KR101665817B1

KR101665817B1 - 저온인성이 우수한 스파이럴 강관의 제조방법

Info

Publication number: KR101665817B1
Application number: KR1020140189090A
Authority: KR
Inventors: 송우현; 김영훈
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2014-12-24
Filing date: 2014-12-24
Publication date: 2016-10-13
Also published as: KR20160078833A

Abstract

본 발명은 스파이럴 강관에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저온인성이 우수한 스파이럴 강관을 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

저온인성이 우수한 스파이럴 강관의 제조방법 {METHOD FOR MANUFACTURING SPIRAL STEEL PIPE WITH EXCELLENT LOW TEMPERATURE IMPACT TOUGHNETSS}

최근, 전 세계적으로 에너지 수요가 급속하게 증가함에 따라, 주 에너지원인 원유나 가스를 수송하기 위한 라인파이프에 대한 수요가 증가하고 있다.

주 에너지원인 원유나 가스는 다년간에 걸친 채굴로 점차 매장량이 줄어들고 있으며, 이에 심해 또는 한랭지로 채굴지가 이동하고 있는 실정이다. 이와 같은 지역에 라인파이프를 매설하기 위해서는, 기존 파이프의 강도는 물론이고, 저온인성에 대한 요구치가 높아지고 있다.

한편, 라인파이프를 건설하기 위한 조관방법으로는 여러 가지가 있으나, 원가 측면을 고려하면 라인파이프용 열연강판을 이용한 조관법인 스파이럴(spiral) 조관방법이 유리하다.

스파이럴 조관방법은 기타 UOE, JOC, R/B 조관방법과는 달리 강판을 나선형으로 감아 파이프 형상으로 조관한 후 상기 강판의 내면과 외면을 용접하여 강관을 얻는 방법으로서, 이와 같이 내면 용접과 외면 용접이 연속적으로 이루어짐으로 인해 내면 용접시 발행하는 열로부터 외면 용접부가 예열되어 외면 용접부의 물성이 저하되는 문제가 있다.

따라서, 열연강판을 이용한 스파이럴 조관시 외면 용접부의 물성 열화를 방지할 수 있는 방안이 요구된다.

본 발명의 일 측면은, 열연강판의 스파이럴 조관시 외면 용접부의 물성 열화가 없으면서, 저온인성이 우수한 스파이럴 강관의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 측면은, 스파이럴 조관용 열연강판을 준비하는 단계; 상기 열연강판을 나선형으로 감아 파이프 형상으로 조관하는 단계; 및 상기 파이프 형상의 맞닿은 한 부분을 내면에서 용접한 후, 상기 맞닿은 다른 부분을 외면에서 용접하는 용접단계를 포함하고,

상기 외면 용접시 용접금속은 상기 내면 용접시 용접금속에 비해 소입성이 높은 것을 특징으로 하는 저온인성이 우수한 스파이럴 강관의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의할 경우, 스파이럴 강관을 제조하기 위한 내면 용접과 외면 용접을 연속적으로 실시하더라도 외면 용접부에서의 예열 효과를 저감시킬 수 있으므로 외면 용접부의 물성 열화를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 저온인성이 우수하여 한냉 지역 등에서 원유, 가스 등을 수송하는데 유리하게 사용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 스파이럴 강관 제조시 용접과정을 모식화하여 나타낸 것이다.
도 2는 스파이럴 강관 제조시 용접부 열싸이클을 측정하여 나타낸 것이다.
도 3은 스파이럴 강관 제조시 예열온도에 따른 용접부 경도 측정결과를 나타낸 것이다.
도 4는 스파이럴 강관 제조시 예열온도에 따른 용접금속 미세조직을 관찰한 결과를 나타낸 것이다.
도 5 및 6은 스파이럴 강관 제조시 예열온도에 따른 용접부 충격인성을 측정한 결과를 나타낸 것으로서, 도 5는 용접금속의 충격인성 결과를 나타낸 것이고, 도 6은 열영향부의 충격인성 결과를 나타낸 것이다 (도 5 및 6에서 x축의 'number'는 실험 실시 횟수를 의미한다).

