JPH06104868B2

JPH06104868B2 - 高強度マルテンサイト系ステンレス鋼ラインパイプの製造方法

Info

Publication number: JPH06104868B2
Application number: JP2206172A
Authority: JP
Inventors: 明博宮坂; 洋之小川
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-08-03
Filing date: 1990-08-03
Publication date: 1994-12-21
Anticipated expiration: 2009-12-21
Also published as: JPH0499127A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は溶接性の優れた高強度マルテンサイト系ステン
レス鋼ラインパイプの製造方法に係り、さらに詳しくは
例えば石油・天然ガスの輸送において湿潤炭酸ガスや湿
潤硫化水素を含む環境中で高い腐食抵抗を有するととも
に、溶接熱影響部の衝撃靭性に優れ、溶接熱影響部の硬
さを低減した高強度ラインパイプを高い生産性で製造す
る方法に関する。

（従来の技術）近年生産される石油・天然ガス中には、湿潤な炭酸ガス
を多く含有する場合が増加している。こうした環境中で
炭素鋼や低合金鋼は著しく腐食することがよく知られて
いる。このため、輸送に使用されるラインパイプなどの
防食対策として、腐食抑制剤の添加が従来より行なわれ
てきた。しかし、腐食抑制剤は高温ではその効果が失わ
れる場合が多うことに加えて、海底パイプラインでは腐
食抑制剤の添加・回収処理に要する費用は膨大なものと
なり、適用できない場合が多い。従って、腐食抑制剤を
添加する必要のない耐食材料に対するニーズが最近とみ
に高まっている。ラインパイプとして使用される材料に
は、耐食性にほかに内部を流れる輸送流体の圧力に耐え
る高い強度を持ち、溶接性に優れることが要求される。
溶接性の代表的な特性としては、溶接部の衝撃靭性が優
れていることが必要である。また、硫化水素を含有する
流体を輸送する場合には、溶接部の硬さが低いことも要
求される。勿論、母材の衝撃靭性も優れていることが必
要である。

炭酸ガスを多く含む石油・天然ガス用の耐食材料として
は、耐食性の良好なステンレス鋼の適用がまず検討され
た。例えばL.J.クライン、コロージョン（Corrosion）'
84、ペーパーナンバー211にあるように、溶接構造のな
い油井管には、高強度で比較的コストの安い鋼としてAI
SI（米国鉄鋼協会）410鋼あるいは420鋼といった、Ｃを
0.1％あるいは0.2％含有し、12〜13％のCrを含有するマ
ルテンサイト系ステンレス鋼が広く使用され始めてい
る。しかしながら、これらの鋼はＣの含有量が高いの
で、溶接部が非常に硬くなるとともに溶接部の衝撃靭性
が悪いために、ラインパイプとして使用することは困難
である。AISI410鋼を使用したラインパイプが最近API
（米国石油協会）で規格化されてはいるものの、例えば
須賀正孝ほか著、NKK技報1989年発行、第129号、15〜22
頁にあるように、現地溶接部の衝撃靭性が悪いという難
点を有している。これは彼らの報告にあるように溶接熱
影響部が粗大なフェライト主体の組織となるためであ
る。

従来のマルテンサイト系ステンレス鋼鋼管は、造管後に
熱処理されるに際して、焼入れ時の冷却は空冷とするの
が通常であった。これは空冷よりも速い冷却速度、例え
ば水冷で冷却すると焼割れを生ずるので、焼割れを生じ
ない冷却速度でゆっくり冷却しなければならないためで
ある。焼入れ時の冷却を空冷とした場合、室温までの冷
却に長時間を要するので、例えば水冷の場合に比べると
生産性が著しく悪いという難点をも有している。従っ
て、焼入れに際して水冷で製造できれば生産性の点から
その意義は極めて大きいものがある。

ラインパイプ用鋼としては、特開昭61−119654号公報に
おいて、ＣおよびＮを低減し、AlまたはCaさらにはＶを
含有させ、かつNiおよびMoを含有させた鋼が提案されて
いる。しかし、この鋼は高価な合金元素であるNiを多量
に含有しているためにコストが高い上に特性も十分とは
言えない。

（発明が解決しようとする課題）本発明はこうした現状に鑑み、炭酸ガス環境でも充分な
耐食性を有し、母材の衝撃靭性および溶接性に優れ、か
つ生産性にも優れる高強度マルテンサイト系ステンレス
鋼ラインパイプの製造方法を提供することを目的として
いる。

