JP7602147B2 - 二重管および溶接継手 - Google Patents

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Description

本発明は、二重管および溶接継手に関する。
火力発電用ボイラ、ごみ焼却発電ボイラおよびバイオマス発電ボイラにおける加熱器管等は、高温下で溶融塩による腐食、および未燃焼物による摩耗等、管の外面が過酷な環境に晒される。一方、石炭ガス化複合発電プラントの合成ガス冷却器に使用される熱交換器管は、管の内面が高温腐食環境に晒される。
二重管は、外管および内管に適切な材料を選定することで、優れた耐食性および耐摩耗性を付与することが可能である。そのため、上記の用途、またはエネルギー輸送、貯蔵機器等の用途として、様々な材料を組み合わせた二重管が種々提案されている（例えば、特許文献１～９）。
特開平４－２２１０３４号公報 特開平４－３２９８５２号公報 特開平５－１７８４１号公報 特開平６－３０６５１８号公報 特開平７－４１９１１号公報 特開平７－９０４９６号公報 特開平７－９０５４０号公報 特開平８－２３２０３１号公報 特開２０１３－１５９８４０号公報
ところで、これら二重管を加熱器等の構造物に用いる場合、突合せ溶接して組み立てられる。二重管の外管または内管を構成する個々の材料の溶接時の課題および対策については、古くから検討がなされてきた。しかしながら、異なる材料を組み合わせた二重管の溶接についての検討は必ずしも十分ではない。
特に、近年では施工効率を高める観点から、多層溶接時に内管部と外管部とで溶接材料を切り替えることをせず、全層をオーステナイト系ステンレス鋼用またはＮｉ基合金用の溶接材料を使用して溶接される場合がある。その際、内管と外管との境界付近の溶融線近傍の溶接金属内に割れが生じる場合があった。そのため、このような割れを防止することが強く求められている。なお、クラッド鋼板は同様に異なる材料を組み合わせて構成されることが知られているが、上記の課題は二重管の円周溶接時に顕著となる課題である。
本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、管の突合せ溶接時に溶接金属に発生する割れを防止し、健全な溶接継手が安定して得られる二重管およびそれを用いた溶接継手を提供することを目的とする。
本発明は、下記の二重管および溶接継手を要旨とする。
（１）第１管と第２管とを備える二重管であって、
前記第１管の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０６０％を超えて０．４００％以下、
Ｓｉ：０．０１～１．００％、
Ｍｎ：０．０１～１．２０％、
Ｐ：０．０３５０％以下、
Ｓ：０．０１５０％以下、
Ｓｎ：０．０００５～０．０４００％、
Ａｌ：０．０４０％以下、
Ｎ：０．０５０％以下、
Ｏ：０．０３０％以下、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
前記第２管の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．００３～０．１００％、
Ｓｉ：０．０１～１．５０％、
Ｍｎ：０．０１～２．２０％、
Ｐ：０．０４００％以下、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ｓｎ：０．０００５～０．０３００％、
Ｎｉ：７．０～５２．０％、
Ｃｒ：１５．０～２７．０％、
Ａｌ：０．００１～０．６００％、
Ｎ：０．００１～０．１５０％、
Ｏ：０．０３０％以下、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記（ｉ）および（ii）式を満足する、
二重管。
Ｓｉａｖｅ＋６×Ｐａｖｅ＋２０×Ｓａｖｅ＋２×Ｓｎａｖｅ≦１．１０００ ・・・（ｉ）
０．００１５≦４×Ｓａｖｅ＋Ｓｎａｖｅ ・・・（ii）
但し、上記式中の各記号の意味は以下のとおりである。
Ｓｉａｖｅ：第１管および第２管のＳｉ含有量の平均値（質量％）
Ｐａｖｅ：第１管および第２管のＰ含有量の平均値（質量％）
Ｓａｖｅ：第１管および第２管のＳ含有量の平均値（質量％）
Ｓｎａｖｅ：第１管および第２管のＳｎ含有量の平均値（質量％）
（２）前記第１管の化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｃｒ：９．５０％以下、
Ｃｕ、ＮｉおよびＣｏから選択される１種以上の合計：１．００％以下、
Ｍｏおよび／またはＷの合計：４．００％以下、
Ｖ、Ｎｂ、ＴｉおよびＴａから選択される１種以上の合計：１．００％以下、
Ｂ：０．０２００％以下、
Ｃａおよび／またはＭｇの合計：０．０１００％以下、
ＲＥＭ：０．０５００％以下、
からなる群から選択される１種以上を含有する、
上記（１）に記載の二重管。
（３）前記第２管の化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｃｕおよび／またはＣｏの合計：６．００％以下、
Ｍｏおよび／またはＷの合計：８．００％以下、
Ｖ、Ｎｂ、ＴｉおよびＴａから選択される１種以上の合計：２．００％以下、
Ｂ：０．０２００％以下、
Ｃａおよび／またはＭｇの合計：０．０１００％以下、
ＲＥＭ：０．０５００％以下、
から選択される１種以上を含有する、
上記（１）または（２）に記載の二重管。
（４）上記（１）から（３）までのいずれか１項に記載の二重管を備える、溶接継手。
本発明によれば、管の突合せ溶接時に溶接金属に発生する割れを防止し、健全な溶接継手が安定して得られる二重管を得ることができる。
実施例において開先加工を施した試験材の形状を示す概略断面図である。 拘束溶接試験体の形状を示す概略図である。
