JP7360075B2 - 鋼管および鋼板 - Google Patents
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Description
ESSP=Ca×(1-124×O)/(1.25×S) ・・・(i)
Ceq=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5 ・・・(ii)
但し、式中の各元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合はゼロとする。
(2)上記(1)に記載の鋼板は、前記母材部の化学組成が、質量%で、Cr:0.10~1.00%、Mo:0.03~0.50%、Ni:0.10~1.00%、Cu:0.10~1.00%、V:0.005~0.10%、Mg:0.001~0.0100%、および、REM:0.001~0.0100%、から選択される1種以上を含有してもよい。
(3)上記(1)または(2)に記載の鋼管は、前記母材部の化学組成が、質量%で、Nb:0.01~0.04%を含み、前記溶接部が、溶接熱影響部と溶接金属部とからなり、前記溶接熱影響部における表面から肉厚方向に0.9mm深さ位置までの範囲である表層部の金属組織が、ベイナイト、およびアシキュラーフェライトから選択される1種以上を含み、前記溶接熱影響部における表層部の最高硬さが250HV以下であり、前記鋼管の内側における溶接止端部の角度が130~180°の範囲である。
(4)上記(1)~(3)のいずれかに記載の鋼管は、前記母材部の厚さが10~40mmであり、管径が508mm以上であってもよい。
(5)本発明の別の態様に係る鋼板は、(1)~(4)のいずれかに記載の鋼管の前記母材部に用いられる。
また、本発明の好ましい態様によれば、過酷な高圧硫化水素環境で使用できる耐サワー性に優れる溶接部を有する鋼管を提供することができる。
本実施形態に係る鋼管は、母材部と溶接部とを有する溶接鋼管である。母材部は円筒状であり、溶接部は鋼管の軸方向に平行な方向に延在している。溶接部は、溶接時に溶融して凝固した金属部分である溶接金属部と、溶接時に溶融しなかったものの、溶接による入熱およびその後の冷却により組織等に変化を生じた領域である溶接熱影響部とからなる。
また、本実施形態に係る鋼板は、上記鋼管の母材部に用いられる。すなわち、後述するように、上記鋼板を筒状に成形し、当該鋼板の両端部を突き合わせ溶接することによって、上記鋼管が得られる。したがって、鋼板の化学組成、金属組織および機械特性は、鋼管の母材部と同一である。そのため、以降、本実施形態に係る鋼管の母材部についての説明は、本実施形態に係る鋼板にも適用される。
各元素の限定理由は下記のとおりである。以下の説明において含有量についての「%」は、「質量%」を意味する。
本実施形態に係る鋼管の母材部(本実施形態に係る鋼板)の化学組成について説明する。
Cは、鋼の強度を向上させる元素である。C含有量が0.030%未満であると、強度向上効果が十分に得られない。そのため、C含有量は0.030%以上とする。好ましくは0.035%以上である。
Si含有量が0.50%を超えると、溶接部の靱性が低下する。そのため、Si含有量は0.50%以下とする。好ましくは0.35%以下、より好ましくは0.30%以下である。Si含有量の下限は0%を含む。
Mnは、鋼の強度および靱性を向上させる元素である。Mn含有量が0.80%未満であると、これらの効果が十分に得られない。そのため、Mn含有量は0.80%以上とする。Mn含有量は、好ましくは0.90%以上、より好ましくは1.00%以上である。
Pは、不可避的に不純物として含有される元素である。P含有量が0.020%を超えると、耐HIC性が低下し、また、溶接部の靱性が低下する。そのため、P含有量は0.020%以下とする。好ましくは0.015%以下、より好ましくは0.010%以下である。P含有量は少ない方が好ましく、下限は0%を含む。しかしながら、P含有量を0.001%未満に低減すると、製造コストが大幅に上昇するので、実用鋼において、0.001%がP含有量の実質的な下限である。
Sは、不可避的に不純物として含有される元素である。また、Sは、熱間圧延時に圧延方向に延伸するMnSを形成して、耐HIC性を低下させる元素である。S含有量が0.0030%を超えると、耐HIC性が著しく低下するので、S含有量は0.0030%以下とする。好ましくは0.0020%以下、より好ましくは0.0010%以下である。下限は0%を含むが、S含有量を0.0001%未満に低減すると、製造コストが大幅に上昇するので、実用鋼板上、0.0001%が実質的な下限である。
