JP7107370B2 - 継目無鋼管及びその製造方法 - Google Patents
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Description
化学組成が、
質量%で、
C:0.050%以下、
Si:0.50%以下、
Mn:0.01~0.20%、
P:0.025%以下、
S:0.0150%以下、
Cu:0.09~3.00%、
Cr:15.00~18.00%、
Ni:4.00~9.00%、
Mo:1.50~4.00%、
Al:0.040%以下、
N:0.0150%以下、
Ca:0.0010~0.0040%、
Ti:0.020%以下、
Nb:0.020%以下、
V:0~0.20%、
Co:0~0.30%、
W:0~2.00%、及び
残部:Fe及び不純物からなり、式(1)及び式(2)を満たし、
前記継目無鋼管の管軸方向をL方向、肉厚方向をT方向、前記L方向及び前記T方向と垂直な方向をC方向と定義したとき、ミクロ組織が、次の(I)~(III)を満たす。
(I)総体積率で80%以上のフェライト及びマルテンサイトを含有し、残部が残留オーステナイトからなる。
(II)前記継目無鋼管の肉厚中央位置に位置し、前記L方向に延びる辺の長さが100μmであり、前記T方向に延びる辺の長さが100μmである正方形のL方向観察視野面において、
前記T方向に延びる線分であって、前記L方向に等間隔に配列され、前記L方向観察視野面を前記L方向に5等分する4つの線分を線分TL1~TL4と定義し、
前記L方向に延びる線分であって、前記T方向に等間隔に配列され、前記L方向観察視野面を前記T方向に5等分する4つの線分を線分L1~L4と定義し、
前記フェライトと前記マルテンサイトとの界面をフェライト界面と定義したとき、
前記線分TL1~TL4と前記フェライト界面との交点の数である交点数NTLが38個以上であり、
前記線分L1~L4と前記フェライト界面との交点の数である交点数NLと、前記交点数NTLとが、式(3)を満たす。
(III)前記継目無鋼管の肉厚中央位置に位置し、前記C方向に延びる辺の長さが100μmであり、前記T方向に延びる辺の長さが100μmである正方形のC方向観察視野面において、
前記T方向に延びる線分であって、前記C方向に等間隔に配列され、前記C方向観察視野面を前記C方向に5等分する4つの線分を線分TC1~TC4と定義し、
前記C方向に延びる線分であって、前記T方向に等間隔に配列され、前記C方向観察視野面を前記T方向に5等分する4つの線分を線分C1~C4と定義し、
前記線分TC1~TC4と前記フェライト界面との交点の数である交点数NTCが30個以上であり、
前記線分C1~C4と前記フェライト界面との交点の数である交点数NCと、前記交点数NTCとが、式(4)を満たす。
156Al+18Ti+12Nb+11Mn+5V+328.125N+243.75C+12.5S≦12.5 (1)
Ca/S≧4.0 (2)
NTL/NL≧1.80 (3)
NTC/NC≧1.70 (4)
ここで、式(1)及び式(2)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。
化学組成が、
質量%で、
C:0.050%以下、
Si:0.50%以下、
Mn:0.01~0.20%、
P:0.025%以下、
S:0.0150%以下、
Cu:0.09~3.00%、
Cr:15.00~18.00%、
Ni:4.00~9.00%、
Mo:1.50~4.00%、
Al:0.040%以下、
N:0.0150%以下、
Ca:0.0010~0.0040%、
Ti:0.020%以下、
Nb:0.020%以下、
V:0~0.20%、
Co:0~0.30%、
W:0~2.00%、及び
残部:Fe及び不純物からなり、式(1)及び式(2)を満たす素材を、1200~1260℃の加熱温度Tでt時間保持する加熱工程と、
前記加熱工程で加熱された前記素材を、式(A)を満たす条件で穿孔圧延して素管を製造する穿孔圧延工程と、
前記素管を延伸圧延する延伸圧延工程と、
前記延伸圧延工程後の前記素管に対して、850~1150℃の焼入れ温度で焼入れを実施する焼入れ工程と、
前記焼入れ工程後の前記素管に対して、400~700℃の焼戻し温度で焼戻しを実施する焼戻し工程と、を備える、
継目無鋼管の製造方法。
156Al+18Ti+12Nb+11Mn+5V+328.125N+243.75C+12.5S≦12.5 (1)
Ca/S≧4.0 (2)
0.057X-Y<1720 (A)
式(A)中のXは次の式(B)で定義される。
X=(T+273)×{20+log(t)} (B)
ここで、Tは前記素材の加熱温度(℃)であり、tは、前記加熱温度Tでの保持時間(時間)である。
式(A)中の断面減少率Y(%)は式(C)で定義される。
Y={1-(穿孔圧延後の素管の管軸方向に垂直な断面積/穿孔圧延前の素材の管軸方向に垂直な断面積)}×100 (C)
(II-1)交点数NTLが38個以上であり、
(II-2)式(3)で定義される層状指数LIL(Layer Index of Longitudinal direction)が1.80以上であり、
かつ、C方向断面1Cにおいて、
(III-1)交点数NTCが30個以上であり、かつ、
(III-2)式(4)で定義される層状指数LIC(Layer Index of Circumferential direction)が1.70以上、
であれば、862MPa以上の降伏強度を有していても、亀裂を極めて有効に抑制することが可能となり、優れた低温靱性が得られることがわかった。
層状指数LIL=NTL/NL≧1.80 (3)
層状指数LIC=NTC/NC≧1.70 (4)
以下、交点数NTL及び層状指数LIL、交点数NTC及び層状指数LICについて説明する。
層状指数LILは、L方向断面1Lにおける層状組織の発達の度合いを示す指標である。層状指数LIL中のNTL、NLは次のとおり定義される。
