KR100435445B1 - 극저온충격인성및내수소유기균열특성이우수한라인파이프용고장력후판의제조방법 - Google Patents

극저온충격인성및내수소유기균열특성이우수한라인파이프용고장력후판의제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유전 및 천연가스 수송수단으로 사용되는 대구경 라인 파이프용 고장력강판의 제조방법에 관한 것이며; 그 목적은 극저온환경에서 충격인성 및 내수소유기균열특성이 우수한 라인파이프용 고장력 후판의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적달성을 위한 본 발명은 중량%로, C:0.07-0.11%, Si:0.20-0.30%, Mn:1.00-1.30%, P:0.020%이하, S:0.003%이하, Cu:0.10-0.30%, Ni:0.10-0.25%, Nb:0.040-0.060%, V:0.060-0.080%, Ti:0.005-0.020%, Sol.-Al:0.020-0.040%, 나머지 Fe및 기타불가피한 불순물로 이루어지고, 탄소당량(Ceq)이 0.262-0.379%인 용강을 적절히 제어압연하여 구성되는 극저온 충격인성 및 내수소유기균열특성이 우수한 라인 파이프용 고장력 후판의 제조방법에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

극저온 충격인성 및 내수소유기균열특성이 우수한 라인 파이프용 고장력 후판의 제조방법
본 발명은 유전 및 천연가스 수송수단으로 사용되는 대구경 라인 파이프용 고장력강판의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 극저온환경에서 충격인성 및 내수소유기균열특성이 우수한 라인파이프용 고장력 후판의 제조방법에 관한 것이다.
현재까지는 유전 자원개발추세가 개발환경이 좋은 온.열대지역을 중심으로 활발히 추진되어 왔으나, 최근 석유산업발달과 함께 이 지역에서의 자원이 고갈되고 있기때문에 점차 시베리아, 북극해, 알래스카등 극한지및 심해저에 대한 유전개발이 진행되고 있다.
이와관련하여 대형 프로젝트로서 개발된 석유 및 천연가스를 유전지로부터 실사용지까지 장거리 운반하기 위한 원유수송관용 강재 역시 이들 극한지의 가혹한 사용 환경하에서 적용될수 있는 강재개발이 필요하게되었다.
극한지 환경하에서 사용되는 파이프 강재의 품질특성은 강도는 물론 저온에서 쉽게 발생될수 있는 취성에 대한 내력 및 황화수소 등에 대한 내수소유기균열(HIC)특성을 갖추는 것이 필수요건이다.
그러나, 현재 사용되는 파이프강재의 경우 충격인성에 대한 특별한 기준이 없이 단지 강재의 사용환경에 따라 수요가 요구수준을 만족시키고 있는 실정이다. 이에 발명자들은 극저온 환경하에서 유전 및 천연가스 수송관의 소재로 사용될 수 있는 라인 파이프용 고장력강재의 제조방법에 관해 대한민국 특허출원 제95-49561호로 출원한 바 있다. 그러나, 상기 방법에 의해 제조된 파이프 강재의 경우는 저온인성 측면과 강도확보에 중점을 두고 있기때문에 강도 및 극저온 충격인성의 확보는 가능하지만 내부식환경에서 부식균열을 발생시킬 수 있는 단점이 있다.
이에 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 대한민국 특허출원 제95-49561호를 개량한 것으로 그 목적은 상기 강재의 성분계중 Mn의 함량을 줄이고 Cu 및 Ni을 적절히 첨가하는 한편 제조조건을 적절히 제어하므로서, 고강도뿐만아니라 극저온 환경하에서도 우수한 충격인성을 갖는 것은 물론 내부식성이 매우 우수한 라인 파이프용 고장력 후판의 제조방법을 제공하고자 하는데 있다.