（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べく高強度マルテン
サイト系ステンレス鋼ラインパイプの成分と熱処理条件
とを種々検討してきた結果、ついに以下の知見を見出す
に至った。

まず、Crを11〜14％含有する鋼にＣを0.02〜0.08％含有
させ、Ｎを0.015以下に低減した上で、該鋼を鋼管とし
て造管した後の焼入れに際して水冷以上の速い冷却速度
で冷却し、焼入れおよび焼戻し条件を適切に選択すれ
ば、ラインパイプとして必要な強度と優れた靭性が得ら
れること、また上記のようにＣおよびＮの含有量を上記
の範囲に制御すれば水冷以上の速い冷却速度で冷却して
も焼割れなどの問題を生じないこと、ＣおよびＮの含有
量を上記の範囲に制御すれば溶接熱影響部の硬さを著し
く低下させることができるとともに、炭酸ガス含有食塩
水中における耐食性が改善されることを見出した。そし
てかかる鋼にCuを1.2〜4.5％添加すると溶接部の硬さを
あまり上げることなく母材および溶接部のミクロ組織を
実質的にマルテンサイト単相とすることができ、母材お
よび溶接部の衝撃靭性を著しく改善できることを見出し
た。

さらに本発明者らは検討をすすめ、上記のような熱処理
を施す高強度マルテンサイト系ステンレス鋼からなるラ
インパイプの組成として、Crを11〜14％含有し、Ｃを0.
02〜0.08％含有させ、Ｎを0.015％以下に低減し、Cuを
1.2〜4.5％含有する鋼にNiを添加すると溶接熱影響部の
衝撃靭性をさらに改善するのに効果があること、Moおよ
びＷの１種以上を添加する湿潤炭酸ガス環境の耐食性を
改善するのに効果があること、V,Ti,Nb,Ta,Zr,Hfの１種
以上を添加すると耐食性を一段と向上させるのに有効で
あること、Caおよび希土類元素の１種以上を添加すると
熱間加工性の向上、耐食性の向上に効果のあること、こ
れらの元素を添加した場合でもＣおよびＮを前記の範囲
に制御しておけば焼入れ時に水冷などの急冷を施しても
焼割れは起こさないことを見出した。

本発明は主に上記の知見に基づいてなされたものであ
り、第１発明の要旨とするところは、重量％で、C0.02〜0.0
8％、Si1％以下、Mn2％以下、Cr11〜14％、Cu1.2〜4.5
％、Al0.005〜0.2％を含有し、Ｎを0.015％以下に低減
し、残部Feおよび不可避不純物からなるマルテンサイト
系ステンレス鋼を鋼管として造管した後に、920〜1100
℃でオーステナイト化してから水冷以上の冷却速度で冷
却し、次いで600℃以上Ac₁温度以下の温度で焼戻し処理
を施してから空冷以上の冷却速度で冷却することを特徴
とする高強度マルテンサイト系ステンレス鋼ラインパイ
プの製造方法にあり、第２発明の要旨とするところは、第１発明が対象とする
鋼にさらに重量％でNi4％以下を含有させた鋼を使用す
る高強度マルテンサイト系ステンレス鋼ラインパイプの
製造方法にあり、第３発明の要旨とするところは、第１発明および第２発
明が対象とする鋼にさらに、重量％で、Mo2％以下、W4
％以下のうち１種または２種を含有させた鋼を使用する
高強度マルテンサイト系ステンレス鋼ラインパイプの製
造方法にあり、第４発明の要旨とするところは、第１発明、第２発明お
よび第３発明が対象とする各鋼にさらに、重量％で、V
0.5％以下、Ti0.2％以下、Nb0.5％以下、Ta0.2％以下、
Zr0.2％以下、Hf0.2％以下、のうち１種または２種以上
を含有させた鋼を使用する高強度マルテンサイト系ステ
ンレス鋼ラインパイプを製造方法にあり、第５発明の要旨とするところは、第１発明、第２発明、
第３発明および第４発明が対象とする各鋼にさらに、重
量％で、Ca0.008％以下、希土類元素0.02％以下の１種
または２種を含有させた鋼を使用する高強度マルテンサ
イト系ステンレス鋼ラインパイプの製造方法にある。

また第６発明〜第10発明の各発明の要旨とするところ
は、第１発明〜第５発明の各発明において鋼管として造
管する方法が、それぞれ、プレス製管法、熱間圧延法、
UOE鋼管法、電縫鋼管法、スパイラル鋼管法である高強
度マルテンサイト系ステンレス鋼ラインパイプの製造方
法にある。

