JPH05385A - 高耐食性二重金属管の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】管の一方に炭素鋼管あるいは低合金鋼管を、他
方に高耐食性金属管を用いて二重金属管を製造するに際
し、接合性、強度、靱性、耐食性など、二重金属管全体
としての性能の向上を図り、特に接合界面の耐食性に優
れた二重金属管とする。 【構成】外管１と内管２の接合面の表面粗さをＲmax 75
μm 以下に調整した後、その接合面に低融点の薄帯状の
インサート材３を介在させた状態で管を組み立て（図１
(a) ）、インサート材３の融点以上に加熱するか、また
は、そのように加熱して熱間圧延もしくは熱間押出しを
行い、外管１と内管２を液相拡散接合し（図１(b) ）、
炭素鋼管あるいは低合金鋼管側を３〜45℃/sの冷却速度
で冷却する。管を組み立てた後、縮径加工を行ったり
（図１(c) ）、管の両端面をシールして外管と内管の間
に存在する空気を除去したり（図１(d) ）、あるいはそ
の両方の工程を入れるのが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内管と外管とが冶金的
に完全に接合された二重金属管の製造方法、特に、外管
が炭素鋼管や低合金鋼管、内管が高耐食性金属管であっ
て、外管の強度および低温靱性が優れるとともに接合界
面の耐食性が優れた二重金属管の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、化学プラント、油井管、油送
管、ガス輸送管等は耐食性に優れていることが要求され
ている。特に、近年使用条件が厳しくなってきている油
送管としては、高強度、高耐食性を共に満たす材料が要
求されており、そのために、高耐食性の高合金鋼からな
る鋼管や、管の内面側または外面側のみに耐食性に優れ
た異種金属を接合した二重金属管等が用いられている。
しかし、高合金鋼製の鋼管は高価であるため、近年では
二重金属管に対する需要が多く、例えば外管を炭素鋼
管、内管をステンレス鋼管とする耐食性に優れた二重金
属管が使用されている。

【０００３】この二重金属管を経済的に製造する方法と
しては、外管と内管の間に低融点のインサート材を介在
させて加熱し、接合する方法が公知である。

【０００４】例えば、特開昭59−159284号公報では、
内、外管の熱膨張差により発生する応力によりその内、
外管をインサート金属層を挟んで拡散接合させる方法
が、特開昭62− 38783号公報では、二本の素管の間にイ
ンサート材を介在させて二重管を組み立てた後冷間引抜
加工によりそれらを密着させ、インサート材の融点より
も高い温度に加熱して素管を拡散接合させる方法が、ま
た、特開昭62− 72423号公報では、インサート材を介在
させて二重管を組み立てた後、インサート材の融点以上
の温度で熱間圧延あるいは熱間押出しを行う方法が開示
されている。

【０００５】これらの方法は、接合部のミクロ観察、剪
断強度試験、超音波探傷法による検査などにより、接合
界面の健全性にのみ着目し、内、外管の完全な接合を行
おうとするもので、二重管全体の性能（強度、靱性、耐
食性など）に対しては何ら言及していない。

【０００６】一方、本出願人は特開平１−197081号公報
において、外管および内管の一方を低合金鋼管、他方を
高耐食性金属管とし、両者の間にインサート材（溶射
膜）を介在させて二重管を組み立てた後、縮径加工を行
い、加熱してインサート材を溶融させ拡散接合する方法
を提案した。この方法により製造した二重金属管は良好
な機械的性質（剪断強さ、抗張力、靱性）を有してお
り、高耐食性金属管を配した部位は優れた耐食性を示
す。しかしながら、使用中に二重金属管の外管と内管の
接合界面に水素がチャージされ、接合界面から割れ（外
管と内管の剥離）が発生するという問題が生ずることが
判明した。

【０００７】すなわち、接合界面自体は外部の腐食環境
に接していなくても、長時間使用している間に、水素
が、たとえ材料が高耐食性材料であっても、その内部に
侵入し、接合界面のマイクロボイド（気泡）等の欠陥部
に集積し、その部分から割れが生ずるのである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、外管が炭素
鋼管や低合金鋼管、内管が高耐食性金属管からなる二重
金属管を製造するに際し、接合性、強度、靱性、耐食性
など、二重金属管全体としての性能の向上を図り、特に
接合界面の耐食性に優れた二重金属管の製造方法を提供
することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記の目的
を達成するため種々検討を重ねた結果、接合界面から割
れが発生する原因は溶射により低融点インサート層を形
成させていることにあり、溶射剤と同じ化学組成の材料
でも薄い帯状にして内管の外表面に巻きつけ、さらに、
加熱終了後、低合金鋼側を少なくとも 450℃までの間３
〜45℃/sの冷却速度で冷却することによりこれを防止で
きることを確認した。

