KR101066719B1

KR101066719B1 - 용접 금속의 내수소 취화 균열 특성이 우수한 고강도 용접 강관과 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101066719B1
Application number: KR1020107014340A
Authority: KR
Inventors: 에이지 쯔루; 다꾸야 하라; 히또시 아사히; 히로시 모리모또; 요시오 데라다; 다쯔야 요시다; 고오이찌 시나다
Original assignee: 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
Priority date: 2005-02-25
Filing date: 2006-02-22
Publication date: 2011-09-21
Also published as: KR20100080636A; JP2006263814A; EP1854562A1; KR100991636B1; EP1854562B1; CN101128273B; US8653400B2; CN101128273A; WO2006090889A1; KR20070098944A; US20080257008A1; JP4403145B2; EP1854562A4

Abstract

본 발명은 용접부 취화 균열 특성이 우수한 고강도 용접 강관 및 그 제조 방법을 제공하는 것으로, 인장 강도가 850 ㎫ 이상이고 심 용접을 내외면으로부터 행하고, 그 후, 관 확장 혹은 관 축소 교정을 행하는 용접 강관의 제조법에 있어서, 상기 강관의 내외면에서 선행하는 용접 금속의 수소 한도가 상기 교정까지의 동안에 상온에서 100 g당 0.2 cc 이하인 것을 특징으로 하는 용접 금속의 내수소 취화 균열 특성이 우수한 용접 강관의 제조 방법 및 선행하는 용접 금속의 수소 농도가 상온에서 100 g당 0.2 cc 이하인 것을 특징으로 하는 용접 금속의 내수소 취화 균열 특성이 우수한 용접 강관이다.

Description

용접 금속의 내수소 취화 균열 특성이 우수한 고강도 용접 강관과 그 제조 방법 {HIGH-STRENGTH WELDED STEEL PIPE EXCELLENT IN HYDROGEN EMBRITTLEMENT CRACKING RESISTANCE OF WELD METAL AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME}

본 발명은 천연 가스ㆍ원유 수송용 라인 파이프 등에 이용되는, 모재 및 아크 용접에 의해 형성된 용접 금속의 주위 방향의 인장 강도가 850 ㎫ 이상인 고강도 용접 강관 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근, 천연 가스를 수송하는 장거리 파이프 라인에 있어서 수송의 효율화, 부대 설비의 비용 삭감의 관점으로부터 인장 강도가 850 ㎫ 이상인 고강도 대경 라인 파이프의 부설이 검토되기 시작했다. 이와 같은 라인 파이프는 통상, UOE 방식, UOC 방식, JOE 방식이나 벤딩 롤 방식에 의해 강판을 통형으로 하고 맞댐부를 심 용접하여 조관된다. 이 경우, 이음매가 되는 심 용접부는 서브 머지 아크 용접에 의해 통상, 내면 용접, 외면 용접의 순으로 형성된다. 그러나, 외면 용접 후의 비파괴 검사에서 심 용접부에 강관 축방향에 직각 방향의 균열, 소위 횡균열이 여기저기 보이는 경우가 있다.

이와 같은 횡균열이 잔존한 강관을 동토(凍土) 지대에서 사용하면, 온도의 계절 변동에 의해, 축방향에 관체의 항복 강도를 초과하는 인장 응력이 부하되어 파괴될 위험성이나, 반복의 응력 부하에 의해 균열이 진전하고 수송 유체가 누설되어, 대사고로 연결될 위험성이 있다. 이로 인해, 제조 시의 균열 발생을 미연에 방지하거나, 발생한 균열을 비파괴 검사에 의해 보다 확실하게 검출하여 제거해야만 한다.

심 용접부의 횡균열은 고강도재의 취화 균열의 일종이다. 이 취화 균열은 수소에 의한 것이 일반적이고, 수소 취화 균열이라고도 불리우고, 강도가 저하되면 발생하기 어려워진다. 그러나, 심 용접부의 강도를 저하시키면 취화 균열은 일어나기 어려워지지만, 내압 부하 시에 선택적으로 심 용접부로부터의 변형이 촉진되어 용접부로부터의 파단에 이르는 경우도 상정된다. 따라서, 용접 금속의 강도를 모재 강도 이상으로 유지하면서 수소 취화 균열을 방지하는 방법이 필요해졌다.

수소 취화 균열은 수소 농도, 부하 응력, 재료 특성, 특히 강도에 의존하기 때문에, 복합적인 효과에 의해 수소 취화 균열이 발생하지 않도록 이들을 한계치 이하로 제어할 필요가 있다. 수소 농도를 저하시키는 방법으로서 용접 후, 100 ℃ 이상, 바람직하게는 200 ℃ 이상으로 가온하고, 적절한 시간만큼 유지하는 방법, 소위 후열은 심 용접 후에 용접 금속을 가열하고, 횡균열이 발생하는 한계 이하의 수소 농도가 되도록 수소를 확산시키는 방법이다.

이와 같은 관점으로부터 UOE 강관의 용접 금속의 강도, 모재 강도, 용접 조건을 복합적으로 억제함으로써 고강도재의 심 용접부의 수소 취화 균열을 방지하는 기술이 일본 특허 공개 제2003-311321호 공보에 개시되어 있다. 이 일본 특허 공개 제2003-311321호 공보에는 용접부의 횡균열이 선행하는 심 용접부에서 빈발하는 것에 대해서는 서술되어 있지만, 수소 농도, 용접 잔류 응력의 억제에 의한 횡균열 방지에 대해 구체적인 조건은 개시되어 있지 않다.