도1은 본 발명에 의한 제어압연방식을 설명하는 이력곡선도
도2는 라인 파이프용 고장력강재의 조직사진
(가)는 발명재
(나)는 비교재
도3은 발명재와 비교재에 대한 수소균열여부를 비교한 조직사진
본 발명은 라인 파이프용 고장력 후판의 제조방법에 있어서,
중량%로, C:0.07-0.11%, Si:0.20-0.30%, Mn:1.00-1.30%, P:0.020%이하, S:0.003%이하, Cu:0.10-0.30%, Ni:0.10-0.25%, Nb:0.040-0.060%, V:0.060-0.080%, Ti:0.005-0.020%, Sol.-Al:0.020-0.040%, 나머지 Fe및 기타불가피한 불순물로 이루어지고, 탄소당량(Ceq)이 0.262-0.379%인 용강을 노외정련시 Ca-Si로 개재물을 구상화처리한 다음, 구상화 처리된 슬라브를 재가열하고, 980±20℃의 범위에서 잔압하율 80±5%로 조압연한 후, 조압연된 강재를 잔압하율 75±5% 상태에서 미재결정온도역인 900±20℃의 온도로부터 사상압연을 개시하여 760±20℃의 온도범위에서 마무리 압연을 종료하고 이어서 8-12℃/초의 범위로 480±20℃의 온도범위까지 가속냉각함을 포함하여 구성되는 극저온 충격인성 및 내수소유기균열특성이 우수한 라인 파이프용 고장력 후판의 제조방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 라인 파이프용 고장력강 중에 함유되는 탄소는 강도를 향상시키는데 가장 크게 기여하는 원소로서, 첨가량의 증가와함께 강도는 비례적으로 증가하지만 반면에 충격인성 및 내 sour특성을 저해시키는 원소이다. 따라서, 탄소함량이 0.07%이하이면 인장강도 57.7kg/mm2이상의 고강도 확보와 저온인성의 균형을 유지할수 없고, 연주조업시 탄소함량이 0.11%초과시 연주표면크랙발생에 민감하므로 탄소함량은 0.07-0.11%로 제어함이 바람직하다.
규소(Si)는 강도향상에 부분적인 기여를 하지만 주된 첨가목적은 강종의 탈산에 있다. 그러나, 규소함량이 0.2%미만이면 강의 탈산효과가 미흡하며, 0.30% 이상 첨가시 규소계 개재물이 증가하여 저온인성을 열화시킬수 있다.
망간(Mn)은 강도와 인성을 동시에 향상시킬수 있는 원소로서 첨가량의 증가와 함께 페라이트 결정립은 미세해지나 망간함량이 1.30%를 초과하면 베이나이트 및 마르텐사이트 등 경한 조직이 생성되어 오히려 충격인성을 해칠 우려가 있고 1.00% 미만이면 고강도 확보가 곤란하다.
인(P)은 강재의 충격인성을 크게 저해시키는 불순물로서 연주시 중심편석부에 집적하여 내부품질을 열화시키기 때문에 조업기술이 수반되는 인 함량은 0.020%이하로 제한하는것이 바람직하다.
황(S)은 상기 인 성분과 동일하게 유해한 원소로서 연주시 표면크랙, 내부크랙 및 중심편석의 유발로 인하여 충격인성을 대폭감소시킬수 있기때문에 S함량은 0.003%이하로 제한하는것이 바람직하다.
구리(Cu)는 강재의 산화피막형성원소로서, 그 함량이 0.10%이하로 되면 황화수소등의 부식성환경하에서 수소의 침투를 억제하는 효과가 적으며 0.30%이상의 다량 첨가시에는 강도를 향상시키지만 충격인성을 저해한다.
니켈(Ni)은 구리와 마찬가지로 강재의 산화피막형성을 위해 첨가되는데, 그 함량이 0.10%미만에서는 상기 효과가 떨어지고, 0.25%이상되면 강도향상 효과는 크게 되지만 파이프로 용접후 충격시험시에 모재와 용접부간의 취성이 발생되어 바람직하지 않다.