【００１０】本発明の要旨は、「二重金属管の外管およ
び内管の一方を炭素鋼管あるいは低合金鋼管、他方を高
耐食性金属管とし、外管の内表面および内管の外表面を
Ｒmax 75μm 以下の表面粗さに調整した後、外管の内面
側および／または内管の外面側に融点が外管および内管
の融点より低い金属あるいは合金からなる薄帯状のイン
サート材を介在させて外管の中に内管を装入し、インサ
ート材の融点以上に加熱し、または、そのように加熱し
て熱間圧延もしくは熱間押出しを行い、外管の内面と内
管の外面を拡散接合した後、炭素鋼管あるいは低合金鋼
管側を３〜45℃/sの冷却速度で冷却することを特徴とす
る高耐食性二重金属管の製造方法」にある。

【００１１】インサート材を介在させた状態で外管内に
内管を挿入（以下、この工程を「組み立て」という）し
た後加熱する前に縮径加工を行うと、外管と内管の密着
性がさらによくなる。

【００１２】また、組み立て後、加熱する前に管の両端
面をシールして外管と内管の間に存在する空気を抜く工
程を入れるのが望ましい。

【００１３】組み立て後、加熱する前に管の両端面をシ
ールして外管と内管の間に存在する空気を抜き、次い
で、縮径加工を行うか、あるいは、その逆の工程を入れ
るとさらに望ましい。

【００１４】上記の炭素鋼管あるいは低合金鋼管として
は、要求される性能（強度、靱性）を満たすものを使用
すればよい。

【００１５】高耐食性金属管としては、用途に応じステ
ンレス鋼管、Ni基合金管、TiおよびTi合金管、などが使
用可能である。

【００１６】インサート材としては、融点が母材（外管
および内管）の融点より低く、薄い帯状のものであれば
よく、特に限定しないが、Fe基あるいはNi基の合金で融
点を低下させるためにSi、Ｂ等を添加した合金が使用可
能である。また、Cuろう系の材料も使用することができ
る。ただし、母材とインサート材とのなじみを考慮した
場合、Ni基合金のインサート材を用いるのが望ましい。
なお、インサート材は内管の外表面、外管の内表面のい
ずれに施してもよく、両面であってもよい。また、イン
サート材の厚さは15〜150 μm が好ましい。

【００１７】

【作用】以下に、図に基づいて本発明方法を詳細に説明
する。

【００１８】図１は、本発明方法により二重金属管を製
造する際に行う各工程の概略を示す模式図である。図１
(a) は「組み立て」工程である。ここでは外表面にイン
サート材３を取りつけた内管２を外管１内に挿入する。
６は空間部である。図１(b)は「加熱、接合」工程であ
る。この工程ではインサート材３の融点以上で、かつ、
内管２と外管１に温度差ができるように加熱し、インサ
ート材３を溶融させて外管１と内管２とを液相拡散接合
する。図１(c)は「縮径加工」工程で、冷間引き抜き加
工等によりインサート材３を挟んで外管１と内管２を密
着させる。図１(d) は「シール溶接・脱気」工程で、管
の両端をシール溶接し、一方の端部に設けた脱気孔５か
ら真空引きを行って図１(a) の空間部６に存在する空気
を除去する。

【００１９】本発明方法は、図１(a) の工程（Ａ）と、
図１(b) の工程（Ｂ）または図１(b) の工程＋「熱間圧
延または熱間押出し」工程と、前記の冷却速度での「冷
却」工程、とを必須要件とし、更に図１(c) の工程
（Ｃ）、図１(d) の工程（Ｄ）を任意の要件として含む
二重金属管の製造方法であって、整理して示すと下記の
通りである。

【００２０】 Ａ−Ｂ−「冷却」 Ａ−Ｃ−Ｂ−「冷却」 Ａ−Ｄ−Ｂ−「冷却」 Ａ−Ｃ−Ｄ−Ｂ−「冷却」 Ａ−Ｄ−Ｃ−Ｂ−「冷却」 Ａ−Ｂ−「熱間圧延または熱間押出し」−「冷却」 Ａ−Ｃ−Ｂ−「熱間圧延または熱間押出し」−「冷
却」 Ａ−Ｄ−Ｂ−「熱間圧延または熱間押出し」−「冷
却」 Ａ−Ｃ−Ｄ−Ｂ−「熱間圧延または熱間押出し」−
「冷却」 10 Ａ−Ｄ−Ｃ−Ｂ−「熱間圧延または熱間押出し」−
「冷却」 組み立て後、加熱する前に縮径加工を行ったり、管の両
端面をシールして外管と内管の間に存在する空気を抜い
たり、あるいは、その両方を行うと、外管と内管の密着
性がさらに向上する。上記の製造工程で比較すると、
→→→の順で接合界面の剪断強度が上昇する。従
って、二重金属管の用途に応じて最適の工程で製造する
ことが可能である。

