JP2012509398A - 特殊な特性を有する鋼管を製造する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、鋼から成る管を製造する方法及び装置に関する。本発明により、最後の前記成形の後の最大２０秒の時間内に、７００℃〜１０５０℃の温度で、前記管の通過中に該管の外周表面全体に、該管の管壁の肉厚の４００倍以上の長さにわたって、冷却媒体を、高められた圧力及び所定の量で塗布し、該冷却媒体の前記所定の量により、前記急冷に際して、前記管の壁における１℃／秒以上の、前記管の前記長さにわたる同一の冷却速度で、５００℃〜２５０℃の範囲の温度に低下させ、次いで前記管を空気中で引き続き室温に冷却する。

Description

本発明は、材料の高められた強度及び改善された靱性を有する鋼から成る管を製造する方法に関する。

更に本発明は、特殊な特性分布を有する管を製造する装置であって、管表面に冷却媒体を塗布する装置から成っている形式のものに関する。

シームレス鋼管の製造においては、管壁の材料の特性は局所的に、またロット毎に著しく異なっている。このような特性差は、一般的に不均一な組成構造や不適切な鋼組成、或いは添加物及び不純物の高い割合に起因するものである。

高負荷を受ける管は、要求に適していて管長さ及び管壁横断面にわたって均一な組成構造、並びに有害物質のない材料成分により形成されねばならない。

７メートル(ｍ)以上の長さ、２００ミリメートル(mm)以下の直径及び２５ミリメートル(mm)以下の肉厚を有する管には、管体積全体にわたって所望の構造を有する均一な微細組織を形成しかつ長手方向（軸線）に対して垂直な方向の反りを小さくできるような熱処理が困難である。

従来の公知の方法においては、管は、その軸線を中心として回転させられながら、外周面及び／又は内周面を冷却されている。このような熱処理法は、管壁の均質な微細構造を得るために、管長さにわたって材料のほぼ同一の高い温度を前提条件とするものである。

本発明の課題は、管の熱間成形、特に引張り成形に際して、成形に続いて管材料の強度を増大しかつ靱性を向上させる処理が行われる方法を提供することである。

更に本発明の課題は、管の製造のための装置を提供し、該装置によって、管の熱間成形の後に、該管が、管全長にわたって所望の特性分布で形成されるようにすることである。

前記課題を解決するために、本発明に基づく方法の構成によれば、管の熱間成形の直後、特に引張り成形の直後の急冷に際して、熱間成形若しくは引張り成形における最後の成形工程の後の最大２０秒の時間内に、前記管の７００℃以上で１０５０℃以下の温度において、通過する該管の外周表面全体に、該管の管壁の肉厚の４００倍以上の長さにわたって、冷却媒体を、所定の圧力及び所定の量で塗布し、該冷却媒体の前記所定の量により、急冷に際して、前記管の前記温度を管壁における１℃／秒以上の、前記管の前記長さにわたる同一の冷却速度で、５００℃〜２５０℃の範囲の温度に移し、次いで前記管は空気中で引き続き室温に冷却され、つまり放冷される。

本発明に基づく方法において、特に高い均一な機械的特性値、特に靱性値を得るために、１つの形態によれば、管の外周表面への急冷の開始は、９５０℃以下の温度で行われる。

焼き戻し処理の組み込みのために、本発明の有利な形態によれば、急冷の後に、管の空気中での引き続く冷却に際して、管壁の表面領域の意図的な再加熱が行われる。

管品質の最適化のため、若しくは管材料の品質の向上のために、本発明の別の形態によれば、各合金材料及び添加物若しくは不純物の、次に述べる重量％の成分割合を有する前記鋼が用いられ、つまり、
炭素（Ｃ） ０．０３〜０．５、
ケイ素（Ｓｉ） ０．１５〜０．６５、
マンガン（Ｍｎ） ０．５ 〜２．０、
リン（Ｐ） 最大０．０３、
硫黄（Ｓ） 最大０．０３、
クロム（Ｃｒ） 最大１．５、
ニッケル（Ｎｉ） 最大１．０、
銅（Ｃｕ） 最大０．３、
アルミニウム（Ａｌ） ０．０１〜０．０９、
チタン（Ｔｉ） 最大０．０５、
モリブデン（Ｍｏ） 最大０．８、
バナジウム（Ｖ） ０．０２〜０．２、
スズ（Ｓｎ） 最大０．０８、
窒素（Ｎ） 最大０．０４、
ニオブ（Ｎｂ） 最大０．０８、
鉄（Ｆｅ） 残りの全量である。

