JP7087653B2 - Ｃｒ含有電縫鋼管及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、油井管やラインパイプ等として用いるに適したＣｒ含有電縫鋼管及びその製造方法に関するものである。
電縫溶接は高い真円度と小さい偏肉を満たす鋼管を高い生産性で製造でき、構造管、ラインパイプ、油井管等に幅広く用いられている。しかしながら、溶接管であるがゆえに、鋼管の品質は溶接部の品質で決まることが多く、溶接部の品質が確保しにくい材質で製造するのは困難であった。
石油・ガス等の産出・輸送用の油井管やラインパイプ等では、通常の中性湿潤環境下では、炭素鋼、低合金鋼の材料が用いられている。しかし、炭酸ガスを多く含む石油・ガス等では、通常の中性湿潤環境下での腐食や大気腐食に比べて腐食速度が非常に速くなるため、このような炭酸ガス腐食性の高い石油・ガスの産出・輸送用の油井管やラインパイプ等に対しては、油に腐食抑制剤などを添加したり、材料として耐炭酸ガス腐食性に優れた１３％超のＣｒを含むステンレス鋼のシームレス鋼管あるいはアーク溶接管が主に用いられてきた。
しかしながら、油への腐食抑制剤の使用は、環境保全の点から好ましくなく、ラインパイプ等へのステンレス鋼の適用は素材費が高く、使用期間が限られていたり、その腐食条件が余り過酷ではない環境への適用には、費用対効果の点でオーバースペックとなる。また、シームレス鋼管やアーク溶接鋼管は電縫溶接に比べ生産性の低いことから、電縫溶接管でステンレス鋼よりも合金コストを抑えた鋼管が望まれている。そのため、使用環境に対して必要十分な合金成分系の材質で高い電縫溶接品質を確保する必要がある。炭素鋼よりも明らかに優れた耐食性能を確保するという観点から、Ｃｒ添加量は３％超の範囲をカバーすることが望ましい。
これらに対し、特許文献１である特開昭５６－９３８５６号公報や、特許文献２である特許第４４９９９４９号公報には、炭酸ガスによる全面腐食とともに溶接部の局部腐食を向上させることが可能なラインパイプ用鋼が開示されている。しかしながら、これらの公報には、電縫溶接方法について記載がない。Ｃｒを１％程度以上含む鋼は、酸化物欠陥が発生しやすいため、安定した溶接品質を実現するためには酸化物欠陥を抑制するための配慮が不可欠である。
また、特許文献３である特許第４８９０６０９号公報では、プラズマシールドを用いた電縫溶接でＣｒを０．５～２６％程度以上含む鋼にて欠陥面積率を０．０１％以下に抑える技術を提案している。Ｃｒを含む鋼の利点である耐食性を確保するためには欠陥を減らす必要があり、突合せ面全体の欠陥量も低いことが望ましいものの、耐食性に関する溶接欠陥の量は突合せの面でなく表面で規定する必要がある。というのは材料の腐食は鋼管の材料表面で発生するので、突合せ部の面としては欠陥率が低くても欠陥が表面に露出してしまえば鋼管の耐食性を劣化させてしまうからである。
そのため、耐食性を確保するための溶接欠陥の面積率よりも適した指標を明確化し、その指標を満たす鋼管およびそれを可能にする製造方法を確立することが必要である。
従って本発明の目的は上記した従来の問題点を解決し、炭酸ガス(ＣＯ２)を多く含む環境での使用あるいはＣＯ２を多く含む石油・ガス等の輸送に好適である、３％超のＣｒを含む電縫鋼管とその製造方法を提供することである。
上記の課題を解決するためになされた本発明は、次の（１）から（９）の通りである。
（１）成分が、ｍａｓｓ％で、
Ｃｒ：３．０ｍａｓｓ％以上３２．０ｍａｓｓ％以下、
Ｃ：０．０１ｍａｓｓ％以上０．４５ｍａｓｓ％以下、
Ｓｉ：０．０２ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
Ｍｎ：０．０５ｍａｓｓ％以上２．００ｍａｓｓ％以下、
Ｐ：０．０００８ｍａｓｓ％以上０．０４５０ｍａｓｓ％以下、
Ｓ：０．０００３ｍａｓｓ％以上０．０３００ｍａｓｓ％以下、
Ａｌ：０．００５ｍａｓｓ％以上１．０００ｍａｓｓ％以下、
Ｎ：０．０００５ｍａｓｓ％以上０．４０００ｍａｓｓ％以下、
を含み、残Ｆｅおよび不可避的不純物からなるＣｒ含有電縫鋼管において、溶接表面に存在するＣｒ酸化物欠陥について、評価長さＬｗ、Ｌｗ内の最大欠陥長さＬｄｍａｘ、評価長さＬｗと全欠陥長さ(露出した欠陥の線の長さの合計)Ｌｄｔｏｔの比が、下記式（１）、（２）を満足することを特徴とするＣｒ含有電縫鋼管。
Ｌｄｍａｘ[ｍｍ] ≦０．１ （１）
（１００×Ｌｄｔｏｔ／Ｌｗ）[％]＜－０．５×Ｌｄｍａｘ[ｍｍ]＋０．１ （２）
（１）成分が、ｍａｓｓ％で、
Ｃｒ：３．０ｍａｓｓ％以上３２．０ｍａｓｓ％以下、
Ｃ：０．０１ｍａｓｓ％以上０．４５ｍａｓｓ％以下、
Ｓｉ：０．０２ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
Ｍｎ：０．０５ｍａｓｓ％以上２．００ｍａｓｓ％以下、
Ｐ：０．０００８ｍａｓｓ％以上０．０４５０ｍａｓｓ％以下、
Ｓ：０．０００３ｍａｓｓ％以上０．０３００ｍａｓｓ％以下、
Ａｌ：０．００５ｍａｓｓ％以上１．０００ｍａｓｓ％以下、
Ｎ：０．０００５ｍａｓｓ％以上０．４０００ｍａｓｓ％以下、