（作用）以下に本発明で成分および熱処理条件を限定した理由を
述べる。

C:Cはマルテンサイト系ステンレス鋼の強度を上昇させ
る元素としてもっとも安定的かつ低コストであるから、
必要な強度を確保するとともに過度に低減すると逆に溶
接熱影響部の衝撃靭性を低下させるために0.02％以上を
添加する。一方、0.08％を超えて添加すると溶接熱影響
部の衝撃靭性を低下させるとともに溶接熱影響部の硬さ
を著しく上昇させることから、上限含有量は0.08％とす
べきである。

Si:Siは脱酸のために必要な元素であるが、１％を超え
て添加すると衝撃靭性を低下させることから、上限含有
量は１％とする。

Mn:Mnは脱酸および強度確保のために有効な元素である
が、２％を超えて添加するとその効果は飽和するので、
上限含有量は２％とする。

Cr:Crはマルテンサイト系ステンレス鋼を構成するもっ
とも基本的かつ必須の元素であって耐食性を付与するた
めに必要な元素であるが、含有量が11％未満では耐食性
が充分ではなく、一方14％を超えて添加すると他の合金
元素をいかに調整しても溶接熱影響部のミクロ組織をマ
ルテンサイト単相にし難くなるので、上限含有量は14％
とすべきである。

Cu:CuはＣおよびＮの含有量を低減させた鋼の母材はい
うまでもなく溶接熱影響部のミクロ組織をもマルテンサ
イト組織として衝撃靭性を改善するとともに湿潤炭酸ガ
ス環境における耐食性を改善するのに極めて有用な元素
であるが、含有量が1.2％未満ではこれらの効果が不充
分であり、4.5％を超えて添加してもその効果は飽和す
るばかりか熱間加工性を著しく低下させるようになるの
で、1.2〜4.5％の範囲に限定する。

Al:Alは脱酸のために必要な元素であって含有量が0.005
％未満ではその効果が充分ではなく、0.2％を超えて添
加すると粗大な酸化物系介在物が鋼中に残留して靭性を
低下させるので、含有量範囲は0.005〜0.2％とした。

N:Nは0.015％を超えて存在すると溶接熱影響部の硬さを
上昇させるとともに母材および溶接熱影響部の衝撃靭性
を低下させるので、上限含有量は0.015％とすべきであ
る。より好ましくは、溶接熱影響部の衝撃靭性を向上さ
せるために、Ｎは0.01％未満とすることが望ましい。

以上が本発明が対象とするラインパイプの素材となるマ
ルテンサイト系ステンレス鋼の基本的成分であるが、本
発明においては必要に応じてさらに以下の元素を添加し
て特性を一段と向上させた鋼も対象としている。

Ni:Niは1.2％以上のCuと共存して溶接熱影響部の衝撃靭
性をさらに改善するのに効果があるが、４％を超えて添
加してもその効果は飽和するばかりか、いたずらにコス
トを上昇させ、かつ溶接熱影響部の硬さを上昇させるだ
けであるので、上限含有量は４％とする。

Mo:Moは1.2％以上のCuと共存して湿潤炭酸ガス環境の耐
食性を改善するのに効果があるが、２％を超えて添加し
てもその効果は飽和するばかりか、母材および溶接熱影
響部の靭性など他の特性を低下させるようになるので、
上限含有量は２％とする。

W:Wも1.2％以上のCuと共存して湿潤炭酸ガス環境の耐食
性を改善するのに効果があるが、４％を超えて添加して
もその効果は飽和するばかりか、母材および溶接熱影響
部の靭性など他の特性を低下させるようになるので上限
含有量は４％とする。

V,Ti,Nb,Ta,Zr,Hf:V,Ti,Nb,Ta,Zr,Hfは耐食性を一段と
向上させるのに有効な元素であるが、Ti,Zr,Ta,Hfでは
0.2％、Nb,Vでは0.5％をそれぞれ超えて添加すると粗大
な析出物・介在物を生成して硫化水素含有環境における
SSC抵抗を低下させるようになるので、上限含有量はTi,
Zr,Ta,Hfでは0.2％、Nb,Vでは0.5％とした。

Ca,希土類元素:Caおよび希土類元素（REM）は熱間加工
性の向上、耐食性の向上に効果のある元素であるが、Ca
では0.008％を超えて、希土類元素では0.02％を超えて
添加すると、それぞれ粗大な非金属介在物を生成して逆
に熱間加工性および耐食性を劣化させるので、上限含有
量はCaでは0.008％、希土類元素では0.02％とした。な
お、本発明において希土類元素とは原子番号が57〜71番
および89〜103番の元素およびＹを指す。

