JPH1017986A - パイプラインの耐外面ｓｃｃ特性に優れた鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パイプラインとしての基本的な要求を損なう
ことなくパイプラインの耐外面ＳＣＣ特性に優れた鋼を
提供することを目的とする。 【解決手段】 中心線平均粗さＲa ≦ 7μｍ、且つ最大
高さＲmax ≦50μｍの表面の平滑さに調整したことを特
徴とするパイプラインの耐外面ＳＣＣ特性に優れた鋼。
また、ショットブラストにより、表面を上記平滑さに調
整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、 土壌埋設された陰
極防食下の鋼製パイプラインに発生する、 いわゆるパイ
フラインの外面ＳＣＣ（Stress Corrosion Cracking:応
力腐食割れ）が起きにくい低合金鋼に関するもので、 原
油・ 天然ガス輸送用ラインパイプを始め、同様な条件で
使用される構造用鋼として広く用いることができる。

【０００２】

【従来の技術】パイプラインの事故の中で腐食に関連し
た事例として最も多く報告されているものは、 ここで取
り上げたパイプラインの外面ＳＣＣである。従来の対策
はコーティングの健全化や外面ＳＣＣが発生した後の早
期交換といった対策が取られているだけで鋼管材料から
の対策は全く行われていなかった。 "The effects ofal
loying additions of ferritic steels upon stress co
rrosion cracking resistance" (by R.N.Parkins, P.W.
Slattery and B.S.Poulson, Corrosion, vol.37(1981)N
o.11, pp650-664)では0.86mass%Ti, 1.75mass%Cr, 6.05
mass%Ni および5mass%Mo添加によりパイプラインの耐外
面ＳＣＣ特性が向上することが述べられているが、 この
ような多量の合金添加された鋼では、 溶接性等の他の重
要な特性を満足することが困難であるだけでなく、 高価
な材料となるため実用化されていない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、 パイプライ
ンとしての基本的な要求を損なうことなくパイプライン
の耐外面ＳＣＣ特性に優れた鋼を提供することを目的と
する。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、ラインパ
イプに必要とされる強度、低温靱性、溶接性等を有する
組成の鋼に対して、パイプラインの耐外面ＳＣＣを再現
する試験を行い、パイプラインの耐外面ＳＣＣを向上さ
せる材料の条件を見いだした。すなわち、鋼材の表面が
平均的に滑らかであり、 且つ局所的な凹凸が一定水準よ
り小さいことを満足すること、 さらには鋼組成としては
低C とすることでパイプラインの耐外面ＳＣＣ特性が向
上することを知見した。さらには、一定の平滑さを満足
するようにショットブラストを施すことで一層耐外面Ｓ
ＣＣ特性が向上することも見いだした。パイプラインの
外面ＳＣＣは、 表面に薄く生成されているマグネタイト
が応力変動で割れ、 この時、 鉄が溶出することにより起
こる割れと考えられている。従って、 ミクロ的な塑性変
形を抑制してマグネタイトの割れを抑制すると外面ＳＣ
Ｃが起こりにくくなる。 また、ミクロ組織が均質であれ
ば、 さらに特性が向上する。

【０００５】本発明は、 上記の知見に基づいて構成した
ものである。すなわち、中心線平均粗さ、 Ｒa ≦ 7μ
ｍ、且つ最大高さ、 Ｒmax ≦50μｍの表面の平滑さに調
整したことを特徴とするパイプラインの耐外面ＳＣＣ特
性に優れた鋼であり、また、ショットブラストにより、
表面の平滑さを中心線平均粗さ、Ｒa ≦ 7μｍ、且つ最
大高さＲmax ≦50μｍに調整したことを特徴とするパイ
プラインの耐外面ＳＣＣ特性に優れた鋼であり、 さらに
は質量% にて、 C : 0.03〜0.16% 、 Mn : 0.5〜2.0%、 Si :≦0.5%、 P : ≦0.02% 、 S : ≦0.01% 、 Al :≦0.10% 、 N : ≦0.1%を含有し、 さらに Nb : 0.005〜0.1%、 Ti : 0.005〜0.1%、 V : 0.001 〜0.1%、 Mo : 0.03 〜0.5%、 Cr : 0.1〜0.6%、 Ni : 0.1〜0.8%、 Cu : 0.1〜0.8%、 B : 0.0003〜0.003%、 Ca : 0.001〜0.01% の１種または２種以上を含有して残部が実質的にFeおよ
び不可避的不純物であることを特徴とする。

