JP6866855B2 - 耐サワーラインパイプ用高強度鋼板の製造方法、及び耐サワーラインパイプ用高強度鋼板、並びに耐サワーラインパイプ用高強度鋼板を用いた高強度鋼管 - Google Patents
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(1)質量%で、C:0.02〜0.08%、Si:0.01〜0.50%、Mn:0.50〜1.80%、P:0.001〜0.015%、S:0.0002〜0.0015%、Al:0.01〜0.08%およびCa:0.0005〜0.005%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物の成分組成を有する鋼片を、1000℃以上1300℃以下の温度に加熱した後、熱間圧延して鋼板とする工程と、
水冷開始温度を鋼板表面で(Ar3点+10℃)以上、水冷停止温度を鋼板表面でBs点以下として、熱間圧延後の前記鋼板を水冷する第1の水冷工程と、
前記第1の水冷工程の後、鋼板表面を(Ar3点+10℃)以上(Ar3点+100℃)以下の復熱温度に復熱する復熱工程と、
前記復熱工程に引き続き、空冷開始温度を鋼板表面で前記復熱温度、空冷終了温度を鋼板表面でAr3点以上(Ar3点+40℃)以下かつ(前記復熱温度−10℃)以下として、復熱後の前記鋼板を空冷する空冷工程と、
前記空冷工程に引き続き、水冷開始温度を鋼板表面で前記空冷終了温度、水冷停止温度を鋼板表面で450℃以上650℃以下として、空冷後の前記鋼板を水冷する第2の水冷工程と、
を有することを特徴とする耐サワーパイプライン用高強度鋼板の製造方法。
鋼板表面下0.25mmにおけるビッカース硬さが230HV以下であることを特徴とする耐サワーラインパイプ用高強度鋼板。
まず、本開示の耐サワーパイプライン用高強度鋼板の成分組成とその限定理由について説明する。以下の説明において%で示す単位は全て質量%である。
Cは、強度の向上に有効に寄与するが、C含有量が0.02%未満では十分な強度を確保することができず、一方で0.08%を超えると冷却時に表層部の硬さが上昇するので、耐HIC特性および耐SSCC特性が劣化する。また、靭性も劣化する。このため、C含有量は0.02〜0.08%の範囲に限定する。
Siは、脱酸のために添加するが、Si含有量が0.01%未満では脱酸効果が十分でなく、一方で0.50%を超えると靭性や溶接性が劣化する。このため、Si含有量は0.01〜0.50%の範囲に限定する。
Mnは、強度および靭性の向上に有効に寄与するが、Mn含有量が0.50%未満ではその添加効果に乏しく、一方で1.80%を超えると冷却時に中心偏析部の硬さが上昇するので、耐HIC特性が劣化する。また、溶接性も劣化する。このため、Mn含有量は0.50〜1.80%の範囲に限定する。
Pは、不可避不純物元素であり、溶接性を劣化させるとともに、中心偏析部の硬さを上昇させることで耐HIC特性を劣化させ、P含有量が0.015%を超えるとその傾向が顕著となるので、上限を0.015%に規定する。好ましくは0.008%以下である。P含有量は低いほどよいが、精錬コストの観点から0.001%以上とする。
Sは、不可避不純物元素であり、鋼中においてはMnS介在物となり耐HIC特性を劣化させるので、S含有量は低いほどよいが、0.0015%までは許容される。精錬コストの観点から、S含有量は0.0002%以上とする。
Alは、脱酸剤として添加するが、Al含有量が0.01%未満では添加効果がなく、一方で0.08%を超えると鋼の清浄度が低下し、靱性が劣化する。このため、Al含有量は0.01〜0.08%の範囲に限定する。
Caは、硫化物系介在物の形態制御による耐HIC特性向上に有効な元素であるが、Ca含有量が0.0005%未満ではその添加効果が十分でなく、一方で、0.005%を超えると、効果が飽和するだけでなく、鋼の清浄度の低下により耐HIC特性が劣化する。このため、Ca含有量は0.0005〜0.005%の範囲に限定する。
Cuは、靭性の改善と強度の上昇に有効な元素であり、この効果を得るにはCu含有量を0.05%以上とすることが好ましいが、Cu含有量が多すぎると溶接性が劣化するので、Cuを添加する場合は0.50%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り、この効果を得るにはNi含有量を0.05%以上とすることが好ましいが、Ni含有量が多すぎると経済的に不利なだけでなく、溶接熱影響部の靱性が劣化するので、Niを添加する場合は0.50%を上限とする。
