JP5796370B2 - 電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉電縫鋼管 - Google Patents

Description

本発明は、電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉電縫鋼管に関し、詳しくは、電縫溶接鋼管のシーム部の酸化物単独及び集団の相等円直径を規定することにより、シーム部を起点とする水素誘起割れ（ＨＩC）を抑制した、電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉電縫鋼管に関する。
ここで、「耐サワー特性に優れた」とは、電縫溶接部を含む試験片をＮＡＣＥ規定のsolutionＡ溶液に２５℃で９６時間浸漬するＨＩＣ試験に供し、該試験後、電縫溶接部の溶接シーム面に垂直に超音波探傷を行って測定した板厚方向割れ率（ＣＴＲ）が１．５％未満であることを意味する。又、「高強度」とはＡＰＩ（American Petroleum Institute）規格グレードＸ６５以上の強度を意味し、「厚肉」とは肉厚が１０ｍｍ以上であることを意味する。

高強度厚肉ラインパイプ向け電縫鋼管では、従来、溶接部品質向上の観点から、経験に頼った入熱調整やＶシェイプ角度調整などが行われてきた。これらにより、定性的には、高入熱、Ｖシェイプ角度の適正化（おおよそ２〜３度）により、溶接部品質の向上がなされてきた。しかし、このような経験に頼った調整では、必ずしも１００％の耐サワー性能保証がなされることはなく、時に著しくＨＩＣ（水素誘起割れ）発生が認められ、これを抑制することができていなかった。

一方、転炉で溶製し出鋼した溶鋼を真空脱ガス及び/又はＭｎ，Ｓｉ脱酸にて溶鋼中の酸素を２５０ｐｐｍ以下とし、次いで合金組成がＴｉ：１０〜７０重量%、残部：Ｆｅ，Ｍｎ，Ｓｉのうち１種又は２種以上及び不可避的不純物である合金を溶鋼に添加して、特定の鋼組成とした鋼を連続鋳造する耐サワー性の優れた高靭性電縫鋼管用鋼の製造方法が公知である（特許文献１参照）。これにより、鋼中にＴｉ酸化物が主成分で粒径が２００μｍ以下の酸化物系介在物のみを含有せしめ、以て電縫溶接部の耐サワー性を向上できるとしている。

特許第３２９３０２４号公報

上述した従来の定性的な溶接条件管理による電縫鋼管製造方法では、いまだ安定して優れた耐サワー特性を示す製品が得られるまでには至っていない。又、特許文献１の方法は、Ｔｉ含有鋼に限定され適用範囲が狭い憂いがある。これらの点が課題であった。
本発明は、上記課題を解決し、Ｔｉ含有の有無にかかわらず、ＮＡＣＥ規定のＨＩＣ試験において電縫溶接部に水素誘起割れが発生しない、電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉電縫鋼管を提供することを目的とする。

発明者らは、ＡＰＩ規格Ｘ６５，Ｘ７０グレードの高強度厚肉ラインパイプ向け電縫鋼管のＴｉ含有材とＴｉ非含有材とについて電縫溶接の入熱条件及び被溶接端面形状条件を種々変更した電縫溶接実験を行い、電縫溶接部に残存した酸化物の形態（ＳＥＭ観察による）と電縫溶接部の耐サワー特性（上記ＮＡＣＥ規定のＨＩＣ試験成績）との関係を詳細に調査した。

その結果、Ｔｉの有無によらず、電縫溶接部において、図１に示すように、酸化物１の個々の相等円直径が２０μｍ以下であり、且つ、複数の酸化物が最隣接間隔１００μｍ以下（但し、0μｍ超である）で寄り集まった集団であるクラスター２の相等円直径が３００μｍ以下である場合に限り、水素誘起割れが発生しないという知見を得て、本発明をなした。ここで、相等円直径とは、断面図において対象の図形と同一面積を有する円の直径である。対象が前記クラスターである場合、該クラスターの図形は、図１に示すとおり、前記酸化物の集団の最外接線３で囲まれた図形である。

