WO2018020972A1 - 高強度継目無鋼管及びライザー - Google Patents

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大江　太郎
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新日鐵住金株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a high-strength seamless steel pipe and a riser using the same, and more particularly to a high-strength seamless steel pipe suitable for a work over riser and a riser using the same.
  • a flow line is a steel pipe for transportation laid along the terrain on the ground or at the bottom of the sea.
  • a riser is a steel pipe for transportation that rises from the sea floor to an offshore platform.
  • Flow lines and risers laid in the deep sea receive pressure from a high-pressure fluid with deep formation pressure.
  • seawater pressure in the deep sea When operations are stopped, it is affected by seawater pressure in the deep sea.
  • the riser is further affected by repeated distortion caused by waves. Therefore, high strength is required for the flow line and the riser, and a thick steel pipe having a thickness of 30 mm or more is used.
  • Workover riser is used for trial operation and test production of well equipment in offshore oil field development.
  • the work over riser can come into contact with the production fluid during test production. Therefore, the work over riser may be required to have sour resistance in addition to high strength.
  • Japanese Patent No. 4502010 discloses a seamless steel pipe for a line pipe that can ensure high strength, stable toughness and good corrosion resistance with a seamless steel pipe having a large thickness, and a method for manufacturing the same.
  • this publication describes a steel pipe for a line pipe having a wall thickness of 40 mm, a yield strength of 555 MPa or more, and excellent resistance to sulfide stress corrosion cracking (SSC resistance).
  • Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2013-32584 discloses a thick high-strength seamless steel pipe excellent in sour resistance and a manufacturing method thereof.
  • this publication describes a seamless steel pipe having a wall thickness of 30 mm, a yield strength of 600 MPa, and excellent sour resistance.
  • Japanese Patent No. 5516831 has high strength and excellent hydrogen-induced cracking resistance (HIC resistance), and even in the case of circumferential welding, the HIC resistance of the heat affected zone (HAZ) is improved.
  • HIC resistance hydrogen-induced cracking resistance
  • HZ heat affected zone
  • An excellent seamless steel pipe suitable for a line pipe is disclosed.
  • this publication describes a seamless steel pipe having a wall thickness of 40 mm, a yield strength of 555 MPa or more, and excellent HIC resistance.
  • ISO 15156 stipulates that the hardness of the surface layer of a carbon steel line pipe that requires SSC resistance is controlled to 250 Hv or less.
  • the steel pipe for line pipe has low hardenability as described above, the hardness at the center of the thickness with a small cooling rate is difficult to increase during quenching, and the hardness of the surface layer with a high cooling rate is relatively high. This hardness distribution is inherited even after tempering. As a result, it is difficult to manage the hardness of the surface layer low, particularly in thick steel pipes.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-32584 describes a method of grinding a high hardness portion of a surface layer after quenching, a method of decarburizing a surface before quenching, a method of quenching in a film boiling state, and the like.
  • these methods are greatly different from the manufacturing process of a general seamless steel pipe, there is a concern about a decrease in manufacturing efficiency.
  • Japanese Patent No. 4502010 and Japanese Patent No. 5516831 do not mention a specific method for hardness management.
  • An object of the present invention is to provide a high-strength seamless steel pipe and a riser capable of ensuring both high strength and low hardness while ensuring weldability.
  • the high-strength seamless steel pipe has a chemical composition of mass%, C: 0.10 to 0.18%, Si: 0.03 to 1.0%, Mn: 0.5 to 2.0%, P: 0.020% or less, S: 0.0080% or less, Cr: 0.10 to 0.60%, Mo: 0.10 to 0.40%, V: 0.02 to 0 40%, Ti: 0.004-0.020%, B: 0.0005-0.005%, Al: 0.10% or less, N: 0.008% or less, Ca: 0.0004-0. 0040%, Cu: 0.1 to 1.0%, Ni: 0.2 to 1.0%, Nb: 0 to 0.05%, balance: Fe and impurities, satisfying the following formula (1) .
  • the content of the corresponding element is substituted by mass%.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a measurement position of HAZ hardness.
  • FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the tempering parameter TP, the yield strength, the tensile strength, and the hardness of the surface layer in the steel type 1.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the tempering parameter TP, the yield strength, the tensile strength, and the hardness of the surface layer in the steel type 2.
  • FIG. 4 is a view showing the relationship between the tempering parameter TP, the yield strength, the tensile strength, and the hardness of the surface layer in the steel type 3.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the tempering parameter TP, the yield strength, the tensile strength, and the hardness of the surface layer in the steel type 4.
  • FIG. 6 is a view showing the relationship between the tempering parameter TP, the yield strength, the tensile strength, and the hardness of the surface layer in the steel type 5.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the tempering parameter TP, the yield strength, the tensile strength, and the hardness of the surface layer in the steel type 6.
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the tempering parameter TP, the yield strength, the tensile strength, and the hardness of the surface layer in the steel type 7.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the tempering parameter TP, the yield strength, the tensile strength, and the hardness of the surface layer in the steel type 8.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the tempering parameter TP, the yield strength, the tensile strength, and the hardness of the surface layer in the steel type 9.
  • FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the tempering parameter TP, the yield strength, the tensile strength, and the hardness of the surface layer in the steel type 10.
  • the present inventors examined a high-strength seamless steel pipe capable of achieving both high strength and low hardness while ensuring weldability. As a result, the following knowledge was obtained.
  • Boron (B) is considered not to be an element that is positively contained in the steel for line pipes because it significantly deteriorates the weldability.
  • the hardenability of steel can be remarkably improved by containing an appropriate amount of B within a range that satisfies PCM ⁇ 0.28.
  • it is effective to contain a predetermined amount of Cu and Ni that are elements that improve hardenability and have a relatively small effect on PCM. As a result, a hardened structure can be obtained up to the center of the thickness even with a thick steel pipe, and both high strength and low hardness can be achieved.
  • the hardness variation in the cross section perpendicular to the pipe axis direction can be reduced. This also contributes to an improvement in the toughness of the steel pipe. Excellent toughness can be obtained by suppressing hardness variation and appropriately limiting impurities such as P and S.
  • the high-strength seamless steel pipe according to this embodiment has a chemical composition described below.
  • “%” of the element content means mass%.
  • C 0.10 to 0.18% Carbon (C) increases the hardenability of the steel. If the C content is less than 0.10%, the above effects cannot be obtained sufficiently. On the other hand, if the C content exceeds 0.18%, the weldability of the steel decreases. Therefore, the C content is 0.10 to 0.18%.
  • the lower limit of the C content is preferably 0.12%.
  • the upper limit of the C content is preferably 0.15%.
  • Si 0.03-1.0% Silicon (Si) deoxidizes steel. If the Si content is 0.03% or more, the above effect is remarkably obtained. However, if the Si content exceeds 1.0%, the toughness of the steel decreases. Therefore, the Si content is 0.03 to 1.0%.
  • the lower limit of the Si content is preferably 0.05%, more preferably 0.10%.
  • the upper limit of the Si content is preferably 0.8%, and more preferably 0.5%.
  • Mn 0.5 to 2.0%
  • Manganese (Mn) increases the hardenability of the steel. If the Mn content is less than 0.5%, the above effect cannot be obtained sufficiently. On the other hand, if the Mn content exceeds 2.0%, Mn is segregated in the steel and the toughness of the steel is lowered. Therefore, the Mn content is 0.5 to 2.0%.
  • the lower limit of the Mn content is preferably 0.6%.
  • the upper limit of the Mn content is preferably 1.5%, more preferably 1.0%.
  • Phosphorus (P) is an impurity. P decreases the toughness of the steel. Therefore, the P content is preferably as low as possible. Therefore, the P content is 0.020% or less. The P content is preferably 0.015% or less, more preferably 0.013% or less.
  • S 0.0080% or less Sulfur (S) is an impurity. S combines with Mn to form coarse MnS and lowers the toughness and HIC resistance of the steel. Accordingly, the S content is preferably as low as possible. Therefore, the S content is 0.0080% or less.
  • the S content is preferably 0.0060% or less, and more preferably 0.0040% or less.
  • Chromium (Cr) increases the hardenability of the steel. Cr further increases the temper softening resistance of the steel. If the Cr content is less than 0.10%, the above effect cannot be obtained sufficiently. On the other hand, when the Cr content exceeds 0.60%, weldability and HAZ toughness are lowered. Therefore, the Cr content is 0.10 to 0.60%.