도 1에 나타낸 바와 같이, 일반적으로 스파이럴 조관방법은 코일형상의 열연강판이 풀리면서 조관기를 통과하여 점차 파이프 형상으로 성형되는 동시에 상기 파이프의 6시 방향에서 용접하는 내면 용접과 약 11시 방향에서 동일한 용접방법으로 외면 용접을 연속하여 실시함으로써 최종 파이프를 제조하는 방법이다.

이와 같이, 내면 용접과 외면 용접이 연속하여 실시됨으로써 외면의 용접부는 내면 용접시 입열에 의해 예열이 되며, 이는 외면 용접부의 물성 저하를 초래한다.

이에, 본 발명자는 스파이럴 조관방법을 이용하여 강관을 제조하는 경우, 전술한 바와 같이 내면 용접에 의한 외면 용접부의 물성이 열화되는 문제점을 근본적으로 해결하기 위하여 깊이 연구한 결과, 상기 외면 용접시 용접금속의 성분조성을 상기 내면 용접시 용접금속에 비해 소입성이 높은 성분으로 제어하는 것으로부터, 용접부의 외면 및 내면의 물성이 균일하고, 저온인성이 우수한 스파이럴 강관을 제조할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 일 측면에 따른 저온인성이 우수한 스파이럴 강관의 제조방법은, 스파이럴 조관용 열연강판을 준비하는 단계; 상기 열연강판을 나선형으로 감아 파이프 형상으로 조관하는 단계; 및 상기 파이프 형상의 맞닿은 한 부분을 내면에서 용접한 후, 상기 맞닿은 다른 부분을 외면에서 용접하는 용접단계를 포함하고, 상기 외면 용접시 용접금속은 상기 내면 용접시 용접금속에 비해 소입성이 높은 것을 특징으로 한다.

보다 구체적으로, 상기 외면 용접시 형성되는 용접금속의 성분은 상기 내면 용접시 형성되는 용접금속의 성분대비 소입성 향상에 유리한 원소를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 내면 용접시 용접금속의 성분은 중량%로, 탄소(C): 0.01~0.18%, 실리콘(Si): 0.5% 이하, 망간(Mn): 0.8~1.8%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 구리(Cu): 0.5% 이하, 크롬(Cr): 0.5% 이하, 니켈(Ni): 0.5% 이하, 니오븀(Nb): 0.07% 이하, 바나듐(V): 0.07% 이하, 몰리브덴(Mo): 0.4% 이하, 티타늄(Ti): 0.005~0.050%, 인(P): 0.025% 이하, 황(S): 0.02% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 외면 용접시 용접금속의 성분은 탄소(C): 0.03~0.2%, 실리콘(Si): 0.15~1.0%, 망간(Mn): 1.0~2.0%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 구리(Cu): 0.5% 이하, 크롬(Cr): 0.5% 이하, 니켈(Ni): 1.0% 이하, 니오븀(Nb): 0.07% 이하, 바나듐(V): 0.07% 이하, 몰리브덴(Mo): 0.5% 이하, 티타늄(Ti): 0.05% 이하, 보론(B): 0.006% 이하, 인(P): 0.025% 이하, 황(S): 0.02% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 내면 용접금속 대비 외면 용접금속 내에 C, Si, Mn, Ni, Mo, Ti, B와 같은 소입성을 향상시킬 수 있는 성분들 중 적어도 1종 이상의 함량을 상대적으로 높게 함으로써 인성 열화가 없는 용접부의 형성이 가능하게 된다.

이하에서는, 상기 외면 용접시 용접금속의 성분조성을 한정한 이유에 대하여 상세히 설명한다. 이때, 특별한 언급이 없는 한, 각 성분은 중량%를 의미한다.

C: 0.03~0.2%

탄소(C)는 모재의 강도와 인성에 매우 큰 영향을 미치는 원소로서, 이를 위해서는 0.03% 이상으로 첨가할 필요가 있다. 다만, 그 함량이 0.2%를 초과하게 되면 인성 또는 연성에 악영향을 미치는 문제가 있다.

Si: 0.15~1.0%

실리콘(Si)은 강의 탈산 과정에서 필연적으로 함유되는 원소이지만, 강 중에 과잉으로 존재하면 열영향부의 인성을 저해시키므로, 그 함량을 1.0% 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 보다 유리하게는 0.15~1.0%로 제한함이 더 바람직하다.

