KR100957938B1

KR100957938B1 - 내수소유기균열성 및 내유화물응력균열성이 우수한 강재및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100957938B1
Application number: KR1020020085762A
Authority: KR
Inventors: 양부영
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2002-12-28
Filing date: 2002-12-28
Publication date: 2010-05-13
Also published as: KR20040059181A

Abstract

본 발명은 습윤 황화수소가 포함된 가스 혹은 원유 수송용 강관용 강재에 관한 것이다.

이 강재는 중량%로, C: 0.02~0.03%, Si: 0.05~0.5%, Mn: 0.5~1.5%, P: 0.015% 이하, S: 0.001% 이하, Al: 0.02~0.05%, Nb: 0.06% 이하, V: 0.06% 이하, Ti: 0.02% 이하, Cr: 0.3~0.5%, Ca: 0.0015~0.003%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되며, 미세조직이 에시큘러 페라이트로 이루어진다.

그리고, 이 강재의 제조방법 역시 제공된다.

이 강재는 펄라이트 형성원소인 C의 첨가량을 줄이고, Cr의 첨가를 통하여 미세조직을 에시큘러 페라이트로 형성시킴으로써, 습윤 황화수소 환경하에서 내수소유기균열성 및 내유화물균열성을 향상시키는 효과가 있다.

수소유기균열, 유화물응력균열, 라인파이프, 열연강재, 에시큘러 페라이트

Description

내수소유기균열성 및 내유화물응력균열성이 우수한 강재 및 그 제조방법{Steel materials having excellent resistance of hydrogen induced crack and sulfide stress crack, and method for manufacturing the same}

도 1은 에시큘러 페라이트의 미세조직 사진

본 발명은 습윤 황화수소가 포함된 가스 혹은 원유 수송용 강관용 강재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 펄라이트 형성원소인 C의 첨가량을 줄이고, Cr의 첨가를 통하여 미세조직을 에시큘러 페라이트로 형성시킴으로써, 내수소유기균열성 및 내유화물균열성을 향상시킨 고강도 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 열악한 환경의 유전 혹은 가스전이 개발됨에 따라 습윤 황화수소를 포함하는 가스 혹은 원유 수송용 강재의 수소유기균열(HIC, hydrogen induced crack)과 유화물응력균열(sulfide stress crack)에 대한 저항성을 높이는 것이 요구되고 있다. 또한, 수송효율 및 라인파이프 건설 비용 저감을 위해 고강도화와 함께 수소유기균열 및 유화물응력균열에 대한 저항성이 우수한 강재 개발이 절실하다.

유화물균열(수소유기균열과 유화물응력균열)의 발생기구는 강재와 습윤 황화수소 분위기와의 부식반응에 의해 발생되는 수소가 원자상태로 강중에 침입, 확산하여 강중의 개재물 등에서 분자화됨에 의해 발생되는 수소가스 압력이 작용하여 유화물균열이 발생되는 것으로 알려져 있다. 상기 유화물균열 중에서 외부 응력이 존재하지 않는 경우에 발생되는 균열이 수소유기균열이며, 외부 응력이 존재하는 경우에 발생되는 균열을 유화물응력균열이라 한다.

내유화물응력균열성이 우수한 강재 또는 유화물균열성을 향상시킨 강재에 대한 종래기술로는 일본 공개특허공보 소50-97515호, 소51-9114318호, 소55-128536호, 소54-157718호, 소57-73162호, 소62-243737호 및 소63-134647호가 있다. 상기 종래기술들에서는 Cu 첨가, 개재물의 저감 및 형상제어, 혹은 탄질화물의 미세분산 등에 의해 수소의 침입 혹은 확산을 억제하는 수단, 또는 강의 편석에 기인하는 경화부의 경도 제어, 편석에 기인하는 경화부의 경도 및 개재물 길이 제어 등에 의해 내유화물응력균열성을 향상시키는 수단이 제안되고 있다. 또한, 유화물응력균열성을 증대시키기 위한 또 다른 방법으로는 제어압연을 통한 펄라이이트 조직의 대상화 억제 및 미세분산이 있다. 상기 종래기술들에서는 비교적 내수소유기균열성이 우수한 강재를 얻을 수 있는 수단을 제공하였으나, 상기 내수소유기균열성이 우수한 강재에서도 강산성의 습윤황화수소 분위기에서는 유화물응력균열이 발생되며, 또한 라인파이프의 고강도에 따라서 미세한 펄라이이트도 유화물응력균열 발생 기점이 되는 등의 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 펄라이트 형성원소인 C 의 첨가량을 줄이고, Cr의 첨가를 통하여 미세조직을 에시큘러 페라이트로 형성시킴으로써, 내수소유기균열성 및 내유화물균열성을 향상시킨 고강도 강재 및 그 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중량%로, C: 0.02~0.03%, Si: 0.05~0.5%, Mn: 0.5~1.5%, P: 0.015% 이하, S: 0.001% 이하, Al: 0.02~0.05%, Nb: 0.06% 이하, V: 0.06% 이하, Ti: 0.02% 이하, Cr: 0.3~0.5%, Ca: 0.0015~0.003%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되며, 미세조직이 에시큘러 페라이트로 이루어진다.