即ち本発明は、以下の通りである。
（１）質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：０．００５〜０．９％、Ｍｎ：０．２〜１．３％、Ｐ：０．０１％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．１％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有し、電縫溶接部中の酸化物の個々の相等円直径が２０μｍ以下であり、且つ前記酸化物の複数個が最隣接間隔１００μｍ以下で寄り集まった集団であるクラスターの相等円直径が３００μｍ以下であり、前記電縫溶接部のＣＴＲ値が１．５％未満であることを特徴とする、板厚が１０ｍｍ以上で強度がＡＰＩ規格グレードＸ６５以上の電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉電縫鋼管。
（２）質量％で、Ｃｕ：０．５％以下、Ｎｉ：０．５％以下の中から選ばれる１種または２種を含有することを特徴とする上記（１）に記載の電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉電縫鋼管。
（３）質量％で、Ｃｒ：３．０％以下、Ｍｏ：２．０％以下の中から選ばれる１種または２種を含有することを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉電縫鋼管。
（４）質量％で、Ｎｂ：０．１％以下、Ｖ：０．１％以下、Ｔｉ：０．１％以下の中から選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１つに記載の電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉電縫鋼管。
（５）質量％で、Ｃａ：０．００５％以下を含有することを特徴とする上記（１）〜（４）の何れか１つに記載の電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉電縫鋼管。

本発明の高強度厚肉電縫鋼管は、ＮＡＣＥ規定のＨＩＣ試験で電縫溶接部に水素誘起割れを発生しないので、より広い組成範囲で電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉ラインパイプ向け電縫鋼管を提供できる。

本発明の酸化物形態要件の説明図である。

[酸化物形態要件]
まず、本発明の酸化物形態要件について説明する。
発明者らの知見によれば、電縫溶接時に被溶接端面が酸化されて酸化物が生成するが、生成した酸化物は衝合圧接により押し出される溶鋼の流れに沿って排出される。このとき、全ての酸化物が排出されるのは困難で、一部が電縫溶接部中に残存するが、残存する酸化物の個々の相等円直径が２０μｍを超えるとその酸化物の個々がＨＩＣの起点となりうる。よって、電縫溶接部中の酸化物の個々の相等円直径が２０μｍ以下である事に限定した。

又、電縫溶接部中に残存する酸化物は、不特定範囲に分散して存在する。分散した複数の酸化物が再隣接間隔１００μｍ以下で寄り集まった集団は、あたかも１個の酸化物であるかのように振る舞い、ＨＩＣの発生起点となる場合がある。この集団をクラスターと定義し、クラスターがＨＩＣの起点となる条件を上記電縫溶接実験で求めたところ、図１に示したように、クラスター２をなす酸化物１の集団の最外接線３で囲まれた領域の相等円直径（即ちクラスターの相等円直径）が３００μｍ以下であれば、クラスターはＨＩＣの起点とならないことが分った。よって、クラスターの相等円直径が３００μｍ以下である事に限定した。

ところで、肉厚１０ｍｍ以上を「厚肉」として限定要件としたのは、肉厚１０ｍｍ未満の場合、ＨＩＣの影響が小さいためである。尤も、肉厚１１．９ｍｍ未満ではＨＩＣ感受性が比較的小さく本発明のＨＩＣ抑制効果が目立たないため、本発明においては肉厚１１．９ｍｍ以上が好ましい。
又、ＡＰＩ規格グレードＸ６５以上を「高強度」として限定要件としたのは、Ｘ６５未満の低グレードの場合、ＨＩＣ割れ感受性が低く、実用上問題なく耐サワー材が製造できているためである。

[製造プロセス]
本発明に係る電縫鋼管は、基本的に、初期形状が帯板状である管素材を管状に成形し、形成したＶシェイプの縁（帯幅端部に相当）同士を衝合して電縫溶接するというプロセスで造管され、造管ままの段階では、通常、管長さ方向の何処かの部位に相等円直径２０μｍ超の酸化物又は相等円直径３００μｍ超のクラスターが存在する。これらの酸化物及びクラスターの存在確率は、溶接入熱条件、アプセット条件、被溶接端部開先形状条件等を調整することでかなりの程度まで減少させることが可能であるが、ゼロにするのは難しい。