Crは、Mnと同様、低Cでも十分な強度を得るために有効な元素であり、この効果を得るにはCr含有量を0.05%以上とすることが好ましいが、Cr含有量が多すぎると溶接性が劣化するので、Crを添加する場合は0.50%を上限とする。
Moは、靭性の改善と強度の上昇に有効な元素であり、この効果を得るにはMo含有量を0.05%以上とすることが好ましいが、Mo含有量が多すぎると溶接性が劣化するので、Moを添加する場合は0.50%を上限とする。
Nb,VおよびTiはいずれも、鋼板の強度および靭性を高めるために任意に添加することができる元素である。各元素とも、含有量が0.005%未満ではその添加効果に乏しく、一方で0.1%を超えると溶接部の靭性が劣化するので、添加する場合はいずれも0.005〜0.1%の範囲とするのが好ましい。
次に、本開示の耐サワーラインパイプ用高強度鋼板の鋼組織について説明する。本開示の高強度鋼板は、API 5LのX70グレード以上の強度を有する鋼管用の鋼板であるので、引張強さTSを570MPa以上とし、降伏強さYSを485MPa以上とし、降伏比YR(=(YS/TS)×100)を0.93以下とする必要があり、そのため鋼組織をベイナイト組織とする必要がある。特に、表層部は、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た場合、表層硬さが上昇し、鋼板内の硬さのばらつきが増大して材質均一性が阻害される。表層硬さの上昇を抑制するために、表層部の鋼組織についてはベイナイト組織とする。ここで、ベイナイト組織は、変態強化に寄与する加速冷却時、あるいは加速冷却後に変態するベイニティックフェライトまたはグラニュラーフェライトと称される組織を含むものとする。ベイナイト組織中に、フェライトやマルテンサイト、パーライト、島状マルテンサイト、残留オーステナイトなどの異種組織が混在すると、強度の低下や靭性の劣化、表層硬さの上昇などが生じるため、ベイナイト相以外の組織分率は少ない程良い。ただし、ベイナイト相以外の組織の体積分率が十分に低い場合には、それらの影響を無視することができるので、ある程度の量であれば許容される。具体的に、本開示では、ベイナイト以外の鋼組織(フェライト、マルテンサイト、パーライト、島状マルテンサイト、残留オーステナイト等)の合計が体積分率で5%未満であれば、大きな影響がないので許容されるものとする。
以下、上記の耐サワーラインパイプ用高強度鋼板を製造するための製造方法および製造条件について、具体的に説明する。
スラブ加熱温度:1000℃以上1300℃以下
スラブ加熱温度が1000℃未満では、炭化物の固溶が不十分であるので、必要な強度が得られず、一方で1300℃を超えると靭性が劣化する。このため、スラブ加熱温度は1000℃以上1300℃以下とする。なお、この温度は加熱炉の炉内温度であり、スラブは中心部までこの温度に加熱されるものとする。
圧延終了温度:鋼板表面でAr3点以上
熱間圧延工程において、高い母材靱性を得るには、圧延終了温度は低いほどよいが、その反面、圧延能率が低下するので、鋼板表面での圧延終了温度は、必要な母材靱性と圧延能率を考慮して設定する必要がある。強度および耐HIC性能を向上させる観点からは、圧延終了温度を鋼板表面でAr3点以上とすることが好ましい。ここで、Ar3点とは、冷却中におけるフェライト変態開始温度を意味し、例えば、鋼の成分から以下の式で求めることができる。また、高い母材靱性を得るためにはオーステナイト未再結晶温度域に相当する950℃以下の温度域での圧下率を60%以上とすることが好ましい。なお、鋼板表面の温度は放射温度計等で測定することができる。
Ar3(℃)=910−310[%C]−80[%Mn]−20[%Cu]−15[%Cr]−55[%Ni]−80[%Mo]
ただし、[%X]はX元素の鋼中含有量(質量%)を示す。
水冷開始温度:鋼板表面で(Ar3点+10℃)以上、水冷停止温度:鋼板表面でBs点以下
