KR20190124253A

KR20190124253A - 세로 심 용접 강관

Info

Publication number: KR20190124253A
Application number: KR1020197028042A
Authority: KR
Inventors: 나오토 후지야마; 가즈히로 고지마; 야스히로 시노하라
Original assignee: 닛폰세이테츠 가부시키가이샤
Priority date: 2017-04-04
Filing date: 2017-04-04
Publication date: 2019-11-04
Also published as: EP3608433A4; WO2018185851A1; JP6308337B1; EP3608433A1; JPWO2018185851A1; BR112019016071A2; US20200032931A1; RU2019131168A3; RU2019131168A; CA3057607A1; CN110475887A

Abstract

본 발명은, X60 내지 X70급 강도를 갖는 길이 방향으로 내외 양면으로부터 서브머지드 아크 용접된, 저온에서의 용접 금속부의 인성이 우수한 강관에 관한 것이다. 본 발명의 강관은, 길이 방향으로 내면 및 외면이 용접된 용접부를 갖는 관이며, 모재의 인장 강도가 480 내지 620MPa이고, 용접 금속이 소정의 성분 조성을 가지며, ％X가 원소 X의 용접 금속 중의 함유량을 나타낼 때, Pcm＝％C＋％Si/30＋(％Mn＋％Cu＋％Cr)/20＋％Ni/60＋％Mo/15＋％V/10＋5％B로 정의되는 Pcm이 0.2％ 이하이고, Ceq＝％C＋％Mn/6＋(％Cr＋％Mo＋％V)/5＋(％Ni＋％Cu)/15로 정의되는 Ceq가 0.35 내지 0.45％이고, α'＝(1.5×(％O-0.89％Al)＋3.4×％N-％Ti)×1000으로 정의되는 α'가 -20 내지 40이고, ％Al/％O가 0.3 내지 0.8인 것을 특징으로 한다.

Description

세로 심 용접 강관

본 발명은, API 5L X60 내지 X70급 강도(규격 최소 항복 강도가 각각 413MPa, 482MPa)를 갖는, 길이 방향으로 내외 양면으로부터 서브머지드 아크 용접된 강관에 관한 것이다.

원유·천연 가스의 장거리 수송 방법으로서, 라인 파이프의 중요성은 높아지고 있다. 장거리 수송용 간선 라인 파이프로서는 미국 석유 협회(API) 5L 규격 X65(규격 최소 항복 강도가 각각 448MPa)가 설계의 기본으로 되어 있으며, 실제 사용량도 많다.

라인 파이프용 강관은, 일반적으로, 강판을 성형하여, 강판의 맞댐부를 길이 방향으로 내외 양면으로부터 심 용접하여 제조된다. 심 용접은, 통상, 개선의 일부를 가스 실드 아크 용접으로 가부 용접한 후, 서브머지드 아크 용접에 의해, 강관의 내면 및 외면으로부터 1층씩 용접하여 완료된다. 가부 용접은 후속하여 행해지는 서브머지드 아크 용접에 의해 완전히 소거된다.

이와 같이 제조되는 강관의 예로서는, UOE 강관, JCOE 강관을 들 수 있다. 라인 파이프의 용접 조인트부는, 채굴지의 한랭화나 고압화에 의한 수송 효율 향상의 관점에서, 고인화(高靭化)가 요구된다.

특허문헌 1은, API 규격 X65 내지 X70급 용접 강관에 관한 것이며, 용접 금속을 다수의 TiO를 핵으로 하여 변태 생성한 미세한 침상 페라이트 조직으로 하고, 고강도와 우수한 인성을 양립시키는 것을 개시하고 있다.

일본 특허 공개 제2013-49895호 공보

라인 파이프용 강관은, 심해 우물이나 한냉지에서 사용되는 경우도 많아，후육화가 진행되고 있다. 두꺼운 강판의 용접에는, 서브머지드 아크 용접과 같은 대입열 용접이 필요하다. 대입열 용접에 있어서는, 일반적으로, 용접 열 영향부(이하 [HAZ]라 함)의 인성의 저하가 해결해야 할 과제이다.

본 발명은, API 규격 X60 내지 X70급 강도를 가지며, 판 두께 6 내지 40mm의 두꺼운 강판을 성형하여, 길이 방향으로 내외면으로부터 심 용접된 용접부를 갖는 세로 심 용접 강관을 대상으로 하며, 두꺼운 강판을 용접 입열 15 내지 110kJ/cm에서 용접하여 강관으로 한 경우라도, 저온에서의 용접 금속부의 인성이 우수한 강관을 얻는 것을 과제로 한다.

서브머지드 아크 용접에 있어서, 세로 심부의 용접 금속의 성분은 모재 희석의 영향을 받기 때문에, 모재의 성분에 걸맞은 용접 금속부의 성분 설계를 해야 한다. 구체적으로는, Al양, Ti양, O양, N양의 제어가 중요해진다.

용접 금속의 마이크로 조직은, 합금량에 의해 거의 결정된다. 모재의 성분을 고려하면, 모재가 X60 내지 X70급 강도를 갖는 경우, 용접 금속은 침상 페라이트를 중심으로 한 조직으로 된다. 또한, 모재의 강도가 보다 높아지면, 용접 금속은 베이나이트 조직이 된다. 모재의 강도가 X60 내지 X70급인 경우에 용접 금속부의 인성을 향상시키기 위해서는, 예를 들어 모재의 강도가 X80급인 경우와는 다른 설계 사상을 토대로 검토할 필요가 있다.