本発明者らは、前記した課題を解決するために、耐食性向上を目的とし、０．０００５～０．０４００％および０．０００５～０．０３００％のＳｎを、それぞれ含有する低合金鋼と高合金鋼とを組み合わせた二重管に、Ｎｉ基合金溶接材料を使用して突合せ溶接した際、溶接金属に発生する割れについて詳細な調査を行った。その結果、以下に述べる知見が明らかになった。
（ａ）溶接時に発生した割れは、内管と外管との境界付近の溶融線近傍の溶接金属内、すなわち、内管と外管とが、およそ同じ比率で溶融して混合し、特に母材（内管および外管）の成分の影響を受けやすい領域で発生していた。また、割れが発生した領域は、オーステナイト単相で凝固した組織を呈していた。
（ｂ）そして、割れは、内管および外管のＳｉ、Ｐ、ＳおよびＳｎの含有量の増加とともに発生しやすくなった。さらに、割れは、溶融境界に近い溶接金属の柱状晶境界に発生し、そこには、Ｓｉ、Ｐ、ＳおよびＳｎの濃化が確認された。
これらの結果から、割れは次の理由で発生すると考えられた。
（ｃ）Ｓｉ、Ｐ、ＳおよびＳｎは、溶接金属の凝固時に液相と固相（オーステナイト相）との間で分配が生じ、固相同士の会合部である柱状晶境界に濃化する。これらの元素はいずれも固相線温度を低下させる元素であるため、凝固末期まで柱状晶境界に液相が残存し、凝固時の収縮応力により開口したものと考えられた。
（ｄ）この割れを安定して防止するためには、外管および内管に含まれるＳｉ、Ｐ、ＳおよびＳｎの量の平均値を所定の関係を満足する範囲以下に管理する必要があることが判明した。これらの元素は低減するほど溶接金属の割れが発生しにくくなる。
（ｅ）一方、これらの元素のうちＳおよびＳｎを極端に低減した場合、積層溶接時に溶け込み不良が発生しやすくなることが併せて明らかになった。
（ｆ）Ｓは表面活性元素であり、溶接中に溶融池内の内向きの対流を強くする作用を有する。そのため、アークからの熱を深さ方向に輸送しやすくなり、溶け込み深さを深くする。また、Ｓｎは、溶接中の溶融池表面から蒸発し、アークの通電経路を形成してアークの電流密度を高め、同様に溶け込み深さを深くする効果を有する。
（ｇ）そのため、ＳおよびＳｎの含有量が極端に低い場合には、上記の効果が十分に得られなくなり、積層溶接時に溶け込み不良が発生しやすくなったと考えられる。
（ｈ）溶け込み不良を防止するためには、外管および内管のＳおよびＳｎの含有量の平均値を所定の関係を満足する範囲以上に管理する必要があることが分かった。
本発明は、上記の知見に基づきなされたものである。以下、本発明の各要件について詳しく説明する。
（Ａ）全体構成
二重管とは、外管と内管とが冶金的に結合した構造を有するものであり、「クラッド管」と称されることもある。本発明に係る二重管は、第１管と第２管とを備える。本発明においては、用途に応じて、外管に第１管、内管に第２管を用いてもよいし、外管に第２管、内管に第１管を用いてもよい。
そして、本発明の二重管は継目無鋼管（「シームレス鋼管」と称することもある。）である。また、二重管の寸法について、特に制限はないが、外径が２５．４～１１４．３ｍｍ、厚さが２．０～１５．０ｍｍであり、以下に述べる高合金鋼からなる第２管の管全体の厚さに占める割合が０．１０～０．５０であることが好ましい。
以下に説明するように、第１管は低合金鋼からなり、第２管は高合金鋼からなる。第１管および第２管の化学組成について、それぞれ詳しく説明する。
（Ｂ）第１管の化学組成
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、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。
Ｃ：０．０６０％を超えて０．４００％以下
Ｃは、基質に固溶して、または高温での使用中に炭化物として析出して、常温および高温での強度の確保に寄与する。この効果を得るため、０．０６０％を超える量のＣを含有させる。しかしながら、過剰に含有すると、突合せ溶接時に熱影響部の硬化を招き、低温割れ感受性を高める。そのため、Ｃ含有量は０．４００％以下とする。Ｃ含有量は０．１００％超であるのが好ましく、０．１１０％以上であるのがより好ましい。また、Ｃ含有量は０．３８０％以下であるのが好ましく、０．３５０％以下であるのがより好ましい。
Ｓｉ：０．０１～１．００％
Ｓｉは、脱酸作用を有するとともに、高温での耐食性および耐酸化性の向上に有効な元素である。この効果を得るため、Ｓｉ含有量は０．０１％以上とする。しかしながら、過剰に含有すると、溶接時に溶接金属中に混入し、凝固割れ感受性を高める。そのため、Ｓｉ含有量は１．００％以下とするとともに、後述のＰ、ＳおよびＳｎの含有量との関係を満足する必要がある。Ｓｉ含有量は０．０３％以上であるのが好ましく、０．０５％以上であるのがより好ましい。また、Ｓｉ含有量は０．９０％以下であるのが好ましく、０．８０％以下であるのがより好ましい。
Ｍｎ：０．０１～１．２０％
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸作用を有するとともに、焼入れ性を高めて強度の向上に寄与する。この効果を得るため、Ｍｎ含有量は０．０１％以上とする。しかしながら、過剰に含有すると、高温での使用中に脆化を招く。そのため、Ｍｎ含有量は１．２０％以下とする。Ｍｎ含有量は０．０３％以上であるのが好ましく、０．０５％以上であるのがより好ましい。また、Ｍｎ含有量は１．１０％以下であるのが好ましく、１．００％以下であるのがより好ましい。
Ｐ：０．０３５０％以下
Ｐは、溶接時に溶接金属中に混入し、凝固割れ感受性を高める。このため、Ｐ含有量は０．０３５０％以下とする。さらに、後述のＳｉ、ＳおよびＳｎの含有量との関係を満足する必要がある。Ｐ含有量は０．０３３０％以下であるのが好ましく、０．０３００％以下であるのがより好ましい。なお、Ｐ含有量には、特に下限は設ける必要はなく、０（ゼロ）でも構わないが、極端な低減は製鋼コストの増大を招く。加えて、Ｐは少なからず強度を高める効果を有する。この効果を得たい場合は、Ｐ含有量は０．００１５％以上とするのが好ましく、０．００３０％以上とするのがより好ましい。