니오븀(Nb)은 그 첨가량이 증가할수록 Nb(C,N)석출물 생성으로 인장강도가증가하며 후판압연시는 입계에 석출된 Nb(C,N)석출물이 결정립성장을 억제함으로써 결정립 미세화효과에 의한 강도 및 충격인성을 향상시키는 역활을 한다. 그러나, Nb의 함량이 0.040%미만에서는 재질특성 향상이 미흡하며, 0.060%를 초과 함유시는 포화현상을 나타내어 강도및 충격인성 개선효과가 미미할뿐만 아니라 과다함유시 오히려 용접부의 충격인성을 저해시킨다.
바나듐(V)은 V(C,N)석출원소로서, 그 함량의 증가에 따라 항복강도의 증가보다는 인장강도증가에 크게 기여한다. 따라서, 본 발명에서는 Mn성분의 하향화와 더불어 기존보다 강도적인 측면외에 인성과의 균형을 고려하여 그 함량을 0.060-0.080%로 제한함이 바람직한데, V이 0.060%미만으로 함유되면 Mn성분의 하향화로 강도확보가 어렵고 0.080%이상으로 다량함유시 탄소당량(Ceq)의 증가와 함께 모재 및 용접부 충격인성을 크게 저해시킨다.
티타늄(Ti)함량은 0.005-0.020%로 제한함이 바람직한데, 그 이유는 통상 Ti/N 비를 1.0-3.0으로 관리함으로써 슬라브 재가열공정 및 용접부등 고온에서 TiN 석출물이 입계에 미세 분산되어 초기 오스테나이트 결정립성장을 억제하고 강도의 부분적인 증가와 함께 인성의 대폭적인 개선을 도모할수 있기 때문이다.
특히, Ti 함량이 0.020%이상으로 다량 첨가되는 경우 용강중의 질소 수준이 통상 50ppm임을 감안할때 산화물계 개재물 형성 또는 과잉 고용Ti이 조대 석출물로 형성되어 인성을 저해시키므로 바람직하지 않다.
이렇게 본 발명의 강성분계는 기존의 강재에 비해 강중 Mn성분이 하향화되고, 산화피막형성원소인 Cu, Ni이 첨가되며 저온인성 및 우수한 용접성을 동시에확보하기 위해 전체 성분계의 탄소당량이 0.262-0.379%의 범위로 낮게 관리됨에 특징이 있다.
이하, 본 발명에 의한 제조방법을 상세히 설명한다.
상기한 조성을 갖는 파이프용 고장력 강재의 내부품질의 건전성 확보를 위해 본 발명에서는 전로조업시 후판압연에서 길게 연신되어 취성파괴의 기점으로 작용하여 크랙전파를 촉진시키는 MnS개재물을 CaS의 구상화 개재물로 형상을 제어하는 것이 필요하다. 이러한 연주방법은 본 발명자가 기출원한 대한민국 특허출원 제95-49561호에 자세히 제시되어 있다.
또한, 본 발명에서는 상기와같은 전로조업을 거쳐 연주된 슬라브를 제어압연하는데, 이때 제어압연은 제1도와 같은 방식을 이용한다. 즉, 본 발명에 의한 제어압연은 우선 통상의 온도로 재가열한 다음, 제1도와 같이 재결정영역인 960-1000℃에서 잔압하율 75-85%의 범위로 조압연을 실시하여 초기 오스테나이트 결정립을 미세화시키고, 이후 조압연된 강재를 미재결정구역인 920-880℃의 온도범위에서 사상압연을 개시하고 페라이트와 오스테나이트 2상영역을 피하여 Ar3직상온도인 780-740℃의 온도범위에서 마무리 압연하며, 또한, 사상압연 개시시점에서의 잔압하율은 80-70%정도로 설정한다.