또한, 본 발명은 상기와 같이 조성되는 강을 800~900℃에서 마무리 열간압연한 다음 560~600℃에서 권취하는 것을 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.

내수소유기균열성 및 내유화물응력균열성에 미치는 합금원소 및 미세조직의 영향을 조사한 결과, 에시큘러 페라이트와 같은 저온변태상을 얻기 위하여 일반적으로 첨가하는 Mo 또는 B는 내유화물응력균열성을 저하시키는 문제가 있음을 알 수 있었다. 따라서, 본 발명에서는 펄라이트 형성원소인 C의 함량을 줄이고, Cr의 첨가를 통하여 미세조직을 에시큘러 페라이트로 형성시킴으로써 내수소유기균열성 및 내유화물응력균열성을 향상시키는데 특징이 있다.

먼저, 에시큘러 페라이트 조직을 가지는 강에 대하여 설명한다. 에시큘러 페라이트 조직은 도 1과 같이 침상형태의 미세 결정립을 가지는 조직을 말한다. 상기 에시큘러 페라이트 조직은 균일한 경도를 나타내며, 마르텐사이트 또는 베이나이트 조직에 비하여 낮은 경도값을 갖기 때문에 내수소유기균열성 및 내황화물응력균열성이 우수하다.

이하, 본 발명의 성분제한 이유부터 살펴본다.

C: 0.02~0.03중량%

상기 C는 강을 강화시키는데 가장 경제적이며 효과적인 합금성분으로, 0.02중량%를 초과하여 첨가되면 Nb, V 또는 Ti와 결합하여 강을 강화시키는 효과가 매우 적고, 0.03중량%를 초과하여 첨가되면 유화물응력균열 저항성을 저하시키는 펄라이트를 형성시키므로, 그 함량을 0.02~0.03중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Si: 0.05~0.5중량%

상기 Si는 탈산 및 고용강화에 유효한 성분으로, 0.05중량% 미만 첨가되면 탈산효과를 얻기 어렵고, 0.5중량%를 초과하여 첨가되면 용접성 및 취성을 저하시키므로, 그 함량을 0.05~0.5중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Mn: 0.5~1.5중량%

상기 Mn은 강도 및 인성 확보를 위하여 필수적인 성분으로, 0.5중량% 미만 첨가되면 강도와 인성을 확보하기 어렵고, 1.5중량%를 초과하여 첨가되면 연주시 중심편석을 조장하여 충격인성 및 유화물응력균열저항성을 저하시키므로, 그 함량을 0.5~1.5중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

P: 0.015중량% 이하

상기 P의 함량이 0.015중량%를 초과하여 첨가되면 연주시 Mn과 함께 중심편석을 조장하여 충격인성 및 유화물응력균열 저항성을 저하시킬 뿐만 아니라 용접성도 저하시키므로, 그 함량을 0.015중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

S: 0.001중량% 이하

상기 S는 강중에서 Mn과 함께 MnS를 형성하여 취성을 크게 저하시키는 성분으로, 0.001중량%를 초과하여 함유되면 수소유기균열 저항성을 크게 감소시키므로, 그 함량을 0.001중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

Al: 0.02~0.05중량%

상기 Al은 Si와 함께 탈산작용을 하는 성분으로, 0.02중량% 미만 첨가되면 탈산효과를 얻기 어렵고, 0.05중량%를 초과하여 첨가되면 알루미나 집합체를 증가시켜 내수소유기균열성을 저하시키므로, 그 함량을 0.02~0.05중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Nb: 0.06중량% 이하, V: 0.06중량% 이하

상기 Nb 및 V는 소량 첨가에 의해 석출강화 효과를 나타내는 성분으로, 본 발명의 탄소범위에서는 각각 0.06중량% 초과시 석출강화에 의한 강도증가가 크지 않으므로, 그 함량을 각각 0.06중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

Ti: 0.02중량% 이하

상기 Ti는 강중에서 TiN으로 석출되어 재가열시 오스테나이트의 결정립 성장을 억제함으로써 고강도 및 우수한 충격인성을 얻을 수 있게 하며 또한 TiC 등으로 석출되어 강을 강화하는 역할을 한다. 그러나, 본 발명의 탄소범위에서 상기 Ti의 함량이 0.02중량%를 초과하면 상기 효과가 크지 않으므로, 그 함량을 0.02중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

Cr: 0.3~0.5중량%

상기 Cr은 에시큘러 페라이트 조직으로의 상변태를 쉽게 유도하기 위해 첨가하는 성분으로, 0.3중량% 미만 첨가되면 상기 효과가 적고, 0.5중량%를 초과하여 첨가되면 용접부 결함을 유발하거나 취성을 야기시키므로, 그 함량을 0.3~0.5중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Ca: 0.0015~0.003중량%

상기 Ca는 유화물계 개재물의 형상을 구상화시킴으로써 수소유기균열발생 기점을 억제하는 역할을 하는 성분으로, 0.0015중량% 미만 첨가되면 상기 효과를 얻기가 어렵고, 0.003중량%를 초과하여 첨가되면 개재물 양이 오히려 증가하여 수소유기균열 저항성을 저하시키므로, 그 함량을 0.0015~0.003중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기한 조성 이외에 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된다.