본 발명자들은, 모재 희석의 영향을 고려한 용접 금속의 성분을 적정한 것으로 하고, 또한 Al, O, Ti, 및 N의 화학량론비에 기초하여 구해지는, 유효한 침상 페라이트 생성능을 나타낸 파라미터 α', 및 Al양과 O양의 비를, 용접 금속 중의 O양에 따라 적정한 값으로 함으로써 용접 금속부의 인성을 향상시킬 수 있음을 알아내고, 더욱 검토를 진행시켜, 본 발명을 이루었다. 그 요지는 이하와 같다.

(1) 길이 방향으로 내면 및 외면이 용접된 용접부를 갖는 강관이며, 모재의 화학 조성이, 질량％로, C: 0.01 내지 0.1％, Si: 0.03 내지 0.5％, Mn: 0.5 내지 2.0％, P: 0.015％ 이하, S: 0.01％ 이하, Al: 0.01 내지 0.05％, Ti: 0.005 내지 0.03％, N: 0.002 내지 0.006％, O: 0.005％ 이하, Mg: 0 내지 0.01％, Ca: 0 내지 0.03％, Ni: 0 내지 0.6％, Cr: 0 내지 0.5％, Cu: 0 내지 0.5％, Mo: 0 내지 0.4％, Nb: 0 내지 0.06％, B: 0 내지 0.002％, 및 V: 0 내지 0.06％를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물이며, 모재의 인장 강도가 480 내지 620MPa이고, 용접 금속의 화학 조성이, 질량％로, C: 0.03 내지 0.1％, Si: 0.03 내지 0.5％, Mn: 0.5 내지 2.0％, P: 0.015％ 이하, S: 0.01％ 이하, Al: 0.001 내지 0.03％, Ti: 0.005 내지 0.04％, N: 0.002 내지 0.006％, B: 0 내지 0.035％, O: 0.015 내지 0.055％, Ni: 0 내지 0.6％, Cr: 0 내지 0.5％, Cu: 0 내지 0.5％, Mo: 0 내지 0.4％, V: 0 내지 0.06％, Ca: 0 내지 0.005％, Mg: 0 내지 0.01％, 및 Nb: 0 내지 0.06％를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물이며, ％X가 원소 X의 용접 금속 중의 함유량을 나타낼 때, Pcm＝％C＋％Si/30＋(％Mn＋％Cu＋％Cr)/20＋％Ni/60＋％Mo/15＋％V/10＋5％B로 정의되는 Pcm이 0.2％ 이하이고, Ceq＝％C＋％Mn/6＋(％Cr＋％Mo＋％V)/5＋(％Ni＋％Cu)/15로 정의되는 Ceq가 0.35 내지 0.45％이고, α'＝(1.5×(％O-0.89％Al)＋3.4×％N-％Ti)×1000으로 정의되는 α'가 1000×％O-10≤α'≤1000×％O＋1을 만족시키며, ％Al/％O가 0.3 내지 0.8을 만족시키는 것을 특징으로 하는 세로 심 용접 강관.

(2) 상기 용접 금속의 조직이, 면적률로, 침상 페라이트 70％ 이상, 입계 페라이트 15％ 이하, 섬 형상 마르텐사이트 3％ 이하를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 세로 심 용접 강관.

(3) 용접 금속의 인장 강도가 모재의 인장 강도의 1.05배 이상인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)의 세로 심 용접 강관.

(4) 상기 용접 금속의 -10℃에 있어서의 샤르피 흡수 에너지가 100J 이상인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (3)의 어느 세로 심 용접 강관.

(5) 상기 용접 금속의 1300×％O-60(℃)에 있어서의 샤르피 흡수 에너지가 100J 이상인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (4)의 어느 세로 심 용접 강관.

본 발명에 따르면, API 규격 X60 내지 X70급 강도를 갖고, 저온에서의 용접 금속부의 인성이 우수한, UOE 강관, JCOE 강관과 같은 세로 심 용접 강관을 얻을 수 있다.

도 1은 용접 금속 중의 양과 저온 인성을 설명하는 도면이며, (a)는 O양과 α'의 관계, (b)는 α'와 -10℃에 있어서의 흡수 에너지의 관계를 도시하는 도면이다.
도 2는 용접 금속의 조직의 예이며, (a), (b)는 본 발명의 세로 심 용접 강관의 용접 금속의 조직, (c), (d)는 종래예의 세로 심 용접 강관의 용접 금속의 조직이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서, 상세하게 설명한다.

처음에, 용접 금속의 성분 조성에 대해서 설명한다. 또한, 이하, 성분 조성에 관한 「％」는 「질량％」를 나타내는 것으로 한다.

C: 0.03 내지 0.10％

C는 강의 강도 확보를 위해서 필요한 원소이며, 0.03％ 이상의 함유가 필요하다. C양이 많으면 용접 심부에 있어서 용접 고온 균열이 발생하기 쉬워지므로, 상한은 0.10％로 한다. C는 바람직하게는, 0.05％ 이상, 0.065％ 이하이다.

Si: 0.03 내지 0.50％

Si는 블로우 홀 방지를 위해서 0.03％ 이상의 함유가 필요하다. Si양이 많으면 섬 형상 마르텐사이트를 형성하기 쉬워져, 저온 인성을 현저하게 열화시키므로, 상한은 0.50％로 한다. Si는 바람직하게는, 0.15％ 이상, 0.25％ 이하이다.