Al含有量が0.060%を超えると、Al酸化物が集積したクラスターが生成し、耐HIC性が低下する。そのため、Al含有量は0.060%以下とする。好ましくは0.050%以下、より好ましくは0.035%以下、さらに好ましくは0.030%以下である。Al含有量は少ない方が好ましく、Al含有量の下限は0%を含む。
Tiは、炭窒化物を形成して結晶粒の細粒化に寄与する元素である。Ti含有量が0.001%未満であると、この効果が十分に得られない。そのため、Ti含有量は0.001%以上とする。好ましくは0.008%以上、より好ましくは0.010%以上である。
Nbは、炭化物および/または窒化物を形成し、強度の向上に寄与する元素である。Nb含有量が0.006%未満であると、これらの効果が十分に得られない。そのため、Nb含有量は0.006%以上とする。好ましくは0.008%以上、より好ましくは0.010%以上である。特に溶接熱影響部の硬さを確保する場合、Nb含有量は0.010%以上が好ましく、0.015%以上がより好ましく、0.017%以上がさらに好ましい。
また、溶接部(溶接熱影響部および溶接金属部)の靭性を向上させる場合、Nb含有量は0.040%以下が好ましく、0.035%以下がより好ましく、0.033%以下がさらに好ましい。
Nは、Tiおよび/またはNbと結合して窒化物を形成し、加熱時のオーステナイト粒径の微細化に寄与する元素である。N含有量が0.0010%未満であると、上記効果が十分に得られない。そのため、N含有量は0.0010%以上とする。好ましくは0.0020%以上である。
Caは、鋼中でCaSを形成することによって圧延方向に伸長するMnSの形成を抑制し、その結果、耐HIC性の向上に寄与する元素である。Ca含有量が0.0005%未満であると、上記効果が十分に得られない。そのため、Ca含有量は0.0005%以上とする。好ましくは0.0010%以上、より好ましくは0.0015%以上である。
Oは、不可避的に残留する元素である。O含有量が0.0050%を超えると、酸化物が生成し、耐HIC性が低下する。そのため、O含有量は0.0050%以下とする。鋼板の靱性および溶接部の靭性を確保する点で、0.0040%以下が好ましく、0.0030%以下がより好ましい。O含有量は少ない方が好ましく、0%でもよい。しかしながら、Oを0.0001%未満に低減すると、製造コストが大幅に上昇する。そのため、O含有量を、0.0001%以上としてもよい。製造コストの点からは、0.0005%以上が好ましい。
Mo:0~0.50%
Ni:0~1.00%
Cu:0~1.00%
V:0~0.10%
Cr、Mo、Ni、CuおよびVは、鋼の焼入れ性を高める元素である。そのため、必要に応じてこれらの元素から選択される1種以上を含有してもよい。
上記の効果を得るためには、Cr:0.10%以上、Mo:0.03%以上、Ni:0.10%以上、Cu:0.10%以上、およびV:0.005%以上から選択される1種以上を含有するのが好ましい。
REM:0~0.0100%
MgおよびREMは、硫化物の形態を制御する元素である。上記の効果を得るには、Mg:0.001%以上およびREM:0.001%以上から選択される1種または2種を含有するのが好ましい。
Sn:0.10%以下
Co:0.10%以下
As:0.10%以下
Pb:0.005%以下
Bi:0.005%以下
H:0.0005%以下
Sb、Sn、Co、As、Pb、Bi、Hについては、鋼原料から不純物または不可避的混入元素として混入することがあるが、上記の範囲であれば、本実施形態に係る鋼管の特性を損なわない。そのため、これらの元素については、上記の範囲に制限することが好ましい。
これらの元素は、鋼原料から不純物または不可避的混入元素として混入することがあるが、上記の範囲であれば、本実施形態に係る鋼管の特性を損なわない。そのため、これらの元素の含有量の合計を0.10%以下に制限する。
ESSPは、酸素と結合したCaを差し引いた残りのCa(有効Ca)が、Sと原子量比で結合することを前提に、S含有量に見合う分の有効Ca量が存在するかどうかを示す指標となる値であり、下記(i)式で表わされる。本実施形態に係る鋼管では、従来鋼と同等以上の耐HIC特性を確保するため、ESSPの値を1.5~3.0の範囲内とする必要がある。