Ｓ：０．０１５０％以下
ＳはＰと同様、溶接時に溶接金属中に混入し、凝固割れ感受性を著しく高める。このため、Ｓの含有量は０．０１５０％以下とする。さらに、後述のＳｉ、ＰおよびＳｎの含有量との関係を満足する必要がある。Ｓ含有量は０．０１３０％以下であるのが好ましく、０．０１００％以下であるのがより好ましい。なお、Ｓ含有量には、特に下限は設ける必要はなく、０（ゼロ）でも構わないが、極端に低減すると、溶接時に溶け込み深さが小さくなり、融合不良を発生しやすくなる。このため、Ｓ含有量は後述のＳｎとの関係を満足するとともに、０．０００１％以上とするのが好ましく、０．０００２％以上とするのがより好ましい。
Ｓｎ：０．０００５～０．０４００％
Ｓｎは、鋼の表面のスケール下に濃化し、耐食性を向上させる効果を有する。また、溶接時に溶接金属中に混入し、溶け込み深さを大きくして融合不良の発生を抑制する。この効果を得るため、Ｓｎ含有量は０．０００５％以上とするとともに、後述のＳ含有量との関係を満足する必要がある。一方、過剰に含有する場合、溶接時に凝固割れ感受性を高める。このため、Ｓｎ含有量は０．０４００％以下とするとともに、後述のＳｉ、ＰおよびＳｎの含有量との関係を満足する必要がある。Ｓｎ含有量は０．０００８％以上であるのが好ましく、０．００１０％以上であるのがより好ましい。また、Ｓｎ含有量は０．０３８０％以下であるのが好ましく、０．０３５０％以下であるのがより好ましい。
Ａｌ：０．０４０％以下
Ａｌは、脱酸のために含有される。しかしながら、過剰に含有すると靱性の低下を招く。このため、Ａｌ含有量は０．０４０％以下とする。Ａｌ含有量は０．０３５％以下であるのが好ましく、０．０３０％以下であるのがより好ましい。なお、Ａｌ含有量には、特に下限は設ける必要はなく、０（ゼロ）でも構わないが、極端に低減すると、脱酸効果が十分に得られず鋼の清浄性が低下するとともに、製造コストの増大を招く。このため、Ａｌ含有量は０．００１％以上とするのが好ましく、０．００２％以上とするのがより好ましい。
Ｎ：０．０５０％以下
Ｎは、過剰に含有すると靭性の低下を招く。このため、Ｎ含有量は０．０５０％以下とする。Ｎ含有量は０．０４５％以下であるのが好ましく、０．０４０％以下であるのがより好ましい。なお、Ｎ含有量には、特に下限は設ける必要はなく、０（ゼロ）でも構わないが、極端な低減は製鋼コストの増大を招く。加えて、Ｎは窒化物を生成して、少なからず強度を高める効果を有する。この効果を得たい場合は、Ｎ含有量は０．００１％以上とするのが好ましく、０．００３％以上とするのがより好ましい。
Ｏ：０．０３０％以下
Ｏは、過剰に含有すると加工性および延性の低下を招く。このため、Ｏ含有量は０．０３０％以下とする。Ｏ含有量は０．０２５％以下であるのが好ましく、０．０２０％以下であるのがより好ましい。なお、Ｏ含有量には、特に下限は設ける必要はなく、０（ゼロ）でも構わないが、極端な低減は製鋼コストの増大を招く。このため、Ｏ含有量は０．００１％以上とするのが好ましく、０．００３％以上とするのがより好ましい。
第１管の化学組成において、残部はＦｅおよび不純物である。なお、「不純物」とは鉄鋼材料を工業的に製造する際に、鉱石またはスクラップ等の原料を始めとして、製造工程の種々の要因によって混入するものを指す。
第１管の化学組成は、Ｆｅの一部に代えて、下記の群から選択される１種以上を含有してもよい。下記にその理由を述べる。
Ｃｒ：９．５０％以下
Ｃｕ、ＮｉおよびＣｏから選択される１種以上の合計：１．００％以下
Ｍｏおよび／またはＷの合計：４．００％以下
Ｖ、Ｎｂ、ＴｉおよびＴａから選択される１種以上の合計：１．００％以下
Ｂ：０．０２００％以下
Ｃａおよび／またはＭｇの合計：０．０１００％以下
ＲＥＭ：０．０５００％以下
Ｃｒ：９．５０％以下
Ｃｒは、高温での耐食性および強度の向上に有効であるため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、過剰に含有すると、靱性が低下するため、含有させる場合、Ｃｒ含有量は９．５０％以下とする。Ｃｒ含有量は９．４０％以下であるのが好ましく、９．２０％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を確実に得たい場合は、Ｃｒ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．０２％以上であるのがより好ましい。
Ｃｕ、ＮｉおよびＣｏから選択される１種以上の合計：１．００％以下
Ｃｕ、ＮｉおよびＣｏは、いずれも焼入れ性を高め、強度の向上に有効であるため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、いずれも高価な元素であるため、含有させる場合、これらの元素から選択される１種以上の合計含有量を１．００％以下とする。上記合計含有量は０．９０％以下であるのが好ましく、０．８０％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を確実に得たい場合は、上記合計含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．０２％以上であるのがより好ましい。
Ｍｏおよび／またはＷの合計：４．００％以下
ＭｏおよびＷは、いずれも基質に固溶し、高温強度の向上に寄与するため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、過剰に含有すると、高温での使用中に粗大な金属間化合物および／または炭化物を生成して、靱性の低下を招くため、含有させる場合、Ｍｏおよび／またはＷの合計含有量を４．００％以下とする。上記合計含有量は３．８０％以下であるのが好ましく、３．５０％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を確実に得たい場合は、上記合計含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．０２％以上であるのがより好ましい。