상기와 같이 조성되는 강재의 미세조직은 에시큘러 페라이트로 이루어는데, 상기 에시큘러 페라이트 조직은 도 1과 같이 침상형태의 미세 결정립을 가지는 조직을 말한다. 상기 에시큘러 페라이트 조직은 균일한 경도를 나타내며, 마르텐사이트 또는 베이나이트 조직에 비하여 낮은 경도값을 갖기 때문에 내수소유기균열성 및 내황화물응력균열성이 우수하다.

상기와 같이 조성되는 강을 원하는 두께로 열간압연한다. 이때 마무리 열간압연은 800~900℃에서 실시하는 것이 바람직하다. 상기 마무리 열간압연 온도가 800℃ 미만이면 MnS 에 기인하는 수소유기균열 민감성이 증대되며, 900℃를 초과하면 미세조직의 불균질에 의한 황화물응력균열 저항성에 악영향을 끼치므로, 상기 마무리 열간압연 온도는 800~900℃로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 열간압연 후, 560~600℃에서 권취한다. 상기 권취온도가 560℃ 미만이면 베이나이트상, 600℃를 초과하면 펄라이트상이 쉽게 형성되어 수소유기균열 혹은 황화물응력부식균열성을 저하시키기때문에, 상기 권취온도는 500~600℃로 제한하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

[실시예]

하기 표 1과 같이 조성되는 강을 1150~1250℃ 범위에서 2~3시간 동안 재가열한 후, 하기 표 2와 같이 마무리 열간압연하여 두께가 12mm인 강재를 제조하였다. 상기 마무리 열간압연 후, 하기 표 2와 같이 권취하였다. 상기 권취효과를 부여하기 위하여 상기 온도에서 2시간 동안 유지하였다. 상기와 같이 제조된 강재의 강도, 미세조직, 수소유기균열 저항성 및 유화물응력균열 저항성을 조사하였으며, 그 결과는 하기 표 2와 같다.

상기 수소유기균열 저항성은 NACE TM0284에 따라서 1기압 H₂S 가스로 포화된 5%NaCl + 0.5%CH₃COOH 용액 중에서 행하였고, 초음파 탐상법에 의해 균열정도를 관찰하였 다.

또한, 상기 유화물응력균열 저항성은 NACE TM0177 Method A를 이용하여 1기압 H₂S 가스로 포화된 5%NaCl + 0.5%CH₃COOH 용액 중에서 행하였고, 소재 항복강도의 90%를 인가하여 파괴되는데 걸리는 시간을 측정하였다.

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 범위를 만족하는 발명재(1~2)는 미세조직이 에시큘러 페라이트였으며, 비교재(1~6)에 비하여 수소유기균열 저항성 및 유화물응력균열 저항성이 우수함을 알 수 있다.

그러나, C의 함량이 본 발명의 범위보다 많은 비교재(1)은 미세조직이 에시큘러 페라이트, 폴리고날 페라이트 및 펄라이트였으며, 수소유기균열은 발생되지 않았으나 유화물응력균열 저항성이 떨어졌다. 이것은 응력이 가해진 경우 펄라이트가 균열개시 역할을 하기 때문인 것으로 판단된다.

또한, Mo 또는 B가 첨가된 경우 Cr보다 경화능이 크기 때문에 동일조건에서도 베이나이트가 형성되었으며, 이 경우 수소유기균열이 발생하였다. 또한, 유화물응력균열성도 동시에 저하되었다.

또한, Cr과 B가 첨가된 비교재(6)은 베이나이트 조직을 나타내었으며, 수소유기균열 정도가 다른 비교강들에 비하여 매우 낮았으며, 유화물응력균열성도 보다 우수하였다.

이것은 Cr 의 내식성 향상 특성에 기인한 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 펄라이트 형성원소인 C의 첨가량을 줄이고, Cr의 첨가를 통하여 미세조직을 에시큘러 페라이트로 형성시킴으로써, 습윤 황화수소 환경하에서 내수소유기균열성 및 내유화물균열성을 향상시킨 고강도 강재를 제공하는 효과가 있다.

Claims

삭제
중량%로, C: 0.02~0.03%, Si: 0.05~0.5%, Mn: 0.5~1.5%, P: 0.015% 이하, S: 0.001% 이하, Al: 0.02~0.05%, Nb: 0.06% 이하(0은제외), V: 0.06% 이하(0은제외), Ti: 0.02% 이하(0은제외), Cr: 0.3~0.48%, Ca: 0.0015~0.003%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강을 800~900℃에서 마무리 열간압연한 다음 560~600℃에서 권취하는 것을 포함하여 이루어지는 내수소유기균열성 및 내유화물응력균열성이 우수한 고강도 강재의 제조방법.