또한, 용접 후, 강관 전체를 켄칭, 템퍼링함으로써 인성의 저하 및 응고 균열을 방지하는 방법이 일본 특허 공개 소57-35636호 공보에 제안되어 있지만, 수소 농도, 용접 잔류 응력에 대해서는 언급되어 있지 않다. 그 밖에 수소 취화 균열을 야기하는 요인인 잔류 응력을 완화시키는 방법으로서, 용접 후 700 ℃ 정도까지 가열하는, 소위 응력 제거 어닐링이나, 해머 피닝에 의한 구타 등으로 용접부에 소성 변형을 부여함으로써 잔류 응력을 저하시키는 방법도 있지만, 수소 농도와 잔류 응력의 관계가 횡균열에 미치는 영향에 대해서는 불분명해, 내수소 취화 균열성은 충분히 개선되어 있지 않다. 또한, 이들의 방법은 용접 후, 즉시 행할 필요가 있고, 제조 공정, 제조 비용을 고려하면 반드시 심 용접부로의 적용에는 적절한 방법은 아니다.

상온에서 강 중을 확산하고, 400 ℃ 이하까지의 가열 시에 방출되는 확산성 수소량과 수소 취화 균열의 관계에 대해서는 확산성 수소량이 100 g당 5 cc 이하이면 827 ㎫를 초과하는 고강도재에 있어서도 수소 취화 균열이 일어나지 않는 것이 Proceedings of IPC 2004, October 4-8, 2004, IPC04-0585 Evaluation of Hydrogen Cracking Susceptibility in X120 Girth Welds에 보고되어 있다. 그러나, 이러한 지견은 강관끼리를 많은 패스로 용접하는 가스 용접에 대해 서술하고 있는 것이고, 본 발명이 대상으로 하는 심 용접에 있어서의 용접부에서는 100 g당 5 cc 이하라도 여전히 수소 취화 균열이 일어나는 것이 확인되어 있다.

또한, 용접 재료의 개량점으로서, VN 등의 수소 트랩 사이트를 용접 금속에 생성시켜 균열에 유해한 확산성 수소를 저감시키는 방법이나, 저온 변태 용재에 의해 상온에서의 잔류 응력을 저하시키는 방법이 있다. 그러나, 수소 트랩 사이트의 활용은, 고강도재에서는 반드시 유용한 방법은 아니고, 또한 저온 변태 용재의 사용은 현저한 비용 상승을 초래한다.

본 발명은 내외면으로부터 심 용접을 행하는 고강도 용접 강관의 용접부에 생기는 수소 기인의 횡균열의 방지를 과제로 한다. 용접부의 수소 취화 균열을 방지하는 기술로서, 열처리에 의한 수소의 확산 또는 잔류 응력의 저감, 소성 변형 부여에 의한 잔류 응력의 저감, 수소의 트랩 사이트 부여, 용접 금속의 성분 설계에 의한 잔류 응력 제어 등이 있지만, 잔류 응력이 저감되는 비교적 고온, 예를 들어 600 ℃까지 가열하기 위해서는 가열 냉각에 과도한 시간을 필요로 하고, 또한 소성 변형에 의한 잔류 응력 저감에는 특별한 가공 장치가 필요해져, 금속 재료의 개량은 합금 성분의 추가에 의한 현저한 비용 상승을 초래한다.

본 발명은 인장 강도가 850 ㎫ 이상인 고강도 용접 강관의 용접 금속, 특히 선행하는 심 용접에 의해 형성된 용접 금속의 수소 농도를 규정하고, 수소 유기 균열인 용접부의 강관축에 직각인 방향의 균열, 즉 수소 취화 균열을 방지할 수 있는 기술을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 요지는 이하와 같다.

(1) 인장 강도가 850 ㎫ 이상인 강판을 통형으로 성형하고, 맞댐부를 내외면으로부터 심 용접하고, 그 후, 관 확장 또는 관 축소 교정을 행하여 제조된 용접 강관이며, 상기 강관의 내외면으로부터의 심 용접 중, 선행하는 용접에 의해 형성된 용접 금속의 수소 농도가 상온에서 100 g당 0.2 cc 이하인 것을 특징으로 하는 용접 금속의 내수소 취화 균열 특성이 우수한 고강도 용접 강관.

(2) 인장 강도가 850 ㎫ 이상인 강판을 통형으로 성형하고, 맞댐부를 내외면으로부터 심 용접하고, 상기 내외면으로부터의 심 용접 중, 선행하는 심 용접에 의해 형성된 용접 금속의 수소 농도를 상온에서 100 g당 0.2 cc 이하로 하고, 그 후, 관 확장 또는 관 축소 교정을 행하는 것을 특징으로 하는 용접 금속의 내수소 취화 균열 특성이 우수한 고강도 용접 강관의 제조 방법.

(3) 탈수소 처리에 의해, 내외면으로부터의 심 용접에 의해 형성된 용접 금속의 수소 농도를 상온에서 100 g당 0.2 cc 이하로 하는 것을 특징으로 하는 상기 (2)에 기재된 용접 금속의 내수소 취화 균열 특성이 우수한 고강도 용접 강관의 제조 방법.

