KR101903183B1

KR101903183B1 - 파이프용 강재, 이에 의해 제조되는 용접 강관 및 파이프용 강재의 제조방법

Info

Publication number: KR101903183B1
Application number: KR1020160178574A
Authority: KR
Inventors: 김영훈
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2016-12-23
Filing date: 2016-12-23
Publication date: 2018-10-01
Also published as: KR20180074477A

Abstract

본 발명은 우수한 강도와 충격 인성을 갖는 파이프용 강재, 이에 의해 제조되는 용접 강관 이음부 및 파이프용 강재의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파이프용 강재는, 0.10 내지 0.15 중량%의 탄소(C); 0.1 내지 0.3 중량%의 실리콘(Si); 0.5~1.2 중량%의 망간(Mn); 0.05 내지 0.1 중량%의 니오븀(Nb); 0.05 내지 0.2 중량% 니켈(Ni); 0.1 내지 0.3 중량% 크롬(Cr); 0.05 내지 0.15 중량%의 몰리브덴(Mo); 및 0.01 내지 0.05 중량% 티타늄(Ti);을 포함하고, 하기 [관계식 1]을 만족하고, 페라이트, 펄라이트 및 베이나이트 중 적어도 하나의 미세조직으로 구성된다.
[관계식 1]
50 < 209 + 4.91 [F] + 0.063[P] - 3.82[B] - 0.891Dmax - 0.217YS - 4.29YR < 80
(여기서 [F]는 페라이트 미세조직의 분율을 의미하고, [P]는 펄라이트 미세조직의 분율을 의미하고, [B]는 베이나이트 미세조직의 분율을 의미하며, Dmax는 최대 결정립 사이즈(㎛), YP는 강도(MPa), YR은 항복비(%)를 의미한다.)

Description

파이프용 강재, 이에 의해 제조되는 용접 강관 및 파이프용 강재의 제조방법{STEEL MATERIAL FOR PIPE AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}

본 발명은 오일이나 가스 채굴 등에 사용되는 파이프용 강재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 피로 저항성이 우수한 파이프용 강재, 이에 의해 제조되는 용접 강관 및 파이프용 강재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

석유 및 가스 산업에서는 직경 1인치 내지 3.25인치의 수 km의 코일드 튜브(Coiled Tube)를 릴 스풀(Reel Spool)을 통해 공급하여, 유정이나 가스정에서 유체순환, 펌핑, 드릴링, 로그인, 천공 등 다양한 용도로 사용한다. 이 때 코일드 튜브의 사용 시마다 반복되는 릴링(Reeling)과 언릴링(Unreeling)으로 인해 반복굽힘 응력이 누적되어 튜브의 조기 파단을 유발한다.

특히, 피로응력이 집중되는 용접부에는 충격이 가해질 경우 파단으로 인해 제품수명을 단축시키는 문제가 발생하므로 충격인성이 향상된 소재의 개발 및 용접부 제조기술 향상을 위한 연구들이 요구된다.

한국공개특허문헌 2011-7017340 (2010.03.25 공개)

본 발명은 우수한 강도와 충격 인성을 갖는 파이프용 강재, 이에 의해 제조되는 용접 강관 이음부 및 파이프용 강재의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 파이프용 강재는, 0.10 내지 0.15 중량%의 탄소(C); 0.1 내지 0.3 중량%의 실리콘(Si); 0.5~1.2 중량%의 망간(Mn); 0.05 내지 0.1 중량%의 니오븀(Nb); 0.05 내지 0.2 중량% 니켈(Ni); 0.1 내지 0.3 중량% 크롬(Cr); 0.05 내지 0.15 중량%의 몰리브덴(Mo); 및 0.01 내지 0.05 중량% 티타늄(Ti);을 포함하고, 하기 [관계식 1]을 만족하고, 페라이트, 펄라이트 및 베이나이트 중 적어도 하나의 미세조직으로 구성된다.

[관계식 1]

50 < 209 + 4.91 [F] + 0.063[P] - 3.82[B] - 0.891Dmax - 0.217YS - 4.29YR < 80

(여기서 [F]는 페라이트 미세조직의 분율을 의미하고, [P]는 펄라이트 미세조직의 분율을 의미하고, [B]는 베이나이트 미세조직의 분율을 의미하며, Dmax는 최대 결정립 사이즈(㎛), YP는 강도(MPa), YR은 항복비(%)를 의미한다.)

상기 미세조직의 평균결정립 크기는 15㎛ 이하이고, 최대결정립 크기 30㎛ 이하일 수 있다.

상기 미세조직이 면적분율로 60 내지 80%의 페라이트, 20 내지 40%의 펄라이트 및 나머지 베이나이트로 구성될 수 있다.

파이프용 강재는, 0.008 중량% 이하의 질소(N);를 더 포함할 수 있다.

파이프용 강재는, 0.025 중량% 이하의 인(P);을 더 포함할 수 있다.

