WO1998000569A1 - Acier ayant une excellente resistance de surface laterale scc pour canalisations - Google Patents

Description

明 細 書 パイプライ ンの耐外面 SCC特性に優れた鋼

技術分野

本発明は、 土壌埋設された陰極防食下の鋼製パイプライ ンに発生 する、 いわゆるパイプライ ンの外面 SCC (Stress Corrosion Cracki ng： 応力腐食割れ） が起きにく い低合金鋼に関する もので、 原油 ' 天然ガス輸送用ライ ンパイプを始め、 同様な条件で使用される構造 用鋼と して広く用いるこ とができる。 背景技術

パイプライ ンの事故の中で腐食に関連した事例と して最も多く 報 告されているものは、 こ こで取り上げたパイプライ ンの外面 SCCで ある。 従来の対策はコーティ ングの健全化や外面 SCCが発生した後 の早期交換といった対策が取られているだけで鋼管材料からの対策 は全く 行われていな力、つた。 "The effects of alloying addition s of f err i t i c steels upon stress corrosion cracki ng r es i s tan ce" (by R.N. Parkins, P. W. Slat tery and B. S. Pou 1 son, Corrosion , vol.37 (1981) No.11, pp650 - 664) では 0.86mass % Tし 1.75mass %Cr、 6.05mass%Niおよび 5 mass % Mo添加によりパイプライ ンの耐 外面 SCC特性が向上するこ とが述べられているが、 このような多量 の合金添加された鋼では、 溶接性等の他の重要な特性を満足するこ とが困難であるだけでなく 、 高価な材料となるため実用化されてい ない。 発明の開示 本発明は、 パイプラ イ ンと しての基本的な要求を損なう こ とな く パイプライ ンの耐外面 SCC特性に優れた鋼を提供することを目的と する。

本発明者らは、 ラ イ ンパイプに必要とされる強度、 低温靱性、 溶 接性等を有する組成の鋼に対して、 パイ プラ イ ンの耐外面 SCCを再 現する試験を行い、 パイ プライ ンの耐外面 SCCを向上させる材料の 条件を見いだした。 すなわち、 鋼材の表面が平均的に滑らかであり 、 且つ局所的な凹凸が一定水準より小さいこ とを満足すること、 さ らには鋼組成と しては低 C とすることでパイ プラ イ ンの耐外面 SCC 特性が向上するこ とを知見した。 さ らには、 一定の平滑さを満足す るよう にシ ョ ッ トブラス トを施すこ とで一層耐外面 SCC特性が向上 するこ と も見いだした。 パイプライ ンの外面 SCCは、 表面に薄く生 成されているマグネタイ 卜が応力変動で割れ、 この時、 鉄が溶出す るこ とにより起こる割れと考えられている。 従って、 ミ ク ロ的な塑 性変形を抑制してマグネタイ 卜の割れを抑制すると外面 SCCが起こ り にく く なる。 また、 ミ ク 口組織が均質であれば、 さ らに特性が向 上する。

本発明は、 上記の知見に基づいて構成したものである。

すなわち、 中心線平均粗さ、 Ra≤ 7 m、 且つ最大高さ、 Rmax≤

50〃 mの表面の平滑さに調整したことを特徴とするパイ プラ イ ンの 耐外面 SCC特性に優れた鋼であり、

また、 シ ョ ッ トブラス 卜により、 表面の平滑さを中心線平均粗さ 、 Ra≤ 7 〃 m、 且つ最大高さ Rmax≤50 mに調整したこ とを特徴と するパイプライ ンの耐外面 SCC特性に優れた鋼であり、 さ らには質 量％にて、

C ： 0. 03〜0. 16 %、 Mn： 0. 5〜2. 0 %、

5 1 ： ≤ 0. 5 %、 P ： ≤0. 02 %、 s ≤ 0. 01% , A1 ： ≤ 0. 10%、

N ≤ 0. 1%を含有し、 さ ら

Nb 0. 005〜0. 1 %、 Ti 0. 005〜0. 1 %、 V 0.00卜 0. 1 %、 Mo 0. 03〜0. 5 %、 Cr 0.卜 0. 6 %、 Ni 0. 1〜0.8 %、 Cu 0.卜 0. 8 %、 B 0.0003〜0.003 %、 Ca 0.00卜 0. 01%

の 1 種または 2種以上を含有して残部が実質的に Feおよび不可避的 不純物であるこ とを特徴とする。

さ らにはその主たる組織がァシキユラーフ ヱライ ト、 ベイナィテ ィ ッ ク フ ェライ 卜またはべィナイ 卜であるパイプライ ンの耐外面 S CC特性に優れた鋼である。

なお、 本発明における表面粗度の表示は J 1S B0601の規定によつ ており、 Raは平均線粗さを、 Rmaxは最大高さを表す。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明について詳細に説明する。