  • the lower limit of the Cr content is preferably 0.20%, more preferably 0.25%, and further preferably 0.30%.
  • the upper limit of the Cr content is preferably 0.55%, more preferably 0.50%.
  • Mo 0.10 to 0.40% Molybdenum (Mo) increases the hardenability of the steel. Mo further combines with C and V in the steel to increase the strength of the steel. If the Mo content is less than 0.10%, the above effects cannot be obtained sufficiently. On the other hand, if the Mo content exceeds 0.40%, the weldability and the HAZ toughness of the steel decrease. Therefore, the Mo content is 0.10 to 0.40%.
  • the lower limit of the Mo content is preferably 0.20%, and more preferably 0.25%.
  • the upper limit of the Mo content is preferably 0.35%.
  • V 0.02 to 0.40% Vanadium (V) combines with C in the steel to form a V carbide and increases the strength of the steel. If the V content is less than 0.02%, the above effects cannot be obtained sufficiently. On the other hand, if the V content is higher than 0.40%, the carbides become coarse and the toughness of the steel decreases. Therefore, the V content is 0.02 to 0.40%.
  • the lower limit of the V content is preferably 0.03%.
  • the upper limit of the V content is preferably 0.30%, more preferably 0.20%, and even more preferably 0.10%.
  • Ti 0.004 to 0.020% Titanium (Ti) combines with N in the steel to form TiN, and suppresses a decrease in the toughness of the steel due to the solid solution N. Furthermore, finely dispersed TiN increases the toughness of the steel. When the Ti content is less than 0.004%, the above effects cannot be obtained sufficiently. On the other hand, if the Ti content is higher than 0.020%, TiN coarsens or coarse TiC is generated, so that the toughness of the steel decreases. Therefore, the Ti content is 0.004 to 0.020%. The lower limit of the Ti content is preferably 0.010%.
  • B 0.0005 to 0.005% Boron (B) drastically improves hardenability when contained in a small amount. This makes it possible to obtain a quenched structure up to the center of the wall thickness even for a thick steel pipe, and to achieve both high strength and low hardness. Moreover, by containing B, the range of the tempering conditions which can satisfy
  • the B content is 0.0005 to 0.005%.
  • the lower limit of the B content is preferably 0.0008%, and more preferably 0.0010%.
  • the upper limit of the B content is preferably 0.0030%, more preferably 0.0020%, and further preferably 0.0015%.
  • Al 0.10% or less
  • Aluminum (Al) combines with N to form fine nitrides and enhances the toughness of the steel. If Al is contained even a little, the above effect can be obtained. On the other hand, if the Al content is higher than 0.10%, the Al nitride becomes coarse and the toughness of the steel decreases. Therefore, the Al content is 0.10% or less.
  • the lower limit of the Al content is preferably 0.001%, and more preferably 0.01%.
  • the upper limit of the Al content is preferably 0.08%, more preferably 0.06%.
  • the Al content in this specification means the content of acid-soluble Al (so-called Sol-Al).
  • N 0.008% or less Nitrogen (N) combines with Al to form fine Al nitride and enhances the toughness of the steel. If N is contained even a little, the above effect can be obtained. On the other hand, if the N content is higher than 0.008%, the solid solution N reduces the toughness of the steel. If the N content is too high, the carbonitrides are further coarsened and the toughness of the steel is reduced. Therefore, the N content is 0.008% or less.
  • the lower limit of the N content is preferably 0.001%.
  • the upper limit of the N content is preferably 0.006%, and more preferably 0.005%.
  • Ca 0.0004 to 0.0040%
  • Calcium (Ca) combines with S in steel to form CaS.
  • the formation of MnS is suppressed by the formation of CaS. Therefore, Ca improves the toughness and HIC resistance of steel. It also has the function of suppressing toughening of alumina inclusions and improving toughness and HIC resistance.
  • the Ca content is less than 0.0004%, the above effect cannot be obtained sufficiently.
  • the Ca content is higher than 0.0040%, the cleanliness of the steel decreases, and the toughness and HIC resistance of the steel decrease. Therefore, the Ca content is 0.0004 to 0.0040%.
  • the lower limit of the Ca content is preferably 0.0005%, more preferably 0.0008%.
  • the upper limit of the Ca content is preferably 0.0035%, more preferably 0.0030%.
  • Cu 0.1 to 1.0% Copper (Cu) increases the hardenability of the steel and increases the strength of the steel. If the Cu content is less than 0.1%, this effect cannot be sufficiently obtained. On the other hand, if the Cu content is higher than 1.0%, the weldability of steel decreases. If the Cu content is too high, the grain boundary strength of the steel at a high temperature is further lowered, and the hot workability of the steel is lowered. Therefore, the Cu content is 0.1 to 1.0%.
  • the lower limit of the Cu content is preferably 0.12%, more preferably 0.15%.
  • the upper limit of the Cu content is preferably 0.5%, more preferably 0.3%, and further preferably 0.2%.
  • Ni 0.2 to 1.0%
  • Nickel (Ni) increases the hardenability of the steel and increases the strength of the steel.
  • Ni is also an element that enhances hardenability, but has little adverse effect on weldability.
  • Ni further improves the toughness of the steel. If Ni is less than 0.2%, these effects cannot be obtained sufficiently.
  • the Ni content is higher than 1.0%, the SSC resistance decreases. Therefore, the Ni content is 0.2 to 1.0%.
  • the lower limit of the Ni content is preferably 0.3%, more preferably 0.35%, and further preferably 0.4%.
  • the upper limit of the Ni content is preferably 0.9%, more preferably 0.8%.
  • the balance of the chemical composition of the high-strength seamless steel pipe according to this embodiment is Fe and impurities.
  • the impurity here refers to an element mixed from ore and scrap used as a raw material of steel, or an element mixed from the environment of the manufacturing process.
  • the chemical composition of the high-strength seamless steel pipe according to this embodiment may contain Nb instead of a part of Fe.
  • Nb is a selective element. That is, the chemical composition of the high-strength seamless steel pipe according to the present embodiment may not contain Nb.
  • Niobium (Nb) combines with C and / or N in the steel to form fine Nb carbide, and increases the strength and toughness of the steel. Nb further dissolves in Mo carbide and suppresses coarsening of Mo carbide. If Nb is contained even a little, the above effect can be obtained. On the other hand, if the Nb content is higher than 0.05%, the carbides become coarse and the toughness of the steel decreases. Therefore, the Nb content is 0 to 0.05%.
  • the lower limit of the Nb content is preferably 0.005%.
  • the upper limit of the Nb content is preferably 0.04%, more preferably 0.03%.
  • the chemical composition of the high-strength seamless steel pipe for the riser satisfies the following formula (1).
  • the content of the corresponding element is substituted by mass%.
  • PCM The value on the left side of Equation (1) is called PCM.
  • the PCM is set to 0.28 or less.
  • PCM is preferably 0.27 or less, more preferably 0.26 or less.
  • the chemical composition of the high-strength seamless steel pipe for riser preferably has a carbon equivalent Ceq defined by the following formula (2) of 0.40 or more.
  • Ceq C + Mn / 6 + (Cr + Mo + V) / 5 + (Ni + Cu) / 15 Formula (2)
  • the content of the corresponding element is substituted by mass%.
  • Carbon equivalent Ceq is used as an index of hardenability. If the carbon equivalent Ceq is too small, sufficient hardenability cannot be obtained, and particularly in a thick steel pipe, the difference between the hardness of the surface layer and the hardness in the meat becomes large. Therefore, it becomes difficult to achieve both high strength and low hardness.
  • the lower limit of the carbon equivalent Ceq is preferably 0.42, and more preferably 0.45. On the other hand, if the carbon equivalent Ceq is too large, it becomes difficult to ensure weldability.
  • the upper limit of the carbon equivalent Ceq is preferably 0.55, and more preferably 0.50.
  • the high-strength seamless steel pipe according to the present embodiment preferably has a yield strength of 555 MPa or more and a tensile strength of 625 MPa or more.
  • the high-strength seamless steel pipe according to this embodiment more preferably has a yield strength of 600 MPa or more and a tensile strength of 670 MPa or more.
