KR20150002871A

KR20150002871A - 전봉 용접 강관

Info

Publication number: KR20150002871A
Application number: KR1020147032630A
Authority: KR
Inventors: 야스히로 시노하라; 겐스케 나가이; 마사카즈 오자키
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2015-01-07
Also published as: CN104350168B; CA2881372C; JPWO2014051119A1; EP2902519A4; US9726305B2; CN104350168A; CA2881372A1; EP2902519A1; KR101605152B1; US20150219249A1; WO2014051119A1; JP5516834B1

Abstract

심해에 부설하는 라인 파이프에 적합한, 충분한 강도, 저온 인성과 저항복비를 가진 전봉 용접 강관으로서, 모재의 성분이 질량%로 C: 0.05 내지 0.10%, Mn: 1.00 내지 1.60%, Nb: 0.005% 이상, 0.035% 미만을 함유하고, Ceq가 0.23 내지 0.38이고, 모재의 금속 조직은 면적율로 ３ 내지 13%의 마르텐사이트와 잔부 페라이트로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

전봉 용접 강관{ELECTRIC RESISTANCE WELDED STEEL PIPE}

본 발명은 석유, 천연 가스 등의 수송용 라인 파이프 등의 용도에 적합한, 저온 인성이 우수하고, 항복비가 낮은 전봉 용접 강관에 관한 것이다.

석유, 천연 가스를 장거리에 걸쳐서 수송하는 파이프 라인에 대하여는, 고압화에 의한 수송 효율의 향상이나, 심해에의 부설이 진행되고　있다. 그 때문에 파이프 라인에 사용되는 전봉 용접 강관에는 후육화나 고강도화가 요구된다. 또한 파이프 라인을 심해에 부설할 때에는, 전봉 용접 강관에 굽힘 및 펴짐(unbending)이 부하되는 경우가 있기 때문에, 좌굴하지 않도록 저항복비화(低降伏比化)가 요구된다.

전봉 강관이 두꺼워지면 열연 강판으로부터 전봉 강관을 제조할 때 도입되는 가공 변형이 커진다. 이 때문에 항복비의 상승을 억제하기가 어려워진다. 항복비는 항복 응력보다 큰 응력이 재료에 부가되어, 재료가 항복한 후, 좌굴 및 파단에 이르기까지의 내구 성능의 지표인데, 항복비가 낮을수록 강관은 좌굴하기 어렵다. 항복비 (이하 "YR"라고도 함)는 항복 응력 (이하 "YS"라고도 함)과 인장 강도 (이하 "TS"라고도 함)의 비(YS/TS)로 나타내는 값이다.

일반적으로 강재의 금속 조직을 연질상과 경질상으로 이루어지는 복상 (複相) 조직으로 하면, YR이 저하되는 것이 알려져 있으며, 모재 금속 조직을 복상 조직으로 한 전봉 용접 강관이 제안되어 있다.

특허 문헌 1에는 제2상으로서 섬 모양의 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트를 생성시킨, 저항복비의 전봉 강관이 개시되어 있다. 특허 문헌 2에는 나선형 조관(造管)과 UO 조관에 의하여 제조되는 라인 파이프용 소재가 되는 저항복비의 열연 강판이 개시되어 있다.

특허문헌 1: 일본공개특허공보 특개평5-105952호 특허문헌 2: 일본공개특허공보 특개평10-176239호

전봉 용접 강관의 모재가 두꺼워지고 외경이 작아지면, 강판 및 강대를 관 형태로 성형할 때 도입되는 가공 변형이 커지기 때문에, 조관 후 저항복비를 유지하기가 곤란해진다. 특히 강도 수준이 미국석유협회 (API) 규격으로 X60 급 (인장 강도 520MPa 이상)이고, 두께 t와 외경 D의 비 t/D가 5 % 이상인 전봉 용접 강관을 조관한 그대로 제조하는 경우, 항복비를 90% 이하로 유지하기가 곤란하였다.

또한, 항복비를 저하시키려면 연질상과 경질상으로 이루어지는 복상 조직으로 하는 것이 필요하지만, 페라이트와 마르텐사이트로 이루어진 복상 조직은 저온 인성 확보가 어렵다. 그러나, 파이프 라인에 사용되는 전봉 용접 강관에는 저항복비화와 함께 우수한 인성도 요구되고 있어서, 이러한 특성과 양립시킨 전봉 용접 강관이 요구되고 있다.

본 발명은 이러한 실정을 감안하여 이루어진 것으로, 조관한 상태 그대로도 저항복비를 유지할 수 있는 후육 전봉 용접 강관 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

종래의 복상 조직을 가진 전봉 용접 강관에서는 Nb를 첨가하여 NbC를 페라이트 중에 석출시킴으로써 강도를 확보하였다. 그러나, 본 발명자들이 검토한 결과, 다량의 Nb 첨가는 강관의 소재인 열연 강판의 항복 응력을 높이고, 그 결과, 조관 후 저항복비화를 얻기가 어려운 것을 알게 되었다. 이에 본 발명자들은 석출 강화에 의해서가 아니라, 제2상인 경질상에 의하여 고강도화 및 저항복비화를 도모하는 것을 검토하였다.

이상(二相) 강은 소성 변형 중에 경질상 주위의 연질상에 전위가 도입되어 가공 경화한다. 그 때문에, 경질상의 변형을 억제하면, 연질상에 대한 전위의 축적이 촉진되어, 가공 경화율을 높일 수 있다. 따라서 페라이트-마르텐사이트 이상강은 제2상인 마르텐사이트(경질상)가 경질일수록 페라이트의 가공 경화율이 높아져서 강판, 강관의 가공 경화 특성이 향상된다.