を含み、残Ｆｅおよび不可避的不純物からなるＣｒ含有電縫鋼管において、溶接表面に存在するＣｒ酸化物欠陥について、評価長さＬｗ、Ｌｗ内の最大欠陥長さＬｄｍａｘ、評価長さＬｗと全欠陥長さ(露出した欠陥の線の長さの合計)Ｌｄｔｏｔの比が、下記式（１）、（２）を満足することを特徴とするＣｒ含有電縫鋼管。
Ｌｄｍａｘ[ｍｍ] ≦０．１ （１）
（１００×Ｌｄｔｏｔ／Ｌｗ）[％]＜－０．５×Ｌｄｍａｘ[ｍｍ]＋０．１ （２）
（２）さらに成分が、ｍａｓｓ％で、
Ｂ：０．０００１ｍａｓｓ％以上０．０２００ｍａｓｓ％以下、
Ｎｉ：０．０３ｍａｓｓ％以上２８．００ｍａｓｓ％以下、
Ｍｏ：０．０２ｍａｓｓ％以上７．００ｍａｓｓ％以下、
Ｗ：０．０２ｍａｓｓ％以上８．０ｍａｓｓ％以下、
Ｃｕ：０．０１ｍａｓｓ％以上４．００ｍａｓｓ％以下、
Ｔｉ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
Ｎｂ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
Ｚｒ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
Ｖ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
の１種または２種以上を含有することを特徴とする（１）のＣｒ含有電縫鋼管。
Ｂ：０．０００１ｍａｓｓ％以上０．０２００ｍａｓｓ％以下、
Ｎｉ：０．０３ｍａｓｓ％以上２８．００ｍａｓｓ％以下、
Ｍｏ：０．０２ｍａｓｓ％以上７．００ｍａｓｓ％以下、
Ｗ：０．０２ｍａｓｓ％以上８．０ｍａｓｓ％以下、
Ｃｕ：０．０１ｍａｓｓ％以上４．００ｍａｓｓ％以下、
Ｔｉ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
Ｎｂ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
Ｚｒ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
Ｖ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
の１種または２種以上を含有することを特徴とする（１）のＣｒ含有電縫鋼管。
（３）成分が、ｍａｓｓ％で、
Ｃｒ：３．０ｍａｓｓ％以上３２．０ｍａｓｓ％以下、
Ｃ：０．０１ｍａｓｓ％以上０．４５ｍａｓｓ％以下、
Ｓｉ：０．０２ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
Ｍｎ：０．０５ｍａｓｓ％以上２．００ｍａｓｓ％以下、
Ｐ：０．０００８ｍａｓｓ％以上０．０４５０ｍａｓｓ％以下、
Ｓ：０．０００３ｍａｓｓ％以上０．０３００ｍａｓｓ％以下、
Ａｌ：０．００５ｍａｓｓ％以上１．０００ｍａｓｓ％以下、
Ｎ：０．０００５ｍａｓｓ％以上０．４０００ｍａｓｓ％以下、
を含み、残Ｆｅおよび不可避的不純物からなるＣｒ含有鋼板を造管、電縫溶接してＣｒ含有電縫鋼管とする際に、電縫溶接に用いる給電コイルとして、コイル本体の外面と裏面の一方または双方が水路で仕切られ、それを覆って冷却水がもれないようなカバーで被覆された給電コイルを用いて電縫溶接することにより、溶接表面に存在するＣｒ酸化物欠陥について、評価長さＬ ｗ 、Ｌ ｗ 内の最大欠陥長さＬ ｄｍａｘ 、評価長さＬ ｗ と全欠陥長さ(露出した欠陥の線の長さの合計)Ｌ ｄｔｏｔ の比が、下記式（１）、（２）を満足する溶接部とすることを特徴とするＣｒ含有電縫鋼管の製造方法。
Ｌ ｄｍａｘ [ｍｍ] ≦０．１ （１）
（１００×Ｌ ｄｔｏｔ ／Ｌ ｗ ）[％]＜－０．５×Ｌ ｄｍａｘ [ｍｍ]＋０．１ （２）
Ｃｒ：３．０ｍａｓｓ％以上３２．０ｍａｓｓ％以下、
Ｃ：０．０１ｍａｓｓ％以上０．４５ｍａｓｓ％以下、
Ｓｉ：０．０２ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
Ｍｎ：０．０５ｍａｓｓ％以上２．００ｍａｓｓ％以下、
Ｐ：０．０００８ｍａｓｓ％以上０．０４５０ｍａｓｓ％以下、
Ｓ：０．０００３ｍａｓｓ％以上０．０３００ｍａｓｓ％以下、
Ａｌ：０．００５ｍａｓｓ％以上１．０００ｍａｓｓ％以下、
Ｎ：０．０００５ｍａｓｓ％以上０．４０００ｍａｓｓ％以下、
を含み、残Ｆｅおよび不可避的不純物からなるＣｒ含有鋼板を造管、電縫溶接してＣｒ含有電縫鋼管とする際に、電縫溶接に用いる給電コイルとして、コイル本体の外面と裏面の一方または双方が水路で仕切られ、それを覆って冷却水がもれないようなカバーで被覆された給電コイルを用いて電縫溶接することにより、溶接表面に存在するＣｒ酸化物欠陥について、評価長さＬ ｗ 、Ｌ ｗ 内の最大欠陥長さＬ ｄｍａｘ 、評価長さＬ ｗ と全欠陥長さ(露出した欠陥の線の長さの合計)Ｌ ｄｔｏｔ の比が、下記式（１）、（２）を満足する溶接部とすることを特徴とするＣｒ含有電縫鋼管の製造方法。
Ｌ ｄｍａｘ [ｍｍ] ≦０．１ （１）
（１００×Ｌ ｄｔｏｔ ／Ｌ ｗ ）[％]＜－０．５×Ｌ ｄｍａｘ [ｍｍ]＋０．１ （２）
