KR101913397B1 - 파이프용 강재, 이에 의해 제조되는 용접 강관 및 파이프용 강재의 제조방법 - Google Patents

파이프용 강재, 이에 의해 제조되는 용접 강관 및 파이프용 강재의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 우수한 강도와 피로 저항성을 갖는 파이프용 강재, 이에 의해 제조되는 용접 강관 및 파이프용 강재의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파이프용 강재는, 0.10 내지 0.15 중량%의 탄소(C); 0.30 내지 0.50 중량%의 실리콘(Si); 0.8 내지 1.2 중량%의 망간(Mn); 0.01 내지 0.03 중량%의 니오븀(Nb); 0.05 중량% 이하의 알루미늄(Al); 및 0.01 내지 0.03 중량% 의 티타늄(Ti);을 포함하고, 하기 [관계식 1]을 만족하고, 페라이트와 펄라이트의 미세조직으로 구성된다.
[관계식 1]
35 < 50(20xC+20xTi-10xN) + 0.61YP - 17n-5.54YR < 50
(여기서 C, Ti 및 N은 각 성분의 중량 함량을 의미하며, YP는 항복강도(MPa), n은 가공경화지수, 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 피로 응력이 집중되어 피로 수명을 단축시키므로, 피로 특성이 향상된 소재의 개발 및 용접부 제조기술 향상을 위한 연구들이 요구된다.
한국공개특허문헌 2011-7017340 (2010.03.25 공개)
본 발명은 우수한 강도와 피로 저항성을 갖는 파이프용 강재, 이에 의해 제조되는 용접 강관 및 파이프용 강재의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파이프용 강재는, 0.10 내지 0.15 중량%의 탄소(C); 0.30 내지 0.50 중량%의 실리콘(Si); 0.8 내지 1.2 중량%의 망간(Mn); 0.01 내지 0.03 중량%의 니오븀(Nb); 0.05 중량% 이하의 알루미늄(Al); 및 0.01 내지 0.03 중량% 의 티타늄(Ti);을 포함하고, 하기 [관계식 1]을 만족하고, 페라이트와 펄라이트의 미세조직으로 구성된다.
[관계식 1]
35 < 50(20xC+20xTi-10xN) + 0.61YP - 17n-5.54YR < 50
(여기서 C, Ti 및 N은 각 성분의 중량 함량을 의미하며, YP는 항복강도(MPa), n은 가공경화지수, YR은 항복비(%)를 의미한다.)
상기 미세조직의 결정립 크기는 25㎛ 이하일 수 있다.
상기 미세조직이 면적분율로 40 내지 70%의 페라이트, 30 내지 60%의 펄라이트로 구성될 수 있다.
0.008 중량% 이하의 질소(N);를 더 포함할 수 있다.
0.025 중량% 이하의 인(P);을 더 포함할 수 있다.
0.005 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); 0.30 내지 0.50 중량%의 실리콘(Si); 0.8 내지 1.2 중량%의 망간(Mn); 0.01 내지 0.03 중량%의 니오븀(Nb); 0.05 중량% 이하의 알루미늄(Al); 및 0.01 내지 0.03 중량% 의 티타늄(Ti);을 포함하고, 하기 [관계식 1]을 만족하고, 페라이트와 펄라이트의 미세조직으로 구성되는 파이프용 강재에 의해 제조된다.
[관계식 1]
35 < 50(20xC+20xTi-10xN) + 0.61YP - 17n-5.54YR < 50
(여기서 C, Ti 및 N은 각 성분의 중량 함량을 의미하며, YP는 항복강도(MPa), n은 가공경화지수, YR은 항복비(%)를 의미한다.)
상기 미세조직의 결정립 크기는 25㎛ 이하일 수 있다.
상기 미세조직이 면적분율로 40 내지 70%의 페라이트, 30 내지 60%의 펄라이트로 구성될 수 있다.