まず、 表面の平滑さの限定理由について説明する。 従来は耐外面 SCCに対して表面粗度の重要さは認識されていなかった。 任意の幾 つかの鋼管について調べてみると Raは 5〜30 z m、 Ramxは 20〜300 mの間でばらついていた。

前述した外面 SCCの機構からは、 表面が平滑であるほうが耐外面 SCCの向上のために望ま しいと予測される。 事実、 機械研磨を行つ た面では外面 SCCは起こ りにく い。 そこで、 ライ ンパイプに使用さ れる鋼を中心に種々の鋼を用意し、 各々圧延法、 加工法を変えて表 面粗度の異なる材料を用意して耐外面 SCC特性の評価を行った。 こ の結果、 耐外面 SCC特性には鋼材表面の平滑さの指標である中心線 平均粗さ Raと最大高さ Rmaxの両方が影響する こ とがわかった。 すな わち、 Raが 7 m、 Rmaxが 50 ^ mよ り大き く なると外面 SCCが起こ りやすいこ とがわかった。 従って、 表面の平滑さを Ra mで且 つ Rmax≤ 50 mと規定した。 さ らに耐外面 SCC特性を改善するため には Ra≤ 5 mで且つ Rmax 35〃 mとするこ とが特に望ま しい。 また、 鋼材表面にシ ョ ッ トブラス トを施すと同一の表面粗度であ つても耐外面 SCC特性が向上する現象が見いだされた。 これはシ ョ ッ トブラス トによる加工層、 圧縮の残留応力が寄与していると考え られる。 従って、 表面の調整法と してはシ ョ ッ 卜ブラス トが特に好 ま しい。

これらの表面形態の制御により耐外面 SCC特性は向上する力 こ れに加え化学成分を特定範囲とするこ とで耐外面 SCC特性は更に向 上する。

以下化学成分の限定理由について述べる。

Cは 0.03〜0. 16%に限定する。 Cは鋼の強度向上に極めて有効で あり、 構造用鋼と しての強度を得るためには最低 0.03%は必要であ る。 しかし、 C量が増すと共に組織の不均一性が増して耐外面 SCC 特性が低下するので、 その上限を 0. 16%と した。 しかし、 0. 10%を 越えるとフ ェライ トパーライ ト組織を生成させずに適正な強度を得 るこ とが難し く なるので、 望ま し く は上限値は 0. 10%に制限したほ うがよい。

Siは脱酸や強度向上のために添加する元素であり、 直接耐外面 S CC特性とは関連しないが、 多く添加すると HAZ靱性、 現地溶接性等 のライ ンパイプと しての基本性能を損ねるので上限を 0.5%と した 。 しかし、 鋼の脱酸は A1等他の元素でも可能であり、 Siは必ずしも 添加する必要はない。

Mnは耐外面 SCC特性が良好な低 C量を維持しつつ、 高強度化を図 るのに必要な元素である。 0.5%未満では効果が小さすぎ、 2.0% を越えると偏折が大き く なり耐外面 SCC特性に有害な硬化相が出現 しゃすく なる。 また、 現地溶接性も劣化させる。 従って、 Mnの添加 量は 0.5〜2.0 %と した。

不純物である Pは 0.02%以下に制限する。 この主たる理由は母材 、 HAZの低温靱性をより一層向上させるだけでなく 、 Pの低減は粒 界割れ形態で進展するパイプライ ンの外面 SCC特性を向上させる効 禾 ゎある。

不純物である Sは 0.01%以下に制限する。 この主たる理由は熱間 圧延で延伸化する MnSを低減して延性 · 靱性を向上させる効果があ o

A1は通常脱酸材と して鋼に含まれる元素で、 組織の微細化にも効 果を有する。 しかし、 A1が 0.10%を越えると A1系非金属酸化物が增 加して低温靱性が劣化するので上限を 0. 10%と した。 しかし、 脱酸 は Si等他の元素でも可能であり、 A1は必ずしも添加する必要はない o

N も鋼中から除去するこ とが困難な元素であるが、 A1N， TiN等を 形成して組織を微細にする効果を発揮する場合もある。 しかし、 余 り に多量に含有すると低温靱性の劣化、 固溶 Nによる歪み時効脆化 等が生じるので上限を 0. 1%と した。

