JPWO2008146791A1 - Ｕｏｅ鋼管とその製造方法 - Google Patents

Abstract

溶接部の遅れ水素割れおよび拡管工程での破断を生じることなく、かつ優れた溶接部および熱影響部の靭性を有する、引張強度９００ＭＰａ以上のＵＯＥ鋼管を提供する。引張強度９００ＭＰａ以上の母材に施工された溶接部の引張強度が母材の引張強度の９５〜１１０％の範囲に調整し、溶接部の溶接金属中酸素量を０．０３５質量％以下とし、外面側溶接を行う前に溶接部を７５〜２５０℃の範囲に予熱する。

Description

本発明は、引張強度９００ＭＰａ以上の高強度ＵＯＥ鋼管とその製造方法に関する。

ＵＯＥ鋼管は、厚さが６〜４０ｍｍ程度の厚鋼板をＵＯプレスによりオープンパイプに加工した後、オープンパイプの両端の突合せ部をサブマージアーク溶接により接合して長手溶接部（以下、本明細書では単に「溶接部」という）を形成し、溶接後に寸法矯正および残留応力除去を目的とした拡管工程を経て製造される。

ＵＯＥ鋼管の溶接部は、通常、内面側一層および外面側一層の合計二層の溶接により形成される。
このＵＯＥ鋼管は、主に、石油やガス等の流体の長距離輸送用配管として使用される。

ＵＯＥ鋼管の現在の主流グレードは、ＡＰＩ（アメリカ石油学会）のＸ６５グレードである。ＵＯＥ鋼管には、輸送圧力の上昇による輸送コストの低減および敷設時の建設コストの削減を図るため、いっそうの高強度化および薄肉化が求められている。

近年Ｘ１２０グレード（引張強度９００ＭＰａ級）のＵＯＥ鋼管(以下、高強度ＵＯＥ鋼管という)が検討されている。
このような高強度ＵＯＥ鋼管は、従来のほぼ２倍にも達する高強度を有することから、母材および溶接部の強度や靭性の確保といった性能面のみならず、その製造面に関しても、さまざまな問題がある。

すなわち、高強度ＵＯＥ鋼管の製造時における問題として、溶接部に発生する遅れ水素割れがある。鋼管の高強度化に伴って、溶接部にも母材の高強度化に応じた高強度化が求められるが、溶接部の強度を高め過ぎることにより、溶接部の割れ感受性が増大して遅れ水素割れが発生する。一方、溶接部の強度が低下すると、遅れ水素割れの発生は抑制されるが、強度が低下し過ぎると溶接後の拡管時に溶接部が破断する。このように、高強度ＵＯＥ鋼管の製造では、拡管工程での破断の防止と遅れ水素割れの防止とは、相反する事項であって、それを解消することが製造上の課題である。

従来にあっても例えば特許文献１には、溶接部の酸素量を０．０３５％以上０．０５０％以下（本明細書では特にことわりがない限り組成に関する「％」は「質量％」を意味するものとする）に制限して溶接部の水素による割れ感受性を低下することにより、遅れ水素割れの発生を防止する発明が開示される。
特開平１０−３０６３４８号公報

しかし、特許文献１により開示される発明では、溶接部の酸素量の上昇により溶接部の靭性が低下するのみならず、ブローホールやスラグの巻込みの増加等といった溶接部の欠陥が増加するおそれがある。

本発明の目的は、９００ＭＰａ以上の高強度を有するとともに、溶接部および熱影響部が優れた靭性を有するＵＯＥ鋼管を、溶接部の遅れ水素割れおよび拡管工程での破断を生じることなく製造する方法と、それにより製造されるＵＯＥ鋼管とを提供することである。

本発明者は、特許文献１の認識とは異なり、溶接部の低温靭性改善のために溶接金属の酸素含有量を低減することに着目した。ここで、水素割れの発生も同時に阻止する必要があるので、その原因を究明したところ、溶接部の予熱処理によって水素の放散が促進され、溶接金属中の酸素含有量を低減したことに起因する遅れ水素割れがより効果的に防止できることが判明した。

かかる知見に基づき、拡管工程での破断の防止と遅れ水素割れの防止を同時に解決できる、高強度ＵＯＥ鋼管の製造方法が完成された。
すなわち、本発明は、母材鋼板をプレス成形してオープンパイプとすること、得られたオープンパイプの両端の突合せ部を内面側から、次いで外面側から溶接すること、そして、得られた溶接管に拡管加工を行うことからなるＵＯＥ鋼管の製造方法において、前記母材鋼板として引張強度９００ＭＰａ以上の鋼板を使用すること、内面側溶接により得られた溶接部を７５−２５０℃の温度に予熱して外面側溶接を行うこと、そして、このように内外面側溶接により得られた溶接部の引張強度を母材引張強度の９５−１１０%の範囲とするとともに、当該溶接部の酸素含有量を０．０３５質量%以下とすることを特徴とするＵＯＥ鋼管の製造方法である。