620 내지 689MPa의 항복 강도, 669MPa 이상의 인장 강도, 450 cycle 이상의 피로 수명을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파이프용 강재의 제조방법은 0.10 내지 0.15 중량%의 탄소(C); 0.30 내지 0.50 중량%의 실리콘(Si); 0.8 내지 1.2 중량%의 망간(Mn); 0.01 내지 0.03 중량%의 니오븀(Nb); 0.05 중량% 이하의 알루미늄(Al); 및 0.01 내지 0.03 중량% 의 티타늄(Ti);을 포함하는 슬라브를 준비하는 단계; 상기 슬라브를 1200 내지 1300℃의 온도범위에서 재가열하는 단계; 상기 슬라브를 800 내지 900℃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 및 펄라이트의 미세조직으로 구성될 수 있다.
[관계식 1]
35 < 50(20xC+20xTi-10xN) + 0.61YP - 17n-5.54YR < 50
(여기서 C, Ti 및 N은 각 성분의 중량 함량을 의미하며, YP는 항복강도(MPa), n은 가공경화지수, YR은 항복비(%)를 의미한다.)
상기 미세조직의 결정립 크기는 25㎛ 이하일 수 있다.
상기 미세조직이 면적분율로 40 내지 70%의 페라이트, 30 내지 60%의 펄라이트로 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 파이프용 강재 및 그 제조방법에 의하면, 우수한 강도와 피로 저항성을 갖는 용접 강관을 얻을 수 있다.
또한, 우수한 강도와 피로 저항성을 갖는 용접 강관을 사용할 경우, 용접 강관의 이음부에 피로 응력이 집중되더라도 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 중량%, 실리콘(Si) 0.30 내지 0.50 중량%, 망간(Mn) 0.8 내지 1.2 중량%, 니오븀(Nb) 0.01 내지 0.03 중량%, 티타늄(Ti) 0.01 내지 0.03 중량% 및 0.008 중량% 이하의 질소(N)를 포함한다. 여기서, 각 성분의 조성비는 파이프용 강재의 전체 중량을 기준으로 한 것이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프용 강재는 0 초과 0.05 중량% 이하의 알루미늄(Al)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 0.005% 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 0.12 내지 0.18 중량%의 비율로 포함될 수 있다. 탄소의 함량이 0.12 중량% 미만인 경우에는 니오븀, 바나듐 또는 티타늄과 결합하여 강도의 확보에 어려움이 있고, 0.18 중량%를 초과하는 경우에는 항복 강도가 상승하여 목표로 하는 강도를 초과하게 된다. 따라서, 탄소의 함량을 상기의 비율로 조절하여 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 0.3 내지 0.5 중량%의 비율로 포함될 수 있다. 규소를 0.3 중량% 이상 포함함으로써, 충분한 탈산 효과를 얻을 수 있다. 또한, 규소의 함량을 0.5 중량% 이하로 제한함으로써 인성을 열화시키고 템퍼링 시 취하가 발생하는 문제를 방지할 수 있다.
망간(Mn)
망간은 파이프용 강재의 강도를 확보하기 위해 첨가될 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 1.0 내지 2.0 중량%의 비율로 포함될 수 있다. 망간이 1.0 중량% 이상 포함되면 원하는 강도를 얻을 수 있다. 또한, 망간의 함량을 2.0 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 0.01 내지 0.05 중량%의 비율로 포함될 수 있다. 니오븀을 0.01 중량% 이상 포함함으로써 일정 수준 이상의 석출 강화 효과를 얻을 수 있다. 또한, 니오븀의 함량을 0.05 중량% 이하로 제한함으로써 석출 경화에 불리한 조대한 석출물이 형성되거나, MA 형성을 촉진하여 인성을 저하시키는 문제를 방지할 수 있다.
알루미늄(Al)
알루미늄은 탈산 처리를 위해 첨가될 수 있다.
알루미늄은 파이프용 강재의 총 중량 100%에 대해 0.01 내지 0.1 중량%의 비율로 포함될 수 있다. 알루미늄은 0.01 중량% 이상으로 포함함으로써, 일정 수준의 탈산 효과를 얻을 수 있고, 0.1 중량% 이하로 제한함으로써, 알루미늄이 산화물을 형성시켜 파이프용 강재의 청정도를 저하시키는 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 인성 저하 및 피로 개시점으로 작용하여 피로 저항성을 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 0.01 중량%를 초과하면 TiN 석출물이 증가하여 피로 개시점으로 작용하고 이로 인해 피로 저항성이 감소할 수 있다. 또한, AlN 석출물이 증가하여 Al의 탈산 효과를 저하시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프용 강재는 질소의 함량을 0 중량% 초과 0.01 중량% 이하로 제한한다.