Mn: 1.0~2.0%

망간(Mn)은 모재의 강도와 인성을 동시에 향상하는 지극히 중요한 원소로서, 이를 충분히 얻기 위해서는 1.0% 이상으로 포함하는 것이 바람직하다. 다만 그 함량이 2.0%를 초과하게 되면 편석 등에 의해 강재에 악영향을 미치는 문제가 있다.

Al: 0.01~0.05%

알루미늄(Al)은 탈산제로 첨가되며, 이를 위해서는 0.01% 이상 포함하는 것이 바람직하나, 그 함량이 0.05%를 초과하게 되면 조대한 질화물이나 산화물이 형성시켜 용접부 충격인성을 저하시키는 문제가 있다.

Cu: 0.5% 이하

구리(Cu)는 모재의 강도를 확보하기 위하여 필요한 원소이지만, 그 함량이 0.5%를 초과하게 되면 모재 및 열영향부가 경화되는 문제가 있으므로, 그 함량을 0.5% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

Cr: 0.5% 이하

크롬(Cr)은 모재의 강도를 확보하기 위하여 필요한 원소이지만, 그 함량이 0.5%를 초과하게 되면 열영향부의 인성을 열화시키는 문제가 있으므로, 그 함량을 0.5% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

Ni: 1.0% 이하

니켈(Ni)은 모재의 강도와 인성을 향상시키는 원소이지만, 그 함량이 1.0%를 초과하게 되면 용접금속 내 저온변태조직이 형성되는 문제가 있으므로, 그 함량을 1.0% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

Nb 및 V: 각 0.07% 이하

니오븀(Nb) 및 바나듐(V)은 모재 및 열영향부의 강도와 인성을 확보하기 위하여 첨가하는 원소이지만, 각각의 함량이 0.07%를 초과하게 되면 인성에 악영향을 미치기 때문에, 그 함량을 각각 0.07% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

Mo: 0.5% 이하

몰리브덴(Mo)은 모재의 강도를 확보하는데 유용한 원소이나, 그 함량이 0.5%를 초과하게 되면 열영향부가 경화되는 문제가 있다.

Ti: 0.05% 이하

티타늄(Ti)은 모재의 인성 확보에 유리한 원소이나, 그 함량이 0.05%를 초과하게 되면 오히려 모재의 인성을 열화시키는 문제가 있으므로, 그 상한을 0.05%로 제한하는 것이 바람직하다.

B: 0.006% 이하

보론(B)은 압연 중에 오스테나이트 입계에 편석하여 담금질성을 향상시키는 역할을 하나, 그 함량이 0.006%를 초과하게 되면 열영향부의 인성을 열화 시키는 문제가 있다.

P: 0.025% 이하

인(P)의 함량은 0.025% 이하로 하는 것이 바람직하다. P는 용접시 고온균열을 조장하는 불순원소이기 때문에 가능한 낮게 관리하는 것이 바람직하므로, 그 상한을 0.025%로 하는 것이 바람직하다.

S: 0.02% 이하

황(S)의 함량은 0.02% 이하로 하는 것이 바람직하다. S는 MnS의 복합석출물을 석출시키는 원소이나, 0.02%를 초과하는 경우 FeS 등의 저융점화합물을 형성시켜 고온균열을 유발시킬 수 있기 때문에, 0.02% 이하로 하는 것이 바람직하다.

한편, 내면 용접시에는 종래의 용접재료와 동일한 것을 사용할 수 있으며, 일 예로 하기 실시예 3의 종래예로서 나타낸 용접금속을 형성하는 용접재료를 이용할 수 있다.

상기한 바에 따라 외면 용접금속을 제어할 경우, 내면 용접시 입열의 영향으로 예열된 외면 용접부의 예열효과를 저감시킬 수 있다.

특히, 예열에 의해 외면 용접부의 온도가 200℃ 이상이더라도 용접부 인성 열화를 방지하는 효과가 있다.

