WO2011065579A1 - 高い圧縮強度に優れたラインパイプ用溶接鋼管及びその製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a line pipe for transporting crude oil (crude oil), natural gas (natural gas), and the like, and in particular, a thick-walled deep-sea line pipe that requires high resistance to collapse performance (collapse resistant performance).
- the present invention relates to a welded steel pipe for pipes excellent in high compressive strength suitable for use in (line pipe for deep-sea), or a welded steel pipe for pipes excellent in higher compressive strength and sour resistance, and a method for producing them.
- the compressive strength (compressive strength) of this invention means a compressive yield strength (compressive yield strength) or a 0.5% compressive proof strength (compressive strength).
- tensile yield strength refers to tensile yield strength or 0.5% tensile strength, and tensile strength is as defined normally. The maximum stress during a tensile test.
- Line pipes used for offshore pipelines have a thick wall thickness that is thicker than onshore pipelines to prevent collapse due to water pressure.
- the material of the line pipe is high in order to resist the compression stress generated in the circumferential direction of pipe due to external pressure (external pressure). Compressive strength is required.
- the DNV standard (Det Norke Veritas standard) (OS F-101) is often applied to the design of submarine pipelines.
- the pipe diameter (pipe diameter) is a factor that determines the collapse pressure due to external pressure.
- D, tube thickness t, roundness f 0 and tensile yield strength fy of the material are used to determine the collapse pressure.
- the compressive strength varies depending on the pipe manufacturing method, so that the tensile yield strength is multiplied by a different coefficient ( ⁇ fab) depending on the manufacturing method. .
- Patent Document 1 discloses a method for maintaining a temperature for a certain period of time after heating and expanding a steel pipe by Joule heating. Yes. According to this method, the dislocation introduced by the expansion is removed and dispersed, so that a high yield point is obtained. However, in order to maintain the temperature for 5 minutes or more after the expansion, it is necessary to continue the current heating. Therefore, productivity is inferior.
- Patent Document 2 As a method of recovering the decrease in compression yield strength due to the Bauschinger effect by heating after tube expansion as in Patent Document 1, in Patent Document 2, by heating the outer surface of the steel pipe to a temperature higher than the inner surface, There has been proposed a method for maintaining the increased compressive yield strength on the inner surface side and increasing the compressive yield strength on the outer surface side, which has been reduced by the Bauschinger effect.
- Patent Document 3 accelerated cooling after hot rolling in the steel plate manufacturing process of Nb-Ti-added steel is performed from Ar 3 temperature to 300 ° C.
- a method of heating to 80 to 550 ° C. after forming a steel pipe by the UOE process has been proposed.
- Patent Document 2 it is practical to manage the heating temperature and the heating time of the outer surface and the inner surface of the steel pipe separately in actual production, particularly in mass production process. It is extremely difficult to control quality, and the method of Patent Document 3 requires that the accelerated cooling stop temperature in the steel plate manufacturing be a low temperature of 300 ° C. or lower, which increases the distortion of the steel plate. There is a problem that the roundness in the case of using a steel pipe in the UOE process is lowered, and further, rolling at a relatively high temperature is required for accelerated cooling from the Ar 3 temperature or more, and the toughness is deteriorated (fracture toughness). there were.
- Patent Document 4 discloses a compression rate at the O molding (compression rate) and a subsequent expansion rate (expansion rate). Is disclosed. Patent Document 4 According to this method, since there is substantially no tensile pre-strain in the circumferential direction of the pipe, the Bauschinger effect is not exhibited and a high compressive strength is obtained. However, if the expansion ratio is low, it is difficult to maintain the roundness of the steel pipe, and the collapse resistance performance of the steel pipe may be deteriorated.
- the diameter of the seam welded portion and the axially symmetric portion of the welded portion is the maximum diameter of the steel pipe.
- a method for improving the anti-collapse performance is disclosed.
- the problem of collapse during pipeline construction is the part where the pipe that has reached the seabed undergoes bending deformation (sag-bend portion), and the steel pipe Regardless of the position of the seam welded portion of the seam, since it is circumferentially welded and laid on the seabed, the end point of the seam welded portion (seamwel) may be a major axis. In practice, it has no effect.
- Patent Document 6 reheats after accelerated cooling to reduce the hard second phase fraction of the steel sheet surface layer part, further reduces the difference in hardness between the surface layer part and the sheet thickness center part, and in the sheet thickness direction.
- a steel sheet has been proposed in which the yield stress reduction due to the Bauschinger effect is small by providing a uniform strength distribution.
- Patent Document 7 discloses a method for manufacturing a steel sheet for a high-strength sour line pipe having a thickness of 30 mm or more, in which the surface layer of the steel sheet is heated while suppressing the temperature rise at the center of the steel sheet in the reheating treatment after accelerated cooling. Proposed. According to this, since the fraction of the hard second phase of the steel plate surface layer portion is reduced while suppressing the decrease in DWTT performance (Drop Weight Tear Test property), the hardness of the steel plate surface layer portion is reduced and the material variation is small. Not only can a steel plate be obtained, but a reduction in the Bauschinger effect due to a reduction in the fraction of the hard second phase is also expected.
- Patent Document 6 it is necessary to perform heating up to the center of the steel sheet during heating, and the performance of the DWTT performance is deteriorated. Therefore, it is difficult to apply to a thick line pipe for deep sea.
- the bausinger effect is affected by various tissue factors such as the crystal grain size and the amount of solid solution carbon, so that it is simply hard as in the technique described in Patent Document 7.
- Steel pipes with high compressive strength cannot be obtained only by reducing the second phase.
- cementite coarsening and precipitation of carbide-forming elements such as Nb and C and solid solution accompanying them Due to the decrease in C, it was difficult to obtain an excellent balance of tensile strength, compressive strength, and DWTT performance.
- the present invention has been made in view of the above circumstances, and is a line pipe having high strength and excellent toughness necessary for application to a thick-walled submarine pipeline, special molding conditions in steel pipe molding, By optimizing the metal structure of the steel sheet without the need for subsequent heat treatment, it suppresses the decrease in compressive strength due to the Bauschinger effect, and also for high-strength line pipes with high compressive strength and excellent sour resistance It aims at providing a welded steel pipe.
- the Bausinger effect by the second phase can be suppressed by finely dispersing MA that is generated by refining a bainite structure.
- the Bausinger effect can be further suppressed by setting the maximum diameter and aspect ratio of the MA to a certain value or less. .
- the shape of the MA can be controlled by hot rolling and accelerated cooling conditions during the production of the steel sheet, and by refining the structure by rolling a certain amount or more in the non-recrystallized region, the MA generated as the second phase is fined. Furthermore, the production of elongated MA can be suppressed by controlling the accelerated cooling stop temperature to a certain temperature or higher. Moreover, when the accelerated cooling stop temperature decreases and MA is generated, MA can be decomposed into cementite by subsequent reheating, and the Bausinger effect due to the second phase can be reduced.
- 1st invention is the mass%, C: 0.03-0.10%, Si: 0.30% or less, Mn: 1.00-2.00%, P: 0.015% or less, S: 0.003% or less, Al: 0.080% or less, Nb: 0.005 to 0.035%, Ti: 0.005 to 0.020%, C (%)-0.065 Nb (%)
- Is a steel pipe composed of Fe and unavoidable impurities the metal structure is a bainite area fraction: 60% or more, Ferrite area fraction: 5% or less, island-like martensite (MA) area fraction: 3% or less, average particle size of MA: 2 ⁇ m or less, and aspect ratio of MA: 5 or less , Welded steel pipe for line pipe with excellent compressive strength.