인(P)
인은 강의 제조에서 불가피하게 발생되는 불순물에 해당한다. 인의 함량이 파이프용 강재의 총 중량 100%에 대해 0.02 중량%를 초과하면 연속 주조 시 중심 편석을 형성시켜 충격 인성을 저하시키고 피로 저항성을 저하시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프용 강재는 인의 함량을 0.02 중량% 이하로 제한한다.
황(S)
황은 강의 제조에서 불가피하게 발생되는 불순물에 해당한다. 파이프용 강재 내의 황의 함량이 0.01 중량%를 초과하면 망간과 반응하여 MnS를 생성시켜 파이프용 강재의 인성 및 피로 특성을 저하시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프용 강재는 황의 함량을 0.01 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 그 성분 중 탄소(C), 티타늄(Ti) 및 질소(N)의 성분 관계가 하기 [관계식 1]을 만족할 수 있다.
[관계식 1]
35 < 50(20xC+20xTi-10xN) + 0.61YP - 17n-5.54YR < 50
(여기서 C, Ti 및 N은 각 성분의 중량 함량을 의미하며, YP는 항복강도(MPa), n은 가공경화지수, YR은 항복비(%)를 의미한다.)
탄소(C), 티타늄(Ti) 및 질소(N)는 모두 강재의 피로 저항성 향상에 중요한 성분들로서, 상기 [관계식 1]을 벗어나면 미세조직 및 석출물 특성에 영향을 미치게 되고, 이로 인해 파이프용 강재의 강도 및 피로 저항성을 확보할 수 없게 된다.
한편, 제조 공정상의 변화로 소재의 특성이 변화될 수 있으므로 단순히 화학성분만으로는 피로저항성을 판단할 수 없다. 상기 [관계식 1]에 따르면, 이를 보강하기 위해서 재료의 물성을 동시에 감안한다.
일면으로, 항복강도는 재료의 탄성한계를 결정하며, 항복강도가 높을수록 피로강도는 높아진다. 다른 일면으로는 항복강도가 높아진다고 하더라도 재료의 항복비가 높을수록 재료의 파단수명 단축으로 인한 피로성능은 저하된다.
가공경화지수는 재료의 소성영역에서의 거동에 영향을 미치는 석출물 발생으로 인한 피로강도 저하를 나타낸다.
상술한 합금조성 및 성분관계를 만족하는 본 발명의 실시예에 따른 파이프용 강재는 미세조직이 페라이트 및 펄라이트 복합조직으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 파이프용 강재 내에서 페라이트는 결정립 크기가 20㎛ 이하인 것이 바람직하다. 결정립 크기가 20㎛를 초과하게 되면 피로전파의 차단 역할을 하는 입계의 감소로 인해 피로저항성이 낮아지는 문제가 있다. 상기 결정립 크기의 기준은 원형 면적당 직경을 기준으로 한다.
보다 구체적으로, 상기 미세조직은 면적분율로 40 내지 70%의 페라이트 및 30 내지 60%의 펄라이트로 이루어진 것이 바람직하다. 상기 펄라이트는 시멘타이트와 페라이트의 층상구조로 인해 피로파단 전파경로를 복잡하게 함으로써 피로전파를 억제시키는 데에 효과적이므로 면적분율 30% 이상으로 포함하는 것이 바람직하다. 다만, 본 발명의 합금조성 중 탄소(C)의 상한이 0.18 중량%를 감안하여 펄라이트의 면적 분율을 60%로 제한할 수 있다.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프용 강재의 제조방법을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프용 강재의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
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 1200 내지 1300℃의 온도 범위에서 이루어질 수 있다. 슬라브의 재가열 온도를 1200℃ 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 800 내지 900℃의 범위에서 조절할 수 있다. 마무리 열간 압연 온도를 800℃ 이상으로 조절하여, MnS의 생성으로 인한 충격인성 및 피로 저항성 저하 문제를 방지할 수 있다. 또한, 마무리 열간 압연 온도를 900℃ 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.