  • the high-strength seamless steel pipe according to the present embodiment preferably has a surface layer hardness of 250 Hv or less. More specifically, it is preferable that the hardness at a position of 1 mm from the inner surface of the steel pipe and the hardness at a position of 1 mm from the outer surface of the steel pipe are both 250 Hv or less. The hardness is measured according to JIS Z 2244. More preferably, the high-strength seamless steel pipe according to the present embodiment has a surface layer hardness of 240 Hv or less.
  • the high-strength seamless steel pipe according to the present embodiment preferably has a hardness variation in a cross section perpendicular to the tube axis direction (hereinafter referred to as “hardness variation in the same cross section”) of 15 Hv or less.
  • the difference between the larger hardness value measured at a position 1 mm from the inner surface and 1 mm from the outer surface of the steel pipe and the average value of the hardness at the center of the wall thickness is preferably 15 Hv or less.
  • the average value of the hardness of the thickness center be an average value measured at four points at the thickness center position (1/2 thickness position).
  • the high-strength seamless steel pipe according to the present embodiment more preferably has a hardness variation of 13 Hv or less in the same cross section.
  • the high-strength seamless steel pipe according to this embodiment preferably has a wall thickness of 30 mm or more.
  • the high-strength seamless steel pipe according to the present embodiment preferably has a thickness of 35 mm or more, and more preferably has a thickness of 40 mm or more.
  • the high-strength seamless steel pipe according to this embodiment is suitable for a riser.
  • the high-strength seamless steel pipe according to this embodiment is particularly suitable for a work over riser.
  • billets are produced from the molten steel by a continuous casting method.
  • a slab or bloom may be produced from molten steel, and the billet may be produced by hot working the slab or bloom.
  • the billet is hot-worked to produce a blank tube. Specifically, piercing rolling, stretching rolling, and constant diameter rolling are performed to manufacture a raw pipe.
  • Quenching is a heat treatment in which the base tube is rapidly cooled from the austenite region. Quenching may be so-called direct quenching in which a hot raw tube after hot working is rapidly cooled as it is from a temperature of 3 or more points of Ar. So-called in-line quenching in which the temperature is soaked at three or more points and then rapidly cooled may be used. Alternatively, so-called reheating and quenching may be used, in which the elementary tube once cooled is reheated to a temperature of Ac 3 point or higher and then rapidly cooled.
  • Temper the quenched pipe. Tempering is usually carried out at a temperature of Ac 1 point or less. The tempering conditions are adjusted according to the yield strength and hardness. Tempering conditions can be managed using the following tempering parameter TP.
  • TP (T + 273) ⁇ (20 + log (t))
  • T is a tempering temperature expressed in ° C
  • t is a tempering time expressed in time
  • log (t) is a common logarithm of t.
  • the high-strength seamless steel pipe preferably has a high yield strength and a low surface hardness.
  • the tempering parameter TP is adjusted so that necessary characteristics can be obtained.
  • the high-strength seamless steel pipe and the riser using the same according to the present embodiment can achieve both high strength and low hardness while ensuring weldability.
  • Steel type 1, steel type 2, and steel type 10 are steels that satisfy the preferred conditions of this embodiment.
  • Steel type 3 is a comparative example in which a carbon equivalent Ceq is about the same as steel type 1 from the chemical composition of a general steel product for line pipes with a low C content.
  • Steel type 4 is a comparative example in which a carbon equivalent Ceq is about the same as that of steel type 1 from the chemical composition of a general steel product for line pipes containing Nb.
  • Steel type 5 is a comparative example in which the C content and carbon equivalent Ceq are set to the same level as steel type 1 and the B content is lowered.
  • Steel type 6 is a comparative example simulating a high carbon equivalent steel material used for oil well steel pipes and the like.
  • Steel type 7 is a comparative example in which the Ca content is low.
  • Steel type 8 is a comparative example in which the Cu and Ni contents are low.
  • Steel type 9 is a comparative example in which the Mo content is low.
  • the manufactured round billet was heated to 1100-1300 ° C. in a heating furnace and pierced and rolled by a piercing machine. Further, the steel pipe was drawn and rolled by a mandrel mill and fixed diameter rolled by a sizer to produce a seamless steel pipe having an outer diameter (OD) and a wall thickness (WT) shown in Table 2. Each seamless steel pipe was quenched and tempered under the conditions shown in Table 2 to produce Item A to L seamless steel pipes.
  • test piece including the inner surface From each seamless steel pipe after tempering, a test piece including the inner surface, a test piece including the wall thickness center, and a test piece including the outer surface were collected. Each test piece had a thickness of 30 mm, a width (circumferential direction) of 20 mm, and a length of 100 mm. According to NACE TM0284-2003, the HIC resistance of each test piece was evaluated.
  • the test bath was a room temperature 5% salt + 0.5% acetic acid aqueous solution saturated with 1 atm hydrogen sulfide gas. After 96 hours from the immersion, each test piece was cut into three equal parts in the longitudinal direction, and the presence or absence of cracks was visually confirmed. Furthermore, the presence or absence of a crack was confirmed with respect to the test piece including the inner surface of the steel pipe by ultrasonic flaw detection.
  • Results are shown in the “HIC” column of Table 2. “No HIC” in the “HIC” column indicates that no crack was confirmed. “HIC” indicates that a crack was confirmed.
  • test piece including the inner surface From each seamless steel pipe after tempering, a test piece including the inner surface, a test piece including the wall thickness center, and a test piece including the outer surface were collected. Each test piece had a thickness of 2 mm, a width (circumferential direction) of 20 mm, and a length of 100 mm. These test pieces were immersed in the same NACE test bath as the HIC test described above for 720 hours in a state where a stress of 90% of the yield strength was applied. The presence or absence of the crack of the test piece after immersion was investigated.
  • a circumferential welded joint was prepared using each seamless steel pipe after tempering, and a HAZ hardness test was performed.
  • the groove shape is 5 ° narrow groove
  • the welding process is GMAW (gas metal arc welding)
  • the welding conditions are heat input at welding 1.0 kJ / mm
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the measurement position of the HAZ hardness.
  • the circumferential weld joint was cut in parallel with the pipe axis direction.
  • 7 points of hardness were measured at intervals of 1.0 mm from the position of 1.5 mm from the inner surface of the steel pipe toward the outer surface in the thickness direction.
  • the highest hardness in the measurement point was the highest HAZ hardness.
  • the results are shown in the column of “maximum HAZ hardness” in Table 2.
  • Item A, Item B, and Item L manufactured from Steel Type 1, Steel Type 2, and Steel Type 10 that satisfy the preferred conditions of this embodiment have a yield strength of 555 MPa or more and a tensile strength of 625 MPa or more.
  • the hardness of the surface layer was 250 Hv or less.
  • the variation in hardness in the same cross section was 15 Hv or less.
  • the maximum HAZ hardness was 250 Hv or less.
  • the absorbed energy exceeded 100 J and the toughness was high.
  • Item C manufactured from steel type 3 did not satisfy the requirements of the X80 grade in yield strength and tensile strength.
  • Item D manufactured by changing the tempering conditions from the same steel type 3 satisfied the specification of the X80 grade, but the hardness of the surface layer exceeded 250 Hv. Therefore, Item D confirmed cracks in the SSC test.
  • Item E produced from steel type 4 had a yield strength and a tensile strength satisfying the rules of the X80 grade, and the hardness of the surface layer was 250 Hv or less. However, the variation in hardness of the same cross section was greater than 15 Hv.
  • the yield strength and tensile strength of Item E are close to the lower limit of the X80 grade, and the hardness of the surface layer is close to the upper limit specified in ISO 15156. Therefore, these regulations may not be met due to fluctuations in operating conditions.
  • Item F manufactured by changing the tempering conditions from the same steel type 4 has a surface hardness exceeding 250 Hv. Therefore, in Item F, cracks were confirmed in the SSC test.
  • Item G manufactured from steel type 5 did not satisfy the X80 grade.
  • Item H produced from steel type 6 had a yield strength and a tensile strength satisfying the rules of the X80 grade, and the hardness of the surface layer was 250 Hv or less. However, the maximum HAZ hardness showed a high value exceeding 260 Hv. Further, the absorbed energy was less than 100 J in the Charpy impact test.
  • Item I manufactured from steel type 7 had a yield strength and a tensile strength satisfying the rules of the X80 grade, and the height of the surface layer was 250 Hv or less. However, cracks occurred in the HIC test, and the absorbed energy was less than 100 J in the Charpy impact test.