（４）前記水路および前記カバーが、前記コイル本体の外側に配置された給電コイルを用いて電縫溶接することを特徴とする（３）のＣｒ含有電縫鋼管の製造方法。
（５）前記水路は前記給電コイルの造管側下流を優先的に冷却できるように配置された給電コイルを用いて電縫溶接することを特徴とする（３）または（４）のＣｒ含有電縫鋼管の製造方法。
（６）前記水路を備えた給電コイルにおいて、冷却水元管と給電コイル側水路の接続部では冷却水元管側の方が管路が同等もしくは広い給電コイルを用いて電縫溶接することを特徴とする（３）乃至（５）５のいずれか１項のＣｒ含有電縫鋼管の製造方法。
（７）前記給電コイルはスクイズロールの上流に備えられていることを特徴とする（３）乃至（６）のいずれか１項のＣｒ含有電縫鋼管の製造方法。
（８）さらに電縫溶接部をプラズマシールドすることを特徴とする（３）乃至（７）のいずれか１項のＣｒ含有電縫鋼管の製造方法。
（５）前記水路は前記給電コイルの造管側下流を優先的に冷却できるように配置された給電コイルを用いて電縫溶接することを特徴とする（３）または（４）のＣｒ含有電縫鋼管の製造方法。
（６）前記水路を備えた給電コイルにおいて、冷却水元管と給電コイル側水路の接続部では冷却水元管側の方が管路が同等もしくは広い給電コイルを用いて電縫溶接することを特徴とする（３）乃至（５）５のいずれか１項のＣｒ含有電縫鋼管の製造方法。
（７）前記給電コイルはスクイズロールの上流に備えられていることを特徴とする（３）乃至（６）のいずれか１項のＣｒ含有電縫鋼管の製造方法。
（８）さらに電縫溶接部をプラズマシールドすることを特徴とする（３）乃至（７）のいずれか１項のＣｒ含有電縫鋼管の製造方法。
（９）さらに成分が、ｍａｓｓ％で、
Ｂ：０．０００１ｍａｓｓ％以上０．０２００ｍａｓｓ％以下、
Ｎｉ：０．０３ｍａｓｓ％以上２８．００ｍａｓｓ％以下、
Ｍｏ：０．０２ｍａｓｓ％以上７．００ｍａｓｓ％以下、
Ｗ：０．０２ｍａｓｓ％以上８．０ｍａｓｓ％以下、
Ｃｕ：０．０１ｍａｓｓ％以上４．００ｍａｓｓ％以下、
Ｔｉ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
Ｎｂ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
Ｚｒ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
Ｖ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
の１種または２種以上を含有することを特徴とする（３）乃至（８）のいずれか１のＣｒ含有電縫鋼管の製造方法。
Ｂ：０．０００１ｍａｓｓ％以上０．０２００ｍａｓｓ％以下、
Ｎｉ：０．０３ｍａｓｓ％以上２８．００ｍａｓｓ％以下、
Ｍｏ：０．０２ｍａｓｓ％以上７．００ｍａｓｓ％以下、
Ｗ：０．０２ｍａｓｓ％以上８．０ｍａｓｓ％以下、
Ｃｕ：０．０１ｍａｓｓ％以上４．００ｍａｓｓ％以下、
Ｔｉ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
Ｎｂ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
Ｚｒ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
Ｖ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
の１種または２種以上を含有することを特徴とする（３）乃至（８）のいずれか１のＣｒ含有電縫鋼管の製造方法。
本発明の技術を用いることにより、３％超のＣｒを含み、耐食性に優れた電縫鋼管を提供することが可能となった。
以下に本発明の実施形態を説明する。
表面腐食が問題になる環境での耐食性は、溶接面の欠陥が多くても、それが表面に露出しなければ腐食しない。しかし溶接面の欠陥が極めて少なくても、それが溶接表面に出ると局部腐食を引き起こし、母材に比べて耐食性が劣化してしまう。特にＣＯ２湿潤環境では、鋼材表面は
Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２→Ｈ＋＋ＨＣＯ３ ―
という反応で低ｐＨの腐食環境に曝される。したがって鋼材表面の耐食性を確保しないと腐食が進んでしまう。そこで発明者らはＣｒ鋼の耐食性に着目し、Ｃｒ鋼活用により改善を試みた。ＣＯ２湿潤環境におけるＣｒ鋼の耐食性は、Ｃｒが固溶していればＣｒ含有量によって決まることが実験事実として知られている。しかし、Ｃｒ鋼の場合であっても、Ｃｒ含有により母材としての耐食性は向上するものの、やはり溶接部、特に溶接表面におけるＣｒ化合物、さらには溶接表面におけるＣｒ酸化物のサイズ・分布によっては従来同様に耐食性に影響を及ぼすことが判明した。
表面腐食が問題になる環境での耐食性は、溶接面の欠陥が多くても、それが表面に露出しなければ腐食しない。しかし溶接面の欠陥が極めて少なくても、それが溶接表面に出ると局部腐食を引き起こし、母材に比べて耐食性が劣化してしまう。特にＣＯ２湿潤環境では、鋼材表面は
Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２→Ｈ＋＋ＨＣＯ３ ―