파이프용 강재는, 0.01 중량% 이하의 황(S);을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 용접 강관은, 0.10 내지 0.15 중량%의 탄소(C); 0.1 내지 0.3 중량%의 실리콘(Si); 0.5~1.2 중량%의 망간(Mn); 0.05 내지 0.1 중량%의 니오븀(Nb); 0.05 내지 0.2 중량% 니켈(Ni); 0.1 내지 0.3 중량% 크롬(Cr); 0.05 내지 0.15 중량%의 몰리브덴(Mo); 및 0.01 내지 0.05 중량% 티타늄(Ti);을 포함하고, 하기 [관계식 1]을 만족하고, 페라이트, 펄라이트 및 베이나이트 중 적어도 하나의 미세조직으로 구성되는 파이프용 강재에 의해 제조된다.

[관계식 1]

50 < 209 + 4.91 [F] + 0.063[P] - 3.82[B] - 0.891Dmax - 0.217YS - 4.29YR < 80

상기 파이프용 강재의 미세조직이 면적분율로 60 내지 80%의 페라이트, 20 내지 40%의 펄라이트 및 나머지 베이나이트로 구성될 수 있다.

용접 강관은, 620 내지 689MPa의 항복 강도, 669MPa 이상의 인장 강도를 가질 수 있다.

용접 강관은, 40J 이상의 충격 인성을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 파이프용 강재의 제조방법은, 0.10 내지 0.15 중량%의 탄소(C); 0.1 내지 0.3 중량%의 실리콘(Si); 0.5~1.2 중량%의 망간(Mn); 0.05 내지 0.1 중량%의 니오븀(Nb); 0.05 내지 0.2 중량% 니켈(Ni); 0.1 내지 0.3 중량% 크롬(Cr); 0.05 내지 0.15 중량%의 몰리브덴(Mo); 및 0.01 내지 0.05 중량% 티타늄(Ti);을 포함하는 슬라브를 준비하는 단계; 상기 슬라브를 1100 내지 1300℃의 온도범위에서 재가열하는 단계; 상기 슬라브를 750 내지 850℃의 온도범위에서 마무리 열간 압연하여 열연강판을 제조하는 단계; 및 상기 열연강판을 냉각한 후 500 내지 600℃의 온도범위에서 권취하는 단계;를 포함한다.

상기 열연강판을 권취하여 제조된 파이프용 강재는, 하기 [관계식 1]을 만족하고, 페라이트, 펄라이트 및 베이나이트 중 적어도 하나의 미세조직으로 구성된다.

[관계식 1]

50 < 209 + 4.91 [F] + 0.063[P] - 3.82[B] - 0.891Dmax - 0.217YS - 4.29YR < 80

본 발명의 실시예들에 따른 파이프용 강재 및 그 제조방법에 의하면, 우수한 강도와 충격 인성을 갖는 용접 강관을 얻을 수 있다.

또한, 우수한 강도와 충격 인성을 갖는 용접 강관을 사용할 경우, 용접 강관의 이음부에 피로 응력이 집중되고 충격이 가해지더라도 쉽게 파단되지 않으므로 제품 수명을 연장할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프용 강재의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다.

본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 파이프용 강재는 용접 강관 제조 후 API 5ST 규격 내에서 요구하는 CT90급 상당의 항복강도(620~689MPa) 및 인장강도 (669MPa 이상)를 충족시킬 수 있는 강재이다.

이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프용 강재는 탄소(C) 0.10 내지 0.15%, 실리콘(Si) 0.1 내지 0.3%, 망간(Mn) 0.8 내지 1.2%, 니오븀(Nb) 0.05 내지 0.1%, 니켈(Ni) 0.05 내지 0.2%, 크롬(Cr) 0.1 내지 0.3%, 몰리브덴(Mo) 0.05 내지 0.15%, 및 티타늄(Ti) 0.01 내지 0.05%를 포함한다. 여기서, 각 성분의 조성비는 파이프용 강재의 전체 중량을 기준으로 한 것이다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프용 강재는 0 초과 0.008 중량% 이하의 질소를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프용 강재는 0.05 내지 0.1 중량%의 바나듐(V)을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프용 강재는 인(P)의 함량을 0.025% 이하로 제한하고, 황(S)의 함량을 0.01% 이하로 제한할 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프용 강재의 성분들과 각각의 조성비에 대하여 구체적으로 설명한다. 여기서, 각 성분의 조성비는 파이프용 강재의 총 중량을 기준으로 한 것이다.

탄소(C)

탄소가 파이프용 강재에 포함되면, 소입성을 향상시켜 강도를 확보할 수 있다. 또한, 파이프용 강재의 내마모 특성 역시 증가한다.

탄소는 파이프용 강재의 총 중량 100% 에 대해 0.1 내지 0.15 중량%의 비율로 포함될 수 있다. 탄소가 상기의 비율로 포함되는 경우에 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프용 강재에 대해 목표로 하는 CT90급 상당의 항복강도(620~689MPa)를 얻을 수 있다.

규소( Si )

규소가 파이프용 강재에 포함되면 탈산제로서의 역할을 하며, 고용강화에 따른 강도 확보를 가능하게 한다.

규소는 파이프용 강재의 총 중량 100%에 대해 0.1 내지 0.5 중량%의 비율로 포함될 수 있다. 규소를 0.1 중량% 이상 포함함으로써, 충분한 탈산 효과를 얻을 수 있다. 또한, 규소의 함량을 0.5 중량% 이하로 제한함으로써 마르텐사이트-오스테나이트 혼합상(Martensite-Austenite: MA)이 형성되어 충격 인성이 저하되거나 템퍼링 시 취하가 발생하는 문제를 방지할 수 있다.