- the element whose content is an inevitable impurity level (element not added) is calculated at 0%.
- it is further in mass% Cu: 0.5% or less, Ni: 1% or less, Cr: 0.5% or less, Mo: 0.5% or less, V: 0.1% or less 1 or more types chosen from these, C (%)-0.065Nb (%)-0.025Mo (%)-0.057V (%) is 0.025 or more, The 1st characterized by the above-mentioned.
- the element whose content is an inevitable impurity level (element not added) is calculated at 0%.
- the third invention further includes, in mass%, Cu: 0.20 to 0.40%, Ni: 0.05 to 1.00%, Ca: 0.0005 to 0.0035%, and Cr: 0.50. % Or less, Mo: 0.50% or less, V: One or more selected from 0.10% or less, and C (%)-0.065Nb (%)-0.025Mo (%)-0.
- the welded steel pipe for line pipes according to the first aspect of the present invention which has a sour resistance performance, characterized by having a .057V (%) of 0.025 or more.
- the element whose content is an inevitable impurity level is calculated at 0%.
- the fourth invention is a method for producing a welded steel pipe for a line pipe excellent in high compressive strength according to any one of the first invention to the third invention, wherein the steel sheet is heated to 1000 to 1200 ° C, A hot rolling with a rolling reduction in the non-recrystallization temperature range of 60% or more and a rolling end temperature of Ar 3 or more is performed, and subsequently, at a cooling rate of 10 ° C./second or more from a temperature of (Ar 3 ⁇ 30 ° C.) or more, Using a steel plate manufactured by performing accelerated cooling to a steel plate surface temperature of 350 to 550 ° C., a steel pipe shape is formed by cold forming, the butt portion is welded, and then the tube expansion rate is 0.4% to 1.2%.
- a fifth invention is a method for producing a welded steel pipe for a line pipe excellent in high compressive strength according to any one of the first invention to the third invention, wherein the steel sheet is heated to 1000 to 1200 ° C, A hot rolling with a rolling reduction in the non-recrystallization temperature range of 60% or more and a rolling end temperature of Ar 3 or more is performed, and subsequently, at a cooling rate of 10 ° C./second or more from a temperature of (Ar 3 ⁇ 30 ° C.) or more, The steel plate surface temperature is accelerated to 250 to 550 ° C., and subsequently the steel plate surface temperature is 550 to 720 ° C., and the steel plate manufactured by performing reheating so that the steel plate center temperature is less than 550 ° C., Production of welded steel pipes for line pipes with high compressive strength, characterized by forming steel pipes by cold forming, welding the butt joints,
- a welded steel pipe for a line pipe having high strength and excellent toughness necessary for application to a submarine pipeline and further having high compressive strength can be obtained.
- C 0.03-0.10% C is the most effective element for increasing the strength of the steel sheet produced by accelerated cooling. However, if it is less than 0.03%, sufficient strength cannot be ensured. If it exceeds 0.10%, not only the toughness is deteriorated, but also the formation of MA is promoted, so that the compressive strength is also lowered. Therefore, the C content is set in the range of 0.03 to 0.10%. In order to obtain higher toughness and compressive strength, the content is preferably in the range of 0.03 to 0.080%.
- Si 0.30% or less Si is added for deoxidation, but this effect is exhibited at 0.01% or more. However, if it exceeds 0.30%, the base metal toughness and weldability deteriorate, The production of MA as a base material is also promoted. Accordingly, the Si amount is set to a range of 0.30% or less. In addition, since Si is an element that remarkably accelerates the formation of MA in the HAZ structure such as CGHAZ (Coarse grain heat affected zone) and ICCGHAZ (Inter-Critical CGHAZ), the lower one is required for securing HAZ toughness. preferable.
- the MA of the HAZ structure is affected by various hardenability elements in addition to Si.
- a base material strength of about X65 API 5L X65, equivalent to a tensile yield strength of 450 MPa
- X70 API 5L X70, equivalent to a tensile yield strength of 480 MPa
- the content is preferably set to 0.15% or less. More preferably, it is 0.01 to 0.09%.
- Mn 1.00 to 2.00% Mn is added to improve the strength and toughness of the steel, but if it is less than 1.00%, its effect is not sufficient, and if it exceeds 2.00%, the toughness of the weld and the HIC resistance are deteriorated. Therefore, the amount of Mn is set in the range of 1.00 to 2.00%. More preferably, it is 1.30 to 2.00%. On the other hand, since Mn has the effect of improving toughness by suppressing the formation of grain boundary ferrite in the HAZ structure, it is desirable to add 1.5% or more in order to ensure HAZ toughness. More preferably, it is more than 1.50 to 2.00%.
- P 0.015% or less
- P is an inevitable impurity element and deteriorates the toughness of the steel material.
- the P content is 0.015% or less. Preferably, it is 0.008% or less.
- S 0.003% or less
- S is an MnS-based inclusion in the steel and acts as a void generation starting point at the time of impact fracture, which causes a decrease in absorbed energy in the Charpy impact test. Therefore, the S content is 0.003% or less. When higher absorbed energy is required, it is effective to further reduce the amount of S, preferably 0.0015% or less.
- Al 0.080% or less Al is added as a deoxidizer. This effect is exhibited at 0.01% or more, but if it exceeds 0.080%, the ductility is deteriorated due to a decrease in cleanliness. Therefore, the Al content is 0.080% or less. More preferably, it is 0.010 to 0.040%.
- Nb 0.005 to 0.035%
- Nb suppresses grain growth during rolling, and improves toughness by making fine grains.
- the Nb content is less than 0.005%, the effect is not obtained.
- the Nb content exceeds 0.035%, it precipitates as carbides, lowers the amount of solid solution C, and the Bausinger effect is promoted, so that a high compression strength cannot be obtained.
- the toughness of the weld heat affected zone is reduced. Therefore, the Nb content is in the range of 0.005 to 0.035%.
- Nb exhibits its ability by once forming a solid solution at the time of reheating the slab, but the slab heating temperature necessary for solid solution increases as the amount of Nb added increases.
- the slab heating temperature should be low. Therefore, even if Nb exceeds 0.030% in the range of the slab heating temperature capable of securing the DWTT performance, the effect is achieved. Cannot be fully demonstrated. Therefore, it is more preferably 0.005 to 0.030%.
- Ti 0.005 to 0.020%
- Ti not only suppresses grain growth during slab heating by forming TiN, but also suppresses grain growth in the weld heat affected zone and improves toughness by making the base material and the weld heat affected zone finer.
- the Ti amount is set to a range of 0.005 to 0.020%.
- the Bausinger effect is reduced by suppressing the occurrence of reverse stress by the interaction between the solid solution C and the dislocation, and the compressive strength of the steel pipe is increased. It is important to secure effective solid solution C.
- C in steel precipitates as cementite and MA, and also combines with carbide-forming elements such as Nb and precipitates as carbide, so that the amount of dissolved C decreases. At this time, if the Nb content is too much relative to the C content, the amount of Nb carbide precipitated is large and sufficient solid solution C cannot be obtained.
- C (%)-0 which is a relational expression between C content and Nb content.
- 0.065 Nb (%) is specified to be 0.025 or more. More preferably, it is 0.028 or more.