という反応で低ｐＨの腐食環境に曝される。したがって鋼材表面の耐食性を確保しないと腐食が進んでしまう。そこで発明者らはＣｒ鋼の耐食性に着目し、Ｃｒ鋼活用により改善を試みた。ＣＯ２湿潤環境におけるＣｒ鋼の耐食性は、Ｃｒが固溶していればＣｒ含有量によって決まることが実験事実として知られている。しかし、Ｃｒ鋼の場合であっても、Ｃｒ含有により母材としての耐食性は向上するものの、やはり溶接部、特に溶接表面におけるＣｒ化合物、さらには溶接表面におけるＣｒ酸化物のサイズ・分布によっては従来同様に耐食性に影響を及ぼすことが判明した。
図１にＣｒ酸化物の析出状況を示す。Ｃｒ鋼においてＣｒ酸化物が発生すると、酸化物へのＣｒ濃化に伴い、化合物周囲のＣｒ量は母材より低下してしまうので、酸化物生成位置は母材に比べて耐食性が劣化する。大きな酸化物ほど、広いＣｒ欠乏層が生じてしまう。そのため、耐食性にとって有害となる化合物にはサイズの下限がある。言い換えれば、あるサイズ以下の酸化物であれば単体での耐食性の劣化代は小さい。しかしながら小さい酸化物でも密度が大きければ耐食性を劣化させてしまう。そこで、本発明ではＣｒ酸化物による耐食性の劣化有無を判定する指標を規定し、その指標を満たすプロセスを見出した。以下、詳細に説明する。
（溶接部の耐食性を母材と同等にするＣｒ酸化物欠陥に係る規定）
上記した通り、Ｃｒ鋼溶接部における酸化物欠陥は、Ｃｒ酸化物が主体となり、同時に欠陥周囲へのＣｒ欠乏層の発生を引き起こした形態となる。Ｃｒ鋼の電縫溶接においては、突合せ前の加熱中に突合せ表面で酸化反応が起こり、Ｃｒ酸化物欠陥の大部分はアプセット時に引き伸ばされながら排出されるが、適正な溶接条件にしてもＣｒ酸化物欠陥を完全に無くすことは不可能である。そしてＣｒ酸化物欠陥は突合せ面に沿って引き伸ばされるため、鋼管表面に露出したＣｒ酸化物欠陥は、鋼管表面の溶接線に沿ってほぼ線状に位置することになる。
上記した通り、Ｃｒ鋼溶接部における酸化物欠陥は、Ｃｒ酸化物が主体となり、同時に欠陥周囲へのＣｒ欠乏層の発生を引き起こした形態となる。Ｃｒ鋼の電縫溶接においては、突合せ前の加熱中に突合せ表面で酸化反応が起こり、Ｃｒ酸化物欠陥の大部分はアプセット時に引き伸ばされながら排出されるが、適正な溶接条件にしてもＣｒ酸化物欠陥を完全に無くすことは不可能である。そしてＣｒ酸化物欠陥は突合せ面に沿って引き伸ばされるため、鋼管表面に露出したＣｒ酸化物欠陥は、鋼管表面の溶接線に沿ってほぼ線状に位置することになる。
このようにＣｒ酸化物欠陥が外表面に位置していると、表面のその位置は母材に対して耐食性が劣化しているため、ＣＯ２湿潤環境の腐食の起点となりうる。つまり、図２に示すように露出した欠陥のサイズと密度によって耐食性の劣化が起こってしまう。具体的には、粗大な欠陥が露出すると耐食性が劣化するが、粗大な欠陥があっても露出していないと、耐食性は劣化しない。また、微細な欠陥が露出していても低密度であれば耐食性は劣化せず、微細な欠陥が高密度で露出していると耐食性は劣化する。
また欠陥が内表面に位置する場合も同様に、表面のその位置は母材に対して耐食性が劣化しているため、ＣＯ２湿潤流体を輸送する場合の腐食の起点となりうる。つまり、図３に示すように露出した欠陥のサイズと密度によって耐食性の劣化が起こってしまう。
上述のように、耐食性に影響を及ぼすのは溶接表面に存在するＣｒ酸化物欠陥なので、表面上での溶接線に沿ったＣｒ酸化物欠陥の分布で、耐食性が劣化するか否かを規定できる可能性がある。Ｃｒ酸化物欠陥は前述の様に線状であり、Ｃｒ酸化物欠陥による劣化を表すパラメータとして、所定の評価長さ（例えばサンプルの長さ）Ｌｗ、Ｌｗ内の最大欠陥長さＬｄｍａｘ、欠陥の密集度合を表すパラメータとして評価長さＬｗと全欠陥長さ(露出した欠陥の線の長さの合計)Ｌｄｔｏｔの比で耐食性を整理した。耐食性の劣化は目視可能な凹みの発生で評価した。その結果、溶接表面のＣｒ酸化物欠陥が以下（１）（２）式を同時に満足することで、溶接部の耐食性が母材と同等になることを知見した。
Ｌｄｍａｘ[ｍｍ] ≦０．１ （１）
（１００×Ｌｄｔｏｔ／Ｌｗ）[％]＜－０．５×Ｌｄｍａｘ[ｍｍ]＋０．１ （２）
Ｌｄｍａｘ[ｍｍ] ≦０．１ （１）
（１００×Ｌｄｔｏｔ／Ｌｗ）[％]＜－０．５×Ｌｄｍａｘ[ｍｍ]＋０．１ （２）
なお、評価長さＬｗは２００ｍｍとしてサンプルを採取、溶接ビードを切削し、ピクリン酸エッチングで溶接線位置を確認し、鏡面研磨した表面の溶接線上を溶接線に沿って、溶接線中心に５００μｍの領域を５００倍で２００ｍｍ長さをＳＥМ観察し、反射電子像において母材部よりも輝度が半分以下の暗部（反射電子像では軽元素が暗くなるため、酸化物は輝度が鋼材に比べ低くなる。）に対し、ＥＤＳで分析して酸化物だった物を欠陥とみなした。
（式（１）について）
この根拠は以下の通りである。Ｃｒ含有鋼の電縫溶接部を５ＭＰａのＣＯ２環境で浸漬する試験を行い、前述の凹みを観察した。図４にその結果を示す。最大欠陥長さＬｄｍａｘが１×１０－４ｍ（＝０．１ｍｍ）より大きい場合には目視可能な凹みが確実に目視観察され、耐食性が劣化することが明らかになった。