Ｖ、Ｎｂ、ＴｉおよびＴａから選択される１種以上の合計：１．００％以下
Ｖ、Ｎｂ、ＴｉおよびＴａは、いずれも高温での使用中に微細な炭窒化物を形成し、高温強度の向上に寄与するため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、過剰に含有すると、粗大な炭窒化物が多量に生成し、靱性の低下を招くため、含有させる場合、これらの元素から選択される１種以上の合計含有量を１．００％以下とする。上記合計含有量は０．９０％以下であるのが好ましく、０．８０％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を確実に得たい場合は、上記合計含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．０２％以上であるのがより好ましい。
Ｂ：０．０２００％以下
Ｂは、焼入れ性を高めて強度の向上に寄与するため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、過剰に含有すると、溶接時に溶接金属中に混入し、凝固割れ感受性を高めるため、含有させる場合、Ｂ含有量は０．０２００％以下とする。Ｂ含有量は０．０１８０％以下であるのが好ましく、０．０１５０％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を確実に得たい場合は、Ｂ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、０．００１０％以上であるのがより好ましい。
Ｃａおよび／またはＭｇの合計：０．０１００％以下
ＣａおよびＭｇは、いずれも熱間加工性を改善するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、過剰に含有すると清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を損なうため、含有させる場合、Ｃａおよび／またはＭｇの合計含有量を０．０１００％以下とする。上記合計含有量は０．００８０％以下であるのが好ましく、０．００６０％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を確実に得たい場合は、上記合計含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、０．００１０％以上であるのがより好ましい。
ＲＥＭ：０．０５００％以下
ＲＥＭは、ＣａおよびＭｇと同様、熱間加工性を改善するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、過剰に含有すると清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を損なうため、含有させる場合、ＲＥＭ含有量は０．０５００％以下とする。ＲＥＭ含有量は０．０４００％以下であるのが好ましく、０．０３００％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を確実に得たい場合は、ＲＥＭ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、０．００１０％以上であるのがより好ましい。
「ＲＥＭ」とは、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素の総称であり、ＲＥＭ含有量はＲＥＭのうちの１種または２種以上の元素の合計含有量を指す。また、ＲＥＭは一般的にミッシュメタルに含有される。このため、例えば、合金にミッシュメタルを添加して、ＲＥＭ含有量が上記の範囲となるようにしてもよい。
（Ｃ）第２管の化学組成
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、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。
Ｃ：０．００３～０．１００％
Ｃは、オーステナイト組織を安定にし、高温強度の確保に寄与する。この効果を得るため、Ｃ含有量は０．００３％以上とする。しかしながら、過剰に含有すると、溶接中または高温での使用中に炭化物を生成し、耐食性の低下を招く。そのため、Ｃ含有量は０．１００％以下とする。Ｃ含有量は０．００５％以上であるのが好ましく、０．００８％以上であるのがより好ましい。また、Ｃ含有量は０．０９０％以下であるのが好ましく、０．０８０％以下であるのがより好ましい。
Ｓｉ：０．０１～１．５０％
Ｓｉは、脱酸作用を有するとともに、高温での耐食性および耐酸化性の向上に有効な元素である。この効果を得るため、Ｓｉ含有量は０．０１％以上とする。しかしながら、過剰に含有すると、溶接時に溶接金属中に混入し、凝固割れ感受性を高めるとともに、オーステナイト組織の安定性を損ない、高温強度の低下を招く。そのため、Ｓｉ含有量は１．５０％以下とするとともに、後述のＰ、ＳおよびＳｎとの関係を満足する必要がある。Ｓｉ含有量は０．０３％以上であるのが好ましく、０．０５％以上であるのがより好ましい。また、Ｓｉ含有量は１．３０％以下であるのが好ましく、１．００％以下であるのがより好ましい。
Ｍｎ：０．０１～２．２０％
Ｍｎは、脱酸作用を有するとともに、オーステナイト組織の安定性を高めて、高温強度の確保に寄与する。この効果を得るため、Ｍｎ含有量は０．０１％以上とする。しかしながら、過剰に含有すると、高温での使用中に脆化を招く。そのため、Ｍｎ含有量は２．２０％以下とする。Ｍｎ含有量は０．０３％以上であるのが好ましく、０．０５％以上であるのがより好ましい。また、Ｍｎ含有量は２．００％以下であるのが好ましく、１．８０％以下であるのがより好ましい。
Ｐ：０．０４００％以下