Mn: 0.5 내지 2.0％

Mn은 ?칭성 향상 원소로서 작용한다. 용접 금속을 침상 페라이트 주체의 조직으로 하기 위해서 0.5％ 이상의 함유가 필요하다. Mn양이 많으면, 조대한 MnS가 형성되어, 파괴의 기점으로 되기 때문에, 상한은 2.0％로 한다. Mn은 바람직하게는, 1.2％ 이상, 1.5％ 이하이다.

P: 0.015％ 이하(0％를 포함함)

S: 0.010％ 이하(0％를 포함함)

P, S는, 모두 불순물이며, 조인트의 인성을 악화시키는 원소이다. P는 0.015％ 이하, S는 0.010％ 이하로 제한한다. 이들 함유량은 가능한 한 낮은 편이 바람직하다. 바람직하게는, P는 0.008％ 이하이다. 바람직하게는, S는 0.003％ 이하이다.

Al: 0.001 내지 0.030％

Al은 탈산 원소로서 작용하고, 침상 페라이트 핵 생성 사이트로서 유효한 Ti 산화물을 분산시키기 위한 산소량 제어에 필요하다. 모재 희석을 고려하면, 0.001％ 이상의 함유가 필요하다. Al양이 0.030％를 초과하면, 산화물의 생성을 저해하여, 인성을 확보할 수 없으므로, 상한은 0.030％로 한다. 바람직하게는 0.010％ 이상, 0.015％ 이하이다.

Ti: 0.005 내지 0.040％

Ti는 용접 금속 중의 산소와 반응하여, 침상 페라이트의 핵으로 되는 Ti 산화물을 형성한다. 이 산화물을 용접 금속 중에 다수 미세 분산시키기 위해서, 0.005％ 이상의 함유가 필요하다. Ti양이 과잉이 되면, Ti 산화물이 응집·조대화되어, 침상 페라이트의 핵을 생성할 능력이 저하되는 것, 또한, Ti 산화물이 파괴의 기점으로 되어 인성을 확보할 수 없으므로, 상한은 0.040％로 한다. 바람직하게는 0.009％ 이상, 0.015％ 이하이다.

N: 0.002 내지 0.006％

N은 침상 페라이트 조직 형성을 위해서 유효한 Ti양의 조정을 위해서 효과적 원소이기 때문에, 0.002％ 이상의 함유가 필요하다. 그러나, 0.006％를 초과하면, Ti와 반응하지 않고 남은 고용 N이 현저하게 인성을 저하시키기 때문에, 그 상한을 0.006％로 하는 것이 바람직하다. 바람직하게는 0.003％ 이상, 0.004％ 이하이다.

B: 0 내지 0.035％ 이하

B는 고용 상태의 B가, 용접 금속의 입계 페라이트 형성을 억제함으로써, 침상 페라이트의 형성을 촉진한다. B는 함유하지 않아도 되지만, 이 효과를 얻기 위해서는 0.0001％ 이상의 함유가 바람직하다. B양이 0.035를 초과하면 강도가 지나치게 높아져, 인성이 저하되므로, 상한을 0.035％로 한다. 용접 금속에 대한 B 첨가는, 후판 모재, 플럭스, 또는 와이어의 어느 것으로부터도 첨가할 수 있다. 예를 들어, 모재가 B 무첨가 강인 경우, B 산화물이 함유된 플럭스를 사용하면 된다. B는 바람직하게는 0.0005％ 이상, 0.010％ 이하이다.

O: 0.015 내지 0.055％

O는 침상 페라이트의 핵으로 되는 산화물 형성을 위해서 필요한 원소이다. 그 때문에 0.015％ 이상의 함유가 필요하다. O양이 0.055％를 초과하면, 산화물의 과잉 형성, 응집·조대화에 의해 인성이 저하되므로, 상한은 0.055％로 한다. 바람직하게는 0.020％ 이상, 0.030％ 이하이다.

Ni: 0 내지 0.60％

Ni는 인성을 저하시키지 않고, 용접 금속의 강도를 향상시킬 수 있는 원소이다. Ni의 함유는 필수적이지 않다. 0.60％를 초과하면 효과가 포화되므로, 상한은 0.60％로 한다.

Cr: 0 내지 0.50％

Cr은 용접 금속의 강도를 향상시킬 수 있는 원소이다. Cr의 함유는 필수적이지 않다. 0.50％를 초과하면 효과가 포화되므로, 상한은 0.50％로 한다.

Cu: 0 내지 0.50％

Cu는 용접 금속의 강도를 향상시킬 수 있는 원소이다. Cu의 함유는 필수적이지 않다. 0.50％를 초과하면 효과가 포화되므로, 상한은 0.50％로 한다.

Mo: 0 내지 0.40％

Mo는 용접 금속의 강도를 향상시킬 수 있는 원소이다. Mo의 함유는 필수적이지 않다. 0.40％를 초과하면 효과가 포화되기 때문에, 상한을 0.40％로 한다.

V: 0 내지 0.06％

V는 용접 금속의 강도를 향상시킬 수 있는 원소이다. V의 함유는 필수적이지 않다. 0.06％를 초과하면 효과가 포화되므로, 상한은 0.06％로 한다.

Ca: 0 내지 0.005％

Ca는 형태 제어에 의한 연성의 개선이나 조직 미세화에 유효한 원소이다. Ca의 함유는 필수적이지 않다. Ca양이 많으면, 황화물이나 산화물의 조대화를 발생시켜, 연성이나 인성이 열화되므로, 상한은 0.005％로 한다.