そこで、電縫溶接後の検査工程において、特許第４５４４２４０号公報に記載の「管体の超音波探傷装置および超音波探傷方法」を用いた超音波探傷を行って、相等円直径２０μｍ超の酸化物、又は相等円直径３００μｍ超のクラスターが存在する管長さ方向部位を検出し、該検出した部位を切断除去して残りを製品管とする。これにより、製品管全長にわたって上記酸化物形態要件を満足する電縫鋼管が得られる。
[化学組成]
本発明に係る電縫鋼管において、化学組成（略して組成）は、ラインパイプ敷設時の総合的な低コスト化を考慮し、特に鋼管の輸送費低下を重要視している顧客の要求を考慮し、高強度（ＡＰＩ規格Ｘ６５級以上）を達成可能な組成を基本として設計された。個々の成分についての好適範囲限定理由を以下に述べる。組成の各成分含有量単位は質量％であり、％と略記される。母材部の組成は、管素材の溶製段階で調整される。溶接部の組成は、電縫溶接プロセスが合金元素の添加を伴わないものであるから、母材部の組成とほとんど変わらない。
（Ｃ：０．０１〜０．１５％） Ｃは炭化物として析出強化に寄与する元素であるが、０．０１％未満では十分な強度が確保できず、一方、０．１５％を超えるとパーライト、マルテンサイト等の第二相の組織分率が増加し必要な耐サワー特性の確保が困難となる。このため、Ｃ：０．０１〜０．１５％とする。なお、より好ましくは、Ｃ：０．０２〜０．０７％である。
（Ｓｉ：０．００５〜０．９％） Ｓｉは脱酸のため添加するが、０．００５％未満では脱酸効果が十分でなく、一方、０．９％を超えると電縫溶接性を著しく劣化させるため、Ｓｉ：０．００５〜０．９％とする。
（Ｍｎ：０．２〜１．３％） Ｍｎは強度、靭性を確保するため添加するが、０．２％未満ではその効果が十分でなく、一方、１．３％を超えると第二相分率が増加し、優れた耐サワー特性を確保し難いため、Ｍｎ：０．２〜１．３％とする。
（Ｐ：０．０１％以下） Ｐは電縫溶接性を劣化させる元素であるが、０．０１％以下であれば問題ないため、Ｐ：０．０１％以下とする。
（Ｓ：０．０１％以下） Ｓは一般的には鋼中においてはＭｎＳ介在物となり、ＨＩＣの起点となるため少ないほどよい。尤も０．０１％以下であれば問題ないため、Ｓ：０．０１％以下とする。
（Ａｌ：０．１％以下） Ａｌは脱酸剤として添加されるが、０．１％を超えると鋼の清浄度が低下し、靭性を劣化させるため、Ａｌ：０．１％以下とする。

又、電縫鋼管の強度、耐サワー特性等をさらに改善する目的で、上記成分に加えてさらに、Ｃｕ：０．５％以下、Ｎｉ：０．５％以下の中から選ばれる１種または２種、Ｃｒ：３．０％以下、Ｍｏ：２．０％以下の中から選ばれる１種または２種、Ｎｂ：０．１％以下、Ｖ：０．１％以下、Ｔｉ：０．１％以下の中から選ばれる１種または２種以上、Ｃａ：０．００５％以下、を選択して含有できる。
（Ｃｕ：０．５％以下） Ｃｕは表層被膜生成による耐サワー特性の改善に有効であるが、０．５％を超えると管素材の製造性に問題が生じるため、Ｃｕ：０．５％以下とする。
（Ｎｉ：０．５％以下） Ｎｉは靭性の改善と強度の上昇に有効な元素であるが、０．５％を超えると硬化第二相が生成し易くなり、ＨＩＣ特性の劣化に繋がるため、Ｎｉ：０．５％以下とする。
（Ｃｒ：３．０％以下） ＣｒはＭｎと同様に低Ｃでも十分な強度を得るために有効な元素であるが、３．０％を超えると第二相が生成し易くなり、ＨＩＣ特性を劣化させるため、Ｃｒ：３．０％以下とする。
（Ｍｏ：２．０％以下） ＭｏはＭｎ，Ｃｒと同様に低Ｃでも十分な強度を得るために有効な元素であるが、２．０％を超えると第二相が生成しやすくなり、ＨＩＣ特性を劣化させるため、Ｍｏ：２．０％以下とする。
（Ｎｂ：０．１％以下） Ｎｂは炭窒化物の微細析出と組織の微細粒化により強度と靭性を向上させるが、０．１％を超えると硬化した第二相が増加しやすくなり、ＨＩＣ特性を著しく劣化させるため、Ｎｂ：０．１％以下とする。
（Ｖ：０．１％以下） ＶもＮｂと同様に炭窒化物の微細析出により強度上昇に寄与するが、０．１％を超えるとＮｂと同様に硬化した第二相分率が増加し、ＨＩＣ特性が著しく劣化するため、Ｖ：０．１％以下とする。
（Ｔｉ：０．１％以下） ＴｉもＮｂ，Ｖと同様に炭窒化物の微細析出により強度上昇に寄与するが、０．１％を超えるとＮｂと同様に硬化した第二相分率が増加し、ＨＩＣ特性が著しく劣化するため、Ｔｉ：０．１％以下とする。
（Ｃａ：０．００５％以下） Ｃａは、ＨＩＣの起点となり易い伸長したＭｎＳの形態制御に必要な元素であるが、０．００５％を超えて添加すると過剰なＣａ酸化物、硫化物が生成し、靭性劣化に繋がるため、Ｃａ：０．００５％以下とする。