Ｐは、溶接時に溶接金属中に混入し、凝固割れ感受性を高める。このため、Ｐ含有量は０．０４００％以下とする。さらに、後述のＳｉ、ＳおよびＳｎの含有量との関係を満足する必要がある。Ｐ含有量は０．０３８０％以下であるのが好ましく、０．０３５０％以下であるのがより好ましい。なお、Ｐ含有量には、特に下限は設ける必要はなく、０（ゼロ）でも構わないが、極端な低減は製鋼コストの増大を招く。加えて、Ｐは少なからず強度を高める効果を有する。この効果を得たい場合は、Ｐ含有量は０．００３０％以上とするのが好ましく、０．００５０％以上とするのがより好ましい。
Ｓ：０．０１００％以下
ＳはＰと同様、溶接時に溶接金属中に混入し、凝固割れ感受性を著しく高める。また、溶接影響部の液化割れ感受性を高める。このため、Ｓの含有量は０．０１００％以下とする。さらに、後述のＳｉ、ＰおよびＳｎの含有量との関係を満足する必要がある。Ｓ含有量は０．００９０％以下であるのが好ましく、０．００８０％以下であるのがより好ましい。なお、Ｓ含有量には、特に下限は設ける必要はなく、０（ゼロ）でも構わないが、極端に低減すると、溶接時に溶け込み深さが小さくなり、融合不良を発生しやすくなる。このため、Ｓ含有量は後述のＳｎとの関係を満足するとともに、０．０００１％以上とするのが好ましく、０．０００２％以上とするのがより好ましい。
Ｓｎ：０．０００５～０．０３００％
Ｓｎは、耐食性を向上させる効果を有する。また、溶接時に溶接金属中に混入し、溶け込み深さを大きくして融合不良の発生を抑制する。この効果を得るため、Ｓｎ含有量は０．０００５％以上とするとともに、後述のＳ含有量との関係を満足する必要がある。一方、過剰に含有する場合、溶接時に凝固割れ感受性を高めるとともに、溶接影響部の液化割れ感受性を高める。このため、Ｓｎ含有量は０．０３００％以下とするとともに、後述のＳｉ、ＰおよびＳｎの含有量との関係を満足する必要がある。Ｓｎ含有量は０．０００８％以上であるのが好ましく、０．００１０％以上であるのがより好ましい。また、Ｓｎ含有量は０．０２８０％以下であるのが好ましく、０．０２５０％以下であるのがより好ましい。
Ｎｉ：７．０～５２．０％
Ｎｉは、オーステナイト組織を安定にし、高温強度に寄与する。さらに、塩化物イオンが存在する環境下での耐食性を高める。この効果を得るため、Ｎｉ含有量は７．０％以上とする。しかしながら、Ｎｉは高価な元素であるため、過剰に含有するとコストの増大を招く。そのため、Ｎｉ含有量は５２．０％以下とする。Ｎｉ含有量は７．２％以上であるのが好ましく、７．５％以上であるのがより好ましい。また、Ｎｉ含有量は４８．０％以下であるのが好ましく、４５．０％以下であるのがより好ましい。
Ｃｒ：１５．０～２７．０％
Ｃｒは、高温での耐酸化性および耐食性の向上に寄与する。この効果を得るため、Ｃｒ含有量は１５．０％以上とする。しかしながら、過剰に含有すると、オーステナイト組織の安定性を損ない、高温強度の低下を招く。そのため、Ｃｒ含有量は２７．０％以下とする。Ｃｒ含有量は１５．２％以上であるのが好ましく、１５．５％以上であるのがより好ましい。また、Ｃｒ含有量は２６．８％以下であるのが好ましく、２６．５％以下であるのがより好ましい。
Ａｌ：０．００１～０．６００％
Ａｌは、脱酸のために含有される。さらに、高温での使用中にＮｉと結合し、金属間化合物として析出し、高温強度の向上に寄与する。この効果を得るため、Ａｌ含有量は０．００１％以上とする。しかしながら、過剰に含有すると、靱性の低下を招く。そのため、Ａｌ含有量は０．６００％以下とする。Ａｌ含有量は０．００２％以上であるのが好ましく、０．００３％以上であるのがより好ましい。また、Ａｌ含有量は０．５５０％以下であるのが好ましく、０．５００％以下であるのがより好ましい。
Ｎ：０．００１～０．１５０％
Ｎは、オーステナイト相を安定にし、高温強度の向上に寄与する。この効果を得るため、Ｎ含有量は０．００１％以上とする。しかしながら、過剰に含有すると、延性の低下を招く。そのため、Ｎ含有量は０．１５０％以下とする。Ｎ含有量は０．００２％以上であるのが好ましく、０．００３％以上であるのがより好ましい。また、Ｎ含有量は０．１３０％以下であるのが好ましく、０．１００％以下であるのがより好ましい。
Ｏ：０．０３０％以下
Ｏは、過剰に含有すると加工性および延性の低下を招く。このため、Ｏ含有量は０．０３０％以下とする。Ｏ含有量は０．０２５％以下であるのが好ましく、０．０２０％以下であるのがより好ましい。なお、Ｏ含有量には、特に下限は設ける必要はなく、０（ゼロ）でも構わないが、極端な低減は製鋼コストの増大を招く。このため、Ｏ含有量は０．００１％以上とするのが好ましく、０．００３％以上とするのがより好ましい。
第２管の化学組成において、残部はＦｅおよび不純物である。なお、「不純物」とは鉄鋼材料を工業的に製造する際に、鉱石またはスクラップ等の原料を始めとして、製造工程の種々の要因によって混入するものを指す。
第２管の化学組成は、Ｆｅの一部に代えて、下記の群から選択される１種以上を含有してもよい。下記にその理由を述べる。
Ｃｕおよび／またはＣｏの合計：６．００％以下
Ｍｏおよび／またはＷの合計：８．００％以下
Ｖ、Ｎｂ、ＴｉおよびＴａから選択される１種以上の合計：２．００％以下
Ｂ：０．０２００％以下
Ｃａおよび／またはＭｇの合計：０．０１００％以下
ＲＥＭ：０．０５００％以下
Ｃｕおよび／またはＣｏの合計：６．００％以下
ＣｕおよびＣｏは、いずれもオーステナイト組織の安定性を高め、高温強度の向上に有効であるため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、いずれも高価な元素であるとともに、過剰に含有すると延性の低下を招くため、含有させる場合、Ｃｕおよび／またはＣｏの合計含有量を６．００％以下とする。上記合計含有量は５．５０％以下であるのが好ましく、５．００％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を確実に得たい場合は、上記合計含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．０２％以上であるのがより好ましい。