ESSP=Ca×(1-124×O)/(1.25×S) ・・・(i)
但し、式中の各元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合はゼロとする。
Ceqは、炭素当量を意味する焼入れ性の指標となる値であり、下記(ii)式で表わされる。本実施形態に係る鋼管の母材部では、後述するように、表層部においてポリゴナルフェライト、グラニュラーベイナイト、アシキュラーフェライト、ベイナイトから選択される1種以上からなる組織、好ましくは、グラニュラーベイナイト、アシキュラーフェライト、ベイナイトから選択される1種以上を合計で80%超含む金属組織を得るため、鋼の焼入れ性を適正に制御する必要がある。そのため、Ceqの値を0.20~0.50とする必要がある。
Ceq=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5 ・・・(ii)
但し、式中の各元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合はゼロとする。
溶接熱影響部は、母材部が溶接によっても溶融しなかった部分である。そのため、その化学組成は、母材部と同じであり、限定理由も同じである。
一方、溶接部における、溶接金属部の化学組成については、特に限定されない。しかしながら、溶接金属部の強度を母材部の強度と同程度以上に高めるためには、溶接金属部の化学組成を、以下の範囲とするのが好ましい。
2-1.母材部の金属組織
次に、鋼管の母材部(鋼板)の金属組織について説明する。
母材部における表層部の金属組織とは、溶接による影響を受けない母材部の金属組織をいう。本実施形態に係る鋼管では、突合せ部(シーム部、鋼板の幅方向の端部に相当)から鋼管の円周方向に90°、180°、270°の位置における表層部の金属組織などを指す。上記位置は、鋼板においては鋼板幅方向に1/4、1/2、3/4の位置における表層部の金属組織に相当する。
残留オーステナイトは、修正レペラ液にて白く映し出されたものを残留オーステナイトと判定する。
本実施形態に係る鋼管では、鋼管全体で近い金属組織とするために、溶接熱影響部における表層部の金属組織は、ベイナイトおよびアシキュラーフェライトから選択される1種以上を含むことが好ましい。また、溶接熱影響部における表層部の金属組織は、均一組織すなわち、ベイナイト及び/またはアシキュラーフェライトからなる組織であることが好ましい。
溶接金属部はアシキュラーフェライトからなる組織であることが好ましい。
次に、鋼管の機械特性について説明する。
表層部の最高硬さ:250HV以下
SSCは、鋼板表面の微小疵または微小割れに起因して発生するので、微小疵および微小割れの発生源となる表層部の金属組織および硬さは重要である。
本発明者らは、より厳しい環境下での耐SSC性について検討を行った。その結果、応力ひずみ曲線における比例限が降伏応力の90%以上となると、負荷応力が降伏応力の90%超(例えば95%)の場合でも、SSCが発生しなくなることが分かった。
引張強さ:530MPa以上
本実施形態に係る鋼管の母材部の降伏応力は、本実施形態に係る鋼管において所要の強度を確保するため、415MPa以上とする。好ましくは、430MPa以上である。降伏応力の上限は、加工性の点で、API5LのX70に規定される630MPa程度が実質的な上限である。加工性の点では、降伏応力は、600MPa以下が好ましい。
また、本実施形態に係る鋼管の母材部の引張強さは、本実施形態に係る鋼管において所要の強度を確保するため、530MPa以上であることが好ましい。より好ましくは、550MPa以上である。引張り応力の上限は、特に限定しないが、加工性の点で、API5LのX70に規定される690MPaが実質的な上限である。加工性の点では、650MPa以下が好ましい。
溶接熱影響部における表層部の最高硬さ:250Hv以下
本実施形態に係る鋼管では、良好な耐SSC性を確保するため、溶接熱影響部における表層部の最高硬さを250HV以下とすることが好ましい。上記表層部の最高硬さは、245HV以下とするのがより好ましく、240HV以下とするのがさらに好ましい。
一方、API規格のX60以上の強度を得るため、溶接熱影響部における表層部の最高硬さを、150HV以上とすることが好ましい。上記表層部の最高硬さは、160HV以上とするのがより好ましく、170HV以上とするのがさらに好ましい。