本発明に基づく方法を、７ｍ〜２００ｍの長さ、２０ｍｍ〜２００ｍｍの外径及び２．０ｍｍ〜２５ｍｍの肉厚を有する継ぎ目なしの管（シームレスパイプ）の製造に用いることにより、利点として管の高い質に基づき備蓄を削減し、管の破損、ひいては修理コストを最小限にすることができる。

炭素含有量の制限される場合に、管の均質性を高めるために、有利な実施の形態によれば、鋼は、次に述べる重量％の割合の少なくとも１つの成分、つまり、
炭素（Ｃ） ０．０５〜０．３５、
リン（Ｐ） 最大０．０１５、
硫黄（Ｓ） 最大０．００５、
クロム（Ｃｒ） 最大１．０、
チタン（Ｔｉ） 最大０．０２を含んでいる。

前記別の課題を解決するために、本発明によれば、材料の増大された強度及び改善された靱性を有する鋼から成る管を、該管の成形直後の急冷により製造するための装置であって、該装置は、冷却媒体を前記管の表面に塗布する装置から成っている形式のものにおいて、管の圧延方向で最後の成形スタンド若しくは延伸用ロールスタンドの後に、切換可能若しくは制御可能な通過式冷却区域を設けてあり、該通過式冷却区域は、圧延成形された前記管に対して同心的にかつ該通過式冷却区域の長手方向（縦軸方向、つまり冷却すべき管の通過方向）で種々の位置に位置決め可能な冷却媒体用の複数の分配リングを有しており、該各分配リングは、実質的に分配リング若しくは管の軸線に向けられた少なくとも各３つのノズルを備えており、前記各分配リングは若しくは該分配リングの各グループは、前記冷却媒体を該冷却媒体の流量制御に基づき供給されるようになっている。

本発明に基づく装置により、種々の大きな長さ寸法、種々の直径及び肉厚の管を、圧延温度から意図的な熱処理を有利に施すことができ、管長さにわたって均一な所望の組織構造を得ることができる。

管の円周方向でも長手方向（軸線方向）でも管壁の組織の均一性を向上させるために、有利な形態によれば、各ノズルは、それぞれ、スプレー方向へ角錐状に広がる１つの冷却媒体流、つまり、スプレー方向に末広がりの角錐状の１つの冷却媒体流を形成するようになっている。

冷却媒体流は、冷却媒体、例えば水の噴流として、且つ又は冷却媒体と空気との噴霧流として、且つ又はガス流若しくは空気流として形成されるようになっている。

管の高い品質若しくは均一性を効果的に得るために、別の実施の形態によれば、冷却媒体流は、長方形の横断面を有しており、該横断面の長方形の長手方向の軸（長方形の長辺に平行な仮想の軸線）は、管の軸線に対して斜めに向けられている。本発明にとって、通過式冷却区域における冷却媒体流の供給の制御、つまり供給の開始時点及び終了時点の制御若しくは供給媒体流用の弁の切り換え、及び冷却媒体流の流量の調整も重要である。

本発明の１つの形態によれば、通過式冷却区域への冷却媒体の供給は、通過式冷却区域内における管の端部の位置に依存して制御されるようになっており、このような構成により、通過式冷却区域内を水平に通過する管の内部への冷却媒体の侵入が避けられ、その結果、管の内壁面の、管の横断面で見て片側だけを冷却するようなことが避けられ、従って、管の反れ並びに不均一な組織の発生が避けられる。

本発明の有利な形態によれば、管冷却のための調整は、冷却媒体流の制御のための位置センサー及び温度センサーを用いて行われるようになっている。

次に本発明を実施の形態に基づき詳細に説明する。

サンプルＰ１の組織を示す図である。 サンプルＰ２の組織を示す図である。 サンプルＰ３の組織を示す図である。 サンプルＰ４の組織を示す図である。 サンプルの各測定値を示す棒グラフを示す図である。 サンプル管の管長さにわたる硬度値を示す図である。 材料の断面の硬度推移を示す図である。

実施の形態１：

上記表に示す重量％の配合物から成る同じ母溶融液の管素材から、最終的に引張り成形により、次の寸法を有する管が成形される。
管長さ（圧延長さ）（Ｌ） １９３００．００ｍｍ
管直径（φ） １４６．００ｍｍ
管肉厚 ９．７０ｍｍ