  • ItemJ manufactured from steel type 8 had a surface hardness exceeding 250 Hv. Therefore, ItemJ confirmed cracks in the SSC test.
  • ItemK manufactured from steel type 9 did not satisfy the X80 grade of yield strength.
  • the allowable TP width is defined as the minimum TP at which the hardness of the surface layer is 250 Hv or less as TP MIN , the maximum TP at which the yield strength is 555 MPa or more, and the maximum TP at which the tensile strength is 625 MPa or more.
  • the allowable TP width is preferably 200 or more, more preferably 300 or more, and still more preferably 400 or more.
  • FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the tempering parameter TP, the yield strength, the tensile strength, and the hardness of the surface layer in the steel type 1.
  • FIGS. 3 to 11 are diagrams showing the relationship between the tempering parameter TP, the yield strength, the tensile strength, and the hardness of the surface layer in the steel types 2 to 10, respectively.
  • Steel Type 1, Steel Type 2, and Steel Type 10 that satisfy the preferred conditions defined in this embodiment have a wider allowable TP width than Steel Types 3 to 9. It was. Therefore, even if the operating conditions fluctuate somewhat, it is possible to achieve both the strength of the X80 grade and the hardness of 250 Hv or less. Therefore, steel type 1, steel type 2, and steel type 10 can industrially stably produce a high-strength seamless steel pipe having the above performance.

Abstract

溶接性を確保しつつ、高強度と低硬度とを安定して両立させることが可能な高強度継目無鋼管を提供する。高強度継目無鋼管は、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．１０～０．１８％、Ｓｉ：０．０３～１．０％、Ｍｎ：０．５～２．０％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．００８０％以下、Ｃｒ：０．１０～０．６０％、Ｍｏ：０．１０～０．４０％、Ｖ：０．０２～０．４０％、Ｔｉ：０．００４～０．０２０％、Ｂ：０．０００５～０．００５％、Ａｌ：０．１０％以下、Ｎ：０．００８％以下、Ｃａ：０．０００４～０．００４０％、Ｃｕ：０．１～１．０％、Ｎｉ：０．２～１．０％、Ｎｂ：０～０．０５％、残部：Ｆｅ及び不純物であり、下記の式（１）を満たす。　Ｃ＋Ｓｉ／３０＋（Ｍｎ＋Ｃｕ＋Ｃｒ）／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５×Ｂ≦０．２８　式（１）　式（１）の元素記号には、質量％で、対応する元素の含有量が代入される。

Description

高強度継目無鋼管及びライザー
　本発明は、高強度継目無鋼管及びそれを用いたライザーに関し、より詳しくは、ワークオーバーライザーに好適な高強度継目無鋼管及びそれを用いたライザーに関する。
　近年、陸上や浅海に位置する油田の石油・天然ガス資源は枯渇しつつあり、海底油田の開発が活発になっている。海底油田では、海底に設置された油井・天然ガス井の坑口から洋上のプラットフォームまで、フローラインやライザーと呼ばれる輸送用鋼管（ラインパイプ）を用いて原油・天然ガスを輸送する必要がある。
　フローラインとは、地上又は海底面の地勢に沿って敷設された輸送用鋼管である。ライザーとは、海底面から海上のプラットフォームまで立ち上がった輸送用鋼管である。深海に敷設されたフローラインやライザーは、深い地層圧が加わった高圧の流体から圧力を受ける。また、操業停止時には深海の海水圧の影響を受ける。ライザーは、さらに波浪による繰り返し歪の影響を受ける。そのため、フローラインやライザーには高い強度が要求され、肉厚３０ｍｍ以上の厚肉の鋼管が用いられる。
　ワークオーバーライザーは、海底油田開発における油井機器の試運転やテスト生産に使用される。ワークオーバーライザーは、テスト生産時に生産流体に接する可能性がある。そのため、ワークオーバーライザーには、高強度に加えて、耐サワー性が要求されることがある。
　ライザーやフローラインには現在、アメリカ石油協会（ＡＰＩ）規格Ｘ６０グレード（降伏強度４１５ＭＰａ以上）や同Ｘ６５グレード（降伏強度４５０ＭＰａ以上）の鋼管が用いられているが、同Ｘ８０グレード（降伏強度５５５ＭＰａ以上）の鋼管も開発されている。
　特許第４５０２０１０号公報には、肉厚の大きい継目無鋼管で高強度と安定した靱性と良好な耐食性を確保できるラインパイプ用継目無鋼管及びその製造方法が開示されている。同公報には実施例として、肉厚４０ｍｍで降伏強度が５５５ＭＰａ以上であり、かつ耐硫化物応力腐食割れ性（耐ＳＳＣ性）に優れたラインパイプ用鋼管が記載されている。
　特開２０１３－３２５８４号公報には、耐サワー性に優れた厚肉高強度継目無鋼管及びその製造方法が開示されている。同公報には実施例として、肉厚３０ｍｍで降伏強度が６００ＭＰａであり、かつ耐サワー性に優れた継目無鋼管が記載されている。
　特許第５５１６８３１号公報には、高強度及び優れた耐水素誘起割れ性（耐ＨＩＣ性）を有し、円周溶接された場合であっても、溶接熱影響部（ＨＡＺ）の耐ＨＩＣ性に優れる、ラインパイプ用に好適な継目無鋼管が開示されている。同公報には実施例として、肉厚４０ｍｍで降伏強度が５５５ＭＰａ以上であり、かつ耐ＨＩＣ性に優れた継目無鋼管が記載されている。
　ラインパイプ用の高強度継目無鋼管は一般的に、焼入れ焼戻しの熱処理をされて製造される。厚肉材で高強度を得ようとする場合、炭素当量を高くして焼入れ性を高くすることが考えられる。しかし、炭素当量を高くすると溶接性が低下する。ラインパイプは、円周溶接して使用されるため、溶接性を確保する必要がある。そのため、ラインパイプ用鋼管は、溶接されることなく施工される油井管用鋼管と比較して低炭素当量に成分設計されており、焼入れ性が低い。
　ＩＳＯ１５１５６は、耐ＳＳＣ性が要求される炭素鋼ラインパイプの表層の硬度を２５０Ｈｖ以下に管理することを規定している。しかし、ラインパイプ用鋼管は上述のとおり焼入れ性が低いため、焼入れ時に冷却速度の小さい肉厚中央の硬度が高くなりにくく、冷却速度の大きい表層の硬度が相対的に高くなる。この硬度分布は焼戻し後も引き継がれる。その結果、特に厚肉の鋼管において、表層の硬度を低く管理することが困難である。