강을 열연한 후, 실온까지 가속 냉각함으로써 펄라이트 변태나 베이나이트 변태를 억제하여, 경질 마르텐사이트(경질상)를 생성시킬 수 있다. 한편, 냉각 후 마르텐사이트로 변태하지 않고, 경질상에 잔류 오스테나이트가 포함되면, 가공 경화 특성이 저하한다.

이에, 본 발명자들은 전술한 바와 같이 Nb의 첨가량을 억제하는 동시에, C량도 저감하여 잔류 오스테나이트의 생성을 억제한 복상 조직으로 하는 것에 착안하여 예의 검토한 결과, X60 내지 X70급의 강도를 가지고, 또한 항복비가 낮은 페라이트-마르텐사이트 이상 강을 얻을 수 있다는 것을 밝혀내었다.

또한, 본 발명자들은 제2상의 경질상이 미치는 항복비에 대하여 상세하게 검토하였다. 그 결과, 열간 압연 후의 냉각을 650℃를 경계로 냉각 속도를 변화시키는 2단 냉각으로 하고, 열간 압연 후의 권취 온도를 저온으로 함으로써 경질상의 미세화, 경질화를 도모할 수 있고, 항복비를 낮출 수 있는 것을 밝혀내었다.

또한, 본 발명자들은 전술한 바와 같은 고강도화나 저항복비와 함께, 양호한 인성도 양립하기 위하여 검토한 결과, 열간 압연 조건을 제어하여 페라이트 입경을 미세하게 하고, 그 결과, 권취 후의 경질상을 미세화하여 강관의 인성 저하를 억제할 수 있는 것을 밝혀내었다.

이상의 지견에 기초하여, 본 발명자들은 본 발명을 완성하였다. 그 요지는 다음과 같다.

(1) 모재의 성분 조성이, 질량%로,

C: 0.05 내지 0.10%,

Mn：1.00 내지 1.60%,

Ti：0.005 내지 0.030%,

Nb：0.005% 이상, 0.035% 미만 및

N: 0.001 내지 0.008%

를 함유하고, 또한

Si：0.01 내지 0.60% 및

Al：0.001 내지 0.10%

의 어느 일방 또는 쌍방을 함유하며,

P: 0.02% 이하,

S: 0.005% 이하

로 제한되고, 및

잔부가 철 및 불가피한 불순물이며,

아래 (식 1)로 표현되는 Ceq가 0.23≤Ceq≤0.38을 만족하고, 또한,

모재의 금속 조직이 면적율로 3 내지 13%의 마르텐사이트를 함유하며, 잔부가 페라이트

인 것을 특징으로 하는 전봉 용접 강관.

Ceq=C＋Mn/6＋(Cr＋Mo＋V)/5＋(Ni＋Cu)/15…(식 1)

이 때, (식 1)에 있어서의 C, M, Cr, Mo, V, Ni, Cu는 각 원소의 함유량을 질량%로 나타낸 값이다.

(2) 상기 모재의 성분 조성이, 추가로 질량%로,

Ni：1.0% 이하,

Cu：1.0% 이하,

Cr：1.0% 이하,

Mo：0.5% 이하,

V: 0.2% 이하,

Ca：0.006% 이하 및

REM：0.006% 이하 중에서 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 전봉 용접 강관.

(3) 상기 모재의 성분 조성이

Mn：1.00 내지 1.50%,

Si：0.40% 이하를 만족하고, 또한

0.23≤Ceq≤0.30

을 만족하고,

상기 모재의 금속 조직의 마르텐사이트의 원 상당 지름의 평균값이 0.5 내지 1.5㎛이며, 또한,

강관의 인장 강도가 520 내지 790 MPa인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 전봉 용접 강관.

(4) 상기 모재의 성분 조성이

Nb：0.005 내지 0.020%

를 만족하는 것을 특징으로 하는 상기 (3)의 전봉 용접 강관.

(5) 상기 모재의 성분 조성이, 추가로 질량%로,

Ni：0.5% 이하,

Cu：0.5% 이하,

Cr：0.5% 이하,

Mo：0.2% 이하,

V: 0.1% 이하,

Ca：0.006% 이하 및

REM：0.006% 이하

중에서 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (3) 또는 (4)의 전봉 용접 강관.

본 발명에 의하면, 강도 레벨이 미국석유협회 (API) 규격으로 X60 내지 X70급 (강관의 인장 강도가 520 내지 790 MPa)이며, 충분한 저온 인성을 가지고, 조관한 상태 그대로도 항복비를 90% 이하로 할 수 있는 전봉 용접 강관 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

[도 1] 마르텐사이트의 면적율과 항복비와의 관계를 설명하는 도면이다.
[도 2] 도 2(a)는 높은 Nb 그리고 높은 C의 종래의 전봉 용접 강관의 광학 현미경 사진이고, 도 2(b)는 그것을 르 페르 에칭(Le Pera etching)한 후에 관찰한 광학 현미경 사진이다.
[도 3] 도 3(a)는 본 발명의 범위 내의 조성을 가진 전봉 용접 강관의 광학 현미경 사진이고, 도 3(b)는 그것을 르 페르 에칭한 후에 관찰한 광학 현미경 사진이다.