最後のステップ又はパスの後に、或いは引張り成形設備の排出スタンドにおける最終加工の後に、管は、１２秒の時間経過の後に８８０℃の温度で通過式冷却区域内へ移される。

鋼の所定の変態を前提条件として、管製造の際の各ロットの検査に基づき、冷却媒体流が管外周表面にのみ作用させられ、この場合に、約６℃／秒の冷却速度が、冷却媒体流の調整により次の最終温度に対応して設定される：
温度 サンプルの識別記号
Ｔ１＝８５０℃ Ｐ１
Ｔ２＝４８０℃ Ｐ２
Ｔ３＝３８０℃ Ｐ３
Ｔ４＝３００℃ Ｐ４

上記設定された冷却・最終温度の達成の後に、冷却媒体供給は中断され、管は引き続き、停滞している空気によって低速で室温まで冷却される。

互いに異なって熱処理された管から、識別記号Ｐ１〜Ｐ４の付けられた各サンプルが取り出されて、材料検査が行われた。

組織構造の観察により、網目構造ではない、しかしながら冷却・最終温度に依存する粒径及び結晶粒分布の有利には同方向に向いた組織が認められる。

図１は、サンプルＰ１の組織を示しており、割合の高いフェライトの粒径は２０μｍ〜３０μｍであり、他の組織成分は、実質的にパーライトである。

図２では、サンプルＰ２の平均的に約５μｍ〜８μｍである極めて小さい粒径が認められ、これは、Ｔ２＝４８０℃の低い冷却・最終温度に対応するものである。更に明らかなように、フェライトに囲まれたパーライトは、より微細に形成されており、パーライトの割合はわずかに増大している。

図３から明らかなように、サンプルＰ３の材料は、組織の変態及びＴ３＝３８０℃の冷却・最終温度における再結晶により得られる高い粒子数によって規定される微粒子、及び著しく均質に分布して強度の高められたフェライト領域を有している。

サンプルＰ４である管壁の、成形の後に冷却・最終温度のＴ４＝３００℃に急冷されて形成される組織が、図４に示してある。極めて微細で狭い球状晶子状のフェライト相は、微細な層状パーライト及び中間的な成分の下部ベイナイト領域と一緒に、強度の値を増大し、靱性を向上させるものである。

鉄ベースの材料から成る管の熱間成形直後の１℃／秒以上の冷却速度での管壁の冷却の場合に、オーステナイト組織は、平衡状態に関連して過冷却により形成され、過冷却及び核状態の程度に応じて組織変態が生じる。本発明に基づく方法を用いることにより、管の全長及び横断面にわたって均一な所望の組織構造を有利に得ることができ、該組織構造は材料特性を決定するものである。管に基本的な材料特性を必要とする場合に、成分の選択が重要である。材料の所望の有利な特性分布を、本発明に基づく装置において本発明に基づく方法を実施することにより達成することができる。

図５は、サンプルＰ１〜Ｐ４の測定値である伸び限界(Rp)(0.2)[MPa]、引張り強さ(Rm)[MPa]、収縮率(Ac)[%]、及び靱性(KV450)[J]を棒グラフで示しており、これらの測定値は、熱処理技術における種々の冷却パラメータにより得られる機械的な特性値に依存するものである。

同一の鋼組成において、引張り成形に際して管壁の材料の伸び限界は、本発明に基づく方法により、４２４[MPa]から８９１[MPa]に増大しており、収縮率は、２６[%]から１０[%]に減少しており、材料靱性は１７０[J]から１６０[J]に減少している。

高い冷却最終温度の場合（これは、例えばサンプル材料Ｐ１に当てはまる）には、再結晶及び大きな粒子形成の割合が大きく、材料の靱性及び収縮率は高く、しかしながら強度は小さくなっている。

更に低い変態温度への冷却により、サンプルＰ２，Ｐ３，Ｐ４で示してあるように、管壁の強度は増大し、材料の収縮率及び靱性はわずかに減少している。

本発明に基づく方法により、材料の所望の組織構造を形成して、管壁の所望の特性分布を得ることができる。例えばサンプル管Ｐ４において、低い変態温度によって下部ベイナイト構造への変態を達成し、これにより材料の靱性の増大を可能にすることができる。

図６は、実験用管Ｐ１及びＰ４の管長さにわたる測定された硬度値を示している。冷却媒体を強烈に塗布した材料の硬度[HRB]及び強度の値の増大に伴って、管長さにわたる材料硬度のばらつきＳは減少している。