　特開２０１３－３２５８４号公報には、焼入れ後に表層の高硬度部を研削する方法、焼入れ前に表面脱炭させる方法、膜沸騰状態で焼入れする方法等が記載されている。しかしこれらの方法は、一般的な継目無鋼管の製造工程とは大きく異なるため、製造能率の低下が懸念される。
　特許第４５０２０１０号公報、及び特許第５５１６８３１号公報には、硬度管理のための具体的な手法は言及されていない。
　本発明の目的は、溶接性を確保しつつ、高強度と低硬度とを安定して両立させることが可能な高強度継目無鋼管及びライザーを提供することである。
　本発明の一実施形態による高強度継目無鋼管は、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．１０～０．１８％、Ｓｉ：０．０３～１．０％、Ｍｎ：０．５～２．０％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．００８０％以下、Ｃｒ：０．１０～０．６０％、Ｍｏ：０．１０～０．４０％、Ｖ：０．０２～０．４０％、Ｔｉ：０．００４～０．０２０％、Ｂ：０．０００５～０．００５％、Ａｌ：０．１０％以下、Ｎ：０．００８％以下、Ｃａ：０．０００４～０．００４０％、Ｃｕ：０．１～１．０％、Ｎｉ：０．２～１．０％、Ｎｂ：０～０．０５％、残部：Ｆｅ及び不純物であり、下記の式（１）を満たす。
　Ｃ＋Ｓｉ／３０＋（Ｍｎ＋Ｃｕ＋Ｃｒ）／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５×Ｂ≦０．２８　　　式（１）
　式（１）の元素記号には、質量％で、対応する元素の含有量が代入される。
　本発明によれば、溶接性を確保しつつ、高強度と低硬度とを安定して両立させることが可能な高強度継目無鋼管及びライザーが得られる。
図１は、ＨＡＺ硬さの測定位置を模式的に示す図である。 図２は、鋼種１における、焼戻しパラメータＴＰと降伏強度、引張強度、及び表層の硬度との関係を示す図である。 図３は、鋼種２における、焼戻しパラメータＴＰと降伏強度、引張強度、及び表層の硬度との関係を示す図である。 図４は、鋼種３における、焼戻しパラメータＴＰと降伏強度、引張強度、及び表層の硬度との関係を示す図である。 図５は、鋼種４における、焼戻しパラメータＴＰと降伏強度、引張強度、及び表層の硬度との関係を示す図である。 図６は、鋼種５における、焼戻しパラメータＴＰと降伏強度、引張強度、及び表層の硬度との関係を示す図である。 図７は、鋼種６における、焼戻しパラメータＴＰと降伏強度、引張強度、及び表層の硬度との関係を示す図である。 図８は、鋼種７における、焼戻しパラメータＴＰと降伏強度、引張強度、及び表層の硬度との関係を示す図である。 図９は、鋼種８における、焼戻しパラメータＴＰと降伏強度、引張強度、及び表層の硬度との関係を示す図である。 図１０は、鋼種９における、焼戻しパラメータＴＰと降伏強度、引張強度、及び表層の硬度との関係を示す図である。 図１１は、鋼種１０における、焼戻しパラメータＴＰと降伏強度、引張強度、及び表層の硬度との関係を示す図である。
　本発明者等は、溶接性を確保しつつ、高強度と低硬度との両立が可能な高強度継目無鋼管について検討した。その結果、以下の知見を得た。
　焼入れ性を高めるため、従来はラインパイプ用鋼材には適していないと考えられていた０．１０～０．１８％の炭素（Ｃ）を含有する鋼材を使用する。上記のＣ含有量であっても、以下の式で定義されるＰＣＭが０．２８以下であれば、実用上必要な溶接性が得られる。具体的には、ＰＣＭが０．２８以下であれば、予熱することなく溶接が可能である。
　ＰＣＭ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋（Ｍｎ＋Ｃｕ＋Ｃｒ）／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５×Ｂ
　上式の元素記号には、質量％で、対応する元素の含有量が代入される。
　硼素（Ｂ）は、溶接性を顕著に悪化させるため、ラインパイプ用鋼材に積極的に含有させる元素ではないと考えられている。しかし、ＰＣＭ≦０．２８を満足する範囲でＢを適量含有させることで、鋼の焼入れ性を飛躍的に向上させることができる。また、焼入れ性を向上させる元素であり、かつ、ＰＣＭへの影響が比較的小さいＣｕ及びＮｉを所定量含有させることが有効である。これによって、厚肉の鋼管であっても肉厚中央まで焼入れ組織が得られ、高強度と低硬度との両立が可能になる。
　鋼管の焼入れ性を向上させることで、管軸方向に垂直な断面における硬度ばらつきも小さくすることができる。このことは、鋼管の靱性の向上にも寄与する。硬度ばらつきを抑制し、かつＰやＳ等の不純物を適切に制限することで、優れた靱性が得られる。
　以上の知見に基づいて、本発明は完成された。以下、本発明の一実施形態による高強度継目無鋼管を詳述する。
　［化学組成］
　本実施形態による高強度継目無鋼管は、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「％」は、質量％を意味する。
　Ｃ：０．１０～０．１８％
　炭素（Ｃ）は、鋼の焼入れ性を高める。Ｃ含有量が０．１０％未満であれば、上記効果が十分に得られない。一方、Ｃ含有量が０．１８％を超えると、鋼の溶接性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．１０～０．１８％である。Ｃ含有量の下限は、好ましくは０．１２％である。Ｃ含有量の上限は、好ましくは０．１５％である。
　Ｓｉ：０．０３～１．０％
　シリコン（Ｓｉ）は、鋼を脱酸する。Ｓｉ含有量が０．０３％以上であれば、上記効果が顕著に得られる。しかしながら、Ｓｉ含有量が１．０％を超えると、鋼の靱性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．０３～１．０％である。Ｓｉ含有量の下限は、好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％である。Ｓｉ含有量の上限は、好ましくは０．８％であり、さらに好ましくは０．５％である。
　Ｍｎ：０．５～２．０％
　マンガン（Ｍｎ）は、鋼の焼入れ性を高める。Ｍｎ含有量が０．５％未満であれば、上記効果が十分に得られない。一方、Ｍｎ含有量が２．０％を超えると、Ｍｎが鋼中で偏析し、鋼の靱性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は０．５～２．０％である。Ｍｎ含有量の下限は、好ましくは０．６％である。Ｍｎ含有量の上限は、好ましくは１．５％であり、さらに好ましくは１．０％である。
　Ｐ：０．０２０％以下
　燐（Ｐ）は不純物である。Ｐは鋼の靱性を低下させる。したがって、Ｐ含有量はなるべく低い方が好ましい。そのため、Ｐ含有量は０．０２０％以下である。Ｐ含有量は、好ましくは０．０１５％以下であり、さらに好ましくは０．０１３％以下である。
　Ｓ：０．００８０％以下
　硫黄（Ｓ）は不純物である。Ｓは、Ｍｎと結合して粗大なＭｎＳを形成し、鋼の靱性及び耐ＨＩＣ性を低下させる。したがって、Ｓ含有量はなるべく低い方が好ましい。そのため、Ｓ含有量は０．００８０％以下である。Ｓ含有量は、好ましくは０．００６０％以下であり、さらに好ましくは、０．００４０％以下である。
　Ｃｒ：０．１０～０．６０％
　クロム（Ｃｒ）は鋼の焼入れ性を高める。Ｃｒはさらに、鋼の焼戻し軟化抵抗を高める。Ｃｒ含有量が０．１０％未満では、上記効果が十分に得られない。一方、Ｃｒ含有量が０．６０％を超えると、溶接性及びＨＡＺ靱性が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は０．１０～０．６０％である。Ｃｒ含有量の下限は、好ましくは０．２０％であり、さらに好ましくは０．２５％であり、さらに好ましくは０．３０％である。Ｃｒ含有量の上限は、好ましくは０．５５％であり、さらに好ましくは０．５０％である。