전봉 용접 강관의 항복비를 저하시키려면, 모재가 되는 열연 강판의 금속 조직을 연질상과 경질상으로 이루어지는 복상 조직으로 하는 것이 중요하다. 본 발명에서는 연질상을 페라이트, 경질상을 마르텐사이트로 한다. 또한, 열간 압연의 권취 온도를 저하시킴으로써 항복비를 저하시킬 수 있다.

도 2, 도 3에 종래의 전봉 강관 및 본 발명의 전봉 강관의 마르텐사이트의 관찰 결과를 나타낸다. 마르텐사이트는 르 페르 에칭을 실시하면, 광학 현미경에 의하여 하얗게 된 상으로서 관찰하는 것이 가능하다. 따라서, 조직 사진으로부터 마르텐사이트의 면적율을 구할 수 있다.

도 2(a)는 Nb량 및 C량을 과잉으로 첨가한 종래의 고Nb, 고C인 전봉 용접 강관의 광학 현미경 사진이며, 도 2(b)는 그것을 르 페르 에칭한 후에 관찰한 광학 현미경 사진이다.

도 3(a)는 본 발명의 범위 내의 조성을 가진 전봉 용접 강관의 광학 현미경 사진이며, 도 3(b)는 그것을 르 페르 에칭한 후에 관찰한 광학 현미경 사진이다.

도 2(b), 도 3(b)를 비교하여 알 수 있는 바와 같이, NbC 등의 석출물을 이용하여 고강도화를 꾀하는 종래의 전봉 용접 강관의 경우, 르 페르 에칭에 의하여 하얗게 된 상, 즉, 마르텐사이트는 거의 관찰되지 않았지만, 도 3(b)의 본 발명의 경우에는 마르텐사이트가 관찰되었다.

또한, 르 페르 에칭에서는 잔류 오스테나이트도 하얗게 된 상으로서 관찰되기 때문에, X선 회절법에 의하여 도 3(b)의 잔류 오스테나이트의 체적율을 측정하였다. 그 결과, 잔류 오스테나이트의 체적율은 1% 이하였다. 잔류 오스테나이트의 체적율이 1% 이하이면, 본 발명의 전봉 강관의 특성에는 영향을 미치지 않는다.

항복비는 인장 시험을 실시하여, YS/TS를 구하고, 백분율로 나타내었다. 마르텐사이트의 면적율과 항복비의 관계를 조사한 결과를 도 1에 나타낸다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 마르텐사이트의 면적율이 3% 이상이 되면, 항복비가 90% 이하가 된다. 또는 마르텐사이트의 면적율이 8% 이상이 되면, 항복비가 급격하게 저하하여, 항복비를 80% 이하로 저하시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 전봉 용접 강관 및 그 제조 방법에 대하여 상세하게 설명한다.

먼저, 본 발명의 전봉 용접 강관의 모재의 성분에 대하여 설명한다. 전봉 강관의 소재인 열연 강판의 성분은 전봉 용접 강관의 모재의 성분과 동일하다. 이하 「%」는 「질량%」를 나타내는 것으로 한다.

＜C：0.05 내지 0.10%＞

C는 강의 강도를 높이는 유용한 원소인데, 마르텐사이트를 증가시켜 강을 경질화하고, 항복비의 저하에도 기여하므로, 하한을 0.05%로 한다. C량이 0.10%를 넘으면 현지(現地) 용접성이 악화되는 동시에, 마르텐사이트의 면적율이 증가하고, 강도가 너무 높아져서 인성이 열화하므로, 상한을 0.10%로 한다. 강도를 확보하는 관점에서는 C량을 0.06% 이상으로 하는 것이 좋다. 강도를 과잉으로 상승시키지 않고, 인성을 확보하는 관점에서는 C량을 0.08% 이하로 하는 것이 좋다.

＜Mn：1.00 내지 1.60%＞

Mn는 강의 담금질성을 높이는 원소이며, 마르텐사이트의 생성에 기여한다. 본 발명에서는 강도를 확보하기 위하여, 1.00% 이상의 Mn를 첨가한다. Mn를 과도하게 첨가하면, 마르텐사이트의 면적율이 증가하고, 인성이 열화하므로, 상한을 1.60%로 한다. 강도를 확보하는 관점에서는 Mn량을 1.10% 이상으로 하는 것이 좋고, 1.20% 이상이 더 좋다. 인성을 확보하는 관점에서는 Mn량을 1.50% 이하로 하는 것이 좋고, 1.40% 이하가 더 좋다.

＜Ti：0.005 내지 0.030%＞

Ti는 탄질화물을 형성하는 원소이며, 조직을 미세화하고, 인성의 향상에 기여한다. 본원 발명은 후육 강판을 사용하고 있는데, 특히, 후육 강판에서 저온에 있어서의 인성을 확보하려면 0.005% 이상의 Ti를 첨가하는 것이 필요하다. Ti를 과잉으로 첨가하면 TiN의 조대화나, TiC에 의한 석출 경화가 생겨 인성이 열화하고, 항복비가 상승하므로, 0.030%를 상한으로 한다. 조직을 미세화하여 인성을 확보하는 관점에서는 Ti량을 0.008% 이상으로 하는 것이 좋고, 0.010% 이상이 더 좋다.석출물에 기인하는 항복비의 저하를 억제하는 관점에서는 Ti량은 0.025% 이하가 좋고, 0.020% 이하가 더 좋다.