Mg: 0 내지 0.010％

Mg는 MgS 혹은 MgAl₂O₄를 형성하고, 핀 고정 입자로서 작용한다. Mg의 함유는 필수적이지 않다. 용접 금속의 오스테나이트 입자 성장을 억제하기 위해서는, 0.001％ 이상의 함유가 바람직하다. 0.010％를 초과하면 효과가 포화되므로, 상한은 0.010％로 한다. 바람직하게는 0.0015％ 이상, 0.0025％ 이하이다.

Nb: 0 내지 0.06％

Nb는 강도 향상, 입계 페라이트 억제에 유효한 고용 B를 존재시키기 위해서 유효한 원소이다. Nb의 함유는 필수적이지 않다. Nb양이 0.06％를 초과하면 섬 형상 마르텐사이트가 형성되기 쉬워져, 인성이 저하되므로, 상한을 0.06％로 한다. 바람직하게는, 0.02％이다.

용접 금속의 잔부는 Fe 및 불순물이다. 불순물이란, 용접의 과정에서, 용접 와이어, 플럭스, 강판, 주변 분위기 등으로부터 혼입되는 성분이며, 의도적으로 함유시킨 것이 아닌 성분을 말한다.

구체적으로는, P, S, N, Sb, Sn, W, Co, As, Pb, Bi, 및 H를 들 수 있다. 이 중, P 및 S는, 상술한 바와 같이, 각각, P: 0.015％ 이하, S: 0.01％ 이하로 되도록 제어할 필요가 있다.

그 밖의 원소에 대해서는, 통상, Sb, Sn, W, Co, 및 As는 0.1％ 이하, Pb 및 Bi는 0.005％ 이하, H는 0.0005％ 이하의 불가피적 불순물로서의 혼입이 있을 수 있지만, 통상의 범위라면, 특별히 제어할 필요는 없다.

본 실시 형태에 있어서의 용접 금속의 성분은, 또한, 이하에 설명하는 관계를 만족시킬 필요가 있다.

Pcm: 0.2％ 이하

용접 금속의 성분 조성은, 하기 식으로 표시되는 Pcm이 0.2％ 이하로 될 필요가 있다. 식 중의 ％X는, 원소 X의 용접 금속 중의 함유량(질량％)을 의미한다(이후의 설명에서 동일함). 또한, 용접 금속에 첨가되지 않은 원소는 제로로서 계산한다(이후의 설명에서 동일함).

Pcm＝％C＋％Si/30＋(％Mn＋％Cu＋％Cr)/20＋％Ni/60

＋％Mo/15＋％V/10＋5％B

Pcm은 용접 감수성이라 불리며, 저온 균열에 대한 강재의 화학 성분의 영향을 정량적으로 평가한 것이다. Pcm이 0.2％를 초과하면 저온 균열이 발생하기 쉬워지므로, 상한은 0.2％로 한다.

Ceq: 0.35 내지 0.45％

용접 금속의 성분 조성은, 하기 식으로 표시되는 Ceq가 0.35 내지 0.45％로 될 필요가 있다.

Ceq＝％C＋％Mn/6＋(％Cr＋％Mo＋％V)/5

＋(％Ni＋％Cu)/15

Ceq는 모재의 용접 열영향에 의한 경화능에 대해서, 각 합금 원소의 경화능을 각각 C양으로 환산하여 합계한 것이다. 용접 금속이 원하는 인장 강도를 달성하기 위해서, Ceq를 0.35 내지 0.45％로 제어한다. 바람직하게는 Ceq를 0.40 내지 0.43％로 한다.

α': -20≤α'≤40

용접 조인트의 용접 금속의 성분 조성은, 하기 식으로 표시되는 α'가 -20 내지 40으로 될 필요가 있다.

α'＝(1.5×(％O-0.89％Al)＋3.4×％N-％Ti)×1000

α'는 Al, O 및 Ti, N의 화학량론비에 기초하여, 유효한 침상 페라이트 생성능을 나타낸 파라미터이며, α'를 -20 내지 40의 범위로 제어함으로써 침상 페라이트 핵 생성능이 향상된다.

α'가 -20 미만인 경우, Al, Ti양이 어느 것이 과다, 혹은 N, O양이 과소로 되기 때문에, 현저하게 침상 페라이트 핵 생성능이 감소된다. α'가 40 초과인 경우, Al, Ti양이 어느 것이 과소, 혹은 N, O양이 과다로 되기 때문에, 현저하게 침상 페라이트 핵 생성능이 감소된다.

％Al/％O: 0.30 내지 0.80

％Al/％O는, Al양과 O양의 비이며, 알루미늄 탈산 종료 후의 산소 포텐셜을 나타내는 지표이다. ％Al/％O를 0.3 내지 0.80으로 제어함으로써, 침상 페라이트의 생성량을 향상시킬 수 있다.

％Al/％O비가 0.30 미만인 경우, O양이 과다로 되어, Ti 산화물을 형성하지 않은 용존 산소가 강의 청정도를 낮추기 때문에 인성이 저하된다. 한편, ％Al/％O가 0.80 초과인 경우, Al양이 과다로 되어, Ti와 결합하는 O양이 저감되고, 침상 페라이트 핵으로 되는 Ti 산화물이 감소하여, 인성이 저하된다. 따라서, ％Al/％O는, 0.30 내지 0.80으로 한다.