【００２１】溶射膜をインサート材として用いることに
より外管と内管の接合界面から割れ（接合界面への水素
のチャージに起因する外管と内管の剥離）が発生するの
は、溶射膜中に存在するマイクロボイド (気泡) が二重
金属管の水素剥離に対する感受性に悪影響を及ぼすから
である。すなわち、前記のように、長時間の使用により
鋼中に侵入した原子状の水素が溶射膜中に存在するマイ
クロボイドに集積して分子となり、体積増加により応力
が付加され、割れが発生しやすくなる。これに対し、本
発明方法で用いる薄帯状のインサート材には、マイクロ
ボイドが形成されておらず、たとえ水素が侵入しても、
割れが発生するまでの時間はマイクロボイドが存在する
場合に比べてはるかに長くなる。

【００２２】また、外管と内管を加熱、接合した後の冷
却速度を３〜45℃/sと限定するのは、冷却速度が３℃/s
未満であると、炭素鋼あるいは低合金鋼の強度が十分で
はなく、粗大フェライトが生成して靱性も低く、一方、
45℃/sを超えると、強度が上昇しすぎるため靱性が低下
し、かつ、接合界面で割れが発生するようになるからで
ある。なお、冷却速度が45℃/sを超える場合、工程は増
えるが、高耐食金属側の性能が劣化しない程度の再加熱
(約 400〜600 ℃) を行った後急冷することにより優れ
た機械的性質を回復させることが可能である。

【００２３】本発明方法で製造される二重金属管に対
し、例えば、Ｖノッチシャルピー衝撃試験で遷移温度が
−30℃以下の優れた低温靱性と、60 kgf/mm²級の強度を
有することが要求される場合は、本発明方法で使用する
炭素鋼管あるいは低合金鋼管として以下の組成を有する
鋼管を用いるのが望ましい。

【００２４】重量％で、Ｃ：0.01〜0.15％、Si：≦ 0.8
％、Mn： 0.3〜1.9 量％、Al:0.001〜0.05％、Ｎ：≦
0.006％、Ｏ（酸素）：≦ 0.004％、Ti： 0.003〜0.05
％を含有し、残部はFeおよび不可避不純物である鋼管、
あるいは、更に、Nb：≦0.06％、Cu：≦1.2 ％、Ni：≦
3.5 ％、Cr：≦3.0 ％、Mo：≦1.0 ％、Ｖ：≦0.07％、
Ｂ：≦0.002 ％、Ca：≦0.004 ％のうちの１種以上を含
む鋼管（以下、「％」は重量％をあらわす）。

【００２５】上記の各成分の作用効果ならびにそれらの
成分の含有量を上記のように選定するのが望ましい理由
は以下の通りである。

【００２６】Ｃは0.01％未満では目標とする強度を確保
するのが困難であり、0.15％を超えると靱性が劣化する
ので、0.01〜0.15％とする。

【００２７】Siは過剰に加えると靱性が低下するので、
0.8 ％以下とする。

【００２８】Mnは目標とする強度を確保するために 0.3
％以上含有させることが必要であるが、過剰に加えると
靱性が低下するので、 0.3〜1.9 ％とする。

【００２９】Alは脱酸剤として有効な成分であり、 0.0
01％以上含有させることが必要であるが、0.05％を超え
ると靱性を劣化させるので、 0.001〜0.05％とする。

【００３０】Ｎは過剰になると靱性が低下するので、
0.006％以下とする。

【００３１】Ｏ（酸素）は過剰になると鋼の清浄度が低
下するので、 0.004％以下とする。

【００３２】Tiは TiNを形成して靱性を向上させる元素
であるが、 0.003％未満ではその効果は認められず、一
方、0.05％を超えて含有させると逆に靱性が劣化するの
で、0.003〜0.05％とする。

【００３３】また、さらに加えうる合金成分のうち、Nb
はオーステナイト粒の細粒化により強度および靱性を向
上させる効果を有するが、0.06％を超えて含有させると
逆に靱性を劣化させるので、0.06％以下とする。

【００３４】Cu、Ni、Cr、Mo、Ｖ、ＢおよびCaはいずれ
も強度の向上に有効な成分であるが、過剰に加えると靱
性が低下し、溶接性に悪影響を及ぼすので、Cuは 1.2％
以下、Niは 3.5％以下、Crは 3.0％以下、Moは 1.0％以
下、Ｖは0.07％以下、Ｂは0.002 ％以下、Caは 0.004％
以下とする。