第1の水冷工程における水冷開始温度は、鋼板表面で(Ar3点+10℃)未満の場合、第2の水冷開始時に鋼板表面の温度がAr3点を下回り、フェライトの生成が促進され、耐SSCC性が劣化するので、鋼板表面で(Ar3点+10℃)以上とする。水冷開始温度の上限は特に限定されないが、未再結晶域での圧下率を確保する観点から、鋼板表面で900℃以下とすることが好ましい。第1の水冷工程における水冷停止温度は、鋼板表面でBs点(ベイナイト変態開始点)超えの場合、第1の水冷工程の後にフェライトの生成が誘発されるので、Bs点以下とする。ここで、Bs点は、例えば、鋼の成分から以下の式で求めることができる。
BS(℃)=830−270[%C]−90[%Mn]−37[%Ni]−70[%Cr]−83[%Mo]
ただし、[%X]はX元素の鋼中含有量(質量%)を示す。
第1の水冷工程における鋼板表面の平均冷却速度は、板厚全体の組織をベイナイトとする観点から、20℃/s以上とすることが好ましい。平均冷却速度の上限は特に限定されないが、鋼板表面の硬度を抑制する観点から、80℃/s以下とすることが好ましい。
復熱温度T1:鋼板表面で(Ar3点+10℃)以上(Ar3点+100℃)以下
復熱温度T1が鋼板表面で(Ar3点+10℃)未満の場合、後述する第2の水冷工程を開始する前に、すなわち空冷工程において、鋼板表面の温度がAr3点を下回り、鋼板表面にフェライトが生成され、これに起因して耐SSCC特性が劣化する。そのため、復熱温度T1は鋼板表面で(Ar3点+10℃)以上とする。また、逆変態の観点から、復熱温度T1は鋼板表面で(Ar3点+100℃)以下とする。
空冷開始温度:鋼板表面で復熱温度T1、空冷終了温度T2:鋼板表面でAr3点以上(Ar3点+40℃)以下かつ(復熱温度T1−10℃)以下
空冷開始温度を鋼板表面で復熱温度T1、空冷終了温度T2を鋼板表面でAr3点以上(Ar3点+40℃)以下かつ(復熱温度T1−10℃)以下とすることによって、鋼板表面の温度がT1からT2に下がるまで、鋼板を十分に空冷することができるので、鋼板表層部を十分に焼き戻すことが可能となる。その結果、鋼板表面下0.25mmにおけるビッカース硬さを230HV以下に抑制することができる。なお、空冷終了温度T2が鋼板表面で(上記復熱温度−10℃)以下であっても(Ar3点+40℃)超えの場合、空冷が不十分であり、鋼板表面下0.25mmにおけるビッカース硬さが230HVを超えてしまう。また、空冷終了温度T2がAr3点未満の場合、鋼板の強度が低下してしまう。
空冷工程における空冷時間は、鋼板表層部を十分に焼戻す観点から10s以上とすることが好ましい。また、空冷時間が長すぎると強度低下のおそれがあるので、60s以下とすることが好ましい。
水冷開始温度:鋼板表面で空冷終了温度T2、水冷停止温度:鋼板表面で450℃以上650℃以下
第2の水冷工程は、空冷工程に引き続き行うので、その水冷開始温度は空冷終了温度T2と同じとなる。水冷停止温度は、鋼板表面で450℃以上650℃以下とする。このように、ベイナイト変態の温度域である450℃以上650℃以下まで冷却を行うことにより、ベイナイト相を生成させる。冷却停止温度が650℃超えの場合、ベイナイト変態が不完全であり、十分な強度が得られない。また、冷却停止温度が450℃未満では、マルテンサイトや島状マルテンサイト(MA)が生成し、特に表層部の硬さ上昇が著しくなり、板厚方向の硬さのばらつきが大きくなる。なお、第2の水冷工程では、冷却停止期間を設けないこととする。
第2の水冷工程における鋼板表面の平均冷却速度は、ベイナイト組織を得ることで十分な強度を確保する観点から20℃/s以上とすることが好ましい。また、耐HIC特性も良好である。平均冷却速度の上限は特に限定されないが、表層部の硬さを抑制する観点から、60℃/s以下とすることが好ましい。
本開示の高強度鋼板を、プレスベンド成形、ロール成形、UOE成形などで管状に成形した後、突き合わせ部を溶接することにより、原油や天然ガスの輸送に好適な鋼板内の材質均一性に優れた耐サワーラインパイプ用高強度鋼管(UOE鋼管、電縫鋼管、スパイラル鋼管など)を製造することができる。
得られた鋼板のミクロ組織を、光学顕微鏡および走査型電子顕微鏡により観察した。鋼板表面下0.25mmおよび板厚中央の位置での組織を表2に示す。