이와 같이 예열효과가 저감된 외면 용접금속의 미세조직은 주로 침상 페라이트(Accicular Ferrite)로 이루어지며, 상기 침상 페라이트 사이로 입계 페라이트(Grain Boundary Ferrite)가 일부 포함될 수 있으며, 이때 입계 페라이트의 분율은 면적분율 기준 15% 이하로 포함하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 10% 이하인 것이 저온인성 확보에 유리하다.

상기 외면 용접금속 내 미세조직으로 입계 페라이트 분율이 15%를 초과하게 되면 저온인성이 저하되는 문제가 있으므로 바람직하지 못하다.

본 발명의 경우, 상기 외면 용접금속 내 입계 페라이트 분율은 외면 용접시 사용되는 용접재료에 의해 제어할 수 있으며, 소입성이 높은 재료를 사용함으로써 외면 용접금속 내 입계 페라이트의 형성을 억제할 수 있는 효과가 있다.

이와 같이, 외면 용접시 용접금속의 성분조성을 최적화하는 것으로부터, 외면 용접부 물성의 저하가 없으면서, 저온인성이 우수한 용접부를 갖는 스파이럴 강관을 제조할 수 있게 된다.

한편, 상기 용접시 용접방법에 대하여 본 발명에서는 이를 특별히 한정하지 아니하나, 예컨대 서브머지드 아크 용접(submerged arc welding)방법이 사용될 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 실시예의 기재는 본 발명의 실시를 예시하기 위한 것일 뿐 이러한 실시예의 기재에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

( 실시예 1)

판 두께 14.6mm의 API 5L X70 열연강판을 파이프 외경 40＂으로 스파이럴 조관시 입열량 20kJ/cm로 내면 용접 및 외면 용접한 후, 용접부의 열싸이클을 측정하여 도 2에 나타내었다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 내면 용접시 온도가 2000℃ 이상으로 상승함에 따라 외면 용접부가 예열되어 그 온도가 약 350℃로 증가하는 것을 확인할 수 있다.

( 실시예 2)

상기 실시예 1과 동일한 열연강판에 대하여 파이프 외경 40＂으로 스파이럴 조관시 외면 용접부의 예열 온도에 따른 강도 변화를 확인하고자 하였다.

이에, 상기 동일 열연강판의 외면 용졉부에 무예열, 400℃로 예열 또는 550℃로 예열한 후 용접부 경도 분포를 측정하여 하기 도 3에 나타내었으며, 각각의 조건에서의 용접금속의 미세조직을 측정하여 하기 도 4에 나타내었다. 또한, 각각의 조건에 따른 용접부의 충격인성을 측정하여 하기 도 5와 6에 나타내었다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 예열온도가 증가할수록 용접금속 및 열영향부(Heat affected zone)의 경도가 저하하는 것을 확연하게 확인할 수 있다.

또한, 도 4에 나타낸 바와 같이, 예열온도가 증가할수록 용접금속 내 인성이 우수한 침상 페라이트(acicular ferrite)가 조대화될 뿐만 아니라, 상분율이 감소하는 동시에 침상 페라이트 사이로 흰색의 입계 페라이트(grainboundary ferrite)의 분율이 증가하는 것을 확인할 수 있다.

상기 입계 페라이트 조직은 일반적으로 입열량이 높은 경우 나타나며, 용접금속의 인성을 저하시키는 원인이 된다.

뿐만 아니라, 도 5에 나타낸 바와 같이 예열온도가 증가할수록 용접금속의 충격인성이 급격히 감소함을 확인할 수 있다. 또한, 도 6에 나타낸 바와 같이 열영향부의 경우 예열온도에 따른 충격인성 변화가 크지는 않으나, 예열온도가 550℃인 경우 충격인성 편차가 증가하여 예열온도가 열영향부 충격인성에 악영향을 미침을 알 수 있다.

상술한 결과로 볼 때, 스파이럴 조관시 내면 용접에 의한 외면 용접부 물성 열화를 방지하기 위해서는, 외면 용접부에서의 예열효과를 저감할 필요가 있음을 확인할 수 있다.

( 실시예 3)

스파이럴 조관시 외면 용접금속의 성분조성을 제한함에 따른 미세조직 내 입계 페라이트 분율 변화를 확인하고자 하였다.