다음으로, 용접 금속의 바람직한 금속 조직에 대해서 설명한다.

용접 금속의 성분과 파라미터를 상기 범위로 하고, X60 내지 X70급 강도를 갖는 강판을, 용접 입열 15 내지 110kJ/cm에서 서브머지드 아크 용접을 행하면, 용접 금속의 금속 조직은 침상 페라이트를 주로 하는 조직으로 되게 된다. 본 발명이 대상으로 하는 UO 강관은, 판 두께가 6 내지 40mm 정도이고, 이러한 두께의 강판을 서브머지드 아크 용접할 때는, 용접 입열 15 내지 110kJ/cm의 범위에서 행한다. 그러면, 용접 금속이 받는 냉각 속도가 정해지고, 최종 패스의 용접 금속의 금속 조직이 이하와 같은 조직이 된다. 이하에 나타내는 비율은, 면적률이다.

침상 페라이트: 70％ 이상

침상 페라이트는 Ti계 산화물을 핵으로 한 바늘 형상의 페라이트 조직이며, 그 비율이 클수록, 용접 금속부의 파괴 단위가 미세화된다. 그 효과를 얻기 위해서는, 침상 페라이트를 70％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

입계 페라이트: 15％ 이하

입계 페라이트는 취화상의 하나로, 파괴의 기점으로 되어, 인성 저하 요인으로 된다. 그 때문에, 입계 페라이트는 15％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

섬 형상 마르텐사이트: 3％ 이하

섬 형상 마르텐사이트 취화상의 하나로, 매우 경도가 높기 때문에 파괴의 기점으로 되어, 인성 저하 요인으로 된다. 그 때문에, 섬 형상 마르텐사이트를 3％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

EBSD 입경: 10㎛ 이하

EBSD(Electron Back Scatter Diffraction) 입경은 파괴 단위의 목표로 되는 결정 입경 사이즈이다. EBSD 입경이 10㎛ 이하이면 파괴 단위가 미세하여, 저온에서의 인성을 확보하는 면에서 바람직하다.

용접 금속을 상기 조건을 만족시키는 성분으로 하고, 용접 입열 15 내지 110kJ/cm에서 용접함으로써, 용접 금속의 인장 강도가 480 내지 620MPa이고, 상기 용접 금속의 JIS Z2242에 따라서 측정된 -10℃에서의 샤르피 흡수 에너지가 100J 이상인 서브머지드 아크 용접 조인트를 얻을 수 있다.

저온 인성은 유효한 침상 페라이트 생성능을 나타낸 파라미터 α'에 따라 상이하다. α'는 용접 금속 중의 산소 농도에 따라 보다 바람직한 범위가 존재한다. 구체적으로는, 1000×％O-10≤α'≤1000×％O＋1로 되게 하는 것이 된다(도 1). α'를 이 범위로 조절함으로써, 침상 페라이트 핵 생성능이 더욱 향상되고, 저온 인성이 향상되어, 1300×％O-60(℃)에서의 샤르피 흡수 에너지가 100J 이상인 서브머지드 아크 용접 조인트를 얻을 수 있다.

또한, 용접 금속을 상기 조건을 만족시키는 성분으로 하고, 용접 입열 15 내지 110kJ/cm에서 용접함으로써, 용접 금속의 경도는 모재의 경도보다도 커지고, 바람직하게는 그 차는 비커스 경도로 10Hv 이상으로 된다. 또한, 용접 금속의 인장 강도는, 바람직하게는 모재의 인장 강도의 1.05배 이상으로 된다.

모재는 X60 내지 X70급 강도를 갖는 강판(모재의 인장 강도가 480 내지 620MPa인 강판)이라면, 특별히 조직은 한정되지 않는다. 이하에, 본 발명의 세로 심 용접 강관의 모재로서 적합한 X60 내지 X70급 강도를 갖는 강판의 성분을 나타낸다.

C: 0.01 내지 0.1％

C는 강의 강도 향상에 유효하여, 0.01％ 이상 함유시킨다. C양이 지나치게 많으면 모재 및 HAZ의 저온 인성이 열화되고, 또한, 용접성이 열화되므로, C양은 0.1％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.03 내지 0.07％이다.

Si: 0.5％ 미만

Si는 탈산에 필요한 원소이다. Si양이 많으면 섬 형상 마르텐사이트를 형성하기 쉬워져, 저온 인성을 현저하게 열화시키므로, Si양은 0.5％ 미만으로 한다. 바람직하게는 0.35％ 미만이다. 탈산은, Al, Ti로도 행할 수 있으므로 Si의 첨가는 필수적이지 않다.

Mn: 0.5 내지 2.0％

Mn은 ?칭성 향상 원소로서 작용하며, 그 효과를 얻기 위해서 0.5％ 이상 함유시킨다. Mn양이 많으면 강의 ?칭성이 증가하여, HAZ 인성, 용접성을 열화시킨다. 또한, 연속 주조 강편의 중심 편석을 조장하여, 모재의 저온 인성이 열화되므로, Mn양은 2.0％ 이하로 한다. 바람직하게는, 1.0 내지 1.8％이다.

P: 0.015％ 이하

S: 0.01％ 이하

P, S는, 모두 불순물이며, 조인트의 인성을 악화시키는 원소이다. 이들의 함유량은 가능한 한 낮은 편이 바람직하고, P는 0.015％ 이하, S는 0.01％ 이하로 한다. 바람직하게는, P는 0.008％ 이하이다. 바람직하게는, S는 0.003％ 이하이다.