別の面からは、本発明は、上記方法で製造された、母材の引張強度９００ＭＰａ以上、溶接部の引張強度が母材引張強度の９５−１１０%の範囲であること、そして、当該溶接部の酸素含有量が０．０３５質量%以下であることを特徴とするＵＯＥ鋼管である。

本発明により、溶接部の遅れ水素割れおよび拡管工程での破断を生じることなく、溶接部および熱影響部の靭性が優れた、９００ＭＰａ以上の引張強度を有する高強度ＵＯＥ鋼管およびその製造方法が提供される。

本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明における、引張強度９００ＭＰａ以上の高強度ＵＯＥ鋼管の母材鋼板の組成は、特定の組成に限定する必要があるものではない。高強度ＵＯＥ鋼管の組成として公知の組成であれば適用することができる。

本発明の好適態様では、Ｃ：０．０２％以上０．１２％以下、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：０．５％以上２．０％以下、Ｎｉ：０．０２％以上４％以下、ＣｒおよびＭｏのいずれか一種または二種：合計で０．１％以上４％以下、さらに必要に応じて、Ｃｕ：１．５０％以下、および/または、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、ＶおよびＢのうちいずれか一種又は二種以上：合計１％以下、残部Ｆｅおよび不純物（Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０３％以下を含む）からなる鋼組成を挙げることができる。例示した各成分の限定理由を説明する。
Ｃ：
Ｃは、０．０２％以上含有することにより低コストで強度の上昇を図ることができる。Ｃ含有量が０．１２％を超えると溶接部の溶接の際に溶接熱影響部に島状マルテンサイトが生成し、溶接部の靭性が低下する。そこで、本発明例では、Ｃ含有量は０．０２％以上０．１２％以下とする。好ましくは、０．０３％以上、０．０６％以下である。
Ｓｉ：
Ｓｉは、０．３５％を超えて含有すると溶接部の溶接の際に溶接熱影響部に島状マルテンサイトを形成し易いので、その含有量は０．３５％以下とする。好ましくは、０．１５％以下である。
Ｍｎ：
Ｍｎは、０．５％以上含有することにより焼き入れ性を高めて強度および靭性を高めるが、Ｍｎ含有量が２．２％を超えると造塊割れ等の製造上の不具合を生じる。そこで、Ｍｎ含有量は０．５％以上２．２％以下とする。好ましくは、０．６％以上、２．０％以下である。
Ｎｉ：
Ｎｉも、Ｍｎ同様に、０．０２％以上含有することにより強度および靭性を確保するが、高価な元素であるためＮｉ含有量が４％を超えると製造コストが上昇する。そこで、Ｎｉ含有量は０．０２％以上４％以下とする。好ましくは、０．３％以上、１．０％以下である。
Ｃｒおよび/またはＭｏ：
ＣｒおよびＭｏも、強度および靭性の確保に有用であるが、過剰に含有すると溶接熱影響部の靭性が低下する。そこで、ＣｒおよびＭｏのいずれか一種又は二種を合計で０．１％以上４％以下含有する。
Ｃｕ：
Ｃｕも強度および靭性の改善に有効な元素であり、必要により含有させればよい。しかし、１．５％を超えて添加すると、スラブ製造時、表面割れなどの問題が発生するため、上限を１．５％とする。好ましくは，１．０％以下である。

本発明では、さらに、強度および靭性を確保するための任意添加元素として、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、ＶおよびＢのうちいずれか一種または二種以上を合計１％以下含有するようにしてもよい。

上述した元素以外の残部は、Ｆｅと不純物である。特にＰ、Ｓは、いずれも溶製工程で不可避的に混入する不純物であるが、極端に低減するには相応の製造コストの上昇を伴うとともに靭性を確保するため、Ｐ含有量は０．０４％以下、Ｓ含有量は０．０３％以下とする。

次に、本発明にかかる高強度ＵＯＥ鋼管の製造方法を説明する。
通常は厚さ６−４０mm程度の厚鋼板を素材として用い、この厚鋼板の幅方向の板両端部に開先加工を行った後、この厚鋼板にＣプレス、ＵプレスおよびＯプレスによるプレス成形を行ってオープンパイプとする。