得られた鋼板から、引張方向がL方向となるように、JIS Z 2201の規定に準拠して、JIS5号引張試験片を採取し、JIS Z 2241の規定に準拠して、引張強さと降伏強さを測定した。また、これらの測定値から降伏比を算出した。表2に結果を示す。
図3(A)を参照して、鋼板Sの先端部から500mm×150mmの試験片sを採取した。そして、試験片sの圧延方向に垂直な断面において、JIS Z 2244に準拠して、鋼板表面下0.25mm、0.50mm、1.00mmの位置にて、それぞれ幅方向に等間隔な5つの測定点でビッカース硬さ(HV0.1)を測定した。図3(B)に測定点(×)を示す。ここで、HV10に代えてHV0.1で測定を行ったのは、HV0.1で測定することにより圧痕が小さくなるので、より表面に近い位置での硬さ情報とすることが可能となるからである。表3に結果を示す。
12 第1の冷却設備
14 第2の冷却設備
S 鋼板
s 試験片
Claims (7)
- 質量%で、C:0.02〜0.08%、Si:0.01〜0.50%、Mn:0.50〜1.80%、P:0.001〜0.015%、S:0.0002〜0.0015%、Al:0.01〜0.08%およびCa:0.0005〜0.005%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物の成分組成を有する鋼片を、1000℃以上1300℃以下の温度に加熱した後、熱間圧延して鋼板とする工程と、
水冷開始温度を鋼板表面で(Ar3点+10℃)以上、水冷停止温度を鋼板表面でBS点以下として、熱間圧延後の前記鋼板を水冷する第1の水冷工程と、
前記第1の水冷工程の後、鋼板表面を(Ar3点+10℃)以上(Ar3点+100℃)以下の復熱温度に復熱する復熱工程と、
前記復熱工程に引き続き、空冷開始温度を鋼板表面で前記復熱温度、空冷終了温度を鋼板表面でAr3点以上(Ar3点+40℃)以下かつ(前記復熱温度−10℃)以下として、復熱後の前記鋼板を空冷する空冷工程と、
前記空冷工程に引き続き、水冷開始温度を鋼板表面で前記空冷終了温度、水冷停止温度を鋼板表面で450℃以上650℃以下として、空冷後の前記鋼板を水冷する第2の水冷工程と、
を有し、鋼板表面下0.25mmの位置での組織が、ベイナイト組織及び体積分率で5%未満の残部組織からなり、鋼板表面下0.25mmにおけるビッカース硬さが230HV以下である鋼板を製造することを特徴とする耐サワーパイプライン用高強度鋼板の製造方法。 - 前記成分組成が、さらに、質量%で、Cu:0.50%以下、Ni:0.50%以下、Cr:0.50%以下およびMo:0.50%以下のうちから選んだ1種又は2種以上を含有する、請求項1に記載の耐サワーラインパイプ用高強度鋼板の製造方法。
- 前記成分組成が、さらに、質量%で、Nb:0.005〜0.1%、V:0.005〜0.1%およびTi:0.005〜0.1%のうちから選んだ1種又は2種以上を含有する、請求項1または2に記載の耐サワーラインパイプ用高強度鋼板の製造方法。
- 質量%で、C:0.02〜0.08%、Si:0.01〜0.50%、Mn:0.50〜1.80%、P:0.001〜0.015%、S:0.0002〜0.0015%、Al:0.01〜0.08%およびCa:0.0005〜0.005%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、
鋼板表面下0.25mmの位置での組織が、ベイナイト組織及び体積分率で5%未満の残部組織からなり、
鋼板表面下0.25mmにおけるビッカース硬さが230HV以下であることを特徴とする耐サワーラインパイプ用高強度鋼板。 - 前記成分組成が、さらに、質量%で、Cu:0.50%以下、Ni:0.50%以下、Cr:0.50%以下およびMo:0.50%以下のうちから選んだ1種又は2種以上を含有する、請求項4に記載の耐サワーラインパイプ用高強度鋼板。
- 前記成分組成が、さらに、質量%で、V:0.005〜0.1%およびTi:0.005〜0.1%のうちから選んだ1種又は2種を含有する、請求項4または5に記載の耐サワーラインパイプ用高強度鋼板。
- 請求項4〜6のいずれか一項に記載の耐サワーラインパイプ用高強度鋼板を用いた高強度鋼管。
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