層状指数LICは、C方向断面1Cにおける、層状組織の発達の度合いを示す指標である。層状指数LIC中のNTC、NCは次のとおり定義される。
156Al+18Ti+12Nb+11Mn+5V+328.125N+243.75C+12.5S≦12.5 (1)
ここで、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。
Ca/S≧4.0 (2)
ここで、式(2)中の元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
化学組成が、
質量%で、
C:0.050%以下、
Si:0.50%以下、
Mn:0.01~0.20%、
P:0.025%以下、
S:0.0150%以下、
Cu:0.09~3.00%、
Cr:15.00~18.00%、
Ni:4.00~9.00%、
Mo:1.50~4.00%、
Al:0.040%以下、
N:0.0150%以下、
Ca:0.0010~0.0040%、
Ti:0.020%以下、
Nb:0.020%以下、
V:0~0.20%、
Co:0~0.30%、
W:0~2.00%、及び
残部:Fe及び不純物からなり、式(1)及び式(2)を満たし、
前記継目無鋼管の管軸方向をL方向、肉厚方向をT方向、前記L方向及び前記T方向と垂直な方向をC方向と定義したとき、ミクロ組織が、次の(I)~(III)を満たす。
(I)総体積率で80%以上のフェライト及びマルテンサイトを含有し、残部が残留オーステナイトからなる。
(II)前記継目無鋼管の肉厚中央位置に位置し、前記L方向に延びる辺の長さが100μmであり、前記T方向に延びる辺の長さが100μmである正方形のL方向観察視野面において、
前記T方向に延びる線分であって、前記L方向に等間隔に配列され、前記L方向観察視野面を前記L方向に5等分する4つの線分を線分TL1~TL4と定義し、
前記L方向に延びる線分であって、前記T方向に等間隔に配列され、前記L方向観察視野面を前記T方向に5等分する4つの線分を線分L1~L4と定義し、
前記フェライトと前記マルテンサイトとの界面をフェライト界面と定義したとき、
前記線分TL1~TL4と前記フェライト界面との交点の数である交点数NTLが38個以上であり、
前記線分L1~L4と前記フェライト界面との交点の数である交点数NLと、前記交点数NTLとが、式(3)を満たす。
(III)前記継目無鋼管の肉厚中央位置に位置し、前記C方向に延びる辺の長さが100μmであり、前記T方向に延びる辺の長さが100μmである正方形のC方向観察視野面において、
前記T方向に延びる線分であって、前記C方向に等間隔に配列され、前記C方向観察視野面を前記C方向に5等分する4つの線分を線分TC1~TC4と定義し、
前記C方向に延びる線分であって、前記T方向に等間隔に配列され、前記C方向観察視野面を前記T方向に5等分する4つの線分を線分C1~C4と定義し、
前記線分TC1~TC4と前記フェライト界面との交点の数である交点数NTCが30個以上であり、
前記線分C1~C4と前記フェライト界面との交点の数である交点数NCと、前記交点数NTCとが、式(4)を満たす。
156Al+18Ti+12Nb+11Mn+5V+328.125N+243.75C+12.5S≦12.5 (1)
Ca/S≧4.0 (2)
NTL/NL≧1.80 (3)
NTC/NC≧1.70 (4)
ここで、式(1)及び式(2)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。
[1]に記載の継目無鋼管であって、
前記化学組成は、
V:0.01~0.20%、を含有する。
[1]又は[2]に記載の継目無鋼管であって、
前記化学組成は、
Co:0.10~0.30%、及び、
W:0.02~2.00%、からなる群から選択される1種以上、を含有する。
化学組成が、
質量%で、
C:0.050%以下、
Si:0.50%以下、
Mn:0.01~0.20%、
P:0.025%以下、
S:0.0150%以下、
Cu:0.09~3.00%、
Cr:15.00~18.00%、
Ni:4.00~9.00%、
Mo:1.50~4.00%、
Al:0.040%以下、
N:0.0150%以下、
Ca:0.0010~0.0040%、
Ti:0.020%以下、
Nb:0.020%以下、
V:0~0.20%、
Co:0~0.30%、
W:0~2.00%、及び
残部:Fe及び不純物からなり、式(1)及び式(2)を満たす素材を、1200~1260℃の加熱温度Tでt時間保持する加熱工程と、
前記加熱工程で加熱された前記素材を、式(A)を満たす条件で穿孔圧延して素管を製造する穿孔圧延工程と、
前記素管を延伸圧延する延伸圧延工程と、
前記延伸圧延工程後の前記素管に対して、850~1150℃の焼入れ温度で焼入れを実施する焼入れ工程と、
前記焼入れ工程後の前記素管に対して、400~700℃の焼戻し温度で焼戻しを実施する焼戻し工程と、を備える、
継目無鋼管の製造方法。
156Al+18Ti+12Nb+11Mn+5V+328.125N+243.75C+12.5S≦12.5 (1)
Ca/S≧4.0 (2)
0.057X-Y<1720 (A)
式(A)中のXは次の式(B)で定義される。
X=(T+273)×{20+log(t)} (B)
ここで、Tは素材の加熱温度(℃)であり、tは、加熱温度Tでの保持時間(時間)である。
式(A)中の断面減少率Y(%)は式(C)で定義される。
Y={1-(穿孔圧延後の素管の管軸方向に垂直な断面積/穿孔圧延前の素材の管軸方向に垂直な断面積)}×100 (C)
[4]に記載の継目無鋼管の製造方法であって、
前記化学組成は、
V:0.01~0.20%、を含有する。
[4]又は[5]に記載の継目無鋼管の製造方法であって、
前記化学組成は、
Co:0.10~0.30%、及び、
W:0.02~2.00%、からなる群から選択される1種以上、を含有する。
本実施形態による継目無鋼管の化学組成は、次の元素を含有する。