(4) 탈수소 처리에 의해, 내외면으로부터의 심 용접 중, 선행하는 용접에 의해 형성된 용접 금속의 수소 농도를 상온에서 100 g당 0.2 cc 이하로 하는 것을 특징으로 하는 상기 (2)에 기재된 용접 금속의 내수소 취화 균열 특성이 우수한 고강도 용접 강관의 제조 방법.

(5) 탈수소 처리의 가열 온도(T)[℃]가 150 내지 500 ℃의 범위이고, 가열 시간이 용접 금속 높이(h)[㎜] 및 상기 가열 온도(T)로부터 하기 식1에 의해 구해진 t[s] 이상인 것을 특징으로 하는 상기 (3) 또는 (4)에 기재된 용접 금속의 내수소 취화 균열 특성이 우수한 고강도 용접 강관의 제조 방법.

[식1]

t ＝ (h/16)²/exp[－957/(273 ＋ T)]

본 발명에 따르면, 천연 가스ㆍ원유 수송용 라인 파이프 등에 이용되는 인장 강도가 850 ㎫ 이상인 고강도 용접 강관의 용접부에서의 수소 취화 균열의 발생을 방지하는 것이 가능해진다.

도1은 수소 균열 발생에 미치는 수소량과 응력의 영향을 나타내는 도면이다.
도2는 강관 사이즈 ø914 × 16 ㎜, 인장 강도 850 ㎫의 UOE 강관의 심 용접 중심에서의 축방향 잔류 응력 분포를 내면으로부터의 위치와의 관계로 나타낸 도면이다.
도3은 축방향 잔류 응력 분포를 구한 위치를 나타낸 도면이다.
도4는 내외면 용접 금속에서의 수소 농도 도수 분포를 나타낸 도면이다.
도5는 내면 용접 금속의 수소 농도 도수 분포와 균열 발생률을 나타낸 도면이다.
도6은 외면 용접 금속의 수소 농도 도수 분포와 균열 발생률을 나타낸 도면이다.
도7은 열처리재, 오일 적하재를 포함하는 내면 용접 금속의 수소 농도 도수 분포와 균열 발생률을 나타낸 도면이다.

인장 강도가 850 ㎫ 이상인 고강도 용접 강관을 UOE 조관 프로세스에서 제조할 때에는 C프레스에서 강판의 단부를 구부리고, U프레스에서 U자형으로 구부리고, 계속해서 O프레스에 의해 통형으로 성형하고, 그 후, 통상, 외면으로부터의 가부착 후, 서브 머지 용접에 의한 내면 용접을 행하고, 계속해서 외면 용접을 행하고, 또한 관 확장 또는 관 축소 교정에 의해 진원도를 정렬한다.

이 UOE 강관의 심 용접부의 결함을 JIS G 0584에 준거하여 초음파 탐상에 의해 검출하면, 빈도는 적지만 횡균열이 여기저기 보였다. 초음파 탐상의 결과에 따라서 결함이 검출된 위치를 특정하면, 횡균열은 선행하여 용접한 내면의 용접 금속에 발생하고 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 횡균열의 파면을 주사형 전자 현미경으로 관찰한 결과, 수소 취화 균열 특유의 파면을 나타내고 있는 것도 알 수 있었다.

이것으로부터 고강도 용접 강관의 심 용접부에 발생하는 횡균열이 플럭스, 홈의 결로, 대기 중의 수분 등으로부터 용접 금속 내에 취입된 수소와 용접 잔류 응력에 의한 수소 취화 균열이라고 결론지었다. 그러나, 내면 용접을 행한 후, 외면 용접을 행하지 않고 초음파 탐상에 의한 결함의 검출을 시도한바, 내면 용접 상태에서는 횡균열이 발생하고 있지 않은 것을 알 수 있었다.

여기서 서술하는 UOE 강관의 소재가 되는 두꺼운 강판(모재)은 그 강 조성이 질량 ％로, C : 0.02 내지 0.10 ％, Si : 0.01 내지 0.6 ％, Mn : 1.5 내지 2.5 ％, P : 0.015 ％ 이하, S : 0.003 ％ 이하, Ni : 0.1 내지 2.0 ％, Mo : 0.15 내지 0.60 ％, Nb : 0.001 내지 0.10 ％, Ti : 0.005 내지 0.030 ％, Al : 0.06 ％ 이하를 함유하고, 또한 필요에 따라서 B : 0.0001 내지 0.005 ％, N : 0.0001 내지 0.006 ％, V : 0.001 내지 0.10 ％, Cu : 0.01 내지 1.0 ％, Cr : 0.01 내지 1.0 ％, Zr : 0.0001 내지 0.005 ％, Ta : 0.0001 내지 0.005 ％, Ca : 0.0001 내지 0.01 ％, REM : 0.0001 내지 0.01 ％, Mg : 0.0001 내지 0.006 ％의 1종 또는 2종류 이상을 함유하고, 잔량부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 강을 열간 제어 압연하여 얻게 된 것이다.

상기 UOE 강관의 제조 시에는, 전술한 강 조성을 갖는 두꺼운 강판(모재)을, 질량 ％로, C : 0.01 내지 0.12 ％, Si : 0.3 ％ 이하, Mn : 1.2 내지 2.4 ％, Ni : 4.0 내지 8.5 ％, Cr ＋ Mo ＋ V : 3.0 내지 5.0 ％, Ti : 0.005 내지 0.15 ％, Al : 0.02 ％ 이하로 이루어지는 용접 와이어를 이용하여 입열 : 1.5 kJ/㎜ 내지 6.3 kJ/㎜에서 용접한다.