이러한 본 발명에 따른 제어압연 방식은 기존의 제어압연과는 달리 약 30℃정도 높을뿐만 아니라 사상압연을 미재결정역에서 실시하기 때문에 펄라이트 밴드(pearlite band)조직을 억제하므로써 강재의 결정립이 보다 미세화되어 극저온취성에 유리하고, 특히 내수소유기균열특성이 향상된다. 만일 상기 조압연을 재결정온도이상인 1000℃이상에서 실시할 때는 고온역에서 압연으로 누적압하효과가 적어 초기 오스테나이트 결정립 미세화 효과가 미흡하며, 960℃이하의 온도역에서 압연을 하면 결정립미세화 효과는 있으나 재결정온도 및 압하량에서 충분히 실시되도록 하기 곤란한 점이 있다. 그리고, 제어압연온도를 920℃이상으로 사상압연을 개시하면 부분 재결정역에 의한 결정립의 성장으로 조대화에 의한 충격인성이 열화되며 이러한 압연이 740℃이하의 저온역에서 종료되면 2상역 압연에 의한 집합조직의 형성으로 항복강도의 확보는 유리하지만 충격이방성의 열화 및 상기 밴드조직형성에 의한 내 sour특성이 열화되는 단점이 있다.
또한, 상기와같이 제어 압연 후 가속냉각을 할때는 8-12℃/초의 범위로 냉각하여 460-500℃의 온도에서 종료시키는 것이 바람직하다. 만일, 가속냉각속도가 8℃/초 미만으로 되면 약랭에 의해 오스테나이트→페라이트 변태 미완료로 충격인성 및 인장강도 향상에 적합한 베이나이트 조직확보가 어려우며, 12℃/초를 초과하면 강냉각에 의해 인장강도는 향상되나 형상이 불량해질 우려가 있다.
그리고, 상기한 냉각속도로 냉각시 그 종료온도가 500℃이상에서 이루어지면 역시 오스테나이트→페라이트 변태가 완료되지 않아 밴드조직이 형성되어 수소균열파괴의 기점이 될 수 있으며 460℃미만의 저온에서 냉각이 종료되면 마르텐사이트등 저온변태조직을 형성하여 항복강도 및 인장강도 확보는 유리하나 충격인성은 저하되어 바람직하지 않다. 결국, 본 발명에 따라 제조되는 파이프용 고장력 강재는 충격인성에 유해한 밴드(집합조직)이 소멸되고 인성향상에 유리한 페라이트-펄라이트-저온 베이나이트 조직을 형성하여 -60℃의 극저온에서 우수한 저온인성을 갖게되어 특히 두께 6-20mm의 범위인 대구경 라인파이프용 후판에 적합하다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.
실시예
중량%로, C:0.09%, Si:0.25%, Mn:1.20%, P:0.020%, S:0.002%, Cu:0.25%, Ni:0.15%, Sol-Al:0.025%, Nb:0.050%, V:0.070%, Ti: 0.012%,(탄소당량:0.331)를 포함하여 조성되도록 용선 예비처리공정에서 밀스케일(mill scale)투입후 교반처리로 1차정련한 후, 노외정련 공정에서 파우더 인젝션(powder injection)시 Ca-Si 210kg를 투입하고 진공도를 2torr이하로 한 진공탈가스 처리시 조업말기에 Ca-Wire 200Kg를 투입하고 5분이상 용강을 환류처리하고, 연주주조시 중심편석 최소화를 위해 전자교반처리를 실시하였다. 이후, 연주공정에서 얻어진 슬라브는 후판공정에서 통상 가열수준인 1230℃로 가열하고, 980℃에서 잔압하율 80%를 적용하여 조압연을 실시한 다음, 잔압하율이 70%인 상태에서 900℃의 온도에서 사상 압연을 개시하여 760℃의 온도에서 압연을 종료하여 두께 6mm정도인 압연판을 얻었다.
상기 압연판은 바로 12℃/초 냉각속도로 수 냉각하여 480℃의 온도에서 종료하고, 이렇게 냉각이 완료된 후판강재를 발명재로 하였다.