Ｍｏおよび／またはＷの合計：８．００％以下
ＭｏおよびＷは、いずれも基質に固溶し、高温強度の向上に寄与するため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、過剰に含有すると、オーステナイト組織の安定性を損なうとともに、高温での使用中に粗大な金属間化合物および／または炭化物を生成して、靱性の低下を招く。そのため、含有させる場合、Ｍｏおよび／またはＷの合計含有量を８．００％以下とする。上記合計含有量は７．５０％以下であるのが好ましく、７．００％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を確実に得たい場合は、上記合計含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．０２％以上であるのがより好ましい。
Ｖ、Ｎｂ、ＴｉおよびＴａから選択される１種以上の合計：２．００％以下
Ｖ、Ｎｂ、ＴｉおよびＴａは、いずれも高温での使用中に微細な炭窒化物を形成し、高温強度の向上に寄与するため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、過剰に含有すると、粗大な炭窒化物が多量に生成し、靱性の低下を招くため、含有させる場合、これらの元素から選択される１種以上の合計含有量を２．００％以下とする。上記合計含有量は１．９０％以下であるのが好ましく、１．８０％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を確実に得たい場合は、上記合計含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．０２％以上であるのがより好ましい。
Ｂ：０．０２００％以下
Ｂは、高温使用中に炭化物中に固溶して、微細に分散させ、高温強度の向上に寄与するため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、過剰に含有すると、溶接時に溶接金属中に混入し、凝固割れ感受性を高めるため、含有させる場合、Ｂ含有量は０．０２００％以下とする。Ｂ含有量は０．０１８０％以下であるのが好ましく、０．０１５０％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を確実に得たい場合は、Ｂ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、０．００１０％以上であるのがより好ましい。
Ｃａおよび／またはＭｇの合計：０．０１００％以下
ＣａおよびＭｇは、いずれも熱間加工性を改善するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、過剰に含有すると清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を損なうため、含有させる場合、Ｃａおよび／またはＭｇの合計含有量を０．０１００％以下とする。上記合計含有量は０．００８０％以下であるのが好ましく、０．００６０％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を確実に得たい場合は、上記合計含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、０．００１０％以上であるのがより好ましい。
ＲＥＭ：０．０５００％以下
ＲＥＭは、ＣａおよびＭｇと同様、熱間加工性を改善するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、過剰に含有すると清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を損なうため、含有させる場合、ＲＥＭ含有量は０．０５００％以下とする。ＲＥＭ含有量は０．０４００％以下であるのが好ましく、０．０３００％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を確実に得たい場合は、ＲＥＭ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、０．００１０％以上であるのがより好ましい。
「ＲＥＭ」とは、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素の総称であり、ＲＥＭ含有量はＲＥＭのうちの１種または２種以上の元素の合計含有量を指す。また、ＲＥＭは一般的にミッシュメタルに含有される。このため、例えば、合金にミッシュメタルを添加して、ＲＥＭ含有量が上記の範囲となるようにしてもよい。
（Ｄ）第１管および第２管の平均化学組成
本発明に係る第１管および第２管は、それぞれ上述した化学組成を有する必要があることに加えて、その平均化学組成が所定の関係式を満足する必要がある。その理由は、下記のとおりである。
本発明に係る二重管を、オーステナイト系ステンレス鋼またはＮｉ合金からなる溶接材料を使用して溶接した場合、二重管（母材）が溶融し、含有されるＳｉ、Ｐ、ＳおよびＳｎは、溶接金属に混入する。これらの元素は、いずれも固相線温度を低下させ、溶接金属の凝固割れ感受性を高める。特に、溶融境界に近い溶接金属では、溶接中の混合が十分でなく、溶接金属の化学組成は母材の影響が支配的となる。
加えて、内管と外管との境界近傍は、溶接金属がオーステナイト単相凝固組織となるため、これらの元素の影響を受け、凝固割れが発生しやすい。この領域に発生する凝固割れを安定して防止するためには、第１管および第２管のＳｉ、Ｐ、ＳおよびＳｎの含有量の平均値について、それぞれの元素の影響度合いを考慮した関係式を所定の範囲以下に管理する必要がある。