이와 같이 하여 얻게 된 용접 금속에 대해서는, 성분이 질량 ％로, C : 0.04 내지 0.14 ％, Si : 0.05 내지 0.4 ％, Mn : 1.2 내지 2.2 ％, P : 0.01 ％ 이하, S : 0.010 ％ 이하, Ni : 1.3 내지 3.2 ％, Cr ＋ Mo ＋ V : 1.0 내지 2.5 ％, Ti : 0.003 내지 0.050 ％, Al : 0.02 ％ 이하, B : 0.005 ％ 이하, O : 0.01 내지 0.03 ％를 함유하고, 잔량부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것이다.

본 발명자는 이하와 같이 하여, 인장 강도가 850 ㎫ 이상인 고강도 용접 강관의 용접 금속의 수소 취화 균열이 발생하는 응력과 수소량의 관계를 조사하였다. 용접 강관으로부터 내외면 용접 금속을 포함하도록 주위 방향과 축방향의 사이즈가 200 ㎜ × 200 ㎜인 샘플을 채취하고, 즉시 드라이 아이스로 냉각하여 보존하였다. 이 샘플의 용접 금속으로부터 길이 방향이 용접 방향과 평행하고, 평행부의 직경이 6 ㎜인 둥근 막대 인장 시험편을 채취하였다. 이들 둥근 막대 인장 시험편에 수소가 도산하지 않도록 카드뮴 도금을 실시하였다. 다음에, 이 인장 시험편에 일정 하중을 240 시간 부하하여 파단의 유무, 즉 수소 취화 균열 발생의 유무를 조사하였다. 또한, 마찬가지로 하여 채취한 평행부 직경이 6 ㎜인 둥근 막대 인장 시험편을 이용하여 JIS Z 3118의 강 용접부의 수소 측정 방법으로 채용되어 있는 가스크로마토 그래프법에 준거하여 수소량을 측정하였다.

결과를 도1에 나타내지만, 수소량은 상기한 측정 방법에 의해 측정한, 즉 45 ℃에서 72시간 유지하여 포집한 확산성 수소의 양을, 시험편 100 g당에 포함되는 수소의 체적[cc]으로 나타낸 것이다. 도1의 종축은 시험편에 부하한 정하중을 시험편의 평행부의 단면적으로 나누어, 응력(σ)[㎫]으로 나타낸 것이다.

도1에 도시한 바와 같이, 부하된 응력이 높은 경우에는 소량의 수소에서 수소 취화 균열이 발생하고, 응력이 낮으면 수소량이 많아도 수소 취화 균열이 발생하지 않는다. 또한, 도1로부터, 수소량(H)[cc]과 인장 응력(σ)[㎫]이,

(H － 0.1) × (σ － 550) ≤ 45

를 만족시키는 경우에는, 수소 취화 균열은 발생하지 않는다고 추정할 수 있다. 따라서, 선행하는 심 용접에 의해 형성된 용접 금속에 함유되는 수소량을 H[cc], 상기 용접 금속에 부하되는 인장 잔류 응력을 [㎫]이 상기 식의 관계를 만족시키면, 고강도 용접 강관의 수소 취화 균열을 방지할 수 있다.

그래서, 본 발명자는 UOE 공정에 있어서의 관 확장 전의 용접 금속부의 잔류 응력을 유한 요소법(이하, FEA라고도 함)에 의한 수치 해석 시뮬레이션으로 구하였다. 이는 내외면으로부터 심 용접한 용접 금속의 잔류 응력을 비파괴로 실측하는 것이 곤란하기 때문이다.

도2에 내면, 외면의 순으로 심 용접하여 용접 금속을 형성하고, 관 확장 전의 상태를 가정하여, 강관의 주위 방향의 단면에 있어서의 용접 금속의 중심선(용접 중심선)에서의 축방향의 잔류 응력의 두께 방향의 분포를 FEA로 구한 결과를 나타낸다. 또한, 도2의 횡축은 도3에 개략적으로 도시한 바와 같이, 강관의 내면으로부터 외면으로의 거리이다.

도2에 도시한 바와 같이, 잔류 응력은 선행하여 용접한, 내면 용접 금속측에서 최대치를 나타내고, 그 값은 용접 금속의 항복 강도에 도달한다. 또한, 잔류 응력이 최대가 되는 위치는 횡균열의 발생 부위와 일치한다. 여기서, 도1에 도시한 바와 같이, 고강도의 용접 금속을 갖는 강관의 수소 취화 균열의 발생의 유무는 용접 금속의 강도, 수소 농도, 잔류 응력, 수소의 존재 하에서 잔류 응력이 부하되는 시간에 의해 결정되므로, 발명자들은 인장 강도가 850 ㎫ 이상인 고강도 용접 강관을 조관하고, 상온에서 일정한 시간이 경과한 후의 내면 용접 금속의 수소 농도와 횡균열 발생의 관계에 주목하였다.

횡균열은 내면 용접 및 외면 용접의 종료 후, 관 확장하지 않고 72시간 방치하고, JIS G 0584에 준거하여 초음파 탐상법에 의해 검출하고, 검출된 횡균열의 위치에 따라서 발생한 부위가 내면 용접 금속인지, 외면 용접 금속인지를 특정하였다.

