JPH0724940B2

JPH0724940B2 - 耐サワー性の優れた電縫鋼管

Info

Publication number: JPH0724940B2
Application number: JP59070546A
Authority: JP
Inventors: 明博宮坂
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1984-04-09
Filing date: 1984-04-09
Publication date: 1995-03-22
Anticipated expiration: 2010-03-22
Also published as: JPS60213366A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は耐サワー性の優れた電縫鋼管に係り、さらに詳
しくは、例えば石油、天然ガス掘削あるいは輸送におい
て湿潤硫化水素を含む環境下にあっても割れ抵抗の高い
電縫鋼管に関する。

（従来技術及びその問題点）近年生産される石油、天然ガス中には硫化水素を含む場
合が非常に多く、さらに海水、淡水などの水が共存する
場合には、鋼表面で起こる腐食に基づく減肉だけではな
く、腐食によって鋼表面で発生した水素が鋼中に侵入す
ることによって破壊をおこすことがあり、問題となって
いる。この破壊は高張力鋼に古くから認められる硫化物
応力割れとは異なり、外部からの付加応力がなくとも発
生が認められる。

この破壊は、環境中から侵入した水素が母材中に存在す
る圧延方向に長く伸びたMnSなどのＡ系硫化物系介在物
と地鉄との境界に集積してガス化し、そのガス圧によっ
て発生するもので、MnSなどのＡ系硫化物系介在物を割
れの核として板面平行割れに成長し、この板面平行割れ
が板厚方向に連結されるものである。本発明では、この
種の割れを水素ふくれ割れと呼ぶ。

MnSなどのＡ系硫化物系介在物は、圧延方向に長く伸び
た形状が鋭い切欠となるため割れの核となりやすく、こ
の種の破壊にもっとも有害であるとされている。

こうした水素ふくれ割れに対する抵抗の高い鋼につい
て、従来から様々な研究が成され、種々の鋼が提案され
ている。それらは、例えば、特公昭57−17065号公報或
いは特公昭57−16184号公報などにその代表例がみられ
る如く、CaやCo添加による割れ防止、極低Ｓ化によるMn
Sの減少、Ca或いは希土類元素などの添加によるＳの固
定などを利用するものであって、これらの技術によって
現在迄にかなり厳しい環境にまで耐え得る鋼が開発され
ている。

ところで、電縫鋼管はホットコイルなどの鋼板を成形し
電縫溶接するものであって、言うまでもなく鋼板との決
定的な相違は溶接部及び溶接熱影響部が存在することで
ある。しかるに、電縫溶接部周辺部分の耐サワー性につ
いて検討された例は従来ほとんど見当たらない。これは
通常の製造工程においてMnSなどのＡ系硫化物系介在物
が多く存在するのは大型鋼塊では逆Ｖ偏析及びＶ偏析部
であり、連鋳片では中心偏析部であって、鋼板のエッジ
部には、非常に少ないこと、板面平行割れを助長するM
n,Pのミクロ偏析が激しいのもMnSなどのＡ系硫化物系介
在物が多く存在する部位と同様の部位であってエッジ部
にはほとんど存在しないことなどの理由から、鋼板のエ
ッジ部同士を電縫溶接して製造するいわゆる単巾材で
は、電縫溶接部周辺部分の耐サワー性は良好であると理
解されてきたからである。また、１つのホットコイルを
幅方向に２以上に分割した上で製造するいわゆる多条取
りの電縫鋼管では、電縫溶接部の一方あるいは両方に逆
Ｖ偏析部や中心偏析部などの水素ふくれ割れ感受性の高
い部分が該当するため、水素ふくれ割れに対する認識は
あった。しかし、この場合にも対策としては主としてMn
SなどのＡ系硫化物系介在物の減少とミクロ偏析の軽減
といった母材と同様の対策が施されてきた。