본 발명의 일 실시예에 따른 파이프용 강재의 제조방법에 따라 제조된 파이프용 강재는 펄라이트 및 페라이트 미세조직을 포함하고, 그 물성이 상기 [관계식 1]을 만족한다.
제조된 파이프용 강재를 성형 및 용접하여 필요한 용도에 맞는 형상의 용접 강관을 제조할 수 있다. 예를 들어, 파이프용 강재를 파이프의 형상으로 성형하고, 접촉된 강재의 가장자리를 용접하여 피로 저항성이 우수한 파이프를 얻을 수 있다. 구체적으로, 제조된 열연 강판을 제조하고자 하는 파이프의 구경에 대응되는 폭으로 슬리팅하고, 용접 및 조관할 수 있다. 이 때, 경제성이 우수한 전기저항용접을 이용하여 조관할 수 있다.
전술한 설명은 용접 강관을 제조하는 방법의 예시에 불과하다. 본 발명에서는 용접 강관을 제조하는 방법에 대해서는 제한을 두지 않는다.
이하, 파이프용 강재와 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): 0.30 내지 0.50 중량%, 망간(Mn): 0.8 내지 1.2 중량%, 인(P): 0.025 중량% 이하, 황(S): 0.005 중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.05 중량% 이하, 니오븀(Nb): 0.01 내지 0.03 중량%, 티타늄(Ti): 0.01 내지 0.03 중량%, 질소(N): 0.008 중량% 이하의 조성비 조건을 만족하는 파이프용 강재(실시예 1 내지 실시예 3)를 제조하였다.
또한, 실시예들과의 비교를 위해 본 발명의 조성비 조건을 만족하지 않는 파이프용 강재(비교예 1 내지 비교예 6)을 제조하였다.
각각의 실시예와 비교예의 조성비 및 제조 조건을 [표 1]와 [표 2]에 정리하였다.
실시예 1
탄소(C) 0.14 중량%, 실리콘(Si) 0.35 중량%, 망간(Mn) 1.31 중량%, 인(P) 0.007 중량%, 황(S) 0.001 중량%, 알루미늄(Al) 0.04 중량%, 니오븀(Nb) 0.03 중량%, 티타늄(Ti) 0.01 중량%, 질소(N) 0.004 중량%를 포함하는 파이프용 강재의 슬라브를 제조하였다. 나머지 성분은 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물에 해당한다.
슬라브를 1200℃의 온도에서 2시간 동안 재가열하고, 832℃의 온도에서 마무리 열간 압연을 수행하여 강판을 제조하였다.
강판을 냉각한 후 526℃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 시험을 수행하여 항복 강도, 인장 강도 및 가공경화지수를 측정한 후, 그 결과를 하기 [표 3]에 나타내었다.
또한, 2% Strain을 기준으로 인장 압축 반복을 통해 피로 수명을 측정하였으며, 파단이 되는 시점을 피로 수명 한계로 판단하여 그 결과를 하기 [표 3]에 나타내었다.
실시예 2
탄소(C) 0.14 중량%, 실리콘(Si) 0.35 중량%, 망간(Mn) 1.31 중량%, 인(P) 0.007 중량%, 황(S) 0.001 중량%, 알루미늄(Al) 0.04 중량%, 니오븀(Nb) 0.03 중량%, 티타늄(Ti) 0.01 중량%, 질소(N) 0.004 중량%를 포함하는 파이프용 강재의 슬라브를 제조하였다. 나머지 성분은 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물에 해당한다.
슬라브를 1207℃의 온도에서 2시간 동안 재가열하고, 851℃의 온도에서 마무리 열간 압연을 수행하여 강판을 제조하였다.
강판을 냉각한 후 503℃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 시험을 수행하여 항복 강도, 인장 강도 및 가공경화지수를 측정한 후, 그 결과를 하기 [표 3]에 나타내었다.