- Cu 0.50% or less
- Cu is an element effective for improving toughness and increasing strength. This effect is exhibited at 0.10% or more, but if added over 0.50%, the toughness of the welded portion deteriorates. Therefore, when adding Cu, it is 0.50% or less. Further, when the steel is exposed to a solution containing hydrogen sulfide, hydrogen atoms enter from the surface and become hydrogen gas inside, and hydrogen-induced cracking occurs due to the internal pressure. When Cu is contained in steel, a Cu film is formed on the surface in a solution containing hydrogen sulfide, and the amount of hydrogen intrusion is reduced. As a result, sour resistance is improved. The effect is exhibited when the Cu content is 0.20% or more, but the effect is saturated even if the content exceeds 0.40%, so if more sour resistance effect is required The Cu content is specified to be 0.20 to 0.40%.
- Ni 1.00% or less
- Ni is an element effective for improving toughness and increasing strength. This effect is exhibited at 0.10% or more, but if added over 1.00%, the toughness of the welded portion deteriorates. Therefore, when adding Ni, it is set to 1.00% or less.
- Cu When added, it is effective to contain Ni at the same time in order to prevent heat cracking. In order to suppress this cracking, the content must be at least 0.05%. Therefore, Ni is preferably 0.05 to 1.00% in order to particularly prevent heat cracking. More preferably, it is 0.80% or less.
- Cr 0.50% or less Cr is an element effective in increasing the strength by enhancing the hardenability. This effect is exhibited at 0.10% or more, but if added over 0.50%, the toughness of the weld is deteriorated. Therefore, when adding Cr, it is 0.50% or less. More preferably, it is 0.30% or less.
- Mo 0.50% or less Mo is an element effective for improving toughness and increasing strength. This effect is exhibited at 0.05% or more, but if added over 0.50%, the toughness of the welded portion deteriorates. Therefore, when adding Mo, it is 0.50% or less. More preferably, it is 0.30% or less.
- V 0.10% or less
- V is an element that increases strength without deteriorating toughness. This effect is exhibited at 0.010% or more, but if added over 0.10%, it precipitates as a carbide like Nb and reduces the solid solution C, so when adding V, 0.10% The following. More preferably, it is 0.060% or less.
- Ca 0.0005 to 0.0035%
- Ca is an effective element for controlling the form of sulfide inclusions, improving ductility, and improving sour resistance. However, if it is less than 0.0005%, there is no effect. Even if it is added in excess of .0035%, the effect is saturated, but rather the toughness is deteriorated due to a decrease in cleanliness. Therefore, when adding Ca, it is made into the range of 0.0005 to 0.0035%. More preferably, it is 0.0015 to 0.0035%.
- the upper limit is set to 0.42 in order to increase the cold cracking susceptibility as Ceq increases, to promote weld cracking, and to perform welding without preheating even in harsh environments such as on laid ships.
- the element whose content is an inevitable impurity level (element which is not added), it calculates with 0%.
- the balance of the steel of the present invention is substantially Fe, and elements other than the above and unavoidable impurities can be contained as long as the effects of the present invention are not impaired.
- N contained as an inevitable impurity combines with Ti and precipitates in the steel as TiN.
- the pinning effect prevents slab heating and coarsening of the weld heat affected zone. Therefore, when high toughness of the weld heat affected zone is particularly required, the content is preferably in the range of 0.0020 to 0.0060%.
- the metal structure and the MA fraction all mean the area fraction.
- the metal structure can be specified by taking a sample from the position of the plate thickness 1/4 on the inner surface side of the steel pipe, etching with nital after polishing, and observing with an optical microscope. Then, the area fraction of each metal structure such as bainite, ferrite, and processed ferrite can be obtained by image analysis using 3 to 5 photographs taken at 200 times magnification.
- Bainite area fraction 60% or more
- a uniform structure with few soft ferrite phases and hard second phases is formed, and local dislocations generated inside the structure during deformation It is necessary to suppress the accumulation of. Therefore, it is a bainite-based structure.
- the bainite fraction needs to be 60% or more.
- the bainite fraction is desirably 80% or more.
- Processed ferrite area fraction 5% or less
- the ferrite phase and the processed ferrite can be distinguished by microstructure observation. For example, as will be described later, the area fraction can be obtained by using grains in which deformation bands are seen inside the ferrite grains as processed ferrite.
- Island-like martensite (MA) area fraction 3% or less
- Island-like martensite (MA) is a very hard phase, which promotes the accumulation of local dislocations during deformation and has a compressive strength due to the Bauschinger effect. This will lead to a drop, and it is necessary to strictly limit the fraction. However, if the MA fraction is 3% or less, the influence is small and the compressive strength does not decrease. Therefore, the fraction of island-like martensite (MA) is specified to 3% or less.
- the MA fraction can be determined by performing electrolytic etching (two-stage etching) after nital etching and then observing with a scanning electron microscope (SEM).
- Average particle size of MA 2 ⁇ m or less
- MA promotes local dislocation accumulation during deformation.
- the size of MA increases, local strain concentration is promoted and a large reverse stress is generated, resulting in compression. It causes a decrease in strength.
- the average particle size of MA is specified to be 2 ⁇ m or less. Preferably, it is 1 ⁇ m or less.
- the average particle diameter is an equivalent circle diameter obtained by image analysis.
- Aspect ratio of MA 5 or less
- the aspect ratio of the MA is 5 or less, the influence is small, so the MA aspect ratio is specified to be 5 or less.
- an average particle size and an aspect ratio were obtained together with an area fraction of MA by image analysis from a photograph taken at a magnification of 1000 times.
- the aspect ratio is an average value of values obtained by dividing the long side (or maximum length portion) of each MA by the maximum side (or maximum length portion) in a direction intersecting with 90 degrees. In order to set the aspect ratio of MA to 5 or less, it is necessary to limit the above-described chemical components and manufacturing conditions described later.
- the content of C and Si which has the effect of promoting the formation of MA, is limited.
- the structure is refined by reduction in the non-recrystallized region and the lower limit temperature of the accelerated cooling stop temperature is managed. It is necessary to.
- the steel pipe of the present invention has a high compressive strength by having the above characteristics as a metal structure, but other than the above, structures such as cementite, pearlite, martensite, etc. have a total of 5% or less of their fractions. If there is no adverse effect, it can be contained.
- the metal structure of a steel plate manufactured by applying accelerated cooling may differ depending on the thickness direction of the steel plate. Since the collapse of a steel pipe subject to external pressure occurs because the plastic deformation on the inner surface of the steel pipe with a small circumference first occurs, the characteristics of the inner surface of the steel pipe are important for compressive strength. Collect.
- the 4th invention of the present invention is a manufacturing method which performs accelerated cooling, after heating and hot-rolling steel slab containing a chemical ingredient mentioned above. Below, the reason for limitation of the manufacturing conditions of a steel plate is demonstrated. In addition, the following temperature represents the surface temperature of a steel plate unless otherwise specified.
- the slab heating temperature 1000 ⁇ 1200 °C
- the slab heating temperature is in the range of 1000 to 1200 ° C.
- the upper limit of the slab heating temperature is preferably set to 1100 ° C.
- Reduction ratio in non-recrystallized region 60% or more
- the non-recrystallization temperature range varies depending on alloy elements such as Nb and Ti, but the Nb and Ti addition amount of the present invention may be 950 ° C. or lower.
- Rolling end temperature Ar 3 or more
- Ar 3 or higher Ar 3 or higher and 820 ° C. or lower. More preferably, it is Ar 3 or more and 800 ° C. or less.
- Ar 3 temperature is a function of the alloy components of the steel, may be determined by measuring the transformation temperature by experiment for each steel, but can also be calculated by the following equation from the components (1).
- Ar 3 (° C.) 910-310C (%)-80Mn (%)-20Cu (%)-15Cr (%)-55Ni (%)-80Mo (%) (1)
- the element whose content is an inevitable impurity level (element which is not added), it calculates with 0%.