망간(Mn)

망간은 파이프용 강재의 가공 경화도를 높임과 동시에 강도, 충격인성 및 내마모성을 향상 시킬 수 있다. 또한, 망간은 황(S)과 반응하여 황화망간(MnS)을 형성함으로써, 탈황 효과를 얻을 수 있고 피삭성 및 연신율을 향상시킬 수 있다.

망간은 파이프용 강재의 총 중량 100% 에 대해 0.5 내지 1.2 중량%의 비율로 포함될 수 있다. 망간이 0.5 중량% 이상 포함되면 원하는 강도를 얻을 수 있고, 오스테나이트 상을 안정화시킬 수 있다. 또한, 망간의 함량을 1.2 중량% 이하로 제한함으로써 연주 시 중심 편석을 형성시켜 충격 인성이 저하되거나 피로특성 저항성이 저하되는 문제를 방지할 수 있다.

니오븀( Nb )

니오븀은 파이프용 강재의 강도 확보를 위해 포함될 수 있다. 니오븀은 NbC 석출물을 생성시켜 석출강화 효과를 가져올 수 있다.

니오븀은 파이프용 강재 총 중량 100%에 대해 0.05 내지 0.1 중량%의 비율로 포함될 수 있다. 니오븀을 0.05 중량% 이상 포함함으로써 일정 수준 이상의 석출 강화 효과를 얻을 수 있다. 또한, 니오븀의 함량을 0.1 중량% 이하로 제한함으로써 석출 경화에 불리한 조대한 석출물이 형성되거나, MA 형성을 촉진하여 인성을 저하시키는 문제를 방지할 수 있다.

니켈( Ni )

니켈은 격자 내 적층 결함 에너지를 낮추어 천이 온도를 저하시킴으로써, 파이프용 강재의 인성을 향상시킬 수 있다. 또한, 저융점 화합물의 생성을 억제하여 열간 가공시 크랙이 발생하는 현상을 억제할 수 있다.

니켈은 파이프용 강재의 총 중량 100%에 대해 0.05 내지 0.2 중량% 이하의 비율로 포함될 수 있다. 상기 인성 향상의 효과를 얻기 위해서는 니켈을 최소 0.05 중량% 이상 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 니켈의 ?t량을 0.2 중량% 이하로 제한함으로써, Ni 화합물이 생성되어 오히려 인성을 저하시키는 문제를 방지할 수 있다.

크롬( Cr )

크롬은 파이프용 강재에 포함되어 경화능 및 내식성을 향상시킬 수 있다. 또한, 크롬은 MC, M₂₃C₆과 같은 탄화물 생성에 핵심적인 성분으로 작용한다. 즉, 일정량의 크롬이 첨가되면 보다 높은 수준의 석출 경화도를 얻을 수 있다.

아울러, 크롬은 강력한 내산화방지 원소로서, 외부의 산화분위기에 대응하는 내산화도를 높이는 장점이 있으며, 내식성을 향상시킬 수 있다.

크롬은 파이프용 강재의 총 중량 100% 에 대해 0.1 내지 0.3 중량%의 비율로 포함될 수 있다. 크롬을 0.1 중량% 이상 함유함으로써, 전술한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 크롬의 함유량을 0.3 중량% 이하로 제한함으로써, 크롬이 용접부 결함을 유발하거나 취성을 야기시키는 문제를 방지할 수 있다.

몰리브덴( Mo )

몰리브덴은 기지의 고용강화를 통해 파이프용 강재의 강도를 향상시킬 수 있고, 내식성 향상에도 도움을 준다.

몰리브덴은 파이프용 강재의 총 중량 100%에 대해 0.05 내지 0.15 중량% 이하의 비율로 포함될 수 있다. 몰리브덴을 0.05 중량% 이항 포함함으로써 강도 및 내식성 향상의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 몰리브덴의 함유량을 0.15 중량% 이하로 제한함으로써, 탄화 석출물을 생성시켜 인성이 저하되는 문제를 방지할 수 있다.

티타늄( Ti )

티타늄은 파이프용 강재의 강도 및 인성을 향상시킬 수 있다. 구체적으로, TiC 석출물을 생성시켜 석출 강화 효과를 얻을 수 있고, TiN을 석출시켜 오스테나이트 결정립 성장을 억제시킴으로써 미세한 결정립을 생성시키고 이로 인해 강도를 확보하고 인성을 향상시킬 수 있다.

티타늄은 파이프용 강재의 총 중량 100%에 대해 0.01 내지 0.05 중량%의 비율로 포함될 수 있다. 전술한 효과를 얻기 위해서는 티타늄을 최소 0.01 중량% 이상 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 티타늄의 함량을 0.05 중량% 이하로 제한함으로써, 조대한 Ti 석출물이 생성되어 인성을 저하시키는 문제를 방지할 수 있다.

