JPWO2014054287A1 - 厚肉鋼管の製造方法 - Google Patents

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Abstract

従来技術では厚肉鋼管を１回のＱ−Ｔで目標強度９５〜１４０ｋｓｉ（＝ＴＳ：６５５〜９６５ＭＰａ）に安定して調整するのは困難である。具体的には、γ域に加熱した肉厚１/２インチ以上の鋼管を支持して管軸周りに回転させつつ水中に浸漬し、前記水中で回転中の鋼管に対し、管内面側へは管軸方向の水流である軸流、管外面側へは管外面に衝突する水流である衝突流を付与する冷却工程を有する厚肉鋼管の製造方法であって、前記回転は管周速を４ｍ/ｓ以上とし、前記軸流および、衝突流の付与は、前記鋼管全体の浸漬後１．１ｓ以内に開始して前記鋼管が１５０℃以下となるまで継続させ、前記軸流の管内流速を７ｍ/ｓ以上、前記衝流の吐出流速を９ｍ/ｓ以上とする。

Description

本発明は、厚肉鋼管(heavy wall steel pipe or steel tube)の製造方法に関し、詳しくは、肉厚(wall thickness)が１/２インチ(inch)（＝１２．７ｍｍ）以上の鋼管である厚肉鋼管を熱処理（heat treatment）、特に１回の焼入れ焼戻し(quenching and tempering)（Ｑ-Ｔ）により目標強度(target strength)９５〜１４０ｋｓｉ（＝ＴＳ：６５５〜９６５ＭＰａ）に調整しうる厚肉鋼管の製造方法に関する。なお、ここで言う目標強度とは、降伏点（yield point)を意味し、具体的には、 ０．２％耐力、０．７％耐力あるいは、降伏強度（yield strength)である。
鋼管の焼入れ技術として次の事項が知られている。
１） 管端(pipe end)を含む多点拘束(multiple constraint)に鋼管の回転を付加した浸漬式内外面焼入法(both side dip quenching of steel pipes)は、焼入歪(quench distortion)の防止に著効があり、しかも、冷却能力(cooling capacity)も向上するので、継目無鋼管(seamless steel pipe)や電縫鋼管(electric resistance welded steel pipe)、特に、厚肉鋼管の熱処理（Ｑ-Ｔ）に適している（非特許文献１参照）。
２） 加熱された鋼管を水槽に投入して浸漬し、鋼管の内外両面にその軸線方向(direction of axis)に沿う冷却水流(cooling water flow)（軸流(axial stream)）を与えて焼入れを行う方式である内外面浸漬軸流焼入方式は、冷却能力が大きく、装置(equipment)の構造が単純であると云う点で有利である（特許文献１[0002]参照）。
３） 管周方向(circumferential direction of pipe)の冷却履歴(cooling history)の差を最小にする為に鋼管を回転させながら水槽の水に浸漬し、水中のノズル(nozzle)から噴射させた水を鋼管の内外面に吹き付け、急冷する鋼管の回転焼入れ装置(rotary quenching equipment)が、炭素鋼管の最終熱処理ライン(final heat treatment line)内に設置されている（特許文献２[0002]〜[0003]参照）。
一方、薄肉(thin-walled)（肉厚１インチ未満）の鋼管では、Ｑ−Ｔにより安定して前記目標強度に調整できるものとして、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．５０％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．３〜１．０％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ａｌ：０．０１〜０．１％、Ｎ：０．０１％以下、Ｃｒ：０．１〜１．７％、Ｍｏ：０．４０〜１．１％、Ｖ：０．０１〜０．１２％、Ｎｂ：０．０１〜０．０８％、Ｂ：０．０００５〜０．００３％を含有し、あるいはさらに、Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：１．０％以下、Ｔｉ：０．０３％以下、Ｗ：２．０％以下、Ｃａ：０．００１〜０．００５％のうちの１種又は２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である組成（組成Ａと称する）とされた鋼管が知られている（特許文献３参照）。
特開平７-９０３７８号公報 特開２００８−２３１４８７号公報 特開２０１１−２４６７９８号公報
村田ら：「鋼管の浸漬式内外面焼入法」鐵と鋼、’８２-Ｓ１２２６（５６２）