- the conditions for accelerated cooling are as follows. Cooling start temperature but the metal structure and organization of bainite mainly by accelerated cooling (Ar 3 -30 ° C.) or higher ⁇ br/> after hot rolling, if the lower Ar 3 temperature cooling start temperature is ferrite forming temperature , It becomes a mixed structure of ferrite and bainite, and the strength reduction due to the Bauschinger effect is large and the compression strength is reduced. However, if the accelerated cooling start temperature is (Ar 3 -30 °C) or higher, the strength reduction due Bauschinger effect low ferrite fraction smaller. Therefore, the cooling start temperature is set to (Ar 3 ⁇ 30 ° C.) or higher.
- Cooling rate 10 ° C./second or more Accelerated cooling is an important process for obtaining a high-strength and high-toughness steel sheet, and the effect of increasing strength by transformation strengthening can be obtained by cooling at a high cooling rate.
- the cooling rate is less than 10 ° C./second, not only a sufficient tensile strength and compressive strength can be obtained, but also C diffusion occurs, so that C is concentrated to non-transformed austenite.
- the Bausinger effect is promoted by the hard second phase such as MA, which causes a decrease in compressive strength.
- the cooling rate is 10 ° C./second or more, the diffusion of C during cooling is small, and the production of MA is also suppressed. Therefore, the lower limit of the cooling rate during accelerated cooling is set to 10 ° C./second.
- Cooling stop temperature 350-550 ° C
- the bainite transformation proceeds by accelerated cooling and the necessary tensile strength and compressive strength are obtained.
- the temperature at the time of cooling stop exceeds 550 ° C
- the bainite transformation is insufficient and sufficient tensile strength and compressive strength are obtained. Absent.
- the concentration of C into untransformed austenite occurs during air cooling after the cooling is stopped, and the production of MA is promoted.
- the average temperature of the steel sheet when cooling is stopped is less than 350 ° C., not only bainite transformation but also martensitic transformation is generated, and elongated MA is generated, which is not preferable. Therefore, the temperature when cooling is stopped is set to a range of 350 to 550 ° C.
- the steel sheet after accelerated cooling is subjected to a reheating treatment.
- the reasons for limiting the reheating conditions, which are different from the fourth invention, will be mainly described below.
- the steel sheet surface temperature during reheating is set to a range of 550 to 720 ° C.
- a steel plate surface temperature can be measured by using a known thermometer according to a conventional method.
- Steel plate center temperature Less than 550 ° C. Reheating after accelerated cooling decomposes the MA of the surface layer and obtains a high compressive strength, but when the heating temperature of the steel plate center portion is 550 ° C. or higher, agglomeration and coarsening of cementite occurs. DWTT performance is degraded. Therefore, the steel plate center temperature in reheating after accelerated cooling is set to less than 550 ° C.
- the steel plate center temperature at the time of reheating can be obtained from the surface temperature by heat conduction analysis.
- the temperature of the steel plate surface is higher than the inside of the steel plate during heating, but since the temperature difference between the surface layer portion and the central portion is reduced immediately after the heating is finished, the surface temperature at that time can be treated as the steel plate center temperature. .
- the means for reheating after accelerated cooling it is desirable to use induction heating that can efficiently heat only the surface layer portion where a large amount of MA exists, but the heat treatment furnace is not limited to this, and a heat treatment furnace can also be used. Moreover, in order to obtain the effect of reheating, it is effective to heat to a temperature higher than the temperature at the time of cooling stop, so the steel plate center temperature at the time of reheating is a temperature higher by 50 ° C. than the temperature at the time of cooling stop. It is preferable to do.
- Cooling stop temperature 250-550 ° C
- the accelerated cooling stop temperature can be set to a steel sheet surface temperature of 250 to 550 ° C.
- the lower limit of the accelerated cooling stop temperature was set to 250 ° C., because when the accelerated cooling stop temperature falls below 250 ° C., the amount of MA produced becomes too large, and even if reheating is performed thereafter, the MA fraction becomes 3 It is because it becomes difficult to make it below%.
- the steel pipe is manufactured using the steel sheet manufactured by performing reheating so that the steel sheet surface temperature is 550 to 720 ° C. and the steel sheet center temperature is less than 550 ° C. High compressive strength can be obtained.
- the present invention forms a steel pipe using the steel plate produced by the above-described method, and the steel pipe is formed into a steel pipe shape by cold forming such as UOE process or press bend. After that, seam welding is performed, and any welding method can be used as long as sufficient strength of the joint and strength of the joint can be obtained. However, the welding quality is excellent. It is preferable to use submerged arc welding in terms of (weld quality) and production efficiency. After welding the butt portion (seam), pipe expansion is performed to remove weld residual stress and improve the roundness of the steel pipe. The tube expansion ratio at this time needs to be 0.4% or more as a condition for obtaining the roundness of a predetermined steel pipe and removing the residual stress.
- the upper limit shall be 1.2%.
- 1 shows No. 1 in Tables 1-3.
- FIG. 8 steel type F
- the ratio is more preferably 0.4 to 0.9%.
- Steel of the chemical composition shown in Table 1 (steel types A to N) is made into a slab by a continuous casting process, and a thick steel plate (No. 1 to 24) having a thickness of 22 mm to 34 mm is used by using this slab.
- Table 2 shows the production conditions of the steel sheet.
- the reheating process at the time of steel plate manufacture performed reheating using the induction heating furnace installed on the same line as the accelerated cooling equipment.
- the surface layer temperature at the time of reheating is the surface temperature of the steel plate at the outlet of the induction heating furnace, and the center temperature is the steel plate temperature at the time when the surface layer temperature after heating is substantially equal to the center temperature.
- steel pipes having various outer diameters were produced by the UOE process.
- Table 2 also shows the tube expansion ratio when manufacturing the steel pipe.
- Tensile properties of the steel pipe manufactured as described above were measured by performing a tensile test using a full thickness test piece in the pipe circumferential direction as a tensile test piece, and measuring the tensile strength.
- a test piece having a diameter of 20 mm and a length of 60 mm is taken in the pipe circumferential direction from the position on the inner surface of the steel pipe, and the compression test is performed to measure the compression yield strength (or 0.5% yield strength). did.
- the temperature at which the ductile fracture area (Shear area) becomes 85% by the DWTT specimen taken from the pipe circumferential direction of the steel pipe was determined as 85% SATT (Shear area transition temperature).
- the weld zone toughness was defined as the average absorbed energy when three Charpy impact test pieces were collected from the outer heat affected zone of the seam weld zone and three Charpy tests were performed at -30 ° C.
- a sample was taken from the position of the plate thickness 1 ⁇ 4 on the inner surface side of the steel pipe, and after polishing, etching was performed with nital and observed with an optical microscope. And the bainite fraction was calculated
- the area fraction was determined by setting the grains in which deformation bands were observed inside the ferrite grains as processed ferrite.
- electrolytic etching two-step etching
- SEM scanning electron microscope
- Table 3 shows the mechanical properties of the steel pipe. No. which is an example of the present invention. 1-8 and 20-24 all have chemical components, production methods and microstructures within the scope of the present invention, high compressive strength of 430 MPa or higher, DWTT characteristics ( ⁇ 20 ° C. or lower) and welding The toughness (100 J or more) was also good. No. 20, 21, and 22 have excellent sour resistance performance with a crack area ratio of 1% or less in the HIC test.