바나듐(V)

바나듐은 파이프용 강재의 강도 및 인성을 향상시킬 수 있다. 구체적으로, VC 석출물을 생성시켜 석출 강화 효과를 얻을 수 있고, VN을 석출시켜 오스테나이트 결정립 성장을 억제시킴으로써 미세한 결정립을 생성시키고 이로 인해 강도를 확보하고 인성을 향상시킬 수 있다.

바나듐은 파이프용 강재의 총 중량 100%에 대해 0.05 내지 0.1 중량%의 비율로 포함될 수 있다. 전술한 효과를 얻기 위해서는 바나듐을 최소 0.051 중량% 이상 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 바나듐의 함량을 0.1 중량% 이하로 제한함으로써, 조대한 V 석출물이 생성되어 인성을 저하시키는 문제를 방지할 수 있다.

질소(N)

질소는 파이프용 강재 내에서 티타늄 또는 알루미늄 등과 결합하여 질화물을 생성함으로써 타 합금원소의 기능을 저하시킬 수 있다. 특히, 질소의 함량이 0.008 중량%를 초과하면 조대한 석출물이 생성되어 파이프용 강재의 인성을 저하시킬 수 있고, AlN 석출물이 증가하여 Al의 탈산 효과를 저하시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프용 강재는 질소의 함량을 0ㅈ 중량% 초과 0.008 중량% 이하로 제한한다.

인(P)

인은 강의 제조에서 불가피하게 발생되는 불순물에 해당한다. 인의 함량이 파이프용 강재의 총 중량 100%에 대해 0.025 중량%를 초과하면 연속 주조 시 중심 편석을 형성시켜 충격 인성을 저하시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프용 강재는 인의 함량을 0.025 중량% 이하로 제한한다.

황(S)

황은 강의 제조에서 불가피하게 발생되는 불순물에 해당한다. 파이프용 강재 내의 황의 함량이 0.005 중량%를 초과하면 망간과 반응하여 MnS를 생성시켜 파이프용 강재의 인성을 저하시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프용 강재는 황의 함량을 0.005 중량% 이하로 제한한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 파이프용 강재의 나머지 성분은 철(Fe) 및 통상의 철강 제조과정에서 원료 또는 주위 환경으로부터 의도치 않게 혼입되는 기타 불가피한 불순물이다. 이들 불순물들에 관한 내용은 통상의 기술자라면 용이하게 알 수 있는 것이므로, 여기서는 자세한 설명을 생략한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 파이프용 강재는 하기 [관계식 1]을 만족할 수 있다.

[관계식 1]

50 < 209 + 4.91 [F] + 0.063 [P] - 3.82 [B] - 0.891 Dmax - 0.217 YS - 4.29 YR < 80

여기서, F는 페라이트 미세조직의 분율, P는 펄라이트 미세조직의 분율, B는 베이나이트 미세조직의 분율을 의미한다. Dmax는 최대 결정립 사이즈(㎛), YP는 소재의 강도(MPa), YR은 항복비(%)를 의미한다.

미세조직의 분율과 결정립의 크기는 모두 파이프용 강재의 우수한 물성 확보에 중요한 항목들로서, 상기 [관계식 1]을 벗어나면 미세조직 및 충격 저항성에 영향을 미치게 되고, 이로 인해 파이프용 강재의 인성을 확보할 수 없게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 파이프용 강재는 미세조직이 페라이트 및 펄라이트 혹은 페라이트, 펄라이트 및 베이나이트의 복합 조직으로 이루어질 수 있다.

상기 [관계식 1]을 만족하기 위해, 페라이트의 평균 결정립 크기는 15μm 이하 및 최대 결정립 크기는 30μm 이하로 구현될 수 있다. 결정립의 크기는 결정립 원형 면적당 직경을 기준으로 한 것이다.

페라이트의 평균 결정립의 크기를 15μm 이하로 제한하여, 충격을 흡수하는 입계의 감소로 인해 인성이 낮아지는 문제를 방지할 수 있고, 최대 결정립의 크기를 30μm 이하로 제한하여, 비균일 결정립의 존재로 인해 충격인성이 급격하게 저하하는 문제를 방지할 수 있다.

또한, 페라이트 미세조직의 분율은 60 내지 80%로 구현되고, 펄라이트 미세조직의 분율은 20 내지 40%로 구현될 수 있다. 여기서의 분율은 면적 분율이며, 나머지는 미세조직의 분율은 베이나이트로 이루어질 수 있다.

페라이트는 격자구조의 슬립면 형성이 용이하여 충격 흡수성이 우수하므로 면적분율 60% 이상 포함하는 것이 바람직하다. 다만, 최대 면적 분율이 80%를 초과하면 강도 확보에 어려움이 있으므로, 전술한 바와 같이 페라이트 미세조직의 분율의 최대치를 80%로 제한한다.

또한, 상기 [관계식 1]에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 파이프용 강재는 미세조직 분율이나 결정립의 크기와 같은 미시적인 측면에서의 특성뿐만 아니라, 항복 강도나 항복비와 같은 거시적인 측면에서의 물성도 함께 고려한다.

항복 강도는 재료의 탄성 한계를 결정하며, 항복 강도가 높을수록 재료의 충격 흡수 능력, 즉 인성이 향상된다. 그러나, 항복 강도가 높아지더라도 재료의 항복비가 높을수록 재료의 파단 수명 단축으로 인한 인성은 저하된다.