또한, 비교를 위하여 중량%로, C:0.11%, Si:0.25%, Mn:1.58%, P:0.020%, S:0.002%, Sol.-Al:0.025%, Nb:0.050%, V:0.080%, Ti:0.010%,(탄소당량 0.390%)를 포함하여 조성되는 용선을 노외정련에서 Ca-Si를 410Kg 투입할 것을 제외하고는 발명재의 방법과 동일하게 연주 슬라브를 제조하였다. 이후, 제조된 슬라브를 제어압연시 조압연후의 잔압하율 70%인 상태에서 980℃의 온도에서 1차 사상압연을 개시하고, 2차사상압연을 870℃에서 시작하여 730℃의 온도에서 압연을 종료하여 두께 6mm 인 압연판을 얻고, 상기 압연판을 8℃/초의 냉각속도로 수냉하여 540℃의 온도에서 냉각을 종료하고, 이렇게 냉각이 완료된 후판강재를 비교재로 하였다.
상기와같이 제조된 발명재와 비교재에 대하여 각각 기계적성질, 충격인성 및 수소균열을 측정하고 그 결과를 하기표 1에 나타내었다.
또한, 발명재와 비교재의 조직을 광학현미경을 이용하여 200배의 비율로 관찰하고, 그 결과를 제 2도에 나타내었다.
또한, 100%수소분위기하에서 유지후 충격시험한 결과 발명재와 비교재의 파면조직을 광학현미경을 이용하여 관찰하고, 그 결과를 제3도에 나타내었다.
[표 1]
상기표 1에 나타난 바와같이, 발명재와 비교재의 경우 모두 API-X70강재 규격(항복강도 : 49kg/mm2이상, 인장강도: 57.7Kg/mm2이상, 연신: 23%이상; '77년 NACE규격)을 만족하고 있지만, 발명재의 경우 비교재에 비하여 저온 충격인성이 매우 우수함을 알수 있다. 이러한 원인은 제2도의 조직사진에서도 알수 있듯이, 발명재의 경우(가) 밴드조직이 형성된 비교재의 경우(나) 보다도 결정립이 매우 미세화되었기 때문임을 알수 있다. 이러한 사실은 제3도에서도 알 수 있는 바와 같이 비교재의 경우 실제 sour환경에서 수소균열이 크게 발달되어 있는 반면 본 발명재에서는 거의 관찰되지 않았다.
상술한 바와같이, 본발명에 따라 강재의 성분계 및 제조조건을 적절히 제어하면 강도는 물론 극저온 환경하에서도 우수한 충격인성을 갖을 뿐만아니라 특히 내 sour환경하에서도 내균열특성이 우수한 라인 파이프용 고장력후판이 제공되고 이러한 후판은 극한지 지역에서도 원유수송관등에 사용시 그 수명이 연장될 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 라인 파이프용 고장력 후판의 제조방법에 있어서,
    중량%로, C:0.07-0.11%, Si:0.20-0.30%, Mn:1.00-1.30%, P:0.020%이하, S:0.003%이하, Cu:0.10-0.30%, Ni:0.10-0.25%, Nb:0.040-0.060%, V:0.060-0.080%, Ti:0.005-0.020%, Sol.-Al:0.020-0.040%, 나머지 Fe및 기타불가피한 불순물로 이루어지고, 탄소당량(Ceq)이 0.262-0.379%인 용강을 노외정련에서 파우더 인젝션 처리시 Ca-Si형태와 진공탈가스처리시 Ca-wire형태로서 2회 분할 투입하여 CaS개재물을 구상화처리한 다음, 구상화 처리된 슬라브를 재가열하고, 980±20℃의 범위에서 잔압하율 80± 5%로 조압연한 후, 조압연된 강재를 잔압하율 75± 5% 상태에서 미재결정온도역인 900± 20℃의 온도로부터 사상압연을 개시하여 760± 20℃의 온도범위에서 마무리 압연을 종료하고 이어서 8-12℃/초의 범위로 480± 20℃의 온도범위까지 가속냉각함을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 극저온 충격인성 및 내수소유기균열특성이 우수한 라인 파이프용 고장력 후판의 제조방법.
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