또한, 횡균열은 심 용접을 실시한 후, 관 확장 또는 관 축소 교정까지의 동안에 발생하므로, 선행하여 내면으로부터 심 용접한 후, 외면으로부터 심 용접하고, 그 후, 관 확장 또는 관 축소 교정하지 않고, 4시간이 경과하여 용접 금속이 상온 근방이 된 시점에서 내면 및 외면의 용접 금속의 수소 농도를 측정하였다. 수소 농도를 측정하기 위해, 용접 강관으로부터 내외면 용접 금속을 포함하도록 주위 방향과 축방향의 사이즈가 200 ㎜ × 200 ㎜인 샘플을 채취하고, 즉시 드라이 아이스로 냉각하여 보존하였다. 이 샘플의 내면 용접 금속 및 외면 용접 금속으로부터 5 ㎜ × 5 ㎜ × 40 ㎜의 시험편을 채취하였다. 확산성 수소의 방출을 억제하기 위해, 수소 농도의 측정은 시험편의 채취 후, 즉시 행하였다. 수소 농도는 45 ℃에서 72시간 유지하여 확산성 수소를 추출한 후, JIS Z 3118에 규정되어 있는 강 용접부의 수소 측정 방법으로 채용되어 있는 가스크로마토 그래프법에 의해 측정하였다. 수소 농도는 확산성 수소량을 시험편의 질량으로 나누고, 100 g당의 농도로서 산출하였다.

도4에 내면 용접 금속 및 외면 용접 금속의 수소 농도를 도수 분포로 나타낸다. 도4는 1개의 강관으로부터 3개의 시료를 채취하여 측정한 수소 농도의 평균치를, 0.2 미만, 0.2 내지 0.4 미만, 0.4 내지 0.6 미만, 0.6 내지 0.8 미만, 0.8 내지 1.0 미만으로 분류하여 1개의 강관의 수소 농도를 1도수로 한 것이다. 도4으로부터, 내면 용접 금속의 수소 농도는 100 g당 0.0 내지 0.6 cc로 분산되고, 외면 용접 금속의 수소 농도는 100 g당 0.6 내지 1.0 cc로 분포되어 있던 것을 알 수 있다. 내면 금속의 수소 농도가 외면에 비해 낮은 이유는 외면 용접 시에 내면 용접 금속도 가온되어 수소가 확산되었기 때문이다.

도5에 내면 용접 금속의 수소 농도 도수 분포와 균열 발생 확률의 관계를 나타낸다. 수소 농도가 100 g당 0.2 cc를 초과하면 횡균열이 발생하기 시작하는 것을 알 수 있었다. 여기서, 균열 발생 확률이라 함은, 수소 농도의 평균치가 동등 레벨의 강관의 내면 용접 금속에 횡균열이 검출되는 확률이고, 예를 들어 수소 농도의 평균치가 0.2 내지 0.4 cc 미만인 경우, 도수가 4, 균열 발생 확률이 20 ％이고, 강관 4개 중, 1개에 횡균열이 검출된 것을 의미한다. 또한, 내면 용접 금속에 발생한 횡균열은 JIS G 0584에 준거하여 초음파 탐상법에 의해 검출하였다.

도6에 외면 용접 금속의 수소 농도 도수 분포와 균열 발생 확률의 관계를 나타낸다. 외면 용접부에서는 수소 농도가 내면의 수소 농도보다 높음에도 불구하고, 균열은 발생하지 않았다. 이 이유는 도2에 도시하는 잔류 응력의 피크가 내면측에서 일어나고 있는 것에 기인하고, 내면 금속의 수소 농도를 보다 낮은 레벨로 억제하는 것의 필요성을 시사하고 있다. 여기서, 균열 발생 확률이라 함은, 수소 농도의 평균치가 동등 레벨의 강관의 외면 용접 금속에 횡균열이 검출되는 확률이고, 횡균열은 JIS G 0584에 준거하여 초음파 탐상법에 의해 검출하였다.

다음에, 내면으로부터 심 용접한 후, 외면으로부터 심 용접하고, 관 확장 또는 직경 축소 교정까지의 동안에 150 내지 250 ℃로 가열하여 수소 농도를 저하시킨 용접 금속의 횡균열과 수소 농도를 조사하였다. 횡균열은 초음파 탐상법, 수소 농도는 45 ℃에서 72시간 보유 지지하여 확산성 수소를 추출하고, JIS Z 3118에 규정되어 있는 강 용접부의 수소 측정 방법으로 채용되어 있는 가스크로마토 그래프법에 준거하여 수소량을 측정하고, 시료의 질량 100 g당의 상온의 수소의 체적으로서 산출하였다. 이 경우, 내면 용접 금속의 수소 농도는 100 g당 0.2 cc 이하였다.

비교를 위해, 선행하는 내면으로부터의 심 용접 전에, 홈면에 오일을 부착시켜 내면 외면으로부터 심 용접하고, 내면 용접 금속의 수소 농도를 높이고, 마찬가지로 용접 금속의 횡균열과 수소 농도를 조사하였다. 그 결과, 내면 용접 금속의 수소 농도는 100 g당 0.3 cc 이상이었다.

도7에 내면 용접 금속의 수소 농도 도수 분포와 균열 확률의 관계를 나타낸다. 수소 농도가 100 g당 0.2 cc 이하이면 용접 금속으로부터의 균열 발생은 전무였다. 한편, 수소 농도가 100 g당 0.4 cc를 초과하면 모든 샘플에 횡균열을 확인하였다.