이하 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프용 강재의 제조방법을 설명한다.

먼저, 전술한 파이프용 강재의 조성 및 성분 관계를 만족하는 슬라브를 제조한다(110). 일 예로, 연속 주조 공정을 이용하여 슬라브를 제조할 수 있다.

제조된 슬라브에 대해 재가열 및 열간 압연 공정을 수행한다(120).

슬라브를 재결정 온도 이상으로 재가열하고, 열간 상태에서 압연을 하여 스트립 형태의 열간 압연 강판을 제조할 수 있다.

슬라브의 재가열은 1100 내지 1300℃의 온도 범위에서 이루어질 수 있다. 슬라브의 재가열 온도를 1100℃ 이상으로 제어하여 니오븀 및 티타늄 등의 고융점 화합물들까지 재가열함으로써, 이러한 고융점 화합물들이 편석대로 잔존하게 되는 문제를 방지할 수 있다. 또한, 슬라브의 재가열 온도를 1300℃ 이하로 제한하여, 초기 조대한 미세조직의 생성으로 인해 최종 제품의 미세한 조직을 제어할 수 없게 되는 문제를 방지할 수 있다.

재가열 공정을 통해 적정 오스테나이트 영역 내의 온도를 유지하여 균질한 초기 미세조직 및 석출물을 제어하고, 이를 통해 목표로 하는 물성을 확보할 수 있다.

열간 압연 공정에서 마무리 열간 압연 온도는 750 내지 850℃의 범위에서 조절할 수 있다. 마무리 열간 압연 온도를 750℃ 이상으로 조절하여, MnS의 생성으로 인한 충격인성 및 피로 저항성 저하 문제를 방지할 수 있다. 또한, 마무리 열간 압연 온도를 850℃ 이하로 조절하여, 미세조직 결정립의 불균질화가 심화되어 황화물 응력 균열 저항성에 악영향을 끼치는 것을 방지할 수 있다.

한편, 열간 압연 공정이 종료된 후, 산세 공정을 수행하여 강판의 표면에 부착되어 있는 스케일을 제거하는 것도 가능하다.

제조된 열간 압연 강판을 냉각 후 권취한다(130).

재가열 및 열간 압연 공정에 의해 제조된 열간 압연 강판을 냉각한 후, 500 내지 600℃의 온도에서 권취할 수 있다. 권취 온도를 500℃ 이상으로 조절하여, 베이나이트상과 같은 경한 저온변태상이 국부적으로 생성되어 피로 저항성이 저하되는 문제를 방지할 수 있다. 또한, 권취 온도를 600℃ 이하로 조절하여, 조대한 펄라이트상이 쉽게 형성되어 피로 전파를 용이하게 만들고 이로 인해 피로 저항성이 저하되는 문제를 방지할 수 있다.

제조된 파이프용 강재를 성형 및 용접하여 필요한 용도에 맞는 형상의 용접 강관을 제조할 수 있다.

이하, 파이프용 강재 및 용접 강관의 실시예와 비교예의 비교를 통해 본 발명의 물성을 설명하기로 한다. 여기서, 실시예들은 본 발명의 가능한 실시예들 중 일부를 나타낸다.

하기 실시 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

물성 평가를 수행하기 위해 아래와 같이 본 발명의 실시예에 따라, 탄소(C) 0.10 내지 0.15 중량%, 실리콘(Si) 0.1 내지 0.3 중량%, 망간(Mn) 0.8 내지 1.2 중량%, 니오븀(Nb) 0.05 내지 0.1 중량%, 니켈(Ni) 0.05 내지 0.2 중량%, 크롬(Cr) 0.1 내지 0.3 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.05 내지 0.15 중량%, 티타늄(Ti) 0.01 내지 0.05 중량%, 질소(N) 0 초과 0.008 중량%, 바나듐(V) 0.05 내지 0.1 중량%, 인(P) 0.025 중량% 이하, 황(S) 0.01 중량% 이하의 조성비 조건을 만족하는 파이프용 강재(실시예 1 및 실시예 2)를 제조하였다.

또한, 실시예들과의 비교를 위해 본 발명의 조성비 조건을 만족하지 않는 파이프용 강재(비교예 1 내지 비교예 5)을 제조하였다.

각각의 실시예와 비교예의 조성비 및 제조 조건을 [표 1]와 [표 2]에 정리하였다.

실시예 1

탄소(C) 0.11 중량%, 실리콘(Si) 0.25 중량%, 망간(Mn) 1.06 중량%, 니오븀(Nb) 0.063 중량%, 니켈(Ni) 0.11 중량%, 크롬(Cr) 0.17 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.13 중량%, 티타늄(Ti) 0.02 중량%, 질소(N) 0.005 중량%, 바나듐(V) 0.06 중량%, 인(P) 0.007 중량% 이하, 황(S) 0.002 중량% 이하를 포함하는 파이프용 강재의 슬라브를 제조하였다.

슬라브를 1160℃의 온도에서 2시간 동안 재가열하고, 781℃의 온도에서 마무리 열간 압연을 수행하여 강판을 제조하였다.