この根拠は以下の通りである。Ｃｒ含有鋼の電縫溶接部を５ＭＰａのＣＯ２環境で浸漬する試験を行い、前述の凹みを観察した。図４にその結果を示す。最大欠陥長さＬｄｍａｘが１×１０－４ｍ（＝０．１ｍｍ）より大きい場合には目視可能な凹みが確実に目視観察され、耐食性が劣化することが明らかになった。
また、Ｌｄｍａｘが１×１０－４ｍ（＝０．１ｍｍ）よりも小さい場合、耐食性劣化の程度にばらつきがあった。種々の指標で劣化有無の判定を試みた結果、欠陥長さの合計Ｌｄｔｏｔと評価する溶接線長さＬｗの比（Ｌｄｔｏｔ／Ｌｗ）で整理できることを見出した。横軸をＬｄｍａｘ、縦軸を（Ｌｄｔｏｔ／Ｌｗ）として、Ｌｄｍａｘｔ以下の実験データをプロットしたものを図５に示す。図中の（２）式の点線によって劣化の有無を判別できることが分かる。
（Ｃｒ含有鋼の成分範囲について）
本発明におけるＣｒ含有鋼の成分範囲は以下の通りである。鋼管に用いるＣｒ含有鋼には、低合金Ｃｒ鋼、マルテンサイトステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイトステンレス鋼、二相（フェライト－オーステナイト）ステンレス鋼などが挙げられるが、本発明におけるそれらの成分範囲は以下の通りである。
Ｃｒ：３．０ｍａｓｓ％以上３２．０ｍａｓｓ％以下
Ｃ：０．０１ｍａｓｓ％以上０．４５ｍａｓｓ％以下
Ｓｉ：０．０２ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下
Ｍｎ：０．０５ｍａｓｓ％以上２．００ｍａｓｓ％以下
Ｐ：０．０００８ｍａｓｓ％以上０．０４５０ｍａｓｓ％以下
Ｓ：０．０００３ｍａｓｓ％以上０．０３００ｍａｓｓ％以下
Ａｌ：０．００５ｍａｓｓ％以上１．０００ｍａｓｓ％以下
Ｎ：０．０００５ｍａｓｓ％以上０．４０００ｍａｓｓ％以下
本発明におけるＣｒ含有鋼の成分範囲は以下の通りである。鋼管に用いるＣｒ含有鋼には、低合金Ｃｒ鋼、マルテンサイトステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイトステンレス鋼、二相（フェライト－オーステナイト）ステンレス鋼などが挙げられるが、本発明におけるそれらの成分範囲は以下の通りである。
Ｃｒ：３．０ｍａｓｓ％以上３２．０ｍａｓｓ％以下
Ｃ：０．０１ｍａｓｓ％以上０．４５ｍａｓｓ％以下
Ｓｉ：０．０２ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下
Ｍｎ：０．０５ｍａｓｓ％以上２．００ｍａｓｓ％以下
Ｐ：０．０００８ｍａｓｓ％以上０．０４５０ｍａｓｓ％以下
Ｓ：０．０００３ｍａｓｓ％以上０．０３００ｍａｓｓ％以下
Ａｌ：０．００５ｍａｓｓ％以上１．０００ｍａｓｓ％以下
Ｎ：０．０００５ｍａｓｓ％以上０．４０００ｍａｓｓ％以下
さらに選択元素として以下の元素を１種または２種以上含有することも好ましい。
Ｂ：０．０００１ｍａｓｓ％以上０．０２００ｍａｓｓ％以下
Ｎｉ：０．０３ｍａｓｓ％以上２８．００ｍａｓｓ％以下
Ｍｏ：０．０２ｍａｓｓ％以上７．００ｍａｓｓ％以下
Ｗ：０．０２ｍａｓｓ％以上８．０ｍａｓｓ％以下
Ｃｕ：０．０１ｍａｓｓ％以上４．００ｍａｓｓ％以下
Ｔｉ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下
Ｎｂ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下
Ｚｒ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下
Ｖ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下
Ｂ：０．０００１ｍａｓｓ％以上０．０２００ｍａｓｓ％以下
Ｎｉ：０．０３ｍａｓｓ％以上２８．００ｍａｓｓ％以下
Ｍｏ：０．０２ｍａｓｓ％以上７．００ｍａｓｓ％以下
Ｗ：０．０２ｍａｓｓ％以上８．０ｍａｓｓ％以下
Ｃｕ：０．０１ｍａｓｓ％以上４．００ｍａｓｓ％以下
Ｔｉ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下
Ｎｂ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下
Ｚｒ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下
Ｖ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下
以下に各成分の数値限定の理由を説明する。
Ｃｒは鋼材に耐食性を付与する。耐ＣＯ２環境での耐食性を確保するためには３．０ｍａｓｓ％以上の含有量が必要である。また、Ｃｒ添加量が増えるとコストが嵩み、一般的なステンレスで用いられる上限の２６．０ｍａｓｓ％（ＪＩＳ Ｇ ４３０４）を超えるメリットがないため、適正範囲は３．０≦Ｃｒ≦３２．０ｍａｓｓ％である。
Ｃｒは鋼材に耐食性を付与する。耐ＣＯ２環境での耐食性を確保するためには３．０ｍａｓｓ％以上の含有量が必要である。また、Ｃｒ添加量が増えるとコストが嵩み、一般的なステンレスで用いられる上限の２６．０ｍａｓｓ％（ＪＩＳ Ｇ ４３０４）を超えるメリットがないため、適正範囲は３．０≦Ｃｒ≦３２．０ｍａｓｓ％である。