　Ｍｏ：０．１０～０．４０％
　モリブデン（Ｍｏ）は、鋼の焼入れ性を高める。Ｍｏはさらに、鋼中のＣ、Ｖと結合して鋼の強度を高める。Ｍｏ含有量が０．１０％未満では、上記効果が十分に得られない。一方、Ｍｏ含有量が０．４０％を超えると、鋼の溶接性及びＨＡＺ靱性が低下する。したがって、Ｍｏ含有量は０．１０～０．４０％である。Ｍｏ含有量の下限は、好ましくは０．２０％であり、さらに好ましくは０．２５％である。Ｍｏ含有量の上限は、好ましくは０．３５％である。
　Ｖ：０．０２～０．４０％
　バナジウム（Ｖ）は、鋼中のＣと結合してＶ炭化物を形成し、鋼の強度を高める。Ｖ含有量が０．０２％未満では、上記効果が十分に得られない。一方、Ｖ含有量が０．４０％よりも高ければ、炭化物が粗大化し、鋼の靱性が低下する。したがって、Ｖ含有量は０．０２～０．４０％である。Ｖ含有量の下限は、好ましくは０．０３％である。Ｖ含有量の上限は、好ましくは０．３０％であり、さらに好ましくは０．２０％であり、さらに好ましくは０．１０％である。
　Ｔｉ：０．００４～０．０２０％
　チタン（Ｔｉ）は、鋼中のＮと結合してＴｉＮを形成し、固溶したＮによる鋼の靱性の低下を抑制する。さらに、分散析出した微細なＴｉＮは鋼の靱性を高める。Ｔｉ含有量が０．００４％未満では、上記効果が十分に得られない。一方、Ｔｉ含有量が０．０２０％よりも高ければ、ＴｉＮが粗大化したり、粗大なＴｉＣが発生したりすることで、鋼の靱性が低下する。したがって、Ｔｉ含有量は０．００４～０．０２０％である。Ｔｉ含有量の下限は、好ましくは０．０１０％である。
　Ｂ：０．０００５～０．００５％
　ボロン（Ｂ）は、微量の含有で焼入れ性を飛躍的に向上させる。これによって厚肉の鋼管であっても、肉厚中央まで焼入れ組織が得られ、高強度と低硬度との両立が可能になる。また、Ｂを含有することによって、所定の範囲の強度と硬度とを同時に満たすことができる焼戻し条件の範囲を広くすることができる。これによって、所定の範囲の強度と硬度とを同時に満たす継目無鋼管を工業的に安定的に生産することができる。Ｂ含有量が０．０００５％未満では、上記効果が十分に得られない。一方、Ｂを過度に含有すると溶接性が急激に低下する。したがって、Ｂ含有量は０．０００５～０．００５％である。Ｂ含有量の下限は、好ましくは０．０００８％であり、さらに好ましくは０．００１０％である。Ｂ含有量の上限は、好ましくは０．００３０％であり、さらに好ましくは０．００２０％であり、さらに好ましくは０．００１５％である。
　Ａｌ：０．１０％以下
　アルミニウム（Ａｌ）は、Ｎと結合して微細な窒化物を形成し、鋼の靱性を高める。Ａｌが少しでも含有されていれば、上記の効果が得られる。一方、Ａｌ含有量が０．１０％よりも高ければ、Ａｌ窒化物が粗大化し、鋼の靱性が低下する。したがって、Ａｌ含有量は０．１０％以下である。Ａｌ含有量の下限は、好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．０１％である。Ａｌ含有量の上限は、好ましくは０．０８％であり、さらに好ましくは０．０６％である。本明細書におけるＡｌ含有量は、酸可溶Ａｌ（いわゆるＳｏｌ-Ａｌ）の含有量を意味する。
　Ｎ：０．００８％以下
　窒素（Ｎ）は、Ａｌと結合して微細なＡｌ窒化物を形成し、鋼の靱性を高める。Ｎが少しでも含有されていれば、上記の効果が得られる。一方、Ｎ含有量が０．００８％よりも高ければ、固溶したＮが鋼の靱性を低下させる。Ｎ含有量が高すぎればさらに、炭窒化物が粗大化し、鋼の靱性が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．００８％以下である。Ｎ含有量の下限は、好ましくは０．００１％である。Ｎ含有量の上限は、好ましくは０．００６％であり、さらに好ましくは０．００５％である。
　Ｃａ：０．０００４～０．００４０％
　カルシウム（Ｃａ）は、鋼中のＳと結合してＣａＳを形成する。ＣａＳの形成により、ＭｎＳの形成が抑制される。そのため、Ｃａは、鋼の靱性及び耐ＨＩＣ性を高める。またアルミナ系介在物の粗大化も抑制し靱性及び耐ＨＩＣ性を改善する働きもある。Ｃａ含有量が０．０００４％未満では、上記効果が十分に得られない。一方、Ｃａ含有量が０．００４０％よりも高ければ、鋼の清浄度が低下し、鋼の靱性及び耐ＨＩＣ性が低下する。したがって、Ｃａ含有量は０．０００４～０．００４０％である。Ｃａ含有量の下限は、好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．０００８％である。Ｃａ含有量の上限は、好ましくは０．００３５％であり、さらに好ましくは０．００３０％である。
　Ｃｕ：０．１～１．０％
　銅（Ｃｕ）は、鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を高める。Ｃｕ含有量が０．１％未満では、この効果が十分に得られない。一方、Ｃｕ含有量が１．０％よりも高ければ、鋼の溶接性が低下する。Ｃｕ含有量が高すぎればさらに、高温における鋼の粒界強度が低下し、鋼の熱間加工性が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は０．１～１．０％である。Ｃｕ含有量の下限は、好ましくは０．１２％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｃｕ含有量の上限は、好ましくは０．５％であり、さらに好ましくは０．３％であり、さらに好ましくは０．２％である。
　Ｎｉ：０．２～１．０％
　ニッケル（Ｎｉ）は、鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を高める。Ｎｉはまた、焼入れ性を高める元素であるにもかかわらず、溶接性への悪影響が小さい。Ｎｉはさらに、鋼の靱性も向上する。Ｎｉが０．２％未満では、これらの効果が十分に得られない。一方、Ｎｉ含有量が１．０％よりも高ければ、耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｎｉ含有量は０．２～１．０％である。Ｎｉ含有量の下限は、好ましくは０．３％であり、さらに好ましくは０．３５％であり、さらに好ましくは０．４％である。Ｎｉ含有量の上限は、好ましくは０．９％であり、さらに好ましくは０．８％である。
　本実施形態による高強度継目無鋼管の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物である。ここでいう不純物は、鋼の原料として利用される鉱石やスクラップから混入される元素、あるいは製造過程の環境等から混入される元素をいう。
　本実施形態による高強度継目無鋼管の化学組成は、Ｆｅの一部に代えて、Ｎｂを含有してもよい。Ｎｂは選択元素である。すなわち、本実施形態による高強度継目無鋼管の化学組成は、Ｎｂを含有していなくてもよい。
　Ｎｂ：０～０．０５％
　ニオブ（Ｎｂ）は、鋼中のＣ及び／又はＮと結合して微細なＮｂ炭化物を形成し、鋼の強度及び靱性を高める。Ｎｂはさらに、Ｍｏ炭化物中に固溶し、Ｍｏ炭化物の粗大化を抑制する。Ｎｂが少しでも含有されていれば、上記の効果が得られる。一方、Ｎｂ含有量が０．０５％よりも高ければ、炭化物が粗大化し、鋼の靱性が低下する。したがって、Ｎｂ含有量は０～０．０５％である。Ｎｂ含有量の下限は、好ましくは０．００５％である。Ｎｂ含有量の上限は、好ましくは０．０４％であり、さらに好ましくは０．０３％である。
　本実施形態によるライザー用高強度継目無し鋼管の化学組成は、下記式（１）を満たす。
　Ｃ＋Ｓｉ／３０＋（Ｍｎ＋Ｃｕ＋Ｃｒ）／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５×Ｂ≦０．２８　　　式（１）
　式（１）の元素記号には、質量％で、対応する元素の含有量が代入される。
　式（１）の左辺の値は、ＰＣＭと呼ばれる。ＰＣＭが高いと、溶接性の低下、具体的には、溶接熱影響部（ＨＡＺ）の過度の硬度上昇、あるいは溶接割れが起こりやすくなる。そのため、ＰＣＭは０．２８以下とする。ＰＣＭは、好ましくは０．２７以下であり、より好ましくは０．２６以下である。