강판을 냉각한 후 518℃의 온도에서 권취하여 두께가 5.2mm인 강판을 제조하였다. 권취효과를 부여하기 위해 상기 온도에서 2시간 동안 유지하였다.

이후, 제조된 강판에 대해 미세 조직을 관찰하고, 전기저항 용접 조관 후 ASTM A370에 따라 인장 시험 및 충격시험을 수행하여 항복 강도, 인장 강도 및 충격 인성을 측정하였다.

실시예 2

탄소(C) 0.12 중량%, 실리콘(Si) 0.24 중량%, 망간(Mn) 0.99 중량%, 니오븀(Nb) 0.066 중량%, 니켈(Ni) 0.10 중량%, 크롬(Cr) 0.2 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.09 중량%, 티타늄(Ti) 0.01 중량%, 질소(N) 0.004 중량%, 바나듐(V) 0.06 중량%, 인(P) 0.007 중량% 이하, 황(S) 0.002 중량% 이하를 포함하는 파이프용 강재의 슬라브를 제조하였다.

슬라브를 1185℃의 온도에서 2시간 동안 재가열하고, 775℃의 온도에서 마무리 열간 압연을 수행하여 강판을 제조하였다.

강판을 냉각한 후 504℃의 온도에서 권취하여 두께가 5.2mm인 강판을 제조하였다. 권취효과를 부여하기 위해 상기 온도에서 2시간 동안 유지하였다.

비교예 1

탄소(C) 0.12 중량%, 실리콘(Si) 0.25 중량%, 망간(Mn) 1.06 중량%, 니오븀(Nb) 0.06 중량%, 니켈(Ni) 0.10 중량%, 크롬(Cr) 0.17 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.11 중량%, 티타늄(Ti) 0.02 중량%, 질소(N) 0.005 중량%, 바나듐(V) 0.06 중량%, 인(P) 0.006 중량%, 황(S) 0.002 중량% 를 포함하는 파이프용 강재의 슬라브를 제조하였다.

슬라브를 1138℃의 온도에서 2시간 동안 재가열하고, 777℃의 온도에서 마무리 열간 압연을 수행하여 강판을 제조하였다.

비교예 2

탄소(C) 0.12 중량%, 실리콘(Si) 0.25 중량%, 망간(Mn) 1.04 중량%, 니오븀(Nb) 0.057 중량%, 니켈(Ni) 0.11 중량%, 크롬(Cr) 0.16 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.11 중량%, 티타늄(Ti) 0.02 중량%, 질소(N) 0.004 중량%, 바나듐(V) 0.06 중량%, 인(P) 0.009 중량%, 황(S) 0.001 중량% 를 포함하는 파이프용 강재의 슬라브를 제조하였다.

슬라브를 1230℃의 온도에서 2시간 동안 재가열하고, 784℃의 온도에서 마무리 열간 압연을 수행하여 강판을 제조하였다.

강판을 냉각한 후 512℃의 온도에서 권취하여 두께가 5.2mm인 강판을 제조하였다. 권취효과를 부여하기 위해 상기 온도에서 2시간 동안 유지하였다.

비교예 3

탄소(C) 0.12 중량%, 실리콘(Si) 0.3 중량%, 망간(Mn) 1.04 중량%, 니오븀(Nb) 0.06 중량%, 니켈(Ni) 0.18 중량%, 크롬(Cr) 0.16 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.14 중량%, 티타늄(Ti) 0.02 중량%, 질소(N) 0.005 중량%, 바나듐(V) 0.05 중량%, 인(P) 0.006 중량%, 황(S) 0.001 중량% 를 포함하는 파이프용 강재의 슬라브를 제조하였다.

슬라브를 1200℃의 온도에서 2시간 동안 재가열하고, 761℃의 온도에서 마무리 열간 압연을 수행하여 강판을 제조하였다.

강판을 냉각한 후 565℃의 온도에서 권취하여 두께가 5.2mm인 강판을 제조하였다. 권취효과를 부여하기 위해 상기 온도에서 2시간 동안 유지하였다.

비교예 4

탄소(C) 0.12 중량%, 실리콘(Si) 0.29 중량%, 망간(Mn) 1.04 중량%, 니오븀(Nb) 0.06 중량%, 니켈(Ni) 0.19 중량%, 크롬(Cr) 0.16 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.14 중량%, 티타늄(Ti) 0.02 중량%, 질소(N) 0.004 중량%, 바나듐(V) 0.06 중량%, 인(P) 0.005 중량%, 황(S) 0.001 중량% 를 포함하는 파이프용 강재의 슬라브를 제조하였다.

슬라브를 1200℃의 온도에서 2시간 동안 재가열하고, 789℃의 온도에서 마무리 열간 압연을 수행하여 강판을 제조하였다.

비교예 5

탄소(C) 0.1 중량%, 실리콘(Si) 0.27 중량%, 망간(Mn) 0.99 중량%, 니오븀(Nb) 0.063 중량%, 니켈(Ni) 0.02 중량%, 크롬(Cr) 0.2 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.1 중량%, 티타늄(Ti) 0.01 중량%, 질소(N) 0.004 중량%, 바나듐(V) 0.05 중량%, 인(P) 0.007 중량%, 황(S) 0.001 중량% 를 포함하는 파이프용 강재의 슬라브를 제조하였다.