＜Nb：0.005% 이상, 0.035% 미만＞

Nb는 재결정 온도를 저하시키는 원소이며, 열간 압연을 실시할 때에, 오스테나이트의 재결정을 억제하여 조직의 미세화에 기여하므로, 0.005% 이상을 첨가한다. Nb를 과잉으로 첨가하면, 과잉의 석출 강화에 의하여 항복 응력이 상승하여 항복비가 높아지므로, 함유량은 0.035% 미만으로 한다. 항복비를 저하시키는 관점에서는 Nb량을 0.025% 이하로 하는 것이 더 좋고, 0.020% 이하가 더 좋다.

＜N：0.001 내지 0.008%＞

N는 질화물, 특히, TiN를 형성하고, 조직의 미세화에 기여하는 원소이며, 0.001% 이상을 함유시킨다. 조직을 미세하게 하려면 0.002% 이상의 N을 함유시키는 것이 좋고, 더 좋기로는 함유량을 0.003% 이상으로 한다. N량이 과잉이 되면, 조대한 질화물을 생성하여 인성을 해치기 때문에, 상한을 0.008%로 한다. N량의 상한은 0.007%가 좋고, 더 좋기로는 0.006%로 한다.

본 발명에서는 Si, Al의 1종 또는 2종을 탈산 원소로서 사용한다.

＜Si：0.60% 이하＞

Si는 탈산제로서 유효하다. Al이 첨가되어 있는 경우에는, 첨가는 필수는 아니다. 탈산제로서의 효과를 얻으려면 0.01% 이상의 첨가가 좋다. 또한, Si는 고용강화에 의하여 강도를 높이는 원소이므로, 0.05% 이상의 첨가가 더 좋고, 0.10% 이상의 첨가가 더 좋다. Si는 0.60%를 넘어 첨가하면, 연성이나 인성, 나아가 전봉 용접성을 해치므로, 상한을 0.60%로 한다. 인성을 확보하는 관점에서는 Si량을 0.40% 이하로 하는 것이 좋고, 0.30% 이하가 더 좋다.

＜Al：0.10% 이하＞

Al는 탈산제로서 유효하다. Si가 첨가되어 있는 경우에는 첨가는 필수는 아니다. 탈산제로서의 효과를 얻으려면 0.001% 이상의 첨가가 좋다. 탈산의 효과를 높이려면 0.005% 이상의 Al의 첨가가 좋고, 0.01% 이상의 첨가가 더 좋다. Al은 0.10%를 넘어 첨가하면, 개재물이 증가하여, 연성이나 인성을 해치므로, 0.10% 이하로 제한한다. 인성을 확보하는 관점에서는 Al량을 0.05% 이하로 하는 것이 좋고, 0.03% 이하가 더 좋다.

본 발명에서는 불순물인 P, S의 함유량을 제한한다. P, S는 의도적으로 첨가하는 원소가 아니고, 원재료에 포함되는 P, S가 혼입되는 것이지만, 둘 다 함유량이 다량이 되면 바람직하지 않기 때문에, 이하와 같이 제한한다.

＜P：0.02% 이하＞

P는 불순물이며, 함유량의 상한을 0.02%로 한다. P량의 저감에 의하여, 입계 파괴가 방지되고 인성이 향상되기 때문에, P량은 0.015% 이하가 좋고, 0.010% 이하가 더 좋다. P량은 적은 것이 바람직하기 때문에, 하한은 두지 않는다. 특성과 비용의 균형의 관점에서, 통상은 0.001% 이상이 함유된다.

＜S：0.005% 이하＞

S는 불순물이며, 함유량의 상한을 0.005%로 한다. S량의 저감에 의하여, 열간 압연에 의하여 연신화하는 MnS를 저감하고, 인성을 향상시킬 수 있기 때문에, S량은 0.003% 이하가 좋고, 0.002% 이하가 더 좋다. S량은 적은 것이 바람직하기 때문에, 하한은 두지 않는다. 특성과 비용의 균형의 관점에서, 통상은 0.0001% 이상이 함유된다.

＜Ceq：0.23 내지 0.38＞

탄소당량 Ceq는 담금질성의 지표인데, 강도의 지표로서도 사용되는 경우가 있다. C, Mn, Cr, Mo, V, Ni, Cu의 함유량［질량%］으로부터, 아래 (식 1)에 의하여 구한다. 강도를 확보하려면 Ceq를 0.23 이상으로 하는 것이 필요하다. 인성을 확보하려면 Ceq를 0.38 이하로 하는 것이 필요하다. Ceq의 하한은 0.25 이상이 좋다. Ceq의 상한은 0.35 이하가 좋고, 0.30 이하가 더 좋다.

Ceq=C＋Mn/6＋(Cr＋Mo＋V)/5＋(Ni＋Cu)/15…　(식 1)

이 때, C, Mn, Cr, Mo, V, Ni, Cu는 각 원소의 함유량［질량%］이다. 또한, Cr, Mo, V, Ni, Cu는, 후술하는 바와 같이, 본 발명에 있어서 선택적으로 첨가되는 원소이며, 의도적으로 첨가하지 않는 경우에는 상기 (식 1)에서는 0으로서 계산한다.

본 발명에 있어서는, 또한 강의 담금질성을 향상시키고, 강도를 높이기 위하여, Ni, Cu, Cr, Mo, V의 1종 또는 2종 이상을 첨가할 수 있다. 또한, 강관 및 전봉 용접부의 인성을 높이려면, Ca, REM의 1종 또는 2종 이상을 첨가할 수 있다. 이 원소들은 임의로 첨가되는 원소이며, 필수의 첨가 원소는 아니기 때문에, 함유량의 하한은 규정하지 않는다. 이하의 설명에 있어서 바람직한 하한 값을 기재하지만, 이것은 각 원소를 첨가하는 것에 의한 담금질성의 향상이나, 강도를 높이는 효과를 얻기 위한 바람직한 하한 값이다. 각 원소의 함유량이 바람직한 하한값 미만이어도 강에 악영향은 미치지 않는다.