　本実施形態によるライザー用高強度継目無し鋼管の化学組成は、好ましくは、下記式（２）で定義される炭素当量Ｃｅｑが０．４０以上である。
　Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５＋（Ｎｉ＋Ｃｕ）／１５　　　式（２）
　式（２）の元素記号には、質量％で、対応する元素の含有量が代入される。
　炭素当量Ｃｅｑは、焼入れ性の指標として用いられる。炭素当量Ｃｅｑが小さすぎると、十分な焼入れ性が得られず、特に肉厚の鋼管において、表層の硬度と肉中の硬度との差が大きくなる。そのため、高強度と低硬度とを両立することが難しくなる。炭素当量Ｃｅｑの下限は、好ましくは０．４２であり、さらに好ましくは０．４５である。一方、炭素当量Ｃｅｑが大きすぎると、溶接性を確保することが難しくなる。炭素当量Ｃｅｑの上限は、好ましくは０．５５であり、さらに好ましくは０．５０である。
　[機械的特性]
　本実施形態による高強度継目無鋼管は、好ましくは５５５ＭＰａ以上の降伏強度と、６２５ＭＰａ以上の引張強度とを有する。本実施形態による高強度継目無鋼管は、より好ましくは６００ＭＰａ以上の降伏強度と、６７０ＭＰａ以上の引張強度とを有する。
　本実施形態による高強度継目無鋼管は、好ましくは表層の硬度が２５０Ｈｖ以下である。より具体的には、鋼管の内面から１ｍｍの位置の硬度、及び鋼管の外面から１ｍｍの位置の硬度が、いずれも２５０Ｈｖ以下であることが好ましい。なお、硬度は、ＪＩＳ　Ｚ　２２４４に準拠して測定する。本実施形態による高強度継目無鋼管は、より好ましくは、表層の硬度が２４０Ｈｖ以下である。
　本実施形態による高強度継目無鋼管は、好ましくは管軸方向に垂直な断面における硬度のばらつき（以下「同一断面における硬度のばらつき」と呼ぶ。）が１５Ｈｖ以下である。具体的には、鋼管の内面から１ｍｍの位置及び外面から１ｍｍの位置で測定した硬度の大きい方の値と、肉厚中央の硬度の平均値との差が、１５Ｈｖ以下であることが好ましい。なお、肉厚中央の硬度の平均値は、肉厚中央位置（１／２肉厚位置）で４点測定した平均値とする。本実施形態による高強度継目無鋼管は、より好ましくは同一断面における硬度のばらつきが１３Ｈｖ以下である。
　本実施形態による高強度継目無鋼管は、好ましくは３０ｍｍ以上の肉厚を有する。本実施形態による高強度継目無鋼管は、好ましくは３５ｍｍ以上の肉厚を有し、さらに好ましくは４０ｍｍ以上の肉厚を有する。
　本実施形態による高強度継目無鋼管は、ライザーに好適である。本実施形態による高強度継目無鋼管は、特にワークオーバーライザーに好適である。
　［製造方法］
　以下、本実施形態による高強度継目無鋼管の製造方法の一例を説明する。ただし、本実施形態による高強度継目無鋼管の製造方法は、これに限定されない。
　上述の化学組成の鋼を溶製し、精錬する。続いて、連続鋳造法によって溶鋼からビレットを製造する。溶鋼からスラブ又はブルームを製造し、スラブ又はブルームを熱間加工してビレットを製造してもよい。ビレットを熱間加工して素管を製造する。具体的には、穿孔圧延、延伸圧延及び定径圧延を実施して素管を製造する。
　製造した素管を焼入れする。焼入れは、素管をオーステナイト領域から急冷する熱処理である。焼入れは、熱間加工後の高温の素管を、Ａｒ３点以上の温度からそのまま急冷する、いわゆる直接焼入れであってもよいし、熱間加工度の高温の素管を補熱炉でＡｃ３点以上の温度に均熱してから急冷する、いわゆるインライン焼入れであってもよい。あるいは、一旦冷却した素管をＡｃ３点以上の温度に再加熱してから急冷する、いわゆる再加熱焼入れであってもよい。
　焼入れした素管を焼戻しする。焼戻しは通常、Ａｃ１点以下の温度で実施する。焼戻しの条件は、降伏強度及び硬度に応じて調整する。焼戻し条件は、下記の焼戻しパラメータＴＰを用いて管理できる。
　ＴＰ＝（Ｔ＋２７３）×（２０＋ｌｏｇ（ｔ））
　式中、Ｔは℃で表した焼戻し温度であり、ｔは時間で表した焼戻し時間であり、ｌｏｇ（ｔ）はｔの常用対数である。
　焼戻しパラメータＴＰが高い条件で焼戻しするほど、降伏強度及び表層の硬度が低くなる。上述のとおり、高強度継目無鋼管は、降伏強度が高く、表層の硬度が低いことが好ましい。必要な特性が得られるように、焼戻しパラメータＴＰを調整する。
　以上、高強度継目無鋼管の製造方法の一例を説明した。本実施形態による高強度継目無鋼管及びこれを使用したライザーは、溶接性を確保しつつ、高強度と低硬度とを両立することができる。
　以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明は、これらの実施例に限定されない。
　表１に示す鋼種１～１０の化学組成の鋼を転炉で溶製し、連続鋳造により丸ビレットを製造した。なお、表１中の「‐」は、該当する元素の含有量が不純物レベルであったことを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　鋼種１、鋼種２、及び鋼種１０は、本実施形態の好適な条件を満たす鋼である。鋼種３は、Ｃ含有量の低い一般的なラインパイプ用鋼材の化学組成から、炭素当量Ｃｅｑが鋼種１と同程度になるものを選んだ比較例である。鋼種４は、Ｎｂを含有する一般的なラインパイプ用鋼材の化学組成から、炭素当量Ｃｅｑが鋼種１と同程度になるものを選んだ比較例である。鋼種５は、Ｃ含有量及び炭素当量Ｃｅｑを鋼種１と同程度にし、Ｂ含有量を低くした比較例である。鋼種６は、油井用鋼管等に用いられる高炭素当量の鋼材を模擬した比較例である。鋼種７は、Ｃａ含有量を低くした比較例である。鋼種８は、Ｃｕ及びＮｉ含有量を低くした比較例である。鋼種９は、Ｍｏ含有量を低くした比較例である。
　製造された丸ビレットを加熱炉で１１００～１３００℃に加熱し、穿孔機によって穿孔圧延した。さらに、マンドレルミルによって延伸圧延し、サイザによって定径圧延して、表２に示す外径（ＯＤ）及び肉厚（ＷＴ）の継目無鋼管を製造した。各継目無鋼管を、表２に示す条件で焼入れ及び焼戻しを実施し、ＩｔｅｍＡ～Ｌの継目無鋼管を製造した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　［硬度測定］
　焼戻し後の各継目無鋼管から硬度測定用試験片を採取し、ＪＩＳ　Ｚ　２２４４に準拠して硬度を測定した。鋼管の内面から１ｍｍの位置の硬度、及び鋼管の外面から１ｍｍの位置の硬度の高い方を、表２の「表層」の欄に示す。また、肉厚中央で測定した４点の平均硬度を、表２の「肉中」の欄に示す。「表層」の値と「肉中」の値の差を、表２の「差」の欄に示す。
　［引張試験］
　焼戻し後の各継目無鋼管から、ＡＳＴＭ　Ｅ８／Ｅ８Ｍに規定された弧状試験片（幅３８．１ｍｍ、標点距離５０．８ｍｍ）を、試験片の長辺が鋼管の長手方向（Ｌ方向）に平行になるように採取した。採取した試験片を用いて、引張試験を常温（２５℃）の大気中で実施し、降伏応力及び引張強度を求めた。降伏応力は、０．５％全伸び法によって求めた。降伏応力を表２の「ＹＳ」の欄に、引張強度を「ＴＳ」の欄に、それぞれ示す。
　［ＨＩＣ試験］
　焼戻し後の各継目無鋼管から、内面を含む試験片、肉厚中央を含む試験片、及び外面を含む試験片を採取した。各試験片は、厚さ３０ｍｍ、幅（円周方向）２０ｍｍ、長さ１００ｍｍであった。ＮＡＣＥ　ＴＭ０２８４－２００３にしたがって、各試験片の耐ＨＩＣ性を評価した。試験浴は、１ａｔｍの硫化水素ガスを飽和させた常温の５％食塩＋０．５％酢酸水溶液であった。浸漬してから９６時間経過後、各試験片を長手方向に３等分に切断し、割れの有無を目視で確認した。さらに、鋼管の内面を含む試験片に対し、超音波探傷によって割れの有無を確認した。
　結果を表２の「ＨＩＣ」欄に示す。「ＨＩＣ」欄の「Ｎｏ　ＨＩＣ」は、割れが確認されなかったことを示す。「ＨＩＣ」は、割れが確認されたことを示す。
　［ＳＳＣ試験］
　焼戻し後の各継目無鋼管から、内面を含む試験片、肉厚中央を含む試験片、及び外面を含む試験片を採取した。各試験片は、厚さ２ｍｍ、幅（円周方向）２０ｍｍ、長さ１００ｍｍであった。これらの試験片を、上述したＨＩＣ試験と同じＮＡＣＥ試験浴に、降伏強度の９０％の応力を負荷した状態で７２０時間浸漬した。浸漬後の試験片の割れの有無を調査した。
