
Ｍｎ：１．５０〜２．５０％、
Ａｌ：０．０８０％以下、
Ｍｏ：０．０５〜０．５０％、
Ｔｉ：０．００５〜０．０２５％、
Ｎｂ：０．００５〜０．０８０％、
Ｎ ：０．００１〜０．０１０％、
Ｏ ：０．００５％以下、
Ｐ ：０．０１０％以下、および
Ｓ ：０．００１０％以下、を含有し、
残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ
下記（１）式で定義される炭素当量Ｃeqが０．４２以上である成分組成を有し、
ベイナイト主体のミクロ組織を有し、
引張強さが６２０ＭＰａ以上、板厚中心部の−２０℃におけるシャルピー吸収エネルギーｖＥ-20℃が１００Ｊ以上、板厚方向におけるビッカース硬さのばらつきΔＨＶ10,tが５０以下、かつ板幅方向におけるビッカース硬さのばらつきΔＨＶ10,cが５０以下である、構造管用厚肉鋼板。
記
Ｃeq＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５・・・（１）
（ここで、（１）式中の元素記号は、前記鋼板中における各元素の含有量を質量％で表した値を表し、該鋼板中に当該元素が含有されない場合には０とする） - さらに、前記成分組成が、質量％で、
Ｖ ：０．００５〜０．１００％、を含有する、請求項１に記載の構造管用厚肉鋼板。 - さらに、前記成分組成が、質量％で、
Ｃｕ：０．５０％以下、
Ｎｉ：０．５０％以下、
Ｃｒ：０．５０％以下、
Ｃａ：０．０００５〜０．００３５％、
ＲＥＭ：０．０００５〜０．０１００％、および
Ｂ ：０．００２０％以下からなる群より選択される１種または２種以上を含有する、請求項１または２に記載の構造管用厚肉鋼板。 - 構造管用厚肉鋼板の製造方法であって、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の成分組成を有する鋼素材を、加熱温度：１１００〜１３００℃まで加熱する加熱工程と、
前記加熱工程において加熱された鋼素材を、８５０℃以下での累積圧下率：７０％以上の条件で熱間圧延して鋼板とする熱間圧延工程と、
前記熱間圧延された鋼板を、該鋼板の表面温度で、冷却開始温度Ｔs、1：Ａｒ3点以上、冷却終了温度Ｔe,1：５００℃以下、平均冷却速度Ｖ1：２０℃／ｓ以上１００℃／ｓ以下、かつ下記（２）式を満足する条件で加速冷却する第１冷却工程と、
前記第１冷却工程後の鋼板を、該鋼板の平均温度で、冷却終了温度Ｔe,2：５００℃以下、平均冷却速度Ｖ2：５℃／ｓ以上の条件で加速冷却する第２冷却工程とを、少なくとも有し、
前記構造管用厚肉鋼板が、ベイナイト主体のミクロ組織を有し、引張強さが６２０ＭＰａ以上、板厚中心部の−２０℃におけるシャルピー吸収エネルギーｖＥ -20 ℃が１００Ｊ以上、板厚方向におけるビッカース硬さのばらつきΔＨＶ 10,t が５０以下、かつ板幅方向におけるビッカース硬さのばらつきΔＨＶ 10,c が５０以下である、構造管用厚肉鋼板の製造方法。 - 前記第２冷却工程の後、ただちに０．５℃／ｓ以上１０℃／ｓ以下の昇温速度で４００〜７００℃まで再加熱を行う再加熱工程をさらに有する、請求項４に記載の構造管用厚肉鋼板の製造方法。
- 請求項１〜３のいずれか一項に記載の構造管用厚肉鋼板からなる構造管。
- 請求項１〜３のいずれか一項に記載の鋼板を長手方向に筒状に成形した後、突合せ部を内外面からいずれも少なくとも１層ずつ長手方向に溶接して得た構造管。
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