次いで、鋼板巾方向の両端部の突合せ部をガスシールドアーク溶接による仮付け溶接を行ってから、内面側から１層のサブマージアーク溶接を施工する。引き続いて、少なくとも、両端部を含む範囲、つまり内面側溶接による溶接部を所定の温度に予熱してから、外面側から１層のサブマージアーク溶接を行う。

得られた溶接鋼管はさらに寸法矯正および残留応力除去のために、通常、周長伸びで１％程度の塑性変形を全長に渡り加える拡管加工を行ってＵＯＥ鋼管を製造する。拡管加工には、メカニカル拡管方式と水圧拡管方式とがあるが、本発明にあっては、いずれであっても特に制限はない。

ＵＯＥ鋼管の製造方法自体はすでによく知られており、本発明においてもそのような慣用方法にしたがって、実施すればよく、次に述べる点を除いて特に制限はない。
ここに本発明によれば、拡管加工に先立って、溶接部は、その引張強度が母材の引張強度の９５％以上１１０％以下の範囲にあるとともに、溶接部の溶接金属中酸素量が０．０３５％以下である。

溶接部の引張強度は、母材の引張強度の９５％未満であると拡管工程での破断を招き、一方母材の引張強度の１１０％超であると割れ感受性が増大し、遅れ水素割れを発生するおそれがある。

また、溶接部の溶接金属中酸素量は、溶接金属の靭性へ大きく影響し、溶接金属中酸素量が０．０３５％を超えると溶接部の靭性低下が著しい。そこで、本発明では溶接金属の靭性を確保するために溶接金属中酸素量を０．０３５％以下とする。

溶接部の引張強度および酸素含有量は、例えば、母材の成分と溶接棒の種類およびフラックスの種類を調整することで任意に変えることができる。
ここで、上述したように、溶接部の溶接金属の靭性を確保するために溶接金属中酸素量を０．０３５％以下とするので、割れ感受性が上昇し、遅れ水素割れが発生するおそれがある。そこで、本発明では、外面側の溶接を行う前に、少なくとも内面側溶接により形成された溶接部を予熱する。

この予熱を行うタイミングを、外面側の溶接を行う前と限定するのは、次の理由による。
高強度ＵＯＥ鋼管における遅れ水素割れの発生原因は、外面側の溶接の際に、溶接金属に取り込まれた拡散性水素が外面側の溶接の入熱により再熱を受けた内面側の溶接金属内の微小割れ部にトラップされるためと考えられる。したがって、外面側の溶接に先立って予熱を行うことで、冷却時間が延び、拡散性水素の放散を促進することができる。そのような拡散性水素は、予熱を行わないと、外面側溶接時に内面側溶接金属内にトラップされて遅れ水素割れの原因となる可能性がある。

この予熱の温度は、拡散性水素を充分放散して遅れ水素割れの発生を確実に防止するために、７５℃以上とする。一方、予熱により溶接部ばかりでなく母材および溶接熱影響部も加熱されるため、予熱を２５０℃超の温度で行うと、それらの部位の靭性が劣化するおそれがある。したがって、−３０℃のシャルピー衝撃試験において８４Ｊ以上の衝撃エネルギーを確保することができる温度として、予熱温度は２５０℃以下とする。好ましくは、８０−２４０℃である。

予熱の手段は、例えば、ガスバーナーによる加熱やインダクションヒーターによる加熱といったように、この所定温度に溶接部を加熱することができる加熱手段であればよく、特定の加熱手段には限定されない。また、加熱する範囲は少なくとも溶接部をその全長にわたって順次加熱すればよい。周方向への加熱範囲は、鋼管の全周を加熱してもよいが、例えば溶接部の開先近傍１０ｍｍの範囲といった、溶接部を含む局部的な範囲に限定したものであってもよい。

このようにして、本発明によれば、９００ＭＰａ以上、好ましくは超の高い引張強度を有するとともに溶接部および熱影響部の靭性がいずれも優れた（−３０℃でのシャルピー吸収エネルギー：８４Ｊ以上）、高強度ＵＯＥ鋼管を、溶接部の遅れ水素割れおよび拡管工程での破断を生じることなく、安定して製造することが可能になる。

さらに、本発明を、実施例を参照しながらより具体的に説明する。

本実施例では、表１に示す成分の異なる３種類の厚鋼板（鋼A、B、C）を製造し、試験に供した。
これらの鋼板を素材として用い、この厚鋼板の幅方向の板両端部に開先加工を行った後、この厚鋼板にＣプレス、ＵプレスおよびＯプレスを行ってオープンパイプに成形した。オープンパイプの両端部の突合せ部に、ガスシールドアーク溶接による仮付け溶接を行ってから、内面側から１層のサブマージアーク溶接を施工し、引き続いて、または両端部を含む範囲の溶接部を所定の温度に予熱してから、外面側から１層のサブマージアーク溶接を行った。