これに対し、本発明者は電縫鋼管の電縫溶接部について
耐サワー性を詳細に検討した結果、MnSなどの硫化物系
介在物が存在しない場合でも電縫溶接部に水素ふくれ割
れを生ずる場合があることを見出した。但し、電縫溶接
部の場合には板面垂直割れ型の水素ふくれ割れであるこ
とが母材部とは異なっている。さらに、この種の水素ふ
くれ割れは、本質的に鋼板エッジ部にミクロ偏析の少な
い単巾材であっても発生することがわかった。この割れ
は従来知られていないものであって、母材の板面平行型
水素ふくれ割れと同等あるいはそれ以上に重大な問題で
ある。しかしこの割れは従来の水素ふくれ割れに対する
対策鋼を使用した電縫鋼管でも発生し、従来技術では防
止できないことがわかった。

本発明者は、こうした全く新しいタイプの板面垂直型水
素ふくれ割れに対する抵抗の高い鋼管を開発せんとして
研究を続けてきた結果、第１図に模式的に示す電縫鋼管
１の電縫溶接部の水素ふくれ割れの原因は、電縫衝合部
２及びその両面のZ₁及びZ₂が100μｍ以内の熱影響部３
に存在する板状の酸化物系介在物であることを突き止め
た。さらにこれら板状の酸化物系介在物のうち、第１図
に示される電縫衝合部２の両側Z₁＝Z₂＝100μｍ以内の
部分について、衝合部に直交する横断面でみた介在物の
形状として、板厚方向に延伸した介在物であって板厚方
向の長さと円周方向の長さとの比が２以上でかつ長径10
μｍ以上の介在物が、水素ふくれ割れ発生の核となるこ
と、板厚方向の長さと円周方向の長さとの比が２以上で
かつ長径10μｍ以上の介在物の密度が、該横断面で衝合
部の両側100μｍ以内の領域の面積1mm²あたりの個数と
して、５個を超えて存在するような酸化物系介在物の密
度となるときには、核発生した水素ふくれ割れが相互に
結合して巨視的な割れに成長することを見出した。

ここで、第４図は衝合部に直交する横断面にみられる延
伸介在物の例である。ここで、Ａ、Ｂ、Ｃは同一断面に
おいて、板厚方向の３位置で観察したものである。かか
る板厚方向に延伸した酸化物系介在物は、電縫衝合部２
のごく近傍の熱影響部に位置しており、第４図に示すよ
うに板厚方向に延伸している。ここで、電縫衝合部２の
ごく近傍の熱影響部は母材が融点近くに加熱され、アッ
プセット（スクイズロールによる加圧）されたものであ
るが、溶融はしておらず溶融金属ではない。さらに、第
５図は代表的な介在物の形状の例を示したものである
が、板厚方向に延伸した介在物であるから、もっとも長
い方向の長さである「長径」はほぼ板厚方向を向いてい
る。そして、長径は板厚方向の長さと同じである。一
方、延伸した介在物の延伸度を表わすパラメータとし
て、「板厚方向の長さと円周方向の長さとの比」を用い
ているが、鋼管において円周方向は、板厚方向に直交す
る方向であるから、前記の長径に直交する方向の長さで
あり、短径あるいは幅とも表現できる。

第１図において、電縫衝合部２およびその両側100μｍ
以内の熱影響部３は、３次元の広がりをもっているが、
こうした３次元において、上記の延伸した酸化物系介在
物の分布や密度を測定することは、現在の測定技術では
困難である。そこで、本発明者は、衝合部に直交する横
断面における密度として、測定することとした。電縫鋼
管を衝合面に直交、かつ管軸方向に直交する横断面で切
断し、電縫衝合部近傍を光学顕微鏡で観察して、電縫衝
合部の両側100μｍ以内に存在する、板厚方向に延伸し
た酸化物系介在物の個数を数える。１つの横断面におい
て、mm²単位で表現した場合の、電縫衝合部の両側100μ
ｍ以内の領域の面積は、板厚（mm）と0.2mm（100μｍ×
２）との積であるから、横断面で測定された前記介在物
の個数をこの面積で割れば、「衝合面に直交する横断面
で電縫衝合部から両側100μｍ以内に存在する介在物の
密度」を求めることができる。例えば、板厚が15mmで、
延伸した介在物の個数が12個の場合には、対象となる領
域の面積が3mm²であるから、前記の密度は４である。本
願発明者はこのようにして測定した介在物の密度が、板
面垂直型水素ふくれ割れの発生と、密接な関係があるこ
とを見出したのである。