【０００６】さらにはその主たる組織がアシキュラーフ
ェライト、 ベイナイティックフェライトまたはベイナイ
トであるパイプラインの耐外面ＳＣＣ特性に優れた鋼で
ある。なお、本発明における表面粗度の表示はJIS B060
1 の規定によっており、 Ｒaは平均線粗さを、 Ｒmax は
最大高さを表す。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、 本発明について詳細に説明
する。まず、表面の平滑さの限定理由について説明す
る。従来は耐外面ＳＣＣに対して表面粗度の重要さは認
識されていなかった。任意の幾つかの鋼管について調べ
てみるとＲa は 5〜30μｍ、 Ｒmax は20〜300 μｍの間
でばらついていた。

【０００８】前述した外面ＳＣＣの機構からは、表面が
平滑であるほうが耐外面ＳＣＣの向上のために望ましい
と予測される。事実、 機械研磨を行った面では外面ＳＣ
Ｃは起こりにくい。そこで、 ラインパイプに使用される
鋼を中心に種々の鋼を用意し、 各々圧延法、 加工法を変
えて表面粗度の異なる材料を用意して耐外面ＳＣＣ特性
の評価を行った。この結果、耐外面ＳＣＣ特性には鋼材
表面の平滑さの指標である中心線平均粗さＲa と最大高
さＲmax の両方が影響することがわかった。すなわち、
Ｒa が 7μｍ、Ｒmax が50μｍより大きくなると外面Ｓ
ＣＣが起こりやすいことがわかった。従って、 表面の平
滑さをＲa ≦ 7μｍで且つＲmax ≦50μｍと規定した。
さらに耐外面ＳＣＣ特性を改善するためにはＲa ≦ 5μ
ｍで且つＲmax ≦35μｍとすることが特に望ましい。

【０００９】また、鋼材表面にショットブラストを施す
と同一の表面粗度であっても耐外面ＳＣＣ特性が向上す
る現象が見いだされた。これはショットブラストによる
加工層、 圧縮の残留応力が寄与していると考えられる。
従って、 表面の調整法としてはショットブラストが特に
好ましい。これらの表面形態の制御により耐外面ＳＣＣ
特性は向上するが、 これに加え化学成分を特定範囲とす
ることで耐外面ＳＣＣ特性は更に向上する。以下化学成
分の限定理由について述べる。

【００１０】C は0.03〜0.16% に限定する。C は鋼の強
度向上に極めて有効であり、 構造用鋼としての強度を得
るためには最低0.03% は必要である。しかし、 C 量が増
すと共に組織の不均一性が増して耐外面ＳＣＣ特性が低
下するので、 その上限を0.16% とした。しかし、0.10%
を越えるとフェライトパーライト組織を生成させずに適
正な強度を得ることが難しくなるので、望ましくは上限
値は0.10% に制限したほうがよい。

【００１１】Siは脱酸や強度向上のために添加する元素
であり、 直接耐外面ＳＣＣ特性とは関連しないが、 多く
添加するとHAZ 靭性、 現地溶接性等のラインパイプとし
ての基本性能を損ねるので上限を0.5%とした。しかし、
鋼の脱酸はAl等他の元素でも可能であり、Siは必ずしも
添加する必要はない。Mnは耐外面ＳＣＣ特性が良好な低
C 量を維持しつつ、 高強度化を図るのに必要な元素であ
る。0.5%未満では効果が小さすぎ、2.0%を越えると偏析
が大きくなり耐外面ＳＣＣ特性に有害な硬化相が出現し
やすくなる。また、 現地溶接性も劣化させる。従って、
Mnの添加量は0.5 〜2.0%とした。

【００１２】不純物であるP は0.02% 以下に制限する。
この主たる理由は母材、 HAZ の低温靭性をより一層向上
させるだけでなく、 P の低減は粒界割れ形態で進展する
パイプラインの外面ＳＣＣ特性を向上させる効果もあ
る。不純物であるS は0.01% 以下に制限する。この主た
る理由は熱間圧延で延伸化するMnS を低減して延性・ 靭
性を向上させる効果がある。

【００１３】Alは通常脱酸材として鋼に含まれる元素
で、組織の微細化にも効果を有する。しかし、Alが0.10
% を越えるとAl系非金属酸化物が増加して低温靭性が劣
化するので上限を0.10% とした。しかし、脱酸はSi等他
の元素でも可能であり、Alは必ずしも添加する必要はな
い。N も鋼中から除去することが困難な元素であるが、
AlN 、 TiN 等を形成して組織を微細にする効果を発揮す
る場合もある。しかし、余りに多量に含有すると低温靭
性の劣化、 固溶N による歪み時効脆化等が生じるので上
限を0.1%とした。