板厚:10~40mm
管径:508mm(20インチ)以上
石油、天然ガス等の掘削用鋼管またはラインパイプ用鋼管とする場合、板厚は10~40mmであり、管径(外径)は508mm以上であることが好ましい。管径の上限については特に制限はないが、1422.4mm(56インチ)以下が実質的な上限である。
本実施形態に係る鋼管では、溶接部の耐SSC性を向上させるため、シーム溶接部の溶接止端部の角度を制御することが好ましい。本実施形態において、溶接止端部の角度とは、図1に示すような角度である。すなわち、溶接止端部の角度とは、溶接金属部の余盛先端部の角度、つまり、溶接金属の接線方向と母材部表面のなす角度である。いわゆるフランク角ということもできる。
本実施形態に係る鋼管、およびその素材となる鋼板の好ましい製造方法について説明する。
(A)上述した所定の化学組成を有する鋼片を、1000~1250℃に加熱して熱間圧延に供して、Ar3点以上の温度で熱間圧延を終了する熱間圧延工程と、
(B)熱間圧延工程後の鋼板を、Ar3点以上の温度から、水冷停止温度が500℃以下、かつ、水冷を停止した後に復熱による最高到達温度が500℃を超えるような水冷を3回以上行う、多段の加速冷却を行う第1冷却工程と、
(C)その後、500℃以下の温度まで、0.2℃/s以上の平均冷却速度で冷却する第2冷却工程と、
を含む製造方法によって得られる。
(D)上記鋼板を、筒状に成形する成形工程と、
(E)筒状鋼板の両端部を突き合わせて溶接する溶接工程と、
(F)溶接によって得られた鋼管に対して、温度範囲が100~300℃であり、保持時間が1分以上である条件で熱処理する熱処理工程と、
を行うことによって得られる。
本実施形態に係る鋼管の母材部と同じ化学組成を有する溶鋼を鋳造して製造した鋼片を、1000~1250℃に加熱して熱間圧延に供する。熱間圧延に先立つ溶鋼の鋳造および鋼片の製造は常法に従って行えばよい。
熱間圧延を終了した鋼板に対し、Ar3点以上の温度から加速冷却を開始する。その際、表面温度で、水冷停止温度が500℃以下、かつ、水冷を停止した後に復熱による最高到達温度が500℃を超えるような水冷を2回以上行う多段の加速冷却を行う。好ましくは3回以上行う。
第1冷却工程において、3回以上の水冷および復熱完了後、500℃以下の温度まで、0.2℃/s以上の平均冷却速度で冷却する。冷却を500℃超の温度で終了したり、巻き取りなどを行って冷却速度が遅くなったりすることで、500℃以下までの平均冷却速度が0.2℃/s未満であると、硬さのばらつきは小さくなるが、上述した表層部の組織および/または硬さが得られない。
本実施形態に係る鋼板の鋼管への成形は、特定の成形方法に限定されない。例えば、温間加工も用いることができるが、寸法精度の点では冷間加工が好ましい。
鋼板を筒状に成形した後、鋼板の両端部を突き合せてアーク溶接する(シーム溶接)。アーク溶接は、特定の溶接に限定されないが、サブマージドアーク溶接が好ましい。また、溶接条件は、公知の条件で行えばよい。例えば、3電極または4電極にて板厚に応じて入熱が2.0~10kJ/mmの範囲で溶接することが好ましい。溶接熱影響部を上述した金属組織とするためには、例えば、溶接材料として、Y-D、Y-DM、Y-DMHワイヤー、ならびにNF5000B、またはNF2000のフラックスを用いることが好ましい。また、内面溶接、および外面溶接を実施するのが好ましく、内面3電極、外面4電極にてサブマージアーク溶接を実施するのが好ましい。
その後(造管後)、鋼管を、温度範囲が100~300℃であり、保持時間が1分以上である条件で熱処理する。上限は特に限定しないが、例えば60分以下である。
さらに、溶接部に対して、耐サワー性に有害な組織(面積率で20%を超えるフェライト・パーライト)が生成しないように、溶接部をAc1点以下に加熱して焼戻すシーム熱処理を行ってもよい。この熱処理は、シーム溶接直後に行ってもよい。
溶接材料として内面側では、Y-D、Y-DM、Y-DワイヤーとNF-5000Bのフラックスを用い、外面側では、Y-DM、Y-DMH、Y-DM、Y―DMかつ、フラックスはNF-5000を用いた。溶接条件は内面3電極、外面4電極とし、板厚に応じ、溶接時の入熱を2.0kJ/mmから10kJ/mmの範囲で調整した。