図７には、材料の硬度推移が、四分円において実験用管Ｐ２の管壁厚さにわたって示してある。４つの四分円Ｑ１〜Ｑ４の測定結果は、離間する４つの測定点における各四分円において管壁の外側領域、中間領域及び内側領域の平均値で表されている。管壁の横断面にわたる、各四分円の硬度値を互いに比較することにより明らかなように、材料強度の差はわずかであり、これによって、本発明に基づく方法及び装置を用いることにより得られる製品品質が示されている。

Claims (10)

1. 材料の増大された強度及び改善された靱性を有する鋼から成る管を、熱間成形の直後、特に引張り成形の直後の急冷により製造する方法において、最後の前記成形の後の最大２０秒の時間内に、７００℃〜１０５０℃の温度で、前記管の通過中に該管の外周表面全体に、該管の管壁の肉厚の４００倍以上の長さにわたって、冷却媒体を、高められた圧力及び所定の量で塗布し、該冷却媒体の前記所定の量により、前記急冷に際して、前記管の壁における１℃／秒以上の、前記管の前記長さにわたる同一の冷却速度で、５００℃〜２５０℃の範囲の温度に低下させ、次いで前記管を空気中で引き続き室温に冷却することを特徴とする、特殊な特性を有する鋼から成る管を製造する方法。
2. 前記管の外周表面への前記急冷の開始を、９５０℃以下の温度で行う請求項１に記載の方法。
3. 前記急冷の後に、前記管の前記空気中での引き続く冷却に際して、前記管壁を意図的に再加熱する請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記管の製造のために、
   炭素（Ｃ） ０．０３〜０．５、
   ケイ素（Ｓｉ） ０．１５〜０．６５、
   マンガン（Ｍｎ） ０．５ 〜２．０、
   リン（Ｐ） 最大０．０３、
   硫黄（Ｓ） 最大０．０３、
   クロム（Ｃｒ） 最大１．５、
   ニッケル（Ｎｉ） 最大１．０、
   銅（Ｃｕ） 最大０．３、
   アルミニウム（Ａｌ） ０．０１〜０．０９、
   チタン（Ｔｉ） 最大０．０５、
   モリブデン（Ｍｏ） 最大０．８、
   バナジウム（Ｖ） ０．０２〜０．２、
   スズ（Ｓｎ） 最大０．０８、
   窒素（Ｎ） 最大０．０４、
   ニオブ（Ｎｂ） 最大０．０８、
   カルシウム（Ｃａ） 最大０．００５、
   鉄（Ｆｅ） 残りの全量
   の各合金材料及び添加物若しくは不純物の重量％の成分割合を有する前記鋼が用いられる請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記管を、７ｍ〜２００ｍの長さ、２０ｍｍ〜２００ｍｍの外径及び２．０ｍｍ〜２５ｍｍの肉厚を有する油田用管として製造する請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記管の製造のための前記鋼は、
   炭素（Ｃ） ０．０５〜０．３５、
   リン（Ｐ） 最大０．０１５、
   硫黄（Ｓ） 最大０．００５、
   クロム（Ｃｒ） 最大１．０、
   チタン（Ｔｉ） 最大０．０２
   の重量％の割合の少なくとも１つの成分を含んでいる請求項４に記載の方法。
7. 材料の増大された強度及び改善された靱性を有する鋼から成る管を、該管の成形の直後、特に引張り成形による該管の形状付与の直後の急冷により製造するための装置であって、該装置は、冷却媒体を前記管の表面に塗布する装置から成っている形式のものにおいて、圧延方向で最後の成形スタンドの後に、切換可能な通過式冷却区域を設けてあり、該通過式冷却区域は、圧延成形された前記管に対して同心的にかつ該通過式冷却区域の長手方向で種々の位置に位置決め可能な冷却媒体用の複数の分配リングを有しており、該各分配リングは、前記軸線に向けられた少なくとも各３つのノズルを備えており、前記各分配リングは若しくは該分配リングの各グループは、前記冷却媒体を該冷却媒体の流量制御に基づき供給されるようになっていることを特徴とする、鋼から成る管の製造のための装置。
8. 前記各ノズルは、それぞれ、スプレー方向で角錐状に広がる冷却媒体流を形成するようになっている請求項７に記載の装置。
9. 前記冷却媒体流は、長方形の横断面を有しており、該横断面の長方形の長手方向の軸は、前記管の軸線に対して斜めに向けられている請求項８に記載の装置。
10. 前記通過式冷却区域への前記冷却媒体の供給は、該通過式冷却区域内における前記管の端部の位置に依存して制御されるようになっている請求項７に記載の装置。

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