具体的には、下記（ｉ）式を満足する必要がある。下記（ｉ）式の左辺値は１．０５００以下であるのが好ましく、１．００００以下であるのがより好ましい。
Ｓｉａｖｅ＋６×Ｐａｖｅ＋２０×Ｓａｖｅ＋２×Ｓｎａｖｅ≦１．１０００ ・・・（ｉ）
但し、上記式中の各記号の意味は以下のとおりである。
Ｓｉａｖｅ：第１管および第２管のＳｉ含有量の平均値（質量％）
Ｐａｖｅ：第１管および第２管のＰ含有量の平均値（質量％）
Ｓａｖｅ：第１管および第２管のＳ含有量の平均値（質量％）
Ｓｎａｖｅ：第１管および第２管のＳｎ含有量の平均値（質量％）
前述のように、溶接時に二重管（母材）は溶融し、含有されるＳおよびＳｎは、溶接金属に混入する。これらの元素は、溶接割れ感受性を高める一方、低減しすぎると、溶接中の溶け込み深さが小さくなり、溶け込み不良を生じやすくなる。溶け込み不良を安定して防止するためには、第１管および第２管のＳおよびＳｎの含有量の平均量について、それぞれの元素の影響度合いを考慮した関係式を所定の範囲以上に管理する必要がある。
具体的には、下記（ii）式を満足する必要がある。下記（ii）式の右辺値は０．００２０以上であるのが好ましく、０．００２５以上であるのがより好ましい。
０．００１５≦４×Ｓａｖｅ＋Ｓｎａｖｅ ・・・（ii）
但し、上記式中の各記号の意味は以下のとおりである。
Ｓａｖｅ：第１管および第２管のＳ含有量の平均値（質量％）
Ｓｎａｖｅ：第１管および第２管のＳｎ含有量の平均値（質量％）
（Ｅ）溶接継手
本発明に係る溶接継手は、上記の二重管を備えるものである。すなわち、複数の二重管が溶接接合されたものである。二重管を突合せ溶接して組み立てる場合、その使用用途に応じて、適切な溶接材料を選定すればよい。
例えば、外管が第１管（低合金鋼）、内管が第２管（高合金鋼）である二重管を溶接する場合には、一般的に行われているように、高合金鋼の部分はオーステナイト系ステンレス鋼用またはＮｉ基合金用の溶接材料を使用して溶接した後、境界部付近に純Ｎｉ溶接材料を使用して溶接し、残りの低合金鋼の部分を炭素鋼用の溶接材料を使用すれば、必要な性能を有する溶接継手が得られる。また、外管と内管とを構成する材料が逆の場合は、この逆の手法で溶接施工することができる。
さらに、本実施形態に係る二重管においては、上記のように複数種の溶接材料を使用することなく、オーステナイト凝固するオーステナイト系ステンレス鋼用またはＮｉ基合金用の溶接材料のみを使用しても、必要な性能を有する溶接継手が得られる。そのため、本発明の一実施形態に係る溶接継手は、オーステナイト系ステンレス鋼用またはＮｉ基合金用のいずれかの溶接材料により溶接されることが好ましい。なお、この場合において、使用される溶接材料、および形成される溶接金属は、下記の化学組成を有することが好ましい。
すなわち、溶接材料および溶接金属の化学組成は、質量％で、
Ｃ：０．００３～０．１００％、
Ｓｉ：０．０１～１．５０％、
Ｍｎ：０．０１～２．５０％、
Ｐ：０．０４００％以下、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ｓｎ：０．０３００％以下、
Ｃｕおよび／またはＣｏの合計：０～１５．００％、
Ｎｉ：１２．０～７５．０％、
Ｃｒ：１８．０％～２７．０％、
Ｍｏおよび／またはＷの合計：０～１０．００％、
Ｖ、Ｎｂ、ＴｉおよびＴａから選択される１種以上の合計：０～４．００％、
Ｂ：０～０．０２００％、
Ｃａおよび／またはＭｇの合計：０～０．０１００％、
Ａｌ：０．００１～１．５００％、
Ｎ：０．００１～０．１５０％、
Ｏ：０．０３０％以下、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記（iii）および（iv）式を満足することが好ましい。
Ｓｉｗ＋６×Ｐｗ＋２０×Ｓｗ＋２×Ｓｎｗ≦１．１０００％ ・・・（iii）
０．００１５％≦４×Ｓｗ＋Ｓｎｗ ・・・（iv）
但し、上記式中の各記号の意味は以下のとおりである。
Ｓｉｗ：溶接材料または溶接金属のＳｉ含有量（質量％）
Ｐｗ：溶接材料または溶接金属のＰ含有量（質量％）
Ｓｗ：溶接材料または溶接金属のＳ含有量（質量％）
Ｓｎｗ：溶接材料または溶接金属のＳｎ含有量（質量％）
（Ｆ）製造方法
二重管の製造方法については特に制限はないが、例えば、外管を構成する低合金鋼または高合金鋼の中空ビレットの中に、内管を構成する高合金鋼または低合金鋼の中実ビレットを挿入して組み立てた素材に対して、熱間押出、ロール圧延等のいわゆる「熱間製管」を施し、外管と内管とを一体化させて製管することで製造することができる。これにより、外管が第１管、内管が第２管の二重管、または外管が第２管、内管が第１管の二重管が得られる。
なお、通常、上記ビレットの組立は合わせ面の清浄性確保のため、真空中または不活性ガス雰囲気で行われる。その後、上記の熱間製管した二重管に対して、圧延または引抜等の冷間加工を施し、さらに、熱処理を行って所要形状の二重管としてもよい。
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
表１に示す化学組成を有する低合金鋼Ｌ１～Ｌ７、および高合金鋼Ｈ１～Ｈ７を組み合わせ、熱間製管法によって、低合金鋼からなる第１管および高合金鋼からなる第２管を備え、厚さ６．５ｍｍ、外径６３ｍｍの二重管を作製し、供試管とした。なお、外管が第１管、内管が第２管である場合は、外管の厚さを４．２ｍｍ、内管の厚さを２．３ｍｍ、すなわち、第２管の管全体の厚さに占める割合を０．３５とした。一方、外管が第２管、内管が第１管である場合は、外管の厚さを１．６ｍｍ、内管の厚さを４．９ｍｍ、すなわち、第２管の管全体の厚さに占める割合を０．２５とした。
Figure 0007602147000001
供試管から１００ｍｍ長さの試験材を切断した後、試験材の片方の端部に、図１に示す開先を機械加工した。その開先を突合せ、鋼管内にＪＩＳ Ｇ ３１０６（２００８）に規定のＳＭ４００Ｂ相当の市販の鋼板から機械加工により製作した、外径４８ｍｍ、長さ２５０ｍｍの中実棒を挿入した。その後、ＡＷＳ Ａ５．１１－２００５ ＥＮｉＣｒＭｏ－３に規定の被覆アーク溶接棒を用いて両端を溶接し、各試験番号につき２体ずつ図２に示す拘束溶接試験体を作製した。