- a thick steel pipe having high compressive strength and further excellent DWTT characteristics and weld toughness can be obtained. Therefore, it can be applied to a deep sea line pipe that requires high collapse resistance. it can. Furthermore, a steel pipe having excellent sour resistance performance can also be manufactured.
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Abstract
Description
また、特許文献1と同様に拡管後に加熱を行いバウシンガー効果による圧縮降伏強度の低下を回復させる方法として、特許文献2では鋼管外表面を内表面より高い温度に加熱することで、加工硬化により上昇した内面側の圧縮降伏強度を維持し、バウシンガー効果により低下した外表面側の圧縮降伏強度を上昇させる方法が提案されている。
また、特許文献3にはNb−Ti添加鋼の鋼板製造工程(steel plate manufacturing process)で熱間圧延(hot rolling)後の加速冷却(accelerated cooling)をAr3温度以上から300℃以下まで行い、UOEプロセスで鋼管とした後に80~550℃に加熱を行う方法がそれぞれ提案されている。
しかしながら、特許文献2の方法では鋼管の外表面(outer surface)と内表面(inner surface)の加熱温度と加熱時間を別々に管理することは実製造上、特に大量生産工程(mass production process)において品質を管理することは極めて困難であり、また、特許文献3の方法は鋼板製造における加速冷却の停止温度を300℃以下の低い温度にする必要があるため、鋼板の歪(distortion)が大きくなりUOEプロセスで鋼管とした場合の真円度が低下し、さらにはAr3温度以上から加速冷却を行うために比較的高い温度で圧延を行う必要があり靱性(fracture toughness)が劣化するという問題があった。
また、特許文献5には、シーム溶接部と溶接部の軸対称部(溶接部から180°の位置、外表面側の圧縮強度の低い箇所)を端点とする直径が鋼管の最大径となるようにすることで耐コラプス性能を高める方法が開示されている。しかし、実際のパイプラインの敷設(pipeline construction)時においてコラプスが問題になるのは海底に到達したパイプが曲げ変形(bending deformation)を受ける部分(サグベンド部(sag−bend portion))であり、鋼管のシーム溶接部の位置とは無関係に円周溶接(girth weld)され海底(sea bed)に敷設されるため、シーム溶接部(seam weld)の端点が長径(major axis)になるようにしても実際上は何ら効果を発揮しない。
また、バウシンガー効果は結晶粒径や固溶炭素量(amount of solid solution carbon)等、様々な組織因子(microstructure factor)の影響を受けるため、特許文献7に記載の技術のように、単に硬質な第2相の低減のみでは圧縮強度の高い鋼管は得られず、さらに開示されている再加熱条件では、セメンタイトの凝集粗大化やNbやCなどの炭化物形成元素の析出およびそれらに伴う固溶Cの低下により、優れた引張強度、圧縮強度およびDWTT性能のバランスを得ることが困難であった。
(1)バウシンガー効果による引張および圧縮強度低下は異相界面や硬質な第2相での転位の集積による逆応力(back stress)(背応力とも言う)の発生が原因であり、その防止には、第一に転位の集積場所となる島状マルテンサイト(M−A constituent)(以下「MA」と称する場合もある)等の硬質な第2相を低減することが効果的であり、硬質なMAの分率を一定量以下に低減する事で、バウシンガー効果による圧縮強度の低下を抑制できる。
(2)加速冷却によって製造される高強度鋼、特に海底パイプラインに使われるような厚肉の鋼板は、必要な強度を得るために合金元素(alloy elements)を多く含有するために焼入れ性(hardenability)が高く、MAの生成を完全に抑制することは困難である。しかし、ベイナイト組織(bainite microstructure)を微細化し生成するMAを微細に分散させる事で第2相によるバウシンガー効果を抑制できる。さらに、粗大で伸長したMAは変形時の歪集中(strain concentration)を生じやすいため、MAの最大径とアスペクト比(aspect ratio)を一定値以下にすることで、バウシンガー効果はさらに抑制される。
(3)MAの形状は鋼板製造時の熱間圧延及び加速冷却条件によって制御でき、未再結晶域で一定量以上の圧延により組織を微細化することで、第2相として生成するMAを微細に分散することができ、さらに、加速冷却停止温度を一定温度以上に制御することで伸長したMAの生成が抑制可能である。また、加速冷却停止温度が低下してMAが生成する場合は、その後の再加熱によってMAをセメンタイトに分解することができ、第2相によるバウシンガー効果を低減できる。
(4)金属組織に軟質なフェライト相が含まれる場合、ベイナイト相との界面での転位集積による逆応力を発生しバウシンガー効果による圧縮強度の低下を招くが、フェライトの分率を一定値以下とし、より悪影響のあるMAの分率を低減し、その形状を適切に制御することで、フェライトによる圧縮応力低下の影響を軽減できる。しかし、フェライト相が圧延によって加工を受けた加工フェライト(rolled ferrite)になると、可動転位(mobile dislocation)が増加し、フェライト/ベイナイト界面での転位の集積も多くなるため、逆応力による圧縮強度の低下を促進する。
(5)鋼材のC量とNb等の炭化物形成元素の添加量を適正化し、固溶C(solid solution carbon)を十分に確保することで、転位と固溶Cの相互作用が生じ、荷重(load)の反転時の転位の移動を阻害し逆応力による強度低下が抑制される。
(6)鋼中にCuおよびCaを適正量含有させることにより、耐サワー性能を付与することができる。Cuは硫化水素を含む溶液中では、表面に皮膜を形成して、水素の侵入を抑制する。また、CaはSと介在物を形成し、水素誘起割れの起点となりやすいMnSの生成が抑制される。
第一の発明は、質量%で、C:0.03~0.10%、Si:0.30%以下、Mn:1.00~2.00%、P:0.015%以下、S:0.003%以下、Al:0.080%以下、Nb:0.005~0.035%、Ti:0.005~0.020%を含有し、C(%)−0.065Nb(%)が0.025以上であり、下式で表されるCeq値が0.3以上であり、残部がFe及び不可避的不純物からなる鋼管であり、金属組織がベイナイト面積分率:60%以上、加工フェライト面積分率:5%以下、島状マルテンサイト(MA)の面積分率:3%以下、MAの平均粒径:2μm以下、さらに、MAのアスペクト比:5以下であることを特徴とする、高い圧縮強度に優れたラインパイプ用溶接鋼管。
Ceq=C(%)+Mn(%)/6+{Cr(%)+Mo(%)+V(%)}/5+{Cu(%)+Ni(%)}/15。なお、上記式で、含有量が、不可避不純物レベルの元素(添加しない元素)については、0%で計算する。