＜Ni：1.0% 이하＞

Ni는 강의 담금질성을 향상시키는 원소이며, 인성의 향상에도 기여한다. 강도를 향상시키려면 Ni량을 0.05% 이상으로 하는 것이 좋다. 또한, Ni는 고가의 원소이기 때문에, 상한은 1.0%로 하고, 0.5% 이하로 하는 것이 더 좋고, 0.3% 이하가 한층 더 좋다.

＜Cu：1.0% 이하＞

Cu는 강의 담금질성을 향상시키는 원소이며, 고용 강화에도 기여하므로, 0.05% 이상을 첨가하는 것이 좋다. Cu를 과도하게 첨가하면 강판의 표면 성상을 해치는 경우가 있기 때문에, 상한은 1.0% 이하로 한다. 경제성의 관점에서, Cu량의 더 바람직한 상한은 0.5%이고, 0.3% 이하가 더 좋다. Cu를 첨가하는 경우는 표면 성상 열화 방지의 관점에서, 동시에 Ni를 첨가하는 것이 좋다.

＜Cr：1.0% 이하＞

Cr은 강도의 향상에 유효한 원소이며, 0.05% 이상을 첨가하는 것이 좋다. Cr을 과도하게 첨가하면, 강관의 단부끼리를 맞대기 용접 (현지 용접)할 때에, 용접성이 열화하는 경우가 있으므로, 1.0%를 상한으로 한다. 더 좋기로는 0.5% 이하이고, 한층 더 좋기로는 0.2% 이하이다.

＜Mo：0.50% 이하＞

Mo는 강의 고강도화에 기여하는 원소이며, 0.05% 이상을 첨가하는 것이 좋다. 다만, Mo는 고가의 원소이며, 0.5%를 상한으로 한다. 더 바람직한 Mo량의 상한은 0.3% 이하이며, 더 좋기로는 0.1% 이하로 한다.

＜V：0.2% 이하＞

V는 탄화물, 질화물을 생성하고, 석출 강화에 의하여 강의 강도를 향상시키는 원소이며, 강도를 효과적으로 상승시키기 위하여, 0.01% 이상을 첨가하는 것이 좋다. V를 과잉으로 첨가하면, 탄화물 및 질화물이 조대화하여, 항복비가 상승하는 경우가 있으므로, V량의 상한은 0.2%로 한다. 항복비를 저하시키는 관점에서는 V량의 상한을 0.1% 이하로 하는 것이 더 좋고, 한층 더 좋기로는 0.05% 이하로 한다.

＜Ca：0.006% 이하＞　＜REM：0.006% 이하＞

Ca, REM는 황화물계 개재물의 형태를 제어하고, 저온 인성을 향상시키며, 또한 전봉 용접부의 산화물을 미세화하여 전봉 용접부의 인성을 향상시키므로, 어느 일방 또는 쌍방을 모두 0.001% 이상 첨가하는 것이 좋다. Ca, REM를 과잉으로 첨가하면, 산화물ㆍ황화물이 커지게 되어 인성에 악영향을 미치므로, 첨가량의 상한은 0.006%로 한다. 여기서 REM란, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu의 총칭이다.

본 발명에 관한 전봉 용접 강관의 모재의 성분 조성의, 이상 설명한 이외의 잔부는 철 및 불가피한 불순물이다. 불가피한 불순물이란, 원재료에 포함되거나, 또는 제조 과정에서 혼입하는 성분으로, 의도적으로 강에 함유시킨 것이 아닌 성분을 말한다.

구체적으로는, P, S, O, Sb, Sn, W, Co, As, Mg, Pb, Bi, B, 및 H를 들 수 있다. 이 중에서 P 및 S는, 전술한 바와 같이 각각 0.02% 이하, 0.005% 이하가 되도록 제어할 필요가 있다. O는 0.006% 이하가 되도록 제어하는 것이 좋다.

그 밖의 원소에 대하여는, 통상 Sb, Sn, W, Co, 및 As는 0.1% 이하, Mg, Pb 및 Bi는 0.005% 이하, B 및 H는 0.0005% 이하의 불가피한 불순물로서의 혼입이 있을 수 있으나, 통상의 범위이면 특별히 제어할 필요는 없다.

또한, 본 발명의 강관에 있어서의 선택 필수, 또는 임의의 첨가 원소인 Si, Al, Ni, Cu, Cr, Mo, V, Ca, REM도 함유를 의도하지 않아도 불가피한 불순물로서 혼입되는 경우가 있을 수 있으나, 전술한 의도적으로 함유시키는 경우의 함유량의 상한 이하이면, 본 발명의 강관에 악영향을 주는 것은 아니기 때문에 문제는 없다. 또한, N은 일반적으로, 강에 있어서 불가피한 불순물로서 취급되는 경우가 있으나, 본 발명의 전봉 강관에서는 전술한 바와 같이 일정한 범위로 제어할 필요가 있다.

다음으로, 본 발명의 전봉 용접 강관의 모재의 금속 조직에 대하여 설명한다.