しかし、前記背景技術では、前記特許文献３に開示された組成Ａの鋼管は前記厚肉鋼管とされた場合、１回のＱ−Ｔでは前記目標強度に安定して調整（表面硬さ/中心硬さの比：１．００〜１．０５に調整）することが困難である。そこで、かかる場合、従来では、Ｑ(quenching)を複数回繰り返すか、前記組成Ａにおいて焼入れ性（quench hardenability）の向上に寄与する合金(alloy)の添加量を増やすかの何れか一方又は両方の対策が採用されていた。しかし、前者の対策では熱処理コストが嵩む不利を伴い、後者の対策では溶接性（weldability）や耐食性（corrosion resistance）（特に硫化水素環境中での耐食性（hydrogen sulfide corrosion resistance））が損なわれるため限界があり又合金コストも嵩む不利を伴う。したがって、前記背景技術では前記厚肉鋼管を１回のＱ−Ｔで前記目標強度に安定して調整（表面硬さ/中心硬さの比：１．００〜１．０５に調整）するのは困難であると云う課題があった。
本発明者らは前記課題を解決する為に鋭意検討し、その結果、高温の鋼管を支持して管軸周りに回転させつつ水中に浸漬し、前記回転の続行下で鋼管の内外面に水流を付与する冷却工程において、特定の冷却条件（cooling condition）を採用することにより、冷却能力が向上して、前記組成Ａの厚肉鋼管であっても肉厚中心部まで十分に焼きが入るようになり、１回のＱ−Ｔで前記目標強度に安定して調整（表面硬さ/中心硬さの比：１．００〜１．０５に調整）できることを見出し、本発明を成した。
即ち本発明は、γ域(gamma range：オーステナイト域：austenite region)に加熱した肉厚１/２インチ以上の鋼管を支持して管軸周りに回転させつつ水中に浸漬し、前記水中で回転中の鋼管に対し、管内面側(inside surface of a pipe)へは管軸方向の水流である軸流、管外面側(outer surface of a pipe)へは管外面に衝突する水流である衝突流(impinging stream)を付与する冷却工程を有する厚肉鋼管の製造方法であって、前記回転は管周速(circumferential velocity of pipe)を４ｍ/ｓ以上とし、前記軸流および、衝突流の付与は、前記鋼管全体の浸漬後１．１ｓ以内に開始して前記鋼管が１５０℃以下となるまで継続させ、前記軸流の管内流速(pipe flow velocity)を７ｍ/ｓ以上、前記衝突流の吐出流速(discharge flow velocity)を９ｍ/ｓ以上とすることを特徴とする厚肉鋼管の製造方法である。
本発明によれば、焼入れ時の冷却能力（cooling capacity）が、鋼管内外面における熱伝達率(heat-transfer coefficient)でみて７５００〜８０００ｋｃａｌ/ｍ２・ｈ・℃の範囲まで向上し、前記組成Ａの厚肉鋼管であっても肉厚中心部まで十分に焼きが入るようになり、１回のＱ−Ｔで前記目標強度に安定して調整できる。
本発明に係る冷却工程の１例を示す模式図である。
図１は、本発明に係る冷却工程の１例を示す模式図である。図示の如く、本発明に係る冷却工程では、焼入れするためにγ域に加熱した肉厚１/２インチ以上（好ましくは、２インチ以下）の鋼管１を支持して管軸周りに回転２させつつ水（冷媒（cooling medium））３中に浸漬４し、前記水３中で回転２中の鋼管１に対し、管内面側へは管軸方向の水流である軸流５、管外面側へは管外面に衝突する水流である衝突流６を付与する。本例では、鋼管１の支持および回転手段（support and rotary means）は、鋼管１の管軸方向の複数箇所（少なくとも２箇所）で管外周部に、管軸と平行な回転軸を有した複数（少なくとも２箇所）のローラ１０を当接させて鋼管１を支持し、前記複数のローラ１０のうちの何れか（少なくとも１箇所）を駆動回転させて鋼管１を回転２させる構成とした。尚、前記複数のローラ１０は図示しない支持昇降手段（support and elevating means）で支持および昇降されて水３中に出入りできる。尚、此処で、水３の水温は５０℃以下が好ましい。
又、本例においては、軸流５は鋼管１の管軸方向の一端面側に配置したノズル１１からの水噴射（water injection）で付与される。一方、衝突流６は鋼管１の管径方向の両側で管軸方向に複数配列されたノズル１２からの水噴射で付与される。前記ノズル１１，１２は前記複数のローラ１０と同様、前記図示しない支持昇降手段で支持および昇降されて水３中に出入りできる。
前記冷却工程において、前記回転２は管周速ＶＲを該ＶＲの臨界値（critical value）ＶＣＲ＝４ｍ/ｓ以上とし、前記軸流５および、衝突流６の付与は、前記鋼管１全体の浸漬４後の時間の臨界値ｔ１Ｃ＝１．１ｓ以内に開始して前記鋼管１が温度の臨界値Ｔ１Ｃ＝１５０℃以下となるまで継続させ、前記軸流５の管内流速ＶＬを該ＶＬの臨界値ＶＬＣ＝７ｍ/ｓ以上、前記衝突流６の吐出流速ＶＴを該ＶＴの臨界値ＶＴＣ＝９ｍ/ｓ以上とする。