炭素(C)は、不可避に含有される。つまり、C含有量は0%超である。Cは、鋼材の強度を高める。しかしながら、C含有量が0.050%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、焼戻し後の硬さが高くなり過ぎ、低温靱性が低下する。C含有量が0.050%を超えればさらに、残留オーステナイトが増加する。この場合、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、降伏強度が低くなりやすい。したがって、C含有量は0.050%以下である。C含有量の下限は特に限定されない。しかしながら、C含有量の過剰な低減は、製鋼工程における精錬コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮すれば、C含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.002%であり、さらに好ましくは0.003%であり、さらに好ましくは、0.007%である。C含有量の好ましい上限は0.040%であり、さらに好ましくは0.030%である。
シリコン(Si)は、不可避に含有される。つまり、Si含有量は0%超である。Siは、鋼を脱酸する。しかしながら、Si含有量が0.50%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の低温靱性及び熱間加工性が低下する。したがって、Si含有量は0.50%以下である。Si含有量の好ましい下限は特に限定されない。しかしながら、Si含有量の過剰な低減は、製鋼工程の精錬コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮すれば、Si含有量の好ましい下限は0.01%であり、さらに好ましくは0.02%であり、さらに好ましくは0.10%である。Si含有量の好ましい上限は0.45%であり、さらに好ましくは0.40%である。
マンガン(Mn)は、鋼を脱酸し、鋼を脱硫する。Mnはさらに、鋼材の熱間加工性を高める。Mn含有量が0.01%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、これらの効果が十分に得られない。一方、Mn含有量が0.20%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、MnがP及びS等の不純物とともに、粒界に偏析する。この場合、高温環境における耐食性が低下する。したがって、Mn含有量は0.01~0.20%である。Mn含有量の好ましい下限は0.02%であり、さらに好ましくは0.03%であり、さらに好ましくは0.05%である。Mn含有量の好ましい上限は0.18%であり、さらに好ましくは0.15%であり、さらに好ましくは0.13%である。
燐(P)は不可避に含有される不純物である。すなわち、P含有量は0%超である。Pは、粒界に偏析して、鋼材の低温靱性を低下する。したがって、P含有量は0.025%以下である。P含有量の好ましい上限は0.020%であり、さらに好ましくは0.015%である。P含有量はなるべく低い方が好ましい。ただし、P含有量の過剰な低減は、製鋼工程の精錬コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮すれば、P含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.002%である。
硫黄(S)は不可避に含有される不純物である。すなわち、S含有量は0%超である。Sは、粒界に偏析して、鋼材の低温靱性及び熱間加工性を低下する。したがって、S含有量は0.0150%以下である。S含有量の好ましい上限は0.0050%であり、さらに好ましくは0.0030%であり、さらに好ましくは0.0020%である。S含有量はなるべく低い方が好ましい。ただし、S含有量の過剰な低減は、製鋼工程の精錬コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、S含有量の好ましい下限は0.0001%であり、さらに好ましくは0.0002%であり、さらに好ましくは0.0003%である。
銅(Cu)は、析出強化により、鋼材の強度を高める。Cuはさらに、高温環境での鋼材の耐食性を高める。Cu含有量が0.09%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、これらの効果が十分に得られない。一方、Cu含有量が3.00%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性が低下する。したがって、Cu含有量は、0.09~3.00%である。Cu含有量の好ましい下限は0.10%であり、さらに好ましくは、0.20%であり、さらに好ましくは0.80%であり、さらに好ましくは1.20%である。Cu含有量の好ましい上限は2.90%であり、さらに好ましくは2.80%であり、さらに好ましくは2.70%である。
クロム(Cr)は、高温環境での鋼材の耐食性を高める。具体的には、Crは高温環境での鋼材の腐食速度を低減し、鋼材の耐炭酸ガス腐食性を高める。Cr含有量が15.00%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、これらの効果が十分に得られない。一方、Cr含有量が18.00%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材中のフェライトが増加して、鋼材の強度が低下する。したがって、Cr含有量は15.00~18.00%である。Cr含有量の好ましい下限は15.50%であり、さらに好ましくは16.00%であり、さらに好ましくは16.50%である。Cr含有量の好ましい上限は17.80%であり、さらに好ましくは17.50%であり、さらに好ましくは17.20%である。