第二の発明は、さらに質量%で、Cu:0.5%以下、Ni:1%以下、Cr:0.5%以下、Mo:0.5%以下、V:0.1%以下の中から選ばれる1種以上を含有し、C(%)−0.065Nb(%)−0.025Mo(%)−0.057V(%)が0.025以上であることを特徴とする第一の発明に記載の高い圧縮強度に優れたラインパイプ用溶接鋼管。なお、上記式で、含有量が、不可避不純物レベルの元素(添加しない元素)については、0%で計算する。
第四の発明は、第一の発明~第三の発明のいずれか一つに記載の高い圧縮強度に優れたラインパイプ用溶接鋼管の製造方法において、鋼板を、1000~1200℃に加熱し、未再結晶温度域の圧下率が60%以上、圧延終了温度がAr3以上の熱間圧延を行い、引き続き、(Ar3−30℃)以上の温度から10℃/秒以上の冷却速度で、鋼板表面温度が350~550℃まで加速冷却を行うことにより製造した鋼板を用いて、冷間成形により鋼管形状とし、突き合せ部を溶接し、次いで拡管率が0.4%~1.2%の拡管を施すことを特徴とする高い圧縮強度に優れたラインパイプ用溶接鋼管の製造方法。
第五の発明は、第一の発明~第三の発明のいずれか一つに記載の高い圧縮強度に優れたラインパイプ用溶接鋼管の製造方法において、鋼板を、1000~1200℃に加熱し、未再結晶温度域の圧下率が60%以上、圧延終了温度がAr3以上の熱間圧延を行い、引き続き、(Ar3−30℃)以上の温度から10℃/秒以上の冷却速度で、鋼板表面温度が250~550℃まで加速冷却を行い、引き続いて鋼板表面温度が550~720℃で、かつ、鋼板中心温度が550℃未満となる再加熱を行うことにより製造した鋼板を用いて、冷間成形により鋼管形状とし、突き合せ部を溶接し、次いで拡管率が0.4%~1.2%の拡管を施すことを特徴とする高い圧縮強度に優れたラインパイプ用溶接鋼管の製造方法。
1.化学成分について
はじめに本発明の高い圧縮強度および耐サワー性に優れた溶接鋼管が含有する化学成分の限定理由を説明する。なお、成分%は全て質量%を意味する。なお、本発明では、以下に規定された各化学成分等の数値範囲の次の桁の数値は、0である。例えば、C:0.02~0.06%は、C:0.020~0.060%、Si:0.01~0.5%は、Si:0.010~0.50%であることを意味する。また、粒径サイズも5μm以下は、5.0μm以下であることを意味する。また、MA等の分率2%以下は、2.0%以下であることを意味する。
Cは、加速冷却によって製造される鋼板の強度を高めるために最も有効な元素である。しかし、0.03%未満では十分な強度を確保できず、0.10%を超えると靭性を劣化させるだけでなく、MAの生成が促進されるため、圧縮強度の低下も招く。従って、C量を0.03~0.10%の範囲内とする。より高い靱性と圧縮強度を得るためには、好ましくは、0.03~0.080%の範囲内とする。
Siは脱酸のために添加するが、この効果は0.01%以上で発揮されるが、0.30%を超えると母材靭性や溶接性を劣化させ、また母材のMAの生成も促進される。従ってSi量は0.30%以下の範囲とする。また、SiはCGHAZ(Coarse grain heat affected zone)やICCGHAZ(Inter−Critical CGHAZ)などのHAZ組織中のMA生成を顕著に促進する元素であるため、HAZ靱性確保のためには、より低い方が好ましい。HAZ組織のMAはSiの他に様々な焼入れ性元素の影響を受け、一般に母材でより高い強度を確保しようとするほど、焼入れ性元素の添加量が多くなり、MAが増大する。そのため、HAZ靱性確保の観点からは、母材の強度が高いほど添加するSi量は少ない方がよく、X65(API 5L X65、引張降伏強度450MPa相当)程度の母材強度の場合は、0.15%以下、X70(API 5L X70、引張降伏強度480MPa相当)程度の母材強度の場合は0.09%以下にすることが望ましい。そこで、好ましくは、0.15%以下とする。さらに好ましくは、0.01~0.09%である。
Mnは鋼の強度および靭性の向上のため添加するが1.00%未満ではその効果が十分ではなく、2.00%を超えると溶接部の靭性と耐HIC性能が劣化する。従って、Mn量は1.00~2.00%の範囲とする。さらに好ましくは、1.30~2.00%である。一方で、Mnは、HAZ組織中の粒界フェライトの生成を抑制することで靱性を改善する効果があるため、HAZ靱性確保のためには1.5%以上添加していることが望ましい。さらに好ましくは1.50超~2.00%である。
Pは不可避的不純物元素であり、鋼材の靱性を劣化する。特に、溶接熱影響部の硬さを上昇させるため、溶接熱影響部の靱性を顕著に劣化させる。従って、P量を0.015%以下とする。好ましくは、0.008%以下とする。
Sは、鋼中においてはMnS系の介在物となり、衝撃破壊時のボイド発生起点として作用するため、シャルピー衝撃試験での吸収エネルギー低下の原因となる。従って、S量を0.003%以下とする。より高い吸収エネルギーが要求される場合は、S量をさらに低下することが有効であり、好ましくは0.0015%以下とする。
Alは脱酸剤として添加される。この効果は0.01%以上で発揮されるが、0.080%を超えると清浄度の低下により延性を劣化させる。従って、Al量は0.080%以下とする。さらに好ましくは、0.010~0.040%である。
Nbは、圧延時の粒成長を抑制し、微細粒化により靭性を向上させる。しかし、Nb量が0.005%未満ではその効果がなく、0.035%を超えると炭化物として析出し固溶C量を低下させ、バウシンガー効果が促進されるため高い圧縮強度が得られず、さらに、溶接熱影響部の靱性低下を招く。従って、Nb量は0.005~0.035%の範囲とする。また、Nbはスラブ再加熱時に一度固溶することにより、その能力を発揮するが、Nb添加量が大きくなるほど、固溶させるのに必要なスラブ加熱温度が高くなる。一方で、DWTT性能を確保するためには、スラブ加熱温度は低い方がよいため、DWTT性能を確保できるスラブ加熱温度の範囲では、Nbを0.030%を超えて添加しても、その効果を十分に発揮できない。よって、さらに好ましくは、0.005~0.030 %である。
Tiは、TiNを形成してスラブ加熱時の粒成長を抑制するだけでなく、溶接熱影響部の粒成長を抑制し、母材及び溶接熱影響部の微細粒化により靭性を向上させる。しかし、Ti量が0.005%未満ではその効果がなく、0.020%を超えると靭性を劣化させる。従って、Ti量は0.005~0.020%の範囲とする。
本発明は固溶Cと転位との相互作用により逆応力発生を抑制することでバウシンガー効果を低減し、鋼管の圧縮強度を高めるものであり、有効な固溶Cを確保することが重要となる。一般に、鋼中のCはセメンタイトやMAとして析出するほか、Nb等の炭化物形成元素と結合し炭化物として析出し、固溶C量が減少する。このとき、C含有量に対してNb含有量が多すぎるとNb炭化物の析出量が多く十分な固溶Cが得られない。
本発明の選択元素であるMo及びVはNbと同様に炭化物を形成する元素であり、これらの元素も添加する場合には十分な固溶Cが得られる範囲で添加する必要がある。しかし、C(%)−0.065Nb(%)−0.025Mo(%)−0.057V(%)で表される関係式の値が0.025未満では固溶Cが不足するため、C(%)−0.065Nb(%)−0.025Mo(%)−0.057V(%)を0.025以上に規定する。さらに好ましくは、0.028以上である。なお、含有量が、不可避不純物レベルの元素(添加しない元素)については、0%で計算する。
本発明では上記の化学成分の他に、さらに以下の元素を選択元素として任意に添加することができる。