또한, 2% Strain을 기준으로 인장 압축 반복을 통해 피로 수명을 측정하였으며, 파단이 되는 시점을 피로 수명 한계로 판단하여 그 결과를 하기 [표 3]에 나타내었다.
실시예 3
탄소(C) 0.14 중량%, 실리콘(Si) 0.34 중량%, 망간(Mn) 1.32 중량%, 인(P) 0.007 중량%, 황(S) 0.001 중량%, 알루미늄(Al) 0.04 중량%, 니오븀(Nb) 0.03 중량%, 티타늄(Ti) 0.01 중량%, 질소(N) 0.004 중량%를 포함하는 파이프용 강재의 슬라브를 제조하였다. 나머지 성분은 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물에 해당한다.
슬라브를 1205℃의 온도에서 2시간 동안 재가열하고, 847℃의 온도에서 마무리 열간 압연을 수행하여 강판을 제조하였다.
강판을 냉각한 후 521℃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 시험을 수행하여 항복 강도, 인장 강도 및 가공경화지수를 측정한 후, 그 결과를 하기 [표 3]에 나타내었다.
또한, 2% Strain을 기준으로 인장 압축 반복을 통해 피로 수명을 측정하였으며, 파단이 되는 시점을 피로 수명 한계로 판단하여 그 결과를 하기 [표 3]에 나타내었다.
비교예 1
탄소(C) 0.14 중량%, 실리콘(Si) 0.33 중량%, 망간(Mn) 1.31 중량%, 인(P) 0.008 중량%, 황(S) 0.001 중량%, 알루미늄(Al) 0.03 중량%, 니오븀(Nb) 0.01 중량%, 티타늄(Ti) 0.01 중량%, 질소(N) 0.005 중량%를 포함하는 파이프용 강재의 슬라브를 제조하였다. 나머지 성분은 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물에 해당한다.
슬라브를 1205℃의 온도에서 2시간 동안 재가열하고, 850℃의 온도에서 마무리 열간 압연을 수행하여 강판을 제조하였다.
강판을 냉각한 후 510℃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 시험을 수행하여 항복 강도, 인장 강도 및 가공경화지수를 측정한 후, 그 결과를 하기 [표 3]에 나타내었다.
또한, 2% Strain을 기준으로 인장 압축 반복을 통해 피로 수명을 측정하였으며, 파단이 되는 시점을 피로 수명 한계로 판단하여 그 결과를 하기 [표 3]에 나타내었다.
또한, 전술한 [관계식 1]에 따라 계산된 값을 [표 3]에 함께 나타내었다.
비교예 2
탄소(C) 0.14 중량%, 실리콘(Si) 0.37 중량%, 망간(Mn) 1.29 중량%, 인(P) 0.011 중량%, 황(S) 0.001 중량%, 알루미늄(Al) 0.05 중량%, 니오븀(Nb) 0.03 중량%, 티타늄(Ti) 0 중량%, 질소(N) 0.004 중량%를 포함하는 파이프용 강재의 슬라브를 제조하였다. 나머지 성분은 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물에 해당한다.
슬라브를 1206℃의 온도에서 2시간 동안 재가열하고, 832℃의 온도에서 마무리 열간 압연을 수행하여 강판을 제조하였다.
강판을 냉각한 후 520℃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 시험을 수행하여 항복 강도, 인장 강도 및 가공경화지수를 측정한 후, 그 결과를 하기 [표 3]에 나타내었다.
또한, 2% Strain을 기준으로 인장 압축 반복을 통해 피로 수명을 측정하였으며, 파단이 되는 시점을 피로 수명 한계로 판단하여 그 결과를 하기 [표 3]에 나타내었다.
또한, 전술한 [관계식 1]에 따라 계산된 값을 [표 3]에 함께 나타내었다.
비교예 3
탄소(C) 0.14 중량%, 실리콘(Si) 0.34 중량%, 망간(Mn) 1.30 중량%, 인(P) 0.012 중량%, 황(S) 0.001 중량%, 알루미늄(Al) 0.04 중량%, 니오븀(Nb) 0.02 중량%, 티타늄(Ti) 0.005 중량%, 질소(N) 0.005 중량%를 포함하는 파이프용 강재의 슬라브를 제조하였다. 나머지 성분은 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물에 해당한다.