　結果を表２の「ＳＳＣ」欄に示す。「ＳＳＣ」欄の「Ｎｏ　ＳＳＣ」は、いずれの試験片においても割れが確認されなかったことを示す。「ＳＳＣ」は、いずれかの試験片において割れが確認されたことを示す。
　［溶接性］
　焼戻し後の各継目無鋼管を用いて円周溶接継手を作製し、ＨＡＺ硬さ試験を実施した。開先形状は５°狭開先、溶接プロセスはＧＭＡＷ（ガスメタルアーク溶接）とし、溶接条件として、溶接時の入熱量は１．０ｋＪ／ｍｍ、予熱／層間温度は２００～２５０℃、シールドガスはダイアルゴン（８０体積％Ａｒ＋２０体積％ＣＯ２）とした。
　図１は、ＨＡＺ硬さの測定位置を模式的に示す図である。円周溶接継手を、管軸方向と平行に切断した。溶融線（ＦＬ）から０．３ｍｍ離れた位置において、鋼管の内面から１．５ｍｍの位置を起点に、肉厚方向外面に向かって、１．０ｍｍ間隔で硬さを７点測定した。測定点中の最高硬さを、最高ＨＡＺ硬さとした。結果を表２の「最高ＨＡＺ硬さ」の欄に示す。
　［靱性］
　製造した鋼管の靱性を、シャルピー衝撃試験によって確認した。鋼管の肉厚中央部付近から、試験片の長辺が鋼管の長手方向（Ｌ方向）と平行になるように断面１０×１０ｍｍ（ノッチ部では１０×８ｍｍ）の２ｍｍＶノッチ試験片を採取し、－４０℃にて試験を実施した。結果を表２の「吸収エネルギー」の欄に示す。このシャルピー衝撃試験において、１００Ｊを越える吸収エネルギーを示した材料は高靱性であると判定した。
　［試験結果］
　表２に示すように、本実施形態の好適な条件を満たす鋼種１、鋼種２、及び鋼種１０からそれぞれ製造したＩｔｅｍＡ、ＩｔｅｍＢ、及びＩｔｅｍＬは、降伏強度が５５５ＭＰａ以上、引張強度が６２５ＭＰａ以上であり、かつ表層の硬度が２５０Ｈｖ以下であった。ＩｔｅｍＡ、ＩｔｅｍＢ、及びＩｔｅｍＬではさらに、同一断面における硬度のばらつき（表層の硬度と内厚中央の硬度との差）が１５Ｈｖ以下であった。さらに、ＩｔｅｍＡ、ＩｔｅｍＢ、及びＩｔｅｍＬでは、最高ＨＡＺ硬さが２５０Ｈｖ以下であった。またシャルピー衝撃試験においても１００Ｊを越える吸収エネルギーであり高靱性であった。
　鋼種３から製造したＩｔｅｍＣは、降伏強度及び引張強度がＸ８０グレードの規定を満たさなかった。また、同じ鋼種３から焼戻し条件を変えて製造したＩｔｅｍＤは、Ｘ８０グレードの規定は満たしたものの、表層の硬度が２５０Ｈｖを超えた。そのため、ＩｔｅｍＤではＳＳＣ試験で割れが確認された。
　鋼種４から製造したＩｔｅｍＥは、降伏強度及び引張強度がＸ８０グレードの規定を満たし、かつ表層の硬度も２５０Ｈｖ以下であった。しかし、同一断面の硬度のばらつきは１５Ｈｖよりも大きかった。ＩｔｅｍＥの降伏強度及び引張強度はＸ８０グレードの下限に近く、表層の硬度はＩＳＯ１５１５６の規定の上限に近い。そのため、操業条件の変動によってこれらの規定を満たさなくなる可能性がある。同じ鋼種４から焼戻し条件を変えて製造したＩｔｅｍＦは、表層の硬度が２５０Ｈｖを超えた。そのため、ＩｔｅｍＦではＳＳＣ試験で割れが確認された。
　鋼種５から製造したＩｔｅｍＧは、降伏強度がＸ８０グレードの規定を満たさなかった。
　鋼種６から製造したＩｔｅｍＨは、降伏強度及び引張強度がＸ８０グレードの規定を満たし、かつ表層の硬度も２５０Ｈｖ以下であった。しかし、最高ＨＡＺ硬さは２６０Ｈｖを超える高い値を示した。また、シャルピー衝撃試験において１００Ｊを下回る吸収エネルギーであった。
　鋼種７から製造したＩｔｅｍＩは、降伏強度及び引張強度がＸ８０グレードの規定を満たし、かつ表層の高度も２５０Ｈｖ以下であった。しかし、ＨＩＣ試験で割れが発生し、また、シャルピー衝撃試験において１００Ｊを下回る吸収エネルギーであった。
　鋼種８から製造したＩｔｅｍＪは、表層の硬度が２５０Ｈｖを超えた。そのため、ＩｔｅｍＪではＳＳＣ試験で割れが確認された。
　鋼種９から製造したＩｔｅｍＫは、降伏強度がＸ８０グレードの規定を満たさなかった。
　［強度－硬度バランス試験］
　鋼種１～１０のそれぞれについて、焼戻し条件を変えながら継目無鋼管を製造し、降伏強度、引張強度、表層の硬度を測定した。測定値から、焼戻しパラメータＴＰとこれらの特性との関係を回帰分析によって求めた。そして、降伏強度が５５５ＭＰａ以上、引張強度が６２５ＭＰａ以上、表層の硬度が２５０Ｈｖ以下という３つの条件をすべて満たすＴＰの範囲（許容ＴＰ幅）を求めた。
　許容ＴＰ幅は、より具体的には、表層の硬度が２５０Ｈｖ以下になる最小のＴＰをＴＰＭＩＮとし、降伏強度が５５５ＭＰａ以上になる最大のＴＰ、及び引張強度が６２５ＭＰａ以上になる最大のＴＰの小さい方をＴＰＭＡＸとして、下記の式で定義される。
　許容ＴＰ幅＝ＴＰＭＡＸ－ＴＰＭＩＮ
　許容ＴＰ幅が広ければ、操業条件が多少変動しても、Ｘ８０グレードの強度と、２５０Ｈｖ以下の硬度とを両立できる。そのため、上記の性能を有する高強度継目無鋼管を工業的に安定して生産することができる。許容ＴＰ幅は、好ましくは２００以上、さらに好ましくは３００以上、さらに好ましくは４００以上である。
　結果を図２～図１１、及び表２の「許容ＴＰ幅」の欄に示す。図２は、鋼種１における、焼戻しパラメータＴＰと降伏強度、引張強度、及び表層の硬度との関係を示す図である。同様に、図３～図１１はそれぞれ、鋼種２～１０における、焼戻しパラメータＴＰと降伏強度、引張強度、及び表層の硬度との関係を示す図である。
　図２～図１１、及び表２に示すように、本実施形態の規定する好適な条件を満たす鋼種１、鋼種２、及び鋼種１０は、鋼種３～９と比較して、許容ＴＰ幅が広かった。そのため、操業条件が多少変動しても、Ｘ８０グレードの強度と、２５０Ｈｖ以下の硬度とを両立することができる。したがって、鋼種１、鋼種２、及び鋼種１０は、上記の性能を有する高強度継目無鋼管を工業的に安定して生産することができる。
　以上、本発明の実施の形態を説明した。上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

Claims (5)

  1. 　化学組成が、質量％で、
    　Ｃ　：０．１０～０．１８％、
    　Ｓｉ：０．０３～１．０％、
    　Ｍｎ：０．５～２．０％、
    　Ｐ　：０．０２０％以下、
    　Ｓ　：０．００８０％以下、
    　Ｃｒ：０．１０～０．６０％、
    　Ｍｏ：０．１０～０．４０％、
    　Ｖ　：０．０２～０．４０％、
    　Ｔｉ：０．００４～０．０２０％、
    　Ｂ　：０．０００５～０．００５％、
    　Ａｌ：０．１０％以下、
    　Ｎ　：０．００８％以下、
    　Ｃａ：０．０００４～０．００４０％、
    　Ｃｕ：０．１～１．０％、
    　Ｎｉ：０．２～１．０％、
    　Ｎｂ：０～０．０５％、
    　残部：Ｆｅ及び不純物であり、
    　下記の式（１）を満たす、高強度継目無鋼管。
    　Ｃ＋Ｓｉ／３０＋（Ｍｎ＋Ｃｕ＋Ｃｒ）／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５×Ｂ≦０．２８　　　式（１）
    　式（１）の元素記号には、質量％で、対応する元素の含有量が代入される。
  2. 　請求項１に記載の高強度継目無鋼管であって、
    　前記化学組成が、質量％で、
    　Ｎｂ：０．００５～０．０５％、
    　を含有する、高強度継目無鋼管。
  3. 　請求項１又は２に記載の高強度継目無鋼管であって、
    　３０ｍｍ以上の肉厚を有し、
    　５５５ＭＰａ以上の降伏強度と、６２５ＭＰａ以上の引張強度とを有し、
    　表層の硬度が２５０Ｈｖ以下である、高強度継目無鋼管。
  4. 　請求項１～３のいずれか一項に記載の高強度継目無鋼管であって、
    　管軸方向に垂直な断面における硬度ばらつきが１５Ｈｖ以下である、高強度継目無鋼管。
  5. 　請求項１～４のいずれか一項に記載の高強度継目無鋼管からなるライザー。
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