ニッケル(Ni)は鋼材の強度を高める。Niはさらに、高温環境での耐食性を高める。Ni含有量が4.00%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、これらの効果が十分に得られない。一方、Ni含有量が9.00%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、残留オーステナイトが過剰に生成しやすくなる。したがって、Ni含有量は4.00~9.00%である。Ni含有量の好ましい下限は、4.20%であり、さらに好ましくは4.40%であり、さらに好ましくは4.80%である。Ni含有量の好ましい上限は8.70%であり、さらに好ましくは8.00%であり、さらに好ましくは7.00%であり、さらに好ましくは6.00%である。
モリブデン(Mo)は、鋼材の焼入れ性を高める。Moはさらに、微細な炭化物を生成し、鋼材の焼戻し軟化抵抗を高める。その結果、Moは、高温焼戻しにより鋼材の耐食性を高める。Mo含有量が1.50%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、これらの効果が十分に得られない。一方、Mo含有量が4.00%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、これらの効果が飽和する。したがって、Mo含有量は1.50~4.00%である。Mo含有量の好ましい下限は1.60%であり、さらに好ましくは1.70%であり、さらに好ましくは1.80%である。Mo含有量の好ましい上限は3.80%であり、さらに好ましくは3.50%であり、さらに好ましくは、3.20%である。
アルミニウム(Al)は、不可避に含有される。つまり、Al含有量は0%超である。Alは、鋼を脱酸する。しかしながら、Al含有量が0.040%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、AlNが過剰に生成する。AlNはピンニング粒子であるため、L方向断面1L及び/又はC方向断面1Cでの層状組織の形成を抑制する。さらに、粗大な酸化物系介在物が生成する。粗大な酸化物系介在物は、鋼材の靱性を低下する。したがって、Al含有量は0.040%以下である。Al含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.005%であり、さらに好ましくは0.010%である。Al含有量の好ましい上限は0.035%であり、さらに好ましくは0.032%である。なお、本明細書にいうAl含有量は、「酸可溶Al」、つまり、sol.Alの含有量を意味する。
窒素(N)は不可避に含有される。つまり、Nは0%超である。Nは固溶して鋼材の強度を高める。しかしながら、N含有量が0.0150%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、AlNが過剰に生成する。AlNはピンニング粒子であるため、L方向断面1L及び/又はC方向断面1Cでの層状組織の形成を抑制する。さらに、粗大な窒化物が生成して鋼材の耐食性が低下する。したがって、N含有量は0.0150%以下である。N含有量の過剰な低減は、製鋼工程の精錬コストを大幅に高める。したがって、N含有量の好ましい下限は0.0001%である。上記効果をより有効に得るためのN含有量の好ましい下限は0.0020%であり、さらに好ましくは0.0040%であり、さらに好ましくは0.0050%である。N含有量の好ましい上限は、0.0140%であり、さらに好ましくは0.0130%である。
カルシウム(Ca)は、鋼材中のSと結合して硫化物を生成し、固溶Sを低減する。これにより、鋼材の熱間加工性を高める。Ca含有量が0.0010%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、この効果が十分に得られない。一方、Ca含有量が0.0040%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大な酸化物を生成して鋼材の耐食性が低下する。したがって、Ca含有量は0.0010~0.0040%である。Ca含有量の好ましい下限は0.0012%であり、さらに好ましくは0.0014%であり、さらに好ましくは0.0016%である。Ca含有量の好ましい上限は0.0036%であり、さらに好ましくは0.0034%である。
本実施形態の継目無鋼管において、チタン(Ti)は不可避に含有される。つまり、Ti含有量は0%超である。Tiは窒素(N)及び/又は炭素(C)と結合して、窒化物、炭化物、又は炭窒化物(つまり、炭窒化物等)を形成する。通常、Ti炭窒化物等は、ピンニング効果により結晶粒を微細化して、鋼材の靱性を高める。しかしながら、本実施形態では、穿孔圧延時において、Ti炭窒化物等がピンニング効果により、フェライトのL方向及び/又はC方向への延伸を阻害してしまう。その結果、所望の層状組織が得られなくなる。Ti含有量が0.020%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Ti炭窒化物等のピンニング効果により、式(3)及び式(4)の両方を満たす層状組織が得られなくなる。その結果、継目無鋼管の低温靱性が低下する。したがって、Ti含有量は0.020%以下である。Ti含有量の好ましい上限は0.018%であり、さらに好ましくは0.015%であり、さらに好ましくは0.010%であり、さらに好ましくは0.005%である。Ti含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ti含有量の過剰な低減は製造コストを高める場合がある。したがって、Ti含有量の好ましい下限は0.001%である。