슬라브를 1208℃의 온도에서 2시간 동안 재가열하고, 844℃의 온도에서 마무리 열간 압연을 수행하여 강판을 제조하였다.
강판을 냉각한 후 533℃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 시험을 수행하여 항복 강도, 인장 강도 및 가공경화지수를 측정한 후, 그 결과를 하기 [표 3]에 나타내었다.
또한, 2% Strain을 기준으로 인장 압축 반복을 통해 피로 수명을 측정하였으며, 파단이 되는 시점을 피로 수명 한계로 판단하여 그 결과를 하기 [표 3]에 나타내었다.
또한, 전술한 [관계식 1]에 따라 계산된 값을 [표 3]에 함께 나타내었다.
비교예 4
탄소(C) 0.14 중량%, 실리콘(Si) 0.33 중량%, 망간(Mn) 1.31 중량%, 인(P) 0.008 중량%, 황(S) 0.001 중량%, 알루미늄(Al) 0.03 중량%, 니오븀(Nb) 0.03 중량%, 티타늄(Ti) 0.01 중량%, 질소(N) 0.005 중량%를 포함하는 파이프용 강재의 슬라브를 제조하였다. 나머지 성분은 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물에 해당한다.
슬라브를 1201℃의 온도에서 2시간 동안 재가열하고, 816℃의 온도에서 마무리 열간 압연을 수행하여 강판을 제조하였다.
강판을 냉각한 후 523℃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 시험을 수행하여 항복 강도, 인장 강도 및 가공경화지수를 측정한 후, 그 결과를 하기 [표 3]에 나타내었다.
또한, 2% Strain을 기준으로 인장 압축 반복을 통해 피로 수명을 측정하였으며, 파단이 되는 시점을 피로 수명 한계로 판단하여 그 결과를 하기 [표 3]에 나타내었다.
또한, 전술한 [관계식 1]에 따라 계산된 값을 [표 3]에 함께 나타내었다.
비교예 5
탄소(C) 0.14 중량%, 실리콘(Si) 0.37 중량%, 망간(Mn) 1.29 중량%, 인(P) 0.011 중량%, 황(S) 0.001 중량%, 알루미늄(Al) 0.04 중량%, 니오븀(Nb) 0.06 중량%, 티타늄(Ti) 0.02 중량%, 질소(N) 0.004 중량%를 포함하는 파이프용 강재의 슬라브를 제조하였다. 나머지 성분은 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물에 해당한다.
슬라브를 1210℃의 온도에서 2시간 동안 재가열하고, 837℃의 온도에서 마무리 열간 압연을 수행하여 강판을 제조하였다.
강판을 냉각한 후 484℃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 시험을 수행하여 항복 강도, 인장 강도 및 가공경화지수를 측정한 후, 그 결과를 하기 [표 3]에 나타내었다.
또한, 2% Strain을 기준으로 인장 압축 반복을 통해 피로 수명을 측정하였으며, 파단이 되는 시점을 피로 수명 한계로 판단하여 그 결과를 하기 [표 3]에 나타내었다.
또한, 전술한 [관계식 1]에 따라 계산된 값을 [표 3]에 함께 나타내었다.
비교예 6
탄소(C) 0.14 중량%, 실리콘(Si) 0.37 중량%, 망간(Mn) 1.27 중량%, 인(P) 0.014 중량%, 황(S) 0.001 중량%, 알루미늄(Al) 0.03 중량%, 니오븀(Nb) 0 중량%, 티타늄(Ti) 0.06 중량%, 질소(N) 0.005 중량%를 포함하는 파이프용 강재의 슬라브를 제조하였다. 나머지 성분은 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물에 해당한다.
슬라브를 1206℃의 온도에서 2시간 동안 재가열하고, 842℃의 온도에서 마무리 열간 압연을 수행하여 강판을 제조하였다.
강판을 냉각한 후 513℃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 시험을 수행하여 항복 강도, 인장 강도 및 가공경화지수를 측정한 후, 그 결과를 하기 [표 3]에 나타내었다.