Nb, Ti, V， Mo, Cr， Ni, Cu, B , Caを添加する目的について説 明する。 基本となる成分に、 更にこれらの元素を添加する主たる目 的は、 本発明鋼の優れた特徴を損なう ことな く耐外面 SCC特性の一 層の向上、 適用範囲の拡大をはかるためである。 これらの元素自体 は直接には耐外面 SCC特性に影響を及ぼさない。 すなわちその目的 とすると ころは耐外面 SCC特性が良好な低 Cを維持しつつ高強度化 を図るこ とと、 組織の微細化を図り ミ ク ロ的な歪みの不均一を抑制 してマグネタイ トの割れを抑制し、 結果と してさ らに耐外面 SCC特 性を向上させることである。 従って、 必ずしも上記の元素を含有す る必要はな く 、 また、 その添加量は自ずから制限されるべき性質の ものである。 なお、 前記元素の添加量の下限値は添加効果が顕著で なく なる量と して規定したものである。

ここで Nb, Tiは熱間加工時または熱処理時にオーステナイ ト粒の 粗大化を抑制し組織を微細化する効果を有する。 しかし、 0. 1%を 越えて Nb, Tiを添加すると HAZ靱性、 現地溶接性に悪影響をおよぼ すので上限を 0. 1%と した。 Tiと Nbの組織微細化に対する効果は大 きいので、 0.005%以上添加するこ とが望ま しい。

V， Mo, Cr, Νί, Cuは鋼の焼き入れ性の向上や、 析出物の形成を 通じて高強度化を達成するために添加する。 上限値 V ： 0. 1%, o ： 0.5%, Cr ： 0. %, Ni ： 0.8%, Cu ： 0.8%は現地溶接性の劣 化を起こさないよう にするため、 さ らに経済性を損ねないことを考 慮して決定した。 一方、 Bは 0.0003%以上添加すると専ら焼き入れ 性の向上を通じて高強度に寄与するが、 0.003%を越えると低温靱 性の劣化が生じるので上限は 0.003%と した。

Caは 0.001%以上添加すると硫化物の形態を制御して低温靱性を 向上させる。 しかし、 0.001%以下では実際上効果が無く 、 0.01% を越えて添加すると大型介在物となり低温靱性に悪影響をおよぼす ので上限を 0.01%と した。

次に、 組織の限定理由について述べる。 先に述べたように、 パイ プライ ンの外面 SCCはミ ク ロ的な塑性変形の不均一によるマグネタ ィ 卜の割れから起こるので、 組織が均一であればミ ク ロ的な変形の 差が小さ く なり、 外面 SCCは発生しにく く なる。 組織中に高温で生 成した軟らかい大きなポ リ ゴナルフ ユライ 卜が存在すると、 ミ ク ロ 的な変形がしゃすく なる。 従って、 このようなフ ヱライ トが生成し ないァ シキユ ラーフ ヱ ラ イ ト、 べィ ナイティ ッ ク フ ェ ラ イ ト ま たは ペイナイ トを主体とする組織に限定した。 すなわち、 同一化学成分 の鋼であっても冷却速度を高める等の方法で組織をフ ェ ライ トパー ライ トからァシキユラ一フ ヱライ トに変える こ とで、 さ らに耐外面

SCC特性を向上させるこ とが可能となる。 なお、 外面 SCCは表面か ら発生するので、 最表層の組織が重要であるこ とは言うまでもない 。 表面の脱炭素層が深いとその部分に粗大なポ リ ゴナルフ ヱライ 卜 が形成しやすく 、 表層がこのような組織になっている と内部の組織 が良好であっても耐外面 see特性は低下する。 実施例

次に実施例について述べる。 転炉一連続铸造鋼塊または実験室溶 解鋼塊から鋼板圧延、 継ぎ目無し鋼管圧延で鋼材を製造した。 この 時、 鋼塊の表面状態、 圧延中のデスケー リ ング、 圧延ロールの表面 条件、 圧延条件を変えて表面粗度を変化させた。 この鋼を用いて、 耐外面 SCC特性を評価した。 一部は圧延後熱処理を施し組織を変え た。 また、 一部はシ ョ ッ トブラ ス トを施した。 鋼の化学成分は表 1 に、 処理法と粗度の測定結果は表 2 に示す。

S900 Ό Ό S00 ·0 810 ·0 90 Ό VZ' 9 丄 ΐθ Ό 920 Ό S漏 Ό 9Ζ0 Ό m ·ο 600 Ό £'\ 92 Ό 9ΐ 'Ο 9

600 ·0 620 ·0 讓 Ό 620 Ό ετοο Ό 800 ·0 SS ·Ι S2 Ό 80 'Ο

98 ·0:!Ν 1000 Ό Γ0 12 Ό 2T0 Ό τεοΌ 9200 Ό 900 Ό ΠΟΟΌ εοοΌ 6 'ϊ Z'O 290*0 8

91 Ό AC0 Ό ■ Ό 0 Ό S200 Ό ΠΟ'Ο 62 Ί ΖΖ Ό SAO ·0 Ζ

6100 ·0:Β。 62*0 m Ό ειο'ο 漏 Ό ιεο'ο 8000 ·0 900*0 82 Ό 9W0 ϊ

S "3 Λ ίΐ qN Ν IV S d m !S 3 ON

表 2 粗度と SCC特性の測定結果

比ベべアフ

較イイェシ

例キナナラ

\ィ \ュ..