拘束溶接試験体の開先内に、表２に示す化学組成を有するＡＷＳ Ａ．５．１４－２００９ ＥＲＮｉＦｅＣｒ－１に規定のフィラーワイヤーを用い、ティグ溶接により、入熱８～１２Ｊ／ｃｍで多層溶接した。
Figure 0007602147000002
そして、多層溶接後の拘束溶接試験体から、溶接継手の横断面が観察面となるように試験片を４個ずつ切出して、鏡面研磨した。
その後、試験片を腐食した後、光学顕微鏡により、各試験番号につき計８断面（２試験体×４横断面）の溶接部横断面について、欠陥の有無を調査した。そして、全ての断面に凝固割れおよび溶け込み不良のいずれも観察されなかった試験体を「Ａ」、１断面にのみ観察された試験体を「Ｂ」として合格と判定し、２断面以上に観察された試験体を「Ｆ」として不合格と判定した。
表３に評価結果を示す。
Figure 0007602147000003
表３から分かるように、本発明の規定を全て満足する二重管は、溶接金属に凝固割れまたは溶け込み不良等の欠陥の発生はなく、健全な溶接継手が得られた。なお、得られた溶接金属の化学組成は、前述の好ましい化学組成を満足していることを確認している。
それに対し、試験番号Ｔ２－２、Ｔ３－２、Ｔ３－９、Ｔ５－２およびＴ５－５では、（ｉ）式を満足しなかったため、内管と外管との境界付近の溶融線近傍の溶接金属内に凝固割れが発生した。また、試験番号Ｔ３－３、Ｔ３－１０、Ｔ５－３およびＴ５－６では、（ii）式を満足しなかったため、開先面が十分に溶融しない、いわゆる溶け込み不良が発生した。
これら本発明を満足しない溶接継手の溶接金属の化学組成は、平均的には前述の好ましい化学組成範囲を満足したが、外管と内管との境界の溶融境界に近い溶接金属の局所的な領域において、（ｉ）式または（ii）式を満足しなかったため、凝固割れまたは溶け込み不良が発生したものと判断された。
以上から明らかなように、本発明の規定を全て満足する二重管を用いた場合のみ、健全な溶接継手が得られることが分かる。
本発明によれば、管の突合せ溶接時に溶接金属に発生する割れを防止し、健全な溶接継手が安定して得られる二重管を得ることができる。

Claims (4)

  1. 第１管と第２管とを備える二重管であって、
    前記二重管は、外管と内管とが冶金的に結合した構造を有するものであり、
    前記外管が前記第１管であり、かつ前記内管が前記第２管であるか、または、前記外管が前記第２管であり、かつ前記内管が前記第１管であり、
    前記第１管の化学組成が、質量％で、
    Ｃ：０．０６０％を超えて０．４００％以下、
    Ｓｉ：０．０１～１．００％、
    Ｍｎ：０．０１～１．２０％、
    Ｐ：０．０３５０％以下、
    Ｓ：０．０１５０％以下、
    Ｓｎ：０．０００５～０．０４００％、
    Ａｌ：０．０４０％以下、
    Ｎ：０．０５０％以下、
    Ｏ：０．０３０％以下、
    残部：Ｆｅおよび不純物であり、
    前記第２管の化学組成が、質量％で、
    Ｃ：０．００３～０．１００％、
    Ｓｉ：０．０１～１．５０％、
    Ｍｎ：０．０１～２．２０％、
    Ｐ：０．０４００％以下、
    Ｓ：０．０１００％以下、
    Ｓｎ：０．０００５～０．０３００％、
    Ｎｉ：７．０～５２．０％、
    Ｃｒ：１５．０～２７．０％、
    Ａｌ：０．００１～０．６００％、
    Ｎ：０．００１～０．１５０％、
    Ｏ：０．０３０％以下、
    残部：Ｆｅおよび不純物であり、
    下記（ｉ）および（ii）式を満足する、
    二重管。
    Ｓｉａｖｅ＋６×Ｐａｖｅ＋２０×Ｓａｖｅ＋２×Ｓｎａｖｅ≦１．１０００ ・・・（ｉ）
    ０．００１５≦４×Ｓａｖｅ＋Ｓｎａｖｅ ・・・（ii）
    但し、上記式中の各記号の意味は以下のとおりである。
    Ｓｉａｖｅ：第１管および第２管のＳｉ含有量の平均値（質量％）
    Ｐａｖｅ：第１管および第２管のＰ含有量の平均値（質量％）
    Ｓａｖｅ：第１管および第２管のＳ含有量の平均値（質量％）
    Ｓｎａｖｅ：第１管および第２管のＳｎ含有量の平均値（質量％）
  2. 前記第１管の化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
    Ｃｒ：９．５０％以下、
    Ｃｕ、ＮｉおよびＣｏから選択される１種以上の合計：１．００％以下、
    Ｍｏおよび／またはＷの合計：４．００％以下、
    Ｖ、Ｎｂ、ＴｉおよびＴａから選択される１種以上の合計：１．００％以下、
    Ｂ：０．０２００％以下、
    Ｃａおよび／またはＭｇの合計：０．０１００％以下、
    ＲＥＭ：０．０５００％以下、
    からなる群から選択される１種以上を含有する、
    請求項１に記載の二重管。
  3. 前記第２管の化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
    Ｃｕおよび／またはＣｏの合計：６．００％以下、
    Ｍｏおよび／またはＷの合計：８．００％以下、
    Ｖ、Ｎｂ、ＴｉおよびＴａから選択される１種以上の合計：２．００％以下、
    Ｂ：０．０２００％以下、
    Ｃａおよび／またはＭｇの合計：０．０１００％以下、
    ＲＥＭ：０．０５００％以下、
    から選択される１種以上を含有する、
    請求項１または請求項２に記載の二重管。
  4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の二重管を備える、溶接継手。
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