또한, 2% Strain을 기준으로 인장 압축 반복을 통해 피로 수명을 측정하였으며, 파단이 되는 시점을 피로 수명 한계로 판단하여 그 결과를 하기 [표 3]에 나타내었다.
또한, 전술한 [관계식 1]에 따라 계산된 값을 [표 3]에 함께 나타내었다.
구분 파이프용 강재의 성분 (중량%)
C Si Mn P S Al Nb Ti N
실시예1 0.14 0.35 1.31 0.007 0.001 0.04 0.03 0.01 0.004
실시예 2 0.14 0.35 1.31 0.007 0.001 0.04 0.03 0.01 0.004
실시예 3 0.14 0.34 1.32 0.007 0.001 0.04 0.03 0.01 0.004
비교예1 0.14 0.33 1.31 0.008 0.001 0.03 0.01 0.01 0.005
비교예 2 0.14 0.37 1.29 0.011 0.001 0.05 0.03 0 0.004
비교예 3 0.14 0.37 1.30 0.012 0.001 0.04 0.02 0.005 0.005
비교예 4 0.14 0.33 1.31 0.008 0.001 0.03 0.03 0.01 0.005
비교예 5 0.14 0.37 1.29 0.011 0.001 0.04 0.06 0.02 0.004
비교예 6 0.14 0.37 1.27 0.014 0.001 0.03 0 0.06 0.005
구분 제조조건
재가열온도
(℃) 		마무리열간
압연온도(℃) 		권취온도
(℃)
실시예1 1200 832 526
실시예 2 1207 851 503
실시예 3 1205 847 521
비교예1 1205 850 510
비교예 2 1206 832 520
비교예 3 1208 844 533
비교예 4 1201 816 523
비교예 5 1210 837 484
비교예 6 1206 842 513
구분 미세조직 기계적 물성 피로수명
(Cycles) 		관계식
계산값
조직분율
(%) 		F결정립
크기(㎛) 		항복강도
(MPa) 		인장강도
(MPa) 		연신율
(%) 		가공경화
지수,n 		항복비
(%)
실시예 1 65F, 35P 9.2 626 767 23 0.11 78.1 640 37.5
실시예 2 62F, 38P 8 656 781 23 0.1 81.7 470 42.4
실시예 3 58F, 32P 7.3 634 773 20 0.11 81.9 520 36.9
비교예1 71F, 29P 12 612 778 24 0.11 79 350 51.5
비교예 2 65F, 35P 10.5 617 758 24 0.12 80.4 270 18.9
비교예 3 62F, 37P 15 619 769 25 0.12 80 140 30.9
비교예 4 64F, 36P 13 626 764 24 0.11 82.5 200 31.3
비교예 5 59F, 31P,10B 11 677 794 22 0.1 84 350 55.4
비교예 6 56F, 35P,9B 8 679 795 24 0.1 85.5 370 95.3
(상기 표 3에서 'F'는 페라이트, 'P'는 펄라이트, 'B'는 베이나이트, 'M'은 마르텐사이트를 의미한다.)
상기 [표 1] 내지 [표 3]을 참조하면, 실시예 1 내지 실시예 3의 파이프용 강재는 페라이트 미세조직의 면적 분율이 모두 40 내지 70%의 범위에 포함되고, 펄라이트 미세조직의 면적 분율이 30 내지 60%의 범위에 포함되어, 앞서 [관계식 1]에서 제시한 미세조직 분율의 조건을 만족하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 페라이트의 평균 결정립의 크기가 모두 20μm 이하로 측정되어 본 발명의 실시예에서 제시한 조건을 만족하는 것을 확인할 수 있다.
아울러, 실시예 1 내지 실시예 3의 파이프용 강재는 상기 [관계식 1]의 계산값이 모두 35 초과 50 미만의 범위에 포함된다.
결과적으로, 실시예 1 내지 실시예 3의 파이프용 강재에 의해 제조된 용접 강관은 피로 수명이 모두 450 이상으로 우수한 것을 확인할 수 있다.