本実施形態の継目無鋼管において、ニオブ(Nb)は不可避に含有される。つまり、Nb含有量は0%超である。Nbは窒素(N)及び/又は炭素(C)と結合して、Nb炭窒化物等を形成する。通常、Nb炭窒化物等は、ピンニング効果により結晶粒を微細化して、鋼材の靱性を高める。しかしながら、本実施形態では、穿孔圧延時において、Nb炭窒化物等がピンニング効果により、フェライトのL方向及び/又はC方向への延伸を阻害してしまう。その結果、所望の層状組織が得られなくなる。Nb含有量が0.020%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Nb炭窒化物等のピンニング効果により、式(3)及び式(4)の両方を満たす層状組織が得られなくなる。その結果、継目無鋼管の低温靱性が低下する。したがって、Nb含有量は0.020%以下である。Nb含有量の好ましい上限は0.018%であり、さらに好ましくは0.015%であり、さらに好ましくは0.010%であり、さらに好ましくは0.005%である。Nb含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Nb含有量の過剰な低減は製造コストを高める場合がある。したがって、Nb含有量の好ましい下限は0.001%である。
上述の継目無鋼管の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Vを含有してもよい。
バナジウム(V)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、V含有量は0%であってもよい。含有される場合、Vは、炭窒化物等を形成して、鋼材の強度を高める。しかしながら、V含有量が0.20%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、穿孔圧延時において、V炭窒化物等がピンニング効果を発揮して、フェライトのL方向及び/又はC方向への延伸を阻害してしまう。その結果、所望の層状組織が得られなくなる。つまり、V含有量が0.20%を超えれば、V炭窒化物等のピンニング効果が発現することにより、式(3)及び式(4)の両方を満たす層状組織が得られなくなる。その結果、継目無鋼管の低温靱性が低下する。V含有量が0.20%を超えればさらに、炭窒化物等が粗大化して、鋼材の靱性が低下する。したがって、V含有量は0~0.20%である。V含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.01%である。V含有量の好ましい上限は0.20%未満であり、さらに好ましくは0.15%であり、さらに好ましくは0.10%である。
コバルト(Co)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Co含有量は0%であってもよい。含有される場合、Coは高温環境で鋼材(継目無鋼管)の表面に腐食被膜を形成する。これにより、鋼材内部への水素の侵入が抑制される。そのため、鋼材の耐食性が高まる。Coが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Co含有量が0.30%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の焼入れ性が低下して、鋼材の強度が低下する。したがって、Co含有量は0~0.30%である。Co含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.10%であり、さらに好ましくは0.12%であり、さらに好ましくは0.14%である。Co含有量の好ましい上限は0.29%であり、さらに好ましくは0.28%であり、さらに好ましくは0.27%である。
タングステン(W)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、W含有量は0%であってもよい。含有される場合、Wは高温環境中で鋼材(継目無鋼管)の表面に腐食被膜を形成する。これにより、鋼材内部への水素の侵入が抑制される。そのため、鋼材の耐食性が高まる。Wが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、W含有量が2.00%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材中に粗大な炭化物が生成して、鋼材の耐食性が低下する。したがって、W含有量は0~2.00%である。W含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.02%であり、さらに好ましくは0.03%である。W含有量の好ましい上限は1.80%であり、より好ましくは1.50%であり、さらに好ましくは1.00%であり、さらに好ましくは0.50%であり、さらに好ましくは0.40%である。
本実施形態の継目無鋼管の化学組成はさらに、式(1)を満たす。
156Al+18Ti+12Nb+11Mn+5V+328.125N+243.75C+12.5S≦12.5 (1)
ここで、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。
上述の本実施形態の継目無鋼管の化学組成はさらに、式(2)を満たす。
Ca/S≧4.0 (2)
本実施形態による継目無鋼管のミクロ組織は、次の(I)~(III)を満たす。
(I)総体積率で80%以上のフェライト及びマルテンサイトを含有し、残部が残留オーステナイトからなる。
(II)L方向観察視野面において、L方向観察視野面をL方向に5等分する4つの線分を線分TL1~TL4と定義する。L方向観察視野面をT方向に5等分する4つの線分を線分L1~L4と定義する。フェライトとマルテンサイトとの界面をフェライト界面と定義する。このとき、線分TL1~TL4とフェライト界面との交点の数である交点数NTLが38個以上である。そして、線分L1~L4とフェライト界面との交点の数である交点数NLと、交点数NTLとが、式(3)を満たす。
NTL/NL≧1.80 (3)