이상으로부터 내면 용접 금속의 수소 농도를 100 g당 0.2 cc 이하로 제어함으로써 안정적으로 횡균열 발생을 방지할 수 있는 것을 알 수 있었다. 인장 강도가 850 ㎫ 이상인 고강도 용접 강관에서는, 금속 조직에 의한 내수소 균열 특성의 개선을 도모하면, 용접 금속의 강도가 저하될 가능성이 높아, 수소 농도의 저감은 매우 효과적이다.

본 발명의 고강도 용접 강관의 제조 방법에 있어서 상온에서의 수소 농도를 규정한 필요성을 다음에 서술한다.

수소 기인의 균열은 선행하는 심 용접에 의해 형성된 용접 금속에, 상온 근방에서 발생한다. 강도가 850 ㎫ 이상인 고강도 용접 강관의 용접 금속의 변태점은 300 내지 400 ℃이다. 이 경우, 용접 금속의 온도가 100 ℃ 초과일 때에는 내면 용접 금속의 잔류 응력은 500 ㎫ 이하이고, 온도가 100 ℃ 이하로 저하되면 내면 용접 금속의 잔류 응력은 상승하여 800 ㎫를 초과하는 것이 수치 해석에 의해 명백해졌다.

한편, 외면 용접 금속은 상온에서의 잔류 응력이 600 ㎫이므로, 수소 농도가 100 g당 0.66 내지 0.88 cc임에도 불구하고, 균열 발생은 전무이다. 내면 용접 금속의 수소 농도는 외면 용접 금속보다도 낮고, 내면 용접 금속의 100 ℃ 이상에서의 잔류 응력은 외면 용접 금속의 상온에서의 잔류 응력보다도 낮으므로, 100 ℃ 이상에서는 내면 용접 금속에 수소 취화 균열이 발생하지 않는다. 그러나, 내면 용접 금속의 온도가 100 ℃ 이하에서는 수소의 확산은 현저하게 느려져 수소 농도의 저하가 억제되고, 또한 내면 용접 금속의 잔류 응력이 인장 강도를 초과할 때까지 상승하면 횡균열 발생에 이른다. 따라서, 상온에서의 수소 농도를 규정하는 것에는 수소 취화 균열을 방지하기 위한 중요한 의미가 있다.

다음에, 적어도 외면 용접 후, 관 확장 또는 직경 축소 교정의 교정 가공 전까지의 동안, 내면 용접 금속의 수소 농도를 100 g당 0.2 cc 이하로 하는 것의 필요성에 대해 서술한다.

관 확장 또는 직경 축소 교정의 교정 가공 공정에서는 보다 양호한 진원도를 얻기 위해 통상 1 ％ 정도의 관 확장 또는 직경 축소 교정을 행한다. 이에 의해, 용접 금속의 잔류 응력은 크게 해방되고, 내면 금속의 잔류 응력의 최대치도 500 ㎫ 이하까지 격감한다. 이 정도까지 잔류 응력이 저하되면, 통상의 조건에서의 심 용접에 의해 도입되는 수소 농도에서는, 수소 취화 균열은 발생하지 않는다. 또한, 수소 취화 균열은 이후 행하는 심 용접으로부터 교정 가공 공정까지의 기간에 상온 근방에서 발생하고 있는 것이 조사의 결과, 명확해지고, 내면 용접을 선행하여 행하고, 관 확장에 의해 교정 가공하는 경우, 적어도 외면 용접 후, 관 확장에 이르기까지의 기간에 상온에서 내면 용접 금속의 수소 농도를 100 g당 0.2 cc로 하는 것이 필요하다는 결론에 이르렀다.

본 발명자는 용접 강관의 제조 과정에서 선행하는 내면 용접으로부터 그 후에 계속되는 외면 용접까지의 기간에 균열이 발생할 가능성에 대해서도 검토하였다. 외면 용접 전의 내면 용접 금속의 수소 농도는 도4에 나타내는 외면의 수소 농도와 동등하고, 100 g당 0.6 내지 1.0 cc의 범위이다. 즉, 외면으로부터 심 용접하기 전의 내면 용접 금속의 수소 농도는 외면 용접 후의 수소 농도에 비해, 훨씬 높은 수준에 있다. 그러나, 내면 용접에 의해서만 생기는 잔류 응력은 최대 500 ㎫이고, 수소 농도가 높음에도 불구하고, 균열 발생에 이르지 않는 것을 알 수 있었다. 따라서, 수소 취화 균열 방지에는 외면으로부터의 심 용접 후, 관 확장 전까지, 상온에서의 내면 용접 금속의 수소 농도를 100 g당 0.2 cc 이하로 하는 것이 필요하다.

이상의 고강도 용접 강관의 잔류 응력에 의한 수소 취화 균열 발생의 메커니즘은 UOE 강관의 제조에 있어서, 심 용접을 서브 머지 아크 용접에 의해 행하고, 내면으로부터의 용접을 선행하여 행하고, 그 후 외면으로부터 용접한 경우를 상정한 것이다. 또한, 본 발명에는 외면 용접이 선행하고, 내면 용접이 추종한 경우도 포함된다. 또한, 강관의 성형법으로서 UOE 성형 프로세스를 예로 나타냈지만, 벤딩 롤이나 JOC에 의한 성형법이라도 인장 강도 850 ㎫ 이상의 용접 강관이면, 본 발명에 포함된다.