Ｃは強度を向上させる。０．０１ｍａｓｓ％未満では強度が向上しないこと、０．４５ｍａｓｓ％を超えるとＣｒとＣが結合して有効Ｃｒ量が減少し耐食性が著しく低下することから、適正範囲は０．０１≦Ｃ≦０．４５ｍａｓｓ％である。
Ｓｉは耐酸化性を向上させる。０．０３ｍａｓｓ％未満では耐酸化性が向上しないこと、１．００ｍａｓｓ％を超えるとＨＡＺの靱性が著しく低下して加工時に割れやすいことから、適正範囲は０．０３≦Ｓｉ≦１．００ｍａｓｓ％である。
Ｍｎは強度を向上させる。０．０５ｍａｓｓ％未満では強度が向上しないこと、５．００ｍａｓｓ％を超えると耐酸化性が著しく低下することから、適正範囲は０．０５≦Ｍｎ≦５．００ｍａｓｓ％である。
Ｐは内部傷発生や靱性低下の原因となるため、少なければ少ないほど良い。０．０４５ｍａｓｓ％を超えると内部欠陥発生や靱性低下が顕著になることから、Ｐは０．０４５ｍａｓｓ％以下でなければならない。下限はコストと生産性の観点から０．０００８ｍａｓｓ％とする。
Ｓは耐食性低下や靭性低下の原因となる。０．０３００ｍａｓｓ％を超えると耐食性が著しく悪化することから、Ｓは０．０３００ｍａｓｓ％でなければならない。下限はコストと生産性の観点から０．０００３ｍａｓｓ％とする。
Ａｌは脱酸材であり、耐酸化性を向上させる。０．００５ｍａｓｓ％未満ではその効果が無いこと、１．０００ｍａｓｓ％を超えると介在物が著しく増加して延性や靭性を大きく損なうことから、適正範囲は０．００５≦Ａｌ≦１．０００ｍａｓｓ％である。
Ｎは不可避的に混入し、Ｃｒ含有鋼では耐食性を向上させる効果を示す。０．０００５ｍａｓｓ％未満に低減することは困難であり、０．４０００ｍａｓｓ％を超えると溶接時のブローホールが著しく増加することから、適正範囲は０．０００５≦Ｎ≦０．４０００ｍａｓｓ％である。
Ｎｉは靭性および耐食性を向上させる。０．００３ｍａｓｓ％未満ではその効果が無いこと、また、Ｎｉ添加量が増えるとコストが嵩み、一般的なステンレスなどのＣｒ含有鋼で用いられる上限の２８．００ｍａｓｓ％（例えばＪＩＳ Ｇ ４３０４）を超えるメリットがないため、適正範囲は０．０３ｍａｓｓ％≦Ｎｉ≦２８．００ｍａｓｓ％である。
Ｍｏは耐食性および高温強度を向上させる。０．０２ｍａｓｓ％未満ではその効果が無いこと、また、Ｍｏ添加量が増えるとコストが嵩み、一般的なステンレスなどのＣｒ含有鋼で用いられる上限の７．００ｍａｓｓ％（例えばＪＩＳ Ｇ ４３０４）を超えるメリットがないため、適正範囲は０．０３ｍａｓｓ％≦Ｍｏ≦７．００ｍａｓｓ％である。
Ｗは耐食性および高温強度を向上させる。０．０２ｍａｓｓ％未満ではその効果が無いこと、また、Ｗ添加量が増えるとコストが嵩み、一般的な耐熱鋼で用いられる上限の３．００ｍａｓｓ％（例えばＪＩＳ Ｇ ４３１２）を超えるメリットがないため、適正範囲は０．０２ｍａｓｓ％≦Ｗ≦３．００ｍａｓｓ％である。
Ｃｕは耐食性を向上させる。０．０１ｍａｓｓ％未満ではその効果が無いこと、４．００ｍａｓｓ％を超えると靱性が著しく低下することから、適正範囲は０．０１≦Ｃｕ≦４．００ｍａｓｓ％である。
Ｂは焼入性を向上させる。０．０００１ｍａｓｓ％未満ではその効果が無く、０．０２００ｍａｓｓ％を超えると靱性が著しく低下することから、適正範囲は０．０００１≦Ｂ≦０．０２００ｍａｓｓ％である。
Ｔｉは高温強度を向上させる。０．０１ｍａｓｓ％未満ではその効果が無く、１．００ｍａｓｓ％を超えると溶接部の靭性が著しく低下することから、適正範囲は０．０１≦Ｔｉ≦１．００ｍａｓｓ％である。
Ｎｂは高温強度を向上させる。０．０１ｍａｓｓ％未満ではその効果が無く、１．００ｍａｓｓ％を超えると溶接部の靭性が著しく低下することから、適正範囲は０．０１≦Ｎｂ≦１．００ｍａｓｓ％である。
Ｚｒは高温強度を向上させる。０．０１ｍａｓｓ％未満ではその効果が無く、１．００ｍａｓｓ％を超えると溶接部の靭性が著しく低下することから、適正範囲は０．０１≦Ｚｒ≦１．００ｍａｓｓ％である。
Ｖは高温強度を向上させる。０．０１ｍａｓｓ％未満ではその効果が無く、１．００ｍａｓｓ％を超えると溶接部の靭性が著しく低下することから、適正範囲は０．０１≦Ｖ≦１．００ｍａｓｓ％である。
（溶接部の耐食性を母材と同等にすべく規定のＣｒ酸化物欠陥とする製法）
単に電縫溶接電流等、溶接に係る条件を適正化するだけではＣｒ酸化物欠陥を抑制できないのは従来と同じである。そこで、電縫溶接時の周辺環境の改善による酸化物生成の抑制による品質確保を検討した。
単に電縫溶接電流等、溶接に係る条件を適正化するだけではＣｒ酸化物欠陥を抑制できないのは従来と同じである。そこで、電縫溶接時の周辺環境の改善による酸化物生成の抑制による品質確保を検討した。
従来から周辺環境の改善および溶接品位の向上策としてプラズマシールドを用いることが推奨されている。しかしプラズマシールドも、冷却水起因の水蒸気によりシールドを乱され、あるいは水蒸気や水滴の飛び込みによる溶接部の品位劣化に悩まされてきた。そこで、溶接部の品位劣化の主たる原因となる冷却水起因の水蒸気、水滴発生の抑制を検討した。その結果、以下のような給電コイルの構造が好ましいことが分かった。なお、給電コイルは周知の電縫造管設備のスクイズロールの上流に備えられている。