(III)C方向観察視野面において、C方向観察視野面をC方向に5等分する4つの線分を線分TC1~TC4と定義する。C方向観察視野面をT方向に5等分する4つの線分を線分C1~C4と定義する。このとき、線分TC1~TC4とフェライト界面との交点の数である交点数NTCが30個以上である。そして、線分C1~C4とフェライト界面との交点の数である交点数NCと、交点数NTCとが、式(4)を満たす。
NTC/NC≧1.70 (4)
本実施形態の継目無鋼管のミクロ組織は、総体積率で80%以上のフェライト及びマルテンサイトを含有し、残部は残留オーステナイトからなる。ここで、マルテンサイトとは、焼戻しマルテンサイトも含む。フェライト及びマルテンサイトの総体積率の好ましい下限は、82%であり、さらに好ましくは85%であり、さらに好ましくは90%であり、さらに好ましくは92%であり、さらに好ましくは95%であり、さらに好ましくは97%であり、最も好ましくは、100%である。
Vγ=100/{1+(Iα×Rγ)/(Iγ×Rα)} (5)
ここで、Iαはα相の積分強度である。Rαはα相の結晶学的理論計算値である。Iγはγ相の積分強度である。Rγはγ相の結晶学的理論計算値である。なお、本明細書において、α相の(200)面でのRαを15.9、α相の(211)面でのRαを29.2、γ相の(200)面でのRγを35.5、γ相の(220)面でのRγを20.8、γ相の(311)面でのRγを21.8とする。
フェライト及びマルテンサイトの総体積率=100-残留オーステナイトの体積率 (6)
本実施形態の継目無鋼管のミクロ組織のうち、図3に示すとおり、L方向とT方向とに平行な面をL方向断面1Lと定義する。そして、L方向断面1Lにおいて、継目無鋼管の肉厚中央位置に位置し、L方向に延びる辺の長さが100μmであり、T方向に延びる辺の長さが100μmである正方形の断面を、L方向観察視野面50と定義する。
(II-1)線分TL1~TL4とフェライト界面FBとの交点の数である交点数NTLが38個以上である。
(II-2)線分L1~L4とフェライト界面FBとの交点の数である交点数NLと、交点数NTLとが、式(3)を満たす。
NTL/NL≧1.80 (3)
層状指数LIL=NTL/NL≧1.80 (3)
本実施形態の継目無鋼管のミクロ組織ではさらに、層状組織がL方向に十分に発達しているだけではなく、層状組織がC方向にも十分に発達している。このL方向だけでなく、C方向に十分に発達した層状組織により、本実施形態の継目無鋼管は、862MPa以上の降伏強度を有し、かつ、優れた低温靱性を有する。以下、C方向観察視野面60での層状組織について詳述する。
(III-1)線分TC1~TC4とフェライト界面との交点の数である交点数NTCが30個以上である。
(III-2)線分C1~C4とフェライト界面との交点の数である交点数NCと、交点数NTCとが、式(4)を満たす。
NTC/NC≧1.70 (4)
層状指数LIC=NTC/NC≧1.70 (4)
本実施形態による継目無鋼管の肉厚は特に限定されない。継目無鋼管が油井用途に使用される場合、好ましい肉厚は5.0~60.0mmである。
本実施形態による鋼材の降伏強度は862MPa以上である。本明細書でいう降伏強度は、ASTM E8/E8M-16aに準拠した常温(20±15℃)、大気中での引張試験により得られた、0.2%オフセット耐力(MPa)を意味する。本実施形態の継目無鋼管の降伏強度の上限は特に限定されない。しかしながら、上述の化学組成の場合、本実施形態の継目無鋼管の降伏強度の上限はたとえば、1000MPaである。本実施形態の継目無鋼管の降伏強度の好ましい上限は990MPaであり、さらに好ましくは988MPaである。さらに好ましくは、本実施形態による継目無鋼管の降伏強度は、125ksi級であり、具体的には、862~965MPaである。
本実施形態の継目無鋼管は、上述のとおり高い降伏強度を有するだけでなく、優れた低温靱性も有する。具体的には、本実施形態の継目無鋼管では、ASTM A370-18に準拠したシャルピー衝撃試験を実施して得られた、-10℃での吸収エネルギーが150J以上となる。
上述の構成を有する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。以降に説明する継目無鋼管の製造方法は、本実施形態の継目無鋼管の製造方法のあくまでも一例である。したがって、上述の構成を有する継目無鋼管は、以降に説明する製造方法以外の他の製造方法により製造されてもよい。つまり、本実施形態の継目無鋼管の製造方法は、以降に説明する製造方法に限定されない。しかしながら、以降に説明する製造方法は、本実施形態の継目無鋼管の製造方法の好ましい一例である。
加熱工程では、上述の化学組成を有する素材を1200~1260℃で加熱する。素材は製造して準備してもよいし、第三者から購入することにより準備してもよい。
加熱された素材に対して、穿孔圧延を実施して、素管(Hollow Shell)を製造する。具体的には、穿孔機を用いて、素材を穿孔圧延する。穿孔機は、一対の傾斜ロールと、プラグとを備える。一対の傾斜ロールは、パスライン周りに配置される。プラグは、一対の傾斜ロールの間であって、パスライン上に配置される。ここで、パスラインとは、穿孔圧延時において、素材の中心軸が通過するラインである。傾斜ロールは、バレル型であってもコーン型であってもよい。
0.057X-Y<1720 (A)
ここで、式(A)中のXは加熱条件パラメーターである。加熱条件パラメーターXは、次の式(B)で定義される。
X=(T+273)×{20+log(t)} (B)
式(B)中のTは加熱温度(℃)であり、tは、加熱温度Tでの保持時間(時間)である。
式(A)中のYは、穿孔機での断面減少率である。つまり、穿孔機での断面減少率Yには、穿孔機での穿孔圧延以降の延伸圧延での断面減少率は含まれない。穿孔機での断面減少率Y(%)は、式(C)で定義される。
Y={1-(穿孔圧延後の素管の管軸方向に垂直な断面積/穿孔圧延前の素材の管軸方向に垂直な断面積)}×100 (C)