심 용접부로의 예열 또는 후열을 행하지 않고 고강도 용접 강관을 제조하는 경우, 홈에 오일의 부착이 없는 통상의 환경에서는 도5에 도시한 바와 같이 20 ％의 확률로 균열이 발생하고 있다. 이 경우, 용접 금속에 수소가 도입되는 원인은 홈면으로의 결로, 플럭스 중의 수분 등이 고려되고, 통상의 제조 공정에서는 피할 수 없는 레벨이다.

고강도 용접 강관의 용접 금속의 수소 농도를 100 g당 0.2 cc 이하로 억제하는 방법으로서, 예를 들어 외면 용접 후, 후열처리하는 방법이 있다. 후열처리에 의한 수소 취화 균열의 방지는 가열 온도를 200 ℃ 이상, 400 ℃ 이하, 가열 온도에서의 보관 유지 시간을 1분 내지 20분으로 하는 것이 바람직하고, 고온에서 가열할수록 단시간에 효과를 얻을 수 있다. 그 밖의 구체적인 방법으로서, 심 용접에 있어서의 예열, 홈의 세정, 탈지 및 건조, 매우 고수준에서의 플럭스의 건조, 외면으로부터의 심 용접의 대입 열화에 의한 내면 용접 금속의 수소 확산 등을 들 수 있다.

내외면으로부터의 심 용접 후에 용접 금속을 후열하여 수소 농도를 저하시키는 방법은 수소 취화 균열의 방지에 유효한 대책이지만, 비교적 고온에서 장시간의 열처리가 필요하다. 특히 강관의 후육화에 수반하여, 더 장시간의 처리가 필요해지고, 가열 온도가 동일한 경우, 두께의 제곱에 비례하여 가열에 필요로 하는 시간이 길어진다.

UOE 공정에서 고강도 용접 강관을 양산하는 경우, 열처리 시간은 생산성에 직접 영향을 주기 때문에, 1분이라도 짧은 쪽이 좋다. 그래서, 본 발명자는 단시간의 열처리에서 횡균열을 방지하는 방법을 검토하였다. 도2의 잔류 응력 분포, 도5, 도6의 결과로부터 명백한 바와 같이, 횡균열을 방지하기 위해서는 선행하는 심 용접에 의해 형성된 내면 용접 금속 중의 수소 농도를 저하시키면 좋다.

우선, 본 발명자는 내면으로부터의 심 용접 후, 1주간 방치하여 수소를 확산시키고, 그 후, 외면으로부터 심 용접을 행하였다. 그 결과, 외면 용접 후의 내면 용접 금속의 수소 농도는 0.2 cc/100 g 이하이고, 횡균열은 전혀 발생하지 않았다. 다음에, 내면으로부터의 심 용접 후, 150 내지 500 ℃로 가열하고, 가열 온도에 도달한 후, 유지하지 않고 냉각하는 탈수소 처리를 실시하고, 그 후, 외면으로부터 심 용접을 행하였다. 이 경우, 내면 용접 금속의 수소 농도는 0.2 cc/100 g 이하이고, 횡균열은 전혀 발생하지 않았다.

탈수소 처리의 가열 온도는, 150 ℃ 이하에서는 수소 농도를 0.2 cc/100 g 이하로 저하시키는 데 필요로 하는 시간이 길어지고, 500 ℃를 초과하면 고강도 용접 강관의 모재가 인성의 열영향에 의해 열화된다. 그로 인해, 탈수소 처리의 가열 온도는 150 내지 500 ℃의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.

탈수소 처리의 가열 시간에 대해서는, 실험 결과를 기초로 하여 다음 식1의 t보다 장시간으로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 외면 용접 후의 내면 용접 금속의 수소 농도를 0.2 cc/100 g 이하로 할 수 있다.

[식1]

t ＝ (h/16)²/exp[-957/(273 ＋ T)]

여기서, t 가열 시간[min], h 용접 금속 높이[㎜], T 가열 온도[t]이다.

(실시예)

이하에 본 발명을 실시예에 의해 상세하게 설명한다. 또한, 여기서 ø는 직경, t는 두께를 의미한다.

표1에 강관 사이즈 ø711 × 13t, ø762 × 16t, ø914 × 16t, ø1118 × 19t, ø1219 × 19t, 강관 강도 850 내지 1100 ㎫, 강관 강도 900 내지 1050 ㎫의 UOE 성형 프로세스, 벤딩 롤(BR) 성형 프로세스에 의해 조관하고, 내면, 외면의 순으로 심 용접했을 때의 실시예와 비교예를 나타냈다. 또한, 표1의 인장 강도는 모재로부터 길이 방향을 주위 방향으로 하여 API 전체 두께 시험편을 채취하여 측정한 것이다.

본 실시예에 이용한 UOE 강관의 모재는 질량 ％로, C : 0.08 ％, Si : 0.15 ％, Mn : 1. 85 ％, P : 0.011 ％, S : 0.0003 ％, Ni : 0.38 ％, Mo : 0.34 ％, Nb : 0.029 ％, Ti : 0.013 ％, Al : 0.02 ％, B : 0.0008 ％, N : 0.0025 ％, V : 0.59 ％, Cu : 0.10 ％, Cr : 0.45를 포함하고, 잔량부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖고 있었다.