슬라브를 1180℃의 온도에서 2시간 동안 재가열하고, 780℃의 온도에서 마무리 열간 압연을 수행하여 강판을 제조하였다.

강판을 냉각한 후 500℃의 온도에서 권취하여 두께가 5.2mm인 강판을 제조하였다. 권취효과를 부여하기 위해 상기 온도에서 2시간 동안 유지하였다.

구분	파이프용 강재의 성분 (중량%)
구분	C	Si	Mn	P	S	Nb	Ni	Cr	Mo	Ti	V	N
실시예 1	0.11	0.25	1.06	0.011	0.002	0.063	0.11	0.17	0.13	0.02	0.06	0.005
실시예 2	0.11	0.24	0.99	0.007	0.002	0.066	0.10	0.2	0.09	0.01	0.06	0.004
비교예1	0.12	0.25	1.06	0.006	0.002	0.06	0.1	0.17	0.11	0.02	0.06	0.005
비교예 2	0.12	0.25	1.04	0.009	0.001	0.057	0.11	0.16	0.11	0.02	0.06	0.004
비교예 3	0.12	0.3	1.04	0.006	0.001	0.06	0.18	0.16	0.14	0.02	0.05	0.005
비교예 4	0.12	0.29	1.04	0.005	0.001	0.06	0.19	0.16	0.14	0.02	0.06	0.004
비교예 5	0.1	0.27	0.99	0.007	0.001	0.063	0.02	0.2	0.1	0.01	0.05	0.004

구분	제조조건
구분	재가열온도 (℃)	마무리열간 압연온도(℃)	권취온도 (℃)
실시예 1	1160	781	518
실시예 2	1185	775	504
비교예1	1138	777	504
비교예 2	1230	784	512
비교예 3	1200	761	565
비교예 4	1200	789	565
비교예 5	1180	780	500

실시예 1 및 실시예 2와 비교예 1 내지 비교예 5에 대한 미세 조직 관찰 결과와, 항복 강도, 인장 강도 및 충격 인성 측정 결과를 아래 [표 3]에 정리하였다.

또한, 전술한 [관계식 1]에 따라 계산된 값을 아래 [표 3]에 함께 나타내었다.

구분	미세조직					기계적 물성			HAZ 충격 인성 (J@0℃)	관계식 계산값
	조직분율 (%)			F결정립 크기(um)	최대 결정립 크기(um)	항복 강도 (MPa)	인장 강도 (MPa)	항복비 (%)
	F	P	B	F결정립 크기(um)	최대 결정립 크기(um)	항복 강도 (MPa)	인장 강도 (MPa)	항복비 (%)
실시예 1	68	32	0	8.4	21	642	714	81.6	73.9	74.7
실시예 2	70	30	0	7.8	15	654	703	84.9	63.5	74.6
비교예 1	67	24	9	11	25	672	737	83.3	21.3	32.8
비교예 2	67	25	8	6.8	41	712	770	84.2	18.6	13.0
비교예 3	67	26	7	15	35	705	761	83.7	9.3	23.6
비교예 4	68	26	6	20	20	690	753	84.2	18.6	42.9
비교예 5	64	36	0	6.7	20	615	669	86.4	34.6	82.2

(F는 페라이트, P는 펄라이트, B는 베이나이트를 나타낸다)

상기 [표 1] 내지 [표 3]을 참조하면, 실시예 1 및 실시예 2의 파이프용 강재는 페라이트의 면적 분율이 모두 60 내지 80%의 범위에 포함되고, 펄라이트의 면적 분율이 20 내지 40%의 범위에 포함되어, 앞서 [관계식 1]에서 제시한 미세조직 분율의 조건을 만족하는 것을 확인할 수 있다.

또한, 페라이트의 평균 결정립의 크기가 모두 15μm 이하로 측정되었고, 최대 결정립의 크기가 모두 30μm 이하로 측정되어 본 발명의 실시예에서 제시한 조건을 만족하는 것을 확인할 수 있다.

아울러, 실시예 1 및 실시예 2의 파이프용 강재는 상기 [관계식 1]의 계산값이 모두 50 초과 80 미만의 범위에 포함된다.

결과적으로, 실시예 1 및 실시예 2의 파이프용 강재는 충격 인성이 모두 40J 이상으로 측정되어, 우수한 충격 인성을 갖는 것을 확인할 수 있다.

반면에, 비교예 1 내지 비교예 5의 파이프용 강재는 조대한 조직이 형성되거나, 석출물 및 저온 변태상이 형성됨에 따라 평균 결정립의 크기가 15μm를 초과하거나, 최대 결정립의 크기가 30μm를 초과하여 [관계식 1]의 계산값이 모두 50 초과 80 미만의 범위를 벗어나는 것을 확인할 수 있다.

결과적으로, 비교예 1 내지 비교예 5의 파이프용 강재는 실시예들에 비하여 충격 인성이 열위한 것을 확인할 수 있다.