본 발명의 전봉 용접 강관의 모재의 금속 조직은 마르텐사이트와, 잔부는 페라이트로 이루어지는 복상 조직으로 한다. 마르텐사이트의 면적율은 항복비를 저하시키기 위하여 3% 이상으로 한다. 마르텐사이트의 면적율은 5% 이상이 좋고, 8% 이상이 더 좋다. 마르텐사이트가 증가하면 인성이 저하하므로, 마르텐사이트의 면적율의 상한은 13%로 한다. 마르텐사이트의 면적율은 12% 이하가 좋고, 10% 이하가 더 좋다.

마르텐사이트의 면적율은 르 페르 에칭을 실시하여 광학 현미경에 의하여 구한다. 잔류 오스테나이트가 증가하면, 마르텐사이트의 경도가 저하하고, 항복비가 상승한다. 그 때문에, 본 발명에서는 X선 회절법으로 잔류 오스테나이트의 체적율을 측정하고, 잔류 오스테나이트의 체적율이 1% 이하이면, 금속 조직이 마르텐사이트와 페라이트로 이루어지는 복상 조직이라고 판단하도록 한다.

마르텐사이트는 페라이트 중에, 원 상당 지름의 평균값이 0.5 내지 1.5㎛로 분산되어 있는 것이 좋다. 마르텐사이트의 원 상당 지름의 평균값이 0.5㎛ 미만이 되면, 항복비의 저하에 기여하지 않게 된다. 마르텐사이트의 원 상당 지름의 평균값이 1.5㎛를 넘으면, 저온 인성을 해친다. 마르텐사이트의 원 상당 지름의 평균값은 0.7 내지 1.1㎛이면 더 좋다. 또한, 바람직한 마르텐사이트의 분산 상태는 원 상당 지름의 최대값이 7㎛ 이하, 더 좋기로는 5㎛ 이하, 표준편차가 1㎛ 이하, 더 좋기로는 0.8㎛ 이하이다.

다음으로, 본 발명의 전봉 용접 강관의 제조 방법에 대하여 설명한다.

먼저, 본 발명의 전봉 용접 강관의 소재인 열연 강판의 제조 조건에 대하여 설명한다.

본 발명에서는 전술한 성분을 가진 강을 용제한 후, 주조하여 강편으로 하고, 강편을 가열하여 열간 압연한 후, 제어 냉각을 실시하고, 권취하여 공랭하여, 열연 강판을 제조한다.

강편의 가열 온도는 Nb 등 탄화물을 형성하는 원소를 강 중에 고용시키려면 1150℃ 이상으로 하는 것이 좋다. 가열 온도가 너무 높으면 조직이 조대하게 되므로, 페라이트의 입자 지름의 조대화를 방지하기 위하여 1250℃ 이하로 하는 것이 좋다.

열간 압연은 강의 조직이 오스테나이트상인 온도역에서 실시할 필요가 있다. 이것은 페라이트 변태가 개시된 후에 압연하면, 가공된 페라이트가 생성되어, 특성의 이방성이 커지기 때문이다. 따라서, 열간 압연의 마무리 온도는 냉각시의 페라이트 변태가 개시되는 Ar₃ 이상이 좋다. 마무리 온도가 너무 높으면 조직이 조대하게 되므로, Ar₃＋50℃ 이하가 좋다.

Ar₃는 모재 강판과 동일한 성분의 시험 재료를 사용하여, 가열 및 냉각하였을 때의 열 팽창 거동으로부터 구할 수 있다. 또한, 모재 강판의 성분으로부터, 아래 (식 2)에 의하여 구하는 것도 가능하다.

　Ar₃(℃)=910-310C-80Mn-55Ni-20Cu-15Cr-80Mo　…(식 2)

이 때, C, Mn, Ni, Cu, Cr, Mo는 각 원소의 함유량［질량%］이다. Ni, Cu, Cr, Mo는 본 발명에 있어서는 임의의 첨가 원소이다. 이 원소들을 의도적으로 첨가하지 않는 경우에는 상기 (식 2)에서는 0으로서 계산한다.

열간 압연에서는 강의 페라이트 조직을 미세하게 하기 위하여, 950℃ 이하의 압하량을 70% 이상으로 하는 것이 좋다. 강편의 두께에 따라서는 950℃ 초과에서 열간 압연을 실시하여도 좋지만, 페라이트 변태를 촉진시키려면, 950℃ 이하에서의 압하량을 늘려, 변형을 축적시키는 것이 좋다. 950℃ 이하의 압하량은 950℃에서의 판 두께와 마무리 압연 후의 판 두께와의 차를, 마무리 압연 후의 판 두께로 나누고, 백분율로서 구한다.

열간 압연 후, 마르텐사이트를 생성시키려면, 750℃ 이상, 좋기로는 Ar₃점 이상의 온도로부터 가속 냉각을 실시한다. 열간 압연 후 온도가 너무 저하하면, 조대한 폴리고날 페라이트가 생성되어 강도가 저하하거나 인성이 열화하는 경우가 있다.

가속 냉각은 650℃까지의 전단의 평균 냉각 속도를 10 내지 25℃/s, 650℃ 이하의 가속 냉각 정지까지의 후단의 평균 냉각 속도를 20 내지 50℃/s로 하는 2단 냉각으로 한다. 후단의 냉각 속도는 전단의 냉각 속도의 1.5배 이상, 좋기로는 2배 이상으로 한다.