반면에, 비교예 1 내지 비교예 6의 파이프용 강재는 조대한 조직이 형성되거나, 석출물 및 저온 변태상이 형성됨에 따라 페라이트 결정립의 크기가 실시예들에 비하여 상대적으로 크고, [관계식 1]의 계산값이 모두 535 초과 50 미만의 범위를 벗어나는 것을 확인할 수 있다.
결과적으로, 비교예 1 내지 비교예 6의 파이프용 강재는 실시예들에 비하여 피로 수명이 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 (13)

  1. 0.10 내지 0.15 중량%의 탄소(C); 0.30 내지 0.50 중량%의 실리콘(Si); 0.8 내지 1.2 중량%의 망간(Mn); 0.01 내지 0.03 중량%의 니오븀(Nb); 0.05 중량% 이하의 알루미늄(Al); 0.01 내지 0.03 중량% 의 티타늄(Ti); 0.008 중량% 이하의 질소(N); 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    하기 [관계식 1]을 만족하고,
    미세조직은 면적분율로 40 내지 70%의 페라이트 및 30 내지 60%의 펄라이트로 구성되는 파이프용 강재.
    [관계식 1]
    35 < 50(20xC+20xTi-10xN) + 0.61YP - 17n-5.54YR < 50
    (여기서 C, Ti 및 N은 각 성분의 중량 함량을 의미하며, YP는 항복강도(MPa), n은 가공경화지수, YR은 항복비(%)를 의미한다.)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미세조직의 결정립 크기는 20㎛ 이하인 파이프용 강재.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    0.025 중량% 이하의 인(P);을 더 포함하는 파이프용 강재.
  5. 제1항에 있어서,
    0.005 중량% 이하의 황(S);을 더 포함하는 파이프용 강재.
  6. 0.10 내지 0.15 중량%의 탄소(C); 0.30 내지 0.50 중량%의 실리콘(Si); 0.8 내지 1.2 중량%의 망간(Mn); 0.01 내지 0.03 중량%의 니오븀(Nb); 0.05 중량% 이하의 알루미늄(Al); 0.01 내지 0.03 중량% 의 티타늄(Ti); 0.008 중량% 이하의 질소(N); 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    하기 [관계식 1]을 만족하고,
    미세조직은 면적분율로 40 내지 70%의 페라이트 및 30 내지 60%의 펄라이트로 구성되는 파이프용 강재에 의해 제조되며,
    620 내지 689MPa의 항복 강도, 669MPa 이상의 인장 강도, 450 cycle 이상의 피로 수명을 갖는 용접 강관.
    [관계식 1]
    35 < 50(20xC+20xTi-10xN) + 0.61YP - 17n-5.54YR < 50
    (여기서 C, Ti 및 N은 각 성분의 중량 함량을 의미하며, YP는 항복강도(MPa), n은 가공경화지수, YR은 항복비(%)를 의미한다.)
  7. 제6항에 있어서,
    상기 미세조직의 결정립 크기는 20㎛ 이하인 용접 강관.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 0.10 내지 0.15 중량%의 탄소(C); 0.30 내지 0.50 중량%의 실리콘(Si); 0.8 내지 1.2 중량%의 망간(Mn); 0.01 내지 0.03 중량%의 니오븀(Nb); 0.05 중량% 이하의 알루미늄(Al); 0.01 내지 0.03 중량% 의 티타늄(Ti); 0.008 중량% 이하의 질소(N); 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 준비하는 단계;
    상기 슬라브를 1200 내지 1300℃의 온도범위에서 재가열하는 단계;
    상기 슬라브를 800 내지 900℃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 40 내지 70%의 페라이트 및 30 내지 60%의 펄라이트로 구성되는 파이프용 강재의 제조방법.
    [관계식 1]
    35 < 50(20xC+20xTi-10xN) + 0.61YP - 17n-5.54YR < 50
    (여기서 C, Ti 및 N은 각 성분의 중량 함량을 의미하며, YP는 항복강도(MPa), n은 가공경화지수, YR은 항복비(%)를 의미한다.)
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 미세조직의 결정립 크기는 20㎛ 이하인 파이프용 강재의 제조방법.
  13. 삭제
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