FP トノヽ。—ライ ト CR： 制御圧延

FA ラ ーフ ヱライ ト TMCP : CR+加速冷却 FB アイ ツ ク フ エ フイ ト N : 塊準

B ト QT： 焼入れ焼戻し 粗度は J1S B0601に基づき測定し、 各試料 3箇所測定しその平均 を示した。 耐外面 SCC特性は、 実際の埋設ライ ンパイプで評価する こ とは不可能であるので、 すでにこの再現試験と して確立されてい る実験室試験によりおこなった。 基本的には環境中で引っ張り試験 片に繰り返し荷重を付与して外面 SCCの発生を観察する手法である 。 75°Cの 54g Na₂C0_a + 84 g NaHC0_:( を 1 中に含む溶液中に試験 片を浸漬し、 試験片を - 650mV vs SCEの電位域に保持して表面に黒 色のマグネタイ 卜が形成された後に上限が降伏強度、 下限が降伏強 度の 70%の繰り返し応力を lOOONZmin の荷重速度で 14日間付加し た。 この時試験片にテーパーを付けて 1 本の試験片の中で上限応力 を 100%降伏強度から 50%降伏強度まで変化させ、 外面 SCCが発生 しない最大の応力である しきい値応力 （ CT th) を決定した。

パイプライ ンは通常、 規格最小降伏強度の 72%で設計されるため 、 σ thが実降伏強度の 70%以上あれば使用可能とみなせる。 表 2か ら明らかなようにどのような化学成分の鋼であっても本発明で示し た表面の平滑さに調整された鋼は 70%以上の値を示しており、 さ ら にシ ョ ッ トブラス トを施したり、 化学成分を調整すると一層高い値 が得られている こ とが明らかである。 産業上の利用可能性

本発明により、 低温靱性、 現地溶接性を損なう こ と無く 、 また大 幅なコス ト上昇を伴わずに、 コーティ ングの健全性に依存しないパ ィプライ ンの耐外面 SCC特性に優れた鋼が提供できる。 その結果、 パイプライ ンの安全性が著しく 向上する。

Claims

1 . 中心線平均粗さ Ra≤ 7 /i m、 且つ最大高さ Rmax 50 mの表 面の平 o滑さに調整したこ とを特徴とするパイプライ ンの耐外面 SCC 特性に優れた鋼。

1

2. シ ョ ッ トブラス トにより、 表面の平滑さを中心線平均粗さ、 Ra≤ 7 〃 m、 且つ最大高さ Rmax≤ 50〃 mに調整したこ とを特徴とす るパイプライ ンの耐外請面 SCC特性に優れた鋼。

3. 質量％にて、

C ： 0.03〜0. 16%、 Mn 0.5—2.0 %、

の

Si ： ≤ 0.5%、 P ≤ 0.02%、

S ： ≤ 0.01%, A1 ≤ 0. 10%、

N ： ≤ 0. 1%を含有し、 さ らに 匪

Nb： 0.005〜0. 1 %、 Ti ： 0.005〜0. 1 %,

V ： Mo ： 0.03〜0.5 %、

Cr ： 0. 1〜0.6 %、 Ni 0.卜 0.8 %、

Cu ： 0.卜 0.8 %、 B ： 0.0003〜0. 003 %、

Ca： 0.00卜 0.01%、

の 1 種または 2種以上を含有して残部が実質的に Feおよび不可避的 不純物であることを特徴とする請求項 1 または請求項 2 に記載のパ ィプライ ンの耐外面 SCC特性に優れた鋼。

4 . 質量％にて、

C 0.03〜0. 16%、 Mn 0.5〜2.0 %、 Si ≤ 0.5%、 P ≤ 0.02%、

S ≤ 0.01%、 A1 ≤ 0. 10%、

N ≤ 0.1%を含有し さ らに

Nb 0.005〜0. 1 %、 Ti ： 0.005〜0. 1 %、 V 0.00 0· 1 % Mo 0.03 0.5 %

Cr 0. 1 0.6 % Ni 0. 0.8 %

Cu 0. 1 0.8 % B 0.0003 0.003 %

Ca 0.001 0.01%

の 1 種または 2種以上を含有して残部が実質的に Feおよび不可避的 不純物からなり、 その主たる組織がァシキユラ一フ ェライ 卜、 ペイ ナイティ ッ クフ ェライ トまたはべィナイ トであるこ とを特徴とする 請求項 1 または請求項 2 に記載のパイプライ ンの耐外面 SCC特性に 優れた鋼。