上記の成分を有するステンレス鋼を造管した後に熱処理
して所定の強度を付与するに際し、オーステナイト化温
度を920〜1100℃としたのは、920℃より低い温度ではオ
ーステナイト化が充分ではなく、従って必要な強度を得
ることが困難だからであり、オーステナイト化温度が11
00℃を超えると結晶粒が著しく粗大化して母材の衝撃靭
性が低下するようになるので、オーステナイト化温度は
920〜1100℃とした。

オーステナイト化後の冷却における冷却速度を水冷以上
の冷却速度としたのは、水冷よりも遅い冷却速度では所
定の強度および靭性を確保することが困難になるととも
に耐食性が低下するからである。

焼戻し温度を600℃以上Ac₁温度以下としたのは、焼戻し
温度が600℃未満では充分な焼戻しが行われず、焼戻し
温度がAc₁温度を超えると一部がオーステナイト化し、
その後に冷却時にフレッシュ・マルテンサイトを生成
し、いずれも充分に焼戻しされていないマルテンサイト
が残留するために衝撃靭性が低下するとともに硫化水素
含有環境におけるSSC感受性を増加させるためである。

焼戻し後の冷却における冷却速度を空冷以上の冷却速度
としたのは、空冷よりも遅い冷却速度では靭性が低下す
るためである。

本発明においては、所定の組成を有するマルテンサイト
系ステンレス鋼を鋼管として造管するのであるが、造管
方法としては、プレス製管法あるいは熱間圧延法を用い
て継ぎ目なし鋼管とすること、UOE鋼管、電縫鋼管ある
いはスパイラル鋼管として溶接鋼管とすることのいずれ
も本発明の対象とするところである。ここでプレス製管
法としては熱間押出方式あるいはプッシュベンチ方式な
どの通常のプレス製管法を指す。熱間圧延法としてはプ
ラグミル方式あるいはマンドレルミル方式などの通常の
熱間圧延法を指す。UOE鋼管、電縫鋼管あるいはスパイ
ラル鋼管はそれぞれ通常のUOE鋼管、電縫鋼管あるいは
スパイラル鋼管を指す。

（実施例）以下に本発明の実施例について説明する。

第１表に示す成分のステンレス鋼を溶製し、それぞれ第
１表に示す工程で肉厚12.7mmの鋼管とした後、第１表に
併せて示す条件で焼入れ焼戻し処理を施していずれも0.
2％オフセット耐力が49kg/mm²以上の高強度マルテンサ
イト系ステンレス鋼鋼管とした。焼入れ時の冷却はいず
れも水冷とし、焼戻し時の冷却はいずれも空冷とした。
次にこれらの鋼管を手溶接によって円周溶接して継手を
作製した。溶接入熱は17kJ/cmであった。母材および該
円周溶接部の溶接熱影響部からJIS4号衝撃試験片（フル
サイズ）を採取して衝撃試験を行なった。また溶接熱影
響部の最高硬さを荷重100gのマイクロビッカース測定で
求めた。また母材から試験片を採取して湿潤炭酸ガス環
境における腐食試験を行なった。浸潤炭酸ガス環境にお
ける腐食試験としては、厚さ3mm、幅15mm、長さ50mmの
試験片を用い、試験温度120℃のオートクレーブ中で炭
酸ガス分圧40気圧の条件で３％NaCl水溶液中に30日間浸
漬して、試験前後の重量変化から腐食速度を算出した。
腐食速度の単位mm/yで表示したが、一般的にある環境に
おけるある材料の腐食速度が0.1mm/y以下の場合、材料
は充分耐食的であり使用可能であると考えられている。

試験結果を第１表に併せた示した。第１表のうち、衝撃
試験結果において〇は破面遷移温度が−30℃以下、×は
破面遷移温度が−30℃を超え０℃以下、××は破面遷移
温度が０℃超であったことをそれぞれ表わしており、溶
接熱影響部最高硬さにおいて〇は最高硬さが300未満、
×は最高硬さが300以上450未満、××は最高硬さが450
以上であったことをそれぞれ表わしており、腐食試験結
果において◎は腐食速度が0.05mm/y未満、〇は腐食速度
が0.05mm/y以上0.10mm/y未満、×は腐食速度が0.10mm/y
以上0.5mm/y未満、××は腐食速度が0.5mm/y以上であっ
たことをそれぞれ表わしている。なお、第１表において
比較鋼のNO.29はAISI420鋼であり、NO.30は9Cr−1Mo鋼
であって、いずれも従来から湿潤炭酸ガス環境で使用さ
れている従来鋼である。