このようにして得られた溶接鋼管から、周長伸びで１％の塑性変形を全長に渡り加える拡管工程を経て、外径３０インチ（７６２ｍｍ）、肉厚１６ｍｍ、長さ１２ｍのＵＯＥ鋼管を製造した。

拡管の際に溶接部が破断したもの（表１における比較例Ａ−１〜３、Ｂ−１〜３、Ｃ−１〜３）は製品とはならないので、その時点で試験を中止した。
拡管工程で溶接部が破断しなかったもの（比較例Ａ−４〜１０、Ｂ−４〜１０、Ｃ−４〜１０、実施例Ａ−１〜３、Ｂ−１〜３、Ｃ−１〜３）について、外面側からのサブマージアーク溶接を行ってから４８時間経過後に、溶接部の全長について超音波探傷試験を行い、遅れ水素割れの発生有無を確認した。そして、溶接部の溶接金属および熱影響部の靭性を評価するため、拡管後のＵＯＥ鋼管から試験片を切り出し、−３０℃でのシャルピー衝撃試験を行った。

試験結果を表２−４にまとめて示す。
表２，３，４において、比較例Ａ−１〜３、Ｂ−１〜３、Ｃ−１〜３は、いずれも、母材に対する溶接部の引張強度の比率が本発明で規定する範囲を下回っているため、拡管工程で破断が発生した。このため、これ以降の試験を中止した。

比較例Ａ−４、Ｂ−４、Ｃ−４は本発明で規定する外面側の溶接前の予熱を行わなかったため、比較例Ａ−５、Ｂ−５、Ｃ−５は予熱の温度が本発明で規定する範囲を下回っていたため、外面側からの溶接から４８時間経過後の溶接部に遅れ水素割れが発生した。

比較例Ａ−６、Ｂ−６、Ｃ−６は、外面側からの溶接前の予熱を行ったので、溶接部の遅れ水素割れは防止できたものの、予熱温度が本発明で規定する範囲を上回ったので、溶接熱影響部の靭性が劣化した。

比較例Ａ−７、８、Ｂ−７、８、Ｃ−７、８は、母材に対する溶接部の引張強度の比率が本発明で規定する範囲を上回っていたために割れ感受性が増大し、外面側からの溶接を行った後、４８時間経過後の溶接部に遅れ水素割れが発生した。特に比較例Ａ−８、Ｂ−８、Ｃ−８では、外面側からの溶接を行う前に２５０℃で予熱したにも関わらず、遅れ水素割れが発生した。

比較例Ａ−９、１０、Ｂ−９、１０、Ｃ−９、１０は、いずれも、溶接部の溶接金属中酸素量が本発明で規定する範囲を上回っていたため、溶接金属の靭性が劣化した。
これに対し、実施例Ａ−１〜３、Ｂ−１〜３、Ｃ−１〜３は、溶接部の引張強度を母材の引張強度の９５％以上１１０％以下とするので１％の拡管が可能であり、外面側からの溶接を行う前に７５〜２５０℃の予熱を行うので溶接熱影響部の靭性を劣化させることなく、遅れ水素割れの発生を防止でき、さらに、溶接金属中酸素量を０．０３５％以下に抑制するので溶接金属の靭性も目標値を満足することができた。

Claims (2)

1. 母材鋼板をプレス成形してオープンパイプとすること、得られたオープンパイプの両端の突合せ部を内面側から、次いで外面側から溶接すること、そして、得られた溶接管に拡管加工を行うことからなるＵＯＥ鋼管の製造方法において、前記母材鋼板として引張強度９００ＭＰａ以上の鋼板を使用すること、内面側溶接により得られた溶接部を７５−２５０℃の温度に予熱して外面側溶接を行うこと、そして、このように内外面側溶接により得られた溶接部の引張強度を母材引張強度の９５−１１０%の範囲とするとともに、当該溶接部の酸素含有量を０．０３５質量%以下とすることを特徴とするＵＯＥ鋼管の製造方法。
2. 母材の引張強度９００ＭＰａ以上、溶接部の引張強度が母材引張強度の９５−１１０%の範囲であること、そして、当該溶接部の酸素含有量が０．０３５質量%以下であることを特徴とする、請求項１記載の方法で製造されたＵＯＥ鋼管。