【００３５】本発明方法で用いる外管と内管の接合面の
表面粗さをＲmax 75μm 以下とするのは、これよりも粗
いと接合強度が著しく低下するためで、50μm 以下とす
るのが望ましい。なお、表面粗さの調整は、冷間引き抜
き、研削等いずれの方法を用いてもよい。

【００３６】外管と内管の接合界面における加熱温度
は、インサート材を短時間で完全に溶融するため、イン
サート材の融点よりも30℃以上高い温度とする。しか
し、 150℃を超えて高温にしても溶融時間の短縮効果の
向上はそれほど大きくはなく、加熱のためのコストがか
かり、また、炭素鋼あるいは低合金鋼の性能が劣化する
ので、加熱温度の上限は 150℃とするのが好ましい。

【００３７】

【実施例】外径：406.4mm 、肉厚：19mmの外管、外径：
366.5mm 、肉厚：４mmの内管および厚さ：25および50μ
m のインサート材を供試材とし、前記の本発明方法で用
いる製造工程（〜10）のうち、、およびの工
程により、二重金属管を作製した。表１に使用した外管
の化学組成を、表２に内管の化学組成を、表３にインサ
ート材の化学組成を、また、表４に製造条件を示す。

【００３８】

【表１】

【００３９】

【表２】

【００４０】

【表３】

【００４１】

【表４】

【００４２】これらの二重金属管について、接合界面に
おける剪断強さ、外管の引張強さ、シャルピー衝撃値（
_v Ｅ_-30 ）およびＤＷＴＴ（Drop Weight Tear Test)に
おける85％FATT（Fracture Appearance Transition Tem
perature）を求め、また、接合界面の耐食性を評価する
ため水素剥離感受性を調査した。

【００４３】水素剥離感受性試験においては、二重金属
管を高耐食性金属側が水に、低合金鋼管側が５％硫酸＋
1.4g/lチオ尿素水溶液に接するように配し、割れの発生
を加速するため低合金鋼管側を陰極として水素をチャー
ジ(10mA/cm² 、３時間）した後、超音波探傷により接合
界面における割れの有無を検査した。

【００４４】結果を表５に示す。この表から明らかなよ
うに、本発明例（No.1〜7)では、機械的性質が良好で、
かつ、接合界面における耐食性にも優れている。

【００４５】この実施例では、外管に低合金鋼管、内管
に高耐食性金属管を用いたが、逆に、外管に高耐食性金
属管、内管に低合金鋼管を用いても同様の結果が得られ
た。

【００４６】

【表５】

【００４７】

【発明の効果】管の一方に炭素鋼管あるいは低合金鋼管
を用い、他方に高耐食性金属管を用いて二重金属管を製
造するに際し、本発明方法を適用することにより、接合
性、強度、靱性、耐食性など、二重金属管の全体として
の性能が良好で、特に、接合界面の耐食性に優れた二重
金属管とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法により二重金属管を製造する際に行
う各工程の概略を示す模式図である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 二重金属管の外管および内管の一方を炭
   素鋼管あるいは低合金鋼管、他方を高耐食性金属管と
   し、外管の内表面および内管の外表面をＲmax75μm 以
   下の表面粗さに調整した後、外管の内面側および／また
   は内管の外面側に融点が外管および内管の融点より低い
   金属あるいは合金からなる薄帯状のインサート材を介在
   させて外管の中に内管を装入し、インサート材の融点以
   上に加熱し、または、そのように加熱して熱間圧延もし
   くは熱間押出しを行い、外管の内面と内管の外面を拡散
   接合した後、炭素鋼管あるいは低合金鋼管側を３〜45℃
   /sの冷却速度で冷却することを特徴とする高耐食性二重
   金属管の製造方法。
2. 【請求項２】 外管の中に内管を挿入した後、加熱する
   前に冷間で縮径加工を行うことを特徴とする請求項１記
   載の高耐食性二重金属管の製造方法。
3. 【請求項３】 外管の中に内管を挿入した後、加熱する
   前に両端部をシール溶接するとともに一方の端部に設け
   た脱気孔から外管と内管の間に存在する空気を抜くこと
   を特徴とする請求項１記載の高耐食性二重金属管の製造
   方法。
4. 【請求項４】 外管の中に内管を挿入した後、加熱する
   前に両端部をシール溶接するとともに一方の端部に設け
   た脱気孔から外管と内管の間に存在する空気を抜き、次
   いで、冷間で縮径加工を行うことを特徴とする請求項１
   記載の高耐食性二重金属管の製造方法。
5. 【請求項５】 外管の中に内管を挿入した後、加熱する
   前に冷間で縮径加工を行い、次いで、両端部をシール溶
   接するとともに一方の端部に設けた脱気孔から外管と内
   管の間に存在する空気を抜くことを特徴とする請求項１
   記載の高耐食性二重金属管の製造方法。