上記成分を除いた残部はＦｅ及び不可避的不純物である。不可避的不純物（Ｏやその他）は極力少量とすることが好ましい。

表１に組成、板厚、ＹＳ，ＴＳを示す帯鋼（Ａ〜Ｉ）を管素材に用い、溶接入熱条件、被溶接端部開先条件等を種々変化させて電縫溶接を行い、表２に外径、強度グレードを示す電縫鋼管を製造した。いずれの帯鋼も、鋼片を熱間圧延にて所定の板厚に圧延したのち、巻き取ってホットコイルにするという方法で製造された。
製造した電縫鋼管の電縫溶接部の耐サワー特性を、次のＨＩＣ試験により測定した板厚方向割れ率（ＣＴＲ）で評価し、溶接部のＣＴＲが１．５％未満であれば耐サワー特性は合格（○）、そうでなければ不合格（×）とした。
[ＨＩＣ試験]
（試験片） 電縫溶接部中心位置（溶接シーム面の位置）を試験片幅方向中心にとった幅２０ｍｍ、長さ（管長さ方向）１００ｍｍの全厚試験片である。
（試験方法） ＮＡＣＥ規定のsolutionＡ溶液を用い、２５℃で９６時間浸漬した後、溶接シーム面に垂直に超音波探傷を行い、ＣＴＲを測定した。

又、電縫溶接部中の酸化物形態を次の方法で調査した。
[酸化物形態調査方法]
溶接シーム面を被観察面として、ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）で、倍率を１００〜１０００倍、視野数を１０視野以上にとって観察し、存在した酸化物の個々の相等円直径及びクラスターの相等円直径を測定した。

これらの測定結果を表２に示す。表２中の各鋼管ごとの酸化物とクラスターの相等円直径の値はそれぞれ測定データの最大値である。
表２より、本発明例は何れも優れた耐サワー特性を示して合格であるのに対し、比較例は、酸化物及び/又はクラスターの相等円直径が本発明範囲を逸脱し、不合格である。

１ 酸化物
２ クラスター
３ 最外接線

Claims (5)

1. 質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：０．００５〜０．９％、Ｍｎ：０．２〜１．３％、Ｐ：０．０１％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．１％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有し、電縫溶接部中の酸化物の個々の相等円直径が２０μｍ以下であり、且つ前記酸化物の複数個が最隣接間隔１００μｍ以下で寄り集まった集団であるクラスターの相等円直径が３００μｍ以下であり、前記電縫溶接部のＣＴＲ値が１．５％未満であることを特徴とする、板厚が１０ｍｍ以上で強度がＡＰＩ規格グレードＸ６５以上の電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉電縫鋼管。
2. 質量％で、Ｃｕ：０．５％以下、Ｎｉ：０．５％以下の中から選ばれる１種または２種を含有することを特徴とする請求項１に記載の電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉電縫鋼管。
3. 質量％で、Ｃｒ：３．０％以下、Ｍｏ：２．０％以下の中から選ばれる１種または２種を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉電縫鋼管。
4. 質量％で、Ｎｂ：０．１％以下、Ｖ：０．１％以下、Ｔｉ：０．１％以下の中から選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１つに記載の電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉電縫鋼管。
5. 質量％で、Ｃａ：０．００５％以下を含有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１つに記載の電縫溶接部の耐サワー特性に優れた高強度厚肉電縫鋼管。

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