【００１４】Nb, Ti, V, Mo, Cr, Ni, Cu, B, Caを添加
する目的について説明する。基本となる成分に、 更にこ
れらの元素を添加する主たる目的は、 本発明鋼の優れた
特徴を損なうことなく耐外面ＳＣＣ特性の一層の向上、
適用範囲の拡大をはかるためである。これらの元素自体
は直接には耐外面ＳＣＣ特性に影響を及ぼさない。すな
わちその目的とするところは耐外面ＳＣＣ特性が良好な
低C を維持しつつ高強度化を図ることと、組織の微細化
を図りミクロ的な歪みの不均一を抑制してマグネタイト
の割れを抑制し、 結果としてさらに耐外面ＳＣＣ特性を
向上させることである。従って、 必ずしも上記の元素を
含有する必要はなく、 また、その添加量は自ずから制限
されるべき性質のものである。なお、前記元素の添加量
の下限値は添加効果が顕著でなくなる量として規定した
ものである。

【００１５】ここでNb、 Tiは熱間加工時または熱処理時
にオーステナイト粒の粗大化を抑制し組織を微細化する
効果を有する。しかし、0.1%を越えてNb、 Tiを添加する
とHAZ 靭性、 現地溶接性に悪影響をおよぼすので上限を
0.1%とした。TiとNbの組織微細化に対する効果は大きい
ので、0.005% 以上添加することが望ましい。V, Mo, Cr,
Ni, Cu は鋼の焼き入れ性の向上や、 析出物の形成を通
じて高強度化を達成するために添加する。上限値V:01%,
Mo:0.5%, Cr: 0.6%, Ni:0.8%, Cu:0.8%は現地溶接性の
劣化を起こさないようにするため、 さらに経済性を損ね
ないことを考慮して決定した。一方、 B は0.0003% 以上
添加すると専ら焼き入れ性の向上を通じて高強度に寄与
するが、0.003% を越えると低温靭性の劣化が生じるので
上限は0.003%とした。

【００１６】Caは0.001%以上添加すると硫化物の形態を
制御して低温靭性を向上させる。しかし、0.001%以下で
は実際上効果が無く、0.01%を越えて添加すると大型介在
物となり低温靭性に悪影響をおよぼすので上限を0.01%
とした。次に、 組織の限定理由について述べる。先に述
べたように、 パイプラインの外面ＳＣＣはミクロ的な塑
性変形の不均一によるマグネタイトの割れから起こるの
で、 組織が均一であればミクロ的な変形の差が小さくな
り、 外面ＳＣＣは発生しにくくなる。組織中に高温で生
成した軟らかい大きなポリゴナルフェライトが存在する
と、 ミクロ的な変形がしやすくなる。従って、 このよう
なフェライトが生成しないアシキュラーフェライト、 ベ
イナイティックフェライトまたはベイナイトを主体とす
る組織に限定した。すなわち、同一化学成分の鋼であっ
ても冷却速度を高める等の方法で組織をフェライトパー
ライトからアシキュラーフェライトに変えることで、さ
らに耐外面ＳＣＣ特性を向上させることが可能となる。
なお、外面ＳＣＣは表面から発生するので、 最表層の組
織が重要であることは言うまでもない。表面の脱炭素層
が深いとその部分に粗大なポリゴナルフェライトが形成
しやすく、 表層がこのような組織になっていると内部の
組織が良好であっても耐外面ＳＣＣ特性は低下する。

【００１７】

【実施例】次に実施例について述べる。転炉- 連続鋳造
鋼塊または実験室溶解鋼塊から鋼板圧延、 継ぎ目無し鋼
管圧延で鋼材を製造した。この時、 鋼塊の表面状態、 圧
延中のデスケーリング、 圧延ロールの表面条件、 圧延条
件を変えて表面粗度を変化させた。この鋼を用いて、 耐
外面ＳＣＣ特性を評価した。一部は圧延後熱処理を施し
組織を変えた。また、一部はショットブラストを施し
た。鋼の化学成分は表１に、処理法と粗度の測定結果は
表２に示す。