さらに、本発明者の研究によれば、これら板状の酸化物
系介在物は、母材中に予め存在した球状に近い酸化物系
介在物が電縫溶接時の熱影響によって鋼の融点近くにま
で加熱されたうえ、スクイズ・ロールによって両側から
加圧されるために板状に変形して生成することが明らか
となった。加えて、酸化物系介在物中にCaを含有するな
ど複合系の酸化物系介在物である場合に著しく変形しや
すくなることも見出した。

なお、本発明において、耐サワー性とは湿潤硫化水素を
含む環境下における割れ抵抗を意味し、さらに具体的に
は、母材部および電縫溶接部の板面平行型水素ふくれ割
れと電縫溶接部の板面垂直型水素ふくれ割れの両方に対
する抵抗性を意味する。参考までに付言すると、電縫部
の耐サワー性とは、電縫溶接部における板面平行型水素
ふくれ割れおよび板面垂直型水素ふくれ割れの両方に対
する割れ抵抗性を意味している。

（発明の構成）本発明はこうした知見に基づいてなされたもので、その
要旨とするところは、Caを0.0012％以上含有するAl脱酸
鋼を素材とする電縫鋼管において、鋼中のCa/Al比を0.1
0以下とし、電縫衝合面を中心として両側100μｍ以内の
部分に含まれる酸化物系介在物のうち、衝合面に直交し
かつ管軸方向に直交する横断面でみた介在物の形状とし
て、板厚方向に延伸した介在物であって円周方向の長さ
に対する板厚方向の長さの比が２以上でかつ長径10μｍ
以上の介在物の密度が該横断面で衝合面の両側100μｍ
以内の領域の面積1mm²あたりの個数として５以下である
ことを特徴とする耐サワー性の優れた電縫鋼管にある。

以下に本発明を詳細に説明する。

まず本発明は耐サワー性の優れた電縫鋼管全般を対象と
するものであるが、その基本成分系としては重量％でC
0.20％以下、Si0.02〜1.0％、Mn0.2〜1.8％、P0.03％以
下、S0.005％以下、Alで脱酸し、脱硫および硫化物制御
のためにCaを添加した鋼が好ましい。これらの成分を限
定する理由は以下の通りである。

Ｃはもっとも安定して鋼の強度を増す元素であるが、0.
20％を超すと靭性や溶接性を損なうで使用が困難であ
る。

Siは脱酸上必要な元素なので0.02％以上含有することが
必要であるが、靭性確保のために上限含有量を1.0％に
すべきである。

Mnは、脱酸および強度靭性保持の点から必要な元素であ
るが、溶接性確保のためには上限含有量を1.8％におさ
えるべきである。また、強度、靭性の確保の面から0.2
％以上の含有量が必要である。

Ｐは母材の水素ふくれ割れを伝播しやすくする元素であ
り、0.03％以下とすべきである。

ＳはMnと結合して母材部の水素ふくれ割れの起点となる
MnSをつくるので、0.005％以下に抑えなければならな
い。

Alは溶鋼の脱酸にもっとも有用な元素であり、母材の耐
サワー性確保のためにはAl脱酸鋼を使用する必要があ
る。Alの添加量は脱酸に必要な量であれば良いが、通常
の含有量としては0.01〜0.08％程度である。

Caは脱酸および硫化物の形態制御のために有用な元素で
あって、充分に脱硫し、かつ硫化物の形態に充分に制御
して母材の耐サワー性を得るためには0.0012％以上を含
有する必要がある。一方ではCaの含有量は粗大な介在物
クラスターを生成するほど過剰であってはならず、Caの
含有量の上限としては0.008％が好ましい。