Al: 0.01 내지 0.05％

Al은, 탈산재로서 강재 중에 포함되는 원소이다. Al은 또한, N과 결합하여 AlN을 형성하여, 강재의 ?칭 부분의 결정립의 조대화를 억제한다. Al의 함유량이 지나치게 낮으면, 이 효과를 얻지 못하므로, 0.01％ 이상 함유시킨다. Al 함유량이 지나치게 높으면, 강재의 고주파 ?칭성이 저하되므로, Al양은 0.05％ 이하로 한다. 바람직하게는, 0.02 내지 0.04％이다.

Ti: 0.005 내지 0.03％

Ti는, 강 중에서 미세한 TiN을 형성하며, 그의 단체, 혹은 Mg(MgAl₂O₄) 산화물과의 복합 개재물이 피닝 입자로서 작용한다. 그 결과, HAZ의 오스테나이트 입자의 조대화가 억제되어 마이크로 조직이 미세화되어, 저온 인성이 개선된다. 이 효과를 얻기 위해서, Ti는 0.005％ 이상 함유시킨다. Ti양이 많아지면, Ti 산화물이 응집·조대화되어, 인성이 열화되므로, Ti양은 0.03％ 이하로 한다. 바람직하게는, 0.01 내지 0.02％이다.

N: 0.002 내지 0.006％

N은 Ti와 결합하여 TiN을 형성하는 원소이며, 0.002％ 이상 함유시킨다. N양이 많으면, Ti와 결합하지 않은 고용 N이 인성을 저하시키므로, N양은 0.006％ 이하로 한다. 바람직하게는, 0.003 내지 0.005％이다.

O: 0.005％ 이하

O는 피닝 입자를 형성하는 원소이다. 그러나, O를 함유하면 강의 청정도가 저하되므로 적은 편이 바람직하여, 0.005％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.003％ 이하이다.

Mg: 0 내지 0.01％

Mg는 MgAl₂O₄, MgS와 같은 개재물을 형성하는 원소이다. MgAl₂O₄는 TiN 상에 석출한다. 이들 개재물은 피닝 입자로서 작용하여, HAZ의 오스테나이트 입자의 조대화를 억제하여 마이크로 조직을 미세화하여, 저온 인성을 개선한다. Mg양이 많아지면, 효과는 포화된다. Mg는 세로 심 용접 강관의 모재에는 반드시 함유될 필요는 없으며, 적합한 Mg양은 0 내지 0.01％이다.

Ca: 0 내지 0.03％

Ca는, 황화물계 개재물의 형태를 제어하여, 저온 인성을 향상시키는 원소이다. 또한, 인화물, 황화물을 형성하여, 실질적으로 P나 S의 농도를 저감시켜, 황화물 응력 균열 저항성을 향상시킨다. Ca양이 많으면, CaO-CaS가 대형 클러스터나 개재물로 되어, 인성에 악영향을 미칠 우려가 있다. Ca는 세로 심 용접 강관의 모재에는 반드시 함유될 필요는 없으며, 적합한 Ca양은 0 내지 0.03％이다.

Ni: 0 내지 0.6％

Ni는 인성을 저하시키지 않고, 모재의 강도를 향상시킬 수 있는 원소이다. Ni양이 많아지면, 효과는 포화된다. Ni는 세로 심 용접 강관의 모재에는 반드시 함유될 필요는 없으며, 적합한 Ni양은 0 내지 0.6％이다.

Cr: 0 내지 0.5％

Cr은 모재의 강도를 향상시킬 수 있는 원소이다. Cr양이 많아지면, 효과는 포화된다. Cr은 세로 심 용접 강관의 모재에는 반드시 함유될 필요는 없으며, 적합한 Cr양은 0 내지 0.5％이다.

Cu: 0 내지 0.5％

Cu는 모재의 강도를 향상시킬 수 있는 원소이다. Cu양이 많아지면, 효과는 포화된다. Cu는 세로 심 용접 강관의 모재에는 반드시 함유될 필요는 없으며, 적합한 Cu양은 0 내지 0.5％이다.

Mo: 0 내지 0.4％

Mo는 모재의 강도를 향상시킬 수 있는 원소이다. Mo양이 많아지면, 효과는 포화되고, 또한, 인성이 저하된다. Mo는 세로 심 용접 강관의 모재에는 반드시 함유될 필요는 없으며, 적합한 Mo양은 0 내지 0.4％이다.

Nb: 0 내지 0.060％

Nb는 모재 강도를 향상시키는 원소이다. Nb양이 많아지면, 섬 형상 마르텐사이트가 형성되기 쉬워져, 인성이 저하된다. Nb는 세로 심 용접 강관의 모재에는 반드시 함유될 필요는 없으며, 적합한 Nb양은 0 내지 0.40％이다.

B: 0 내지 0.002％

B는 모재의 ?칭성 향상, 입계 페라이트 형성 억제에 유효한 원소이다. B양이 많아지면, 효과는 포화된다. B는 세로 심 용접 강관의 모재에는 반드시 함유될 필요는 없으며, 적합한 B양은 0 내지 0.002％이다.

V: 0 내지 0.06％

Nb는 모재 강도를 향상시키는 원소이다. V양이 커지면, 석출 경화에 의해 항복비가 상승되는 경우가 있다. V는 세로 심 용접 강관의 모재에는 반드시 함유될 필요는 없으며, 적합한 V양은 0 내지 0.06％이다.