상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

0.10 내지 0.15 중량%의 탄소(C); 0.1 내지 0.3 중량%의 실리콘(Si); 0.5~1.2 중량%의 망간(Mn); 0.05 내지 0.1 중량%의 니오븀(Nb); 0.05 내지 0.2 중량%의 니켈(Ni); 0.1 내지 0.3 중량%의 크롬(Cr); 0.05 내지 0.15 중량%의 몰리브덴(Mo); 0.01 내지 0.05 중량%의 티타늄(Ti); 0.05 내지 0.1 중량%의 바나듐(V); 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하고,
하기 [관계식 1]을 만족하고,
미세조직은 면적분율로 60 내지 80%의 페라이트, 20 내지 40%의 펄라이트 및 나머지 베이나이트로 구성되며,
상기 페라이트 미세조직의 평균결정립 크기는 15㎛ 이하이고,
상기 미세조직의 최대결정립 크기는 30㎛ 이하인 파이프용 강재.
[관계식 1]
50 < 209 + 4.91 [F] + 0.063[P] - 3.82[B] - 0.891Dmax - 0.217YS - 4.29YR < 80
(여기서 [F]는 페라이트 미세조직의 분율을 의미하고, [P]는 펄라이트 미세조직의 분율을 의미하고, [B]는 베이나이트 미세조직의 분율을 의미하며, Dmax는 최대 결정립 사이즈(㎛), YP는 강도(MPa), YR은 항복비(%)를 의미한다.)
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제1항에 있어서,
0.008 중량% 이하의 질소(N);를 더 포함하는 파이프용 강재.
제1항에 있어서,
0.025 중량% 이하의 인(P);을 더 포함하는 파이프용 강재.
제1항에 있어서,
0.01 중량% 이하의 황(S);을 더 포함하는 파이프용 강재.
0.10 내지 0.15 중량%의 탄소(C); 0.1 내지 0.3 중량%의 실리콘(Si); 0.5~1.2 중량%의 망간(Mn); 0.05 내지 0.1 중량%의 니오븀(Nb); 0.05 내지 0.2 중량%의 니켈(Ni); 0.1 내지 0.3 중량%의 크롬(Cr); 0.05 내지 0.15 중량%의 몰리브덴(Mo); 0.01 내지 0.05 중량%의 티타늄(Ti); 0.05 내지 0.1 중량%의 바나듐(V); 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하고,
미세조직은 면적분율로 60 내지 80%의 페라이트, 20 내지 40%의 펄라이트 및 나머지 베이나이트로 구성되며,
상기 페라이트 미세조직의 평균결정립 크기는 15㎛ 이하이고,
상기 미세조직의 최대결정립 크기는 30㎛ 이하인 파이프용 강재에 의해 제조되는 용접 강관.
[관계식 1]
50 < 209 + 4.91 [F] + 0.063[P] - 3.82[B] - 0.891Dmax - 0.217YS - 4.29YR < 80
(여기서 [F]는 페라이트 미세조직의 분율을 의미하고, [P]는 펄라이트 미세조직의 분율을 의미하고, [B]는 베이나이트 미세조직의 분율을 의미하며, Dmax는 최대 결정립 사이즈(㎛), YP는 강도(MPa), YR은 항복비(%)를 의미한다.)
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제 7 항에 있어서,
620 내지 689MPa의 항복 강도, 669MPa 이상의 인장 강도를 갖는 용접 강관
제7항에 있어서,
충격 인성이 40J이상인 용접강관.
0.10 내지 0.15 중량%의 탄소(C); 0.1 내지 0.3 중량%의 실리콘(Si); 0.5~1.2 중량%의 망간(Mn); 0.05 내지 0.1 중량%의 니오븀(Nb); 0.05 내지 0.2 중량%의 니켈(Ni); 0.1 내지 0.3 중량%의 크롬(Cr); 0.05 내지 0.15 중량%의 몰리브덴(Mo); 0.01 내지 0.05 중량%의 티타늄(Ti); 0.05 내지 0.1 중량%의 바나듐(V); 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 준비하는 단계;
상기 슬라브를 1100 내지 1300℃의 온도범위에서 재가열하는 단계;
상기 슬라브를 750 내지 850℃의 온도범위에서 마무리 열간 압연하여 열연강판을 제조하는 단계; 및
상기 열연강판을 냉각한 후 500 내지 600℃의 온도범위에서 권취하는 단계;를 포함하고,
상기 열연강판을 권취하여 제조된 파이프용 강재는, 하기 [관계식 1]을 만족하고,
미세조직은 면적분율로 60 내지 80%의 페라이트, 20 내지 40%의 펄라이트 및 나머지 베이나이트로 구성되며,
상기 페라이트 미세조직의 평균결정립 크기는 15㎛ 이하이고,
상기 미세조직의 최대결정립 크기는 30㎛ 이하인 파이프용 강재의 제조방법.
[관계식 1]
50 < 209 + 4.91 [F] + 0.063[P] - 3.82[B] - 0.891Dmax - 0.217YS - 4.29YR < 80
(여기서 [F]는 페라이트 미세조직의 분율을 의미하고, [P]는 펄라이트 미세조직의 분율을 의미하고, [B]는 베이나이트 미세조직의 분율을 의미하며, Dmax는 최대 결정립 사이즈(㎛), YP는 강도(MPa), YR은 항복비(%)를 의미한다.)
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