Cuは、靭性の改善と強度の上昇に有効な元素である。この効果は0.10%以上で発揮されるが、0.50%を超えて添加すると溶接部の靭性が劣化する。従って、Cuを添加する場合は0.50%以下とする。
また、鋼が硫化水素を含む溶液にさらされると、表面から水素原子が侵入して内部で水素ガスとなってその内圧で水素誘起割れが発生する。鋼にCuを含有させると、硫化水素を含む溶液中では表面にCu皮膜を形成して、水素侵入量が少なくなり、その結果として、耐サワー性能が向上する。その効果は、Cuの含有量が0.20%以上の場合に発揮されるが、0.40%を超えて含有しても効果が飽和するので、より耐サワー性能の効果が必要な場合はCuの含有量は0.20~0.40%に規定する。
Niは、靭性の改善と強度の上昇に有効な元素である。この効果は0.10%以上で発揮されるが、1.00%を超えて添加すると溶接部の靭性が劣化する。従って、Niを添加する場合は1.00%以下とする。
また、Cuが添加されている場合には、加熱割れを防ぐためにNiを同時に含有させることが有効である。この割れ抑制のためには少なくとも0.05%の含有が必要である。したがって、加熱割れを特に防止する場合には、Ni:0.05~1.00%が好ましい。さらに好ましくは、0.80%以下である。
Crは、焼き入れ性を高めることで強度の上昇に有効な元素である。この効果は0.10%以上で発揮されるが、0.50%を超えて添加すると溶接部の靭性を劣化させる。従って、Crを添加する場合は0.50%以下とする。さらに好ましくは、0.30%以下である。
Moは、靭性の改善と強度の上昇に有効な元素である。この効果は0.05%以上で発揮されるが、0.50%を超えて添加すると溶接部の靭性が劣化する。従って、Moを添加する場合は0.50%以下とする。さらに好ましくは、0.30%以下である。
Vは靭性を劣化させずに強度を上昇させる元素である。この効果は0.010%以上で発揮されるが、0.10%を超えて添加するとNbと同様に炭化物として析出し固溶Cを減少させるため、Vを添加する場合は、0.10%以下とする。さらに好ましくは、0.060%以下である。
Caは硫化物系介在物の形態を制御し、延性を改善するために、また、耐サワー性能を向上させる上で、有効な元素であるが、0.0005%未満ではその効果がなく、0.0035%を超えて添加しても効果が飽和し、むしろ清浄度の低下により靱性を劣化させる。従って、Caを添加する場合は0.0005~0.0035%の範囲とする。さらに好ましくは、0.0015~0.0035%である。
Ceq=C(%)+Mn(%)/6+{Cr(%)+Mo(%)+V(%)}/5+{Cu(%)+Ni(%)}/15
Ceqは鋼の焼き入れ性指数であり、Ceq値が高いほど鋼材の引張強度および圧縮強度が高くなる。Ceq値が0.3未満では20mmを超える厚肉の鋼管において十分な強度が確保出来ないため、Ceq値は0.3以上とする。また、30mmを超える肉厚の鋼管において十分に強度を確保するためには、0.36以上にすることが望ましい。なお、Ceqが高いほど低温割れ感受性が増加し、溶接割れを助長し、敷設船上などの過酷な環境でも予熱なしで溶接するために、上限を0.42とする。
なお、含有量が、不可避不純物レベルの元素(添加しない元素)については、0%で計算する。
本発明における金属組織の限定理由を以下に説明する。以下金属組織およびMAの分率はすべて面積分率を意味する。また、金属組織は鋼管の内面側の板厚1/4の位置からサンプルを採取し、研磨後ナイタールによるエッチングを行い光学顕微鏡で観察により各金属組織の特定を行うことができる。そして、200倍で撮影した写真3~5枚を用いて画像解析によりベイナイト、フェライト、加工フェライト等のそれぞれの金属組織の面積分率を求めることができる。
バウシンガー効果を抑制し高い圧縮強度をえるためには軟質なフェライト相や硬質な第2相の少ない均一な組織とし、変形時の組織内部で生じる局所的な転位の集積を抑制することが必要である。そのため、ベイナイト主体の組織とする。その効果を得るためにはベイナイトの分率が60%以上必要である。さらに、高い圧縮強度が必要な場合はベイナイト分率を80%以上とすることが望ましい。
フェライト相が圧延によって加工を受けた加工フェライトになると、可動転位が増殖しフェライト/ベイナイト界面での転位集積も多くなるため、逆応力による圧縮強度の低下を促進する。しかし、加工フェライト分率が5%以下であればその影響が小さく圧縮強度の低下も生じないため、加工フェライトの分率を5%以下に規定する。フェライト相と加工フェライトとは組織観察で判別ができる。例えば、後述するようにフェライト粒の内部に変形帯(deformation band)が見られる粒を加工フェライトとしてその面積分率を求めることができる。
島状マルテンサイト(MA)は非常に硬質な相であり、変形時に局所的な転位の集積を促進し、バウシンガー効果により圧縮強度の低下を招くため、その分率を厳しく制限する必要がある。しかし、MAの分率が3%以下ではその影響が小さく圧縮強度の低下も生じないため、島状マルテンサイト(MA)の分率を3%以下に規定する。MAの分率は、ナイタールエッチング後に電解エッチング(2段エッチング)を行い、その後走査型電子顕微鏡(SEM)による観察を行い面積分率を求めることができる。
上述のように、MAが変形時の局所的な転位集積を促進するが、MAのサイズが大きいほど局所的な歪集中が促進され大きな逆応力を発生し、圧縮強度の低下を招く。しかし、MAの平均粒径が2μm以下であれば局所的な歪み集中が分散されるため、歪み集中量も少なくなりバウシンガー効果の発生がさらに抑制される。よって、MAの平均粒子径を2μm以下に規定する。好ましくは、1μm以下とする。ここで、平均粒子径とは画像解析により得られる円相当径とする。
MAがアスペクト比の大きな伸長した形状を有している場合、その先端部での局所的な歪み集中を招き、圧縮強度が低下する。しかし、MAのアスペクト比が5以下であればその影響が小さいため、MAのアスペクト比を5以下に規定する。ここで、1000倍で撮影した写真から画像解析によってMAの面積分率とともに平均粒径及びアスペクト比を求めた。なお、アスペクト比は、個々のMAの長辺(あるいは、最大長さ部)をそれに90度交差する方向の最大辺(あるいは、最大長さ部)で割った値の平均値である。MAのアスペクト比を5以下とするには、前述した化学成分と後述する製造条件を限定することが必要である。特に、化学成分では、MAの生成を促進する作用があるCおよびSiの含有量を限定すること、製造条件では未再結晶域での圧下による組織微細化や加速冷却停止温度の下限温度を管理することが必要である。
本発明の第4発明は、上述した化学成分を含有する鋼スラブを、加熱し熱間圧延を行った後、加速冷却を行う製造方法である。以下に、鋼板の製造条件の限定理由について説明する。なお、以下の温度は特に記載しない限り鋼板の表面温度を表す。
スラブ加熱温度は、1000℃未満では十分な引張強度および圧縮強度が得られず、1200℃を超えると、靱性やDWTT特性が劣化する。従って、スラブ加熱温度1000~1200℃の範囲とする。さらに優れたDWTT性能が要求される場合は、スラブ加熱温度の上限を1100℃にすることが望ましい。
バウシンガー効果を低減するための微細なベイナイト組織と高い母材靱性を得るためには、熱間圧延工程において未再結晶温度域で十分な圧下を行う必要がある。さらに、圧延によって組織を微細化することで、第2相として生成するMAを微細に分散させることが可能である。しかし、圧下率が60%未満では効果が不十分であるため、未再結晶域で圧下率を60%以上とする。なお、圧下率は複数の圧延パスで圧延を行う場合はその累積の圧下率とする。また、未再結晶温度域はNb、Ti等の合金元素によって変化するが、本発明のNb及びTi添加量では950℃以下とすればよい。