또한, 용접 금속에 대해서는 질량 ％로, C : 0.061 ％, Si : 0.26 ％, Mn : 1.68 ％, P : 0.01 ％, S : 0 ％, Ni : 2.4 ％, Cr ＋ Mo ＋ V : 1.9 ％, Ti : 0.02 ％, Al : 0.013 ％, B : 0.0009 ％, O : 0.015 ％를 포함하고, 잔량부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖고 있었다.

또한, 상기 용접에 이용한 용접 와이어는 질량 ％로, C : 0.041 ％, Si : 0.21 ％, Mn : 1.73 ％, Ni : 4.9 ％, Cr ＋ Mo ＋ V : 4.3 ％, Ti : 0.005 ％, Al : 0.012 ％ 이하를 포함하고, 잔량부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖고 있고, 용접 조건으로서의 입열량은 2.8 kJ/㎜였다.

횡균열 발생은 외면 용접 종료 후, 관 확장까지의 동안 72시간 방치하고, JIS G 0584에 준거하여 초음파 탐상에 의해 검출하였다. 수소 농도의 측정에는 내면 용접 후, 외면 용접을 실시하고, 관 확장 공정에 이르기 이전의 기간에 있어서 외면 용접 후 4시간이 경과하고, 용접 금속이 상온 근방이 된 시점에서 수소 농도를 측정하였다. 수소 농도를 측정하기 위한 시험편은 내외면 용접 금속을 포함하는 200 ㎜ × 200 ㎜의 샘플을 채취하여 드라이 아이스 중에 보존하였다. 이러한 샘플의 내면 용접 금속으로부터 5 ㎜ × 5 ㎜ × 40 ㎜의 시험편을 채취하고, 45 ℃에서 72시간 유지한 조건에서 확산성 수소를 추출한 후, 가스크로마토 그래프법을 이용하여 측정을 행하였다. 가스크로마토 그래프법은 JIS Z 3118에서 규정되어 있는 강 용접부의 수소 측정 방법에서 사용하고 있는 방법을 이용하였다. 표1 중에는 수소 농도를 3시험편의 평균치로 나타낸다.

수소 농도가 100 g당 0.2 cc 이하인 강관에서는, 수소 취화 균열은 전무였다. 이에 대해, 수소 농도가 100 g당 0.2 초과 내지 0.4 cc에서는 균열이 발생하는 경우와 발생하지 않는 경우가 혼재하고, 100 g당 0.4 cc를 초과하면 모든 강관에 대해 균열이 관찰되었다. 여기서, 수소 농도가 100 g당 0.2 초과 내지 0.4 cc인 샘플은 내외면을 용접한 후, 200 ℃에서 3분간 유지하는 후열을 실시한 경우를 포함한다. 수소 농도가 100 g당 0.4 cc를 초과하는 샘플에 관해서는 열처리는 실시되어 있지 않다.

표2에 강관 사이즈 ø711 × 13t, ø762 × 16t, ø914 × 16t, ø1118 × 19t, ø1219 × 19t, 강관 강도 850 내지 1100 ㎫의 UOE 성형 프로세스, 벤딩 롤(BR) 성형 프로세스에 의해 조관하고, 내면, 외면의 순으로 심 용접한 후, 소정의 열처리를 실시하였을 때의 실시예와 비교예를 나타냈다.

제17 내지 제35 실시예에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서 필요해지는 가열 시간 이상으로 가열된 경우, 수소 농도가 100 g당 0.2 cc/100 g 이하가 되어 수소 취화 균열은 발생하고 있지 않지만, 제36 내지 제42 비교예에 나타낸 바와 같이 시간이 짧은 경우에는 수소 농도가 100 g당 0.2 cc 이상이 되어 균열이 발생하고 있다.

[표1]

[표2]

Claims

인장 강도가 850 ㎫ 이상인 강판을 통형으로 성형하고, 맞댐부를 내외면으로부터 심 용접하고, 그 후, 관 확장 또는 관 축소 교정을 행하여 제조된 용접 강관이며, 상기 강관의 내외면으로부터의 심 용접 중, 선행하는 용접에 의해 형성된 용접 금속의 수소 농도가 탈수소 처리에 의해, 상온에서 100 g당 0.2 cc 이하로 되어 있는 것을 특징으로 하는 용접 금속의 내수소 취화 균열 특성이 우수한 고강도 용접 강관.
인장 강도가 850 ㎫ 이상인 강판을 통형으로 성형하고, 맞댐부를 내외면으로부터 심 용접하고, 탈수소 처리에 의해, 내외면으로부터의 심 용접에 의해 형성된 용접 금속의 수소 농도를 상온에서 100 g당 0.2 cc 이하로 하고, 그 후, 관 확장 또는 관 축소 교정을 행하는 것을 특징으로 하는 용접 금속의 내수소 취화 균열 특성이 우수한 고강도 용접 강관의 제조 방법.
인장 강도가 850 ㎫ 이상인 강판을 통형으로 성형하고, 맞댐부를 내외면으로부터 심 용접하고, 탈수소 처리에 의해, 상기 내외면으로부터의 심 용접 중, 선행하는 심 용접에 의해 형성된 용접 금속의 수소 농도를 상온에서 100 g당 0.2 cc 이하로 하고, 그 후, 관 확장 또는 관 축소 교정을 행하는 것을 특징으로 하는 용접 금속의 내수소 취화 균열 특성이 우수한 고강도 용접 강관의 제조 방법.
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