이에, 상기 실시예 1과 동일한 열연강판에 대하여 파이프 외경 40＂으로 서브머지드 아크 용접을 행한 후, 외면 용접금속의 성분을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다. 이때, 내면 용접금속은 하기 표 1의 종래예와 동일하였다.

구분	용접금속 성분조성(중량%)														Ceq	GBF (%)
구분	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	Mo	Al	Nb	Ti	V	B	Ceq	GBF (%)
종래예	0.040	0.215	1.22	0.010	0.003	0.061	0.110	0.040	0.003	0.026	0.034	0.020	0.031	-	0.27	22
발명 예1	0.042	0.216	1.55	0.009	0.003	0.059	0.101	0.050	0.214	0.027	0.028	0.006	0.028	-	0.37	11
발명 예2	0.041	0.363	1.50	0.006	0.002	0.067	0.820	0.046	0.174	0.026	0.028	0.014	0.028	-	0.40	4
발명예3	0.045	0.210	1.25	0.006	0.003	0.062	0.250	0.041	0.150	0.026	0.030	0.002	0.030	-	0.32	10
발명예4	0.040	0.210	1.25	0.006	0.003	0.059	0.210	0.040	0.020	0.024	0.029	0.014	0.030	-	0.29	11
발명예5	0.047	0.210	1.22	0.012	0.002	0.190	0.200	0.041	0.070	0.021	0.030	0.010	0.020	0.001	0.32	7

(상기 표 1에서 GBF는 입계 페라이트를 의미한다. Ceq는 탄소 당량으로서 [Ceq = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15]으로 계산한 값을 나타내었으며, 여기서 각 성분은 함량(중량%)을 의미한다.)

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 발명예 1 내지 4의 경우 종래예에 비해 소입성을 향상시킬 수 있는 C, Si, Mn, Ni, Mo, Ti, B 등의 원소 중 하나 이상의 함량을 높인 조성의 용접재료를 사용한 경우로서, 이로 인해 외면 용접금속 내 소입성이 향상됨으로써 입계 페라이트 분율이 종래예에 비해 감소한 것을 확인할 수 있다.

특히, 발명예 1 내지 3은 외면 용접금속 내 Mo의 함량이 높아지고, 발명예 4는 외면 용접금속 내 Ni의 함량이 높아지고, 발명예 5는 B의 함량이 높아짐에 따라 소입성이 향상된 것이다.

즉, 외면 용접시 소입성이 우수한 용접재료의 사용으로부터 용점금속 내 입계 페라이트 형성을 억제할 수 있으며, 이는 곧 저온인성을 향상시킴과 동시에 외면 용접부 물성을 확보할 수 있음을 의미한다.

Claims

스파이럴 조관용 열연강판을 준비하는 단계;
상기 열연강판을 나선형으로 감아 파이프 형상으로 조관하는 단계; 및
상기 파이프 형상의 맞닿은 한 부분을 내면에서 용접한 후, 상기 맞닿은 다른 부분을 외면에서 용접하는 용접단계를 포함하고,
상기 외면 용접시 용접금속은 상기 내면 용접시 용접금속에 비해 소입성이 높고,
상기 외면 용접 후 용접금속은 입계 페라이트(Grain Boundary Ferrite)를 면적분율 15% 이하로 포함하는 것을 특징으로 하는 저온인성이 우수한 스파이럴 강관의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 외면 용접시 용접금속의 성분은 중량%로, 탄소(C): 0.03~0.2%, 실리콘(Si): 0.15~1.0%, 망간(Mn): 1.0~2.0%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 구리(Cu): 0.5% 이하, 크롬(Cr): 0.5% 이하, 니켈(Ni): 1.0% 이하, 니오븀(Nb): 0.07% 이하, 바나듐(V): 0.07% 이하, 몰리브덴(Mo): 0.5% 이하, 티타늄(Ti): 0.05% 이하, 보론(B): 0.006% 이하, 인(P): 0.025% 이하, 황(S): 0.02% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것인 저온인성이 우수한 스파이럴 강관의 제조방법.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 용접단계는 서브머지드 아크 용접하는 것인 저온인성이 우수한 스파이럴 강관의 제조방법.