第１表から明らかなように本発明に従って製造されたラ
インパイプであるNO.1〜28は、母材および溶接熱影響部
の衝撃靭性が格段に優れ、溶接熱影響部の硬さが充分低
く、湿潤炭酸ガス環境において120℃というラインパイ
プとして非常な高温であっても、実用的に使用可能な腐
食速度である0.1mm/yよりも腐食速度が小さく、優れた
耐食性と溶接性とを有していることがわかる。また本発
明に従って製造されたラインパイプはいずれも焼入れに
際して水冷が可能であり、生産性にも優れている。これ
に対して比較例であるNO.29〜31およびNO.33は水冷によ
る焼入れに際して焼割れを生じている。また比較例NO.3
2およびNO.34も湿潤炭酸ガス環境において120℃で既に
腐食速度が0.1mm/yを上回っており、かつ母材および溶
接熱影響部の衝撃靭性が悪く、また溶接熱影響部の硬さ
が高い。

（発明の効果）以上述べたように、本発明は湿潤炭酸ガス環境における
優れた耐食性と優れた溶接性を有し、かつ生産性にも優
れる高強度マルテンサイト系ステンレス鋼ラインパイプ
の製造方法を提供することを可能としたものであり、産
業の発展に貢献するところ極めて大である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、 C :0.02〜0.08％、 Si:1％以下、 Mn:2％以下、 Cr:11〜14％、 Cu:1.2〜4.5％、 Al:0.005〜0.2％を含有し、Ｎを0.015％以下に低減し、残部Feおよび不可避不純物からなるマルテンサイト系ス
テンレス鋼を鋼管として造管した後に、920〜1100℃で
オーステナイト化してから水冷以上の冷却速度で冷却
し、次いで600℃以上Ac₁温度以下の温度で焼戻し処理を
施してから空冷以上の冷却速度で冷却することを特徴と
する高強度マルテンサイト系ステンレス鋼ラインパイプ
の製造方法。
【請求項２】マルテンサイト系ステンレス鋼が、さらに
付加成分として重量％で Ni:4％以下を含有することを特徴とする請求項１に記載の高強度マ
ルテンサイト系ステンレス鋼ラインパイプの製造方法。
【請求項３】マルテンサイト系ステンレス鋼が、さらに
付加成分として重量％で Mo:2％以下、 W :4％以下のうち１種または２種を含有することを特徴とする請求
項１または２に記載の高強度マルテンサイト系ステンレ
ス鋼ラインパイプの製造方法。
【請求項４】マルテンサイト系ステンレス鋼が、さらに
付加成分として重量％で V :0.5％以下、 Ti:0.2％以下、 Nb:0.5％以下、 Zr:0.2％以下、 Ta:0.2％以下、 Hf:0.2％以下のうち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、２または３に記載の高強度マルテンサイト系
ステンレス鋼ラインパイプの製造方法。
【請求項５】マルテンサイト系ステンレス鋼が、さらに
付加成分として重量％で Ca:0.008％以下、希土類元素0.02％以下のうち１種または２種を含有することを特徴とする請求
項１、２、３または４に記載の高強度マルテンサイト系
ステンレス鋼ラインパイプの製造方法。
【請求項６】鋼管に造管する方法がプレス製管法である
請求項１、２、３、４または５に記載の高強度マルテン
サイト系ステンレス鋼ラインパイプの製造方法。
【請求項７】鋼管に造管する方法が熱間圧延法である請
求項１、２、３、４または５に記載の高強度マルテンサ
イト系ステンレス鋼ラインパイプの製造方法。
【請求項８】鋼管に造管する方法として、マルテンサイ
ト系ステンレス鋼板を製造した後にUOE鋼管として造管
することを特徴とする請求項１、２、３、４または５に
記載の高強度マルテンサイト系ステンレス鋼ラインパイ
プの製造方法。
【請求項９】鋼管に造管する方法として、マルテンサイ
ト系ステンレス鋼板を製造した後に電縫鋼管として造管
することを特徴とする請求項１、２、３、４または５に
記載の高強度マルテンサイト系ステンレス鋼ラインパイ
プの製造方法。
【請求項１０】鋼管に造管する方法として、マルテンサ
イト系ステンレス鋼板を製造した後にスパイラル鋼管と
して造管することを特徴とする請求項１、２、３、４ま
たは５に記載の高強度マルテンサイト系ステンレス鋼ラ
インパイプの製造方法。