次に本発明の最大の骨子とするところは、Caを0.0012％
以上含有するAl脱酸鋼を素材とする電縫鋼管において、
鋼中のCa/Al比を0.10以下とし、電縫衝合面を中心とし
て両側100μｍ以内の部分に含まれる酸化物系介在物の
うち、衝合部に直交する横断面でみた介在物の形状とし
て、板厚方向に延伸した介在物であって板厚方向の長さ
とを円周方向の長さとの比が２以上でかつ長径10μｍ以
上の介在物の密度が、該横断面で衝合部の両側100μｍ
以内の領域の面積1mm²あたりの個数として５以下にする
ことにあるが、これは次に述べる理由に基づくものであ
る。

まず、介在量を規定する範囲を電縫衝合面を中心として
両側100μｍ以内の部分に定めたのは、電縫衝合部を含
む試験片での数多くの耐サワー性試験と詳細な観察の結
果、水素ふくれ割れの発生しているのは電縫衝合部から
100μｍ以内の部分であり、その起点となる板状の酸化
物系介在物も電縫衝合部から100μｍ以内の部分に殆ど
集合しているからであり、100μｍを超える範囲には非
常に稀にしか存在せず、割れが核発生しても連結しない
ので巨視的な割れには成長し得ないからである。

次に、対象とする介在物として酸化物系介在物に着目し
たのは、前述の如く酸化物系介在物は溶接の熱影響とス
クイズ・ロールによる加圧によって変形し、水素ふくれ
割れの原因となるからである。ここで、本発明でいう酸
化物系介在物とは、酸化物及び酸化物を主体として少量
の硫化物を含む複合物から成る介在物を指す。なお、参
考迄に付け加えるならば、もとより母材部の耐サワー性
確保のため硫化物系介在物量は著しく減少された鋼が主
たる対象となっているものであるから、酸化物系介在物
量に着目したものである。

介在物の形状として板厚方向の長さ（長径）と円周方向
の長さ（短径）との比を２以上としたのは、詳細な観察
の結果このような板状に変形した介在物が割れの核発生
に対し起点となること、逆に板厚方向の長さと円周方向
の長さとの比が２未満の介在物は割れ発生に対しては有
害でないことが実験の結果明らかになったためである。
なお、本発明においては酸化物系介在物の変形の方向性
を板厚方向と円周方向について規定しているが、介在物
の変形が溶接加熱時の加圧によって生ずることから、酸
化物系介在物は必ずしも正しく板厚方向に伸びている訳
ではなく、板厚方向に対してわずかに斜めになっている
ものもあるが、もちろん板厚方向に対して少々斜めにな
っても割れの起点となることに全く変わりはないのであ
る。本発明では、このような介在物については斜めとな
った最長方向の長さ（長径）とそれに直角な方向の長さ
（短径）との比が２以上のものについて考える。また、
長径10μｍ以上の介在物としたのは、長径／短径比が２
以上であっても長径が10μｍ未満の微細な介在物は割れ
の起点とならないことを実験によって見出したことに基
づくものである。

さらに本発明において、これら介在物の密度が横断面で
衝合部の両側100μｍ以内の領域の面積1mm²あたり個数
として５以下としたのは、前記の如き形状及び寸法の介
在物が前記領域に1mm²あたり５個を超えて存在する場合
に、核発生した水素ふくれ割れが相互に連結されること
を実験によって見出したことに基づくものである。

衝合部から両側100μｍ以内の領域に、前記の形状およ
び寸法の板厚方向に延伸した介在物があったとしても、
その密度が各領域の面積1mm²あたりの個数として５以下
であれば、個々の介在物を核として水素ふくれ割れが核
発生する可能性はあるものの、近傍に延伸介在物が存在
しないために、相互に連結されることはなく、大きなふ
くれ割れに成長しないものと考えられる。