【００１８】

【表１】

【００１９】

【表２】

【００２０】粗度はJIS B0601 に基づき測定し、 各試料
3 箇所測定しその平均を示した。耐外面ＳＣＣ特性は、
実際の埋設ラインパイプで評価することは不可能である
ので、 すでにこの再現試験として確立されている実験室
試験によりおこなった。基本的には環境中で引っ張り試
験片に繰り返し荷重を付与して外面ＳＣＣの発生を観察
する手法である。75℃の54g Na2CO3 + 84g NaHCO3 を１
ｌ中に含む溶液中に試験片を浸漬し、 試験片を-650mV v
s SCE の電位域に保持して表面に黒色のマグネタイトが
形成された後に上限が降伏強度、 下限が降伏強度の70%
の繰り返し応力を1000N/min の荷重速度で14日間付加し
た。この時試験片にテーパーを付けて1 本の試験片の中
で上限応力を100%降伏強度から50% 降伏強度まで変化さ
せ、 外面ＳＣＣが発生しない最大の応力であるしきい値
応力（σth）を決定した。

【００２１】パイプラインは通常、 規格最小降伏強度の
72% で設計されるため、 σthが実降伏強度の70% 以上あ
れば使用可能とみなせる。表２から明らかなようにどの
ような化学成分の鋼であっても本発明で示した表面の平
滑さに調整された鋼は70% 以上の値を示しており、 さら
にショットブラストを施したり、 化学成分を調整すると
一層高い値が得られていることが明らかである。

【００２２】

【発明の効果】本発明により、 低温靭性、 現地溶接性を
損なうこと無く、 また大幅なコスト上昇を伴わずに、 コ
ーティングの健全性に依存しないパイプラインの耐外面
ＳＣＣ特性に優れた鋼が提供できるようになった。その
結果、 パイプラインの安全性の著しい向上が可能となっ
た。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 000001258 川崎製鉄株式会社 兵庫県神戸市中央区北本町通１丁目１番28 号 (72)発明者 朝日 均 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 ▲櫛▼田 隆弘 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金属工業株式会社内 (72)発明者 岡野 重雄 兵庫県加古川市金沢町１番地 株式会社神 戸製鋼所加古川製鉄所内 (72)発明者 深井 英明 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 山根 康義 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社技術研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中心線平均粗さＲa ≦ 7μｍ、且つ最大
   高さＲmax ≦50μｍの表面の平滑さに調整したことを特
   徴とするパイプラインの耐外面ＳＣＣ特性に優れた鋼。
2. 【請求項２】 ショットブラストにより、 表面の平滑さ
   を中心線平均粗さ、Ｒa ≦ 7μｍ、且つ最大高さＲmax
   ≦50μｍに調整したことを特徴とするパイプラインの耐
   外面ＳＣＣ特性に優れた鋼。
3. 【請求項３】 質量% にて、 C : 0.03〜0.16% 、 Mn : 0.5〜2.0%、 Si :≦0.5%、 P : ≦0.02% 、 S : ≦0.01% 、 Al :≦0.10% 、 N : ≦0.1%を含有し、 さらに Nb : 0.005〜0.1%、 Ti : 0.005〜0.1%、 V : 0.001 〜0.1%、 Mo : 0.03 〜0.5%、 Cr : 0.1〜0.6%、 Ni : 0.1〜0.8%、 Cu : 0.1〜0.8%、 B : 0.0003〜0.003%、 Ca : 0.001〜0.01% 、 の１種または２種以上を含有して残部が実質的にFeおよ
   び不可避的不純物であることを特徴とする請求項１また
   は請求項２に記載のパイプラインの耐外面ＳＣＣ特性に
   優れた鋼。
4. 【請求項４】 質量% にて、 C : 0.03〜0.16% 、 Mn : 0.5〜2.0%、 Si :≦0.5%、 P : ≦0.02% 、 S : ≦0.01% 、 Al :≦0.10% 、 N : ≦0.1%を含有し、 さらに Nb : 0.005〜0.1%、 Ti : 0.005〜0.1%、 V : 0.001 〜0.1%、 Mo : 0.03 〜0.5%、 Cr : 0.1〜0.6%、 Ni : 0.1〜0.8%、 Cu : 0.1〜0.8%、 B : 0.0003〜0.003%、 Ca : 0.001〜0.01% 、 の１種または２種以上を含有して残部が実質的にFeおよ
   び不可避的不純物からなり、 その主たる組織がアシキュ
   ラーフェライト、 ベイナイティックフェライトまたはベ
   イナイトであることを特徴とする請求項１または請求項
   ２に記載のパイプラインの耐外面ＳＣＣ特性に優れた
   鋼。