給電コイル自体に穴を明けたり空洞化、あるいは水冷パイプを接続するのではなく、給電コイル表面は水路で仕切られ、それを覆って冷却水が漏れないようなカバーで被覆した構造とする。仕切り及びカバーは、冷却が十分であれば必ずしも給電コイルと同一材質でなくても構わないが、施工上、および熱膨張の観点からは同一材質であることが好ましい。水路およびそのカバーは給電コイルの内側（造管中の鋼管が通過する側）および／または外側（前記の反対面）に設置することが好ましいが、給電コイルの加熱能力および水路の施工し易さから、給電コイルの外側に配置されていることが好ましい。
図６、図７に給電コイルの一例の構造を示す。給電コイルのコイル本体２０は図６に示すような形状であり、円形部２１と高周波電源に接続される平板部２２とからなる。コイル本体２０は銅板製とすることが望ましい。このコイル本体２０の表面に、図７に示すように仕切り棒２３をろう付けすることにより、コイル本体２０の表面にジグザグ状の水路２４を形成する。水流が妨げられないように、仕切り棒２３の長さは短く設定されている。そしてその上からカバー２５を被せることにより、冷却水が漏れることがない構造とする。仕切り棒２３は必須のものではなく、省略することも可能である。水路２４は給電コイルの造管下流側を優先的に冷却することが好ましく、そのように水路が仕切られていることが好ましい。これは給電コイルの造管下流側がプラズマシールドおよび絵電縫溶接の熱に曝されているためである。
冷却水元管と給電コイル側水路の接続部では、冷却水元管側の方が管路が同等もしくは広い方が好ましい。これは給電コイル側水路の方が広い場合その接続部の隅でよどみが発生して冷却不足となり、コイルや水路、カバーが損壊、溶融する虞があるためである。尚、冷却水量が多ければ給電コイルや水路、カバーの損壊、溶解が軽減されるのは言うまでもない。また入熱量を適切に保たなければ、他の条件によらず給電コイルや水路、カバーの損壊、溶解は発生し得ることも同様である。
給電コイルへの冷却水の給水取り回しは、造管上流側からが好ましい。これは、冷却効果からすれば前述のように下流から冷却するのが好ましいが、給電コイル下流には造管および電縫用のスクイズロールが控えており、冷却水管の路確保が困難な場合があるからである。この様な給電コイルを用いることで、冷却水が水蒸気となったり水滴となったりして溶接部に取りつくこともなくなり、溶接部の品位が向上、即ち規定のＣｒ酸化物欠陥が達成されることとなる。さらにプラズマシールドを用いれば、溶接部の品位が向上することは言うまでもない。
以下に水路配置による給電コイルの冷却状況の試験結果を、表１－Ａから表１－Ｊに示す。図８は試験に用いた仕切り無しの水路パターンを示し、図９は仕切り有の水路パターンを示している。鋼管の成分は、後述の表２の鋼種Ｇを用い、給電コイルは外径11-3/4インチの鋼管用であり、通電部（のコイル本体２０）は銅製で肉厚３ｍｍとし、流路の仕切りは同じく銅製で厚さ６ｍｍの仕切り棒２３をろう付けし、薄いカバー２５(ｔ１．５ｍｍ)を重ね端部をろう付けで塞いだ。この構造は給電コイルの寸法や溶接電源、成形ロールの構造に依らず共通である。
次に、Ｃｒ含有電縫鋼管の成分を表２に示す通り変更した試験を行い、その品質評価結果を表３に示す。なお、表３において、水切有は水冷コイル(仕切り有11)を使用して造管した。加熱方式は高周波誘導加熱、突き合わせはＩ型、水切無は外水冷ワークコイル使用（通常造管）、水切有は内水冷ワークコイル使用、電縫鋼管のサイズ：外径298mm、板厚9.5mm、評価長：各200ｍｍである。
上記した実施例１，２に示すように、本発明によれば、炭酸ガス(ＣＯ２)を多く含む環境での使用あるいはＣＯ２を多く含む石油・ガス等の輸送に好適な、耐食性に優れた３％超のＣｒを含む電縫鋼管を提供することができる。
２０ コイル本体
２１ 円形部
２２ 平板部
２３ 仕切り棒
２４ 水路
２５ カバー
２１ 円形部
２２ 平板部
２３ 仕切り棒
２４ 水路
２５ カバー
Claims (9)
- 成分が、ｍａｓｓ％で、
Ｃｒ：３．０ｍａｓｓ％以上３２．０ｍａｓｓ％以下、
Ｃ：０．０１ｍａｓｓ％以上０．４５ｍａｓｓ％以下、
Ｓｉ：０．０２ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
Ｍｎ：０．０５ｍａｓｓ％以上２．００ｍａｓｓ％以下、
Ｐ：０．０００８ｍａｓｓ％以上０．０４５０ｍａｓｓ％以下、
Ｓ：０．０００３ｍａｓｓ％以上０．０３００ｍａｓｓ％以下、
Ａｌ：０．００５ｍａｓｓ％以上１．０００ｍａｓｓ％以下、
Ｎ：０．０００５ｍａｓｓ％以上０．４０００ｍａｓｓ％以下、
を含み、残Ｆｅおよび不可避的不純物からなるＣｒ含有電縫鋼管において、溶接表面に存在するＣｒ酸化物欠陥について、評価長さＬｗ、Ｌｗ内の最大欠陥長さＬｄｍａｘ、評価長さＬｗと全欠陥長さ(露出した欠陥の線の長さの合計)Ｌｄｔｏｔの比が、下記式（１）、（２）を満足することを特徴とするＣｒ含有電縫鋼管。
Ｌｄｍａｘ[ｍｍ] ≦０．１ （１）