이상 설명한 이외의 잔부는, Fe 및 불순물이다. 불순물이란, 원재료에 포함되는, 혹은 제조의 과정에서 혼입되는 성분이며, 의도적으로 강에 함유시킨 것이 아닌 성분을 말한다.

구체적으로는, P, S, O, Sb, Sn, W, Co, As, Pb, Bi, 및 H를 들 수 있다. 이 중, P, S, 및 O는, 상술한 적합한 범위로 되도록 제어되는 것이 바람직하다.

모재로 되는 강판의 제조 방법은 특별히 한정되는 것은 아니며, X60 내지 X70급 강도를 갖는 강판의 일반적인 제조 방법에 의하면 된다. 세로 심 용접 강관은, 두께 6 내지 40mm 정도의 모재로 되는 두꺼운 강판을 서브머지드 아크 용접으로 접합함으로써 얻어진다. UOE 강관이나 JCOE 강관이 그 예이다.

용접 방법에 대해서, 상세하게 설명한다.

먼저, 상기 두꺼운 강판에, 소정 형상의 개선 가공을 실시한다. 개선 형상은, 특별히 한정되는 것은 아니다. 세로 심 용접 강관은, 두꺼운 강판의 단부에 표리면의 양면으로부터 용접 가능한 개선 형상, 예를 들어 X형 개선으로 가공하고, 단부를 맞대어 내면측으로부터의 서브머지드 아크 용접을 완료시킨 후, 외면측으로부터 길이 방향으로 서브머지드 아크 용접을 실행함으로써 제조할 수 있다.

그리고, 개선 내에는 플럭스를 산포하고, 서브머지드 아크 용접용 강 와이어를 사용하여, 입열 15 내지 110kJ/cm의 대입열 서브머지드 아크 용접에 의해 접합한다. 플럭스 및 강 와이어는, 특별히 한정되는 것은 아니며, 공지된 것을 사용할 수 있다. 강 와이어를 사용하는 경우, 플럭스는, 공지된 소성형 플럭스, 용융형 후 랙 등을 사용할 수 있으며, 그것에 의하여 상술한 용접 금속 성분을 얻을 수 있으면, 인성이 우수한 용접 금속을 얻을 수 있다. 또한, 필요에 따라, 용접 전의 플럭스 예열을 행해도 된다.

서브머지드 아크 용접의 방법은, 특별히 한정되는 것은 아니며, 다전극 서브머지드 아크 용접을 포함하여, 공지된 용접법을 모두 적용할 수 있으며, 용접 조건도, 특별히 한정되는 것은 아니다.

실시예

다음으로, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다. 실시예에서의 조건은, 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위해서 채용한 일 조건예이며, 본 발명은, 이 일 조건예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은, 본 발명의 요지를 벗어나지 않으며, 본 발명의 목적을 달성하는 한, 다양한 조건을 채용할 수 있는 것이다.

여러 가지 성분 조성의 강재를 용제하여, 정련된 용강을 연속 주조법에 의해 슬래브로 하고, 1100℃에서 가열 후, 열간 압연을 행하고, 열간 압연의 마무리 온도를 780℃로 하여, 750℃까지 공랭 후, 750℃에서 상온까지 수랭하고, 여러 가지 성분 조성의 X60 내지 X70급 강도를 갖는 강판을 작성하였다. 표 1에 강판의 판 두께, 성분 조성, 및 인장 강도를 나타낸다.

다음으로, 제작한 강판에 X형 개선을 형성하여, 관형으로 성형하고, 공지된 와이어 및 플럭스를 사용하여, 관의 내면측, 외면측의 순으로 서브머지드 아크 용접을 행하여, UO 강관으로 하였다. 용접 시, 입열이 65kJ/cm 정도로 되도록, 용접속도 등을 조정하였다. 표 2 내지 4에 사용한 강판, 용접 금속의 성분 조성을 나타낸다.

서브머지드 아크 용접 후, 용접 금속 조직(침상 페라이트, 입계 페라이트와 섬 형상 마르텐사이트의 합계)의 면적률(％), 용접 금속부의 EBSD 입경, 용접 금속의 인장 강도, 용접 금속과 모재의 경도의 차, 및 샤르피 충격 시험의 흡수 에너지를 측정하였다. 표 5 내지 표 7에, 그 결과를 나타낸다. 표 5 내지 표 7에 있어서의 AF율, GBF율, MA율은 각각, 용접 금속 조직에 있어서의 침상 페라이트, 입계 페라이트, 섬 형상 마르텐사이트의 면적률을 나타낸다.

샤르피 충격 시험의 흡수 에너지는, 다음과 같이 측정하였다.

HAZ 및 용접 금속을 포함하는 방향으로 평행한 판 두께 단면에 있어서, 강판의 표층 2mm 밑에서부터 용접 금속부 중앙에서 샤르피 시험편을 채취하여, JIS Z2242에 따라서, -10℃에서 샤르피 충격 시험을 행하여, 흡수 에너지를 측정하였다. 흡수 에너지는, 샤르피 충격 시험을 3회 행하여, 그 평균 값으로서, 100J 미만인 것을 인성이 불량하다고 판단하였다. 일부의 시료에 대해서는, -10℃ 이외의 온도에서의 샤르피 흡수 에너지도 측정하였다.

조직의 면적률은, 다음과 같이 측정하였다.