また、酸化物系介在物はMnSなどとは違い、電縫鋼管の
素材の製造において主として溶鋼中（凝固前）で生成し
ているため、素材鋼板の中では比較的均一に分布してい
る。従って酸化物系介在物は第１図３に示す領域の中で
は均一に分散しており、該領域を管軸方向の位置を変え
た場合も均一に分布している。このために、板厚方向の
特定の部位や管軸方向の特定の位置に限定せず、上記の
ように面積1mm²あたりの個数として求めても、耐サワー
性と良い相関があったものと考えられる。

また本発明において、鋼中のCa/Al比を0.10以下とする
ことが必要である。これはCaを添加したAl脱酸鋼に含ま
れる酸化物を、電縫溶接時に加熱、加圧を受けても変形
して延伸しにくい組成とするためであり、Ca/Al比が0.1
0を超えると電縫溶接時の加熱と加圧によって酸化物系
介在物が延伸しやすくなり、電縫溶接部の耐サワー性が
低下するためである。一方、Ca/Al比は0.1以下であれ
ば、酸化物系非金属介在物が電縫溶接時に延伸し難い組
成になるので、Ca/Al比には特に下限は設けないが、Ca
含有量の下限値0.0012％を満足していれば良い。このと
きCa/Al比は０には成り得ず、０より大きい有限の値を
とる。Ca含有量が0.0012％、かつAl含有量の非常に多い
場合として0.08％においてCa/Al比が0.15であることを
考慮すると、Ca/Al比としては0.015程度以上の値が好ま
しい。

上記に加えてさらに、電縫溶接時のスクイズ・ロールに
よる加圧力を低下せしめると、上記手段によって変形し
難い組成に制御した酸化物系介在物の変形をさらに一段
と制御せしめる上で有効であり、板厚方向に延伸した酸
化物系介在物の個数を減少せしめる上で、極めて有効で
ある。但し、この場合溶接欠陥を生じないような溶接条
件及び加圧力の制御が必要であることは言うまでもな
い。

本発明鋼管用の鋼の製造工程としては、熱間圧延のまま
でも良く或いは、圧延材を焼準し、焼戻し又は焼入焼戻
しする工程を適用することもできる。また電縫溶接後、
電縫溶接部近傍のみ或いは鋼管全体を焼準、焼戻し、又
は焼入焼戻しする工程を適用しても良い。なお、鋼或い
は鋼管に熱処理を施すか否かは、強度、靭性等他の機械
的性質確保の必要に応じて決定すれば良い。

以下本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。

（実施例）第１表中に１〜６は本発明鋼管、７〜11は比較材であ
る。これらは、第１表に示す組成の鋼を11mm厚の鋼板に
熱延後、通常のロール成形によって円筒状に成形しつつ
電気抵抗溶接して通常の電縫鋼管とした。

また、本発明鋼管１〜６においては、CaはAlの含有量を
何れもCa/Al比が0.10以下となるように調整した。これ
は、酸化物系介在物の組成を電縫溶接時の加熱と加圧に
よっても変形し難いものにすることを意図したものであ
る。さらにこれに付加して、１〜３では不活性ガス吹き
込みによって溶鋼中の酸化物系介在物の数を極力減少さ
せた。また、４〜６ではAl含有量を比較的多量とするこ
とで、酸化物系介在物の組成が一段と変形し難いものと
することを意図した。

第１表において、「横断面で衝合部の両側100μｍ以内
の領域の面積1mm²あたりの個数」は、各々の電縫鋼管に
ついて、管軸方向の10か所で横断面を観察し、かかる領
域の中にある、板厚方向に延伸した介在物であって板厚
方向の長さと円周方向の長さの比が２以上でかつ長径10
μｍ以上の介在物の数を数え、総介在物数を観察対象面
積（22mm²）で除することによって求めた。

次にこれらの電縫鋼管から、第２図に示す要領で肉厚t₁
＝11mmの鋼管の電縫溶接部を含んで厚さt₂＝9mm、幅Ｗ
＝20mm、長さＬ＝100mmの試験片を採取し、耐サワー性
の評価試験に供した。なお図中４は溶接方向である。