バウシンガー効果による強度低下を抑制するためには、金属組織をベイナイト分率が60%の組織としフェライト相の過度な生成を抑制する必要がある。さらに、フェライト相が圧延されて加工フェライトとなると、可動転位が増加することで転位集積による逆応力発生を促進し、圧縮強度の低下を招く。そのため、熱間圧延は、フェライト生成温度であるAr3温度以上とする。なお、圧延終了温度の上限はとくに規定しないが、DWTT性能などの低温靱性を確保するためには、低い方が望ましい。したがって、より好ましくは、Ar3以上820℃以下とする。さらに好ましくは、Ar3以上800℃以下である。
なお、含有量が、不可避不純物レベルの元素(添加しない元素)については、0%で計算する。
冷却開始温度:(Ar 3 −30℃)以上
熱間圧延後の加速冷却によって金属組織をベイナイト主体の組織とするが、冷却開始温度がフェライト生成温度であるAr3温度を下回ると、フェライトとベイナイトの混合組織となり、バウシンガー効果による強度低下が大きく圧縮強度が低下する。しかし、加速冷却開始温度が(Ar3−30℃)以上であれば、フェライト分率が低くバウシンガー効果による強度低下も小さい。よって、冷却開始温度を(Ar3−30℃)以上とする。
加速冷却は高強度で高靱性の鋼板を得るために重要なプロセスであり、高い冷却速度で冷却することで変態強化による強度上昇効果が得られる。しかし、冷却速度が10℃/秒未満では十分な引張強度および圧縮強度が得られないだけでなく、Cの拡散が生じるため未変態オーステナイト(non−transformed austenite)へCの濃化が起こり、MAの生成量が多くなる。前述のようにMA等の硬質第2相によってバウシンガー効果が促進されるため、圧縮強度の低下を招く。しかし、冷却速度が10℃/秒以上であれば冷却中のCの拡散が少なく、MAの生成も抑制される。よって加速冷却時の冷却速度の下限を10℃/秒とする。
加速冷却によってベイナイト変態が進行し必要な引張強度および圧縮強度が得られるが、冷却停止時の温度が550℃を超えると、ベイナイト変態が不十分であり、十分な引張強度および圧縮強度が得られない。また、ベイナイト変態が完了しないため、冷却停止後の空冷中に未変態オーステナイトへのCの濃縮が起こりMAの生成が促進される。一方、冷却停止時の鋼板平均温度が350℃未満では、ベイナイト変態だけでなく、マルテンサイト変態を生じ伸長したMAが生成され好ましくない。よって、冷却停止時の温度は350~550℃の範囲とする。
厚鋼板の加速冷却では鋼板表層部の冷却速度が速くまた鋼板内部に比べ表層部が低い温度まで冷却される。そのため、鋼板表層部にはMAが生成されやすい。このような硬質相はバウシンガー効果を促進するため、加速冷却後に鋼板の表層部を加熱しMAを分解することでバウシンガー効果による圧縮強度の低下を抑制することが可能となる。しかし、表面温度が550℃未満ではMAの分解が十分でなく、また720℃を超えると、鋼板中央部の加熱温度も上昇するため大きな強度低下をまねく。よって、加速冷却後にMAの分解を目的に再加熱を行う場合は、再加熱時の鋼板表面温度を550~720℃の範囲とする。
鋼板表面温度の測定は、公知の温度計を常法に従い用いることができる。
加速冷却後の再加熱によって、表層部のMAが分解され高い圧縮強度が得られるが、鋼板中央部の加熱温度が550℃以上になると、セメンタイトの凝集粗大化がおこりDWTT性能が劣化する。よって、加速冷却後の再加熱での鋼板中心温度は550℃未満とする。
ここで、再加熱時の鋼板中心温度は表面温度から熱伝導解析により求めることができる。また、加熱中は鋼板内部より鋼板表面の温度が高くなるが、加熱終了後すぐに表層部と中心部の温度差が小さくなるため、そのときの表面温度を鋼板中心温度として処理することができる。
加速冷却後に再加熱が施される場合は、加速冷却によってMAが生成してもそれが無害化されるため、加速冷却停止温度は鋼板表面温度が250~550℃とすることができる。ここで、加速冷却停止温度の下限を250℃としたのは、加速冷却停止温度が250℃を下回るとMAの生成量が多くなりすぎ、その後に再加熱を施してもMAの分率を3%以下とすることが困難になるためである。
No.20、21、22については、HIC試験(水素誘起割れ試験)を実施した。硫化水素(H2S)を飽和させたpHが約5の人工海水の中に試験片を96時間浸漬した後、超音波探傷(ultrasonic inspection)により試験片全面の割れの有無を調査し、割れ面積率(crack area ratio)(CAR)でその性能を評価した。各鋼管から3個の試験片を採取してHIC試験に供し、個々の試験片の割れ面積率の中で最大値をその鋼管を代表する割れ面積率とした。
Claims (5)
- 質量%で、C:0.03~0.10%、Si:0.30%以下、Mn:1.00~2.00%、P:0.015%以下、S:0.003%以下、Al:0.080%以下、Nb:0.005~0.035%、Ti:0.005~0.020%を含有し、C(%)−0.065Nb(%)が0.025以上であり、下式で表されるCeq値が0.3以上であり、残部がFe及び不可避的不純物からなる鋼管であり、金属組織がベイナイト面積分率:60%以上、加工フェライト面積分率:5%以下、島状マルテンサイト(MA)の面積分率:3%以下、MAの平均粒径:2μm以下、さらに、MAのアスペクト比:5以下であるラインパイプ用溶接鋼管。
Ceq=C(%)+Mn(%)/6+{Cr(%)+Mo(%)+V(%)}/5+{Cu(%)+Ni(%)}/15。 - さらに質量%で、Cu:0.5%以下、Ni:1%以下、Cr:0.5%以下、Mo:0.5%以下、V:0.1%以下の中から選ばれる1種以上を含有し、C(%)−0.065Nb(%)−0.025Mo(%)−0.057V(%)が0.025以上である請求項1に記載のラインパイプ用溶接鋼管。
- さらに、質量%で、Cu:0.20~0.40%、Ni:0.05~1.00%、Ca:0.0005~0.0035%、およびCr:0.50%以下、Mo:0.50%以下、V:0.10%以下の中から選ばれる1種以上を含有し、C(%)−0.065Nb(%)−0.025Mo(%)−0.057V(%)が0.025以上である請求項1に記載のラインパイプ用溶接鋼管。
- 請求項1~3のいずれか一項に記載のラインパイプ用溶接鋼管の製造方法において、鋼板を、1000~1200℃に加熱し、未再結晶温度域の圧下率が60%以上、圧延終了温度がAr3以上の熱間圧延を行い、引き続き、(Ar3−30℃)以上の温度から10℃/秒以上の冷却速度で、鋼板表面温度が350~550℃まで加速冷却を行うことにより製造した鋼板を用いて、冷間成形により鋼管形状とし、突き合せ部を溶接し、次いで拡管率が0.4%~1.2%の拡管を施すラインパイプ用溶接鋼管の製造方法。
- 請求項1~3のいずれか一項に記載のラインパイプ用溶接鋼管の製造方法において、鋼板を、1000~1200℃に加熱し、未再結晶温度域の圧下率が60%以上、圧延終了温度がAr3以上の熱間圧延を行い、引き続き、(Ar3−30℃)以上の温度から10℃/秒以上の冷却速度で、鋼板表面温度が250~550℃まで加速冷却を行い、引き続いて鋼板表面温度が550~720℃で、かつ、鋼板中心温度が550℃未満となる再加熱を行うことにより製造した鋼板を用いて、冷間成形により鋼管形状とし、突き合せ部を溶接し、次いで拡管率が0.4%~1.2%の拡管を施すラインパイプ用溶接鋼管の製造方法。
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