2패스째의 표층으로부터 두께 t/4 위치의 용접 비드 폭의 1/2부를 시험편 채취하여, 연마 후, 나이탈 부식 및 리펠러 부식을 행하고, 현출한 조직을 광학 현미경으로, 1000㎛×1000㎛의 범위에서 관찰되는 조직을 대상으로 10시야 측정하고, 얻어진 상을 화상 해석하여, 각 조직의 평균 면적률을 산출하여 구하였다.

EBSD 입경은 500㎛×500㎛의 범위에서 20시야 EBSD 해석하여, 결정 방위 차 15°로 구획하였을 때의 결정립 사이즈의 평균으로 하였다.

표 5 내지 표 7에 도시하는 바와 같이, 본 발명의 용접 조인트 성분 조성을 만족시키는 발명예는, 모두, -10℃에 있어서의 샤르피 흡수 에너지가 100J 이상이고, 우수한 용접 금속부 인성을 갖는 것이었다.

그에 비하여, 본 발명의 용접 조인트 성분 조성을 만족하지 않는 비교예는, -10℃에 있어서의 샤르피 흡수 에너지가 100J 미만이고, 용접 금속부 및 용접 조인트인성이 낮아졌다.

또한, 발명예에 있어서는, 용접 금속 중의 O양에 따라, -20℃, -30℃, -45℃에 있어서도 높은 샤르피 흡수 에너지가 얻어졌다.

도 2에 용접 금속의 조직의 일례를 나타낸다. (a), (b)는 발명예의 조직, (c), (d)는 비교예의 조직이다. 발명예에서는 용접 금속의 조직이 미세화되어 있음을 알 수 있다.

본 발명에 따르면, 두꺼운 강판에 대입열 용접을 실시하여 접합한 경우라도, 용접 금속부의 인성이 우수한 세로 심 용접 강관을 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명은, 산업상 이용가능성이 높은 것이다.

Claims

길이 방향으로 내면 및 외면이 용접된 용접부를 갖는 강관이며,
모재의 화학 조성이, 질량％로,
C: 0.01 내지 0.1％,
Si: 0.5％ 미만,
Mn: 0.5 내지 2.0％,
P: 0.015％ 이하,
S: 0.01％ 이하,
Al: 0.01 내지 0.05％,
Ti: 0.005 내지 0.03％,
N: 0.002 내지 0.006％,
O: 0.005％ 이하,
Mg: 0 내지 0.01％,
Ca: 0 내지 0.03％,
Ni: 0 내지 0.6％,
Cr: 0 내지 0.5％,
Cu: 0 내지 0.5％,
Mo: 0 내지 0.4％,
Nb: 0 내지 0.06％,
B: 0 내지 0.002％, 및
V: 0 내지 0.06％
를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물이며,
모재의 인장 강도가 480 내지 620MPa이고,
용접 금속의 화학 조성이, 질량％로,
C: 0.03 내지 0.10％,
Si: 0.03 내지 0.50％,
Mn: 0.5 내지 2.0％,
P: 0.015％ 이하,
S: 0.010％ 이하,
Al: 0.001 내지 0.030％,
Ti: 0.005 내지 0.040％,
N: 0.002 내지 0.006％,
B: 0 내지 0.035％,
O: 0.015 내지 0.055％,
Ni: 0 내지 0.60％,
Cr: 0 내지 0.50％,
Cu: 0 내지 0.50％,
Mo: 0 내지 0.40％,
V: 0 내지 0.06％,
Ca: 0 내지 0.005％,
Mg: 0 내지 0.010％ 및
Nb: 0 내지 0.060％
를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물이며,
％X가 원소 X의 용접 금속 중의 함유량을 나타낼 때,
Pcm＝％C＋％Si/30＋(％Mn＋％Cu＋％Cr)/20＋％Ni/60＋％Mo/15＋％V/10＋5％B로 정의되는 Pcm이 0.2％ 이하이고,
Ceq＝％C＋％Mn/6＋(％Cr＋％Mo＋％V)/5＋(％Ni＋％Cu)/15로 정의되는 Ceq가 0.35 내지 0.45％이고,
α'＝(1.5×(％O-0.89％Al)＋3.4×％N-％Ti)×1000으로 정의되는 α'가 -20 내지 40이고,
％Al/％O가 0.3 내지 0.8인
것을 특징으로 하는 세로 심 용접 강관.
제1항에 있어서,
상기 α'가, 1000×％O-10≤α'≤1000×％O＋1을 만족시키는 것을 특징으로 하는 세로 심 용접 강관.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 용접 금속의 조직이, 면적률로, 침상 페라이트 70％ 이상, 입계 페라이트 15％ 이하, 섬 형상 마르텐사이트 3％ 이하를 포함하고, EBSD 입경이 10㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 세로 심 용접 강관.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
용접 금속의 인장 강도가 모재의 인장 강도의 1.05배 이상인 것을 특징으로 하는 세로 심 용접 강관.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용접 금속의 경도가 상기 모재의 경도보다도 크고, 그 차가 10Hv 이상인 것을 특징으로 하는 세로 심 용접 강관.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용접 금속의 -10℃에 있어서의 샤르피 흡수 에너지가 100J 이상인 것을 특징으로 하는 세로 심 용접 강관.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용접 금속의 1300×％O-60(℃)에 있어서의 샤르피 흡수 에너지가 100J 이상인 것을 특징으로 하는 세로 심 용접 강관.