前記回転２の管周速ＶＲが前記ＶＣＲ(４ｍ/ｓ)未満であると、管周方向の位置での冷却履歴の差とこれに伴う変態挙動（transformation behavior）の差とによる塑性ひずみ(plastic strain)が大きくなって鋼管が変形するため、ＶＲ≧ＶＲＣ(４ｍ/ｓ)とする。又、このようにすることで、焼入れ時の管内外面両側からの気泡(gas bubble)の離脱を促進し、熱伝達率を高める効果もある。
好ましくは、管周速ＶＲは５ｍ/ｓ以上である。なお、ＶＲの上限値は、偏心による鋼管の飛び出しの理由から、８ｍ/ｓ以下である。
前記鋼管１全体の浸漬４から前記軸流５および、衝突流６の付与開始までの時間ｔ１が前記ｔ１Ｃ(１．１ｓ)超であると、特に管内面側に生じた気泡がより安定な水蒸気膜(water vapor film)へと進化して管内面に付着し、該付着した水蒸気膜は前記軸流７の付与によっても管内面から離脱させ難く、冷却能力が向上しないため、ｔ１≦ｔ１Ｃ(１．１ｓ)とする。好ましくは、ｔ１は０．９ｓ以下である。
前記軸流５及び前記衝突流６の付与停止時の鋼管温度Ｔ１が前記Ｔ１Ｃ(１５０℃)超であると、肉厚方向の深部まで十分に焼入れ硬化(quenching and hardening)し難いため、Ｔ１≦Ｔ１Ｃ(１５０℃)とする。尚、ここでＴ１は軸流５及び衝突流６を停止して１０秒程度水中に保持した後、大気中に抽出してさらに１０秒程度保持した時点で測温した値を用いるものとする。好ましくは、Ｔ１は１００℃以下である。なお、Ｔ１の下限値は、低温にするほど冷却時間が必要となり生産性が低下する理由から、５０℃である。
前記軸流５の管内流速ＶＬが前記ＶＬＣ(７ｍ/ｓ)未満であると、管内面側に生じた気泡を除去し難く、管内面の冷却能が向上しないため、ＶＬ≧ＶＬＣ(７ｍ/ｓ)とする。
好ましくは、管内流速ＶＬは１０ｍ/ｓ以上である。なお、ＶＬの上限値は、設備コストの理由から、２０ｍ/ｓである。
前記衝突流６の吐出流速ＶＴが前記ＶＴＣ(９ｍ/ｓ)未満であると、管外面側に生じた気泡を除去し難く、管外面の冷却能が向上しないため、ＶＴ≧ＶＴＣ(９ｍ/ｓ)とする。
好ましくは、衝突流６の吐出流速ＶＴは１２ｍ/ｓ以上である。なお、ＶＴの上限値は、設備コストの理由から、３０ｍ/ｓである。
本発明を適用する鋼管の鋼組成は、薄肉（肉厚１/２インチ未満）では本発明に規定された冷却条件を外れても所定の目標強度が安定して得られるが、厚肉（肉厚１/２インチ以上、好ましくは２インチ以下）では、従来の冷却方法では、所定の目標強度が安定して得られない鋼組成であっても、本発明方法により、所定の目標強度が安定して得られるれる。このような鋼組成としては、例えば前記組成Ａが挙げられる。
表１に示す化学組成（単位：質量％、残部はＦｅ及び不可避的不純物）及びサイズ（肉厚ｔ×外径Ｄ×長さＬ）の継目無鋼管を１回のみ焼入れ焼戻し（Ｑ−Ｔ）処理した。前記Ｑ処理の冷却工程は図１に例示した形態の冷却工程とした。前記Ｔ処理(tempering treatment)は通常の焼戻し条件（炉内(inside of furnace)で通常の焼戻し温度(tempering temperature)に加熱後、炉外で放冷する条件）で行った。前記Ｑ−Ｔ処理の処理条件を表２に示す。
前記Ｔ処理後の鋼管について、降伏点（目標強度：略号ＴS）、及び、肉厚方向の表層部(surface part)と中心部(central portion)の硬さを調査した。
前記調査の結果を表２に示す。表２より、本発明例では比較例に比べて、肉厚中心でのＴＳが前記目標強度９５〜１４０ｋｓｉ（＝６５５〜９６５ＭＰａ）に達したことが分る。加えて表層部と中心部の硬さの差が小さくなり（表面/中心硬さ比：１．００〜１．０５に収まり）均質な材質が得られることが認められる。
Figure 2014054287
Figure 2014054287
１ 鋼管
２ 回転
３ 水（冷媒）
４ 浸漬
５ 軸流
６ 衝突流
１０ ローラ
１１，１２ ノズル

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  1. γ域に加熱した肉厚１/２インチ以上の鋼管を支持して管軸周りに回転させつつ水中に浸漬し、前記水中で回転中の鋼管に対し、管内面側へは管軸方向の水流である軸流、管外面側へは管外面に衝突する水流である衝突流を付与する冷却工程を有する厚肉鋼管の製造方法であって、前記回転は管周速を４ｍ/ｓ以上とし、前記軸流および、衝突流の付与は、前記鋼管全体の浸漬後１．１ｓ以内に開始して前記鋼管が１５０℃以下となるまで継続させ、前記軸流の管内流速を７ｍ/ｓ以上、前記衝流の吐出流速を９ｍ/ｓ以上とすることを特徴とする厚肉鋼管の製造方法。
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