延伸圧延工程は実施しなくてもよい。実施する場合、延伸圧延工程では、穿孔圧延工程により製造された素管に対して、延伸圧延を実施する。延伸圧延は、延伸圧延機を用いて実施される。延伸圧延機は、パスラインに沿って上流から下流に向かって一列に配列された複数のロールスタンドを備える。各ロールスタンドは複数の圧延ロールを備える。延伸圧延機はたとえば、マンドレルミルである。
本実施形態の製造方法では、必要に応じて、延伸圧延工程後の素管に対して、定径圧延工程を実施してもよい。つまり、定径圧延工程は実施しなくてもよい。
累積断面減少率={1-(製管工程後の素管の管軸方向に垂直な断面積/穿孔圧延前の素材の管軸方向に垂直な断面積)}×100
延伸圧延工程後、又は、定径圧延工程後の素管に対して、熱処理工程を実施する。熱処理工程は、焼入れ工程と、焼戻し工程とを備える。
焼入れ工程では、素管に対して、周知の焼入れを実施する。本実施形態の化学組成を有する素管では、焼入れ温度は850~1150℃である。この焼入れ温度域において、素管のミクロ組織はオーステナイトとフェライトとの2相組織となる。
焼戻し工程では、上述の焼入れ工程後の素管に対して焼戻しを実施する。本実施形態の化学組成を有する素管において、焼戻し温度は400~700℃である。焼戻し温度での保持時間は特に制限されないが、たとえば、15~120分である。
[ミクロ組織観察試験]
各試験番号の継目無鋼管の肉厚中央位置からサンプルを採取した。サンプルのサイズは、継目無鋼管のL方向に15mm、T方向に2mm、L方向とT方向とに垂直な方向(C方向)に15mmであった。得られたサンプルを用いて、α相(フェライト及びマルテンサイト)の(200)面、α相の(211)面、γ相(残留オーステナイト)の(200)面、γ相の(220)面、γ相の(311)面の各々のX線回折強度を測定し、各面の積分強度を算出した。X線回折装置にはブルカー社(Bruker)製の商品名:MXP3を用い、ターゲットをMoとし(MoKα線:λ=71.0730pm)、出力を50kV-40mAとした。算出後、α相の各面と、γ相の各面との組合せ(2×3=6組)ごとに式(5)を用いて残留オーステナイトの体積率Vγ(%)を算出した。そして、6組の残留オーステナイトの体積率Vγの平均値を、残留オーステナイトの体積率(%)と定義した。
Vγ=100/{1+(Iα×Rγ)/(Iγ×Rα)} (5)
なお、α相の(200)面でのRαを15.9、α相の(211)面でのRαを29.2、γ相の(200)面でのRγを35.5、γ相の(220)面でのRγを20.8、γ相の(311)面でのRγを21.8とした。
フェライト及びマルテンサイトの総体積率=100-残留オーステナイトの体積率 (6)
次の方法により、L方向観察視野面での層状組織の発達度合いと、C方向観察視野面での層状組織の発達度合いとを測定した。
各試験番号の継目無鋼管のT方向(肉厚方向)の中央位置であって、L方向及びT方向を含む断面(L方向断面)を含むサンプルを採取した。L方向断面は、L方向及びT方向を含む面とした。L方向断面の大きさは、L方向:5mm×T方向:5mmとした。L方向断面のT方向における中央位置が、継目無鋼管のT方向(肉厚方向)の中央位置とほぼ一致するように、サンプルを採取した。L方向断面を鏡面研磨した後、L方向断面をビレラ腐食液に10秒浸漬して、エッチングによる組織現出を行った。エッチングされたL方向断面を、1000倍の倍率の光学顕微鏡を用いて、層状組織確認試験を実施した。
各試験番号の継目無鋼管のT方向(肉厚方向)の中央位置であって、C方向及びT方向を含む断面(C方向断面)を含むサンプルを採取した。C方向断面は、C方向及びT方向を含む面とした。C方向断面の大きさは、C方向:5mm×T方向:5mmとした。C方向断面のT方向における中央位置が、継目無鋼管のT方向(肉厚方向)の中央位置とほぼ一致するように、サンプルを採取した。C方向断面を鏡面研磨した後、C方向断面をビレラ腐食液に10秒浸漬して、エッチングによる組織現出を行った。エッチングされたC方向断面を、1000倍の倍率の光学顕微鏡を用いて、層状組織確認試験を実施した。
各試験番号の継目無鋼管の肉厚中央位置から、丸棒引張試験片を採取した。丸棒引張試験片の平行部の直径は4mmであり、平行部の長さは35mmであった。丸棒引張試験片の長手方向は、継目無鋼管の管軸方向(L方向)と平行であった。各丸棒引張試験片を用いて、常温(20±15℃)、大気中にて引張試験を実施して、降伏強度(MPa)を求めた。具体的には、引張試験で得られた0.2%オフセット耐力を、降伏強度と定義した。得られた降伏強度(MPa)を表2の「降伏強度」欄に示す。
各試験番号の継目無鋼管の肉厚中央位置から、API 5CRA/ISO13680 TABLE A.5に準拠したVノッチ試験片を採取した。試験片を用いて、ASTM A370-18に準拠して、シャルピー衝撃試験を実施し、-10℃での吸収エネルギー(J)を求めた。得られた結果を表2の「吸収エネルギー」欄に示す。
各鋼番号の丸ビレットを用いて、熱間加工性試験(グリーブル試験)を実施した。具体的には、各鋼番号のビレットから、直径10mm、長さ130mmの試験片を複数切り出した。試験片の中心軸は、丸ビレットの中心軸と一致した。高周波誘導加熱炉を用いて、試験片を3分間で1250℃まで昇温させた後、1250℃で3分間保持した。その後、100℃/秒の速度で、鋼番号の複数の試験片のそれぞれを、1250℃、1200℃、1100℃、1000℃まで冷却し、その後、ひずみ速度10秒-1で引張試験を実施して、破断させた。各温度において(1250℃、1200℃、1100℃、1000℃)、破断した試験片の断面減少率を求めた。求めた断面減少率がいずれの温度においても70.0%以上であれば、その鋼番号の鋼材は熱間加工性に優れると判断した(表2の「熱間加工性」欄で「E」(Excellent)と表記)。一方、いずれかの温度域で断面減少率が70.0%未満であった場合、熱間加工性が低いと判断した(表2の「熱間加工性」欄で「NA」(Not Accepted)と表記)。