（１００×Ｌｄｔｏｔ／Ｌｗ）[％]＜－０．５×Ｌｄｍａｘ[ｍｍ]＋０．１ （２） - さらに成分が、ｍａｓｓ％で、
Ｂ：０．０００１ｍａｓｓ％以上０．０２００ｍａｓｓ％以下、
Ｎｉ：０．０３ｍａｓｓ％以上２８．００ｍａｓｓ％以下、
Ｍｏ：０．０２ｍａｓｓ％以上７．００ｍａｓｓ％以下、
Ｗ：０．０２ｍａｓｓ％以上８．０ｍａｓｓ％以下、
Ｃｕ：０．０１ｍａｓｓ％以上４．００ｍａｓｓ％以下、
Ｔｉ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
Ｎｂ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
Ｚｒ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
Ｖ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
の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に記載のＣｒ含有電縫鋼管。 - 成分が、ｍａｓｓ％で、
Ｃｒ：３．０ｍａｓｓ％以上３２．０ｍａｓｓ％以下、
Ｃ：０．０１ｍａｓｓ％以上０．４５ｍａｓｓ％以下、
Ｓｉ：０．０２ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
Ｍｎ：０．０５ｍａｓｓ％以上２．００ｍａｓｓ％以下、
Ｐ：０．０００８ｍａｓｓ％以上０．０４５０ｍａｓｓ％以下、
Ｓ：０．０００３ｍａｓｓ％以上０．０３００ｍａｓｓ％以下、
Ａｌ：０．００５ｍａｓｓ％以上１．０００ｍａｓｓ％以下、
Ｎ：０．０００５ｍａｓｓ％以上０．４０００ｍａｓｓ％以下、
を含み、残Ｆｅおよび不可避的不純物からなるＣｒ含有鋼板を造管、電縫溶接してＣｒ含有電縫鋼管とする際に、電縫溶接に用いる給電コイルとして、コイル本体の外面と裏面の一方または双方が水路で仕切られ、それを覆って冷却水がもれないようなカバーで被覆された給電コイルを用いて電縫溶接することにより、溶接表面に存在するＣｒ酸化物欠陥について、評価長さＬ ｗ 、Ｌ ｗ 内の最大欠陥長さＬ ｄｍａｘ 、評価長さＬ ｗ と全欠陥長さ(露出した欠陥の線の長さの合計)Ｌ ｄｔｏｔ の比が、下記式（１）、（２）を満足する溶接部とすることを特徴とするＣｒ含有電縫鋼管の製造方法。
Ｌ ｄｍａｘ [ｍｍ] ≦０．１ （１）
（１００×Ｌ ｄｔｏｔ ／Ｌ ｗ ）[％]＜－０．５×Ｌ ｄｍａｘ [ｍｍ]＋０．１ （２） - 前記水路および前記カバーが、前記コイル本体の外側に配置された給電コイルを用いて電縫溶接することを特徴とする請求項３に記載のＣｒ含有電縫鋼管の製造方法。
- 前記水路は前記給電コイルの造管側下流を優先的に冷却できるように配置された給電コイルを用いて電縫溶接することを特徴とする請求項３または４に記載のＣｒ含有電縫鋼管の製造方法。
- 前記水路を備えた給電コイルにおいて、冷却水元管と給電コイル側水路の接続部では冷却水元管側の方が管路が同等もしくは広い給電コイルを用いて電縫溶接することを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載のＣｒ含有電縫鋼管の製造方法。
- 前記給電コイルはスクイズロールの上流に備えられていることを特徴とする請求項３乃至６のいずれか１項に記載のＣｒ含有電縫鋼管の製造方法。
- さらに電縫溶接部をプラズマシールドすることを特徴とする請求項３乃至７のいずれか１項に記載のＣｒ含有電縫鋼管の製造方法。
- さらに成分が、ｍａｓｓ％で、
Ｂ：０．０００１ｍａｓｓ％以上０．０２００ｍａｓｓ％以下、
Ｎｉ：０．０３ｍａｓｓ％以上２８．００ｍａｓｓ％以下、
Ｍｏ：０．０２ｍａｓｓ％以上７．００ｍａｓｓ％以下、
Ｗ：０．０２ｍａｓｓ％以上８．０ｍａｓｓ％以下、
Ｃｕ：０．０１ｍａｓｓ％以上４．００ｍａｓｓ％以下、
Ｔｉ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
Ｎｂ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
Ｚｒ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
Ｖ：０．０１ｍａｓｓ％以上１．００ｍａｓｓ％以下、
の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３乃至８のいずれか１に記載のＣｒ含有電縫鋼管の製造方法。
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| JP2014036983A (ja) | 2012-08-16 | 2014-02-27 | Nippon Steel & Sumitomo Metal | 誘導加熱装置 |
| JP2017179480A (ja) | 2016-03-30 | 2017-10-05 | 新日鐵住金ステンレス株式会社 | 加工性に優れた排気部品用フェライト系ステンレス鋼板、鋼管およびその製造方法 |
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