さらに、幅15mm、長さ115mm、厚さ5mmの4点曲げ試験片を鋼管の母材部の内表面から、内表面を残す形で採取し、NACE TM 0316-2016に準拠して、種々の硫化水素分圧、pH3.5の溶液環境での割れの発生有無を調査した。4点曲げ試験時の負荷応力は、実降伏応力の90%及び95%とした。
得られた鋼管について、溶接金属部の余盛先端部の角度、つまり、両側の、溶接金属の接線方向と母材部表面のなす角度を求めて、その小さい方の角度を溶接止端部の角度とした。
また、耐SSC性の評価として、幅15mm、長さ115mm、厚さ5mmの4点曲げ試験片を鋼管の内表面から、内表面を残す形で、溶接止端部が試験片の長手方向中央部に配置されるように採取し、NACE TM 0316-2016に準拠して、種々の硫化水素分圧、pH3.5の溶液環境での割れの発生有無を調査した。4点曲げ試験時の負荷応力は、実降伏応力の90%及び95%とした。
溶接熱影響部における表層部の硬さを測定した。上記硬さは、鋼管の周方向、および長手方向の中心部から、表面から1.0mmまたは0.9mm深さ位置までの表層部において硬さ測定した。溶接熱影響部の硬さ試験の試験片の切り出し方については、上述したとおりである。
具体的には、溶接熱影響部の硬さ測定については、溶接止端(溶接金属部と母材部との境界)から母材部側に、表面から0.3mm、0.6mm、0.9mmの位置にて0.5mmピッチにて40点、合計120点を測定し、最高硬さを算出した。
2 母材部
3 溶接止端部の角度
4 溶接熱影響部
5 試料切り出し部
Claims (5)
- 母材部と溶接部とを有する鋼管であって、
前記母材部の化学組成が、質量%で、
C:0.030~0.100%、
Si:0.50%以下、
Mn:0.80~1.60%、
P:0.020%以下、
S:0.0030%以下、
Al:0.060%以下、
Ti:0.001~0.030%、
Nb:0.006~0.100%、
N:0.0010~0.0080%、
Ca:0.0005~0.0050%、
O:0.0050%以下、
Cr:0~1.00%、
Mo:0~0.50%、
Ni:0~1.00%、
Cu:0~1.00%、
V:0~0.10%、
Mg:0~0.0100%、
REM:0~0.0100%、
残部:Feおよび不純物であり、
下記(i)式で表わされるESSPが1.5~3.0であり、
下記(ii)式で表わされるCeqが0.20~0.50であり、
前記母材部の表面から深さ1mmまでの範囲である表層部の金属組織が、ポリゴナルフェライト、グラニュラーベイナイト、アシキュラーフェライト、ベイナイトから選択される1種以上からなり、前記グラニュラーベイナイト、前記アシキュラーフェライト、前記ベイナイトの合計面積率が80%以上であり、
前記母材部の前記表層部における最高硬さが250HV以下であり、
降伏応力が、415~630MPaであり、
応力ひずみ曲線における比例限が、前記降伏応力の90%以上である、
鋼管。
ESSP=Ca×(1-124×O)/(1.25×S) ・・・(i)
Ceq=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5 ・・・(ii)
但し、式中の各元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合はゼロとする。 - 前記母材部の化学組成が、質量%で、
Cr:0.10~1.00%、
Mo:0.03~0.50%、
Ni:0.10~1.00%、
Cu:0.10~1.00%、
V:0.005~0.10%、
Mg:0.001~0.0100%、および、
REM:0.001~0.0100%、
から選択される1種以上を含有する、
請求項1に記載の鋼管。 - 前記母材部の化学組成が、質量%で、Nb:0.01~0.04%を含み、
前記溶接部が、溶接熱影響部と溶接金属部とからなり、
前記溶接熱影響部における表層部の金属組織が、ベイナイト、およびアシキュラーフェライトから選択される1種以上を含み、
前記溶接熱影響部における表面から肉厚方向に0.9mm深さ位置までの範囲である表層部の最高硬さが250HV以下であり、
前記鋼管の内側における溶接止端部の角度が130~180°の範囲である、
請求項1または2に記載の鋼管。 - 前記母材部の厚さが10~40mmであり、管径が508mm以上である、
請求項1~3のいずれか一項に記載の鋼管。 - 請求項1~4のいずれか一項に記載の鋼管の前記母材部に用いられる、鋼板。
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