表2に試験結果を示す。
10 フェライト
20 マルテンサイト
50 L方向観察視野面
60 C方向観察視野面
TL1~TL4、TC1~TC4 線分
L1~L4、C1~C4 線分
FB フェライト界面
1L L方向断面
1C C方向断面
Claims (6)
- 継目無鋼管であって、
化学組成が、
質量%で、
C:0.050%以下、
Si:0.50%以下、
Mn:0.01~0.20%、
P:0.025%以下、
S:0.0150%以下、
Cu:0.09~3.00%、
Cr:15.00~18.00%、
Ni:4.00~9.00%、
Mo:1.50~4.00%、
Al:0.040%以下、
N:0.0150%以下、
Ca:0.0010~0.0040%、
Ti:0.020%以下、
Nb:0.020%以下、
V:0~0.20%、
Co:0~0.30%、
W:0~2.00%、及び
残部:Fe及び不純物からなり、式(1)及び式(2)を満たし、
前記継目無鋼管の管軸方向をL方向、肉厚方向をT方向、前記L方向及び前記T方向と垂直な方向をC方向と定義したとき、ミクロ組織が、次の(I)~(III)を満たす、
継目無鋼管。
(I)総体積率で80%以上のフェライト及びマルテンサイトを含有し、残部が残留オーステナイトからなる。
(II)前記継目無鋼管の肉厚中央位置に位置し、前記L方向に延びる辺の長さが100μmであり、前記T方向に延びる辺の長さが100μmである正方形のL方向観察視野面において、
前記T方向に延びる線分であって、前記L方向に等間隔に配列され、前記L方向観察視野面を前記L方向に5等分する4つの線分を線分TL1~TL4と定義し、
前記L方向に延びる線分であって、前記T方向に等間隔に配列され、前記L方向観察視野面を前記T方向に5等分する4つの線分を線分L1~L4と定義し、
前記フェライトと前記マルテンサイトとの界面をフェライト界面と定義したとき、
前記線分TL1~TL4と前記フェライト界面との交点の数である交点数NTLが38個以上であり、
前記線分L1~L4と前記フェライト界面との交点の数である交点数NLと、前記交点数NTLとが、式(3)を満たす。
(III)前記継目無鋼管の肉厚中央位置に位置し、前記C方向に延びる辺の長さが100μmであり、前記T方向に延びる辺の長さが100μmである正方形のC方向観察視野面において、
前記T方向に延びる線分であって、前記C方向に等間隔に配列され、前記C方向観察視野面を前記C方向に5等分する4つの線分を線分TC1~TC4と定義し、
前記C方向に延びる線分であって、前記T方向に等間隔に配列され、前記C方向観察視野面を前記T方向に5等分する4つの線分を線分C1~C4と定義し、
前記線分TC1~TC4と前記フェライト界面との交点の数である交点数NTCが30個以上であり、
前記線分C1~C4と前記フェライト界面との交点の数である交点数NCと、前記交点数NTCとが、式(4)を満たす。
156Al+18Ti+12Nb+11Mn+5V+328.125N+243.75C+12.5S≦12.5 (1)
Ca/S≧4.0 (2)
NTL/NL≧1.80 (3)
NTC/NC≧1.70 (4)
ここで、式(1)及び式(2)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。 - 請求項1に記載の継目無鋼管であって、
前記化学組成は、
V:0.01~0.20%、を含有する、
継目無鋼管。 - 請求項1又は請求項2に記載の継目無鋼管であって、
前記化学組成は、
Co:0.10~0.30%、及び、
W:0.02~2.00%、からなる群から選択される1種以上、を含有する、
継目無鋼管。 - 化学組成が、
質量%で、
C:0.050%以下、
Si:0.50%以下、
Mn:0.01~0.20%、
P:0.025%以下、
S:0.0150%以下、
Cu:0.09~3.00%、
Cr:15.00~18.00%、
Ni:4.00~9.00%、
Mo:1.50~4.00%、
Al:0.040%以下、
N:0.0150%以下、
Ca:0.0010~0.0040%、
Ti:0.020%以下、
Nb:0.020%以下、
V:0~0.20%、
Co:0~0.30%、
W:0~2.00%、及び
残部:Fe及び不純物からなり、式(1)及び式(2)を満たす素材を、1200~1260℃の加熱温度Tでt時間保持する加熱工程と、
前記加熱工程で加熱された前記素材を、式(A)を満たす条件で穿孔圧延して素管を製造する穿孔圧延工程と、
前記素管を延伸圧延する延伸圧延工程と、
前記延伸圧延工程後の前記素管に対して、850~1150℃の焼入れ温度で焼入れを実施する焼入れ工程と、
前記焼入れ工程後の前記素管に対して、400~700℃の焼戻し温度で焼戻しを実施する焼戻し工程と、を備える、
請求項1に記載の継目無鋼管の製造方法。
156Al+18Ti+12Nb+11Mn+5V+328.125N+243.75C+12.5S≦12.5 (1)
Ca/S≧4.0 (2)
0.057X-Y<1720 (A)
式(A)中のXは次の式(B)で定義される。
X=(T+273)×{20+log(t)} (B)
ここで、Tは素材の加熱温度(℃)であり、tは、加熱温度Tでの保持時間(時間)である。
式(A)中の断面減少率Y(%)は式(C)で定義される。
Y={1-(穿孔圧延後の素管の管軸方向に垂直な断面積/穿孔圧延前の素材の管軸方向に垂直な断面積)}×100 (C) - 請求項4に記載の継目無鋼管の製造方法であって、
前記化学組成は、
V:0.01~0.20%、を含有する、
継目無鋼管の製造方法。 - 請求項4又は請求項5に記載の継目無鋼管の製造方法であって、
前記化学組成は、
Co:0.10~0.30%、及び、
W:0.02~2.00%、からなる群から選択される1種以上、を含有する、
継目無鋼管の製造方法。
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