耐サワー性の評価試験としては、上記の試験片をH₂S飽
和人工海水に0.5％CH₃COOHを添加した溶液（pH2.8〜3.
8）中に96時間浸漬し、割れを測定した。割れ発生の有
無は、第３図に示す要領で試験片の２断面について超音
波探傷し、その後断面の検鏡観察によって判定した。同
図中Ｐは板面平行割れを対象とするUST探傷方向、Ｒは
板面垂直割れを対象とするUST探傷方向である。

UST探傷結果は、Ｃスキャンにおける面積率で表示し
た。即ち、面積率は、探傷面の全面積に対するUST欠陥
部分の面積の比であり、面接率０はUST欠陥がなかった
ことを意味する。また、本試験においては試験前にはUS
T欠陥はみつからなかったことから、耐サワー性の評価
試験後におけるUST欠陥は、第３図のＰ方向の探傷では
板面平行型の水素ふくれ割れ、Ｒ方向の探傷では板面垂
直型の水素ふくれ割れ、が発生した部分の割合を示して
いる。

この様子を模式的に第６図に示す。第６図（ａ）は第３
図のＲ方向のUST探傷結果の例であって、図中斜線部分
はUST欠陥部分を示している。この斜線部分の面積を探
傷面積（試験片の厚さ9mm×長さ100mm＝900mm²）で除し
たものが、板面垂直型水素ふくれ割れの面積率である。
同様に、第６図（ｂ）は第３図のＰ方向のUST探傷結果
の例であって、図中斜線部分はUST欠陥部分を示してい
る。この斜線部分の面積を探傷面積（試験片の幅20mm×
長さ100mm＝2000mm²）で除したものが、板面平行型水素
ふくれ割れの面積率である。

第２表中に上記試験結果を示す。第２表から明らかな通
り、本発明鋼管では全く割れは発生していないのに対し
て、比較材７〜８および10〜11ではCa/Al比が0.10を超
えていたために、また比較材９ではCa/Al比は0.10以下
であったものの素材となる鋼中の酸化物系介在物が多
く、従って板厚方向に延伸した介在物が多かったため
に、いずれも板面平行割れは発生していないが板面に垂
直な割れが発生している。

（発明の効果）上記の試験結果からわかる通り、本発明はpHが低く厳し
い環境においても水素ふくれ割れの発生のない耐サワー
性の優れた電縫鋼管を提供することを可能にしたもので
あり、産業の発展に貢献するところ極めて大なるものが
ある。

【図面の簡単な説明】第１図は電縫鋼管の衝合部とその両側の酸化物系介在物
量を制限する領域を示す模式図、第２図は実施例におけ
る試験片の採取要領を示す図、第３図は実施例における
UST探傷方向を示す図、第４図は電縫溶接部の横断面に
おける、板厚方向に延伸した酸化物系介在物の形状を示
す図、第５図は代表的な介在物の形状と長径および短径
の関係を示す図、第６図（ａ）、（ｂ）は夫々Ｒ方向、
Ｐ方向のUST探傷結果を示す模式図である。１……電縫鋼管、２……衝合部、３……熱影響部、４…
…溶接方向。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Caを0.0012％以上含有するAl脱酸鋼を素材
とする電縫鋼管において、鋼中のCa/Al比を0.10以下とし、電縫衝合面を中心として両側100μｍ以内の部分に含ま
れる酸化物系介在物のうち、衝合面に直交しかつ管軸方
向に直交する横断面でみた介在物の形状として、板厚方
向に延伸した介在物であって円周方向の長さに対する板
厚方向の長さの比が２以上でかつ長径10μｍ以上の介在
物の密度が、該横断面で衝合面の両側100μｍ以内の領
域の面積1mm²あたりの個数として５以下であることを特
徴とする耐サワー性の優れた電縫鋼管。