상기와 같은 2단 냉각으로 하는 것은 전단의 냉각에서 페라이트를 생성시키고, 후단에서 냉각 속도를 올림으로써, 펄라이트를 생성시키지 않고, 또한 오스테나이트를 잔류시키지 않으면서, 마르텐사이트를 생성시키는 페라이트와 마르텐사이트의 복상 조직을 얻기 위한 것이다.

가속 냉각의 정지 온도는 Ms점보다 충분히 낮은 300℃ 이하로 하고, 권취하여 열연 강대를 제조함으로써, 경질의 마르텐사이트를 생성시키고, 항복비를 저하시킬 수 있다. 가속 냉각의 정지 온도가 100℃을 넘으면, 마르텐사이트의 면적율이 부족하거나 오스테나이트가 과잉으로 잔류하거나 하여, 항복비가 충분히 저하하지 않는다.

다음으로, 본 발명에서는 얻은 열연 강대를 공랭하고, 냉간으로 관 모양으로 성형하여, 단부끼리를 맞대고 전봉 용접하여, 전봉 용접 강관을 제조한다. 본 발명은 후육이고, 외경이 작은 전봉 강관을 상정한 발명이다. 특별히 규정하는 것은 아니지만, 모재의 두께 t와 전봉 강관의 외경 D의 비 t/D는 2.0 내지 6.0% 정도이며, 심해에서 부설하는 파이프라인에 요구되는 t가 12.5 mm 이상, t/D가 5.0% 이상인 전봉 강관에도 대응 가능하다.

또한, 전봉 용접부만을 가열하고, 가속 냉각하는 심 열처리를 실시하여도 된다. 전봉 용접에서는 맞댐부를 가열하여 용융시키고, 압력을 부하하여, 고상 접합하기 때문에, 전봉 용접부 근방은 고온에서 소성 변형한 후, 급랭된 상태로 되어 있다. 그 때문에, 전봉 용접부는 모재에 비하여 경화되어 있어서, 심 열처리를 실시함으로써, 전봉 강관의 저온 인성, 변형 성능을 한층 더 높일 수 있다.

실시예

이하, 본 발명의 효과를 실시예에 의하여 구체적으로 설명한다. 또한, 본 발명은 이하의 실시예에서 사용한 조건에 한정되는 것은 아니다. 또한, 표 1 내지 3 중의 밑줄은 본 발명의 범위 외인 것을 나타낸다. 또한, 표 중의 공란은 그 원소를 의도적으로 첨가하고 있지 않은 것을 나타낸다. 강 AA 내지 AG는 본 발명의 성분 조성의 규정을 만족하지 않는 강이다.

표 1에 나타내는 화학 성분을 가진 강을 주조하여 강편으로 하였다. 이 강편들을 표 2에 나타낸 가열 온도로 가열하고, 압연 마무리 온도 (표 2 중의 FT)를 Ar₃점 이상으로 하여 열간 압연을 실시하고, 가속 냉각하여, 모재 강판을 얻었다. 가속 냉각은 650℃를 경계로 냉각 속도를 변경하는 2단 냉각으로 하고, 후단 (650℃ 이하)의 평균 냉각 속도가 전단 (650℃까지)의 평균 냉각 속도의 2배 정도가 되도록 하였다. 가속 냉각 후의 강판은 표 2에 기재된 권취 온도(CT)로 권취하여, 열연 강대로 하였다.

다음으로, 얻은 열연 강대를 공랭한 후, 연속 롤 성형 공정으로 관 모양으로 성형하고, 열연 강대의 단부를 맞대어 전봉 용접을 실시하였다. 그 후, 필요에 따라서, 전봉 용접부를 가열한 후, 가속 냉각하고, 심 열처리를 실시하였다.

표 2 중의 「압하량」이란, 열간 압연 공정에서의 950℃ 이하에 있어서의 압하량이며, 950℃에서의 판 두께와 마무리 압연 후의 판 두께와의 차를 마무리 압연 후의 판 두께로 나누어, 백분율로서 구한 것이다. 또한, 「t」는 강판의 두께, 「D」는 조관 후의 강관의 외경을 나타낸다.

표 1의 Ar₃는 표 1에 나타낸 C, Mn, Ni, Cu, Cr, Mo의 함유량［질량%］으로부터 구하였다. 또한, Ni, Cu, Cr, Mo는 본 발명에 있어서는 임의의 첨가 원소이며, 표 1의 공란에 나타내는 바와 같이, 의도적으로 첨가하지 않은 경우에는 아래 (식 2)에서는 0으로서 계산하였다.

　Ar₃(℃)=910-310C-80Mn-55Ni-20Cu-15Cr-80Mo　…(식 2)

다음으로, 얻은 전봉 용접 강관의 모재부로부터, 조직 관찰용의 시료를 채취하고, 강관 길이 방향과 평행한 단면에 나이탈 에칭을 실시하여, 광학 현미경으로 조직 관찰 및 사진 촬영을 하였다. 관찰 위치는 외표면으로부터 t/4 위치로 하였다. 이 조직 사진들을 사용하여, 펄라이트, 베이나이트 등, 페라이트 및 마르텐사이트 이외의 조직이 생성되지 않은 것을 확인하였다. 그 후, 르 페르 에칭을 실시하여, 광학 현미경 사진을 0.4t 위치에서 촬영하고, 화상 해석에 의하여 마르텐사이트의 면적율을 구하였다. 또한, 화상 해석에 의하여 마르텐사이트의 원 상당 지름을 측정하였다. 마르텐사이트의 면적율과 원 상당 반경에 대하여는 100㎛×200㎛의 시야 10개소를 측정하여, 평균값을 구하였다. 또한, X선 회절법으로 오스테나이트의 체적율을 측정하여, 1% 이하인 것을 확인하였다.

다음으로, 전봉 용접 강관의 모재로부터, JIS　Z　2241에 준거하여, 강관 길이 방향으로 호상(弧狀) 인장 시험편을 채취하고, 실온에서 인장 시험을 실시하여, 항복 응력과 인장 강도를 구하였다. 또한, 전봉 용접 강관의 모재로부터 JIS　Z　2242에 준거하여 V 노치 시험편을 채취하고, -30℃에서 샤르피 시험을 실시하여, 샤르피 흡수 에너지ｖE_-30을 구하고, 인성을 평가하였다. 또한, V 노치 시험편은 둘레 방향을 긴 방향으로 하여 채취하였다. 두께 10 mm의 풀 사이즈 시험편을 채취할 수 없는 경우에는 서브 사이즈 시험 편으로 하고, 두께 10 mm로 환산하였다. 결과를 표 3에 나타낸다.

표 3에 나타내는 바와 같이, 본 발명예는 모두 적정한 면적율의 마르텐사이트와 페라이트로 이루어지는 금속 조직이고, 전봉 용접 강관의 인장 강도는 모두 X56 이상 (인장 강도 490 MPa 이상)이며, 항복비가 모두 90% 이하로 양호하다. 또한, 본 발명예는 모두 -30℃에서도 190J 이상의 높은 샤르피 흡수 에너지를 나타내어, 인성도 양호하였다.

No.21은 C량이 적기 때문에 강도가 저하하고, 마르텐사이트의 생성이 불충분하게 되어, 항복비가 상승한 예이다. No.22는 C량이 많고, No.23은 Mn량이 많으며, 마르텐사이트가 과잉으로 생성되어, 인성이 저하한 예이다. No.24는 Mn량이 적기 때문에, 강도가 저하한 예이다.

No.25는 Ceq가 너무 높아서, 마르텐사이트가 과잉으로 생성되고, 인성이 저하한 예이다. No.26은 Ceq가 너무 낮아서, 강도가 저하한 예이다. No.27은 Ti량이 적기 때문에 인성이 저하하고, 또한, Nb량이 많기 때문에, 페라이트에 추가하여 베이나이트가 생성되고, 항복비가 상승한 예이다.

No.28은 650℃ 이하의 냉각 속도가 느리기 때문에 마르텐사이트가 생성되지 않고 항복비가 상승한 예이다. 한편, No.29는 가속 냉각 속도가 450℃로 높아서, 마르텐사이트가 생성하지 않고 항복비가 상승한 예이다.

산업상 이용 가능성

본 발명에 의하면, 심해 등에 부설되는 파이프라인에 사용하는 것이 가능한 X60 내지 70급의 강도를 가지고, 충분한 저온 인성을 지니며 항복비가 낮은 전봉 용접 강관을 제공할 수 있으므로, 산업상 이용 가능성은 크다.

Claims

모재의 성분 조성이, 질량%로,
C: 0.05 내지 0.10%,
Mn：1.00 내지 1.60%,
Ti：0.005 내지 0.030%,
Nb：0.005% 이상, 0.035% 미만 및
N: 0.001 내지 0.008%
를 함유하고, 또한
Si：0.01 내지 0.60% 및
Al：0.001 내지 0.10%
의 어느 일방 또는 쌍방을 함유하며,
P: 0.02% 이하,
S: 0.005% 이하 및
에 제한되고,
잔부가 철 및 불가피한 불순물이며,
아래 (식 1)로 표현되는 Ceq가 0.23≤Ceq≤0.38을 만족하고, 또한,
모재의 금속 조직이 면적율로 3 내지 13%의 마르텐사이트를 함유하며, 잔부가 페라이트인 것을 특징으로 하는 전봉 용접 강관.
Ceq=C＋Mn/6＋(Cr＋Mo＋V)/5＋(Ni＋Cu)/15…(식 1)
이 때, (식 1)에 있어서의 C, M, Cr, Mo, V, Ni, Cu는 각 원소의 함유량을 질량%로 나타낸 값이다.
제1항에 있어서, 상기 모재의 성분 조성이, 또한 질량%로,
Ni：1.0% 이하,
Cu：1.0% 이하,
Cr：1.0% 이하,
Mo：0.5% 이하,
V: 0.2% 이하,
Ca：0.006% 이하 및
REM：0.006% 이하
중에서 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 전봉 용접 강관.
제1항에 있어서, 상기 모재의 성분 조성이,
Mn：1.00 내지 1.50%,
Si：0.40% 이하
를 만족하고, 또한
0.23≤Ceq≤0.30
를 만족하며, 상기 모재의 금속 조직의 마르텐사이트의 원 상당 지름의 평균값이 0.5 내지 1.5㎛이고, 또한,
강관의 인장 강도가 490 내지 760 MPa인 것을 특징으로 하는 전봉 용접 강관.
제3항에 있어서, 상기 모재의 성분 조성이,
Nb：0.005 내지 0.020%
를 만족하는 것을 특징으로 하는 전봉 용접 강관.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 모재의 성분 조성이, 추가로 질량%로,
Ni：0.5% 이하,
Cu：0.5% 이하,
Cr：0.5% 이하,
Mo：0.2% 이하,
V: 0.1% 이하,
Ca：0.006% 이하 및
REM：0.006% 이하 중에서 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 전봉 용접 강관.